Brevet FR2950196A1 — publié le 20110318

DISPOSITIF D'IMAGERIE 3D EQUIPE DE NANO-FILS ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE DESCRIPTION Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un dispositif d'imagerie 3D (3D pour « à trois dimensions ») équipé de nano-fils ainsi que le procédé de fabrication associé. L'invention concerne également un système d'imagerie 3D qui comprend un élément apte à former une image en volume d'un objet tridimensionnel et un dispositif d'imagerie 3D selon l'invention. L'invention trouve une application dans de nombreux domaines comme, par exemple, les équipements pour le cinéma et la télévision, les appareils photographiques, la télésurveillance, la télémétrie, l'imagerie biologique, etc. Plusieurs méthodes sont connues de l'art antérieur pour faire de l'imagerie 3D. La plus connue de ces méthodes est la stéréoscopie. La stéréoscopie repose sur l'utilisation de deux systèmes d'imagerie identiques légèrement décalés dans l'espace, chaque système d'imagerie délivrant une image de la scène observée. L'image 3D est alors construite à partir des deux images délivrées par les systèmes d'imagerie. L'inconvénient de la stéréoscopie est la nécessité qu'il y a à utiliser deux capteurs. Les deux capteurs constituent en effet un ensemble encombrant dont les positions respectives s'avèrent délicates à étalonner. 2 Pour pallier l'inconvénient d'une utilisation de deux capteurs, une méthode connue consiste à réaliser une image 3D à l'aide d'un seul capteur constitué d'une matrice de détecteurs équipée de microlentilles, la matrice de détecteurs équipée de microlentilles étant elle-même entièrement recouverte par une lentille placée dans un support. L'inconvénient d'un tel capteur réside dans l'assemblage délicat des différents éléments qui le constituent. Une autre méthode est basée sur l'utilisation de la profondeur de champ de lentilles. Le principe de la méthode consiste à faire varier la position du plan image d'une lentille afin de résoudre un objet à étudier en profondeur. A cette fin, on déplace la lentille et on recompose les différents plans images de l'objet. Un inconvénient de cette méthode est une grande complexité de mise en oeuvre. Le dispositif d'imagerie 3D de l'invention ne présente pas les inconvénients des dispositifs de l'art 20 antérieur mentionnés ci-dessus. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un dispositif d'imagerie 3D comprenant une matrice de 25 photodétecteurs, caractérisé en ce qu'il comprend : une couche de matériau fixée sur une face de la matrice de photodétecteurs, la couche de matériau étant apte à réfléchir ou absorber une lumière qui est incidente sur la face de la matrice de 30 photodétecteurs, une ouverture étant pratiquée dans la couche de matériau fixée sur une face de la 3 matrice de photodétecteurs au niveau de chaque photodétecteur, et û une couche de matériau isolant ayant une face fixée sur ladite couche de matériau apte à réfléchir ou absorber une lumière, la couche de matériau isolant enrobant, dans sa masse, un ensemble de nanofils, chaque nanofil de l'ensemble de nanofils affleurant la face de la couche de matériau isolant et étant positionné verticalement par rapport à la face de la couche de matériau isolant, en regard d'une ouverture, les hauteurs des différents nanofils de l'ensemble de nanofils, prises par rapport à la face de la couche de matériau isolant, définissant N plans parallèles distincts, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 2. Par couche de matériau apte à réfléchir ou absorber une lumière, il faut entendre une couche de matériau qui bloque par réflexion et/ou absorption la transmission d'une lumière qui est incidente sur ladite couche. Selon une caractéristique supplémentaire du dispositif de l'invention, les hauteurs des nanofils sont distribuées de façon aléatoire au-dessus de la face de la matrice de photodétecteurs. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, les nanofils sont distribués au-dessus de la face de la matrice de photodétecteurs de manière que Nd nanofils d'au moins un ensemble de Nd nanofils respectivement situés en regard de Nd ouvertures pratiquées au niveau de Nd photodétecteurs voisins formant une sous-matrice 4 élémentaire de P lignes et Q colonnes, P et Q étant des entiers supérieurs ou égaux à 2 (P x Q = Nd), Nd étant un nombre supérieur ou égal à N, ont des hauteurs qui définissent les N plans parallèles distincts. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, lorsque la matrice de photodétecteurs comprend plusieurs ensembles distincts de Nd nanofils, les Nd nanofils de chaque ensemble de nanofils sont distribués selon un motif identique d'un ensemble de nanofils à l'autre. L'invention concerne également un procédé de fabrication de dispositif d'imagerie 3D, caractérisé en ce qu'il comprend : une étape de formation d'une première structure constituée d'une matrice de photodétecteurs sur une face de laquelle est déposée une couche de matériau apte à réfléchir ou absorber une lumière incidente , une ouverture étant pratiquée dans la couche de matériau au niveau de chaque photodétecteur, une étape de formation d'une deuxième structure constituée d'un substrat de type silicium sur isolant sur lequel sont fixés des nanofils enrobés dans une couche de matériau électriquement isolant, les nanofils étant répartis sur le substrat de type silicium sur isolant de façon sensiblement identique à la façon dont sont répartis les ouvertures pratiquées dans la couche de matériau de la première structure et affleurant une surface plane de la couche de matériau électriquement isolant, une étape de report de la deuxième structure sur la première structure de sorte que les extrémités des nanofils qui affleurent la surface plane de la couche de matériau électriquement isolant soient placés en regard desdites ouvertures, et une étape de gravure du substrat de type silicium sur 5 isolant et de la couche de matériau électriquement isolant dans laquelle sont enrobés les nanofils pour, tout d'abord, supprimer la couche de matériau électriquement isolant, puis, former N niveaux distincts de la couche de matériau électriquement isolant dans laquelle sont enrobés les nanofils, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 2. Selon une caractéristique supplémentaire du procédé de l'invention, l'étape de formation de la première structure comprend : une étape de dépôt, sur la face de la matrice de photodétecteurs, de la couche de matériau apte à réfléchir ou absorber une lumière incidente, et une étape de gravure de la couche de matériau apte à réfléchir ou absorber une lumière incidente pour former les ouvertures pratiquée au niveau des photodétecteurs. Selon encore une autre caractéristique supplémentaire de l'invention, l'étape de formation de la deuxième structure comprend : une étape de dépôt, sur le substrat de type silicium sur isolant, d'une couche métallique, une étape de gravure de la couche métallique pour former un ensemble de plots métalliques répartis, sur le substrat de type silicium sur isolant, d'une façon sensiblement identique à la façon dont sont répartis les ouvertures sur la matrice de photodétecteurs, 6 û une étape de croissance de nanofils à partir des plots métalliques, û une étape de dépôt de la couche de matériau isolant sur le substrat de type silicium sur isolant de façon à enrober l'ensemble des nanofils, et û une étape de planarisation de la couche de matériau isolant pour supprimer les plots métalliques et rendre plane la surface de la couche de telle sorte que les nanofils affleurent ladite surface. L'invention concerne également un système d'imagerie 3D comprenant un élément apte à former une image en volume d'un objet tridimensionnel, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un dispositif d'imagerie 3D selon l'invention qui est placé au niveau de l'image en volume. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui va suivre, faite en référence aux figures jointes parmi lesquelles : - les figures 1-7 représentent des étapes successives du procédé de fabrication de dispositif d'imagerie 3D de l'invention ; et - la figure 8 illustre un fonctionnement du dispositif d'imagerie 3D de l'invention ; - la figure 9 représente un système d'imagerie 3D selon l'invention. Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments. 7 Exposé détaillé de modes de réalisation de l'invention La figure 1 représente une première étape du procédé de fabrication de dispositif d'imagerie 3D de l'invention. La première étape du procédé de fabrication consiste à déposer une couche 1 de matériau apte à réfléchir ou absorber une lumière incidente, par exemple une couche d'aluminium, sur une matrice M de photodétecteurs 2. Les photodétecteurs 2 sont, par exemple, des jonctions P/N formées dans du silicium, des dispositifs à transfert de charges plus connus sous l'appellation de dispositifs CCD (CCD pour « Charge Couple Devices »), des bolomètres, etc. L'épaisseur e de la couche 1 est, par exemple, égale à 100nm. La couche 1 est ensuite gravée, de façon connue en soi, pour former, au dessus de chaque photodétecteur 2, une ouverture 3 dont les dimensions sont, par exemple, égales à 150nm x 150nm (cf. figure 2). Une distance d, par exemple égale 5 pm, sépare les deux ouvertures formées au dessus de deux photodétecteurs voisins. Un premier dispositif Dl est alors constitué. Une troisième étape consiste à former un ensemble de plots métalliques sur un substrat de type silicium sur isolant, plus communément appelé substrat SOI (SOI pour «Silicon On Insulator »). La figure 3 illustre cette troisième étape. Une couche métallique, par exemple une couche d'or, est déposée sur un substrat SOI S formé par la superposition d'un substrat de silicium Si, d'une couche d'isolant SiO2 et d'une couche mince de silicium Si. La couche métallique est ensuite gravée, de façon connue en soi, pour former des 8 plots 4. Les plots 4 sont répartis à la surface du substrat SOI d'une façon sensiblement identique à celle avec laquelle sont réparties les ouvertures 3 pratiquées dans la couche d'aluminium à l'étape 2 précédente. Ainsi, deux plots voisins 4 sont-ils séparés, d'axe à axe (cf. figure 3), par une distance sensiblement égale à la distance d qui sépare, d'axe à axe, deux ouvertures voisines 3 (cf. figure 2). La section transversale d'un plot 4 est choisie pour s'inscrire dans la surface d'une ouverture. Ainsi, pour des ouvertures 3 de dimensions 150nm x 150nm, la section transversale d'un plot 4 est-elle, par exemple, égale à 100nm. Une étape de croissance de nanofils succède à la formation des plots 4 sur le substrat SOI. L'étape de croissance des nanofils s'effectue, de façon connue en soi, par un procédé VLS (VLS pour « Vapeur Liquide Solide »). La figure 4 illustre le résultat de l'étape de croissance des nanofils. La hauteur h des nanofils 5 est préférentiellement comprise entre 100nm et 100pm (par exemple, 50pm) et leur diamètre W préférentiellement compris entre 50nm et 3pm. Le matériau qui constitue les nanofils est, par exemple, de l'oxyde de Zinc (ZnO), ou du silicium (Si) , ou du nitrure de Gallium (GaN), etc. Une fois les nanofils réalisés, une couche 6 de matériau isolant, par exemple une couche de SiO2, est déposée sur la couche de silicium du substrat SOI (cf. Figure 5). La couche 6 est caractérisée par sa faible absorption dans la gamme de longueurs d'onde dans laquelle opère le système (typiquement un matériau de 9 type diélectrique). On entend par faible absorption un matériau dont la partie imaginaire de l'indice de réfraction est inférieur à 0,01. Les nanofils 5 sont alors enrobés dans la couche de matériau isolant 6. Un polissage mécano-chimique, ou planarisation, est effectué sur la couche 6 de façon à supprimer les plots 4 et à rendre plane la surface de la couche. Les extrémités des nanofils affleurent alors la surface de la couche 6. Un deuxième dispositif D2 est ainsi constitué. Les deux dispositifs Dl et D2 obtenus à l'issue des étapes décrites ci-dessus (cf. le dispositif représenté en figure 2 et le dispositif représenté en figure 5) sont ensuite assemblés de telle sorte que les extrémités des nanofils 5 qui affleurent la surface de la couche 6 sont placées en regard des ouvertures 3, un nanofil 5 étant sensiblement centré par rapport à une ouverture 3 (cf. figure 6). L'assemblage des dispositifs Dl et D2 s'effectue de façon connue en soi, par exemple à l'aide d'une colle transparente à la longueur d'onde utilisée. Le dispositif D3 qui résulte de l'assemblage des dispositifs Dl et D2 est ensuite gravé. Lors de cette gravure, le substrat SOI est supprimé et le bloc constitué par les nanofils 5 et la couche isolante 6 qui enrobe les nanofils est gravé sur N niveaux parallèles distincts, N étant un nombre entier préférentiellement compris entre 10 et 20 (le nombre entier N pouvant toutefois prendre toute autre valeur comprise entre 2 et 10 ou supérieure à 20, selon le besoin). Sur la figure 7, le nombre N de niveaux est, par exemple, égal à 4. Les N niveaux peuvent être 10 ou non uniformément répartis entre le premier niveau (niveau de rang 1) et le Nième niveau (niveau de rang N). Les N niveaux définissent N plans de détection parallèles distribués sur une profondeur égale, par exemple, à 500 pm. A titre d'exemple non limitatif, quatre plans parallèles P1, P2, P3, P4 sont représentés sur la figure 7. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, la hauteur des différents niveaux (i.e. la hauteur des nanofils) est distribuée de façon aléatoire. Le masque utilisé pour la gravure du dispositif D3 est alors conçu à cette fin. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, les photodétecteurs sont regroupés par blocs de photodétecteurs ou sous-matrices élémentaires. Une sous-matrice élémentaire comprend alors Nd photodétecteurs distribués sur P lignes et Q colonnes, P et Q étant des entiers supérieurs ou égaux à 2 (PxQ=Nd), Nd étant un nombre supérieur ou égal à N. Les hauteurs des Nd nano-fils associés aux Nd photodétecteurs de chaque sous-matrice élémentaire définissent alors les N plans de détection parallèles distincts. La figure 8 illustre un fonctionnement du dispositif d'imagerie représenté en figure 7. Un détecteur élémentaire du dispositif d'imagerie est constitué d'un photodétecteur 2 et du nanofil 5 situé directement au-dessus du photodétecteur 2. La couche 1 de matériau apte à réfléchir ou à absorber la lumière empêche que celle-ci n'atteigne directement les photodétecteurs. Ainsi, les photons ph qui atteignent 11 un photodétecteur 2 ne sont-ils que ceux qui se propagent dans le nanofil 5 situé directement au-dessus du photodétecteur 2 et qui participe au même détecteur élémentaire que le photodétecteur 2. Chaque nanofil 5 est ainsi un guide dans lequel se propage la lumière détectée. La longueur de ce guide (i.e. la hauteur du nano-fil) détermine un plan sur lequel est faite la coupe de l'image. Avant utilisation du dispositif d'imagerie, une étape de calibration durant laquelle est formée une image d'un objet de dimensions connues placé à une distance connue du dispositif d'imagerie permet avantageusement de déterminer la profondeur susceptible d'être détectée, photodétecteur par photodétecteur, par le dispositif d'imagerie de l'invention. Les résultats de la calibration peuvent avantageusement être mis en mémoire et utilisés, ultérieurement, pour déterminer la position d'un objet quelconque qui est imagé. Il a été constaté que, grâce aux nanofils, le dispositif d'imagerie de l'invention est très sélectif pour séparer les plans images. La figure 9 illustre un système d'imagerie 3D de l'invention. Le système d'imagerie I comprend un élément L apte à former une image I(Ob) d'un objet Ob et un dispositif d'imagerie Im conforme au dispositif de l'invention. L'élément L est, par exemple, une lentille. L'image I(Ob) est formée au niveau du dispositif d'imagerie Im selon différents plans objet. REVENDICATIONS1. Dispositif d'imagerie 3D comprenant une matrice (M) de photodétecteurs (2), caractérisé en ce qu'il comprend : une couche de matériau (1) fixée sur une face de la matrice de photodétecteurs, la couche de matériau (1) étant apte à réfléchir ou absorber une lumière qui est incidente sur la face de la matrice de photodétecteurs, une ouverture (3) étant pratiquée dans la couche de matériau fixée sur une face de la matrice de photodétecteurs au niveau de chaque photodétecteur (2), et une couche de matériau isolant (6) ayant une face fixée sur la couche de matériau (1) apte à réfléchir ou absorber une lumière, la couche de matériau isolant (6) enrobant, dans sa masse, un ensemble de nanofils (5), chaque nanofil (5) de l'ensemble de nanofils affleurant la face de la couche de matériau isolant et étant positionné verticalement par rapport à la face de la couche de matériau isolant, en regard d'une ouverture (3), les hauteurs des différents nanofils de l'ensemble de nanofils, prises par rapport à la face de la couche de matériau isolant, définissant N plans parallèles distincts, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 2. 2. Dispositif d'imagerie 3D selon la revendication 1, dans lequel les hauteurs des nanofils sont distribuées de façon aléatoire au-dessus de la face de la matrice de photodétecteurs. 13 3. Dispositif d'imagerie 3D selon la revendication 1, dans lequel les nanofils sont distribués au dessus de la face de la matrice de photodétecteurs de manière que Nd nanofils d'au moins un ensemble de Nd nanofils respectivement situés en regard de Nd ouvertures pratiquées au niveau de Nd photodétecteurs voisins formant une sous-matrice élémentaire de P lignes et Q colonnes, P et Q étant des entiers supérieurs ou égaux à 2 (P x Q = Nd), Nd étant un nombre supérieur ou égal à N, ont des hauteurs prises par rapport à la face de la matrice de photodétecteurs qui définissent les N plans parallèles distincts. 4. Dispositif d'imagerie 3D selon la revendication 3 et qui comprend au moins deux ensembles distincts de Nd nanofils, dans lequel les Nd nanofils de chaque ensemble de nanofils sont distribués selon un motif identique d'un ensemble de nanofils à l'autre. 5. Dispositif d'imagerie 3D selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la couche de matériau (1) apte à réfléchir ou absorber une lumière est une couche métallique. 6. Procédé de fabrication de dispositif d'imagerie 3D, caractérisé en ce qu'il comprend : û une étape de formation d'une première structure (Dl) constituée d'une matrice (M) de photodétecteurs (2) sur une face de laquelle est déposée une couche de matériau (1) apte à réfléchir ou absorber une lumière 14 incidente sur ladite face, une ouverture (3) étant pratiquée dans la couche de matériau au niveau de chaque photodétecteur (2), ù une étape de formation d'une deuxième structure (D2) constituée d'un substrat de type silicium sur isolant sur lequel sont fixés des nanofils (5) enrobés dans une couche de matériau électriquement isolant (6), les nanofils étant répartis sur le substrat de type silicium sur isolant de façon sensiblement identique à la façon dont sont répartis les ouvertures (3) pratiquées dans la couche de matériau (1) de la première structure (Dl) et affleurant une surface plane de la couche de matériau électriquement isolant (6), une étape de report de la deuxième structure (D2) sur la première structure (Dl) de sorte que les extrémités des nanofils qui affleurent la surface plane de la couche de matériau électriquement isolant soient placés en regard desdites ouvertures (3), et ù une étape de gravure du substrat de type silicium sur isolant et de la couche de matériau électriquement isolant dans laquelle sont enrobés les nanofils pour, tout d'abord, supprimer la couche de matériau électriquement isolant, puis, former N niveaux distincts de la couche de matériau électriquement isolant dans laquelle sont enrobés les nanofils, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 2. 7. Procédé de fabrication de dispositif d'imagerie 3D selon la revendication 6, dans lequell'étape de formation de la première structure (Dl) comprend : une étape de dépôt, sur la face de la matrice (M) de photodétecteurs (2), de la couche de matériau (1) apte à réfléchir ou absorber une lumière incidente, et une étape de gravure de la couche de matériau (1) apte à réfléchir ou absorber une lumière incidente pour former les ouvertures (3) pratiquée au niveau des photodétecteurs (2). 8. Procédé de fabrication de dispositif d'imagerie 3D selon la revendication 6 ou 7, dans lequel l'étape de formation de la deuxième structure (D2) comprend : une étape de dépôt, sur le substrat de type silicium sur isolant (S), d'une couche métallique, une étape de gravure de la couche métallique pour former un ensemble de plots métalliques (4) répartis, sur le substrat de type silicium sur isolant (S), d'une façon sensiblement identique à la façon dont sont répartis les ouvertures (3) sur la matrice de photodétecteurs, une étape de croissance de nanofils (5) à partir des plots métalliques (4), une étape de dépôt de la couche de matériau isolant (6) sur le substrat de type silicium sur isolant (S) de façon à enrober l'ensemble des nanofils (5), et une étape de planarisation de la couche de matériau isolant (6) pour supprimer les plots métalliques (5) 16 et rendre plane la surface de la couche (6) de telle sorte que les nanofils affleurent ladite surface. 9. Système d'imagerie 3D comprenant un élément apte à former une image en volume (I(ob)) d'un objet tridimensionnel (Ob), caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un dispositif d'imagerie 3D selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 placé au niveau de l'image en volume. 10. Système d'imagerie 3D selon la revendication 9 dans lequel l'élément apte à former une image en volume d'un objet tridimensionnel est une lentille.