FR2689912A1 - Procédé de réalisation d'un réseau de discontinuités à une ou deux dimensions à la surface d'un substrat cristallin ou dans une structure complexe comportant un tel substrat. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un réseau de discontinuités, à une ou deux dimensions, dans ou à la surface d'un substrat cristallin. Le procédé selon l'invention consiste à utiliser ou créer des zones favorables au développement de sources de dislocations dans ou à la surface d'un substrat, puis à activer des systèmes de cisaillement en soumettant le substrat à des champs de contraintes. Lorsqu'un ou deux champs de contraintes sont appliqués, on réalise respectivement un réseau de discontinuités à une ou deux dimensions. On obtient ainsi des réseaux dont chaque élément (fils ou boîtes) a soit deux, soit trois dimensions de l'ordre du nanomètre. Les réseaux de discontinuités obtenus peuvent servir de zones actives pour des composants micro-électroniques, ou servir de support pour la croissance contrôlée de matériaux destinés à réaliser des fils ou des boîtes quantiques par exemple.

Description

PROCEDE DE REALISATION D'UN RESEAU DE DISCONTINUITES A
UNE OU DEUX DIMENSIONS A LA SURFACE D'UN SUBSTRAT
CRISTALLIN OU DANS UNE STRUCTURE COMPLEXE COMPORTANT UN
TEL SUBSTRAT
La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un réseau de discontinuités à une ou deux dimensions à la surface d'un substrat cristallin ou dans une structure complexe comportant un tel substrat.

Plus particulièrement, un tel procédé vise à réaliser des structures dont deux ou trois dimensions sont de 11 ordre du nanomètre. Dans le cas des- semi-conducteurs, ces structures sont appelées respectivement lignes ou boîtes quantiques car, à de telles dimensions, des effets quantiques peuvent apparaître. Ces effets quantiques se caractérisent notamment par la réduction du nombre d'états d'énergie accessibles et par la redistribution de ces états, et dépendent directement des dimensions, dans le cas des semi-conducteurs. Cette réduction de dimension peut donner lieu à du transport balistique.

Des progrès considérables ont été accomplis ces dernières années dans le domaine de la micro-électronique, et de la micro-opto-electronique.

Ainsi, on sait maintenant maîtriser une des dimensions des structures (l'épaisseur) pour la réduire à la monocouche atomique. Ce contrôle de l'épaisseur dans le cas des semi-conducteurs, a permis d'utiliser les propriétés physiques de ces matériaux à deux dimensions pour concevoir puis mettre au point de nouveaux dispositifs comme par exemple les lasers solides à puits quantique.

L'on cherche maintenant à réduire au moins l'une des deux autres dimensions. Une telle réduction permet d'obtenir des fils quantiques (deux dimensions sont maîtrisées) ou des boîtes quantiques (les trois dimensions sont maîtrisées).

De telles structures peuvent avoir des applications telles que transistors et lasers à fils quantiques, ..., et autres dispositifs mettant en jeu des principes de fonctionnement nouveaux basés sur les effets quantiques ou le transport balistique.

Pour répondre à ce besoin de contrôle de ces deux autres dimensions, à savoir la longueur et la largeur de ces nanostructures (l'épaisseur de ces éléments étant quant à elle déjà maîtrisée), des techniques nouvelles sont en cours de développement.

La première voie, pour atteindre ces dimensions, consiste à contrôler la croissance sur des substrats d'orientation particulière ou désorientés ou gravés. Cependant, alors que l'on sait parfaitement réaliser des couches très minces de matériaux sur de larges supports, aucune des techniques de croissance directe connues à ce jour, ne permet un développement industriel de structures présentant deux dimensions de l'ordre de nm.

La deuxième voie consiste à exploiter le savoir faire acquis pour la maîtrise de la croissance planaire des couches puis à découper ces couches pour obtenir des structures de l'ordre du nanomètre. Cette découpe peut par exemple être effectuée par lithographie optique. Dans ce cas, la diffraction du faisceau limite la résolution de la découpe à 2 x 0,25 um malgré l'utilisation de masques à contraste de phases. Pour essayer d'atteindre des dimensions de l'ordre du nanomètre, il est alors nécessaire d'ajouter un confinement supplémentaire par exemple à l'aide d'un champ électrique, d'une irradiation, de contraintes,....

Une autre technique plus prometteuse, pour réaliser cette découpe est la lithographie électronique. La taille du faisceau d'électrons est dans ce cas de quelques dizaines de nanomètres.

Cependant, ces techniques de découpe (lithographies optiques ou électroniques) présentent de nombreux inconvénients. D'une part, les faisceaux optiques ou électroniques utilisés pour découper les structures à deux dimensions sont de grande largeur. De ce fait, on ne peut créer de petites structures, de l'ordre de quelques nm, sans perdre énormément de matière, puisqu'en fait, "l'outil de découpe" est plus gros que la structure à réaliser ! En outre, il est nécessaire d'effectuer dans le cadre de ces découpes des traitements complémentaires (attaques chimiques) qui altèrent et/ou modifient les structurés. Ceci implique des traitements supplémentaires afin de restaurer leurs propriétés physiques.

La présente invention a pour but un procédé de réalisation de structures nanométriques créant un réseau de discontinuités à une ou deux dimensions, soit à la surface d'un substrat, soit dans ou sur une structure complexe comportant au moins un substrat cristallin. Dans le premier cas, on façonne la surface des substrats en créant des discontinuités (différences de niveaux) dont les formes et dimensions sont mieux contrôlées que dans le cas de substrats désorientés ou gravés et donc plus appropriées pour permettre un contrôle de croissance directe. Dans le deuxième cas, la réalisation du réseau de discontinuités se fait par découpe de structures à deux dimensions avec un outil de découpe de largeur atomique sans perte de matière, et sans modification des propriétés d'interfaces.

Un autre but de la présente invention est de réaliser des réseaux de discontinuités à une ou deux dimensions, dont la (ou les) période(s) sont contrôlées, c'est-à-dire des structures dont les dimensions sont de l'ordre du nm, mais aussi très supérieures au nanomètre.

Un autre but de l'invention est de réaliser des réseaux de discontinuités ordonnés, c'està-dire dont les dimensions et périodes sont totalement maîtrisées.

Un autre but de l'invention est de créer des fils quantiques de grande longueur (de l'ordre d'au moins quelques mm). Ces dimensions simplifient les problèmes d'interconnexion, et permettent d'obtenir, par exemple, des guides d'ondes solides plus longs que ceux qui existent actuellement.

Un autre but de l'invention est d'obtenir des réseaux de discontinuités dans ou sur des structures quelconques comportant au moins un substrat cristallin. Le matériau qui constitue ce substrat cristallin est quelconque.

A cet effet, la présente invention concerne un procédé de réalisation d'un réseau de discontinuités à une dimension à la surface d'un substrat cristallin caractérisé en ce qu'il consiste a:
- utiliser ou créer des zones favorables au développement de sources de dislocation dans ou à la surface d'un substrat,
- activer des systèmes de cisaillement, c'est-à-dire faire fonctionner certaines de ces sources de dislocations ayant un vecteur de Burgers non para île le à une surface du substrat, en soumettant ledit substrat å un premier champ de contraintes adapté pour produire des lignes de dislocations engendrant dans le substrat une première famille de cisaillements selon des plans ayant une intersection avec la surface du substrat définissant un premier ensemble de droites parallèles les unes aux autres délimitant chacune sur cette surface une différence de niveaux égale ou multiple du vecteur de Burgers des sources ayant fonctionné.

Le procédé, tel qu'indiqué ci-dessus, permet de réaliser par décalage (cisaillement par glissement), un réseau de discontinuités à une dimension sur la surface d'un substrat, c'est-à-dire une pluralité de structures à une dimension (dénivellation), parallèles entre elles. On crée ainsi une pluralité de bandes de grande longueur (quelques mm) dont le décalage normal (dénivellation) au substrat et la largeur sont de l'ordre de quelques nm. Le substrat cristallin initial se présente donc après application du procédé selon 11 invention comme une structure en forme de "marches d'escalier". Ce substrat a simplement été décalé selon des plans de cisaillement dont l'intersection avec la surface forme un ensemble de droites parallèles entre elles. Ce décalage est créé par la propagation des lignes de dislocations dans le substrat cristallin qui agissent comme de véritables petites scies à l'échelle des liaisons inter-atomiques.

En effet, par application de champs de contraintes spécifiques, on crée et favorise la propagation de lignes de dislocations à l'intérieur du substrat et on réalise en surface le décalage (la marche) recherché. La hauteur de chacune des marches obtenue est égale ou multiple du vecteur de Burgers de la source de dislocation l'ayant créé. On a utilisé ici un moyen de découpe intrinsèque au substrat ne présentant aucune largeur puisqu'il s'agit en fait du cisaillement relatif de deux plans parallèles du substrat cristallin.

Ce cisaillement est réalisé sans perte de matériau initial, et sans altération des propriétés en volume du substrat.

Ce substrat est un support parfaitement approprié pour la croissance contrôlée de matériau sur chaque bande.

La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'un réseau de discontinuité à deux dimensions à la surface d'un substrat cristallin caractérisé en ce qu'il consiste a:
- utiliser ou créer des zones favorables au développement de sources de dislocations dans ou à la surface d'un substrat,
- activer des systèmes de cisaillement, c'est-à-dire faire fonctionner certaines de ces sources de dislocations ayant un vecteur de Burgers non parallèle à une surface du substrat en soumettant ledit substrat à :
un premier champ de contraintes adapté pour activer certaines de ces sources pour produire une première famille de lignes de dislocations engendrant dans le substrat une première famille de cisaillements selon des plans ayant une intérsection avec la surface du substrat définissant un premier ensemble de droites parallèles les unes aux autres délimitant chacune sur cette surface, une différence de niveau égale ou multiple du vecteur de Burgers des sources ayant fonctionné,
un second champ de contraintes pour activer de nouvelles sources pour produire une seconde famille de dislocations engendrant dans le substrat une seconde famille de cisaillements selon des plans ayant une intersection avec la surface du substrat définissant un second ensemble de droites parallèles les unes aux autres mais non parallèles à celles du premier ensemble de droites, chacune de ces secondes droites délimitant sur cette surface, une différence de niveau en surface égale ou multiple du vecteur de Burgers des sources ayant fonctionné, afin de réaliser par recoupement avec le premier ensemble de droites, une pluralité de discontinuités à deux dimensions à la surface dudit substrat.

Ce procédé permet de réaliser des structures dont toutes les dimensions sont maîtrisées (longueur, largeur, décalage en surface) encore appelées réseau de discontinuités à deux dimensions.

Lorsque ce procédé est appliqué sur un substrat cristallin, la surface de celui-ci présente l'aspect d'une pluralité de pavés, placés les uns à côté des autres, et dont les côtés opposés sont parallèles deux à deux. Chacun de ces pavés est décalé en hauteur d'une amplitude contrôlée par rapport à ceux qui l'entourent.

On notera que ce second procédé reprend le premier procédé que l'on applique de nouveau selon une autre orientation.

Pour réaliser de telles discontinuités à deux dimensions, on applique deux champs de contraintes sur le substrat. Le premier champ de contraintes a une orientation adaptée pour activer des sources qui engendrent des lignes de dislocations créant lors de leur propagation dans le substrat cristallin, une première famille de cisaillements selon des plans dont l'intersection avec la surface du substrat définit un premier ensemble de droites parallèles les unes aux autres. Selon chacune de ces droites, il apparaît à la surface du substrat une différence de niveau, c' est-à-dire une marche. La hauteur de cette marche dépend du nombre de fois qu'ont fonctionné les sources activées. Cette hauteur est donc égale ou multiple du vecteur de Burgers. On obtient ainsi à la surface du substrat, une pluralité de bandes parallèles et décalées les unes des autres.

Lorsque l'on applique un second champ de contraintes, d'orientation différente, à ce même substrat, on crée par le même mécanisme que celui cidessus indiqué une seconde famille de dislocations, une seconde famille de plans de cisaillements, un second ensemble de droites parallèles les unes aux autres. On s'arrange pour que ce second ensemble de droites coupe le premier, de sorte que l'on obtienne à la surface du substrat cristallin une pluralité de discontinuités à deux dimensions. La surface du substrat présente alors l'aspect d'une pluralité de pavés ordonnés, décalés les uns par rapport aux autres.

Ces pavés peuvent servir de support pour la croissance contrôlée de matériaux sur chacun d'eux.

Les avantages présentés par les structures réalisées selon ce procédé sont les mêmes que ceux énoncés pour le procédé de réalisation de discontinuités à une dimension.

De même en variante, on pourrait appliquer un troisième, ..., un nième champ de contraintes, pour créer des structures présentant d'autres formes.

La présente invention vise également la réalisation sur le réseau de discontinuités obtenu (à une ou deux dimensions), d'un dépôt de matériaux d'épaisseur contrôlée et comportant au moins une couche mince active ayant des propriétés différentes de celles du substrat. On réalise ainsi des structures de type boîte ou fil ou même des structures plus élaborées en effectuant des dépôts successifs d'au moins deux matériaux différents sur chaque discontinuité (bandes, pavés) qui génèrent des super-réseaux verticaux.

Un des avantages particulièrement intéressant de la présente invention est obtenu par application directe du procédé à une structure complexe comportant une couche mince active et au moins un substrat cristallin. I1 est alors possible de créer une différence de niveau supérieure à l'épaisseur de la couche mince active de manière à la découper en bandes ou en pavés. La couche active dans chaque bande ou pavé n'est plus en contact avec la couche active des bandes ou des pavés voisins.

Dans le cas de structures semiconductrices, on a ainsi obtenu une pluralité de fils quantiques, ou de boîtes quantiques placés sur un même support.

La présente invention concerne encore l'utilisation de zones favorables au développement de sources de dislocations naturelles du substrat cristallin où la création de ces zones par prédéformation et/ou désorientation et/ou nanoindentation et/ou rayures continues et/ou dépôt de couches contraintes du substrat....

Selon l'invention, les champs de contraintes appliqués au substrat ou à la structure complexe de nature quelconque comportant au moins un substrat cristallin, sont imposés par des essais mécaniques macroscopiques de traction, de compression, de flexion, de fatigue,..., etc.

L'orientation de ces contraintes est importante, car elle doit activer le ou les 'systèmes souhaités caractérisés par le plan de cisaillement des lignes de dislocations et leur vecteur de Burgers.

Le choix des paramètres de températures et vitesse de déformation détermine le mécanisme de déformation. Celui-ci peut-être un glissement mais aussi un maclage, un glissement dévié, une montée. Ces mécanismes produisent tous un même effet, c'est-à-dire un cisaillement.

La présente invention peut être appliquée à toute structure, métallique ou non, semiconductrice ou non, supra-conductrice ou non, comportant au moins un substrat cristallin.

Les dimensions des structures obtenues (réseaux de discontinuités) ne sont pas limitées au nanomètre, ou au dixième de nm. Le procédé selon l'invention peut s'appliquer à des structures macroscopiques.

D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels
- les figures la à Id sont des vues schématiques en perspective montrant les différentes phases de glissement d'une dislocation coin générée par une source de dislocation en surface, dans un substrat cristallin cubique simple,
- la figure 2 est une vue schématique en perspective montrant un réseau de discontinuités à une dimension (bandes) obtenue par le procédé selon 1 invention, sur la face II du substrat cristallin représenté à la figure id ; les sources de dislocations activées étant régulièrement espacées,
- la figure 3 est une vue schématique en perspective montrant un réseau de discontinuités à deux dimensions (pavés) ; les sources de dislocations activées étant régulièrement espacées,
- la figure 4 est une vue schématique en coupe montrant un dépôt de couche active sur un substrat,
- la figure 5 est une vue schématique en perspective montrant une structure complexe comportant une couche active à deux dimensions déposée sur un substrat cubique simple, après application du procédé selon lrinvention et découpe complète de cette couche active,
- la figure 6 est une vue schématique en perspective montrant la découpe d'une couche active à deux dimensions en boîtes quantiques (pavés),
- la figure 7 est une vue schématique en perspective montrant une lame cristalline avant contrainte par flexion pure,
- la figure 8 est une vue schématique en perspective, montrant la lame de la figure 7 déformée après application du champ de contrainte représenté à la figure 7, et présentant un réseau de discontinuités à une dimension,
- la figure 9 est une vue agrandie du détail référencé IX à la figure 8,
- la figure 10 est une vue schématique en perspective semblable à la figure 7 et montrant une lame cristalline contrainte par flexion trois points,
- la figure 11 est une courbe théorique pour une vitesse de déformation donnée Ci reliant la limite élastique (r) d'un semi-conducteur à sa température (T).

Selon la forme de réalisation représentée aux figures la à id et 2, le procédé selon l'invention consiste à réaliser à la surface d'un substrat cristallin représenté à la figure la, un réseau de discontinuités à une dimension tel que représenté à la figure 2.

Le substrat cristallin a été modélisé à l'échelle microscopique, à la figure la, sous la forme d'un cristal parfait à maille cubique simple. Un tel cristal présente un arrangement atomique dans lequel chaque atome se place au sommet d'un cube pour constituer ainsi une distribution périodique selon les trois directions.

Il va de soi que les autres types d'arrangement cristallin peuvent être également soumis au procédé selon l'invention et que celui-ci n'a été choisi qu'à titre d'exemple.

Si l'on soumet le substrat cristallin 10 de la figure la à une contrainte de cisaillement pure C1 (figure lob), on crée une rupture locale des liaisons atomiques selon une ligne D appelée ligne de dislocations. Cette ligne de dislocations délimite un demi-plan supérieur (sur 1' exemple représenté), n'ayant pas de vis-à-vis.

Cette ligne de dislocation glisse dans le cristal (figure lc), si on continue à appliquer la contrainte C1, selon un plan P (représenté en pointillé aux figures lb à 1d) et appelé plan de glissement dans l'exemple représenté et de manière générale plan de cisaillement. Lorsque la ligne de dislocations D a ainsi traversé tout le cristal selon le plan de cisaillement P, on obtient (figure 1d) un substrat cristallin dont les mailles sont reconstituées mais avec un décrochement en surface, sur chacune des faces sur lesquelles s'est appliquée la contrainte.

La hauteur de ce décrochement s (figure 7d) est (dans le cas représenté, où une seule dislocation s'est déplacée, c'est-à-dire dans le cas ou la source de dislocation a fonctionné une seule fois), le vecteur de Burgers t de la dislocation.

Dans le cas représenté, l'angle entre la dislocation et le vecteur de Burgers est de 900, ce qui est typique d'une ligne de dislocation coin.

Il est évident que exemple représenté aux figures la à id est une vue locale du phénomène. Si la même source superficielle de dislocations est de nouveau activée, la hauteur s du décrochement en surface sera de deux fois le vecteur de Burgers. Ainsi, lorsque l'on travaille sur un substrat cristallin de dimension macroscopique et lorsque l'orientation de la contrainte ne définit pas un cisaillement pur, il existe plusieurs zones favorables à la création de sources de dislocation et l'on déclenche en même temps en plusieurs zones, la création puis la propagation de plusieurs lignes de dislocations. D'où l'apparition en surface d'une pluralité de décrochements (ou de décalages de niveaux). On obtient ainsi une pluralité de bandes de grandes longueurs 11 (figure 2) placées côte-à-côte, formant un ensemble de droites 12 parallèles entre elles, d'une hauteur s égale ou multiple du vecteur de Burgers des sources de dislocation ayant fonctionné. Il est à noter que la figure 2 est une vue macroscopique selon la flèche II du cristal de la figure id.

Chaque droite 12 est en fait la trace à la surface du substrat cristallin de l'intersection d'un plan de glissement P avec cette surface.

Si l'on applique sur le même substrat un second champ de contraintes C2 d'orientation différente de celle de Ci (figure lob), on agit de la même façon sur de nouvelles sources de dislocations, créant des deuxièmes lignes de dislocations se propageant à l'intérieur du substrat cristallin selon des seconds plans de glissement pour réaliser en surface un second ensemble de droites 13 parallèles entre elles (figure 3). Ces secondes droites 13 définissent des décrochements ou décalages à la surface du substrat. Chacune de ces droites est en fait l'intersection d'un plan de glissement avec la surface du substrat. On obtient, suite à cette seconde contrainte C2 à la surface du substrat, une structure présentant l'aspect de pavés 14 (figure 3).

Le procédé selon l'invention consiste donc à créer un réseau de discontinuités à une dimension à la surface d'un substrat cristallin en procédant de la manière suivante
- on utilise ou l'on crée des zones favorables au développement de sources de dislocations dans ou à la surface d'un substrat,
- on active les systèmes de cisaillement, c'est-à-dire que l'on fait fonctionner certaines des sources de dislocations ayant un vecteur de Burgers non parallèle à une surface du substrat en soumettant le substrat à un premier champ de contraintes Cl, produisant dans le substrat des premières lignes de dislocations D se propageant à l'intérieur du substrat selon une première famille de plans de cisaillements P. Chacun de ces plans définit, au niveau de son intersection avec la surface, une droite 12. On obtient ainsi un premier ensemble de droites 12 parallèles les unes aux autres. Chacune de ces droites délimite à la surface du substrat une différence de niveau égale ou multiple du vecteur de
Burgers des sources ayant fonctionné.

Le procédé de réalisation de réseaux de discontinuités à deux dimensions selon l'invention consiste quant à lui à appliquer sur un substrat cristallin, deux champs de contraintes C1 et C2 d'orientations différentes pour obtenir à la surface du substrat un premier ensemble de droites 12 parallèles entre elles, et un second ensemble de droites 13 parallèles entre elles. Les deux ensembles de droites se recoupent pour former un réseau de discontinuités à deux dimensions.

Ces mêmes procédés peuvent être appliqués à une structure complexe 15 comportant au moins un substrat cristallin 10 et au moins une couche active 16 (figures 4 et 5). La couche active est soit une couche présentant des propriétés différentes de celles du substrat (figure 5), soit une couche intercalée entre deux couches plus épaisses présentant des propriétés différentes de manière à l'isoler : par exemple, une bande interdite plus grande dans le cas de semi-conducteurs.

Dans ce cas, le passage des lignes de dislocations D à l'intérieur de la couche active permet de créer un décalage ou une différence de niveau au sein même de cette couche (figure 5).

Cette différence de niveau peut être maîtrisée si l'on contrôle le nombre de fois où chaque source de dislocations fonctionne. De manière avantageuse, la grandeur de la différence de niveau est supérieure à celle de la ou des couches actives. De ce fait, on obtient (figures 5 et 6) des structures complexes 15 munies d'une couche active 16 complètement découpée d'une bande à une autre (fils quantiques) ou d'un pavé 14 à un autre (boîtes quantiques).

Cette absence de liaison au niveau de la couche active entre deux éléments (fils ou botes) voisins, permet de créer des entités unitaires de très faible dimension (quelques nm ou moins). Ces fils ou boîtes peuvent alors servir à la réalisation de composants micro-électroniques ou micro-optoélectronique.

Un mode de mise en oeuvre permettant la réalisation de réseau de discontinuités à une dimension est décrit ci-après.

La structure complexe sur laquelle est appliqué le procédé est une lame cristalline rectangulaire de plan (0 0 1) dont la longueur
L = 15 mm est suivant l'orientation t1 1 0 et la largeur 1 = 4 mm, suivant l'orientation [1 101 (figure 7). Cette lame est taillée dans un substrat cristallin 10 en AsGa d'épaisseur h de 300 pm. Sur ce substrat, avant ou après la taille, on dépose par épitaxie par jet moléculaire par exemple, une couche active 16 en
AsGa de 2 nm d'épaisseur, comprise entre deux couches 20 de GaAlAs comportant 30 % d'aluminium ayant une épaisseur de 30 nm chacune. Il est à noter que l'épaisseur de la couche active 16 peut être de l'ordre de quelques dixièmes de nm à 5nm.

Une couche tampon 21 en AsGa de 50 nm d'épaisseur est déposée entre le substrat 10 et la couche 20 de
GaAlAs inférieure. Une couche de protection 22 de 20 nm d'épaisseur est déposée sur la couche supérieure de GaAlAs.

On a ainsi constitué une structure complexe 15 comportant au moins un substrat cristallin 10, et une couche active 16.

La lame cristalline est placée dans une cellule de déformation par flexion quatre points (figure 7) sous atmosphère neutre d'Hélium sous pression atmosphérique, à la température de 673 K. Dans cette cellule, on exerce un moment de flexion M = Fa progressif en quatre points (selon les forces F indiquées par les flèches de la figure 7, a étant définie sur cette même figure). Ce moment de flexion est appliqué par l'intermédiaire de quatre rouleaux R de rayon égal à 2 mm. Le rayon de courbure élastique r de la lame est déterminé par la formule suivante r = Elh3 avec E le module d'Young du substrat.

12 M
Lors de l flexion ci-dessus-indiquée, la déformation élastique se relaxe plastiquerent-grece au fonctionnement de sources de dislocation de vecteur de Burgers 1 [1 0 îJ ; 1 [0 1 1] ; 1 [1 0 li et 1 [0 1 Il au
2 2 2 2 glissement des lignes de dislocations dans les plans (1 11) et (1 1 1). La vitesse de déformation superficielle est d'environ 10-5s-1. En effet, la vitesse de déformation = 1 dl et s'exprime en s-1.

1 dt
Ainsi, c'est en appliquant la contrainte de flexion cidessus indiquée que l'on provoque l'activation des quatre sources de dislocations particulières et la propagation des lignes de dislocations générées à travers la lame Le glissement obtenu avec les orientations et la contrainte ci-dessus indiquées est un glissement dit multiple. C1 est-à-dire que deux familles de plans de glissement (1 1 1) et (1 1 1) sont activés, mais ne donnent qu'un système de droites parallèles entre elles, car les traces en surface de chacune des familles de plans sont parallèles entre elles.

En l'exemple, la contrainte est appliquée pendant 24 heures et varie de 0 à 10 daN, ce qui correspond à une variation du moment de flexion de 0 à 3.10-2mdaN, l'on obtient un rayon de courbure de la lame après déformation de l'ordre de 10 mm.

Ce rayon r règle le rapport entre la différence de niveau moyenne du réseau de discontinuités sM et la distance d-entre-deux plans de cisaillements d'une même famille de cisaillements suivant la relation
5M ~ h où X est l'angle entre la
d 2 r cos X sin X normale à la surface de la structure et la normale au pla surface. Donc, pour assurer la découpe du substrat ou de la structure, on doit déplacer les lignes de dislocations de la surface. vers l'intérieur du matériau. Pour faciliter cette découpe, on a donc choisi une orientation de la lame pour faire déplacer les dislocations 600 a vers l'intérieur.

Dans le mode de réalisation choisi et ci-dessus décrit, on a placé la couche active sur la face inférieure de la lame (figures 7, 8 et 9).

Pour réaliser un réseau de discontinuités à deux dimensions, on applique sur une partie de cette lame et de manière semblable, un second moment de flexion en la plaçant selon une deuxième orientation dans la même cellule de déformation. On obtient alors à la surface du substrat une structure présentant l'aspect de pavés tels que représentés à la figure 3.

En variante, les premier et second moments de flexion sont appliqués simultanément. On peut également appliquer un champ de contraintes unique sur le substrat (ou la structure complexe), ce champ de contrainte est la résultante du premier et du second champ de contraintes et favorise simultanément la création des première et seconde familles de cisaillement.

Dans le cas d'une application d'un champ de contraintes unique pour créer des botes quantiques, on choisit l'orientation de la lame de sorte que l'orientation selon les trois axes (épaisseur, largeur, longueur) soit du type < 1 0 0 > .

On notera que le réseau de discontinuités à une ou deux dimensions réalisé en surface peut servir de substrat pour la croissance contrôlée de matériaux, ou de multicouches, sur les bandes (figure 2) ou les pavés (figure 3) réalisés. Le substrat garde alors par ailleurs sa topographie initiale. Une autre application consiste à utiliser ces bandes ou ces pavés quantiques ainsi élaborés, directement en tant que zone active de composants électroniques.

On notera également que les sources de dislocations, ou les zones favorables au développement de ces sources peuvent être naturelles ou artificiellement implantées dans le substrat ou la structure complexe.

Lorsqu'elles sont naturelles, ces sources ou ces zones favorables, résultent de concentration de contraintes locales, dans le substrat, dans une couche et/ou à la surface et/ou aux interfaces (dans le cas d'une structure complexe).

Lorsque ces sources sont artificielles, elles sont créées par l'introduction de concentration de contraintes (sources potentielles de dislocations) dans le substrat ou la structure cristalline. Cette création de sources potentielles est effectuée par prédéformation et/ou par désorientation du substrat et/ou par nanoindentation et/ou par rayures continues et/ou par dépôt localisé de couches contraintes dans ou sur le substrat ou la structure complexe.

Pour utiliser ces zones favorables au développement de sources de dislocations, on ajoute à ces concentrations de contraintes locales une contrainte appliquée.

On notera que pour sélectionner les sources de dislocations qui émettent des lignes de dislocations, on choisit l'orientation cristallographique des champs de contraintes mécaniques macroscopiques appliqués au substrat ou à la structure complexe.

Ce choix s'effectue selon la loi de
Schmid qui indique que le système de glissement activé (c'est-à-dire le plan de glissement et le vecteur de
Burgers) est celui pour lequel le facteur de Schmid est maximum.

On peut activer des systèmes de glissement simple ou multiple (c'est le cas de l'exemple de flexion donné plus haut).

Comme cela vient d'être souligné, l'orientation de la contrainte appliquée est très importante. A titre d'exemple, voici quelques orientations spécifiques répondant à l'ensemble des critères ci-dessus énoncés.

Lorsque la contrainte est appliquée sur une lame rectangulaire de plan type {0, 0, 1}, l'orientation de la contrainte macroscopique est alors du type < 1 1 0 > ou < 1 0 0 > ou < 1 1 1 > .

Ainsi, par exemple, lorsque le substrat est une lame rectangulaire de plan de type (0 0 1), on choisit un moment de flexion qui impose une orientation de la contrainte macroscopique de type < 1 1 0 > pour
- former des boucles de dislocations constituées de trois segments ; un segment vis et deux segments 600 a, et
- provoquer le déplacement des segments 600 a les plus mobiles vers l'intérieur de la lame pour favoriser la création du réseau de discontinuités.

De même lorsque le substrat est une lame rectangulaire de plan de type (0 0 1l, on choisit un moment de flexion qui impose une orientation de la contrainte macroscopique de type < 1 1 0 > pour
- former des boucles de dislocations constituées de trois segments : un segment vis et deux segments 600 B, et
- provoquer le déplacement des segments 600 ss les moins mobiles vers l'intérieur de la lame pour contrôler l'amplitude de chaque différence de niveau du réseau de discontinuités.

Mais encore, lorsque la direction de la contrainte macroscopique exercée sur le substrat ou la structure complexe est du type < 1 2 3 > , le plan dans lequel s'effectue le cisaillement est un plan unique, c'est un plan du type (1 1 1) de telle sorte que le réseau de discontinuités apparaisse sur une des faces non parallèles à la direction [l 0 1].

Les champs de contraintes appliqués au substrat ou à la structure complexe sont en général des contraintes macroscopiques mécaniques, telles que traction, compression, flexion quatre points flexion pure (figure 8), flexion trois points (figure 10), flexion cantilever, fatigue, ..., etc.

Ces contraintes peuvent être appliquées de telle sorte que la vitesse C de déformation du substrat ou de la structure complexe soit constante.

Pour ce faire, on sait que la limite élastique d'un matériau semi-conducteur, à une vitesse de déformation fixe, augmente très rapidement quand la température diminue (voir figure 11).

Lorsque l'on se place dans la partie 1 de la courbe, c'est-à-dire à de basses températures, le matériau se déforme par glissement pur. Par contre dans la partie 2 de la courbe, c'est-à-dire à hautes températures, le glissement dévié est prépondérant. La zone 3 est intermédiaire, et les deux phénomènes s'y superposent.

On notera que lorsque la vitesse de déformation augmente 62 > C1, la courbe r = f (T) se translate parallèlement à l'axe des températures vers l'origine 0. Ceci est le signe d'une activation thermique du glissement.

On choisit donc pour appliquer des champs de contraintes, la température et la vitesse de déformation, pour travailler dans une zone de déformation par glissement dans laquelle la contrainte t et sa durée d'application ne sont pas trop grandes, c'est-à-dire dans la zone 3 au voisinage de la zone 1.

Cependant, en variante, il est possible de se placer dans un domaine déterminé de température et de vitesse de déformation pour que l'on obtienne un mécanisme de cisaillement par glissement dévié des dislocations, ou par montée des dislocations ou par maclage ou micro-maclage.

On notera que les contraintes mécaniques macroscopiques appliquées peuvent être assistées par une pression hydrostatique de confinement, ce qui permet de déformer à la température ambiante par glissement, maclage ou micro-maclage.

On notera encore, qu'une fois les sources de dislocations localisées (quelles soient naturelles ou artificielles), il convient de régler la distribution spatiale du déclenchement de ces sources à partir des zones favorables localisées. Ce réglage se fait en superposant aux champs de contraintes appliquées, une sollicitation externe supplémentaire, exploitant un effet physique local. On réalise ainsi à volonté le déclenchement (le fonctionnement) de telle ou telle source.

L'effet physique local en question est un effet cathodoplastique, ou photoplastique, ou une nanoindentation ou une irradiation, ou un dépôt local contraint.

On notera qu'après sélection des sources à activer, sélection du type de contrainte et de son orientation, il convient encore de contrôler le nombre de fois où chaque source de dislocation est activée. C'est-à-dire qu'il convient de contrôler le nombre de fois où chaque source de dislocations produit une boucle ou une demi-boucle. Ce contrôle permet, en effet, de maîtriser la hauteur de la différence de niveau (marche) obtenue.

Ce contrôle peut être fait par le calcul du rayon de courbure à donner à la lame (dans l'exemple de flexion quatre points ci-dessus indiqué) puisque ce rayon de courbure est lié à la différence de niveau des réseaux de discontinuités.

Une autre méthode de contrôle du nombre de fois où chaque source de dislocation est activée consiste à créer et/ou utiliser un plan de contraintes nulles dans l'épaisseur du substrat ou de la structure, ou à effectuer une activation locale.

La structure complexe sur laquelle le procédé selon l'invention est appliqué comporte au moins un substrat cristallin, et une couche active de nature quelconque, par exemple métallique, ou supraconductrice, ou semi-conductrice. Cette couche mince active peut être un puits quantique ou un gaz de porteurs à deux dimensions ou une hétérostructure.

Dans le cas où le substrat ou la structure complexe sont des semi-conducteurs, on peut utiliser, par exemple, des semi-conducteurs du groupe IV notamment le Silicium (Si) ou le Germanium (Ge), ou des semi-conducteurs appartenant au groupe III-V tels que notamment l'Arséniure de Gallium (AsGa), le
Phosphorure d'Indium (PIn), l'Antimoniure de Gallium (SbGa), l'Antimoniure d'Indium (SbIn), ou des semiconducteurs appartenant au groupe II-VI tels que notamment le Tellure de Cadnium (TeCd), le Séléniure de
Zinc (SeZn), ou des matériaux analogues, ou des combinaisons de ces matériaux.

Bien entendu, la présente invention ne se limite pas au mode de réalisation ci-dessus décrit, et englobe toute variante à la portée de l'homme de l'art. Ainsi, le procédé selon l'invention qui consiste à utiliser des sources de dislocations pour découper (ou décaler) un substrat ou une structure complexe peut être appliqué pour réaliser des structures de dimensions nanométriques ou très supérieures ou des structures de nature quelconque et comportant au moins un substrat cristallin.

Claims (40)

REVENDICATIONS

1/ - Procédé de réalisation d'un réseau de discontinuités à une dimension à la surface d'un substrat cristallin caractérisé en ce qu'il consiste a

- utiliser ou créer des zones favorables au développement de sources de dislocation dans ou à la surface d'un substrat,

- activer des systèmes de cisaillement, c'est-à-dire faire fonctionner certaines de ces sources de dislocations ayant un vecteur de Burgers non parallèle à une surface du substrat, en soumettant ledit substrat à un premier champ de contraintes adapté pour produire des lignes de dislocations engendrant dans le substrat une première famille de cisaillements selon des plans ayant une intersection avec la surface du substrat définissant un premier ensemble de droites parallèles les unes aux autres délimitant chacune sur cette surface une différence de niveaux égale ou multiple du vecteur de Burgers des sources ayant fonctionné.

un second champ de contraintes pour activer de nouvelles sources pour produire une seconde famille de dislocations engendrant dans le substrat une seconde famille de cisaillements selon des plans ayant une intersection avec la surface du substrat définissant un second ensemble de droites parallèles les unes aux autres mais non parallèles à celles du premier ensemble de droites, chacune de ces secondes droites délimitant sur cette surface, une différence de niveau en surface égale ou multiple du vecteur de Burgers des sources ayant fonctionné, afin de réaliser par recoupement avec le premier ensemble de droites, une pluralité de discontinuités à deux dimensions à la surface dudit substrat.

un premier champ de contraintes adapté pour activer certaines de ces sources pour produire une première famille de lignes de dislocations engendrant dans le substrat une première famille de cisaillements selon des plans ayant une intersection avec la surface du substrat définissant un premier ensemble de droites parallèles les unes aux autres délimitant chacune sur cette surface, une différence de niveau égale ou multiple du vecteur de Burgers des sources ayant fonctionné,

- activer des systèmes de cisaillement, c'est-à-dire faire fonctionner certaines de ces sources de dislocations ayant un vecteur de Burgers non parallèle à une surface du substrat en soumettant ledit substrat à

- utiliser ou créer des zones favorables au développement de sources de dislocations dans ou à la surface d'un substrat,

2/ - Procédé de réalisation d'un réseau de discontinuité à deux dimensions à la surface d'un substrat cristallin caractérisé en ce qu'il consiste à :

3/ - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on applique les premier et second champs de contraintes simultanément.

4/ - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le champ de contraintes appliqué au substrat est unique et est la résultante du premier et du second champ de contraintes, et favorise simultanément la création des première et seconde familles de cisaillements.

- réaliser sur le réseau superficiel de discontinuités obtenu, un dépôt contrôlé unique de matériau de nature différente de celle du substrat qui garde sa topographie initiale.

5/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à :

6/ - Procédé selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à réaliser sur le réseau de discontinuités obtenu des dépôts contrôlés successifs de matériaux de natures différentes pour réaliser des structures de type fils quantiques, boîtes quantiques ou super-réseaux verticaux.

7/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste a:

- réaliser le réseau de discontinuités dans ou sur une structure complexe comportant un substrat cristallin et au moins une couche active d'épaisseur déterminée ayant des propriétés différentes de celle du substrat, de telle sorte que les première et/ou seconde familles de cisaillements provoquent une différence de niveau de grandeur contrôlée dans la couche active.

8/ - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la grandeur de la différence de niveau est supérieure à l'épaisseur de la ou des couches actives, de sorte qu'on réalise une découpe complète de la couche active selon le réseau de discontinuités.

9/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste pour utiliser les zones favorables au développement de sources de dislocations à :

- tirer partie de concentration de contraintes locales situées dans le substrat et/ou dans une couche et/ou à la surface et/ou aux interfaces dans le cas d'une structure complexe.

10/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il consiste pour créer des zones favorables au développement de sources de dislocations à :

- introduire artificiellement des concentrations de contraintes, sources potentielles de dislocations, dans ou sur le substrat ou la structure complexe par prédéformation et/ou désorientation, et/ou nanoindentation, et/ou rayures continues, et/ou dépôt localisé de couches contraintes.

11/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les sources qui émettent des lignes de dislocations sont sélectionnées par l'orientation cristallographique des champs de contraintes mécaniques macroscopiques appliqués au substrat ou à la structure complexe.

12/ - Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les champs de contraintes mécaniques macroscopiques sont appliqués sur le substrat ou la structure complexe dans un domaine déterminé de température et de vitesse de déformation pour que l'on obtienne un mécanisme de déformation par glissement

13/ - Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à

- choisir l'orientation des champs de contraintes de telle sorte qu'on active dans chaque cas un système de glissement simple dans le substrat ou la structure.

14/ - Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à

- choisir l'orientation des champs de contraintes de sorte que l'on active un système de glissements multiples.

15/ - Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les contraintes mécaniques macroscopiques sont appliquées sur le substrat ou la structure dans un domaine déterminé de température et de vitesse de déformation pour que l'on obtienne un mécanisme de cisaillement par glissement dévié des dislocations

16/ - Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les contraintes mécaniques macroscopiques sont appliquées sur le substrat ou la structure dans un domaine déterminé de température et de vitesse de déformation pour que l'on obtienne un mécanisme de cisaillement par montée des dislocations.

17/ - Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les contraintes mécaniques macroscopiques sont appliquées sur le substrat ou la structure dans un domaine déterminé de température et de vitesse de déformation pour que l'on obtienne un mécanisme de cisaillement par maclage, ou par micromaclage du substrat ou de la structure complexe.

18/ - Procédé selon l'une des revendications 12 à 14 et 17, caractérisé en ce que les contraintes mécaniques macroscopiques sont assistées par une pression hydrostatique de confinement.

19/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à régler la distribution spatiale du déclenchement des sources de dislocations à partir des zones favorables, en superposant aux champs de contraintes appliqués, une sollicitation externe supplémentaire exploitant un effet physique local.

20/ - Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que lteffet physique local est un effet cathodoplastique ou photoplastique, ou une nanoindentation, ou une irradiation, ou un dépôt local contraint.

21/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on déforme par compression la structure ou le substrat pour générer les premiers et/ou seconds plans de cisaillements.

22/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé en ce qu'on déforme par traction la structure ou le substrat pour générer les premiers et/ou seconds plans de cisaillement.

23/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé en ce qu'on déforme par flexion la structure ou le substrat pour générer les premiers et/ou seconds plans de cisaillement.

24/ - Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce que la flexion de la structure complexe ou du substrat est une flexion trois points.

25/ - Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce que la flexion de la structure complexe ou du substrat est une flexion pure.

26/ - Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce que la flexion de la structure complexe ou du substrat est une flexion "cantilever".

27/ - Procédé selon l'une des revendications 21 à 26, caractérisé en ce qu'on déforme par fatigue la structure ou le substrat pour générer les premiers et/ou seconds plans de cisaillements.

28/ - Procédé selon l'une des revendications il à 27, caractérisé en ce que le plan de la lame rectangulaire est un plan de type (0, 0, 1) et en ce que l'orientation de la contrainte macroscopique est du type < 1 1 0 > ou < 1 0 0 > ou < 1 1 1 > ,

29/ - Procédé selon la revendication 28, caractérisé en ce que lorsque le substrat est une lame rectangulaire de plan de type (0 0 1), on choisit un moment de flexion qui impose une orientation de la contrainte macroscopique de type < 1 1 0 > pour

- former des boucles de dislocations constituées de trois segments ; un segment vis et deux segments 600 a.

- provoquer le déplacement des segments 600 a les plus mobiles vers l'intérieur de la lame pour favoriser la création du réseau de discontinuités.

30/ - Procédé selon la revendication 28, caractérisé en ce que lorsque le substrat est une lame rectangulaire de plan de type (0 0 1), on choisit un moment de flexion qui impose une orientation de la contrainte macroscopique de type < 1 1 0 > pour

- former des boucles de dislocations constituées de trois segments : un segment vis et deux segments 600 ss,

- provoquer le déplacement des segments 600 ss les moins mobiles vers l'intérieur de la lame pour contrôler l'amplitude de chaque différence de niveau du réseau de discontinuités.

31/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 27, caractérisé en ce que la direction de la contrainte macroscopique exercée sur le substrat ou la structure est du type < i 2 3 > et le plan dans lequel s'effectue le cisaillement est un plan du type C1 7 1), de telle sorte que le réseau de discontinuités apparaisse sur une des faces non parallèles-à la direction [1 0 1].

32/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à

- contrôler le nombre de fois ou chaque source de dislocation est activée et produit une boucle ou une demi-boucle.

33/ - Procédé selon la revendication 32, caractérisé en ce qu'il consiste à

- contrôler le nombre de fois où chaque source est activée et la distribution de ces sources en imposant un rayon de courbure r de la lame donné par la formule suivante

d h

r = ~~~~~~~~~~~~~~~ x où o 5M est la différence

2 cos X sin X sM de niveau moyenne du réseau de discontinuités, d est la distance entre deux plans de cisaillements d'une même famille de plans de cisaillements, h est l'épaisseur du substrat ou de la structure, X est l'angle entre la normale à la surface de la structure et la normale au plan de cisaillement.

34/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on contrôle le nombre de fois où chaque source de dislocation est activée en créant et/ou en utilisant un plan de contraintes nulle dans l'épaisseur du substrat ou de la structure, ou en effectuant une activation locale.

35/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que tout ou partie de la structure cristalline est métallique.

36/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que tout ou partie de la structure cristalline est supraconductrice.

37/ - Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que tout ou partie de la structure 'cristalline - est semiconductrice.

38/ - Procédé selon la revendication 37, caractérisé en ce que le substrat cristallin est composé d'Arséniure de Gallium (AsGa) ; la contrainte appliquée génère une vitesse de déformation en surface Cî du substrat de l'ordre de 10' s ; la température de ce substrat est de l'ordre de 673 K, et l'épaisseur de la couche active est de l'ordre de quelques dixièmes de nm à 5 nm.

39/ - Procédé selon l'une des revendications 7 à 37, caractérisé en ce qu'on utilise en tant que couche active un puits quantique, ou un gaz de porteurs à deux dimensions, ou une hétérostructure.

40/ - Procédé selon la revendication 37, caractérisé en ce que les semi-conducteurs utilisés appartiennent au groupe de semi-conducteurs IV tels que notamment le Silicium (Si) ou le Germanium (Ge) ou appartiennent au groupe des semi-conducteurs III-V tels que notamment l'Arséniure de Gallium (AsGa), le

Phosphorure d'Indium (PIn), l'Antimoniure de Gallium (SbGa), l'Antimoniure d'Indium (SbIa),.uappartiennent au groupe des semi-conducteurs II-VI tels que notamment le Tellure de Cadmium (TeCd), le Séléniure de Zinc (Sezn), ou sont des matériaux analogaes, ou des combinaisons de ces matériaux.