WO2000044050A1 - Reseau de detecteurs thermiques de rayonnements electromagnetiques et procede de fabrication de celui-ci - Google Patents

Reseau de detecteurs thermiques de rayonnements electromagnetiques et procede de fabrication de celui-ci Download PDF

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WO2000044050A1
WO2000044050A1 PCT/FR2000/000120 FR0000120W WO0044050A1 WO 2000044050 A1 WO2000044050 A1 WO 2000044050A1 FR 0000120 W FR0000120 W FR 0000120W WO 0044050 A1 WO0044050 A1 WO 0044050A1
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mechanical
detector
micro
detectors
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PCT/FR2000/000120
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Jean-Jacques Yon
Michel Vilain
Jean-Louis Ouvrier-Buffet
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14665—Imagers using a photoconductor layer
    • H01L27/14669—Infrared imagers

Definitions

  • the present invention relates to a device for thermal detection of electromagnetic radiation, 0 and to a method of manufacturing the same.
  • An electromagnetic radiation detector based on the principle of thermal detection as shown diagrammatically in FIG. 1 generally consists of different sub-assemblies which carry out the four essential functions necessary for the detection of radiation, namely: - a function absorption:
  • the absorption function converts the energy of the incident electromagnetic wave, which is characteristic of the temperature and emissivity of the scene observed, into a heating of the detection structure.
  • the parameters that characterize this function are:
  • the relative absorption (Ar) which defines the ratio of the luminance of the incident radiation to the luminance actually absorbed by the absorbing structure.
  • a quarter-wave resonant optical cavity makes it possible to obtain a relative absorption close to the ideal value of 100%.
  • the filling factor (Fr) which is the ratio of the useful surface actually participating in the heating of the detector to the total area of it. Filling factors of the order of 50% are thus obtained.
  • Optimizing the absorption function therefore essentially consists in maximizing these parameters Fr and Ar.
  • thermometer function
  • thermometer is an element of which one of the physical characteristics is sensitive to temperature. It can be the electrical resistivity of the material in the case of resistive bolometers, the conductivity of semiconductor devices, the residual polarization in the case of a pyroelectric detector, the dielectric constant in the case of a ferroelectric detector, etc.
  • the essential quality factor that characterizes the function of a thermometer is the relative variation of the physical quantity observed with temperature. For a resistive bolometer with resistance R, this quality factor is expressed by dR / R.dT, otherwise noted TCR. Optimizing the thermometer consists of maximizing this parameter.
  • thermometer is thermally isolated from its environment, for example by placing the thermometer on a membrane suspended above a substrate, according to an architecture called "micro-bridge", which is thermally isolated on the one hand by integrating the detector into an environment under reduced gas pressure and on the other hand, by inserting a specific thermal insulation device between the micro-bridge supporting the thermometer and the downstream signal processing circuit.
  • the characteristic thermal parameters are on the one hand the thermal impedance Rth which must be maximized in order to improve the sensitivity of the detector and on the other hand, the capacity calorific Cth which translates the thermal inertia of the thermometer which must be minimized in order to reduce the response time of the detector to a variation in the incident flux.
  • the response time which is proportional to the product Rth x Cth is typically from a few milliseconds to a few tens of milliseconds. In order to achieve a sensitive and rapid detector at the same time, it is sought to maximize the efficiency of the thermal insulation and to minimize the volume of the thermometer. This optimization involves the production of structures in thin layers.
  • the signal processing function consists in translating the electrical signal delivered by the thermometer into a video signal which can be used by a camera. This function is performed:
  • this first solution which requires treating each component individually, is incompatible with a process where technological manufacturing operations are carried out simultaneously on a large number of components assembled flat on a substrate. This first solution therefore poses the problem of a high manufacturing cost.
  • thermometer On the other hand, ensure the transmission of the electrical signal from the thermometer to the processing circuit.
  • Figures 2 and 3 schematically represent the layout of the different functions necessary for detection.
  • Figure 2 refers to an architecture where the detector is assembled above the processing circuit, while Figure 3 shows a configuration where these two elements are juxtaposed. These two figures are represented:
  • thermometer which constitutes the thermometer and corresponds to the active zone of the detector which effectively collects the incident photons
  • the zone 13 is not shown because it is located under the detector.
  • the devices 11, 12 and 13 do not participate in the detection; to maximize the filling factor, we therefore seek to limit the area necessary for their realization, by:
  • European patent application EP-0 354 369 thus describes an uncooled monolithic infrared detector network of bolometers manufactured on a silicon substrate.
  • the bolometers include a stack of silicon oxide, TiN (titanium nitride), a-Si: H (hydrogenated amorphous silicon), TiN, silicon oxide.
  • TiN titanium nitride
  • a-Si: H hydrogenated amorphous silicon
  • TiN titanium oxide
  • the titanium nitride forms the infrared absorber and the resistance contacts, and the amorphous silicon the resistance with a high temperature coefficient of resistivity.
  • the resistor is suspended above the silicon substrate by metallic interconnections and the associated processing circuit is formed in the silicon substrate below the resistor.
  • a first solution consists in compensating for the stresses which develop in a thin layer by the provision of an additional layer in contact with this layer.
  • a second solution consists in reducing the amplitude of the intrinsic stresses of the materials used by resorting to heat treatments at high temperatures in order to relax the stresses.
  • this solution results in thermally constraining the electronic processing circuit placed under the detector and degrading the functionality of said circuit.
  • FIG. 4 represents a perspective view of a unitary detector characterized by thermal insulation devices 12 of intermediate length.
  • the structures most often- ' produced, illustrated in Figures 5, 6 and 7, represent a plan view of three neighboring detectors 16, 17 and 18 forming part of a generally more complex structure, linear strip or two-dimensional stamping detectors.
  • thermal insulation is maximized by means of very long thermal insulation devices 12 associated with mechanical holding devices and electrical interconnection 11.
  • This embodiment has the following drawbacks:
  • the filling factor is maximized by limiting the area devoted to the thermal insulation devices 12; mechanical deformations are limited and a fine structure can be used.
  • this embodiment has reduced thermal insulation and, consequently, limited detection sensitivity.
  • thermal leaks can be divided into eight branches instead of two, resulting in a loss of sensitivity by a factor of 4.
  • the object of the invention is to propose a device for the thermal detection of electromagnetic radiation comprising thermal micro-bridge detectors using the thinnest and most plane suspended active layers possible.
  • the present invention relates to a device for the thermal detection of electromagnetic radiation comprising at least two micro-bridge detectors having mechanical holding devices with a circuit for processing the signal supplied by the detectors, characterized in that the suspended layers of the micro-bridges two neighboring detectors are connected together by additional mechanical connections, separate from the mechanical holding devices.
  • each mechanical connection is an extension of at least one of the suspended layers of the micro-bridges.
  • each mechanical connection comprises a material with low heat conductivity.
  • the (or) mechanical connection (s) is (are) in alignment with two mechanical holding devices, each belonging to one of two neighboring detectors.
  • the device of the invention can be connected to one or more neighboring devices by forming a repetitive configuration of said detector according to a linear or matrix architecture suitable for producing images of sources of electromagnetic waves.
  • the invention relates more particularly to the field of infrared detectors based on the principle of thermal detection as opposed to quantum detection, and advantageously operating at room temperature.
  • the invention also relates to a method of manufacturing such a device starting from a treatment circuit showing on the surface metallic bonding pads, passive by an insulating layer in which openings are provided at the pads. This process includes the following steps:
  • a reflector is produced on the surface of the treatment circuit by deposition of a metal layer and definition by photolithography;
  • An optical cavity is produced by deposition and annealing of a sacrificial layer which is then removed; - at least two layers constituting the micro-bridge are deposited, namely
  • connection pads, the sacrificial layer, the layer of temperature-sensitive material and the conductive layer • by etching the connection pads, the sacrificial layer, the layer of temperature-sensitive material and the conductive layer to the right
  • the electrodes of the detector are defined by etching the conductive layer
  • the layer of temperature-sensitive material, the conductive layer and the optional layers necessary for making the micro-bridge are simultaneously etched, using a mask to spare an area between the detectors.
  • the layer of temperature sensitive material is a layer of amorphous silicon.
  • the conductive layer constituting the electrodes of the detector is a layer of titanium nitride.
  • the metal layer, which ensures electrical continuity between the electrical pads and the micro-bridge electrodes, is a layer of aluminum.
  • the metallic layer, constituting the electrodes of the detector is removed, in the areas occupied by mechanical connections.
  • a last layer can be deposited, which can be a layer of silicon oxide, silicon nitride, or amorphous silicon.
  • connection devices are thinned by partial etching of the latter.
  • the conductive layer and the optional layer can be eliminated at the connections.
  • connection element made of a material other than those already present is reported on micro-bridges completely isolated from each other. in the icro-bridge and having a low heat conductivity: for example silicon nitride or a polymeric material.
  • the signal processing circuit can thus advantageously be integrated into the detection circuit according to a monolithic structure, which is preferable to a hybrid structure, in terms of performance and costs.
  • Figure 1 illustrates the block diagram of a conventional electromagnetic radiation thermal detector.
  • FIGS 2 and 3 schematically represent the layout of the different functions necessary for detection.
  • FIGS 4, 5, 6 and 7 illustrate several conventional detector structures.
  • FIG. 8 illustrates a first embodiment of the detection device according to the invention.
  • FIG. 9 illustrates a second embodiment of the detection device according to the invention.
  • FIG. 10 shows the template of the filter suitable for processing a signal from a central detector having two connection elements to the neighboring detectors.
  • FIGS. 11A and 11B illustrate two sectional views of a structure produced according to a preferred embodiment of the invention in the field of infrared detection.
  • FIG. 12 illustrates the drawing of a mask which cuts out a micro-bridge according to the invention.
  • the present invention relates to a device for the thermal detection of electromagnetic radiation comprising at least two micro-bridge detectors, in which the “suspended” layers of the micro-bridges are connected together by a mechanical connection. These suspended layers are the micro-bridge layers which are physically isolated from the substrate and held above the substrate by mechanical holding devices.
  • This device represented in FIG. 8, comprises the following elements:
  • Each mechanical connection 15, 15 ' can be an extension of at least one of the suspended layers micro-bridges. It can be made of a material with low heat conductivity.
  • the device of the invention has mechanical stability reinforced by specific holding devices, which ensure mechanical continuity between each detector and its closest neighbors.
  • the realization of a repetitive configuration of the detector of the invention according to a linear or matrix architecture leads to an assembly of detectors which will be described as related, whose mechanical strength is improved.
  • Rcx L 2 / ( ⁇ 2. 2 .E) with:
  • ⁇ , L ⁇ , ⁇ , E ⁇ being respectively the heat conductivity, the length, the width and the thickness of the thermal insulation devices 12 and ⁇ , L 2 , W 2 , E representing the same parameters relating to the mechanical connections 15, 15 '.
  • the intermodulation between detectors can therefore be limited and adjusted according to the intended application, thanks to a suitable drawing of the devices 12, 15 and 15 '.
  • values of the order of 20%, which make it possible to produce a good quality infrared retina, can be obtained for connections 15, 15 ′ having a double length of the thermal insulation arms 12, as illustrated in FIG. 9 .
  • FIG. 10 thus represents the template of a filter suitable for processing a signal from a central detector 16 having two connection elements to neighboring detectors 17 and 18 and characterized by an intermodulation rate of 10%.
  • FIGS. 11A and 11B show two sectional views of a structure produced according to a preferred embodiment of the invention, showing two neighboring detectors 16 and 17.
  • the first section (FIG. 11A) is produced outside the connection devices 15 and 15 ', while the second ( Figure 11B) crosses them.
  • the method of manufacturing such a device starts from a processing circuit 19 already completed, obtained according to known techniques, for example microelectronics on silicon, showing on the surface metal bonding pads 20 which make it possible to make the electrical connections between the detectors and the inputs of the processing circuit.
  • These connecting pads 20 are usually passive by an insulating layer 21 in which openings have been arranged at the pads.
  • the role of this reflector is to optimize the absorption of the infrared wave by improving the efficiency of the quarter-wave resonant cavity constituted by the reflector 22, the micro-bridge 29 and the space between these two elements.
  • the thickness of this layer is generally 2.5 micrometers, which makes it possible to produce a sensitive detector in a wavelength range of the order of 10 micrometers.
  • the layers constituting the micro-bridge, which are then deposited on the sacrificial layer 23, are at least two in number:
  • a layer 24 of temperature-sensitive material which may be amorphous silicon deposited according to a conventional process
  • a conductive layer 25 constituting the electrodes of the detector which may be titanium nitride deposited by reactive sputtering.
  • the mechanical holding and electrical interconnection devices are those of a micro-bridge in the infrared domain. The stages of obtaining them are specific to them, independent of the preceding stages described and can be replaced by the stages of obtaining other holding and interconnection devices.
  • connection pads 20 An etching, according to photolithography methods, of the layers 23, 24, 25 in line with the connection pads 20; - Then, the deposition of one or more metallic layers 26 which ensure electrical and mechanical continuity between the connection pads and the electrodes of the micro-bridge.
  • This metallic layer consists, for example, of aluminum.
  • This layer 26 is defined and etched according to conventional methods, so as to limit the size of these interconnection devices to the only surface necessary for good resumption of contact with the electrode 25 of the detector.
  • the electrodes of the device of the invention are then defined by etching the metal layer 25 according to a configuration adapted to the electrical characteristics which it is desired to give to the detector.
  • This layer 25 is advantageously removed from the zones which will subsequently be occupied by the connection members, so as to avoid electrical short circuits between detectors and to improve the thermal impedance of the connections.
  • This layer 28 can be either an electrically active material, possibly of the same nature as the temperature-sensitive material 24, or an electrically neutral material which can be a material with low heat conductivity because it can increase the thermal leaks of the micro-bridge. Therefore, silicon oxide, silicon nitride or amorphous silicon are preferably used.
  • a final photolithographic level makes it possible to define the perimeter of the detectors by simultaneous etching of the layers 24, 25, 28, which makes it possible: - to isolate the detectors from each other;
  • thermal insulation devices 12 cut in the micro-bridge 29 proper, so as to achieve between the mechanical holding device and electrical interconnection on the one hand and the detector on the other hand, a reduced section, long length and good mechanical strength.
  • connections between detectors can also be made during this last step.
  • the etching of the layers 24, 25, 28 spares a particular area, of limited extent and located between the detectors, the spared material constituting the connection devices.
  • the spared area has a small section, typically 0.5 to 3 micrometers wide for a thickness equal to the thickness of the micro-bridge.
  • the geometric ratio of the connection to the total perimeter of the detector is then very limited, which makes it possible to produce detectors having a low thermal intermodulation.
  • a first variant of the invention consists in thinning the connection devices by partially etching them.
  • One can either completely engrave one of the layers of the connection elements, or substantially thin one of its components by controlling the etching time.
  • the metal layer 25 and the optional layer 28 can be eliminated at the connections, without limiting the mechanical strength of the assembly.
  • This local etching process calls for the use of a particular mask and the usual photolithography techniques.
  • a second variant consists in attaching to micro-bridges completely isolated from each other, a connection element made of a material possibly other than those already present in the micro-bridge and chosen for its favorable thermal characteristics, for example nitride of silicon or polymeric materials that have low heat conductivity.
  • Polymers of the PVDF type are particularly favorable since they have a heat conductivity lower by an order of magnitude than the heat conductivity of silicon oxide.
  • the usual deposition techniques, in particular PECVD, LPCVD deposition, sputtering, spreading of solution containing a liquid precursor, etc. can be used.
  • the invention can also be applied to connection devices of geometric shape other than rectangular.
  • a design that maximizes the length is favorable since it limits the intermodulation between detectors.
  • FIG. 12 shows the drawing of a mask which cuts the micro-bridge according to the concept of the invention and which maximizes the length of the connections.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de détection thermique de rayonnements électromagnétiques comportant au moins deux détecteurs à micro-ponts, présentant des dispositifs de maintien mécanique avec un circuit de traitement du signal fourni par les détecteurs, dans lequel les couches suspendues des micro-ponts de deux détecteurs voisins (16, 17, 18) sont réliées entre elles par des connexions mécaniques supplémentaires (15, 15'), distinctes des dispositifs de maintien mécanique. La présente invention concerne également le procédé de fabrication d'un tel dispositif.

Description

RESEAU DE DETECTEURS THERMIQUES DE RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES ET PROCEDE DE FABRICATION DE CELUI-CI
DESCRIPTION
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de détection thermique de rayonnements électromagnétiques, 0 et un procédé de fabrication de celui-ci.
Etat de la technique antérieure
Un détecteur de rayonnements électromagnétiques basé sur le principe d'une détection thermique, tel que représenté schématiquement sur la figure 1 est généralement constitué de différents sous-ensembles qui réalisent les quatre fonctions essentielles nécessaires à la détection du rayonnement, à savoir : - une fonction d'absorption : La fonction d'absorption permet de convertir l'énergie de l'onde électromagnétique incidente, qui est caractéristique de la température et de l'émissivité de la scène observée, en un échauffement de la structure de détection. Les paramètres qui caractérisent cette fonction sont :
• D'une part l'absorption relative (Ar) qui définit le rapport de la luminance du rayonnement incident à la luminance effectivement absorbée par la structure absorbante. Une cavité optique résonnante quart d'onde permet d'obtenir une absorption relative proche de la valeur idéale de 100 %.
• D'autre part le facteur de remplissage (Fr) qui est le rapport de la surface utile participant effectivement à l' échauffement du détecteur à la surface totale de celui-ci. On obtient ainsi des facteurs de remplissage de l'ordre de 50 % .
L'optimisation de la fonction d'absorption consiste donc essentiellement à maximiser ces paramètres Fr et Ar.
- une fonction de thermomètre :
Le thermomètre est un élément dont l'une des caractéristiques physiques est sensible à la température. Ce peut être la résistivité électrique du matériau dans le cas des bolomètres résistifs, la conductivité de dispositifs à semi-conducteurs, la polarisation résiduelle dans le cas d'un détecteur pyroélectrique, la constante diélectrique dans le cas d'un détecteur ferroélectrique, etc.. Le facteur de qualité essentiel qui caractérise la fonction de thermomètre est la variation relative de la grandeur physique observée avec la température. Pour un bolomètre résistif de résistance R ce facteur de qualité s'exprime par dR/R.dT, autrement noté TCR. L'optimisation du thermomètre consiste à maximiser ce paramètre.
- une fonction d'isolation thermique :
Le thermomètre est isolé thermiquement de son environnement, par exemple en disposant le thermomètre sur une membrane suspendue au-dessus d'un substrat, selon une architecture appelée « micro-pont », qui est isolée thermiquement d'une part en intégrant le détecteur dans un environnement sous pression de gaz réduite et d'autre part, en intercalant un dispositif spécifique d'isolation thermique entre le micro-pont supportant le thermomètre et le circuit aval de traitement du signal. Les paramètres thermiques caractéristiques sont d'une part l'impédance thermique Rth qu'il faut maximiser afin d'améliorer la sensibilité du détecteur et d'autre part, la capacité calorifique Cth qui traduit l'inertie thermique du thermomètre qu'il faut minimiser afin de réduire le temps de réponse du détecteur à une variation du flux incident. Le temps de réponse qui est proportionnel au produit Rth x Cth est typiquement de quelques millisecondes à quelques dizaines de millisecondes. Afin de réaliser un détecteur sensible et rapide à la fois, on cherche à maximiser l'efficacité de l'isolation thermique et à réduire au maximum le volume du thermomètre. Cette optimisation implique la réalisation de structures en couches minces.
- une fonction de traitement du signal : La fonction de traitement du signal consiste à traduire le signal électrique délivré par le thermomètre en un signal vidéo qui est exploitable par une caméra. Cette fonction est réalisée :
• Soit par hybridation du circuit de détection sur le circuit de traitement : cette première solution, qui nécessite de traiter individuellement chaque composant, est incompatible avec un procédé où les opérations technologiques de fabrication sont réalisées simultanément sur un grand nombre de composants assemblés à plat sur un substrat. Cette première solution pose donc le problème d'un coût de fabrication élevé.
• Soit par assemblage du détecteur sur un micro-pont suspendu au-dessus d'un circuit de traitement préexistant. Le composant réalisé est alors dit « monolithique ». Cette deuxième solution qui permet de s'affranchir du problème du coût de fabrication impose des contraintes sévères sur les procédés technologiques qui réalisent la structure de détection : en particulier le budget thermique doit être limité afin de ne pas dégrader les performances électriques du circuit de traitement. Outre ces différentes fonctions, il faut de plus :
• D'une part réaliser le maintien mécanique entre le détecteur et le circuit de traitement.
• D'autre part assurer la transmission du signal électrique issu du thermomètre vers le circuit de traitement.
Les figures 2 et 3 représentent schématiquement l'implantation des différentes fonctions nécessaires à la détection. La figure 2 fait référence à une architecture où le détecteur est assemblé au-dessus du circuit de traitement, alors que la figure 3 représente une configuration où ces deux éléments sont juxtaposés. Sur ces deux figures sont représentées :
- une zone 10 qui constitue le thermomètre et correspond à la zone active du détecteur qui collecte effectivement les photons incidents ;
- des zones 11 qui constituent les dispositifs de maintien mécanique et d'interconnexion électrique entre le détecteur et le circuit de traitement ;
- les zones 12 qui constituent les dispositifs d'isolation thermique du détecteur ;
- une zone 13 qui représente le circuit de traitement du signal.
Sur la figure 2, la zone 13 n'est pas représentée car elle se situe sous le détecteur.
Les dispositifs 11, 12 et 13 ne participent pas à la détection ; pour maximiser le facteur de remplissage on cherche donc à limiter la surface nécessaire à leur réalisation, en :
- limitant leur nombre à un strict minimum, par exemple à deux ; - limitant leur dimension, en réduisant la longueur des dispositifs d'isolation thermique, et donc leur section et leur épaisseur afin de conserver une isolation thermique suffisante. - privilégiant l'architecture où le détecteur est assemblé sur le circuit de traitement selon une architecture monolithique.
La demande de brevet Européen EP-0 354 369 décrit, ainsi, un réseau détecteur infrarouge monolithique non refroidi de bolometres fabriqués sur un substrat en silicium. Les bolometres comprennent une pile d'oxyde de silicium, de TiN (nitrure de titane), a-Si:H (silicium amorphe hydrogéné), TiN, d'oxyde de silicium. Le nitrure de titane forme l'absorbeur infrarouge et les contacts de résistance, et le silicium amorphe la résistance avec un coefficient en température élevé de résistivité. La résistance est suspendue au-dessus du substrat en silicium par des interconnexions métalliques et le circuit de traitement associé est formé dans le substrat en silicium au- dessous de la résistance.
Pour minimiser les déformations mécaniques des structures fines mises en oeuvre une première solution consiste à compenser les contraintes qui se développent dans une couche mince par la disposition d'une couche supplémentaire en contact avec cette couche.
Une seconde solution consiste à réduire l'amplitude des contraintes intrinsèques des matériaux utilisés en ayant recours à des traitements thermiques à températures élevées afin de relaxer les contraintes. Mais cette solution conduit à contraindre thermiquement le circuit électronique de traitement disposé sous le détecteur et à dégrader la fonctionnalité dudit circuit . On va, à présent, considérer plusieurs exemples de réalisation selon l'art antérieur.
La figure 4 représente une vue en perspective d'un détecteur unitaire caractérisé par des dispositifs d'isolation thermique 12 de longueur intermédiaire.
Les structures les plus souvent-' réalisées, illustrées sur les figures 5, 6 et 7, représentent une vue en plan de trois détecteurs voisins 16, 17 et 18 faisant partie d'une structure généralement plus complexe, barrette linéaire ou matriçage à deux dimensions de détecteurs .
Dans la réalisation illustrée sur la figure 5, l'isolation thermique est maximisée grâce à des dispositifs d'isolation thermique 12 très longs associés à des dispositifs de maintien mécanique et d'interconnexion électrique 11. Cette réalisation présente les inconvénients suivants :
- une zone active 10 réduite du fait de l'encombrement des dispositifs d'isolation, d'où un facteur de remplissage faible ;
- une tendance au fléchissement de la partie 12 du fait de sa longueur, ce qui nécessite une membrane plus épaisse pour assurer la rigidité mécanique.
Dans la réalisation illustrée sur la figure 6, le facteur de remplissage est maximisé en limitant la surface consacrée aux dispositifs d'isolation thermique 12 ; les déformations mécaniques sont limitées et une structure fine peut être utilisée. Mais cette réalisation présente une isolation thermique réduite et par voie de conséquence une sensibilité de détection limitée.
Dans la réalisation illustrée sur la figure 7, quatre liaisons physiques sont introduites entre le détecteur et le circuit de traitement, lesdites liaisons étant constituées de dispositifs d'isolation thermique 12 associés à des dispositifs de maintien mécanique et d'interconnexion électrique 11. Cette réalisation permet d'obtenir une bonne stabilité mécanique de la structure et des détecteurs en couches minces. Mais cette réalisation présente les inconvénients suivants :
- une zone active 10 réduite du fait du nombre et de l'encombrement des dispositifs d'isolation 12 et des dispositifs de maintien mécanique et d'interconnexion électrique 11 ; le facteur de remplissage de ce type de détecteur est donc faible ;
- une isolation thermique plus faible car les fuites thermiques peuvent se répartir dans huit branches au lieu de deux, d'où une perte de sensibilité d'un facteur 4.
L'invention a pour objectif de proposer un dispositif de détection thermique de rayonnements électromagnétiques comprenant des détecteurs thermiques à micro-pont utilisant des couches actives suspendues les plus minces et les plus planes possible.
Exposé de l'invention
La présente invention concerne un dispositif de détection thermique de rayonnements électromagnétiques comportant au moins deux détecteurs à micro-ponts présentant des dispositifs de maintien mécanique avec un circuit de traitement du signal fourni par les détecteurs, caractérisé en ce que les couches suspendues des micro-ponts de deux détecteurs voisins sont reliées entre elles par des connexions mécaniques supplémentaires, distinctes des dispositifs de maintien mécanique. Avantageusement chaque connexion mécanique est un prolongement de l'une au moins des couches suspendues des micro-ponts.
Avantageusement chaque connexion mécanique comprend un matériau à faible conductibilité calorifique.
Avantageusement la (ou les) connexion (s) mécanique (s) est (sont) dans l'alignement de deux dispositifs de maintien mécanique, appartenant chacun à l'un de deux détecteurs voisins.
Avantageusement le dispositif de l'invention peut être relié à un ou plusieurs dispositifs voisins en formant une configuration répétitive dudit détecteur selon une architecture linéaire ou matricielle adaptée à la réalisation d'images de sources d'ondes électromagnétiques .
L'invention concerne plus particulièrement le domaine des détecteurs infrarouges basés sur le principe d'une détection thermique par opposition à la détection quantique, et fonctionnant avantageusement à température ambiante .
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif en partant d'un circuit de traitement faisant apparaître en surface des plots métalliques de liaison, passives par une couche isolante dans laquelle des ouvertures sont aménagées au niveau des plots. Ce procédé comprend les étapes suivantes :
- on réalise un réflecteur en surface du circuit de traitement par dépôt d'une couche métallique et définition par photolithographie ;
- on réalise une cavité optique par dépôt et recuit d'une couche sacrificielle qui est enlevée ensuite ; - on dépose au moins deux couches constituant le micro-pont, à savoir
• une couche de matériau sensible à la température, • une couche conductrice constituant les électrodes du détecteur ;
- on réalise les dispositifs de maintien mécanique et d'interconnexion électrique
• en réalisant une gravure au droit des plots de liaison, de la couche sacrificielle, de la couche de matériau sensible à la température et de la couche conductrice,
• en déposant et en gravant au moins une couche métallique qui permet d'assurer la continuité électrique et mécanique entre les plots de liaison et les électrodes du micro-pont ;
- on définit les électrodes du détecteur par gravure de la couche conductrice ;
- on grave simultanément la couche de matériau sensible à la température, la couche conductrice et les couches optionnelles nécessaires a la réalisation du micro-pont, en utilisant un masque pour épargner une zone située entre les détecteurs.
Avantageusement on peut avoir les caractéristiques suivantes . La couche de matériau sensible à la température est une couche de silicium amorphe. La couche conductrice constituant les électrodes du détecteur est une couche de nitrure de titane. La couche métallique, qui permet d'assurer la continuité électrique entre les plots électriques et les électrodes du micro-pont est une couche d'aluminium. La couche métallique, constituant les électrodes du détecteur est enlevée, dans les zones occupées par les connexions mécaniques . Après 1 ' étape de définition des électrodes du détecteur par gravure de la couche conductrice, on peut déposer une dernière couche, qui peut être une couche d'oxyde de silicium, de nitrure de silicium, ou de silicium amorphe.
Dans une première variante de réalisation, on amincit les dispositifs de connexion grâce à une gravure partielle de ces derniers. Avantageusement on peut éliminer la couche conductrice et la couche optionnelle au niveau des connexions.
Dans une seconde variante de réalisation on rapporte sur des micro-ponts complètement isolés les uns des autres, un élément de connexion réalisé dans un matériau autre que ceux déjà présents . dans le icro- pont et présentant une faible conductibilité calorifique : par exemple du nitrure de silicium ou un matériau polymère.
L'invention permet d'obtenir les résultats avantageux suivants :
• L'efficacité de l'absorption de l'onde incidente est optimisée, grâce à une meilleure conformation géométrique de la cavité optique qui est une cavité résonante quart d'onde. • La réalisation de structures de très faible épaisseur, typiquement 100 nanomètres, voire moins est rendue possible, et non plus de l'ordre de 500 nanomètres, comme dans les dispositifs de l'art antérieur. La mise en oeuvre d'un micro-pont en couches minces permet aussi de réduire l'inertie thermique du détecteur, et par voie ..de conséquence conduit à la réalisation de détecteurs plus rapides vis-à-vis des modulations du flux incident.
• En favorisant la zone active qui participe effectivement à la collecte des photons incidents, on augmente le facteur de remplissage. La sensibilité du détecteur est donc augmentée. Typiquement l'invention permet d'obtenir un facteur de remplissage de l'ordre de 80 %, ce qui est très supérieur au facteur de remplissage de d'ordre de 50 % de l'art antérieur.
• Les déformations mécaniques induites par les contraintes intrinsèques des couches constituant le micro-pont sont compensées par les connexions mécaniques. Les composants réalisés ne nécessitent donc pas de traitements thermiques de relaxation des contraintes. Le circuit de traitement du signal peut ainsi être avantageusement intégré au circuit de détection selon une structure monolithique, ce qui est préférable à une structure hybride, en terme de performances et de coûts .
Brève description des dessins
La figure 1 illustre le schéma de principe d'un détecteur thermique de rayonnement électromagnétique classique.
Les figures 2 et 3 représentent schématiquement l'implantation des différentes fonctions nécessaires à la détection.
Les figures 4, 5, 6 et 7 illustrent plusieurs structures classiques de détecteur.
La figure 8 illustre un premier mode de réalisation du dispositif de détection selon 1 ' invention.
La figure 9 illustre un second mode de réalisation du dispositif de détection selon 1 ' invention.
La figure 10 représente le gabarit du filtre adapté au traitement d'un signal issu d'un détecteur central présentant deux éléments de connexion vers les détecteurs voisins. Les figures 11A et 11B illustrent deux vues en coupe d'une structure réalisée selon un mode préféré de l'invention dans le domaine de la détection infrarouge.
La figure 12 illustre le dessin d'un masque qui réalise la découpe d'un micro-pont selon l'invention.
Exposé détaillé de modes de réalisation
Dans la suite de la description les éléments analogues à ceux des dispositifs de l'art antérieur décrits ci-dessus conservent les mêmes références.
La présente invention concerne un dispositif de détection thermique de rayonnements électromagnétiques comportant au moins deux détecteurs à micro-ponts, dans lequel les couches « suspendues » des micro-ponts sont reliées entre elles par une connexion mécanique. Ces couches suspendues sont les couches du micro-pont qui sont isolées physiquement du substrat et maintenues au- dessus du substrat par des dispositifs de maintien mécanique. Ce dispositif, représenté sur la figure 8, comprend les éléments suivants :
- deux dispositifs de maintien mécanique et d'interconnexion électrique 11 par détecteur ;
- deux dispositifs d'isolation thermique 12 par détecteur ;
- une zone active sensible au rayonnement 10 par détecteur ;
- deux connexions mécaniques 15, 15' qui relient mécaniquement le détecteur central 16 aux détecteurs voisins 17 et 18, et qui empêche l'affaiblissement des zones du micro-pont les plus éloignées des dispositifs de maintien mécanique 11.
Chaque connexion mécanique 15, 15' peut être un prolongement de l'une au moins des couches suspendues des micro-ponts. Elle peut être constituée par un matériau à faible conductibilité calorifique.
Le dispositif de l'invention présente une stabilité mécanique renforcée par des dispositifs spécifiques de maintien, qui assurent une continuité mécanique entre chaque détecteur et ses plus proches voisins. La réalisation d'une configuration répétitive du détecteur de l'invention selon une architecture linéaire ou matricielle conduit à un assemblage de détecteurs qu'on qualifiera de connexes, dont la tenue mécanique est améliorée.
L' intermodulation thermique IMT qui se traduit par une intermodulation électrique entre détecteurs voisins est parfaitement définie par les dimensions géométriques respectives des dispositifs d'isolation thermique 12 et des connexions mécaniques 15 et 15' et de ce fait, peut être corrigée. Au premier ordre, on a les relations suivantes : IMT = dT/dTv = Rth/ (Rth+2.Rcx)
Rth = Li/ (λi. i.Ei)
Rcx = L2/ (λ2. 2.E ) avec :
• dT l' échauffement d'un détecteur, induit via les connexions mécaniques, par l' échauffement dTv du détecteur voisin recevant le flux infrarouge ;
• Rth l'impédance thermique des dispositifs d'isolation thermique 12 ;
• Rcx l'impédance thermique des connexions mécaniques 15 et 15' ;
• λχ,Lι, ι,Eι étant respectivement la conductibilité calorifique, la longueur, la largeur et l'épaisseur des dispositifs d'isolation thermique 12 et λ ,L2,W2,E représentant les mêmes paramètres relatifs aux connexions mécaniques 15, 15' . Dans ce cas particulier où les dispositifs 12, 15 et 15 ' présentent la même section et une conductibilité calorifique identique, l'intermodulation IMT entre détecteurs s'exprime par : IMT = i/ (L]+2.L2)
L'intermodulation entre détecteurs peut donc être limitée et ajustée en fonction de l'application visée, grâce à un dessin idoine des dispositifs 12, 15 et 15'. Typiquement des valeurs de l'ordre de 20 %, qui permettent de réaliser une rétine infrarouge de bonne qualité, peuvent être obtenues pour des connexions 15, 15' présentant une longueur double des bras d'isolation thermique 12, comme illustré sur la figure 9.
On peut également s'affranchir totalement de l'intermodulation introduite par les connexions en procédant à un traitement mathématique adapté du signal issu des détecteurs, en déconvoluant (filtrage inverse) le signal brut entaché d'intermodulation par un filtre dont le gabarit est défini par le taux d'intermodulation. La figure 10 représente ainsi le gabarit d'un filtre adapté au traitement d'un signal issu d'un détecteur central 16 présentant deux éléments de connexions vers les détecteurs voisins 17 et 18 et caractérisé par un taux d'intermodulation de 10 %.
On va à présent décrire plusieurs modes de réalisation du dispositif de l'invention.
Les figures 11A et 11B montre deux vues en coupe d'une structure réalisée selon un mode préféré de l'invention, en représentant deux détecteurs voisins 16 et 17. La première coupe (figure 11A) est réalisée en dehors des dispositifs de connexions 15 et 15', alors que la seconde (figure 11B) traverse ceux-ci.
Le procédé de fabrication d'un tel dispositif part d'un circuit de traitement 19 déjà achevé, obtenu suivant les techniques connues par exemple de la microélectronique sur silicium, faisant apparaître en surface des plots métalliques 20 de liaison qui permettent de réaliser les connexions électriques entre les détecteurs et les entrées du circuit de traitement. Ces plots de liaison 20 sont ordinairement passives par une couche isolante 21 dans laquelle des ouvertures ont été aménagées au niveau des plots.
Une couche métallique 22, par exemple en aluminium, est avantageusement déposée et définie par photolithographie afin de réaliser un réflecteur infrarouge en surface du circuit de traitement 19. Le rôle de ce réflecteur est d'optimiser l'absorption de l'onde infrarouge en améliorant l'efficacité de la cavité résonante quart d'onde constituée par le réflecteur 22, le micro-pont 29 et l'espace entre ces deux éléments .
Une couche sacrificielle 23, composée par exemple de polyimide, est ensuite étendue et éventuellement recuite. Cette couche sur laquelle est assemblé le micro-pont et qui est enlevée in fine, permet de réaliser ladite cavité. L'épaisseur de cette couche est généralement de 2,5 micromètres, ce qui permet de réaliser un détecteur sensible dans une gamme de longueur d'onde de l'ordre de 10 micromètres.
Les couches constituant le micro-pont, qui sont ensuite déposées sur la couche sacrificielle 23, sont au moins au nombre de deux :
- une couche 24 de matériau sensible à la température qui peut être du silicium amorphe déposé selon un procédé classique ;
- une couche conductrice 25 constituant les électrodes du détecteur, qui peut être du nitrure de titane déposé par pulvérisation réactive. Les dispositifs de maintien mécanique et d'interconnexion électrique dont la réalisation va être décrite ci-après, sont ceux d'un micro-pont dans le domaine de l'infrarouge. Les étapes de leur obtention leur sont spécifiques, inépendantes des étapes précédentes décrites et peuvent être remplacées par les étapes d'obtention d'autres dispositifs de maintien et d' interconnexion.
Ces dispositifs de maintien mécanique et d'interconnexion électrique sont ainsi obtenus en réalisant :
- une gravure, selon des procédés de photolithographie, des couches 23, 24, 25 au droit des plots de liaison 20 ; - puis, le dépôt de une ou plusieurs couches métalliques 26 qui permettent d'assurer la continuité électrique et mécanique entre les plots de liaison et les électrodes du micro-pont. Cette couche métallique est constituée, par exemple, d'aluminium. Cette couche 26 est définie et gravée selon les procédés classiques, de façon à limiter l'encombrement de ces dispositifs d'interconnexion à la seule surface nécessaire à une bonne reprise de contact avec l'électrode 25 du détecteur. On définit alors les électrodes du dispositif de l'invention par gravure de la couche métallique 25 selon une configuration adaptée aux caractéristiques électriques que l'on souhaite donner au détecteur. Cette couche 25 est avantageusement enlevée des zones qui seront ultérieurement occupées par les organes de connexion, de manière à éviter les courts-circuits électriques entre détecteurs et à améliorer l'impédance thermique des connexions .
On peut également déposer sur le micro-pont 29 une dernière couche 28 qui permet d'obtenir une structure symétrique moins sensible aux contraintes internes qui se développent dans les couches, en compensant les phénomènes de type « bilame ». Cette couche 28 peut être soit un matériau électriquement actif, éventuellement de même nature que le matériau sensible à la température 24, soit un matériau électriquement neutre qui peut être un matériau à faible conductibilité calorifique car il peut augmenter les fuites thermiques du micro-pont. On utilise donc de manière préférentielle de l'oxyde de silicium, du nitrure de silicium ou encore du silicium amorphe.
Un dernier niveau photolithographique permet de définir le périmètre des détecteurs par gravure simultanée des couches 24, 25, 28, ce qui permet : - d'isoler les détecteurs entre eux ;
- de définir les dispositifs d'isolation thermique 12 taillés dans le micro-pont 29 proprement dit, de façon à réaliser entre le dispositif de maintien mécanique et d'interconnexion électrique d'une part et le détecteur d'autre part, un organe de section réduite, de longueur importante et de bonne tenue mécanique .
Les connexions entre détecteurs peuvent aussi être réalisées au cours de cette dernière étape. En utilisant un masque au dessin adéquat, la gravure des couches 24, 25, 28 épargne une zone particulière, d'étendue limitée et située entre les détecteurs, la matière épargnée constituant les dispositifs de connexion. La zone épargnée présente une section faible, typiquement de 0,5 à 3 micromètres de large pour une épaisseur égale à l'épaisseur du micro-pont. Le rapport géométrique de la connexion au périmètre total du détecteur est alors très limité, ce qui permet de réaliser des détecteurs présentant une faible intermodulation thermique. On va à présent considérer successivement plusieurs variantes du dispositif de l'invention ayant pour but de limiter l'intermodulation thermique entre détecteurs, tout en assurant une tenue mécanique satisfaisante .
Une première variante de l'invention consiste à amincir les dispositifs de connexion grâce à une gravure partielle de ces derniers. On peut soit graver totalement une des couches des éléments de connexion, soit amincir sensiblement l'une de ses composantes par le contrôle du temps de gravure. A titre d'exemple la couche métallique 25 et la couche optionnelle 28 peuvent être éliminées au niveau des connexions, sans pour autant limiter la tenue mécanique de l'ensemble. Ce procédé de gravure locale fait appel à l'utilisation d'un masque particulier et aux techniques de photolithographie usuelles.
Une seconde variante consiste à rapporter sur des micro-ponts complètement isolés les uns des autres, un élément de connexion réalisé dans un matériau éventuellement autre que ceux déjà présents dans le micro-pont et choisi pour ses caractéristiques thermiques favorables, par exemple le nitrure de silicium ou des matériaux polymères qui présentent une faible conductibilité calorifique. Les polymères du type PVDF sont particulièrement favorables car ils présentent une conductibilité calorifique inférieure d'un ordre de grandeur à la conductibilité calorifique de l'oxyde de silicium. Les techniques usuelles de dépôt, en particulier les dépôts PECVD, LPCVD, pulvérisation cathodique, épandage de solution contenant un précurseur liquide, etc.. sont utilisables . l'invention peut également s'appliquer à des dispositifs de connexion de forme géométrique autre que rectangulaire. Un dessin qui maximise la longueur est favorable puisqu'il limite l'intermodulation entre détecteurs. A titre d'exemple, la figure 12 montre le dessin d'un masque qui réalise la découpe du micro-pont selon le concept de l'invention et qui maximise la longueur des connexions.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection thermique de rayonnements - électromagnétiques comportant au moins deux détecteurs à micro-ponts présentant des dispositifs de maintien mécanique avec un circuit de traitement du signal fourni par les détecteurs, caractérisé en ce que les couches suspendues des microponts de deux détecteurs voisins (16, 17, 18) sont reliées entre elles par des connexions mécaniques supplémentaires (15, 15')/ distinctes des dispositifs de maintien mécanique.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque connexion mécanique (15, 15') est un prolongement de l'une au moins des couches suspendues des micro-ponts.
3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque connexion mécanique (15, 15') comprend un matériau à faible conductibilité calorifique.
4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la (ou les) connexion (s) mécanique (s) (15, 15') est (sont) dans l'alignement de deux dispositifs de maintien mécanique (11), appartenant chacun à l'un de deux détecteurs voisins.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit dispositif forme une configuration répétitive de détecteurs selon une architecture linéaire ou matricielle.
6. Procédé de fabrication d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que en partant d'un circuit de traitement (19) faisant apparaître en surface des plots métalliques de liaison (20) , il comprend les étapes suivantes : - on réalise un réflecteur (22) en surface du circuit de traitement par dépôt d'une couche métallique et définition par photolithographie ;
- on réalise une cavité optique par dépôt d'une couche sacrificielle (23), qui est enlevée ensuite ;
- on dépose au moins deux couches constituant le micro-pont, à savoir
• une couche de matériau sensible à la température (24) , • une couche conductrice (25) constituant les électrodes du détecteur ;
- on réalise les dispositifs de maintien mécanique et d'interconnexion électrique
• en réalisant une gravure au droit des plots de liaison, de la couche sacrificielle (23), de la couche de matériau sensible à la température (24) et de la couche conductrice (25) ,
• en déposant et en gravant au moins une couche métallique (26) qui permet d'assurer la continuité électrique et mécanique entre les plots de liaison (20) et les électrodes du micro-pont (25) ;
- on définit les électrodes du détecteur par gravure de la couche conductrice (25) ;
- on grave simultanément la couche de matériau sensible à la température (24) , la couche conductrice (25) et des couches optionnelles (28) , en utilisant un masque pour épargner une zone située entre les détecteurs.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la couche de matériau sensible à la température (24) est une couche de silicium amorphe.
8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la couche conductrice (25) constituant les électrodes du détecteur est une couche de nitrure de titane.
9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on dépose une couche d'aluminium (26) qui permet d'assurer la continuité électrique entre les plots électriques (20) et les électrodes du micro-pont (25) .
10. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on enlève la couche métallique (25) , constituant les électrodes du détecteur, dans les zones occupées par les connexions mécaniques (15, 15').
11. Procédé selon la revendication 6, dans lequel, après l'étape de définition des électrodes du détecteur par gravure de la couche conductrice (25) , on dépose une dernière couche (28) .
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel cette dernière couche (28) est une couche d'oxyde de silicium, de nitrure de silicium, ou de silicium amorphe.
13. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on amincit les connexions mécaniques (15, 15') grâce à une gravure partielle de ces dernières.
14. Procédé selon la revendication 13 , dans lequel on élimine la couche conductrice (25) et la dernière couche (28) au niveau des connexions.
15. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on rapporte, sur des micro-ponts complètement isolés les uns des autres, un élément de connexion réalisé en un matériau qui présente une faible conductibilité calorifique.
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel le matériau à faible conductibilité calorifique est du nitrure de silicium ou un matériau polymère.
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