Este trabalho apresenta um método desenvolvido pela autora para, através de simulações multifísicas pelo Método dos Elementos Finitos (MEF), servir como ferramenta de apoio ao projeto e fabricação de guias de onda e moduladores eletro-ópticos em óptica integrada, além de possibilitar a análise da performance de moduladores eletro-ópticos. A técnica adotada para a fabricação dos guias de onda ópticos foi a de tensão mecânica. Os parâmetros de geometria (espessura do filme e larguras das trincheiras) e de temperatura de deposição do filme são definidos nas simulações e utilizados no processo de fabricação de guias de ondas em óptica integrada, que servem de base para a fabricação de moduladores eletro-ópticos em substrato cristalino de retículo cúbico. As trincheiras dos guias de onda do tipo canal são construídas em Germanato de Bismuto (BGO - Bi4Ge3O12), a partir da deposição sobre o substrato de um filme fino indutor de tensão mecânica (stress) Nitreto de Silício (Si3N4) e definidas pelos processos de litografia óptica e corrosão seletiva por plasma. Os moduladores são obtidos através da deposição dos eletrodos de alumínio sobre o filme, seguida de Si3N4 dos processos de litografia óptica e corrosão, obtendo-se eletrodos. O processo iterativo proposto inicia-se com os resultados das simulações, em que são definidos os parâmetros de fabricação do filme, da trincheira e dos eletrodos. Após a fabricação desses elementos, o componente é caracterizado e são medidos os parâmetros reais filme e do substrato. Esses valores são realimentados nas simulações para refinar o projeto do componente. O trabalho, além de apresentar todos os passos do processo interativo de simulações, projeto, fabricação e caracterização do componente desejado, indica as dificuldades encontradas na implementação do processo e as atividades futuras a serem desenvolvidas para o aperfeiçoamento do mesmo. / This work presents a method developed by the author to support the project and fabrication of integrated optic waveguides and electro-optic modulators by means of Finite Element Method (FEM) multiphysics simulations, also enabling the electro-optic modulators performance analysis. The technique used for fabricating the optical waveguides was the thermally induced residual stress (ISS). The geometry parameters (film thicknesses and trenches widths) and the film deposition temperature are obtained in the simulations and subsequently used in the integrated optical waveguides fabrication process, which serve as a basic building block for the electrooptic modulators on crystalline cubic lattice substrate. The channel waveguide trenches are built on Bismuth Germanate (BGO Bi4Ge3O12) by depositing a Silicon Nitride (Si3N4) Stress-inducing thin film, being later defined by optical lithography and plasma etching process. Modulators are obtained depositing aluminum on the Si3N4 film followed by the optical lithography and corrosion process, defining electrodes. The proposed iterative process starts with the simulation results that define the fabrication parameters of the film, trench and electrodes. After the fabrication of these elements, the device is characterized and the actual parameters of the film and substrate are measured. These values are fed back into the simulations to refine the component design. The work besides presenting all the simulation-design-fabrication-characterization iterative process for obtaining the devised device also highlights the difficulties encountered in the implementation process along with suggestions of future activities aiming at improving it.

Les nanofils de semiconducteurs, d’oxides métalliques ou encore les nanotubes de carbone suscitent beaucoup d’intérêt pour des applications en nanoélectronique, mais également pour le développement de nanocapteurs chimiques ou biologiques. Cet intérêt pour les capteurs est principalement motivé par les propriétés liées aux faibles dimensions radiales et aux forts ratios surface/volume de ces nano-objets qui les rendent extrêmement sensibles aux effets de surface, et par conséquent à leur environnement. Les variations de charges de surface des matériaux en fonction du milieu peuvent également être utilisées comme une voie pour l’auto-organisation de nano-objets. Ce travail s’inscrit dans cette perspective. La voie chimique explorée pour la localisation est compatible avec une intégration de nano-objets a posteriori sur une technologie CMOS silicium. Plus précisément, notre approche « Bottom Up » repose sur les variations de la charge de surface du SiO2 et du Si3N4 en fonction du pH de la solution. Après une revue de littérature sur les points de charge nulle (PZC) des différents isolants selon leurs techniques d’élaboration, nous avons étudié expérimentalement les propriétés de couches de SiO2 thermique et de Si3N4 (LPCVD). Les PZC de ces différents isolants ont été déterminés par des mesures d’impédance électrochimique réalisées sur des structures EIS et couplées avec des mesures d’angle de contact en fonction du pH. Une étude systématique en fonction du pH (1.5 à 4.5) a été réalisée et un protocole expérimental a pu être mis en place pour démontrer la localisation préférentiellement les nanofils de silicium sur Si3N4. Nous avons pu démontrer qu’une localisation quasi parfaite était possible pour un pH compris entre 3 et 3,25 conformément au modèle électrostatique proposé. Le procédé développé présente l’avantage d’être simple, reproductible et peu coûteux. Il utilise une chimie très classique à température ambiante pour localiser des nano-objets silicium sans présenter de risque pour les dispositifs CMOS des niveaux inférieurs. / Semiconductor and metal oxides nanowires as well as carbon nanotubes are attractive for Nano electronic applications but also for chemical or biological sensors. This interest is related to the properties of 1D nanostructures with very small diameters and with high surface / volume ratios. The main property of such nanostructures is the high electrostatic sensitivity to their environment. The related surface charge variations as function of the medium may also be used as a way for the nanostructure self-organization. This work has been developed with this perspective. The investigated chemical approach is compatible with a post-integration of nano-objects on silicon CMOS technologies. More precisely, our “Bottom Up” method uses the different surface charges on SiO2 and Si3N4 as a function of the solution pH. After a literature review focused on the Point of Zero Charge (PZC) for insulating materials depending on the fabrication techniques, we have studied experimentally thermal SiO2 and LPCVD Si3N4 layers grown or deposited on silicon. The PZC of our layers have been determined using electrochemical impedance measurements in a EIS configuration. These impedance measurements have been cross correlated with contact angle measurements as function of the solution’s pH. A systematic study as function of pH in the 1.5 – 4.5 range as been carried out and an experimental protocol has been found in order to demonstrate the preferential localization of silicon nanowires on Si3N4. From this study, it is found that a quasi-perfect localization is possible for a pH between 3 and 3.25 as expected from the proposed electrostatic model. Finally, the developed process is low-cost, simple and reproducible which presents important advantages. It uses a very classical chemistry at ambient temperature and allows the localization of silicon nano-objects without any risk for the CMOS devices of the front-end level.

Este trabalho apresenta um método desenvolvido pela autora para, através de simulações multifísicas pelo Método dos Elementos Finitos (MEF), servir como ferramenta de apoio ao projeto e fabricação de guias de onda e moduladores eletro-ópticos em óptica integrada, além de possibilitar a análise da performance de moduladores eletro-ópticos. A técnica adotada para a fabricação dos guias de onda ópticos foi a de tensão mecânica. Os parâmetros de geometria (espessura do filme e larguras das trincheiras) e de temperatura de deposição do filme são definidos nas simulações e utilizados no processo de fabricação de guias de ondas em óptica integrada, que servem de base para a fabricação de moduladores eletro-ópticos em substrato cristalino de retículo cúbico. As trincheiras dos guias de onda do tipo canal são construídas em Germanato de Bismuto (BGO - Bi4Ge3O12), a partir da deposição sobre o substrato de um filme fino indutor de tensão mecânica (stress) Nitreto de Silício (Si3N4) e definidas pelos processos de litografia óptica e corrosão seletiva por plasma. Os moduladores são obtidos através da deposição dos eletrodos de alumínio sobre o filme, seguida de Si3N4 dos processos de litografia óptica e corrosão, obtendo-se eletrodos. O processo iterativo proposto inicia-se com os resultados das simulações, em que são definidos os parâmetros de fabricação do filme, da trincheira e dos eletrodos. Após a fabricação desses elementos, o componente é caracterizado e são medidos os parâmetros reais filme e do substrato. Esses valores são realimentados nas simulações para refinar o projeto do componente. O trabalho, além de apresentar todos os passos do processo interativo de simulações, projeto, fabricação e caracterização do componente desejado, indica as dificuldades encontradas na implementação do processo e as atividades futuras a serem desenvolvidas para o aperfeiçoamento do mesmo. / This work presents a method developed by the author to support the project and fabrication of integrated optic waveguides and electro-optic modulators by means of Finite Element Method (FEM) multiphysics simulations, also enabling the electro-optic modulators performance analysis. The technique used for fabricating the optical waveguides was the thermally induced residual stress (ISS). The geometry parameters (film thicknesses and trenches widths) and the film deposition temperature are obtained in the simulations and subsequently used in the integrated optical waveguides fabrication process, which serve as a basic building block for the electrooptic modulators on crystalline cubic lattice substrate. The channel waveguide trenches are built on Bismuth Germanate (BGO Bi4Ge3O12) by depositing a Silicon Nitride (Si3N4) Stress-inducing thin film, being later defined by optical lithography and plasma etching process. Modulators are obtained depositing aluminum on the Si3N4 film followed by the optical lithography and corrosion process, defining electrodes. The proposed iterative process starts with the simulation results that define the fabrication parameters of the film, trench and electrodes. After the fabrication of these elements, the device is characterized and the actual parameters of the film and substrate are measured. These values are fed back into the simulations to refine the component design. The work besides presenting all the simulation-design-fabrication-characterization iterative process for obtaining the devised device also highlights the difficulties encountered in the implementation process along with suggestions of future activities aiming at improving it.

Das dreistufige Flüssigsilicierverfahren (LSI) stellt eine Methode dar, siliciumcarbidbasierte faserverstärkte Keramiken herzustellen. Ausgangspunkt ist ein faserverstärkter Kunststoff, der über Pyrolyse (Konvertierung des Matrixpolymers in Kohlenstoff) und Silicierung (Siliciuminfiltration und Reaktion zu Siliciumcarbid) keramisiert wird. In der vorliegenden Arbeit werden die Matrix mittels der verwendeten Matrixpolymere (Matrixdesign) und das Faser/Matrix-Interface durch das Aufbringen von Faserbeschichtungen (Interfacedesign) definiert gestaltet. Die in der Arbeit eingesetzten Matrixpolymere beeinflussen durch eine unterschiedliche Poren- und Rissbildung in der Kohlenstoffmatrix die Siliciuminfiltration und die damit verbundene Siliciumcarbidbildung. Die Matrixpolymere erzeugen einerseits eine C-SiC-Dualphasenmatrix, wie diese bei den C/C-SiC-Verbunden angestrebt wird. Andererseits kann eine weitestgehend einphasige SiC-Matrix eingestellt werden, welche für die Herstellung von SiC/SiC-Verbunden interessant ist. Bei diesen Verbundwerkstoffen ist eine zusätzliche Faserbeschichtung entscheidend, um die Faser/Matrix-Bindung zu reduzieren und die Fasern vor dem Siliciumangriff während der Herstellung zu schützen. Als Faserbeschichtung werden eine BNx-Schicht und eine SiNx-Schicht entwickelt, die in einer BNx/SiNx-Doppelschicht kombiniert werden. Die Schichtherstellung erfolgt mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) auf einem kommerziellen SiC-Fasergarn (Tyranno SA3). Die amorphe BNx-Schicht ist innerhalb des Fasergarnes sehr homogen. Dahingegen besitzt die amorphe SiNx-Schicht einen Gradient in der Schichtdicke sowie in der chemischen Zusammensetzung. Bei der thermischen Auslagerung bleibt die BNx-Schicht stabil. Die SiNx-Schicht kristallisiert und es bilden sich Poren und Siliciumausscheidungen innerhalb der Schicht. Zudem entstehen teilweise Risse und Schichtabplatzungen. Weitere alternative Schichtkonzepte werden vorgeschlagen. / The liquid silicon infiltration (LSI) process is used to produce silicon carbide (SiC) based fiber reinforced ceramics and consists of three stages. Starting point is a fiber reinforced plastic, which is ceramized by means of pyrolysis (conversion of the matrix polymer to carbon) and siliconization (silicon infiltration and reaction to form silicon carbide). In the present work, the matrix and the fiber/matrix interface are designed by utilizing special matrix polymers and fiber coatings, respectively. The used matrix polymers lead to different pore and crack formation in the carbon matrix affecting the liquid silicon infiltration and the silicon carbide formation. The polymers not only create a dual phase C-SiC matrix, which is aspired for the production of C/C-SiC composites, but also form a single phase SiC matrix favorable for the SiC/SiC composite production. An additional coating of the fibers for these composite materials is crucial to reduce the fiber/matrix bonding and to protect the fibers from corrosive silicon attack. Separate BNx and SiNx single coatings are developed, which are combined to a double coating. The coating process is realized by chemical vapor deposition (CVD) on a commercial SiC fiber yarn (Tyranno SA3). The amorphous BNx coating is very uniform within the yarn, whereas the amorphous SiNx coating is characterized by a gradient regarding the layer thickness as well as the chemical composition. During the high temperature heat treatment the BNx coating remains stable. The SiNx coating crystallizes and pores as well as silicon precipitations are formed. Moreover, the coating partially ruptures. In this work, some additional alternative coating concepts are also proposed.

Les nanofils de semiconducteurs, d'oxides métalliques ou encore les nanotubes de carbone suscitent beaucoup d'intérêt pour des applications en nanoélectronique, mais également pour le développement de nanocapteurs chimiques ou biologiques. Cet intérêt pour les capteurs est principalement motivé par les propriétés liées aux faibles dimensions radiales et aux forts ratios surface/volume de ces nano-objets qui les rendent extrêmement sensibles aux effets de surface, et par conséquent à leur environnement. Les variations de charges de surface des matériaux en fonction du milieu peuvent également être utilisées comme une voie pour l'auto-organisation de nano-objets. Ce travail s'inscrit dans cette perspective. La voie chimique explorée pour la localisation est compatible avec une intégration de nano-objets a posteriori sur une technologie CMOS silicium. Plus précisément, notre approche " Bottom Up " repose sur les variations de la charge de surface du SiO2 et du Si3N4 en fonction du pH de la solution. Après une revue de littérature sur les points de charge nulle (PZC) des différents isolants selon leurs techniques d'élaboration, nous avons étudié expérimentalement les propriétés de couches de SiO2 thermique et de Si3N4 (LPCVD). Les PZC de ces différents isolants ont été déterminés par des mesures d'impédance électrochimique réalisées sur des structures EIS et couplées avec des mesures d'angle de contact en fonction du pH. Une étude systématique en fonction du pH (1.5 à 4.5) a été réalisée et un protocole expérimental a pu être mis en place pour démontrer la localisation préférentiellement les nanofils de silicium sur Si3N4. Nous avons pu démontrer qu'une localisation quasi parfaite était possible pour un pH compris entre 3 et 3,25 conformément au modèle électrostatique proposé. Le procédé développé présente l'avantage d'être simple, reproductible et peu coûteux. Il utilise une chimie très classique à température ambiante pour localiser des nano-objets silicium sans présenter de risque pour les dispositifs CMOS des niveaux inférieurs.

Mittels thermischer Plasmen werden Hartstoffschichten auf der Basis von Silicium - SiC, Si3N4 sowie ternäre Si-C-N Verbindungen, aus flüssigen Single Precursoren synthetisiert. Durch die hohen Abscheideraten von bis zu 1.500 µm/h wird das hohe Potenzial der Beschichtungswerkstoffe für den Schutz von Bauteilen, die starken Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen insbesondere bei hohen Temperaturen ausgesetzt sind, bei wirtschaftlich interessanten Prozesszeiten nutzbar. Der Einfluss der Precursorstruktur und der Prozessführung auf die Mikrostruktur der Schichten sowie die Abscheiderate wird systematisch erarbeitet. Zur Schichtcharakterisierung kommen Lichtmikroskopie, REM, EDX, XRD und im Fall röntgenamorpher Schichten FTIR zum Einsatz. Das Verwenden unterschiedlicher thermischer Plasmen erlaubt das Einstellen eines weiten Prozessfeldes. Mit Hilfe von Enthalpiesonden Messungen werden die Einflüsse der Maschinenparameter auf den Prozesszustand untersucht. Die Ergebnisse sind in einer Prozess - Gefügekarte zusammengefasst. Da das Gefüge der Schichten die Eigenschaften im Einsatz bedingt, bieten diese Arbeiten die Grundlage für das reproduzierbare Herstellen von Schichten mit angepassten Eigenschaften. Über die emissionsspektroskopischen Analysen zu den plasmachemischen Reaktionen gelingt es, die Schichtabscheidemechanismen in Abhängigkeit von den Prozessparametern zu klären und einen Ansatz für eine online Prozesskontrolle zu erarbeiten.

Aluminiumschichten werden durch Kaltgasspritzen auf fünf verschiedene poly- und monokristalline keramische Werkstoffe (Al2O3 , AlN, SiC, Si3N4 , MgF2 ) appliziert. Dabei erfolgt eine Variation der Substrattemperatur und der Partikelgröße. Ausgewählte Proben werden einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen. Die im Fokus der Arbeit stehende Erforschung der an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik wirkenden Haftmechanismen erfolgt sowohl mithilfe einer mechanischen Charakterisierung (Stirnzugversuche) als auch durch verschiedene mikroskopische, spektroskopische und hochauflösende Methoden. Die Bewertung der Untersuchungsergebnisse zeigt, dass im Allgemeinen ein Anstieg der Haftzugfestigkeit mit steigender Substrat- und Wärmebehandlungstemperatur sowie mit zunehmender thermischer Effusivität des Substratwerkstoffs zu verzeichnen ist. Eine vergleichbare Auswirkung hat innerhalb bestimmter Grenzen die Zunahme der Partikelgröße. Mit der Heteroepitaxie wird neben der mechanischen Verklammerung ein weiterer wichtiger Haftmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf keramischen Substraten identifiziert. Die Ausbildung von quasiadiabatischen Scherbändern und statische Rekristallisationsprozesse wirken dabei als wichtige begleitende Mechanismen. Als Nachweis für heteroepitaktisches Wachstum ist die Existenz von (annähernd) parallelen, senkrecht oder geneigt zur Grenzfläche stehenden Ebenenpaaren, die eine geringe Gitterfehlanpassung aufweisen, zu werten. Der Vergleich mit PVD-Schichten zeigt, dass in Bezug auf die Orientierung von Gitterebenen verschiedene Mechanismen der Heteroepitaxie existieren, die von der atomaren Mobilität des Beschichtungswerkstoffs bestimmt werden.

Aluminiumschichten werden durch Kaltgasspritzen auf fünf verschiedene poly- und monokristalline keramische Werkstoffe (Al2O3 , AlN, SiC, Si3N4 , MgF2 ) appliziert. Dabei erfolgt eine Variation der Substrattemperatur und der Partikelgröße. Ausgewählte Proben werden einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen. Die im Fokus der Arbeit stehende Erforschung der an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik wirkenden Haftmechanismen erfolgt sowohl mithilfe einer mechanischen Charakterisierung (Stirnzugversuche) als auch durch verschiedene mikroskopische, spektroskopische und hochauflösende Methoden. Die Bewertung der Untersuchungsergebnisse zeigt, dass im Allgemeinen ein Anstieg der Haftzugfestigkeit mit steigender Substrat- und Wärmebehandlungstemperatur sowie mit zunehmender thermischer Effusivität des Substratwerkstoffs zu verzeichnen ist. Eine vergleichbare Auswirkung hat innerhalb bestimmter Grenzen die Zunahme der Partikelgröße. Mit der Heteroepitaxie wird neben der mechanischen Verklammerung ein weiterer wichtiger Haftmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf keramischen Substraten identifiziert. Die Ausbildung von quasiadiabatischen Scherbändern und statische Rekristallisationsprozesse wirken dabei als wichtige begleitende Mechanismen. Als Nachweis für heteroepitaktisches Wachstum ist die Existenz von (annähernd) parallelen, senkrecht oder geneigt zur Grenzfläche stehenden Ebenenpaaren, die eine geringe Gitterfehlanpassung aufweisen, zu werten. Der Vergleich mit PVD-Schichten zeigt, dass in Bezug auf die Orientierung von Gitterebenen verschiedene Mechanismen der Heteroepitaxie existieren, die von der atomaren Mobilität des Beschichtungswerkstoffs bestimmt werden.