FR3142545A1

FR3142545A1 - Filtre optique pour capteur multispectral et procédé de fabrication d’un tel filtre

Info

Publication number: FR3142545A1
Application number: FR2212409A
Authority: FR
Inventors: Quentin ABADIE; Sandrine VILLENAVE
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2022-11-28
Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2024-05-31
Also published as: US20240176129A1

Abstract

Filtre optique pour capteur multispectral et procédé de fabrication d’un tel filtre La présente description concerne un filtre optique (101) destiné à être disposé en vis-à-vis d’un capteur d’images (103) comprenant une pluralité de pixels (105), le filtre comprenant, pour chaque pixel, au moins une cavité résonnante (109) comportant une région transparente (111) présentant un premier indice de réfraction et délimitée latéralement par un mur vertical périphérique réfléchissant (113), et au moins un élément résonnant (115) formé dans ladite région. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Filtre optique pour capteur multispectral et procédé de fabrication d’un tel filtre

La présente description concerne de façon générale les capteurs multispectraux, adaptés à acquérir des images d’une scène dans différentes plages de longueurs d’onde. La présente description vise plus particulièrement un filtre optique pour capteur multispectral, un capteur multispectral comprenant un tel filtre et un procédé de fabrication d’un filtre optique pour capteur multispectral.

Des capteurs multispectraux comprenant une roue à filtres placée en vis-à-vis d’un capteur d’images adapté à acquérir des images successives d’une scène au travers de différents filtres de la roue ont été proposés. Par ailleurs, d’autres capteurs multispectraux, plus compacts, comprenant un seul filtre optique disposé en vis-à-vis d’un capteur d’images, le filtre étant adapté à transmettre un rayonnement incident majoritairement dans une première plage de longueurs d’onde vers certains pixels du capteur et un rayonnement incident majoritairement dans au moins une deuxième plage de longueurs d’onde, différente de la première plage de longueurs d’onde, vers d’autres pixels du capteur, ont été proposés.

Les capteurs multispectraux existants présentent toutefois divers inconvénients.

Un objet d’un mode de réalisation est de pallier tout ou partie des inconvénients des filtres optiques pour capteurs multispectraux connus, des capteurs multispectraux connus intégrant de tels filtres et des procédés de fabrication connus de filtres optiques pour capteurs multispectraux.

Pour cela, un mode de réalisation prévoit un filtre optique destiné à être disposé en vis-à-vis d’un capteur d’images comprenant une pluralité de pixels, le filtre comprenant, pour chaque pixel, au moins une cavité résonnante comportant une région transparente présentant un premier indice de réfraction et délimitée latéralement par un mur vertical périphérique réfléchissant, et au moins un élément résonnant formé dans ladite région.

Selon un mode de réalisation, ledit au moins un élément résonnant situé dans l’une desdites au moins une cavité résonnante présente une dimension latérale différente de celle dudit au moins un élément résonnant situé dans une autre cavité résonnante.

Selon un mode de réalisation, l’une desdites au moins une cavité résonnante présente une largeur différente de celle d’une autre cavité résonnante.

Selon un mode de réalisation, chaque élément résonnant comprend un plot présentant un deuxième indice de réfraction supérieur au premier indice.

Selon un mode de réalisation, chaque élément résonnant comprend en outre une couche transparente présentant un troisième indice de réfraction supérieur au premier indice et s’étendant latéralement dans la cavité résonnante.

Selon un mode de réalisation, le troisième indice est sensiblement égal au deuxième indice.

Selon un mode de réalisation, chaque élément résonnant comprend une partie de la région transparente située à l’intérieur d’une ouverture traversante formée dans une couche transparente présentant un quatrième indice de réfraction supérieur au premier indice et s’étendant latéralement dans la cavité résonnante.

Selon un mode de réalisation, le filtre comprend, pour chaque pixel, une seule cavité résonnante.

Selon un mode de réalisation, le filtre comprend, pour chaque pixel, une pluralité de cavités résonnantes.

Selon un mode de réalisation, le mur vertical périphérique réfléchissant est en un métal.

Selon un mode de réalisation, le mur vertical périphérique réfléchissant comprend un empilement de couches électriquement isolantes en des matériaux présentant des indices de réfraction différents.

Selon un mode de réalisation, le filtre comprend en outre, pour chaque cavité, une microlentille située à l’aplomb de ladite cavité.

Un mode de réalisation prévoit un capteur d’images multispectral comprenant un capteur d’images comportant une pluralité de pixels formés dans et sur un substrat semiconducteur et un filtre optique tel que décrit.

Un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication d’un filtre optique destiné à être disposé en vis-à-vis d’un capteur d’images comprenant une pluralité de pixels, le procédé comprenant les étapes successives suivantes :
a) former, dans une couche transparente, au moins un élément résonnant pour chaque pixel ; et
b) scinder la couche transparente en plusieurs régions transparentes comprenant chacune au moins l’un des éléments résonnants ; et
c) revêtir les flancs de chaque région transparente d’un mur réfléchissant périphérique,
dans lequel la région transparente et le mur réfléchissant périphérique forment, pour chaque pixel, une cavité résonnante.

Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d’autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :

la est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un exemple d’un capteur d’images multispectral comprenant un filtre optique selon un mode de réalisation ;

la et la sont des vues, respectivement de dessus et en coupe selon le plan AA de la , schématiques et partielles, d’un exemple d’un capteur d’images multispectral comprenant un filtre optique selon un mode de réalisation ;

les , et sont des vues en coupe illustrant, de façon schématique et partielle, des étapes successives d’un exemple d’un procédé de fabrication du filtre optique de la selon un mode de réalisation ;

la est une vue en coupe illustrant, de façon schématique et partielle, une étape d’un procédé de fabrication d’une variante du filtre optique de la ;

les et sont des vues en coupe illustrant, de façon schématique et partielle, des étapes successives d’un exemple d’un procédé de fabrication d’un filtre optique selon un mode de réalisation ; et

les et sont des vues en coupe illustrant, de façon schématique et partielle, des étapes successives d’un exemple d’un procédé de fabrication du filtre optique des figures 5A et 5B selon un mode de réalisation.

De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. En particulier, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références et peuvent disposer de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.

Par souci de clarté, seuls les étapes et éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, la réalisation des photodiodes et des circuits de commande des pixels n’a pas été détaillée, la réalisation de tels pixels étant à la portée de la personne du métier à partir des indications de la présente description.

Sauf précision contraire, lorsque l’on fait référence à deux éléments connectés entre eux, cela signifie directement connectés sans éléments intermédiaires autres que des conducteurs, et lorsque l’on fait référence à deux éléments reliés (en anglais « coupled ») entre eux, cela signifie que ces deux éléments peuvent être connectés ou être reliés par l’intermédiaire d’un ou plusieurs autres éléments.

Dans la description qui suit, lorsque l’on fait référence à des qualificatifs de position absolue, tels que les termes « avant », « arrière », « haut », « bas », « gauche », « droite », etc., ou relative, tels que les termes « dessus », « dessous », « supérieur », « inférieur », etc., ou à des qualificatifs d’orientation, tels que les termes « horizontal », « vertical », etc., il est fait référence, sauf précision contraire, à l’orientation des figures.

Sauf précision contraire, les expressions « environ », « approximativement », « sensiblement », et « de l’ordre de » signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.

La est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un exemple d’un capteur d’images multispectral 100 comprenant un filtre optique 101 selon un mode de réalisation.

Dans l’exemple représenté, le filtre optique 101 est disposé en vis-à-vis d’un capteur d’images 103, par exemple un capteur CMOS (de l’anglais « Complementary Metal–Oxide–Semiconductor » - métal-oxyde-semiconducteur complémentaire). Le capteur d’images 103 comprend une pluralité de pixels 105 formés dans et sur un substrat 107. Le substrat 107 est par exemple une plaquette ou un morceau de plaquette en un matériau semiconducteur, par exemple le silicium. Les pixels 105 peuvent présenter, en vue de dessus, une forme quelconque. À titre d’exemple, chaque pixel 105 présente, en vue de dessus, un pourtour de forme polygonale, par exemple rectangulaire ou carrée, ou de forme circulaire. Les pixels 105 sont par exemple agencés en matrice selon des lignes et des colonnes. Bien que cela n’ait pas été détaillé en , des circuits de commande et de lecture des pixels 105 peuvent être formés dans et sur le substrat 107. Par ailleurs, bien que seulement deux pixels 105 aient été illustrés en , le capteur d’images 103 peut bien entendu comporter un nombre de pixels 105 beaucoup plus important, par exemple plusieurs milliers ou plusieurs millions de pixels 105.

Selon un mode de réalisation, le filtre optique 101 destiné à être disposé en vis-à-vis du capteur d’images 103 comprend, pour chaque pixel 105 du capteur d’images 103, au moins une cavité résonnante 109 comportant une région transparente 111, délimitée latéralement par un mur vertical périphérique réfléchissant 113, et au moins un élément résonnant 115, formé dans la région transparente 111. La région 111 est en un matériau transparent aux longueurs d’onde de fonctionnement des pixels 105 et présentant un indice de réfraction n1. Dans l’exemple illustré en , le filtre optique 101 comprend, pour chaque pixel 105, une seule cavité résonnante 109 comportant un seul élément résonnant 115.

Les cavités résonnantes 109 peuvent présenter, en vue de dessus, une forme quelconque, par exemple identique à celle des pixels 105 sous-jacents. À titre d’exemple, chaque cavité résonnante 109 présente, en vue de dessus, un pourtour de forme polygonale, par exemple rectangulaire ou carrée, ou de forme circulaire. Les cavités résonnantes 109 présentent par exemple des dimensions latérales inférieures ou égales à celles des pixels 105, le pourtour de chaque cavité résonnante 109 étant, en vue de dessus, situé respectivement à l’intérieur ou à l’aplomb du pourtour du pixel 105 sous-jacent.

Le mur périphérique réfléchissant 113 présente par exemple, en vue de dessus, une forme annulaire, par exemple à section polygonale, par exemple rectangulaire ou carrée, ou à section circulaire, entourant ou bordant latéralement la région transparente 111 de chaque cavité résonnante 109, les flancs de la région transparente 111 étant revêtus du mur 113. À titre d’exemple, le mur périphérique réfléchissant 113 présente une hauteur, ou épaisseur, de l’ordre de 1 µm.

Dans l’exemple représenté, chaque élément résonnant 115 est un plot 117 en un matériau d’indice de réfraction n2 strictement supérieur à l’indice de réfraction n1 du matériau de la région transparente 111. Chaque plot 117 est par exemple revêtu, sur toutes ses faces, du matériau de la région transparente 111. Les plots 117 peuvent présenter, en vue de dessus, une section de forme quelconque. À titre d’exemple, chaque plot 117 présente, en vue de dessus, un pourtour de forme polygonale, par exemple rectangulaire ou carrée, de forme ovale, de forme circulaire, etc.

Les plots 117 présentent par exemple une même hauteur, ou épaisseur, aux dispersions de fabrication près. Dans l’exemple représenté, les plots 117 sont centrés latéralement et verticalement par rapport aux cavités résonnantes 109. Cet exemple n’est toutefois pas limitatif, les plots 117 pouvant, à titre de variante, être décentrés par rapport aux cavités résonnantes 109. Les plots 117 forment par exemple un réseau présentant un pas sensiblement constant sur l’ensemble du filtre 101, le pas du réseau correspondant à une distance centre à centre entre deux plots 117 voisins.

Au moins l’une des cavités résonnantes 109 peut présenter, comme dans l’exemple illustré en , une largeur L différente de celle d’une autre cavité résonnante 109. La largeur L d’une cavité résonnante 109 correspond à la dimension latérale maximale de cette cavité. À titre d’exemple, la largeur L correspond au côté, respectivement au diamètre, de la cavité résonnante 109, dans le cas où la cavité présente, en vue de dessus, un pourtour de forme carrée, respectivement circulaire.

Par ailleurs, au moins l’un des plots 117 peut présenter, comme dans l’exemple illustré en , une dimension latérale D différente de celle d’un autre plot 117. La dimension latérale D d’un plot 117 correspond par exemple au côté, respectivement au diamètre, du plot 117, dans le cas où le plot présente, en vue de dessus, un pourtour de forme carrée, respectivement circulaire.

À titre d’exemple, chaque cavité résonnante 109 située en vis-à-vis de l’un des pixels 105 présente une largeur L différente des largeurs L des cavités résonnantes 109 situées en vis-à-vis des pixels 105 adjacents au pixel considéré. Dit autrement, les cavités résonnantes 109 situées en vis-à-vis de deux pixels 105 adjacents présentent, dans cet exemple, des largeurs L différentes. À titre de variante, des cavités résonnantes 109 adjacentes peuvent présenter une même largeur L différente de celle d’une autre cavité résonnante 109.

De façon complémentaire ou alternative, le plot 117 de chaque cavité résonnante 109 située en vis-à-vis de l’un des pixels 105 présente par exemple une dimension latérale D différente des dimensions latérales D des plots 117 des cavités résonnantes 109 situées en vis-à-vis des pixels 105 adjacents au pixel considéré. Dit autrement, les plots 117 des cavités résonnantes 109 situées en vis-à-vis de deux pixels 105 adjacents présentent, dans cet exemple, des dimensions latérales D différentes. À titre de variante, les plots 117 de cavités résonnantes 109 adjacentes peuvent présenter une même dimension latérale D différente de celle du plot 117 d’une autre cavité résonnante 109.

À titre d’exemple, le filtre optique 101 peut comporter plusieurs groupes de cavités résonnantes 109, les cavités résonnantes 109 d’un même groupe présentant une même largeur L de cavité et comportant des plots 117 présentant une même dimension latérale D, aux dispersions de fabrication près. La largeur L des cavités résonnantes 109 faisant partie d’un même groupe est différente des largeurs L des cavités résonnantes 109 faisant partie des autres groupes de cavités. De façon complémentaire ou alternative, la dimension latérale D des plots 117 des cavités résonnantes 109 faisant partie d’un même groupe est différente des dimensions latérales D des plots 117 faisant partie des autres groupes de cavités 109. Les cavités résonnantes 109 faisant partie d’un même groupe sont par exemple agencées selon un motif régulier.

Chaque cavité résonnante 109 du filtre optique 101 est majoritairement résonnante pour une plage de longueurs d’onde d’un rayonnement incident destiné à être transmis vers une zone photosensible du pixel 105 sous-jacent. La plage de longueurs d’onde transmises par chaque cavité résonnante 109 est, entre autres, fonction de la largeur L de la cavité résonnante 109 considérée (plus la largeur L de la cavité résonnante 109 est grande, plus la longueur d’onde du rayonnement majoritairement transmis vers le pixel 105 sous-jacent est élevée). Ainsi, le fait de prévoir des cavités résonnantes 109 de largeurs L différentes permet au filtre 101 de transmettre le rayonnement incident dans des plages de longueurs d’onde différentes.

La plage de longueurs d’onde transmises par chaque cavité résonnante 109 est, en outre, fonction de la dimension latérale D du plot 117 (plus la dimension latérale D du plot 117 est grande, plus la longueur d’onde du rayonnement majoritairement transmis vers le pixel 105 sous-jacent est élevée). Ainsi, le fait de prévoir des cavités résonnantes 109 dont les plots 117 présentent des dimensions latérales D différentes permet au filtre 101 de transmettre le rayonnement incident dans des plages de longueurs d’onde différentes.

À titre d’exemple, la modification de la largeur L d’une cavité résonnante 109 induit un décalage de la plage de longueurs d’onde du rayonnement transmis vers le pixel 105 sous-jacent supérieur au décalage obtenu par une modification similaire de la dimension latérale D du plot 117 de la cavité. En d’autres termes, modifier la dimension latérale D du plot 117 d’une cavité résonnante 109 permet, dans cet exemple, d’ajuster plus finement la plage de longueurs d’onde transmises vers le pixel 105 sous-jacent que ne le permet la modification de la largeur L de la cavité résonnante 109 considérée.

Ainsi, le fait de prévoir des cavités résonnantes 109 de largeurs L différentes permet par exemple au filtre optique 101 de couvrir une bande spectrale plus large que celle qui pourrait être couverte au moyen d’un filtre ne comportant que des plots 117 de dimensions latérales D différentes. À titre d’exemple, lorsque le capteur d’images 100 est adapté à capter de la lumière visible et un rayonnement proche infrarouge, le filtre 101 peut couvrir une bande spectrale s’étendant sur plusieurs centaines de nanomètres dans un cas où les largeurs L extrémales des cavités résonnantes 109 sont séparées de plusieurs dizaines de nanomètres. Par ailleurs, le fait de prévoir des plots 117 de dimensions latérales D différentes permet par exemple au filtre optique 101 de présenter une résolution spectrale supérieure à celle qui serait atteinte au moyen d’un filtre ne comportant que des cavités résonnantes 109 de largeurs L différentes.

Le capteur multispectral 100 intégrant le filtre optique 101 présente avantageusement une compacité supérieure à celle des capteurs multispectraux comprenant une roue à filtres, et présente par ailleurs une bande spectrale plus large et/ou une résolution spectrale plus élevée que les capteurs multispectraux existants comprenant un seul filtre adapté à transmettre un rayonnement incident majoritairement dans une première plage de longueurs d’onde vers certains pixels du capteur et un rayonnement incident majoritairement dans au moins une deuxième plage de longueurs d’onde, différente de la première plage de longueurs d’onde, vers d’autres pixels du capteur.

Un avantage du filtre optique 101 tient au fait que la présence du mur réfléchissant périphérique 113 permet de favoriser la transmission du rayonnement vers les pixels 105 du capteur d’images 103, en particulier lorsque le rayonnement parvient au filtre optique 101 sous une incidence oblique (c’est-à-dire non orthogonale à la face supérieure du filtre optique 101, dans l’orientation de la ).

De façon optionnelle, le capteur multispectral 100 comporte des microlentilles 119. Chaque microlentille 119 est par exemple située en vis-à-vis d’une seule cavité résonnante 109 du filtre optique 101. Les microlentilles 119 revêtent la face du filtre optique 101 opposée aux pixels 105 (la face supérieure du filtre optique 101, dans l’orientation de la ). Les microlentilles 119 permettent de favoriser la transmission du rayonnement incident en direction des pixels 105 du capteur d’images 103.

La est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un exemple d’un capteur d’images multispectral 200 comprenant un filtre optique 201 selon un mode de réalisation. Le capteur 200 de la comprend des éléments communs avec le capteur 100 de la . Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci-après.

Le capteur 200 de la diffère du capteur 100 de la en ce que chaque élément résonnant 115 du filtre optique 201 du capteur 200 comprend, outre le plot 117, une couche 203 s’étendant latéralement à l’intérieur de la cavité résonnante 109 correspondante. La couche 203 s’étend par exemple, comme illustré en , sur toute la largeur L de la cavité résonnante 109, la couche 203 étant alors délimitée latéralement, ou bordée, par le mur réfléchissant périphérique 113.

Dans l’exemple représenté, la couche 203 est en le même matériau d’indice n2 que le plot 117. La couche 203 est transparente pour la plage de longueurs d’onde du rayonnement incident destiné à être transmis vers la zone photosensible du pixel 105 sous-jacent.

La est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un exemple d’un capteur d’images multispectral 300 comprenant un filtre optique 301 selon un mode de réalisation. Le capteur 300 de la comprend des éléments communs avec le capteur 200 de la . Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci-après.

Le capteur 300 de la diffère du capteur 200 de la en ce que la couche transparente 203 du filtre optique 301 du capteur 300 est en un matériau différent de celui du plot 117. La couche transparente 203 du filtre optique 301 du capteur 300 est par exemple en un matériau présentant un indice de réfraction n3 strictement supérieur à l’indice de réfraction n1 du matériau de la région transparente 111 et différent de l’indice de réfraction n2 du matériau du plot 117.

Bien que les figures 2 et 3 illustrent des exemples dans lesquels chaque plot 117 revêt une partie d’une face de la couche 203 (la face supérieure de la couche 203, dans l’orientation des figures 2 et 3), chaque plot 117 peut, à titre de variante, être disjoint de la couche 203 sous-jacente. Dans ce cas, chaque plot 117 est par exemple séparé de la couche 203 par une partie de la région transparente 111.

La est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un exemple d’un capteur d’images multispectral 400 comprenant un filtre optique 401 selon un mode de réalisation. Le capteur 400 de la comprend des éléments communs avec le capteur 100 de la . Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci-après.

Le capteur 400 de la diffère du capteur 100 de la en ce que chaque élément résonnant 115 du filtre optique 401 du capteur 400 comprend une partie de la région transparente 111 située à l’intérieur d’une ouverture traversante 403 formée dans une couche 405 s’étendant latéralement à l’intérieur de la cavité résonnante 109 correspondante. Les ouvertures 403 peuvent présenter, en vue de dessus, une section de forme quelconque, par exemple l’une des formes précédemment décrites pour les plots 117.

La couche 405 s’étend par exemple, comme illustré en , sur toute la largeur L de la cavité résonnante 109, la couche 405 étant alors délimitée latéralement, ou bordée, par le mur réfléchissant périphérique 113. La couche 405 est transparente pour la plage de longueurs d’onde du rayonnement incident destiné à être transmis vers la zone photosensible du pixel 105 sous-jacent. À titre d’exemple, la couche 405 est en le même matériau d’indice n2 que les plots 117 des filtres 101, 201 et 301.

Ce qui a été précédemment décrit en relation avec la dans le cas où les éléments résonnants 115 sont des plots 117 de dimension latérale D est transposable par la personne du métier au cas où chaque élément résonnant 115 comprend une partie de région transparente 111 située à l’intérieur d’une ouverture 403 de dimension latérale D formée dans la couche 405. En particulier, une modification de la dimension latérale D d’une ouverture 403 du filtre optique 401 induit un décalage de la plage de longueurs d’onde du rayonnement transmis vers le pixel 105 sous-jacent (plus la dimension latérale D d’une ouverture 403 est grande, plus la longueur d’onde du rayonnement majoritairement transmis vers le pixel 105 sous-jacent est faible).

Le filtre optique 401 du capteur 400 présente ainsi des avantages identiques ou analogues à ceux des filtres optiques 101, 201 et 301 des capteurs 100, 200 et 300, respectivement.

La et la sont des vues, respectivement de dessus et en coupe selon le plan AA de la , schématiques et partielles, d’un exemple d’un capteur d’images multispectral 500 comprenant un filtre optique 501 selon un mode de réalisation. Le capteur 500 des figures 5A et 5B comprend des éléments communs avec le capteur 100 de la . Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci-après.

Le capteur 500 des figures 5A et 5B diffère du capteur 100 de la en ce que le filtre optique 501 du capteur 500 comprend, pour chaque pixel 105 du capteur d’images 103, plusieurs cavités résonnantes 109 (neuf cavités résonnantes 109, dans l’exemple illustré en ). Dans l’exemple représenté, chaque cavité résonnante 109 comporte un seul élément résonnant 115. À titre d’exemple, les pixels 105 du capteur 500 présentent des dimensions latérales supérieures à celles des pixels 105 du capteur 100.

Dans l’exemple représenté, les éléments résonnants 115 sont des plots 117 présentant chacun, en vue de dessus, un pourtour de forme sensiblement carrée. Dans l’exemple illustré, les plots 117 des cavités résonnantes 109 situées en vis-à-vis d’un même pixel 105 présentent des dimensions latérales D sensiblement identiques, aux dispersions de fabrication près. Les plots 117 des cavités résonnantes 109 situées en vis-à-vis de l’un des pixels 105 présentent par exemple des dimensions latérales D (égales, dans cet exemple, au côté du carré formé, en vue de dessus, par chaque plot 117) différentes de celles des plots 117 des cavités résonnantes 109 situées en vis-à-vis d’un autre pixel 105.

À titre d’exemple, les cavités résonnantes 109 situées en vis-à-vis d’un même pixel 105 présentent des largeurs L identiques, aux dispersions de fabrication près. Pour simplifier le dessin, les cavités résonnantes 109 présentent, dans l’exemple illustré en figures 5A et 5B, une même largeur L. Cet exemple n’est toutefois pas limitatif, les cavités résonnantes 109 situées en vis-à-vis d’un pixel 105 pouvant présenter des largeurs L différentes de celles des cavités résonnantes 109 situées en vis-à-vis d’un autre pixel 105.

Le fait de prévoir plusieurs cavités résonnantes 109 par pixel 105 permet avantageusement au filtre optique 501 de favoriser la transmission du rayonnement incident en direction des pixels 105 du capteur 103, en particulier lorsque le rayonnement atteint le filtre optique 101 sous une incidence oblique. Cela permet en outre avantageusement au filtre optique 501 de présenter une acceptance angulaire, c’est-à-dire une invariance de la réponse spectrale du filtre 501 en fonction de l’angle d’incidence, supérieure à celle d’un filtre nanostructuré dépourvu des murs réfléchissants 113.

La est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un exemple d’un capteur d’images multispectral 600 comprenant un filtre optique 601 selon un mode de réalisation. Le capteur 600 de la comprend des éléments communs avec le capteur 500 des figures 5A et 5B. Ces éléments communs ne seront pas détaillés à nouveau ci-après.

Le capteur 600 de la diffère du capteur 500 des figures 5A et 5B en ce que chaque cavité résonnante 109 du filtre optique 601 du capteur 600 comprend plusieurs éléments résonnants 115. Les éléments résonnants 115 du filtre 601 sont, dans l’exemple représenté, des plots 117 présentant par exemple, en vue de dessus, une forme sensiblement carrée. À titre d’exemple, chaque cavité résonnante 109 du filtre optique 601 comporte neuf plots 117.

Les , et sont des vues en coupe illustrant, de façon schématique et partielle, des étapes successives d’un exemple d’un procédé de fabrication du filtre optique 101 de la selon un mode de réalisation.

La illustre plus précisément une structure obtenue à l’issue de la réalisation du capteur d’images 103, notamment après la formation des pixels 105 dans et sur le substrat 107, et après les dépôts successifs de deux couches 701 et 703. Dans l’exemple représenté, la couche 703 revêt une face de la couche 701 opposée au substrat 107 (la face supérieure de la couche 701, dans l’orientation de la ).

À titre d’exemple, la couche 701 est en dioxyde de silicium (SiO₂) et la couche 703 est en silicium (Si), en nitrure de silicium (SiN) ou en dioxyde de titane (TiO₂).

La illustre plus précisément une structure obtenue à l’issue d’une étape de structuration, par exemple par photolithographie puis gravure, de la couche 703 de sorte à former les plots 117.

Dans l’exemple représenté, les parties de la couche 703 qui s’étendent latéralement entre les plots 117 sont totalement éliminées lors de l’étape de gravure. À titre de variante, des parties de la couche 703 s’étendant latéralement entre les plots 117 et présentant une épaisseur inférieure à celle des plots 117 peuvent être conservées à l’issue de la gravure, formant par exemple ainsi les couches 203 du filtre optique 201 précédemment décrit en relation avec la .

La illustre plus précisément une structure obtenue à l’issue d’une étape de formation des régions transparentes 111 entourant les plots 117.

À titre d’exemple, une couche transparente 705 en le même matériau que celui de la couche 701 est d’abord déposée du côté de la face supérieure de la structure, la couche transparente 705 revêtant par exemple les plots 117 et des parties de la face supérieure de la couche 701 non revêtues par les plots 117. Les couches 701 et 705 par exemple ensuite structurées, par exemple par photolithographie puis gravure, de sorte à former les régions transparentes 111. Dit autrement, les couches transparentes 701 et 705, qui forment ici une même couche, sont scindées en plusieurs régions transparentes 111 comprenant chacune au moins l’un des éléments résonnants 115.

Dans l’exemple représenté, les régions transparentes 111 sont séparées latéralement par des tranchées 707.

Bien que cela n’ait pas été détaillé, des étapes ultérieures comprenant le dépôt d’une couche réfléchissante en un métal, par exemple l’argent (Ag) ou l’aluminium (Al), ou en un alliage métallique revêtant les régions transparentes 111 et comblant les tranchées 707, puis la planarisation de la couche réfléchissante, par exemple par polissage mécano-chimique, sont par exemple mises en œuvre à partir de la structure illustrée en de sorte à former les murs réfléchissants périphériques 113. Dans ce cas, les murs 113 sont constitués du matériau de la couche réfléchissante.

Une étape optionnelle de réalisation des microlentilles 119 peut en outre être prévue par la suite.

La est une vue en coupe illustrant, de façon schématique et partielle, une étape d’un procédé de fabrication d’une variante du filtre optique 101 de la . L’étape illustrée en succède par exemple à des étapes identiques ou analogues à celles précédemment décrites en relation avec les figures 7A à 7C.

Dans l’exemple représenté, les flancs et le fond des tranchées 707 sont revêtus d’une couche réfléchissante 801, par exemple en un métal ou en un alliage métallique. Dans l’exemple illustré en , la couche réfléchissante 801 ne comble pas les tranchées 707.

À titre d’exemple, la couche réfléchissante 801 est d’abord déposée du côté de la face supérieure de la structure de la , par exemple par une technique de dépôt conforme. Des parties de la couche réfléchissante 801 revêtant la face des régions transparentes 111 opposée au substrat 107 (la face supérieure des régions 111, dans l’orientation de la ) sont par exemple ensuite éliminées, par exemple par polissage mécano-chimique.

Bien que cela n’ait pas été détaillé, des étapes ultérieures comprenant le dépôt d’une couche de remplissage, par exemple en un matériau électriquement isolant, revêtant la couche réfléchissante 801 et comblant les tranchées 707, puis la planarisation de la couche de remplissage, par exemple par polissage mécano-chimique, sont par exemple mises en œuvre à partir de la structure illustrée en de sorte à former les murs réfléchissants périphériques 113. Les murs réfléchissants périphériques 113 comprennent dans ce cas des parties de la couche de remplissage affleurant la face supérieure des régions transparentes 111, et dont le fond et les flancs sont revêtus de la couche réfléchissante 801.

Les et sont des vues en coupe illustrant, de façon schématique et partielle, des étapes successives d’un exemple d’un procédé de fabrication d’un filtre optique selon un mode de réalisation.

La illustre plus précisément une structure obtenue à l’issue de dépôts successifs de deux couches 901 et 903 du côté de la face supérieure de la structure illustrée en . Dans l’exemple représenté, la couche 901 revêt les flancs et la face supérieure des régions transparentes 111, et revêt en outre des parties des faces supérieures des pixels 105 non revêtues par les régions transparentes 111. Dans l’exemple illustré en , la couche 903 revêt la couche 901 et comble les tranchées 707. À titre d’exemple, les couches 901 et 903 sont obtenues par dépôt conforme.

La couche 901 est par exemple en un matériau présentant un indice de réfraction supérieur celui du matériau de la couche 903. À titre d’exemple, les matériaux respectifs des couches 901 et 903 sont choisis parmi les couples suivants : le silicium et le dioxyde de silicium, le silicium et le nitrure de silicium, et le dioxyde de titane et le dioxyde de silicium. À titre de variante, la couche 901 est par exemple en nitrure de silicium et la couche 903 est omise, un vide d’air étant ainsi ménagé à l’intérieur des tranchées 707.

La illustre plus précisément une structure obtenue à l’issue d’une étape de planarisation de l’empilement constitué par les couches 901 et 903. À titre d’exemple, des étapes de structuration par photolithographie puis gravure, suivies d’une étape de polissage mécano-chimique du côté de la face supérieure de la structure illustrée en sont mises en œuvre pour planariser l’empilement constitué par les couches 901 et 903.

Dans l’exemple représenté, les parties des couches 901 et 903 situées à l’aplomb des régions transparentes 111 sont éliminées, et les parties des couches 901 et 903 subsistant entre les régions transparentes 111 affleurent la face supérieure des régions transparentes 111. Dans cet exemple, les murs réfléchissants périphériques 113 comprennent des parties de la couche 903 affleurant la face supérieure des régions transparentes 111, et dont le fond et les flancs sont revêtus de la couche 901.

Les murs réfléchissants périphériques 113 forment par exemple, dans ce cas, des miroirs de Bragg. Bien que deux couches 901 et 903 aient été illustrées en figures 9A et 9B, un empilement comprenant un nombre supérieur à deux couches électriquement isolantes d’indices de réfraction différents peut, à titre de variante, être prévu.

La illustre en outre une étape ultérieure de formation de masques 905 revêtant les parties des couches 901 et 903 situées entre les régions transparentes 111. À titre d’exemple, une couche métallique, par exemple en tungstène, est d’abord déposée du côté de la face supérieure de la structure, la couche métallique revêtant la face supérieure des régions transparentes 111 et les parties des couches 901 et 903 situées entre les régions transparentes 111. La couche métallique est par exemple ensuite structurée, par exemple par photolithographie puis gravure, de sorte à former les masques 905. À titre de variante, les masques 905 peuvent être formés avant le dépôt des couches 901 et 903. Dans ce cas, les masques 905 revêtent par exemple le fond des tranchées 707.

Les masques 905 permettent d’éviter des phénomènes de diaphotie entre les pixels 105 du capteur d’images 103 ainsi que des couplages et résonances parasites.

Les et sont des vues en coupe illustrant, de façon schématique et partielle, des étapes successives d’un exemple d’un procédé de fabrication du filtre optique 501 des figures 5A et 5B selon un mode de réalisation.

La illustre plus précisément une structure obtenue à l’issue d’une étape de structuration, par exemple par photolithographie puis gravure, de la couche 703 de la structure précédemment décrite en relation avec la de sorte à former les plots 117 du filtre optique 501.

Dans l’exemple représenté, les parties de la couche 703 qui s’étendent latéralement entre les plots 117 sont totalement éliminées lors de l’étape de gravure. À titre de variante, des parties de la couche 703 s’étendant latéralement entre les plots 117 et présentant une épaisseur inférieure à celle des plots 117 peuvent être conservées à l’issue de la gravure.

À titre d’exemple, une couche transparente en le même matériau que celui de la couche 701 est d’abord déposée du côté de la face supérieure de la structure, la couche transparente revêtant par exemple les plots 117 et des parties de la face supérieure de la couche 701 non revêtues par les plots 117. Les couches transparentes sont par exemple ensuite structurées, par exemple par photolithographie puis gravure, de sorte à former les régions transparentes 111.

Des étapes ultérieures de formation des murs réfléchissants périphériques 113, par exemple analogues à celles précédemment décrites en relation avec la , sont par exemple mises en œuvre.

Divers modes de réalisation et variantes ont été décrits. La personne du métier comprendra que certaines caractéristiques de ces divers modes de réalisation et variantes pourraient être combinées, et d’autres variantes apparaîtront à la personne du métier. En particulier, les plots 117 des filtres optiques 501 et 601 précédemment décrits en relation avec les figures 5A, 5B et 6 peuvent être remplacés par des éléments résonnants 115 identiques ou analogues à ceux du filtre optique 401 précédemment décrits en relation avec la , par exemple des éléments résonnants 115 comprenant une partie de la région transparente 111 située à l’intérieur d’une ouverture traversante formée dans une couche transparente d’indice de réfraction supérieur à celui de la région 111.

Par ailleurs, la personne du métier est capable d’adapter le procédé précédemment décrit en relation avec les figures 7A et 7C pour réaliser le filtre 301 de la en intercalant, entre les couches 701 et 703, une couche présentant par exemple une épaisseur inférieure à celle de la couche 703, cette couche servant par exemple de couche d’arrêt de gravure lors de l’étape décrite en relation avec la . La personne du métier est en outre capable d’adapter le procédé précédemment décrit en relation avec les figures 7A et 7C pour réaliser le filtre 401 de la , notamment en gravant la couche 703, à l’étape décrite en relation avec la , de sorte à former les ouvertures 403.

La personne du métier est par ailleurs capable de réaliser les murs réfléchissants périphériques 113 des filtres 101, 201, 301, 401, 501 et 601 selon l’une des variantes décrites en relation avec les figures 7C, 8, 9A et 9B à partir des indications de la présente description.

Enfin, la mise en œuvre pratique des modes de réalisation et variantes décrits est à la portée de la personne du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus. En particulier, la personne du métier est notamment capable d’adapter la largeur L de chaque cavité résonnante 109 et les dimensions latérales D des éléments résonnants 115 en fonction de la plage de longueurs d’onde souhaitée, par exemple à l’aide d’outils informatiques de simulation optique.

Claims

Filtre optique (101 ; 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601) destiné à être disposé en vis-à-vis d’un capteur d’images (103) comprenant une pluralité de pixels (105), le filtre comprenant, pour chaque pixel, au moins une cavité résonnante (109) comportant une région transparente (111) présentant un premier indice de réfraction et délimitée latéralement par un mur vertical périphérique réfléchissant (113), et au moins un élément résonnant (115) formé dans ladite région.
Filtre selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un élément résonnant (115) situé dans l’une desdites au moins une cavité résonnante (109) présente une dimension latérale (D) différente de celle dudit au moins un élément résonnant situé dans une autre cavité résonnante.
Filtre selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’une desdites au moins une cavité résonnante (109) présente une largeur (L) différente de celle d’une autre cavité résonnante.
Filtre (101 ; 201 ; 301 ; 501 ; 601) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque élément résonnant (115) comprend un plot (117) présentant un deuxième indice de réfraction supérieur au premier indice.
Filtre selon la revendication 4, dans lequel chaque élément résonnant (115) comprend en outre une couche transparente (203) présentant un troisième indice de réfraction supérieur au premier indice et s’étendant latéralement dans la cavité résonnante (109).
Filtre selon la revendication 5, dans lequel le troisième indice est sensiblement égal au deuxième indice.
Filtre (401) selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel chaque élément résonnant (115) comprend une partie de la région transparente (111) située à l’intérieur d’une ouverture traversante (403) formée dans une couche transparente (405) présentant un quatrième indice de réfraction supérieur au premier indice et s’étendant latéralement dans la cavité résonnante (109).
Filtre (101 ; 201 ; 301 ; 401) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant, pour chaque pixel (105), une seule cavité résonnante (109).
Filtre (501 ; 601) selon l’une quelconque des revendication 1 à 7, comprenant, pour chaque pixel (105), une pluralité de cavités résonnantes (109).
Filtre selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le mur vertical périphérique réfléchissant (113) est en un métal.
Filtre selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le mur vertical périphérique réfléchissant (113) comprend un empilement de couches électriquement isolantes en des matériaux présentant des indices de réfraction différents.
Filtre selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant en outre, pour chaque cavité (109), une microlentille (119) située à l’aplomb de ladite cavité.
Capteur d’images multispectral (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600) comprenant un capteur d’images (103) comportant une pluralité de pixels (105) formés dans et sur un substrat semiconducteur (107) et un filtre optique (101 ; 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12.
Procédé de fabrication d’un filtre optique (101 ; 201 ; 301 ; 401 ; 501 ; 601) destiné à être disposé en vis-à-vis d’un capteur d’images (103) comprenant une pluralité de pixels (105), le procédé comprenant les étapes successives suivantes :
a) former, dans une couche transparente (701, 705), au moins un élément résonnant (115) pour chaque pixel ; et
b) scinder la couche transparente en plusieurs régions transparentes (111) comprenant chacune au moins l’un des éléments résonnants ; et
c) revêtir les flancs de chaque région transparente d’un mur réfléchissant périphérique (113),
dans lequel la région transparente et le mur réfléchissant périphérique forment, pour chaque pixel, une cavité résonnante (109).