Brevet FR2758679A1 — publié le 19980724

PROCEDE DE REALISATION D'UN ECRAN MATRICIEL PAR ASSEMBLAGE DE DALLES ELEMENTAIRES, ECRAN MATRICIEL AINSI OBTENU ET SON APPLICATION A UN DETECTEUR DE RAYONS X La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un écran matriciel par assemblage de dalles élémentaires. L'invention concerne également un écran matriciel, du type comprenant des dalles élémentaires assemblées, réalisé selon ce procédé et, s'applique notamment, à un détecteur de rayons X à l'état solide de grande dimension. Bien que l'invention s'applique à de nombreux types d'écrans d'affichage ou de détection, on se placera dans ce qui suit, pour fixer les idées, dans le cadre de l'application préférée, c'est-à-dire la réalisation d'un détecteur de rayons X à l'état solide de grande dimension, constitué à partir de deux dalles élémentaires unitaires ou plus. Un scintillateur selon l'art connu est décrit, à titre d'exemple non limitatif, dans la demande de brevet français FR-A-2 636 800 (THOMSON-CSF). Le fonctionnement et la structure générale d'un détecteur de rayonnement X à l'état solide selon l'art connu vont être maintenant rappelés en regard de la description des figures la à 2c annexées à la présente description. Selon la technologie actuelle, les détecteurs de rayonnement sont réalisés à base d'une ou plusieurs matrices d'éléments photosensibles à l'état solide. Les éléments photosensibles à l'état solide connus ne sont pas sensibles directement aux rayons de longueurs d'onde très courtes, tels les rayons X. il est nécessaire de les associer à un organe scintillateur. Celui-ci est réalisé à base d'une substance qui a la propriété, lorsqu'elle est excitée par des rayons X, d'émettre une lumière dans une gamme de longueurs d'onde plus grandes : dans le visible (ou le proche visible). La longueur d'onde précise dépend de la substance utilisée. Le scintillateur agit donc comme un convertisseur de longueurs d'onde. La lumière visible ainsi générée est transmise aux éléments photosensibles qui effectue une conversion photoélectrique de l'énergie lumineuse reçue en signaux électriques exploitables par des circuits électroniques appropriés. Les figures la et lb représentent deux coupes latérales, orthogonales l'une à l'autre, d'une matrice d'éléments photosensibles associée classiquement à une feuille de substance scintillatrice. Chaque élément photosensible comporte une photodiode ou un phototransistor, sensible aux photons, dans le visible ou le proche visible. A titre d'exemple, comme illustré sur les figures la à ld, chaque élément photosensible est constitué, par exemple, de deux diodes, Dmni et D2, disposées tête-bêche et le réseau matriciel RM comporte des conducteurs de colonnes, Cc1 à Ccx, et des conducteurs de lignes, Cl1 à Cly. Chacune des diodes, Dmnl et Dmn2, constitue de manière connue, une capacité quand elle est polarisée en inverse. La première diode, Dmn1, a une capacité typiquement dix fois moins importante que la capacité de la seconde diode, Don2. Elle joue principalement le rôle de commutateur, alors que la seconde diode est préférentiellement photodétectrice. A chaque croisement d'une ligne et d'une colonne, par exemple de la ligne Cîn et de la colonne Ccrn (voir Figure ld), on dispose un tel ensemble de deux diodes têtebêche, Dmn1 et Dmn2. Les diodes peuvent être remplacées par des transistors réalisés en technologie "TFT", de l'anglo saxon "Thin Film Transistor" ou "transistor en couches minces". Les conducteurs 12 (figures la et lb) sont constitués par un dépôt de métal sur un substrat isolant 10, de préférence du verre. Le dépôt est suivi d'une opération de photogravure, pour obtenir des pistes conductrices parallèles de largeur appropriée. Les diodes (par exemple, Dmnl et Dmn2) sont formées par dépôt, sur les pistes conductrices de colonnes 12, puis gravure, des couches de silicium amorphe (Sia), intrinsèque ou dopé à l'aide de matériaux semi-conducteurs de type P ou N. Une couche très fine de matériau conducteur, de préférence transparent, est déposée sur la couche isolante 20, de manière à former, après gravure, les pistes conductrices de lignes 22 du réseau matriciel RM. Les signaux délivrés par les éléments photosensibles ou pixels Pmn sont récupérés dans des zones de connectique respectives, 3 et 4, pour les lignes, Cl1-Clx, et les colonnes, Ccl-Ccy. Les connexions avec les circuits électroniques externes peuvent être réalisées à l'aide de câbles souples multiconducteurs, 30 et 40, respectivement. L'ensemble précédemment décrit forme ce qui est généralement appelé une "dalle de silicium amorphe" élémentaire unitaire. Les tailles standards de ces dalles élémentaires unitaires, typiquement de l'ordre de 300 mm X 300 mm pour la zone active, ne permettent pas de couvrir la totalité des besoins du marché des détecteurs, pour le moins à un prix raisonnable. Aussi, on a proposé d'assembler plusieurs dalles élémentaires unitaires pour former une matrice de grande dimension. A titre d'exemple, si on assemble quatre matrices de la dimension précitée, on obtient un détecteur de 430 mm X 430 mm. Un tel procédé d'assemblage est décrit, par exemple, dans la demande de brevet français FR-A-2 687 494 (THOMSON TUBES ELECTRONIQUES). La figure 2a illustre un détecteur de grande dimension comprenant quatre dalles élémentaires unitaires, 10a à 10d, et leurs matrices en semi-conducteur amorphe, RM3 à RMd. Les dalles élémentaires unitaires, 10a à 10d, sont découpées précisément sur deux côtés de leur périphérie libres de la zone de connectique (non représentée), afin que les zones actives de pixels, RMa à RMd, affleurent au bord de la dalle découpée. Les dalles découpées, 10a à 10d, sont ensuite positionnées les unes par rapport aux autres afin de préserver la continuité de la zone active de pixels et leur pas, d'une dalle à l'autre. L'assemblage est réalisé par collage d'un support commun 7 sur les dalles découpées et positionnées, 10a à lOd. Un des problèmes majeurs rencontrés dans ce type de scintillateur de grande dimension réside dans la perte d'informations et la dégradation des performances au niveau de la jonction entre deux dalles contiguës. En effet, dans l'art connu, pour découper les dalles, on recourt habituellement à des techniques connues sous les dénominations "scribing" et "dicing saw". Ces techniques sont certes efficaces, mais peuvent engendrer des défauts importants sur la face du verre formant le substrat des dalles élémentaires unitaires, 10a à 10d, : écaillage, défauts de rectitude, becquets. Les figures de détail 2b et 2c illustrent schématiquement, de façon très agrandie, de tels défauts, respectivement en vue de haut et de côté. Plus précisément, on a représenté sur la figure 2b des défauts, 8, du type écaillage ou éclat, et sur la figure 2c des défauts, 9, du type béquet. Sur cette dernière figure, on a également représenté le film de colle 6 fixant les dalles élémentaires, 10a et 10 b, (seules visibles sur la figure 2c) au support commun 7. Il résulte de ces défauts dus aux opérations de découpe que deux dalles contiguës ne peut être aboutées sans prévoir une zone morte de dimension significative : typiquement de l'ordre de 100 Um. Dans le pire des cas, certains pixels, voire certaines parties de lignes et/ou colonnes, peuvent être détruites. Les dalles élémentaires unitaires sont ensuite collées sur le support commun 7 et "subissent" alors les imperfections de l'opération de découpe. Il est aisé de comprendre que, hormis la dimension importante de la zone morte, un inconvénient résultant de ces techniques est la possibilité de présence d'artefacts optiques en bord de dalle, du fait précisément de la discontinuité du substrat dans ces régions. En effet, les photons visibles traversant un pixel p,, peuvent être réfléchis par les faces découpées, et induire un éclairement des pixels voisins, donc une dégradation de la résolution. Ce phénomène est d'autant plus imprévisible (et de ce fait non corrigible) qu'il est lié aux dimensions et formes des éclats. L'invention se fixe pour but de pallier aux inconvénients des techniques de découpe de l'art connu. Elle se propose en particulier de réduire la quantité d'information perdue, en - conservant les caractéristiques initiales des pixels en bord de matrice , c'est-à-dire des dalles élémentaires unitaires - minimisant la taille de la zone morte au niveau des jonctions - et limitant l'apparition d'artefacts optiques dans l'espace inter-dalles. Pour ce faire, selon une caractéristique principale du procédé de l'invention, la découpe des dalles élémentaires unitaires s'effectue en deux passes successives : une première découpe étant réalisée du côté face active, c'est-à-dire du côté de la matrice d'éléments photosensibles, avantageusement sur une profondeur de trait faible et une seconde découpe étant réalisée du côté oppose. Dans une variante préférée du procédé selon l'invention, pour éliminer autant que faire se peut les artefacts, les dalles élémentaires unitaires sont collées sur le support commun à l'aide d'une résine optique et les sillons entre dalles sont remplis par un matériau d'indice de réfraction proche de celui du verre. L'invention a donc pour objet un procédé de réalisation d'un écran matriciel par assemblage de dalles élémentaires unitaires, chaque dalle supportant, sur une de ces faces une pluralité d'éléments sensibles à un rayonnement de longueur d'onde déterminé, comprenant au moins une étape de découpe des côtés d'aboutement desdites dalles unitaires élémentaires et une étape de collage de celles-ci sur un support commun, caractérisé en ce que, les dalles ayant une épaisseur déterminée, la dite étape de découpe comprend deux phases successives - une première phase consistant à effectuer une première découpe, du coté de ladite face active, de manière à tracer un premier sillon de faible profondeur par rapport à ladite épaisseur déterminée - et une seconde phase consistant à effectuer une seconde découpe, du côté opposé à ladite face active et sensiblement dans le prolongement dudit premier sillon, de manière à tracer un second sillon, la profondeur cumulée de ce sillon avec celle du premier sillon étant telle qu'elle soit supérieure à ladite épaisseur déterminée, de manière à obtenir un recouvrement des deux sillons et la découpe complète de ladite dalle. L'invention a encore pour objet un écran matriciel, du type comprenant des dalles élémentaires assemblées, réalisé selon ce procédé. L'invention a aussi pour objet l'application d'un écran matriciel de ce type à un détecteur de rayons X. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit en référence aux figures annexées, parmi lesquelles - les figures la à ld illustrent schématiquement le fonctionnement d'un détecteur de rayons X selon l'art connu; - la figure 2a illustre schématiquement un détecteur de rayons X de grande dimension, selon l'art connu, obtenu par juxtaposition de dalles élémentaires unitaires - les figures 2b et 2c illustrent des types de défauts rencontrés lors de la découpe des dalles élémentaires unitaires par utilisation de procédé selon l'art connu - les figures 3a et 3b illustrent schématiquement la découpe des dalles élémentaires unitaires selon le procédé de l'invention - les figures 4a à 4c illustrent schématiquement différents profils de découpe obtenus par le procédé de l'invention - et la figure 5 illustre une caractéristique supplémentaire de l'invention, obtenue par un collage particulier. Le procédé de l'invention va maintenant être décrit par référence aux figures 3a à 5. L'invention, en ce qui concerne la découpe des bords de dalles, à obtenir une qualité optimale sur la face de détection. La technique permettant de maîtriser au mieux la géométrie et la rectitude du trait de découpe est celle connue sous la dénomination "dicing saw". C'est la technique mettant en oeuvre une scie d'un type spécial pour découper des substrats en silicium destinés à la réalisation de circuits intégrés. Cependant, compte tenu de l'épaisseur et de la fragilité du verre formant les substrats des dalles élémentaires unitaires, il est très difficile de supprimer l'écaillage et les becquets. Pour mémoire, l'épaisseur typique des dalles de verre couramment utilisées est de 1,1 mm. Selon une des caractéristiques les plus importantes du procédé selon l'invention, l'étape de découpe d'une dalle élémentaire unitaire, par exemple 10a s'effectue en deux passes, comme le montre plus particulièrement la figure 3a. La première passe de découpe est réalisée du côté face active ou sensible de la dalle 10a, c'est-à-dire du côté matrice d'éléments photosensibles RMa. De façon avantageuse, si on suppose que l'épaisseur du substrat 10a est 1, la profondeur li du trait de scie, Tsl, est inférieure à 1, typiquement inférieure ou égale à 0,5 1. Cette disposition permet de limiter au maximum le stress mécanique et l'échauffement, ce dans une zone proche des éléments sensibles (réseau matriciel de pixel RMa). La seconde passe de découpe est effectuée sur la face arrière dans le prolongement du premier trait de scie TS1. La profondeur du trait de scie, TS2, de la seconde passe de découpe est choisie telle que la relation suivante soit satisfaite li + 12 > 1, de manière à obtenir un léger recouvrement des deux traits de scie, TSl et TS2. L'épaisseur du second trait de scie, TS2, peut être plus important que celui du premier trait, TS1. On ne court plus le risque que l'écaillage dégrade la matrice de pixels. De même, les becquets, dus à l'usure des chants de lame, sont complètement supprimés. Comme le montre plus particulièrement la figure 3b, le profil composite de la découpe complète, en bord de dalle 10aB présente un décrochement. Plus précisément, il se décompose en une première paroi verticale, p', sur une profondeur sensiblement égale à li, et une seconde paroi également sensiblement verticale, p", mais présentant une zone de raccordement avec p' sur sa partie supérieure. Selon le type de lame choisi, le profil de découpe p", en face arrière de la dalle 10a, peut présenter une zone de raccordement "rectangulaire" : p",, "conique" : p",, ou "arrondie" : p",, comme illustré par les figures 4a à 4c, respectivement. L'expérience a montré que ces deux derniers types de profils donnaient les meilleurs résultats. En mettant en oeuvre le procédé de l'invention, il est possible de réaliser la découpe à moins de 20 ssm du bord du réseau matriciel d'éléments photosensibles RMa, sans pour autant induire de dégradations des caractéristiques de ces éléments photosensibles. La comparaison avec les caractéristiques des dalles découpées par mise en oeuvre des techniques de l'art connu, et qui présentent des zones mortes typiquement de 100 ssm, comme il a été indiqué, montre donc une amélioration de un à cinq. En outre, ces dalles ne présentent plus de défauts de bordure (écaillage et becquets). Une fois découpées, les dalles élémentaires unitaires découpées, par exemple les dalles 10a et 10b, sont collées sur un support commun 7, à l'aide d'un film de colle 6, comme illustré plus particulièrement par la figure 5. Selon une autre caractéristique importante de l'invention, pour éliminer les artefacts dans les régions de bords des dalles, 10a et 10b, on utilise une colle optique et on en remplit également les sillons inter-dalles, c'està-dire les zones définies par les profils correspondants, p' et p", de ces deux dalles contiguës. On peut utiliser, à titre d'exemple, une résine silicone bicomposant 6 polymérisant par polyaddition. La figure 5 illustre aussi la marche des photons aux abords immédiats d'un sillon de jointure entre deux dalles contiguës, 10a et 10b, respectivement. Lorsque la colle 6 remplit le sillon inter-dalles, conformément à l'invention, c'est-à-dire les espaces formés par les découpes p' et p", comme illustré sur la figure 5, un photon Ph qui frappe le haut du trait de scie p", par exemple au point O, n'est pas dévié et continue sa course : Ph' (trait plein). Ceci est dû au fait que les indices optiques des dalles et de la colle sont choisis très voisins. Par contre, en l'absence de colle optique dans les sillons inter-dalles, le photon va être dévié (trait en pointillés) et se réfléchir sur la couche de colle 6, pour finalement pénétrer de nouveau dans la dalle 10a (dans l'exemple précisément décrit) : Ph'. Il y a donc, dans ce cas, apparition de réflexions parasites. A la lecture de ce qui précède, on constate aisément que l'invention atteint bien les buts qu'elle s'est fixés. La géométrie de découpe étant parfaitement maîtrisée, le raboutage de dalles peut s'opérer en réduisant au minimum l'espace entre dalles. Le procédé de collage permet alors de combler l'espace entre celles-ci. En conséquence, il est possible de déposer ou de rapporter un matériau scintillant, qui couvre l'ensemble du détecteur, sans dégradation de performances (conversion, résolution) au niveau des raccords. Le résultat ultime est que la qualité d'image du détecteur ainsi réalisé est équivalente à celle qui serait obtenue avec une dalle monolithique de même surface que la surface totale des dalles élémentaires unitaires raboutées. Il doit être clair aussi que, bien que particulièrement adaptée à la réalisation de détecteur de rayon X de grande dimension, mettant en oeuvre des dalles élémentaires unitaires avec dépôt de matrices de photodétecteurs en silicium amorphe, on ne saurait cantonner l'invention à ce seul type d'applications. Elle s'applique tout aussi bien à tous capteurs photoniques basés sur l'assemblage de capteurs élémentaires et nécessitant le respect du pas de pixel et l'absence de zone morte aux jonctions intercapteurs, pour le moins à la minimisation de celles-ci. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un écran matriciel par assemblage de dalles élémentaires unitaires (10a à 10d), chaque dalle supportant, sur une de ces faces une pluralité d'éléments (sont RMa à RMd), sensibles à un rayonnement de longueur d'onde déterminé, comprenant au moins une étape de découpe des côtés d'aboutement desdites dalles unitaires élémentaires (10a à 10d) et une étape de collage (6) de celles-ci sur un support commun (7), caractérisé en ce que, les dalles (10a à 10d) ayant une épaisseur déterminée (1), la dite étape de découpe comprend deux phases successives - une première phase consistant à effectuer une première découpe, du coté de ladite face active, de manière à tracer un premier sillon (TS1) de faible profondeur (1l) par rapport à ladite épaisseur déterminée (1) - et une seconde phase consistant à effectuer une seconde découpe, du côté opposé à ladite face active et sensiblement dans le prolongement dudit premier sillon (TSl), de manière à tracer un second sillon (TS2), la profondeur cumulée de ce sillon (12) avec celle (1l) du premier sillon étant telle qu'elle soit supérieure à ladite épaisseur déterminée (1), de manière à obtenir un recouvrement des deux sillons (TS1, TS2) et la découpe complète de ladite dalle (10a à 10d). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réalisation desdits premier (TS1) et second (TS2) sillons est obtenue en faisant appel à la technique de découpage dite "dicing saw". 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le profil dudit second sillon (TS2) est sensiblement rectangulaire. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le profil dudit second sillon (TS2) est sensiblement conique. 5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le profil dudit second sillon (TS2) est sensiblement arrondi. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lesdites dalles (10a à 10d) étant en verre, la colle (6) utilisée pour ladite étape de collage est une colle optique ayant un indice optique sensiblement égal à celui du verre. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite colle est une résine silicone bicomposant (6) polymérisant par polyaddition. 8. Ecran matriciel du type comprenant plusieurs écrans élémentaires assemblés (lOaRMa, lOd-RM), caractérisé en ce qu'il est réalisé selon le procédé de l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Application d'un écran matriciel selon la revendication 8 à un détecteur de rayon X, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une couche de substance scintillatrice (24) disposée sur l'ensemble des dalles élémentaires unitaires assemblées (10a-RM3, 10e-RK