Brevet FR3092435A1 — publié le 20200807

Description Titre de l'invention : Four d'oxydation latérale de VCSEL avec correction de la courbure d'arc du substrat Domaine technique [0001] L'invention se rapporte au domaine technique des fours d'oxydation permettant une oxydation thermique latérale de diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL pour « Vertical Cavin, Surface Emitting Laser » en langue anglaise). [0002] L'invention trouve notamment son application dans le confinement électro-optique des VCSEL, où les puits quantiques sont des alliages III-V tels que AlGaAs ou InGaAs. État de l'art [0003] Un four connu de l'état de la technique, notamment du document US 2015/0364320, comporte - une chambre d'oxydation, comprenant une atmosphère ; - des moyens d'injection, agencés pour injecter un flux gazeux humide dans la chainbre d'oxydation de sorte que l'atmosphère de la chambre d'oxydation exerce une pression, sensiblement égale à 10 Pa (0031) ; - un support chauffant, de type suscepteur, agencé dans la chambre d'oxydation, et comprenant une surface supérieure destinée à supporter un substrat comprenant les diodes laser. [0004] Le support chauffant est réalisé en graphite et est illuminé par une lampe infrarouge, située à l'extérieur de la chambre d'oxydation, de manière à chauffer le substrat (§0029). Un tel four permet d'améliorer l'homogénéité thermique du substrat chauffé (§0035). 100051 Cependant, un tel four de l'état de la technique n'est pas entièrement satisfaisant dans la mesure où il ne permet pas un chauffage homogène et uniforme du substrat lorsque celui-ci présente une courbure d'arc (ou flèche, « bow » en langue anglaise), pouvant apparaître par exemple en formant par épitaxie des couches d'AlGaAs sur un substrat en GaAs. Dans ce cas, la courbure d'arc peut atteindre 150 pn voire 300 pm. La courbure d'arc est notamment définie dans la norme ASTM F534, §3.1.2. Une telle courbure d'arc est susceptible de conduire à des différences de température significatives (de l'ordre de plusieurs degrés Celsius) à la surface du substrat, et par là-même à un problème d'uniformité du diamètre de l'ouverture des diaphragmes d'oxyde. Exposé de l'invention [0006] L'invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités. A cet effet, 2 l'invention a pour objet un four pour oxyder latéralement des diodes laser, de type à cavité verticale émettant par la surface, comportant : - une chambre d'oxydation, comprenant une atmosphère ; - des moyens d'injection, agencés pour injecter un flux gazeux humide dans la chambre d'oxydation de sorte que l'atmosphère de la chambre d'oxydation exerce une première pression ; - un support chauffant, de type suscepteur, agencé dans la chambre d'oxydation, et comprenant une surface supérieure destinée à supporter un substrat comprenant les diodes laser ; - un circuit de pompage, configure pour créer une dépression à la surface supérieure du support chauffant de sorte que l'atmosphère de la chambre d'oxydation exerce localement une seconde pression, strictement inférieure à la première pression. [0007] Ainsi, un tel four selon l'invention permet d'améliorer la planéité du substrat en créant une dépression au niveau de la surface arrière du substrat (i.e. la surface orientée vers la surface supérieure du support chauffant), ce qui est rendu possible grâce au circuit de pompage. Le substrat peut alors être plaqué contre la surface supérieure du support chauffant. Il en résulte une amélioration de l'homogénéité et de l'uniformité du chauffage du substrat par le support chauffant lorsque le substrat présente une courbure d'arc, ce qui permet d'améliorer significativement l'uniformité du diamètre de l'ouverture des diaphragmes d'oxyde. [0008] Définitions [0009] - Par « oxydation », on entend une oxydation thermique. [0010] - Par « atmosphère », on entend le milieu gazeux au sein de la chambre d'oxydation. [0011] - Par « pression », on entend l'intensité de la force exercée par l'atmosphère par unité de surface. [0012] - Par « support chauffant », on entend un support adapté pour chauffer la surface arrière du substrat, ladite surface an-ière étant destinée à reposer sur la surface supérieure du support chauffant. [0013] - Par « suscepteur », on entend un support chauffant capable d'absorber une énergie électromagnétique afin de la convertir en chaleur. [0014] - Par « flux gazeux humide », on entend un flux gazeux comportant de la vapeur d'eau. [0015] Le four selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes. [0016] Selon une caractéristique de l'invention, le four comporte un ensemble de résistances électriques agencé pour irradier le support chauffant de manière à contrôler la température de la surface supérieure. [0017] Ainsi, un avantage procuré est d'améliorer l'homogénéité de la température de la 3 surface supérieure par rapport à une lampe infrarouge de l'état de la technique. Il est ainsi possible de contrôler la température de la totalité de la surface arrière du substrat avec une précision de l'ordre de 1/4 de degré Celsius. Le support chauffant, de type suscepteur, est exposé au rayonnement thermique des résistances électriques. Le support chauffant transfère au substrat l'énergie du rayonnement thermique des résistances électriques sous forme de chaleur, majoritairement par conduction et rayonnement, et minoritairernent par convection. [0018] Il a été constaté une amélioration d'un facteur 2 à 3 de l'uniformité du diamètre de l'ouverture des diaphragmes d'oxyde, ce qui permet d'augmenter de manière significative le rendement des substrats (e.g. de GaAs), c'est-à-dire le nombre de dispositifs VCSEL obtenus par substrat. [0019] Selon une caractéristique de l'invention, le four comporte des moyens de mesure, agencés pour mesurer une courbure d'arc du substrat lorsque le substrat est agencé à la surface supérieure du support chauffant ; et le circuit de pompage comporte des moyens de régulation, configurés pour réguler la seconde pression en fonction de la courbure d'arc mesurée du substrat. [0020] Ainsi, un avantage procuré est de pouvoir ajuster la seconde pression en fonction de la courbure d'arc mesurée du substrat de manière à plaquer le substrat contre la surface supérieure du support chauffant par dépression. Il en résulte une amélioration de l'homogénéité et de l'uniformité du chauffage du substrat. [0021] Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de régulation comportent : - une électrovanne ; - des premier et second capteurs de pression, agencés pour mesurer respectivement les première et seconde pressions ; - un régulateur maître, relié aux moyens de mesure, et configuré pour fonctionner à une consigne fixe correspondant à la courbure d'arc souhaitée du substrat ; - un régulateur esclave, relié à l'électrovanne et agencé en cascade avec le régulateur maître, et configuré pour fonctionner à une consigne variable con-espondant à une différence entre les première et seconde pressions mesurée par les premier et second capteurs de pression. [0022] Ainsi, un avantage procuré par une telle topologie de régulation est d'améliorer la qualité de la régulation de la seconde pression par rapport à une boucle simple, c'est-à-dire en réduisant les effets perturbateurs par exemple lorsque le débit d'air aspiré par le circuit de pompage est susceptible de varier brusquement. [0023] Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de mesure comportent : - une caméra, munie d'un système de mise au point automatique, et agencée pour fournir une image du substrat lorsque le substrat est agencé à la surface supérieure du support chauffant ; - des moyens de déplacement, agencés pour déplacer la caméra dans la chambre d'oxydation au-dessus du support chauffant. [0024] Selon une caractéristique de l'invention, le système de mise au point automatique comporte des moyens de calcul configurés pour : - calculer les transformées de Fourier rapides des images fournies du substrat pour différentes positions verticales de la caméra ; - générer une courbe focale à partir des transformées de Fourier rapides calculées ; - calculer une régression polynomiale de la courbe focale générée ; - soustraire la régression polynomiale calculée à la courbe focale générée de manière à corriger la courbe focale générée ; - déterminer la position du pic maximal de la courbe focale corrigée. [0025] Ainsi, un avantage procuré par de tels moyens de calcul est d'obtenir de manière précise la distance entre la caméra et le substrat, ce qui permet de calculer la courbure d'arc du substrat. [0026] Selon une caractéristique de l'invention, le support chauffant est muni d'au moins un orifice traversant ; et le four comporte au moins une canule possédant : - une extrémité proximale, débouchant dans l'orifice traversant, et - une extrémité distalc, opposée, et reliée au circuit de pompage. [0027] Par « canule », on entend un tube adapté pour autoriser un passage d'un flux gazeux. [0028] Par « proximale », on entend l'extrémité de la canule qui est la plus proche du substrat. [0029] Par « distale », on entend l'extrémité de la canule qui est la plus éloignée du substrat. [0030] Ainsi, un avantage procuré est la simplicité de mise en oeuvre pour créer la dé- pression à la surface supérieure du support chauffant. [0031] Selon une caractéristique de l'invention, la canule est réalisée dans un matériau ther- iniquement isolant, de préférence le quartz. [0032] Par «matériau thermiquement isolant », on entend un matériau présentant une conductivité thermique à 20°C inférieure ou égale à 2 W.m '.K [0033] Ainsi, un avantage procuré est d'éviter que la canule ne perturbe l'homogénéité et l'uniformité du chauffage du substrat par le support chauffant. [0034] Selon une caractéristique de l'invention, l'extrémité proximale de la canule est sphérique. [0035] Ainsi, un avantage procuré est de former une rotule glissante entre la canule et l'orifice traversant lorsque ce dernier présente une section circulaire, par exemple obtenue par alésage. Une telle rotule glissante permet d'obtenir une étanchéité dynamique entre la canule et le support chauffant, réduisant les risques de rupture mécanique et les fuites liées aux déplacements relatifs entre la canule et le support chauffant dus à leur différence de coefficients de dilatation thermique. 100361 Selon une caractéristique de l'invention, le four comporte un organe d'étanchéité monté à l'extrémité distale de la canule de manière étanche avec la chambre d'oxydation. [0037] Selon une caractéristique de l'invention, la première pression est comprise entre 1 Pa et 105Pa, de préférence comprise entre 103Pa et 105Pa. [0038] Selon une caractéristique de l'invention, le circuit de pompage comporte une pompe à vide adaptée de sorte que la seconde pression vérifie : 50% P1 REVENDICATIONSFour (1) pour oxyder latéralement des diodes laser (D), de type à cavité verticale émettant par la surface, comportant : - une chambre d'oxydation (2), comprenant une atmosphère (20) ; - des moyens d'injection (3), agencés pour injecter un flux gazeux humide dans la chambre d'oxydation (2) de sorte que l'atmosphère (20) de la chambre d'oxydation (2) exerce une première pression (P I ) ; - un support chauffant (4), de type suscepteur, agencé dans la chambre d'oxydation (2), et comprenant une surface supérieure (40) destinée à supporter un substrat (S) comprenant les diodes laser (D) ; - un circuit de pompage (C), configuré pour créer une dépression à la surface supérieure (40) du support chauffant (4) de sorte que l'atmosphère (20) de la chambre d'oxydation (2) exerce localement une seconde pression (P2), strictement inférieure à la première pression (Pl). Four (1) selon la revendication 1, comportant un ensemble (41) de résistances électriques agencé pour irradier le support chauffant (4) de manière à contrôler la température de la surface supérieure (40). Four (1) selon la revendication 1 ou 2, comportant des moyens de mesure (6), agencés pour mesurer une courbure d'arc (B',') du substrat (S) lorsque le substrat (S) est agencé à la surface supérieure (40) du support chauffant (4) ; et le circuit de pompage (C) comporte des moyens de régulation, configurés pour réguler la seconde pression (P2) en fonction de la courbure d'arc (B,'') mesurée du substrat (S). Four (1) selon la revendication 3, dans lequel les moyens de régulation comportent : - une électrovanne (EV1) ; - des premier et second capteurs de pression (CP1, CP2), agencés pour mesurer respectivement les première et seconde pressions (P1, P2) ; - un régulateur maître (RM), relié aux moyens de mesure (6), et configuré pour fonctionner à une consigne (SP) fixe correspondant à la courbure d'arc souhaitée (B) du substrat (S) ; - un régulateur esclave (RE), relié à l'électrovanne (EV1) et agencé en cascade avec le régulateur maître (RM), et configuré pour fonctionner à une consigne (SP) variable correspondant à une différence entre les première et seconde pressions (P1, P2) mesurée par les premier et second capteurs de pression (CP1, CP2). Four (1) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel les moyens de 13 [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] mesure (6) comportent : - une caméra (60), munie d'un système de mise au point automatique, et agencée pour fournir une image du substrat (S) lorsque le substrat (S) est agencé à la surface supérieure (40) du support chauffant (4) ; - des moyens de déplacement, agencés pour déplacer la caméra (60) dans la chambre d'oxydation (2) au-dessus du support chauffant (4). Four (1) selon la revendication 5, dans lequel le système de mise au point automatique comporte des moyens de calcul configurés pour : - calculer les transformées de Fourier rapides des images fournies du substrat (S) pour différentes positions verticales de la caméra (60) ; - générer une courbe focale (CF1) à partir des transformées de Fourier rapides calculées ; - calculer une régression polynomiale (RP) de la courbe focale (CF1) générée ; - soustraire la régression polynomiale (RP) calculée à la courbe focale (CF1) générée de manière à corriger la courbe focale (CF1) générée ; - déterminer la position du pic maximal (P,'a') de la courbe focale corrigée (Cf 2). Four (1) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le support chauffant (4) est muni d'au moins un orifice traversant (42) ; et le four (1) comporte au moins une canule (5) possédant : - une extrémité proximale (50), débouchant dans l'orifice traversant (42), et - une extrémité distale (51), opposée, et reliée au circuit de pompage (C). Four (1) selon la revendication?, dans lequel la canule (5) est réalisée dans un matériau thermiquement isolant, de préférence le quartz. Four (1) selon la revendication? ou 8, dans lequel l'extrémité proximale (50) de la canule (5) est sphérique. Four (1) selon l'une des revendications 7 à 9, comportant un organe d'étanchéité (6) monté à l'extrémité distale (51) de la canule (5) de manière étanche avec la chambre d'oxydation (2). Four (1) selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel la première pression (P1) est comprise entre 1 Pa et 10 Pa, de préférence comprise entre 103Pa et 105Pa. Four (1) selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le circuit de pompage (C) comporte une pompe à vide (P) adaptée de sorte que la seconde pression (P2) vérifie : 50%P1