INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Dispositif de détection d’un rayonnement électromagnétique et procédé de fabrication Le domaine de l’invention est celui des dispositifs de détection de rayonnement électromagnétique, en particulier infrarouge ou térahertz, comportant au moins un détecteur thermique, par exemple un micro-bolomètre, encapsulé dans une cavité. L’invention s’applique notamment au domaine de l’imagerie infrarouge ou térahertz, de la thermographie, de la détection de présence, voire de la détection de gaz.
ETAT DE LA TECHNIQUE Les dispositifs de détection de rayonnement électromagnétique, par exemple infrarouge ou térahertz, peuvent comprendre une matrice de détecteurs thermiques comportant chacun une membrane apte à absorber le rayonnement électromagnétique à détecter et contenant un transducteur thermométrique tel qu’un matériau thermistance. Pour assurer l’isolation thermique des transducteurs thermométriques vis-à-vis du substrat de lecture sur lequel sont fabriqués les détecteurs, les membranes absorbantes sont habituellement suspendues au-dessus du substrat par l’intermédiaire de piliers d’ancrage et sont isolées thermiquement de ceux-ci par des bras d’isolation thermique. Ces piliers d’ancrage et bras d’isolation thermique présentent également une fonction électrique en connectant les membranes absorbantes au circuit de lecture généralement disposé dans le substrat.
Pour assurer un fonctionnement optimal des détecteurs thermiques, un faible niveau de pression peut être requis. Pour cela, les détecteurs thermiques sont généralement confinés, ou encapsulés, seuls ou à plusieurs, dans au moins une cavité hermétique sous vide ou à pression réduite.
Parmi les différentes techniques utilisées pour encapsuler les détecteurs thermiques (intégration dans un boîtier hermétique, assemblage hermétique avec un deuxième substrat, confinement par dépôts de couches minces), une cavité hermétique délimitée avec le substrat de lecture par une structure d’encapsulation formée de couches minces est une technique particulièrement adaptée à la fabrication en grand volume et à faible coût de dispositifs de détection de rayonnement.
Le document FR2003858 décrit un exemple d’un tel procédé d’encapsulation pour la fabrication d’un dispositif de détection 1, illustré ici sur la , dont les détecteurs thermiques sont disposés dans une cavité 2 formée au sein d’une structure d’encapsulation sur le substrat de lecture 100. Le procédé utilise deux couches sacrificielles minérales pour réaliser successivement les détecteurs thermiques reliés aux piliers d’ancrage 21, puis la partie supérieure de la structure d’encapsulation. Ces couches sacrificielles sont ensuite supprimées par une gravure chimique en phase vapeur. La partie supérieure de la structure d’encapsulation est formée par une couche mince 23 dite d’encapsulation et par une couche mince 24 dite de scellement visant à obturer des évents 230 utilisés pour supprimer les couches sacrificielles. La couche d’encapsulation 23 s’étend ici continûment au-dessus des détecteurs thermiques et à la surface d’une portion non gravée de la deuxième couche sacrificielle. Elle s’étend continûment aussi dans des portions verticales pour former des piliers de support 22 de la structure d’encapsulation qui sont positionnés en appui sur les piliers d’ancrage 21. Une couche 3 électriquement isolante est en outre prévue entre les piliers d’ancrage 21 et les piliers de support 22, pour isoler électriquement les détecteurs thermiques supportés par les piliers d’ancrage 21.
Les piliers de support de la structure d’encapsulation ont notamment pour fonction de maintenir l’intégrité mécanique de la structure d’encapsulation qui est soumise aux forces de la pression atmosphérique extérieure à la cavité. Les piliers de support sont donc prévus pour supporter des efforts en compression. Un inconvénient de cette solution est que la couche à l’interface entre les piliers de support et les piliers d’ancrage ne présente pas une forte adhérence avec les piliers d’ancrage. En conséquence, si la structure d’encapsulation est soumise à une force de traction, les piliers de support peuvent se désolidariser des piliers d’ancrage. De telles forces de traction peuvent typiquement être induites par des contraintes mécaniques différentielles existant entre le substrat de lecture et la structure d’encapsulation.
Il subsiste donc un besoin de disposer d’un procédé de fabrication d’une structure d’encapsulation dont la tenue mécanique est améliorée. Un objectif de l’invention est de répondre à ce besoin.
En particulier, un objet de l’invention est un dispositif de détection permettant d’améliorer la tenue mécanique de la structure d’encapsulation, limitant notamment le risque de décollement entre des piliers de support de la structure d’encapsulation et des piliers d’ancrage supportant les détecteurs. Un autre objet de l’invention est un procédé de réalisation d’un tel dispositif.
RESUME Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un dispositif de détection d’un rayonnement électromagnétique, comprenant au moins un détecteur disposé au sein d’une cavité formée par une structure d’encapsulation, ladite structure d’encapsulation comprenant des piliers d’ancrage dont l’un au moins est relié à l’au moins un détecteur, et des piliers de support surmontant lesdits piliers d’ancrage.
Avantageusement, les piliers de support présentent une portion s’étendant sur au moins un flanc des piliers d’ancrage.
Cela permet d’augmenter la surface de contact des piliers de support avec la structure sous-jacente. La force d’adhésion est ainsi améliorée. Par ailleurs, les piliers de support sont au moins partiellement en contact direct avec les piliers d’ancrage, par l’intermédiaire de la portion s’étendant sur le flanc des piliers d’ancrage. Ce contact direct offre une force d’adhésion typiquement plus grande qu’un contact indirect via une couche d’isolation électrique intercalée entre les piliers d’ancrage et les piliers de support, comme divulguée par le document FR2003858. La tenue mécanique est encore améliorée.
Dans le cadre du développement de la présente invention, il a en effet été constaté que la couche d’isolation électrique, typiquement formée par un empilement de couches minces, pouvait se délaminer ou se détacher du pilier d’ancrage sous l’effet d’un effort de traction lié à la présence d’une contrainte mécanique différentielle entre le substrat de lecture et la structure d’encapsulation. Une délamination de la couche d’isolation est d’autant plus probable lorsque celle-ci comprend un grand nombre de couches de nature différente et de faibles épaisseurs.
Pour améliorer l’adhérence des couches entre elles et éviter la délamination, l’homme du métier pourrait envisager des solutions d’optimisation, par exemple en modifiant la nature des couches de la couche d’isolation, ou en améliorant la préparation des surfaces et/ou les procédés de dépôt de ces différentes couches. Ces solutions de routine sont typiquement accessibles à l’homme du métier. Elles restent cependant peu efficaces et n’ont pas été retenues dans le cadre de la présente invention.
La liaison originale entre les piliers d’ancrage et les piliers de support selon l’invention permet ainsi avantageusement d’améliorer significativement la tenue mécanique de la structure d’encapsulation du dispositif de détection d’un rayonnement électromagnétique.
Un autre aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un tel dispositif de détection d’un rayonnement électromagnétique, comprenant : Fournir un substrat, Former une première couche sacrificielle sur ledit substrat, Former les piliers d’ancrage au travers de ladite première couche sacrificielle, Disposer au moins un détecteur au-dessus de la première couche sacrificielle et former une liaison entre l’au moins un détecteur et au moins un pilier d’ancrage parmi les piliers d’ancrage, Former une deuxième couche sacrificielle sur la première couche sacrificielle, sur l’au moins un détecteur et sur les piliers d’ancrage, Former une deuxième ouverture dans ladite deuxième couche sacrificielle au-dessus des piliers d’ancrage, ladite deuxième ouverture s’étendant sur au moins un flanc des piliers d’ancrage, et s’étendant de préférence dans la première couche sacrificielle, Remplir ladite deuxième ouverture par au moins un matériau de remplissage de façon à former les piliers de support surmontant les piliers d’ancrage, Former une couche d’encapsulation en un matériau d’encapsulation sur la deuxième couche sacrificielle et au moins en partie sur les piliers de support, Former au moins un évent au sein de la couche d’encapsulation, ledit évent débouchant sur la deuxième couche sacrificielle, Retirer les deuxième et première couches sacrificielles à travers l’au moins un évent, de façon à former une cavité autour de l’au moins un détecteur, Former une couche de scellement en un matériau de scellement sur la couche d’encapsulation de façon à boucher l’au moins un évent, et de préférence de façon à rendre la cavité hermétique.
En outre, les modes de réalisation et variantes envisagés peuvent être combinés pour générer de nouveaux modes de réalisation de l’invention sans sortir du cadre de l’invention.
Dans tout ce document, de préférence, par « mode de configuration », on entend un mode de fonctionnement de l’installation 100 durant lequel un utilisateur ou un installateur effectue des étapes de réglage et/ou des étapes de configuration de l’installation 100. Ces étapes comprennent avantageusement des enregistrements de paramètres de fonctionnement de l’installation 100.
Dans tout ce document, de préférence, par « mode de commande », on entend un mode de fonctionnement habituel de l’installation 100, autrement dit d’usage de l’installation 100. Dans un tel mode, l’installation 100 fonctionne automatiquement et/ou en réaction à des ordres de commande émanant d’utilisateurs.
Ces modes de configuration et de commande sont, de préférence, exclusifs l’un de l’autre.
Sur la et dans la description associée à cette figure, les différentes étapes du procédé de fonctionnement sont présentées dans un certain ordre. Cet ordre est un exemple et de nombreux autres enchaînements d’étapes ordonnées de manières différentes définissant autant de variantes peuvent être mis en œuvre. La seule limite réside dans le fait que certaines étapes doivent être ordonnées chronologiquement lorsqu’une deuxième étape exploite le résultat d’une première étape.
Les murs réfléchissants périphériques 113 forment par exemple, dans ce cas, des miroirs de Bragg. Bien que deux couches 901 et 903 aient été illustrées en figures 9A et 9B, un empilement comprenant un nombre supérieur à deux couches électriquement isolantes d’indices de réfraction différents peut, à titre de variante, être prévu.
La illustre en outre une étape ultérieure de formation de masques 905 revêtant les parties des couches 901 et 903 situées entre les régions transparentes 111. À titre d’exemple, une couche métallique, par exemple en tungstène, est d’abord déposée du côté de la face supérieure de la structure, la couche métallique revêtant la face supérieure des régions transparentes 111 et les parties des couches 901 et 903 situées entre les régions transparentes 111. La couche métallique est par exemple ensuite structurée, par exemple par photolithographie puis gravure, de sorte à former les masques 905. À titre de variante, les masques 905 peuvent être formés avant le dépôt des couches 901 et 903. Dans ce cas, les masques 905 revêtent par exemple le fond des tranchées 707.
Les masques 905 permettent d’éviter des phénomènes de diaphotie entre les pixels 105 du capteur d’images 103 ainsi que des couplages et résonances parasites.
Une étape optionnelle de réalisation des microlentilles 119 peut en outre être prévue par la suite.
Les et sont des vues en coupe illustrant, de façon schématique et partielle, des étapes successives d’un exemple d’un procédé de fabrication du filtre optique 501 des figures 5A et 5B selon un mode de réalisation.
La illustre plus précisément une structure obtenue à l’issue d’une étape de structuration, par exemple par photolithographie puis gravure, de la couche 703 de la structure précédemment décrite en relation avec la de sorte à former les plots 117 du filtre optique 501.
Dans l’exemple représenté, les parties de la couche 703 qui s’étendent latéralement entre les plots 117 sont totalement éliminées lors de l’étape de gravure. À titre de variante, des parties de la couche 703 s’étendant latéralement entre les plots 117 et présentant une épaisseur inférieure à celle des plots 117 peuvent être conservées à l’issue de la gravure.
La illustre plus précisément une structure obtenue à l’issue d’une étape de formation des régions transparentes 111 entourant les plots 117.
À titre d’exemple, une couche transparente en le même matériau que celui de la couche 701 est d’abord déposée du côté de la face supérieure de la structure, la couche transparente revêtant par exemple les plots 117 et des parties de la face supérieure de la couche 701 non revêtues par les plots 117. Les couches transparentes sont par exemple ensuite structurées, par exemple par photolithographie puis gravure, de sorte à former les régions transparentes 111.
Dans l’exemple représenté, les régions transparentes 111 sont séparées latéralement par des tranchées 707.
Des étapes ultérieures de formation des murs réfléchissants périphériques 113, par exemple analogues à celles précédemment décrites en relation avec la , sont par exemple mises en œuvre.
Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, les plots 117 des filtres optiques 501 et 601 précédemment décrits en relation avec les figures 5A, 5B et 6 peuvent être remplacés par des éléments résonnants 115 identiques ou analogues à ceux du filtre optique 401 précédemment décrits en relation avec la , par exemple des éléments résonnants 115 comprenant une partie de la région transparente 111 située à l’intérieur d’une ouverture traversante formée dans une couche transparente d’indice de réfraction supérieur à celui de la région 111.
Par ailleurs, la personne du métier est capable d’adapter le procédé précédemment décrit en relation avec les figures 7A et 7C pour réaliser le filtre 301 de la en intercalant, entre les couches 701 et 703, une couche présentant par exemple une épaisseur inférieure à celle de la couche 703, cette couche servant par exemple de couche d’arrêt de gravure lors de l’étape décrite en relation avec la . La personne du métier est en outre capable d’adapter le procédé précédemment décrit en relation avec les figures 7A et 7C pour réaliser le filtre 401 de la , notamment en gravant la couche 703, à l’étape décrite en relation avec la , de sorte à former les ouvertures 403.
La personne du métier est par ailleurs capable de réaliser les murs réfléchissants périphériques 113 des filtres 101, 201, 301, 401, 501 et 601 selon l’une des variantes décrites en relation avec les figures 7C, 8, 9A et 9B à partir des indications de la présente description.
Enfin, la mise en œuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. En particulier, la personne du métier est notamment capable d’adapter la largeur L de chaque cavité résonnante 109 et les dimensions latérales D des éléments résonnants 115 en fonction de la plage de longueurs d’onde souhaitée, par exemple à l’aide d’outils informatiques de simulation optique.
Selon un exemple, le remplissage de la deuxième ouverture est effectué avant la formation de la couche d’encapsulation, par un matériau de remplissage différent du matériau d’encapsulation. Cela permet de choisir un matériau de remplissage en fonction de ses propriétés d’adhérence, indépendamment de ses propriétés optiques.
Selon un exemple, le matériau de remplissage est choisi identique ou à base du matériau des piliers d’ancrage.
Sauf incompatibilité, il est entendu que l’ensemble des caractéristiques optionnelles ci-dessus peuvent être combinées de façon à former un mode de réalisation qui n’est pas nécessairement illustré ou décrit. Un tel mode de réalisation n’est évidemment pas exclu de l’invention. Les caractéristiques et les avantages d’un aspect de l’invention, par exemple le dispositif ou le procédé, peuvent être adaptés mutatis mutandis à l’autre aspect de l’invention .
L’invention porte d’une manière générale sur un dispositif de détection de rayonnement électromagnétique adapté à détecter un rayonnement infrarouge ou térahertz, et un procédé de fabrication d’un tel dispositif. Le dispositif de détection comporte au moins un détecteur, de préférence une matrice de détecteurs thermiques situés dans une cavité hermétique. La matrice de détecteurs thermiques forme un réseau de préférence périodique. Chacun des détecteurs thermiques est un détecteur optiquement sensible, et forme un pixel de détection adapté à détecter le rayonnement électromagnétique d’intérêt.
Dans le cadre de la présente invention, la cavité est délimitée dans sa partie inférieure par le substrat de lecture et dans sa partie supérieure par une structure d’encapsulation qui comporte une ou plusieurs couches minces transparentes au rayonnement électromagnétique à détecter, dont notamment une couche mince d’encapsulation et une couche mince de scellement des évents. La structure d’encapsulation comprend en outre des piliers d’ancrage et des piliers de support surmontant les piliers d’ancrage, l’ensemble de ces piliers permettant de soutenir les couches supérieures de la structure d’encapsulation.
La cavité est en outre délimitée latéralement par une paroi périphérique qui s’étend continûment autour de la matrice de détecteurs thermiques. Comme explicité plus loin, la paroi périphérique correspond typiquement à une portion non gravée des couches sacrificielles.
Par couche mince, on entend une couche formée par les techniques de dépôt de matériau de la microélectronique, dont l’épaisseur est de préférence inférieure ou égale à 10 μm. Par ailleurs, une couche mince est dite transparente lorsqu’elle présente un coefficient de transmission supérieur ou égal à 50%, de préférence à 75%, voire à 90% pour une longueur d’onde centrale de la gamme spectrale du rayonnement électromagnétique à détecter.
On entend par un substrat, un film, une couche, « à base » d’un matériau A, un substrat, un film, une couche comprenant ce matériau A uniquement ou ce matériau A et éventuellement d’autres matériaux, par exemple des éléments dopants ou des éléments d’alliage.
On entend par « gravure sélective vis-à-vis de » ou « gravure présentant une sélectivité vis-à-vis de » une gravure configurée pour enlever un matériau A ou une couche A vis-à-vis d’un matériau B ou d’une couche B, et présentant une vitesse de gravure du matériau A supérieure à la vitesse de gravure du matériau B. La sélectivité est le rapport entre la vitesse de gravure du matériau A sur la vitesse de gravure du matériau B. Elle est notée S A:B . Une sélectivité S A:B de 10:1 signifie que la vitesse de gravure du matériau A est 10 fois supérieure à la vitesse de gravure du matériau B.
Dans la présente demande de brevet, on parlera préférentiellement d’épaisseur pour une couche ou un film, et de hauteur pour un dispositif ou une structure. L’épaisseur est prise selon une direction normale au plan d’extension principal de la couche ou du film. Ainsi, une couche ou un film présente typiquement une épaisseur selon z. La structure d’encapsulation ou les piliers présentent une hauteur selon z. Les termes relatifs « sur », « surmonte », « sous », « sous-jacent » se réfèrent à des positions prises selon la direction z. Une dimension « latérale » correspond à une dimension selon une direction du plan xy. On entend par une extension « latérale » ou « latéralement », une extension selon une ou des directions du plan xy.
Les figures 14A, 14B illustrent en coupes un mode de réalisation comprenant uniquement la formation de la deuxième ouverture, sans formation préalable d’une première ouverture. Dans ce mode de réalisation, la structure intermédiaire n’est pas gravée. La deuxième ouverture passe en pourtour du débord 31 lors de la gravure anisotrope, puis sous le débord 31 lors de la gravure isotrope, pour arriver au contact du flanc 210 du pilier d’ancrage. Pour faciliter l’extension de la deuxième ouverture sous le débord 31, la largeur du débord 31 selon y est réduite lors de la formation de la structure intermédiaire. Dans ce mode de réalisation, le débord 31 forme un surplomb vis-à-vis du flanc 210 du pilier d’ancrage 21, sur une distance latérale de préférence comprise entre 0,2 µm et 0,3 µm. Pour former la deuxième ouverture 200, un motif d’ouverture comprenant une première extension latérale 200a et/ou une deuxième extension latérale 200b, tel qu’illustré à la , est typiquement utilisé. Ces extensions latérales 200a et/ou 200b s’étendent au-delà du périmètre du ou des débords 31a, 31b, directement au-dessus de la première couche sacrificielle.
Une étape de gravure anisotrope selon z permet de graver la deuxième couche sacrificielle sur la totalité de son épaisseur, sélectivement aux matériaux de la structure intermédiaire, et de graver dans le prolongement une partie seulement de l’épaisseur de la première couche sacrificielle, typiquement sur une profondeur comprise entre 200 nm et 800 nm.
A l’issue de la gravure anisotrope par RIE, la portion gravée de la première couche sacrificielle est alignée à l’aplomb du périmètre extérieur du débord de la structure intermédiaire. Cette portion gravée est donc séparée du flanc du pilier d’ancrage d’une distance approximative de 0,2 µm à 0,3 µm correspondant au surplomb que forme le débord avec le flanc du pilier d’ancrage. Une gravure isotrope, typiquement par voie humide, est ici prévue de telle manière à ce que la deuxième ouverture s’étende sous la face inférieure du débord sur une distance au moins égale à la distance qui sépare le front de gravure anisotrope du flanc du pilier d’ancrage. Cela peut être obtenu en ajustant le temps de la gravure humide. Il est avantageux de prévoir un temps de gravure supplémentaire de manière à dégager une surface plus importante du flanc du pilier d’ancrage. Cela permet de former un contact direct plus étendu entre le pilier de support et le pilier d’ancrage.
Ce mode de réalisation économise au moins une étape de procédé dédiée à la formation de la première ouverture. Néanmoins, le pilier de support n’est pas en contact avec la face supérieure du pilier d’ancrage dans ce mode de réalisation. Dans cet exemple, la portion 220 du pilier de support 22 comprend une première partie 220a passant autour du débord 31, et une deuxième partie 220b sous le débord 31. Seule la deuxième partie 220b est au contact du flanc 210 du pilier d’ancrage 21. La première partie 220a présente une première dimension La selon y, et la deuxième partie 220b présente une deuxième dimension Lb selon y strictement supérieure à la première dimension La. Cela permet de former une butée pour la portion 220 contre le débord 31. La tenue mécanique en traction du pilier de support 22 sur le pilier d’ancrage 21 est améliorée.
Au vu de la description qui précède, il apparaît clairement que le dispositif et le procédé proposés offrent une solution particulièrement efficace pour améliorer l’adhérence des piliers de support de la structure d’encapsulation par contact direct avec les piliers d’ancrage. Ce contact entre piliers massifs permet d’améliorer nettement la solidité mécanique de la structure d’encapsulation. Les piliers de support peuvent également avantageusement venir en butée contre une face inférieure du débord de la structure intermédiaire, pour améliorer la tenue en traction de la structure d’encapsulation.