FR3077159A1 - Capteur d'image et son procede de fabrication - Google Patents

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cavity
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pressure
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Yannick Pierre Sanchez
Emilie Deloffre
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STMicroelectronics Crolles 2 SAS
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Abstract

Procédé de fabrication de capteurs d'image dans lequel une couche active (30) en matériau semiconducteur est plaquée, par pression, contre les parois de cavités (20) d'une première plaque (22).

Description

CAPTEUR D'IMAGE ET SON PROCEDE DE FABRICATION
Domaine
La présente demande concerne des capteurs d'image et leurs procédés de fabrication.
Exposé de l’art antérieur
Des capteurs d'image sont utilisés dans de nombreux appareils dont on cherche à diminuer l'épaisseur, y compris les téléphones intelligents (smartphones), et les appareils photos.
Un capteur d'image comprend généralement une couche active adaptée à capter les signaux lumineux et à émettre des signaux électriques représentatifs des signaux lumineux captés? ainsi qu'un objectif, composé de lentilles circulaires qui produisent une image courbe. Lorsque la couche active est plate, comme c'est le cas dans les capteurs d'images disponibles actuellement, l'objectif comprend plusieurs lentilles, ce qui augmente l'épaisseur de chaque capteur. Il y a, malgré la présence de ces lentilles, une déperdition de la qualité d'image entre le centre et les bords des images.
Résumé
Un mode de réalisation pallie tout ou partie des inconvénients des capteurs d'image usuels.
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication de capteurs d'image dans lequel une couche active en
B16621 - 17-GR3-0086 matériau semiconducteur est plaquée, par pression, contre les parois de cavités d'une première plaque.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape a) de gravure des cavités d'un premier côté de la première plaque.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes b) former des trous traversants dans une deuxième plaque ; et c) fixer la couche active sur un premier côté de la deuxième plaque.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend l'étape d) placer le premier côté de la deuxième plaque sur le premier côté de la première plaque, de telle manière que chaque trou traversant est situé en regard d'une cavité.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, entre les étapes a) et d) une étape de dépôt d'une première couche de fixation sur le premier côté de la première plaque.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend, entre les étapes b) et c), une étape de dépôt d'une seconde couche de fixation sur le second côté de la deuxième plaque.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape e) ultérieure à l'étape d) d'augmentation d'une première pression à laquelle est effectuée l'étape d) , jusqu'à atteindre une seconde pression.
Selon un mode de réalisation, la seconde pression est la pression atmosphérique.
Selon un mode de réalisation, la première pression est comprise entre 0,001 et 50 mbar.
Selon un mode de réalisation, la section horizontale d'une cavité est sensiblement circulaire.
Selon un mode de réalisation, la section horizontale d'une cavité est sensiblement rectangulaire.
Selon un mode de réalisation, une section verticale d'une cavité a sensiblement la forme d'une portion de cercle.
B16621 - 17-GR3-0086
Selon un mode de réalisation, après l'étape c) , la couche active est affinée jusqu'à une épaisseur comprise entre 6 et 100 pm.
Un autre mode de réalisation prévoit un capteur d'image comprenant une plaque en matériau semiconducteur dans laquelle est située une cavité de section verticale sensiblement en forme de portion de cercle recouverte d'une couche active.
Selon un mode de réalisation, le capteur comprend des composants logiques situés dans le matériau semiconducteur autour de la cavité.
Selon un mode de réalisation, au moins une portion de la couche active est située en regard d'une lentille.
Un mode de réalisation prévoit un capteur d'image tel que décrit précédemment, formé par un procédé de fabrication tel que décrit précédemment.
Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation de capteurs courbes d'image ;
les figures 2A à 2H sont des vues en coupe et en perspective schématiques d'un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un capteur tel qu'illustré en figure 1 ; et les figures 3A à 3C illustrent un capteur d'image obtenu par le procédé des figures 2A à 2H par une vue en perspective, une vue en coupe et une vue de dessus.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En
B16621 - 17-GR3-0086 particulier, les différentes connexions des capteurs ou des composants les entourant ne sont pas détaillés.
Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position relative, tels que les termes supérieur, inférieur, etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes horizontal, vertical, etc., il est fait référence à l'orientation des éléments concernés dans les figures. Sauf précision contraire, les expressions approximativement, et sensiblement, signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
En utilisant un capteur courbe, qui fonctionne similairement à l'oeil humain, il est possible de s'adapter à la courbure de champ de l'objectif utilisé. Cela permet d'utiliser moins de lentilles dans l'objectif, par exemple une unique lentille, et donc d'obtenir des capteurs de plus faible épaisseur et moins coûteux. De plus, cela permet d'obtenir une meilleure qualité d'image et une meilleure résolution.
La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation de capteurs d'image 2 ayant une forme courbe. Plus précisément la figure 1 représente partiellement une plaque 4 dans et sur laquelle sont formés des capteurs d'image 2. Trois capteurs 2 sont visibles en figure 1. La plaque 4 comprend des cavités 6, ouvertes d'un premier côté de la plaque (face supérieure en figure 1), ayant une section verticale (dans le plan de la coupe de la figure 1) sensiblement en forme de portions de cercle. Sur les figures, la courbure des bords des cavités 6 est volontairement exagérée et abrupte. En pratique, les bords des cavités 14 sont adoucis de par les procédés de fabrication utilisés. Autrement dit, les bords de la cavité forment une courbe dont la dérivée est continue et ne forment donc pas de cassure avec la surface plane du reste de la plaque. Un premier côté de la plaque 4, comprenant les parois des cavités 6, est recouvert d'une couche active 8. La couche active 8 comprend par exemple des dispositifs photosensibles. La couche 8 est adaptée, pour les portions situées dans les cavités 6, à capter les signaux lumineux et à émettre
B16621 - 17-GR3-0086 des signaux électriques représentatifs des signaux lumineux captés. En particulier, ces portions situées dans les cavités 6 peuvent chacune comprendre une matrice de pixels photosensibles, éventuellement recouverts de filtres colorés et de microlentilles. Chaque cavité 6 et la portion de la couche active 8 correspondante sont situées en regard d'un empilement d'éléments optiques 10 comprenant de préférence une unique macro lentille, située en regard d'au moins une portion de la couche active, et éventuellement d'autres éléments tels que des filtres optiques. Des zones 12 de la couche active 8, situées hors des cavités 6, comprennent par exemple des composants logiques et des interconnexions. La fabrication de la couche active et des éléments qu'elle contient est effectuée par les procédés usuels.
La plaque 4 est par exemple en un matériau semiconducteur, par exemple en silicium. La couche active est formée de préférence dans un matériau présentant un coefficient d'expansion thermique proche de celui du matériau semiconducteur de la plaque.
L'espace 14 entre chaque couche active 8 et l'empilement d'éléments optiques 10 correspondant est par exemple rempli d'air.
Les figures 2A à 2H sont des vues en coupe et en perspective schématiques illustrant un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un capteur tel que celui de la figure 1.
Le procédé de fabrication décrit en relation avec les figures 2A à 2H est par exemple effectué dans une enceinte hermétique.
La figure 2A est une vue en perspective schématique d'une première plaque 22 après une étape de fabrication. Au cours de cette étape, des cavités 20, dont neuf sont représentés, sont formées dans la première plaque 22, et sont ouvertes d'un premier côté de la première plaque 22. La première plaque est par exemple en un matériau semiconducteur, par exemple en silicium.
Dans l'exemple de la figure 2A, les cavités 20 ont sensiblement la forme de demi-sphères. Elles ont donc une section horizontale, c'est-à-dire dans le plan de la plaque, sensiblement
B16621 - 17-GR3-0086 en forme de cercle et des sections verticales sensiblement en forme de portions de cercles, par exemple de calotte sphérique.
De manière plus générale, les cavités 20 ont au moins une section verticale, par exemple selon un plan B-B, ayant une forme courbée, par exemple ayant sensiblement la forme d'une portion de cercle. De plus, la section horizontale de chaque cavité 20 a une forme quelconque, de préférence sensiblement rectangulaire ou sensiblement circulaire.
Les différentes cavités 20 sont situées de manière à pouvoir être connectées à des composants, par exemple des composants logiques, préalablement formés et de manière à ce qu'il soit possible d'individualiser les capteurs formés dans les cavités 20. Les ouvertures des cavités 20 s'inscrivent dans des carrés ou des rectangles dont les dimensions sont, de préférence, comprises entre 50 pm et 50 mm.
Les cavités 20 sont par exemple formées en utilisant un procédé de gravure par transfert de profil (Pattern Transfer en anglais). Pour cela, une couche de résine photosensible est étalée sur la plaque 4 et recouverte par un masque à niveau de gris, puis exposée afin d'y former le profil voulu (ce procédé est couramment désigné sous le vocable anglais Gray-Scale Lithography ) . Le profil dans la couche de résine peut aussi être formé par un procédé de nano-impression (Nanoimprint Lithography). La plaque 4 recouverte de la couche de résine profilée est ensuite gravée par un procédé de gravure plasma adapté à transférer le profil initial de la couche de résine dans le matériau de la plaque 4.
La figure 2B est une vue en coupe schématique de la première plaque, selon le plan B-B, à une étape postérieure de fabrication. Une couche de fixation 24 est formée de manière conforme sur le premier côté de la première plaque. La couche de fixation 24 recouvre donc les parois des cavités 20 et les zones de la première plaque, situées hors des cavités.
La couche de fixation est par exemple en une résine permanente adhésive, par exemple en un polymère de type Siloxane.
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La couche de fixation a par exemple une épaisseur comprise entre 5 pm et 75 pm.
La figure 2C est une vue en perspective schématique d'une deuxième plaque 26. La deuxième plaque est par exemple en un matériau semiconducteur par exemple en silicium. Des trous traversants 28, dont neuf sont représentés en figure 2A, sont formés, par exemple gravés, dans la deuxième plaque 26. Le diamètre des trous 28 est par exemple compris entre 50 et 200 pm. L'épaisseur de la deuxième plaque est par exemple comprise entre 400 et 500 pm.
La figure 2D est une vue en coupe schématique illustrant une autre étape du procédé de fabrication. L'étape de la figure 2D peut être effectuée avant ou après l'étape de la figure 2C.
Au cours de cette étape, une troisième plaque 30 comprenant la couche active, non représentée, est recouverte, d'un premier côté, d'une couche de fixation 32. Le premier côté est le côté où est formée la couche active. La troisième plaque 30 est par exemple en matériau semiconducteur. La troisième plaque comprend par exemple, comme cela a été évoqué précédemment, un matériau semiconducteur, par exemple du silicium, dans lequel est formée la couche active. La couche active comprend par exemple une matrice de pixels photosensibles. La couche de fixation 32 est par exemple dans un matériau utilisé couramment pour la fixation temporaire de couches semiconductrices. La couche de fixation 32 est par exemple en une résine temporaire faiblement adhésive, par exemple un polymère de type Siloxane. L'épaisseur de la couche de fixation 32 est par exemple comprise entre 5 pm et 75 pm.
La figure 2E est une vue en coupe schématique illustrant une étape de fabrication postérieure aux étapes des figures 2C et 2D. Au cours de cette étape, une des faces de la deuxième plaque 2 6 est placée en contact avec la couche de fixation 32 de la troisième plaque 30.
La figure 2F est une vue en coupe schématique illustrant une étape de fabrication postérieure à l'étape de la figure 2E.
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Au cours de cette étape, la troisième plaque 30 est amincie par sa face opposée à la couche active. L'épaisseur de la troisième plaque après amincissement est choisie de telle manière que l'ensemble comprenant la couche active comprise dans la troisième plaque 30 et la couche de fixation 32 puisse être courbé sans se briser. La troisième plaque 30 présente une épaisseur finale comprise entre 5 et 100 pm, de préférence entre 5 et 30 pm.
Les étapes illustrées par les figures 2C à 2F ne dépendent pas des étapes de fabrication illustrées par les figures 2A et 2B. Ainsi, l'ordre de fabrication de la première plaque, d'une part, et des deuxième et troisième plaques d'autre part, peut être modifié.
La figure 2G est une vue en coupe schématique d'une étape de fabrication postérieure aux étapes 2A à 2F. Au cours de cette étape, la deuxième plaque 2 6 est placée sur la première plaque 22 de telle manière que la troisième plaque 30 soit en contact avec les zones de la couche de fixation 24 se trouvant hors des cavités 20 (les portions planes) . Le contact de la troisième plaque 30 avec les zones de la couche de fixation 24 permet de fermer les cavités 20 de manière sensiblement hermétique. Chaque trou 28 de la deuxième plaque 26 est situé en regard d'une cavité 20. Ainsi, la plaque 26 comporte au moins un trou 28 par cavité 20.
L'étape de la figure 2G, et éventuellement certaines des étapes décrites précédemment, sont effectuées dans une enceinte hermétique à une première pression. Ainsi, l'air dans la cavité 20 est à la première pression.
La figure 2H est une vue en coupe schématique d'une étape postérieure de fabrication. Au cours de cette étape, la pression est augmentée jusqu'à une valeur permettant de séparer la troisième plaque 30 et la couche de fixation 32 de la deuxième plaque 2 6 et de les plaquer dans la cavité sur la couche de fixation 24. Ainsi, la troisième plaque 30 et la couche de fixation 32 recouvrent de manière conforme les parois des cavités 20.
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A titre d'exemple, la première pression est comprise entre 0,001 et 50 mbar et la seconde pression est la pression atmosphérique, c'est-à-dire approximativement 1013 mbar. Cependant, la différence de pression entre la première et la seconde pression est choisie en fonction de l'adhérence du matériau de la couche de fixation 32. Plus l'adhérence du matériau de la couche de fixation est élevée, plus la différence entre les première et seconde pressions doit être importante.
La deuxième plaque est ensuite retirée et peut, par exemple, être réutilisée pour la fabrication d'autres capteurs.
Le procédé de fabrication comprend des étapes postérieures non représentées comprenant par exemple le retrait de la couche de fixation 32 et la découpe des capteurs de manière à les individualiser. Des éléments optiques, comprenant de préférence une unique lentille et éventuellement des filtres optiques, sont montés sur chaque capteur à l'aplomb de chaque cavité.
Les figures 3A à 3C illustrent, par une vue en perspective (figure 3A), une vue de dessus (figure 3B) et une vue en coupe (figure 3C) , un capteur d'image obtenu par le procédé des figures 2A à 2H. Les éventuels éléments optiques formés audessus de la cavité 20 ne sont pas représentés.
Le capteur illustré a été individualisé, c'est-à-dire découpé dans un ensemble de capteurs obtenu par le procédé décrit en relation avec les figures 2A à 2H. Le capteur illustré peut alors être utilisé dans un dispositif tel qu'un téléphone, un appareil photo, etc.
Les figures 3A à 3C représentent la première plaque 22, la couche de fixation 24 et la couche active située dans la troisième plaque 30. La couche active comprend par exemple une matrice 34 de pixels photosensibles située dans la cavité 20. La matrice 34 a par exemple une forme carrée, comme cela est illustré en figure 3B, ou rectangulaire. La matrice peut aussi avoir une forme sensiblement circulaire.
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Comme cela est illustré en figure 3C et comme cela a été évoqué en relation avec la figure 2A, les bords de la cavité sont adoucis et forment une courbe dont la dérivée est continue. Les bords de la cavité ne forment donc pas d'angle abrupt avec la surface plane du reste de la plaque.
Les divers éléments formés préalablement, par exemple les composants logiques et des interconnexions formées dans la couche active, sont formés par des procédés usuels de fabrication. De même, les empilements d'éléments optiques représentés en figure 1 comprenant de préférence une lentille, sont formés par des procédés usuels.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que les figures 2A à 2H illustrent la fabrication d'une plaque comprenant neuf capteurs, il est évident que cela peut être étendu à la fabrication d'un nombre quelconque de capteurs d'image.
Divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. On notera que l'homme de l'art pourra combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive.
En outre, la mise en oeuvre des modes de réalisation décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus.

Claims (17)

1. Procédé de fabrication de capteurs d'image dans lequel une couche active (30) en matériau semiconducteur est plaquée, par pression, contre les parois de cavités (20) d'une première plaque (22).
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, comprenant une étape a) de gravure des cavités (20) d'un premier côté de la première plaque (22).
3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou
2, comprenant :
b) former des trous traversants (28) dans une deuxième plaque (26) ; et
c) fixer la couche active (30) sur un premier côté de la deuxième plaque.
4. Procédé de fabrication selon la revendication 3 dans son rattachement à la revendication 2, comprenant :
d) placer le premier côté de la deuxième plaque sur le premier côté de la première plaque, de telle manière que chaque trou traversant (28) est situé en regard d'une cavité (20).
5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, comprenant, entre les étapes a) et d) une étape de dépôt d'une première couche de fixation (24) sur le premier côté de la première plaque (22).
6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, comprenant, entre les étapes b) et c) , une étape de dépôt d'une seconde couche de fixation (32) sur le premier côté de la deuxième plaque.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, comprenant une étape e) ultérieure à l'étape d) d'augmentation d'une première pression à laquelle est effectuée l'étape d), jusqu'à atteindre une seconde pression.
8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, dans lequel la seconde pression est la pression atmosphérique.
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9. Procédé de fabrication selon la revendication 7 ou 8, dans lequel la première pression est comprise entre 0,001 et 50 mbar.
10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la section horizontale d'une cavité (20) est sensiblement circulaire.
11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la section horizontale d'une cavité (20) est sensiblement rectangulaire.
12. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel une section verticale d'une cavité (20) a sensiblement la forme d'une portion de cercle.
13. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 3 à 12, dans lequel, après l'étape c) , la couche active (30) est affinée jusqu'à une épaisseur comprise entre 6 et 100 pm.
14. Capteur d'image comprenant une plaque en matériau semiconducteur dans laquelle est située une cavité (20) de section verticale sensiblement en forme de portion de cercle recouverte d'une couche active.
15. Capteur d'image selon la revendication 14, comprenant des composants logiques situés dans le matériau semiconducteur autour de la cavité (20).
16. Capteur d'image selon la revendication 14 ou 15, dans lequel au moins une portion de la couche active (30) est située en regard d'une lentille.
17. Capteur d'image selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, formé par un procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.
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