Dans le cadre de la thèse, l'étude porte sur le développement de microbatteries lithium tout solide, dans l'objectif d'alimenter les microsystèmes radiofréquences. On s'est intéressé particulièrement à la miniaturisation et à certains aspects de l'intégration de ces microbatteries. Une première étape a consisté à établir une étude physiochimique des couches actives, et particulièrement l'électrode positive en pentoxyde de vanadium (V2O5), et d'évaluer le comportement électrochimique de ce composé au sein de la microbatterie. Le suivi du matériau par différentes méthodes de caractérisation pendant la phase de croissance a permis l'observation de variations significatives de ses propriétés structurales et morphologiques. Une corrélation a été établie entre ces caractéristiques physiochimiques et le comportement électrochimique à la fois en électrolyte liquide et solide (V2O5/LiPON/Li). Un procédé de microfabrication a été ensuite proposé pour la miniaturisation des microbatteries. Le procédé comporte plusieurs briques technologiques faisant appel à la photolithographie et différentes techniques de gravure. Un protocole expérimental a été établi afin d'optimiser, qualifier et valider le développement de chaque brique technologique, et de rendre compte de la fonctionnalité des dépôts actifs après microfabrication. La conception de microbatteries a été finalement réalisée en se basant sur le cahier des charges du microsystème radiofréquence considéré et en tenant compte du procédé de microfabrication développé.

La complexification des intégrations sur les puces électroniques et la course à la miniaturisation sont les deux moteurs actuels de la microélectronique. Les limites optiques de la lithographie sont déjà atteintes depuis longtemps. Ainsi, la fabrication doit aussi être contrôlée de plus en plus étroitement afin d’éviter des variabilités qui nuiraient au bon fonctionnement du produit. Cette thèse présente une approche holistique du contrôle d’un des paramètres les plus importants de la photolithographie : le focus. Celui-ci est directement lié à la qualité de l’image transférée dans la résine photosensible pendant l’exposition. Son contrôle est donc primordial. Les sources de variabilités du focus sur le wafer sont multiples et diverses mais le cas particulier de la topographie du substrat a été privilégié dans cette étude. L’approche holistique de cet effet en particulier a conduit à l’utilisation d’outils de « data mining » telle la régression par la méthode des moindres carrés partiels qui a permis de pointer les principales causes de cette topographie, de créer un modèle prédictif de la topologie mais aussi d’évaluer des solutions d’améliorations comme l’amélioration des corrections qu’effectue le scanner permettant un meilleur contrôle généralisé de toutes les technologies sans toutefois changer l’intégration et le design ou encore la mise en place d’une méthode qui permet d’évaluer les erreurs de focus sur le wafer sans pour autant avoir recours à des mesures intensives sur silicium. D’autres solutions permettent de corriger les facteurs de risques à la source en modifiant le design afin de limiter la formation de la topologie de surface / The increasing complexity in chip integration (co-integration, increasing diversity of matérials…) and the race to dimension shrinkage are the two main drivers of research in microelectronics today. The optical limitations of lithography have been reached some years ago so that double patterning is now a typical process flow in production and helps reducing pattern size and increasing design density. Because of these, the manufacturing itself needs to be more tightly controlled in order to avoid marginalities. Which will affect the chip operation. The cross-effects between these elements are more numerous and their ratio in the total budget is larger whereas the needs for tighter process control are rising. This thesis presents a holistic approach of the control of one of the main parameters for photolithography: focus. It is directly linked to the quality of the image transferred into the photoresist during exposure. Its control is then essential. Variability sources for focus are manifold and diverse: laser, mask, optical column, servo-controllers, wafer flatness, integration, design, substrate reflectivity, material quality etc. All these are added to each other, leading to the creation of defects which can be catastrophic such as shorts. The first objective of this work was to show current challenges raised by STMicroelectronics new technologies, specifically photolithography-wise and focus-wise. A budget breakdown of two critical processes (Metal line patterning in 28nm FD-SOI and Contact patterning for 14nm FD-SOI) has been established which gives the impact of every effect. The product layout effects were evaluated to represent up to 20% of the complete budget and 50% of its intra-chip component. Topography contributes to a large part of these effects and offline measurements showed up to 32nm 3s of height variation in a single field. This may lead to local defocuses of the same order of magnitude. The usable depth of field being about 60 to 70nm for the studied layers, it is clear that focus control is really tight here. The holistic approach of topology leaded to the use of data mining tooling as PLS regression (Partial least Square). It allowed the highlighting of main causes of topography, the creation of a predictive model of topology and the evaluation of several improvement solutions. One may distinguish “palliative” and “curative” solutions. In the first category, on may put scanner levelling improvements which might be effective for every technology without any modification to make on integration and design. The emulated wafer map methodology providing on-product focus non-uniformities without any measurements is also a solution for investigation. “Curative” solutions may concern the mitigation of risk factors by modifying the design topography built-up main factors

Les récents progrès dans les télécommunications exigent de nouveaux composants pouvant fonctionner à des fréquences de plus en plus élevées et l’électronique d’une manière générale exige des composants de très bonne qualité. L’objectif principal de ce travail est la conception, la réalisation et la caractérisation d’une micro-inductance intégrée utilisant les propriétés d’une couche relativement épaisse de matériau magnétique. Les structures bobinées étant difficilement intégrables, une structure planaire a été retenue. Deux types de dispositifs ont été réalisés : une structure composée d’une spirale sur une couche de matériau magnétique et une autre constituée d’une spirale prise en sandwich entre deux couches de matériau magnétique. Les études réalisées par simulation montrent de très bons résultats confirmés par les caractérisations. Plusieurs essais de caractérisation hautes fréquences (à l’aide d’un analyseur vectoriel) et basses fréquences (à l’aide d’un LCRmètre) ont été réalisés. Les résultats montrent un gain en termes de valeur d’inductance d’un facteur de deux sur la structure une couche et un gain d’un facteur proche de la perméabilité du matériau pour une structure double couche. Par ailleurs, une technique de caractérisation "courant fort" utilisant un té de polarisation et une technique de détermination de la perméabilité du matériau magnétique utilisant la combinaison des résultats de mesure et de simulation ont été développées. L’intégration des composants passifs comme l’inductance à couche magnétique relativement épaisse est possible grâce à l’utilisation des techniques de la microélectronique et de micro-usinage / Recent advances in telecommunications require new components that can operate at high frequencies and now, electronic requires high quality components. The main purpose of this work is the design, micro-fabrication and characterization of a micro-integrated inductor using properties of a relatively thick layer of magnetic material. As coiled structures are difficult to integrate a planar structure was chosen. Two kinds of devices have been made: a device consisting of one spiral on a layer of magnetic material and another consisting of one spiral sandwiched between two layers of magnetic material. The simulation studies show very good results confirmed by characterizations. Several high frequencies (using a vector analyzer) and low frequencies (using a LCRmeter) characterizations were made. Results show that the inductance value is multiplied by two in the case of a structure with one layer of magnetic material and by a factor close to the permeability of magnetic material in the case of a double layer structure. In addition, a high current characterization technique using a bias tee and a technique for determining the permeability of the magnetic material using a combination of measurement results and simulation have been implemented. The integration of passive components such as inductor with relatively thick magnetic layers is made possible by the use of microelectronic and micro-machining techniques

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden neue UV-strukturierbare organisch-anorganische hybride Polymere für photonische Anwendungen mit einem hohem Brechungsindex und der Möglichkeit, sie durch Ein- bzw. Zwei-Photonen-Polymerisation zu strukturieren, entwickelt. Die Materialien wurden in Bezug auf ihre chemische Struktur, ihre optischen Eigenschaften, und ihrer Fähigkeit, durch 1PP und 2PP strukturierbar zu sein, untersucht. Besonders mit 2PP konnte man mit diesen neuartigen hybriden Materialien 3D-Strukturen erzeugen. ie Hydrolyse und Polykondensationsreaktionen wurden mit · Organo-Alkoxysilanen und Titanalkoxiden, modifiziert mit und ohne komplexierende Liganden und · Organo-Alkoxysilanen, Titanalkoxiden und Organophosphorsäure als Precrusoren durchgeführt. Primäres Ziel dieser Arbeit war es, den Brechungsindex von ORMOCER®en, die auf der Basis von Organo-Alkoxysilan-Precursoren ohne Heteroelemente synthetisiert werden, zu vergrößern. Die chemische Struktur der synthetisierten Materialien und somit mit ihr die Parameter, die den Brechungsindex beeinflussen, wurden eingehend untersucht. Insbesondere die Synthese-Parameter, wie das Einsetzen der Titanalkoxide und ihrer Konzentration, der Organo-Alkoxysilane, die Katalysator-Konzentration, die verwendeten Lösungsmittel und auch die Verfahrensparameter für eine spätere Strukturierung durch lithographische Verfahren, wie die UV-Bestrahlungsdosis, die Initiator-Konzentration und der Entwickler, wurden untersucht. / In the framework of this thesis, new UV-patternable organic-inorganic hybrid polymers with higher refractive indices than reported in the literature for photonic applications were developed and studied with respect to their chemical structure, their optical properties, and their ability of being patterned by 1PP and 2PP. Particularly with 2PP, one could create 3D structures using the novel hybrid materials. The materials were prepared from hydrolysis and polycondensation reactions of · organo-alkoxysilanes and titanium alkoxide precursors, modified with and without CL and organo-alkoxysilanes precursors, and · organo-alkoxysilanes, titanium alkoxide and organophosphorus precursors. The major scope of this work was to increase the refractive index of ORMCER® materials based on only organo-alkoxysilanes. Thus, the parameters which influence the refractive index were investigated thoroughly. In particular, the synthesis parameters such as the introduction of titanium alkoxide and its concentration, the organo-alkoxysilanes, the catalyst concentration, the solvent used, but, also the processing parameters such as, the UV exposure dose, initiator concentration, and developer were investigated.

Le but de ces travaux de thèse sera l’élaboration de microactionneurs à base de polymère conducteur électronique PCE .Dans un premier temps, l’objectif sera la synthèse des matrices hôtes à base de réseaux interpénétrés de polymères (RIPs) POE/PTHF et POE/NBR en visant une diminution de l’épaisseur finale (avec PEDOT) de 5 à 10 µm. Ensuite nous procéderons à l’Elaboration d’actionneurs se déformant en flexion et en torsion afin de mimer les mouvements des ailes d’insectes. Deux voix de synthèse des PCE seront utilisées, la voie chimique qui consiste en la synthèse de RIPs ou encore par voie électrochimique avec la formation d’un système tricouche qui permettra un bien meilleur contrôle de leurs propriétés. / The purpose of thesis is the Design of electronic conducting polymer based microactuators by microsystem process. First, the objective will be the synthesis of Interpenetrating Polymers Networks (IPNs) POE/PTHF and POE/NBR, aiming a decrease of the final thickness (with PEDOT) until 5 – 10 µm. Then, we proceed with the development of actuators deforming in bending and twisting to the movements of insects wings. Two different synthesis methods will be used, chemical process based on synthesis of Interpenetrating Polymers Networks, or electrochemical process enabling a much better control of their properties.

Ce travail de thèse présente la mise au point d'une méthodologie de mesure de champs de déformations planes à l'échelle micrométrique. La mesure cinématique est faite par une méthode de grille qui analyse les déformations d'un réseau périodique attaché à la surface à étudier. Les grilles ont été réalisées par photolithographie interférentielle directe. Pour l'observation et la numérisation des réseaux, le choix s'est porté sur la microscopie interférométrique en lumière blanche qui donne accès à la topographie 3D de la surface d'intérêt. Une étude de bruit à permis d'optimiser la réalisation des réseaux pour l'application mécanique auxquels ils étaient destinés. Par ailleurs, l'application de déplacements de corps rigide a permis de mettre en évidence un problème de corrélation spatiale de ce bruit qui ne pouvait être ignoré. Ainsi, et en apportant un soin particulier sur la réalisation expérimentale des essais mécaniques, la résolution en déformation obtenue est de l'ordre de 1 à 2×10−3 pour une résolution spatiale d'environ 20 μm. Une première application concernant l'étude des déformations élasto-plastiques d'un acier ferritique a permis de valider la présente méthode, de l'étendre à l'étude de régions d'intérêt de plus grandes tailles et d'en souligner les points forts mais aussi les limites.

L'objectif principal de ce travail de thèse a été de développer un montage de lithographie à 193 nm (Deep-UV, DUV), avec comme but d'obtenir des nanostructures de période l 00 nm sur des surfaces relativement importantes (cm2) dans différents matériaux organiques. Ainsi, une partie importante de cette thèse a consisté à mettre en place un interféromètre achromatique pour le DUV, ainsi que les méthodes d'analyse des échantillons aux différentes échelles. Le premier chapitre a pour but d'énoncer les enjeux et techniques de nanofabrication en comparant notamment les deux grandes approches dites " top-down " et " bottom-up ". Dans ce chapitre, une part importante est donnée aux techniques lithographiques dans lesquelles s'inscrit la technique utilisée ici. Le deuxième chapitre décrit les techniques utilisées, pour la nanofabrication (photolithographie interférentielle DUV) et les méthodes de caractérisation. Le troisième chapitre expose les résultats obtenus au sujet de résines positives, dites " à amplification chimique ", formulées à partir des nouveaux polymères, et destinées à des applications en microélectronique. Le quatrième chapitre décrit les résultats obtenus en photolithographie DUV de polymères déposés par voie plasma. Il se présente sous la forme d'une compilation de 4 articles précédés d'une introduction pour expliquer les enjeux de cette démarche.Enfin, le cinquième chapitre constitue une ouverture vers une nouvelle technique de nanofabrication qui s'appuie sur la photolithographie 193 nm. Il s'agit d'utiliser une approche hybride de nanofabrication qui repose sur l'auto­organisation de films de copolymères dibloc dans des espaces nanoconfinés.

Les éléments optiques diffractifs (EODs) sont des composants largement utilisés pour la mise en forme de faisceaux laser et le stockage d'information. L'objectif de cette étude est la fabrication d'EODs, qui soient performants et répondent aux besoins actuels des industriels, selon un procédé simple à mettre en 'uvre, reproductible et pour un coût raisonnable. Une première approche a porté sur l'enregistrement holographique de réseaux dans des matériaux photopolymérisables où le système photo-amorceur est un système à trois composants. Ce dernier étant plus performant d'un point de vue photochimique (vitesse et taux de polymérisation élevés), l'optimisation de ces matériaux a conduit à des rendements de diffraction corrigés dans l'ordre 1 supérieurs à 90%. La seconde approche correspond à la fabrication d'EODs dans un matériau sol-gel hybride de la famille des ORMOCER®s, qui est plus performant (transparence, stabilités thermique, chimique et mécanique) que la photorésine initialement mise en 'uvre. L'élément final est créé par moulage à partir d'un EOD en photorésine obtenu par photolithographie à écriture directe parallèle à 436 nm. Ce procédé a été mis en place, optimisé et validé grâce à de nombreuses caractérisations structurelles et fonctionnelles, ce qui conduit à une nouvelle génération d'EODs présentant des efficacités de diffraction à l'ordre 0 inférieures à 1%. Ainsi, cette méthode de fabrication a pu être utilisée pour fabriquer des composants en petites séries ou pour le prototypage, sur des substrats de tailles et de matériaux différents (silicium, verre, silice, céramique et plastique), afin d'étendre le champ d'applications des EODs.

Cette thèse s'inscrit dans le projet optique digital porté par la société Essilor, leader mondial dans le domaine de l'optique ophtalmique. La collaboration entre le laboratoire Charles Coulomb et Essilor a donné naissance à une nouvelle génération de systèmes optiques apposés directement sur le verre ophtalmique. Ce système est constitué de microcuves remplies d'un autre matériau pouvant être différent d'une cuve à l'autre. Il en résulte une pixellisation de la surface permettant des phénomènes optiques innovants. La première partie de ce travail est consacrée à la synthèse et à la caractérisation de résines hybrides organiques-inorganiques photosensibles fonctionnant à différentes longueurs d'ondes. Le but est de créer les microcuves par un procédé de photolithographie dont la rigidité est telle que les murs puissent résister au remplissage par un liquide. Les polymérisations minérales et organiques de ces résines ont été étudiées d'un point de vue structural (spectroscopie infrarouge et RMN), mécanique (technique de nanoindentation) et texturale (absorption - désorption de gaz). La deuxième partie porte sur l'incorporation d'une couche ultraporeuse à l'intérieur des microcuves. Le choix final s'est porté sur un aérogel de silice mélangé à un polymère et réalisé par séchage en condition supercritique du CO2. Ses propriétés sont caractérisées par diverses techniques comme le MEB, les spectroscopies infrarouge et UV-Visible, la microscopie AFM et la nanoindentation. Ce système constitué de microcuves remplies d'un matériau ultraporeux peut alors être imprégné localement par différents liquides d'indice de réfraction variés afin d'obtenir les effets optiques désirés. / This thesis is feeling part of the optical digital project carried out by Essilor, the world leader in the ophthalmic optics field. The collaboration between the Charles Coulomb Laboratory (LCC) and Essilor has spawned a new generation of optical systems affixed directly on the ophthalmic glass. This system consists of microtanks filled with material that may be different from one tank to the other. The result is a pixelated surface which can be lead to innovative optical phenomena. The first part of this work is devoted to the synthesis and characterization of photosensitive organic-inorganic hybrid resins operating at different wavelengths. The goal is to create by a photolithography process microtanks whose rigidity is such that the walls can resist with a liquid filling. Polymerizations of hybrid photosensitive resins have been studied in a structural (infrared and NMR spectroscopy), mechanical (nanoindentation technique) and textural (absorption - desorption of gas) way. The second part focuses on the ultraporous layer incorporation inside microtanks. The final choice fell on silica aerogel containing polymer and obtained under CO2 supercritical drying conditions. Its properties are characterized by various techniques such as SEM, infrared and UV-Visible spectroscopy, AFM microscopy and nanoindentation technique. The all system consists of microtanks filled with an ultraporous material which can be locally impregnated by different liquids with a varied refractive index to obtain the desired optical effects.

Les systèmes de télécommunications requièrent de plus en plus l’utilisation des composants passifs hyperfréquences. La commercialisation de ces composants nécessite la miniaturisation de leurs tailles, l’augmentation de leurs performances et la réduction de leurs coûts. Parmi ces composants passifs, nous citons le coupleur directionnel qui est un quadripôle destiné à répartir la puissance sur deux ports de sortie, le quatrième port reste isolé. Les travaux relatés dans ce manuscrit ont pour objectifs la conception et la réalisation d’un coupleur à accès coplanaires obtenu à partir d’un résonateur auquel nous avons appliqué des lignes de couplage. Un modèle équivalent approché a été mis en évidence par un logiciel de simulation circuit. Une étude paramétrique a été réalisée à l’aide d’un logiciel électromagnétique 3D pour fixer une règle de conception qui permet un dimensionnement convenable du composant pour un intervalle de fréquences prédéfinies. Un fonctionnement bi-bandes a été exploité pour chaque raccordement de la fréquence. Une deuxième structure de couplage a été déduite en reliant directement les lignes couplées sur le résonateur. Une étude paramétrique ainsi qu’une règle de conception ont mis en évidence un fonctionnement de coupleur mono-bande de cette structure à des fréquences prédéfinies. Une troisième structure qui fonctionne en coupleur a été exploitée en remplaçant le filtre résonateur par deux circuits en méandres. Ce nouveau coupleur à méandres présente des bandes passantes assez larges ainsi qu’un fonctionnement possible en bi-bandes. Ces coupleurs mis en œuvre peuvent assurer un couplage de l’ordre de 3 ; 6 ; 8 et 10 dB et d’un déphasage entre les deux ports de sortie de 180° pour les deux premières structures et de 90° pour le coupleur à méandres. Plusieurs séries de prototypes sont ensuite fabriquées à partir des structures optimisées en simulation. Les caractérisations hyperfréquences de ces composants montrent la performance des dispositifs réalisés / Telecommunications systems require more use of passive microwave components. The commercialization of these components requires the miniaturization of their size, increasing their performance and the reduction of their costs. Among these passive components we cited the directional coupler which is designated to spread the power between two outputs, the fourth port being isolated. The ambition of this work is to study and fabricate a coupler with coplanar access obtained from a resonator where we applied coupling lines. An equivalent approximate model was obtained using circuit simulation software. A parametric study was made using 3D electromagnetic software to fix a design rule that allows a suitable design for the component in a predefined frequency range. Dual-band operation has been exploited for each frequency. A second coupling structure was deduced by directly connecting the coupled lines to the resonator. A parametric study and a design rule have shown the operation of this structure as a single band coupler at predefined frequencies. A third structure which operates like a coupler has been exploited by replacing the resonator filter by two meandering circuits. This new meandering coupler presents a wide bandwidth and a possible operating in dual-band. These implemented couplers provided a coupling factor of 3, 6, 8 and 10 dB and a phase shift between the two output ports of 180° for the two first structures and a 90° phase shifter for the meandering coupler. Several sets of prototypes are then made. The microwave characterizations show the performance of the fabricated device