Brevet FR2703869A1 — publié le 19941014

Source de rayonnement thermique modulable électriquement et procédé pour sa fabrication La présente invention concerne une source de rayonnement thermique modulable électriquement. L'invention concerne également un procédé pour sa fabrication. Des sources de rayonnement infrarouges sont utilisées dans les méthodes d'analyses optiques en tant que sources de rayonnement IR, et dans d'autres applications en tant que sources de chaleur Plusieurs types différents de sources IR sont utilisés pour l'application antérieure, comme la source "globar", la lampe à incandescence et le radiateur en couches épaisses L'intensité du faisceau de rayonnement émis par la source IR peut être modulée par une modification de la source en variant la puissance d'entrée dans la source, ou comme alternative, en utilisant un dispositif d'interruption de faisceau mécanique, appelé "hacheur", tout en maintenant la température de la source aussi constante que possible. Lorsque l'on utilise un hacheur mécanique mobile pour moduler le faisceau, la moyenne de temps de bon fonctionnement de la source de rayonnement est généralement limitée par la durée de vie du mécanisme du hacheur, qui est typiquement de un à deux ans Une source modulée électriquement garantit un temps de bon fonctionnement beaucoup plus long. Comme il ressort du nom anglais ("'glowing bar"), une "globar" est une barre incandescente La barre est traditionnellement constituée d'un matériau céramique chauffé par un courant électrique Un dispositif "globar" présente typiquementune épaisseur de quelques millimètres et une longueur de quelques centimètres, son inertie thermique étant de plusieurs secondes La "globar" n'est généralement pas modulée en variant l'entrée de puissance dans le dispositif La puissance d'entrée va typiquement de quelques watts à cent watts. Une variante du dispositif "globar" est une barre en céramique présentant un fil de résistance enroulé autour de la barre Les propriétés thermiques de la -variante sont identiques à celle de la "globar" simple. Une -lampe à incandescence peut être modulée électriquement avec des fréquences allant jusqu'à quelques dizaines de Hz, voire jusqu'à plusieurs centaines de Hz, mais l'ampoule de la lampe absorbe le rayonnement dans la plage infrarouge et noircit à long terme, l'intensité de sortie du rayonnement produit par la lampe décroissant ainsi avec le temps La puissance d'entrée requise va typiquement de quelques watts à des dizaines de watts. Un radiateur en couches épaisses comprend typiquement une résistance en couches épaisses formée sur un substrat en oxyde d'aluminium et chauffée par un courant électrique La taille de la résistance est typiquement de l'ordre de quelques millimètres carrés, avec une épaisseur d'un demimillimètre L'inertie thermique de la résistance est typiquement de l'ordre de plusieurs secondes et l'entrée de puissance requise est de quelques watts. Les techniques de fabrication classiques utilisées en microélectronique et micromécanique offrent la possibilité de fabriquer des sources de rayonnement de taille miniature modulables électriquement à partir de silicium 112 3 De tels dispositifs ont une structure en couches minces en polysilicium, avec une épaisseur typique d'un micromètre environ et une longueur de plusieurs centaines de micromètres La largeur de l'élément résistant en couches minces peut varier de quelques micromètres à des dizaines de micromètres La capacité thermique d'un tel filament de silicium incandescent est faible, ce qui permet de la moduler avec des fréquences atteignant plusieurs dizaines de hertzes Le silicium pur est un conducteur inférieur pour le courant électrique Toutefois, en le dopant avec un dopant approprié tel que, par exemple, du bore ou du phosphore, on obtient une conductivité excellente Le bore utilisé comme dopant est handicapé par le fait que son niveau d'activation n'est pas stable, mais dépend plutôt de la température de fonctionnement antérieure du filament de silicium incandescent Cela a pour conséquence que le niveau d'activation cherche constamment un nouvel état d'équilibre, ce qui signifie que la résistance du filament dérive avec le temps, tout comme la puissance d'entrée dans le filament, à moins que l'entrée de puissance ne soit pas stabilisée de manière externe La concentration d'impureté la plus élevée possible dans le silicium, avec le bore utilisé comme dopant, est approximativement de 5-1019 atomes/cm 3 Les autres dopants classiques sont l'arsenic et l'antimoine Un problème rencontré avec ces éléments utilisés comme dopants est la difficulté d'obtenir des concentrations d'impureté adéquates pour atteindre une conductivité suffisamment élevée pour une utilisation à basse tension. Le filament, incandescent faisant l'objet de la publication "Integrated transducers based on black-body radiation from heated polysilicon films", Transducers , 364-366 ( 11 14 juin 1985) H Guckel et D W. Burns, est fabriqué par dopage au phosphore pour atteindre une résistance de couche supérieure à 50 n/carré Le filament incandescent est long de 100 Am, large de 20 Mm et élevé de 1,2 Am du substrat Dans une telle structure, la perte de puissance de rayonnement via la couche d'air intermédiaire du substrat est particulièrement élevée, et le risque que le filament adhère au substrat est particulièrement élevé, puisque20 le filament fléchit lorsqu'il est chauffé. La -structure du filament incandescent faisant l'objet de la publication "Electrical and optical characteristics of vacuum sealed polysilicon microlamps", IEEE Transactions on Electron Devices, 39, 6, 1363-1375 (juin 1992), Carlos H Mastrangelo, James Ilsi-Jen Yeh et Richard S Muller, comprend l'encapsulage sous une fenêtre en couches minces et le placement du filament incandescent dans le vide pour empêcher la surchauffe Une telle fenêtre ne peut pas être plus large que quelques dizaines de micromètres, l'aire de surface totale du filament et, par conséquent, sa sortie de rayonnement restant petites. Pour empêcher que le filament adhère, une rainure en V est gravée dans le substrat. L'émetteur IR faisant l'objet de la publication "Micromachined thermal radiation emitter from a commercial CMOS process", IEEE Electron Device Lett, 12, 2, 57-59 ( 1991), M Parameswaran, A M Robinson, D.L Blackburn, M Gaitan et J Geist, a une taille de gm sur 100 gn et utilise deux résistances de polysilicium 'méandriques" comme élément de chauffe. Une telle structure est encline à gauchir pendant la chauffe, et on ne peut pas fabriquer des éléments émissifs à grande étendue avec ce concept Bien que l'élément de chauffe soit continu, les bulles de gaz engendrées lors de la phase d'attaque du substrat ne posent pas de problèmes puisque la taille de l'élément de chauffe est petite en comparaison avec les ouvertures autour Néanmoins, le modèle du champ de température de cette structure n'est pas particulièrement bon, comme il apparaît sur la figure 2 de la publication citée. Un filament incandescent fait à partir de polysilicium dopé est associé à une température caractéristique au-dessus de laquelle le coefficient de température de la résistance du filament devient négatif, c'est-à- dire permet au filament de conduire plus de courant avec une température en augmentation. Par suite, un tel composant ne peut pas être commandé en tension, mais plutôt en courant De tels filaments ne peuvent pas non plus être montés en parallèle pour augmenter la surface de la source de rayonnement, dans la mesure o le courant tend à se concentrer sur le filament ayant la résistance la plus faible, c'est-à- dire la température la plus élevée Par ailleurs, un montage en série implique l'élévation de la tension d'entrée à un multiple de la tension du filament seul. Le dopage au bore ne peut pas fournir une température caractéristique suffisamment élevée, parce qu'une forte concentration d'impureté du bore atteint seulement une température caractéristique de 6000 C environ Si la température de fonctionnement du filament est supérieure à cette dernière, la résistance du filament a tendance à dériver avec le temps. Un objet de la présente invention est de pallier les inconvénients des techniques antérieures décrites ci-dessus et d'apporter une source de rayonnement thermique modulable électriquement entièrement nouvelle. L'invention consiste à doper les filaments incandescents d'une source de rayonnement faite à partir de silicium polycristallin au phosphore si fortement que la température caractéristique des filaments incandescents est élevée bien au-dessus de la température de fonctionnement des filaments. Plus spécifiquement, la source de rayonnement thermique modulable électriquement conformément à l'invention comprend un substrat essentiellement planar, un puits ou trou formé dans le substrat, au moins un filament incandescent monté sur le substrat, ledit filament étant aligné sur ledit puits ou trou, et des tampons de connexion formés sur le substrat, aux deux extrémités du filament incandescent, pour fournir du courant électrique -au filament incandescent, caractérisé en ce que ledit filament incandescent est dopé au phosphore à une concentration d'impureté d'au moins 5- 1019 atomes f cm 3. De plus, le procédé selon l'invention comprend la formation d'une couche d'azoture de silicium sur le substrat, la formation sur la couche d'azoture de silicium d'une couche de polysilicium dopée au phosphore, l'impression de la couche de polysilicium dopée au phosphore dans au moins un filament incandescent, le dépôt d'une couche d'azoture de silicium sur la couche de polysilicium dopée au phosphore, et la formation de tampons de connexion conducteurs pour fournir du courant électrique par l'intermédiaire des filaments incandescents formés à partir de la couche de polysilicium dopée au phosphore, caractérisé en ce que la couche de polysilicium formée dans un filament incandescent au moins est dopée au phosphore à une concentration d'impureté d'au moins 5-109 atomes/cm L'invention offre des avantages considérables. L'approche conforme à l'invention permet d'obtenir des caractéristiques de stabilité largement meilleures en dopant les filaments incandescents au bore Le -niveau d'activation du phosphore ne varie pas avec la température, mais à la place, la résistance de couche demeure constante à une température donnée En conséquence, comme la résistance du filament reste -constante à la température caractéristique, le filament incandescent de ce type présente une grande stabilité de fonctionnement Un autre avantage du dopage fort au phosphore est que la température caractéristique augmente considérablement au-dessus de la température de fonctionnement (max 8000 C) Un corollaire à cela est que le -coefficient de température du filament reste positif sur toute la plage de températures de fonctionnement, permettant ainsi de monter en parallèle les filaments et de les commander par tension La température caractéristique du filament dopé au phosphore peut être de l'ordre de 9000 C Un autre avantage encore du dopage fort au phosphore est que la tension de fonctionnement du filament est inférieure à celle d'un filament dopé au bore avec une géométrie correspondante De plus, grâce au dopage fort au phosphore, la concentration élevée des porteurs de charge libre rend le filament incandescent, d'un point de vue optique, plus opaque que ce qui peut être atteint avec un dopage au bore, ce qui représente l'une des propriétés les plus avantageuses de la présente application. L'encapsulage à l'azoture utilisé dans le procédé de fabrication conforme à l'invention assure une longue durée de vie pour la source de rayonnement. L'invention va être examinée plus en détail à l'aide d'exemples de réalisations illustrées dans les schémas en annexe, dans lesquels la figure la est une vue du dessus d'une source de rayonnement conforme à l'invention; la figure lb est une vue en coupe selon la ligne A A de la source de rayonnement illustrée dans la figure 1; la figure 2 a est une vue du dessus d'une autre source de rayonnement conformé à l'invention; la figure 2 b est une vue en coupe selon la ligne A A de la source de rayonnement illustrée dans la figure 2 a; la figure 3 est une vue de côté en coupe de la structure en couches d'une source de rayonnement conforme à l'invention; et la figure 4 est un graphique de la variation de résistivité du polysilicium avec la concentration d'impureté du phosphore. L'invention vise à être utilisée dans l'analyse optique en tant que source de rayonnement thermique modulable électriquement à un taux élevé. La réalisation selon l'invention utilise une concentration d'impureté de phosphore si forte que la résistance de couche du filament incandescent est de 10 a ou moins, typiquement de 5 /carrés, la résistivité d'une couche d'une, épaisseur de 1 jim étant de 0,001 ncm La concentration d'impureté du phosphore peut même être dix fois plus élevée que celle que l'on peut obtenir avec le dopage au bore La résistivité de couche conformément à l'invention est atteinte au moyen de concentrations de dopage au phosphore supérieures à 19 3 -10 atomes/cm Le dopage au phosphore et la déposition des différentes couches requises peut s'effectuer en utilisant des procédés standard classiques de microélectronique tels que ceux décrits dans "VLSI technology", McGraw-Hill Book Company, 3 ème impression, 1985, chapitres 5 et 6. En référence aux figures la et lb, ainsi que 2 a et 2 b, la structure d'une telle source de rayonnement, dans laquelle une pluralité de filaments incandescents sont électriquement montés en parallèle, est présentée. En référence à la figure la, un morceau de silicium monocristallin est caractérisé par un grand carré 1, tandis qu'un puits formé sous les filaments incandescents 3 est caractérisé par une fausse équerre 2; la zone -avec des hachures obliques 6 dans les figures 2 a et 2 b est du nitrure Les filaments incandescents 3 et les tampons métallisés 5 à leurs extrémités sont dessinés par un trait noir Les filaments 3 sont montés en parallèle et la tension d'entrée est appliquée aux tampons métallisés 5 Les figures la et lb illustrent une structure dans laquelle les filaments 3 sont détachés les uns des autres sur toute leur longueur Une structure améliorée illustrée dans les figures 2 a et 2 b présente un pont d'azoture de silicium 6 interconnectant mécaniquement les filaments 3 les uns aux autres Les ouvertures du pont sont requises pour faciliter l'échappement du gaz se dégageant lors de la corrosion de dessous les filaments Le résultat final de l'étape de corrosion est ainsi amélioré Si une vitesse d'attaque lente est utilisée, les ouvertures sont redondantes. La zone émissive peut être par exemple d'un 1 mm Les filaments incandescents 3 flottent dans l'air pour l'ensemble de leur longueur, soutenus seulement à leurs extrémités Le silicium 1 sous les filaments 3 est enlevé par corrosion sur une profondeur d'au moins Am, typiquement de 100 pm Les extrémités des filaments 3 sont montées en parallèle au moyen des tampons métallisés 5, respectivement placés à chaque extrémité Les dimensions des filaments 3 peuvent être par exemple une-épaisseur de 1 Dom sur une largeur de 20 Am et une longueur de 1 mm, ainsi qu'un espacement de 5 gm entre les filaments Les filaments 3 sont chauffés par le courant les traversant La tension d'entrée requise est de quelques volts. Selon l'invention, les filaments incandescents en polysilicium 3, qui sont fortement dopés au phosphore, sont entièrement encapsulés dans de il l'azoture de silicium, le taux d'oxydation de l'azoture déterminant la durée de vie du filament 3 Si la source de rayonnement est utilisée à une température inférieure à 800 IC dans de l'air ambiant normal, sa longévité est supérieure à dix ans, Aucun environnement de vide spécial avec la fenêtre de sortie nécessaire n'est- requis. Si l'on utilise le dopage fort au bore selon la technique, la corrosion sous-jacente des filaments incandescents peut s'effectuer sans nitrurer le filament, parce que le silicium fortement dopé au bore résiste à la corrosion dans une solution aqueuse de KOH Toutefois, lorsque l'on utilise le dopage au phosphore, les filaments 3 doivent être protégés contre le réactif d'attaque à l'aide de, par exemple, -l'azoture formé autour des filaments Le réactif d'attaque utilisé peut également être de l'hydroxyde d'ammonium tétraéthyle, ou comme alternative, une solution aqueuse de diamine d'éthylène, en ajoutant une20 petite quantité de pyrocatéchine. Dans la mesure o les filaments incandescents 3 fonctionnent sans fenêtre superposée, toute pollution organique tombant sur le filament 3 est brûlée Si la source de rayonnement fonctionne en mode pulsé, l'air sous les filaments incandescents se réchauffe rapidement et chasse toute poussière retenue Par conséquent, la réalisation selon l'invention inclut un mécanisme d'auto-nettoyage inhérent. Le champ de température transversal du filament incandescent 3 peut être réglé en variant la géométrie. On obtient un champ de température uniforme avec une 13 - largeur de filament de 20 Am ou moins Le champ de température transversal peut être également amélioré en interconnectant thermiquement les filaments 3 les uns aux autres au moyen, par exemple du pont d'azoture de silicium 6. Le taux de modulation maximum utilisable de la source de rayonnement dépend de la proportion des pertes thermiques La majorité de ces pertes surviennent par l'intermédiaire de la couche d'air en- dessous des filaments 3 et par l'intermédiaire des extrémités des filaments sur le substrat en silicium. Dans la mesure o la proportion de pertes de rayonnement dans la perte total est de quelques pour cents, la température du filament incandescent 3 est une fonction presque linéaire de la puissance d'entrée. Le taux maximal de modulation peut être réglé le plus facilement en variant la profondeur du puits 2 sous les filaments 3 La plage de profondeur de puits adéquate va de 50 à 300 Dgm Avec la structure décrite dans la présente, une inertie thermique d'environ 1 ms peut être atteinte, permettant une modulation électrique allant approximativement jusqu'à 1 k Hz. En référence à la figure 3, la structure en couches de la source de rayonnement est présentée plus en détail La zone 31 est typiquement formée par un morceau de substrat en silicium monocristallin orienté présentant une couche d'azoture de silicium 36, d'une épaisseur typique de 200 mm, déposée dessus La couche d'azoture 36 est nécessaire pour isoler les filaments incandescents du substrat conducteur 31. Lorsqu'un substrat diélectrique est utilisé, la couche isolante 36 est manifestement redondante en-dehors de la zone du puits Une couche de polysilicium 33 dopée au phosphore, d'une épaisseur typique de 1 pm, est déposée sur la surface de la couche isolante 36 Par la suite, la couche de polysilicium 33 est imprimée dans les filaments incandescents par le biais de la photolitographie et des techniques de corrosion par plasma utilisées dans la fabrication microélectronique. Puis une couche d'azoture de silicium supérieure 32 est déposée, les filaments incandescents imprimés de la couche de polysilicium 33 étant entièrement encapsulés à l'intérieur d'une couche d'azoture Les moyens d'alimentation de la tension d'entrée comprennent des tampons métallisés 34, qui peuvent être en aluminium, par exemple Ces tampons forment des connexions conductrices avec les éléments en polysilicium 33 par l'intermédiaire d'ouvertures faites dans la couche - d'azoture supérieure 32 au moyen, par exemple, de la corrosion par plasma Le silicium monocristallin formant le substrat 31 est finalement enlevé par corrosion d'en-dessous le filament, un puits 35 étant ainsi formé Cette étape de corrosion s'effectue par l'intermédiaire des ouvertures réalisées entre les filaments et sur le côté des filaments les plus à l'extérieur. L'émittance de la source de rayonnement peut être améliorée en revêtant les filaments incandescents avec par exemple du tungstène, qui peut être pulvérisé sur la couche d'azoture supérieure 32 avant la gravure du puits 35 Vu que les filaments sont chauffés pour la première fois dans l'air, la métallisation est oxydée. Comme on le sait, un oxyde présente une émittance IR supérieure à celle d'une couche de polysilicium nitruré seule. - En référence à la figure 4, la variation de la résistance du polysilicium avec la concentration d' impureté du phosphore est une fonction monotone Les avantages de l'invention sont obtenus en utilisant une concentration d'impureté supérieure ou égale à 5-1019 atomes / cm 3 On obtient des résultats avantageux avec 19 3 une concentration d'impureté de 8-1019 atomes/cm Conformément au diagramme (petites hachures), une telle concentration de dopant correspond à une résistivité inférieure ou égale à 0,001 nlcm. Sans sortir du domaine et de l'esprit de l'invention, les filaments incandescents peuvent, comme alternative, être montés par exemple par paires en série en plaçant les deux tampons d'alimentation de la tension d'entrée sur un côté du puits du substrat, tandis que chaque paire adjacente de filaments incandescents est montée électriquement en série en joignant leurs autres extrémités de l'autre côté du puits. Par ailleurs, le puits sous les filaments peut être remplacé, dans l'étendue de l'invention, par un trou traversant le substrat. Les substrats alternatifs qui présentent des propriétés diélectriques sont notamment l'oxyde d'aluminium, le saphir, le quartz et le verre quartzeux. Les substrats alternatifs qui présentent des propriétés de conduction sont, par exemple, les métaux. Revendications 1 Source de rayonnement modulable électriquement comprenant un substrat ( 1) essentiellement planar, un puits ( 2) ou trou formé dans le substrat ( 1), -au moins un filament incandescent ( 3) monté sur le substrat ( 1), ledit filament étant aligné sur ledit puits ( 2) ou trou, et des tampons de connexion ( 5) formés sur le substrat ( 1), aux deux extrémités du filament incandescent ( 3), pour fournir du courant électrique au filament incandescent ( 3), caractérisée en ce que ledit filament incandescent ( 3) est dopé au phosphore à une concentration d'impureté d'au moins 5- 1 019 atomes / cm 3. 2 Source de rayonnement, telle qu'elle est définie dans la revendication 1, dont le substrat ( 1) comprend du silicium polycristallin, caractérisée en ce que chaque filament incandescent ( 3) dopé au phosphore à une concentration d'impureté d'au moins 5-1019 atomes / cm 3 est constitué de polysilicium. 3 Source de rayonnement, telle qu'elle est définie dans la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'au moins deux des filaments incandescents ( 3) sont montés électriquement en série. 4 Source de rayonnement, telle qu'elle est définie dans la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins deux des filaments incandescents ( 3) sont montés électriquement en parallèle. Source de rayonnement, telle qu'elle est définie dans la revendication 1, caractérisée en ce que chacun des filaments incandescents ( 3) est conformément enfermé sous une couche d'azoture de silicium continue pour les parties flottant librement du substrat ( 1) 6 Source de rayonnement, telle qu'elle est définie dans la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que les filaments incandescents ( 3) individuels sont interconnectés mécaniquement les uns aux autres. 7 Source de rayonnement, telle qu'elle est définie dans la revendication 6, caractérisée en ce que les filaments incandescents ( 3) individuels sont interconnectés mécaniquement les uns aux autres au moyen d'un pont d'azoture de silicium continu ( 6). 8 Source de rayonnement, telle qu'elle est définie dans la revendication 6, caractérisée en ce que les filaments incandescents ( 3) individuels sont interconnectés mécaniquement les uns aux autres au moyen d'un pont d'azoture de silicium continu ( 6) dans lequel se trouvent des ouvertures. 9 Source de rayonnement, telle qu'elle est définie dans la revendication 1, caractérisée en ce que chaque filament incandescent ( 3) peut communiquer librement avec l'air ambiant. 10 Source de rayonnement, telle qu'elle est définie dans l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les filaments incandescents ( 13) individuels sont revêtus d'une couche d'oxyde métallique. 11 Source de rayonnement, telle qu'elle est définie dans la revendication 1, caractérisée en ce que la profondeur du puits ( 2) est d'au moins 10 Am. 12 Procédé pour fabriquer une source de - rayonnement modulable électriquement sur un substrat ( 1) de silicium monocristallin, comprenant la formation d'une couche d'azoture de silicium ( 36) sur le substrat ( 1), la formation sur la couche d'azoture de silicium ( 36) d'une couche de polysilicium ( 33) dopée au phosphore, l'impression de la couche de polysilicium dopée au phosphore ( 33) dans au moins un filament incandescent ( 3), le dépôt d'une couche d'azoture de silicium ( 32) sur la couche de polysilicium dopée au phosphore ( 33), et 19 - la formation de tampons de connexion conducteurs ( 34) pour fournir du courant électrique par l'intermédiaire des filaments incandescents ( 3) formés & partir de la couche de polysilicium dopée au phosphore ( 33), caractérisé en ce que la couche de polysilicium ( 33) formée dans un filament incandescent au moins est dopée au phosphore à une concentration d'impureté d'au moins 5- 0 1 î O o 9 atomes/cm 3. 13 Procédé, tel qu'il est défini dans -la revendication 12, caractérisé en ce que ladite couche ( 33) fortement dopée au phosphore est imprimée pour former au moins deux filaments incandescents ( 3). 14 Procédé, tel qu'il est défini dans la revendication 12, caractérisé en ce que les filaments incandescents qui sont formés à partir de la couche ( 33) fortement dopée au phosphore et qui sont revêtus d'une couche d'azoture de silicium, sont recouverts d'un matériau d'une émittance élevée. Procédé, tel qu'il est défini dans la revendication 14, caractérisé en ce que les filaments incandescents, qui sont formés à partir de la couche ( 33) fortement dopée au phosphore et qui sont revêtus d'une couche d'azoture de silicium, sont recouverts d'un métal qui peut s'oxyder.