Brevet FR2657196A1 — publié le 19910719

La présente invention concerne une monture intermédiaire utilisée pour la fixation d'une pastille ou puce de laser à semi- conducteur sur un bloc de métal dissipant la chaleur et elle vise plus particulièrement une monture intermédiaire pour dispositif laser à semiconducteur qui comporte des structures de métallisation à trois couches Au-Au Sb-Au sur ses surfaces opposées. Un laser à semi-conducteur est un dispositif convertisseur courantlumière qui émet de la lumière en réponse à une injection de courant dans ce dispositif Généralement, la lumière est générée dans une région de structure très réduite Une portion du courant injectée qui ne contribue pas à la génération de la lumière est transformée en chaleur Les caractéristiques d'un laser à semi-conducteur dépendent largement de l'efficacité selon laquelle cette chaleur peut être dissipée Afin de dissiper efficacement la chaleur, une pastille de laser est montée sur un bloc de métal qui possède une conductivité thermique élevée La pastille laser est généralement fixée sur le bloc métallique au moyen d'une monture intermédiaire qui est disposée entre ces deux éléments, de manière que des distorsions de contraintes thermiques, résultant des différences de coefficients de dilatation thermique entre la pastille laser et le bloc de métal, ne provoquent pas une dégradation des caractéristiques de la pastille laser qui serait susceptible de raccourcir la durée de vie du dispositif laser. Sur la figure 1 des dessins annexés, on a représenté à titre d'exemple un dispositif laser à semi-conducteur selon la technique antérieure qui comporte une pastille ou puce de laser fixée sur un bloc de métal à l'aide d'une monture intermédiaire classique Sur cette figure 1, la monture intermédiaire en Silicium 1 comporte un corps de monture intermédiaire en Silicium 2 qui est dopé par exemple avec de l'antimoine Sur chacune des surfaces opposées du corps 2, on forme une couche d'or 3 par pulvérisation cathodique et une autre couche d'or est formée par placage sur la couche d'or 3 Une pastille ou puce de laser 6 est montée sur un bloc de métal 7 à l'aide de la monture intermédiaire 1 Le bloc de métal 7 peut être un bloc de cuivre comportant des surfaces plaquées à l'aide d'or pour empêcher -2l'oxydation du bloc, ou bien ce bloc peut être un bloc d'argent Le matériau qui constitue ledit bloc possède une aptitude élevée à la dissipation de la chaleur La raison pour laquelle la couche d'or sur chacune des surfaces opposées du corps de monture intermédiaire de Silicium 1 est réalisée sous la forme d'une structure à deux couches comprenant la couche d'or 3 déposée par pulvérisation cathodique et la couche d'or 5 déposée par placage est exposée ci-après. Généralement, les couches d'or sur les surfaces opposées du corps 2 doivent présenter une épaisseur d'environ 5 microns Or, il faut un temps considérablement long pour former une couche d'or de 5 microns uniquement par pulvérisation cathodique, ce qui est pratiquement impossible Au contraire, la technique du placage permet de former une couche d'or présentant une épaisseur de 5 microns en un temps relativement court mais, l'adhérence d'une couche d'or plaquée sur un corps de monture intermédiaire en Silicium est faible si bien qu'une telle couche d'or peut être facilement détachée par pelage lors du découpage ultérieur, par exemple Par conséquent, on commence par appliquer par pulvérisation cathodique une couche d'or 3 présentant une épaisseur de 0,2 micron, cette couche offrant une bonne adhérence sur le corps de Silicium puis, on applique par placage une couche d'or 5 ayant une épaisseur de 4,8 à 5 microns sur la couche d'or obtenue par pulvérisation cathodique. L'empilage comprend donc une puce ou pastille de laser 6, la monture intermédiaire en Silicium 1 et le bloc de métal 7 comme on l'a représenté sur la figure 1 et cet empilage est placé sur un dispositif de chauffage (non représenté sur le dessin) et l'on applique une force d'amplitude prédéterminée, du dessus sur la pastille de laser 6, tout en appliquant du courant à un élément chauffant du dispositif de chauffage de manière à chauffer ledit empilage à une température de l'ordre de 400 C Ce chauffage assure la diffusion d'une partie de l'antimoine contenu dans le corps de la monture intermédiaire de Silicium 2 dans la couche d'or 3 obtenue par pulvérisation cathodique et dans la couche d'or 5 obtenue par placage, sur chaque côté du corps 2, ce qui permet d'obtenir une soudure eutectique Au Si Sb, qui se forme entre le corps de monture intermédiaire en Silicium 2, la couche d'or 3 déposée par pulvérisation cathodique et la couche d'or 5 déposée par placage Par conséquent, on réalise simultanément la liaison de la pastille laser 6 sur la monture intermédiaire de Silicium 1 ainsi que la liaison de la monture intermédiaire 1 sur le bloc de métal 7. Dans la structure de monture intermédiaire pour dispositif laser à semiconducteur de type classique décrite ci-dessus, la diffusion dans les couches d'or de l'antimoine qui est contenu dans le corps de monture intermédiaire de Silicium 2 peut être insuffisante et par conséquent une soudure eutectique Au Si Sb à distribution de résistance uniforme peut ne pas se former Par conséquent, la résistance des montures intermédiaires de Silicium 1, dans le sens de l'épaisseur, après le traitement thermique exécuté dans chaque étape de liaison du procédé d'assemblage du dispositif au cours duquel se forme la soudure eutectique Au Si Sb, peut varier fortement et un certain nombre de produits doivent être rejetés en raison des résistances hors norme de leurs montures intermédiaires. Sur la figure 4 des dessins annexés, on a représenté les variations des valeurs des résistances R des montures intermédiaires au Silicium 1 illustrées par la figure 1, mesurées dans le sens de l'épaisseur, après chaque étape de liaison Bien que la valeur admissible la plus élevée pour une telle résistance soit de 10 Ohm, les valeurs de résistances R dans le sens de l'épaisseur des montures intermédiaires en Silicium 1 peuvent varier sur un domaine allant d'envrion 5 Ohm à environ 15 Ohm après le traitement thermique de l'étape de liaison de matrice (D/B) pour monter la pastille de laser 6 sur le bloc de métal 7 à l'aide de la monture intermédiaire 1 et, après le traitement thermique lors de l'étape suivante de montage du bloc (B/B) au cours de laquelle le bloc de métal 7 est monté sur un ensemble ou monture (non représenté) les valeurs de résistances R peuvent varier sur un domaine allant de 5 Ohm à environ 17 Ohm La valeur de la résistance R peut présenter des variations allant d'environ 5 Ohm à envrion 15 Ohm après le traitement thermique de l'étape finale de liaison sur le conducteur (W/B) On a pu remarquer que le déficit final en pourcentage pouvait atteindre des valeurs allant jusqu'à 30 à 50 %. La demande de modèle d'utilité japonais numéro SHO 60-100735 -4- (publiée sous le numéro SHO 62-10461) décrit et représente une monture intermédiaire en Silicium qui comprend un corps de monture intermédiaire de Silicium comportant une couche d'alliage Au-Sb, formée sur chacune de ses surfaces opposées de manière à améliorer le contact ohmique aux surfaces de la monture intermédiaire de Silicium Selon cette publication japonaise antérieure, on forme une couche d'alliage Au-Sb sur la surface d'un puits de chaleur de Silicium (qui correspond au corps de monture intermédiaire en Silicium) sur le côté o doit être fixée la pastille du laser à semi- conducteur Ensuite, on forme de façon séquentielle dans l'ordre indiqué ci-après, sur la couche d'alliage Au-Sb, un empilage comprenant une couche de platine servant de barrière, une couche d'or et une couche d'Indium Sur la surface du puits de chaleur de Silicium qui a été fixée sur une tige (qui correspond au bloc de métal), on forme de façon séquentielle une couche d'alliage Au-Sb, une couche de platine et une couche d'étain Le puits de chaleur de Silicium et la tige sont liés l'un à l'autre à l'aide d'une soudure d'alliage In-Sn. La monture intermédiaire de Silicium qui est décrite et représentée dans cette publication japonaise antérieure présente une caractéristique commune à l'objet de la présente invention, qui sera décrite ci-après en détail, en ce que l'on utilise une couche Au-Sb afin d'améliorer le contact ohmique par rapport au corps de monture intermédiaire en Silicium Cependant, l'invention qui est décrite dans cette publication japonaise antérieure nécessite une étape de frittage pour former la couche Au-Sb et également un traitement chimique, avant la métallisation ultérieure de la couche Au-Sb avec la couche de platine (barrière), afin d'améliorer l'adhérence de la couche de platine sur la couche Au-Sb Par conséquent, dans cette technique connue, le nombre d'étapes de traitement de la pastille est accru, ce qui augmente les coûts de fabrication Par ailleurs, en raison de l'augmentation du nombre d'étapes, le dispositif qui est décrit dans cette publication japonaise antérieure ne se prête pas à une fabrication de masse En outre, étant donné que le traitement chimique de surface peut provoquer de fortes variations de l'état de surfaces et peut laisser des produits chimiques provenant de ce traitement sur les surfaces, il peut en résulter une adhérence insuffisante et/ou une dégradation des caractéristiques électriques des dispositifs Il en découle que les dispositifs résultant, obtenus par la mise en oeuvre de cette technique antérieure manquent de fiabilité. En conséquence, la présente invention se propose d'apporter une monture intermédiaire perfectionnée pour un dispositif laser à semi-conducteur qui ne présente pas les inconvénients rappelés ci- dessus des solutions selon la technique antérieure Ce but est atteint par la présente invention en réalisant une diffusion de l'antimoine fortement uniforme dans une soudure eutectique Au-Si, lors de la formation de cette soudure eutectique Au-Si, de telle manière que les montures intermédiaires obtenues présentent moins de variations de résistance dans le sens de l'épaisseur, ce qui par conséquent permet d'obtenir des dispositifs laser à semi-conducteur qui possèdent des caractéristiques stables. La monture intermédiaire pour un dispositif laser à semi- conducteur selon la présente invention comporte un corps de monture intermédiaire dopé à l'antimoine et une structure de couche de métallisation sur chacune des surfaces opposées du corps de monture intermédiaire Chacune des structures de couche de métallisation comprend une première couche d'or sur la surface du corps de la monture intermédiaire, une couche Au Sb sur la première couche d'or et une seconde couche d'or sur la couche Au Sb, ces couches étant formées de façcon séquentielle et dans l'ordre indiqué ci-dessus. Lorsque cette monture intermédiaire est utilisée pour fixer une pastille ou puce de laser à semi-conducteur sur un bloc de métal, l'antimoine de la couche Au Sb disposée entre la première couche d'or et la seconde couche d'or diffuse avec l'antimoine du corps de monture intermédiaire dans la soudure eutectique Au-Si et se mélange avec la soudure eutectique Au-Si, ce qui crée une couche de soudure eutectique homogène Au Si Sb. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif Sur les dessins: -6- la figure 1 montre la façon selon laquelle une pastille ou une puce de laser est fixée sur un bloc de métal en utilisant une monture intermédiaire d'un dispositif laser à semi-conducteur classique. la figure 2 montre la façon suivant laquelle une pastille ou une puce de laser est fixée sur un bloc de métal en mettant en oeuvre une monture intermédiaire réalisée conformément à la présente invention; la figure 3 illustre les variations des valeurs de résistance dans le sens de l'épaisseur de la monture intermédiaire illustrée par la figure 2 après chaque étape de liaison et; la figure 4 illustre les variations des valeurs de résistances dans le sens de l'épaisseur de la monture intermédiaire selon la technique antérieure, illustrée par la figure 1, après chaque étape de liaison. On se réfère maintenant à la figure 2 qui illustre un exemple de réalisation d'une monture intermédiaire d'un dispositif laser à semiconducteur selon la présente invention La monture intermédiaire illustrée par cette figure est une monture intermédiaire en Silicium qui comporte un corps de monture intermédiaire 2 en Silicium dopé à l'antimoine et une structure de métallisation multicouche comprenant une couche d'or 11 déposée par pulvérisation cathodique, une couche 12 Au Sb et une couche d'or 13 déposée par placage, ces couches successives étant déposées de façon séquentielle et dans l'ordre indiqué ci-dessus sur chacune des surfaces opposées du corps 2 de la monture intermédiaire Comme dans les dispositifs classiques, la pastille ou puce laser 6 est liée à un bloc de métal 7 à l'aide de la monture intermédiaire 10 Le bloc de métal 7 est un bloc qui peut dissiper efficacement la chaleur, il peut être par exemple réalisé sous la forme d'un bloc de cuivre comportant une surface plaquée avec de l'or ou un bloc d'argent. Pour une pastille ou puce laser 6 présentant une épaisseur de microns et une hauteur et une largeur respectivement de l'ordre de 300 microns et 200 microns, l'épaisseur, la hauteur et la largeur du corps 2 de la monture intermédiaire en Silicium utilisée sont respectivement d'environ 270 microns, 400 microns et 300 microns Le corps 2 de la monture intermédiaire en Silicium est dopé avec de 7 - l'antimoine selon un pourcentage en poids de l'ordre de 0,11 à 0,21, de préférence 0,16 % en poids, ce qui permet d'obtenir une résistivité du corps 2 de la monture intermédiaire en Silicium de 0,005 à 0,017 Ohm cm La couche d'or Il déposée par pulvérisation cathodique est réalisée de façon à présenter une épaisseur de l'ordre de 0,2 plus ou moins 0,04 micron et la couche Au Sb 12 est obtenue par dépôt en phase vapeur ou par pulvérisation cathodique de manière à présenter une épaisseur de 0,2 plus ou moins 0,04 micron La couche d'or 13 déposée par placage est réalisée de façon à présenter une épaisseur de 5 plus ou moins 1 microns Le bloc de métal 13 présente une épaisseur d'environ 1 400 microns et il présente une hauteur d'environ 1 600 microns et une largeur de l'ordre de 1 600 microns. Comme on l'a expliqué ci-dessus lors de la description de la monture intermédiaire classique illustrée par la figure 1, la raison pour laquelle la couche d'or Il est formée par pulvérisation cathodique est due au fait qu'une couche d'or déposée par pulvérisation cathodique présente une bonne adhérence sur le corps 2 de la monture intermédiaire au Silicium et, la raison pour laquelle la couche d'or 13 est formée par placage est due au fait qu'une couche d'or, lorsqu'elle est déposée par placage peut être formée avec une épaisseur désirée dans un court laps de temps. La pastille ou puce laser 6, la monture intermédiaire 10 et le bloc de métal 7, constituant l'empilage illustré par la figure 2, sont placés dans un appareil de chauffage (non représenté) et les relations de positionnement entre ces trois composants sont réglées de façon appropriée Ensuite, on place un poids, par exemple de 20 grammes sur la surface supérieure de la pastille laser 6 et l'on applique un courant de manière qu'il circule dans l'élément chauffant du dispositif de chauffage afin de chauffer l'assemblage constitué des trois composants à une température de l'ordre de 4000 C ou plus. Ce traitement thermique provoque la formation d'une couche de soudure eutectique Au Si sur chacune des surfaces opposées du corps 2 de la monture intermédiaire au Silicium L'antimoine contenu dans le corps 2 de la monture intermédiaire au Silicium dopé à l'antimoine et l'antimoine de la couche 12 Au Sb diffusent dans la couche de soudure eutectique Au Si et on forme des couches de soudure eutectique Au Si Sb -8- qui sont constituées d'un mélange hautement homogène d'or, de Silicium et d'antimoine Les couches de soudure eutectique Au Si Sb ainsi formées lient la puce ou pastille laser 6 à la monture intermédiaire 10 de Silicium et, simultanément, elles lient la monture intermédiaire 10 de Silicium au bloc de métal 7. On a réalisé des dispositifs laser semi- conducteur en utilisant des montures intermédiaires au Silicium selon la présente invention et on a mesuré les valeurs de résistances R dans la direction de l'épaisseur des montures intermédiaires au Silicium après le traitement thermique de chacune des étapes de liaison On a découvert que les variations des valeurs de résistances R sont significativement plus petites que celles des montures intermédiaires au Silicium classique telles que celles illustrées par la figure 1 et que pratiquement toutes les montures intermédiaires présentent des valeurs de résistances qui sont situées à l'intérieur du domaine admissible Ceci est illustré par la figure 3 Comme on peut le voir sur cette figure 3, les valeurs des résistances R mesurées après les étapes de liaison respectives à savoir l'étape de liaison à la matrice (D/B), l'étape de liaison sur le bloc (B/B) et l'étape de liaison sur le conducteur (W/B) sont toutes situées dans un domaine de 5 Ohm à 9 Ohm On a constaté que les mises au rebut en pourcentage étaient inférieures à 1 %. La présente invention présente des avantages par rapport à l'invention décrite dans la demande de modèle d'utilité japonais mentionnée ci-dessus notamment en ce que le nombre d'étapes pour la fabrication des dispositifs lasers à semi-conducteur selon l'invention est inférieur, en ce qu'elle n'exige pas de traitement thermique susceptible de provoquer des troubles et en ce que les dispositifs ainsi obtenus sont d'une plus grande fiabilité et présentent une durée de vie plus importante. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ici mais qu'elle en englobe toutes les variantes C'est ainsi notamment que les différentes valeurs, notamment des dimensions des parties constitutives de la monture intermédiaire selon l'invention, les concentrations d'antimoine etc, mentionnées dans la présente 9 - description ne constituent que des exemples non limitatifs et que ces différentes données peuvent varier sans sortir du cadre de cette invention. -10- REVENDICATIONS 1 Monture intermédiaire de dispositif laser à semi-conducteur disposée entre une pastille ( 6) de laser à semi-conducteur et un bloc de métal ( 7), pour fixer ladite pastille de laser à semi-conducteur audit bloc de métal caractérisée en ce qu'elle comprend: un corps de monture intermédiaire ( 2) dopé à l'antimoine et; une structure de métallisation sur chacune des surfaces opposées dudit corps de monture intermédiaire dopé au Sb, comprenant une première couche d'or ( 11); une couche Au Sb ( 12) et une seconde couche d'or ( 13), formées de façon séquentielle et dans l'ordre indiqué ci-dessus sur ladite surface. 2 Monture intermédiaire de dispositif laser à semi-conducteur selon la revendication 1 caractérisée en ce que le corps ( 2) de la monture intermédiaire est en Silicium dopé à l'antimoine. 3 Monture intermédiaire de dispositif laser à semi-conducteur selon la revendication 1 caractérisée en ce que la première couche d'or ( 11) présente une épaisseur de 0,2 plus ou moins 0,04 micron, la couche Au Sb ( 12) possède une épaisseur de 0,2 plus ou moins 0,04 micron et la seconde couche d'or ( 13) présente une épaisseur de 5 plus ou moins 1 microns. 4 Monture intermédiaire de dispositif laser à semi-conducteur selon la revendication 2 caractérisée en ce que pendant le traitement thermique pour fixer la pastille laser au bloc de métal, il se forme une couche de soudure eutectique Au Si sur chacune des surfaces opposées du corps de monture intermédiaire en Silicium ( 2) et de l'antimoine dans le corps de la monture intermédiaire de Silicium dopé à l'antimoine dans la couche Au Sb ( 12) est diffusé et se mélange uniformément dans lesdites couches de soudure eutectique Au Si pour former des couches de soudure eutactique homogènes Au Si Sb. Monture intermédiaire de dispositif laser à semi-conducteur selon la revendication 2 caractérisée en ce que le corps de monture intermédiaire de Silicium ( 2) est dopé avec de 0,11 à 0,21 % en poids d'antimoine. 6 Monture intermédiaire de dispositif laser à semi-conducteur selon la revendication 2 caractérisée en ce qui le corps de monture 1 P 2657196 -11- intermédiaire en Silicium dopé à l'antimoine présente une résistivité de 0,005 à 0,017 Ohm cm.