Développement d'un contrôle optique multicritère : application à la détermination d'indice in situ

The performances of complex interference filters meets today to exigent specifications and permit to enhance the physical limits of optical instruments in which they are integrated. During the manufacturing of a filter, it is obviously important to monitor with very high accuracy (typically sub-nanometric) the thickness of the deposited layers. This requires the use of an in situ measurement of the optical characteristics of the multilayer during the process.In the framework of this thesis, we have developed a new optical monitoring system which makes possible to achieve the simultaneous measurement of the transmittance of a multilayer filter, on one hand at a single wavelength defined by the user in the spectral range between 350 nm and 1000 nm (monochromatic monitoring with a resolution of 0.35 mm), and on the other hand on this whole spectral range at single shot (broadband monitoring with a resolution of 3 nm). These two measurements are made in 6 milliseconds at a rate of 2 Hz (corresponding to the rotation speed of the substrate holder), and are perfectly synchronized. In addition, the substrate holder tray is designed with a reference channel corresponding to a void position (without sample). Thanks to that configuration the monitoring system has a very high stability and accuracy better than 0.001. Finally, a numerical method has been developed to enable the comparison of the results provided by the two acquisition channels (monochromatic and broadband) taking into account the difference of their spectral resolution.This system opens the way for the use of several independent criteria to determine in real time the exact moment when the deposition of a layer must be stopped (turning point monitoring, trigger point monitoring, broadband monitoring, achievement with time monitoring using an optical in situ determination of the deposition rate). So this is indeed an all optical multi-criteria monitoring systems.This first application of this system has involved the determination of the optical constants (refractive index and extinction coefficient) of a high index dielectric material: the tantalum pentoxide. The method used is based on a recording of the evolution of the transmitted spectrum of a witness sample during the growth of the layer (broadband channel) and a processing, wavelength by wavelength, of the timing data profile of that evolution. This new method does not require any descriptive spectral dependence law for each of the two optical constants. It also paves the way for an analysis of the behavior of the refractive index of a layer in function of the thickness. Finally, it is applicable to low index materials, such as, for example, silica.Les performances des filtres interférentiels répondent aujourd'hui à des spécifications de plus en plus exigeantes et permettent de repousser les limites physiques des instruments optiques dans lesquels ils sont intégrés. Au cours du processus de fabrication d'un filtre, il est évidemment primordial de maîtriser avec une très grande précision (typiquement sub-nanométrique) l'épaisseur optique des couches déposées. Ceci nécessite le recours à une mesure in situ des caractéristiques optiques de l’empilement tout au long de son dépôt.Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons développé un nouveau système de contrôle optique qui rend possible la mesure simultanée de la transmission d’un empilement, d’une part à une seule longueur d’onde, définie par l’utilisateur dans le domaine spectral compris entre 350 et 1000 nm (contrôle monochromatique présentant une résolution de 0,35 nm), et d’autre part sur l’ensemble de ce domaine spectral (contrôle large bande présentant une résolution de 3 nm). Ces deux mesures sont réalisées en 6 millisecondes à une cadence de 2 Hz (fréquence de rotation du porte-substrat), et ce, de manière parfaitement synchrone. En outre, grâce à la mise en place, dans le plateau porte-substrat, d’une voie de référence correspondant à une absence d’échantillon, ce dispositif de contrôle présente une très grande stabilité et une justesse meilleure que le pour mille. Enfin, une méthode numérique a été développée pour rendre possible une comparaison fiable des résultats fournis par les deux voies de mesure malgré la différence de leur résolution spectrale.Ce dispositif ouvre la voie à l’utilisation de plusieurs critères indépendants pour définir en temps réel l’instant précis où le dépôt d’une couche doit être arrêté (annulation de la dérivée de la transmission à une longueur d’onde, comparaison de cette transmission monochromatique à un niveau pré-défini, minimisation d’une fonction de mérite quantifiant l’écart entre le spectre mesuré et un spectre de référence défini par le calcul, respect d’une durée de dépôt utilisant une mesure optique in situ de la vitesse de dépôt). Il s’agit donc bien d’un contrôle multi-critère tout optique.La première application des potentialités de ce nouveau système a concerné la détermination des constantes optiques (indice de réfraction, coefficient d’extinction) d’un matériau diélectrique de haut indice, le pentoxyde de tantale. La méthode utilisée met en œuvre un enregistrement de l’évolution de la transmission spectrale de l’échantillon tout au long de la croissance de la couche (voie large bande) et un traitement, longueur d’onde par longueur d’onde, du profil temporel de cette évolution. Cette nouvelle méthode ne nécessite donc pas le choix a priori d’une loi de dépendance spectrale pour chacune de ces deux constantes optiques. Elle ouvre également la voie à une analyse de l’évolution de l’indice de réfraction d’une couche en fonction de l’épaisseur qui lui est assignée. Enfin, elle est transposable à des matériaux bas indice, comme, par exemple, la silic