Magnetron Sputtered Quantized Nanolaminates: Development of Industrial Processes for Complex Optical Interference Filters
Author(s)
Editor(s)
Publisher
Université de Neuchâtel
Date issued
2026
Number of pages
197 pages
Subjects
Quantized Nanolaminates Magnetron Sputtering Optical Interference Coating Thin Film Deposition Laser Induced Damage Threshold Nanostructures laminaires quantifiées Pulvérisation cathodique magnétron Revêtement interférentiel optique Dépôt de couches minces Seuil de dommage induit par le laser
Abstract
Une grande partie de cette thèse a été réalisée dans le cadre de deux projets de recherche et développement et s’appuie sur les résultats obtenus dans ce contexte. Le premier projet était consacré aux tests et à l’optimisation du système de pulvérisation cathodique magnétron BPM 200 Clusterline d’Evatec.
De nombreux procédés ont été développés, principalement à base de Ta2O5 et de SiO2, et plusieurs sous-systèmes, tels que le système de surveillance optique (GSM), ont été testés et améliorés. Vers la fin de ce projet, deux procédés de dépôt de nanostructures laminaires quantifiées (QNL) ont été développés avec succès et brevetés.
Les nanostructures laminaires quantifiées sont des systèmes optiques multicouches dans lesquels des couches ultraminces, disposées périodiquement en alternance, limitent la mobilité des électrons de valence dans le matériau à fort indice et déplacent ainsi le bord d’absorption du système. Les perspectives prometteuses offertes par le brevet dans ce domaine encore relativement jeune ont motivé un deuxième projet de développement consacré presque exclusivement à la thématique des QNL.
La thèse commence par une présentation des bases de la physique optique, notamment la propagation des ondes dans les milieux optiques, l’indice de réfraction, le coefficient d’extinction et l’absorption. Le comportement des ondes électromagnétiques aux interfaces, les interférences dans les couches minces, ainsi que la conception et le calcul de systèmes multicouches et de filtres optiques courants sont ensuite discutés. Une partie substantielle est consacrée à la métrologie, présentant les principaux instruments et méthodes utilisés dans les projets, les grandeurs physiques accessibles et les limites des modèles sousjacents.
Cette partie est suivie d’une introduction générale à la pulvérisation cathodique magnétron et d’une description du système de dépôt et de ses principaux sous-systèmes, qui fournit la base des chapitres suivants consacrés à la fabrication, à la caractérisation et à l’interprétation des QNL.
Un chapitre théorique dédié traite ensuite plus en détail des QNL. Il présente le calcul de l’indice de réfraction effectif de piles laminaires, la description des décalages de bord de bande à l’aide d’un modèle simple de puits de potentiel fini basé sur l’équation de Schrödinger, ainsi que l’influence limitante de l’effet tunnel. Les différentes régions de la courbe d’absorption et la détermination du bord de bande au moyen de tracés de Tauc y sont discutées, établissant ainsi le cadre théorique pour l’interprétation
des résultats expérimentaux.
La partie expérimentale commence par la description de la configuration du système de pulvérisation et des méthodes d’évaluation utilisées. Un élément central est la participation à la compétition ≪ SPIE Laser Damage 2024 ≫ `a San Ramon (CA), axée sur le développement de miroirs présentant des seuils de dommage laser optimisés dans le régime femtoseconde à 1030nm. Plusieurs variantes de QNL ont été fabriquées, caractérisées, puis utilisées pour concevoir et produire les miroirs correspondants, qui
ont ensuite été testés lors de la compétition. Les résultats obtenus et les enseignements tirés sont présentés et discutés. Le projet n’étant pas encore achevé, plusieurs questions et thématiques restent ouvertes ; les plus importantes sont discutées et explicitées en conclusion.
ABSTRACT
The vast majority of this dissertation was carried out within two research and development projects and is based on the insights obtained there. The first project focused on testing and optimizing the Clusterline 200 BPM magnetron sputtering tool from Evatec. Numerous processes were developed, mainly based on Ta2O5 and SiO2, and several subsystems such as the optical monitoring system (GSM) were tested and further improved. Towards the end of the project, two processes for the deposition
of quantized nanolaminates (QNL) were successfully developed and patented.
Quantized nanolaminates are optical multilayer systems in which periodically alternating, ultrathin layers restrict the mobility of valence electrons in the high index material and thereby shifting the absorption edge of the system. The promising perspectives of the patent in this still relatively young field motivated a second continuing project devoted almost exclusively to the QNL topic.
The thesis first introduces the fundamentals of optical physics, including wave propagation in optical media, the refractive index, extinction coefficient, and absorption. The behavior of electromagnetic waves at interfaces, thin-film interference, and the design and calculation of multilayer systems and common optical filters are then discussed. A substantial part is devoted to metrology, which presents the key instruments and methods used in the projects, their accessible physical quantities, and the
limitations of the underlying models. This is followed by a general introduction to magnetron sputtering and a description of the sputtering system and its main subsystems, which provides the basis for the subsequent chapters on QNL fabrication, characterization, and interpretation.
A dedicated theory chapter then addresses QNL in more detail. The chapter introduces the calculation of the effective refractive index of laminate stacks, the description of band edge shifts using a simple finite potential well model based on the Schrödinger equation, and the limiting influence of tunneling. The different regions of the absorption curve and the determination of the band edge via Tauc plots are discussed, establishing the theoretical framework for interpreting the experimental results.
The experimental part begins with a description of the configuration of the sputtering system and the evaluation methods used. A central element is the participation in the 2024 SPIE Laser Damage Competition in San Ramon (CA), which focused on the development of mirrors with optimized femtosecond laser damage thresholds at 1030nm. Various QNL variations were fabricated, characterized, and used to design and produce the corresponding mirrors, which were then tested in the competition.
The results and insights gained are presented and discussed. As the project is not finished, there are still open questions and topics, where the most important topics are discussed and explained in the end.
De nombreux procédés ont été développés, principalement à base de Ta2O5 et de SiO2, et plusieurs sous-systèmes, tels que le système de surveillance optique (GSM), ont été testés et améliorés. Vers la fin de ce projet, deux procédés de dépôt de nanostructures laminaires quantifiées (QNL) ont été développés avec succès et brevetés.
Les nanostructures laminaires quantifiées sont des systèmes optiques multicouches dans lesquels des couches ultraminces, disposées périodiquement en alternance, limitent la mobilité des électrons de valence dans le matériau à fort indice et déplacent ainsi le bord d’absorption du système. Les perspectives prometteuses offertes par le brevet dans ce domaine encore relativement jeune ont motivé un deuxième projet de développement consacré presque exclusivement à la thématique des QNL.
La thèse commence par une présentation des bases de la physique optique, notamment la propagation des ondes dans les milieux optiques, l’indice de réfraction, le coefficient d’extinction et l’absorption. Le comportement des ondes électromagnétiques aux interfaces, les interférences dans les couches minces, ainsi que la conception et le calcul de systèmes multicouches et de filtres optiques courants sont ensuite discutés. Une partie substantielle est consacrée à la métrologie, présentant les principaux instruments et méthodes utilisés dans les projets, les grandeurs physiques accessibles et les limites des modèles sousjacents.
Cette partie est suivie d’une introduction générale à la pulvérisation cathodique magnétron et d’une description du système de dépôt et de ses principaux sous-systèmes, qui fournit la base des chapitres suivants consacrés à la fabrication, à la caractérisation et à l’interprétation des QNL.
Un chapitre théorique dédié traite ensuite plus en détail des QNL. Il présente le calcul de l’indice de réfraction effectif de piles laminaires, la description des décalages de bord de bande à l’aide d’un modèle simple de puits de potentiel fini basé sur l’équation de Schrödinger, ainsi que l’influence limitante de l’effet tunnel. Les différentes régions de la courbe d’absorption et la détermination du bord de bande au moyen de tracés de Tauc y sont discutées, établissant ainsi le cadre théorique pour l’interprétation
des résultats expérimentaux.
La partie expérimentale commence par la description de la configuration du système de pulvérisation et des méthodes d’évaluation utilisées. Un élément central est la participation à la compétition ≪ SPIE Laser Damage 2024 ≫ `a San Ramon (CA), axée sur le développement de miroirs présentant des seuils de dommage laser optimisés dans le régime femtoseconde à 1030nm. Plusieurs variantes de QNL ont été fabriquées, caractérisées, puis utilisées pour concevoir et produire les miroirs correspondants, qui
ont ensuite été testés lors de la compétition. Les résultats obtenus et les enseignements tirés sont présentés et discutés. Le projet n’étant pas encore achevé, plusieurs questions et thématiques restent ouvertes ; les plus importantes sont discutées et explicitées en conclusion.
ABSTRACT
The vast majority of this dissertation was carried out within two research and development projects and is based on the insights obtained there. The first project focused on testing and optimizing the Clusterline 200 BPM magnetron sputtering tool from Evatec. Numerous processes were developed, mainly based on Ta2O5 and SiO2, and several subsystems such as the optical monitoring system (GSM) were tested and further improved. Towards the end of the project, two processes for the deposition
of quantized nanolaminates (QNL) were successfully developed and patented.
Quantized nanolaminates are optical multilayer systems in which periodically alternating, ultrathin layers restrict the mobility of valence electrons in the high index material and thereby shifting the absorption edge of the system. The promising perspectives of the patent in this still relatively young field motivated a second continuing project devoted almost exclusively to the QNL topic.
The thesis first introduces the fundamentals of optical physics, including wave propagation in optical media, the refractive index, extinction coefficient, and absorption. The behavior of electromagnetic waves at interfaces, thin-film interference, and the design and calculation of multilayer systems and common optical filters are then discussed. A substantial part is devoted to metrology, which presents the key instruments and methods used in the projects, their accessible physical quantities, and the
limitations of the underlying models. This is followed by a general introduction to magnetron sputtering and a description of the sputtering system and its main subsystems, which provides the basis for the subsequent chapters on QNL fabrication, characterization, and interpretation.
A dedicated theory chapter then addresses QNL in more detail. The chapter introduces the calculation of the effective refractive index of laminate stacks, the description of band edge shifts using a simple finite potential well model based on the Schrödinger equation, and the limiting influence of tunneling. The different regions of the absorption curve and the determination of the band edge via Tauc plots are discussed, establishing the theoretical framework for interpreting the experimental results.
The experimental part begins with a description of the configuration of the sputtering system and the evaluation methods used. A central element is the participation in the 2024 SPIE Laser Damage Competition in San Ramon (CA), which focused on the development of mirrors with optimized femtosecond laser damage thresholds at 1030nm. Various QNL variations were fabricated, characterized, and used to design and produce the corresponding mirrors, which were then tested in the competition.
The results and insights gained are presented and discussed. As the project is not finished, there are still open questions and topics, where the most important topics are discussed and explained in the end.
Notes
Presented in:
December 2025
To the Jury of:
Prof. Dr. Thomas Südmeyer UniNE Director
Dr. Valentin Wittwer UniNE Examiner
Dr. Silvia Schwyn Thöny Evatec Examiner
Dr. Matthias Golling RhySearch Examiner
No de thèse : 3241
December 2025
To the Jury of:
Prof. Dr. Thomas Südmeyer UniNE Director
Dr. Valentin Wittwer UniNE Examiner
Dr. Silvia Schwyn Thöny Evatec Examiner
Dr. Matthias Golling RhySearch Examiner
No de thèse : 3241
Publication type
doctoral thesis
File(s)