FR2810453A1 - Detecteur de rayonnements electromagnetiques, et notamment de rayonnements infrarouges, et procede pour la realisation d'un tel detecteur - Google Patents
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Abstract
Ce procédé met en oeuvre un bloc de détection, constitué d'un circuit électronique de détection (8) dudit rayonnement associé à un circuit de lecture (7) par la technique d'hybridation mettant en oeuvre des microbilles d'indium ou d'étain/ plomb (9), ledit circuit de lecture étant lui-même solidarisé à un support (11) conducteur thermique directement ou indirectement relié à une source froide.Il consiste à solidariser la face arrière du circuit de lecture (7) au support (11) par la mise en oeuvre de force Van Der Waals, au niveau de l'interface ainsi défini, selon la technologie de l'adhésion moléculaire. Le détecteur obtenu par ce procédé est également visé par l'invention.
Description
DETECTEUR <U>DE</U> RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES, <U>ET</U> OTAMMENT <U>DE RAYONNEMENTS</U> INFRAROUGES, <U>T</U> PROCEDE <U>POUR LA</U> REALISATION D'UN <U>TEL</U> DETECTEUR_ L'invention concerne un détecteur de rayonnements électromagnétiques, et plus particulièrement un détecteur de rayonnements infrarouges. Elle concerne également procédé de réalisation d'un tel détecteur.
Les détecteurs de rayonnements électromagnétiques sont classiquement constitués d'un circuit électronique de détection des ondes électromagnétiques ' détecter, et donc sensibles à la gamme de longueur d'ondes correspondante, transformant de manière connue un rayonnement électromagnétique en un signal électrique, ledit circuit de détection étant associé à un circuit électronique de lecture, destiné transformer les signaux électriques issus du circuit de détection, notamment en les amplifiant pour les rendre susceptibles de subir un traitement ultérieur.
De manière connue, le circuit de détection est composé d'un matériau transparent ou peu absorbant du rayonnement à détecter, et en l'espèce du rayonnement infrarouge, et par exemple constitué de CdTe, CdZnTe voire de Germanium, etc., dont l'épaisseur varie de 800 micromètres à 200 micromètres, et sur lequel est déposé par épitaxie (en phase liquide, en phase vapeur, voire par jets moléculaires, etc.) une couche mince absorbante de HgCdTe, constituant le circuit de détection proprement fait, lorsque les photodiodes sont mises en oeuvre pour assurer la fonction de détection, celles-ci sont réalisées sur cette couche de détection.
circuit de détection peut également être réalisé en antimoniure d'indium InSb aminci, les photodiodes faisant fonction de détection (n/p ou p/n) étant réalisées préalablement à l'amincissement dudit matériau.
Le circuit électrique de lecture est le plus souvent réalisé en silicium, ledit circuit étant couplé aux photodiodes du circuit de détection, notamment au moyen de microbilles d'indium, ou d'étain/plomb.
On obtient ainsi un détecteur obtenu selon la technique dite d'hybridation par billes, et également dénommée sous l'expression en langue anglaise<I> </I> flip chip <I> ,</I> et par exemple décrite dans le document FR-A-2 646 558. Dans le domaine de la détection des rayonnements infrarouges, il est connu que les circuits de détection doivent fonctionner à basse température, notamment comprises entre 50 et 200 Kelvins, afin notamment de minimiser le bruit de fond qui se superpose au signal.
Un tel détecteur est par exemple décrit en liaison avec la figure 1, qui constitue donc un élément de l'art antérieur.
De fait, le bloc de détection, constitué du circuit de détection (8) et du circuit de lecture (7), associés à leur support respectif (10, 11), est généralement installé au sein d'une enceinte cryostatique (1), dont le doigt froid (4) contient, selon température d'utilisation, de l'azote liquide ou de l'air liquide, et de manière générale tout autre dispositif cryogénérateur. Le support (11) du circuit de lecture est solidarisé, notamment par collage, au plan froid (5) du doigt froid (4). Le plan froid (5) assure également le rôle de maintien d'un diaphragme (3) en amont du bloc de détection, et destiné, de manière connue, à limiter les rayonnements parasites. Cette enceinte cryostatique (1) est obturée en face supérieure par une fenêtre (2), assurant la fonction d'organe filtrant de la gamme de longueur d'ondes que l'on souhaite détecter. Cette fenêtre est centrée sur l'axe optique dudit détecteur.
Le support (11) du circuit de lecture assure tout d'abord fondamentalement la fonction d'interface avec le plan froid du cryostat.
Par ailleurs, il sert également de routage des commandes de pilotage circuit de lecture, mais peut également faire fonction de support d'écran, de filtre froid, de diaphragme, lorsqu'il remplace le plan froid.
L'un problèmes techniques qui se pose dans le cadre de l'exploitation de tels détecteurs, réside dans les conséquences des mises en froid successives de l'enceinte cryostatique, et partant du détecteur.
En effet compte-tenu des valeurs différentes des coefficients de dilatation thermique d'une part, du circuit de détection proprement dit, et d'autre part, du circuit de lecture, on aboutit à des phénomènes de cisaillement et de traction/compression, susceptibles de se traduire au niveau du détecteur par la rupture des microbilles d'hybridation (9), et partant au délaminage dudit détecteur, outre la dégradation des performances de détection. La dégradation des performances se traduit généralement par manque de reproductibilité et d'uniformité entre les différentes photodiodes d'une barrette ou d'une matrice, voire dans une diminution générale des capacités propres de détection. Ces phénomènes sont en outre exacerbés pour des matrices de grande dimension.
Afin de surmonter cet inconvénient rédhibitoire, différentes solutions ont été proposées ce jour.
La première d'entre elles consiste à augmenter la taille, et notamment la hauteur des microbilles d'hybridation. Ce faisant, on confère plus de flexibilité, notamment une plus grande amplitude de débattement desdites microbilles dans le plan parallèle au plan du circuit de détection ou du circuit de lecture, permettant ainsi dans une certaine mesure, d'absorber les phénomènes de dilatation thermique.
On a également proposé, afin de résoudre ce problème, d'amincir de manière significative voire de supprimer le support transparent ou peu absorbant au rayonnement infrarouge, du circuit de détection infrarouge et typiquement, d'amincir ou de supprimer la couche de CdZnTe ou de CdTe.
Cette solution technique a fait, par exemple, l'objet du document FR-A-2 715 002. Cette suppression du support du circuit de détection est généralement lié au remplissage de la zone de connectique située, comme déjà dit, entre le circuit de détection et le circuit de lecture, par de la colle de type epoxy.
Ainsi, on joue sur la relation entre l'élasticité du circuit de détection et son épaisseur. En effet, pour un circuit de détection suffisamment fin, on obtient une élasticité suffisante, propre à permettre l'absorption par les caractéristiques élastiques dudit circuit de détection des dilatations thermiques effectives, et notamment celles inhérentes au circuit de lecture.
En d'autres termes, on diminue les contraintes imposées aux microbilles assurant l'hybridation entre le circuit de détection et le circuit de lecture.
Le circuit de détection proprement dit peut en outre être en partie enrobé dans une résine également de type époxy, munie d'une lèvre latérale positionnée la périphérie du circuit de détection. Dans ce cas, la colle de remplissage assure une liaison rigide entre le circuit de lecture d'épaisseur nominale et le circuit de détection aminci. Ce dernier suit en dilatation le circuit de lecture.
Cette technique fait donc appel à un retrait total ou partiel du matériau support de la couche de détection et à un remplissage par de la colle epoxy de la zone de connectique. Ces étapes d'amincissement (retrait du support du circuit de détection) et d'enrobage ne sont pas sans effet sur les performances du produit final, et affectent tout particulièrement les rendements de fabrication. Les risques connus sont les <B>suivants</B> @ actions mécaniques (polissage) sur un ensemble de détection fragile et particulièrement sensible aux contraintes ( propagation des dislocations) ; # maîtrise parfaite, pour toutes géométries, du nettoyage de la zone de connectique et de la cinétique d'enrobage (pénétration et adhérence de la colle et absence de bulles d'air dans le joint de colle) ; # contraintes générées en bordure du bourrelet de colle, susceptible de se traduire par le pelage des métallisations gravées sur le circuit de lecture.
L'objectif de la présente invention vise également à résoudre problème technique lié la dilatation thermique lors des mises en froid successives du détecteur. Cependant, elle fait appel à un procédé complètement différent de ceux précédemment décrits. En effet, en lieu et place des techniques de collage habituelles, elle fait appel au phénomène technologique dit de<I> l'adhésion</I> moléculaire <I> ,</I> entre le circuit de lecture et son support, ce phénomène faisant intervenir des forces de Van Der Waals. Ainsi, l'invention vise tout d'abord un procédé pour réaliser un bloc de détection de rayonnements électromagnétiques, et notamment de rayonnements infrarouges, ledit bloc étant constitué d'un circuit électronique de détection dudit rayonnement associé à un circuit de lecture par la technique d'hybridation mettant en oeuvre des microbilles d'indium ou d'étain/plomb, ledit circuit de lecture étant lui-même solidarisé à un support conducteur thermique directement ou indirectement relié à une source froide. Ce procédé se caractérise en ce qu'il consiste à solidariser la face arrière du circuit de lecture au support par la mise en oeuvre de force Van Der Waals, au niveau de l'interface ainsi défini, selon la technologie de l'adhésion moléculaire. Les forces de Van Der Waals sont des forces attractives d'origine électrostatique, qui s'exercent entre les molécules et qui varient très rapidement avec la distance qui les sépare. En d'autres termes, la portée de ces forces est très limitée, et n'ont de rôle actif qu'au niveau strict de l'interface entre le circuit de lecture et son support.
Ainsi, en jouant sur la nature du support du circuit de lecture et de par le mode de solidarisation de celui-ci audit support, il devient possible de contrer efficacement les effets inhérents à la dilatation thermique dudit circuit de lecture, pour atteindre des valeurs compatibles avec celles du circuit de détection, et ainsi, s'affranchir des phénomènes, notamment de délaminage et autres cisaillement, susceptibles d'affecter l'intégrité du détecteur, ainsi que ses performances dans le temps.
Selon l'invention, l'adhésion moléculaire entre le circuit de lecture et son support s'effectue, selon une méthodologie connue de cette technique, tout d'abord par la mise en place sur les deux faces destinées à venir en contact d'une couche d'oxyde thermique puis, après contact, par élévation de température se traduisant par un phénomène de scellement du circuit de lecture sur son support.
Avantageusement, on effectue un recuit d'optimisation de ce scellement une température comprise entre 200 à 300 C, c'est à dire à une température supérieure à la plus haute température intéressant l'assemblage dans toute la suite de son procédé de fabrication et de son utilisation. Ce recuit d'optimisation a en outre pour effet le renforcement des liaisons crées par l'assemblage.
Avantageusement, le support du circuit de lecture est choisi dans le groupe comprenant le germanium, l'arséniure de gallium (AsGa) et le saphir.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, une fois la solidarisation effectuée entre le circuit de lecture et le support, on procède à un amincissement de la face avant du complexe ainsi obtenu, notamment par polissage mécanique, pour ainsi reduire significativement l'épaisseur de silicium, et partant, réduire l'influence de celui-ci en termes de dilatation thermique lors des cycles en température par rapport à celle du support.
manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées. La figure 1, déjà décrite, représente un détecteur de rayonnement infrarouge selon l'art anterieur.
La figure 2 est une représentation schématique en section du bloc de détection selon première forme de réalisation de l'invention.
La figure 3 est une représentation analogue à la figure 2, seconde forme de réalisation de l'invention.
La description qui suit concerne de manière privilégiée détecteurs infrarouges, mais il est bien entendu que l'invention ne saurait se limiter à cette seule application, et elle est transférable à la détection de tout typ de rayonnements électromagnétiques.
qu'on l'aura compris, à la lecture du préambule de la présente description, l'invention porte essentiellement sur le circuit de lecture d'un tel détecteur.
Le circuit de détection est quant à lui, constitué classiquement bilame, obtenu par croissance métallurgique d'un alliage de HgCdTe sur un support transparents aux infrarouges ou absorbant de manière très limitée ces rayonnements, et notamment de CdTe, de CdZnTe, voire de Germanium. Cette croissance effectue par épitaxie en phase liquide, en phase vapeur, voire par épitaxie par jets moléculaires.
La face active de cet ensemble de détection, comportant couche de HgCdTe, est destinée à entrer en contact électrique avec un circuit de lecture décrit ci-après plus en détail.
L'association de l'ensemble de détection et du circuit de lecture s'effectue par hybridation déjà décrite précédemment, cette hybridation étant realisée au moyen de microbilles d'indium ou d'alliage étainIplomb, assurant à fois la solidarisation mécanique de l'ensemble de détection au circuit de lecture, et d'autre part la conduction électrique permettant d'assurer le transfert des signaux électriques résultant de l'interaction des rayonnements infrarouges avec le circuit détection, au circuit de lecture destiné à assurer le traitement à tout le moins partiel de signaux électriques. L'invention a plus spécifiquement trait à la réalisation du circuit de lecture. Celui-ci est constitué également d'un bilame, mais cette fois obtenu adhésion moléculaire entre une couche de silicium, destiné à constituer le circuit de lecture proprement dit, et un substrat, destiné, ainsi que déjà précisé, à assurer la solidarisation tout d'abord dudit circuit de lecture à la source froide de l'enceinte cryostatique, ' également de l'ensemble du bloc de détection au niveau de cette source froide.
Avantageusement, ce substrat est choisi dans un matériau choisi dans le groupe comprenant le germanium, l'arséniure de gallium voire le saphir. Le bilame est obtenu, comme déjà dit, par adhésion moléculaire.
Pour ce faire, on met en ceuvre les forces de Van Der Waals entre le silicium et par exemple le saphir, en ayant pris soin, préalablement, d'enduire chacune des faces destinées venir en contact d'une couche d'oxyde, et par ailleurs, d'orienter le réseau cristallin du saphir selon le plan cristallographique (-2 1<B>10).</B>
La révélation des forces de Van der Waals se matérialise par élévation de température, typiquement comprise entre 200 et 300 C.
De la sorte, il se développe â l'interface entre la couche de silicium, destinée à constituer le circuit de lecture et le substrat, un réseau de forces de Van Der Waals, qui ne concerne que les couches superficielles des molécules des faces respectives. Elles assurent ainsi une cohésion et donc la solidarisation entre la couche de silicium et le substrat.
Selon une caractéristique avantageuse de (invention, le circuit de lecture, comme déjà dit réalisé en silicium, est élaboré sur tranches silicium et, préalablement à sa solidarisation au substrat, qui constitue le support du bloc de détection, subit une étape d'amincissement, notamment par polissage mécanique, de telle sorte à obtenir une épaisseur comprise entre 15 et 25 micromètres.
Les techniques d'amincissement du silicium sont bien connues de fart antérieur.
En diminuant ainsi l'épaisseur de la couche du circuit de lecture, et compte tenu par ailleurs de l'épaisseur relativement beaucoup plus importante du substrat constitutif du support dudit circuit on confère à l'ensemble constitutif du bloc de lecture, c'est-à-dire circuit de lecture + substrat support, un coefficient de dilatation thermique relativement proche de celui du circuit de détection, en tous cas, dans la gamme de température définie par la température de soudure des microbilles d%ybridation, et de celle de fonctionnement du détecteur, notamment aux très basses températures, par exemple voisines de 77 Kelvins. A titre exemplatif, on obtient de bons résultats en terme de fiabilité avec un empilement constitué de 15gm de silicium, maintenu par adhérence moléculaire sur un substrat de saphir de 530p,m d'épaisseur.
Selon un resultat fondamental de la présente invention, la zone de connectique entre le circuit de lecture et le circuit de détection, c'est à dire la zone hybridation est exempte de tout remplissage par notamment de la colle de type époxy.
En effet, mise en oeuvre de la technologie dite de l'adhésion moléculaire pour la solidarisation du circuit de lecture au niveau de son substrat, permet contrôler de manière significative et en tous cas suffisante la dilatation thermique du circuit de lecture pour s'affranchir de la mise en oeuvre d'une telle colle entre ledit circuit de lecture et le circuit de détection, sans risquer la déformation préalable ou la rupture des micro-billes d'hybridation et a fortiori sans risquer le délaminage du bloc de détection. En effet, on aboutit avec le procédé conforme à la présente invention à une gamme de coefficients de dilatation thermique de l'ensemble de lecture constitué comme déjà dit de l'association du circuit de lecture et du substrat, comprise entre 3,2 et 4,4.10' K"', permettant ainsi de s'approcher de la valeur de 4,6.10 K'' mesurée pour le CdZnTe, c'est-à-dire le matériau constitutif du circuit de détection.
Ce faisant, on optimise considérablement la fiabilité du bloc de détection ainsi réalisé. Par ailleurs, il convient de souligner que les traitements thermiques liés, d'une part, à l'élaboration des micro-billes, et d'autre part, à la phase proprement dite de l'hybridation, permettent en quelque sorte de réaliser des recuits au niveau de l'interface circuit de lecture/substrat, optimisant l'adhésion moléculaire entre le silicium constitutif du circuit de lecture et son substrat.
En outre, cette technologie de l'adhésion moléculaire permet de conserver au moins à l'identique les propriétés de transfert thermique de l'interface, notamment au niveau du circuit de détection, par rapport à un joint de colle classique, pour ainsi permettre de maintenir les très basses températures au niveau dudit circuit de détection. Afin de valider techniquement le procédé conforme à l'invention, des mesures ont été effectuées par étude mécanique des bilames constitutifs, notamment du circuit de lecture. Ces mesures concernent essentiellement des mesures de planéité, tant à température ambiante, qu'en températures proches de la température de l'azote liquide, mais également des mesures sur des positionnements relatifs différents motifs de mire réalisés sur le circuit de lecture.
On ' pu observé de l'analyse de ces différentes mesures tout d'abord une évolution de la planéité entre 20 C et 77 K inférieure à un micromètre une longueur de 20 millimètres.
Cette mesure permet de mettre ainsi en évidence le couplage fort obtenu par adhésion moléculaire dans la plage de température de fonctionnement dudit détecteur. Par ailleurs, des nouvelles mesures du coefficient de dilatation thermique ont été effectuées après plus de 2 000 cycles thermiques entre 20 C et 80 K, confirmant le maintien d'un couplage fort entre le silicium et son support et sans évolution constatée du coefficient de dilatation apparent.
Il en résulte tout d'abord et de manière fondamentale, l'absence de nécessité de remplissage par colle de la zone de connectique comprise entre le circuit de détection et le circuit de lecture. Il est rappelé que la mise en oeuvre d'une telle colle imposait des limitations importantes rappelées ci-après la nécessité d'un nettoyage parfait de la zone de connectique (après soudure), afin d'assurer une pénétration homogène du produit ; ce nettoyage, ainsi que la migration au sein de cette zone de connectique s'avèrent de plus en plus délicat du fait de l'augmentation de la taille des matrices de détection et de la réduction du pas des photosites ; la zone interstitielle se trouve réduite du fait de la diminution des hauteurs de billes et de densification de celles-ci ; le coefficient moyen de dilatation thermique des colles époxy (sans charge) est très élevé (facteur 10 à 30) par rapport au HgCdTe ou du silicium, se traduisant par la genèse de contraintes élevées en périphérie d'enrobage outre des déformations importantes du plan de détection à la température de fonctionnement (77 K) ; l'obligation d'amincissement après hybridation de la structure CdZnTe/HgCdTe pouvant aller jusqu'au retrait total du support CdZnTe pour assurer une bonne fiabilité de la structure de détection, et ainsi éviter le clivage du circuit de détection; enfin, certaines inconnues pèsent sur le vieillissement des colles inhérent principalement à l'absorption (humidité. Dans une variante de l'invention représentée en figure 3, on procède à la suppression totale du support du circuit de détection. De fait, on enlève la couche de CdZnTe ou de CdTe par procédé mécanique de polissage.
Deux topologies s'appliquent aux deux configurations envisagées # le matériau de détection est élaboré sur un support transparent au rayonnement infrarouge (ex<B>:</B> HgCdTe sur CdZnTe) ; # le matériau de détection est aminci afin d'obtenir un effet de détection (ex HgCdTe massif ou InSb massif).
L'invention se révèle donc particulièrement avantageuse dans le cadre de la réalisation des ensembles de détection de rayonnements, et notamment de rayonnements infrarouges, permettant de manière fondamentale d'aboutir à des cyclages thermiques accrus entre la température ambiante et les températures de fonctionnement de ce type de détecteur.
Claims (1)
- REVENDICATIONS <B>1.</B> Procédé pour la réalisation d'un bloc de détection de rayonnements électromagnétiques, et notamment de rayonnements infrarouges, ledit bloc étant constitué d'un circuit électronique de détection (8) dudit rayonnement associé un circuit de lecture (7) par la technique d'hybridation mettant en aeuvre des microbilles d'indium ou d'étain/plomb (9), ledit circuit de lecture étant lui-même solidarisé à un support (11) conducteur thermique directement ou indirectement relié une source froide<I>(4),</I> caractérisé en ce qu'il consiste à solidariser la face arrière du circuit de lecture (7) au support (11) par la mise en ceuvre de force Van Der Waals, au niveau de l'interface ainsi défini, selon la technologie de l'adhésion moléculaire. 2. Procédé pour la réalisation d'un bloc de détection de rayonnements électromagnétiques selon la revendication<I>1,</I> caractérisé en ce que l'on soumet l'ensemble constitué par le circuit de lecture (7) et son substrat (11) à une phase de recuit de scellement à une température comprise entre 200 à 300 C. 3. Procédé pour la réalisation d'un bloc de détection de rayonnements électromagnétiques selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le substrat (11) du circuit de lecture (7) est choisi dans le groupe comprenant le germanium, l'arséniure de gallium (AsGa) et le saphir. <B>4.</B> Détecteur de rayonnements électromagnétiques, et notamment infrarouges, comprenant # un circuit de détection (8) desdits rayonnements, associé ou non à un support transparent audit rayonnement ou les absorbant de manière limitée ; # un circuit de lecture (7), connecté électriquement audit circuit de détection, et destiné à traiter en partie les signaux électriques émis par le circuit de détection, ledit circuit de lecture étant solidarisé à un substrat (11), lui même relié directement ou indirectement à une source froide ; # le circuit de lecture et le circuit de détection étant .solidarisé l'un à l'autre par hybridation au moyen de microbilles (9) d'indium ou à base d'alliage Etain/plomb ; <I>caractérisé</I> en ce que le circuit de lecture (7) est solidarisé à son substrat (11) par adhésion moléculaire en l'absence de toute colle ou moyen équivalent. 5. Detecteur de rayonnements électromagnétiques selon la revendication 4, <I>caractérisé</I> en ce que la zone de connectique ou d'hybridation est exempte de toute colle. 6. Detecteur de rayonnements électromagnétiques selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la couche de silicium constitutive du circuit de lecture est amincie, afin de limiter les effets inhérents la dilatation thermique du circuit de lecture en regard de ceux de son substrat (11).
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| WO2010061151A3 (fr) * | 2008-11-27 | 2011-11-17 | Sagem Defense Securite | Procede de fabrication de cellules matricielles photosensibles dans l'infrarouge collees par adhesion moleculaire sur substrat optiquement transparent et capteur associe |
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