Large area high throughput metrology plays an important role in several technologies like MEMS. In current metrology systems the parallel operation of multiple metrology probes in a tool has been hindered by their bulky sizes. This study approaches this problem by developing a metrology technique based on miniaturized scanning grating interferometers (μSGIs). Miniaturization of the interferometer is realized by novel micromachined tunable gratings fabricated using SOI substrates. These stress free flat gratings show sufficient motion (~500nm), bandwidth (~50 kHz) and low damping ratio (~0.05). Optical setups have been developed for testing the performance of μSGIs and preliminary results show 6.6 μm lateral resolution and sub-angstrom vertical resolution. To achieve high resolution and to reduce the effect of ambient vibrations, the study has developed a novel control algorithm, implemented on FPGA. It has shown significant reduction of vibration noise in 6.5 kHz bandwidth achieving 6x10-5 nmrms/√Hz noise resolution. Modifications of this control scheme enable long range displacement measurements, parallel operation and scanning samples for their dynamic profile. To analyze and simulate similar optical metrology system with active micro-components, separate tools are developed for mechanical, control and optical sub-systems. The results of these programs enable better design optimization for different applications.

Cette thèse décrit le design, la simulation et la fabrication d’une matrice 4x4 de micro-miroirs actionnée verticalement et munie d’un capteur de position. Le micro-scanneur vertical a pour vocation à être intégré au sein d’un micro-interféromètre de Mirau de type matriciel, réalisé àbase de composants micro-optiques fabriqués grâce à des méthodes collectives. Le mouvement du micro-scanneur, développé dans cette thèse, génère un signal de référence utilisé pour l’implémentation de l’interférométrie à modulation de phase dans un système de tomographie par cohérence optique (OCT). Dans un premier temps, la thèse introduit le besoin d’un système d’imagerie adapté pour la détection précoce des cancers de la peau et établit les spécifications optiques requises par cette application. A partir de ces spécifications, le design du système OCT basé sur le micro-interféromètre de Mirau est présenté. En parallèle, l’état de l’art des technologies de micro-actionnement est décrit et un actionnement électrostatique à base de peignes interdigités est choisi pour actionner et lire la position de la matrice de micro-miroirs. En effet ce type d’actionnement bénéficie d’une bonne compatibilité avec le design du micro-interféromètre de Mirau. Dans un second temps, le cœur de la thèse expose le développement du micro-scanneur vertical, c.à.d le design et les simulations ainsi que la fabrication et la caractérisation. / This thesis describes the design, simulation and fabrication of a vertically actuated 4x4 array ofmicromirrors with embedded position sensing function. The vertical microscanner is meant to beintegrated within an array-type Mirau microinterferometer realized with optical microcomponentsfabricated using collective techniques. The microscanner, developed in this thesis, provides areference signal that is used for the implementation of phase modulation interferometery in an opticalcoherence tomography (OCT) system. This thesis first introduces the need for adapted imagingsystems for the early diagnosis of skin cancer and establishes the optical specifications requiredby this specific application. Based on these specifications, the design of the OCT system based onthe Mirau microinterferometer is presented. In parallel, the state of the art of the microactuationtechnologies is discussed and comb drive electrostatic actuation is chosen, for its compatibilitywith the design of the Mirau microinterferometer, to actuate and sense the position of the array ofmicromirrors. Then, the core of the thesis deals with the development of the vertical microscanner,i.e. its design and simulations, its fabrication and its characterization.