Première appréciation de l’effet raidisseur : cas d’un polymère épais

Nous nous intérdessons dans un premier temps au transfert de silicium sur un polymère « épais » vitreux ou caoutchoutique, typiquement d’une épaisseur proche de 10 µm. Les ions bore et hydrogène sont implantés à une profondeur de 350 nm. Nous voulons ici apprécier l’effet raidisseur que peut induire une couche de polymère relativement épaisse.

3.2.1Polymère vitreux

Dans le cas du polymère vitreux (BCB), pour un assemblage en réticulation in-situ à 250 °C et un recuit de fracture à 300 °C un transfert partiel de silicium est observé sur le polymère. La Figure 132 montre l’état de surface des substrats récepteur et donneur observés par microscopie optique. Des îlots circulaires d’un diamètre d’environ 5 µm sont transférés sur le substrat récepteur. Le substrat donneur présente quant à lui un état de surface complémentaire avec la trace des îlots transférés. Le pourcentage de silicium transféré est d’environ 50 %.

substrat récepteur substrat donneur

Figure 132 : Observation par microscopie optique de la surface des substrats récepteur et donneur sur après recuit de fracture dans le cas d’une couche de BCB de 10 µm

Nous avons observé l’état de surface des substrats récepteur et donneur plus précisément par microscopie à force atomique comme montré en Figure 133. Il apparaît que les îlots transférés présentent un faciès de surface concave avec une flèche d’environ 20 nm. Le faciès du substrat donneur, au niveau des traces laissées par les îlots détachés, ne présente quant à lui aucune concavité ou convexité. Le rayon de courbure des îlots transférés est de l’ordre de 100 µm. Un calcul en loi d’échelle, pour une relaxation de contrainte thermique par courbure sur un bilame silicium-oxyde de silicium thermique, donne également un rayon de courbure de l’ordre de 100 µm (en considérant une oxydation à 1000 °C). La concavité des îlots semble donc être reliée à un effet de dilatation thermique.

substrat récepteur (scan 20 µm * 5 µm) substrat donneur (scan 20 µm * 10 µm)

Figure 133 : Observation par microscopie à force atomique de la surface des substrats récepteur et donneur sur après recuit de fracture dans le cas d’une couche de BCB de 10 µm

La Figure 134 présente un schéma en coupe du faciès de rupture déduit des observations par microscopie à force atomique. On observe, pour ce qui concerne les parties du substrat donneur où le transfert n’a pas eu lieu, une rupture entre le polymère et l’oxyde thermique de protection. D’autre part on remarque une légère déviation de la ligne de rupture au niveau de

Figure 134 : Schéma en coupe d’un transfert partiel dans le cas d’une couche de BCB épaisse

Dans le cas d’un polymère vitreux nous observons qu’un transfert partiel de silicium se produit. La rupture latérale des microfissures semble donc perturbée par la présence d’un polymère, beaucoup plus complaisant (module de Young de l’ordre du GPa) que du silicium (module de Young de l’ordre de 100 GPa), et semble impliquer un développement vertical de celles-ci. On remarquera que la proximité des îlots transférés semble indiquer un mécanisme de transfert avec un faible effet coopératif de ces îlots.

3.2.2Polymère caoutchoutique

Dans le cas du polymère caoutchoutique (PDMS), pour un assemblage en réticulation in-situ à 100 °C et un recuit de fracture à 220 °C nous n’observons aucun transfert de silicium. Le substrat support à été retiré mécaniquement laissant à nu le PDMS sur le substrat donneur afin d’en observer l’état de surface. La Figure 135 montre une observation par microscopie optique de celle-ci : un cloquage est observé, les microfissures sont visibles mais n’ont pas mené à une rupture latérale. Un gonflement vertical de ces microcavités n’autorise pas une rupture latérale. La dimension latérale des microfissures, de quelques micromètres, est comparable à celle observée pour un substrat donneur recuit sans raidisseur en surface comme montré en Figure 136. Cette comparaison indique un effet nul du PDMS sur le développement des microfissures. On peut remarquer qu’il n’y a pas d’exfoliation des cloques dans le cas du PDMS épais. La Figure 137 présente un schéma en coupe du phénomène de cloquage dans le cas d’une couche de PDMS épaisse.

contact substrats donneur et récepteur pas de contact substrats donneur et récepteur

Figure 135 : Observation par microscopie optique du substrat donneur après recuit de fracture, détaché mécaniquement au niveau de l’interface entre le PDMS et le substrat support dans le cas d’une couche de PDMS de 10 µm

Figure 136 : Observation par microscopie optique de la surface d’un substrat donneur après recuit de fracture dans le cas d’un transfert sans polymère

A gauche : le substrat donneur était en contact avec le substrat récepteur (une couche continue de silicium s’est détachée) A droite : le substrat donneur n’était pas en contact avec le substrat récepteur (un cloquage avec exfoliation est observé)

Figure 137 : Schéma en coupe d’un cloquage dans le cas d’une couche de PMDS épaisse

Dans le cas d’un polymère caoutchoutique nous observons un cloquage des microfissures ne permettant pas un transfert de silicium. La rupture latérale de ces microfissures n’est pas suffisante et similaire à une situation sans raidisseur. Le PDMS représente un milieu trop complaisant (module de Young de l’ordre du MPa), n’ayant pas ou peu d’effet sur le développement des microfissures.

Nous venons de voir que des polymères vitreux ou caoutchoutique, de par leur complaisance, ont des effets très différents sur le développement des microfissures impliquées dans le transfert par implantation et fracture. Pour une profondeur d’implantation de 350 nm, un polymère caoutchoutique n’a pas d’effet sur ce développement. Par contre un polymère vitreux semble induire une raideur plus forte, favorisant ainsi un développement latéral, et

réaliser un transfert total il semble donc opportun d’étudier plus en détail l’effet raidisseur lié à la couche à transférer.