Cette thèse étudie l'application de le microscopie de champs magnétiques à l'analyse de défaillance des composants électroniques.

La première partie de cette thèse décrit les effets magnéto-optiques (du visible aux Rayons X), les techniques de production dynamique de champ magnétique ainsi que les différents magnétomètres élaborés. Ces instruments permettent une étude sur une plage dynamique très importante de 50 ps à plusieurs heures avec une résolution spatiale jusqu'à 100 nm. Suit une partie consacrée à une présentation succincte du magnétisme et des approches théoriques de la dynamique de l'aimantation. La troisième partie est consacrée à l'étude d'un film de grenat où la dynamique est dominée par des effets de précession de l'aimantation, puis d'une multicouche Co/Pt où la dynamique est dominée par des effets d'activation thermique. Enfin la quatrième partie présente l'étude des systèmes couplés Ferro-AntiFerro Co/NiO puis une étude sur la disparition du couplage peau d'orange à haute vitesse de renversement de l'aimantation sur des tricouches Ferro-Nonmagnétique-Ferro déposées sur des substrats à accumulation de marches.

Dans ce travail, de nouveaux développements sur les techniques de localisation des composants électroniques en trois dimensions sont montrés. Ces développements sont réalisés grâce à l'introduction de simulations pour une technique déjà existante: la Microscopie Magnétique (MM). Dans la première partie, l'état de l'art de l'assemblage des nouveaux composants tridimensionnels est décrit. Il est ensuite suivi par une description du processus FA actuel, tout en le gardant aussi général que possible. Une description de la fiabilité des dispositifs, en fonction de leur temps d'utilisation est décrite, permettant au lecteur de comprendre pourquoi initialement l'Analyse de défaillance est apparue nécessaire. L'ensemble du processus d'analyse de défaillance est alors décrit de manière générale, à partir de la caractérisation électrique du défaut, jusqu'aux résultats finaux. Dans la deuxième partie est ensuite expliquée dans le détail la technique de microscopie magnétique, qui utilise les propriétés des champs magnétiques générés par les courants, et permet de localiser précisément les défauts des composants électroniques standards. La troisième partie de ce travail est consacrée à l'approche de simulation (SA): une nouvelle méthodologie développée pour étendre les capacités des techniques de microscopie magnétique. Le principe de base est de comparer la simulation magnétique générée par des hypothèses de distributions de courant aux acquisitions magnétiques de la distribution réelle. L'évaluation de la corrélation entre les deux donnera ensuite une mesure de la distance entre eux. Par ailleurs, cette approche est capable de surmonter les limitations de la technique: le défaut peut désormais être localisé en trois dimensions. Enfin, dans la quatrième partie, la nouvelle technique est appliquée et validé sur un ensemble de cas d'études. / In this work, new developments on localization techniques for three-dimensional electronic components are shown and demonstrated. These are performed through the introduction of simulations for an already existing technique: Magnetic Microscopy (MM). In the first part, a state of the art of new three-dimensional components assembly is described. It is then followed by an up to date FA process description, while keeping it as general as possible. A description of component reliability, in function of the time of usage of such devices is shown, allowing the reader to understand why the need for Failure Analysis arose in the first place. The whole process of Failure Analysis is then described in a general way, starting from the electrical characterization of the defect, to the final results. The second part then explains the Magnetic Microscopy technique in more detail. This technique uses the properties of the magnetic fields, which are generated by the currents, to precisely localize the defects in standard electronic components. The third part of this work is dedicated to the Simulation Approach (SA): a new methodology developed to extend the capabilities of Magnetic Microscopy techniques. The basic principle is that of comparing magnetic simulations generated by hypothetical current distributions to the magnetic acquisitions of the real current distribution. The evaluation of the correlation between the two then gives a measurement of the distance between them. This approach is able to overcome the previous limitations of the technique: the defect can now be localized in three dimensions. Finally, in the fourth part the new technique is applied and validated on a set of case studies.

Nous étudions expérimentalement le transport dépendant du spin d'électrons chauds dans des multicouches (MC) magnétiques, qui contiennent des couches uniques magnétiques, ou des tricouches de type "vannes de spin" (VS). Pour cela, nous avons mis en oeuvre la microscopie à émission d'électrons balistiques (BEEM), une extension à trois contacts de la microscopie à effet tunnel sur des structures métal/semiconducteur. La méthode mise au point pour satisfaire les nombreuses contraintes imposées par le BEEM sur les échantillons est décrite en détail. La transmission des électrons chauds dans des MC a été systématiquement mesurée dans la gamme d'énergie 1-2 eV au dessus du niveau de Fermi. De l'étude en fonction des épaisseurs des couches magnétiques nous avons déduit les longueurs d'atténuation des électrons chauds en fonction du spin et de l'énergie. Ces mesures, sur le cobalt et l'alliage doux NiFe, sont comparées à des calculs et résultats expérimentaux de la littérature. Pour des épaisseurs inférieures à la monocouche atomique, une organisation spatialement hétérogene a été observée, avec un effet très important sur la transmission BEEM, variant sur une échelle subnanométrique. En mode imagerie, nous avons étudié les configurations magnétiques de VS, en particulier des parois à 360° dans des couches de cobalt. Les effets de l'intensité et la direction du champ appliqué sur la structure de ces parois ont été observés. Ces résultats ont été comparés quantitativement à des calculs micromagnétiques, avec un accord excellent. Ceci a permis de montrer que la résolution magnétique du BEEM est meilleure que 50 nm.

L'objectif de la thèse fut d'étudier plusieurs techniques d'analyse de défaillance (Microscopie magnétique, Thermographie à détection synchrone, Tomographie à Rayons X, Réflectométrie Temporelle) sur leur propriété de localisation de défaut électrique (Court-circuit, circuit ouvert, ouvert résistif, etc.) sur des systèmes et composants électroniques 3D. Des possibilités d'évolution de ces techniques sont suggérées afin de permettre d'assurer la localisation des défauts dans ces nouveaux composants électroniques. Ceci passe notamment par la mise en place d'analyses magnétiques sur des échantillons inclinés ainsi que par l'introduction d'une imagerie de phase, et d'amplitude magnétique. Ce travail a également permis de proposer le couplage d'informations obtenues par microscopie magnétique et tomographique à rayons X dont l'ensemble serait piloté par simulation magnétique 3D. / The thesis purpose was to explore several failure analysis techniques (Magnetic microscopy, Lock-in Thermography, X-rays Tomography, Time Domain Reflectometry) on their capabilities to localize the electrical defect (Short circuit, open circuit, resistive open, etc.) on 3D electronic component and system. Assessment possibilities of these techniques are suggested in order to ensure the defect localization in these new components. In particular, implementations of magnetic analysis in tilted sample as well as introduction of phase and amplitude magnetic images have been realized. This work also proposes to couple information obtain from magnetic microscopy to X-rays Tomography where the all system would be driven by 3D magnetic simulation

La thèse est dédiée au développement des sondes à base de capteurs magnétorésistifs capable de détecter les trois composantes du champ simultanément pour le contrôle non destructif par courants de Foucault et pour l’imagerie magnétique. Une première partie donne un aperçu de l’état de l’art des capteurs et des méthodes d’imagerie et du contrôle. Dans une seconde partie, la réalisation des sondes trois axes est donnée. Cela a inclus la micro fabrication, la réalisation de l’électronique de lecture, la conception et la réalisation de la partie mécanique et d’émission. Pour cela un travail important de simulation a été nécessaire. L’application de ces sondes sur des cas modèle pour l’imagerie magnétique avec une résolution submillimétrique est ensuite décrite. La sonde proposée dans cette thèse a été aussi utilisée avec succès pour détecter des défauts dans des échantillons d'aluminium et de titane avec un bon rapport signal sur bruit. / The thesis is dedicated to the development of probes based on magnetoresistive sensors capable of detecting the three components of the field simultaneously for eddy current non-destructive testing and for magnetic imaging. A first part provides an overview of the state of the art of sensors, and imaging and control methods. In a second part, the realization of the three-axis probes is given. This included the micro-fabrication, the realization of the reading electronics, the design and realization of the mechanical part and emission. For this, an important simulation work was necessary. The application of these probes to model cases for magnetic imaging with submillimeter resolution is then described. The probe proposed in this thesis has also been used successfully to detect defects in aluminum and titanium samples with a good signal-to-noise ratio.