Préparation du substrat de silicium

La croissance de l'AlN se fait sur la surface reconstruite (7×7) du silicium (111) (Fig.II.10b).

La "(7×7)" a été au centre de nombreuses études [79] et de nombreux procédés ont déjà été éla-borés pour l'obtenir. Elle s'obtient soit par chauage direct à très haute température (1200^◦C) en faisant passer un courant à travers l'échantillon et à l'aide de "ashs" thermiques successifs. Cette méthode a l'avantage de retirer l'oxyde et les défauts présents sur la surface de silicium en un temps très court, ce qui évite l'augmentation de la pression dans l'enceinte UHV. Le désavantage de cette technique est l'utilisation de palette spécique incompatible avec le bâti de croissance.

L'autre méthode, que nous avons utilisée, s'eectue par chauage radiatif. Cette technique né-cessite plusieurs préparations ex-situ du silicium avant sa xation au porte-échantillon et son introduction sous ultra-vide :

Étape 1 : Premier nettoyage du substrat de silicium

Les échantillons de silicium présentent initialement un oxyde natif en surface. Cette couche d'oxyde de qualité médiocre doit être éliminée à l'aide d'une solution d'acide uorhydrique dilué à 1 %(HF 1 %) avant la xation au porte-échantillon. Une fois plongé dans l'acide, le silicium devient complètement hydrophobe, signe qu'il ne reste plus d'oxyde en surface. L'échantillon est ensuite rincé quelques secondes à l'eau dé-ionisée pour retirer les ions F⁻ puis est immergé et stocké dans de l'isopropanol pour le protéger de toute contamination avant l'étape suivante.

Étape 2 : Protection de la surface du substrat de silicium

Les méthodes et moyens utilisés au laboratoire pour nettoyer les échantillons de silicium sont bien loin de ceux employés dans l'industrie de la micro-électronique où tout est eectué de façon automatique à l'aide de machines extrêmement couteuses. Avant utilisation, les wafers doivent être découpés à la taille adéquate pour ensuite être xés au porte-échantillon, autant de manipulations qui multiplient les risques de contamination. D'autant que la simple manipulation d'un wafer à l'aide de pinces métalliques sut à ce que le silicium forme des liaisons chimiques avec les atomes de métal déposés, rendant impossible l'obtention de la (7×7). En comparaison, l'étape de xation de l'échantillon à la palette à l'aide de la soudeuse par point ressemblerait à un bombardement digne de la seconde guerre mondiale. Il est donc vital de protéger l'échantillon durant les diérentes étapes de préparation en faisant croître chimiquement une couche d'oxyde protectrice relativement propre, de quelques nanomètres d'épaisseur. Le procédé RCA¹ issu de la micro-électronique [80], a été utilisé pour réaliser cette couche d'oxyde. Il consiste à porter à 60^◦C une solution de 100 mL d'eau, de 20 mL d'ammoniaque et de 5 mL d'H2O2 et à y plonger l'échantillon pendant 5 minutes. Faute de moyen technologique adapté, il n'a pas été possible de déterminer l'épaisseur "h" de la couche d'oxyde ainsi créée. Nous ferons donc référence à cette épaisseur par la durée d'immersion dans le RCA qui est estimée à une dizaine de nanomètres d'après les études déjà menées :h_max ≡[t_RCA = 5min]. La deuxième fonction du procédé RCA est de nettoyer le silicium en faisant remonter sur la couche d'oxyde créée les éventuelles particules qui sont présentes sur le silicium. Il sera ainsi possible d'obtenir une surface relativement propre en désoxydant le silicium.

Étape 3 : Désoxydation chimique ou thermique

Il existe deux méthodes pour enlever la couche d'oxyde protectrice : par attaque chimique ou thermiquement sous UHV dans le bâti de croissance .

- La désoxydation chimique consiste à exposer le substrat de silicium à une solution chimique de HF 1 %de la même façon qu'à l'étape 1. Le temps nécessaire pour désoxyder complè-tement le silicium est d'environ 1 minute pour une exposition de 5 minutes dans le RCA.

1. RCA est le nom de la compagnie pour laquelle le procédé a été développé initialement en 1965 par Kern et Puotinen

En changeant le temps d'exposition au HF 1 %, il sera possible de contrôler l'épaisseur d'oxyde encore présente.

- La désoxydation thermique consiste à chauer l'échantillon à environ 800^◦C dans le bâti de croissance pendant une quinzaine de minutes pour une exposition de 5 minutes dans le RCA. La désoxydation se traduira sur le cliché RHEED par une augmentation de l'intensité des lignes de diraction et une diminution du fond dius. La gure II.10 présente un cliché RHEED d'une surface de silicium(111) suivant l'axe [110] avant désoxydation (Fig.

II.10a) et après désoxydation (Fig. II.10b). La désoxydation du silicium entraîne presque immédiatement l'apparition de la reconstruction (7×7).

Les résultats obtenus par ces deux méthodes se sont révélés très diérents. La qualité de la surface est grandement aectée en fonction du type de désoxydation utilisé, la désoxydation thermique orant de meilleurs résultats que la désoxydation chimique.

(a) (b)

Figure II.10 Clichés de diraction RHEED (15 keV) d'une surface de silicium(111) suivant l'axe [110] avant désoxydation (a) et après désoxydation (b) : la surface présente la reconstruction (7×7).

Étape 4 : Obtention de la (7×7) du Si(111)

La procédure pour obtenir la reconstruction (7×7) est de nos jours bien connue et parfaite-ment reproductible. Elle apparaît à haute température, lorsque le réarrangeparfaite-ment des atomes de surface produit la reconstruction (7×7) énergiquement favorable. Nous avons déterminé expéri-mentalement que l'épaisseur de la couche d'oxyde modie la température à laquelle apparaît la (7×7) sur le cliché RHEED. Plus l'épaisseur sera importante, plus la température requise sera élevée. Pour une surface complètement désoxydée ex-situ, elle apparaîtra àT7×7 '680^◦C. Pour une surface présentant une épaisseur de la couche d'oxyde correspondant à une immersion de 5 minutes du silicium dans la solution RCA, elle apparaîtra àT7×7 = 800 ^◦C. Il est important de diminuer la température de l'échantillon dès l'apparition des premières raies de la (7×7) pour éviter de dégrader la surface en augmentant sa rugosité par un recuit excessif.

II.2.3 Protocole de croissance de l'AlN sur Si(111)