Brevet FR2629946A1 — publié le 19891013

CAPTEUR DE RAYONNEMENT COMPRENANT UN DISPOSITIF A TRANSFERT DE CHARGES ET TUBE INTENSIFICATEUR D'IMAGES ET TUBE DE PRISE DE VUE DE TELEVISION MUNIS D'UN TEL CAPTEUR L'invention concerne un capteur de rayonnement comprenant un dispositif à transfert de charges (DTC) aminci fixé à un support, et des fils d'interconnexion assurant les liaisons électriques entre la face avant du DTC, qui comporte des plots de contacts, et des pistes métalliques déposées sur le support, le DTC recevant le rayonnement sur sa face arrière. Elle concerne également un tube intensificateur d'images ou un tube de prise de vue de télévision utilisant un tel capteur. Une invention de ce genre est connue du document: "Large area CCD imager sensors for scientific applications", M.M. BLOUKE, D.L. HEIDTMANN, B.CORRIE, M. LUST, J.R. JANESICK, SPSE and IGC, Electronic Imaging'85, 7-10th october, BOSTON (MA), p. 160. Il y est décrit un dispositif pour imagerie utilisant des dispositifs à transfert de charges (DTC). Le capteur utilisé dans ce dispositif comprend un DTC fixé à un support de céramique ou autres qui comporte des pistes électriques. Le DTC est aminci jusqu'à constituer une très fine membrane de l'ordre de 10 microns qui, en fonctionnement, est éclairée par la face arrière du DTC, ctest-à-dire celle qui est à l'opposé de celle qui supporte les contacts. Une réalisation conforme à ce principe d'utilisation est connue du brevet US 4 422 091 qui concerne un DTC réalisé sur un substrat de GaAs. C'est une technologie par amincissement uniforme. La matrice DTC est scellée sur toute sa surface sur un support mécanique isolant par la face équipée des électrodes de transfert. Toute la matrice est amincie jusqu'à 10 microns environ, puis la périphérie est suramincie en pratiquant un masquage central pour dégager la zone des contacts électriques. La matrice est ensuite mise en place sur un support et les liaisons électriques sont réalisées de manière classique par thermocompression de fils d'or ou d'aluminium. Cette technologie se caractérise par l'amincissement de la zone active avant l'établissement des connexions électriques par des fils métalliques. La rigidité mécanique est assurée par le support isolant. Comme cela est apparent sur la figure 1 du document de M.BLOUKE et al, en conformité avec l'état de l'art sur ce problème, les fils de connexion doivent former une boucle, afin qu'ils ne soient par raidis, ce qui aurait pour conséquence de fragiliser les connexions ou de créer des risques de court-circuits sur les arêtes de la matrice. A cause de ces boucles, les fils sont en relief, par rapport au plan sensible du DTC sur lequel arrive le rayonnement à détecter. Ce rayonnement peut être photonique ou électronique. En rayonnement photonique ces fils doivent être disposés de manière à ne pas produire des ombres portées sur la zone sensible afin de ne pas dégrader la qualité de l'image. D'autre part, les photons incidents ne doivent pas arriver en dehors de la zone matricielle que constituent les points images, sous peine de créer des charges parasites qui perturberaient l'image détectée en venant s'y superposer. C'est pour cela que la figure 1 de ce document fait apparaître un type de cache de protection. Lorsque le rayonnement est électronique, le capteur est placé dans une enveloppe à vide et les répartitions de potentiels autour de la surface sensible du DTC ont un rôle primordial. Un capteur tel que celui de ce document ne peut remplir cet usage car les fils de connexions répartis en nombre élevé tout autour de la surface du DTC perturbent les répartitions du potentiel. Dans ce mode de fonctionnement la présence d'un cache, en relief du plan sensible, est également indispensable. En effet, la présence de zones isolantes entre les connexions, impose l'emploi d'un cache qui supprime l'impact des électrons dans ces zones, et évite toute perturbation des répartitions équipotentielles par influence électrostatique. La présence des boucles sur les fils d'interconnexion, et celle d'un cache métallique impose à la zone active du dispositif d'être en retrait.La profondeur de ce retrait formant cavité, est déterminée par la taille des boucles et l'encom- brement inévitable du cache délimitant la zone active, réduite à la zone matricielle. Un des buts de l'invention est de supprimer toute protubérance ou cavité qui détériorerait la répartition du potentiel, et faire que la surface formée par le DTC et le support constitue une surface régulière équipotentielle. Un autre but de l'invention est de supprimer tout élément en relief qui aurait pour conséquence de contraindre à augmenter la distance entre la source électronique et la surface du capteur, afin de placer le capteur très près de l'émetteur, pour constituer un dispositif fonctionnant en focalisation de proximité. Pour cela l'invention telle que définie dans le préambule est remarquable en ce que le DTC aminci est disposé à l'intérieur d'une ouverture faite dans le support, le DTC et les fils d'interconnexions étant noyés dans un matériau de scellement qui assure le scellement du DTC au support par la face avant du DTC en laissant libre sa face arrière, celle-ci affleurant sensiblement de la face du support qui reçoit le rayonnement, le capteur étantl dans cette direction, recouvert d'une couche mince conductrice, à l'exclusion de la zone active du DTC qui détecte le rayonnement, afin de constituer une surface de relief uniforme sensiblement équipotentielle. Elle est également remarquable en ce que la face du capteur dirigée vers le rayonnement présente des irrégularités de surface inférieures à environ un micron. Le support, qui peut être un matériau céramique tel que l'alumine, est percé d'une ouverture afin que le DTC puisse y être placé. Celui-ci est de structure classique pour les dispositifs amincis. Il comporte une couche épitaxiale p d'environ 10 microns, déposée sur un substrat de silicium p+. Cette interface p/p+ est destinée à faciliter la mise à épaisseur par attaque mécano-chimique et à assurer une épaisseur homogène à la couche active. De plus, elle permet de réaliser à l'interface DTC/vide un gradient de dopage favorable à la collection des charges par les éléments d'images du DTC. La structure des électrodes de transfert est réalisée selon la technologie et les règles de gravure du type de DTC choisi. Un préamincissement mécanique peut être mis en oeuvre pour améliorer l'attaque sélective mécano-chimique. L'épaisseur de substrat de silicium p+ conservée (100 à 150 microns) assure la tenue mécanique pendant les étapes intermédiaires et les thermocompressions. La mise en place du DTC dans l'ouverture du support est effectuée à l'aide de cales d'épaisseur, selon une fixation provisoire respectant la géométrie souhaitée. Les connexions électriques entre la matrice et le support sont ensuite réalisées par thermocompression de fils d'or ou d'aluminium par exemple. On procède ensuite au scellement par la face avant de la matrice. Les matériaux de scellement sont choisis pour permettre une mise en oeuvre avec des cycles thermiques supportables par le DTC. En mode électronosensible, ils doivent être compatibles avec la technologie des tubes électroniques. On peut utiliser un verre à basse température de recuit par exemple un verre riche en oxyde de plomb. Le coefficient de dilatation doit être proche de celui des matériaux de la matrice et voisin de 60.10-7/OC. On peut également employer des résines isolantes mono et bi-composants, ou bien des composés organiques polyimide. Dans le cas des capteurs sensibles aux électrons, où la compatibilité avec le vide est déterminante, notamment en ce qui concerne les taux de dégazage et les températures supportables, on utilise de préférence des verres de scellement à basse température. Le DTC est ainsi fixé rigidement au support et dépasse de la surface du support de l'épaisseur du substrat. Le capteur est alors aminci mécanochimiquement pour éliminer l'épaisseur de substrat restante et faire apparaître la couche épitaxiale active p destinée à recevoir le rayonnement. A la fin de l'amincissement une couche métallique, par exemple en aluminium, est déposée localement sur la surface du DTC et sur son support pour délimiter la fenêtre image et constituer une surface équipotentielle. Cette couche élimine les photons ou les électrons incidents hors champ et évite la création de charges parasites venant se superposer à l'image électronique utile. On obtient ainsi un capteur où les fils de connexions électriques sont disposés du côté opposé à la surface détectrice. Il possède une structure plane dans laquelle aucun conducteur n'est en relief de la surface détectrice. Les fils de connexions sont établis sur la face comportant les électrodes de transfert avant de fixer et d'amincir la matrice. Ces fils de connexion sont noyés dans le matériau de scellement pendant l'opération de fixation. Le capteur est mécaniquement rigide et solide : toute la surface amincie de la matrice est scellée au support mécanique, aucune zone de la matrice n'est suramincie, l'épaisseur moyenne de la matrice est constante (une dizaine de microns). Une grande partie du capteur est en contact direct avec le support mécanique, ce qui favorise les échanges thermiques vers l'extérieur en bénéficiant de la conductibilité thermique du support qui peut être par exemple en céramique. Ce type de montage permet de stabiliser la température du composant en fonctionnement - ce qui permet d'éviter la dérive du courant d'obscurité -, ou bien d'en abaisser la valeur par refroidissement. En mode électronosensible, aucune perturbation des surfaces équipotentielles ne peut venir altérer la qualité ou la résolution de l'image électronique et en mode photosensible, aucune ombre portée ou image parasite latérale ne peut perturber l'image focalisée sur le DTC. Un tel capteur peut être disposé dans une enveloppe à vide dans laquelle une photocathode d'entrée reçoit un rayonnement lumineux et émet un faisceau d'électrons vers la face sensible du DTC qui opère ainsi en mode éiectronosen- sible. Avec un DTC à transfert de trame on peut ainsi détecter une image électronique et la restituer sous la forme d'un signal de télévision. On réalise ainsi un tube intensificateur d'images pour prise de vue qui peut être utilisé dans une caméra de télévision à bas niveau de lumière. Un tel capteur peut également opérer en mode photosensible pour détecter un rayonnement lumineux. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures suivantes, données à titre d'exemples non limitatifs, qui représentent figure 1 : une vue en coupe d'un capteur, selon l'invention, avant l'opération d'amincissement, figure 2 : le même capteur après l'opération d'amincissement et revêtu d'une couche conductrice, figure 3 : une vue en coupe d'un tube intensificateur d'images à dégrandissement comprenant un capteur selon l'invention, figure 4 : une vue en coupe d'un tube intensificateur d'images à focalisation de proximité. La figure 1 représente le capteur 5 comprenant un dispositif à transfert de charges 10 comprenant entre autres un substrat préaminci 11 de 130 à 150 microns d'épaisseur par exemple, et une couche épitaxiale 12 de 10 microns d'épaisseur par exemple. C'est dans cette dernière couche que sont réalisés les circuits du DTC. Les plots de contacts et les lignes de commande nécessaires au fonctionnement sont dé poses sur la face libre du DTC située du côté de la couche épitaxiale. Cette face du DTC est appelée face avant du DTC. Des fils de connexion, par exemple le fil 13, assurent les connexions entre le DTC et des pistes électriques 14 déposées sur un support 15, par exemple en alumine. Les pistes électriques peuvent être réalisées par un dépôt sous forme de conducteurs massifs ou de couches épaisses déposées par sérigraphie, mais préférentiellement on utilise un peigne métallique, d'épaisseur par exemple 200 microns, qui est fixé au support' 15 par scellement avec des matériaux vitro-cristallins selon l'art connu. Dans ce cas chaque élément de contact du peigne dépasse du support 15 afin d'effectuer le montage ultérieur. Ce support 15 présente une ouverture afin que le DTC puisse y être placé. Le DTC 10 est positionné dans cette ouverture de sorte que l'interface entre le substrat 11 et la couche 12 soit sensiblement au niveau de la face 16 du support 15. Ceci est obtenu à l'aide de cales d'épaisseur appropriée et d'une embase provisoire non représentées sur la figure. Après ce positionnement on opère une fixation provisoire du DTC par collage. Ceci permet de réaliser, les connexions électriques entre ies plots du DTC et les pistes du support par thermocompression de fils d'or ou d'aluminium (diamètre environ 25 microns). Un matériau de scellement est placé autour des fils de connexion de façon à recouvrir lten- semble du DTC et une partie du support. L'ensemble subit le traitement thermique approprié au matériau utilisé. Le DTC 10 est ainsi fixé au support 15 à l'aide d'un matériau de scellement 17 qui peut être un verre à basse température de recuit, par exemple riche en oxyde de plomb, ou des résines isolantes à un ou deux composants ou des composés organiques polyimides. Le DTC 10 et les fils de connexion 13 sont ainsi fixés rigidement au support par le matériau de scellement.L'embase provisoire, devenue inutile, peut être éliminée. Pour donner au matériau de scellement 17 une face 18 ayant une forme recherchée, par exemple plane, on peut dis poser, sur le matériau de scellement lors de son traitement thermique, des pièces appropriées faisant pression. Ceci présente l'intérêt de permettre à la face 18 de servir d'appui dans les étapes ultérieures de réalisation. La structure de la figure 1 constitue une étape intermédiaire dans la réalisation du capteur. Le semiconducteur du DTC est alors aminci mécanochimiquement afin de faire disparaître le substrat 10. La couche épitaxiale devient ainsi apparente et sa surface se trouve alors dans le prolongement de la face 16 du support. L'ensemble est ensuite recouvert d'une mince couche conductrice 21 à l'exclusion de la zone sensible du DTC comme cela apparaît sur la figure 2. Le rayonnement 22 arrive donc sur le capteur et excite la zone sensible du DTC par sa face dite arrière. Les fils de connexion sont ainsi placés derrière le DTC dans le sens de propagation du rayonnement. La face 23 du capteur, qui fait face au rayonnement, est d'une très grande régularité et ne présente que les irrégularités microscopiques, de l'ordre du micron, liées à l'usinage du support céramique. On dispose ainsi d'une face 23 qui constitue une surface équipotentielle grâce au revêtement métallique déposé. Cette face est préférentiellement plane, mais d'autres formes sont possibles, en particulier la face 16 du support 15 peut être concave. Un tel capteur 5 est préférentiellement utilisé en mode électronosensible et pour cela est monté dans un tube intensificateur d'images réducteur, ou dans un tube intensificateur d'images à focalisation de proximité. Le tube réducteur 30, représenté sur la figure 3, comprend une fenêtre d'entrée 31 sur laquelle est déposée une photocathode 32, une enveloppe à vide verre-métal 33 selon l'art habituel, une électrode de focalisation 39, une anode 37 et le capteur de rayonnement 5. Le rayonnement lumineux incident 24 arrive sur la photocathode 32 et génère des électrons 25 qui sont accélérés et focalisés selon un faisceau 38 qui forme une image électronique sur le capteur 5. Les conditions de fonctionnement sont, par exemple, les suivantes. La photocathode 32 est en contact électrique avec la pièce 33 que l'on porte à une haute tension négative, par exemple -14 Kvolts. L'électrode de focalisation 39 située entre la photocathode 32 et l'anode 37 est portée au potentiel ajustable de focalisation, par exemple -13,7 Kvolts. L'anode 37 et le substrat du DTC sont réunis à la masse. Le tube réalisé est dégrandisseur, et en intervenant sur la répartition des potentiels et les dimensions des électrodes, on peut faire varier le rapport de dégrandissement qui peut être réglé de 3 à 7 environ. Ce tube intensificateur 30 est muni de moyens 361, 362 permettant son' montage et la réalisation de la photocathode. Ce montage est réalisé selon les techniques habituelles dans ce domaine. Ce montage doit être réalisé avec beaucoup de rigueur, car la profondeur de champ d'un tel tube est très faible. La photocathode est réalisée à l'aide de sources d'alcalins 34 et de sources d'antimoine 35, afin d'obtenir la photocathode avec les caractéristiques requises. Le capteur de rayonnement 5 est monté sur un fond de tube 46 qui peut être en céramique ou en verre, munis de n traversées électriques isolées 471 à 47n Le capteur 5 est monté d'une manière rigoureuse sur ces traversées électriques isolées qui assurent à la fois les contacts électriques et la tenue mécanique du capteur. Pour cela le capteur est positionné à l'aide de cales de montage afin que le capteur soit correctement centré sur l'axe du tube, la face du DTC étant perpendiculaire à l'axe du tubeà mieux que environ 0,05 rad. Pour atteindre cet objectif le plan des lèvres 361 362 est correctement usiné par rapport à l'axe du tube, puis le capteur est monté afin que le plan du DTC et le plan des lèvres 361, 362 soient parallèles.Les extrémités des pistes métalliques du capteur sont alors soudées aux traversées électriques isolées 471 à 47n par exemple par soudure laser ou électrique. Lorsque les pistes conductrices du support 15 du capteur 5 sont constituées de couches épaisses, elles sont soudées sur la périphérie du support 15 à des broches de con tact qui servent également au montage électrique et mécanique du capteur. La figure 4 représente un tube intensificateur d'images à focalisation de proximité selon une application préférentielle du capteur de rayonnement selon l'invention. Le tube 50 comprend une fenêtre d'entrée 51 en verre ou en fibres optiques sur laquelle est déposée la photocathode 52, une en veloppe 54 verre-métal ou céramique-métal et le capteur de rayonnement 5. Les conditions de fonctionnement correspondent au type de focalisation par proximité. La photocathode est en contact électrique avec les moyens de fermeture du tube 53. Elle est portée à un potentiel d'environ -5 à -10 kV par rap port au capteur pendant le fonctionnement. Ce tube intensifi cateur 50 est préférentiellement réalisé par technique trans fert pour obtenir une photocathode de grande sensibilité et homogène et assurer une distance interélectrode réduite, de 1 à 2 mm, imposée par le principe de la focalisation de pro ximité. Le capteur de rayonnement 5 est monté sur un fond de tube 56 en céramique ou en verre muni de n traversées 571 à 57n Le montage mécanique est assuré de manière rigoureuse à l'aide de cales d'épaisseur. Ce parallélisme entre la photo cathode et la face du capteur est assuré au dixième de milli mètre. Pour assurer cet objectif, la géométrie et la planéi té des moyens de scellement sont contrôlés par usinage.Les moyens de. fermeture 53, 55 et de montage 54 assurent la qua lité mécanique et l'étanchéité du tube. Dans ce type de struc ture la résolution image est liée à la qualité de l'optique électronique et varie selon la relation R = k.V0,5.d-1, c'est à-dire comme la racine carré de la différence de potentiel interélectrode et l'inverse de la distance interélectrode. D'une part la face du DTC doit être perpendiculaire à l'axe du tube. D'autre part aucune zone du capteur ne doit être en relief de la surface active sous peine, pour une tension de fonctionnement donnée limitée par la tension de claquage, d'être contraint à augmenter la distance photocathode-zone active du capteur et par voie de conséquence à entrainer une diminution de la résolution du système. Le capteur de rayonnement peut également être utilisé pour capter une image photonique dans le domaine des courtes longueurs d'onde. Ceci impose de laisser libre la surface photosensible du silicium de toute contrainte d'absorption. REVENDICATIONS 1. Capteur de rayonnement comprenant un dispositif à transfert de charges (DTC) aminci fixé à un support, et des fils d'interconnexion assurant les liaisons électriques entre la face avant du DTC, qui comporte des plots de contacts, et des pistes métalliques déposées sur le support, le DTC rece- vant le rayonnement sur sa face arrière, caractérisé en ce que le DTC aminci est disposé à l'intérieur d'une ouverture faite dans le support, le DTC et les fils d'interconnexions étant noyés dans un matériau de scellement qui assure le scellement du DTC au support par la face avant du DTC, en laissant libre sa face arrière, celle-ci affleurant sensiblement de la face du support qui reçoit le rayonnement, le capteur étant, dans cette direction, recouvert d'une couche mince conductrice, à l'exclusion de la zone active du DTC qui détecte le rayonnement, afin de constituer une surface de relief uniforme sensiblement équipotentielle. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face dirigée vers le rayonnement présente des irrégularités de surface inférieures à environ un micron. 3. Capteur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau de scellement est un verre à basse température de recuit. 4. Capteur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, le matériau de scellement est une résine époxy ou un composé organique polyimide. 5. Tube intensificateur d'images caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de rayonnement selon une des revendications 1 à 4. 6. Tube de prise de vue de télévision caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur de rayonnement selon une des revendications 1 à#4.