Brevet FR2933500A1 — publié le 20100108

GRB08-1829FR Société par actions simplifiée dite : STMicroelectronics (Grenoble) S.A.S. et Etablissement public à caractère scientifique, culturel et professionnel dit : Université Jean MONNET, Saint-Etienne Pastille optique à indice de réfraction variable, adaptatrice d'angle d'incidence, et procédé de fabrication d'une telle pastille Invention de : VIGIER-BLANC Emmanuelle CASSAR Guillaume LEPINE Thierry Pastille optique à indice de réfraction variable, adaptatrice d'angle d'incidence, et procédé de fabrication d'une telle pastille La présente invention concerne le domaine des modules optiques destinés à être placés devant des capteurs optiques de composants semiconducteurs et plus particulièrement le domaine des modules ou des pastilles optiques destinées à être placées en avant de capteurs optiques de composants semiconducteurs. Selon un mode, une pastille peut comprendre une zone optiquement utile ayant un axe optique et présentant un indice de réfraction variable, de telle sorte qu'il soit plus petit dans sa partie périphérique que dans sa partie intérieure juste adjacente ou dans sa partie centrale. Dans une zone périphérique annulaire, comprise entre un rayon Ru enveloppant la zone utile et un rayon Ro plus petit, l'indice de réfraction peut être compris entre un profil maximum Pmax et un profil minimum Pmin. Le profil maximum Pmax peut être tel qu'entre le rayon Ro et un rayon R2 l'indice de réfraction maximum est égal à une valeur ni puis qu'entre ce rayon R2 et le rayon Ru, la valeur de l'indice de réfraction maximum est définie, en fonction de la distance au centre de la pastille r, par la formule I, = Ili ù li ù Le profil minimum Pmin peut être tel qu'entre le rayon Ro et un rayon R1, la valeur de l'indice de réfraction minimum est définie, 30 en fonction de la distance au centre de la pastille r, par la formule Il 11~ - Il , - n0 )- (r- ))' (Ri - R0) puis qu'entre ce rayon R1 et le rayon Ru l'indice de réfraction minimum est égal à une valeur no. Les valeurs des indices de réfraction peuvent être telles que ni est supérieur à no, n2 est compris entre no et ni, et n3 est compris entre no et n2. Les valeurs des rayons peuvent être telles que R1 est compris entre Ro et Ru et R2 est compris entre Ro et Ru. Par exemple, n2 peut être égal à no plus 8/10 de (ni- no) et n3 peut être égal à 1/2 de (ni+ no). Par exemple, Ro peut être égal à 3/5 de Ru, R1 peut être égal à Ro plus 1/3 de (Ru-Ro) et R2 peut être égal à Ro plus 7/8 de (Ru-Ro). Selon un mode de réalisation, des ions implantés peuvent déterminer la variation d'indice de réfraction. Par ailleurs, des rainures et/ou des trous traversants situés à l'extérieur de ladite zone utile peuvent être ménagés dans la pastille. Selon un autre mode, un procédé de réalisation d'une pastille peut comprendre les étapes suivantes : réaliser au moins un masque sur la zone centrale délimitée par le rayon Ro d'au moins une face de la pastille, ou au moins un masque à l'extérieur de cette partie centrale, et plonger la pastille dans un bain ionique pour implanter des ions contenu dans ce bain dans les zones non couvertes par ledit masque. Un procédé peut comprendre les étapes suivantes : réaliser au moins un second masque différent du premier masque et plonger la pastille dans un second bain ionique pour implanter des ions de ce bain par les zones non couvertes par ledit second masque. Un procédé peut comprendre une étape de rediffusion des ions implantés. L'implantation peut éventuellement être réalisée sous l'effet d'un champ électrique d'accélération Selon un autre mode de réalisation, un dispositif semiconducteur optique peut comprendre un composant semiconducteur présentant un capteur optique et, devant ce capteur optique, un module optique comprenant une pastille telle que définie plus haut. On va maintenant décrire différents modes de réalisation de pastilles, à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin sur lequel : La figure 1 représente une coupe radiale d'un dispositif comprenant une pastille ; La figure 2 représente une vue de dessus d'une pastille ; La figure 3 représente un graphique de profils d'indices de réfraction maximum et minimum ; La figure 4 représente un premier exemple de réalisation d'un profil d'indice de réfraction La figure 5 représente un deuxième exemple de réalisation d'un profil d'indice de réfraction La figure 6 représente un troisième exemple de réalisation d'un profil d'indice de réfraction La figure 7 représente un quatrième exemple de réalisation d'un profil d'indice de réfraction ; La figure 8 représente une vue de dessus d'une pastille équipée d'un masque ; La figure 9 représente une coupe radiale de la pastille de la figure 8 ; La figure 10 représente une vue de dessus de la pastille des figures 8 et 9 après un traitement ; La figure 11 représente une coupe radiale de la pastille de la figure 10 ; La figure 12 représente un graphique du profil de l'indice de réfraction de la pastille des figures 10 et 11 ; La figure 13 représente une coupe radiale d'une pastille équipée d'un masque ; La figure 14 représente une coupe de la pastille de la figure 13 après un traitement ; La figure 15 représente un graphique du profil de l'indice de réfraction de la pastille de la figure 14 ; La figure 16 représente une coupe radiale d'une pastille équipée d'un masque ; La figure 17 représente une coupe de la pastille de la figure 16 après un traitement ; La figure 18 représente un graphique du profil de l'indice de réfraction de la pastille de la figure 17 ; La figure 19 représente une coupe radiale d'une pastille équipée d'un masque ; La figure 20 représente une coupe de la pastille de la figure 19 après un traitement ; La figure 21 représente un graphique du profil de l'indice de réfraction de la pastille de la figure 20. En se reportant à la figure 1, on peut voir qu'on a représenté un empilage 1 comprenant un composant semiconducteur 2, par exemple plat et à contour carré, présentant au centre d'une face 3 un capteur optique 4, par exemple rectangulaire, et un module optique 5 placé en avant de la face 3, en contact ou à très faible distance de cette face grâce à un anneau périphérique d'espacement 3a, et destiné à focaliser les rayons lumineux vers le capteur optique 4. Le module optique 5 peut comprendre une pastille transparente 6, par exemple en verre, à faces parallèles et à contour carré correspondant à celui du composant semiconducteur 2. I1 peut éventuellement en outre comprendre une lentille optique 7 placée en avant de la pastille 6, avec éventuellement interposition d'un diaphragme 8 et d'un anneau périphérique d'espacement 8a. Comme le montre la figure 2, la pastille 6 peut présenter une zone rectangulaire 9 optiquement utile correspondant au capteur optique 4 et présentant le même axe optique 10 situé au centre. I1 peut être avantageux que la pastille 6 présente un indice de réfraction n, considéré selon un plan radial quelconque, variable sur au moins une partie annulaire entre son centre 10 et la périphérie de sa zone utile 9, en étant plus petit dans sa partie périphérique que dans sa partie intérieure juste adjacente ou dans sa partie centrale. En particulier, la valeur de l'indice de réfraction n, considéré selon un plan radial quelconque, peut être variable sur une zone périphérique annulaire 11 comprise approximativement entre un rayon Ru enveloppant la zone utile 9 et un rayon Ro plus petit. Le rayon Ru peut être approximativement égal à la moitié d'une diagonale de la zone utile 9, tandis que le rayon Ro peut par exemple être approximativement égal à au moins la moitié du petit côté de la zone utile 9. Ainsi, la variation de la valeur de l'indice de réfraction peut être plus particulièrement réalisée dans les coins de la zone utile 9. Comme le montre la figure 3, dans la zone périphérique annulaire 11, le profil de l'indice de réfraction, considéré selon un plan radial quelconque, peut être compris entre un profil maximum Pmax et un profil minimum Pmin tels que définis ci-après. (a) Le profil maximum Pmax peut être tel qu'entre le rayon Ro et un rayon R2, la valeur de l'indice de réfraction maximum est égal à une valeur ni puis qu'entre ce rayon R2 et le rayon Ru, la valeur de l'indice de réfraction maximum est définie, en fonction de la distance au centre de la pastille r, par la formule (b) Le profil minimum Pmin peut être tel qu'entre le rayon Ro et un rayon R1, la valeur de l'indice de réfraction minimum est définie, en fonction de la distance au centre de la pastille r, par la formule (r _ R0) _ " 2 ù n2 no f (Rl ù R0) puis qu'entre ce rayon R1 et le rayon Ru, la valeur de l'indice de réfraction minimum est égal à une valeur no, i? =rai ù t i ù n330 (c) En outre, les indices de réfraction ci-dessus peuvent être définis les uns par rapport aux autres de la manière suivante : ni peut être supérieur à no , n2 peut être compris entre no et ni n3 peut être compris entre no et n2. De plus, les rayons ci-dessus peuvent être définis les uns par rapport aux autres de la manière suivante : R1 peut être compris entre Ro et Ru, R2 peut être compris entre Ro et Ru. Différentes valeurs relatives pourraient être adoptées. Néanmoins, il est proposé les valeurs relatives suivantes : n2 peut être égal à no plus 8/10 de (ni - no), n3 peut être égal à 1/2 de (ni+ no), Ro peut être égal à 3/5 de Ru, R1 peut être égal à Ro plus 1/3 de (Ru-Ro), R2 peut être égal à Ro plus 7/8 de (Ru-Ro). Par ailleurs, dans la pratique, no peut être compris entre 85 et 99 % de ni. Considérant les valeurs relatives ci-dessus, on va maintenant donner des exemples de gradients d'indices obtenus dans des zones annulaires 11 de pastilles 6 et compris entre les profils Pmax et Pmin. En se reportant à la figure 4, on peut voir qu'on a représenté un profil d'indice de réfraction 12 d'une pastille 6 traitée de telle sorte que cet indice de réfraction 12 est à la valeur ni entre le rayon Ro et un rayon Ra compris entre les rayons R1 et R2, puis, en partant tangentiellement, s'infléchit en décroissant pour rejoindre la valeur no au rayon Ru. En se reportant à la figure 5, on peut voir qu'on a représenté un profil d'indice de réfraction 13 d'une pastille 6 traitée de telle sorte que cet indice de réfraction 13 est à la valeur ni entre le rayon Ro et un rayon Ra, compris entre les rayons Ro et R1, est à la valeur no entre un rayon Rb, compris entre le rayon R1 et le rayon R2, et le rayon Ru et forme un S inversé les joignant entre Ra et Rb en les rejoignant tangentiellement. En se reportant à la figure 6, on peut voir qu'on a représenté un profil d'indice de réfraction 14 d'une pastille 6 traitée de telle sorte que ce profil d'indice de réfraction 14 est approximativement identique à celui de la figure 5 entre les rayons Ra et Ru mais s'en différencie par le fait qu'entre Ra et Ro, il s'infléchit en décroissant pour rejoindre une valeur n4 comprise entre ni et n2 en partant tangentiellement à ni au rayon Ra. En se reportant à la figure 7, on peut voir qu'on a représenté un profil d'indice de réfraction 15 d'une pastille 6 traitée de telle sorte que ce profil d'indice de réfraction 15 est approximativement identique à celui de la figure 5 entre les rayons Ro et Rb mais s'en différencie par le fait qu'entre Rb et Ru, il s'infléchit en croissant pour rejoindre une valeur n5 comprise entre no et n3 en partant tangentiellement à no au rayon Rb. En se reportant aux figures 8 à 21, on va maintenant décrire comment on peut traiter une pastille 6 pour obtenir par exemple l'un quelconque des gradients d'indice de réfraction ci-dessus. Pour obtenir le gradient d'indice de réfraction 12 de la figure 4, on peut procéder comme suit. Comme le montrent les figures 8 et 9, on peut partir d'une pastille 6.0 présentant un indice de réfraction no, par exemple uniformément dopée par des ions de sodium. On réalise sur ses faces opposées, par exemple par photolithographie, des masques 16 recouvrant la pastille et présentant un orifice central en forme de disque de rayon supérieur ou égal à Ra, c'est-à-dire ne recouvrant pas la zone intérieure au rayon Ra. On plonge la pastille 6.0 dans un bain ionique pour obtenir une diffusion ionique dans la matière de la pastille 6, que l'on peut accélérer par l'effet d'un champ électrique. Les conditions d'un tel traitement sont adaptées au gradient d'indice de réfraction 12 à obtenir. Par exemple, on peut implanter des ions de thallium ou d'argent. On peut alors enlever les masques 16. Comme le montrent les figures 10, 11 et 12, on obtient une pastille 6.1 dont l'indice de réfraction est à la valeur ni dans sa partie centrale et jusqu'au rayon Ro, puis son indice de réfraction suit le profil du gradient 12 entre les rayons Ra et Ru. Selon une variante d'exécution appliquée à des échanges d'ions différents, pour obtenir un profil d'indice de réfraction correspondant, on pourrait réaliser un masque inverse, c'est-à-dire réaliser un masque sur la partie centrale de la pastille 6.0, effectuer une implantation par l'extérieur puis une diffusion vers l'intérieur. Pour obtenir le gradient d'indice de réfraction 13 de la figure 5, on peut partir de la pastille 6.1 traitée comme ci-dessus et y appliquer, en présence ou non des masques 16, un traitement complémentaire adapté de rediffusion ionique à haute température. Dans ce cas, comme le montrent les figures 14 et 15, on obtient une pastille 6.2 dont l'indice de réfraction est à la valeur ni dans sa partie centrale et jusqu'au rayon Ro, puis son indice de réfraction suit le profil du gradient 13 jusqu'au rayon Rb, puis est à la valeur no jusqu'au rayon Ru. Pour obtenir le gradient d'indice de réfraction 14 de la figure 6, on peut partir de la pastille 6.1 traitée et débarrassée des masques 16 et, comme le montre la figure 16, on peut réaliser sur les faces de cette pastille 6.1 des masques 17 recouvrant les faces de la pastille et laissant ouvert un anneau correspondant approximativement aux zones 19 allant du rayon Ro à un rayon supérieur à Ra. On plonge la pastille 6.1 dans un bain ionique pour obtenir une diffusion ionique dans la matière de cette pastille, que l'on peut accélérer par l'effet d'un champ électrique. Les conditions d'un tel traitement sont adaptées au gradient d'indice de réfraction 14 à obtenir. Par exemple, on peut implanter des ions de thallium. Comme le montrent les figures 17 et 18, on obtient une pastille 6.3 dont l'indice de réfraction suit le profil du gradient 14. Là également, on pourrait utiliser un masque inverse. Pour obtenir le gradient d'indice de réfraction 15 de la figure 7, on peut partir de la pastille 6.1 traitée et débarrassée des masques 16 et, comme le montre la figure 19, on peut réaliser sur les faces opposées de cette pastille 6.1 des masques 20 en forme de disques allant approximativement jusqu'à un rayon supérieur ou égal à Rb. On plonge cette pastille 6.1 dans un bain ionique pour obtenir une diffusion ionique dans la matière de cette pastille, que l'on peut accélérer par l'effet d'un champ électrique. Puis, on enlève les masques 20. Par exemple, on peut implanter des ions de thallium ou d'argent. On pourrait aussi réaliser une rediffusion thermique. Comme le montrent les figures 20 et 21, on obtient une pastille 6.4 dont l'indice de réfraction suit le profil du gradient 15. Là également, on pourrait utiliser un masque inverse. Les différents profils de gradients d'indice de réfraction qui viennent d'être décrits ne sont pas du tout les seuls qui pourraient être réalisés en restant dans le gabarit défini par les profils Pmax et Pmin. De même, les modes opératoires pourraient être différents et les matériaux et bains utilisés pourraient être différents. La pastille 6 peut avantageusement être issue d'une plaque dans laquelle on réalise simultanément un grand nombre de pastilles. Pour cela, les masques précités sont alors formés sur la plaque aux emplacements des pastilles à obtenir. On réalise les implantations ioniques et les autres traitements éventuels par les faces opposées de cette plaque. On peut aussi réaliser dans la plaque des rainures et/ou des trous traversants, à l'extérieur des zones optiquement utiles 9 des emplacements, pour effectuer les implantations ioniques et les autres traitements éventuels en particulier par les flancs de ces rainures et/ou trous traversants. Les traitements de la plaque étant effectués, on procède alors au sciage de ladite plaque selon des lignes perpendiculaires afin de singulariser chaque pastille 6 traitée. Partant d'un module optique originel incluant une pastille transparente à indice de réfraction substantiellement constant, tel que les rayons lumineux qui le traversent présentent, sur la périphérie du capteur, un angle d'incidence trop élevé pour que l'image soit captée correctement, les traitements de la pastille tels que décrits permettent de diminuer cet angle d'incidence, selon un gradient souhaité. Une telle disposition peut permettre de réduire l'amplitude d'une distorsion positive originelle, principalement dans sa périphérie, de l'image captée.10 REVENDICATIONS1. Pastille optique destinée à être placée en avant d'un capteur optique d'un composant semiconducteur, comprenant une zone optiquement utile ayant un axe optique et présentant un indice de réfraction variable qui est plus petit dans sa partie périphérique que dans sa partie intérieure juste adjacente ou dans sa partie centrale et qui, dans une zone périphérique annulaire comprise entre un rayon Ru enveloppant la zone utile et un rayon Ro plus petit, est compris entre un profil maximum Pmax et un profil minimum Pmin ; (a) le profil maximum Pmax étant tel qu'entre le rayon Ro et un rayon R2 l'indice de réfraction maximum est égal à une valeur ni puis qu'entre ce rayon R2 et le rayon Ru, la valeur de l'indice de réfraction maximum est définie, en fonction de la distance au centre de la pastille r, par la formule f = rli ù (iti n, (b) le profil minimum Pmin étant tel qu'entre le rayon Ro et un rayon R1, la valeur de l'indice de réfraction minimum est définie, en fonction de la distance au centre de la pastille r, par la formule n=n2ù ta_ùno puis qu'entre ce rayon R1 et le rayon Ru l'indice de réfraction minimum est égal à une valeur no ; (c) et dans lesquelles : ni est supérieur à no, n2 est compris entre no et ni, n3 est compris entre no et n2, R1 est compris entre Ro et Ru, R2 est compris entre Ro et Ru. 30 2. Pastille selon la revendication 1, dans laquelle : Ro est égal à 3/5 de Ru, R1 est égal à Ro plus 1/3 de (Ru-Ro), R2 est égal à Ro plus 7/8 de (Ru-Ro). 3. Pastille selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle : n2 est égal à no plus 8/10 de (ni- no), n3 est égal à 1/2 de (ni+ no). 4. Pastille selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle des ions implantés déterminent la variation d'indice de réfraction. 5. Pastille selon l'une quelconque des revendications précédentes, présentant des rainures et/ou des trous traversants situés à l'extérieur de ladite zone utile. 6. Procédé de fabrication d'au moins une pastille selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes : réaliser au moins un masque sur la zone centrale délimitée par le rayon Ro d'au moins une face de la pastille, respectivement au moins un masque à l'extérieur de cette partie centrale, plonger la pastille dans un bain ionique pour implanter des ions contenu dans ce bain dans les zones non couvertes par ledit masque. 7. Procédé selon la revendication 6, comprenant les étapes suivantes : réaliser au moins un second masque différent du premier masque, plonger la pastille dans un second bain ionique pour implanter des ions de ce bain par les zones non couvertes par ledit second masque. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, comprenant une étape de rediffusion des ions implantés. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel l'implantation est réalisée sous l'effet d'un champ électrique d'accélération 10. Dispositif semiconducteur optique comprenant un composant semiconducteur présentant un capteur optique et, devant ce capteur optique, un module optique comprenant une pastille selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.5