Modélisation électromagnétique tri-dimensionnelle de réseaux complexes. Application au filtrage spectral dans les imageurs CMOS

Three-dimensional electromagnetic modeling of complex gratings. Application to the spectral filtering in CMOS image sensors

• Auteur / Autrice : Guillaume Demésy
• Direction : Mireille Commandré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Optique, électromagnétisme et image
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colorimétrie

MOS complémentaires

Langmuir-Blodgett, Couches de

Anisotropie

Modélisation tridimensionnelle

Éléments finis, Méthode des

Réseaux de diffraction

Résumé

L’évolution de la technologie CMOS autorise la réduction des dimensions transverses du pixel d’imageur qui atteignent aujourd’hui 1. 75μm. Son épaisseur, en revanche, ne peut être réduite sans modifier le principe de filtrage existant, assuré par des résines coloées absorbantes dont l’épaisseur fixe le profil spectral en transmission. Ces résines ont, de plus, une faible tenue en température et doivent être positionnées au sommet de l’empilement métallo-diélectrique que constitue le pixel. Ces deux facteurs contribuent à la dégradation de la résolution optique du capteur. Dans ce mémoire, nous discutons des possibilités de les remplacer par des structures diffractives métalliques bi-périodiques, moins épaisses et plus résistantes aux traitements thermiques. Pour cela, nous avons d´eveloppé une nouvelle formulation de la Méthode des Eléments Finis adaptée, de par sa flexibilité, à la richesse géométrique du pixel CMOS et à la complexité des structures diffractives pressenties. Dans un premier temps, cette méthode a été validée numériquement dans le cas scalaire, puis expérimentalement grâce à des photodiodes de test munies de réseaux monodimensionnels. Dans un second temps, nous avons généralisé le cas scalaire au cas vectoriel de la diffraction d’une onde plane d’incidence et de polarisation arbitraires par un réseau bi-dimensionnel quelconque. Enfin, ce modèle est exploité pour d´egager un jeu de paramètres opto-géométriques de réseaux croisés permettant de filtrer la lumière dans ses composantes Rouge, Verte et Bleue.

The evolution of the CMOS process allows the reduction of the transverse dimensions of the pixel, perpendicularly to the sighting axis, which reach 1. 75μm today. However, its thickness cannot be reduced without modifying the current spectral filtering principle, relying on the use of absorbing color resins whose thickness sets the transmission spectral profile. Furthermore, these resins have a low temperature resist and have to be deposited at the top of the metallo-dielectric stack that forms the pixel. These two factors account for the deterioration of the optical resolution of the sensor. In this thesis, we discuss the possibilities to replace the resins by bi-periodic diffractive structures, potentially much thinner and endowed with a higher temperature resist. To that extent, we have developed a new formulation of the Finite Element Method which is, thanks to its flexibility, well adapted to the intricate 3D geometry of both the CMOS pixel and the diffractive pattern candidates. Firstly, this method has been validated numerically in the scalar case, then experimentally by the use of test photodiodes with mono-dimensional gratings embedded. Secondly, we have extended the scalar case to the general vectorial case of the diffraction of an arbitrarily polarized plane wave under oblique incidence by an arbitrarily shaped grating. Finally, this model has been exploited to find a set of opto-geometrical parameters for crossed-gratings allowing to filter white light into its Red, Green and Blue components.