Traitement de grandes optiques spatiales, astronomie et lasers Journées du Polissage Optique pour les Grands Instruments de la Physique et de l Astronomie 16-17 juin 2011 "Photographie: Philippe Bourgeois" CILAS - Établissement Marseille Z.I. St Mitre 15 avenue de la Roche Fourcade 13400 Aubagne France - Tel : + 33 4 42 36 97 00 Fax : + 33 4 42 36 97 01 www.cilas.com Page 1
Spécifications recherchées Performances de réflexion et/ou transmission Filtres passe bande Miroirs Haute réflectivité Conditions environnementales, cosmétique, Exigence d uniformité sur la surface de composants maîtrise de l uniformité des dépôts Répartition spatiale des épaisseurs Répartition spatiale des indices de réfaction Dimension des substrats Page 2
Impact de l uniformité Dépend de la complexité de la fonction optique Antireflet classique u = 5 à 10 % acceptable Miroir haute réflexion u = 10 % acceptable Filtre à bande très étroite u > 1/10 x λ / λc préjudiciable u = 1,5 pour λ =10nm à λc =635nm Page 3
Paramètres à évaluer Empilement = alternance de matériaux différents coefficient identique entre chaque épaisseur = simple décalage de la réponse spectrale Rapport d uniformité pour chacun des matériaux Page 4
Moyens de production 700 m² de salle blanche (classe 10 000 à 100) Bâtis industriels de dépôt (contrôle optique in-situ) Technologies de dépôt (évap., assist. ionique, pulvérisation, Logiciels de calculs spécifiques Machine de nettoyage automatisée Métrologie standard et spécifique Tests environnementaux => Applications Défense, Spatial, Astronomie.. Page 5
Filtres allumettes Intégré sur le détecteur Filtres Hyper spectraux micro structurés à bande très étroite (ASTRIUM, CNES, ESA, ) Lithographie en technologie microélectronique Transmittance 80mm x 500µm B1 Channel B2 Channel B3 Channel B4 Channel Allumettes traitées 4 faces 400 500 600 700 800 900 1000 1100 wavelength (nm) --> 40 mm x 1mm Page 6
100 Uniformité des dépôts Rapport d uniformité 1 décalage de la réponse spectrale Détermination de la loi d uniformité h ρ M Transmission (%) --> 90 80 70 60 50 40 30 20 10 3 nm U = 1,005 0 500 520 540 560 580 600 Lambda (nm) --> e M = m. h πµ (h 2 +R 2 +ρ 2 ) [1- (2ρR/h 2 +R 2 +ρ 2 )] 3/2 R Source Variation de l uniformité en ftn du tps Erreurs dynamiques non prédictibles Page 7
Optimisation de l uniformité Uniformity variation (%) Inclinaison des substrats Caches d uniformité Mouvement de rotation 1 Epicycloïde S1 S2 S3 S4 S5Y substrate (mm) S6 S7 S8 S9 2 3 4 5 6 7 8 9 X substrate (mm) 0,150-0,200 0,100-0,150 0,050-0,100 0,000-0,050-0,050-0,000-0,100--0,050-0,150--0,100-0,200--0,150-0,250--0,200-0,300--0,250 Page 8
Gaz réactif Pulvérisation Magnétron Magnétron DC or RF Cibles de matériaux Plasma Ar T Ambiante Vide < 10-6 Défilement des substrats sous les cibles Substrats Dimensions des substrats : L: 2,10 m x l: 2,10 m x h: 40 cm 5 sources magnétrons (RF, MF, DC, DCp), soit 7 cathodes métaux ( Ag, Al, ) diélectriques (SiO2, Al2O3, TiO2, Ta2O5, ) en mode réactif Page 9
PACA2M : Pulvérisation Magnétron de grandes dimensions Cible 3 mètres Substrats en cours de dépôt Procédé de dépôt énergétique Couches Denses stables vis-à-vis de l environnement Page 10
PACA2M** : PulvérisAtion CAthodique 2 Mètres Dimensions = 11 m x 3,8 m - h = 2,5 m Pour traiter des pièces de 2 m x 2 m - h = 40 cm ** Plateforme Mutualisée Soutien financier : DGE (FUI), Région PACA, CG13 Partenaires: Popsud Optitec, Alliance Concept, Institut Fresnel,Thalès Alenia Space Page 11
Production des réflecteurs LMJ Structures tunnel et traitement Ag protégé des réflecteurs du Laser Méga Joule Production 35 000 pièces à argenter Surface totale : 2800 m 2 Technologie Pulvérisation Magnétron Surface de traitement 2m x 2m 176 faisceaux LASER 22 chaînes amplificatrices 44 amplificateurs Page 12
Traitement des réflecteurs Dépôt par pulvérisation magnétron Couches denses Grandes dimensions (2m x2m) Développement de procédés Reproductibilité Procédés de nettoyage Etude du vieillissement Partenariat avec le CEA Page 13
Dépôts sur réflecteurs Réflecteurs inox avant traitement Réflecteurs après traitement Ag [400-2500nm] Spécifications environnementales : Solubilité dans l éthanol et l acide acétique - Résistance à l oxydation Température : -25 C / + 55 C Solubilité dans le savon dilué dans EDI Résistance au nettoyage en machine à laver Page 14
Uniformité des dépôts Dépot diélectrique ref PCA041, 042 & 055 700 épaisseur mécanique (nm) --> --> 600 500 400 300 200 100 0-1200 -1000-800 -600-400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 Coordonnées (mm) --> 2 mètres Page 15
Uniformité des dépôts Dépot diélectrique ref PCA055 20% 15% 10% Uniformité (%) --> 5% 0% -1200-1000 -800-600 -400-200 0 200 400 600 800 1000 1200-5% -10% -15% -20% Coordonnées (mm) --> Uniformité < 4 % sur 2 mètres Page 16
Uniformité des dépôts Dépot métallique ref PCA044 20% 15% Uniformité (%) --> 10% 5% 0% -1200-1000 -800-600 -400-200 0 200 400 600 800 1000 1200-5% -10% -15% -20% Coordonnées (mm) --> Uniformité < 4 % sur 2 mètres Page 17
Uniformité des dépôts Dépot métallique ref PCA045 20% 15% Uniformité (%) --> 10% 5% 0% -1200-1000 -800-600 -400-200 0 200 400 600 800 1000 1200-5% -10% -15% -20% Coordonnées (mm) --> Uniformité < 5 % sur 1,90 mètres Page 18
Miroirs métalliques Dépôt métallique massif impact limité Couches diélectriques Réflectivité rehaussée Protection vis-à-vis des conditions atmosphériques maîtrise de fines épaisseurs de couches effet interférentiel Page 19
Miroirs métalliques protégés 100 95 90 R --> 85 80 75 70 65 60 Influence de l uniformité des couches diélectriques R(0 ) R(0 ) avec U+10% R(0 ) avec U-10% GABARIT 55 50 350 450 550 650 750 850 950 1050 1150 1250 1350 1450 1550 1650 lambda (nm) --> Impact dans le bas du spectre Page 20
Miroirs Argent réhaussés Miroir spatial pour le CNES Spécifications environmentales sévères Uniformité 100 Measurement over 2 m x 2 m 95 90 2 m 104a905-6 85 80 n 9 104a905-7 104a905-8 104a905-9 75 70 65 n 6 n 10 n 8 2 m 104a905-10 Template 60 n 7 55 50 300 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500 Page 21
Miroir Al réhaussé Four solaire DGA (Odeillo) Tests Adhesion, Abrasion Solvants Solubilité EDI (6h) Cyclages thermiques 24h 40 C - 95%RH Tenue au flux solaire (2 x 100h) Reflectance (%) --> 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Protected Aluminum mirror Measurement Theory Template 0 400 650 900 1150 1400 1650 lambda (nm) --> 1900 2150 2400 Page 22
Miroir Al réhaussé Reflecteurs pour les lampes du Simulateur Solaire de l ESA Uniformité Cosmetic requirements Cleaning procedure Spectral performances 700 mm Measurements on different samples along the reflectors ref.104a958 100 90 80 Reflectance ( %) 70 60 50 40 30 20 10 1 2 3 4 5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Lambda en nm Page 23
Contrôle optique large bande in-situ** Contrôle temps-réel Mesure In-situ et suivi du profil spectral Arrêt du dépôt sur profil spectral à terminaison Détermination in-situ des indices et des épaisseurs 9 passages optiques Contrôle optique visible et proche infrarouge Transmission et/ou réflexion ** Collaboration avec l Institut Fresnel, Marseille Page 24
Contrôle optique Gaz réactif Magnétron DC or RF Cibles de matériaux Vide < 10-6 Plasma Ar T Ambiante Substrats visible et proche infrarouge [0,28-2,2µm] jusqu à 9 voies de mesure par fibres optiques Page 25
T T T T Contrôle optique in-situ 0,95 0,9 0,85 69 nm Mesure In-situ et suivi du profil spectral 0,8 0,75 0,7 0,65 350 450 550 650 750 850 950 1050 0,95 nm 0,9 0,85 0,8 141 nm Arrêt automatique du dépôt sur profil spectral à terminaison 0,75 0,7 0,65 350 450 550 650 750 850 950 1050 nm 0,95 222 nm 0,9 0,85 100 90 Filtre Passe-bande @ 740nm (P=10-6 mbar) 0,8 0,75 80 0,7 Transmission (%) --> 70 60 50 40 30 20 10 0,65 350 450 550 650 750 850 950 1050 0,95 nm 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 297 nm 0 350 550 750 950 1150 1350 1550 1750 1950 2150 Lambda (nm) --> 0,65 350 450 550 650 750 850 950 1050 nm Page 26
Absorbeurs Couches Minces Peinture noire Anodisation Taux de lumière diffusée 1 % Épaisseur 10-100 µm Traitement Métal-Diélectrique Taux de lumière réfléchie 0,5 % Épaisseur < 1 µm Lumière absorbée SUBSTRAT Lumière incidente 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 300 500 700 900 1100 Métal Diélectrique SUBSTRAT Lumière incidente Page 27
Absorbeurs de lumière Metallic & dielectric materials ref PCA044 & 55 1,08 1,06 diélectrique Uniformity (%) --> 1,04 1,02 1-1200 -1000-800 -600-400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 0,98 0,96 0,94 0,92 Coordinates (mm) --> métal Page 28
Antireflets 30 25 R --> 20 15 Measurement Theory Gabarit Antireflet large bande 10 5 0 400 600 800 1000 1200 1400 lambda (nm) --> Dépôt sur grandes dimensions ou grande quantité de composants Page 29
Miroirs diélectriques large bande Lames Pérot-Fabry de l Instrument 3D-NTT du LAM Spectromètre intégral de champ avec 2 modes d observation: Basse résolution et Haute résolution Miroirs diélectriques large bande (370nm-870nm) Etude théorique réalisée par l Institut Fresnel Réalisation en Pulvérisation Contrôle optique large bande Page 30
Conclusion PACA2M = outil haute performance pour les dépôts sur grandes dimensions Contrôle optique in-situ large bande Technologie dense Adapté aux environnements sévères (Spatial, Défense, Astronomie, ) Page 31
Merci pour votre attention Std : +33 (0) 4 42 36 97 00 Fax : +33 (0) 4 42 36 97 01 www.cilas.com Page 32