FR3099953A1

FR3099953A1 - Procédé de fabrication collective d'un détecteur pyroélectrique

Info

Publication number: FR3099953A1
Application number: FR1909212A
Authority: FR
Inventors: Ayrat Galisultanov; Hervé YVINEC
Original assignee: Elichens
Current assignee: Elichens
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2021-02-19
Anticipated expiration: 2039-08-14
Also published as: FR3099953B1

Abstract

L'invention est un procédé de fabrication d'un détecteur pyroélectrique, le détecteur pyroélectrique comportant un matériau pyroélectrique, s'étendant entre une première électrode et une deuxième électrode, de telle sorte que sous l'effet d'une irradiation infrarouge, une tension électrique apparaisse entre la première électrode et la deuxième électrode, le procédé comportant : a) structuration d'un substrat inférieur, sur lequel est disposé un empilement d'une couche pyroélectrique entre deux électrodes, ainsi que la formation de plots de connexion, l'empilement étant suspendu au-dessus d'une cavité inférieure ; b) structuration d'un substrat supérieur, incluant une formation d'une cavité supérieure et d'un circuit intégré à distance de la cavité supérieure ; c) assemblage du substrat inférieur sur le substrat supérieure, de façon à obtenir un détecteur pyroélectrique. Figure d'abrégé : 5A

Description

Procédé de fabrication collective d'un détecteur pyroélectrique

Le domaine technique de l'invention est la détection d'un rayonnement, en particulier infrarouge, par un détecteur pyroélectrique. Une application visée est la détection de gaz.

Les détecteurs pyroélectriques sont des composants standards utilisés dans la détection d'un rayonnement optique, en particulier un rayonnement infrarouge. Ces détecteurs sont généralement de faible coût, et constituent une solution recherchée dans la fabrication de capteurs de gaz basés sur une mesure de l'atténuation d'un rayonnement optique.

La fabrication de tels détecteurs est largement industrialisée. Un exemple de conception d'un détecteur pyroélectrique est représenté sur la figure 1. Un substrat 101 comporte une membrane 101_m, cette dernière portant un empilement comportant une première électrode 102, une couche d'un matériau pyroélectrique 103 et une deuxième électrode 104. Sous l'effet d'une exposition à un rayonnement infrarouge, une variation de température apparaît au sein du matériau pyroélectrique. Sous l'effet de cette variation de température, une différence de potentiel apparaît entre la première électrode et la deuxième électrode. La différence de potentiel dépend de l'intensité du rayonnement auquel est exposé le matériau pyroélectrique. L'empilement des couches 102, 103 et 104 forme la partie sensible du détecteur pyroélectrique. L'empilement est disposé dans une enceinte 105 hermétiquement fermée. L'enceinte 105 est fermée par une enveloppe métallique 107, dans laquelle une ouverture 108 est ménagée. Un filtre optique, refermant l'ouverture 108, permet de définir une bande spectrale, généralement l'infrarouge, à laquelle le matériau pyroélectrique est destiné à être exposé. L'ensemble est porté par une carte électronique PCB 100, reliée à des plots de connexion 109. La carte PCB 100 peut être remplacée par un circuit intégré, usuellement désigné par le terme ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

Bien que maîtrisé sur le plan industriel, un tel procédé est complexe à mettre en œuvre. Il suppose une gravure en face avant, afin de former les couches 102, 103 et 104, puis une gravure en face arrière, afin de former la membrane 101_mpar élimination du substrat 101. Le procédé est relativement cher à mettre en œuvre. Une autre conséquence est que la surface de la membrane 101_m, qui correspond sensiblement à la surface de la partie sensible du détecteur, est limitée à environ 1 mm².

Un autre inconvénient est que du fait du procédé de fabrication, l'encapsulation de la partie sensible dans une enceinte hermétique est réalisée individuellement pour chaque détecteur, après la découpe du substrat. De plus, alors que la surface de la partie sensible est limitée à 1 mm², la surface totale du composant atteint aisément 100 mm², ce qui nuit à la compacité. L'essentiel du volume du détecteur ainsi formé correspond à du packaging. Le volume utile, c'est-à-dire le volume de la couche sensible et de l'électronique, ne représentent que quelques % du volume total.

L'inventeur propose un procédé de fabrication permettant d'obtenir un détecteur pyroélectrique selon un procédé de fabrication plus simple. En outre, le procédé décrit ci-dessous permet d'obtenir un détecteur compact, tout en permettant d'obtenir une surface de détection similaire, voire supérieure, à l'art antérieur.

Un premier objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une pluralité de détecteurs pyroélectriques, chaque détecteur pyroélectrique comportant un matériau pyroélectrique, s'étendant entre une première électrode et une deuxième électrode, de telle sorte que sous l'effet d'une irradiation infrarouge, une tension électrique apparaisse entre la première électrode et la deuxième électrode, le procédé comportant les étapes suivantes :

a) formation, sur un substrat inférieur de composantes inférieures, chaque composante inférieure, étant obtenue par la formation :

d'une couche support formant une membrane, la membrane étant suspendue en dessus d'une cavité, dite cavité inférieure, ménagée dans le substrat inférieur ;
d'un empilement comportant une couche pyroélectrique, formée du matériau pyroélectrique, s'étendant entre la première électrode et la deuxième électrode, l'empilement étant formé sur la membrane, ou dans la membrane, en dessus de la cavité inférieure;
de plots de contacts, réalisés à partir d'un matériau conducteur, chaque plot de contact étant distant de l'empilement et relié à la première électrode ou à la deuxième électrode par une piste conductrice, s'étendant sur la couche support (20);

b) formation, sur un substrat supérieur, de composantes supérieures, chaque composante supérieure étant obtenue par la formation d'une cavité, dite cavité supérieure et, à distance de la cavité supérieure, d'un circuit intégré;

c) assemblage du substrat supérieur sur le substrat inférieur, de façon à obtenir un substrat assemblé, de telle sorte qu'après l'assemblage, chaque composante inférieure est assemblée à une composante supérieure, dite composante supérieure associée, de telle sorte que :

la cavité inférieure de chaque composante inférieure et la cavité supérieure de la composante supérieure associée forment une chambre d'encapsulation étanche, comportant l'empilement;
les plots de contacts de chaque composante inférieure sont en contact électrique avec le circuit intégré de la composante supérieure associée ;
chaque composante inférieure formant ainsi, avec la composante supérieure associée, un détecteur pyroélectrique;

d) séparation de chaque détecteur pyroélectrique du substrat assemblé.

Selon un mode de réalisation,

le substrat inférieur s'étend selon un plan de substrat ;
l'étape a) comporte également une formation de plots d'interconnexion internes, et de plots d'interconnexion externes, sur le substrat inférieur, ainsi qu'au moins une liaison conductrice entre au moins un plot d'interconnexion interne et un plot d'interconnexion externe, les plots d'interconnexion étant formés au niveau d'une bordure de chaque composante inférieure;
suite à l'étape c), les plots d'interconnexion interne de chaque composante inférieure sont en contact électrique avec le circuit intégré de la composante supérieure associée ;
chaque composante inférieure présente, parallèlement au plan de substrat, une surface supérieure à la composante supérieure associée, de telle sorte qu'après l'étape d), les plots d'interconnexion externes sont configurés pour être raccordés à un circuit externe.

Ainsi, chaque composante inférieure comporte une partie centrale, comportant l'empilement et les plots de connexion, ainsi qu'une bordure, s'étendant autour de la partie centrale.

Selon un mode de réalisation :

le substrat inférieur s'étend selon un plan de substrat;
l'étape b) comporte également une formation de plots d'interconnexion sur le substrat supérieur, ainsi qu'au moins une liaison conductrice entre le circuit intégré et les plots d'interconnexion, les plots d'interconnexion étant formés au niveau d'une bordure de chaque composante supérieure ;
chaque composante inférieure présente, parallèlement au plan du substrat, une surface inférieure à la composante supérieure associée, de telle sorte qu'après l'étape d), les plots d'interconnexion sont configurés pour être raccordés à un circuit externe.

Ainsi, chaque composante supérieure comporte une partie centrale, comportant la cavité supérieure et le circuit intégré, ainsi qu'une bordure, s'étendant autour de la partie centrale.

Le procédé peut être tel que :

l'étape a) comporte une formation d'une structure de liaison inférieure, dans chaque composante inférieure, la structure de liaison inférieure définissant un cadre s'étendant autour de l'empilement et des plots de connexion, la structure de liaison inférieure de chaque composante inférieure étant destinée à être au contact du substrat supérieur lors de l'étape c) ;
et/ou l'étape b) comporte une formation d'une structure de liaison supérieure, dans chaque composante supérieure, la structure de liaison supérieure définissant un cadre s'étendant autour de la cavité supérieure et du circuit intégré, la structure de liaison supérieure de chaque composante supérieure étant destinée à être au contact du substrat inférieur lors de l'étape c).

Lors de l'étape a), les plots de connexion peuvent être formés sur la couche support.

Le procédé peut être tel que :

le substrat supérieur s'étend entre une face inférieure et une face supérieure, la face inférieure étant destinée à être disposée en vis-à-vis du substrat inférieur lors de l'étape c);
l'étape b) comporte une formation d'un filtre optique, délimitant une bande passante dans le domaine de l'infra-rouge, sur la face supérieure de chaque composante supérieure.

L'étape b) peut comporter une formation d'une couche anti-reflet dans la cavité supérieure de chaque composante supérieure, de telle sorte que suite à l'étape c), chaque couche anti-reflet soit disposée en vis-à-vis de l'empilement d'une composante inférieure.

Le circuit intégré de chaque composante supérieure peut être apte à effectuer, à partir d'un signal d'entrée issu des plots de connexion, au moins l'une des opérations suivantes :

préamplification ;
conversion analogique / numérique.

Un autre objet de l'invention est un détecteur pyroélectrique, caractérisé en ce qu'il est réalisé selon un procédé selon le premier objet de l'invention.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous.

La figure 1 est un schéma d'un détecteur pyroélectrique selon l'art antérieur.

La figure 2A montre une vue de dessus (selon un plan XY) d'un substrat inférieur, comportant des composantes inférieures espacées les unes des autres, et réparties sur le substrat inférieur.

La figure 2B montre une vue de dessus (selon un plan XY) d'un substrat supérieur, comportant des composantes supérieures espacées les unes des autres, et réparties sur le substrat supérieur.

Les figures 3A à 3N illustrent des étapes de fabrication d'un substrat inférieur. Il s'agit soit de coupes transversales (selon un plan XZ), soit de vues de dessus (selon un plan XY).

Les figures 4A et 4B schématisent un substrat supérieur. La figure 4A est une coupe transversale (selon un plan XZ). La figure 4B est une vue de dessus (selon un plan XY).

La figure 5A montre un exemple de détecteur pyroélectrique obtenu par l'assemblage d'un substrat supérieur sur un substrat inférieur, les substrats supérieur et inférieur étant obtenus selon les exemples donnés en lien avec les figures 3A à 3N et 4A et 4B.

La figure 5B montre un autre exemple de détecteur pyroélectrique obtenu par l'assemblage d'un substrat supérieur sur un substrat inférieur.

La figure 6 illustre un autre exemple de fabrication d'une composante inférieure.

EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

Les figures 2A et 2B représentent respectivement un substrat inférieur 10_aet un substrat supérieur 10_b. Chacun de ces substrats est destiné à être structuré de façon à former :

au moins une composante inférieure 11_a, et de préférence une multitude de composantes inférieures 11_a, séparées les unes des autres ;
au moins une composante supérieure 11_b, et de préférence une multitude de composantes supérieures 11_b, séparées les unes des autres.

Les substrats inférieur et supérieur sont destinés à être assemblés l'un sur l'autre, de telle sorte qu'après l'assemblage chaque composante inférieure 11_a soit disposée en face d'une composante supérieure 11_b. Chaque assemblage d'une composante inférieure 11_aforme ainsi, avec une composante supérieure 11_b, un détecteur pyroélectrique 1.

De préférence, les composantes inférieure et supérieure sont réparties, respectivement sur les substrats inférieur et supérieur, selon un arrangement matriciel, comme représenté sur les figures 2A et 2B. Le recours à des procédés de microfabrication permet de former simultanément, de façon collective, une pluralité de composantes inférieures sur un substrat inférieur et une pluralité de composantes supérieures sur un substrat supérieur. Par former simultanément, il est entendu que chaque étape de fabrication est effectuée simultanément sur les différentes composantes agencées sur un même substrat. Il s'agit généralement d'étapes de dépôts de couches diverses et de gravure, en particulier par photolithographie/gravure.

On va décrire, en lien avec les figures 3A à 3N, les principales étapes de formation de chaque composante inférieure 11_a. On dispose d'un substrat inférieur 10_a, par exemple à base de silicium, par exemple de type Silicium sur isolant, usuellement désigné par l'acronyme SOI (Silicon on Insulator). Un exemple de réalisation de chaque composante inférieure 11_aest décrit dans la demande de brevet FR1903642, et plus particulièrement en lien avec les figures 2A à 2R de cette demande. D'une façon générale, les étapes de fabrication sont les suivantes.

Etape 100: formation d'une couche support 20.

On part du substrat inférieur 10_ade type SOI comme préalablement décrit. Il comporte une première couche 10_a _,1, une deuxième couche 10_a _, ₂et une troisième couche 10_a _,3. (cf. figure 3A).

Dans l'exemple représenté, les première couche, deuxième couche et troisième couche sont respectivement en Si (de préférence monocristallin), SiO₂, Si. La deuxième couche 10_a _, ₂est constituée d’une couche d’oxyde dite enterrée, usuellement désignée par l’acronyme BOX (Buried Oxyde), signifiant oxyde enterré. Il s’agit de préférence d’oxyde de Silicium (SiO₂). La deuxième couche 10_a _, ₂sert de couche d’arrêt de gravure comme décrit par la suite. L’épaisseur de la deuxième couche 10_a _, ₂ est de préférence comprise entre quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres, typiquement dans la plage 50 nm – 5 µm, et de préférence entre 500 nm et 2 µm, par exemple 2 µm. L’épaisseur de la troisième couche 10_a _, ₃est de préférence comprise entre quelques dizaines de nanomètres à quelques centaines de micromètres, typiquement dans la plage 1 µm – 200 µm, et de préférence entre 20 µm et 100 µm.

La première couche 10_a _, ₁a une fonction de support des couches intermédiaire et supérieure. Il peut s’agir d’un semi-conducteur de type Si monocristallin ou d'un matériau amorphe, par exemple du verre. Son épaisseur est typiquement comprise entre quelques dizaines de µm et quelques centaines de µm, voire quelques millimètres. Par exemple, lorsqu'on utilise un substrat de diamètre 200mm, l'épaisseur de la première couche 10_a _,1est de 725 µm.

On dépose une couche support 20 sur le substrat inférieur 10_a, et plus précisément sur la troisième couche 10_a _,3. La couche support 20 a pour fonction de supporter un empilement de couches décrit par la suite, formant la partie sensible du détecteur pyroélectrique.

Dans cet exemple la couche support 20 est formée par une succession de 4 couches élémentaires 21, 22, 23 et 24,respectivement formées de SiO₂, Si₃N₄(nitrure de silicium, usuellement désigné SiN), SiO₂et TiO₂. Le recours à une couche support 20 comprenant SiN, sous contrainte de traction, permet d'augmenter la rigidité de la couche support. La couche support 20 est schématisée sur la figure 3B. L'épaisseur de la couche support 20 peut varier entre 0.3 µm et 3 µm. Dans cet exemple, l'épaisseur de la couche support 20 est de 0.8 µm. Les épaisseurs respectives des couches élémentaires 21, 22 et 23 sont comprises entre 0.1 µm et 1 µm. La couche support 20 comporte également une couche d'accroche 24, dont l'épaisseur peut varier entre 10 nm et 100 nm. Dans cet exemple, l'épaisseur de la couche d'accroche 24 est de 20 nm. La fonction de la couche d'accroche 24 est de faciliter un dépôt d'une couche métallique, en l'occurrence le platine, en dessus de la couche support 20. La couche d'accroche 24 est optionnelle. Sa présence est conditionnée par les matériaux composant respectivement la couche support 20 et la couche métallique destinée à être déposée en dessus de la couche support 20. La couche support 20 est formée par une application successive des 4 couches élémentaires 21, 22, 23 et 24 sur le substrat inférieur 10_a.

La couche support 20 s'étend parallèlement à un plan P dit plan du substrat. Le plan P est défini par un axe longitudinal X et un axe latéral Y, s'étendant par exemple perpendiculairement l'un à l'autre. Un axe transversal Z s'étend perpendiculairement au plan du substrat.

A l'issue de cette étape, le substrat inférieur 10_as'étend entre une face inférieure 10_a _,i et une face supérieure 10_a,s, cette dernière étant adjacente de la couche support 20.

Etape 110: formation d'une première électrode 31 et de plots de connexion: cf. figures 3C et 3D. La figure 3C correspond à une coupe réalisée selon une ligne AA représentée sur la figure 3D.

Le procédé comporte un dépôt d'une première couche métallique sur la couche support 20, puis une gravure de la couche métallique déposée, de manière à ne laisser subsister qu'une partie résiduelle, formant une première électrode 31. La gravure permet également de ménager une première piste conductrice 31' s'étendant à partir de la première électrode 31, ainsi qu'un premier plot de connexion 41, disposé à l'extrémité de la première piste conductrice 31'. La gravure permet également de former une deuxième piste conductrice 33' et un deuxième plot de connexion 43. La deuxième piste conductrice 33' et le deuxième plot de connexion 43 sont destinés à être raccordés à une deuxième électrode 33, lors d'une étape 130 décrite par la suite. La première couche métallique peut être formée de platine ou d'un alliage de type nickel chrome. Il en est de même de la deuxième couche métallique décrite dans l'étape 130. La structuration de la première couche métallique permet également de former des ouvertures transversales 35, selon l'axe transversal Z. Les ouvertures transversales 35 s'étendent à travers toute l'épaisseur de la première couche métallique. La largeur de chaque ouverture transversale 35, selon l'axe latéral Y, est comprise entre 1 et 10 µm. Entre deux ouvertures transversales 35 adjacentes, la longueur et la largeur de la première électrode 31, respectivement selon l'axe longitudinal X et selon l'axe latéral Y, est de préférence comprise entre 1 µm et 10 µm.

La structuration de la première couche métallique est de préférence effectuée par photolithographie et gravure (gravure humide ou par exposition à un faisceau d'ions, usuellement désigné par l'acronyme IBE signifiant Ion Beam Etching). L'association de la photolithographie et de la gravure est bien connue de l'homme du métier. La photolithographie consiste à appliquer une résine sur la couche à graver. La résine est ensuite exposée à une insolation à travers un masque, ce dernier permettant de définir un motif d'insolation sur la résine. La couche fait ensuite l'objet de la gravure, seules les zones du motif exposées à l'insolation étant gravées.

Suite à l'étape 110, on dispose d'une première électrode 31 formée par la première couche métallique perforée par les ouvertures transversales 35, et reliée à un premier plot de connexion 41 par la première piste conductrice 31'. On dispose également d'un deuxième plot de connexion 43 relié à une deuxième piste conductrice 33'.

Etape 1 2 0: formation d'une couche pyroélectrique 32. Cf. figures 3E et 3F. La figure 3E correspond à une coupe réalisée selon une ligne AA représentée sur la figure 3F.

Au cours de cette étape, on dépose une couche pyroélectrique, formée d'un matériau pyroélectrique, sur la première couche métallique structurée lors de l'étape 110, et au contact de cette dernière. Le matériau pyroélectrique est par exemple du PZT (titano-zirconate de plomb). Il est déposé par dépôt chimique en phase vapeur, ou sol-gel. L'épaisseur de la couche pyroélectrique peut être comprise entre 0.1 µm et 2 µm.

Suite au dépôt de la couche pyroélectrique, cette dernière fait l'objet d'une structuration, par exemple par photolithographie/gravure, de façon à :

retirer la couche pyroélectrique au-delà de la première électrode 31, de façon à former une couche pyroélectrique 32 uniquement sur la première électrode 31.
prolonger les ouvertures transversales 35, à travers toute l'épaisseur de la couche pyroélectrique 32.

Etape 130: formation d'une deuxième électrode 33. Cf. figures 3G et 3H. La figure 3G correspond à une coupe réalisée selon une ligne BB représentée sur la figure 3H.

Au cours de cette étape, on dépose une deuxième couche métallique sur la couche pyroélectrique 32 formée lors de l'étape 120, et au contact de cette dernière.

Suite au dépôt de la deuxième couche métallique, cette dernière fait l'objet d'une structuration, par exemple par photolithographie/gravure, de façon à :

retirer la deuxième couche métallique au-delà de la couche pyroélectrique formée et structurée lors de l'étape 120, de façon à former une deuxième électrode 33, ainsi qu'une connexion électrique entre la deuxième électrode 33 et la deuxième piste conductrice 33', à l'extrémité de laquelle est disposé le deuxième plot de connexion 43;
prolonger les ouvertures transversales 35, préalablement pratiquées à travers la couche pyroélectrique 32 ainsi que la première électrode 31, à travers toute l'épaisseur de la deuxième électrode 33.

Suite à l'étape 130, on dispose d'une deuxième électrode 33 formée par la deuxième couche métallique perforée par les ouvertures transversales 35, et reliée à un plot de connexion 43 par une piste conductrice 33'.

A l'issue de la structuration de la deuxième électrode 33, on dispose d'un empilement 30 de trois couches perforées, qui correspondent respectivement à la première électrode 31, à la couche pyroélectrique 32 ainsi qu'à la deuxième électrode 33. L'empilement 30 forme la partie sensible du détecteur pyroélectrique qui est constitué par la suite. Par partie sensible, on entend la partie destinée à être exposée au rayonnement et à former un signal électrique exploitable.

Etape 140 : formation de plots d'interconnexion. Cf. figure 3I.

Au cours de cette étape, des plots d'interconnexion internes 42 et externes 44 sont formés. Des pistes conductrices s'étendent entre chaque plot d'interconnexion interne 42 et au moins un plot d'interconnexion externe 44. Les plots d'interconnexion internes 42 sont destinés à être disposés à l'intérieur de chaque détecteur pyroélectrique. Les plots d'interconnexion externes 44 sont destinés à être reliés à un circuit électrique externe. Les plots d'interconnexion 42 et 44 peuvent être formés par dépôt et structuration d'une troisième couche conductrice, par exemple une couche d'or.

Etape 150 : formation d'un e structure de liaison inférieure. Cf. figure 3I.

Au cours de cette étape, une structure de liaison inférieure 48, prenant par exemple la forme d'un cadre, est formée. Dans cet exemple, le cadre délimite et contourne un espace comportant l'empilement 30, les plots de connexion 41, 43, ainsi que les plots d'interconnexion internes 42. Le cadre de liaison inférieur 48 s'étend notamment entre les plots d'interconnexion internes 42 et les plots d'interconnexion externes 44. Le cadre de liaison inférieur 48 est destiné à permettre une liaison avec un substrat supérieur 10_b, comme décrit par la suite.

Etape 160: perforation de la couche support 20. Cf. figure 3J.

Au cours de cette étape, les ouvertures transversales 35, préalablement pratiquées à travers la première couche conductrice 31, la couche pyroélectrique 32 et la deuxième couche conductrice 33, sont prolongées à travers la couche support 20. Cette étape peut être effectuée par photolithographie/gravure.

Au cours de cette étape, d'autres ouvertures transversales 25 sont pratiquées uniquement à travers la couche support 20, jusqu'à la troisième couche 10_a _,3du substrat inférieur 10_a. Les ouvertures transversales 25 sont représentées sur les figures 3L et 3M

Etape 1 7 0: formation d'une cavité inférieure 15_a. Cf. figures 3K, 3L et 3M.Les figures 3K et 3L correspondent à des coupes réalisées selon les plans parallèles à l'axe transversal Z, et passant par les lignes AA et CC tracées sur la figure 3M.

Au cours de cette étape, on retire tout ou partie de la troisième couche 10_a _,3, sous la couche support 20, à l'aplomb de l'empilement 30. Pour cela, une gravure humide ou en phase vapeur est mise en œuvre, à travers les ouvertures transversales 25 et 35 préalablement pratiquées. Il peut par exemple s'agir d'une gravure à l’aide d’une solution d’HF (acide fluorhydrique) ou une gravure en phase vapeur (acide fluorhydrique sous forme vapeur). La deuxième couche 10_a _, ₂peut alors former une couche d'arrêt de gravure. La gravure de la troisième couche 10_a _,3 entraîne une formation d'une cavité inférieure 15_a. L'empilement 30, comprenant la partie sensible du détecteur pyroélectrique, est alors suspendu en dessus de la cavité inférieure 15_a. En dessus de la cavité inférieure 15_a, la couche support 20 forme une membrane souple 21, supportant l'empilement 30. L'empilement 30 est ainsi suspendu sur la membrane 21, cette dernière correspondant à la partie de la couche support 20 s'étendant en dessus de la cavité inférieure 15_a. On remarque que le fond de la cavité inférieure 15_aest délimité par la deuxième couche 10_a _, ₂.

Selon une variante, représentée sur la figure 3N, l'empilement 30 est surplombé d'une couche d'absorption infra-rouge 39. Le dépôt de la couche d'absorption 39 est alors réalisé entre les étapes 130 et 140. La couche d'absorption 39 est réalisée à l'aide d'un matériau disposant de propriétés d'absorption du rayonnement infra-rouge. Il peut s'agir de Pt black (noir de platine), ou gold black, de Litho-black (marque déposée), ou de nanotubes de carbone. Les ouvertures transversales 35 sont prolongées à travers la couche d'absorption 39.

A l'issue de l'étape 170, chaque composante inférieure 11_adu substrat inférieur 10_aest finalisée.

Etape 180: structuration du substrat supérieur 10_b: cf. figures 4A et 4B.

Au cours de l'étape 180, on forme, sur le substrat supérieur 10_b, différentes composantes supérieures 11_b. Dans cet exemple, le substrat supérieur 10_best une couche de silicium d'épaisseur égale à 725 µm. Le substrat supérieur 10_bs'étend entre une face inférieure 10_b _,iet une face supérieure 10_b,s.

La structuration du substrat supérieur 10_bcomporte la formation d'une couche de filtration 55, contre la face supérieure 10_b _,s. La couche de filtration est formée d'un matériau, ou d'un empilement de matériaux, formant un filtre infrarouge. Il peut s'agit par exemple d'un empilement de couches de SiN et SiO₂. L'épaisseur de cette couche est par exemple comprise entre 1 µm et 20 µm.

La face inférieure 10_b _, _i du substrat supérieur 10_best ensuite structurée. La structuration vise à former une cavité supérieure 15_bà partir de la face inférieure 10_b _, _i. Le fond de la cavité supérieure 15_bfait l'objet d'un dépôt d'une couche anti reflet 56, puis d'un dépôt d'un matériau à effet getter 57. Ce dernier est un matériau présentant des propriétés de chimisorption, permettant un piégeage chimique de molécules de gaz. Le matériau getter est apte à réaliser un pompage gazeux par absorption ou adsorption. Il peut par exemple s'agir de Titane, Zr, Vanadium, Chrome, Cobalt, Fe, Mn, Pd Ba, Al et leurs alliages. L'épaisseur du matériau de getter est par exemple comprise entre 100 nm à quelques µm, par exemple 200 nm – 5000 nm.

Etape 190: formation d'un ASIC dans le substrat supérieur.

Lors de l'étape 190, un circuit intégré ASIC 50 (Application Specific Integrated Circuit) est ménagé au niveau de la face inférieure 10_b _,i _,à distance de la cavité supérieure 15_b. L'ASIC comporte des points de contact d'entrée 51. Lors de l'assemblage du substrat supérieur contre le substrat inférieur, les points de contact d'entrée 51 sont agencés pour permettre une connexion avec les plots de connexion 41 et 43 respectivement reliés à la première électrode 31 et à la deuxième électrode 33 par les pistes conductrices 31' et 33'. Le circuit intégré 50 reçoit ainsi, par les points de contact d'entrée 51, un signal électrique d'entrée représentatif d'une tension aux bornes de la couche pyroélectrique 32. L'ASIC 50 est configuré pour traiter le signal d'entrée de façon à réaliser des opérations de prétraitement, au plus près de la partie sensible du détecteur pyroélectrique. Il peut par exemple s'agir d'assurer une ou plusieurs des fonctions suivantes

conversion charge/ tension ;
préamplification ;
conversion analogique / numérique.

L'ASIC 50, ménagé directement sur le substrat supérieur 10_b, à proximité de l'empilement 30, délivre un signal prétraité à des points de contact de sortie 52. Lors de l'assemblage du substrat supérieur 10_bcontre le substrat inférieur 10_a, les points de contact de sortie 52 de chaque composante supérieure 11_bsont agencés pour permettre une connexion avec les plots d'interconnexion internes 42 de la composante inférieure 11_aassociée. Ces derniers sont reliés aux plots d'interconnexion externes 44 de la composante inférieure, permettant une connexion avec un circuit électronique externe.

A l'issue de l'étape 190, chaque composante supérieure 11_bdu substrat supérieur 10_best finalisée.

Les étapes 180 et 190 peuvent être inversées, l'ASIC étant ménagé sur le substrat supérieur 10_bavant l'obtention de la structuration de la face inférieure 10_b _, _i du substrat supérieur 10_b,de façon à obtenir la cavité. Dans une telle configuration, une couche de protection est déposée sur l'ASIC pendant l'étape de structuration de la face intérieure 10_b _,i.

Etape 200 : Assemblage

Au cours de cette étape, le substrat supérieur 10_best assemblé sur le substrat inférieur 10_a, de telle sorte que chaque composante supérieure 11_bsoit assemblée sur une composante inférieure 11_aà laquelle elle est associée. La liaison entre les deux substrats est réalisée, au niveau de chaque composante, par une mise au contact de la face inférieure 10_b _,idu substrat supérieur avec les structures de liaison inférieures 48 ménagées dans chaque composante inférieure 11_a. Il peut par exemple s'agir d'un eutectique Au-Si. La liaison entre les deux substrats peut être précédée d'un nettoyage chimique, ainsi que d'une phase de préparation, connue de l'homme du métier, visant à activer les surfaces destinées à être assemblées en vue de favoriser leur adhérence lors de la mise en contact. Après la mise en contact, un recuit est effectué, par exemple à une température comprise entre 380 °C et 410°C.

La figure 5A représente un substrat 10, résultant de l'assemblage du substrat supérieur 10_bsur le substrat inférieur 10_a. Suite à l'assemblage, chaque composante supérieure 11_bforme, avec la composante inférieure 11_asur laquelle elle est assemblée, un détecteur pyroélectrique 1 . Les cavités inférieures 15_aet supérieures 15_bsont agencées de telle sorte que suite à l'assemblage, elles forment, au niveau de chaque détecteur pyroélectrique, une même chambre d'encapsulation 15. Ainsi, chaque détecteur pyroélectrique 1 comporte une chambre d'encapsulation 15, renfermant, de façon hermétique, un empilement 30. Chaque empilement 30 forme la parte sensible du détecteur pyroélectrique 1. Chaque détecteur pyroélectrique comporte également à un circuit électronique de pré-traitement, formé par l'ASIC 50. Chaque détecteur pyroélectrique 1 est ainsi apte à être relié à un circuit externe par les plots d'interconnexion externes 44.

Etape 210: Séparation des détecteurs.

Au cours de cette étape, les différents détecteurs pyroélectriques 1 sont séparés les unes des autres, par une découpe du substrat assemblé 10. Sur les figures 2A et 2B, on a représenté, par des lignes en pointillés, des lignes de coupe le long du substrat inférieur 10_aet du substrat supérieur 10_b.

Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 5A, ainsi que sur les figures 2A et 2B, chaque composante inférieure 11_as'étend, parallèlement au plan du substrat P, selon une aire supérieure à la composante supérieure 11_bqui lui est associée. Ainsi, à l'issue de la séparation, les plots d'interconnexion externes 44 sont directement accessibles, selon un processus usuellement désigné par le terme anglosaxon "saw to reveal". Ils sont ainsi plus aisément raccordés à un circuit électronique externe.

De façon alternative, comme représenté sur la figure 5B, des plots d'interconnexion supérieurs 54 peuvent être disposés au niveau de la face inférieure 10_b _,ide chaque composante supérieure 11_b. Les plots d'interconnexion supérieurs 54 sont reliés au circuit intégré 50. Ils permettent un raccordement à un circuit électronique externe. Selon une telle alternative, chaque composante supérieure 11_bs'étend selon une surface plus importante que la composante inférieure 11_aà laquelle elle est associée, parallèlement au plan du substrat P.

Selon une variante, représentée sur la figure 6, les étapes 110 à 130 ne comportent pas une formation d'ouvertures transversales 35 à travers la première électrode 31, la couche pyroélectrique 32 et la troisième électrode 33. L'étape 160 n'est pas mise en œuvre. Lors de l'étape 170 la cavité inférieure 15_aest formée dans le substrat inférieur 10_apar une gravure de ce dernier en face arrière, c'est-à-dire en partant de la face inférieure 10_a _,i. La cavité inférieure 15_aest alors refermée par un substrat arrière 10_cappliqué contre la face inférieure 10_a _,i.

Le procédé précédemment décrit illustre la possibilité de fabriquer un détecteur pyroélectrique encapsulé entre deux substrats : le substrat inférieur 10_acomporte les éléments formant la couche sensible du détecteur, ainsi que les connexions électriques. Le substrat supérieur 10_bforme un capot destiné à être scellé sur le substrat inférieur 10_a, de façon à disposer de détecteurs pyroélectriques 1 encapsulés entre les deux substrats, avant la découpe du substrat et la séparation des différents détecteurs pyroélectriques obtenus. Il s'agit d'un procédé de type encapsulation wafer-wafer (ou wafer level packaging), la découpe des différents détecteurs pyroélectriques étant effectuée après l'encapsulation résultant de l'assemblage entre les deux substrats. En utilisant des substrats de grande surface, par exemple de diamètre 200 mm, le procédé permet d'obtenir simultanément un grand nombre de détecteurs, ce qui permet d'abaisser le coût de fabrication. Un autre avantage est l'obtention de détecteurs pyroélectriques particulièrement compacts.

L'invention décrite ci-avant pourra être mise en œuvre pour obtenir des détecteurs pyroélectriques compacts, à un coût moindre que selon l'art antérieur. Les détecteurs pyroélectriques obtenus pourront être utilisés par exemple dans des capteurs de gaz de type infrarouge non dispersif (NDIR).

Claims

Procédé de fabrication d'une pluralité de détecteurs pyroélectriques (1), chaque détecteur pyroélectrique comportant un matériau pyroélectrique (32), s'étendant entre une première électrode (31) et une deuxième électrode (33), de telle sorte que sous l'effet d'une irradiation infrarouge, une tension électrique apparaisse entre la première électrode et la deuxième électrode, le procédé comportant les étapes suivantes
formation, sur un substrat inférieur (10_a) de composantes inférieures (11_a), chaque composante inférieure étant obtenue par la formation :

d'une couche support (20) formant une membrane (21), la membrane étant suspendue en dessus d'une cavité (15_a), dite cavité inférieure, ménagée dans le substrat inférieur ;

d'un empilement (30) comportant une couche pyroélectrique (32), formée du matériau pyroélectrique, s'étendant entre la première électrode (31) et la deuxième électrode (33), l'empilement étant formé sur la membrane (21), ou dans la membrane (21), en dessus de la cavité inférieure;

de plots de contacts (41, 43), réalisés à partir d'un matériau conducteur, chaque plot de contact étant distant de l'empilement (30) et relié à la première électrode (31) ou à la deuxième électrode (33) par une piste conductrice (31', 33') s'étendant sur la couche support (20);

formation, sur un substrat supérieur (10_b), de composantes supérieures (11_b), chaque composante supérieure étant obtenue par la formation d'une cavité (15_b), dite cavité supérieure et, à distance de la cavité supérieure, d'un circuit intégré (50);

assemblage du substrat supérieur sur le substrat inférieur, de façon à obtenir un substrat assemblé (10), de telle sorte qu'après l'assemblage, chaque composante inférieure (11_a) est assemblée à une composante supérieure (11_b), dite composante supérieure associée, de telle sorte que :

la cavité inférieure (15_a) de chaque composante inférieure et la cavité supérieure (15_b) de la composante supérieure associée forment une chambre d'encapsulation (15) étanche, comportant l'empilement (30);

les plots de contacts (41, 43) de chaque composante inférieure sont en contact électrique avec le circuit intégré (50) de la composante supérieure associée ;

chaque composante inférieure formant ainsi, avec la composante supérieure associée, un détecteur pyroélectrique (1) ;

séparation de chaque détecteur pyroélectrique du substrat assemblé.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel :
le substrat inférieur s'étend selon un plan de substrat (P) ;

l'étape a) comporte également une formation de plots d'interconnexion internes (42), et de plots d'interconnexion externes (44), sur le substrat inférieur, ainsi qu'au moins une liaison conductrice entre au moins un plot d'interconnexion interne et un plot d'interconnexion externe, les plots d'interconnexion étant formés au niveau d'une bordure de chaque composante inférieure;

suite à l'étape c), les plots d'interconnexion interne de chaque composante inférieure sont en contact électrique avec le circuit intégré (50) de la composante supérieure associée ;

chaque composante inférieure présente, parallèlement au plan de substrat, une surface supérieure à la composante supérieure associée, de telle sorte qu'après l'étape d), les plots d'interconnexion externes (44) sont configurés pour être raccordés à un circuit externe.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel :
le substrat inférieur s'étend selon un plan de substrat (P) ;

l'étape b) comporte également une formation de plots d'interconnexion (54) sur le substrat supérieur, ainsi qu'au moins une liaison conductrice entre le circuit intégré et les plots d'interconnexion, les plots d'interconnexion étant formés au niveau d'une bordure de chaque composante supérieure ;

chaque composante inférieure présente, parallèlement au plan du substrat (P), une surface inférieure à la composante supérieure associée, de telle sorte qu'après l'étape d), les plots d'interconnexion (54) sont configurés pour être raccordés à un circuit externe.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
l'étape a) comporte une formation d'une structure de liaison inférieure (48), dans chaque composante inférieure (11_a), la structure de liaison inférieure définissant un cadre s'étendant autour de l'empilement (30) et des plots de connexion (41, 43), la structure de liaison inférieure de chaque composante inférieure (11_a) étant destinée à être au contact du substrat supérieur (10_b) lors de l'étape c) ;

ou l'étape b) comporte une formation d'une structure de liaison supérieure, dans chaque composante supérieure, la structure de liaison supérieure définissant un cadre s'étendant autour de la cavité supérieure (15_b) et du circuit intégré (50), la structure de liaison supérieure de chaque composante supérieure (11_b) étant destinée à être au contact du substrat inférieur (10_a) lors de l'étape c).
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lors de l'étape a), les plots de connexion (41, 43) sont formés sur la couche support (20).
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
le substrat supérieur (10_b) s'étend entre une face inférieure (10_b _,i) et une face supérieure (10_b _,s), la face inférieure étant destinée à être disposée en vis-à-vis du substrat inférieur (10_a) lors de l'étape c);

et dans lequel l'étape b) comporte une formation d'un filtre optique (55), délimitant une bande passante dans le domaine de l'infra-rouge, sur la face supérieure (10_b _,s) de chaque composante supérieure.
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape b) comporte une formation d'une couche anti-reflet (56) dans la cavité supérieure (15_b) de chaque composante supérieure (11_b), de telle sorte que suite à l'étape c), chaque couche anti-reflet soit disposée en vis-à-vis de l'empilement (30) d'une composante inférieure (11_a).
Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit intégré (50) de chaque composante supérieure est apte à effectuer, à partir d'un signal d'entrée issu des plots de connexion, au moins l'une des opérations suivantes :
préamplification ;

conversion analogique / numérique.
Détecteur pyroélectrique (1), caractérisé en ce qu'il est réalisé selon un procédé objet de l'une quelconque des revendications précédentes.