Brevet FR2595479A1 — publié le 19870911

"Hlément de commutation de lumière magnéto-optique et son procédé de fabrication." L'invention concerne un élément de commutation de lumière magnéto-optique muni d'îlots formés à partir d'une couche épitaxiale à base de grenat de fer-métal de terres rares, portant comme substituant, du bismuth et appliquée sur un substrat de grenat optiquement transparent, non magnétiquement orienté, de résistances de chauffage intégrées disposées sur les ilots et d'une bobine enfermant les îlots. De plus, l'invention concerne un procédé pour la réalisation d'un tel élément de commutation de lumière magnéto-optique, ainsi que son utilisation. Le traitement de textes, de graphiques et d'images s'effectue dans une mesure croissante par traitement de données électroniques. Pour la sortie de l'information, il existe des imprimantes rapides présentant une résolution élevée, comme par exemple les imprimantes électrophotograhiques munies de têtes imprimantes optiques. De l'information technique 84 07 16 de la société Valvo, on connaît un module de commutation de lumière magnéto- optique, qui se prête convenablement à la réalisation de telles têtes imprimantes optiques compactes présentant une résolution élevée. Les modules connus contiennent une série d'éléments de commutation de lumière ponctuels qui peuvent être commutés d'une façon indépendante les uns des autres, par voie thermomagnétique entre un état transmettant la lumière et un état ne transmettant pas la lumière. Pour la réalisation des éléments de commutation de lumière, on part d'un substrat monocristallin orienté dans la direction (111) et constitué par du grenat de gadolinium-gallium substitué. Sur ce substrat, on applique par épitaxie une couche en grenat de fer - métal de terres rares, portant comme substituant, du bismuth, qui satisfait à la composition qualitative (Gd, Bi)3, (Fe, Ga, Al)5012. De telles couches et substrats sont connus de J. Cryst. Growth 64 (1983),pages 275 à 284. Pour obtenir des éléments de commutation de lumière séparés, la majeure partie de la couche magnétooptique recouvrant d'abord tout le substrat est enlevée à l'aide d'un processus de décapage à masque photolithographique, de façon qu'il ne subsiste que des îlots séparés. Chaque îlot constitue la base pour un élément de commutation de lumière. L'espace compris entre les éléments de commutation de lumière est recouvert d'une couche imperméable à la lumière à l'aide d'un autre processus à masque. De ce fait, la lumière ne peut traverser que les éléments de commutation de lumière. Or, alors que le substrat n'est pas magnétiquement orienté et est inactif du point de vue optique, la couche magnéto- optique présente une magnétisation spontanée qui, étant donné la répartition non statistique des ions bismuth dans le réseau cristallin est toujours alignée perpendiculairement à la face de la couche, donc ne peut prendre que deux directions: soit parallèlement, soit anti-parallèlement à la normale à la couche. Lorsque de la lumière polarisée linéairement traverse cette couche, le plan de polarisation de cette lumière est tourné dans le sens des aiguilles d'une montre ou en sens inverse par suite de l'effet de Faraday, ceci suivant la direction de magnétisation. Cette rotation du plan de polarisation est transformée par une optique de polarisation en une modulation lumineuse de la lumière. A cet effet, la couche est appliquée entre deux feuilles de polarisation, donc des feuilles qui ne transmettent de la lumière que d'un plan de polarisation déterminé. La première feuille (polariseur) sert au filtre de lumière polarisée linéairement à partir de lumière incidente et la deuxième feuille (analyseur) au blocage de la lumière de l'un des plans de polarisation à la sortie. De la lumière présentant un plan de polarisation appartenant à l'autre direction de magnétisation est transmise de façon correspondante par les éléments de commutation de lumière. Un renversement de la direction de magnétisation aboutit au passage de l'état ne transmettant pas la lumière à l'état transmettant la lumière ou inversement. Dans un élément de commutation de lumière, il s'établit continuellement une direction de magnétisation uniforme, aussi longtemps que les dimensions des éléments de commutation de lumière ne dépassent pas une grandeur critique d'environ 500/um. Pour des dimensions d'éléments de commutation de lumière situées dans la gamme inférieure à 100/um, comme utilisées pour des applications de têtes imprimantes, la direction de magnétisation est extrêmement stable. D'autre part, la stabilité de direction de la magnétisation dépend de la température: elle baisse fortement à des températures supérieures à 150 C. Cet effet est mis à profit pour la commutation. A cet effet, dans un angle de chaque élément de commutation de lumière est disposé un élément de résistance par la technique des couches miinces et connecté par l'intermédiaire d'un réseau de conducteurs à une électronique d'excitation. De plus, une bobine constituée par une simple spire est disposée de façon à entourer tous les éléments de commutation de lumière d'une ligne de commutation de lumière. Pour la commutation d'un élément de commutation de lumière, une impulsion de courant d'une durée d'environ /us, traverse la résistance. Dans les environs de cet élément de résistance (élément de chauffage), la température monte ainsi jusqu'audessus de 150 C, de sorte que la stabilité de la magnétisation dans le matériau au-dessous de l'élément de résistance baisse fortement. La bobine permet alors d'établir un champ magnétique d'environ 20 kA/m pendant une durée d'environ /us. Sous l'effet de ce champ, la magnétisation dans la région chauffée s'oriente vers le champ magnétique extrême. Ainsi, il s'est formé un "germe" pour un nouveau domaine magnétique. Celui-ci se gonfle sous l'effet du champ magnétique établi pour quelques microsecondes jusqu'à ce qu'il recouvre tout l'élément de commutation de lumière et provoque à nouveau une magnétisation uniforme. Pour la fonction d'un tel élément de commutation de lumière, outre la grandeur de la rotation de Faraday, de la température de compensation et de la constante de réseau de la couche épitaxiale, l'anisotropie magnétique dite uniaxiale Ku du matériau de la couche est d'importance décisive. L'expérience nous apprend que des couches épitaxiales en grenat de fer - yttrium ou gadolinium portant comme substituant du bismuth et formées par croissance dans la direction (111) présentent une forte anisotropie positive Ku, qui est induite par croissance et dont la grandeur augmente avec la teneur en bismuth dans le cas de couches précipitées à partir d'un bain donné. Des valeurs positives pour l'anisotropie Ku assurent que le vecteur de magnétisation s'établit perpendiculairement au plan de la couche, comme il est nécessaire pour la fonction de l'élément de commutation de lumière décrit. D'autre part, dans le cas du processus de commutation thermique magnétique, la force qui attache la magnétisation à sa direction préférentielle, doit être vaincue par un champ magnétique extérieur. Dans le matériau utilisé jusqu'à présent pour la réalisation des éléments de commutation de lumière connus, ce champ dit de commutation magnétique est si grand qu'il ne peut être obtenu que par une bobine de fil enfermant les ilots magnéto- optiques dans la technique hybride et non par une bobine intégrée, ceci à cause de sa section transversale trop petite et de sa densité de courant augmentée correspondante. Etant donné l'opération séparée de la réalisation de la bobine, les éléments de commutation de lumière magnéto- optiques sont coûteux pour la réalisation et l'électronique de commande pour la réalisation des courants d'intensité nécessairement élevés entraîne des dépenses assez élevées. Un autre désavantage de l'utilisation d'une bobine de fil séparée est que la vitesse de commutation des éléments de commutation de lumière séparés est limitée à 2 kHz de fréquence de ligne par suite de la puissance dissipée se produisant dans le fil de la bobine. L'invention est basée sur l'idée d'améliorer l'élément de commutation de lumière magnéto-optique mentionné dans le préambule de façon que son anisotropie uniaxiale Ku qui est induite par croissance et qui détermine le comportement de commutation de l'élément de commutation de lumière magnéto- optique soit abaissée pour une même rotation de Faraday et que sa réalisation soit notablement simplifiée. Conformément à l'invention, ce but est atteint du fait que le substrat est orienté dans la direction (100) et que la bobine est sous forme d'une bobine intégée. Un procédé pour la réalisation d'un tel élément de commutation de lumière magnéto-optique est caractérisé en ce que sur un substrat de grenat orienté dans la direction (100), optiquement transparent, non magnétiquement orienté est déposée une couche épitaxiale d'un bain à base de grenat de fer-métal de terres rares, portant comme substituant, du bismuth, qu'à partir de la couche épitaxiale sont formés des îlots à l'aide d'un processus photolithographique, qu'une résistance de chauffage intégrée est disposée sur chaque îlot et qu'ensuite une bobine intégrée enfermant l'îlot est formée sur le substrat. L'invention met à profit la conclusion que des. couches réalisées avec des bains comme utilisés pour la réalisation des couches épitaxiales magnéto-optiques connues en grenat de fer-métal de terres rares, portant comme substituant, du bismuth à l'aide d'un substrat de grenat non magnétiquement orienté dans la direction (111) présentent des valeurs notablement plus faibles pour l'anisotropie magnétique induite par croissance Ku pour des valeurs égales pour la rotation de Faraday et la température de compensation du matériau de grenat magnétiques dans le cas d'utilisation de substrats de grenat non magnétiquement orientés dans la direction (100). Les avantages obtenus avec l'invention sont notablement constitués en ce qu'à base de l'anisotropie uniaxiale réduite du matériau de grenat magnéto-optique, tout en maintenant la valeur élevée connue pour la rotation de Faraday, un champ de commutation magnétique extérieur relativement faible suffit pour vaincre la force qui fixe la magnétisation à sa direction préférentielle dans un processus de commutation thermomagnétique. Un tel champ de commutation magnétique peut être obtenu à l'aide d'une bobine intégrée réalisée par un processus photolithographique sur le substrat. Par suite de la possibilité de pouvoir utiliser une bobine intégrée, il en résulte notamment pour une réalisation en grandes séries l'avantage notable qu'au moins soixante lignes présentant chaque fois plus de 500 éléments de commutation de lumière magnéto-optiques peuvent être munies simultanément d'une bobine, ce qui réduit notablement les frais de réalisation. De plus, étant donné la géométrie avantageuse (de plus faibles distances entre les éléments de commutation de lumière) d'une bobine à couche mince intégrée en forme de méandre, comparativement & une bobine de fil, il est possible d'obtenir un champ de commutation magnétique désiré avec moins de 50% du courant de bobine nécessaire pour le fonctionnement d'une bobine de fil. A cause de la plus faible puissance dissipée d'une bobine intégrée, l'échauffement non désirable de l'élément de commutation de lumière est réduit. Etant donné la plus faible anisotropie magnétique induite par croissance, il résulte l'autre avantage d'une réduction additionnelle du courant de bobine. Un exemple de réalisation de l'invention sera décrit et le fonctionnement conforme à l'invention sera expliqué à l'aide du dessin. La figure la montre une section et une vue en plan d'un substrat présentant des éléments de commutation de lumière munis de bobines de fil extérieures, La figure lb montre une section et une vue en plan d'un substrat muni d'éléments de commutation de lumière et de bobines à couche mince intégrées. La figure 2 est une représentation graphique illustrant la dépendance de la puissance de chauffage du courant dans une bobine de fil extérieure a) pour un élément de commutation de lumière magnéto-optique conforme à l'invention et b) pour un élément de commutation de lumière magnétooptique selon l'état de la technique. Des couches en grenat de fer-gadolinium, portant, comme substituants du bismuth, furent déposées sur des substrats en grenat de gallium-gadolinium portant comme substituants, du calcium-magnésium- zirconium orientés dans la direction (111) présentant une constante de réseau as= 1,250 nm par épitaxie isotherme sur des substrats portés enrotation et maintenus dans une position horizontale. Après homogénéisation pendant plusieurs heures du bain, à partir duquel sont formées par croissance les couches épitaxiales, la température du bain est abaissée jusqu'à la température de croissance et le substrat, qui est fixé à un support de platine, est porté dans une position horizontale, 10 mm au-dessus du bain dans une position d'attente. Après environ 3 minutes, lorsque le substrat a atteint la température de croissance nécessaire, le substrat est plongé sur 30 à 40 mm dans le bain et immédiatement porté en rotation, le sens de rotation étant alterné tous les 2,5 s. Pour terminer le procédé de croissance, le substrat est tiré du bain et des restes adhérents du bain furent jetés dans une mesure notable par rotation rapide. Des couches épitaxiales d'une épaisseur de couche de 4,7/um furent déposées sur un substrat d'une épaisseur d'envron 0,5 mm. Dans le tableau I ci-après, la composition d'un bain utilisé pour cet exemple de réalisation est indiquée par la teneur en cations en % en atomes. Ts signifie la température de saturation. TABLEAU I Pb Bi B FE Gd Ga Al TS(K) 38,72 34,62 12,17 12,25 0,73 0,49 1,02 1093 Le Tableau II indique la composition, les paramètres de réalisation et les propriétés d'une couche formée par croissance selon le bain du Tableau I, ou des couches déposées sur des substrats de grenat de gadolinium-gallium, portant comme substituant du calcium-magnésium- zirconium et orientées dans la direction (111) (état de la technique) et dans la direction (100) (invention): = Température de saturation = Surfusion = Adaptation erronnée du réseau = Température de compensation = Rotation de Faraday à 633 nm de longueur d'onde = Epaisseur de couche = Constante d'anisotropie magnétique induite par croissance TABLEAU TT _ _ TS - TS lA aè| TK d K (K) (K) (nm) (K) (degré/cm) (/um) (J/u3) u, E. ,I couche L111 Gd2,04Bi0 96Fe4,45Gao,20A1035012 1093 42 comparativement à la valeur pour la couche connue. La figure lb représente une partie d'une ligne de commutation de lumière magnéto-optique présentant plusieurs éléments de commutation de lumière magnéto-optique sur un substrat de grenat non magnétiquement orienté 3 en section et en plan. A partir de couches épitaxiales de grenat de fermétal de terres rares, portant comme substituant du bismuth, réalisées de la façon décrite ci-dessus, d'une épaisseur de 5,5/um, on réalisa, par décapage, à l'aide d'un processus de décapage photolithographique, des îlots 1 d'une longueur de côté d'environ 100/um, qui sont entourés de bobines en forme de méandre 5, réalisées dans la technique des couches minces d'une épaisseur de couche d'environ 10/um et d'une largeur de conducteur d'environ 50/um. Sur les îlots 1 sont appliquées des résistances de chauffage 7 réalisées selon la technique des couches minces. La mesure des paramètres de commutation fut effectuée à l'aide de la ligne de commutation de lumière présentant plusieurs éléments de commutation de lumière réalisés en section, pour lesquels on réalisa le champ de commutation magnétique à l'aide d'une bobine de fil 9 comportant deux spires. La figure 2 représente le comportement de commutation mesuré pour des éléments de commutation de lumière avec des couches conformes à l'invention (L100 et L 111) conformément au Tableau II sous forme de la dépendance de la puissance de chauffage nécessaire de courant de la bobine magnétique. Les deux matériaux de couche montrent une valeur de seuil prononcée du courant dans la bobine. Au-dessous de cette valeur de seuil, la puissance de chauffage nécessaire augmente fortement. Un fonctionnement des éléments de commutation de lumière n'est possible que dans le cas de courant dans la bobine au-dessus de cette valeur de seuil, du fait que dans le cas d'une plus grande puissance de chauffage, la durée de vie des résistances de chauffage baisse notablement. De la figure 2, il ressort que la valeur de seuil des éléments de commutation de lumière comportant la couche conforme à l'invention L 100 se situe à une valeur notablement plus faible pour le courant dans la bobine que pour un élément de commutation de lumière présentant la couche selon l'état de la technique L111. Alors que pour l'élément de commutation de lumière présentant la couche Lll1 il faut un courant de bobine de 13 A, l'élément de commutation de lumière comportant la couche L 100 se laisse déjà commuter avec un courant de bobine 3,5 A. Du fait que le courant se consomme de façon quadratique dans la puissance dissipée de la bobine, il ne se produit à 3,5 A qu'environ 7% de la puissance dissipée. De plus, par suite de la réduction de la puissance de chauffage nécessaire, il se produit une plus longue durée de vie des résistances de chauffage intégrées. Etant donné la possibilité d'utilisation d'une bobine à couches minces en forme de méandre intégrée, il se produit une réduction notable de la puissance dissipée de la bobine magnétique, comparativement à une bobine magnétique composée d'enroulements de fil. Dans le cas d'une largeur de conducteur de /um, d'une épaisseur de 10/um, d'une longueur de 10,5 cm, d'une résistivité de 3,10-6 Q cm et d'un courant de 1,5 A, il se produit, dans la bobine intégrée, une puissance dissipée de 1 W. Cette valeur est calculée pour une fréquence de ligne de 3 kHzet une largeur de bobine magnétique 2 x 12 /us pour l'élément de commutation de lumière comportant la couche L 100. Dans le cas d'utilisation d'un élément de commutation de lumière comportant la couche L111, il faudrait un courant de 5,6 A pour la commutation; il se produit à cet effet une puissance dissipée d'environ 14 W qui, du point de vue technique de chaleur, ne pouvait pas être maîtrisée dans une bobine intégrée et aboutirait à la perturbation de la ligne de commutation de lumière. De ce fait, les éléments de commutation de lumière connus à base d'une couche en grenat de fer- métal de terres rares, portant, comme substituant, du bismuth sur un substrat en grenat non magnétique, orienté dans la direction (111) ne peuvent être commutés qu'avec une bobine de fil externe qui, étant donné l'assez grande section transversale du fil, présente une faible résistance et peut fonctionner avec une puissance dissipée suffisamment petite d'environ 5W. REVENDICATIONS: 1. Elément de commutation de lumière magnéto-optique muni d'îlots formés à partir d'une couche épitaxiale à base de grenat de fer-métal de- terres rares, portant, comme substituant, du bismuth et appliquée sur un substrat de grenat optiquement transparent non magnétiquement orienté, de résistances de chauffage intégrées disposées sur les îlots et d'une bobine enfermant les îlots, caractérisé en ce que le substrat est orienté dans la direction (100) et que la bobine est sous forme d'une bobine intégrée. 2. Élément de commutation de lumière magnéto-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est constitué par du grenat de gallium-métal de terres rares. 3. Elément de commutation magnéto-optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat est constitué par du grenat de galliumgadolinium, portant, comme substituant, du calcium-magnésium-zirconium répondant à la formule générale (Gd,Ca)3(Ga,Mg,Zr)5012 4. Elément de commutation de lumière magnéto-optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat est constitué par du grenat de galliumnéodymium, portant, comme substituant, du calcium-magnésium-zirconium et répondant à la formule générale (Nd,Ca)3(Ga,Mg,Zr)5012. 5. Elément de commutation magnéto-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche épitaxiale est constituée par du grenat de fer - métal de terres rares, portant, comme substituant, du bismuth et répondant à la formule générale (SE, Bi)3(Fe, Ga, Al)5012. 6. Élément de commutation de lumière magnéto-optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche épitaxiale présente une composition répondant à la formule Gd2,04Bi0,96Fe4,45Gao0,20A0,35012- 7. Élément de commutation de lumière magnéto-optique selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bain à partir duquel est formée par croissance la couche épitaxiale contient comme flux de l'oxyde de plomb et de l'oxyde de bore, à teneur en bore située dans la gamme de 6,5 à 12,7% en atomes (teneur en cations). 8. Elément de commutation de lumière magnéto- optique selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la teneur en cations en % en atomes du bain utilisé pour la croissance de la couche épitaxiale présente les valeurs suivantes: Pb 38,72; Bi 34,62; B 12,17; Fe 12,25; Gd 0,73; Ga 0,49; Al 1,02 9. Elément de commutation de lumière magnéto-optique selon les revendications 1 à 8, caractérisé en ce que sur un substrat de grenat orienté dans la direction (100) optiquement transparent, non magnétiquement orienté est déposée une couche épitaxiale d'un bain à base de grenat-fer-métal de terres rares portant, comme substituant, du bismuth, qu'à partir de la couche épitaxiale sont formés des îlots à l'aide d'un processus photolithographique, qu'une résistance de chauffage intégrée est disposée sur chaque îlot et qu'ensuite une bobine intégrée enfermant l'îlot est formée sur le substrat. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que comme substrat, on utilise un grenat de gallium-métal de terres rares. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que comme substrat, on utilise un grenat de gallium-gadolinium portant, comme substituant, du calcium-magnésium-zirconium et répondant à la formule générale (Gd, Ca)3(Ga, Mg, Zr)5012. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que comme substrat, on utilise un grenat de galliumnéodymium portant, comme substituants, du calcium-magnésium et répondant à la formule générale (Nd, Ca)3 (Ga, Mg, Zr)5012. 13. Procédé selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu'une couche épitaxiale en un grenat de fer- métal de terres rares portant, comme substituant, du bismuth et répondant à la formule générale (SE, Bi)3(Fe, Ga, Al)5012. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'une couche épitaxiale d'une composition répondant à la formule Gd2,04Bio,96Fe4,45Ga0,20Alo,35012 est déposée sur le substrat. 15. Procédé selon l'une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que pour la croissance de la couche épitaxiale est utilisé un bain contenant de l'oxyde de plomb et de l'oxyde de bore comme flux présentant une teneur en bore située dans la gamme de 6,5 à 12,7% en atomes (teneur en cations). 16. Procédé selon la revendication 14 et 15 caractérisé en ce qu'on utilise un bain présentant la teneur en cations suivante en % en atomes Pb 38,72; Bi 34,62; B 12,17; Fe12,25; Gd 0,73; Ga 0,49; Al 1,02. 17. Procédé selon l'une des revendications 9 à 16 caractérisé en ce que la couche épitaxiale est déposée dans une épaisseur de couche située dans la gamme de 1 à 10/um. 18. Procédé selon au moins l'une des revendications 9 à 17, caractérisé en ce que des îlots d'une longueur de côté jusqu'à 500/um sont formés à partir de la couche épitaxiale. 19. Application de l'élément de commutation de lumière magnéto-optique selon les revendications 1 à 8 dans une tête d'imprimante magnéto-optique.