FR3097047A1

FR3097047A1 - Microbolomètre muni d’une fonction de filtrage

Info

Publication number: FR3097047A1
Application number: FR1905965A
Authority: FR
Inventors: Nicolas Boudou
Original assignee: Lynred SAS
Current assignee: Lynred SAS
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2039-06-05
Also published as: CN114207396A; KR20220035042A; WO2020245395A1; EP3980737A1; US20220228920A1; FR3097047B1

Abstract

Microbolomètre muni d’une fonction de filtrage La présente description concerne un microbolomètre comprenant une matrice de pixels, chaque pixel comprenant une ou plusieurs cellules de détection, chaque cellule de détection comprenant une couche d’absorption (530) formant une cavité quart d’onde (533) ayant une hauteur (h) comprise entre 0,5 et 5 µm, la cavité quart d’onde (533) mettant en œuvre une fonction de filtrage ayant une longueur d’onde de coupure inférieure λc, dans lequel le pas des cellules de détection dans au moins un axe dans un plan de la matrice de pixels est dans la plage de 0,9λc à 1,65λc. Figure pour l'abrégé : Fig. 5

Description

Microbolomètre muni d’une fonction de filtrage

La présente description concerne de façon générale le domaine de la capture d’images infrarouges, et en particulier un microbolomètre et un procédé de fabrication d’un microbolomètre.

Les microbolomètres sont un type de caméra infrarouge (IR) non refroidie utilisé pour capturer des images thermiques d’une scène d’image. De telles caméras IR comprennent en général un agencement de détecteurs à sensibilité IR formant une matrice de pixels. Chaque pixel de la matrice de pixels convertit une température mesurée au niveau du pixel en un signal électrique correspondant, en général une tension, qui à son tour est converti par un ADC (convertisseur analogique-numérique) en un signal de sortie numérique.

Chaque pixel d’un microbolomètre comprend une membrane suspendue au-dessus d’un substrat. La membrane comprend une couche d’absorption qui absorbe de l’énergie à partir de la lumière IR frappant le pixel, provoquant une élévation de sa température en fonction de l’intensité de la lumière IR. La membrane comprend aussi par exemple une couche thermique qui a comme propriété que sa résistance est modifiée par cette élévation de température, et le pixel peut ainsi être lu en détectant le changement de résistance de cette couche thermique qui est reliée thermiquement à la couche d’absorption.

Il est en général souhaitable qu’un microbolomètre ait une sensibilité relativement élevée, impliquant en général un taux d’absorption élevé, pour la plage visée de longueurs d’onde. Il est aussi souhaitable que le dispositif soit relativement compact et que le coût soit relativement faible.

Toutefois, il y a un problème technique pour réduire les dimensions et/ou le coût d’un microbolomètre sans diminuer sa sensibilité. En effet, plus le pas de pixel d’un microbolomètre est faible, plus la quantité de puissance absorbée est faible, et plus il est difficile de concevoir des bras destinés à supporter la couche d’absorption ayant une résistance thermique relativement élevée.

Un objet de modes de réalisation de la présente description est de résoudre au moins partiellement un ou plusieurs problèmes de l’art antérieur.

Selon un mode de réalisation, on prévoit un microbolomètre comprenant une matrice de pixels, chaque pixel comprenant une ou plusieurs cellules de détection, chaque cellule de détection comprenant une couche d’absorption, dans lequel : le pas des cellules de détection dans au moins une direction dans le plan de la matrice de pixels est compris entre 5 et 11 µm ; un facteur de remplissage de pixel FF de la couche d’absorption desdites une ou plusieurs cellules de détection dans chaque pixel est dans une plage de 0,10 à 0,50 ; et une résistance par carré Rs de la couche d’absorption de chaque cellule de détection est comprise entre 16 et 189 ohms par carré.

Selon un mode de réalisation, un rapport Rs/FF de chaque pixel de la matrice est compris entre 200 et 600 ohms par carré.

Selon un mode de réalisation, chaque pixel a un facteur de remplissage de pixel dans la plage de 0,10 à 0,40.

Selon un mode de réalisation, chaque pixel a un facteur de remplissage de pixel dans la plage de 0,20 à 0,40.

Selon un mode de réalisation, le pas des cellules de détection dans au moins une direction dans le plan de la matrice de pixels est compris entre 8 et 9 µm.

Selon un mode de réalisation, chaque pixel de la matrice a : un facteur de remplissage de pixel FF égal ou supérieur à 0,40 et inférieur à 0,50 et une résistance par carré Rs de la couche d’absorption d’au moins 75 ohms par carré ; ou un facteur de remplissage de pixel FF égal ou supérieur à 0,30 et inférieur à 0,40 et une résistance par carré Rs de la couche d’absorption d’au moins 50 ohms par carré ; ou un facteur de remplissage de pixel FF égal ou supérieur à 0,20 et inférieur à 0,30 et une résistance par carré Rs de la couche d’absorption d’au moins 25 ohms par carré ; ou un facteur de remplissage de pixel FF égal ou supérieur à 0,10 et inférieur à 0,20 et une résistance par carré Rs de la couche d’absorption d’au moins 16 ohms par carré.

Selon un mode de réalisation, un rapport Rs/FF est dans une plage de 377 ohms par carré plus ou moins 20 %.

Selon un mode de réalisation, la couche d’absorption de chaque cellule de détection est une couche métallique.

Selon un mode de réalisation, la couche d’absorption est en TiN et a une épaisseur comprise entre 10 et 115 nm.

Selon un mode de réalisation, la matrice de pixels comprend un substrat, et chaque pixel de la matrice de pixels comprend une couche réfléchissante formée sur le substrat et une membrane suspendue au-dessus de la couche réfléchissante, une cavité quart d’onde étant formée entre la membrane et la couche réfléchissante dans chaque pixel, et la membrane comprenant la couche d’absorption et une couche thermique.

Selon un mode de réalisation, la couche d’absorption a une surface inférieure à 75 pourcent de la surface de la membrane.

Selon un mode de réalisation, la cavité quart d’onde a une hauteur dans la plage de 1,5 à 3,5 µm.

Selon un mode de réalisation, le pas des cellules de détection dans au moins une direction dans le plan de la matrice de pixels est inférieur à quatre fois la hauteur de la cavité quart d’onde.

Selon un autre aspect, on prévoit un procédé de fabrication d’une matrice de microbolomètre comprenant : former une matrice de pixels, chaque pixel comportant une ou plusieurs cellules de détection, la formation de la matrice comprenant : former les cellules de détection de manière à avoir un pas compris entre 5 et 11 µm dans au moins un axe dans le plan de la matrice de pixels ; et former chaque cellule de détection de manière à comprendre une couche d’absorption ayant un facteur de remplissage de pixel FF dans une plage de 0,10 à 0,50 et une résistance par carré Rs comprise entre 16 et 189 ohms par carré.

Selon encore un autre aspect, on prévoit un microbolomètre comprenant une matrice de pixels, chaque pixel comprenant une ou plusieurs cellules de détection, chaque cellule de détection comprenant une couche d’absorption formant une cavité quart d’onde ayant une hauteur comprise entre 0,5 et 5 µm, la cavité quart d’onde mettant en œuvre une fonction de filtrage ayant une longueur d’onde de coupure inférieure λc, dans lequel le pas des cellules de détection dans au moins un axe dans un plan de la matrice de pixels est dans la plage de 0,9λc à 1,65λc.

Selon un mode de réalisation, le pas des cellules de détection dans au moins un axe dans un plan de la matrice de pixels est dans la plage de 0,9λc à 1,5λc.

Selon un mode de réalisation, un facteur de remplissage de pixel FF de la couche d’absorption desdites une ou plusieurs cellules de détection dans chaque pixel est dans une plage de 0,10 à 0,50.

Selon un mode de réalisation, le pas des cellules de détection est dans la plage de 4 à 15 µm.

Selon un mode de réalisation, le pas des cellules de détection est dans la plage de 5 à 11 µm.

Selon un mode de réalisation, la couche d’absorption est une couche métallique ayant une résistance par carré de 189 ohms par carré ou moins.

Selon un mode de réalisation, la couche d’absorption est une couche métallique ayant une résistance par carré de 126 ohms par carré ou moins.

Selon un mode de réalisation, la couche d’absorption est en TiN.

Selon un mode de réalisation, la hauteur de cavité est comprise entre 1,5 et 3,5 µm.

Selon un mode de réalisation, chaque pixel de la matrice a :
- un facteur de remplissage de pixel FF égal ou supérieur à 0,40 et inférieur à 0,50 et une résistance par carré Rs de la couche d’absorption d’au moins 75 ohms par carré ; ou
- un facteur de remplissage de pixel FF égal ou supérieur à 0,30 et inférieur à 0,40 et une résistance par carré Rs de la couche d’absorption d’au moins 50 ohms par carré ; ou
- un facteur de remplissage de pixel FF égal ou supérieur à 0,20 et inférieur à 0,30 et une résistance par carré Rs de la couche d’absorption d’au moins 25 ohms par carré ; ou
- un facteur de remplissage de pixel FF égal ou supérieur à 0,10 et inférieur à 0,20 et une résistance par carré Rs de la couche d’absorption d’au moins 16 ohms par carré.

Selon un mode de réalisation, le rapport Rs/FF de chaque pixel de la matrice est compris entre 200 et 600 ohms par carré.

Selon un mode de réalisation, le rapport Rs/FF de chaque pixel de la matrice est de 377 ohms par carré à 20 % près.

Selon encore un autre aspect, on prévoit un procédé de fabrication d’un microbolomètre, le procédé comprenant la formation d’une matrice de pixels, chaque pixel comprenant une ou plusieurs cellules de détection, la formation de la matrice comprenant : former chaque cellule de détection de manière à comprendre une couche d’absorption formant une cavité quart d’onde ayant une hauteur comprise entre 0,5 et 5 µm, la cavité quart d’onde mettant en œuvre une fonction de filtrage ayant une longueur d’onde de coupure inférieure λc ; et former les cellules de détection de manière à avoir un pas, dans au moins un axe dans le plan de la matrice de pixels, dans la plage de 0,9λc à 1,65λc.

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 représente schématiquement des circuits de capture d’image d’une caméra IR selon un exemple de réalisation ;

la figure 2 est une vue en coupe d’un pixel d’un microbolomètre selon un exemple de réalisation ;

la figure 3 est une vue à plat d’une partie d’une matrice de microbolomètre selon un exemple de réalisation ;

la figure 4 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 17 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 2,5 µm et pour une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 5 est une vue en perspective d’un pixel d’un microbolomètre selon un exemple de réalisation de la présente description ;

la figure 6 est une vue en coupe d’une partie du pixel de la figure 5 selon un exemple de réalisation de la présente description ;

la figure 7 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 8,5 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 2,5 µm et pour une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 8 est une vue à plat d’une partie d’une matrice de microbolomètre selon un exemple de réalisation de la présente description ;

la figure 9 est une vue à plat d’une partie d’une matrice de microbolomètre selon un autre exemple de réalisation de la présente description ;

la figure 10 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour de nombreuses résistances par carré différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 8,5 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 2,5 µm et pour une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 11 est un graphique représentant un gain de taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour de nombreuses résistances par carré différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 8,5 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 2,5 µm et pour une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 12 est un graphique représentant plus en détail une région du graphique de la figure 11 correspondant à un gain de 20 % ou plus ;

la figure 13 est un graphique représentant plus en détail une région du graphique de la figure 11 correspondant à un gain de 50 % ou plus ;

la figure 14 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction d’un rapport résistance par carré/facteur de remplissage pour différents facteurs de remplissage ;

la figure 15 est un graphique représentant plus en détail une région du graphique de la figure 14 correspondant à un taux d’absorption supérieur à 0,9 ;

la figure 16 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 11 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 3,5 µm et pour une longueur d’onde de lumière de 13 µm ;

la figure 17 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 5 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 1,5 µm et pour une longueur d’onde de lumière de 6 µm ;

la figure 18 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 5 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 2,5 µm et d’une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 19 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 6 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 2,5 µm et d’une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 20 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 7 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 2,5 µm et d’une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 21 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 8 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 2,5 µm et d’une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 22 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour huit épaisseurs différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 9 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 2,5 µm et d’une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 23 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 10 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 2,5 µm et d’une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 24 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 11 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 2,5 µm et d’une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 25 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction du facteur de remplissage de pixel pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption dans le cas d’un pas de pixel de 12 µm, d’une hauteur de cavité de Fabry-Pérot de 2,5 µm et d’une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 26 est un graphique représentant un taux d’absorption d’une couche d’absorption d’un pixel de microbolomètre en fonction de la longueur d’onde de lumière, pour sept facteurs de remplissage de pixel différents et pour un pas de pixel de 8,5 µm ;

la figure 27 est un graphique représentant un taux de puissance diffractée non absorbée en fonction de la longueur d’onde de lumière et pour sept facteurs de remplissage de pixel différents et pour un pas de pixel de 8,5 µm ;

la figure 28 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ électrique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 6 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 6 µm ;

la figure 29 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ magnétique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 6 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 6 µm ;

la figure 30 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ électrique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 6 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 8 µm ;

la figure 31 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ magnétique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 6 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 8 µm ;

la figure 32 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ électrique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 6 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 33 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ magnétique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 6 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 34 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ électrique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 6 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 12 µm;

la figure 35 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ magnétique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 6 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 12 µm ;

la figure 36 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ électrique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 6 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 14 µm ;

la figure 37 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ magnétique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 6 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 14 µm ;

la figure 38 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ électrique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 22 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 6 µm ;

la figure 39 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ magnétique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 22 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 6 µm ;

la figure 40 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ électrique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 22 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 8 µm ;

la figure 41 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ magnétique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 22 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 8 µm ;

la figure 42 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ électrique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 22 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 43 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ magnétique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 22 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 10 µm ;

la figure 44 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ électrique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 22 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 12 µm ;

la figure 45 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ magnétique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 22 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 12 µm ;

la figure 46 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ électrique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 22 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 14 µm ; et

la figure 47 est un graphique représentant une distribution spatiale du champ magnétique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 22 nm d’épaisseur, un facteur de remplissage de pixel de 0,3, et pour une longueur d’onde de lumière de 14 µm.

De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.

Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les circuits utilisés pour mesurer des résistances de pixels dans une matrice de microbolomètre n’ont pas été décrits en détail, et il en est de même pour les procédés de traitement de données de pixels capturées afin de générer des images thermiques.

Dans la description qui suit, sauf précision contraire, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes "avant", "arrière", "haut", "bas", "gauche", "droite", etc., ou relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., ou à des qualificatifs d'orientation, tels que les termes "horizontal", "vertical", etc., il est fait référence à l'orientation des figures ou à un microbolomètre dans une position normale d'utilisation.

Sauf précision contraire, les expressions "environ", "approximativement", "sensiblement" et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.

Dans la description suivante, on considérera que les termes suivants ont les définitions suivantes.

"couche d’absorption" : couche qui absorbe de l’énergie à partir de la lumière IR dans un pixel d’un microbolomètre. Dans les modes de réalisation de la présente description, cette couche est constituée d’un métal comme TiN, Ti ou Pt.

"facteur de remplissage de pixel" : rapport entre la surface de la couche d’absorption et la surface du pixel. Dans la présente description, les valeurs du facteur de remplissage de pixel sont données avec une précision de deux décimales.

"pas de pixel" ou "pas de cellule de détection" : intervalle avec lequel les pixels/cellules de détection sont formés dans une matrice de microbolomètre. Le pas de pixel peut correspondre à la largeur de chaque pixel ou de chaque cellule de détection dans la direction x ou y, ou à la distance à partir du bord d’un pixel ou d’une cellule de détection jusqu’au bord correspondant d’un pixel adjacent ou d’une cellule de détection adjacente. Dans la présente description, les pas des pixels et des cellules de détection sont donnés en micromètres avec une précision d’une décimale, et dans certains cas de deux décimales.

Dans la présente description, les valeurs de résistance par carré sont supposées être précises à 5 % près, et les épaisseurs exprimées en nanomètres sont supposées être précises au nanomètre le plus proche.

La figure 1 illustre schématiquement un dispositif de capture d’image 100 d’une caméra IR selon un exemple de réalisation. Le dispositif 100 comprend une matrice 102 de pixels 104 formant un microbolomètre qui est capable de fonctionner à température ambiante. La matrice comprend par exemple N colonnes et M rangées, où N et M sont par exemple tous deux supérieurs ou égaux à 2, et peuvent être égaux à plus d’un millier. Une sortie de la matrice 102 est couplée à un circuit de lecture 106, qui est par exemple un circuit intégré de lecture (ROIC). Le circuit 106 comprend par exemple un ou plusieurs convertisseurs analogique-numérique pour convertir des signaux capturés dans la matrice de microbolomètre 102 en signaux numériques S. Les signaux numériques S sont par exemple fournis à un dispositif de traitement 108 qui réalise un traitement des données d’image brutes afin de générer des images thermiques I. Par exemple, le dispositif 100 peut capturer des images thermiques fixes ou des images thermiques formant un flux vidéo.

La figure 2 est une vue en coupe de l’un des pixels 104 de la matrice de microbolomètre 102 de la figure 1 plus en détail. Le pixel 104 comprend une membrane 202 suspendue au-dessus d’une surface réfléchissante 204 formée sur un substrat 206. Par exemple, la membrane 202 est supportée par des bras 208 qui assurent aussi une isolation thermique entre le substrat 206 et la membrane 202.

La membrane 202 comprend par exemple, sur au moins une partie de sa surface, une couche d’absorption 210, une couche thermique 212, et des couches diélectriques 214, dont l’une isole la couche d’absorption 210 et la couche thermique 212 entre elles, et dont deux autres prennent en sandwich les couches 210, 212.

La couche d’absorption 210 est par exemple en métal, comme TiN, Ti, Pt ou un autre métal. La couche d’absorption 210 absorbe l’énergie provenant de la lumière infrarouge frappant le pixel et est ainsi chauffée. Cette chaleur est transférée à la couche thermique 212 qui est en un matériau ayant une résistance électrique qui varie en fonction de la température. Des contacts C1 et C2 proches des bords de la couche thermique 212 permettent de mesurer la résistance de la couche thermique de chaque pixel par des circuits de lecture (non illustrés en figure 2), par l’intermédiaire des bras 208.

L’épaisseur Em de la membrane 202 est typiquement comprise entre 100 nm et 1 µm.

L’espace entre la membrane 202 et la surface de la couche réfléchissante 204 définit une cavité quart d’onde 216, connue aussi sous le nom de cavité de Fabry-Pérot. En général, la cavité 216 est remplie d’air ou sous un vide partiel. La hauteur h de cette cavité est choisie de manière à obtenir un taux d’absorption relativement élevé de la lumière infrarouge dans la plage de longueurs d’onde souhaitée, par la couche d’absorption 210 de la membrane 202. En particulier, la hauteur h de la cavité est choisie égale à λtg/4, où λtg est une longueur d’onde cible.

La hauteur h est par exemple comprise entre 0,50 et 5,0 µm, et dans certains modes de réalisation comprise entre 1,5 et 3,5 µm. Dans la suite, sauf mention contraire, les exemples et les simulations sont basés sur des hauteurs de cavité de 2,5 µm, ce qui assure une absorption relativement élevée des longueurs d’onde de lumière centrées autour de 10 µm. En effet, le spectre autour de cette longueur d’onde est en général du plus grand intérêt pour des applications IR thermiques. Toutefois, dans des variantes de réalisation des longueurs d’onde de lumière différentes pourrait être visées.

La figure 3 illustre une partie de la matrice de microbolomètre 102 de la figure 1 plus en détail selon un exemple de réalisation. En figure 3, une grille en trait interrompu représente les limites des pixels de la matrice, et des rectangles en trait plein représentent la surface des couches d’absorption 210 de chaque pixel.

Un axe x en figure 3 est défini comme correspondant à la direction, dans le plan de la matrice de microbolomètre, des rangées de pixels, et un axe y en figure 3 est défini comme correspondant à la direction, dans le plan de la matrice de microbolomètre, des colonnes de pixels.

Les pixels se trouvant dans la matrice de microbolomètre ont par exemple un pas de pixel Px dans la direction x et un pas de pixel Py dans la direction y, les pas de pixel Px et Py étant par exemple sensiblement identiques. Dans la suite, lorsque l’on fait référence à une valeur particulière du pas de pixel, sauf mention contraire, on supposera qu’il s’agit du pas dans chacune des deux directions x et y. La surface Apix du pixel est égale à Px.Py. Les couches d’absorption 210 ont par exemple des largeurs Wx dans la direction x qui sont plus petites que le pas Px, et des largeurs Wy dans la direction y qui sont plus petites que le pas Py. La surface Aabs de la couche d’absorption est ainsi égale à Wx.Wy. Un facteur de remplissage de pixel FF de la couche d’absorption dans chaque pixel peut être défini comme étant Aabs/Apix.
Premier aspect

Afin d’obtenir un taux d’absorption du microbolomètre relativement élevé, et ainsi une forte sensibilité, le facteur de remplissage FF est généralement choisi le plus proche de 1 possible, comme on va le décrire maintenant en faisant référence à la figure 4.

La figure 4 est un graphique représentant le taux d’absorption (ABSORPTION RATE) d’un pixel de microbolomètre, comme le pixel 104 des figures 1 à 3, ayant un pas de pixel de 17,0 µm, en fonction du facteur de remplissage (FF), pour huit résistances par carré différentes d’une couche d’absorption en TiN et pour une longueur d’onde de lumière de 10 µm. Les résistances par carré et les épaisseurs des couches d’absorption en TiN correspondant aux courbes 401 à 408 de la figure 4 sont indiquées dans le tableau suivant :

Référence de la courbe	Épaisseur de TiN (nm)	Résistance par carré (ohms par carré)
401	5	377
402	10	189
403	15	126
404	20	94
405	25	75
406	30	63
407	35	54
408	40	47

On peut voir d’après la figure 4 qu’un taux d’absorption supérieur à 0,9 peut être atteint en utilisant des couches d’absorption relativement minces d’une épaisseur de 5 ou 10 nm, et en utilisant un facteur de remplissage supérieur à 0,65. Le meilleur taux d’absorption est obtenu en utilisant une couche d’absorption de 5 nm d’épaisseur et avec un facteur de remplissage approchant 0,90. Toutefois, le facteur de remplissage atteignable pour des pixels ayant un pas de 17,0 µm est en général autour de 0,60.

Afin de réduire les dimensions de la matrice de microbolomètre tout en maintenant le nombre de pixels, il serait souhaitable de réduire le pas de pixel. Toutefois, la réduction du pas de pixel est difficile à obtenir sans réduire de manière significative le facteur de remplissage. En outre, les courbes de la figure 4 indiquent qu’une réduction du facteur de remplissage conduirait à une réduction significative du taux d’absorption, ce qui est non souhaitable.

Les présents inventeurs ont découvert que, de manière surprenante, lorsque le pas de pixel dans au moins un axe, et de préférence dans les deux axes, est réduit à une valeur comprise entre 5 et 11 µm, et de préférence à une valeur comprise entre 8 et 9 µm, un taux d’absorption élevé peut encore être obtenu en utilisant un facteur de remplissage relativement faible compris entre 0,10 et 0,50, et en choisissant une couche d’absorption 210 ayant une résistance par carré comprise entre 16 et 189 ohms par carré, et dans certains modes de réalisation comprise entre 16 et 130 ohms par carré.

La réduction de la résistance par carré de la couche d’absorption implique une augmentation de son épaisseur. Par exemple, pour une couche d’absorption en TiN, l’épaisseur est d’au moins 10 nm pour obtenir une résistance par carré de moins de 200 ohms par carré, et d’au moins 15 nm pour obtenir une résistance par carré de moins de 130 ohms par carré.

Une telle augmentation de l’épaisseur de la couche d’absorption peut augmenter la conduction thermique entre la couche d’absorption et le substrat, ce qui pourrait conduire à de mauvaises performances. En particulier, en faisant référence au pixel de la figure 2, une augmentation de l’épaisseur de la couche 210 va augmenter la conduction thermique du substrat 206 par l’intermédiaire des bras 208, conduisant à une sensibilité réduite. On va maintenant décrire un pixel modifié ayant un facteur de remplissage relativement faible et une conduction thermique relativement faible avec le substrat, en faisant référence à la figure 5.

La figure 5 est une vue en perspective d’un pixel 500 d’un microbolomètre selon un exemple de réalisation de la présente description.

Le pixel 500 comprend par exemple une membrane 502 suspendue au-dessus d’une couche réfléchissante 504 formée sur un substrat 506.

La membrane 502 est par exemple supportée par deux bras 518, 520, qui sont ancrés respectivement sur deux piliers 508 formés dans des coins opposés du pixel. Chaque pilier 508 comprend une portion de base 510, à partir de laquelle s’étend une colonne 512. Les colonnes 512 des deux piliers passent à travers des portions d’extrémité 514, 516 des bras 518, 520 et dans des capuchons 522. Les bras 518, 520 relient les piliers à la membrane 502, et assurent, en particulier, les fonctions consistant à supporter mécaniquement la membrane 502, assurer une connexion électrique entre la membrane 502 et le ROIC (non illustré en figure 5) formé par exemple dans le substrat 506, et assurer une isolation thermique entre la membrane 502 et le substrat 506. Afin d’assurer une bonne isolation thermique, les bras 518, 520 sont par exemple relativement longs, ce qui assure une résistance thermique relativement élevée. En effet, dans l’exemple de la figure 5, les bras 518, 520 s’étendent parallèles et séparés par rapport à des bras opposés de la membrane 502, et sont attachés à des coins opposés de la membrane 502 par l’intermédiaire de portions de liaison 524. Ainsi les bras 518, 520 par exemple augmentent sensiblement la longueur d’un bord de la membrane 502. Dans certains modes de réalisation, chacun des bras 518, 520 a une longueur égale à au moins 50 % du pas de pixel.

La membrane 502 comprend par exemple, dans une portion de sa surface, un empilement 526 comprenant une couche thermique 528 et une couche d’absorption 530, ces couches étant par exemple isolées entre elles par des couches diélectriques (non illustrées en figure 5). Par exemple, l’empilement 526 occupe moins de 75 % de la surface de la membrane 502, y compris la surface des bras 518, 520. La région de la membrane 502 qui entoure l’empilement 526 forme une couche de support pour l’empilement 526, et assure aussi une connexion électrique entre des points proches des bords de la couche thermique 528 et les bras 518, 520, de sorte que la résistance de la couche thermique 528 peut être mesurée par les circuits de lecture. Par exemple, des lignes en trait interrompu en figure 5 représentent une empreinte de connexions électriques 531, 532 s’étendant respectivement à partir des bras 518, 520 vers des bords opposés de la couche thermique 528. Ces connexions électriques 531, 532, et les bras 518, 520 sont par exemple formés par une couche métallique en TiN, Ti, Pt, ou en un autre métal, prise en sandwich entre des couches diélectriques, formées par exemple en nitrure de silicium, en dioxyde de silicium, en oxynitrure de silicium, ou en un autre matériau isolant électrique.

Bien que dans le mode de réalisation de la figure 5 la couche d’absorption 530 soit formée au-dessus de la couche thermique 528, dans des variantes de réalisation l’ordre pourrait être inversé, la couche d’absorption 530 étant par exemple formée en dessous de la membrane 502.

Une cavité 533 entre la couche réfléchissante 504 et la membrane 502 forme une cavité quart d’onde de hauteur h. Dans un exemple, cette hauteur h est de 2,5 µm afin de cibler des longueurs d’onde de lumière d’environ 10 µm, bien que dans des variantes de réalisation on puisse utiliser des hauteurs différentes, par exemple dans la plage de 1,5 à 3,5 µm pour cibler des longueurs d’onde de lumière différentes.

Dans l’exemple de la figure 5, la membrane 502 est sensiblement carrée, mais comprend des découpes 534, 536 dans des coins opposés permettant un espace pour les piliers 508. L’empilement 526 est par exemple formé dans une portion de la membrane 502 entre ces découpes, et ainsi s’étend sur presque toute la longueur de la membrane 502.

Bien sûr, alors que la figure 5 donne un exemple de la mise en œuvre d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption ayant une résistance par carré relativement faible, il sera clair pour l’homme de l’art que de nombreuses mises en œuvre différentes seraient possibles, par exemple en omettant les portions de base 510 et/ou les capuchons 522, et/ou en utilisant des formes différentes pour les bras 518, 520 et les connexions électriques 531, 532.

La figure 6 est une vue en coupe prise suivant une ligne A-A’ de la figure 5 passant à travers la membrane 502 et à travers les bras 518, 520.

Comme cela est illustré en figure 6, la membrane 502 est par exemple constituée d’une couche diélectrique 602, dans laquelle sont formées les connexions électriques 531, 532, par exemple par dépôt de métal. La couche thermique 528 et la couche d’absorption 530 sont par exemple électriquement isolées entre elles par une couche diélectrique 604, et des régions proches des bords du dessous de la couche thermique 528 contactent par exemple des surfaces supérieures des connexions électriques 531, 532, qui sont autrement recouvertes par du matériau diélectrique. Dans un mode de réalisation, la couche d’absorption 530 est une couche de TiN ayant une épaisseur d’au moins 10 nm, et dans certains cas d’au moins 15 nm. La couche thermique 528 a par exemple une épaisseur d’environ 100 nm.

On notera que bien que les connexions électriques 531, 532 s’ajoutent à la surface absorbante du pixel, étant donné l’épaisseur relativement faible et la résistance par carré relativement élevée de ces couches métalliques, les présents inventeurs ont découvert qu’elles ont un impact relativement faible sur le facteur de remplissage optique effectif du pixel, et peuvent ainsi être ignorées.

La figure 7 est un graphique représentant le taux d’absorption (ABSORPTION RATE) d’une couche d’absorption, en fonction du facteur de remplissage (FF) d’un pixel de microbolomètre, comme le pixel 500 de la figure 5, et ayant un pas de 8,5 µm, pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption 530. Comme dans l’exemple de la figure 4, la figure 7 est basée sur une cavité quart d’onde ayant une hauteur de 2,5 µm et une longueur d’onde de lumière de 10 µm. La couche d’absorption 530 est supposée être en TiN, et les résistances par carré de la couche d’absorption 530 correspondant aux courbes 701 à 708 de la figure 7 sont les mêmes que celles des courbes 401 à 408 du tableau 1 respectivement.

On peut voir en figure 7 que, dans le cas des courbes 702 à 708, les meilleurs taux d’absorption peuvent être obtenus lorsque le facteur de remplissage est égal ou inférieur à 0,50, et égal ou inférieur à 0,40 dans le cas des courbes 703 à 708.

On peut voir d’après la figure 7 que, en dessous d’un facteur de remplissage de 0,20, le taux d’absorption chute rapidement, même pour les couches d’absorption les plus épaisses. Par conséquent, dans certains modes de réalisation, le facteur de remplissage pourrait être choisi égal ou supérieur à 0,20.

Ainsi on peut voir d’après la figure 7 qu’un microbolomètre ayant un pas de pixel relativement faible et un taux d’absorption relativement élevé peut être obtenu en réduisant le facteur de remplissage des couches d’absorption de chaque pixel à la plage de 0,1 à 0,5, et aussi en réduisant la résistance par carré des couches d’absorption à moins de 189 ohms par carré, et dans certains modes de réalisation à moins de 130 ohms par carré.

Des exemples de matrices de microbolomètres ayant des facteurs de remplissage de 0,5 ou moins vont maintenant être décrits plus en détail en faisant référence aux figures 8 et 9.

La figure 8 illustre une partie d’une matrice de microbolomètre 800 selon un exemple de réalisation. Comme en figure 3, une grille en trait interrompu représente les limites des pixels 804 de la matrice et des rectangles en trait plein représentent la surface de chaque couche d’absorption 530. Toutefois, par rapport à l’exemple de la figure 3, le facteur de remplissage de pixel FF a été réduit dans la matrice de la figure 8, par exemple à une valeur comprise entre 0,10 et 0,50. En outre, les couches d’absorption 530 ne sont pas carrées, mais rectangulaires en figure 8, les largeurs Wx dans l’axe x étant inférieures aux largeurs Wy dans l’axe y. Les pixels sont par exemple carrés, le pas de pixel Px dans la direction x étant égal au pas de pixel Py dans la direction y, bien que dans certains modes de réalisation ces pas puissent être différents. Les pas Px et Py sont tous les deux par exemple compris entre 5,0 et 11,0 µm.

Dans l’exemple de la figure 8, chaque pixel 804 de la matrice correspond à une cellule de détection comprenant une seule couche d’absorption 530. Dans des variantes de réalisation, chaque pixel peut comprendre plus qu’une seule cellule de détection, comme on va le décrire maintenant en relation avec la figure 9.

La figure 9 illustre une partie d’une matrice de microbolomètre 900 d’un microbolomètre selon un autre exemple de réalisation. Dans l’exemple de la figure 9, une grille en trait interrompu représente les limites des pixels 904 de la matrice et des rectangles en trait plein représentent la surface des couches d’absorption 530. Chaque pixel 904 comprend plus qu’une seule cellule de détection, chaque cellule de détection comportant une couche d’absorption 530 correspondante. Dans l’exemple de la figure 9, chaque pixel 904 comprend un agencement en deux par deux de quatre cellules de détection. Les cellules de détection de chaque pixel 904 sont par exemple couplées entre elles de telle sorte qu’elles génèrent une seule valeur de pixel, et ainsi on peut considérer que chaque groupe de cellules de détection forme un seul pixel de la matrice.

Le facteur de remplissage de pixel FF dans le cas de la figure 9 devient égal au rapport Aabs/Apix, où Apix est la surface de chaque pixel, et Aabs est la surface combinée des couches d’absorption 530 dans chaque pixel.

Le pas pertinent dans le cas de la figure 9 n’est plus le pas de pixel, mais le pas des cellules de détection, en d’autres termes des couches d’absorption 530. Ces pas sont référencés Px et Py dans les directions x et y respectivement en figure 9. Par exemple, ces pas Px, Py sont tous les deux mesurés à partir d’un bord d’une couche d’absorption 530 donnée jusqu’au bord correspondant de la couche d’absorption 530 adjacente.

La figure 10 est un graphique similaire à celui de la figure 7, pour les mêmes types de pixels de microbolomètre, mais représentant d’autres courbes pour des résistances par carré descendant jusqu’à 16 ohms par carré. En effet, les courbes 1001 à 1008 de la figure 10 représentent des couches d’absorption ayant les mêmes résistances par carré que celles des courbes 401 à 408 du tableau 1. Les courbes 1009 à 1023 correspondent aux résistances par carré et aux épaisseurs de TiN indiquées dans la dans le tableau suivant.

Référence de la courbe	Épaisseur de TiN (nm)	Résistance par carré (ohms par carré)
1009	45	42
1010	50	38
1011	55	34
1012	60	31
1013	65	29
1014	70	27
1015	75	25
1016	80	24
1017	85	22
1018	90	21
1019	95	20
1020	100	19
1021	105	18
1022	110	17
1023	115	16

On peut voir d’après la figure 10 qu’en prévoyant des pixels de microbolomètre ayant des facteurs de remplissage compris entre 0,10 et 0,50 et des résistances par carré comprises entre 16 et 189 ohms par carré on peut réduire de façon significative le pas de pixel (jusqu’à 8,5 µm dans l’exemple de la figure 10), tout en obtenant des taux d’absorption d’au moins 0,3, ou d’au moins 0,45 dans le cas où la résistance par carré est comprise entre 42 et 126 ohms par carré.

En outre, bien que des niveaux de résistance par carré plus faibles inférieurs à 50 ohms par carré puissent ne pas atteindre des taux d’absorption proches de 1,0, pour des facteurs de remplissage compris entre 0,10 et 0,30 ils peuvent assurer des gains significatifs par rapport à l’utilisation d’une couche d’absorption ayant une résistance par carré proche de 377 ohms par carré, correspondant à la courbe 1001, comme on va l’expliquer maintenant plus en détail en faisant référence aux figures 11 à 13.

La figure 11 est un graphique représentant des courbes 1102 à 1135 représentant un gain d’absorption (ABSORPTION RATE GAIN) par rapport à la couche d’absorption représentée par la courbe 1001 en figure 10. En particulier, les courbes 1102 à 1123 de la figure 11 représentent le gain des couches d’absorption correspondant aux courbes 1002 à 1023 de la figure 10. Les courbes 1124 à 1135 en figure 11 représentent des couches d’absorption ayant des épaisseurs en incréments de 5 nm de 120 à 190 nm. Les courbes 1126 à 1134 ne sont pas référencées en figure 11, mais peuvent être facilement identifiées par leur ordre entre les courbes 1125 et 1135.

On peut voir d’après la figure 11 que l’on peut obtenir des gains détectables lorsque :
- le facteur de remplissage de pixel est supérieur ou égal à 0,40 et inférieur à 0,50 et la résistance par carré est comprise entre 75 et 189 ohms par carré ; ou
- le facteur de remplissage de pixel est supérieur ou égal à 0,30 et inférieur à 0,40 et la résistance par carré est comprise entre 47 et 189 ohms par carré ; ou
- le facteur de remplissage de pixel est supérieur ou égal à 0,20 et inférieur à 0,30 et la résistance par carré est comprise entre 25 et 189 ohms par carré ; ou
- le facteur de remplissage de pixel est supérieur ou égal à 0,10 et inférieur à 0,20 et la résistance par carré est comprise entre 16 et 189 ohms par carré.

La figure 12 est un graphique illustrant les courbes 1102 à 1125 de la figure 11 plus en détail, et en particulier les gains de 20 % ou plus. On peut voir d’après la figure 12 qu’on peut obtenir des gains supérieurs à 20 % lorsque :
- le facteur de remplissage de pixel est supérieur ou égal à 0,30 et inférieur à 0,40 et la résistance par carré est comprise entre 94 et 189 ohms par carré ; ou
- le facteur de remplissage de pixel est supérieur ou égal à 0,20 et inférieur à 0,30 et la résistance par carré est comprise entre 38 et 189 ohms par carré ; ou
- le facteur de remplissage de pixel est supérieur ou égal à 0,10 et inférieur à 0,25 et la résistance par carré est comprise entre 22 et 189 ohms par carré.

La figure 13 est un graphique illustrant les courbes 1102 à 1115 de la figure 11 plus en détail, et en particulier les gains de 50 % ou plus. On peut voir d’après la figure 13 que des gains supérieurs à 50 % peuvent être obtenus lorsque le facteur de remplissage de pixel est supérieur ou égal à 0,10 et inférieur à 0,24 et la résistance par carré est comprise entre 34 et 189 ohms par carré.

La figure 14 est un graphique représentant le taux d’absorption en fonction d’un rapport entre la résistance par carré (Rs) et le facteur de remplissage (FF) pour des facteurs de remplissage de 0,10 (courbe 1401) et de 0,20 à 0,90 (courbes 1402 à 1409, dont seulement les courbes 1402 et 1409 sont référencées en figure 14). Comme dans des exemples précédents, les courbes de la figure 14 correspondent à des couches d’absorption en TiN avec un pas de pixel de 8,5 µm, une hauteur de cavité quart d’onde de 2,5 µm et une longueur d’onde de lumière de 10 µm.

La figure 15 illustre les courbes 1402 à 1409 de la figure 14 plus en détail, pour des taux d’absorption de 0,90 et plus. On peut voir que des taux d’absorption supérieurs à 0,90 peuvent être obtenus lorsque le facteur de remplissage est compris entre 0,10 et 0,50 et le rapport Rs/FF est dans la plage de 200 à 600 ohms par carré. On peut aussi noter d’après la figure 15 que les courbes sont sensiblement centrées sur le rapport de 377 ohms par carré, 377 ohms correspondant à l’impédance de l’espace libre Z₀. En effet, des taux d’absorptions élevés supérieurs à 0,93 peuvent par exemple être observés lorsque le rapport Rs/FF est égal à 377 plus ou moins 40 %, et même des taux plus élevés supérieurs à 0,95 peuvent être observés lorsque le rapport Rs/FF est égal à 377 plus ou moins 20 %.

Les exemples susmentionnés sont basés sur des hauteurs de cavité quart d’onde de 2,5 µm. Les principes décrits en relation avec ces exemples pourraient également être appliqués à des hauteurs de cavité quart d’onde différentes, par exemple pour des hauteurs de cavité quart d’onde comprises entre 1,5 et 3,5 µm, comme on va l’expliquer maintenant en faisant référence aux figures 16 et 17.

La figure 16 est un graphique représentant le taux d’absorption (ABSORPTION RATE) en fonction du facteur de remplissage (FF) d’un pixel de microbolomètre, comme le pixel 500 de la figure 5, et ayant un pas de 11 µm et une hauteur de cavité quart d’onde de 1,5 µm, pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption 530 et pour une longueur d’onde de lumière de 13 µm. La couche d’absorption 530 est supposée être en TiN, et les résistances par carré de la couche d’absorption 530, correspondant aux courbes 1601 à 1608 de la figure 16, sont les mêmes que celles des courbes 401 à 408 du tableau 1 respectivement.

On peut voir d’après la figure 16 que les résultats sont similaires à ceux de la figure 7.

La figure 17 est un graphique représentant le taux d’absorption (ABSORPTION RATE) en fonction du facteur de remplissage (FF) d’un pixel de microbolomètre, comme le pixel 500 de la figure 5, et ayant un pas de 5 µm et une hauteur de cavité quart d’onde de 1,5 µm, pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption 530 et pour une longueur d’onde de lumière de 6 µm. La couche d’absorption 530 est supposée être en TiN, et les résistances par carré de la couche d’absorption 530, correspondant aux courbes 1701 à 1708 de la figure 17, sont les mêmes que celles des courbes 401 à 408 du tableau 1 respectivement.

On peut voir d’après la figure 17 que le gain montré par les courbes 1702 à 1708 par rapport à la courbe 1701 est plus prononcé pour des facteurs de remplissage compris entre 0,10 et 0,50, mais que les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la résistance par carré est inférieure à 75 ohms par carré.

Plus généralement, les principes décrits ici peuvent par exemple être appliqués pour tous les pas de pixel compris entre 5 et 11 µm, où la hauteur de cavité quart d’onde est par exemple égale à λtg/4, où λtg est la longueur d’onde de lumière d’intérêt (longueur d’onde cible), et le pas est inférieur à λtg. Ainsi, dans le cas d’une hauteur de cavité quart d’onde de 1,5 µm, le pas de pixel est par exemple inférieur à 6 µm, et dans le cas d’une hauteur de cavité quart d’onde de 3,5 µm, le pas de pixel est par exemple n’importe où dans la plage de 5 à 11 µm.

Les résultats des figures 7 et 10 à 13 sont basés sur des pixels ayant un pas de 8,5 µm. Les principes décrits en relation avec ces exemples pourraient être appliqués à des pixels ayant un pas quelconque dans la plage de 5 à 11 µm, comme on va le décrire maintenant plus en détail en faisant référence aux figures 18 à 25.

Les figures 18 à 25 sont des graphiques représentant le taux d’absorption (ABSORPTION RATE) en fonction du facteur de remplissage (FF) d’un pixel de microbolomètre, comme le pixel 500 de la figure 5, ayant une hauteur de cavité quart d’onde de 2,5 µm et pour une longueur d’onde de lumière de 10 µm, pour huit résistances par carré différentes de la couche d’absorption 530. La couche d’absorption 530 est supposée être en TiN, et les résistances par carré de la couche d’absorption 530, correspondant aux courbes i01 à i08 des figures 18 à 25 (pour i allant de 18 à 25), sont les mêmes que celles des courbes 401 à 408 du tableau 1 respectivement.

La figure 18 illustre un exemple d’un pas de pixel de 5 µm, la figure 19 un exemple d’un pas de pixel de 6 µm, la figure 20 un exemple d’un pas de pixel de 7 µm, la figure 21 un exemple d’un pas de pixel de 8 µm, la figure 22 un exemple d’un pas de pixel de 9 µm, la figure 23 un exemple d’un pas de pixel de 10 µm, la figure 24 un exemple d’un pas de pixel de 11 µm et la figure 25 un exemple d’un pas de pixel de 12 µm.

Comme cela est montré par les figures 18 à 22, pour des pas de pixel allant de 5 à 6 µm et des facteurs de remplissage allant de 0,10 à 0,40, les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la résistance par carré est comprise entre 94 et 189 ohms par carré, pour des pas de pixel allant de 6 à 7 µm et des facteurs de remplissage allant de 0,10 à 0,50, les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la résistance par carré est comprise entre 94 et 189 ohms par carré, et pour des pas de pixel allant de 7 à 9 µm et des facteurs de remplissage allant de 0,10 à 0,50, les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la résistance par carré est comprise entre 75 et 189 ohms par carré.

Comme cela est montré par les figures 22 à 25, pour des pas de pixel allant de 9 à 10 µm et des facteurs de remplissage allant de 0,10 à 0,50, les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la résistance par carré est comprise entre 75 et 189 ohms par carré, et pour des pas de pixel allant de 10 à moins de 12 µm et des facteurs de remplissage allant de 0,10 à 0,50, les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la résistance par carré est comprise entre 94 et 189 ohms par carré.
Deuxième aspect

Une autre difficulté dans les microbolomètres est d’éliminer par filtrage des longueurs d’onde de lumière se trouvant à l’extérieur de la plage ciblée. Dans certains modes de réalisation, un traitement de surface et/ou des revêtements peuvent être appliqués à un ou plusieurs éléments optiques entre la matrice de microbolomètre et la scène d’image afin de filtrer la lumière reçue. Toutefois, de telles techniques augmentent le coût.

Les présents inventeurs ont découvert qu’un certain choix de pas de pixel, ou de pas de cellule de détection, peut conduire à une fonction de filtrage, comme on va le décrire maintenant en faisant référence aux figures 26 et 27.

La figure 26 est un graphique représentant un taux d’absorption (ABSORPTION RATE) en fonction de la longueur d’onde de lumière (WAVELENGTH), pour un pas de pixel/pas de cellule de détection de 8,5 µm, et pour sept facteurs de remplissage de pixel différents d’un pixel de microbolomètre comme le pixel 500 de la figure 5. Pour chaque facteur de remplissage, l’épaisseur de la couche d’absorption est choisie de manière à rendre le rapport Rs/FF sensiblement égal à 377 ohms par carré. En particulier, les courbes 2601 à 2607 en figure 26 sont basées sur des couches d’absorption en TiN ayant des facteurs de remplissage et des résistances par carré tels que définis dans le tableau suivant.

Référence de la courbe	Facteur de remplissage	Épaisseur de TiN (nm)	Résistance par carré (ohms par carré)
2601	0,10	50	38
2602	0,20	25	75
2603	0,30	17	111
2604	0,40	13	145
2605	0,50	10	189
2606	0,60	8	234
2607	0,70	7	269

On peut voir d’après la figure 26 qu’une fonction de filtrage est obtenue avec une fréquence de coupure λr, définie avec un taux d’absorption inférieur à 0,5, à une longueur d’onde dans une plage (RANGE λr) d’environ 6 à 8 µm, en fonction du facteur de remplissage. Les présents inventeurs ont découvert que cette fonction de filtrage est le résultat d’une diffraction qui survient lorsque le pas de pixel ou de cellule de détection dans l’une ou l’autre ou dans les deux directions x et y approche la longueur d’onde de coupure inférieure définie par la cavité quart d’onde de chaque pixel. Dans l’exemple de la figure 26, la cavité quart d’onde a une hauteur de 2,5 µm, ce qui conduit à une longueur d’onde de coupure inférieure λc d’environ 6 µm. Plus généralement, la longueur d’onde de coupure inférieure λc définie par la cavité quart d’onde est égale à environ 0.6λ0, où λ0 est égal à la longueur d’onde cible égale à quatre fois la hauteur h de la cavité quart d’onde.

On notera que, en dessous du creux situé à environ 6 µm, le taux d’absorption remonte pour présenter un pic pour une longueur d’onde d’environ 4 µm. Toutefois, ces longueurs d’onde inférieures sont par exemple retirées par des traitements de surface relativement peu coûteux ou des couches de filtrage appliquées à des éléments optiques situés entre la matrice de microbolomètre et la scène d’image.

Plus généralement, la hauteur h de la cavité quart d’onde de chaque pixel (voir par exemple les figures 2 et 5) est comprise entre 0,5 et 5 µm, ce qui conduit à une longueur d’onde de lumière cible comprise entre 2 et 20 µm. Une cavité quart d’onde d’une hauteur de 0,5 µm conduit à une longueur d’onde de coupure inférieure λc d’environ 1,2 µm et une cavité quart d’onde de 5 µm de hauteur conduit à une longueur d’onde de coupure inférieure λc d’environ 12 µm. Dans certains modes de réalisation, la hauteur h de la cavité quart d’onde de chaque pixel est comprise entre 1,5 et 3,5 µm.

Par exemple, afin d’obtenir une fonction de filtrage, le pas de cellule de détection est choisi dans la plage de 0,9λc à 1,65λc, correspondant à la plage [1,2λ0/2 – 1,8λ0/2] plus ou moins 10 %. En effet, cela correspond à la plage dans laquelle l’effet de la fréquence de coupure quart d’onde opère. Dans certains modes de réalisation, le pas de cellule de détection est choisi dans la plage de 0,9λc à 1,5λc, et ainsi pour une hauteur de cavité quart d’onde de 2,5 µm, le pas de pixel est dans la plage de 5,4 à 9 µm. Dans certains modes de réalisation, selon le deuxième aspect, le pas de la cellule de détection est compris entre 4 et 15 µm, et de préférence entre 5 et 11 µm.

On peut voir d’après la figure 26 que la réjection, et par conséquent le filtrage, sont améliorés lorsque le facteur de remplissage diminue et l’épaisseur de la couche d’absorption augmente. Dans certains modes de réalisation, la couche d’absorption est en métal et a une résistance par carré Rs inférieure à 189 ohms par carré.

Dans certains modes de réalisation, le facteur de remplissage et la résistance par carré de la couche d’absorption sont choisis sur la base du même critère que celui décrit précédemment en relation avec le premier aspect. Par exemple, la couche d’absorption a un facteur de remplissage de pixel FF compris entre 0,10 et 0,50 et une résistance par carré Rs comprises entre 16 et 189 ohms par carré. En outre, pour obtenir des gains d’absorption relativement élevés, la couche d’absorption est par exemple choisie de telle sorte que :
- le facteur de remplissage de pixel soit supérieur ou égal à 0,40 et inférieur à 0,50 et la résistance par carré soit comprise entre 75 et 189 ohms par carré ; ou
- le facteur de remplissage de pixel soit supérieur ou égal à 0,30 et inférieur à 0,40 et la résistance par carré soit comprise entre 47 et 189 ohms par carré ; ou
- le facteur de remplissage de pixel soit supérieur ou égal à 0,20 et inférieur à 0,30 et la résistance par carré soit comprise entre 25 et 189 ohms par carré ; ou
- le facteur de remplissage de pixel soit supérieur ou égal à 0,10 et inférieur à 0,20 et la résistance par carré soit comprise entre 16 et 189 ohms par carré.

En outre, dans certains modes de réalisation, un rapport Rs/FF est dans la plage de 200 à 600 ohms par carré, ou de 377 plus ou moins 40 % ou même de 377 plus ou moins 20 %.

La figure 27 est un graphique représentant un taux de puissance diffractée non absorbée (DIFFRACTION LOSSES) en fonction de la longueur d’onde de lumière (WAVELENGTH). Les sept courbes 2701 à 2707 de la figure 27 correspondent aux mêmes couches d’absorption que les courbes 2601 à 2607 respectivement de la figure 26. La puissance diffractée non absorbée est calculée comme étant la puissance d’entrée, moins la puissance absorbée, moins la puissance réfléchie.

Bien que le graphique de la figure 27 présente certains artefacts, comme une puissance négative autour de la longueur d’onde de 5 µm, le graphique reste représentatif du comportement général de la couche d’absorption. Le graphique de la figure 27 confirme en particulier que de l’énergie est éliminée par filtrage dans les longueurs d’onde de 6 à 8 µm, c’est-à-dire autour de la longueur d’onde de coupure inférieure λc, égale à environ 7 µm, de la cavité quart d’onde.

En outre, le graphique de la figure 27 confirme que, lorsque le facteur de remplissage est réduit et l’épaisseur de la couche d’absorption augmentée, l’effet de filtrage est renforcé.
Aspects communs

Les figures 28 à 47 sont des graphiques représentant la distribution spatiale de champ électrique et de champ magnétique dans un pixel, comme le pixel 104 ou le pixel 500 décrits précédemment, dans le cas d’un pas de pixel de 8,5 µm, et d’une hauteur de cavité quart d’onde h de 2,5 µm. En faisant référence aussi à la figure 2, dans l’échelle verticale représentée dans les graphiques des figures 28 à 47, la couche réfléchissante 204 est positionnée à environ 0 µm, et la couche d’absorption 210 est positionnée à environ 2,5 µm.

Les champs électriques sont par exemple représentés par des contours correspondant à des amplitudes de champ électrique exprimées en V/m dans les graphiques. Les champs magnétiques sont par exemple représentés par des contours associés à des amplitudes de champ magnétique exprimées en A/m dans les graphiques.

Les graphiques des figures 28 à 37 représentent la distribution spatiale des champs électrique et magnétique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 6 nm d’épaisseur et un facteur de remplissage de pixel de 0,30. Parmi ces figures, les figures 28 et 29 représentent respectivement la distribution des champs électrique et magnétique dans le cas de lumière d’une longueur d’onde de 6 µm, les figures 30 et 31 représentent respectivement la distribution des champs électrique et magnétique dans le cas de lumière d’une longueur d’onde de 8 µm, les figures 32 et 33 représentent respectivement la distribution des champs électrique et magnétique dans le cas de lumière d’une longueur d’onde de 10 µm, les figures 34 et 35 représentent respectivement la distribution des champs électrique et magnétique dans le cas de lumière d’une longueur d’onde de 12 µm, et les figures 36 et 37 représentent respectivement la distribution des champs électrique et magnétique dans le cas de lumière d’une longueur d’onde de 14 µm.

Les graphiques des figures 38 à 47 représentent la distribution spatiale des champs électrique et magnétique dans un pixel d’un microbolomètre ayant une couche d’absorption de 22 nm d’épaisseur et un facteur de remplissage de pixel de 0,30. Parmi ces figures, les figures 38 et 39 représentent respectivement la distribution des champs électrique et magnétique dans le cas de lumière d’une longueur d’onde de 6 µm, les figures 40 et 41 représentent respectivement la distribution des champs électrique et magnétique dans le cas de lumière d’une longueur d’onde de 8 µm, les figures 42 et 43 représentent respectivement la distribution des champs électrique et magnétique dans le cas de lumière d’une longueur d’onde de 10 µm, les figures 44 et 45 représentent respectivement la distribution des champs électrique et magnétique dans le cas de lumière d’une longueur d’onde de 12 µm, et les figures 46 et 47 représentent respectivement la distribution des champs électrique et magnétique dans le cas de lumière d’une longueur d’onde de 14 µm.

On peut voir que, à la longueur d’onde de lumière de 6 µm (figures 28, 29, 38 et 39), les effets de la cavité de Fabry-Pérot sont dominants, alors que dans le cas de la couche d’absorption relativement épaisse (figures 38 et 39), il y a un effet de diffraction provoquant des intensités de champ fortement décentralisées.

Pour de la lumière à la longueur d’onde de 8 µm (figures 30, 31, 40 et 41), l’effet de diffraction est dominant, en particulier pour la couche d’absorption relativement épaisse (figures 40 et 41). Ce phénomène est aussi amplifié lorsque le facteur de remplissage chute. En outre, l’amplitude du champ est fortement amplifiée pour la couche d’absorption relativement épaisse.

Pour de la lumière à des longueurs d’onde de 10 µm, 12 µm et 14 µm, dans le cas de l’épaisseur relativement mince de la couche d’absorption (figures 32 à 37), le couplage de Fabry-Pérot domine, tandis que pour la couche d’absorption plus épaisse (figures 42 à 47), le couplage de Fabry-Pérot est remplacé par un phénomène caractérisé par une concentration du champ électrique au niveau des bords de la couche d’absorption, et un confinement du champ magnétique en dessous de l’absorbeur.

Un avantage des modes de réalisation décrits ici en relation avec le premier aspect est qu’on peut obtenir un taux d’absorption relativement élevé tout en utilisant une matrice de microbolomètre relativement compacte.

Un avantage des modes de réalisation décrits ici en relation avec le deuxième aspect est qu’on peut obtenir une fonction de filtrage, relâchant par cela les contraintes sur les filtres optiques du microbolomètre.

En outre, les présents inventeurs ont découvert que la réduction du facteur de remplissage de pixel à la plage de 0,10 à 0,50 et l’augmentation de l’épaisseur de la couche d’absorption ne conduisent pas à une augmentation de la diaphonie entre pixels, sur la base de simulations réalisées pour des couches d’absorption de 6 et de 18 nm d’épaisseur.

Divers modes de réalisation et diverses variantes ont été décrits. L’homme de l’art comprendra que certains éléments de ces modes de réalisation peuvent être combinés et d’autres variantes apparaîtront facilement à l’homme de l’art. Par exemple, il sera clair pour l’homme de l’art que, alors que l’exemple de couches d’absorption en TiN a été détaillé, les principes décrits ici pourraient être appliqués à d’autres matériaux, y compris des métaux différents.

Claims

Microbolomètre comprenant une matrice de pixels, chaque pixel comprenant une ou plusieurs cellules de détection, chaque cellule de détection comprenant une couche d’absorption (530) formant une cavité quart d’onde (533) ayant une hauteur (h) comprise entre 0,5 et 5 µm, la cavité quart d’onde (533) mettant en œuvre une fonction de filtrage ayant une longueur d’onde de coupure inférieure λc, dans lequel le pas des cellules de détection dans au moins un axe dans un plan de la matrice de pixels est dans la plage de 0,9λc à 1,65λc.
Microbolomètre selon la revendication 1, dans lequel le pas des cellules de détection dans au moins un axe dans un plan de la matrice de pixels est dans la plage de 0,9λc à 1,5λc.
Microbolomètre selon la revendication 1 ou 2, dans lequel un facteur de remplissage de pixel FF de la couche d’absorption (530) desdites une ou plusieurs cellules de détection dans chaque pixel est dans une plage de 0,10 à 0,50.
Microbolomètre selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le pas des cellules de détection est dans la plage de 4 à 15 µm.
Microbolomètre selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le pas des cellules de détection est dans la plage de 5 à 11 µm.
Microbolomètre selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la couche d’absorption (530) est une couche métallique ayant une résistance par carré de 189 ohms par carré ou moins.
Microbolomètre selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la couche d’absorption (530) est une couche métallique ayant une résistance par carré de 126 ohms par carré ou moins.
Microbolomètre selon la revendication 6 ou 7, dans lequel la couche d’absorption (530) est en TiN.
Microbolomètre selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la hauteur de cavité (h) est comprise entre 1,5 et 3,5 µm.
Microbolomètre selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel chaque pixel de la matrice a :
- un facteur de remplissage de pixel FF égal ou supérieur à 0,40 et inférieur à 0,50 et une résistance par carré Rs de la couche d’absorption (530) d’au moins 75 ohms par carré ; ou
- un facteur de remplissage de pixel FF égal ou supérieur à 0,30 et inférieur à 0,40 et une résistance par carré Rs de la couche d’absorption (530) d’au moins 50 ohms par carré ; ou
- un facteur de remplissage de pixel FF égal ou supérieur à 0,20 et inférieur à 0,30 et une résistance par carré Rs de la couche d’absorption (530) d’au moins 25 ohms par carré ; ou
- un facteur de remplissage de pixel FF égal ou supérieur à 0,10 et inférieur à 0,20 et une résistance par carré Rs de la couche d’absorption (530) d’au moins 16 ohms par carré.
Microbolomètre selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le rapport Rs/FF de chaque pixel de la matrice est compris entre 200 et 600 ohms par carré.
Microbolomètre selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le rapport Rs/FF de chaque pixel de la matrice est de 377 ohms par carré à 20 % près.
Microbolomètre selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel chaque pixel a un facteur de remplissage de pixel dans la plage de 0,20 à 0,40.
Procédé de fabrication d’un microbolomètre, le procédé comprenant la formation d’une matrice de pixels, chaque pixel comprenant une ou plusieurs cellules de détection, dans lequel la formation de la matrice comprend :
- former chaque cellule de détection de manière à comprendre une couche d’absorption (530) formant une cavité quart d’onde (533) ayant une hauteur (h) comprise entre 0,5 et 5 µm, la cavité quart d’onde mettant en œuvre une fonction de filtrage ayant une longueur d’onde de coupure inférieure λc ; et
- former les cellules de détection de manière à avoir un pas, dans au moins un axe dans le plan de la matrice de pixels, dans la plage de 0,9λc à 1,65λc.