FR3139582A1 - Procede de production d’une plaque de diamant monocristallin, plaque de diamant monocristallin et plaquette de diamant monocristallin de grande taille - Google Patents

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Alibi BAITUKHA
Olivier Duigou
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Abstract

L’invention concerne un procédé de production (100) d'une plaque de diamant monocristallin à partir d’une pluralité de germes (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin qui comportent une surface de croissance, ladite une surface de croissance comprenant une structure en terrasses, ladite structure en terrasses présentant plusieurs faces d’orientation cristallographique (OC1, OC2), lesdites faces d’orientation cristallographique (OC1, OC2) comportant des familles de plans {100} ou des familles de plans {100} et {113}, le procédé comprenant les étapes suivantes : fourniture (110) de germes (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin,positionnement (130) des germes (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin de manière à former une mosaïque,croissance épitaxiale (140) latérale de la structure en terrasses selon l’orientation cristallographique (OC2). Figure à publier avec l’abrégé : figure 1

Description

PROCEDE DE PRODUCTION D’UNE PLAQUE DE DIAMANT MONOCRISTALLIN, PLAQUE DE DIAMANT MONOCRISTALLIN ET PLAQUETTE DE DIAMANT MONOCRISTALLIN DE GRANDE TAILLE
L’invention concerne le domaine de la fabrication de diamant, plus spécifiquement de diamant monocristallin de grande taille.
Ci-après, nous décrivons l’art antérieur connu à partir duquel l’invention a été développée.
Le diamant est un matériau qui présente des propriétés physiques particulièrement appréciées dans de nombreux domaines. En particulier, le diamant présente des propriétés inégalées en tant que matériau semi-conducteur, telles qu'une conductivité thermique élevée, une mobilité électron/trou élevée, une intensité de champ électrique à claquage diélectrique élevée, une faible perte diélectrique et une large structure de bande, une résistance aux radiations, une stabilité chimique élevée et d'excellentes propriétés optiques.
Le diamant monocristallin demeure l'un des matériaux les plus prometteurs pour la préparation de dispositifs optoélectroniques à haute puissance, haute fréquence, haute température et résistant à la tension, et quantique.
En particulier, afin de mettre le diamant en pratique en tant que matériau semi-conducteur, une plaquette faite de diamant monocristallin ayant une grande surface et une grande homogénéité peut être requise pour certaines applications.
Pour permettre la formation de plaquette de diamant monocristallin présentant des tailles de plus en plus conséquentes, plusieurs méthodes de croissance ont vu le jour, parmi elles, les procédés de fabrication de plaque de diamant monocristallin par croissance épitaxiale en flux de marches ont permis d’obtenir des plaquettes de diamant monocristallin de bonne qualité.
Généralement, pour produire une plaque de diamant monocristallin de grande taille, une pluralité de germes de diamant monocristallin sont disposés côte à côte de manière à former une mosaïque et subissent une croissance épitaxiale par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Lors de la croissance épitaxiale, des jointures entre les germes se forment. La surface du diamant monocristallin développée doit ensuite être polie pour former une surface lisse avant de pouvoir servir de plaque de diamant monocristallin pour la croissance d’une couche épitaxiale monocristalline.
La principale difficulté technique est liée à la formation de jonctions entre les germes, avec peu voire pas de défauts cristallins telles que des dislocations, des macles, une modification de la direction de propagation du front d’onde. En effet, plus la taille de la plaque de diamant monocristallin augmente, plus le nombre de germes nécessaires pour la former est important et plus le risque de voir apparaitre des défauts cristallins dans les jonctions est élevé.
La présence de ces défauts cristallins est critique puisqu’outre le fait que cela ait un impact sur la qualité du diamant monocristallin produit, les défauts cristallins ont également un impact lors des phases de polissage et de découpe de la couche épitaxiale formée sur la surface de croissance. Les jonctions monocristallines sont ainsi plus fragiles et peuvent rompre plus facilement. En outre, des contraintes, souvent responsables de ces défauts cristallins, peuvent également générer des factures lors de la croissance de la couche épitaxiale.
Des solutions visant à résoudre en partie les problèmes évoqués précédemment ont vu le jour, notamment le document n°WO2019139147 porte sur un procédé de production d’un substrat monocristallin pour semi-conducteur formé sur une plaque de diamant monocristallin de grande taille. La solution proposée permet de limiter le risque de destruction de la plaque de diamant monocristallin après découpe. Pour cela, il est proposé d’utiliser quatre germes de diamants monocristallins, qui présentent une orientation cristallographique de la famille {100}, de 10 mm sur 10 mm liés de façon à former une mosaïque. Une plaque, formée par les germes de diamant monocristallin, est récupérée par une étape de retrait par procédé de « lift-off », selon une terminologie anglo-saxonne, c’est-à-dire par retrait d’un matériau sacrificiel. En conséquence, le processus de découpe et de polissage de la plaque de diamant développée n'est plus nécessaire, limitant ainsi le risque de détérioration des plaques pendant les phases de polissage et de découpe.
Une autre solution décrite dans le document n°CN114150376 propose un procédé d'épissage et de croissance d'un diamant monocristallin de grande taille, présentant une haute qualité cristalline au niveau des jonctions d'épissage formées pendant le processus de croissance de germes de diamant monocristallin. Pour cela, à partir d’un germe de diamant monocristallin d’orientation cristallographique de la famille {100}, une couche épitaxiale de diamant monocristallin est formée sur la surface du germe par dépôt chimique en phase vapeur. La couche épitaxiale est récupérée par découpe laser. Cette étape est répétée de manière à obtenir une pluralité de couches épitaxiales d’orientations cristallines strictement identiques. Les couches épitaxiales sont polies afin de réduire leur différence de hauteur. La direction de croissance par écoulement de marches à la surface des couches épitaxiales est ensuite déterminée et les couches épitaxiales sont disposées parallèlement à la direction de croissance du flux étagé puis utilisées en tant que germes pour la croissance d’une couche épitaxiale de diamant monocristallin par dépôt chimique en phase vapeur. Une plaquette épitaxiale de diamant monocristallin de grande taille est ainsi obtenue.
Bien que l’obtention de couches épaisses de diamant par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à partir de germes d’orientation cristallographique de la famille {100} permette également l’obtention de mosaïques de diamant monocristallin présentant des jonctions de bonne qualité, ces méthodes ne permettent pas de produire des plaques de diamant monocristallin de taille suffisante pour la formation des substrats pour des applications électroniques. En outre, les solutions proposées dans l’état de l’art impliquent l’application de conditions de croissance assez restreintes imposant une vitesse de croissance relativement faible et empêchant l’incorporation d’impuretés par dopage qui modifierait les propriétés de la plaque de diamant monocristallin.
Ainsi, il existe un besoin pour la fourniture de plaques de diamant monocristallin qui présentent une surface de croissance accrue et une qualité améliorée.
L’invention a pour but de remédier aux inconvénients de l’art antérieur. En particulier, l’invention a pour but de proposer un procédé de production d’une plaque de diamant monocristallin de grande taille, ledit procédé permettant d’assurer la formation de jonctions de haute qualité, c’est-à-dire avec peu voire pas de défauts cristallins, entre les germes de diamant monocristallin.
L’invention vise à pallier ces inconvénients. Ce qui suit présente un résumé simplifié d'aspects, de modes de réalisation et d'exemples sélectionnés de la présente invention dans le but de fournir une compréhension de base de l'invention. Cependant, ce résumé ne constitue pas un aperçu exhaustif de tous les aspects, modes de réalisation et exemples de l'invention. Son seul but est de présenter des aspects, modes de réalisation et exemples sélectionnés de l'invention sous une forme concise en guise d'introduction à la description plus détaillée des aspects, modes de réalisation et exemples de l'invention qui suivent le résumé.
L’invention vise en particulier un procédé de production d’une plaque de diamant monocristallin à partir d’une pluralité de germes de diamant monocristallin qui comportent une surface de croissance, ladite une surface de croissance comprenant une structure en terrasses, ladite structure en terrasses présentant plusieurs faces d’orientation cristallographique, lesdites faces d’orientation cristallographique comportant des familles de plans {100} ou des familles de plans {100} et {113}, le procédé comprenant les étapes suivantes :
  • fourniture de germes de diamant monocristallin, chacun des germes étant associé à des caractéristiques structurelles, lesdites caractéristiques structurelles comprenant au moins :
    • une première valeur décrivant un angle donnant une direction de propagation d’un front d’onde,
    • un angle de désorientation de la structure en terrasses supérieur ou égal à 0° et inférieur ou égal à 10°,
  • positionnement des germes de diamant monocristallin de manière à former une mosaïque, de sorte que deux germes de diamant monocristallin adjacents présentent des premières valeurs décrivant les angles donnant les directions de propagation des fronts d’onde dont la différence est inférieure ou égale à 5°, de préférence inférieure ou égale à 1°; et
  • croissance épitaxiale latérale de la structure en terrasses, par dépôt chimique en phase vapeur assisté, de préférence par plasma ou par filament chaud, d’une couche monocristalline.
Cela permet ainsi d’utiliser un grand nombre de germes de diamant monocristallin et donc, par rapport aux procédés de l’art antérieur, d’augmenter la surface de croissance disponible de la plaque de diamant monocristallin à partir de laquelle pourra être générée des plaquettes de diamant monocristallin. En particulier, la croissance épitaxiale latérale de la structure en terrasses est réalisée selon l’orientation cristallographique comportant des familles de plans {100} et {113}, de façon préférée c’est l’orientation cristallographique formant les hauteurs des marches de la structure en terrasses. Cette croissance épitaxiale latérale permet la formation de jonctions entre les germes.
Un tel procédé permet également une croissance plus rapide que celle permise par les procédés de l’art antérieur, tout en conservant une qualité cristalline optimale. Le procédé selon l’invention permet également de modifier les caractéristiques physiques du diamant monocristallin ou de la surface du diamant monocristallin par l’utilisation de gaz dopant suivie d’une irradiation par exemple à un flux d’électrons et notamment l’incorporation de centres NV et NV-ou XV et XV-, X étant un élément tel que de l’azote N ou du Silicium Si par exemple.
L’invention a en outre pour but de proposer une plaque de diamant monocristallin de grande taille. Une telle plaque de diamant monocristallin présente une surface de croissance plus importante que celle permise par les procédés de l’art antérieur, et une qualité cristalline optimale avec peu voire pas de défauts cristallins.
Comme cela sera montré, le procédé selon l’invention peut être efficace même lorsque, lors de l’étape de positionnement des germes, deux germes de diamant monocristallin adjacents présentent des premières valeurs décrivant les angles donnant les directions de propagation des fronts d’onde dont la différence est supérieure à 0°.
Selon d’autres caractéristiques optionnelles du procédé de production d’une plaque de diamant monocristallin, ce dernier peut inclure facultativement une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :
  • dans lequel l’étape de croissance épitaxiale latérale est suivie d’une deuxième croissance épitaxiale verticale de la structure en terrasses selon l’orientation cristallographique de la famille de plans {100} de manière à former une couche épitaxiale de diamant monocristallin. En particulier, c’est l’étape de croissance épitaxiale latérale selon l’orientation cristallographique des germes de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} ou des germes de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} et {113} qui est suivie de la deuxième croissance épitaxiale verticale.
  • dans lequel la première valeur décrivant un angle donnant une direction de propagation d’un front d’onde d’un germe de diamant monocristallin correspond à un angle formé entre la direction de propagation du front d’onde et une face latérale du germe de diamant monocristallin.
  • dans lequel la première valeur décrivant un angle donnant une direction de propagation d’un front d’onde d’un germe de diamant monocristallin correspond à un vecteur caractéristique de la direction de propagation d’un front d’onde par rapport à une face latérale du germe de diamant monocristallin.
  • une étape de calcul, à partir des premières valeurs décrivant une direction de propagation pour chaque germe de diamant monocristallin, d’une deuxième valeur décrivant l’angle donnant la direction de propagation d’un front d’onde principal de la pluralité de germes de diamant monocristallin et dans lequel lors de l’étape de positionnement des germes de diamant monocristallin de manière à former une mosaïque, chaque germe (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin comprend des angles donnant les directions de propagation (D10, D11) des fronts d’onde (FO10, FO11) allant de -5° à +5° par rapport à la deuxième valeur, de préférence de -2,5° à + 2,5°.
  • ledit procédé comprenant une étape de surfaçage, par lithographie ou par laser, des faces d’orientation cristallographique des germes de diamant monocristallin de sorte que lesdits germes présentent des angles donnant la direction propagation des fronts d’onde sensiblement identiques. En particulier, l’étape de surfaçage concerne les germes de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} ou des faces d’orientation cristallographique (OC1, OC2) des germes (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} et {113}. De façon préférée, l’étape de surfaçage est réalisée par laser.
  • ledit procédé comprenant une étape de resurfaçage par laser ou par lithographie de la plaque de diamant monocristallin après retrait de la couche épitaxiale de diamant monocristallin, l’étape de resurfaçage comprenant :
    • un retrait d’une épaisseur prédéterminée de la plaque de diamant monocristallin,
    • une formation d’une nouvelle structure en terrasses prédéterminée présentant des faces d’orientation cristallographique des germes de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} ou des faces d’orientation cristallographique des germes de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} et {113}. De façon préférée, l’étape de surfaçage est réalisée par laser. De façon plus préférée, l’étape de resurfaçage comporte la formation d’une nouvelle structure en terrasses prédéterminée présentant des faces d’orientation cristallographique des germes de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} et {113}. Cette nouvelle structure en terrasse est de préférence réalisée sur la plaque de diamant monocristallin, sur la surface créée lors de l’étape de retrait.
  • dans lequel les germes de la nouvelle structure en terrasses, formée lors de l’étape de resurfaçage par laser ou par lithographie, présentent des angles donnant la direction de propagation des fronts d’onde sensiblement identiques.
  • dans lequel la croissance épitaxiale latérale de la structure en terrasses selon l’orientation cristallographique des germes de diamant monocristallin comprend une étape d’introduction d’un gaz adapté pour empêcher le développement de contraintes ou la formation de défauts cristallins, de préférence de macles et de dislocations, à l’interface entre les germes.
  • dans lequel la structure en terrasses comprend des marches de croissance macroscopiques. En particulier, la structure en terrasses des germes de diamant monocristallin peut comprendre des marches de croissance dont la hauteur est par exemple d’au moins 100 nm. Cela permet d’améliorer les jonctions et les propriétés de la couche de diamant produite. En outre, les terrasses de croissance macroscopiques peuvent présenter des longueurs L10, L11d’au moins 10 µm.
  • ledit procédé comprenant une étape de création de centres « XV- », par dopage par un gaz « X » adapté suivie d’une irradiation par faisceau d’électrons et d’un recuit. Cette étape est de préférence réalisée après l’étape de croissance épitaxiale latérale et/ou l’étape de croissance épitaxiale verticale.
  • dans lequel l’étape de positionnement comprend en outre un placement d’un germe de diamant monocristallin par rapport à un autre germe de diamant monocristallin à une distance d’au plus 200 µm.
  • dans lequel les structures en terrasses des germes de diamant monocristallin présentent, les unes par rapport aux autres, une première désorientation planaire selon un axe horizontal et une deuxième désorientation planaire selon un axe vertical inférieures à un angle de 3°.
  • dans lequel chaque germe de diamant monocristallin présente une différence d’épaisseur d’au plus 50 µm, de préférence d’au plus 30 µm, par rapport à un autre germe de diamant monocristallin adjacent. Toutefois, des germes de diamant monocristallin peuvent présenter une différence d’épaisseur d’au moins 10 µm, par exemple d’au moins 20 µm, par rapport à un autre germe de diamant monocristallin adjacent.
  • dans lequel les germes de diamant monocristallin sont positionnés par ordre d’épaisseur croissante selon une direction de propagation définie par un des angles des fronts d’onde. Ainsi, la mosaïque peut comporter des germes présentant des différences d’épaisseur d’au moins 30 µm, par exemple d’au moins 50 µm.
  • dans lequel les germes de diamant monocristallin sont positionnés par ordre d’épaisseur décroissante selon une direction de propagation définie par un des angles des fronts d’onde.
Selon un deuxième objet, l’invention porte sur une plaque de diamant monocristallin comprenant une pluralité de germes de diamant monocristallin qui comportent une surface de croissance, ladite surface de croissance comprenant une structure en terrasses, ladite structure en terrasses présentant plusieurs faces d’orientation cristallographique, lesdites faces d’orientation cristallographique comportant des familles de plans {100} ou des familles de plans {100} et {113}, un angle de désorientation de la structure en terrasses supérieur ou égal à 0° et inférieur ou égal à 10°, et des jonctions monocristallines qui relient les germes de diamant monocristallin entre eux, les jonctions monocristallines ayant été obtenues par :
  • une étape de positionnement des germes de diamant monocristallin de manière à former une mosaïque, de sorte que deux germes de diamant monocristallin adjacents présentent des premières valeurs décrivant les angles donnant les directions de propagation des fronts d’onde dont la différence est inférieure ou égale à 5°, de préférence sensiblement égale à 0° ; et
  • une étape de croissance épitaxiale latérale de la structure en terrasses selon l’orientation cristallographique, par dépôt chimique en phase vapeur assisté, de préférence par plasma ou par filament chaud, d’une couche monocristalline.
De la même façon, la plaque de diamant selon l’invention présente des propriétés attendues même lorsque deux germes de diamant monocristallin adjacents présentent des premières valeurs décrivant les angles donnant les directions de propagation des fronts d’onde dont la différence est supérieure à 0°.
Selon d’autres caractéristiques optionnelles de la plaque de diamant monocristallin, cette dernière peut inclure facultativement une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :
  • dans laquelle au moins 15 %, de préférence au moins 50% et de manière encore plus préférée au moins 85%, des jonctions formées entre les germes de diamant monocristallin présentent une valeur de largeur de pic de Raman à mi-hauteur supérieure ou égale à 2,5 cm-1et inférieure à 2,9 cm-1.
Selon un troisième objet, l’invention porte sur une plaquette de diamant monocristallin formée par le retrait de la couche épitaxiale de diamant monocristallin obtenue par le procédé selon l’invention.
Selon un autre aspect, l’invention porte également sur un diamant monocristallin présentant une surface comportant au moins une première face cristallographique et une deuxième face cristallographique, lesdites faces cristallographiques étant chacune associée à une concentration en centres « XV- » et la concentration en centres « XV- » de la première face cristallographique étant supérieure à la concentration en centres « XV- » de la deuxième face cristallographique. En particulier, dans le diamant monocristallin selon l’invention, la première face cristallographique du diamant monocristallin appartient à la famille de plans {113}. Comme cela sera décrit, un tel diamant monocristallin est susceptible d’être obtenu par un procédé selon l’invention.
Selon un quatrième objet, l’invention porte sur une utilisation d’une plaque de diamant monocristallin selon l’invention, d’un diamant monocristallin selon l’invention, ou d’une plaquette de diamant monocristallin selon l’invention pour la fabrication d’une fenêtre optique, d’un substrat pour semi-conducteur ou pour la gestion thermique, d’un substrat pour des technologies quantiques, ou d’un diamant pour la joaillerie, de préférence supérieur à 5 carats, de préférence supérieur à 15 carats.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre et en référence aux dessins annexés, donnés à titre illustratif et nullement limitatif.
La représente un schéma d’un procédé de fabrication d’une plaque de diamant monocristallin selon l’invention. Les étapes encadrées en pointillées sont facultatives.
La représente une illustration graphique d’une coupe transversale d’un germe de diamant monocristallin vue de côté.
La représente une illustration graphique d’une coupe transversale d’une plaque de diamant monocristallin vue de côté après croissance d’une couche de diamant monocristallin.
La représente une première illustration graphique d’une coupe transversale de deux germes de diamant monocristallin vue de côté.
La représente une illustration d’un germe de diamant monocristallin selon une vue en perspective.
La représente un schéma d’un germe de diamant monocristallin vue de dessus dont l’écoulement de marches s’effectue selon OC2, OC2 appartenant : a) soit à la famille des plans {113}, b) soit à la famille {100}.
La représente un schéma d’une mosaïque comprenant neuf germes de diamant monocristallin vue de dessus.
La représente une illustration graphique de quatre germes de diamant monocristallin vue de dessus.
La représente une deuxième illustration graphique d’une coupe transversale de deux germes de diamant monocristallin vue de côté.
La correspond à une photo d’une partie d’une plaque de diamant monocristallin selon l’invention vue de dessus.
Les figures ne respectent pas nécessairement les échelles, notamment en épaisseur, et ce à des fins d’illustration.
Des aspects de la présente invention sont décrits en référence à des organigrammes et/ou à des schémas fonctionnels de procédés selon des modes de réalisation de l'invention.
Sur les figures, les organigrammes et les schémas fonctionnels illustrent l'architecture, la fonctionnalité et le fonctionnement d'implémentations possibles de systèmes, de procédés selon divers modes de réalisation de la présente invention. A cet égard, chaque bloc dans les organigrammes ou blocs-diagrammes peut représenter un système, un dispositif, un module ou un code, qui comprend une ou plusieurs instructions exécutables pour mettre en œuvre la ou les fonctions logiques spécifiées. Dans certaines implémentations, les fonctions associées aux blocs peuvent apparaître dans un ordre différent que celui indiqué sur les figures. Par exemple, deux blocs montrés successivement peuvent, en fait, être mis en œuvre sensiblement simultanément, ou les blocs peuvent parfois être mis en œuvre dans l'ordre inverse, en fonction de la fonctionnalité impliquée. Chaque bloc des schémas de principe et/ou de l'organigramme, et des combinaisons de blocs dans les schémas de principe et/ou l'organigramme, peuvent être mis en œuvre par des systèmes matériels spéciaux qui exécutent les fonctions ou actes spécifiés ou effectuer des combinaisons de matériel spécial et d'instructions informatiques.
Ci-après, nous décrivons un résumé de l’invention et le vocabulaire associé, avant de présenter les inconvénients de l’art antérieur, puis enfin de montrer plus en détail comment l’invention y remédie.
Dans la suite de la description, l’expression «plaque de diamant monocristallin» peut correspondre à au moins deux germes de diamant monocristallin reliés entre eux après une première croissance cristalline.
L’expression «grande taille» au sens de l’invention peut correspondre à une plaque ou une plaquette présentant une surface de croissance supérieure à 2 cm2, de préférence supérieure à 3 cm2, de manière préférée supérieure à 5 cm2, de manière encore plus préférée supérieure à 10 cm2, préférentiellement supérieure à 20 cm2, et préférentiellement supérieure à 315 cm2.
Le terme «germe» au sens de l’invention peut correspondre aux éléments sur lesquels les couches ou films de diamant croissent. Il s’agit, pour les couches monocristallines de monocristaux de diamant naturel ou produits par procédé haute pression-haute température (HPHT) ou encore produits par processus CVD (pour chemical vapor deposition ou dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma ou par filament chaud).
Le terme «jonction» peut désigner une partie qui relie physiquement deux germes l’une à l’autre.
Lorsque l’expression «face d’orientation cristallographique de la famille» est utilisée, elle fait généralement référence à unefamille de plans cristallins.Les plans cristallins qui présentent une forme cristalline particulière dont la surface est sensiblement plane et limitant un cristal, qui se note par convention entre accolades. Cela inclut toutes les variantes de position que peut prendre la face d’orientation cristallographique dans un cristal. A titre d’exemple, la famille de la face d’orientation cristallographique de la famille {100} inclut également les variantes, positives et négatives, telles que les faces cristallographiques (010) et (001) ; De même, la famille de la face d’orientation cristallographique de la famille {113} inclut également les variantes, positives et négatives, telles que les faces cristallographiques (131) et (311). Ces faces cristallographiques sont conventionnellement définies par trois indices de Miller notés entre parenthèse « (hkl) », h, k et l pouvant être des nombres entiers positifs ou négatifs.
Une «structure en terrasses» selon l’invention peut correspondre à une structure étagée comprenant des marches caractérisées par une première orientation cristallographique et des terrasses caractérisées par une deuxième orientation cristallographique, la deuxième orientation cristallographique est de préférence différente de la première orientation cristallographique. Les marches d’une structure en terrasses sont sensiblement linéaires et parallèles entre elles, tandis que les terrasses sont sensiblement linéaires et parallèles entre elles. A titre d’exemple illustratif, les terrasses sont formées par des faces d’orientation cristallographiques de la famille de plans {100} et les marches par des faces d’orientation cristallographiques de la famille de plans {113} de la structure en terrasses. Elles peuvent par exemple former entre elles des angles de 154,8° ou de 107,5°.
Le terme «croissance» au sens de l’invention peut correspondre à l’étape ou aux étapes de dépôt de carbone sous forme sp3 de diamant cristallin (monocristallin) contribuant à la production d’une couche de diamant monocristallin. Les conditions de croissance et paramètres de dépôt représentent un ensemble de valeurs des variables : pression, puissance microonde injectée, débit total des gaz, débit du précurseur carboné, débit d’impuretés et de dopant, composition du gaz de résistance thermique et leur débit, températures de la couche ou des couches en croissance pour un réacteur donné.
Le terme «diamant» au sens de l’invention peut correspondre à une ou plusieurs couches de diamant monocristallin plus au moins épaisses, résultant du dépôt de carbone sous forme sp3 de diamant cristallin (monocristallin).
L’expression« couche de diamant »au sens de l’invention peut correspondre à une couche (ou un film) de diamant monocristallin, polycristallin, nanocristallin ou ultra-nanocristallin formée après nucléation sur une surface de diamant monocristallin ou d’un autre matériau. Au sens de l’invention, l’obtention de diamant monocristallin se fait généralement par épaississement en hauteur et/ou en largeur d’un monocristal de diamant souche (ou germe) provenant d’un monocristal de diamant naturel ou produit par procédé haute pression-haute température (HPHT) ou produit par CVD (pour « chemical vapor deposition » assisté par plasma ou par filament chaud).
Le terme «plasma» au sens de l’invention peut correspondre à la production, à partir d’une décharge électrique dans un gaz composé d’un mélange, d’un milieu globalement neutre électriquement mais contenant des ions et des électrons ainsi que des fragments d’espèces gazeuses dissociées ainsi que des molécules stables.
L’expression «d ésorientation de la structure en terrasse s» (noté δ), au sens de l’invention, peut correspondre à la présence d'un angle de désorientation caractérisant l’inclinaison de la structure en terrasses, plus particulièrement d’une terrasse formée par une face d’orientation cristallographique, par exemple de la famille de plans {100}, par rapport à la face arrière d’un germe de diamant monocristallin.
Le terme «sensiblement» au sens de l’invention s’entend d’une valeur variant de moins de 30 % par rapport à la valeur comparée, de préférence de moins de 20 %, de façon encore plus préférée de moins de 10 %. Lorsque sensiblement identique est utilisé pour comparer des formes alors la forme vectorisée varie de moins de 30 % par rapport à la forme vectorisée comparée, de préférence de moins de 20 %, de façon encore plus préférée de moins de 10 %. En particulier, lorsque sensiblement identique est utilisé pour comparer des angles alors les valeurs d’angles ne sont pas différentes de plus de 10°, de façon préférée de plus de 5°, de façon encore plus préférée de plus de 2° et de façon encore plus préférée de plus de 1°.
Pour de nombreuses applications industrielles, des couches de diamant monocristallin de grande taille (e.g. plus de 20 centimètres de diamètre) sont attendues. Il a déjà été proposé de nombreuses méthodes pour produire des couches de diamant monocristallin de grande taille. Toutefois les diamants monocristallins obtenus selon ces méthodes présentent généralement des défauts cristallins lorsque la taille augmente. La demanderesse a développé une nouvelle méthode permettant de réduire ces défauts cristallins.
La demanderesse propose d’utiliser des germes de diamant monocristallin qui présentent des faces d’orientation cristallographique de la famille de plans {100} et de préférence de la famille de plans {100} et {113} afin de générer une plaque de diamant monocristallin de haute qualité et de grande taille en prenant en considération les caractéristiques structurelles de chaque germe et en les positionnant selon un angle de propagation d’un front d’onde. Cela permet la formation de jonctions de haute qualité, c’est-à-dire avec peu voire pas de défauts cristallins entre les germes de diamant monocristallin. En particulier, l’invention propose de procéder à une première croissance générée par des conditions favorisant la croissance latérale des faces d’orientation cristallographique de la famille de plans {113} afin d’assurer la formation d’une couche monocristalline de qualité optimale entre les germes limitant ainsi la formation de défauts cristallins et les risques de fissure lors de la croissance ou de la découpe d’une plaquette de diamant monocristallin.
Ainsi, comme illustré en , l’invention concerne un procédé de production 100 d’une plaque de diamant monocristallin de grande taille à partir d’une pluralité de germes de diamant monocristallin, le procédé comprend une étape de fourniture 110 de germes de diamant monocristallin associés à des caractéristiques structurelles, une étape de positionnement 130 des germes de diamant monocristallin, et une étape de croissance épitaxiale 140 latérale.
Un germe 10 de diamant monocristallin est représenté en . Le germe 10 de diamant monocristallin, et plus généralement les germes 11, 12, 13 de diamant monocristallin selon l’invention, comprennent au moins une face FSCconstituant la surface de croissance du cristal qui est constituée de plans cristallins formés par des faces d’orientation cristallographique OC1 et OC2, respectivement les terrasses et les marches des structures en terrasses. Le germe comprend également une face arrière FAR, à l’opposé de la face FSCconstituant la surface de croissance du cristal, sur laquelle repose ledit germe 10 lors d’une étape de croissance. Les faces des terrasses OC1 de la surface de croissance FSCet la face arrière FARsont sensiblement parallèles. Elles forment cependant un angle d10entre elles, appelé angle de désorientation.
Comme détaillé en , le germe 10 de diamant monocristallin comprend donc en surface une structure étagée ou structure en terrasses qui présente des faces d’orientation cristallographique OC1, OC2 de la famille de plans {100} ou de la famille de plans {100} et {113}. Comme montré sur la , la structure en terrasses des germes 10, 11 de diamant monocristallin comprend des faces d’orientations cristallographiques OC1 et OC2 qui présentent une surface prédéterminée. Plus particulièrement, les structures en terrasses des germes 10, 11 de diamant monocristallin comprennent des marches de largeur L10, L1 1et de hauteur H10, H1 1prédéterminées. En effet, comme montré sur la , les structures en terrasses des germes 10, 11 de diamant monocristallin utilisées pour la formation d’une plaque de diamant monocristallin doivent préférentiellement présenter des angles de désorientation δ10, δ11sensiblement identiques ou à tout le moins relativement proches, ils peuvent par exemple être compris entre 0° et 10°.
Les angles de désorientation δ10δ11sont par exemple d’au moins 0,1°, de préférence au moins 0,5°, de façon plus préférée au moins 1°, de façon encore plus préférée d’au moins 2°. Les angles de désorientation δ10δ11sont par exemple d’au plus 9,9°, de préférence au plus 9,5°, de façon plus préférée au plus 9°, de façon encore plus préférée d’au plus 8°. Ainsi, les angles de désorientation δ10δ11sont par exemple compris entre 0,1° et 9,9°, de préférence entre 0,5° et 9,5°, de façon plus préférée entre 1° et 9°, de façon encore plus préférée entre 2° et 8°.
Comme cela a été mentionné, au sein d’un même germe il est possible d’observer des angles de désorientation différents. Avantageusement, les angles de désorientation au sein d’un même germe ne doivent pas être très différents. Ainsi, de façon préférée, un germe de diamant monocristallin utilisé dans le cadre de la présente invention présentera une variance d’angles de désorientation d’au plus 10%, de façon plus préférée d’au plus 5 %, de façon encore plus préférée d’au plus 1 %.
Plus particulièrement, comme cela est illustré sur les Figures 4 et 5, la structure en terrasses des germes de diamant monocristallin peut comprendre des marches de croissance macroscopiques, par exemple qui présentent une hauteur H1 0, H1 1d’au moins 100 nm et jusqu’à 5 µm.
La structure en terrasses des germes de diamant monocristallin peut comprendre des marches de croissance dont la hauteur est par exemple d’au moins 100 nm, de préférence au moins 200 nm, de façon plus préférée au moins 500 nm, de façon encore plus préférée d’au moins 1000 nm. La hauteur des marches de croissance est par exemple d’au plus 4,5 µm, de préférence au plus 4 µm, de façon plus préférée au plus 3,5 µm, de façon encore plus préférée d’au plus 3 µm. Ainsi, les hauteurs des marches de croissance sont par exemple comprises entre 100 nm et 4,5 µm, de préférence entre 200 nm et 4 µm, de façon plus préférée entre 500 nm et 3,5 µm, de façon encore plus préférée entre 1000 nm et 3 µm. Les hauteurs des marches de croissance peuvent varier au sein d’un germe. Ainsi, les valeurs ci-dessus peuvent correspondre à des valeurs médianes observées sur un germe.
De façon préférée, un germe de diamant monocristallin utilisé dans le cadre de la présente invention présentera une variance des hauteurs des marches de croissance de moins de 30 %, de façon plus préférée moins de 20%, de façon encore plus préférée moins de 10 %.
En outre, les terrasses de croissance macroscopiques OC1 peuvent présenter des longueurs L10, L11comprises entre 10 µm et 300 µm.
La structure en terrasses des germes de diamant monocristallin peut comprendre des terrasses de croissance dont la longueur est par exemple d’au moins 10 µm, de préférence au moins 20 µm, de façon plus préférée au moins 30 µm, de façon encore plus préférée d’au moins 50 µm. La longueur des terrasses de croissance est par exemple d’au plus 300 µm, de préférence au plus 250 µm, de façon plus préférée au plus 200 µm, de façon encore plus préférée d’au plus 150 µm. Ainsi, les longueurs des terrasses de croissance sont par exemple comprises entre 10 µm et 300 µm, de préférence entre 20 µm et 250 µm, de façon plus préférée entre 30 µm et 200 µm, de façon encore plus préférée entre 50 µm et 150 µm. Les longueurs des terrasses de croissance peuvent varier. Ainsi, les valeurs ci-dessus peuvent correspondre à des valeurs médianes observées sur un germe.
De façon préférée, un germe de diamant monocristallin utilisé dans le cadre de la présente invention présentera une variance des longueurs des terrasses de croissance de moins de 30 %, de façon plus préférée moins de 20%, de façon encore plus préférée de moins de 10 %.
Un procédé conforme à l’invention comprend ainsi une étape de fourniture 110 de germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin, chacun des germes étant associé à des caractéristiques structurelles. Dans le cadre de l’invention, les caractéristiques structurelles comprennent au moins une première valeur décrivant un angle donnant une direction de propagation D10du front d’onde FO10.
Un tel angle peut être formé par la direction de déplacement des marches ou des faces d’orientation cristallographique OC2 et les axes x ou y, des faces latérales FBDdu germe 10 de diamant monocristallin, orientés comme indiqué en Figures 5 et 6. La valeur de l’angle D10permet ainsi de définir la direction de propagation du front d’onde FO10, représentant le déplacement des fronts de marches ou des faces d’orientation cristallographique OC2, que l’on appelle Front d’Onde comme présentée sur la .
Un procédé conforme à l’invention peut en outre comprendre une étape de détermination (non représentée sur les figures) des caractéristiques structurelles de chaque germe 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin préalablement mentionnées.
Comme illustré sur la , pour chacun des germes, une première valeur décrivant un angle D10, D11donnant une direction de propagation du front d’onde FO10est fournie. Les angles D10, D11sont définis tels qu’ils appartiennent à l’intervalle [0, π/2]. Lors de la croissance de diamant par dépôt assisté par plasma microonde, les fronts d’onde se déplacent selon un angle, un sens et une direction bien particuliers le long de la structure en terrasses de chaque germe de diamant monocristallin.
Les caractéristiques structurelles comprennent également un angle de désorientation δ, de la structure en terrasses, supérieur ou égale à 0° et inférieur ou égal à 10° par rapport à la face arrière FAR. Avantageusement, l’angle de désorientation est strictement supérieur à 0°. En outre, lorsque l’angle de désorientation est supérieur à 0° mais inférieur ou égal à 10°, la croissance par mécanisme d’écoulement de marches se produit et cela permet de limiter l’apparition de défauts cristallins lors des étapes de croissance, et plus particulièrement la formation de macles.
En complément, les caractéristiques structurelles peuvent comprendre les dimensions des marches de croissance de la structure en terrasses, la direction de la propagation du front d’onde et/ou l’épaisseur de chaque germe 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin.
Pour déterminer les caractéristiques structurelles des germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin, des techniques connues telles que la microscopie optique ou numérique, la diffraction par rétrodiffusion d'électrons qui permet une caractérisation microstructurale et cristallographique via un microscope électronique à balayage peut par exemple être utilisée. Cela permet de fournir des informations sur la structure, l'orientation cristallographique, la phase, ou la déformation dans le matériau.
En outre, il est possible de mesurer l'orientation cristallographique des faces des germes par des techniques de microscopie électronique afin de ne fournir que les germes qui présentent des faces de même orientation cristallographique.
Le procédé de production 100 peut également comprendre une étape de calcul 120, à partir des valeurs décrivant un angle donnant la direction de propagation D10, D11, fournie pour chaque germe 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin, d’une deuxième valeur décrivant l’angle donnant la direction de propagation du front d’onde principal FO de la pluralité de germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin.
A titre d’exemple non limitatif, l’étape de calcul 120 peut être mise en œuvre par un ordinateur ou plus généralement par tout type de dispositif informatique configuré pour cela.
Dans un premier mode de réalisation, le procédé de production 100 selon l’invention peut comprendre une étape de surfaçage 115, par lithographie ou par laser, des faces d’orientation cristallographique OC1, OC2 des familles de plans {100} ou des familles de plans {100} et {113} des germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin de sorte que lesdits germes présentent des angles donnant les directions de propagation D10, D11 des fronts d’onde FO10, FO11sensiblement identiques. Cela permet ainsi de limiter l’apparition de défauts cristallins lors des étapes de croissance.
A titre d’exemple non limitatif, l’étape de surfaçage 115 peut être mise en œuvre par un laser, tel qu’un laser guidé par un jet d’eau, par exemple de 50 µm de diamètre, d’une longueur d’onde de 532 nm, d’une puissance de 50 W et d’une fréquence de 6 kHz. En particulier, l’étape de surfaçage 115 peut être mise en œuvre par un laser présentant un diamètre d’au moins 10 µm, de préférence d’au moins 20 µm, de façon plus préférée d’au moins 30 µm et de façon plus préférée d’au moins 50 µm de diamètre. L’étape de surfaçage 115 peut être mise en œuvre par un laser présentant un diamètre d’au plus 200 µm, de préférence d’au plus 150 µm, de façon plus préférée d’au plus 125 µm et de façon plus préférée d’au plus 100 µm de diamètre.
L’étape de surfaçage 115 peut être réalisée en balayant le laser sur la surface de la plaque de diamant monocristallin. L’étape de surfaçage 115 peut alternativement être mise en œuvre par lithographie, notamment par l’utilisation d’un masque de photolithographie comprenant des motifs à réaliser sur la surface du diamant. Une étape de dépôt de SiO2dans un bâti de PECVD (dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma) puis de résine photosensible précède la photolithographie. Ensuite, une étape de gravure dans un bâti de gravure ionique réactive du dépôt de SiO2puis du diamant permet de compléter le resurfaçage.
Le procédé de production 100 selon l’invention comprend en outre une étape de positionnement 130 des germes de diamant monocristallin, de manière à former une mosaïque. Les germes de diamant monocristallin sont positionnés de sorte que deux germes de diamant monocristallin adjacents présentent des premières valeurs décrivant les angles donnant les directions de propagation D10, D11des fronts d’onde FO10, FO11dont la différence est de préférence sensiblement égale à 0°, de façon plus préférée égale à 0°.
Les germes de diamant monocristallin sont positionnés de sorte que deux germes de diamant monocristallin adjacents présentent des premières valeurs décrivant les angles donnant les directions de propagation D10, D11des fronts d’onde FO10, FO11dont la différence est d’au plus 5°.
Les germes de diamant monocristallin sont positionnés de sorte que deux germes de diamant monocristallin adjacents présentent des premières valeurs décrivant les angles donnant les directions de propagation D10, D11des fronts d’onde FO10, FO11dont la différence est supérieure ou égale à 0° et inférieure ou égale à 5°.
Les germes de diamant monocristallin peuvent être positionnés de sorte que deux germes de diamant monocristallin adjacents présentent des premières valeurs décrivant les angles donnant les directions de propagation D10, D11des fronts d’onde FO10, FO11dont la différence est inférieure ou égale à 4°, de préférence inférieure ou égale à 3°, préférentiellement inférieure ou égale à 2° et de manière encore plus préférée inférieure ou égale à 1° et de manière encore plus préférée égale à 0°.
Dans un mode de réalisation, le positionnement 130 des germes de diamant monocristallin peut être réalisé selon une même direction de propagation du front d’onde FO10, FO11, de manière à former une mosaïque, chaque germe 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin comprenant un angle donnant la direction de propagation D10, D11, du front d’onde FO10, FO11dont la différence est supérieure ou égale à 0° et inférieure ou égale à 5°. par rapport à la deuxième valeur décrivant l’angle donnant la direction de propagation du front d’onde principal FO de la pluralité de germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin constituant la mosaïque.
Optionnellement, comme montré sur la , les germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin peuvent être de forme parallélépipédique, plus particulièrement de forme carrée, ou encore octaédrique ou encore triangulaire. Ils peuvent en outre être positionnés en décalé les uns par rapport aux autres, de manière qu’au moins un sommet S de chaque germe 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin est positionné en vis-à vis par rapport à un côté d’un germe de diamant monocristallin adjacent. Ainsi, les sommets S des germes se retrouvent en contact ou non et en vis-à-vis avec au maximum deux germes adjacents. Cela permet ainsi de limiter la génération de contraintes mécaniques lors des étapes de croissance.
Afin d’obtenir des jonctions de haute qualité et permettre la fabrication d’une plaque de diamant monocristallin de grande taille, les germes de diamant monocristallin peuvent présenter une différence d’épaisseur d’au plus 50 µm, de préférence d’au plus 30 µm, par rapport à un autre germe de diamant monocristallin adjacent.
Afin d’améliorer encore plus la formation de jonctions de haute qualité et permettre la fabrication d’une plaque de diamant monocristallin de grande taille, les germes de diamant monocristallin peuvent être positionnés par ordre d’épaisseur croissante selon une direction de propagation définie par un des angles D10, D11des fronts d’onde FO10, FO11. Plus particulièrement, les germes de diamant monocristallin sont positionnés de façon à présenter une différence d’épaisseur croissante par rapport à un ou plusieurs des germes adjacents, dans le sens des directions de propagation des fronts d’onde FO10, FO11donnés par leurs angles D10 D11. A titre d’exemple illustratif, les germes de diamant monocristallin, qui forment la mosaïque et qui présentent une première épaisseur E1 minimum peuvent être positionnés en premier dans le sens des directions de propagation de leurs fronts d’onde, d’angles associés D10, D11puis les germes de diamant monocristallin qui présentent une deuxième épaisseur E2 croissante de moins de 5 µm de différence par rapport à la première épaisseur E1 peuvent être positionnés de manière adjacente aux germes de diamant monocristallin qui présentent une telle première épaisseur E1. Enfin, les germes de diamant monocristallin qui présentent une épaisseur croissante, par exemple une troisième épaisseur E3 de plus 5 µm et jusqu’à 50 µm de différence par rapport aux germes adjacents, sont positionnés en suivant, de manière adjacente aux germes de diamant monocristallin qui présentent une deuxième épaisseur E2 croissante de moins de 5 µm de différence par rapport à la première épaisseur E1 dans le sens de la direction de propagation définie par un des angles D10, D11des fronts d’onde FO10, FO11. Ainsi, la différence d’épaisseur entre chaque germe de diamant monocristallin adjacent est de préférence inférieure ou égale à 30 µm, de façon plus préférée inférieure ou égale à 25 µm, de façon encore plus préférée inférieure ou égale à 20 µm, et par exemple inférieure ou égale à 15 µm.
Optionnellement, l’étape de positionnement 130 peut en outre comprendre un placement d’un germe de diamant monocristallin par rapport à un autre germe de diamant monocristallin à une distance R1 d’au plus 200 µm, de préférence d’au plus 150 µm, de manière plus préférée d’au plus 100 µm, de manière encore plus préférée d’au plus 50 µm.
Toujours dans l’invention, le procédé de production 100 d'une plaque de diamant monocristallin de grande taille comprend une étape de dépôt d’une couche de diamant monocristallin sur la mosaïque, cette étape de dépôt comporte une ou plusieurs étapes de croissance épitaxiale. L’étape de dépôt d’une couche de diamant monocristallin sur la mosaïque peut comprendre l’injection d’un gaz à des conditions de pression, de débit et de température prédéterminées. Pour cela, la mosaïque est, par exemple, positionnée dans un réacteur de dépôt assisté par plasma microonde de type connu, par exemple dans les conditions suivantes : 200 mbar, 21 kW, 2000 sccm de H2, 5 % CH4, et à une température de croissance allant de 1000°C à 1060°C. A titre d’exemple non limitatif, le réacteur de dépôt assisté par plasma microonde peut comprendre :
- une cavité résonante formée au moins en partie, par les parois internes cylindriques d’une enceinte du réacteur,
- un système d’arrivée de gaz de traitement apte à apporter des gaz de traitement au sein de la cavité résonante,
- un générateur de microonde configuré pour générer des microondes dont la fréquence est comprise entre 300 MHz et 3000 MHz,
- un module de sortie des gaz apte à retirer lesdits gaz de la cavité résonante,
- un module de couplage des ondes apte à transférer les microondes depuis le générateur de microonde jusqu’à la cavité résonante, de façon à permettre la formation d’un plasma homogène à l’interface plasma /surface,
- un support de croissance présent dans la cavité résonante,
- un module de contrôle de la température de croissance des surfaces.
En particulier, le procédé de production 100 selon l’invention comprend une étape de croissance épitaxiale 140 latérale de la structure en terrasses selon l’orientation cristallographique OC2 de la face de familles de plans {100} lorsque les germes comprennent des familles de plans {100} uniquement ou de la famille de plans {113} lorsque les germes comprennent des familles de plans {100} et {113}, par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma d’une couche monocristalline.
L’étape de croissance épitaxiale 140 latérale peut être mise en œuvre dans un réacteur de dépôt assisté par plasma de type connu à des conditions prédéterminées pour permettre une croissance C2 selon l’orientation cristallographique OC2 comme cela est présenté en .
De façon préférée, l’étape de croissance épitaxiale 140 comporte une croissance épitaxiale selon l’orientation cristallographique OC2 de la face de la famille de plans {113}. En effet, elle permet la formation de jonctions monocristallines 10-1, entre deux germes 10, 11 de diamant monocristallin, de haute qualité comme cela est présenté dans les exemples.
L’étape de croissance épitaxiale 140 latérale peut éventuellement être effectuée par un moyen adapté pour le dépôt chimique en phase vapeur assisté par filament chaud.
A titre d’exemple illustratif, les conditions de croissance lors de l’étape de croissance épitaxiale 140 latérale peuvent comprendre la génération d’une pression comprise entre 20 hPa et 500 hPa au sein de la cavité résonante, l’injection de microondes à une puissance comprise par exemple entre 0,5 kW et 100 kW (ou plus), selon le type de générateur utilisé (fréquence utilisée), l’injection de gaz, par exemple à un débit total d’au moins 150 standard cm3par minute (sccm), les gaz comprenant par exemple du méthane, de l’argon et du dihydrogène ou un mélange de tout ou partie de ces gaz, et des additifs tels que oxygène, azote, bore, phosphore et argon, ou encore des halogènes et la mise en fonctionnement de systèmes de refroidissement de l’enceinte, du substrat pour contrôler la température de la ou des surfaces de croissance dans un intervalle allant de préférence de 800°C 1200°C, du système d’injection des gaz et du porte substrat.
Dans un mode de réalisation particulier du procédé de production 100 selon l’invention, l’étape de croissance épitaxiale 140 latérale de la structure en terrasses selon l’orientation cristalline OC2 des germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} ou des germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} et {113}, peut comprendre une étape d’introduction 141 d’un gaz adapté pour empêcher le développement de contraintes et la formation de macles à l’interface entre les germes 10, 11, 12, 13. Un tel gaz peut par exemple être introduit par un système d’arrivée de gaz pour permettre un apport en azote dans la cavité résonante, par exemple à une concentration d’au plus 250 ppm d’azote, préférentiellement d’au plus 10 ppm d’azote, de préférence d’au plus 3 ppm d’azote. L’utilisation d’azote, à une teneur de par exemple au moins 1 ppm, par exemple lors de l’étape de croissance épitaxiale 140 latérale permet de limiter le développement de défauts cristallins, notamment des macles et assure une plus grande stabilité cristalline.
Dans un mode de réalisation particulier du procédé de production selon l’invention, l’étape de croissance épitaxiale 140 latérale peut en outre comprendre une étape de création 142 de centres colorés dits centres « XV- », suivie d’une irradiation par faisceau d’électrons et d’un recuit. Pour cela, l’étape de création 142 de centres XV- comprend l’introduction, par un système d’arrivée de gaz, pour permettre un apport en gaz dopant « X », tel qu’à titre d’exemples non limitatifs l’azote ou le silicium, dans la cavité résonante, par exemple à une concentration de 10 ppm à 1000 ppm d’azote. L’utilisation de tels gaz dits dopants permet de modifier les propriétés du diamant synthétisé. Cela peut par exemple modifier ses propriétés optiques, électroniques et quantiques. Avantageusement, l’étape de création 142 peut être réalisée lors d’une croissance épitaxiale latérale de la structure en terrasses selon l’orientation cristallographique OC2 de la face de la famille de plans {113}.
Dans un autre mode de réalisation particulier du procédé de production selon l’invention, celui-ci peut comprendre une deuxième étape de croissance épitaxiale latérale comprenant en outre la création 142 de centres « XV- » tel que décrit précédemment. De façon préférée, cette étape de création 142 de centres « XV- » sera réalisée après une étape de surfaçage.
Dans un procédé de production 100 selon l’invention, l’étape de croissance épitaxiale 140 latérale de la structure en terrasses qui a permis la formation des jonctions par déplacement latéral des plans OC2, peut être suivie d’une deuxième croissance épitaxiale 150 verticale selon l’orientation cristallographique OC1 de la face de la famille de plans {100} des germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} ou des germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} et {113}, qui permet la croissance verticale de manière à former une couche épitaxiale 10-2 de diamant monocristallin. L’étape de croissance 150 verticale de la structure en terrasses selon l’orientation cristallographique OC1 de la famille de plans {100} peut être mise en œuvre dans un réacteur de dépôt assisté par plasma microonde tel que décrit précédemment, à des conditions prédéterminées pour favoriser une croissance C1 selon l’orientation cristallographique OC1 comme présentée en . Le mécanisme de croissance par écoulement des marches (déplacement des fronts d’onde d’un germe à l’autre) permet la formation de jonctions monocristallines 10-1 de haute qualité, entre deux germes 10, 11 de diamant monocristallin. L’étape de croissance épitaxiale 150 verticale selon l’orientation cristallographique OC1 de la face de la famille de plans {100} se déroule également selon ce mécanisme, et le cristal croît selon C1 (verticalement) et selon C2 (latéralement) bien que les conditions de croissance soient adaptées pour favoriser des croissances, verticale ou latérale, plus marquées selon les orientations OC1 et OC2.
Lorsque le procédé de production 100 selon l’invention comprend une deuxième croissance épitaxiale 150 verticale, il peut en outre nécessiter une étape de retrait 160 de la couche épitaxiale 10-2 de diamant monocristallin. L’étape de retrait 160 peut consister en une découpe avec un laser de type connu ou par un autre procédé par exemple de type lift-off.
Comme déjà mentionné, un des objectifs de l’invention est de produire une plaque 1 de diamant monocristallin qui présente des jonctions de haute qualité. Un autre objectif de l’invention est de permettre la réutilisation de ladite plaque 1 de diamant monocristallin une fois produite. Pour cela, l’étape de retrait 160 de la couche épitaxiale 10-2 de diamant monocristallin peut être suivie d’une étape de resurfaçage 115’ par laser ou par lithographie de la plaque de diamant monocristallin. L’étape de resurfaçage 115’ par laser ou par lithographie comprend :
  • un retrait d’une épaisseur prédéterminée de la plaque de diamant monocristallin,
  • optionnellement, une étape de polissage,
  • une formation d’une nouvelle structure en terrasses prédéterminée présentant des faces d’orientation cristallographique OC1, OC2 des germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} ou des faces d’orientation cristallographique OC1, OC2 des germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} et {113} ou encore des faces d’orientation cristallographique OC1, OC2 des germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} et {110}.
Afin de conserver une qualité similaire pour la formation des jonctions monocristallines, les faces d’orientations cristallines OC1, OC2 des familles de plans {100} ou des familles de plans {100} et {113} de la nouvelle structure en terrasses sont formées selon les angles donnant les directions de propagation D10, D11des fronts d’onde FO10, FO11des germes de diamant monocristallin de l’étape de positionnement 130.
Ainsi, les germes de la nouvelle structure en terrasses, formés lors de l’étape de resurfaçage 115’ par laser ou par lithographie, présentent un angle donnant la direction de propagation D10, D11du front d’onde FO10, FO11sensiblement identique.
Comme cela est montré sur les figures 8 et 9, les germes de diamant monocristallin du procédé de production 100 selon l’invention peuvent comprendre des structures en terrasses qui présentent, les unes par rapport aux autres, une désorientation planaire selon un axe horizontal Y1 et une désorientation planaire selon un axe vertical Z1.
Les désorientations planaires présenteront un angle α10, α11 ,β10, β11de désorientation planaire selon un axe horizontal Y1 et/ou un axe vertical Z1, respectivement par rapport à la face latérale FBDet/ou la face FARconstituant la surface arrière du cristal qui sera par exemple inférieure à 3°, de préférence inférieur à 2,5°, de façon plus préférée inférieur à 2°, de façon encore plus préférée égale à 0°. Les désorientations planaires présenteront un angle α10, α11de désorientation planaire selon un axe horizontal Y1 et/ou un axe vertical Z1, respectivement par rapport à la face latérale FBDet/ou la face FARconstituant la surface arrière du cristal qui sera par exemple supérieur ou égal à 0°, de préférence supérieur à 0,1°, de façon plus préférée supérieur à 0,2°, de façon encore plus préférée supérieur à 0,5°. Les désorientations planaires présenteront un angle α10, α11de désorientation planaire selon un axe horizontal Y1 et/ou un axe vertical Z1, respectivement par rapport à la face latérale FBDet/ou la face FARconstituant la surface arrière du cristal qui sera par exemple compris entre 0° et 3°, de préférence compris entre 0° et 2,5°, de façon plus préférée compris entre 0° et 1°, de façon encore plus préférée compris entre 0° et 0,5° (bornes comprises). Les désorientations planaires pourront alternativement présenter un angle de désorientation planaire selon un axe horizontal Y1 et/ou un axe vertical Z1, respectivement par rapport à la face latérale FBDet/ou la face FARconstituant la surface arrière du cristal compris entre 0,1° et 3°, de préférence compris entre 0,2° et 2,5°, de façon plus préférée compris entre 0,5° et 1°.
Les angles de désorientations planaires peuvent varier au sein d’une mosaïque. Ainsi, les valeurs ci-dessus d’angles de désorientations planaires peuvent correspondre à des valeurs médianes observées sur un germe. De façon préférée, une mosaïque utilisée dans le cadre de la présente invention présentera une variance des angles de désorientations planaires de moins de 30 %, de façon plus préférée moins de 20%, de façon encore plus préférée moins de 10 % par rapport à la médiane des valeurs d’angles de désorientations planaires.
Selon un deuxième objet, l’invention porte sur une plaque 1 de diamant monocristallin, de préférence de grande taille, susceptible d’être obtenue par la présente invention. La plaque 1 de diamant monocristallin peut avantageusement être obtenue par un procédé de production 100 selon l’invention.
En particulier, l’invention porte sur une plaque 1 de diamant monocristallin, de préférence de grande taille, qui comportent une surface de croissance, ladite surface de croissance comprenant une structure en terrasses, ladite structure en terrasses présentant plusieurs faces d’orientation cristallographique OC1, OC2, lesdites faces d’orientation cristallographique OC1, OC2 comportant des familles de plans {100} ou des familles de plans {100} et {113}, un angle de désorientation (δ) de la structure en terrasses supérieur ou égale à 0° et inférieur ou égal à 10°, et des jonctions monocristallines qui relient les germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin entre eux, les jonctions monocristallines ayant été obtenues par :
  • une étape de positionnement des germes de diamant monocristallin de manière à former une mosaïque, de sorte que deux germes 10, 11, 12, 13 de diamant monocristallin adjacents présentent des premières valeurs décrivant les angles donnant les directions de propagation D10, D11des fronts d’onde FO10, FO11dont la différence est supérieure ou égale à 0° et inférieure ou égale à 5°, de préférence inférieure ou égale à 1°,
  • une étape de croissance épitaxiale latérale de la structure en terrasses selon l’orientation cristallographique OC2, par dépôt chimique en phase vapeur assisté, de préférence par plasma ou par filament chaud, d’une couche monocristalline.
Une plaque 1 de diamant monocristallin selon l’invention comprend des jonctions, formées entre les germes de diamant monocristallin, dans laquelle au moins 15 % des jonctions, de préférence au moins 50 %, de manière encore plus préférée au moins 85 % présentent une valeur de largeur de pic de Raman à mi-hauteur allant de 2,4 cm-1à 2,9 cm-1, de manière préférée sensiblement égale à 2,5 cm-1.
Une plaque 1 de diamant monocristallin selon l’invention permet ainsi la formation d’une couche épitaxiale 10-2 de diamant monocristallin par une croissance selon l’orientation cristallographique OC1 de la famille de plans {100}. La qualité des jonctions de la plaque 1 de diamant monocristallin permet, lors du retrait de la couche épitaxiale 10-2, l’obtention d’une plaquette de diamant monocristallin de grande taille particulièrement adaptée pour une utilisation pour la fabrication d’une fenêtre optique, d’un substrat semi-conducteur, d’un substrat pour la gestion thermique, d’un substrat adapté à des technologies quantiques, ou d’un diamant de joaillerie au moins supérieur à 5 carats, de préférence supérieur à 10 carats, de préférence supérieur à 15 carats. Alternativement, la plaque 1 de diamant monocristallin selon l’invention pourra être directement utilisée dans les applications mentionnées ci-dessus.
L’invention permet de former un diamant monocristallin, que cela soit une plaque ou une plaquette, présentant une surface comportant au moins une première face cristallographique et une deuxième face cristallographique, lesdites faces cristallographiques étant chacune associée à une concentration en centre « XV- » et la concentration en centre « XV- » de la première face cristallographique étant supérieure à la concentration en centre « XV- » de la deuxième face cristallographique. Un tel diamant monocristallin présente des propriétés particulièrement attendues. En effet, alors que beaucoup cherchent à homogénéiser la concentration en centre « XV » sur la surface de diamant monocristallins, la présente invention s’intéresse aux centres « XV-» et cherche à créer des zones de concentrations différentielles. En outre, de façon avantageuse, un diamant monocristallin selon l’invention est de grande taille.
De préférence, les concentrations en centres « XV-» des faces cristallographiques sont telles que le rapport entre la concentration en centres « XV- » de la première face cristallographique et la concentration en centres « XV- » de la deuxième face cristallographique, est supérieur à 1,1 ; de préférence supérieur à 2 ; de façon plus préférée supérieur à 5 et de façon encore plus préférée supérieur à 10. La concentration en centres « XV- » peut être mesurée selon plusieurs techniques, par exemple en utilisant des mesures de photoluminescence avec un microscope confocal couplées à un interféromètre de Hanbury-Brown et Twiss (ref Thèse L. Rondin, HAL Id: tel-00824468, 2013).
La concentration en centres « XV- » de la première face cristallographique est par exemple supérieure à 3 ppm, de façon préférée supérieure à 5 ppm et de façon encore préférée plus de 10 ppm.
Ainsi, la plaque ou la plaquette de diamant monocristallin pourra présenter des bandes enrichies en centre « XV- » par rapport aux zones adjacentes de diamant monocristallin. De façon préférée, le diamant monocristallin pourra comporter au moins deux bandes d’au moins 10 µm de hauteur présentant une concentration en centre « XV- » supérieure aux zones adjacentes de diamant monocristallin.
Ces bandes peuvent correspondre à la première face cristallographique. De façon préférée, la plaquette de diamant monocristallin pourra comporter au moins deux bandes d’au moins 10 µm de hauteur correspondant à la première face cristallographique.
Même si les faces cristallographiques peuvent présenter la même orientation cristallographique (e.g. famille de plan {100}), de façon préférée, les faces cristallographiques présenteront des orientations cristallographiques de familles de plans différentes. Aussi, la plaquette de diamant monocristallin pourra présenter des bandes correspondant à une face d’orientation cristallographique d’une première famille de plans et des bandes correspondant à une face d’orientation cristallographique d’une deuxième famille de plans, différente de la première famille de plans.
De façon préférée, le diamant monocristallin pourra comporter au moins deux bandes correspondant à des faces cristallographiques présentant une orientation cristallographique d’une première famille de plans et au moins deux bandes correspondant à des faces cristallographiques présentant une orientation cristallographique d’une deuxième famille de plans, différente de la première famille de plans.
En outre, avantageusement, la première face cristallographique pourra appartenir à la famille de plans {113} ou {110} alors que la deuxième face cristallographique pourra appartenir à la famille de plans {100}.
Ainsi, le diamant monocristallin pourra présenter des bandes distinctes par leur concentration en centre « XV- » et/ou par la famille de plans de l’orientation de leur face cristallographique.
De façon préférée, l’invention porte donc sur un diamant monocristallin, que cela soit une plaque ou une plaquette, présentant une surface comportant au moins une première face cristallographique et une deuxième face cristallographique, lesdites faces cristallographiques étant chacune associée à une concentration en centre « XV- » et la concentration en centre « XV- » de la première face cristallographique étant supérieure à la concentration en centre « XV- » de la deuxième face cristallographique.
Un tel diamant monocristallin peut présenter les propriétés décrites précédemment en lien avec le procédé selon l’invention, la plaque ou la plaquette. Avantageusement, la première face cristallographique du diamant monocristallin appartient à la famille de plans {113}.
Comme cela est illustré par les exemples ci-après, la présente invention fournit une solution reposant sur l’utilisation d’une mosaïque de germes de diamant monocristallin sélectionné qui présentent des caractéristiques structurelles particulières et sont positionnés de façon particulière. En particulier, les germes sont sélectionnés et positionnés en fonction des valeurs des angles donnant la direction de propagation d’un front d’onde. Cela participe à la formation d’une plaque de diamant monocristallin de grande taille dont les jonctions sont de haute qualité.
Exemples
Formation des plaques de diamant monocristallin de référence
Cinquante germes de diamant monocristallin de dimension 8 mm par 8 mm ont été sélectionnées pour former des plaques de diamant monocristallin de 32 cm2. Les germes de diamant monocristallin utilisées présentent les caractéristiques structurelles suivantes :
  • une surface de croissance qui comprend une structure en terrasses qui présente des faces d’orientation cristallographique des familles de plans {100} et {113},
  • un angle de désorientation, de la structure en terrasses, d’environ 3° (avec une précision d’environ 1°).
Pour chacun des germes de diamant monocristallin, la valeur de l’angle donnant la direction de propagation du front d’onde est fournie.
Les différentes plaques de diamant monocristallin présentées ci-après sont formées par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma tel que présenté dans C. Findeling-Dufouret al.,Diamond and Related Materials 4 (1995) 428-434 ou encore dans A. Tallaireet al.Growth of large size diamond single crystals by plasma assisted chemical vapour deposition: Recent achievements and remaining challenges / C. R. Physique 14 (2013) 169–184.
Méthodologie de mesure de la qualité des jonctions des germes de diamant monocristallin :
La mesure de la largeur à mi-hauteur du pic Raman de la plaque de diamant monocristallin situé à 1332,5 cm-1est réalisée avec un laser de longueur d’onde 473 nm d’une puissance de 400 mW avec un objectif x100 à 298 K. La mesure est réalisée sur la surface de la plaque de diamant monocristallin, selon une ligne qui comprend les germes de diamants monocristallins et leurs jonctions ou comme décrit dans V. G. RALCHENKO,et al. ; Thermal Conductivity of Diamond Mosaic Crystals Grown by Chemical VaporDeposition: Thermal Resistance of Junctions ; PHYS. REV. APPLIED 16, 014049 (2021).
Les jonctions sont définies par leur qualité qui reflète la présence ou l’absence de défauts cristallins. Trois types de jonctions sont définis afin de pouvoir qualifier la qualité globale de la plaque de diamant monocristallin formée, à savoir :
  • Jonction de Type 1, se caractérise par la présence des fronts d’onde des marches et des terrasses dont les directions peuvent être différentes de ceux des germes adjacents, mais également par la présence de défauts cristallins tels que des macles et des dislocations. Ce type de jonction se caractérise par une valeur de largeur de pic de Raman à mi-hauteur supérieure à 6 cm-1.
  • Jonction de Type 2, se caractérise par la présence de dislocations uniquement. Ce type de jonction se caractérise par une valeur de largeur de pic de Raman à mi-hauteur allant de 3 cm-1à 5,9 cm-1.
  • Jonction de type 3, se caractérise par l’absence de défauts cristallins, plus particulièrement de l’absence de macles et de dislocations. Ce type de jonction se caractérise par une valeur de largeur de pic de Raman à mi-hauteur supérieure ou égale à 2,5 cm-1et inférieure à 2,9 cm-1.
Le tableau 1 ci-dessous présente les principales caractéristiques concernant le positionnement des différents germes de diamant monocristallin utilisés pour la formation des plaques de diamant monocristallin ainsi que les résultats de la mesure de la qualité des jonctions réalisées pour chaque référence de plaque de diamant monocristallin, à savoir :
  • DIAM 01: les germes de diamant monocristallin adjacents sont positionnés de manière aléatoire, les valeurs des angles donnant les directions de propagation des différents fronts d’onde s’inscrivent dans un cercle (de 0° à 360°).
  • DIAM 02: les germes de diamant monocristallin adjacents sont positionnés selon une même direction de propagation du front d’onde, la différence entre les valeurs des angles donnant les directions de propagation des fronts d’onde de l’ensemble des germes de diamant monocristallin est comprise dans un intervalle de + ou - 45°.
  • DIAM 03: les germes de diamant monocristallin adjacents sont positionnés selon une même direction de propagation du front d’onde, la différence entre les valeurs des angles donnant la direction de propagation des fronts d’onde de l’ensemble des germes de diamant monocristallin est comprise dans un intervalle de + ou -15°. Les germes de diamant monocristallin sont positionnés par ordre d’épaisseur décroissante selon la direction de propagation du front d’onde de l’un des germes de la mosaïque.
  • DIAM 04: les germes de diamant monocristallin adjacents sont positionnés selon la même direction de propagation du front d’onde, la différence entre les valeurs des angles donnant la direction de propagation des fronts d’onde FO de l’ensemble des germes de diamant monocristallin est comprise dans un intervalle allant de + ou - 15°. Les germes de diamant monocristallin sont positionnés par ordre d’épaisseur croissante selon la direction de propagation du front d’onde de l’un des germes de la mosaïque.
  • DIAM 05: les germes de diamant monocristallin adjacents sont positionnés selon la même direction de propagation du front d’onde, la différence entre les valeurs des angles donnant la direction de propagation des fronts d’onde de l’ensemble des germes de diamant monocristallin est comprise dans l’intervalle [0° ; 5°].
Référence de la plaque Différence entre les valeurs décrivant l’angle de propagation du front d’onde des germes de diamant monocristallin adjacents Epaisseur croissante selon la direction de propagation du front d’onde Epaisseur décroissante
selon la direction de propagation du front d’onde 		Jonction de Type 1
(% jonctions total)		 Jonction de Type 2
(% jonctions total)		 Jonction de Type 3
(% jonctions total)
DIAM01
 ≤ 180° non non 83 13 4
DIAM02 ≤ 45° non non 42 55 2
DIAM03 ≤ 15° non oui 27 70 3
DIAM04 ≤ 15° oui non 20 75 5
DIAM05 <0° et ≤ 5° non non 0 85 15
Ces résultats montrent que le positionnement des germes de diamant monocristallin lors de la formation de la mosaïque est particulièrement important. En effet, les résultats montrent une très nette amélioration de la qualité des jonctions des plaques de diamant monocristallin lorsque les germes de diamant monocristallin présentent des premières valeurs décrivant les angles donnant les directions de propagation des fronts d’onde dont la différence est inférieure ou égale à 5°. La montre ainsi une partie de la plaque référencée DIAM05, on peut observer à l’œil nu que les jonctions 10-1 entre les plaques ne présentent pas de défauts cristallins.
En outre, ces résultats montrent que le positionnement des germes de diamant monocristallin selon une épaisseur croissante ou décroissante par rapport à la direction de propagation du front d’onde permet d’améliorer la qualité des jonctions formées.
L’invention peut faire l’objet de nombreuses variantes et applications autres que celles décrites ci-dessus. En particulier, sauf indication contraire, les différentes caractéristiques structurelles et fonctionnelles de chacune des mises en œuvre décrite ci-dessus ne doivent pas être considérées comme combinées et/ou étroitement et/ou inextricablement liées les unes aux autres, mais au contraire comme de simples juxtapositions. En outre, les caractéristiques structurelles et/ou fonctionnelles des différents modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent faire l’objet en tout ou partie de toute juxtaposition différente ou de toute combinaison différente.

Claims (14)

  1. Procédé de production (100) d'une plaque de diamant monocristallin à partir d’une pluralité de germes (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin qui comportent une surface de croissance, ladite une surface de croissance comprenant une structure en terrasses, ladite structure en terrasses présentant plusieurs faces d’orientation cristallographique (OC1, OC2), lesdites faces d’orientation cristallographique (OC1, OC2) comportant des familles de plans {100} ou des familles de plans {100} et {113}, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    • fourniture (110) de germes (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin, chacun des germes étant associé à des caractéristiques structurelles, lesdites caractéristiques structurelles comprenant au moins :
      • une première valeur décrivant un angle donnant une direction de propagation (D10, D11) d’un front d’onde (FO10, FO11),
      • un angle de désorientation (δ) de la structure en terrasses supérieur ou égale à 0° et inférieur ou égal à 10°,
    • positionnement (130) des germes (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin de manière à former une mosaïque, de sorte que deux germes de diamant monocristallin adjacents présentent des premières valeurs décrivant les angles donnant les directions de propagation (D10, D11) des fronts d’onde (FO10, FO11) dont la différence est inférieure ou égale à 5°, de préférence inférieure ou égale à 1°; et
    • croissance épitaxiale (140) latérale de la structure en terrasses selon l’orientation cristallographique (OC2), par dépôt chimique en phase vapeur assisté, de préférence par plasma ou par filament chaud, d’une couche monocristalline.
  2. Procédé de production (100) selon la revendication 1, dans lequel l’étape de croissance épitaxiale (140) latérale selon l’orientation cristallographique (OC2) est suivie d’une deuxième croissance épitaxiale (150) verticale de la structure en terrasses selon l’orientation cristallographique (OC1) de la famille de plans {100} de manière à former une couche épitaxiale (10-2) de diamant monocristallin.
  3. Procédé de production (100) selon l’une des revendications 1 ou 2, comportant en outre une étape de calcul (120), à partir des premières valeurs décrivant une direction de propagation pour chaque germe (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin, d’une deuxième valeur décrivant l’angle donnant la direction de propagation d’un front d’onde principal (FO) de la pluralité de germes (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin, dans lequel lors de l’étape de positionnement des germes de diamant monocristallin de manière à former une mosaïque, chaque germe (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin comprend des angles donnant les directions de propagation (D10, D11) des fronts d’onde (FO10, FO11) allant de -5° à +5° par rapport à la deuxième valeur, de préférence de -2,5° à + 2,5°.
  4. Procédé de production (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, ledit procédé comprenant une étape de surfaçage (115), par lithographie ou par laser, des faces d’orientation cristallographique (OC1, OC2) des germes (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin de sorte que lesdits germes présentent des angles donnant la direction propagation (D10, D11) des fronts d’onde (FO10, FO11) sensiblement identiques.
  5. Procédé de production (100) selon la revendication 2 ou selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4 prises dans leur dépendance avec la revendication 2, ledit procédé comprenant une étape de resurfaçage (115’) par laser ou par lithographie de la plaque de diamant monocristallin après retrait (160) de la couche épitaxiale (10-2) de diamant monocristallin, l’étape de resurfaçage (115’) comprenant :
    • un retrait d’une épaisseur prédéterminée de la plaque de diamant monocristallin,
    • une formation d’une nouvelle structure en terrasses prédéterminée présentant des faces d’orientations cristallographiques (OC1, OC2) des germes (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} ou des faces d’orientation cristallographique (OC1, OC2) des germes (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin comprenant des familles de plans {100} et {113}.
  6. Procédé de production (100) selon la revendication 5, dans lequel les germes de la nouvelle structure en terrasses, formée lors de l’étape de resurfaçage (115’) par laser ou par lithographie, présentent des angles donnant la direction de propagation (D10, D11) des fronts d’onde (FO10, FO11) sensiblement identiques.
  7. Procédé de production (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la croissance épitaxiale (140) latérale de la structure en terrasses selon l’orientation cristallographique (OC2) des germes (10, 11, 12, 13) de diamant monocristallin, comprend une étape d’introduction (141) d’un gaz adapté pour empêcher le développement de contraintes ou la formation de défauts cristallins, de préférence de macles et de dislocations, à l’interface entre les germes.
  8. Procédé de production (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la structure en terrasses comprend des marches de croissance macroscopiques.
  9. Procédé de production (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, ledit procédé comprenant en outre une étape de création (142) de centres « XV- », par dopage par un gaz « X » adapté, suivie d’une irradiation par faisceau d’électrons et d’un recuit.
  10. Procédé de production (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les germes de diamant monocristallin sont positionnés par ordre d’épaisseur croissante selon une direction de propagation définie par un des angles (D10, D11) des fronts d’onde (FO10, FO11).
  11. Plaque (1) de diamant monocristallin susceptible d’être obtenue par un procédé de production (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle au moins 15 %, de préférence au moins 50% et de manière encore plus préférée au moins 85%, des jonctions formées entre les germes de diamant monocristallin présentent une valeur de largeur de pic de Raman à mi-hauteur supérieure ou égale à 2,5 cm-1et inférieure à 2,9 cm-1.
  12. Diamant monocristallin susceptible d’être obtenu par un procédé de production (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, présentant une surface comportant au moins une première face cristallographique et une deuxième face cristallographique, lesdites faces cristallographiques étant chacune associée à une concentration en centre « XV- » ; la concentration en centre « XV- » de la première face cristallographique étant supérieure à la concentration en centre « XV- » de la deuxième face cristallographique.
  13. Diamant monocristallin selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première face cristallographique du diamant monocristallin appartient à la famille de plans {113}.
  14. Utilisation d’une plaque de diamant monocristallin selon la revendication 11 ou d’un diamant monocristallin selon l’une des revendications 12 ou 13, pour la fabrication d’une fenêtre optique, d’un substrat pour semi-conducteur ou pour la gestion thermique, d’un substrat pour des technologies quantiques, ou d’un diamant pour la joaillerie, de préférence supérieur à 5 carats, de préférence supérieur à 15 carats.
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