Contribution à la compréhension de l'épitaxie du diamant élaboré par MPCVD assisté par polarisation sur silicium : étude de la réactivité du substrat et influence des étapes de prétraitement sur le dépôt, Contribution to the comprehension of BIAS assisted MPCVD diamond epitaxy on silicon : study of susbstrate reactivity and pretreatment stages influence on deposit

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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Ecole des Mines de Nancy
Laboratoire de Science et Génie des Surfaces – UMR 7570
Contribution à la compréhension de l’épitaxie du diamant élaboré par
MPCVD assisté par polarisation sur silicium : étude de la réactivité du
substrat et influence des étapes de prétraitement sur le dépôt
THÈSE
Présentée pour l’obtention du titre de
Docteur de l’INPL
Ecole doctorale : Energie, Mécanique, MAtériaux
Discipline : Science et Ingénierie des Matériaux
par Aurore GUISE
Soutenue publiquement le 13 novembre 2008 devant la commission d’examen
Composition du jury :
Rapporteurs Mr GHEERAERT Etienne Professeur
Mr ARNAULT Jean-Charles Ingénieur CEA HDR
Examinateurs Mr BARRAT Silvère Professeur
Mme BAUER-GROSSE Elisabeth Professeur
Mr BELMAHI Mohammed Professeur
Melle BOZZOLO Nathalie Maître de Conférences HDR
Mr PORTAIL Marc Ingénieur de Recherche CNRS
Mr SAADA Samuel Ingénieur CEARemerciements
Ce travail a été réalisé au Laboratoire de Science et Génie des Surfaces, situé à l’Ecole
des Mines de Nancy.
Je remercie chaleureusement Messieurs Henri MICHEL, ingénieur CNRS et Jean-
Philippe BAUER, Professeur, successivement directeurs du laboratoire, pour l’accueil qu’ils
m’ont réservée.
J’exprime toute ma gratitude envers Madame Elizabeth BAUER-GROSSE, Professeur
à l’Ecole des Mines de Nancy, et responsable de l’équipe diamant pour avoir été aussi
présente et investie que l’aurait été un co-encadrant. J’ai grandement apprécié la convivialité
des relations que nous avons entretenues, ainsi que nos discussions et les précieux conseils
qu’elle m’a prodiguée.
J’exprime ma profonde reconnaissance à Monsieur Silvère BARRAT, Professeur à
l’Ecole des Mines de Nancy, pour m’avoir accueillie au sein de l’équipe « diamant » et pour
avoir assuré la direction de cette thèse. J’ai été particulièrement sensible à la confiance qu’il
m’a témoignée et à l’intérêt qu’il a porté à mon travail. Je tiens à lui exprimer toute mon
estime pour son soutien durant ces trois années et pour sa disponibilité.
J’adresse mes plus vifs remerciements à Monsieur Etienne GHEERAERT, Professeur
à l’Institut Néel de Grenoble, qui m’a fait l’honneur d’être rapporteur de ce mémoire.
Mes sincères remerciements vont également à Mr Jean-Charles ARNAULT, Ingénieur
au CEA de Saclay, pour avoir accepté d’être rapporteur et pour m’avoir permis de bénéficier
de ses compétences en matière d’analyses chimiques des surfaces, à travers une collaboration
très enrichissante. J’ai beaucoup apprécié sa patience et sa pédagogie lors de nos différents
échanges.
Je remercie également vivement Monsieur Samuel SAADA, Ingénieur au CEA de
Saclay qui m’a accueillie dans le cadre de cette même collaboration et qui gentiment a accepté
d’examiner ce travail. En tant qu’ancien « thésard » de l’équipe diamant du LSGS, il a su
garder de bons contacts avec Silvère et Elizabeth et nous faire partager son expérience et son
savoir.Merci à Melle Nathalie BOZZOLO, enseignant chercheur à l’Université Paul Verlaine
de Metz, pour avoir spontanément accepté de participer au jury de ma thèse et pour m’avoir
fait découvrir les techniques d’imagerie en orientation notamment sur le MET, qui n’a plus
aucun secret pour elle… J’espère que le fait de travailler à nouveau pendant quelque temps
sur la thématique du diamant lui a rappelé de bons souvenirs de son passage au laboratoire en
tant que doctorante. J’ai vraiment apprécié son dynamisme et son professionnalisme.
J’associe à ces remerciements Messieurs Mohammed BELMAHI, Professeur à la
Faculté des Sciences & Techniques de l’UHP, Nancy I et Marc PORTAIL, Ingénieur de
Recherche CNRS au CNRS-CRHEA de VALBONNE pour avoir accepté d’examiner ce
travail.
J’exprime également ma gratitude envers Monsieur Patrice MISKA, enseignant
chercheur à l’Université Henri Poincaré à Nancy, pour avoir donné de son temps précieux et
partagé ses compétences sur les techniques de microscopie à force atomique.
Je suis également reconnaissante envers Monsieur Abdessamad AOUNI, Professeur à
l’Université de Tanger pour sa sympathie et les échanges fructueux que nous avons eu dans le
cadre d’une collaboration sur le carbure de silicium. Nous avons eu du plaisir à l’accueillir au
laboratoire lors de ses deux séjours estivaux. Il n’a pas hésité à mettre à contribution ses
connaissances en microscopie électronique à transmission pour m’aider dans mes démarches
d’analyses.
Je tiens à remercier toutes les personnes du laboratoire ou de l’Ecole qui m’ont, à un
moment ou à un autre, consacré une partie de leur temps, et dont j’ai su apprécier la rigueur et
la qualité du travail, notamment le personnel administratif : Valérie, Martine, Sylvie ou le
personnel technique : Francis, qui a toujours de précieux conseils à donner en informatique et
qui s’investit beaucoup auprès des doctorants dans leur démarche de rédaction, Sylvie
MIGOT pour sa convivialité et son aide précieuse pour la préparation des lames minces,
Christian ETIENNE toujours prêt à relever des défis, comme la découpe de matériaux
récalcitrants par exemple, André MEZIN notre référence en mécanique, dont j’apprécie
beaucoup la compagnie.
Et enfin, les dernières personnes à qui je pense chaleureusement, et pas des moindres
sont mes anciens « collègues », tous ceux qui ont vécu la même expérience, et sont conscients
de ce que représente un travail de thèse, avec ses bons moments, ses périodes plus difficiles…Merci à Nico pour sa bonne humeur constante, son aide technique, sa contribution à ce travail
à travers la mise à disposition du RHEED, pour « ses gros bras » parfois très utiles lors du
démontage du réacteur ! à Natalia et Isa mes deux « copines », pour m’avoir toujours
soutenue et accompagnée lors des petites pauses cafés, ainsi qu’à tous les doctorants dont j’ai
beaucoup apprécié la compagnie pendant les repas du midi ou soirées partagées : les trois
« Eric », Vishnu, Rodrigo, Noura, David, Laure, Elena, et les « nouveaux » : Cyril, Grégory,
Carine, Tony… et les doctorants des autres laboratoires de l’Ecole avec qui j’ai un passé
commun à l’EEIGM : Adeline et Véro…
.SOMMAIRE
Introduction générale…………………………………………………………………… 1
Chapitre I : Contexte et objectifs…………………….………………………………… 5
I.1 Principales méthodes de synthèse du diamant………………………………….… 5
I.1.1 Les techniques haute pression…………………………………………….… 5
I.1.1.1 High Pressure High Temperature (HPHT)……………………………… 5
I.1.1.1.a Principe………………………………………………........................ 5
I.1.1.1.b Trois grands types de produits…………… 5
I.1.1.2 Le diamant de détonation……………………………………………..… 7
I.1.2 Les techniques basse pression…………………………………………….… 7
I.1.2.1 Dépôt chimique en phase vapeur…………………………………….... 7
I.1.2.1.a Principe…………………………………………………………...…. 7
I.1.2.1.b Méthodes de germination 9
I.1.2.1.c Types de films obtenus par CVD………………………………... 12
I.1.2.1.d Avantages de la technique CVD pour l’élaboration de diamant.........13
I.1.2.1.e Limitations et défis à relever………………………………………... 14
I.1.2.2 Autres techniques « basse pression »……………………………………15
I.2 Diamant épitaxié par CVD……………………………………………………..… 15
I.2.1 L’épitaxie…………………………………………………………………… 15
I.2.2 Choix du substrat pour la croissance CVD du diamant…………………..… 18
I.2.2.1 Atouts du silicium parmi différents types de matériaux……………...… 19
I.2.2.2 Carburation du silicium………………………………………………….2