Développement et caractérisation de photorésines biosourcées pour des applications de lithographie
Le CEA-Leti, acteur clé dans le développement de composants microélectroniques innovants, se concentre sur l’élaboration de nouveaux matériaux pour les dispositifs et les procédés de fabrication des circuits intégrés, notamment les photorésines. Dans une démarche d’écoconception, ces innovations visent à éliminer les substances toxiques, telles que les PFAS (substances per- et polyfluoroalkylées), tout en répondant aux exigences technologiques de la microélectronique moderne.
Dans ce cadre, le Laboratoire des Procédés Avancés de Lithographie (LALP) collabore avec le Laboratoire matériaux pour les capteurs et la délivrance(LMCD) pour co-développer des photorésines biosourcés à base de méthacrylates. L’objectif de cette thèse est d’étudier les performances lithographiques de ces matériaux, ainsi que leur impact environnemental et économique. Une attention particulière sera accordée à l’influence de la synthèse chimique sur les propriétés optiques des résines, à leurs mécanismes de polymérisation et à leurs caractéristiques mécaniques après exposition. Enfin, des outils d’analyse du cycle de vie (ACV) seront mis en place pour évaluer la durabilité des produits développés.
Méthodologie et compétences requises :
Cette étude couvrira l’intégralité du procédé de photolithographie, depuis la synthèse du matériau de base et sa formulation jusqu’à la structuration finale. Une première étape consistera en une caractérisation rhéologique du matériau après synthèse, suivie d’une évaluation de son comportement lors de l’étape de spin-coating, en utilisant des techniques telles que l’ellipsométrie, la TGA (Analyse Thermogravimétrique) et la DSC (Calorimétrie Différentielle à Balayage).
Une analyse approfondie sera menée pour étudier la sensibilité du matériau à une longueur d’onde de 365 nm, typiquement utilisée en lithographie. La caractérisation des motifs obtenus sera réalisée par microscopie électronique à balayage (SEM), tandis que les propriétés physiques de la résine seront évaluées par ellipso-porosimétrie et microscopie à force atomique (AFM). Enfin, des tests de gravure seront effectués pour valider la résistance du matériau dans des conditions industrielles.
Cette approche multidisciplinaire, combinant chimie des polymères, science des matériaux et ingénierie des procédés, offre une vision complète des enjeux liés à la microélectronique durable.
Étude de la gravure cryogénique de métaux pour la réalisation de structures à fort aspect ratio
De plus en plus de dispositifs nécessitent la réalisation de gravures à fort aspect ratio afin d’augmenter la surface développée tout en conservant une empreinte 2D réduite, c’est le cas des mémoires 3D. Dans le cas des FeRAM ou FeFET 3D, il est utile de graver ces structures profondes directement dans des métaux tels que W ou TiN, or ces gravures sont limitées pas une faible sélectivité au masque, une faible vitesse de gravure à petit CD et des profils déformés. La gravure cryogénique peut apporter des améliorations novatrices sur ces aspects, comme ça a été le cas pour le Si et les diélectriques SiO2/SiN, et l’étude avec de nouvelles chimies à faible GWP (ex: Cl2, BCl3, F2) peu explorées pour la cryogravure sont scientifiquement intéressantes
Ingénierie chimique des surfaces actives en technologie des matériaux II-V pour l'Infra-rouge Refroidie
Cette thèse s’inscrit dans la continuité de travaux visant à améliorer la passivation des photodiodes HgCdTe, en particulier pour les architectures P-i-N. Elle cherche à comprendre les mécanismes physico-chimiques responsables de la dégradation des interfaces entre le matériau semi-conducteur et la couche de passivation. Les études antérieures ont notamment mis en évidence l’influence des contaminants résiduels, de l’oxydation de surface et de l’excès de tellure sur les propriétés électriques des dispositifs. L’objectif principal est de développer des procédés d’ingénierie de surface permettant de mieux contrôler la composition chimique et les défauts des interfaces. Différents traitements chimiques et électrochimiques seront étudiés afin de limiter l’oxydation, de réduire les contaminations et d’améliorer la stabilité des surfaces. La caractérisation reposera sur des techniques avancées telles que la XPS, la HAXPES et la ToF-SIMS, complétées par des mesures électriques et électrochimiques. Une attention particulière sera portée à l’établissement de corrélations quantitatives entre la composition chimique des interfaces, leurs propriétés électrochimiques et leur comportement électrique. Ces résultats permettront d’identifier les paramètres déterminants pour les performances des photodiodes et d’optimiser les traitements de passivation. Les procédés développés seront ensuite évalués sur des structures représentatives des photodiodes P-i-N, notamment dans la perspective d’un fonctionnement à température élevée. Enfin, cette thèse intègre une dimension d’éco-innovation visant à rendre les procédés de fabrication plus respectueux de l’environnement. Le développement de traitements électrochimiques in situ et de nouvelles chimies dites « vertes » pourrait permettre de remplacer certaines solutions conventionnelles à base de brome. À terme, ces travaux contribueront à la conception de détecteurs infrarouges plus performants, plus stables et nécessitant des systèmes de refroidissement moins contraignants, tout en réduisant potentiellement l’impact environnemental des procédés de fabrication.
Quantification élémentaire reproductible en photoémission haute-énergie par soustraction de fond assisté par mesures REELS
La thèse a pour principal objectif d’affiner la méthodologie de quantification élémentaire des spectres de photoémission haute-énergie (HAXPES) pour atteindre des niveaux d’incertitude de 5% ou moins sur les mesures réalisées sur en intégrant, dans la méthodologie mise en place récemment, des données physiques matériau-dépendant et relatives aux pertes d’énergie inélastiques des photoélectrons (données REELS). La quantification réalisée avec ce protocole, affiné grâce à une étude sur des éléments purs, sera comparée à l’existant pour déterminer le gain en précision. Dans un second temps, il sera appliqué à des composés binaires, binaires dopées et ternaires d’intérêt technologique, par exemple pour la technologie FD-SOI; en parallèle, un travail d’alignement sera réalisé avec les mesures produites par un spectromètre en salle blanche sur les mêmes échantillons ; les aspects d’intégration seront étudiés avec des mesures sur boîtes de test. Notamment, ils viseront à étudier dans quelle mesure la composition mesurée par HAXPES sur un matériau élaboré en amont des étapes d’intégration des transistors (pour l’optimisation des procédés de dépôt) se compare à celle déterminée par d’autre techniques (sonde atomique tomographique, TEM-EDX, TEM-EELS) en fin d’intégration de dispositifs nanométriques.
Lecture de qubits supraconducteurs à l'aide d'amplificateurs opérant à la limite quantique
Les processeurs quantiques supraconducteurs actuels, notamment ceux d'IBM et de Google, fonctionnent jusqu'à environ 20 mK mais restent limités en nombre de qubits, notamment par la difficulté à mesurer simultanément de nombreux qubits avec des chaînes de lecture compactes. Les amplificateurs cryogéniques conventionnels utilisent des semi-conducteurs dont la résistance électrique limite les performances. Ils sont alimentés en courant continu et nécessitent généralement un fonctionnement autour de 4 K pour dissiper la chaleur produite.
Le sujet de thèse consiste à concevoir de nouveaux amplificateurs cryogéniques paramétriques reposant sur des matériaux supraconducteurs afin de remplacer les amplificateurs à semi-conducteurs. Les dispositifs seront fabriqués dans la salle blanche du CEA-Leti, puis utilisés pour mesurer nos qubits supraconducteurs.
Approche d’ingénierie système basée sur les modèles pour l'automatisation et l'optimisation de l'exploration d'architectures de contrôle de qubits
La conception de l'architecture système pour contrôler des millions de qubits dans un ordinateur quantique est un défi complexe en raison des contraintes strictes issues de domaines techniques hétérogènes (micro-électronique, information quantique, thermique). Elle requiert des formalismes et des outils dédiés pour permettre son automatisation et optimisation. Là où les approches traditionnelles restent cloisonnées, l'ingénierie système basée sur les modèles (MBSE) et le langage de modélisation standard SysML v2 apportent un cadre d'intégration unique pour l'analyse et l'exploration des espaces de conception de systèmes multi-physiques complexes.
Pour capturer ces architectures dans des modèles SysML v2, ce travail de recherche vise à proposer des adaptations de ce langage de modélisation au domaine quantique en créant des extensions dédiées (bibliothèques et métadonnées).
A partir de ces modèles, ces recherches exploreront comment les algorithmes quantiques ou hybrides de référence impactent ces architectures, notamment à l’aune de l’estimation des ressources nécessaires à ces applications et des mécanismes de correction d’erreurs employés.
La thèse entend développer une démarche pour l'automatisation et l'optimisation de l'exploration de ces architectures. Pour cela elle étudiera comment adapter des algorithmes de recherche opérationnelle à l’exploration de l’espace de conception, en y intégrant des analyses de sensibilité, des heuristiques de relaxation de contraintes et une prise en compte des incertitudes physiques.
Ce travail de recherche ambitionne d'identifier les paramètres les plus dimensionnants et d’apporter des connaissances nouvelles capables d’orienter vers les axes de R&D les plus prometteurs.
La thèse sera réalisée au CEA Grenoble.
Nouvelles architectures d’antennes MIMO compactes pour les communications en bande FR3
L’évolution des réseaux de communication sans fil cellulaire vers des infrastructures MIMO distribuées nécessite de repenser les structures d’antennes pour les adapter au traitement des signaux afin de garantir une connectivité optimisée, continue et robuste. Conjointement, l’utilisation d’une nouvelle bande de fréquence située autour de 7 GHz permet de repenser l’utilisation de concept d’antennes peu encombrantes pour augmenter la directivité des antennes, générer des multifaisceaux et les piloter angulairement tant au niveau du terminal utilisateur que des points d’accès radio appelés à se multiplier.
L’objectif de cette thèse est alors de développer une solution d’antenne compacte multi accès adaptée à une stratégie d'optimisation de formation de faisceaux mixte (analogique-numérique) capable des transmettre des flux distincts afin d'optimiser la transmission d’information à faible consommation énergétique. Elle s’appuie sur une approche originale de formation de faisceaux multiples associant les concepts de superdirectivté et de surface émettrice haut rendement. Des verrous conceptuels sont à résoudre en même temps que le développement d’outils d’analyse, modélisation et conception. La maitrise du couplage entre accès d’antenne MIMO sera un point particulièrement étudié ainsi que la maitrise de la consommation du système électronique complet nécessaire à la formation et au pilotage des multi-faisceaux.
Les travaux de recherche seront organisés autour des activités suivantes :
• Analyse de l’état de l’art scientifique et technique
• Développement d’outils numériques d’analyse, de conception et d’optimisation (de type décomposition en ondes sphériques, théorie des modes caractéristiques)
• Étude et évaluation par simulation électromagnétique d'architectures d'antennes pour la formation et le pilotage de faisceaux multiples (volume holographique basée sur le concept de superdirectivité, cellules unitaires canoniques, évaluation de l'électronique de commande). Une attention particulière sera portée à la maitrise du couplage entre les accès d’antenne.
• Conception d'un système d'antenne compact à faisceaux multiples orientables (cellules rayonnantes, commande RF économe en énergie, électronique optimisée en termes de consommation, fabrication et essais de prototypes)
• Fabrication et tests expérimentaux du système d'antenne à faisceaux multiples orientables électroniquement
Les travaux seront réalisés dans le cadre du projet EXCELL-FR3 financé par le PEPR réseau du futur (France 2030).
DETOX : MoDulation de la structure ElecTronique d’OXyde de tungstène par dépôt combinatoire en couches minces : Influence des défauts intrinsèques et extrinsèques sur les propriétés électrochimiques
Dans le cadre d’une collaboration entre le CEA-TECH, le CEA-INSTN, l’ICMCB, et le FSCEL-laRFIS de Montréal, nous proposons un sujet de thèse sur la modulation de la structure électronique d’oxyde de tungstène par dépôt combinatoire en couches minces. Le projet DETOX est dédié à la recherche accélérée de matériaux et vise en particulier le domaine des systèmes électrochimiques avec des applications en électrochromisme ou photo-électrocatalyse. Le couplage ou synergie entre les propriétés chromogéniques (modulation des propriétés optiques par un stimulus extérieur et en particulier de l’électrochromisme avec application d’une tension) et la photo-électrocatalyse s’appuie sur l’origine redox des 2 fonctionnalités induisant soit un changement de couleur soit la production d’H2 par craquage de l’eau. Se focalisant sur la voie couche mince et nommément la pulvérisation cathodique magnétron, l’identification de matériaux aux propriétés optimisées nécessite de balayer un grand nombre de conditions de dépôt, telles que la nature de la cible, la pression, l’atmosphère, induisant des modulations de structure, morphologie, composition. Dans cette recherche de matériaux performants, les dépôts combinatoires d’oxydes se révèlent être un outil très pertinent. Une telle approche couplée à l’utilisation d’outils d’intelligence artificielle pour prédire les matériaux ayant les meilleures propriétés et permettant leur optimisation conduit à un gain de temps significatif.
S’appuyant sur un consortium de quatre équipes aux expertises complémentaires, le(a) doctorant(e) bénéficiera de l’aide des permanents impliqués dans le cadre du projet DETOX qui participeront activement aux travaux de recherche.
Ces travaux seront menés dans le cadre du PEPR (Projet d’Equipements Prioritaires de Recherche) DIADEM coordonné par le CNRS et le CEA, dédié à la découverte accélérée de matériaux innovants assistée par Intelligence Artificielle. Ils seront réalisés conjointement principalement au sein de deux laboratoires de la région Nouvelle Aquitaine à Pessac (Plateforme Criblage Matériaux du CEA Tech (PRTT NA) et Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux (ICMCB) avec des aller-retours à Paris Saclay et à Polytechnique Montréal entre 9 mois et 12 mois de la thèse.
Matériaux biosourcés 3D enrichis en ARNm pour la régénération osseuse : optimisation de la différentiation ostéogénique par des méthodes basées sur l’IA
Ce projet de thèse vise le développement de «scaffolds» biorésorbables fonctionnalisés par des ARNm à base d’un polycation, la poly(L-lysine) et d’acide hyaluronique, selon différentes architectures. L’originalité de l’approche repose, d’une part, sur l’incorporation au sein de ces biomatériaux de séquences d’ARNm encapsulées dans des nanoparticules, codant pour des protéines clés de la régénération osseuse (VEGF, BMP), et d’autre part, sur l’étude de l’impact de l’organisation tridimensionnelle des polymères sur l’efficacité biologique du «scaffold». Cette approche vise à transformer les cellules présentes au site lésionnel en mini-pompes thérapeutiques par transfection in situ, assurant une production locale et prolongée des protéines d’intérêt à des doses physiologiques. Des approches d’intelligence artificielle seront utilisées comme outils d’aide à la conception pour analyser et exploiter les données expérimentales. Elles permettront d’orienter le design des «scaffolds» (composition, architecture, chargement en ARNm) en vue d’optimiser la différentiation ostéogénique, tout en réduisant le nombre d’itérations expérimentales.