FR3113125A1 - Procede de realisation d’un micro-bolometre d’imagerie infrarouge et micro-bolometre associe - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a) comportant les étapes suivantes :– formation de clous d’ancrage (14) à travers une couche sacrificielle (12) et une couche de support (13) ;– dépôt et structuration d’un absorbeur (16) ;– dépôt d’une couche diélectrique (15) ;– structuration de ladite couche diélectrique (15) pour former des ouvertures (17) ;– dépôt d’un matériau conducteur (20) à base de tungstène pour remplir lesdites ouvertures (17) ;– polissage mécano-chimique dudit matériau conducteur (20) de sorte à former une surface plane (Sp) ;– dépôt d’un matériau thermométrique (21) sur ladite surface plane (Sp) de sorte que ledit matériau thermométrique (21) soit connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur (16) par l’intermédiaire dudit matériau conducteur (20) déposé dans les ouvertures (17) de ladite couche diélectrique (15) ; et– suppression de ladite couche sacrificielle (12). Figure pour abrégé : Fig 2i
Description
Domaine de l’invention
La présente invention a trait au domaine de la détection de rayonnements électromagnétiques et, plus précisément, à la détection de rayonnements infrarouges.
L’invention concerne, d’une part, un procédé de réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge présentant des performances améliorées et, d’autre part, un micro-bolomètre associé.
Etat antérieur de la technique
Dans le domaine des détecteurs mis en œuvre pour l’imagerie infrarouge, il est connu d'utiliser des dispositifs agencés sous forme matricielle, susceptibles de fonctionner à température ambiante, c'est-à-dire ne nécessitant pas de refroidissement à de très basses températures, contrairement aux dispositifs de détection appelés "détecteurs quantiques" qui eux, nécessitent un fonctionnement à très basse température.
Ces détecteurs utilisent traditionnellement la variation d'une grandeur physique d'un matériau ou assemblage de matériaux approprié(s) en fonction de la température, au voisinage de 300K. Dans le cas particulier des détecteurs micro-bolométriques, les plus couramment utilisés, cette grandeur physique est la résistivité électrique, mais d’autres grandeurs peuvent être exploitées, telle la constante diélectrique, la polarisation, la dilatation thermique, l’indice de réfraction, etc.
Un tel détecteur non refroidi associe généralement :
– des moyens d'absorption du rayonnement thermique et de conversion de celui-ci en chaleur ;
– des moyens d'isolation thermique du détecteur, de telle sorte à permettre à celui-ci de s'échauffer sous l'action du rayonnement thermique ;
– des moyens de thermométrie qui, dans le cadre d'un détecteur micro-bolométrique, mettent en œuvre un élément résistif dont la résistance varie avec la température ;
– et des moyens de lecture des signaux électriques fournis par les moyens de thermométrie.
– des moyens d'absorption du rayonnement thermique et de conversion de celui-ci en chaleur ;
– des moyens d'isolation thermique du détecteur, de telle sorte à permettre à celui-ci de s'échauffer sous l'action du rayonnement thermique ;
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Les détecteurs destinés à l'imagerie thermique, ou infrarouge, sont classiquement réalisés sous la forme d'une matrice de détecteurs élémentaires, formant des points d’image ou pixels, selon une ou deux dimensions. Pour garantir l’isolation thermique des détecteurs, ces derniers sont suspendus au-dessus d’un substrat via des bras de soutien.
Le substrat comporte usuellement des moyens d'adressage séquentiel des détecteurs élémentaires et des moyens d'excitation électrique et de pré-traitement des signaux électriques générés à partir de ces détecteurs élémentaires. Ce substrat et les moyens intégrés sont communément désignés par le terme « circuit de lecture ».
Pour obtenir une scène par l'intermédiaire de ce détecteur, cette scène est captée à travers une optique adaptée sur la matrice de détecteurs élémentaires, et des stimuli électriques cadencés sont appliqués par l'intermédiaire du circuit de lecture à chacun des détecteurs élémentaires, ou à chaque rangée de tels détecteurs, afin d'obtenir un signal électrique constituant l'image de la température atteinte par chacun desdits détecteurs élémentaires. Ce signal est traité de manière plus ou moins élaborée par le circuit de lecture, puis éventuellement par un dispositif électronique extérieur au boîtier afin de générer l'image thermique de la scène observée.
Plus précisément, un détecteur élémentaire est constitué d’une membrane maintenue en suspension fixe au-dessus du substrat. La membrane intègre un matériau thermométrique qui réalise une transduction des rayonnements infrarouges, formant les moyens de thermométrie.
La mesure de la résistance thermique du matériau thermométrique est réalisée par un matériau absorbeur, par exemple métallique, s’étendant sous le matériau thermométrique et dans les bras de soutien. Outre la lecture du signal aux bornes du matériau thermomètre, le matériau absorbeur a également pour fonction d’absorber le flux infrarouge pour le transmettre au matériau thermométrique. La quantité de rayonnement infrarouge absorbée est dépendante de la surface de cet absorbeur.
Pour optimiser l’absorption du rayonnement infrarouge, le matériau absorbeur couvre un maximum de surface dans l’empreinte du pixel. En pratique, sa surface est limitée par celle de la membrane. L’épaisseur du matériau absorbeur est ajustée de façon à ce que son impédance effective par carré soit adaptée à celle du vide : Z0= 377 ohm/carré.
Les figures 1a à 1f illustrent un procédé de réalisation d’un micro-bolomètre100de l’état de la technique, tel que par exemple décrit dans le document EP 3 182 081.
Une première étape, illustrée sur la , consiste à déposer et à structurer une couche sacrificielle 12 et une couche de support 13 sur un substrat 11 intégrant le circuit de lecture. La structuration de ces deux couches 12, 13 permet d’obtenir des ouvertures dans lesquelles des clous d’ancrage 14 peuvent être formés. Tel qu’illustré sur la figure 1b, la formation des clous d’ancrage 14 dans les ouvertures vise à obtenir un plot conducteur s’étendant au moins jusqu’au niveau de l’extrémité supérieure de la couche de support 13.
L’absorbeur 16 est ensuite déposé sur la couche de support 13 et sur la partie supérieure du clou d’ancrage 14. L’étape suivante, illustrée sur la , consiste à structurer l’absorbeur 16 pour former les électrodes et les portions d’absorption du micro-bolomètre 100. Un matériau thermométrique 18 est ensuite déposé sur la couche de support 13 et sur l’absorbeur 16. Tel qu’illustré sur la , les parties latérales de ce matériau thermométrique 18, destinées à former les bras de soutien de la membrane, sont gravées jusqu’à l’absorbeur 16 de sorte que le matériau thermométrique 18 s’étende sur la partie centrale du micro-bolomètre 100 et assure un contact électrique entre les différentes parties de l’absorbeur 16.
Tel qu’illustré sur la , une couche de protection 19 est ensuite déposée sur l’absorbeur 16 et sur le matériau thermométrique 18. Les couches 13, 16, 18 et 19 sont ensuite gravées selon le motif souhaité pour former la membrane et les bras de soutien de la membrane. Enfin, l’étape 1f illustre le retrait de la couche sacrificielle 12, libérant ainsi la membrane en suspension sur les clous d’ancrage 14.
Les performances du micro-bolomètre100ainsi obtenu dépendent de plusieurs facteurs et, notamment, de la nature du matériau thermométrique 18. Pour obtenir un faible coefficient de bruit basse fréquence, il est connu d’utiliser un matériau thermométrique 18en oxyde de vanadium.
Cependant, un tel matériau thermométrique18en oxyde de vanadium génère du bruit haute-fréquence sur le courant mesuré aux bornes du micro-bolomètre100lorsque ledit matériau thermométrique18présente des ruptures de planéitéRp.
Dans l’état de la technique décrit en référence aux figures 1a à 1f, ces ruptures de planéitéRpapparaissent nécessairement en raison du dépôt du matériau thermométrique18sur l’absorbeur16permettant d’assurer le contact électrique entre ces deux éléments.
Il est donc recherché de pouvoir déposer le matériau thermométrique18sur une surface plane tout en assurant la continuité électrique avec l’absorbeur16.
Pour ce faire, une solution décrite dans le document CN 108298495 consiste à déposer le matériau thermométrique sur la couche de support et à former l’absorbeur au-dessus du matériau thermométrique. Cependant, l’absorbeur doit être structuré sur plusieurs niveaux de hauteur pour assurer un contact électrique entre des clous d’ancrage s’étendant au niveau de la couche de support et le dessus du matériau thermométrique. Il s’ensuit que l’accord de l’absorbeur avec un réflecteur déposé sur le substrat est nécessairement moins efficace puisque cet accord nécessite une distance fixe entre ces deux éléments.
Le problème technique de l’invention est donc de réaliser un micro-bolomètre avec un absorbeur et un matériau thermométrique déposés sur des surfaces planes tout en assurant un contact électrique fiable entre l’absorbeur et le matériau thermométrique.
L’invention est issue d’une observation selon laquelle il n’est pas nécessaire de déposer le matériau thermométrique directement au contact du matériau absorbeur pour obtenir une transduction thermique-électrique efficace. En effet, le matériau thermométrique a pour fonction de transformer les variations de température captées par l’absorbeur en variations de résistances électriques aux bornes des électrodes formées par ce même absorbeur. L’invention a montré qu’en connectant le matériau thermométrique avec l’absorbeur au moyen de vias conducteurs à base de tungstène, il est possible de réaliser les échanges thermiques et électriques sans dégrader les performances du micro-bolomètre.
Ainsi, l’invention propose de répondre au problème technique en déposant une couche diélectrique sur un absorbeur et en réalisant des vias conducteurs à travers cette couche diélectrique jusqu’à l’absorbeur de sorte à former une surface plane avec des contacts débouchant permettant de déposer le matériau thermométrique.
A cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge comportant les étapes suivantes :
– dépôt d’une couche sacrificielle et d’une couche de support sur un substrat ;
– formation de clous d’ancrage à travers ladite couche sacrificielle et ladite couche de support ;
– dépôt et structuration d’un absorbeur sur ladite couche de support et lesdits clous d’ancrage ;
– dépôt d’une couche diélectrique sur ledit absorbeur et ladite couche de support ;
– structuration de ladite couche diélectrique pour former des ouvertures s’étendant jusqu’audit absorbeur ;
– dépôt d’un matériau conducteur à base de tungstène pour remplir lesdites ouvertures de ladite couche diélectrique et assurer un contact électrique entre ledit matériau conducteur et ledit absorbeur ;
– retrait dudit matériau conducteur hors desdits ouvertures de sorte à former une surface plane ;
– dépôt d’un matériau thermométrique sur ladite surface plane de sorte que ledit matériau thermométrique soit connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur par l’intermédiaire dudit matériau conducteur déposé dans les ouvertures de ladite couche diélectrique ; et
– suppression de ladite couche sacrificielle.
– dépôt d’une couche sacrificielle et d’une couche de support sur un substrat ;
– formation de clous d’ancrage à travers ladite couche sacrificielle et ladite couche de support ;
– dépôt et structuration d’un absorbeur sur ladite couche de support et lesdits clous d’ancrage ;
– dépôt d’une couche diélectrique sur ledit absorbeur et ladite couche de support ;
– structuration de ladite couche diélectrique pour former des ouvertures s’étendant jusqu’audit absorbeur ;
– dépôt d’un matériau conducteur à base de tungstène pour remplir lesdites ouvertures de ladite couche diélectrique et assurer un contact électrique entre ledit matériau conducteur et ledit absorbeur ;
– retrait dudit matériau conducteur hors desdits ouvertures de sorte à former une surface plane ;
– dépôt d’un matériau thermométrique sur ladite surface plane de sorte que ledit matériau thermométrique soit connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur par l’intermédiaire dudit matériau conducteur déposé dans les ouvertures de ladite couche diélectrique ; et
– suppression de ladite couche sacrificielle.
L’invention permet d’obtenir un micro-bolomètre avec un matériau thermométrique et un absorbeur déposés sur des surfaces planes, tout en assurant une continuité thermique et électrique entre les électrodes du matériau absorbeur et le matériau thermométrique au moyen de vias conducteurs intégrant un matériau conducteur à base de tungstène.
Le micro-bolomètre ainsi obtenu peut donc intégrer un matériau thermométrique en oxyde de vanadium, présentant un faible coefficient de bruit basse fréquence, tout en limitant la génération du bruit haute-fréquence car le matériau thermométrique est déposé sur une surface plane. En variante, le matériau thermométrique peut être de l’oxynitrure de silicium. En outre, le dépôt de l’absorbeur sur une surface plane permet d’accorder la distance de l’absorbeur avec un réflecteur déposé sur le substrat de sorte à augmenter la quantité de rayonnements infrarouges détectés.
L’invention permet donc d’obtenir un micro-bolomètre de hautes performances pour lequel le bruit est globalement limité sur le courant mesuré aux bornes du micro-bolomètre.
De préférence, le dépôt du matériau conducteur est réalisé par un dépôt conforme en phase vapeur. Par exemple, le matériau conducteur peut être déposé par dépôt chimique en phase vapeur ou CVD (selon l’acronyme anglo-saxon «Chemical Vapor Deposition») ou dépôt physique en phase vapeur PVD (selon l’acronyme anglo-saxon «Physical Vapor Deposition»).
Au sens de l’invention, un dépôt « conforme » correspond à un dépôt dans lequel les particules de matières déplacées lors du dépôt sont orientées perpendiculairement au support sur lequel le dépôt est réalisé. Ainsi, un dépôt conforme recouvre le support de manière uniforme quel que soit la topologie rencontrée.
Ainsi, ce dépôt conforme du matériau conducteur permet de remplir efficacement les ouvertures de la couche diélectrique et d’obtenir une continuité thermique et électrique satisfaisante entre les électrodes du matériau absorbeur et le matériau thermométrique.
De préférence, ladite couche diélectrique est structurée au moyen d’une gravure ionique réactive avec arrêt sur ledit absorbeur. La gravure ionique réactive est plus connue sous l’acronyme RIE pour «Reactive-Ion Etching» dans la littérature anglo-saxonne. Cette gravure ionique réactive peut être mise en œuvre avec une couche d’arrêt conductrice, telle que l’absorbeur, et elle permet d’obtenir une structuration précise des ouvertures. Ainsi, cette gravure RIE permet de régler précisément la forme et la taille des ouvertures en fonction des besoins de continuité thermique et électrique entre les électrodes du matériau absorbeur et le matériau thermométrique. Par exemple, les ouvertures peuvent présenter une largeur inférieure à 400 nanomètres.
Au sens de l’invention, la « largeur » des ouvertures correspond à la plus grande dimension de la section transversale desdites ouvertures. Ainsi, si les ouvertures sont cylindriques, la largeur des ouvertures correspond au diamètre de celles-ci. De préférence, les ouvertures présentent une section carrée et la largeur correspond à la diagonale de ce carré.
En associant la gravure RIE et le dépôt conforme, des via conducteurs avec une forme et un remplissage maitrisés débouchent sur la surface plane, destinée au dépôt du matériau thermométrique.
Cette surface plane est formée après le retrait de la couche conductrice déposée hors des ouvertures.
Pour ce faire, il est possible d’utiliser une gravure ionique réactive avec arrêt sur ladite couche diélectrique.
En variante, le retrait de la couche conductrice déposée hors des ouvertures est réalisé par polissage mécano-chimique dudit matériau conducteur. Dans ce mode de réalisation, la surface plane peut être formée par une couche d’arrêt, déposée sur la couche diélectrique, permettant de stopper le polissage mécano-chimique du matériau conducteur. Dans cette variante, ledit procédé comporte également les étapes suivantes :
– dépôt d’une couche d’arrêt sur la couche diélectrique avant l’étape de structuration de ladite couche diélectrique ;
– ladite couche diélectrique est structurée au moyen d’une première gravure ionique réactive de ladite couche d’arrêt et d’une seconde gravure ionique réactive de ladite couche diélectrique ;
– l’étape de dépôt du matériau conducteur à base de tungstène est réalisée sur lesdites ouvertures de ladite couche d’arrêt ; et
– l’étape de retrait dudit matériau conducteur hors desdites ouvertures est réalisée au moyen d’un polissage mécano-chimique dudit matériau conducteur au moins jusqu’au niveau de ladite couche d’arrêt.
– dépôt d’une couche d’arrêt sur la couche diélectrique avant l’étape de structuration de ladite couche diélectrique ;
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– l’étape de retrait dudit matériau conducteur hors desdites ouvertures est réalisée au moyen d’un polissage mécano-chimique dudit matériau conducteur au moins jusqu’au niveau de ladite couche d’arrêt.
Cette couche d’arrêt peut ensuite être conservée pour former la surface plane. Dans ce mode de réalisation, lorsque l’étape de polissage mécano-chimique du matériau conducteur est réalisée jusqu’au niveau de la couche d’arrêt, l’étape de dépôt dudit matériau thermométrique est réalisée sur ledit matériau conducteur et sur ladite couche d’arrêt. Ce mode de réalisation permet de garantir la planéité de la surface de dépôt du matériau thermométrique en utilisant une couche d’arrêt très résistante vis-à-vis du procédé de polissage mécano-chimique, par exemple un couche d’arrêt en oxyde ou nitrure silicium.
En variante, la couche d’arrêt peut être supprimée après l’étape de polissage mécano-chimique.
Dans ce mode de réalisation, lorsque l’étape de polissage mécano-chimique du matériau conducteur est réalisée jusqu’au niveau de la couche diélectrique, le procédé comporte une étape de retrait de ladite couche d’arrêt ; ladite étape de dépôt dudit matériau thermométrique est réalisée sur ledit matériau conducteur et sur ladite couche diélectrique.
Ce mode de réalisation permet de limiter l’épaisseur entre l’absorbeur et la couche thermométrique pour faciliter le transfert thermique. En effet, bien que la plus grande partie du transfert thermique soit réalisée par les vias conducteurs, une partie du transfert thermique peut également être réalisée à travers la couche diélectrique. La suppression de la couche d’arrêt permet d’améliorer ce transfert thermique à travers la couche diélectrique.
Par ailleurs, il est possible de réduire l’épaisseur des zones destinées à former les bras de soutien du micro-bolomètre pour limiter les échanges thermiques entre le substrat et le matériau thermométrique. Pour ce faire, le procédé de l’invention comporte préférentiellement une étape d’amincissement de ladite couche diélectrique dans une zone destinée à former des bras de soutien du micro-bolomètre. Pour maitriser avec précision l’épaisseur gravée lors de l’étape d’amincissement de la couche diélectrique, ledit procédé comporte une étape de dépôt d’une couche d’arrêt d’amincissement au niveau des bras de soutien du micro-bolomètre, l’étape d’amincissement étant réalisée jusqu’à ladite couche d’arrêt d’amincissement. Cette dernière peut être retirée après ladite étape d’amincissement.
En outre, une couche de protection peut également être déposée sur la couche diélectrique et le matériau thermométrique de sorte à protéger le matériau thermométrique de l’étape de suppression de la couche sacrificielle. L’étape d’amincissement peut être réalisée après l’étape de dépôt de cette couche de protection de sorte à obtenir également un retrait partiel de cette couche de protection dans les zones destinées à former les bras de soutien du micro-bolomètre.
Selon un second aspect, l’invention concerne un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge intégrant une membrane montée en suspension au-dessus d’un substrat sur des clous d’ancrage, ladite membrane comportant :
– une couche de support entourant l’extrémité supérieure des clous d’ancrage ;
– un absorbeur déposé sur ladite couche de support et lesdits clous d’ancrage avec un motif formant au moins deux électrodes ;
– une couche diélectrique déposée sur ledit absorbeur et ladite couche de support ;
– au moins deux vias conducteurs ménagés à travers ladite couche diélectrique en contact avec lesdites au moins deux électrodes ; et
– un matériau thermométrique disposé sur une surface plane formée au niveau des extrémités supérieures desdits vias conducteurs.
– une couche de support entourant l’extrémité supérieure des clous d’ancrage ;
– un absorbeur déposé sur ladite couche de support et lesdits clous d’ancrage avec un motif formant au moins deux électrodes ;
– une couche diélectrique déposée sur ledit absorbeur et ladite couche de support ;
– au moins deux vias conducteurs ménagés à travers ladite couche diélectrique en contact avec lesdites au moins deux électrodes ; et
– un matériau thermométrique disposé sur une surface plane formée au niveau des extrémités supérieures desdits vias conducteurs.
Brève description des figures
L’invention sera bien comprise à la lecture de la description qui suit, dont les détails sont donnés uniquement à titre d’exemple, et développée en relation avec les figures annexées, dans lesquelles des références identiques se rapportent à des éléments identiques :
Description détaillée de l’invention
Tel qu'illustré sur les figures 2a-2i ou 3a-3i, la réalisation d'un micro-bolomètre10a , 10bselon l'invention comporte une première étape consistant à déposer une couche sacrificielle12sur un substrat11, ce dernier intégrant préférentiellement un circuit de lecture. Des couches peuvent également être déposées sur le substrat avant le dépôt de cette couche sacrificielle12, par exemple un réflecteur ou une couche d'arrêt destinée à protéger le circuit de lecture lors de l'étape de retrait de la couche sacrificielle12, par exemple une couche en dioxyde de silicium.
Après dépôt de la couche sacrificielle12, une couche de support13est déposée sur cette couche sacrificielle12, par exemple une couche inerte vis-à-vis d’une gravure à base d’acide fluorhydrique destinée au retrait ultérieur de la couche sacrificielle12en dioxyde de silicium, c’est-à-dire une couche de support13par exemple réalisée en SiC, Al2O3, AlN…
La nature de la couche de support13et de l’éventuelle couche d’arrêt déposée sur le substrat dépend de la nature de la couche sacrificielle12utilisée.
De même l’épaisseur de la couche de support13dépend des propriétés recherchées. Par exemple la couche de support13peut présenter une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres.
Tel qu’illustré sur les figures 2a et 3a, Après avoir déposé la couche de support13, une gravure RIE est réalisée pour former des ouvertures à travers la couche de support13, la couche sacrificielle12et l’éventuelle couche d’arrêt déposée sur le substrat11. Ces ouvertures définissent les futurs emplacements des clous d'ancrage14du micro-bolomètre10a-10b. Par exemple, ces ouvertures sont cylindriques et présentent un diamètre voisin de 500 nanomètres.
Une seconde étape consiste à former les clous d’ancrage14dans les ouvertures. Ces clous d’ancrage14intègrent un matériau conducteur tel que du nitrure de titane, du cuivre ou du tungstène. Tel qu'illustré sur les figures 2b et 3b, l’extrémité supérieure des clous d’ancrage14peut s'étendre jusqu'au niveau de l’extrémité supérieure de la couche de support13. En variante, l’extrémité supérieure des clous d’ancrage14peut dépasser en hauteur de la couche de support13.
L'absorbeur16est ensuite déposé sur la couche de support13et sur l'extrémité supérieure des clous d’ancrage14de sorte à assurer un contact électrique avec ces clous d’ancrage14. Par exemple, l'absorbeur16peut être réalisé en nitrure de titane avec une épaisseur comprise entre 5 et 20 nanomètres. Pour former les électrodes à partir de cet absorbeur16, il est nécessaire de structurer ce dernier en fonction de la forme attendue du micro-bolomètre10a-10b, tel qu’illustré sur les figures 2c et 3c. Il existe deux formes majeures de micro-bolomètres : les micro-bolomètres suspendus entre deux clous d’ancrage14et les micro-bolomètres suspendus entre quatre clous d’ancrage14.
Quelle que soit la structuration réalisée de l'absorbeur16, l'invention propose de déposer une couche diélectrique15sur l'absorbeur16et sur la couche de support13, tel qu’illustré sur les figures 2d et 3d. Cette couche diélectrique15peut être réalisée en silicium amorphe avec une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres.
Dans le mode de réalisation des figures 2a à 2i, une couche d'arrêt 30 est ensuite déposée sur toute la couche diélectrique 15, tel qu’illustré sur la . Cette couche d'arrêt 30 peut être réalisée en oxyde ou en nitrure de silicium avec une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres.
Des ouvertures17sont ensuite réalisées à travers la couche d'arrêt30et à travers la couche diélectrique15pour atteindre les électrodes formées dans l'absorbeur16. Ces ouvertures17peuvent être réalisées par deux étapes de gravure successives, par exemple deux gravures RIE permettant d'arrêter la gravure sur l'absorbeur16sans le dégrader.
De préférence, la largeur des ouvertures17est comprise entre 180 et 400 nanomètres. Par exemple, les ouvertures17peuvent présenter une section carrée, dont la diagonale est inférieure à 400 nanomètres.
Tel qu’illustré sur la , un dépôt conforme en phase vapeur d’un matériau conducteur 20 est ensuite réalisé sur la couche d'arrêt 30 et dans les ouvertures 17 de sorte à remplir ces ouvertures 17, par exemple un dépôt CVD ou PVD. De préférence, le matériau conducteur 20 est constitué de tungstène ou de siliciure de tungstène et l'épaisseur de ce dépôt est comprise entre 100 et 300 nanomètres. Pour garantir le remplissage des ouvertures 17, l'épaisseur de dépôt du matériau conducteur 20 est préférentiellement supérieure à la moitié de la largeur des ouvertures 17. Le remplissage des ouvertures 17 peut également être obtenu par le dépôt d’une fine couche en nitrure de titane, déposée par un dépôt chimique en phase vapeur, suivi par le dépôt CVD ou PVD du matériau conducteur 20. Ainsi, une couche de nitrure de titane avec une épaisseur comprise entre 10 et 50 nanomètres peut être utilisée pour former les parois externes des vias conducteurs.
Lorsque les ouvertures17sont complètement remplies par le matériau conducteur20, ce dernier est retiré hors des ouvertures17pour former une surface planeSpdestinée au dépôt d’un matériau thermométrique21.
Dans le mode de réalisation des figures 2a à 2i, le retrait du matériau conducteur 20 est réalisé par polissage mécano-chimique du matériau conducteur 20 jusqu’au niveau de l’extrémité supérieure de la couche d'arrêt 30, tel qu’illustré sur la . Le matériau conducteur 20 forme, ainsi, des vias conducteurs. La surface plane Sp destinée au dépôt du matériau thermométrique 21 est alors formée par la couche d’arrêt 30 et l’extrémité supérieure des vias conducteurs. Le polissage mécano-chimique de tungstène peut être réalisé par une solution aqueuse composée d’éléments abrasifs à base de particules de silice ou d’alumine, d’un élément oxydant, tel que le peroxyde d’hydrogène, et d’un catalyseur tel que le nitrate de fer.
En variante, il est possible de modifier le procédé de polissage mécano-chimique pour continuer la gravure du matériau conducteur20après avoir atteint l’extrémité supérieure de la couche d'arrêt30. Par exemple, il est possible de mettre en œuvre ledit polissage mécano-chimique de telle sorte que la gravure dudit matériau conducteur20au niveau des ouvertures17s'arrête sensiblement au niveau de l'extrémité supérieure de la couche diélectrique15. Ainsi, la couche d'arrêt30peut être retirée pour obtenir une surface plane formée par la couche diélectrique15et l’extrémité supérieure des via conductrices.
Dans une autre variante, illustrée sur les figures 3a à 3i, il est possible de former les ouvertures17directement dans la couche diélectrique15sans utiliser de couche d'arrêt30. Ainsi, le matériau conducteur20est directement déposé sur la couche diélectrique15et à l’intérieur des ouvertures17, tel qu’illustré sur la .
Tel qu’illustré sur la , le retrait du matériau conducteur 20 hors des ouvertures 17 de sorte à former une surface plane Sp peut être réalisé au moyen d’une gravure RIE du matériau conducteur 20 s’arrêtant sur la couche diélectrique 15, au moyen d’un polissage mécano-chimique s’arrêtant sur la couche diélectrique 15, ou au moyen d’une association d’un polissage mécano-chimique s’arrêtant très proche de la couche diélectrique 15 suivi d’une gravure RIE s’arrêtant sur la couche diélectrique 15.
Quel que soit le mode de réalisation utilisé pour former la surface planeSpsuite au dépôt et au retrait du matériau conducteur20hors des ouvertures17, l’invention permet d'obtenir une surface planeS psur laquelle débouche les vias conducteurs. Le matériau thermométrique21peut donc être déposé sur cette surface planeSp. Préférentiellement, le matériau thermométrique21correspond à de l'oxyde de vanadium déposé par faisceau ionique avec une épaisseur comprise entre 10 et 200 nanomètres, tel qu’illustré sur les figures 2g et 3g. En variante, le matériau thermométrique21correspond à de l’oxynitrure de silicium. Tel qu’illustré sur les figures 2h et 3h, une couche de protection22est préférentiellement déposée sur le matériau thermométrique et sur la couche d'arrêt30pour protéger le matériau thermométrique21lors de l'étape de suppression de la couche sacrificielle12. Cette couche de protection22peut être constituée de silicium amorphe présentant une épaisseur comprise entre 3 et 30 nanomètres.
Avant de retirer la couche sacrificielle12, il est possible de limiter l'épaisseur des zones destinées à former les bras de soutien de la membrane du microbolomètre10a-10bafin de limiter la conduction thermique entre le substrat11et le matériau thermométrique21.
Pour ce faire, la couche de protection22peut être gravée dans les zones destinées à former les bras de soutien. De plus, la couche d'arrêt30et une partie de la couche diélectrique15peuvent également être gravées dans ces zones pour limiter encore l'épaisseur de ces bras de soutien.
La réduction de l'épaisseur peut également être obtenue avant le dépôt du matériau thermométrique21. Par exemple, une couche d'arrêt d'amincissement peut être déposée entre deux couches formant la couche diélectrique15. Après avoir déposé la couche d'arrêt30sur cet ensemble comportant les deux couches formant la couche électrique15et la couche d'arrêt d'amincissement, les ouvertures17peuvent être formées à travers toutes ces couches avant de réaliser le dépôt et le retrait du matériau conducteur20hors des ouvertures17.
À l'issue de cette étape de formation des vias conducteurs et avant de déposer le matériau thermométrique21, il est alors possible de procéder à l'amincissement des bras de soutien jusqu'à la couche d'arrêt d'amincissement en supprimant la couche d'arrêt30et la couche supérieure formant la couche diélectrique15. La couche d'arrêt d'amincissement peut ensuite être retirée de sorte à obtenir des bras de soutien présentant uniquement la partie inférieure de la couche électrique15.
Quelle que soit la méthode de structuration des bras de soutien ou même des clous d’ancrage14, l’invention permet d'obtenir un micro-bolomètre10a-10bcomportant un matériau thermométrique21relié thermiquement et électriquement aux électrodes de l'absorbeur16par des vias conducteurs.
L’absorbeur16et le matériau thermométrique21étant déposés sur des surfaces planes, il est possible d’obtenir un micro-bolomètre10a-10bavec des performances améliorées par rapport aux micro-bolomètres de l’état de la technique.
Claims (14)
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10b) comportant les étapes suivantes :
– dépôt d’une couche sacrificielle (12) et d’une couche de support (13) sur un substrat (11) ;
– formation de clous d’ancrage (14) à travers la couche sacrificielle (12) et la couche de support (13) ;
– dépôt d’un absorbeur (16) sur la couche de support (13) et sur lesdits clous d’ancrage (14) et structuration de l’absorbeur ;
– dépôt d’une couche diélectrique (15) sur ledit absorbeur (16) et ladite couche de support (13) ;
– structuration de ladite couche diélectrique (15) pour former des ouvertures (17) s’étendant jusqu’audit absorbeur (16) ;
– dépôt d’un matériau conducteur (20) à base de tungstène pour remplir lesdites ouvertures (17) de ladite couche diélectrique (15) et assurer un contact électrique entre ledit matériau conducteur (20) et ledit absorbeur (16) ;
– retrait dudit matériau conducteur (20) hors desdits ouvertures (17) de sorte à former une surface plane (Sp) ;
– dépôt d’un matériau thermométrique (21) sur ladite surface plane (Sp) de sorte que ledit matériau thermométrique (21) soit connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur (16) par l’intermédiaire dudit matériau conducteur (20) déposé dans les ouvertures (17) de ladite couche diélectrique (15) ; et
– suppression de ladite couche sacrificielle (12). - Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 1, dans lequel l’étape de retrait du matériau conducteur (20) est réalisée au moyen d’un polissage mécano-chimique.
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 1, dans lequel l’étape de retrait du matériau conducteur (20) est réalisée au moyen d’une gravure ionique réactive avec arrêt sur la couche diélectrique (15).
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le dépôt du matériau conducteur (20) est réalisé par un dépôt conforme en phase vapeur.
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la couche diélectrique (15) est structurée au moyen d’une gravure ionique réactive avec arrêt sur ledit absorbeur (16).
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la couche diélectrique (15) est structurée de sorte à obtenir des ouvertures (17) dont la largeur est comprise entre 180 à 400 nanomètres.
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel ledit procédé comporte également les étapes suivantes :
– dépôt d’une couche d’arrêt (30) sur la couche diélectrique (15) avant l’étape de structuration de ladite couche diélectrique (15) de sorte que les ouvertures (17) s’étendent à travers ladite couche diélectrique (15) et ladite couche d’arrêt (30) ;
– la couche diélectrique (15) est structurée au moyen d’une première gravure ionique réactive de ladite couche d’arrêt (30) et d’une seconde gravure ionique réactive de ladite couche diélectrique (15) ;
– l’étape de dépôt du matériau conducteur (20) à base de tungstène est réalisée sur les ouvertures (17) de ladite couche d’arrêt (30) et de ladite couche diélectrique (15) ; et
– l’étape de retrait dudit matériau conducteur (20) hors desdites ouvertures (17) est réalisée au moyen d’un polissage mécano-chimique dudit matériau conducteur (20) au moins jusqu’au niveau de ladite couche d’arrêt (30). - Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 7, dans lequel , lorsque l’étape de polissage mécano-chimique du matériau conducteur (20) est réalisée jusqu’au niveau de la couche d’arrêt (30), l’étape de dépôt du matériau thermométrique (21) est réalisée sur ledit matériau conducteur (20) et sur ladite couche d’arrêt (30).
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 7, dans lequel , lorsque l’étape de polissage mécano-chimique du matériau conducteur (20) est réalisée jusqu’au niveau de la couche diélectrique (15), le procédé comporte une étape de retrait de la couche d’arrêt (30) ; ladite étape de dépôt du matériau thermométrique (21) est réalisée sur ledit matériau conducteur (20) et sur ladite couche diélectrique (15).
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 1 à 9, comportant une étape d’amincissement de la couche diélectrique (15) dans une zone destinée à former des bras de soutien du micro-bolomètre (10a-10b).
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 10, dans lequel comportant une étape de dépôt d’une couche d’arrêt d’amincissement au niveau des bras de soutien du micro-bolomètre (10a-10b), ladite étape d’amincissement étant réalisée jusqu’à ladite couche d’arrêt d’amincissement.
- Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10b), réalisé selon le procédé objet de l’une quelconque des revendications 1 à 11, intégrant une membrane montée en suspension au-dessus d’un substrat (11) au moyen de clous d’ancrage (14), ladite membrane comportant :
– une couche de support (13) entourant l’extrémité supérieure des clous d’ancrage (14) ;
– un absorbeur (16) déposé sur ladite couche de support (13) et sur lesdits clous d’ancrage (14) avec un motif formant au moins deux électrodes ;
– une couche diélectrique (15) déposée sur ledit absorbeur (16) et sur ladite couche de support (13) ;
– au moins deux vias conducteurs (20) ménagés à travers la couche diélectrique (15) en contact avec lesdites au moins deux électrodes ; et
– un matériau thermométrique (21) disposé sur une surface plane (Sp) formée au niveau des extrémités supérieures desdites via conductrices (20). - Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10b) selon la revendication 12, dans lequel le matériau thermométrique (21) est réalisé en oxyde de vanadium.
- Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10b) selon la revendication 12 ou 13, dans lequel le matériau thermométrique (21) est recouvert d’une couche de protection (22).
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