En lien avec l’avancée rapide de la réduction de la taille des motifs en microfabrication, des processus physiques négligeables à plus grande échelle deviennent dominants lorsque cette taille s’approche de l’échelle nanométrique. L’identification et une meilleure compréhension de ces différents processus sont essentielles pour améliorer le contrôle des procédés et poursuivre la «nanométrisation» des composantes électroniques. Un simulateur cellulaire à l’échelle du motif en deux dimensions s’appuyant sur les méthodes Monte-Carlo a été développé pour étudier l’évolution du profil lors de procédés de microfabrication. Le domaine de gravure est discrétisé en cellules carrées représentant la géométrie initiale du système masque-substrat. On insère les particules neutres et ioniques à l’interface du domaine de simulation en prenant compte des fonctions de distribution en énergie et en angle respectives de chacune des espèces. Le transport des particules est effectué jusqu’à la surface en tenant compte des probabilités de réflexion des ions énergétiques sur les parois ou de la réémission des particules neutres. Le modèle d’interaction particule-surface tient compte des différents mécanismes de gravure sèche telle que la pulvérisation, la gravure chimique réactive et la gravure réactive ionique. Le transport des produits de gravure est pris en compte ainsi que le dépôt menant à la croissance d’une couche mince. La validité du simulateur est vérifiée par comparaison entre les profils simulés et les observations expérimentales issues de la gravure par pulvérisation du platine par une source de plasma d’argon. / With the reduction of feature dimensions, otherwise negligible processes are becoming dominant in microfabricated profile evolution. Improved understanding of these different processes is essential to improve the control of the microfabrication processes and to further decrease of the feature size. To help attaining such control, a 2D feature scale cellular simulator using Monte-Carlo techniques was developed. The calculation domain is discretized in square cells representing empty space, substrate or mask of the initial system. Neutral and ion species are inserted at simulation interface from their respective angular and energy distributions functions. Particles transport to the feature surface is calculated while taking into account ion reflection on sidewall and neutral reemission. The particles-surface interaction model includes the different etching mechanisms such as sputtering, reactive etching and reactive ion etching. Etch product transport is also taken into account as is their deposition leading to thin film growth. Simulation validity is confirmed by comparison between simulated profiles and experimental observations issued from sputtering of platinum in argon plasma source.

Les horloges atomiques miniatures présentent des stabilités de fréquence inégalées avec des volumes de quelquescentimètres cubes et des consommations inférieures à 100mW.Dans cette thèse, les paramètres optimaux concernant la conception et la fabrication des cellules à vapeur decésium, un des composant clés de ce type d’horloges, sont définis. Ainsi, les performances de plusieurs cellulesont été caractérisées en condition d’horloge à court et long terme. En parallèle, des solutions sont proposéespour pallier à certaines limitations telles que la plage de température opérationnelle, le coût de fabrication dudispositif et la facilité d’assemblage du module physique.Un nouveau mélange de gaz tampon composé de néon et d’hélium peut étendre la plage de fonctionnementau-dessus de 80 C, en adéquation avec les besoins industriels. A l’inverse des gaz tampon usuels, ce mélangeest compatible avec les dispensers de césium solides, dont la fiabilité est établie.Outre les gaz tampon, les revêtements permettent également de limiter la relaxation induite par les parois dela cellule. Ici, des revêtements d’octadécyltrichlorosilane sont étudiés. Un effet anti-relaxant a été observé dansdes cellules centimétriques et un procédé a été développé pour revêtir des cellules micro-fabriquées.D’autres sources de césium sont présentées pour s’affranchir des inconvénients propres aux dispensers solides.Un dispenser sous forme de pâte, qui peut être déposée collectivement, a été étudié et montre des densitésatomiques stables jusqu’à présent. Un concept de vannes hermétiques micro-fabriquées a été proposé poursceller hermétiquement et séparer des cellules d’un réservoir de césium commun.Les premières étapes vers un module physique micro-fabriqué sont ensuite présentées. En particulier, un designoriginal de cellule combinant des réseaux de diffraction à une cavité en silicium formée par gravure anisotropea été caractérisé et a montré des contrastes CPT remarquables malgré un volume de cavité réduit, ce qui permettraitde réaliser un module physique particulièrement compact. Enfin, des cellules intégrant des résistanceschauffantes et thermométriques ont été fabriquées et leur compatibilité vis-à-vis du champ magnétique généréa été caractérisée dans un prototype de module physique compact. / Chip-scale atomic clocks (CSACs) provide unprecedented frequency stability within volumes down to a fewcubic centimeters and power consumptions as low as 100mW.In this work, we determine the optimal parameters regarding the design and the fabrication of cesium vaporcells, one of the key components of a CSAC. For this purpose, cells were characterized on both short and longtermperformances in clock setups. In addition, we propose solutions to overcome present limitations includingthe operating temperature range, the device microfabrication cost and the ease of integration of the physicspackage.A novel mixture of buffer-gas composed of neon and helium was found to potentially extend the operating rangeof the device above 80 C, meeting the industrial requirements. Unlike the well-known buffer gas compositions,this mixture is compatible with solid cesium dispensers whose reliability is established. As an alternativeto buffer gases, wall coatings are known to limit the relaxation induced by sidewalls. Here, we investigatedoctadecyltrichlorosilane (OTS) coatings. An anti-relaxation effect has been observed in centimeter-scale cellsand a process was developed to coat microfabricated cells.Other cesium sources have been investigated to overcome the drawbacks imposed by solid cesium dispensers. Apaste-like dispenser, which can be deposited collectively, was explored and has shown stable atomic densities sofar. Single-use zero-leak micro valves were also proposed to hermetically seal and detach cells from a commoncesium reservoir.Eventually, the first steps toward a microfabricated physics package were made. In particular, an originalcell design combining diffraction gratings with an anisotropically etched single-crystalline silicon sidewalls wascharacterized and exhibited remarkable CPT contrasts despite a reduced cavity volume, which could lead to amore compact physics package. Finally, cells with integrated heating and temperature sensing resistors werefabricated and their magnetic field compliance was characterized in a compact physics package prototype.

Le développement de l'internet des objets au service des " Smart Cities " requière des sources d'énergie miniaturisées. Ces travaux concernent la préparation de micro- supercondensateurs à hautes performances par voies sèches. Des films minces de carbure de titane ont été déposés sur wafer de silicium par pulvérisation, puis convertis par chloration partielle en films de carbone dérivé de carbure microporeux adhérents. 205 mF.cm-2 / 410 F.cm-3 ont été délivrés en milieu 1M H2SO4, et 170 F.cm-3 dans un mélange de liquide ionique et d'acétonitrile en contrôlant la taille des micropores. Les micro-supercondensateurs préparés sur wafer par cette voie, compatible avec les techniques de microfabrication utilisées dans l'industrie des semi-conducteurs, surpassent les performances des micro-supercondensateurs sur puce rapportées jusqu'alors. Enfin, l'écriture laser d'oxydes commerciaux sur polyimide s'est avérée prometteuse pour la préparation de micro-supercondensateurs flexibles. / The development of the internet of things, serving the concept of Smart Cities, demands miniaturized energy storage devices. Electrochemical double layer capacitors (or so called EDLCs) are a good candidate as they can handle fast charge and discharge over 1,000,000 cycles. This work focuses on the preparation of high performance micro- supercapacitors using non wet processing routes. Titanium carbide (TiC) thin films were first deposited on silicon wafer by non-reactive DC magnetron sputtering. The deposition parameters, such as pressure and temperature, were optimized to prepare dense and thick TiC films. Then, microporous carbide-derived carbon (CDC) films with sub-nanometer pore diameters were obtained by removing the metallic atoms of the TiC films under chlorine atmosphere. Partial chlorination led to strongly adherent TiC-CDC films which could be used as electrode in aqueous electrolyte. Capacitance values of 205 mF.cm-2 / 410 F.cm-3 were delivered in 1M H2SO4, and were stable over 10,000 cycles. In order to increase the energy density of the on-chip electrodes, the pore sizes were increased to accommodate the larger ions of organic electrolytes, by performing chlorination at higher temperatures. The 700°C chlorinated TiC-CDC electrodes delivered up to 72 mF.cm-2 within a 3 V potential window in an ionic liquid / acetonitrile mixture. Another strategy consisted in the grafting of anthraquinone (AQ) molecules, which brought additional faradic contribution to the capacitive current. Electrochemical grafting by pulsed chronoamperometry allowed to double the TiC-CDC capacitance in aqueous electrolyte (1M KOH). On-chip CDC-based micro-supercapacitors were successfully prepared via reactive ion etching/ inductive coupled plasma procedure followed by chlorination. This non-wet processing route is fully compatible with the microfabrication techniques used in the semi-conductor industry, and the as-prepared micro-devices outperforms the current state of art of on-chip micro-supercapacitors. Aside, the preparation of flexible micro-supercapacitors was achieved via direct laser-writing, which provided a facile and scalable engineering with low cost. Ruthenium oxide (RuO2)-based interdigitated electrodes were obtained from laser-writing of a commercial RuO2.xH2O / cellulose acetate mixture spin-coated onto KaptonTM. Capacitance values of ~30 mF.cm-2 were recorded in 1M H2SO4 for the flexible device. This work open the way for the design of high performance micro-devices at a large scale.

La combinaison du phénomène physique de piégeage cohérent de population (CPT), les techniques de micro-fabrication et les diodes laser à semi-conducteur permet le développement de micro-horloges atomiques présentant une stabilité relative de fréquence journalière 2 ordres de grandeur meilleure que celle des oscillateurs à quartz massivement utilisés pour un volume et une puissance de consommation similaires. Ces micro-horloges atomiques reposent sur l’interaction entre un module physique et une carte électronique pilotant l’horloge.Ce travail de thèse, co-encadré par le laboratoire FEMTO-ST et l’industriel Tronics Microsystems, soutenue activement par la DGA dans le cadre des projets DGA HABAC puis DGA EDAM, a eu pour but la conception, simulation thermique et magnétique, réalisation et caractérisation métrologique en horloge de modules physiques hautement miniaturisés, répondant aux contraintes et spécifications d’une micro-horloge industrielle pour applications stratégiques. Deux concepts de modules physiques ont été proposés, la différence essentielle étant le chemin lumineux.Le module physique intègre une diode laser VCSEL (vertical-cavity surface emitting laser), des éléments optiques pour le routage et la polarisation du faisceau lumineux, une microcellule à vapeur de césium diluée par une pression de gaz tampon (développée à FEMTO-ST et transférée industriellement à Tronics Microsystems), un photodétecteur et divers capteurs/actuateurs pour stabiliser la température d’éléments-clés. L’ensemble est inséré dans un cube de dimensions extérieures 15*15*13 cm3, lui-même entouré d’un solénoide pour appliquer un champ magnétique directeur et un blindage magnétique mu-métal. La consommation de ces modules physiques en régime permanent est de l’ordre de 250 mW à température ambiante.Ces modules physiques ont été testés à l’aide d’une électronique de laboratoire non intégrée. Des performances de stabilité relative de fréquence proches de l’état de l’art mondial, de l’ordre de 2,5.10-11 à 1 s et meilleures que 2 10-11 à 105 s, ont été démontrées en environnement calme. Pour l’aboutissement des performances ultimes sur la stabilité de fréquence d’horloge moyen et long terme (temps d’intégration supérieurs à 100-1000s) ont été mises en œuvre des techniques avancées, par le biais de deux boucles d’asservissement supplémentaires, visant à réduire drastiquement les effets de déplacement lumineux, eux-mêmes largement dépendants de la température extérieure et du bloc optique. Ces études ont aussi été associées à l’étude de la stabilité de l’atmosphère interne de microcellules, potentiellement limitée par des phénomènes de perméation de gaz tampon à travers le verre de la cellule. En ce sens, des tests de « vieillissement » préliminaires, menées sur 15-21 jours, ont été menés sur plusieurs microcellules, adoptant soit des verres de type borofloat, soit des verres de type alumino-sicilicaté (ASG). Dans le cas de microcellules Cs-Ne, ce phénomène de fuite est estimé pouvoir limiter la stabilité des micro-horloges atomiques à un niveau proche de 10-11 à 1 jour. Des tests, menés sur des cellules Cs-He, démontrent une réduction significative de presque 2 ordres de grandeur de ces phénomènes de fuite avec l’utilisation de verres alumino-silicatés (ASG). / The combination of coherent population trapping (CPT) physics, microfabrication techniques and semi-conductor diode lasers has allowed the development of miniature atomic clocks exhibiting a fractional frequency stability at 1 day averaging time up to 2 orders of magnitude better than massively-used quartz-crystal oscillators for a similar volume and power consumption. These miniature atomic clocks associate a fully-miniaturized physics package and an electronics card that drives the clock.This thesis, supervised by FEMTO-ST and Tronics Microsystems and actively supported by DGA in the frame of projects DGA HABAC and DGA EDAM, targeted to the design, thermal and magnetic simulation, development and metrological characterization in clock operation of fully-miniaturized physics packages. These physics packages have to respond to constraints and specifications of an industrial miniature atomic clock for strategic applications. Two designs of physics package have been proposed, the main difference between them being the optical path.The physics package integrates a VCSEL (vertical-cavity surface emitting laser) diode laser, optical components to route and polarize the laser beam, a buffer-gas filled Cs vapor microfabricated cell (developed in FEMTO-ST and industrially transferred to Tronics Microsystems), a photodetector and several sensors/actuators to stabilize the temperature of key elements. The ensemble is inserted into a 15*15*13 mm3 « cube », surrounded by a solenoid to apply a static magnetic field and a mu-metal magnetic shielding. The power consumption of the physics package is about 250 mW in the steady-state at room temperature.Physics packages have been tested in clock operation with a non-integrated laboratory-prototype electronics support. State-of-the-art clock fractional frequency stability performances at the level of 2.5 10-11 and 2 10-11 at 1 and 105 s averaging time respectively have been demonstrated in a quiet environment. In order to demonstrate best mid-term stability performances, advanced techniques have been implemented through two additional servo loops, aiming to reduce dramatically temperature-induced light-shift effects. Studies targeting to evaluate the stability of the microcell inner atmosphere, possibly limited by gas permeation effects through the cell windows, have been also performed. In that sense, preliminary “aging” tests, performed over 15-21 days measurements, have been investigated with different microcells, adopting borofloat glass or alumino-silicate glass (ASG). In the case of Cs-Ne microcells, this phenomenon is measured and estimated to limit the clock fractional frequency stability at a level o about 10-11 at 1 day. Other tests, led with Cs-He cells, have demonstrated a significant reduction by almost 2 orders of magnitude of these leakage phenomena using ASG wafers.

A l’heure actuelle, la microfluidique est une science en plein développement ayant un besoin croissant de dispositifs permettant de générer des écoulements aux échelles micrométriques. Les phénomènes physiques mis en jeu lors du mouvement d’un fluide sont en effet majoritairement gouvernés par la viscosité (bas nombre de Reynolds) contrairement aux écoulements macroscopiques dominés par les effets inertiels.Dans cette thèse, les écoulements engendrés par le mouvement de parois mobiles ont été étudiés en vue d’une application aux micropompes, dispositifs essentiels en microfluidique.Dans une première partie, une étude analytique et numérique évalue la possibilité de générer un écoulement par un cylindre en rotation à proximité de parois mobiles.Les résultats obtenus du régime de Stokes (Re=0) jusqu’à un nombre de Reynolds Re=60 en régime stationnaire témoignent du potentiel notable d’intégration de cette géométrie dans les microsystèmes en tant que micropompes.Dans une seconde partie, une micropompe, basée sur un principe de fonctionnement novateur, est conçue par l’intermédiaire des techniques de microfabrication. Dans cette optique, le procédé de gravure RIE d’un élastomère est entièrement développé. Les performances de la micropompe en terme de pression et débit générés dépassent l’état de l’art des microsystèmes similaires et ceci en utilisant une technologie simple et bas-coût / Currently, microfluidic is a science field in constant development with an increasing need of devices able to generate flows at the micrometer order. At these length scales, physical phenomenons occurring in a moving fluid are mainly governed by its viscosity (low Reynolds number) contrary to macroscale flows dominated by inertial effects.In this thesis, a study on flows engendered by moving walls has been carried to fulfill to micropumps devices.In a first part, an analytical and a numerical study evaluates the possibility to generate a flow for a rotating cylinder close to moving boundaries.The results ranging from Stokes flows (Re=0) up to the low Reynolds number Re=60 in the stationary regime reveals the noticeable potential of integrating this device in microsystems as a micropump. In a second part, a new micropump, based on an innovative principle, is designed thanks to microfabrication technologies. In this perspective, the etching process of an elastomer called Silastic S is developed. Micropump performances in terms of pressure and flow rate are beyond the state of the art for similar microsystems and are achieved by using a simple and low-cost technology

Numerous applications in neuroscience research and neural prosthetics, such as retinal prostheses, spinal-cord surface stimulation for prosthetics, electrocorticogram (ECoG) recording for epilepsy detection, etc., involve electrical interaction with soft excitable tissues using a surface stimulation and/or recording approach. These applications require an interface that is able to set up electrical communications with a high throughput between electronics and the excitable tissue and that can dynamically conform to the shape of the soft tissue. Being a compliant and biocompatible material with mechanical impedance close to that of soft tissues, polydimethylsiloxane (PDMS) offers excellent potential as the substrate material for such neural interfaces. However, fabrication of electrical functionalities on PDMS has long been very challenging. This thesis work has successfully overcome many challenges associated with PDMS-based microfabrication and achieved an integrated technology platform for PDMS-based stretchable microelectrode arrays (sMEAs). This platform features a set of technological advances: (1) we have fabricated uniform current density profile microelectrodes as small as 10 microns in diameter; (2) we have patterned high-resolution (feature as small as 10 microns), high-density (pitch as small as 20 microns) thin-film gold interconnects on PDMS substrate; (3) we have developed a multilayer wiring interconnect technology within the PDMS substrate to further boost the achievable integration density of such sMEA; and (4) we have invented a bonding technology---via-bonding---to facilitate high-resolution, high-density integration of the sMEA with integrated circuits (ICs) to form a compact implant. Taken together, this platform provides a high-resolution, high-density integrated system solution for neural and muscular surface interfacing. sMEAs of example designs are evaluated through in vitro and in vivo experimentations on their biocompatibility, surface conformability, and surface recording/stimulation capabilities, with a focus on epimysial (i.e. on the surface of muscle) applications. Finally, as an example medical application, we investigate a prosthesis for unilateral vocal cord paralysis (UVCP) based on simultaneous multichannel epimysial recording and stimulation.

R??sum?? : L???isolation thermique est essentielle dans de nombreux types de MEMS (micro-syst??mes ??lectro-m??caniques). Elle permet de r??duire la consommation d?????nergie, am??liorer leurs performances, ou encore isoler la zone chaude du reste du dispositif, ce qui est essentiel dans les syst??mes sur puce. Il existe quelques mat??riaux et techniques d???isolation pour les MEMS, mais ils sont limit??s. En effet, soit ils ne proposent pas un niveau d???isolation suffisant, sont trop fragiles, ou imposent des contraintes trop importantes sur la conception du dispositif et sont difficiles ?? int??grer. Une approche int??ressante pour l???isolation, d??montr??e dans la litt??rature, est de fabriquer des pores de taille nanom??trique dans le silicium par gravure ??lectrochimique. En nanostructurant le silicium ainsi, on peut diviser sa conductivit?? thermique par un facteur de 100 ?? 1000, le transformant en isolant thermique. Cette solution est id??ale pour l???int??gration dans les proc??d??s de fabrication existants des MEMS, car on garde le silicium qui est d??j?? utilis?? pour leur fabrication, mais en le nanostructurant localement, on le rend isolant l?? o?? on en a besoin. Par contre sa porosit?? cause des probl??mes : mauvaise r??sistance chimique, structure instable au-del?? de 400??C, et tenue m??canique r??duite. La facilit?? d???int??gration des semiconducteurs poreux est un atout majeur, nous visons donc de r??duire les d??savantages de ces mat??riaux afin de favoriser leur int??gration dans des dispositifs en silicium. Nous avons identifi?? deux approches pour atteindre cet objectif : i) am??liorer le Si poreux ou ii) d??velopper un nouveau mat??riau. La premi??re approche consiste ?? amorphiser le Si poreux en l???irradiant avec des ions ?? haute ??nergie (uranium, 110 MeV). Nous avons montr?? que l???amorphisation, m??me partielle, du Si poreux entra??ne une diminution de sa conductivit?? thermique, sans endommager sa structure poreuse. Cette technique r??duit sa conductivit?? thermique jusqu????? un facteur de trois, et peut ??tre combin??e avec une pr??-oxydation afin d???atteindre une r??duction d???un facteur cinq. Donc cette m??thode permet de r??duire la porosit?? du Si poreux, et d???att??nuer ainsi les probl??mes de fragilit?? m??canique caus??s par la porosit?? ??lev??e, tout en gardant un niveau d???isolation ??gal. La seconde approche est de d??velopper un nouveau mat??riau. Nous avons choisi le SiC poreux : le SiC massif a des propri??t??s physiques sup??rieures ?? celles du Si, et donc ?? priori le SiC poreux devrait conserver cette sup??riorit??. La fabrication du SiC poreux a d??j?? ??t?? d??montr??e dans la litt??rature, mais avec peu d?????tudes d??taill??es du proc??d??. Sa conductivit?? thermique et tenue m??canique n???ont pas ??t?? caract??ris??es, et sa tenue en temp??rature que de fa??on incompl??te. Nous avons men?? une ??tude syst??matique de la porosification du SiC en fonction de la concentration en HF et le courant. Nous avons impl??ment?? un banc de mesure de la conductivit?? thermique par la m??thode ?? 3 om??ga ?? et l???avons utilis?? pour mesurer la conductivit?? thermique du SiC poreux. Nous avons montr?? qu???elle est environ deux ordres de grandeur plus faible que celle du SiC massif. Nous avons aussi montr?? que le SiC poreux est r??sistant ?? tous les produits chimiques typiquement utilis??s en microfabrication sur silicium. D???apr??s nos r??sultats il est stable jusqu????? au moins 1000??C et nous avons obtenu des r??sultats qualitatifs encourageants quant ?? sa tenue m??canique. Nos r??sultats signifient donc que le SiC poreux est compatible avec la microfabrication, et peut ??tre int??gr?? dans les MEMS comme isolant thermique. // Abstract : Thermal insulation is essential in several types of MEMS (micro electro-mechanical systems). It can help reduce power consumption, improve performance, and can also isolate the hot area from the rest of the device, which is essential in a system-on-chip. A few materials and techniques currently exist for thermal insulation in MEMS, but these are limited. Indeed, either they don???t have provide a sufficient level of insulation, are too fragile, or restrict design of the device and are difficult to integrate. A potentially interesting technique for thermal insulation, which has been demonstrated in the literature, is to make nanometer-scale pores in silicon by electrochemical etching. By nanostructuring silicon in this way, its thermal conductivity is reduced by a factor of 100 to 1000, transforming it into a thermal insulator. This solution is ideal for integration in existing MEMS fabrication processes, as it is based on the silicon substrates which are already used for their fabrication. By locally nanostructuring these substrates, silicon is made insulating wherever necessary. However the porosity also causes problems : poor chemical resistance, an unstable structure above 400???C, and reduced mechanical properties. The ease of integration of porous semiconductors is a major advantage, so we aim to reduce the disadvantages of these materials in order to encourage their integration in silicon-based devices. We have pursued two approaches in order to reach this goal : i) improve porous Si, or ii) develop a new material. The first approach uses irradiation with high energy ions (100 MeV uranium) to amorphise porous Si. We have shown that amorphisation, even partial, of porous Si leads to a reduction of its thermal conductivity, without damaging its porous structure. This technique can reduce the thermal conductivity of porous Si by up to a factor of three, and can be combined with a pre-oxidation to achieve a five-fold reduction of thermal conductivity. Therefore, by using this method we can use porous Si layers with lower porosity, thus reducing the problems caused by the fragility of high-porosity layers, whilst keeping an equal level of thermal insulation. The second approach is to develop a new material. We have chosen porous SiC: bulk SiC has exceptional physical properties and is superior to bulk Si, so porous SiC should be superior to porous Si. Fabrication of porous SiC has been demonstrated in the literature, but detailed studies of the process are lacking. Its thermal conductivity and mechanical properties have never been measured and its high-temperature behaviour has only been partially characterised. We have carried out a systematic study of the effects of HF concentration and current on the porosification process. We have implemented a thermal conductivity measurement setup using the ???3 omega??? method and used it to measure the thermal conductivity of porous SiC. We have shown that it is about two orders of magnitude lower than that of bulk SiC. We have also shown that porous SiC is chemically inert in the most commonly used solutions for microfabrication. Our results show that porous SiC is stable up to at least 1000???C and we have obtained encouraging qualitative results regarding its mechanical properties. This means that porous SiC is compatible with microfabrication processes, and can be integrated in MEMS as a thermal insulation material.

R??sum?? : L???isolation thermique est essentielle dans de nombreux types de MEMS (micro-syst??mes ??lectro-m??caniques). Elle permet de r??duire la consommation d?????nergie, am??liorer leurs performances, ou encore isoler la zone chaude du reste du dispositif, ce qui est essentiel dans les syst??mes sur puce. Il existe quelques mat??riaux et techniques d???isolation pour les MEMS, mais ils sont limit??s. En effet, soit ils ne proposent pas un niveau d???isolation suffisant, sont trop fragiles, ou imposent des contraintes trop importantes sur la conception du dispositif et sont difficiles ?? int??grer. Une approche int??ressante pour l???isolation, d??montr??e dans la litt??rature, est de fabriquer des pores de taille nanom??trique dans le silicium par gravure ??lectrochimique. En nanostructurant le silicium ainsi, on peut diviser sa conductivit?? thermique par un facteur de 100 ?? 1000, le transformant en isolant thermique. Cette solution est id??ale pour l???int??gration dans les proc??d??s de fabrication existants des MEMS, car on garde le silicium qui est d??j?? utilis?? pour leur fabrication, mais en le nanostructurant localement, on le rend isolant l?? o?? on en a besoin. Par contre sa porosit?? cause des probl??mes : mauvaise r??sistance chimique, structure instable au-del?? de 400??C, et tenue m??canique r??duite. La facilit?? d???int??gration des semiconducteurs poreux est un atout majeur, nous visons donc de r??duire les d??savantages de ces mat??riaux afin de favoriser leur int??gration dans des dispositifs en silicium. Nous avons identifi?? deux approches pour atteindre cet objectif : i) am??liorer le Si poreux ou ii) d??velopper un nouveau mat??riau. La premi??re approche consiste ?? amorphiser le Si poreux en l???irradiant avec des ions ?? haute ??nergie (uranium, 110 MeV). Nous avons montr?? que l???amorphisation, m??me partielle, du Si poreux entra??ne une diminution de sa conductivit?? thermique, sans endommager sa structure poreuse. Cette technique r??duit sa conductivit?? thermique jusqu????? un facteur de trois, et peut ??tre combin??e avec une pr??-oxydation afin d???atteindre une r??duction d???un facteur cinq. Donc cette m??thode permet de r??duire la porosit?? du Si poreux, et d???att??nuer ainsi les probl??mes de fragilit?? m??canique caus??s par la porosit?? ??lev??e, tout en gardant un niveau d???isolation ??gal. La seconde approche est de d??velopper un nouveau mat??riau. Nous avons choisi le SiC poreux : le SiC massif a des propri??t??s physiques sup??rieures ?? celles du Si, et donc ?? priori le SiC poreux devrait conserver cette sup??riorit??. La fabrication du SiC poreux a d??j?? ??t?? d??montr??e dans la litt??rature, mais avec peu d?????tudes d??taill??es du proc??d??. Sa conductivit?? thermique et tenue m??canique n???ont pas ??t?? caract??ris??es, et sa tenue en temp??rature que de fa??on incompl??te. Nous avons men?? une ??tude syst??matique de la porosification du SiC en fonction de la concentration en HF et le courant. Nous avons impl??ment?? un banc de mesure de la conductivit?? thermique par la m??thode ?? 3 om??ga ?? et l???avons utilis?? pour mesurer la conductivit?? thermique du SiC poreux. Nous avons montr?? qu???elle est environ deux ordres de grandeur plus faible que celle du SiC massif. Nous avons aussi montr?? que le SiC poreux est r??sistant ?? tous les produits chimiques typiquement utilis??s en microfabrication sur silicium. D???apr??s nos r??sultats il est stable jusqu????? au moins 1000??C et nous avons obtenu des r??sultats qualitatifs encourageants quant ?? sa tenue m??canique. Nos r??sultats signifient donc que le SiC poreux est compatible avec la microfabrication, et peut ??tre int??gr?? dans les MEMS comme isolant thermique. // Abstract : Thermal insulation is essential in several types of MEMS (micro electro-mechanical systems). It can help reduce power consumption, improve performance, and can also isolate the hot area from the rest of the device, which is essential in a system-on-chip. A few materials and techniques currently exist for thermal insulation in MEMS, but these are limited. Indeed, either they don???t have provide a sufficient level of insulation, are too fragile, or restrict design of the device and are difficult to integrate. A potentially interesting technique for thermal insulation, which has been demonstrated in the literature, is to make nanometer-scale pores in silicon by electrochemical etching. By nanostructuring silicon in this way, its thermal conductivity is reduced by a factor of 100 to 1000, transforming it into a thermal insulator. This solution is ideal for integration in existing MEMS fabrication processes, as it is based on the silicon substrates which are already used for their fabrication. By locally nanostructuring these substrates, silicon is made insulating wherever necessary. However the porosity also causes problems : poor chemical resistance, an unstable structure above 400???C, and reduced mechanical properties. The ease of integration of porous semiconductors is a major advantage, so we aim to reduce the disadvantages of these materials in order to encourage their integration in silicon-based devices. We have pursued two approaches in order to reach this goal : i) improve porous Si, or ii) develop a new material. The first approach uses irradiation with high energy ions (100 MeV uranium) to amorphise porous Si. We have shown that amorphisation, even partial, of porous Si leads to a reduction of its thermal conductivity, without damaging its porous structure. This technique can reduce the thermal conductivity of porous Si by up to a factor of three, and can be combined with a pre-oxidation to achieve a five-fold reduction of thermal conductivity. Therefore, by using this method we can use porous Si layers with lower porosity, thus reducing the problems caused by the fragility of high-porosity layers, whilst keeping an equal level of thermal insulation. The second approach is to develop a new material. We have chosen porous SiC: bulk SiC has exceptional physical properties and is superior to bulk Si, so porous SiC should be superior to porous Si. Fabrication of porous SiC has been demonstrated in the literature, but detailed studies of the process are lacking. Its thermal conductivity and mechanical properties have never been measured and its high-temperature behaviour has only been partially characterised. We have carried out a systematic study of the effects of HF concentration and current on the porosification process. We have implemented a thermal conductivity measurement setup using the ???3 omega??? method and used it to measure the thermal conductivity of porous SiC. We have shown that it is about two orders of magnitude lower than that of bulk SiC. We have also shown that porous SiC is chemically inert in the most commonly used solutions for microfabrication. Our results show that porous SiC is stable up to at least 1000???C and we have obtained encouraging qualitative results regarding its mechanical properties. This means that porous SiC is compatible with microfabrication processes, and can be integrated in MEMS as a thermal insulation material.

En lien avec l’avancée rapide de la réduction de la taille des motifs en microfabrication, des processus physiques négligeables à plus grande échelle deviennent dominants lorsque cette taille s’approche de l’échelle nanométrique. L’identification et une meilleure compréhension de ces différents processus sont essentielles pour améliorer le contrôle des procédés et poursuivre la «nanométrisation» des composantes électroniques. Un simulateur cellulaire à l’échelle du motif en deux dimensions s’appuyant sur les méthodes Monte-Carlo a été développé pour étudier l’évolution du profil lors de procédés de microfabrication. Le domaine de gravure est discrétisé en cellules carrées représentant la géométrie initiale du système masque-substrat. On insère les particules neutres et ioniques à l’interface du domaine de simulation en prenant compte des fonctions de distribution en énergie et en angle respectives de chacune des espèces. Le transport des particules est effectué jusqu’à la surface en tenant compte des probabilités de réflexion des ions énergétiques sur les parois ou de la réémission des particules neutres. Le modèle d’interaction particule-surface tient compte des différents mécanismes de gravure sèche telle que la pulvérisation, la gravure chimique réactive et la gravure réactive ionique. Le transport des produits de gravure est pris en compte ainsi que le dépôt menant à la croissance d’une couche mince. La validité du simulateur est vérifiée par comparaison entre les profils simulés et les observations expérimentales issues de la gravure par pulvérisation du platine par une source de plasma d’argon. / With the reduction of feature dimensions, otherwise negligible processes are becoming dominant in microfabricated profile evolution. Improved understanding of these different processes is essential to improve the control of the microfabrication processes and to further decrease of the feature size. To help attaining such control, a 2D feature scale cellular simulator using Monte-Carlo techniques was developed. The calculation domain is discretized in square cells representing empty space, substrate or mask of the initial system. Neutral and ion species are inserted at simulation interface from their respective angular and energy distributions functions. Particles transport to the feature surface is calculated while taking into account ion reflection on sidewall and neutral reemission. The particles-surface interaction model includes the different etching mechanisms such as sputtering, reactive etching and reactive ion etching. Etch product transport is also taken into account as is their deposition leading to thin film growth. Simulation validity is confirmed by comparison between simulated profiles and experimental observations issued from sputtering of platinum in argon plasma source.

L’objectif de cette thèse est de développer un cylindre instrumenté pour mesurer sa déflexion dans les applications médicales. Deux types de matériaux sont utilisés pour le cylindre : l'acier inoxydable et le NiTi. Des microjauges sont réparties le long du cylindre pour mesurer en temps réel sa déformation, permettant ainsi de guider le cylindre à sa destination envisagée dans un geste chirurgical. Plusieurs approches pour la mesure de déformation sont présentées et comparées, et la mesure de déformation par les microjauges piézorésistives semiconductrices intégrées sur le cylindre paraît la méthode optimale en tenant compte de la sensibilité, la compatibilité biomédicale et la faisabilité en microfabrication. Des analyses théoriques et par méthode d'éléments finis sont effectués pour analyser le comportement mécanique du cylindre en flexion mais aussi pour positionner et dimensionner les microjauges piézorésistives sur le cylindre. Un premier prototype a été réalisé et caractérisé pour vérifier la fonctionnalité de notre système.La réalisation des microjauges sur les cylindres se déroule par la microfabrication en salle blanche. Le germanium est utilisé comme le matériau piézorésistif. A cause de la spécificité géométrique des cylindres en tant que le substrat de la microfabrication, de nombreuses modifications sont apportées au procédé de fabrication 'standard' pour le dépôt et l'usinage des matériaux en surface du substrat métallique courbe. Le résultat de microfabrication est présenté, ainsi que l'analyse et les améliorations éventuelles du procédé actuel. / The objective of this assertation is to develop an instrumented cylinder in order to measure its deflection status in medical applications. The cylinders are made of two types of materials: stainless steel and NiTi. The microgauges are distributed along the cylinder to measure its real-time surface strain, thus allowing the cylinder to be guided to its planned destination during a surgical operation.Several approaches for strain measurement are presented and compared, and strain measurement with semiconductor piezoresistive microgauges integrated on the cylinder appears to be the optimal method considering the sensitivity, biomedical compatibility and feasibility in microfabrication.Theoretical analysis and finite element method analysis are carried out in order to analyze the mechanical behavior of the deflected cylinder and to determine the optimal position and size of the piezoresistive microgauges on the cylinder. A first prototype was developed and characterized to verify the functionality of our system.The microgauges are implemented on thin cylinders by microfabrication in cleanroom. Germanium is used as the piezoresistive material. Due to the curved geometry of metal cylinders as the substrate for microfabrication, several ajustments are made to the standard process of material deposition and surface machining. The analysis of experimental results, as well as the possible upgrades of the current process, are discussed.