Etude de nano-rugosités en technologie silice-sur-silicium par microscopie électronique à balayage et diffusion lumineuse

Study of nano-roughness for silica-on-silicon technology by scanning electron microscopy and light scattering

• Auteur / Autrice : Alexis Bony
• Direction : Patrick Meyrueis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et image
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique intégrée

Lumière -- Diffusion

Microscopie électronique à balayage

Rugosité

Mots clés libres

Technologie silice sur silicium

Résumé

La technologie silice-sur-silicium est fréquemment employée pour la réalisation de composants passifs dans le domaine de l'optique intégrée. Lors de leur fabrication, des rugosités peuvent apparaître sur les surfaces des guides d'onde qu'ils contiennent, dégradant par la suite leurs performances. La première partie de ce travail doctoral s'attache par conséquent à définir les paramètres caractérisant les rugosités, à recenser les différents moyens expérimentaux existants pour évaluer ces rugosités, et à préciser la problématique particulière induite par les guides d'onde de silice-sur-silicium. La deuxième partie du manuscrit présente deux méthodes d'évaluation des rugosités des côtés des guides d'onde développées au cours de ce travail doctoral, toutes deux basées sur l'utilisation d'un microscope électronique à balayage. La première technique s'appuie sur l'enregistrement d'une paire d'images dans des conditions stéréoscopiques pour extraire la topographie de la surface inspectée par comparaison des deux images. La deuxième technique utilise un algorithme dit de '' shape-from-shading '' pour calculer la topographie à partir d'une seule image. La dernière partie de ce travail doctoral traite de l'influence des rugosités surfaciques sur la diffusion angulaire de la lumière laser pour des échantillons silice-sur-silicium. Il y est étudié expérimentalement comment l'épaisseur, la rugosité, et les variations d'épaisseurs de la couche de silice modifient le diagramme de diffusion résolu angulairement. En retour, on s'intéresse à l'information qui peut être extraite de ces mesures pour caractériser les échantillons évalués. En prolongement à ce travail, une étude de la corrélation des figures de speckle obtenues pour différents angles d'incidence et d'observation est finalement présentée.

Silica-on-silicon technology is widely used for the realization of passiv components in integrated optics. Surface roughness may appear on their waveguides during their fabrication, thereafter negatively impacting their performances. The first part of this doctoral work is consequently aimed at defining the parameters characterizing roughness, reviewing the different existing experimental means for roughness evaluation, and detailling the particular case involved by silica-on-silicon waveguides. Two methods developped in this doctoral work for the evaluation of waveguide sidewall surface roughness are presented in the second part of this manuscript, both based on using a Scanning Electron Microscope. The first technique relies on the recording of a stereoscopic image pair to extract the topography of the inspected surface by comparing the two images. The second technique makes use of a “shape-from-shading” algorithm to compute topography from a single image. The last part of this doctoral work deals with the influence of surface roughness on angular laser light scattering for silica-on-silicon samples. It is experimentally investigated how sample's thickness, roughness, and silica layer's thickness variations can impact angle-resolved light scattering distributions. A reverse analysis indicates the information one may retrieve from these measurements to characterize the assessed samples. Finally, a further investigation is dedicated to speckle pattern correlation for various illumination and scattering angles.