ETUDE DE MULTICOUCHES ANTIREFLETS DE SiNy/SiOx

Ce chapitre est destiné à exposer les principaux résultats de l’étude des multicouches antireflets de SiNy/SiOx élaborées par pulvérisation cathodique magnétron en conditions réactives. Comme dans les chapitres précédents, plusieurs procédés de pulvérisation cathodique réactive seront utilisés pour étudier leurs impacts sur les caractéristiques des multicouches. Le but final sera d’élaborer des multicouches de SiNy/SiOx antireflets dans le visible, les plus performantes sur différents substrats. La première partie a pour objectif de rappeler certains travaux marquants des multicouches antireflets. Le principe de fonctionnement d’une multicouche antireflet sera exposé pour permettre une meilleure configuration de celle-ci et pour mieux appréhender les différentes caractéristiques et propriétés de ces systèmes. Dans la deuxième partie, nous présenterons le principe de fonctionnement du logiciel de simulation Essential Macleod et les simulations des couches minces de SiNy et SiOx précédemment élaborées en pulvérisation cathodique réactive. Ces simulations permettent d’une part de vérifier les aptitudes du logiciel de simulation et d’autre part, de confirmer les caractéristiques optiques de films de SiNy et SiOx. Dans la troisième partie, l’étude de multicouches antireflets décrira leurs élaborations suivant les différents procédés de pulvérisation cathodique réactive retenus et leurs caractérisations optiques. Celle-ci permettra d’examiner l’effet des différents procédés et l’influence du nombre de couches empilées, sur les performances antireflets des multicouches. La dernière partie fera l’objet d’une étude du comportement des multicouches antireflets réalisées sur différents substrats afin de déterminer les procédés de pulvérisation et les empilements les plus adaptés aux fonctions antireflets dans le domaine du visible.

Etude bibliographique des multicouches antireflets

Les systèmes multicouches peuvent présenter des propriétés optiques très différentes selon la nature et les propriétés des matériaux empilés et également selon le type d’empilement [98]. Ces empilements multicouches permettent de réaliser des fonctions optiques très variées : revêtement antireflet [99–103], miroir [104–107], filtre [108–110], polariseur [111–113]… L’étude des systèmes multicouches est réalisée avec le logiciel essential Macleod (cf. chapitre I, § 4.2) qui permet de calculer les propriétés optiques d’un empilement mais aussi de concevoir un empilement ayant des propriétés optiques déterminées. Dans le cadre de cette étude, l’objectif est de concevoir un revêtement antireflet capable de diminuer la réflexion dans les longueurs d’ondes du visible (400- 750 nm) pour des applications telles que lunettes, pour des objectifs d’appareil photographie, montres … Un rayonnement lumineux est réfléchi, transmis et absorbé lorsqu’il se propage dans un nouveau milieu (cf. figure 4.1). Les directions des composantes réfléchies et transmises sont prévues par les lois de Snell-Descartes. Pour pouvoir déterminer l’intensité de chaque composante, il est nécessaire de connaitre les indices optiques des milieux dans lesquels le rayonnement se propage.

Les intensités des composantes réfléchies et transmises du rayonnement à l’interface de deux milieux d’indice de réfraction différents sont déterminées grâce aux coefficients de Fresnel (cf. figure 4.2). Dans un cas simplifié, en incidence normale, pour une interface entre deux milieux Pour un rayonnement monochromatique se propageant dans l’air en direction d’un substrat transparent ayant un indice de réfraction n = 1,5, la réflexion totale (RT) du substrat est égale à la réflexion de la face avant Rav = 4 % plus la réflexion de la face arrière Rar = 3,8 % (les réflexions multiples étant négligeables inférieures à 0,006 %). La réflexion totale d’un substrat d’indice n = 1,5 est donc égale à 7,8% de l’intensité du rayonnement initial. Remarque : pour les substrats transparents à haut indice de réfraction (supérieur à 1,8), la réflexion de ces substrats peut atteindre plus de 15 %.  Par définition, un revêtement antireflet est un traitement de surface permettant de diminuer la part de lumière réfléchie. La plupart de ces traitements consistent à déposer une ou plusieurs couches minces transparentes sur la surface de l’objet pour diminuer le coefficient de réflexion sur un spectre de longueur d’onde donnée. En 1935, le premier revêtement antireflet en couche mince est réalisé par Alexander Smakula travaillant chez Carl Zeiss Jena [114]. Il est constitué d’une couche mince et est basé sur la nature ondulatoire de la lumière. Le principe de ce revêtement antireflet, représenté dans la figure 4.3, est de créer des interférences destructives entre les ondes réfléchies aux deux interfaces (air-couche puis couche-substrat). Pour annuler la réflexion, il faut que l’onde réfléchie à l’interface air-couche soit en opposition de phase et de même amplitude que celle à l’interface couche-substrat. Pour avoir une opposition de phase entre les ondes réfléchies sur les deux interfaces, il faut que la différence de chemin optique entre les deux ondes .