FR3041151A1 - Dispositif microelectronique et son procede de fabrication - Google Patents

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Fabian Henrici
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Abstract

Dispositif microélectronique (100) pour détecter les ondes électromagnétiques comportant un substrat de détecteur (10) avec une surface de montage (11) et au moins une plage de détection (15), et au moins un substrat de lentille (20) sur la surface de montage (11). Le substrat de lentille (20) a au moins une cavité (K1) qui entoure de façon hermétique la plage de détection (15) au niveau du substrat .

Description

Domaine de l’invention
La présente invention se rapporte à un dispositif microélectronique pour détecter des ondes électromagnétiques ainsi qu’à son procédé de fabrication.
Etat de la technique
Les détecteurs semiconducteurs notamment pour le rayonnement infrarouge comportent une structure de détecteur réalisée sur un substrat semiconducteur. La structure de détecteur est reliée à un boîtier avec une fenêtre incrustée au-dessus de la structure de détecteur. Pour le procédé générant l’image, on prévoit un système d’imagerie optique, par exemple une lentille d’imagerie qui forme l’image de l’objet sur un plan d’une matrice de détecteur. Les lentilles d’imageries usuelles sont très coûteuses pour de tels systèmes de détecteurs. Les lentilles économiques en matière plastique ont une application limitée car elles sont, par exemple, sensibles à la température. En outre, pour avoir ou maintenir le vide entre la structure de lentille et la structure de détecteur, on utilise des techniques de construction et de liaison complexes, ce qui ce traduit par un coût et du temps de fabrication importants.
Le document DE 199 23 606 Al décrit un dispositif de détection du rayonnement infrarouge.
Exposé et avantages de l’invention
La présente invention a pour objet un dispositif microélectronique pour détecter les ondes électromagnétiques comportant : - un substrat de détecteur avec une surface de montage et au moins une plage de détection, et - au moins un substrat de lentille sur la surface de montage, et - le substrat de lentille a au moins une cavité qui entoure la plage de détection au niveau du substrat de façon hermétique.
Le dispositif microélectronique selon l’invention permet d’avoir sur le plan du substrat ou de la puce, une cavité entre le substrat de détecteur et le substrat de lentille, qui entoure la plage de détection de façon hermétique grâce à la cavité du substrat de lentille. En d’autres termes, on réalise un vide constant dans la cavité. Le vide dans la cavité peut être inférieur à 1 millibar. Pour réaliser le substrat de lentille sur le substrat de capteur sur le plan de la puce, on utilise notamment la liaison directe de silicium ou la liaison eutectique par exemple à base de AlGe de sorte que le procédé de fabrication permet une fabrication particulièrement économique et rapide du dispositif microélectronique. En outre, pour réaliser le dispositif microélectronique, il suffit de seulement quelques étapes de procédé car l’encapsulage hermétique de la plage de détection se fait au niveau de la puce et après séparation en éléments distincts, par exemple, en puces de capteur, distinctes, on aura des dispositifs microélectroniques autonomes en fonctionnement et qui sont leur propre support. De plus, on réalise d’une manière simple le positionnement exact du substrat de lentille sur le substrat de capteur au niveau de la puce.
Selon la présente description, les ondes électromagnétiques sur la plage spectrale de l’infrarouge (infrarouge proche) ou de l’infrarouge lointain (PIR/LIR).
La plage de détection selon la présente description est celle du pixel de détection ou d’une matrice de détection.
Le plan du substrat ou plan de la puce selon la présente invention signifie que l’on utilise des composants fonctionnels par exemple un substrat de capteur et un substrat de lentille comme partie intégrante du dispositif microélectronique. Cela à l’avantage de pouvoir réaliser un dispositif microélectronique particulièrement miniaturisé car il ne comporte pas de composants fabriqués séparément (par exemple un circuit ASIC) en plus du substrat pour la plage de détection. En d’autres termes, les composants du circuit font partie intégrante du substrat de capteur. La plage de détection est notamment constituée par une matrice de pixels servant à détecteur le rayonnement infrarouge lointain ou proche FIR et/ou IR, PIR. La résolution de la matrice de pixel ou le nombre de pixels dans la direction horizontale et/ou la direction verticale peut varier. On peut envisager un intervalle (pas) irrégulier entre deux pixels d’une matrice.
Le dispositif microélectronique de la présente description est un composant séparé, à support indépendant et apte à fonctionner. Intégrer le dispositif microélectronique tel que décrit à d’autres composants microélectroniques ou les combinés, constitue un système microélectronique.
Selon un développement préférentiel, on fait le vide dans la cavité, ce qui réduit la dispersion du rayonnement infrarouge dans la cavité. En particulier, grâce au vide, on augmente le découplage thermique de la plage de détection, des pixels de détection et de la matrice de détection se traduisant globalement par une meilleure sensibilité de la plage de détection.
Selon un autre développement préférentiel, la plage de détection a son propre convertisseur et un absorbeur sur le côté de la plage de détection tournée vers le substrat de lentille. L’absorbeur comporte par exemple du dioxyde de silicium, ce qui permet d’absorber très efficacement le rayonnement électromagnétique. La plage de détection est fondée sur le principe de conversion thermoélectrique suivant : mode résistant, mode de diode pn ou mode capacitif.
Selon un autre développement préférentiel, l’absorbeur comporte des bras de contact qui entourent l’absorbeur au moins par zone. Par exemple, les bras de contact enveloppant sont écartés dans une première direction latérale de la surface principale de l’absorbeur par des zones sans matériaux, ce qui réalise une bonne isolation thermique de la plage de détection par les bras de contact périphériques qui réalisent le contact électrique avec le substrat de capteur. L’absorbeur est, par exemple, du dioxyde de silicium et les bras de contact sont notamment du titane dont la conductivité thermique est faible.
Selon un autre développement préférentiel, le fonctionnement du transducteur intégré utilise une diode, un élément thermique et une résistance, ce qui correspond à un spectre étendu de convertisseur intégré utilisant le principe de la conversion thermoélectrique.
Selon un autre développement préférentiel, le dispositif se compose d’un substrat de lentille sur le substrat de capteur par liaison directe de silicium ou par liaison eutectique du substrat. Les procédés de liaison ainsi décrits permettent de maintenir constant le vide dans la cavité. De plus, on réalise le vide de la cavité, de manière simple, sans nécessiter des techniques de construction de liaison coûteuses.
Selon un autre développement préférentiel, un substrat de capsule est prévu entre le substrat de capteur et le substrat de lentille. L’utilisation par exemple d’un substrat de capsule pour liaison anodique permet de réduire significativement la largeur du cadre de liaison et ainsi la surface occupée par le substrat de capteur. On pourra ainsi régler très simplement la distance focale requise par rapport à la puce de détecteur. Le substrat de capsule entoure le substrat de capteur en laissant le vide. Dans ce cas, on peut supprimer le vide entre le substrat de capsule et le substrat de lentille, ce qui permet d’utiliser un substrat de lentille particulièrement économique.
Selon un autre développement préférentiel, un substrat de diaphragme est prévu entre le substrat de capteur et le substrat de lentille, ce qui permet de régler la distance focale requise par rapport au substrat de capteur par le substrat de diaphragme évitant ainsi les influences de la lumière dispersée.
Selon un autre développement préférentiel, la surface d’incidence du rayonnement et/ou la surface de sortie du rayonnement du substrat de lentille et/ou du substrat de capsule comporte une couche fonctionnelle. Ainsi, la couche fonctionnelle permet de réduire ou d’éviter les réflexions en surface. La couche fonctionnelle peut être appliquée sur une surface ou sur les deux faces du substrat de lentille ou le substrat de capsule.
Selon un autre développement préférentiel, le substrat de lentille a une structure de lentille convexe ou concave. Le substrat de lentille comporte par exemple du silicium (Si), du germanium (Ge) ou un autre matériau approprié. Pour utiliser le substrat de capsule, on peut envisager un substrat de lentille en matière plastique ou en verre. Le substrat de lentille est alors en un matériau transparent pour le rayonnement infrarouge (IR) et/ou le rayonnement infrarouge lointain (LIR). La structure de lentille convexe ou concave décrite ici, se réfère à un plan de référence du substrat de lentille.
Selon un autre développement préférentiel, le substrat de lentille est fixé au substrat de détecteur par un dispositif de liaison, réalisant l’étanchéité ou vide. Le dispositif de liaison avec scellement sous vide, réalise notamment la liaison directe du silicium ou la liaison eu-tectique du substrat.
Selon un autre développement préférentiel, le dispositif de liaison avec scellement sous vide, réalise le branchement électrique avec les composants du circuit. Le composant du circuit est par exemple un circuit ASIC. En d’autres termes, le dispositif de liaison qui assure le scellement sous vide permet non seulement de fermer hermétiquement la cavité et de maintenir le vide dans la cavité mais en plus de réaliser le branchement électrique. On arrive ainsi à un dispositif microélectronique particulièrement peu encombrant, obtenu de manière simple.
Les caractéristiques décrites ci-dessus du dispositif microélectronique se transposent au procédé de fabrication d’un tel dispositif et réciproquement.
Dessins
La présente invention sera décrite, ci-après, de manière plus détaillée à l’aide d’exemples de dispositifs microélectroniques représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une section schématique perpendiculaire pour décrire un dispositif microélectronique et son procédé de fabrication selon un premier mode de réalisation de l’invention, - la figure 2 est une vue schématique pour décrire un absorbeur correspondant à un premier mode de réalisation de l’invention, - la figure 3 est une section schématique perpendiculaire pour décrire un dispositif microélectronique et son procédé de fabrication pour un second mode de réalisation de l’invention, - la figure 4 est une section schématique perpendiculaire pour décrire un dispositif microélectronique et son procédé de fabrication pour un troisième mode de réalisation de l’invention, - la figure 5 est une section schématique perpendiculaire pour décrire un dispositif microélectronique et son procédé de fabrication pour un quatrième mode de réalisation de l’invention, - la figure 6 est une section schématique perpendiculaire pour décrire un dispositif microélectronique et son procédé de fabrication pour un cinquième mode de réalisation de l’invention, - la figure 7 montre un ordinogramme décrivant le procédé de fabrication d’un dispositif microélectronique selon l’invention.
Description et modes de réalisation de l’invention
La figure 1 est une section schématique perpendiculaire pour décrire un dispositif microélectronique et son procédé de fabrication selon un premier mode de réalisation de l’invention. A la figure 1, la référence 100 désigne un dispositif microélectronique pour détecter des ondes électromagnétiques. Les ondes électromagnétiques selon la présente description sont notamment le rayonnement infrarouge ou un infrarouge lointain de la plage spectrale. Le dispositif microélectronique 100 comporte un substrat de détecteur 10 avec une surface de montage 11 et au moins une plage de détection 15. La plage de détection 15 présentée à la figure 1 est un point de détection ou un pixel de détection. Le substrat de détecteur 10 est notamment un composant de circuit 50 par exemple un circuit ASIC (circuit dédié). Cette solution a l’avantage de réaliser un dispositif microélectronique, miniaturisé car les composants de circuit 50 font partie intégrante du substrat de détecteur.
La surface de montage 11 du substrat de détecteur 10 comporte un substrat de lentille 20. Le substrat de lentille 20 a une structure de lentille 21 convexe ou concave par rapport au plan de référence du substrat de lentille 20. Le substrat de lentille 20 est par exemple du silicium (Si), du germanium (Ge), ou tous autres matériaux appropriés. On peut également utiliser un substrat de capsule 30 en matière plastique ou en verre qui entoure le substrat de lentille 20. Le substrat de lentille 20 est notamment en un matériau transparent à l’infrarouge (IR) et/ou à l’infrarouge lointain (LIR) par exemple du silicium non dopé.
Le substrat de lentille 20 a une cavité Kl qui entoure hermétiquement la plage de détection 15 ou pixel de détection au niveau du substrat ou de la puce. En d’autres termes, le vide V règne dans la cavité Kl. Pour maintenir constant le vide V dans la cavité Kl, on réalise le substrat de lentille 20 avec une liaison directe de silicium ou une liaison de substrat eutectique sur le substrat de détecteur 10.
Ainsi, on isole de manière simple, la cavité de façon hermétique vis-à-vis de l’atmosphère extérieure.
La plage de détection 15 de la figure 1 comporte au moins un transducteur intégré qui se trouve sur le côté du substrat à l’opposé de la plage de détection 15 avec un absorbeur 16.
Bien que la figure 1 représente un pixel de détection ou point de détection, on peut avoir plusieurs pixels de détection dans la plage de détection 15 notamment selon une matrice rectangulaire composée de (m x n) pixels sur une puce.
La figure 2 montre une vue schématique pour décrire l’absorbeur correspondant au premier mode de réalisation de l’invention. A la figure 2, la référence 16 désigne l’absorbeur. L’absorbeur 16 est entouré partiellement par au moins deux bras de contact 17. Les bras de contact 17 sont écartés dans la direction latérale de la surface principale de l’absorbeur 16 par une zone sans matériau ; à l’aide des bras de contact 17, on réalise le branchement électrique avec le substrat de détecteur 10. L’absorbeur 16 est par exemple en dioxyde de silicium et les bras de contact 17 peuvent être en titane dont la conductivité thermique est faible.
La figure 3 est une section schématique perpendiculaire pour décrire le dispositif microélectronique et son procédé de fabrication selon un second mode de réalisation de l’invention. A la figure 3, la référence 30 désigne un substrat de capsule. Dans le second mode de réalisation du dispositif microélectronique, le vide V est réalisé entre le substrat formant capsule 30 et le substrat de détecteur 10. Comme procédé de liaison, on peut utiliser ici la liaison directe du silicium ou la liaison eutectique du substrat. Cette forme de réalisation est notamment avantageuse si le substrat de lentille 20 doit être à une distance importante du substrat de détecteur 10 à cause de la distance focale ou si le substrat de lentille 20 est en une matière qui convient mal pour réaliser le vide ou pour réaliser une fermeture hermétique. De tels substrats de lentille 20 sont notamment des polymères.
La figure 4 est une section schématique perpendiculaire pour décrire un dispositif microélectronique et son procédé de fabrication correspondant à un troisième mode de réalisation de l’invention.
La figure 4 correspond au dispositif microélectronique 100 de la figure 3 à la différence qu’il y a un autre substrat de lentille 20’ entre le substrat de capsule 30 et le substrat de lentille 20.
La figure 5 est une section schématique perpendiculaire décrivant un dispositif microélectronique et son procédé de fabrication selon une quatrième variante de réalisation de l’invention.
La figure 5 correspond au dispositif microélectronique 100 de la figure 3 à la différence qu’il y a un substrat de diaphragme 40 entre le substrat de capsule 30 et substrat de lentille 20.
La figure 6 est une section schématique perpendiculaire décrivant un dispositif microélectronique et son procédé de fabrication selon un cinquième mode de réalisation de l’invention.
La figure 6 correspond au dispositif microélectronique 100 de la figure 1 à la différence que le substrat de lentille 20 comporte la structure de lentille convexe et concave 21 par rapport au plan de référence à la figure 6.
La figure 7 montre un ordinogramme pour décrire l’exécution du procédé de fabrication d’un dispositif microélectronique selon la présente invention.
Comme le montre la figure 7, le procédé de fabrication du dispositif microélectronique comporte les étapes A, B, C et D.
Dans l’étape A, on développe un substrat de lentille 20. Dans l’étape B, on transmet une structure lenticulaire au substrat de lentille 20 en développant un ensemble de cavités Kl. Pour cela, on utilise notamment l’un des procédés suivants : lithographie en niveaux de gris, impression à chaud, mise en structure par laser ou faisceau E d’électrons.
Dans l’étape C, on dispose le substrat de lentille 20 sur le substrat de détecteur 10 avec un ensemble de zones de détection 15 de façon à entourer hermétiquement l’ensemble de cavités 21 par au moins l’une des plages de détection 15. En utilisant des composants de circuit intégrés 50 dans le substrat de détecteur 10, on peut notamment faire le branchement électrique avec un dispositif de liaison qui réalise le scellement sous vide.
Dans l’étape D, on sépare le dispositif microélectrique 100 pour qu’un autre dispositif microélectronique 100’ comporte au moins une zone de détection 15 dans la cavité. Les surfaces latérales correspondantes du substrat de détecteur, du substrat de lentille et le cas échéant du substrat de capsule et du substrat de diaphragme peuvent avoir des traces d’enlèvement mécanique. L’étape de séparation peut se faire par gravure, par exemple, chimique, par gravure ionique réactive profonde (DRIE) ou physique par sciage ou par découpe par laser.
En d’autres termes, le réseau de détection ou matrice de détection 15 est encapsulé hermétiquement avec le substrat de lentille 20. Cela se fait en réalisant le vide par exemple par liaison directe de silicium au substrat de détecteur 10 sur le plan de la puce. La séparation en élément distinct se fait seulement ensuite. Cela réduite considérablement le coût de fabrication et les pertes liées à la séparation en élément distinct ou réduit l’encombrement nécessaire pour la manipulation de lentille séparée.
Les caractéristiques décrites ci-dessus du dispositif microélectronique s’appliquent également au procédé de fabrication de ce dispositif et réciproquement.
Comme indiqué ci-dessus, l’invention s’applique à des composants tels que par exemple des composants MEMS, des microcontrôleurs ou autres.
NOMENCLATURE DES PRINCIPAUX ELEMENTS 10 Substrat de détecteur 11 Surface de montage 15 Plage de détection 16 Absorbeur 17 Bras de contact 20, 20’ Substrat de lentille 21 Structure convexe ou concave de lentille 21 Cavité 30 Substrat de capsule 40 Substrat de diaphragme 50 Composant de circuit 100 Dispositif microélectronique
Kl Cavité V Vide

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS 1°) Dispositif microélectronique (100) pour détecter les ondes électromagnétiques comportant : - un substrat de détecteur (10) avec une surface de montage (11) et au moins une plage de détection (15) et - au moins un substrat de lentille (20) sur la surface de montage (11), et - le substrat de lentille (20) a au moins une cavité (Kl) qui entoure de façon hermétique la plage de détection (15) au niveau du substrat.
  2. 2°) Dispositif microélectronique (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité (Kl) est mise sous vide (V).
  3. 3°) Dispositif microélectronique (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plage de détection (15) comporte un convertisseur intégré et le côté tourné vers le substrat de lentille (20) de la plage de détection (15) comporte un absorbeur (16).
  4. 4°) Dispositif microélectronique (100) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’absorbeur (16) a au moins deux bras de contact (17) qui entourent partiellement l’absorbeur (16).
  5. 5°) Dispositif microélectronique (100) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la fonctionnalité du transducteur intégré utilise une diode, un thermocouple ou une résistance.
  6. 6°) Dispositif microélectronique (100) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’ le substrat de lentille (20) est réalisé sur le substrat de détecteur (10) par liaison directe de silicium ou par liaison eutectique au substrat.
  7. 7°) Dispositif microélectronique (100) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé par un substrat de capsule (30) entre le substrat de détecteur (10) et le substrat de lentille (20).
  8. 8°) Dispositif microélectronique (100) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé par un substrat de diaphragme (40) entre le substrat de détecteur (10) et le substrat de lentille (20).
  9. 9°) Dispositif microélectronique (100) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la surface d’entrée de rayonnement et/ou la surface de sortie de rayonnement du substrat de lentille (20) et/ou du substrat de capsule (30) a une couche fonctionnelle.
  10. 10°) Dispositif microélectronique (100) selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le substrat de lentille (20) a une structure de lentille (21) convexe et/ou concave.
  11. 11°) Procédé de fabrication d’un dispositif microélectronique (100) consistant à : A) utiliser un substrat de lentille (20), B) transférer une structure de lentille sur le substrat de lentille (20) en développant un ensemble de cavités (Kl), C) disposer le substrat de lentille (20) sur le substrat de détecteur (10) avec un ensemble de zones de détection (15) de façon à entourer hermétiquement l’ensemble des cavités (Kl) de la plage de détection (15), D) séparer en élément distinct le dispositif microélectronique (100) pour qu’un autre dispositif microélectronique (100’) comporte au moins une plage de détection (15) dans la cavité (21).
  12. 12°) Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce qu’ on dispose le substrat de lentille (20) sur le substrat de détecteur (10) par un dispositif de liaison réalisant le scellement sous vide.
  13. 13°) Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce que le dispositif de liaison qui réalise le scellement sous vide réalise le branchement électrique avec un composant de circuit (50).
  14. 14°) Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce qu’ un substrat de capsule (30) est prévu entre le substrat de détecteur (10) et le substrat de lentille (20).
  15. 15°) Procédé de fabrication selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’ un substrat de diaphragme (40) est prévu entre le substrat de détecteur (10) et le substrat de lentille (20).
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