Ce travail concerne une source d'ions à structure coaxiale basée sur le phénomène physique de l'ionisation à effet de champ. Cette source est constituée d'une pointe métallique extrêmement fine de dimension nanométrique. La pointe est insérée à l'intérieur d'un capillaire. Ce capillaire assure l'apport de gaz sur la pointe à partir d'un compartiment haute pression. Ce gaz est ionisé au niveau de la pointe par effet de champ dans une enceinte ultra-vide. De cette structure résulte une forte pression en bout de pointe associée à une basse pression dans l'enceinte ultra-vide permettant ainsi une libre propagation des ions. La mesure de cette pression locale montre qu'elle est environ 106 fois la pression dans l'enceinte ultra-vide. Cette mesure est obtenue pour différents régimes d'écoulement dans le capillaire et pour différents gaz. La source fonctionne aussi bien à température ambiante qu'à plus basse température.<br />La construction d'un spectromètre de masse adapté nous a permis d'identifier les ions produits pour des pointes de natures différentes (W, Pt et Pd) et pour différents gaz (H2, H2O et mélange H2-H2O). La richesse des ions formés relève d'une physico-chimie à l'échelle nanométrique. <br />Un microscope à projection intégrant cette source a été construit. Des grandissements de 500 000 ont été obtenus avec une résolution de 3Å. Outre l'intérêt évident d'une telle microscopie, ceci démontre une taille de source virtuelle inférieure à 3Å pour la source d'ions ouvrant ainsi des perspectives intéressantes en optique ionique, en FIB par exemple.

Le développement des techniques de microscopie 3D offrant une résolution spatiale de l'ordre du micromètre a ouvert un large champ de recherche en biologie cellulaire. Parmi elles, un avantage intéressant de la micro-tomographie par faisceau d'ions est de donner des résultats quantitatifs en termes de concentrations locales d'une manière directe, en utilisant une technique d'émission de rayonnement X (PIXET) combinée à la microscopie ionique en transmission (STIMT). Le traitement des données expérimentales constitue un point délicat. Après une brève introduction aux techniques de reconstruction existantes, nous présentons le principe du code DISRA, le plus complet écrit jusqu'à ce jour, qui nous a servi de base pour ce travail de thèse. Nous avons modifié et étendu le code DISRA en considérant les aspects spécifiques des échantillons biologiques. Un logiciel de traitement de données complet a ainsi été développé, avec une interface utilisateur permettant le contrôle de chaque étape de la reconstruction. Les résultats d'expériences de STIMT et/ou PIXET effectuées au CENBG sur des spécimens de référence et sur des cellules végétales ou humaines isolées sont présentés.

Un matériau magnétorésistif voit sa résistance électrique varier lorsqu'un champ magnétique lui est appliqué. Le but de cette étude est de relier les différents paramètres structuraux aux propriétés magnétiques et de magnétorésistance de systèmes granulaires de Cu80FexNi20-x (at%) élaborés sous forme de rubans. L'influence de la composition de l'alliage est d'abord présenté. Puis, la microstructure d'un ruban de Cu80Fe10Ni10(at%), présentant le maximum de magnétorésistance, a été précisément caractérisée de l'échelle microscopique à l'échelle atomique. Cet échantillon est constitué de précipités fcc riches en fer et en nickel cohérents avec la matrice riche en cuivre. L'étude des propriétés magnétiques de ce ruban a permis de montrer que des interactions magnétiques sont présentes qui diminuent la MRG. Les paramètres structuraux (distributions de taille et de composition, fraction volumique et densité de précipités, largeur des interfaces...) ont été corrélés aux propriétés magnétiques.

Cette thèse, effectuée en collaboration entre le CEMES-CNRS, le laboratoire Satie (ENS Cachan) et NXP Semiconductors est motivée par la compréhension des mécanismes de défaillance des dispositifs MOSFET pour les applications dans l'industrie automobile. Un facteur limitant de la fiabilité à long terme des modules de puissance basse tension est le vieillissement électrothermique et/ou thermo-mécanique des parties métalliques de la source: métallisation en aluminium (ou alliage) et fils de connexion. A cause de la différence de coefficient de dilatation thermique entre la métallisation les oxydes et le substrat semi-conducteur, la température atteinte pendant les cycles de fonctionnement (quelques centaines de degrés), induit une déformation plastique inévitable dans le métal, qui est le matériau le plus mou dans l'architecture complexe du MOSFET. Nous avons caractérisé la microstructure métallique avant et après les tests de vieillissement électrothermique accélérés, en utilisant des techniques spécifiques du domaine de la métallurgie physique: microscopie électronique et ionique, cartographie d'orientation de grains et de la composition chimique. Pour la première fois, la métallisation de la source a été caractérisée sous les fils de connexion, qui sont cent fois plus épais que la métallisation. Cet emplacement est critique pour la fiabilité du composant, car le processus de soudure par ultrasons induit une déformation plastique importante qui peut affaiblir la métallisation initiale avant le vieillissement. Ceci est peu étudié dans la littérature en raison de la difficulté à accéder à la métallisation sous les fils sans altérer leur interface, souvent endommagée et fragilisée dans les modules vieillis. Nous avons mis en place des méthodes de préparation d'échantillon, basées sur le polissage ionique, pour étudier cette interface, sans introduire d'artefacts de préparation. Le processus de soudure à froid induit une déformation plastique sévère et non uniforme dans la métallisation sous les fils sans parvenir à recréer un bon contact électrique: de petites cavités et des résidus d'oxyde natif, ont été systématiquement observés à l'interface Al / Al, dans tous les modules analysés, avant et après vieillissement. Le mécanisme principal de défaillance des modules est la génération et la propagation de fissures de fatigue dans l'aluminium, associée à une oxydation locale qui empêche la fermeture de ces fissures. Sous et en dehors des fils de connexion, ces fissures traversent la métallisation perpendiculairement à la surface jusqu'au substrat en silicium en suivant les joints de grains. Cette fissuration est due à la diffusion intergranulaire accélérée des atomes d'aluminium. Dans la zone de soudure, le phénomène de fissuration parallèle à l'interface est favorisé par les imperfections initiales (cavités, oxyde). Les expériences de tomographie ionique ont montré que ces fissures sont confinées à l'interface fil-métal et ne se propagent pas dans le fil malgré sa plus faible résistance mécanique (Al pur, structure à grains plus grands). La propagation de la fissure le long de l'interface Al/Al peut provoquer une diminution du contact entre le fil et la métallisation de la source et éventuellement son décollement. Les fissures dans le métal source peuvent expliquer l'augmentation locale de la résistance et de la température du module qui accélère le processus de vieillissement jusqu'à l'échec. Cette étude a établi de nouvelles techniques dédiées et des méthodes de quantification pour évaluer le vieillissement des parties métalliques des modules MOSFET. La caractérisation complète de l'interface soudée, intrinsèquement défectueuse et la dégradation de la métallisation pendant le vieillissement électrothermique ouvrent la voie à l'amélioration possible les technologies actuelles et au développement potentiel de nouveaux procédés. / This thesis, a collaboration between CEMES-CNRS, Satie laboratory (ENS Cachan) and NXP Semiconductors is motivated by the comprehension of the failure mechanisms of low voltage power MOSFET devices produced for ap- plications in the automotive industry. A limiting factor for the long-term reliability of power modules is the electro- thermal and/or thermo-mechanical aging of the metallic parts of the source: Al metallization and bonding wires. At the temperature reached during the on-off operating cycles (few hundred degrees), the difference in the coefficient of thermal expansion between the metallization and the oxide and semicon- ductor parts induces an inevitable plastic deformation in the metal, which is the softest material in the complex MOSFET architecture. We have characterized the metal microstructure before and after accelerated electro-thermal aging tests, by using specific techniques from the field of the physical metallurgy: electron and ion microscopy, grain orientation and chem- ical composition mapping. For the first time the source metallization has been characterized both away and under the bonding connections, which are one hundred times thicker than the metallization layer. The latter is a critical loca- tion for the reliability assessment because the ultrasonic bonding process may weaken the initial metallization microstructure by adding an important plas- tic deformation prior to aging. This is, however, poorly stated in the literature because of the difficulty to access the metallization under the wires without damaging their bonding, which is known to be particularly weak in case of aged modules. In order to investigate the wire-metallization interface, we have set up origi- nal sample preparations, based on ion polishing, that allowed us to disclose the metallization under the bonding wires without introducing preparation artifacts in the microstructure. The bonding process induces a severe and non- uniform plastic deformation in the metallization under the wires without re- creating a good electrical contact: small cavities and native oxide residues, have been systematically observed at the Al/Al interface, in all the analyzed mod- ules, before and after aging. The main mechanism behind the device failure is the generation and propa- gation of fatigue cracks in the aluminum metallization, associated to a local Al oxidation that prevents these crack from closing. Away and under the wire bonds, they run perpendicularly from the surface down to the silicon substrate following the grain boundaries, due to an enhanced intergranular diffusion of aluminum atoms. In the bonding area, the phenomenon of parallel cracking is favored by the initial imperfections in the wire-metallization bonding. Ion to- mography experiments have shown that these cracks are confined to the wire- metal interface and do not propagate in the wire despite its lower strength (pure Al, larger grain structure). Crack propagation along the Al/Al interface can cause a contact reduction between the wire and the source metallization and eventually its failure. Such discontinuities in the metal can explain the lo- cal increase in the device resistance and temperature that accelerates the aging process until failure. This study settled new, dedicated techniques and quantification methods to as- sess the aging of the metal parts of MOSFET devices. The full characterization of the intrinsically defective interface generated by the bonding process and the metallization degradation during electro-thermal aging indicated paths to possible improvements of current technologies and potential developments of new processes.

Dans ce travail nous avons étudié des réactions chimiques sur la surface de deux métaux :le platine et l'or, en utilisant la microscopie ionique à effet de champ électrique (FIM) et la spectrométrie de masse de désorption par champ pulsé (PFDMS). En complément de ces données expérimentales, nous apportons des résultats obtenus par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). La taille et la morphologie de nos échantillons font qu’ils sont de bons modèles de grains de phase active dans un catalyseur réel.<p>\ / Doctorat en sciences, Spécialisation chimie / info:eu-repo/semantics/nonPublished