WO2023052691A1 - Procede de realisation d'au moins une fenetre optique, fenetre optique et detecteur infrarouge associes - Google Patents

Procede de realisation d'au moins une fenetre optique, fenetre optique et detecteur infrarouge associes Download PDF

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WO2023052691A1
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oxide film
substrate
silicon
diffraction grating
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PCT/FR2022/051429
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Willy LUDURCZAK
Stéphane ALTAZIN
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Lynred
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    • H01L31/02325—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements not being integrated nor being directly associated with the device

Definitions

  • 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.
  • An infrared sensor is traditionally composed of a matrix of sensitive elementary detectors.
  • the elementary infrared detectors form the pixels of an infrared image.
  • the invention aims to improve the spectral properties of the boxes containing the sensitive detection elements.
  • 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.
  • the uncoated optical window exhibits a transmittance that is wider than the wavelength range of interest.
  • 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.
  • this optical window is structured with respect to the micro-bolometer(s).
  • this structuring is intended to attenuate the wavelengths comprised between 2 and 8 micrometers, and to form an antireflection filter for the wavelengths of interest comprised between 8 and 14 micrometers.
  • 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, which is necessary to achieve the expected performance, the level of vacuum in the hermetic case must typically be less than 0.1 Pa, ie 10.3 mbar.
  • monolithic manufacturing consists of depositing a succession of thin layers on a sacrificial layer covering an elementary detector, as for example described in document US 2017/0309758 or in document FR 2983297.
  • manufacturing by transfer consists of manufacturing independently the infrared detector on the one hand, and the optical window on the other hand, and then transferring the optical window thus formed onto the substrate bearing the infrared detector.
  • document FR 2 985 576 proposes making an optical window 110 whose outer face 17 is covered with an interference multilayer filter 20, and whose inner face 16 is provided with a periodic diffraction grating 210, as illustrated in Figure 1 of the state of the art.
  • 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.
  • 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.
  • 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 between between 5 and 8 micrometers.
  • the optical window 110 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.
  • 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.
  • the production of the periodic diffraction grating 210 requires the implementation of photolithographic and reactive ion etching processes, also known by the acronym RIE for “Reactive Ion Etching”.
  • this RIE etching is carried out in an etching chamber using an appropriate reagent.
  • the depth of etching of the solid substrate 120 is determined according to the duration of the RIE etching, according to a method called “time etching”.
  • time etching a method 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.
  • the desired etching depth is obtained by the product of the etching rate and the reagent application time.
  • the disparity of the reagent within the etching chamber is the cause of non-uniformities in the depth of the etching.
  • etching as shown schematically in Figure 2 of the state of the art. It follows that certain periodic diffraction gratings 210 are etched with a much greater depth P1 than other periodic diffraction gratings 210 etched with a depth P2. This phenomenon can be explained in particular with the edge-center effects. In practice, differences in etching depth P1-P2 of the order of 15% have been observed on substrates 120 of 200 millimeters in diameter.
  • the invention therefore aims to produce optical windows for the transfer fabrication method, presenting uniform transmittance performance and which can also be produced on a large scale.
  • 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.
  • oxide film for example of silicon oxide
  • the substrate consists of a layer of silicon or germanium, surmounted by an oxide film, itself surmounted by a film of silicon or germanium.
  • the substrate has a silicon or germanium film fixed on an insulating film.
  • 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.
  • the notions of “film” and of “layer” are distinguished because of the differences in respective thicknesses.
  • 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.
  • the invention relates to a method for producing at least one optical window for an infrared detector, obtained by transferring the optical window onto a base substrate, 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 silicon or germanium film; reactive ion 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 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.
  • 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.
  • the invention is particularly counterintuitive because it is known that an oxide layer or film degrades transmittance performance.
  • 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.
  • the presence of this oxide film outside the patterns of the periodic diffraction grating degrades the transmittance performance of the optical windows.
  • This degradation of the transmittance performance of the optical windows is counterbalanced by obtaining uniform transmittance performance.
  • the etching of the oxide film is isotropic and partial in nature.
  • 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
  • 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.
  • a plurality of periodic diffraction gratings of several optical windows are produced simultaneously, the method ultimately comprising a step of separating the optical windows.
  • a very thin oxide film that is to say with a thickness between 10 and 100 nanometers.
  • the patterns defining the periodic diffraction grating must be thick enough to guarantee the optical properties of said grating.
  • the silicon or germanium film preferably has a thickness of between 1 and 3 micrometers.
  • 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.
  • an oxide film with a high selectivity compared to the reactive ion etching used to make the patterns of the periodic network of diffraction 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.
  • 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 prove to be less effective in attacking the oxide film. 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.
  • selectivity means the ratio between the etching speeds of the same process on two types of target layers to be etched.
  • the etching speed in nanometers per minute is determined by bringing an oxide layer into contact with a plasma of sulfur hexafluoride SFO, then the etching speed in nanometers per minute by bringing into contact a layer of silicon or of germanium with the same sulfur hexafluoride plasma.
  • the oxide film is preferably made of silicon dioxide SiCh. This embodiment makes it possible to obtain a particularly effective selectivity for reactive ion etching.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the interference multilayer filter attenuates the transmission of the optical window over a first range of wavelengths between 2 and 5 micrometers
  • the periodic diffraction grating attenuates the transmission of the optical window over a second range of wavelengths comprised between 5 and 8 micrometers.
  • the interference multilayer filter attenuates the transmission of the optical window over a first range of wavelengths between 2 and 6 micrometers
  • the periodic diffraction grating attenuates the transmission of the optical window over a second range of wavelengths between 4 and 8 micrometers.
  • x be between 2 and 8 micrometers, and that y be less than or equal to x.
  • the method comprises the steps following steps: reactive ion etching of the silicon or germanium film with stopping 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 the oxide film so as to remove the oxide film present at the level of the patterns of the second periodic diffraction grating of the second face of the substrate.
  • the two etches of the oxide film are isotropic and partial in nature.
  • the two reactive ion etchings and the two isotropic etchings can be carried out successively or simultaneously.
  • the periodic diffraction grating can have a hexagonal or square mesh.
  • at least one periodic diffraction grating has an Archimedes or Penrose grating.
  • 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.
  • Advantageous high-order symmetry can be obtained if the network includes a mesh of the “quasicrystal” type.
  • at least one periodic diffraction grating may consist of a grating of two-dimensional patterns derived from Penrose tilings.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • at least one periodic diffraction grating comprises spots having a period, a diameter and a height comprised between 1 and 2.5 micrometers.
  • the invention thus makes it possible to produce an optical window having improved transmittance performance and which can be produced in bulk.
  • the invention relates to an optical window for an infrared detector obtained by transferring the optical window onto a base substrate, comprising: a substrate consisting of a layer of silicon or germanium; a periodic diffraction grating arranged on a first face of the substrate and presenting 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).
  • 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.
  • Figure 1 schematically illustrates an optical window of the state of the art
  • FIG. 2 schematically illustrates a first step in the production of several prior art optical windows
  • FIG. 3 schematically illustrates a second step in the production of several prior art optical windows
  • FIG. 4 schematically illustrates a first step in producing an optical window according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 5 schematically illustrates a second step in the production of an optical window according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 6 schematically illustrates a third step in the production of an optical window according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 7 schematically illustrates a fourth step in the production of an optical window according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 8 schematically illustrates a first step in producing an optical window according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 9 schematically illustrates a second step in producing an optical window according to the second embodiment of the invention.
  • FIG. 10 schematically illustrates a third step in the production of an optical window according to the second embodiment of the invention.
  • FIG. 11 schematically illustrates an infrared detector integrating an optical window according to the first embodiment of FIG. 7;
  • Figure 12 schematically illustrates an infrared detector integrating an optical window according to the second embodiment of Figure 10.
  • Figures 4-7 and 8-10 illustrate two distinct embodiments of an optical window 24a, 24b.
  • the optical window 24a, 24b contributes to the production of an infrared detector 10a, 10b.
  • the optical window 24a, 24b may be intended to cover one or more elementary detectors, for example micro-bolometers 19.
  • optical window 24a, 24b it is possible to form the optical window 24a, 24b to cover a single micro-bolometer 19 in a chip-on-substrate implantation, also known by the English name "chip to wafer”, or to use the optical window 24a, 24b as a cover substrate in a substrate-on-substrate implantation , also known by the Anglo-Saxon name “wafer to wafer”.
  • the elementary detector 19 in a vacuum sealed box, for example a ceramic box, by fixing the optical window 24a, 24b above the elementary detector 19.
  • the fixing of the elementary detector 19 and the optical window 24a, 24b in a housing can be made by soldering or sealing.
  • the optical window 24a, 24b has at least one face 16, 17 structured with a periodic diffraction grating 21.
  • the periodic diffraction grating 21 is circumscribed in a transmission zone intended to come opposite a micro-bolometer 19.
  • the optical window has several juxtaposed transmission zones, and each transmission zone is intended to come opposite a micro-bolometer 19 arranged in a matrix fashion on a base substrate 18.
  • the periodic diffraction grating 21 can be formed by studs or holes extending perpendicularly from a face 16, 17 of a substrate 11, 12.
  • the periodic grating diffraction 21 may have an Archimedes or Penrose grating.
  • 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 "quasi-crystal" type.
  • the periodic diffraction grating 21 may correspond to a grating of two-dimensional patterns resulting from Penrose tilings. It follows that the periodic diffraction grating 21 can exhibit effective attenuation in the wavelength range between ⁇ and 8 micrometers.
  • this periodic diffraction grating 21 is obtained by reactive ion etching with stopping on an oxide film 13.
  • the substrate 11, 12 used to form the periodic diffraction grating 21 has a particular structure .
  • the substrate 11 used to produce the optical window 24a comprises a layer of silicon or germanium 25 whose upper face 16 is coated with an oxide film 13 , itself coated with a film of silicon or germanium 14.
  • the silicon or germanium layer 25 may have a thickness of between 3 and 10 micrometers while the oxide film 13 and the silicon or germanium film 14 may have a thickness of between 0.1 and 3 micrometers.
  • the oxide film 13 can be made of silicon dioxide with a thickness of 10 to 100 nanometers, while the silicon or germanium film 14 can have a thickness between 1 and 3 micrometers.
  • the process for manufacturing the substrate 11 may correspond to the “Smart-Cut” technology from the company Soitec, described in document WO 2018/137937.
  • the reactive gases used during the reactive ion etching are selected so that the etching process has a selectivity of at least five with respect to the silicon or germanium-14 film.
  • the thickness of the silicon or germanium film 14 of the substrate 11 used does not correspond to the thickness sought to form an effective periodic diffraction grating 21, it is possible to implement an epitaxy step to obtain growth silicon or germanium 14 film.
  • an SOI substrate 11 with a silicon dioxide film 13 of 20 nanometers as well as a silicon film 14 with a thickness between 100 nanometers and 1.5 micrometers and to carry out an epitaxy step to obtain a silicon film 14 of 2 micrometers.
  • FIG. 5 illustrates a second step of the first embodiment, consisting in making an interference multilayer filter 20 on a lower face 17 of the substrate 11.
  • this interference multilayer filter 20 can be obtained by making successive depositions of sulphide layers zinc and germanium.
  • the upper face 16 of the substrate 11 is then structured, as illustrated in FIG. 6, so as to form the periodic diffraction grating 21 by means of reactive ion etching with stopping on the oxide film 13.
  • a resin is previously deposited and structured by photolithography to define the shape of the periodic diffraction grating. Reactive gases are then used during the reactive ion etching to form the patterns of the periodic diffraction grating 21.
  • the resin is removed, for example by etching with a plasma of oxygen, ammonia, fluoride hydrogen or acetone.
  • An isotropic etching is then implemented to remove the oxide film 13 present at the level of the patterns of the periodic diffraction grating 21, as illustrated in FIG. 7.
  • This isotropic etching therefore makes it possible to remove the oxide film 13 present in the bottom of the openings forming the patterns of the periodic diffraction grating 21.
  • a part of the oxide film 13 present under the patterns of the periodic diffraction grating 21 can also be etched by isotropic etching.
  • the optical window 24a thus formed therefore has an upper face 16 provided with a periodic diffraction grating 21 whose patterns are fixed on the substrate 11 by means of an oxide film 13 having openings at the level of the patterns of the periodic grating. diffraction 21.
  • the lower face 17 of the optical window 24a has an interference multilayer filter 20.
  • This optical window 24a can be produced individually or simultaneously with other similar optical windows 24a. To do this, the method also comprises a step of separating the optical windows 24a collectively formed.
  • the substrate 12 used to produce the optical window 24b comprises a layer of silicon or germanium 25, the upper face 16 of which is coated with an oxide film 13, itself coated with a film of silicon or germanium 14.
  • the lower face 17 is also coated with an oxide film 13, itself coated with a silicon or germanium film 14.
  • the silicon or germanium layer 25 as well as the oxide film 13 and the silicon or germanium film 14 may correspond to those described with reference to the first embodiment.
  • the two faces 16, 17 of the substrate 12 are structured to form two periodic diffraction gratings 21, as illustrated in FIG. 9.
  • two reactive ion etchings with stopping on the diffraction film corresponding oxide 13 can be implemented, using the method described with reference to the first embodiment.
  • an isotropic etching is implemented to remove the oxide film 13 at the level of the patterns of each periodic diffraction grating 21 of each face 16, 17 of the substrate 12, as illustrated in FIG. 10.
  • the optical window 24b thus formed therefore comprises an upper face 16 having a periodic diffraction grating 21 whose patterns are fixed on the substrate 11 by means of an oxide film 13 having openings at the level of the patterns of the periodic diffraction grating 21.
  • the lower face 17 of the optical window 24b also has a periodic diffraction grating 21 whose patterns are fixed on the substrate 11 by means of an oxide film 13 having openings at the grating patterns. periodic diffraction 21.
  • This optical window 24b can be produced individually or simultaneously with other similar optical windows 24b. To do this, the method also comprises a step of separating the optical windows 24b collectively formed.
  • the optical window 24a or 24b After having formed the optical window 24a or 24b, the latter can be transferred onto a base substrate 18, on which a micro-bolometer 19 is mounted in suspension, as illustrated in FIGS. 11 and 12. During this transfer, the optical window can be turned over, as illustrated in FIG. 11 in which the upper face 16 of the substrate 11 is fixed in contact with an upper surface of walls 27 rising perpendicularly with respect to the base substrate 18 .
  • a hermetic weld is conventionally carried out by heating a bead of weld 29 to a temperature between 270 and 320° C. in an environment under controlled pressure so as to guarantee the level of vacuum required. in the cavity formed around the micro-bolometer 19.
  • several elementary detectors can be formed simultaneously on the same substrate with a step consisting in cutting out the base substrate 18 and the optical window 24a, 24b to separate the various elementary detectors thus formed.
  • the invention makes it possible to obtain an optical window 24a, 24b having uniform transmittance performance and which can also be produced on a large scale.
  • the invention finds a particularly advantageous application for elementary detectors in the infrared range, such as micro-bolometers.
  • the invention can also be applied to cooled detectors or photodiodes based on mercury-cadmium telluride, indium-galium-arsenide or germanium.

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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).

Description

PROCEDE DE REALISATION D’AU MOINS UNE FENETRE OPTIQUE, FENETRE OPTIQUE ET
DETECTEUR INFRAROUGE ASSOCIES
DOMAINE DE L’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.
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.
Plus particulièrement, l’invention vise à améliorer les propriétés spectrales des boitiers contenant les éléments sensibles de détection.
ETAT DE LA TECHNIQUE
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.
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. 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 0.1 Pa, soit 10’3 mbar.
Pour former une fenêtre optique sur un détecteur élémentaire, il existe principalement deux méthodes de fabrication : la fabrication monolithique et la fabrication par report. La fabrication monolithique consiste à déposer une succession de couches minces sur une couche sacrificielle recouvrant un détecteur élémentaire, tel que par exemple décrit dans le document US 2017/0309758 ou dans le document FR 2983297. Au contraire, la fabrication par report consiste à fabriquer indépendamment le détecteur infrarouge d’une part, et la fenêtre optique d'autre part, et de reporter ensuite la fenêtre optique ainsi formée sur le substrat portant le détecteur infrarouge.
Pour obtenir une fenêtre optique avec un nombre de défauts limité et réalisable à faible coûts au moyen de techniques usuelles de fabrication collective à grande échelle, la fabrication par report est classiquement utilisée. Avec une telle méthode, le document FR 2 985 576 propose de réaliser une fenêtre optique 110 dont la face externe 17 est recouverte d’un filtre multicouche interférentiel 20, et dont la face interne 16 est pourvue d’un réseau périodique de diffraction 210, tel qu’illustré sur la figure 1 de l’état de la technique.
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.
Par exemple, le filtre multicouche interférentiel 20 peut être conçu pour atténuer la transmission optique globale de la fenêtre optique 110 sur 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 optique 110 sur l’intervalle complet de 2 à 8 micromètres.
En outre, le réseau périodique de diffraction 210 peut être conçu pour atténuer la transmission optique globale de la fenêtre optique 110 sur 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. Après avoir formé la fenêtre optique 110, 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 optique 110 est 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.
Avec cette technique, plusieurs fenêtres optiques 110 peuvent être formées simultanément sur une même galette massive en silicium ou en germanium, le terme « galette » étant mieux connu sous l’expression anglo-saxonne « wafer ».
On observe cependant une dispersion des propriétés optiques des fenêtres optiques formées collectivement. Plus précisément, la réalisation du réseau périodique de diffraction 210 nécessite la mise en œuvre de procédés de photolithographic et de gravure ionique réactive, également connue sous l’acronyme anglo-saxon RIE pour « Reactive Ion Etching ».
Classiquement, cette gravure RIE est réalisée dans une chambre de gravure en utilisant un réactif approprié.
Lors de la réalisation collective de plusieurs réseaux périodiques de diffraction 210 en lien avec plusieurs fenêtres optiques 110, la profondeur de gravure du substrat massif 120 est 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 substrat 120 et de la nature du réactif utilisé pour la gravure RIE. 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 figure 2 de l’état de la technique. Il s’ensuit que certains réseaux périodiques de diffraction 210 sont gravés avec une profondeur PI bien supérieure à d’autres réseaux périodiques de diffraction 210 gravés avec une profondeur P2. Ce phénomène s’explique notamment avec les effets bord- centre. En pratique, il a été constaté des différences de profondeur de gravure P1-P2 de l’ordre de 15% sur des substrats 120 de 200 millimètres de diamètre. Ce problème d’uniformité sur la profondeur de gravure obtenue lors de la formation d’un réseau de diffraction, est implicitement une limitation de la solution décrite dans le document FR 2 985 576. Lorsque les fenêtres optiques 110 sont séparées, tel qu’illustré sur la figure 3, cette non- uniformité des réseaux périodiques de diffraction 210 est à ce point impactante qu’elle se traduit par une disparité sur les qualités de transmission des fenêtres optiques 110. En effet, il a été évalué que les écarts de profondeur de gravure P1-P2 entrainent des écarts sur les transmittances au sein d’un lot de fenêtres optiques 110 de l’ordre de 17.5 %.
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.
L’invention vise donc la réalisation de fenêtres optiques pour la méthode de fabrication par report, présentant des performances de transmittances uniformisées et pouvant en outre être réalisées à grande échelle.
EXPOSE DE L’INVENTION
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.
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.
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.
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. Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge, obtenu par report de la fenêtre optique sur un substrat d’embase, 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.
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.
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.
Cette dégradation des performances de transmittance des fenêtres optiques est contrebalancée par l’obtention de performances de transmittance uniformisées.
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 obtenue 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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.
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 SFÔ, 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.
Pour obtenir cette sélectivité, le film d’oxyde est préférentiellement constitué de dioxyde de silicium SiCh. Ce mode de réalisation permet d’obtenir une sélectivité particulièrement efficace pour la gravure ionique réactive.
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.
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.
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.
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.
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. 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.
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.
En outre, il est également possible de remplacer le filtre multicouche interférentiel par un second réseau périodique de diffraction.
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.
De préférence, les deux gravures du film d’oxyde sont de nature isotropique et partielle.
Les deux gravures ioniques réactives et les deux gravures isotropiques peuvent être réalisées successivement ou simultanément.
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.
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.
L’invention permet ainsi de réaliser une fenêtre optique présentant des performances de transmittance améliorées et pouvant être réalisée en masse.
Selon un second aspect, l’invention concerne une fenêtre optique pour détecteur infrarouge obtenu par report de la fenêtre optique sur un substrat d’embase, 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 fïxé(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.
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. BREVE DESCRIPTION DES 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 :
La figure 1 illustre schématiquement une fenêtre optique de l’état de la technique ;
La figure 2 illustre schématiquement une première étape de réalisation de plusieurs fenêtres optiques de l’état de la technique ;
La figure 3 illustre schématiquement une seconde étape de réalisation de plusieurs fenêtres optiques de l’état de la technique ;
La figure 4 illustre schématiquement une première étape de réalisation d’une fenêtre optique selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
La figure 5 illustre schématiquement une deuxième étape de réalisation d’une fenêtre optique selon le premier mode de réalisation de l’invention ;
La figure 6 illustre schématiquement une troisième étape de réalisation d’une fenêtre optique selon le premier mode de réalisation de l’invention ;
La figure 7 illustre schématiquement une quatrième étape de réalisation d’une fenêtre optique selon le premier mode de réalisation de l’invention ;
La figure 8 illustre schématiquement une première étape de réalisation d’une fenêtre optique selon un second mode de réalisation de l’invention ;
La figure 9 illustre schématiquement une deuxième étape de réalisation d’une fenêtre optique selon le second mode de réalisation de l’invention ;
La figure 10 illustre schématiquement une troisième étape de réalisation d’une fenêtre optique selon le second mode de réalisation de l’invention ;
La figure 11 illustre schématiquement un détecteur infrarouge intégrant une fenêtre optique selon le premier mode de réalisation de la figure 7 ; et
La figure 12 illustre schématiquement un détecteur infrarouge intégrant une fenêtre optique selon le second mode de réalisation de la figure 10.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Les figures 4 à 7 et 8 à l0 illustrent deux modes de réalisation distincts d’une fenêtre optique 24a, 24b. Pour ces deux modes de réalisation, la fenêtre optique 24a, 24b contribue à la réalisation d’un détecteur infrarouge 10a, 10b. En fonction du type de détecteur infrarouge 10a, 10b, la fenêtre optique 24a, 24b peut-être destinée à recouvrir un ou plusieurs détecteurs élémentaires, par exemple des micro-bolomètres 19. En effet, il est possible de former la fenêtre optique 24a, 24b pour recouvrir un seul micro-bolomètre 19 dans une implantation puce sur substrat, également connue sous l’appellation anglo-saxonne « chip to wafer », ou d’utiliser la fenêtre optique 24a, 24b comme substrat capot dans une implantation substrat sur substrat, également connue sous l’appellation anglo-saxonne « wafer to wafer ».
En outre, il est également possible d’intégrer le détecteur élémentaire 19 dans un boitier hermétique sous vide, par exemple un boîtier en céramique, en fixant la fenêtre optique 24a, 24b au-dessus du détecteur élémentaire 19. La fixation du détecteur élémentaire 19 et de la fenêtre optique 24a, 24b dans un boîtier peut être réalisée par brasure ou scellement.
Quel que soit le type d’implantation envisagée, la fenêtre optique 24a, 24b présente au moins une face 16, 17 structurée avec un réseau périodique de diffraction 21.
De préférence, le réseau périodique de diffraction 21 est circonscrit dans une zone de transmission destinée à venir en regard d’un micro-bolomètre 19. Ainsi, pour une implantation substrat sur substrat, la fenêtre optique présente plusieurs zones de transmission juxtaposées, et chaque zone de transmission est destinée à venir en regard d’un micro-bolomètre 19 disposé de façon matricielle sur un substrat d’embase 18.
Tel que décrit dans le document FR 2 985 576, le réseau périodique de diffraction 21 peut être formé par des plots ou des trous s’étendent perpendiculairement depuis une face 16, 17 d’un substrat 11, 12. Par exemple, le réseau périodique de diffraction 21 peut présenter 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 « quasi-cristal ». Par exemple, le réseau périodique de diffraction 21 peut correspondre à un réseau de motifs à deux dimensions issu de pavages de Penrose. Il s’ensuit que le réseau périodique de diffraction 21 peut présenter une atténuation efficace dans la gamme de longueurs d’onde comprise entre y et 8 micromètres.
Selon l’invention, ce réseau périodique de diffraction 21 est obtenu par une gravure ionique réactive avec arrêt sur un film d’oxyde 13. Pour ce faire, le substrat 11, 12 utilisé pour former le réseau périodique de diffraction 21 présente une structure particulière. Selon un premier mode de réalisation, tel qu’illustré sur la figure 4, le substrat 11 utilisé pour réaliser la fenêtre optique 24a comporte une couche de silicium ou de germanium 25 dont la face supérieure 16 est revêtue d’un film d’oxyde 13, lui-même revêtue d’un film de silicium ou de germanium 14.
La couche de silicium ou de germanium 25 peut présenter une épaisseur comprise 3 et 10 micromètres tandis que le film d’oxyde 13 et le film de silicium ou de germanium 14 peuvent présenter une épaisseur comprise entre 0.1 et 3 micromètres. Par exemple, le film d’oxyde 13 peut être constitué de dioxyde de silicium avec une épaisseur de 10 à 100 nanomètres, alors que le film de silicium ou de germanium 14 peut présenter une épaisseur comprise entre 1 et 3 micromètres. Le procédé de fabrication du substrat 11 peut correspondre à la technologie « Smart-Cut » de la société Soitec, décrite dans le document WO 2018/137937.
De préférence, les gaz réactifs mis en œuvre lors de la gravure ionique réactive sont sélectionnés de sorte que le procédé de gravure présente une sélectivité d’au moins cinq vis-à-vis du film de silicium ou de germanium 14.
Si l’épaisseur du film de silicium ou de germanium 14 du substrat 11 utilisé ne correspond pas à l’épaisseur recherchée pour former un réseau périodique de diffraction efficace 21, il est possible de mettre en œuvre une étape d’épitaxie pour obtenir une croissance du film de silicium ou de germanium 14.
Par exemple, il est possible de se procurer un substrat SOI 11 avec un film de dioxyde de silicium 13 de 20 nanomètres ainsi qu’un film de silicium 14 d’épaisseur comprise entre 100 nanomètres et 1.5 micromètre et de réaliser une étape d’épitaxie pour obtenir un film de silicium 14 de 2 micromètres.
La figure 5 illustre une deuxième étape du premier mode de réalisation, consistant à réaliser un filtre multicouche interférentiel 20 sur une face inférieure 17 du substrat 11. Par exemple, ce filtre multicouche interférentiel 20 peut être obtenu en réalisant des dépôts successifs de couches de sulfure de zinc et de germanium.
La face supérieure 16 du substrat 11 est ensuite structurée, tel qu’illustré sur la figure 6, de sorte à former le réseau périodique de diffraction 21 au moyen d’une gravure ionique réactive avec arrêt sur le film d’oxyde 13. Pour ce faire, une résine est préalablement déposée et structurée par photolithographic pour définir la forme du réseau périodique de diffraction. Des gaz réactifs sont ensuite utilisés lors de la gravure ionique réactive pour former les motifs du réseau périodique de diffraction 21. Après gravure ionique réactive, la résine est retirée, par exemple par gravure avec un plasma d’oxygène, d’ammoniac, de fluorure d’hydrogène ou d’acétone.
Une gravure isotropique est ensuite mise en œuvre pour supprimer le film d’oxyde 13 présent au niveau des motifs du réseau périodique de diffraction 21, tel qu’illustré sur la figure 7. Cette gravure isotropique permet donc de supprimer le film d’oxyde 13 présent dans le fond des ouvertures formant les motifs du réseau périodique de diffraction 21. En outre, tel qu’illustré sur la figure 7, une partie du film d’oxyde 13 présente sous les motifs du réseau périodique de diffraction 21 peut également être gravée par la gravure isotropique.
Le fenêtre optique 24a ainsi formée présente donc une face supérieure 16 munie d’un réseau périodique de diffraction 21 dont les motifs sont fixés sur le substrat 11 au moyen d’un film d’oxyde 13 présentant des ouvertures au niveau des motifs du réseau périodique de diffraction 21. En outre, la face inférieure 17 de la fenêtre optique 24a présente un filtre multicouche interférentiel 20.
Cette fenêtre optique 24a peut être réalisée de manière unitaire ou simultanément avec d’autres fenêtres optiques 24a similaires. Pour ce faire, le procédé comprend également une étape de séparation des fenêtres optiques 24a formées collectivement.
Dans le second mode de réalisation de la fenêtre optique 24b, deux réseaux périodiques de diffraction 21 sont formés sur chaque face 16, 17 du substrat 12. Pour ce faire, tel qu’illustré sur la figure 8, le substrat 12 utilisé pour réaliser la fenêtre optique 24b comporte une couche de silicium ou de germanium 25, dont la face supérieure 16 est revêtue d’un film d’oxyde 13, lui-même revêtue d’un film de silicium ou de germanium 14. Contrairement au premier mode de réalisation, la face inférieure 17 est également revêtue d’un film d’oxyde 13, lui-même revêtue d’un film de silicium ou de germanium 14.
La couche de silicium ou de germanium 25 ainsi que le film d’oxyde 13 et le film de silicium ou de germanium 14 peuvent correspondre à ceux décrits en référence au premier mode de réalisation.
Dans ce second mode de réalisation, les deux faces 16, 17 du substrat 12 sont structurées pour former deux réseaux périodiques de diffraction 21, tel qu’illustré sur la figure 9. Pour ce faire, deux gravures ioniques réactives avec arrêt sur le film d’oxyde 13 correspondant peuvent être mises en œuvre, en utilisant le procédé décrit en référence au premier mode de réalisation. Ensuite, une gravure isotropique est mise en œuvre pour supprimer le film d’oxyde 13 au niveau des motifs de chaque réseau périodique de diffraction 21 de chaque face 16, 17 du substrat 12, tel qu’illustré sur la figure 10.
La fenêtre optique 24b ainsi formée comporte donc une face supérieure 16 présentant un réseau périodique de diffraction 21 dont les motifs sont fixés sur le substrat 11 au moyen d’un film d’oxyde 13 présentant des ouvertures au niveau des motifs du réseau périodique de diffraction 21. En outre, la face inférieure 17 de la fenêtre optique 24b présente également un réseau périodique de diffraction 21 dont les motifs sont fixés sur le substrat 11 au moyen d’un film d’oxyde 13 présentant des ouvertures au niveau des motifs du réseau périodique de diffraction 21.
Cette fenêtre optique 24b peut être réalisée de manière unitaire ou simultanément avec d’autres fenêtres optiques 24b similaires. Pour ce faire, le procédé comprend également une étape de séparation des fenêtres optiques 24b formées collectivement.
Après avoir formé la fenêtre optique 24a ou 24b, celle-ci peut être reportée sur un substrat d’embase 18, sur lequel un micro-bolomètre 19 est monté en suspension, tel qu’illustré sur les figures 11 et 12. Lors de ce report, la fenêtre optique peut être retournée, tel qu’illustré sur la figure 11 dans laquelle la face supérieure 16 du substrat 11 est fixée au contact d’une surface supérieure de parois 27 s’élevant perpendiculairement par rapport au substrat d’embase 18.
Pour fixer le substrat 11, 12 sur les parois 27, une soudure hermétique est classiquement réalisée en chauffant un cordon de soudure 29 à une température comprise entre 270 et 320°C dans un environnement sous pression contrôlée de sorte à garantir le niveau de vide requis dans la cavité formée autour du micro-bolomètre 19.
En variante, plusieurs détecteurs élémentaires peuvent être formés simultanément sur un même substrat avec une étape consistant à découper le substrat d’embase 18 et la fenêtre optique 24a, 24b pour séparer les différents détecteurs élémentaires ainsi formés.
En conclusion, l’invention permet d’obtenir une fenêtre optique 24a, 24b présentant des performances de transmittances uniformisées et pouvant en outre être réalisées à grande échelle.
L’invention trouve une application particulièrement avantageuse pour les détecteurs élémentaires dans le domaine infrarouge, tels que les micro-bolomètres. L’invention peut également être appliquée aux détecteurs refroidis ou aux photodiodes à base de tellurure de mercure-cadmium, d’indium-galium-arsenide ou de germanium.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique (24a, 24b) pour détecteur infrarouge (10a, 10b) obtenu par report de ladite fenêtre optique (24a, 24b) sur un substrat d’embase (18), comprenant les étapes suivantes : 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).
2. Procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge selon la revendication 1, dans lequel la gravure du film d’oxyde (13) est de nature isotropique et partielle.
3. Procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge selon la revendication 1 ou 2, dans lequel plusieurs motifs de plusieurs réseaux périodiques de diffraction (21) de plusieurs fenêtres optiques (24a, 24b) sont réalisés simultanément, le procédé comprenant une étape de séparation des fenêtres optiques.
4. Procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le film d’oxyde (13) présente une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres.
5. Procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le film de silicium ou de germanium (14) présente une épaisseur comprise entre 1 et 3 micromètres.
6. Procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le procédé comprend une étape d’épitaxie du film de silicium ou de germanium (14), réalisée avant la réalisation des motifs du réseau périodique de diffraction (21).
7. Procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel les gaz réactifs mis en œuvre lors de la gravure ionique réactive sont sélectionnés de sorte que le procédé de gravure présente une sélectivité d’au moins cinq vis-à-vis du film de silicium ou de germanium (14).
8. Procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le film d’oxyde (13) est constitué de dioxyde de silicium.
9. Procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel, chaque face (16, 17) du substrat (12) est pourvue d’un film de silicium ou de germanium (14) fixé sur un film d’oxyde (13), le procédé comprenant les étapes suivantes : 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).
10. Procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge selon la revendication 9, dans lequel les deux gravures du film d’oxyde (13) sont de nature isotropique et partielle.
11. Procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge selon la revendication 9 ou 10, dans lequel les deux gravures ioniques réactives sont réalisées simultanément de sorte à former les motifs du premier et du second réseaux périodiques de diffraction (21). Procédé de réalisation d’au moins une fenêtre optique pour détecteur infrarouge selon la revendication 10, dans lequel les deux gravures isotropiques sont réalisées simultanément de sorte à supprimer le film d’oxyde (13) présent au niveau des motifs du premier et du second réseaux périodiques de diffraction (21). Fenêtre optique pour détecteur infrarouge obtenu par report de la fenêtre optique (24a, 24b) sur un substrat d’embase (18), comprenant : 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 que le ou les réseau(x) périodique(s) de diffraction (21) est (sont) fïxé(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). Détecteur infrarouge 10a, 10b) comprenant : 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).
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