Contrôle des propriétés des couches optiques par bombardement ionique

La fabrication de revêtements optiques présente de nombreux défis – le contrôle sur les propriétés et la microstructure, l'optimisation pour la fabrication des couches mince de haute qualité, la recherche de nouveaux matériaux. L'évaporation avec l'assistance ionique est une des principales méthodes utilisées pour la fabrication de revêtements optiques et elle répond à ces défis. Elle permet de mieux contrôler, prédire et mettre à l'échelle industrielle de procédé de dépôt en faisant le lien direct et quantitatif entre les énergies des ions incidents et la performance des matériaux déposés. Le présent travail est consacré aux études de l'effet de bombardement ionique sur la microstructure et les propriétés de couches minces optiques de dioxyde de silicium et de dioxyde de titane, qui sont largement utilisés dans les filtres d'interférence optique, tout en utilisant en particulier une source d'ions à l'effet Hall. Ces études incluent l'évaluation systématique des propriétés mécaniques et optiques et de la densité des couches minces en appliquant différentes techniques complémentaires – la microbalance à cristal de quartz, la spectroscopie de la rétrodiffusion de Rutherford, l'ellipsométrie infrarouge spectroscopique à angle variable etc. Différentes approches (l'ellipsométrie spectroscopique et l'ellipsométrie infrarouge, les mesures sur les contraintes mécaniques) ont été utilisées pour évaluer la quantité de l'eau dans les couches minces. Les résultats sur la densité des couches minces et la présence d'eau dans les couches minces obtenus par les différentes techniques concordent bien. On a déterminé les énergies critiques conduisant à des revêtements optiques denses et stables de dioxyde de silicium et de dioxyde de titane – 25 eV/atome et 45 eV/atome, respectivement. En outre, dans ce travail ont été présentés la méthodologie développée pour déterminer la densité de courant d'ions sur la surface de porte-substrat de forme d'un dôme et les résultats des calculs de la distribution de la densité de courant d'ions sur une telle surface en rotation à différentes positions par rapport à la source d'ions. L'analyse proposée peut être utilisée comme un outil efficace pour la construction d'un réacteur industriel et pour l'optimisation appropriée.

Abstract

The manufacture of optical coatings presents many challenges such as the control over the film properties and microstructure, the optimization for the production of thin films with high quality, and the research on new materials. Ion-assisted evaporation is one of the principal methods used for the fabrication of optical coatings as a response to these challenges. It allows for good process control, and it permits us to predict and put on an industrial scale the deposition process by considering the direct and quantitative relation between the energies of the incident ions, and the performance of the deposited materials. This work is devoted to the study of the effect of ion bombardment on the microstructure and properties of optical thin films of silicon dioxide and titanium dioxide, which are widely used in optical interference filters, in particular with the use of a Hall effect ion source. These studies include a systematic evaluation of the mechanical and optical properties and of the density of thin films using different complementary techniques – the Quartz Crystal Microbalance, Rutherford Backscattering Spectroscopy, and Infrared Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry among others. Different approaches (Spectroscopic Ellipsometry and Infrared Ellipsometry, the measurement of mechanical stress) have been used to evaluate the amount of water in thin films. The results on the density of films and the presence of water in the films obtained by the different methods are in good agreement. It was found that the critical energy values giving rise to dense and stable optical coatings of silicon dioxide and titanium dioxide are 25 eV/atom and 45 eV/atom, respectively. Moreover, this work presents the methodology developed to determine the ion current density distribution on the surface of a substrate holder of a dome shape for different positions relative to the ion source. The proposed analysis can be used as an effective tool for the construction of an industrial reactor and for its appropriate optimization.