We contribute a quantitative and systematic model to capture etch non-uniformity in deep reactive ion etch of microelectromechanical systems (MEMS) devices. Deep reactive ion etch is commonly used in MEMS fabrication where high-aspect ratio features are to be produced in silicon. It is typical for many supposedly identical devices, perhaps of diameter 10 mm, to be etched simultaneously into one silicon wafer of diameter 150 mm. Etch non-uniformity depends on uneven distributions of ion and neutral species at the wafer level, and on local consumption of those species at the device, or die, level. An ion–neutral synergism model is constructed from data obtained from etching several layouts of differing pattern opening densities. Such a model is used to predict wafer-level variation with an r.m.s. error below 3%. This model is combined with a die-level model, which we have reported previously, on a MEMS layout. The two-level model is shown to enable prediction of both within-die and wafer-scale etch rate variation for arbitrary wafer loadings. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Thesis (doctoral)--Pontificia Universitas Urbaniana, 1990. / Includes bibliographical references (p. 133-142).

X-ray Computed Tomography (CT) is a process that produces three-dimensional x-ray images, allowing for better diagnosis and analysis of complex internal medical conditions. New advances in the optical techniques used in this process promise to produce better results while reducing patient risk. One of these developments calls for precise optical gratings that can be expensive and difficult to manufacture. This paper presents a simple process developed specifically for the production of these gratings using cost effective techniques. The process uses well understood semiconductor fabrication steps including oxidation, deep reactive ion etching and electroplating. While not entirely successful, the process presented within provides a proof of concept for development of the gratings and discusses improvements that could be made to allow for success. / Master of Science

Cette thèse porte sur une étude expérimentale et théorique de surfaces micro-structurées de silicium, obtenues par traitement dans un plasma SF6/02 à des températures cryogéniques. La texturation qui résulte de ce traitement confère à ces surfaces des propriétés remarquables. L'une d'entre elles est la capacité de piéger et absorber la lumière, qui se traduit par une couleur noire de ces surfaces, d'où l'appellation Black Silicon. Cette propriété qu'on retrouve dans la gamme spectrale du visible et du proche infra-rouge, présente un intérêt particulier pour la conversion d'énergie solaire, aussi bien par voie photovoltaïque que par voie photo-thermique. L'étude que nous avons menée a toutefois porté sur une gamme spectrale plus large, s'étendant jusqu'aux Térahertz. A cet effet, différentes techniques de caractérisation spectrales ont été mises en œuvre. L'analyse des résultats a été effectuée également au moyen de simulations électromagnétiques. Des corrélations ont été mises en évidence entre les propriétés optiques et les caractéristiques morphologiques des surfaces micro-structurées. L'analyse d'images prises au microscope électronique a permis d'esquisser une théorie pour tenter d'expliquer le mécanisme de formation des microstructures de Black Silicon. Enfin, un microcomposant a été réalisé en vue de mettre en œuvre le premier volet applicatif de ce travail. Il s'agit d'un dispositif de conversion photo-thermique qui incorpore des thermo-résistances en platine sur une surface de Black Silicon réalisée sur une membrane thermiquement isolée / This thesis deals with an experimental and theoretical study of micro-structured silicon surfaces, obtained by processing in SF6/02 plasma at cryogenic temperatures. Texturing which results from this treatment gives remarkable properties to these surfaces. One of them is the ability to trap and absorb light, resulting in a black color of the surface, hence the name of Black Silicon. This property that we find in the visible and near infrared spectral ranges, is of particular interest for solar energy conversion, both through photovoltaic and photo-thermal means. The study that we conducted, however, covered a much wider spectral range, extending to the Terahertz. For this purpose, different spectral characterization techniques have been implemented. Analysis of the results was also done using electromagnetic simulations. Correlations were found between the optical and morphological characteristics of micro-structured surfaces. The analysis of images taken by electron microscopy allowed sketching a theory attempting to explain the mechanism of formation of the microstructures of Black Silicon. Finally, a micro-component has been fabricated towards implementing the first part of this application work. It is a photo-thermal conversion device that incorporates platinum thermo-resistance on a surface of Black Silicon, realized on a thermally insulated Silicon membrane

The introduction of deep reactive ion etching (DRIE) technology has greatly expanded the accessible design space for microscopic systems. Structures that are hundreds of micrometers tall with aspect ratios of 40:1, heretofore impossible, can now be achieved. However, this technology is primarily a forming technology, sculpting structures from a substrate. This work seeks to complement deep reactive ion etching by developing an electrical isolation technology to enable electro-mechanical function in these new deep reactive ion etched structures. The objective of the research is twofold. The first is to develop and characterize an electrical isolation technology for DRIE, single crystal silicon (SCS) micro-electro-mechanical systems (MEMS) using temperature gradient zone melting (TGZM) of aluminum junctions for diodic isolation. The second is to demonstrate the utility of this electrical isolation technology in the design, simulation, fabrication, and testing of a MEMS device, i.e. a micro-gyroscope, in such a way that the benefits from junction isolated, deep reactive ion etched, single crystal silicon devices are preserved.

Les méta-matériaux offrent la possibilité d'obtenir des propriétés physiques nettement améliorées en comparaison avec celles des matériaux naturels. Dans ce travail, nous explorons une nouvelle variété de métamatériaux thermoélectriques à base de micro-et nano-structuration du silicium, sous la forme de super-réseaux verticaux, avec comme visée applicative la récupération d'énergie thermique ainsi que le refroidissement. En outre, nous focalisons nos efforts sur une méthodologie expérimentale permettant la réalisation de ces matériaux par des moyens simples et peu coûteux. La première partie de cette thèse sert d'introduction aux phénomènes thermiques qui constituent la base de la conduction électrique et de la dissipation de chaleur dans les nanostructures, respectivement par émission thermo-ionique et par la diffusion de phonons. Cette partie détaille également les principes et résultats de caractérisation thermique à l'aide des méthodes 3ω et 2ω. La deuxième partie de cette thèse décrit les approches de micro- nanostructuration descendante « top-down » et ascendante « bottom-up », en vue de la fabrication de super-réseaux nanométriques sur du silicium mono-cristallin. La nouvelle architecture verticale proposée soulève des défis technologiques qui sont traités à travers l'exploration de techniques expérimentales originales pour produire, d'une manière efficace et sur de grandes surfaces, des structures submicroniques à fort facteur de forme. Ces techniques comprennent l'utilisation de motifs résultant de lithographie traditionnelle combinée à l'extrusion pour en produire des structures volumiques. En outre, l'utilisation de nanofibres et de diblocs copolymères comme nano-motifs géométriques sont également présentés pour nous rapprocher davantage de l'objectif ultime du projet / Metamaterials offer the benefit of obtaining improved physical properties over natural materials. In this work, we explore a new variety of thermoelectric metamaterials based on silicon micro- and nano- structuration, in the form of vertical superlattices for use in energy-related applications. Additionally, we focus on a route towards fabricating these materials using simple and low-cost means compared to prior attempts. The first part of this thesis serves as an introduction to the thermal phenomena which form the basis for electrical conduction and heat dissipation by thermionic emission and phonon scattering at the nanoscale. These principles forms the crux of the device. This section also details the characterization principles and results using the 3ω and 2ω methods for thermal measurement. The second part of this thesis describes both top-down and bottom-up approaches towards fabricating nanoscale superlattices from single-crystalline silicon. The novel proposed vertical architecture raised technological challenges that were tackled through the exploration of original experimental techniques for producing high aspect ratio (HAR) structures in an effective manner and over large surface areas. These techniques include the use of traditional lithography patterning and subsequent extrusion of volumic structures. Additionally, the use of nanofibers and diblock copolymers as templates for further etching of HAR silicon nanostructures are also presented to bring us closer to the ultimate goal of the project

The regional economic intelligence devices (REID) recently appeared in France. We identified them like organizations developing seven actions of economic intelligence (watch, KM, animation, formation, council, protection, influence). We took part in the installation of one of the devices, in which infomediaries are responsible for promoting and coordinating the actions of EI to the profit of decision makers. Within the framework of this thesis, we sought to identify competences necessary for a better piloting of the REID. Our study led to making of a guide (SCREID : Specifications of competences of the Coordinator-Organizer in a REID) allowing to count the roles and competences necessary of the coordinator-organizer according to the actions of EI implemented in the REID. This tool makes it possible to generate a form a questionings on which one can be based to prepare a card of station in order to recruit an coordinator-organizer. SCREID allows the definition of a new profession and thus its integration within a reference frame of formation (repository of training), such as that proposed by A. Juillet. / Les dispositifs régionaux d'intelligence économique (DRIE) sont récemment apparus en France. Nous les avons identifiés comme des organisations développant sept actions d'intelligence économique (veille, KM, animation, formation, conseil, protection, influence). Nous avons participé à la mise en place d'un des dispositifs, dans lequel des infomédiaires sont chargés d'animer et de coordonner des actions d'IE au profit de décideurs. Dans le cadre de cette thèse, nous avons cherché à identifier les compétences nécessaires pour un meilleur pilotage du DRIE. Notre étude a abouti à l'élaboration d'un guide (CADRIE : Spécifications des compétences du Coordinateur-Animateur dans un DRIE) permettant de recenser les rôles et compétences nécessaires du coordinateur-animateur en fonction des actions d'IE mises en place dans les DRIE. Cet outil permet de générer un formulaire de questionnements sur lequel on peut s'appuyer pour élaborer une fiche de poste afin de recruter un coordinateur-animateur. CADRIE permet la définition d'un nouveau métier et ainsi son intégration au sein d'un référentiel de formation, tel que celui proposé par A. Juillet.

Cette thèse porte sur une étude expérimentale et théorique de surfaces micro-structurées de silicium, obtenues par traitement dans un plasma SF6/02 à des températures cryogéniques. La texturation qui résulte de ce traitement confère à ces surfaces des propriétés remarquables. L'une d'entre elles est la capacité de piéger et absorber la lumière, qui se traduit par une couleur noire de ces surfaces, d'où l'appellation Black Silicon. Cette propriété qu'on retrouve dans la gamme spectrale du visible et du proche infra-rouge, présente un intérêt particulier pour la conversion d'énergie solaire, aussi bien par voie photovoltaïque que par voie photo-thermique. L'étude que nous avons menée a toutefois porté sur une gamme spectrale plus large, s'étendant jusqu'aux Térahertz. A cet effet, différentes techniques de caractérisation spectrales ont été mises en œuvre. L'analyse des résultats a été effectuée également au moyen de simulations électromagnétiques. Des corrélations ont été mises en évidence entre les propriétés optiques et les caractéristiques morphologiques des surfaces micro-structurées. L'analyse d'images prises au microscope électronique a permis d'esquisser une théorie pour tenter d'expliquer le mécanisme de formation des microstructures de Black Silicon. Enfin, un microcomposant a été réalisé en vue de mettre en œuvre le premier volet applicatif de ce travail. Il s'agit d'un dispositif de conversion photo-thermique qui incorpore des thermo-résistances en platine sur une surface de Black Silicon réalisée sur une membrane thermiquement isolée

In this work, MEMS based fabrication is used to engineer multifaceted enhancements to microfluidic systems such as lab-on-a-chip devices. Two specific elements of microfluidic systems are the focus of this study: microfluidic chambers and microneedles. Microfluidic chambers, which are back-end passive elements, via proposed material and structural modifications, are shown to exhibit reduced non-specific DNA binding and enable increased cell lysis efficiency. Microneedles, which are front-end interfacing elements, have been fabricated in silicon and in silicon dioxide varieties. The geometry of silicon microneedles has been varied via DRIE processing to yield sharpened tips. Sharpening of microneedle tips provides reduced skin insertion force without compromising structural strength. Variation of skin insertion force of microneedles with change in tip sharpness has been studied, and toughness of human skin derived to be approximately 26 kJ/m². The axial and shear fracture limits of the microneedles have also been studied. Axial fracture of 36 gauge silicon needles takes place at an average force of 740gf. Shear fracture force of silicon needles varies from 275gf (33 gauge needles) to 35.6gf (36 gauge needles). Fracture limits of circular and square shaped silicon dioxide needles show reduced strength of square needles; which is pronounced in the case of shear fracture.

The ability to inject DNA and other foreign particles into cells, both germ cells (e.g. to produce transgenic animals) and somatic cells (e.g. for gene therapy), is a powerful tool in genetic research. Nanoinjection is a method of DNA delivery that combines mechanical and electrical methods. It has proven to have higher cell viability than traditional microinjection, resulting in higher integration per injected embryo. The nanoinjection process can be performed on thousands of cells simultaneously using an array of microneedles that is inserted into a monolayer of cells. This thesis describes the needle array design requirements and the fabrication process used to meet them. The process uses unpassivated and passivated deep reactive ion etching (DRIE) to create needles with a constant diameter shaft and a pointed tip. The needle diameter and height are about 1 µm and 8 µm, respectively. A buckling analysis and physical testing show that the needles can withstand the force required to penetrate the cells. The chip is attached to a plastic suspension with a counter electrode and electrical connections to a voltage source. The suspension's motion is defined by two compliant orthoplanar springs that have been vertically and rotationally offset for added stability. The base of the suspension is designed to exactly fit in the bottom of a cell culture dish, where the needle array can be pushed into the cell monolayer. Injection protocol was created and followed to perform tests with needle insertion only, voltage application only, and the full nanoinjection process. The average cell viability for the full injection process was 98.2% compared to an average control viability of 99.5%. Zero volt injections with a high concentration of propidium iodide, a cell impermeable dye with two positive charges, resulted in dye uptake from diffusion, proving that the needles are penetrating the cells. Tests comparing injections with and without voltage had high variability in dye uptake. Therefore, glass cover slips were placed in the culture dishes to provide more consistent injection conditions. This reduced variation in zero voltage tests. It is recommended that this procedure be followed for performing injections with voltage.