Procédés de micro-nanotechnologies pour la réalisation de spectromètres imageurs dédiés au sondage atmosphérique

Micro-nanotechnology processes for the realization of imaging spectrometers dedicated to atmospheric survey

• Auteur / Autrice : Nadine Gerges
• Direction : Cécile Gourgon, Yann Ferrec, Jumana Boussey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 24/03/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies de la microélectronique (Grenoble, Isère, France ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Patricia Segonds
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Judikaël Le Rouzo, Jacques Berthon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Seassal, Anne Talneau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanolithographie

Fabry-Pérot, Interféromètres de

Gravure par plasma

Spectroscopie

Mots clés libres

Lithographie à niveaux de gris

Interféromètre de Fabry-Perot

Spectromètre imageur

Gravure plasma

Filtre interférentiel

Matériau absorbant

Grayscale lithography

Imaging spectrometer

Fabry–Perot interferometer

Plasma etching

Interferential filter

Absorbing material

Résumé

De nouveaux concepts de mesure de la concentration atmosphérique des gaz à effet de serre (CO2, CH4) sont en cours de développement dans le but d’évaluer les progrès accomplis vers les objectifs de l'Accord de Paris de 2015. NanoCarb est un spectromètre imageur miniature à transformée de Fourier développé dans le cadre du projet européen SCARBO H2020. L’élément principal de cet imageur spectral est un réseau de micro-interféromètres Fabry-Perrot obtenu à partir d’une lame de silicium gravée sous forme d’escalier dont les hauteurs de marche sont de l’ordre de 50 nm. Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre le LTM, l’ONERA et l’IPAG, et a eu pour objectif le développement de procédés technologiques pour réaliser le réseau de marches, ainsi que l’intégration sur la même lame d’un filtre interférentiel et un matériau localement absorbant dans l’infrarouge (SWIR).Nous avons développé des procédés de lithographie à niveaux de gris et gravure plasma afin de réaliser le réseau interférométrique en une seule étape de lithographie et gravure. Nous avons démontré qu’il est possible d’optimiser le contraste d’une résine lithographique avec une résolution verticale de l’ordre de 20 nm pour obtenir des marches en Si de 50 nm de haut.La deuxième partie a visé une réduction des composants optiques par l’ajout en face arrière d’un filtre spectral constitué d’un empilement de 12 couches Si/SiO2 que nous avons simulé, réalisé et caractérisé. Ce filtre étroit est centré sur la bande d’absorption du CO2 à 1608 nm. Enfin, nous avons cherché à développer un matériau absorbant dans le proche infrarouge dans le but de minimiser la lumière parasite créée localement.

New concepts for measuring the atmospheric concentration of greenhouse gases (CO2, CH4) are being developed in order to evaluate progress towards the 2015 Paris Agreement targets. NanoCarb is a miniature Fourier transform imaging spectrometer developed within the framework of the European project SCARBO H2020. The key element of this spectral imager is an array of Fabry-Perrot micro-interferometers obtained from a silicon plate etched as a stepcase about 50 nm in height. This thesis is part of a collaboration between LTM, ONERA and IPAG, and its objective was the development of technological processes to realize the stepcase array, as well the integration on the same plate of an interferential filter and a locally absorbing material in the short wave infrared (SWIR).We have developed grayscale lithography and plasma etching processes to realize the interferometric array in a single lithography and etching step. We demonstrated that is possible to optimize the contrast of a lithographic resist with a vertical resolution about 20 nm in order to obtain 50 nm high steps in silicon.The second part aimed to reduce the optical components by adding on the backside a spectral filter composed of 12 Si/SiO2 layers that we have simulated, realized and characterized. This narrow filter is centered on the CO2 absorption band at 1608 nm. Finally, we have developed an absorbing material in the near infrared in order to minimize the stray light created locally.