Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der grundlegenden Untersuchung von Reaktionsmustern kristalliner Si-Oberflächen in HF-basierten Lösungen. Ausgehend von den industriell genutzten HF-HNO3-H2O-Gemischen wurden wisher wenig untersuchte HF/HNO3-Konzentrationsverhältnisse, die durch gelöste Stickoxide bedingten Folgereaktionen sowie der PH-Wert als Steuerparameter zur Aufarbeitung feinkörniger Si-Rohstoffe (Korngröße ≤ 0,5 mm) identifiziert. Die in diesem Kontext zentrale Rolle der NO+-Ionen wurde durch Untersuchung der spezifischen Reaktionsmuster an kristallinen as-cut und hydrophobierten Si-Oberflächen sowie bei Umsetzungen mit Oligosilanen als Modellverbindungen bestätigt. Die aus den umfassenden analytischen Daten (FT-IR-, Raman-, NMR-Spektroskopie, IC, REM-EDX, AFM) gewonnenen Erkenntnisse liefern einen wichtigen Beitrag zum Verständnis nasschemischer Halbleiterätzprozesse und erschließen neue Anwendungsfelder.

L’objet de cette thèse est d’étudier un procédé de fraisage par microélectroérosion (μEE), qui est un procédé sans contact permettant d’usiner tous les matériaux durs conducteurs d’électricité à l’aide d’un micro-outil cylindrique ultrafin. Le principe consiste à créer des micro-décharges électriques entre le micro-outil et une pièce conductrice immergés dans un diélectrique liquide. En faisant parcourir à l’outil un parcours 3D, il est possible de creuser une forme complexe dans la pièce avec des détails à fort rapport d’aspect. Dans ce travail, nous avons tout d’abord amélioré un procédé d’élaboration de microoutils cylindriques ultrafins par gravure électrochimique de barreaux de tungstène. Des outils de diamètre 32,6 ± 0,3 μm sur une longueur de 3 mm ont été obtenus de manière automatique et reproductible. L’écart type a été divisé par 2 par rapport à l’état de l’art antérieur. Des outils de diamètre inférieur ont été obtenus avec une intervention de l’opérateur, et ce jusqu’à 3 μm de diamètre. Puis ces micro-outils ont été mis en oeuvre pour usiner des pièces avec le procédé de fraisage par microélectroérosion. Pour ce faire, une machine de 2ème génération a été entièrement développée sur la base de travaux antérieurs. Il a été possible d’usiner de l’acier inoxydable dans de l’eau déionisée avec des micro-outils de 3 μm de diamètre sans détérioration de l’outil. Par ailleurs, Le procédé de μEE a été caractérisé en termes de résolution d’usinage, taux d’enlèvement de matière et usure de l’outil. Un générateur de décharges original a permis d’usiner avec des micro-décharges de 1 à 10 nJ / étincelle avec une diminution très sensible de l’usure de l’outil par rapport à l’état de l’art. Un procédé original de caractérisation en ligne des décharges et de cartographie dans l’espace a aussi été développé / This work aims at studying Micro Electrical Discharge Milling (μEDM milling), which is a non-contact process allowing machining all hard and electrically conductive materials with a cylindrical ultrathin tool. The principle is based on the creation of electrical micro discharges between the tool and an electrically conductive part immersed in a liquid dielectric. By means of a 3D path, the tool machines a complex shape in the part with high aspect ratio details. In this work, we have firstly improved a process for making cylindrical ultrathin micro-tools by electrochemical etching of tungsten rods. Tools with a diameter of 32.6 ± 0.3 μm and a length of 3 mm have been obtained with an automated and reproducible process. Standard deviation has been divided by 2 by comparison with the previous state of the art. Tools with diameter as low as 3 μm have been fabricated with the help of the machine operator Then these micro-tools have been used for machining parts with the μEDM milling process. To do so, a second generation machine has been entirely developed on the basis of previous work. It has been possible to machine stainless steel in deionized water with 3 μm micro-tools without damaging the tools. In other respects, the μEDM milling process has been characterized in terms of machining resolution, material removal rate and tool wear. An innovative generator of discharges allow machining with 1 to 10 nJ / spark with a reduced tool wear by comparison to the state of the art. An innovative process for the on line characterization of discharges with spatial distribution capability has been developed

L’électroérosion (EE) est une technique d’usinage sans contact de matériaux conducteursd’électricité ; elle particulièrement bien adaptée à l’usinage de matériaux durs. Le principe consiste àcréer des décharges électriques érodantes entre un outil et une pièce à usiner, toutes deuximmergées dans un diélectrique. Dans cette thèse, nous avons étudié la miniaturisation de ceprocédé, la microélectroérosion (μEE), qui se présente comme un procédé complémentaire destechniques de micro-usinage mécanique, laser, ou encore des techniques issues de lamicrotechnologie du silicium (RIE, DRIE, LIGA). Toutefois, la résolution de la μEE est limitée.Dans ce travail, nous avons tout d’abord développé un procédé original d’élaboration de microoutilscylindriques en tungstène par gravure électrochimique. Celui-ci permet d’obtenir de manièrereproductible des micro-outils de diamètre 15 μm et de rapport hauteur sur diamètre supérieur à 50.Des micro-outils plus fins ont aussi été obtenus (jusqu’à 700 nm) mais avec des problèmes dereproductibilité. Par ailleurs, un prototype de machine de fraisage par μEE a été développé avec uneélectronique entièrement caractérisée. Des micro-canaux de 40 μm de largeur ont été obtenus dansl’acier d’inoxydable et 25 μm dans le titane ; une rugosité Ra de 86 nm a été atteinte dans des cavitésde 600 x 600 x 30 μm. Les limitations du dispositif expérimental ont aussi été mises en évidence.Dans la dernière partie de ce travail, nous avons procédé à l’étude des microdécharges et du microplasmas’établissant entre micro-outil et pièce à l’aide de caractérisations électriques. La résistanceet l’inductance des décharges ont été déterminées expérimentalement puis intégrées dans unmodèle permettant de prévoir la durée des impulsions de courant et leur intensité. Des pistes pourl’amélioration de la résolution d’usinage sont proposées en conclusion de ce travail. / Electro Discharge Machining (EDM) is a non-contact technique allowing machining of electricallyconductive materials; it is well adapted for the machining of hard materials. The principle is based onthe creation of eroding electrical discharges between a tool and a piece, both immersed in adielectric. In this thesis, we have the studied miniaturization of the process, called micro electrodischarge machining (μ-EDM), which is considered as a complementary technique of mechanical orlaser micro-machining techniques and silicon micro technology processes (RIE, DRIE, LIGA)..However, the resolution of μEDM is limited.In this work, we have firstly developed an original method for making tungsten micro-tools withcylindrical profile by electrochemical etching. This method allows the reproducible fabrication ofmicro-tool with 15-μm diameter. Thinner micro-tools were also obtained (down to 700 nm) withreproducibility problems. Furthermore, a prototype machine for milling μ-EDM was developed with afully characterized electronics. Micro channels were obtained respectively in stainless steel with awidth of 40μm and in titanium with a width of 25μm; a surface roughness Ra of 86 nm was achievedin 600 x 600 x 30 μm cavities. Besides, the limitations of the apparatus were highlighted. In the lastpart of this work, we have studied the micro-discharge and the micro-plasma between the micro-tooland the part with electrical characterization. The resistivity and the inductance of the sparks weremeasured and integrated in a numerical model in order to explain the duration of the microdischarges and their intensity. Solutions for improving the machining resolution are also discussed atthe end of this work.

This work deals with the theoretical foundations of electron emission into vacuum, various types of emissions, focused on the cold-emission and Schottky emission and the principle of quantum tunneling. The next part deals with the technical implementation of electron sources with a detailed study of the methodology of laboratory production of cathodes by electrochemical etching and construction of electron microscopes, using field-emission sources. This work also contains methods for measuring, processing and evaluation of electrical characteristics of emission sources.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der grundlegenden Untersuchung von Reaktionsmustern kristalliner Si-Oberflächen in HF-basierten Lösungen. Ausgehend von den industriell genutzten HF-HNO3-H2O-Gemischen wurden wisher wenig untersuchte HF/HNO3-Konzentrationsverhältnisse, die durch gelöste Stickoxide bedingten Folgereaktionen sowie der PH-Wert als Steuerparameter zur Aufarbeitung feinkörniger Si-Rohstoffe (Korngröße ≤ 0,5 mm) identifiziert. Die in diesem Kontext zentrale Rolle der NO+-Ionen wurde durch Untersuchung der spezifischen Reaktionsmuster an kristallinen as-cut und hydrophobierten Si-Oberflächen sowie bei Umsetzungen mit Oligosilanen als Modellverbindungen bestätigt. Die aus den umfassenden analytischen Daten (FT-IR-, Raman-, NMR-Spektroskopie, IC, REM-EDX, AFM) gewonnenen Erkenntnisse liefern einen wichtigen Beitrag zum Verständnis nasschemischer Halbleiterätzprozesse und erschließen neue Anwendungsfelder.

[ES] El desarrollo de los biosensores está permitiendo llevar a cabo análisis bioquímicos cada vez más rápidos, de manera mucho más sencilla y utilizando una menor cantidad de muestra. Esto está dando lugar a aplicaciones en las que se monitorizan parámetros de manera continua y autónoma, aumentando la eficiencia y reduciendo los costes. El tema principal de esta Tesis ha sido el desarrollo y la evaluación de biosensores que se basan en técnicas de transducción óptica, fabricados en silicio poroso, un material nanoestructurado que puede llegar a alcanzar una gran sensibilidad. El trabajo ha consistido en el estudio de la fabricación y la caracterización de membranas de silicio poroso obtenidas a partir de substratos tipo p de baja resistividad. Para ello se ha desarrollado un modelo matemático realista que permite simular el comportamiento del transductor y calcular sus parámetros experimentales. Gracias a esto, se han estudiado propiedades del material como el efecto térmico, llevando a caracterizar el efecto termo-óptico del silicio poroso en el rango infrarrojo del espectro. Además, se ha analizado la infiltración de la muestra en el transductor con el objetivo de mejorar su funcionamiento. Por este motivo, se han examinado diferentes morfologías de poros y se ha implementado un flujo activo durante el sensado, en el cual la sustancia a analizar fluye a través de la membrana porosa, resolviendo problemas de rellenado del sensor y mezclado con otras sustancias. / [CA] El desenvolupament dels biosensors està permetent realitzar anàlisis bioquímics cada vegada més ràpids, de manera molt més senzilla i utilitzant una menor quantitat de mostra. Això està donant lloc a aplicacions en les quals es monitoritzen paràmetres de manera contínua i autònoma, augmentant l'eficiència i reduint els costos. El tema principal d'aquesta Tesis ha sigut el desenvolupament i l'avaluació de biosensors basats en tècniques de transducció òptica, fabricats en silici porós, un material nanoestructurat que pot arribar a aconseguir una gran sensibilitat. El treball ha consistit en l'estudi de la fabricació i la caracterització de membranes de silici porós obtingudes a partir de substrats tipus p de baixa resistivitat. Per a fer-ho, s'ha desenvolupat un model matemàtic realista que permet simular el comportament del transductor i calcular els seus paràmetres experimentals. Gràcies a això, s'han estudiat propietats del material com l'efecte tèrmic, el que ha permés caracteritzar l'efecte termo-òptic del silici porós en el rang infraroig de l'espectre. A més, s'ha analitzat la infiltració de la mostra en el transductor amb l'objectiu de millorar el seu funcionament. Per aquest motiu, s'han examinat diferents morfologies de porus i s'ha implementat un flux actiu durant el sensat, en el qual la substància a analitzar fluïx a través de la membrana porosa, resolent problemes d'ompliment del sensor i mesclat amb altres substàncies. / [EN] The development of biosensors is leading to faster and simpler analyses of biochemical samples, using them in lower quantities. Over the last years, these advances have allowed the emergence of applications where parameters can be monitored continuously and autonomously, increasing the efficiency and reducing the costs. This Thesis has focused on the development and evaluation of biosensors based on optical transducers, which are fabricated with porous silicon, a nanostructured material that is able to reach a high sensitivity. In this work, the fabrication and characterization of porous silicon membranes using heavily doped p-type silicon wafers have been studied. A realistic mathematical model has been developed in order to simulate the transducer's behavior and calculate the experimental parameters. This has led to the study of physical properties such as the thermal effect, where we were able to characterize the thermo-optic coefficient in the near-infrared range. Moreover, the penetration of the sample into the structure has been analyzed. For this purpose, several pore morphologies were examined and an active flow has been implemented during the sensing experiments, where the substance of interest flows through the porous membrane, to solve problems such as the partial filling of the sensor or the mixture of different substances during the experiments. / Martín Sánchez, D. (2019). Desarrollo de biosensores fotónicos basados en membranas de silicio poroso [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/125695

Le domaine du photovoltaïque en couches minces s’attache à réduire le coût de l’énergie photovoltaïque, en réduisant considérablement la quantité de matières premières utilisées. Dans le cas du silicium cristallin en couches minces, la réduction de l’épaisseur de la cellule s’accompagne d’une baisse drastique de l’absorption, notamment pour les plus fortes longueurs d’onde. Nombreuses sont les techniques aujourd’hui mises en œuvre pour lutter contre cette baisse de performance, dont l’utilisation des effets plasmoniques induits par des nanostructures métalliques qui permettent un piégeage de la lumière accru dans la couche absorbante. Dans ces travaux, nous étudions l’influence de nanostructures d’argent organisées suivant un réseau périodique sur l’absorption d’une couche de silicium. Ces travaux s’articulent autour de deux axes majeurs. L’influence de ces effets plasmoniques sur l’absorption est d’abord mise en évidence à travers différentes simulations numériques réalisées par la méthode FDTD. Nous étudions ainsi les cas de réseaux périodiques finis et infinis de nanostructures d’argent situés sur la face arrière d’une couche mince de silicium. En variant les paramètres du réseau, nous montrons que l’absorption au sein du silicium peut être améliorée dans le proche infrarouge, sur une large plage de longueurs d’onde. Le second volet de la thèse concerne la réalisation des structures modélisées. Pour cela, deux voies de fabrication ont été explorées et développées. Pour chacune d’entre elles, trois briques élémentaires ont été identifiées : (i) définition du futur motif du réseau grâce à un masque, (ii) réalisation de pores dans le silicium et (iii) remplissage des pores par de l’argent pour former le réseau métallique. La première voie de fabrication développée fait appel à un masque d’alumine, réalisé par l’anodisation électrochimique d’une couche d’aluminium, pour définir les dimensions du réseau métallique. Une gravure chimique assistée par un métal est ensuite utilisée pour former les pores, qui seront alors comblés grâce à des dépôts d’argent par voie humide. La seconde voie de fabrication utilise un masque réalisé par lithographie holographique, une gravure des pores par RIE et un remplissage des pores par dépôt d’argent electroless. Les substrats plasmoniques fabriqués sont caractérisés optiquement, au moyen d’une sphère intégrante, par des mesures de transmission, réflexion et absorption. Pour tous les substrats plasmoniques caractérisés, les mesures optiques montrent une baisse de la réflexion et de la transmission et une hausse de l’absorption pour les plus grandes longueurs d’onde. / Thin-film photovoltaics focus on lowering the cost reduction of photovoltaic energy through the significant reduction of raw materials used. In the case of thin-films crystalline silicon, the reduction of the thickness of the cell is linked to a drastic decrease of the absorption, particularly for the higher wavelengths. This decrease of the absorption can be fought through the use of several different light trapping methods, and the use of plasmonic effects induced by metallic nanostructures is one of them. In this work, we study the influence of a periodic array of silver nanostructures on the absorption of a silicon layer. This work is decomposed into two main axes. First, the influence of the plasmonic effects on the silicon absorption is highlighted through different numerical simulations performed by the FDTD method. Both finite and infinite arrays of silver nanostructures, located at the rear side of a thin silicon layer, are studied. By varying the parameters of the array, we show that the silicon absorption can be improved in the near infrared spectral region, over a wide range of wavelengths. The second part of the thesis is dedicated to the fabrication of such modeled structures. Two different approaches have been explored and developed inside the lab. For each of these two strategies, three major building blocks have been identified: (i) definition of the future array pattern through a mask, (ii) etching of the pattern in the silicon layer and (iii) filling of the pores with silver in order to form the metallic array of nanostructures. In the first fabrication method, an anodic alumina mask, produced by the electrochemical anodization of an aluminium layer, is used in order to define the dimensions of the metallic array. A metal assisted chemical etching is then performed to produce the pores inside the silicon, which will then be filled with silver through a wet chemical process. The second fabrication method developed involves the use of holographic lithography to produce the mask, the pores in silicon are formed by reactive ion etching and they are filled during an electroless silver deposition step. The fabricated plasmonic substrates are optically characterized using an integrating sphere, and transmission, reflection and absorption are measured. All the characterized plasmonic substrates shown a decrease of their reflection and transmission and an absorption enhancement at the largest wavelengths.

This thesis presents methods for the wafer-level integration of shape memory alloy (SMA) and electrostatic actuators to functionalize MEMS devices. The integration methods are based on heterogeneous integration, which is the integration of different materials and technologies. Background information about the actuators and the integration method is provided. SMA microactuators offer the highest work density of all MEMS actuators, however, they are not yet a standard MEMS material, partially due to the lack of proper wafer-level integration methods. This thesis presents methods for the wafer-level heterogeneous integration of bulk SMA sheets and wires with silicon microstructures. First concepts and experiments are presented for integrating SMA actuators with knife gate microvalves, which are introduced in this thesis. These microvalves feature a gate moving out-of-plane to regulate a gas flow and first measurements indicate outstanding pneumatic performance in relation to the consumed silicon footprint area. This part of the work also includes a novel technique for the footprint and thickness independent selective release of Au-Si eutectically bonded microstructures based on localized electrochemical etching. Electrostatic actuators are presented to functionalize MEMS crossbar switches, which are intended for the automated reconfiguration of copper-wire telecommunication networks and must allow to interconnect a number of input lines to a number of output lines in any combination desired. Following the concepts of heterogeneous integration, the device is divided into two parts which are fabricated separately and then assembled. One part contains an array of double-pole single-throw S-shaped actuator MEMS switches. The other part contains a signal line routing network which is interconnected by the switches after assembly of the two parts. The assembly is based on patterned adhesive wafer bonding and results in wafer-level encapsulation of the switch array. During operation, the switches in these arrays must be individually addressable. Instead of controlling each element with individual control lines, this thesis investigates a row/column addressing scheme to individually pull in or pull out single electrostatic actuators in the array with maximum operational reliability, determined by the statistical parameters of the pull-in and pull-out characteristics of the actuators. / QC20100729