Brevet FR2664710A1 — publié le 19920117

DESCRIPTION PROCEDE ET INSTALLATION DE DEPOT DE COUCHES ANTIREFLET ET DE CONTROLE DE LEUR EPAISSEUR La présente invention a pour objet un procédé et une installation de dépôt de couches antireflet et de contrôLe de leur épaisseur. Elle trouve une application dans la réalisa- tion d'amplificateurs lasers à semi-conducteurs de type non résonnant, utilisables en télécommunications optiques. On sait qu'une couche antireflet est une couche transparente dont l'indice N satisfait à la relation N 2 =no o N O est l'indice du substrat sur lequel elle est déposée et dont l'épaisseur e est égale à X/4 N o > est la longueur d'onde du rayonnement pour lequel on veut supprimer le reflet. Pour un matériau donné, l'épaisseur de la couche doit être ajustée soigneusement 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'épais- seur, qui doit être ajustée à mieux que 10-2. L'obtention de bonnes couches antireflet est donc relativement difficile. On connaît des procédés de contrôle de l'épaisseur de telles couches lorsque celles-ci sont déposées sur les faces latérales d'une structure laser 3 U à semi-conducteurs: l'article intitu Lé "Real-time monitoring of laser diode facet reflectivity while being coated with Si Ox", publié par A. SOMANI et al dans la revue "Applied Op- tics", vol 27, N O 8, avril 1988, pp 1391-1393, décrit un procédé dans lequel on mesure l'intensité lumineuse émise par la diode laser en fonction du temps; lorsque cette intensité passe par un minimum la réflectivité passe elle aussi par un minimum et le processus de dépôt est interrompu; le brevet américain US-A-3 846 165 décrit un procédé dans lequel on mesure l'intensité du rayonnement émis par le laser, laquelle est une fonction de la réflectivité de la couche déposée; lorsque la puissance mesurée correspond à la réflectivité désirée, le processus de dépôt est interrompu; l'article de M SERENYI et al, intitulé "Directly controlled deposition of anti- reflection coatings for semiconductor laser", pu Dlié dans la revue "Applied Optics", Mars 1, 1987, vol 26, n 5, pp 845-849, décrit encore un procédé dans lequel on alimente la structure semi-conductrice en courant et on mesure l'intensité lumineuse spontanée émise à travers la couche en cours de dépôt; on recherche alors un maximum de puissance lumineuse. Toutes ces technique présentent de nombreux inconvénients Tout d'abord, le photorécepteur qu'elles nécessitent doit être placé de manière à recueillir un maximum de lumière; or, cette exigence est difficilement compatible avec la nécessité de ne pas masquer la face à traiter Ensuite, ce même35 photorécepteur étant sensible à la lumière émise dans l'enceinte de dépôt (par le canon d'évaporation ou le plasma), il faut masquer cette lumière parasite et utiliser pour cela des filtres interférométriques, lesquels 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, et cela à l'aide de lentilles, miroirs, fibres optiques, etc, tous moyens qui compliquent sensiblement l'installation. Par ailleurs, lorsqu'on applique ces techni- ques aux structures non résonnantes qui nécessitent que les deux faces soient traitées antireflet, on se heurte à de nouvelles difficultés En effet, en optimisant, une face après L'autre, l'épaisseur de la couche déposée, on crée une dissymétrie d'épaisseur entre les deux couches finalement déposées Cela vient de ce que, pendant le traitement antireflet de la première face, l'augmentation des pertes optiques induit un glissement spectral du gain optique de la structure, glissement qui va conduire à une épaisseur optimale légèrement différente pour la seconde face. Par ailleurs, lors du traitement de cette seconde face, un dépôt parasite viendra s'ajouter à la première face déjà traitée, qui désaccordera le premier traitement. La présente invention a justement pour but de remédier à tous ces inconvénients. A cette fin, elle propose un procédé de dépôt de couches antireflet et de contrôLe de leur épaisseur qui est caractérisé par le fait que: on effectue le dépôt alternativement sur chacune des deux faces de l'amplificateur, par dépôts élémentaires successifs de faible épaisseur, les deux faces étant ainsi traitées en même temps, de manière symétrique, on mesure la tension aux bornes de l'amplificateur optique, tension dont on détecte le passage par un maximum, lequel indique qu'un minimum global de réflectivité pour l'ensemble des deux couches a été obtenu et l'on arrête alors le dépôt. Le fait d'opérer alternativement sur les deux faces, par petites quantités de matériau déposé, permet d'éviter l'inconvénient relatif à la dissymétrie des traitements. L'utilisation de la tension électrique (au lieu de l'intensité lumineuse émise) comme moyen de détection de l'épaisseur optimale, permet d'éviter les inconvénients soulignés plus haut des systèmes optiques. Par "bornes" de l'amplificateur auxquelles on mesure la tension, on entend les deux contacts électriques pris, d'une part, sur le substrat, et, d'autre part, sur Le sommet de la structure Les faces sur lesquelles le dépôt antireflet est effectué sont, en général, des faces clivées Le courant injecté circule donc sensiblement perpendiculairement au plan des couches semi-conductrices et sensiblement parallèlement aux dépôts antireflet. La corrélation entre une grandeur optique (la réflectivité d'une couche antireflet) et une grandeur électrique (la tension aux bornes de la structure semi-conductrice) sur laquelle s'appuye L'invention est surprenante EL Le peut s'exp Liquer de La manière suivante, selon Les inventeurs. Dans une structure 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 structure La densité de 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 de la structure. Par ai L Leurs, l'intensité lumineuse à l'inté- rieur de La structure résulte d'un équilibre entre L'amplification par émission stimu Lée et Les pertes optiques de la cavité Pour un courant d'injection constant, une augmentation des pertes Liées à la diminution de la réf Lectivité d'une des faces entraîne une diminution de L'intensité lumineuse à L'intérieur de la cavité Cette diminution réduit l'émission stimu Lée, ce qui a pour effet d'augmenter La densité de porteurs et donc de faire croître la tension aux bornes du laser. Rechercher Les meilleures couches antiref Let revient donc bien à détecter un maximum de tension aux bornes de La structure semi-conductrice. On observera en outre, qu'avec Les procédés antérieurs nécessitant un photorécepteur a Ligné avec la face en cours de traitement, il eut été impossible de présenter alternativement les deux faces à traiter à L'évaporateur Le recours à La mesure de La tension permet au contraire cette alternance. La présente invention a également pour objet une installation de dépôt de couches antireflet qui met en oeuvre Le procédé qui vient d'être défini. De toute façon, les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui suit Cette description porte sur des exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif et elle se réfère à des dessins annexes, sur lesquels: La figure 1 illutre une installation conforme à l'invention, la figure 2 montre une courbe relevée avec une telle installation. L'installation représentée sur la figure 1 comprend une enceinte de dépôt 10 équipée d'un moyen d'évaporation 12, d'un porte- échantillon 14 apte à recevoir l'amplificateur optique 15 dont les faces latérales 15-1 et 15-2 sont à traiter; une source de courant constant 16 est reliée au porte-échantillon 14 et alimente en courant l'amplificateur optique pendant le dépôt Cette installation comprend en outre: des moyens 21 pour faire pivoter, demi-tour par demi-tour, le porte-échantillon 14, pour que soient présentées alternativement chacune des deux faces laterales 15-1, 15-2 de l'amplificateur au moyen d'évapora- tion 12, un voltmètre 34 mesurant la tension V aux bornes de l'amplificateur optique (ou, ce qui revient au même, à la sortie de la source de courant 16), un cache escamotable 23 disposé dans l'en- ceinte 10, entre le moyen d'évaporation 12 et le porte-échantillon 14, et un moteur apte à commander la position de ce cache, des moyens pour mesurer l'épaisseur e du dépôt effectué et comprenant un support de quartz 30 et une balance à quartz 31, des moyens 32 aptes à détecter l'instant o cette tension V passe par un maximum et à commander l'arrêt du moyen d'évapora- tion. Sur la variante illustrée, ces derniers moyens 32 sont constitués par un calculateur ayant une première entrée E 1 reliée au voltmètre 34 et rece- vant de celui-ci la tension V et une seconde entrée E 2 reliée aux moyens 30, 31 aptes à mesurer l'épaisseur e du dépôt effectué. Le calculateur 32 détermine la variation de tension d V, la variation d'épaisseur de, le rapport d V/de, et l'instant o ce rapport devient nul Il possède par ailleurs une première sortie 51 délivrant un signal d'arrêt appliqué au moyen d'évaporation 12 lorsque le rapport calculé d V/de devient nul, une deuxième sortie 52 délivrant les quantités d V et e, une troisième sortie 53 commandant les moyens 21 aptes à faire pivoter d'un demi-tour le porte-échantillon 14, et enfin une quatrième sortie 54 pour commander le moteur 25 et interposer le cache 23, entre l'évaporateur et le porte-échantillon pendant que le support 14 pivote d'un demi-tour. Un enregistreur 35 est relié à la deuxième sortie 52 du calculateur 32 et enregistre les varia- tions de d V en fonction de l'épaisseur e La figure 2 montre un exemple de courbe représentative de ces variations. La courbe représentée correspond à une struc- ture semi-conductrice qui avait 300 im de long et qui était alimentée par un courant constant égal à 9 fois le seuil Les couches élémentaires déposées alternati- vement sur Les deux faces avaient, à chaque fois, une épaisseur de 10 nm En ordonnées, à gauche, est portée La variation de tension d V exprimée en mi L Livo Lt et à droite, La réf Lectivité de L'ensemb Le En abscis-5 ses, est portée l'épaisseur exprimée en nanomètre. L'optimum du traitement antireflet est obtenu pour une épaisseur de 400 nm, ce qui correspond à 40 dépôts "élémentaires" de 10 nm chacun La réflectivité obtenue finalement est de 10-4 sur chacune des deux faces. REVENDICATIONS 1 Procédé de dépôt de couches antireflet sur les faces d'un amplificateur optique non résonnant ( 15) et de contrôLe de l'épaisseur de ces couches, procédé dans lequel on alimente, pendant le dépôt, l'amplificateur optique en courant constant ( 16) et on mesure la modification de l'une de ses caractéristiques en cours de dépôt pour déterminer l'instant o l'épaisseur des couches est optimale, ce procédé étant caractérisé par le fait que: on effectue le dépôt alternativement sur chacune des deux faces ( 15-1, -2) de l'amplificateur ( 15), par dépôts élémentaires successifs de faible épais- seur, les deux faces ( 15-1, 15-2) étant ainsi traitées en même temps de manière symétrique, la caractéristique dont on mesure la modification en cours de dépôt est la tension (V) aux bornes de l'amplificateur optique, tension dont on détecte le passage par un maximum, lequel indique qu'un minimum global de réflectivité pour l'ensemble des deux couches a été obtenu et l'on arrête alors le dépôt. 2 Installation de dépôt de couches anti- reflet sur les deux faces ( 15-1, 15-2) d'un amplifica- teur optique non résonnant ( 15) et de contrôle de l'épaisseur de ces couches, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, cette installation comprenant une enceinte de dépôt ( 1 U) équipée d'un moyen d'évaporation ( 12) et d'un porte-échantillon ( 14) pour recevoir l'amplificateur optique ( 15), une source de courant constant ( 16) reliée au porte-échantillon ( 14) et apte à alimenter en courant l'amplificateur optique ( 15) pendant le dépôt, cette installation étant caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre: des moyens ( 21) pour faire pivoter d'un demi-tour le porte-échantillon ( 14) pour que soient présentées alternativement chacune des deux faces ( 15-1, - 2) de l'amplificateur au moyen d'évaporation ( 12), un voltmètre ( 34) mesurant la tension (V) aux bornes de l'amplificateur optique ( 15), des moyens ( 32) aptes à détecter l'instant o cette tension (V) passe par un maximum et à commander l'arrêt des moyens d'évaporation ( 12). 3 Installation selon la revendication 2, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre des moyens ( 30, 31) pour mesurer à chaque instant l'épaisseur (e) du dépôt effectué. 4 Installation selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les moyens aptes à détec- ter l'instant o la tension (V) passe par un maximum et à commander l'arrêt du dépôt comprennent un calcula- teur ( 32) ayant une première entrée (El) reliée au voltmètre ( 34) et recevant de celui-ci la tension mesurée (V), une seconde entrée (E 2) reliée aux moyens ( 30, 31) pour mesurer l'épaisseur (e) du dépôt ef- fectué, ce calculateur calculant la variation de ten- sion (d V), la variation d'épaisseur (de), ainsi que le rapport (d V/de) et déterminant l'instant o ce rapport devient nul, ce calculateur ayant une première 1 1 sortie ( 51) délivrant un signal d'arrêt appliqué au moyen d'évaporation ( 12) lorsque le rapport calcu Lé (d V/de) devient nul. 5 Installation selon la revendication 5, caractérisée par le fait que le calculateur ( 32) com- prend en outre une deuxième sortie ( 52) délivrant les quantités (d V) et (e). 6 Installation selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre un cache escamotable ( 23) disposé dans l'enceinte ( 10) entre le moyen d'évaporation ( 12) et le porte-échantillon ( 14) et un moteur ( 25) de commande de ce cache. 7 Installation selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le calculateur ( 32) com- prend en outre une troisième sortie ( 53) commandant les moyens ( 21) pour faire pivoter d'un demi-tour le porte-échantillon ( 14), une quatrième sortie ( 54) pour commander le moteur ( 25) agissant sur le cache escamotable ( 23) pendant que le porte- échantillon ( 14) pivote d'un demi-tour. 8 Installation selon la revendication 5, caractérisée par le fait qu'elle compend en outre un enregistreur ( 34) relié à la deuxième sortie ( 52) du calculateur ( 32) et enregistrant les variations de tension (d V) en fonction de l'épaisseur (e) mesurée par les moyens ( 30, 31).