FR3122502A1 - Lame d’onde en transmission - Google Patents
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Abstract
Lame d’onde (1), fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique possédant une longueur d’onde dominante, notée λ, comprise entre 200 nm et 900 nm ;
la lame d’onde (1) comportant :
- un substrat (2), transparent au rayonnement électromagnétique, et comprenant des première et deuxième surfaces (20, 21) opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale ; la deuxième surface (21) étant plane ;
- des motifs (200), réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante, les motifs (200) formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface (20) du substrat (2), les motifs (200) s’étendant suivant une première direction longitudinale (X) ; les motifs (200) étant espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale (Y), perpendiculaire à la première direction longitudinale (X), et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < λ ; les motifs (200) présentant une hauteur, notée h, suivant la normale (Z) à la première surface (20) vérifiant h ≥ 3 p ; la hauteur des motifs (200) étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs (200) de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π ou π/2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation.
Figure 1
Description
L’invention se rapporte au domaine technique des lames d’onde, fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique possédant une longueur d’onde dominante comprise entre 200 nm et 900 nm.
L’invention trouve notamment son application dans le domaine des lasers de puissance.
État de l’art
Une lame d’onde connue de l’état de la technique comporte :
- un substrat, transparent au rayonnement électromagnétique, et comprenant des première et deuxième surfaces opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale ;
- des motifs, réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, strictement supérieur à 1,6 à la longueur d’onde dominante, les motifs formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface du substrat, les motifs s’étendant suivant une première direction longitudinale ; les motifs étant espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale, perpendiculaire à la première direction longitudinale, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < λ ; les motifs présentant une hauteur, notée h, suivant la normale à la première surface ; la hauteur des motifs étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π ou π/2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation.
- un substrat, transparent au rayonnement électromagnétique, et comprenant des première et deuxième surfaces opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale ;
- des motifs, réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, strictement supérieur à 1,6 à la longueur d’onde dominante, les motifs formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface du substrat, les motifs s’étendant suivant une première direction longitudinale ; les motifs étant espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale, perpendiculaire à la première direction longitudinale, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < λ ; les motifs présentant une hauteur, notée h, suivant la normale à la première surface ; la hauteur des motifs étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π ou π/2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation.
Par exemple, une lame dite quart d’onde, introduisant un déphasage de π/2, permet de transformer un état de polarisation linéaire en un état de polarisation circulaire.
Les motifs, formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface du substrat, permettent d’induire de l’anisotropie. En d’autres termes, le réseau de diffraction en transmission permet de déphaser deux composantes orthogonales d’un état de polarisation. La première direction longitudinale (entre les motifs) est l’axe rapide, tandis que la deuxième direction longitudinale est l’axe lent.
Le matériau diélectrique des motifs est choisi dans l’état de la technique pour présenter un contraste optique élevé (n > 1,6 ; préférentiellement n > 2 ; plus préférentiellement n > 3) avec le milieu environnant. Le milieu environnant est classiquement un air ambiant, ou un milieu sous vide d’air, avec un indice de réfraction proche de 1. Le déphasage résulte d’une interaction électromagnétique entre le rayonnement électromagnétique incident et le réseau de diffraction en transmission, et dépend du contraste optique et de la géométrie des motifs périodiques.
Il existe un préjugé selon lequel le matériau diélectrique des motifs doit posséder un indice de réfraction élevé (n > 1,6 ; préférentiellement n > 2 ; plus préférentiellement n > 3) afin de réduire la hauteur h et donc le ratio h/p pour des raisons de commodité de gravure. Ce préjugé est manifeste notamment dans les documents D.C. Flanders, «Submicrometer periodicity gratings as artificial anisotropic dielectrics», Appl. Phys. Lett.42, 492 (1983) ; T.Isano et al., «Fabrication of Half-Wave Plates with Subwavelength Structures», Jpn. J. Appl. Phys.43, 5294 (2004) ; N. Passilly et al., «Polarization conversion in conical diffraction by metallic and dielectric subwavelength gratings», Appl. Opt. 46(20) 4258-4265 (2007) ; S.S. Stafeev et al., «Subwavelength gratings for polarization conversion and focusing of laser light», Photonics Nanostructures : Fundam. Appl.27, 32-41 (2017) ; T. Mori et al., «Periodic sub-wavelength structures with large phase retardation fabricated by glass nanoimprint», J. Ceram. Soc. Jpn.117(1370), 1134-1137 (2009).
Une telle lame d’onde de l’état de la technique n’est pas entièrement satisfaisante dans la mesure où le choix du matériau des motifs est restreint à des matériaux diélectriques possédant un indice de réfraction élevé (n > 1,6). Or, ces matériaux possèdent généralement un seuil d’endommagement très faible pour résister à un rayonnement laser de forte puissance (i.e. puissance crête supérieure à 100 mW), par exemple les lasers impulsionnels.
L’invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités. A cet effet, l’invention a pour objet une lame d’onde, fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique possédant une longueur d’onde dominante, notée λ, comprise entre 200 nm et 900 nm ;
la lame d’onde comportant :
- un substrat, transparent au rayonnement électromagnétique, et comprenant des première et deuxième surfaces opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale ; la deuxième surface étant plane ;
- des motifs, réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante, les motifs formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface du substrat, les motifs s’étendant suivant une première direction longitudinale ; les motifs étant espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale, perpendiculaire à la première direction longitudinale, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < λ ; les motifs présentant une hauteur, notée h, suivant la normale à la première surface vérifiant h ≥ 3 p ; la hauteur des motifs étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π ou π/2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation.
la lame d’onde comportant :
- un substrat, transparent au rayonnement électromagnétique, et comprenant des première et deuxième surfaces opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale ; la deuxième surface étant plane ;
- des motifs, réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante, les motifs formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface du substrat, les motifs s’étendant suivant une première direction longitudinale ; les motifs étant espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale, perpendiculaire à la première direction longitudinale, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < λ ; les motifs présentant une hauteur, notée h, suivant la normale à la première surface vérifiant h ≥ 3 p ; la hauteur des motifs étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π ou π/2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation.
Définitions
- Par « substrat », on entend un support physique autoporté.
- Par « substrat transparent », on entend que le substrat possède un coefficient de transmission en intensité (ou transmittance), moyenné pour les 2 polarisations TE (Transverse Electrique) et TM (Transverse Magnétique), supérieur à 80 %, préférentiellement supérieur à 85 %, plus préférentiellement supérieur à 90 %, encore plus préférentiellement supérieur à 95 % pour la longueur d’onde dominante du rayonnement électromagnétique.
- Par « matériau diélectrique transparent », on entend que le réseau de diffraction en transmission, formé par les motifs réalisés dans le matériau diélectrique, possède un coefficient de transmission en intensité (ou transmittance) de l’ordre zéro de diffraction (appelé ordre spéculaire), moyenné pour les 2 polarisations TE et TM , supérieur à 80 %, préférentiellement supérieur à 85 %, plus préférentiellement supérieur à 90 %, encore plus préférentiellement supérieur à 95 %, pour la longueur d’onde dominante du rayonnement électromagnétique.
- Par « π ou π/2 », on entend le déphasage en radians.
Ainsi, une telle lame d’onde selon l’invention autorise un seuil d’endommagement élevé pour résister à un rayonnement laser de forte puissance (puissance crête supérieure à 100 mW), grâce au matériau diélectrique des motifs qui présente un indice de réfraction inférieur ou égal à 1,6. Les inventeurs ont constaté, de manière surprenante, qu’il était possible d’effectuer une gravure correcte des motifs de manière à obtenir un ratio h/p élevé (≥3) selon des techniques compatibles avec la technologie CMOS («Complementary Metal Oxide Semiconductor» en langue anglaise).
La lame d’onde selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.
Selon une caractéristique de l’invention, la hauteur des motifs vérifie :
3 p ≤ h ≤ 6 p, de préférence 4 p ≤ h ≤ 5 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π/2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation.
3 p ≤ h ≤ 6 p, de préférence 4 p ≤ h ≤ 5 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π/2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation.
Selon une caractéristique de l’invention, la hauteur des motifs vérifie :
6 p ≤ h ≤ 12 p, de préférence 8 p ≤ h ≤ 10 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation.
6 p ≤ h ≤ 12 p, de préférence 8 p ≤ h ≤ 10 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation.
Selon une caractéristique de l’invention, la période spatiale des motifs vérifie p ≤ λ/n.
Ainsi, un avantage procuré est d’éviter la dispersion de l’énergie du rayonnement électromagnétique dans plusieurs ordres de diffraction. Une telle période spatiale permet de structurer la première surface du substrat (lorsque le substrat et les motifs sont monoblocs) sans induire la propagation de nouveaux ordres de diffraction. Le déphasage apporté à l'ordre zéro de diffraction en transmission est alors associé à une forte efficacité en énergie. En d’autres termes, une telle période spatiale des motifs permet d’obtenir une efficacité en transmission élevée dans l’ordre spéculaire pour la lame d’onde.
Selon une caractéristique de l’invention, les motifs présentent une largeur à mi-hauteur, notée c, suivant la deuxième direction longitudinale vérifiant :
0,5 p ≤ c ≤ 0,7 p.
0,5 p ≤ c ≤ 0,7 p.
Ainsi, un avantage procuré est d’autoriser une gravure des motifs selon des techniques compatibles avec la technologie CMOS.
Selon une caractéristique de l’invention, les motifs présentent un profil trapézoïdal suivant la normale à la première surface.
L’expression « profil trapézoïdal » s’entend dans les tolérances usuelles liées aux conditions expérimentales de la fabrication des motifs, et non parfaitement au sens mathématique du terme « trapézoïdal ».
Selon une caractéristique de l’invention, le profil trapézoïdal des motifs forme un trapèze isocèle présentant :
- des petite et grande bases, la grande base étant orientée vers la deuxième surface ;
- des bords latéraux reliant les petite et grande bases ;
la grande base et les bords latéraux formant un angle supérieur ou égal à 80° et inférieur ou égal à 90°, de préférence supérieur ou égal à 85° et inférieur ou égal à 90°.
- des petite et grande bases, la grande base étant orientée vers la deuxième surface ;
- des bords latéraux reliant les petite et grande bases ;
la grande base et les bords latéraux formant un angle supérieur ou égal à 80° et inférieur ou égal à 90°, de préférence supérieur ou égal à 85° et inférieur ou égal à 90°.
Lorsque la grande base et les bords latéraux forment un angle égal à 90°, alors le trapèze isocèle est un rectangle et les motifs sont de forme lamellaire.
Selon une caractéristique de l’invention, le substrat et les motifs sont réalisés dans un matériau choisi parmi un verre, SiO2, CaF2, MgF2.
Ainsi, de tels matériaux présentent un indice de réfraction inférieur à 1,6 et sont transparents dans la gamme spectrale [200 nm, 900 nm]. En particulier, un avantage procuré par SiO2est sa forte transparence dans la gamme spectrale [200 nm, 900 nm] et ses pertes optiques extrêmement faibles dans cette gamme spectrale. En outre, SiO2présente un seuil d’endommagement très élevé pour résister à un rayonnement laser de forte puissance crête (>100 mW).
Selon une caractéristique de l’invention, le rayonnement électromagnétique est un rayonnement laser possédant une puissance crête supérieure à 100 mW, le substrat et les motifs sont réalisés dans un matériau qui présente un seuil d’endommagement adapté pour résister au rayonnement laser.
Selon une caractéristique de l’invention, la longueur d’onde dominante est choisie dans :
- un premier domaine spectral compris entre 200 nm et 400 nm, de préférence compris entre 315 nm et 400 nm ;
- un second domaine spectral compris entre 400 nm et 900 nm, de préférence compris entre 400 nm et 800 nm.
- un premier domaine spectral compris entre 200 nm et 400 nm, de préférence compris entre 315 nm et 400 nm ;
- un second domaine spectral compris entre 400 nm et 900 nm, de préférence compris entre 400 nm et 800 nm.
Selon une caractéristique de l’invention, la longueur d’onde dominante est comprise entre 315 nm et 400 nm, et la période spatiale des motifs est supérieure ou égale à 200 nm.
L’invention a également pour objet un dispositif optique, comportant :
- une source laser, adaptée pour émettre un rayonnement électromagnétique, de type laser, possédant une longueur d’onde dominante, notée λ, comprise entre 200 nm et 900 nm ;
- une lame d’onde conforme à l’invention, les première et deuxième surfaces étant agencées de manière à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale.
- une source laser, adaptée pour émettre un rayonnement électromagnétique, de type laser, possédant une longueur d’onde dominante, notée λ, comprise entre 200 nm et 900 nm ;
- une lame d’onde conforme à l’invention, les première et deuxième surfaces étant agencées de manière à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale.
L’invention a enfin pour objet un procédé de fabrication d’une lame d’onde, fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique possédant une longueur d’onde dominante, notée λ, comprise entre 200 nm et 900 nm ; le procédé comportant les étapes :
a) prévoir un substrat, transparent au rayonnement électromagnétique, et présentant des première et deuxième surfaces planes opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale ;
b) former un réseau de diffraction en transmission à la première surface du substrat, le réseau de diffraction en transmission comprenant des motifs :
- réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante ;
- s’étendant suivant une première direction longitudinale ;
- espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale, perpendiculaire à la première direction longitudinale, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < λ ;
- présentant une hauteur, notée h, suivant la normale à la première surface vérifiant h ≥ 3 p, la hauteur des motifs étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π ou π/2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation.
a) prévoir un substrat, transparent au rayonnement électromagnétique, et présentant des première et deuxième surfaces planes opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique, de préférence en incidence normale ;
b) former un réseau de diffraction en transmission à la première surface du substrat, le réseau de diffraction en transmission comprenant des motifs :
- réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante ;
- s’étendant suivant une première direction longitudinale ;
- espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale, perpendiculaire à la première direction longitudinale, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < λ ;
- présentant une hauteur, notée h, suivant la normale à la première surface vérifiant h ≥ 3 p, la hauteur des motifs étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π ou π/2 au rayonnement électromagnétique pour modifier l’état de polarisation.
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape b) comporte les étapes :
b1) former un masque dur sur la première surface du substrat ;
b2) former une résine photosensible sur le masque dur ;
b3) structurer la résine photosensible par une lithographie à faisceau d’électrons ;
b4) graver le masque dur et la première surface du substrat à travers la résine photosensible structurée de manière à structurer la première surface du substrat et former le réseau de diffraction en transmission ;
b5) retirer la résine photosensible et le masque dur.
b1) former un masque dur sur la première surface du substrat ;
b2) former une résine photosensible sur le masque dur ;
b3) structurer la résine photosensible par une lithographie à faisceau d’électrons ;
b4) graver le masque dur et la première surface du substrat à travers la résine photosensible structurée de manière à structurer la première surface du substrat et former le réseau de diffraction en transmission ;
b5) retirer la résine photosensible et le masque dur.
Ainsi, un avantage procuré est d’utiliser des techniques de gravure compatibles avec la technologie CMOS. Le substrat et le réseau de diffraction en transmission sont monoblocs. Le masque dur formé lors de l’état b1) permet d’améliorer le contrôle de la gravure afin d’obtenir une gravure de qualité présentant des ratios h/p élevés (≥3).
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape b1) est précédée d’une étape b0) consistant à opacifier le substrat en formant, à la deuxième surface du substrat, au moins une couche opaque.
Ainsi, un avantage procuré par la couche opaque est d’autoriser la détection du substrat par des équipements microélectroniques (e.g. capteur d’entrée et capteur de sortie de la chambre de gravure, détecteur de l’encoche d’alignement («notch aligner» en langue anglaise) du substrat). De plus, la couche opaque peut permettre de séparer le substrat d’un plateau de maintien électrostatique («electrostatic chuck» en langue anglaise).
D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans l’exposé détaillé de différents modes de réalisation de l’invention, l’exposé étant assorti d’exemples et de références aux dessins joints.
Il est à noter que les dessins décrits ci-avant sont schématiques, et ne sont pas à l’échelle par souci de lisibilité et pour en simplifier leur compréhension.
Exposé détaillé des modes de réalisation
Les éléments identiques ou assurant la même fonction porteront les mêmes références pour les différents modes de réalisation, par souci de simplification.
Un objet de l’invention est une lame d’onde 1, fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique E (illustré à la ) possédant une longueur d’onde dominante, notée λ, comprise entre 200 nm et 900 nm ;
la lame d’onde 1 comportant :
- un substrat 2, transparent au rayonnement électromagnétique E, et comprenant des première et deuxième surfaces 20, 21 opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique E, de préférence en incidence normale ; la deuxième surface 21 étant plane ;
- des motifs 200, réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique E, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante, les motifs 200 formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface 20 du substrat 2, les motifs 200 s’étendant suivant une première direction longitudinale X ; les motifs 200 étant espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale Y, perpendiculaire à la première direction longitudinale X, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < λ ; les motifs 200 présentant une hauteur, notée h, suivant la normale Z à la première surface 20 vérifiant h ≥ 3 p ; la hauteur des motifs 200 étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs 200 de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π ou π/2 au rayonnement électromagnétique E pour modifier l’état de polarisation.
la lame d’onde 1 comportant :
- un substrat 2, transparent au rayonnement électromagnétique E, et comprenant des première et deuxième surfaces 20, 21 opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique E, de préférence en incidence normale ; la deuxième surface 21 étant plane ;
- des motifs 200, réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique E, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante, les motifs 200 formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface 20 du substrat 2, les motifs 200 s’étendant suivant une première direction longitudinale X ; les motifs 200 étant espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale Y, perpendiculaire à la première direction longitudinale X, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < λ ; les motifs 200 présentant une hauteur, notée h, suivant la normale Z à la première surface 20 vérifiant h ≥ 3 p ; la hauteur des motifs 200 étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs 200 de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π ou π/2 au rayonnement électromagnétique E pour modifier l’état de polarisation.
La lame d’onde 1 est illustrée aux figures 1 et 2.
Rayonnement électromagnétique incident
Le rayonnement électromagnétique E peut être un rayonnement laser possédant une puissance crête supérieure à 100 mW.
La longueur d’onde dominante est avantageusement choisie dans :
- un premier domaine spectral compris entre 200 nm et 400 nm, de préférence compris entre 315 nm et 400 nm ;
- un second domaine spectral compris entre 400 nm et 900 nm, de préférence compris entre 400 nm et 800 nm.
- un premier domaine spectral compris entre 200 nm et 400 nm, de préférence compris entre 315 nm et 400 nm ;
- un second domaine spectral compris entre 400 nm et 900 nm, de préférence compris entre 400 nm et 800 nm.
Le rayonnement électromagnétique E est destiné à se propager suivant une direction D (illustrée à la ) correspondant à une incidence normale, ou proche de l’incidence normale (± 10° par rapport à la normale Z à la première surface 20 du substrat 2).
Matériau du substrat
Le matériau du substrat 2 est avantageusement un matériau diélectrique.
Le matériau du substrat 2 est avantageusement choisi parmi un verre, SiO2, CaF2, MgF2.
Le matériau du substrat 2 présente avantageusement un seuil d’endommagement (LIDT pour «Laser Induced Damage Threshold» en langue anglaise) adapté pour résister au rayonnement laser possédant une puissance crête supérieure à 100 mW. Les méthodes d’essai du seuil d’endommagement provoqué par laser sont définies dans la norme ISO 21254-1:2011 et dans la norme ISO 21254-2:2011. Le matériau du substrat 2 présente avantageusement un LIDT compris entre 10 J/cm2et 15 J/cm2, en particulier à la longueur d’onde dominante de 351 nm pour des impulsions laser d’une durée de 3 ns.
À titre d’exemple non limitatif, le substrat 2 peut être une plaquette («wafer» en langue anglaise), pouvant présenter un diamètre de 200 mm. Le substrat 2 peut présenter une épaisseur de l’ordre de 725 µm.
Motifs
Le matériau diélectrique, dans lequel sont réalisés les motifs 200, est avantageusement choisi parmi un verre, SiO2, CaF2, MgF2. Le matériau diélectrique présente avantageusement un seuil d’endommagement (LIDT pour «Laser Induced Damage Threshold» en langue anglaise) adapté pour résister au rayonnement laser possédant une puissance crête supérieure à 100 mW. Les méthodes d’essai du seuil d’endommagement provoqué par laser sont définies dans la norme ISO 21254-1:2011 et dans la norme ISO 21254-2:2011. Le matériau diélectrique présente avantageusement un LIDT compris entre 10 J/cm2et 15 J/cm2, en particulier à la longueur d’onde dominante de 351 nm pour des impulsions laser d’une durée de 3 ns.
Les motifs 200, formant le réseau de diffraction en transmission, et le substrat 2 sont avantageusement monoblocs. Les motifs 200 et le substrat 2 sont alors réalisés dans le même matériau diélectrique, de préférence en silice. La première surface 20 du substrat 2 est structurée et comporte les motifs 200 formant le réseau de diffraction en transmission. Par « surface structurée », on entend que la première surface 20 du substrat 2 est non-plane (rupture de planéité), et délimite un ensemble de motifs 200 (reliefs).
Les motifs 200, formant le réseau de diffraction en transmission, et le substrat 2 peuvent ne pas être monoblocs. Le matériau diélectrique des motifs 200 peut appartenir à une couche diélectrique qui est formée sur le substrat 2. La couche diélectrique est gravée pour obtenir les motifs 200 formant le réseau de diffraction en transmission. A titre d'exemple non limitatif, le substrat 2 peut être réalisé dans un verre, et la couche diélectrique peut être réalisée en silice.
Selon un premier mode de réalisation, la hauteur des motifs 200 vérifie :
3 p ≤ h ≤ 6 p, de préférence 4 p ≤ h ≤ 5 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π/2 au rayonnement électromagnétique E pour modifier l’état de polarisation. Les inventeurs ont constaté qu’il était à la fois possible d’introduire un déphasage de π/2 et d’obtenir une transparence des motifs 200 du substrat 2, définie par le coefficient de transmission en intensité (ou transmittance) de l’ordre zéro de diffraction, moyenné pour les 2 polarisations TE et TM, qui était supérieur à 90 % lorsque le matériau des motifs 200 est réalisé en silice, en particulier lorsque la longueur d’onde dominante est comprise entre 315 nm et 400 nm, par exemple 351 nm.
3 p ≤ h ≤ 6 p, de préférence 4 p ≤ h ≤ 5 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π/2 au rayonnement électromagnétique E pour modifier l’état de polarisation. Les inventeurs ont constaté qu’il était à la fois possible d’introduire un déphasage de π/2 et d’obtenir une transparence des motifs 200 du substrat 2, définie par le coefficient de transmission en intensité (ou transmittance) de l’ordre zéro de diffraction, moyenné pour les 2 polarisations TE et TM, qui était supérieur à 90 % lorsque le matériau des motifs 200 est réalisé en silice, en particulier lorsque la longueur d’onde dominante est comprise entre 315 nm et 400 nm, par exemple 351 nm.
Selon un deuxième mode de réalisation, la hauteur des motifs 200 vérifie :
6 p ≤ h ≤ 12 p, de préférence 8 p ≤ h ≤ 10 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π au rayonnement électromagnétique E pour modifier l’état de polarisation.
6 p ≤ h ≤ 12 p, de préférence 8 p ≤ h ≤ 10 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π au rayonnement électromagnétique E pour modifier l’état de polarisation.
La période spatiale des motifs 200 vérifie avantageusement p ≤ λ/n. Lorsque la longueur d’onde dominante est comprise entre 315 nm et 400 nm, la période spatiale des motifs 200 est avantageusement supérieure ou égale à 200 nm.
Les motifs 200 présentent avantageusement une largeur à mi-hauteur, notée c, suivant la deuxième direction longitudinale Y vérifiant :
0,5 p ≤ c ≤ 0,7 p.
0,5 p ≤ c ≤ 0,7 p.
Les motifs 200 peuvent présenter un profil trapézoïdal suivant la normale Z à la première surface 20. Le profil trapézoïdal des motifs 200 peut former un trapèze isocèle présentant :
- des petite et grande bases, la grande base étant orientée vers la deuxième surface 21 ;
- des bords latéraux 201 reliant les petite et grande bases ;
la grande base et les bords latéraux 201 formant un angle α (illustré à la ) supérieur ou égal à 80° et inférieur ou égal à 90°, de préférence supérieur ou égal à 85° et inférieur ou égal à 90°. Lorsque la grande base et les bords latéraux 201 forment un angle α de 90°, les motifs 200 sont de forme lamellaire.
- des petite et grande bases, la grande base étant orientée vers la deuxième surface 21 ;
- des bords latéraux 201 reliant les petite et grande bases ;
la grande base et les bords latéraux 201 formant un angle α (illustré à la
Dispositif optique
Un objet de l’invention est un dispositif optique, comportant :
- une source laser (non illustrée), adaptée pour émettre un rayonnement électromagnétique E, de type laser, possédant une longueur d’onde dominante, notée λ, comprise entre 200 nm et 900 nm ;
- une lame d’onde 1, conforme à l’invention, les première et deuxième surfaces 20, 21 étant agencées de manière à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique E, de préférence en incidence normale.
- une source laser (non illustrée), adaptée pour émettre un rayonnement électromagnétique E, de type laser, possédant une longueur d’onde dominante, notée λ, comprise entre 200 nm et 900 nm ;
- une lame d’onde 1, conforme à l’invention, les première et deuxième surfaces 20, 21 étant agencées de manière à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique E, de préférence en incidence normale.
La source laser peut être continue ou pulsée. La source laser peut comporter un laser tel qu’un laser continu ou un laser impulsionnel (e.g. laser nanoseconde) dont la puissance peut être élevée. La source laser peut comporter des chaînes laser de forte puissance, comme les chaînes du Laser Mégajoule ou les chaînes du laser intitulé «N ational I gnition F acility».
Le milieu M environnant la source laser et la lame d’onde 1 est de préférence un air ambiant, ou un milieu M sous vide d’air.
Procédé de fabrication
Comme illustré à la , un objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une lame d’onde 1, fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique E possédant une longueur d’onde dominante, notée λ, comprise entre 200 nm et 900 nm ; le procédé comportant les étapes :
a) prévoir un substrat 2, transparent au rayonnement électromagnétique E, et présentant des première et deuxième surfaces 20, 21 planes opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique E, de préférence en incidence normale ;
b) former un réseau de diffraction en transmission à la première surface 20 du substrat 2, le réseau de diffraction en transmission comprenant des motifs 200 :
- réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique E, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante ;
- s’étendant suivant une première direction longitudinale X ;
- espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale Y, perpendiculaire à la première direction longitudinale X, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < λ ;
- présentant une hauteur, notée h, suivant la normale Z à la première surface 20 vérifiant h ≥ 3 p, la hauteur des motifs 200 étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs 200 de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π ou π/2 au rayonnement électromagnétique E pour modifier l’état de polarisation.
a) prévoir un substrat 2, transparent au rayonnement électromagnétique E, et présentant des première et deuxième surfaces 20, 21 planes opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique E, de préférence en incidence normale ;
b) former un réseau de diffraction en transmission à la première surface 20 du substrat 2, le réseau de diffraction en transmission comprenant des motifs 200 :
- réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique E, le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante ;
- s’étendant suivant une première direction longitudinale X ;
- espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale Y, perpendiculaire à la première direction longitudinale X, et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < λ ;
- présentant une hauteur, notée h, suivant la normale Z à la première surface 20 vérifiant h ≥ 3 p, la hauteur des motifs 200 étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs 200 de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π ou π/2 au rayonnement électromagnétique E pour modifier l’état de polarisation.
Les caractéristiques techniques décrites ci-avant (rayonnement électromagnétique E incident, matériau du substrat 2, motifs 200 du substrat 2) s’appliquent pour le procédé de fabrication selon l’invention.
L’étape b) comporte avantageusement les étapes :
b1) former un masque dur 3 sur la première surface 20 du substrat 2 ;
b2) former une résine 4 photosensible sur le masque dur 3 ;
b3) structurer la résine 4 photosensible par une lithographie à faisceau d’électrons ;
b4) graver le masque dur 3 et la première surface 20 du substrat 2 à travers la résine 4 photosensible structurée de manière à structurer la première surface 20 du substrat 2 et former le réseau de diffraction en transmission.
b1) former un masque dur 3 sur la première surface 20 du substrat 2 ;
b2) former une résine 4 photosensible sur le masque dur 3 ;
b3) structurer la résine 4 photosensible par une lithographie à faisceau d’électrons ;
b4) graver le masque dur 3 et la première surface 20 du substrat 2 à travers la résine 4 photosensible structurée de manière à structurer la première surface 20 du substrat 2 et former le réseau de diffraction en transmission.
Lorsque le matériau du substrat 2 est réalisé en silice (SiO2), le masque dur 3 formé lors de l’étape b1) est avantageusement réalisé en titane. Le masque dur 3 en titane présente avantageusement une épaisseur comprise entre 40 nm et 60 nm. Le masque dur 3 en titane formé lors de l’étape b1) permet d’évacuer les électrons présents à la première surface 20 du substrat 2. Le masque dur 3 en titane formé lors de l’état b1) permet d’améliorer le contrôle de la gravure de la silice afin d’obtenir une gravure de qualité présentant des ratios h/p élevés (≥3), en particulier pour des longueurs d’onde dominantes du rayonnement électromagnétique E incident comprises entre 315 nm et 400 nm, ce qui a permis de vaincre le préjugé de l’état de la technique.
Lorsque le matériau du substrat 2 est réalisé en silice (SiO2), la résine 4 photosensible (e.g. NEB22™ commercialisée par la société Sumitomo) formée lors de l’étape b2) présente avantageusement une épaisseur comprise entre 300 nm et 400 nm.
La période spatiale minimale des motifs 200 est une dimension critique, notée DC, liée aux conditions expérimentales de l’étape b3), c’est-à-dire la structuration de la résine photosensible, et est en particulier liée à la résolution optique de la lithographie à faisceau d’électrons :
où :
- k1est un facteur reliant le critère de Rayleigh avec le comportement réel d’un procédé de fabrication donné (visant une impression des plus petits motifs possibles) ;
- λ est la longueur d’onde dominante du rayonnement électromagnétique E incident ;
- NA est l’ouverture numérique du système de focalisation utilisé pour la lithographie à faisceau d’électrons.
où :
- k1est un facteur reliant le critère de Rayleigh avec le comportement réel d’un procédé de fabrication donné (visant une impression des plus petits motifs possibles) ;
- λ est la longueur d’onde dominante du rayonnement électromagnétique E incident ;
- NA est l’ouverture numérique du système de focalisation utilisé pour la lithographie à faisceau d’électrons.
Lorsque le matériau du substrat 2 est réalisé en silice (SiO2), l’étape b4) peut comporter les étapes :
b40) graver le masque dur 3 en titane par une gravure plasma, par exemple un plasma à couplage inductif ;
b41) graver la première surface 20 du substrat 2 en silice par une gravure plasma, par exemple un plasma à couplage capacitif.
b40) graver le masque dur 3 en titane par une gravure plasma, par exemple un plasma à couplage inductif ;
b41) graver la première surface 20 du substrat 2 en silice par une gravure plasma, par exemple un plasma à couplage capacitif.
Le plasma à couplage inductif exécuté lors de l’étape b40) peut comporter comme gaz réactifs BCl3(pour graver un éventuel oxyde de titane superficiel) et Cl2/HBr pour graver le masque dur 3 en titane avec une bonne sélectivité (environ 3) vis-à-vis de SiO2et de la résine 4 photosensible (de type NEB22™).
Le plasma à couplage capacitif exécuté lors de l’étape b4 1) peut comporter comme gaz réactif C4F8pour graver la silice avec une bonne sélectivité (environ 5) vis-à-vis de la résine 4 photosensible (de type NEB22™).
L’étape b1) est avantageusement précédée d’une étape b0) consistant à opacifier le substrat 2 en formant, à la deuxième surface 21 du substrat 2, au moins une couche opaque 5. Ainsi, un avantage procuré par la couche opaque 5 est d’autoriser la détection du substrat 2 par des équipements microélectroniques (e.g. capteur d’entrée et capteur de sortie de la chambre de gravure, détecteur de l’encoche d’alignement («notch aligner» en langue anglaise) du substrat). La couche opaque 5 est opaque au rayonnement électromagnétique utilisé par les équipements microélectroniques pour la détection du substrat 2.
Lorsque le matériau du substrat 2 est réalisé en silice (SiO2), l’étape b0) peut consister à former successivement une couche 6 en titane (Ti) et une couche 5 en nitrure de silicium (SiN) à la deuxième surface 21 du substrat 2. La couche 5 de nitrure de silicium formée lors de l’étape b0) permet d’opacifier le substrat 2. La couche 6 en titane formée lors de l’étape b0) permet de séparer le substrat 2 d’un plateau de maintien électrostatique (non illustré). La couche 6 en titane formée lors de l’étape b0) présente avantageusement une épaisseur comprise entre 80 nm et 120 nm. La couche 5 en nitrure de silicium formée lors de l’étape b0) présente avantageusement une épaisseur comprise entre 450 nm et 550 nm.
Après l’étape b4), le procédé comporte des étapes b5) de nettoyage des surfaces, afin de supprimer la résine 4 photosensible, le masque dur 3, et les couches opaques 5, par exemple à l’aide de traitements plasma.
L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation exposés. L’homme du métier est mis à même de considérer leurs combinaisons techniquement opérantes, et de leur substituer des équivalents.
Claims (15)
- Lame d’onde (1), fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique (E) possédant une longueur d’onde dominante, notée λ, comprise entre 200 nm et 900 nm ;
la lame d’onde (1) comportant :
- un substrat (2), transparent au rayonnement électromagnétique (E), et comprenant des première et deuxième surfaces (20, 21) opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique (E), de préférence en incidence normale ; la deuxième surface (21) étant plane ;
- des motifs (200), réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique (E), le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante, les motifs (200) formant un réseau de diffraction en transmission à la première surface (20) du substrat (2), les motifs (200) s’étendant suivant une première direction longitudinale (X) ; les motifs (200) étant espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale (Y), perpendiculaire à la première direction longitudinale (X), et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < λ ; les motifs (200) présentant une hauteur, notée h, suivant la normale (Z) à la première surface (20) vérifiant h ≥ 3 p ; la hauteur des motifs (200) étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs (200) de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π ou π/2 au rayonnement électromagnétique (E) pour modifier l’état de polarisation. - Lame d’onde (1) selon la revendication 1, dans laquelle la hauteur des motifs (200) vérifie : 3 p ≤ h ≤ 6 p, de préférence 4 p ≤ h ≤ 5 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π/2 au rayonnement électromagnétique (E) pour modifier l’état de polarisation.
- Lame d’onde (1) selon la revendication 1, dans laquelle la hauteur des motifs (200) vérifie : 6 p ≤ h ≤ 12 p, de préférence 8 p ≤ h ≤ 10 p, de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π au rayonnement électromagnétique (E) pour modifier l’état de polarisation.
- Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle la période spatiale des motifs (200) vérifie p ≤ λ/n.
- Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle les motifs (200) présentent une largeur à mi-hauteur, notée c, suivant la deuxième direction longitudinale (Y) vérifiant : 0,5 p ≤ c ≤ 0,7 p.
- Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle les motifs (200) présentent un profil trapézoïdal suivant la normale (Z) à la première surface (20).
- Lame d’onde (1) selon la revendication 6, dans laquelle le profil trapézoïdal des motifs (200) forme un trapèze isocèle présentant :
- des petite et grande bases, la grande base étant orientée vers la deuxième surface (21) ;
- des bords latéraux (201) reliant les petite et grande bases ;
la grande base et les bords latéraux (201) formant un angle (α) supérieur ou égal à 80° et inférieur ou égal à 90°, de préférence supérieur ou égal à 85° et inférieur ou égal à 90°. - Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle le substrat (2) et les motifs (200) sont réalisés dans un matériau choisi parmi un verre, SiO2, CaF2, MgF2.
- Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 8, dans laquelle le rayonnement électromagnétique (E) est un rayonnement laser possédant une puissance crête supérieure à 100 mW, le substrat (2) et les motifs (200) sont réalisés dans un matériau qui présente un seuil d’endommagement adapté pour résister au rayonnement laser.
- Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 9, dans laquelle la longueur d’onde dominante est choisie dans :
- un premier domaine spectral compris entre 200 nm et 400 nm, de préférence compris entre 315 nm et 400 nm ;
- un second domaine spectral compris entre 400 nm et 900 nm, de préférence compris entre 400 nm et 800 nm. - Lame d’onde (1) selon l’une des revendications 1 à 10, dans laquelle la longueur d’onde dominante est comprise entre 315 nm et 400 nm, et la période spatiale des motifs (200) est supérieure ou égale à 200 nm.
- Dispositif optique, comportant :
- une source laser, adaptée pour émettre un rayonnement électromagnétique (E), de type laser, possédant une longueur d’onde dominante, notée λ, comprise entre 200 nm et 900 nm ;
- une lame d’onde (1), selon l’une des revendications 1 à 11, les première et deuxième surfaces (20, 21) étant agencées de manière à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique (E), de préférence en incidence normale. - Procédé de fabrication d’une lame d’onde (1), fonctionnant en transmission, pour modifier un état de polarisation d’un rayonnement électromagnétique (E) possédant une longueur d’onde dominante, notée λ, comprise entre 200 nm et 900 nm ; le procédé comportant les étapes :
a) prévoir un substrat (2), transparent au rayonnement électromagnétique (E), et présentant des première et deuxième surfaces planes (20, 21) opposées, destinées à être traversées successivement par le rayonnement électromagnétique (E), de préférence en incidence normale ;
b) former un réseau de diffraction en transmission à la première surface (20) du substrat (2), le réseau de diffraction en transmission comprenant des motifs (200) :
- réalisés dans un matériau diélectrique transparent au rayonnement électromagnétique (E), le matériau présentant un indice de réfraction, noté n, inférieur ou égal à 1,6 à la longueur d’onde dominante ;
- s’étendant suivant une première direction longitudinale (X) ;
- espacés de manière périodique suivant une deuxième direction longitudinale (Y), perpendiculaire à la première direction longitudinale (X), et selon une période spatiale, notée p, vérifiant p < λ ;
- présentant une hauteur, notée h, suivant la normale (Z) à la première surface (20) vérifiant h ≥ 3 p, la hauteur des motifs (200) étant ajustée en fonction de la période spatiale des motifs (200) de sorte que le réseau de diffraction en transmission introduit un déphasage de π ou π/2 au rayonnement électromagnétique (E) pour modifier l’état de polarisation. - Procédé selon la revendication 13, dans lequel l’étape b) comporte les étapes :
b1) former un masque dur (3) sur la première surface (20) du substrat (2) ;
b2) former une résine (4) photosensible sur le masque dur (3) ;
b3) structurer la résine (4) photosensible par une lithographie à faisceau d’électrons ;
b4) graver le masque dur (3) et la première surface (20) du substrat (2) à travers la résine (4) photosensible structurée de manière à structurer la première surface (20) du substrat (2) et former le réseau de diffraction en transmission ;
b5) retirer la résine (4) photosensible et le masque dur (3). - Procédé selon la revendication 14, dans lequel l’étape b1) est précédée d’une étape b0) consistant à opacifier le substrat (2) en formant, à la deuxième surface (21) du substrat (2), au moins une couche opaque (5).
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