O presente projeto tem como objetivo contribuir para o desenvolvimento de dispositivos para monitoração de pressão dinâmica do ar. Para isso, foram produzidos filmes sensíveis a pressão baseados na detecção de concentração de oxigênio por meio de processos de emissão fotoluminescente das moléculas de Azul de Metileno (MB) e Platina Octaetilporfirina (PtOEP). Nesse sentido, foi estudado o comportamento da emissão fotoluminescente dessas moléculas em interação com o gás de oxigênio. A concentração de oxigênio (do ar) sobre superfície sensível depende da pressão dinâmica de superfície. Desta forma, monitorando a fotoluminescência dos dispositivos submetidos a diferentes concentrações de oxigênio, pode-se determinar uma relação entre a pressão pontual da superfície analisada e a intensidade de emissão fotoluminescente do filme. Os dispositivos de monitoração de pressão dinâmica são constituídos de um filme de estado sólido contendo as moléculas sensíveis. Foram utilizados como substratos hospedeiros para o Azul de Metileno e para a Octaetilporfirina de Platina, os filmes de silício poroso oxidado e Poliestireno, respectivamente. É proposto um arranjo experimental que utiliza um fluorímetro para caracterizar as amostras produzidas e uma câmara de fluxo de gases. Os dispositivos apresentaram elevada sensibilidade e evidenciaram o potencial para desenvolvimento e integração de sensores baseados no silício poroso à microeletrônica. / This project aims to contribute to the development of devices for monitoring dynamic pressure of the air. In this sense, films were produced based on pressure-sensitive detection of oxygen concentration through processes of photoluminescence emission from the molecules of methylene blue (MB) and platinum octaethylporphyrin (PtOEP). Accordingly, it was studied the behavior of the photoluminescence emission of these molecules in interaction with the oxygen gas. The concentration of oxygen (of the air composition) on the sensitive surface depends on the surface dynamic pressure. Thus, monitoring the photoluminescence of the devices under different oxygen concentrations, it can be determined a relationship between the punctual pressure of the tested surface and the photoluminescence emission intensity of the film. The devices for monitoring dynamic pressure are made of a solid state film containing the sensitive molecules. Oxidized porous silicon and polystyrene films were used as hosts for the Methylene Blue and for the Platinum Octaethylporphyrin, respectively. It was proposed an experimental setup that uses a spectrofluorophotometer and a gas flow chamber to characterize the produced samples. The devices showed high sensitivity and potential for development and integration of the sensors based on porous silicon for microelectronics.

Aujourd'hui, la préoccupation croissante pour l'analyse environnementale et le contrôle de la qualité des aliments, ainsi que les besoins médicaux tels que le diagnostic rapide en cas de situations d'urgence, entraîne un besoin croissant de nouvelles générations de capteurs chimiques et biologiques. Ces dispositifs doivent avoir une haute sensibilité et fiabilité, ils doivent permettre une détection spécifique de molécules et une détection parallèle de différentes molécules, tout en étant bas coût, portables, rapides et faciles à utiliser. Ainsi, une tendance générale se porte sur les capteurs biochimiques intégrés sur puce, sans marqueur, et compatibles avec les procédés standard des micro-technologies. Les dispositifs diélectriques photoniques à base de silicium poreux et les nanostructures métalliques à résonances plasmoniques sont de bons candidats pour répondre aux exigences ci-dessus. Le silicium poreux est un matériau biocompatible, avec une énorme surface spécifique entrainant un gain de la sensibilité de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux matériaux massifs ; en outre, son indice de réfraction et son épaisseur peuvent être facilement ajustés, permettant la réalisation d'une grande variété de dispositifs photoniques. Les nanostructures métalliques offrent un fort confinement et une forte amplification du champ électromagnétique dans des régions sub-longueur d'onde, ce qui conduit à des sensibilités élevées ; combinées avec d’autres mécanismes de détection comme la fluorescence, le Raman ou la spectroscopie IR, elles ont déjà démontré un gain important du potentiel pour la détection. La réalisation d'un dispositif hybride combinant ces deux éléments est très intéressant, car il peut offrir les avantages des deux éléments ; la structure photonique pourrait aussi façonner la résonance plasmonique pour le développement de dispositifs ultrasensibles à largeur de raie de résonance étroite tout en ayant une profondeur de détection accrue. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'explorer les défis de cette solution en considérant la conception, la réalisation, la caractérisation et le potentiel de dispositifs hybrides photoniques/plasmoniques qui exploitent le couplage entre la résonance plasmonique de surface localisée d'un réseau d'antennes papillon et les modes photoniques d'un interféromètre en silicium poreux. / Nowadays, the increasing concern for environmental analysis and food quality control, as well as medical needs such as fast diagnosis in case of emergency events, leads to a growing need for new generations of chemical and biological sensors. These devices should have high sensitivity and reliability, perform specific detection of molecules and enable multiple parallel sensing, while being cheap, portable, fast and easy to use. Thus, a general trend tends towards bio-chemical sensors which are on-chip integrated, label-free, and compatible with standard micro-technologies. Photonic dielectric devices based on porous silicon and metallic nanostructures based on plasmon resonances are good candidates to fulfill the above requirements. Porous silicon is a biocompatible material, with a huge specific surface providing a sensitivity enhancement by several orders of magnitude compared to bulk materials; furthermore, its refractive index and thickness can be easily tuned, enabling for the realization of a large variety of photonic designs. Metallic nanostructures provide high confinement and strong field enhancement in sub-wavelength regions, leading to high sensitivities; combined with fluorescence or other sensing mechanisms such as Raman or IR spectroscopy, they have already demonstrated increased sensing potential. The realization of a hybrid device combining both elements would be highly interesting, since it could yield the advantages of both elements, and the photonic structure could shape the plasmonic resonance to develop ultrasensitive devices with narrow resonance linewidth and increased sensing depth. In this context, we realized and studied a novel hybrid photonic / plasmonic device exploiting the coupling between the surface plasmon resonance of a bowtie nano - antenna (NAs) array and the photonic modes of porous silicon (PSi) interferometer. We designed and fabricated a NAs array with resonance wavelength ~ 1.3μm on a homogeneous PSi interferometer. A thin spacing silica layer with controllable density protects the pores of PSi layer and provides a smooth surface for the fabrication of NAs. The coupling mechanisms of two elements - NA array and interferometer, are studied with 2 models, which are interferometer approach and resonator approach. The interferometer approach is focused on studying the influence of NAs array as a homogeneous layer on the fringes shift of the interferometer. For resonator approach, the coupled mode theory is applied. With these models, strong coupling between both elements are discovered: splitting. In the case of viii smaller environment variation, the hybrid device gains 5-10 fold sensitivity enhancement vs. 2 elements alone. The controllable SiO2 layer allows us to sense the index variation within PSi interferometer. This opens a route towards double parallel sensing. The development of the theoretical models under different environment is ongoing, which is expected to utilize the strong coupling for the sensing. A further investigation of the sensing potential of the hybrid device would be expected. And the 2 elements constituting the hybrid structure – the interferometer and the NA array – could be modified in order to enlarge the study to a wider family of devices with greater properties and performances. This work was performed within the framework of the program “Groups of Five Ecoles Centrales” between China Scholarship Council (CSC) and Lyon Institute of Nanotechnologies (INL, CNRS UMR 5270). The project has been supported by the Nanolyon technology platform at INL.

Le travail de cette thèse porte sur la réalisation de substrats SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) pour la détection d'espèce chimiques et biologiques. Il s'agit de mettre en place des méthodologies utilisant comme surface de départ celle d'une couche poreuse de silicium et un effet de Plasmon de surface induit par la présence d'un métal noble en général. Les spécificités des couches poreuses qui sont d'une part une rugosité nanométrique et d'autre part une porosité et donc une surface interne modulable ont une incidence directe sur la sensibilité de détection de molécules cibles. Nous avons développé dans ce manuscrit de thèse différentes méthodes d'élaboration de substrats SERS à base de couches poreuses de silicium. Nous avons envisagé deux voies, la première se base sur l'utilisation des nanoparticules d'or en solution colloïdale. La deuxième voie, plus originale, utilise le dépôt d'or par pulvérisation cathodique sur une couche poreuse préparée sur la face rugueuse de silicium. Des résultats SERS intéressants, concernant la détection de molécules chimique (Rhodamine 6G) et biologique (Albumine Sérum Bovin), ont été décrits et expliqués permettant d'envisager diverses solutions afin de les optimiser. / The work of this thesis focuses on the realization of SERS substrates (Surface Enhanced Raman Scattering) for the detection of chemical and biological species. This is to implement the methodologies using as the starting surface of a porous silicon layer and a surface Plasmon effect induced by the presence of a noble metal in general. The specificities of the porous layers which are firstly a nanometer roughness and secondly a porosity and therefore an inner surface have a direct impact on the target molecule detection sensitivity. We have developed in this PhD thesis different substrates development methodologies SERS-based on porous silicon layers. We considered two ways, the first is based on the use of gold nanoparticles in colloidal solution. The second route, more original, uses the deposition of gold by sputtering on a porous layer prepared on the rough side of a silicon wafer. Interesting SERS results regarding the detection of chemical (Rhodamine 6G) and biological (Bovin Serum Albumin) molecules, have been described and explained for considering various solutions to optimize them.

Ce projet vise à développer et à analyser de nouveaux nanovecteurs pour des applications biomédicales. Nous travaillons en étroite collaboration avec des chimistes pour mettre au point des nanoparticules hautement efficaces (principalement des nanoparticules de silicium poreux - pSiNPs). Mon travail consiste à évaluer la toxicité des nano-objets développés et à établir leur potentiel en terme de thérapie photodynamique et d'imagerie. Les nanovecteurs sont recouverts de sucres reconnus par les lectines surexprimées par les cellules cancéreuses. Cette interaction permet le ciblage spécifique des cellules cancéreuses par les nanovecteurs. Lors des études in vitro, nous sélectionnerons les nano-objets les plus prometteurs pour réaliser des études préliminaires in vivo. / The focus of this project concerns the development and the analysis of new nanocarriers for biomedical applications. We work in collaboration with chemists to design efficient nanoparticles (mainly porous silicon nanoparticles - pSiNPs). Then, I evaluate their cytotoxic activity and their photodynamic therapeutic effect as well as their imaging potential. Nanovectors are coated with sugar recognized by lectins overexpressed on the surface of cancer cells. This interaction permits the specific targeting of cancer cells by nanovectors synthesized. During the study in vitro, we will select the most promising nanotools for preliminary studies in vivo.

Les nanoparticules (NPs) métalliques présentent un grand intérêt dans de nombreuses applications, pour lesquelles un contrôle précis de la taille, de la composition et de la morphologie est requis. Cependant, ce contrôle demeure un défi. Les liquides ioniques (LIs) sont des sels fondus liquides à température ambiante. Ils possèdent des propriétés uniques, à michemin entre le liquide (ce sont des solvants, de bons électrolytes,…) et du solide (ils ne s’évaporent pas). Les LIs sont connus pour être des solvants intelligents, qui permettent, par décomposition de précurseur organométallique, de former des NPs de taille calibrée et contrôlée. Ceci en absence de ligands organiques contrairement aux solvants conventionnels. Cependant, le mécanisme de leur formation reste mal connu. Dans cette thèse, nous identifions les facteurs clés influant sur la taille finale des NPs. Cela permettra de développer des voies de synthèse de NPs de tailles prédéterminées. Par ailleurs, le silicium poreux (PSi) est un matériau prometteur qui peut trouver de multiples utilisations dans les systèmes intégrés ou dans les secteurs photovoltaïque et biomédical. Ses propriétés peuvent être ajustées par l'introduction de métaux dans ses pores. Dans ce cas également, les LIs peuvent être avantageusement utilisés. Dans ce travail, la métallisation de PSi par Cu est réalisée par imprégnation du PSi puis décomposition d’une solution de CuMes dans le LI. En fait, il est observé que c’est le PSi qui décompose le précurseur. Pour cette raison, l’utilisation d’analogues solubles du PSi est étudiée pour remplacer H2 dans la synthèse des NPs. Cela pourrait permettre d’améliorer encore le contrôle de ce procédé / Among nano-objects, metallic nanoparticles (NPs) certainly have a prominent position. This is because they offer a variety of compositions, sizes, shapes and structures that make them suitable for a variety of applications. In the same time, the accurate control of their size, shape and structure is still a challenge, mainly because NPs do not correspond to the thermodynamic stable state of metals. Recently, ionic liquids (ILs) have been shown to stabilize metallic NPs without the need of ligands required in conventional solvents. ILs are liquid molten salt at room temperature. These compounds uniquely combine properties of the liquid (they are good solvents, electrolytes…) and of the solid (they do not evaporate). In the process of decomposing organometallic precursors into metallic NPs, ILs play a central role in controlling the size and ensuring narrow size distribution. However, the corresponding mechanism remains unclear. This PhD work aims at identifying key factors influencing the final size (average and distribution) of metallic NPs chemically formed in ILs. Among nanoporous materials, porous silicon (PSi) is popular due to its exceptional characteristics for microelectronics, integrated optoelectronics, microelectromechanical systems (MEMS), layer transfer technology, solar and fuel cells, biomedicine, etc. Its properties are modified by introducing different materials into its pores. Unique properties of ILs may also be advantageous. In this work, the process used to synthesize metallic NPs is adapted into an easy, efficient, versatile, and safe process to metallise PSi. The metallisation of PSi by Cu is tentatively conducted by impregnation with a solution of CuMes in IL followed by the decomposition of the precursor. In fact, CuMes is shown to be readily decomposed by PSi. Finally, this knowledge is transposed back to the synthesis of metallic NPs, replacing H2 by chemical analogues of PSi as alternative reducing agents. This approach is believed to bring even more control in this process

Les laboratoires sur puce visent à miniaturiser et à intégrer les fonctions couramment utilisées dans les laboratoires d'analyse afin de cibler des applications en santé avec un impact prometteur sur le diagnostic médical au lit du patient. Les membranes poreuses sont d'un grand intérêt pour la préparation et l'analyse d'échantillon sur puce car elles permettent la séparation par taille/charge de molécules, mais également leur pré-concentration. Parmi les matériaux disponibles pour constituer des membranes poreuses, le silicium poreux présente de nombreux avantages tels que le contrôle précis de la taille des pores et de la porosité, une chimie de surface pratique et des propriétés optiques uniques. Les membranes de silicium poreux sont généralement intégrées dans des puces fluidiques en les montant entre deux couches comportant des micro-canaux, formant ainsi des réseaux fluidiques à trois dimensions, peu pratiques et peu adaptés à l'observation directe par microscopie. Dans ces travaux de thèse, nous avons développé deux méthodes de fabrication de membranes de silicium à pores latéraux qui permettent leur intégration monolithique dans des systèmes microfluidiques planaires. Le premier procédé est fondé sur l'utilisation d'électrodes localement structurées afin de guider la formation de pores de manière horizontale, en combinaison avec des substrats type silicium sur isolant (SOI) pour localiser spatialement la formation de silicium poreux dans la profondeur du canal. La deuxième méthode repose sur le fait que la formation de silicium poreux par anodisation est fortement dépendante du type de dopant et de sa concentration. Bien que nous utilisons encore le même type d'électrodes structurées sur les parois latérales de la membrane pour injecter le courant lors de l'anodisation, le dopage par implantation permet de confiner la membrane, de façon analogue mais à la place de l'oxyde enterré du SOI. Des membranes à pores latéraux ont été fabriquées par ces deux méthodes et leur fonctionnalité a été démontrée en réalisant des expériences de filtrage. En plus de la filtration d'échantillon, les membranes ont été utilisées pour étudier la possibilité d'effectuer de la pré-concentration électrocinétique et de la détection interférométrique. La sélectivité ionique des membranes microporeuse permet la pré-concentration moléculaire avec des facteurs de concentration pouvant atteindre jusqu'à 103 en 10 min en appliquant moins de 9 V. Ces résultats sont comparables à ceux rapportés dans la littérature à l'aide par exemple de nanocanaux avec une consommation d'énergie beaucoup plus faible. Enfin, nous avons pu détecter une variation de l'indice de réfraction du silicium poreux par le décalage du spectre d'interférence lors du chargement de différents liquides injectés dans les membranes. Le travail présenté dans cette thèse constitue la première étape dans la démonstration de l'intérêt du silicium poreux pour la préparation d'échantillon et la biodétection dans des laboratoires sur puce planaires. / Lab on a chip devices aim at integrating functions routinely used in medical laboratories into miniaturized chips to target health care applications with a promising impact foreseen in point-of-care testing. Porous membranes are of great interest for on-chip sample preparation and analysis since they enable size- and charge-based molecule separation, but also molecule pre-concentration by ion concentration polarization. Out of the various materials available to constitute porous membranes, porous silicon offers many advantages, such as tunable pore properties, large porosity, convenient surface chemistry and unique optical properties. Porous silicon membranes are usually integrated into fluidic chips by sandwiching fabricated membranes between two layers bearing inlet and outlet microchannels, resulting in three-dimensional fluidic networks that lack the simplicity of operation and direct observation accessibility of planar microfluidic devices. To tackle this constraint, we have developed two methods for the fabrication of lateral porous silicon membranes and their monolithic integration into planar microfluidics. The first method is based on the use of locally patterned electrodes to guide pore formation horizontally within the membrane in combination with silicon-on-insulator (SOI) substrates to spatially localize the porous silicon within the channel depth. The second method relies on the fact that the formation of porous silicon by anodization is highly dependent on the dopant type and concentration. While we still use electrodes patterned on the membrane sidewalls to inject current for anodization, the doping via implantation enables to confine the membrane analogously to but instead of the SOI buried oxide box. Membranes with lateral pores were successfully fabricated by these two methods and their functionality was demonstrated by conducting filtering experiments. In addition to sample filtration, we have achieved electrokinetic pre-concentration and interferometric sensing using the fabricated membranes. The ion selectivity of the microporous membrane enables to carry out sample pre-concentration by ion concentration polarization with concentration factors that can reach more than 103 in 10 min by applying less than 9 V across the membrane[TL1]. These results are comparable to what has already been reported in the literature using e.g. nanochannels with much lower power consumption. Finally, we were able to detect a change of the porous silicon refractive index through the shift of interference spectrum upon loading different liquids into the membrane. The work presented in this dissertation constitutes the first step in demonstrating the interest of porous silicon for all-in-one sample preparation and biosensing into planar lab on a chip.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Based on plane wave DFT calculation, we carried out micro level investigation of hydrogen storage in nanoporous silicon (npSi). One quarter of a hexagonal pore with Palladium catalyst placed at the surface has been studied for hydrogen dissociation, spillover, bond hopping, and diffusion for both single catalyst atom and small catalyst cluster consisting of multiple catalyst atoms. All the DFT computations were done in one of the biggest research supercomputer facilities of the world, Big Red II. We opted ABINIT, an open source DFT tool for our computations. Our calculation revealed low dissociation, spillover, and bond hoping energy barrier. The energy required to be provided from external sources to fully recharge the storage medium from a gaseous source at a completely empty state has also been evaluated. Hydrogen diffusion along the inner surface of the pore as a means of bond hopping and the possibility of quantum tunneling, a low temperature phenomena used to spontaneously go over an otherwise less likely high energy barrier have been studied as well. Using these micro level parameter values evaluated from the DFT study, the performance of any potential hydrogen storage material can be compared to a set of characteristics sought in an efficient storage media. Thus, the micro scale feasibility of this novel npSi material based hydrogen storage technology was studied as a part of a STTR Phase I project.

L'isolation thermique est essentielle dans de nombreux types de MEMS (micro-systèmes électro-mécaniques). Selon le type de dispositif, l'isolation permet de réduire la consommation d'énergie, diminuer le temps de réponse, ou augmenter sa sensibilité. Les matériaux d'isolation thermique actuellement disponibles sont difficiles à intégrer en couche épaisse dans des dispositifs en silicium. À cause de cela, l'approche la plus utilisée pour l'isolation est d'intégrer les zones à isoler sur des membranes minces (~ 1 µm). Cela assure une bonne isolation, mais est restrictif pour la conception du dispositif et la fragilité des membranes complique la fabrication et l'utilisation de celui-ci. Le silicium poreux est facile à intégrer puisqu'il est fabriqué par gravure électrochimique de substrats de Si cristallin. On peut aisément fabriquer des couches épaisses (100 µm) et sa conductivité thermique est 2-3 ordres de grandeur plus faible que celle du Si massif. Par contre sa porosité cause des problèmes : mauvaise résistance chimique, structure instable au-delà de 400°C, et tenue mécanique réduite. La facilité d'intégration des semiconducteurs poreux est un atout majeur, et nous visons donc de réduire les désavantages de ces matériaux afin de favoriser leur intégration dans des dispositifs en silicium. La première approche qui a été développée consiste à amorphiser le Si poreux en l'irradiant avec des ions à haute énergie (uranium, 110 MeV). Nous avons montré que l'amorphisation, même partielle, du Si poreux entraîne une diminution de sa conductivité thermique, sans endommager sa structure poreuse. On peut atteindre ainsi une réduction de conductivité thermique jusqu’à un facteur de trois. La seconde approche est de développer un nouveau matériau. Le SiC poreux a été choisi, puisque le SiC massif a des propriétés physiques exceptionnelles et supérieures à celles du silicium. Nous avons mené une étude systématique de la porosification du SiC en fonction de la concentration en HF et le courant, ce qui nous a permis de fabriquer des couches poreuses uniformes d’une épaisseur d’environ 100 µm. Nous avons implémenté un banc de mesure de la conductivité thermique par la méthode « 3 oméga » et l'avons utilisé pour mesurer la conductivité thermique du SiC poreux. Nos résultats montrent que la conductivité thermique du SiC poreux est environ deux ordres de grandeur plus faible que celle du SiC massif. Nous avons aussi montré que le SiC poreux est résistant à tous les produits chimiques typiquement utilisés en microfabrication et est stable jusqu'à au moins 1000°C. / Thermal insulation is essential in several types of MEMS (Micro electro mechanical systems). Depending on the device, insulation can reduce the device’s power consumption, decrease its response time, or increase its sensitivity. Existing thermal insulation materials are difficult to integrate as thick layers in silicon-based devices. Because of this, the most commonly used approach is to integrate the areas requiring insulation on thin membranes. This provides effective insulation, but restricts the design of the device and the membrane’s fragility makes the device’s fabrication and use more complicated. Poreux silicon is easy to integrate as it is made by electrochemical etching of crystalline silicon substrates. 100 µm thick layers can easily be fabricated and its thermal conductivity is 2-3 orders of magnitude lower than that of bulk silicon. However, its porosity causes other problems : low chemical resistance, its structure is unstable above 400°C, and reduced mechanical stability. The ease of integration of porous semiconductors remains a major advantage, so we aim to reduce the disadvantages of these materials in order to help their integration in microfabricated devices. The first approach we developed was to amorphise porous Si by irradiating it with heavy ions. We have shown that amorphisation of porous Si, even partial, causes a reduction of its thermal conductivity without damaging its porous structure. In this way a reduction in thermal conductivity by up to a factor of three can be achieved. The second approach was to develop a new material. Porous SiC was chosen, as bulk SiC has exceptional physical properties which are superior to those of silicon. We carried out a systematic study of the porosification process of SiC versus HF concentration and current, which enabled us to make thick (100 µm) and uniform layers. We have implemented a system for measuring thermal conductivity using the “3 omega” technique and used it to measure the thermal conductivity of porous SiC. Our results show that the thermal conductivity of porous SiC is about two orders of magnitude lower than that of bulk SiC. We have also shown that porous SiC is resistant to all chemical commonly used in microfabrication, and is stable up to at least 1000°C.

Aujourd’hui, une grande variété de matériaux dit « fragiles » sont intégrés dans des dispositifs micro ou nanotechnologiques. Ces matériaux sont définissables comme « fragiles » en raison de leur forme, de leur dimension ou encore de leur densité. Dans ce travail, trois catégories de matériaux, de différents niveaux de maturités industrielle et technologique, ont été étudiés par spectrométrie de masse des ions secondaires à temps du vol (ToF-SIMS). Ces matériaux sont: du silicium méso-poreux, des polyméthacrylates déposés en couches très minces par voie chimique en phase vapeur initiée (iCVD) et des matériaux organosilicates (SiOCH) à basse constante diélectrique (low-k). L’objectif de ce travail est de vérifier et de valider la méthode ToF-SIMS comme une technique fiable pour répondre aux besoins de caractérisation chimique rencontrés pas ces matériaux Il s’agit également d’établir la cohérence de l’information chimique produite par l’interprétation de l’interaction ion/matière se déroulant lors de l’analyse. Pour le silicium méso-poreux, les échantillons ont été pulvérisés par différentes sources primaires d’ions (Césium, Xénon, Oxygène) et l’information secondaire générée comme, par exemple, les différences d’ionisation entre la couche poreuse et le matériau dense ont été analysées, notamment vis de l’énergie du faisceau de pulvérisation mais aussi du taux de porosité du matériau cible. Des modifications morphologiques significativement différentes selon la source d’ions ont également été observées et ont été corrélées à différents types de régime de pulvérisation, principalement induits par le taux de porosité de la cible.Concernant la caractérisation de polymères en couches minces, des conditions d’abrasion très peu agressives, notamment l’usage d’ions d’argon en cluster polyatomiques, ont été appliquées avec l’intention d’obtenir une information chimique secondaire riche en hautes masses moléculaires. La discrimination de films de polyméthacrylate avec une structure chimique quasi-identique a pu être obtenue et un protocole de quantification de copolymères proposé. De plus, par l’utilisation de la méthode d’analyse de données en composantes principales (PCA) appliquée aux spectres,une corrélation claire a été établie entre les composantes principales et la masse moléculaire des films de polymères.Enfin l’impact de traitements d’intégration tels que de la gravure ou du nettoyage chimique, nécessaires à la mise en œuvre industrielle des matériaux low-k, mais défavorables à leurs propriétés diélectriques, a été étudié. Pour obtenir une information chimique résolue en profondeur, l’abrasion par césium à basse énergie a été identifiée comme la stratégie la plus sensible et la plus adaptée. De même, la PCA a permis d’amplifier significativement les différences chimiques entre échantillons, permettant de rapprocher les variations de constante diélectrique aux compositions chimiques / Nowadays, the micro and nanotechnology field integrates a wide range of materials that can be defined as “fragile” because of their shape, dimension or density. In this work, three materials of this kind, at different level of technological and industrial maturity are studied by time of flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). These materials are: mesoporous silicon, thin polymethacrylate films deposited by initiated Chemical Vapour Deposition (i-CVD)and hybrid organosilicate (SiOCH) dielectric materials (low-k). The objective is to verify and validate the ToF-SIMS as a reliable characterisation technique for describing the chemical properties of these materials. Indeed, because of this intrinsic ‘fragility’ the consistency of the chemical information is connected to an appropriate interpretation of the specific ion/matter interactions taking place.For mesoporous silicon, a systematic analysis is carried out considering various sputtering ion sources (Caesium, Xenon and Oxygen); both sputtering and ionisation behaviours are examined relatively to the nonporous silicon, taking into account energy of the sputtering beam and porosity rate of the target material.Concerning nanometric thick polymer films, low damaging analysis conditions are applied by the use of argon cluster primary ion sources in order to obtain a significant molecular secondary ion information. In these conditions, a discrimination of quasi-identical nanometre thick structures is made possible and a quantification method for copolymers is then proposed. In addition, with the supplement of data principal component analysis (PCA) an innovative and significant correlation is obtained between main Principal Component and sample molecular weights.Finally, the effect of several industrial integration processes (such as etching or wet cleaning) applied on low-k materials are studied in order to understand their detrimental impact on low-k insulating properties. To achieve a depth-resolved chemical information, low energy caesium sputterings are shown to be the most adapted and sensitive strategy. In addition, PCA is shown to be almost essential to amplify differences between samples significantly. This approach allowed combining the variation of physical properties (dielectric constant) with the chemical ones.

Ces travaux se sont consacrés à l’étude de l’intégration du silicium poreux au procédé de fabrication des TRIACs. Ce matériau a pour but d’optimiser les structures actuelles du point de vue de leur périphérie. Son utilisation en tant que terminaison de jonction pourrait ouvrir la voie à une diminution de la taille des puces et donc augmenter la quantité de puces par wafer. Le silicium poreux est intégré aux périphéries des TRIACs par gravure électrochimique dans du silicium faiblement dopé n (30−40 Ω.cm). Pour assurer le bon déroulement de la réaction et ce dans un cadre industriel, la technique d’injection de trous depuis une jonction p+/n est étudiée. L’influence des paramètres d’anodisation dans ces conditions est analysée. Une double couche composée de silicium macroporeux rempli de silicium mésoporeux et surmonté d’une couche de nucléation a été obtenue. Le silicium poreux est localisé dans la périphérie des TRIACs. Des mesures de tenue en tension d’une jonction p/n présentant cette terminaison à base de silicium poreux ont été évaluées et ont montrées des tenues en tension dix fois supérieures à la même structure sans silicium poreux. Toutefois, des perspectives d’amélioration sont proposées car ces résultats restent insuffisants. / The integration of porous silicon to TRIACs process is studied. The aim of this material is to optimize current structures dedicated to electrical insulation of those components namely the periphery. The use of porous silicon as junction termination could allow the increase of the number of die per wafer. Porous silicon is integrated to TRIAC peripheries by electrochemical etching in low doped n type silicon (30−40 Ω.cm). Hole injection from a p+/n junction is studied to determine the performance of the reaction as part of an industrial microelectronic process. The reaction parameters are studied in those conditions. A double layer consisting in a macroporous layer fully filled with mesoporous silicon and surmounted by a nucleation layer, is obtained. Porous silicon formation is limited to TRIAC peripheries. Voltage withstand of a p/n junction with porous silicon termination shows values ten times higher than the same structure without this insulator. Nevertheless, prospects of improvement are suggested because those results are insufficient.