L'étude réalisée porte sur la formation des microstructures par changement de phases dans l'alliage de titane [bêta]-métastable Ti-5553. Les transformations de phase ont été caractérisées au refroidissement depuis le domaine monophasé [bêta] et au cours de revenus après mise en solution dans le domaine [bêta] (ou [alpha]+[bêta]) et trempe. L'influence des paramètres du traitement thermique (vitesses de refroidissement et de chauffage, températures de transformation) sur les cinétiques de changements de phase, sur les séquences de précipitation et sur les mécanismes de transformation a été abordée par suivi des variations de résistivité électrique, par DRX in situ sous rayonnement synchrotron et par microscopies (optique et électronique). L'évolution des paramètres de maille des phases et de la largeur à mi-hauteur des pics de la phase [bêta] a permis de mettre en évidence les variations de composition chimique et les changements d?état de contrainte engendrés lors des transformations. Les conditions de formation des phases métastables ([alpha]", w) aux températures inférieures à 500°C ont été caractérisées comme leur influence sur les microstructures finales et en conséquence sur les propriétés mécaniques. Pour mieux appréhender la précipitation intragranulaire de la phase [alpha], deux modèles (Eshelby et champ de phase) ont été développés afin de prédire les évolutions morphologiques des précipités. Ces modèles prennent en compte un comportement élastique anisotrope et hétérogène pour les deux phases. Nous avons montré que l'énergie élastique générée lors de la transformation [bêta] -> [alpha] pilote en grande partie la forme et l'orientation des précipités ainsi que leur arrangement spatial. Les résultats du calcul sont proches des observations microstructurales / The present study is mainly about microstructures formation during phase changes in the near beta titanium alloy Ti-5553. Phase transformations were characterized on cooling from the beta phase field and on ageing after solutionizing in the beta (or alpha + beta) phase field and quenching. The influence of heat treatment parameters (cooling and heating rates, transformation temperatures) on phase transformation kinetics, precipitation sequences and transformation mechanisms was analysed using electrical resistivity measurements, in situ high energy X-Ray diffraction and microscopy (optical and electron). Cell parameters evolution of each phase and full width at half maximum variations of beta phase peaks have allowed to highlight the changes of the chemical composition and the stress state during phase transformation. Formation of metastable phases (alpha?, w) at temperatures lower than 500°C were characterized as well as their influence on final microstructures and therefore on mechanical properties. For better understanding the intragranular precipitation of the alpha phase, two models (Eshelby and phase field) were developed in order to predict morphological evolutions of the precipitates. These models take into account the anisotropic and heterogeneous behaviour for both phases. We have shown that the elastic strain energy generated by beta -> alpha phase transformation drives to a large extent the precipitate shape and orientation as well as their spatial arrangement. Calculation results are close to microstructural observations

Ce travail de thèse est focalisé sur la détermination, de manière non-destructive, d'interfaces profondément enterrées dans des empilements multi-couches utilisés dans les conditions de technologie réelles au travers d'une méthode innovante basée sur la photoémission avec utilisation de rayons-x de haute énergie (HAXPES) et l'analyse du fond continu inélastique. Au cours de cette thèse, une procédure numérique a été développée pour quantifier la correspondance entre la mesure du fond continu faite par HAXPES et la simulation du fond continu représentative d'une distribution en profondeur donnée. Cette méthode permet de trouver la distribution en profondeur d'un élément grâce à une procédure semi automatisée. Dans un premier temps cette méthode a été testée en étudiant une couche ultra fine de lanthane enterrée à une profondeur >50 nm dans un dispositif de grille métallique high-k. L'influence des paramètres utilisés lors de l'analyse y est étudiée et révèle l'importance principale d'un paramètre en particulier, la section efficace de diffusion inélastique. La combinaison de mesures HAXPES avec l'analyse du fond continu inélastique utilisant cette nouvelle méthode permet d'augmenter la profondeur de sonde jusqu'à un niveau sans précédent. Ainsi l'échantillon peut être sondé jusqu'à 65 nm sous la surface avec une haute sensibilité à une couche nanométrique. Dans un second temps, la méthode précédemment validée d'analyse de fond continu inélastique est combinée avec une étude haute résolution des niveaux de cœur dans un échantillon servant de source dans un transistor à haute mobilité. Les deux analyses sont complémentaires puisqu'elles permettent d'obtenir la distribution en profondeur des éléments ainsi que leur environnement chimique. Le résultat donne une description complète des diffusions élémentaires dans l'échantillon suivant les différentes conditions de recuit. / This thesis tackles the challenge of probing in a non-destructive way deeply buried interfaces in multilayer stacks used in technologically-relevant devices with an innovative photoemission method based on Hard X-ray PhotoElectron Spectroscopy (HAXPES) and inelastic background analysis. In this thesis, a numerical procedure has been implemented to quantify the matching between a HAXPES measured inelastic background and a simulated inelastic background that is representative of a given depth distribution of the chemical elements. The method allows retrieving depth distributions at large depths via a semi-automated procedure. First, this method has been tested by studying an ultra-thin layer of lanthanum buried at depth >50 nm in a high-k metal gate sample. The influence of the parameters involved in the analysis is studied unraveling the primary importance of the inelastic scattering cross section. The combination of HAXPES with inelastic background analysis using this novel method maximizes the probing depth to an unprecedented level, allowing to probe the sample up to 65 nm below the surface with a high sensitivity to a nm-thick layer. Second, the previously-checked inelastic background analysis is combined with that of high resolution core-level spectra in the case of the source part of a high electron mobility transistor. The two analyses are complementary as they allow retrieving the elemental depth distribution and the chemical state, respectively. The result gives a complete picture of the elemental intermixing within the sample when it is annealed at various temperatures. / Denne afhandling omhandler problemet med at probe dybt begravede grænseflader i multilags stacks, som bruges i teknologisk relevante devices, med en innovativ fotoemissions metode, der er baseret på Hard X-ray PhotoElectron Spectroscopy (HAXPES) og analyse af den uelastiske baggrund. I afhandlingen er en numerisk procedure blevet implementeret til at kvantificere forskellen mellem en HAXPES målt uelastisk baggrund og en modelleret baggrund, som svarer til en given dybdefordeling af atomerne. Metoden muliggør, med en halv-automatisk procedure, at bestemme dybdefordelingen i store dybder. Metoden er først blevet testet ved at studere et ultra-tyndt lag af lanthan, som er begravet i en dybde > 50 nm i en high-k-metal-gate prøve. Indflydelsen af parametrene der ingår i analysen er blevet studeret for at opklare den primære betydning af det anvendte uelastiske spredningstværsnit. Kombinationen af HAXPES med analyse af den uelastiske baggrund og brug af den nye numeriske metode giver en hidtil uset probe-dybde, som giver mulighed for at probe den atomare sammens ætning i op til 65 nm dybde under overfladen og med høj følsomhed af et kun nm tykt lag. Dernæst er den uelastiske baggrundsanalyse blevet kombineret med højopløst core-level spektroskopi for at studere de aktive dele i en høj-elektronmobilitets transistor. De to analyser er komplementære, idet de henholdsvis bestemmer den atomare fordeling og atomernes kemiske bindingstilstand. Resultatet giver et fuldstændigt billede af atomernes omfordeling i prøven når denne opvarmes til forskellige temperaturer.

La diffraction des rayons X à haute énergie est une technique puissante pour caractériser les transformations de phases dans les matériaux métalliques. Cette technique nous a permis d'étudier quantitativement le changement de phases ß ? a + ß dans les alliages de titane au cours de traitements thermiques. Nous avons pu caractériser les différentes phases en présence, déterminer en temps réel les cinétiques de transformation et suivre l'évolution des paramètres de maille de chacune des phases. Dans un premier temps, nous avons étudié le changement de phases a + ß ? ß des alliages Ti17, Ti64 et Ti6242, au cours du chauffage en utilisant des vitesses lentes. Les évolutions des paramètres de maille ont été corrélées aux variations de composition chimique des phases (déterminées par ThermoCalc). Les cinétiques de transformation ont ensuite été comparées à celles calculées par l'intermédiaire d'un modèle par champ de phases. Dans le cas de l'alliage Ti17, la transformation de phases ß ? a + ß a également été étudiée au refroidissement. Différentes conditions de refroidissement ont été étudiées : en condition anisotherme au cours de refroidissements continus et en condition isotherme, au cours de maintiens à différentes températures. L'influence du chemin thermique a également été étudié, en réalisant des revenus à partir d'un état [bêta]-métastable à température ambiante. Les cinétiques de transformation obtenues ont été comparées à celles déterminées par résistivité électrique. L'évolution des paramètres de maille des phases et de la largeur à mi hauteur (FWHM) des pics de la phase [bêta] ont permis de mettre en évidence les variations de composition chimique de cette phase et les changements d'état de contrainte engendrés lors des transformations / The high energy X-rays diffraction is a powerful tool to characterize the phase transformation in metallic materials. Its use in the case of titanium alloys has allowed to study the phase transformation during heat treatments. We were able to characterize the different phases involved, to determine in situ the evolution of the mass fraction and the cell parameters of each phase. In the first time, we have studied the phase transformation a + ß ? ß during heating of Ti17, Ti64 and Ti6242 titanium alloys. The cell parameters evolutions have been compared to the chemical composition variations (determined by Thermocalc). Then, the transformation kinetics have been compared to calculated results obtained by a phase field approach. For the Ti17 alloy, we have characterized the phase transformation ß ? a + ß during the cooling. Different conditions were used: the anisothermal condition (during continuous cooling) and the isothermal condition (during dwells at different temperatures). The influence of the thermal path have been considered by means of tempering from a [bêta]-metastable state at room temperature. The evolution of the phase fraction has been compared to kinetics measured by electrical resistivity. The cell parameter and full width at half maximum (FWHM) variations and of each phase have allowed to highlight the changes of the chemical composition and the elastic strain during phase transformation