FR3133447A1 - Micro-bolometre d’imagerie infrarouge - Google Patents
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Abstract
Ce micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a) intégrant une membrane (20) montée en suspension au-dessus d’un substrat (11) au moyen de bras de soutien fixés sur des clous d’ancrage (14), comprend :– une couche de support (13) s’étendant au sein de la membrane (20) et des bras de soutien ;– des électrodes (16) disposées sur la couche de support (13) et au contact avec les clous d’ancrage (14), chaque électrode (16) s’étendant au sein d’un bras de soutien ; – un matériau thermo-résistif (18) disposé au sein la membrane (20) en contact électrique avec les électrodes (16) ; et– au moins une couche d’encapsulation supérieure (15) des bras de soutien et du matériau thermo-résistif (18) ;– une couche d’encapsulation latérale (33) des bras de soutien disposée au contact des bords latéraux desdits bras de soutien, ladite couche d’encapsulation latérale (33) étant résistante à la gravure à base de dioxygène et/ou à base d’acide fluorhydrique. Figure pour l’abrégé : Fig 2a
Description
La présente invention a trait au domaine de la détection de rayonnements électromagnétiques et, plus précisément, à la détection de rayonnements infrarouges.
L’invention concerne un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge présentant une grande sensibilité.
Dans le domaine des détecteurs mis en œuvre pour l’imagerie infrarouge, il est connu d'utiliser des dispositifs agencés sous forme matricielle, susceptibles de fonctionner à température ambiante, c'est-à-dire ne nécessitant pas de refroidissement à de très basses températures, contrairement aux dispositifs de détection appelés "détecteurs quantiques" qui eux, nécessitent un fonctionnement à très basse température.
Ces détecteurs utilisent traditionnellement la variation d'une grandeur physique d'un matériau ou assemblage de matériaux approprié(s) en fonction de la température, au voisinage de 300K.
Dans le cas particulier des détecteurs micro-bolométriques, les plus couramment utilisés, cette grandeur physique est la résistivité électrique, mais d’autres grandeurs peuvent être exploitées, telle la constante diélectrique, la polarisation, la dilatation thermique, l’indice de réfraction, etc.
Un tel détecteur non refroidi associe généralement :
– des moyens d'absorption du rayonnement thermique et de conversion de celui-ci en chaleur ;
– des moyens d'isolation thermique du détecteur, de telle sorte à permettre à celui-ci de s'échauffer sous l'action du rayonnement thermique ;
– des moyens de thermométrie qui, dans le cadre d'un détecteur micro-bolométrique, mettent en œuvre un élément résistif dont la résistance varie avec la température ;
– et des moyens de lecture des signaux électriques fournis par les moyens de thermométrie.
– des moyens d'absorption du rayonnement thermique et de conversion de celui-ci en chaleur ;
– des moyens d'isolation thermique du détecteur, de telle sorte à permettre à celui-ci de s'échauffer sous l'action du rayonnement thermique ;
– des moyens de thermométrie qui, dans le cadre d'un détecteur micro-bolométrique, mettent en œuvre un élément résistif dont la résistance varie avec la température ;
– et des moyens de lecture des signaux électriques fournis par les moyens de thermométrie.
Les détecteurs destinés à l'imagerie thermique, ou infrarouge, sont classiquement réalisés sous la forme d'une matrice de détecteurs élémentaires, formant des points d’image ou pixels, selon une ou deux dimensions. Pour garantir l’isolation thermique des détecteurs, ces derniers sont suspendus au-dessus d’un substrat via des bras de soutien.
Le substrat comporte usuellement des moyens d'adressage séquentiel des détecteurs élémentaires et des moyens d'excitation électrique et de pré-traitement des signaux électriques générés à partir de ces détecteurs élémentaires. Ce substrat et les moyens intégrés sont communément désignés par le terme « circuit de lecture ».
Pour obtenir une scène par l'intermédiaire de ces détecteurs, cette scène est captée à travers une optique adaptée sur la matrice de détecteurs élémentaires, et des stimuli électriques cadencés sont appliqués par l'intermédiaire du circuit de lecture à chacun des détecteurs élémentaires, ou à chaque rangée de tels détecteurs, afin d'obtenir un signal électrique constituant l'image de la température atteinte par chacun desdits détecteurs élémentaires. Ce signal est traité de manière plus ou moins élaborée par le circuit de lecture, puis éventuellement par un dispositif électronique extérieur au boîtier afin de générer l'image thermique de la scène observée.
Plus précisément, un détecteur élémentaire est constitué d’une membrane maintenue en suspension fixe au-dessus du substrat par les bras de soutien. La membrane intègre un matériau thermo-résistif qui réalise une transduction des rayonnements infrarouges, formant les moyens de thermométrie.
La mesure de la résistance électrique du matériau thermo-résistif est réalisée par deux électrodes, par exemple métallique, s’étendant sous le matériau thermométrique et dans les bras de soutien.
Outre la lecture du signal aux bornes du matériau thermo-résistif, les électrodes peuvent également avoir pour fonction d’absorber au moins une partie du flux infrarouge pour le transformer en chaleur et le transmettre au matériau thermo-résistif.
Dans ce cas, la quantité de rayonnement infrarouge absorbée est dépendante de la surface de cet absorbeur. Pour optimiser l’absorption du rayonnement infrarouge, les électrodes couvrent un maximum de surface dans l’empreinte du pixel. En pratique, la surface des électrodes est limitée par celle de la membrane.
L’épaisseur et la résistivité électrique des électrodes est ajustée de façon à ce que son impédance effective par carré soit adaptée à celle du vide : Z0= 377 ohm/carré.
Les détecteurs élémentaires sont classiquement formés sur un substrat de silicium qui inclut le circuit de lecture. A l’aide des procédés de dépôt de couches métalliques ou diélectriques, des procédés de photolithographie et des procédés de gravure de la microélectronique, une couche sacrificielle est réalisée sur le substrat, puis une membrane sensible au rayonnement infrarouge est réalisée sur cette couche sacrificielle tout en structurant cette membrane de manière à assurer une continuité électrique entre celle-ci et le circuit de lecture.
Selon différentes approches, la couche sacrificielle est réalisée en polyimide ou en oxyde de silicium car ces matériaux peuvent être gravés à l’aide d’un procédé isotrope permettant de retirer ladite couche sacrificielle sous la membrane et laisser cette membrane dans un état suspendu au-dessus du substrat. Cette propriété est nécessaire pour le fonctionnement des détecteurs élémentaires. Les procédés de gravure classiquement mis en œuvre sont les procédés plasma à base de dioxygène ou les procédés de gravure à base d’acide fluorhydrique, respectivement dédiés à la suppression d’une couche sacrificielle en polyimide ou en oxyde de silicium.
La membrane est réalisée à l’aide d’au moins un matériau thermorésistif généralement obtenu par un dépôt formé d’un alliage de silicium et de germanium, ou d’un dépôt composé d’oxyde de vanadium. Cette couche peut également inclure des éléments tels que l’azote, le bore, le carbone… Pour structurer la membrane, d’autres matériaux sont nécessaires, et cette membrane est donc le résultat d’un empilement comprenant le matériau thermorésistif, agrémenté d’un ou plusieurs matériaux diélectriques et des électrodes réalisées par un dépôt métallique. Cet empilement est structuré en plusieurs séquences de dépôt, photolithographie, et gravure de manière à réaliser le détecteur élémentaire, également appelé micro-bolomètre.
Les figures 1a à 1f illustrent un procédé de réalisation d’un micro-bolomètre100de l’état de la technique, tel que par exemple décrit dans le document EP 3 182 081.
Une première étape, illustrée sur la , consiste à déposer et à structurer une couche sacrificielle12et une couche de support 13 sur un substrat 11 intégrant le circuit de lecture. La structuration de ces deux couches 12, 13 permet d’obtenir des ouvertures dans lesquelles des clous d’ancrage 14 peuvent être formés.
Tel qu’illustré sur la , la formation des clous d’ancrage14dans les ouvertures vise à obtenir un plot conducteur s’étendant au moins jusqu’au niveau de la face supérieure de la couche de support 13.
Au moins deux électrodes16sont ensuite déposées et structurées sur la couche de support13et sur la partie supérieure du clou d’ancrage14. Lorsque la couche de support13sur laquelle les électrodes16sont déposées présente une faible résistivité électrique, il est nécessaire d’éloigner d’une distanced1les extrémités37des électrodes16, afin de limiter les courants de fuites entre lesdites électrodes16. Cette distanced1peut représenter environ 50% du pas pixel, c’est-à-dire 50% de la distance entre les clous d’ancrage14.
Un matériau thermo-résistif18est ensuite déposé sur la couche de support13et sur les électrodes16de sorte à assurer une continuité électrique entre lesdites électrodes16. Une gravure de ce matériau thermo-résistif18permet de délimiter son emplacement au centre du micro-bolomètre100, c’est-à-dire dans la zone destinée à former la membrane20de celui-ci, tel qu’illustré sur la .
La gravure du matériau thermo-résistif18est classiquement réalisée par gravure ionique réactive, également appelée gravure RIE pour «Reactive -Ion Etching» dans la littérature anglo-saxonne, en arrêtant la gravure sur les deux électrodes16. Cette étape de gravure constitue une difficulté technique car les deux électrodes16sont souvent particulièrement fines, avec une épaisseur typiquement inférieure à 20 nanomètres. Or, la gravure RIE mise en œuvre pour délimiter l’emplacement du matériau thermo-résistif18risque, si elle n’est pas parfaitement calibrée, de détériorer les électrodes16et de diminuer les performances du micro-bolomètre100.
Tel qu’illustré sur la , une couche d’encapsulation supérieure190 est ensuite déposée sur les électrodes 16 et sur le matériau thermo-résistif 18. Cette couche d’encapsulation supérieure 190 permet de former une protection supérieure et latérale au matériau thermo-résistif 18, ainsi qu’une protection supérieure aux électrodes 16. En effet, pour obtenir un faible coefficient de bruit basse fréquence, il est connu d’utiliser un matériau thermo-résistif 18 réalisé en oxyde de vanadium. Cependant, l’oxyde de vanadium est sensible à l’acide fluorhydrique classiquement utilisé lors de l’étape de retrait d’une couche sacrificielle 12 réalisée en dioxyde de silicium.
Ainsi, il est souvent nécessaire de protéger le matériau thermo-résistif18, au moins pour que l’étape de retrait de la couche sacrificielle ne détériore pas ledit matériau. Pour ce faire, la couche d’encapsulation supérieure190est classiquement déposée pour encapsuler le matériau thermo-résistif18.
Cette couche d’encapsulation supérieure190a également pour fonction d’encapsuler les électrodes16afin d’assurer la tenue mécanique de la membrane20en fonction de l’application recherchée, c’est-à-dire en fonction de la résistance aux chocs recherchée du micro-bolomètre100.
Par ailleurs, il est recherché de limiter la conduction thermique des bras de soutien21pour isoler la membrane20de la température du substrat11.
Ainsi, pour chaque micro-bolomètre100, il existe une épaisseur idéale des bras de soutien21et de la couche d’encapsulation supérieure190pour laquelle les bras de soutien21présentent une épaisseur minimale et donc une conductance thermique minimale, tout en respectant les contraintes mécaniques recherchées.
Pour obtenir un micro-bolomètre100présentant une sensibilité élevée, il est recherché une conductance thermique faible des bras de soutien21et une surface importante de captation des rayonnements infrarouges. Pour ce faire, les électrodes16réalisent de préférence la fonction d’absorbeur des rayonnements infrarouges. Outre les électrodes16, un autre matériau absorbeur peut également être déposé sur la couche d’encapsulation supérieure190, au-dessus de la membrane, tel que décrit par exemple dans le document EP 3 870 945. Ainsi, l’association des électrodes16et du matériau absorbeur permet d’obtenir une surface importante de captation des rayonnements infrarouges.
Cependant, le dépôt d’un tel matériau absorbeur nécessite de déposer la couche d’encapsulation supérieure190 en deux étapes, avant et après le dépôt dudit matériau absorbeur, afin d’éviter que ce dernier soit déposé directement sur le matériau thermométrique18et afin de le protéger de la gravure de la couche sacrificielle12.
Après le dépôt complet de cette couche d’encapsulation supérieure190, en une ou deux étapes, les couches13,16et19 0sont ensuite gravées selon le motif souhaité pour former les bras de soutien21de la membrane20.
Enfin, l’étape 1f illustre le retrait de la couche sacrificielle12, libérant ainsi la membrane20en suspension sur les clous d’ancrage14par l’intermédiaire des bras de soutien2 1.
Lors de cette étape de libération, le matériau thermométrique18et l’éventuel matériau absorbeur sont protégés de la gravure de la couche sacrificielle12par la couche de support13et la couche d’encapsulation supérieure190. Ces couches13et190sont donc sélectionnées pour résister au procédé de gravure mis en œuvre pour obtenir le retrait de la couche sacrificielle12, par exemple la gravure à base de dioxygène ou à base d’acide fluorhydrique, alors que le matériau thermométrique18et l’éventuel matériau absorbeur peuvent être sélectionnés respectivement pour leurs performances de transduction thermique-électrique et de captation des rayonnements infrarouges.
De même, les motifs des bras de soutien21de la membrane20étant formés avant l’étape de libération, la gravure attaque également les parois latérales des bras de soutien21, si bien que les électrodes16et tous les matériaux éventuellement intégrés dans les bras de soutien21, entre les couches13et190, doivent également résister à la gravure de la couche sacrificielle12.
Cette contrainte limite grandement les possibilités de formation des bras de soutien21et, dans certains cas, il n’est pas possible d’utiliser les matériaux les plus performants en termes de résistivité électrique, de résistance thermique et/ou de résistance mécanique pour former lesdits bras de soutien21en raison de cette contrainte de résistance à la gravure de la couche sacrificielle12, notamment lorsque cette dernière est réalisée en oxyde de silicium et que la gravure met en œuvre de l’acide fluorhydrique.
Le problème technique que l’invention entend résoudre consiste à obtenir un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge dans lequel les matériaux intégrés dans les bras de soutien sont protégés de la gravure de la couche sacrificielle de sorte à pouvoir utiliser des matériaux plus performants en termes de résistivité électrique, de résistance thermique et/ou de résistance mécanique pour former les bras de soutien, améliorant ainsi les performances du micro-bolomètre.
Pour répondre à ce problème technique, l’invention propose de former les bras de soutien avec une couche d’encapsulation latérale des bras de soutien résistante à la gravure de la couche sacrificielle, c’est-à-dire résistance à la gravure à base de dioxygène et/ou à base d’acide fluorhydrique, de sorte à protéger les matériaux intégrés dans les bras de soutien.
Ainsi, l’invention concerne un micro-bolomètre d’imagerie infrarouge intégrant une membrane montée en suspension au-dessus d’un substrat au moyen de bras de soutien fixés sur des clous d’ancrage, le micro-bolomètre comprenant :
– une couche de support s’étendant au sein de la membrane et des bras de soutien ;
– des électrodes disposées sur la couche de support et au contact avec les clous d’ancrage, chaque électrode s’étendant au sein des bras de soutien ;
– un matériau thermo-résistif disposé au sein la membrane en contact électrique avec les électrodes ; et
– au moins une couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien et du matériau thermo-résistif.
– une couche de support s’étendant au sein de la membrane et des bras de soutien ;
– des électrodes disposées sur la couche de support et au contact avec les clous d’ancrage, chaque électrode s’étendant au sein des bras de soutien ;
– un matériau thermo-résistif disposé au sein la membrane en contact électrique avec les électrodes ; et
– au moins une couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien et du matériau thermo-résistif.
L’invention se caractérise en ce que le micro-bolomètre comprend également une couche d’encapsulation latérale des bras de soutien disposée au contact des bords latéraux desdits bras de soutien, ladite couche d’encapsulation latérale étant résistante à la gravure à base de dioxygène et/ou à base d’acide fluorhydrique.
En réalisant l’encapsulation des bras de soutien, l’invention permet d’utiliser des matériaux très performants en termes de résistivité électrique, de résistance thermique et/ou de résistance mécanique à l’intérieur des bras de soutien. Par exemple, le matériau constitutif des électrodes peut être sensible au retrait de la couche sacrificielle sans risquer d’être détérioré par l’étape de suppression de ladite couche sacrificielle. Par exemple, il est désormais possible d’utiliser le titane sous sa forme métallique pour former les électrodes bien que ce matériau ne soit pas compatible avec une gravure à base d’acide fluorhydrique.
De même, il est possible d’intégrer dans les bras de soutien, de part et d’autre des électrodes, deux couches de matériaux dont la résistivité électrique est suffisamment élevée pour permettre le rapprochement des électrodes au centre de la membrane en limitant les courants de fuites.
Pour ce faire, ces deux couches résistives sont en continuité l’une avec l’autre entre les extrémités des électrodes présentes au sein de la membrane de sorte à former une barrière isolante entre lesdites extrémités. Ainsi, ce mode de réalisation permet d’obtenir une surface de captation importante sans utiliser un matériau absorbeur déposé sur le matériau thermométrique.
Dans ce mode de réalisation, le micro-bolomètre comprend également :
– une couche résistive inférieure disposée entre la couche de support et les électrodes ; et
– une couche résistive supérieure disposée entre les électrodes et la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien ;
les couches résistives inférieure et supérieure étant en continuité l’une avec l’autre entre des extrémités des électrodes s’étendant au sein de la membrane, constituant ce faisant une barrière isolante entre les électrodes, permettant ainsi d’augmenter la surface des électrodes s’étendant au sein de la membrane.
– une couche résistive inférieure disposée entre la couche de support et les électrodes ; et
– une couche résistive supérieure disposée entre les électrodes et la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien ;
les couches résistives inférieure et supérieure étant en continuité l’une avec l’autre entre des extrémités des électrodes s’étendant au sein de la membrane, constituant ce faisant une barrière isolante entre les électrodes, permettant ainsi d’augmenter la surface des électrodes s’étendant au sein de la membrane.
Au sens de l’invention, une couche « résistive » correspond à une couche présentant une résistivité électrique au moins 10 000 fois supérieure à celle du matériau thermo-résistif. Par exemple, le matériau thermo-résistif peut être réalisé en un alliage amorphe riche en silicium, en oxyde de vanadium, en oxyde de titane ou en oxyde de nickel. Ainsi, le matériau thermo-résistif peut présenter une résistivité électrique comprise entre 0,1 et 100 Ohm.cm. Au contraire, les couches résistives inférieure et supérieure peuvent présenter une résistivité électrique supérieure à 104Ohm.cm.
La résistivité électrique des couches résistives vise principalement à éviter les courants de fuites susceptibles de se produire entre les extrémités des électrodes s’étendant au sein de la membrane. Ainsi, la résistivité électrique peut être recherchée en fonction de la proximité souhaitée d’implantation des électrodes.
Outre les propriétés de résistivité électrique des couches résistives inférieure et supérieure, ces couches peuvent également être dimensionnées, en termes d’épaisseur ou de matériau constitutif, pour répondre aux besoins de résistance thermique et de résistance mécanique des bras de soutien. Pour répondre à ces différentes contraintes, les couches résistives inférieure et supérieure peuvent être réalisées en dioxyde d'hafnium, en nitrure de silicium, en oxyde de silicium, en oxynitrure de silicium, en nitrure de bore, en nitrure d’aluminium, en carbure de silicium, en carbonitrure de silicium, en borure de silicium, en oxyborure de silicium, en boronitrure de silicium, en borocarbure de silicium, ou en oxycarbure de silicium.
Au sens de l’invention, et dans la suite de la description, la « hauteur » du micro-bolomètre correspond à la dimension perpendiculaire au plan du substrat sur lequel est fixé le micro-bolomètre.
Ainsi, la couche de support forme une couche d’encapsulation « inférieure » de la membrane et des bras de soutien ; elle correspond à la couche la plus proche du substrat et elle s’étend dans un plan inférieur de la membrane et des bras de soutien, parallèle au plan du substrat.
La couche d’encapsulation « supérieure » correspond, quant à elle, à la couche d’encapsulation la plus éloignée du substrat, et elle s’étend dans un plan supérieur de la membrane et des bras de soutien, également parallèle au plan du substrat.
L’invention peut utiliser plusieurs couches d’encapsulation supérieures différentes : une couche d’encapsulation supérieure pour la membrane et une couche d’encapsulation supérieure pour les bras de soutien.
En outre, la couche résistive « inférieure » correspond à la couche placée au contact des électrodes la plus proche du substrat, et la couche résistive « supérieure » correspond à la couche placée au contact des électrodes la plus éloignée du substrat.
La couche d’encapsulation « latérale » des bras de soutien correspond à l’épaisseur de matière présente sur le pourtour latéral des bras de soutien, entre la couche de support et la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien. La couche d’encapsulation latérale s’étend donc dans un plan perpendiculaire aux plans de la couche d’encapsulation inférieure et de la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien.
Préférentiellement, la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien et la couche d’encapsulation latérale sont de natures ou d’épaisseurs distinctes. Par exemple, la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien peut être réalisée en nitrure de bore, en alumine, en carbure de silicium ou en nitrure d’aluminium, alors que la couche d’encapsulation latérale peut être réalisées en un alliage amorphe riche en silicium, typiquement comportant au moins 25% de silicium, potentiellement allié avec de l’azote, du bore, du carbone ou de l’hydrogène.
Alternativement, la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien et la couche d’encapsulation latérale des bras de soutien sont réalisées en un même matériau, typiquement un alliage amorphe riche en silicium.
Le nitrure de bore, l’alumine, le nitrure d’aluminium, le carbure de silicium ainsi qu’un alliage amorphe riche en silicium présentent la propriété de résister à une gravure à base d’acide fluorhydrique (HF) classiquement utilisée pour retirer une couche sacrificielle réalisée en oxyde de silicium (SiOx).
En variante, pour une couche sacrificielle réalisée en polyimide (PI) classiquement retirée par plasma oxygéné (O2), il est possible d’utiliser des couches d’encapsulation réalisées en nitrure de silicium (SiN) ou en oxyde de silicium (SiO2).
Lorsque les différentes couches d’encapsulation sont réalisées dans le même matériau, il est possible de distinguer ces différentes couches par leur épaisseur respective.
Par épaisseur, on entend :
– s’agissant de la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien , la dimension perpendiculaire au plan du substrat dans lequel s’inscrit le micro-bolomètre ; et
– s’agissant de la couche d’encapsulation latérale des bras de soutien, une dimension parallèle audit plan du substrat ; cette dernière épaisseur est typiquement mesurée à la base de la couche d’encapsulation latérale.
– s’agissant de la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien , la dimension perpendiculaire au plan du substrat dans lequel s’inscrit le micro-bolomètre ; et
– s’agissant de la couche d’encapsulation latérale des bras de soutien, une dimension parallèle audit plan du substrat ; cette dernière épaisseur est typiquement mesurée à la base de la couche d’encapsulation latérale.
Par ailleurs, la couche d’encapsulation latérale des bras de soutien peut présenter un ergot faisant saillie par rapport à la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien d’au moins 10 nanomètres. Cette forme caractéristique peut résulter de la réalisation de la couche d’encapsulation latérale indépendamment de la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien.
L’invention sera bien comprise à la lecture de la description qui suit, dont les détails sont donnés uniquement à titre d’exemple, et développée en relation avec les figures annexées, dans lesquelles des références identiques se rapportent à des éléments identiques :
– Les illustrent les étapes de réalisation d’un micro-bolomètre de l’état de la technique ;
– La est une vue schématique en section d’un micro-bolomètre selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
– La est un agrandissement partiel de la vue schématique en section de la ;
– La est une vue schématique en section d’un micro-bolomètre selon un second mode de réalisation de l’invention ; et
– La est une vue schématique en section d’un micro-bolomètre selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
– Les
– La
– La
– La
– La
Tel qu'illustré sur la , l’invention vise un micro-bolomètre10acomprenant une membrane 20 montée en suspension sur un substrat 11. Le substrat 11 intègre classiquement un circuit de lecture, c’est-à-dire un ensemble de composants permettant notamment la polarisation, l’adressage et la mesure de la résistance de la membrane 20 du micro-bolomètre 10a. Plus précisément, le circuit de lecture effectue la mesure de la résistance d’un matériau thermo-résistif 18 encapsulé dans la membrane 20.
Pour ce faire, le matériau thermo-résistif18est connecté électriquement au circuit de lecture par des électrodes16et des clous d’ancrage14. La membrane20a pour fonction de réaliser une transduction thermique/résistive des rayonnements infrarouges. Pour limiter l’influence de la température du substrat11, cette membrane20est montée en suspension sur les clous d’ancrage14par l’intermédiaire de bras de soutien21. Ainsi, les clous d’ancrage14s’étendent perpendiculairement par rapport au substrat11 ,et les bras de soutien et la membrane20s’étendent dans un plan parallèle au plan du substrat11. Il existe deux formes majeures de micro-bolomètres : les micro-bolomètres suspendus entre deux clous d’ancrage14et les micro-bolomètres suspendus entre quatre clous d’ancrage14.
Quel que soit le micro-bolomètre utilisé, ces clous d’ancrage14peuvent être réalisés en un matériau métallique, tel que du nitrure de titane, du cuivre, du tungstène ou de l’aluminium. Ils peuvent être de section transversale cylindrique avec un diamètre voisin de 500 nanomètres.
Pour garantir la structure mécanique de la membrane20et des bras de soutien21, une couche de support13forme la couche inférieure de la membrane20et des bras de soutien21. Cette couche de support13peut, par exemple, être réalisée en un alliage amorphe riche en silicium, en carbure de silicium, en alumine ou en nitrure d’aluminium, et présenter une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres.
Selon l’invention, une couche résistive inférieure34est disposée entre la couche de support13et les électrodes16. Cette couche résistive inférieure34peut être réalisée en dioxyde d'hafnium, en nitrure de silicium, en oxyde de silicium, en oxynitrure de silicium, en nitrure de bore, en nitrure d’aluminium, en carbure de silicium, en carbonitrure de silicium, en borure de silicium, en oxyborure de silicium, en boronitrure de silicium, en borocarbure de silicium, ou en oxycarbure de silicium.
La couche de support13et la couche résistive inférieure34sont traversées par les clous d’ancrage14. Ainsi, les électrodes16sont fixées sur la couche résistive inférieure34et sur l'extrémité supérieure des clous d’ancrage14, de sorte à assurer un contact électrique avec ces clous d’ancrage14. Ces électrodes16peuvent être réalisées en nitrure de titane avec une épaisseur comprise entre 5 et 20 nanomètres. En outre, ces électrodes16sont structurées dans la partie centrale de la membrane20de sorte que la mesure de la résistance électrique entre deux électrodes16permette de mesurer la résistance électrique du matériau thermo-résistif18. Contrairement à l’état de la technique, les extrémités37des électrodes16peuvent être très proches l’une de l’autre. Par exemple, lesdites extrémités37peuvent être distantes d’une distanced2, inférieure à 500 nanomètres, typiquement entre 200 nanomètres et 1 micromètre. En outre, le matériau constitutif des électrodes16peut être sélectionné uniquement pour répondre aux contraintes de résistivité électrique, de conductivité thermique ou de captation des rayonnements infrarouges, indépendant des contraintes de résistance au retrait de la couche sacrificielle. Par exemple, il est désormais possible de former les électrodes16en titane sous forme métallique, voire en cuivre, chrome, cobalt ou aluminium.
Pour augmenter la surface des électrodes16, une couche résistive supérieure35est disposée entre les électrodes16et une couche d’encapsulation supérieure15des bras de soutien. Cette couche résistive supérieure35est préférentiellement réalisée avec le même matériau que la couche résistive inférieure34, et elle s’étend entre les extrémités37des électrodes16de sorte à former une barrière isolante36entre les électrodes16.
Tel qu’illustré sur la , la couche résistive supérieure35présente préférentiellement une épaisseur e2 équivalente à l’épaisseur e2 de la couche résistive inférieure 34.
La couche d’encapsulation supérieure15des bras de soutien peut être réalisée en un alliage amorphe riche en silicium, potentiellement allié avec de l’azote, du bore, du carbone ou de l’hydrogène, avec une épaisseure 1 égale à l’épaisseur de la couche de support13, ces deux couches formant les couches d’encapsulation des bras de soutien21.
Pour un exemple chiffré, avec des couches d’encapsulation13,15des bras de soutien21réalisées en un alliage amorphe riche en silicium, des couches résistives34-35réalisées en dioxyde d'hafnium peuvent être utilisées car ce matériau présente une conductivité thermique faible, de l’ordre de 0.35 W/(m.K) et une résistance mécanique importante, c’est-à-dire un module d’Young proche de 150 GPa.
Par exemple, en considérant des bras de soutien21d’une épaisseur fixe de 108 nanomètres, avec des électrodes16présentant une épaisseur de 8 nanomètres et des couches d’encapsulation13,15présentant une épaisseur totale de 100 nanomètres, il est possible d’estimer l’apport de l’intégration des couches résistives34-35à la place d’une partie du volume des couches d’encapsulation13,15. Typiquement, avec la même épaisseur totale de 100 nanomètres des couches d’encapsulation13,15, la conductivité thermique effective des bras de soutien21peut être typiquement de l’ordre de trois fois inférieure pour une épaisseure 2 de 20 nanomètres de chaque couche résistive34-35, comparativement à une épaisseure 2 nulle. L’intégration des couches résistives34-35permet donc de diminuer sensiblement la conductivité thermique des bras de soutien21.
Outre la couche de support13, les couches résistives34-35, les électrodes16et la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien15, et les bras de soutien21peuvent également comprendre une couche d’arrêt30déposée sur la couche d’encapsulation supérieure15des bras de soutien. Cette couche d’arrêt30peut, par exemple, être réalisée en nitrure de bore ou en nitrure d’aluminium, et présenter une épaisseur comprise entre 5 et 100 nanomètres. En outre, cette couche d’arrêt30peut être complétée ou remplacée par une couche d’alumine et/ou une couche de carbure de silicium avec une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres.
Dans l’exemple de la , cette couche d’arrêt30est présente sur la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien, limitativement au niveau de la membrane 20. Dans ce mode de réalisation, le matériau thermo-résistif 18 est déposé sur la couche d’arrêt 30 et sur les électrodes 16 en passant par des ouvertures 17 ménagées à travers la couche résistive supérieure 35, la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien et la couche d’arrêt 30. Préférentiellement, le matériau thermo-résistif 18 est réalisé en oxyde de vanadium déposé avec une épaisseur comprise entre 10 et 200 nanomètres.
Dans le mode de réalisation de la , le micro-bolomètre10bcomporte un matériau thermo-résistif 18 déposé sur la couche d’arrêt 30 et sur des vias conducteurs 40 formés dans les ouvertures 17. De préférence, les vias conducteurs 40 sont constitués de tungstène ou de siliciure de tungstène. L'épaisseur des vias conducteurs 40 est comprise entre 100 et 300 nanomètres. Pour garantir le remplissage des ouvertures 17, l'épaisseur de dépôt des vias conducteurs 40 est préférentiellement supérieure à la moitié de la largeur des ouvertures 17. Le remplissage des ouvertures 17 peut également être obtenu par le dépôt d’une fine couche en nitrure de titane, déposée par dépôt chimique en phase vapeur, suivi par le dépôt CVD ou PVD du tungstène ou du siliciure de tungstène. Ainsi, une couche de nitrure de titane d’épaisseur comprise entre 10 et 50 nanomètres peut être utilisée pour former les parois externes des vias conducteurs 40.
Dans le mode de réalisation de la , le micro-bolomètre10ccomporte un matériau thermo-résistif 18 déposé sur une couche d’arrêt 30 gravée au centre de la membrane 20 et limitée uniquement au niveau des bords latéraux de cette dernière. Au centre de la membrane, le matériau thermo-résistif 18 est déposé sur la couche de support 13 et sur des zones de siliciuration 41 formées dans la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien, lorsque cette dernière intègre du silicium. Pour réaliser le contact électrique entre les électrodes 16 et les zones de siliciuration 41, un matériau métallique 42 peut être implanté localement dans la couche résistive supérieure 35.
Ces zones de siliciuration41peuvent être obtenues par incorporation d’un matériau métallique de siliciuration dans une couche diélectrique ou par implantation localisée. Par exemple, la couche d’encapsulation supérieure15des bras de soutien peut être réalisée en un alliage amorphe riche en silicium. Le matériau métallique de siliciuration peut être réalisé en nickel ou en cobalt et possiblement additionné de platine, de sorte à former du siliciure de nickel.
Afin d’obtenir un dépôt localisé du matériau métallique de siliciuration, une couche sacrificielle peut être déposée sur la couche d’encapsulation supérieure15des bras de soutien, et des ouvertures peuvent être structurées dans cette couche sacrificielle jusqu’à atteindre ladite couche d’encapsulation supérieure15des bras de soutien. Le matériau métallique de siliciuration peut ensuite être déposé sur la couche sacrificielle et dans les ouvertures.
Par exemple, le matériau métallique de siliciuration peut être déposé avec une épaisseur comprise entre 5 et 50 nanomètres.
L’incorporation du matériau métallique de siliciuration dans la couche d’encapsulation supérieure15des bras de soutien et dans la couche résistive supérieure35peut alors être réalisée par une étape de diffusion obtenue par recuit thermique, avec une température comprise entre 100°C et 200°C pendant une durée d’au moins 30 secondes. Ce recuit thermique permet d’obtenir des zones de siliciuration41dans lesquelles au moins une partie des atomes du matériau métallique de siliciuration sont présents.
Quel que soit le mode de réalisation, le matériau thermo-résistif18est déposé en contact électrique avec les électrodes16.
La face supérieure du matériau thermo-résistif18est protégée par une couche d’encapsulation supérieure19de la membrane, qui peut être différente de la couche d’encapsulation supérieure15des bras de soutien. Cette couche d’encapsulation supérieure19de la membrane peut être constituée d’une couche d’arrêt, par exemple réalisée en nitrure de bore ou en nitrure d’aluminium avec une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres. En variante, tel qu’illustré sur les figures 3 à 5, cette couche d’encapsulation supérieure19de la membrane peut être constituée d’une couche d’alliage amorphe riche en silicium avec une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres.
Le matériau thermo-résistif18et les bras de soutien21sont également protégés latéralement par une couche d’encapsulation latérale33. Cette couche d’encapsulation latérale33peut être constituée d’une couche d’alliage amorphe riche en silicium avec une épaisseure 3 comprise entre 5 et 50 nanomètres.
De préférence, la couche d’encapsulation supérieure15des bras de soutien, la couche d’encapsulation latérale33et la couche d’encapsulation supérieure19de la membrane sont réalisées par au moins deux dépôts distincts, de sorte que l’épaisseur et/ou la nature de ces couches diffèrent entre ces couches.
Plus particulièrement, tel qu’illustré sur la , l’épaisseure1 de la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien est différente de l’épaisseur e3 de la couche d’encapsulation latérale 33.
Tel qu’illustré sur la , la couche d’encapsulation latérale33s’étendant dans un plan perpendiculaire aux plans de la couche de support 13 et de la couche d’encapsulation supérieure 15 des bras de soutien, l’épaisseur e3 de ladite couche d’encapsulation latérale 33 correspond à l’épaisseur de matière présente autour des bras de soutien 21.
Le procédé de réalisation de cette couche d’encapsulation latérale33peut induire la formation d’un ergot50faisant saillie par rapport à la couche d’encapsulation supérieure15des bras de soutien d’une hauteurhd’au moins 10 nanomètres.
Ces micro-bolomètres10a-10cpeuvent être réalisés par les méthodes utilisant des couches sacrificielles, notamment les méthodes divulguées dans les documents FR 3 098 904 et WO 2018/122382.
De manière générale, l’invention propose de réaliser des bras de soutien21présentant une couche d’encapsulation latérale33permettant de limiter les contraintes de sélection des matériaux intégrés dans les bras de soutien21. Il est désormais possible d’utiliser des matériaux plus performants en termes de résistivité électrique, de résistance thermique et/ou de résistance mécanique pour former les bras de soutien.
L’invention permet ainsi d’obtenir un micro-bolomètre10a-10 cprésentant des performances améliorées.
Claims (10)
- Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge (10a-10c) intégrant une membrane (20) montée en suspension au-dessus d’un substrat (11) au moyen de bras de soutien (21) fixés sur des clous d’ancrage (14), le micro-bolomètre (10a-10c) comprenant :
– une couche de support (13) s’étendant au sein de la membrane (20) et des bras de soutien (21) ;
– des électrodes (16) disposées sur la couche de support (13) et au contact avec les clous d’ancrage (14), chaque électrode (16) s’étendant au sein d’un bras de soutien (21) ;
– un matériau thermo-résistif (18) disposé au sein la membrane (20) en contact électrique avec les électrodes (16) ; et
– au moins une couche d’encapsulation supérieure (15, 19) des bras de soutien et du matériau thermo-résistif (18) ;
caractérisé en ce que le micro-bolomètre (10a-10c) comprend également une couche d’encapsulation latérale (33) des bras de soutien disposée au contact des bords latéraux desdits bras de soutien (21), ladite couche d’encapsulation latérale (33) étant résistante à la gravure à base de dioxygène et/ou à base d’acide fluorhydrique. - Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon la revendication 1, dans lequel la couche d’encapsulation supérieure (15) des bras de soutien et la couche d’encapsulation latérale (33) des bras de soutien sont de natures distinctes.
- Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche d’encapsulation supérieure (15) des bras de soutien et la couche d’encapsulation latérale (33) des bras de soutien sont d’épaisseurs distinctes.
- Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la couche d’encapsulation latérale (33) des bras de soutien présente un ergot (50) faisant saillie par rapport à la couche d’encapsulation supérieure (15) des bras de soutien d’au moins 10 nanomètres.
- Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon la revendication 1, dans lequel la couche d’encapsulation latérale (33) des bras de soutien et la couche d’encapsulation supérieure (15) des bras de soutien sont réalisées en un alliage amorphe riche en silicium.
- Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le micro-bolomètre (10a-10c) comprend également :
– une couche résistive inférieure (34) disposée entre la couche de support (13) et les électrodes (16) ; et
– une couche résistive supérieure (35) disposée entre les électrodes (16) et la couche d’encapsulation supérieure des bras de soutien (15) ;
les couches résistives inférieure et supérieure étant en continuité l’une avec l’autre entre des extrémités (37) des électrodes (16) s’étendant au sein de la membrane (20), constituant ce faisant une barrière isolante (36) entre les électrodes, permettant ainsi d’augmenter la surface des électrodes (16) s’étendant au sein de la membrane (20). - Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon la revendication 6, dans lequel les couches résistives inférieure et supérieure présentent une résistivité électrique supérieure à 104Ohm.cm.
- Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon l’une des revendications 6 et 7, dans lequel les couches résistives inférieure et supérieure sont réalisées en dioxyde d'hafnium, en nitrure de silicium, en oxyde de silicium, en oxynitrure de silicium, en nitrure de bore, en nitrure d’aluminium, en carbure de silicium, en carbonitrure de silicium, en borure de silicium, en oxyborure de silicium, en boronitrure de silicium, en borocarbure de silicium ou en oxycarbure de silicium.
- Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le matériau thermo-résistif (18) est réalisé en un alliage amorphe riche en silicium, en oxyde de vanadium, en oxyde de titane ou en oxyde de nickel.
- Micro-bolomètre d’imagerie infrarouge selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel les électrodes (16) sont réalisées en métal, choisi dans le groupe comprenant le titane, le cuivre, le chrome, le cobalt et l’aluminium.
Priority Applications (2)
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