Brevet FR2333229A1 — publié le 19770624

L'invention se rapporte aux bolomètres refroidis à très basse température, en particulier du type décrit dans le brevet français No. 69.42019 déposé le 4 Décembre 1969 au nom de Noël Coron, pour : Détecteur de rayonnement infraerouge au germanium dopé" et dans sa première addition No. 71.31423 déposée le 30 Aobt 1971. On rappellera que ltélément sensible des bolomètres du type susvisé comporte un substrat thermique noirci absorbant le rayonnement couplé à un cristal semi-conducteur de très faibles dimensions dont la résistance varie avec la température de ltélé- ment sensible. Ce dernier est relié a un circuit électrique amplificateur transformant les variations de résistance du cristal en signaux électriques. L'ensemble du bolomètre est moré sur le fond d'un cryostat refroidi à l'hélium liquide. Dans le cas de bolomètre de très petite dimension, c test une face du cristal même qui est noircie et joue le rSle de surface absorbante. Ces bolomètres sont ultrasensibles et destinés en particulier à entre appliqués en astrophysique. Leur limite de détection est d'autant meilleure que la capacité calorifique de l'élément sensible est plus faible à une fréquence de modulation donnée. La liaison électrique entre ltélément sensible et le circuit de mesure se fait habituellement au moyen de fils métal liques fins soudés sur le cristal par apport dtindium. Or, le Demandeur a découvert que, dans le cas des bolomètres fonctionnant aux très basses températures, ces soudures métalliques ont une capacité calorifique plus élevée que celle du cristal lui- même. Il a déjà été utilisé un cristal relativement grand, de section constante, dont seule la partie centrale est en fait soumise totalement aux variations de température sur lesquelles repose la détection.Les soudures sont alors effectuées sur des parties non détectrices, mais l'élément sensible présente un grand volume inutile de semi-conducteur non court-circuité par un shunt thermique et qui participe, par conséquent, à l'inertie ca- lorifique. L'invention propose de surmonter cette difficulté, pour permettre de réaliser des bolomètres refroidis à des températures inférieures à 5 E ayant une capacité calorifique sensiblement réduite par rapport à ceux de l'art antérieur. Elle a pour objet un bolomètre du type susvisé, dans lequel toute soudure effectuée par apport de métal au sein de l'élément sensible est supprimée, deux ou plusieurs éléments méw talliques jouant le role de fuite thermique calibrée entre le cristal et le cryostat et de liaison électrique entre le cristal et les fils de connexion aboutissant à des joints formés, sans sur apport de métal de soudage,/des portions séparées relativement grandes de la surface du cristal où la distribution du courant est relativement homogène. Ces joints sans apport de soudure sont de préférence formés, soit par dépôt métallique sur un support rigide (lequel peut être constitué par des prolongements du cristal sensible, celui-ci ayant ainsi finalement une section variable et une géo- pétrie appropriée pour minimiser son volume), soit par soudage par thermo-compression, par alliage obtenu par exemple par bom- bardement dtélectrons, par ultra-sons, soit par d'autres techni ques de soudage n'utilisant aucun apport de métal et ne mettant pas en oeuvre des températures supérieures à 300C, pour éviter notamment d'abtmer le dopage du cristal. Suivant un mode d'exécution préféré dé l'invention, la partie active du cristal semi-conducteur soumise au flux optique à mesurer est prolongée à partir d'au moins deux portions de surw face telles que définies ci-dessus par des poutres ou rubans comme portant un dépit métallique, les organes de connexion électrique entre le cirstal et le circuit de mesure étant solidarisés aux extrémités desdites poutres ou desdits rubans, opposées à la partie active et ne comportant aucune soudure avec cette partie active. Les soudures qui relient les poutres au circuit de mesure ne contribuent pas sensiblement à la capacité calorifique de l'élément sensible, grace à la résistance thermique élevée des poutres métallisées. Suivant un mode de réalisation plus particulier, le cristal précepteur et les poutres sont obtenus à partir d'un même barreau semi-conducteur, dont la partie centrale est conservée comme e cristal récepteur du flux optique, les parties extrêmes étant conservées pour y fixer des lamelles de quartz métallisées sur leurs deux faces, sur lesquelles sont soudés les fils de con- nexion et qui assurent la liaison thermique de ltélément sensible avec le cryostat, tandis que les parties intermédiaires sont amincies par attaque chimique et qu'un dépôt métallique approprié y est forme. Dans une première forme d'exécution, le semi-conducteur des poutres, lesquelles ont alors une section en U, en I ou en T, est éliminé après formation du dépôt métallique, tandis que dans une variante, le dépôt métallique est formé sur les quatre faces et le semi-conducteur est conservé à l'intérieur des poutres. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation décrits ciZaprès. Au dessin annexé La figure 1 représente schématiquement un bolomètre à élément sensible monobloc, conforme à un premier mode de réalisa- tion de l'invention la figure 2 est une vue en coupe d'une poutre môtalli que en cours de fabrication la figure 3 est une vue en coupe d'une poutre métallo~ que sans arn semi-conductrice la figure 4 est une vue en coupe d'une poutre métallique avec âme semi-conductrice la figure 5 représente schématiquement un bolomètre à élément sensible composite, conforme à un mode de réalisation pré féré de l'invention pour les détecteurs de diamètre supérieur à 0,8 mm la figure 6 représente schématiquement ltélément sensible d'un bolomètre dans lequel le cristal et les supports des dé pts métalliques sont obtenus par attaque chimique d'une plaquette mince de cristal semi-conducteur, pour réaliser une configuration en croix la figure 7 représente schématiquement une variante dans laquelle les supports des dép8ts métalliques sont des fils de quarts ; et la figure 8 montre en coupe un détail du montage des fils de quarts. A la figure l, on a représenté schématiquement un bolomètre ne comportant pas de substrat thermique. C'est une face meme du cristal qui est noircie. Ce dernier comporte une partie centrale 1 de forme pa rallélépipediquet Un noir isolant pourra être déposé sur la surface d'impact du flux infca-rouge (symbolisé par des flèches). A titre de variante (non figurée), un absorbant rôsis- tif peut être déposé sur une couche intermédiaire isolante, en silice par exemple, elle-même déposée sur les portions convena- bles de la surface de la partie 1. Le flux est dirigé par une optique, non figurée, et par un miroir concave 2 logé dans un évidement central de la semelle de cuivre ultra-pur 3, couplée de façon non figurée, à un cryostat contenant de l'hélium liquide. Le circuit de mesure que comporte l'appareil est classique et n'a pas été représenté. Il est relié électriquement à ltélément sensible par deux fils métalliques fins 4 et 5, soudés, par apport d'indium, à deux pastilles de quartz monocristallin 6 et 7, métallisées sur leurs deux faces et elles-memes soudées à la semelle 3. Ces pastilles isolent électriquement les fils et ltélément sensible de la semelle 3, tout en assurant une très bonne conduction thermique entre cette dernière et l'élément sensible, qui doit entre refroidi par le cryostat. L'élément sensible comporte deux poutres 8 et 9 qui raccordent sa partie centrale 1 à ses parties extrêmes paralle-- lépipediques 10 et ll, lesquelles sont soudées aux pastilles de quarts respectives. A titre d'exemple, ltélement sensible est réalisé de la manière suivante On part d'une règle en semi-conducteur de 10 mm de long et de section carrée de 300 microns de c8té. Par attaque à l'aci- de, contrôlée au microscope, des parties 8 et 9 (les parties 1, 10 et il étant protégées), on amène ces parties intermédiaires jusqu'à la forme de poutres dont la section est, dans leur partie amincie, un carré de 30 microns de coté. Une métallisation est alors effectuée, soit par évapol ration sous vide, soit par électroformage, sur trois faces des poutres, la quatrième face étant protégée par un enrobage iso- lant. Les extrémités 10 et il sont aussi métallisées. A la figure 2, cette métallisation, de section en U, est représentée en 9a, tandis que 9b représente l'enrobage et 9c le semi-conducteur. Il suffit alors de dissoudre l'enrobage, puis d'élimi- ner le germanium 9c par attaque à l'acide, pour obtenir, entre la partie centrale i et les parties extrêmes 10 et il en germanium, deux poutres intermédiaires mëtalliques, de section en U (figure 3) de 50 microns de c8té (cote extérieure) et de 0,5 à 10 microns d'épaisseur, suivant la conductivité thermique désirée. Bien en tendu, ces indications numériques n'ont aucun caractère limitatif. Le métal utilisé sera avantageusement de l'or dopé pour avoir le même type P ou N que le cristal sensible. I1 convient de faire observer que les poutres interme du aires assurent à la fois la liaison électrique entre la partie centrale active de l'élément sensible, une liaison mécanique rigide, et une liaison thermique dont l'impédance peut être rendue optimale en choisissant convenablement le métal et en réglant l'épaisseur du dépot. On fera observer que les joints entre le cristal sensible et les dépôts métalliques des poutres ont une surface relativement grande, la section des poutres diminuant progressivement à partir du joint. Sur toute la surface du joint, la distribution du courant est sensiblement homogène. Ces contacts électriques de grande surface, réalisés sans chauffage local, ont un très faible bruit. La partie centrale 1 joue le rôle de partie active, couplée au substrat thermique. Les parties extrêmes pourront, dans certains cas, être supprimes, les fils de liaison et les pastilles de quartz étant alors directement soudés sur les poutres intermédiaires.- Bien entendu, les formes représentées ne sont pas limitatives, les deux poutres pouvant par exemple être fixées d'un même côté de la partie centrale, convenablement conformée dans ce but. La section des poutres métallisées pourrait être en I ou en T. A titre de variante, on a représenté à la figure 4 la section d'une poutre pleine comportant un dépôt métallique 9d qui entoure complètement une âme de semi-conducteur 9e . Le procédé de réalisation d'une telle poutre est le même que celui qui a éte décrit ci-dessus, mais la métallisation est effectuée sur toutes les faces des parties de section réduites, de la regle de germanium, et l'âme de germanium n'est pas détruite à l'acide. La résistance thymique constituée par les poutres peut alors être aJustée par choix du dopage du semi-conducteur et par calibrage de la section ou de la longueur. A la figure 5, on a représenté schématiquement un bolome- tre dans lequel la partie active du cristal 13 est couplée par collage à un substrat themique de grande dimension sur lequel est déposé un absorbant du rayonnement infra-rouge. Le cristal sensible est réalisé de l'une des deux manières décrites ci-dessus par exemple ; la partie active 13 a par ex emple, la forme générale d'un cube de 300 microns de côté, deux poutres intermédiaires 14 et 15 et deux parties extrêmes 16 et 17. Les poutres 14 et 15 sont par exemple constituées par une section métallique creuse de 50 microns de côté. Le substrat 12 est une pastille en monocristal, d'une épaisseur de l'ordre de 10 à 100 microns, et de diamètre relativement grand, (6,5 mm par exemple, pour une longueur de 10 à 15 mm de l'élément sensible). I1 est assemblé à la partie centrale 13 de l'élément sensible par collage. Ce substrat 12 peut être régidifié dans la sphere à l'aide de fils très fins en SiO2 (inférieur à 10 microns) également collés, afin de le rendre insensible aux vibrations parasites et ainsi de le rendre antimicrophonique. L'élément sensible est placé au centre d'une cavité sphérique ménagée dans une masse de cuivre ultra-pur 18. Des pastilles de quartz monocristallin 19 et 20, métallisées sur leurs deux faces, permettent la soudure des fils de liaison au circuit de mesure et assurent la liaison thermique entre l'élément sensible et la masse de cuivre, elle-même en contact avec le cryostat. Ce type de montage, avec cavités réfléchissantes ménagées dans un bloc de matériau ayant une tres bonne conductibilité thermique et suspension du substrat thermique, a été décrit en détail dans la première addition susvisée. I1 convient de souligner que, en utilisant, pour réaliser les poutres, des depôts électrolytiques, d'épaisseur inférieure à 1 micron et en reduisant au maximum le volume du se-mi-conducteur (50 microns-cubes par exemple), l'on peut atteindre, grâce à l'invention, des performances considérablement supérieures à celles des bolomètres de l'art antérieur. Les contacts électriques présentent comme on l'a explique un très faible bruit. L'absence d'opération manuelle de soudage évite de perturber le semi-conducteur en profondeur et permet de réduire considérablement son volume. Elle autorise en outre une production en série particulièrement fiable. A la figure 6, on a représenté, vu en plan, un élement sensible obtenu de la manière suivante On effectue une attaque à l'acide, d'un cristal semi conducteur de faible épaisseur (30 microns par exemple) et de grande surface aquette carre de 10 mm de côté par exemple). Un masque de protection permet d'obtenir un monobloc semi-conducteur comportant une pastille centrale 21 prolongée par quatre bandes 22 à 25 formant une croix, elles-mêmes terminées par des plaquettes 26 à 29. L'on recouvre ce monobloc d'un dépôt metallique sur une face.On voit que ce dépôt forme deux métallisations séparées l'une recouvre sur une face les éléments 22-26 et 23-27, ainsi qu'une zone 30 de la pastille centrale; l'autre recouvre sur une face les éléments 24-28 et 25-29 ainsi qu'une autre zone 31 de la pastille centrale. Les plaquettes 26 à 29 sont soudées sur des plaquettes de quartz 32 à 35, reliées au cryostat comme décrit plus haut. Les plaquettes 27 et 28 sont reliées au circuit de mesure par des fils 36-37. Outre sa facilité de réalisation, ce mode d'exécution présente l'avantage d'une bonne tenue mécanique, due à la faible masse de la pastille centrale 21 et à la présence de quatre ancrages de l'élément sensible au cryostat. La partie sensible (zone non métallisée de la pastille 21) peut avoir une grande surface , ce qui/intéressant pour la détection de l'infra-rouge lointain. La conductibilité thermique est'accrue par la présence de quatre fuites thermiques 22 à 25. Seules les bandes métallisées 23 et 24 jouent le rôle de connexions électriques : elles aboutis sent à deux surfaces de contact grandes (30 et 31) ou règne une distribution homogene du courant. Dans la variante de la figure 7, on retrouve la même disposition générale, mais les bandes métallisées de semi-conducteur sont remplacées par des fils de quartz fondu 38 à 41, ayant par exemple 20 microns de diamètre. Ceux-ci sont collés à une extrémité sur un disque de cristal semi-conducteur 50 ayant par exemple 1 à 2 mm de diametre et 30 microns d'épaisseur, et soudés à l'autre extrémité à des métallisations effectuées sur les quartz d'ancrage 42 à 45. Les fils de connexion 46 et 47 au circuit de mesure sont soudés aux métallisations des quartz 42 et 45. Deux métallisations séparées recouvrent respectivement une zone 48 de l'une des faces du disque 50 et les fils 38-39 ; une autre zone 49 de la dite face du disque 50 et les fils 40 et 41. On voit à la figure 8, que le fil de quartz 38 est collé en 38a au disque semi-conducteur 50 et recouvert, à son extrémite, par îa métallisation 48, qui présente une solution de continuits avec la métallisation portée par la partie surpérieure de la surface du fil 38. La zone 48 constitue ainsi un contact de grande surface, ou regne une distribution homogène de courant, entre la métallisation du fil 38 et le disque semi-conducteur 50. Le montage de la figure 7 présente, comme celui de la figure 6, kravantageS d'une grande facilité de réalisation, avec une rigidité mecanique elevéelde permettre l'utilisation d'une partie sensible de grande surface. Un avantage supplémentaire est que les fils de quartz peuvent constituer un tres faible couplage thermique de l'élément sensible au cryostat, ce qui est intéressant dans certaines applications. Dans tous les montages illustrés par les figures 1, 5, 6 et 7, le joint entre les éléments métalliques qui constituent des fuites thermiques calibres et le cristal sensible comporte un épanouissement aboutissant progressivement à une grande surface de contact (non necessairement plane). On réalise ainsi une distribution symétrique et homogène du courant sur un front equipotentiel dans le cristal sensible. En outre, les effets de surface sur le cristal sensible peuvent être réduits au minimum grâce à la propreté de ces contacts : la partie sensible non métallisée du cristal, peut être redécapée à l'acide, après formation du dépôt métallique. Dans les modes d'execution décrits et représentés, les éléments métalliques jouent, avec ou sans support définitif, un rôle de tenue mécanique du cristal sensible. Bien qu'il s'agisse d'un avantage, on pourra y renoncer dans certains cas, ces éléments métalliques se présentant alors comme des rubans non supportes de faible épaisseur (5 à 10 microns par exemple, pour une largeur de 300 microns). Le cristal sensible sera alors supporté par le substrat thermique, lui-méme suspendu, de la manière décrite dans le brevet susvisé et son addition, par exemple au moyen de fils de verre fixés à des pastilles de quartz. Bien que la réalisation des éléments métalliques par dépôt sur un support définitif ou temporaire soit particulièrement avantageuse on pourra envisager, dans certains cas, d'utiliser d'autres techniques de soudaqe au cristal sensible sans apport de métal : par exemple un fil d'onde 10 à 50 microns de diamètre peut être soudé par thermocompression au cristal sensible. Un fil métallique de 10 à 100 microns de diamètre peut être soudé au cristal sensible par ultra-sons, sans apport de métal. A condition d'utiliser un cristal sensible de silicium, il est également possible, soit par bombardement électronique, soit au chalumeau, de réaliser le soudage par alliage d'un fil d'or de 10 à 100 microns de diamètre sur le cristal sensible. Dans toutes ces techniques, la capacité calorifique du joint reste négligeable. REVENDICATIONS. 1. Bolomètre refroidi à très basse température, comportant un cristal semiconducteur jouant, avec des moyens absorbant le rayonnement, le rôle d'un élément sensible, un cryostat, un circuit de mesure de la résistance électrique de l'élément sensible et des organes de connexion électrique entre le circuit de mesure et l'élément sensible, caractérisé par au moins deux élé- ments métalliques jouant le rôle de fuite thermique entre le cristal et le cryostat et de liaison electrique entre le cristal et lesdits organes de connexion electrique, caractérise en ce que chacun desdits éléments metalliques forme un joint, réalisé sans apport de métal de soudage, avec une portion relativement grande de la surface du cristal, ladite portion présentant une distribution relativement homogene du courant. 2. Bolomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits éléments métalliques comporte un dépôt métallique sur un support rigide qui assure la liaison mécanique entre le cristal et le cryostat. 3. Bolomètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit cristal et les supports des dépôts métalliques sont obtenus à partir d'un même barreau semiconducteur conformé par attaque chimique de façon à constituer lesdits supports. 4. Bolomètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits supports ont la forme de poutres, dont la section comporte une réduction progressive à partir desdites jonctions. 5. Bolomètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie centrale du barreau semiconducteur est conservée comme cristal sensible, les parties extrêmes étant également conservées et fixées sur des lamelles en matériau monocristallin isolant, les parties intermédiaires étant amincies par attaque chimique et recevant ledit dépôt métallique. 6. Bolomètre selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le semiconducteur des poutres est éliminé à l'intérieur du dépôt métallique. 7. Bolomètre suivant la revendication 2, caractérise en ce que le cristal et les supports des dépôts métalliques sont obtenus a partir d'une plaquette de cristal semiconducteur de faible épaisseur, conformepar attaque chimique de façon à constituer quatre supports allongés minces disposés en croix, autour d'une pastille centrale jouant le rôle de cristal sensible, le dépôt métallique formant sur ledit cristal sensible deux zones conductrices séparées, à chacune desquelles sont reliés les dépôts métalliques effectués sur deux supports. 8. Bolomètre suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit cristal a la forme diune pastille de faible épaisseur, quatre fils de quartz fondu étant collés à une extrémité sur cette pastille pour former quatre supports rigides disposés en croix, un dépôt métallique étant effectué de façon à former deux métallisa- tions séparées sur une face de la pastille et sur les deux couples respectifs de fils de quartz. 9. Bolomètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le joint entre chacun desdits éléments métalliques et le cristal est réalisé par thermo-compression. 10. Bolometre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le joint entre chacun desdits éléments métalliques et le cristal est réalisé à l'aide d'ultra-sons. 11. Bolomètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal étant en silicium et lesdits éléments métalliques en or dopé, ledit joint est réalisé par alliage or-silicium.