Brevet FR2895389A1 — publié le 20070629

Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur micromécanique à thermopile comportant : - un substrat, - au moins une zone d'isolation thermique et électrique réalisée dans le substrat, - une structure à thermopile formée d'au moins deux branches à thermopile dirigées au moins pratiquement verticalement, ces branches étant en des matières électro-conductrices avec des coefficients de Seebeck, différents, les branches à thermopile étant mises en contact par un contact avant réalisé sur la face avant du substrat, et - au moins une cavité qui s'étend au moins pratiquement verticalement à travers au moins une zone d'isolation, cette cavité s'étendant de la face avant du substrat jusqu'à la face arrière du substrat et étant réalisée dans l'une des branches de la thermopile. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle pile, d'un capteur micromécanique à thermopile comprenant les étapes suivantes : - réalisation d'une zone d'isolation thermique électrique dans le subs- trat avec des cavités entourant la zone d'isolation, - remplissage en matière conductrice comme branche à thermopile des cavités, - dégagement des extrémités des zones de matière conductrice, et - mise en contact d'au moins deux branches à thermopile en réalisant un contact sur la face avant du substrat pour avoir une structure à thermophile. Etat de la technique Les capteurs micromécaniques à thermopile s'utilisent notamment comme capteurs infrarouges (IR) dont la couche absorbante est appliquée sur une structure à thermopile qui chauffe par absorption de rayonnement infrarouge. De tels capteurs à thermopile sont réalisés habituellement sur un support semi-conducteur monolithique c'est-à-dire une puce, ou de façon générale déjà sur une plaquette dans laquelle on réalise une caverne dans le substrat avec une membrane libre en appliquant par exemple des procédés de revêtement et de gra- vure complexe. La terre ferme ou zone de squelette constitue un puits de chaleur qui prend habituellement la température de l'environnement. La structure de thermopile elle-même est formée par une paire ou plu-sieurs paires de branches mises en contact ; ces branches sont en ma- tière conductrice avec des coefficients Seebeck différents. Les branches sont mises en contact électrique et thermique sous l'absorbeur et du fait que leurs coefficients Seebeck sont différents, elles développent à l'extrémité froide, c'est-à-dire dans la zone de terre ferme, une différence de tension. La couche absorbante appliquée sur la membrane et le contact de la structure de thermopile ainsi couvert chauffe en fonction du rayonnement infrarouge incident de sorte que la différence de température entre le contact et les extrémités froides de la structure de thermopile et la tension électrique induite servent de signal de mesure. La membrane sert ainsi d'isolation thermique de la couche absorbante et du contact qu'elle couvre par rapport à la zone de terre ferme de sorte que pour obtenir un signal de mesure important il faut un grand développement latéral. Cela rend la membrane coûteuse de façon générale à cause de la nécessité de plusieurs procédés de re- vêtement et d'au moins un procédé de gravure. Une membrane mince de grande surface est en générale sensible et fragile de sorte qu'en particulier le dépôt ultérieur de l'absorbant sur la membrane peut rompre celle-ci. Le document DE-103 15 963-Al montre un tel capteur à thermopile dont la couche absorbant le rayonnement infrarouge est dé- gagée par un procédé de pulvérisation d'encre. Ainsi les capteurs micromécaniques à thermopile ont un encombrement surfacique considérable. Pour les examens spectroscopiques il faut en plus du canal de mesure prévoir en général un canal de référence. Pour ces capteurs à plusieurs canaux, pour mesurer plu-sieurs concentrations pour des longueurs d'ondes différentes et pour la réalisation de réseaux de procédés générateurs d'images, il faut ainsi une surface considérable se traduisant par des coûts de fabrication très importants. But de l'invention La présente invention a pour but de développer une structure de thermopile dont les deux branches de thermopile ne soient pas horizontales mais verticales dans le substrat ou le support semi-conducteur de manière à obtenir plusieurs avantages. L'encombrement en surface est réduit de manière significative ce qui pour des thermopiles nécessite une surface diminuée de 30 à 100 % comme extension latérale à côté de la couche absorbante. Cela permet notamment une réalisation située complètement en des-sous de la couche absorbante de sorte que le capteur à thermopile proprement dit ne nécessite pas d'autre encombrement surfacique latéral. De façon correspondante, la couche absorbante ou la surface de pixels active peut être augmentée ce qui permet de fournir un signal de me-sure plus puissant. Selon l'invention, pour une surface plus petite on 15 pourra réaliser un capteur avec une sensibilité augmentée. La membrane fragile, dégagée ou en porte-à-faux est supprimée grâce à l'invention ce qui permet de réaliser un capteur à thermopile plus robuste et plus solide. Le capteur est moins sensible aux conditions de l'environnement et en particulier on ne risque pas la 20 rupture de la membrane lorsqu'on applique la couche absorbante si bien que celle-ci peut être appliquée selon les procédés habituels, de manière rapide sûre. L'isolation thermique requise peut être obtenue dans la structure de thermopile verticale selon l'invention en particulier en réa- 25 lisant au moins une zone poreuse. Pour cela, on réalise tout d'abord des cavités au moins pratiquement verticales et de préférence exactement verticales par exemple par un procédé de réalisation de tranchées et en-suite on rend poreuse la zone entourant chaque cavité, par exemple par un procédé de gravure électro-chimique dans un électrolyte à acide 30 fluorhydrique. On peut à cet effet de préférence rendre poreuse une zone plus importante englobant plusieurs cavités dans lesquelles toutefois on peut laisser subsister également des colonnes de substrat mono-cristallin qui peuvent servir ensuite d'autres branches grâce à un dopage approprié. Par oxydation, nitridation ou réaction chimique analogue, on peut augmenter de manière significative l'isolation thermique par la zone poreuse. Il se développe ainsi une zone poreuse ayant des cavités verticales isolées les unes des autres sur le plan thermique et électrique si bien qu'ensuite on peut introduire les matières avec des coefficients de Seebeck, différents dans ces cavités et ensuite on meule par exemple mécaniquement la zone de fond située sous les cavités pour enlever cette zone. Ainsi avec une mise en oeuvre de moyens relativement réduite, on peut avoir une réalisation compacte d'une structure verticale avec un nombre élevé de branches de thermopile qui peuvent être ensuite mises en contact de façon appropriée par paire pour qu'ensuite on puisse appliquer la face avant sur la couche absorbante. Le procédé de fabrication selon l'invention peut égale- ment utiliser des étapes de procédé classiques ; il peut se mettre en oeuvre rapidement et le risque d'un endommagement accidentel est relativement faible aussi bien lors du procédé de taille de tranchées, que lors de la porosification électro-chimique. Lorsqu'on applique la couche d'absorbant, il n'y a pas de risque considérable d'endommagement de la structure robuste des branches de la thermopile et de la zone poreuse. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de quelques modes de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une section montrant les étapes d'application d'un masque et de réalisation des cavités ; - la figure 2 montre en section l'étape de porosification ; - la figure 3 est une vue selon le mode de réalisation de la figure 2 ; -la figure 4 est une vue d'une variante de réalisation correspondant à la figure 3 ; - la figure 5 est une coupe V-V selon la figure 4 avec l'étape suivante de l'introduction des matières conductrices comme branches de thermopile ; et - la figure 6 montre la mise en contact suivante des branches de la thermopile. Description de modes de réalisation de l'invention Pour réaliser un capteur selon l'invention, on applique tout d'abord un masque 2 sur un substrat 1 ou un support semi-conducteur 1 en silicium (figure 1). Ensuite on réalise les cavités 3. Les cavités 3 peuvent être formées par exemple par un procédé de gravure de tranchée et elles s'étendent verticalement à partir de la face avant la dans le substrat mais elles n'arrivent pas complètement jusqu'à la face arrière lb laissant ainsi un fond 5. Dans une étape de procédé suivante on rend poreuse cette structure (porosification) selon les figures 3 à 5 par gravure électro-chimique dans un électrolyte contenant de l'acide fluorhydrique de façon à développer au moins une zone poreuse 4 dans le substrat 1 ; cette zone poreuse s'étend de la face avant la jusqu'à la face arrière lb du substrat 1 et prend dans la direction latérale toutes les cavités 3. Pour cela on introduit l'électrolyte dans les cavités 3 pour rendre poreuse la matière du substrat à partir des parois de la cavité 3. Selon l'invention, comme représenté à la figure 2, on réa-lise avantageusement une zone poreuse continue 4 ; mais en principe on peut également réaliser plusieurs zones poreuses 4 séparées latéra- lement les unes des autres. Selon le mode de réalisation de la figure 4, on peut toutefois former en principe plusieurs zones poreuses 4 séparées les unes des autres. Selon le mode de réalisation de la figure 4, dans la zone poreuse 4 on peut laisser des zones de substrat 6, mono-cristallines, s'étendant dans la direction verticale ; cette zone de subs- trat peut servir ensuite comme cela est décrit ci-après. On aura ainsi des dispositions régulières de cavités 3 et le cas échéant de zones de substrat 6 en forme de colonne découplées les unes des autres sur le plan thermique et électrique par le silicium. Le silicium poreux de la zone poreuse 4 peut également être modifié selon un autre mode de réalisation et notamment il peut être oxydé. Il se forme ainsi du dioxyde de silicium poreux à faible conductivité thermique et forte isolation électrique. Selon une étape de procédé suivante, on remplit les cavités 3 avec des matières actives ou des matières électro-conductrices. Les matières peuvent être formées par une ou plusieurs matières à coefficients Seebeck, différents comprenant les étapes suivantes : Poly-silicium dopé, silicium-germanium dopé, métal par exemple aluminium. Ces matières constituent dans la structure terminée de la branche de couvercle 8, 9 de la thermopile ou de plusieurs thermopiles, chaque fois deux branches de thermopile 8, 9 en contact et ayant des coefficients de Seebeck différents. La zone mono-cristalline 6 présentée à la figure 4 peut servir directement comme une branche grâce à un io choix approprié du dopage du substrat. Mais comme une zone de substrat 6 sert de branche de chaque thermopile, on peut introduire en principe seulement une matière uniforme dans les cavités 3 pour ne pas nécessiter d'étapes de procédé particulières. Le remplissage des cavités 3 peut se faire par exemple 15 selon le procédé LPCVD ou encore par un procédé galvanique ou un procédé de dépôt de couches atomiques. Le remplissage peut se faire complètement comme représenté à la figure 5 ; en variante pour cela il est également possible de déposer seulement une mince couche de paroi de l'ordre par exemple de 100 nm. Cela réduit l'évacuation de chaleur 20 par la face avant la du substrat 1 vers la face arrière lb en particulier lorsqu'on introduit de l'aluminium thermique très conducteur. Ensuite, pour rétablir le contact on meule la face arrière lb du substrat 1 pour enlever le fond 5 des branches 6, 8, 9 selon la figure 6 et ainsi les branches 6, 8, 9 s'étendent jusqu'à la face arrière ce 25 qui permet de faire le contact au niveau de la face avant 1 a et de la face arrière lb à l'aide des contacts 11, 12. La figure 6 montre la partie du montage en série formée de plusieurs structures de thermopile et la face avant la comporte des contacts chauds 11 pour réaliser une structure de thermopile 13 formée de deux branches de thermopile (figure 6, 30 branches 8 et 6) et sur le côté arrière lb, des contacts froids 12 pour le montage en série de plusieurs structures de thermopile 13. Cela per-met de former un réseau de thermopiles permettant de prendre la tension électrique au niveau de contacts de branchement supplémentaires. La face avant la est couverte comme indiqué ci-après par 35 une couche absorbante 14 pour absorber le rayonnement IR par exem- ple un sel métallique ou une suspension avec un sel métallique ou des particules de graphite déposées en partie de façon à couvrir les con-tacts. La figure 6 montre le capteur 11 et ainsi la structure de base de la structure verticale à thermopile 13 formée de deux branches de thermopile 8, 9 avec un contact 11 couvert par une couche absorbante 14. io REVENDICATIONS 1 ) Capteur micromécanique à thermopile comportant : - un substrat (1), -au moins une zone d'isolation (4) thermique et électrique réalisée 5 dans le substrat (1), - une structure à thermopile (13) formée d'au moins deux branches à thermopile (6, 8, 9) dirigées au moins pratiquement verticalement, ces branches étant en des matières électro-conductrices avec des coefficients de Seebeck, différents, les branches à thermopile (6, 8, 9) 10 étant mises en contact par un contact avant (11) réalisé sur la face avant (la) du substrat, et - au moins une cavité (3) qui s'étend au moins pratiquement verticale-ment à travers au moins une zone d'isolation (4), cette cavité s'étendant de la face avant (la) du substrat jusqu'à la face arrière 15 (lb) du substrat et étant réalisée dans l'une des branches (8, 9) de la thermopile. 2 ) Capteur à thermopile micromécanique selon la revendication 1, caractérisé par 20 au moins une zone d'isolation (4) qui s'étend de façon continue de la face avant (la) du substrat jusqu'à la face arrière (lb) du substrat. 3 ) Capteur à thermopile micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' 25 au moins une branche à thermopile (6) est une zone de matière s'étendant verticalement, de la matière semi-conductrice mono-cristalline dopée du substrat (1). 4 ) Capteur à thermopile micromécanique selon la revendication 1, 30 caractérisé en ce qu' au moins l'une des branches à thermopile (8, 9), verticale est réalisée dans une matière choisie dans le groupe suivant : silicium-germanium, silicium poly-cristallin dopé, métal tel qu'aluminium. 35 25 30 ) Capteur à thermopile micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone d'isolation thermique électrique (4) est une zone poreuse (4) en matière poreuse. 6 ) Capteur à thermopile micromécanique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la zone poreuse (4) est en matière rendue poreuse du substrat (1). 7 ) Capteur à thermopile micromécanique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la zone poreuse (4) est une combinaison chimique par exemple d'un oxyde (SiO2), de matière rendue poreuse du substrat (1). 8 ) Capteur à thermopile micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face avant (la) du substrat comporte une couche d'absorption (14) qui couvre au moins l'un des contacts avant (11) d'au moins une structure à thermopile (13). 9 ) Capteur à thermopile micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face arrière (lb) du substrat comporte au moins un contact (12) pour réaliser le contact de deux paires de branches à thermopiles (8, 9). 10 ) Capteur à thermopile micromécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins une cavité (3) de la branche à thermopile (8, 9) est couverte par une matière conductrice sur seulement une couche de paroi. 11 ) Procédé de fabrication d'un capteur micromécanique à thermopile comprenant les étapes suivantes : -réalisation d'une zone d'isolation thermique électrique (4) dans le substrat (1) avec des cavités (3) entourant la zone d'isolation (4),-remplissage en matière conductrice comme branche à thermopile (8, 9) des cavités (3), - dégagement des extrémités des zones de matière conductrice (8, 9), et - mise en contact d'au moins deux branches à thermopile (6, 8, 9) en réalisant un contact (11) sur la face avant (la) du substrat pour avoir une structure à thermopile (13). 12 ) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la réalisation de la zone d'isolation (4) et des cavités (3) comprend les étapes suivantes : réalisation de cavités (3) qui s'étendent au moins pratiquement verticalement à travers le substrat (1), et - réalisation de la porosité au moins des zones de paroi intérieure des cavités (3) de façon que chaque cavité (3) se trouve dans une zone poreuse (4). 13 ) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu' on rend poreux par gravure électro-chimique dans un électrolyte contenant de l'acide fluorhydrique. 14 ) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu' on réalise la zone poreuse (4) autour d'au moins une zone mono-cristalline (6) s'étendant verticalement à travers le substrat (1), dans la matière semi-conductrice dopée et on établit le contact de la zone mono-cristalline (6) ensuite comme branche (6) d'une thermopile (13). 15 ) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu' après avoir rendu poreux, on effectue une réaction chimique par exemple une oxydation de la zone poreuse (4).3516 ) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu' on développe les cavités en partant de la face avant (la) du substrat jusqu'à un fond (5) au-dessus de la face arrière (lb) du substrat, ensuite, on rend poreux le fond (5) et on l'enlève en dégageant les extrémités. 17 ) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu' ensuite on couvre la face avant (la) du substrat par une couche absorbante (14) pour absorber le rayonnement infrarouge, cette couche couvrant la structure à thermopile (13). 18 ) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu' on met en contact suivant un branchement en série plusieurs paires de branches à thermopiles (6, 8, 9) sur la face arrière (lb) du substrat en réalisant des contacts (12).20