Les travaux présentés dans ce mémoire visent à améliorer la méthodologie de conception et les performances des stratégies de protection contre les décharges électrostatiques (ESD) dans les circuits intégrés. Pour cela, l'approche choisie est basée sur une analyse approfondie de la physique des composants soumis aux ESD et plus particulièrement, les effets des très fortes densités de courant. L'étude, focalisée sur les transistors bipolaires autopolarisés, s'appuie sur la simulation physique 2D et l'utilisation des outils de localisation de défaillance basés sur les techniques de stimulation laser. L'analyse physique en résultant a permis d'une part, de définir des règles de dessin universelles pour l'obtention d'une robustesse ESD élevée et d'autre part, de proposer des macro-modèles de type SPICE originaux pour prendre en compte les effets des fortes densités de courant. Enfin, après avoir mis en évidence plusieurs phénomènes limitant les performances des réseaux de protection, nous avons défini une méthodologie de conception améliorée permettant de les prendre en compte et de garantir la performance des solutions de protections fournies aux concepteurs de circuits.

La microscopie à force atomique (AFM) dynamique est née il y a maintenant presque quinze ans (Albrecht, 1991). Depuis la première image en résolution atomique (F. J. Giessibl, 1995), les avancées de cette technique de champ proche permettent aujourd'hui de manipuler des atomes à température ambiante (Oyabu, 2005) sur des surfaces conductrices ou isolantes. La compréhension du fonctionnement de cette machine complexe et l'optimisation des réglages des nombreux asservissements est un des objectifs de ce travail de thèse. A cette fin, un formalisme analytique provenant des méthodes de l'Automatique non linéaire (J. Ch. Gille, 1956) sera introduit pour traiter de façon naturelle les blocs de régulation de la machine mais aussi pour traiter l'interaction pointe-surface comme une fonction de transfert. Un outil numérique de simulation confirmera notre approche théorique. Dans un deuxième temps, le rôle capital de la sonde et sa caractérisation seront traités à travers une méthode expérimentale simple et originale. Cette méthode se base sur l'étude des changements des propriétés de résonance de la sonde oscillante sur des surfaces isolantes et conductrices. Les forces conservatives à longue portée du type électrostatique et van der Waals seront quantifiées. Les forces à courte portée essentiellement chimiques seront mises en évidence en mesurant la dissipation de la sonde oscillante en fonction de sa distance avec la surface. Nous finirons cette étude en montrant expérimentalement, sur un sytème MoS2/îlots d'or/molécules d'octanedithiol, la grande versatilité de ce microscope. En effet, cet appareil d'observation par sa complexité apparente laisse beaucoup de degrés de liberté à l'utilisateur pour aborder l'étude d'un tel système physicochimique. Des perspectives seront données pour améliorer la stabilité et le pouvoir de résolution des pointes qui permettraient de rendre pérenne cette technique de champ proche.

L'étude ici développée traite de deux aspects de la microfluidique : l'hydrodynamique d'écoulements liquides en microtubes et l'ébullition convective en minicanaux. Le dispositif et la méthode de traitement développés dans la première partie du mémoire permettent d'obtenir le nombre de Poiseuille d'écoulements laminaires liquides avec une précision inférieure à 4%. L'étude met en évidence une croissance du nombre de Poiseuille pour les écoulements d'eau distillée, d'eau de ville et des solutions de KCl au sein de microtubes en silice de diamètres allant de 540 à 52 µm. L'origine des écarts à la théorie classique en macroconduites a été recherchée. Une des hypothèses vraisemblable est l'effet de la Double Couche Electrique due aux ions contenus dans le fluide et à la surface interne du microtube chargée électrostatiquement. Dans la seconde partie du manuscrit, nous mettons en évidence l'influence du confinement pariétal sur un écoulement avec changement de phase liquide-vapeur au sein d'un minicanal vertical. Deux régimes d'ébullition sont observés : stationnaire avec des structures d'écoulements classiques et instationnaires dues à une production importante de vapeur. Dans ce dernier cas, nous distinguons les fluctuations de couplage et les fluctuations intrinsèques à l'écoulement confiné. Un critère de déclenchement des instationarités permet d'accéder à une grandeur adimensionnelle. Une loi d'échelle est alors proposée pour les écoulements diphasiques dans les minicanaux. Il en est de même pour les transferts thermiques.

Ce manuscrit d'HDR comprend trois parties comprenant pour certaines plusieurs chapitres. Mes travaux de recherche depuis le post-dosctorat (2001) jusqu'à 2012 y sont présentés synthétiquement. Ceux-ci concernent les thématiques de microscopie à force atomique en mode non-contact et de microscopie de sonde de Kelvin appliquées à la caractérisation structurale et à la mesure des propriétés électroniques de phases de molécules organiques adsorbées sur des surfaces de sels alcalins sous ultra-vide.

Les futures architectures des systèmes de communication présenteront une forte complexité due à des besoins de reconfiguration à la fois en termes de fréquence, de puissance émise et/ou reçue, de puissance consommée et de fiabilité. Une solution consiste à utiliser les MEMS RF pour obtenir ces fonctionnalités augmentées. Ces composants seront soumis à des agressions à la fois électrostatiques et/ou électromagnétiques dont il est important d'analyser et de comprendre leur impact. D'autre part la tenue en puissance de ces composants est un paramètre qualitatif de leur robustesse. Étant donné qu'ils présentent également des intérêts pour les applications spatiales, il est important de comprendre leur sensibilité face au rayonnement. Le sujet de thèse vise à analyser l'impact de ces agressions sur les paramètres fonctionnels (tensions d'actionnements, vitesse de fonctionnement, pertes d'insertion et isolation) à partir du développement d'une plateforme appropriée ainsi qu'une analyse fine des mécanismes de dégradation apparaissant suite aux stress appliqués ; tension continu, décharges électrostatiques (de type HBM ou TLP), puissance RF et rayonnement. Ces stress seront appliqués sur des composants aux architectures différentes (types de diélectrique différentes, épaisseur membrane, géométrie des dispositifs, topologie des zones d'actionnement) afin de déterminer si certaines architectures et ou filières technologiques sont plus résistantes que d'autres. Enfin, afin de valider ces travaux, il sera conçu un design plus complexe présentant des résistances aux ESD/EMI améliorées et un circuit de vieillissement de ces composants sera également proposé. Ce projet de thèse rentre dans le cadre d'un réseau d'excellence AMICOM sur les microsystèmes RF où la fiabilité a été identifiée comme étant un des enjeux majeurs pour leur intégration et commercialisation.

Les agressions électriques, du type décharges électrostatiques (ESD) et surcharges électriques (EOS), sont à l'origine de plus de 50% des défaillances des circuits intégrés. De plus, avec l'avènement des technologies sans fil et des applications dites "plus électriques" en automobile et dans l'aviation, les spécifications de robustesse à ces agressions se sont considérablement durcies. Dans le même temps, la réduction des dimensions et la complexité croissante des technologies pose le problème de leur susceptibilité à ces contraintes EOS/ESD et de la probabilité non négligeable de génération de défauts latents. Enfin, les niveaux de fiabilité exigés maintenant dans la plupart des applications sont extrêmement élevés. Afin de répondre à ces nouvelles exigences, la détection des défauts latents est devenue indispensable, notamment pour des applications comme celles du domaine spatial. Or, la diminution des dimensions lithographiques a pour conséquence une augmentation des courants de repos des circuits microélectroniques. Cette augmentation rend difficile voire impossible la détection de défauts latents susceptibles de " dé-fiabiliser " des systèmes microélectroniques. Nous avons, dans cette thèse, étudié l'impact de défauts latents induits par stress ESD de type CDM sur la fiabilité de circuits et proposé une nouvelle méthodologie pour leur détection. Issue du domaine des radio fréquences, cette méthodologie basée sur des mesures du bruit basse fréquence nous a permis de mettre en évidence, avec une meilleure sensibilité, des défauts latents dans de simples structures de protections ESD mais aussi dans des circuits commerciaux complexes soumis à des décharges de type CDM. Différentes techniques de localisation par stimulation laser ont été mises en oeuvre pour la détection physique des défauts générés et corroborer l'analyse des mécanismes physiques à l'origine de l'augmentation du bruit.

La première partie de ce manuscrit rappelle l'implication des décharges électrostatiques au sein des circuits CMOS submicroniques, les moyens d'évaluation de la protection d'un circuit ainsi que les différentes stratégies de protection couramment employées pour protéger un circuit vis-à-vis des décharges électrostatiques et présente également les résultats silicium obtenus des structures de test utilisant le bipolaire parasite comme élément de protection (ggNMOS, LVTpnp). Par la suite, notre travail s'est concentré principalement sur la conception et le développement des protections centrales utilisant la conduction MOS pour évacuer les décharges électrostatiques. Nous apportons notamment une amélioration significative vis-à-vis des déclenchements intempestifs causés par les phénomènes de bruit rencontrés sur les alimentations, un dimensionnement robuste du circuit de déclenchement ainsi qu'une approche permettant de s'affranchir des effets néfastes rencontrés lors de mise sous tension très lente du circuit sont proposés. Nous présentons également une méthode de conception d'une protection centrale dynamique associée à la présentation d'un flot global de caractérisation automatisé dans le cadre de l'utilisation d'une stratégie de protection globale d'un circuit.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale de la production d’ions négatifs (H-) par des sources multi-dipolaires microondes (2.45 GHz) fonctionnant à la Résonance Cyclotron des Electrons (RCE). Les sources H- sont nécessaires aux accélérateurs de haute énergie et surtout pour les systèmes d’injection de neutres à haute énergie pour le chauffage des plasmas de fusion. Pour cette étude, deux sources (Prometheus I et ROSAE III) ont été conçues, fabriquées et étudiées. Ces deux sources sont munies de réseaux 2D des sources multi-dipolaires. Il est prouvé que la formation des ions négatifs dans ces sources d'ions, est dû à un mécanisme de production en volume : l'attachement dissociatif des électrons de faible énergie sur des molécules ro-vibrationallement excitées. Contrairement aux sources impliquant des réactions de surface, la production en volume a l’avantage de fonctionner sans césium. Une étude détaillée des principes fondamentaux de la production de H- est réalisée, et les voies possibles pour d'optimisation sont explorées au moyen de : sondes électrostatiques, photodetachment laser, spectroscopie d'émission optique dans la région spectrale du visible et de l'ultraviolet du vide et finalement par spectroscopie d'absorption et de fluorescence induite dans la région spectral de l'ultraviolet du vide en utilisant radiation synchrotron dans un montage expérimental spécial (SCHEME). Analytiquement:La source "Prometheus I" est d'abord étudiée en détails, dans une large gamme de conditions expérimentales (par exemple, pression, puissance, position des zones RCE). Cette étude souligne l’efficacité de production des ions H- en volume, et dévoile une fenêtre de fonctionnement optimal et des voies d'optimisation pour atteindre de plus fortes densités d'ions H-. La contribution du processus d'attachement dissociatif et de l'ionisation résonnante des neutres, à la production H- pour cette source ont été évaluée et la prépondérance de la première finalement confirmée par un modèle rendant compte du bilan des créations et pertes d’espèces.En raison de l'importance des molécules ro-vibrationnallement excitées lors du processus d'attachement dissociatif, l'étude se concentre sur leurs réactions de formation. Deux réactions de formation sont étudiées par des expériences dédiées : la désorption recombinative des atomes d'hydrogène à la surface de divers matériaux ("ROSAE III" et "SCHEME") et l'excitation par impact d'électrons à travers les états singulets temporaires ("Prometheus I"). L'étude de la désorption recombinative a été appréhendée de deux façons différentes. Avec la source ROSAE III, l'impact indirect du processus pour la production d'ions négatifs, à travers la formation de molécules ro-vibrationnellement excitées, a été évaluée dans les plasmas RCE. Dans la deuxième approche, la source "SCHEME" a été conçue pour l'étude de la désorption recombinative des atomes en utilisant le rayonnement synchrotron. La formation des états vibrationnels suite à l’excitation des états singulets, dans la source "Prometheus I" a été étudiée par des mesures d'émission de l'ultraviolet du vide.Une étude qui combine la spectroscopie d'émission de l'ultraviolet du vide, le photodétachement et la caractérisation de la cinétique des électrons par sondes électrostatiques, a permis l'identification des facteurs qui limitent la production d'ions négatifs dans le plasma RCE de "Prometheus I". Des perspectives pour surmonter ces limitations sont finalement proposées. / The present PhD thesis is devoted to the experimental study of hydrogen negative ion (H-) production in microwave-driven (2.45 GHz) multi-dipolar Electron Cyclotron Resonance (ECR) plasma sources. H- sources are required in high-energy accelerators and more importantly in neutral beam injection systems for fusion plasma heating. Towards this directions, two sources (namely, "Prometheus I" and "ROSAE III") are designed, fabricated and studied. Both sources are driven by 2D networks of dipolar ECR elementary sources. It is proven that, negative ion formation in these ion sources is governed by the volume production mechanism, which mostly refers to the dissociative attachment of low energy electrons to vibrationally excited molecules. Contrary to the so called surface sources, volume production sources have the advantage of cesium-free operation. Extended experimental study on fundamental principles of H- production is realized, and possible ways for potential source optimization are tested by means of: electrostatic probes, laser photodetachment, optical emission spectroscopy, both in the visible and vacuum ultra-violet spectral range and finally, vacuum-ultraviolet absorption and induced fluorescence spectroscopy using synchrotron radiation in a specially designed setup ("SCHEME"). Analytically:The source "Prometheus I" is initially studied in detail (EEDF, H- density, optical emission spectra etc), under a wide range of experimental conditions (e.g., pressure, power, ECR-zone location), proving its efficiency for H- volume production, and unveiling optimum operational window and paths for obtaining higher H- densities. The contribution of the dissociative attachment process and neutral resonant ionization to H- production in this source, is evaluated, and the dominance of the former is finally confirmed by an equilibrium model.Due to the importance of the ro-vibrationally excited molecules to the dissociative attachment process, the study is focused on their formation reactions. Two formation reactions are considered by adequately adapted experiments: the recombinative desorption of hydrogen atoms on the surface of various materials (ROSAE III and SCHEME) and the electron impact excitation through temporary singlet states (Prometheus I). The study of recombinative desorption is approached in two different ways. With the source ROSAE III, the indirect impact of the process to the production of negative ions, through the formation of ro-vibrationally excited molecules, is evaluated in ECR plasmas. In the second approach, the source SCHEME is designed for the independent investigation of the recombinative desorption of unexcited atoms using synchrotron radiation based diagnostics. The formation of vibrational states through singlet excitation in the source "Prometheus I" is studied by vacuum-ultraviolet emission measurements.A study that combined vacuum-ultraviolet emission spectroscopy, photodetachment and the characterization of electron kinetics with electrostatic probes, allowed the identification of the factors that limit negative ion production in the ECR plasma of "Prometheus I". Perspectives for overcoming these limitations are finally proposed.

Durant les 5 dernières décennies, les technologies CMOS se sont imposées comme méthode de fabrication principale pour les circuits semi-conducteurs intégrés avec notamment le transistor MOSFET. Néanmoins, la miniaturisation de ces transistors en technologie CMOS sur substrat massif atteint ses limites et a donc été arrêtée. Les filières FDSOI apparaissent comme une excellente alternative permettant une faible consommation et une excellente maîtrise des effets électrostatiques dans les transistors MOS, même pour les nœuds technologiques 14 et 28 nm. Cependant, la pente sous le seuil (60 mV/décade) du MOSFET ne peut pas être améliorée, ce qui limite la réduction de la tension d’alimentation. Cette restriction a motivé la recherche de composants innovants pouvant offrir des déclenchements abrupts tels que le Z2-FET (Zéro pente sous le seuil et Zéro ionisation par impact), Z2-FET DGP (avec double Ground Plane) et Z3-FET (Zéro grille avant). Grace à leurs caractéristiques intéressantes (déclenchement abrupte, faible courant de fuite, tension de déclenchement ajustable, rapport de courant ION/IOFF élevé), les dispositifs à modulation de bandes peuvent être utilisés dans différentes applications. Dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur la protection contre les décharges électrostatiques (ESD), la mémoire DRAM embarquée sans capacité de stockage, et les interrupteurs logiques. L’étude des mécanismes statique et transitoire ainsi que des performances de ces composants a été réalisée grâce à des simulations TCAD détaillées, validées systématiquement par des résultats expérimentaux. Un modèle de potentiel de surface pour les trois dispositifs est également fourni. / During the past 5 decades, Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) technology was the dominant fabrication method for semiconductor integrated circuits where Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) was and still is the central component. Nonetheless, the continued physical downscaling of these transistors in CMOS bulk technology is suffering limitations and has been stopped nowadays. Fully Depleted Silicon-On-Insulator (FDSOI) technology appears as an excellent alternative that offers low-power consumption and improved electrostatic control for MOS transistors even in very advanced nodes (14 nm and 28 nm). However, the 60 mV/decade subthreshold slope of MOSFET is still unbreakable which limits the supply voltage reduction. This motivated us to explore alternative devices with sharp-switching: Z2-FET (Zero subthreshold slope and Zero impact ionization), Z2-FET DGP (with Dual Ground Planes) and Z3-FET (Zero front-gate). Thanks to their attractive characteristics (sharp switch, low leakage current, adjustable triggering voltage and high current ratio ION/IOFF), band-modulation devices are envisioned for multiple applications. In this work, we focused on Electro-Static Discharge (ESD) protection, capacitor-less Dynamic Random Access Memory and fast logic switch. The DC and transient operation mechanisms as well as the device performance are investigated in details with TCAD simulations and validated with systematic experimental results. A compact model of surface potential distribution for all Z-FET family devices is also given.

Chaque satellite nécessite un système de propulsion pour des corrections d’orbite. Les propulseurs électriques à effet de Hall sont une technologie intéressante pour des applications spatiales. Le grand avantage par rapport à la propulsion chimique est une impulsion spécifique Isp plus élevée, une vitesse d’éjection plus élevée et donc un gain substantiel en termes de consommation de carburant. Dans un propulseur à effet Hall les ions sont créés et accélérés dans une décharge plasma à basse pression dans un champ magnétique. La première partie de ce travail concerne les lois d’échelle pour les propulseurs à effet Hall. Un modèle de dimensionnement semi-empirique basé sur des lois analytiques et reposant sur des hypothèses simplificatrices a été développé. Ce modèle de dimensionnement peut être utilisé pour une extrapolation des propulseurs existants afin de répondre aux exigences pour de nouvelles missions. Dans une deuxième étape, l’influence de la largeur du canal sur les performances d’un propulseur est étudiée. Il a été démontré qu’augmenter la largeur du canal conduit à une amélioration de l’efficacité du propulseur. Finalement, les propriétés électroniques ont été mesurées à l’aide de sondes électrostatiques dans la plume de différents propulseurs à effet Hall. Des données expérimentales concernant les propriétés électroniques sont très intéressantes pour la validation des modèles numériques de la plume indispensables pour l’intégration du propulseur sur le satellite. Des mesures moyennées et résolues en temps des propriétés électroniques ont été réalisées pour différents points de fonctionnement du propulseur. Un système de déplacement rapide pour les sondes a été développé afin de pouvoir faire des mesures des propriétés électroniques dans la zone proche du plan de sortie du propulseur. / All satellites need a propulsion system for orbit correction maneuvers. Electric Hall effect thrusters are an interesting technology for space applications. The big advantage compared to chemical propulsion devices is the higher specific impulse Isp, a higher ejection speed and thus a substantial gain in terms of propellant consumption. In a Hall effect thruster the ions are created and accelerated in a low pressure discharge plasma in a magnetic field. The first part of the work concerns scaling laws for Hall effect thrusters. A semi-empirical scaling model based on analytical laws and relying on simplifying assumptions is developed. This scaling model can be used to extrapolate existing thruster technologies in order to meet new mission requirements. In a second part, the influence of the channel width on the thruster performance level is investigated. It has been demonstrated that enlarging the channel width of a low power Hall effect thruster leads to an increase in thruster efficiency. Finally, electron properties are measured by means of electrostatic probes in the plume of different Hall effect thrusters. Experimental data on electron properties is of great interest for the validation of numerical plume models that are essential for the integration of the thruster on the satellite. Time-averaged and timeresolved measurements of the electron properties have been carried out for different operating conditions of the thruster. A fast-moving probe system has been developed in order to perform measurements of the electron properties close to the thruster exit plane.