Brevet FR2933535A1 — publié le 20100108

La présente invention concerne un système de composants à hybrider adapté à une technique d'hybridation par fusion de billes de soudure, du type connu sous la désignation "flip-chip". L'invention trouve des applications notamment dans les domaines de l'électronique et de l'optique pour l'interconnexion de composants en matériaux différents. A titre d'exemple, l'invention peut notamment être utilisée pour l'interconnexion de composants de silicium avec des composants tels que HgCdTe, AsGa ou InSb. Au sens de la présente invention, on entend par composant, aussi bien un composant électronique tel qu'une puce électronique, un support de circuit électronique ou optoélectronique, qu'un composant mécanique tel qu'un capot ou un capteur de grandeurs physiques. L'invention peut en particulier être utilisée pour la fabrication de détecteurs infrarouges, la fabrication de lasers à cavité verticale, ou pour reporter une matrice de photodiodes de lecture sur un circuit de lecture en Si. On connaît un tel détecteur qui comporte un substrat, une couche en matériau actif et des moyens de liaison mécanique de ladite couche au substrat. Le substrat peut, par exemple, être en silicium et constitutif d'un circuit de lecture, tandis que le matériau actif peut être du HgCdTe et les moyens de liaison mécanique constitués par des billes de soudures. La répartition de ces billes de soudure permet de définir une répartition de composants aussi appelés pixels. On distingue principalement deux techniques d'hybridation de composants par billes de soudure. La technique d'hybridation par fusion est, aujourd'hui, largement connue. Elle met en oeuvre des billes réalisées en un matériau fusible, tel que par exemple en un alliage étain - plomb, étain indium, voir même constitué d'indium pur. Succinctement, cette technique d'hybridation par fusion consiste : - à déposer sur des plots réalisés sur l'un des composants, des billes de matériau fusible, lesdits plots étant constitués d'un matériau mouillable par le matériau constitutif des billes de soudure; - puis à munir l'autre composant à hybrider de plots constitués également en un matériau mouillable par le matériau constitutif des billes de soudure, lesdits plots étant ménagés sensiblement à l'aplomb des plots dudit premier composant lorsque ledit second composant est reporté sur le premier; - puis, par élévation de la température jusqu'à atteindre une température supérieure à la température de fusion du matériau constitutif les billes, à obtenir la fusion de celles-ci jusqu'à aboutir au résultat recherché, à savoir l'hybridation du second composant sur le premier composant, lesdites billes créant un lien mécanique et/ou électrique entre les plots de chacun des composants. Pour les composants de relativement faibles dimensions, la précision du positionnement mutuel desdits composants lors du report du composant supérieur sur le composant inférieur, n'est pas très critique. En effet, les phénomènes de tension superficielle affectant les billes d'hybridation lors de l'opération de fusion, induisent un alignement automatique desdits composants. Au surplus, ces mêmes phénomènes de tension superficielle permettent d'absorber, à tout le moins en partie, les phénomènes de dilatation thermique affectant les deux composants, de coefficient de dilatation thermique différents, et se traduisant par le déplacement relatif des plots de l'un des composants par rapport à l'autre. Pour les composants de plus grandes dimensions, une solution technique connue liée au problème de dilatation différentielle des composants, consiste à compenser les phénomènes de dilatation en intervenant au niveau de la conception même des composants. Ainsi, dans le document FR 2 748 849, on a proposé de déplacer les surfaces de mouillabilité du composant à hybrider selon une homothétie linéaire afin qu'à la température d'hybridation, lesdites surfaces de mouillabilité se retrouvent sensiblement à l'aplomb et de manière non décalée des surfaces de mouillabilité ou plots de l'autre composant, absorbant ce faisant, la dilatation différentielle. Cependant ce type de matrice a un rendement technologique faible. En outre il ne peut être utilisé pour des dimensions de matrices supérieures à 1000*1000 et comporte une limitation en terme de fiabilité opérationnelle par le nombre de mise à froid et de retour à l'ambiante en fonctionnement, qui sont à l'origine des contraintes en cisaillement au niveau des billes. Des solutions au niveau logiciel de traitement de l'image, permettent de corriger certains défauts isolés qui pourraient apparaître en cours du cycle de vie de l'imageur, mais il n'existe pas de solution pour des zones de défaillance élargies, ce qui amène une perte totale d'information sur des zones de l'écran de visualisation. Pour résoudre ces inconvénients , on connaît la demande FR2903811 qui décrit un dispositif électronique comprenant une pluralité de composants électroniques rapportés sur un substrat, chaque composant étant mécaniquement relié au substrat par l'intermédiaire d'un élément de liaison et caractérisé en ce que chaque composant est en outre électriquement connecté à au moins un conducteur présentant une élasticité susceptible de conserver l'intégralité de la connexion électrique avec un composant adjacent malgré un déplacement relatif entre composants. Le fractionnement des composants permet ainsi de rompre l'extension ou la compression imposée par le différentiel des coefficients thermiques. Cependant, lors de la fabrication de telles matrices, la réalisation de tranchée pour séparer mécaniquement les composants par gravure, rompt la connexion électrique assurée par le substrat et il est nécessaire de pratiquer, après la gravure, un dépôt électriquement conducteur assurant la connexion entre les éléments séparés. Cette étape supplémentaire complique notoirement le procédé. De plus, ce film de pontage doit posséder également une élasticité suffisante pour maintenir la connexion électrique malgré un déplacement relatif entre composants et ce dans un contexte environnemental sévère à savoir aux alentours de la température de l'azote liquide pour des imageurs à infrarouge utilisant des composants en HgCdTe. Indépendamment, au regard du procédé actuel d'hybridation flip chip (FC) d'imageur IR couramment retenu par la profession qui tire avantage de la réduction d'épaisseur du capteur par amincissement et d'un matériau de remplissage (underfiil) assurant, entre autres, une bonne tenue mécanique des billes d'In pendant l'opération d'amincissement du capteur après hybridation, mais également durant le cycle de vie des imageurs, des étapes supplémentaires de lithographie et de dépôt de film métallique spécifique sont donc nécessaires soit avant ou après hybridation. Ce dépôt est réalisé en présentant les ponts métalliques côté substrat à l'opposé de l'interface de billes indium mais de par la réalisation du procédé proposé, élimine également toute possibilité de recourir à l'usage du matériau de remplissage. Le but de l'invention est de résoudre les inconvénients précités en permettant notamment l'obtention de matrices de grandes dimensions 1 Kxl k ; 2kx2k voire plus, présentant une grande fiabilité opérationnelle et ne nécessitant pas de procéder à des pontages métalliques après gravage et permettant de s'affranchir de l'amincissement du capteur après hybridation . La solution apportée est un dispositif électronique comprenant une pluralité de composants électroniques rapportés sur un substrat, chaque composant étant constitué par une partie d'une couche en matériau actif mécaniquement reliée au substrat par l'intermédiaire d'un élément de liaison électriquement conducteur et caractérisé en ce que la couche en matériau actif comporte, d'une part, au moins une tranchée désolidarisant une première et une seconde partie de ladite couche et, d'autre part, une troisième partie solidarisant lesdites première et seconde parties. Selon une caractéristique particulière nécessitant l'utilisation, pour la polarisation de ladite couche, une seule connexion électrique supplémentaire commune à tous les composants, la couche en matériau actif est monobloc. La couche en matériau actif est ainsi d'un seul tenant et formée d'une série de bandes, chaque bande ayant une frontière commune avec au moins une autre bande. Selon une autre caractéristique, chaque composant est solidaire, au niveau de la couche en matériau actif, d'au moins un autre composant. Selon une caractéristique additionnelle, un dispositif selon l'invention comporte des tranchées rectilignes successives formant une spirale. Selon une autre caractéristique, la couche en matériau actif est choisie parmi HgCdTe, InSb et AsGa. Selon une caractéristique additionnelle, le substrat est en silicium, en arséniure de gallium ou en alumine amorphe ou cristallisé et peut consister en plusieurs blocs juxtaposés, réalisés éventuellement en matériaux différents. Selon une caractéristique de l'invention, les éléments de liaison électriquement conducteurs sont réalisés en matériau fusible, par exemple de l'indium ou un alliage étain û plomb, étain û argent - cuivre ou étain-indium. Selon une autre caractéristique, un dispositif selon l'invention comporte des moyens de polarisation connectés à chacun des composants d'une part via lesdits éléments de liaison électriquement conducteurs et, d'autre part, par une connexion unique commune à tous les composants. Selon une autre caractéristique, la couche en matériau actif comporte une face supérieure recouverte par un film électriquement conducteur ou un dopage en impuretés la rendant électriquement conductrice. L'invention concerne aussi un capteur infrarouge comportant un dispositif selon l'invention. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront dans la description d'un mode de réalisation de l'invention au regard des figures annexées parmi lesquelles :35 - Les figures 2a, 2b et 2c présentent un schéma simplifié d'un premier mode de réalisation d'un dispositif électronique selon l'invention. - Les figures 3a, 3b et 3c présentent un schéma simplifié d'un second mode de réalisation d'un dispositif électronique selon l'invention. - Les figures 4 et 5 montrent deux autres variantes de réalisation de dispositions des tranchées réalisées dans la couche en matériau actif d'un dispositif selon l'invention. - Les figures 6a à 6e montrent différentes phases d'un procédé de réalisation, par photolitographie, de tranchées dans la couche en 10 matériau actif d'un dispositif selon l'invention. Les figures 2a, 2b et 2c présentent un schéma simplifié d'un premier mode de réalisation d'un dispositif électronique selon l'invention. Ce dispositif électronique 10 comporte un substrat 11, une couche 12 en 15 matériau actif et des moyens 13 de liaison mécanique de ladite couche 12 au substrat 11. Le substrat peut, par exemple, être en silicium et constitutif d'un circuit de lecture, tandis que le matériau actif peut être un alliage de cadmium (Cd), de mercure (Hg) et de tellure (Te), comme HgCdTe, propre à détecter les rayons infrarouges et les moyens 13 de liaison mécanique constitués par des billes de 20 soudures. La répartition de ces billes de soudure permet de définir une répartition de composants 15 aussi appelés pixels. Comme montré sur la figure 2b, une matrice simplifiée de 5*6 composants est représentée, chaque composant étant délimité par des pointillés et étant constitué par une partie de ladite couche 12 en matériau actif, cette partie étant reliée au substrat 11 par une bille de soudure 13. Cette bille de 25 soudure constitue non seulement une liaison mécanique avec le substrat assurant la cohésion mécanique de l'assemblage mais en plus une liaison électrique. Elle peut être réalisée dans le cadre d'une méthode d'assemblage "flip-chip " Cette liaison mécanique peut aussi par exemple être constituée par un plot en polymère électriquement conducteur. 30 La couche 12 en matériau actif comporte en outre des tranchées 14 formant une sorte de spirale et de sorte que chaque composant est en contact avec au moins un autre composant au niveau de la couche 12 en matériau actif, cette couche 12 étant monobloc. Comme montré sur la figure 2c, les tranchées 14 délimitent des groupes de composants électroniques successifs 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22,23 35 comportant au moins deux composants et se présentant sous la forme de bandes successives 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22,23, deux groupes ou bandes successives comportant une frontière 24 commune. Les contours de ces groupes ou bandes ont été marqués, sur cette figure 2c, par un trait épais. Ainsi, la couche 12 en matériau actif est monobloc tandis que les tranchées 14 délimitent des groupes de composants électroniques successifs 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22,23. Ces tranchées 14 permettent une libre dilatation ou compression de la couche 12 en matériau actif permettant d'éviter qu'elle se casse et comme la couche 12 en matériau est monobloc, la polarisation des composants électroniques peut être réalisée d'une part via les moyens de liaison mécanique électriquement conducteur constituant une première connexion électrique particulière à chacun des composants électroniques et, d'autre part, par une seconde connexion électrique appliquée à la couche 12 en matériau actif, cette seconde connexion étant unique pour toute la couche 12 en matériau actif, comme dans le cadre de la figure 1. La figure 3 montre un second exemple de réalisation d'un dispositif électronique selon l'invention. Ce dispositif électronique 30 comporte un substrat 31, une couche 32 en matériau actif et des moyens 33 de liaison mécanique de ladite couche 32 au substrat 31. Le substrat peut, par exemple, être en silicium et constitutif d'un circuit de lecture, tandis que le matériau actif peut être un alliage de cadmium (Cd), de mercure (Hg) et de tellure (Te), comme HgCdTe, propre à détecter les rayons infrarouges et les moyens 34 de liaison mécanique constitués par des billes de soudures. La répartition de ces billes de soudure permet de définir une répartition de composants 35 aussi appelé pixels. Comme montré sur la figure 2b, une matrice simplifiée de 6*6 composants est représentée, chaque composant étant délimité par des pointillés et étant constitué par une partie de ladite couche 32 en matériau actif, cette partie étant reliée au substrat 31 par une bille de soudure 33. Cette bille de soudure constitue non seulement une liaison mécanique avec le substrat assurant la cohésion mécanique de l'assemblage mais en plus une liaison électrique. Elle peut être réalisée dans le cadre d'une méthode d'assemblage "flip-chip " La couche 32 en matériau actif comporte en outre des tranchées 34 formant une sorte de spirale et de sorte que chaque composant est en contact avec au moins un autre composant au niveau de la couche 32 en matériau actif, cette couche 32 étant monobloc. Comme montré sur la figure 2c, les tranchées 34 délimitent des groupes de composants électroniques successifs 36, 37, 38, 39, 30, 31, 32 comportant au moins deux composants et se présentant sous la forme de bandes successives 36, 37, 38, 39, 30, 31, 32 deux groupes ou bandes successives comportant une frontière 34 commune. Les contours de ces groupes ou bandes ont été marqués, sur cette figure 3c, par un trait épais. Ainsi, la couche 32 en matériau actif est monobloc tandis que les tranchées 34 délimitent des groupes de composants électroniques successifs 36, 37, 38, 39, 30, 31, 32. Les figures 4 et 5 montrent deux autres variantes de réalisation de dispositions des tranchées 54, 64 réalisées dans la couche 52, 62 en matériau actif. Ces tranchées, 54, 64 divisent la couches en bandes de composants électriques dont le nombre est variable, chacune de ces bandes ayant une frontière commune avec au moins une bande qui lui est juxtaposée. Une méthode de fabrication d'un dispositif selon l'invention peut être la suivante. Des billes en indium 74 sont déposées régulièrement sur un substrat en silicium 71. Des diodes 76 sont fixées sur la face inférieure d'une couche 72 en matériau actif et des billes d'indium sont déposées entre le substrat et chaque diode. Les billes d'indium 74 sont ensuite fondues par chauffage et leur solidification après chauffage, assure une liaison mécanique entre le substrat 71 et la couche 72 en matériau actif. La formation des tranchées dans la couche en matériau actif peut être réalisée par une technique soustractive à base de rayonnement, par exemple par une méthode de photolithographie. Pour cela, et comme illustré sur les figures 6a à 6e , la surface libre 78 de la couche 72 en matériau actif est recouverte d'une résine photosensible 79, puis un rayonnement ultraviolet (UV) est appliqué sur celle-ci au travers d'un masque de soustraction définissant les portions de couche de matériau à éliminer pour former les motifs fonctionnels. Sous l'effet du rayonnement UV, la portion de résine positive exposée subit une transformation chimique qui permet son élimination par un processus de développement à l'aide d'une solution basique. Une fois le développement réalisé, les portions de la couche 72 en matériau actif devant être éliminées sont donc affleurantes et sont éliminées, en même temps que la couche correspondante de matériau de remplissage 77, par gravure chimique. Dans le même temps, la résine non exposée n'a pas été éliminée par le développement et protège donc le matériau des motifs de la gravure. Une fois cette portion de résine non exposée éliminée par un bain chimique, les tranchées désirées apparaissent donc à la surface des composants électroniques 78 comme montré sur la figure 6e. Dans cet exemple de réalisation, les deux tranchées 14 sont séparées par 5 pixels.35 Par ailleurs, de nombreuses modifications peuvent être apportées aux variantes de réalisations précédemment décrites. Ainsi, la répartition des tranchées dépend notamment des conditions environnementales dans lesquelles le dispositif est destiné à fonctionner. Ainsi, si les conditions environnementales fluctuent peu, le nombre de tranchées pourra être réduit à 1 ou 2, tandis que si ces conditions varient beaucoup de nombreuses tranchées pourront être creusées comme par exemple dans le cas de la figure 4 permettant ainsi de sectoriser la couche en matériau actif donc les composants électroniques en bandes aptes à se déformer de par la présence des tranchées, ces déformations étant inférieures à la limite élastique de la couche. Par ailleurs, la couche en matériau actif peut être dans un autre matériau que HgCdTe, par exemple en InSb ou en AsGa. De plus, les billes en matériau fusible peuvent aussi, par exemple, être constituées par un alliage étain û plomb, étain û argent - cuivre ou étain-indium. En outre, au moins l'un des substrats peut-être, par exemple, en arseniure de gallium (AsGa) ou en alumine (AI2O3) amorphe ou cristallisé, et/ ou composé de plusieurs blocs juxtaposés éventuellement en matériaux différents. Par ailleurs, si la couche en matériau actif n'est pas électriquement conductrice, un film électriquement conducteur, par exemple métallique, peut être déposé sur sa face supérieure 80, ce film devant être transparent à la longueur d'onde de fonctionnement du système ou elle peut, au moins en partie au niveau de la face supérieure, être dopée par des impuretés aptes à la rendre électriquement conductrice. Ce film ou ce dopage permettent ensuite d'appliquer une tension de polarisation, via aussi les moyens de liaison, à la couche en matériau actif. REVENDICATIONS1. Dispositif électronique comprenant une pluralité de composants électroniques rapportés sur un substrat (11), chaque composant étant constitué par une partie d'une couche (12) en matériau actif mécaniquement reliée au substrat (11) par l'intermédiaire d'un élément de liaison (13) électriquement conducteur et caractérisé en ce que la couche (12) en matériau actif comporte, d'une part, au moins une tranchée (14) désolidarisant une première et une seconde partie (16, 20) de ladite couche (12) et, d'autre part, une troisième partie (17, 18, 19) solidarisant lesdites première et seconde parties. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (12) en matériau actif est monobloc. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque composant est solidaire, par sa couche (12) en matériau actif, à au moins un autre 15 composant. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des tranchées (14) rectilignes successives formant une spirale. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche (12) en matériau actif est choisie parmi HgCdTe, InSb et AsGa. 20 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat (11) est composé de plusieurs blocs juxtaposés. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le substrat (11) comporte au moins un bloc en silicium, en arséniure de gallium ou en alumine amorphe ou cristallisé et/ou en ce que les éléments (13) de 25 liaison électriquement conducteurs sont réalisés en matériau fusible, par exemple de l'indium ou un alliage étain û plomb, étain û argent - cuivre ou étain-indium. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de polarisation connectés à chacun des composants d'une part via lesdits éléments (13) de liaison électriquement 30 conducteurs et d'autre part par une connexion unique commune à tous les composants. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la couche en matériau actif comporte une face supérieure recouverte par un film électriquement conducteur ou un dopage en impuretés la rendant 35 électriquement conductrice. 10. Capteur infrarouge comporte un dispositif selon la revendication 5.