Mécanique de la rupture dans les cristaux fonctionnels

Guettouche, Wala Eddine (2025). Mécanique de la rupture dans les cristaux fonctionnels. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le silicium, matériau semi-conducteur, est au coeur des avancées technologiques modernes, notamment dans les domaines de l'électronique, des MEMS (systèmes microélectromécaniques) et des cellules solaires. Sa structure cristalline et ses propriétés mécaniques en font un matériau de choix pour de nombreuses applications. Cependant, sa fragilité intrinsèque et sa sensibilité à la propagation des fissures posent des défis majeurs, en particulier dans des conditions opérationnelles exigeantes où les contraintes thermiques et mécaniques peuvent compromettre la fiabilité des dispositifs. Comprendre les mécanismes de rupture du silicium, en particulier sous l'effet du dopage et de la température, est donc essentiel pour améliorer la durabilité et la performance des composants électroniques.

Cette étude explore le comportement de la rupture anisotrope du silicium monocristallin dopé au bore en fonction de la température et de l’orientation cristallographique. À l’aide d’essais d’indentation Vickers réalisés entre 25°C et 90°C, nous analysons l’évolution de la ténacité à la rupture, de l’énergie de fracture et de la dureté. Les résultats mettent en évidence une forte anisotropie, avec une énergie de rupture maximale dans l’orientation [100] et minimale dans l’orientation [110], suggérant une propagation préférentielle des fissures dans cette dernière direction. Par ailleurs, l’augmentation de la température entraîne une diminution progressive des propriétés mécaniques.

Dans ce travail, le silicium dopé au bore présente un comportement de fracture distinct de celui du silicium non dopé. Contrairement aux observations précédentes sur le silicium pur, où la ténacité à la fracture augmente avec la température en raison de l’activation des dislocations, nos résultats suggèrent que le dopage au bore limite la mobilité des dislocations et contribue ainsi à la réduction de l’énergie de fracture à température élevée.

Ces résultats sont essentiels pour la conception et la durabilité des composants électroniques en silicium. Toutefois, des recherches complémentaires sont nécessaires pour mieux comprendre les effets des dopants sur la fracture du silicium, en intégrant autres méthodes d’analyses.

Titre traduit

Fracture mechanics in functional crystals

Résumé traduit

Silicon, a semiconductor material, is at the core of modern technological advancements, particularly in electronics, microelectromechanical systems (MEMS), and solar cells. Its crystalline structure and mechanical properties make it a material of choice for numerous applications. However, its intrinsic brittleness and sensitivity to crack propagation pose significant challenges, especially under demanding operational conditions where thermal and mechanical stresses can compromise device reliability. Understanding the fracture mechanisms of silicon, particularly under the influence of doping and temperature, is therefore crucial for improving the durability and performance of electronic components.

This study investigates the anisotropic fracture behavior of boron-doped single-crystal silicon as a function of temperature and crystallographic orientation. Using Vickers indentation tests conducted between 25°C and 90°C, we analyze the evolution of fracture toughness, fracture energy, and hardness. The results highlight strong anisotropy, with maximum fracture energy in the [100] orientation and a minimum in the [110] orientation, suggesting preferential crack propagation in the latter direction. Additionally, increasing temperature leads to a progressive decrease in mechanical properties.

In this study, boron-doped silicon exhibits a distinct fracture behavior compared to undoped silicon. Unlike previous observations on pure silicon, where fracture toughness increases with temperature due to dislocation activation, our results suggest that boron doping limits dislocation mobility and thereby contributes to the reduction of fracture energy at elevated temperatures.

These findings are essential for the design and durability of silicon-based electronic components. However, further research is needed to better understand the effects of dopants on silicon fracture by integrating additional analytical methods.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par article présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la Maîtrise avec mémoire en génie de la mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 53-57).
Mots-clés libres:	mécanique de la rupture, silicium, énergie de la rupture, indentation Vickers, anisotropie
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Zednik, Ricardo
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	27 mai 2025 15:15
Dernière modification:	27 mai 2025 15:15
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3620

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