La connaissance des propriétés d'émission des corps intéresse de nombreux domaines de l'industrie et de la recherche. Le but de ce travail est d'une part la réalisation de moyens expérimentaux étendus aux températures extrêmes (40K-2300K) pour la mesure des émissivités directionnelles spectrales et totales et, d'autre part, l'extension de ces mesures à la détermination des propriétés thermo-optiques des solides opaques dans l'infrarouge.A partir des moyens de mesure que nous avons développés, nous avons pu mesurer l'émissivité directionnelle de revêtement jusqu'à une température de 40K pour les satellites Planck et Herschell puis d'aciers inoxydable et de céramiques réfractaires pour une gamme de température de 300K à 1100K ainsi que de conducteurs et de diélectriques jusqu'à une température de 2300K.Nous avons déterminé l'indice de réfraction complexe d'alliages de Fer-Nickel à partir de l'inversion des équations de Fresnel et des mesures d'émissivités directionnelles spectrales en polarisation parallèle. L'étude de l'évolution de l'indice optique pendant un changement de phase de second ordre α’→γ, nous a permis de mettre en évidence l'existence d'une hystérésis importante sur les propriétés thermo-optiques de l'alliage Fer-Nickel ainsi que la détermination des limites du domaine métastable.D'autres études appliquées sont enfin présentées. Mesure de la réflectivité aux températures cryogéniques ; Etude des modifications métallurgiques par ellipsométrie infrarouge ; Contrôle non destructif des œuvres d'art dans l'infrarouge lointain. / The emission properties of materials are required in many industrial and research developments. This works is devoted to the building-up of experimental means extended to the extreme temperatures (40K-2300K) for the measurement of spectral and total directional emissivities and the further application of these measurements in the determination of the termo-optical properties of solids in the infrared wavelength range.From the means of measurement which we developed, we could measure the directional emissivity of coating until a temperature of 40K for the Planck and Herschell satellites then stainless steel and refractory ceramics for a range of temperature of 300K to 1100K as well as conductor and dielectric until a temperature of 2300K.We determined complex refraction index of the Iron-Nickel alloys from inversion of Fresnel equations and measurements of directional spectral emissivities. We study the second-order phase transformation effects on optical index ; we have seen an important hysteresis on thermo-optical properties of the Iron-Nickel alloys.Lastly, some other studies are presented. Reflectivity measurements at the cryogenic temperatures; Study of the metallurgical modifications by infra-red ellipsometry; Far infra-red for nondestructive testing of artworks.

Cette thèse est consacrée à l'influence des erreurs systématiques et aléatoires sur les grandeurs ellipsométriques. Pour chaque type d'erreur, nous proposons des solutions pour limiter et éliminer leur influence sur le résultat final. La première partie expose les principes fondamentaux qui régissent le fonctionnement d'un ellipsomètre et décrit les dispositifs expérimentaux à élément(s) tournant(s) utilisés au LPMD. Pour chaque configuration, les méthodes de mesures et de calibrage y sont exposées. La deuxième partie traite des erreurs aléatoires et présente des procédures originales, dites de tracking, permettant de réduire leurs impacts sur les paramètres ellipsométriques. Les erreurs de mesure et erreurs produites lors de l'étape du calibrage d'un ellipsomètre à polariseur tournant (PRPSE) sont exposées. Une configuration optimisée nommée PRPCSE, permettant la caractérisation de systèmes dont l'angle Delta est voisin de 0° ou 180° est proposée. Les erreurs aléatoires et les méthodes de réduction d'un ellipsomètre à compensateur tournant (RCE) sont également décrites. La troisième partie, traite des erreurs systématiques d'un ellipsomètre à matrice de Mueller à double compensateur tournant. Une procédure de mesure dite 4-zones, qui permet de réduire l'impact des erreurs sur la matrice de réflexion de l'échantillon est proposée. Des exemples numériques et expérimentaux illustrent les méthodes développées / This thesis is devoted to the influence of systematic and random errors on the ellipsometric parameters. For each error, we propose solutions to reduce and eliminate their influence on the final result. The first part outlines the basic principles of ellipsometry and describes the experimental set-up of rotating element(s) ellipsometers used in LPMD. For each configuration, the methods of measurement and calibration are presented. The second part deals with random errors and presents an original method, called tracking, to reduce their impact on the ellipsometric parameters. Measurement errors and errors generated during the calibration of a rotating polarizer ellipsometer (PRPSE) are exposed. An optimized configuration called PRPCSE, allowing the characterization of systems when the angle Delta is near 0° or 180° is proposed. Random errors and methods of optimization for a Rotating Compensator Ellipsometer (RCE) are also described. The third part deals with the systematic errors of a Mueller Matrix Ellipsometer (MME) in the dual rotating compensator configuration. A measurement procedure called 4-zones, which reduces the impact of errors on the reflection matrix of the sample is given. Numerical and experimental examples illustrate the developed methods

L’industrie des nanotechnologies est un monde en constante évolution. Les améliorations dans les techniques de fabrication permettent de définir des composants de plus en plus petits. Afin de vérifier les dimensions fabriquées, la métrologie doit s’adapter et être capable de fournir des analyses basées sur des mesures optiques fiables et répétables. Ces travaux se focalisent dans un premier temps sur les procédés de fabrication des échantillons. Les techniques de dépôts, de photolithographies et de gravure sont présentées. Ces techniques nécessitent des outils de métrologie adaptés permettant un contrôle en ligne. Les équipements de métrologie disponibles sont donc présentés en se focalisant sur les techniques par imagerie comme la microscopie électronique à balayage ou transmission et les techniques par inversion telle que l’ellipsométrie et la scatterometrie. Le troisième chapitre est dédié aux applications de ces techniques en production. Les empilements étudiés sont généralement constitués de couches innovantes. La dernière partie est axée sur des méthodes de caractérisation de la rugosité par diffusion lumineuse sur des réseaux périodiques. / Nanotechnology industry is a world in constant evolution. Improvements in manufacturing techniques are used to define smaller and smaller components. To verify dimensions, metrology has to be improved to be able to provide reliable and repeatable analysis. This work focuses first on manufacturing process samples. Deposition techniques, photolithography and etching are introduced. These techniques require metrology tools adapted for in-line monitoring. Metrology equipments introduced in this thesis highlight the application of imaging techniques such as scanning electron microscopy or transmission and inversion techniques such as ellipsometry and scatterometry. The third chapter is dedicated to the application of these techniques to monitoring production. Thin films inspected are generally innovative layers. The last part is focused on methods for roughness characterization by light scattering on periodic gratings.

Ce travail est consacré à l'étude expérimentale et théorique du speckle de l'onde diffusée par des hétérogénéités en surface ou en volume des substrats ou des systèmes interférentiels multicouches. La première étude est basée sur le contraste en intensité du speckle diffusé dans chaque direction de l'espace, que l'on étudie pour discriminer les effets d'interface et de volume, ou pour identifier le niveau de diffusion en l'absence d'étalonnage. Des résultats expérimentaux sont présentés pour des surfaces polies et doucies, et des liquides diffusant, avec des niveaux de pertes croissants. Ces résultats sont ensuite complétés par l'étude du déphasage polarimétrique de l'onde diffusée dans le "grain" de speckle. L'écart-type de ce déphasage est calculé et mesuré pour les mêmes échantillons, ainsi que pour des membranes poreuses pour des applications à la caractérisation du colmatage. On obtient ainsi une nouvelle signature pour discriminer les différents effets. Puis le déphasage polarimétrique est utilisé pour l'étude des coefficients d'intercorrélation entre les interfaces d'un système multicouche. Une procédure d'annulation des flux diffusés polarisés est ensuite présentée dans le cadre de théories perturbatives. Les conditions d'annulation sont calculées pour différents types d'échantillons, et obtenues grâce à un réglage en champ lointain et pour chaque direction, de lames polarisantes et déphasantes. Les résultats expérimentaux confirment ces prédictions, pour des surfaces et liquides diffusant. La technique d'annulation est alors étendue pour éliminer de façon sélective les différentes sources de diffusion. On montre ainsi comment annuler de façon sélective la diffusion par une surface ou un volume, ou comment isoler une interface dans un système multicouche. La confrontation des calculs numériques avec les résultats de mesure sont encourageants, et ouvrent une première porte au domaine de l'imagerie en milieu diffusant. Enfin, les problèmes des fortes diffusions sont abordés, et amènent à traiter de l'influence des irrégularités de structure sur les phénomènes de dépolarisation partielle ou totale. Selon la microstructure des composants, la dépolarisation est plus ou moins marquée et impose la dynamique de réduction sélective des flux diffusés. Ce travail trouve des applications dans l'optique sous-marine, l'imagerie du petit animal ou le biomédical, le transport terrestre ou l'avionique, l'environnement, la défense...

La première partie de ce manuscrit (chapitres 1 à 3) regroupe l'ensemble de mes travaux relatifs à la métrologie dimensionnelle à l'échelle du nanomètre. Après avoir donné une vue générale de l'instrumentation interférométrique utilisée dans ce domaine et montré leurs limites, je présente la réalisation d'un interféromètre elllipsométrique et d'un lambdamètre optique. Les résultats expérimentaux ont montré la possibilité d'atteindre une résolution de 10 pm sur une étendue de mesures macroscopique pour l'interféromètre et une exactitude de 10⁻⁶ en valeur relative sur la longueur d'onde avec notre lambdamètre pour un déplacement du miroir mobile de seulement 4 μm au lieu de 150 mm pour le schéma conventionnel. La seconde partie du manuscrit (chapitres 4 à 6) regroupe l'ensemble de mes travaux relatifs à la métrologie des masses. Après une description du projet national de la Balance du Watt dont l'objectif vise une redéfinition du Kilogramme, je reporte les travaux portant sur la réalisation d'un capteur polarimétrique sensible à la direction radiale du champ magnétique de l'aimant permanent composant la balance du watt du LNME et d'un inclinomètre interférométrique pour la matérialisation de l'axe gravitationnel terrestre.

Les films minces à matrice diélectrique contenant des nanocristaux de Si peuvent avoir diverses applications potentielles telles qu'en nanoélectrique pour la conception de dispositifs à mémoire ou en optoélectronique dans la mise en oeuvre de cellules photovoltaïques à haut rendement ou l'élaboration d'un laser à base de silicium. Dans un premier temps, nous avons employé l'ellipsométrie spectroscopique pour décrire les propriétés optiques des films de nitrure de silicium enrichi en silicium (SRSN), essentiellement élaborés par dépôt chimique en phase vapeur puis soumis à un recuit thermique rapide (RTA). Nous avons montré qu'il est possible de prédire à l'aide d'un critère purement optique la détection, au microscope électronique en transmission, des nanoparticules de Si (NP-Si) dans les couches SRSN. Le recuit de type RTA conduit à la formation de fortes densités de nanoparticules de Si dans les couches composites SRSN. Les propriétés optiques des NP-Si ont été calculées par trois méthodes différentes : inversion numérique longueur d'onde par longueur d'onde (sans aucun paramètre d'ajustement), et modèles de dispersion de Forouhi-Bloomer et Tauc-Lorentz (avec 5 paramètres d'ajustement). L'évolution des paramètres de cette dernière formule révèle la présence de silicium amorphe confiné dans nos couches. Nous avons également mis en évidence le rôle déterminant du rapport des flux de gaz précurseurs RQ (=QNH3/QSiH4) ainsi que de la température de recuit Tr sur les propriétés optiques des films SRSN mais aussi des NP-Si qu'ils contiennent. En effet une légère augmentation de RQ induit une variation significative du spectre de la fonction diélectrique des NP-Si... / Thin composite films containing Si nanocrystals within a dielectric matrix may have several potential applications such as in nanoelectronics for the design of memory devices or in optoelectronics in view of the implementation of high-efficiency solar cells or the development of a silicon-based laser. Initially, we used spectroscopic ellipsometry in order to describe the optical properties of silicon-rich silicon nitride films (SRSN), mainly produced by chemical vapor deposition and thereafter subjected to rapid thermal annealing (RTA). We showed that the presence of Si nanoparticles (Si-NPs), that are observable by transmission electron microscopy, can be predicted by using a purely optical criterion. The RTA annealing leads to the formation of high densities of Si nanoparticles in the composite films. The optical properties of the Si-NPs have been calculated by three different methods: wavelength-by-wavelength numerical inversion (without any fitting parameters). The evolution of the parameters of this latter formula reveals the presence of confined amorphous Si-NPs in the investigated samples. We also highlighted the role of the flows ratio of the precursor gases RQ (=QNH3/QSiH4) and the annealing temperature TR on the optical properties of both the films and the Si-NPs they contain. Indeed a slight increase in RQ induced a significant variation in the spectrum of the dielectric function of the Si-NPs. On the other hand, the influence of the annealing temperature is noticeable beyond 950°C, and results in an increase of the amplitude and a reduction of the broadening of the...

Dans la fabrication d’un produit, la maîtrise des propriétés physiques des matériaux utilisés est indispensable. Il est donc nécessaire de déterminer leurs propriétés comportementales. On exploite en général des propriétés physiques intermédiaires telles que les propriétés électromagnétiques. Nous avons mis au point une technique de caractérisation sans contact de matériaux non transparents en transposant les concepts de base de l’ellipsométrie optique en hyperfréquence. La caractérisation se fait par résolution d’un problème inverse par deux méthodes numériques : une méthode d’optimisation classique utilisant l’algorithme itératif de Levenberg Marquardt et une méthode de régression par l’uti1isation de réseaux de neurones du type perceptron multicouches. Avec la première méthode, on détermine deux paramètres du matériau sous test à savoir l’indice de réfraction et l’indice d’extinction. Avec la deuxième, on détermine les deux indices ainsi que l’épaisseur de 1’échantillon. Pour la validation, nous avons monté un banc expérimental en espace libre à 30 GHz en transmission et en incidence oblique avec lequel nous avons effectué des mesures sur des échantillons de téflon et d’époxy de différentes épaisseurs (1 à 30 mm). Nous avons obtenu une caractérisation satisfaisante de l’indice et de l’épaisseur. Nous avons ensuite fait des mesures de trois types de papier dont la caractérisation de l’indice était satisfaisante sans toutefois les discriminer. Ces travaux ont montré la possibilité de caractériser des matériaux épais et non transparents par une technique ellipsométrique / The control of the physical properties of materials used to manufacture a product is essential. Therefore, it is necessary to determine their behavioral properties. Generally, we get them through intermediate physical properties such as electromagnetic properties. We have developed a technique for contactless characterization of non-transparent materials by applying the basic concepts of optical ellipsometry in the microwave domain. The characterization is done by solving an inverse problem through two different numerical methods: a classical optimization method using the iterative algorithm of Levenberg Marquardt and a regression method by using neural networks particularly the multilayer perceptron. With the first method, we can determine two parameters which are the refractive index and the extinction index of the sample under test. With the second method, we can determine the indices and the thickness of the sample. As a validation, we set up a 30 GHz - experimental free space bench configurated for oblique transmission incidence measurement that we have used to carry out measurements on PTFE and epoxy samples having different thicknesses (1 to 30 mm). We obtained a satisfactory characterization of the index and thickness. Then, we have carried out measurements on three types of paper. The index was satisfactorily characterized but they could not be distinguished. These studies have shown that it is possible to characterize thick and non-transparent materials using ellipsometric technics

L’objectif de ce travail est l’étude et la modélisation d’un capteur de gaz à base d’oxyde métallique semiconducteur de type p (cas de CuO). Pour cela, des couches minces de CuO ont été élaborées dans l‘équipe microcapteurs de IM2NP à partir de deux techniques différentes : la pulvérisation cathodique réactive magnétron radio-fréquence et l’oxydation thermique des couches minces de cuivre déposées par évaporation thermique sous vide. Différentes techniques de caractérisation ont été mises en oeuvre pour évaluer les propriétés des couches minces obtenues en vue de les optimiser pour l’application capteur. La microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie électronique à balayage (MEB) ont révélé une nanostructure homogène dont la morphologie présente la porosité désirée. Les analyses par diffraction de rayons X (DRX) ont montré que ces couches minces présentent une monophase de CuO avec une orientation préférentielle (111), les études optiques par ellipsométrie dans le domaine visible ont permis d’estimer les pourcentages de porosité dans chaque couche. Ces couches possèdent la cristallinité et la pureté requises pour l'utilisation en capteurs de gaz. Les performances de ces couches minces de CuO ont été évaluées pour la détection de l’ozone et de l’éthanol. Sur la base de ces résultats, un modèle dynamique a été développé simulant la réaction entre les espèces oxygénées ionisées adsorbées à la surface d'un semiconducteur de type p avec un gaz, qui permet d’évaluer l’influence des paramètres de fonctionnement (Température de fonctionnement, pression d’oxygène et concentration de gaz). / The objective of this work is to study and model a gas sensor based on a p-type metal oxide semiconductor (case of CuO). For this, thin layers of CuO have been developed in the microsensor team at the IM2NP laboratory from two different techniques: radio frequency reactive magnetron sputtering and thermal oxidation of thin copper films deposited by thermal evaporation under vacuum. Different characterization techniques have been implemented to evaluate the properties of the thin films obtained in order to optimize them for sensor applications. Atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) revealed a homogeneous nanostructured morphology which has the desired porosity. Diffraction analysis (XRD) showed that these thin films have a single phase of CuO with a preferred orientation (111). Optical studies by ellipsometry in the visible spectral region were used to estimate the percentage of porosity in each layer. These layers have the crystallinity and purity required for use in gas sensors. The performances of these thin layers of CuO were evaluated for the detection of ozone and ethanol. Based on these results, a dynamic model was developed to simulate the reaction between the ionized oxygen species adsorbed on the surface of a p-type semiconductor with a gas, which is used to evaluate the influence of operating parameters (working temperature, oxygen concentration and gas pressure).

La miniaturisation des composants impose à l’industrie de la micro-électronique de trouver des techniques de caractérisation fiables rapides et si possible à moindre coût. Les méthodes optiques telles que la scattérométrie se présentent aujourd’hui comme des alternatives prometteuses répondant à cette problématique de caractérisation. Toutefois, l’ensemble des méthodes scattérométriques nécessitent un certain nombre d’hypothèses pour assurer la résolution d’un problème inverse et notamment la connaissance de la forme géométrique de la structure à tester. Le modèle de structure supposé conditionne la qualité même de la caractérisation. Dans cette thèse, nous proposons l’utilisation des réseaux de neurones comme outils d’aide à la décision en amont de toute méthode de caractérisation. Nous avons validé l’utilisation des réseaux de neurones dans le cadre de la reconnaissance des formes géométriques de l’échantillon à tester par la signature optique utilisée dans toute étape de caractérisation scattérométrique. Tout d’abord, le cas d’un défaut lithographique particulier lié à la présence d’une couche résiduelle de résine au fond des sillons est étudié. Ensuite, nous effectuons une analyse de détection de défaut de modèle utilisé dans la résolution du problème inverse. Enfin nous relatons les résultats obtenus dans le cadre de la sélection de modèles géométriques par réseaux de neurones en amont d’un processus classique de caractérisation scattérométrique. Ce travail de thèse a montré que les réseaux de neurones peuvent bien répondre à la problématique de classification en scattérométrie ellipsométrique et que l’utilisation de ces derniers peut améliorer cette technique optique de caractérisation / The miniaturization of components in the micro-electronics industry involves the need of fast reliable technique of characterization with lower cost. Optical methods such as scatterometry are today promising alternative to this technological need. However, scatterometric method requires a certain number of hypothesis to ensure the resolution of an inverse problem, in particular the knowledge of the geometrical shape of the structure under test. The assumed model of the structure determines the quality of the characterization. In this thesis, we propose the use of neural networks as decision-making tools upstream of any characterization method. We validated the use of neural networks in the context of recognition of the geometrical shapes of the sample under testing by the use of optical signature in any scatterometric characterization process. First, the case of lithographic defect due to the presence of a resist residual layer at the bottom of the grooves is studied. Then, we carry out an analysis of model defect in the inverse problem resolution. Finally, we report results in the context of selection of geometric models by neural networks upstream of a classical scatterometric characterization process. This thesis has demonstrated that neural networks can well answer the problem of classification in ellipsometric scatterometry and their use can improve this optical characterization technique

Les enjeux de santé publique et de développement durable conduisent à intensifier l’utilisation de protéines végétales notamment dans les secteurs de biens de consommation comme l’industrie pharmaceutique,l’agro-alimentaire et les cosmétiques. La levée récente de certains verrous technologique permet aujourd’hui la purification industrielle de protéines végétales issus de tourteaux provenant de la production d’huiles végétales. Ces protéines sont valorisables comme substituts aux graisses saturées dans la structuration d’huiles à destination de la consommation humaine. Le manque de texture d’huiles végétales insaturées peut être compensé par ces protéines jouant le rôle de stabilisants et de gélifiants dans les émulsions. Nous nous intéressons aux propriétés fonctionnelles des protéines de blé, de tournesol et de colza, en volume et aux interfaces. Nous avons montré que des gels de protéines de tournesol avec des élasticités modulables sont obtenus par dénaturation thermique. La dynamique de formation de films protéique aux interfaces fluides a été étudiée en combinant des mesures de tensiométrie, de viscoélasticité dilatationnelle et d’ellipsométrie. Les mesures sur plusieurs ordres de grandeurs en concentrations et en temps mettent en évidence différents régimes de structuration associés à différentes dynamiques d’adsorption pour les trois protéines de blé, de tournesol et de colza étudiées. Nous discutons également le rôle de la flexibilité des protéines dans ces différents régimes de structuration. / Challenges of public health and sustainable development trend to intensify the use of vegetables proteins, particularly in consumer goods sectors such as pharmaceutical, food and cosmetics industries. The recent overcome of technical limitation allows the industrial purification of vegetables proteins derived from meal made by vegetable oils production. These proteins are valuable as substitutes for saturated fats in structuring oils for human consumption. The lack of unsaturated vegetable oil texture can be reduced by these proteins acting as stabilizers and gelling agents in emulsions. We are interested in the functional properties of wheat, sunflower and rapeseed proteins, by volume and at interfaces. We have shown that sunflower protein gels with modulable elasticities are obtained by thermal denaturation. In addition, we studied the dynamics of protein film formation at fluid interfaces by combining measurements of tensiometry, dilatational viscoelasticity and ellipsometry. We highlight different structuring regimes and discuss the role of protein flexibility in this structuring.