Brevet FR2273370A1 — publié le 19751226

La présente invention concerne un procédé de réalisation de détecteurs minces comportant un cristal semiconducteur d'un type de conduction donné sur une première face principale duquel est agencée une région active recouverte au moins partiellement d'une première plage métallique de contact et sur la seconde face principale duquel opposée à ladite première face est déposée une seconde plage métallique de contact. La présente invention concerne également les détecteurs obtenus par ce procédé. On sait que, pour la spectrométrie et pour l'identification de particules chargées de faible énergie, dont l'énergie est comprise entre deux limites ou dont l'énergie est voisine de l'énergie d'autres particules, notamment pour différencier le carbone, l'azote et I'oxygène, on utilise fréquemment des détecteurs semiconducteurs minces sur une face desquels est aménagée une zone active. Ces détecteurs sont généralement utilisés dans des ensembles où ils sont associes à un détecteur épais. Les particules étudiées traversent le détecteur mince qui mesure ce que l'on appelle leur énergie différentielle avant de parvenir au détecteur épais qui mesure l'énergie restante. Les particules sont alors identifiées, le plus souvent, sous la forme de pics d'énergie. Les principaux paramètres qui commandent en fait les qualités et les performances électriques des détecteurs minces sont la minceur dont dépend le pouvoir de dis crée mination et de séparation des pics d'énergies voisines, ceux-ci étant d'autant plus étroits et en conséquence mieux séparés par ltensemble détecteur que le détecteur différentiel est plus mince, la planéité, le parallélisme des faces du détecteur et l'homogénéi- té de la zone active auxquels est liée la précisionde l'identification des diverses particules. Si la zone active n'est pas homogène les pics s'arrondissent et s'élargissent. I1 est considéré commepratiquement impossible, en l'absence de support, d'obtenir avec une planéité suffisante et de manipuler sans accident des lamelles semiconductrices d'une épaisseur de quelques micromètres. A-ltheure actuelle les "zones actives" mentionnées ci-dessus sont le plus souvent du type dit à barrière de surface, ou éventuellement à barrière de Schottky. Il est classique d'appeler détecteurs à barrière de surface, des détecteurs en semiconducteurs, germanium ou silicium par exemple, constitués d'une plaquette d'un type de conduction donné, à la surface de laquelle on a créé une mince couche d'oxyde que l'on stabilise par le dépôt d'une couche métallique qui sert également de plage de contact. Les plus employés sont en silicium de type N dont la couche d'oxyde est stabilisée par une couche d'or ou de platine. Les charges négatives réparties à la surface de l'oxyde induisent à l'intérieur de la pellicule superficielle des charges positives réparties dans une couche dite d'inversion qui prend le type P et dans une couche sous-jacente désertée. L'application d'une polarisation à la couche d'or augmente la profondeur de la zone désertée. Les détecteurs à barrière de Schottky sont constitués d'une pellicule métallique déposée sur un cristal semiconducteur frache- ment décapé généralement de type N. Il est parfaitement entendu que la présente invention s'applique à ces différents types de détecteurs minces et que les termes "régions actives employés dans ce mémoire recouvrent notamment les barrières de surface et les barrières de Schottky. A l'heure actuelle, les dispositifs détecteurs minces, notamment à barrière de surface, sont créés généralement à partir de plaquettes épitaxiales dont on évide la partie centrale pour n'y conserver qu'une lamelle mince sur laquelle est créée la région active. Les dispositifs peuvent etre formés dans une couche épitaxiale à haute résistivité déposée sur un substrat du meme type de conduction évidé pour constituer le support. Ils peuvent aussi être formés, par la technique dite d'épitaxie inverse, dans un matériau de haute résistivité sur lequel on a fait croitre une couche épitaxiale épaisse que I'on-évidé pour lui faire jouer le rôle de support tandis que l'on érode,pour l'amincir, le matériau initial de haute résistivité. Toutes ces méthodes comprennent une opération d'épitaxie. La mise en oeuvre de telles techniques présente de nombreux inconvénients. En premier lieu, la planéité du fond d'un évidement et son parallélisme à un plan donné sont pratiquement impossibles à réaliser, et son poli éventuel ne peut être que mauvais. Les faces de la couche active ainsi dégagée ne peuvent donc avoir les qualités nécessaires. De plus, en raison des décapages et des traitements indispensables à l'épitaxie, ltétat de la surface du support et l'étant de la surface soumise aux rayonnements ne sont pas parfaits, notamment en ce qui concerne la planéité et la qualité du poli. Dans ces conditions, la définition de la région active, notamment des jonctions formées à partir de la surface et celle des zones désertées créées notamment autour de ces jonctions ne sont pas suffisamment précises. Ceci conduit à un manque de sensibilité et donc à un manque de pouvoir de résolution et de discrimination de particules d'énergie voisine. Par ailleurs, les traitements, notamment les traitements épitaxiaux nécessaires à ltobtention des détecteurs classiques sont effectués à température élevée, ce qui provoque une altération des caractéristiques du matériau présentant une haute résistivité. Enfin, les régions d'interface entre un substrat et une couche épitaxie sont inévitablement troubles et le réseau cristallin est dtautant plus perturbé que les résistivités des deux couches cristallines sont différentes. De ce fait, lors de la polarisation du détecteur, la zone désertée s'étend dans ces régions d'une manière incontrôlée et sa définition étant alors insuffisante, la sensibilité du détecteur en souffre. De plus, les perturbations cristallines à l'interface conduisent à de faibles tensions de claquage, ce qui empêche de surdéserter la zone active. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Elle prend en considération les possibilités maintenant classiques de vérifier au moyen de palpeurs au dixième de micrometre près, la constance de l'épaisseur de plaquettes de quelques centaines de micromètres d'épaisseur. La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un détecteur mince comportant un cristal semiconducteur d'un type de conduction donné sur une première face principale duquel est agencée une région active recouverte au moins partiellement d'une pre mière plage métallique de contact et sur la seconde face principale duquel opposée à ladite première face est déposée une seconde plage métallique de contact remarquable en ce que l'on crée,d'une part,une plaquette épaisse d'un cristal semiconducteur de haute résistivité dont les faces principales sont planes et parallèles, et, d'autre part, une pièce support homéomorphe à une couronne dont les faces principales sont essentiellement planes et parallèles, ladite pièce support étant en un matériau dont les qualités mécaniques et thermiques sont compatibles avec celles dudit semiconducteur, en ce que, par l'une de ses faces principales, on colle ensuite, à l'aide d'une colle isolante, ledit cristal semiconducteur sur l'une des faces principales de ladite pièce support tout en maintenant lesdites faces principales dudit cristal parallèles auxdites faces principales de ladite pièce, en ce que l'on réduit alors l'épaisseur dudit cristal semiconducteur, puis en ce que, sur ladite première face principale dudit cristal, on crée, au moins partiellement par traitements, ladite région active et enfin, en ce que l'on procède ultérieurement au dépôt de couches métalliques adéquates sur les plages appropriées desdites première et seconde faces principales dudit cristal. L'un des avantages du procédé réside dans le fait que, selon celui-ci, l'on sépare la réalisation du cristal détecteur de celle de son support et que l'on peut traiter isolément au départ le cristal semiconducteur de haute résistivité et le support. autre - - - - - - Unfdès avantages du procédé réside dans le fait que, en eli- minant toute opération d'épitaxie, on élimine effectivement tout traitement à haute température. En effet, quel que soit le procédé utilisé pour créer une barrière de surface, la température ne monte jamais au-dessus de- 1000C. Ainsi évite-t-on une modification, d'une partie la durée de vie des porteurs minoritaires de la structure et, d'autre part, de la résistivité du cristal semiconducteur de haute résistivité. On sait, en effet, que l'échauffe- ment d'un matériau semiconducteur provoque la chute rapide et durable après refroidissement de sa résistivité et de la durée de vie des porteurs. Un autre avantage réside dans le fait que l'on élimine toute opération d'évidement du cristal lui-même, génératrice de défauts et -- de plaizéité/de parallelisme. L'opération de collage peut effectivement être obtenue avec la précision d'épaisseur demandée, généralement 0,2 micromètre, en effectuant des mesures pendant le durcissage de la colle et en ajustant, si nécessaire, la pression exercée. Il est ainsi possible d'obtenir un cristal semiconducteur mince et homogène dont les surfaces peuvent être rendues planes et parallèles dans les meilleures conditions. On améliore donc sensiblement les caractéristiques du détecteur et, en conséquence, son efficacité. Avantageusement, on utilise, comme matériau de l'élément support homéomorphe à une couronne, un matériau semiconducteur d'une composition analogue ou identique à celle du cristal. On peut alors utiliser, pour amincir le cristal après collage, une polisseuse agissant sur les deux faces de ltensemble des deux pièces collées, équipement classique dans l'industrie des semiconducteurs et dont la-precision est particulièrement bonne. Préférentiellement, on utilise pour la fixation par collage des deux pièces de la paraffine filtrée. On peut également utiliser des résines très fluides polymérisables à basse température, notamment à température ambiante. La région active créée peut être notamment soit une barrière de surface obtenue par un traitement oxydant à basse température (inférieure à 1000 C) dont la première plage métallique constitue la couche de stabilisation, soit une barrière de Schottky. Dans un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, on utilise comme première face du cristal, en y créant la zone active, la face dudit cristal contiguë à la pièce support. Dans un second mode de mise en oeuvre, on utilise comme première face du cristal, en y créant la zone active, la face dudit cristal opposée à la face contiguë à ladite pièce support. Dans le premier mode de mise en oeuvre, l'emplacement de la plage de contact sur la première face principale est particulièrement bien délimité par la forme en couronne de la pièce support. Comme ladite plage de contact sur la première face commande la localisation de la zone active sur la portion du cristal qui est plus plane et la plus homogène, la zone désertée est parfaitement bien définie et d'une régularité qui permet une bonne sensibilité et un bon pouvoir séparateur. Même si, ayant choisi pour la pièce support un matériau conducteur, il y a contact électrique entre la première plage de contact et ladite pièce support, la colle isolante limite la zone désertée. De plus, et quel que soit le mode de mise en oeuvre, le fait d'isoler le cristal semiconducteur de haute résistivité de son support évite de déformer la zone désertée par le voisinage d'une région semiconductrice d'une cristallisation irrégulière. On peut ainsi atteindre des tensions de claquage de la diode formée beaucoup plus importantes que dans le cas des détecteurs classiques: plusieurs dizaines de volts au lieu de 1 ou 2 volts. Quel que soit le mode de mise en oeuvre également, la plage conductrice déposée sur la face du cristal où se trouve la pièce support peut avantageusement être déposée également sur une partie de celle-ci, par exemple pour constituer un contact. Pour éviter la coupure de cette plage conductrice, on peut donner avantageusement à la pièce support homéomorphe à une couronne une section trapézoî- dale, l'angle de la face interne de ladite couronne avec la face principale du cristal contiguë à ladite couronne étant très supérieur au droit. Les dispositifs fabriqués par le procédé selon la présente invention sont avantageusement insérés dans un boîtier homéomorphe à une couronne. Cette insertion peut avantageusement être effectuée avant le dépôt des couches métalliques que l'on peut alors déposer au cours de la même opération sur le détecteur et sur son boîtier. Du côté du dispositif opposé à celui où est située la pièce support, on peut donner au boîtier une section sensiblement trapézoidale, comportant un épaulement destiné au support du cristal semiconducteur. Dans le second mode de mise en oeuvre, l'ouverture de plus petit diamètre détermine alors la dimension et la localisation de la barrière de surface dans la portion centrale du cristal. Il est clair que l'ouverture de plus petit diamètre du bottier ou de la pièce support constitue la fenêtre d'entrée du détecteur. De préférence, le boîtier est en un matériau isolant, présentant un coefficient de dilatation sensiblement égal à celui du matériau semiconducteur, par exemple en céramique si le détecteur proprement dit est en silicium. On peut utiliser par exemple la céramique dite stumatite. Avantageusement, le détecteur est fixé dans son boîtier par collage et les colles utilisées pour la fixation des cristaux semiconducteurs dans le boîtier sont avantageusement des résines poly mérisables.à basse température, notamment à température ambiante. De préférence, lesdites résines utilisées pour fixer les détecteurs dans le boîtier sont dopées de manière à présenter le même type de conduction que la région semiconductrice qu'elles fixent au boîtier. Cela évite des courants de fuite superficiels supplémentaires. De telles résines sont disponibles. La présente invention concerne également les détecteurs minces obtenus par le procédé selon l'invention. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, fera bien eomprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1 à 5 illustrent diverses étapes du procédé selon l'invention dans son second mode de mise en oeuvre. Il est à noter que, sur les f-igures, les dimensions sont considérablement exagérées et non proportionnées, ceci afin de rendre les dessins plus clairs. Le détecteur illustré par la figure 5 comporte un premier cristal semiconducteur 1 de haute résistivité, de type N par exemple, rendu rigide mécaniquement par un support constitué d'un second cristal semiconducteur 2 de type de conduction indif férent, de forme homéomorphe à une couronne. Les deux cristaux sont fixés l'un à l'autre par une colle 5. Le cristal 1, de haute résistivité, comporte une couche d'oxyde Il sur laquelle est déposée la partie 12a d'une couche métalli- que 12 recouvrant également partiellement une face du boîtier 8 supportant I'ensemble des deux cristaux 1 et 2 et auquel on a donné une forme homéomorphe à une couronne. Sous la partie 12a a été représentée en 14 la couche d'inversion utile de type P formant avec le silicium de type N la jonction J. Le boîtier présente la particularité d'avoir une section sensiblement conforme à un trapè- ze évitant une discontinuité dans la couche métallique 12. Pour obtenir ce détecteur par le procédé selon l'invention, on part successivement d'un premier cristal semiconducteur 1 (fig. 1) de silicium de type N par exemple, de résistivité comprise entre lOOet 1000 Q.cm,par exemple 200 Q.cm et d'épaisseur égale à 150 p et d'un second cristal semiconducteur 2 (fig. 2) de même nature et de même type de conduction, d'épaisseur 200 p et de résistivité quelconque comprise entre 0,001 et 0,1 n.cm, 0,01 Q.cm par exemple. En premier lieu par des traitements classiques de rodage mécano-chimique, on prépare le cristal 1 de telle manière que ses faces principales, traitées séparément, soient parallèles entre elles et que leur défaut de planéité n'excède pas 0,2-V. Par ailleurs, (fig. 3), on donne au cristal 2 une forme en couronne de telle manière que sa section soit trapézoïdale et l'on rectifie également ses faces principales pour obtenir une planéité du même ordre que précédemment, les moyens utilisés étant les mêmes. L'opération suivante (fig. 4), consiste à coller le cristal 1 par sa face 3 sur la face 4 du cristal 2 à l'aide d'une colle isolante 5 qui peut être avantageusement une résine époxyde fluide avant polymérisation, polymérisant à basse température et résistant aux acides ou de la paraffine filtrée. On vérifie au cours du collage le parallélisme des faces principales des deux parties assemblées. Les deux cristaux 1 et 2 étant collés, de telle manière que les faces 6 du cristal 1 et 7 du cristal 2 soient rigoureusement parallèles, on rode mécaniquement ladite face 6 du cristal 1 en prenant la face 7 du cristal 2 pour référence jusqu'à 6a pour amener l'épaisseur dudit cristal 1 à une valeur comprise entre 50 et 70 p. Ce rodage mécanique est alors suivi d'un décapage chimique avec une solution de FH et de N03H pour ramener l'épaisseur du cristal- 1 entre 2 et 50 p suivant le type de rayonnements à détecter : dans l'exemple choisi l'épaisseur finale du cristal 1 est de l'ordre de-5 p. L'ensemble à ce stade est représenté fig. 4. Après ce décapage, on lave à l'eau, on passe alors I'ensemble des deux cristaux dans un bain Marie d'eau désionisée à une température comprise entre 70 et 950C pendant un temps compris entre 30 et 90 minutes. I1 se forme la légère couche d'oxyde de silicium 11. On dispose et on fixe ltensemble des deux cristaux- 1 et 2 dans un boîtier 8 en un matériau isolant de coefficient de dilatation sensiblement identique à celui du matériau constituant lesdits cristaux 1 et 2 : dans le cas de cette description on choisit avantageusement une céramique, oxyde d'aluminium ou oxyde de béryllium par exemple. Pour faciliter la fixation, le cristal 1 repose par-sa face 6a sur un épaulement 8a du boîtier auquel on a donné, par ailleurs, une forme sensiblement homéomorphe à une couronne de section sen six liement trapézoldale. L'ensemble est collé sur l'épaulement 8a du boîtier 8 à l'aide d'une laque 9 et sur la paroi latérale dudit boîtier avec une laque 10. Avantageusement la laque 9 peut être légèrement dopée de type P comme la couche d'inversion 11 tandis que la laque 10 est isolante. Pour renforcer cette couche d'inversion 11, on dépose a sa surface et sur une portion du boîtier 8, par évaporation sous vide, une mince pellicule d'or 12. Cette pellicule d'or permet de localiser la zone désertée la créée par la polarisation appropriée appliquée lors du fonctionnement du détecteur dans la portion centrale du cristal 1. Cette pellicule est également utilisée comme première plage de contact pour la soudure de l'une des deux connexions mettant en liaison le détecteur avec les appareillages extérieurs. On peut, éventuellement, remplacer l'or par du platine. Sur la face 7 du cristal 2 opposée à la face 6 du cristal 1 portant la couche d'or- 12, on dépose une pellicule d'aluminium 13 formant la seconde plage de contact, la présence d'une mince couche d'oxyde de silicium ne présentant pas d'inconvénients majeurs. On a ainsi obtenu un détecteur à barrière de surface dont le cristal actif 1 a une épaisseur très fine et homogène améliorant le pouvoir de résolution et dont la région utile est localisée à la partie centrale dudit cristal actif e'est-à-dire à la zone la plus plane et dont le parallélisme des faces est le meilleur. L'epaisseur du cristal 1 étant faible, il suffit d'une polarisation minime pour que la zone désertée occupe ledit cristal et, dans ces conditions, les courants de fuite peuvent se trouver con sidérablement réduits. - -REVENDICATIONS 1.- Procédé de réalisation d'un détecteur mince comportant un cristal semiconducteur d'un type de conduction donné sur une première face principale duquel est agencée une région active recouverte au moins partiellement d'une première plage métallique de contact et sur la seconde face principale duquel opposée à ladite première face est déposée une seconde plage métallique de contact caractérisé en ce que l'on crée d'une part une plaquette élémentaire épaisse d'un cristal semiconducteur de haute résistivité dont les faces principales sont planes et parallèles, et d'autre part, une piece élémentaire homéomorphe à une couronne dont les faces principales sont également planes et parallèles > ladite pièce élémentaire étant en un matériau dont les qualités mécaniques et thermiques sont compatibles avec celles dudit semiconducteur, en ce que, par l'une de ses faces principales, on colle ensuite, à l'aide d'une colle isolante, ledit cristal semiconducteur sur l'une des faces principales de ladite pièce homéomorphe à une couronne, tout en maintenant lesdites faces principales dudit cristal parallèles auxdites faces principales de ladite pièce, en ce que l'on réduit alors l'épaisseur dudit cristal semiconducteur, puis en ce que, sur ladite première face principale dudit cristal on crée, au moins partiellement par traitements, ladite région active et, enfin, en ce que l'on procède ultérieurement au dépôt de couches métalliques sur les plages appropriées~desdites première et seconde faces principales dudit cristal. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pie ce élémentaire homéomorphe à une couronne est en un matériau semiconducteur d'une composition analogue à celle du cristal. 3.- Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que la colle utilisée pour la fixation des deux éléments est de la paraffine filtrée. 4.-- Procédé selon la revendication: 1, caractérisé en ce que les colles utilisées pour la fixation des deux éléments sont des résines polymérisables à basse température, notamment à température ambiante. 5.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce élémentaire homéomorphe à une couronne est collée sur ladite première face du cristal sur -laquelle est créée ultérieurement la zone active. 6.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce élémentaire homéomorphe à- une couronne est collée sur ladite seconde face du cristal opposée à ladite première face du cristal 7.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone active est une barrière de surface créée au moyen d'un traitement oxydant de la surface suivi du dépôt de la couche métallique de stabilisation. 8.- Procédé selon le revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone active est une barrière de Schottky créée au moyen d'un décapage de la surface suivi du dépôt de la couche métallique. 9.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce élémentaire homéomorphe à une couronne a une section trapézoldale, l'angle de la face interne de ladite couronne avec la face principale du cristal sur laquelle est collée ladite couronne étant supérieur au droit. 10.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la plage métallique de contact déposée sur la face libre du cristal à l'intérieur de la pièce homéomorphe à une couronne s'étend aussi sur ladite pièce. 11.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit détecteur est inclus dans un boîtier homéomorphe à une cou ronge 12.- Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'on donne audit boîtier homéomorphe à une couronne une section sensiblement trapézoldale comportant un épaulement destiné au support des cristaux semiconducteurs. 13.- Procédé selon la revendication 11, caractérise en ce que le boîtier est en un matériau isolant présentant un coefficient de dilatation sensiblement égal à celui du matériau semiconducteur. 14.- Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit détecteur est collé dans ledit boîtier par au moins une résine polymérisable à basse température, notamment à température ambiante 15.- Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que les résines utilisées pour fixer les cristaux semiconducteurs au boîtier sont dopées de manière à présenter le même type de conduction que la région semiconductrice quelles fixent audit boîtier. 15.- Procédé selon l'une des revendications 11 à 15, caracté- risé en ce que ledit détecteur est fixé dans ledit boltier avant la création de la couche métallique sur la face du cristal opposee à la face contiguë à la pièce élémentaire et en ce que ladite couche recouvre au moins partiellement la face correspondante dudit boîtier. 17.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit cristal semiconducteur a une résistivité comprise entre 10 et 1000 Xcm et en ce que son épaisseur finale est comprise entre 2 et 50 micromètres. 18.- Procédé selon l'une des revendication 2et 17, caractérisé en ce le matériau semicondaleteur constituant~ladite pièce homéomorphe à une couronne a une résistivité comprise entre 0,001 et 0,01 Zcm et une épaisseur comprise entre 150 et 250 micromètres. l9.- Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 17 ou 18, caractérisé en ce que le cristal semiconducteur est en silicium de type N. 20.- Procédé selon l'ensemble des revendications llet 19, caractérisé en ce que ledit boîtier est essentiellement en ceramique. 21.- Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que la première plage métallique de contact est une couche d'or. 22.- Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que lå seconde plage métallique de contact est une couche d'aluminium. 23.- Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que la première plage métallique de contact est une couche de platine. 24.- Détecteur mince caractérisé en ce qu'il est fabriqué par le procédé selon une des revendications 1 à 10.