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Laboratoire de Physique de la Matière Condensée

DISSOLUTION du SILICIUM

Personnes impliquées :

Philippe Allongue, Jean-Noël Chazalviel, François Ozanam

Collaborations extérieures :

Mohammed Cherkaoui, Noureddine Gabouze, Ratiba Outemzabet, John Kelly, Harold Philipsen

Préparation de surfaces H-Si(111) idéales


Fig. 1: Modèle réactionnel établi pour la dissolution du silicium. image non reduite

La dissolution du silicium dans NaOH et NH4F peut être décrite, à l’échelle moléculaire, par le schéma réactionnel de la figure 1. Les observations STM in situ et les mesures électrochimiques établissent que la première étape suit deux voies : la première est une réaction purement chimique et totalement anisotrope (pour des raisons stériques) ; la seconde est une réaction électrochimique et relativement isotrope. La structure de la surface obtenue par attaque « chimique », c’est-à-dire au potentiel de circuit ouvert, dépend de l’importance relative des deux chemins réactionnels.

Dans le cas d’une surface Si(111) faiblement désorientée, l’obtention de terrasses planes par attaque chimique dans NH4F nécessite une vitesse d’attaque 107 fois plus lente sur les sites atomiques de terrasses que sur les sites de crans (« kinks » ) situés aux bords des marches (simulations numériques par méthode Monte-Carlo de J. Kasparian, LASIM). Cette condition est remplie (Fig. 2) par élimination de l'oxygène dissous et par la présence d’une zone dépolie (pour induire une protection cathodique de la face (111) ce qui supprime la dissolution électrochimique). Dans ces conditions la structure à grande échelle de la surface (sur des µm2) dépend uniquement de la direction de la désorientation du cristal (déterminée par diffraction des RX). Si la projection de la direction [111] sur la surface est précisément alignée avec la direction <112> on obtient une surface vicinale avec des marches atomiques rectilignes régulièrement espacées (Fig. 2a). Ces surfaces sont utilisées pour la réalisation de nanomatériaux (réseau de nanostructures métalliques) et le greffage de couches moléculaires.


Fig. 2 : Images AFM d’une surface H-Si(111) : (a) selon les conditions requises; (b) effet de l’oxygène dissous ; (c) effet de la face arrière polie.

Publications significatives :

Dissolution électrochimique anisotrope en milieux fluorures

En raison de la stabilité chimique de la silice (l'oxyde de silicium SiO2), il y a peu de milieux dans lesquels le silicium peut être dissous. Ceci fait la particularité des milieux fluorures dans l'électrochimie du silicium . Nous avons étudié ce système depuis le début des années 1990, d'abord pour des raisons fondamentales, ensuite pour les applications qu'il peut présenter : silicium poreux, texturation du silicium à différentes échelles.

L'existence d'effets cristallographiques dans la croissance des pores (pendant la formation de silicium poreux) est bien connue. Ces effets permettent de faire croître des pores suivant des directions particulières déterminées par l'orientation cristalline du substrat. Mais ils n'apparaissent que dans des conditions où il existe une fine couche d'oxyde au fond des pores. Nous travaillons actuellement à comprendre l'origine de ces effets en étudiant la dissolution du silicium en régime d'électropolissage, quand il existe une couche d'oxyde à la surface du silicium mais qu'on ne fabrique plus du silicium poreux. On observe de fait des variations de la vitesse de dissolution en fonction de l'orientation. L'étude de l'interface par spectroscopie infrarouge in situ indique que ces différences de comportement sont associées à des différences de concentration superficielle des espèces intermédiaires SiOH. Une modélisation de ce phénomène a pu être effectuée.

Publications significatives :