La microscopie champ proche micro-onde, qui fait partie de la famille des microscopies à sonde locale, est envisagée aujourd’hui dans de nombreux domaines d’applications de la physique, de la biologie et des micro et nanotechnologies. Dans ce manuscrit, le microscope micro-onde à champ proche qui est exploité est un instrument développé au laboratoire IEMN bénéficiant d’une grande sensibilité dans une large bande de fréquences de travail [2-18 GHz]. Le potentiel d’applications du microscope est démontré au travers de la caractérisation de liquides avec différentes modalités de caractérisation (sonde en contact, sans contact et en immersion). En particulier, cet outil est mis en œuvre pour la spectroscopie diélectrique de solutions aqueuses de glucose.Cet instrument qui offre une capacité d'imagerie sub-longueur d'onde est également testé pour différentes situations (imagerie de surface et de sub-surface). La résolution d'imagerie ainsi que la précision de mesure sont évaluées puis des méthodes de traitement d'images simples sont proposées pour améliorer la qualité de l'imagerie. Enfin, une piste pour une intégration plus grande de l’instrument, qui consisterait à remplacer l’analyseur de réseau par un dispositif plus compact (type réflectomètre six-ports) est explorée. / Near-field microwave microscopes, which belong to the local scanning probe microscopes family, are considered today as advanced characterization tools in many applications areas including physics, biology and micro and nanotechnologies. The near-field microwave microscope that is used in the work and described in this manuscript is an instrument developed at IEMN owning a great sensitivity in a wide operating frequency band [2-18 GHz]. The potential of the microscope in terms of applications is demonstrated through the characterization of liquids with different modalities of characterization (probe in contact, non-contact and immersed in a liquid). In particular, this instrument is investigated for dielectric spectroscopy of aqueous glucose solutions.This characterization tool that offers sub-wavelength imaging capability is also tested in different situations (surface and subsurface imaging). Imaging resolution and measurement accuracy are evaluated and easily implementable processing methods are proposed to improve the quality of imaging. Finally, a solution towards a larger compactness of the instrument is investigated through the replacement of the network analyzer by a more compact device (six-port reflectometer type).

La miniaturisation des composants telle qu’elle est décrite par la loi de Moore se heurte à de nouvelles problématiques liées notamment aux échelles visées, dans le domaine nanométrique. En effet, cette miniaturisation nécessite des investissements en recherche considérables indispensables à la mise en place de nouveaux procédés de fabrication en adéquation avec les dimensions mises en jeu. Associés à ces nouveaux besoins, il convient aussi de développer des moyens d’observation et de caractérisation des dispositifs réalisés à ces échelles. Le travail proposé dans ce mémoire concerne principalement le domaine de la caractérisation. En effet, les travaux menés sont destinés à apporter des solutions pour la caractérisation de nano-dispositifs aux fréquences microondes pour lesquelles il n’existe pas encore un outil permettant la mesure directe et précise. L’une des raisons réside dans le fait que les nano-objets possèdent en régime dynamique une impédance de référence élevée (supérieure au kilo-ohms) comparativement à l’appareillage de mesure usuel que représente l’analyseur de réseaux (50 ohms). Plusieurs dispositifs reposant sur une nouvelle architecture et offrant une impédance de référence élevée sont conçus, réalisés et validés. Les potentialités de cette nouvelle instrumentation sont illustrées au travers de la mesure de charges passives hautes impédances. / As described by Moore’s law, the miniaturization of devices is facing important issues related to nanometric domain. Indeed, this miniaturization involves considerable investments in scientific research which is essential in developing new manufacturing processes adapted to nanometric scale. Also, it is necessary to develop new instruments to observe and characterize at such a scale.The work proposed in this thesis mainly concerns the field of device characterization. Indeed, this work is carried out to provide solutions for the characterization of nano-devices at microwave frequencies at which nowadays no tool is available for the direct and accurate measurement. Actually, the issue lies in the fact that nano-devices present high reference impedances (higher than the kilo-ohms) compared to that of typical measurement instruments such as the network analyzer (50 ohms). Several devices using a new architecture and offering a high impedance of reference are conceived, realized and validated. The potentialities of this new instrumentation are illustrated through the measurement of high impedance passive loads.

Le réflectomètre six-portes est un dispositif de mesure en hyperfréquences qui permet de déterminer le facteur de réflexion d'un dispositif sous test (qui est directement lié avec son impédance d'entrée) ou alternativement de trouver le rapport en module et phase entre deux différents signaux. Ce type de mesure est utilisé très souvent dans le domaine des hyperfréquences, d'un coté dans les laboratoires pour caractériser des composants et de l'autre coté dans des applications comme les radars de sécurité pour les automobiles, les démodulateurs numériques ou le contrôle d'antennes adaptatives. <br /><P><br />L'un des avantages du réflectomètre six-portes par rapport aux autres systèmes qui mesurent les mêmes quantités est sa structure très simple : il s'agit essentiellement d'un circuit linéaire avec six accès dont quatre sont connectés à des détecteurs de puissance. Il est donc beaucoup plus facile à réaliser et moins coûteux que les autres types de système qui nécessitent généralement des composants plus sophistiqués comme par exemple des mélangeurs de bonne qualité. <br /><P><br />Après un calibrage du réflectomètre six-portes, il est possible de calculer le facteur de réflexion du dispositif sous test ou le rapport en module et phase entre deux signaux différents ainsi que des informations sur la précision de ces valeurs à partir des puissances mesurées par les quatre détecteurs. On peut donc dire que le calcul numérique à l'aide d'un ordinateur remplace le besoin de disposer d'un circuit de mesure très sophistiqué qui permet d'obtenir les résultats d'une manière plus directe. <br /><P><br />Malgré cet avantage considérable que présente la simplicité du circuit, les réflectomètres six-portes sont à ce jour surtout utilisés dans des laboratoires de métrologie en raison de la bonne précision des mesures qu'ils permettent de réaliser ; par contre, leur emploi dans des produits commercialisés est très faible et concerne principalement des applications très spécialisés. Il existe plusieurs raisons pour ce fait, entre autres la bande de fréquences assez réduite dans laquelle fonctionnent la plupart des réflectomètres six-portes, l'encombrement de certaines de ces structures qui contiennent souvent plusieurs coupleurs directifs, et aussi des problèmes qui peuvent apparaître dans la procédure de calibrage du système dans certaines situations. <br /><P><br />Dans cette thèse, nous présentons donc plusieurs développements pour résoudre ces problèmes afin de rendre possible une utilisation des réflectomètres six-portes à plus grande échelle dans des produits industriels. Il s'agit d'abord d'un algorithme de calibrage très robuste qui élimine les difficultés que pouvaient présenter dans certaines situations les algorithmes utilisés auparavant. Puis, nous avons développé un réflectomètre six-portes en technologie hybride à bas coût avec une surface de 20 cm² incluant les détecteurs de puissance, qui fonctionne sur une très large bande de fréquences, de 1.5 MHz à 2200 MHz. Finalement, nous présentons un réflectomètre six-portes que nous avons réalisé en technologie intégrée monolithique MMIC. Le circuit occupe une surface de 2.2 mm² incluant les détecteurs et fonctionne entre 1.3 GHz et 3.0 GHz. Ses meilleures caractéristiques se trouvent autour de la fréquence de 1.8 GHz, la fréquence de la nouvelle gamme de radiomobiles DCS 1800. <br /><P><br />Tous ces développements devraient beaucoup faciliter l'utilisation des réflectomètres six-portes dans des applications industrielles destinées à un grand public comme des radars de sécurité pour les automobiles ou des démodulateurs numériques pour les radiomobiles. Nous espérons que les résultats de notre travail aideront à convaincre un plus grand nombre de fabricants des avantages de ce dispositif encore relativement nouveau.

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