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FR2995724B1 - Dispositif pour detecter un rayonnement electromagnetique et son procede de fabrication - Google Patents

Dispositif pour detecter un rayonnement electromagnetique et son procede de fabrication Download PDF

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FR2995724B1
FR2995724B1 FR1358828A FR1358828A FR2995724B1 FR 2995724 B1 FR2995724 B1 FR 2995724B1 FR 1358828 A FR1358828 A FR 1358828A FR 1358828 A FR1358828 A FR 1358828A FR 2995724 B1 FR2995724 B1 FR 2995724B1
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electromagnetic radiation
sensor array
integrated circuit
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Ingo Herrmann
Karl-Franz Reinhart
Tjalf Pirk
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Dispositif composé d'au moins deux plaquettes (120, 130) pour détecter un rayonnement électromagnétique, notamment un rayonnement infrarouge éloigné, comprenant : - une première plaquette (120) comportant un microsystème (115) réalisé comme réseau de capteurs et détectant le rayonnement électromagnétique et fournissant un signal de capteur correspondant, et - une seconde plaquette (130) comportant un circuit intégré (105) en forme de réseau de capteurs couplés à un circuit d'exploitation pour détecter, le rayonnement électromagnétique à l'aide du signal de capteur .

Description

Domaine de l’invention
La présente invention se rapporte à un dispositif composé d’au moins deux plaquettes pour détecter un rayonnement électromagnétique ainsi qu’un procédé de fabrication d’un tel dispositif.
Etat de la technique
Le document DE 10 2008 043 735 Al décrit un procédé de réalisation d’une liaison entre au moins deux plaquettes. Le procédé de liaison décrit dans ce document consiste à appliquer une première matière de liaison sur une première plaquette, cette première matière de liaison étant de l’aluminium ou un alliage d’aluminium.
Le procédé décrit également l’application d’une seconde matière de liaison sur une seconde plaquette et cette seconde matière de liaison est de l’or. Ensuite, selon le procédé décrit dans ce document, on applique une étape de liaison consistant à relier la première et la seconde matière de liaison pour réaliser ainsi une liaison plaquette sur plaquette entre la première plaquette et la seconde plaquette.
En outre, le document EP 1071126 B1 décrit la liaison réalisée entre deux plaquettes avec pour les patins de liaison des deux plaquettes, des matières différentes et des patins de liaison en or. En outre, ce document prévoit comme matière de liaison le silicium, l’indium, l’aluminium, le cuivre, l’argent et des alliages de ces éléments.
La figure 4 décrit à titre d’exemple un dispositif 1 connu formé de deux plaquettes 10, 20. La première plaquette 10 est utilisée comme plaquette de couverture du dispositif. La seconde plaquette comporte une région MEMS 15 et une région ASIC 5. Pour mettre en contact la première plaquette, il y a des patins de liaison métalliques 21, 22, 23. La région MEMS 15 a une structure MEMS avec une structure en languettes 18, dégagée, qui comporte une bande de mesure d’allongement 16.
Exposé et avantages de l’invention L’invention a pour objet un dispositif composé d’au moins deux plaquettes pour détecter un rayonnement électromagnétique, notamment un rayonnement infrarouge éloigné. Caractérisé par une première plaquette comportant un microsystème réalisé comme réseau de capteurs et détectant le rayonnement électromagnétique et notamment le rayonnement infrarouge éloigné et fournissant un signal de capteur correspondant, et une seconde plaquette comportant un circuit intégré en forme de réseau de capteurs couplé à un circuit d’exploitation pour détecter le rayonnement électromagnétique, notamment le rayonnement infrarouge éloigné à l’aide du signal de capteur ainsi fourni. L’invention a également pour objet un procédé de réalisation d’un dispositif comportant au moins deux plaquettes tel que défini ci-dessus, caractérisé par les étapes suivantes consistant à : utiliser une première plaquette avec un système micromécanique et une seconde plaquette avec un circuit intégré, appliquer une matière de liaison sur la première plaquette et sur la seconde plaquette, et relier par des fils soudés la première plaquette munie de la matière de liaison et la seconde plaquette munie de la matière de liaison pour réaliser le dispositif.
La caractéristique de l’invention consiste à éviter l’intégration latérale du circuit d’exploitation et la combinaison verticale de structures ASIC et MEMS sur une plaquette car un traitement commun des deux structures dans de très grands plans de masque augmente la probabilité de mise au rebut pour l’ensemble de la plaquette.
Le cœur de l’invention consiste à séparer les structures ASIC et MEMS en intégrant respectivement chacune des structures ASIC et MEMS dans deux plaquettes distinctes et à relier par des fils soudés les deux plaquettes dans l’étape finale par les contacts métalliques réalisés sur les deux plaquettes. L’invention permet avantageusement d’utiliser des procédés optimisés pour les structures ASIC et MEMS pour chacune des plaquettes. L’invention a en outre des avantages économiques grâce à une réduction au minimum de la surface utilisée pour chacune des structures de plaquette ainsi optimisée. En outre, l’invention permet de respecter des écarts réduits, nécessaires entre un pixel de capteur de la structure MEMS et le circuit d’exploitation de la structure ASIC.
Selon un développement de l’invention, le circuit d’exploitation est un réseau de circuits.
Selon l’invention, le réseau de capteurs est un réseau composé d’au moins un élément de diode. Cela permet une fabrication simple du réseau de capteurs et garantit le fonctionnement de ce réseau en utilisant avantageusement le fait que la tension de l’élément de diode change, pour en déduire la variation de température du réseau de capteurs, engendrée par le rayonnement.
Selon un développement, le réseau de circuits et le réseau de capteurs sont de forme analogue, ce qui permet de minimiser les longueurs des chemins entre un élément de diode du réseau de capteurs et le circuit d’exploitation.
Selon une caractérisation, l’élément de diode est couplé à une unité d’exploitation du circuit d’exploitation, ce qui réduit les influences parasites exercées de l’extérieur sur le dispositif.
Selon un développement, l’élément de diode se compose de plusieurs diodes branchées en série, ce qui augmente avantageusement la variation de la chute de tension sur l’élément de diode, induite par le rayonnement.
Selon un autre développement, le circuit intégré est un circuit intégré dédié à une application, ce qui permet une application efficace du réseau de capteurs.
Selon un développement, le dispositif comporte en outre une troisième plaquette comme plaquette de couverture du réseau de capteurs permettant de maintenir la dépression nécessaire au réseau de capteurs.
Selon un développement de l’invention, le réseau de capteurs est un réseau micromécanique-bolométrique pour saisir le rayonnement électromagnétique, notamment le rayonnement infrarouge éloigné, ce qui permet de détecter avantageusement la variation de la résistance électrique générée par le rayonnement électromagnétique absorbé par le réseau de capteurs et entraînant une variation de température du réseau.
Selon un développement, le circuit intégré comporte un écran thermique protégeant le circuit intégré du dispositif contre la surchauffe que peut produire le rayonnement électromagnétique, notamment le rayonnement infrarouge éloigné.
Selon un autre développement, le microsystème comporte un getter permettant de maintenir en permanence de façon avantageuse la dépression nécessaire au réseau de capteurs pendant le fonctionnement du getter, (c’est-à-dire un dégazeur, ou un sorbeur).
Selon un développement, la première plaquette a un contact traversant pour une mise en contact simple et garantie de cette première plaquette.
La seconde plaquette a également un contact traversant offrant le même avantage de mise en contact de la seconde plaquette.
Dessins
La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l’aide d’un dispositif formé d’au moins deux plaquettes pour détecter un rayonnement électromagnétique, notamment un rayonnement infrarouge éloigné et son procédé de fabrication représentés dans les dessins annexés dans lesquels les mêmes éléments portent les mêmes références dans les différentes figures.
Ainsi : la figure 1 est un schéma en coupe d’un dispositif formé de deux plaquettes pour détecter un rayonnement électromagnétique, notamment un rayonnement infrarouge éloigné correspondant à un mode de réalisation de l’invention, la figure 2 est un schéma d’un dispositif composé de trois plaquettes pour détecter un rayonnement électromagnétique, notamment un rayonnement électromagnétique infrarouge éloigné correspondant à un autre mode de réalisation de l’invention, la figure 3 est un schéma très simplifié d’un ordinogramme du procédé de fabrication d’un dispositif formé d’au moins deux plaquettes pour détecter un rayonnement électromagnétique, notamment un rayonnement infrarouge éloigné selon un autre développement de l’invention, et la figure 4 montre un exemple de réalisation d’un dispositif connu formé de deux plaquettes.
Description de modes de réalisation de l’invention
La figure 1 est une vue schématique en coupe d’un dispositif composé de deux plaquettes pour détecter un rayonnement élec tromagnétique, notamment un rayonnement infrarouge éloigné correspondant à un mode de réalisation de l’invention.
Comme plaquette, on utilise une plaquette circulaire ou carrée d’une épaisseur de l’ordre de 1 mm. Les plaquettes sont en une matière semi-conductrice mono ou polycristalline et servent de substrat à un système électronique. La matière semi-conductrice, est le silicium, le germanium, l’arséniure de gallium, le carbure de silicium et le phos-phure d’indium.
Le dispositif 100 comporte deux plaquettes 120, 110 pour détecter un rayonnement électromagnétique, notamment un rayonnement infrarouge éloigné.
Une première plaquette 120 a un microsystème 115 réalisé sous la forme d’un réseau de capteurs pour détecter le rayonnement électromagnétique, notamment le rayonnement infrarouge éloigné, et fournir un signal de détection correspondant.
La seconde plaquette 110 a un circuit intégré 105 en forme de circuit d’exploitation couplé au réseau de capteurs pour détecter le rayonnement électromagnétique, notamment le rayonnement infrarouge à partir des signaux de capteur qui lui sont fournis et donner en sortie un signal de capteur.
Le circuit d’exploitation détermine l’élément de capteur 115a qui a saisi le rayonnement électromagnétique, notamment le rayonnement infrarouge éloigné. Le réseau de capteurs est réalisé comme réseau d’éléments de capteur 115a ayant chacun un ou plusieurs éléments de diode 116. Le circuit d’exploitation est réalisé comme réseau de circuits composé d’un réseau d’unités d’exploitation et un ou plusieurs éléments de diode 116 du réseau de capteurs sont couplés respectivement à une unité d’exploitation du circuit d’exploitation. L’unité d’exploitation du circuit d’exploitation est un convertisseur de mesure transformant un signal électrique de capteur de l’élément de diode 116 réalisé comme récepteur de mesure en un signal électrique normé. L’élément de diode 116 est formé de plusieurs diodes branchées en série ou d’un montage en série de diodes et d’autres composants électriques tels que des résistances. Les diodes sont des diodes semi-conductrices ayant soit un cristal semi-conducteur à dopage p-n, du silicium mais aussi du germanium, une diode de germanium, de l’arséniure de gallium ou une jonction métal-semi-conducteur.
La matière de liaison 180 est déposée par dépôt à la vapeur sur la première plaquette 120 et sur la seconde plaquette 110 ; 130 ; la matière de liaison est de l’or ou de l’indium ou encore de l’aluminium ou autre métal approprié pour une liaison de plaquette.
Des patins de liaison 121, 122, 123 qui sont également en or ou en indium ou en aluminium ou en tout autre métal approprié pour une liaison de contact sont réalisés pour la mise en contact de la première plaquette 120.
La seconde plaquette 110 comporte des contacts 125 reliant le circuit intégré 105 au patin de contact non représenté, développé sur le côté de la seconde plaquette 110 tourné vers la première plaquette 120 pour la mise en contact de la première plaquette 120 avec la seconde plaquette 110.
Comme électrode, pour la mise en contact électrique des éléments de métal et pour fixer les éléments de diode 116, on a des nervures en oxyde ou autre matière 127 non conductrice. Les éléments de diode 116 sont ainsi appliqués dans ou sur des régions de matière par ailleurs dégagées. La première plaquette 120 a par exemple un contact traversant 124. L’élément de capteur 115a a une cavité 126 pour l’isolation thermique des capteurs thermiques vis-à-vis de la première plaquette 120 utilisée comme substrat pour les éléments de capteur 115a.
Une cavité individuelle 126 est prévue sous chaque élément de capteur 115a ou encore on peut avoir des cavités 126 recevant plusieurs éléments de capteur 115a ainsi qu’une grille de pixels.
On peut également avoir une cavité suffisamment grande sous l’ensemble du réseau de capteurs.
Dans le cas de plusieurs éléments de capteur 115a par cavité 126, il est avantageux notamment pour la stabilité et les caractéristiques des éléments de capteur 115a de prévoir des points d’appui pour évacuer aussi bien que possible la chaleur absorbée dans le réservoir du substrat.
Ces appuis sont par exemple sous la forme de cloisons ou de colonnes. Les cavités se réalisent par exemple par attaque chimique d’une couche sacrificielle, le cas échéant avec un accrochage ciblé de cavités séparées par des appuis mais également par une gravure ano-dique du substrat dans lequel on réalise par exemple du silicium poreux. On peut également appliquer le procédé de gravure en profondeur du silicium donnant un résultat analogue.
La figure 2 est un schéma d’un dispositif formé de trois plaquettes pour détecter le rayonnement électromagnétique selon un autre exemple de réalisation de l’invention. A la différence du mode de réalisation de la figure 1, le mode de réalisation de la figure 2 correspond à un dispositif 100 ayant une troisième plaquette 140 formant une plaquette de couverture du réseau de capteurs.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, le circuit intégré 105 a un écran thermique 108 et le microsystème 115 a un getter 118 qui est la dénomination usuelle d’un dégazeur ou d’un sorbeur. L’écran thermique 108 est réalisé par exemple comme couche réfléchissant le rayonnement électromagnétique ou le rayonnement infrarouge éloigné.
Le getter 118 est par exemple réalisé sous la forme d’une matière chimiquement réactive pour maintenir une dépression aussi longtemps que possible. A la surface du getter 118, les molécules de gaz se combinent aux atomes de la matière du getter en formant une liaison chimique directe ou encore les molécules de gaz sont bloquées par sorp-tion. On piège ainsi les molécules de gaz et on diminue la pression interne de la cavité.
Les autres références présentées à la figure 2 correspondent à des éléments déjà décrits à l’aide de la figure 1 et cette description ne sera pas reprise.
La figure 3 est un schéma d’un ordinogramme d’un procédé de fabrication d’un dispositif composé d’au moins deux plaquettes pour détecter un rayonnement électromagnétique, notamment un rayonnement infrarouge éloigné selon un autre mode de réalisation de l’invention.
La première étape du procédé consiste à utiliser SI une première plaquette 120 avec un microsystème 115 et une seconde plaquette 110 ; 130 avec un circuit intégré 105. La seconde étape du procédé S2 consiste à appliquer une matière de liaison 180 sur la première plaquette 120 et sur la seconde plaquette 110 ; 130.
La troisième étape du procédé S3 consiste à relier par des fils soudés la première plaquette 120 munie de la matière de liaison 180 et la seconde plaquette 110 ; 130 munie de la matière de liaison 180 pour réaliser le dispositif.
NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 100 Dispositif 105 Circuit intégré 110, 120, 130 Plaquette 115 Microsystème 115a Elément de capteur 116 Elément de diode 118 Getter 121, 122, 123 Patin de liaison 124 Contact traversant 125 Contact 126 Cavité 127 Matière non conductrice 140 Plaquette 180 Matière de liaison

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS 1°) Dispositif composé d’au moins deux plaquettes (120, 110 ; 120, 130) pour détecter un rayonnement électromagnétique dans lequel : une première plaquette (120) comporte un microsystème (115) qui est réalisé sous la forme d’un réseau de capteurs, ce réseau de capteurs comprenant plusieurs éléments de capteurs ( 115a) et étant réalisé pour détecter le rayonnement électromagnétique et fournir un signal de capteur correspondant, la première plaquette (120) ayant une cavité individuelle pour chaque élément de capteur (H5a), une seconde plaquette (110 ; 130) comporte un circuit intégré (105) qui est réalisé sous la forme d’un circuit d’exploitation couplé au réseau de capteurs et est conçu pour détecter le rayonnement électromagnétique à l’aide du signal de capteur fourni, la première plaquette (120) et la seconde plaquette (110 ; 130) sont reliées par des fils soudés, et la seconde plaquette (110 ; 130) ou une troisième plaquette qui est réalisée sous la forme d’une plaquette de couverture du réseau de capteurs comporte une autre cavité dans laquelle est installé le réseau de capteurs.
  2. 2°) Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit d’exploitation est un réseau de circuits.
  3. 3°) Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de capteurs est un réseau composé d’au moins un élément de diode (116).
  4. 4°) Dispositif (100) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’élément de diode (116) est couplé à au moins une unité d’exploitation du circuit d’exploitation.
  5. 5°) Dispositif (100) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’élément de diode (116) se compose de plusieurs diodes en série.
  6. 6°) Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit intégré (105) est un circuit intégré dédié à une application.
  7. 7°) Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de capteurs est un réseau micro-bolométrique pour détecter le rayonnement électromagnétique, notamment le rayonnement infrarouge éloigné.
  8. 8°) Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit intégré (105) comporte un écran thermique (108).
  9. 9°) Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le microsystème (115) comporte un getter (118).
  10. 10°) Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première plaquette (120) et/ou la seconde plaquette (110 ; 130) a un contact traversant (124).
  11. 11°) Procédé de réalisation d’un dispositif comportant au moins deux plaquettes selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé par les étapes suivantes consistant à : utiliser (SI) une première plaquette (120) avec un système micromécanique (115) réalisé sous la forme d’un réseau de capteurs, ce réseau de capteurs comprenant plusieurs éléments de capteurs (115a) et la première plaquette (120) ayant une cavité individuelle pour chaque élément de cpteur (115a) et une seconde plaquette (110 ; 130) avec un circuit intégré (105), appliquer (S2) une matière de liaison (180) sur la première plaquette (120) et sur la seconde plaquette (110 ; 130), et relier (S3) par des fils soudés la première plaquette (120) munie de la matière de liaison (180) et la seconde plaquette (110 ; 130) munie de la matière de liaison (180) pour réaliser le dispositif.
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