FR3094789A1 - Procédé de fabrication d'un détecteur pyroélectrique - Google Patents

Procédé de fabrication d'un détecteur pyroélectrique Download PDF

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Abstract

Procédé de fabrication d'un détecteur pyroélectrique, le détecteur pyroélectrique comportant un matériau pyroélectrique, s'étendant entre une première électrode et une deuxième électrode, de telle sorte que sous l'effet d'une irradiation infrarouge, une tension électrique apparaisse entre la première électrode et la deuxième électrode, le procédé comportant les étapes suivantes : formation d'une couche support (14) sur un premier substrat (10), le premier substrat comportant une partie centrale (10c) autour de laquelle s'étend une partie périphérique (10p); formation d'une première couche conductrice (16) en dessus de la couche support (14), la première couche conductrice étant destinée à former la première électrode ; formation d'une couche pyroélectrique (17) sur de la première couche conductrice, la couche pyroélectrique (17) étant formée du matériau pyroélectrique ; formation d'une deuxième couche conductrice (18) sur la couche pyroélectrique, la deuxième couche conductrice étant destinée à former la deuxième électrode ; le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte : une formation d'ouvertures transversales (162, 172, 182,), à travers la première couche conductrice, la couche pyroélectrique, la deuxième couche conductrice, puis à travers la couche support; un retrait d'une partie du premier substrat, sous la couche support, Figure d'abrégé : figure 4B

Description

Procédé de fabrication d'un détecteur pyroélectrique
Le domaine technique de l'invention est la détection d'un rayonnement, en particulier infrarouge, par un détecteur pyroélectrique. Une application visée est la détection de gaz.
Les détecteurs pyroélectriques sont des composants standards utilisés dans la détection d'un rayonnement optique, en particulier un rayonnement infrarouge. Ces détecteurs sont généralement de faible coût, et constituent une solution recherchée dans la fabrication de capteurs de gaz basés sur une mesure de l'atténuation d'un rayonnement optique.
La fabrication de tels détecteurs est largement industrialisée. Un exemple de conception d'un détecteur pyroélectrique est représenté sur la figure 1. Un substrat 101 comporte une membrane 101m, cette dernière portant un empilement comportant une première électrode 102, une couche d'un matériau pyroélectrique 103 et une deuxième électrode 104. Sous l'effet d'une exposition à un rayonnement infrarouge, une variation de température apparaît au sein du matériau pyroélectrique. Sous l'effet de cette variation de température, une différence de potentiel apparaît entre la première électrode et la deuxième électrode. La différence de potentiel dépend de l'intensité du rayonnement auquel est exposé le matériau pyroélectrique. L'empilement des couches 102, 103 et 104 forme la partie sensible du détecteur pyroélectrique. L'empilement est disposé dans une enceinte 105 hermétiquement fermée. L'enceinte 105 est fermée par une enveloppe métallique 107, dans laquelle une ouverture 108 est ménagée. Un filtre optique, refermant l'ouverture 108, permet de définir une bande spectrale, généralement l'infrarouge, à laquelle le matériau pyroélectrique est destiné à être exposé. L'ensemble est porté par une carte électronique PCB 100, reliée à des plots de connexion 109.
Bien que maîtrisé sur le plan industriel, un tel procédé est complexe à mettre en œuvre. Il suppose une gravure en face avant, afin de former les couches 102, 103 et 104, puis une gravure en face arrière, afin de former la membrane 101mpar élimination du substrat 101. Le procédé est relativement cher à mettre en œuvre. Une autre conséquence est que la surface de la membrane 101m, qui correspond sensiblement à la surface de la partie sensible du détecteur, est limitée à environ 1 mm².
Un autre inconvénient est que du fait du procédé de fabrication, l'encapsulation de la partie sensible dans une enceinte hermétique est réalisée individuellement pour chaque détecteur, après la découpe du substrat. De plus, alors que la surface de la partie sensible est limitée à 1 mm², la surface totale du composant atteint aisément 100 mm², ce qui nuit à la compacité. L'essentiel du volume du détecteur ainsi formé correspond à du packaging. Le volume utile, c'est-à-dire le volume de la couche sensible, ne représente que quelques % du volume total.
L'inventeur propose un procédé de fabrication permettant d'obtenir un détecteur pyroélectrique selon un procédé de fabrication plus simple. En outre, le procédé décrit ci-dessous permet d'obtenir un détecteur compact, tout en permettant d'obtenir une surface de détection similaire, voire supérieure, à l'art antérieur.
Un premier objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un détecteur pyroélectrique, le détecteur pyroélectrique comportant un matériau pyroélectrique, s'étendant entre une première électrode et une deuxième électrode, de telle sorte que sous l'effet d'une irradiation, et notamment une irradiation infrarouge, une tension électrique apparaisse entre la première électrode et la deuxième électrode, le procédé comportant les étapes suivantes :
a) formation d'une couche support sur un premier substrat, le premier substrat comportant une partie centrale autour de laquelle s'étend une partie périphérique ;
b) formation d'une première couche conductrice en dessus de la couche support, la première couche conductrice étant destinée à former la première électrode ;
c) formation d'une couche pyroélectrique sur la première couche conductrice, la couche pyroélectrique étant formée du matériau pyroélectrique ;
d) formation d'une deuxième couche conductrice sur la couche pyroélectrique, la deuxième couche conductrice étant destinée à former la deuxième électrode ;
le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte :
- une formation d'ouvertures transversales à travers la première couche conductrice, la couche pyroélectrique et la deuxième couche conductrice, puis à travers la couche support, de telle sorte que les ouvertures transversales débouchent sur ou dans le premier substrat, dans la partie centrale de ce dernier ;
- un retrait, notamment par gravure humide ou en phase vapeur, d'une partie du premier substrat, sous la couche support, à travers les ouvertures transversales, de façon à former, dans le premier substrat, une cavité en dessus de laquelle s'étend la couche support ;
de telle sorte qu'à la suite du retrait, au niveau de la partie centrale du premier substrat:
  • la couche support forme une membrane suspendue en dessus de la cavité ;
  • la première couche conductrice, la couche pyroélectrique et la deuxième couche conductrice forment un empilement de couches perforées, porté par la membrane, la première couche conductrice et la deuxième couche conductrice formant respectivement une première électrode et une deuxième électrode de part et d'autre de la couche pyroélectrique.
L'empilement de couches perforées est destiné à former la partie sensible du détecteur pyroélectrique, c'est-à-dire la partie qui, sous l'effet d'une exposition à un rayonnement infrarouge, permet une formation d'un signal électrique exploitable.
Selon un mode de réalisation, le premier substrat comporte une couche inférieure, une couche intermédiaire et une couche supérieure, la couche support étant déposée sur la couche supérieure, le procédé comportant un retrait de la couche supérieure du premier substrat, à travers les ouvertures transversales, de façon à former la cavité.
Selon un mode de réalisation, les ouvertures transversales sont formées, respectivement à travers la première couche conductrice, la couche pyroélectrique et la deuxième couche conductrice successivement après les étapes b), c) et d).
Selon un mode de réalisation, les ouvertures transversales sont formées à travers la couche support après l'étape d), dans le prolongement des ouvertures transversales formées à travers la première couche conductrice, la couche pyroélectrique et la deuxième couche conductrice.
Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une formation d'ouvertures périphériques à travers la couche support après l'étape d), autour de l'empilement, de telle sorte que la membrane s'étend autour de l'empilement.
Le substrat s'étend parallèlement à un plan de substrat, définissant un axe longitudinal et un axe latéral. Les ouvertures transversales peuvent être agencées de telle sorte qu'au niveau de la partie centrale du substrat, au moins deux ou trois ouvertures transversales sont réparties parallèlement à l'axe longitudinal et au moins deux ou trois ouvertures transversales sont réparties parallèlement à l'axe latéral.
Le procédé peut comporter des gravures respectivement de la première couche conductrice, de la couche pyroélectrique et de la deuxième couche conductrice, dans la partie périphérique du substrat, de façon à :
  • - ménager une première piste de connexion et un premier plot de connexion, la première piste de connexion reliant le premier plot de connexion à la première électrode ;
  • ménager une deuxième piste de connexion et un deuxième plot de connexion, la deuxième piste de connexion reliant le deuxième plot de connexion à la deuxième électrode.
Le procédé peut comporter une formation d'une couche d'isolation autour de la première piste de connexion, du premier plot de connexion, de la deuxième piste de connexion et du deuxième plot de connexion.
Le procédé peut comporter une formation de plots d'interconnexion conducteurs sur le premier plot de connexion et sur le deuxième plot de connexion, les plots d'interconnexion étant destinés à effectuer une interconnexion avec un circuit électrique.
Le procédé peut comporter une formation d'une structure de liaison en dessus de la couche support, par exemple sur la couche d'isolation ou sur la couche support, la structure de liaison étant configurée pour permettre une liaison du premier substrat avec un deuxième substrat.
Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une application d'une couche d'absorption en dessus de la deuxième couche conductrice, configurée pour absorber un rayonnement infra-rouge.
La couche support comporte avantageusement une couche de nitrure de silicium. Elle peut également comporter au moins une couche d'oxyde de silicium. La couche support peut comporter une superposition d'une couche d'oxyde de silicium, d'une couche de nitrure de silicium, et d'une autre couche d'oxyde de silicium. Ainsi, la couche de nitrure de silicium est intercalée entre deux couches d'oxyde de silicium.
Avantageusement, le procédé comporte un assemblage d'un deuxième substrat en dessus de l'empilement formé sur la couche support, le deuxième substrat étant fixé au premier substrat, le deuxième substrat formant un capot solidaire du premier substrat, le premier substrat et le deuxième substrat définissant une enceinte d'encapsulation autour de l'empilement.
L'enceinte d'encapsulation comporte avantageusement un matériau de getter apte à pomper des molécules gazeuses résiduelles dans l'enceinte. L'enceinte d'encapsulation est destinée à être mise sous vide.
Le deuxième substrat peut comporter une couche de filtration, de telle sorte qu'après l'assemblage, la couche de filtration est disposée en dessus de la deuxième électrode.
Le premier substrat s'étend selon un plan du substrat. Parallèlement au plan du substrat, la surface de l'empilement est de préférence comprise entre 100 µm² et 10 mm², voire davantage.
Un deuxième objet de l'invention est un détecteur pyroélectrique, comportant :
  • une première électrode, une deuxième électrode, et une couche pyroélectrique, comportant un matériau pyroélectrique, la première électrode et la deuxième électrode s'étendant de part et d'autre de la couche pyroélectrique, en formant un empilement ;
  • l'empilement étant supporté par une membrane ;
  • la membrane étant reliée à un premier substrat ;
  • la première électrode, la deuxième électrode, la couche pyroélectrique et la membrane sont perforées, la membrane perforée s'étendant en dessus d'une cavité ménagée dans le premier substrat.
Le détecteur pyroélectrique peut comporter un deuxième substrat, fixé sur le premier substrat, le premier substrat et le deuxième substrat formant une enceinte autour de l'empilement.
Le détecteur pyroélectrique peut être réalisé en mettant en œuvre un procédé selon le premier objet de l'invention.
Le détecteur pyroélectrique peut présenter les caractéristiques structurelles résultant de l'application du procédé selon le premier objet de l'invention.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous.
Les caractères entre cochets sont des balises sémantiques imposées par les modalités de dépôt de l'office en charge de la procédure de délivrance de la demande de brevet. Elles ne sont pas à considérer comme faisant partie de la demande.
La figure 1 est un schéma d'un détecteur pyroélectrique selon l'art antérieur.
Les figures 2A à 2R illustrent des étapes de fabrication d'un premier substrat d'un exemple de détecteur pyroélectrique selon l'invention. Il s'agit soit de coupes transversales (selon un plan XZ), soit de vues de dessus (selon un plan XY).
Les figures 3A à 3F illustrent les étapes de fabrication d'un deuxième substrat d'un exemple de détecteur pyroélectrique selon l'invention. Il s'agit soit de coupes transversales (selon un plan XZ), soit de vues de dessous (selon un plan XY).
Les figures 4A à 4B montrent l'assemblage du premier substrat et du deuxième substrat pour obtenir un détecteur pyroélectrique.
EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
Par X est disposé en dessus de Y ou sur Y, il est entendu que X est disposé sur Y, sans nécessairement impliquer un contact entre X et Y.
La fabrication d'un détecteur pyroélectrique selon l'invention suppose le recours à un premier substrat 10 et un deuxième substrat 20. Chaque substrat subit des étapes de fabrication micro-technologique, connues de l'homme du métier, permettant la formation de couches et leur structuration. Il s'agit d'étapes de dépôts et de gravure, en particulier par photolithographie/gravure. On obtient ainsi un premier substrat finalisé 10fet un deuxième substrat finalisé 20f. Les substrats finalisés 10fet 20fsont ensuite assemblés de façon à obtenir un détecteur thermoélectrique 1.
On a représenté, sur les figures 2A à 2R, les principales étapes de fabrication.
La figure 2A représente un exemple de premier substrat 10. Il comporte une couche inférieure 11, une couche intermédiaire 12 et une couche supérieure 13. Dans l'exemple représenté, les couches inférieure, intermédiaire et supérieure sont respectivement en Si (de préférence monocristallin), SiO2, Si. Le premier substrat 10, est alors un substrat de type SOI (Silicon On Insulator) signifiant silicium sur isolant. La couche intermédiaire 12 est une couche formée d'un matériau diélectrique. Les trois couches 11, 12 et 13 s’étendent parallèlement à un plan P dit plan du substrat. Le plan P est défini par un axe longitudinal X et un axe latéral Y, s'étendant par exemple perpendiculairement l'un à l'autre. Un axe transversal Z s'étend perpendiculairement au plan du substrat.
La couche intermédiaire 12 est constituée d’une couche d’oxyde dite enterrée, usuellement désignée par l’acronyme BOX (Buried Oxyde), signifiant oxyde enterré. Il s’agit de préférence d’oxyde de Silicium (SiO2). La couche intermédiaire 12 sert de couche d’arrêt de gravure comme décrit par la suite. L’épaisseur de la couche intermédiaire 12 est de préférence comprise entre quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres, typiquement dans la plage 50nm – 5µm, et de préférence entre 500 nm et 2 µm, par exemple 2 µm.
L’épaisseur de la couche supérieure 13 est de préférence comprise entre quelques dizaines de nanomètres à quelques centaines de micromètres, typiquement dans la plage 1 µm – 200 µm, et de préférence entre 20 µm et 100 µm.
La couche inférieure 11 a une fonction de support des couches intermédiaire et supérieure. Il peut s’agir d’un semi-conducteur de type Si monocristallin ou d'un matériau amorphe, par exemple du verre. Son épaisseur est typiquement comprise entre quelques dizaines de µm et quelques centaines de µm, voire quelques millimètres. Par exemple, lorsqu'on utilise un substrat de diamètre 200mm, l'épaisseur de la couche inférieure 11 est de 725 µm.
Le substrat présente une partie centrale 10c, autour de laquelle s'étend une partie périphérique 10p.
La figure 2B illustre une étape de dépôt d'une couche support 14 sur la couche supérieure 13, au contact de cette dernière. La couche support 14 a pour fonction de supporter un empilement de couches décrit par la suite, et formant la partie sensible du détecteur pyroélectrique. La couche support 14 peut être formée en SIO2, auquel cas elle est formée par oxydation thermique. Selon un mode de réalisation préféré, représenté sur la figure 2C, la couche support 14 est formée de trois couches élémentaires 141, 142, 143, respectivement formées de SiO2, Si3N4(nitrure de silicium, usuellement désigné SiN), SIO2. Le recours à une couche support comprenant SiN permet d'augmenter la rigidité de la couche support, comme expliqué par la suite. L'épaisseur de la couche support 14 peut varier entre 0.3 µm et 3 µm. Dans cet exemple, l'épaisseur de la couche support 14 est de 0.8 µm. Lorsque la couche support 14 est formée des trois couches élémentaires 141, 142, 143 représentées sur la figure 2C, leurs épaisseurs respectives sont comprises entre 0.1 µm et 1 µm.
La figure 2D représente une étape de dépôt d'une couche d'accroche 15 sur la couche support 14, au contact de cette dernière. La couche d'accroche 15 est réalisée par exemple en TiO2. L'épaisseur de la couche d'accroche 15 peut varier entre 10 nm et 100 nm. Dans cet exemple, l'épaisseur de la couche d'accroche 15 est de 20 nm. La fonction de la couche d'accroche est de faciliter un dépôt d'une couche conductrice, en l'occurrence le platine, en dessus de la couche support 14. La couche d'accroche 15 est optionnelle. Sa présence est conditionnée par les matériaux composant respectivement la couche support 14 et la couche conductrice destinée à être déposée en dessus de la couche support 14. Après que la couche d'accroche 15 a été déposée, une première couche électriquement conductrice 16 est déposée sur la couche d'accroche 15, en dessus de la couche d'accroche 14. Comme précédemment indiqué, le terme "en dessus" n'implique pas un contact direct. La première couche conductrice 16 peut notamment être du Platine, ou un alliage Nickel/Chrome. L'épaisseur de la première couche conductrice 16 peut varier entre 10 nm et 300 nm. Dans cet exemple, l'épaisseur de la première couche conductrice 16 est de 100 nm.
La fonction de la première couche conductrice 16 est de former une première électrode du capteur pyroélectrique, ainsi qu'un plot de connexion. Pour cela, comme représenté sur les figures 2E et 2F, on effectue une étape de structuration de la première couche conductrice 16 de façon à former :
  • sur la partie centrale 10cdu substrat, une électrode 161, dite première électrode, structurée, comportant des ouvertures transversales 162s'étendant selon l'axe transversal Z. Les ouvertures transversales 162s'étendent à travers toute l'épaisseur de la première couche conductrice 16.
  • sur la partie périphérique 10pdu substrat, un premier plot de connexion 163, relié à la première électrode 161par une première piste conductrice 165, ainsi qu'un deuxième plot de connexion 167et une deuxième piste conductrice 168. Les plots de connexion 163, 167et les pistes conductrices 165, 168sont des parties résiduelles de la première couche conductrice 16 après le retrait, par gravure, d'une partie 164de la première couche 16 s'étendant autour de l'électrode 161.
La structuration de la première couche conductrice est de préférence effectuée par photolithographie et gravure (gravure humide ou par exposition à un faisceau d'ions, usuellement désigné par l'acronyme IBE signifiant Ion Beam Etching). L'association de la photolithographie et de la gravure est bien connue de l'homme du métier. La photolithographie consiste à appliquer une résine sur la couche à graver. La résine est ensuite exposée à une insolation à travers un masque, ce dernier permettant de définir un motif d'insolation sur la résine. La couche fait ensuite l'objet de la gravure, seules les zones du motif exposées à l'insolation étant gravées.
La figure 2F est une vue de dessus du substrat 10 suite à la gravure de la première couche conductrice 16. On observe la première électrode 161, qui correspond à une partie centrale 16cde la première couche conductrice 16. La première électrode 161se présente sous la forme d'une couche perforée, chaque ouverture transversale 162formant une perforation. Dans cet exemple, chaque ouverture transversale présente une section, perpendiculairement à l'axe transversal Z, sensiblement rectangulaire. La longueur de chaque ouverture transversale, selon l'axe longitudinal X, est de préférence comprise entre 1 et 10 µm. La largeur de chaque ouverture transversale 162, selon l'axe latéral Y, est comprise entre 1 et 10 µm. Entre deux ouvertures 162adjacentes, la longueur et la largeur de la première électrode 161, respectivement selon l'axe longitudinal X l'axe latéral Y, est de préférence comprise entre 1 µm et 10 µm. Le nombre d'ouvertures transversales 162, alignées selon l'axe longitudinal X et/ou selon l'axe latéral Y est au moins égal à 3. Dans l'exemple représenté, le nombre d'ouvertures est égal à 6 selon l'axe longitudinal X et à 4 selon l'axe latéral Y. Comme expliqué par la suite, plus le nombre d'ouvertures transversales est élevé, plus il est possible de former un détecteur pyroélectrique dont la partie sensible s'étend selon une grande surface parallèlement au plan du substrat P. A l'issue de l'étape de gravure de la première couche conductrice 16, la surface de la première électrode 161est de préférence comprise entre 100 µm²et 10 mm².
La figure 2G montre une étape d'application d'une couche 17, dite couche pyroélectrique, formée d'un matériau pyroélectrique, sur la couche conductrice 16 structurée, et au contact de cette dernière. Le matériau pyroélectrique est par exemple du PZT (titano-zirconate de plomb). Il est déposé par dépôt chimique en phase vapeur, ou sol-gel. L'épaisseur de la couche pyroélectrique 17 peut être comprise entre 0.1 µm et 2 µm.
Suite au dépôt de la couche pyroélectrique 17, cette dernière fait l'objet d'une structuration, par exemple par pholithographie/gravure, de façon à :
  • retirer la couche pyroélectrique 17 au-delà de la portion centrale 10cdu premier substrat ;
  • former des ouvertures transversales 172, à travers toute l'épaisseur de la couche pyroélectrique 17, chaque ouverture transversale ainsi formée se superposant à une ouverture transversale 162préalablement formée à travers la première couche conductrice 16 ;
  • former une couche latérale pyroélectrique 173, à l'aplomb de la deuxième piste conductrice 178. La couche 173est isolante. Elle est destinée à former un support à une deuxième couche conductrice décrite ci-après.
La figure 2H montre une vue en coupe du premier substrat à l'issue de la structuration de la couche pyroélectrique 17. La couche pyroélectrique 17 est structurée de façon à s'étendre sur la première électrode 161, au contact de cette dernière, et sensiblement selon la même surface, parallèlement au plan de substrat P.
Selon une variante, une couche d'accroche est disposée entre la première couche conductrice 16 et la couche pyroélectrique 17, de façon à faciliter le dépôt de la couche pyroélectrique 17.
La figure 2I montre une application d'une deuxième couche électriquement conductrice 18 sur le premier substrat, sur les couches préalablement formées. De même que la première couche conductrice 16, la deuxième couche conductrice 18 peut notamment être du Platine. L'épaisseur de la deuxième couche conductrice 18 peut varier entre 1 nm et 100 nm. Dans cet exemple, l'épaisseur de la deuxième couche conductrice 18 est de 50 nm.
La fonction de la deuxième couche conductrice 18 est de former une deuxième électrode du capteur pyroélectrique, ainsi qu'une connexion électrique de la deuxième électrode avec la deuxième piste conductrice 168et le deuxième plot de connexion 167. Pour cela, comme représenté sur la figure 2J, on effectue une étape de structuration de la deuxième couche conductrice 18 de façon à former :
  • sur la partie centrale 10cdu substrat, une électrode 181, dite deuxième électrode, structurée, comportant des ouvertures transversales 182s'étendant selon l'axe transversal Z. Les ouvertures transversales 182s'étendent à travers toute l'épaisseur de la deuxième couche conductrice 18;
  • entre la deuxième électrode 181et la deuxième piste conductrice 168, une couche latérale conductrice 183, superposée à la couche pyroélectrique latérale 173. La couche latérale conductrice 183forme une conduction électrique entre la deuxième électrode 181et le deuxième plot de connexion 167à travers la deuxième piste conductrice 168.
La structuration de la deuxième couche conductrice est de préférence effectuée par photolithographie et gravure (gravure humide ou gravure IBE).
La figure 2K est une vue de dessus du substrat 10 suite à la gravure de la deuxième couche conductrice 18. On observe la deuxième électrode 181, qui correspond à une partie centrale 18cde la deuxième couche conductrice 18. La deuxième électrode 181se présente sous la forme d'une couche perforée, chaque ouverture transversale 182formant une perforation.
A l'issue de la structuration de la deuxième couche conductrice 18, on dispose d'un empilement 10ade trois couches perforées, qui correspondent respectivement aux parties centrales respectives des première couche conductrice 16, couche pyroélectrique 17 et deuxième couche conductrice 18. L'empilement 10aforme la partie sensible du détecteur pyroélectrique. Par partie sensible, on entend la partie destinée à être exposée au rayonnement et à former un signal électrique exploitable.
La figure 2L montre une application d'une couche d'isolation 19, en dessus du premier substrat 10, sur les couches préalablement formées. La couche d'isolation 19 est par exemple formée de SiN, le dépôt pouvant être effectué par dépôt chimique en phase vapeur à faible pression, usuellement désigné par l'acronyme LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). Son épaisseur peut varier entre 50 nm et 1 µm. Suite à son application, la couche d'isolation 19 est structurée, par exemple par photolithographie/gravure. Il s'agit notamment de retirer la couche d'isolation 19 de la partie centrale 10cdu premier substrat 10, ainsi qu'en dessus du premier plot de connexion 163et du deuxième plot de connexion 167. La figure 2M montre une coupe du premier substrat 10 à l'issue de la structuration de la couche d'isolation 19.
La figure 2N montre une étape d'application d'une couche de connexion 1A et d'une couche de liaison 1B. Dans cet exemple, la couche de connexion et la couche de liaison forment une même couche car elles sont composées d'une même épaisseur d'un même matériau, à savoir de l'or ou du platine. La couche de connexion/liaison est déposée par évaporation, en dessus des couches préalablement formées. Suite au dépôt, une structuration, par exemple par photolithographie/gravure est effectuée, de façon à former, au niveau de la partie périphérique 10pdu substrat 10 :
  • des plots d'interconnexion 1A en dessus du premier plot de connexion 163et du deuxième plot de connexion 167. Les plots d'interconnexion 1A sont destinés à effectuer une interconnexion des plots de connexion 163, 167à un circuit électronique externe, de façon à collecter le signal électrique généré suite à l'irradiation de la couche pyroélectrique.
  • une structure de liaison 1B, destinée à recevoir un deuxième substrat, comme décrit par la suite en lien avec les figures 4A et 4B. Dans cet exemple, la structure de liaison décrit un cadre s'étendant entre les plots d'interconnexion 1A et autour de la partie centrale du premier substrat.
La figure 2O montre le premier substrat 10 après structuration des couches de connexion et de liaison. Selon une variante, les matériaux (ou les épaisseurs) de la couche d'interconnexion 1A et de liaison 1B sont différents. Dans ce cas, la couche d'interconnexion est déposée puis structurée, avant le dépôt et la structuration de la couche de liaison 1B.
L'étape suivante consiste à prolonger les ouvertures transversales 162, 172, 182, respectivement formées à travers la première couche conductrice 16, la couche pyroélectrique 17 et la deuxième couche conductrice 18, à travers la couche d'accroche 15 et la couche support 14. Sur la figure 2P, la prolongation de chaque ouverture transversale, à travers la couche d'accroche 15 et la couche support 14 sont respectivement notées 152et 142. Cette étape peut être effectuée par photolithographie/gravure. Par ailleurs, des ouvertures transversales périphériques 15'2, 14'2sont formées à travers la couche d'accroche 15 et la couche support 14 autour de la partie centrale 10cdu substrat. Les ouvertures périphériques sont formées autour de l'empilement 10a.
La figure 2P montre le premier substrat 10 à l'issue de la gravure de la couche d'accroche 15 et de la couche support 14. A l'issue de cette étape, la partie centrale 10cdu premier substrat 10 comporte l'empilement 10ades couches perforées 161, 171et 181, 141, 151, ces deux dernières correspondant aux couches d'accroche 15 et support 14 respectivement perforées dans la partie centrale du substrat.
Par ailleurs, du fait de la présence des ouvertures périphériques 14'2, 15'2respectivement formées autour des parties centrales de la couche d'accroche 14 et de la couche support 15, des couches perforées 14'1et 15'1s'étendent autour de l'empilement 10a. A la suite de cette étape, les ouvertures transversales débouchent sur la couche supérieure 13.
L'étape suivante consiste à retirer tout ou partie de la couche supérieure 13 au niveau de la partie centrale 10cdu premier substrat. Pour cela, une gravure humide ou en phase vapeur est mise en œuvre, à travers les ouvertures transversales 14'2, 15'2, 142, 152, 162, 172et 182préalablement pratiquées. Il peut par exemple s'agir d'une gravure à l’aide d’une solution d’HF (acide fluorhydrique) ou une gravure en phase vapeur (acide fluorhydrique sous forme vapeur). La couche intermédiaire 12 peut alors former une couche d'arrêt de gravure.
La figure 2Q montre une coupe du premier substrat à l'issue du retrait de la couche supérieure 13 au niveau de la partie centrale du premier substrat. Dans cette partie centrale, sous l'empilement 10a, la gravure de la couche supérieure 13 entraîne une formation d'une cavité 13c. L'empilement 10ades couches 141, 151, 161, 171et 181, comprenant la partie sensible du détecteur pyroélectrique, est alors suspendu en dessus de la cavité 13c, en étant relié à la partie périphérique du premier substrat par la couche support perforée 141. Ainsi, la couche support perforée 141forme une membrane souple, supportant l'empilement 10aformant la partie sensible du détecteur pyroélectrique. On remarque que le fond de la cavité 13cest délimité par la couche intermédiaire 12. Ainsi, contrairement à l'art antérieur, il n'est pas nécessaire de procéder à une gravure en face arrière pour former la cavité, ni d'appliquer un substrat au niveau de la face arrière.
Autour de l'empilement central 10a ,la couche support 14 et la couche d'accroche 15 sont perforées par les ouvertures périphériques 14'2, 15'2. Ainsi, autour de l'empilement central, les couches support 14 et 15 forment également une membrane suspendue 14'1, 15'1, qui favorise l'isolation thermique de la partie périphérique 10pdu substrat par rapport à l'empilement central 10a. Les ouvertures périphériques peuvent être plus grandes que les ouvertures pratiquées au niveau de la partie centrale du substrat, de façon à améliorer l'isolation thermique de l'empilement central 10a.
Suite à cette étape, on obtient un empilement 10ade couches perforées formant la partie sensible du détecteur pyroélectrique, dont la surface, selon le plan du substrat, peut être modulée de façon à ajuster la sensibilité du détecteur. Plus la surface est importante, plus la sensibilité du détecteur est élevée. Les ouvertures transversales réduisent la sensibilité de détection. C'est pourquoi il est préférable que la dimension des ouvertures transversales ménagées dans les couches 14 à 18 soit dimensionnée de façon à permettre le retrait de la couche supérieure 13, pour former la cavité 13c, sans pour autant affecter la sensibilité de détection de façon trop importante. Si, au niveau de la partie centrale 10cdu substrat, la distance entre deux ouvertures transversales adjacentes est égale au côté d'une ouverture, 25% de la surface active du détecteur est perdue suite à la formation des ouvertures. Par contre, si la distance entre deux ouvertures transversales adjacentes est égale à deux fois le côté d'une ouverture, le pourcentage de surface active perdue est réduit à 11%. Il est ainsi possible d'optimiser les dimensions des ouvertures, de façon à éviter une trop grande diminution de la sensibilité du détecteur.
Les propriétés mécaniques de la membrane formant la couche support peuvent être optimisées de façon à être adaptées au matériau pyroélectrique déposé. En effet, un matériau pyroélectrique comporte généralement des propriétés piézoélectriques. Sous l'effet de vibrations, une tension électrique parasite est susceptible d'apparaître entre la première électrode et la deuxième électrode. Aussi, il est préférable que la membrane 14 permette d'atténuer d'éventuelles vibrations se propageant jusqu'au matériau piézoélectrique. Le matériau formant la membrane doit donc faire l'objet d'un compromis entre la rigidité, permettant de diminuer le déplacement de la membrane, et l'isolation thermique, permettant de maintenir la sensibilité du détecteur pyroélectrique. En cela, l'inventeur a considéré qu'il était préférable que la couche support 14 comporte du SiN, et de préférence associé au SiO2, en particulier selon un assemblage SiO2/SiN/SiO2. Selon un tel agencement, la couche de SiN sous contrainte en traction permet d'augmenter la rigidité de la membrane sans augmenter la conductance thermique de cette dernière.
L'épaisseur de la couche supérieure 13 peut être importante, par exemple comprise entre 1 µm et 200 µm. De ce fait, l'épaisseur de la cavité 13c, selon l'axe transversale Z, est importante. Cette épaisseur favorise une bonne isolation thermique de l'empilement, formant la partie sensible du détecteur, par rapport à la partie périphérique 10pdu substrat et par rapport à la couche intermédiaire 12.
La figure 2R est une vue de dessus du premier substrat 10 après l'étape de gravure de la partie centrale de la couche supérieure 13. A l'issue de cette gravure, on dispose d'un premier substrat 10ffinalisé.
Selon une alternative, ce n'est pas la couche supérieure 13 qui est retirée, mais la couche intermédiaire 12, de façon à former la cavité 13c. Selon cette alternative, le procédé comporte une formation d'ouvertures transversales à travers la couche supérieure 13 du premier substrat, de telle sorte que les ouvertures transversales débouchent au niveau de la couche intermédiaire 12. La couche intermédiaire est alors retirée, au niveau de la partie centrale du premier substrat, de façon à former une cavité s'étendant en dessous de la couche supérieure 13 perforée. Au niveau de la partie centrale 10cdu substrat, la couche support 14 et la couche supérieure 13 forment alors une membrane souple, permettant de supporter l'empilement formé par les couches perforées 161, 171et 181, formant la partie sensible du détecteur.
D'une façon générale, les principales étapes de structuration du premier substrat sont les suivantes :
  • dépôt de la couche support 14 ;
  • dépôt et structuration de la première couche conductrice 16, de la couche pyroélectrique 17 et de la deuxième couche conductrice 18, en dessus de la couche support, de façon à former d'une part des ouvertures transversales, traversant l'empilement central 10aformé par lesdites couches, au niveau de la partie centrale 10cdu premier substrat 10, et d'autre part des plots de connexion disposés autour de la partie centrale ;
  • structuration de la couche support 14, de façon à prolonger les ouvertures transversales préalablement formées, et former des ouvertures périphériques autour de l'empilement ;
  • retrait, au niveau de la partie centrale du premier substrat, et en dessous des ouvertures périphériques, d'une couche du substrat située en dessous de la couche support, de telle sorte que la couche support, portant l'empilement des couches 16, 17 et 18, soit suspendue sur le premier substrat : la couche support est alors disposée en dessus d'une cavité 13cformée dans le premier substrat, suite au retrait.
Selon une variante, après la formation de la deuxième couche supérieure 18, et avant la gravure de la couche support 14, une couche d'absorption infrarouge peut être déposée sur la deuxième couche supérieure 18. La couche d'absorption n'a pas été représentée sur les figures 2K à 2R. Elle fait ensuite l'objet d'une structuration, par exemple par photolithographie et gravure, de façon à ce que son étendue soit limitée à la partie centrale du premier substrat. La structuration permet également la formation d'ouvertures transversales, se superposant aux ouvertures transversales réalisées dans les couches 16, 17 et 18. Le matériau formant la couche d'absorption peut être par exemple un des matériaux usuellement désignés par les termes Pt black (noir de platine), ou gold black, Litho-black (marque déposée).
Le procédé suppose l'utilisation d'un deuxième substrat 20, dont les figures 3A à 3F représentent la préparation. Sur la figure 3A, on a représenté un deuxième substrat 20 à l'état initial : il est composé d'une couche de base 21 formée de silicium, d'épaisseur par exemple égale à 725 µm. La couche de base 21 s'étend entre une face inférieure 21iet une face supérieure 21s.
La figure 3B montre une étape d'application d'une couche de filtration 22, contre la couche de base 21. La couche de filtration est formée d'un matériau formant un filtre infrarouge. Il peut s'agit par exemple de SiN ou SiO2. L'épaisseur de cette couche est par exemple comprise entre 0.1 µm et 10 µm.
On forme ensuite une couche de protection 23 sur la couche de filtration 22. La couche de protection 23 est par exemple formée de tungstène. La figure 3C montre l'application de la couche de protection.
Sur la figure 3D, on a montré une étape de structuration, par exemple par photolithographie/gravure, de la face inférieure 21ide la couche de base 21. La structuration vise à former un cadre de liaison 2B dépassant de la couche de base 21. On a également représenté, sur la figure 3D, un dépôt d'une couche anti-reflet 25, à l'intérieur du périmètre délimité par le cadre de liaison 2B. L'étape suivante est le dépôt d'un matériau à effet getter 24 sur la couche anti-reflet 25, à l'intérieur du périmètre défini par le cadre de liaison 2B ménagé dans la couche de base 21. Le matériau de getter est connu de l'homme du métier. Il s'agit d'un matériau présentant des propriétés de chimisorption, permettant un piégeage chimique de molécules de gaz. Le matériau getter est apte à réaliser un pompage gazeux par absorption ou adsorption. Il peut par exemple s'agir de Titane, Zr, Vanadium, Chrome, Cobalt, Fe, Mn, Pd Ba, Al et leurs alliages. L'épaisseur du matériau de getter est par exemple comprise entre 100 nm à quelques µm, par exemple 200 nm – 1000 nm. Les figures 3D et 3E sont respectivement une coupe et une vue de dessous du deuxième substrat 20 après l'application du matériau de getter 24. On dispose alors d'un deuxième substrat finalisé 20f.
La figure 4A montre l'assemblage du deuxième substrat finalisé 20fsur le premier substrat finalisé 10f. L'assemblage est réalisé de telle sorte que le cadre de liaison 2B du deuxième substrat soit scellé contre la structure de liaison 1B du premier substrat. Le scellement est par exemple un collage eutectique Au-Si. La mise en contact du cadre de liaison 2B et de la structure de liaison 1B est précédée d'un nettoyage chimique, ainsi que d'une phase de préparation, connue de l'homme du métier, visant à activer les surfaces destinées à être assemblées en vue de favoriser leur adhérence lors de la mise en contact. Après la mise en contact, un recuit est effectué, par exemple à une température de 410°C.
Suite à l'assemblage, la couche de protection 23 est retirée : on obtient alors un détecteur pyroélectrique 1 tel que représenté sur la figure 4B. Le premier substrat et le deuxième substrat forment (ou délimitent) une enceinte d'encapsulation 26, hermétique, et destinée à être placée sous vide. L'enceinte d'encapsulation s'étend autour de l'empilement 10aprécédemment décrit. La cavité 13cfait alors partie de l'enceinte d'encapsulation.
La technique décrite ci-dessus est mise en œuvre collectivement, plusieurs détecteurs pyroélectriques étant simultanément formés sur un même substrat. L'étape finale consiste à séparer les différents détecteurs pyroélectriques ainsi constitués. Ainsi, selon ce procédé de fabrication collective, le premier substrat est divisé en plusieurs premiers substrats élémentaires adjacents les uns des autres. Il en est de même du deuxième substrat. Les étapes décrites ci-dessus, en lien avec les figures 2A à 2R sont mises en œuvre sur chaque premier substrat élémentaire du premier substrat. De façon analogue, les étapes décrites en lien avec les figures 3A à 3F sont mises en œuvre sur chaque deuxième substrat élémentaire du deuxième substrat. Les étapes décrites en lien avec les figures 4A et 4B sont réalisées en assemblant le deuxième substrat sur le premier substrat. Suite à l'assemblage, on obtient des détecteurs pyroélectriques, chaque détecteur pyroélectrique correspondant à l'assemblage d'un deuxième substrat élémentaire sur un premier substrat élémentaire. Les détecteurs pyroélectriques ainsi formés sont ensuite séparés.
Selon une variante, le premier substrat n'est pas constitué de trois couches mais d'une seule couche ou de deux couches. La couche support 14 est formée sur le premier substrat. Le procédé comporte une gravure isotrope du premier substrat à travers les ouvertures transversales formées dans la couche support 14. Du fait de l'absence d'une couche d'arrêt, les dimensions de la cavité, en particulier sa profondeur, sont contrôlées par la durée de la gravure.
Le procédé précédemment décrit illustre la possibilité de fabriquer un détecteur pyroélectrique encapsulé entre deux substrats : le premier substrat 10 comporte les éléments formant la couche sensible du détecteur, ainsi que les connexions électriques. Le deuxième substrat 20 forme un capot destiné à être scellé sur le premier substrat 10, de façon à disposer de détecteurs pyroélectriques encapsulés entre les deux substrats, avant la découpe du substrat et la séparation des différents détecteurs pyroélectriques obtenus. Il s'agit d'un procédé de type encapsulation wafer-wafer (ou wafer level packaging), la découpe des différents détecteurs pyroélectriques étant effectuée après l'encapsulation résultant de l'assemblage entre les deux substrats. En utilisant des substrats de grande surface, par exemple 200 mm, le procédé permet d'obtenir simultanément un grand nombre de détecteurs, ce qui permet d'abaisser le coût de fabrication. Un autre avantage est l'obtention de détecteurs pyroélectriques particulièrement compacts.
L'invention décrite ci-avant pourra être mise en œuvre pour obtenir des détecteurs pyroélectriques compacts, à un coût moindre que selon l'art antérieur. Les détecteurs pyroélectriques obtenus pourront être utilisés par exemple dans des capteurs de gaz de type infrarouge non dispersif (NDIR).

Claims (20)

  1. Procédé de fabrication d'un détecteur pyroélectrique (1), le détecteur pyroélectrique comportant un matériau pyroélectrique, s'étendant entre une première électrode et une deuxième électrode, de telle sorte que sous l'effet d'une irradiation infrarouge, une tension électrique apparaisse entre la première électrode et la deuxième électrode, le procédé comportant les étapes suivantes :
    1. formation d'une couche support (14) sur un premier substrat (10), le premier substrat comportant une partie centrale (10c) autour de laquelle s'étend une partie périphérique (10p);
    2. formation d'une première couche conductrice (16) en dessus de la couche support (14), la première couche conductrice étant destinée à former la première électrode ;
    3. formation d'une couche pyroélectrique (17) sur de la première couche conductrice, la couche pyroélectrique (17) étant formée du matériau pyroélectrique ;
    4. formation d'une deuxième couche conductrice (18) sur la couche pyroélectrique, la deuxième couche conductrice étant destinée à former la deuxième électrode ;
    le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte :
    • une formation d'ouvertures transversales (162, 172, 182), à travers la première couche conductrice, la couche pyroélectrique et la deuxième couche conductrice, puis à travers la couche support, de telle sorte que les ouvertures transversales débouchent sur ou dans le premier substrat, au niveau de la partie centrale de ce dernier ;
    • un retrait d'une partie du premier substrat, sous la couche support, à travers les ouvertures transversales, de façon à former, dans le premier substrat, une cavité (13c) en dessus de laquelle s'étend la couche support (14) ;
    de telle sorte qu'à la suite du retrait, au niveau de la partie centrale (10c) du premier substrat:
    • la couche support forme une membrane (141) suspendue en dessus de la cavité ;
    • la première couche conductrice (161), la couche pyroélectrique (171) et la deuxième couche conductrice (181) forment un empilement (10a) de couches perforées, porté par la membrane, la première couche conductrice et la deuxième couche conductrice formant respectivement une première électrode et une deuxième électrode de part et d'autre de la couche pyroélectrique.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le premier substrat (10) comporte une couche inférieure (11), une couche intermédiaire (12) et une couche supérieure (13), la couche support (14) étant déposée sur la couche supérieure, le procédé comportant un retrait de la couche supérieure (13) du premier substrat (10), à travers les ouvertures transversales, de façon à former la cavité (13c).
  3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les ouvertures transversales sont formées, respectivement à travers la première couche conductrice (16), la couche pyroélectrique (17) et la deuxième couche conductrice (18) successivement après les étapes b), c) et d).
  4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les ouvertures transversales sont formées à travers la couche support (14) après l'étape d), dans le prolongement des ouvertures transversales formées à travers la première couche conductrice, la couche pyroélectrique et la deuxième couche conductrice.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une formation d'ouvertures périphériques (14'2) à travers la couche support, autour de l'empilement, de telle sorte que la membrane s'étend autour de l'empilement (10a).
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat s'étend parallèlement à un plan de substrat (P), définissant un axe longitudinal (X) et un axe latéral (Y), les ouvertures transversales (142, 14'2, 162, 172, 182) étant agencées de telle sorte qu'au niveau de la partie centrale du substrat (10c), au moins trois ouvertures transversales sont réparties parallèlement à l'axe longitudinal et au moins trois ouvertures transversales sont réparties parallèlement à l'axe latéral.
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une gravure de la première couche conductrice (16) et de la deuxième couche conductrice (18) dans la partie périphérique (10p) du substrat, de façon à
    • ménager une première piste de connexion (165) et un premier plot de connexion (163), la première piste de connexion reliant le premier plot de connexion (163) à la première électrode ;
    • ménager une deuxième piste de connexion (168) et un deuxième plot de connexion (167), la deuxième piste de connexion reliant le deuxième plot de connexion (167) à la deuxième électrode.
  8. Procédé selon la revendication 7, comportant une formation d'une couche d'isolation (19) autour de la première piste de connexion (165), du premier plot de connexion (163), de la deuxième piste de connexion (168) et du deuxième plot de connexion (167).
  9. Procédé selon la revendication 8 ou la revendication 7, comportant une formation de plots d'interconnexion conducteurs (1A) sur le premier plot de connexion (163) et sur le deuxième plot de connexion (167), les plots d'interconnexion étant destinés à effectuer une interconnexion avec un circuit électrique.
  10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une formation d'une structure de liaison (1B) en dessus de la couche support, la structure de liaison étant configurée pour permettre une liaison du premier substrat avec un deuxième substrat (20).
  11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une application d'une couche d'absorption en dessus de la deuxième couche conductrice, configurée pour absorber un rayonnement infra-rouge.
  12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche support (14) comporte une couche de nitrure de silicium (142).
  13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la couche support (14) comporte également au moins une couche d'oxyde de silicium (141, 143).
  14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un assemblage d'un deuxième substrat (20) en dessus de l'empilement formé sur la couche support (14), le deuxième substrat étant fixé au premier substrat, le deuxième substrat formant un capot solidaire du premier substrat, le premier substrat et le deuxième substrat définissant une enceinte d'encapsulation (26) autour de l'empilement (10a).
  15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'enceinte d'encapsulation (26) comporte un matériau de getter (24) apte à pomper des molécules gazeuses résiduelles dans l'enceinte d'encapsulation.
  16. Procédé selon la revendication 15 ou la revendication 14, dans lequel le deuxième substrat comporte une couche de filtration (22), formant un filtre optique, de telle sorte qu'après le scellement, la couche de filtration est disposée en dessus de la deuxième électrode.
  17. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel selon le premier substrat s'étendant selon un plan de substrat (P), la surface de l'empilement, parallèlement au plan du substrat est comprise entre 100µm² et 10 mm2.
  18. Détecteur pyroélectrique (1), comportant :
    • une première électrode (161), une deuxième électrode (181), et une couche pyroélectrique (171), comportant un matériau pyroélectrique, la première électrode et la deuxième électrode s'étendant de part et d'autre de la couche pyroélectrique, en formant un empilement (10a)
    • l'empilement étant supporté par une membrane (141);
    • la membrane étant reliée à un premier substrat (10);
    le détecteur pyroélectrique étant caractérisé en ce que :
    • la première électrode, la deuxième électrode, la couche pyroélectrique et la membrane sont perforées, la membrane perforée s'étendant en dessus d'une cavité (13c) ménagée dans le premier substrat.
  19. Détecteur pyroélectrique selon la revendication 18, comportant un deuxième substrat (20), fixé sur le premier substrat, le premier substrat et le deuxième substrat formant une enceinte d'encapsulation (26) autour de l'empilement.
  20. Détecteur pyroélectrique selon l'une quelconque des revendications 18 ou 19, le détecteur étant réalisé en mettant en œuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17.
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US5662818A (en) * 1993-08-23 1997-09-02 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method of producing a pyroelectric infrared radiation detector
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