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Capillary electrophoresis is one of the prominent analytical separation methods. Currently, many computer programs exist which are able to predict the result of an electrophoretic experiment. Firstly, there are programs based on numerical solving of corresponding continuity equations and equations of chemical equilibria. Secondly, there are programs based on approximative models of capillary electrophoresis. Programs belonging to the first group are applicable to a wide range of modes of capillary electrophoresis and provide a precise solution. Their disadvantage is though a considerable time demand. On the other hand, the approximative models give the results almost immediately and, in addition, provide some theoretical relationships which are useful for optimization of the separation process. This dissertation thesis is focused on improvement and extension of validity of existing approximative models of capillary electrophoresis. As a part of this thesis, a model capable of a full-blown description of capillary electrokinetic chromatography is introduced. This model is implemented into program PeakMaster 6. The attention is also paid to a nonlinear model of electromigration without diffusion. This model enables a very good description of electromigration dispersion including effects related to...

Nous avons étudié la formation de nanogaps par électromigration dans des nanofils d'or. Cette technique consiste à provoquer la rupture d'un nanofil en lui appliquant de fortes densités de courant et peut être utilisée pour la caractérisation électrique de nano-objets. L'étude en temps réel du processus d'électromigration par microscopie à force atomique a permis d'apporter un éclairage nouveau de la dynamique du processus. En effet, il apparaît que la structure globale du dispositif est définie dans les premiers temps de l'électromigration et nous avons montré que cette structure est directement liée à la microstructure du film métallique. Pour la première fois, des nanogaps ont été élaborés par électromigration dans des films monocristallins. Malgré l'absence de joints de grain, il est possible de former des nanogaps dans un matériau épitaxié. L'utilisation de ces matériaux permet d'obtenir des nanogaps avec une morphologie plus reproductible. Les propriétés de transports des nanogaps obtenus à partir de films polycristallins ont été caractérisées. Les caractéristiques obtenues présentent toutes des signatures particulières, attribuées à la présence d'agrégats d'or provenant de la procédure d'électromigration et/ou de polymères issus du procédé de nanofabrication. Ces résultats montrent la difficulté à réaliser des mesures à l'échelle de la molécule unique.

L'introduction des technologies MEMS ("Micro Electro Mechanical Systems") dans les modules hyperfréquences répond au besoin croissant en systèmes de communications intégrables, reconfigurables et présentant d'excellentes performances électriques jusqu'aux fréquences millimétriques. Le développement de nouvelles architectures intelligentes jusque là inaccessibles aux technologies traditionnelles est également envisageable grâce à ces composants. Cela dit, la conception multi-physique de ces circuits alliant des aspects électrostatiques, mécaniques et électromagnétiques reste difficile à mettre en Suvre et complique leur optimisation. De plus, peu de recherches se sont focalisées sur la tenue en puissance de ces composants, pourtant primordiale pour envisager leur intégration dans des chaînes d'émission radio fréquences. Nos travaux de thèse ont porté sur la conception et la caractérisation de micro-interrupteurs MEMS de puissance et de circuits hyperfréquences les intégrant et opérant en bande X (10GHz). Le premier chapitre présente une méthodologie multi-physique de conception de commutateurs MEMS RF électrostatiques à contact capacitif réalisés au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes. Cette méthodologie, associée à une topologie optimale de micro-commutateurs, a permis un prototypage efficace de commutateurs MEMS et a été validée expérimentalement grâce à des structures montrant d'excellentes performances hyperfréquences. Le second chapitre s'intéresse à l'optimisation en puissance de commutateurs MEMS RF. Nous avons développé une méthodologie de prédiction de la puissance maximale de fonctionnement pour ces composants. Cette méthodologie a été ensuite utilisée pour loptimisation en puissance du commutateur développé dans le chapitre 1. Un dimensionnement ainsi que lensemble des résultats de simulations sont présentés et validés expérimentalement. Enfin le dernier chapitre présente la mise en application des méthodologies décrites aux deux premi ers chapitres pour la conception d'un circuit de commutation de puissance large bande 6-18 GHz basé sur des topologies série et parallèle d'interrupteurs MEMS. Les structures ont ainsi été optimisées, fabriquées et mesurées. Elles présentent dexcellentes performances RF sur une large gamme de fréquence.

La dégradation par électromigration des interconnexions en cuivre damascène est une des principales limitations de la fiabilité des circuits intégrés. Des méthodes de caractérisation complémentaires aux tests de durée de vie, habituellement utilisés, sont nécessaires pour approfondir nos connaissances sur ce phénomène de dégradation. Dans cette étude nous proposons de suivre la croissance par électromigration de la cavité en analysant l'évolution de la résistance de l'interconnexion en fonction du temps. Nous avons, dans un premier temps, étudié les effets de la section de ligne et de la température et, dans un second temps, ceux de la densité de courant et de la longueur de ligne. Nous avons ainsi montré que l'analyse de l'évolution de résistance est une méthode pertinente pour étudier la cinétique de dégradation et en extraire les paramètres caractéristiques tels que l'énergie d'activation du phénomène d'électromigration. Nous avons par ailleurs mis en évidence l'influence de la forme et de la taille de la cavité sur le temps à la défaillance, effet d'autant plus important que la ligne est courte.

The aim of this study is to develop a theoretical basis and to perform computational experiments for understanding the grain boundary (GB) grooving in polycrystalline thin film metallic conductors (interconnects) by anisotropic surface diffusion due to capillary, electromigration and elastostatic forces. To this end, irreversible thermo&ndash / kinetics of surfaces and interfaces with triple junction singularities is elaborated, and the resulting well-posed moving boundary value problem is solved using the front&ndash / tracking method. To simulate the strain conditions of the interconnects during service, the problem is addressed within the framework of isotropic linear elasticity in two dimensions (plane strain condition). In the formulation of stress induced surface diffusion, not only the contribution due to elastic strain energy density (ESED) but also that of the elastic dipole tensor interactions (EDTI) between the stress field and the mobile atomic species (monovacancies) is considered. In computation of the elastostatic and electrostatic fields the indirect boundary element method (IBEM) with constant and straight boundary elements is utilized. The resulted non&ndash / linear partial differential equation is solved numerically by Euler&rsquo / s method of finite differences. The dynamic computer simulation experiments identify well known GB groove shapes and shed light on their growing kinetics. They also allow generating some scenarios under several conditions regarding to the applied force fields and/or physicochemical parameters. The destruction of groove symmetry, termination of the groove penetration with isotropic surface diffusivity, ridge/slit formations with anisotropic diffusivity and the role played by the wetting parameter are all identified for electromigration conditions. The kinetics of accelerated groove deepening with an applied tensile stress is examined in connection with GB cavity growth models in the literature and a diffusive micro-crack formation is reported at the groove tip for high stresses. On the other hand, the use of EDTI provided a means to dynamically simulate GB ridges under compressive stress fields with surface diffusion. An incubation time for hillock growth and a crossover depth over which GB migration becomes energetically favorable is defined and discussed in this context.

Cette thèse se situe à la croisée de trois domaines : la spintronique qui s'attache à utiliser le degré de liberté du spin de l'électron afin de fabriquer de nouveaux dispositifs électroniques; l'électronique moléculaire qui cherche à profiter des progrès de la chimie moderne afin de fournir des alternatives au tout semi-conducteur de la micro-électronique; le magnétisme moléculaire qui cherche à synthétiser des aimants moléculaires aux propriétés toujours plus riches. Notre travail a consisté à produire un dispositif électronique à base d'aimant moléculaire et d'utiliser le spin de l'électron afin d'étudier les propriétés magnétiques à l'échelle d'une molécule. Des dispositifs semblables pourraient, dans l'avenir, constituer l'une des briques élémentaires de l'information quantique. Nous avons pour cela opté pour un transistor moléculaire à effet de champ, ayant pour canal un aimant moléculaire aux propriétés magnétiques bien connues : le Terbium double-decker ou TbPc2. Grâce à ce dispositif, nous avons, dans un premier temps, mis en évidence le retournement de l'aimantation d'une molécule unique par effet tunnel ou QTM (quantum tunneling of the magnetization). En effet, nous avons démontré que ce retournement entraînait une modification soudaine de la conductance de notre système. En effectuant une étude statistique sur les valeurs du champ de retournement, nous avons mis en évidence la présence de résonances que nous avons pu attribuer au phénomène de QTM. Nous avons également mesuré l'état d'un spin nucléaire unique : chaque résonance étant associée à un état de spin nucléaire. Nous avons étudié la température du spin nucléaire et montré que celle-ci pouvait être influencée par l'environnement électrostatique du système. En outre, le temps de vie d'un état de spin nucléaire a été extrait et estimé à quelques secondes, vérifiant que le système était faiblement perturbé par notre technique de mesure. Ces travaux jettent les bases de la construction du premier Qbit à base d'aimants moléculaires. Par des techniques de radiofréquence, le spin nucléaire pourrait être manipulé, la lecture se faisant ensuite par une mesure en conductance.

Les assemblages PoP pour « Package on Package » permettent d’augmenter fortement la densité d’intégration des circuits et systèmes microélectroniques, par superposition de plusieurs éléments semi-conducteurs actifs. Les interconnexions internes de ces systèmes sont alors soumises à des contraintes jamais atteintes. Nous avons pu identifier, caractériser, modéliser et simuler les mécanismes de défaillance potentiels propres à ces assemblages, et leur évolution : • Les gauchissements dans la phase d’assemblage du « PoP » et ses contraintes thermomécaniques sont plus importants que ceux de chacun des composants individuels. Un modèle analytique original a été construit et mis en ligne afin d’évaluer a priori ce gauchissement. • Les comportements hygroscopiques et hygromécaniques sont simulés et mesurés par une approche originale. L’assemblage « PoP » absorbe plus d’humidité que la somme des deux composants individuels, mais son gauchissement hygromécanique et ses contraintes hygromécaniques sont moins élevées. • Deux types d’essais de vieillissement accéléré sont réalisés pour étudier la fiabilité du « PoP » assemblé sur circuit imprimé : des cycles thermiques et des tests sous fort courant et température élevée. Dans ces deux types d’essais, l’assemblage d’un composant « top » sur un autre composant « bottom » pour former un PoP augmente les risques de défaillances. • L’évolution de la microstructure selon le type de vieillissement est comparée par des analyses physiques et physico-chimiques. Les fissures sont toujours situées dans l’interface substrat/billes, qui correspond aux zones critiques prédites par les simulations. / The assemblies PoP (Package on Package) can greatly increase the integration density of microelectronic circuits and systems, by vertically combining discrete semiconductor elements. The interconnections of these systems suffer the stresses never reached before. We were able to identify, characterize, model and simulate the potential failure mechanisms of these assemblies and their evolution: • The warpage in the assembly phase and thermomechanical stress of "PoP" are more serious than the individual components. An original analytical model has been built and put online for pre-estimating this warpage. • The hygroscopic and hygromechanical behaviors are simulated and measured by an original method. The assembly "PoP" absorbs more moisture than the sum of the individual components, but its hygromechanical warpage and stress are smaller. • Two types of accelerated aging tests are performed to study the reliability of "PoP" at the board level: the thermal cycling and the testing under current and temperature. In both types of tests, assembly a component "top" on another component "bottom" to form a “PoP” increases the risk of failure. • The microstructure evolution depending on the type of aging is compared by the physical and physico-chemical analysis. The cracks are always located in the interface substrate/balls, which corresponds to the critical areas predicted by the simulations.

L'intégration 3D, mode de conception par empilement des puces, vise à la fois la densification des systèmes et la diversification des fonctions. La réduction des dimensions des interconnexions 3D et l'augmentation de la densité de courant accroissent les risques liés à l'électromigration. Une connaissance précise de ce phénomène est requise pour développer un modèle numérique prédictif de la défaillance et ainsi anticiper les difficultés dès le stade de la conception des technologies. Une méthode inédite d'observation in operando dans un MEB de l'endommagement par électromigration des interconnexions 3D est conçue. La structure d'étude avec des vias traversant le silicium (TSV) « haute densité » est testée à 350 °C avec une densité de courant injectée de l'ordre de 1 MA/cm², et simultanément caractérisée. La réalisation régulière de micrographies informe sur la nucléation des cavités, forcée dans la ligne de cuivre au-dessus des TSV, et sur le scénario de leur évolution. La formation d'ilots et la guérison des cavités sont également observées au cours des essais (quelques dizaines à centaines d'heures). Une relation claire est établie entre l'évolution des cavités et celle de la résistance électrique du dispositif. Les différents essais, complétés par des analyses post-mortem (FIB-SEM, EBSD, MET) démontrent l'impact de la microstructure sur le mécanisme de déplétion. Les joints de grains sont des lieux préférentiels de nucléation et influencent l'évolution des cavités. Un effet probable de la taille des grains et de leur orientation cristalline est également révélé. Enfin, l'étude se consacre à l'implémentation d'un modèle multiphysique dans un code éléments finis de la phase de nucléation des cavités. Ce modèle est constitué des principaux termes de gestion de la migration. / 3D integration, conception mode of chips stacking, aims at both systems densification and functions diversification. The downsizing of 3D interconnects dimensions and the increase of current density rise the hazard related to electromigration. An accurate knowledge of the phenomenon is required to develop a predictive modeling of the failure in order to anticipate the difficulties as soon as the stage of technologies conception. Thus, a hitherto unseen SEM in operando observation method is devised. The test structure with “high density” through silicon vias (TSV) is tested at 350 °C with an injected current density of about 1 MA/cm², and simultaneously characterized. Regular shots of micrographs inform about the voids nucleation, forced in copper lines above the TSV, and about the scenario of their evolution. Islets formation and voids curing are also observed during the tens to hundreds hours of tests. A clear relation is established between voids evolution and the one of the electrical resistance. The different tests, completed by post-mortem analyses (FIB-SEM, EBSD, TEM), demonstrate the impact of microstructure on the depletion mechanism. Grains boundaries are preferential voids nucleation sites and influence the voids evolution. A probable effect of grains size and crystallographic orientation is revealed. Finally, the study focuses on the implementation of a multiphysics modeling in a finite elements code of the voids nucleation phase. This modeling is constituted of the main terms of the migration management.