FR3113126A1 - Micro-bolometre d’imagerie infrarouge et procedes de realisation associes - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a) intégrant une membrane montée en suspension au-dessus d’un substrat (11) au moyen de bras de soutien fixés sur des clous d’ancrage (14), ladite membrane comprenant :– une couche de support (13) traversant l’extrémité supérieure des clous d’ancrage (14) ;– un absorbeur ou électrode (16) déposé sur la couche de support (13) et sur les clous d’ancrage (14) avec un motif formant au moins deux électrodes ;– une couche diélectrique (15) déposée sur l’absorbeur ou électrode (16) et sur la 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 ou thermorésistif (21) disposé sur une surface plane formée au niveau des extrémités supérieures desdits vias conducteurs (20). 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 micro-bolomètre d’imagerie infrarouge présentant des performances améliorées et, d’autre part, plusieurs procédés de réalisation associés.
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 ;
– 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.
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 par des clous d’ancrage. La membrane intègre un matériau thermométrique ou thermorésistif, qui réalise une transduction des rayonnements infrarouges, formant les moyens de thermométrie.
La mesure de la résistance électrique du matériau thermométrique ou thermorésistif est réalisée par le circuit de lecture. Pour ce faire, le matériau thermométrique ou thermorésistif est connecté électriquement au circuit de lecture à travers les clous d’ancrage et par des électrodes s’étendant dans les bras de soutien. Dans certains cas, les électrodes réalisent également une fonction d’absorbeur des rayonnements infrarouges au moyen d’un matériau, par exemple métallique, s’étendant sous le matériau thermométrique ou thermorésistif et dans les bras de soutien. Outre la lecture du signal aux bornes du matériau thermomètre, le matériau absorbeur ou électrode a également pour fonction d’absorber le flux infrarouge pour le transmettre au matériau thermométrique ou thermorésistif. La quantité de rayonnement infrarouge absorbée est dépendante de la surface de cet absorbeur ou électrode.
Pour optimiser l’absorption du rayonnement infrarouge, le matériau absorbeur ou électrode 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 ou électrode 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 ou électrode 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 ou électrode 16 pour former les électrodes et les portions d’absorption du micro-bolomètre 100. Un matériau thermométrique ou thermorésistif 18 est ensuite déposé sur la couche de support 13 et sur l’absorbeur ou électrode 16. Tel qu’illustré sur la , les parties latérales de ce matériau thermométrique ou thermorésistif 18 sont gravées jusqu’à l’absorbeur ou électrode 16 de sorte que le matériau thermométrique ou thermorésistif 18 s’étende sur la partie centrale du micro-bolomètre 100 et assure un contact électrique entre les différentes parties de l’absorbeur ou électrode 16.
Tel qu’illustré sur la , une couche de protection 19 est ensuite déposée sur l’absorbeur ou électrode 16 et sur le matériau thermométrique ou thermorésistif 18. Les couches 13, 16 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 ou thermorésistif18.
Pour obtenir un faible coefficient de bruit basse fréquence, il est connu d’utiliser un matériau thermométrique ou thermorésistif18en oxyde de vanadium.
Cependant, un tel matériau thermométrique ou thermorésistif18en oxyde de vanadium génère du bruit basse-fréquence sur le courant mesuré aux bornes du micro-bolomètre100lorsque le substrat qui reçoit le dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif18présente des ruptures de planéitéRp.
Dans l’état de la technique décrit en référence aux figures 1a à 1f, ces ruptures de planéitéRpapparaissent nécessairement sur le substrat qui accueille le dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif18et sur l’absorbeur ou électrode16, ce dépôt permettant d’assurer le contact électrique entre ces deux éléments.
Il est donc recherché de pouvoir déposer le matériau thermométrique ou thermorésistif18sur une surface plane tout en assurant la continuité électrique avec l’absorbeur ou électrode16.
Pour ce faire, une solution décrite dans le document CN 108298495 consiste à déposer le matériau thermométrique ou thermorésistif sur la couche de support et à former l’absorbeur ou électrode au-dessus du matériau thermométrique ou thermorésistif.
Cependant, l’absorbeur ou électrode 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 ou thermorésistif. Il s’ensuit que l’accord de l’absorbeur ou électrode 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 d’obtenir un micro-bolomètre avec un absorbeur ou électrode et un matériau thermométrique ou thermorésistif déposés sur des surfaces planes tout en assurant un contact électrique fiable entre l’absorbeur ou électrode et le matériau thermométrique ou thermorésistif.
L’invention est issue d’une observation selon laquelle il n’est pas nécessaire de déposer le matériau thermométrique ou thermorésistif directement au contact du matériau absorbeur ou électrode pour obtenir une transduction thermique-électrique efficace. En effet, le matériau thermométrique ou thermorésistif a pour fonction de transformer les variations de température de la scène captées par l’absorbeur ou électrode en variations de résistance électrique aux bornes des électrodes formées par ce même absorbeur ou électrode.
L’invention a montré qu’en connectant le matériau thermométrique ou thermorésistif avec l’absorbeur ou électrode au moyen de vias conducteurs, 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 ou électrode et en réalisant des vias conducteurs à travers cette couche diélectrique jusqu’à l’absorbeur ou électrode de sorte à former une surface plane avec des contacts débouchants permettant de déposer le matériau thermométrique ou thermorésistif sans création de défauts localisés. Typiquement, la couche diélectrique est choisie en silicium avec une conductivité électrique bien moins élevée que celle du matériau absorbeur ou électrode. Par exemple, il peut être considéré un facteur d’au moins 1000 entre la conductivité électrique de la couche diélectrique et la conductivité électrique de l’absorbeur ou électrode. Ainsi, la couche diélectrique peut présenter une conductivité électrique supérieure à 1 Ω.cm
A cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge intégrant une membrane montée en suspension au-dessus d’un substrat au moyen de bras de soutien fixés sur des clous d’ancrage, ladite membrane comprenant :
– une couche de support traversée par les clous d’ancrage ;
– un absorbeur ou une électrode, déposé sur ladite couche de support et sur les clous d’ancrage avec un motif formant au moins deux électrodes ;
– une couche diélectrique déposée sur ledit absorbeur ou électrode et sur ladite couche de support ;
– au moins deux vias conducteurs ménagés à travers la couche diélectrique en contact avec lesdites au moins deux électrodes ; et
– un matériau thermométrique ou thermorésistif disposé sur une surface plane formée au niveau des extrémités supérieures desdits vias conducteurs.
– une couche de support traversée par les clous d’ancrage ;
– un absorbeur ou une électrode, déposé sur ladite couche de support et sur les clous d’ancrage avec un motif formant au moins deux électrodes ;
– une couche diélectrique déposée sur ledit absorbeur ou électrode et sur ladite couche de support ;
– au moins deux vias conducteurs ménagés à travers la couche diélectrique en contact avec lesdites au moins deux électrodes ; et
– un matériau thermométrique ou thermorésistif disposé sur une surface plane formée au niveau des extrémités supérieures desdits vias conducteurs.
L’invention permet d’obtenir un micro-bolomètre avec un matériau thermométrique ou thermorésistif et un absorbeur ou électrode déposés sur des surfaces planes, tout en assurant une continuité thermique et électrique entre les électrodes du matériau absorbeur ou électrode et le matériau thermométrique ou thermorésistif au moyen de vias conducteurs.
Le micro-bolomètre ainsi obtenu peut donc intégrer un matériau thermométrique ou thermorésistif en oxyde de vanadium, qui conserve un faible coefficient de bruit basse fréquence car le matériau thermométrique ou thermorésistif est déposé sur une surface plane.
En variante, le matériau thermométrique ou thermorésistif peut être constitué d’un oxyde métallique semi-conducteur, tel que l’oxyde de vanadium, l’oxyde de titane ou l’oxyde de nickel, associé ou non à un élément stabilisateur ou métallique tel que décrit dans les documents FR3077878 et FR3077879. En outre, le dépôt de l’absorbeur ou électrode sur une surface plane permet d’accorder la distance de l’absorbeur ou électrode avec un réflecteur déposé sur le substrat de sorte à augmenter la quantité de rayonnements infrarouges détectés.
L’invention permet ainsi d’obtenir un micro-bolomètre présentant de hautes performances, et pour lequel le bruit est globalement limité sur le courant mesuré aux bornes du micro-bolomètre.
Avec l’observation selon laquelle il est possible de réaliser les échanges thermiques et électriques d’un micro-bolomètre sans dégrader ses performances en connectant le matériau thermométrique ou thermorésistif avec l’absorbeur ou électrode au moyen de vias conducteurs, plusieurs modes de réalisation distincts peuvent être mis en œuvre, notamment pour réaliser ces vias conducteurs.
Selon un premier mode de réalisation, les vias conducteurs sont réalisés par dépôt d’un matériau à base de tungstène dans des ouvertures de la couche diélectrique déposée sur l’absorbeur ou électrode.
Selon ce premier mode de réalisation, le procédé de réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge comprend les étapes suivantes :
– dépôt d’une couche sacrificielle et d’une couche de support sur un substrat ;
– formation de clous d’ancrage à travers la couche sacrificielle et de la couche de support ;
– dépôt et structuration d’un absorbeur ou électrode sur la couche de support et sur les clous d’ancrage ;
– dépôt d’une couche diélectrique sur l’absorbeur ou électrode et sur la couche de support ;
– structuration de la couche diélectrique pour former des ouvertures s’étendant jusqu’à l’absorbeur ou électrode ;
– dépôt d’un matériau conducteur à base de tungstène pour remplir les ouvertures ainsi réalisées au sein de la couche diélectrique et pour assurer un contact électrique entre le matériau conducteur et l’absorbeur ou électrode ;
– retrait du matériau conducteur hors desdites ouvertures de sorte à former une surface plane ;
– dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif sur la surface plane ainsi réalisée de sorte que le matériau thermométrique ou thermorésistif est connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur ou électrode par l’intermédiaire du matériau conducteur déposé dans les ouvertures de ladite couche diélectrique ;
– structuration des bras de soutien ; et
– suppression de la couche sacrificielle.
– dépôt d’une couche sacrificielle et d’une couche de support sur un substrat ;
– formation de clous d’ancrage à travers la couche sacrificielle et de la couche de support ;
– dépôt et structuration d’un absorbeur ou électrode sur la couche de support et sur les clous d’ancrage ;
– dépôt d’une couche diélectrique sur l’absorbeur ou électrode et sur la couche de support ;
– structuration de la couche diélectrique pour former des ouvertures s’étendant jusqu’à l’absorbeur ou électrode ;
– dépôt d’un matériau conducteur à base de tungstène pour remplir les ouvertures ainsi réalisées au sein de la couche diélectrique et pour assurer un contact électrique entre le matériau conducteur et l’absorbeur ou électrode ;
– retrait du matériau conducteur hors desdites ouvertures de sorte à former une surface plane ;
– dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif sur la surface plane ainsi réalisée de sorte que le matériau thermométrique ou thermorésistif est connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur ou électrode par l’intermédiaire du matériau conducteur déposé dans les ouvertures de ladite couche diélectrique ;
– structuration des bras de soutien ; et
– suppression de la couche sacrificielle.
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 CVD (selon l’acronyme anglo-saxon «Chemical Vapor Deposition» - dépôt chimique en phase vapeur) ou PVD (selon l’acronyme anglo-saxon «Physical Vapor Deposition» - dépôt physique en phase vapeur).
Au sens de l’invention, un dépôt « conforme » correspond à un dépôt dans lequel les particules de matières déposées recouvrent uniformément la surface du support sur lequel le dépôt est réalisé quelle que soit l’orientation verticale ou horizontale de cette surface.
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 ou électrode et le matériau thermométrique ou thermorésistif.
De préférence, ladite couche diélectrique est structurée au moyen d’une gravure ionique réactive avec arrêt sur ledit absorbeur ou électrode. 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 ou électrode. Cette technologie 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 ou électrode et le matériau thermométrique ou thermorésistif. Par exemple, les ouvertures peuvent présenter une largeur inférieure à 1 micromètre, typiquement 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 à recevoir le dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif.
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 qu’elle ne soit structurée ;
– structuration de ladite couche diélectrique au moyen d’une première gravure ionique réactive de ladite couche d’arrêt et d’une seconde gravure ionique réactive de ladite couche diélectrique ;
– dépôt du matériau conducteur à base de tungstène dans lesdites ouvertures de ladite couche d’arrêt ; et
– retrait dudit matériau conducteur hors desdites ouvertures 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 qu’elle ne soit structurée ;
– structuration de ladite couche diélectrique au moyen d’une première gravure ionique réactive de ladite couche d’arrêt et d’une seconde gravure ionique réactive de ladite couche diélectrique ;
– dépôt du matériau conducteur à base de tungstène dans lesdites ouvertures de ladite couche d’arrêt ; et
– retrait dudit matériau conducteur hors desdites ouvertures 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, le dépôt dudit matériau thermométrique ou thermorésistif 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 ou thermorésistif 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 de silicium.
En variante, la couche d’arrêt peut être supprimée après l’étape de polissage mécano-chimique.
Dans ce mode de réalisation, lorsque le polissage mécano-chimique du matériau conducteur est réalisé jusqu’au niveau de la couche diélectrique, le procédé comporte une étape de retrait de ladite couche d’arrêt ; le dépôt dudit matériau thermométrique ou thermorésistif est réalisé sur ledit matériau conducteur et sur ladite couche diélectrique.
Ce mode de réalisation permet de limiter l’épaisseur entre l’absorbeur ou électrode et la couche thermométrique ou thermorésistif 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 ou thermorésistif. Pour ce faire, le procédé de l’invention comporte préférentiellement une étape d’amincissement de ladite couche diélectrique dans une zone destinée à former les bras de soutien du micro-bolomètre.
Pour maitriser avec précision l’épaisseur gravée lors de l’étape d’amincissement de la couche diélectrique, le procédé peut comporter une étape de dépôt d’une couche d’arrêt d’amincissement au niveau des bras de soutien du micro-bolomètre, l’amincissement étant réalisé 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 ou thermorésistif de sorte à protéger le matériau thermométrique ou thermorésistif lors de l’étape de suppression de la couche sacrificielle.
L’amincissement peut être réalisé après le 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 mode de réalisation, le procédé de réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge comprend les étapes suivantes :
– dépôt d’une couche sacrificielle et d’une couche de support sur un substrat ;
– formation de clous d’ancrage à travers la couche sacrificielle et la couche de support ;
– dépôt d’un absorbeur ou électrode sur la couche de support et sur les clous d’ancrage et structuration de l’absorbeur ou électrode;
– dépôt d’une couche diélectrique à base de silicium ;
– dépôt localisé d’un matériau métallique de siliciuration sur ladite couche diélectrique ;
– traitement thermique du matériau métallique de siliciuration de sorte à former un intermétallique entre le matériau métallique et la couche diélectrique et former des vias conducteurs dans ladite couche diélectrique ; cette étape de recuit permet de former une phase cristalline spécifique dans le but de baisser la résistivité électrique du via ;
– dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif sur la couche diélectrique de sorte que ledit matériau thermométrique ou thermorésistif soit connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur ou électrode par l’intermédiaire des vias conducteurs formés dans ladite couche diélectrique ;
– structuration des bras de soutien ; et
– suppression de la couche sacrificielle.
– dépôt d’une couche sacrificielle et d’une couche de support sur un substrat ;
– formation de clous d’ancrage à travers la couche sacrificielle et la couche de support ;
– dépôt d’un absorbeur ou électrode sur la couche de support et sur les clous d’ancrage et structuration de l’absorbeur ou électrode;
– dépôt d’une couche diélectrique à base de silicium ;
– dépôt localisé d’un matériau métallique de siliciuration sur ladite couche diélectrique ;
– traitement thermique du matériau métallique de siliciuration de sorte à former un intermétallique entre le matériau métallique et la couche diélectrique et former des vias conducteurs dans ladite couche diélectrique ; cette étape de recuit permet de former une phase cristalline spécifique dans le but de baisser la résistivité électrique du via ;
– dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif sur la couche diélectrique de sorte que ledit matériau thermométrique ou thermorésistif soit connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur ou électrode par l’intermédiaire des vias conducteurs formés dans ladite couche diélectrique ;
– structuration des bras de soutien ; et
– suppression de la couche sacrificielle.
Contrairement au premier mode de réalisation, dans ce deuxième mode de réalisation, les vias conducteurs sont obtenus par transformation localisée de la couche diélectrique au moyen d’un processus de siliciuration.
Pour ce faire, la couche diélectrique est réalisée à base de silicium et le matériau métallique de siliciuration est susceptible de former une phase cristalline stable, le métal étant choisi par exemple en nickel ou en cobalt. En outre, le matériau métallique de siliciuration peut être associé à d’autres composés, tels que le platine.
Au sens de l’invention, la siliciuration correspond à un procédé d’incorporation permettant de former un siliciure et de former un alliage à faible résistivité constitué de métal et de silicium. En incorporant un matériau métallique, tel que le nickel, avec le silicium, il est ainsi possible d’obtenir un intermétallique en siliciure de nickel.
Le siliciure obtenu par incorporation d’un matériau métallique permet de former des vias conducteurs à l’intérieur de la couche diélectrique, cette dernière étant nativement non ou peu conductrice.
Pour obtenir le dépôt localisé du matériau métallique - précurseur de la siliciuration, il est possible d’utiliser une étape de photolithographie, une étape de dépôt du matériau métallique de siliciuration, suivie d’une étape d’élimination de résine. Ce procédé sans gravure est appelé «lift off» dans la littérature anglo-saxonne.
Cependant, ce procédé de dépôt localisé peut aboutir à une localisation peu précise du matériau métallique. Afin de remédier à cette difficulté, une couche sacrificielle peut être utilisée pour délimiter des ouvertures au sein desquelles le matériau métallique de siliciuration est déposé.
Selon cette variante, l’étape de dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration sur la couche diélectrique comprend les sous-étapes suivantes :
– dépôt d’une couche sacrificielle sur la couche diélectrique ;
– structuration de la couche sacrificielle pour former des ouvertures s’étendant jusqu’à la couche diélectrique ;
– dépôt du matériau métallique de siliciuration pour remplir les ouvertures ainsi réalisées au sein de la couche diélectrique ; et
– retrait de la couche sacrificielle.
– dépôt d’une couche sacrificielle sur la couche diélectrique ;
– structuration de la couche sacrificielle pour former des ouvertures s’étendant jusqu’à la couche diélectrique ;
– dépôt du matériau métallique de siliciuration pour remplir les ouvertures ainsi réalisées au sein de la couche diélectrique ; et
– retrait de la couche sacrificielle.
En outre, lors du recuit thermique mis en œuvre pour obtenir l’incorporation du matériau métallique de siliciuration dans la couche diélectrique, une augmentation du volume de cette dernière peut survenir. Pour remédier à cette difficulté, il est possible de graver partiellement cette couche diélectrique avant l’incorporation.
Selon cette variante, l’étape de dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration sur la couche diélectrique comprend également une sous-étape de gravure partielle de ladite couche diélectrique au niveau des ouvertures avant l’étape de dépôt du matériau métallique de siliciuration.
S’agissant du recuit thermique mis en œuvre pour obtenir l’incorporation, une seule étape de recuit thermique peut être envisagée. Par exemple, l’étape de recuit thermique du matériau métallique de siliciuration peut être réalisée avec une température comprise entre 350°C et 450°C pendant une durée minimum de 30s.
Selon un troisième mode de réalisation, les vias conducteurs sont obtenus par implantation ionique locale dans la couche diélectrique.
Selon ce mode de réalisation, le procédé de réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge comprend les étapes suivantes :
– dépôt d’une couche sacrificielle et d’une couche de support sur un substrat ;
– formation de clous d’ancrage à travers la couche sacrificielle et de la couche de support ;
– dépôt d’un absorbeur ou électrode sur la couche de support et sur les clous d’ancrage et structuration de l’absorbeur ou électrode;
– dépôt d’une couche diélectrique sur l’absorbeur ou électrode et sur la couche de support ;
– dépôt d’une couche de masquage sur ladite couche diélectrique ;
– structuration de ladite couche de masquage pour former des ouvertures s’étendant jusqu’à la couche diélectrique ;
– implantation ionique d’un élément métallique à travers les ouvertures ainsi réalisées de sorte à incorporer l’élément métallique dans ladite couche diélectrique et former des vias conducteurs dans ladite couche diélectrique ;
– retrait de la couche de masquage ;
– dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif sur la couche diélectrique de sorte que ledit matériau thermométrique ou thermorésistif soit connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur ou électrode par l’intermédiaire des vias conducteurs formés dans ladite couche diélectrique ;
– structuration des bras de soutien ; et
– suppression de la couche sacrificielle.
– dépôt d’une couche sacrificielle et d’une couche de support sur un substrat ;
– formation de clous d’ancrage à travers la couche sacrificielle et de la couche de support ;
– dépôt d’un absorbeur ou électrode sur la couche de support et sur les clous d’ancrage et structuration de l’absorbeur ou électrode;
– dépôt d’une couche diélectrique sur l’absorbeur ou électrode et sur la couche de support ;
– dépôt d’une couche de masquage sur ladite couche diélectrique ;
– structuration de ladite couche de masquage pour former des ouvertures s’étendant jusqu’à la couche diélectrique ;
– implantation ionique d’un élément métallique à travers les ouvertures ainsi réalisées de sorte à incorporer l’élément métallique dans ladite couche diélectrique et former des vias conducteurs dans ladite couche diélectrique ;
– retrait de la couche de masquage ;
– dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif sur la couche diélectrique de sorte que ledit matériau thermométrique ou thermorésistif soit connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur ou électrode par l’intermédiaire des vias conducteurs formés dans ladite couche diélectrique ;
– structuration des bras de soutien ; et
– suppression de la couche sacrificielle.
Comme pour le second mode de réalisation, dans le troisième mode de réalisation, les vias conducteurs sont obtenus par transformation localisée de la couche diélectrique. Cependant, dans le troisième mode de réalisation, la transformation est réalisée au moyen d’une implantation ionique d’un élément métallique.
Au sens de l’invention, une implantation ionique correspond à une modification des propriétés physiques d’un matériau par implantation d’ions. En utilisant les ions d’un élément métallique, l’implantation ionique permet d’implanter des ions conducteurs à l’intérieur de la couche diélectrique de sorte à former des vias conducteurs à l’intérieur de la couche diélectrique, nativement non ou peu conductrice.
En outre, le procédé peut également comporter une étape de recuit thermique de l’élément métallique. Ce recuit thermique peut être utilisé pour homogénéiser le profil d’implantation des ions à l’intérieur de la couche diélectrique, afin de former des chemins de conduction métalliques ou pour obtenir une phase cristalline spécifique d’un intermétallique stable entre le silicium et l’élément métallique.
Alternativement, il est également possible de procéder à plusieurs implantations successives présentant différentes tensions d’accélération des ions. De préférence, ces implantations successives sont réalisées avec un courant de faisceau d’ions fixe ou très légèrement variable. La variation des tensions d’accélération des ions peut être obtenue, par exemple, par variation d’une tension de polarisation. Ces implantations successives permettent de s’affranchir de l’étape de recuit thermique et d’obtenir une homogénéisation de la concentration en élément métallique.
Comme pour le second mode de réalisation, la transformation localisée de la couche diélectrique réalisée selon le troisième mode de réalisation permet de garantir une surface plane pour déposer le matériau thermométrique ou thermorésistif sans formation de défauts susceptibles de générer du bruit basse fréquence.
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 2 à 7, la réalisation d’un micro-bolomètre10a - 10 fselon 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, en polyimide ou en carbone amorphe.
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-7a, 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-7b, 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 la couche de support13.
L’absorbeur ou électrode16est 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’absorbeur ou électrode16peut être réalisé en nitrure de titane avec une épaisseur comprise entre 5 et 20 nanomètres. Pour former les électrodes à partir de cet absorbeur ou électrode16, il est nécessaire de structurer ce dernier en fonction de la forme attendue du micro-bolomètre10a-10b, tel qu’illustré sur les figures 2c-7c. 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’absorbeur ou électrode16, l’invention propose de déposer une couche diélectrique15sur l’absorbeur ou électrode16et sur la couche de support13, tel qu’illustré sur les figures 2d-7d. Cette couche diélectrique15peut être réalisée par exemple en silicium amorphe avec une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres. En variante, cette couche diélectrique15peut être réalisée en nitrure de silicium ou en alliage de silicium avec du germanium, du bore, de l’azote ou du carbone.
De préférence, la couche diélectrique15est choisie en silicium avec une conductivité électrique bien moins élevée que celle du matériau absorbeur ou électrode16. Par exemple, il peut être considéré un facteur d’au moins 1000 entre la conductivité électrique de la couche diélectrique15et la conductivité électrique de l’absorbeur ou électrode16. Ainsi, la couche diélectrique peut présenter une conductivité électrique supérieure à 1 Ω.cm
Dans le premier 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’absorbeur ou électrode16. Ces ouvertures17peuvent être réalisées par deux étapes de gravure successives, par exemple deux gravures RIE permettant d’arrêter la gravure sur l’absorbeur ou électrode16sans le dégrader.
De préférence, la largeur des ouvertures17est inférieure à 1 micromètre, typiquement comprise entre 180 et 400 nanomètres. Par exemple, les ouvertures17peuvent présenter une section carrée, dont le côté est inférieur 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 thermométrique ou thermorésistif21.
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 ou thermorésistif 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 vias conducteurs.
Selon une variante de ce mode de réalisation, 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 à proximité immédiate de la couche diélectrique 15 suivi d’une gravure RIE s’arrêtant sur la couche diélectrique 15.
Dans les deux modes de réalisation des figures 2a-2i et 3a-3i, des vias conducteurs20sont ainsi obtenus par dépôt d’un matériau conducteur. En variante, tel que décrit sur les modes de réalisation des figures 4 à 7, des vias conducteurs20peuvent être réalisés en transformant une partie localisée de la couche diélectrique15.
Ainsi, dans un troisième mode de réalisation illustré sur les figures 4a-4k, une siliciuration de la couche diélectrique15est obtenue par incorporation d’un matériau métallique de siliciuration50avec une couche diélectrique15réalisée à base de silicium. Par exemple, la couche diélectrique15peut être réalisée en silicium amorphe et le matériau métallique de siliciuration50peut être réalisé en nickel ou cobalt et possiblement additionné de platine, de sorte à former du siliciure de nickel.
Afin d’obtenir un dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration 50, une couche sacrificielle 51 peut être déposée sur la couche diélectrique 15, et des ouvertures 52 peuvent être structurées dans cette couche sacrificielle 51 jusqu’à atteindre la couche diélectrique 15, tel qu’illustré sur la . La couche sacrificielle 51 peut être réalisée en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium avec une épaisseur comprise entre 5 et 50 nanomètres. Les ouvertures 52 peuvent être structurées par photolithographie et gravure ionique réactive.
Tel qu’illustré sur la , le matériau métallique de siliciuration 50 peut ensuite être déposé sur la couche sacrificielle 51 et dans les ouvertures 52. Par exemple, le matériau métallique de siliciuration 50 peut être déposé avec une épaisseur comprise entre 5 et 50 nanomètres.
L’incorporation du matériau métallique de siliciuration 50 avec la couche diélectrique 15 peut alors être réalisée par une étape de diffusion obtenue par recuit thermique, avec une température comprise entre 100°C et 200°C pendant une durée d’au moins 30 secondes. Tel qu’illustré sur la , ce recuit thermique permet d’obtenir une zone 55 de la couche diélectrique 15 dans laquelle au moins une partie des atomes du matériau métallique de siliciuration 50 sont présents.
Tel qu’illustré sur la , lorsque la diffusion du matériau métallique de siliciuration 50 est réalisée, il est possible de retirer le matériau métallique de siliciuration 50 non diffusé dans la couche diélectrique 15, c’est-à-dire en dehors des zones utiles de siliciuration. Pour ce faire, une gravure humide à base d’acide chlorhydrique, de peroxyde d’hydrogène, d’acide fluorhydrique, d’acide bromhydrique, d’acide sulfurique ou d’acide phosphorique peut être mise en œuvre.
La couche sacrificielle 51 peut ensuite être retirée, tel qu’illustré sur la . Pour ce faire, une gravure à base d’acide fluorhydrique peut être mise en œuvre car cette gravure est très sélective par rapport à une couche diélectrique réalisée en silicium amorphe. En variante, il est possible de retirer directement le matériau métallique de siliciuration 50 non diffusé en même temps que la couche sacrificielle 51.
Les vias conducteurs20étant formés à l’intérieur de la couche diélectrique15, la planéité de cette couche diélectrique15est conservée et le matériau thermométrique ou thermorésistif21peut être déposé sur une surface planeSp. Ainsi, les étapes consécutives du procédé de réalisation de ce troisième mode de réalisation sont analogues à celles décrites précédemment en relation avec les premier et second modes de réalisation.
Le recuit thermique peut néanmoins engendrer une surépaisseur partielle de la couche diélectrique15. Pour anticiper cette surépaisseur, il est possible de graver localement la couche diélectrique15avant de déposer le matériau métallique de siliciuration50.
Ainsi, dans un quatrième mode de réalisation, illustré sur les figures 5a à 5j, cette gravure partielle est réalisée après la formation des ouvertures52dans la couche sacrificielle51, tel qu’illustré sur la . Cette gravure partielle peut présenter une profondeur de 1 à 5 nanomètres. Les étapes suivantes, illustrées sur les figures 5f à 5l, correspondent ensuite aux étapes illustrées sur les figures 4e à 4k. Cette profondeur de gravure est contrôlée par le temps de gravure, connaissant la vitesse de gravure du procédé utilisé.
En variante, le dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration 50 peut être obtenu par une étape de photolithographie, une étape de dépôt du matériau métallique de siliciuration 50, suivie d’une étape d’élimination de résine. Ainsi, dans le cinquième mode de réalisation illustré sur les figures 6a à 6i, ce dépôt localisé est illustré sur la . Une phase de recuit thermique avec une température comprise entre 350°C et 450°C pendant une durée comprise entre 30s et 1min peut être ensuite utilisée pour obtenir la formation des vias conducteurs 20, tel qu’illustré sur la . De préférence, la durée du recuit thermique est au moins supérieure à 30s.
Dans les modes de réalisation des figures 4 à 6, les vias conducteurs20sont ainsi obtenus par siliciuration d’une partie localisée de la couche diélectrique15.
Selon un sixième mode de réalisation des figures 7a à 7i, des vias conducteurs20peuvent être réalisés par implantation ionique d’un élément métallique dans une partie localisée de la couche diélectrique15.
Pour ce faire, une couche de masquage60est utilisée pour délimiter la partie de la couche diélectrique15destinée à recevoir l’implantation ionique. Des ouvertures61sont ensuite réalisées dans cette couche de masquage60, tel qu’illustré sur la .
Tel qu’illustré sur la , une implantation ionique est alors réalisée en utilisant des ions d’un élément métallique de sorte à dégénérer suffisamment la couche diélectrique 15 au niveau des ouvertures 61 pour qu’elle devienne localement conductrice. L’implantation ionique peut comporter une étape de recuit thermique de l’élément métallique.
Alternativement, il est également possible de procéder à plusieurs implantations successives présentant différentes tensions d’accélération des ions. De préférence, ces implantations successives sont réalisées avec un courant de faisceau d’ions fixe ou très légèrement variable. La variation des tensions d’accélération des ions peut être obtenue, par exemple, par variation d’une tension de polarisation. Là encore, les implantations ioniques peuvent comporter une étape de recuit thermique de l’élément métallique.
Cette implantation ionique peut être réalisée par une technique de dopage classiquement utilisée pour la réalisation de semi-conducteurs. Par exemple, l’élément métallique peut être constitué de nickel, de titane, de manganèse, de cobalt ou d’aluminium.
En outre, cette implantation ionique permet d’utiliser une grande variété de couches diélectriques15possibles. Par exemple, la couche diélectrique15peut être réalisée en nitrure de silicium, en oxyde de silicium, en oxynitrure de silicium ou en alliage de silicium avec du germanium, du bore, de l’azote ou du carbone.
Suite à cette implantation ionique, la couche de masquage60peut ensuite être retirée, via des techniques usuelles de retrait de résine par voie humide ou sèche, tel qu’illustré sur la .
Quel que soit le mode de réalisation utilisé pour former la surface planeSp, l’invention permet d’obtenir une surface planeS psur laquelle débouchent les vias conducteurs20. Le matériau thermométrique ou thermorésistif21peut donc être déposé sur cette surface planeSp. Préférentiellement, le matériau thermométrique ou thermorésistif21est constitué d’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.
La technique de dépôt par faisceau ionique est également connue sur l’acronyme IBD pour «Ion Beam Deposition», c’est-à-dire dépôt par faisceau ionique, ou IBS pour «Ion Beam Sputtering», c’est-à-dire pulvérisation par faisceau ionique.
En variante, le matériau thermométrique ou thermorésistif21peut être constitué de tout autre oxyde de métaux de transition réalisés par des techniques de dépôt physique en phase vapeur ou PVD pour «Physical Vapor Deposition», par exemple de l’oxyde de titane ou de nickel. Tel qu’illustré sur les figures 2h, 3h, 4j, 5k, 6h et 7h, une couche de protection22est préférentiellement déposée sur le matériau thermométrique ou thermorésistif21et sur la couche d’arrêt30pour protéger le matériau thermométrique ou thermorésistif21lors 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-10fafin de limiter la conduction thermique entre le substrat11et le matériau thermométrique ou thermorésistif21.
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 thermométrique ou thermorésistif21. 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 les vias conducteurs20.
Alternativement, il est possible de définir la structure de la membrane et des bras de soutien avant la réalisation des vias conducteurs20et le dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif21.
À l’issue de cette étape de formation des vias conducteurs20et avant de déposer le matériau thermométrique ou thermorésistif21, 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 diélectrique15.
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-10fcomportant un matériau thermométrique ou thermorésistif21relié thermiquement et électriquement aux électrodes de l’absorbeur ou électrode16par des vias conducteurs20.
L’absorbeur ou électrode16et le matériau thermométrique ou thermorésistif21étant déposés sur des surfaces planes, il est possible d’obtenir un micro-bolomètre10a-10favec des performances améliorées par rapport aux micro-bolomètres de l’état de la technique.
Claims (23)
- Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10f) intégrant une membrane montée en suspension au-dessus d’un substrat (11) au moyen de bras de soutien fixés sur des clous d’ancrage (14), ladite membrane comportant :
– une couche de support (13) traversée par les clous d’ancrage (14) ;
– un absorbeur ou une électrode (16) déposé sur la couche de support (13) et sur les clous d’ancrage (14) avec un motif formant au moins deux électrodes ;
– une couche diélectrique (15) déposée sur ledit absorbeur ou électrode (16) et sur la 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 ou thermorésistif (21) disposé sur une surface plane (Sp) formée au niveau des extrémités supérieures desdits vias conducteurs (20). - Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10f) selon la revendication 1, dans lequel le matériau thermométrique ou thermorésistif (21) est réalisé en oxyde de vanadium, en oxyde de titane ou en oxyde de nickel.
- Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10f) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le matériau thermométrique ou thermorésistif (21) est recouvert d’une couche de protection (22).
- Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10f) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant 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 ou électrode (16) sur la couche de support (13) et sur les clous d’ancrage (14) et structuration de l’absorbeur ou électrode (16) ;
– dépôt d’une couche diélectrique (15) sur l’absorbeur ou électrode (16) et sur la couche de support (13) ;
– structuration de la couche diélectrique (15) pour former des ouvertures (17) s’étendant jusqu’audit absorbeur ou électrode (16) ;
– dépôt d’un matériau conducteur (20) à base de tungstène pour remplir les ouvertures (17) ainsi réalisées au sein de la couche diélectrique (15) et assurer un contact électrique entre ledit matériau conducteur (20) et ledit absorbeur ou électrode (16) ;
– retrait du matériau conducteur (20) hors des ouvertures (17) de sorte à former une surface plane (Sp) ;
– dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif (21) sur la surface plane (Sp) de sorte que ledit matériau thermométrique ou thermorésistif (21) est connecté thermiquement et électriquement au matériau absorbeur ou électrode (16) par l’intermédiaire du matériau conducteur (20) déposé dans les ouvertures (17) de la couche diélectrique (15) ;
– structuration des bras de soutien ; et
– suppression de la couche sacrificielle (12). - Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 4, dans lequel l’étape de retrait du matériau conducteur (20) est réalisée au moyen d’un polissage mécano-chimique.
- Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 4, 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 pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 4 à 6, dans lequel le dépôt du matériau conducteur (20) est réalisé par un dépôt conforme en phase vapeur.
- Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 4 à 7, dans lequel la couche diélectrique (15) est structurée au moyen d’une gravure ionique réactive avec arrêt sur l’absorbeur ou électrode (16).
- Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 4 à 8, dans lequel la couche diélectrique (15) est structurée de sorte à obtenir des ouvertures (17) dont la largeur est inférieure à 1 micromètre.
- Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 4 à 9, comprenant également les étapes suivantes :
– dépôt d’une couche d’arrêt (30) sur la couche diélectrique (15) avant que cette dernière ne soit structurée ;
– structuration de la couche diélectrique (15) 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) ;
– dépôt du matériau conducteur (20) à base de tungstène réalisé dans les ouvertures (17) de ladite couche d’arrêt (30) ; et
– retrait dudit matériau conducteur (20) hors des ouvertures (17) au moyen d’un polissage mécano-chimique dudit matériau conducteur (20) au moins jusqu’au niveau de la couche d’arrêt (30). - Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 10, dans lequel , lorsque le polissage mécano-chimique du matériau conducteur (20) est réalisé jusqu’au niveau de la couche d’arrêt (30), le dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif (21) est réalisé sur ledit matériau conducteur (20) et sur ladite couche d’arrêt (30).
- Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 10, dans lequel , lorsque le polissage mécano-chimique du matériau conducteur (20) est réalisé jusqu’au niveau de la couche diélectrique (15), il est procédé au retrait de la couche d’arrêt (30), le dépôt du matériau thermométrique ou thermorésistif (21) étant alors réalisé sur ledit matériau conducteur (20) et sur ladite couche diélectrique (15).
- Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 4 à 12, comprenant une étape d’amincissement de la couche diélectrique (15) dans une zone destinée à former les bras de soutien du micro-bolomètre (10a-10f).
- Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 13, comprenant une étape de dépôt d’une couche d’arrêt d’amincissement au niveau des bras de soutien du micro-bolomètre (10a-10f), ladite étape d’amincissement étant réalisée jusqu’à ladite couche d’arrêt d’amincissement.
- Procédé pour la réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10c-10e) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant 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 ou électrode (16) sur la couche de support (13) et sur les clous d’ancrage (14) et structuration de l’absorbeur ou électrode (16) ;
– dépôt d’une couche diélectrique (15) à base de silicium sur ledit absorbeur ou électrode (16) et sur ladite couche de support (13) ;
– dépôt localisé d’un matériau métallique de siliciuration (50) sur ladite couche diélectrique (15) ;
– traitement thermique du matériau métallique de siliciuration (50) de sorte à former un intermétallique entre le matériau métallique de siliciuration (50) et ladite couche diélectrique (15) et former des vias conducteurs (20) dans ladite couche diélectrique (15) ;
– dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif (21) sur ladite couche diélectrique (15) de sorte que ledit matériau thermométrique ou thermorésistif (21) est connecté thermiquement et électriquement au matériau absorbeur ou électrode (16) par l’intermédiaire des vias conducteurs (20) formés au sein de ladite couche diélectrique (15) ;
– structuration des bras de soutien ; et
– suppression de la couche sacrificielle (12). - Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 15, dans lequel l’étape de dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration (50) sur la couche diélectrique (15) comprend les sous-étapes suivantes :
– dépôt d’une couche sacrificielle (51) sur ladite couche diélectrique (15) ;
– structuration de ladite couche sacrificielle (51) pour former des ouvertures (52) s’étendant jusqu’à ladite couche diélectrique (15) ;
– dépôt du matériau métallique de siliciuration (50), en nickel ou cobalt et possiblement additionné de platine, pour remplir les ouvertures (52) ainsi réalisées au sein de ladite couche diélectrique (15) ;
– retrait du matériau métallique (50) en dehors des zones utiles de siliciuration, notamment par gravure humide ; et
– retrait de la couche sacrificielle (51). - Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 16, dans lequel l’étape de dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration (50) sur la couche diélectrique (15) comprend également une sous-étape de gravure partielle de ladite couche diélectrique (15) au niveau des ouvertures (52) préalable à l’étape de dépôt du matériau métallique de siliciuration (50).
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 15 à 17, dans lequel l’étape de traitement thermique du matériau métallique de siliciuration (50) est réalisée avec une température comprise entre 350°C et 450°C pendant une durée d’au moins 30 secondes.
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 15, dans lequel l’étape de dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration (50) sur la couche diélectrique (15) est réalisée par photolithographie, puis dépôt du matériau métallique de siliciuration (50), et enfin, élimination de résine.
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10f) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant 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 ou électrode (16) sur la couche de support (13) et sur les clous d’ancrage (14) et structuration de l’absorbeur ou électrode (16) ;
– dépôt d’une couche diélectrique (15) sur l’absorbeur ou électrode (16) et sur la couche de support (13) ;
– dépôt d’une couche de masquage (60) sur ladite couche diélectrique (15) ;
– structuration de la couche de masquage (60) pour former des ouvertures (61) s’étendant jusqu’à ladite couche diélectrique (15) ;
– implantation ionique d’un élément métallique à travers lesdites ouvertures (61) de sorte à incorporer l’élément métallique dans la couche diélectrique (15) et à former des vias conducteurs (20) dans ladite couche diélectrique (15) ;
– retrait de la couche de masquage (60) ;
– dépôt d’un matériau thermométrique ou thermorésistif (21) sur la couche diélectrique (15) de sorte que ledit matériau thermométrique ou thermorésistif (21) est connecté thermiquement et électriquement audit matériau absorbeur ou électrode (16) par l’intermédiaire des vias conducteurs (20) formés dans ladite couche diélectrique (15) ;
– structuration des bras de soutien ; et
– suppression de la couche sacrificielle (12). - Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 20, dans lequel l’élément métallique est constitué de nickel, de titane, de manganèse, de cobalt ou d’aluminium.
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon la revendication 20 ou 21, dans lequel l’étape d’implantation ionique est réalisée par plusieurs implantations successives présentant différentes tensions d’accélération des ions.
- Procédé de réalisation d’un micro-bolomètre selon l’une des revendications 20 à 22, dans lequel ledit procédé comprend en outre un traitement thermique de l’élément métallique.
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