Les accélérateurs linéaires (linacs) de protons de forte intensité sont, depuis quelques années, au coeur de nombreux projets internationaux (transmutation des déchets nucléaires, production de faisceaux radioactifs, sources de neutrons de spallation, usines à neutrinos...). Les cavités accélératrices supraconductrices, qui constituent une des pierres angulaires de ces accélérateurs, ont connu un essor très important grâce, en particulier, aux excellentes performances atteintes par les cavités dites « elliptiques ». Alors que le choix technologique concernant la partie haute énergie des linacs (énergie du proton supérieure à 100 MeV) semble maintenant clairement établi avec l'utilisation de ces cavités elliptiques, le débat reste encore ouvert au sujet de la partie intermédiaire (typiquement entre 5 et 100 MeV), pour laquelle différents types de cavités « faible bêta » sont actuellement à l'étude. Le thème central de cette thèse porte donc sur l'étude d'une nouvelle structure accélératrice faible bêta, appelée cavité « spoke », qui pourrait répondre aux différents critères fixés, dans le cadre des projets européens EURISOL (production de faisceaux radioactifs) et XADS (transmutation des déchets nucléaires), pour assurer un bon fonctionnement de l'accélérateur, mais aussi, contribuer à réduire le coût global de telles installations. L'étude complète d'une cavité spoke, bêta 0.35, a donc été réalisée : de sa conception, au moyen de logiciels de simulation électromagnétique et mécanique afin d'optimiser sa géométrie, jusqu'aux mesures expérimentales à chaud et à froid (T=4.2 K) où un excellent résultat a été obtenu, à savoir un champ accélérateur de 12.2 MV/m (une des meilleures performances atteintes avec une cavité spoke dans le monde). L'étude d'optimisation a notamment montré qu'un rapport 1/3 entre la barre centrale et la longueur de la cavité permettait de minimiser les champs électriques et magnétiques de surface pour un champ accélérateur donné. Elle a également établi que les cavités spoke pouvaient parfaitement être utilisées, dans la partie intermédiaire de l'accélérateur jusqu'à un bêta de 0.15, du fait de leur très grande rigidité. Les tests expérimentaux à chaud réalisés sur la cavité (fabriquée par l'entreprise CERCA) ont confirmé les prédictions théoriques attendues (fréquence, profil de champ et caractéristiques mécaniques). Une autre étude, portant sur le contrôle dimensionnel en 3D de cavités monocellules elliptiques, a permis d'expliquer les écarts observés entre les fréquences mesurées et celles visées, issues des codes électromagnétiques.

Dans la course à l'intégration, l'un des paramètres les plus critiques dans la fabrication des dispositifs et leur performance est la définition des grilles des transistors et en particulier le contrôle en dimension de ces grilles de transistors. Pour le nœud technologique 45nm, la variation totale de dimension devra être inférieure à 2.8nm sur une tranche de 300mm. Cela comprend la variation intrapuce, intraplaque, plaque à plaque et lot à lot. Cette thèse porte sur l'étude des interactions plasma/matériaux lors d'un procédé industriel de gravure d'une grille polysilicium pour le nœud technologique 45nm. L'analyse dimensionnelle des motifs et la caractérisation chimique des surfaces exposées aux plasmas ont permis de caractériser et d'optimiser ce procédé de gravure. L'analyse des différents contributeurs de variabilité de la dimension critique des grilles, conjuguée à la compréhension approfondie des mécanismes de gravure par plasma, a permis de mettre en place des actions correctives afin de minimiser ces sources de variations. La gravure du polysilicium est contrôlée par la formation d'une couche fluorocarbonnée se formant en surface des flancs du polysilicium. La maitrise de cette couche passivante par les conditions du plasma (pression, puissance source débit de gaz...) a permis de développer une boucle de régulation innovante afin d'optimiser le contrôle de la dispersion des CD d'un lot à un autre. La mise en place de ce genre de boucle faisant varier plusieurs paramètres de la gravure par plasma sera la clef pour le contrôle dimensionnel des futurs nœuds technologiques en microélectronique.

Avec la miniaturisation des composants et l'ajout de nouveaux matériaux de grille, notamment les métaux et les oxydes high-k, il est de plus en plus difficile de développer des procédés de gravure plasma permettant de maintenir un bon contrôle dimensionnel. L'objectif de ce travail de thèse est de déterminer une stratégie de gravure qui permette de graver un empilement polysilicium/TiN/Mo/HfO2 tout en satisfaisant les exigences dimensionnelles des noeuds technologiques 45 nm et 32 nm. Dans une première partie nous avons étudié la gravure du polysilicium par des plasmas de SF6/CH2F2(CHF3)/Ar et avons comparé les résultats à ceux obtenus avec des plasmas de HBr/Cl2/O2. Nous avons acquis une connaissance fine des mécanismes de gravure mis en jeu, notamment les mécanismes de passivation. Nous avons ainsi pu développer un procédé de gravure anisotrope et montrer que les plasmas fluorocarbonés présentent plusieurs avantages pour le contrôle dimensionnel. Dans une deuxième partie nous avons étudié la gravure du nitrure de titane et du molybdène en veillant à ne pas endommager les éléments de la grille déjà gravés ni la couche d'oxyde high-k sous jacente. Suite à ces études, deux stratégies de gravure se sont imposées : le TiN doit être gravé avec un plasma de HBr/Cl2 tandis que le Mo doit être gravé avec un plasma de HBr/Cl2/O2. Enfin, dans une troisième partie, nous avons étudié les problèmes liés à la rugosité de bord de ligne dans un empilement résine 193nm/carbone amorphe/polysilicium. Nous avons montré que la rugosité présente initialement dans le motif de résine se transférait dans le motif de polysilicium final et que les étapes de gravure du masque dur et du polysilicium avaient une influence faible. Nous avons également examiné l'influence sur la rugosité de deux procédés plasmas appliqués à la résine : le procédé de « resist trimming » et le procédé de « cure ».

Le travail présenté dans ce mémoire traite du contrôle dimensionnel optique pour la microélectronique et de l'adaptation d'un instrument à cette application. Le premier point clé de cette technique de métrologie est la possibilité de calculer le champ diffracté par une structure périodique, associé aux méthodes de calcul inverse. Le second point clés est la solution technologique adoptée pour mesurer la signature de diffraction. Nous présentons ici un goniomètre bidimensionnel basé sur le principe de la Transformée de Fourier Optique. Cet appareil a été adapté à l'application métrologique et nous décrivons ici les différentes étapes qui nous permis aboutir. Ces étapes sont la description, la compréhension et l'analyse de l'instrument pour adapter les moyens numériques en notre possession aux spécificités du problème. Nous avons ensuite validé la fonction métrologique de l'instrument sur différentes structures comme des couches minces ou des réseaux. Nous avons comparé les résultats obtenus avec ceux obtenus en ellipsométrie spectroscopique ou en microscopie électronique à balayage. Nous avons pour chaque résultat, évalué les incertitudes et discuté de la validité du résultat. Enfin nous avons tiré partit des particularité de l'instrument pour réalisé des études plus qualitative sur des structures plus complexes comme des lignes rugueuses ou des structures superposées.