Dans les technologies avancées, l’épitaxie des matériaux à base de silicium devient de plus en plus critique et les effets morphologiques importants. Les traitements thermiques ainsi que le dopage peuvent altérer la morphologie des épitaxies dégradant de façon considérable les performances des dispositifs. Les travaux de thèse ont pour objectifs de comprendre et résoudre ces problématiques, ils concernent donc l’étude de la morphologie et des forts dopages des épitaxies dans les motifs de petites tailles des technologies CMOS 14 et 10 nm. Nous avons étudié l’influence des conditions de recuit sous H2 sur la morphologie des épitaxies. Ceci a conduit à la détermination de la cinétique d’arrondissement thermique dans les petits motifs (100 nm et moins). D’après une analyse de la cinétique, deux énergies ont été identifiées : 2,9 eV et 7,7 eV. L’énergie de 2,9 eV montre qu’aux hautes températures, la diffusion de surface est le principal mécanisme de l’arrondissement thermique. Aux faibles températures, l’augmentation de la couverture d’hydrogène limite encore plus cette diffusion, augmentant fortement l’énergie obtenue. Nous avons observé que la pression du gaz porteur et la nature de celui-ci ont un impact important sur la diffusion de surface et modulent donc la cinétique d’arrondissement thermique. La caractérisation par microscopie à force atomique de croissances sélectives de couches SiGe dopées bore, montre que le bore modifie grandement la morphologie de croissance, ainsi que l’arrondissement thermique. Pour un même recuit, un motif dopé s’arrondit beaucoup plus rapidement qu’un motif non dopé. Les épitaxies développées au cours de ces travaux ont été intégrées avec succès dans les sources/drains du CMOS 14 nm. Selon le besoin, les épitaxies peuvent soit présenter de larges facettes bien définies soit aucune facette, et cela grâce à un procédé adéquat que ce travail a permis de proposer et développer / In advanced technologies, the Si-based materials epitaxy becomes more and more challenging and the morphological effects very important. The thermal treatments as well as the doping may degrade the epitaxies’ morphology resulting in considerably damaging the devices’ performances. The works presented in this thesis, aim at understanding and solving these problematics. Thus, they are focused on the study of the epitaxies’ morphology and high doping in the small patterns of the 10 and 14 nm CMOS technologies. The influence of the H2 annealing conditions on the morphology was studied. This led to determine the thermal rounding kinetics in small patterns. According to a kinetics analysis, two energies were identified: 2.9 eV and 7.7 eV. The 2.9 eV energy shows that at high temperatures, the surface diffusion is the thermal rounding main mechanism. At low temperatures, the hydrogen coverage’s increase limits even more this diffusion, greatly increasing the energy obtained. It was observed that the carrier gas pressure and its nature have a strong impact on the surface diffusion and thus modify the thermal rounding kinetics. The characterization by atomic force microscopy, of boron doped layer selectively grown, shows that the boron greatly modifies the growth’s morphology, as well as the thermal rounding. Considering a same annealing, the rounding phenomenon occurs faster in a doped pattern than in an un-doped pattern. The epitaxies developed during this work were successfully integrated to the 14 nm node sources and drains. Depending on the needs, the epitaxies can either present large and well defined facets or no facets, all of this thanks to an adequate process which was proposed and developed through this work.

Comment se forment les poussières dans un four électrique à arc d'aciérie et comment réduire leur quantité ? Telles sont les deux questions qui ont motivé ce travail. La caractérisation morpho-minéralogique des particules qui les composent suggère que l'éclatement des bulles de monoxyde de carbone à la surface du bain d'acier liquide est la principale source d'émission de poussière. Nous avons donc développé un dispositif expérimental original permettant de visualiser ce phénomène et de quantifier les gouttelettes projetées lors de l'éclatement d'une bulle. Les résultats obtenus montrent que ce sont les gouttes issues de la fragmentation du film liquide soulevé par la bulle, qui représentent la contribution majeure à la formation des poussières. La masse de gouttes de film émises est d'autant plus faible que les bulles sont petites, elle devient nulle pour une taille de bulle inférieure à 4,5 mm. Il est donc possible de réduire les émissions de poussières en maîtrisant la décarburation, à l'origine de la formation des bulles au four électrique. Après émission, les projections sont entraînées dans le système de captage des fumées où elles subissent des phénomènes d'agglomération, de coalescence et de frittage. Un modèle numérique décrivant ces phénomènes a été développé. Les résultats donnés par le calcul en termes de morphologie et de granulométrie sont très proches des caractéristiques réelles des poussières. A l'aide de ce modèle, nous avons pu préciser l'influence des conditions de captage (température, débit d'aspiration, géométrie des conduites) sur l'évolution des particules. Nous avons également déterminé par quels mécanismes et dans quelles parties du captage se forment les différentes catégories de particules, et nous avons expliqué les différences granulométriques observées entre les poussières de four électrique et celles de convertisseur.

L'évolution d'un piémont de chaîne de montagnes est contrôlée par les interactions entre la tectonique, l'érosion et la sédimentation. Pour étudier ces processus, nous avons analysé des données morphométriques issues des piémonts orientaux du Tian Shan (NW Chine) et développé un nouveau type de modélisation analogique. Cette approche utilise un dispositif et un matériau expérimental spécialement conçus pour modéliser simultanément des structures tectoniques (failles, plis), une morphologie détaillée (bassins versants, rivières, cônes alluviaux, etc.) et une sédimentation stratifiée. Des techniques de mesure optique ont été également mises en oeuvre afin de quantifier l'évolution topographique et cinématique des modèles.<br />Les expériences réalisées offrent une opportunité inédite d'étudier l'évolution morphotectonique d'un piémont. Nos résultats montrent que la tectonique exerce un contrôle de premier ordre sur cette évolution. La propagation de la déformation et la formation des reliefs influencent en effet significativement le développement du réseau de drainage, l'évolution des bassins versants et la formation des marqueurs morphotectoniques. En particulier, l'analyse de la morphométrie des cônes alluviaux et de leurs bassins versants suggère qu'un équilibre dynamique s'installe entre la surrection, l'érosion et la morphologie. Nos résultats montrent également que l'apparition des terrasses est guidée par l'activité des chevauchements et les adaptations de l'hydrographie. Leur modèle de plissement répond à une déformation homothétique.<br />Cette nouvelle approche ouvre des perspectives d'étude prometteuses en géomorphologie, sismotectonique et stratigraphie.

Cette thèse se situe dans le cadre de la comparaison d'image. Elle est consacrée au développement d'une méthode de comparaison locale d'images binaires. En s'appuyant sur un exemple de mesure - la distance de Hausdorff (DH) - une mesure locale (à travers une<br />fenêtre) est définie, et ses propriétés en fonction de la taille de la fenêtre et de la mesure globale entre les deux images sont prouvées. Cela permet de définir un critère pour fixer une taille de fenêtre ajustée à celle de la dissimilarité locale. Cette méthode permet de<br />définir une Carte de Dissimilarités Locales (CDL) lorsque la mesure locale est faite sur tous les points de l'image. Elle n'est pas valable uniquement avec la DH, cependant les propriétés de la DH font que le calcul de la CDL dans ce cas est très rapide. La CDL est à la fois un outil de visualisation des dissimilarités entre deux images et une base pour décider de la similarité des images.<br />Dans cette optique, une première étape est la mise en oeuvre d'une analyse multirésolution adaptée aux images binaires reposant sur le filtre de la médiane morphologique qui offre la possibilité de traiter l'information à une résolution adaptée au degré de similarité recherché. La deuxième étape est l'utilisation de l'information de la CDL concernant les dissimilarités et leur distribution spatiale pour comparer les images. Plusieurs méthodes sont testées, et la plus efficace est basée sur les SVM auxquels on fournit en entrée les<br />CDL entières. Les tests réalisés sur une base d'impressions anciennes numérisées et sur<br />une base de formes montrent l'efficacité de la méthode.

Cette thèse porte principalement sur le traitement des images numériques dans lesquelles chaque pixel encode une valeur angulaire (une valeur qui peut être visualisée comme un point sur le cercle unité). Les deux applications spécifiques considérées sont le traitement des champs de directions qui décrivent une texture orientée, et le traitement de la composante de teinte dans les représentations des espaces couleur en coordonnées cylindriques.<br />Nous développons, dans la première partie, des opérateurs morphologiques adaptés au traitement de valeurs angulaires, opérateurs qui prennent en compte la périodicité de ces valeurs. Le niveau d'invariance par rotation de chaque opérateur introduit est également discuté. La première application de ces opérateurs est dans le cadre des texture orientées, textures qui sont caractérisées par un certain niveau de spécificité d'orientation à chaque point pouvant être décrit par un champ de directions.<br />Le sujet principal traité est la détection de défauts associés à une anomalie dans ce champ de directions.<br />Nous considérons ensuite les espaces couleur qui sont représentées par un système de coordonnées cylindriques (coordonnées de teinte, clarté et saturation). Pour l'espace RVB, la multitude de représentations cylindriques disponibles est d'abord discutée. Nous proposons ensuite une telle représentation bien adaptée au traitement d'image, l'avantage principal étant le fait que la coordonnée de saturation est indépendante de la fonction utilisée pour calculer la clarté. Nous discutons également<br />la représentation en coordonnées cylindriques de l'espace L*a*b*. Nous terminons la première partie en discutant des ordres vectoriels ainsi que de l'application des opérateurs morphologiques aux espaces<br />couleur qui contiennent une valeur angulaire de la teinte. Une méthode pour améliorer un ordre de vecteurs couleur selon leurs teintes par une pondération qui prend en compte la saturation est présentée, ainsi<br />qu'une méthode pour ordonner les vecteurs dans l'espace L*a*b* en utilisant la notion d'un potentiel électrostatique.<br />Dans la deuxième partie, nous présentons les résultats de l'étude d'un problème industriel concret: l'appariement automatique de planches de bois pour faire des panneaux qui sont visuellement esthétiques.<br />Nous traitons d'abord deux aspects distincts de ce problème: l'appariement selon la couleur et l'appariement selon la texture. Enfin, un algorithme<br />d'appariement qui prend ces deux aspects en compte simultanément est présenté. Quelques idées développées dans la première partie sont également appliquées à la solution de ce problème.

La thèse a été réalisée en cotutelle entre le Centre de biophysique moléculaire, CNRS UPR 4301, conventionné avec l'Université d'Orléans et l'Université TUM de Munich.<br />La gelée royale est produite dans les glandes des abeilles nourricières Apis mellifera par digestion partielle de pollen et de nectar. La gelée royale joue un rôle clé dans la reproduction, la croissance, l'immunité et l'organisation sociale des abeilles. Elle constitue également une source potentielle de nombreuses molécules à vocation pharmaceutique.<br />Le candidat a analysé des gelées royales d'origines botaniques et géographiques bien définies. Des fractions de peptides et de protéines ont été isolées à l'aide de multiples techniques physico-chimiques. Ces fractions se sont avérées présenter des propriétés antimicrobiennes. Le candidat a également examiné les possibilités d'application pharmaceutique des fractions de gelée royale qu'il a isolées.

Cette étude présente les résultats de caractérisations structurales et morphologiques de multicouches discontinues métal-oxyde, composés d'un empilement de plans de nanoparticules métalliques noyées dans une matrice d'oxyde. L'amplitude de la magnétorésistance tunnel dans ces matériaux dépend de l'organisation du métal à plusieurs échelles. De multiples techniques ont été utilisées afin de sonder l'ordre local structural et magnétique (XAFS, Spectroscopie Mössbauer), l'ordre à moyenne distance (Réflectivité X, GISAXS, MET) et l'ordre à grande distance (Diffraction X). Les données issues de ces différentes techniques sont comparées et confrontées à celles des mesures magnétiques. Trois systèmes ont été étudiés, Fe/ZrO2, Co/ZrO2 et Co/SiO2, en faisant varier l'épaisseur de la couche nominale de métal déposé eM, la température du recuit TR effectué après l'élaboration par pulvérisation cathodique et la vitesse de dépôt des couches. Les ions paramagnétiques mis en évidence en périphérie des nanoparticules ne font pas partie intégrante d'une couche d'un oxyde connu du métal déposé. Ils sont « morts » du point de vue des propriétés magnétiques et électriques. La fraction d'atomes « morts » est plus importante avec la zircone qu'avec la silice et peut être diminuée en augmentant TR, eM et/ou en diminuant la vitesse de dépôt. La valeur de eM correspondant au seuil de percolation dans le plan des couches est déplacée vers les grandes valeurs de eM en augmentant TR. Le mouillage métal-oxyde est important avec la zircone (comparée à la silice) et avec le fer (comparée au cobalt). La morphologie des couches granulaires qui en résulte, notamment la taille des particules, détermine le comportement superparamagnétique ou ferromagnétique des particules. Pour chaque système métal-oxyde, un diagramme schématique (TR, eM) résume les propriétés magnétiques, structurales et morphologiques observées.

Depuis quelques années, les physiciens essayent de comprendre comment un fluide tel que l'eau ou l'air transporte des grains de sable et comment une structure comme une dune de sable peut être formée par la rétroaction entre l'écoulement du fluide et la déformation de l'interface fluide-granulaire. Dans ce manuscrit de thèse, nous présentons des expèriences en laboratoire qui consistent à reproduire des structures familières telles que les rides de plage. Ces motifs sont formés par les vagues sur le bord de plage. Nous examinons la sélection de la longueur d'onde initiale ainsi que la coalescence des rides dites à grains roulants avant leur transition vers les rides dites à tourbillon qui correspondent à l'état saturé de l'interface. Grâce à la construction d'un nouveau dispositif expérimental, nous montrons pour la première fois avec des mesures de PIV la structure de l'écoulement associée aux rides à grains roulants en l'occurrence un tourbillon transitoire qui apparaît au renversement de l'écoulement principal. En outre, nous démontrons l'existence d'une ségrégation en volume pour les rides à tourbillon qui est la conséquence de la distribution de contrainte de cisaillement sur la surface de la ride.

Les techniques d'interférométrie microscopiques, basées sur le principe de l'interférence lumineuse, ont connu un développement considérable au cours des dernières années. On distingue deux familles de techniques : la microscopie à saut de phase (PSM) bien adaptée pour l'analyse de défauts peu profonds à l'échelle nanométrique et la microscopie à sonde de faible cohérence (CPM) pour permettre la mesure de reliefs beaucoup plus profonds. Le but de cette étude porte sur l'amélioration des performances du montage de l'interféromètre microscopique en termes de sa précision, de sa résolution, de son contrôle automatique et de son utilisation dans la caractérisation des couches minces et épaisses utilisées dans la microélectronique et dans l'optique. En particulier, de nouveaux algorithmes de contrôle, de traitement et d'analyse ont été conçus pour faciliter la caractérisation des couches, et pour corriger certaines erreurs dans les méthodes PSM et CPM. Pour mieux cerner les performances et les limites du système, nous avons effectué des études comparatives entre nos propres mesures en PSM et en CPM et les mesures faites avec d'autres techniques (stylet, AFM, MEB et microscopie confocale) à travers trois applications. Nous avons montré dans la première application que la PSM pourrait être utilisée pour l'étalonnage quantitatif du procédé de recuit laser des couches de Si-poly pour les écrans plats d'une manière souple, non-destructive et beaucoup plus rapide que les méthodes classiques. Dans la deuxième application, nous avons montré que l'utilisation de la CPM pourrait contribuer à un prototypage rapide des Éléments Optiques Diffractifs (EODs) en raison de sa rapidité, de sa précision et de sa capacité de profiler correctement des couches transparentes épaisses. Dans la troisième et dernière application, une nouvelle technique interférométrique non-destructive a été développée pour caractériser les interfaces enterrées sous une couche transparente.

Ce mémoire résume une quinzaine d'années de recherche dans le monde industriel et universitaire. Il est divisé en trois parties, traitant respectivement de la théorie de la morphologie mathématique, des systèmes dynamiques et enfin des applications au traitement des images. En morphologie mathématique, nos travaux ont porté principalement sur le filtrage et la segmentation d'images. En ce qui concerne le filtrage, nous avons proposé un algorithme quasi-linéaire pour calculer l'arbre des composantes, une des structures d'organisation naturelles des ensembles de niveaux d'une image. En segmentation, nous nous sommes principalement intéressé à la ligne de partage des eaux. Nous en avons proposé une définition continue. En nous servant du formalisme récemment introduit par Gilles Bertrand, nous avons comparé les propriétés de plusieurs définitions discrètes et nous avons proposé un algorithme quasi-linéaire permettant de calculer la ligne de partage des eaux topologique. Notre algorithme repose en partie sur celui de l'arbre des composantes. Enfin, nous avons proposé des schémas hiérarchiques pour utiliser la ligne de partage des eaux, et en particulier, nous avons proposé de valuer les contours produits par un critère de saillance donnant l'importance du contour dans la hiérarchie. Ces études nous ont conduit à proposer des classes de graphes adaptés pour la fusion de région, mettant en particulier en évidence l'équivalence existant entre une de ces classes de graphes et la classe des graphes pour lesquels toute ligne de partage des eaux binaire est mince. En ce qui concerne les systèmes dynamiques, nous avons utilisé les outils issus du cadre de l'analyse multivoque et de la théorie de la viabilité pour proposer un algorithme (dit des "Montagnes Russes") qui permet de converger vers le minimum global d'une fonction dont on connaît l'infimum. L'association du cadre algébrique des treillis complets, de l'algèbre et de la théorie des inclusions différentielles nous a permis de donner des propriétés algébriques et de continuité d'applications agissant sur des ensembles fermés, comme l'ensemble atteignable ou le noyau de viabilité. Nous avons utilisé le cadre des équations mutationnelles, permettant de dériver des tubes de déformations de formes dans des espaces métriques, pour prouver de manière rigoureuse et sans hypothèse de régularité sur la forme, l'intuition selon laquelle la dilatation transforme la forme dans la direction des normales à celle-ci en chacun de ses points. Nous avons adapté au cadre des équations mutationnelles le théorème d'Euler, qui permet d'approcher une solution à une équation mutationnelle par une s'equence de points dans un espace métrique. Enfin, nous avons proposé une approche générique de simulation, fondée sur les systèmes de particules, qui a prouvé son efficacité par sa mise en œuvre en milieu industriel, en particulier, pour la simulation de foules, pour la synthèse d'images, ou encore pour la simulation du déploiement d'airbags. Nous pensons que de bonnes études théoriques aident à réaliser des applications de qualité. Inversement, de bons problèmes théoriques peuvent trouver une source dans de bons problèmes applicatifs. On trouvera dans ce mémoire le résumé d'un certain nombre de travaux dont l'intérêt industriel a été prouvé par des brevets ou des logiciels. Citons par exemple un outil de segmentation 4D (3D+temps) en imagerie cardiaque utilisé par des médecins dans le cadre de leur pratique. Nous avons travaillé pendant plusieurs années dans le domaine du traitement d'images de documents. Nous avons proposé un outil basé sur la morphologie mathématique permettant d'estimer l'angle d'inclinaison d'un document scanné. Plus particulièrement, nous avons étudié des problèmes liés à l'indexation et à la reconnaissance de dessins techniques.