Gravure et intégration de matériaux à changement de phase pour la photonique reconfigurable
Les verres de chalcogénures sont des matériaux d’intérêts pour de nombreuses applications : dans les mémoires à changement de phase avec par exemple l’enregistrement optique (CD-RW, DVD-RAM, Blu-ray Disks) ou plus récemment les mémoires universelles (Storage Class Memory), comme sélecteur dans les mémoires résistives à architecture 3D (sélecteur OTS) ou encore comme milieu actif pour l’optique non-linéaire et la photonique reconfigurable. Dans ce dernier cas, la réalisation de métasurfaces à indice optique pilotable ainsi que le développement d’actuateurs photoniques est un sujet qui connait un regain d’intérêt compte tenu des propriétés optiques uniques ces matériaux.
Dans ce domaine, le CEA-LETI est l’un des acteurs internationaux majeurs dans l’élaboration de couches minces de matériaux à changement de phase ainsi que de la caractérisation et de la compréhension de leurs propriétés physiques. Aujourd’hui, bien que ces matériaux soient bien maitrisés au niveau industriel pour les applications mémoires, il s’avère néanmoins nécessaire de travailler sur leur intégration dans des structures de petites dimensions tout en conservant leurs propriétés physiques uniques. Les premières études d’intégration lors d’une thèse précédente ont montré que les étapes de gravure et de stripping nécessitaient d’être optimisées pour éviter la dégradation des propriétés du matériau lors de la réalisation de structures photoniques.
Bien qu’indispensables à la maitrise du procédé, les mécanismes de gravure des verres chalcogénures sont relativement peu décrits dans la littérature, hormis pour le Ge2Sb2Te5 utilisés dans les mémoires à changement de phase. Cette thématique est de ce fait innovante et a une réelle valeur ajoutée. L’objectif de la thèse est donc d’étudier et de comprendre les mécanismes de gravure de verre de chalcogénures à base de GeSbSeTe afin de contrôler le profil et le dimensionnel des structures transférées. Le travail à réaliser présente une très forte dominante expérimentale et se déroulera principalement dans la salle blanche 300 mm du LETI. Le candidat aura accès à des couches minces de matériaux à l’état de l’art mondial, à un réacteur de gravure plasma de conception industrielle, ainsi qu’à de nombreux moyens de caractérisations. Cette thèse sera réalisée en collaboration avec le service dépôt du LETI et le département applicatif des dispositifs optoélectroniques (DOPT).
Caractérisation microstructurale par tomographie ultrasons-laser volumiques
Le sujet de thèse proposé s’inscrit dans le cadre de la conception de méthodes innovantes en caractérisation de matériaux. La thèse vise la mise au point d’une nouvelle technique tomographique de caractérisation de microstructures en employant des ultrasons-laser volumiques. Dans l’état de l’art, les méthodes acoustiques que sont le microscope acoustique à balayage et la spectroscopie opto-acoustique à ondes de surface conduisent à une imagerie des grains mais uniquement au niveau de la surface de l’échantillon. Or les procédés de fabrication industrielle (en métallurgie, soudage, fabrication additive…) peuvent faire apparaitre une inhomogénéité spatiale de la microstructure comme par exemple des gradients de taille de grain avec la profondeur au sein du composant. La diffraction par rétrodiffusion des électrons (EBSD) fournit aussi une imagerie surfacique des grains mais présente des inconvénients dont la restriction sur la taille de l'échantillon et la nécessité de faire des coupes transversales à travers l'échantillon pour imager son volume.
L’idée proposée est alors de développer une technique de tomographie par ultrasons-laser de volume qui permettrait de remonter à la taille de grains le long de zones d’un composant voire d’obtenir une imagerie de microstructures à gros grains et une détermination locale de l’orientation cristallographique. Le principal objectif de la thèse sera donc de concevoir un tel outil expérimental de caractérisation et d’en optimiser le design à l’aide d’un jumeau numérique à développer.
Modèle génératif conditionnel pour le calcul de la dose en radiothérapie
La propagation de particules par la méthode de Monte Carlo (MC) est reconnue pour sa précision mais est parfois limitée dans ses applications du fait de son coût en ressources informatiques et en temps de calcul. Cette limitation est d'autant plus importante pour le calcul de dose en radiothérapie qu'une configuration spécifique à chaque patient doit être simulée, ce qui freine son utilisation en routine clinique.
L’objectif de cette thèse est de permettre un calcul de dose accéléré et amorti par l’apprentissage d’un modèle génératif conditionnel se substituant à un ensemble de fichiers d'espace des phases (PSF), dont l’architecture sera déterminée suivant les spécificités du problème (GAN, VAE, diffusion models, normalizing flows, etc.). Outre l’accélération, la technique produirait un important gain en efficacité en réduisant le nombre de particules à simuler d’une part dans la phase d’apprentissage, mais également dans la génération des particules pour le calcul de la dose (frugalité du modèle).
Nous proposons ainsi la méthode suivante :
• Dans un premier temps, pour les parties fixes de l’accélérateur, l’utilisation d’un modèle génératif conditionnel remplacerait le stockage des particules simulées dans un fichier d’espace des phases, dont le volume de données est particulièrement conséquent. La compacité du modèle limiterait les échanges entre les unités de calcul sans avoir recours à une infrastructure de stockage spécifique.
• Dans un second temps, cette approche sera étendue à la collimation finale dont la complexité, due à la multiplicité des configurations géométriques possibles, peut être surmontée à l’aide du modèle de la première étape. Un second modèle génératif conditionnel sera entraîné afin d’estimer la distribution des particules pour n’importe quelle configuration à partir d’un nombre réduit de particules simulées.
Le dernier volet du travail de thèse consistera à mettre à profit le gain obtenu en efficacité de calcul pour aborder le problème inverse, à savoir optimiser le plan de traitement pour un patient donné à partir d’une image scanner contourée du patient et d’une prescription de dose.
Interactions en langage naturel pour la détection d'anomalies dans des séries temporelles mono et multivariées en utilisant des modèles de langage fondateurs (fondation models) et la génération augmentée par indexation-plongement-récupération (RAG))
La détection d'anomalies dans les séries temporelles mono et multivariées dépend fortement du contexte de la tâche. Les approches de l'état de l'art reposent généralement sur deux méthodes principales : premièrement, une acquisition extensive de données est réalisée pour entraîner des modèles d'intelligence artificielle tels que les auto-encodeurs, capables d'apprendre des représentations latentes utiles pour isoler l'anormalité dans les comportements attendus du système; une seconde approche consiste en la construction minutieuse de caractéristiques basée sur une approche associant un expert intelligence artificielle et un expert du domaine pour isoler les anomalies en utilisant des exemples limités. Une analyse approfondie de la littérature montre que le terme de détection d'anomalies repose sur une définition ambiguë, car un motif donné dans une série temporelle peut apparaître comme normal ou anormal selon le domaine d'application et le contexte immédiat de la série observée. Les modèles de fondation (fondation models) et la génération augmentée par indexation-plongement-récupération (Retrieval Augmented Generation) ont le potentiel de modifier substantiellement les approches de détection d'anomalies. L'idée est qu'un expert du domaine, à travers des interactions en langage naturel, pourrait être en mesure de spécifier la normalité et/ou l'anormalité du comportement du système, et une indexation conjointe de la littérature de l'état de l'art et du plongement de des séries temporelles dans un espace euclidien réduit pourrait guider cet expert du domaine à définir un algorithme de détection d'anomalies fonctionnel.
Contribution des interfaces métal semi-conducteur au fonctionnement des photodiodes infrarouge de dernière génération
Cette thèse concerne le domaine des détecteurs infrarouges refroidis utilisés pour les thématiques astrophysiques. Dans ce domaine, le DPFT/SMTP (Laboratoire Infrarouge) du CEA-LETI-MINATEC travaille en étroite collaboration avec Lynred, leader mondial dans la production de plans focaux infrarouge de haute performance. Dans ce cadre, le laboratoire infrarouge développe de nouvelles générations de détecteurs infrarouges pour répondre aux besoins des futurs produits.
L’un des axes de développement actuels concerne la qualité de l’interface métal semi-conducteur de type p. Ces développements sont portés par l’augmentation de la température de fonctionnement des détecteurs, ainsi que par les exigences de performances très fortes pour les applications spatiales.
L’enjeux de cette thèse est de contribuer à une meilleure connaissance des espèces chimiques présentes à l’interface d’intérêt en fonction de différents types de traitement de surface et de faire le lien avec les propriétés électriques du contact réalisé.
Le/a candidat/e intégrera le laboratoire infrarouge qui comprend la totalité de la filière de réalisation des détecteurs. Il/elle réalisera ces échantillons grâce aux moyens technologiques disponibles au sein de la salle blanche du LETI, en collaboration avec les experts de la filière. Il aura également accès aux outils de caractérisation nécessaires à l’étude (SIMS, XPS, AFM…) disponibles sur la plateforme de nano-caractérisation (PFNC) ou en salle blanche du CEA. Enfin, il/elle sera amené/e à participer à la caractérisation électro-optique du matériau, en collaboration avec le Laboratoire Imagerie infrarouge Refroidie (LIR) spécialisé dans la caractérisation fine du matériau actif.
Développement de procédés de dépôt/gravure par plasma pour une intégration SADP du nœud FD10
Le développement de nouveaux nœuds technologiques implique à la fois une réduction des dimensions critiques des motifs et une augmentation de leur densité. Depuis des années, le développement de stratégies de patterning multiple avec notamment le recours au Spacer Patterning (aussi noté SADP) s'est intensifié. Cette stratégie repose sur l'utilisation d'un motif sacrificiel sur lequel un matériau est déposé de manière conforme pour ensuite être gravé et ainsi définir des espaceurs qui serviront de masque pour l'obtention de motifs dans la sous-couche après retrait de la couche sacrificielle. Un des principaux défis de cette intégration est le choix des matériaux et leur compatibilité (budget thermique, sélectivité, etc.). Le recours à des matériaux types SiCO(N) peut apporter des alternatives intéressantes aux diélectriques classiques (SiO2, SiN). Un autre enjeu est l’obtention d’une seule population de motifs post-SADP : pour éviter les problèmes de micro-loading, des procédés de gravure plasma contrôlés de manière atomique devront être développés (ex. pulsing, ALE, etc.). L'impact environnemental devra être pris en compte lors du développement de ces procédés.
L'objectif de la thèse est de mettre au point une intégration avec les matériaux SiCO(N), développer ces matériaux et les stratégies de gravure associées.
Pour mener à bien vos recherches, vous profiterez de l’environnement privilégié qu’offre le CEA-Leti permettant d’utiliser des équipements industriels à l’état de l’art technologique à la fois en termes de développement de procédés et en termes de caractérisation des matériaux.
Completion de code outillé et supportée par des patterns de conceptions
L'IA générative et les grands modèles de langage (LLM), tels que Copilot et ChatGPT, peuvent compléter le code basé sur des fragments initiaux écrits par un développeur. Ils sont intégrés dans des environnements de développement logiciel tels que le VS code. De nombreux articles analysent les avantages et les limites de ces approches pour la génération de code, le code produit est souvent correct et les résultats sont de mieux en mieux.
Cependant, une quantité étonnamment faible de travaux ont été effectuées dans le contexte des modèles logiciels (par exemple basés sur UML). Des articles ont conclu que si les performances des LLM actuels pour la modélisation logicielle sont encore limitées (contrairement à la génération de code), il est nécessaire (contrairement à la génération de code) d'adapter nos pratiques d'ingénierie basées sur des modèles à ces nouveaux assistants. et les intégrer dans les méthodes et outils MBSE.
L'intégration des design-patterns est une partie complémentaire de ce travail. Le terme pattern de conception a été adopté dans le domaine logiciel pour capturer une solution éprouvée pour un problème donné avec ses avantages et ses inconvénients. Un peu plus tard, le terme anti-pattern a été proposé pour identifier les modèles qui sont connus pour ne pas fonctionner ou qui présentent de graves inconvénients. Ainsi, lors de la proposition d'une complétion, l'assistant pourrait explicitement référencer un modèle de conception existant avec ses implications. La proposition d'achèvement peut être basée soit sur des fragments de modèle identifiés (y compris des exigences modélisées), soit sur une sélection de modèle explicite.
Cette thèse explorera l'état de l'art de la complétion de modèles avec l'IA et les modèles de pattern et le support des outils associés. Jusqu'à présent, peu de travaux sont disponibles sur la formalisation des patrons et leur utilisation dans les outils de modélisation. Elle proposera d'identifier l'intention des dévéloppeurs, à partir de modèles partiels. La tâche pourrait être basée sur des règles, mais devrait également explorer des approches d'apprentissage automatique. Mettre en œuvre une proposition de réalisation dans le cadre d'un outil de conception, notamment Papyrus SW designer. La solution sera évaluée.
Mesure par scattérométrie de la distance focale d'exposition des outils de photolithographie en microélectronique
Depuis la fin des années 2000 avec l’arrivée des nœuds CMOS45nm, le contrôle des dimensions critiques (CD) des structures de l’étape photo-lithographie est devenu critique pour la fiabilité des circuits imprimés. La photo-lithographie optique demeure la technique la plus économique et la plus répandue pour la production grand volume dans l’industrie du semi-conducteur. Sur ce type d’équipement, le travail des fabricants s’est concentré sur l’augmentation de l’ouverture numérique de l’objectif de l’exposition, sur la diminution des sources d’aberrations optiques et sur la métrologie pour assurer un suivi performant de leurs machines. Ces évolutions ont été possible au détriment de la profondeur de champs de l'exposition. Pour ne pas altérer les images transférées dans les résines photosensibles, et au final avoir un dispositif défaillant, il est primordial de donner une valeur la plus juste et précise possible de cette grandeur. Pour répondre aux besoins grandissants de contrôle des procédés et des outils de lithographie qu’exigent les technologies les plus avancées, les techniques de métrologie à base d’analyse de signaux réfléchis sont massivement utilisées. Même si cette méthodologie répond correctement aux technologies CMOS actuelles (CMOS14nm et antérieures), il est peu probable qu’elle puisse adresser des technologies plus avancées, c'est pourquoi d'autres techniques doivent émerger, comme les techniques à base d'analyse du signal diffracté (scatterometrie).
Procédés de gravure séche innovants de matériaux exotiques
Les propriétés avantageuses (electro –optiques, - acoustisques, -mécaniques) de nouveaux matériaux comme l’ALN dopé Sc, le LNO, le LTO ou le KNN les rendent incontournables pour répondre aux besoins d’évolution de l’optique intégrée, les télécommunications (RF) et les microsystèmes. La réalisation de motifs aux dimensions submicroniques avec une vitesse d’attaque suffisante (>100nm/min), un profil de gravure vertical et une rugosité réduite des flancs sont les objectifs majeurs du travail de thèse pour satisfaire les critères de performances des dispositifs ciblés au niveau applicatif.
Stabilisation de dispositifs photovoltaïques Pérovskite par passivation avec des matériaux type Metal-Organic Frameworks
Les MOFs sont un type de matériaux poreux hybrides organiques-inorganiques avec des propriétés intéressantes du point de vue de la passivation des défauts de la pérovskite et de sa stabilité, notamment lumineuse. Par exemple :
• Effet direct des composants du MOF comme agents de passivation : Les ions métalliques et ligands organiques peuvent passiver des défauts à l’interface MOF/PK.
• Effet de « downconversion » du rayonnement incident : Certains métaux (comme l’europium) ou ligands (avec groupes aromatiques) peuvent absorber les rayonnements de haute énergie (violet / UV proche typiquement), puis réémettre cette énergie sous forme de rayonnement de moindre énergie ou la transmettre directement de manière non radiative à la pérovskite par résonance Förster (ou FRET). Ceci permet de protéger la pérovskite des photons de haute énergie, donc a priori d’améliorer la stabilité lumineuse, avec peu de pertes énergie.
Le travail de thèse concernera :
• l’intégration de MOF dans la couche pérovskite, en traitement de surface ou mélange de suspensions (à noter qu’un travail de stage préalable permettra de définir les voies les plus prometteuse dans le cadre de la thèse)
• Les études matériaux (notamment études avancées par XPS et UPS)
• La réalisation de dispositifs simple jonction puis tandem avec sous cellule silicium
• L’étude de durée de vie sous illumination (continue, cyclage) avec caractérisations associées (mesure électriques, photoluminescence, etc..)