Etude des mécanismes de transfert de structures 3D dans une couche inorganique pour l'optoélectronique // Study of 3D pattern etch mechanisms into inorganic layers for optoelectronic applications

Les dispositifs optoélectroniques tels que les capteurs d’image à base de CMOS (aussi appelés imageurs) nécessitent la fabrication de structures 3D, des microlentilles convexes, afin de faire converger les photons vers les diodes photosensibles qui constituent les pixels. Ces éléments optiques sont indispensables pour le fonctionnement des dispositifs imageurs et leur forme ainsi que leur dimension sont critiques pour les performances. Dans le même ordre d’idée, les dispositifs basés sur l’optique diffractive ainsi que les capteurs hyper-spectraux sont en quête de structures multi-hauteurs complexes à réaliser. Enfin, les nouvelles technologies de micro-displays pour la réalité augmentée (AR) et de réalité virtuelle (VR) requièrent des structures 3D difficiles à réaliser avec les techniques de micro-fabrication conventionnelles.

Le Leti est à la pointe de l’état de l’art mondial sur une méthode innovante de photolithographie, dite par niveau de gris ou Grayscale, qui permet de réaliser toute une gamme de structures 3D dans une résine photosensible. Des formes concaves, ellipsoïdales, pyramidales et asymétriques sont ainsi accessibles. Ces structures complexes pourraient être utilisées pour de nouveaux domaines applicatifs, comme la photonique et les technologies de micro-displays précédemment citées. Une fois ces structures 3D réalisées dans une résine photosensible, il est nécessaire de les transférer par gravure plasma dans une couche fonctionnelle adaptée. Les mécanismes de transfert de structures 3D micrométriques dans une couche de polymère ont été récemment étudiés au Leti. Pour adresser de nouveaux besoins applicatifs, on souhaite désormais transférer ce type de structures 3D dans des couches inorganiques à base de silicium. De plus, ces structures, de plusieurs micromètres jusqu’à présent, tendent désormais vers des dimensions largement inférieures au micromètre. Cet aspect devrait rendre d’autant plus complexe la fidélité de transfert de motifs 3D.

Bien que critique, le transfert de motifs grayscale submicronique dans des couches inorganiques par gravure plasma est très peu été décrit dans la littérature. Cette thématique est de ce fait innovante et a une réelle valeur ajoutée. L’objectif de cette thèse est d’étudier et de comprendre les mécanismes de gravure de structures 3D submicroniques dans des couches inorganiques à base de silicium, telles que l’oxyde de silicium (SiO2) et le nitrure de silicium (SiN). Cela sera aussi l’occasion de répondre à certaines questions laissées en suspens lors des précédentes études. Le travail à réaliser est à très forte dominante expérimentale et se déroulera principalement dans la salle blanche 300mm du Leti. Vous aurez accès à des réacteurs de gravure plasma de dernière génération, ainsi qu’à de nombreux moyens de caractérisations. Cette thèse sera réalisée en étroite collaboration avec le service photolithographie du Leti et en interaction avec ses différentes équipes, telles que la plateforme silicium et les départements applicatifs.

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Optoelectronic devices such as CMOS Image Sensors (CIS) require the realization of 3D structures, convex microlenses, in order to focus photons towards the photodiodes defining the pixels. These optical elements are mandatory for the device efficiency. Their shape and dimension are critical for device performances. In the same way, devices based on diffractive optic and hyperspectral sensors are looking for complex multi-height structures. Finally, recent micro-display technologies for augmented reality (AR) and virtual reality (VR) require 3D structures difficult to achieve with conventional micro-fabrication technics.
Leti is at the state of the art on an alternative photolithography technics, so-called Grayscale. This process can produce a whole range of 3D structures not available with standard photolithography, such as concave, elliptic, pyramids and asymmetrical shapes. These structures could be used in a large number of application fields, like photonics and micro-displays (AR/VR). Once these structures achieved in photoresist, it is necessary to transfer them in an adapted functional layer using plasma etching. The etch mechanisms behind the transfer of micrometric 3D patterns into a polymer layer have been recently studied at Leti. To address new application needs, it is interesting to transfer these structures into silicon based inorganic layers because of their optical properties. Furthermore, the 3D pattern dimensions, currently few micrometers, need to be sub-micrometric for the most advanced technologies. In these condition, pattern transfer fidelity of 3D structures is even more challenging and it underlines why the etch mechanisms need to be well understood.
Currently the transfer into inorganic layers by plasma etching of submicronic 3D patterns obtained with Grayscale photolithography is not well studied in literature. Consequently, this thematic is innovative and has a real benefit. The goal of this PhD thesis is to study and understand the etch mechanisms in order to control the shape and dimension of the transferred structures. The work will be very experimental and will be mainly performed in Leti’s 300mm cleanroom. You will have access to a last generation plasma etch tool and numerous characterization technics. This thesis is in collaboration with the photolithography department and in interaction with different teams, such as the silicon platform and application department.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département des Plateformes Technologiques (LETI)
Service : Service des procédés de Patterning
Laboratoire : Laboratoire Gravure
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS)
Directeur de thèse : CHEVOLLEAU Thierry
Organisme : CEA
Laboratoire : DRT/DPFT/SPAT/LGRA

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département des Plateformes Technologiques (LETI)
Service : Service des procédés de Patterning

microélectronique, sciences des matériaux