Brevet FR2728728A1 — publié le 19960628

DISPOSITIF DE DéTECTION BOLOMETRIQUE ET PROCèDES DE FABRICATION DE CE DISPOSITIF DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif de détection bolométrique et des procédés de fabrication de ce dispositif. Elle s'applique notamment au domaine de la thermographie. On a récemment développé des techniques "planar" de détection infrarouge en vue de réaliser des dispositifs de détection bolométrique plans, constitués de barrettes ou de matrices de détecteurs bolométriques élémentaires. De tels dispositifs doivent satisfaire aux critères suivants Critère de température : fonctionnement au voisinage de la température ambiante (environ 200C) CritèreS technologiques : - possibilité de réalisation d'un circuit monolithique par dépôt/masquage/gravure du substrat de détection sur le substrat sur lequel est formé le circuit de lecture - technique de fabrication simple conduisant à des dispositifs peu coûteux Critères électriques : - variation du paramètre physique de mesure (par exemple une intensité de courant) en fonction de la température - grand rapport signal/bruit du circuit de détection - "lisibilité" du circuit de détection compte tenu des modes de lecture envisageables avec les technologies industrielles relatives au silicium. Ces critères ont conduit à sélectionner un certain nombre ne candidats or le matériau de détection, @'un des candidats retenus étant le silicium (en vue d'y intégrer des composants tels que des diodes ou ces résistances et ne mesurer La variation courant de tels composants. Dans tous @ es cas, les composants du circuit de détection bolométrique doivent avoir une faible capacité calorifique et être électriquement connectés à un circuit te lecture réalisé dans un substrat Se silicium, par des moyens de connexion présentant une importante résistance thermique-série. es disbositifs de détection bolométrique ont été réalisés en vue te satisfaire aux critères mentionnés plus haut. Un exemple de tels dispositifs est schématiquement représenté sur la figure 1. Le dispositif représenté sur cette figure comprend - un substrat de lecture en silicium 2, dans lequel est formé un circuit de ecture non représenté, et - un circuit de détection comprenant des éléments de détection 4, cu pixels de détection. Ces éléments de détection (par exemple des diodes) sont faits a partir d'un matériau déposé sur une couche 6 d'une matière @hermiquement isolante qui repose sur le substrat 2. Dans d'autres dispositifs connus, les éléments de détection sont pontés sur une couche de vide ou d'air. Des fils électriquement conducteurs 8 permettent d'établir une liaison électrique entre les éléments de détection 4 et le circuit de lecture. Chaque élément de détection est recouvert car une couche 10 d'un matériau acte å absorber Le rayonnement infrarouge. De manière générale, ces dispositifs de détection bolométrique connus comprennent des éléments de détection de faible capacité calorique qui sont thermiquement isolés d'un substrat de lecture en silicium (très thermiquement conducteur) et électriquement reliés à celui-ci. Par exemple, lorsqu'on désire réaliser des éléments de détection en silicium monocristallin, il faut déposer une couche de silicium sur un substrat en silicium dans Lequel est orme -e cirouit de lecture. Un tel dépôt est généralement considéré comme techniquement difficile à réaliser du fait de la température requise pour son obtention, étant donné que le substrat de lecture et la couche ce matériau thermiquement isolant par exemple un polyimide) ne résistent généralement pas à des températures supérieures à 500 C. C'est pourquoi on préfère fixer une couche de silicium sur le substrat de lecture par exemple par hybridation "flip chip", puis amincir la couche ainsi fixée et isoler les éléments de ecture les uns des autres. Une telle technique ne satisfait pas au critère de coût évoqué plus haut du fait que les techniques d'hybridation sont coûteuses). La présente @nvention vise un dispositif de détection bolométrique de faible cout, apte à fonctionner à la température ambiante. De façon précise, la présente invention ? pour objet un dispositif de détection bolométrique comprenant @ un circuit de détection comportant une pluralité d'éléments de détection, chaque élément de détection étant d'une part muni d'un revêtement apte à absorber e rayonnement infrarouge et étant t'autre part apte à fournir un signal d'intensité variable en fonction de la température du revêtement dont il est muni, et un circuit de lecture des signaux fournis par les éléments de détection, ce circuit de lecture comportant une pluralité d'éléments de lecture qui sont respectivement associés aux éléments de détection, ce dispositif étant caractérisé en ce que chaque élément de détection et l'élément de lecture qui lui est associé sont Intégrés dans un meme bloc de silicium et sont ainsi couplés thermiquement l'un à l'autre, en ce que chaque bloc de silicium est muni dudit revêtement et en ce use les blocs de silicium sont thermiquement isolés les uns des autres et reposent sur un substrat qui, au moins en surface, est thermiquement isolant. Dans la présente invention, les éléments (ou pixels) de détection bolométrique en silicium sont couplés à un circuit te lecture en silicium. Le dispositif objet de l'invention comprend une structure dans laquelle on trouve à la fois les éléments de détection et les éléments (ou pixels) de lecture, chaque élément de détection étant associé à un élément de lecture et non isolé thermiquement de celuici. 'énergie rayonnee qui est reçue par chaque pixel du dispositif objet de l'invention est absorbée à l'aide du revêtement absorbant et, l'échauffement dû à la puissance électrique dissipée par chaque pixel étant uniforme, on ne tetecte que les différences spatiales te rayonnement qui sont dues aux nenomenes produisant le rayonnement. Selon @n m@de de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, Le substrat sur lequel reposent les blocs de silicium est fait d'un matériau thermiquement isolant. Selon un autre rote te réalisation particulier, e substrat est revêtu d'une couche thermiquement isolante sur laquelle reposent les blocs de silicium. Selon un autre mode de réalisation particulier, Les blocs te silicium reposent sur le substrat respectivement par l'intermédiaire de couches thermiquement isolantes espacées les unes des autres et formant des piédestaux sous Les blocs de silicium correspondants. Pour isoler thermiquement les blocs de silicium les uns des autres, ces blocs peuvent être espacés les uns des autres. Selon un mode te réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, les blocs de silicium sont constitués par de minces tranches de silicium. 3n obtient ainsi ces blocs de faible capacité calorifique. La présente invention concerne également un procédé de fabrication du dispositif objet de l'invention, ce procédé étant zaractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes on forme initialement une structure comprenant une couche de silicium et un substrat sur lequel repose cette couche par intermédiaire d'une couche thermiquement isolante, on forme, sur la couche de silicium, les éléments de détection et les éléments de lecture, chaque élément de détection et l'élément de lecture qui lui correspond se trouvant ainsi sur une partie de cette couche de silicium, # on élimine la couche de silicium autour de chaque partie de cette couche de silicium, et # on dépose le revêtement absorbant sur ces parties de la couche de silicium. De préférence, on élimine la couche thermlquement isolante, à L'exception de portions de celle-ci qui sont respectivement situées sous les parties de la couche de silicium et qui forment des piédestaux pour ces parties. On augmente ainsi l'isolation thermique entre le substrat et les éléments de détection et de lecture. La présente invention concerne aussi un autre procédé de fabrication du dispositif objet de l'invention, cet autre procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend es étapes suivantes on forme, sur une couche de silicium, les éléments de détection et les éléments de lecture, chaque élément de détection et l'élément de lecture qui lui correspond se trouvant ainsi sur une partie de cette couche de silicium, on fixe la couche te silicium sur un substrat principal, par l'intermédiaire d'une couche de fixation thermiquement IsoLante, on élimine a couche de silicium autour de chaque partie de cette coucne de silicium, et on dépose le revêtement absorbant sur ces parties de la couche de silicium. Selon un mote de mise en oeuvre préféré de cet autre procédé, on forme initialement une structure comprenant la couche de silicium et un substrat auxiliaire sur lequel repose la couche de silicium, et n on élimine ce substrat auxiliaire après fixation de la couche de silicium au substrat principal. Ladite structure peut être de type SIMOX (pour : Silicium-sur-isolant par IMplantation d'OXygène). De préférence, on élimine la couche de silicium autour desdites parties à l'aide d'une gravure par plasma. On notera cue, selon l'invention, les éléments de détection bolométrique sont ormés dans la même couche de silicium que celle qui contient le circuit de lecture, le circuit te détection et le circuit de lecture étant réalisables lors d'une même opération technologique. Une telle façon de procéder évite le dépôt d'une couche te silicium au dessus d'un substrat portant le circuit de lecture. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, a titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1, déjà décrite, est une vue schématique et partielle d'un dispositif connu de détection bolométrique, la figure 2 est une vue schématique et partielle d'un dispositif de détection bolométrique conforme à l'invention, les figures 3A a 3E illustrent schématiquement des étapes d'un procédé de fabrication d'un dispositif ae détection bolométrique conforme à i'invention, et les figures 4A à 4C illustrent schématiquement des étapes d'un autre procédé de fabrication d'un dispositif de détection bolométrique conforme à l'invention. Sur la - figure 2, on a représenté schématiquement et partiellement un dispositif de détection bolométrique conforme à l'invention. Ce dispositif de La figure 2 comprend un circuit de détection bolométrique comportant une pluralité d'éléments de détection 12, ainsi qu'un circuit de lecture comportant une pluralité d'éléments de Lecture 14. Chaque élément de détection est associé à un élément de lecture et le dispositif comprend ainsi des couples d'éléments 12 IL 14, chaque couple étant intégré dans un même bloc de silicium 16, les éléments 12 et 14 d'un même couple n'étant pas isolés thermiquement l'un de L'autre. Chacun des blocs de silicium 16 est recouvert d'un revetement 18 apte à absorber le rayonnement infrarouge. Les éléments de détection 16 sont par exemple des diodes au silicium ou des résistances électriques ou encore tes capacités, qui sont aptes à fournir un signal d'intensité variable en fonction de la température tes blocs de silicium 15 transmise par conduction par e revêtement 8 (pour une tension de polarisation donnée Le circuit de lecture est destiné à lire les signaux tournis par les éléments de détection. Les blocs de silicium sont thermiquement isolés les uns des autres et, pour se faire, des espacements 20 sont prévus entre ces blocs. De plus, ces blocs de silicium 16 reposent sur un substrat 22 qui est thermiquement isolant. Au lieu de cela, le substrat 22 pourrait comporter, en surface, une couche thermiquement isolante sur laquelle e reposeraient les blocs de silicium 16. Pour réaliser le dispositif de la figure 2, on utilise une plaque de silicium dans laquelle on forme en même temps le circuit de détection et le - ecture. Cette plaque de silicium, dans laquelle sonc intégrés es éléments de détection et les éléments de lecture, est rapportez, face contre face, contre le substrat thermiquement isolant 22 puis amincie (pour donner à chaque pixel te détection et de lecture une faible capacité calorifique). Ces pixels (contenant chacun un élément de détection et un élément de ecture) sont ensuite isolés les uns des autres par gravure cinique de la plaque de silicium amincie puis ils sont recouverts de la couche absorbante 18. Ainsi, les blocs 16 de la figure 2 résultent de la plaque, ou tranche, de silicium amincie et les espacements 20 entre les blocs sont des tranchées obtenues par la gravure chimique. On notera que, compte tenu de la fabrication du dispositif de la figure 2, le circuit de détection et le circuit de lecture sont situés sensiblement dans Ü meme pan. Les figures 3A à 3E illustrent schématiquement des étapes d'un procédé de fabrication d'un dispositif de détection bolométrique conforme à l'invention. Dans une première étape (figure 3A), on fabrique une plaque SIMOX, ou substrat SIMOX, qui porte la référence 24. Pour ce faire, on utilise un substrat 26 en silicium réalisé par des techniques industrielles et ce substrat 26 est transformé en substrat SIMOX par implantation profonde d'oxygène suivie d'un recuit, ce qui crée une couche enterrée de silice 28 sous une couche superficielle 30 de silicium monocristallin. Le circuit de détection et le circuit de lecture que comporte le dispositif sont formés sur cette couche superficielle de silicium 30. Le circuit de lecture est réalisé par des moyens conventionnels de la "technologie silicium". Ce circuit de lecture peut être réalisé suivant la technologie MOS, CMOS, bipolaire, JFET ou toute autre technologie permettant une lecture et un traitement des signaux détectés. On se réfèrera aux procédés connus de fabrication de mémoires 256KB SRAM. Le circuit de détection peut être réalisé en même temps que le circuit de lecture (ce circuit de détection comprenant par exemple des diodes N/P ou des diodes Schottky ou encore des résistances intégrées, tous ces composants étant intégrables dans le silicium). L'épaisseur de la couche de silice enterrée 28 peut être comprise entre 50 nm et 400 nm et l'épaisseur de la couche de silicium monocristallin 30 peut être comprise entre 100 nm et 400 nm sans que l'on ait à réaliser un dépôt complémentaire de silicium par épitaxie. On voit sur la figure 3A un pixel de détection et de lecture comprenant un élément de détection 32 et un élément de lecture 34 associé à cet élément de détection. Sur cette figure 3A, la référence P représente le pas des pixels (c'est-à-dire la taille de chaque pixel comprenant un élément de détection et un élément de lecture). Pour relier électriquement ces pixels les uns aux autres et à des composants extérieurs au dispositif, on peut utiliser des fils métalliques 36 que l'on réalise avec des sections transversales aussi réduites que possible afin de minimiser les pertes thermiques latérales de pixel à pixel. L'ensemble de la plaque SIMOX 24 est ensuite collée face contre face, sur un substrat 38 (figure 3B), à l'aide d'une couche thermiquement isolante 40 de résine polyimide ou de colle époxy qui recouvre ainsi la surface de la couche de silice 30 portant le circuit de détection et le circuit de lecture. On détermine de façon aussi précise que possible la (très faible) conductivité thermique de la résine ou de la colle ainsi que l'épaisseur de la couche 40 correspondante afin de connaître aussi précisément que possible la (très grande) résistance thermique de cette couche 40. De préférence, on choisit un substrat 38 ayant une bonne conductivité thermique pour permettre un écoulement adapté de la chaleur avec les fréquences requises pour le fonctionnement du dispositif. On amincit ensuite la plaque SIMOX 24 (figure 3C). Cet amincissement est réalisé par une technique chimique connue, jusqu'à la couche de silice enterrée 28. On sait qu'il existe des solutions chimiques capables d'attaquer le silicium de façon très sélective (donc sans attaquer la silice). L'épaisseur E de la couche résiduelle de silicium est alors égale à l'épaisseur de la couche de silicium initiale 30 située au-dessus de la couche de silice enterrée. La figure 3D illustre schématiquement l'isolation thermique des pixels de détection et de lecture (référencés 50) les uns des autres. Cette isolation est réalisée par gravure par plasma de la couche de silice 28 et de la couche de silicium 30 (jusqu'à la couche d'isolation thermique 40) Cette gravure permet de creuser des tranchées 42 jusqu'à cette couche 40. Les fils 36 d'interconnexion entre les pixels ne sont pas affectés par une telle gravure par plasma qui utilise un gaz fluoré comme par exemple CF4 ou SF6. L'existence des tranchées 42 permet d'accéder à ces fils métalliques en vue d'un montage ultérieur du dispositif dans un ensemble de détection comprenant, outre ce dispositif, des moyens de traitement des signaux fournis par ce dernier. On notera que ces tranchées 42 délimitent des blocs de silicium 44 qui portent les éléments de détection et de lecture et correspondent ainsi aux pixels de détection et de lecture. On élimine ensuite la couche de silice 28 par une gravure chimique humide à base d'acide fluorhydrique ou par une gravure plasma en présence de composés fluorés. On dépose ensuite (figure 3E) une couche 46 apte à absorber le rayonnement infrarouge sur la structure de silicium munie du circuit de détection et du circuit de lecture et pourvue des tranchées 42. Cette couche d'absorption du rayonnement infrarouge, appelée "couche absorbante noire", peut être par exemple obtenue à partir d'une évaporation d'or, en contrôlant la pression résiduelle dans l'enceinte d'évaporation par des introductions d'un gaz approprié, en vue d'obtenir une couche "d'or noir". On précise que les zones de reprise de contact électrique (avec les fils métalliques 36) sont épargnées lors du dépôt de la couche absorbante 46, à l'aide de caches (non représentés) ne permettant le dépôt de cette couche absorbante que dans les zones utiles. I1 est alors possible de découper le composant obtenu, de monter celui-ci sur un support et d'interconnecter ce composant grâce aux fils métalliques, dans les zone ainsi épargnées. Les figures 4A à 4C illustrent schématiquement un autre procédé de fabrication d'un dispositif de détection bolométrique conforme à l'invention. La figure 4A est identique à la figure 3A et illustre schématiquement l'étape initiale de cet autre procédé, au cours de laquelle on fabrique, à partir d'un substrat en silicium 26, une plaque SIMOX 24 comprenant une couche de silice enterrée 28 et une couche de silicium monocristallin 30. Comme précédemment, on réalise, dans la couche de silicium 30, le circuit de détection et le circuit de lecture. Dans le procédé décrit en faisant référence aux figures 4A à 4C, cette plaque SIMOX 24 n'est pas fixée à un autre substrat. Comme on le voit sur la figure 4B, on grave directement des tranchées 48 dans la couche de silicium monocristallin 30, par une technique de gravure par plasma, afin d'isoler les uns des autres les pixels de détection et de lecture 50 (comprenant chacun un élément de détection 32 et un élément de lecture 34) Les fils métalliques 36 d'interconnexion entre les pixels ne sont pas affectés par une telle gravure ucilisant par exemple un gaz fluoré. On choisit des conditions d'attaques isotropes de manière que la gravure se fasse sous les fils, ou bandes, métalliques d'interconnexion. La liaison thermique d'un pixel 50 à un autre est essentiellement faite par ces fils métallique 36 formant des ponts comme on le voit sur la figure 4B qui représente schématiquement et partiellement, en vue de dessus, la couche de silicium 30 munie des pixels 50 séparés par les tranchées 48. Comme précédemment, la section transversale de ces fils métalliques est choisie aussi faible que possible pour que cette liaison thermique d'un pixel à l'autre soit aussi faible que possible. Les pixels 50, et donc les blocs 44 de silicium de faible épaisseur portant chacun un élément de détection et un élément de lecture, sont automatiquement thermiquement isolés du substrat en silicium 26 par la couche de silice enterrée 28 d'épaisseur H. Cette épaisseur H peut être comprise entre 50 nm et 400 nm de sorte que cette couche 28 constitue une très bonne couche isolante du point de vue thermique, compte tenu de la faible conductivité thermique de la silice (de l'ordre de 1,4 W/m. C) par rapport à la conductivité thermique du silicium (de l'ordre de 150 W/m. C). On dépose ensuite une couche absorbant le rayonnement infrarouge (non représentée) comme on l'a expliqué plus haut, sur les blocs de silicium 44. La figure 4C illustre schématiquement une étape complémentaire qui peut être réalisée pour augmenter l'isolation thermique entre chaque bloc 44 et le substrat 26. Cette étape complémentaire est réalisée après la formation des tranchées 48. Au cours de cette étape complémentaire, on attaque la plaque SIMOX 24 par voie chimique humide, avec une solution qui n'attaque que la silice (par exemple une solution fluorée humide). On peut ainsi dégager et isoler chaque bloc 44 sur un piédestal en silice 52, comme on le voit sur la figure 4C. En maîtrisant la sur-gravure de la silice, on est capable de maîtriser parfaitement la fuite thermique de chaque pixel de détection et de lecture. REVENDICATIONS i. Dispositif de détection bolométrique comprenant un circuit de détection comportant une pluralité d'éléments de détection (12, 32), chaque élément de détection étant d'une part muni d'un revêtement (18, 46) apte à absorber le rayonnement infrarouge et étant d'autre part apte à fournir un signal d'intensité variable en fonction de la température du revêtement dont il est muni, et un circuit de lecture des signaux fournis par les éléments de détection, ce circuit de lecture comportant une pluralité d'éléments de lecture (14, 34) qui sont respectivement associés aux éléments de détection, ce dispositif étant caractérisé en ce que chaque élément de détection et l'élément de lecture qui lui est associé sont intégrés dans un même bloc de silicium (16, 44) et sont ainsi couplés thermiquement l'un à l'autre, en ce que chaque bloc de silicium est muni dudit revêtement et en ce que les blocs de silicium sont thermiquement isolés les uns des autres et reposent sur un substrat (22, 38-40, 26-28, 26-52) qui, au moins en surface, est thermiquement isolant. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (22) est fait d'un matériau thermiquement isolant. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (38) est revêtu d'une couche thermiquement isolante (40) sur laquelle reposent les blocs de silicium (44). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les blocs de silicium (44) reposent sur le substrat (26) respectivement par l'intermédiaire de couches thermiquement isolantes (52) espacées les unes des autres et formant des piédestaux sous les blocs de silicium correspondants. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les blocs de silicium sont espacés Les uns des autres, de façon à être thermiquement isolés les uns des autres. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les blocs de silicium (44) sont constitués par de minces tranches de silicium. 7. Procédé de fabrication du dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes on forme initialement une structure comprenant une couche de silicium (30) et un substrat (26) sur lequel repose cette couche par l'intermédiaire d'une couche thermiquement isolante (28), on forme, sur la couche de silicium, les éléments de détection (32) et les éléments de lecture (34), chaque élément de détection et l'élément de lecture qui lui correspond se trouvant ainsi sur une partie de cette couche de silicium, on élimine la couche de silicium autour de chaque partie de cette couche de silicium, et on dépose le revêtement absorbant sur ces parties de la couche de silicium. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche thermiquement isolante (28) est éliminée, à l'exception de portions (52) de celle-ci qui sont respectivement situées sous les parties de la couche de silicium et qui forment des piédestaux pour ces parties. 9. Procédé de fabrication du dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes on forme, sur une couche de silicium (30), les éléments de détection (32) et les éléments de lecture (34), chaque élément de détection et l'élément de lecture qui lui correspond se trouvant ainsi sur une partie de cette couche de silicium, on fixe la couche de silicium sur un substrat principal (38), par l'intermédiaire d'une couche de fixation thermiquement isolante (40), on élimine la couche de silicium autour de chaque partie de cette couche de silicium, et on dépose le revêtement absorbant sur ces parties de la couche de silicium. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on forme initialement une structure comprenant la couche de silicium (30) et un substrat auxiliaire (26) sur lequel repose la couche de silicium (30), et on élimine ce substrat auxiliaire après fixation de la couche de silicium au substrat principal (38). 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7, 8 et 10, caractérisé en ce que la structure est de type silicium sur isolant par implantation d'oxygène. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'on élimine la couche de silicium (30) autour desdites parties à l'aide d'une gravure par plasma.