L'intitulé de notre thèse est Systèmes Complexes, outils de CAO et Nanotechnologies. Il concerne l'étude des techniques permettant de configurer un support contenant un nombre très élevé des éléments très simples et interconnectés dans un réseau très complexe, de façon à émuler des systèmes complexes naturels ou artificiels. Dans ce contexte nous proposons une plateforme d'outils CAO qui aide à l'implémentation et à la simulation de ces types de systèmes. Dans un premier temps, nous élaborons un premier outil de cette plateforme permettant d'expérimenter par simulation classique les lois qui gouvernent l'évolution du système cible. Cette simulation permet de valider ou de modifier ces lois avant implémentation dans le nanoréseau. Ensuite, nous utilisons cet outil pour expérimenter divers systèmes complexes tels que des écosystèmes artificiels et des systèmes des particules dans lesquels une géométrie de l'espace-temps relativiste émerge comme une conséquence du type des lois d'interaction des particules.

Les oscillateurs sont des blocs qui figurent dans presque tous les circuits. En effet, ils sont utilisés pour générer les signaux de synchronisation (les horloges), les signaux modulés et démodulés ou récupérer des signaux noyés dans du bruit (détection synchrone). Les caractéristiques de ces oscillateurs dépendent de l'application. Dans le cas des boucles à verrouillage de phase (PLL), il existe de fortes exigences en matière de stabilité et de bruit de phase. En outre, face aux avancées des technologies nanométriques, il est également nécessaire de prendre en compte les effets liés à la variabilité des procédés de fabrication. Aujourd'hui, de nombreuses études sont menées sur les oscillateurs asynchrones en anneau qui présentent des caractéristiques bien adaptées à la gestion de la variabilité et qui offrent une structure appropriée pour limiter le bruit de phase. A ce titre, les anneaux asynchrones sont considérés comme une solution prometteuse pour générer des horloges. Cette thèse étudie les avantages et les potentiels offerts par les oscillateurs asynchrones en anneau. Deux applications principales ont été identifiées. D'une part, ces oscillateurs sont une solution prometteuse pour la génération d'horloges polyphasées à haute fréquence et à faible bruit de phase. D'autre part, ils constituent une alternative simple, dans une certaine mesure aux oscillateurs plus conventionnels et aux DLLs, car ils sont programmables en fréquence numériquement et sont susceptibles de fournir les fonctionnalités d'arrêt de type gated clock de façon native. Plusieurs oscillateurs ont été conçus, implémentés, fabriqués en technologie CMOS 65 nm de STMicroelectronics et, finalement, caractérisés sous pointes. Ces travaux ont notamment permis de démontrer la pertinence de ces oscillateurs et qu'ils constituent une alternative sérieuse aux très classiques oscillateurs en anneau à base d'inverseurs.

L'augmentation constante de la densité d'intégration rend le délai RC dû aux interconnexions prépondérant sur le retard dû aux transistors. Afin de réduire ce délai, l'intégration de matériau;x diélectriques à basse permittivité ainsi que de métaux à basse résistivité (Cu) est envisagée. Cependant la compatibilité de ce type de matériaux avec les différentes étapes élémentaires d'intégration doit être évaluée. Ce travail porte sur l'étude de mécanismes de gravure et l'impact des procédés de retrait résine sur des matériaux de type SiOCH (poreux et non poreux) en vue de leur intégration dans des structures de test avec une architecture simple damascène. Ces structures simple damascène sont caractérisées physiquement et électriquement. La gravure de SiOCH est contrôlée par une couche d'interaction fluorocarbonée qui se forme en surface du diélectrique lors de la gravure. La formation de la couche fluorocarbonée (épaisseur, composition) est contrôlée par les conditions plasma (pression, puissance source...), les gaz utilisés et la composition du matériau. Lorsque le diélectrique est poreux, les espèces réactives du plasma diffusent à travers les pores modifiant le matériau. Ces modifications sont accentuées lors de l'étape de retrait résine. Dans ce dernier cas, il est nécessaire de développer une chimie permettant de trouver un compromis entre une modification latérale du matériau poreux limitant la diffusion de la barrière métallique et l'augmentation de la constante diélectrique.

Concevoir un circuit numérique en technologie CMOS inferieur à 100nm se heurte à de multiples défis en termes de variation de process, voltage et temperature. L'attention s'est portée essentiellement sur les variations " inter-die " qui forme la plus grande partie des variations de process. Dans cette étude, nous nous sommes attachés sur deux formes particulières de variations : les divergences "Inter-die NMOS a PMOS " et les divergences aléatoires "Intra-die local". Aucune d'elles n'avait jusqu'alors d'effet notable durant les conceptions industrielles et sont désormais toutes deux source de soucis majeurs. Le travail en academia se concentre principalement sur le changement de process ou sur les améliorations architecturales. Notre action s'est orientée vers l'amélioration de la conception au niveau porte logique et au niveau chemin. Notre attention s'est portée sur les systèmes synchrones, i.e. system de distribution d'horloge qui est fortement impacté par ces variations. Nous avons proposé quelques méthodes de conception et des stratégies d'optimisation pour fabriquer des circuits plus robustes. La plupart de ces méthodes sont exploitables au sein même du flot de design existant ce qui minimise le cout et permet son adoption rapide dans l'industrie. Nous avons inclus l'effet des changements de voltage et de température sur ces deux variations pour élaborer une compréhension globale. Nous avons aussi proposé des méthodes pour vérifier les bases de notre travail en le comparant vis à vis des résultats de test sur silicium. Les résultats de ce travail ont permis de façonner la politique de comment gérer les divergences locales dans la conception industrielle.

Ce travail résume une partie de mes activités consacrées au magnétisme en couche mince et aux microsystèmes. Il concerne ici plus spécifiquement le développement de matériaux ferromagnétiques hautement perméables dont l'un des enjeux actuels est de dépasser l'incompatibilité historique avec les hyperfréquences. La bande spectrale d'intérêt s'est considérablement étirée vers le haut jusqu'à annoncer des besoins pour une perméabilité élevée à plus de 10 GHz aujourd'hui. Je décris des résultats dans un ordre quasi chronologique avec une progression dans le niveau de difficulté qui colle à l'évolution des applications (depuis les têtes magnétiques jusqu'aux antennes microondes). Je mets en avant une démarche systématique de boucles courtes entre la physique de la matière et celle des dispositifs. Le fil directeur est la montée spectaculaire en fréquence qui tire l'effort de développement des matériaux selon une feuille de route combinant aimantation élevée (2 T) et grande résistivité (103 μW.cm), avec le préalable incontournable au caractère doux sur lequel je reviendrai. Je montre aussi que les résultats à l'état de l'art arrivent en butée si l'on ne sort pas de la démarche historique de films d'alliage unique (ternaire, quaternaire et plus). Cette rupture sera établie avec le passage aux films issus d'hétérostructures comme avec le couplage d'échange interfacial entre un simple composé ferromagnétique binaire (dont l'aimantation est plus facilement proche de la valeur ultime) et une couche antiferromagnétique. Je reviendrai sur des résultats particulièrement originaux ici et sur leur interprétation. Pour terminer, je projetterai des perspectives allant vers une hétérogénéité croissante des matériaux selon ce principe. Dès lors, un objectif très ambitieux se dessine visant à réunir ferromagnétisme et ferroélectricité grâce aux couches minces et remettant au goût du jour les principes de la magnétoélectricité. C'est une évolution clé vers la miniaturisation extrême des éléments rayonnants (antennes) et résonnants (filtre) et la très grande agilité des systèmes. Je conclurai en ce sens avec une sélection de faits marquants récents qui illustrent également la jonction avec des disciplines émergentes comme celles des composés multiferroïques et des metamatériaux, avec des solutions très avantageuses ici.

Ce document présente une synthèse de mes contributions scientifiques au domaine de la micromanipulation robotique. La manipulation d'objets de tailles microscopiques, dont le comportement est régi par des effets de surfaces, nécessite des nouvelles solutions de préhension et d'assemblage. L'approche générale proposée dans ce manuscrit repose sur la proposition d'effectuer la manipulation présentant des avantages comme, par exemple, la stabilisation des comportements par effets visqueux ou le contrôle des propriétés de surface par des principes électrochimiques. La démarche scientifique présentée au chapitre 1 repose sur trois étapes mises en oeuvre lors de l'étude de la micromanipulation robotique en milieu liquide dont le contexte bibliographique est exposée au chapitre 2. La première étape (chapitre 3) consiste en un travail de modélisation des interactions entre micro-objets afin d'en prédire et d'en simuler le comportement. Sur la base de ces modèles, des stratégies de micromanipulation (chapitre 4) ont été proposées et des travaux scientifiques ont été menés sur leur caractérisation et leur commande. Ces stratégies de micromanipulations représentent le coeur des cellules robotiques de micro-assemblages présentées au chapitre 5. Les perspectives de ces travaux portant sur l'exploration du no man's land entre microscience et nanoscience, la proposition de méthodes permettant la création de micro-assemblages complexes et fonctionnels, ainsi que l'ouverture vers la manipulation robotique de cellules biologiques, font l'objet d'un dernier chapitre.

L'objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser une nouvelle génération de microphone MEMS monolithique de type électrodynamique, à base de bobines spirales planaires, réalisée en technologie standard complétée par un post process de micro-usinage en volume par la face avant. Après avoir décrire les différents procédés de fabrication des microsystèmes compatibles microélectroniques et récapituler l'état de l'art des différents principes de transduction des structures de microphones MEMS intégrés micro-usinés. Une modélisation électromagnétique détaillée est réalisée pour étudier le lien inductif entre les deux bobines, constituant le microphone, dans les différents modes de polarisation. Par la suite, une étude de la flexibilité et les constantes de raideur de la membrane suspendue a été menée. Cette analyse mécanique a pour but de concevoir un système de membrane souple qui a permis de placer la fréquence de résonance au milieu géométrique de la bande audible et d'avoir des amplitudes de déplacement suffisantes dans la plage linéaire. Ensuite, une modélisation électro-acoustique est nécessaire pour proposer un modèle théorique équivalent du microphone et évaluer sa sensibilité. Cette modélisation nous a permis de distinguer entre deux types de microphone {i} à conversion en déplacement et contrôlé par compliance et {ii} à conversion en vitesse et contrôlé par résistance. La dernière étape de cette thèse était d'accomplir le dessin des masques et fabriquer le 1er prototype.

Le coût et le temps de test élevés des testeurs RadioFréquences (RF) poussent à l'optimisation de test, voir même à des méthodes alternatives de test pour les circuits analogiques-mixtes RF. Jusqu'à présent, le test des circuits RF était effectué par la validation des spécifications fonctionnelles du circuit. Cependant, à cause des contraintes imposées par les fréquences en jeu de plus en plus élevées et par des temps de test les plus réduits possible, la mesure de certaines spécifications fonctionnelles, même sur testeurs dédiés, n'est plus faisable. Il est ainsi nécessaire de développer de nouvelles méthodes de test permettant de répondre à ces besoins. Cette thèse a pour objectif de commencer le développement d'un bouquet des circuits de test sur puce de type BIST (Built-In Self Test) le plus général possible pour les circuits RF afin de supporter l'étape de conception et d'optimiser le test de production. La validation de ces circuits de BIST est orientée défaut. Le développement de la stratégie de validation d'un circuit de BIST se base sur les points suivants : choix des mesures de test avec simulation du circuit sous test ; modélisation des mesures de test et de spécifications du circuit sous test a travers simulations Monte-Carlo ; génération d'une population statistiquement plus représentative a travers la théorie des Copules ; génération d'une liste de fautes qui peuvent se produire dans le circuits sous test ; simulations d'injection de fautes ; analyse des métriques de test telles que le taux de couverture, le taux de circuits défaillants qui passent le test (defect level) et le rejet de circuits fonctionnels par le test (yield loss). Ces travaux ont été menés sur un cas d'étude industriel de type synthétiseur de fréquence, PLL (Phase-Locked Loop), conçu à STMicroelectronics.

Ce travail contribue à établir une méthode de test permettant de déterminer l'impact des radiations naturelles sur le fonctionnement de circuits intégrés de type FPGA SRAM-Based. L'étude des erreurs potentielles liées aux événements singuliers ou multiples ayant lieu dans la mémoire de configuration sera faite à l'aide d'expériences d'injection de fautes réalisées avec un équipement laser. Il s'appuie sur une présentation du contexte scientifique ainsi qu'une description de l'architecture complexe des FPGA SRAM-Based et des moyens de tests usuels. Des expériences d'injection de fautes à l'aide d'un laser sont menées sur plusieurs familles de composants afin de réaliser des tests statiques de la mémoire de configuration et de trouver les liens avec le fonctionnement de l'application. Elles révèlent ainsi l'organisation et la sensibilité des cellules SRAM de configuration. Des tests dynamiques en accélérateur de protons permettent de définir des critères de criticité des bits de configuration en fonction de leur impact sur l'application. Un outil de prédiction du taux d'erreur critique a été développé et validé à partir de cette classification.

During the last few years there was a tremendous growth of scientific activities in the fields related to both Physics and Control theory: nonlinear dynamics, micro- and nanotechnologies, self-organization and complexity, etc. New horizons were opened and new exciting applications emerged. Experts with different backgrounds starting to work together need more opportunities for information exchange to improve mutual understanding and cooperation. The Conference "Physics and Control 2007" is the third international conference focusing on the borderland between Physics and Control with emphasis on both theory and applications. With its 2007 address at Potsdam, Germany, the conference is located for the first time outside of Russia. The major goal of the Conference is to bring together researchers from different scientific communities and to gain some general and unified perspectives in the studies of controlled systems in physics, engineering, chemistry, biology and other natural sciences. We hope that the Conference helps experts in control theory to get acquainted with new interesting problems, and helps experts in physics and related fields to know more about ideas and tools from the modern control theory.