Cette thèse a pour objectif ultime d'améliorer notre compréhension de la réflexion de la lumière sur des surfaces micro-courbes, en particulier lorsque les dimensions physiques des surfaces (rayons de courbure de l'ordre de 50-300 μm) sont comparables aux paramètres dimensionnels d'un faisceau optique Gaussien, typique des faisceaux issus d'une fibre optique ou d'un microlaser. A cet effet, une étude théorique et des simulations numériques ont été menées ; elles ont été confrontées à une étude expérimentale. Pour ce faire, la réalisation des micro-miroirs à concavité contrôlée n'étant pas chose aisée, un premier jalon de cette thèse a consisté à atteindre les avancées technologiques nécessaires à la réalisation de tels micro-miroirs(par procédé de gravure plasma de type DRIE) en vue de leur caractérisation expérimentale. Une motivation importante du choix de ce sujet est son potentiel applicatif à la réalisation de micro-bancs optiques sur puce silicium, de sorte à augmenter les capacités de couplage et de manipulation de lumière de façon intégrée dans un espace ultra-compact. A titre d'illustration des possibilités de la nouvelle micro-instrumentation optique que nous proposons, nous avons conçu et réalisé un microsystème de balayage spatial à grand angle (110°) d'un faisceau laser dont le spot optique ne se déforme pas tout au long de l'opération de balayage, ce qui en fait, entre autres, la pièce maîtresse de systèmes portables d'imagerie médicale par tomographie à cohérence optique / The ultimate objective of this thesis is to improve our understanding of light reflection on micro-curved surfaces, especially when the physical dimensions of the surfaces (radii of curvature in the order of 50-300 microns) are comparable to typical dimensional parameters of a Gaussian optical beam, such as those coming from an optical fiber or from a micro-laser. To this end, a theoretical study and numerical simulations were conducted; they were confronted with an experimental study. To do this, the realization of micro-mirrors controlled concavity being not easy, a first step of this thesis was to achieve the technological advances necessary for the realization of such micro-mirrors (by plasma etching method of DRIE type) for their subsequent experimental characterization. An important motivation for choosing this topic is its potential application in the production of micro-optical benches on a silicon chip, so as to increase the coupling efficiencies and capabilities of manipulation of light, in an integrated way and in an ultra compact space. As an illustration of the new micro-optical instrumentation which is attainable, we have designed and implemented a micro-device able of wide-angle (110 °) spatial scanning of a laser beam, the optical spot being not deformed during the scanning operation, which makes this device, the centerpiece of portable medical imaging systems by optical coherence tomography, among others

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um processo de fabricação de elementos micro-ópticos utilizando-se litografia por feixe de elétrons, empregando o resiste SU-8, negativo e amplificado quimicamente, sobre substrato de Si. Para tanto, é realizado o estudo dos parâmetros do efeito de proximidade a, b e h para se modelar e controlar os efeitos do espalhamento dos elétrons no resiste e no substrato, e se altera o processamento convencional do SU-8 para se obter um processo com baixo contraste. A determinação dos parâmetros do efeito de proximidade para o sistema de escrita direta e amostra SU-8 / Si é feita experimentalmente e por simulação de Monte Carlo. Particularmente, verifica-se a dependência dos mesmos com a profundidade do resiste. Primeiramente utilizando o software PROXY, obtêm-se a, b e h da observação de padrões de teste revelados. Chega-se a 4m para o parâmetro () que mede o retroespalhamento dos elétrons pelo substrato e 0,7 para a relação (h) entre a intensidade destes com aquela dos elétrons diretamente espalhados pelo resiste (alcance dado por a). Ainda, com esses dados, estima-se o diâmetro do feixe do microscópio eletrônico de varredura a partir da equação de aproximação de espalhamento direto para pequenos ângulos (a = 128nm na superfície do resiste) e se determina a resolução lateral do processo (a = 800nm na interface resiste/ substrato, para um filme de 2,4m). Em seguida, usa-se o software CASINO para se calcular os parâmetros de proximidade a partir da curva de densidade de energia dissipada no resiste obtida pela simulação da trajetória de espalhamento dos elétrons. Confrontam-se, finalmente, os valores obtidos pelos dois métodos. Em relação ao processamento do resiste SU-8, são determinadas as condições experimentais para a fabricação de estruturas tridimensionais por litografia de feixe de elétrons. Especificamente, busca-se desenvolver um processo com características (espessura, contraste, sensibilidade e rugosidade) adequadas para a fabricação de micro-dispositivos ópticos. Inicia-se com o levantamento das curvas de contraste e da sensibilidade do SU-8 para determinadas temperaturas de aquecimento pós-exposição. Obtém-se contraste abaixo de 1 para aquecimento pós-exposição abaixo da temperatura de transição vítrea do resiste, mantendo-se sensibilidade elevada (2C/cm2). Em seguida, mede-se a rugosidade da superfície do filme revelado para diferentes doses de exposição. Para finalizar, submete-se a amostra a um processo de cura e escoamento térmico, para melhorar a dureza e a rugosidade do resiste a ser utilizado como dispositivo final Consegue-se um valor de rugosidade (40nm) inferior a 20 vezes o comprimento de onda de diodo laser de eletrônica de consumo. Por fim, é produzido um dispositivo com perfil discretizado em 16 níveis como prova de conceito. / This work aims at developing an electron-beam lithography process for the fabrication of microoptical elements using the negative tone chemically amplified resist SU-8 on Si substrate. A study of the proximity effect parameters a, b and h is carried out to model and control the electron scattering both in the resist and in the substrate, and the SU-8 standard processing conditions are changed to achieve a low contrast process. The determination of the SU-8 / Si proximity effect parameters and its dependence with resist depth is done employing an experimental method and through Monte Carlo simulations. First, a, b and h are obtained comparing exposed patterns calculated by the software PROXY. b, the parameter which measures the backscattering of the electrons by the substrate, is equal to 4m and the value of h, the ratio of the dose contribution of backscattered electrons to that of the forward scattered (related to a), is 0.7. The extrapolation of exposed patterns data is used to estimate the scanning electron microscope beam diameter through the equation for low angle scattering (a = 128nm at the resist surface) and the lateral resolution of the process is determined (a = 800nm at the resist/ substrate interface, for a 2.4m film). With aid of the software CASINO, Monte Carlo simulations of the scattering trajectories of electrons in substrate and resist materials are calculated, recording the energy that they dissipate through collisions along their path. The results obtained representing the profile of the energy dissipated in the resist are used to determine the proximity effect parameters. The experimental method results are compared to that obtained by simulation. Regarding the SU-8 processing, the process parameters for the fabrication of three-dimensional structures by electron-beam lithography are determined. The process is designed to have specifications (thickness, contrast, sensitivity and surface roughness) suitable for microoptical elements fabrication. It begins with the determination of the SU-8 contrast curve and its sensitivity for specific post-exposure bake temperatures. A below the unit contrast process with high sensitivity (2C/cm2) is achieved postannealing the sample below the resist glass transition temperature. The film surface roughness is measured after resist development for different exposure doses, and a controlled hardbake (cure) and reflow is carried to enhance both the mechanical properties and the surface roughness of the structures that will remain as part of the final device. A RMS roughness of 40nm, lower than 20 times the wavelength of consumer electronics laser diode, is obtained. The electron-beam process designed is applied to the fabrication of a microelement with a 16-level profile discretization.

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um processo de fabricação de elementos micro-ópticos utilizando-se litografia por feixe de elétrons, empregando o resiste SU-8, negativo e amplificado quimicamente, sobre substrato de Si. Para tanto, é realizado o estudo dos parâmetros do efeito de proximidade a, b e h para se modelar e controlar os efeitos do espalhamento dos elétrons no resiste e no substrato, e se altera o processamento convencional do SU-8 para se obter um processo com baixo contraste. A determinação dos parâmetros do efeito de proximidade para o sistema de escrita direta e amostra SU-8 / Si é feita experimentalmente e por simulação de Monte Carlo. Particularmente, verifica-se a dependência dos mesmos com a profundidade do resiste. Primeiramente utilizando o software PROXY, obtêm-se a, b e h da observação de padrões de teste revelados. Chega-se a 4m para o parâmetro () que mede o retroespalhamento dos elétrons pelo substrato e 0,7 para a relação (h) entre a intensidade destes com aquela dos elétrons diretamente espalhados pelo resiste (alcance dado por a). Ainda, com esses dados, estima-se o diâmetro do feixe do microscópio eletrônico de varredura a partir da equação de aproximação de espalhamento direto para pequenos ângulos (a = 128nm na superfície do resiste) e se determina a resolução lateral do processo (a = 800nm na interface resiste/ substrato, para um filme de 2,4m). Em seguida, usa-se o software CASINO para se calcular os parâmetros de proximidade a partir da curva de densidade de energia dissipada no resiste obtida pela simulação da trajetória de espalhamento dos elétrons. Confrontam-se, finalmente, os valores obtidos pelos dois métodos. Em relação ao processamento do resiste SU-8, são determinadas as condições experimentais para a fabricação de estruturas tridimensionais por litografia de feixe de elétrons. Especificamente, busca-se desenvolver um processo com características (espessura, contraste, sensibilidade e rugosidade) adequadas para a fabricação de micro-dispositivos ópticos. Inicia-se com o levantamento das curvas de contraste e da sensibilidade do SU-8 para determinadas temperaturas de aquecimento pós-exposição. Obtém-se contraste abaixo de 1 para aquecimento pós-exposição abaixo da temperatura de transição vítrea do resiste, mantendo-se sensibilidade elevada (2C/cm2). Em seguida, mede-se a rugosidade da superfície do filme revelado para diferentes doses de exposição. Para finalizar, submete-se a amostra a um processo de cura e escoamento térmico, para melhorar a dureza e a rugosidade do resiste a ser utilizado como dispositivo final Consegue-se um valor de rugosidade (40nm) inferior a 20 vezes o comprimento de onda de diodo laser de eletrônica de consumo. Por fim, é produzido um dispositivo com perfil discretizado em 16 níveis como prova de conceito. / This work aims at developing an electron-beam lithography process for the fabrication of microoptical elements using the negative tone chemically amplified resist SU-8 on Si substrate. A study of the proximity effect parameters a, b and h is carried out to model and control the electron scattering both in the resist and in the substrate, and the SU-8 standard processing conditions are changed to achieve a low contrast process. The determination of the SU-8 / Si proximity effect parameters and its dependence with resist depth is done employing an experimental method and through Monte Carlo simulations. First, a, b and h are obtained comparing exposed patterns calculated by the software PROXY. b, the parameter which measures the backscattering of the electrons by the substrate, is equal to 4m and the value of h, the ratio of the dose contribution of backscattered electrons to that of the forward scattered (related to a), is 0.7. The extrapolation of exposed patterns data is used to estimate the scanning electron microscope beam diameter through the equation for low angle scattering (a = 128nm at the resist surface) and the lateral resolution of the process is determined (a = 800nm at the resist/ substrate interface, for a 2.4m film). With aid of the software CASINO, Monte Carlo simulations of the scattering trajectories of electrons in substrate and resist materials are calculated, recording the energy that they dissipate through collisions along their path. The results obtained representing the profile of the energy dissipated in the resist are used to determine the proximity effect parameters. The experimental method results are compared to that obtained by simulation. Regarding the SU-8 processing, the process parameters for the fabrication of three-dimensional structures by electron-beam lithography are determined. The process is designed to have specifications (thickness, contrast, sensitivity and surface roughness) suitable for microoptical elements fabrication. It begins with the determination of the SU-8 contrast curve and its sensitivity for specific post-exposure bake temperatures. A below the unit contrast process with high sensitivity (2C/cm2) is achieved postannealing the sample below the resist glass transition temperature. The film surface roughness is measured after resist development for different exposure doses, and a controlled hardbake (cure) and reflow is carried to enhance both the mechanical properties and the surface roughness of the structures that will remain as part of the final device. A RMS roughness of 40nm, lower than 20 times the wavelength of consumer electronics laser diode, is obtained. The electron-beam process designed is applied to the fabrication of a microelement with a 16-level profile discretization.

La miniaturisation des systèmes d'imagerie présente aujourd'hui un fort potentiel dans plusieurs domaines, dont le développement de nouveaux dispositifs biomédicaux. Les exigences associées concernant l'imagerie demandent un effort substantiel dans le développement de composants optiques de haute qualité. Un meilleur contrôle de la propagation de la lumière ou de ses caractéristiques dans de tels systèmes est également important. Les composants doivent donc, par exemple, contenir les aberrations optiques pouvant affecter la résolution, la mise en œuvre de composants optiques dont le profil de phase continu est bien contrôlé est une voie intéressante. Ces composants devraient, de plus, être réalisés à partir de matériaux robustes en vue de leur assemblage au sein de dispositifs miniatures. Ce manuscrit de thèse de doctorat porte donc sur la conception et la fabrication parallèle de tels micro-composants optiques réfractifs réalisés en verre. Dans ce but, deux technologies ont été étudiées et optimisées, la lithographie à niveaux de gris et un procédé de soufflage de verre. En exemple, des microaxicons en verre ont été fabriqués et la génération de faisceaux de Bessel démontrée. Ce type de faisceau est caractérisé par une longue distance de propagation non-diffractive le long de l'axe optique, suivie d'une forme de faisceaux creux, qui les rend très utiles dans de nombreux domaines. Ces travaux de thèse ont été soutenus par le projet SMYLE (Small Systems for a Better Life) et le conseil Régional de Franche-Comté. / Miniaturization of imaging systems shows nowadays a strong potential for many applications, in particular, e. g., for novel biomedical devices. Related imaging specifications require a substantial effort onto the development of high quality microoptical components. better control of light propagation and features in such system sis also of particular interest. Components should then e.g. contain optical aberrations in order to reach high resolutions. In purpose of searching higher diffraction efficiencies or resolutions, optical components with well-controlled continuous phase profiles are sought. In addition, they also should be made of robust materials to handle their further assembly into miniaturized devices. Consequently, the manuscript focuses on the design and the parallel fabrication of such microoptical components made of glass. To that end, two technologies have been studied and optimized, namely gray-scale lithography and glass-blowing processes. As an example, glass-based microaxicons have been fabricated and Bessel beams generation has been demonstrated. This type of beam exhibits a long non-diffractive propagation distance along the optical axis followed by a dark hollow shape which makes them useful in many different applications. This work has been supported by the SMYLE (Smart Systems for a Better Life) European project and the Ranche-Comté Regional Council.