Brevet FR2810454A1 — publié le 20011221

DÉTECTEUR DE RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES, ET NOTAMMENT DE RAYONNEMENTS INFRAROUGES, ET PROCEDF POUR LA REALISATION,2'UN TEL DÉTECTEUR. L'invention concerne un détecteur de rayonnements électromagnétiques, et plus particulièrement un détecteur de rayonnements infrarouges. Elle concerne également un procédé de réalisation d'un tel détecteur. Les détecteurs de rayonnements électromagnétiques sont classiquement constitués d'un circuit électronique de détection des ondes électromagnétiques à détecter, et donc sensibles à la gamme de longueurs d'onde correspondante, transformant de manière connue un rayonnement électromagnétique en un signal électrique, ledit circuit de détection étant associé à un circuit électronique de lecture, destiné à transformer les signaux électriques issus du circuit de détection, notamment en les amplifiant pour les rendre susceptibles de subir un traitement ultérieur. De manière connue, le circuit de détection est composé d'un matériau transparent ou peu absorbant du rayonnement détecter, et en l'espèce du rayonnement infrarouge, et par exemple constitué de CdTe, CdZnTe, voire de Germanium, etc., et dont l'épaisseur varie classiquement de 200 à 800 micromètres, et sur lequel est déposé par épitaxie (en phase liquide, en phase vapeur, voire par jets moléculaires, etc.) une couche mince absorbante de HgCdTe, constituant le circuit de détection proprement dit. De fait, lorsque des photodiodes sont mises en oeuvre pour assurer la fonction de détection, celles-ci sont réalisées sur cette couche de détection. Le circuit de détection peut également être réalisé en une couche d'antimoniure d'indium InSb aminci, les photodiodes faisant fonction de détection (n/p ou p/n) étant réalisées préalablement à l'amincissement dudit matériau. Le circuit électrique de lecture le plus souvent réalisé en silicium, ledit circuit étant couplé aux photodiodes du circuit de détection, notamment au moyen de microbilles d'indium, ou d'étain/plomb. On obtient ainsi un détecteur mettant en oeuvre la technologie dite d'hybridation par billes, et également dénommée sous l'expression en langue anglaise flip chip , et par exemple décrite dans le document FR-A-2 646 558. Dans le domaine de la détection des rayonnements infrarouges, il est bien connu que les circuits de détection doivent fonctionner à basses temperatures, notamment comprises entre 50 et 200 Kelvins, afin notamment de minimiser le bruit de fond qui se superpose au signal à détecter. Un tel détecteur est par exemple décrit en liaison avec la figure qui constitue donc un élément de l'art antérieur. De fait, le bloc de détection, constitué du circuit de détection (8) et du circuit de lecture (7), associés à leur support respectif (10, 11), est généralement installé au sein d'une enceinte cryostatique (1), dont le doigt froid (4) contient, selon la température d'utilisation, de l'azote liquide ou de l'air liquide, et de manière générale tout autre dispositif cryogénérateur. Le support (11) du circuit de lecture est solidarisé, notamment par collage, au plan froid (5) du doigt froid (4). Le plan froid (5) assure également le rôle de maintien d'un diaphragme (3) en amont du bloc de détection, et destiné, de manière connue, à limiter les rayonnements parasites. Cette enceinte cryostatique (1) est obturée en face supérieure par une fenêtre (2), assurant la fonction d'organe filtrant de la gamme de longueur d'ondes que l'on souhaite détecter. Cette fenêtre est centrée sur l'axe optique dudit détecteur. Le support (11) du circuit de lecture assure tout d'abord fondamentalement la fonction d'interface avec le plan froid du cryostat. Par ailleurs, il sert également de routage des commandes de pilotage du circuit de lecture, mais peut également faire fonction de support d'écran, de filtre froid, de diaphragme, lorsqu'il remplace le plan froid. L'un des problèmes techniques qui se posent dans le cadre de l'exploitation de tels détecteurs, réside dans les conséquences des mises en froid successives de l'enceinte cryostatique, et partant du détecteur. En effet, compte-tenu des valeurs différentes des coefficients de dilatation thermique d'une part, du circuit de détection proprement dit, et d'autre part, du circuit de lecture, on aboutit des phénomènes de cisaillement et de traction/compression, susceptibles de se traduire au niveau du détecteur par la rupture des microbilles d'hybridation (9), et partant au délaminage dudit détecteur, outre la dégradation des performances de détection. La dégradation de ces performances traduit généralement par un manque de reproductibilité et d'uniformité entre les différentes photodiodes d'une barrette ou d'une matrice, voire dans une diminution générale des capacités propres de détection. Ces phénomènes sont en outre exacerbés pour des matrices de grandes dimensions. En effet, de telles matrices voient leur complexité augmenter, notamment par la diminution du pas inter - pixels, et donc inter - photosites, induisant corollairement une réduction des dimensions des microbilles d'hybridation, et partant leur fragilisation. Afin de surmonter cet inconvénient rédhibitoire, il convient sinon d'éliminer, du moins de réduire de manière importante toute déformation tant en traction/compression (déformation linéaire) qu'en flexion (courbure inhérente aux effets bilame). A cet effet, différentes solutions ont été proposées à ce jour mais qui ne donnent pas satisfaction. La première d'entre elles consiste à augmenter la taille, et notamment la hauteur des microbïlles d'hybridation. Ce faisant, on confère davantage de flexibilité, et notamment une plus grande amplitude de débattement auxdites microbilles dans le plan parallèle au plan du circuit de détection ou du circuit de lecture, permettant ainsi dans une certaine mesure, d'absorber les phénomènes de dilatation thermique. On a cependant montré qu'une telle augmentation de hauteur est incompatible avec des matrices complexes ou de grandes dimensions. On a également proposé, afin de résoudre ce problème, d'amincir sinon de supprimer le support transparent ou peu absorbant au rayonnement infrarouge, auquel est solidarisé le circuit de détection infrarouge, et typiquement d'amincir la couche de CdZnTe ou de CdTe. Cette solution technique a fait, par exemple, l'objet du document FR-A-2 715 002. Cet amincissement ou cette suppression du support du circuit de détection est généralement lié au remplissage de la zone de connectique située entre le circuit de détection et le circuit de lecture, par de la colle de type epoxy. Ainsi, on joue sur la relation entre l'élasticité du circuit de détection et son épaisseur. En effet, pour un circuit de détection suffisamment fin, on obtient une élasticité suffisante, propre à permettre l'absorption par les caractéristiques élastiques dudit circuit de détection des dilatations thermiques effectives, et notamment celles inhérentes au circuit de lecture. En d'autres termes, on diminue les contraintes imposées aux microbilles assurant l'hybridation entre le circuit de détection et le circuit de lecture Dans ce cas, la colle de remplissage assure une liaison rigide entre le circuit de lecture d'épaisseur nominale et le circuit de détection aminci. Ce dernier suit dilatation le circuit de lecture. Cette technique fait donc appel à un retrait total du matériau support de la couche de détection et un remplissage par de la colle époxy de la zone de connectique. Ces étapes d'amincissement (retrait du support du circuit de détection) et d'enrobage ne sont pas sans effet sur les performances du produit final, et affectent tout particulièrement les rendements de fabrication. Les risques connus sont les suivants # actions mécaniques (polissage) sur un ensemble de détection fragile et particulièrement sensible aux contraintes (propagation des dislocations) ; # maîtrise parfaite, pour toutes géométries, du nettoyage de la zone de connectique et de la cinétique d'enrobage (pénétration et adhérence de la colle et absence de bulles d'air dans le joint de colle) ; # contraintes générées en bordure du bourrelet de colle, susceptible de se traduire par le pelage des métallisations gravées sur le circuit de lecture. Selon encore une autre approche technologique, on a proposé, par exemple dans le document EP-A-0 757 234, d'interposer entre le plan froid du doigt froid du cryostat et le bloc du circuit de lecture et de détection un élément intermédiaire monobloc ou composite, assujetti au composant et au plan froid de manière déterminée, non quelconque. Cependant, cette solution s'avère impuissante à s'opposer aux déformations en flexion inhérentes à l'effet bilame de l'ensemble de lecture. L'objectif de la présente invention vise également à résoudre ce problème technique lié à la dilatation thermique lors des mises en froid successives du détecteur. L'invention consiste dans tous ses modes de réalisation à combiner un bloc de détection, constitué par un circuit de détection et un circuit de lecture, dont ce dernier est aminci, en l'absence de tout remplissage de la zone de connectique entre le circuit de détection et le circuit de lecture (zone d'hybridation) avec un substrat de contrainte monolithique, assujetti à la face arrière du circuit de lecture aminci d'une part, et au plan froid du cryostat d'autre part. Ainsi, ce procédé pour la réalisation d'un bloc de détection de rayonnements électromagnétiques, et notamment de rayonnements infrarouges, ledit bloc étant constitué d'un circuit électronique de détection dudit rayonnement associe à un circuit de lecture la technologie d'hybridation, mettant en couvre des microbilles d'indium ou d'étain/plomb, ledit circuit de lecture étant lui-même solidarisé ' un support conducteur thermique directement ou indirectement relié à une source froide, consiste # à amincir circuit de lecture avant ou après hybridation au circuit de détection ; # à conférer audit support du circuit de lecture le rôle de substrat de contrainte, visant à limiter les phénomènes de dilatations thermiques résultant tant des déformations linéaires que des flexions, agissant au niveau dudit circuit de lecture lors des différents cycles en température ; # à solidariser le circuit de lecture au circuit de détection en l'absence de tout collage ou remplissage de la zone de connexion ou d'hybridation. Selon l'invention, le substrat de contrainte est de nature monolithique. Il est réalisé avantageusement en germanium. Selon première forme de réalisation de l'invention, le procédé conforme à l'invention consiste # tout d'abord à procéder à l'hybridation du circuit de lecture au circuit de détection ; # puis, a réaliser l'amincissement du circuit de lecture ; # et enfin, ' effectuer l'assemblage entre le substrat et le circuit de lecture, cet assemblage étant réalisé au moyen d'un joint de colle epoxy. Dans seconde forme de réalisation de l'invention, le procédé conforme à l'invention consiste # tout d'abord à procéder à une phase d'amincissement du circuit de lecture, # puis a effectuer l'assemblage du circuit de lecture ainsi aminci au substrat de contrainte # et enfin, à réaliser l'hybridation du bloc de lecture ainsi réalisé circuit de détection. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées. La figure 1 déjà décrite représente un détecteur de rayonnements infrarouges selon l'art anterieur. Les figures 2a à 2d sont des représentations schématiques en section visant à illustrer un premier mode de réalisation du détecteur conforme à l'invention. Les figures 3a à 3d sont des représentations schématiques en section visant à illustrer un second mode de réalisation de l'invention. La description qui suit concerne de manière privilégiée les détecteurs infrarouges. I1 est cependant bien entendu que l'invention ne saurait se limiter à cette seule application, et qu'elle est transférable à la détection de tout type de rayonnements électromagnétiques. Le circuit de détection du détecteur conforme à l'invention est constitué classiquement d'un bilame, obtenu par croissance métallurgique d'un alliage de HgCdTe sur un support transparent aux infrarouges ou absorbant de manière très limitée ces rayonnements, et notamment de CdTe, de CdZnTe, voire de Germanium. Cette croissance s'effectue par épitaxie en phase liquide, en phase vapeur, voire épitaxie par jets moléculaires. Dans certaines formes de réalisation de l'invention, le support même circuit de détection proprement dite peut être supprimé. La phase active de cet ensemble de détection, comportant donc notamment la couche de HgCdTe est destinée à entrer en contact électrique avec un circuit de lecture décrit ci-après plus en détail. L'association de l'ensemble de détection et du circuit de lecture s'effectue par la technologique dite de l'hybridation, déjà décrite précédemment. Cette hybridation est réalisée moyen de microbilles d'indium ou d'alliage étain/plomb, assurant à la fois la solidarisation mécanique de l'ensemble de détection au circuit de lecture, mais également la conduction électrique, permettant ainsi d'assurer le transfert signaux électriques résultant de l'interaction des rayonnements infrarouges avec le circuit de détection au circuit de lecture, destiné quant à lui à assurer le traitement à tout le moins partiel de ces signaux électriques. L'invention a plus spécifiquement trait à la réalisation du circuit de lecture (7), et plus précisément au bloc de lecture. Le circuit de lecture (7) est constitué d'une couche de silicium, dont l'épaisseur nominale est comprise entre 380 et 680 pm. Il est associée à un substrat de contrainte (21), lui-même destiné à être solidarisé au plan froid (5) du doigt froid (4) d'un cryostat. L'ensemble ainsi réalisé constitue le bloc de lecture. Dans une première forme de réalisation de l'invention, plus particulièrement décrite en liaison avec les figures 2a à 2d, on met en couvre un substrat de contrainte de nature monolithique, notamment réalisé en Germanium. La réalisation du détecteur commence par une première phase illustrée à la figure 2a, visant à hybrider par la technologie précitée, le circuit de lecture (7), constitué donc d'une couche silicium d'épaisseur nominale comprise entre 380 et 680 micromètres au circuit de détection (8) au moyen des microbilles (9) d'indium ou d'étain/plomb. Cette technologie est connue et ne fait pas l'objet de l'invention, de telle sorte qu'elle n'est pas décrite ici plus en détail. La phase ultérieure vise à amincir le circuit de lecture (7), c'est à dire la couche de silicium. Pour ce faire, on enrobe le composant hybridé résultant de phase précédente une cire d'enrobage (12), après rotation de 180 dudit composant en ne laissant affleurer que le circuit de lecture (voire figure 2b). La cire choisie doit présenter température de fusion acceptable par le circuit de détection C au maximum). De plus, la fluidité de cette cire doit permettre un enrobage convenable de la zone de connectique. Ainsi, les produits de type paraffine ou la cire commercialisée sous la marque déposée OCON 175 par LOGITECH conviennent-elles parfaitement. L'ensemble ainsi réalisé est ensuite enrobé à l'aide de la même cire dans support pour amincissement (13) dont la géométrie est adaptée au type de composant. L'amincissement effectif s'effectue par polissage mécanique, rodage, polissage mécano-chimique voire par abrasion par sciages successifs. Quelle que soit la méthode mise en couvre, on souhaite disposer d'un bon contrôle de la cote finale, c'est à dire de l'épaisseur du circuit de lecture, mais également du parallélisme entre les faces, et du défaut de planéité en face arrière du circuit de lecture. Ce faisant, on aboutit à un circuit de lecture, dont l'épaisseur est comprise entre 15 et 50 micromètres. L'étape suivante consiste à assembler le substrat de contrainte au composant hybridé. Ce substrat de contrainte est constitué d'une couche monolithique de germanium (21). Il est solidarisé à la face arrière du circuit de lecture (7) moyen d'une joint de colle epoxy rigide (22), dont la température de polymérisation demeure compatible avec les éléments en présence, et notamment avec la cire d'enrobage, et les photodiodes sur le circuit de détection HgCdTe (8), ainsi que les microbilles d'indium (9). Dans l'exemple décrit, cette température d'assemblage est comprise entre 60' et 80 C. La colle présente en outre des propriétés thermiques (notamment faible résistance thermique en particulier) adaptées aux conditions de fonctionnement de l'ensemble de détection. Elle est par exemple constituée d'une colle epoxy commercialisée sous la référence 326 par la société PROTAVIC. Le joint colle (17) présente une épaisseur typique de 20 micromètres. L'épaisseur substrat de contrainte (21) est fonction de l'epaisseur de la couche de silicium constitutive du circuit de lecture (7). Epaisseur du circuit de lecture Epaisseur du substrat de contrainte 15 #i m > 0,7 mm 35 pLm > 1,5 mm 50um >2 mm Une fois cet assemblage réalisé, le support pour amincissement ainsi que l'enrobage sont enlevés. Pour ce faire on effectue une immersion de l'ensemble dans le solvant de la cire utilisée. Pour les cires précitées, un bain de trichloréthylène chauffé à environ 50 C permet un retrait aisé du composant hybridé. Un nouveau de trichloréthylène suivi d'un rinçage acétone + alcool isopropylique et d'un séchage sous azote sec permet d'obtenir un ensemble hybridé exempte de traces de cire d'enrobage. Il va être maintenant décrit une seconde forme de réalisation de l'invention, mettant également en couvre un substrat de contrainte monolithique, notamment réalisé en Germanium, et illustrée en relation avec les figures 3a à 3d. La premiere étape (figure 3a) réside tout d'abord dans une phase d'amincissement du circuit de lecture (7), c'est à dire de la couche de silicium initiale, qui comme déjà dit, présente épaisseur comprise entre 380 et 680 micromètres. Pour ce faire, on positionne le circuit de lecture (7), muni de billes d'indium (9) destinées à être mises en oeuvre pour l'hybridation dudit circuit avec le circuit de détection (8) lors d'une étape ultérieure, sur un support pour amincissement par exemple réalisé en silicium (24), et maintenu en place au moyen d'une cire d'enrobage (23), les billes (9) étant dirigées en direction dudit support (24). Puis l'on procède à l'amincissement du silicium constitutif du circuit de lecture (7) selon des techniques précédemment décrites, de telle sorte à aboutir à une épaisseur dudit circuit comprise entre 15 et 50 gm. L'étape consiste à la réalisation de l'assemblage du substrat de contrainte (21), d'un type identique à celui décrit en liaison avec les figures 2a à 2d. L'étape illustrée à la figure 3c, consiste à réaliser la solidarisation du substrat de contrainte (21) à la face arrière du circuit de lecture (7) au moyen d'un i oint colle époxy (22), dont l'épaisseur est voisine de 20 gm. Une fois cette solidarisation effectuée, on procède au retrait de la cire d'enrobage par immersion de l'ensemble dans un solvant de la cire utilisée. Pour les cires du type de celles déjà citées, un bain de trichloéthylène chauffé à environ 50 C permet retrait aisé du composant hybridé. Un nouveau bain de trichloréthylène suivi d'un rinçage dans un bain acétone alccol isopropylique et d'un séchage sous azote sec permet d'obtenir un ensemble constitué d'un silicium aminci collé rigidement sur un substrat de contrainte, exempt de toute trace de cire d'enrobage. Il est alors procédé à l'assemblage du circuit de détection (8) à l'ensemble ainsi réalisé par hybridation (figure 3d) selon une technologie bien connue. Ainsi qu'on pourra l'observer, dans les deux procédés décrits ci-dessus la zone de connectique entre le circuit de détection et le circuit de lecture, c'est à dire la zone d'hybridation, est systématiquement dépourvue de tout remplissage, notamment par colle epoxy. Les résultats expérimentaux obtenus avec le procédé conforme à l'invention montrent une fiabilité accrue des détecteurs, dans la mesure où les microbilles d'hybridation ne sont plus soumises à des contraintes risquant d'aboutir à un défaut de planéité du circuit détection et du circuit de lecture, voire un délaminage du détecteur proprement dit. Qui plus est, les matériaux choisis pour la constitution du substrat de contrainte permettent de conserver les propriétés thermiques et notamment de conduction thermique entre le doigt froid et les détecteurs, n'affectant pas les performances de détection obtenues jusqu'alors. Pour terminer, on a pu montrer qu'en soumettant le détecteur ainsi obtenu à de nombreux cycles thermiques entre 20 C et 80K, on maintenait l'intégrité du détecteur et ses caractéristiques. On a ainsi pu montrer, que les empilements réalisés conformément aux procédés décrits ' dessus, répondent parfaitement aux objectifs visés, à savoir # obtention d'un coefficient de dilatation thermique apparent sur silicium quasi égal à celui du Germanium, et par voie de conséquence, quasiment égal à celui du CdZnTe ; l'absence de contraintes en cisaillement sur les micro - billes est ainsi démontrée ; # évolution minime (inférieure à l pm pour une surface de 20 x 10 mm), lors du passage de la température ambiante à 85 K, de la planéïté mesurée sur silicium ; les contraintes en traction/compression exercées sur les micro - billes se trouvent alors extrêmement réduites et les déformations vues par les billes se limitent domaine de la déformation élastique. Le coefficient de dilatation moyen mesuré entre la température ambiante 85 K est d'environ 4,45 . 10 "6 K-'. L'invention se révèle donc particulièrement avantageuse dans le cadre de la réalisation de ces ensembles de détection de rayonnements, notamment de rayonnements infrarouges, permettant de réaliser de nombreux cycles thermiques entre des températures ambiantes et des températures de fonctionnement de ce type de détecteur, sans affecter leurs performances, ni leur intégrité. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la réalisation d'un bloc de détection de rayonnements électromagnétiques, et notamment de rayonnements infrarouges, ledit bloc étant constitué d'un circuit électronique de détection (8) dudit rayonnement associé à un circuit de lecture (7) par la technologie d'hybridation, mettant en ceuvre des microbilles d'indium ou d'étain/plomb (9), ledit circuit de lecture (7) étant lui- meme solidarisé à un support conducteur thermique directement ou indirectement relié à une source froide, caractérisé en ce qu'il consiste # à amincir le circuit de lecture (7) avant ou après hybridation au circuit de détection (8) ; # à conférer audit support du circuit de lecture (7) le rôle de substrat de contrainte, visant à limiter les phénomènes de dilatations thermiques résultant tant des déformations linéaires que des flexions, agissant au niveau dudit circuit de lecture (7) lors des différents cycles en température ; # à solidariser le circuit de lecture (7) au circuit de détection (8) en l'absence de tout collage ou remplissage de la zone de connexion ou d'hybridation. 2. Procédé pour la réalisation d'un bloc de détection de rayonnements électromagnétiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat de contrainte (21) est de nature monolithique. 3. Procédé pour la réalisation d'un bloc de détection de rayonnements électromagnétiques selon la revendication 2, caractérise en ce que le substrat de contrainte (21) est réalisé en germanium. 4. Procédé pour la réalisation d'un bloc de détection de rayonnements électromagnétiques selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la solidarisation du substrat de contrainte (21) à la face arrière du circuit de lecture est effectuée au moyen d'un joint de colle époxy (22). 5. Procédé pour la réalisation d'un bloc de détection de rayonnements électromagnétiques selon l'une des revendications 1 à caractérisé en ce qu'il consiste # tout d'abord à procéder à l'hybridation du circuit de lecture (7) au circuit de détection (8) ; # puis, à réaliser l'amincissement du circuit de lecture (7) ; # et enfin, à effectuer l'assemblage entre le substrat de contrainte (21) et la face arrière du circuit de lecture (7), au moyen d'un joint de colle epoxy (22). 6. Procédé pour la réalisation d'un bloc de détection de rayonnements électromagnétiques selon l'une des revendications 1 à 4, caractérise en ce qu'il consiste # tout d'abord à procéder à une phase d'amincissement du circuit de lecture (7), # puis à effectuer l'assemblage du circuit de lecture (7) ainsi aminci substrat de contrainte (21) , # et enfin, à réaliser l'hybridation du bloc de lecture ainsi réalisé au circuit de détection (8). 7. Détecteur de rayonnements électromagnétiques, et notamment infrarouges, comprenant # un circuit de détection (8) desdits rayonnements, associé non à un support transparent audit rayonnement ou les absorbant de maniere limitée ; un circuit de lecture (7), connecté électriquement audit circuit de détection, et destiné à traiter en partie les signaux électriques émis par le circuit de détection, ledit circuit de lecture étant solidarisé à un substrat (21), lui même relié directement ou indirectement à une source froide ; le circuit de lecture et le circuit de détection étant solidarisé l'un ' l'autre par hybridation au moyen de microbilles (9) d'indium ou à d'alliage Etain/plomb ; caractérisé en ce que la zone de connectique située entre le circuit de lecture (7) le circuit de détection est exempte de tout matériel de solidarisation ou de remplissage, à l'exception des microbilles d'hybridation (9). 8. Détecteur de rayonnements électromagnétiques selon la revendication 7, caractérisé en ce que le substrat de contrainte (21) est monolithique, et est réalisé en germanium.