Brevet FR2818443A1 — publié le 20020621

PROCEDE DE FABRICATION DE DETECTEUR MATRICIEL INFRAROUGE A ECLAIRAGE PAR LA FACE ARRIERE La présente invention concerne les détecteurs matriciels sensibles à l'infrarouge comprenant un élément de détection constitué par un substrat plat en matériau semiconducteur dont une face active présente un réseau matriciel de sites photosensibles réalisé par micro-électronique et un support dont une face porte un circuit de lecture relié par hybridation au réseau matriciel. On utilise largement de tels détecteurs à l'heure actuelle. Des exemples sont donnés dans le document US-A-5227656. La face active reçoit le rayonnement infrarouge à détecter à travers le substrat. Pour réduire l'absorption par le substrat à un niveau acceptable, l'épaisseur de ce substrat ne doit pas dépasser une vingtaine de microns. Elle sera généralement d'environ 10 um dans le cas de détecteurs destinés à travailler dans la plage comprise entre 3 et 5 um. Pour constituer ces détecteurs, on utilise notamment : - des composés HgCdTe sur un substrat monocristallin en CdTeZn ou CdTe, - InSb comme substrat et couche sensible, - des composés InTlAsP sur un substrat en InP. Les matériaux dont est constitué l'élément de détection ont des propriétés mécaniques médiocres. Certains sont fragiles et cassants ; d'autres sont très tendres et se rayent facilement. La fabrication d'un tel détecteur peut s'effectuer : - en préparant l'élément détecteur à partir d'une tranche ayant une épaisseur pouvant dépasser 500 um pour qu'elle ait une solidité suffisante, - en préparant le support par des techniques de micro-électronique couramment utilisées pour la fabrication des circuits intégrés, - en hybridant l'élément détecteur et le circuit de lecture, généralement à l'aide d'un enrobage de billes d'indium de liaison électrique, et - en amincissant l'élément de détection jusqu'à une épaisseur inférieure à 20 um. Pour tenir compte des caractéristiques médiocres du substrat et de la très faible épaisseur finale à obtenir, on a jusqu'ici utilisé en général l'amincissement par voie mécano-chimique, c'est-à-dire par polissage ou par attaque chimique à l'acide. Mais on arrive difficilement, par ce procédé, à une planéité et un état de surface de la face arrière pleinement satisfaisant. De plus, ces techniques ne se prêtent pas à une fabrication automatique, permettant d'amincir plusieurs détecteurs simultanément. On connaît par ailleurs des procédés et des machines d'usinage par outil diamanté présentant une arête d'usinage courte, utilisés à l'heure actuelle pour le finissage des miroirs de télescopes et l'usinage de semi-conducteurs de petite dimension. Il a été constaté par les inventeurs que l'usinage à la fraise à l'aide d'un outil en matériau ultra-dur à bout conique ou présentant une arête d'attaque courte, avec une vitesse d'avance faible, ne dépassant 10 mm par minute dans la plupart des cas, permettait tout à la fois d'arriver à un état de surface satisfaisant, à une excellente planéité, sans endommagement du détecteur ou création d'éclats ou de fissures. L'invention propose en conséquence un procédé du genre ci-dessus défini, dans lequel l'amincissement est effectué par usinage à l'aide d'un outil ultra-dur, avec une vitesse d'avance ne dépassant pas 10 mm par minute, et généralement comprise entre 1 et 5 mm par minute, avec une profondeur de passe qui, dans la phase finale de l'amincissement, ne dépassera généralement pas un micron, mais peut être beaucoup plus élevée (jusqu'à 100 um) dans la phase initiale Par "matériau ultra dur", il faut entendre les matériaux ayant une dureté sensiblement équivalente à celle du diamant et du nitrure de bore cubique et non susceptibles d'altérer la composition du matériau attaqué lors de l'usinage. Ce procédé, peut être mis en oeuvre en utilisant des machines d'usinage ponctuel d'un genre déjà connu, dites"diamond flycutting machines"ou"diamond turning machine" ; il permet de donner au détecteur une épaisseur, un parallélisme des faces et une planéité dont la précision ne dépend que de la machine et qui peut être meilleure que le micron. La rugosité résiduelle ne dépend que du type d'outil et des vitesses de coupe et d'avance choisies et il est possible de la réduire à 0, 01 um. Par ailleurs, ce mode d'amincissement permet de traiter simultanément plusieurs détecteurs après un seul réglage de la machine. Il se prête parfaitement à une commande numérique automatisant complètement le processus en réduisant progressivement la profondeur de passe, qui peut par exemple être dégressive de 100 à 1 um. Le procédé suivant l'invention permet de donner à la partie résiduelle du substrat une épaisseur constante. Mais il permet également de réaliser un amincissement d'épaisseurs différentes sur deux ou plusieurs zones d'un même détecteur et donc d'adapter localement l'épaisseur du matériau constitutif du substrat à la longueur d'onde à détecter, afin de réaliser des détecteurs multibandes. L'usinage permet de réaliser des marches d'escalier, avec une hauteur qui peut être ajustée avec une précision de l'ordre du micron. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exécution, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la figure 1 (où l'échelle n'est pas respectée) est une représentation schématique des composants d'un détecteur, avant un assemblage ; - la figure 2 montre les composants assemblés, avant amincissement ; - la figure 3 est un schéma montrant une constitution possible d'un dispositif d'amincissement ; - la figure 4 est un schéma montrant les paramètres qui interviennent dans la mise en oeuvre de l'amincissement. Un procédé classique de fabrication d'un détecteur infrarouge consiste à utiliser un substrat massif et plat, d'épaisseur suffisante pour pouvoir le manipuler, en un matériau approprié à la longueur d'ondes à détecter pour présenter une transparence suffisante. On peut notamment utiliser un substrat 10 en InSb ou en CdTe. Un réseau de sites photosensibles est réalisé par des procédés connus sur une des faces 12 du substrat, par exemple par des techniques d'implantation. On peut ainsi par exemple constituer une couche de sites photosensible en HgCdTe sur un substrat en CdTe. L'épaisseur initiale du substrat est souvent d'environ 650 um. On constitue par ailleurs un support 14, généralement en silicium, sur lequel on constitue, par des techniques classiques, par exemple de photogravure et de diffusion ou d'implantation de dopants, un circuit de lecture de la matrice de sites photosensibles. L'hybridation de la matrice de sites photosensibles et du circuit de lecture est ensuite réalisée par des contacts ponctuels, généralement par des billes d'indium 16. Dans le cas de la figure 2, la liaison mécanique entre le substrat 10 et le support 14 est réalisé par une colle 18 non conductrice qui enrobe les billes d'indium 16. L'épaisseur de la couche colle-billes est généralement d'environ 5 um. Une fois l'assemblage effectué, l'épaisseur du substrat 10 doit être réduite à une épaisseur inférieure à 20 um. Dans le cas d'un détecteur infrarouge destiné à être intégré dans une caméra pour favoriser une image dans l'infrarouge 3-5 um, l'épaisseur résiduelle est en pratique de l'ordre de 10 um. L'usinage peut être effectué sur un dispositif du genre schématisé en figure 3. Il comporte une table 20 déplaçable dans une direction X (généralement verticale pour faciliter l'évacuation des particules enlevées) munie d'un mandrin 22 de retenue par dépression d'un détecteur 24. Il comporte en plus une broche 26 déplaçable dans la direction Z orthogonale à la direction X et entraînée en rotation autour de la direction Z. La broche porte un outil diamanté 28 excentré par rapport à l'axe A de la broche, destiné à attaquer le détecteur. Le dispositif peut être inversé, c'est-à-dire prévu pour faire tourner le détecteur et avancer la broche dans la direction X. Les paramètres d'usinage sont choisis pour éviter d'endommager le détecteur. Pour cela la vitesse d'avance dans la direction X est choisie inférieure à 10 mm/mn. Elle est généralement comprise entre 1 et 5 mm/mn. La profondeur de passe p sera généralement inférieure à 1 um, ou même moins, à la fin de l'opération pour arriver à la précision requise. L'outil peut être à pointe conique ou présenter une arrête de taille rectiligne. Dans les deux cas, on adoptera généralement un angle de dépouille de-45 10 . Le rayon de l'outil, s'il est de révolution, sera généralement de 1 à 10 mm. Un angle de coupe compris entre - 450 et - 150 donne de bons résultats. On arrive ainsi à constituer des détecteurs dépourvus d'éclats, de fissures et de trous d'épingle, dont les caractéristiques dimensionnelles sont définies de façon précise. De tels détecteurs doivent être portés à une température cryogénique lors de leur utilisation. En général, ils sont montés sur le couvercle terminal 30 d'un doigt froid 32 de cryogénérateur. Pour réduire les risques de micro-fissures et de séparation du substrat et du support lors du refroidissement brutal jusqu'à une température d'environ 60K, ou celle de l'hydrogène ou de l'hélium liquide, on interpose souvent une cale 34 dont l'épaisseur ne dépasse pas 1 mm entre le support et le couvercle. Cette cale est en un matériau tel que le saphir présentant un coefficient de dilatation thermique intermédiaire entre ceux du silicium et du matériau (titane en général) du couvercle. La vitesse d'avance et la profondeur initiale de passe seront choisies en fonction du rayon de l'outil. Mais il est préférable d'adopter une vitesse d'avance ne dépassant pas 5 mm/mn et une vitesse de rotation de la broche ne dépassant pas 1800 t/mn pour un diamètre de broche de 200 à 300 mn. Le trajet de l'outil par rapport au détecteur peut être celui schématisé par des flèches en figure 4. Une fois l'outil arrivé au-delà du détecteur, un recul rapide de la broche (flèche fl) et un retour rapide de la table (flèche f2) permettant d'effectuer une nouvelle passe d'usinage. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de détecteur matriciel infrarouge à éclairage par la face arrière comprenant un élément de détection constitué par un substrat plat (10) en matériau semi-conducteur dont une face active présente un réseau matriciel de sites photosensibles réalisé par micro-électronique et un support (14) dont une face porte un circuit de lecture relié par hybridation au réseau matriciel, suivant lequel : - on prépare l'élément détecteur à partir d'une tranche ayant une épaisseur pouvant dépasser 500 um, - on prépare la face du support par des techniques de micro-électronique sur une tranche de matériau semi-conducteur, - on hybride l'élément détecteur et le circuit de lecture à l'aide d'un enrobage (18) enrobant des billes (16) de liaison électrique, et - on amincit l'élément de détection jusqu'à une épaisseur inférieure à 20 um, caractérisé en ce que l'amincissement est effectué par usinage à l'aide d'un outil ultradur, avec une vitesse d'avance ne dépassant pas 5 mm par minute. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est ne InSb ou CdTe. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'amincissement est effectué par fraisage avec une profondeur de passe ne dépassant pas 1 um) ors de la phase finale. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'amincissement est effectué à l'aide d'une fraise tournant à une vitesse de 1000 à 1500 t/mn pour un diamètre de déplacement de l'outil de 200 à 300 mm et une vitesse d'avance de 1 à 5 mm/mn. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'outil est constitué et monté de façon à présenter un angle de coupe de-45 à-15 et un angle de dépouille due-45 10'. 6. procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'amincissement est effectué sur plusieurs détecteur à la fois avec un même réglage de l'outil. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue l'amincissement pour donner au détecteur des épaisseurs différentes sur deux ou plusieurs zones.