Brevet FR2647551A1 — publié le 19901130

La présente invention concerne la mesure électro-optique de signaux et plus particulièrement des sondes pour effectuer des mesures électrooptiques sans contact de signaux électriques sur des conducteurs (Le mot conducteurs désigne également des élec- S05 trodes, des lignes et d'autres éléments) acheminant de tels signaux. L'invention convient particulièrement à la mesure de signaux électriques sur des dispositifs et des structures de dimen- sions inférieures au micromètre, tels que des circuits intégrés, dans des applications o la sonde est disposée dans le champ limi- trophe à proximité immédiate des conducteurs sur les circuits et l'on désire mesurer les signaux avec une résolution d'une pico- seconde ou même moins. On a déjà effectué des mesures électro-optiques de signaux électriques en utilisant des éléments éLectro-optiques, tels que des cristaux, dont l'indice de réfraction change en fonction de l'intensité du champ électrique mesuré. Un faisceau laser d'échantillonnage d'impulsions courtes, de l'ordre de la picoseconde, est focalisé sur le cristal dans la région du champ électrique limitrophe. Par échantillonnage électrooptique, le signal peut être extrait et affiché avec une résolution d'une picoseconde et même moins. La résolution spatiale est déterminée par la grosseur de la section droite du faisceau (spot laser) dans l'élément éLectro-optique. Pour plus d'informations concernant la mesure électrooptique mentionnée ci-dessus, on peut se reporter aux brevets des EUA indiqués ci-après et aux articles qui y sont cités: 4 446 426, 4 618 819, 4 603 293. Un autre brevet des EUA, délivré en juillet 1987 sous le n 4 618 449, décrit également les techniques et systèmes des brevets précités aux noms de Mourou et autres. Des sondes éLectro-optiques perfectionnées pour l'échan- tillonnage électro-optique sont décrites aussi dans la demande de brevet des EUA n 218 178, délivrée le 13 juillet 1988 au nom de Steven L. Williamson, inventeur de la présente. Les sondes électro-optiques et en particulier leurs cristaux électrooptiques, sont très petits et très fragiles. Ils sont donc sujets à l'endommagement. De plus, pour que des mesures 26 4 7551 de signaux puissent être effectuées avec une haute résolution spatiale, les sondes doivent être positionnées avec précision près du conducteur du dispositif testé, de manière que la région du cristal traversée par le faisceau optique d'échantillonnage soit située dans le champ limitrophe du signal électrique sur le conduc- teur d'intérêt. Un autre problème posé par les sondes électro-optiques à semiconducteur est que le faisceau d'échantillonnage induit une photoconductivité dans le matériau électro-optique de la sonde, ce qui provoque la circulation de porteurs de charge qui forment un écran pour les champs limitrophes du dispositif testé, réduisant ainsi de façon notable la modulation du signal optique par le champ électrique exploré au moyen de la sonde. Le but principal de la présente invention est de procurer une sonde électro-optique perfectionnée, possédant un élément électro-optiqué monté en étant supporté rigidement tant qu'il n'est pas en contact avec un autre objet, qui puisse être positionné avec précision et qui soit protégé contre l'endommagement physique en cas de contact avec le dispositif testé au même d'autres objets, par exemple lorsqu'il tombe sur une surface dure. Un autre but de la présente invention est de procurer une sonde électrooptique dont la position par rapport à Un conducteur du dispositif testé puisse être déterminée par la surveillance de l'amplitude du signal fourni par le faisceau optique traversant la sonde. Encore un autre but de l'invention est de procurer une sonde électrooptique dans laquelle les effets nuisibles de la photoconductivité et de porteurs de charge produits par le faisceau optique d'échantillonnage soient réduits. Décrit succinctement, une sonde électro-optique selon l'invention possède un élément électro-optique (un cristal par exemple) qui est supporté en porte à faux par une lame flexible, à l'extrémité libre de celle-ci. La lame est faite d'une bande de matériau flexible, par exemple d'une feuille métallique ayant une épaisseur de 3 à 5 pm, et qui est précontrainte de manière 3 cons- tituer un support rigide pour l'élément électro-optique tant que ceLui-ci ne vient pas en contact avec un autre objet. Le contact mécanique de l'élément éLectro-optique avec un autre objet fait fléchir la lame, ce qui absorbe les impacts et autres forces méca- niques susceptibles d'endommager le matériau électro-optique (le S05 cristal). De plus, lorsque la lame n'est pas fLéchie par un tel impact ou une autre force mécanique sous l'effet d'un contact de l'élément électrooptique avec un objet, un faisceau optique d'échantillonnage est focalisé sur la sonde, par exemple au moyen d'une lentille-objectif de grande puissance et de faible profondeur de champ. Le faisceau traverse le cristal et peut être réfléchi par une couche réfléchissante prévue sur L'autre côté du cristal, en vue du renvoi du faisceau à un photodétecteur. Du fait que le faisceau est défocalisé lorsque la position de la sonde est changée, l'illumination du photodétecteur et le signal obtenu à partir de ce dernier indiquent le contact de la sonde avec le dispositif testé. Le moment précis o la sonde vient en contact avec le dispositif, est indiqué par le changement du signal délivré par le photodétecteur. Le dispositif testé peut alors être recuLé légèrement; l'augmentation de l'amplitude du signal indique que la sonde est séparée du dispositif, ce qui permet le positionnement précis de la sonde avec une haute résolution spatiale. Conformément à ce qui précède, selon un premier mode de réalisation de l'invention, celle-ci apporte une sonde destinée à être utilisée dans un système pour la mesure électro-optique d'un signal électrique produisant un champ à l'aide d'un élément électro-optique au travers duquel passe ce champ et au travers duquel passe aussi un signal optique, lequel est modulé par ce champ, la mesure concordant avec la modulation du signal optique, sonde qui est caractérisée en ce qu'elle comprend un support présentant une surface avec un bord, une bande de matériau flexible montée sur cette surface et s'étendant comme une lame support en porte à faux au-delà dudit bord, la lame ayant une extrémité libre, l'élément électro-optique étant monté sur cette lame qui lui sert de support flexible, entre ledit bord et l'extrémité libre de la lame, et s'étendant au-delà de cette extrémité libre jusqu'à une région o le signal optique coupe l'élément éLectro-optique. SeLon un autre mode de réalisation de l'invention, ceLLe-ci apporte une sonde éLectro-optique pour mesurer des champs électriques, qui est caractérisée en ce qu'elle possède un corps de matériau électro-optique, notamment un corps qui change la polari- sation de la lumière qui le traverse, conformément à l'effet Pockels, et est constitué par un semiconducteur. Le matériau contient des ions d'un élément de nombre atomique (Z) plus bas que le nombre atomique des éléments constitutifs du matériau électro- optique, ions qui ont été implantés en quantité suffisante dans ce matériau pour réduire sa conductivité. De cette manière, pendant une période d'impulsion optique d'échantillonnage, des porteurs de charge ne sont pas créés en quantité suffisante pour former un écran à l'égard du champ électrique exploré au moyen de la sonde. Le signal optique peut être un train d'impulsions ayant une certaine durée et une quantité suffisante d'ions implantés peut être teLLe que leur densité réduit le temps de relaxation diélec- trique du matériau électro-optique de manière qu'il soit inférieur de plusieurs facteurs de dix à ladite durée de chaque impulsion d'échantillonnage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue de dessus montrant une partie d'une sonde éLectro-optique comportant une lame en porte à faux servant de support pour un élément électro-optique; - la figure 2 est une coupe prise suivant la ligne 2-2 de la figure 1 et montrant en plus, schématiquement, une optique pour détecter la position de la sonde; - la figure 3 est une représentation schématique à plus grande échelle du cristal électro-optique utilisé dans la sonde des figures 1 et 2; et - la figure 4 est une représentation schématique montrant la sonde et un faisceau d'échantillonnage électro-optique en posi- tion adéquate pour mesurer le signal électrique sur un conducteur d'un dispositif testé. Lorsqu'on se reporte aux dessins et plus particulièrement aux figures 1 et 2, celles-ci montrent une lame porte-objets ou verre de montage 10, présentant une surface supérieure 12 avec un bord 14. Une bande 16 de matériau flexible est disposée sur la surface 12. L'épaisseur de cette bande est représentée de façon exagérée sur le dessin. Dans la pratique, cette épaisseur est de quelques micromètres (par exemple de 3 à 5 pm). Elle est faite d'une feuille de métal, avantageusement d'aluminium. La bande ou lame flexible 16 est précontrainte par le fléchissement de son extrémité arrière 18 vers le haut, de sorte qu'elle se trouve au-dessus de la surface 12, et par son immobilisation à cette posi- tion fléchie par une goutte 20 de ciment époxy. Ainsi, la lame 16 constitue un ressort plat tendu. La lame 16 peut avoir une longueur de 3 à 5 mm et elle se termine par une extrémité libre 22, correspondant au bout du support en porte à faux constitué par la lame. L'extrémité 22 peut se trouver à environ 1 mm du bord 14. La partie avant de la lame, se terminant par l'extrémité 22, peut être rétrécie en largeur, comme représenté sur la figure 1. Un élément électro-optique 24 est attaché à l'extrémité de la lame en porte à faux. Cette fixation est réalisée par une goutte 26 de matériau conducteur qui peut être de la peinture d'argent du type utilisé pour réaliser des contacts sur des électrodes. Ce matériau est connu commercialement sous le nom "Silverprint". Le faisceau optique d'échantillonnage est focalisé par une lentille-objectif 28 de manière que son foyer se trouve exacte- ment sur l'élément électro-optique 24 lorsque la lame est à l'état non fléchi, comme représenté sur les figures 2 et 4, par sa partie en porte à faux supportant l'élément 24. A ce moment, le faisceau est renvoyé par une couche métallique réfléchissante 30 (voir figure 3) et par un miroir semi-transparent 32, pour être focalisé sur la fenêtre d'un photodétecteur (PD) 34. Ce photodétecteur peut être constitué par une diode PIN combinée à des circuits d'amplification adéquats. La diode peut être indépendante du système qui détecte les impulsions optiques modulées par les champs limitrophes dus au signal sur un conducteur du dispositif testé. Ce systeme peut être du type décrit dans les brevets précités. Le circuit du photodétecteur comporte des filtres ou des intégrateurs, de sorte que Le signal optique d'échantillonnage, se présentant sous la forme d'impulsions, est lissé. L'amplitude du signal dépend de l'illumination du photodétecteur. Lorsque l'élément électro-optique 24 se déplace, le foyer devient flou et une plus faible quantité de lumière atteint le photodétecteur. Le signal de sortie du photodétecteur, rendu visible par un indicateur (IND) 25, sous la forme d'un instrument de mesure par exemple, indique que la partie en porte à faux de la lame est fléchie, de même que son degré de fléchissement. Lorsqu'on désire échantillonner un champ limitrophe, par exemple le champ électrique limitrophe d'un conducteur 34 d'un dispositif testé, par exemple d'un circuit intégré à mettre au point ou à contrôler, voir la figure 4, la position de la sonde peut être déterminée exactement. Par exemple, le dispositif à tester peut être monté sur une platine X-Y-Z mobile verticalement, dans le sens gauche-droite et dans le sens avantarrière, perpendiculairement au plan du dessin, comme indiqué par les flèches x, y et z. La platine est déplacée jusqu'à ce que la lame en porte à faux soit fléchie par le contact de l'élément électro-optique avec un composant du dispositif testé, le conducteur 34 par exemple. De ce fait, le faisceau reçu par le photodétecteur est défocalisé et le signal mesuré sur l'indicateur diminue en amplitude. En faisant reculer la platine légèrement, l'élément électro-optique 24 est écarté de la surface du composant avec lequel il était entré en contact. Ce recul peut correspondre à un déplacement sur une distance très faible, même inférieure à 1 pm par exemple. Le faisceau est alors focalisé de nouveau sur le photodétecteur et l'amplitude du signal augmente. A ce moment, la sonde est juste hors de contact avec le dispositif testé et se trouve dans le champ limitrophe. De plus, si la sonde heurte une surface de façon intem- pestive, par exemple si elle tombe sur une surface dure, la lame formant ressort absorbe le choc appliqué à la sonde, au lieu que ce choc provoque la rupture de la sonde, ce qui réduit la possiblité d'endommagements physiques. Pour la fabrication de La sonde, on produit un élément sous la forme d'un monocristal de matériau électro-optique, en arséniure de gallium (GaAs) par exemple, pouvant avoir une longueur de 1 mm, une largeur de quelques dixièmes de 1 mm et une épaisseur de 1 pm approximativement, par exemple. La fabrication de l'élément peut commencer par celle d'un substrat de GaAs non dopé ou semi- isolant par exemple. Ensuite, on peut faire croître épitaxialement une couche d'arrêt, en AlGaAs, d'épaisseur nettement inférieure à 1 pm. Apres cela, on fait croître la couche de GaAs de la sonde, avec une épaisseur d'un pm (micromètre) pour former le monocristal de matériau éLectro-optique (sensible à l'effet Pockels) en GaAs. Il est souhaitable d'implanter dans cette couche de GaAs, sous haute énergie, des ions d'un ou de plusieurs éLéments dont le nombre atomique est plus bas que celui du matériau électro-optique (GaAs dans ce cas). Il convient d'utiliser des ions d'oxygène ou d'hydrogène implantés sous haute énergie (100 à 500 keV) par un appareil d'implantation d'ions. On obtient ainsi une profondeur de pénétration de quelques micromètres, ce qui se traduit par la création de pièges de charges situés en profondeur et distribués de façon homogène dans tout le cristal de 1 Mm d'épaisseur de la sonde. L'implantation est poursuivie jusqu'à ce que suffisamment de pièges soient créés pour réduire la photoconductivité du matériau électrooptique. Il convient que la densité de ces pièges soit de 16 18 3 à 1018 par cm Etant donné qu'il y a 1023 atomes par cm3 dans le cristal de GaAs, les centres accepteurs (type P) représentent moins de 1 partie pour 105 tout au plus. Cependant, les centres sont en nombre suffisant pour réduire la conductivité de la sonde, par exemple d'environ 105 ohms-centimètres à plus de 1016 ohms- centimètres. Par suite, le temps de relaxation diélectrique est accru de plusieurs facteurs de dix (alors que le champ résultant de la photoconductivité est ramené à environ 80 % du champ en l'absence de lumière et de photoconductivité par L'inverse de la base des logarithmes népériens (1/e)). En d'autres termes, toute migration de porteurs de charge d'une certaine importance est rendue impossible pendant l'impulsion optique d'échantillonnage, pouvant avoir une durée de l'ordre d'une ou plusieurs picosecondes. Par conséquent, la possibilité de neutralisation du champ élec- trique à l'intérieur du matériau de La sonde est quasiment éLiminée. A la fin de l'impulsion optique, les porteurs de charge se recombinent (électrons avec trous). Donc, la photoconductivité de l'élément électro-optique 24 n'interfère pas avec l'échantil- lonnage électro-optique et la mesure du signal sur le conducteur 34 du dispositif testé. Pour revenir à la fabrication de l'élément 24, après l'obtention du monocristal de GaAs et l'implantation ionique, on élimine le substrat par meulage jusqu'à ce qu'il n'en reste plus qu'une mince couche sur la couche d'arrêt. Ensuite, on élimine le GaAs restant par gravure chimique. La gravure prend fin lorsque l'agent de gravure atteint la couche d'arrêt. Une couche de matériau métallique réfléchissant, tel que l'aluminium, est appliquée ensuite, par exemple par pulvérisation cathodique, sur le côté inférieur du cristal. Enfin, une couche antireflet, en fluorure de magnésium par exemple, est pulvérisée sur la face supérieure du cristal. Le cristaL peut à présent être découpé, ce qui est suivi de la sélection d'un segment d'environ 1 mm de long et quelques dixièmes de millimètre de large. Bien entendu, ce segment a une épaisseur d'environ 1 pm. Pour fixer ce segment à L'extrémité de la lame en porte à faux, on applique une substance adhésive sur le côté inférieur de cette extrémité, par exemple par pulvérisation de dissolution de caoutchouc. On applique ensuite la gouttelette de peinture d'argent 26, laquelle maintient le segment ou la plaquette en place. Une liaison conductrice est ainsi (ou d'une autre manière) établie entre la couche réfléchissante et conductrice de l'élément 24 et la lame conductrice 16 en passant par la goutte- lette d'argent 26. La lame est elle-même connectée à la masse (ou à un autre potentiel de référence). Donc, la couche réfléchissante et conductrice sur le dessous de l'élément constitue un écran à 264755 1; l'égard de champs indésirés, notamment à l'égard de champs origi- naires d'un conducteur 37 du dispositif testé (voir figure 4). Il ressort de la description qui précède que L'invention procure un dispositif perfectionné pour la mesure électro-optique de signaux et plus particulièrement des sondes électro-optiques perfectionnées convenant spécialement pour être utilisées dans un système de mesure de signaux par échantillonnage électro-optique. Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et que l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications, sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Sonde destinée à être utilisée dans un système pour la mesure éLectrooptique d'un signal électrique produisant un champ, à l'aide d'un élément électro-optique au travers duquel passe ce champ et au travers duquel passe aussi un signal optique, lequel est modulé par ce champ, la mesure concordant avec la modulation du signal optique, caractérisée en ce qu'elle comprend un support (10) présentant une surface (12) avec un bord (14), une bande (16) de matériau flexible montée sur cette surface et s'étendant comme une lame support en porte à faux au-delà dudit bord (14), la lame ayant une extrémité libre (22), l'élément électro-optique (24) étant monté sur cette lame (16) qui lui sert de support flexible, entre le bord (14) et l'extrémité libre de la lame, et s'étendant au-delà de cette extrémité libre (22) jusqu'à une région o le signal optique coupe l'élément électro-optique (24). 2. Sonde selon la revendication 1, combinée à une lentille-objectif (24) pour focaliser sur l'élément électro-optique (24) un faisceau lumineux fournissant le signal optique, ainsi qu'à un photodétecteur (34) sensible à ce faisceau, après son passage au travers de l'élément électro-optique, pour détecter le degré de fléchissement de la lame (16). 3. Sonde selon la revendication 2, dans laquelle l'élément électro-optique (24) possède d'un côté une surface réflé- chissante (30) qui renvoie le faisceau au détecteur (34). 4. Sonde selon la revendication 1, dans laquelle la lame (16) possède des faces opposées dont L'une est dirigée vers la surface (12) du support (10) et est disposée sur elle, de même qu'une deuxième extrémité (18) opposée à l'extrémité libre (22) et qui est écartée par fléchissement de la surface (12) du support (10) pour conférer une précontrainte à la lame (16) afin de la faire agir comme un ressort plat tendu. 5. Sonde selon la revendication 4, dans laquelle la lame (16) est une bande de métal en feuille d'une longueur d'environ 2 à 5 mm et d'une largeur d'environ 1 mm. 6. Sonde selon La revendication 1, dans Laquelle l'élément électro-optique (24) est un corps de matériau électro- optique portant sur un côté une couche (30) de matériau conducteur et réfléchissant. 7. Sonde selon la revendication 6, dans laquelle le matériau électrooptique de l'élément (24) est un un semiconducteur à effet Pockels et possédant des ions implantés d'un élément de nombre atomique Z inférieur au nombre atomique des éléments constitutifs de ce matériau, afin de réduire la photoconductivité du matériau. 8. Application d'une sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 à la mesure électro-optique d'un signal électrique sur un conducteur (34) d'un circuit formé sur un substrat, luimême porté par un support mobile (platine X-Y-Z) permettant de disposer l'élément électro-optique (24) dans le champ limitrophe créé par le signal électrique à proximité immédiate du conducteur (34). 9. Application selon la revendication 8, dans laquelle l'élément électrooptique (24) possède une surface conductrice et réfléchissante (30) dirirgée vers le conducteur (34). 10. Sonde électro-optique pour mesurer des champs élec- triques, caractérisée en ce qu'elle possède un corps de matériau électrooptique (24) qui change la polarisation de la Lumière qui le traverse, conformément à l'effet Pockels, et qui est constitué *25 par un corps de matériau semiconducteur possédant des ions, implantés dans ce matériau, d'un ou de plusieurs éléments de nombre atomique Z inférieur au nombre atomique du ou des éléments constitutif(s) de ce matériau éLectro-optique, afin de réduire la photoconductivité de ce matériau. 11. Sonde selon la revendication 10, dans laquelLe le matériau semiconducteur est un monocristal et les ions implantés forment des centres accepteurs (type P) distribués dans ce mono- 16 19 3 cristal avec une densité d'environ 1016 à 1019 par cm3. 12. Sonde selon la revendication 11, dans laquelle la lumière traversant le matériau électro-optique (24) forme un signal optique constitué par un train d'impuLsions ayant une certaine durée et les ions sont implantés avec une densité suffisante pour réduire le temps de relaxation diélectrique du matériau électro- optique de manière qu'iL soit inférieur de plusieurs facteurs de dix à ladite durée.