Universiẗat, Diss., 2003--Heidelberg. / Enth.: 3 Sonderabdr. aus verschiedenen Publikationen. Beitr. teilw. dt., teilw. engl.

En microélectronique, l'augmentation de la densité des composants est la solution principale pour améliorer la performance des circuits. Ainsi, la taille des structures définies par la lithographie diminue à chaque changement de nœud technologique. A partir du nœud 14 nm, la lithographie optique est confrontée à la limite de résolution pour les niveaux métalliques. Pour surmonter cet obstacle, les niveaux métalliques sont conçus en deux étapes successives de patterning regroupant chacune une étape de lithographie et une étape de gravure. Cette technique, nommée double patterning, requiert une métrologie adaptée car l'alignement entre les deux étapes et les dimensions critiques sont alors directement liées. La méthode de mesure développée dans cette thèse repose sur la scattérométrie et la mesure de l'alignement par diffraction. Un code de simulation a permis d'optimiser la conception des mires de mesure. De plus, la méthode de mesure adoptée a pu être validée expérimentalement. / In microelectronics, the increase of component density is the main solution to improve circuit performance. The size of the patterns defined by lithography is reduced at each change of technology node. From the 14 nm node, optical lithography is facing the resolution limit for metal levels. In order to overcome this hurdle, metal levels are designed in two successive steps of patterning, which is composed of lithography followed by etching. This double patterning technique requires an appropriate metrology since overlay between the two steps and critical dimensions are directly linked. The developed method is based on scatterometry and overlay measurement by diffraction. Using a simulation code, the measurement targets have been designed optimally. Then the adopted method has been validated experimentally.

Ce travail présente l’étude d'une méthode de recherche utilisable en milieu industriel dessources de contamination chimique des pompes à vide équipant les lithographes EUV. Cetravail porte sur la problématique d’une éventuelle contamination carbonée introduite par lesystème de pompage et, notamment, par la turbine et le stator.A partir d’une caractérisation détaillée par chromatographie et spectroscopie dephotoémission de la contamination résiduelle issue du procédé de production, une procédured’analyse par spectrométrie de masse en phase gazeuse (RGA) utilisable en milieu industriel aété mise en oeuvre. En particulier, la possibilité de varier la température de l’échantillonpendant la mesure permet de caractériser la contamination carbonée résiduelle en étudiant lesprocédés physico-chimiques qui en sont à l’origine.Après avoir démontré l’efficacité du nettoyage final à éliminer les résidus des huiles de coupet avoir identifié la contamination organique résiduelle comme résidu du seul procédé denettoyage industriel, une copie « in vitro » de ce nettoyage a été développée : cela a permis demieux le caractériser en étudiant l’impact de plusieurs paramètres.L’influence de la concentration de lessive et de la procédure de séchage sur la contaminationcarbonée résiduelle a ainsi été étudiée. Une analyse de la contamination en phase gazeuse(RGA et TD-GCMS) ainsi qu’une caractérisation XPS de la surface des échantillons ont étéfaites. L’analyse de l’ensemble de ces résultats a permis d’établir un lien direct entre laconcentration de lessive utilisée et la contamination organique résiduelle. De plus,l’importance d’un séchage à haute température a été démontrée en mettant en évidence laprésence de plusieurs facteurs qui contribuent à la contamination résiduelle. / This work presents the study of a research method of the contamination sources of EUVLturbo molecular pumps, suitable for the industrial environment. This study deals with theproblem of a possible carbon contamination due to the pumping system and in particular tothe rotor and the stator.After a detailed characterisation of the production process residual contamination by TDGCMS/FID and XPS, a RGA procedure suitable for industrial environment has beendeveloped. The possibility to change the sample temperature during the measure lets tocharacterise the residual carbon contamination by investigating its primal physic-chemicalphenomena.The identification of the whole production process residual contamination demonstrates theefficacy of the industrial cleaning step to clean lubricants residuals. In order to bettercharacterise the cleaning step residual contamination, we developed an “in vitro” copy of theindustrial cleaning step.Thanks to the temperature variable RGA analysis of the residual contamination, we couldpoint out several contributions to carbon contamination and we could connect thesecontributions to different cleaning parameters.Detergent concentration as well as different drying procedure impact on residual carboncontamination has been studied. RGA and TD-GCMS/FID analysis as well as XPS surfacecharacterization have been performed. These analyses show a direct connection between thedetergent concentration used in the cleaning step and the residual carbon contamination.Furthermore, the importance of a high temperature drying step has been demonstrated.

Depuis la première observation du phénomène de Diffusion Raman Exaltée de Surface (DRES) en 1974 de nombreuses méthodes ont été développées pour contrôler l'arrangement de nanostructures métalliques sur une surface dans le but d'augmenter le signal de diffusion Raman. La valeur du facteur d'amplification de la DRES résulte principalement de l’accroissement localisé du champ électromagnétique pour des surfaces métalliques nanostructurées. Des études antérieures ont révélé que l'espacement nanométrique entre les nanoparticules constituait des zones de forte exaltation appelées «points chauds». Nous avons développé et breveté une méthode de lithographique assistée par AFM permettant la fabrication de surfaces métalliques. Il a été démontré que cette méthode fournissait une approche relativement simple pour réaliser d’une part des surfaces reproductibles à géométrie contrôlée à l’échelle nanométrique, et d’autre part des surfaces modèles pour étudier l'influence de la géométrie des motifs sur l'effet DRES. Afin d'étudier la relation entre les propriétés optiques et la géométrie de nos systèmes la résonance plasmon localisée de surface (LSPR) et le facteur d'exaltation du champ électrique local ont été simulés par éléments finis. Les zones de forte exaltations ont été localisées sur les nanostructures par microscopie par photoémission d'électrons (PEEM) et l'effet DRES a été démontré en effectuant des mesures Raman avec plusieurs molécules cibles. Les corrélations effectuées entre les résultats de PEEM, les calculs du champ local et les facteurs d’exaltation Raman seront présentées en lien avec les paramètres géométriques des motifs de nanostructures. / Since the first observation of Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) in 1974 a variety of methods have been developed to physically control the arrangement of metallic nanostructures onto a surface in order to enhance Raman signals. The magnitude of the SERS enhancement factor is mainly driven by the enhanced local electromagnetic field in nanostructured metal surfaces. Gaps between adjacent nanoparticles give rise to strong enhancement effects, often referred as ‘hot spots’. One way to produce highly efficient SERS substrates is to develop a reproducible system of interacting metal nanostructures capable of high field enhancement.We patented a force-assisted Atomic Force Microscopy lithographic method allowing the fabrication of a metallic substrate. It will be shown that this method also provides a relatively simple approach to realize reproducible patterns with controlled geometry that can be used to study the influence of specific pattern geometry on SERS phenomenon.In order to investigate the relationship between optical properties and pattern geometries, localized surface plasmon resonance (LSPR) and local electric field enhancement are simulated.Whereas electric field enhancement regions (hot spot) have been observed on the top of the nanostructures with PhotoEmission Electron Microscopy (PEEM), SERS effect has been demonstrated by performing Raman measurements using several probe molecules. Correlations between PEEM measurements, Raman exaltation and local field calculations are presented in relation with the geometrical parameters of the nanostructured patterns.

L'objectif de ce travail est de développer et d'évaluer de nouvelles résines originales biosourcées pour l'application lithographique. Pour atteindre cet objectif, nous avons sélectionné différents types de lignine et étudié l'influence du fractionnement de la lignine sur les propriétés finales de la résine obtenue. Le fractionnement de la lignine est réalisé à l’aide de solvants organiques sélectionnés pour leur polarité. Nous avons choisi ce polymère naturel en raison de la présence de nombreux groupes fonctionnels directement responsables de sa réactivité : molécules photosensibles et potentiellement réticulables. La lignine est également une bonne candidate car abondante sur Terre et sa valorisation actuelle en tant que matière première chimique est négligeable. Nous avons étudié la photoréactivité de la résine à base de lignine à 395 nm en utilisant des sources de lumière LED. Sur la base des observations FTIR et UV-VIS, nous avons étudié et quantifié les changements structurels survenus lors de l'exposition de la photorésine à la lumière. Cependant, ces changements étaient plus intenses au cours de l'irradiation conduite dans l'air par rapport à une atmosphère inerte. De plus, nous avons établi le lien entre la structure chimique de la lignine et sa réactivité décrite par les tests de sensibilité, de contraste et de résolution. Nous avons proposé des mécanismes cohérents basés sur des données de la littérature. Ainsi, la réticulation de la lignine se produit sous les photons des rayonnements UV-VIS entraînant la formation de structures intermédiaires, de chromophores ou de composés volatils de bas poids moléculaire. Enfin, nous avons démontré qu'il était possible de fabriquer par écriture laser directe des nanostructures mono-, bi- et tridimensionnelles dans la photorésine à base de lignine "juste fractionnée" par polymérisation à deux photons. / The goal of this work was to develop and to evaluate new, original and bio-based resist for lithographic application. To reach this purpose, we have selected various types of lignin and study the influence of lignin fractionation in different organic solvents on the final resist properties. We have chosen this photosensitive and crosslinkable polymer due to its great abundance and to its currently poor valorisation as a chemical feedstock, as well as the versatility of the functional groups that were directly responsible for its reactivity. We have investigated the photoreactivity of lignin-based resist at 395 nm, using LED light sources. Based on the FTIR and UV-vis monitoring, we have investigated and quantified the structural changes occurred during photoresist exposure to the light. However, they were more visible during the irradiation conducted in the air than in the inert atmosphere. Moreover, we have established the link between chemical structure of lignin and its reactivity observed by sensitivity, contrast and resolution tests. Additionally, we have proposed reasonable mechanisms based on literature data according to which lignin crosslinking occur under UV-visible photons. They comprised the formation of intermediates structures, chromophores, or low molecular weight volatile compounds, as well and crosslinking reactions. Finally, we have demonstrated that it was possible to fabricate one-, two- and three-dimensional structures from "just-fractionated" lignin photoresist by two-photon polymerisation achieved by direct laser writing.

Diese Arbeit befasst sich mit den Untersuchungen an Defekten in optischen Materialien die in der Lithographie verwendet werden, speziell mit der Spektroskopie der Verunreinigungen im Kalziumfluorid. Zum einen werden die Eigenschaften der Sauerstoffdefekte in dotierten Proben untersucht, zum anderen werden die Ionen der seltenen Erden in nominal reinen Proben unterschiedlicher Herkunft identifiziert. Die Mechanismen der Aggregatbildung, Dissoziation und der Rekombination so wie die Reaktionsprodukte des Sauerstoffs wurden experimentell belegt und mit Ergebnissen der anderen Autoren verglichen. Bei den nominal reinen Proben konnte anhand der Zusammensetzung des Defektenhaushaltes der seltenen Erden Rückschlüsse auf Herkunft des Materials und Herstellungsbesonderheiten gemacht werden. Es konnte gezeigt werden, dass auch nominal reines Kalziumfluorid den Sauerstoff in Form von Aggregaten enthält.

L'objectif de la thèse est la fabrication et caractérisation de microlasers 3D à base de polymères dopés par des colorants organiques et des nanoparticules d'erbium et Ytterbium. Au début, nous avons étudié des structures polymères avec de très bons facteurs d'aspect, ainsi que le déplacement de nanoparticules lors de l'exposition à un éclairement périodique. La réalisation majeure de cette thèse est l'obtention de microlasers 3D par lithographie UV. Ensuite nous avons comparé les seuils lasers de ces structures pour différentes méthodes de fabrication. Dans des micro-cubes, nous avons identifié des orbites périodiques planes en forme de carré. L'analyse des orbites périodiques dans des microlasers Fabry-Perot 3D a montré que leur forme dépend du colorant, de la nature du substrat et de la taille de la structure (largeur et épaisseur).La dernière partie de ce travail consiste en la synthèse de nanoparticules d'oxyde d'erbium et ytterbium à basse température et en milieu anhydre. Ces nano-particules ont ensuite été introduites dans des composites à base de polymères qui ont donné lieu à la fabrication de micro-lasers 3D et à leur caractérisation. / The aim of the thesis is the fabrication and optical characterization of three-dimensional organic microlasers based on organic dyes and luminescent erbium/ytterbium nanoparticles.At the beginning, we considered submicron polymer structures with high aspect ratio, as well as the phenomenon of redistribution of nanoparticles in the volume of the composite during the exposure by a periodic light field pattern.The main part of the work is devoted to obtaining three-dimensional polymer microlasers by UV-lithography. Comparison of the lasing threshold for microcavities obtained by different methods was performed. Periodic orbits in cuboid microlasers with square cross-section were identified. Analysis of possible periodic orbits in microlasers Fabry-Perot showed that the shape of the orbit depends on the dye, the type of substrate and the size of the microlaser (width, height).The last part of the work contains a study of low-temperature synthesis of luminescent nanoparticles of erbium and ytterbium oxides in a anhydrous medium, and polymer composites based on them. Three dimensional organic microlasers doped by these luminescent nanoparticles were obtained and investigated.

"Thèse en cotutelle, Doctorat en physique; Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux, Talence, France" / L'inscription laser directe est un domaine de recherche en croissance depuis ces deux dernières décennies, fournissant un moyen efficace et robuste pour inscrire directement des structures en trois dimensions (3D) dans des matériaux transparents tels que des verres en utilisant des impulsions laser femtosecondes. Cette technique présente de nombreux avantages par rapport à la technique de lithographie, qui se limite à la structuration en deux dimensions (2D) et implique de nombreuses étapes de fabrication. Cela rend la technique d’inscription laser directe bien adaptée aux nouveaux procédés de fabrication. Généralement, l’inscription laser dans les verres induit des changements physiques tels qu'un changement permanent de l'indice de réfraction localisé. Ces modifications ont été classées en trois types distincts:(type I, type II et type III). Dans ce travail, nous présentons un nouveau type de changement d'indice de réfraction, appelé type A qui est basé sur la création d’agrégats d'argent photo-induits. En effet, dans des verres dans lesquels sont incorporés des ions argent Ag+, lors de leur synthèse, l’inscription laser directe induit la création d’agrégats d’argent fluorescents Agmx+ au voisinage du voxel d’interaction. Ces agrégats modifient localement les propriétés optiques comme la fluorescence, la non-linéarité et la réponse plasmonique du verre. Ainsi, différents guides d'ondes, un séparateur de faisceau 50-50, ainsi que des coupleurs optiques ont été inscrits en se basant sur ce nouveau type A et complétement caractérisés. D'autre part, une étude comparative entre les deux types de guides d'ondes (type A et type I) est présentée, tout en montrant qu’en ajustant les paramètres laser, il est possible de déclencher soit le type I soit le type A. Enfin, en se basant sur des guides d’ondes de type A inscrits proche de la surface du verre, un capteur d'indice de réfraction hautement sensible a été inscrit dans une lame de verre de 1 cm de long. Ce capteur miniaturisé peut présenter deux fenêtres de détection d’indice, ce qui constitue une première mondiale. Les propriétés des guides d'ondes inscrits dans ces verres massifs ont été transposées à des fibres en forme de ruban, du même matériau contenant de l'argent. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse ouvrent la voie à la fabrication de circuits intégrés en 3D et de capteurs à fibre basés sur des propriétés optiques originales inaccessibles avec des guides d’onde de type I standard. / Direct Laser Writing (DLW) has been an exponentially growing research field during the last two decades, by providing an efficient and robust way to directly fabricate three dimensional (3D) structures in transparent materials such as glasses using femtosecond laser pulses. It exhibits many advantages over the lithography technique, which is mostly limited to two dimensional (2D) structuring and involves many fabrication steps. This competitive aspect makes the DLW technique suitable for future technological transfer to advanced industrial manufacturing. Generally, DLW in glasses induces physical changes such as permanent local refractive index modifications that have been classified under three distinct types: (Type I, Type II & Type III). In silver containing glasses with embedded silver ions Ag+, DLW induces the creation of fluorescent silver clusters Agmx+ at the vicinity of the interaction voxel. In this work, we present a new type of refractive index change, called type A occurring in the low pulse energy regime that is based on the creation of the photo-induced silver clusters allowing the creation of new linear and nonlinear optical waveguides in silver containing glasses. Various waveguides, a 50- 50 Y beam splitter, as well as optical couplers, were written based on type A modification inside bulk glasses and further characterized. In addition, a comparitive study between type A and type I waveguides is presented, showing that finely tuning the laser parameters allows the creation of either type A or type I modifications inside silver containing glasses. Finally, based on type A near-surface waveguides, a highly sensitive refractive index sensor is created in a 1 cm glass chip, which could exhibit a pioneer demonstration of double sensing refractive ranges. The waveguiding properties observed and reported in the bulk of such silver containing glasses were transposed to ribbon shaped fibers of the same material. Those results pave the way towards the fabrication of 3D integrated circuits and fiber sensors with original fluorescent, nonlinear and plasmonic properties that are not accessible using the standard type I modification.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Cette thèse constitue le fruit de plusieurs années de travaux principalement expérimentaux dans les domaines de la physique atomique et des champs laser intenses. Les premiers chapitres présentent les principes physiques pertinents à ce travail, les systèmes laser et les techniques de spectroscopie employées dans les expériences. Le travail comporte ensuite deux principaux volets. Le premier volet du travail scientifique original traite d'abord de l'étude des processus d'ionisation de l'atome de xénon par des impulsions laser ultra-brèves (7 fs) (chapitre 4) et dont la polarisation est modulée temporellement (chapitre 5). Au chapitre 2 est expliquée la technique de porte temporelle de polarisation ajustable permettant de raccourcir graduellement la durée effective d'une interaction lumière-matière. La spectroscopie ionique à temps de vol et la spectroscopie à imagerie photoélectronique sont employées respectivement pour étudier l'ionisation non séquentielle et les interactions multiphotoniques. Le chapitre 4 met d'abord en évidence la superposition de processus résonants et non résonants lors de l'ionisation multiphotonique du xénon par des impulsions ultra-brèves. Les probabilités pour l'ionisation multiple sont également obtenues et permettent de faire la distinction entre les domaines d'ionisation séquentielle et non séquentielle. Les résultats sont comparés avec un modèle d'ionisation non séquentielle développé au chapitre 3. Le chapitre 5 présente deux expériences dans lesquelles la durée d'interaction est réduite de façon continue jusqu'à l'ordre d'un cycle optique. D'abord, nous montrons la contribution d'un cycle optique du laser sur le processus de redifusion électronique vers son ion parent. Ensuite, en tirant avantage des règles de sélection, nous montrons la possibilité de confiner temporellement une transition multiphotonique résonante. Le deuxième volet du travail (chapitre 6) s'articule autour de la création et la caractérisation d'un système expérimental pour la production d'impulsions laser EUV ("Extreme UltraViolet") de durées attosecondes ([symbol]) selon le processus de génération d'harmoniques d'ordre élevé dans un milieu gazeux. Nous expliquons la démarche scientifique employée dans l'élaboration du projet et présentons un nouveau type de cellule gazeuse pour la production du rayonnement EUV. Nous abordons la caractérisation spectrale et présentons les procédures d'optimisation de l'émission EUV. Finalement, nous effectuons un bilan récapitulatif du dispositif en indiquant les améliorations et les cheminements possibles pour le travail futur. / This thesis is the result of several years of experimental work mainly in the fields of atomic physics and intense laser fields. The first chapters present the relevant physical principles for this work, the laser systems and the spectroscopic techniques used in our experiments. The work has then two main parts. The first part of the original scientific work, deals with the study of ionization processes of the xenon atom with few-cycle laser pulses (7 fs) (chapter 4) as well as with polarizationgated pulses (chapter 5). We begin in chapter 2, where we explain an experimental technique called continuously adjustable polarization gating technique developed to shorten the effective duration of an interaction. The time-of-flight mass spectroscopy and the photoelectron imaging spectroscopy are used to study the non sequential ionization processes and the multiphoton interactions respectively. The chapter 4 first highlights the superposition of resonant and non resonant ionization processes obtained with a few-cycle laser pulse. The probabilities for multiple ionization are experimentally obtained and allow the distinction between sequential and non sequential ionization processes. The results are compared with a model developed in chapter 3. The chapter 5 presents two experiments where the duration of interaction is reduced continuously up to the order of an optical cycle. First, we show the contribution to non sequential double ionization of an optical cycle by the rescattering process of an electron toward its parent ion. Then, taking advantage of the selection rules we show the possibility of confining a multiphoton resonant transition in the time domain. The second part of the work is presented in chapter 6 and revolves around the creation and characterization of a device for the production of extreme-ultraviolet (EUV) attosecond ([symbol]) pulses by using the high-order harmonic generation process in a gaseous medium. We explain the scientific approach used in developing the project and we present a new type of gas cell for the production of EUV radiation. We discuss the spectral characterization and we present procedures for optimizing the EUV emission. Finally, we conduct a summary assessment of the device by showing the improvements and possible paths for future work.

Self-assembled microsphere monolayers (SMMs) hold significant promise for micro- and nanopatterning. Here we exploit, for the first time, SMMs as stamps for microcontact printing (μCP) and demonstrate this to fabricate patterned initiator templates that can subsequently be amplified into polymer brushes by surface initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP). SMM stamps avoid the need for expensive and sophisticated instrumentation in pattern generation, and provide a broad range of accessible surface chemistries and pitch size control.