Brevet FR2649419A1 — publié le 19910111

DESCRIPTION PROCEDE DE CONTROLE DE L'EPAISSEUR D'UNE COUCHE ANTI- REFLET ET INSTALLATION DE RISE EN OEUVRE. La présente invention a pour objet un procédé de contrôle de l'épaisseur d'une couche antireflet et une installation de mise en oeuvre. Elle trouve une application dans le traitement antireflet des faces des lasers à semi-conducteur. On sait qu'une couche antireflet est une couche dont l'indice n satisfait à la relation n2 = n0 o no est l'indice du substrat sur lequel elle est déposée et dont l'épaisseur est égale à X/4n o A est la longueur d'onde. Pour un matériau donné, l'épaisseur peut être ajustée pour obtenir une bonne couche antireflet. Il est admis qu'une "bonne" couche antireflet est une couche dont la réflectivité est inférieure à 10-3. Cette valeur très faible impose des contraintes sévères sur l'épaisseur qui doit être ajustée à mieux que 10-2. L'obtention de bonnes couches antireflet est donc relativement difficile. On connait un procédé de contrôle de l'épais- seur d'une telle couche lorsqu'elle est déposée sur un laser à semiconducteur. Pendant l'opération de dépôt sur l'une des faces émettrices d'un laser à semiconducteur, on alimente ce laser en courant, à une valeur constante située au-dessus du seuil d'oscillation du laser. La lumière émise par celui-ci à travers la face arrière (opposée à celle qui est 3U en cours de traitement) est - mesurée par un photorécepteur. Son intensité dépend de la réflectivité de la face avant: moins cette face est réfléchissante, plus il y a de pertes dans le résonateur et moins la lumière émise par l'autre face est intense. Ainsi, la puissance mesurée diminue-t-elle avec la réflectivité de La ccuche antireflet. En détectant Le passage de cette puissance par un minimum, on détermine l'instant o la couche antireflet offre le minimum de réflectivité. Ce procédé est décrit notamment dans l'article de M. SERENYI et ai intituLé "Directly controlled depo- sition of antireflection coatings for semiconductor laser" publié dans la revue "Applied Optics", March 1, 1987, vol. 26, NO 5, pp 845-849. Cet article décrit une autre technique consis- tant à exciter Le Laser en dessous du seuil (et non plus au-dessus) et à mesurer l'intensité de la lumière spontanée émise à travers La face en cours de traitement (et non plus à travers la face opposée). Dans ce cas, on recherche un maximum de puissance lumineuse, Lequel est obtenu lorsque la réflectivité de la couche est à son minimum. Cette méthode (dite A) est un peu. moins précise que la précédente (dite B), car le spectre d'émission spontanée est plus large que celui de l'émis- sion stimulée obtenue au-dessus du seuil. Ces techniques (aussi bien A que B) présentent de nombreux inconvénients: tout d'abord, le photorécep- teur utilisé doit être placé de manière à recueillir un maximum de lumière; or, cette exigence est incompa- tible avec la nécessité de ne pas masquer la face à traiter. Ensuite, ce même photorécepteur étant sensible à la lumière émise dans l'enceinte de dépôt (canon d'évaporation ou plasma), pour masquer cette lumière parasite il faut utiliser des filtres interférométri- ques, qui réduisent l'intensité lumineuse à mesurer; cet affaiblissement est d'autant plus gênant qu'à son minimum l'intensité à mesurer est déjà très faible. Enfin, un alignement rigoureux doit être réalisé entre le laser et le photorécepteur, à l'aide de Lentilles, miroirs, fibres optiques, ce qui complique sensiblement l'installation. Le but de La présente invention est justement de remédier à tous ces inconvénients. A cette fin, l'invention propose de renoncer à ces techniques connues qui sont toutes de caractère optique pour adopter un procédé de caractère électrique. Selon l'invention, on mesure la tension aux bornes du laser à semi- conducteur alimenté en courant constant au-dessus au seuil et on détecte le passage par un maximum de cette tension. Ce maximum correspond au minimum de réflectivité de la couche antireflet. Cette surprenante corrélation entre une gran- deur optique (la réflectivité d'une couche) et une grandeur électrique (la tension aux bornes du laser) peut s'expliquer de la manière suivante, selon les inventeurs. Dans un laser à semi-conducteur, pour un courant d'injection donné, le nombre de porteurs dans la zone active est inversement proportionnel au nombre de photons présents dans la cavité. La densité ae porteurs (c'est-à-dire le nombre de porteurs par unité de volume) détermine l'écartement des quasi-niveaux de Fermi et, par conséquent, la tension aux bornes du laser. Par ailleurs, l'intensité lumineuse à l'inté- rieur de la cavité laser résulte d'un équilibre entre l'amplification par émission stimulée et les pertes optiques de la cavité. Pour un courant d'injection constant, une augmentation des pertes liées à la diminu- tion de la réfiectivité d'une des faces entraîne une diminution de l'intensité lumineuse à l'intérieur de la cavité. Cette diminution réduit l'émission stimulée, ce qui a pour effet d'augmenter la densité de porteurs et donc de faire croître la tension aux bornes du laser. Rechercher la meilleure couche antireflet revient donc bien à détecter un maximum de tension aux bornes du laser. La présente invention a également pour objet une installation de dépôt de couche antirefLet qui met en oeuvre le procédé qui vient d'être défini. De toute façon, les caractéristiques de l'in- vention apparaîtront mieux à la lumière de la descrip- tion qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexes sur lesquels: - la figure 1 illustre un montage expérimental permettant de suivre l'évolution de la tension en cours de traitement, - la figure 2 montre une courbe relevée avec un tel montage, - La figure 3 montre trois courbes résultant de calculs et correspondant à un indice égal à 1,85, - la figure 4 montre trois autres courbes correspondant à un indice de 1,80, - la figure 5 illustre schématiquement une installation conforme à l'invention ave.c arrêt automati- que du traitement. On a représenté sur la figure 1, un montage expérimental par lequel le Demandeur a vérifié le bien- fondé du procédé inventé. Ce montage comprend une enceinte 10 munie d'un moyen d'évaporation 12; à l'in- térieur de cette enceinte est disposé un laser semi-conducteur 14 (une des faces émettrices orientée vers le moyen d'évaporation). Le montage comprend encore une source de courant constant 16 reliée par une connexion 18 à La structure à traiter 14. Un amplificateur opérationnel 20 possède une entrée inver- seuse e- reliée à la source de courant 16 et une entrée directe e+ reliée à un potentiomètre 22. Ce potentiomè-, tre est régLé initialement pour équilibrer la tension appliquée sur l'entrée inverseuse. Un enregistreur 24 relié à la sortie de l'amplificateur différentiel permet de relever la tension délivrée par celui-ci, laquelle n'est autre que la variation de tension aux bornes du laser à semi-conducteur 14. La figure 2 montre la courbe obtenue dans le cas d'un dépôt de SiO comme matériau antireflet. En abscisse est portée l'épaisseur de la couche mesurée par l'appareil du dépôt (X) et exprimée en nanomètres et, en ordonnées, la tension délivrée par l'amplificateur opérationnel exprimée en millivolts. La valeur de la réflectivité a été mesurée à trois reprises en interrompant le dépôt. Les trois points A, B, C marqués sur la courbe correspondent aux valeurs suivantes: épaisseur réflectivité tension laser (nm) (10-3) (mV) A 190 35 10 B 233 0,1 23 C 253 5 15,2 Cette courbe et ces valeurs montrent bien la corrélation entre le minimum de réflectivité et le maximum de tension aux bornes du laser. Les courbes des figures 3 et 4, obtenues par le calcul, permettent de mieux apprécier l'influence de la valeur du courant du laser. Pour toutes ces courbes, l'épaisseur de la couche est exprimée en oanomètres et est portée en abscisses, la variation de tension aux bornes du laser étant portée en ordonnées. Les trois courbes correspondent à trois va- Leurs du courant: la première égale au courant de seuil Is, la deuxième égale à deux fois le seuil et la troisième égale à trois fois ce seuil. La figure 3 correspond au cas o le matériau déposé possède un indice égal à 1,85. La réflectivité minimale est égale à 10-5 pour une épaisseur d'environ nm. La figure 4 correspond au cas d'un indice égal à 1,80. La réflectivité minimale est de 5 x 10-4 pour une épaisseur d'environ 210 nm. On observera l'existence d'une saturation de la tension lorsque le courant injecté est égal au seuil, et cela pour une réflectivité de 3.10- 3. Pour un courant injecté égal à deux fois le courant de seuil, la saturation est beaucoup moins marquée et correspond à une réflectivité inférieure à 10-4. On préfèrera donc en général injecter un courant égal à trois fois le courant de seuil. On pourra alors apprécier un mini- mum de réflectivité aussi faible que 5 x 10-6. L'installation illustrée sur la figure 5 comprend.des moyens déjà représentés sur la figure 1, à savoir une enceinte 10, un moyen d'évaporation 12, un laser à semi-conducteur 14, et une source de courant 16. L'installation représentée comprend en outre une balance à quartz 30 capable de mesurer l'épaisseur de la couche déposée, un appareil -32 de commande du moyen d'évaporation avec une entrée E et une sortie S délivrant un signal fonction de l'épaisseur e mesurée par la balance -à quartz 30. Un voltmètre numérique 34 est relié à la source de courant. Un calculateur 36 possède une première entrée E1 reliée au voltmètre 34, une seconde entrée E2 reliée à la sortie S de l'appareil de commande 32 et une sortie S reliée à l'entrée E de ce même appareil. Le calculateur 36 reçoit la tension V du voltmètre 34 et la valeur de l'épaisseur e délivrée par l'appareil 32; il calcule la dérivée dV/de et détermine l'instant o celle-ci s'annule. Dès lors, il adresse à l'appareil 32 un signal d'arrêt de l'évaporation, signal qui est appliqué sur l'entrée E. Un tel système peut travailler avec plusieurs lasers, traités les uns après les autres grâce à un système de cache. La productivité du processus de fabri- cation s'en trouve améliorée. Pour ce qui est des matériaux à utiliser, tous les matériaux connus et à venir conviennent. L'ar- ticle cité plus haut décrit certaines conditions opéra- toires qui peuvent très bien être utilisées dans le cadre de la présente invention. 2U 26 4 9 4 1 9 REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôLe de l'épaisseur d'une couche antireflet en cours de dépôt sur l'une des faces d'un laser à semi-conducteur (14), dans lequel on alimente le laser en courant constant (16) en cours de dépôt, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'on mesure la tension (V) aux bornes du laser, on détecte le passage de cette tension par un maximum, ce qui indique que la couche antireflet présente une épaisseur lui donnant une réflectivité minimale. 2. Installation de dépôt de couche antireflet sur l'une des faces d'un laser semi-conducteur, mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, cette installation comprenant une enceinte de dépôt (10) équipée d'un moyen d'évaporation (12) et d'un support de laser (s), un moyen de commande (12) du moyen d'évaporation (12) et une source de courant constant (1) reliée à une connexion (18) débouchant à l'intérieur de l'enceinte, cette installation étant caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre un moyen apte à détecter l'instant o la tension aux bornes de la source de courant passe par un maximum. 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre un moyen (36) apte à délivrer un signal d'arrêt au moyen (32) de commande du moyen d'évaporation (12) lorsque la tension passe par un maximum. 4. Installation seUon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comprend un amplifica- teur différentiel (20) ayant une entrée inverseuse (e-) reliée à la source de courant constant et une entrée directe (e+) reliée à un potentiomètre (22). 5. Installation selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'il comprend un voltmètre numérique (34). 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre un moyen (30) pour mesurer l'épaisseur de La couche déposée, ce moyen étant disposé dans l'enceinte (10) et étant relié au moyen de commande (32) du moyen d'éva- poration. 7. Installation selon La revendication 6, caractérisée par le fait qu'elle comprend un calculateur (36) ayant deux entrées, l'une (E1) reliée au voltmètre (34) d'o elle reçoit la valeur de la tension (V), l'autre (E2) reliée au moyen (32) de commande du moyen d'évaporation d'o elle reçoit un signal (e) de mesure de l'épaisseur de la couche déposée, ce calculateur (36) calculant la dérivée (dV/de) de la tension (V) par rapport à l'épaisseur (e), ce calculateur (36) ayant une sortie (S) reliée au moyen (32) oe contrôle du moyen d'évaporation, le calculateur délivrant sur cette sortie un signal d'arrêt lorsque ladite dérivée est nulle.