Il y a actuellement un vif intérêt pour des méthodes rigoureuses qui effectuent l’analyse électromagnétique des milieux diélectriques avec une distribution de permittivité diélectrique complexe. L’intérêt est motivé par des applications actuelles et futures dans la conception et la fabrication d’éléments optiques et optoélectroniques. Le niveau que les technologies de microstructuration ont maintenant atteint requiert des appels pour méthodes numériques rapides, économes en mémoire et rigoureuses capables de résoudre et d’optimiser des grandes parties de structures dont les caractéristiques représentent la fonction optique de la structure complète. Bien que la majorité des problèmes de modélisation en microoptique sont non périodiques (par exemple, une section d’une couche diffusante d’OLED, la cellule d’un réticule microélectronique, une microlentille diffractive de haute NA), ils peuvent être efficacement résolus par la périodisation de la distribution de l’indice. Une nouvelle méthode numérique puissante pour la modélisation exacte de structures périodiques 2D est décrite avec toutes les fonctionnalités et les expressions nécessaires à son exécution. La puissance de cette méthode est dans sa forme spécifique unique qui permet d’appliquer rapidement des algorithmes numériques et, par conséquent, de diminuer de façon spectaculaire la complexité de calcul en comparaison avec les méthodes établies. La comparaison avec des solutions de référence a montré que, d’abord, la nouvelle méthode donne les mêmes résultats que celles-ci sur les structures de référence et, d’autre part, que le temps de calcul nécessaire et le recours en mémoire représentent une percée vers la résolution de grandes structures périodiques ou périodisées. La méthode développée a été appliquée à analyser le problème de diffusion non périodique d’une couche diélectrique plan avec micro / nanoparticules sphériques. Une référence numérique proposée a démontré la possibilité d’obtenir environ 1% de précision. En outre, il a été développé un modèle numérique basé sur des matrices S pour la simulation des structures planes électroluminescentes. La validité de la méthode a été démontrée par comparaison avec les résultats expérimentaux. Enfin, les deux méthodes de calcul de la diffusion de la lumière et de simulation des structures multicouches ont été groupées, et une couche diffusante a été démontrée augmentait l’efficacité externe d’une OLED de quelques pour cents / There is presently a strong interest for rigorous methods that perform the electromagnetic analysis of dielectric media with complex dielectric permittivity distribution. The interest is motivated by both present and future applications in the design and manufacturing of optical elements and optoelectronic devices. The level that the microstructuring technologies have now reached calls for fast, memory sparing, and rigorous numerical methods capable of solving and optimizing large structure parts whose characteristics do represent the optical function of the whole structure. Although the majority of modeling problems in microoptics are non-periodic (e.g., a section of an OLED extraction layer, the cell of a microelectronic reticle, a high NA diffractive microlens) they can be efficiently solved by periodizing the index distribution. A new powerful numerical method for the exact modeling of 2D periodic structures is described with all features and expressions needed to implement it. The power of this method is in its unique specific form which permits to apply fast numerical algorithms and, consequently, to decrease dramatically the calculation complexity in comparison with established methods. The comparison with reference solutions has shown that, first, the new method gives the same results as the latter on benchmark structures and, secondly, that the needed calculation time and memory resort represent a breakthrough towards solving larger periodic or periodized structures. The developed method was applied to analyze nonperiodic scattering problem of a plane dielectric layer with spherical micro/nanoparticles. Proposed numerical benchmark demonstrated the possibility to get about 1% accuracy. In addition there was developed a numerical S-matrix based method for planar electroluminescent structures simulation. Validity of the method was demonstrated by comparison with experimental results. Finally both methods for the light scattering calculation and multilayer structures simulation were joined, and a scattering layer was demonstrated to increase an OLED external efficiency by several percent

There is presently a strong interest for rigorous methods that perform the electromagnetic analysis of dielectric media with complex dielectric permittivity distribution. The interest is motivated by both present and future applications in the design and manufacturing of optical elements and optoelectronic devices. The level that the microstructuring technologies have now reached calls for fast, memory sparing, and rigorous numerical methods capable of solving and optimizing large structure parts whose characteristics do represent the optical function of the whole structure. Although the majority of modeling problems in microoptics are non-periodic (e.g., a section of an OLED extraction layer, the cell of a microelectronic reticle, a high NA diffractive microlens) they can be efficiently solved by periodizing the index distribution. A new powerful numerical method for the exact modeling of 2D periodic structures is described with all features and expressions needed to implement it. The power of this method is in its unique specific form which permits to apply fast numerical algorithms and, consequently, to decrease dramatically the calculation complexity in comparison with established methods. The comparison with reference solutions has shown that, first, the new method gives the same results as the latter on benchmark structures and, secondly, that the needed calculation time and memory resort represent a breakthrough towards solving larger periodic or periodized structures. The developed method was applied to analyze nonperiodic scattering problem of a plane dielectric layer with spherical micro/nanoparticles. Proposed numerical benchmark demonstrated the possibility to get about 1% accuracy. In addition there was developed a numerical S-matrix based method for planar electroluminescent structures simulation. Validity of the method was demonstrated by comparison with experimental results. Finally both methods for the light scattering calculation and multilayer structures simulation were joined, and a scattering layer was demonstrated to increase an OLED external efficiency by several percent

La photolithographie optique assure en partie à la microélectronique la miniaturisation des circuits électroniques. Afin de faire face à la limite de résolution de l'équipement de photolithographie, les industriels ont mis au point des techniques d'amélioration de la résolution dont certaines sont basées sur l'utilisation de la modélisation numérique. Jusqu'au nœud technologique 45 nm, cette modélisation ne prenait pas en compte la présence de plusieurs empilements de matériaux sous la résine photosensible négligeant ainsi les phénomènes de réflexion, de diffraction et d'ondes stationnaires. Pour les nœuds 32 nm et suivants, ces phénomènes rendent difficile le contrôle de la forme et des dimensions des motifs résine notamment pour les niveaux dont l'exposition s'effectue sans couche antireflet. Cette thèse CIFRE entre le laboratoire Hubert Curien de Saint- Etienne et l'industriel STMicroelectronique de Crolles traite de la caractérisation, de la modélisation et de la simulation numérique des effets d'empilement sous la résine photosensible. Le premier chapitre regroupe un ensemble de pensées sur la microélectronique, son histoire et définit les notions essentielles de ce domaine et de la modélisation numérique. Les chapitres deux et trois donnent respectivement l'état de l'art de la photolithographie optique et des techniques de correction des effets de proximité optique. Le chapitre quatre présente l'étude expérimentale, de la conception des structures test à la caractérisation des effets d'empilement en passant par le protocole de création des groupes de données. La prise en compte de ces effets est l'objet du chapitre cinq avec l'état de l'art des techniques existantes suivi de la description de l'algorithme de construction de modèles développé dans cette thèse. Enfin l'application de la méthode des sources généralisées à la photolithographie optique est évaluée dans le chapitre six / In IC manufacturing, optical photolithography is one of key actors of electronic circuit miniaturization. To work around the photolithography resolution limit, manufacturers developed resolution improvement techniques, including some based on numerical modeling. For nodes larger than 45 nm, this modeling didn't take into account several stacks under the photoresist and that caused optical reflection, diffraction, and standing wave phenomena to be neglected. For 32 nm and smaller nodes, these phenomena make it di cult to control the shape and dimensions of resist patterns, especially for layers without an anti-reflecting coating during exposure. The CIFRE thesis from Hubert Curien Laboratories in Saint-Etienne and industrial STMicroelectronics from Crolles deals with wafer stack effect characterization, modeling, and numerical simulation. The first chapter gives my philosophy and history of IC manufacturing, and defines concepts in this field and concepts about numerical modeling. Chapter Two discusses state-of-the-art optical photolithography and Chapter Three discusses state-of-the-art optical proximity correction. Chapter Four emphasizes an experimental study from test pattern conception to wafer stack effect characterization, including data set building protocol. Chapter Five covers wafer stack effect management, first describing the current status of the industry followed by a description of the model building algorithm developed during this thesis. Finally, Chapter Six assesses the generalized source method applied to the photolithography process simulation