Elaboration de couches minces de nanocomposites, structuration et métrologie adaptée

Directeur de thèse :

Jean-Hervé Tortai

HDR EEATS (14/10/2016)

Laboratoire d’accueil :

Laboratoire des Technologies de la Microélectronique

17 rue des martyrs

Grenoble

Contexte

Pouvoir modifier à volonté les propriétés physiques d’un matériau de façon simple afin de lui conférer une nouvelle fonctionnalité peut laisser envisager une véritable rupture technologique dans le domaine des micro et nanotechnologies. Un tel défi peut être possible grâce à l’utilisation de matériaux spécifiques nommés les nanocomposites. Les nanocomposites sont des matériaux hétérogènes où deux phases non miscibles cohabitent, l’une des phases étant de taille nanométrique. Suivant le choix de la phase nanométrique, diverses propriétés peuvent être adressées : forte perméabilité magnétique, forte permittivité diélectrique, forts indices optiques, réponse plasmonique, etc. La deuxième phase, nommée phase hôte, a essentiellement pour rôle d’assurer la dispersion de ces nano-domaines fonctionnels en les isolant les uns des autres et en assurant au matériau final une cohésion mécanique suffisante. Les propriétés finales du matériau dépendent par conséquent de la nature physique des nano-domaines, du taux de charge finale en nano-domaines et de la qualité de la dispersion de ces domaines dans la matrice hôte.

De nombreuses équipes, notamment de chimistes, travaillent sur le développement de ce type de matériaux dans leur variante « massive »[1]. Mais pour que ces matériaux trouvent rapidement des applications pertinentes dans les domaines phares de la photonique, l’électronique, des capteurs, etc., une approche dite « films minces » doit être adoptée pour leur développement. En effet, la possibilité de disposer de ces matériaux sous la forme de films minces (0.1µm à quelques microns) sur divers types de substrats (verre, silicium, plastiques, etc.) ainsi que notre capacité à les structurer sous différentes formes sont des préalables absolus à toute percée industrielle.

Cette thèse a pour mission de répondre à ces deux challenges. Notre approche consistera à intégrer des nanoparticules commerciales dans une résine de lithographie et d’investiguer les techniques du dépôt de ces nanocomposites par spincoating (uniformité, reproductibilité, scalabilité) avant de qualifier leur comportement lithographique pour obtenir des structures de dimensions contrôlées.

 

Objectifs de la thèse et axes de travail

Les objectifs de cette thèse sont transverses. Premièrement : obtenir des couches minces de nanocomposites contenant divers types de nanoparticules et ceci pour un fort taux de charge (>40% en masse). Deuxièmement : développer les procédés de structuration pour transférer dans le film nanocomposite des motifs périodiques ou non périodiques. Troisièmement : développer la technique de métrologie qui va permettre de mesurer des motifs constitués de tels matériaux hétérogènes.

 

Obtention de couches minces nanocomposites

Des travaux antérieurs initiés au LTM ont permis de développer des couches minces de nanocomposites magnétiques, les nanoparticules magnétiques étant des particules commerciales de Cobalt. Des matériaux ayant des propriétés magnétiques uniques ont été obtenus pour des taux de charge supérieur à 40% en masse[2].

Pour cette thèse, diverses nanoparticules commerciales vont être intégrées afin de pouvoir obtenir des composites aux propriétés variables. Les propriétés que nous souhaitons adresser sont : une permittivité diélectrique élevée, de forts indices optiques et une forte perméabilité magnétique. De telles propriétés peuvent être obtenues à l’aide de nanoparticules d’oxyde (TiO2, ZnO, HfO2), de nanoparticules métalliques, et de nanoparticules métalliques magnétiques comme le Cobalt.

La matrice hôte sera une plateforme thermoplastique ou photosensible afin de pouvoir structurer les films soit par nanoimpression, soit par lithographie optique. L’effort ici devra être porté sur l’optimisation de la fonctionnalisation de surface de ces particules afin de pouvoir les disperser de façon homogène dans le film.

 

Développer les procédés lithographiques

Deux techniques de lithographie seront étudiées pour structurer les nanocomposites, la lithographie optique et la nanoimpression. Les figures 1 et 2 ci-dessous montrent des résultats préliminaires de structuration par nanoimpression thermique (NIL) et lithographie optiques.

.

 
Fig 1 : Vue du dessus par MEB d’un film composite magnétique PS/Co structuré par NIL Fig 2 : Vue du dessus par microscopie optique d’un film composite magnétique SU8/Co structuré par photolithographie

Au cours de cette thèse, Il faudra optimiser les procédés de ces deux techniques de lithographie afin d’obtenir des motifs nanocomposites, ayant des propriétés optique (ZnO, TiO2), diélectrique (HfO2, TiO2) et magnétique (Co) entre autres..

 

Développer la métrologie ad-hoc

Pour mesurer de tels matériaux hétérogènes, nous utiliserons l’ellipsométrie et la scatterométrie comme solution, le LTM disposant de ses propres codes scattérométriques[3] et d’un cluster de caractérisation nommé IMPACT qui permet notamment de caractériser des matériaux par ellipsométrie. Cette chambre, visualisée sur les photos ci-dessous (Fig 3 et 4), permet de mesurer les propriétés optiques des couches minces sur une gamme de longueur d’onde de 145nm à 12µm.

Fig 3 : Vue de la chambre de caractérisation polarimétrie/ellipsométrie d’IMPACT, côté émission Fig 4 : Vue de la chambre de caractérisation polarimétrie/ellipsométrie d’IMPACT, côté détection

Des résultats préliminaires sur un échantillon non structuré de nanocomposites nous ont récemment montré que les mesures en MIR permettent d’estimer le taux de charge volumique d’un composite avec des nanoparticules de Cobalt (Fig 5), néanmoins les modèles sont à perfectionner.

Fig 5 : Mesure par polarimétrie MIR (2µm-12µm)

Film composite magnétique PS/Co

Epaisseur mesurée : 1.2 µm, taux de charge volumique en Co : 9.1%

Le model et l’expérience sont indiscernables

Par la suite, il faudra remonter aux dimensions des structures transférées dans un film nanocomposite par scatterométrie. A ce jour, cette partie du sujet de thèse est très novateur et devrait aboutir à une réelle avancée scientifique pour la métrologie de structure périodique hétérogènes.

 

Profil du candidat

Ce sujet de thèse est pluridisciplinaire et va nécessiter des compétences multiples. Idéalement le candidat doit avoir des compétences en chimie des nanomatériaux et en micro et nanotechnologies. Sujet expérimental à la base, le candidat doit également être sensibilisé à la physique des matériaux. Avoir quelques connaissances en programmation scientifique serait également un plus (Matlab, Python…).

  1. J. Pyun, “Nanocomposite materials from functional polymers and magnetic colloids”, Polymer Reviews, 47:231–263, 2007
  2. H. Takacs, B. Viala, V. Hermán, J.H. Tortai, F. Duclairoir, J. Alarcon Ramos, P.H. Jouneau, H. Okuno, G. Tallec, SpringerPlus, 5 :496 (2016)
  3. M. El Kodadi, S. Soulan, M. Besacier, P. Schiavone, Journal of Vacuum Science & Technology B 27, 3232 (2009)

See all our job opportunities