Optical monitoring methods and strategies for magnetron sputtered thin-film filters

Méthodes et stratégies de contrôle optique pour la fabrication de filtres en couches minces par pulvérisation magnétron

• Auteur / Autrice : Janis Zideluns
• Direction : Julien Lumeau, Fabien Lemarchand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique et Traitement d’image
• Date : Soutenance le 28/09/2022
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France) - Institut FRESNEL / FRESNEL
• Jury : Président / Présidente : Marie-Paule Besland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Lumeau, Fabien Lemarchand, Volodymyr Pervak, Laurent Pinard, Eric Lavastre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Volodymyr Pervak, Laurent Pinard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pulvérisation cathodique

Couches minces

Mots clés libres

Revêtements optiques

Contrôle de l'épaisseur des couches minces

Pulvérisation magnétron

Optical coatings

Thin film thickness monitoring

Magnetron sputtering

Résumé

Dans cette thèse, nous décrivons les méthodes et stratégies de contrôle optique pour les filtres en couches minces déposées par pulvérisation cathodique magnétron. Comme pour toutes les technologies, les exigences en matière de performance des filtres à couches minces augmentent, le nombre de couches dans les conceptions augmente et, par conséquent, le contrôle précis des épaisseurs déposées devient de plus en plus crucial. Les méthodes de contrôle de l'épaisseur ont donc également évolué et, à l'heure actuelle, les méthodes de contrôle optique sont les plus précises. La qualité du filtre ne dépend toutefois pas de la méthode utilisée pour le contrôle de l'épaisseur, mais plutôt de la manière dont cette méthode est utilisée. La manière est ce que nous appelons la stratégie de contrôle. Pour créer une stratégie de contrôle réussie, une connaissance approfondie de la méthode de contrôle et du filtre en couches minces lui-même est nécessaire. Dans cette thèse, nous étudions les trois méthodes classiques de contrôle optique des couches minces.Le contrôle optique basé sur le principe de turning point est sans doute la première méthode de contrôle optique disponible dans le commerce. Bien qu'il s'agisse de la méthode de contrôle optique la moins précise en ce qui concerne les erreurs d'épaisseur dans les couches contrôlées, elle est encore largement utilisée, en particulier pour le dépôt de filtres passe-bande, car elle bénéficie d'une forte auto-compensation des erreurs. L'utilisation de cette méthode est toutefois limitée aux conceptions dites "quart d'onde" et de bons résultats sont généralement obtenus dans une gamme de longueurs d'onde limitée.Le contrôle monochromatique basé sur le principe de trigger point est probablement la méthode de contrôle la plus populaire à l'heure actuelle, car elle peut être utilisée pour contrôler presque tous les empilements comportant des couches transparentes. La difficulté de cette méthode réside dans la détermination de la stratégie de contrôle, car la ou les longueurs d'onde de contrôle doivent être choisies pour chaque empilement. L'autocompensation des erreurs est moins efficace qu’avec un contrôle en turning point, mais on peut s'attendre à une bonne correspondance spectrale entre l'expérience et la théorie sur la gamme de longueurs d'onde, si la stratégie est choisie judicieusement.Le contrôle optique large bande a gagné en popularité ces derniers temps. Comme le contrôle optique monochromatique, il peut être utilisée pour différents types d’empilements. Bien que cette méthode ne soit pas associée à l'autocompensation des erreurs et que la résolution spectrale des systèmes à large bande soit inférieure à celle des systèmes monochromatiques, il est possible de produire des filtres avec des erreurs d'épaisseur très faibles, ce qui est crucial si une stratégie de contrôle indirect est choisie.Chacune de ces méthodes de contrôle a ses limites techniques (par exemple la résolution spectrale et le rapport signal/bruit) qui sont soit fixes, soit ajustables. Les filtres que nous voulons déposer peuvent avoir des régions spectrales qui ne sont pas adaptées au contrôle optique (par exemple, la transmission peut être trop faible pour être mesurée) et qui peuvent varier d'une couche à l'autre. Pour créer la stratégie de contrôle optique, il faut trouver un bon équilibre entre les possibilités techniques du système de contrôle et le comportement spectral de la couche à surveiller.

In this thesis, we describe the optical monitoring methods and strategies for magnetron sputtered thin-film optical filters. As with any technologies, the requirements for the performance of the thin-film filters increases, the number of layers in the designs grows and therefore the accurate monitoring of the deposited thicknesses becomes more and more crucial. Therefore, the methods of the thickness control have evolved as well, and, as of today, optical monitoring methods are the most precise ones. The quality of the filter, however, does not rely on the method that is used for the thickness monitoring, but rather on how the method is used. The how is what we call the monitoring strategy. To create a successful monitoring strategy, deep knowledge about the monitoring method and the thin film filter itself is required. In this thesis we investigate the three established optical thin film monitoring methods.Turning point optical monitoring is arguably the first commercially available optical monitoring method. Although it is the least accurate optical monitoring method when it comes to thickness errors in monitored layers, it is still widely used, especially when it comes to bandpass filter deposition as it benefits from strong error self-compensation. The use of this method, however, is limited to so called quarter-wave designs and good results are usually obtained in limited wavelength range.Monochromatic monitoring is probably the most popular monitoring method as of today, as it can be used to monitor almost any design with transparent layers. The difficulty of this method is the determination of the monitoring strategy, as the monitoring wavelength(s) has to selected for each design. The error self-compensation is less effective compared to the turning point monitoring, however good spectral match between experiment and theory is expected over wide wavelength range, if the strategy is chosen wisely.Broadband optical monitoring is lately gaining popularity, similarly to monochromatic monitoring it can be used for various types of designs. Although this method is not associated with error self-compensation and the spectral resolution of the broadband systems is inferior to monochromatic systems, filters with very low thickness errors can be produced, what is crucial if indirect monitoring strategy is selected.Each of these monitoring methods have their technical limits (for example spectral resolution and signal to noise ratio) that are either fixed or adjustable. The designs, that we want to deposit, can have spectral regions that are not suited for optical monitoring (for example the transmittance can be too low for measurement) that can vary from layer to layer. To create the monitoring strategy, a good balance between the technical possibilities of the motoring system and the spectral behaviour of the layer to be monitored must be found.