Microtechnologie optoélectronique incluant des matériaux

No d’ordre: 2010telb0114
THÈSE DE DOCTORAT
Mention: Sciences pour l’ingénieur
Présentée à
Télécom Bretagne
en habilitation conjointe avec l’Université de Bretagne Sud,
sous le sceau de l’Université Européenne de Bretagne,
par
Olivier CASTANY
Microtechnologie optoélectronique incluant des
matériaux mésomorphes
Soutenue le 14 septembre 2010
Composition du jury :
Président :
Yves Grohens, Professeur, Université de Bretagne-Sud
Rapporteurs :
Véronique Bardinal-Delagnes, CR-CNRS, LAAS-CNRS
Philippe Martinot-Lagarde, Professeur, Université Paris-Sud
Examinateurs :
Sophie Bouchoule, CR-CNRS, LPN-CNRS
Laurent Dupont, Professeur, Telecom Bretagne
Invité :
Christophe Levallois, Maître de Conférences, INSA de Rennes
Directeur de thèse :
Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye, Professeur, Telecom Bretagne
ii
Table des matières
Résumé
v
1 Introduction
1.1 Communications par fibres optiques . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Lasers accordables à bas coût pour les communications optiques
1.3 Filtres accordables à bas coût pour les communications optiques
1.4 Objectifs et déroulement de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . .
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2 Matériaux et techniques
2.1 Cristaux liquides . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Alignement des cristaux liquides . . . . . . . .
2.2.1 Alignement par brossage . . . . . . . .
2.2.2 Photoalignement . . . . . . . . . . . .
2.3 Cristaux liquides polymérisables . . . . . . . .
2.4 Fluide pour déposer des espaceurs . . . . . . .
2.5 Adhésifs optiques . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 Photolithographie . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7 Résines positives diazonaphtoquinone-novolac
2.8 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Microtechnologie pour fabriquer des puces
une couche de PDLC intra-cavité
3.1 Matériaux PDLC pour les cavités optiques .
3.1.1 Présentation des matériaux PDLC .
3.1.2 Mesure des pertes du matériau . . .
3.1.3 Mesure de la variation d’indice . . .
3.2 Structure laser . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Dépôt du PDLC . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Matériaux antiadhésifs . . . . . . . . . . . .
3.5 Problèmes rencontrés . . . . . . . . . . . . .
3.5.1 Dégorgement du PDLC . . . . . . . .
3.5.2 Dépôt du miroir de Bragg . . . . . .
3.5.3 Capot de protection . . . . . . . . .
3.6 Transfert du miroir de Bragg par collage . .
3.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iii
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laser accordables incluant
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65
iv
4 Micro-cellules pour fabriquer des puces laser accordables
couche de cristal liquide nématique intra-cavité
4.1 Cristal liquide nématique pour un laser accordable . . . . . .
4.2 Micro-cellules pour les cristaux liquides ou d’autres fluides .
4.3 Résine SU-8 pour la construction de micro-cellules . . . . . .
4.4 Polymères conducteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5 Fabrication de micro-cellules pour cristal liquide nématique .
4.6 Caractérisation des micro-cellules fabriquées . . . . . . . . .
4.7 Processus de fabrication sur topographie imparfaite . . . . .
4.8 Films souples pour la photolithographie . . . . . . . . . . . .
4.9 Fabrication de micro-cellules à l’aide d’un tampon souple . .
4.10 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Table des matières
incluant une
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5 Microtechnologie pour la fabrication de guides optiques et de séparateurs de polarisation
95
5.1 Structuration des cristaux liquides polymérisés . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2 Propriétés optiques des cristaux liquides polymérisés en phase anisotrope
et en phase isotrope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.3 Microtechnologie pour la fabrication de guides optiques et de coupleurs
séparateurs de polarisation à base de cristaux liquides polymérisables . . . 98
5.4 Fabrication de zones isotropes et anisotropes par structuration thermique
d’un cristal liquide polymérisable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.5 Structuration sur la gaine optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.5.1 Polymères pour la gaine optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.5.2 Alignement sur la gaine optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.6 Fabrication de guides optiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.6.1 Choix du substrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.6.2 Masques pour le processus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.6.3 Structuration des zones anisotropes et isotropes . . . . . . . . . . . 106
5.6.4 Gravure des guides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Conclusion
111
Bibliographie
113
Résumé
L’augmentation des débits de communication sur le réseau Internet est une tendance
de fond qui est rendue possible par le déploiement d’un réseau d’accès en fibre optique
(FTTH, Fiber To The Home). Ce réseau d’accès optique de première génération utilise
l’architecture PON (Passive Optical Network) mais à moyen terme, l’augmentation des
débits nécessitera le passage vers une architecture WDM (Wavelength Division Multiplexing). Dans cette optique, on cherche à concevoir des composants accordables à faible
coût. Mon travail contribue à la conception d’une source laser accordable et d’un filtre
accordable. Le premier objectif est une source laser VCSEL accordable grâce à une couche
de cristal liquide intra-cavité. J’ai développé des procédés de microtechnologie permettant
de placer le cristal liquide au niveau des puces laser. Le deuxième objectif est un filtre en
guide d’onde où les polarisations TE et TM sont séparées grâce à un coupleur anisotrope
pour être ensuite filtrées indépendamment dans deux anneaux résonants à commande
électro-thermique.
Summary
The increase of the communication data rate over the Internet is possible due to
the deployment of a fiber optic access network (FTTH, Fiber To The Home). This first
generation optic access network uses a PON (Passive Optical Network) architecture but a
further increase in the data rate will require an evolution to a WDM (Wavelength Division
Multiplexing) architecture. With this perspective, it is necessary to design low cost tunable
components. My work is a contribution to the conception and fabrication of a tunable
laser and a tunable filter. The first goal is a VCSEL in which tunability is obtained with
an intra-cavity liquid crystal layer. I developed microtechnology processes which make it
possible to confine liquid crystal on laser chips. The second goal is a waveguide filter where
TE and TM polarizations are separated with an anisotropic coupler and independently
filtered in two ring resonators with electro-thermal command.
v
vi
Résumé
Chapitre 1
Introduction
1.1
Communications par fibres optiques
L’augmentation des débits de communication sur le réseau Internet est une tendance
de fond. Les fibres optiques permettent des débits plus élevés que les câbles en cuivre ou
les ondes radio et le réseau d’infrastructure les utilise depuis une bonne vingtaine d’années
[1]. Aujourd’hui, le réseau d’accès, par lequel les utilisateurs sont connectés, utilise encore
majoritairement des câbles en cuivre (ADSL). Quelques pays comme le Japon et la Corée
du Sud sont en avance et ont déjà développé un réseau d’accès en fibres optiques. En
France, la mise en place de la fibre optique a commencé il y a deux ans et certaines villes
sont déjà équipées. Les travaux de mise en place de ce réseau sont coûteux car il faut
creuser des tranchées et poser des fourreaux, ce qui représente les trois-quarts du coût
total. Ce sont des investissements durables car la fibre optique est un support pérenne,
posé pour au moins 30 ans [2]. En effet, les opérateurs proposent actuellement un débit
descendant de 100 Mbit/s alors que des débits de plusieurs Tbit/s ont été démontrés. On
est donc très loin des limites de débit de la fibre optique.
De manière générale, le réseau d’accès relie un groupe d’habitations à un central de
transmissions connecté au réseau métropolitain. Le central lit le flux de données du réseau
métropolitain, repère les informations à destination des habitations qu’il dessert et les leur
transmet (flux descendant, downstream). Dans l’autre sens il collecte les informations
venant des habitations et les insère dans le flux du réseau métropolitain (flux montant,
upstream).
Le réseau d’accès optique qui est utilisé actuellement fonctionne selon une architecture de type PON (Passive Optical Network) schématisée sur la figure 1.1 (les valeurs
numériques sont indicatives) [3]. Plusieurs habitations sont reliées au central (CO, central office) au moyen de fibres optiques et d’un coupleur optique (splitter). Du côté du
central, un équipement actif, l’Optical Link Terminal (OLT) envoie et reçoit les signaux
lumineux porteurs des données. Par simplicité, le schéma de la figure 1.1 représente un
seul OLT dans le central mais il y en a plusieurs en réalité, un pour chaque quartier. Une
fibre unique part de l’OLT et se raccorde à un groupe de fibres au niveau du coupleur
optique (splitter) afin de desservir les habitations. Dans un PON, le coupleur optique est
un équipement passif, qui divise le signal de l’OLT dans le sens descendant et rassemble
les signaux des habitations dans le sens montant. Chaque fibre optique sortant du coupleur est reliée à un équipement actif placé dans chaque habitation : l’Optical Network
Terminal (ONT).
Les flux montant et descendant utilisent deux longueurs d’onde différentes, typique1
2
Introduction
TDM-PON :
TelCo
CO
d
Splitter
d
OLT
2.5 Gbps
ONT
One fiber per
subscriber
2.5 Gbps
u
2.5 Gbps
u
32
u
ONT
d
TDM :
METRO
ACCESS
Broadcast
u
1
×2.5Gbps≃78Mbps
32
d
ONT
2.5 Gbps
< 20 km
Figure 1.1 – Schéma d’un réseau d’accès TDM-PON.
ment, λu = 1310 nm et λd = 1490 nm [4, 5]. Une longueur d’onde supplémentaire, typiquement λ3 = 1550 nm [4], peut être utilisée pour la diffusion d’un signal de télévision
par exemple. Dans le sens descendant, les données envoyées par l’OLT arrivent à tous les
ONT par l’intermédiaire du coupleur passif et chaque ONT sélectionne les trames qui lui
sont destinées. Un cryptage des trames est nécessaire si l’on veut garantir la confidentialité (privacy) des communications [6]. Le débit instantané du PON est partagé entre tous
les abonnés qui reçoivent des données. Si un seul abonné attend des données, il peut à
priori disposer de toute la capacité de la chaîne de transmission (2.5 Gbps dans l’exemple
de la figure 1.1 [5]). Dans le sens montant, les ONT doivent partager le temps de parole
pour éviter les interférences car ils émettent tous à la même longueur d’onde. L’OLT gère
ce temps de parole en attribuant des intervalles de temps (time slots) successivement à
chacun (TDM, Time Division Multiplexing).
L’avantage de l’architecture PON est d’utiliser peu de fibres optiques et donc peu de
place dans les fourreaux. Si toutes les liaisons étaient point-à-point, il faudrait une fibre
partant du central pour chaque abonné, ce qui nécessiterait des fourreaux plus larges et
alourdirait le coût de l’infrastructure.
L’évolution vers des débits plus élevés passe bien sûr par l’utilisation d’émetteurs et de
récepteurs plus rapides. Ces éléments existent mais sont trop chers pour une distribution
de masse. On cherche donc à fabriquer des composants rapides à faible coût.
L’évolution vers des débits plus élevés passe aussi par l’utilisation du multiplexage en
longueur d’onde (WDM, Wavelength Division Multiplexing) sur le réseau d’accès. Cette
méthode consiste à injecter plusieurs signaux à des longueurs d’onde différentes sur une
même fibre. Elle est déjà utilisée au niveau du réseau métropolitain mais les composants
sont trop chers pour envisager une distribution de masse sur le réseau d’accès. On cherche
donc à fabriquer des composants WDM à faible coût et mon travail de thèse s’inscrit dans
cette recherche.
3
Communications par fibres optiques
WDM-PON :
ONT
1 ,2.5 Gbps
WDM
Splitter
TelCo
CO
1, 2, ... ,32
OLT
1
2
32
ONT
2 ,2.5 Gbps
AWG
1 ,2.5 Gbps
2 ,2.5 Gbps
32
32 ,2.5 Gbps
AWG
32
METRO
ACCESS
ONT
32 ,2.5 Gbps
< 20 km
Figure 1.2 – Schéma d’un réseau d’accès WDM-PON.
Un exemple d’architecture envisagée pour un réseau d’accès WDM est représenté sur
la figure 1.2. Chaque abonné communique avec l’OLT en utilisant une longueur d’onde
qui lui est propre. Ainsi, les communications peuvent se faire en parallèle, ce qui n’était
pas possible avec le TDM-PON. Au niveau du central, l’OLT doit émettre et recevoir
toutes les longueurs d’ondes en même temps. Il intègre donc autant de lasers et de détecteurs que de longueurs d’onde. Il intègre aussi un multiplexeur de longueurs d’onde,
par exemple un AWG (Arrayed Waveguide Grating), qui relie les différents composants
associés à une longueur d’onde à l’unique fibre de sortie. Le coupleur peut être simplement passif comme pour le TDM-PON, mais cela n’est pas très efficace car la puissance
est divisée par le nombre d’abonnés. Il est préférable d’utiliser un démultiplexeur de longueurs d’onde, par exemple un AWG, assurant un meilleur bilan de puissance et assurant
également la confidentialité entre les abonnés grâce à une isolation physique. Au niveau
des abonnés, chaque ONT doit émettre à la longueur d’onde qui lui est affectée ce qui
nécessite de disposer d’un laser émettant à cette longueur d’onde. On pourrait utiliser des
lasers émettant une longueur d’onde fixe et stable et fabriquer autant de versions d’ONT
qu’il y a de longueurs d’onde dans le réseau (32 dans notre exemple). Mais cette solution
est peu flexible et semble délicate du point de vue de la logistique. La solution idéale serait
d’intégrer un laser accordable et un premier objectif de cette thèse est de contribuer à la
conception et à la fabrication d’un tel composant. Comme ce composant se retrouverait
dans chaque ONT, il faut qu’il ait un faible coût.
Notons que l’architecture présentée utilise le même réseau de fibres optiques que l’architecture TDM-PON et ne demande donc pas de nouveaux travaux de génie civil. Les
éléments à changer sont l’OLT, le séparateur et les ONT.
Le choix des longueurs d’onde montante et descendante est ouvert. Il est par exemple
possible de travailler uniquement dans la bande C (1530–1565 nm) sur la grille DWDM
(Dense Wavelength Division Multiplexing [7]). Il est également envisageable d’utiliser deux
4
Introduction
bandes différentes, une pour le flux montant et une autre pour le flux descendant, ce qui
permet de doubler le nombre de connexions. Les conditions d’exploitation du central
optique permettent d’utiliser des émetteurs plus puissants dans l’OLT que dans les ONT.
Il est donc intéressant de choisir la bande C pour le flux montant car cette bande présente
les pertes minimales (0.20 dB/km). Le flux descendant de l’OLT peut utiliser par exemple
la bande O (1260–1360 nm) qui présente des pertes supérieures (0.35 dB/km).
Dans tous les cas, il faudra envisager une période de transition progressive du TDM
au WDM pendant laquelle les deux systèmes seront utilisés en même temps. Il sera alors
utile pendant cette période de disposer de filtres optiques accordables pour donner plus de
flexibilité à l’architecture, en déroutant certaines longueurs d’onde. Un deuxième thème
de cette thèse est de contribuer à la conception et à la réalisation d’un filtre accordable à
bas coût.
1.2
Lasers accordables à bas coût pour les communications optiques
Les lasers à semiconducteurs sont fabriqués par épitaxie et on distingue deux principales classes de lasers, ceux destinés à émettre par la tranche (edge emitting lasers) et
ceux destinés à émettre par la surface (VCSEL, Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)
[8, 9, 10]. La fabrication des lasers à émission par la tranche nécessite de cliver les faces de
la cavité. Ensuite, le couplage avec une fibre optique nécessite un alignement actif pour
chaque composant. Ces deux étapes sont difficile à automatiser. Au contraire, la fabrication des VCSELs permet une grande automatisation. Les composants sont individualisés
par sciage et hybridés sur un circuit d’interconnexion en silicium par flip-chip. Le couplage
avec une fibre optique peut être facilité par une technique d’auto-alignement au cours du
processus d’hybridation [11, 12]. Grâce à cette plus grande automatisation, les VCSELs
sont la solution préférable pour fabriquer des lasers à bas coût pour les communications
optiques.
Pour fabriquer un VCSEL accordable, la méthode traditionnelle est de permettre une
variation de la longueur mécanique de la cavité. Une première possibilité est d’utiliser une
demi-cavité VCSEL, sans miroir supérieur, devant laquelle on place une fibre optique dont
l’extrémité présente un miroir. L’accordabilité s’obtient en variant l’écart entre la fibre
optique et la demi-cavité [13]. Mais cette technique requiert un alignement piézo-électrique
coûteux et ne permet pas un accord rapide du fait de la masse de la fibre optique. Une
autre possibilité qui se développe largement ces dernières années est de fabriquer le miroir
mobile par une technologie MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Le groupe de
Connie Chang-Hasnain a réalisé des VCSELs à MEMS monolithiques où le miroir mobile
est à l’extrémité d’une poutre fléchissante (cantilever) [14, 15, 16, 17]. La commande
peut être électrostatique, électro-thermique ou piézo-électrique. Ce groupe a également
introduit un nouveau type de miroir (subwavelength grating) dont l’efficacité et la légèreté
permettent une accordabilité dans des temps inférieurs à 0.1 µs [18, 19, 20]. La société
CoreTek, rachetée ensuite par Nortel, a développé une technologie MEMS permettant de
fabriquer un miroir concave sur un pont suspendu mobile [21] et a utilisé ce principe pour
fabriquer un VCSEL pompé optiquement [22, 23]. Une technologie voisine a été utilisée
par un groupe américain pour fabriquer un VCSEL pompé électriquement [24]. Un autre
groupe a utilisé un MEMS faisant un pont au dessus de la zone active [25]. Une autre voie,
développée dans deux projets européens TUNVIC (FP5) et SUBTUNE (FP7), consiste
Filtres accordables à bas coût pour les communications optiques
5
à réaliser séparément le miroir MEMS puis à l’assembler sur la demi-cavité VCSEL. Ce
miroir est une membrane bombée dont la commande peut être électrostatique ou électrothermique [26, 27, 28]. Ce genre d’assemblage a été également réalisé par fusion de wafers
[29].
Tous ces travaux utilisent un élément mobile pour permettre l’accordabilité, mais
il existe une possibilité différente consistant à inclure une couche de cristal liquide à
l’intérieur de la cavité laser. Il n’y a pas d’élément mobile dans ce cas et la longueur
mécanique de la cavité ne varie pas. On utilise l’effet électro-optique du cristal liquide
pour modifier l’indice vue par la lumière dans la cavité. Cette possibilité à été proposée
par le laboratoire d’optique de Télécom Bretagne [30], puis démontrée en collaboration
avec le laboratoire des semiconducteurs de l’INSA de Rennes [31]. Mon travail de thèse
contribue au développement de cette solution.
Notons pour finir qu’un VCSEL accordable peut avoir d’autres applications utiles
comme la spectroscopie des gaz [32, 33], la tomographie optique à balayage spectral (Swept
Source OCT ) [34, 35] ou la lecture d’informations dans les capteurs à fibres [36]. D’autre
part, il a été montré qu’une structure de VCSEL peut être aussi utilisée comme détecteur
[37, 38, 39]. Dans cette optique on peut voir le VCSEL accordable comme un détecteur
associé à un filtre, c’est-à-dire comme un spectromètre optique.
1.3
Filtres accordables à bas coût pour les communications optiques
Différentes technologies permettent de réaliser des filtres accordables [40]. Par exemple,
les réseaux de diffraction permettent de fabriquer des filtres accordables sur le même
principe que les monochromateurs. En variant l’inclinaison du réseau, la longueur d’onde
filtrée est modifiée [41]. Le couplage avec des fibres optiques se fait en espace libre et
nécessite un ajustement délicat. La plage d’accordabilité est grande et on a la liberté
de varier la bande passante indépendamment, mais ce système est cher et volumineux.
De plus, comme l’efficacité de diffraction dépend de la polarisation, la transmission du
système en dépend.
Les filtres interférentiels permettent également de fabriquer des filtres accordables. Une
première solution est de varier l’inclinaison du filtre par rapport au faisceau, ce qui modifie
la longueur d’onde filtrée [42, 43, 44]. Cette technique nécessite une commande mécanique
de l’angle du filtre et un couplage en espace libre avec les fibres optiques. Le caractère
mécanique de la commande ne permet pas une accordabilité rapide. Une autre solution
est d’utiliser un filtre interférentiel d’épaisseur variable, placé perpendiculairement au
faisceau, et de le translater transversalement [45, 46].
Des systèmes miniaturisés ont été fabriqués en utilisant une technologie MEMS et
incluent un filtre interférentiel et un film chauffant [47, 48, 49]. Comme l’épaisseur optique
des matériaux dépend de la température, il est possible de varier la longueur d’onde filtrée
en chauffant le filtre. Ce système nécessite un couplage en espace libre avec les fibres
optiques.
Tous les systèmes présentés précédemment nécessitaient un couplage en espace libre
et donc un certain volume. Un exemple de filtre accordable n’utilisant pas d’optique en
espace libre consiste à utiliser une fibre à réseau de Bragg inscrit. La commande se fait en
étirant la fibre à l’aide d’un composant piézo-électrique [50]. La force de traction permet
de déformer le réseau inscrit et donc de varier la longueur d’onde filtrée. Cette solution
6
Introduction
ne nécessite pas de passage en espace libre, mais n’est pas encore du domaine de l’optique
intégrée. Pour atteindre un coût plus bas, il faut concevoir un circuit optique intégré car
cette technologie permet une fabrication de masse plus efficace.
En optique intégrée, on fabrique des AWGs (Arrayed Waveguide Gratings) qui sont
utilisés comme démultiplexeurs de longueur d’onde [51]. On peut les détourner de leur
utilisation première et essayer d’en faire des filtres accordables en commandant leur température [52]. Toutefois cette solution n’a pas percé. Une autre utilisation des AWG consiste
simplement à mettre une barrette de photodiodes à sa sortie. Ceci permet de faire un
spectromètre très compact, mais ne permet pas de constituer un filtre en ligne entre deux
fibres optiques.
Les cristaux photoniques pourraient également servir de filtre accordable. La longueur
d’onde de la bande interdite dépend des indices des matériaux et peut être modifiée par
exemple par une commande électro-thermique. Ces structures peuvent être fabriquées en
même temps que les guides optiques, mais elles demandent une résolution élevée car les
dimensions sont sub-microniques.
Une possibilité supplémentaire pour réaliser des filtres accordables en optique intégrée
est d’utiliser des résonateurs à micro-anneaux [53, 54, 55]. Cette technologie est un thème
de recherche actif, avec de nombreuses réalisations dans les laboratoires. La longueur
d’onde filtrée se commande en modifiant la longueur optique de l’anneau par différents
moyens : injection de porteurs dans les semiconducteurs, application d’un champ électrique
dans les matériaux électro-optiques comme le niobate de lithium ou tout simplement
par variation thermique de l’indice. De ce point de vue, les guides en polymères sont
intéressants car leur coefficient thermo-optique est élevé.
La dépendance à la polarisation est un point délicat. Même avec un guide de section
parfaitement carrée, les deux modes de polarisation ne voient pas le même indice effectif
dans l’anneau à cause de la courbure. On pourrait imaginer fabriquer l’anneau avec une
section rectangulaire définie exactement pour que les indices effectifs soient égaux, mais
les dimensions du guide devraient alors être contrôlées à mieux que 0.1 µm, ce qui n’est
pas réalisable facilement.
Une solution est de séparer les deux polarisations et de les traiter chacune séparément.
Il faut pour cela disposer d’un séparateur de polarisation sur le circuit. Une première façon
de séparer les polarisations est d’utiliser un coupleur adiabatique en Y [56, 57] où les deux
branches qui se séparent présentent des indices effectifs différents. Plus précisément, une
branche doit avoir un indice effectif maximal pour un mode et l’autre branche, un indice
effectif maximal pour l’autre mode [58]. Les guides peuvent être constitués de matériaux
isotropes [59] ou inclure des matériaux anisotropes [60, 61]. Une deuxième façon de réaliser
la séparation de polarisation est de former un interféromètre de Mach-Zehnder avec des
bras anisotropes entre deux coupleurs MMI (MultiMode Interference Coupler) [62]. En
choisissant correctement le déphasage induit dans les bras pour chaque mode et tenant
compte du déphasage de π/2 entre les deux sorties de chaque coupleur [63], on arrive à
séparer les polarisations entre les deux sorties du deuxième coupleur. Une voie également
envisagée est d’intégrer une zone de cristaux photoniques dans un coupleur MMI [64] ou
d’utiliser des guides complets en cristaux photoniques [65].
La réalisation de ces séparateurs de polarisation nécessite en général plusieurs couches
et plusieurs étapes de gravure. À la recherche d’une solution simple et efficace, nous
proposons une technique nouvelle pour fabriquer un coupleur séparateur de polarisation.
La couche de coeur est formée à partir d’un monomère cristal liquide que l’on polymérise
en deux temps, de manière à définir des zones anisotropes et isotropes. Après gravure,
7
Objectifs et déroulement de la thèse
on peut obtenir un guide anisotrope au niveau de la zone de couplage et isotrope dans le
reste du guide.
Notons que la fabrication d’un guide optique dans ce type de matériau a déjà été
démontrée par un groupe suisse [66], mais selon une idée assez différente de ce que nous
proposons. Dans leur travail, le coeur et la gaine sont constitués du même matériau
mésomorphe et diffèrent seulement par l’orientation des molécules (l’orientation est définie
grâce à une technique de photoalignement en deux étapes). En conséquence, seule une
des deux polarisations est guidée.
1.4
Objectifs et déroulement de la thèse
Le premier objectif de cette thèse est de fabriquer un laser VCSEL accordable, incluant
une couche de cristal liquide à l’intérieur de la cavité. L’accordabilité par une couche de
cristal liquide est un point novateur et pourrait permettre une industrialisation à bas
coût. Ce projet s’inscrit dans une collaboration entre le laboratoire des semiconducteurs
de l’INSA de Rennes, compétent dans la fabrication de lasers à semiconducteurs, et le
département d’optique de Telecom Bretagne, compétent au niveau des cristaux liquides.
Il est financé par l’ANR sous le nom de projet LambdaAccess.
Ce travail s’appuie sur une première réalisation de laser accordable intégrant un cristal
liquide sous forme de PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) à l’intérieur de la cavité
laser [31]. L’échantillon réalisé était de taille macroscopique et pompé optiquement. Un
premier objectif du projet LambdaAccess est de réaliser des puces laser pompées électriquement. L’INSA de Rennes est chargé de concevoir et réaliser la structure électronique
permettant le pompage électrique. Les composants sont alors découpés et hybridés par
flip-chip sur un circuit d’interconnexion en silicium. Après cette étape, les puces font
470 µm de côté et constituent une demi-cavité laser. Mon travail contribue à la conception d’une méthode permettant de placer trois éléments sur les puces individuelles : une
couche de PDLC, un miroir de Bragg fermant la cavité optique et une électrode transparente pour commander le PDLC. La figure 1.3 présente l’objectif de ce travail et le tableau
1.1 présente les caractéristiques visées.
Miroir de Bragg et ITO
PDLC
VCSEL hybridé
Réseau d'interconnexion
(silicium)
Figure 1.3 – VCSEL accordable grâce à une couche de PDLC intra-cavité.
Un deuxième objectif du projet LambdaAccess est d’utiliser une couche de cristal liquide nématique pur à l’intérieur de la cavité. Son utilisation en tant que lame de phase
nécessite que la polarisation de la lumière soit orientée parallèlement au directeur du cristal liquide, ce qui implique de maîtriser la direction de polarisation émise par le VCSEL.
8
Introduction
Pompage
électrique
Longueur d’onde centrale
dans la bande C (1530–1565 nm)
Technologie pour l’accordabilité
PDLC
Plage d’accord
∆λ ' 10 nm
Temps de commutation
< 1 ms
Puissance émise
1 mW
Bande passante électrique
10 Gbit/s
Table 1.1 – Caractéristiques visées pour le projet de VCSEL accordable utilisant une couche
de PDLC intra-cavité.
Le contrôle de la polarisation dans les VCSELs est un thème de recherche actif et de nombreuses solutions ont été proposées [23]. La solution la plus répandue actuellement consiste
à utiliser un miroir supérieur ayant une réflectivité anisotrope [67, 68]. Une autre possibilité est d’utiliser une zone active avec un gain anisotrope. Dans cette optique, l’INSA
de Rennes a développé une zone active comportant des plans de fils quantiques (dashes)
et a réussi à stabiliser la direction de polarisation émise par un VCSEL [69, 70]. De mon
côté, j’ai développé une microtechnologie permettant de fabriquer des micro-cavités sur
le sommet des puces VCSEL. Ces micro-cavités, destinées à accueillir le cristal liquide,
comportent un film d’alignement et une électrode de commande. La figure 1.4 présente
l’objectif de ce travail et le tableau 1.2 présente les caractéristiques visées.
Micro-cellule avec miroir
de Bragg, électrode, films
d'alignement et cristal
liquide nématique
VCSEL hybridé
Réseau d'interconnexion
(silicium)
Figure 1.4 – VCSEL accordable grâce à une couche de cristal liquide nématique localisée dans
une micro-cellule.
Pompage
électrique
Longueur d’onde centrale
dans la bande C (1530–1565 nm)
Technologie pour l’accordabilité
cristal liquide nématique
Plage d’accord
toute la bande C, ∆λ ' 40 nm
Temps de commutation
< 5 ms
Puissance émise
1 mW
Bande passante électrique
10 Gbit/s
Table 1.2 – Caractéristiques visées pour le projet de VCSEL accordable utilisant une couche
de cristal liquide nématique intra-cavité.
Pour développer la technologie de ce projet, j’ai utilisé un monomère cristal liquide,
entre autre pour stabiliser les couches photoalignées. En discutant des propriétés de ce
9
Objectifs et déroulement de la thèse
matériau avec Laurent Dupont, il est apparu qu’il présentait un intérêt pour un autre
projet en cours. Ce projet, financé par l’ANR sous le nom SelectAccess, vise à fabriquer
un filtre optique accordable à bas coût. La technologie envisagée consiste à séparer les
polarisations TE et TM pour les filtrer chacune dans un résonateur en anneau. Ce projet
est une collaboration entre le CCLO (Centre Commun Lannionnais d’Optique), compétant
dans la réalisation de guides optiques, et le département d’optique de Telecom Bretagne,
intervenant pour concevoir le coupleur séparateur de polarisation. Nous avons proposé de
fabriquer le guide optique avec un monomère cristal liquide en utilisant une technique qui
permet de former des tronçons isotropes et anisotropes. Nous envisageons de former un
guide isotrope avec une zone anisotrope localisée au niveau du coupleur, permettant la
séparation des polarisations. La figure 1.5 présente l’objectif de ce travail et le tableau 1.3
présente les caractéristiques visées.
séparateur de
polarisation
TE
filtre en
anneau
TE,TM
TE,TM filtrés
tronçon
anisotrope
TM
guide isotrope
Figure 1.5 – Filtre optique basé sur un séparateur de polarisation et deux micro-anneaux
résonants. L’accordabilité est obtenue en variant la température des micro-anneaux grâce à des
électrodes non représentées.
Domaine de travail
Écart entre canaux
Nombre de canaux
Bande passante à 3 dB
Technologie pour l’accordabilité
Temps de commutation de canal à canal
Puissance optique acceptable
1530–1536 nm
100 GHz (0.78 nm)
8
40 GHz (0.3 nm)
électro-thermique
< 50 ms
5 mW sur chaque canal
Table 1.3 – Exemple de caractéristiques visées pour le projet de filtre accordable.
Ces travaux sont originaux par plusieurs aspects. C’est la première fois qu’un processus
de dépôt de matériaux mésomorphes est envisagé et réalisé sur des matrices de puces
hybridées. C’est la première fois que des miroirs de Bragg sont transférés par collage
d’un substrat à un autre. C’est la première réalisation de micro-cellules indépendantes,
déposées sur des surfaces planes ou sur le sommet de composants. Concernant les guides
optiques, c’est la première réalisation de guides gravés dans un matériau cristal liquide
polymérisé et c’est aussi le premier travail visant à localiser une zone anisotrope dans ces
guides pour former un séparateur de polarisation.
10
Introduction
Mon travail s’est déroulé de la manière suivante. J’ai passé environ une année à mettre
en place l’environnement technique nécessaire pour réaliser les projets. Ce travail de mise
en place a été intense pendant la première année de thèse puis s’est prolongé de manière
plus épisodique par la suite. Les exemples qui suivent donnent un aperçu de ce que j’ai
fait. J’ai reconstitué un aligneur de masques à partir de pièces prises sur un aligneur de
masques Karl Suss MJB3 non fonctionnel et mis au rebut. L’appareil ainsi formé a servi
pour les photolithographies et les collages présentés dans ce travail. Il a également été
essentiel pour d’autres travaux réalisés au laboratoire [71]. J’ai organisé la mise à niveau
matérielle et logicielle du profilomètre optique, qui n’était plus fonctionnel. Cet appareil
a permis le contrôle précis de la géométrie des échantillons fabriqués. Il est également
utilisé quotidiennement par un autre groupe du laboratoire pour le contrôle lors de la
fabrication d’optiques diffractives. J’ai adapté un appareil photo numérique sur les microscopes de salle blanche, car il n’était pas possible d’y prendre des photos. C’est avec
cet appareil qu’ont été prises toutes les photos de ce travail. Il est également utilisé quotidiennement par les autres utilisateurs de la salle blanche. J’ai fabriqué un système de
régulation thermique pouvant s’adapter aux diverses plaques chauffantes présentes dans
nos salles blanches et permettant de programmer des profils de température. Un contrôle
précis des températures est en effet nécessaire pour amener les cristaux liquides dans
l’état désiré, en flirtant parfois avec les transitions sans les dépasser. J’ai installé un circuit d’azote (il n’y avait pas d’azote avant cela). L’azote a été nécessaire pour réussir
certaines polymérisations qui sont inhibées par l’oxygène. J’ai installé un réacteur plasma
avec les périphériques nécessaires (circuit d’oxygène, pompe à vide, évacuation des gaz).
Cet appareil a été nécessaire pour réaliser les collages et les dépôts sur des surfaces initialement hydrophobes. Je me suis également occupé de la réparation et de la maintenance
des appareils dans les deux salles blanches du laboratoire. Ceci était nécessaire car les
opérations de fabrication réalisées demandaient des successions d’étapes nombreuses et
variées où le fonctionnement correct de tous les appareils était requis.
Concernant le projet de puce laser incluant une couche de PDLC, le travail s’est réparti
sur toute la durée de la thèse. Envisagé initialement comme un plastique solide, nous
sommes finalement arrivés à la conclusion qu’il fallait plutôt considérer le PDLC comme
une éponge imbibée de cristal liquide. Ce matériau a présenté de nombreuses difficultés de
part sa faible tenue mécanique et thermique. Les difficultés ont dû être résolues les unes
après les autres. Le travail s’est réparti sur la durée également parce que nous ne pouvons
pas fabriquer de miroir de Bragg au laboratoire. Ils sont fabriqués par une entreprise
extérieure avec des délais de quelques mois à chaque essai.
Le projet de fabrication de micro-cellules sur les puces laser a démarré plus tard
car l’idée n’était pas présente au départ. Elle est venue progressivement et la notion de
micro-cellule de cristal liquide s’est petit à petit cristallisée. Les travaux concrets ont
commencé après que j’ai proposé une fabrication à base de résine SU-8. La mise au point
des différentes étapes, en particulier la technique de transfert par collage, a pris environ
une année. Le travail sur le projet SelectAccess s’est effectué en parallèle. En travaillant
sur ces deux projets j’ai pu utiliser des matériaux communs (monomères cristaux liquides)
et des méthodes communes (photolithographie de ces polymères, alignement et pressage).
Ce mémoire de thèse présentera le travail sur la fabrication de micro-cavités à PDLC,
puis la fabrication de micro-cellules pour cristal liquide nématique et enfin la fabrication
de guides à partir de monomères cristaux liquides. Au préalable, une partie sera consacrée
aux matériaux et techniques communs à ces trois travaux.
Chapitre 2
Matériaux et techniques
Ce chapitre rassemble des informations sur les matériaux et techniques communs aux
projets entrepris.
Le choix des matériaux et la compréhension détaillée de leurs propriétés a représenté
un partie importante de mon travail. Cette compréhension est essentielle pour interpréter
les résultats expérimentaux et pour mettre en oeuvre les matériaux dans des conditions
parfois éloignées de leur utilisation habituelle.
Ce chapitre présente également quelques développements personnels, par exemple au
sujet d’un fluide porteur pour les espaceurs.
2.1
Cristaux liquides
Les cristaux liquides sont des molécules qui peuvent présenter une phase fluide tout
en conservant une organisation d’orientation (cristaux liquides nématiques) ou même de
position (cristaux liquides smectiques). Ils présentent donc un état de la matière intermédiaire entre les liquides et les cristaux, qu’on qualifie d’état mésomorphe. Les phases
d’un cristal liquide dépendent de la température. Par exemple, le cristal liquide nématique
BL036 de Merck est un solide cristallin à basse température. À sa température de fusion
(Tf us < −20°C), il fond et forme une phase liquide nématique. Cette phase existe jusqu’à
la transition nématique–isotrope (Tn−i ' 95°C) où le cristal liquide nématique devient un
liquide isotrope.
Une présentation approfondie des cristaux liquides et de leur utilisation se trouve par
exemple dans les références [72, 73, 74, 75]. Les cristaux liquides sont à la base du fonctionnement de la majorité des dispositifs d’affichage et sont également utilisés dans le domaine
de la photonique [74]. Par exemple, les modulateurs de lumière (Spatial Light Modulator,
SLM ) à cristaux liquides nématiques permettent de réaliser des interconnexions optiques
en espace libre entre fibres optiques en formant un réseau de diffraction reconfigurable
[76, 77]. D’autres dispositifs utilisent un modulateur à PDLC (Polymer Dispersed Liquid
Crystal) pour réaliser un filtre spectral ajustable (égaliseur spectral dynamique [78]).
Dans le domaine de l’imagerie, on peut fabriquer des lentilles miniatures à focale variable
[79, 80, 81, 82] et celles-ci commencent à équiper les appareils photo des téléphones portables haut de gamme. Un des objectifs de notre travail est d’utiliser des cristaux liquides
à l’intérieur d’une cavité laser pour créer une zone de phase variable. Deux matériaux
seront envisagés, un cristal liquide nématique pur et un PDLC. Dans ce dernier matériau,
le cristal liquide nématique est imprégné dans une matrice polymère.
La figure 2.1(a) schématise la structure d’une cellule de cristal liquide nématique avec
11
12
Matériaux et techniques
(a)
espaceur
cristal liquide
nématique
(b)

E
, pretilt
film d'alignement
électrode
substrat
z
y
x
Figure 2.1 – (a) Cellule de cristal liquide sans champ électrique appliqué. (b) Application d’un
champ électrique.
ancrage planaire. La cellule est formée par deux substrats séparés d’une distance définie
par des espaceurs calibrés. L’épaisseur est généralement de quelques microns. Les espaceurs peuvent être déposés par pulvérisation sur toute la surface d’un substrat ou être
déposés uniquement sur les bords en utilisant une colle incluant les espaceurs.
Dans un cristal liquide nématiques les molécules n’ont pas de position régulière dans
l’espace mais ont un ordre d’orientation à longue portée. La direction de cette orientation
est appelée le directeur du cristal liquide. On peut le représenter par un vecteur, mais le
sens de ce vecteur n’a pas de signification, seule sa direction importe. Chaque substrat
comporte un film d’alignement qui ancre les molécules à son contact. Il leur donne une
orientation azimutale ainsi qu’un léger prétilt. De proche en proche, cette orientation est
transférée dans tout le volume de la cellule.
Deux électrodes transparentes permettent d’appliquer un champ électrique dans la
cellule (voir figure 2.1(b)). Ces électrodes sont souvent en ITO (Indium-Tin Oxyde) ou
peuvent être par exemple en polymère conducteur. Quelle est la réponse du cristal liquide
nématique sous l’action du champ électrique ? Même si chaque molécule du cristal liquide
peut être un dipôle, l’interaction du cristal liquide avec le champ électrique est celle d’un
quadripôle. Le couple exercé sur les molécules ne dépend pas du sens du champ, mais
seulement de sa direction. De plus, un champ perpendiculaire ou parallèle aux molécules
n’exerce pas de couple sur elles. Dans notre travail, on utilise des cristaux liquides à
anisotropie positive, ce qui signifie que le directeur a tendance à s’orienter dans la direction
du champ (minimum d’énergie d’interaction). Lorsque le champ E est appliqué dans la
cellule, les molécules du volume basculent d’autant plus que le champ est fort. Comme ce
champ est perpendiculaire aux substrats, on comprend qu’un prétilt est nécessaire pour
que le couple exercé soit non nul.
La lumière qui traverse la cellule voit le cristal liquide comme un milieu biréfringent
uniaxe dont le directeur est l’axe optique. Considérons le faisceau de lumière schématisé
sur la figure 2.1(b), qui se propage selon la direction z. La composante polarisée selon
y voit l’indice ordinaire no du cristal liquide (rayon ordinaire). La composante polarisée
selon x voit l’indice extraordinaire effectif n(θ), qui dépend de l’orientation du cristal
liquide (rayon extraordinaire). Lorsque le champ est nul, le directeur est presque horizon-
13
Cristaux liquides
LICRILITE® Liquid Crystal Mixtures for PDLC Applications
Mixture
BL023
BL024
BL032
BL033
BL034
BL035
BL036
BL037
Mpt
S−N
N−I
/ °C
/ °C
/ °C
−
< −20
105
−
< −20
81
−
< −20
87
−
< −20
69
−
< −20
87
−
< −20
96
−
< −20
95
−
< −20
109
Viscosity
/cSt (20°C)
72
35
62
40
60
55
67
81
∆ε
ε¦
(1 kHz, 20°C)
(1 kHz, 20°C)
14.0
19.0
15.5
20.5
15.4
20.6
17.1
22.8
15.8
21.1
16.6
22.0
16.4
21.7
15.9
21.1
∆n
no
(589nm, 20°C)
(589nm, 20°C)
0.2273
1.5183
0.2042
1.5132
0.2484
1.5210
0.2420
1.5290
0.2496
1.5214
0.2670
1.5280
0.2670
1.5270
0.2820
1.5260
1.79
1.55
2.22
1.73
2.39
1.48
2.02
1.61
2.23
1.77
2.37
1.76
2.39
1.88
2.55
14.9
26.3
1.76
11.6
24.0
2.07
13.8
27.0
1.95
11.7
21.7
1.86
13.3
27.0
2.08
14.5
27.9
1.93
13.7
27.5
2.01
15.9
30.8
1.93
33
40
13
21
16
−
<0
12
11
30
23
35
13
27
27
37
V(10, 0, 20)
V(90, 0, 20)
K11
K33
K33 /K11
/ 10 −12N (20°C)
/ 10 −12N (20°C)
(20°C)
Solubility in NOA65*
40% LC
/ °C
50% LC
/ °C
*Temperature at which the given quantity of liquid crystal is fully soluble in Norland Optical Adhesive NOA65
Figure 2.2 – Extrait de la brochure de Merck [83, p. 13]. Nous avons utilisé principalement le
cristal liquide BL036.
tal 1 et l’indice effectif est égal à l’indice extraordinaire ne du cristal liquide, n(0) = ne .
Lorsque le champ est fort, le directeur est presque vertical et l’indice effectif est égal à
l’indice extraordinaire no du cristal liquide, n(π/2) = no . Dans cette situation extrême,
la lumière voit un milieu isotrope d’indice no . Cette orientation perpendiculaire aux substrats est parfois appelée homéotrope. En passant de l’orientation planaire à l’orientation
homéotrope, l’indice n(θ) vu par le rayon extraordinaire passe de ne à no .
Les cristaux liquides utilisés lors de notre travail sont des nématiques de forte biréfringence et d’anisotropie positive. On a utilisé des matériaux de la série BL de Merck,
commercialisés entre autres pour la fabrication des PDLC. Leurs données de base se
trouvent dans les brochures du fabricant [83, 84] dont on a reproduit un extrait sur la
figure 2.2. On a utilisé principalement le BL036.
Comme notre travail vise à fabriquer des dispositifs fonctionnant avec de la lumière
infrarouge, il est nécessaire de connaître les constantes optiques de ces matériaux dans ce
domaine de longueur d’onde. Mais le fabricant publie uniquement des données pour une
longueur d’onde visible, dans notre cas à 589 nm (doublet du sodium). Pour connaître
des constantes optiques dans l’infrarouge, on a donc deux possibilités : les mesurer ou les
estimer. Comme nous n’avons pas d’ellipsomètre ou de réfractomètre à notre disposition
et qu’on réalise un travail préparatoire plus qu’un travail de finalisation, on se contentera
d’une estimation basée sur le comportement du cristal liquide E7 dans le domaine infrarouge. Le cristal liquide E7 fait partie de la série BL du catalogue Merck, sous le nom
BL001.
C’est un mélange bien connu, dont la composition est indiquée sur la figure 2.3 [85, 86],
qui est souvent choisi dans les expériences fondamentales comme prototype représentatif
de cette famille de cristaux liquides. On trouve dans la littérature les valeurs expérimentales des indices optiques et de la biréfringence de ce matériau dans un vaste domaine
1. La valeur du prétilt θ est en général inférieure à 5°.
14
Matériaux et techniques
Figure 2.3 – Composition chimique du cristal liquide nématique E7.
de longueurs d’onde [87, 88, 89, 90]. La référence [88] est particulièrement intéressante
car elle donne les coefficients d’un développement de Cauchy pour les indices ordinaire
et extraordinaire, ce qui permet de les déterminer pour toute longueur d’onde dans le
domaine de validité de ce développement (du domaine visible au proche infrarouge) :
no ' Ao +
Bo Co
+ 4
λ2
λ
et
ne ' Ae +
Be Ce
+ 4
λ2
λ
Biréfringence du cristal liquide E7
Biréfringence ∆n
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Longueur d’onde λ (µm)
1.4
1.6
Figure 2.4 – Biréfringence du cristal liquide E7 en fonction de la longueur d’onde.
Les valeurs à 20°C sont Ae = 1.6993, Be = 0.0085 µm2 , Ce = 0.0027 µm4 , et Ao =
1.4998, Bo = 0.0067 µm2 , Co = 0.0004 µm4 . On peut ainsi tracer la variation de la
biréfringence du cristal liquide E7 en fonction de la longueur d’onde (voir figure 2.4).
Entre 589 nm et 1550 nm, la biréfringence passe de 0.224 à 0.201, soit une baisse de
10%. Supposant que la diminution est du même ordre pour BL036, et connaissant sa
15
Alignement des cristaux liquides
biréfringence à 589 nm, ∆n = 0.267, on en déduit que la biréfringence à 1550 nm est de
l’ordre de 0.240.
2.2
Alignement des cristaux liquides
Les cristaux liquides sont en général utilisés dans une situation où ils sont confinés
entre deux surfaces présentant un film d’alignement. Ce film permet d’orienter le cristal
liquide de manière uniforme dans la cellule.
2.2.1
Alignement par brossage
L’industrie des cristaux liquides utilise en majorité des films de polyimide. Le polymère
est déposé à partir d’une solution diluée de façon à former une fine couche sur le substrat.
La surface est ensuite brossée avec un rouleau recouvert d’un velours dont les poils sont par
exemple en nylon (figure 2.5(a)). Ce processus oriente le film de polymère en imprimant
un micro-relief et en orientant les chaînes de polymère de la surface dans la direction
du brossage. D’autres polymères comme les polyamides ou le polyalcool vinylique (PVA)
peuvent également être utilisés comme films d’alignement.
(a)
brossage
(b)
pretilt 
film d'alignement
électrode
substrat

Figure 2.5 – (a) Technique de brossage d’un film d’alignement pour cristal liquide. (b) Assemblage anti-parallèle pour former une cellule de cristal liquide.
L’orientation du film brossé est transmise aux molécules du cristal liquide par les
interactions à courte distance (forces de Van der Waals et liaisons hydrogène). Le microrelief du film contribue également à aligner les molécules dans le sens des sillons car cette
situation diminue l’énergie élastique du cristal liquide. Le film d’alignement donne ainsi
aux molécules du cristal liquide une orientation azimutale dans le sens du brossage 2 et
peut aussi lui conférer une orientation zénithale que l’on appelle angle de pretilt. On
trouvera dans la référence [91] des liens vers plus d’une centaine d’articles concernant
l’alignement des cristaux liquides.
Une cellule de cristal liquide est formée en mettant en regard deux substrats avec leur
film d’alignement. L’assemblage est en général anti-parallèle (figure 2.5(b)) de façon à ce
que les molécules soient orientées avec l’angle de pretilt dans tout le volume de la cellule
lorsqu’aucun champ électrique n’est appliqué.
2. Sauf pour certains polymères où les groupements latéraux, perpendiculaires à la chaîne principale,
peuvent induire une orientation perpendiculaire au brossage [91, 92].
16
Matériaux et techniques
L’alignement par brossage est le procédé le plus employé dans l’industrie, mais il
présente certains inconvénients. C’est une technique de contact qui laisse toujours des
poussières sur les substrats. Ces poussières peuvent dégrader la fonction du produit fabriqué. De plus, le brossage génère des charges électrostatiques qui peuvent parfois détruire
un transistor dans le cas des panneaux à matrice active. Un autre inconvénient est la
difficulté d’avoir plusieurs directions d’alignement sur un même substrat. C’est possible
en masquant certaines parties [93], mais cela ajoute plusieurs étapes de masquage par
photorésine. Un inconvénient supplémentaire est la difficulté d’utiliser cette technique sur
des échantillons de topographie complexe. Par exemple, les poils du rouleau n’atteindront
pas le fond de creux étroits. Devant ces inconvénients, en particulier le dernier mentionné,
j’ai décidé d’utiliser une autre technique d’alignement.
2.2.2
Photoalignement
Il est possible de pallier les inconvénients de l’alignement par brossage en utilisant une
technique d’alignement sans contact dans laquelle un matériau de photoalignement est insolé avec une lumière polarisée, imprimant une anisotropie dans le film. Il y a actuellement
trois grandes classes de matériaux de photoalignement : matériaux avec chromophores
diazoïques, matériaux photo-réticulables et matériaux photo-dégradables [94, 95].
2.2.2.1
Matériaux avec chromophores diazoïques
Le chromophore est la partie d’une molécule de colorant responsable de son interaction
avec la lumière et donc de sa couleur. Ce sont des groupements avec un système d’électrons π conjugués, qui confèrent une rigidité mécanique et une polarisabilité importante.
Lorsque ces groupements ont une forme allongée, ils peuvent orienter un cristal liquide.
L’intérêt pour les chromophores diazoïques vient du fait qu’ils peuvent se réorienter par
photo-isomérisation trans-cis (voir figures 2.6 et 2.7) [96]. En éclairant avec une lumière
ultraviolette (de fréquence ν1 ), on induit la transition T→T∗ (section efficace σ1 ). La
relaxation se fait ensuite rapidement, de manière non-radiative, soit en retournant dans
l’état T, soit en allant dans l’état C avec un rendement φtc . Il y a peu de luminescence
dans cette famille de molécules [97, 98]. Dans le sens inverse, en éclairant avec une lumière
visible (de fréquence ν2 < ν1 ), on induit la transition C→C∗ (section efficace σ2 ) et la
relaxation vers T se fait avec un rendement φct . Le retour de la forme cis à la forme trans
peut également se faire sans action de la lumière, simplement par relaxation non-radiative,
avec un taux de transition γ.
En exploitant cet effet, le premier exemple de photoalignement a été démontré en 1988.
L’expérience utilise une cellule de cristal liquide dont les surfaces sont recouvertes d’une
monocouche d’un dérivé d’azobenzène [99] (voir figure 2.8). Une lumière ultraviolette (λ
= 365 nm) amène les groupements dans leur configuration cis et induit un alignement planaire du cristal liquide (d’orientation azimutale quelconque). Ensuite une lumière visible
(λ = 440 nm) peut ramener les groupements dans leur configuration trans et induire un
alignement perpendiculaire (homéotrope). Les surfaces permettent donc de commander
l’orientation du cristal liquide à volonté, par l’action d’une lumière. Ce type de surface de
commande (command surface) présente un intérêt dans la réalisation de dispositifs pour
l’enregistrement optique d’informations.
Dans cette première expérience, la lumière utilisée n’était pas polarisée et il n’était
pas possible de contrôler l’orientation azimutale du cristal liquide. Mais on savait depuis
17
Alignement des cristaux liquides
Figure 2.6 – Configurations trans et cis du groupement azobenzene.
E
T
C*
*
tc
h1, 1
T
ct
h2, 2
C

trans
cis
Figure 2.7 – Niveaux d’énergie des états trans et cis et transitions entre ces états.
plusieurs années qu’une lumière polarisée peut générer une anisotropie dans des films
contenant des colorants diazoïques [100].
Ce phénomène est dû au fait que l’absorption de la lumière par un chromophore dépend de l’angle entre le vecteur champ électrique lumineux et l’axe du chromophore.
L’absorption est maximale lorsque les deux sont alignés et nulle lorsqu’ils sont perpendiculaires. Les molécules de configuration trans alignées dans une direction voisine du
champ électrique lumineux absorbent la lumière et passent dans la configuration cis (voir
figure 2.9). La relaxation vers la configuration trans se fait ensuite de façon isotrope. Les
molécules qui se relaxent dans une direction proche de la polarisation lumineuse seront à
nouveau excitées, tandis que les molécules qui se relaxent dans une direction perpendiculaire à la polarisation ne seront plus excitées. On dépeuple la distribution de chromophores
dans la direction du champ électrique lumineux et les molécules de configuration trans
CL
h1(UV)
h2(visible)
trans
cis
Figure 2.8 – Surface commandant l’orientation d’un cristal liquide (CL) par photo-isomérisation
cis-trans.
18
Matériaux et techniques
Figure 2.9 – Photo-isomérisation trans-cis par une lumière polarisée. La lumière est absorbée
seulement quand la molécule est alignée avec le champ électrique de l’onde.
s’accumulent dans un plan perpendiculaire.
En exploitant ce phénomène, le contrôle azimutal de la direction d’alignement d’un
cristal liquide a été démontré expérimentalement en 1991 [101]. Dans cette expérience,
le film d’alignement déposé sur les parois de la cellule de cristal liquide était constitué
d’un colorant diazoïque dissous dans un polymère. Le film était préalablement brossé pour
donner une orientation initiale au cristal liquide. L’expérience consistait à insoler la cellule
avec une lumière polarisée dans la direction de l’alignement initial, ce qui provoquait la
rotation du colorant dans la direction perpendiculaire et entraînait le cristal liquide.
L’orientation des cristaux liquides grâce à des colorants diazoïques isolés par une lumière polarisée a par la suite été démontrée dans des situations variées : colorants dissous
dans une matrice polymère [101, 102], groupements chromophores diazoïques liés à un polymère [103, 104, 105], couches fines greffées sur la surface par un lien flexible [106, 107],
colorants dissous dans la masse du cristal liquide (guest-host mixture) [108, 109]. De nombreuses références sont citées dans [94] et des modèles théoriques sont publiés [110].
Les colorants diazoïques peuvent également être déposés purs sur une surface et ils
s’orientent perpendiculairement au champ électrique de la lumière comme dans la situation
présentée plus haut. Mais la cause de cette orientation ne peut pas être attribuée à des
isomérisations trans-cis. En effet, lorsque les molécules de colorants sont proches les unes
des autres, la photo-isomérisation devient difficile en raison d’une gêne stérique [111,
112]. Cela se voit notamment dans le fait que le spectre d’absorption (UV, visible et
infrarouge) ne change pas de forme après insolation ultraviolette [113, 114], la forme cis
n’est pas observée. Les molécules peuvent absorber la lumière sur la transition T→T∗
mais le rendement φtc de la transition T∗ →C est nul à cause de la gêne stérique et la
relaxation se fait entièrement vers T.
L’isomérisation trans-cis n’est donc pas le seul phénomène pouvant induire la réorientation des chromophores sous une lumière polarisée. D’ailleurs cette réorientation a été
démontrée expérimentalement avec des chromophores ne présentant pas de possibilité
d’isomérisation (molécules avec chromophore diphenyldiacetylene [115]).
Considérant uniquement un processus d’excitation T→T∗ puis un processus de relaxation T∗ →T, on peut comprendre qu’une réorientation progressive de l’axe des molécules
est possible. Le raisonnement se base sur le fait que la distribution des orientations a
une largeur non nulle. Les molécules sont d’autant plus excitées que leur orientation est
voisine de la direction de polarisation. Après relaxation elles se redistribuent autour de
la direction moyenne des molécules de l’échantillon. Ce processus cause une évolution
19
Alignement des cristaux liquides
Figure 2.10 – Colorant diazoïque sulfoné SD1 utilisé pour le photoalignement [114].
(a)
(b)
Lumière UV
non polarisée
E
Lumière UV
polarisée
E
SD1
substrat

inclinaison
Figure 2.11 – Photo-alignement d’un colorant diazoïque (SD1) avec définition du pretilt. L’insolation est faite en deux étapes, une première en lumière non polarisée (a), puis une seconde
en lumière polarisée (b).
de la distribution de l’orientation des molécules, qui se dépeuple dans la direction de la
polarisation. Au final, les molécules s’orientent perpendiculairement à la direction de polarisation. Le modèle est décrit en détails dans [116] et résumé dans [94]. Une comparaison
avec des mesures expérimentales est également fournie. La référence [117] présente aussi
un modèle s’accordant avec les mesures expérimentales, mais il est présenté d’une manière
moins physique, invoquant une équation de Boltzmann-Smoluchowski. Je pense que les
deux modèles sont équivalents, mais il serait intéressant de le vérifier dans le détail.
Notons pour finir que la réorientation présente un effet de seuil par rapport à l’intensité
lumineuse, ce qui est caractéristique d’un effet collectif [113]. La référence [117] tient
explicitement compte de ce seuil.
Dans ce travail, j’ai eu l’occasion de tester un échantillon de la molécule SD1 de
V. Chigrinov [118, 95] (voir figure 2.10) et de vérifier ses bonnes propriétés d’alignement
pour la fabrication de cellules à cristaux liquides. La molécule se commande avec une
lumière ultraviolette à 365 nm. Il est possible de générer un pretilt en insolant sous une
incidence non perpendiculaire et l’article [114] résume les différentes possibilités envisagées
par les auteurs. On notera qu’il est possible de définir un alignement planaire simplement
en utilisant une lumière non-polarisée sous incidence oblique. J’ai pour ma part utilisé
une technique légèrement variée dont l’intérêt est d’obtenir une direction azimutale finale
mieux définie et mieux contrôlée. La technique est présentée sur la figure 2.11. La première
20
Matériaux et techniques
Figure 2.12 – Réaction de photo-réticulation entre deux groupements cinnamate. La lumière
n’induit pas la réaction des groupements orientés perpendiculairement au champ électrique.
insolation (a) en lumière non polarisée et sous un angle d’incidence ϕ ' 30◦ permet de
dresser les molécules pour imprimer le pretilt. Notons qu’il n’est pas évident de savoir quel
angle est atteint par les molécules, mais il est certain que le pretilt obtenu pour le cristal
liquide, quelques degrés, est largement inférieur à l’angle ϕ [114]. Je supposerai donc
pour le dessin que les molécules de colorant ont une tendance à conserver une inclinaison
proche de la surface. L’étape (a) est en principe suffisante pour définir en même temps
le pretilt et l’orientation de l’alignement, définie par le plan d’incidence [114]. Mais je
préfère affiner et affermir l’orientation azimutale par une deuxième insolation, cette foisci en lumière polarisée et sous incidence perpendiculaire (b). Une fois ces opérations de
photo-alignement réalisées sur deux substrats, on forme une cellule que l’on infiltre avec
un cristal liquide nématique. On constate expérimentalement que le prétilt est suffisant
pour que le basculement soit uniforme lorsqu’un champ électrique est appliqué (cellule
mono-domaine).
Un détail rarement mentionné dans les publications est que le colorant diazoïque sulfoné SD1 est très hygroscopique. Son alignement n’est pas stable en présence d’humidité.
Cette affinité avec l’eau est due au fait que c’est en même temps un acide (fonctions acide
carboxylique) et un sel (sulfonate de sodium). D’autre part, j’ai observé que lorsqu’il est
mis en oeuvre sur une couche de polymère conducteur PEDOT:PSS, l’alignement produit
n’est pas de bonne qualité. Ceci pourrait s’expliquer par la nature fortement acide de la
couche de PEDOT:PSS. Il est possible que certains groupements sulfonate de SD1 soient
protonés par des ions hydrogène venant des groupements acide sulfonique du PSS.
2.2.2.2
Matériaux photo-réticulables
Le poly(vinyl cinnamate) (PVCi) est le plus ancien matériau photo-réticulable synthétique [119, 120]. La réaction de photo-réticulation est illustrée sur la figure 2.12. C’est une
cycloaddition [2+2] qui est activée par la lumière ultraviolette dans la bande 240–310 nm,
avec un pic vers 275 nm [119, 121]. La photo-réticulation anisotrope de ce matériau a été
Alignement des cristaux liquides
21
Figure 2.13 – Réaction de photo-réticulation entre deux groupements coumarine.
démontrée expérimentalement en 1991 en l’insolant avec une lumière polarisée [122]. La
réaction photo-induite est sensible à la polarisation car la lumière ultraviolette est absorbée préférentiellement lorsqu’un groupement cinnamate est aligné avec la direction de
polarisation. Le produit de la réaction est en majorité de la forme truxinate [119] comme
indiqué sur la figure 2.12. Dans le même temps, les groupements cinnamate alignés perpendiculairement au champ électrique de la lumière ne participent pas à la réticulation. On
peut dire que la distribution des groupements cinnamate est dépeuplée dans la direction
du champ électrique. Comme ces groupements, largement conjugués, ont une polarisabilité importante, ils alignent les cristaux liquides parallèlement à eux. Ainsi le film insolé
aligne les cristaux liquides perpendiculairement au champ électrique appliqué.
De nombreux dérivés du PVCi ont par la suite montré des propriétés de photoalignement similaires [94]. L’article [123] de 1992 est le plus souvent cité, probablement parce
que c’est le premier en langue anglaise sur ce sujet, il met en évidence le photoalignement
du poly(vinyl 4-méthoxycinnamate) 3 .
Les dérivés du PVCi ont quelques inconvénients. En insolant la surface sous une incidence non perpendiculaire, il est possible de générer un pretilt [92], mais celui-ci reste
trop faible pour de nombreuses applications (inférieur à 0.3°). D’autre part, l’alignement
obtenu n’est pas très stable thermiquement [125].
Les polymères possédant des groupements coumarine pallient ces inconvénients [126].
La réaction de photo-réticulation est indiquée sur la figure 2.13 pour un exemple de matériau. C’est une cycloaddition [2+2] qui est activée par la lumière ultraviolette dans la
bande 270–350 nm, avec un pic vers 315 nm [127, 128, 129]. Les groupements coumarine
3. L’article [123] explique le photoalignement en affirmant que le produit de la réaction est de la forme
truxillate. Il justifie cette affirmation en citant [119], mais cet article dit clairement que le produit de la
réaction est en majorité de la forme truxinate. De nombreux auteurs copieront l’erreur de [123] dans les
années suivantes. L’article [124] de 1999 clarifie la situation et explique l’origine du photoalignement de
façon cohérente. C’est cette explication que j’ai reprise dans le texte.
22
Matériaux et techniques
Lumière UV
polarisée
E
substrat
film d'alignement
inclinaison 
 pretilt
généré
Figure 2.14 – Photoalignement du matériau Rolic ROP-103. Les molécules dessinées en pointillés représentent l’orientation des molécules de cristal liquide lorsque qu’il sera en contact avec
l’échantillon photoaligné.
alignés dans le sens du champ électrique subissent la photo-réticulation, ils se lient et
gardent une orientation proche du champ. Ainsi, la distribution des groupements coumarine est dépeuplée dans le sens du champ électrique et des photo-dimères sont créés dans
le sens du champ. Comme une conjugaison disparaît lors de la cycloaddition, les cristaux
liquides ressentent une interactions plus forte avec les groupements initiaux qu’avec les
dimères produits. On pourrait en déduire que les cristaux liquides s’aligneront perpendiculairement au champ électrique, comme dans le cas du PVCi, mais en réalité, l’alignement
se fait parallèlement au champ électrique. La raison de cet alignement a été recherchée,
notamment dans les articles [124, 127, 125]. L’explication retenue est que la distribution
des groupements coumarine n’ayant pas réagi reste en réalité assez isotrope au cours du
processus de dimérisation. On remarque sur la figure 2.13 que le groupement coumarine
est séparé de la chaîne principale du polymère acrylique par un lien qui lui offre une certaine mobilité. La distribution est certes dépeuplée de manière anisotrope, mais l’agitation
moléculaire autorisée par les liens flexibles la ramène vers une distribution isotrope. Au
contraire, les dimères sont moins mobiles, car liés l’un à l’autre, et restent alignés dans le
sens du champ. Ils sont donc à l’origine de l’anisotropie du film d’alignement.
Notons que la direction d’alignement, pour certains matériaux photo-réticulables, peut
tourner de 90° au-delà d’un certain niveau d’énergie [94, 125, 127, 130, 124] et l’explication
donnée précédemment est valable seulement en dessous de ce seuil d’énergie. Au delà, les
réactions de photodégradation commencent à jouer un rôle [125]. Finalement, la direction
d’alignement dépend non seulement de la nature exacte du matériau (présence de liens
flexibles et stéréochimie de la réaction) mais aussi du degré d’insolation.
La société Rolic est la seule à commercialiser un matériau de photoalignement par
photo-réticulation. C’est une société créée en 1996 par Hoffmann-La Roche et qui a été
à l’origine de nombreux travaux sur ces matériaux. Leur production scientifique est en
grande majorité publiée sous la forme de brevets dont on peut citer [131, 132, 133, 134,
135, 136].
Dans ce travail, j’ai utilisé le matériau de photoalignement ROP-103 fabriqué par
la société Rolic [137] et qui contient un polymère avec des groupements coumarine. Ce
matériau sera souvent nommé LPP dans la suite, pour Linearly Photopolymerisable Po-
Cristaux liquides polymérisables
23
lymer. Sa composition exacte est secrète, mais plusieurs détails laissent penser que c’est
un matériau voisin de celui présenté plus haut. Après insolation sous lumière ultraviolette
polarisée, le film peut aligner les molécules de cristal liquide dans la direction définie par
le champ électrique de la lumière. Il est possible d’imprimer un prétilt en insolant sous une
incidence non perpendiculaire comme indiqué sur la figure 2.14. L’échantillon est incliné
d’un angle ϕ ' 30◦ et il en résulte un pretilt induit θ dont la valeur dépend principalement de l’énergie déposée lors de l’insolation (et moins de la valeur de ϕ comme on
le penserait au premier abord). Rolic mentionne des valeurs de pretilt allant jusqu’à 35◦
avec ce matériau. Nous nous sommes contentés d’un pretilt de quelques degrés, suffisant
pour que les cellules soient d’un seul domaine lors de l’application d’un champ électrique.
Du point de vue expérimental, il est important de noter que la réaction nécessite
une lumière ultraviolette proche de 315 nm. Les sources commercialisées pour l’insolation
UV des colles et autres polymères utilisent en général une lampe à arc à mercure haute
pression, qui émet entre autres une raie à 312 nm. Mais ces lampes incorporent souvent
un filtre interne qui arrête les faibles longueurs d’onde. Ceci ne permet pas de réaliser le
photoalignement. J’ai utilisé une source commerciale après en avoir retiré ce filtre interne.
D’autres sources peuvent être utilisées, par exemple des tubes à mercure à basse pression
qui émettent une raie à 312 nm.
2.2.2.3
Matériaux photo-dégradables et polyimides
La photo-dégradation anisotrope est un autre moyen de créer un film d’alignement
pour les cristaux liquides [94, 95]. Les groupements photosensibles alignés dans le sens du
champ électrique de la lumière absorbent le rayonnement et se dégradent, tandis que les
groupements perpendiculaires n’absorbent pas la lumière. Cette technique a été démontrée
avec des polyimides. Par la suite, des matériaux de cette famille ont été sélectionnés en
cherchant ceux qui ont la plus grande photosensibilité.
Un inconvénient de cette technique est que les produits de photo-dégradation peuvent
avoir un impact négatif sur le fonctionnement des dispositifs à cristaux liquides. Les petites
molécules produites peuvent être conductrices et donc induire la décharge du condensateur
que constitue chaque pixel. Les groupements dégradés peuvent aussi s’ioniser et engendrer
un effet mémoire de l’image.
La société Elsicon commercialise une solution de photoalignement à base de polyimides
qui ne fonctionne pas par photo-dégradation, mais elle ne donne pas d’information sur
le mécanisme utilisé. Il faudra éplucher les dizaines de brevets d’Elscion et d’Alliant
Techsystems pour trouver les quelques lignes d’explications utiles. Nous n’avons pas utilisé
le matériau de ce fabricant.
2.3
Cristaux liquides polymérisables
Les cristaux liquides polymérisables sont des mélanges de monomères cristaux liquides
qui se solidifient en polymérisant. La première utilisation de ces matériaux est la fabrication de films de compensation pour l’angle de vue dans les dispositifs à cristaux liquides
[74]. Une grande variété de matériaux est disponible et permet de fabriquer des films
planaires, homéotropes, cholestériques ou en éventail [138].
Une autre utilisation de ces films est la stabilisation ou l’affermissement des films
de photoalignement [136, 139, 140] 4 . En effet, les films de photoalignement ne sont pas
4. La dernière référence n’apporte pas de nouveauté significative puisque que la technique a déjà été
24
Matériaux et techniques
Figure 2.15 – Composition d’un mélange cristal liquide polymérisable, mentionnée dans les
brevets de la société Rolic [136, 135, 134].
toujours stables sous l’action de la lumière ou de la température. La polymérisation d’un
film de cristaux liquides au dessus du film d’alignement permet de figer les molécules
dans l’orientation désirée. De plus ce film supplémentaire peut induire un alignement de
meilleure qualité que le film de photoalignement seul. Par exemple, nous avons toujours
eu du mal à fabriquer des cellules de cristaux liquides alignés en utilisant le matériau LPP
de Rolic seul. Ainsi, j’ai systématiquement ajouté un film de cristal liquide polymérisable
au dessus du film LPP pour obtenir un alignement de qualité, fiable et reproductible.
En insolant un film de photoalignement à travers un masque, il est possible d’aligner
des zones dans différentes directions. Le matériau cristal liquide polymère déposé par
dessus reproduit les directions d’alignement sous-jacentes. Cette technique rend possible
la fabrication de films optiques biréfringents de structure complexe [141, 142, 126, 143].
De nombreux brevets ont été déposés par la société Rolic [144, 145, 146, 147].
Ces monomères sont en général des acrylates qui réagissent dans une polymérisation
radicalaire. La polymérisation peut être initiée par n’importe quel type d’initiateur de
radicaux, initiateur thermique ou photoinitiateur. Les mélanges commerciaux sont vendus
avec un photoinitiateur qui est sensible à la longueur d’onde de 365 nm. On peut donner
quelques exemples de photoinitiateurs, sélectionnés dans la gamme de Ciba : Irgacure
651 (benzoacétophénone), Irgacure 907 ou 369 (aminocétones). Les deux derniers sont
préconisés pour donner de meilleurs résultats en présence d’oxygène. On peut aussi donner
quelques exemples d’initiateurs thermiques : l’AIBN (azobisisobutyronitrile) ou le V-65
de Wako (2,2’-Azobis(2.4-dimethyl valeronitrile)). Le deuxième est soluble dans un plus
grand nombre de matériaux. Pour mon travail, j’ai acheté le matériau ROF-5102 de la
société Rolic, qui sera parfois nommé LCP par la suite, pour Liquid Crystal Prepolymer
[149]. Sa composition est probablement proche de ce qui est mentionné dans les brevets
[136, 135, 134] et représenté sur la figure 2.15. J’ai également acheté le matériau RMS03001C de la société Merck [150] dont la composition est probablement proche de ce qui est
indiqué dans le brevet [148] et représenté sur la figure 2.16.
publiée en 2003 dans le brevet [136], mais elle présente les choses plus en détails et est plus facile d’accès.
Cristaux liquides polymérisables
25
Figure 2.16 – Composition d’un mélange cristal liquide polymérisable, mentionnée dans les
brevets de la société Merck [148].
Figure 2.17 – Inhibition de la propagation d’une polymérisation radicalaire par le dioxygène.
Le radical obtenu est peu réactif.
26
Matériaux et techniques
Les polymérisations radicalaires sont facilement inhibées par le dioxygène car la molécule de dioxygène se fixe sur le radical de propagation et forme un nouveau radical
nettement moins réactif (voir figure 2.17) [151, 152]. La propagation de la polymérisation
est alors fortement ralentie. Le film résultant sera collant et les molécules ne seront pas
figées. Ces polymérisations ne peuvent donc pas se faire correctement quand le film est
au contact de l’air. Il est nécessaire de placer l’échantillon sous vide ou sous azote.
Lors de sa mise en oeuvre, le film de cristal liquide polymérisable est en général déposé
sur une surface d’alignement et sa surface supérieure est au contact de l’air. Comment
l’alignement se fait-il au contact de l’air ? L’orientation d’un cristal liquide nématique à
sa surface libre dépend de sa nature [153]. Elle est souvent homéotrope (perpendiculaire
à la surface) pour les molécules dont le moment dipolaire est élevé (par exemple celles
qui composent la famille BL de Merck). Elle est planaire pour les molécules qui on un
moment dipolaire faible et une anisotropie diélectrique négative (par exemple le PAA).
Les cas d’orientation intermédiaire se rencontrent également. En jouant sur la composition
du mélange, on peut même, dans une certaine mesure, varier l’angle à la surface et réaliser
des films avec un effet d’éventail contrôlé (splayed films) [154].
Dans le cadre de ce travail, c’est toujours une structure planaire uniforme qui était
désirée. En général, les mélanges formant les cristaux liquides polymérisables ne présentent pas naturellement un alignement planaire au niveau de leur surface libre, mais il
est possible d’obtenir cet alignement en ajouter un surfactant. Le brevet [155] présente
un exemple comparatif montrant que l’ajout d’un surfactant fluoré non-ionique (FC171)
permet de passer d’un alignement oblique à un alignement planaire. Le brevet [156] résume plusieurs des surfactants envisagés par les ingénieurs de Merck, principalement des
surfactants fluorés. Le concurrent DIC n’est pas en reste et propose d’autres types de surfactants [157], de la famille des polyoléfines, qui ont l’intérêt d’améliorer la mouillabilité
du dépôt dans certains cas, en comparaison avec les surfactants fluorés. On constate que la
formulation de Rolic donnée plus haut (figure 2.15) ne mentionne pas de surfactant. Je ne
sais pas si c’est un oubli calculé lors du dépôt du brevet ou si la composition particulière
du mélange permet un alignement planaire sans l’aide de surfactant 5 .
Pour finir à ce sujet, ajoutons que la phase nématique des matériaux cristaux liquides
polymérisables n’est pas forcément très stable avant polymérisation [158]. Par exemple,
on observe que le mélange LCP de Rolic cristallise au bout d’une demi-heure environ. Il
faut donc le polymériser avant que cela se produise.
2.4
Fluide pour déposer des espaceurs
Lors de la fabrication de cellules à cristaux liquides, on a besoin d’amener les surfaces
de deux substrats l’une face à l’autre. Les surfaces doivent être parallèles et l’écart, typiquement de quelques microns, doit être défini avec précision. La figure 2.18 illustre cette
situation.
Pour définir cet écart microscopique, on utilise des espaceurs calibrés, sous forme de
billes ou de fibres. Par exemple, pour la fabrication des panneaux à cristaux liquides, on
utilise des billes en verre ou en polymère déposées par pulvérisation sur la surface. Une
autre technique est de fabriquer des espaceurs en déposant puis en lithographiant une
résine de construction, comme cela est fait dans le cas des micro-afficheurs (microdisplays)
5. On remarque que les molécules du mélange LCP de Rolic sont toutes quasiment symétriques, peutêtre cela joue-t-il un rôle.
27
Fluide pour déposer des espaceurs
e
espaceur
substrat
Figure 2.18 – Cellule de cristal liquide. L’écart entre des surfaces est défini par des espaceurs
calibrés.
Indice optique
Coefficient d’expansion thermique linéique
Module élastique (mesuré en compression)
Résistance en compression
Densité
Température de décomposition
n = 1.57
λ = 98 ppm/K
E = 4.7 GPa
σ = 108 MPa
d = 1.19
330°C
Table 2.1 – Quelques propriétés des espaceurs Micropearl SP de Sekisui.
[159] ou dans le cas de certains panneaux flexibles [160, 161].
Dans ce travail on a utilisé principalement des espaceurs en polymère de la gamme
Micropearl de Sekisui. Ce sont des billes en divinylbenzene, molécule bifonctionnelle dont
la polymérisation donne naturellement un réseau réticulé. Quelques propriétés de ces billes
sont données dans le tableau 2.1.
La technique de pulvérisation des espaceurs est utilisée sur les grandes surfaces, quand
la position exacte des espaceurs n’est pas très importante. Mais dans notre travail au
contraire, on s’intéresse à de petites surfaces et on veut éviter les espaceurs dans la zone
où passe la lumière. On utilise donc un mélange d’espaceurs dans une colle photopolymérisable que l’on dépose autour de la zone de travail, en prenant soin de laisser une entrée
pour amener le cristal liquide et une sortie si l’air doit s’échapper. Après un pressage et
une polymérisation sous lumière ultraviolette, la cellule est prête à être remplie.
Le mélange est fait avec environ 0.6% d’espaceurs dans la colle UVS91 de Norland. Il
est déposé à la seringue, soit manuellement grâce à un doseur à air comprimé, soit par
un robot de déposition (EFD Ultra TT). Les aiguilles utilisées habituellement sont des
aiguilles en inox longues de 12.7 mm avec un diamètre intérieur de 0.25 mm.
Dans certaines opérations, on aimerait déposer des espaceurs comme présenté plus
haut, mais pouvoir ensuite séparer proprement les surfaces et enlever les espaceurs. Il est
peu pratique d’utiliser un mélange d’espaceurs dans la colle car il ne pourra être retiré
correctement qu’avec des solvants agressifs comme l’acétone, ce qui est gênant dans les
situations où ce solvant détruirait ce qu’on vient de fabriquer. On aimerait donc un fluide
permettant de déposer les espaceurs avec la même facilité qu’une colle, mais pouvant être
retiré par un moyen doux, par exemple avec de l’eau.
Après avoir identifié ce besoin, j’ai travaillé pour formuler un tel fluide. J’ai identifié
les contraintes suivantes :
1. Le fluide doit être soluble dans l’eau.
2. Le fluide doit avoir une forte viscosité (η ' 50−100 Pa s) de façon à ce qu’il s’écoule
lentement lorsqu’on met la seringue sous pression.
28
Matériaux et techniques
3. Le fluide doit avoir un seuil d’écoulement assez élevé pour que les espaceurs restent
en suspension de manière stable.
4. Le fluide doit avoir un seuil d’écoulement suffisamment faible pour que les bulles
d’air remontent à la surface et disparaissent en quelques heures (des bulles d’air sont
inévitablement incorporées lors du mélange des espaceurs et du fluide).
5. Le fluide ne doit pas sécher, pour que l’aiguille ne se bouche lors du stockage.
6. Le fluide déposé sur une surface ne doit pas sécher. Après plusieurs minutes d’attente, il doit toujours avoirs la capacité de mouiller une surface s’approchant de
lui.
7. Le fluide doit avoir un seuil d’écoulement assez élevé pour qu’il ne coule pas par
l’aiguille de la seringue lors du stockage.
8. Le fluide aura avantage à être soluble dans d’autres solvants, dont les solvants organiques tels le propanol et l’acétone
Pour trouver un tel fluide, on pense d’abord à chercher parmi la grande famille des
gels aqueux. L’industrie de la pharmacie et des cosmétiques ont produit de nombreuses
familles de gels aqueux à l’intérieur desquelles on peut varier plusieurs paramètres.
Gel de carbomère. Un carbomère est un poly(acide acrylique) réticulé. Il est fabriqué
par polymérisation de l’acide acrylique et d’un réticulant vinylique multi-fonctionnel.
Dispersé dans l’eau à une concentration de l’ordre du pourcent, il est ensuite neutralisé (avec de la triéthanolamine par exemple) et forme un gel à seuil d’écoulement
très élevé[162, 163, 164].
J’ai testé un gel formé à partir du Carbopol 980 (fabriqué par Lubrizol) et neutralisé
à la triéthanolamine. Le seuil d’écoulement est très élevé (si on lui donne une forme
de pyramide, la forme est conservée pendant plusieurs jours) mais le fluide est en
même temps extrêmement rhéofluidifiant (il s’écoule en jet à travers l’aiguille sous
la pression habituelle du doseur, environ ∆p ' 4 bar). Pour notre utilisation, le seuil
d’écoulement est trop élevé et le gel est trop rhéofluidifiant.
Gel de carboxyméthylcellulose. La carboxyméthylcellulose est un dérivé de la cellulose obtenu en substituant les hydrogènes d’une partie des fonctions alcool par
un groupements carboxyméthyl (-OH → -O-CH2 -COOH) [165, 166]. Le polymère
utilisé pour réaliser les gels est en fait le sel de sodium du polymère précédent (-OCH2 -COONa). Il se dissout en solution aqueuse, formant des chaînes anioniques qui
s’organisent en pelotes expansées et enchevêtrées, créant un gel. J’ai testé un gel
fabriqué avec une carboxyméthylcellulose de haute viscosité (Mw ' 700 kg/mol) et
de degré de substitution environ 0.7[166]. Le gel aqueux obtenu a un seuil d’écoulement élevé, mais suffisamment faible pour que les bulles d’air migrent en quelques
heures. Toutefois, pour notre utilisation, ce gel est trop rhéofluidifiant.
Gel de méthylcellulose. La méthylcellulose est un dérivé de la cellulose obtenu en substituant les hydrogènes d’une partie des fonctions alcool par un groupements méthyle
(-OH → -O-CH3 ). Le polymère, non ionique, se dissout en solution aqueuse et forme
des chaînes en pelotes expansées et enchevêtrées, créant un gel. J’ai fabriqué un gel
avec une méthylcellulose de haute viscosité (Mw ' 110 kg/mol)[167]. Ce gel a un
faible seuil d’écoulement, mais suffisant pour maintenir les espaceurs en suspension
et empêcher le gel de couler par l’aiguille lorsqu’il est stocké dans la seringue.
Gel de poly(alcool vinylique). On peut réaliser un gel physique en dissolvant du poly(alcool vinylique) dans l’eau et en ajoutant une solution aqueuse de tétraborate de
Fluide pour déposer des espaceurs
29
sodium. L’ion tétraborate permet la réticulation physique. J’ai réalisé un gel avec
du Rhodoviol 14/135 (Mw ' 110 kg/mol, hydrolysé à 88%) dissous à 4% dans
l’eau et une solution aqueuse de tétraborate de sodium (Na2 B4 O7 , 10 H2 O) à 4%.
Les deux solutions aqueuses sont mélangées dans un rapport d’environ 5 pour 1
respectivement et on obtient un gel visqueux.
Ces essais ont montré différents problèmes. D’abord, il a déjà été noté que certains
essais ont montré une trop grand rhéofluidité. Le fluide sort trop rapidement de la seringue lorsqu’elle est mise sous pression. Ceci peut être corrigé en ajoutant un composant
permettant d’augmenter la viscosité du liquide de base, par exemple un poly(ethylene
glycol). Mais il faut l’ajouter avec une concentration assez élevée et cela peut déstabiliser
le gel et le faire floculer.
Un deuxième point négatif est que les lignes ou les points de fluide déposés sur une
surface sèchent très rapidement. Les dimensions de travail sont petites, la largeur des lignes
tracées étant inférieure au millimètre. Ainsi, le rapport surface sur volume est très grand
et le dépôt sèche vite, en quelques minutes. Ceci est un problème car si l’on dépose un
substrat sur des espaceurs pris dans une masse sèche, l’écart sera mal défini. La contrainte
6 n’est pas remplie.
Un troisième point négatif est lié au point précédent. Dans tous les cas présentés plus
haut les essais ont à chaque fois montré que le gel séchait dans l’aiguille lors du stockage.
La contrainte 5 mentionnée plus haut n’est pas respectée. Il est peu pratique et peu
économe de devoir changer l’aiguille avant chaque utilisation.
Le bilan de ces points négatifs est qu’il n’est pas possible d’utiliser un gel aqueux pour
servir de fluide porteur pour les espaceurs en respectant les contraintes mentionnées plus
haut. Il faut donc formuler un gel non aqueux.
Les gels non-aqueux sont nettement moins courants que les gels aqueux, mais il existe
toutefois des possibilités d’en fabriquer.
La silice pyrogénée est une piste intéressante car elle permet d’augmenter la viscosité de
nombreux liquides et de les rendre thixotropes. Elle est constituée de particules nanométriques qui s’attachent en agrégats[168]. Ces derniers forment un réseau physique qui modifie largement la rhéologie du liquide. On trouve dans la littérature des exemples d’utilisation de silice pyrogénée pour modifier la rhéologie du poly(ethylene glycol) [169, 170, 171].
Le choix du type de silice, hydrophile (vierge) ou hydrophobe (fonctionnalisée), dépend
du liquide à épaissir.
L’éthylcellulose est une autre piste car contrairement aux autres dérivés cellulosiques
courants, elle est soluble dans de nombreux milieux organiques[172] et peut former des gels.
Les articles [173] et [174] montrent qu’il est possible de gélifier un diester liquide (Propylene Glycol Dicaprylate/Dicaprate) avec de l’éthylcellulose. D’autres gélifiants plus pointus sont également proposés dans l’article [175] (toujours pour des liquides organiques).
Ces développements sont certes intéressants et utiles au projet, mais ils n’en sont
pas un élément central. Je me suis donc servi en réalité d’une solution plus simple, ne
respectant pas à la lettre l’ensemble des contraintes énoncées plus haut, mais suffisamment
pour qu’elle soit efficace, pratique et fiable pour le travail présent.
J’ai recherché un copolymère aléatoire d’éthylène glycol et de propylène glycol de
haute masse molaire. L’idée de chercher ce matériau part du fait que le polyéthylène
glycol est un polymère très courant, bien soluble dans l’eau et qui est liquide pour les
masses molaires inférieures à 1 kg/mol. Malheureusement, ces liquides sont trop fluides et
coulent rapidement à travers l’aiguille de la seringue lors du stockage (contrainte 7 non
respectée). D’un autre côté les polyéthylènes glycols de masse molaire plus élevée sont
30
Matériaux et techniques
Figure 2.19 – Masque chromé en contact étroit avec un substrat de verre. L’espace entre le
masque et le substrat est défini par les espaceurs contenus dans les huit points de fluide déposés
sur le tour du substrat. On distingue le motif du masque (une mire de résolution) à travers le
substrat de verre. Le masque chromé est un carré de 3 pouces de côté.
cristallisés à température ambiante. La solution est de choisir un copolymère aléatoire de
l’éthylène glycol. Grâce à l’absence de régularité au niveau moléculaire, il ne peut pas
cristalliser. J’ai donc sélectionné un poly(ethylene glycol-ran-propylene glycol) de masse
molaire Mn ' 12 kg/mol et contenant 75% en masse de motifs éthylène glycol. Il a une
viscosité cinétique de ν = 350 St (à 25°C) et une masse volumique ρ = 1.09 g/mL.
Un problème des polyéthylènes glycols et de ce copolymère aléatoire est que ces liquides
ont un seuil d’écoulement nul. Ce ne sont pas des gels. Ainsi, la contrainte 7 ne peut être
rigoureusement satisfaite et le liquide coulera toujours par l’aiguille lors du stockage.
Mais un calcul par la loi de Poiseuille donne une fuite de l’ordre de quelques millimètrescube par jour, ce qui est acceptable. D’autre part, la loi de Stokes donne une vitesse de
sédimentation des espaceurs inférieure au micron par mois, ce qui est insignifiant.
Mis à part le fait que la seringue goutte un peu (une goutte tous les quelques jours
tombe par l’aiguille), ce fluide répond aux critères énoncés plus haut. Il est adapté pour
déposer des espaceurs en quantité contrôlée. Le fluide peut être lavé à l’eau ou à l’acétone
et cette opération emmène les espaceurs en même temps que le fluide.
Cette solution sera utilisée dans notre travail pour le report de miroirs de Bragg sur
PDLC et pour la photolithographie de proximité lors de la réalisation de zones anisotropes pour le coupleur séparateur de polarisation. La figure 2.19 montre un exemple
d’utilisation de ce fluide dans le but de définir un contact étroit entre un masque chromé
et un substrat de verre. Cette photographie est prise au cours du processus de fabrication
de zones anisotropes dans un monomère cristal liquide (voir chapitre 5). Le substrat de
verre est recouvert d’une couche visqueuse de monomère cristal liquide et les espaceurs
déposés grâce au fluide permettent de définir un espacement suffisant pour que la couche
visqueuse n’entre pas en contact avec le masque. Cette technique permet de faire de la
photolithographie de proximité avec un espacement faible et bien contrôlé.
2.5
Adhésifs optiques
Les adhésifs optiques sont des colles qui ont de bonnes propriétés optiques après polymérisation. On trouve ces adhésifs dans une gamme d’indices optiques allant de 1.3 à 1.6
Photolithographie
31
environ. Ils sont prévus en général pour être polymérisés sous lumière ultraviolette. Pour
atteindre les indices optiques inférieurs à 1.50, les mélanges incorporent des molécules
fluorées et cela d’autant plus que l’indice visé est faible. En conséquence de leur caractère
fluoré, les colles de bas indice sont très hydrophobes.
Nous avons utilisé des adhésifs de différents fabricants : des colles NOA de Norland (qui
polymérisent par réaction radicalaire thiol-ène) et des colles Dymax dont certaines sont
des acrylates (polymérisation radicalaire) et d’autres sont des époxydes (polymérisation
cationique).
Les colles NOA sont utilisées comme constituant de base pour la matrice des PDLC
(voir chapitre 3).
2.6
Photolithographie
La photolithographie est une technique qui permet d’inscrire sur une surface le motif
dessiné sur un masque. Au cours du processus, le motif est inscrit dans une photorésine
par la lumière traversant le masque.
Les masques sont des substrats transparents sur lesquels une couche opaque forme le
motif désiré. Les masques couramment utilisés pour la photolithographie sont des plaques
de verre recouvertes d’une couche de chrome dont l’épaisseur est typiquement de l’ordre
de 70 nm, ce qui donne une densité optique entre 3 et 4. Le chrome est recouvert d’une
couche anti-reflet d’oxyde de chrome d’une épaisseur de 34 nm environ. Les masques
peuvent également être des films photographiques. Dans ce cas, la couche opaque est
obtenue à partir d’une émulsion de cristaux d’halogénure d’argent dans de la gélatine. Le
substrat est par exemple un film plastique en PET. La densité optique des zones opaques
peut atteindre 5 après le développement du film. Les grains de l’émulsion ne permettent
pas une résolution très élevée, typiquement 5 µm.
Le motif du masque est transféré dans la couche de photorésine grâce à une réaction
photo-induite. La réaction chimique et la longueur d’onde utilisée dépendent du type de
résine. Un grand nombre de photorésines sont formulées pour réagir aux ultraviolets à
λ = 365 nm, raie émise par les lampes à mercure.
L’image du masque peut être formée sur la couche de photorésine simplement en
plaquant le masque sur la couche et en insolant à travers le masque. Le positionnement
relatif des deux éléments et leur mise en contact sont réalisés avec un aligneur de masques.
La résolution qu’on peut atteindre avec cette méthode
dépend de l’écart résiduel e entre
√
le masque et la couche de résine et vaut environ λe.
Pour la production industrielle, on ne met pas le masque en contact avec la couche de
photorésine pour éviter l’usure du masque. On fait l’image du masque sur la photorésine
par un système de projection. L’ordre de grandeur de la résolution est λ/N A, où N A est
l’ouverture numérique du faisceau image. Pour obtenir de fortes résolutions, on utilise des
ultraviolets profonds (lasers à 248 ou 193 nm) et des optiques très ouvertes en immersion
dans des liquides d’indice fort, de sorte qu’il est possible d’avoir N A > 1.
Après l’insolation, la résine est mise en contact avec un liquide développeur. Comme
indiqué sur la figure 2.20, il y a deux classes de résines, les résines dites positives, pour lesquelles la zone exposée part au développement, et les résines dites négatives, pour lesquelles
la zone exposée reste après le développement. Dans ce travail, j’ai utilisé des résines positives (diazonaphtoquinone-novolac) et des résines négatives (diazonaphtoquinone-novolac
inversée à l’imidazole et SU-8). Les résines diazonaphtoquinone-novolac seront présentées
dans le paragraphe suivant et la résine SU-8 sera présentée au paragraphe 4.3.
32
Matériaux et techniques
Résine positive
Résine négative
Exposition UV
Après développement :
Figure 2.20 – Présentation des deux classes de photorésines, positive et négative.
Gravure d'une couche
Dépôt et lift-off
(1a)
(2a)
(1b)
(2b)
(pour une résine positive)
(1c)
(1d)
(1e)
(pour une résine négative)
(2c)
gravure
dépôt en phase vapeur
(2d)
(2e)
lift-off
Figure 2.21 – Deux procédés courants utilisant les photorésines, la gravure localisée et le dépôt
localisé.
Le motif de photorésine obtenu peut avoir une utilité par lui-même ou être seulement
un intermédiaire pour localiser une gravure ou un dépôt. Un exemple du premier cas est
donné dans le chapitre 4, où les motifs de photorésine SU-8 sont utilisés pour construire
des micro-cellules. La figure 2.21 décrit les procédés de gravure localisée (1) et de dépôt
localisé (2).
Pour effectuer une gravure localisée, on définit par photolithographie des zones de
photorésine qui protégeront de la gravure une partie de l’échantillon. La figure 2.21(1)
représente le procédé dans le cas où une photorésine positive est utilisée. On dépose une
couche de photorésine sur l’échantillon (1a) et on l’insole à travers un masque (1b). Après
développement, il ne reste plus de résine sur les zones que l’on désire graver (1c). Le
matériau est ensuite gravé par gravure sèche (plasma) ou gravure humide, selon les cas
(1d). Les parties protégées par la résine ne sont pas gravées, la résine servant de masque
de gravure. Pour finir, la résine est retirée, par exemple à l’acétone (1e).
Pour effectuer un dépôt localisé, on définit par photolithographie des ouvertures dans
Résines positives diazonaphtoquinone-novolac
33
Figure 2.22 – Principaux composants de la fraction sèche d’une photorésine positive
diazonaphtoquinone-novolac.
une couche de photorésine. La figure 2.21(2) présente le procédé. On utilise en général
une résine négative car elle permet d’avoir des bords en surplomb. On dépose la couche
de photorésine sur l’échantillon (2a) et on l’insole à travers un masque (2b). Le développement ouvre la photorésine aux endroits définis par le motif et met à jour la surface
de l’échantillon (2c). Le dépôt est réalisé en phase vapeur et recouvre toutes les surfaces,
la photorésine restante et la surface découverte de l’échantillon (2d). La photorésine est
ensuite retirée dans un bain de solvant et le film qui la recouvre part avec elle, c’est l’opération de lift-off (2e). Le dépôt qui était arrivé sur la surface découverte n’est pas retiré
lors de cette opération.
Le bord en surplomb permet d’assurer une discontinuité du film, nécessaire pour que
le lift-off se fasse correctement. Les résines positives n’ont en général pas les bords en
surplomb et ne sont donc pas adaptées pour les dépôts localisés.
2.7
Résines positives diazonaphtoquinone-novolac
J’utilise des résines positives pour copier les films photographiques sur les masques
chromés ou pour fabriquer les plots qui seront présentés dans le chapitre 3.
Les résines positives les plus courantes sont les résines diazonaphtoquinone-novolac.
Elles sont formées par le mélange d’une résine novolac et d’un composant photosensible de
la famille des diazonaphtaquinones (DNQ) (voir figure 2.22). Ces composants solides sont
dissous dans un solvant, par exemple le lactate d’éthyle (un ester), l’anisole (un éther) ou
le PGMEA (ester et éther). La résine est déposée à la tournette et laisse une couche solide
dont l’épaisseur est d’autant plus grande que la fraction solide est importante. Le solvant
résiduel est évaporé en chauffant l’échantillon quelques instants près de sa température
de transition vitreuse (soft bake, SB).
Le DNQ est sensible aux longueurs d’onde bleues et ultraviolettes des lampes à mercure. Il subit une réaction photo-induite dont le produit est un acide indène carboxylique
(ICA) (voir figure 2.23). Le DNQ est hydrophobe et non-ionisable. Il est transformé en ICA
qui est hydrophile et ionisable en milieu basique, grâce à sa fonction acide carboxylique.
Le mécanisme de développement exploite ce changement de propriétés et le développeur
34
Matériaux et techniques
Figure 2.23 – Réaction photo-induite dans la résine.
est une solution aqueuse basique avec un pH proche de 13. La base peut être par exemple
de la soude ou de l’hydroxyde de tétraméthylammonium.
La résine novolac toute seule serait soluble dans ce développeur car les groupements
phénol s’ionisent à pH > 10. Mais le DNQ, hydrophobe et non-ionisable, agit comme un
inhibiteur de dissolution. Les zones non exposées, contenant toujours le DNQ, sont donc
insolubles dans le développeur. Au contraire, les zones exposées sont solubles car le DNQ
a été transformé en ICA, elles sont donc dissoutes à l’étape de développement.
Lors de la réaction photo-induite, le DNQ est transformé en ICA, qui est moins absorbant à la longueur d’onde d’insolation. Cette diminution de l’absorption au cours de
l’exposition est appelée blanchiment de la photorésine. C’est une propriété essentielle pour
l’insolation des couches épaisses (plusieurs microns) car elle permet à l’insolation de se
faire jusqu’au bas de la couche.
Notons que la réaction photo-induite produit du diazote gazeux. Si ce dégagement est
trop brusque et que la couche n’adhère pas bien au substrat, la couche peut se casser,
comme on le verra dans le chapitre 3. Notons également que la réaction nécessite de l’eau
pour arriver au produit prévu. Normalement, l’atmosphère d’une salle blanche à 50%
d’humidité et 22°C permet d’avoir suffisamment d’eau pour que la réaction se fasse.
Il est possible de transformer une résine positive diazonaphtoquinone-novolac en une
résine négative. Pour cela, on ajoute à la résine un composant qui catalyse la décarboxylation de l’ICA, par exemple l’imidazole (voir figure 2.24). L’imidazole est une base
organique (pKa = 7) que l’on ajoute à une concentration d’environ 1% dans la résine
liquide. Après l’insolation, on place l’échantillon une dizaine de minutes à une température proche de la transition vitreuse (post-exposure bake, PEB). Cette étape est un recuit
d’inversion où l’imidazole catalyse la décarboxylation de l’ICA qui a été produit dans les
zones exposées. Un indène, puis un dimère d’indène sont formés. Ce sont des molécules
hydrophobes et non-ionisables qui inhibent la dissolution de la résine novolac dans le développeur, comme le faisait le DNQ. L’étape suivante est une exposition de l’échantillon
en plein champ (flood exposure) lors de laquelle les zones précédemment masquées sont
Discussion
35
Figure 2.24 – Réaction de décarboxylation dans une photorésine inversée à l’imidazole.
maintenant exposées. Finalement, on place la résine dans le développeur. Les zones exposées lors de la première étape ne sont pas dissoutes car la dissolution est inhibée par
l’indène. Les zones exposées uniquement lors de l’exposition en plein champ sont dissoutes
car elles contiennent de l’ICA au lieu du DNQ. L’imidazole et le recuit d’inversion permettent donc d’utiliser une photorésine diazonaphtoquinone-novolac comme une résine
négative.
Notons pour finir que la réaction de décarboxylation produit du dioxyde de carbone
gazeux. Si son dégagement est trop rapide et que la température est trop élevée, il peut
faire des bulles dans la couche de résine. J’utiliserai une résine inversée à l’imidazole dans
le chapitre 3.
2.8
Discussion
Ce chapitre a présenté quelques briques de base qui sont utilisées pour la réalisation des
projets. Il rassemble des informations qu’il n’est pas toujours facile de trouver rapidement.
Les éléments présentés ici sont ceux qui interviennent dans au moins deux projets. Les
matériaux spécifiques à un seul projet seront présentés dans le chapitre correspondant.
36
Matériaux et techniques
Chapitre 3
Microtechnologie pour fabriquer des
puces laser accordables incluant une
couche de PDLC intra-cavité
3.1
3.1.1
Matériaux PDLC pour les cavités optiques
Présentation des matériaux PDLC
Les PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal) sont des matériaux qui présentent une
structure polymère (réseau ou matrice) imprégnée de cristal liquide [176]. Ils sont obtenus
par démixion d’un mélange initialement homogène contenant un cristal liquide. Une première possibilité est de faire fondre un polymère en mélange avec un cristal liquide, par
exemple un mélange PMMA/E7. Ensuite, on le refroidit rapidement pour produire la démixion et on obtient un PDLC. Les manipulations qui précèdent la démixion, par exemple
l’infiltration dans une cellule, doivent toutes être faites en température, pour conserver
le mélange homogène. Ceci n’est pas toujours pratique. Une deuxième possibilité est de
former un mélange de cristal liquide avec un monomère qui, lors de sa polymérisation,
pourra induire la démixion et former le PDLC. Cette technique est pratique quand on
utilise une polymérisation par lumière ultraviolette. Dans ce travail, on utilise un mélange
PDLC à base de colle optique Norland NOA, qui est photopolymérisable aux ultraviolets
[177, 178, 179, 180].
En fonction des proportions de polymère et de cristal liquide et des conditions de
démixion, on obtient différentes morphologies. Avec une fraction de cristal liquide de
l’ordre de 30% et en induisant une polymérisation rapide, on obtient un matériau où le
cristal liquide est dispersé sous forme de gouttes d’un diamètre inférieur à 0.2 µm dans
la matrice de polymère. Cette taille de gouttes le place dans la classe des nano-PDLC.
La figure 3.1 montre la microstructure de deux PDLC contenant la même proportion de
cristal liquide, mais une composition différente de la matrice polymère. Dans les deux
cas, le cristal liquide BL036 constitue 30% du mélange. Pour le PDLC (a), le monomère
est la colle optique Norland NOA65 alors que pour le PDLC (b), le monomère est un
mélange de NOA81 à 50% et NOA65 à 50%. Les deux échantillons ont été polymérisés
à température ambiante sous une lumière UV à 365 nm d’une intensité de 40 mW/cm2
environ. La coupe est obtenue en faisant une fracture à froid du matériau, préalablement
trempé dans l’azote liquide. On constate une différence dans taille des gouttes de cristal
liquide, environ 0.19 µm en moyenne dans le cas (a) et 0.10 µm dans le cas (b). La
37
38
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
(a) 30% BL036, 70% NOA65
(b) 30% BL036, 35% NOA81, 35% NOA65
Figure 3.1 – Microstructures de PDLC observées au microscope électronique, pour deux compositions différentes.
différence entre les deux situations vient probablement du fait que la NOA81 polymérise
plus rapidement que la NOA65. La matrice se fige plus rapidement, ce qui laisse moins
de temps pour la coalescence des volumes de cristal liquide démixé.
Le diamètre des gouttes de cristal liquide obtenues est petit devant la longueur d’onde
visible. Ainsi le matériau est quasiment transparent dans l’infrarouge à 1.5 µm et juste
légèrement diffusant pour la lumière visible. Par contre, il diffuse nettement l’ultraviolet
et la transmission à 365 nm après une épaisseur de 10 µm est inférieure à 40%, ce qui
correspond à un coefficient d’absorption 1 valant environ α ' 103 cm-1 . Il n’est donc pas
possible de former des films épais et homogènes. Pour le projet de laser accordable, on
vise une épaisseur de 6 µm, ce qui est assez fin pour que les gouttes aient des tailles
comparables dans toute l’épaisseur. Comme on le verra plus loin, cette épaisseur est un
compromis entre les pertes et la plage d’accord.
3.1.2
Mesure des pertes du matériau
La mesure exacte des pertes à travers le matériau est délicate car on s’intéresse à des
films très transparents. Comme on vient de le voir, il n’est pas possible de se baser sur
la transmission d’un film épais car le coeur du film aura une structure différente, plus
grossière que la dizaine de microns proche de la surface. On est donc obligé de mesurer
la transmission d’un film mince. En mesurant la transmission à 633 nm et en comparant
à une référence (colle optique pure), on trouve des coefficients d’absorption de l’ordre
de quelques dizaines de cm-1 , c’est-à-dire 1 à 2% de perte. Il est difficile de donner des
valeurs plus précises par une mesure directe de la transmission et on doit utiliser une
autre méthode.
En fabriquant un PDLC entre deux miroirs de Bragg très réfléchissants et parallèles,
on obtient un filtre Fabry-Perot qu’il est possible de caractériser spectralement. On utilise
des miroirs de Bragg SiO2 /TiO2 , formés d’une alternance de couches quart d’onde. Avec 29
couches, commençant et finissant par TiO2 , on assure un coefficient de l’ordre de 0.998 sur
1. Le coefficient d’absorption α est la constante de décroissance de l’intensité lumineuse I en fonction
de la distance z : I(z) ∼ exp(−αz).
39
Matériaux PDLC pour les cavités optiques
Détecteur
f=25 mm
∞ 8x
NA0.25
D
L=175 mm
fibre optique
laser accordable
Figure 3.2 – Montage pour mesurer le spectre de transmission d’un Fabry-Perot formé autour
d’un matériau PDLC.
200
Intensité mesurée (nW)
180
160
140
ISL=70 nm
120
100
=0.24 nm
80
60
40
20
0
1573,0
1573,5
1574,0
1574,5
1575,0
1575,5
1576,0
1576,5
1577,0
Longueur d'onde (nm)
Figure 3.3 – Spectre de transmission d’une cellule Fabry-Perot formée autour d’un PDLC. La
puissance incidente est d’environ 1 mW.
toute la bande entre 1.5 et 1.6 µm. D’autre part, ce miroir est suffisamment transparent
aux ultraviolets pour que l’on puisse polymériser le mélange PDLC à travers.
Le montage de caractérisation est présenté sur la figure 3.2. La lumière d’un laser
accordable (Tunics, largeur de raie de quelques femtomètres) est amenée par une fibre
optique monomode dont le diamètre de mode est de 10.4 µm. Un objectif de microscope
de faible grossissement fait l’image de la sortie de la fibre sur l’échantillon à analyser,
formant une tache de lumière d’environ 70 µm de diamètre. La lumière transmise est
mesurée par une photodiode et le résultat est enregistré en fonction de la longueur d’onde
émise par le laser accordable.
La figure 3.3 montre le spectre obtenu au niveau d’un pic de transmission du FabryPerot. Le mélange PDLC est composé de 30% de cristal liquide BL036, 35% de colle
optique NOA81 et 35% de NOA65. La polymérisation a été réalisée à travers le miroir
de Bragg, en augmentant l’intensité de sorte que le matériau reçoive environ 40 mW/cm2
après le miroir. Le laser accordable balaye une plage de 1500 à 1620 nm, ce qui permet
de mesurer un intervalle spectral libre (ISL) de 70 nm entre 1505 et 1575 nm. La largeur
des pics de transmission est ∆λ ' 0.24 nm et la finesse est donc F = ISL/∆λ ' 2.9 · 102
[181]. Lors de la fabrication de la cellule, j’avais mesuré une épaisseur de 11 µm d’air entre
les verres à l’aide d’un interféromètre en lumière blanche. Il est possible de préciser cette
valeur à partir de la mesure de l’ISL si on connaît l’indice de réfraction du PDLC. On
peut en avoir une estimation à partir des indices de réfraction des constituants. Dans l’in-
40
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
frarouge autour de 1.5 µm, les indices des colles NOA65 et NOA81 valent respectivement
1.515 et 1.553. Ces valeurs sont déterminées grâce au développement de Cauchy présenté
dans la référence [182]. L’indice moyen du cristal liquide BL036 est n̄ = ((2n2o + n2e )/3)1/2
et on évalue les indices ordinaire no et extraordinaire ne comme expliqué dans le paragraphe 2.1. On trouve no ' 1.507 et ne ' 1.737, d’où n̄ ' 1.587. Finalement, l’indice du
PDLC est estimé par la moyenne quadratique 2 des indices de réfraction, pondérée par
leur proportion 3 : n(P DLC) = (0.35×1.5152 +0.35×1.5532 +0.30×1.5872 )1/2 ' 1.55. On
peut alors déterminer l’épaisseur du Fabry-Perot, L = λ2 /(2n × ISL) ' 10.9 µm. Notons
que cette valeur ne correspond pas exactement à l’épaisseur du PDLC car elle inclue la
longueur effective de pénétration dans les miroirs de Bragg, typiquement de 0.5 µm pour
chaque miroir. On pourra donc prendre LP DLC ' 9.9 µm
Connaissant la finesse de la cavité, on peut déduire que les pertes lors d’un allerretour valent δ ' 2π/F ' 2.2% [183]. Comme les pertes dans chaque miroir sont de
l’ordre de δ ' 2 · 10−3 , on a δP DLC ' 1.8%. Finalement, le coefficient de pertes du PDLC
à λ ' 1.5 µm est α = δP DLC /(2LP DLC ) ' 9 cm-1 .
Cette valeur dépend de la composition du PDLC et de son processus de fabrication. Par
exemple, un PDLC obtenu dans les mêmes conditions, mais avec une matrice constituée
uniquement de colle NOA65, a un coefficient de pertes double. Un PDLC obtenu avec
une insolation plus faible présente également plus de pertes. D’autre part, comme nous
le verrons plus loin, les pertes diminuent lorsqu’on applique un champ électrique sur le
matériau. Le coefficient de pertes est alors typiquement divisé par deux. Un coefficient
d’absorption de 9 cm-1 est comparable aux pertes des matériaux utilisés dans une cavité
laser : α(InP) ' α(Q1.18) ' 10 cm-1 .
Avant de passer à la suite, commentons un peu plus cette expérience. La largeur du
pic de transmission est assez petite, 0.24 nm, et il faut une résolution spectrale proche
de δλ ' 0.01 nm pour la mesurer précisément. Quelle doit alors être la tolérance sur le
parallélisme des miroirs ? Si l’écart entre les miroirs varie de δL, alors la variation de la
position du pic de transmission est δλ = λδL/L. On en déduit que la distance entre les
miroirs doit être maintenue à mieux que δL = Lδλ/λ ' 0.1 nm sur toute la taille du
spot. Ce n’est évidemment pas facile et la fabrication des cellules requiert une attention
particulière pour assurer le parallélisme. En réalité, les verres 4 sont toujours légèrement
bombés après l’assemblage de la cellule et l’art est d’arriver à obtenir un bombement
minimal et placé au centre de l’échantillon. Il faut ensuite positionner l’échantillon de
sorte que le faisceau laser tape exactement au centre du bombement. Dans ce but, on
envoie une lumière visible à travers la fibre optique pour visualiser précisément le point
d’impact du faisceau sur l’échantillon (voir schéma 3.2). On comprend que pour sonder
une zone d’épaisseur constante à 0.1 nm près, même au centre du bombement, il est
nécessaire d’avoir un spot assez petit sur l’échantillon. Mais le spot laser ne peut pas être
aussi petit que l’on veut car la divergence du faisceau augmente lorsque la taille du spot
diminue. Le choix du grossissement est donc un compromis entre une tache suffisamment
petite et un faisceau suffisamment parallèle. Plus précisément, le demi-angle de divergence
θ (en radians) est relié au waist w0 du faisceau par θ = λ/(πw0 ). Dans notre situation
expérimentale, avec l’objectif de microscope sélectionné, on a w0 ' 36 µm et θ ' 14 mrad.
2. La susceptibilité diélectrique est obtenue par une moyenne pondérée simple, ce qui implique que
l’indice effectif est obtenu par une moyenne pondérée quadratique.
3. En toute rigueur, il faut utiliser les proportions volumiques, mais les densités des composants sont
voisines et le résultat n’est pas affecté si l’on prend les proportions en masse.
4. J’ai utilisé des verres de 1.1 mm d’épaisseur.
41
Matériaux PDLC pour les cavités optiques
(a)
Trajet de
la lumière
(b)
Goutte de
cristal liquide
E
Matrice polymère
Figure 3.4 – Réorientation du cristal liquide dans un matériau PDLC sous l’action d’un champ
électrique.
Sous une incidence θ, la variation de la position du pic de transmission du Fabry-Perot est
δλ ' λθ2 /2. En prenant la valeur précédente de θ, on trouve δλ ' 0.14 nm, ce qui laisse
penser que le montage utilisé n’a pas la résolution nécessaire pour annoncer un résultat
de 0.24 nm. Mais ce n’est pas si simple car on a oublié le fait qu’on travaille avec un
faisceau gaussien et que le profil de phase est pratiquement plan sur toute la longueur de
Rayleigh, qui vaut ici zR = πw02 /λ ' 2.6 mm. Ainsi, la valeur de 0.14 nm ne caractérise pas
la résolution de notre mesure et on a en réalité une meilleure résolution. On peut tenter
d’évaluer la finesse maximale mesurable en disant que la longueur typique du trajet de
la lumière dans la cavité, 2L × F/(2π), doit être plus petite que la longueur sur laquelle
le profil de phase reste à peu près plan, zR . La finesse maximale envisageable est donc
Fmax ' π 2 w02 /(λL) ' 8 · 102 , ce qui montre que la divergence du faisceau ne limite pas
la mesure dans notre situation expérimentale. Bien sûr, ce calcul ne donne qu’un ordre
de grandeur et suppose que l’échantillon est bien placé au waist du faisceau. Plutôt que
de continuer sur la théorie du faisceau gaussien dans un Fabry-Perot, je conclurai en me
basant sur l’expérience : c’est avec cette taille de waist que les pics les plus propres et
les plus fins ont été observés. C’est dans cette situation que la finesse calculée peut être
attribuée uniquement au matériau et non à des erreurs de géométrie. Avec des spots plus
larges, la raie mesurée s’élargit car le faisceau sonde des épaisseurs de cavité variables.
Avec des spots plus petits, la raie mesurée est également plus large car ils sont délicats à
positionner (longueur de Rayleigh plus faible) et ont une divergence plus forte.
Le bilan de ce paragraphe est que les pertes linéiques du PDLC étudié sont comparables
aux pertes linéiques des semiconducteurs utilisés dans le laser (α ' 10 cm-1 ). Ces pertes
sont donc relativement faibles et il est envisageable d’inclure le PDLC comme lame de
phase à l’intérieur de la cavité laser.
3.1.3
Mesure de la variation d’indice
Il reste maintenant à étudier la variation d’indice du PDLC lorsqu’on lui applique
un champ électrique. La figure 3.4(a) schématise l’orientation du cristal liquide dans les
pores du PDLC en l’absence de champ électrique. L’orientation moyenne est aléatoire et
le milieu est isotrope. On rappelle que les gouttes sont petites devant la longueur d’onde
et que la lumière voit seulement leur indice moyen. La contribution du cristal liquide à
l’indice effectif du PDLC est n̄ = ((2n2o + n2e )/3)1/2 ' 1.587 comme on l’a mentionné
plus haut. La figure 3.5 montre un film PDLC observé au microscope entre polariseur et
analyseur croisés, sans champ appliqué et avec une forte illumination. Cette image révèle
42
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
Figure 3.5 – Film PDLC observé au microscope en transmission entre polariseur et analyseur
croisés, avec une forte illumination. Une graduation de l’échelle représente 10 µm. Composition
du mélange PDLC : 30% BL036, 70% NOA65. Photopolymérisation : 40 mW/cm2 (UV 365 nm).
une microstructure à l’échelle du micron, qui est probablement à l’origine des pertes
optiques. Le film n’est donc pas parfaitement isotrope en lumière visible (λ ' 0.5 µm),
mais cette microstructure est lissée pour la longueur d’onde de travail (λ ' 1.5 µm).
La figure 3.4(b) indique l’action d’un champ électrique sur le PDLC. Les molécules de
cristal liquide s’orientent dans la direction du champ et le milieu devient anisotrope, avec
un axe optique parallèle au champ électrique. Par conséquent, une lumière dirigée dans
cette direction voit un milieu isotrope et la contribution du cristal liquide à l’indice est
no = 1.507. Comme la concentration de cristal liquide dans les PDLC étudiés est de 30%,
on s’attend à une variation d’indice maximale de ∆n = xCL (n̄ − no ) ' 0.024. D’autre
part, cette orientation du cristal liquide diminue les pertes optiques car l’écart d’indice
avec la matrice est réduit.
Il n’est pas évident de mesurer cette faible variation d’indice dans des films épais de
moins de 10 µm car la variation de chemin optique n’est que de 0.24 µm au maximum.
J’ai développé une méthode assez simple qui permet de faire une mesure précise. Le dispositif expérimental est schématisé sur la figure 3.6. Une cellule de PDLC est placée à
l’intérieur d’une cavité d’analyse Fabry-Perot (Burleigh). Un des deux miroirs est monté
sur des transducteurs piézo-électriques qui permettent de varier la longueur L de la cavité.
Le PDLC est formé entre deux verres revêtus d’ITO (Indium-Tin Oxyde). Ce revêtement
conducteur permet d’appliquer un champ électrique E homogène sur le matériau. On applique entre les électrodes une tension alternative de forme carrée, de fréquence 1 kHz et
de valeur efficace U . L’utilisation d’une tension alternative est nécessaire car une tension
constante provoquerait des réactions d’électrolyse aux électrodes et dégraderait le matériau. Cela ne change pas grand chose pour le cristal liquide puisqu’il n’est pas sensible au
sens du champ, mais seulement à sa direction.
On fait passer le faisceau parallèle d’un laser hélium-néon (λ = 633 nm) à travers la
cellule et on mesure l’intensité I de la lumière transmise avec une photodiode. Le signal
amplifié est envoyé sur un oscilloscope. La position du miroir mobile du Fabry-Perot
d’analyse est commandée par une tension Up appliquée sur les éléments piézo-électriques.
On applique une rampe de tension et on observe l’intensité transmise I, au cours de la
rampe de tension et lorsqu’on varie le champ appliqué sur le PDLC.
Pour comprendre le détail de la mesure, prenons un exemple de situation expérimentale. On considère un PDLC fabriqué dans une cellule d’épaisseur e = 6 µm, à partir d’un
mélange composé de 30% de cristal liquide BL036, 35% de colle NOA81 et 35% de colle
NOA65 et photopolymérisé sous une intensité de 40 mW/cm2 (ultraviolets à 365 nm). La
43
Matériaux PDLC pour les cavités optiques
générateur U
miroir mobile
D
I
laser HeNe
L
ampli
Up
générateur
Up /100
T
oscilloscope
U>0
T(ISL)
U=0
I
Up
t
Figure 3.6 – Expérience pour mesurer la variation d’indice d’un PDLC en utilisant un analyseur
Fabry-Perot à miroir mobile.
cellule est placée entre les miroirs de l’analyseur Fabry-Perot qui sont écartés de L = 3 cm
environ (la valeur exacte n’est pas importante). On commence par balayer la cavité avec
une rampe Up d’amplitude suffisante pour voir au moins un intervalle spectral libre (ISL)
et on détermine la tension correspondante. Dans notre cas, ∆Up (ISL) = 180 V. On en
déduit la constante de proportionnalité entre la tension appliquée et le déplacement mécanique du miroir mobile : dL/dUp = (λ/2)/∆Up (ISL) = 1.76 nm/V. On diminue ensuite
l’amplitude de la rampe de tension de façon à observer un pic unique avec précision et
on mesure la vitesse de la rampe. Dans notre cas, v = dUp /dt = 3.94 V/ms. L’expérience
consiste alors à appliquer le champ sur le PDLC avec une tension alternative de valeur
efficace U > 0. On constate que les pics de transmission se décalent d’un temps ∆t (voir
l’insert dans la figure 3.6). Dans notre, cas, pour U = 100 V, on mesure ∆t = 8.2 ms.
L’exploitation numérique est alors la suivante. Connaissant l’épaisseur e de la cellule,
on détermine que le champ appliqué est E = U/e = 16.7 V/µm. Connaissant le décalage
temporel ∆t induit par l’application du champ U , on déduit que la variation de tension
correspondante est ∆Up = v∆t = 32.3 V, puis que le déplacement du miroir mobile est
∆L = dL/dUp × ∆Up = 57 nm. Le décalage du miroir mobile compense exactement la
diminution du chemin optique lorsque le champ est appliqué sur le PDLC. On en déduit
que la variation d’indice du PDLC est ∆n = ∆L/e = 0.0095. En résumé, pour cet exemple,
on conclut qu’un champ E = 16.7 V/µm induit une baisse d’indice de ∆n = 0.0095 dans
le PDLC.
La méthode présentée permet de déterminer des variations de chemin optique avec une
précision de 1 nm, ce qui est difficile à envisager en utilisant un interféromètre de MachZehnder. On note également que lorsque le champ appliqué augmente, on peut observer
une augmentation de la finesse, due à la diminution des pertes optiques.
44
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
0.018
BL036, 30%
40 mW/cm2
0.016
Vari ation d'i ndi c e Δn
0.014
NOA65, 70%
0.012
0.010
NOA65, 35%
NOA81, 35%
0.008
0.006
0.004
NOA81, 70%
0.002
0.000
0
5
10
15
20
25
30
Cham p élec trique E (V/μm )
Figure 3.7 – Variation d’indice en fonction du champ appliqué pour différentes compositions
de la matrice du PDLC.
0.008
0.008
BL036
NOA81
40 mW/cm2
0.006
0.005
40% CL
0.004
0.003
30% CL
0.002
0.006
0.005
0.004
0.002
0.001
0.000
0.000
2
4
6
8
10
12
14
Cham p élec trique E (V/μm )
(a) Influence de la concentration de
cristal liquide
10 mW/cm2
0.003
0.001
0
BL036, 30%
NOA81, 70%
0.007
Vari ation d'i ndi c e Δn
Vari ation d'i ndi c e Δn
0.007
40 mW/cm2
0
2
4
6
8
10
12
14
Cham p élec trique E (V/μm )
(b) Influence de l’intensité UV (à
365 nm) lors de la polymérisation
Figure 3.8 – Variation d’indice en fonction du champ appliqué pour différents matériaux PDLC.
Structure laser
45
Cette technique permet de déterminer les variations d’indice ∆n en fonction du champ
E appliqué. A priori, le résultat est seulement valable à 633 nm et la variation d’indice
à 1.5 µm est réduite d’environ 5 à 10% (voir le paragraphe 2.1). La figure 3.7 présente
la variation d’indice à 633 nm pour différentes compositions de la matrice PDLC. La
saturation se fait vers ∆n ' 0.016, ce qui correspond à ∆n ' 0.015 dans l’infrarouge
à 1.5 µm. Cela ne représente que 63% de la valeur attendue ∆n ' 0.024 et indique
qu’environ 37% du cristal liquide ne participe pas à la réorientation et reste figé dans la
matrice. On constate qu’une matrice en NOA81 pure ne permet pas d’arriver à saturation
sous un champ raisonnable, le claquage se produisant vers 30 V/µm. La raison est que
les gouttes de cristal liquide sont petites et difficiles à réorienter. Les références
√ [184]
et [185] mentionnent en effet que la tension de commande nécessaire varie en 1/ d, où
d est le diamètre des gouttes. La figure 3.8(a) présente la variation d’indice à 633 nm
pour deux concentrations de cristal liquide. La variation d’indice est évidemment plus
forte lorsqu’il y a plus de cristal liquide dans le matériau. Malheureusement, les pertes
optiques sont en même temps beaucoup plus élevées. La figure 3.8(b) présente la variation
d’indice à 633 nm pour deux intensités différentes lors de la photopolymérisation (toujours
à température ambiante). Une polymérisation à intensité plus faible permet permet une
grande variation d’indice. Ceci est dû à la taille plus grande des gouttes de cristal liquide,
qui permet une meilleure réorientation du cristal liquide. Malheureusement, les pertes
optiques sont augmentées.
Finalement, quel matériau PDLC envisager pour inclure dans une cavité laser ? Le mélange le plus souvent cité en exemple est celui que j’ai sélectionné. Il est composé de 30%
de cristal liquide BL036, 35% de colle NOA81, 35% de colle NOA65 et photopolymérisé
sous une intensité de 40 mW/cm2 (ultraviolets à 365 nm). Il présente des pertes optiques
comparables aux pertes des matériaux semiconducteurs de la structure laser (α ' 9 cm-1 )
et ces pertes diminuent lorsque le champ est appliqué. Il est possible d’atteindre la saturation ∆n ' 0.015 dans l’infrarouge à 1.5 µm sous un champ de 25 V/µm, ce qui correspond
à 150 V pour 6 µm d’épaisseur. Ce champ est élevé, mais comparable aux 170 V qui ont
été utilisés lors de la première réalisation d’un laser accordable à PDLC [31]. D’autre
part, l’intensité utilisée pour sa photopolymérisation est nettement plus faible que les
350 mW/cm2 envisagés dans [31, 180]. Il est donc possible d’insoler le matériau à travers
un miroir de Bragg SiO2 /TiO2 . En comparaison, une matrice de NOA65 pure permet
une plus faible tension de commande, mais double les pertes optiques. Notons qu’il est
éventuellement possible d’utiliser une matrice en NOA81 pure et d’insoler l’échantillon
avec une intensité plus faible. Je n’ai pas choisi cette solution car j’ai eu des problèmes
de reproductibilité.
3.2
Structure laser
Notre objectif est d’intervenir sur des demi-cavités VCSEL hybridées sur un réseau
d’interconnexion en silicium. L’hybridation est faite par flip-chip et collage par billes d’indium [11, 12]. Le flip-chip est une technologie efficace pour reporter des puces sur un
circuit d’interconnexion car le robot peut faire les manipulations de manière automatique
avec une précision micronique [186]. La technique de collage par billes d’indium permet
un positionnement encore plus précis des composants grâce à l’action des forces de capillarité des billes d’indium au moment de leur fusion. En plus de servir au positionnement
mécanique lors de l’hybridation, les billes forment les contacts électriques entre le réseau
d’interconnexion et le composant reporté.
46
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
Wafer (InP)
Stop etch (InGaAs)
InP(non dopé)
Colle époxyde
infiltrée
Billes d'indium et
plots de mouillage
Circuit d'interconnexion
sur wafer en silicium
Figure 3.9 – Puce après hybridation sur un circuit en silicium. L’hybridation est faite grâce à
des micro-billes d’indium. Les proportions ne sont pas respectées par le schéma.
InP p
Zone
active
InP n
InP(non dopé)
Contact
en or
Jonction tunnel
enterrée
InP n
Colle
époxyde
infiltrée
Miroir de Bragg
a-Si/a-SiNx
Circuit silicium avec
pistes en aluminium
Contact
positif
Contact
de masse
Bille d'indium et
plots de mouillage
Figure 3.10 – Structure de la demi-cavité VCSEL après amincissement.
La figure 3.9 montre le composant après l’hybridation. Pour faire l’hybridation, le
wafer de puces VCSEL est découpé, puis les puces sont reportées à l’envers sur le circuit
d’accueil en silicium (flip-chip). Le sommet du pilier est donc le fond du wafer des puces (en
phosphure d’indium, InP, dans notre cas). L’ensemble est alors chauffé à une température
supérieure à la température de fusion de l’indium (157°C) puis revient à température
ambiante. Cette étape permet la formation des billes d’indium. Les forces de capillarité
lors de la phase liquide permettent un auto-alignement des puces par rapport au substrat
silicium. Pour finir, une colle époxyde est infiltrée dans l’espace entre la puce et le circuit
silicium pour assurer une bonne résistance mécanique (l’indium est très malléable).
Pour former une demi-cavité VCSEL, il faut se rapprocher de la zone active et le
wafer doit être aminci. L’amincissement se fait en deux étapes, d’abord par abrasion
mécanique, jusqu’à quelques dizaines de microns du but, puis par attaque chimique où la
gravure met à jour une couche d’arrêt (stop etch) prévue dans le but d’obtenir une surface
bien définie, propre et plane. Cette couche d’arrêt est à son tour gravée pour mettre à jour
la demi-cavité VCSEL. Après amincissement, l’épaisseur par rapport au plan du silicium
est d’environ 11 µm, 8 µm pour les billes d’indium et 3 µm pour la demi-cavité VCSEL.
La figure 3.10 présente les éléments essentiels de la demi-cavité VCSEL reportée, après
amincissement du wafer [187]. La zone active est alimentée de manière localisée grâce à
une jonction tunnel enterrée. Le miroir de fond de cavité est un miroir de Bragg déposé
par pulvérisation cathodique, alternant des couches quart d’onde de silicium amorphe et
Structure laser
47
Figure 3.11 – Puce pastiche reportée sur un réseau d’interconnexion en silicium. Le côté de la
puce mesure 470 µm, sa hauteur est de 200 µm environ.
de nitrure de silicium amorphe. Les contacts électriques sont en or, matériau qui permet
également un bon transfert thermique. Le sommet de la demi-cavité est une couche d’InP
non dopée, dont l’épaisseur peut éventuellement être diminuée par gravure pour accorder
la cavité optique par rapport au spectre de gain de la zone active.
La figure 3.11 montre un exemple de puce reportée. C’est un rebut de production que
j’ai demandé pour pouvoir faire des essais. Il a été produit par la même technique que les
échantillons réels et la géométrie est la même. Le côté de la puce fait 470 µm. La différence
principale avec notre projet est que la puce n’a pas été amincie. Elle forme un pilier haut
de 200 µm environ. La photographie a été prise en faisant la mise au point sur la surface
supérieure du pilier et la surface du circuit en silicium n’est pas nette car elle sort de la
profondeur de champ du microscope. La surface supérieure du pilier est donc le fond du
wafer (en GaAs, dans le cas de cette puce pastiche).
Comme présenté dans l’introduction, le premier objectif du projet LambdaAccess vise
à fabriquer des puces laser VCSEL accordables grâce à une couche de PDLC intra-cavité.
La structure désirée a été présentée sur la figure 1.3. Quelle plage d’accord peut-on espérer
avec cette structure ? La cavité comporte une épaisseur Ls ' 2.0 µm de semiconducteur,
d’indice ns ' 3.3 et une épaisseur L ' 6 µm de PDLC, d’indice n ' 1.55, avec une
variation possible de ∆n ' 0.015 sous l’action d’un champ électrique. Le laser est prévu
pour fonctionner autour de λ ' 1.55 µm. La variation de longueur d’onde émise en
fonction de la variation d’indice du PDLC est ∆λ = λ × L∆n/(Ls ns + Ln) ' 9 nm.
Cette largeur de 9 nm ne permet pas de couvrir toute la bande C, mais le composant
envisagé présente quand même un intérêt pour certaines applications et sa réponse est
rapide, moins d’une milliseconde [180]. L’intervalle spectral libre de la structure envisagée
est ISL = λ2 /(2 × (Ls ns + Ln)) ' 76 nm, ce qui suffit largement à éviter les sauts de
mode. Il sera nécessaire d’accorder la cavité optique pour que la zone d’accordabilité de
9 nm tombe dans la zone où le gain est maximal. Les pertes lors d’un passage dans le
PDLC valent δP DLC = LαP DLC = 5.4 · 10−3 . Pour un passage dans le semiconducteur,
les pertes sont environ δs = Ls αs ' 2.0 · 10−3 , sans tenir compte des pertes dues à la
jonction tunnel. Au total, les pertes optiques représentent δ ' 7.4 · 10−3 . Pour avoir un
fonctionnement laser, il faut que ces pertes soient compensées par le gain de la zone active.
Un puits quantique de la structure permet un gain maximal de l’ordre de δ = 2· 10−3 pour
un passage [188]. On en déduit qu’il faut au moins quatre puits quantiques pour permettre
48
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
l’émission laser. L’équipe de l’INSA de Rennes fabrique couramment des structures avec
6 puits quantiques.
3.3
(a)
Dépôt du PDLC
(b)
Espaceur (6 µm)
Mélange PDLC
(c)
Polymérisation UV (365 nm)
(e)
(d)
(f)
Pressage avec un verre
revêtu d'un antiadhésif
Ouverture
Dépôt de miroir de Bragg, puis d'ITO
PDLC à l'air libre
Figure 3.12 – Procédé envisagé pour fabriquer des puces VCSEL à PDLC intra-cavité. Les
échelles ne sont pas respectées et seul un espaceur est représenté.
Le processus initialement envisagé pour la fabrication de puces VCSEL à PDLC intracavité est représenté sur la figure 3.12. La première étape (a) est de déposer sur chaque
puce une goutte de mélange PDLC contenant des espaceurs calibrés. Un substrat de verre
revêtu d’un antiadhésif est pressé sur l’échantillon pour former une couche de PDLC
d’épaisseur adéquate (étape (b)). Le mélange PDLC est ensuite polymérisé par insolation
aux ultraviolets à travers le verre (étape (c)). Une fois le PDLC formé, le substrat de verre
peut être décollé (étape (d)). Ceci est possible grâce à l’antiadhésif qui recouvre le verre
49
Dépôt du PDLC
Figure 3.13 – Matrice de puces reportées recouvertes d’une couche de PDLC polymérisé. Le
circuit élémentaire est un carré de 4 mm de côté.
(a) Observation sous microscope en réflexion
(b) Observation en lumière polarisée
avec polariseur croisé
Figure 3.14 – PDLC polymérisé au sommet d’un puce. Le côté de la puce mesure 470 µm.
L’épaisseur du PDLC est définie grâce à des espaceurs inclus dans le mélange.
(ce point sera développé au paragraphe suivant). On obtient une couche de PDLC à l’air
libre (étape (e)) qui est destinée à être recouverte du miroir de Bragg et d’une électrode
transparente en ITO (étape (f)).
Le résultat du processus au niveau de l’étape (e) est montré sur la photographie
3.13. Les gouttes de mélange PDLC ont été déposées à la seringue grâce à un robot de
dépôt (EFD Ultra TT) dont la résolution est de 10 µm. La figure 3.14 montre le sommet
d’une puce, vu au microscope en réflexion. Il est possible de distinguer les espaceurs sur
la photographie (a). La photographie (b) est prise en lumière polarisée avec polariseur
croisé. En regardant attentivement, on constate que chaque espaceur est entouré d’une
zone présentant une anisotropie plus grande que le reste du PDLC. Ceci indique que la
structure PDLC ne se forme pas correctement au voisinage des espaceurs.
J’ai analysé la topographie de la surface du PDLC obtenu en utilisant un profilomètre
optique. La surface est plane avec une rugosité inférieure à 5 nm, la qualité de la surface du
verre a été transférée au matériau. La figure 3.15 montre le détail au niveau d’un espaceur.
50
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
Figure 3.15 – Topographie de la surface du PDLC au sommet d’une puce. La protubérance est
un espaceur inclus dans le PDLC. La mesure est faite avec un profilomètre optique.
Espaceur (17 µm)
Fluide de dépôt
Figure 3.16 – Procédé de fabrication du PDLC utilisant des espaceurs autour des puces. Les
espaceurs sont déposés à l’aide d’un fluide porteur.
La bosse qui correspond à l’espaceur est coupée sur la figure, sa hauteur est d’environ
40 nm. Les espaceurs subissent une contrainte lors de l’appui de la plaque de verre, ils se
relaxent après le relâchement de la contrainte et ressortent un peu de la matrice.
Inclure les espaceurs dans le mélange permet de définir facilement l’épaisseur du PDLC.
Mais si un espaceur se retrouve dans la zone prévue pour le faisceau laser, la puce sera
inopérante. Cette technique entraînera donc un taux de rebut incompressible. Une autre
possibilité est de ne pas inclure les espaceurs dans le mélange PDLC mais de les disposer
autour des puces comme indiqué sur la figure 3.16. Pour cela on peut utiliser un fluide
contenant des espaceurs et le déposer à l’aide du robot. Le fluide contenant les espaceurs
a été présenté au chapitre précédent.
Les deux méthodes, espaceurs inclus dans le PDLC ou déposés autour des puces dans
un fluide, permettent d’obtenir des couches planes de PDLC à l’air libre. La séparation
entre le PDLC et le substrat qui le presse est rendue possible grâce à l’utilisation d’un
antiadhésif que l’on va décrire maintenant.
3.4
Matériaux antiadhésifs
Pour transférer une structure d’un substrat vers un autre, il faut qu’elle puisse se
décoller du premier substrat. Pour cela on doit déposer un revêtement antiadhésif (release
Matériaux antiadhésifs
51
coating). Plusieurs matériaux antiadhésifs ont été envisagés.
Figure 3.17 – Structure chimique d’un polyméthylsilsesquioxane comportant quelques groupements silanol.
Le GR-650F de Techneglas est un polyméthylsilsesquioxane solide dont la structure
chimique est indiquée sur la figure 3.17) [189]. Les polysilsesquioxanes, également appelés
T-résines, sont des polymères de formule brute (RSiO1.5 ) [190]. Le préfixe sesqui signifie
justement "un et demi". Chaque atome de silicium est relié à trois atomes d’oxygène et à un
groupement supplémentaire R, qui est le méthyle dans le cas du GR-650F. Le matériau
contient également des fonctions silanol qui, à température élevée, peuvent se lier par
condensation. Ces fonctions peuvent également réagir avec les groupements silanols de la
surface d’un substrat de verre. La cuisson du matériau se fait à environ 150°C et le film
obtenu est dur et bien attaché à la surface du verre.
Figure 3.18 – Structure inhomogène de l’antiadhésif GR650F obtenue à partir d’une solution à
1% dans l’isopropanol déposée à la tournette à 1000 tr/min. Observation au microscope optique.
Une petite graduation mesure 10 µm.
La mise en oeuvre de ce matériau n’a pas été immédiate. Bien soluble dans les alcools
(isopropanol ou butan-1-ol par exemple), il est facile de préparer une solution à environ
1%, en laissant le solide se dissoudre sous agitation pendant quelques heures. Mais on
constate que le dépôt réalisé à la tournette ne se fait pas de manière homogène, comme
illustré sur les figures 3.18 et 3.19. Dans le cas où le solvant est l’isopropanol, on constate
que les inhomogénéités reproduisent le tracé des rainures d’aspiration du chuck de la
tournette. Cela suggère que la température de la surface du substrat joue un rôle. En
utilisant le butan-1-ol, on limite le refroidissement car l’évaporation est plus lente que
52
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
Figure 3.19 – Mesure de topographie au profilomètre optique sur une surface semblable à celle
de la figure 3.18.
Solvant
Pression de vapeur saturante (hPa à 20°C)
Viscosité
(mPa·s à 25°C)
Isopropanol
Butan-1-ol
43
6.7
2.04
2.54
Enthalpie de
vaporisation
(kJ/mol à 25°C)
45
52
Table 3.1 – Propriétés de deux solvants envisagés pour dissoudre le GR650F dans le but de
formuler une solution de dépôt à la tournette [191].
pour l’isopropanol (voir tableau 3.1). Malheureusement un dépôt utilisant le butan-1-ol
pur présente les mêmes structures inhomogènes que celles de la figure 3.18.
Je suis finalement arrivé à une solution permettant d’obtenir des dépôts plats en utilisant un mélange de 50% d’isopropanol et 50% butan-1-ol (les pourcentages sont des
pourcentages en masse, mais cela n’a pas d’incidence dans ce cas). Il est également nécessaire de filtrer la solution à 0.2 µm car sans cette précaution, le dépôt présente de
nombreuses particules non désirées. Avec une concentration en GR-650F de 0.8%, le dépôt obtenu à 4000 tr/min est plat, d’une épaisseur de 20 nm environ, avec une rugosité
inférieure à 3 nm (limite de détection du profilomètre optique utilisé).
Comme autre antiadhésif, j’ai testé le matériau "Dow Corning 20 Release Coating",
de Dow Corning, comme son nom l’indique. C’est également un silicone, mais je n’ai pas
trouvé assez d’informations sur sa composition pour comprendre exactement comment il
réagit. Ce sont probablement des réactions de condensation comme pour le matériau GR650F, mais la documentation du produit indique qu’il n’est pas nécessaire de le chauffer
[192], ce qui est surprenant. Le produit se présente en solution à 50% dans un mélange
d’hydrocarbures. Après dilution dans le cyclohexane pour atteindre une fraction solide de
1%, on obtient une solution qui se dépose correctement à la tournette, formant un film
plat.
J’ai également testé l’utilisation d’un fluorosilane, plus précisément un chlorosilane
perfluoré, le trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (voir figure 3.20). Le produit
pur est liquide et réagit facilement avec les groupements hydroxy, par exemple avec les
silanols de la surface d’un substrat de verre, mais aussi avec les molécules d’eau. L’eau fait
polymériser le produit en créant des liaisons Si-O-Si entre deux molécules, chaque molécule
pouvant faire trois liaisons de ce type. Il faut donc faire particulièrement attention à
53
Matériaux antiadhésifs
Figure 3.20 – Fluorosilane utilisé comme antiadhésif.
conserver ce produit à l’abri de l’humidité et à le manipuler avec des outils secs. Avec
une solution à environ 0.5% dans le cyclohexane, on réalise le dépôt sur un substrat
préalablement déshydraté à chaud, puis on hydrolyse les fonctions chlorosilanes restantes
en passant l’échantillon sous l’eau. En théorie, si la déshydratation était bonne, on obtient
une couche mono-moléculaire présentant une surface fluorée, peu réactive et peu polaire,
donc antiadhésive.
Pour comparer le pouvoir antiadhésif des trois produits envisagés, j’ai fait une expérience très simple. Sur un premier substrat de verre revêtu d’un antiadhésif A, j’ai déposé
quelques gouttes d’un mélange PDLC et j’ai pressé légèrement avec un deuxième substrat
de verre revêtu d’un antiadhésif B. Après polymérisation du mélange PDLC sous lumière
ultraviolette, j’ai séparé les deux substrats et regardé sur quel substrat le PDLC restait
collé. Les résultats du tableau 3.2 permettent de déduire que le GR-650F et le fluorosilane
sont les antiadhésifs les plus efficaces dans notre situation. Comme le fluorosilane est très
réactif et que sa conservation et sa mise en oeuvre sont délicates, j’ai préféré utiliser le
GR-650F pour l’essentiel du travail. Par souci de précision, j’ajouterai que le matériau
Dow Corning 20 n’est pas forcément à mettre au rebut car je ne l’ai peut-être pas utilisé
dans les conditions optimales. En effet, comme pour le GR-650F, il serait possible de le
cuire et cela améliorerait peut-être ses propriétés.
Substrat A
GR-650F
GR-650F
Substrat B
DC-20
fluorosilane
Substrat sur lequel le PDLC reste
collé après séparation
DC-20
l’un et l’autre
Table 3.2 – Expérience de séparation d’un mélange PDLC polymérisé entre deux substrats de
verre A et B, revêtu chacun d’antiadhésif différent.
Pour finir au sujet des antiadhésifs, j’aimerais ajouter une remarque au sujet de la
surface obtenue. De par sa nature, silicone ou fluorée, c’est une surface très hydrophobe et
il n’est pas évident que l’on puisse la recouvrir correctement avec une solution pour former
un film fin et homogène. Il faudra d’abord trouver un solvant qui mouille suffisamment
bien la surface hydrophobe (pour le GR-650F, c’est assez facile). Mais la composition du
liquide change au fur et à mesure de l’évaporation du solvant et il n’est pas évident que le
mouillage se maintienne tout au long du processus d’évaporation, malgré l’augmentation
de la viscosité. Ainsi, le dépôt d’un film sur un antiadhésif est à priori critique et par
exemple, il a été difficile de déposer correctement un film fin de colle optique sur une
surface de GR-650F. Par contre, j’ai constaté que les photorésines à base de novolac s’y
déposent correctement.
54
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
(a) Observation sous microscope en ré- (b) Observation en lumière polarisée
flexion
avec polariseur croisé
Figure 3.21 – Dégorgement du PDLC après une dizaine de jours lorsque sa surface est à l’air
libre.
3.5
Problèmes rencontrés
La technologie qui a été développée dans le paragraphe 3.3 présente des problèmes que
l’on va exposer maintenant.
3.5.1
Dégorgement du PDLC
Revenons sur la figure 3.12. Après l’ouverture du capot à l’étape (d), la surface du
PDLC se retrouve à l’air libre (e). Dans la journée qui suit, on constate qu’un peu de
cristal liquide perle à la surface. Après une dizaine de jours, le dégorgement est notable,
comme observé sur la figure 3.21 De cette observation on peut tirer la conclusion que le
cristal liquide est capable de diffuser à travers la matrice polymère pour aller à la surface.
On peut également tirer la conclusion que le cristal liquide ne mouille pas la matrice
polymère. J’interprète donc ce dégorgement comme un démouillage du cristal liquide.
Il est donc nécessaire de déposer rapidement le miroir de Bragg (étape 3.12(f)), avant
que le cristal liquide ne soit sorti. Il faut aussi nettoyer l’échantillon pour enlever les gouttes
de cristal liquide avant de faire le dépôt. Ce nettoyage peut être fait avec de l’isopropanol
(IPA) ou du cyclohexane. Le cyclohexane a l’avantage de bien dissoudre le cristal liquide,
mais l’échantillon doit être séché rapidement car ce solvant pénètre la structure du PDLC
et favorise la dissolution du cristal liquide dans la matrice polymère. Si l’échantillon reste
trop longtemps au contact du cyclohexane, il ressort plus transparent qu’avant, mais ses
propriétés électro-optiques sont dégradées. D’autres solvants comme l’acétone détruisent
la structure du PDLC et entraînent même son décollement.
3.5.2
Dépôt du miroir de Bragg
Le dépôt du miroir de Bragg sur le PDLC a posé des problèmes. Le premier type de
miroir envisagé est un miroir de Bragg SiO2 /TiO2 . Il est formé d’une alternance de couches
quart d’onde de silice SiO2 (n = 1.47 à λ = 1.5 µm, épaisseur 264 nm) et de dioxyde de
titane TiO2 (n = 2.23 à λ = 1.5 µm, épaisseur 174 nm). Le dépôt est fait par une entreprise
extérieure dans un système Balzers BAK 600. Les indices des matériaux déposés sont
donnés par l’entreprise et ne correspondent pas à ceux des matériaux massifs purs. Ceci
est normal car les matériaux déposés sont moins compacts que les matériaux massifs et leur
Problèmes rencontrés
55
Figure 3.22 – Craquelures produites lors du dépôt du miroir de Bragg sur un PDLC. La largeur
de l’image est de 1.8 mm.
stoechiométrie peut être différente. Les matériaux préparés dans des creusets sont évaporés
par canon à électron et compactés par assistance ionique (Ion Assisted Deposition, IAD).
Un dépôt de 17 couches, commençant et finissant par TiO2 permet une réflexion comprise
entre 99.58 et 99.60% sur toute la bande C. L’épaisseur du miroir est alors de 3.7 µm et
la profondeur de pénétration est de l’ordre de 0.5 µm.
Le problème qui est apparu est que les miroirs de Bragg étaient systématiquement
craquelés lors du dépôt sur le PDLC (voir figure 3.22). Dans la même situation, le dépôt
sur une colle pure ou sur une couche de photorésine diazonaphtoquinone-novolac est de
bonne qualité. Lors du dépôt, la température des échantillons monte à environ 100°C et
ces craquelures mettent en évidence la forte sensibilité du PDLC à la température. Elles
sont le signe que des contraintes mécaniques sont crées lors du processus, à cause du dépôt
à température élevée puis de la redescente à température ambiante. À la rigueur, on peut
espérer que le dépôt se fasse correctement sur de petites surfaces, puisque la figure 3.22
montre que l’écart typique entre les craquelures est de l’ordre du millimètre. Mais dans
ce cas, le PDLC et le miroir de Bragg auront quand même emmagasiné des contraintes
mécaniques, ce qui est de mauvaise augure pour leur vieillissement.
Le deuxième type de miroir envisagé est un miroir de Bragg a-Si/a-SiNx . Il est formé
d’une alternance de couches quart d’onde de silicium amorphe a-Si (n = 3.73 à λ =
1.5 µm, épaisseur 104 nm) et de nitrure de silicium amorphe a-SiNx (n = 1.83 à λ =
1.5 µm, épaisseur 212 nm). Le dépôt a été fait par l’INSA de Rennes dans un système
de pulvérisation cathodique (Leybold). La cible en silicium est pulvérisée par un plasma
d’argon. Un gaz réactif (forming gaz) contenant du diazote est ajouté pour former le
nitrure. Un dépôt de 13 couches, commençant et finissant par a-Si permet une réflexion
comprise entre 99.49 et 99.51% sur toute la bande C. L’épaisseur du dépôt est alors de
2.0 µm. Ce dépôt se fait pratiquement sans craquelure sur le PDLC, contrairement au
premier type de miroir envisagé.
Toutefois, après quelques semaines, on observe l’apparition de zones troubles et biréfringentes sous la surface du miroir. Ce défaut de vieillissement se développe pour les deux
types de miroirs. Comme on l’a vu plus haut, le cristal liquide a tendance à sortir de la
matrice PDLC si la surface est à l’air libre. Il semble que ce phénomène soit à l’oeuvre ici
et qu’une partie du cristal liquide soit sortie du PDLC et se soit accumulée sous la surface
du miroir. La raison est probablement que la couche diélectrique déposée ne forme pas de
56
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
(a)
Verre revêtu d'un antiadhésif
et d'une couche de polymère
Mélange PDLC
(b)
Pressage du mélange PDLC, puis
polymérisation UV (365 nm)
(c)
Ouverture
Figure 3.23 – Préparation d’une couche de PDLC revêtue d’un capot en polymère assurant
l’étanchéité. Les espaceurs ne sont pas représentés.
liaisons chimiques assez solides et assez nombreuses avec le PDLC. L’accroche n’est pas
assez bonne pour empêcher la sortie du cristal liquide.
Notons qu’un PDLC polymérisé entre deux plaques de verre ne présente pas ce problème. Cela signifie que des liaisons physico-chimiques fortes se créent dans ce cas entre
la matrice et le verre lors de la polymérisation.
3.5.3
Capot de protection
Pour pallier ce problème, j’ai proposé de fabriquer le PDLC avec un capot en polymère
pour assurer l’étanchéité. Le processus est illustré sur la figure 3.23. La première étape
est de préparer une fine couche de polymère optique sur un verre revêtu d’antiadhésif.
L’épaisseur de la couche devra être inférieure au micron pour ne pas allonger inutilement
la cavité laser. Au moment où le problème s’est présenté, les seuls polymères que je pouvais
utiliser dans ce but étaient des colles optiques. Il est délicat de déposer ces matériaux car
l’antiadhésif a une faible tension de surface et les colles optiques ont tendance à démouiller
sa surface.
Une expérience permet de gagner en compréhension. Si on recouvre des échantillons
antiadhésifs avec les colles NOA65, NOA81 et NOA63 pures déposées à la tournette,
on peut former des films uniformes assez facilement. Leur épaisseur est de l’ordre de la
vingtaine de microns. En plaçant ces échantillons sur une plaque chauffante, on constate
que la NOA81 démouille très vite, la NOA65 un peu plus lentement et la NOA63 encore
plus lentement. Ceci reflète la viscosité des colles, η = 0.3 Pa·s pour la NOA81, 1.2 Pa·s
pour la NOA65 et 2 Pa·s pour la NOA63. On conclue que ces films ne sont pas stables sur
l’antiadhésif, mais qu’ils mettent d’autant plus de temps à démouiller qu’ils sont visqueux.
À la limite, il faudrait déposer à la tournette une solution qui laisse un film solide, comme
la photorésine SU-8, mais je n’en avais pas encore acheté à ce moment. Pour former des
films fins, j’ai utilisé une solution de colle NOA68 car c’est une des colles les plus visqueuses
Transfert du miroir de Bragg par collage
57
de la gamme NOA avec η = 5 Pa·s. Le choix du solvant est également critique car il faut
qu’il mouille l’antiadhésif et en même temps qu’il dissolve la colle. Par exemple, le butan1-ol mouille bien l’antiadhésif, mais ne dissout pas totalement la colle. Dans l’autre sens,
la cyclohexanone dissout la colle, mais ne mouille pas bien l’antiadhésif. Ces résultats
sont en accord avec les valeurs de tension de surface, γ = 25 mN/m pour le butan-1-ol et
γ = 36 mN/m pour la cyclohexanone (valeurs à 25°C). Un solvant adéquat est un mélange
de 70% de butan-1-ol avec 30% de cyclohexanone ou de cyclopentanone. La colle NOA68
est dissoute à 20% dans ce solvant et déposée à la tournette à 2000 tr/min. On filtre la
solution à 0.5 µm juste avant le dépôt. Ainsi, on peut produire des films homogènes de
0.4 µm d’épaisseur sur l’antiadhésif. Le film de NOA68 est alors polymérisé en lumière
ultraviolette, à l’abri de l’oxygène (sous vide ou sous azote).
Disposant d’un substrat de verre revêtu d’antiadhésif et d’un film de NOA68 polymérisée, on fabrique la couche PDLC d’une manière analogue au processus présenté sur la
figure 3.12. Le mélange est pressé (figure 3.23(a)) puis polymérisé sous lumière ultraviolette (figure 3.23(b)). Lorsqu’on sépare le substrat de verre de la partie inférieure (figure
3.23(c)), le film de colle NOA81 se détache de l’antiadhésif et reste collé sur le PDLC.
Après plusieurs jours, on n’observe pas de modification de l’échantillon, le cristal liquide ne dégorge pas. La protection en polymère joue donc bien le rôle escompté. Par
contre, le comportement lors du dépôt du miroir de Bragg SiO2 /TiO2 n’est pas amélioré, probablement parce que le film n’empêche pas l’expansion thermique du PDLC lors
du dépôt. Les craquelures sont toujours présentes. Le film de protection pourrait probablement permettre l’utilisation d’un miroir de Bragg a-Si/a-SiNx . En effet, les essais
précédents ont montré qu’il était possible de déposer ce type de miroir sur un PDLC,
quasiment sans craquelure. Il est donc très probable que le dépôt se fasse aussi bien sur
le film de protection. Le problème du dégorgement, qui était survenu sous la surface du
miroir, devrait être résolu par la présence du film de protection. Bien que cette solution
semble viable, nous n’avons pas poursuivi dans cette voie. La mise au point de ce genre de
processus nécessite de nombreux ajustements et donc un accès direct aux bâtis de dépôt,
ce que nous n’avons pas. De plus, l’idée d’ajouter une couche passive de polymère dans
la cavité laser n’est pas séduisante car l’intervalle spectral libre est diminué alors que les
pertes sont augmentées. On préférerait que la cavité laser ne contienne que les couches
absolument nécessaires. Finalement, nous avons opté pour une autre voie, présentée dans
le paragraphe suivant, qui ne nécessite pas de couche supplémentaire.
3.6
Transfert du miroir de Bragg par collage
Plutôt que de déposer le miroir de Bragg en phase vapeur sur le PDLC, on peut le
fabriquer à part et le transférer par collage. Le processus envisagé est représenté sur la
figure 3.24. Un plot de polymère est fabriqué sur la surface antiadhésive d’un substrat de
verre (étape (a)). Sur cet échantillon, on dépose une couche transparente et conductrice
d’ITO, puis un miroir de Bragg SiO2 /TiO2 (étape (b)). L’échantillon est alors pressé
sur la matrice de puces VCSEL pour former une couche plane de mélange PDLC, dont
l’épaisseur est définie par des espaceurs déposés autour des puces grâce au fluide déjà
mentionné (étape (c)). Le mélange est polymérisé en lumière ultraviolette à travers la
couche de polymère et le miroir de Bragg (étape (d)). Ce processus nécessite que la couche
de polymère et le miroir de Bragg transmettent suffisamment les ultraviolets à 365 nm. Il
n’est donc pas possible d’utiliser un miroir a-Si/a-SiNx , qui les absorbe totalement. Par
contre, le miroir de Bragg SiO2 /TiO2 convient car il transmet plus de 30% des ultraviolets.
58
(a)
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
Verre revêtu
d'un antiadhésif
(b)
Plot de polymère
ITO et miroir de
Bragg TiO2/SiO2
Dépôt d'ITO, puis de miroir de Bragg
Pressage
(c)
Polymérisation UV (365 nm)
(d)
Mélange PDLC
(e)
Ouverture
(f)
Retrait du polymère
Figure 3.24 – Processus de transfert de miroir de Bragg envisagé pour la fabrication d’un
VCSEL à PDLC intra-cavité. Les espaceurs ne sont pas représentés.
Transfert du miroir de Bragg par collage
59
(a) Observation au microscope. On ob- (b) Mesure au profilomètre optique
serve des pastilles détachées et des
d’une pastille expulsée à côté d’une
pastilles en train de se former. Une
pastille en train de se former.
graduation représente 0.1 mm.
Figure 3.25 – Insolation d’un film de photorésine SPR220 sur un substrat revêtu de l’antiadhésif
GR650F. Les confettis sont produits après une quinzaine de secondes si l’insolation UV est trop
intense.
Lors de la polymérisation du PDLC, des liaisons physico-chimiques fortes se forment entre
la matrice PDLC et le miroir de Bragg. Ainsi, le cristal liquide n’aura pas la possibilité
de s’échapper, contrairement à ce qui se passe si le miroir est déposé en phase vapeur. Le
couvercle est ensuite retiré et le plot de polymère se détache au niveau de l’antiadhésif
(étape (e)). Le plot de polymère est nécessaire car si on n’en utilise pas, le miroir de Bragg
reste collé sur le verre, malgré l’antiadhésif. Comme pour la technique de lift-off, il est
intéressant de fabriquer un polymère avec des bords en surplomb, de sorte que la couche
de miroir de Bragg ait une discontinuité bien marquée. La dernière étape (f) est le retrait
du polymère, soit par solvant, soit par gravure plasma. Cette étape met à jour la couche
conductrice d’ITO, servant d’électrode pour le PDLC. Notons que contrairement aux
processus du paragraphe précédent, le PDLC reste ici toujours à température ambiante.
Il n’emmagasine donc pas de contrainte thermique.
La fabrication d’un plot de polymère sur l’antiadhésif est un point délicat. Comme
polymère, on peut envisager une photorésine diazonaphtoquinone-novolac, positive, ou
inversée à l’imidazole [193, 194]. On peut aussi envisager une résine PMGI [195], qui
a un meilleur comportement en température et une très bonne transparence aux ultraviolets à 365 nm, mais je n’en avais pas à l’époque. J’ai donc utilisé une photorésine
diazonaphtoquinone-novolac SPR220 de forte épaisseur [196]. La couche de photorésine
doit être suffisamment épaisse pour bien marquer la rupture dans la couche de miroir
de Bragg, mais elle doit être suffisamment fine pour laisser passer assez d’ultraviolets.
L’épaisseur du miroir SiO2 /TiO2 étant de 3.7 µm, j’ai choisi une épaisseur de 5.0 µm, qui
permet d’atteindre, après blanchiment (bleaching) de la résine, une transmission de 36%
pour les ultraviolets à 365 nm.
La photolithographie des résines diazonaphtoquinone-novolac ne pose pas de problème
sur substrat de verre et on peut insoler avec des intensités UV de plusieurs mW/cm2 . Il
en va autrement si la photorésine est déposée sur un antiadhésif. La figure 3.25(a) montre
le résultat obtenu après l’insolation d’un film de photorésine SPR220 de 5 µm d’épaisseur
sous une intensité UV de 2 mW/cm2 . Des confettis éclatent après une quinzaine de secondes. En regardant attentivement, on distingue des zones où la couche de photorésine
commence à former une cloque, qui précède l’expulsion du confetti. La figure 3.25(b) ob-
60
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
tenue au profilomètre optique montre un confetti détaché à côté d’une cloque en train de
se former. On constate qu’en dehors de ces zones, la surface de la résine est très plate.
La cause de l’éjection de ces confettis est la production de diazote lors de la réaction
photoinduite de la diazonaphtoquinone. Cette réaction est normale (voir paragraphe 2.7)
et ne cause pas de problème sur un substrat habituel, mais dans notre cas, l’antiadhésif
diminue l’adhérence de la photorésine. Ainsi, le gaz produit arrive à décoller la couche en
certains endroits et forme une bulle sous la couche, qui finit par la casser et expulser une
pastille de résine. Pour éviter ces défauts, il faut laisser le temps au diazote produit de
diffuser à travers la couche. Dans notre cas, il ne faut pas dépasser une intensité moyenne
d’insolation de 0.25 mW/cm2 . Toutes les étapes d’insolation devront se limiter à cette
intensité : insolation du motif, blanchiment ou exposition en pleine plaque. L’énergie nécessaire pour faire la photolithographie de la résine est d’environ 130 mJ/cm2 dans notre
cas.
Si on veut fabriquer un plot en photorésine positive, le motif est insolé puis le plot est
développé. La résine est ensuite blanchie pour maximiser sa transmission UV, mais aussi
pour former un matériau stable, qui ne risque plus de dégager de diazote (voir paragraphe
2.7). Si on veut fabriquer un plot en photorésine inversée, le motif est insolé avec un
masque négatif. Il faut ensuite faire le recuit d’inversion lors duquel la décarboxylation
dégage du dioxyde de carbone (CO2 ) et du dihydrogène (H2 ). Si l’échantillon est chauffé
trop fort, la production de gaz est trop rapide et des bulles se forment dans la couche. On
commence donc le recuit à 70°C, on monte à 100°C en 3 min puis à 115°C en 3 min et on
reste à cette température pendant 10 min. Ensuite, la résine est exposée avec une énergie
de 165 mJ/cm2 en plein plaque, toujours avec une intensité UV limitée à 0.25 mW/cm2 .
On obtient le plot désiré après développement. Bien que l’exposition en pleine plaque ait
pratiquement terminé le blanchiment de la photorésine, je rajoute une dose d’ultraviolets
après le développement pour être certain que le blanchiment soit maximal. L’intérêt de
la résine inversée est de présenter des bords en surplomb, qui facilitent une rupture nette
pour la couche déposée par dessus. J’ai fabriqué un masque positif et un masque négatif
avec des formes longues de 700 µm et larges de 400 µm environ, qui seront visibles plus
loin sur les figures 3.27 et 3.30. Le lecteur trouvera peut-être que ces plots en forme de
haricot sec sont un peu bizarres et se demandera peut-être la raison de ce choix. Ces
formes ont été dessinées pour correspondre à la géométrie du circuit d’interconnexion en
silicium, de façon à recouvrir le demi-VCSEL et à passer près d’un plot de contact. Ces
considérations n’ont pas d’utilité pour cette partie du travail. Elles expliquent seulement
la forme des plots.
Après ce processus, on dispose de substrats de verre, revêtus d’un antiadhésif et présentant des plots en photorésine répartis aux endroits désirés. Une première étape de test
est de déposer un miroir de Bragg sur ces échantillons. Le processus ainsi que le résultat
sont schématisés sur la figure 3.26. Le dépôt forme une couche homogène mais on constate
que les plots de photorésine ont flué lors de l’opération et sont maintenant bombés. Le
plot de photorésine positive avait au départ une épaisseur de 5.0 µm avec une uniformité
meilleure que 30 nm. Les figures 3.26(c) et (d) montrent l’analyse au profilomètre optique
de la forme d’un plot après le dépôt du miroir. Les plot sont maintenant bombés avec une
épaisseur de 7.3 µm environ au centre et 3.2 µm environ sur les bords. Cette modification
de forme est sans doute due à une température trop élevée lors du processus de dépôt. Il
est bien possible que la température ait atteint au moins 115°C, température typique pour
la fabrication des microlentilles par fluage de photorésine [197, 198]. À cette température,
le matériau peut fluer et a tendance à former un dôme sous l’action des forces de surface.
61
Transfert du miroir de Bragg par collage
(a)
Verre revêtu
d'un antiadhésif
(b)
Plot de photorésine
positive SPR220
5.0 µm
3.7 µm
Résine
bombée à
cause du
fluage
Miroir de Bragg
TiO2/SiO2
Dépôt de miroir de Bragg
(d)
Hauteur (μm)
(c)
8
6
4
2
0
0
100
200
300
400
500
600
700
Position (µm)
Figure 3.26 – Dépôt d’un miroir de Bragg SiO2 /TiO2 sur un plot de photorésine positive
SPR220. Les conditions du dépôt ont causé le fluage de la résine. Mesures au profilomètre
optique.
Bien que le plot n’ait plus la forme plate désirée, j’ai procédé au transfert du miroir
de Bragg selon la méthode décrite sur la figure 3.27. Le plot est amené sur une goutte
de mélange PDLC et l’épaisseur du matériau est définie grâce à des espaceurs déposés
au voisinage (figure 3.27(a)). La polymérisation est réalisée à travers le verre, le plot de
photorésine et le miroir de Bragg. L’intensité UV utilisée est choisie pour que le matériau
reçoive environ 40 mW/cm2 , de façon à former un PDLC de structure adéquate. Le verre
supérieur est ensuite retiré et l’échantillon est lavé à l’eau pour enlever les espaceurs et le
fluide de dépôt. Ce dernier est hydrosoluble et le nettoyage ne laisse aucune trace, tout
en préservant l’échantillon. La structure obtenue est schématisée sur la figure 3.27(b) et
photographiée sur la figure 3.27(d). La séparation s’est faite au niveau de l’antiadhésif. On
constate qu’une partie du miroir de Bragg a été collée à côté du plot de résine et entraînée
en même temps que lui. On ne doit pas conclure de cette observation que le plot de résine
est facultatif. Sans ce plot, le miroir ne se décollerait pas du tout de l’antiadhésif.
L’étape suivante est de retirer la résine. Un premier nettoyage à l’isopropanol permet d’éliminer d’éventuelles particules générées lors du retrait du verre supérieur, mais
ce solvant ne dissous pas la photorésine efficacement, comme on le voit sur la figure
3.27(e). La photorésine est affectée, mais pas correctement retirée. De nombreux solvant
permettent de dissoudre les photorésines diazonaphtoquinone-novolac rapidement, mais
il faut prendre garde à préserver le PDLC. Un solvant trop agressif, comme l’acétone
s’infiltre immédiatement et détruit largement la structure PDLC. J’ai donc choisi une
cétone plus volumineuse, la cyclohexanone, dont la pénétration dans la matrice est plus
lente. Elle n’est toutefois pas inoffensive et ne doit pas rester en contact plus de 2 s avec
l’échantillon, sous peine de le dégrader. Le nettoyage s’effectue donc en passant un coup
de pissette de cyclohexanone sur l’échantillon, puis en lavant immédiatement avec une
62
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
(a)
Espaceur (15 µm)
(b)
Mélange PDLC
Fluide de dépôt
(c)
Après polymérisation UV (365 nm)
et ouverture
Retrait du polymère
3.7 µm
(d)
(g)
(e)
(f)
(h)
Figure 3.27 – Transfert du miroir de Bragg SiO2 /TiO2 par collage sur un PDLC. (d), (e),
(f) Observations au microscope en réflexion. (g) Observation en transmission entre polariseur
et analyseur croisés. (h) Mesures au profilomètre optique. L’expérience utilise les plots bombés
produit précédemment (figure 3.26).
Transfert du miroir de Bragg par collage
63
Figure 3.28 – Miroir de Bragg SiO2 /TiO2 déposé sur une couche de photorésine SPR220 recouverte d’ITO. Les conditions du dépôt ont été trop rudes et la couche de photorésine est détruite.
Observation sous binoculaire, la largeur de l’image fait environ 2 cm.
pissette d’isopropanol. L’opération peut être renouvelée si un seul passage ne suffit pas.
Le résultat est photographié sur la figure 3.27(f). L’observation en transmission entre polariseur et analyseur croisés montre que la structure PDLC est bien isotrope au centre
de l’échantillon (figure 3.27(g)). Comme le plot de photorésine était bombé, il laisse une
marque en cuvette après son retrait. La mesure au profilomètre optique (figure 3.27(h))
montre que les courbures des deux surfaces sont complémentaires.
L’objectif suivant est d’inclure le dépôt d’ITO dans le procédé. Ce dernier est déposé
par pulvérisation cathodique sous argon. Il n’y a pas eu de difficulté à ce niveau et le dépôt
couvre la résine sans affecter la forme des plots. L’épaisseur déposée, environ 30 nm, donne
une résistance de couche d’environ 80 Ω/.
L’étape suivante est de déposer le miroir de Bragg par dessus cette fine couche d’ITO.
Le dépôt a été fait dans les mêmes conditions que le dépôt présenté à la figure 3.26 et
le résultat a été catastrophique. La figure 3.28 montre le résultat obtenu sur une couche
de photorésine plane avec un film d’ITO. La couche de photorésine est complètement détruite. Lorsque le dépôt est fait sur des plots, ceux-ci sont également largement déformés.
Comment expliquer que le dépôt du miroir sur la photorésine n’a entraîné qu’un fluage
limité alors que le dépôt sur la photorésine recouverte d’une trentaine de nanomètres
d’ITO est catastrophique dans les mêmes conditions ? Il est probable que des courants
soient induits dans l’ITO par le système de dépôt et contribuent à un échauffement supplémentaire. Dans le système de dépôt, l’échantillon est soumis au faisceau d’assistance
ionique et au faisceau neutraliseur. De plus le canon à électrons servant à l’évaporation
des matériaux est à environ 45 cm.
Pour réussir des dépôts corrects sur les plots recouverts d’ITO, l’entreprise a utilisé
une machine plus grande où les échantillons sont plus éloignés du canon à électrons (70 cm
au lieu de 45 cm). Les miroirs ont pu être déposés avec succès sur des plots recouverts
d’ITO, les plots étant constitués de photorésine positive ou de photorésine inversée. Seuls
les bords sont un peu déformés, sur une distance de 70 µm pour la photorésine positive
et 35 µm pour la photorésine inversée. Autrement, le dépôt est plat, ce qui indique que le
processus s’est déroulé à une température plus basse que dans l’autre machine. L’épaisseur
est homogène à mieux que 30 nm pour la photorésine positive et à mieux que 20 nm pour
la photorésine inversée. La figure 3.29 montre le résultat pour un plot en photorésine
inversée. Le comportement légèrement meilleur de la résine inversée est probablement dû
à une légère augmentation de la masse molaire lors du processus d’inversion, lors duquel
les molécules d’indène peuvent se condenser et former un dimère.
64
(a)
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
Verre revêtu
d'un antiadhésif
Photorésine SPR220
(épaisseur 5.0 µm)
(b)
3.7 µm
ITO et miroir de
Bragg TiO2/SiO2
Figure 3.29 – Dépôt d’ITO et d’un miroir de Bragg SiO2 /TiO2 sur un plot de photorésine
SPR220 (inversée à l’imidazole). Les conditions du dépôt sont ici assez douces pour que le plot
de résine soit préservé. (b) Mesure au profilomètre optique.
(a)
(b)
Après polymérisation UV (365 nm)
et ouverture
Retrait du polymère
3.7 µm
(c)
(f)
(d)
5.0 µm
(e)
(g)
Figure 3.30 – Transfert du miroir de Bragg SiO2 /TiO2 et de la couche d’ITO par collage sur
un PDLC. (c), (d), (e) Observations au microscope en réflexion. (f) Observation en transmission
entre polariseur et analyseur croisés. (g) Mesure au profilomètre optique.
Discussion
65
Figure 3.31 – Test sous pointes pour vérifier que l’ITO a été correctement transféré. Les pointes
ont déterioré la surface.
Les plots recouverts d’ITO et de miroir de Bragg sont ensuite transférés par collage
sur le PDLC, comme cela a été expliqué sur la figure 3.27. Le résultat est indiqué sur
la figure 3.30. Le nettoyage laisse une surface plane. Sa rugosité est meilleure que 3 nm
est l’épaisseur est constante à mieux que 30 nm. On constate à nouveau que la goutte
de PDLC a débordé sur les côtés du plot et a arraché une partie du miroir de Bragg de
l’antiadhésif. La hauteur de cette marche est de 5.0 µm, ce qui correspond à l’épaisseur du
plot de résine. L’observation en transmission entre polariseur et analyseur croisés (figure
3.30 (f)) montre que le PDLC est bien isotrope sous le plot. Pour finir, j’ai vérifié que
l’ITO a bien été transféré lors du processus en faisant une mesure de résistance sous
pointes (voir figure 3.31). La résistance mesurée est la même que celle mesurée sur la
surface d’un verre ITO commercial de 80 Ω/. L’ITO a donc bien été transféré, puis
mis à jour par le nettoyage. Notons que les pointes ont blessé la surface du miroir, ce
qui montre que le PDLC est un substrat fragile. La connexion d’une électrode sur cette
surface d’ITO nécessitera une goutte de colle conductrice et un fil souple pour ne pas
exercer de contrainte sur le PDLC.
Le même type de processus peut être envisagé en utilisant une résine PMGI à la place
de la résine photorésine diazonaphtoquinone-novolac. Sa meilleure tenue en température
et sa très bonne transparence à 365 nm faciliteront les étapes. Par contre il est probable
que ce matériau soit plus difficile à retirer par voie humide tout en préservant le PDLC.
Il faudra le retirer par voie sèche au plasma d’oxygène.
3.7
Discussion
Suite aux problèmes rencontrés lors du dépôt par voie sèche d’un miroir de Bragg
sur le PDLC, nous avons développé une technique qui permet de transférer un miroir de
Bragg et d’une électrode d’ITO par collage sur un PDLC. La surface est de qualité optique
et sa géométrie peut être définie avec précision. La microstructure du PDLC obtenu est
bien isotrope. Le processus est collectif, les plots sont obtenus par photolithographie et les
gouttes de PDLC sont déposées par un robot. Je ne dispose pas de demi-cavité VCSEL
fonctionnelle et ne peux donc pas tester si le processus permet effectivement de réussir la
66
Microtechnologie PDLC pour fabriquer des puces laser accordables
Figure 3.32 – Puce hybridée sur substrat de silicium et sciée dans le but de mesurer l’écart
entre la puce et le substrat. On distingue une bille d’indium. La barre blanche horizontale mesure
20 µm.
fabrication de puces laser accordables.
Il est possible que cela fonctionne, mais la technique présentée souffre d’une difficulté
fondamentale. Le processus d’hybridation ne permet pas de définir l’altitude des composants avec une précision absolue. Typiquement, l’écart entre le plan supérieur du circuit
en silicium et le plan inférieur du circuit reporté peut varier de 8.3 à 8.8 µm dans notre
situation. La figure 3.32 montre la découpe par sciage d’une puce au niveau de la zone
de connexion, effectuée dans le but de mesurer cet intervalle. La planéité des composants
n’est pas non plus garantie et on peut mesurer au profilomètre optique des pentes allant
jusqu’à 1 µm sur 400 µm. Or notre approche globale ne permet pas de s’accommoder
des variations de position de chaque composant. Le substrat de verre que l’on applique à
l’étape de la figure 3.24(d) ne constitue qu’un plan moyen, que les espaceurs soient dans
le mélange ou qu’ils soient disposés autour des puces. Les variations de positionnement
de chaque composant se répercuteront sur la longueur de leur cavité laser. Or une variation de longueur de cavité de ∆L = 0.5 µm est une variation considérable. En effet,
en reprenant les valeurs du paragraphe 3.2, la variation de longueur d’onde induite est
∆λ = λ × n∆L/(ns Ls + nL) ' 76 nm. Une telle incertitude ne permet pas de contrôler
la position du mode de cavité par rapport au spectre de gain de la zone active.
Ce constat pousse à chercher une autre voie technologique. Dans le chapitre suivant
je présenterai une technologie de micro-cellules déposées à l’aide d’un tampon souple,
qui permet de s’accommoder des variations de hauteur de chaque composant. Ces microcellules peuvent être remplies avec n’importe quel matériau électro-optique liquide. On
peut par exemple les remplir avec un mélange PDLC, puis polymériser le mélange en
place.
Cette technique peut permettre de contrôler précisément l’épaisseur du PDLC, mais
il reste une limitation inhérente à ce matériau. La faible variation d’indice du PDLC ne
permet qu’une plage d’accord de 9 nm, ce qui n’est pas suffisant pour balayer les 40 nm
de la bande C. Cette constatation pousse à utiliser un cristal liquide nématique à la place
du PDLC, ce qui est l’objet du chapitre suivant. Le travail qui a été présenté jusque là
sera utile pour le chapitre suivant car de nombreux éléments seront repris, en particulier
l’idée d’un transfert par collage.
Chapitre 4
Micro-cellules pour fabriquer des
puces laser accordables incluant une
couche de cristal liquide nématique
intra-cavité
4.1
Cristal liquide nématique pour un laser accordable
Comme présenté dans l’introduction, le deuxième objectif du projet LambdaAccess vise
à fabriquer des puces laser VCSEL accordables grâce à une couche de cristal liquide nématique intra-cavité. Les cristaux liquides nématiques présentent, par rapport aux matériaux
PDLC, des pertes optiques plus faibles, une plus grande variation d’indice et des tensions
de commande réduites. Leur mise en oeuvre est sensiblement différente. Ce sont des liquides qui nécessitent d’être confinés dans une cellule. Les surfaces de la cellule doivent
présenter un film d’alignement pour contrôler l’orientation du cristal liquide. D’autre part,
le faisceau de lumière qui traverse la cellule voit un milieu anisotrope, contrairement au cas
des PDLC. Lors du basculement du cristal liquide sous l’action du champ électrique, seul
le rayon extraordinaire voit son indice varier (voir paragraphe 2.1). Il est donc nécessaire
de travailler avec des demi-cavités VCSEL émettant selon une polarisation préférentielle
et bien déterminée. Dans cet objectif, l’INSA de Rennes a développé une zone active comportant des plans de fils quantiques (dashes) et a ainsi réussi à stabiliser la direction de
polarisation émise par le VCSEL [69, 70].
Comme on désire inclure le cristal liquide nématique dans une cavité laser, il est important de connaître les pertes optiques de ce matériau. Les pertes optiques du cristal
liquide en phase isotrope sont très faibles et sont dues essentiellement à l’absorption des
molécules, α < 1 cm-1 [199]. En phase nématique, les pertes optiques sont plus élevées
et sont dues essentiellement à la diffusion causée par les fluctuations du directeur. Pour
cette phase, l’article [200] donne un coefficient de pertes de l’ordre de α ' 5 cm-1 pour
le cristal liquide E7 à 633 nm. La mesure est effectuée pour le rayon ordinaire, probablement à travers une cellule avec alignement planaire (l’article ne dit pas clairement quel
alignement est utilisé). Cet article montre également que les pertes varient en 1/λ4 . Les
mesures ne sont pas effectuées dans l’infrarouge, mais cette diminution des pertes quand la
longueur d’onde augmente laisse espérer des valeurs inférieures à 5 cm-1 pour λ = 1.5 µm.
67
68
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
U=0 V
ISLe=48 nm
I
Δλ=0.05 nm
Δλ=0.04 nm
ISLo=56 nm
e
1500
o
1526 1536
e
1550
1574
ISLe=48 nm
U=1.18 V
o
λ (nm)
1600
1592
ISLe=49 nm
I
Δλ=0.25 nm
e
1500
1513
o
1536
e
1550
1561
o
λ (nm)
1600
1592
1610
Figure 4.1 – Résumé des observations sur les pics de transmission de la cellule Fabry-Perot
formée autour d’un cristal liquide nématique. Après l’application du champ électrique, la position
des pics ordinaires n’est pas modifiée. Les largeurs de certains pics sont indiquées.
L’article [201] mesure les coefficients d’absorption pour plusieurs orientations et polarisations dans le cas du MBBA à 633 nm. Lorsque le cristal liquide est perpendiculaire à
la lumière incidente, le coefficient d’absorption est du même ordre pour les rayons ordinaire et extraordinaire (respectivement 12 et 15 cm-1 ). L’absorption est plus faible lorsque
les molécules sont orientées parallèlement à la direction de la lumière incidente (5 cm-1 ).
L’article [202] indique que l’absorption du rayon extraordinaire passe par un maximum à
30 cm-1 lorsque le cristal liquide fait un angle d’environ 45° avec la direction de la lumière
incidente (valeur mesurées pour le cristal liquide nématique N-106).
N’ayant pas trouvé de publication donnant des valeurs d’absorption dans l’infrarouge,
je peux les mesurer. La caractérisation des pertes peut se faire de la même manière
que ce qui a été présenté pour le PDLC dans le paragraphe 3.1.2. En fabriquant une
cellule de cristal liquide entre deux miroirs de Bragg très réfléchissants (R ' 0.998) et
parallèles, on obtient un filtre Fabry-Perot qu’il est possible de caractériser spectralement.
Les miroirs sont déposés sur des substrats présentant une couche conductrice d’ITO, puis
sont revêtus d’un film d’alignement planaire. Les électrodes permettent d’appliquer un
champ électrique dans la cavité. Les espaceurs sont disposés dans le bourrelet de colle,
hors de la zone où passe le faisceau. Le cristal liquide BL036 est infiltré dans la cellule par
capillarité. Le montage de caractérisation est le même que celui représenté sur la figure
3.2. On peut facilement modifier la polarisation sortant de la fibre optique en modifiant
la position des boucles de la jarretière sur la table de travail, sur le même principe que les
boucles de Lefèvre. On s’arrange pour avoir une polarisation à peu près circulaire que l’on
décompose dans l’esprit en deux ondes polarisées linéairement, orientées selon les axes
de la cellule de cristal liquide. On peut ainsi considérer qu’on a une superposition d’un
rayon ordinaire et d’un rayon extraordinaire avec des intensités à peu près égales. Les
pics de transmission forment donc deux familles, une correspondant au rayon ordinaire
et l’autre au rayon extraordinaire. La figure 4.1 résume l’ensemble des mesures qui seront
commentées dans les paragraphes suivants.
La figure 4.2 montre le spectre obtenu au niveau d’un pic de transmission du FabryPerot, vers 1591.7 nm. Ce pic ne se déplace pas lorsqu’on applique un champ électrique
69
Cristal liquide nématique pour un laser accordable
900
Intensité mesurée (nW)
800
700
600
Pic ordinaire
U=0 V
ISL=55.7 nm
500
=0.04 nm
400
300
200
100
0
1591,2
1591,3
1591,4
1591,5
1591,6
1591,7
1591,8
1591,9
1592,0
1592,1
Longueur d'onde (nm)
Figure 4.2 – Spectre de transmission d’une cellule Fabry-Perot formée autour d’un cristal
liquide nématique. La puissance incidente est d’environ 1 mW.
dans la cavité, c’est donc un pic de transmission du rayon ordinaire. L’intervalle spectral
libre (ISL) correspondant est observé entre 1536.0 et 1591.7 nm et vaut donc ISLo =
55.7 nm. L’indice ordinaire étant estimé à no ' 1.507, on déduit l’épaisseur du Farby-Perot
L = λ2 /(2no × ISLo ) ' 14.5 µm. La largeur du pic ordinaire observé est ∆λo ' 0.04 nm,
ce qui correspond à une finesse de Fo = ISLo /∆λo ' 1.4 · 103 .
Dans le même temps, l’ISL pour le rayon extraordinaire est observé entre 1526 et
1574 nm et vaut donc ISLe = 48 nm. Connaissant l’estimation de l’indice extraordinaire
ne ' 1.737, on déduit l’épaisseur du Farby-Perot L = λ2 /(2ne × ISLe ) ' 14.4 µm. Les
deux valeurs concordent. La profondeur de pénétration de la lumière dans les miroirs de
Bragg est de l’ordre de 0.5 µm, de sorte que l’épaisseur du cristal liquide est d’environ
LCL ' 13.4 µm. La largeur du pic extraordinaire est mesurée à ∆λe ' 0.05 nm, ce qui
correspond à une finesse de Fe = ISLe /∆λe ' 1.0 · 103 .
Connaissant la finesse de la cavité, on peut déduire les pertes lors d’un aller-retour par
la relation δ ' 2π/F [183]. On trouve δo ' 0.45% et δe ' 0.65%. Les pertes de chaque
miroir étant de l’ordre de δ ' 0.2% et on a δCL,o ' 0.05% et δCL,e ' 0.25%. Finalement,
les coefficients de perte du cristal liquide planaire à λ ' 1.5 µm sont αo = δCL,o /(2LCL ) '
0.2 cm-1 et αe = δCL,e /(2LCL ) ' 0.9 cm-1 . Ces valeurs ne sont que des ordres de grandeur
car l’incertitude sur ces faibles pertes est élevée.
Sous l’influence du champ électrique, le cristal liquide bascule et les pics extraordinaires
se translatent. En appliquant une tension U = 1.18 V, le pic extraordinaire initialement
situé à 1573.7 nm se décale à 1561.0 nm. La variation d’indice correspondante est ∆n '
ne ∆λ/λ ' −0.014. On peut déterminer l’angle d’inclinaison θ des molécules par rapport
au plan du substrat (voir figure 2.1(b)) car on connaît la variation de l’indice extraordinaire
effectif en fonction de cet angle : 1/n(θ)2 = (sin(θ)/no )2 + (cos(θ)/ne )2 [73]. On en déduit
θ ' ((−2∆n/ne )/(n2e /n2o −1))1/2 ' 13°, le basculement a seulement commencé. On observe
une dégradation de la largeur du pic, qui passe à 0.25 nm. La finesse est donc dégradée,
F ' 2.0 · 102 , les pertes sont plus grandes δCL,e ' 3.0% et le coefficient d’absorption est
αe ' 11 cm-1 .
Je n’ai pas passé assez de temps sur la mesure du coefficient d’absorption en fonction de
l’angle de basculement et il serait intéressant de regarder cela plus en détails, notamment
pour des angles proches de θ = 45°. On notera également, à la suite de la discussion faite au
paragraphe 3.1.2, que les résultats présentés sont proches de la limite de validité de cette
70
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
Miroir de Bragg supérieur
Cristal liquide
nématique
Films d'alignement
Zone active
Miroir de Bragg inférieur
Figure 4.3 – VCSEL accordable par cristal liquide nématique localisé dans une micro-cellule.
technique de mesure. Les valeurs sont donc à considérer comme des bornes supérieures
ou des ordres de grandeur.
Le bilan de ces mesures est que les pertes optiques dans le cristal liquides sont inférieures ou égales à celles des semiconducteurs utilisés dans la structure laser : α(InP) '
α(Q1.18) ' 10 cm-1 . Il est donc envisageable d’inclure un cristal liquide nématique dans
la cavité laser d’un VCSEL. La structure envisagée est présentée sur la figure 4.3. La
cavité comporte une longueur Ls ' 2.0 µm de semiconducteur, d’indice ns ' 3.3 et
on envisage une épaisseur L ' 3.0 µm de cristal liquide. Le cristal liquide est placé de
sorte que la direction d’alignement soit parallèle à la direction d’émission préférentielle
de la zone active. Ainsi, la lumière est sensible à l’indice extraordinaire effectif n(θ), qui
diminue de ne à no quand on applique un champ électrique. Quelle plage d’accord peuton espérer dans ce cas ? La longueur d’onde correspondant à un mode laser q ∈ N est
λq = 1/q × 2(ns Ls + n(θ)L). Donc s’il n’y a pas de saut de mode, la longueur d’onde
émise diminue quand le champ électrique est appliqué. La plage d’accord est environ
∆λ ' λ × L∆n/(Ls ns + Ln) ' 94 nm et l’intervalle spectral libre de la structure est environ ISL ' λ2 /(2 × (Ls ns + Ln)) ' 105 nm. Pour ces deux calculs, j’ai simplement pris
une valeur moyenne pour l’indice n. Il sera intéressant de concevoir le laser de sorte que la
longueur d’onde émise en champ nul soit en haut de la bande C, entre 1570 et 1600 nm.
Ainsi, le basculement du cristal liquide permettra de balayer toute la bande C. Partant
de la situation où le champ est nul, le balayage se fera dans le sens des longueurs d’onde
décroissantes. La valeur exacte des épaisseurs nécessaires pour arriver à cette situation ne
peut se calculer qu’avec un modèle détaillé de la structure semiconductrice et nécessitera
certainement des ajustements. En supposant que la structure idéale est connue, le processus de fabrication devra tenter de respecter les épaisseurs prévues. La tolérance sur la
longueur optique de la cavité pour que la longueur d’onde émise au départ soit entre 1570
et 1600 nm est ∆L ' (Ls ns + Ln)∆λ/λ ' 0.2 µm. La cellule de cristal liquide doit donc
être fabriquée avec une tolérance sur l’épaisseur proche de ∆L/n ' 0.1 µm. Cela n’est
pas évident mais cela peut être réalisé. La question est maintenant de trouver comment
fabriquer des cellules de cristal liquide sur les puces VCSEL, sachant qu’il n’existe pas de
processus connu adapté à ces petites dimensions.
4.2
Micro-cellules pour les cristaux liquides ou d’autres
fluides
L’utilisation des cristaux liquides dans les dispositifs miniatures est limitée par la
difficulté de miniaturiser les cellules. La façon la plus simple de réaliser une petite cellule
de cristal liquide est indiquée sur la figure 4.4. Deux substrats de verre sont découpés et
Micro-cellules pour les cristaux liquides ou d’autres fluides
71
films d'alignement
joint de colle
électrodes
cristal liquide
Figure 4.4 – Structure d’une petite cellule de cristal liquide de structure simple. Les espaceurs,
mélangés dans la colle, ne sont pas représentés.
wafer en silicium
verre supérieur
joint de colle
ligne de brisure (verre)
ligne de clivage (silicium)
décalage entre les deux lignes
Figure 4.5 – Fabrication collective de micro-afficheurs. Seuls quatre cellules sont représentées,
pour ne pas surcharger le schéma.
préparés avec un film d’alignement. Un joint de colle incluant des espaceurs est déposé
sur un premier substrat et le deuxième substrat est positionné, puis pressé sur le premier.
Un décalage est maintenu entre les substrats pour permettre de réaliser les connexions
électriques de chaque électrode. La manipulation de substrats plus petits que 10 mm est
délicate et il est difficile d’envisager de produire des cellules plus petites que 5 mm avec
cette technique. D’autre part, chaque cellule est assemblée individuellement, le processus
de fabrication n’est pas collectif.
Des processus collectifs existent et sont par exemple utilisés pour la fabrication des
micro-afficheurs en technologie LCOS (Liquid Crystal On Silicon microdisplays) [159].
Plusieurs micro-afficheurs sont préparés sur un même wafer de silicium comme représenté
sur la figure 4.5. Le circuit de commande est fabriqué sur la surface du wafer puis il est
recouvert d’un film d’alignement. Les espaceurs sont préparés sur la surface par photolithographie d’une photorésine négative. Les lignes de colle sont déposées sur le pourtour
des panneaux, par sérigraphie (screen printing) ou grâce à un robot doseur utilisant une
aiguille. Le substrat de verre, comportant une électrode et un film d’alignement, est positionné puis pressé sur le wafer. Après polymérisation du joint de colle, des lignes de
découpe sont gravées de chaque côté du sandwich. Les panneaux sont individualisés en
brisant le verre et en clivant le silicium selon ces lignes. Un décalage entre les substrats
est prévu pour pouvoir réaliser les connexions électriques. Cette technique peut produire
des micro-afficheurs avec des dimensions proches de 10 mm, mais il est difficile d’imaginer
des dimensions inférieures à 5 mm à cause du processus d’individualisation où le verre est
brisé et le silicium clivé.
Des cellules de cristaux liquides plus petites ont été fabriquées dans des situations
spécifiques. On peut citer l’exemple d’un contrôleur de polarisation fibré, où le cristal
liquide est placé entre les férules polies terminant les fibres optiques [203, 204]. La zone
de travail est large de quelques dizaines de microns, mais l’ensemble est large de plusieurs
millimètres. En fait, des cellules de cristal liquide individuelles d’une dimension plus petite
72
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
que le millimètre n’ont jamais été fabriquées.
Les techniques de production WLP (Wafer Level Packaging) se développent et il est
maintenant envisageable de découper un sandwich et d’utiliser des connexions électriques
à travers les substrats (TWV, Through Wafer Via). Les vias à travers les circuits en
silicium (TSV, Through Silicon Via) sont répandus depuis quelques années et sont réalisés
par gravure profonde (DRIE, Deep Reaction Ion Etching). Les vias à travers les substrats
de verre sont moins courants, mais des wafers de verre traversés par des vias métalliques
commencent à être disponibles commercialement [205, 206]. Un sandwich avec ces deux
types de substrats peut être découpé à la scie. Ce nouveau type de procédé est intéressant
et peut permettre de produire des petites cellules de cristaux liquides. Mais comme cela
a été expliqué à la fin du chapitre précédent, notre situation ne peut s’accommoder d’un
substrat supérieur rigide et plan. De plus, nous n’avons pas de connaissances détaillées
sur la découpe de sandwiches complexes.
Le projet LambdaAccess nécessite de placer une couche de cristal liquide à l’intérieur
de la cavité laser de puces VCSEL. Pour répondre à cet objectif, j’ai proposé de fabriquer
des micro-cellules de cristal liquide, qui seraient positionnées au sommet de chaque puce
laser.
Certains articles ou brevets mentionnent le terme de "micro-cellules de cristaux liquides", par exemple les références [160, 161], mais il s’agit d’un concept très différent.
Ces micro-structures interviennent dans la fabrication de matrices de pixels et sont en
fait des murets qui entourent les pixels ou les groupes de pixels. Ils jouent le rôle d’espaceurs en permettant de maintenir une épaisseur bien définie entre les deux substrats
du panneau et sont particulièrement intéressants dans le cas de panneaux flexibles. Cette
technique n’a pas de lien direct avec ce qui est présenté ici car nous nous intéressons à
des micro-cellules individuelles.
N’ayant pas, dans notre laboratoire, de matériau utilisable pour constituer ces microcellules, j’ai proposé d’acheter de la résine SU-8 et de l’utiliser comme résine de construction. En lisant au sujet des microsystèmes, des microfabrications et de la microfluidique,
il m’était en effet apparu que cette résine pouvait être utilisée dans ce projet.
Le processus de fabrication des micro-cellules est présenté sur la figure 4.6 et nous
l’avons publié dans la référence [207]. C’est un processus collectif permettant de fabriquer
plusieurs micro-cellules en même temps. Chaque micro-cellule est constituée d’un capot
reposant sur des piliers. Les capots et les piliers sont fabriqués sur des substrats séparés
(étapes (a), (b) et (c)) puis sont assemblés par collage (étapes (d) et (e)). Les capots
peuvent être séparés du substrat supérieur et transférés par collage sur les piliers grâce
à l’utilisation d’un antiadhésif (voir paragraphe 3.4). Capots et piliers sont fabriqués par
photolithographie dans la résine SU-8. Chaque capot présente une électrode transparente
et conductrice formée par un dépôt de polymère conducteur. Un via à travers le capot permet d’accéder à l’électrode depuis le sommet de la micro-cellule et le polymère conducteur
recouvre les parois du via. Le capot et le substrat du bas sont tous deux recouverts d’un
film de photo-alignement (voir paragraphe 2.2.2) et l’orientation des films est choisie de
façon à former une cellule anti-parallèle (voir paragraphe 2.2). Le polymère de collage est
un monomère cristal liquide (voir paragraphe 2.3) qui permet le collage tout en imprimant
un alignement au cristal liquide.
Les micro-cellules ainsi produites peuvent accueillir et aligner un cristal liquide, mais
tout autre liquide peut être infiltré, par exemple d’autres types de liquides électro-optiques.
Le film d’alignement n’est alors pas toujours nécessaire et le monomère cristal liquide
peut être remplacé par un simple film de colle optique. On peut par exemple infiltrer un
73
Résine SU-8 pour la construction de micro-cellules
(a)
verre
(b)
(c)
capot
polymère conducteur
(d)
Mise en contact et polymérisation UV
(e)
Transfert antiadhésif
via
ITO
piliers
couche monomère cristal liquide d'alignement non polymérisé
collage
cavité prête à accueillir et aligner un cristal liquide
Figure 4.6 – Procédé de fabrication des micro-cellules pour cristaux liquides. C’est un processus collectif où plusieurs micro-cellules sont fabriquées en même temps. Le schéma représente
seulement la région autour d’une micro-cellule.
mélange PDLC et le polymériser en place. On peut aussi envisager des suspensions de
nanoparticules anisotropes [208, 209].
Avant de rentrer plus en détail dans le procédé de fabrication et de présenter les
résultats, je vais introduire les matériaux utilisés qui n’ont pas encore été présentés : la
photorésine SU-8 et les polymères conducteurs.
4.3
Résine SU-8 pour la construction de micro-cellules
La SU-8 est une photorésine négative, c’est-à-dire qu’après insolation et développement, elle reste aux endroits où elle a été insolée. Son principal composant est une résine
époxyde novolac basée sur le bisphénol A (voir figure 4.7 (a)) [194, 210, 211, 212]. Chaque
oligomère possède en moyenne 8 fonctions époxyde et sa masse molaire moyenne est
M ' 1400 g/mol. Cette structure présente une densité de groupements époxyde des plus
élevées parmi la famille des résines époxydes [194], ce qui lui confère, après réticulation,
des caractéristiques thermiques et mécaniques remarquables.
La résine est vendue dissoute dans un solvant, la cyclopentanone dans notre cas. Pour
sa mise en oeuvre sur un échantillon, elle est déposée par spin-coating puis l’échantillon
est chauffé (SB, Soft Bake), typiquement à 95°C, pour évaporer le solvant résiduel et pour
stabiliser la structure moléculaire (la température de transition vitreuse de la résine non
insolée est Tg ' 50 − 55 °C) [214, 215, 216].
L’inscription du motif se fait par insolation dans l’ultraviolet. Si le substrat est transparent et que la surface du dessous peut réfléchir les ultraviolets, il est possible que le
motif soit dégradé par les réflexions parasites. Dans ce cas, il est nécessaire de placer sous
le substrat une couche absorbant les ultraviolets. Cela peut être un film rouge.
Le photoinitiateur est un sel d’onium (voir figure 4.7 (b)) [213] qui se décompose
sous l’action de la lumière ultraviolette en libérant un acide fort (figure 4.8). Les ions
oniums photosensibles possèdent une structure conjuguée qui permet leur interaction avec
la lumière [217]. Par exemple, l’ion triphénylsulfonium absorbe dans les ultraviolets courts
(' 230 nm). La structure largement conjuguée des ions oniums utilisés dans la SU-8
permet de déplacer le pic d’absorption vers les ultraviolets proches (' 310 nm) et la
longueur d’onde utilisée pour l’insolation (365 nm) se retrouve juste en bordure du pic
d’absorption (voir figure 4.9).
Les acides forts générés par le photoinitiateur lors de l’insolation sont peu réactifs
à température ambiante. C’est en chauffant l’échantillon (PEB, Post Exposure Bake),
typiquement à 95°C, que les acides forts peuvent catalyser la réaction de polymérisation
de la résine époxyde (voir figure 4.10) [194, 217, 210]. Le matériau ainsi réticulé possède
74
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
Figure 4.7 – Composition de la partie sèche de la résine SU-8 de MicroChem [213, 194, 210]. Le
monomère représenté n’est pas le seul présent car les liaisons méthylène entre les bisphénols A
peuvent être en haut ou en bas sur ce schéma. Chaque oligomère possède en moyenne 8 fonctions
époxyde.
Résine SU-8 pour la construction de micro-cellules
75
Figure 4.8 – Réaction photo-induite produisant un acide fort. La molécule RH est une molécule
quelconque présente dans le milieu et pouvant libérer un hydrogène [194, 217].
Figure 4.9 – Spectre d’absorption ultraviolet du photoinitiateur de la résine SU-8, pour différentes concentrations (solvant non précisé) [218].
76
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
Figure 4.10 – Polymérisation de la résine SU-8. Seules les fonctions époxyde sont représentées
[194, 217, 210].
une grande résistance mécanique, chimique et thermique ainsi qu’une bonne transparence
dans le spectre visible et proche infrarouge. Le tableau 4.1 résume quelques propriétés de
la résine SU-8 polymérisée.
Le développement de l’échantillon se fait dans un solvant, le PGMEA dans notre cas,
dans lequel la résine non insolée se dissout.
4.4
Polymères conducteurs
Pour réaliser les micro-cellules, on a besoin d’une électrode transparente et conductrice. La technique courante est de déposer une couche d’ITO (Indium-Tin Oxyde) par
pulvérisation cathodique. On peut utiliser également une couche de polymère conducteur
et c’est la solution que j’ai choisie pour deux raisons. Une première raison, d’ordre pratique, est que nous n’avons pas de bâti de dépôt d’ITO. On pourrait faire sous-traiter le
dépôt, mais chaque opération réalisée à l’extérieur cause des délais et casse la dynamique
de l’avancement. Une deuxième raison, d’ordre technique, est que le polymère conducteur
est déposé en solution et j’ai voulu mettre cette situation a profit car la capillarité permet
une accumulation de conducteur sur les bords du via. Ceci permet de faciliter la reprise
de contact.
J’ai bénéficié du travail de Nicolas Fraval [71, 81] qui a utilisé du PEDOT:PSS, com-
77
Polymères conducteurs
Indice optique (dans le visible)
(dans l’infrarouge)
Coefficient d’expansion thermique (linéique)
Module d’élasticité
Résistance en traction (film)
Température de transition vitreuse
Température de dégradation
Densité
n = 1.596 (à 633 nm)
n = 1.575 (à 1550 nm)
λ = 52 ppm/K (PEB 95°C)
E = 4 − 5 GPa
σ = 34 MPa
Tg ' 230°C
∼ 380°C
d = 1.20
Table 4.1 – Quelques propriétés de la résine SU-8 après polymérisation [216].
mercialisé par H.C. Starck sous le nom de Baytron P. Ce matériau a été conçu par les
chimistes de Bayer/Agfa au début des années 1990 (les deux entreprises formaient un
même groupe à l’époque et sont maintenant séparées). Le matériau est actuellement commercialisé sous le nom de Clevios P 1 . C’est un matériau de grande utilité industrielle pour
les produits antistatiques et anticorrosion.
Le PEDOT est un polymère conducteur dont le nom complet est poly(3,4-ethylenedioxythiophene). Il est fabriqué par une polymérisation oxydante du 3,4-ethylenedioxythiophene. Le polymère obtenu porte des charges positives qui permettent la conduction
[219, 220]. Le PEDOT:PSS est obtenu par une polymérisation en solution aqueuse en présence d’acide polystyrènesulfonique (PSS) (voir figure 4.11). Ce dernier sert de contre-ion
aux charges positives du PEDOT et permet la solubilité en solution aqueuse. Les oligomères de PEDOT sont accrochés sur la chaîne de PSS, plus longue (voir figure 4.12). Les
ions ayant servi pour la réaction d’oxydation sont retirés grâce à des résines échangeuses
d’ions [221] et il reste une solution acide à pH ' 2, dans laquelle tous les acides sulfoniques
sont sous forme ionisée (figure 4.11). Les polymères en solution s’organisent en pelotes
gonflées dont le diamètre moyen est de 80 nm [222]. La fraction solide du Baytron P est
de 1.3%.
Le produit est mis en oeuvre en le déposant à la tournette et il reste après cette
opération un film liquide. On chauffe alors l’échantillon pour évaporer ce liquide et on
obtient un film sec et dur dont la constitution est indiquée sur la figure 4.13.
Pour obtenir des dépôts de qualité optique, transparents, conducteurs et homogènes,
il faut travailler la formulation du produit. L’ajout d’isopropanol permet d’améliorer la
mouillabilité et l’ajout d’éthylène glycol permet d’améliorer significativement la conductivité obtenue, par deux ordres de grandeur. Ceci est expliqué par le fait que l’éthylène
glycol donne aux polymères une forme stérique favorisant la conduction [223, 224]. J’ai
utilisé une solution constituée de 25% de Baytron P, 25% d’éthylène glycol et 50% d’isopropanol, filtrée à 1 µm. Après un dépôt à la tournette à 2000 tr/min et séchage du
film liquide, on obtient un film sec et uniforme, d’une épaisseur d’environ 20 nm avec
une rugosité inférieure à 3 nm. La résistance de la couche est de l’ordre de 20 kΩ/. La
transmission d’un substrat de verre revêtu d’une telle couche est de 87% à 1.5 µm et 91%
à 500 nm (pour un dépôt à 3000 tr/min).
Notons que la solution formée est instable et les pelotes de polymère coagulent rapidement. Il faut donc travailler avec une solution fraîche. Notons également qu’on pourrait
inclure d’autres composants, par exemple 1 à 2% de tétraéthoxysilane, pour augmenter
la dureté du film.
1. Bayer a vendu sa filiale H.C. Starck en 2007 à un fonds d’investissements, mais a gardé les droits
sur la marque Baytron, d’où la nécessité du changement de nom.
78
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
Figure 4.11 – Polymérisation du PEDOT:PSS en phase aqueuse [219].
oligomères PEDOT
H+
+ +
+
+
+
H
H
+
+
H
+
- - - - - - - +
- + H+
+ +
+
H
H
H+
H+
H+
+ -
+
H+
- - + +
polymère PSS
Figure 4.12 – Structure moléculaire de l’agencement du PEDOT:PSS en phase aqueuse [219].
Fabrication de micro-cellules pour cristal liquide nématique
79
Figure 4.13 – Composition chimique d’un film sec de PEDOT:PSS.
De nombreux polymères conducteurs existent et peuvent avoir une utilité en microtechnologie [225, 226, 227]. Je me suis intéressé à la polyaniline (PAni) car c’est un polymère
conducteur assez courant et chimiquement stable, au même titre que le PEDOT:PSS. Elle
existe à plusieurs niveaux d’oxydation et c’est la forme emeraldine qui permet d’arriver
à un matériau conducteur [226]. J’ai acheté de la polyaniline emeraldine chez le fabricant
Panipol, elle se présente sous la forme d’une poudre noire. Cette forme emeraldine est nonionique et peut être dissoute dans un bon nombre de solvants organiques, contrairement
au PEDOT:PSS. Pour obtenir une polyaniline conductrice, il faut doper la polyaniline
emeraldine en créant des charges positives sur le polymère. Cela peut se faire en ajoutant
un acide, par exemple de l’acide camphosulfonique qui est un acide organique, soluble
dans les solvants organiques [227, 228]. Je n’ai pas encore mis cette solution en pratique,
mais il est utile de savoir qu’une solution alternative au PEDOT:PSS existe.
4.5
Fabrication de micro-cellules pour cristal liquide
nématique
Les étapes de la fabrication des micro-cellules sont schématisées sur la figure 4.6. Le
processus peut être réalisé avec certaines variations dans les dimensions et les matériaux
et on va se concentrer sur un exemple précis.
Le substrat inférieur est un verre recouvert d’une couche d’ITO. On y dépose une
épaisseur de 6.4 µm de photorésine SU-8 (MicroChem) et on fabrique les piliers par photolithographie. Ensuite, un film de photoalignement (LPP, ROP-103 de Rolic) est déposé
80
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
et orienté par insolation avec des ultraviolets polarisés (λ ' 300 nm), selon les indications du fournisseur (voir paragraphe 2.2.2.2). Une couche d’environ 60 nm de monomère
cristal liquide (LCP, ROF-5102 de Rolic à 2% dans la cyclopentanone) est ajoutée pour
affermir et stabiliser l’alignement (voir paragraphe 2.3). La couche fluide est chauffée à
52°C (juste en dessous de la transition nématique–isotrope) pendant environ une minute
pour optimiser l’alignement, puis elle est polymérisée aux ultraviolets (λ ' 365 nm).
Le substrat supérieur est un verre recouvert d’un antiadhésif. Ce revêtement est une
couche d’environ 20 nm de polyméthylsilsesquioxane (GR-650F de Techneglas, voir paragraphe 3.4). Le matériau est dissous à 0.8% dans un mélange d’isopropanol (50%) et de
butan-1-ol (50%). La solution est filtrée à 0.2 µm, déposée à la tournette et cuite selon
les indications du fabricant. Ensuite, une épaisseur d’environ 6 µm de photorésine SU-8
est déposée et les capots, avec leurs vias, sont fabriqués par photolithographie.
L’étape suivante est de préparer l’électrode de la future micro-cellule, qui doit recouvrir
la surface des capots ainsi que les parois des vias. À cet effet, on utilise une solution
composée de 25% de Baytron P (H.C. Starck), 25% d’éthylène glycol et 50% d’isopropanol.
Cette solution a une tension de surface élevée et ne mouille pas la SU-8. Il est donc
nécessaire de traiter l’échantillon au plasma d’oxygène pour permettre le mouillage [229].
La solution est alors déposée à 2000 tr/min et le film est séché à environ 120°C. L’épaisseur
obtenue est de 30 nm sur la surface des capots, mais probablement plus sur les bords des
vias où le liquide s’est accumulé à cause de la capillarité.
Sur le film de polymère conducteur, on dépose un film de photoalignement LPP et on
l’aligne comme pour le substrat inférieur. Un film de monomère cristal liquide LCP est
ensuite déposé, cette fois-ci avec une concentration de 10% dans la cyclopentanone, dans
le but de former une couche d’environ 400 nm d’épaisseur. La couche fluide est chauffée
à 52°C pendant environ une minute pour optimiser son alignement.
À l’étape suivante, les deux parties sont positionnées l’une sur l’autre, puis pressées
l’une contre l’autre. Pendant qu’elles sont pressées, on isole aux ultraviolets (λ = 365 nm)
pour polymériser le LCP de façon à coller les capots sur les piliers. Après cela, le substrat
supérieur est retiré et les capots se détachent de l’antiadhésif. Cette séparation laisse
une cellule prête à accueillir le cristal liquide et présente une chambre centrale d’environ
150 µm de diamètre.
Le photoalignement des matériaux LPP sur les deux substrats et le processus d’assemblage est organisé pour donner une micro-cellule avec un ancrage anti-parallèle (voir
paragraphe 2.2). Pour finir, on remplit la micro-cellule par capillarité avec un cristal
liquide (BL036 de Merck).
4.6
Caractérisation des micro-cellules fabriquées
Les premières observations sont effectuées à l’aide d’un microscope polarisant sans
appliquer de tension (voir figure 4.14). Entre polariseur et analyseur croisés, lorsque le
cristal liquide est orienté à 45° des polariseurs, la lumière qui traverse la zone de cristal
liquide donne une teinte de Newton d’ordre élevé, tandis que les zones isotropes de verre
ou de SU-8 restent noires (figure 4.14(b)). La teinte est uniforme, surtout au centre de la
micro-cellule. On distingue de légères variations, probablement dues à des variations de
l’épaisseur de cristal liquide. La cause est probablement que le LCP pénètre plus ou moins
entre les piliers lors de la mise en contact des deux parties. Ici, l’épaisseur du LCP est
d’environ 400 nm pour assurer un collage sans difficulté, mais cette épaisseur pourra être
diminuée en améliorant le procédé de contact comme ce sera développé plus loin. Lorsque
81
Caractérisation des micro-cellules fabriquées
(a)
(b)
(c)
Figure 4.14 – Observation d’une micro-cellule sous microscope. Le trait blanc mesure 500 µm.
(a) Sans polariseur. (b) Entre polariseurs croisés. La direction des polariseurs est à 45° de
l’horizontale. (c) Micro-cellule orientée dans la direction de polarisation. Le temps d’exposition
de la photographie est le même pour (b) et (c).
Hauteur (μm)
12
10
8
6
4
2
0
0
100
200
300
400
500
600
Pos ition (μm)
Figure 4.15 – Mesure de la topographie d’une micro-cellule. Le profil de droite correspond au
trait indiqué sur la surface. Les régions avec des pentes abruptes ne peuvent pas être mesurées
par le système. Elles sont marquées en rouge sur la surface et leur altitude est à zéro sur le profil.
On notera une légère variation dans le design de cet échantillon par rapport à celui de la figure
4.14 au niveau de la position du via.
l’axe optique du cristal liquide est aligné avec la polarisation de la lumière, la région de
cristal liquide est totalement noire, ce qui démontre un bon alignement (figure 4.14(c)).
La géométrie des micro-cellules est vérifiée avec un profilomètre optique en lumière
blanche (voir figure 4.15). On observe que les surfaces sont planes et que les épaisseurs
sont cohérentes avec les valeurs données plus haut.
Une tension alternative (signal carré de fréquence 1 kHz) est ensuite appliquée entre la
surface d’ITO et le via. La pointe métallique faisant la connexion avec le via peut être vue
sur les photographies, en particulier sur la figure 4.14(a). On prend des photographies au
cours de l’augmentation de tension et on observe la variation des teintes de Newton dues
au basculement du cristal liquide (voir figure 4.16). La teinte est toujours bien uniforme.
Pour les tensions supérieures à 10 V, la teinte n’évolue plus. Dans cette situation, le cristal
liquide est orienté perpendiculairement aux substrats et on s’attendrait à voir une zone
totalement noire. Mais le capot est recouvert d’une couche de LCP alignée et polymérisée,
qui cause cette biréfringence résiduelle comme on va le préciser.
Au cours du basculement, on peut mesurer le retard entre le rayon ordinaire et le rayon
extraordinaire (voir figure 4.17). Pour ce type de mesure j’ai acheté un compensateur de
Berek qui se place dans le trajet optique du microscope [230]. Le résultat obtenu est
typique d’un cristal liquide nématique. Le retard varie de 1.75 µm sans tension à environ
0.08 µm à saturation. Cette valeur non nulle est due à la couche de LCP sur le capot. La
82
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
0.6 V
2.0 V
2.6 V
3.2 V
3.9 V
4.9 V
6.6 V
9.8 V
Figure 4.16 – Observation entre polariseur et analyseur croisés au cours du basculement du
cristal liquide lorsque la tension est appliquée. La polarisation est à 45° de l’horizontale. Le trait
blanc mesure 500 µm. Le temps d’exposition est identique pour toutes les images.
biréfringence de ce matériau est d’environ 0.11 [149], ce qui correspond à une épaisseur
de 0.7 µm. C’est un peu plus que les 0.4 µm déposés et la raison est probablement une
accumulation du matériau fluide entre les piliers lors de la mise en contact. Cet effet
pourrait être limité en utilisant une couche de collage moins épaisse. Le retard maximal
correspondant au cristal liquide est donc de 1.75-0.08=1.67 µm. Pour le cristal liquide
BL036, la biréfringence est d’environ 0.276 à la longueur d’onde moyenne de l’éclairage
du microscope (environ 546 nm). On en déduit une épaisseur de cristal liquide de 6.1 µm.
Ces résultats impliquent que la hauteur du cristal liquide plus la couche de LCP est de
0.7 + 6.1 = 6.8 µm. Cela est cohérent avec la hauteur des piliers qui font 6.4 µm. On
pourrait en déduire une épaisseur de collage de 0.4 µm entre le capot et les piliers, mais
ce n’est qu’un ordre de grandeur car on est proche de l’incertitude des mesures.
4.7
Processus de fabrication sur topographie imparfaite
Les paragraphes précédents ont décrit la fabrication de micro-cellules sur un substrat
de verre plan. Ce sont les première micro-cellules indépendantes réalisées et ce résultat
permet de s’approcher de l’objectif du projet LambdaAccess. Mais comme on l’a expliqué à la fin du chapitre précédent, les composants hybridés n’ont pas tous une altitude
rigoureusement identique et leur surface n’est pas rigoureusement horizontale. Il est donc
nécessaire de développer une technique permettant de s’accommoder de ces défauts. Même
dans la situation favorable des paragraphes précédents, le rendement était mauvais. Il suffisait d’un défaut pour que les deux parties forment un angle et n’entrent réellement en
contact que sur une ligne au bord de l’échantillon. Donc même dans ce cas favorable, on a
intérêt à utiliser une technique pouvant s’accommoder de défauts ou de légères variations
de topographie.
J’ai imaginé et développé une technique basée sur l’utilisation d’un substrat supérieur
83
Processus de fabrication sur topographie imparfaite
2.0
1.8
1.6
Retard (μm)
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0
2
4
6
8
10
Tension appliquée (V)
Figure 4.17 – Évolution du retard entre le rayon ordinaire et le rayon extraordinaire lorsque la
tension est appliquée.
(a)
(b)
film flexible
antiadhésif
(e)
pilier
(d)
verre
colle non polymérisée
capot
(f)
Tampon souple pour le transfert par collage
(c)
(g)
élastomère silicone (h)
Mise en contact et polymérisation UV
Transfert cavité prête à accueillir un liquide
collage
Figure 4.18 – Fabrication de micro-cellules utilisant un film flexible sur un élastomère en
silicone, ce qui permet de s’accommoder de défauts de topographie.
flexible posé sur un coussin souple. Le procédé est représenté sur la figure 4.18, qui décrit le
cas d’une cellule sans électrode et sans film d’alignement. Ces éléments absents pourraient
être inclus de manière similaire à ce qui a été présenté sur la figure 4.6.
Le substrat supérieur est un film flexible recouvert d’une couche antiadhésive (figure
4.18(a)). Les capots en SU-8 sont fabriqués par photolithographie sur cette couche (figure
4.18(b)). La rigidité et la résistance mécanique et thermique du film flexible permettent
de définir et de conserver la géométrie inscrite avec des tolérances dimensionnelles serrées
comme on le détaillera plus loin. Les capots sont ensuite recouverts d’un monomère de
collage qui est une colle optique dans le cas présent, mais qui pourrait être un monomère
cristal liquide dans le cas de micro-cellules destinées à recevoir du cristal liquide (figure
4.18(c)). Le coussin mou est une couche d’élastomère silicone, fabriquée sur un verre
rigide (figure 4.18(d)). Le film flexible comportant les capots est déposé sur l’élastomère et
l’adhésion se fait simplement grâce au tack du silicone, qui mouille facilement le film (figure
4.18(e)). Le tampon souple est alors positionné par rapport aux piliers (figure 4.18(f)),
puis il est pressé contre eux et le monomère est polymérisé aux ultraviolets (figure 4.18(g)).
La dernière étape est le retrait mécanique de la partie supérieure. La séparation se fait au
niveau de l’antiadhésif (figure 4.18(h)). Les micro-cellules ainsi produites présentent une
cavité pouvant accueillir n’importe quel liquide.
84
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
Notons que cette technique peut servir à d’autres buts que les micro-cellules. Elle
permet de déposer des blocs de résine avec précision. Elle peut servir par exemple à
construire des édifices blocs par blocs, déposés les uns sur les autres.
Notons également que la nécessité de s’accommoder de défauts de topographie existe
dans d’autres domaines, notamment dans la nano-impression (nano-imprint) [231, 232].
Les solutions proposées se basent sur le fléchissement des substrats sous l’application d’une
pression. Une première technique nécessite de sceller le tampon sur le wafer puis d’appliquer une pression isostatique [233, 234]. Une autre technique se base sur le fléchissement
du wafer, poussé contre le moule rigide par une pression de gaz [235]. Une troisième technique se base sur le fléchissement du moule, poussé contre le wafer par une pression de
gaz. Cette solution est commercialisée par Süss MicroTec comme un module adaptable
sur les aligneurs de masques de sa marque (module UV-NIL) [236]. Une technique plus
pointue, développée par Philips, utilise un moule dont le support est un substrat de verre
de 200 µm d’épaisseur. Le moule est progressivement poussé sur le wafer, puis retiré, grâce
à un système pneumatique à plusieurs chambres [237, 238]. Cette solution est commercialisée par Süss MicroTec sous le nom de SCIL (Substrate Conformal Imprint Lithography).
Ces techniques sont voisines mais différentes de ce qui est présenté ici. D’ailleurs il n’est
pas exclu que le principe du procédé présenté ici puisse également servir de base à un
dispositif de nano-impression UV à bas coût.
Avant de mentionner les détails du procédé de fabrication et de présenter les résultats,
je vais présenter les films flexibles utilisés.
4.8
Films souples pour la photolithographie
Avec le développement de l’électronique flexible et des écrans flexibles, on dispose
de films souples possédant des propriétés remarquables à tout point de vue (optique,
mécanique, thermique, chimique,. . . ) [239, 240]. À partir des matériaux thermoplastiques
comme le polyéthylène téréphtalate (PET) ou le polyéthylène naphtalate (PEN), on peut
fabriquer des films par extrusion et biétirage. Le matériaux commerciaux sont par exemple
les PET Mylar et Melinex et les PEN Teonex, tous trois fabriqués par Teijin DuPont
Films. Pour les matériaux qui ne sont pas thermoplastiques, on peut fabriquer des films à
partir d’une solution de polymère en utilisant un procédé de coulée-évaporation (solvent
casting [241]). Par exemple, la société allemande LOFO fabrique le film Transphan OG
à partir du polymère Arton G (de JSR) [242, 243] et les films Aryphan à partir de
polyarylates. La société Ferrania Technologies fabrique les films AryLite, également à
partir de polyarylates.
Je me suis intéressé aux films de polyarylate AryLite de Ferrania Technologies, dont
l’utilisation dans les processus de fabrication par photolithographie a été démontrée avec
succès [245]. Les variations relatives de dimension ont été mesurées au cours d’un processus complet de photolithographie et le résultat est une variation relative inférieure à
10 ppm. Le terme polyarylate est un terme générique qui désigne un polyester complètement aromatique. Les polymères utilisés dans la fabrication de films techniques sont des
variantes de celui présenté sur la figure 4.19 [246]. Les films AryLite sont disponibles dans
des épaisseurs de 100 et 200µm. Une version HC (Hard Coat) des films est disponible et
présente une surface protectrice contenant de la silice dans une matrice acrylique, pour
améliorer la résistance chimique et la dureté de la surface. Le tableau 4.2 liste quelques
propriétés de ces films. La transition vitreuse est élevée, c’est un matériau avec une grande
résistance et une grande stabilité mécanique, une surface très lisse, une transmission op-
Fabrication de micro-cellules à l’aide d’un tampon souple
85
Figure 4.19 – Exemple typique de polyarylate utilisé pour la fabrication de films [244].
Température de transition vitreuse
Module d’élasticité
Rugosité de la surface
Transmission du film à 400 nm
Transmission du film à 365 nm
Biréfringence
Indice de réfraction du film
Indice de réfraction du revêtement protecteur
Tg = 330°C
E = 2.9 GPa
< 5 nm
90%, pour les films HC
environ 50%
retard inférieur à 10 nm
n = 1.64
n = 1.50
Table 4.2 – Quelques propriétés des films AryLite [247].
tique élevée et une très faible biréfringence. La résistance chimique du film nu est bonne
sauf pour les bases. La version HC confère au film une résistance chimique à toute épreuve
[247].
Lorsqu’on travaille la SU-8 sur le film nu, on peut être surpris de ne pas voir les motifs
apparaître contrairement à l’habitude qu’on a sur d’autres substrats. Par exemple, les
motifs n’apparaissent pas lors du recuit post-exposition (PEB). Ceci est un simple effet
d’optique dû au fait que l’indice du film nu est quasiment égal à celui de la SU-8 dans le
domaine visible. Cet effet d’optique n’a pas lieu avec la version HC du film, car le film
HC, épais de 2 µm, présente un contraste d’indice plus élevé.
Signalons pour finir que la solution antiadhésive de GR-650F se dépose sans difficulté
sur ces films et permet le décollement des structures fabriquées par dessus. En l’absence
d’antiadhésif, les colles et photorésines comme la SU-8 ne se détachent pas facilement du
film.
4.9
Fabrication de micro-cellules à l’aide d’un tampon souple
Les étapes de la fabrication d’une micro-cellule utilisant un tampon souple ont été
schématisées sur la figure 4.18. Le processus peut être réalisé avec certaines variations
dans les dimensions et les matériaux et on va se concentrer sur un exemple précis où
non seulement les capots sont déposés par transfert, mais aussi les piliers, sur le même
principe.
Dans cet exemple de processus, les films flexibles utilisés sont des films AryLite 200
86
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
Figure 4.20 – Piliers en SU-8 transférés par collage sur un substrat de verre. Observation au
microscope. Le texte du haut fait partie du masque et a été transféré en même temps. Les piliers
circulaires ont un diamètre de 600 µm, ils sont distants de 2 mm.
HC. On découpe des morceaux qui sont ensuite recouverts d’une couche antiadhésive de
GR650F comme indiqué au paragraphe 3.4. La résine SU-8 est déposée avec une épaisseur de 6.0 µm et les motifs sont créés par photolithographie. Le polymère de collage
est obtenu à partir d’une solution de colle NOA81 dissoute à 8% dans la cyclohexanone.
La solution est filtrée à 0.2 µm. Un dépôt à la tournette à 2000 tr/min laisse une épaisseur d’environ 0.16 µm. Avant de déposer la solution sur les échantillons, on les passe au
plasma d’oxygène pour améliorer le mouillage et l’adhésion. Les opérations de positionnement et d’insolation nécessitent que le coussin mou soit transparent en lumière visible
et ultraviolette. J’ai choisi pour cela le silicone Sylgard 184 de Dow Corning [248]. C’est
un élastomère transparent utilisé par exemple dans la fabrication de panneaux solaires
ou pour la fabrication de laboratoires sur puce (microfluidic lab-on-chip). Sa transparence est excellente, dans le visible comme pour les ultraviolets à 365 nm. Sa dureté,
pour une composition standard, est de 50 sur l’échelle Shore A, ce qui correspond à un
module d’élasticité d’environ E = 2.5 MPa [249]. J’utilise une épaisseur de 1.1 mm de
silicone. Une contrainte de σ = 1 bar, par exemple, cause une déformation du silicone de
= σ/E = 4%, ce qui mène à une variation d’épaisseur de 44 µm. Le silicone est collé à
un substrat de verre de 1.1 mm d’épaisseur.
Après avoir préparé un film flexible avec les piliers, on les transfère par collage sur un
substrat de verre. La figure 4.20 montre le résultat observé au microscope. Le texte lisible
sur la photographie a été transféré en même temps que les deux paires de piliers du bas.
Ce texte fait partie du masque des piliers et permet de se rendre compte que les détails
fins sont transférés correctement, la largeur des traits formant les lettres est de 25 µm.
On notera également que les deux paires de piliers ont des largeurs de canal différentes.
Cela est normal car j’ai conçu les masques avec des variations de formes et de tailles.
Du point de vue expérimental, on notera qu’il est assez facile de voir le moment où le
tampon souple entre en contact avec la surface inférieure car on observe un net changement
de teinte lorsque le film de colle mouille la surface inférieure.
Pour la suite, on passe l’échantillon au plasma d’oxygène pour favoriser l’adhésion sur
la surface supérieure des piliers, puis on dépose les capots en faisant un deuxième transfert
par collage. Après le retrait du substrat supérieur, les capots se détachent de l’antiadhésif.
Une micro-cellule ainsi obtenue est observée au microscope optique (figure 4.21(a)) et
son profil est mesuré au profilomètre optique (figure 4.21(b)). La géométrie est bien maîtrisée, mais l’observation détaillée au profilomètre montre que le sommet du capot présente
deux défauts (voir figure 4.22). Premièrement, il est légèrement bombé, deuxièmement,
Fabrication de micro-cellules à l’aide d’un tampon souple
(a) Observation au microscope.
87
(b) Mesure au profilomètre optique.
Figure 4.21 – Observation d’une micro-cellule fabriquée sur substrat de verre par transfert des
piliers puis des capots.
Figure 4.22 – Mesure détaillée de la forme du sommet de la micro-cellule observée à la figure
4.21.
il présente un relief accentué au dessus des canaux entre les piliers. Le premier défaut
est un bombement de la surface qui forme un dôme d’environ 0.13 µm de hauteur sur
une distance de 470 µm, soit un rayon de courbure d’environ 20 cm. Ce bombement peut
également s’observer sur les piliers, quoique de manière moins prononcée. Il est probablement dû à l’enfoncement de l’élastomère et au fléchissement du film flexible lors de l’appui
sous pression, comme schématisé sur la figure 4.23. Après polymérisation de la colle, la
forme légèrement bombée est conservée. Il serait intéressant de faire une modélisation
mécanique de cette situation pour vérifier l’origine de ce bombement et chercher quels
paramètres permettent de le contrôler. Le deuxième défaut mentionné est une protrusion
d’environ 0.10 µm de hauteur au dessus des canaux. Cette protrusion est présente de la
même manière sur tous les échantillons observés et je n’en ai pas compris l’origine pour le
moment. Dans tous les cas, ces déformations géométriques ne sont pas des inconvénients
majeurs car elles sont reproductibles, identiques sur chaque micro-cellule et ne sont pas
très prononcées.
La figure 4.24 montre le résultat obtenu, observé à la binoculaire pour voir un nombre
de structures plus grand que ce qu’on peut voir avec notre microscope. J’ai conçu les
masques avec 6 × 8 = 48 motifs disposés selon un quadrillage de 2 mm × 2 mm. Toutes
les structures, piliers puis capots, on été correctement transférées. Ce taux de transfert
de 100% est une nette amélioration par rapport à ce qu’on aurait obtenu en utilisant un
tampon rigide. Cette amélioration est due à l’utilisation d’un tampon souple (film flexible
et coussin mou).
Le processus qui vient d’être décrit peut être réalisé de la même manière sur une puce.
88
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
(a)
(b)
verre
Appui sous pression
élastomère silicone plot de résine à transférer
film flexible
colle non polymérisée
Déformation et bombement Figure 4.23 – Déformation de l’élastomère et bombement du film flexible lors de l’appui sous
pression. La colle fige cette forme après polymérisation.
(a) Piliers déposés sur le substrat de
verre.
(b) Capots transférés sur les piliers de
l’échantillon précédent.
Figure 4.24 – Observation à la binoculaire d’un échantillon à deux étapes de sa fabrication.
Les motifs sont disposés selon un quadrillage de 2 mm × 2 mm. Les images doubles sont dues
à la réflexion sur la face arrière du verre.
Fabrication de micro-cellules à l’aide d’un tampon souple
(a) Piliers déposés sur une puce.
89
(b) Micro-cellule obtenue après transfert du capot.
Figure 4.25 – Fabrication d’une micro-cellule sur une puce. Observation au microscope. Le côté
de la puce fait 470 µm.
Je l’ai fait sur des pastiches, qui sont en fait des rebuts de production. Le résultat est
présenté sur la figure 4.25. La photographie (a) montre l’échantillon après le dépôt des
piliers et la photographie (b) montre l’échantillon après l’ajout du capot. On obtient une
micro-cellule bien formée. Toutefois on peut constater des défauts sur la photographie (b)
qui donnent l’impression que certaines zones ne sont pas correctement polymérisées. Je
crois que la polymérisation de la colle a été incomplète et que certaines parties se sont
relevées lors du décollement. J’ai constaté également que le film de colle laissé sur le film
flexible n’était pas polymérisé correctement (il était encore fluide après polymérisation).
Il faudrait faire les opérations de collage sous azote, mais ce n’est pas possible pour le
moment avec l’aligneur de masques utilisé, cela nécessitera un support (chuck) mieux
adapté.
La micro-cellule obtenue est ensuite observée au microscope électronique à balayage
(voir figure 4.26). On observe une micro-cellule bien construite, avec une ouverture propre,
permettant d’accueillir un liquide. Sur la figure (a), on peut observer des marques d’apparence liquide. J’ai vu ces marques sous binoculaire lors du processus de collage, alors
que le capot était encore collé à l’antiadhésif. Il n’était pas possible à ce moment que la
colle non polymérisée se soit placée au dessus du capot. Je pense donc que ces marques
ne sont pas à la surface du capot, mais sont une résurgence des zones mal polymérisées
qui sont entre le capot et les piliers. Par résurgence, je veux dire que le signal d’électrons
secondaires mesuré par le MEB peut être influencé par la structure sous-jacente 2 .
Par ailleurs, le lecteur sera peut-être surpris en voyant les bords de la photorésine SU-8
sur l’image 4.26(b). L’irrégularité provient des masques chromés que j’utilise. Je fabrique
les masques en imprimant d’abord un film photographique grâce à un phototraceur (Miva
1620 Photoplotter). La résolution est de l’ordre de 5 µm à cause des grains du film. Les
irrégularités des grains sont transférées sur le masque chromé lors de la copie du film,
puis sur les motifs en SU-8 des piliers et des capots. Elles ne gênent pas le processus de
fabrication.
L’échantillon est également observé au profilomètre optique (figures 4.27 et 4.28).
On observe à nouveau un bombement et un relief accentué au dessus des canaux. Le
2. Cela devrait être discuté avec un spécialiste.
90
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
(a) Puce entière.
(b) Zoom sur un canal d’entrée.
Figure 4.26 – Micro-cellule sur une puce. Observation au MEB. Le côté de la puce fait 470 µm,
les couches de SU-8 sont épaisses de 6.4 µm.
bombement est plus important sur cet échantillon, il forme un dôme d’environ 0.27 µm
pour une distance de 380 µm, soit un rayon de courbure de 7 cm. Une raison probable de
ce plus fort bombement est que j’ai travaillé ici non pas sur une matrice de composants
mais sur des composants individuels (car je n’en ai pas beaucoup). Avec une matrice, les
éléments voisins poussent chacun le film flexible vers le haut, ce qui le force à rester proche
d’un plan moyen. Dans le cas d’un composant supportant seul la force du tampon, le film
a plus de liberté pour se fléchir, ce qui explique le plus fort bombement. Logiquement,
ce bombement dépend de la force avec laquelle on appuie le tampon souple. À la limite,
la partie centrale peut se décoller si le bombement est trop fort. Il faut donc contrôler la
force de l’appui.
Revenons maintenant à l’utilité du tampon souple. On a montré qu’il permettait un
taux de transfert de 100% dans la fabrication de matrices de micro-cellules, mais cet
essai était fait sur un substrat de verre plan. Qu’en est-il avec des échantillons dont la
surface n’est pas bien horizontale ? Dans le cas présenté ici, la puce hybridée n’est pas bien
horizontale. Son sommet est très plat mais présente par rapport au substrat une pente de
0.51 µm sur 470 µm de distance, soit 1 mrad. Pour évaluer l’efficacité du tampon souple,
j’ai mesuré la topographie du sommet de la micro-cellule par rapport à deux plans de
référence. La mesure de la figure 4.28(a) est faite par rapport au substrat en silicium.
On observe une pente vers la droite dont la valeur et la direction correspondent à la
pente du sommet de la puce. Si le film flexible était resté horizontal, on aurait obtenu
une surface proche de l’horizontale. La pente observée permet de dire que le tampon
souple est rentré en contact avec le sommet de la puce et que le film flexible s’est orienté
parallèlement à la surface de la puce. La mesure de la figure 4.28(b) est faite en prenant
comme référence le plan du sommet de la puce. On observe que le plan moyen du sommet
de la micro-cellule est parallèle au sommet de la puce et que la topographie possède la
symétrie caractéristique des canaux. Ceci montre que le tampon s’est plaqué de manière
symétrique sur le sommet de la puce. On conclut que la micro-cellule déposée est parallèle
au sommet de la puce, bien que ce sommet ne soit pas parallèle au substrat. La tampon
souple a donc permis de s’accommoder du défaut d’horizontalité.
Fabrication de micro-cellules à l’aide d’un tampon souple
(a) Observation au microscope.
91
(b) Mesure au profilomètre.
Figure 4.27 – Micro-cellule sur une puce. Observation au profilomètre optique. Le côté de la
puce fait 470 µm. Les couches de SU-8 ont une épaisseur de 6.4 µm.
(a) Référence d’horizontalité :
circuit silicium.
(b) Référence d’horizontalité :
sommet de la puce reportée.
Figure 4.28 – Mesure au profilomètre optique du sommet de la micro-cellule observée à la figure
4.27. Le résultat est représenté par rapport à deux surfaces de référence.
92
4.10
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
Discussion
Ce chapitre a décrit le développement d’une technique innovante pour fabriquer des
micro-cellules dans un processus collectif. Les micro-cellules peuvent présenter des films
d’alignement pour aligner un cristal liquide. Le comportement observé lors du basculement du cristal liquide est le même que dans une cellule traditionnelle. C’est la première
réalisation de cellules de cristal liquide à cette échelle.
Notre technique est basée sur une méthode de transfert par collage. On peut se demander si d’autres techniques permettraient de fabriquer des micro-cellules avec la même
fonction. Dans la technologie des MEMS on fabrique couramment des cavités en utilisant une couche sacrificielle. On pourrait remplir une telle cavité avec du cristal liquide,
mais comment assurer son alignement ? Cela n’est pas du tout évitent. On peut penser
à générer un nano-relief sur le plafond de la cavité, qui serait révélé après le retrait de
la couche sacrificielle, mais cela nécessiterait une technologie autrement plus poussée que
celle utilisée ici. Notre technique est donc notamment intéressante de part sa relative simplicité. Elle ne demande pas d’appareillages très sophistiqués, en comparaison avec ce qui
est nécessaire pour fabriquer des MEMS.
Le premier processus de fabrication présenté a un rendement limité parce qu’il est
sensible aux défauts à la surface des échantillons. J’ai développé un deuxième processus
qui permet de former des micro-cellules en s’accommodant des défauts de topographie
grâce à l’utilisation d’un tampon souple. Un rendement de 100% a été démontré lors de
la fabrication sur un substrat de verre. La possibilité de former des micro-cellules sur une
surface non-horizontale a été démontrée. Ce processus a permis de préparer des microcellules sur le sommet de composants reportés. Cette technique peut servir de manière
plus générale à déposer des micro-blocs de matériaux pour faire des micro-constructions.
Le bombement du film flexible sous l’appui pourrait même être utilisé pour réaliser des
surfaces courbes.
Le but principal de notre travail est la fabrication de puces laser VCSEL accordables
grâce à une lame de phase en cristal liquide nématique. Il reste encore des étapes à
franchir pour arriver à ce résultat. Tout d’abord, il faut fiabiliser le collage dans toutes les
situations. Comme on l’a signalé, la polymérisation devrait être améliorée en travaillant
sous azote. Ensuite, il faut inclure une électrode et un miroir de Bragg. Les résultats
positifs obtenus dans le cas des matériaux PDLC sont encourageants sur cet aspect. Nous
avions en effet démontré le transfert par collage d’un miroir de Bragg et de son électrode
en ITO sur le PDLC. En ce qui concerne le couplage avec une fibre optique, on notera
que le capot est suffisamment fin pour qu’il ne soit pas nécessaire d’utiliser de lentille de
collimation. L’extrémité de la fibre ne sera en effet séparée de l’intérieur de la cellule que
par une épaisseur de 6 µm de résine SU-8.
D’autres aspects technologiques devront être abordés. Tout d’abord, le cristal liquide
doit être infiltré dans la micro-cellule, le remplissage se faisant par capillarité. Pour le
moment, j’utilise simplement un fil métallique avec une goutte de cristal liquide à son
extrémité, que j’approche de l’entrée de la micro-cellule. Cette technique n’est pas utilisable industriellement, mais on peut envisager d’utiliser une seringue montée sur un robot
pour faire la même opération. Une autre alternative pourrait être d’utiliser un dépôt par
jet d’encre. Une fois la micro-cellule remplie, il faudra la coupler avec une fibre optique.
Ceci peut se faire par un positionnement actif de la fibre pendant qu’on mesure l’intensité
injectée dans la fibre. Une fois le positionnement optimisé, on fige la position en polymérisant une goutte de colle. Cette goutte peut servir en même temps à boucher les entrées
Discussion
93
de la micro-cellule. Une autre possibilité est de préparer des guides pour positionner les
fibres, pour éviter de devoir faire un positionnement actif. Ces guides peuvent être des
trous à travers le wafer de silicium ou des plots de résine SU-8 ajoutés sur le sommet des
microcellules. Le blocage final se fait de nouveau en polymérisant une goutte de colle. Pour
boucher une micro-cellule remplie de cristal liquide, on peut la recouvrir d’une goutte de
colle comme mentionné plus haut. Mais, si besoin, on peut également envisager un dépôt
de colle localisé. Cela pourrait être réalisé par un dépôt par jet d’encre, en prenant soit
d’utiliser un solvant non miscible avec le cristal liquide.
D’autres applications des micro-cellules à cristaux liquides sont envisageables. Sur des
circuits micro-onde, le cristal liquide peut agir comme un diélectrique variable et permettre
d’accorder des filtres ou des coupleurs [250]. Des micro-cellules permettraient de localiser
précisément le cristal liquide alors que la technique utilisée actuellement noie toute la
surface du circuit sous le cristal liquide. Une autre application possible est la fabrication
de micro-lentilles variables pour l’imagerie [79, 80, 81].
94
Micro-cellules pour cristal liquide nématique
Chapitre 5
Microtechnologie pour la fabrication
de guides optiques et de séparateurs
de polarisation
L’objectif du travail présenté dans ce chapitre est de contribuer à la réalisation d’un
filtre optique accordable, fabriqué dans une technologie d’optique intégrée. Le filtrage
est réalisé par deux résonateurs en anneaux où chacun traite un mode de polarisation.
Les deux modes doivent être séparés par un coupleur séparateur de polarisation. Comme
présenté dans l’introduction, il n’y a pas de solution facile pour réaliser la fonction de
séparation de polarisation en optique intégrée polymère. Nous allons présenter une solution
innovante.
Pour fabriquer les micro-cellules de cristal liquide présentées au chapitre précédent,
j’ai utilisé un cristal liquide polymérisable. Il a servi à stabiliser les couches photoalignées
et a été utilisé comme colle pour transférer les capots sur les piliers tout en présentant
une surface d’ancrage planaire pour le cristal liquide. Les propriétés intéressantes de ces
matériaux nous ont amenés à proposer leur utilisation pour la fabrication des guides
optiques et de séparateurs de polarisation dans une technologie d’optique intégrée.
5.1
Structuration des cristaux liquides polymérisés
Les cristaux liquides polymérisables ont été présentés au paragraphe 2.3. On les utilise
en solution diluée pour fabriquer des films minces, dont l’épaisseur peut aller de quelques
dizaines de nanomètres (pour stabiliser un film de photoalignement comme expliqué au
paragraphe 4.5) à quelques microns (pour former des films de compensation pour l’angle
de vue dans les dispositifs à cristaux liquides [74]). Le film déposé est un fluide visqueux
qui peut être polymérisé aux ultraviolets ou thermiquement si le matériau contient un
initiateur thermique.
Ces films peuvent être structurés en faisant une polymérisation localisée. En polymérisant le film à travers un masque, les zones exposées se figent dans la phase anisotrope
tandis que les zones masquées restent inchangées. La structuration par solvant (solvent
patterning) consiste à laver l’échantillon avec un solvant pour enlever les zones non polymérisées [251, 252]. Seules les zones polymérisées restent sur l’échantillon. La résolution
de ce procédé est de l’ordre de 5 µm pour une couche de 1.6 µm d’épaisseur. La structuration thermique (thermal patterning) consiste à porter l’échantillon à une température
supérieure à la transition nématique–isotrope. Les zones non polymérisées deviennent iso95
96
Microtechnologie pour la fabrication de guides optiques
Monomère cristal liquide
(Fabricant)
Indice extraordinaire, ne
Indice ordinaire, no
Biréfringence, ∆n = ne − no
Longueur d’onde
Source
ROF-5102 RMS03-013C RMS03-001C
(Rolic)
(Merck)
(Merck)
1.637
1.680
1.684
1.562
1.543
1.529
0.075
0.137
0.155
(à 633 nm) (à 589 nm)
(à 589 nm)
[66]
[258]
[150]
Table 5.1 – Valeurs des indices des cristaux liquides polymérisables.
tropes et l’échantillon est polymérisé dans cette situation pour figer la phase isotrope
[253, 254, 255]. L’article [254] mentionne une résolution de 10 µm et dans ce travail, j’ai
démontré une résolution proche de 2 µm (voir plus loin).
Une approche totalement différente est de structurer le polymère par gravure dans
un plasma d’oxygène. Cette technique est très générale et permet de fabriquer des guides
optiques dans toutes sortes de polymères. La résolution atteinte est typiquement de l’ordre
de 0.1 µm. Le CCLO (Centre Commun Lannionnais d’Optique) a une activité de recherche
dans ce domaine et fabrique des guides optiques en polymère [256].
Nous proposons de fabriquer des guides optiques et des coupleurs séparateurs de polarisation en combinant la structuration thermique et la structuration par gravure. Une
première étape de structuration thermique permet de préparer des zones anisotropes et des
zones isotropes. Une deuxième étape est de graver des guides dans la couche précédente.
On obtient alors des guides avec des tronçons isotropes et anisotropes (voir figure 1.5).
Un coupleur est une zone où deux guides sont assez proches pour que les modes de l’un et
de l’autre soient couplés et puissent échanger de l’énergie. En formant un coupleur dans
une zone où le matériau est anisotrope, on forme un coupleur anisotrope. Il est possible
de faire un séparateur de polarisation en choisissant la bonne longueur de couplage.
Les simulations numériques de ces fonctions optiques sont réalisées par le CCLO en
utilisant entre autres le logiciel de OlympIOs, qui implémente la méthode BPM (Beam
Propagation Method) [257].
5.2
Propriétés optiques des cristaux liquides polymérisés en phase anisotrope et en phase isotrope
Nous proposons de fabriquer des guides optiques et des séparateurs de polarisation en
utilisant un cristal liquide polymérisable.
Ces matériaux peuvent être utilisés pour former le coeur des guides car leurs indices
de réfraction sont élevés (voir tableau 5.1). Il permettent d’avoir un fort contraste d’indice
avec la gaine, qui est constituée d’un polymère de bas indice, typiquement n = 1.40 à
589 nm. Un fort contraste d’indice permet un confinement élevé et donc des pertes de
courbure limitées, notemment dans les anneaux résonants. D’autre part, la biréfringence
du matériau est suffisante pour permettre un couplage avec séparation de polarisation sur
une longueur de l’ordre de 0.1 à 1 mm d’après les simulations.
Les pertes optiques des cristaux liquides polymérisés sont suffisamment faibles pour
qu’ils puissent effectivement être utilisés comme matériau de coeur dans un guide optique.
La référence [66] mentionne des pertes de 4 dB/cm pour la longueur d’onde λ = 1.5 µm,
dans un guide en matériau totalement anisotrope (coeur et gaine). Cela correspond à
Propriétés optiques des cristaux liquides polymérisés
97
Figure 5.1 – Structure granulaire d’un cristal liquide polymérisé. Il s’agit du matériau ROF5102 de Rolic orienté de façon planaire par une couche photoalignée. L’observation est faite au
microscope polarisant, en orientant l’axe optique de l’échantillon à quelques degrés de l’extinction, ce qui permet de voir cette structure le plus distinctement. Une petite graduation mesure
10 µm.
α = 4 × ln(10) ' 9 cm-1 . Ces pertes sont comparables, en ordre de grandeur, à la diffusion
dans un cristal liquide nématique (voir paragraphe 4.1).
Dans ce travail, on utilise des cristaux liquides polymérisables prévus pour donner un
alignement planaire (voir paragraphe 2.3). J’ai utilisé plusieurs matériaux de ce type (voir
tableau 5.1) et plusieurs sortes de couches d’alignement planaire (voir paragraphe 2.2).
À chaque fois, j’ai observé une structure légèrement granulaire au microscope polarisant,
avant comme après polymérisation (voir figure 5.1). Cette structure n’a pas de direction
privilégiée quand on utilise un photoalignement alors qu’elle reprend la direction du brossage dans le cas de l’alignement par brossage. En comparaison, quand on observe une
cellule de cristal liquide orientée de façon planaire au microscope polarisant, on ne voit
pas de granularité de la sorte. Le cristal liquide est légèrement diffusant mais sa structure
est homogène à l’échelle du micron, contrairement à ce qui est observé dans les cristaux
liquides polymérisés. Je suis surpris que les pertes optiques publiées dans [66] ne soient
pas plus élevées que celles d’un cristal liquide. Il faudra mesurer ces pertes dans un guide
pour le vérifier.
Quoi qu’il en soit, ces pertes ne seront présentes dans notre cas que sur un court
tronçon anisotrope au niveau du coupleur séparateur de polarisation. Le reste des guides
sera isotrope et l’observation au microscope ne montre pas de défaut dans la structure
isotrope. De plus, on sait que les pertes par diffusion deviennent négligeables en phase
isotrope et que le coefficient d’atténuation α baisse typiquement de deux ordres de grandeur entre la phase nématique et la phase isotrope [200]. Les pertes optiques sont alors
dues à l’absorption des molécules du matériau.
Pour évaluer cette absorption moléculaire, on peut faire une mesure en solution. On
mesure la transmission sur 5.0 mm d’une solution ROF-5102 contenant un cristal liquide
polymérisable dissous à 25% dans la cyclopentanone et on la compare à la transmission
de la cyclopentanone pure. La différence entre les spectres de transmission est de plus
ou moins quelques pourcent pour les longueurs d’onde de 450 à 1600 nm. On en conclut
que sur cette plage, les molécules de cristal liquide polymérisable absorbent à peu près
autant que la cyclopentanone pure. Sur la plage de 1500 à 1600 nm, la transmission
98
(a)
Microtechnologie pour la fabrication de guides optiques
Coeur (non polymérisé)
(b)
Fluide de
dépôt
Gaine
Substrat
N2
Espaceur
(18 µm)
Vue de profil
(c)
UV
Masque
UV
(d)
(e)
I
N2
T > Tni
A
A
I
I
Vue de dessus
avant gravure
G
Vue de dessus
après gravure
Figure 5.2 – Processus de fabrication de guides et d’un coupleur anisotrope dans une couche
de cristal liquide polymérisé. (a) Échantillon après dépôt de la couche de coeur. L’orientation
des molécules est indiquée par des points lorsqu’il est perpendiculaire au plan de la page. (b)
Photolithographie de proximité. (c) Polymérisation en phase isotrope. (d) Structure obtenue.
Les lettres A, I et G signifient "Anisotrope", "Isotrope" et "Gaine". (e) Échantillon après gravure
des guides.
des deux cellules de mesure varie entre 81 à 85% et l’écart entre les deux spectres est
inférieur à 3%. En tenant compte d’environ 8% de pertes par réflexion sur les interfaces
de la cuve de spectroscopie, la transmission interne varie entre de 89 à 93% pour les
5.0 mm de solution. Le coefficient d’absorption correspondant est donc de l’ordre de
α ' 0.2 cm-1 . Cette mesure caractérise l’absorption du monomère, mais donne quand
même une information sur l’absorption du polymère car seuls les groupements acrylates
sont affectés par la polymérisation, le reste de la molécule est inchangé. Une absorption
de 0.2 cm-1 est faible au regard de la longueur des circuits optiques envisagés, qui est de
l’ordre du centimètre.
5.3
Microtechnologie pour la fabrication de guides
optiques et de coupleurs séparateurs de polarisation à base de cristaux liquides polymérisables
Le procédé proposé est représenté sur la figure 5.2. On dépose sur le substrat une
couche de polymère optique de faible indice, qui servira de gaine optique. Sur cette couche
polymérisée, on prépare une surface d’alignement planaire, puis on dépose le cristal liquide
polymérisable, qui formera le coeur du guide. La structure obtenue est représentée sur la
figure 5.2(a). Le cristal liquide polymérisable est orienté perpendiculairement au plan de
la page.
On polymérise ensuite le matériau en imprimant un motif précis. Comme le matériau
est fluide, il n’est pas possible de poser un masque sur sa surface. Une solution intéressante
serait d’utiliser un dispositif d’imagerie par projection, par exemple un photoréducteur.
Fabrication de zones isotropes et anisotropes par structuration thermique
99
Il faudrait un appareil qui fonctionne à 365 nm, qui puisse être purgé de l’oxygène et
permette un alignement par rapport à des motifs déjà présents sur le substrat. Comme
nous n’avons pas ce genre d’instrument, j’ai proposé de faire une photolithographie de
proximité. Pour assurer un espacement bien contrôlé entre le masque et l’échantillon, on
peut utiliser le fluide chargé d’espaceurs qui a été présenté au paragraphe 2.4. Quelques
points sont déposés à la seringue sur le tour du substrat (les couches sont détourées après
chaque dépôt). Après un alignement grossier, le masque est pressé vers l’échantillon et
entre en contact avec les espaceurs. On a toujours la liberté d’un ajustement fin par
la suite. La situation lors de l’appui du masque est représentée sur la figure 5.2(b). En
insolant le matériau à travers le masque, sous azote, on fige les zones anisotropes aux
endroits prévus.
L’étape suivante est de polymériser en phase isotrope les zones non figées. L’échantillon
est chauffé au-delà de la température de transition nématique–isotrope et la polymérisation est réalisée sous azote. On obtient la structure représentée de profil sur la figure 5.2(c)
et de dessus sur la figure 5.2(d). Les zones isotropes et anisotropes étant polymérisées,
on grave les guides pour obtenir la structure de la figure 5.2(e). Cette étape est réalisée
au laboratoire du CCLO. L’étape finale est de recouvrir les guides avec un polymère de
faible indice pour former la gaine supérieure, qui permet de les protéger tout en assurant
le confinement optique.
5.4
Fabrication de zones isotropes et anisotropes par
structuration thermique d’un cristal liquide polymérisable
J’ai commencé par mettre au point la technique de structuration thermique sur des
substrats de verre, sans gaine optique. Le matériau de photoalignement ROP-103 de Rolic
(LPP) est déposé à la tournette sur le substrat, puis photoaligné avec des ultraviolets
polarisés (λ ∼ 300 nm). J’ai utilisé cette même surface d’alignement pour les trois cristaux
liquides polymérisables mentionnés dans le tableau 5.1. Le matériau ROF-5102 de Rolic
se dépose sans difficulté. C’est une solution diluée à 25% dans la cyclopentanone qui
laisse par exemple une couche de 1.30 µm après un dépôt à la tournette à 2000 tr/min.
Les matériaux de Merck ont tendance à démouiller la surface du LPP au niveau des
poussières. Les films obtenus présentent alors quelques défauts. Un dépôt du RMS03001C à 2000 tr/min donne une couche de 1.00 µm.
L’insolation sous masque en photolithographie de proximité est faite avec des ultraviolets à 365 nm, à température ambiante et sous azote. L’énergie nécessaire pour figer la
phase anisotrope est de l’ordre de 80 mJ/cm2 . C’est une énergie assez faible quand on la
compare à l’énergie conseillée par les fournisseurs pour polymériser les matériaux, de 0.5
à 1 J/cm2 . Toutefois, cette énergie est suffisante. Une énergie supérieure dégrade même
la résolution car la zone anisotrope figée devient plus large, avec des frontières floues.
Une difficulté pour cette insolation vient du fait que le substrat est transparent. La
réflexion diffuse des ultraviolets sur le chuck de l’aligneur de masque suffit à causer une
polymérisation partielle des parties masquées. Il est nécessaire de poser l’échantillon sur
un film absorbant les ultraviolets. Même avec cette précaution, la réflexion sur la face
arrière du verre crée une image fantôme du masque qui s’inscrit dans le matériau. La
solution est d’utiliser un liquide adaptateur d’indice entre le film absorbant et la face
arrière de l’échantillon. Une autre solution pourrait être de recouvrir la face arrière avec
100
Microtechnologie pour la fabrication de guides optiques
(a)
Cristal liquide
polymérisé
(c)
Matériau non
polymérisé
LPP
Verre
(b)
I
A
I
Période : 4.9 µm
(groupe 7, élément 5)
Période : 12.4 µm
(groupe 6, élément 3)
Figure 5.3 – Fabrication de zones isotropes et anisotropes par structuration thermique. (a)
Après la photolithographie de proximité. (b) Après la polymérisation des zones isotropes. (c)
Résultat obtenu observé au microscope polarisant. L’axe optique des zones anisotropes est à 45°
des axes des polariseurs.
Monomère cristal liquide
(Fabricant)
Température de transition nématique–
isotrope observée
Température minimale de polymérisation pour obtenir un polymère isotrope
ROF-5102 RMS03-013C RMS03-001C
(Rolic)
(Merck)
(Merck)
53°C
54°C
70°C
60°C
80°C
100°C
Table 5.2 – Températures pour effectuer les polymérisations en phase isotrope.
une résine absorbante (par exemple les résines ARC de Brewer Science ou BARLi II de
AZ Electronic Materials [259, 260]).
Après l’insolation localisée, certaines zones sont figées en phase anisotrope tandis que
les zones non exposées sont encore fluides et sont destinées à former des zones isotropes
(voir figure 5.3 (a) et (b)). Pour obtenir les zones isotropes, il faut polymériser le monomère cristal liquide en phase isotrope. On insole avec une énergie d’environ 1 J/cm2 .
Avec le matériau ROF-5102 de Rolic, il est facile de figer la phase isotrope, il suffit de
faire la polymérisation, sous azote, quelques degrés au dessus de la température de transition nématique–isotrope. Avec les matériaux RMS03-013C et RMS03-001C de Merck,
cela ne se passe pas aussi facilement. Si l’on effectue la polymérisation 5°C au dessus
de la température de transition nématique–isotrope, le matériau retrouve une structure
nématique lors du refroidissement, bien que la polymérisation soit parfaite (le film obtenu
est bien dur). La biréfringence observée est pratiquement la même que s’il n’y avait pas
eu de polymérisation. Si l’on effectue la polymérisation 15°C au dessus de la température
de transition nématique–isotrope, le matériau conserve une structure isotrope après le
refroidissement à température ambiante. Toutefois, l’observation détaillée au microscope
polarisant montre que la phase isotrope est constellée de petits points brillants qui trahissent des zones anisotropes. Il faut prendre une marge d’au moins 20°C pour s’assurer de
figer correctement la phase isotrope. Le tableau 5.2 indique les températures permettant
d’obtenir un polymère bien isotrope.
La figure 5.3 (c) présente le résultat obtenu. Le masque utilisé est un mire de résolution.
On constate que les éléments sont correctement résolus, des plus larges jusqu’à l’élément
dont la période est de 4.9 µm. La résolution du procédé est donc de l’ordre de 2.5 µm. Une
Structuration sur la gaine optique
101
observation attentive montre que des fibrilles anisotropes sont présentes entre les zones
anisotropes lorsqu’elle sont proches l’une de l’autre. Je ne connais pas la cause exacte
de ces fibrilles. Peut-être sont-elles dues à des inhomogénéités dans le matériau, qui se
traduisent par une réactivité accrue de certaines zones.
Avant de terminer ce paragraphe, revenons sur la nécessité de faire les polymérisations à l’abri de l’oxygène. Les cristaux liquides polymérisables sont en grande majorité
des monomères acrylates (mono ou di-acrylates) et polymérisent de manière radicalaire.
Comme on l’a signalé au paragraphe 2.3, l’oxygène inhibe ces polymérisations. Or lors des
processus présentés plus haut, les couches fines sont exposées à l’atmosphère ambiante. Il
est donc indispensable de réaliser les polymérisations à l’abri de l’oxygène, par exemple
sous atmosphère d’azote. S’il reste de l’oxygène, la polymérisation n’est que partielle. Par
exemple si l’on polymérise un monomère cristal liquide à température ambiante dans la
phase nématique, en présence d’air, le matériau obtenu passera quand même en phase
isotrope lorsqu’on augmente la température. La température de transition nématique–
isotrope est presque inchangée par cette polymérisation partielle. De la même manière,
si l’on essaye de polymériser le monomère cristal liquide en phase isotrope, en présence
d’air, la polymérisation ne se fait pas du tout. Le matériau reste fluide et retourne en
phase nématique lors du refroidissement.
5.5
Structuration sur la gaine optique
L’étape suivante est d’inclure la gaine optique dans le processus.
5.5.1
Polymères pour la gaine optique
La gaine optique doit avoir un indice plus faible que le coeur pour que la lumière soit
guidée. On utilise les polymères optiques de la gamme EFIRON Polymer Clad Resin de
la société coréenne SSCP. Ils sont disponibles dans une gamme d’indice allant de 1.37 à
1.45 (indices mesurés à 850 nm). Par exemple, le polymère PC-430, que nous utiliserons
dans la suite, a un indice de 1.42 à 850 nm [261].
Ces matériaux sont des polymères fluorés qui réticulent par polymérisation radicalaire.
Un exemple de composition est indiqué sur la figure 5.4 [262, 263]. L’indice de réfraction
dépend de la proportion de fluor. Le photoinitiateur peut être différent d’un produit à
l’autre. Par exemple, le matériau PC-430 contient un photoinitiateur sensible autour de
250 nm. Il ne polymérise donc pas à 365 nm. Ce n’est pas toujours pratique de travailler à
250 nm car cette longueur d’onde est arrêtée par le verre et pour la suite des travaux, j’ai
suggéré d’utiliser le polymère PC-404F, qui contient un photoinitiateur sensible autour
de 365 nm.
Le matériau est déposé à la tournette à partir d’une solution diluée dans un solvant.
On utilise par exemple le matériau PC-430 dilué à 50% dans le THF. Le film obtenu
sans précaution spéciale présente une surface irrégulière, probablement parce que la colle
contient des volumes partiellement polymérisés qui forment un gel. On améliore grandement le résultat en filtrant la solution avant le dépôt à travers un filtre à 0.5 µm. Le
film déposé à 2000 tr/min a une épaisseur de 4.5 µm. La polymérisation est réalisée sous
lumière ultraviolette à l’abri de l’oxygène.
Cette épaisseur n’est pas suffisante pour assurer une bonne isolation optique entre
le coeur du guide et le substrat de silicium car les simulations montrent qu’il faut une
épaisseur supérieure à 5 µm et si possible un peu plus. Le dépôt de la colle pure donne
102
Microtechnologie pour la fabrication de guides optiques
Figure 5.4 – Exemple de composition du matériau utilisé pour former la gaine optique [262, 263].
Les coupleurs entre la chaîne perfluorée et les groupes portant la fonction alcène peuvent être
différents d’un matériau à l’autre.
Structuration sur la gaine optique
103
Figure 5.5 – Mesure au profilomètre optique de la surface du polymère de gaine. Le dépôt est
réalisé à partir d’une solution de PC430 à 50% dans le THF, déposée à la tournette à 2000 tr/min.
L’épaisseur du film est de 4.5 µm.
un film épais d’environ 20 µm, mais sa surface présente des ondulations de l’ordre de
0.1 µm sur des distances de 500 µm. Ces inhomogénéités sont un peu trop importantes
car elles risquent de se répercuter sur la couche supérieure, c’est-à-dire la couche de coeur.
On préférera déposer deux couches, la deuxième après la polymérisation de la première.
Toutefois, pour ce travail préliminaire, une seule couche sera déposée car nous ne sommes
pas encore au stade d’injecter la lumière dans le guide.
Même en filtrant la colle, la surface du dépôt n’est pas tout à fait plate. Le détail de
la topographie est mesuré au profilomètre optique et indiqué sur la figure 5.5. On observe
des ondulations de l’ordre de 40 nm sur des distances de 500 µm. Toutefois, ces faibles
courbures ne gênent pas le guidage et ne causent pas de perte significative.
5.5.2
Alignement sur la gaine optique
On désire maintenant préparer une surface d’alignement sur la gaine optique. La première idée est d’utiliser le matériau LPP de Rolic qui a mené aux résultats présentés au
paragraphe 5.4.
Le dépôt de la solution de LPP ne peut pas se faire directement sur la gaine optique
car c’est un polymère fluoré très hydrophobe qui ne se laisse pas mouiller. Il faut traiter
la surface du polymère au plasma d’oxygène pour permettre son mouillage. Pour notre
système plasma, les paramètres sont une pression d’oxygène de 0.5 mbar, une puissance
RF de 80 W, pendant 2 min.
Après l’activation de la surface, le mouillage de la solution de LPP est bon, mais le
dépôt final est de mauvaise qualité. On observe un léger voile blanchâtre qui n’est pas
présent quand le dépôt est fait directement sur un substrat de verre. Ce voile peut être dû
au fait que la couche de PC-430 n’est pas suffisamment bien polymérisée et que le solvant
du LPP, la cyclopentanone, a pu pénétrer la couche et en extraire des matériaux.
Malgré le défaut observé, il est possible d’aligner la couche de LPP avec des ultraviolets
polarisés (λ ∼ 300 nm) et de déposer un cristal liquide polymérisable. Le résultat avec
les produits de Merck est très mauvais car le cristal liquide déposé démouille la surface
rapidement. Concernant le produit de Rolic, nous avons un problème d’approvisionnement
104
Microtechnologie pour la fabrication de guides optiques
(a)
Brossage
(c)
Gaine
Verre
(b)
I
A
I
Couche
de coeur
Période : 12.4 µm
(groupe 6, élément 3)
Période : 4.4 µm
(groupe 7, élément 6)
Figure 5.6 – Fabrication de zones isotropes et anisotropes par structuration thermique sur la
gaine optique. (a) Brossage du polymère. (b) Structure obtenue. (c) Résultat obtenu observé au
microscope polarisant. L’axe optique des zones anisotropes est à 45° des axes des polariseurs.
La lettre "m" observée sur le plus petit élément (groupe 7, élément 6) est un défaut déjà présent
sur le masque.
car la société a décidé de ne plus vendre ses produits chimiques 1 . Nous travaillerons dans
la suite seulement avec les matériaux de Merck.
Devant ces difficultés, nous avons décidé d’abandonner la technique du photoalignement pour ce projet. En cherchant les voies possibles, j’ai proposé de tester s’il était
possible de générer un alignement en brossant la surface de polymère de gaine comme
représenté sur la figure 5.6 (a).
Le brossage de la surface, effectué après une activation par plasma d’oxygène, permet
effectivement de préparer une surface d’alignement. Après le brossage, le cristal liquide
polymérisable est déposé à la tournette. Les deux matériaux de Merck mouillent correctement la surface car elle a été activée au préalable. Le film obtenu après le dépôt est
seulement partiellement aligné et l’alignement est optimisé en laissant l’échantillon pendant une minute à une température un peu inférieure à la transition nématique–isotrope.
Les températures d’optimisation sont 50°C pour le RMS03-013C et 60°C pour le RMS03001C. Ce traitement permet aux défauts du cristal liquide de se résorber. Notons que
le traitement au plasma d’oxygène ne doit pas être fait après le brossage car il détruit
progressivement l’alignement de la surface.
La figure 5.6 (b) indique la structure obtenue après la polymérisation localisée sous
masque et la polymérisation à haute température pour figer la phase isotrope. La photographie 5.6 (c) présente le résultat obtenu en utilisant pour masque une mire de résolution.
On constate que les éléments sont correctement résolus, des plus larges jusqu’à l’élément
dont la période est de 4.4 µm. La résolution du procédé est donc de l’ordre de 2.2 µm.
Pour ces essais, j’ai utilisé des espaceurs de 11 µm, déposés directement sur la couche
fraîche du monomère cristal liquide, dont l’épaisseur est de 1.0 µm environ. Les espaceurs
s’enfoncent à travers la couche fluide et prennent appui sur le polymère de gaine. Dans ces
conditions, au cours de l’étape de photolithographie de proximité, l’écart entre le masque
et la couche de monomère est d’environ e ' 10 µm. L’ordre de grandeur√de la résolution
optique possible dans le processus de photolithographie est donné par λe ' 2 µm. Le
résultat obtenu expérimentalement est donc proche de la limite permise par l’optique.
1. Il semblerait que la société ait décidé de se présenter uniquement comme un fournisseur de services.
Ils continuent d’utiliser les produits de photoalignement dans ce cadre.
105
Fabrication de guides optiques
Masque de gravure
des guides
Masque d'insolation
des zones anisotropes
y
y
x
Superposition des masques
x
Détail d'un coupleur
Figure 5.7 – Masques utilisés pour la fabrication des guides (marques d’alignement en jaune,
zones anisotropes en bleu, gravure des guides en rouge).
5.6
5.6.1
Fabrication de guides optiques
Choix du substrat
Pour fabriquer les guides optiques, on peut travailler sur un substrat de verre ou de
silicium.
Pour les substrats de verre, on a déjà mentionné qu’il faut empêcher la réflexion sur la
face arrière pour éviter les insolations parasites. Ce problème n’existe pas avec le silicium
car la lumière ultraviolette ne peut pas le traverser.
Le choix du substrat doit aussi tenir compte de l’étape où les interfaces optiques des
guides seront formées. Le silicium a l’avantage de pouvoir être clivé. Lors du clivage, les
guides en polymère sont coupés en même temps que le silicium et présentent une interface
de qualité souvent suffisante pour pouvoir injecter la lumière dans le guide. Au contraire,
l’utilisation d’un substrat de verre nécessite un sciage. C’est une opération délicate car le
polymère peut être facilement arraché. Il est préférable de poser une deuxième lame de
verre au dessus du polymère pour le tenir entre deux matériaux rigides lors du sciage.
Concernant le prix, les plaques de verre que l’on utilise sont nettement moins chères
que les wafers de silicium.
Finalement, les deux types de substrats sont possibles, mais en raison des avantages
pratiques du silicium, nous avons décidé avec nos partenaires du CCLO que l’on travaillerait sur wafer de silicium.
5.6.2
Masques pour le processus
Pour réaliser le processus, il faut un masque pour l’insolation des zones anisotropes et
un masque pour la gravure des guides.
Mais il y a une difficulté pour l’alignement du deuxième masque par rapport au premier
car les zones anisotropes et les zones isotropes ne se distinguent qu’en lumière polarisée. Or
l’aligneur de masques utilisé au CCLO ne permet pas l’observation en lumière polarisée.
J’ai donc prévu un masque supplémentaire, pour définir des marques d’alignement sur le
substrat. Ces marques peuvent être formées sur le silicium par dépôt et gravure d’une
couche d’aluminium ou d’une couche d’or (avec une interface en chrome pour améliorer
l’adhésion).
106
Microtechnologie pour la fabrication de guides optiques
(a)
Brossage
(c)
I
A
Gaine
I
Couche
de coeur
Silicium
x
(b) Masque d'insolation :
y
(d)
y
x
Figure 5.8 – Zones isotropes et anisotropes sur wafer de silicium. (a) Préparation de la surface
d’alignement. Le cristal liquide polymérisable est ensuite déposé sur cette surface. (b) Masque
d’insolation du cristal liquide polymérisable. Les zones bleues sont les ouvertures du masque. (c)
Vue de profil de la structure obtenue. (d) Résultat observé au microscope polarisant. La règle
mesure 1 mm. L’axe optique des zones anisotropes est à 45° des polariseurs.
Le masque des guides a été dessiné par le CCLO et j’y ai ajouté les motifs d’alignement.
Des extraits des masques sont donnés sur la figure 5.7. Les variations entres les différents
motifs concernent la largeur des guides, la longueur de couplage et l’écart entre les guides
(dans la zone de couplage).
5.6.3
Structuration des zones anisotropes et isotropes
Le processus de structuration des zones anisotropes et isotropes sur un wafer de silicium est le même que celui décrit au paragraphe 5.5.2 pour un substrat de verre. Le
polymère de gaine est déposé et polymérisé, puis sa surface est traitée au plasma d’oxygène et brossée (figure 5.8(a)). Le cristal liquide polymérisable est ensuite déposé à la
tournette. L’alignement est optimisé en laissant l’échantillon une minute à une température un peu inférieure à la transition nématique–isotrope, comme expliqué précédemment.
La structuration des zones anisotropes est réalisée par photolithographie de proximité
à travers le masque prévu (figure 5.8(b)). L’espacement est maintenu grâce à des espaceurs
de 18 µm comme représenté sur la figure 5.2. Ils reposent directement sur le wafer car les
couches sont détourées après chaque dépôt (edge bead removal). Pour les essais, l’épaisseur
de la couche de polymère de gaine est d’environ 3 µm et l’épaisseur de la couche de cristal
liquide polymérisable est de 1.0 µm. Cela laisse un espacement de 14 µm entre le masque et
la couche fluide. Après insolation des zones anisotropes, les zones non exposées sont figées
en phase isotrope par polymérisation à haute température. Les espaceurs sont ensuite
enlevés à l’eau.
La structure obtenue est schématisée en coupe sur la figure 5.8(c) et la figure 5.8(d)
montre le résultat photographié au microscope polarisant. Le débordement des zones
anisotropes est dû à un problème de contact lors de l’insolation de la phase anisotrope (le
contact ne s’est fait que d’un côté, je pense que les freins du chuck sont restés bloqués et
que le chuck n’était pas parallèle au masque). Cette erreur n’est pas gênante à ce niveau
d’avancement.
Fabrication de guides optiques
107
Figure 5.9 – Mesure au profilomètre optique de la surface de la couche de coeur, déposée sur la
gaine. On distingue la zone anisotrope prévue pour le coupleur séparateur de polarisation. On
distingue également une zone où le monomère cristal liquide a démouillé le polymère de gaine.
La figure 5.9 est une observation au profilomètre optique de la surface du polymère
cristal liquide au niveau d’une zone anisotrope. On constate que le rectangle insolé a une
altitude légèrement différente de la partie isotrope. L’article [254] étudie ce phénomène
et l’interprète comme un transport de matière lors des polymérisations et de l’élévation
de température. Un guide gravé, passant de la zone isotrope à la zone anisotrope verra
donc non seulement un changement d’indice, le coeur devenant anisotrope, mais aussi un
léger changement de géométrie du coeur. S’il s’avère que la passage d’une zone à l’autre
est trop brutal et cause une réflexion partielle, on pourra modifier le masque pour rendre
la transition plus progressive.
Sur la figure 5.9, on remarque également un trou dans la couche de coeur. C’est
une zone où le cristal liquide polymérisable a démouillé la gaine optique. Ces défauts
se produisent de temps en temps et sont le signe que le mouillage du cristal liquide
sur le polymère de gaine est mauvais, malgré le traitement au plasma d’oxygène. Les
deux matériaux de Merck qui ont été utilisés ici ont tous deux montré des problèmes
de mouillage sur plusieurs types de surfaces. Pour améliorer la fiabilité du dépôt, une
première idée est de modifier la surface de la gaine en déposant une fine couche d’un
autre matériau (quelques dizaines de nanomètres seulement), par exemple de polyimide.
Ceci améliore effectivement le résultat mais demande une étape de cuisson supplémentaire
pour le polyimide. Une autre possibilité serait d’utiliser un cristal liquide polymérisable
d’une composition différente, plus adaptée à la situation. Il est malheureusement difficile
de choisir car les fournisseurs ne dévoilent pas la composition des mélanges, notamment les
surfactants utilisés. Or ceux-ci ont un rôle déterminant dans le mouillage. Par exemple,
le brevet [157] de DIC donne un exemple comparatif et met en avant le problème de
mouillage dans le cas d’un surfactant fluorocarboné (FC-171). Il y a quelques raisons
de penser que ce dernier est présent dans les matériaux de Merck car il est mentionné
dans plusieurs de leurs brevets, par exemple dans [264, 155, 156], mais ce n’est qu’une
supposition. Il faudra donc contacter le fournisseur pour trouver si un autre matériau de
leur gamme pourrait convenir.
108
Microtechnologie pour la fabrication de guides optiques
(a) Coupleur vu de dessus.
(b) Échantillon clivé.
Figure 5.10 – Observation au microscope électroniques des guides gravés dans la couche de
cristal liquide polymérisé.
5.6.4
Gravure des guides
La gravure des guides en polymère est faite au CCLO [256]. Une fine couche de silice
est déposée par pulvérisation cathodique (∼ 20 nm). On la recouvre d’une couche de
photorésine positive qui est insolée avec le masque des guides puis développée. Cette
photolithographie doit être réalisée avec une résolution proche de 0.1 µm et nécessite donc
un bon contact du masque contre la photorésine. Il est important que les espaceurs utilisés
pour la photolithographie de proximité (voir paragraphe précédent) aient été tous retirés.
La couche de silice est ensuite gravée en plasma de SF6 aux endroits où la photorésine a
été retirée.
Pour finir, l’échantillon est gravé dans un plasma d’oxygène directionnel. La silice
et la photorésine qui la recouvre servent de masque pour la gravure du polymère. La
photorésine est consommée en totalité au cours de la gravure et le masquage en fin de
gravure est assuré par la silice uniquement. Les zones de polymère non couvertes par la
silice sont gravées d’une profondeur correspondant à l’épaisseur de la couche de coeur.
La figure 5.10 montre le résultat obtenu observé au microscope électronique. La figure
(a) montre que l’espace entre les guides au niveau du coupleur est bien défini. La figure (b)
est obtenue après clivage du silicium. Le polymère est correctement découpé et on observe
que la section est bien rectangulaire. Pour ces essais, l’épaisseur de la couche de polymère
de gaine était d’environ 3 µm et l’épaisseur de la couche de cristal liquide polymérisable
était de 1.0 µm. La vitesse de gravure était de 0.10 µm/min pour le coeur anisotrope. La
figure montre que la gravure a été poursuivie jusque dans la gaine optique.
Les guides sont également observés au microscope en réflexion. La figure 5.11 montre
des coupleurs gravés soit en zone totalement anisotrope, soit en zone totalement isotrope.
Nos partenaires du CCLO n’ont pas encore réalisé de gravure à un endroit où le guide
passe d’une zone à l’autre. Les guides gravés dans le polymère anisotrope sont nettement
visibles en lumière polarisée (voir figure 5.11(a)). Sur la photographie, l’axe optique du
cristal liquide polymérisé est orienté à 45° des axes des polariseurs. Dans les mêmes
109
Discussion
(a)
(b)
(c)
Figure 5.11 – Guides gravés dans la couche de coeur observés au microscope en réflexion.
(a) Coupleur gravé dans une couche anisotrope, observé en lumière polarisée. Une graduation
représente 10 µm. (b) Coupleur gravé dans une couche isotrope, observé en lumière non polarisée.
(c) Observation de la zone (b) dans les même conditions de prise de vue que (a) (même temps
d’exposition). L’image est complètement noire car les guides sont isotropes.
conditions, les guides gravés dans le polymère isotrope ne sont pas observables car ils ne
sont pas biréfringents (voir figures 5.11(b) et (c)). Cette observation montre qu’on a bien
réussi à former des guides dans un matériau cristal liquide polymérisé ou phase anisotrope
et en phase isotrope.
5.7
Discussion
Ce chapitre a présenté notre travail visant à fabriquer des guides optiques pouvant
inclure des tronçons anisotropes. Nous avons proposé et développé un nouveau procédé
utilisant un matériau cristal liquide polymérisable pour la couche de coeur et un polymère de faible indice pour la gaine. Les zones anisotropes sont obtenues grâce à une
structuration thermique (thermal patterning) du cristal liquide polymérisable.
Les bases de ce procédé ont été démontrées expérimentalement. Il reste maintenant à
améliorer différents points pour produire une structure réellement utilisable pour les tests
optiques.
Il faut produire une structure avec les épaisseurs de couche adaptées. Comme on
l’a signalé, nous optons pour le dépôt de deux couches successives pour le polymère de
gaine, par exemple 2 × 4 µm d’épaisseur, pour assurer l’isolation optique du guide. Pour
le polymère de coeur, l’épaisseur visée est de 1.5 µm mais les deux produits de Merck
que j’ai utilisés permettent difficilement d’atteindre une telle épaisseur. Il faudra donc
contacter le fournisseur pour obtenir une autre formulation, par exemple un cristal liquide
polymérisable pur, que l’on mettra dans un solvant bien choisi. Les produits Merck que
j’ai utilisés sont dissous dans le PGMEA. En utilisant de la cyclopentanone, qui a la même
viscosité mais qui s’évapore plus rapidement, on obtiendra un film plus épais.
Il faut aussi fiabiliser le procédé en évitant toute possibilité de démouillage du cristal
liquide polymérisable et en assurant un alignement de qualité. Ceci passe par un traitement de la surface hydrophobe du polymère de gaine. La surface étant activée par un
plasma d’oxygène, on peut déposer une fine couche d’un autre matériau, par exemple
un polyimide, qui réagit en se greffant sur la surface. Une autre possibilité peut être un
greffage en phase vapeur par polymérisation plasma (réaction de HMDSO, par exemple).
Une fois la bonne géométrie obtenue, il sera possible d’injecter la lumière dans les
guides. Il faudra alors mesurer les pertes du matériau isotrope et du matériau aniso-
110
Microtechnologie pour la fabrication de guides optiques
trope selon les deux polarisations. Il faudra aussi étudier le fonctionnement du coupleur
anisotrope.
Le travail présenté constitue donc une base pour les développements futurs. Il a introduit une structure, des matériaux et un procédé innovants. C’est la première réalisation
d’un guide gravé dans un matériau mésomorphe. Le processus proposé est particulièrement simple comparé aux autres possibilités trouvées dans la littérature et rappelées dans
l’introduction. La partie anisotrope présente une forte biréfringence, propre aux matériaux
mésomorphes, ce qui devrait permettre une séparation de polarisation sur de courtes longueurs de couplage. L’utilisation de matériaux polymères organiques permet aussi un coût
plus faible que les matériaux cristallins inorganiques.
Conclusion
Le réseau d’accès optique est actuellement en train d’être installé en France. Il est organisé selon une architecture TDM-PON (Time Division Multiplexing – Passive Optical
Network). L’évolution vers des débits plus élevés passera par l’utilisation d’une architecture WDM (Wavelength Division Multiplexing) où les communications sont multiplexées
sur plusieurs longueurs d’onde. La mise en place de cette architecture nécessitera des
composants optiques accordables à bas coût. Ce travail contribue au développement de
deux composants essentiels, les lasers accordables et les filtres accordables. Pour ces objectifs, nous avons proposé et développé des microtechnologies de fabrication incluant des
matériaux mésomorphes.
Le premier développement concerne des puces VCSEL incluant une couche de PDLC
à l’intérieur de la cavité laser. En appliquant un champ électrique, l’épaisseur optique
de la couche de PDLC varie et peut modifier la longueur d’onde émise. J’ai mesuré les
caractéristiques optiques des couches de PDLC en utilisant des méthodes suffisamment
sensibles pour mesurer avec précision les faibles pertes et les variations d’indice. Ces
mesures confirment la possibilité d’utiliser ce matériau à l’intérieur d’une cavité VCSEL.
Pour la fabrication du composant, une technique de transfert a été développée, où le miroir
de Bragg et son électrode sont fabriqués sur un plot de photorésine, puis transférés par
collage lors de la polymérisation du PDLC. La structure obtenue présente des couches de
qualité optique avec une géométrie contrôlée. La technique développée permet le transfert
du miroir et de l’électrode sur une couche fragile où les dépôts en phase vapeur sont
problématiques. C’est une technique innovante qui n’a pas été décrite ailleurs.
Le deuxième développement concerne des puces VCSEL incluant une couche de cristal
liquide nématique. En appliquant un champ électrique, les molécules basculent et modifient l’épaisseur optique vue par le rayon extraordinaire. J’ai développé une technologie
permettant de fabriquer des micro-cellules pour contenir le cristal liquide. Elles présentent
un film d’alignement et une électrode de commande. Ces micro-cellules sont fabriquées à
partir d’éléments en résine SU-8 qui sont assemblés par un procédé de transfert par collage. Un cristal liquide polymérisable sert au collage et permet en même temps d’aligner
le cristal liquide. C’est la première réalisation de micro-cellules de cristaux liquides.
Les micro-cellules sont destinées à être positionnées sur des surfaces dont la géométrie
peut présenter des variations inévitables, comme c’est le cas pour le sommet de puces
hybridées. J’ai développé un processus de transfert utilisant un tampon souple qui permet
une fabrication collective s’accommodant des irrégularités de la surface de l’échantillon
cible.
Le troisième développement concerne les filtres accordables en optique intégrée polymère. Nous avons proposé une technologie innovante permettant de réaliser des guides en
même temps qu’un coupleur séparateur de polarisation. La gaine est un polymère fluoré
de bas indice et le coeur est un cristal liquide polymérisé. Une technique de structuration
thermique permet de préparer des zones anisotropes aux endroits choisis et de polyméri111
112
Conclusion
ser le reste de la couche de coeur en phase isotrope. Les guides sont ensuite obtenus par
gravure sèche. Nous avons obtenu les premiers guides isotropes et anisotropes gravés dans
ce genre de matériaux.
Il y a de nombreuses choses à faire dans la suite de ce travail. Au sujet des lasers, il faut
démontrer expérimentalement qu’il est possible de faire fonctionner un laser accordable
incluant une couche de cristal liquide nématique. Cette démonstration peut se faire sur
des échantillons macroscopiques pompés optiquement, qui sont plus faciles à fabriquer que
des puces VCSEL pompées électriquement. Jusqu’à présent, les irrégularités de la surface
des échantillons que j’ai reçus m’ont empêché de faire cette démonstration.
Concernant le transfert collectif par collage, il faut résoudre les problèmes de polymérisation partielle en travaillant à l’abri de l’oxygène. Il faudra ensuite démontrer le transfert
d’un capot couvert d’un miroir de Bragg. Cet élément est en effet nécessaire pour fermer
la cavité optique du laser. Ensuite, lorsqu’on disposera de puces VCSEL fonctionnelles, il
faudra former les micro-cellules sur leur sommet et démontrer le fonctionnement du laser
accordable pompé électriquement.
À ce niveau d’avancement, il faudra se demander comme réaliser les connections des
vias au sommet de la puce avec une technologie industrialisable et non pas avec une
pointe de touche comme je l’ai fait. Il serait par exemple intéressant de tracer des lignes
conductrices entre le via et un plot de contact par une technique de dépôt par jet d’encre.
Au sujet des guides optiques, il faudra fabriquer les échantillons avec les bonnes épaisseurs de couche, fiabiliser le processus, puis mesurer les pertes et démontrer la séparation
de polarisation. La structure complète, incluant les anneaux résonants, pourra ensuite
être testée.
Les procédés développés dans ce travail utilisent des outils standards (tournette, aligneur de masques, système plasma, machine de brossage,. . . ), donc la plupart des opérations sont transférables à l’industrie sans adaptation majeure. Le transfert par collage
est probablement l’opération la moins courante et son transfert demandera probablement
quelques adaptations.
Pour finir, rappelons les perspectives de ce travail, déjà évoquées au cours du texte. Les
lasers accordables que nous développons sont compacts, sans élément mobile et de faible
coût. On envisage une vitesse d’accord de l’ordre de la milliseconde et une modulation
électrique du signal optique à 10 Gbit/s. Leur utilisation est envisagée en premier lieu
dans le secteur des télécommunications optiques pour mettre en place un réseau d’accès
WDM. Le multiplexage des communications sur plusieurs longueurs d’ondes permettra
un accroissement du débit de transmission. Une autre utilisation envisagée est la lecture
de capteurs sur fibres optiques, par exemple pour contrôler les déformations dans les
bâtiments et les ouvrages d’art. D’autres utilisations sont l’analyse des gaz et des liquides
par spectroscopie, ou la tomographie optique à balayage spectral.
Le travail sur la fabrication des guides optiques avec des tronçons anisotropes et isotropes permettra de former des coupleurs séparateurs de polarisation en optique intégrée.
La première utilisation envisagée est un filtre accordable où les deux polarisations sont
filtrées chacune par un anneau résonant, puis recombinées. Plus généralement, le coupleur
anisotrope permet réaliser en optique intégrée des fonctions pour manipuler la polarisation, par exemple des polariseurs linéaires ou elliptiques.
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