Brevet FR2569307A1 — publié le 19860221

I Analyseur monolithique d'image La présente invention concerne un analyseur monolithique d'image, de préférence pour infrarouges, à substrat semi- conducteur en forme de plaque, sur une face (la face supé- rieure) duquel sont disposés en mosaîque des capteurs d'image à structures contiguës de lecture, et sur l'autre face (la face arrière) duquel est prévue, dans des secteurs définis, une dis- position pour la concentration du rayonnement incident sur les capteurs d'image. De tels analyseurs monolithiques d'image, qui sont fabriqués en particulier selon la technologie du silicium, consistent en un substrat de silicium en forme de plaque, sur la face supé- rieure duquel sont disposés en mosaïque des capteurs d'image, par exemple détecteurs à barrière de Schottky en PtSi entou- rés de structures de lecture partiellement implantées dans la dite face supérieure ou rapportées sur celle-ci. Ces structures de lecture présentent une zone de transfert par laquelle les signaux des capteurs d'image sont retransmis d'une mémoire, qui est généralement une mémoire à couplage de charge (CCD), dans le genre d'un registre à décalage. L'analyseur d'image est orienté, par la face arrière plane du substrat de silicium, vers le rayonnement à intercepter, de façon que ce dernier traverse le substrat avant de tomber sur les différents capteurs. Sur l'état actuel de la technique pour de tels analyseurs mo- nolithiques d'image de grande surface, prière de se reporter aux publications ci-après 1 B. Capone et al.: Evaluation of a Schottky IR-CCD Staring Mosaic Focal Plane, paru dans SPIE 156 Modern Utilization of Infrared Technology, 1978, page 120 ss.; Masafumi Kirmata et al.: A 256 x 256 - Element Si Monolithic IR-CCD Sensor, paru dans IEEE International Solid-State Cir- cuits Conference 1983, page 254 ss. Pour les analyseurs monolithiques d'image de ce type, les capteurs d'image proprement dits recouvrent seulement une fraction de la surface totale de l'analyseur d'image, car les dites structures de lecture ont besoin d'une partie importante de cette surface. Selon que les capteurs d'image sont disposés en lignes ou suivant une trame pointillée régulière, les struc- tures de lecture sont également disposées en lignes entre les lignes de capteurs ou, respectivement, entourent les différents capteurs d'un dessin d'encadrement. Le rapport de la surface des capteurs d'image à la surface d'image totale de l'analyseur est appelé facteur de remplissage. Dans le cas des analyseurs d'image à infrarouges, la valeur typique du facteur de remplis- sage est de 20 à 25% (Cf. Kirmata, loc. cit., page 254, colonne gauche, fin du 2e alinéa). Par conséquent, c'est seulement cette proportion du rayonnement incident qui est exploitée, et elle contribue à nous informer sur l'image. Pour agrandir la proportion de rayonnement incident à exploi- ter pour l'information image, il faudrait que le facteur de remplissage soit agrandi en conséquence. Etant donné que le pourcentage de surface nécessité par les structures de lecture ne peut guère être réduit, on a recours ici à des moyens 1 pour concentrer optiquement sur les capteurs d'image le rayonnement qui vient frapper la face arrière des analyseurs monolithiques d'image. C'est ainsi qu'il a été proposé, p.ex. pour des analyseurs d'image travaillant dans la bande visible de la lumière, d'ap- pliquer des lentilles cylindriques de laque photosensible cou- lante sur la face de l'analyseur d'image que vient frapper la lumière. Cf. J. Yshihara et al.: A lHigh Photosensitivity JL-CCD Image Sensor with Monolithic Resin Lens Array, paru dans JEDM Digest of Papers, 1983,. page 497. Pour des analyseurs d'image à infrarouge avec capteurs d'ima- ge à barrières de Schottky ont été étudiées des plaques de re- couvrement en silicium dont la face supérieure est usinée à l'aide de fraises diamantées extrêmement fines de façon à obtenir un dessin de lentilles convergentes à face supérieure courbe. La plaque de recouvrement est alors ajustée et fixée sur le substrat de silicium, à la face arrière d'incidence de la lumière. La courbure de chacune des lentilles convergentes est calculée de telle façon qu'un rayonnement, même extérieur à la proportion de rayonnement qui tombe directement sur les capteurs d'image, se trouve concentré sur les capteurs d'ima- ge. Cf. E.F. Cross et al.: Optical Technique for Increasing Fill Factor of Mosaic Arrays, Proc. of SPIE, Vol. 395, 1983, pages 73 ss. Dans cet ouvrage, il a aussi été proposé de frai- ser les faces supérieures courbes du groupement de lentilles directement sur la face arrière du substrat de silicium. Cf. page 74, paragraphe Faceplate Construction, fin du ler alinéa. Bien entendu, il est reconnu ici que ceci ne serait possible qu'avec une technique de fraisage qui soit, radicale:nment, étu- diée à fond et avec subtilité. L'étendue linéaire des capteurs d'image utilisés pour des ana- lyseurs monolithiques d'image est de 10 Mm environ. Il est mranifeste que les propositions ci-dessus pour la concentration du rayonnement ne peuvent être rnises en oeuvre, avec de telles dimensions, que par des techniques coûteuses et difici- les à maîtriser, ce qui permet de douter que, pour des ana- lyseurs d'irnmage à infrarouges, la proposition de faconner des lentilles cylindriques en laque photosensible coulante puisse, en tout état de cause, être réalisée. Les plaques de recouvremnent en silicium mentionnées doivent de plus être fabriquées exacte- ment, pratiquement sans aucune tolérance, et ensuite âtre ajus- tées de fa.con très précise en considération des différents cap- teurs d'image. Les tolérances réduites de par la petitesse des di- mensions doivent également âtre maintenues dans toutes les conditions de service, p. ex. -en cas de basses temnpératures, de vibrations au autres choses sermblables. Le but poursuivi par la présente invention, c'est d'indiquer un analyseur d'image du type en question, dans lequel le facteur de remplissage puisse être augmrenté par des movens simples. Ce problème est résolu, selon l'invention, par le fait que la disposition pour la concentration du rayonnement incident sur les capteurs d'image est obtenue par attaque anisotrope de plans de réseau du substrat semiconducteur monocristallin, en particulier des plans (1113 d'un monocristal de Si. En conséquence la disposition pour la concentration du rayon- nement incident est réalisée par des tranchées de section tri- angulaire ou trapézoîdale, qui sont directement creusées dans 1 la face arrière du substrat par attaque anisotrope de plans de réseau. L'attaque anisotrope de substrats de silicium est connue con- jointement avec la micromécanique. Cf. Kurt E. Petersen, Dynamic Micromechanics on Silicon: Techniques and Devices, publié dans IEEE Transactions on-Electron Devices, Vol. 25, Numéro 10, Octobre 1978, pages 1241 ss. Sur la face arrière du substrat de silicium est déposé, par exemple, un masque de bioxyde de silicium (SiO2), qui recouvre les surfaces situées directement au-dessus des capteurs d'image. Si la face supé- rieure du substrat de silicium est un plan cristallin (1 0 0), le dit. substrat est attaqué par un corrosif, aux endroits lais- sés libres par le masque, le long des plans cristallins (1 1 1), de sorte que l'on obtient des tranchées de section triangulaire ou trapézoïdale autour des zones horizontales recouvertes par le masque, tranchées dont les faces latérales présentent une pente correspondant à l'angle du cristal. P6ur le silicium, cet angle est de 54, 74 par rapport à la face supérieure du subs- trat. Comme agent corrosif, on peut employer de l'EDP - mé- lange d'éthylène-diarnmine, pyrocatéchol et eau - du KOH ou du NaOHo Par l'attaque anisotrope, on obtient, commne on le sait, des faces d'une grande qualité de surface. La largeur des surfaces restantes horizontales et la profon- deur des tranchées triangulaires ou trapézoldalessont choisies de telle façon que le rayonnement tombant verticalernent sur la face arrière du substrat est projeté des plans cristallins inclinés a la surface totale d'un capteur d'image. 1 Par les parois latérales des tranchées- faciles à réaliser par attaque anisotrope, le rayon incident, qui tomberait autrement sur des zones insensibles de l'analyseur d'image, est orienté au moins partiellement vers les capteurs d'image, de façon que la surface des dits capteurs se trouve être "virtuellement" aug- mentée. Par ce moyen, les signaux de sortie des capteurs d'image voient eux aussi leur niveau notablement relevé, et ceci sans que la composante de bruit n'en soit modifiée. La quantité de lumière qui atteint les capteurs d'image peut, de cette ma- nière, être augmentée jusqu'au double ou au triple de celle qui, sans cela, tomberait directement sur les capteurs. Avec la technique utilisée de l'attaque anisotrope, on n'a pas les problèmes d'ajustement qui se présentent avec d'autres propositions. Etant donné par ailleurs que la disposition pour la concentration du rayonnement incident est directement inté- grée dans le substrat semiconducteur, il ne se présente pas non plus de problèmes du point de vue de la compatibilité de température, de la sensibilité aux vibrations ou autres du rnmê- me genre. L'invention est mieux expliquée, pour plusieurs exemples d'exé- cution, à l'aide du dessin. Celui-ci représente Figure 1. Une vue en plan d'une partie d'un analyseur d'image à infrarouges avec un certain nombre de capteurs d'image disposés en ligne ainsi que, entre les lignes de capteurs, des zones de transfert et des zones de mémoire; Figure 2. une coupe selon II-II pour présenter une disposition en vue de la concentration du rayonnement tombant sur la face arrière de l'analyseur d'image, selon 1 'invention; Figure 3. la représentation spatiale d'une partie d'analyseur d'image à infrarouges selon l'invention; Figure 4. la représentation spatiale d'une partie d'analyseur d'image dans un second exemple d'exécution confor- me à l'invention. Un analyseur d'image à infrarouges 1 est construit sur un substrat de silicium 2 ayant la forme d'une plaque mince dont les faces passent le long de plans de cristaux(1 O 0). Sur la face 0, des capteurs d'image 3 sont placés en rangées paral- lèles, capteurs qui sont sensibles au rayonnement IR. Chaque rangée contient une multitude de capteurs d'image. Entre les rangées de capteurs 3 se trouvent, également en rangs, des structures de lecture 4 constituées de zones de transfert 5 et de zones mémoire 6 contiguës aux capteurs d'image 3. Dans la figure 2 ont été représentés schématiquement les cap- teurs d'image 3 ainsi que les structures de lecture 4, sur la face O du substrat de silicium 2. La face arrière R du substrat de silicium 2 est recouverte, dans des zones A' situées en face des capteurs d'image 3, d'un masque 7 de bioxyde de silicium représenté en traits interrompus dans la Figure 2, ce masque laissant libre, entre les rangées de capteurs d'image 3, une zone B. Le substrat de silicium 2 est traité, par la face 1 arrière R, à l'aide d'un corrosif, EDP par exemple, grâce à quoi le dit substrat est, par cette attaque corrosive, éliminé le long des plans de cristaux (1 1 I). Ces plans de cristaux(l 11) ou plans de réseau forment, avec le plan decristaux(l 0 0) de la face arrière, un angle de 54, 74 , cela produisant au bout d'un certain temps, dans la zone B, une tranchée 8 de section triangulaire dont les cloisons latérales 9 sont constituées des plans de cristaux (1 I 1). Si le processus de corrosion est arrê- té plus tôt, il se produit des tranchées de section trapézoïdale, comme ceci est indiqué par la ligne pointillée 8'. Si un rayonnement infrarouge tombe sur la face arrière R de l'analyseur d'image 1, perpendiculairement au plan (1 0 0), une partie A traverse le substrat de silicium et atteint directement la surface d'un capteur d'image 3. Parallèlement à cela, le rayonnement IR incident A-1 et A-Z tombe sur les parois laté- rales inclinées 9 des tranchées 8 et se trouve dévié, par rap- port à ces parois, d'un angle de 76,19 vers les capteurs d'image 3. Ces portions de rayonnement A-1 et A-Z qui autrement, si la face arrière du substrat de silicium n'était pas traitée, n'at- teindraient pas les capteurs d'image, sont en outre dirigées, par les parois latérales 9 inclinées des tranchées 8, sur les dits capteurs. Cette portion de rayonnement qui, de plus, a été gagnée par les tranchées pour l'exploitation de l'information image peut être évaluée à l'aide de simples observations geo- métriques. Pour l'exemple d'exécution qui est représenté, c'est à peu' près une quantité double de lumière qui frappe la surfa- ce des capteurs d'image 3 et qui est délivrée par la portion A. 1 Dans la figure 3, la structure spatiale des tranchées 8, pour un analyseur d'image à infrarouges avec transfert par lignes intermédiaires, apparaît nettement. La figure 4 montre, en représentation spatiale, un analyseur d'image à infrarouges 1' pour lequel les différents capteurs d'image 3' sont appliqués en une trame régulière sur la sur- face 0' du substrat. Les structures de lecture 4' ont simple- ment été indiquées. La face arrière R' est recouverte d'un masque de bioxyde de silicium en forme de trame et, ensuite, soumise à une attaque anisotrope. Par ce moyen, à partir des zones A' situées au-dessus des capteurs d'image 3', se forment des troncs de cônes 10 constituant un système 8' de trame de tranchées avec des cloisons latérales 9' qui, de nouveau, sont orientéesen direction des plans de cristaux (1 1 1). Grâce à une telle formation de la face arrière R' de substrat, le triple environ de la lumière incidente touchant directement les capteurs d'image 3' est guidé vers les dits capteurs. Il ressort de la figure 2 que les zones A' et B doivent être déterminées de telle façon que la surface totale des capteurs d'image 3 ou 3' puisse être projetée sur les parois latérales 9 ou 9' compte tenu de l'angle d'incidence et d'émergence. Revendications 1. Analyseur monolithique d'image, de préférence pour infra- rouges, à substrat semiconducteur en forme de plaque, sur une face (la face supérieure) duquel sont disposés en mosaique des capteurs d'image à structures contiguës de lecture, et sur l'autre face (la face arrière) duquel est prévue, dans des sec- teurs définis, une disposition pour la concentration dy rayon- nement incident sur les capteurs d'image, caractérisé par le fait que la disposition pour la concentration du rayonnement incident sur les capteurs d'image (3) est obtenue par attaque anisotrope de plans de réseau du substrat semiconducteur monocristallin, en particulier des plans (111) d'un monocristal de Si. 2. Analyseur d'image selon revendication 1, caractérisé par le fait que la disposition (telle que ci-dessus) consiste, selon la position des capteurs d'image (3) à structures de lecture, en des combinaisons de tranchées (8) de section triangulaire ou trapézoïdale. 3. Analyseur d'image selon revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la profondeur des tranchées et leur disposition sont choisies de manière à obtenir une surface "virtuelle" aussi grande que possible des capteurs d'image.