This thesis treats the development of packaging and integration methods for the cost-efficient encapsulation and packaging of microelectromechanical (MEMS) devices. The packaging of MEMS devices is often more costly than the device itself, partly because the packaging can be crucial for the performance of the device. For devices which contain liquids or needs to be enclosed in a vacuum, the packaging can account for up to 80% of the total cost of the device. The first part of this thesis presents the integration scheme for an optical dye thin film NO2-gas sensor, designed using cost-efficient implementations of wafer-scale methods. This work includes design and fabrication of photonic subcomponents in addition to the main effort of integration and packaging of the dye-film. A specific proof of concept target was for NO2 monitoring in a car tunnel. The second part of this thesis deals with the wafer-scale packaging methods developed for the sensing device. The developed packaging method, based on low-temperature plastic deformation of gold sealing structures, is further demonstrated as a generic method for other hermetic liquid and vacuum packaging applications. In the developed packaging methods, the mechanically squeezed gold sealing material is both electroplated microstruc- tures and wire bonded stud bumps. The electroplated rings act like a more hermetic version of rubber sealing rings while compressed in conjunction with a cavity forming wafer bonding process. The stud bump sealing processes is on the other hand applied on completed cavities with narrow access ports, to seal either a vacuum or liquid inside the cavities at room temperature. Additionally, the resulting hermeticity of primarily the vacuum sealing methods is thoroughly investigated. Two of the sealing methods presented require permanent mechanical fixation in order to complete the packaging process. Two solutions to this problem are presented in this thesis. First, a more traditional wafer bonding method using tin-soldering is demonstrated. Second, a novel full-wafer epoxy underfill-process using a microfluidic distribution network is demonstrated using a room temperature process. / <p>QC 20130325</p>

Because of their outstanding characteristics, micro/nano-mechanical (MM) structures have found a plethora of applications in wireless communications and sensing. Many of these MM structures utilize mechanical vibrations (or phonons) at megahertz or gigahertz frequencies for their operation. On the other hand, the periodic atomic structure of crystals is the fundamental phenomenon behind the new era of electronics technology. Such atomic arrangements lead to a periodic electric potential that modifies the propagation of electrons in the crystals. In some crystals, e.g. silicon (Si), this modification leads to an electronic band gap (EBG), which is a range of energies electrons can not propagate with. Discovering EBGs has made a revolution in the electronics and through that, other fields of technology and the society. Inspired by these trends of science and technology, I have designed and developed integrated MM periodic structures that support large phononic band gaps (PnBGs), which are ranges of frequencies that phonons (and elastic waves) are not allowed to propagate. Although PnBGs may be found in natural crystals due to their periodic atomic structures, such PnBGs occur at extra high frequencies (i.e., terahertz range) and cannot be easily engineered with the current state of technology. Contrarily, the structures I have developed in this research are made on planar substrates using lithography and plasma etching, and can be deliberately engineered for the required applications. Although the results and concepts developed in this research can be applied to other substrates, I have chosen silicon (Si) as the substrate of choice for implementing the PnBG structure due to its unique properties. I have also designed and implemented the fundamental building blocks of MM systems (e.g., resonators and waveguides) based on the developed PnBG structures and have shown that low loss and efficient MM devices can be made using the PnBG structures. As an example of the possible applications of these PnBG structures, I have shown that an important source of loss, the support loss, can be suppressed in MM resonators using PnBG structures. I have also made improvements in the characteristics of the developed MM PnBG resonators by developing and employing PnBG waveguides. I have further shown theoretically, that photonic band gaps (PtBGs) can also be simultaneously obtained in the developed PnBGs structures. This can lead to improved photon-phonon interactions due to the effective confinement of optical and mechanical vibrations in such structures. For the design, fabrication, and characterization of the structures, I have developed and utilized complex and efficient simulation tools, including a finite difference time domain (FDTD), a plane wave expansion (PWE), and a finite elements (FE) tool, each of which I have developed either completely from scratch, or by modification of an existing tool to suit my applications. I have also developed and used advanced micro-fabrication recipes, and characterization methods for realizing and characterizing these PnBG structures and devices. It is agued that by using the same ideas these structures can be fabricated at nanometer scales to operate at ultra high frequency ranges. I believe my contributions has opened a broad venue for new MM structures based on PnBG structures with superior characteristics compared to the conventional devices.

Depuis 1996, mes activités de recherche se sont inscrites dans les champs des nanosciences, de la physique des semi-conducteurs, des micro/nanotechnologies, et des MEMS/NEMS (Micro/Nanosystèmes électromécaniques). En particulier, j'ai rejoint en octobre 2000 le groupe Microsystèmes Silicium de l'IEMN sur le sujet des résonateurs micro-électromécaniques et de leurs applications pour le traitement du signal en gamme RF et IF. Cette activité a permis de développer les techniques de caractérisation électrique des dispositifs ainsi que leur modélisation électromécanique. A partir de 2002, j'ai étendu mes activités dans le domaine des MEMS vers les micro-actionneurs et les micro-capteurs, dont les applications concernent les nanotechnologies et la biologie. Je me suis appliqué au développement d'actionneurs électrostatiques pour un fonctionnement en milieu liquide, et au développement de capteurs capacitifs et piézorésistifs aux performances ultimes pour des applications nanométriques. Depuis 2007, l'activité de recherche se concentre sur l'utilisation des résonateurs MEMS en tant que nouvelle génération de sondes de microscopie à force atomique (AFM) à hautes performances. Cette activité est actuellement soutenue par le Conseil Européen de la Recherche (ERC) dans le cadre d'un financement Starting Grant dont je suis le bénéficiaire. En 2009, nous avons démontré le concept des sondes MEMS AFM en obtenant les premières images de microscopie, et en 2010 nous avons obtenu des images d'origamis d'ADN à la cadence rapide d'une image par seconde. Le travail de recherche se focalise maintenant sur le développement des sondes afin d'en améliorer les performances en termes de fréquence de vibration, de résolution en force et de vitesse d'acquisition. Un autre aspect concerne l'utilisation de ces sondes pour l'analyse rapide du comportement dynamique de nanobiosystèmes en milieu liquide. Ces travaux s'inscrivent dans une vision à plus long terme visant à développer des solutions à base de MEMS et de NEMS pour l'instrumentation scientifique et la nanocaractérisation multimodale.

Dans ce manuscrit, nous présentons d'abord le bloc de construction moléculaire ultime pour les dispositifs de spintronique, les aimants à molécule unique (Chapitre 2). En particulier, nous nous concentrerons sur une molecule de TbPc2 et différentes approches pour sonder son aimantation à l'aide de détecteurs a base de nanotubes de carbone et de mécanismes de couplage différents (flux magnétique, couplage électronique et mécanique). Dans le but de construire un detecteur de torque supramoléculaire capable de sonder le moment magnétique d'un aimant moléculaire, nous allons décrire dans le chapitre 3 un candidat très prometteur, un système nanoélectromécanique (NEMS) à base d'un nanotube de carbone. Nous décrirons d'abord les avantages de NEMS à base de carbone par rapport aux résonateurs classiques à base de silicium. Par la suite, nous présenterons l'état de l'art des NEMS à base de nanotubes de carbone, en nous focalisant en particulier sur deux différents mouvements nanomécaniques, un mode de flexion transverse et un mode de compression longitudinal. Dans le chapitre 4, nous présenterons la mise en oeuvre expérimentale d'un detecteur de torque supramoléculaire basé sur NEMS à nanotubes de carbone et des aimants à molécule unique. Nous décrirons d'abord le processus de fabrication ultra propre et les étapes de la caractérisation d'un NEMS à nanotubes de carbone à températures ambiante et cryogénique. Nous allons ensuite démontrer un procédé de greffage d'une molécule aimants de TbPc2 sur un tel NEMS à nanotube de carbone, qui conserve à la fois les propriétés magnétiques de la molécule et les propriétés mécaniques du résonateur. Dans le chapitre 5, nous allons ensuite procéder à une étude systématique du mode de flexion transverse dans un NEMS à nanotube de carbone. Nous montrerons, que la dissipation de ce mode de vibration induit par l'effet tunnel d'électron unique à travers le nanotube de carbone (considére comme point quantique) dépend essentiellement de l'environnement électronique du nanotube, c'est à dire de la capacité, du couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes métalliqes, du courant et de la température. Les résultats indiquent que l'on pourrait atteindre des facteurs de qualité de 10^6 ou plus en choisissant un diélectrique de grille appropriées et/ou en améliorant le couplage entre le nanotube de carbone et les electrodes, ce qui permettrait notamment d'augmenter la sensibilité du NEMS nanotubes de carbone par rapport à un torque magnétique générer par le retournement d'un aimant moléculaire. Dans le chapitre 6, nous démontrons la présence d'un mode de vibration longitudinal quantique dans un NEMS à base de nanotube de carbon fonctionnalisé avec des aimants moléculaires de TbPc2. Nous allons en particulier montrer que la nature quantique des deux systèmes, se traduit par un fort couplage entre le mode de compression longitudinal et l'aimantation d'un aimant moléculaire TbPc2 unique greffé sur la parois du nanotube de carbone. Ce fort couplage permet par la suite de détecter les états de spin nucléaire dans la molécule de TbPc2. Enfin, nous présenterons dans la conclusion de ce manuscrit quelques perspectives pour la détection et la manipulation (coherente) d'un seul spin (nucléaire) à l'aide d'un système mécanique quantique.

Le fil rouge guidant nos travaux de recherche correspond à la convergence des techniques hyperfréquences, des micro- et nano-technologies et plus récemment de la fluidique, amenant le développement de microsystèmes hyperfréquences innovants pour des applications en télécommunication et en biologie. Nous retraçons, au travers de notre habilitation à diriger des recherches, nos travaux sur les approches multidisciplinaires permettant le développement de microsystèmes hyperfréquences communicants pour lesquels notre leitmotiv fut de tirer au mieux partie des potentialités des micro et nano-technologies. Des composants et circuits RF-MEMS (RadioFrequency MicroElectroMechanical Systems), à l'intégration des nanotechnologies au sein de microsystèmes hyperfréquences, à la miniaturisation de fonctions passives ainsi qu'à leur co-intégration avec des circuits actifs au sein de microsystèmes. Nous présentons de plus notre projet de recherche visant à explorer l'alliance des microsystèmes hyperfréquences avec d'autres disciplines telles que la fluidique et la biologie pour de nouvelles fonctionnalités et applications. Nous tenterons de répondre aux questions scientifiques : "comment les microsystèmes hyperfréquences peuvent aller au delà des fonctionnalités et applications traditionnelles, quelles sont les opportunités ainsi ouvertes ?"

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En raison de leurs propriétés physiques uniques, les matériaux chiraux trouvent des applications aussi bien en physique, qu’en chimie ou biologie. Ici, nous nous intéressons à la synthèse de nanoobjets inorganiques chiraux et à leur utilisation en tant que systèmes nano-électromécaniques.Différents auto-assemblages à base de surfactants Gemini et de contre-ions chiraux (nucleotide ou tartrate) formant dans l’eau des hélices micrométriques et nanométriques sont étudiés. Ces auto-assemblages sont ensuite utilisés comme structures directrices pour la formation d’hélices de silice par transcription inorganique. Le contrôle de la réactivité du précurseur inorganique est crucial pour parvenir aux caractéristiques mécaniques souhaitées.Enfin, une minéralisation secondaire des nano-hélices avec du TiO2 et du ZnO a lieu afin de créer des matériaux fonctionnels aux propriétés électroniques ou piézoélectriques. Différentes approches de synthèse et l’optimisation des procédés sont présentées. / Due to their unique physical properties chiral materials are used in a wide range of applications in chemistry, physics and biology. In this work we focus on the fabrication of chiral functional materials for NanoElectroMechanical systems based on the inorganic transcription of self-assembled surfactants.At first we introduce a new Nucleoamphiphile based system that self-assembles into micrometer sized helical fibers in aqueous medium. The effect of a wide range of chemical and physical parameters on the morphology of the aggregates was investigated. Then the synthesis of chiral silica structures based on the organic micro- and nanohelices as templates was studied to achieve the required mechanical properties of the material. Control over the precursor reactivity is crucial for the transcription of the morphology of the template into the silica replica. Secondary mineralization with TiO2 or ZnO was performed to provide the necessary electrical properties and functionality to the chiral material. Different approaches and the optimization parameters are described in detail. Finally the measurement of the mechanical properties of the silica nanotubes and nanohelices by AFM as the first step of the NEMS development will be described.

Les résonateurs électromécaniques (MEMS), de part leurs bonnes performances, leur petite taille, ou encore leurs possibilités d'intégration au plus proche des transistors, présentent un fort potentiel pour le remplacement des quartz dans les applications de référence de temps.<br />Dans ce contexte, nous proposons de développer des résonateurs électromécaniques en vue d'une intégration « front-end », pour la réalisation d'oscillateurs intégrés. Ainsi, nous avons fabriqué des démonstrateurs à partir des briques de base de la technologie CMOS Silicon On Nothing, en phase de R&D à STMicroelectronics. Du fait de la petite taille des composants, nous avons utilisé un transistor à grille résonante pour amplifier la détection de la résonance. Ainsi, des développements technologiques spécifiques ont permis de fabriquer les résonateurs et leur transistor de détection. La conception des dispositifs a été réalisée à partir du développement d'un modèle électromécanique des résonateurs. Ce modèle est compatible avec les outils de design et peut alors aider à la conception de l'oscillateur MEMS. Nous avons ensuite montré le bon fonctionnement des résonateurs fabriqués, ainsi que celui de l'amplification induite par la<br />détection MOS. Cette démonstration constitue une première, prouvant la fonctionnalité de la détection MOS pour un composant de petite taille, vibrant dans le plan du substrat. Enfin, nous avons validé le modèle électromécanique à partir d'autres modèles ainsi qu'avec les mesures des composants fabriqués.<br />En termes de perspectives, le recours à diverses améliorations permettrait d'obtenir des dispositifs<br />compatibles avec la réalisation d'un oscillateur performant et co-intégré.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement de sondes actives destinées à améliorer les performances des microscopes à force atomique (AFM) en vue de caractériser des objets nanométriques en milieu liquide avec une grande résolution spatiale et temporelle. Il s'agit d'un enjeu d'actualité qui mobilise la communauté scientifique tant au niveau de la physique encore souvent mal comprise que de l'instrument lui-même dont la sonde microsystème va fournir des performances accrues. L'architecture de ce nouveau capteur AFM va être identique aux sondes de type poutre encastrée-libre classiquement utilisées en AFM sous vide ou dans l'air.<br /><br />L'innovation réside dans l'intégration d'un actionnement propre directement sur le capteur, pour diminuer la quantité de fluide déplacé par rapport à un actionnement déporté d'une sonde classique, et d'une pointe effilée par un nanotube de carbone, pour atteindre une résolution latérale inférieure au nm. <br /><br />La recherche de la compréhension des phénomènes physiques entrant en jeu a conduit à une modélisation analytique complète du comportement dynamique du levier en milieu liquide. Cette modélisation, intégrant les phénomènes de dissipation intrinsèque à la structure et ceux dus au milieu liquide, permet d'optimiser les paramètres géométriques du capteur conduisant aux meilleures performances en terme de fréquence de résonance (>MHz) et de coefficient de qualité (>10). Des leviers aux dimensions optimales pour un actionnement en milieu liquide ont ainsi été fabriqués par technique de micro-usinage de surface et de volume. Deux voies technologiques ont été envisagées : l'actionnement électrostatique et l'actionnement piézoélectrique qui, au vue de l'étude bibliographique, sont les deux principes d'actionnement les plus adaptés à la détection de force en milieu liquide.<br /><br />La résolution latérale nanométrique a été obtenue en intégrant à l'extrémité du levier une pointe à apex très effilée. Une première méthode a consisté à utiliser la croissance localisée d'un unique nanotube de carbone dans le prolongement de la pointe. Cette étape a été rendue possible par une collaboration intensive avec le LEPES et plus particulièrement avec Anne-Marie Bonnot où une statistique de greffage de nanotubes de carbone a été réalisée sur des champs de pointe à géométrie variable pour contrôler, entre autre, la longueur des tubes obtenus à l'apex des pointes en silicium. Le procédé de dépôt des nanotubes de carbone étant réalisé à haute température (>800°C), il n'est donc compatible qu'avec une technologie de fabrication haute tempérautre comme c'est le cas de l'actionnement électrostatique (1100°C). Une autre méthode est donc utilisée pour effiler les pointes en silicium des leviers piézoélectriques à technologie froide (<650°C). La pointe est fabriquée avant le dépôt des couches de PZT qui réalisent l'actionnement et un apex nanométrique est obtenu par cycles d'oxydation-désoxydation. <br /><br />Ainsi les leviers actifs ont pu être caractérisés dans l'air et dans l'eau par vibrométrie laser puis par AFM, les leviers comportant un support aux dimensions entièrement compatibles avec les AFM commerciaux. Les effets d'électrolyse et d'écrantage du potentiel des électrodes, inhérents au milieu liquide d'actionnement, ont été d'autre part étudiés.<br /><br />Cette étude pluridisciplinaire en collaboration avec le LEPES (nanotube de carbone) et le CPMOH (caractérisations AFM des pointes à nanotubes) a permis de fabriquer une nouvelle génération de sondes actives AFM adaptées au milieu liquide.

This thesis presents an introduction to the design and simulation of a novel class of integrated photonic phased array switch elements. The main objective is to use nano-electromechanical (NEMS) based phase shifters of cascaded under-etched slot nanowires that are compact in size and require a small amount of power to operate them. The structure of the switch elements is organized such that it brings the phase shifting elements to the exterior sides of the photonic circuits. The transition slot couplers, used to interconnect the phase shifters, are designed to enable biasing one of the silicon beams of each phase shifter from an electrode located at the side of the phase shifter. The other silicon beam of each phase shifter is biased through the rest of the silicon structure of the switch element, which is taken as a ground. Phased array switch elements ranging from 2×2 up to 8×8 multiple-inputs/multiple-outputs (MIMO) are conveniently designed within reasonable footprints native to the current fabrication technologies. Chapter one presents the general layout of the various designs of the switch elements and demonstrates their novel features. This demonstration will show how waveguide disturbances in the interconnecting network from conventional switch elements can be avoided by adopting an innovative design. Some possible applications for the designed switch elements of different sizes and topologies are indicated throughout the chapter. Chapter two presents the design of the multimode interference (MMI) couplers used in the switch elements as splitters, combiners and waveguide crossovers. Simulation data and design methodologies for the multimode couplers of interest are detailed in this chapter. Chapter three presents the design and analysis of the NEMS-operated phase shifters. Both simulations and numerical analysis are utilized in the design of a 0º-180º capable NEMS-operated phase shifter. Additionally, the response of some of the designed photonic phased array switch elements is demonstrated in this chapter. An executive summary and conclusions sections are also included in the thesis.