EP2174104A1 - Dispositif de détection bispectrale et détecteur bispectral comportant un tel dispositif - Google Patents

Dispositif de détection bispectrale et détecteur bispectral comportant un tel dispositif

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EP2174104A1
EP2174104A1 EP08806060A EP08806060A EP2174104A1 EP 2174104 A1 EP2174104 A1 EP 2174104A1 EP 08806060 A EP08806060 A EP 08806060A EP 08806060 A EP08806060 A EP 08806060A EP 2174104 A1 EP2174104 A1 EP 2174104A1
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EP
European Patent Office
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bispectral
matrix
radiation
substrate
detector
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Withdrawn
Application number
EP08806060A
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German (de)
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Inventor
Jean-Louis Ouvrier-Buffet
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
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    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
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    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0806—Focusing or collimating elements, e.g. lenses or concave mirrors

Definitions

  • the present invention relates to the field of bispectral imaging, and more particularly infrared imaging and visible imaging respectively performed using a matrix of bolometric elements and a matrix of photoelectric elements.
  • bispectral detection in these two spectral bands is usually performed by means of two sensors. Each sensor is dedicated to a particular type of radiation and is placed in a specific optical channel.
  • this type of bispectral detector requires adjustment of the optical centers and axes of the two optical channels to ensure that the sensors are observing the same scene.
  • spatial harmonization This type of adjustment, referred to as “spatial harmonization”, is usually tricky. In addition, it needs to be reiterated regularly due to vibration or shock experienced by the detector, which misalign the optical pathways.
  • a bispectral detector has been designed in which a matrix of photoelectric elements is positioned below a matrix of bolometric microbonts, so as to form a matrix of bispectral detection elements.
  • a matrix of photoelectric elements is positioned below a matrix of bolometric microbonts, so as to form a matrix of bispectral detection elements.
  • Such a detector is for example described in US 6,320,189.
  • This detector of which a bispectral detection element is illustrated in FIG. 1, comprises a CMOS or CCD type multiplexing circuit 1, formed in a substrate, an insulating layer 2 covering the circuit 1, and a bolometric microbridge 4 for the detection infrared radiation.
  • the microbridge 4 comprises a thin bolometric layer 9, made absorbent to infrared radiation, electrodes 7, extended by heat-insulating arms 8, and supports 5 of the layer 9 and electrodes 5, providing support for these as well as the electrical connection of the electrodes 7 to the multiplexing circuit 1 via metal connections 6.
  • a reflective layer 3 is also provided below the layer 9, so as to form therewith a quarter-wave plate, increasing the sensitivity of the bolometric detector to infrared radiation.
  • the thin bolometric layer 9, the electrodes 7, the reflecting layer 3 and the insulating layer 2 are made of materials at least partially transparent to the visible radiation so as to let a portion of this radiation pass through so that it can be detected by the photoelectric element 10.
  • the detector thus formed is placed in the focal plane of an optic, with the microbreaks 4 placed on the optical side.
  • Radiation comprising an infrared component (IR) and a visible component (VIS) and incident, via the optics, on the detector on the side of the microbridge 4, then sees its IR component captured by it, while the part of the component VIS, which has managed to penetrate to the photoelectric element 10, is captured by the latter.
  • IR infrared component
  • VIS visible component
  • this type of superimposed matrix detector requires quality optics, and therefore expensive, to be able to have a focus of infrared and visible radiation in the restricted area of the space that contains the two matrices.
  • the object of the present invention is to solve the aforementioned problems by providing a bispectral detector that does not require an optical channel for each type of detection, while guaranteeing optimum efficiency and resolution for each type of detection.
  • the subject of the invention is a bispectral detection device, in particular an infrared radiation and a visible radiation, comprising:
  • bolometric microponts sensitive to infrared radiation
  • the bolometric microbonts being suspended above a first face of the substrate via support and connection arms
  • a matrix of photoelectric elements produced within the substrate and sensitive to visible radiation, the bolometric microbonts and the photoelectric elements being superimposed.
  • the portion of the substrate between the matrix of photoelectric elements and a second face of the substrate, opposite the first face thereof, is thinned so that the photoelectric elements are able to detect incident visible radiation. on the second side.
  • the detection of the visible is made possible by the rear face of the device.
  • the visible radiation therefore does not cross the constituent materials of the bolometric detector and is not attenuated by them before being detected. In addition, it can no longer be caused by a parasitic heating of the bolometric detector.
  • the device comprises one or more of the following characteristics:
  • the thickness of said thinned portion of the substrate is about 15 micrometers
  • the substrate comprises a matrix of microlenses arranged on the second face of the substrate, each microlens being arranged opposite a photoelectric element, it comprises an encapsulation box in which at least the substrate and the detection matrices are encapsulated respectively infrared radiation and visible radiation, each of whose faces opposite a matrix is transparent at least to the radiation to which the matrix is sensitive, said face comprising a radiation selection filter to which the matrix is sensitive;
  • the internal space of the encapsulation box is placed under vacuum or under a controlled atmosphere which is not very conducive to heat, and
  • the invention also relates to a bispectral detector for magnetic radiation, which according to the invention comprises: a device of the aforementioned type, and
  • optical means capable of directing and focusing on a matrix of the device at least a portion of a radiation incident on the side of the other matrix of the device.
  • the two faces detect, for each point of the observed scene, the visible and infrared components from this point. It therefore has only one optical channel for two distinct detections, which confers on the device the spatiotemporal coherence. Moreover, it becomes possible to use an optical focusing system for each matrix, and thus to define two distinct focusing planes.
  • the detector comprises one or more of the following characteristics:
  • the optical means comprise a concave mirror, the matrix being arranged in a focal plane of the concave mirror;
  • the detector comprises means for adjusting the position of the matrix;
  • the detector comprises means for selecting the electromagnetic radiation to which the matrix is sensitive, said means being placed on an optical path towards it;
  • the optical means form the bottom of a general housing in which the above-mentioned detection device is placed, the top of the housing being at least partially transparent to the infrared radiation and at least partially transparent to the visible radiation, and advantageously, the top of the housing comprises an optical focusing of the radiation which is sensitive to one of the matrices, arranged in relation thereto, and, juxtaposed with the optics, a radiation selection filter which is sensitive to the matrix, arranged opposite the optical means of focusing • the interior of the housing is placed under vacuum or under a controlled atmosphere with little heat conductivity.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a bispectral detection element of the state of the art, already described in the preamble of the description;
  • FIG. 2 is a diagrammatic sectional view of a first embodiment of the bispectral sensor according to the invention
  • FIG. 3 is a diagrammatic sectional view of a bispectral detector according to the invention including the sensor of FIG. 2
  • 4 is a diagrammatic sectional view of a second embodiment of the bispectral sensor according to the invention
  • FIGS. 5 to 11 illustrate a method of manufacturing the bispectral sensor according to the invention.
  • This sensor 20 comprises a monolithic silicon substrate 21, in which a CMOS or CCD type multiplexing circuit is produced, an insulating layer 22 covering the circuit 21, and a bolometric microbridge array 23, 24 for the detection of infrared radiation.
  • Each micropont 23, 24 comprises a thin bolometric element 25, 26, made absorbent to infrared radiation, electrodes 27, 28 extended by heat-insulating arms 28, 29, the whole being embedded in an insulating layer.
  • Each micropont 23, 24 also comprises supports 31, 32 of the bolometric element 25, 26, electrodes 27, 28, arms 28, 29 and insulating layer 30, the supports 31, 32 suspending these different elements above substrate 21.
  • the supports 31, 32 also perform the electrical connection of the electrodes 27, 28 to terminals 33, 34 of the multiplexing circuit formed in the substrate 21, via metal connections 35, 36 passing through the insulating layer 22.
  • a reflective layer 37, 38 is also formed below each bolometric element 25, 26, so as to form therewith a quarter wave plate, increasing, in known manner, the sensitivity of the bolometric detector to infrared radiation.
  • the bolometric microbridge matrix 25, 26 is superimposed on a matrix of photoelectric elements 39, 40, sensitive to visible radiation, for example a matrix of photodiodes or a matrix of phototransistors.
  • This matrix of photosensitive components is made in the mass of the substrate 21.
  • the array of photoelectric elements 39, 40 comprises, for each micropont 25, 26, a photoelectric element placed below it and in contact with a metal connection 41, 42 making its connection to the multiplexing circuit.
  • the multiplexing circuit formed in the substrate 21 performs the functions of reading the microbridge and photoelectric element arrays, as is the case of the detector of the document US 6,320,189.
  • the portion of substrate 43 located between the photoelectric elements 39, 40 and the face of the substrate 44, opposite to the face 45 on which the microbridget matrix 25, 26 is formed, is thinned to a thickness h.
  • this thickness h is 15 microns or less.
  • the matrix of photoelectric elements 39, 40, the electrical connections 41, 42 thereof, the multiplexing circuit in the substrate 21 and the substrate portion 43 thus form a type of visible sensor with "backlighting" (" Back illuminated sensor ", the effectiveness of which has been demonstrated in numerous documents, for example the document” X-UV imaging with backside illuminated CCDs in laser-matter interaction experiments "by A. Mens et al, J. Optics, 1993, vol. 24, No. 3, pages 129-134, or the document “Sub-fish statistics observed in an electronically shuttered and back illuminated CCD pixel", by RK Reich, IEEE Transactions on electon device, vol.44, No. 1, January 1997.
  • the senor 20 further comprises a matrix of micro lenses 46, 47, comprising, for each photoelectric element 39, 40, a microlens arranged on the face 44 of the substrate 21 facing the photoelectric element.
  • This micro lens has the effect of concentrating on the photoelectric element visible radiation illuminating it. This compensates for the reduction in the sensitive area of the element resulting from the presence of complex addressing electronics in the substrate, for reading the microbridge and photosensitive element arrays. The filling factor associated with the detection of visible radiation is thus improved.
  • the surface of the micro lens array 46, 47 is covered with a filter layer for selecting the visible spectrum of incident radiation thereon.
  • the constituent materials of the bolometric microbridge matrix are optimally chosen for the detection of infrared radiation, without taking into account the visible detection.
  • FIG. 3 an uncooled detector 60 incorporating the bispectral sensor 20 according to the invention is illustrated.
  • the detector 60 comprises a general housing 61 whose bottom 62 is formed of a concave mirror 63 covered with a metal layer.
  • the side walls 64 are covered with an absorbent coating 65 , for example black, to avoid parasitic reflections
  • the bispectral sensor 20 is in turn arranged in the housing 61 with the matrix of microbonts bo Io metric opposite the concave mirror 63 and in a focal plane thereof.
  • the sensor 20 is mechanically held in place by means of support arms 66, performing the optical centering of the bolometric microbridge matrix in the focal plane of the mirror 63, the damping of vibrations to which the housing 61 is subjected, the thermalization of the matrix of bolometric microbonts, as well as an electrical connection 73 to the outside
  • the support arms 66 comprise a self-focusing system resting on a piezoelectric element 67 supplied with voltage, thus making it possible to adjust the position of the microbridge matrix so that it substantially coincides with the focal plane of the concave mirror 63.
  • the detector 60 further comprises an optic 68 hermetically embedded in an infrared filter 69, which hermetically closes the housing 61.
  • the optics 68 has the function of focusing the visible component of a radiation on the matrix of photoelectric elements of the sensor 20.
  • the internal space 70 of the housing 61 is placed under vacuum, or under a non-heat-conductive controlled atmosphere, to thermally isolate the bolometric microbridge matrix. This matrix is therefore heated substantially only by infrared radiation illuminating it.
  • the housing optionally comprises a getter formed of a substance introduced into the internal space 70 in order to accentuate the vacuum by a chemical or physical action on the residual gases in the space 70
  • the detector 60 is illuminated by a scene to be observed.
  • the visible component of the scene is then focused by the optics 60 on the plane of the matrix of photoelectric elements of the bispectral sensor 20, which detects this component due to the thinned layer of substrate.
  • the infrared component of the observed scene is selected by the infrared filter 60 and passes through the housing 69.
  • the infrared component is then redirected and focused by the concave mirror 63 on the plane of the bolometric microbridge matrix of the bispectral sensor 20.
  • the bispectral detection is thus performed by lighting both sides of the sensor 20, each face thereof being dedicated to a specific type of radiation.
  • the system can be reversed to have the matrix of photosensitive elements facing the mirror.
  • optical system associated with the detection of visible radiation optical 68
  • optical system associated with the detection of infrared radiation infrared filter 69 and concave mirror 63
  • FIG. 4 a second embodiment of the bispectral sensor according to the invention is illustrated.
  • This embodiment is identical to the bispectral sensor 20 described in connection with Figure 2 except that it further comprises a sealed housing 80 in which is encapsulated the sensor 20, said housing "encapsulation”.
  • the face 81 of the encapsulation casing 80 opposite the bolometric microbridge matrix comprises an infrared filter 82, while the face 83 of the casing 80 facing the matrix of photoelectric elements comprises a visible filter 84.
  • These filters 82, 84 are optimized by finding a compromise between transparency and selectivity.
  • the inner space 85, 86 of the housing 80 is also placed under vacuum, or under a controlled atmosphere of a low heat-conducting gas, such as a heavy gas such as xenon (Xe) for example.
  • a low heat-conducting gas such as a heavy gas such as xenon (Xe) for example.
  • the internal space 85, 86 optionally includes a getter.
  • electrical connections 87, 88 are also provided in the housing 80 to connect the sensor 20 with external circuits to the housing 80.
  • the advantage of the second embodiment is to provide a mfrarouge / visible bispectral sensor that is adaptable in many detectors. Indeed, it is not then necessary to provide a detector housing 61 in which a vacuum is formed, or even radiation selection filters, the vacuum and the radiation selection being already made.
  • FIGS. 5 to 11 illustrate a method of manufacturing the bispectral detector according to the invention
  • This process consists.
  • insulating material 108 depositing (by CVD) an insulating material 108, then depositing (by sputtering, thermal decomposition or plasma) and etching (by chemical etching or by plasma) a metal layer 109 of 50 to 100 angstroms, preferably titanium nitride (TiN), so as to form the electrodes to be deposited (by cathodic sputtering, thermal decomposition or plasma) and etched (by chemical etching or plasma) metallizations 110 so as to form the elements supporting and connecting the microbridge with the multiplexing circuit formed in the substrate 100; depositing (by CVD) an additional layer of insulating material 111 and making contact openings subsequently allowing contact between the metallizations 110 and the material 113;
  • amorphous or polycritical semiconductor material 113 Si, Ge, SiC, ⁇ -SiC: H, a-SiGe: H or ferrite
  • amorphous or polycritical semiconductor material 113 Si, Ge, SiC, ⁇ -SiC: H, a-SiGe: H or ferrite
  • the metallizations and electrical connections are made by deposition and etching of layers, of thickness ranging from about 0.005 micrometer to about 1 micrometer, of at least one of the following materials: titanium (Ti), titanium nitride (TiN) ), platinum (Pt), aluminum (Al), palladium (Pd), nickel (Ni), nickel and chromium alloy (NiCr), tungsten alloy and silicon (WSi).

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de détection bispectrale (20; 80), notamment d'un rayonnement infrarouge et d'un rayonnement visible, comprenant : ' un substrat monolithique (21); ' une matrice de microponts bo Io métriques (23, 24) sensibles au rayonnement infrarouge, les microponts bolométriques (23, 24) étant suspendus au dessus d'une première face (45) du substrat par l'intermédiaire de bras de support et de connexion (31, 32); et ' une matrice d'éléments photoélectriques (39, 40) formés dans le substrat (21) et sensibles au rayonnement visible, les microponts bolométriques (23, 24) et les éléments photoélectriques (39, 40) étant superposés, Selon l'invention, la portion de substrat (43) comprise entre la matrice d'éléments photoélectriques (39, 40) et une seconde face (44) du substrat, opposée à la première face (45) de celui-ci, est amincie de sorte que les éléments photoélectriques (39, 40) sont aptes à détecter un rayonnement visible incident sur la seconde face (44).

Description

DISPOSITIF DE DÉTECTION BISPECTRALE ET DÉTECTEUR BISPECTRAL COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine de l'imagerie bispectrale, et plus particulièrement l'imagerie infrarouge et l'imagerie visible respectivement réalisées au moyen d'une matrice d'éléments bolométriques et d'une matrice d'éléments photoélectriques.
ETAT ANTÉRIEURDE LA TECHNIQUE
Du fait de l'inexistence d'un matériau capable de détecter de manière efficace à la fois un rayonnement infrarouge et un rayonnement visible, la détection bispectrale dans ces deux bandes spectrales est usuellement réalisée au moyen de deux capteurs. Chaque capteur est dédié à un type de rayonnement particulier et est placé dans une voie optique spécifique.
De fait, ce type de détecteur bispectral nécessite un réglage des centres et axes optiques des deux voies optiques pour s'assurer que les capteurs observent la même scène.
Ce type de réglage, désigné sous l'expression d'« harmonisation spatiale », est généralement délicat. En outre, il nécessite d'être réitéré régulièrement en raison de vibrations ou de chocs subis par le détecteur, qui désalignent les voies optiques.
Pour pallier cet inconvénient, il a été conçu un détecteur bispectral dans lequel une matrice d'éléments photoélectriques est positionnée en dessous d'une matrice de microponts bolométriques, de manière à former une matrice d'éléments de détection bispectraux. Un tel détecteur est par exemple décrit dans le document US 6 320 189.
Ce détecteur, dont un élément de détection bispectral est illustré à la figure 1, comprend un circuit de multiplexage 1 du type CMOS ou CCD, formé dans un substrat, une couche isolante 2 recouvrant le circuit 1, et un micropont bolométrique 4 pour la détection du rayonnement infrarouge. Le micropont 4 comprend une couche bolométrique mince 9, rendue absorbante au rayonnement infrarouge, des électrodes 7, prolongées par des bras 8 d'isolation thermique, et des supports 5 de la couche 9 et des électrodes 5, assurant le support de ceux-ci ainsi que la connexion électrique des électrodes 7 au circuit de multiplexage 1 via des connexions métalliques 6.
Une couche réfléchissante 3 est également prévue en dessous de la couche 9, de manière à former avec celle-ci une lame quart-d'onde, augmentant la sensibilité du détecteur bolométrique au rayonnement infrarouge.
Un élément photoélectrique 10, sensible au rayonnement visible, comme par exemple une photodiode ou un phototransistor, est par ailleurs formé dans le substrat du circuit de multiplexage 1 et placé sous le micropont 4.
La couche bolométrique mince 9, les électrodes 7, la couche réfléchissante 3 et la couche d'isolation 2 sont réalisées en des matériaux au moins partiellement transparents au rayonnement visible de manière à laisser passer une partie de ce rayonnement pour qu'il soit détecté par l'élément photoélectrique 10.
Le détecteur ainsi formé est placé dans le plan focal d'une optique, avec les microponts 4 placé du côté de l'optique.
Un rayonnement comportant une composante infrarouge (IR) et une composante visible (VIS) et incident, via l'optique, sur le détecteur du côté du micropont 4, voit alors sa composante IR captée par celui-ci, alors que la partie de la composante VIS, qui a réussi à pénétrer jusqu'à l'élément photoélectrique 10, est captée par ce dernier.
Ainsi, pour ce type de détecteur bispectral, une seule voie optique est nécessaire et on évite donc toutes les difficultés liées à l'harmonisation spatiale.
Toutefois, ce type de détecteur souffre de défauts intrinsèques qui nuisent à la qualité de la détection bispectrale.
En effet, il y a nécessairement une partie du rayonnement visible qui est absorbée par les matériaux constitutifs du détecteur bolométrique. L'efficacité de la détection du visible est ainsi amoindrie. De plus, il est nécessaire de choisir pour le détecteur bolométrique des matériaux au moins partiellement transparents au rayonnement visible. Or ce choix de matériau n'est pas nécessairement optimal pour la détection du rayonnement IR.
Par ailleurs, ce type de détecteur à matrices superposées nécessite une optique de qualité, et donc coûteuse, pour pouvoir disposer d'une focalisation des rayonnements infrarouges et visibles dans la zone restreinte de l'espace qui contient les deux matrices.
Enfin, la matrice d'éléments photoélectriques et la matrice des microponts étant formées dans des plans différents, pouvant être séparés par plus de trois micromètres dans certaines applications, il est difficile de focaliser à la fois sur les deux matrices à l'aide d'une seule optique. Il s'en suit donc une perte en termes de résolution.
Le but de la présente invention est de résoudre les problèmes susmentionnés en proposant un détecteur bispectral ne nécessitant pas une voie optique par type de détection, tout en garantissant une efficacité et une résolution optimales pour chaque type de détection.
EXPOSE DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de détection bispectrale, notamment d'un rayonnement infrarouge et d'un rayonnement visible, comprenant :
" un substrat monolithique ;
" une matrice de microponts bolométriques sensibles au rayonnement infrarouge, les microponts bolométriques étant suspendus au dessus d'une première face du substrat par l'intermédiaire de bras de support et de connexion ; et " une matrice d'éléments photoélectriques réalisés au sein du substrat, et sensibles au rayonnement visible, les microponts bolométriques et les éléments photoélectriques étant superposés.
Selon l'invention, la portion du substrat comprise entre la matrice d'éléments photoélectriques et une seconde face du substrat, opposée à la première face de celui-ci, est amincie de sorte que les éléments photoélectriques sont aptes à détecter un rayonnement visible incident sur la seconde face. En d'autres termes, la détection du visible est rendue possible par la face arrière du dispositif. Le rayonnement visible ne traverse donc par les matériaux constitutifs du détecteur bolométrique et n'est donc pas atténué par ceux-ci avant d'être détecté. De plus, il ne peut plus ainsi être provoqué un échauffement parasite du détecteur bolométrique.
Selon des modes de réalisations particuliers, le dispositif comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
" pour un substrat en silicium, l'épaisseur de ladite portion amincie du substrat est d'environ 15 micromètres ;
" il comporte une matrice de microlentilles disposée sur la seconde face du substrat, chaque microlentille étant agencée en regard d'un élément photoélectrique , " il comprend un boîtier d'encapsulation dans lequel sont encapsulés au moins le substrat et les matrices de détection, respectivement du rayonnement infrarouge et du rayonnement visible, et dont chaque face en regard d'une matrice est transparente au moins au rayonnement auquel est sensible la matrice considérée, ladite face comportant un filtre de sélection du rayonnement auquel est sensible la matrice ;
" l'espace interne du boîtier d'encapsulation est place sous vide ou sous atmosphère contrôlée peu conductrice de la chaleur ; et
" une couche réfléchissante est aménagée en dessous de chaque micropont bolométrique
L'invention a également pour objet un détecteur bispectral d'un rayonnement magnétique, qui, selon l' invention, comporte : " un dispositif du type précité ; et
" des moyens optiques aptes à diriger et focaliser sur une matrice du dispositif au moins une partie d'un rayonnement incident du côté de l'autre matrice du dispositif.
En d'autres termes, une partie du rayonnement incident sur une face du dispositif est redirigée et focalisée sur l'autre face du dispositif.
En outre, les deux faces détectent, pour chaque point de la scène observée, les composantes visible et infrarouge issues de ce point. Il n'a donc qu'une seule voie optique pour deux détections distinctes, ce qui confère au dispositif la cohérence spatio- temporelle. Par ailleurs, il devient possible d'utiliser un système optique de focalisation pour chaque matrice, et donc de définir deux plans distincts de focalisation.
Selon des modes de réalisations particuliers, le détecteur comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
" les moyens optiques comprennent un miroir concave, la matrice étant agencée dans un plan focal du miroir concave ;
" le détecteur comporte des moyens de réglage de la position de la matrice ; " le détecteur comporte des moyens de sélection du rayonnement électromagnétique auquel la matrice est sensible, lesdits moyens étant placés sur un trajet optique vers celle-ci ;
" les moyens optiques forment le fond d'un boîtier général dans lequel est placé le dispositif de détection précité, le haut du boîtier étant au moins partiellement transparent au rayonnement infrarouge et au moins partiellement transparent au rayonnement visible ; avantageusement, le haut du boîtier comporte une optique de focalisation du rayonnement auquel est sensible l'une des matrices, agencée au regard de celle-ci, et, juxtaposé à l'optique, un filtre de sélection du rayonnement auquel est sensible la matrice, agencé en regard des moyens optiques de focalisation ; • l'espace intérieur du boîtier est placé sous vide ou sous atmosphère contrôlée peu conductrice de la chaleur.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels : " la figure 1 est une vue schématique en section d'un élément de détection bispectral de l'état de la technique, déjà décrit dans le préambule de la description ;
" la figure 2 est une vue schématique en section d'un premier mode de réalisation du capteur bispectral selon l'invention ; " la figure 3 est une vue schématique en section d'un détecteur bispectral selon l'invention incluant le capteur de la figure 2 ; " la figure 4 est une vue schématique en section d'un second mode de réalisation du capteur bispectral selon l'invention ; et " les figures 5 à 11 illustrent un procédé de fabrication du capteur bispectral selon l'invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Sur la figure 2, il est illustré sous la référence générale 20, un premier mode de réalisation d'un capteur bispectral IR/VIS selon l'invention.
Ce capteur 20 comprend un substrat monolithique en silicium 21, dans lequel est réalisé un circuit de multiplexage du type CMOS ou CCD, une couche isolante 22 recouvrant le circuit 21, et une matrice de microponts bolométriques 23, 24 pour la détection du rayonnement infrarouge.
Chaque micropont 23, 24 comprend un élément bolométrique mince 25, 26, rendu absorbant au rayonnement infrarouge, des électrodes 27, 28 prolongées par des bras 28, 29 d'isolation thermique, le tout étant noyé dans une couche isolante.
Chaque micropont 23, 24 comporte également des supports 31, 32 de l'élément bolométrique 25, 26, des électrodes 27, 28, des bras 28, 29 et de la couche isolante 30, les supports 31, 32 suspendant ces différents éléments au dessus du substrat 21.
Les supports 31, 32 réalisent également la connexion électrique des électrodes 27, 28 à des bornes 33, 34 du circuit de multiplexage formé dans le substrat 21, via des connexions métalliques 35, 36 traversant la couche isolante 22.
Une couche réfléchissante 37, 38 est également ménagée en dessous de chaque élément bolométrique 25, 26, de manière à former avec celle-ci une lame quart d'onde, augmentant, de manière connue, la sensibilité du détecteur bolométrique au rayonnement infrarouge.
La matrice de microponts bolométriques 25, 26 est superposée à une matrice d'éléments photoélectriques 39, 40, sensibles au rayonnement visible, comme par exemple une matrice de photodiodes ou une matrice de phototransistors. Cette matrice de composants photosensibles est réalisée dans la masse du substrat 21.
La matrice d'éléments photoélectriques 39, 40 comporte, pour chaque micropont 25, 26, un élément photoélectrique placé sous celui-ci et au contact avec une connexion métallique 41, 42 réalisant sa connexion au circuit de multiplexage. Le circuit de multiplexage formé dans le substrat 21 réalise les fonctions de lecture des matrices de microponts et d'éléments photoélectrique, comme cela est le cas du détecteur du document US 6 320 189.
La portion de substrat 43 située entre les éléments photoélectriques 39, 40 et la face du substrat 44, opposée à la face 45 sur laquelle est formée la matrice de microponts 25, 26, est amincie à une épaisseur h. Pour la détection du visible et dans le cas d'un substrat en silicium (Si), cette épaisseur h est de 15 micromètres ou moins. Ainsi, la portion de substrat 43 permet aux porteurs de charge crées par un rayonnement visible éclairant la face 44 du substrat 21 de rejoindre les éléments photoélectriques.
La matrice d'éléments photoélectriques 39, 40, les connexions électriques 41, 42 de ceux-ci, le circuit de multiplexage dans le substrat 21 et la portion de substrat 43 forment ainsi un type de capteur visible à « rétro-éclairage » (« Back illuminated sensor » en anglais), dont l'efficacité a été démontrée dans de nombreux documents, comme par exemple le document « X-UV imaging with backside illuminated CCDs in laser-matter interaction experiments » de A. Mens et al, J. Optics, 1993, vol. 24, n°3, pages 129-134, ou le document « Sub-poisson statistics observed in an electronically shuttered and back illuminated CCD pixel », de R.K. Reich, IEEE Transactions on electon device, vol.44, n°l, Janvier 1997.
Enfin, le capteur 20 selon l'invention comporte en outre une matrice de micro lentilles 46, 47, comprenant, pour chaque élément photoélectrique 39, 40, une microlentille agencée sur la face 44 du substrat 21 en regard de l'élément photoélectrique. Cette micro lentille a pour effet de concentrer sur l'élément photoélectrique un rayonnement visible l'éclairant. Ceci compense la réduction de surface sensible de l'élément résultant de la présence d'une électronique d'adressage complexe dans le substrat, pour la lecture des matrices de microponts et d'éléments photosensibles. Le facteur de remplissage associé à la détection du rayonnement visible est ainsi amélioré.
De manière optionnelle, la surface de la matrice de micro lentilles 46, 47 est recouverte d'une couche formant un filtre pour la sélection du spectre visible d'un rayonnement incident sur celle-ci.
Avantageusement, les matériaux constitutifs de la matrice de microponts bolométriques sont choisis de manière optimale en vue de la détection du rayonnement infrarouge, sans tenir compte de la détection visible. Sur la figure 3, il est illustré un détecteur non refroidi 60 incorporant le capteur bispectral 20 selon l'invention.
Le détecteur 60 comporte un boîtier général 61, dont le fond 62 est formé d'un miroir concave 63 recouvert d'une couche métallique En revanche, dans les parties non focalisante du miroir, les parois latérales 64 sont recouvertes d'un revêtement absorbant 65, par exemple du noir, pour éviter des réflexions parasites
Le capteur bispectral 20 est quant à lui agencé dans le boîtier 61 avec la matrice de microponts bo Io métriques en regard du miroir concave 63 et dans un plan focal de celui-ci.
Le capteur 20 est maintenu mécaniquement en place au moyen de bras de support 66, réalisant le centrage optique de la matrice de microponts bolométriques dans la plan focal du miroir 63, l'amortissement de vibrations auxquelles est sujet le boîtier 61, la thermalisation de la matrice de microponts bolométriques, ainsi qu'une connexion électrique 73 vers l'extérieur
De manière avantageuse, les bras de support 66 comportent un système autofocalisant reposant sur un élément piézoélectrique 67 alimenté en tension, permettant de régler ainsi la position de la matrice de microponts pour qu'elle coïncide sensiblement avec le plan focal du miroir concave 63.
Le détecteur 60 comporte en outre une optique 68 enchâssée de manière hermétique dans un filtre infrarouge 69, qui ferme hermétiquement le boîtier 61. L'optique 68 a quant à elle pour fonction de focaliser la composante visible d'un rayonnement sur la matrice d'éléments photoélectriques du capteur 20.
L'espace interne 70 du boîtier 61 est quant à lui placé sous vide, ou sous atmosphère contrôlée non conductrice de la chaleur, pour isoler thermiquement la matrice de microponts bolométriques. Cette matrice est donc échauffée sensiblement uniquement par un rayonnement infrarouge l'éclairant. Le boîtier comporte optionnellement un getter formé d'une substance introduite dans l'espace interne 70 afin d'accentuer le vide par une action chimique ou physique sur les gaz résiduels dans l'espace 70 En fonctionnement, le détecteur 60 est éclairé par une scène à observer. La composante visible de la scène est alors focalisée par l'optique 60 sur le plan de la matrice d'éléments photoélectriques du capteur bispectral 20, qui détecte cette composante en raison de la couche amincie de substrat.
La composante infrarouge de la scène observée est quant à elle sélectionnée par le filtre infrarouge 60 et traverse le boîtier 69. La composante infrarouge est alors redirigée et focalisée par le miroir concave 63 sur le plan de la matrice de microponts bolométriques du capteur bispectral 20.
La détection bispectrale est ainsi réalisée par un éclairage des deux faces du capteur 20, chaque face de celui-ci étant dédiée à un type de rayonnement spécifique.
Bien évidement, le système peut être inversé afin d'avoir la matrice d'éléments photosensibles en regard du miroir.
On remarquera en outre que le système optique associé à la détection du rayonnement visible (optique 68) et le système optique associé à la détection du rayonnement infrarouge (filtre infrarouge 69 et miroir concave 63) partagent le même axe optique. Ainsi, il n'y a qu'une seul voie optique et il ne se pose pas de problème d'harmonisation comme cela était le cas de certains détecteurs de l'état de la technique.
Dans la figure 4, il est illustré un second mode de réalisation du capteur bispectral selon l'invention.
Ce mode de réalisation est identique au capteur bispectral 20 décrit en relation avec la figure 2 à la différence qu'il comporte en outre un boîtier hermétique 80 dans lequel est encapsulé le capteur 20, boîtier dit « d'encapsulation ».
La face 81 du boîtier d'encapsulation 80 en regard de la matrice de microponts bolométriques comporte un filtre infrarouge 82, alors que la face 83 du boîtier 80 en regard de la matrice d'éléments photoélectriques comporte un filtre visible 84. Ces filtres 82, 84 sont optimisés en trouvant un compromis entre transparence et sélectivité.
L'espace interne 85, 86 du boîtier 80 est par ailleurs placé sous vide, ou sous atmosphère contrôlée d'un gaz peu conducteur de la chaleur, comme un gaz lourd tel que le xénon (Xe) par exemple. L'espace interne 85, 86 comporte optionnellement un getter. Enfin, des connexions électriques 87, 88 sont par ailleurs prévues dans le boîtier 80 pour connecter le capteur 20 avec des circuits externes au boîtier 80.
L'avantage du second mode de réalisation est de fournir un capteur bispectral mfrarouge/visible qui soit adaptable dans de nombreux détecteurs. En effet, il n'est pas alors nécessaire de prévoir un boîtier de détecteur 61 dans lequel est forme un vide, ni même des filtres de sélection de rayonnement, le vide et la sélection de rayonnement étant déjà réalisés.
Les figures 5 à 11 illustrent un procédé de fabrication du détecteur bispectral selon l'invention
Ce procédé consiste .
" à réaliser dans un substrat monolithique en silicium de type P 100 un circuit de multiplexage en laissant une matrice de volume sans circuit ;
" à former (par implantation ionique d'un dopant de type N à la surface du substrat de silicium de type P) dans les espaces de volume vacants des éléments photosensibles 101, tels que des photodiodes ou des phototransistors ;
" à déposer (par pulvérisation cathodique, par décomposition thermique ou par plasma) et à graver (par gravure chimique ou par plasma) à la surface du substrat
100, des bornes électriques 102, 103 nécessaires aux microponts bolométπques et aux éléments photosensibles ,
" à déposer (par dépôt chimique en phase vapeur, ou CVD) la couche isolante 104 et à former par dépôt (par pulvérisation cathodique, par décomposition thermique ou par plasma) et à graver (par gravure chimique ou par plasma) un ou plusieurs matériaux métalliques de manière à former les connexions électriques 105 des microponts et des couches métalliques réfléchissantes 106 ;
" à coucher une couche sacrificielle 107 d'environ deux micromètres d'épaisseur pour la détection des infrarouges thermiques (8 à 14 micromètres de longueur d'onde) ,
" à déposer (par CVD) un matériau isolant 108, puis à déposer (par pulvérisation cathodique, par décomposition thermique ou par plasma) et à graver (par gravure chimique ou par plasma) une couche métallique 109 de 50 à 100 angstrôms, de préférence en nitrure de titane (TiN), de manière à former les électrodes ; " à déposer (par pulvérisation cathodique, par décomposition thermique ou par plasma) et à graver (par gravure chimique ou par plasma) des métallisations 110 de manière a former les éléments de support et de connexion des microponts avec le circuit de multiplexage formé dans le substrat 100 ; " à déposer (par CVD) une couche supplémentaire de matériau isolant 111 et à réaliser des ouvertures de contact permettant ultérieurement le contact entre les métallisations 110 et le matériau 113;
" à déposer (par pulvérisation cathodique, par décomposition thermique ou par plasma) et à graver (par gravure chimique ou par plasma) un matériau semiconducteur amorphe ou polycritallin 113 (Si, Ge, SiC, a-SiC :H, a-SiGe :H ou ferrite) de faible épaisseur (0,005 micromètre à 1 micromètre) de manière à former les éléments bolométriques ;
" à graver des bras d'isolation thermique et à séparer des éléments unitaires de détection ;
" à amincir (par gravure chimique) la portion libre 116 du substrat 100 jusqu'à atteindre une épaisseur prédéterminée pour permettre aux photocharges d'atteindre la zone de collecte des éléments photosensibles 101 ;
" à former la matrice de micro lentilles 117 ; et • à graver la couche sacrificielle 107 supportant l'empilement bolométrique.
Les métallisations et connexions électriques sont réalisées par le dépôt et la gravure de couches, d'épaisseur comprise entre environ 0,005 micromètre et environ 1 micromètre, d'au moins l'un des matériaux suivants : titane (Ti), nitrure de titane (TiN), platine (Pt), aluminium (Al), paladium (Pd), nickel (Ni), alliage de nickel et de chrome (NiCr), alliage de tungstène et de silicium (WSi).

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection bispectrale (20 ; 80), notamment d'un rayonnement infrarouge et d'un rayonnement visible, comprenant • " un substrat monolithique (21) ;
" une matrice de microponts bo Io métriques (23, 24) sensibles au rayonnement infrarouge, les microponts bolométπques (23, 24) étant suspendus au dessus d'une première face (45) du substrat par l'intermédiaire de bras de support et de connexion (31, 32), et " une matrice d'éléments photoélectriques (39, 40) formés dans le substrat (21) et sensibles au rayonnement visible, les microponts bolométriques (23, 24) et les éléments photoélectriques (39, 40) étant superposés, caractérisé en ce que la portion de substrat (43) comprise entre la matrice d'éléments photoélectriques (39, 40) et une seconde face (44) du substrat, opposée à la première face (45) de celui-ci, est amincie de sorte que les éléments photoélectriques (39, 40) sont aptes à détecter un rayonnement visible incident sur la seconde face (44)
2. Dispositif de détection bispectrale selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour un substrat en silicium, l'épaisseur de ladite portion de substrat (43) est d'environ 15 micromètres
3. Dispositif de détection bispectrale selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une matrice de microlentilles (46, 47) disposée sur la seconde face (44) du substrat, chaque microlentille (46, 47) étant agencée en regard d'un élément photoélectrique (39, 40)
4. Dispositif de détection bispectrale selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier d'encapsulation (80) dans lequel sont encapsulés au moins le substrat (21) et les matrices (23, 24, 39,
40), et dont chaque face (81, 83) en regard d'une matrice est transparente au moins au rayonnement auquel est sensible ladite matrice.
5. Dispositif de détection bispectrale selon la revendication 4, caractérisé en ce ladite face (81, 83) comporte un filtre de sélection (82, 84) du rayonnement auquel est sensible la matrice.
6. Dispositif de détection bispectrale selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'espace interne (85, 86) du boîtier d'encapsulation (80) est placé sous vide, ou sous atmosphère contrôlée peu conductrice de la chaleur.
7. Dispositif de détection bispectrale selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une couche réfléchissante (37, 38) est aménagée en dessous de chaque micropont bolométrique.
8. Détecteur (60) bispectral d'un rayonnement électromagnétique, caractérisé en ce qu'il comporte :
" un dispositif (20 ; 80) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ; et " des moyens optiques (63) aptes à diriger et focaliser sur une matrice dudit dispositif au moins une partie d'un rayonnement incident du côté de l'autre matrice du dispositif.
9. Détecteur bispectral d'un rayonnement électromagnétique selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens optiques comprennent un miroir concave (63), et en ce que la matrice est agencée dans un plan focal du miroir concave.
10. Détecteur bispectral d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (67) de réglage de la position de la matrice.
11. Détecteur bispectral d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (69) de sélection du rayonnement électromagnétique auquel la matrice est sensible, placés sur un trajet optique vers celle-ci.
12. Détecteur bispectral d'un rayonnement électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens optiques (63) forment le fond d'un boîtier général (61) dans lequel est placé le dispositif (20 ; 80), le haut du boîtier étant au moins partiellement transparent au rayonnement infrarouge et au moins partiellement transparent au rayonnement visible.
13. Détecteur bispectral d'un rayonnement électromagnétique selon la revendication 12, caractérisé en ce que le haut du boîtier comporte une optique (68) de focalisation du rayonnement auquel est sensible l'une des matrices, agencée au regard de celle-ci, et, juxtaposé à l'optique (68), un filtre de sélection (69) du rayonnement auquel est sensible la matrice, agencé en regard des moyens optiques de focalisation (63).
14. Détecteur bispectral d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que l'espace intérieur (72) du boîtier (61) est placé sous vide ou sous atmosphère contrôlée peu conductrice de la chaleur.
15. Détecteur bispectral d'un rayonnement électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, caractérisé en ce qu'il est non refroidi.
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