«Modifications topographiques et indicielles de la silice sous faisceau d électrons»

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1 IRCOM «Modifications topographiques et indicielles de la silice sous faisceau d électrons» Directeur de thèse : Isabelle Niort Jacques Marcou (OGI : Optique Guidée et intégrée) Co-encadrante : Claire Darraud (C2M : Composants et Circuits Microélectroniques et Microoptiques) isabelle.niort@unilim.fr, darraud@unilim.fr, marcou@ircom.unilim.fr Institut de Recherche en Communications Optiques et Microondes (IRCOM) UMR 6615, Université de Limoges 123, avenue Albert Thomas Limoges cedex France

2 Plan de l exposé Objectif I) Mécanismes des interactions électrons-silice I.1) Particules et rayonnement émis I.2) Énergie déposée I.3) Phénomènes mis en jeu II) Microscope électronique à balayage (MEB) III) Caractérisation topographique et indicielle III.1) Caractérisation topographique de trous et de «sillons» III.2) Caractérisation indicielle (surfaces rectangulaires) Conclusion et perspectives

3 Objectif : Réalisation d un filtre à bande passante très étroite pour application aux réseaux WDM Gravure par faisceau d électrons de micro résonateurs directement sur la gaine polie d une fibre optique monomode en silice ou ou Micro résonateurs Gaine Cœur

4 Inscription directe par e-beam de composants sur fibre de silice Pourquoi? insensibilité aux bruits électromagnétiques suppression des problèmes d alignement entre composants miniaturisation des circuits optiques intégration de composants facilitée par le logiciel de pilotage du faisceau électronique technologie de faible coût : pas de masques et de résine très bonne résolution comparée aux autres systèmes de lithographie

5 I) Mécanismes des interactions électrons-silice

6 I.1) Particules et rayonnement émis Effets des irradiations sur la silice : variations du volume modification de la densité variations de contraintes loi de Lorentz-Lorentz : Δn n 2 2 n 1 n 2 6n 2 ΔV V Δα α Electrons Auger Electrons secondaires Electrons rétrodiffusés Rayons X caractéristiques Continuum de rayons X Fluorescence X Faisceau d électrons e-beam Surface de l échantillon Cathodoluminescence Surface de l échantillon Ces effets dépendent principalement de : numéro atomique z de la cible énergie E du faisceau d électrons Z faible E élevée Surface de l échantillon Z faible E faible Z élevé E élevée Z élevé E faible

7 I.2) Énergie déposée Conditions de simulation : code EGS4 du type Monte Carlo + procédure PRESTA (électrons de faibles énergies) faisceau ponctuel perpendiculaire à la surface volume découpé en cellules de 0,1 0,1 0,1 m électrons / cellule de la surface Résumé des interactions gérées par EGS4 rayonnement de freinage diffusion Bhabha (e+ e-) diffusion Möller (e- e-) annihilation diffusion multiple Molière pertes par ionisation

8 Energie déposée dans la silice par les électrons incidents p (m) p (m) 2,0 2,4 1,8 1,6 (MeV) ,2 2,0 (MeV) ,4 1,2 1,0 0, ,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0, ,6-50 0,6 0,4 0,4 0,2 l (m) 0,2 l (m) 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 15 kv 20 kv

9 Energie déposée dans la silice par les électrons incidents p (m) p (m) 4,0 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 (MeV) ,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 (MeV) ,5 0,5 l (m) l (m) 1,5 2,0 2,5 1,5 2,0 2,5 25 kv 30 kv

10 I.3) Phénomènes mis en jeu fluidité des électrons issus du faisceau dans la silice émissions d électrons secondaires ruptures de liaisons Si-O déplacement d atomes élévation locale de la température libération d espèces moléculaires moléculaires O 2 et H 2 O génération et mutation de défauts migration d ions ablation processus thermique

11 II) Microscope Électronique à Balayage (MEB)

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13 Paramètres d irradiation Source d électrons : filament de tungstène Type d émission : thermoïonique Tension d accélération des électrons 1 à 30 kv Diamètre de la sonde (nm) 5 à 1000 Courant d échantillon (na) 0,1 à 85 Grandissement 4 à Modes d irradiation stationnaire ou balayé Linetime (ms/ligne) 0,21 à 240 Nb de lignes/fenêtre 484 à 3872 Déplacement de la platine (x et y) course de 20 mm Inclinaison de l échantillon 0 à 75 Pilotage du MEB : XL Génèse / XL Pilot / Elphy Quantum

14 Le pilotage du MEB : XL Génèse Interface graphique

15 Lentille objectif WD focal. (point de focalisation) Image nette de la surface de l échantillon WD < WD focal. WD > WD focalisation échantillon

16 III) Caractérisation topographique et indicielle

17 Bibliographie manque d informations : compaction et profil d indice nécessité de quantifier e et n en fonction des paramètres d irradiation et tracer des courbes d étalonnage trous, disques et segments sur des pastilles de silice massive pure (Herasil 3) et sur la gaine polie d une fibre optique monomode surfaces rectangulaires sur des pastilles d Herasil et des films de silice dopée au germanium (collaboration avec B. Poumellec et A.S. Jacqueline du LPCES d Orsay ACO : «Elaboration de guides optiques sur substrats vitreux en utilisant l interaction douce entre les électrons et la matière») silice dopée silice pure silicium

18 III.1) Caractérisation topographique ( 2 exemples) Réalisation de «sillons» et de trous sillons : ligne avec faisceau défocalisé (mode balayé : HL) sur pastilles d Herasil paramètres : fixes : d spot,, WD et I variables : V et durée d irradiation (fluence ) -9 na t s 10 I 2 S cm caractérisation de e : profilomètre de contact Dektak IIA trous : faisceau focalisé (mode stationnaire : spot) sur fibre et pastilles d Herasil paramètres : fixes :, WD et I variables : V, durée d irradiation et d spot caractérisation de e : profilomètres interferomètriques à glissement de phase shift phase interferometric profilometer de Texas Company Fogale Nanotech caractérisation de : microscope électronique à balayage

19 «Sillons» sur pastilles d Herasil 3 Région irradiée e e = - K.(1-exp(-a.)) V (kv) a ( (e/cm 2 ) -1 ) K (nm) 10 1, , , , ,5 162

20 Trous sur pastilles d Herasil et fibre Gonflement Fossé V = 25 kv d spot = 100 nm WD = 12 mm I = 1, 1 na = min 8 min 10 min 15 min 30 min 1h30 V = 30 kv d spot = 500 nm WD = 12 mm I = 17 na = min 20 s 50 s 1 min 2 min

21 Evolution du diamètre en fonction de la durée d'irradiation pour V = 30 kv = K.ln(a.t+1)

22 Evolution de la variation d épaisseur en fonction de la durée d'irradiation pour V = 30 kv e = - K.(1-exp(-a.t))

23 Synthèse sur la compaction

24 III.2) Caractérisation indicielle (sur pastilles de silice massive pure) réalisation de guides plans V = 30 kv et d spot = 1 m mesure de l indice de surface : méthode de = 633 nm n = 1, 4571 avant irradiation évolution de n en fonction de la fluence après irradiation Δn 0, exp

25 mesure des indices effectifs = 633 nm reconstruction du profil d indice (WKBI) m m s w l x exp 1 1 n n x n incertitude :

26 Conclusion Bombardement électronique : compaction, gonflement et variation indicielle Compaction maximale dépend du motif réalisé (trou, ligne, ) n maximale = 1, à 4 modes guidés pour 0 < < 7, e/cm 2 (0 < < 1,2 C/cm 2 ) Perspectives Détermination de la loi d évolution indice-énergie déposée Influence de l épaisseur et de la nature de la couche métallique Effets de proximité Utilisation de méthode destructive et de sonde de microanalyse Obtenir un profil d indice avec une meilleure précision Évolution de n et du profil d indice en fonction de la tension d accélération