Les décharges électrostatiques (ESD) constituent un problème majeur de fiabilité pour les entreprises de semi-conducteurs. Pour enrayer les défauts générés par les ESD sur les circuits intégrés (ICs), des éléments de protection sont implantés directement dans les puces. La constante poussée de l'intégration des circuits a pour conséquence la réduction des dimensions des cellules technologiques élémentaires ainsi que l'accroissement du nombre d'applications supportées par les ICs. Les conditions restrictives imposées par les procédés technologiques et par la complexité croissante des systèmes entraînent un défi considérablement accru pour le développement de produits robustes aux ESD. Dans ce travail de recherche, le problème émergeant des défaillances des couches d'oxydes minces d'épaisseur Tox = 8 à 1.1nm sous contraintes ESD est adressé dans les technologies CMOS les plus avancées, par une contribution à la compréhension des mécanismes de dégradation de la fiabilité du diélectrique et des dispositifs sous contraintes ESD. Une nouvelle approche de caractérisation des oxydes minces sous des stress à pulses ultra-courts (20 ns) est décrite jusqu'à la modélisation complète de la dépendance temporelle du claquage du diélectrique. Basé sur un ensemble cohérent de modélisations, une nouvelle méthodologie est proposée pour ajuster la détermination de la fenêtre ESD de façon mieux adaptée aux intervalles de tension et d'épaisseur d'oxyde de grille pour l'ingénierie des concepts de protection. Ceci a permis d'améliorer la prise en compte des problèmes ESD pour une meilleure fiabilité et robustesse des produits conçus en technologies CMOS fortement sub-microniques vis-à-vis des décharges électrostatiques.

La recherche menée depuis la thèse porte sur l'étude des dispositifs à décharges électriques produisant un plasma froid à pression atmosphérique. L'approche choisie est essentiellement expérimentale, traitant à la fois des aspects fondamentaux et des perspectives applicatives. Le domaine d'application choisi est celui de l'environnement et de la sécurité sanitaire. En effet, les technologies plasma froid constituent une réponse innovante pour la réduction du risque chimique (émissions toxiques dans l'atmosphère) et du risque biologique (infections nosocomiales). La recherche portant sur la conception et l'étude de procédés plasma froid dédiés à ces applications a été menée au cours de ce travail dans un contexte international compétitif, ces thèmes constituant actuellement les deux axes majeurs de recherche dans le domaine des plasmas froids. Deux types d'applications ont été, et sont toujours actuellement développées : la décontamination biologique de surface et le traitement d'effluents gazeux de combustion. Par ailleurs, ces deux axes d'application reposent sur une connaissance approfondie des propriétés physicochimiques des décharges électriques à pression atmosphérique, développée grâce à des études « amont » et transverses effectuées au cours de deux thèses encadrée et/ou dirigée.

L'expérience montre que tout liquide isolant soumis à une tension croissante est traversé par un courant qui croît fortement avec la tension jusqu'au claquage. Pour un liquide isolant, le claquage est un phénomène destructif qui dégrade de façon irrémédiable sa tenue diélectrique, c'est-à-dire que celui-ci ne pourra plus tenir le même niveau de tension. Ce phénomène est la cause de la plupart des défaillances du matériel électrique.<br />Le but de cette étude est de comprendre la formation d'une bulle suite à une micro-décharge électrique dans un vaste domaine de pression (pression inférieure et largement supérieure à la pression critique du fluide) et pour différentes températures (T/Cette étude permet de conclure que la bulle atteint, pour R=Rm, un équilibre thermodynamique local défini par la courbe de pression de vapeur saturante lorsque P/Pc. Cette analyse conduit à proposer un modèle thermodynamique semi-empirique permettant de calculer le rayon maximum de la bulle quelle que soit la pression P/ appliquée sur le liquide, à partir de la connaissance uniquement de l'énergie injectée et des propriétés thermodynamique du liquide.<br />L'analyse de l'énergie potentielle de la bulle au cours ses deux premiers cycles montre que, le phénomène le plus probable qui devrait être pris en compte dans le calcul correct de l'énergie perdue entre les deux premières cycles de la bulle, est le flux de matière échangée à l'interface qui devrait conduire à une perte de masse et donc à une variation de la masse volumique du milieu fluide à l'intérieur de la bulle en fonction du temps.

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.

L'émergence des transformateurs piézoélectriques coïncident avec le développement dans les années 1950 des céramiques ferroélectriques appartenant à la famille cristalline des pérovskites qui n'ont cessé de s'améliorer depuis. Outre la compacité dont bénéficie ces structures, les transformateurs piézoélectriques offrent des performances remarquables en terme de gain en tension et rendement utiles pour des applications nécessitant une adaptation de tension ou une isolation galvanique, parfaitement dédiés aux applications de faibles puissances à haut rendement. Toutefois, les transformateurs piézoélectriques peuvent être déviés de leurs applications premières. En effet, la dernière décennie a été marquée par l'apparition de générateur de plasma par effet piézoélectrique utilisant principalement des architectures de type transformateur. Pourtant, si quelques applications usuelles illustrent parfaitement cette interaction, la compréhension des phénomènes physiques qui en sont à l'origine reste à approfondir. L'objectif de cette thèse est d'en expliquer les fondements par une approche méthodique. Ce travail s'articule autour de plusieurs étapes comprenant la mise en oeuvre d'une méthode systématique de la modélisation analytique d'un transformateur piézoélectrique, de l'étude de la carte de champ produit par un transformateur ainsi qu'une étude expérimentale vue des bornes en guise de premières investigations. La modélisation analytique est basée sur l'exploitation du Principe de Moindre Action (PMA). A partir de la théorie linéaire de la piézoélectricité, un modèle général applicable à toutes les géométries de transformateur, exploitant des modes de couplage piézoélectrique multiples, est proposé. Son caractère multimodal est par ailleurs mis en exergue. Cette modélisation est appliquée à une structure classique de transformateur piézoélectrique de type Rosen et les résultats obtenus sont validés d'une part par une identification numérique, issue d'un logiciel de calcul par éléments finis, et d'autre part par une caractérisation expérimentale. La modélisation analytique précédente ne tient pas compte dans sa mise en oeuvre de l'influence de l'environnement dans lequel évolue le transformateur piézoélectrique. Afin de caractériser le potentiel électrique produit, un modèle numérique 2D du champ électrique environnant est proposé selon la méthode des différences finies. Ce modèle est basé sur une extension du modèle analytique précédemment développé incluant les pertes mécaniques afin de quantifier le potentiel électrique de surface. Même si l'influence du plasma est négligée en première approximation, la modélisation permet de mettre en lumière les zones de fort champ correspondant aux zones de décharges luminescentes observées expérimentalement. Finalement, afin de valider le concept de générateur de plasma piézoélectrique, une caractérisation vue des bornes du transformateur piézoélectrique de type Rosen a été entreprise. Une étude systématique du déclenchement de la décharge plasma en fonction du niveau de tension et de la pression environnante a été menée. Cette part expérimentale de l'étude constitue une approche pionnière pour qualifier le comportement électromécanique du transformateur et a ainsi permis de mettre en évidence des comportements non linéaires issus de ce mode de fonctionnement atypique qu'est la génération de décharges de surface par effet piézoélectrique.

La thèse porte sur l'excitation multifréquence dans les décharges capacitives basse pression utilisées pour la gravure en microélectronique. L'intérêt majeur que représente l'utilisation d'une décharge capacitive excitée à deux fréquences provient du fait qu'elle est susceptible d'offrir un contrôle indépendant entre l'énergie des ions et le flux des ions. Dans la première partie j'ai développé un modèle global analytique basé sur (i) un modèle d'une gaine de charge d'espace capacitive, inhomogène, et excitée à deux fréquences, (ii) un modèle de chauffage dans ces gaines (ohmique et stochastique). Les résultats de ce modèle montrent que le chauffage couple dans la gaine de charge d'espace la composante basse fréquence et la composante haute fréquence ce qui a pour conséquence que le flux et l'énergie des ions ne sont pas indépendants. Cette affirmation a été validée par l'obtention des lois d'échelles relatives à l'énergie des ions et au flux des ions. A haute fréquence nous pouvons voir la décharge comme la propagation d'une onde de surface du centre du plasma vers la périphérie à l'interface plasma-gaine de charge d'espace. Lorsque la longueur d'onde dans le plasma λ correspondant à la plus haute fréquence d'excitation est de l'ordre des dimensions des électrodes, alors des effets électromagnétiques apparaissent. Il s'agit de l'effet d'onde stationnaire (λ

La résine époxyde renforcée avec des grains de silice est utilisée comme isolant électrique. Un certain nombre d'études ont été menées afin d'identifier les mécanismes de dégradation. Dans ce travail, l'effet de l'humidité à une température supérieure à la Tg du matériau a été privilégié. Un conditionnement hygrothermique à 80°C/80%HR conduit à une chute d'une décade de la tension de claquage du matériau en quelques mois. Avec une silice silanisée, la chute est d'un facteur 2. Ce claquage est précédé de décharges partielles (DP). Afin de quantifier les phénomènes aux interfaces résine/silice, un modèle expérimental d'interface a été réalisé. L'analyse par spectroscopie diélectrique, grâce aux électrodes inter-digitées déposées, conduit à une estimation de l'épaisseur de la couche d'eau à l'interface de l'ordre du micromètre. Analyses de prise de masse, thermogravimétrique (ATG) et mécanique (AMD, essais de traction), menées avec ou sans charges de renfort, ont permis de quantifier sur le système étudié les phénomènes physiques et chimiques connus de l'action de l'eau sur les époxydes (diffusion, plastification, hydrolyse). Les phénomènes de dégradation du composite à l'origine de la chute des propriétés électriques ont ainsi été décrits, bien que la différence nécessaire des formes d'échantillons n'ait pas permis de transposer dans le temps les mesures physico-chimiques aux mesures électriques. Un mécanisme original de rupture d'isolation d'un composite a été proposé : l'arborescence électrique à l'origine du claquage résulte de décharges au sein de cavités de vapeur d'eau, celles-ci étant créées par l'échauffement du à la conduction dans les canaux d'eau interfaciaux.

La modélisation numérique des décharges plasma joue un rôle important dans la compréhension des mécanismes physiques ou chimiques ayant lieu dans les dispositifs assistés par plasma. Une grande partie de ces mécanismes est déjà prise en compte dans les codes actuels. En revanche, beaucoup d'entre eux ne permettent pas de travailler avec des géométries complexes. Cette limitation provient essentiellement de l'utilisation de maillages structurés, cartésiens. Ceux-ci ne sont pas bien adaptés aux géométries courbes. Les calculs en maillages structurés deviennent rapidement compliqués et spécifiques à une géométrie donnée. Notre travail concerne la modélisation de décharge pour un réacteur de traitement à la pression atmosphérique développé par Dow Corning. Sa configuration complexe ainsi que ses grandes dimensions nous ont incités à faire un nouveau code fonctionnant en maillages non structurés. Celui-ci doit être capable de s'adapter à la présence d'une pointe, d'arrondis et de multiples diélectriques mais aussi permettre le passage rapide à de nouvelles géométries. De plus ses grandes dimensions nécessitent l'utilisation de maillages raffinés uniquement aux endroits nécessaires (pointe, surfaces des diélectriques...). Le modèle mathématique utilisé est basé sur l'équation de Poisson couplée aux équations de transport de type dérive-diffusion. Plusieurs discrétisations numériques ont été testées dans des configurations physiques différentes. Nous présentons et validons les méthodes numériques choisies. Les résultats obtenus pour le réacteur Dow Corning sont alors exposés et commentés.

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.