Couches minces optiques - Réseau Optique et Photonique
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ROP Réseau Optique et Photonique « Couches minces optiques : approche théorique et mise en œuvre » 17-18 octobre 2006 Salle Pierre Cotton « Couches minces optiques : approche théorique et mise en œuvre » Mardi 17 octobre Mercredi 18 Octobre 9h 10h 11h Accueil des participants Eléments de décision pour la conception d’un composant optique multicouche - Détermination d’indice (F. Lemarchand) -Techniques de dépôt (M. Cathelinaud) - Techniques de contrôle (F. Lemarchand) 12h 12h30-13h45 Repas 14h 15h Analyse et synthèse d’empilements de couches minces (F. Lemarquis) 16h 17h30 18h30 19h30 Visite des activités de recherche de l’équipe RCMO de L’IF (M.Lequime) Repas Ateliers de fabrication/ caractérisation -Fabrication empilement (B. Badoil/ M. Cathelinaud) -TP synthèse numérique /détermination d’indice (F. Lemarchand) -Caractérisation d’empilements (L. Abel/C. Koc) Table ronde et évaluation de la formation “Couches minces” Repas formation en ville SYNTHESE D’EMPILEMENTS MULTICOUCHES INTERFERENTIELS Frédéric LEMARQUIS OBJECTIFS: Donner quelques idées de base utiles pour le design - d’un traitement multicouche - voire d’un système optique - Ce qui est faisable - Ce qui est difficile à faire - Ce qui est infaisable Origine des limitations: - Les matériaux - Les techniques de dépôt - Le design INDICES DE MATERIAUX DESIGN DEPOT PLAN 1) Bases théoriques 2) Matériaux disponibles 3) Design de fonctions optiques BASES THEORIQUES: Les empilements interférentiels: Comment ça marche ? Substrat n0 n1 n2 e1 e2 np …... nS = np+1 ep at,It ar,Ir a0,I0 r = ar / a0 R = r.r*= Ir / I0 t = at / a0 T = nS / n0 t.t* = It / I0 Les dioptres séparant les couches permettent de diviser et recombiner les faisceaux ni ni+1 ei ei+1 Les épaisseurs permettent de déphaser les différents faisceaux ri→i+1 n i − n i +1 = n i + n i+1 t i→i +1 2n i = n i + n i+1 δ = 2πne λ Détail des amplitudes progressant dans l’empilement… a0+, I0+ ai+ aS+, IS+ ai+1+ …….. a0-, I0- …….. ai- n0 ai+1- ni, ei r= Hypothèse: IS- = 0 R aS-, ISnS ni+1, ei+1 a 0− a 0+ I 0− = + I0 t= = rr * a s+ a 0+ I s+ ns * T= + = tt I0 n0 …à la traversée d’un dioptre… a i++1 = t i →i +1.a i+ + ri +1→i .a i−+1 − a i = ri→i +1.a i+ + t i +1→i .a i−+1 ai+ ai+1+ aini ai+1ni+1 ri +1→i − 1 + + a = . a − .a i +1 i +1 i t t i→i +1 i → i +1 a i− = ri→i +1 .a i++1 + t i +1→i .t i →i +1 − ri +1→i .ri→i +1 .a i−+1 t i→i +1 t i →i +1 n i + n i +1 a i− 2n i = a + n i − n i+1 i 2n i n i − n i +1 a− − a 2n i i+1 i +1 . = Di . n i + n i +1 a + a+ i+1 i+1 2n i …à la traversée d’une couche… a i+ ( x ) = a i+ .e j(ωt −2 πn x / λ ) xi i ai+ a i+ ( x i +1 ) = a i+ ( x i ).e − jϕ ⇒ a i− ( x i+1 ) = a i− ( x i ).e jϕ i ai- i avec ϕi = ni, ei 2πn i ei λ a i− e − jϕ = 0 a+ i x i xi+1 = xi + ei i − a i− 0 a i . C . = i a+ e − jϕ a i+ i x x i i +1 i +1 …à la traversée de l’empilement… a 0− M11 M12 a S− a S− = = M a + M 21 M 22 a + a+ 0 S S avec avec M = D0.C1.D1.C2......Cp.Dp ni + ni+1 ni − ni+1 − jϕ e 0 2 n 2 n i i ; Ci = Ci = 0 e+ jϕ ni − ni+1 ni + ni+1 2n 2ni i i i n S = n p+1 2πn i ei ; ϕi = λ a0+, I0+ aS+, IS+ M11 M12 M 21 M 22 a0-, I0- aS- = IS- = 0 n0 nS a 0− M12 r= + = a 0 M 22 R = r .r * = I 0− I 0+ a S− 1 ; t= + = a S M 22 n S * I S+ ; T= t.t = + n0 I0 ni, ei ai+ Calcul en incidence oblique 2 πn i e i . cos θi ϕi = λ θi ai- Décalage spectral des propriétés optiques vers les courtes longueurs d’onde ni n i . cos θi Pol. S (TE ) Ni = n i / cos θi Pol. P (TM ) Renforcement (diminution) de l’effet interférentiel pour l’état de polarisation S (P) NH (nH= 2.2) Pol.S Pol.p 2.5 2.4 2.3 2.2 NH / N B 2.1 2.0 1.9 Pol.S Pol.p 1.8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1.7 1.6 1.5 NB (nB= 1.5) Pol.S Pol.p 2.2 1.3 1.2 2.0 1.8 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Angle d’incidence dans l’air (°) 1.6 1.4 1.2 1.0 1.4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 0.9 transmittance 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 500 520 540 560 580 600 620 Incidence normale 640 Wavelength (nm) 45 ° , Pol. P 1 45 ° , Pol. S 0.9 Reflectance 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 300 400 500 600 Wavelength (nm) 700 800 900 Les propriétés optiques dépendent du rapport ni.ei / λ L’effet du traitement diminue vers les grandes longueurs d’onde Sub. / traitement / Mil. Ext. λ→∞ Sub. / Mil. Ext. Les variations des propriétés optiques sont de plus en plus abruptes vers les courtes longueurs d’onde 1 0.9 Transmittance 0.8 0.7 0.6 Couche unique 0.5 0.4 Transmission du Substrat non traité 0.3 0.2 0.1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavelength (nm) 1 0.9 Transmittance 0.8 0.7 Séparatrice 9 couches 500-1000 nm 0.6 0.5 0.4 0.3 Séparatrice 0.2 0.1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Wavelength (nm) 3000 3500 4000 Les propriétés optiques dépendent du rapport ni.ei / λ Décentrage spectral en fonction de l’uniformité d’épaisseur du dépôt 1 T 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 450 500 550 Wavelength (nm) 600 650 700 Local transmittance Global transmittance 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Uniformité = 0.999 0.2 0.1 0 1547 1548 1549 1550 1551 1552 1553 1548 1549 1550 1551 1552 1553 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1547 Wavelength (nm) Principales limitations: - Choix des matériaux (indice, domaine spectral …) compatibilité - - Technologie de dépôt (qualité de la couche, uniformité d’épaisseur temps, coût…) Design Nombre de couches, Stabilité du design, Contrôle de dépôt MATERIAUX DISPONIBLES … pour les substrats Quels critères de choix Critères optiques: - transparence indice de réfraction aptitude au polissage pertes par absorption pertes par réflexion pertes par diffusion Autres critères: - caractéristiques mécaniques et thermiques dimension, coût vieillissement... UV Verres, verres colorés (1.5 < n <1.8) Silice (n ≈ 1.45) MgF2, CaF2, (n ≈ 1.45) ZnS, ZnSe, (n ≈ 2.3) Si, Ge, PbTe (n ≈ 4) KBr, KCl (n ≈ 1.45) Visible IR Silice fondue Silice UV (suprasil) Silice IR (infrasil) MATERIAUX DISPONIBLES … pour les couches Oxydes métalliques SiO2 : n ≈ 1.45 TiO2 Ta2O5 HfO2 Al2O3 : n ≈ 2.25 : n ≈ 2.20 : n ≈ 2.00 : n ≈ 1.60 ZrO2 , Nb2O3 , MgO , Y2O3…. Domaine spectral: Visible et proche infrarouge Quelques uns dans l’UV > 200 nm) Fluorures PbF2 : n ≈ 1.70 CeF2 : n ≈ 1.55 LaF3 : n ≈ 1.55 ThF4 : n ≈ 1.55 YF3 : n ≈ 1.50 MgF2 : n ≈ 1.40 Na3AlF6 : n ≈ 1.35 CaF2 BaF2 ... Domaine spectral: UV, visible, IR (→ 12 µm) Semi conducteurs ZnS ZnSe Si Ge PbTe : n ≈ 2.25 : n ≈ 2.43 : n ≈ 3.5 :n≈4 : n ≈ 5.5 Domaine spectral: Infrarouge Métaux Or, Argent, Aluminium,…., Chrome, Nickel Autres... ITO DESIGN DEFINITION DES SPECIFICATIONS - Quel est le besoin réel ? - Quelles sont les tolérances (min, max) ? - Quel est le plus important (compromis) ? Exemple: séparer un faisceau incident en plusieurs bandes spectrales Quelle est la meilleure configuration? Si possible, penser aux couches minces lors du choix Spécification des propriétés optiques T Tmax ∆λ Tmin λ T (λ ).P(λ).D(λ )dλ ∫ rejection band ∫∆λ T(λ).P(λ).D(λ)dλ ≤ ? P(λ): Densité spectrale de la source D(λ): réponse spectrale du détecteur Traitement antireflet: Rmin ou Tmax ? 1 0.9 Refl. and Trans. 0.8 0.7 0.6 R=0 → 7 couches T=1 → 5 couches 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 450 500 550 600 650 700 750 Wavelength (nm) nH = 2.2 ; nL = 1.45-0.05i 800 OUTILS DISPONIBLES Méthodes analytiques il y a quelque chose à comprendre limitées aux fonction optiques classiques miroirs, antireflets, passe-bande dichroïques, polariseurs Méthodes numériques Beaucoup plus efficaces … mais sans beaucoup d’explications + optimisation numérique OPTIMISATION Choisir une solution de départ Traduire les spécifications dans une fonction de mérite DF = ∑ P.O.design − P.O.cible λi Définir les paramètres libres Choisir un algorithme d’optimisation p Solution de départ (5 couches quart d’onde) Cible Simplex non linéaire Gradients conjugués 1 0.9 Reflectance 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 450 500 550 600 650 Wavelength (nm) 700 750 800 Le résultat est un minimum (le plus souvent local) dépendant: - de la solution de départ de la définition de la fonction de mérite de l’algorithme utilisé Minimum local Minimum global ? Mauvaise solution de départ Problème principal: Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Bonne solution de départ ... Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Utiliser un algorithme de synthèse qui ne demande pas de solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ Mauvaise solution de départ FLIP - FLOP ( W. Southwell ) Solution de départ: une couche unique épaisse nH nB Epaisseur - Pour chaque sous couche: quel est le meilleur indice, nH ou nB - Itérer à la sous couche suivante jusqu’à stabilisation METHODE DES AIGUILLES ( A. Tikonravov ) Solution de départ: une couche unique épaisse nH nB - Quel est le meilleur endroit pour insérer une aiguille, (une fine couche de l’autre matériau) - Optimiser le nouvel empilement - Réitérer le processus FONCTIONS OPTIQUES CLASSIQUES - Miroirs Antireflets Fonctions de base - Passes bande Dichroïques Fonctions composées La brique de base: La couche quart d’onde λ0 n.e = 4 ϕλ 0 λ0 : 2πn.e π = = λ0 2 e−jϕ 0 − j 0 = Cλ = + jϕ 0 e 0 j 0 Longueur d’onde de centrage Notation des couches à l’aide de lettres majuscules H, B, M, … En phase, Interférences constructives 0, (π) π/2 π, (0) < (>) π/2 > (<) En opposition de phase, Interférences destructives n1 n2 n3 < (>) π/2 < (>) 0, (π) π/2 0, (π) Couche quart d’onde = maximum d’effet interférentiel H B H B H B H B H B en phase La couche demi onde 2H; 2B…: 2πn.e ϕ = =π λ λ0 0 n.e = λ0 2 e−jϕ 0 −1 0 = Lλ = + jϕ 0 e 0 −1 0 Pas de changement des propriétés optiques à la longueur d’onde de centrage. ⇒ Couche demi onde = couche “ absente” absente à λ0, mais présente ailleurs… MIROIRS Interférences constructives H L H L H L H L H L M10 1 f(nbr couches) 0.9 Miroir λ/4 à 7 couches nH = 2.2 nL = 1.45 nS = 1.52 λ0 = 1000 nm Reflectance 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 f(nH/nB) 0.3 0.2 0.1 0 500 700 900 1100 Wavelength (nm) 1300 1500 Reflectance 1 0.9 M13 nH/nB 0.8 M7 nH/nB 0.7 0.6 M25 nH/nM M5 nH/nB 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 500 700 900 1100 1300 1500 Wavelength (nm) nH = 2.2 ; nM = 1.65 ; nB = 1.45 ; nS = 1.52 ; λ0 = 1000 nm 1 0.9 Wavelength (nm) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 500 600 700 800 900 1000 Reflectance Miroir λ/4 à 17 couches ; Erreurs aléatoires: σ = 5% grande stabilité des zones Rmax grande instabilité des zones Tmax λ0/5 λ0/3 Longueur d’onde de centrage λ0 1 0.9 Reflectance 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 500 1000 1500 2000 Wavelength (nm) 2500 3000 3500 λ2 Miroirs diélectriques marge bande... λ1 1 0.9 Reflectance 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 500 600 700 Wavelength (nm) 800 900 1000 Miroirs métalliques 1 0.9 Reflectance 0.8 Aluminum 0.7 0.6 Silver 0.5 Gold 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Wavelength (nm) 3500 4000 4500 Filtres “notch”, filtres inverses... Structure quart d’onde avec un faible écart d’indices → nombre de couches trop élevé… Utilisation d’harmoniques → couches épaisses, intervalle spectral libre réduit… Structures non quart d’onde → difficultés de fabrication… De préférence opter pour la solution passe bande... 1 0.9 Higher interference order Reflectance 0.8 0.7 Non quarter wave 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 500 700 900 1100 1300 1500 Wavelength (nm) nS / 3H 3B 3H 3B 3H 3B 3H / air nS / 1.4532H 0.3065B 0.1327H 1.0577B 0.1784B 2.7682H 1.0210B 0.2795H 1.6703H 0.6017B 0.1849H 0.0898B 0.1696B 0.0872H 0.0828B 2.1539H 1.5812H 0.4928B 2.3872H 0.3530B 0.4577B 0.2400H 2.5913H 0.1835B 0.1825B 0.1139H 0.1049H / air FILTRES PASSE-BANDE FABRY-PEROT Cavité Miroirs quart d’onde nS / H B H B H B H 2B H B H B H B H / air nS / M7 2B M7 / air 1 T (filter) ; R (mirror) 0.9 0.8 Filter 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 Mirror 0.1 0 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 Longueur d'onde normalisée air / H L H L H L H 2L H L H L H L H / air Bandes de réjection limitées → Filtres de blocages 1 Filtres à cavités multiples: 0.9 nS / M10 2H M10 B M10 6H M10 B M10 6H M10 B M10 6H M10 B M10 6H M10 B M10 2H M10 / air λ0 = 2024.8 nm Transmittance 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030 2032 Wavelength (nm) 1 0.1 Permet d’ajuster séparément la bande passante le taux de réjection la raideur des flancs Transmittance 0.01 0.001 0.0001 0.00001 0.000001 0.0000001 2018 2020 2022 2024 2026 Wavelength (nm) 2028 2030 2032 Filtres à bandes passantes multiples (M7 M7 M7 B M7 M7 M7) 1 0.9 Transmittance 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 500 550 600 Wavelength (nm) 650 700 Difficultés de synthèse: - dépendance angulaire design quart d’onde obligatoire Difficultés de fabrication: - nombre de couches élevé uniformité d’épaisseur contrôle optique quart d’onde ∂T/∂e = 0 Contrôle indirect Contrôle optique direct ∂T/∂e = 0 Filtre à 1 cavité Filtre à 3 cavités Filtres dichroïques: passe-bas ; passe haut Solution de départ: miroir quart d’onde Objectif: optimiser la bande transmise 1 0.9 Transmittance 0.8 0.7 0.6 0.5 SWP LWP 0.4 0.3 0.2 0.1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 Wavelength (nm) 1 0.9 Transmittance 0.8 0.7 Filtre passe-bas 19 couches 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 Wavelength (nm) 1 0.9 Transmittance 0.8 Filtre passe-haut 19 couches 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 Wavelength (nm) 1 0.9 Transmittance 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 500 1000 1500 2000 Wavelength (nm) 1 0.9 Transmittance 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavelength (nm) 4500 5000 5500 Erreurs aléatoires σ=5% Avantages de la solution passe-haut: - traitement moins épais moins sensible aux erreurs bande transmise non limitée Autant que possible, choisir la solution passe -haut Ne pas oublier les verres colorés 1 Facteur de transmission λ0 = 2024.8 nm ∆λ à T/2 = 6.35 nm ∆λ à T/104 = 9.5nm Transmittance 0.9 0.8 1 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 57 layers 0.1 0 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 1 Domaine spectral: 1300 ; 2600 Facteur de transmission Transmittance Taux de réjection intégré < 10-4 Longueur d'onde (nm) 0.9 0.8 2 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 55 layers 0.1 0 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 1 Longueur d'onde (nm) 1 0.9 1 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 129 layers Facteur de transmission 0.8 Transmittance Transmittance Facteur de transmission 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 2 56 layers 0 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 Longueur d'onde (nm) Wavelength (nm) 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 Longueur d'onde (nm) Wavelength (nm) 1 Transmittance Facteur de tansmission 0.9 0.8 0.7 0.6 ≈ 300 couches 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 Longueur d'onde (nm) Wavelength (nm) 1 Longueurs d’onde critiques Transmittance Facteur de tansmission 0.01 0.0001 1E-06 1E-08 1E-10 1E-12 1E-14 1E-16 1E-18 1E-20 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 Longueur d'onde (nm) Wavelength (nm) Difficultés de synthèse: - dépendance angulaire dépendance à l’état de polarisation passe-bas avec bande transmise très étendue Difficultés de fabrication: - uniformité d’épaisseur contrôle de dépôt TRAITEMENTS ANTIREFLETS R T<1 nS n0 Indice T=1 nS Profil à gradient d’indice n0 Epaisseur Indice Profil d’indice en escalier nS n0 Profil d’indice équivalent nS n0 Epaisseur 2.4 Refrcatiove index 2.2 nS = 2.2 n0 = 1.45 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 Mechanical thickness (nm) Reflectance 0.003 0.002 Difficulté: 0.001 Comment s’adapter à l’air ? 0.000 1000 4000 7000 Wavelength (nm) 10000 Application principale: AR pour substrats de haut indice (domaine spectral IR) nS = nH n0 nL Thickness 0.07 AR 7 couches 0.06 nS = nH = 4 nB = 1.38 n0 = 1 Reflectance 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 2 3 4 5 6 7 Wavelength (µm) 8 9 10 Solution idéale pour les antireflets dans l’air: Réseaux sub-longueur d’onde Traitements AR pour substrats de bas indice: n0 < nL ≤ nS < nH Domaine spectral limité pour un niveau de réflexion donné → 0.06 nS = 1.52 nB = 1.45 nH = 2.20 Reflectance 0.05 24- layer design 0.04 0.03 0.02 0.01 0 400 600 800 Wavelength (nm) 1000 1200 0.010 6-layer design 0.008 Reflectance nS = 1.52 nB = 1.45 nH = 2.20 0.006 0.004 0.002 0.000 400 450 500 550 600 650 700 750 Wavelength (nm) 0.08 0.07 Reflectance 0.06 0.05 Erreurs aléatoires σ=5% 0.04 0.03 0.02 0.01 0 400 450 500 550 600 650 Wavelength (nm) 700 750 800 800 Principales difficultés et limitations pour les AR AR large bande sur substrat bas indice AR pour forte incidence ( > 60°) AR pour large plage d’incidence AR pour l’IR > 15 µm (manque de matériaux transparents) Design contest OIC 2004: Traitement antireflet large incidence 70 ° Objectif: Longueur d’onde de départ: 500 nm Erreurs sur épaisseurs: σ = 1nm 100 tirages aléatoires Domaine spectral le plus étendu partant de 500 nm tel que R(S+P)/2 < 3% pour la moitié des tirages Meilleure solution: λmax ≈ 566 nm, 35 couches Un traitement antireflet particulier: l’absorbeur de lumière Réflexion résiduelle Absorbed light SUBSTRAT T=0 R≈0 A≈1 Peinture noire Diffusion ≈ 1 % Absorbed light 10 - 100 µm SUBSTRAT Empilement Métal-Diélectrique Réflexion spéculaire ≈ 0.1 % < 1 µm SUBSTRATE 1 E-0 0.020 Facteur réflexion 1 E-1 1 E-2 1 E-3 1 E-4 0.015 0.010 0.005 0.000 400 1 E-5 300 400 500 600 700 800 900 Longueur d’onde (nm) 500 600 700 800 Longueur d'onde (nm) 900 1000 Traitements pour domaines spectraux disjoints visible FIR ………….. Peu d’effet Beaucoup d’effet Solution: annuler l’effet des couches épaisses dans le domaine visible en les séparant par des structures antireflets. Couches épaisses FIR Tvis = 1 ….. ….. AR visibles nH / nB 1.00 0.04 0.90 0.04 0.03 0.60 Reflectance 9 couches 0.70 0.50 0.40 0.30 0.02 0.02 0.01 0.10 0.00 500 6 couches 0.03 0.01 0.20 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0.00 500 5000 1000 1500 2000 2500 nB / M9 / nB , λ0 = 3750 nm 0.90 0.80 0.70 0.60 69 couches 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 500 3500 4000 4500 nB / AR / nH , 500-1500 nm 1.00 Réduction des couches épaisses d’un facteur ≈3/5 3000 Wavelength (nm) Wavelength (nm) Reflectance Reflectance 0.80 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Wavelength (nm) 4000 4500 5000 5000 TRAITEMENTS SEPARATEURS - Ok pour l’incidence normale. - Très difficile d’obtenir des traitements non polarisants. 1 0.9 Reflectance 0.8 37 couches 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 600 800 1000 1200 1400 Wavelength (nm) 1600 1800 2000 POLARISEURS: Pour une application monochromatique, utiliser le flanc d’un miroir quart d’onde sous incidence oblique 1 Normal incidence 0.9 Reflectance 0.8 S 0.7 0.6 S P 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 600 700 800 900 1000 1100 Wavelength (nm) 1200 1300 1400 P Pour une application large bande, utiliser l’angle de Brewster entre les matériaux nH et nB nS = 1.65 nB = 1.38 nH = 2.20 1 0.9 Reflectance 0.8 0.7 0.6 S 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 500 600 700 800 900 Wavelength (nm) 1000 1100 1200 P DETERMINATION D’INDICES DE MATERIAUX EN COUCHES MINCES F. Lemarchand 1 Détermination d’indices: pourquoi faire ? z z z z Connaître la gamme d’utilisation des matériaux (absorption) Déterminer précisément la dépendance de n et k avec la longueur d’onde pour la synthèse non quart d’onde Tester différents paramètres de dépôt (pression de gaz, vitesse de dépôt, température, technologie comparée) Cerner différents problèmes: couches inhomogènes, variation d’indices en cours de dépôt… F. Lemarchand 2 Détermination d’indice: comment et quand le faire ? Sur monocouche de préférence épaisse (plusieurs 100nm) z Dès que l’on change un paramètre de dépôt (température, vitesse, gaz, assistance) z Après nettoyage de l’enceinte z Avec un contraste d’indice le plus fort possible vis-à-vis du substrat: silice n = 1.45 sur verre Hoya n = 1.8 z F. Lemarchand 3 Par quelle méthode ? z Ellipsométrique z Mesure du déphasage entre rs et rp en complexe ( 2 données) ρ = r p = r p ei (δ −δ ) = tan (ψ )e i∆ r rs z z z p r s rs Nécessite d’utiliser un polariseur tournant et un analyseur Mesure sur un large spectre Spectrophotométrique z Mesure de R et T a l’aide d’un spectrophotomètre sur un large spectre F. Lemarchand 4 Principe de l’ellipsométrie F. Lemarchand 5 Principe de l’ellipsométrie ωt A detection source sample analyser S polarizer P E p cos A − sin A rp E = sin A cos A 0 s 0 cos(ωt ) sin(ωt ) E0 rs − sin(ωt ) cos(ωt ) E0 I( t ) = E p + Es = I 0 (1 + a cos(2ωt ) + b sin(2ωt ) ) 2 tan ψ = cos ∆ = 1+ a tan A 1− a b 1 − a2 2 r p r p i (δ r p −δ r s ) ρ= s = s e = tan (ψ )e i∆ r r F. Lemarchand 6 Ellipsométrie z La précision sur tanΨ et cos∆ dépend de la précision de la mesure de A et de la détermination sur a et b. On se placera proche de l’incidence de Brewster pour augmenter la sensibilité des mesures z Utile pour mesurer de l’inhomogénéité F. Lemarchand 7 Éllipsométrie en fonction de l’épaisseur pour une couche haut et bas indice z Ψ/∆ trajectories for SiO2 (n=1.465) and TiO2 (n=2.4) on Si for an incidence of 75° and λ=450nm Si homogène et transparent: trajectoire périodique F. Lemarchand 8 Influence de l’absorption F. Lemarchand 9 Ellipsométrie et couches inhomogènes F. Lemarchand 10 Détermination de n, k,e z On a trouvé ψ = f(λ) et ∆ = g(λ) soit X = (paramètres sur n, k et épaisseur) 2 F( X ) = 1 Ψλ ( X ) − Ψλ ,exp 1 ∆ λ ( X ) − ∆ λ ,exp + ∑ ∑ ∆ N λ dΨλ N d λ λ 2 Que l’on cherche à minimiser en fonction de X F. Lemarchand 11 Exemple: fluorure de lanthane F. Lemarchand 12 Un exemple d’ellipsomètre Uvisel Spectrometric Ellipsometer of Jobin Yvon SA F. Lemarchand 13 Méthodes spectrophotométrique z z z z 1er cas: empilement complexe Mesure de R et T en incidence quasi normale (<7.5°) sur un spectre le plus large possible Comparaison avec le calcul théorique Fonction de mérite représentant l’erreur quadratique: 2 R j ( X ) − R j ,exp 1 1 F(X ) = a a + − ( 1 ) ∑ ∆R N j =1 N j N F. Lemarchand T j ( X ) − T j ,exp ∑ ∆ T j =1 j N 2 14 Cas d’une couche unique homogène n 0nS − n ) 2 sin 2 δ (n 0 − n S ) cos δ − ( n R= n 0nS 2 2 (n 0 + n S ) cos δ − ( + n ) 2 sin 2 δ n 2πne avec δ= λ 2 nS n , e n0 2 2 n 0 − nS ne = pλ / 2 = R Substrat nu pour : R λ / 2 = δ = pπ n 0 + nS 2 2 n 0nS − n ne = (2p + 1)λ / 4 : R λ / 4 = pour 2 δ = (2p + 1)π / 2 n 0nS + n F. Lemarchand 15 Localisation des extrema Facteur de réflexion ne = (2p + 1)λ 2 p +1 / 4 ne = (2p)λ 2 p / 4 0.35 0.3 n > nS 0.25 0.2 0.15 Substrat nu 0.1 0.05 0 400 600 800 1000 1200 Longueur d’onde (nm) F. Lemarchand 16 Calcul de n (λ) Rλ/4 n 0nS − n 2 = 2 n 0nS + n 2 1 − ε R λ / 4 avec ⇒ n = n 0 n S 1 + ε R λ / 4 ε = ±1 Deux solutions n1 et n2 qui vérifient n1.n2 = n0.nS n’H < 1 n’B n0 = 1 nB n 0nS F. Lemarchand nH nS 17 Couche unique absorbante (faiblement) Deux inconnues à déterminer N = n-ik ⇒ Nécessite au moins deux mesures: R et T ; A = 1-R-T A proportionnel à des termes de type exp(-ke) ⇒ Nécessité de déterminer e pour trouver k ne = (2p + 1)λ 2 p +1 / 4 ne = (2p)λ 2 p / 4 2p + 1 λ 2 p ⇒ p ⇒ e ⇒ 2p = λ 2 p +1 si indice faiblement dispersif… F. Lemarchand 18 Reflectance, Transmittance Exemple: ZnS 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 400 500 600 700 800 Wavelength (nm) F. Lemarchand 19 Détermination de l’indice Loi de dispersion ( Cauchy ): Précision de mesure: 0.5% 2.6 B λ2 + C λ4 A = 2.268 B = 1.419 10-2 µm2 C = 5.225 10-3 µm4 2.55 Refractive index n =A+ 2.5 2.45 2.4 2.35 2.3 2.25 2.2 Thickness = 378 nm 400 500 600 Wavelength F. Lemarchand (nm) 700 800 20 Coefficient d’extinction Extinction coefficient 0.0045 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 0 400 500 600 700 800 Wavelength (nm) F. Lemarchand 21 Couche inhomogène 0.3 nmoyen = 2.22 ; nmin = 2.19 ; nmax = 2.25 n decroissant n croissant n constant Reflectance 0.25 0.2 0.15 0.1 Substrat nu 0.05 0 500 700 900 Wavelength (nm) F. Lemarchand 1100 22 influence de la densité Reflectance, Transmittance Fluorure d’yttrium déposé sur substrat ZnSe (évaporation classique, T = 100 °C) 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Bandes d’absorption de l’eau liquide adsorbée dans la couche 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Wavelength (µm) F. Lemarchand 23 Fluorure d’yttrium déposé sur substrat ZnSe (évaporation classique, T = 100 °C) 1.6 1 Refractive index 1.2 0.1 1 k 0.8 0.01 0.6 0.4 0.001 Extinction coefficient n 1.4 0.2 0 0.0001 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Wavelength (µm) F. Lemarchand 24 Films métalliques opaques 2 inconnues: n, k ⇒ 2 mesures indépendantes 0.8 0.7 Métal nu Reflectance 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Metal + Couche diélectrique 0 500 600 700 800 900 1000 Wavelength (nm) F. Lemarchand 25 Méthode globale z On se donne un modèle pour n et k avec p paramètres z On minimise la fonction de mérite sur p+1 paramètres (épaisseur incluse) 1 F(X ) = a N 2 R j ( X ) − R j ,exp 1 ( 1 ) a + − ∑ R N ∆ j =1 j N F. Lemarchand T j ( X ) − T j ,exp ∑ T ∆ j =1 j N 2 26 Exemple (1) F. Lemarchand 27 Exemple (2) F. Lemarchand 28 Silicium déposé à 650° evap classique F. Lemarchand 29 Aspects pratiques R et T z z z z z Résolution spectro: peu important Domaine spectral: le plus grand possible Domaines disjoints: difficultés à « coller » sur les 2 domaines Mesure par rapport à un substrat de référence (verre nu de même nature que le filtre de préférence) Précision absolue: 5 à 10 fois meilleure sur T, lié à la méthode de mesure. F. Lemarchand 30 Sensibilité comparée Characteristic T R ψ ∆ Bulk inhomogeneity + + + - Small extinction coefficient + - - - Surface overlayer - - - /+ + Factors F. Lemarchand 31 Les techniques de dépôt Michel Cathelinaud Théorie Techniques de dépôt Matériaux Caractérisations Rappels et objectifs 1 Rs 1 Rc Ts Tc 1=Rs+Ts 1=Rc+Tc+Pc Substrat Substrat traité Substrat Domaine spectral Application Matériaux Techniques de dépôt : EBD, IBS, … Problèmes de réalisation de traitements - Couches solides -Bonne adhérence -Résistance à l’abrasion -Resistance à l’humidité -Stœchiométrie La réalité… 1 R D T => Intérêt du choix des matériaux, du substrat, de la technique de dépôt, … 1) Méthodes physiques (PVD) o o Evaporation : Effet joule, canon à électrons Evaporation +compactage : • • o Pulvérisation • o Par bombardement ionique (IAD) Par ionisation (Ion plating) Cathodique Ionique (IBS, DIBS) Ablation par laser (PLD) 2) Méthodes chimiques en phase vapeur CVD (Chemical Vapor deposition) LPCVD (Low pressure Chemical Vapor Deposition) PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) Technologies en Optique et en Electronique Pression(mbar) 1000 100 Techniques Chemical Vapor Deposition 10 1 10 - 1 10 - 2 10 - 3 10 - 4 10 - 5 10 - 6 10 - 7 10 - 8 10 - 9 10 - 10 Pulvérisation Pulvérisation ionique Evaporation Epitaxie par jet moléculaire Applications Si amorphe pour le solaire Microélectronique (LPCVD) Si3N4 Stockage de données (CD, disque durs,..) Métallisation semiconducteurs Vitrage, écrans plats, MOEMS Réflexion, protection, décoration, Composants électroniques, capteurs Miroirs de gyrolaser Couches supraconductrices Tous les traitements optiques Optique ophtalmologique Cristaux, couches de Si Quels matériaux? Métaux: Ti, Cr, Al, Ag, Au… Diélectriques: Sulfures: ZnS,… Fluorures: Na3AlF6, MgF2,… Oxydes: TiO2, SiO2,… Semi-conducteurs : Si, Ge,… Poudres, granulés, galettes, Les méthodes physiques de dépôt L’évaporation substrat Un dépôt par évaporation met en jeu 3 processus physiques: -1) Evaporation (ou sublimation): T°matériau => 10-6 < Pcreuset <10-3mbar -2) Transport en phase vapeur: -Matière évaporée atteigne le substrat sans être déviée=> libre parcours moyen>> distance source-substrat -bon vide pour éviter « l’oxydation » -3) Condensation:T°substrat, Vdépôt, Creuset natures matériau et substrat, natures et pression du gaz ambiant Sources d’évaporation Le matériau à déposer peut être soit chauffé : par effet Joule par bombardement électronique Faisceau d’électrons Tungstène Matériau en fusion Filament 10 kV matériau Molybdène 0 ÷ 500V Système de déflexion Comparaisons Canon à électrons Effet Joule • • • • • Avantages: Simple d’utilisation Peu coûteuse Inconvénients: Contamination du creuset Impossibilité d’évaporer des métaux à haut point de fusion Faible quantité de matière • • • • • Avantages: Matériaux à haut point de fusion Vitesse de dépôt élevée Inconvénients: Projections si forte puissance Emission de rayons X => endommager le substrat Coûteuse => Evaporation classique Electron Beam Deposition Vue d’ensemble Enceinte à vide Inconvénients de l’évaporation classique: - Adhérence des couches - Couches d’alliage de stoechiométrie définies: (=> sources multiples, évaporation flash) - Composés réfractaires (oxydes, nitrures,…) - Stœchiométrie Stoechiométrie => Régulation du taux d’O2 Premiers constats de l’ E.B.D Indices in situ différents de ceux mesurés à l’air: - microstructure lacunaire - adsorption de l’humidité ambiante => modification d’indice 1 Sous vide A l’air T 0.5 0 1540 1550 λ(nm)1560 Applications spatiales: un vrai casse tête!! Microstructure des couches évaporées Movchan&Demchishin (1969) Zone 1: colonnes et vides Tm= Température de fusion du matériau Zone 2: colonnes denses T= Température du substrat Zone 3: polycristallin Structure colonnaire Un progrès essentiel: Pas de dérive de la valeur de l’indice entre le vide et l’air Problématique • Verre optique Ts° max≈ 350°C • Oxydes réfractaires TiO2, Ta2O5, HfO2 - T° fusion >1800°C - perte d’ O2 en chauffant => apport d’O2 => couche lacunaire Zone 1 (MD) => stœchiométrie => Physique des « plasmas » Progrès spectaculaire: IAD 1982-1983: Netterfield et Macleod : ajout d’un canon à ions +mélange Ar-O2 TiO2 Ta2O5 SiO2 … Réglages des paramètres de dépôt pour que l’indice n’évolue plus à l’air! Fondamental pour les télécommunications spatiales Porteéchantillons neutraliseur Canon à ions Canons à électrons Ar O2 Influence du canon à ions Structure d’une couche EBD IAD 1985: Moll et Pulker démontrent l’intérêt pour les oxydes de l’Ion Plating (IP) développé en 1938 par Berghaus puis amélioré par Mattox en 1963! Ion plating (RLVIP) Arc plasma ∼ 50A Source plasma Substrat Ar Ar++M ÆAr +M+ e- Ar++O2 ÆAr + O2+ - (50-70V) eCanon à électrons - 50-60V + Principe de l’arc anodique O2 Matériau Ta, Si, Hf, ... BAK 800 Ion Plating Substrat O2 Ta, e- Hf, Si. Vue d’ensemble Enceinte à vide Extension selon K.H Guenther (1988) Uniformité du dépôt Substrat ψ ρ R=140mm h=540mm 1.00 U 0.90 θ 0.80 Axe du substrat ϕ h 0.70 0.60 Source R 0 100 200 Rayon R (mm) 300 Uniformité de couches uniques Uniformités de couche uniques Ta205 IAD Ta205 IP Optimisation des traitements planétaires Résumé et comparaisons Advanced Plasma Source Ion Plating: APS Technologie combinée de l’Ion Plating et de l’IAD Plasma Nouvelle technologie APS: 1995 La pulvérisation Principe de la pulvérisation Profondeur limite d’éjection Profondeur moyenne des défauts Profondeur moyenne d’implantation Ions incidents Ar+ Ions rétrodiffusés Atomes neutres Atomes cibles éjectés Electrons secondaires eAr+ Particule légère provenant d’une réaction nucléaire Particule lourde provenant d’une réaction nucléaire réaction nucléaire Atomes de la cible déplacés Ion implanté Dépôt de film Physique nucléaire Chimie des plasmas Attaque ionique implantation eV keV Energie des particules (eV) MeV Pulvérisation cathodique Alimentation DC ou RF Magnétron pour accroître la vitesse de dépôt (X 5 à 8) (-) Cathode/Cible gaz plasma d’Ar Ar+ Ar+ atome pulvérisé ≈ cm P≈ 100 mTorr en DC substrat P ≈ mTorr en RF Anode Matériaux: -W, Ta, Mo,.. -Alliages -Oxydes, diélectriques (RF 13.6MHz) (+) PTM PP Microstructure des couches pulvérisées Thornton Zone 1: cristallites allongés, structure mal densifiée, porosité (1974) Zone T: zone de transition consistant en une structure fibreuse densifiée Zone 2: cristallites colonnaires dont la section croît quand la température croît. Zone 3: recristallisation du dépôt Kelly (1998) Uniformité de la pulvérisation sans magnétron Avec magnétron => Bonne uniformité si la cible > substrat Avantages/inconvénients – Équipement plus couteux et plus délicat à mettre en œuvre que dans le cas l’évaporation – Tous les matériaux: • métaux réfractaires (W, Ta, Mo,…) • Alliages • Oxydes, diélectriques – Bonne adhérence – Bonne uniformité d’épaisseur si diamètre cible >> diamètre substrat – De l’argon est incorporé dans les couches – Des défauts sont crées dans les couches par les particules énergétiques et par les photons UV du plasma • Le développement des applications: => exigences sévères Par ex: les miroirs de gyrolaser • EBD inadapté => pulvérisation ionique (IBS) Pulvérisation ionique IBS Ar Canon à faisceau d’ions focalisé Ar+02 substrat Canon à faisceau d’ions d’assistance DIBS Cible Paramètres DIBS SIO2 Cible: Si Cible: SiO2 DIBS « Spector » Planetary Fixture Avantages/inconvénients -Faible vitesse dépôt -Meilleur vide que la pulvérisation cathodique ou RF -Ions argons rétrodiffusés ou implantés dans la cible puis pulvérisés => contamination des couches -Des défauts peuvent être crées par les ions énergétiques issus de la source et rétrodiffusés par la cible -Très bonne adhérence Comparaison λ@ 550 nm SiO2 Al2O3 ZrO2 Ta2O5 TiO2 EBD Ts=300°C 1.46 1.61 1.96 2.10 2.34-2.44 DC sputtering Ts<100°C 1.49 1.68 2.15 2.20 2.55 IBS Ts=25°C 1.47 2.10 2.50 APS Ts=50°C 1.47 1.63 2.10 2.12 2.36 IP Ts=50-80°C 1.485 1.66 2.18 2.24 2.48-2.55 1.75-1.77 (corindon) 2.17-2.20 (baddeleyite) Matériau massif 1.458 (silice fondue) 1.544 (quartz) Ts: température du substrat - 2.605-2.901 (rutile) 2.488-2.561 (anatase) Comparatif des microstructures Dépôt par Laser pulsé (PLD) Plasma pulsé 15 5 cm Avantages: Inconvénients: -Mise en œuvre simple -Protection du hublot -Matériaux -Stoechiométrie -Vitesse élevée -Ejection de particules solides -Faible surface traitée Matériau Laser Fluence λ (nm) (J/cm2) τ (ns) Nd- YAG 1064 KrF 248 1 3 10 30 C Nd-YAG XeCl 1064 308 30 14 20 20 Au XeCl 308 14 20 Ge Nd-YAG KrF 1064 248 30 0.75 20 15 SiO2 Tiré de « Pulsed laser deposition of thin film » D.B Chrisey and G. K. Hubler Laser femto-seconde => Fluence Méthodes chimiques Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) Principe: un composé gazeux du matériau à déposer est pyrolysé à la surface du substrat porté à haute température. L’élément solide du composé se dépose sur le substrat où il peut éventuellement réagir avec d’autres composés gazeux. Exemples: SiH4 ÆSi↓+2 H2↑ dépôt de Si SiH4 +O2 ÆSio2↓+ 2 H2↑ dépôt de silice Difficulté: température ≈800°C pour des vitesses de dépôt raisonnable. Variantes de la CVD LPCVD:Low Pressure Chemical Deposition HVCVD:High Vacuum Chemical Vapor Deposition PECVD:Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ECR:Electron Cyclotronic Resonance => PECVD PECVD Entrée des gaz (Ar, N2, SiH4, NH3) Alimentation RF Distributeur des gaz plasma Aminosilane Si(NH2)3 SiN P≈ 100 mTorr substrat Porte substrat chauffant (300-400°C) NH3 Réactions complexes: -réactions dans le plasma -réactions sur les parois - stœchiométrie et contraintes roots PP En général pour la PECVD – Stoechiométrie de la couche – Présence de quantité d’hydrogène => paramètres d’excitation du plasma – Contraintes des couches: • En tension à haute fréquence et haute température • En compression à basses fréquence et température Quelle technologie choisir? Besoins annuels : •centaines d’hectares d’antireflets •dizaines de m2 de miroirs pour les lasers • de plusieurs mm2 de filtres très spéciaux Coûts exhorbitants: IP, IAD, IBS, DIBS, Pour l’industrie: critère essentiel qualité/prix Conséquences du coût Surfaces traitées: 82% en EBD 9% en Sputtering 3% en IAD 2% en IBS 2% en PECVD 1% en PLD 0.2% en DIBS 0.01% en IP Alors quel avenir? Les différentes techniques de dépôt restent en compétition! Conclusion • Nécessité d’une prédiction des performances effectives des couches. • Moyens de caractérisation bien adaptés. • Confrontation permanente pour vérifier la validité du modèle de couches. => On pourra répondre à des exigences de plus en plus sévères. Tout dépendra du contrôle des dépôts… CONTROLES DE DEPOT F. Lemarchand 1 Les étapes … Gabarit Formule ??? Réalisation F. Lemarchand 2 Un bâti et les moyens de contrôle f Ech. µ balance e- F. Lemarchand T 3 Microbalance à quartz •Sensible à l’épaisseur mécanique ⇒ Connaissance de l’indice des matériaux •Sensibilité indépendante de la couche déposée Contrôle indirect ⇒ Connaissance de l ’uniformité du bati Précision espérée: 2 à 3 nm ou 3 à 5% F. Lemarchand 4 Contrôle optique Possible en réflexion, transmission, ellipsométrie,… Sensible à l’épaisseur optique des couches Sensibilité différente selon la couche déposée Contrôle optique direct : La mesure est faite sur la pièce à traiter Contrôle optique indirect: La mesure est faite sur des témoins de contrôle ⇒ connaissance de l’uniformité F. Lemarchand 5 Contrôle optique mono longueur d ’onde Extremum en fin de dépôt: ∂T λ tel que =0 ∂e Ep. Couches demi-ondes λ tel que n.e = kλ / 2 F. Lemarchand Ep. 6 Empilement ¼ d’onde Verre / H B H B H 4B H B H B H / Air Chaque fin de couche coïncide avec un extremum F. Lemarchand 7 De la difficulté de s’arrêter sur un extremum… Extremum Extremum existence recognized here Signal Termination Noise Prescribed signal change F. Lemarchand Overshoot 8 Distribution des erreurs T eDTE eth ε eth e eDTE F. Lemarchand 9 Compensation des erreurs R, ϕr Substrat ∂T = 0 ⇒ Y ∈ R ⇒ ϕ r = 0 (π ) ∂e ⇒ Contrôle du centrage d’un filtre passe bande R, ϕr R, ϕr 4πne ϕ= + 2.ϕ r = 2 kπ λ n,e F. Lemarchand 10 Signaux attendus pour un filtre multicavités 100 95 90 85 80 75 70 65 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Contrôle Quartz F. Lemarchand 11 Contrôle optique large bande PDA Spectrometer M L L M T Mesure simultanée de R et T Analyse en direct de l’épaisseur déposée M Substrate holder Information concernant l’indice de la couche Vacuum deposition chamber Critère d’arrêt à partir de l’analyse spectrale Photodiode L bs L Pas de contrainte sur le type de couche ni sur les épaisseurs M M: mirror L L : lens bs : beamsplitter Halogen light source (HL 2000 OceanOptics) R F. Lemarchand 12 Simulations …. z Comparaison Quartz / DTE / large bande z Bruit de mesure: correspond aux valeurs expérimentales… F. Lemarchand 13 M5-4B-M5 quartz/optique 1 1 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 0 650 F. Lemarchand 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 14 (M5-4B-M5)2 quartz/optique 1 1 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 680 685 690 695 700 705 710 715 720 0 680 F. Lemarchand 685 690 695 700 705 710 715 720 15 (M5-4B-M5)3 quartz/optique 1 1 0.9 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 680 685 690 695 700 705 710 715 720 0 680 F. Lemarchand 685 690 695 700 705 710 715 720 16 AR 6 couches F. Lemarchand 17 Quartz F. Lemarchand 18 DTE F. Lemarchand 19 BOM TRANSMITTANCE 1 0.99 0.98 0.97 0.96 400 500 600 700 800 900 1000 WAVELENGTH (nm) F. Lemarchand 20 Passe bande 35 couches F. Lemarchand 21 Quartz F. Lemarchand 22 DTE F. Lemarchand 23 BOM 1 TRANSMITTANCE 0.8 0.6 0.4 0.2 0 580 590 600 610 620 WAVELENGTH (nm) F. Lemarchand 24 Séparatrice 15 couches F. Lemarchand 25 Quartz F. Lemarchand 26 DTE F. Lemarchand 27 BOM F. Lemarchand 28
