Filtres optiques interférentiels à propriétés optiques spatialement maîtrisées Laëtitia ABEL-TIBERINI 3°année de thèse Sous la direction de F. LEMARQUIS

22

ProblématiqueProblématique

• Propriétés optiques = Propriétés optiques =

Etude de l’uniformité de l’épaisseur optiqueEtude de l’uniformité de l’épaisseur optique

ApplicationsApplications• Recherche de propriétés uniformesRecherche de propriétés uniformes

Ex : DWDM, Ex : DWDM,

• Recherche de propriétés non uniformesRecherche de propriétés non uniformes

Ex : filtres variablesEx : filtres variables

))(( nene

ff

-4-41010))( nenenene

Etude de l'épaisseur (indice étant constant particulièrement en cas de dépôt compact et en rotation)DWDM : 10-4 sur une surface aussi grande que possible

33

ProblématiqueProblématique

• Non uniformité naturelle induite par les Non uniformité naturelle induite par les techniques de dépôttechniques de dépôt

Maîtriser l’uniformité Maîtriser l’uniformité utiliser des masques utiliser des masques

Masque : forme et mouvement dépendent Masque : forme et mouvement dépendent dede– Uniformité du bâtiUniformité du bâti– Profil spatial recherchéProfil spatial recherché

Caractérisation du bâtiCaractérisation du bâti

Maîtriser la non uniformité naturelle pour l'une ou l'autre des applications (Unif ou non-unif)Ca peut aller jusqu'à l'utilisation de masques

44

Les outilsLes outils• Modélisation du bâtiModélisation du bâti• Banc de caractérisation de composantsBanc de caractérisation de composantsLes applicationsLes applications• Filtres variablesFiltres variables• Vers une meilleure uniformitéVers une meilleure uniformitéConclusionConclusion

Plan de l’exposéPlan de l’exposé

Modèle de dépôt donnant la répartition d'épaisseur

55

Modélisation : Technologie Modélisation : Technologie DIBS*DIBS*

Le dépôt suit une loi en Le dépôt suit une loi en

•La cible est inclinée à 45°.

•L’échantillon est en rotation.

ββrrααnn

coscos22

coscos

* Dual Ion Beam Sputtering

r

substrat

ciblexxYY

ZZ

Evolution de l'épaisseur déposée sur une rotation

1,1E-3

1,6E-3

2,1E-3

2,6E-3

3,1E-3

3,6E-3

0 45 90 135 180 225 270 315 360

Angle (°)

Epai

sseu

r (ar

bitr

aire

)

66

Exemple de « non-Exemple de « non-uniformité »uniformité »

Répartition d’épaisseur obtenue Répartition d’épaisseur obtenue

dans des conditions classiques de dans des conditions classiques de

dépôt : dépôt :

• échantillon de 3 cm de côtééchantillon de 3 cm de côté

• Lignes d’iso-épaisseurs Lignes d’iso-épaisseurs

circulairescirculaires

• Rayon de rotation de 50 mmRayon de rotation de 50 mm

XXYY

Uniform

iU

niform

itété

Le modèleLe modèle répartition d’épaisseur répartition d’épaisseur pour toutes les configurations de dépôtpour toutes les configurations de dépôt

Courbures due à la rotation

77

Comment déterminer les Comment déterminer les paramètres du modèle?paramètres du modèle?

• Objectif : Objectif : Définir Définir , n et r, n et r

• Cahier des charges :Cahier des charges :– Repérer aisément la position des échantillonsRepérer aisément la position des échantillons– Avoir une variation significative des propriétés Avoir une variation significative des propriétés

optiquesoptiques– L’observation doit permettre une inversion robusteL’observation doit permettre une inversion robuste

et rapide du problèmeet rapide du problème

• Solution :Solution :– Pas de rotation (rapidité, position)Pas de rotation (rapidité, position)– Echantillon de grande dimensionEchantillon de grande dimension

(fort gradient, robustesse)(fort gradient, robustesse)

barrettbarrettee

cible

On ne connaît pas alpha (la direction de pulvérisation), n et r avec précisionUne incertitude sur rRepérer la position des échantillons dans le bâti

La source de matière pulvérisée est-elle directive ou lambertienne.

88

Configuration retenueConfiguration retenue

• Disposition des barrettesDisposition des barrettes

ciblexx

Porte substratbarrette

ciblexx

Porte substratbarrette

Pour chaque Pour chaque matériaumatériau

Dire que les barrettes sont 4* plus longues que larges

99




1010

Banc de caractérisationBanc de caractérisation

Fibered white light source

Optical Spectrum Analyser

Reference photodiode

X Translation stage

XYtranslation

stage

ApertureStops wheel

Neutral densitieswheel

200 µm coreoptical fiber

400 µm coreoptical fibers 600 µm core

optical fiber

Sample orreference

glass

1111

• Domaine spectral: 400 – 1700 nmRésolution spectrale: 5 nm avec une fibre de 600 µm

0,5 nm avec une fibre de 100 µm

• Diaphragmes: 50, 100, 200, 600, 1000 et 2000 µm.Précision de position de l’échantillon: 3 µm.

• Ecart type sur la répétabilité: 10-3

Positionnement de l’échantillon et acquisition de données complètement automatisés.

Détermination de n, k et e sur des monocouches à partir des mesures en R et T

Banc de caractérisationBanc de caractérisation

1212

Banc de caractérisationBanc de caractérisation• Comparaison avec un Comparaison avec un

Spectromètre du Spectromètre du commercecommerce– Diamètre de la zoneDiamètre de la zone

mesurée sur le bancmesurée sur le banc 600 µm600 µm

Mesure localeMesure locale PerkinPerkin

• Mesure de n et e localeMesure de n et e locale

Comparaison perkin/Banc sur 1391 Hf

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

500 550 600 650 700 750 800 850 900

Longueur d'onde (nm)

T,

R %

T Banc T PerkinR Banc R Perkin

Fabien Lemarchand et al. ”Fabien Lemarchand et al. ”Institut Fresnel – OIC 2004 Measurement Institut Fresnel – OIC 2004 Measurement Problem"Problem" Optical interference coating, Optical interference coating, Tucson, USA, (June 2004)Tucson, USA, (June 2004)

25.4 m25.4 mmm

Zone scannée: Zone scannée: 12.5 mm x 12.5 mm x 12.5 mm 12.5 mm (36 points)(36 points)

épaisseur épaisseur moyenne de 190 moyenne de 190

nmnm

Unif = 99,4%Zone d'analyse du Perkin Diamètre = 4,5 mm

1313

Caractérisation du bâti :Caractérisation du bâti :Problème inverseProblème inverse

Mesure d’uniformité sur une barretteMesure d’uniformité sur une barrette

Déterminer les paramètres libres de Déterminer les paramètres libres de

la modélisation (direction la modélisation (direction et et répartition du flux de matière répartition du flux de matière

pulvérisée n)pulvérisée n)

r

substrat

ciblexxYY

ZZ

r

substrat

cible

r

substrat

ciblexxYY

ZZ

Conclusion :Conclusion :

Nous avons 2 outils permettant la Nous avons 2 outils permettant la modélisation et la caractérisation des modélisation et la caractérisation des dépôtsdépôts

1414




1515

• Objectif :Objectif : Variation de la longueur d’onde filtrée de 800 nm à 1600 nmVariation de la longueur d’onde filtrée de 800 nm à 1600 nm Uniformité de 99,8% suivant l’autre direction si le filtre Uniformité de 99,8% suivant l’autre direction si le filtre

variable est couplé avec une matrice CCDvariable est couplé avec une matrice CCD

• Technique de réalisation : masquageTechnique de réalisation : masquage Masque statiqueMasque statique Masque rectiligne en translationMasque rectiligne en translation

Filtres variablesFiltres variableslinéaireslinéaires

substratsubstrat

Profil d’épaisseurProfil d’épaisseur optiqueoptique

20 mm20 mm

Demande du spatial :1-2 ou 1-2,5-3 sur 10 des distances plus courtesS'il s'agit d'une matrice CCD 500*500 et qu'on ne souhaite pas que la variation soit supérieure au décalage d'un 1/2 pixel, l'uniformité doit être meilleure que 99,8%Application : spectromètre compact

1616

substratsubstrat

Profil d’épaisseur Profil d’épaisseur optiqueoptique

RésultatRésultat

Courbe d’iso-Courbe d’iso-épaisseur circulaireépaisseur circulaire

Comment obtenir un filtre linéaire rectiligne ?

masqumasquee

échantilloéchantillonn Verre de Verre de

contrôlecontrôle

Porte - substratPorte - substrat

échantilloéchantillonn

Filtres variablesFiltres variables

Masque statiqueMasque statique

1717

Idée:Idée: mouvement de translation du mouvement de translation du masque induit par la rotation du porte - masque induit par la rotation du porte - échantillonéchantillon

échantilloéchantillonn

masqumasquee

Le filtre linéaire est rectiligne Le filtre linéaire est rectiligne

SI SI

Le dépôt est uniforme sur Le dépôt est uniforme sur l’échantillonl’échantillon


Masque en translationMasque en translation

échantilléchantillonon

camecamePlatine de Platine de translation & translation & masquemasque

Un choix de symétrie de la came correspondant à la symétrie du bâti (axe de rotation, axe de la cible) permet d'obtenir des résultats satisfaisant.Ici le masque est au contacte de l'échantillon.

1818

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

600 800 1000 1200 1400 1600


Tra

nsm

issi

on

(%

)

Caractérisation du filtre Caractérisation du filtre variablevariable

Evolution de la longueur d'onde filtrée

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

0 2 4 6 8 10 12Position en mm

Lo

ng

ue

ur

d'o

nd

e (

nm

)

VariationVariation non-linéaire de non-linéaire de la longueur la longueur d’onde filtréed’onde filtrée

Une mesure tous les 2 mm

1919

Axe de mesure ≠ axe de Axe de mesure ≠ axe de dépôt (rotation de 2.5 dépôt (rotation de 2.5 arcsec)arcsec)

RéRé-orientation-orientation

Uniformité transversaleUniformité transversaleau gradient = 99.6%au gradient = 99.6%

Caractérisation de filtres Caractérisation de filtres variablesvariables

Remarque : Le centrage du filtre est quasi-Remarque : Le centrage du filtre est quasi-rectilignerectiligne

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1110 1120 1130 1140 1150


Tran

smis

sion

%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1110 1120 1130 1140 1150


Tran

smis

sion

%

2020


Améliorer l’uniformité Améliorer l’uniformité transversalement au transversalement au

gradientgradient

EtEt

Obtenir la loi de variation Obtenir la loi de variation spécifiéespécifiée

Optimiser la forme de la Optimiser la forme de la came en utilisant la came en utilisant la

modélisationmodélisation

Utilisation d'un alogorithme d'optimisation

2121




2222

• 2 possibilités :2 possibilités :– Changer la disposition, Changer la disposition,

le mouvement de le mouvement de l’échantillonl’échantillon

Ex : Inclinaison, mouvement Ex : Inclinaison, mouvement planétaireplanétaire

– Utiliser un masqueUtiliser un masque

Utiliser le modèleUtiliser le modèle

Vers une meilleure Vers une meilleure UniformitéUniformité

XX

YY

Uniform

iU

niform

itété

XXYY

Uniform

iU

niform

itété

Utilisation du masque si l'unifformité n'est pas assez bonne. la difficultée ici est que le masque n'est pas au contact de l'échantillonPas de solution intuitive avec un masque éloigné de l'échantillon

2323

• Conclusion : 2 outils ont été développésConclusion : 2 outils ont été développés– un modèle du dépôtun modèle du dépôt– un banc de caractérisationun banc de caractérisation

• A faire avant achèvement de la thèseA faire avant achèvement de la thèse– Caler le modèle : dépôt sur les barrettes + Caler le modèle : dépôt sur les barrettes +

inversioninversion– Filtre linéaire : Optimiser l’allure de la cameFiltre linéaire : Optimiser l’allure de la came– Meilleure uniformité : Rechercher la forme Meilleure uniformité : Rechercher la forme

du masquedu masque

Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives

Documents

Filtres optiques interférentiels à propriétés optiques spatialement maîtrisées Laëtitia ABEL-TIBERINI 3°année de thèse Sous la direction de F. LEMARQUIS