FR2827707A1 - Procede de realisation d'un detecteur bolometrique et detecteur realise selon ce procede - Google Patents

Procede de realisation d'un detecteur bolometrique et detecteur realise selon ce procede Download PDF

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Abstract

Ce procédé pour la fabrication d'un détecteur bolométrique, consiste, à partir d'un circuit de lecture, notamment réalisé sur un substrat silicium (1) : - tout d'abord, à former une première couche auxiliaire sacrificielle (3) sur ledit substrat silicium, destinée à être ôtée par tout moyen connu après réalisation du détecteur afin de découpler thermiquement le circuit de lecture (1) du module de détection; - puis à former sur cette couche auxiliaire sacrificielle (3), entre autres une couche de matériau bolométrique en silicium amorphe (5), mais également des électrodes (6), destinées à envoyer des signaux électriques nécessaires au fonctionnement du bolomètres et à acheminer le signal résultant de la détection du rayonnement infra rouge par ledit bolomètre au niveau du circuit de lecture. On soumet la couche (5) de matériau bolométrique, constituée de silicium amorphe, à un rayonnement laser, destiné à le transformer en silicium polycristallin.

Description

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PROCEDE DE REALISATION D'UN DETECTEUR BOLOMETRIQUE ET DETECTEUR BOLOMETRIQUE REALISE SELON CE PROCEDE.
L'invention concerne un procédé pour la réalisation de détecteurs bolométriques. Elle vise également le détecteur bolomètre obtenu selon ce procédé. L'invention trouve tout naturellement son application dans le domaine de l'imagerie infrarouge, et en particulier, dans l'assemblage matriciel d'une pluralité de détecteurs élémentaires (également dénommés pixels ou photosites ).
De nombreux types de détecteurs de rayonnement infrarouge sont aujourd'hui disponibles. Parmi ces différents types de détecteurs, certains d'entre eux sont susceptibles de fonctionner à température ambiante, c'est à dire sans la nécessité d'un refroidissement, contrairement aux dispositifs du type détecteurs quantiques, qui convertissent directement l'énergie du rayonnement capté en porteurs électriques libres.
Ce type de détecteur non refroidi met en oeuvre la variation d'une propriété de l'un des matériaux qui les constituent en fonction de la température. Dans le cadre des détecteurs bolométriques, cette propriété est la résistivité du matériau.
De manière connue, un tel détecteur non refroidi associe pour chaque photosite : - des moyens d'absorption du rayonnement infrarouge pour la conversion de ce dernier en chaleur ; - des moyens d'isolation thermique, du détecteur, permettant à celui-ci de s'échauffer ; - des moyens de thermométrie qui, dans le cadre d'un détecteur bolométrique utilise un élément résistif variable avec la température, et ; des moyens de lecture des signaux électriques issus des moyens de thermométrie, lesdits moyens de lecture intégrant une composante de prise de contact et de transport du signal du matériau bolométrique vers une composante
Figure img00010001

d'exploitation du signal, en général de nature microélectronique.
--C Dans le cadre de l'imagerie infrarouge, les détecteurs mis en oeuvre sont généralement réalisés sous forme de matrices de détecteurs élémentaires, rapportés sur un substrat, le plus souvent constitué de silicium.
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Les performances d'un tel détecteur bolométrique non refroidi dépendent de différents facteurs, parmi lesquels figure bien évidemment, le matériau bolométrique mis en oeuvre.
Avantageusement, ce matériau bolométrique est constitué de silicium amorphe (voir par exemple US-A-5 021 663 ou US-A-5 367 167), mais peut être également constitué de silicium/germanium, voire d'oxyde de Vanadium (V, O,).
La mise en oeuvre de silicium amorphe est en outre décrite dans le document FR-A-2 752 299. Dans ce document, le détecteur bolométrique est composé d'électrodes assurant simultanément les fonctions d'électrodes, et d'absorbeur de rayonnement photonique, lesdites électrodes étant interdigitées sur la même couche de matériau sensible constitutif du matériau bolométrique. Dans une version particulière décrite dans ce document, les électrodes sont insérées entre deux couches de matériau bolométrique.
On connaît également, par le document FR-A-2 796 148, un autre type d'empilement technologique pour détecteur bolométrique, dans lequel les électrodes assurent également la double fonction d'électrodes et d'absorbeur du rayonnement photonique, mais dans lequel, le matériau sensible constitutif du bolomètre, également constitué de silicium amorphe, est partiellement isolé électriquement des électrodes.
Quel que soit le montage mis en oeuvre, le détecteur en résultant présente encore un niveau élevé de bruit à basse fréquence. Par ailleurs, le silicium amorphe présente également l'inconvénient d'être métastable, c'est à dire que ses caractéristiques sont susceptibles d'évoluer de manière importante sous l'influence des différentes étapes technologiques, se traduisant en quelque sorte par des recuits, mettant en oeuvre des excursions thermiques (cuisson des résines, gravures, dépôts).
Par voie de conséquence, le détecteur bolométrique en résultant présente des variations importantes des signaux en réponse à la détection du rayonnement infrarouge en fonction des différentes conditions thermiques dans lesquelles il est susceptible de s'être trouvé.
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Figure img00030001

A titre surabondant, la mise en oeuvre de silicium amorphe sur un circuit de lecture et d'exploitation dont la fabrication est achevée, impose un dépôt dudit matériau à basse température (inférieure à 450 C), ce qui conditionne un niveau de dopage, notamment en hydrogène ou en bore, relativement peu élevé, et qu'il est impossible d'augmenter de façon significative.
Or, on a pu montrer qu'un niveau de dopage plus important permettait d'accroître la variabilité de la résistivité du matériau bolométrique en fonction de la température, et partant, la réponse du détecteur bolométrique au rayonnement infrarouge qu'il est destiné à détecter.
En outre, l'accroissement du dopage augmente la résistance thermique du matériau silicium amorphe, et par voie de conséquence, celle des bras-support de la microstructure flottante, ce qui s'avère favorable à l'isolation thermique de ladite structure, et partant, à la réduction des bruits des signaux en réponse.
L'objet de l'invention est d'améliorer les caractéristiques du matériau bolométrique sensible au rayonnement infrarouge, notamment en s'affranchissant des contraintes et des limites thermiques imposées à l'ensemble du circuit de lecture/élément détecteur.
Ce procédé, pour la fabrication d'un détecteur bolométrique, consiste, à partir d'un circuit de lecture, notamment réalisé sur un substrat silicium : - tout d'abord, à former une première couche auxiliaire sacrificielle sur ledit substrat silicium, destinée à être ôtée, par tout moyen connu après réalisation du détecteur afin alors de découpler thermiquement le circuit de lecture du module de détection ; - puis à former sur cette couche auxiliaire sacrificielle, entre autres une couche de matériau bolométrique en silicium amorphe, mais également des électrodes destinées à envoyer les signaux électriques (impulsions, stimuli ou courant de polarisation) nécessaires au fonctionnement du bolomètre, et à acheminer le signal résultant de la détection du rayonnement infra rouge par le bolomètre au niveau du circuit de lecture.
Il se caractérise en ce que l'on soumet la couche de matériau bolométrique, constituée de silicium amorphe, à un rayonnement laser propre à le transformer en silicium polycristallin.
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Ce faisant, on confère tout d'abord au détecteur ainsi réalisé une plus grande stabilité vis à vis des diverses sollicitations, principalement thermiques, en comparaison avec les détecteurs à base de silicium amorphe.
Ensuite, on optimise de manière déterminante la sensibilité du détecteur, puisque d'une part, le silicium polycristallin présente une variabilité de la résistivité plus importante sous l'effet de la chaleur, et par voie de conséquence du rayonnement infra rouge incident, et d'-autre part, son niveau de dopage peut être accentué, diminuant de fait le bruit basse fréquence que l'on rencontre avec le silicium amorphe. Le dopage favorise également l'augmentation de la résistance thermique dudit bolomètre, et donc la sensibilité de sa réponse aux signaux infra rouges incidents.
Avantageusement, le laser mis en oeuvre est un laser à excimère, agissant par impulsions. On dispose ainsi d'une gamme de puissance ou de densité d'énergie tout à fait adapté au matériau bolométrique mis en oeuvre.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le matériau bolométrique est séparé de la couche auxiliaire sacrificielle par une couche diélectrique, constituée d'un oxyde de silicium, et notamment de SiOx (proche de SiO) ou de nitrure de silicium.
Par ailleurs, et avantageusement, le substrat en silicium recevant le circuit de lecture est revêtu d'une couche d'un matériau réfléchissant le rayonnement infrarouge, et typiquement constitué d'aluminium.
L'invention concerne également le détecteur bolométrique issu de ce procédé.
Ce détecteur bolométrique, associé à un circuit de lecture notamment par la technologie dite microponts , comprend au moins une couche de matériau bolométrique associée à au moins deux électrodes, ledit matériau bolométrique étant thermiquement isolé dudit circuit de lecture. Il se caractérise en ce que le matériau bolométrique est constitué par un silicium polycristallin.
Avantageusement, le matériau bolométrique repose sur une couche d'un matériau diélectrique, notamment constitué d'oxyde de silicium (silice) ou de nitrure de silicium.
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La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent donnés à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées.
La figure 1 est une représentation schématique en section illustrant la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention.
La figure 2 est une représentation schématique en perspective simplifiée d'une forme de réalisation dudit détecteur bolométrique conforme à l'invention.
La figure 3 est une vue analogue à la figure 2 d'une autre forme de réalisation de l'invention.
On a représenté sur la figure 1, et sur les figures 2 et 3, sous la référence (1) un substrat, notamment en silicium, comprenant des dispositifs électroniques (non représentés), tels que par exemple réalisés selon la technologie CMOS. Ces dispositifs sont destinés à, d'une part, envoyer en direction du matériau bolométrique proprement dit les signaux nécessaires au fonctionnement du détecteur, et d'autre part, à recevoir et pouvoir interpréter les signaux en réponse issus dudit matériau bolométrique, ensuite notamment d'une irradiation de celui-ci par un rayonnement infrarouge.
Selon une caractéristique avantageuse, ce substrat en silicium est recouvert d'une couche de matériau réfléchissant dans la gamme de longueurs d'ondes de l'infrarouge, et typiquement constitué par une couche d'aluminium (2). Le dépôt d'une telle couche s'effectue de manière connue par pulvérisation cathodique.
Le complexe ainsi réalisé reçoit une couche auxiliaire sacrificielle (3), avantageusement réalisée en polyimide, et destinée à être supprimée, après réalisation définitive du détecteur bolométrique, par tout moyen connu, et notamment par plasma oxygène. La suppression de cette couche va ainsi définir une cavité destinée à isoler thermiquement le bolomètre du circuit de lecture.
Cette couche auxiliaire sacrificielle (3) est revêtue avantageusement d'une couche d'un matériau diélectrique (4), typiquement réalisé en silice SiOx, voire par du nitrure de silicium. De la sorte, le bolomètre (5), décrit ci-après plus en détail, est supporté mécaniquement par un matériau isolant électrique sans effet sur ses propriétés, et en particulier sur sa résistance électrique.
<Desc/Clms Page number 6>
Enfin, on revêt l'ensemble d'une couche de silicium amorphe, constitutive du bolomètre (5) proprement dit, selon une des techniques classiques et bien connues de l'homme du métier, telle la décomposition thermique (CVD), ou la décomposition plasma (PECVD), ou encore la décomposition cathodique.
Quelle que soit la technologie retenue, à savoir structure sandwich à électrodes parallèles (figure 2), ou électrodes coplanaires (figure 3), des électrodes (6) sont positionnées en temps utile, et tel que cela a été abondamment décrit dans les documents de l'art antérieur précités.
Par exemple, et ainsi que cela a été décrit dans les deux documents précités, on peut tout d'abord déposer le matériau bolométrique (Silicium amorphe) avant le matériau constitutif des électrodes. Le traitement dudit silicium amorphe conformément à l'invention intervient alors avant la fabrication desdites électrodes. Mais on peut également réaliser la technologie propre aux électrodes sur la couche sacrificielle ou sur la couche de matériau isolant, et exécuter ensuite le dépôt de silicium amorphe et son traitement conforme à l'invention.
Dans l'exemple décrit, on a représenté un seul bolomètre au sein du détecteur. De fait, ce bolomètre est connecté au substrat silicium (1) à la fois électriquement et mécaniquement par le biais desdites électrodes (6).
De fait, et ainsi qu'évoqué précédemment, lors de l'achèvement du détecteur bolométrique conforme à l'invention, la couche auxiliaire sacrificielle est supprimée, de sorte que le bolomètre est maintenu thermiquement isolé du substrat silicium (1) par la cavité ainsi générée, avantageusement occupée par un gaz lourd, tel que le xénon, ou encore vide de gaz, en plaçant le détecteur alors obtenu dans une enceinte sous vide.
Cette structure est dénommée dans la technologie en question par structure à microponts.
L'invention s'applique également aux structures où les fonctions électrodes et absorbeurs sont dissociées, et leurs matériaux séparés par un diélectrique, telles que cela a été décrit en relation avec les brevets américains précités.
<Desc/Clms Page number 7>
Selon une caractéristique fondamentale de l'invention, le matériau bolométrique ainsi réalisé est soumis à un rayonnement laser, et notamment au moyen d'un laser à excimère, afin d'aboutir à la transformation du silicium amorphe constitutif du bolomètre (5) proprement dit en silicium polycristallin. La soumission du silicium amorphe à ce rayonnement laser induit un recuit du silicium amorphe et plus précisément, aboutit à la fusion du silicium amorphe et à sa recristallisation pour aboutir à du silicium polycrystallin.
L'interaction du laser avec le silicium amorphe a pour effet principal d'élever instantanément la température du matériau irradié et d'induire, si l'énergie laser est suffisante, la fusion de celui-ci, sans pour autant affecter significativement les couches sous-jacentes, et en particulier la couche auxiliaire sacrificielle. Le circuit de lecture est a fortiori épargné par cette opération.
La durée de l'élévation de température de la fusion est de l'ordre de grandeur de la durée de l'impulsion laser. Elle peut typiquement atteindre quelques dizaines de nanosecondes, en fonction de l'énergie laser pour des impulsions classiques de 10 à 20 nanosecondes des lasers à excimère.
La fusion de la surface commence vers la fin de l'impulsion laser, le retard diminuant avec l'énergie des impulsions laser mises en oeuvre. Le front de fusion pénètre à l'intérieur du matériau jusqu'à atteindre une valeur maximum qui définit la profondeur fondue avant de revenir vers la surface. La profondeur fondue ainsi que la durée de fusion augmente bien évidemment avec l'énergie laser.
Le choix d'un laser à excimère du type XeCI ou KrF, voire encore d'un laser YAG triplé, donc fonctionnant tous dans le domaine de l'UV, est dicté par la puissance souhaitée au niveau de l'impulsion. On choisit typiquement une densité d'énergie comprise entre 200 et 400 mJ/cm2.
Avantageusement, on sélectionne l'énergie laser afin que l'intégralité du film de silicium amorphe soit refondue et recristallisée.
On a pu montrer que pour une énergie laser supérieure à 360 mJ/cm2, une épaisseur de 50 nm de silicium amorphe était complètement recristallisée en silicium polycristallin de bonne qualité.
<Desc/Clms Page number 8>
L'énergie laser est aisément ajustable par l'homme du métier afin de fondre la totalité de l'épaisseur du matériau amorphe en un seul voire en plusieurs tirs ou impulsions laser en fonction de l'équipement utilisé. De même, en fonction d'un tel équipement, le spot laser est scanné ou déplacé (pas à pas) jusqu'à induire la transformation de la totalité de la couche de silicium amorphe de la pluralité de photosites bolométriques considérée.
Par la transformation du matériau bolométrique d'une nature amorphe à une nature cristalline, on aboutit à un matériau parfaitement stable, notamment thermiquement, en tout cas aux conditions de fonctionnement du détecteur bolométrique, et insensible aux opérations technologiques impliquant des excursions thermiques non intentionnelles ( durcissement des résines, par exemple, dépôt, gravures...). En d'autres termes, le détecteur bolométrique résultant est insensible à l'environnement thermique qu'il peut rencontrer sous ses conditions normales de fabrication et d'utilisation.
Par ailleurs, il devient possible d'accroître le niveau de dopage, en raison, en particulier, d'une meilleure incorporation, et ceci de manière parfaitement uniforme sur toute l'épaisseur du matériau, du fait du passage en phase liquide et de l'état cristallin du silicium une fois solidifié.
Ainsi que déjà précisé, du dopage dépend la résistance thermique du matériau bolométrique, et partant son isolation du circuit sous-jacent. En outre, le bruit basse fréquence tend à diminuer lorsque le dopage augmente. De la sorte, la mise en oeuvre de silicium polycristallin permet de jouer, sur ces deux paramètres, dans l'objectif d'améliorer les propriétés de détection et la sensibilité de tels détecteurs.
En outre, la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention permet de conserver l'intégrité du circuit de lecture sous-jacent, ainsi que de la couche auxiliaire sacrificielle en polyimide. Cette couche sacrificielle est éliminée en phase ultime de réalisation du détecteur. La mise en oeuvre du polyimide s'avère tout particulièrement avantageuse, compte tenu notamment de son enlèvement aisé et respectueux du reste de la structure, en raison de la sélectivité du plasma oxygène.
On conçoit dès lors tout l'intérêt du procédé conforme à l'invention, ainsi que du détecteur en résultant en termes de qualité et de sensibilité de détection infrarouge à température ambiante, mais également en termes de facilité de réalisation et des coûts réduits en résultant.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la fabrication d'un détecteur bolométrique, consistant, à partir d'un circuit de lecture, notamment réalisé sur un substrat silicium (1) : - tout d'abord, à former une première couche auxiliaire sacrificielle (3) sur ledit substrat silicium, destinée à être ôtée par tout moyen connu après réalisation du détecteur afin de découpler thermiquement le circuit de lecture (1) du module de détection ; - puis à former sur cette couche auxiliaire sacrificielle (3), entre autres une couche de matériau bolométrique en silicium amorphe (5), mais également des électrodes (6), destinées à envoyer des signaux électriques nécessaires au fonctionnement du bolomètres et à acheminer le signal résultant de la détection du rayonnement infra rouge par ledit bolomètre au niveau du circuit de lecture, caractérisé en ce que l'on soumet la couche (5) de matériau bolométrique, constituée de silicium amorphe, à un rayonnement laser, destiné à le transformer en silicium polycristallin.
  2. 2. Procédé pour la fabrication d'un détecteur bolométrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser est un laser à excimère ou un YAG triplé.
  3. 3. Procédé pour la fabrication d'un détecteur bolométrique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la densité d'énergie du laser est comprise entre 200 et 400 mJ/cm.
  4. 4. Procédé pour la fabrication d'un détecteur bolométrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que préalablement à l'irradiation du silicium amorphe, constitutif du matériau bolométrique, on revêt la couche auxiliaire sacrificielle d'une couche d'un matériau diélectrique (4), notamment constituée d'un oxyde de silicium ou d'un nitrure de silicium.
  5. 5. Procédé pour la fabrication d'un détecteur bolométrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que préalablement à l'irradiation du silicium amorphe, constitutif du matériau bolométrique, on revêt le substrat silicium constitutif du circuit de lecture d'une couche d'un matériau réfléchissant le rayonnement infrarouge, et notamment par de l'aluminium.
    <Desc/Clms Page number 10>
  6. 6. Détecteur bolométrique, associé à un circuit de lecture (1) notamment par la technologie dite microponts , comprenant au moins une couche de matériau bolométrique (5) associée à au moins deux électrodes (6) assurant le contact électrique et mécanique dudit bolomètre avec le substrat (1) constitutif du circuit de lecture, ledit matériau bolométrique étant thermiquement isolé dudit circuit de lecture, caractérisé en ce que le matériau bolométrique est constitué par un silicium polycristallin.
  7. 7. Détecteur bolométrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau bolométrique (5) repose sur une couche d'un matériau diélectrique, notamment constitué d'oxyde de silicium ou de nitrure de silicium.
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