FR3127588A1 - METHOD FOR MAKING AT LEAST ONE OPTICAL WINDOW, OPTICAL WINDOW AND ASSOCIATED INFRARED DETECTOR - Google Patents
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Abstract
Ce procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge (10a), comprend les étapes suivantes :– utilisation d’un substrat constitué d’une couche de silicium ou de germanium (25), au moins une face (16, 17) du substrat étant revêtue d’un film d’oxyde (13), lui-même revêtu d’un film de silicium ou de germanium (14) ;– gravure ionique réactive du film de silicium ou de germanium (14) avec arrêt sur le film d’oxyde (13) de sorte à former les motifs d’au moins un réseau périodique de diffraction (21) ; et– gravure du film d’oxyde (13) de sorte à supprimer le film d’oxyde (13) présent au niveau des motifs de l’au moins un réseau périodique de diffraction (21). Figure pour l’abrégé : Fig 11This method for producing at least one optical window for an infrared detector (10a), comprises the following steps:– use of a substrate consisting of a layer of silicon or germanium (25), at least one face (16, 17) of the substrate being coated with an oxide film (13), itself coated with a silicon or germanium film (14);– reactive ion etching of the silicon or germanium film (14) with stop on the oxide film (13) so as to form the patterns of at least one periodic diffraction grating (21); and– etching the oxide film (13) so as to remove the oxide film (13) present at the patterns of the at least one periodic diffraction grating (21). Figure for abstract: Fig 11
Description
Domaine de l’inventionField of invention
L’invention a trait au domaine de la détection infrarouge, et notamment la détection mettant en œuvre des micro-bolomètres. L’invention concerne un procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique, c’est-à-dire une pièce mécanique destinée à être scellée hermétiquement sur un substrat d’embase pour former un détecteur infrarouge. L’invention concerne également la fenêtre optique et le détecteur infrarouge associés.The invention relates to the field of infrared detection, and in particular detection using micro-bolometers. The invention relates to a method for producing at least one optical window, that is to say a mechanical part intended to be hermetically sealed on a base substrate to form an infrared detector. The invention also relates to the associated optical window and infrared detector.
Un capteur infrarouge est composé traditionnellement d’une matrice de détecteurs élémentaires sensibles de détection. Ainsi, les détecteurs élémentaires infrarouges forment les pixels d’une image infrarouge.An infrared sensor is traditionally composed of a matrix of sensitive elementary detectors. Thus, the elementary infrared detectors form the pixels of an infrared image.
Plus particulièrement, l’invention vise à améliorer les propriétés spectrales des boitiers contenant les éléments sensibles de détection.More particularly, the invention aims to improve the spectral properties of the boxes containing the sensitive detection elements.
Etat de la techniqueState of the art
Un détecteur élémentaire d’un capteur infrarouge se présente classiquement sous la forme d’un micro-bolomètre monté en suspension sur un substrat d’embase, et encapsulé sous vide dans un boitier ou un volume hermétique. Le boitier hermétique est généralement constitué par une fenêtre optique et des parois latérales fixées entre le substrat d’embase et la fenêtre optique. Intrinsèquement, la fenêtre optique non traitée présente une transmittance plus large que la gamme de longueurs d’onde d’intérêt. Etant donné les conditions atmosphériques d’absorption dans le spectre infrarouge et la loi du corps noir pour les objets autour de 30°C, un détecteur formé d’un imageur à base de microbolomètres et associé à une fenêtre, est par exemple conçu pour présenter le maximum de sensibilité sur la bande spectrale 8-14 micromètres, tout en étant peu sensible au flux en dehors de cette bande spectrale.An elementary detector of an infrared sensor is conventionally presented in the form of a micro-bolometer mounted in suspension on a base substrate, and encapsulated under vacuum in a box or an airtight volume. The hermetic box generally consists of an optical window and side walls fixed between the base substrate and the optical window. Inherently, the uncoated optical window exhibits a transmittance that is wider than the wavelength range of interest. Given the atmospheric absorption conditions in the infrared spectrum and the black body law for objects around 30°C, a detector formed by an imager based on microbolometers and associated with a window, is for example designed to present maximum sensitivity on the 8-14 micrometer spectral band, while being insensitive to flux outside this spectral band.
Pour améliorer les performances du détecteur élémentaire, cette fenêtre optique est structurée au regard du ou des micro-bolomètres. Typiquement, cette structuration est destinée à atténuer les longueurs d’onde comprises entre 2 et 8 micromètres, et à former un filtre anti-reflet pour les longueurs d’onde d’intérêt comprises entre 8 et 14 micromètres.To improve the performance of the elementary detector, this optical window is structured with respect to the micro-bolometer(s). Typically, this structuring is intended to attenuate the wavelengths between 2 and 8 micrometers, and to form an anti-reflection filter for the wavelengths of interest between 8 and 14 micrometers.
En outre, les performances du détecteur élémentaire sont également liées au niveau de vide régnant au sein du boitier hermétique. Pour garantir l’isolation thermique entre le micro-bolomètre et le substrat inférieur, nécessaire pour aboutir aux performances attendues, le niveau de vide dans le boitier hermétique doit typiquement être inférieur à 10-3mbar.Furthermore, the performance of the elementary detector is also linked to the level of vacuum prevailing within the hermetic casing. To guarantee the thermal insulation between the micro-bolometer and the lower substrate, necessary to achieve the expected performance, the level of vacuum in the hermetic case must typically be less than 10 -3 mbar.
Pour obtenir une fenêtre optique avec un nombre de défaut limité et réalisable à faible coûts au moyen de techniques usuelles de fabrication collective à grande échelle, le document FR 2 985 576 propose de réaliser une fenêtre optique110dont la face externe17est recouverte d’un filtre multicouche interférentiel20, et dont la face interne16est pourvue d’un réseau périodique de diffraction21 0, tel qu’illustré sur la
Il est donc possible d’utiliser une coopération entre le filtre multicouche interférentiel et le réseau périodique de diffraction pour filtrer les longueurs d’onde comprises entre 2 et 8 micromètres.It is therefore possible to use cooperation between the multilayer interference filter and the periodic diffraction grating to filter the wavelengths between 2 and 8 micrometers.
Par exemple, le filtre multicouche interférentiel20peut être conçu pour atténuer la transmission optique globale de la fenêtre optique110sur une première gamme de longueurs d’onde comprises entre 2 et 8 micromètres, par exemple sur la gamme de longueurs d’onde comprises entre 2 et 5 micromètres. Contrairement aux filtres qui sont réalisés pour filtrer les longueurs d’onde sur toute la gamme de longueurs d’onde entre 2 et 8 micromètres, la largeur réduite de cette gamme permet notamment de prévoir un filtre interférentiel présentant un nombre limité de couches, et corolairement un nombre et une taille de défauts limités par rapport à un filtre interférentiel conçu pour atténuer la transmission de la fenêtre optique110sur l’intervalle complet de 2 à 8 micromètres.For example, the interference multilayer filter 20 can be designed to attenuate the overall optical transmission of the optical window 110 over a first range of wavelengths between 2 and 8 micrometers, for example over the range of wavelengths between 2 and 5 micrometers. Unlike the filters which are made to filter the wavelengths over the entire range of wavelengths between 2 and 8 micrometers, the reduced width of this range makes it possible in particular to provide an interference filter having a limited number of layers, and as a corollary a limited number and size of defects compared to an interference filter designed to attenuate the transmission of the optical window 110 over the full range of 2 to 8 micrometers.
En outre, le réseau périodique de diffraction21 0peut être conçu pour atténuer la transmission optique globale de la fenêtre optique11 0sur une deuxième gamme de longueurs d’onde comprises entre 2 et 8 micromètres, par exemple sur la gamme de longueurs d’onde comprise entre 5 et 8 micromètres.In addition, the periodic diffraction grating 210 can be designed to attenuate the overall optical transmission of the optical window 110 over a second range of wavelengths between 2 and 8 micrometers, for example over the range of wavelengths of wave between 5 and 8 micrometers.
Après avoir formé la fenêtre optique110, celle-ci est classiquement reportée sur un substrat d’embase ou sur un boitier en céramique, sur lequel des micro-bolomètres sont montés en suspension, de sorte à former un détecteur élémentaire. Lors de ce report, la fenêtre optique110est fixée sur le substrat d’embase au moyen d’une soudure hermétique classiquement réalisée entre deux couches de silicium au moyen d’un cordon de soudure réalisé en or-étain et chauffé à une température comprise entre 270 et 320°C.After having formed the optical window 110 , the latter is conventionally transferred to a base substrate or to a ceramic box, on which micro-bolometers are mounted in suspension, so as to form an elementary detector. During this transfer, the optical window 110 is fixed on the base substrate by means of a hermetic weld conventionally made between two layers of silicon by means of a weld bead made of gold-tin and heated to a temperature between between 270 and 320°C.
Avec cette technique, plusieurs fenêtres optiques110peuvent être formées simultanément sur un même wafer massif en silicium ou en germanium.With this technique, several optical windows 110 can be formed simultaneously on the same bulk silicon or germanium wafer.
On observe cependant une dispersion des propriétés optiques des fenêtres optiques formées collectivement. Plus précisément, la réalisation du réseau périodique de diffraction21 0nécessite la mise en œuvre de procédés de photolithographie et de gravure ionique réactive, également connue sous l’acronyme anglo-saxon RIE pour « Reactive Ion Etching ».However, a dispersion of the optical properties of the optical windows formed collectively is observed. More specifically, the production of the periodic diffraction grating 210 requires the implementation of photolithography and reactive ion etching processes, also known by the acronym RIE for “Reactive Ion Etching”.
Classiquement, cette gravure RIE est réalisée dans une chambre de gravure en utilisant un réactif approprié.Conventionally, this RIE etching is carried out in an etching chamber using an appropriate reagent.
Lors de la réalisation collective de plusieurs réseaux périodiques de diffraction21 0en lien avec plusieurs fenêtres optiques110, la profondeur de gravure du substrat massif12 0est déterminée en fonction de la durée de la gravure RIE, selon une méthode appelée « gravure au temps ». En effet, la vitesse d’une gravure RIE est un paramètre connu pour un homme du métier. Cette vitesse dépend de la nature du substrat12 0et de la nature du réactif utilisé pour la gravure RIE.During the collective production of several periodic diffraction gratings 21 0 in connection with several optical windows 110 , the depth of etching of the solid substrate 12 0 is determined according to the duration of the RIE etching, according to a method called "time etching". ". Indeed, the speed of an RIE etching is a known parameter for a person skilled in the art. This speed depends on the nature of the substrate 120 and the nature of the reagent used for the RIE etching .
La profondeur de gravure désirée est obtenue par le produit de la vitesse de gravure et de la durée d’application du réactif. Cependant, la disparité du réactif au sein de la chambre de gravure, c’est-à-dire la variation de la quantité de réactif par unité de surface dans la chambre de gravure, est la cause de non-uniformités de la profondeur de la gravure, tel qu’illustré schématiquement sur la
Lorsque les fenêtres optiques110sont séparées, tel qu’illustré sur la
Il s’ensuit que les performances d’un détecteur infrarouge, principalement la sensibilité vis-à-vis des phénomènes de rémanence liés à un éblouissement solaire variable, varient d’un détecteur à l’autre en raison des écarts de transmittances des fenêtres optiques.It follows that the performance of an infrared detector, mainly the sensitivity with respect to remanence phenomena linked to variable solar glare, varies from one detector to another due to the differences in transmittances of the optical windows. .
L’invention vise donc la réalisation de fenêtres optiques présentant des performances de transmittances uniformisées et pouvant en outre être réalisées à grande échelle.The invention therefore aims to produce optical windows having uniform transmittance performance and which can also be produced on a large scale.
A cet effet, l’invention propose d’utiliser un substrat spécifique pour former une fenêtre optique comportant au moins un film d’oxyde, par exemple d’oxyde de silicium, destiné à constituer une couche d’arrêt à la gravure ionique réactive des motifs des réseaux périodiques de diffraction. Ce film d’oxyde est ensuite partiellement gravé.To this end, the invention proposes to use a specific substrate to form an optical window comprising at least one oxide film, for example of silicon oxide, intended to form a stop layer for the reactive ion etching of the patterns of periodic diffraction gratings. This oxide film is then partially etched.
Selon l’invention, le substrat est constitué d’une couche de silicium ou de germanium, surmontée par un film d’oxyde, lui-même surmonté par un film de silicium ou de germanium. Ainsi, l’une au moins des deux faces du substrat présente un film de silicium ou de germanium fixé sur un film d’isolant. En considérant un substrat en silicium, ce type de substrat est connu sous l’acronyme « SOI », pour silicium sur isolant ou « Silicon-on-Insulator » dans la littérature anglo-saxonne.According to the invention, the substrate consists of a layer of silicon or germanium, surmounted by an oxide film, itself surmounted by a film of silicon or germanium. Thus, at least one of the two faces of the substrate has a silicon or germanium film fixed on an insulating film. Considering a silicon substrate, this type of substrate is known by the acronym "SOI", for silicon on insulator or "Silicon-on-Insulator" in the Anglo-Saxon literature.
En outre, selon une variante, les deux faces du substrat destiné à former au moins une fenêtre optique sont pourvues d’un film de silicium ou de germanium fixé sur un film d’oxyde.In addition, according to a variant, the two faces of the substrate intended to form at least one optical window are provided with a silicon or germanium film fixed on an oxide film.
Au sens de l’invention, on distingue les notions de « film » et de « couche » en raison des différences d’épaisseurs respectives. Par exemple, pour un substrat SOI, la couche de silicium peut présenter une épaisseur de 300 nanomètres, alors que le film d’oxyde et le film de silicium présentent des épaisseurs de l’ordre de 10 à 100 nanomètres.Within the meaning of the invention, the notions of “film” and “layer” are distinguished because of the differences in respective thicknesses. For example, for an SOI substrate, the silicon layer can have a thickness of 300 nanometers, while the oxide film and the silicon film have thicknesses of the order of 10 to 100 nanometers.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge, comprenant les étapes suivantes :
– utilisation d’un substrat constitué d’une couche de silicium ou de germanium, au moins une face du substrat étant revêtue d’un film d’oxyde, lui-même revêtu d’un film de silicium ou de germanium fixé ;
– gravure ionique réactive du film de silicium ou de germanium avec arrêt de la gravure sur le film d’oxyde de sorte à former les motifs d’au moins un réseau périodique de diffraction ; et
– gravure du film d’oxyde de sorte à supprimer le film d’oxyde présent au niveau des motifs de l’au moins un réseau périodique de diffraction.According to a first aspect, the invention relates to a method for producing at least one optical window for an infrared detector, comprising the following steps:
– use of a substrate consisting of a layer of silicon or germanium, at least one face of the substrate being coated with an oxide film, itself coated with a fixed film of silicon or germanium;
– reactive ionic etching of the silicon or germanium film with stopping of the etching on the oxide film so as to form the patterns of at least one periodic diffraction grating; And
– etching of the oxide film so as to remove the oxide film present at the level of the patterns of the at least one periodic diffraction grating.
Contrairement à l’état de la technique qui prévoit d’utiliser un substrat massif de silicium ou de germanium pour former un réseau périodique de diffraction, l’invention propose ainsi de mettre en œuvre un film d’oxyde destiné à constituer une couche d’arrêt à la gravure des motifs du réseau périodique de diffraction. Il s’ensuit que l’invention permet de garantir, en raison de la définition d’un référentiel fixe, la régularité de la profondeur des motifs des réseaux périodiques ainsi formés.Contrary to the state of the art which provides for the use of a solid substrate of silicon or germanium to form a periodic diffraction grating, the invention thus proposes to implement an oxide film intended to constitute a layer of stopping at the etching of the patterns of the periodic diffraction grating. It follows that the invention makes it possible to guarantee, due to the definition of a fixed frame of reference, the regularity of the depth of the patterns of the periodic networks thus formed.
L’invention est particulièrement contre-intuitive car il est connu qu’une couche ou film d’oxyde dégrade les performances de transmittance. Or, l’utilisation d’un film d’oxyde, pour arrêter la gravure ionique réactive d’un film de silicium ou de germanium dans lequel les motifs du réseau périodique de diffraction sont formés, nécessite de conserver au moins une partie du film d’oxyde pour garantir la fixation mécanique du film de silicium ou de germanium sur la couche de silicium ou de germanium qui forme le substrat. Ainsi, la présence de ce film d’oxyde en dehors des motifs du réseau périodique de diffraction dégrade les performances de transmittance des fenêtres optiques.The invention is particularly counter-intuitive because it is known that an oxide layer or film degrades transmittance performance. However, the use of an oxide film, to stop the reactive ion etching of a film of silicon or germanium in which the patterns of the periodic diffraction grating are formed, requires keeping at least a part of the film of oxide to guarantee the mechanical fixing of the film of silicon or germanium on the layer of silicon or germanium which forms the substrate. Thus, the presence of this oxide film outside the patterns of the periodic diffraction grating degrades the transmittance performance of the optical windows.
Cette dégradation des performances de transmittance des fenêtres optiques est contrebalancée par l’obtention de performances de transmittance uniformisées.This degradation of the transmittance performance of the optical windows is counterbalanced by obtaining uniform transmittance performance.
De préférence, la gravure du film d’oxyde est de nature isotropique et partielle. Dans ce mode de réalisation, contre toute attente, les fenêtres ainsi obtenues présentent une transmittance supérieure ou identique à la transmittance d’une fenêtre de l’état de l’art en plus tout en bénéficiant d’une uniformité améliorée sur la profondeur de gravure obtenuePreferably, the etching of the oxide film is isotropic and partial in nature. In this embodiment, against all expectation, the windows thus obtained have a transmittance greater than or identical to the transmittance of a window of the state of the art in addition while benefiting from an improved uniformity on the etching depth obtained
En effet, la gravure isotropique a pour propriétés de graver une partie du film d’oxyde présente en dehors des motifs, limitant ainsi la dégradation des performances de transmittance des fenêtres optiques. Pour autant, il n’est nécessaire de graver que partiellement le film d’oxyde par la gravure isotropique pour garantir la tenue mécanique des motifs réalisés dans le film de silicium ou de germanium. Par exemple, dans des conditions réelles, une durée de gravure inférieure à 5 minutes permet d’obtenir une gravure isotropique et partielle du film d’oxyde.Indeed, isotropic etching has the properties of etching part of the oxide film present outside the patterns, thus limiting the degradation of the transmittance performance of the optical windows. However, it is only necessary to partially etch the oxide film by isotropic etching to guarantee the mechanical strength of the patterns made in the silicon or germanium film. For example, in real conditions, an etching time of less than 5 minutes makes it possible to obtain isotropic and partial etching of the oxide film.
Selon un mode de réalisation, une pluralité de réseaux périodiques de diffraction de plusieurs fenêtres optiques sont réalisés simultanément, le procédé comportant in fine une étape de séparation des fenêtres optiques.According to one embodiment, a plurality of periodic diffraction gratings of several optical windows are produced simultaneously, the method ultimately comprising a step of separating the optical windows.
En outre, pour limiter la dégradation des performances due à la présence du film d’oxyde en dehors des motifs du réseau périodique de diffraction, il est préférable d’utiliser un film d’oxyde très fin, c’est-à-dire avec une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres.In addition, to limit the degradation of performance due to the presence of the oxide film outside the patterns of the periodic diffraction grating, it is preferable to use a very thin oxide film, that is to say with a thickness between 10 and 100 nanometers.
Au contraire, les motifs définissant le réseau périodique de diffraction doivent être suffisamment épais pour garantir les propriétés optiques dudit réseau. Ainsi, le film de silicium ou de germanium présente préférentiellement une épaisseur comprise entre 1 et 3 micromètres.On the contrary, the patterns defining the periodic diffraction grating must be thick enough to guarantee the optical properties of said grating. Thus, the silicon or germanium film preferably has a thickness of between 1 and 3 micrometers.
En variante, pour augmenter l’épaisseur des motifs du réseau périodique de diffraction avec un substrat dans lequel le film de silicium ou de germanium n’est pas assez épais, il est possible de réaliser une épitaxie sur le film de silicium ou de germanium.Alternatively, to increase the thickness of the patterns of the periodic diffraction grating with a substrate in which the silicon or germanium film is not thick enough, it is possible to perform epitaxy on the silicon or germanium film.
Ainsi, selon un mode de réalisation, le procédé comporte une étape d’épitaxie du film de silicium ou de germanium, réalisée avant la réalisation des motifs du réseau périodique de diffraction.Thus, according to one embodiment, the method comprises a step of epitaxy of the silicon or germanium film, carried out before the production of the patterns of the periodic diffraction grating.
S’agissant de l’arrêt de la gravure ionique réactive sur le film d’oxyde, il est préférable d’utiliser un film d’oxyde avec une grande sélectivité par rapport à la gravure ionique réactive utilisée pour réaliser les motifs du réseau périodique de diffraction.Regarding the stopping of the reactive ion etching on the oxide film, it is preferable to use an oxide film with a high selectivity compared to the reactive ion etching used to make the patterns of the periodic network of diffraction.
Typiquement, la gravure ionique réactive utilise classiquement des gaz réactifs qui sont des dérivés fluorés ou chlorés, tels que l’hexafluorure de soufre en présence de dioxygène. Ces gaz réactifs sont connus pour graver efficacement le silicium ou le germanium, mais en revanche s’avèrent moins efficaces pour attaquer le film d’oxyde.Typically, reactive ion etching conventionally uses reactive gases which are fluorinated or chlorinated derivatives, such as sulfur hexafluoride in the presence of oxygen. These reactive gases are known to efficiently etch silicon or germanium, but on the other hand are less effective in attacking the oxide film.
Ainsi, de préférence, les gaz réactifs mis en œuvre lors de la gravure ionique réactive sont sélectionnés de sorte que le procédé de gravure du film d’oxyde présente une sélectivité d’au moins 5 vis-à-vis du film de silicium ou de germanium.Thus, preferably, the reactive gases used during the reactive ion etching are selected so that the process for etching the oxide film has a selectivity of at least 5 with respect to the silicon film or germanium.
Au sens de l’invention, par sélectivité, on entend le rapport entre les vitesses de gravure d’un même procédé sur deux types de couches cibles à graver. Par exemple, on détermine la vitesse de gravure en nanomètres par minute en mettant en contact une couche d’oxyde avec un plasma d’hexafluorure de soufre SF6, puis la vitesse de gravure en nanomètres par minute en mettant en contact une couche de silicium ou de germanium avec le même plasma d’hexafluorure de soufre.Within the meaning of the invention, by selectivity is meant the ratio between the etching speeds of the same process on two types of target layers to be etched. For example, the etching speed in nanometers per minute is determined by bringing an oxide layer into contact with a plasma of sulfur hexafluoride SF 6 , then the etching speed in nanometers per minute by bringing a layer of silicon into contact or germanium with the same sulfur hexafluoride plasma.
Pour obtenir cette sélectivité, le film d’oxyde est préférentiellement constitué de dioxyde de silicium SiO2. Ce mode de réalisation permet d’obtenir une sélectivité particulièrement efficace pour la gravure ionique réactive.To obtain this selectivity, the oxide film preferably consists of silicon dioxide SiO 2 . This embodiment makes it possible to obtain a particularly effective selectivity for reactive ion etching.
Par ailleurs, la gravure isotropique d’un tel film réalisé en dioxyde de silicium peut être facilement réalisée en utilisant de l’acide fluoridrique. Ce procédé est très sélectif et il permet de garantir l’intégrité physique de la face supérieure d’un substrat en silicium, tout en gravant efficacement le dioxyde de silicium SiO2.Moreover, the isotropic etching of such a film made of silicon dioxide can be easily achieved using fluoridric acid. This process is very selective and it guarantees the physical integrity of the upper face of a silicon substrate, while efficiently etching the silicon dioxide SiO2.
Pour former la fenêtre optique complète, il est possible de réaliser un filtre multicouche interférentiel sur une face du substrat et le réseau périodique de diffraction sur l’autre face. La coopération du filtre multicouche interférentiel et du réseau périodique de diffraction permet ainsi d’atténuer le rayonnement incident dans un intervalle de longueurs d’onde comprises entre 2 et 8 micromètres.To form the complete optical window, it is possible to make an interference multilayer filter on one face of the substrate and the periodic diffraction grating on the other face. The cooperation of the interference multilayer filter and the periodic diffraction grating thus makes it possible to attenuate the incident radiation in a range of wavelengths between 2 and 8 micrometers.
Pour ce faire, le filtre multicouche interférentiel et le réseau périodique de diffraction peuvent être conformés pour réaliser chacun un filtrage du rayonnement incident entre 2 et 8 micromètres.To do this, the multilayer interference filter and the periodic diffraction grating can be shaped to each carry out a filtering of the incident radiation between 2 and 8 micrometers.
En variante, le filtre multicouche interférentiel et le réseau périodique de diffraction peuvent être conformés pour réaliser deux filtrages distincts du rayonnement incident : un premier filtrage entre 2 et x micromètres, et un second filtrage entre y et 8 micromètres.As a variant, the interference multilayer filter and the periodic diffraction grating can be shaped to carry out two distinct filterings of the incident radiation: a first filtering between 2 and x micrometers, and a second filtering between y and 8 micrometers.
En considérant x et y égaux à 5, le filtre multicouche interférentiel atténue la transmission de la fenêtre optique sur une première gamme de longueurs d’onde comprise entre 2 et 5 micromètres, et le réseau périodique de diffraction atténue la transmission de la fenêtre optique sur une seconde gamme de longueurs d’onde comprise entre 5 et 8 micromètres.By considering x and y equal to 5, the interference multilayer filter attenuates the transmission of the optical window over a first range of wavelengths between 2 and 5 micrometers, and the periodic diffraction grating attenuates the transmission of the optical window over a second range of wavelengths comprised between 5 and 8 micrometers.
Selon un autre exemple, en considérant x égal à 6 et y égal à 4, le filtre multicouche interférentiel atténue la transmission de la fenêtre optique sur une première gamme de longueurs d’onde comprises entre 2 et 6 micromètres, et le réseau périodique de diffraction atténue la transmission de la fenêtre optique sur une seconde gamme de longueurs d’onde comprises entre 4 et 8 micromètres.According to another example, considering x equal to 6 and y equal to 4, the interference multilayer filter attenuates the transmission of the optical window over a first range of wavelengths between 2 and 6 micrometers, and the periodic diffraction grating attenuates the transmission of the optical window over a second range of wavelengths between 4 and 8 micrometers.
Pour obtenir cette coopération du filtre multicouche interférentiel avec le réseau périodique de diffraction sur toute la gamme de longueurs d’onde comprises entre 2 et 8 micromètres, il est nécessaire que x soit compris entre 2 et 8 micromètres, et que y soit inférieur ou égal à x.To obtain this cooperation of the multilayer interference filter with the periodic diffraction grating over the entire range of wavelengths between 2 and 8 micrometers, it is necessary that x be between 2 and 8 micrometers, and that y be less than or equal to x.
En outre, il est également possible de remplacer le filtre multicouche interférentiel par un second réseau périodique de diffraction.Furthermore, it is also possible to replace the multilayer interference filter with a second periodic diffraction grating.
Dans ce mode de réalisation, dans lequel le substrat est constitué d’une couche de silicium ou de germanium, chaque face du substrat étant pourvue d’un film de silicium ou de germanium fixé sur un film d’oxyde, le procédé comprend les étapes suivantes :
– gravure ionique réactive du film de silicium ou de germanium avec arrêt sur le film d’oxyde de sorte à former les motifs d’un premier réseau périodique de diffraction sur une première face du substrat ;
– gravure ionique réactive du film de silicium ou de germanium avec arrêt sur le film d’oxyde de sorte à former les motifs d’un second réseau périodique de diffraction sur une seconde face du substrat ;
– gravure du film d’oxyde de sorte à supprimer le film d’oxyde présent au niveau des motifs du premier réseau périodique de diffraction de la première face du substrat ; et
– gravure du film d’oxyde de sorte à supprimer le film d’oxyde présent au niveau des motifs du second réseau périodique de diffraction de la seconde face du substrat.In this embodiment, in which the substrate consists of a layer of silicon or germanium, each face of the substrate being provided with a film of silicon or germanium fixed on an oxide film, the method comprises the steps following:
– reactive ion etching of the silicon or germanium film with stoppage on the oxide film so as to form the patterns of a first periodic diffraction grating on a first face of the substrate;
– reactive ion etching of the silicon or germanium film with stoppage on the oxide film so as to form the patterns of a second periodic diffraction grating on a second face of the substrate;
– etching of the oxide film so as to remove the oxide film present at the level of the patterns of the first periodic diffraction grating of the first face of the substrate; And
– etching of the oxide film so as to remove the oxide film present at the level of the patterns of the second periodic diffraction grating on the second face of the substrate.
De préférence, les deux gravures du film d’oxyde sont de nature isotropique et partielle.Preferably, the two etches of the oxide film are isotropic and partial in nature.
Les deux gravures ioniques réactives et les deux gravures isotropiques peuvent être réalisées successivement ou simultanément.The two reactive ion etchings and the two isotropic etchings can be carried out successively or simultaneously.
Le réseau périodique de diffraction peut présenter une maille hexagonale ou carré. De préférence, au moins un réseau périodique de diffraction présente un réseau d’Archimède ou de Penrose. En effet, un réseau périodique de diffraction hexagonal induit une atténuation moyenne de 80% sur la gamme 5 - 8 micromètres, alors qu’un réseau ayant un pavage d’Archimède permet une atténuation moyenne supérieure à 90%, voire 95%, sur cette même gamme. Une symétrie avantageuse d’ordre élevé peut être obtenue si le réseau comprend une maille du type « quasicristal ». Par exemple, au moins un réseau périodique de diffraction peut être constitué d’un réseau de motifs à deux dimensions issu de pavages de Penrose. Ces pavages présentent des motifs répétés périodiquement, dont la symétrie est d’ordre 5 ou 10. De tels réseaux peuvent être réalisés, par exemple, selon la méthode décrite par la publication : « Construction de pavages du plan par la méthode des multi-grilles », Denis Gratias, LEM-CNRS/ONERA, 2002.The periodic diffraction grating can have a hexagonal or square mesh. Preferably, at least one periodic diffraction grating has an Archimedes or Penrose grating. Indeed, a periodic hexagonal diffraction grating induces an average attenuation of 80% over the range 5 - 8 micrometers, whereas a grating with an Archimedean tiling allows an average attenuation greater than 90%, or even 95%, over this range. same range. An advantageous high-order symmetry can be obtained if the lattice comprises a lattice of the “quasicrystal” type. For example, at least one periodic diffraction grating may consist of a grating of two-dimensional patterns derived from Penrose tilings. These tilings have periodically repeated patterns, the symmetry of which is of order 5 or 10. Such networks can be produced, for example, according to the method described by the publication: "Construction of tilings of the plane by the multi-grid method », Denis Gratias, LEM-CNRS/ONERA, 2002.
En variante, au moins un réseau périodique de diffraction peut être constitué d’un réseau de motifs dits d’Archimède, répétés périodiquement de manière à former des motifs plus grands, dont la symétrie est d’ordre 12. Notamment, un réseau périodique de diffraction de motifs issu d’un pavage d’Archimède permet d’obtenir une transition de faible largeur entre la gamme atténuée et la gamme transmise, à savoir une largeur d’environ 2 micromètres pour une coupure autour de 8 micromètres. A l’inverse, la coupure d’un réseau à maille carrée s’étendra sur une bande spectrale plus importante, typiquement une largeur d’environ 2,5 micromètres pour une coupure autour de 8 micromètres. De préférence, au moins un réseau périodique de diffraction comporte des plots présentant une période, un diamètre et une hauteur compris entre 1 et 2.5 micromètres.As a variant, at least one periodic diffraction grating may consist of a grating of so-called Archimedean patterns, repeated periodically so as to form larger patterns, the symmetry of which is of order 12. In particular, a periodic grating of diffraction of patterns resulting from an Archimedean tiling makes it possible to obtain a transition of small width between the attenuated range and the transmitted range, namely a width of around 2 micrometers for a cut-off around 8 micrometers. Conversely, the cutoff of a square mesh grating will extend over a larger spectral band, typically a width of around 2.5 micrometers for a cutoff around 8 micrometers. Preferably, at least one periodic diffraction grating comprises spots having a period, a diameter and a height comprised between 1 and 2.5 micrometers.
L’invention permet ainsi de réaliser une fenêtre optique présentant des performances de transmittance améliorées et pouvant être réalisée en masse.The invention thus makes it possible to produce an optical window having improved transmittance performance and which can be produced in bulk.
Selon un second aspect, l’invention concerne une fenêtre optique comprenant :
– un substrat constitué d’une couche de silicium ou de germanium ;
– un réseau périodique de diffraction disposé sur une première face du substrat et présentant des motifs en silicium ou en germanium; et
– un filtre multicouche interférentiel ou un réseau périodique de diffraction disposé sur une seconde face du substrat ;
le ou les réseau(x) périodique(s) de diffraction étant fixé(s) sur le substrat au moyen d’un film d’oxyde), ledit film d’oxyde étant absent à l’aplomb des ouvertures formant les motifs du ou des réseau(x) périodique(s) de diffraction.According to a second aspect, the invention relates to an optical window comprising:
– a substrate consisting of a layer of silicon or germanium;
– a periodic diffraction grating arranged on a first face of the substrate and having silicon or germanium patterns; And
– an interference multilayer filter or a periodic diffraction grating arranged on a second face of the substrate;
the periodic diffraction grating(s) being fixed to the substrate by means of an oxide film), said oxide film being absent directly above the openings forming the patterns of the or periodic diffraction grating(s).
Selon un troisième aspect, l’invention concerne un détecteur infrarouge comprenant :
– un substrat d’embase sur lequel au moins un micro-bolomètre est monté en suspension ;
– des parois latérales s’étendant sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d’embase ; et
– une fenêtre optique, du type de celle précédemment évoquée, fixée sur une extrémité supérieure des parois latérales.According to a third aspect, the invention relates to an infrared detector comprising:
– a base substrate on which at least one micro-bolometer is mounted in suspension;
- Side walls extending substantially perpendicular to the base substrate; And
– an optical window, of the type mentioned above, fixed to an upper end of the side walls.
Brève description des figuresBrief description of figures
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d’exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels :The invention will be better understood on reading the following description, given solely by way of example, and made in relation to the appended drawings, in which identical references designate identical or similar elements, and in which:
Claims (14)
– utilisation d’un substrat (11, 12) constitué d’une couche de silicium ou de germanium (25), au moins une face (16, 17) du substrat (11, 12) étant revêtue d’un film d’oxyde (13), lui-même revêtu d’un film de silicium ou de germanium (14) ;
– gravure ionique réactive du film de silicium ou de germanium (14) avec arrêt sur le film d’oxyde (13) de sorte à former les motifs d’au moins un réseau périodique de diffraction (21) ; et
– gravure du film d’oxyde (13) de sorte à supprimer le film d’oxyde (13) présent au niveau des motifs de l’au moins un réseau périodique de diffraction (21).Method for producing at least one optical window (24a, 24b) for an infrared detector (10a, 10b), comprising the following steps:
– use of a substrate (11, 12) consisting of a layer of silicon or germanium (25), at least one face (16, 17) of the substrate (11, 12) being coated with an oxide film (13), itself coated with a silicon or germanium film (14);
– reactive ion etching of the silicon or germanium film (14) stopping on the oxide film (13) so as to form the patterns of at least one periodic diffraction grating (21); And
– etching of the oxide film (13) so as to remove the oxide film (13) present at the level of the patterns of the at least one periodic diffraction grating (21).
– gravure ionique réactive du film de silicium ou de germanium (14) avec arrêt sur le film d’oxyde (13) de sorte à former les motifs d’un premier réseau périodique de diffraction (21) sur une première face (16, 17) du substrat (12) ;
– gravure ionique réactive du film de silicium ou de germanium (14) avec arrêt sur le film d’oxyde (13) de sorte à former les motifs d’un second réseau périodique de diffraction (21) sur une seconde face (16, 17) du substrat (12) ;
– gravure du film d’oxyde (13) de sorte à supprimer le film d’oxyde (13) présent au niveau des motifs du premier réseau périodique de diffraction (21) de la première face (16, 17) du substrat (12) ; et
– gravure du film d’oxyde (13) de sorte à supprimer le film d’oxyde (13) présent au niveau des motifs du second réseau périodique de diffraction (21) de la seconde face (16, 17) du substrat (12).Method for producing at least one optical window for an infrared detector according to one of Claims 1 to 8, in which each face (16, 17) of the substrate (12) is provided with a film of silicon or germanium ( 14) attached to an oxide film (13), the method comprising the following steps:
– reactive ion etching of the silicon or germanium film (14) with a stop on the oxide film (13) so as to form the patterns of a first periodic diffraction grating (21) on a first face (16, 17 ) of the substrate (12);
– reactive ion etching of the silicon or germanium film (14) with a stop on the oxide film (13) so as to form the patterns of a second periodic diffraction grating (21) on a second face (16, 17 ) of the substrate (12);
– etching of the oxide film (13) so as to remove the oxide film (13) present at the level of the patterns of the first periodic diffraction grating (21) of the first face (16, 17) of the substrate (12) ; And
– etching of the oxide film (13) so as to remove the oxide film (13) present at the level of the patterns of the second periodic diffraction grating (21) of the second face (16, 17) of the substrate (12) .
– un substrat (11, 12) constitué d’une couche de silicium ou de germanium ;
– un réseau périodique de diffraction (21) disposé sur une première face (16, 17) du substrat (11, 12) et présentant des motifs en silicium ou en germanium ; et
– un filtre multicouche interférentiel (20) ou un réseau périodique de diffraction (21) disposé sur une seconde face (16, 17) du substrat (11, 12) ;
caractérisé en ce quele ou les réseau(x) périodique(s) de diffraction (21) est (sont) fixé(s) sur le substrat (11, 12) au moyen d’un film d’oxyde (13), ledit film d’oxyde (13) étant absent à l’aplomb des ouvertures formant les motifs du ou des réseau(x) périodique(s) de diffraction (21).Optical window for infrared detector comprising:
– a substrate (11, 12) consisting of a layer of silicon or germanium;
– a periodic diffraction grating (21) arranged on a first face (16, 17) of the substrate (11, 12) and having silicon or germanium patterns; And
– an interference multilayer filter (20) or a periodic diffraction grating (21) arranged on a second face (16, 17) of the substrate (11, 12);
characterized in that the periodic diffraction grating(s) (21) is (are) fixed to the substrate (11, 12) by means of an oxide film (13), said oxide film (13) being absent directly above the openings forming the patterns of the periodic diffraction grating(s) (21).
– un substrat d’embase (18) sur lequel au moins un micro-bolomètre (19) est monté en suspension ;
– des parois latérales (27) s’étendant sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d’embase (18) ; et
– une fenêtre optique (24a, 24b), selon la revendication 13, fixée sur une extrémité supérieure des parois latérales (27).Infrared detector 10a, 10b) comprising:
– a base substrate (18) on which at least one micro-bolometer (19) is mounted in suspension;
- side walls (27) extending substantially perpendicular to the base substrate (18); And
– an optical window (24a, 24b), according to claim 13, fixed to an upper end of the side walls (27).
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