Brevet FR2903032A1 — publié le 20080104

" Procédé et dispositif d'usinage d'une cible par faisceau laser femtoseconde." La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif d'usinage d'une cible par faisceau laser femtoseconde. Elle trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine des nanotechnologies. Mais elle peut aussi s'appliquer à d'autres domaines tels que la biotechnologie ou encore le domaine des bio-puces. L'essor des lasers de puissance, commencé depuis plusieurs décennies a ouvert la voie à la découverte et à l'étude de multiples phénomènes physiques. Si on se limite aux interactions lumière-matière, les progrès retentissants dans le domaine de la multi-ionisation ont quelque peu occulté d'autres phénomènes tels que l'optique aux intensités critiques (OCI). Cependant ce régime qui concerne les changements de phase d'une cible sous l'effet d'un rayonnement intense et bref est caractérisé par un seuil de transition extrêmement bien défini et reproductible, ce qui en fait l'outil privilégié pour les nanotechnologies qui demandent une précision et une résolution spatiale toujours plus grande. Une propriété récemment établie de l' OCI est que pour des impulsions laser d'une durée inférieure à 5 picosecondes, le seuil de dommages sur la cible devient déterministe et ce de façon très reproductible (à mieux que 1%), au contraire du comportement aléatoire (20-50%) qui est la caractéristique des ablations par impulsions laser de plus longue durée pour lesquelles ce seuil de dommages varie comme la racine carrée de la durée. Des travaux précédents ayant promu l'hypothèse selon laquelle l'OCI serait induite par un phénomène d'ionisation multiple, ce qui impliquerai que le seuil de dommages diminue fortement avec la durée des impulsions laser, n'ont pu être confirmés par l'expérience, qui observe seulement une légère diminution de ce seuil, suivie par un palier si les impulsions deviennent encore plus brèves. Sur cette base d'observations, une autre interprétation a été avancée avec succès qui met en lumière le rôle prédominant de l'ionisation par effet tunnel (effet Zener) combinée avec l'ionisation par avalanche, elle-même induite par effet Zener. 2903032 2 Suivant cette interprétation, soutenue par des expériences mettant en jeu des impulsions laser couvrant une grande gamme de durées (lasers de type "chirp-pulse" en langue anglaise, ou CPA laser), le laser crée d'abord un plasma. Lorsque la fréquence de ce plasma se rapproche de celle du laser, le 5 champ électrique subit une très forte amplification, ayant un effet cumulatif sur la génération de ce plasma qui ne prend fin que lorsque tous les électrons de valence de la cible sont ionisés. Quant la fréquence du plasma dépasse celle du laser, il devient absorbant ce qui provoque l'ablation. Des mesures par microscope à force atomique montrent que la profondeur de l'ablation est 10 de l'ordre de l'épaisseur de "l'effet de peau", en accord avec cette interprétation. Cette théorie apporte une base solide à la nature déterministe du seuil d'ablation. Le processus a lieu même sur des matériaux diélectriques, qui deviennent opaques quant la densité d'électrons dépasse le seuil critique de dommage. Ce seuil est fortement non linéaire devant l'intensité. Non 15 linéarité et déterminisme se combinent heureusement pour permettre l'usinage de motifs au-dessous de la limite imposée par la diffraction ("thresholding" en langue anglaise) dont la taille se situe dans la partie basse de l'échelle nanométrique, de 30 à 45 nm avec une très grande reproductibilité et une précision caractérisée par une netteté des contours de 20 l'ablation inégalée. On connaît notamment le document US5656186 dans lequel on décrit un procédé permettant de réaliser des ablations reproductibles et de tailles plus petites que la longueur d'onde du faisceau laser, ce dernier étant pulsé et focalisé sur ou dans l'objet à traiter. On connaît par ailleurs une technique de modification de la répartition 25 de l'intensité lumineuse focalisée au moyen d'un filtrage spatial dans le plan focal arrière de l'objectif qui focalise le faisceau laser. Cette technique de remodelage de la figure de diffraction dans le plan focal, couramment appelée apodisation ("point-spread engineering" en langue anglaise) pour des raisons historiques (bien qu'en l'espèce une augmentation des "pieds" de diffraction 30 est recherchée) présente des caractéristiques qu'il est utile de résumer ainsi : - diminution, dans une proportion variable et dépendante du filtre apodisant, de la dimension transverse et/ou longitudinale du point lumineux focalisé ; on dit qu'il y a super résolution, c'est à dire focalisation au delà de la limite imposée par la diffraction, 2903032 3 - augmentation collatérale et malheureusement inévitable des maxima secondaires, qui vont former un système de un ou plusieurs anneaux brillants concentriques au point brillant central ; ces anneaux sont de hauteur variable suivant les caractéristiques du filtre, s - forte diminution de l'efficacité globale, puisque une part importante de l'intensité lumineuse est ainsi transférée vers les anneaux brillants et que le filtre apodisant présente lui-même une absorption. Longtemps l'Apodisation est restée du domaine de la théorie et a suscité de vives controverses parce qu'elle semblait en oposition avec le lo principe d'incertitude d'Heisenberg. Aujourd'hui, l'Apodisation est couramment admise comme capable d'augmenter la résolution spatiale des microscopes, mais son application est fortement limitée à cause de la hauteur des lobes secondaires dans la figure de focalisation, ce qui la rend impropre à l'usinage par faisceau laser, puisque ces maxima peuvent générer sur la cible des 15 empreintes indésirables. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant un procédé d'usinage offrant une grande résolution. Un autre but de l'invention est la réalisation d'usinage de motifs de tailles bien inférieures à la longueur d'onde du faisceau laser. Un autre but de l'invention 20 est la réalisation d'usinages de motifs de taille inférieure, toutes choses égales par ailleurs, à celles obtenues par la simple focalisation du faisceau laser. On atteint au moins l'un des objectif précités avec un procédé d'usinage d'une cible par focalisation d'un faisceau laser femtoseconde au moyen d'un objectif de focalisation selon la technique dite d'ablation femtoseconde à seuil 25 déterministe, ce procédé comprenant les étapes suivantes : on détermine un seuil d'ablation de la cible ; - on réalise un filtrage spatial pupillaire du faisceau laser atteignant l'objectif de façon à réduire la taille de la tache centrale du faisceau laser dans le plan focal (selon la technique d'apodisation); ledit filtrage étant réalisé de 30 façon à conserver une partie de l'intensité de la tache centrale au dessus dudit seuil d'ablation, et de façon à maintenir des lobes secondaires d'intensité du faisceau laser en dessous dudit seuil d'ablation. Plus précisément, comme l'ablation par OCI présente un seuil stable très bien défini pour un matériau donné, il paraît avantageux de lui associer 2903032 4 l'apodisation, puisque d'après les caractéristiques précitées, elle permet des ablations plus petites, et que l'élévation des maxima secondaires n'a aucun effet indésirable pourvu que ces maxima restent en dessous du seuil d'ablation. La forte diminution de l'intensité focalisée est facilement 5 compensée par l'emploi de lasers à impulsions à dérive de fréquence amplifiées ("chirp-pulse amplification lasers" en langue anglaise, ou CPA). En d'autres termes, la présente invention peut être considérée comme une association intelligente de deux techniques : l'Apodisation, un concept qui consiste en la modification de la figure 10 de diffraction autour du foyer d'un objectif sous certaines contraintes par la conception de filtres d'amplitude et/ou de phase ; et - l'Ablation femtoseconde à seuil déterministe, un concept par lequel l'ablation n'a lieu qu'au dessus d'un certain seuil de puissance très bien défini et reproductible pour les paramètres de l'expérience : l'énergie lumineuse en 15 dehors du point focal n'a aucun effet, ni d'ablation ni de dommage. Or cette énergie périphérique est d'autant plus importante que le rétrécissement du point central dû à l'apodisation est fort. L'ablation laser OCI selon la présente invention permet enfin de résoudre le problème des empreintes indésirables dues à la présence des 20 lobes secondaires dans la tache de focalisation lors de la mise en oeuvre de l'apodisation. En effet, il suffit que ces lobes restent en dessous du seuil d'ablation pour qu'ils soient sans effet. Le plus souvent, la cible est en matériau diélectrique. Mais elle peut également être en matériau métallique. 25 A titre d'exemple, on peut déterminer ledit seuil d'ablation en focalisant d'abord le faisceau laser sur une cible témoin, puis en ajustant la puissance du faisceau de manière à ce que seul le maximum central de la figure de diffraction focalisée génère une ablation. Par laser femtoseconde, on entend un laser émettant des impulsions 30 laser d'une durée sensiblement inférieur à 5 picosecondes. Avec le procédé selon la présente invention, en gardant la hauteur des lobes secondaires en dessous du seuil d'ablation, et en réduisant la largeur du profil de l'intensité du faisceau laser, l'ablation se fait avec un point focal de taille inférieure à la limite imposée par la diffraction, ce qui, combiné à l'effet 2903032 5 de seuil et au caractère non linéaire de l'ablation, permet d'usiner des motifs de taille encore plus réduite pour les nanotechnologies. Avec le procédé selon l'invention, on peut usiner des motifs dont les dimensions sont comprises entre 19 et 29nm. 5 Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ledit filtrage pupillaire comprend un filtrage de phase, un filtrage d'amplitude ou une combinaison de filtrage de phase et d'amplitude. En d'autres termes, en mettant en oeuvre des altérations de phase, d'amplitude, ou une combinaison des deux. io A titre d'exemple, on peut réaliser le filtrage spatial pupillaire au moyen d'une plaque photographique ou d'un film photographique. Avantageusement, on peut réaliser le filtrage spatial pupillaire au moyen d'un modulateur à cristaux liquides ou d'un miroir à optique adaptative. En effet l'emploi des miroirs à optique adaptative et des matrices 15 de cristaux liquides permet de réaliser des filtres de grande précision. Selon un mode de mise en oeuvre avantageux de l'invention, la topographie du filtre est de type binaire comportant notamment des anneaux sombres, clairs ou gris. Autrement, la topographie du filtre peut être de type à variation 20 continue. Suivant un mode de réalisation de la présente invention, on réalise le filtrage en plaçant un filtre en amont de l'objectif de focalisation. On peut aussi réaliser ce filtrage en introduisant un filtre dans une optique de relais formant image dudit filtre sur le plan focal arrière de l'objectif de focalisation. 25 Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif pour usiner une cible par focalisation d'un faisceau laser femtoseconde au moyen d'un objectif de focalisation selon la technique d'ablation femtoseconde à seuil déterministe. Selon l'invention, ce dispositif comprend des moyens de filtrage spatial pupillaire, disposés en amont dudit objectif de focalisation, pour 30 réduire la taille de la tache centrale du faisceau laser dans le plan focal; ces moyens de filtrage étant dimensionnés de façon à conserver une partie de l'intensité de la tache centrale au dessus d'un seuil d'ablation déterminé, et de façon à maintenir des lobes secondaires d'intensité du faisceau laser en dessous dudit seuil d'ablation. 2903032 6 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 est une image d'un exemple de décollement rétinien 5 selon l'art antérieur ; - La figure 2 est une image d'un autre exemple de décollement rétinien par laser pulsé selon l'art antérieur ; -La figure 3 est une vue schématique simplifiée d'un mode de mise en oeuvre selon la présente invention ; io - La figure 4 est un graphe illustrant la courbe d'intensité du faisceau laser pulsé atteignant la cible selon la présente invention ; - La figure 5 est une vue schématique du faisceau laser focalisé selon la présente invention ; La figure 6 est une vue d'un usinage en profondeur au moyen d'in is procédé selon la présente invention. Sur la figure 1, on voit une ablation de mauvaise qualité réalisée au moyen d'un laser picoseconde selon l'art antérieur. Cette ablation requière par la suite une intervention manuelle pour finaliser la découpe. Toujours dans l'art antérieur, comme notamment décrit dans le document US5656186, 20 on sait réaliser des ablations par laser femtoseconde. La figure 2 illustre une telle réalisation dans laquelle on a réalisé deux découpes lamellaires concentriques, parfaitement limitées par un contour précis et propre. La zone d'ablation avec un tel procédé est de l'ordre du millimètre. Dans l'art antérieur, l'ablation est réalisée par faisceau laser à impulsions brèves 25 (inférieures à 100 fs) focalisé par un objectif de microscope. La pupille d'entrée de cet objectif est dite "claire" parce qu'elle ne comporte aucune obstruction ni altération de la phase du front d'onde du faisceau incident. La répartition de l'intensité focalisée est alors celle du "disque d'Airy" qui concentre 48 % de l'énergie focalisée dans un cercle contenant les intensités 30 supérieures ou égales à la moitié de l'intensité maximum et 84 % dans un cercle bordé par un anneau sombre, dû à la diffraction. Le restant étant contenu dans des anneaux brillants concentriques. La figure 3 est un schéma illustrant un mode de mise en oeuvre de la présente invention. On distingue un faisceau laser 1 pulsé femtoseconde 2903032 7 dirigé vers un filtre de phase 2, qui peut également être un filtre d'amplitude ou une combinaison de filtre de phase et d'amplitude. Le faisceau sortant du filtre 2 traverse un objectif 3 qui a pour fonction de focaliser le faisceau laser sur ou dans une cible 4 de matériau diélectrique. Sur la figure 4, on voit une 5 courbe d'intensité du faisceau laser atteignant la cible. L'action du filtre 2 sur le faisceau laser constitue une étape d'apodisation permettant de rétrécir la dimension transverse du maximum central 5, c'est à dire que la distribution de l'intensité lumineuse au centre est plus étroite que celle que l'on obtiendrait sans un tel filtre. Pour compenser l'abaissement de luminosité à ce 10 centre, on utilise un laser femtoseconde puissant et stable. La figure 5 est un schéma simplifié dans lequel on voit une représentation du plan de focalisation du faisceau laser pulsé. Avec une telle disposition, on réalise un usinage en profondeur de haute résolution comme représenté sur la figure 6. Les découpes sont précises, quasi linéaires, et présentent un diamètre 15 d'environ 622 nm à une profondeur de 9.61 pm. Un exemple de détermination de seuil d'ablation et de réglage de la puissance laser est le suivant : - le seuil d'ablation est mesuré sur une cible témoin placée dans le plan focal de l'objectif comportant le filtre apodisant (ou son image optique) dans 20 son plan focal arrière, et - la puissance des impulsions laser femtoseconde est ajustée pour que l'ablation n'ait lieu que dans le point brillant. A titre d'exemple, les caractéristiques d'un dispositif selon la présente invention peuvent être les suivantes : un filtre de phase comportant trois 25 zones annulaires et introduisant un déphasage correspondant à une demi longueur d'onde de la composante centrale du spectre des impulsions laser. Ce filtre de phase rétrécit le maximum de la composante centrale dont le diamètre devient alors égal à 0.58 fois son homologue non filtré tandis que les anneaux brillants sont tous inférieurs ou égaux à une fraction de l'intensité 30 maximum. Dans cet exemple, cette fraction est sensiblement égale à 0,8. Comme le seuil d'ablation est très précisément déterminé, l'usinage se produit uniquement autour du maximum central d'intensité avec une diminution du diamètre de l'ablation de près de 73 % sans que les anneaux brillants aient un effet sur cette ablation. Grâce à la réduction de la dimension transverse 2903032 8 des nanogravures, l'augmentation en surface de la densité d'écriture -et donc de l'information - est ainsi multipliée par près d'un facteur trois. Le filtre de phase utilisé est tel que les diamètres (rapportés au diamètre de la pupille de l'objectif) de l'anneau déphasant intérieur sont : 5 0,125, 0,215 ; de l'anneau intermédiaire sont : 0,379, 0.531 ; et de l'anneau extérieur sont : 0,746 et 1,0. La présente invention peut donc s'appliquer dans les nanotechnologies, par exemple pour la conception de capteurs optiques ou d'une façon générale pour les télécommunications. Elle peut s'appliquer en particulier à la io génération de nanocristalites par ablation laser femtoseconde. Ces nanoparticules possèdent des propriétés non linéaires exceptionnelles qui intéressent les nanotechnologies et les biosciences. L'invention concerne également le domaine de l'apodisation, dans lequel on observe un nombre croissant de travaux en microscopie, 15 particulièrement en microscopie multiphotonique, où justement l'importance de l'élévation des maxima secondaires est drastiquement réduite par les effets non linéaires de fluorescence par absorption à deux et trois photons, et par génération de seconde et troisième harmonique. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être 20 décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. 30 REVENDICATIONS 1. Procédé d'usinage d'une cible par focalisation d'un faisceau laser femtoseconde au moyen d'un objectif de focalisation selon la technique dite 5 d'ablation femtoseconde à seuil déterministe, ce procédé comprenant les étapes suivantes : - on détermine un seuil d'ablation de la cible ; on réalise un filtrage spatial pupillaire du faisceau laser atteignant l'objectif de façon à réduire la taille de la tache centrale du faisceau laser dans lo le plan focal, selon la technique d'apodisation; ledit filtrage étant réalisé de façon à conserver une partie de l'intensité de la tache centrale au dessus dudit seuil d'ablation, et de façon à maintenir des lobes secondaires d'intensité du faisceau laser en dessous dudit seuil d'ablation. 15 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit filtrage pupillaire comprend un filtrage de phase. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit filtrage pupillaire comprend un filtrage d'amplitude. 20 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications, caractérisé en ce qu'on détermine ledit seuil d'ablation en focalisant d'abord le faisceau laser sur une cible témoin, puis en ajustant la puissance du faisceau de manière à ce que seul le maximum central de la figure de diffraction focalisée génère 25 une ablation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit filtrage pupillaire comprend une combinaison de filtrage de phase et d'amplitude. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise le filtrage spatial pupillaire au moyen d'une plaque photographique. 2903032 10 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on réalise le filtrage spatial pupillaire au moyen d'un film photographique. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on réalise le filtrage spatial pupillaire au moyen d'un modulateur à cristaux liquides. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé 10 en ce qu'on réalise le filtrage spatial pupillaire au moyen d'un miroir à optique adaptative. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la topographie du filtre est de type binaire. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la topographie du filtre est de type à variation continue. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce qu'on réalise le filtrage en plaçant un filtre en amont dudit objectif de focalisation. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'on réalise le filtrage en introduisant un filtre dans une 25 optique de relais formant image dudit filtre sur le plan focal arrière de l'objectif de focalisation. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on génère le faisceau laser à partir d'un laser à 30 impulsions à dérive de fréquence amplifiées. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cible est en matériau diélectrique ou métallique. 35 16. Dispositif pour usiner une cible par focalisation d'un faisceau laser femtoseconde au moyen d'un objectif de focalisation selon la technique dite d'ablation femtoseconde à seuil déterministe, ce dispositif comprenant des 15 Io 2903032 11 moyens de filtrage spatial pupillaire, disposés en amont dudit objectif de focalisation, pour réduire la taille de la tache centrale du faisceau laser dans le plan focal; ces moyens de filtrage étant dimensionnés de façon à conserver une partie de l'intensité de la tache centrale au dessus d'un seuil d'ablation 5 déterminé, et de façon à maintenir des lobes secondaires d'intensité du faisceau laser en dessous dudit seuil d'ablation 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens de filtrage comprennent un filtre de phase. 18. Dispositif selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que les moyens de filtrage comprennent un filtre d'amplitude. 19. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que les 15 moyens de filtrage comprennent une combinaison de filtre de phase et de filtre d'amplitude.