Composants optiques dans l’ultraviolet extrême

L’optique repousse les limites de l’extrême

Les applications entre 10 et 100 nm sont rendues plus accessibles grâce à de nouvelles sources compactes

Les applications en météorologie, nano-imagerie et spectroscopie électronique font appel aux ultraviolets extrêmes

Les systèmes ultraviolets extrêmes utilisent souvent des composants optiques réfléchissants car un niveau d’absorption élevé rend la réfraction peu pratique

La rugosité de surface est cruciale car la dispersion est beaucoup plus élevée pour des longueurs d’onde plus courtes

Le rayonnement ultraviolet extrême (UVE) correspond aux longueurs d’onde comprises entre 10 et 100 nm, entre les domaines spectraux du rayon X et de l’ultraviolet profond (Deep Ultraviolet, DUV). De nombreux efforts ont été déployés afin de développer des sources UVE compactes ; les applications urgentes dans le domaine des UVE comprennent la lithographie, la nano-imagerie et la spectroscopie. Grâce à ces efforts, plusieurs types de sources de lumière UVE sont maintenant disponibles dans le commerce.

Le rayonnement ultraviolet extrême est fortement absorbé dans la quasi-totalité des matériaux. Par conséquent, les composants optiques sont presque toujours réfléchissants et non pas transmissifs. Dans la mesure où la longueur d’onde est courte, les composants optiques UVE sont plus exigeants en matière de qualité de surface que les composants utilisés pour la lumière visible. La production de composants optiques pouvant être utilisés dans l'ultraviolet extrême est certes complexe de par ses exigences techniques mais elle est rentable en raison des avantages du rayonnement UVE dans les domaines de l’imagerie à haute résolution, la spectroscopie et le traitement des matériaux.

Sources de rayonnement UVE

Les premières sources de rayonnement UVE utilisables étaient des dispositifs encombrants uniquement disponibles pour les grands laboratoires de recherche et les entreprises de lithographie. Les avancées en matière de technologie UVE récemment réalisées ont permis l'obtention de systèmes UVE plus compacts et plus accessibles. Les systèmes de génération d'harmoniques d'ordre élevé et les lasers à décharge capillaire sont deux des nouvelles sources de rayonnement UVE compactes les plus prometteuses car elles émettent des faisceaux de rayonnement cohérent avec une faible divergence.

Applications pour les composants optiques UVE

Les nouvelles sources de rayonnement UVE compactes sont à l’origine d’une multitude de nouvelles applications UVE, dont l’imagerie à haute résolution, la spectroscopie électronique, la recherche en dynamique à l’état solide et moléculaire et le nano-usinage.

Imagerie UVE

Le rayonnement UVE est idéal pour l’imagerie par diffraction cohérente (Coherent Diffractive Imaging, CDI), une technique d’imagerie capable d’atteindre des résolutions allant jusqu’à 0,5 nm. La CDI est utilisée pour l’analyse de structures très petites telles que les nanotubes et les nanocristaux. Pour ce type d'imagerie, des miroirs sont utilisés pour diriger le faisceau UVE vers un objet. Les éléments à la surface ou en-dessous de ces structures diffractent le rayonnement qui est ensuite détecté par un capteur CCD. Le diagramme de diffraction enregistré est ensuite traité dans le logiciel qui génère une image 2D ou 3D de l’objet d’origine. Dans la mesure où des miroirs et la diffraction sont utilisés à la place d’objectifs transmissifs, l’image finale est presque exempte d’aberrations. La résolution à diffraction limitée est inversement proportionnelle à la longueur d’onde, donc les longueurs d’onde courtes du rayonnement UVE augmentent d’autant plus la résolution. L’imagerie par diffraction cohérente est une technique d'imagerie sans-contact plus rapide que les techniques similaires telles que la microscopie à force atomique ; elle capture les images en une minute environ. En rendant la haute résolution accessible, l’imagerie par diffraction cohérente d’UVE repousse les limites actuelles des techniques d'imagerie.

$Configuration typique d'imagerie par diffraction cohérente d’UVE$

Figure 1: Spectroscopie UVE optique et photoélectronique

Spectroscopie UVE optique et photoélectronique

La spectroscopie UVE peut explorer des niveaux d’énergie qui ne sont pas accessibles avec d’autres techniques de spectroscopie, faisant d’elle une technique indispensable dans de nombreuses applications de recherche. Le rayonnement UVE est utilisé en spectroscopie photoélectronique qui détermine l’énergie des électrons d'un solide, gaz ou liquide en mesurant l’énergie des électrons émis par effet photoélectrique. La spectroscopie UVE est également utilisée dans le cadre de la recherche sur la fusion nucléaire car les rayonnements émis par la plupart des impuretés trouvées dans le plasma pendant les expériences de fusion font entre 1 et 50 nm. Les longueurs d’onde courtes du rayonnement UVE peuvent également permettre aux systèmes de spectroscopie UVE de déterminer l’emplacement exact d’éléments spécifiques dans un objet structuré. Les recherches rendues possibles par la spectroscopie UVE peuvent potentiellement avoir un impact sur la science des matériaux et les sources d’énergie utilisant la fusion nucléaire.

Figure 2: Le rayonnement UVE se situe entre les domaines spectraux du rayon X et de l’ultraviolet

Nano-usinage UVE

Pouvoir usiner des microstructures et nanostructures de plus en plus petites est crucial pour le développement des nanotechnologies. La fabrication de nanostructures UVE n’en est qu’aux premiers stades de son développement mais il s’agit d’une technique prometteuse pour la création et la modification de structures à l’échelle du nanomètre. La taille de spot focalisé est directement proportionnelle à la longueur d’onde, c’est pourquoi les nanostructures UVE présentent une résolution spatiale plus élevée que les systèmes utilisant des longueurs d’onde plus grandes. La faible pronfondeur d'absorption du rayonnement UVE dans la plupart des matériaux permet également de concentrer l’énergie en un point et facilite ainsi la gravure d'éléments fins. Les nanotechnologies ont le potentiel d’exercer un réel impact sur la société en améliorant les procédures et dispositifs médicaux, les méthodes de production, les systèmes d’énergie et le secteur de l’électronique, et bien d'autres.

Nano-machining is a critical part of a number of emerging applications

Figure 3: Le nano-usinage est essentiel pour un certain nombre de nouvelles applications, dont la nanoélectronique, la nanomédecine et les biomatériaux.

Composants optiques pour les applications en UVE

Les systèmes UVE doivent être mis sous vide car les longueurs d’onde situées en dessous de 100 nm ne peuvent pas être transmises dans l’air. De manière similaire, le rayonnement UVE présente une absorption très élevée dans la quasi-totalité des matériaux, donc les composants optiques des applications UVE sont presque toujours réfléchissants. La dispersion est plus élevée à des longueurs d’onde courtes, ce qui accentue l’importance de la rugosité de surface, de la planéité de surface et des autres tolérances de surface pour les composants optiques UVE. Le miroir multicouche de Bragg est un type de miroir souvent utilisé dans les applications UVE, pour lequel l'empilement alterné de deux matériaux différents est à l’origine de la réflection d'interférences constructives d’une bande de longueurs d’onde spécifique. Une partie du faisceau incident est reflétée sur chaque interface de l’empilement. Les miroirs multicouches UVE ont une largeur de bande très étroite, de l’ordre de 1 nm. Il est donc nécessaire que les composants optiques de ce type correspondent parfaitement à la longueur d’onde de la source.

Exemple de réflecteur de Bragg λ/4 pouvant être utilisé comme miroir UVE

Figure 4: Structure d’un miroir multicouche λ/4. Les miroirs UVE comptent généralement environ 50 paires de couches.

Composants optiques dans l’ultraviolet extrême d'Edmund Optics^®

Miroirs Plans Ultraviolets Extrêmes

Les Miroirs Plans Ultraviolets Extrêmes sont des réflecteurs multicouches de Bragg avec un traitement déposé sur un substrat de silicium monocristallin superpoli et ont une rugosité de surface inférieure à 3Å RMS. Ils sont conçus pour une réflectivité maximale pouvant être atteinte à la longueur d’onde et l’angle d’incidence de conception. Ces miroirs sont disponibles avec un angle d’incidence de 5° ou 45°.

Miroirs Sphériques Ultraviolets Extrêmes (UVE)

Les Miroirs Sphériques Ultraviolets Extrêmes (UVE) présentent un traitement multicouche Mo/Si tout comme les Miroirs Plans Ultraviolets Extrêmes (UVE), mais ils utilisent un substrat courbé pour focaliser des sources UVE non polarisées à un angle d'incidence de 5°. Ils offrent une réflexion supérieure à 60% à 13,5 nm, une rugosité de surface inférieure à 3 Å RMS et une bande passante étroite d'environ 0,5 nm.

FAQ's

Pourquoi les miroirs plans UVE sont-ils conçus pour 13,5 nm ?

Les miroirs plans UVE sont conçus pour une utilisation à 13,5 nm car c'est l’une des longueurs d’onde UVE les plus couramment utilisées. Les sources plasma en étain utilisées pour la lithographie émettent à 13,5 nm et d’autres applications UVE adoptent également cette longueur d’onde comme référence.

Pourquoi les miroirs plans UVE sont-ils en silicium monocristallin et non pas en silice fondue ?

Bien que certains composants optiques UVE utilisent des substrats de silice fondue, EO propose des miroirs plans UVE en silicium monocristallin dont la stabilité thermique est supérieure à celle de la silice fondue.

Pourquoi les optiques transmissives ne peuvent-elles pas être utilisées avec une rayonnement UVE ?

Les photons UVE ont une énergie d'environ 90 eV. L'énergie typique de ionisation des matériaux organiques est de 7 à 9 eV, et celle des métaux est de 4 à 5 eV. Par conséquent, les photons UVE sont facilement absorbés, ce qui génère des photoélectrons et des électrons secondaires qui empêchent les rayonnements UVE d'être transmis à travers de la majorité des matériaux.

Comment les images sont-elles produites en imagerie par diffraction cohérente si la lumière dispersée de l’échantillon n’est pas mise au point sur le capteur CCD ?

Le rayonnement qui se disperse à partir de l’objet crée un diagramme de diffraction à espace réciproque sur le capteur. Un algorithme de calcul de la transformée de Fourier inverse est appliqué au diagramme enregistré afin de reconstruire une image. Au lieu d’utiliser un système d'objectif pour former une image sur un détecteur, un logiciel est utilisé pour convertir le diagramme de diffraction dispersé en un champ de hauteur de l’objet.

Ressources Techniques

Notes d'Applications

Informations techniques et exemples d'applications y compris explications théoriques, équations, images graphiques et bien plus.

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