FR3132946A1 - Procede de realisation d’un detecteur elementaire pour un capteur infrarouge, detecteur elementaire et capteur infrarouge associes - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire (10a) d’un rayonnement infrarouge, chaque détecteur élémentaire (10a) comprenant au moins deux micro-bolomètres (11) associés chacun à un filtre distinct (21a-21c) d’une fenêtre optique (13), le procédé comprenant les étapes suivantes :– réalisation des micro-bolomètres (11) sur un substrat d’embase (12) ;– gravure d’au moins une partie d’une face interne (16) de la fenêtre optique (13) pour définir deux niveaux de profondeurs distincts : un niveau de liaison (NL) et un niveau cavité (NC) ;– structuration d’un ensemble de réseaux périodiques de diffraction spécifiques (21a-21c) avec des propriétés de filtration distinctes en termes de longueurs d’onde dans le niveau cavité ;– report du niveau de liaison de la fenêtre optique sur des zones de support (25) du substrat d’embase ; et– collage direct de type SAB du niveau de liaison sur le substrat d’embase.
Figure pour l’abrégé : Fig 4
Description
L’invention a trait au domaine de la détection infrarouge, et notamment la détection mettant en œuvre des micro-bolomètres. L’invention concerne un procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire d’un capteur infrarouge. L’invention vise également le détecteur élémentaire et le capteur infrarouge associés.
Plus particulièrement, l’invention vise à améliorer la précision de mesure des détecteurs élémentaires en utilisant, pour chaque détecteur élémentaire, au moins deux micro-bolomètres associés à des filtres distincts d’une fenêtre optique qui lui est associée, de sorte à obtenir une image infrarouge plus précise et/ou plus riche en informations de la scène observée.
Un détecteur élémentaire d’un capteur infrarouge se présente classiquement sous la forme d’un micro-bolomètre monté en suspension sur un substrat, et encapsulé sous vide dans un boitier ou un volume hermétique. Le boitier hermétique est généralement constitué par une fenêtre optique et des parois latérales fixées entre le substrat et la fenêtre optique. Intrinsèquement, la fenêtre optique non traitée présente une transmittance plus large que la gamme de longueurs d’onde d’intérêt. Un détecteur élémentaire formé d’un micro-bolomètre et d’une fenêtre optique est par exemple conçu pour présenter un maximum de sensibilité sur la bande spectrale 8-14 micromètres, tout en étant peu sensible au flux en dehors de cette bande spectrale.
Pour améliorer les performances du détecteur élémentaire, cette fenêtre optique est traitée ou structurée au regard du ou des micro-bolomètres. Typiquement, cette fenêtre optique est destinée à atténuer les longueurs d’onde comprises entre 2 et 8 micromètres, et à former un filtre anti-reflet pour les longueurs d’onde d’intérêt comprises entre 8 et 14 micromètres.
En outre, les performances du détecteur élémentaire sont également liées au niveau de vide régnant au sein du boitier hermétique. Afin de garantir l’isolation thermique entre le micro-bolomètre et le substrat, nécessaire pour aboutir aux performances attendues, le niveau de vide dans le boitier hermétique doit typiquement être inférieur à 10-3mbar. Pour garantir ce niveau de vide, un matériau getter est classiquement intégré au sein du boitier hermétique.
Par exemple, pour obtenir une détection efficace, le document FR 2 985 576 propose de réaliser, tel qu’illustré au sein des figures 1 et 2, un détecteur élémentaire100avec une fenêtre optique130, dont la face externe17est recouverte d’un filtre multicouche interférentiel20, et dont la face interne16est pourvue d’un réseau périodique de diffraction210.
Le filtre multicouche interférentiel20peut être conçu pour atténuer la transmission optique globale de la fenêtre optique1 3 0sur une première gamme de longueurs d’onde comprise entre 2 et 8 micromètres, par exemple sur la gamme de longueurs d’onde comprise entre 2 et 5 micromètres. Contrairement aux filtres qui sont réalisés pour filtrer les longueurs d’onde sur toute la gamme de longueurs d’onde entre 2 et 8 micromètres, l’étendue réduite de cette gamme permet notamment de prévoir un filtre interférentiel présentant un nombre limité de couches, et corollairement un nombre et une taille de défauts limités par rapport à un filtre interférentiel conçu pour atténuer la transmission de la fenêtre optique1 3 0sur l’intervalle complet de 2 à 8 micromètres.
En outre, le réseau périodique de diffraction21 0peut être conçu pour atténuer la transmission optique globale de la fenêtre optique1 3 0sur une deuxième gamme de longueurs d’onde comprise entre 2 et 8 micromètres, par exemple sur la gamme de longueurs d’onde comprise entre 5 et 8 micromètres.
Après avoir formé la fenêtre optique1 3 0, celle-ci est classiquement reportée sur des parois latérales140d’un substrat d’embase12sur lequel un ou plusieurs micro-bolomètres11sont montés en suspension, de sorte à former un plusieurs détecteurs élémentaires. Lors de ce report, la fenêtre optique1 3 0est fixée sur les parois latérales140au moyen d’une soudure hermétique mettant en œuvre un cordon de soudure29en or-étain chauffé à une température comprise entre 280 et 350°C. Le traitement thermique de scellement active également le matériau getter.
La fenêtre optique130est classiquement commune et identique pour tous les micro-bolomètres11juxtaposés sur le substrat d’embase12, tel qu’illustré sur la de l’état de la technique. Ainsi, les micro-bolomètres11sont identiques et sont surmontés par une fenêtre optique130avec des propriétés de filtrages identiques si bien que les micro-bolomètres11forment des détecteurs élémentaires100structurellement identiques, permettant de capter plusieurs points de scène distincts d’une image infrarouge.
Pour améliorer la précision de mesure des capteurs afin d’obtenir une image infrarouge plus précise et/ou plus riche en informations de la scène observée, il est recherché depuis longtemps d’utiliser plusieurs micro-bolomètres juxtaposés pour former un détecteur élémentaire en utilisant un filtre distinct pour chacun des différents micro-bolomètres.
Cette technique est utilisée dans le domaine du visible avec les filtres de Bayer associés à plusieurs éléments sensibles distincts qui permettent d’obtenir une image en couleurs. Dans le cas des capteurs infrarouges, le but n’est pas d’obtenir une image en couleurs, mais une image infrarouge plus précise et/ou plus riche en informations de la scène observée, par exemple plus résolue ou plus contrastée, en utilisant plusieurs micro-bolomètres pour détecter des gammes de longueur d’onde distinctes dans la bande spectrale 8-14 micromètres, avec éventuellement des recoupements associés à des traitements d’images.
Plusieurs barrières techniques limitent cependant la réalisation de tels capteurs infrarouges. En effet, pour réaliser un capteur infrarouge pourvu de filtres différenciés pour chacun des micro-bolomètres juxtaposés qui le constituent, et notamment pour s’assurer que lesdits filtres soient effectivement chacun en lien avec un seul micro-bolomètre, il est nécessaire de limiter le phénomène de diaphonie optique entre les filtres, c’est-à-dire que les rayonnements traversant l’un des filtres ne puissent pas atteindre les micro-bolomètres adjacents. Pour ce faire, il est possible d’espacer les micro-bolomètres d’une distance importante, typiquement supérieure à plusieurs micromètres. Cependant, cette solution limite la densité d’intégration, et donc la résolution de l’image infrarouge.
Ainsi, pour limiter la diaphonie optique entre les filtres sans dégrader la résolution de l’image infrarouge, il est recherché d’une part, de garantir un alignement précis entre les filtres et les micro-bolomètres associés à chaque filtre et, d’autre part, de limiter la distance séparant la fenêtre optique du plan focal des micro-bolomètres, c’est-à-dire la hauteur du boitier hermétique.
Or, la limitation de la hauteur du boitier hermétique entraine un certain nombre de contraintes techniques, notamment la problématique tendant à garantir le niveau de vide dans un boitier hermétique de faible volume, tel que décrit dans le document WO 2021/223951.
Par ailleurs, la fabrication par report des détecteurs élémentaires, illustrés sur les figures 1 et 2, pose également un problème d’alignement des filtres de la fenêtre optique130avec les micro-bolomètres11.
Afin d’obtenir un alignement précis de la fenêtre optique130, il est possible de ne pas utiliser la technologie de fabrication par report, telle qu’évoquée ci-dessus, mais de réaliser ladite fenêtre de façon monolithique, c’est-à-dire en mettant en œuvre plusieurs couches sacrificielles par dépôts de matière successifs sur les micro-bolomètres. Cette technologie de fabrication monolithique ne permet cependant pas d’obtenir une qualité de filtration aussi précise que celle obtenue à l’aide de filtres réalisés indépendamment des micro-bolomètres. En effet, les parois formées par fabrication monolithique présentent un plus grand nombre d’impuretés que les substrats utilisés pour la fabrication par report. Ainsi, en formant une fenêtre optique avec la technologie de fabrication monolithique, cette dernière présente de nombreuses impuretés qui dégradent sa transmittance. En pratique, la fabrication monolithique est utilisée pour réaliser des composants à moindre coût mais avec des performances limitées.
Il s’ensuit que pour obtenir une filtration suffisamment différenciée en termes de sélectivité de longueurs d’onde, la technologie de fabrication monolithique n’est pas souhaitée.
Un exemple de fabrication, utilisant à la fois la technologie monolithique et la technologie de fixation par report, est décrit dans le document EP 3.828.521 et illustré sur la .
Ce document décrit la réalisation d’un ensemble de micro-bolomètres11encapsulés sous vide dans un boitier hermétique. Pour ce faire, la paroi supérieure du boitier hermétique est réalisée par au moins deux couches distinctes : une couche d’encapsulation supérieure161et une couche de scellement172.
La couche d’encapsulation supérieure161est réalisée de manière monolithique sur le substrat, c’est-à-dire en utilisant deux couches sacrificielles : une première couche sacrificielle pour former les micro-bolomètres11 ,et une seconde couche sacrificielle déposée sur les micro-bolomètres11pour réaliser la couche d’encapsulation supérieure161et la structure porteuse150de la couche d’encapsulation supérieure161. La fabrication monolithique pose cependant le problème de l’élimination des couches sacrificielles lorsque la couche d’encapsulation supérieure161est formée sur les micro-bolomètres11. Pour ce faire, la solution décrite propose de réaliser des évents170-171au sein de la couche d’encapsulation supérieure161ou dans la structure porteuse150pour permettre l’évacuation des couches sacrificielles. Par ailleurs, lors de l’élimination des couches sacrificielles, se pose également un autre problème en lien avec le matériau getter qui risque d’être détérioré par la suppression des couches sacrificielles.
Pour résoudre ces deux problèmes, le document EP 3.828.521 propose de réaliser des évents170-171dans la couche d’encapsulation supérieure161et de recouvrir ces évents170-171, après la suppression des couches sacrificielles, par une couche de scellement172sur laquelle le matériau getter173est fixé, en utilisant la technologie de fixation par report. Des évents170sont classiquement formés sensiblement au centre de chaque micro-bolomètre11. En outre, un évent latéral171est formé sur le côté du boitier hermétique. Le matériau getter173fixé sur la couche de scellement172se retrouve positionné dans cet évent latéral171lors du report de la couche de scellement172sur la couche d’encapsulation supérieure161. Ainsi, le matériau getter173est préservé de l’étape de suppression des couches sacrificielles, puisqu’il n’est introduit dans le boitier hermétique qu’après cette étape de suppression des couches sacrificielles.
Pour réaliser le report de manière précise, car il faut que le matériau getter173de toutes les cavités formées simultanément pénètre dans les évents latéraux171de la couche d’encapsulation supérieure161, une technique de collage direct est utilisée.
Selon ce document, le collage direct peut être de type SAB, pour « Surface Activated Bonding » dans la littérature anglo-saxonne ou scellement par activation de surface, ou ADB, pour « Atomic Diffusion Bonding » dans la littérature anglo-saxonne ou scellement par diffusion atomique.
Le collage direct de type SAB permet de fixer deux surfaces préalablement activées sous vide par un plasma. L’activation des deux surfaces peut être réalisée à température ambiante, en l’absence de tout matériau de collage intercalaire de type résine ou polymère. Cette technique de collage est notamment décrite dans la publication de Takagi et al. « Surface activated bonding of silicon wafers at room temperature”, Appl. Phys. Lett. 68, 2222 (1996).
Le collage direct de type ADB permet de fixer deux couches métalliques. Elle est notamment décrite dans la publication de Shimatsu et Uomoto « Atomic diffusion bonding of wafers with thin nanocrystalline metal films », J. Vac. Sci. Technol. B 28, 706 (2010).
Cette technique de fabrication utilisant à la fois la technologie monolithique et la technologie de fixation par report est cependant complexe à mettre en œuvre. En effet, pour pouvoir utiliser une couche de scellement172particulièrement fine, et limiter la perte de transmittance, le document EP 3.828.521 propose de réaliser ladite couche de scellement172dans un substrat de type SOI pour silicium sur oxyde ou « Silicon On Insulator » dans la littérature anglo-saxonne. Après la fixation par report, la couche de silicium massive est supprimée avec arrêt de la gravure sur la couche d’oxyde.
Par ailleurs, pour disposer d’un support efficace pour le collage direct, le document EP 3.828.521 propose également d’utiliser une structure porteuse particulièrement large et reposant sur une couche sacrificielle lors du collage direct. Ainsi, avant de mettre en œuvre le collage direct, les couches sacrificielles sont retirées autour des micro-bolomètres, mais ces couches sacrificielles sont conservées dans la structure porteuse.
Lorsque le collage direct est réalisé, cette structure porteuse doit être ouverte pour procéder ensuite au retrait des couches sacrificielles intégrées dans la structure porteuse. Pour mettre en œuvre à la fois la technologie monolithique et la technologie de fixation par report, il convient donc de réaliser de nombreuses étapes pour :
– structurer la couche d’encapsulation supérieure161et la structure porteuse150en utilisant deux couches sacrificielles ;
– réaliser des évents170-171dans la couche d’encapsulation supérieure161;
– supprimer les couches sacrificielles autour des micro-bolomètres11;
– obturer les évents170-171par collage direct d’un substrat SOI sur la couche d’encapsulation supérieure161et la structure porteuse150; le substrat SOI comportant une couche de scellement172sur laquelle un matériau getter173est précédemment mis en place ;
– supprimer la couche de silicium massive du substrat SOI avec arrêt sur la couche d’oxyde ;
– ouvrir la couche de scellement172en regard de la structure porteuse150; et
– supprimer les couches sacrificielles internes à la structure porteuse150.
– structurer la couche d’encapsulation supérieure161et la structure porteuse150en utilisant deux couches sacrificielles ;
– réaliser des évents170-171dans la couche d’encapsulation supérieure161;
– supprimer les couches sacrificielles autour des micro-bolomètres11;
– obturer les évents170-171par collage direct d’un substrat SOI sur la couche d’encapsulation supérieure161et la structure porteuse150; le substrat SOI comportant une couche de scellement172sur laquelle un matériau getter173est précédemment mis en place ;
– supprimer la couche de silicium massive du substrat SOI avec arrêt sur la couche d’oxyde ;
– ouvrir la couche de scellement172en regard de la structure porteuse150; et
– supprimer les couches sacrificielles internes à la structure porteuse150.
Le problème majeur du document EP 3.828.521 réside dans l’utilisation à la fois d’une technologie de fabrication monolithique et d’une technologie de fabrication par report pour former la fenêtre optique disposée sur les micro-bolomètres11. En effet, la fenêtre optique formée sur les micro-bolomètres11est constituée de la couche d’encapsulation supérieure161, réalisée par la technologie de fabrication monolithique, et de la couche de scellement172, réalisée par la technologie de fabrication par report. Or, tel que décrit précédemment, la technologie de fabrication monolithique permet de limiter les coûts mais entraine l’intégration de nombreuses impuretés qui dégradent la transmittance de la fenêtre optique, contrairement à la technologie de fabrication par report qui est classiquement utilisée pour limiter ces impuretés mais induit des coûts plus importants. En combinant ces deux technologies, le document EP 3.828.521 cumule les deux inconvénients de ces technologies sans en avoir les avantages car une telle combinaison impose un coût de production important et la formation d’au moins une partie de la fenêtre optique par la fabrication monolithique limite la transmittance de la fenêtre optique.
Pour obtenir une fenêtre optique avec des filtres très sélectifs dans une gamme de longueurs d’onde, il est recherché d’utiliser uniquement la technologie de fixation par report.
L’invention vise plus particulièrement la réalisation d’au moins un détecteur élémentaire d’un capteur infrarouge dans lequel chaque détecteur élémentaire comporte au moins deux micro-bolomètres associés à des filtres distincts d’une fenêtre optique unique fixée sur un substrat d’embase portant les micro-bolomètres en utilisant la technique de fixation par report, les filtres étant précisément positionnés par rapport aux micro-bolomètres et fixés de manière suffisamment proche des micro-bolomètres pour limiter les rayonnements parasites.
L’invention propose de répondre à ce problème technique en utilisant une fenêtre optique dont au moins une partie est structurée pour définir deux niveaux de profondeurs distincts : un niveau de liaison, correspondant aux parties non structurées de la fenêtre optique, destiné à réaliser la fixation de la fenêtre optique avec le substrat d’embase par collage direct de type SAB, et un niveau cavité, correspondant aux parties structurées de la fenêtre optique, permettant de former au moins une partie du volume du boitier hermétique d’encapsulation des micro-bolomètres. Le niveau de liaison n’étant pas gravé, il est naturellement particulièrement plan et propice au collage direct de type SAB.
Des réseaux périodiques de diffraction spécifiques sont structurés au niveau cavité de la fenêtre optique, ces réseaux présentent des caractéristiques d’atténuation de gammes de longueurs d’onde distinctes.
Des micro-bolomètres sont formés sur un substrat d’embase. Lors du report de la fenêtre optique sur le substrat d’embase, les réseaux périodiques de diffraction spécifiques sont alignés avec les micro-bolomètres de sorte que le détecteur élémentaire comporte plusieurs micro-bolomètres associés à des réseaux périodiques de diffraction distincts, chaque micro-bolomètre captant ainsi une gamme de longueurs d’onde spécifique. L’association de ces différentes gammes de longueurs d’onde permet de construire une image infrarouge plus précise et/ou plus riche en informations.
A cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire d’un rayonnement infrarouge, chaque détecteur élémentaire comprenant au moins deux micro-bolomètres associés chacun à un filtre distinct d’une fenêtre optique unique, le procédé comprenant les étapes suivantes :
– dépôt et structuration d’une couche sacrificielle sur un substrat d’embase ;
– formation de clous d’ancrage à travers la couche sacrificielle ;
– réalisation d’une membrane pour chacun des micro-bolomètres sur les clous d’ancrage ;
– élimination de la couche sacrificielle pour mettre en suspension les membranes des micro-bolomètres sur les clous d’ancrage ;
– gravure d’au moins une partie d’une face interne d’une fenêtre optique pour définir deux niveaux de profondeurs distincts : un niveau de liaison correspondant aux parties de la fenêtre optique qui ne sont pas gravées et un niveau cavité correspondant à ladite au moins une partie gravée de la fenêtre optique ;
– structuration d’un ensemble de réseaux périodiques de diffraction spécifiques avec des propriétés de filtration distinctes en termes de longueurs d’onde dans le niveau cavité ;
– réalisation d’un filtre sur une face externe de la fenêtre optique ; opposée à la face interne ;
– report du niveau de liaison de la fenêtre optique sur des zones de support du substrat d’embase de sorte que les réseaux périodiques de diffraction spécifiques sont disposés en regard de différents micro-bolomètres ; et
– collage direct de type SAB du niveau de liaison de la fenêtre optique sur les zones de support du substrat d’embase.
– dépôt et structuration d’une couche sacrificielle sur un substrat d’embase ;
– formation de clous d’ancrage à travers la couche sacrificielle ;
– réalisation d’une membrane pour chacun des micro-bolomètres sur les clous d’ancrage ;
– élimination de la couche sacrificielle pour mettre en suspension les membranes des micro-bolomètres sur les clous d’ancrage ;
– gravure d’au moins une partie d’une face interne d’une fenêtre optique pour définir deux niveaux de profondeurs distincts : un niveau de liaison correspondant aux parties de la fenêtre optique qui ne sont pas gravées et un niveau cavité correspondant à ladite au moins une partie gravée de la fenêtre optique ;
– structuration d’un ensemble de réseaux périodiques de diffraction spécifiques avec des propriétés de filtration distinctes en termes de longueurs d’onde dans le niveau cavité ;
– réalisation d’un filtre sur une face externe de la fenêtre optique ; opposée à la face interne ;
– report du niveau de liaison de la fenêtre optique sur des zones de support du substrat d’embase de sorte que les réseaux périodiques de diffraction spécifiques sont disposés en regard de différents micro-bolomètres ; et
– collage direct de type SAB du niveau de liaison de la fenêtre optique sur les zones de support du substrat d’embase.
En d’autres termes, l’invention réside dans la combinaison d’un filtre, par exemple un filtre multicouche interférentiel ou un réseau périodique de diffraction, formé sur la face externe de la fenêtre optique, dont les propriétés de filtrage sont communes à tous les micro-bolomètres, et d’un ensemble de filtres utilisant les propriétés diffractives de réseaux obtenus par structuration sur la face interne de ladite fenêtre optique, dont les propriétés de filtrage sont distinctes pour au moins deux micro-bolomètres formant un détecteur élémentaire. Au sens de l’invention, la face « interne » de la fenêtre optique correspond à la face destinée à venir en regard du substrat d’embase, alors que la face « externe » de la fenêtre optique correspond à la face de la fenêtre optique la plus éloignée du substrat d’embase.
La face interne de la fenêtre optique comprend deux niveaux de profondeurs distincts, un niveau de liaison et un niveau cavité. Par exemple, la distance séparant le niveau cavité de la fenêtre optique et les membranes des micro-bolomètres peut être inférieure à 10 micromètres. Les réseaux périodiques de diffraction de la face interne sont structurés dans le niveau cavité. Compte tenu de la topologie du niveau cavité, il peut être complexe technologiquement de structurer un réseau périodique de diffraction pour atténuer certaines longueurs d’ondes infrarouge, notamment au-delà de 14 micromètres.
En associant un filtre avec la face externe de la fenêtre optique, qui ne présente pas de topologies, il est possible de concevoir un tel filtre de telle sorte qu’il atténue la transmission de la fenêtre optique de ces longueurs d’ondes infrarouge au-delà de 14 micromètres.
En outre, au moins deux réseaux périodiques de diffraction de la face interne de la fenêtre optique présentent également des gammes de filtration des rayonnements infrarouge distinctes. Ainsi, les micro-bolomètres présents sous ou à l’aplomb de ces réseaux périodiques de diffraction sont sensibles à des gammes de longueurs d’onde distinctes.
Le collage direct de type SAB permet de garantir la précision d’alignement des réseaux périodiques de diffraction avec les micro-bolomètres et la structuration du niveau cavité permet d’obtenir une faible distance entre les réseaux périodiques de diffraction de la face interne et le substrat d’embase, typiquement une distance inférieure à 10 micromètres.
Ainsi, ce procédé de fabrication permet de réaliser, en utilisant la technique de fixation par report, un détecteur élémentaire comprenant au moins deux micro-bolomètres associés à des filtres distincts, les filtres étant précisément positionnés par rapport auxdits micro-bolomètres et fixés de manière suffisamment proche de ces derniers pour limiter la diaphonie.
En structurant la fenêtre optique pour définir le niveau cavité, la fenêtre optique présente une topologie qui permet de former au moins une partie du boitier hermétique.
En effet, en gravant le niveau cavité à une profondeur suffisante, par exemple proche de 5 micromètres, il est possible de former l’intégralité des parois latérales du boitier hermétique dans la fenêtre optique et de fixer cette dernière directement sur des zones de support ménagées sur le substrat d’embase, de part et d’autre des micro-bolomètres.
De préférence, pour limiter la profondeur de gravure du niveau cavité de la fenêtre optique, les zones de support peuvent être surélevées par rapport au substrat d’embase. Pour ce faire, il est avantageux de réaliser ces zones de support dans le même plan que celui dans lequel s’inscrivent les membranes des micro-bolomètres, en ne mettant en œuvre qu’une seule couche sacrificielle.
Dans ce mode de réalisation, le procédé comporte une étape de réalisation d’une structure porteuse à travers ladite couche sacrificielle, les zones de support étant réalisées sur la structure porteuse.
La structure porteuse des zones de support peut être réalisée avec les mêmes étapes de fabrication que les clous d’ancrage, et les zones de support peuvent être réalisées concomitamment avec les étapes de fabrication des membranes, par exemple les étapes de dépôt des couches à base de silicium propices au collage direct de type SAB.
En effet, le collage direct de type SAB peut être réalisé avec des couches de silicium ou de germanium. Ainsi, la fenêtre optique est réalisée dans un substrat capot massif de silicium ou de germanium, et les zones de support sont également réalisées à base de silicium ou de germanium, par exemple en silicium amorphe.
Avant de procéder au collage direct, il est également possible de réaliser une étape de planarisation du niveau de liaison de la fenêtre optique et/ou des zones de support du substrat d’embase, de sorte à garantir la tenue mécanique et le niveau de vide requis dans le boitier hermétique formé par l’association de la fenêtre optique et du substrat d’embase.
Pour garantir ce niveau de vide, par exemple un vide d’au moins 10-3mbar, il est possible d’utiliser un matériau getter mis en place au sein du boitier hermétique. Le matériau getter peut être réalisé en zirconium, en titane, en vanadium, en hafnium, en niobium, en tantale, en cobalt, en yttrium, en baryum, en fer, en palladium, en platine ou en alliage de ces matériaux. De plus, du chrome (Cr), de l’aluminium (Al), du nickel (Ni) et des terres rares, telles que le cérium (Ce), le césium (Cs), le scandium (Sc) ou le lanthane (La) peuvent être ajoutés à ces métaux pour améliorer les caractéristiques du getter, telles que la taille des grains. Ce matériau getter peut être déposé dans le niveau cavité de la fenêtre optique, après la structuration des différents réseaux périodiques de diffraction. Selon un mode de réalisation, le matériau getter est déposé dans le niveau cavité de la fenêtre optique en dehors des zones de réalisation des réseaux périodiques de diffraction spécifiques. En variante, le matériau getter est déposé dans une tranchée du niveau cavité de la fenêtre optique, ladite tranchée étant ménagée en dehors des zones de réalisation des réseaux périodiques de diffraction spécifiques.
Quelle que soit la stratégie d’implantation du matériau getter dans le niveau cavité de la fenêtre optique, il est requis d’activer thermiquement ledit getter pour qu’il commence à absorber les gaz présents dans le boitier hermétique et garantir le niveau de vide. Pour ce faire, il est classique d’activer thermiquement le matériau getter après le scellement du boitier hermétique sous vide.
Cependant, tel que décrit dans le document WO 2021/223951, l’activation thermique du matériau getter désorbe des gaz, majoritairement constitués d’hydrogène, d’azote, d’oxydes de carbone, d’argon et de composés de carbone et d’hydrogène, tels que le méthane.
La désorption de ces gaz provient de toutes les parois internes du boitier hermétique et des éléments présents dans ce boitier hermétique, tels que les micro-bolomètres.
Ainsi, en diminuant le volume du boitier hermétique pour rapprocher les réseaux périodiques de diffraction des micro-bolomètres, le rapport de la surface des parois sur le volume du boitier hermétique étant croissant avec la réduction du volume, la pression partielle des gaz désorbés dans le boitier hermétique est elle aussi croissante.
Pour garantir le niveau de vide nonobstant une pression partielle croissante due à la diminution du volume du boitier hermétique, il est possible d’utiliser des matériaux getter présentant une capacité d’absorption plus efficace que les matériaux getter communément utilisés.
Une autre technique consiste à limiter la désorption de gaz à l’intérieur du boitier hermétique après le scellement en activant le matériau getter avant de reporter la fenêtre optique sur le substrat d’embase. En effet, la désorption de gaz est principalement due aux procédés de scellement métallique et d’activation du matériau getter. En utilisant un collage direct de type SAB, il n’est pas nécessaire de chauffer les surfaces de fixation et ce procédé limite donc la désorption de gaz.
Par ailleurs, il est possible de chauffer le matériau getter dans l’enceinte sous vide utilisée pour réaliser le collage direct de type SAB car cette enceinte présente un volume nécessairement plus important que le volume du boitier hermétique. Ainsi, la pression partielle des gaz désorbés dans l’enceinte est limitée par le volume de l’enceinte.
Pour obtenir une activation efficace du matériau getter, il est cependant nécessaire que le matériau getter demeure dans des conditions de pression suffisamment contraignantes pour qu’il n’absorbe pas une quantité de gaz trop importante avant d’être positionné dans le boitier hermétique.
Le collage direct de type SAB étant réalisé à un niveau de vide, typiquement de l’ordre de 10-8mbar, bien inférieur au niveau attendu dans le boitier hermétique, typiquement 10-3mbar, il est possible de maintenir les conditions de pression du collage direct de type SAB pour réaliser l’activation du matériau getter avant la fixation de la fenêtre optique sur le substrat d’embase.
Dans ce mode de réalisation, préalablement au report du niveau de liaison de la fenêtre optique sur les zones de support du substrat d’embase, le matériau getter est thermiquement activé sous une pression compatible avec les conditions de pression du collage direct de type SAB, ladite pression étant conservée lors des étapes de report et de collage direct de la fenêtre optique sur les zones de support. Typiquement, le matériau getter peut être activé sous une pression comprise entre 10-9et 10-7mbar.
Ce mode de réalisation permet ainsi de garantir un niveau de vide important dans une cavité de faible volume, permettant le rapprochement des réseaux périodiques de diffraction des micro-bolomètres pour limiter les rayonnements parasites.
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un détecteur élémentaire d’un rayonnement infrarouge comprenant :
– un substrat d’embase sur lequel au moins deux micro-bolomètres sont montés en suspension, les membranes des micro-bolomètres s’étendant dans un même plan ; et
– une fenêtre optique comprenant :
. une face interne présentant deux niveaux de profondeurs distincts : un niveau de liaison et un niveau cavité ; le niveau cavité de la face interne comprenant au moins deux réseaux périodiques de diffraction spécifiques avec des propriétés de filtration distinctes des longueurs d’onde du rayonnement infrarouge ;
. une face externe de la fenêtre optique, opposée à la face interne, comprenant un réseau périodique de diffraction ou un filtre multicouche interférentiel présentant une capacité de filtration uniforme du rayonnement infrarouge pour lesdits au moins deux micro-bolomètres ;
le niveau de liaison de la fenêtre optique étant fixé sur des zones de support du substrat d’embase de sorte que chaque réseau périodique de diffraction spécifique est disposé en regard d’un seul micro-bolomètre.
– un substrat d’embase sur lequel au moins deux micro-bolomètres sont montés en suspension, les membranes des micro-bolomètres s’étendant dans un même plan ; et
– une fenêtre optique comprenant :
. une face interne présentant deux niveaux de profondeurs distincts : un niveau de liaison et un niveau cavité ; le niveau cavité de la face interne comprenant au moins deux réseaux périodiques de diffraction spécifiques avec des propriétés de filtration distinctes des longueurs d’onde du rayonnement infrarouge ;
. une face externe de la fenêtre optique, opposée à la face interne, comprenant un réseau périodique de diffraction ou un filtre multicouche interférentiel présentant une capacité de filtration uniforme du rayonnement infrarouge pour lesdits au moins deux micro-bolomètres ;
le niveau de liaison de la fenêtre optique étant fixé sur des zones de support du substrat d’embase de sorte que chaque réseau périodique de diffraction spécifique est disposé en regard d’un seul micro-bolomètre.
Selon un troisième aspect, l’invention concerne un capteur infrarouge comprenant :
– un substrat d’embase intégrant un circuit de lecture ;
– un ensemble de détecteurs élémentaires selon le second aspect de l’invention, connectés au circuit de lecture, et agencés sous forme matricielle sur le substrat d’embase.
– un substrat d’embase intégrant un circuit de lecture ;
– un ensemble de détecteurs élémentaires selon le second aspect de l’invention, connectés au circuit de lecture, et agencés sous forme matricielle sur le substrat d’embase.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d’exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels :
La illustre une vue en coupe d’un boitier hermétique, intégrant un détecteur élémentaire, réalisé par une technique de fabrication par report selon l’état de la technique ;
La illustre une vue en coupe d’un boitier hermétique, intégrant trois détecteurs élémentaires, réalisé par une technique de fabrication par report selon l’état de la technique ;
La illustre une vue en coupe d’un boitier hermétique, intégrant deux détecteurs élémentaires, réalisé par une technique de fabrication monolithique et par report selon l’état de la technique ;
La illustre une vue en coupe d’un détecteur élémentaire selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
La illustre une vue en coupe d’un détecteur élémentaire selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
La illustre une vue en coupe d’un détecteur élémentaire selon un troisième mode de réalisation de l’invention ;
Les illustrent en vue en coupe les étapes de réalisation de la fenêtre optique de deux détecteurs élémentaires selon le mode de réalisation de la ;
Les illustrent en vue en coupe les étapes de réalisation du substrat d’embase de deux détecteurs élémentaires selon le mode de réalisation de la ;
Les illustrent les étapes d’association du substrat d’embase et de la fenêtre optique de deux détecteurs élémentaires selon le mode de réalisation de la ;
La illustre l’évolution de la transmittance en fonction de la longueur d’onde du filtre disposé sur la face externe de la fenêtre optique selon un mode de réalisation de l’invention ;
La illustre l’évolution de la transmittance en fonction de la longueur d’onde d’un premier réseau périodique de diffraction disposé sur la face interne de la fenêtre optique selon un mode de réalisation de l’invention ;
La illustre l’évolution de la transmittance en fonction de la longueur d’onde d’un second réseau périodique de diffraction disposé sur la face interne de la fenêtre optique selon un mode de réalisation de l’invention ;
La illustre l’évolution de la transmittance globale de la fenêtre optique en regard du premier réseau périodique de diffraction selon un mode de réalisation de l’invention ; et
La illustre l’évolution de la transmittance globale de la fenêtre optique en regard du second réseau périodique de diffraction selon un mode de réalisation de l’invention.
Les figures 4, 5 et 6 illustrent trois modes de réalisation différents d'un détecteur élémentaire10a-10cd'un rayonnement infrarouge. Dans les trois modes de réalisation, le détecteur élémentaire10a-10ccomporte trois micro-bolomètres11identiques. Ces micro-bolomètres11sont destinés à capter des longueurs d'onde distinctes afin de former un détecteur élémentaire10a-10cavec une précision et/ou une quantité d'informations plus importantes que les détecteurs élémentaires incorporant un seul micro-bolomètre.
Afin que chaque micro-bolomètre11capte une gamme de longueurs d'onde distincte, des filtres distincts21a-21csont associés aux trois micro-bolomètres11du détecteur élémentaire10a-10c.
Bien que les figures 4 à 6 illustrent trois micro-bolomètres11associés à des filtres distincts21a-21c, au sens de l'invention, le détecteur élémentaire10a-10cpeut ne comporter que deux micro-bolomètres11associés à deux filtres distincts.
De même, chaque détecteur élémentaire10a-10cpeut être formée par un réseau de deux micro-bolomètres11disposés en ligne et deux micro-bolomètres11disposés en colonne de sorte à utiliser quatre micro-bolomètres11dont au moins deux permettent de capter des longueurs d'ondes distinctes.
Pour ce faire, une fenêtre optique13rapportée au-dessus des micro-bolomètres11présente deux filtres distincts :
– un filtre réalisé sur la face externe17de la fenêtre optique13 ; et
– des filtres périodiques de diffraction21a-21cformés sur la face interne16la fenêtre optique13et présentant des gammes de filtration distinctes.
– un filtre réalisé sur la face externe17de la fenêtre optique13 ; et
– des filtres périodiques de diffraction21a-21cformés sur la face interne16la fenêtre optique13et présentant des gammes de filtration distinctes.
En ce qui concerne la face externe17, celle-ci peut être structurée avec un réseau périodique de diffraction20a, tel qu'illustré sur les figures 4 et 6, ou avec un filtre multicouche interférentiel20b, tel qu'illustré sur la .
Dans tous les modes de réalisation des figures 4 à 6, le réseau périodique de diffraction20aou le filtre multicouche interférentiel20bsont communs à l'ensemble des micro-bolomètres11présents sous la fenêtre optique13.
Pour former les réseaux périodiques de diffraction21a-21cde la face interne16, l'invention propose de graver un niveau cavitéNCdans la fenêtre optique13de sorte que la face interne16de la fenêtre optique13présente un niveau de liaisonNLet un niveau cavitéNC.
Le niveau cavitéNCest utilisé pour structurer des réseaux périodiques de diffraction21a-21cprésentant des gammes de filtrage distinctes. En effet, pour que les micro-bolomètres11du détecteur élémentaire10a-10cpuissent capter des longueurs d'onde distinctes alors que les micro-bolomètres11sont identiques, il convient de modifier les capacités de filtrage de ces réseaux périodiques de diffraction21a-21c.
Les figures 10 à 14 illustrent des plages d'atténuation des longueurs d'onde infrarouges en utilisant la combinaison d'un filtre multicouche interférentiel20b, formant un filtre passe bas tel qu'illustré sur la , avec deux réseaux périodiques de diffraction21a-21b correspondant à des filtres passe haut avec des longueurs d'onde de coupure distinctes, tel qu'illustré sur les figures 11 et 12. Tel qu'illustré sur les figures 13 et 14, la combinaison du réseau périodique de diffraction 21a avec le filtre multicouche interférentiel 20b permet d'obtenir une gamme de transmission des longueurs d'onde Δλ1 différente de la gamme de transmission des longueurs d'onde Δλ2 résultant de la combinaison du réseau périodique de diffraction 21b et du filtre multicouche interférentiel 20b.
Ainsi, les micro-bolomètres11d'un même détecteur élémentaire10a-10cpermettent de capter des gammes de longueur d’onde distinctes telles que les gammes de longueurs d'ondeΔλ1etΔλ2. Il s'ensuit qu'il est possible de créer une image infrarouge en utilisant un réseau de détecteurs élémentaires10a-10cagencées en ligne et en colonne pour former les pixels d'une image infrarouge avec une précision et/ou une quantité d'informations importantes.
Pour obtenir un tel détecteur élémentaire10a-10c, la technologie de fabrication par report est mise en œuvre en reportant la face interne16de la fenêtre optique13sur un substrat d’embase12sur lequel les micro-bolomètres11sont formés.
Pour réaliser les micro-bolomètres11, un substrat d’embase12intégrant un circuit de lecture est utilisé. Une couche sacrificielle15peut tout d’abord être déposée sur le substrat d’embase12, tel qu'illustré sur la . Des ouvertures sont ensuite réalisées dans cette couche sacrificielle15pour définir la position des clous d'ancrage23des micro-bolomètres11. Outre les clous d'ancrage23, il est également possible de former des zones de support25surélevées sur le substrat d’embase12. Pour ce faire, simultanément avec la formation des clous d'ancrage23à travers la couche sacrificielle15pour atteindre les connexions du circuit de lecture du substrat d’embase12, une structure porteuse24peut être réalisée à travers ladite couche sacrificielle15pour soutenir des zones de support25. La structure porteuse24se présente par exemple sous la forme d’un ensemble de cordons concentriques et disposés tout autour des clous d'ancrage23des micro-bolomètres11. En effet, les cordons entourent tous les micro-bolomètres11du détecteur élémentaire10a-10cde sorte à former une partie de cavité d’encapsulation des micro-bolomètres11, en coopération avec la face supérieure du substrat d’embase12et la fenêtre optique13. Pour garantir le support mécanique des zones de support25, plusieurs cordons sont utilisés pour entourer les micro-bolomètres11et former la structure porteuse24.
En variante, il est possible de ménager les zones de support25directement sur le substrat d’embase12 en utilisant une fenêtre optique13suffisamment épaisse et un niveau cavitéNCsuffisamment profond, typiquement d’une profondeur de l’ordre de 5 micromètres. Ainsi, il est possible de ne pas réaliser la structure porteuse24et d’utiliser uniquement la fenêtre optique13et la différence de profondeur entre le niveau de liaisonNLet le niveau cavitéNCpour former les parois latérales du boitier hermétique d’encapsulation des micro-bolomètre11.
Dans l'exemple des figures 4 à 6, la profondeur du niveau cavitéNCpar rapport au niveau de liaisonNLpar exemple de l’ordre de 2 micromètres, est sensiblement égale à la hauteur des clous d'ancrage23, si bien qu'il n'est pas possible de fixer le niveau de liaisonNLdirectement sur le substrat d’embase12et qu’il convient de surélever les zones de support25.
Lorsque la structure porteuse24et les clous d’ancrage23sont formés à travers la couche sacrificielle15, une couche de support et des électrodes peuvent être déposés sur ces clous d’ancrage23et sur la structure porteuse24, tel qu’illustré sur la . La couche de support peut, par exemple, être réalisée en silicium amorphe alors que les électrodes peuvent être réalisées en nitrure de titane et sont déposées pour former un contact électrique avec les clous d’ancrage23.
Pour poursuivre la réalisation des micro-bolomètres11, la illustre le dépôt d'un matériau thermométrique entre les électrodes, par exemple en oxyde de vanadium, ainsi que l'encapsulation du matériau électrique et des électrodes.
La illustre l'étape de structuration des bras de soutien de la membrane des micro-bolomètres11. Pour terminer la préparation du substrat d’embase12, la couche sacrificielle15est retirée, laissant ainsi les zones de support25prêtes à recevoir la fenêtre optique13et mettant en suspension les micro-bolomètres11sur les clous d'ancrage23, tel qu'illustré sur la . Il est à noter que les zones de support25ne sont pas structurées en créant des motifs comme dans les bras de soutien si bien que la couche sacrificielle15demeure présente entre les cordons concentriques de la structure porteuse24. Par ailleurs, les zones de support25peuvent subir une étape de planarisation pour optimiser le collage direct de type SAB avant de terminer la préparation du substrat d’embase12.
La fenêtre optique13peut être réalisée indépendamment des étapes de préparation du substrat d’embase12, par exemple sur une autre chaîne de fabrication. Cette fenêtre optique13est tout d'abord préparée en déposant le filtre multicouche interférentiel20bou en formant le réseau périodique de diffraction20asur la face externe17de la fenêtre optique13.
Dans l'exemple de la , une première étape de préparation de la fenêtre optique13consiste à former un filtre multicouche interférentiel20bsur la face externe17selon les techniques bien connues du domaine, généralement par évaporation. Par exemple, le filtre multicouche interférentiel20bpeut être réalisé par une superposition de couches de bas indice de réfraction, usuellement en sulfure de zinc (ZnS), et de couches de haut indice de réfraction, usuellement en germanium (Ge).
Dans la suite du procédé de formation de la fenêtre optique13, celle-ci est retournée pour préparer la face interne16destinée à être reportée sur le substrat d’embase12. En variante, la face interne16peut être préparée avant la face externe17sans changer l'invention.
La première étape de formation de la face interne16de la fenêtre optique13consiste à graver au moins une partie de la face interne16pour définir deux niveaux de profondeur distincts : le niveau de liaisonNLdans les parties qui ne sont pas gravées et le niveau cavitéNCrésultant de la partie gravée de la fenêtre optique13. En effet, les figures 7 à 9 illustrent la réalisation collective de plusieurs détecteurs élémentaires10a-10c, la fenêtre optique13est donc gravée pour obtenir plusieurs niveaux cavitésNCjuxtaposés.
En variante, un seul détecteur élémentaire10a-10cpeut-être formée si bien qu'un seul niveau cavité NC peut être gravé dans la face interne16de la fenêtre optique13. L’étape de structuration du ou des différentes niveaux cavitéNCde la fenêtre optique13peut être réalisée par une gravure ionique réactive, par gravure humide ou par ablation laser.
Tel qu'illustré sur la , la formation du niveau cavitéNCpermet de créer une demi-cavité au niveau de la face interne16de la fenêtre optique13. Cette demi-cavité permettra, lorsque la fenêtre optique13sera reportée sur le substrat d’embase12, de former une partie de la cavité d’encapsulation des micro-bolomètres11, en coopération avec la face supérieure du substrat d’embase12et éventuellement la structure porteuse24.
Lorsque le niveau cavitéNCest formé, les réseaux périodiques de diffraction distincts21a-21 cpeuvent être réalisés dans le niveau cavitéNC, tel qu'illustré sur la .
Les réseaux périodiques de diffraction distincts21a-21c, par exemple des réseaux de plots gravés dans le niveau cavitéNC, sont conçus pour atténuer différemment la transmission optique de la fenêtre optique13. Pour ce faire, les réseaux périodiques de diffraction21a-21cpeuvent présenter des géométries distinctes, avec des taux de remplissage ou des pas distincts. Ces réseaux périodiques de diffraction distincts21a-21cpeuvent être réalisés à l’aide de techniques de photolithographie ou de gravure usuelles de l’état de la technique qui permettent à la fois une production à grande échelle et une reproductibilité élevée, de sorte que la taille et la densité de défauts du réseau de diffraction sont très limitées. Pour former le masque de gravure dans la profondeur du niveau cavitéNC, il est possible d’utiliser une technique de pulvérisation du masque de gravure, cette technique étant connue sous l’expression anglo-saxonne « spray coating ».
Tel qu'illustré sur la , un matériau getter19peut également être déposé à côté des réseaux périodiques de diffraction distincts21a-21c. Le matériau getter19peut être réalisé en zirconium, en titane, en vanadium, en hafnium, en niobium, en tantale, en cobalt, en yttrium, en baryum, en fer, en palladium, en platine ou en alliage de ces matériaux. De plus, du chrome (Cr), de l’aluminium (Al), du nickel (Ni) et des terres rares telles que le cérium (Ce), le césium (Cs), le scandium (Sc) ou le lanthane (La) peuvent être ajoutés à ces métaux pour améliorer les caractéristiques du getter, telles que la taille des grains.
Ce matériau getter19est utilisé pour garantir le niveau de vide dans la cavité formée par le boîtier hermétique d’encapsulation autour des micro-bolomètres11. Ce matériau getter19peut être déposé, par exemple par évaporation, directement sur le niveau cavitéNCou dans une tranchée18préalablement formée dans le niveau cavitéNC.
En effet, tel qu’illustré sur la , une tranchée18peut être formée à côté des réseaux périodiques de diffraction distincts 21a-21c de la fenêtre optique 13. Cette tranchée 18 peut avoir pour fonction première d’augmenter le volume de la cavité formée autour des micro-bolomètres 11, permettant ainsi de détendre les gaz à l’intérieur de la cavité et de limiter la complexité pour maintenir le niveau de vide recherché dans la cavité. Par ailleurs, le matériau getter 19 peut être déposé sur tout ou partie du fond de cette tranchée 18.
La formation de cette tranchée18peut être analogue à la formation des réseaux périodiques de diffraction distincts21a-21cde la fenêtre optique13, c’est-à-dire en utilisant des techniques de photolithographie ou de gravure usuelles de l’état de la technique, et éventuellement une technique de pulvérisation du masque de gravure. La tranchée18peut être réalisée avant ou après les réseaux périodiques de diffraction distincts21a-21cde la fenêtre optique13.
Dans tous les cas, le matériau getter19est déposé en dehors des zones de réalisation des réseaux périodiques de diffraction spécifiques21a-21c.
Lorsque la fenêtre optique13et le substrat d’embase12sont formés, la fenêtre optique13peut être reportée sur le substrat d’embase12, tel qu'illustré sur la . Un collage direct de type SAB du niveau de liaisonNLde la fenêtre optique13sur les zones de support25du substrat d’embase12est mis en œuvre pour garantir l'alignement et la fixation de la fenêtre optique13par rapport au substrat d’embase12. Tel qu'illustré sur la , la fenêtre optique13peut ensuite être découpée pour préparer la séparation des différents détecteurs élémentaires10a-10cainsi formées. Le substrat d’embase12est également découpé après la découpe de la fenêtre optique13pour compléter la séparation des détecteurs élémentaires10a-10c, tel qu'illustré sur la .
Ainsi, l'invention permet de réaliser collectivement plusieurs détecteurs élémentaires10a-10cintégrant au moins deux micro-bolomètres11permettant de capter des gammes de longueurs d’onde distinctes au moyen d'une fenêtre optique13fixée par collage direct de type SAB sur un substrat d’embase12. Ce collage direct permet de garantir l'alignement des réseaux périodiques de diffraction21a-21cdistincts de la fenêtre optique13. Par ailleurs, la hauteur de la cavité formée autour des micro-bolomètres11peut également être réduite pour limiter la diaphonie optique. Typiquement, la distance séparant le niveau cavitéNCde la fenêtre optique13et les membranes des micro-bolomètres11peut être inférieure à 10 micromètres.
Pour garantir le niveau de vide dans la cavité avec une hauteur réduite, il est préférable d’activer le matériau guetteur19avant de réaliser le collage direct de type SAB. En effet, pour réaliser la fixation entre la fenêtre optique13et le substrat d’embase12, le collage direct de type SAB doit être réalisé sous un niveau de vide très important, préférentiellement compris entre 10-9et 10-7mbar, typiquement proche de 10– 8mbar. Avec un tel niveau de vide, il est possible de chauffer à la fois le substrat d’embase12et la fenêtre optique13de sorte que ces éléments et le matériau getter19dégazent un maximum de molécules avant la fixation. Le collage direct de type SAB est ensuite réalisé sans apport de chaleur si bien que la désorption des molécules est limitée dans la cavité. Le matériau getter19peut donc absorber les faibles gaz demeurant dans la cavité pour garantir un niveau de vide important pendant toute la durée de vie du détecteur élémentaire10a-10c, même avec une cavité de très faible volume, typiquement inférieur à 10 mm³.
En outre, l’utilisation d’un apport de chaleur avant le collage direct de type SAB permet un plus grand degré de liberté que les procédés de scellement impliquant une ou plusieurs couches métalliques. Par exemple, il est possible de chauffer plus fortement le substrat d’embase12pour obtenir le dégazage des couches formant les micro-bolomètres11 ,car les couches métalliques utilisées pour le scellement ne sont plus présentes et l’apport de chaleur ne risque plus d’aboutir à une interdiffusion des couches métalliques entre elles et/ou avec le substrat d’embase12.
L’invention permet donc d'obtenir un capteur infrarouge intégrant des détecteurs élémentaires10a-10cd'un rayonnement infrarouge plus précis et/ou permettant d'obtenir une quantité d'informations supérieures aux capteurs infrarouges de l'état de la technique.
Claims (14)
- Procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire (10a-10c) d’un rayonnement infrarouge, chaque détecteur élémentaire (10a-10c) comprenant au moins deux micro-bolomètres (11) associés chacun à un filtre distinct (21a-21c) d’une fenêtre optique (13), le procédé comprenant les étapes suivantes :
– dépôt et structuration d’une couche sacrificielle (22) sur un substrat d’embase (12) ;
– formation de clous d’ancrage (23) à travers la couche sacrificielle (22) ;
– réalisation d’une membrane (26) pour chacun des micro-bolomètres (11) sur les clous d’ancrage (23) ;
– élimination de la couche sacrificielle (22) pour mettre en suspension les membranes (26) des micro-bolomètres (11) sur les clous d’ancrage (23) ;
– gravure d’au moins une partie d’une face interne (16) de la fenêtre optique (13) pour définir deux niveaux de profondeurs distincts : un niveau de liaison (NL) correspondant aux parties de la fenêtre optique (13) qui ne sont pas gravées et un niveau cavité (NC) correspondant à ladite au moins une partie gravée de la fenêtre optique (13) ;
– structuration d’un ensemble de réseaux périodiques de diffraction spécifiques (21a-21c) avec des propriétés de filtration distinctes en termes de longueurs d’onde dans le niveau cavité (NC) ;
– réalisation d’un filtre (20a-20b) sur une face externe (17) de la fenêtre optique (13), opposée à la face interne (16) ;
– report du niveau de liaison (NL) de la fenêtre optique (13) sur des zones de support (25) du substrat d’embase (12) de sorte que les réseaux périodiques de diffraction spécifiques (21a-21c) sont disposés en regard desdits au moins deux micro-bolomètres (11) ; et
– collage direct de type SAB du niveau de liaison (NL) de la fenêtre optique (13) sur les zones de support (25) du substrat d’embase (12). - Procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire d’un rayonnement infrarouge selon la revendication 1,dans lequelle procédé comporte une étape de réalisation d’une structure porteuse (24) à travers ladite couche sacrificielle (15), les zones de support (25) étant réalisées sur la structure porteuse (24).
- Procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire d’un rayonnement infrarouge selon la revendication 1 ou 2,dans lequel, préalablement à l’étape de report du niveau de liaison (NL) de la fenêtre optique (13) sur les zones de support (25) du substrat d’embase (12), le niveau de liaison (NL) de la fenêtre optique (13) et/ou les zones de support (25) subissent une étape de planarisation.
- Procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire d’un rayonnement infrarouge selon l’une des revendications 1 à 3,dans lequelun matériau getter (19) est déposé dans le niveau cavité (NC) de la fenêtre optique (13) en dehors des zones de réalisation des réseaux périodiques de diffraction spécifiques (21a-21c).
- Procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire d’un rayonnement infrarouge selon l’une des revendications 1 à 3,dans lequelun matériau getter (19) est déposé dans une tranchée (18) du niveau cavité (NC) de la fenêtre optique (13), ladite tranchée (18) étant ménagée en dehors des zones de réalisation des réseaux périodiques de diffraction spécifiques (21a-21c).
- Procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire d’un rayonnement infrarouge selon la revendication 4 ou 5,dans lequelle matériau getter (19) est réalisé en zirconium, en titane, en vanadium, en hafnium, en niobium, en tantale, en cobalt, en yttrium, en baryum, en fer, en palladium, en platine ou en alliage de ces matériaux, complété éventuellement par du chrome (Cr), de l’aluminium (Al), du nickel (Ni) et des terres rares, telles que le cérium (Ce), le césium (Cs), le scandium (Sc) ou le lanthane (La).
- Procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire d’un rayonnement infrarouge selon l’une des revendications 4 à 6,dans lequel, préalablement au report du niveau de liaison (NL) de la fenêtre optique (13) sur les zones de support (25) du substrat d’embase (12), le matériau getter (19) est thermiquement activé sous une pression compatible avec les conditions de pression du collage direct de type SAB, ladite pression étant conservée lors des étapes de report et de collage direct de la fenêtre optique (13) sur les zones de support (25).
- Procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire d’un rayonnement infrarouge selon la revendication 7,dans lequelle matériau getter (19) est activé sous une pression comprise entre 10-9et 10-7mbar.
- Procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire d’un rayonnement infrarouge selon l’une des revendications 1 à 8,dans lequell’étape de structuration du niveau cavité (NC) de la fenêtre optique (13) est réalisée par une gravure ionique réactive, une gravure humide ou une ablation laser.
- Procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire d’un rayonnement infrarouge selon l’une des revendications 1 à 9,dans lequelle filtre (20a) de la face externe (17) de la fenêtre optique (13) est constitué d’un réseau périodique de diffraction.
- Procédé de réalisation d’au moins un détecteur élémentaire selon l’une des revendications 1 à 9,dans lequelle filtre (20b) de la face externe (17) de la fenêtre optique (13) est constitué d’un filtre multicouche interférentiel.
- Détecteur élémentaire (10a-10c) d’un rayonnement infrarouge comprenant :
– un substrat d’embase (12) sur lequel au moins deux micro-bolomètres (11) sont montés en suspension, les membranes des micro-bolomètres (11) s’étendant dans un même plan ; et
– une fenêtre optique (13) comprenant :
. une face interne (16) présentant deux niveaux de profondeurs distincts : un niveau de liaison (NL) et un niveau cavité (NC) ; le niveau cavité (NC) de la face interne (16) comprenant au moins deux réseaux périodiques de diffraction spécifiques (21a-21c) avec des propriétés de filtration distinctes des longueurs d’onde du rayonnement infrarouge ;
. une face externe (17) de la fenêtre optique (13), opposée à la face interne (16), comprenant un réseau périodique de diffraction (20a) ou un filtre multicouche interférentiel (20b) présentant une capacité de filtration uniforme du rayonnement infrarouge pour lesdits au moins deux micro-bolomètres (11) ;
le niveau de liaison (NL) de la fenêtre optique (13) étant fixé sur des zones de support (25) du substrat d’embase (12) de sorte que chaque réseau périodique de diffraction spécifique (21a-21c) est disposé en regard d’un seul micro-bolomètre (11). - Détecteur élémentaire selon la revendication 12,dans lequella distance séparant le niveau cavité (NC) de la fenêtre optique (13) et les membranes des micro-bolomètres (11) est inférieure à 10 micromètres.
- Capteur infrarouge comprenant :
– un substrat d’embase (12) intégrant un circuit de lecture ;
– un ensemble de détecteurs élémentaires (10a-10c) selon la revendication 12 ou 13, connectés au circuit de lecture, et agencés sous forme matricielle sur le substrat d’embase (12).
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| FR2201463A FR3132946B1 (fr) | 2022-02-18 | 2022-02-18 | Procede de realisation d’un detecteur elementaire pour un capteur infrarouge, detecteur elementaire et capteur infrarouge associes |
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-
2022
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