L’augmentation des performances des dispositifs de la microélectronique repose encore pour une dizaine d’années sur une miniaturisation des circuits intégrés. Cette miniaturisation s’accompagne inévitablement d’une complexification des architectures et des empilements de matériaux utilisés. Au début de cette thèse, une des voies envisagées pour poursuivre la miniaturisation était de remplacer, dans une architecture finFET, le canal en silicium par un semi-conducteur à plus forte mobilité électronique, tel que l’In0,53Ga0,47As pour les transistors nMOS. Une étape essentielle à maitriser dans la fabrication des transistors finFET à base d’InGaAs est celle de la gravure plasma qui permet d’élaborer l’architecture du canal. En effet, pour assurer un fonctionnement optimal du transitor, il est primordial que les procédés de gravure ne génèrent pas de défauts sur les flancs du canal tels que la création de rugosité ou une perte de stœchiométrie. L’objectif principal de cette thèse est ainsi de réaliser la structuration du canal 3D d’InGaAs par gravure plasma en générant un minimum de défaut sur les flancs. Pour cela, nous avons évalué trois stratégies de gravure. Des premières études ont visé le développement de procédés de gravure en plasmas halogénés à température ambiante (55°C). De tels procédés conduisent à des profils pentus et rugueux du fait de redépôts InClx peu volatils sur les flancs des motifs. Dans un second temps, des procédés de gravure en plasma Cl2/CH4 à haute température (200°C) ont été étudiés et développés. Des motifs anisotropes et moins rugueux ont pu être obtenus, grâce à la volatilité des produits InClx et à la présence d’une passivation des flancs de type SiOx. Enfin, un concept de gravure par couche atomique, qui consiste à alterner deux étapes de procédé au caractère autolimité, a été étudié. Une première étape d’implantation en plasma He/O2 qui permet une modification de l’InGaAs sur une épaisseur définie suivie d’une étape de retrait humide en HF. Pour ces trois stratégies de gravure, une méthodologie permettant de caractériser de manière systématique les défauts engendrés sur les flancs a été mise en place. La spectroscopie Auger a permis d’accéder à la stœchiométrie des flancs tandis que la rugosité a été mesurée par AFM. Les résultats issus de la caractérisation des flancs des motifs gravés ont alors montré la nécessité de mettre en œuvre des procédés de restauration de surface. Un procédé combinant une étape d’oxydation par plasma de la surface d’InGaAs suivi d’un retrait par voie humide de la couche oxydée a ainsi été proposé. Ce traitement permet effectivement de diminuer la rugosité des flancs des motifs mais a accentué un enrichissement en arsenic déjà présent après les procédés de gravure. / Increasing the performance of transistors for the next decade still relies on transistor downscaling which is inevitably accompanied by an increasing complexity of the architectures and materials involved. At the beginning of this thesis, one strategy to pursue the downscaling was to replace, in a finFET architecture, the silicon channel with high-mobility semiconductor, such as In0,53Ga0,47As for the nMOS transistors. The patterning of the channel architecture by plasma etching is an essential step to overcome in the fabrication of InGaAs-based finFET transistors. Indeed, to ensure optimal performances of the device, it is crucial that the plasma etching process do not generate defects on the channel sidewalls such as a loss of stoichiometry and roughness formation. Thus, the major aim of this thesis is to pattern the 3D InGaAs channel by plasma etching with minimal sidewalls damage. For this, we investigated three plasma etching strategies. First, this work focused on the development of plasma etches process with halogen chemistries at ambient temperature (60°C). Such process leads to sloped and rough patterns due to the redeposit of low volatile InClx etch by products. Secondly, Cl2/CH4 plasma etching processes at high temperature (200°C) have been studied and developed. Anisotropic and relatively smooth patterns can be obtained using such plasma process thanks to enhanced volatility of InClx products and a SiOx sidewall passivation formation. Finally, an atomic layer etching concept has been investigated to pattern InGaAs with minimal damage. This concept consists in alternating two self-limited steps: first, an implantation step using He/O2 plasma modifies the InGaAs surface to a limited thickness. Then, the modified layer is removed by HF wet. For all these etching strategies, a methodology was implemented to perform a systematic characterization of the damage generated on the sidewalls. The Auger spectroscopy was used to determine the sidewall stoichiometry while the sidewall roughness is measured by AFM. The results from the sidewall characterizations revealed the necessity to implement a surface restoration process. It consists in oxidizing the InGaAs sidewalls with O2 plasma and to removed the oxidized layer with a HF step. This process was efficient to smooth the InGaAs pattern sidewalls but enhances an arsenic enrichment which was already present after the etching processes.

Le développement récent des nanotechnologies a apporté un renouveau dans le domaine de recherche de la thermoélectricité. Ces dernières années, de nombreux travaux théoriques et expérimentaux ont montré qu’il était possible d’améliorer grandement le facteur de mérite ZT en utilisant des structures semi-conductrices de basse dimensionnalité. Plus particulièrement, les nanofils de Silicium ont été présentés comme de bons candidats pour des applications thermoélectriques. De nombreuses études ont effectivement souligné le fait qu’il est possible de réduire la conductivité thermique au sein des nanofils sans altérer le transport électrique, ce qui va bien évidemment dans le sens d’une amélioration du facteur de mérite. Cependant, il existe peu d’études expérimentales permettant de confirmer ces affirmations. Ici, nous proposons des expériences de microscopie thermique à balayage permettant d’effectuer de l’imagerie thermique de nanofils individuels avec une résolution spatiale de l’ordre de 100nm. A partir des images réalisées et d’un modèle décrivant le comportement thermique de la sonde utilisée, nous déterminons la conductivité thermique des nanofils caractérisés. La technique de mesure proposée est actuellement la seule permettant d’effectuer une mesure thermique statistique sur un grand nombre de nanostructures de type nanofil. Nous validons également la faisabilité d’une mesure de conductivité électrique de nanofils individuels par une technique de microscopie de résistance d’étalement. La conductivité électrique est également un paramètre déterminant, à prendre en compte dans l’évaluation du facteur de mérite thermoélectrique. / The recent development of nanotechnologies is like a revival for the field of research on thermoelectricity. Over the past decade, several studies have underlined the fact that the thermoelectric figure of merit can be drastically enhanced in low dimensional semiconductor systems. In particular, silicon nanowires have been recently presented as good candidates for thermoelectric applications. Although bulk silicon is a poor thermoelectric material, by greatly reducing thermal conductivity without much affecting the electrical resistivity, Si nanowires show promise as high-performance thermoelectric materials. However, the experimental investigations on this topic do not abound in literature. Here, we propose experiments based on Scanning Thermal Microscopy which allows us to carry out thermal images of individual Si nanowires with a spatial resolution around 100 nm. Then, a model describing the SThM probe thermal behavior enables us to extract thermo-physical properties from the thermal images and finally to evaluate the thermal conductivity of the individually imaged Si nanowires. The technique proposed here is a promising one to perform statistical thermal conductivity measurements on a wide range of one-dimensional nano-objects with different compositions and geometries. Besides, we validate the feasibility of electrical conductivity measurements on individual Si nanowires, using Scanning Spreading Resistance Microscopy. Electrical conductivity is also a key parameter to determine the thermoelectric figure of merit.

Dans le procédé d'élaboration d'un transistor, la définition des motifs de grilles est une des étapes les plus dures à contrôler. Avec la miniaturisation des dispositifs, les spécifications définies pour la structuration des transistors se sont resserrées jusqu'à l'échelle du nanomètre. Ainsi, le Contrôle Dimensionnel(CD) et la rugosité de bord des lignes (LWR) sont devenus les paramètres les plus importantes à contrôler. Précédemment, pour atteindre les objectifs définis pour les précédentes technologies CMOS, des traitements post-lithographiques tels que les traitements plasma à base d’HBr ont été introduits pour améliorer la résistance des résines aux plasmas de gravure et minimiser la rugosité des motifs de résine avant leur transfert dans l’empilement de grille. Cependant, ces méthodes conventionnelles ne sont plus satisfaisantes pour atteindre les spécifications des nœuds avancés 14FDSOI, qui font intervenir des schémas complexes d’intégration de motifs. Dans ces travaux, les limitations des traitements plasma HBr pour réaliser des motifs de grille bidimensionnels comme définis par les règles de dessin ont été mises en évidence. . En effet, il s’avère que les traitements par plasma HBr sont responsables d'un déplacement local du motif de grille, qui entraine sur le produit final une perte de rendement. Des résultats préliminaires montrent que le retrait de cette étape de traitement améliore le phénomène de décalage des grilles, au détriment de la rugosité des motifs de résines. En effet, les résines non traités par plasma subissent d’importantes contraintes lors de l’ étape de gravure SiARC en plasma fluorocarbonnés, ce qui génère une nette augmentation de la rugosité de la résine qui se transfère par la suite dans les couches actives du dispositif. Dans cette thèse, j’ai étudié les mécanismes de dégradation des résines dans des plasmas fluorocarbonés. Cette compréhension a abouti au développement d’une nouvelle chimie de gravure plasma de la couche de SiARC qui limite la dégradation des résines. De plus, j’ai évalué comment le procédé complet de gravure de grille métallique peut être amélioré pour éliminer la rugosité et la déformation des motifs en travaillant sur chacune des étapes impliquées. Le but de cette étude est d’identifier les étapes de gravure ayant un rôle dans la rugosité finale de la grille. Mes travaux montrent que l'ajout des étapes de nitruration limite la dégradation du profil de grille et de la rugosité des flancs. Au contraire, la microstructure du film de TiN ainsi que les procédés de gravure de grille métal n'ont pas d'impact sur la rugosité finale du dispositif. Le transfert du motif de grille lors des étapes de gravure du masque dur reste toujours le principal contributeur de la rugosité finale de grille. / In a transistor manufacturing process, patterning is one of the hardest stages to control. Along with downscaling, the specifications for a transistor manufacturing have tightened up to the nanometer scale. Extreme metrology and process control are required and Critical Dimension Uniformity (CDU) and Line Width Roughness (LWR) have become two of the most important parameters to control.So far, to meet the requirements of the latest CMOS technologies, post-lithography treatments such as plasma cure treatments have been introduced to increase photo-resist stability and to improve LWR prior to pattern transfer. However, conventional post-lithography treatments are no more efficient to address the specifications of14nm gate patterning where more complicated designs are involved.In this work, we have studied limitations of cure pretreatments in 2D gate integrations. In fact, the HBr plasma post-lithography treatment was identified as being responsible of a local pattern shifting that result in a loss of the device’s electrical performance. Preliminary results show that, cure step removal helps to control pattern shifting but to the detriment of the LWR. Indeed, if no cure treatment is introduced in the gate patterning process flow, photoresist patterns undergo severe stress during the subsequent Si-ARC plasma etching in fluorocarbon based plasmas. In this work, the mechanisms that drive such resist degradation in fluorocarbon plasmas have been studied and improved SiARC etch process condition shave been proposed. Besides, we evaluate how the state-of-art gate etch process can be improved, by investigating the impact of each plasma etching step involved in the high-K metal gate patterning on both LWR and gate shifting. The goal of this study is to determine if the TiN metal gate roughness can be modified by changing the gate etch process conditions. Our research reveals that addition of N2 flash steps prevents from gate profile degradation and sidewall roughening. In revenge, the TiN microstructure as well as the HKMG etch process has no impact on the gate final roughness. The hard mask patterning process remains the main contributor for gate roughening.

L'industrie de la microélectronique s'appuie sur l'évolution constante de la miniaturisation des transistors. D'ici 2016, cette industrie atteindra le nœud technologique 16 nm dans lequel il faudra être capable de graver des structures de dimensions nanométrique ayant de très forts facteurs d'aspect. Cependant, les procédés de gravure actuels montrent de sérieuses limitations en termes de contrôle des profils et des dimensions critiques lorsqu'il faut graver de telles structures. Les problèmes rencontrés sont liés d'une part à des limitations intrinsèques des procédés plasmas et d'autre part à l'apparition de nouveaux phénomènes lorsque la dimension des structures à graver devient nanométrique. Dans le cadre de cette thèse, un nouveau mode de fonctionnement des sources à plasma est étudié pour développer des procédés de gravure adaptés aux prochaines générations de circuits intégrés : les plasmas modulés en impulsions courtes. Les premiers travaux réalisés s'appuient sur de puissantes techniques d'analyses du plasma (spectroscopie d'absorption VUV, sonde de flux ionique, analyseur électrostatique) dans le but de mettre en évidence l'impact des paramètres de la modulation en impulsion du plasma sur ses caractéristiques physicochimiques (flux et énergie des radicaux et des ions). Ces diagnostics ont tout d'abord permis de définir très clairement les conséquences de la modulation en impulsion du plasma sur les flux de radicaux réactifs qui bombardent le substrat : le rapport de cycle est LE paramètre clé pour contrôler la chimie du plasma car il permet de contrôler le taux de fragmentation du gaz par impact électronique. Dans un second temps, nous avons également démontré que dans les plasmas électronégatifs et pour une puissance RF de polarisation donnée, l'énergie des ions augmente lorsque le rapport de cycle diminue. Fort de ces connaissances fondamentales sur les plasmas, des analyses des surfaces (XPS, MEB, Raman…) ont permis de comprendre les mécanismes mis en jeux lors de l'interaction plasma- surface. Ainsi, il a été possible de développer des procédés de gravure pulsés pour plusieurs étapes de la grille de transistor (prétraitement HBr, gravure du Si-ARC, gravure du pSi). Les prétraitements HBr sont incontournables pour réduire la rugosité de bord de ligne de transistor. Lors de cette étape, une couche riche en carbone limite l'effet bénéfique des UV du plasma sur la diminution de la rugosité. Grâce à l'utilisation des plasmas pulsés, l'origine de cette couche a été mise en évidence : elle résulte du dépôt sur les motifs d'espèces carbonées non volatiles issues de la photolyse de la résine qui sont relâchées dans le plasma. Dans ce système bicouche, les contraintes de la couche carbonée dure vont se relaxer dans le volume mou de la résine par phénomène de « buckling » qui se traduit par une hausse de la rugosité de bord de ligne. Nous avons montré que cela peut être évité en minimisant l'épaisseur de cette couche, ce qui peut être obtenu notamment en pulsant le plasma. La gravure de la couche anti-réflective Si-ARC qui sert de masque dur et celle de la grille en poly Silicium reposent sur l'utilisation de plasmas fluorocarbonés. Mais dans ce type de plasma, la production de précurseurs pour la polymérisation est diminuée quand le plasma est pulsé, conduisant à une perte de sélectivité et d'anisotropie. Les plasmas synchronisés pulsés ne sont donc pas de bons candidats pour les étapes de gravure considérées. Pour pallier à ce problème, un autre mode de polarisation a été étudié : les plasmas pour lesquels seule la puissance de polarisation est pulsée. Dans le cas de la gravure du Si-ARC, il est possible d'obtenir des profils très anisotropes avec une sélectivité vis-à-vis de la résine nettement améliorée. Pour la gravure du Silicium, les effets d'ARDE ont pu être diminués tout en améliorant la sélectivité. Ces résultats sont très encourageants. / Microelectronics industry is based on the continuous transistor downscaling. By the year 2016, the 16nm technological node would be achieved, so that structures with nanometric dimensions and high aspect ratio would have to be etch. However, traditional etching processes shows major limitations in terms of pattern profiles control and critical dimensions when such structures have to be etch. The encountered problems are related directly to intrinsic limitations of plasmas processes but also to the emergence of new phenomena’s when the dimensions of structures to etch become nanometric. In the framework of this thesis, a new strategy to produce plasma has been evaluated to develop etching plasmas processes adapted to next integration circuit generations: the pulsed plasmas. Over a first phase, the impact of plasma pulsing parameters (frequency and duty cycle) on the plasma physico-chemical characteristics has been highlight. This has been achievable thanks to advanced plasma analyse techniques (VUV broad band absorption spectroscopy, ion flux probe, retarding electrical field analyser…) developed to allow time resolved measurements. For the neutral flux, diagnostics have revealed that duty cycle is THE key control knob to tune the plasma. Indeed, a low duty cycle leads to reduced parent gas fragmentation and thus a reduced chemical reactivity. On the other hand, in electronegative plasmas and for constant RF power, we have demonstrated that ion energy is considerably increased when the ions flux is decreased (i.e. when the duty cycle is decreased). Then, surface analyses (XPS, SEM, Raman spectroscopy…) brought out the mechanisms involved during the plasma-surface interaction. Deeper comprehension of impact of pulsing parameters enables to develop pulsed plasmas processes more easily. These works are focused on the top of the transistor gate and deal with the following steps: HBr cure, Si-ARC etching, poly-silicon etching. HBr cure is an essential pre-treatment of the 193 nm photoresist to decrease the Line Width Roughness (LWR) of transistor gate. During this step, a carbon rich layer is formed on the surface of the resist pattern and degrades the beneficial action of UV plasma light on LWR reduction. Thanks to use of pulsed plasmas, the origin of this carbon rich layer has been highlight: UV induced modifications in polymer bulk lead to outgassing of volatiles carbon-based products in the plasma. These carbon containing moieties are fragmented by electron impact dissociation reaction in the plasma, which create sticking carbon based precursors available for re-deposition on the resist patterns. The impact of this layer on the LWR and resist pattern reflow is studied, and a possible mechanical origin (i.e. buckling instabilities) is highlighted. Finally, we showed that the use of pulsed HBr curing plasma allows to reduce and control the thickness of the graphite-like layer and to obtain LWR reduction that are comparable to VUV treatment only. The Si-ARC layer, used as hard mask, and the poly-silicon gate etching are based on the use of fluorocarbon plasmas. However, in these plasmas, the production of radicals enable for the polymerisation is decreased when the duty cycle is reduced. It leads to loss of both anisotropy and selectivity. Synchronised pulsed plasmas are then not adapted to such etching processes. To overcome this problem, a new way to produce plasma has been studied: the ICP source power is maintained constant and only the bias power is pulsed. Regarding Si-ARC etching, very anisotropic profiles are obtained and the Si-ARC to resist selectivity is enhanced while pulsing the rf bias to the wafer. In the case of poly-silicon etching, the ARDE effects are significantly reduced while the selectivity regarding the oxide is improved. These results are very promising for the development of polymerising plasmas processes.

Ces travaux de thèse portent sur la fabrication de via traversants conducteurs, brique technologique indispensable pour l’intégration des composants microélectroniques en 3 dimensions. Pour ce faire, une voie « tout-électrochimique » a été explorée en raison de son faible coût de fabrication par rapport aux techniques par voie chimique sèche. Ainsi, la gravure de macropores ordonnés traversants a été réalisée par anodisation du silicium en présence d’acide fluorhydrique puis leur remplissage de cuivre par dépôt électrochimique. L’objectif est de faire du silicium macroporeux une alternative crédible à la gravure sèche (DRIE) pour la structuration du silicium.Les conditions de gravure de matrices de macropores ordonnés traversants ont été étudiées à la fois dans des substrats silicium de type n et p faiblement dopés. La composition de l’électrolyte ainsi que le motif des matrices ont été optimisés afin de garantir la gravure de via traversants de forte densité et à facteur de forme élevé. Une fois gravés, les via traversant ont été remplis de cuivre. En optimisant ces paramètres une résistance minimale égale à 32 mΩ/via (soit 1,06 fois la résistivité théorique du cuivre à 20°C) a été mesurée. / These thesis works deal with the achievement of Through Silicon Via (TSV) essential technological issue for microelectronic device 3D integration. For this purpose, we opted for a “full-electrochemical” way of TSV production because of lower fabrication costs as compared to dry etching and deposition techniques. Indeed, ordered through silicon macropores were carried out by silicon anodization in hydrofluoric acid-containing solution and then filled by copper electrochemical deposition. The main objective is to determine if the macroporous silicon arrays can be a viable alternative as Deep Reactive Ion Etching (DRIE).The etching parameters of through silicon macropore arrays were studied both in low-doped n- and p-type silicon. The electrolyte composition as well as the density of the initiation sites was optimized to enable the growth of high aspect ratio, high density through silicon ordered macropores. After silicon anodization, through via were filled with copper. By optimizing the copper deposition parameters (bath composition and applied potential), the resistance per via was measured equal to 32 mΩ (i.e. 1.06 times higher than the theoretical copper bulk resistivity).

Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (CMUT) représentent aujourd’hui une réelle alternative aux technologies piézoélectriques dans le domaine de l’imagerie échographique médicale. Au cours des années, les procédés de fabrication des transducteurs se sont enrichis en vue d’améliorer leurs performances. A contrario le choix du substrat, généralement en silicium, a été peu étudié. Il est cependant reconnu que le support contribue à la signature acoustique du dispositif ultrasonore. L’objectif de ces travaux de thèse a été d’intégrer une couche de silicium poreux afin d’absorber une partie des ondes élastiques qui se propagent dans le substrat et interfèrent avec le signal acoustique émis. Nous montrons alors qu’il été possible de réaliser une couche de silicium poreux en face arrière de composants, sur plaquettes 6 pouces, sans dégrader leurs performances. Finalement, par l’intermédiaire de caractérisations acoustiques et des signatures impulsionnelles des transducteurs, nous révélons le potentiel prometteur de ce matériaux pour la réalisation de milieu arrière atténuant dédié à la transduction ultrasonore. / Capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUT) have emerged as a potential alternative to traditional piezoelectric transducers for ultrasound imaging. Along the years, CMUT processes have been evolved to enhance the device performances. In the meantime, no particular attention was paid on the silicon substrate, even if it is well-known that it could contribute to the transducer efficiency. The aim of this PhD thesis was to use porous silicon as a backing material for ultrasonic transducers to absorb a piece of the acoustic wave propagating in the substrate and which induce crosstalks in the acoustic signal. We show that porous silicon layer can be obtained on the rear side of already processed wafers without any damage on the performances of capacitive micromachined ultrasonic transducers. Finally, by means of acoustic characterizations and the transducer electroacoustic responses, we reveal the potential interest of porous silicon as backing material for ultrasonic transducers.

A chaque nouvelle étape franchie dans la réduction des dimensions des dispositifs en microélectronique, de nouvelles problématiques sont soulevées. Parmi elles, la fluctuation de la longueur de la grille des transistors, aussi appelée rugosité de bord de ligne (LWR, pour “Line Width Roughness”), constitue l'une des principales sources de variabilité. Afin d'assurer le bon fonctionnement des transistors, le LWR doit être inférieur à 2 nm pour les futurs noeuds technologiques. Dans ce contexte, la caractérisation précise de la rugosité à l'échelle nanométrique est essentielle mais se heurte aux limitations des équipements de métrologie. En effet, à ces dimensions, le bruit de mesure des équipements ne peut être ignoré. Afin de pallier à ce problème, un protocole permettant de s'affranchir du niveau de bruit des équipements de métrologie a été développé dans la première partie de cette thèse. Il s'appuie sur l'utilisation de la densité spectrale de puissance de la rugosité, basée sur une fonction d'autocorrélation de type "fractal auto-affine". Un bruit "blanc" a été inclus dans le modèle théorique, permettant l'ajustement des données expérimentales. La seconde problématique concerne la rugosité élevée des motifs des résines 193 nm qui est transférée dans la grille lors des étapes successives de gravure. Pour résoudre cette difficulté, des traitements plasma sur résines ont été envisagés dans la seconde partie de cette étude. Des analyses physico-chimiques des résines exposées aux traitements plasma nous ont permis de montrer que les UV émis par les plasmas lissent considérablement les flancs des résines. En contrepartie, la formation d'une couche "dure" autour des motifs avec certains plasmas (HBr et Ar) contribue à leur dégradation. De nouvelles stratégies ont également été examinées. Les traitements plasma ont été combinés à des recuits thermiques dans le but d'additionner leurs avantages. Finalement, un plasma de H2 semble être prometteur puisqu'il ne génère pas de couche superficielle sur les motifs de résine, et l'action des UV réduit considérablement la rugosité. En combinant ce traitement avec un recuit thermique, il est possible d'atteindre des rugosités de 2.4 nm dans la grille finale. / With the constant decrease of dimensions in microelectronic devices, new problemes are raised. One of them is the variation of the transistor gate length, also called "Line Width Roughness" (LWR), which constitutes one of the most important sources of device variability. Regarding the future technological nodes, the LWR becomes a serious issue and should be reduced down to 2 nm. In this context, the acurate characterization of the LWR at the nanometric scale is essential but faces metrology tool limitations. At this scale, the equipment noise level can not be ignored.In order to compensate for this problem, a protocol allowing to get rid of the metrology equipment noise has been developped. It relies on the use of the discrete power spectral density, based on a "self affine fracal" autocorrelation function type. A "white" noise has been incorporated to the theoretical model, allowing the fitting of experimental data.The second issue concerns the significant LWR of the photoresist patterns printed by 193nm lithography, known to be partially transferred into the gate stack during the subsequent plasma etching steps. In order to solve this difficulty, plasma treatments have been applied to photoresists. Physico-chemical analysis of resists exposed to different plasma allowed us to observe that the UV emitted by the plama significantly smooth the resist sidewalls. On the other hand, the formation of a "stiff" layer around the patterns with some of the used plasma (namely HBr and Ar) leads to a degradation of the sidewall. New strategies have also been examined. Plasma treatments were especially combined to annealing treatments in order to couple their advantages. Finally, the H2 plasma appears as the most promissing for that it does not generate any surface "stiff" layer on the resist patterns and the UV significantly smooth the roughness. Combining this treatment with an annealing, it is possible to reach roughnesses as low as 2.4 nm in the final gate.

Dans cette thèse, nous développons des micro-concentrateurs de lumière en vue d’applications dans l’infrarouge. Les optiques, plates, de dimensions comparables à la longueur d’onde, sont formées d’une couche micronique de métamatériau, constituée de polymère structuré par des trous d’air. Une focalisation dans la zone de Fresnel des structures est recherchée en réalisant un gradient d’indice, obtenu en variant le diamètre des inclusions d’air (de λ//20 à λ/8). Des simulations électromagnétiques sont d’abord effectuées pour valider un design. La fabrication de ces concentrateurs repose sur la structuration d’une couche de photorésine à l’aide d’une technique de lithographie optique 3D à deux photons. Les mesures obtenues par l’imagerie infrarouge des structures montrent l’obtention d’une focalisation en accord avec les simulations pour un volume de concentrateur de 1,5 λ³, en dépit de l’absorption résiduelle de la résine choisie. Les structures proposées sont invariantes dans la direction axiale et peu épaisses, et peuvent donc être transférées dans d’autres types de matériaux ayant des indices de réfraction plus importants, comme le silicium. Les structures proposées peuvent également servir de plateforme pour réaliser un confinement sub-longueur d’onde par l’ajout d’antennes plasmoniques / In this thesis, we develop flat light concentrators for infrared applications. The structures have dimensions comparable with the wavelength and are made of a metamaterial layer (few microns) made of polymer with air holes inclusions. Light focusing in the Fresnel zone of the structures is achieved by a gradient index profile obained by chirping the holes diameter (from λ//20 to λ/8). Electromagnetic simulations are first performed to validate a design. The fabrication of these concentrators is then made by direct laser writing using a 3D two-photon lithography technique. Infrared imaging of the structures reveals a clear focusing of the infrared light for concentrators volume as small as 1,5 λ³, in agreement with the electromagnetic simulations. Considering that the metamaterial concentrator slabs are invariant in the axial direction and not too thick, similar structures can be transferred in transparent substrates such as silicon using deep reactive ion etching. A subwavelength light confinement can also be exploited by adding plasmonic antenna on the top surface of the flat concentrators

Le développement d'un procédé de détection de gaz atmosphériques à l'état de traces en temps réel, fiable, robuste, sélectif, sensible et portable, est impératif pour répondre à des enjeux sanitaires, écologiques et industriels. La spectroscopie par diodes laser accordables est une des voies envisagées pour pourvoir à ce besoin. Elle nécessite le développement de diodes lasers mono-fréquences émettant en régime continu à température ambiante entre 2 µm et 3.3 µm. Nous reportons ici les modélisations et développements technologiques nécessaires à la fabrication de lasers à contre-réaction répartie – à couplage par l'indice, réseau du 1er et 2nd ordre, sur substrat antimoniure – ainsi que les résultats obtenus. Dans la première partie de ce document, après avoir dressé le contexte de l'étude, nous introduirons la théorie des lasers à contre-réaction répartie et présenterons les modélisations qui ont permis de décrire nos structures. La seconde partie est dédiée aux développements des procédés technologiques qui ont permis de mettre en place deux filières de fabrication de composants – à savoir des lasers DFB à ailettes et lasers DFB à réseau enterré. La troisième partie expose les performances des composants fabriqués et présente les premières mesures d'analyse de gaz effectuées. Ces travaux ont conduit au développement de deux nouvelles filières de fabrication de composants : des diodes lasers mono-fréquences présentant une puissance élevée et une forte sélectivité modale. Les prototypes fabriqués seront utilisés sur des systèmes de spectroscopie. / Development of a reliable, real-time, selective, sensitive and suitable technique for atmospheric trace gas spectroscopy is a critical challenge in science and engineering, for sanitary, ecological and industrial issues. Tunable single-frequency lasers in the 2µm to 3.3µm wavelength range, working in continuous regime at room temperature, can be used in absorption spectroscopy to identify and quantify several atmospheric gases. We report here on the design, the technological development and the performances of 1st and 2nd order index-coupled distributed-feedback (DFB) antimonide-lasers diodes in the 2µm to 3.3µm wavelength range. The first part of this document establishes the context of the thesis, introduces the DFB theory and our modelisation. The second part presents the technological fabrication of the two different components: the side wall corrugated DFB lasers and the buried DFB lasers. The third part shows the performances of the components and the first tests on gas measurement.This work has led to the development of two different kinds of single-frequency laser diodes with high optical power and spectral purity. The fabricated prototypes will soon be used on gas spectroscopy set-up.

Le carbone présente de nombreuses formes allotropiques, dont le graphite, qui possède une large variété de formes géométriques d'intérêt pour l'industrie. Ce travail de thèse a permis la synthèse d'une nouvelle de ces formes: les pyramides hexagonales. Ces cristaux submicroniques sont créés à partir de substrats de graphite par gravure en plasma radiofréquence (rf) Ar/H2 basse pression. Pour comprendre la formation de ces nouveaux cristaux, la caractérisation des plasmas a été effectuée par sondes de Langmuir et absorption résonante laser afin de vérifier la température de surface et d'estimer les flux et énergies des ions. L'évolution temporelle de la gravure a été directement observée en microscopie électronique à balayage (MEB). La gravure chimique (Ar/H2) a formé des cônes de graphite à hélices dont les paramètres cristallins et une amorphisation de surface, due à l'hydrogène, ont été révélés par microscopie électronique en transmission (MET). La vitesse de gravure et l'état de surface montrent, en fonction du mélange, une zone de transition caractérisée par l'absence de structures. La gravure physique (Ar pur) conduit à la création des pyramides hexagonales de graphite. Un modèle de formation de ces cristaux a pu être proposé grâce à une bonne connaissance des différentes conditions plasma et des études poussées de microscopies électroniques sur plusieurs types de substrats. Les analyses MET haute résolution ont montré des boucles fermant les plans de bord du cristal et liées à sa formation. Nous avons également maîtrisé l'état de surface des substrats de graphite hautement orienté (HOPG) en créant une densité homogène de pyramides dont la taille peut être contrôlée. / Carbon occurs as many different allotropic forms. One in particular, graphite, exhibits a remarkable variety of geometrical configurations largely used in industrial applications. This work permitted the synthesis of a novel crystalline form: the hexagonal-pyramidal graphite hillocks. These submicronic structures are created from graphite substrates by low pressure Ar/H2 radiofrequency (rf) plasma etching. In order to understand the formation of these new crystals, plasma characterization has been carried out by Langmuir probes and laser absorption spectroscopy to check the surface temperature and estimate the ion fluxes and energies. Etching kinetics has been directly observed by scanning electron microscopy (SEM). Chemical etching processes in pure hydrogen resulted in the creation of helical graphite cones whose crystal parameters and surface amorphisation have been revealed by transmission electron microscopy (TEM). The etching rate and surface topography as function of the gas mixture show a transition where no structures are created. The physical etching in pure argon creates hexagonal-pyramidal graphite hillocks. A formation model of these crystals has been proposed owing to a good knowledge of the different plasma conditions and thorough electron microscopy studies on two kinds of substrates. High resolution MET analyses showed graphene loops closing the edges planes along the crystal facets and related to the structure’s formation. We also showed the texturing of the surface of highly ordered graphite (HOPG) by creating a high and homogeneous density of crystals whose size may be controlled