Miroir interférentiel bi-bande Al/Mo/SiC

Le télescope Full Sun Imager est équipé d’un unique miroir (Figure 80 (a) & (b)) dont le revêtement multicouche permet de réfléchir efficacement deux longueurs d’ondes distinctes dans l’EUV. Pour cela, l’empilement est une structure bi-périodique en Al/Mo/SiC (Tableau 22), c’est-à-dire qu’on a superposition de deux revêtements de deux périodes différentes séparées par une couche d’aluminium – la « buffer layer » ou « couche tampon » - dont l’épaisseur nominale de 4 nm a été calculée pour accorder les deux multicouches et assurer un fonctionnement optimal en positionnant les extinctions hors-bandes aux longueurs d’onde correspondant aux raies solaires EUV potentiellement intenses. La première multicouche déposée sur le substrat poli est optimisée pour réfléchir la raie spectrale à 17,4 nm avec une période nominale de 8,95 nm. La seconde multicouche déposée par-dessus la première doit réfléchir la raie spectrale à 30,4 nm et a donc une période nominale de 16,5 nm. On rappelle que les courtes longueurs d’onde correspondent à des énergies plus grandes, et c’est pourquoi la

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Figure 80. Photo du miroir bi-périodique en Al/Mo/SiC après traitement dans le bâti de pulvérisation MP800 du LCF, en salle blanche (a). Le miroir est le carré au centre du support tandis que les 4 substrats circulaires correspondent aux témoins du miroir. Le schéma (b) représente les différentes zones d’intérêt du miroir et le gradient d’épaisseur déposé du centre (R=0 mm) vers les bords du miroir (R=33 mm), ainsi que sur les témoins autour du miroir.

Pour l’étalonnage de FSI, il est essentiel de fournir la réponse spectrale en réflectivité du miroir bi- bande Al/Mo/SiC le plus précisément possible sur l’ensemble de la gamme spectrale EUV. Pour cela, on doit connaitre les épaisseurs déposées de chaque couche de matériau constituant le revêtement multicouche, et ce paramètre peut sensiblement varier selon la position sur le porte-échantillon lors du dépôt. Sur la photo de la Figure 80 (a), on constate que le miroir de vol (66 x 66 mm) est au centre du porte-échantillon tandis que les quatre échantillons circulaires qui l’entourent correspondent aux témoins de référence. Nous avons également illustré sur le schéma (b) de la Figure 80 la position du miroir avec les quatre témoins disposés autour de ce dernier, ainsi que les positions particulières au centre du miroir indiqué R=0 mm, et sur les bords dans les coins du miroir à R=33 mm. On notera que les épaisseurs de matériaux déposées au centre du miroir se rapprochent davantage des valeurs nominales visées que celles des bords du miroir et des témoins, et cela peut impacter significativement la réflectivité du revêtement multicouche, et par extension l’efficacité de l’instrument total. Or, la difficulté de l’étalonnage du miroir de vol de FSI, repose sur le fait que ce dernier n’a pas été directement mesuré. Nous avons initialement à notre disposition uniquement les valeurs d’épaisseurs nominales visées et la mesure du témoin associé au miroir de vol (MP15036-F29). Ainsi, ce sont les relations d’étalonnage de vitesse de dépôt du bâti de pulvérisation, qui vont nous permettre d’estimer les valeurs d’épaisseurs du miroir de vol au centre et sur ses bords à partir des mesures des témoins de référence.

Les résultats des épaisseurs visées et estimées dans chaque cas de figure du miroir multicouche bi-périodique Al/Mo/SiC sont répertoriés dans le Tableau 22. Nous nous réfèrerons à ces valeurs pour détailler la démarche suivie.

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Tableau 22. Structures nominales et estimées du miroir de référence, et du modèle de vol en son centre et sur ses bords (à 33 mm du centre) Epaisseurs nominales visées (nm) Témoin MP 15036-F29 (nm) Modèle de Vol à r=0 (Centre) (nm) Modèle de Vol à r=33 mm (Bord) (nm) SiO2 1,5 1,5 1,5 1,5 SiC 2,0 2,0 2,0 1,97 Mo 0,6 0,45 0,55 0,54 Al 11,0 11,1 11,2 11,17 SiC 4,7 d = 16,5 4,7 d = 16,25 4,7 d = 16,55 4,62 d = 16,43 Mo N=3 0,8 0,55 0,65 0,64 Al 11,0 11,0 11,2 11,17 Buffer Al 4,0 4,2 4,3 4,3 SiC 0,9 d = 8,95 0,9 d = 8,80 0,9 d = 9,0 0,88 d = 8,93 Mo N=30 2,15 1,85 1,95 1,92 Al 5,9 6,05 6,15 6,13 Substrat

La première étape pour déterminer précisément la réponse spectrale du miroir de vol consiste à simuler la réflectivité de la structure multicouche aux valeurs d’épaisseurs nominales visées, et de la comparer à la mesure du témoin de référence MP15036-F29 qui s’étend de 10 à 100 nm de longueur d’onde (Figure 81 (a) & (b)). Constatant que la simulation aux valeurs nominales ne s’accorde pas à la mesure, on a optimisé les épaisseurs pour accorder la réponse spectrale simulée avec la réflectivité mesurée de l’échantillon témoin, d’où les valeurs d’épaisseurs pour le témoin du Tableau 22. On observe également que l’indice optique Al_Compilation permet de simuler les extinctions hors- bande, et bien que cette simulation n’atteigne pas une réflectivité aussi élevée que la mesure au pic 17,4 nm à cause des incertitudes d’indice près du seuil L2,3 de l’aluminium, la largeur de la bande passante est correctement modélisée. Les divergences entre le modèle et la mesure au-delà de 40 nm de longueur d’onde sont une fois de plus liées aux indices optiques qui ne sont pas définis de façon suffisamment précise dans cette région du spectre.

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Figure 81. Mesure du témoin du miroir de vol de FSI et simulations réalisées grâce aux valeurs d'épaisseurs nominales et optimisées avec les tables d'indices de Shiles/Palik pour l'aluminium (Al Compilation) en échelle linéaire (a) et logarithmique (b)

D’après les relations d’étalonnage de vitesse de dépôt pour la pulvérisation cathodique de chaque matériau établi en 2015 lors de la fabrication de ces composants, et en comparant les efficacités simulées et mesurées de l’ensemble de l’instrument de l’étape suivante (Figure 84 & Figure 85), nous avons estimé les épaisseurs du miroir de vol en R=0 mm et en R=33 mm présentées dans le Tableau 22 à partir de l’optimisation du miroir de référence. Ainsi, les estimations d’épaisseurs de Al, Mo et SiC à 33 mm du centre du miroir devaient être corrigées d’un facteur approximatif de 0,983 pour Mo et SiC (déposés avec une vitesse de passage de l’échantillon constante), et d’environ 0,997 pour Al (déposé avec une correction de vitesse). Ces différentes valeurs sont importantes à prendre en considération car elles impliquent des effets sur la réponse en réflectivité du miroir de vol et sur l’efficacité de l’instrument total selon que la zone de l’image analysée soit obtenue après réflexion au centre ou au bord du miroir. Pour un même angle d’incidence, on modélise la réflectivité du miroir de vol en son centre (position nominale R = 0 mm) et excentrée à 33 mm du centre (R = 33 mm) selon les structures indiquées dans le Tableau 22.

(a)

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Figure 82. Simulations du miroir multicouche Al/Mo/SiC avec les paramètres de structure au centre (R=0 mm) et sur les bords (R = 33 mm) pour un angle de rasance de 85,5°, soit très proche de l’incidence normale à la surface. Les quatre graphiques mettent en évidence plusieurs zones spectrales d'ensemble et localisées autour des pics de réflectivité d’intérêt.

Sur la Figure 82, on compare les simulations de réflectivité en fonction de la longueur d’onde du miroir de vol Al/Mo/SiC avec l’estimation d’épaisseurs au centre et sur les bords. On observe que la réponse en réflectivité du miroir en R=33 mm est décalée vers les courtes longueurs d’ondes et que cet effet est plus particulièrement visible autour du pic de réflectivité à 17,4 nm (Figure 82 (b)). Nous verrons comment cela impacte l’étalonnage de FSI dans la section suivante concernant l’efficacité de l’ensemble de l’instrument et notamment sur son uniformité.

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Figure 83.Simulations de l’effet de l'angle d'incidence sur la réflectivité du miroir à R=33 mm autour de 17,4 nm (a) et de 30,4 nm de longueur d'onde (b)

Pour finir, nous avons simulé la réponse spectrale en réflectivité au bord du miroir (R = 33 mm) en faisant varier l’angle d’incidence entre les valeurs extrêmes d’utilisation de FSI de 85,3° jusqu’à 86,1° par pas de 0,2°, et nous avons mis en évidence les valeurs de réflectivité autour des longueurs d’onde d’intérêt à 17,4 nm et à 30,4 nm (Figure 83). On constate un très faible effet de la variation d’angle sur le spectre de réflectivité avec un décalage vers les grandes longueurs d’onde de l’ordre de 0,02 nm. Ce paramètre est négligeable par comparaison aux effets de bords qui peuvent induire des décalages dix fois plus importants allant jusqu’à 0,2 nm.

En conclusion, le modèle du miroir de vol en R=0 mm qui sera utilisé pour l’étalonnage de l’instrument est à nouveau un modèle fusionnant mesure et résultats semi-empiriques puisque de 1 à 40 nm, on utilise la modélisation R=0 mm optimisée et étant donné la divergence significative du modèle avec la mesure du témoin aux grandes longueurs d’ondes, on complètera le modèle avec la mesure du témoin dans cette région spectrale.

(a)

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