Développement d'une ligne de lumière laser dans l'extrême ultraviolet pour la métrologie à la longueur d'onde

Development of an extreme ultraviolet laser beamline for at wavelength metrology

• Auteur / Autrice : Xu Liu
• Direction : Willem Boutu, Guillaume Dovillaire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/07/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interactions, dynamiques et lasers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Imagine optic
• Jury : Président / Présidente : Franck Delmotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jan Rothhardt, Olivier Utéza, Constance Valentin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jan Rothhardt, Olivier Utéza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffraction

Matière condensée

Rayonnement ultraviolet

Ptychographie

Génération d'harmoniques d'ordre élevé

Mots clés libres

La génération d'harmoniques d'ordre élevé

HHG

EUV

Imagerie

Ptychographie

L'imagerie par la diffraction cohérente

High harmonic generation

HHG

EUV

Coherent diffraction imaging

Imaging

Ptychography

Résumé

Le partenariat établi entre le CEA/LIDYL et la PME Imagine Optic (IO) au début de l'année 2020 a conduit à la création du laboratoire commun NanoLite, dédié au développement de systèmes optiques spécialisés dans la métrologie aux courtes longueurs d'onde. Ce laboratoire se concentre notamment sur le domaine de l'extrême ultraviolet (EUV, 10-100 nm), crucial pour divers secteurs tels que les installations produisant du rayonnement synchrotron et la microélectronique (lithographie), ainsi que pour la recherche académique (physique attoseconde).La présente thèse CIFRE se focalise sur le développement d'une ligne de lumière compacte et performante dans la gamme EUV, reposant sur la génération d'harmoniques laser d'ordre élevé (HHG). Ce phénomène non linéaire permet de produire un rayonnement cohérent spatialement dans la gamme EUV à partir d'impulsions laser femtosecondes. La construction de cette ligne de lumière s'appuie sur un nouveau système laser au taux de répétition de 100 kHz, générant des impulsions de 50 fs. Ce manuscrit de thèse aborde les différents aspects techniques nécessaires, de l'optique à la mécanique, du vide à l'électronique en passant par la programmation des logiciels d'acquisition et de traitement des données.La ligne de lumière ainsi développée est opérationnelle depuis octobre 2022. Les applications industrielles mises en œuvre et testées, telles que la calibration de capteurs de front d'onde HASO EUV, l'inspection de la qualité de surface d'optiques EUV et les modalités de mesure du front d'onde par morceaux sont décrites dans ce manuscrit.Une autre approche possible pour la métrologie, complémentaire de la caractérisation du front d'one, est offerte par l'imagerie nanométrique par diffraction cohérente. La ptychographie, technique qui permet l'étude d'échantillons étendus sans sacrifier la résolution spatiale, permet de reconstruire les caractéristiques spatiale (amplitude et phase) du faisceau d'illumination. Diverses applications de la ptychographie sont présentées, notamment une étude de l'influence de la largeur spectrale de la source et une nouvelle configuration d'imagerie auto-sondée pour laquelle l'échantillon et la source du rayonnement sont confondues. Enfin, la ptychographie est appliquée pour la caractérisation du foyer EUV de la ligne de lumière.L'ensemble de ces réalisations a permis de valider les performances de la ligne de lumière et a mis au jour les voies d'amélioration possibles pour l'optimiser encore d'avantage.

The partnership established between CEA/LIDYL and the SME Imagine Optic (IO) at the beginning of 2020 led to the creation of the joint laboratory NanoLite, dedicated to the development of optical systems specialized in metrology at short wavelengths. This laboratory focuses notably on the extreme ultraviolet (EUV, 10-100 nm) domain, crucial for various sectors such as synchrotron radiation facilities, microelectronics (lithography), and academic research (attosecond physics).The present CIFRE thesis focuses on the development of a compact and high-performance beamline in the EUV range, based on the generation of high-order harmonic (HHG). This nonlinear phenomenon enables the production of spatially coherent radiation in the EUV range from femtosecond laser pulses. The construction of this beamline relies on a new laser system with a repetition rate of 100 kHz, generating pulses of 50 fs. This thesis manuscript addresses the various technical aspects necessary, from optics to mechanics, vacuum to electronics, and software programming for data acquisition and processing.The developed beamline has been operational since October 2022. The implemented and tested industrial applications, such as the calibration of EUV HASO wavefront sensors, inspection of the surface quality of EUV optics, and wavefront measurement modalities by stitching, are described in this manuscript.Another possible approach for metrology, complementary to wavefront characterization, is offered by nanometric coherent diffraction imaging. Ptychography, a technique that allows the study of extended samples without sacrificing spatial resolution, enables the reconstruction of spatial characteristics (amplitude and phase) of the illumination beam. Various applications of ptychography are presented, including a study of the influence of the spectral width of the source and a new self-probed imaging configuration in which the sample and the radiation source are coincident. Finally, ptychography is applied for the characterization of the EUV focus of the beamline.All these achievements have validated the performance of the beamline and have revealed possible avenues for further optimization.