Ce travail vise à accroître la compréhension et la maîtrise des processus d'ablation laser en régime femtoseconde en s'appuyant sur l'étude, en particulier spectroscopique, de l'émission optique du panache de matière ablatée par des impulsions dont on contrôle la fluence laser et la forme temporelle. Le chapitre 1 consiste en une synthèse de la bibliographie sur l'ablation en régime femtoseconde en partant de l'absorption de l'énergie optique par le système électronique, jusqu'à la thermalisation des électrons et des ions et à l'évolution thermodynamique consécutive subie par le matériau irradié. Les conséquences induites sur les produits de l'ablation et sur la formation du plasma sont abordées. L'ensemble du dispositif expérimental mis en jeu dans cette étude est présenté au chapitre 2 avec en particulier la description de la mise en forme temporelle des impulsions laser par la modulation spectrale de leur phase à partir d'un modulateur spatial de lumière. Les chapitres 3 et 4 présentent les résultats de l'étude des panaches d'ablation respectivement induits à partir de cibles d'aluminium et de laiton. Une attention particulière est portée à l'influence de la mise en forme temporelle des impulsions et plusieurs optimisations de l'interaction sont décrites. Dans le cas de l'aluminium, les données expérimentales sont confrontées aux résultats de simulations numériques afin de proposer des schémas d'interprétation du phénomène d'ablation en régime femtoseconde et de sa réponse à la mise en forme temporelle des impulsions laser. Ces études ont permis de montrer la possibilité de modifier le couplage énergétique entre les impulsions laser et la cible irradiée, d'influencer les proportions de matière éjectée sous forme liquide et sous forme atomisée, de contrôler l'état d'excitation du panache d'ablation et enfin de maîtriser la génération de micro et nanoparticules. Le chapitre 5 clôture ce travail par une analyse de la structuration périodique induite à la surface de cibles métalliques en régime femtoseconde puis en fonction de la forme temporelle employée pour le dépôt énergétique. Ce dernier chapitre permet de compléter l'étude des comportements de la matière éjectée par une exploration des structures adoptées par la matière non-ablatée.

Ce travail de thèse s'insère dans la Recherche et Développement du Photovoltaïque. L'objectif était d'étudier, développer et optimiser un nouveau procédé plasma de dépôt pour l'élaboration de couches minces d'oxyde de zinc (ZnO) pour l'application de couche fenêtre dans les cellules solaires de type Cu(In,Ga)Se2. La particularité de ce procédé est de réaliser rapidement des couches d'oxyde (≥ 0,6 nm/s) à partir d'une solution aqueuse de précurseurs non toxiques, interagissant, sous forme de gouttes, avec le plasma. La faisabilité du dépôt de ZnO par le réacteur plasma basse puissance (LPPR) a été vérifiée en obtenant des couches de ZnO homogènes, cristallines et transparentes grâce à l'optimisation des paramètres du réacteur. Le diagnostic du réacteur plasma et la modélisation/simulation du réacteur nous ont permis de constater que l'état physique et la taille des gouttes influent sur la qualité des couches d'oxyde. Des cellules solaires ont été réalisées permettant de valider la qualité des couches de ZnO obtenues via notre procédé plasma. Les meilleurs rendements sont d'environ 14 % ce qui est très prometteur pour les recherches futurs. L'étude du dopage de type N du ZnO a été abordé dans le but de réaliser une couche fenêtre complète par le réacteur LPPR. Cependant beaucoup d'améliorations et d'études restent à faire telles que la mise en place d'un système d'injection sophistiqué, ou encore l'investigation approfondie sur le dopage. Néanmoins une étude des coûts matières/énergie du procédé a été réalisée afin de pouvoir positionner le réacteur plasma parmi les autres techniques employées pour la réalisation de cellules CIGS. / This work is part of the Research and Development of Photovoltaic. The aim was to study, develop and optimize a new deposition plasma process for the elaboration of zinc oxide thin layers (ZnO) as the window layer in Cu(In,Ga)Se2 solar cells of. The particularity of this process is to quickly realize oxide layers (≥ 0.6 nm/s) from an aqueous solution of non-toxic precursors, interacting in the form of droplets, with the plasma. The feasibility of the ZnO deposition by the low power plasma reactor (LPPR) was checked by obtaining homogeneous, crystalline and transparent layers of ZnO thanks to the optimization of reactor parameters. The diagnostic and modeling / simulation of the plasma reactor allowed us to see that the physical state and droplet size affect the quality of the oxide layers. Solar cells were created to validate the quality of ZnO layers obtained via our plasma process. The best obtained efficiency is about 14% which is very promising for future research. The study of doping N type ZnO was addressed in order to achieve a complete window layer by LPPR reactor. However many improvements and studies are still needed, such as the establishment of a sophisticated injection system, or the thorough investigation on doping. Nevertheless a cost study about material/energy of the process was conducted in order to place the plasma reactor among other techniques used for the production of CIGS solar cells.

Dans le cadre de l’intégration tridimensionnelle (3D) associée à l’utilisation d’un nombre croissant de circuits intégrés (CIs), le besoin en condensateurs de découplage à forte densité de capacité (≥ 1 μF.cm-2), capables d’opérer sur une gamme de fréquences de plus en plus étendue, est crucial afin de limiter les fluctuations de tension d’alimentation au niveau des CIs. Le principal frein au développement de ces condensateurs réside dans l’obtention de couches minces (≤ 100 nm) à partir de matériaux ayant une forte permittivité relative (ε_r > 200 à 1 GHz), des technologies compatibles avec une intégration à grande échelle, et peu coûteux.L’approche proposée dans cette thèse s’appuie d’une part, sur la possibilité de synthétiser des nanoparticules diélectriques à base de Ba0.6Sr0.4TiO3 [BST] (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 à 1 kHz) - obtenues en milieux fluides supercritiques - comme matériau diélectrique et d’autre part, sur la pulvérisation de jets ou spray coating comme technologie de dépôt en couches minces. Dans un premier temps, les nanoparticules de BST ont été synthétisées et fonctionnalisées par l’acide 3-aminopropylphosphonique (APA), dans le but de les disperser dans un solvant et d’obtenir des suspensions colloïdales stables. Les ligands ont aussi pour fonction d’améliorer la tenue mécanique des films (auto-assemblage) sur le substrat de cuivre (Cu). La variation de paramètres liés à la solution à base des nanoparticules (concentration, durée de dispersion mécanique) et à la technique de dépôt (température du substrat, débit), ont permis d’optimiser les conditions pour obtenir des films uniformes à base de nanoparticules fonctionnalisées (BST-APA). Des films de 200 ± 50 nm d’épaisseur ont ainsi pu être obtenus. Après dépôt de plots d’aluminium (Al) sur les films à base de BST-APA et utilisés comme électrode supérieure, les caractéristiques capacité-tension (C-V) et courant-tension (I-V) des condensateurs de structure Al/BST-APA/Cu ont permis d’extraire une densité de capacité élevée (0.71 μF.cm-2) et une densité de courant de fuite (25 μA.cm-2) mesurées à 1 V. Les résultats obtenus au cours de cette thèse montent que la pulvérisation de jets est une alternative aux procédés coûteux reportés (ablation laser, pulvérisation) dans l’état de l’art, pour la fabrication de condensateurs de hautes performances.Mots clés : Condensateurs MIM, couches minces, fluides supercritiques, diélectriques, Ba0.6Sr0.4TiO3, pulvérisation de jets, nanofabrication. / Within the three-dimensional (3D) integration associated with the use of an increasing amount of integrated circuits (ICs), there is strong need of high capacitance density (≥ 1 μF.cm-2) decoupling capacitors, able to operate on large frequency bandwidth, in order to reduce the noise that can compromise the signal integrity in ICs. The main challenge of these capacitors relies on the deposition of thin films (≤ 100 nm) using innovative materials with high relative permittivity (ε_r > 200 à 1 GHz) and «low cost» technologies compatible with large scale integration.On one hand, the proposed approach in this thesis benefits from the possibility of synthetizing – by the supercritical fluid technology – and using Ba0.6Sr0.4TiO3 (BST) nanoparticles (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 at1 kHz) as dielectric material and on the other hand, from the use of spray coating as technique for the deposition of these materials as thin films. First of all, the BST nanoparticles synthesized are functionalized with specific ligands (3-aminopropylphosphonic acid, APA), in order to obtain colloidal suspensions composed by aggregates with size (Ø < 100 nm) showing few fluctuations during two months. The other function of ligands is to improve the adhesion of the deposited films (self-assembling) on the copper (Cu) substrate. Different solvent are studied for the preparation of the solutions : N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), water, methanol and ethanol. The variation of different parameters related to the solution and the deposition technique helped us to define the optimal conditions leading to different thickness of film (200 – 1000 nm) based on pristine (BST) and functionalized nanoparticles (BST-APA). Using ethanol instead of NMP as solvent, enabled us to prevent de formation of a copper oxide layer and organic residues. After deposition of aluminum pads (Al) on BST or BST-APA films and used as top electrode, the capacitance-voltage (C-V) and current-voltage (I-V) characteristics of capacitors with metal-insulator-metal (MIM) structure enabled us to achieve high capacitance density (~ 0.7 μF.cm-2) and low leakage current (~ 25 μA.cm-2) at 1 V.Keywords: MIM capacitors, thin films, supercritical fluids, Ba0.6Sr0.4TiO3, spray coating, nanofabrication in cleanroom.

L’émergence des satellites très haut débit pour la couverture des zones rurales s’accompagne de nombreuses contraintes technologiques. Dans le cadre du plan France très haut débit, le projet THD-sat proposé par le CNES se base sur l’utilisation des bandes Q et V pour assurer les liaisons avec les stations au sol et libérer de la ressource sur la bande Ka communément utilisée par les satellites ancienne génération. Avec la montée en fréquence, les besoins en termes de filtrage deviennent très stricts nécessitant des considérations particulières. Le premier chapitre reprend le contexte de l’étude et expose les différents éléments permettant de justifier le choix de la technologie SIW qui profite à la fois des bons facteurs de qualité des modes volumiques se propageant dans le substrat et de l’aisance du procédé technologique et de l’intégration des structures planaires. Les performances des cavités SIW restent néanmoins intimement liées à l’épaisseur de substrat qui doit être augmentée pour atteindre de meilleurs facteurs de qualité. L’augmentation de l’épaisseur de substrat s’accompagne de deux principales limitations : le rallongement des fils de « bonding » utilisés pour le câblage du filtre à son environnement MIC d’épaisseur 254 μm et l’élargissement de la ligne d’accès 50 Ω induisant des problèmes de discontinuités et d’excitations de modes parasites. L’approche suivie consiste à considérer des formes 3D permettant l’adaptation de mode et d’épaisseur entre une ligne microruban sur substrat de 254 μm d’épaisseur et le SIW d’épaisseur plus importante. Une nouvelle transition 3D est dès lors imaginée. Le chapitre II reprend les différents procédés technologiques utilisés pour la mise en forme et la métallisation des substrats 3D. Les substrats considérés sont l’alumine et la silice fondue mis en forme par ablation laser et le thermoplastique COP mis en forme par moulage. La principale limitation de l’ablation laser concerne les épaisseurs de substrat accessibles. Nous nous limitons à 635 μm dans le cas de l’alumine et à 500 μm dans le cas de la silice fondue. Le moulage polymère permet de s’affranchir de cette limitation et de viser des substrats plus épais (2 mm pour la solution COP).Le chapitre III reprend les étapes de conception des différentes solutions de filtrage avec la nouvelle transition 3D. Des résultats de mesures de différents prototypes réalisés sont par ailleurs présentés. Ces résultats sont globalement encourageants mais nécessitent d’être davantage développés pour être mieux exploitables. / The emergence of satellite high-speed internet for the coverage of rural zones is accompanied by numerous technological constraints. The current trend is to use higher frequency bands to release the satellite capacity for users. The increasing frequency requires new considerations especially for filtering needs which become notably strict in terms of performance and integration in small integrated circuits. This work introduces filtering solutions based on high quality factor Substrate Integrated Waveguides (SIW) using a novel 3D transition for a better integration in widely planar Hybrid ICs.The first chapter introduces the study’s context and the different elements justifying the use of the SIW technology.In fact, these structures profit from both the good quality factors of TE-modes propagating in the substrate and the easy fabrication process and integration of planar circuits. However, to increase the SIW quality factor, the substrate’s height should be increased which induces interconnection limitations such as long bond wires with high parasitic effects and large microstrip access lines with discontinuity problems and the propagation of parasitic modes. The adopted approach consists in imagining 3D shapes providing both mode and thickness matching between a microstrip line etched on a thin substrate and a high substrate SIW.The second chapter introduces the different manufacturing processes used for the substrate’s shaping and metallization. Three substrates are considered: Alumina, fused Silica and Cyclo Olefin Polymer COC. Alumina is widely used in space applications and has a well-mastered process. For equivalent dielectric losses, fused silica has a lower permittivity for bigger structures with less manufacturing tolerance sensitivity. Both Alumina and fused silica substrates are shaped using a laser ablation. The reachable substrate’s height using this machining method is relatively low. The polymer solution (COP) is elaborated using a molding process allowing higher substrates heights.The last chapter outlines the design steps of the different solutions and the measurement results of the first prototypes. These results are on the whole encouraging but require further development.

Aujourd’hui plusieurs obstacles technologiques et limitations physiques s’opposent à la poursuite de la miniaturisation de la technologie CMOS : courants de fuite, effet de canal court, effet de porteurs chauds et fiabilité des oxydes de grille. Le transistor à un électron (SET) fait partie des composants émergents candidats pour remplacer les transistors CMOS ou pour constituer une technologie complémentaire à celle-ci. Ce travail de thèse traite de l’amélioration des caractéristiques électriques du transistor à un électron en optimisant ses jonctions tunnel. Cette optimisation commence tout d’abord par une étude des modes de conduction à travers la jonction tunnel. Elle se conclut par le développement d’une jonction tunnel optimisée basée sur un empilement de matériaux diélectriques (principalement Al2O3, HfO2 et TiO2) ayant des propriétés différentes en termes de hauteurs de barrières et de permittivités relatives. Ce manuscrit présente, la formulation des besoins du SET et de ses jonctions tunnel, le développement d’outils de simulation appropriés - basés sur les matrices de transmission - pour la simulation du courant des jonctions tunnel du SET, l’identification des stratégies d’optimisation de ces dernières, grâce aux simulations et finalement l’étude expérimentale et l’intégration technologique des jonctions tunnel optimisées dans le procédé de fabrication de SET métallique en utilisant la technique de dépôt par couches atomiques (ALD). Ces travaux nous ont permis de prouver l’intérêt majeur de l’ingénierie des jonctions tunnel du SET pour accroitre son courant à l’état passant, réduire son courant de fuite et étendre son fonctionnement à des températures plus élevées. / Today, several technological barriers and physical limitations arise against the miniaturization of the CMOS: leakage current, short channel effects, hot carrier effect and the reliability of the gate oxide. The single electron transistor (SET) is one of the emerging components most capable of replacing CMOS technology or provide it with complementary technology. The work of this thesis deals with the improvement of the electrical characteristics of the single electron transistor by optimizing its tunnel junctions. This optimization initially starts with a study of conduction modes through the tunnel junction. It concludes with the development of an optimized tunnel junction based on a stack of dielectric materials (mainly Al2O3, HfO2 and TiO2), having different properties in terms of barrier heights and relative permittivities. This document, therefore, presents the theoretical formulation of the SET’s requirements and of its tunnel junctions, the development of appropriate simulation tools - based on the transmission matrix model- for the simulation of the SET tunnel junctions current, the identification of tunnel junctions optimization strategies from the simulations results and finally the experimental study and technological integration of the optimized tunnel junctions into the metallic SET fabrication process using the atomic layer deposition (ALD) technique. This work allowed to demonstrate the significance of SET tunnel junctions engineering in order to increase its operating current while reducing leakage and improving its operation at higher temperatures.

Ce mémoire de maîtrise vise à étudier les propriétés physico-chimiques de couches minces organosiliciées produites par une décharge à barrière diélectrique à la pression atmosphérique (AP-DBD). Dans un premier temps, nous avons comparé des revêtements SiOCH sur verre obtenus en AP-DBD avec ceux produits dans un plasma à couplage capacitif à basse pression (LP-CCP). Dans les deux cas, en ayant recours à l’hexamethyldisiloxane et l’oxygène comme précurseurs chimiques pour le dépôt, on mesure un désordre structurel plus important avec une augmentation de la teneur en carbone dans la couche mince de SiOCH. On trouve également que la présence de groupes carbonés réduit leur adhésion au substrat. En particulier, la contrainte devant être appliquée avant qu’il y ait délamination semble fortement liée à la teneur en carbone. En dépit des différences dans les dynamiques de dépôt en AP-PECVD versus en LP-CCP, les procédés offrant des compositions chimiques similaires révèlent des propriétés mécaniques comparables (dureté, module de Young et élasticité). Dans un deuxième temps, nous avons déposé des couches minces SiOCH par AP-PECVD sur divers substrats polymériques à partir d’un précurseur cyclique (tetramethylcyclotetrasiloxane) plutôt que linéaire (hexamethyldisiloxane) dans un environnement semi-industriel. Dans ces conditions, les mesures de nanorayures (nanoscratch) indiquent que le substrat cède sous la contrainte appliquée avant qu’il y ait délamination de la couche mince déposée. De plus, en raison des faibles épaisseurs des revêtements, elles n’influencent pas réellement les propriétés mécaniques des substrats (dureté et module de Young). On note également que la teneur en carbone et la mouillabilité à l’eau sont étroitement liées à l’énergie déposée dans le plasma par molécule du précurseur. / This master thesis aims to examine the physicochemical properties of organosilicon thin films produced by atmospheric pressure, dielectric barrier discharges (AP-DBD). First, we compare SiOCH coatings deposited on glass by AP-DBD with those prepared by low-pressure, capacitively coupled plasma (LP-CCP). In both cases, using hexamethyldisiloxane and oxygen as chemical precursors for plasma deposition, a more important structural disorder was observed in SiOCH films with higher carbon content. We also show that the presence of functional carbon groups weakens the adhesion of the coatings to the substrate. In particular, the load needed to induce delamination seems to be strongly linked with the carbon content in the plasma deposited SiOCH thin films. Despite the differences in deposition dynamics in AP-PECVD versus LP-CCP, samples with similar chemical compositions reveal comparable mechanical properties (hardness, Young’s modulus, and elasticity index). Subsequently, we deposited SiOCH thin films by AP-PECVD on various polymeric substrates from a cyclic precursor (tetramethylcyclotetrasiloxane) instead of a linear one (hexamethyldisiloxane) in a semi-industrial environment. In these conditions, nanoscratch measurements indicate that the substrate breaks under load before any delamination of the coating can be observed. Furthermore, due to the low thickness of the plasma-deposited coatings, it is found that they do not influence the mechanical properties of the substrate (hardness and Young’s modulus). We also find that the carbon content and wettability with water are tightly related to the energy injected into the plasma per precursor molecules.