Brevet FR2930372A1 — publié le 20091023

-GR2-026 LD-RI GRB08-0549FR Société anonyme : STMicroelectronics SA Elément et module optique imageur pour composant semi-conducteur optique, procédé pour le traitement d'un élément optique imageur et appareil de captation d'images. Invention de : VIGIER-BLANC Emmanuelle CASSAR Guillaume Elément et module optique imageur pour composant semi-conducteur optique, procédé pour le traitement d'un élément optique imageur et appareil de captation d'images. La présente invention concerne le domaine général des caméras et plus particulièrement le domaine des modules optiques imageurs pour projeter des images sur des capteurs optiques d'images de composants semi-conducteurs. Selon un aspect, un élément optique destiné à être placé en avant d'un capteur optique d'un composant semi-conducteur, dont au moins une partie optiquement utile est destinée à être traversée par le faisceau lumineux des images à capter, peut comprendre au moins un passage traversant s'étendant entre ses faces avant et arrière et présentant un indice de réfraction qui varie à partir de la paroi dudit au moins un passage traversant et dans ladite partie optiquement utile. Selon une variante, ledit au moins un passage traversant peut être formé à l'extérieur de ladite partie optiquement utile, l'indice de réfraction variant jusqu'à l'intérieur de cette partie optiquement utile. Selon une autre variante, ledit au moins un passage traversant est formé à l'intérieur de ladite partie optiquement utile, ce passage étant rempli d'un matériau formant bouchon dont au moins la périphérie présente un indice de réfraction égal ou proche de l'indice de réfraction de la partie immédiatement adjacente à ce passage. Selon une autre variante, l'élément optique peut comprendre plusieurs passages traversants et présenter un indice de réfraction qui varie à partir des parois de ces passages traversants. Selon une variante de l'invention, ledit élément optique peut comprendre deux faces parallèles pour former une pastille. Selon une autre variante, ledit élément optique peut comprendre au moins une partie en saillie pour former une lentille optique. Selon un aspect, un procédé de traitement d'une plaquette dont au moins certaines parties sont destinées à la réalisation d'éléments optiques imageurs destinés à être placés devant des capteurs optiques d'images de composants semi-conducteurs et comprenant des parties optiquement utiles destinées à être traversées par le faisceau lumineux des images à capter, peut comprendre les étapes suivantes : réaliser des passages traversants entre la face avant et la face arrière de la plaquette ; former sur la face avant et la face arrière de ladite plaquette des masques ne recouvrant pas lesdits passages ; doper avec des ions le matériau de la plaquette à partir des parois desdits passages traversants et dans lesdites parties optiquement utiles de manière à modifier l'indice de réfraction dans une partie de ces parties optiquement utiles ; et enlever lesdits masques. Selon une variante, les passages traversants peuvent être réalisés à l'extérieur des parties optiquement utiles des éléments optiques. Selon une autre variante, les passages traversants peuvent être réalisés à l'intérieur des parties optiquement utiles des éléments optiques, et lesdits passages traversants sont ultérieurement remplis d'un matériau pour former des bouchons, présentant les caractéristiques optiques des parois de ces passages traversants. Selon une variante, ladite plaquette peut présenter des faces parallèles. Selon une autre variante, ladite plaquette peut présenter des parties en saillie pour former des lentilles optiques. Selon un autre aspect, un module optique imageur peut comprendre au moins un élément optique tel que précédemment défini. Ce module peut comprendre un composant semi-conducteur présentant un capteur d'images placé en regard dudit élément optique. Selon un autre aspect, un appareil de captation d'images peut comprendre un module optique imageur placé en avant d'un capteur optique d'un composant semi-conducteur, ce module optique imageur pouvant comprendre au moins un élément optique tel que précédemment défini. Des éléments optiques et des modules optiques destinés à être placés devant ou en avant un capteur optique d'un composant semi-conducteur, susceptibles d'être installés dans des appareils, ainsi que leurs modes de traitement, sont maintenant décrits à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin sur lequel : - la figure 1 représente une coupe axiale d'un appareil de captation d'images incluant un module optique ; - la figure 2 représente une vue de dessus d'une première plaquette comprenant des premiers éléments optiques ; - la figure 3 représente une coupe de la plaquette selon la figure 2 - la figure 4 représente une vue de dessus agrandie de la plaquette de la figure 2 ; - la figure 5 représente une coupe agrandie de la plaquette de la figure 3 - la figure 6 représente une vue de dessus d'une variante de réalisation de la plaquette de la figure 4 ; - la figure 7 représente une vue de dessus d'une seconde plaquette comprenant des seconds éléments optiques ; - la figure 8 représente une coupe de la plaquette selon la figure 7 - la figure 9 représente une vue de dessus agrandie de la plaquette de la figure 7 ; - la figure 10 représente une coupe agrandie de la plaquette de la figure 8 ; - la figure 11 représente une variante de la figure 6 ; - et la figure 12 représente un autre appareil de captation d'images. En se reportant à la figure 1, on voit qu'on a représenté un appareil de captation d'images qui peut comprendre un boîtier optique 1 qui peut comprendre un empilage 2 comprenant un composant semi-conducteur 3 qui présente dans sa face avant 4 un capteur optique d'images 5 et comprenant un module optique imageur 6 placé devant ou en avant de la face avant 4 du capteur optique d'images 5. Selon la présente description, un capteur optique d'images 5 est apte à capter des images d'une scène se produisant en avant du boîtier 1. Un tel capteur d'images 5 occupe généralement une zone centrale rectangulaire 5a et comprend généralement une multiplicité de photodiodes élémentaires transformant respectivement un flux de photons en un signal électrique, constituant des pixels. Selon la présente description, un module optique imageur 6 est un organe optique au travers duquel un capteur optique d'images 5 voit ladite scène. Selon l'exemple représenté, le module optique imageur 6 comprend, de l'arrière vers l'avant et selon le même axe optique 6a passant par le centre du capteur optique 5, un élément optique formé par une pastille transparente 7 de préférence en verre, un diaphragme 8 et un élément optique formé par une lentille optique avant 9 de préférence en verre. La face arrière 10 et la face avant 11 de la pastille transparente 7 sont parallèles. La face arrière 12 et la périphérie de la face avant 13 de la lentille optique 12 sont parallèles et la face avant 13 présente une partie centrale bombée 14 de façon à former une lentille convergente vers l'arrière. Le diaphragme 8 est formé sur la face arrière 12 de la lentille optique 9, par exemple par dépôt. La lentille optique 12 munie du diaphragme 8 est à distance de la face avant 11 de la pastille transparente 7 grâce à des pieds ou un anneau périphérique 15 constituant une entretoise. Le boîtier optique 1 comprend en outre un carter opaque 16 qui présente un passage axial 17 limité à l'avant par un épaulement intérieur annulaire 18. L'empilage 2 est logé axialement dans le passage axial 17 du carter opaque 15, la partie bombée 14 de la lentille optique 9 passant au travers de l'épaulement intérieur 18 et la partie périphérique de la face avant 13 de la lentille 11 entourant la partie bombée 14 venant en butée contre l'épaulement intérieur 18. Le pourtour de l'empilage 2 peut être carré et inséré de façon juste dans un passage axial 17 à pourtour carré. La face arrière 19 du composant semi-conducteur 3, qui est située au niveau de la face arrière du carter 16, est munie de billes 20 de connexion électrique extérieure du capteur optique 5. L'assemblage du boîtier optique 1 ci-dessus peut être effectué par collage. La pastille transparente 7 et/ou la lentille optique 9 sont adaptées pour que, dans leurs parties optiquement utiles, c'est-à-dire celles au travers desquelles passe l'image à capter, l'indice de réfraction varie sur au moins une partie substantiellement annulaire et/ou sur une partie centrale. Dans un exemple, l'indice de réfraction de la pastille transparente 6 peut croître substantiellement depuis l'axe optique 6a ou au-delà d'une partie centrale en allant vers sa périphérie et/ou l'indice de réfraction de la lentille optique 9 peut décroître au-delà d'une partie centrale en allant vers sa périphérie. Pour obtenir la pastille transparente 7 et la lentille optique 9 présentant de tels indices de réfraction variables, on peut procéder à un dopage adapté du verre avec des ions métalliques choisis parmi, par exemple, les ions de sodium (Na:), de potassium (K+), de lithium (Li+), d'argent (Ag+), de césium (Cs+), ou de thallium (T1+). On va maintenant décrire, en exemple, comment on peut fabriquer une multiplicité de pastilles transparentes 7 à indice de réfraction variable ou à gradient d'indice de réfraction. Comme le montrent les figures 2 et 3, on peut partir d'une plaquette circulaire transparente 21 par exemple en verre, de grande dimension, présentant des faces opposées parallèles 21a et 21b. Cette plaquette est par exemple préalablement dopée substantiellement uniformément dans sa masse par exemple avec des ions de thallium (T1+), par exemple en la plongeant dans un bain de nitrate de thallium (T1NO3) et sous l'effet d'un champ électrique accélérateur orienté dans le sens de son épaisseur. La plaquette circulaire 20 est divisée de façon imaginaire en zones carrées adjacentes 22 délimitées par des lignes perpendiculaires 23 et 24, ces zones carrées adjacentes 22 correspondant à des pastilles transparentes 7 à réaliser. Sur chaque zone carrée 22 peut être placée de façon imaginaire, concentriquement, la zone rectangulaire 5a d'un capteur optique d'images 5, qui détermine substantiellement une partie optiquement utile de chaque zone carrée 22, c'est-à-dire celle traversée par le faisceau lumineux des images à capter. Les zones rectangulaires 5a ainsi placées selon une matrice carrée sont alignées et de mêmes orientations. Selon un exemple relatif à cette disposition, on peut procéder au traitement suivant. On réalise au travers de la plaquette 21, sur chaque zone carrée 22, deux trous ou passages traversants oblongs opposés 25 et 26 en forme d'arcs d'un même cercle, centrés sur le centre de chaque zone 5a, entre les faces 21a et 21b. De tels trous ou passages traversants oblongs peuvent être réalisés sous l'effet d'un laser ou de tout autre moyen adapté. Ces trous ou passages traversants oblongs opposés 25 et 26 sont réalisés à l'extérieur de chaque zone rectangulaire 5a et s'étendent le long des petits côtés de cette zone rectangulaire 5a, ainsi que légèrement et de façon symétrique le long de ses grands côtés. Ensuite, on réalise sur les faces opposées 21a et 21b de la plaquette 21, sous forme de couches par exemple par dépôt, des masques opposés 27 et 28 ne recouvrant pas les trous ou passages traversants 25 et 26. Après quoi, on procède, au travers des masques 27 et 28 et à partir des parois des trous ou passages traversants 25 et 26, à un dopage du matériau de la plaquette 21, par exemple avec des ions de sodium (Na+), par exemple en la plongeant dans un bain de nitrate de sodium (NaNO3), qui peut circuler dans les trous ou passages traversants 25 et 26 entre leurs deux extrémités, et avec éventuellement l'effet d'un champ électrique accélérateur. La largeur des trous ou passages traversants oblongs 25 et 26 est adaptée pour faciliter la convection ou la circulation du bain pour que le dopage ou l'implantation ionique se produisent de préférence de façon régulière sur l'épaisseur de la plaquette 21. Le dopage ci-dessus est adapté pour se propager dans le sens de l'épaisseur de la plaquette 21 à partir des parois des trous ou passages traversants 25 et 26 et radialement à ces derniers, jusqu'à l'intérieur de chaque partie optiquement utile correspondant à chaque zone rectangulaire 5a, de telle sorte que la densité d'ions Na+ contenus dans le matériau décroisse de façon substantielle en direction de l'axe orthogonal de chaque zone rectangulaire 5a, en laissant cependant une partie centrale substantiellement cylindrique exempte d'un tel traitement. Un tel dopage est schématisé sur les figures 4 et 5 sous la forme de lignes de niveau de concentration 27. Compte tenu des dispositions qui précèdent, selon une variante, le traitement de dopage s'effectue essentiellement dans les coins des parties optiquement utiles correspondant aux zones rectangulaires 5a, selon des lignes de niveau de concentration 27 en arcs de cercles approximativement centrés sur les centres de ces zones rectangulaires 5a. Ensuite, comme le montrent aussi les figures 4 et 5, on procède à l'enlèvement des masques 23 et 24. Selon une variante représentée sur la figure 6, les trous ou passages traversants oblongs 25 et 26 pourraient être remplacés par des multiplicités de trous ou passages traversants 25a par exemple cylindriques, judicieusement placés, par exemple disposés selon un cercle centré sur la zone 5a, éventuellement répartis à distances égales, éventuellement sur tout ce cercle, mais pas nécessairement. Le diamètre des trous traversants 25a peut être relativement grand en vue d'une bonne circulation du bain de traitement. On va maintenant décrire, en exemple, comment on peut fabriquer une multiplicité de lentilles optiques 9 à indice de réfraction variable ou à gradient d'indice de réfraction. Comme le montrent les figures 7 et 8, on peut partir d'une plaquette circulaire transparente 28 par exemple en verre, de grande dimension, présentant une face arrière 28a plate et une face avant 28b généralement plate et présentant une multiplicité de parties en saillie bombées 29 réparties selon une matrice carrée et formées au milieu de zones carrées adjacentes 30 délimitées par des lignes imaginaires perpendiculaires 31 et 32, ces zones carrées adjacentes 30 correspondant à des lentilles optiques 9 à obtenir. On procède à un dopage préalable, dans sa masse, de la plaquette 28 par exemple avec des ions de thallium (T1+), par exemple en la plongeant dans un bain de nitrate de thallium (T1NO3). Disposant d'une telle plaquette 28, on réalise des trous ou passages circulaires 33 au travers de la plaquette 28, d'une face à l'autre, respectivement concentriquement aux parties en saillie bombées 29. De tels trous ou passages traversants 33 peuvent être réalisés sous l'effet d'un laser ou de tout autre moyen adapté. Ensuite, on réalise sur les faces opposées 28a et 29b et sur les parties bombées 29 de la plaquette 28, sous forme de couches par exemple par dépôt, des masques opposés 34 et 35 ne recouvrant pas les trous ou passages traversants 33. Après quoi, on procède, à un dopage de la plaquette 28 par exemple avec des ions de sodium (Na+), par exemple en la plongeant dans un bain de nitrate de sodium (NaNO3) qui pénètre dans les trous ou passages 33 par leurs deux extrémités. Le dopage ci-dessus est adapté pour se propager dans le sens de l'épaisseur de la plaquette 28 à partir des parois des trous ou passages traversants 33 et radialement à ces derniers, de telle sorte que la densité d'ions Na+ contenus dans le matériau décroisse à partir des parois des trous ou passages traversants 33 et radialement dans le sens de l'épaisseur de la plaquette 28. I1 en résulte une diminution de l'indice de réfraction de chaque lentille 9, selon un gradient radial déterminé par la variation radiale de la densité des ions de dopage dans le verre, à partir des parois des trous ou passages traversants 33 et dans le sens de l'épaisseur de la plaquette 28. Un tel dopage est schématisé sur les figures 9 et 10 sous la forme de lignes de niveau de concentration 36 en forme de cercles approximativement centrés sur les centres des zones carrées 30. Ensuite, on procède à l'enlèvement des masques 34 et 35. Puis, comme le montrent les figures 9 et 10, on remplit les trous ou passages traversants 33 par un matériau pour former des bouchons 37 dont l'indice de réfraction est égal ou le plus proche possible de l'indice de réfraction du matériau des parties de la plaquette 28 immédiatement adjacentes aux trous ou passages traversants 33 On obtient alors, dans la plaquette 28, une multiplicité de lentilles 9 présentant une partie centrale à indice de réfraction constant, entourée d'une partie à indice de réfraction décroissant radialement vers l'extérieur. Disposant d'une plaquette 28 ainsi traitée, on réalise sur sa face arrière 28a, par exemple par dépôt, une multiplicité de diaphragmes 8 correspondant aux lentilles optiques 9. On va maintenant décrire comment on peut par exemple réaliser des modules optiques imageurs 6 et des empilages 2. On peut prendre la plaquette 21 traitée et singulariser chaque pastille 7 par découpe le long des lignes 23 et 24 et prendre la plaquette 28 traitée et singulariser chaque lentille 9 par découpe le long des lignes 31 et 32. Puis, on peut individuellement empiler et coller les unes sur les autres les pastilles 7 et les lentilles 9 pour obtenir des modules optiques 6 individuels. On peut ensuite empiler et coller individuellement les modules optiques 6 sur des composants semi-conducteurs 3 individuels pour obtenir des empilages individuels 2, ou des composants semi-conducteurs 3 d'une plaquette de semi-conducteurs 3 qui sera ensuite découpée pour obtenir des empilages 2. On peut aussi prendre la plaquette 21 traitée et la plaquette 28 traitée, les placer et les coller l'une sur l'autre avec les lignes 23 et 24 mises en correspondance avec les lignes 31 et 32 pour que les pastilles 7 et les lentilles 9 soient les unes sur les autres de façon à obtenir une multiplicité de modules optiques imageurs 6 d'une double plaquette. On peut ensuite singulariser ces modules optiques imageurs 6 par découpage de ladite double plaquette puis individuellement les coller sur des composants semi-conducteurs 3 individuels pour obtenir des empilages individuels 2, ou sur des composants semi-conducteurs 3 d'une plaquette présentant des semi-conducteurs 3, cette plaquette étant ensuite découpée pour obtenir des empilages 2. On peut aussi coller ladite double plaquette sur une plaquette de semi-conducteurs 3, en mettant en coïncidence les modules optiques imageurs 6 avec les composants semi-conducteurs 3, puis procéder au découpage pour obtenir par singularisation des empilages 2. On peut ensuite prendre les empilages 2 obtenus et les installer et les coller dans des carters 16 comme décrit précédemment. En se reportant à la figure 11, on peut voir qu'on a représenté une variante de réalisation de la figure 6, selon laquelle les trous ou passages traversants cylindriques 25a sont remplacés par une multiplicité de trous ou passages traversants agrandis 25b qui présentent une face intérieure cylindrique 38a, une face extérieure cylindrique 38b et des faces radiales opposées 38c placées dans des plans passant par l'axe de la zone 5a et qui peuvent être à faibles distances circonférentielles les uns des autres, éventuellement répartis à distances égales, par exemple au nombre de huit, éventuellement sur tout un cercle, mais pas nécessairement. La face intérieure cylindriques 38a et la face extérieure cylindrique 38b peuvent être à relativement grande distance en vue d'une bonne circulation du bain de traitement. Les formes et dispositions des trous ou passages traversants indiqués précédemment ne sont pas limitatifs. On peut en effet prévoir des trous ou passages traversants de formes et de dispositions différentes. En particulier, on peut prévoir des trous ou passages traversants dans les zones optiquement utiles des pastilles transparentes pour un dopage comme décrit précédemment, qui pourront être remplis d'un matériau comme décrit en référence aux figures 9 et 10. On peut aussi prévoir des trous ou passages traversants dans les zones extérieures aux parties bombées 29 des lentilles optiques pour un dopage comme décrit précédemment. On peut aussi prévoir, au travers des pastilles transparentes et/ou des lentilles optiques, des trous ou passages traversants dans les leurs zones optiquement utiles et des trous ou passages traversants extérieurs à leurs zones optiquement utiles. On peut aussi réaliser des modules optiques comprenant au moins une pastille transparente traitée selon au moins l'une des variantes décrites précédemment, associée ou non à au moins une lentille optique. On peut aussi réaliser des modules optiques comprenant au moins une lentille optique traitée selon au moins l'une des variantes décrites précédemment, associée ou non à au moins une pastille transparente. On peut aussi réaliser, comme le montre la figure 12, un appareil de captation d'images qui peut comprendre une paroi 39 présentant un orifice traversant 40. Cette paroi peut servir de support pour un module optique 41 placé d'un côté ou de l'autre de cet orifice. Ce module optique 41 peut comprendre au moins une pastille transparente et/ou au moins une lentille optique, traitées comme décrit précédemment. Cet appareil de captation d'images peut comprendre une plaque de circuit imprimé 42 sur laquelle est monté un composant semi-conducteur 43 comprenant un capteur optique 44 placé en regard du module optique 41. Bien entendu, ce composant peut aussi être muni d'un module optique juste en avant de son capteur optique, ce module optique pouvant être traité ou non comme décrit précédemment. La plaque de circuit imprimé 42 peut naturellement porter des composants, non représentés, de pilotage du composant semi-conducteur optique 43 et de traitement des images issues de ce composant semi-conducteur optique 43. Les différentes variantes décrites peuvent contribuer à améliorer le pouvoir de résolution et/ou le contraste des modules optiques imageurs associés à des composants semi-conducteurs optiques et peuvent contribuer à pouvoir augmenter la netteté et/ou le contraste des images captées par les composants semi-conducteurs actuellement disponibles et/ou augmenter le nombre de pixels composant les capteurs optiques d'images des composants, sans réduire la netteté et/ou le contraste des images captées. REVENDICATIONS1. Elément optique destiné à être placé en avant d'un capteur optique d'un composant semi-conducteur, dont au moins une partie optiquement utile (5a , 29) est destinée à être traversée par l'image à capter, comprenant au moins un passage traversant (25, 25a, 33) s'étendant entre ses faces avant et arrière et présentant un indice de réfraction qui varie à partir de la paroi dudit au moins un passage traversant et dans ladite partie optiquement utile. 2. Elément optique selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un passage traversant (25) est formé à l'extérieur de ladite partie optiquement utile, l'indice de réfraction variant jusqu'à l'intérieur de cette partie optiquement utile (5a). 3. Elément optique selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un passage traversant (33) est formé à l'intérieur de ladite partie optiquement utile, ce passage étant rempli d'un matériau formant bouchon (37) dont au moins la périphérie présente un indice de réfraction égal ou proche de l'indice de réfraction de la partie immédiatement adjacente à ce passage. 4. Elément optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant plusieurs passages traversants et présentant un indice de réfraction qui varie à partir des parois de ces passages traversants. 5. Elément optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant deux faces parallèles pour former une pastille. 6. Elément optique selon l'une quelconque des revendications comprenant au moins une partie en saillie pour former une lentille optique. 7. Procédé de traitement d'une plaquette dont au moins certaines parties sont destinées à la réalisation d'éléments optiques imageurs destinés à être placés devant des capteurs optiques d'images de composants semi-conducteurs et comprenant des parties optiquement utiles destinées à être traversées par les images à capter, comprenant les étapes suivantes :réaliser des passages traversants (25, 25a, 33) entre la face avant et la face arrière de la plaquette ; former sur la face avant et la face arrière de ladite plaquette des masques (27, 28 ; 34, 35) ne recouvrant pas lesdits passages ; doper avec des ions le matériau de la plaquette à partir des parois desdits passages traversants et dans lesdites parties optiquement utiles de manière à modifier l'indice de réfraction dans une partie de ces parties optiquement utiles ; et enlever lesdits masques. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les passages traversants sont réalisés à l'extérieur des parties optiquement utiles des éléments optiques. 9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les passages traversants sont réalisés à l'intérieur des parties optiquement utiles des éléments optiques, et dans lequel lesdits passages traversants sont ultérieurement remplis d'un matériau pour former des bouchons (37), présentant les caractéristiques optiques des parois de ces passages traversants. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel les faces de ladite plaquette sont parallèles. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel au moins l'autre des faces de la plaquette présente des parties en saillie pour former des lentilles optiques. 12. Module optique imageur comprenant au moins un élément optique (7, 9) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 13. Module selon la revendication 12, comprenant un composant semiconducteur présentant un capteur d'images placé en regard dudit élément optique. 14. Appareil de captation d'images comprenant, en avant d'un capteur optique d'un composant semi-conducteur, un module optique imageur (6) qui comprend au moins un élément optique (7, 9) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.