Les réseaux de capteurs sans fil (WSN) ont attiré un grand intérêt dans la dernière décennie, et ont apporté des solutions dans un nombre croissant d'applications. Toutefois, certaines d'entre elles restent irréalisables en raison de forts points de blocage non résolus, comme un manque de synchronisation entre les prises de mesures, ainsi que des débits de données trop faibles. Ce travail apporte une solution à ces deux points majeurs via la conception d'un noeud communicant sans fil spécifique. Celle ci, basée sur la conception croisée, utilise les propriétés temporelles des modulations UltraLarge Bande (UWB) pour permettre une synchronisation très précise ainsi qu'un débit de données élevé. Notre démonstrateur ASIC basé sur ces travaux permet une précision de synchronisation de 2 ns pour une modulation IR-UWB sur une bande passante de 1,5 GHz. Cette thèse décrit le protocole de synchronisation WiDeCS et la conception de deux preuves de concept fonctionnelles sur FPGA et ASIC.

Les matériaux composites à base de fibre carbone suscitent un intérêt grandissant dans l'industrie en général et avionique en particulier. Très appréciés pour leur résistance exceptionnelle aux efforts de traction ils présentent également un poids bien plus faible que les métaux y compris l'aluminium. Cela permet d'envisager la construction d'aéronefs d'une très grande solidité tout en réduisant significativement leur consommation en carburant. Cependant les composites carbone sont relativement fragiles sous des efforts en flexion ou compression. Leur durée de vie est peu connue et dépend fortement de la géométrie des pièces qui sont souvent surdimensionnées par sécurité. Afin de prévenir d'éventuels accidents et conserver des pièces légères il est indispensable d'évaluer leur état de santé. L'objectif de cette thèse est la conception d'une solution d'instrumentation à base de capteurs miniaturisés en technologie silicium sensibles aux vibrations mécaniques et capables de détecter l'apparition d'un défaut dans la structure. Nous développé un procédé de fabrication simple et robuste pour des capteurs dont l'élément sensible est une jonction PN de type Zéner implémentée dans du polysilicium. Nous avons démontré dans un premier temps une sensibilité aux vibrations mécaniques. La capacité de ces capteurs à faire du suivi de réticulation en autoclave a également été démontrée. La phase suivante a concerné l'étude d'un procédé de packaging souple robuste et modulable pour la mise en réseau des capteurs. Enfin la dernière étape concerne l'étude d'un circuit électronique permettant la lecture du signal et la réduction du bruit de fond.

Ces travaux de recherche visent à associer la technologie des polymères à empreintes moléculaires à des dispositifs acoustiques à onde de Love afin de réaliser un biocapteur. L'objectif majeur était la mise au point d'un protocole de dépôt localisé de polymères non imprimés (NIP) et imprimés (MIP) en films minces compatibles avec la propagation de l'onde élastique. Une seconde partie des travaux a porté sur une caractérisation des films et des capteurs ainsi réalisés, par microscopie à balayage et mesures de détection sous gaz. Des éléments relatifs aux propriétés mécaniques (porosité, surface spécifique) des NIPs, des MIPs avant extraction de la molécule cible, puis après extraction et après recapture, ont permis de valider le principe du capteur, ouvrant la voie à l'application en milieu liquide dans le cadre de travaux débutés parallèlement.

Pour la réalisation des transistors FDSOI 22 nm et 3D FinFET 10 nm, la gravure de couches ultraminces de quelques nanomètres d’épaisseur doit être réalisée sans endommagement de la couche sous-jacente et n’est plus envisageable avec les procédés reposant sur les plasmas continus à haute densité. Une nouvelle technologie de gravure est étudiée dans cette thèse : elle consiste à modifier la surface d’un matériau sous l’action d’un plasma et à retirer par voie chimique le matériau modifié sélectivement par rapport au matériau non modifié. Nous nous focalisons ici sur la compréhension de la modification du matériau SiN induite par les plasmas de H2 et He, suivie d’une gravure chimique réalisée en solution de HF. Tout d’abord, un dépôt de conditionnement est développé pour prévenir la contamination du substrat et la dégradation des parois. Des diagnostics en plasmas de H2 et He sont ensuite réalisés pour déterminer la nature des ions, leurs flux et leurs énergies. Après exposition du SiN au plasma d’hélium, les caractérisations de surface (FTIR, SIMS) indiquent premièrement que la composition chimique du SiN est inchangée. De plus, la bonne corrélation entre les vitesses de gravure en HF avec les simulations de l’implantation des ions sous SRIM permet de conclure que l’augmentation de la vitesse de gravure est due aux dégâts induits par les ions dans le matériau. Après exposition au plasma d’hydrogène, la vitesse de gravure du SiN en HF dépend essentiellement de la concentration en hydrogène dans le matériau. Une synergie a lieu entre les radicaux H du plasma et le bombardement ionique : les ions créent des liaisons pendantes qui sont indispensables à la formation de liaisons Si-H et N-H par les radicaux. En outre, nous montrons que le temps de plasma de H2 et la dose d’ions ont une importance capitale dans la formation de la couche modifiée qui n’atteint parfois un état stationnaire qu’au bout d’un temps relativement long. / To fabricate 22 nm FDSOI and 10 nm 3D FinFET transistors, ultrathin layers of several nanometers thickness must be etched without damaging the under layer, which can no longer be managed using processes based on high density continuous plasmas. To meet those new challenges, we study in this thesis a new etching technology where the surface of the material is modified under plasma exposure and then removed chemically selectively with respect to the non modified material. We focus here on the understanding of the modification of the SiN material induced by H2 and He plasmas, followed by a chemical etching in HF aqueous solution. First, a protective coating is developed to prevent the contamination of the substrate and the degradation of the wall. Diagnostics in H2 and He plasmas were then carried out to determine the nature of the ions, their fluxes and their energies. After He plasma exposure of the SiN, surface characterizations (FTIR, SIMS) first show that the SiN chemical composition is unchanged. Moreover, the good correlation between the etch rates in HF and the ion implantation profiles calculated by SRIM allows to conclude the increase of the etch rate is due to the ion-induced damages on the material. After H2 plasma exposure, the etch rate of SiN in HF mainly depends on the hydrogen concentration of the film. A synergetic effect occurs between H radicals and the ionic bombardment: the ions induce dangling bonds which are unavoidable to form Si-H and N-H bonds with the radicals. In addition, we show the plasma exposure time and the ion dose play a key role in the formation of the modified layer who sometimes only reaches a steady state after a relatively long time.

Les nanotechnologies représentent un potentiel de développements et d’applications considérables dans le domaine des matériaux ouvrant la voie à d’innombrables développements pour l’énergie, le transport, la santé, l’industrie, etc. Le biomimétisme a ainsi trouvé un nouveau moteur d'étude et de développement. La feuille de lotus est capable de faire perler l’eau avec une efficacité remarquable transformant n’importe quelle goutte d’eau en une bille répondant aux lois de la physique des solides. Cette propriété extraordinaire est due à l’association d’une composition chimique intrinsèquement hydrophobe avec une texturation hiérarchique de sa surface.Cette thèse s’intéresse à la compréhension des principes physiques qui régissent l'interaction des gouttes d'eau avec les surfaces de films polymères structurées de FEP, PMMA et PET. Deux technologies ont été mises en oeuvre pour la fabrication de surfaces superhydrophobes hiérarchiques : la nanoimpression (NIL) thermique et la gravure plasma. Nous avons mesuré les angles de contact et hystérésis de ces surfaces structurées afin d’identifier leur état de mouillage de Wenzel ou de Cassie-Baxter. Nous avons attaché une importance particulière au développement de solutions de fabrication et de caractérisations sur de grandes surfaces.Les propriétés antigivre ont été caractérisées, ainsi le rôle de la condensation dans la propagation du givre a été corrélé à la structuration de surface. De plus, nous avons mis en évidence le rôle du potentiel électrostatique de surface sur les retards de gel. Enfin, au vue du potentiel applicatif de ces surfaces, nous avons ajouté une dimension dynamique à l’étude en considérant les vitesses d’impact des gouttes. Un modèle de prédiction de la littérature a été comparé avec succès aux résultats expérimentaux. / Nanotechnologies represent a considerable potential of development and application in the field of material science opening the way to innumerable developments for energy, transport, health, industry, and so on. Thus, biomimicry found a new driving force for study and development. The lotus leaf is able to repulse water with a remarkable efficiency transforming any drop of water into a ball following the laws of solid physics. This extraordinary property is due to the association of a hydrophobic chemical composition with a hierarchical texturing of its surface.This thesis focuses on the understanding of the physical principles governing the interaction of water drops on the surfaces of structured polymer films of FEP, PMMA and PET. Two technologies have been implemented for the production of hierarchical superhydrophobic surfaces: thermal nanoimprint lithography (NIL) and plasma etching. We have measured the contact angles and hysteresis of these structured surfaces in order to identify their Wenzel or Cassie-Baxter wetting state. We have attached particular importance to the development of manufacturing and characterization solutions on large surfaces.The anti-icing properties have been characterized and the role of condensation in the propagation of frost has been correlated with the surface texturing. In addition, we have highlighted the role of the electrostatic surface potential on frost delays. Finally, in view of the applicative potential of these surfaces, we added a dynamic dimension in the study considering the velocity of drops impact. A model of prediction from the literature was successfully compared to our experimental results.

La technologie et le progrès technologique occupent une place centrale dans l'histoire et dans l'imaginaire américain. En même temps que la Révolution Industrielle apparaissent aux États-Unis les premières réelles expressions d'un utopisme technologique loin de se confiner à la littérature ou à la seule fiction - la nation et le monde pourront bientôt être transformés pour le meilleur par la technologie américaine. La science-fiction s'emparera bientôt de l'idée, traduisant aujourd'hui encore un rêve et des valeurs étroitement associés à l'identité et au projet national et reposant au cœur de l'imaginaire du pays. Le techno-utopisme contemporain, s'il s'appuie sur la « convergence NBIC » (Nano-Bio-Info-Cogno), tend cependant à se focaliser sur les transformations du corps humain lui-même. Le mouvement transhumaniste, qui s'attend à une transformation radicale du monde (la Singularité) grâce notamment aux nanotechnologies et aux intelligences artificielles, met ainsi l'accent sur l'impact que pourraient avoir ces technologies, ainsi que les biotechnologies (ingénierie génétique, cellules souches, clonage), sur un corps et une conscience améliorés ou « augmentés », ainsi que sur l'organisation sociale de demain. Tant est si bien qu'on ne pourrait bientôt plus parler d'humanité mais bien de posthumanité. Le cinéma de science-fiction hollywoodien, en tant que mode d'expression culturel central à la culture américaine moderne, met lui-même en scène et réfléchit ces rêves de sublimation et ces cauchemars de déshumanisation. Les films du corpus (les Tron, RoboCop, Star Trek First Contact et Insurrection, Gattaca, la trilogie Matrix, The 6th Day, The Island, The Surrogates, Terminator IV, les deux Iron Man, Avatar, notamment) proposent leurs propres versions successives des dilemmes liés aux avancées de demain mais aussi à l'interdépendance qui lie déjà les humains à leurs machines. Les acteurs en sont les machines elles-mêmes, ceux qui les contrôlent (le gouvernement fédéral, l'armée, les multinationales), les techno-utopistes et leurs ennemis Luddites, les scientifiques, les ingénieurs et les hackers, mais aussi une humanité fascinée presque malgré elle par la promesse technologique. Si cette dernière est souvent caricaturée, à Hollywood même, en un conflit opposant « technophiles » et « technophobes », les choses sont, même au cinéma, loin d'être aussi simples, en particulier depuis les années 1980. Et si la libération de l'oppression technologique passait par la technologie elle-même ? / L'auteur n'a pas fourni de résumé en anglais.

L'évolution de la microélectronique est rythmée par l'augmentation constante du nombre de transistors intégrés dans chaque circuit grâce à la miniaturisation des dispositifs. Face à des coûts de fabrication et de développement de plus en plus élevés d'une part et à l'apparition de phénomènes parasites de plus en plus importants dans les dispositifs miniaturisés d'autre part, l'industrie se tourne progressivement vers l'intégration tridimensionnelle où les circuits sont empilés. La phase suivante de cette évolution pourra consister en la fabrication de circuits eux-mêmes tridimensionnels avec des composants répartis sur plusieurs niveaux. Dans ce contexte, la croissance catalysée de nanofils par CVD permet d'obtenir des structures cristallines en silicium sans relation d'épitaxie et de dimensions nanométriques sans photolithographie agressive. Nous avons utilisé ces propriétés pour la réalisation de démonstrateurs de capacités MOS et MIM ultra-denses de respectivement 22 µF/cm² et de 9 µF/cm² grâce à l'importante surface déployée par une assemblée de nanofils. Ces valeurs correspondent à des gains en surface appotée par les nanofils de 27,5 et de 16 pour les capacités MOS et MIM. Nous présentons dans ce travail de thèse, le dimensionnement, la fabrication et la caractérisation de ces dispositifs, depuis la croissance des nanofils jusqu'à l'obtention du démonstrateur complet. Nous nous sommes également intéressés aux principales briques technologiques de la fabrication de transistors verticaux à base de nanofils pour les niveaux d'interconnexion. Nous avons pour cela mis au point une technologie de croissance guidée de nanofils et étudié les qualités d'interface de l'empilement d'une grille déposé à basse température sur les nanofils. Cette étude s'appuie sur la comparaison des propriétés électriques de capacités MOS à base de nanofils obtenus par croissance catalysée avec les mêmes nanostructures obtenues par épitaxie sélective. Les nanofils catalysés présentent une très bonne qualité d'interface avec un empilement à base d'alumine et de nitrure de titane. Les technologies mises au point dans cette thèse ouvrent de nouvelles opportunités pour l'intégration tridimensionnelle au sein d'une même puce. / The main focus of microelectronic industry has been to increase the number of integrated transistors in each circuit thanks to the device miniaturization. However, due to the increasing manufacturing and development costs combined with the increase of parasitic phenomena in transistors when the dimensions decrease, the microelectronic industry is now focusing on the three-dimensional integration in which strategy, the circuits are stacked. The next step of this tendency will be able to consist in a component stacking inside the same three-dimensional circuit. In this context, the catalyzed CVD grown silicon nanowires are a very promising material since they can be grown with a crystalline structure without any epitaxial relationship. They can also have nanoscale dimensions without any aggressive photolithography step. We report in this thesis, the nanowire integration in high density MOS and MIM capacitors using the high developed surface of a nanowire assembly. This way, we have obtained capacitance densities of 22 µF/cm² and of 9 µF/cm² for MOS and MIM capacitors respectively. In this work, we present how the devices have been designed, fabricated and characterized from the nanowire growth to the complete devices. We have also studied the main steps of the nanowire integration MOS transistors for the interconnects. A guided nanowire growth process has been developed and the interface quality of a low temperature deposited gate stack has been investigated. This study is based on a comparison of MOS capacitor electrical performances between catalyzed and unanalyzed silicon nanowires obtained by selective epitaxial growth. The catalyzed nanowires show a very good interface quality with a gate stack composed of alumina and titanium nitride. The technologies developed in this thesis open new opportunities for the 3D integration of devices on the same chip.STAR

Depuis 1996, mes activités de recherche se sont inscrites dans les champs des nanosciences, de la physique des semi-conducteurs, des micro/nanotechnologies, et des MEMS/NEMS (Micro/Nanosystèmes électromécaniques). En particulier, j'ai rejoint en octobre 2000 le groupe Microsystèmes Silicium de l'IEMN sur le sujet des résonateurs micro-électromécaniques et de leurs applications pour le traitement du signal en gamme RF et IF. Cette activité a permis de développer les techniques de caractérisation électrique des dispositifs ainsi que leur modélisation électromécanique. A partir de 2002, j'ai étendu mes activités dans le domaine des MEMS vers les micro-actionneurs et les micro-capteurs, dont les applications concernent les nanotechnologies et la biologie. Je me suis appliqué au développement d'actionneurs électrostatiques pour un fonctionnement en milieu liquide, et au développement de capteurs capacitifs et piézorésistifs aux performances ultimes pour des applications nanométriques. Depuis 2007, l'activité de recherche se concentre sur l'utilisation des résonateurs MEMS en tant que nouvelle génération de sondes de microscopie à force atomique (AFM) à hautes performances. Cette activité est actuellement soutenue par le Conseil Européen de la Recherche (ERC) dans le cadre d'un financement Starting Grant dont je suis le bénéficiaire. En 2009, nous avons démontré le concept des sondes MEMS AFM en obtenant les premières images de microscopie, et en 2010 nous avons obtenu des images d'origamis d'ADN à la cadence rapide d'une image par seconde. Le travail de recherche se focalise maintenant sur le développement des sondes afin d'en améliorer les performances en termes de fréquence de vibration, de résolution en force et de vitesse d'acquisition. Un autre aspect concerne l'utilisation de ces sondes pour l'analyse rapide du comportement dynamique de nanobiosystèmes en milieu liquide. Ces travaux s'inscrivent dans une vision à plus long terme visant à développer des solutions à base de MEMS et de NEMS pour l'instrumentation scientifique et la nanocaractérisation multimodale.

Le fil rouge guidant nos travaux de recherche correspond à la convergence des techniques hyperfréquences, des micro- et nano-technologies et plus récemment de la fluidique, amenant le développement de microsystèmes hyperfréquences innovants pour des applications en télécommunication et en biologie. Nous retraçons, au travers de notre habilitation à diriger des recherches, nos travaux sur les approches multidisciplinaires permettant le développement de microsystèmes hyperfréquences communicants pour lesquels notre leitmotiv fut de tirer au mieux partie des potentialités des micro et nano-technologies. Des composants et circuits RF-MEMS (RadioFrequency MicroElectroMechanical Systems), à l'intégration des nanotechnologies au sein de microsystèmes hyperfréquences, à la miniaturisation de fonctions passives ainsi qu'à leur co-intégration avec des circuits actifs au sein de microsystèmes. Nous présentons de plus notre projet de recherche visant à explorer l'alliance des microsystèmes hyperfréquences avec d'autres disciplines telles que la fluidique et la biologie pour de nouvelles fonctionnalités et applications. Nous tenterons de répondre aux questions scientifiques : "comment les microsystèmes hyperfréquences peuvent aller au delà des fonctionnalités et applications traditionnelles, quelles sont les opportunités ainsi ouvertes ?"

L'évolution de notre société est spectaculaire. Les nouvelles technologies apportent sans cesse des bouleversements dans nos vies, dont nous n'avons d'ailleurs pas toujours conscience tellement ces changements sont rapides et naturels. Qui aujourd'hui ne possède pas un téléphone portable extra miniature, possédant de multiples fonctionnalités intégrées: appareil photo, boussole, loupe...? Qui n'a pas entendu parlé des progrès phénoménaux réalisés en médecine avec, par exemple, la technique d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) ou encore l'utilisation par les chirurgiens d'outils extrêmement précis, assistés par ordinateur? Parmi ce contexte très général de révolutions technologiques, ma simple contribution se situe dans le développement de microsystèmes hyperfréquences, que ce soit :  pour les communications et transfert d'informations avec des modules toujours plus performants et agiles (multifonctionnalité),  et plus récemment pour les domaines de la biologie et du médical avec le développement de systèmes d'analyse par ondes électromagnétiques hautes fréquences. La démarche scientifique adoptée vise à établir, grâce aux microtechnologies, de nouvelles perspectives d'exploitation des microsystèmes hyperfréquences, au-delà des technologies conventionnelles. Ceci commence par l'élaboration de circuits passifs à fort coefficient de qualité, leur intégration tridimensionnelle vers toujours plus de miniaturisation et fréquences de fonctionnement plus élevées, l'évaluation de matériaux inédits (notamment à base de nanotubes de carbone) qui apportent de nouvelles possibilités aux concepteurs HF, de concepts innovants de composants à forte reconfigurabilité, que ce soit par une approche mécanique avec les MEMS RF, ou encore avec des liquides, jusque de nouvelles applications pour les domaines de la biologie et du médical, l'environnement et même l'agro-alimentaire.