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Contrat doctoral (36 mois), début octobre 2021

Titre : Elaboration de membranes de polymères perforées pour la localisation précise de silicium poreux

Domaines : Chimie des matériaux, polymère, électrochimie

Laboratoires d’accueil
ICMN, 1b, rue de la Férollerie, CS 40059. 45071 Orléans

GREMAN – Site STMicroelectronics, 10 rue Thalès de Milet 37071 Tours

Partenaire industriel

SiLiMiXT - c/o STMicroelectronics , 10 rue Thalès de Milet, 37071 Tours

Salaire brut : 2135€/mois (possibilité d’effectuer des missions complémentaires)

Résumé
Une approche inédite de fabrication de silicium poreux avec des dimensions, des morphologies et une organisation des pores contrôlée est proposée. Elle met en oeuvre un procédé de localisation de la gravure par des membranes polymères auto-organisées perforées déposées à surface du silicium

Contexte et description de l’étude
De nouvelles applications mettant en oeuvre les propriétés bien particulières du silicium poreux (SiP) voient le jour continuellement. On peut notamment citer les applications dans le domaine de l’électronique nomade ou de l’énergie qui accompagnent aujourd’hui la démarche de transition énergétique (composants de puissance et RF, électrodes de supercondensateurs et batteries Li …).

Le laboratoire GREMAN est reconnu pour son expertise dans la production de SiP par gravure électrochimique. Par cette méthode, les morphologies réalisables sont extrêmement variées. Afin de mieux contrôler les caractéristiques des structures poreuses, nous proposons de guider la gravure par un procédé inédit utilisant des membranes polymères perforées déposées à la surface du silicium. L’ICMN s’est spécialisé dans la réalisation de couches minces poreuses organisées de polymères, structurées à des échelles de tailles allant du nm (auto-organisation de copolymères à blocs) au μm (séparation de phase dans des mélanges de polymères, breath figures …). Obtenues par des procédés « bottom-up », ces couches minces perforées présentent une grande palette de géométries et dimensions qui permettraient la réalisation de silicium poreux « à la demande ». Au-delà de l’intérêt applicatif (gravure sans étape de photolithographie) de cette approche, l’enjeu est d’examiner les mécanismes de gravure du silicium en situation « contrainte », qui s’écarte des méthodes de gravure conventionnelle généralement obtenue en surface libre. Un des verrous consistera à produire des films polymères résistants aux conditions de gravures (HF). L’utilisation de polymères fluorés pourrait s’avérer pertinente et nécessitera de développer à l’ICMN des systèmes originaux pour lesquels les mécanismes de nanostructuration n’ont pas encore été étudiés.

Ce travail bénéficiera des expertises et du matériel de caractérisation adapté présent à l’ICMN (microscopie à champ proche, nouvelle plateforme MET, diffusion des rayons X aux petits angles …). La partie de l’étude réalisée au GREMAN consistera à valider ces nouveaux matériaux de masquage (adhérence au silicium, résistance au HF…). Une fois identifiés les polymères les plus adaptés au procédé de gravure, les conditions d’anodisation (courant, durée, composition de l’électrolyte) seront étudiées et optimisées pour quelques applications typiques et en particulier, les électrodes de super-condensateurs. Le transfert de technologie pour la mise en place d’un procédé industrialisable sera étudié avec le partenaire industriel de la thèse, la société SiLiMIXT, fournisseur de technologies à base de silicium poreux.

Profil recherché
Le candidat, de formation universitaire ou école d’ingénieurs, devra avoir de bonnes connaissances en chimie des matériaux et en électrochimie. Des compétences dans le domaine des semi-conducteurs et en microélectronique seraient appréciées.

Candidature
Envoyer par email un dossier constitué d’un CV détaillé, d’une lettre de motivation et de courriers de recommandation et/ou contacts.

PhD Position (36 months), starting October 2021

Title : Elaboration of porous polymer membranes for precise localization of porous silicon

Field : Material chemistry, polymer, electrochemistry

Hosting laboratories :
ICMN, 1b, rue de la Férollerie, CS 40059. 45071 Orléans

GREMAN – Site STMicroelectronics, 10 rue Thalès de Milet 37071 Tours

Industrial partner :
SiLiMiXT - c/o STMicroelectronics , 10 rue Thalès de Milet, 37071 Tours

Gross salary : 2135€/month (supplemental wages in option, details on request)

Short summary
This PhD thesis proposal deals with an innovative approach in porous silicon etching. The final objective is to obtain well-controlled pore morphologies using perforated polymer membranes deposited on the silicon wafer surface before porous silicon formation. The ability of this novel method to localize micro or nano-sized pores will be evaluated.

Context and content of the thesis

Porous silicon (PS) is a nanostructured material able to answer to many application requirements in microelectronics or energy storage (e.g. power or RF devices, supercapacitor or battery electrodes…). This nanostructured material is generally formed by electrochemical etching (anodic dissolution) of crystalline silicon wafers in hydrofluoric acid (HF) based electrolytes. According to the substrate doping, the crystalline orientation, the electrolyte composition and the electrochemical etching conditions (applied current, duration, etc…), various morphologies can be achieved. The pore dimensions vary from a few nanometers to several micrometers.

The GREMAN laboratory is internationally recognized for its expertise in the field of PS synthesis. In this project, we propose to implement an innovative process that aims to precisely localize the pore growth at the silicon surface combining electrochemical etching in HF electrolyte and perforated polymer membranes. The latter will be developed by the ICMN laboratory which is specialized in the synthesis of porous polymer membranes with pore size varying from a few nanometers (auto-organized block-polymers) to some microns (phase separation in polymer blends, breath figures). This bottom-up approach can lead to a wide variety of geometries and sizes and could help to produce controlled PS morphology without any photolithography step. This thesis will be also the opportunity to study the etching mechanisms involved in this specific configuration, which strongly differs from a silicon surface-free etching process. In particular, a high resistance against HF corrosion is mandatory therefore the use of fluorated polymers could be relevant. These systems that have not been studied so far in the ICMN will be developed during this thesis.

This work will benefit from the ICMN expertise and all the characterization equipments available in the lab (microscopy, X-ray diffraction…). The part of the work dedicated to the masking materials validation will be performed in the GREMAN lab (film adhesion during etching, resistance to HF…). Finally, once the adequate polymers are identified and the etching conditions optimized (HF concentration, anodization current density…), this process will be applied to relevant applications such as supercapacitor electrodes. Transfer to industrial applications will be also envisioned trough the implication of the company SiLiMiXT, a provider of porous silicon technologies to the market.

Profile of the candidate
We are looking for a candidate with a master degree (or equivalent) having knowledge in material chemistry (including polymer and/or semi-conducting materials) and electrochemistry. Knowledge in microelectronic would be appreciated.

Application : cover letter + CV + list of contacts + recommendation letter (optional)

Contacts :
ICMN : Christophe SINTUREL, christophe.sinturel@univ-orleans.fr

Marylène VAYER, marylene.vayer@univ-orleans.fr

GREMAN : Gaël GAUTIER, gael.gautier@insa-cvl.fr

Thomas DEFFORGE, thomas.defforge@insa-cvl.fr

SiLiMiXT : Sébastien DESPLOBAIN, contact@silimixt.com