WO1994013021A1 - Ferroelectric material based microsensor array and process for the production thereof - Google Patents
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Abstract
Ferroelectric material based microsensor array deposited on a membrane made from a mixed oxide consisting of silicon and lead. Since the membrane is amorphous, it can withstand to greater deformation than crystalline membranes of the prior art. The process has the advantage of providing closed membranes and does not require an access path for chemical reactives. Application in acoustic or thermal imagers.
Description
MATRICE DE MICROCAPTEURS A BASE DE MATERIAU FERROELECTRIQUE ET PROCEDE DE REALISATION FERROELECTRIC MATERIAL-BASED MICRO-SENSOR MATRIX AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME
Le domaine de l'invention est celui de matrice de microcapteurs pouvant être utilisés notamment comme imageurs acoustiques ou thermiques.The field of the invention is that of a matrix of microsensors which can be used in particular as acoustic or thermal imagers.
Plus précisément il s'agit de microcapteurs formés à partir d'un matériau ferroelectrique déposé sur une membrane reliée à un substrat de type silicium. Le matériau ferroelectrique donc piézoélectrique recevant une déformation amplifiée par la membrane génère un signal électrique ainsi amplifié. Ce type de matrices peut être intéressant pour amplifier une onde sonore provenant d'un objet à observer notamment en imagerie médicale in situ in vitro.More precisely, they are microsensors formed from a ferroelectric material deposited on a membrane connected to a silicon-type substrate. The ferroelectric material therefore piezoelectric receiving a deformation amplified by the membrane generates an electric signal thus amplified. This type of matrix can be interesting for amplifying a sound wave coming from an object to be observed in particular in in situ medical imaging in vitro.
Ces microcapteurs sont également intéressants pour l'imagerie thermique. En effet les matériaux ferroélectriques qui sont pyroélectriques, génèrent sous l'action d'un rayonnement thermique, un signal électrique. Pour obtenir de bonnes performances, il est important que ces matériaux ne dissipent pas la chaleur reçue trop rapidement via le substrat. C'est pourquoi on peut chercher à les isoler par une membrane qui possède des microcavités constituant des gaps d'air. Actuellement la réalisation de membranes pour ces types d'applications, utilise des techniques de gravures chimiques sur silicium :These microsensors are also useful for thermal imaging. Indeed ferroelectric materials which are pyroelectric, generate under the action of thermal radiation, an electrical signal. To obtain good performance, it is important that these materials do not dissipate the heat received too quickly via the substrate. This is why we can seek to isolate them by a membrane which has microcavities constituting air gaps. Currently the production of membranes for these types of applications, uses chemical etching techniques on silicon:
- Il peut s'agir de gravure chimique anisotrope sur face arrière : le substrat est attaqué sur la face arrière - opposée à celle où la membrane doit être réalisée. Le matériau possède une épaisseur initiale e(o), par attaque sur une seule face et connaissant la vitesse d'attaque de/dt, on arrête la réaction à l'épaisseur e(t) au bout d'un temps t. La vitesse d'attaque, dans le cas du silicium, est fonction de l'orientation cristallographique des faces de celui-ci. Le plan (111) a une vitesse de gravure plus faible que les autres plans.
Pour du silicium orienté (100), les flancs d'attaque seront à 54,7°. Ce procédé ne permet donc d'obtenir qu'une faible résolution latérale.- It may be anisotropic chemical etching on the rear face: the substrate is attacked on the rear face - opposite to that where the membrane is to be produced. The material has an initial thickness e (o), by attack on one side and knowing the attack speed of / dt, the reaction is stopped at the thickness e (t) after a time t. The attack speed, in the case of silicon, is a function of the crystallographic orientation of the faces thereof. The plane (111) has a lower engraving speed than the other planes. For oriented silicon (100), the leading edges will be at 54.7 °. This method therefore makes it possible to obtain only a low lateral resolution.
Il peut également s'agir de l'utilisation d'une couche sacrificielle : on dépose des couches de silice sur le silicium ayant la dimension des membranes à réaliser. La membrane (par exemple le nitrure SIQN, ou silicium polycristallin) est déposée sur l'ensemble, la silice est enlevée par attaque chimique sélective sous la couche supérieure de nitrure, les cavités sont formées aux endroits où la silice se trouvait. Il est impératif dans ce cas, de réaliser un chemin d'accès pour les réactifs chimiques, ce qui contribue également à limiter la résolution latérale. On obtient dans ce cas une membrane en nitrure ou en silicium polycristallin, ouverte (par nécessité de chemin d'accès pour les réactifs). Ces membranes nécessitent donc une technologie en plusieurs étapes et sont constituées de matériaux cristallins moins déformables que des matériaux amorphes.It can also be the use of a sacrificial layer: layers of silica are deposited on the silicon having the size of the membranes to be produced. The membrane (for example the nitride SI Q N, or polycrystalline silicon) is deposited on the assembly, the silica is removed by selective chemical attack under the upper layer of nitride, the cavities are formed in the places where the silica was located. In this case, it is imperative to make a path for chemical reagents, which also helps to limit lateral resolution. In this case, an open nitride or polycrystalline silicon membrane is obtained (by necessity of an access path for the reagents). These membranes therefore require a technology in several stages and are made of crystalline materials which are less deformable than amorphous materials.
C'est pourquoi l'invention propose une matrice de microcapteurs à base de matériau ferroelectrique, les microcapteurs étant formés sur une membrane de matériau amorphe réalisée sur un substrat contenant du silicium. Plus précisément l'invention a pour objet une matrice de microcapteurs à base de matériau ferroelectrique caractérisé en ce que les microcapteurs comprennent un matériau ferroelectrique déposé au dessus des cavités d'une membrane (m) formée sur un substrat (S) contenant du silicium, ladite membrane étant constituée par un oxyde mixte de silicium et de plomb tel que le coefficient d'expansion Δ défini par le rapport des volumes équivalents (définis par le rapport de la masse molaire M sur la densité p d'un matériau), soit encore le rapport M_p1/M_.p- (-.Xp . étant le volume équivalent de l'oxyde formé, M /p1 étant le volume équivalent du substrat à partir duquel l'oxyde est formé) est supérieur à 3.
En effet il est connu que la couche d'un oxyde formée à partir de l'oxydation d'un matériau est caractérisée par son coefficient d'expansion Δ, et la valeur de Δ est représentative de la façon dont croit l'oxyde sur l'élément oxydé. On distingue ainsi trois cas :This is why the invention provides a matrix of microsensors based on ferroelectric material, the microsensors being formed on a membrane of amorphous material produced on a substrate containing silicon. More precisely, the subject of the invention is a matrix of microsensors based on ferroelectric material, characterized in that the microsensors comprise a ferroelectric material deposited above the cavities of a membrane (m) formed on a substrate (S) containing silicon, said membrane being constituted by a mixed oxide of silicon and lead such that the coefficient of expansion Δ defined by the ratio of the equivalent volumes (defined by the ratio of the molar mass M on the density p of a material), or still the ratio M_p 1 /M_.p- (-.Xp. being the equivalent volume of the oxide formed, M / p 1 being the equivalent volume of the substrate from which the oxide is formed) is greater than 3. Indeed, it is known that the layer of an oxide formed from the oxidation of a material is characterized by its expansion coefficient Δ, and the value of Δ is representative of the way in which the oxide believes on l oxidized element. There are thus three cases:
- Δ < 1 : l'oxyde formé ne recouvre pas la totalité de la surface du matériau, il n'est pas protecteur, l'oxydation peut se poursuivre jusqu'à sa consommation totale du substrat comme il est illustré à la figure la, par exemple avec MgO - Δ = 1 : l'oxyde recouvre parfaitement la surface du matériau oxydé, c'est le phénomène bien connu de la passivation du matériau dans le cas des métaux (figure lb), par exemple avec A1„0„- Δ <1: the oxide formed does not cover the entire surface of the material, it is not protective, the oxidation can continue until its total consumption of the substrate as illustrated in FIG. for example with MgO - Δ = 1: the oxide perfectly covers the surface of the oxidized material, this is the well-known phenomenon of the passivation of the material in the case of metals (Figure lb), for example with A1 „0„
- Δ > 1 : la couche d'oxyde occupe une surface supérieure à la surface du matériau oxydé, comme il a été observé avec l'oxyde de fer (figure le). Dans certains cas lorsque Δ est nettement supérieur à 1, on note l'apparition d'une certaine porosité (J. Bénard,"l'oxydation des métaux", Gauthier-Villars Paris 1962, 183 - 184). Dans l'invention les microcapteurs sont ainsi formés à partir de la création d'une membrane sur un substrat (S), par croissance in-situ d'un oxyde poreux à l'interface du substrat (S) en présence d'un matériau 2 pouvant réagir avec le substrat. La croissance de la cavité (liée à l'apparition d'une porosité) se fait par réaction entre les deux matériaux (substrat et matériau 2) au cours d'un traitement thermique. Le substrat (S) employé peut avantageusement être du silicium. Le matériau 2 peut avantageusement être un oxyde contenant du plomb, pour provoquer des réactions à la surface du silicium, conduisant à un oxyde mixte de silicium et le plomb.- Δ> 1: the oxide layer occupies a surface greater than the surface of the oxidized material, as has been observed with iron oxide (Figure le). In certain cases when Δ is clearly greater than 1, the appearance of a certain porosity is noted (J. Bénard, "oxidation of metals", Gauthier-Villars Paris 1962, 183 - 184). In the invention, the microsensors are thus formed from the creation of a membrane on a substrate (S), by in-situ growth of a porous oxide at the interface of the substrate (S) in the presence of a material. 2 can react with the substrate. The growth of the cavity (linked to the appearance of porosity) takes place by reaction between the two materials (substrate and material 2) during a heat treatment. The substrate (S) used can advantageously be silicon. The material 2 can advantageously be an oxide containing lead, to cause reactions on the surface of the silicon, leading to a mixed oxide of silicon and lead.
Ainsi l'invention utilise une membrane constituée d'oxyde à base de plomb dont la forte masse molaire et la faible densité conduisent à l'obtention d'un coefficient d'expansionThus, the invention uses a membrane made of lead-based oxide, the high molecular weight and the low density of which lead to the obtaining of an expansion coefficient.
(tel que défini précédemment) élevé, on peut citer à titre d'exemple le coefficient de l'oxyde PbSiO„ formé sur Si soit
3,6, l'oxyde formé présentant effectivement la porosité souhaitée.(as defined above) high, we can cite by way of example the coefficient of the oxide PbSiO „formed on Si either 3.6, the oxide formed effectively having the desired porosity.
L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation d'une matrice de microcapteurs à base de matériau ferroelectrique, formés sur un . substrat (S) contenant du silicium, caractérisé en ce qu'il comprend :The invention also relates to a method for producing a matrix of microsensors based on ferroelectric material, formed on one. substrate (S) containing silicon, characterized in that it comprises:
- la réalisation d'un masque sur le substrat (S)- making a mask on the substrate (S)
- la réaction entre le substrat (S) localement non masqué et un oxyde contenant du plomb (matériau 2) tel que l'oxyde mixte de silicium et de plomb ainsi formé a un coefficient d'expansion Δ supérieur à 3 et conduit à la formation d'une membrane (m) le dépôt et la gravure d'une couche de matériau ferroelectrique aux dimensions de la membrane formée. La couche de masquage sur le substrat (S) peut servir de première électrode (E_.) puisque la membrane (m) possède une dimension supérieure à l'intervalle entre deux éléments de masquage comme l'illustre la figure 2 qui représente le substrat (S) sur lequel a été réalisée la membrane (m) avec sa cavité (C). On peut également avantageusement déposer une électrode (E* ) entre deux éléments de masquage (M), avant de procéder au dépôt et à la gravure d'une couche ferroelectrique (CF) comme l'illustre la figure 3. Dans tous les cas de figure, une contre électrode (E„) est déposée sur l'élément ferroelectrique, le signal électrique délivré par le microcapteur étant ainsi prélevé entre les électrodes (E ) ou (E1.) et (E ). Le matériau ferroelectrique peut avantageusement être l'oxyde PbZr T χ03 (appelé PZT).the reaction between the locally unmasked substrate (S) and an oxide containing lead (material 2) such as the mixed oxide of silicon and lead thus formed has an expansion coefficient Δ greater than 3 and leads to the formation with a membrane (m) the deposition and etching of a layer of ferroelectric material to the dimensions of the membrane formed. The masking layer on the substrate (S) can serve as the first electrode (E_.) Since the membrane (m) has a dimension greater than the interval between two masking elements as illustrated in FIG. 2 which represents the substrate ( S) on which the membrane (m) with its cavity (C) has been produced. It is also advantageously possible to deposit an electrode (E * ) between two masking elements (M), before proceeding with the deposition and etching of a ferroelectric layer (CF) as illustrated in FIG. 3. In all cases of In the figure, a counter electrode (E „) is deposited on the ferroelectric element, the electrical signal delivered by the microsensor being thus sampled between the electrodes (E) or (E 1. ) and (E). The ferroelectric material can advantageously be the oxide PbZr T χ 0 3 (called PZT).
L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une matrice de microcapteurs à base de (PZT), formés sur un substrat de silicium caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :The subject of the invention is also a method for producing a matrix of microsensors based on (PZT), formed on a silicon substrate, characterized in that it comprises the following steps:
- réalisation d'un masque sur le silicium dépôt du PZT par centrifugation d'une solution obtenue par procédé sol-gel pour obtenir une couche (CF)
- densif cation de la couche (CF) à haute température provoquant l'oxydation du silicium aux endroits non masqués et la formation d'une membrane d'oxyde mixte de silicium et de plomb sous la couche de PZT. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles :- production of a mask on the silicon deposition of PZT by centrifugation of a solution obtained by the sol-gel process to obtain a layer (CF) - Densation cation of the layer (CF) at high temperature causing the oxidation of silicon in unmasked places and the formation of a membrane of mixed oxide of silicon and lead under the layer of PZT. The invention will be better understood and other advantages will appear on reading the description which follows and the appended figures among which:
- la figure 1 illustre un ensemble de configurations possibles lors de la formation d'un oxyde par consommation d'un substrat : figure la : exemple avec l'oxyde de magnésium figure lb : exemple avec l'oxyde d'aluminium figure le : exemple avec l'oxyde de fer La figure 2 illustre une étape de procédé d'obtention de microcapteurs selon l'invention dans laquelle la membrane et sa cavité ont été formées- Figure 1 illustrates a set of possible configurations during the formation of an oxide by consumption of a substrate: figure la: example with magnesium oxide figure lb: example with aluminum oxide figure le: example with iron oxide FIG. 2 illustrates a step in the process for obtaining microsensors according to the invention in which the membrane and its cavity have been formed
La figure 3 illustre le dépôt d'une électrode (E' ) sur la membrane forméeFIG. 3 illustrates the deposition of an electrode (E ') on the formed membrane
- La figure 4 illustre le dépôt de la couche de matériau ferroelectrique sur la membrane préalablement formée- Figure 4 illustrates the deposition of the layer of ferroelectric material on the previously formed membrane
La figure 5 illustre la gravure du matériau ferroelectrique et le dépôt d'une contre électrode (E„) pour réaliser un microcapteurFIG. 5 illustrates the etching of the ferroelectric material and the deposition of a counter electrode (E „) to produce a microsensor
- La figure 6 illustre l'étape de formation de la membrane et de cavité lors du traitement à haute température d'une couche de PZT- Figure 6 illustrates the step of forming the membrane and cavity during the high temperature treatment of a layer of PZT
- La figure 7 illustre la gravure du PZT et le dépôt de la contre électrode (E„) après la formation de la membrane illustrée à la figure 6. Dans une matrice de microcapteurs selon l'invention, le substrat (S) doit être préalablement masqué pour définir les zones dans lesquelles seront localisées les microcapteurs. Pour cela on utilise un masque jouant le rôle de barrière de diffusion, il peut s'agir de platine. On peut ainsi obtenir dans un second temps une structure d'oxyde poreux localisé de façon
analogue à la formation localisée d'oxyde par oxydation décrite dans le brevet de Philips (A - J. Appels, E. Kool, M.M. Pappen, J.J.H. Schatorgé and .H.C.G. Verkuylen, Philips, Pes. Repts 25, 1970, 118, 132). L'intérêt de l'invention réside alors dans la possibilité de déposer au-dessus des cavités de l'oxyde poreux, un matériau ferroelectrique, sans avoir eu à réaliser un chemin d'accès pour créer la cavité (comme dans le cas des membranes de l'art antérieur, réalisées par attaque chimique).- Figure 7 illustrates the etching of the PZT and the deposition of the counter electrode (E „) after the formation of the membrane illustrated in Figure 6. In a matrix of microsensors according to the invention, the substrate (S) must be previously hidden to define the areas in which the microsensors will be located. For this, a mask is used which acts as a diffusion barrier, it may be platinum. We can thus obtain in a second step a porous oxide structure localized so analogous to the localized formation of oxide by oxidation described in the Philips patent (A - J. Appels, E. Kool, MM Pappen, JJH Schatorgé and .HCG Verkuylen, Philips, Pes. Repts 25, 1970, 118, 132) . The advantage of the invention then lies in the possibility of depositing above the cavities of porous oxide, a ferroelectric material, without having had to make an access path to create the cavity (as in the case of membranes of the prior art, made by chemical attack).
La formation d'oxyde poreux peut être obtenue par réaction entre une couche d'oxyde de plomb et par exemple un substrat de silicium. Dans ce cas la couche de PbO est sacrificielle. La formation d'une couche de PbO peut être obtenue par traitement thermique sous oxygène d'un dépôt d'un précurseur liquide contenant du plomb (par exemple du 2 éthyl-hexanoate de plomb) sur le substrat de silicium préalablement masqué par endroits par des barrières de diffusion pour délimiter les zones où les cavités seront formées. Au cours du traitement thermique, la cavité se forme à l'interface PbO/Silicium. L'oxyde de plomb est consommé à cet endroit pour former une silicate. Il est possible d'utiliser l'élément de masquage éventuellement en platine comme première électrode (E ), la cavité étant partiellement formée en dessous de l'élément de masquage. On peut également avantageusement déposer ensuite une électrode localisée (par exemple du platine par microlithographie) au dessus de la membrane. On réalise ainsi une structure localisée cavité/membrane/électrode.The formation of porous oxide can be obtained by reaction between a layer of lead oxide and for example a silicon substrate. In this case the PbO layer is sacrificial. The formation of a PbO layer can be obtained by thermal treatment under oxygen of a deposit of a liquid precursor containing lead (for example lead 2 ethyl hexanoate) on the silicon substrate previously masked in places by diffusion barriers to delimit the areas where the cavities will be formed. During the heat treatment, the cavity is formed at the PbO / Silicon interface. Lead oxide is consumed there to form a silicate. It is possible to use the masking element optionally made of platinum as the first electrode (E), the cavity being partially formed below the masking element. It is also advantageous to then deposit a localized electrode (for example platinum by microlithography) above the membrane. A localized cavity / membrane / electrode structure is thus produced.
Le matériau ferroelectrique ensuite déposé peut être tout matériau ferroelectrique susceptible d'être obtenu en couche mince. On peut avantageusement utiliser par exemple un procédé sol-gel (tel que décrit dans le brevet "P. Gaucher, S.P. Faure, J. Livage et J. VALENTE, Brevet THOMSON-CSF n° 89 15174 en vue d'obtenir une couche mince de céramique ferroelectrique. La densification de la couche mince de céramique peut être effectuée par recuit rapide (RTA) ou par frittage conventionnel, l'avantage du procédé RTA étant d'éviter par un temps de
traitement thermique très court (de l'ordre d'une minute) la diffusion du plomb dans la membrane. La céramique est ensuite gravée aux dimensions de la cavité par une gravure chimique à base de HC1+HF ou par gravure ionique réactive (RIE) à base de gaz chlorés ou fluorés, on dépose ensuite l'électrode supérieure à travers un masque organique réalisé par microlithographie.The ferroelectric material then deposited can be any ferroelectric material capable of being obtained in a thin layer. One can advantageously use for example a sol-gel process (as described in the patent "P. Gaucher, SP Faure, J. Livage and J. VALENTE, THOMSON-CSF patent n ° 89 15174 in order to obtain a thin layer ferroelectric ceramic. The densification of the ceramic thin layer can be carried out by rapid annealing (RTA) or by conventional sintering, the advantage of the RTA process being to avoid by a time of very short heat treatment (about a minute) the diffusion of lead in the membrane. The ceramic is then etched to the dimensions of the cavity by chemical etching based on HC1 + HF or by reactive ion etching (RIE) based on chlorinated or fluorinated gases, the upper electrode is then deposited through an organic mask produced by microlithography.
L'invention propose également de réaliser l'obtention d'une couche de céramique ferroelectrique de PZT en même temps que celle d'une membrane sous cette couche. L'exemple ci-dessous décrit précisément la réalisation d'un tel procédé :The invention also proposes to obtain a ferroelectric ceramic layer of PZT at the same time as that of a membrane under this layer. The example below describes precisely the realization of such a process:
Le procédé choisi est du silicium monocristallin (100) sur lequel des électrodes de platine ont été déposées par pulvérisation cathodique à travers un masque organique (technique classique de microlithographie). Les régions de silicium masquées par le platine ne seront oxydées que lors du recuit du PZT. Le PZT est déposé par centrifugation d'une solution obtenue par procédé sol-gel. L'épaisseur finale (300 nm) est obtenue après 1 à 20 dépôts selon le procédé. Un séchage à 300°C est nécessaire entre chaque dépôt. La couche est densifiée à 680°C sous oxygène pendant deux heures. L'oxydation du silicium a lieu pendant ce traitement thermique. La figure 6 montre que l'oxyde poreux est principalement situé sous la couche de PZT. La jonction entre les régions masquées et celles non masquées se fait via une structure en "bec d'oiseau" comme dans le cas du LOCOS du Brevet Philips précité. La couche de platine joue le rôle de barrière de diffusion et empêche la réaction de formation de silicate entre le plomb de la céramique et le silicium. Au niveau du "bec d'oiseau" représenté à la figure 6, le rapport des épaisseurs d'oxyde formé dans le silicium est d'environ 1/3 au-dessous et 2/3 au-dessus du silicium. La couche de PZT finale a une épaisseur de 0,3 μm. La hauteur de la cavité est de 0,6 à 1 μm. La largeur de la cavité est fonction de la largeur des motifs pouvant être obtenus par microlithographie. On observe dans le cas de l'exemple cité ici, des largeurs de pores de 3 à 4 μm. L'invention peut aussi être
réalisée quant au dépôt du PZT par d'autres méthodes classiques telles que le dépôt chimique d'organo-métalliques en phase vapeur (OMCVD), la pulvérisation cathodique ou encore l'ablation laser. On grave ensuite le PZT pour localiser le matériau ferroelectrique et donc le microcapteur sur la membrane formée par l'oxyde poreux. On dépose enfin une électrode (E„) sur chaque plot de PZT préalablement obtenu comme l'illustre la figure 7, il peut s'agir par exemple d'une électrode en or. Quel que soit le procédé utilisé selon l'invention, les électrodes (E ) ou (E' ) et (E_) servent à la polarisation du matériau ferroelectrique et à la prise de signal électrique lors de l'utilisation de la matrice de microcapteurs en pyroélectricité ou en piézoélectricité.The chosen method is monocrystalline silicon (100) on which platinum electrodes have been deposited by sputtering through an organic mask (classic microlithography technique). The regions of silicon masked by the platinum will only be oxidized during the annealing of the PZT. The PZT is deposited by centrifugation of a solution obtained by the sol-gel process. The final thickness (300 nm) is obtained after 1 to 20 deposits according to the process. Drying at 300 ° C is necessary between each deposit. The layer is densified at 680 ° C under oxygen for two hours. The oxidation of silicon takes place during this heat treatment. Figure 6 shows that the porous oxide is mainly located under the PZT layer. The junction between the masked regions and those not masked is done via a "bird's beak" structure as in the case of LOCOS of the aforementioned Philips patent. The platinum layer acts as a diffusion barrier and prevents the reaction of silicate formation between the lead of the ceramic and the silicon. At the level of the "bird's beak" represented in FIG. 6, the ratio of the thicknesses of oxide formed in the silicon is approximately 1/3 below and 2/3 above the silicon. The final PZT layer has a thickness of 0.3 μm. The height of the cavity is 0.6 to 1 μm. The width of the cavity is a function of the width of the patterns that can be obtained by microlithography. In the case of the example cited here, pore widths of 3 to 4 μm are observed. The invention can also be performed with respect to the deposition of PZT by other conventional methods such as chemical vapor deposition of organometallic (OMCVD), cathode sputtering or even laser ablation. The PZT is then etched to locate the ferroelectric material and therefore the microsensor on the membrane formed by the porous oxide. Finally, an electrode (E „) is deposited on each PZT pad previously obtained as illustrated in FIG. 7, it may for example be a gold electrode. Whatever the method used according to the invention, the electrodes (E) or (E ') and (E_) are used for the polarization of the ferroelectric material and for the taking of electrical signal during the use of the matrix of microsensors in pyroelectricity or piezoelectricity.
Dans le cas de l'application imageur piézoélectrique, l'intérêt de la cavité qui permet d'augmenter l'amplitude de la déformation induite par une onde sonore provenant d'un objet observé et par la même d'amplifier le signal électrique créé, est de pouvoir utiliser ce dispositif de la même manière qu'une barrette d'échographie, pour observer des objets très petits. Dans le cas de l'application imageur pyroélectrique, l'intérêt de la cavité est de limiter la dissipation thermique dans le substrat souvent de silicium et donc de maintenir un gradient de température suffisant dans le matériau pyroélectrique. La détectivité pourrait alors être comparable aux détecteurs hybrides (très coûteux) réalisés actuellement, avec l'avantage d'une forte intégration et d'un procédé de réalisation simple.In the case of the piezoelectric imager application, the interest of the cavity which makes it possible to increase the amplitude of the deformation induced by a sound wave coming from an object observed and by the same to amplify the electric signal created, is to be able to use this device in the same way as an ultrasound strip, to observe very small objects. In the case of pyroelectric imager application, the advantage of the cavity is to limit the heat dissipation in the often silicon substrate and therefore to maintain a sufficient temperature gradient in the pyroelectric material. Detectivity could then be compared to the hybrid detectors (very expensive) currently produced, with the advantage of high integration and a simple production method.
Dans une matrice selon l'invention, on définit un pixel image par la surface du ferroelectrique équivalente sur la cavité. Selon l'exemple décrit précédemment dans lequel la membrane est formée au cours de la densification de la couche de céramique ferroelectrique, le pixel d'image peut avoir une surface de 4x4 μm2. La distance entre pixels est limitée par la taille du bec d'oiseau, c'est-à-dire 4mm de chaque côté du pore. On peut ainsi avoir 1 pixel tous les 10 μm. Pour une matrice de
512x512 pixels, on obtient une surface équivalente de l'ordre de 5x5 mm2, ceci est compatible avec le report direct sur un dispositif à transfert de charge classique.
In a matrix according to the invention, an image pixel is defined by the surface of the equivalent ferroelectric on the cavity. According to the example described above in which the membrane is formed during the densification of the ferroelectric ceramic layer, the image pixel can have a surface of 4x4 μm 2 . The distance between pixels is limited by the size of the bird's beak, i.e. 4mm on each side of the pore. We can thus have 1 pixel every 10 μm. For a matrix of 512x512 pixels, an equivalent surface of the order of 5x5 mm 2 is obtained, this is compatible with direct transfer to a conventional charge transfer device.
Claims
1. Matrice de microcapteurs à base de matériau ferroelectrique caractérisée en ce que les microcapteurs comprennent un matériau ferroelectrique déposé au dessus des cavités d'une membrane (m) formée sur un substrat (S) contenant du silicium, ladite membrane étant constituée par un oxyde mixte de silicium et de plomb tel que le coefficient d'expansion défini par le rapport M_ρ_./M_.p_ (M.., M_ étant respectivement les masses molaires du substrat à partir duquel est formé l'oxyde et de l'oxyde formé ; p., ρ„ étant respectivement leur densité) est supérieur à 3.1. Matrix of microsensors based on ferroelectric material characterized in that the microsensors comprise a ferroelectric material deposited above the cavities of a membrane (m) formed on a substrate (S) containing silicon, said membrane being constituted by an oxide mixed silicon and lead such that the expansion coefficient defined by the ratio M_ρ _. / M_.p_ (M .., M_ being respectively the molar masses of the substrate from which the oxide is formed and the oxide formed ; p., ρ „being respectively their density) is greater than 3.
2. Matrice de microcapteurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (S) est du silicium.2. Array of microsensors according to claim 1, characterized in that the substrate (S) is silicon.
3. Matrice de microcapteurs selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'oxyde mixte de silicium et de plomb est PbSi03.3. Array of microsensors according to claim 2, characterized in that the mixed oxide of silicon and lead is PbSi0 3 .
4. Matrice de microcapteurs selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que le matériau ferroelectrique est la céramique PbZr.. Ti 04. Array of microsensors according to one of claims 1 to 3 characterized in that the ferroelectric material is ceramic PbZr .. Ti 0
5. Procédé de réalisation d'une matrice de microcapteurs à base de matériau ferroelectrique, formés sur un substrat (S) contenant du silicium, caractérisé en ce qu' il comprend :5. Method for producing a matrix of microsensors based on ferroelectric material, formed on a substrate (S) containing silicon, characterized in that it comprises:
- la réalisation d'un masque sur le substrat (S)- making a mask on the substrate (S)
- la réaction entre le substrat (S) localement non masqué et un oxyde contenant du plomb (matériau 2) tel que l'oxyde mixte de silicium et de plomb ainsi formé à un coefficient d'expansion Δ supérieur à 3 et conduit à la formation d'une membrane (m)the reaction between the locally unmasked substrate (S) and an oxide containing lead (material 2) such as the mixed oxide of silicon and lead thus formed at an expansion coefficient Δ greater than 3 and leads to the formation a membrane (m)
- le dépôt et la gravure d'une couche de matériau ferroelectrique aux dimensions de la membrane formée.- depositing and etching a layer of ferroelectric material to the dimensions of the membrane formed.
6. Procédé de réalisation d'une matrice de microcapteurs selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'avant le dépôt et la gravure d'une couche de matériau ferroelectrique, on procède au dépôt d'une électrode (E' ) entre deux éléments de masquage.6. A method of producing a microsensor matrix according to claim 5 characterized in that before the deposition and etching of a layer of material ferroelectric, we deposit an electrode (E ') between two masking elements.
7. Procédé de réalisation d'une matrice de microcapteurs selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le masque est réalisé en nitrure Si_N, .7. A method of producing a microsensor matrix according to one of claims 5 or 6, characterized in that the mask is made of nitride Si_N,.
8. Procédé de réalisation d'une matrice de microcapteurs selon l'une des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que le substrat S est du silicium.8. A method of producing a microsensor matrix according to one of claims 5 to 7 characterized in that the substrate S is silicon.
9. Procédé de réalisation d'une matrice de microcapteurs selon l'une des revendications 5 à 8 caractérisé en ce que l'oxyde mixte formé est Pb Si0„.9. A method of producing a microsensor matrix according to one of claims 5 to 8 characterized in that the mixed oxide formed is Pb Si0 „.
10. Procédé de réalisation d'une matrice de microcapteurs à base de PbZr, Ti 0„, formés sur un10. Method for producing a matrix of microsensors based on PbZr, Ti 0 „, formed on a
1-x x 3 substrat de silicium caractérisé en ce qu'il comprend : - la réalisation d'un masque sur le silicium le dépôt du PbZr.._ Ti 0. par centrifugation d'une solution obtenue par procédé sol-gel, pour obtenir une couche (CF)1-xx 3 silicon substrate, characterized in that it comprises: - the production of a mask on silicon, the deposition of PbZr .._ Ti 0. by centrifugation of a solution obtained by the sol-gel process, to obtain one layer (CF)
-la densification de la couche (CF) à haute température provoquant l'oxydation du silicium aux endroits non masqués, et la formation locale d'une membrane d'oxyde mixte de silicium et de plomb sous la couche de PbZr.. Ti 0„.-the densification of the layer (CF) at high temperature causing the oxidation of silicon in unmasked places, and the local formation of a membrane of mixed oxide of silicon and lead under the layer of PbZr .. Ti 0 „ .
11. Procédé de réalisation d'une matrice de microcapteurs selon la revendication 10 caractérisé en ce que la densification de la couche (C) est effectuée vers 680°C. 11. A method of producing a microsensor matrix according to claim 10 characterized in that the densification of the layer (C) is carried out around 680 ° C.
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