La réalisation de dispositifs nanotechnologiques comportant des nanotubes de carbone (NTC) repose essentiellement sur l'intégration contrôlée des NTC sur substrat. Nous avons développé cette thématique en choisissant, plutôt que la manipulation de NTC synthétisés, l'approche de la croissance localisée de NTC par dépôt chimique catalytique en phase vapeur (CCVD) sous mélange de gaz H2-CH4. Nos travaux nous ont permis de synthétiser sélectivement des NTC à partir de sites catalytiques définis, sur des substrats de silicium. Notre étude a porté sur la synthèse de NTC à partir de dépôts de nanoparticules (NP) catalytiques de cobalt préparées selon trois voies distinctes : formation in situ de NP sur support oxyde par réduction sélective de la solution solide Mg0,95Co0,05O préparée par voie sol-gel ; NP de Co préformées par voie chimique, déposées directement sur un substrat SiO2/Si ; NP formées par le recuit de couche mince métallique Co également déposée sur substrat SiO2/Si. Nous avons démontré que la CCVD sous CH4 pur ou sous mélange H2-CH4, avec montée en température sous gaz inerte, aboutit à la formation de NTC dès 850°C, à partir de dépôts catalytiques non structurés. En particulier, le choix du système catalytique adéquat permet (1) de produire des films denses de NTC (environ 1 NTC/µm²) ; (2) de favoriser la formation de NTC mono- ou biparois, dont le diamètre est généralement compris entre 0,8 et 4 nm, et la longueur de l'ordre de quelques dizaines de µm. Des techniques de structuration ont été développées dans le but de localiser les dépôts de NP catalytiques. Le tamponnage (technique de lithographie molle) d'un précurseur catalytique liquide (sol ou suspension de NP Co) à l'aide d'un timbre apparaît comme une technique adéquate pour la production de motifs catalytiques micrométriques (1 - 100 µm). En revanche, la lithographie électronique associée au dépôt en couche mince (lift-off) demeure l'outil privilégié pour localiser des motifs catalytiques de dimensi ons nanométriques (jusqu'à 50 nm) par rapport aux structures prédéfinies du substrat de silicium. Nos travaux démontrent l'adéquation de la croissance localisée pour la production de motifs de NTC avec un certain contrôle de la densité surfacique des NTC, compatible avec la formation d'interconnexions entre motifs voisins. La dimension ultime des motifs produits varie entre 50 nm et 100 µm, selon la nature du catalyseur et de la technique de structuration employée. Notre étude ne met pas en évidence l'influence nette de l'organisation des motifs catalytiques sur l'orientation des NTC, qui reste majoritairement aléatoire à la surface des substrats SiO2/Si, et ce quelle que soit la nature du catalyseur mis en Suvre.

Le but du travail est de montrer la faisabilité du tissage de filament de très faible diamètre (de l'ordre de 10 à 25 -tm) et de matières différentes (cuivre, or, polyester...). Les essais du comportement mécanique (traction, fatigue) du micro filament de cuivre ont montré la possibilité du tissage de ce type du filament à cette échelle. A partir de ces résultats, il est possible d'entrevoir des solutions techniques de tissage pour réaliser des tissus à partir de ces filaments. Ce travail a permis donc de concevoir les différentes parties de la machine de micro tissage : système d'alimentation des fils de chame, système de formation de la foule, système d'insertion du fil de trame, système de mouvement du peigne, système d'appel et de stockage du tissu. Le système de formation de la foule de type Jacquard représente le cœur de la machine à tisser. Il lève un verrou technologique persistant depuis de très nombreuses années. Les résultats prometteurs des micros actionneurs fluidiques ont permis de montrer la faisabilité du micro tissage. Ils ont permis également de valider le procédé de la fabrication d'un bloc des plusieurs actionneurs capable de séparer les filaments de chaîne pour former la foule. Le logiciel de contrôle et de dessin conçu permet à la fois de réaliser des armures et de les compiler en format convenable pour pouvoir les transmettre à la carte de contrôle. Cette dernière permet de contrôler les différentes parties de la machine à tisser.

Le but principal de ce travail de thèse est de proposer un matériau précurseur d'oxydes métalliques (ZrO2, TiO2, HfO2) compatible avec la technique de photolithographie interférentielle DUV. Des oxoclusters de métaux (MOC) de transitions obtenus par complexation d'un ligand organique et hydrolysé partiellement ont été proposé comme briques élémentaires pour construire ces nanostructures. Le recours à des longueurs d'onde DUV (193 nm) permet d'exciter directement les MOC, ce qui conduit à une réticulation photoinduite, et confère à la résine un caractère de photoresist négatif. Une étude spectroscopique détaillée a permis de proposer un mécanisme de photoréticulation. Cette étude s'est appuyée essentiellement sur des techniques de suivi in situ de la réaction photochimique, par ellipsométrie spectroscopique et RT-FTIR. La nanostructuration a été effectuée essentiellement par lithographie interférométrique DUV (DUV-IL) à 193 nm et étendue à la stéréolithographie biphotonique. La DUV-IL a été choisie pour son potentiel d'écriture de nanostructures sur des surfaces relativement importantes, dans des conditions standard d'atmosphère et température. De plus, dans le cas des TiOC, les nanostructures peuvent être rendues inorganiques à température ambiante par un traitement photochimique supplémentaire. Dans le cas de ZrOC et HfOC, une étape supplémentaire de recuit thermique permet d'obtenir une structure de type MO2 cristallisée.

Un échange vigoureux au travers des frontières de la biologie et de la physique se développe autour de nouvelles méthodes et outils, et autour de nouveaux phénomènes. Les objets d’étude au cœur de ce recouvrement multidisciplinaire sont très divers. De manière non exhaustive, il s’agit de nanoparticules, de cellules ou encore d’objets encore plus petits et élémentaires tels que les molécules. Aussi bien pour des applications dans le domaine de la microélectronique que pour l’étude de mécanismes biologiques fondamentaux, l’intégration des objets d’intérêt à l’échelle de l’objet unique est essentielle. Dans le cadre de cette thèse, l’objectif que nous nous sommes fixés est de développer un volet technologique qui permette l’assemblage d’objets micro- ou nanométriques uniques à des endroits bien définis d’une surface solide de façon simple, fiable, bas-coût et parallèle. Pour ce développement, nous nous sommes intéressés tout particulièrement aux nanoparticules d’Au de 100 nm de diamètre, aux bactéries, puis aux molécules d’ADN. Nous décrirons les stratégies développées reposant sur la lithographie douce puis leurs potentialités pour différentes applications dans les domaines de l’analyse médicale et de la détection. / A vigorous trade across the borders of biological and physical sciences is developing around new methods and tools, and around new phenomena. The objects at the heart of this multidisciplinary overlapping are numerous. In a non exhaustive manner, the objects of study can be nanoparticles, cells, or even smaller and more elementary objects such as molecules. For applications in the field of microelectronics as for studies of fundamental biological mechanisms, the integration of these objects of interest at the single object scale is essential. In the frame of this Ph.D. thesis, the objective we pursued is the development of a technological tool-box allowing the assembly of micro- and nano-objects at pre-determined locations of a solid surface, in a simple, reliable, low-cost and parallel manner. For this development, we focused on gold nanoparticles 100 nm in diameter, bacterial cells and DNA molecules in particular. We will describe the strategies developed relying on soft-lithography and their potentialities for different applications in the fields of medical analysis and sensing.

Ce travail de thèse s'est axé autour de deux approches technologiques issues du domaine de la microfabrication pour la sélection et la capture de biomarqueurs circulants dans le sang. A l'échelle moléculaire, un module d'assemblage capillaire dirigé a été implémenté dans un automate de tamponnage moléculaire puis validé en utilisant un modèle simple, permettant l'isolement et l'étirement de biomolécules individuelles de manière entièrement contrôlée et automatisée à large échelle. Nous avons ensuite appliqué cette technologie à des biomarqueurs moléculaires d'intérêt tels que les ADN libres contenus dans du sang complet, démontrant la capacité de la technique à isoler des acides nucléiques dans un fluide complexe contenant de nombreux éléments cellulaires . A l'échelle cellulaire, une approche innovante pour la sélection et la capture de Cellules Tumorales Circulantes a été développée. Le microdispositif mis au point est fabriqué par écriture laser à 3 dimensions et permet le piégeage physique de ces cellules dans du sang complet non traité tout en les préservant pour une récupération et analyse ultérieure. Après adaptation du microdispositif pour maximiser son efficacité de capture in vitro, une première preuve de concept de capture sélective de cellules cancéreuses dans du sang complet non traité a été réalisée. U n premier prototype pour une utilisation in vivo a été mi s au point et validé in vitro sur la capture de cellules cancéreuses dans du milieu de culture. / This research project focused on two technological approaches emerging from microfabrication for the selection and capture of circulating biomarkers from blood. At the molecular scale, this work was based on the automation of a directed capillary assembly protocol. A dedicated module was implemented into an automate for molecular stampin g and validated using a simple molecular model, allowing the elongation and large-scale assembly of single biomolecules in a controlled and automatized manner. The developed technology was then used for the assembly of relevant molecular biomarkers such as cell -free DNA (cf DNA) from untreated whole blood , evidencing the capabilities of this technology to single out nucleic acids from complex fluids composed of other cellular elements. At the cellular scale, an innovative concept for Circulating Tumor Cell s (CTCs) selection and capture was developed . The developed microdevice is fabricated using 30 direct laser writing and allows for a physical capture of cell s from untreated whole blood while preserving them for further recovery and analysis. After having optimized the design in vitro to maximize the capture efficiency of the system, a selective capture of cancer cell s from untreated whole blood was achieved . A first prototype for the in vivo use of this system was also developed and validated in vitro with cancer cells spiked into culture medium.

Le regain d'attention des industriels pour les mémoires non volatiles intégrant des nanocristaux, illustré par l'introduction sur le marché de la Flexmemory de Freescale en technologie 90 nm, incite à poursuivre des études sur ce type de systèmes. Pour cela, nous avons mis au point des cellules mémoires élémentaires, à savoir des transistors MOS dont l'oxyde de grille contient une grille granulaire formée par un plan de nanocristaux de silicium (Si-ncx) stockant la charge électrique.Ce travail présente les principaux résultats issus de ces travaux, ceux-ci allant du procédé de fabrication à la caractérisation fine des dispositifs mémoires. Le parfait contrôle de l'élaboration de la grille granulaire de Si-ncx par implantation ionique à très basse énergie (ULE-IBS) est accompagné de caractéristiques « mémoires » répondant aux normes industrielles d'endurance et d'une discrimination des pièges responsables du chargement. Le stockage majoritaire par les Si-ncx est démontré, ce qui est essentiel pour la rétention de la charge. Nous avons développé une technique électrique permettant d'extraire à la fois la quantité de charge stockée par les Si-ncx mais également leurs principales caractéristiques structurales (taille, densité, position dans l'oxyde). Cette extension de la technique électrique de « pompage de charges », non destructive et in-situ permet de suivre l'état du composant en fonctionnement et de caractériser des pièges (e.g. les Si-ncx) pour la première fois au-delà de 3 nm de profondeur dans l'oxyde. Ces résultats ont été validés par des observations TEM. La résolution du pompage de charge étant le piège unique, nous avons alors couplé l'ULE-IBS avec la lithographie « Stencil » pour réduire latéralement le nombre de Si-ncx synthétisés. Cette technique nous permet pour le moment de contrôler la synthèse locale à la position désirée dans l'oxyde de « poches » de Si-ncx de 400 nm. La synthèse de « quelques » Si-ncx est envisagée à très court terme. Nous serons alors en mesure de fabriquer des mémoires à nombre choisi de nanocristaux (par SM-ULE-IBS), dont les propriétés structurales (taille, densité, position) et électriques (quantité de charge stockée) seront vérifiées par pompage de charge, offrant ainsi des outils puissants pour la fabrication et la caractérisation de mémoires à nombre réduit de nanocristaux, notamment pour des longueurs de grilles inférieures à 90 nm / The aim of this thesis has been to fabricate and electrically characterize elementary memory cells containing silicon nanocrystals (Si-ncs), in other words MOSFET which insulating layer (SiO2) contains a Si-ncs array storing the electrical charge. We have shown that we perfectly control the synthesis of a 2D array of 3-4 nm Si-ncs embedded into the MOSFET oxide by low-energy ion implantation (1-3 keV) Reaching this goal implied two key steps: on the one hand develop a reliable MOSFET fabrication process incorporating the Si-ncs synthesis steps and on the other hand develop tools and methods for both memory window and Si-ncs array itself characterizations. We have developed an in-situ characterization technique based on the well-known charge pumping technique, allowing for the first time the extraction of traps depth (e.g. the Si-ncs array) further than 3 nm into the oxide layer leading to the characterization of both position of these Si-ncs into the SiO2 matrix and their structural properties (diameter, density). These results have been confirmed by EF-TEM measurements. Finally, we have worked on the improvement of controlled local synthesis of Si-ncs pockets by combining low-energy ion implantation and stencil lithography. We reduced the size of these pockets down to about 400 nm using this parallel, low cost and reliable technique and identified the limiting effect for the pockets size reduction. These results pave the way for memory cells containing a few Si-ncs with a well-defined position into the oxide and a well-controlled number of ncs

Porté par les préoccupations actuelles en matière de sécurité et de qualité environnementale ainsi que par les efforts de recherche entrepris dans ce domaine, le marché mondial des capteurs de gaz est en pleine expansion. Dans le contexte de la commercialisation d'un capteur de gaz, une phase d'amélioration de ses performances, et notamment de sa sensibilité et de sa stabilité, est naturellement nécessaire. Cependant, il s'avère également pertinent d'envisager d'en diminuer le coût de fabrication. Pour cela, il convient de développer une technologie utilisant d'une part des matériaux bas coût et d'autre part permettant de réduire la consommation électrique du dispositif. Dans cette optique, ce travail de thèse a porté sur la réalisation et la caractérisation d'un capteur de gaz oxyde semi-conducteur entièrement basé sur le tungstène et le trioxyde de tungstène pour la détection d'hydrogène sulfuré en milieu industriel. Le principal onjectif était de fabriquer un capteur faible coût en utilisant des techniques d'élaboration simples et des matériaux peu onéreux. Pour cela, notre travail a consisté, dans un premier temps, à développer un élément chauffant en tungstène pouvant fonctionner jusqu'à 500°C. Les procédés mis au point pour la conception de l'élément chauffant ont été utilisés dans l'élaboration des électrodes permettant de mesurer la résistance électrique du film de trioxyde de tungstène. Ensuite, nous avons travaillé sur l'optimisation du procédé de pulvérisation cathodique radio fréquence pour l'élaboration de l'élément sensible en trioxyde de tungstène. Des essais sous gaz ont montré des résultats prometteurs pour la détection d'hydrogène, de dioxyde d'azote et d'ammoniac. / Driven by current safety and environmental quality concerns and research efforts in this area, the global market for gas sensors is expanding rapidly. In the context of the marketing of a gas sensor, a phase of improvement in its performance, and in particular its sensitivity and stability, is naturally necessary. However, it is also relevant to consider reducing the cost of manufacturing. To achieve this, it is necessary to develop a technology that uses low-cost materials and reduces the device's power consumption. In this perspective, this thesis work focused on the realization and characterization of a semiconductor oxide gas sensor entirely based on tungsten and tungsten trioxide for the detection of hydrogen sulfide in an industrial environment. The main objective was to manufacturate a low-cost sensor using simple processing techniques and low-cost materials. To achieve this, our work initially consisted in developing a tungsten heating element that can operate up to 500°C. The processes developed for the conception of the heating element were used in the development of the electrodes for measuring the electrical resistance of the tungsten trioxide film. Then, we worked on the optimization of the radio frequency sputtering process for the development of the tungsten trioxide sensing element. Gas measurements have shown promising results for the detection of hydrogen sulfide, nitrogen dioxide and ammonia.

Le but principal de ce travail de thèse est de proposer un matériau précurseur d'oxydes métalliques (ZrO2, TiO2, HfO2) compatible avec la technique de photolithographie interférentielle DUV. Des oxoclusters de métaux (MOC) de transitions obtenus par complexation d’un ligand organique et hydrolysé partiellement ont été proposé comme briques élémentaires pour construire ces nanostructures. Le recours à des longueurs d'onde DUV (193 nm) permet d'exciter directement les MOC, ce qui conduit à une réticulation photoinduite, et confère à la résine un caractère de photoresist négatif. Une étude spectroscopique détaillée a permis de proposer un mécanisme de photoréticulation. Cette étude s'est appuyée essentiellement sur des techniques de suivi in situ de la réaction photochimique, par ellipsométrie spectroscopique et RT-FTIR. La nanostructuration a été effectuée essentiellement par lithographie interférométrique DUV (DUV-IL) à 193 nm et étendue à la stéréolithographie biphotonique. La DUV-IL a été choisie pour son potentiel d'écriture de nanostructures sur des surfaces relativement importantes, dans des conditions standard d'atmosphère et température. De plus, dans le cas des TiOC, les nanostructures peuvent être rendues inorganiques à température ambiante par un traitement photochimique supplémentaire. Dans le cas de ZrOC et HfOC, une étape supplémentaire de recuit thermique permet d'obtenir une structure de type MO2 cristallisée. / The main purpose of this thesis is to provide a material precursor of metal oxides (ZrO2, TiO2, HfO2) compatible with DUV interference photolithography technique. Transition metal oxoclusters (MOC) obtained by complexation of an organic ligand and a partial hydrolysis have been proposed as building blocks. DUV irradiation (193 nm) allows a direct excitation of the MOC, which leads a photo-induced crosslinking and gives to the material a negative photoresist character. A detailed spectroscopic study allowed proposing a mechanism of photocrosslinking. This study relied primarily on in situ techniques to follow the photochemical reaction by spectroscopic ellipsometry and RT-FTIR. The nanostructuring was performed by interferometric DUV lithography at 193 nm and could be extended to 2-photon stereolithography. DUV-IL was chosen for its potential to write nanostructures on relatively large areas, in standard atmosphere and temperature conditions. Furthermore, in the case of TiOC, the nanostructures can be fully mineralised at room temperature by an additionnal photochemical treatment. For ZrOC and HfOC, an additional thermal annealing step allows to obtain a crystalline structure MO2.

Les copolymères à bloc (BCP) ont la propriété particulière de s’auto-assembler en structures périodiques. Ces macromolécules en association avec la photolithographie est un candidat prometteur à utiliser comme technique alternative pour les patterning avancé de très haute résolution. De cette façon, la réduction des circuits intégrés peut être maintenue. Les BCPs avec une forte incompatibilité chimique entre les deux blocs présentent une valeur élevée du paramètre d’interaction de Flory-Huggins χ. La théorie des BCPs prédit des caractéristiques périodiques de seulement quelques nanomètres avec des BCPs à haut valeur d’interaction.Cette thèse présente un dispositif expérimental en vue du développement d’une lithographie à BCPs de deuxième génération en utilisant le polystyrène-bloc polydiméthylsiloxane (PS-b-PDMS), contre le polystyrène-bloc-Polydi(méthyle méthacrylate) (PS-b-PMMA) à faible valeur de χ. Sur ce sujet, la cinétique d’auto-assemblage d’un PS-b-PDMS avec une valeur du paramètre de segregation χN élevée a été amélioré avec le mélange de plastifiants sélectifs au bloc PS. L’auto-assemblage sur des grandes surfaces a été alors prouvé par un recuit thermique rapide (~ 30 s). Comme une preuve de concept de la lithographie, certains masques PS-b-PDMS testés ont été transférés sur Si, où des caractéristiques allant jusqu’à 25 nm ont été atteintes.Le principe de la lithographie par BCP a également été utilisé pour montrer la structuration de matériaux 2D. Par exemple, le graphène présente un besoin réel de structuration en nanostructures très étroites afin d’ouvrir un gap entre la bande de valence et la bande conduction pour modifier ses propriétés électriques par confinement quantique.Un bas Le PS-b-PDMS a été utilisé pour patterner avec de tailles caractéristiques de 10 nm. Le BCP est déposé par centrifugation et recuit directement sur le graphène.L’auto-assemblage sur de grandes surfaces (1 cm²) est réalisé en quelques minutes et le masque est ensuite transféré vers le graphène par gravure plasma à base d’oxygène, où dans une seule étape la matrice PS est éliminé, les cylindres PDMS oxydés et le graphène gravé. De grandes surfaces de nanorubans de 11 nm de largeur (GNR) ont été fabriquées par la lithographie de l’auto-assemblage du PS-b-PDMS. Un nettoyage au plasma H2 a également été effectué afin d’éliminer les contaminants organiques apparaissant lors des étapes de fabrication. Des techniques différentes pour l’analyse du carbone telles que la spectroscopie photoélectronique de rayons X, la spectroscopie Raman et la microscopie à force atomique ont été utilisées pour montrer la haute qualité des GNR.La caractérisation électrique des GNRs tels que la mobilité et l’ouverture du gap dans le graphène ont également été mesurés pour confirmer le comportement électronique des nanorubans de graphène. Des valeurs de l’ordre de 150 cm²/V s et 30 meV ont été mesurées. L’ensemble de la procédure expérimentale a été réalisé dans le cadre des réglèmentations de salles blanches pour la microélectronique, puis les processus d’auto-assemblage des BCPs proposés sont évolutifs et peu coûteux et sont bien adaptés pour être intégrés aux techniques existantes de fabrication de semi-conducteurs. / The Block copolymers (BCPs) have the particular property of self-assemble into ordered periodical structures. These macromolecules in association with the classic photolithography, is a promising candidate to be used as an alternative technique for the advanced patterning. This way, the downsizing of the integrated circuits can be kept up. BCPs with high chemical incompatibility between their blocks exhibit a high value of the Flory-Huggins interaction parameter χ. The BCP theory predicts periodical features sizes with high-χ; BCPs of only few nanometers.The BCP lithography principe was also used to show the patterning of 2D materials. For exemple, graphene present a real needs of patterning into very narrow nanostructures to open up a bandgap to switch its electrical properties by quantum confinement. A low χN PS-b-PDMS was used to pattern ~ 10 nm features. BCP is spin-coated and annealed directly on graphene. Self-assembly on large surfaces (1 cm²) is achieved in few minutes and the mask is then transferred on graphene by oxygen-based plasma etching, where in a single step will eliminate the PS matrix, oxidized the PDMS cylinders and etch the graphene. Large surfaces of 11nm-width Graphen nanoribbons (GNRs) were fabricated by the self-assembly of PS-b-PDMS. Dry H2 plasma cleaning was also performed to remove organic contaminants appearing during the fabrication steps. Different analysis techniques of carbon such as Raman and X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy were used to show the high chemical quality of the GNRs.Electrical characterization of the GNRs such as mobility and the bandgap openingin graphene were measured also to confirm the electronic behavior of the graphene nanoribbons. Values of the order of 150 cm²/V s and 30 meV were measured. The entire procedure was realized under microelectronics clean room requirement, then, the BCP self-assembly processes proposed are scalable and low cost, and is well-suited for integration with existing semiconductor fabrication techniques.The lithographical procedure developed in this investigation could also be generalized to fabricate different graphene nanostructures such as graphene nanomeshes or quantum dots that could be envisaged for other applications in functional devices. GNRs on large surfaces are expect to find a broad ranges of applications, in the fields of electrochemical and bioanalysis.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.