Conception et optimisation d'un nouveau procédé d'inspection de substrats transparents par champ sombre laser Doppler.

par Mayeul Durand De Gevigney

Projet de thèse en Optique et radiofrequences

Sous la direction de Pierre Benech.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec IMEP-LAHC :Institut de Microélectronique, Electromagnétisme, Photonique – Laboratoire hyperfréquences et caractérisation (laboratoire) depuis le 01-12-2012 .


  • Résumé

    La thèse se déroulera en 2 temps. Dans une première phase, l'objectif est de mettre en place les outils qui permettront d'aboutir à une solution performante, en travaillant à la fois sur la préparation d'un montage expérimental proche des conditions finales souhaitées, et sur la modélisation des phénomènes physiques intervenant dans ces procédés de détection. Ensuite, la phase de recherche approfondie et d'optimisation pourra avoir lieu. Phase 1 : Design, Conception et fabrication du prototype de machine d'inspection utilisant une technique innovante de scatterométrie Laser par effet Doppler. Dans un premier temps, le doctorant devra concevoir un banc de mesure adapté afin de pouvoir effectuer les premières mesures nécessaires à l'étude du système. Cette partie prend en compte le design et la mise en route d'un tel banc de test, avec les aspects de gestion de projets que cela implique. Ce premier prototype de station de mesure devra prendre en compte les contraintes industrielles afin de pouvoir répondre à la question de la faisabilité industrielle, la taille de particule à détecter est de 150 à 200nm. D'un point de vue du capteur identifié, après une phase de bibliographie et d'état de l'art sur la détection submicronique, une modélisation des phénomènes de diffusion et de dispersion sera effectuée afin de pouvoir déterminer un premier design de circuit optique adapté à notre application. De nouvelles puces devront donc être designées puis fabriquées en lien avec l'IMEP. La puce devra ensuite être intégrée au banc de test afin de pouvoir faire les premières mesures in-situ dans les conditions les plus proches des conditions industrielles visées. Il sera aidé dans cette tâche par un technicien qualifié au sein d'Altatech. L'étude sera alors portée sur les aspects d'acquisition du signal, et de traitement du signal offline. Le doctorant devra alors prendre en charge la programmation d'algorithmes de traitement du signal adaptés afin d'obtenir des résultats probants. Il devra pour se faire rechercher des solutions pour déterminer la taille des objets observés, à l'aide d'une caractérisation empirique des signatures Doppler acquises mais également de la modélisation des mécanismes de diffusion. Il ne pourra être fait l'impasse sur une étude du rapport signal sur bruit et de solution de nettoyage du signal. Se rapprocher de l'IMEP pour profiter de leur savoir-faire en traitement du signal sera sans doute nécessaire. Phase 2 : DOE et optimisation du procédé Après cette première phase de test, une nouvelle phase d'optimisation et d'intégration va débuter. Elle a pour but une fois le principe validé d'en exploiter toutes les possibilités physiques et d'être compatible avec les exigences industrielles. Pour ce faire, des modélisations prenant en compte de nouvelles architectures de capteur, le changement de longueur d'onde ou de matériaux, ainsi que l'utilisation de modèles de diffusion plus précis sera nécessaire. Sur la base de ces modélisations et à l'aide d'un plan d'expérience, on établira des conditions optimales de détection prenant en compte tous les éléments précédents, et d'autres éléments process, comme par exemple la vitesse de détection et le nombre de capteurs ainsi que leur disposition. D'un point de vue optique, il est déjà envisagé de faire des recherches sur l'utilisation de lumières polarisées spécifiquement. Ce point n'a pas été encore abordé, mais la polarisation apportant des informations supplémentaires, il devrait être fructueux d'effectuer cette étude. Un développement de traitement du signal industriel online sera effectué, prenant en compte les enjeux de vitesse et de fiabilité. Il pourra être électronique ou informatique et devra avoir une approche basée sur la connaissance de l'information a priori grâce à la modélisation du phénomène physique. Enfin, on cherchera à détecter des particules de plus faible dimension, de l'ordre de 50nm. Cela nécessitera dans un premier temps de faire des simulations sur les contraintes physiques qu'implique la diminution des dimensions de détection puis d'adapter le système en fonction des résultats obtenus. L'intensité de lumière rétrodiffusée par des particules de dimension très inférieure à la longueur d'onde étant proportionnelle à 1/d6, cette partie devrait être un challenge physique et technologique à elle seule. The PhD will occur within two phases. First, the goal will be to set up the tools that will allow one to get to an efficient solution. To do so, the student will work on an experimental set-up close to the final conditions expected, taking into account and modelling the different physical aspects taking place in detection processes. Then, a deeper research phase leading to optimisation will be made. Phase 1: Conception and building of an inspection tool prototype, using an innovative technique of laser Doppler velocimetry In a first part, the doctorate will have to design an adapted measurement bench in order to proceed to the first measurements needed to study our system. This part will take into account the design and the start-up of such a test bench, with all the project management it implies. This first measurement station prototype will have to take into account industrial constraint such that it answers the main issues about the industrial feasibility of the project. The size of the particles to be detected is between 150 and 200nm. Concerning the identified sensor, after a first phase of study of the state of the art and a bibliography about submicronic detection, a modelling of scattering and diffusion phenomena will be done to be able to determine the a first optical circuit design, adapted to our application. New chips will have to be designed and built with the help of the IMEP. The chip will then be integrated in the test-bench to make the first in-situ measurements, in conditions as close as possible to the industrial conditions aimed. The doctorate will be helped in this taks by a qualified technician within Altatech. The study will then center on offline signal acquisition and processing. The doctorate will have to program adapted signal processing algorithms in order to obtain coherent results. To do so, he will have to look for solutions to be able to determine the size of the particles observed, using the empirical Doppler signatures obtained, but also with the help of diffusion mechanism modelling. It will also be compulsory to study the signal to noise ratio and to solve any noise issue. The IMEP signal processing know-how will be of great advantage in this study. After this first test-phase, a new optimisation and integration phase will start. Its aim is to exploit all the physical possibilities of the system once its principle has been validated. It will have to be fully compatible with industrial constraints. To optimise the system, new modelling taking into account the architecture of the sensor, the change in wavelength and in material, the study of better fitted diffusion model will be necessary. Based on the modelling of all the previous elements, and of process requirements like detection speed and the number of sensors, an optimised set-up will be defined. In terms of optics, it is already considered to use specifically polarised light. This aspect has not been studied yet, but polarisation generally bringing information about the observed materials, it will be fruitful to use it. An online signal processing development will then be made. It will have to fit the speed and stability requirements of industrial lines. It can be either electronic of informatics and will have to use an approach based on the knowing of the signal acquired, based on the modelling of the full system. At last, we will look after observing smaller particles, of dimensions around 50nm. This will need to study and model the physical constraints of this reduction in size. The intensity of the retrodiffused light of particle much smaller to the wavelength being proportional to 1/d6, this part is a whole challenge in itself.

  • Titre traduit

    Conception and optimisation of a new laser Doppler dark-field inspection process for transparent substrates


  • Résumé

    The PhD will occur within two phases. First, the goal will be to set up the tools that will allow one to get to an efficient solution. To do so, the student will work on an experimental set-up close to the final conditions expected, taking into account and modelling the different physical aspects taking place in detection processes. Then, a deeper research phase leading to optimisation will be made. Phase 1: Conception and building of an inspection tool prototype, using an innovative technique of laser Doppler velocimetry In a first part, the doctorate will have to design an adapted measurement bench in order to proceed to the first measurements needed to study our system. This part will take into account the design and the start-up of such a test bench, with all the project management it implies. This first measurement station prototype will have to take into account industrial constraint such that it answers the main issues about the industrial feasibility of the project. The size of the particles to be detected is between 150 and 200nm. Concerning the identified sensor, after a first phase of study of the state of the art and a bibliography about submicronic detection, a modelling of scattering and diffusion phenomena will be done to be able to determine the a first optical circuit design, adapted to our application. New chips will have to be designed and built with the help of the IMEP. The chip will then be integrated in the test-bench to make the first in-situ measurements, in conditions as close as possible to the industrial conditions aimed. The doctorate will be helped in this taks by a qualified technician within Altatech. The study will then center on offline signal acquisition and processing. The doctorate will have to program adapted signal processing algorithms in order to obtain coherent results. To do so, he will have to look for solutions to be able to determine the size of the particles observed, using the empirical Doppler signatures obtained, but also with the help of diffusion mechanism modelling. It will also be compulsory to study the signal to noise ratio and to solve any noise issue. The IMEP signal processing know-how will be of great advantage in this study. After this first test-phase, a new optimisation and integration phase will start. Its aim is to exploit all the physical possibilities of the system once its principle has been validated. It will have to be fully compatible with industrial constraints. To optimise the system, new modelling taking into account the architecture of the sensor, the change in wavelength and in material, the study of better fitted diffusion model will be necessary. Based on the modelling of all the previous elements, and of process requirements like detection speed and the number of sensors, an optimised set-up will be defined. In terms of optics, it is already considered to use specifically polarised light. This aspect has not been studied yet, but polarisation generally bringing information about the observed materials, it will be fruitful to use it. An online signal processing development will then be made. It will have to fit the speed and stability requirements of industrial lines. It can be either electronic of informatics and will have to use an approach based on the knowing of the signal acquired, based on the modelling of the full system. At last, we will look after observing smaller particles, of dimensions around 50nm. This will need to study and model the physical constraints of this reduction in size. The intensity of the retrodiffused light of particle much smaller to the wavelength being proportional to 1/d6, this part is a whole challenge in itself.