WO2019043312A1 - Detecteur de rayonnement electromagnetique - Google Patents

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WO2019043312A1
WO2019043312A1 PCT/FR2018/052018 FR2018052018W WO2019043312A1 WO 2019043312 A1 WO2019043312 A1 WO 2019043312A1 FR 2018052018 W FR2018052018 W FR 2018052018W WO 2019043312 A1 WO2019043312 A1 WO 2019043312A1
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WO
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detector
layer
sensor
microplanche
upper face
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PCT/FR2018/052018
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Abdelkader Aliane
Jean-Louis Ouvrier-Buffet
Antoine Hamelin
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01J5/0225—Shape of the cavity itself or of elements contained in or suspended over the cavity
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    • G—PHYSICS
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    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors

Definitions

  • the present application relates to the field of radiation sensors, and is more particularly to sensors of the type comprising one or more elementary micro-detectors, or pixels, formed in and on a semiconductor substrate.
  • each elementary detector is a bolometer-type detector, comprising a microplanche suspended above the semiconductor substrate by heat-insulating arms.
  • the microplate comprises an absorber adapted to transform electromagnetic radiation to which it is subjected to thermal energy, and a thermometer thermally coupled to the absorber and adapted to provide an electrical signal representative of the temperature variations of the absorber.
  • Each elementary detector further comprises a control circuit integrated in and on the semiconductor substrate, electrically connected to the thermometer via the heat-insulating arms and adapted to read the electrical signal supplied by the thermometer.
  • French patent applications No. 2796148 filed July 8, 1999 and No. 2822541 filed March 21, 2001 describe embodiments of such sensors. It would, however, be desirable to improve at least some aspects of these sensors.
  • an electromagnetic radiation detector comprising:
  • microplate suspended above a semiconductor substrate by heat insulating arms, the microplate comprising an element for converting electromagnetic radiation into thermal energy and a thermometer thermally coupled to the conversion element;
  • an inductance arranged to apply a magnetic field to the microplanche and / or the thermal insulation arms.
  • the inductor is formed in a metal layer disposed on the upper face of the semiconductor substrate, between the upper face of the semiconductor substrate and the microplanche.
  • the metal layer is reflective for the electromagnetic radiation to be detected.
  • the microplanche and the metal layer define a resonant cavity for the electromagnetic radiation to be detected.
  • the conversion element is an absorbent layer for the electromagnetic radiation to be detected, and the thermometer is formed in a layer of variable electrical resistivity as a function of temperature.
  • the absorbent layer and the variable electrical resistivity layer are separate layers made of different materials.
  • the absorbent layer and the variable electrical resistivity layer are combined.
  • the microplate comprises a layer made of a ferromagnetic material.
  • the detector further comprises one or more pads of a ferromagnetic material disposed on or in the vicinity of the microplanche.
  • the detector comprises a control circuit formed in and on the semiconductor substrate, the control circuit being connected to the thermometer of the microplanche via the heat-insulating arms.
  • the conversion element is an electrically conductive layer
  • the electrical connection between the control circuit and the thermometer is performed by an extension of said electrically conductive layer in the heat-insulating arms.
  • control circuit is further connected to the ends of the inductor.
  • the microplanche and the heat-insulating arms are arranged in a cavity closed by a cover transparent to the radiation to be detected.
  • the cavity is at a pressure below atmospheric pressure.
  • FIGS. 1A and 1B are respectively a sectional view and a simplified top view of an example of an elementary detector of an electromagnetic radiation sensor
  • FIGS. 2A and 2B are respectively a sectional view and a simplified top view of an example of an embodiment of an elementary detector of an electromagnetic radiation sensor
  • Figure 3 is a sectional view of an alternative embodiment of an elementary detector of an electromagnetic radiation sensor
  • Figure 4 is a sectional view of another alternative embodiment of an elementary detector of an electromagnetic radiation sensor
  • Figure 5 is a sectional view of another alternative embodiment of an elementary detector of an electromagnetic radiation sensor
  • Figure 6 is a sectional view of another alternative embodiment of an elementary detector of an electromagnetic radiation sensor
  • FIGS. 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F and 7G are sectional views illustrating steps of an example of a method of manufacturing an elementary detector of an electromagnetic radiation sensor according to an embodiment ;
  • Figs. 8A, 8B, 8C and 8D are sectional views illustrating steps of another example of a method of manufacturing an elementary detector of an electromagnetic radiation sensor according to one embodiment.
  • the same elements have been designated by the same references in the various figures and, in addition, the various figures are not drawn to scale. For the sake of clarity, only the elements useful for understanding the described embodiments have been shown and are detailed. In particular, the realization of the control circuits of the elementary micro-detectors has not been detailed, the described embodiments being compatible with the usual implementations of such control circuits, or the realization of the control circuits being within the range of those skilled in the art from the functional indications of the present description. Moreover, in the illustrative figures of the examples described, only one elementary detector of a radiation sensor is visible. In practice, the radiation sensors may comprise several identical or similar elementary detectors arranged in and on the same semiconductor substrate, for example in a matrix or bar arrangement.
  • the arrangement of the different elementary detectors of the sensor, the interconnections between the elementary detectors of the sensor, and the peripheral sensor control circuits have not been detailed, the embodiments described being compatible with the arrangements, interconnections, and peripheral circuits. usually provided in such sensors.
  • the uses that can be made of the sensors described have not been detailed, the described embodiments being compatible with the usual applications of electromagnetic radiation sensors.
  • the described embodiments are particularly advantageous for infrared imaging, thermography, gas detection applications by measuring the optical absorption in the infrared spectrum, detection or recognition of persons, objects or movements in the infrared spectrum, etc.
  • the detectors described are suitable for detecting thermal infrared radiation of wavelength in the band of 7 to 14 ⁇ m.
  • FIGS. 1A and 1B are respectively a simplified sectional view and a simplified top view of an example of an elementary detector 100 of an electromagnetic radiation sensor.
  • the detector 100 is formed in and on a semiconductor substrate 101, for example made of silicon.
  • the detector 100 comprises an electronic control circuit 102 formed in and on the substrate 101, for example in CMOS technology.
  • the control circuit 102 has not been detailed in the figures. Only electrical connection pads flush with the upper face of the circuit 102, intended to connect the circuit 102 to other elements of the detector, are shown in Figure 1A in the form of rectangular hatched areas.
  • the detector 100 further comprises a microplanche 103 suspended above the circuit 102 by thermal insulation arms, two arms 105a and 105b in the example shown. More particularly, in this example, the substrate 101 and the circuit 102 are arranged horizontally, and the microplate 103 and the heat-insulating arms 105a and 105b are disposed above the circuit 102, substantially parallel to the upper face of the circuit 102.
  • Each of the arms 105a and 105b has a first end or proximal end fixed to the microplate 103, and a second end or distal end resting on the top of a vertical pillar 107a, respectively 107b, of a conductive material, for example copper or tungsten, whose base rests on the upper face of the circuit 102.
  • the pillars 107a and 107b mechanically support the microplanche 103 via the arms 105a and 105b, and allow to electrically connect the microplanche 103 to the circuit 102, also by via the arms 105a and 105b.
  • a space free of any solid material is located between the upper face of the circuit 102 and the lower face of the microplanche 103.
  • the microplanche 103 is in mechanical contact only with the arms 105a and 105b, which thermally isolate the microplanche from the rest of the structure and in particular of the circuit 102 and the substrate 101.
  • the microplate 103 and the heat-insulating arms 105a, 105b are fixed with respect to the substrate 101.
  • the microplanche 103 is a bolometric microplanche, that is to say it comprises an absorber (not detailed in FIGS. 1A and 1B), for example in the form of a conductive layer adapted to convert an incident electromagnetic radiation. in thermal energy, and a thermometer, comprising for example a layer whose electrical resistivity varies as a function of temperature, for measuring the temperature of the absorber.
  • an absorber not detailed in FIGS. 1A and 1B
  • a thermometer comprising for example a layer whose electrical resistivity varies as a function of temperature, for measuring the temperature of the absorber.
  • the absorber is of titanium nitride and the thermometer is a thermistor formed in an amorphous silicon or vanadium oxide layer, the two ends of the thermistor being respectively connected to the conductive pillars 107a and 107b by the intermediate arms 105a and 105b.
  • Control and reading circuit 102 is thus connected to the ends of the detector thermistor via pins 109a and 109b and pillars 107a and 107b of the detector.
  • the circuit 102 is adapted to provide an electrical signal representative of the value of the electrical resistance of the detector thermistor, and therefore of the temperature of the microplanche 103.
  • the detector 100 further comprises a cover 111 transparent to the radiation to be detected, resting on the upper face of the control circuit 102 and delimiting, with the upper face of the circuit 102, a cavity or hermetic enclosure
  • the cavity 113 in which is located the suspended microplanche 103.
  • a space left free of any solid material is located between the upper face of the microplanche 103 and the underside of the cover 111, this space communicating with the free space between the lower face of the microplanche 103 and the upper face of the circuit 102.
  • the cavity 113 is preferably evacuated or under a pressure lower than the atmospheric pressure, so as to reinforce the thermal insulation of the microplate 103 vis-à-vis the rest of the sensor, limiting the thermal conduction by the air.
  • the detector 100 shown in FIGS. 1A and 1B further comprises, under the microplate 103, a reflective metal layer 115 for the radiation to be detected, on and in contact with the upper face of the circuit 102.
  • the reflective layer 115 defines with the microplanche 103 a resonant cavity for the radiation to be detected, which increases the absorption of incident radiation by the microplanche 103.
  • the distance between the reflective layer 115 and the absorber of the microplanche 103 is the order of a quarter of the average wavelength of the radiation to be detected, for example of the order of 2.5 ⁇ m for an average wavelength to be detected of 10 ⁇ m.
  • FIG. 1B For the sake of simplicity, only the microplanche 103, the holding arms 105a and 105b, and the vertical connecting pillars 107a and 107b have been shown in FIG. 1B.
  • the microplanche 103 (absorber + thermometer) must be relatively thin to have a relatively low heat capacity, so that the acquisition speed can be high.
  • the absorber should preferably be relatively thick.
  • the variable electrical resistivity layer as a function of temperature is preferably relatively thin so as to maximize the sensitivity of the thermometer.
  • the thickness of the layer thermometer can not be below a certain threshold, for example of the order of 10 nm.
  • the absorber should preferably have an impedance matched to the characteristic impedance of the incident medium, i.e. the medium in which the microplate is placed.
  • the incident medium is air or vacuum, with a characteristic impedance of the order of 377 ohm / square.
  • the absorber must therefore preferably have an impedance of the order of 377 ohm / square. Depending on the material used this may lead to using a very thin absorber.
  • the thickness of the absorber can not be less than a certain threshold, for example between 5 and 10 nm. In particular, below this threshold, the thickness variabilities lead to an impedance variability that can alter the performance of the detector.
  • FIGS. 2A and 2B are respectively a sectional view and a simplified top view of an example of an embodiment of an elementary detector 200 of an electromagnetic radiation sensor.
  • the detector 200 of FIGS. 2A and 2B comprises the same elements as the detector 100 of FIGS. 1A and 1B, arranged in substantially the same manner, and differs from the detector 100 mainly in that it further comprises an inductor 201 arranged to apply a magnetic field B at the microplanche 103.
  • the inductance 201 is a planar inductance formed in the reflective metal layer 115 surmounting the upper face of the control circuit 102.
  • the ends e1 and e2 of the inductor 201 are connected to electrical connection pads (not shown in the figure) of the control circuit 102.
  • a second metallic level (not detailed in the figure) may be provided to connect the ends el and e2 of the inductor to the circuit 102.
  • the control circuit 102 is adapted to apply a current in the inductor 201 to generate a magnetic field B at the microplanche 103.
  • the magnetic field B is for example a constant field applied continuously for the duration of a acquisition phase of a value representative of the incident electromagnetic radiation by the detector.
  • the magnetic field B can be pulsed, that is to say applied pulses or regular periodic slots throughout the acquisition phase.
  • FIGS. 2A and 2B An advantage of the detector of FIGS. 2A and 2B is that the magnetic field B constitutes an additional adjustment parameter for the optimization of the detector. It is indeed known that the application of a magnetic field in a conductive or semiconductive material leads to increase the electrical resistivity of this material, especially since the applied magnetic field is intense.
  • the application of the magnetic field B increases the impedance of the absorber without having to reduce its thickness.
  • the thickness of the absorber may for example be chosen sufficiently high to meet the manufacturing and reproducibility constraints and / or to obtain a good absorption rate of the incident electromagnetic radiation.
  • the impedance adaptation of the incident medium can then be performed by varying the intensity of the magnetic field B applied to the absorber by the inductor 201.
  • the application of the magnetic field B makes it possible to increase the electrical resistivity of the thermometer layer, and therefore the sensitivity of the thermometer, without having to reduce its thickness.
  • an advantage of a radiation sensor comprising several elementary detectors of the type described in relation to FIGS. 2A and 2B is that the field magnetic B can be set individually, detector by detector, insofar as each inductor is connected by its ends to the control circuit of the detector.
  • the elementary detectors are arranged in a matrix according to rows and columns, it is possible to control the sensor in a "rolling shutter" type of acquisition in which the detectors are read row by row, the magnetic field being applied in each row, only during the phase of integration of the detectors of the row, so as to limit the power consumption related to the generation of the magnetic field.
  • the detector magnetic field by detector may be advantageous to adapt the detector magnetic field by detector to obtain a uniform response of the different detectors.
  • the response of the different detectors is generally not uniform.
  • it is generally intended to calibrate the sensor by exposing it to a reference scene so as to determine a detector correspondence table stored in a memory of the sensor.
  • the correspondence table is used to correct the signal provided by each detector.
  • the individual setting of the magnetic field by detector advantageously makes it possible to make the behavior of the different detectors of the sensor uniform, and thus to dispense with the use of a correspondence table to correct the signals supplied by the different detectors.
  • the heating of the microplanche can lead to irreversible degradation of the detector.
  • it can be provided, when the intensity of the radiation measured by the detector exceeds a threshold, to greatly increase the magnetic field B emitted by the inductance of the detector, so as to modify the electrical and optical properties of the thermometer and the absorber of the microplanche, for example in order to mismatch the impedance of the absorber with respect to the impedance of the vacuum, to reduce the absorption coefficient of the incident radiation by the microplanche and thus limit the heating of the microplanche.
  • the inductor 201 may have a spiral shape, for example circular, square or hexagonal.
  • the inductor 201 may have a U-shape, or more generally, any other shape adapted to generate a magnetic field B at the microplate 103.
  • the inductor 201 extends , seen from above, under the whole surface of the microplanche 103.
  • the inductance 201 is formed in the reflective layer 115 surmounting the control circuit 102.
  • the pattern of the inductance 201 is preferably such that the occupancy rate of the upper surface of the control circuit 102 by the conductive material of the layer 115 is relatively high, for example greater than or equal to 50%.
  • the width of each turn is preferably greater than or equal to 300 nm, and the distance between two adjacent turns is preferably less than or equal to 300 nm.
  • the inductance 201 is for example between 100 and 1500 nm, and preferably between 300 and 500 nm.
  • the layer 115 in which inductance 201 is formed preferably comprises a metal having good electrical conductivity, for example copper, aluminum, aluminum-copper alloy, titanium, gold, or platinum.
  • the absorber of the microplanche 103 can be made of a ferromagnetic material, that is to say a material having a relative magnetic permeability yr greater than 1, for example nickel, a nickel-nickel alloy. chromium, niobium nitride, etc.
  • the absorber may be made of a non-ferromagnetic material, for example titanium nitride, silicon nitride, titanium, tungsten nitride, tungsten, tantalum, tantalum nitride, and the like.
  • pads of a ferromagnetic material may be arranged on the microplanche 103 or in the vicinity of the microplanche 103 (that is to say closer to the microplanche 103 than the inductance 201) so as to increase the intensity of the magnetic field B at the microplanche 103.
  • Figures 3, 4, 5 and 6 are sectional views illustrating embodiments of detectors comprising such ferromagnetic pads.
  • FIG. 3 illustrates an alternative embodiment of the elementary detector 200 of FIGS. 2A and 2B, in which pads 301 made of a ferromagnetic material are placed on and in contact with the upper face of the microplanche 103.
  • An advantage of this configuration is that the studs 301 are as close to the microplanche 103, which maximizes the intensity of the magnetic field seen by the microplanche 103.
  • FIG. 4 illustrates another variant embodiment of the elementary detector 200, in which the ferromagnetic pads 301 are not in contact with the microplanche 103, but are suspended above the microplanche 103, in the cavity 113, between the microplanche 103 and the encapsulation cap 111, by support structures 401 fixed to the underside of the cover 111.
  • An advantage of this configuration is that the studs 301 are not supported by the microplanche 103, which makes it possible not to increase the microplanche and not to increase its thermal capacity.
  • FIG. 5 illustrates another variant embodiment of the elementary detector 200, in which the ferromagnetic pads 301 are suspended above the microplate 103, in the cavity 113, between the microplanche 103 and the encapsulation cap 111, by means of structures support 501 fixed to the upper face of the control circuit 102.
  • the microplanche 103 comprises openings allowing the passage of the support arms 501.
  • FIG. 6 illustrates another alternative embodiment of the elementary detector 200, in which the ferromagnetic pads 301 are suspended under the microplanche 103, in the cavity 113, between the microplanche 103 and the control circuit 102, by fixed support structures 601 on the upper face of the control circuit 102.
  • an advantage of this configuration is that the pads 301 are not supported by the microplanche 103, which makes it possible not to weigh down the microplanche and not to increase its heat capacity.
  • FIGS. 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F and 7G are cross-sectional views illustrating successive steps of an example of a method of manufacturing an electromagnetic radiation detector of the type described above.
  • FIGS. 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F and 7G more particularly illustrate steps of an exemplary method of manufacturing an electromagnetic radiation detector of the type described in relation to FIG. 3, that is to say ie having pads 301 made of a ferromagnetic material on the upper face of the microplate 103.
  • FIG. 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F and 7G illustrate more particularly the production of a single elementary detector 200 of a sensor radiation, it being understood that, in practice, a plurality of identical or similar elementary detectors can be formed simultaneously in and on the same semiconductor substrate 101.
  • FIG. 7A illustrates a step of manufacturing the control circuit 102 of the detector 200, in and on the substrate 101, for example in CMOS technology. In FIG. 7A, only the electrical connection pads 109a and 109b of the circuit 102, flush with the level of the upper face of the circuit, have been detailed.
  • the circuit 102 further comprises an upper passivation layer 701 made of an insulating material, for example silicon oxide, the layer 701 being open only at the level of the connection pads of the circuit, so as to release the access to the upper face of the connection pads.
  • an upper passivation layer 701 made of an insulating material, for example silicon oxide, the layer 701 being open only at the level of the connection pads of the circuit, so as to release the access to the upper face of the connection pads.
  • Figure 7A further illustrates an optional step of forming, on the upper face of the circuit 102, the reflective layer 115.
  • the layer 115 may be a single metal layer, or consist of a stack of several metal layers.
  • the layer 115 is a Ti / TiN / AlCu / Ti stack, a copper layer, a layer of an aluminum-copper alloy, a gold layer, a platinum layer, or a layer of nickel.
  • the layer 115 is for example deposited by physical vapor deposition (PVD).
  • PVD physical vapor deposition
  • the layer 115 is deposited continuously on the entire upper surface of the detector, that is to say in particular on the upper face of the connection pads of the control circuit 102 and on the upper face of the layer of passivation 701.
  • the circuit 102 may be provided to protect the circuit 102 against possible disturbances related to the magnetic field B generated by the inductance 201 of the detector.
  • FIG. 7B illustrates a step of localized removal of the reflective layer 115, for example by photolithography and etching, to define the inductance 201 of the detector.
  • FIG. 7B further illustrates a step of depositing a sacrificial layer 703 on and in contact with the upper face of the circuit 102 and the inductor 201.
  • the layer 703 is for example deposited continuously over substantially the entire sensor surface.
  • the layer 703 is made of polyimide or silicon oxide.
  • the thickness of the layer 703 sets the distance between the upper face of the reflective layer 115 and the microplate 103 of the detector.
  • the layer 703 has a thickness of between 1 and 5 ⁇ m, for example of the order of 2.5 ⁇ m.
  • FIG. 7B furthermore illustrates a step of depositing a lower passivation layer 705 of the microplate 103, in an electrically insulating material, for example silicon nitride, on the upper face of the sacrificial layer 703.
  • the passivation layer 705 is for example continuously deposited over the entire surface of the sensor.
  • the passivation layer 705 has a thickness of between 5 and 50 nm, for example of the order of 10 nm.
  • FIG. 7B further illustrates a deposition step, on the upper face of the passivation layer 705, of a conductive layer 707 made of an absorbent material for the material to be detected, forming the absorber of the microplanche 103.
  • the layer 707 is made of nickel, a nickel-chromium alloy, niobium nitride, titanium nitride, silicon nitride, titanium, tungsten nitride, tungsten, tantalum, or nitride nitride. tantalum.
  • the layer 707 is for example continuously deposited on the entire surface of the sensor.
  • the layer 707 is deposited by physical vapor deposition (PVD) or by chemical vapor deposition (CVD).
  • the layer 707 has for example a thickness of between 3 and 15 nm, for example of the order of 5 nm.
  • FIG. 7B furthermore illustrates an optional step of depositing, on and in contact with the upper face of the absorption layer 707, a layer 709 made of a metal of electrical conductivity greater than that of the layer 707, for example a aluminum layer.
  • the layer 709 makes it possible in particular to improve the quality of electrical contacts that will be resumed later on the layer 707 to connect the thermometer of the microplanche 103 to the control circuit 102.
  • the layer 709 is for example deposited continuously over the entire surface of the sensor, for example by physical vapor deposition (PVD) or by chemical vapor deposition (CVD).
  • FIG. 7C illustrates the formation of the electrical connection pillars 107a and 107b of the detector, in vias 711 etched in the stack of the layers 709, 707, 705 and 703 in line with the connection pads 109a and 109b of the circuit 102.
  • the vias 711 are formed by plasma etching, from the upper face of the layer 709, and open on the upper face of the connection pads 109a, 109b (or on the upper face of a portion of the layer 115 covering the connection pads 109a, 109b).
  • the electrical connection pillars 107a and 107b are then formed by conformally depositing an electrically conductive layer 713 on the side walls and on the bottom of the vias 711.
  • the layer 713 is deposited continuously on substantially all the upper surface of the sensor.
  • the layer 713 is a Ti / TiN / WSi / aSi stack, having the advantage of having a relatively low thermal conductivity.
  • the layer 713 is a layer of copper, or any other material or stack of suitable conductive materials and / or semiconductors.
  • FIG. 7D illustrates a step of localized removal of the layer 713, for example by photolithography and etching, to define the conductive pillars 107a, 107b.
  • the layer 709 is further removed so as to release the upper face of the absorber 707. More particularly, in the example shown, the layer 713 is kept only in the vias 711, as well as in a zone 711. The layer 709 is maintained only in the peripheral zone surrounding the vias 711, between the layer 713 and the absorption layer 707.
  • FIG. 7D further illustrates a step of etching a trench 715 in the layer 707, for separating the absorber into two disjoint portions 707a and 707b in the future bolometric microplanche 103 of the detector.
  • the absorber 707 is used not only for its absorber function, but also as an electrical conductor for electrically connecting the detector's thermometer to the circuit 102, via the electrical connection pillars 107a, 107b . It is therefore necessary to separate the absorber in two disjoint portions or electrodes, one (the portion 707a) connected to the pillar 107a, and the other (the portion 707b) connected to the pillar 107b.
  • the trench 715 extends vertically from the upper face to the lower face of the layer 707, and stops on the upper face of the lower passivation layer 705. In a view from above, the trench 715 extends through example over the entire width of the future bolometric microplanche 103, in a central part of the microplanche.
  • FIG. 7D further illustrates a deposition step, on the upper face of the structure obtained after the formation of the trench 715, of an electrically insulating layer 717, for example of the same kind as the layer 705, covering the upper surface of the the layer 707, as well as the side walls and the bottom of the trench 715.
  • the layer 717 is deposited continuously over substantially the entire surface of the sensor, for example by conformal deposition, and thus covers the layer conductor 713 on the side walls and at the bottom of the vias 711.
  • FIG. 7E illustrates a subsequent step of localized etching of localized through openings 719a and 719b in the insulating layer 717, making it possible to access the upper face of the portions 707a and 707b respectively of the absorber.
  • FIG. 7E further illustrates a step of depositing a thermometer layer 721, for example amorphous silicon or vanadium oxide (for example V2O5) on the upper face of the structure obtained after the openings 719a, 719b have been made.
  • the microplate thermometer 103 is a thermistor formed in the layer 721, the ends of which are connected respectively to the electrical connection pad 109a of the circuit 102, via the connecting pillar 107a and the portion 707a of the absorber, via the opening 719a, and the electrical connection pad 109b of the circuit 102, via the connecting pillar 107b and the portion 707b of the absorber, via the opening 719b.
  • the layer 721 has for example a thickness of between 10 and 200 nm, for example of the order of 100 nm. In this example, the layer 721 is first deposited continuously over substantially the entire surface of the sensor.
  • FIG. 7F illustrates a subsequent step of forming, for example by photolithography and etching, a through trench 723 in the layer 721.
  • the trench 723 extends vertically from the upper face of the layer 721 to the upper face of the insulating layer 717.
  • the trench 723 defines the contours of the microplanche and the thermal insulation arms of the detector.
  • FIG. 7F furthermore illustrates a step of depositing an insulating layer 725 on the upper face of the structure obtained at the end of the step of forming trench 723.
  • Layer 725 is for example made of silicon nitride or in silicon oxynitride.
  • the thickness of the layer 725 is between 5 and 50 nm, for example between 10 and 20 nm.
  • the layer 725 is for example deposited continuously, by consistent deposition, over the entire surface of the sensor.
  • the insulating layer 725 covers the upper face of the thermometer layer 721, as well as the side walls and the bottom of the trench 723.
  • FIG. 7F further illustrates a step of depositing the ferromagnetic pads 301 on the microplate 103, on the upper face of the insulating layer 725.
  • a layer of a ferromagnetic material is first deposited over the entire upper surface of the insulating layer 725, then removed locally by etching to keep only the pads 301.
  • the pads 301 have for example a thickness between 3 and 20 nm, for example between 5 and 10 nm.
  • the largest dimension of each pad 301 is preferably less than the average wavelength ⁇ of the radiation to be detected, for example between ⁇ / ⁇ and ⁇ / 6.
  • FIG. 7G illustrates a step subsequent to the formation of the ferromagnetic pads 301, during which the trench 723 is etched through the layers 725, 717, 707 and 705, up to the upper face of the sacrificial layer 703, so as to delimit the microplanche 103 and the thermal insulation arms 105a, 105b of the detector.
  • Figure 7G further illustrates a step of removing the sacrificial layer 703 to release the microplate 103 and arms 105a, 105b of the detector.
  • the microplate 103 is formed by a portion of the stack of the layers 705, 707, 717, 721 and 725
  • each of the arms 105a, 105b is formed by a portion of the stack of the layers 705, 707, 717, 721 and 725.
  • FIGS. 8A, 8B, 8C and 8D are sectional views illustrating successive steps of an alternative embodiment of the method of FIGS. 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F and 7G.
  • FIGS. 8A, 8B, 8C and 8D illustrate more particularly steps of an exemplary method of manufacturing an electromagnetic radiation detector of the type described with reference to FIG. 4, that is to say having pads 301 in a ferromagnetic material suspended above the microplate 103 by support structures 401 attached to the underside of an encapsulation cap 111.
  • the method of Figures 8A, 8B, 8C and 8D includes the same initial steps as the method of Figures 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F and 7G. More particularly, the method of FIGS. 8A, 8B, 8C and 8D includes all the steps of the method of FIGS. 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F and 7G, with the following difference:
  • the sacrificial layer 703 is not immediately removed.
  • the thickness of the layer 801 determines the distance between the microplate 103 and the ferromagnetic pads 301.
  • the layer 801 has a thickness of between 200 nm and 1 ⁇ m, for example of the order of 1 ⁇ m.
  • FIG. 8A illustrates the structure obtained at the end of the steps described in relation to FIGS. 7A to 7G with the modifications mentioned above.
  • FIG. 8B illustrates a subsequent step of depositing a third sacrificial layer 803, for example of the same kind as the layers 703 and 801, on the upper face of the detector.
  • the layer 803 has a thickness of between 200 nm and 2 ⁇ m, for example of the order of 1 ⁇ m.
  • the sacrificial layer 803 is for example continuously deposited over the entire surface of the sensor.
  • FIG. 8B further illustrates a step of forming a through opening 805 in the sacrificial layer 803, directly above each of the ferromagnetic studs 301.
  • the openings 805 are for example formed by photolithography and etching, and open on the faces upper studs 301.
  • FIG. 8B further illustrates a step of etching an annular peripheral trench 807 extending vertically from the upper face of the sacrificial layer 803, completely crossing the sacrificial layers 803 and 703, and opening on the upper face of the control circuit 102.
  • the trench 807 completely surrounds the microplanche 103 and the heat-insulating arms 105a, 105b.
  • FIG. 8C illustrates a step of depositing a transparent layer 809 for the radiation to be detected on substantially the entire upper surface of the structure obtained after the etching of the trench 807, to form the encapsulation cap 111 of the detector.
  • the layer 809 is for example a layer of amorphous silicon of 100 nm to 1 ym thick, for example of the order of 800 nm thick.
  • the layer 809 is deposited on and in contact with the side walls and the bottom of the trench 807, on and in contact with the upper face of the ferromagnetic studs 301 in the openings 805, and on the upper face of the sacrificial layer 803. outside the trench 807 and openings 805, so as to hermetically encapsulate the assembly comprising the microplate 103, the arms 105a, 105b, and the pillars 107a and 107b of the detector.
  • FIG. 8D illustrates a step of etching at least one opening 811 in the layer 809, inside the zone defined (in top view) by the trench 807, that is to say in the upper part encapsulation cap 111 of the detector.
  • the opening 811 is provided to allow the implementation of a step of removing the sacrificial layers 803, 801 and 703 inside the cover 111.
  • the opening 811 extends vertically over the entire thickness of the layer 809, and opens on the upper face of the sacrificial layer 803.
  • FIG. 8D further illustrates a subsequent step of removing the sacrificial layers 803, 801 and 703 inside the cover 111, for example by anisotropic chemical etching, so as to release the microplate 103 and the holding arms 105a, 105b of the detector.
  • a step (not shown) of deposition of a material suitable for plugging the opening or openings 811 can be provided.
  • a material suitable for plugging the opening or openings 811 for example amorphous silicon, germanium, or a metal such as 1 ' aluminum
  • the capping layer may be deposited on the entire surface of the detector. The deposition of the capping layer is for example carried out under vacuum or at a pressure below the pressure atmospheric so as to vacuum or low pressure the encapsulation cavity of the detector.
  • thermometer may be a thermometer based on one or more field effect transistors or based on one or more PN diodes, in which case the thermometer layer may be crystalline silicon.
  • the microplanche 103 of each elementary detector comprises an absorber and a thermometer separate from the absorber
  • the described embodiments are not limited to this particular case.
  • the absorber and the thermometer may consist of the same layer of a material that is both able to absorb the electromagnetic radiation to be detected and converted into thermal energy, and to provide an electrical signal. representative of its temperature, for example crystalline silicon.
  • the magnetic field B generated by the inductance 201 of each detector is applied only to the microplate 103 of the detector, the described embodiments are not limited to particular case.
  • the magnetic field B may be applied to the microplate 103 and the heat-insulating arms 105a, 105b, or only to the arms thermal insulation 105a, 105b.
  • the skilled person will adapt the pattern of the inductor accordingly.
  • the inductor may be adapted to apply separate magnetic fields to the microplate 103 and thermal insulation arms 105a, 105b.
  • the heat-insulating arms 105a, 105b may be particularly advantageous in certain applications, insofar as this makes it possible to increase the thermal resistance Rth of the arms 105a, 105b, and therefore of to reinforce the thermal insulation between the microplanche 103 and the substrate 101.
  • the heat-insulating arms 105a, 105b contain one or more layers of conductive materials. When a magnetic field is applied to these materials, not only the electrical resistance of these materials increases as explained above, but there is also an increase in their thermal resistivity. As a result, the heat resistance Rth of the arms 105a, 105b also increases, and all the more so as the applied field is intense.

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Abstract

L'invention concerne un détecteur (200) de rayonnement électromagnétique comportant : une microplanche (103) suspendue au-dessus d'un substrat semiconducteur (101) par des bras d'isolation thermique (105a, 05b), la microplanche comprenant un élément de conversion d'un rayonnement électromagnétique en énergie thermique et un thermomètre couplé thermiquement à l'élément de conversion; et une inductance (201) agencée pour appliquer un champ magnétique (B) à la microplanche et/ou aux bras d'isolation thermique.

Description

DETECTEUR DE RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR17/57942 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine
La présente demande concerne le domaine des capteurs de rayonnement, et vise plus particulièrement des capteurs du type comportant un ou plusieurs micro-détecteurs élémentaires, ou pixels, formés dans et sur un substrat semiconducteur.
Exposé de 1 ' art antérieur
On s'intéresse ici plus particulièrement à des capteurs dans lesquels chaque détecteur élémentaire est un détecteur de type bolomètre, comportant une microplanche suspendue au-dessus du substrat semiconducteur par des bras d'isolation thermique. La microplanche comprend un absorbeur adapté à transformer un rayonnement électromagnétique auquel il est soumis en énergie thermique, et un thermomètre couplé thermiquement à l' absorbeur et adapté à fournir un signal électrique représentatif des variations de température de l' absorbeur. Chaque détecteur élémentaire comprend en outre un circuit de contrôle intégré dans et sur le substrat semiconducteur, connecté électriquement au thermomètre par l'intermédiaire des bras d'isolation thermique et adapté à lire le signal électrique fourni par le thermomètre. Les demandes de brevet français N°2796148 déposée le 8 juillet 1999 et N°2822541 déposée le 21 mars 2001 décrivent des exemples de réalisation de tels capteurs. Il serait toutefois souhaitable d'améliorer au moins en partie certains aspects de ces capteurs .
Résumé
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un détecteur de rayonnement électromagnétique comportant :
une microplanche suspendue au-dessus d'un substrat semiconducteur par des bras d'isolation thermique, la microplanche comprenant un élément de conversion d'un rayonnement électromagnétique en énergie thermique et un thermomètre couplé thermiquement à l'élément de conversion ; et
une inductance agencée pour appliquer un champ magnétique à la microplanche et/ou aux bras d'isolation thermique.
Selon un mode de réalisation, l'inductance est formée dans une couche métallique disposée sur la face supérieure du substrat semiconducteur, entre la face supérieure du substrat semiconducteur et la microplanche.
Selon un mode de réalisation, la couche métallique est réfléchissante pour le rayonnement électromagnétique à détecter.
Selon un mode de réalisation, la microplanche et la couche métallique définissent une cavité résonnante pour le rayonnement électromagnétique à détecter.
Selon un mode de réalisation, l'élément de conversion est une couche absorbante pour le rayonnement électromagnétique à détecter, et le thermomètre est formé dans une couche de résistivité électrique variable en fonction de la température.
Selon un mode de réalisation, la couche absorbante et la couche de résistivité électrique variable sont des couches distinctes en des matériaux distincts.
Selon un mode de réalisation, la couche absorbante et la couche de résistivité électrique variable sont confondues.
Selon un mode de réalisation, la microplanche comprend une couche en un matériau ferromagnétique. Selon un mode de réalisation, le détecteur comprend en outre un ou plusieurs plots en un matériau ferromagnétique disposés sur ou au voisinage de la microplanche.
Selon un mode de réalisation, le détecteur comprend un circuit de contrôle formé dans et sur le substrat semiconducteur, le circuit de contrôle étant connecté au thermomètre de la microplanche par l'intermédiaire des bras d'isolation thermique.
Selon un mode de réalisation, l'élément de conversion est une couche électriquement conductrice, et la connexion électrique entre le circuit de contrôle et le thermomètre est réalisée par un prolongement de ladite couche électriquement conductrice dans les bras d'isolation thermique.
Selon un mode de réalisation, le circuit de contrôle est en outre connecté aux extrémités de l'inductance.
Selon un mode de réalisation, la microplanche et les bras d'isolation thermique sont disposés dans une cavité fermée par un capot transparent au rayonnement à détecter.
Selon un mode de réalisation, la cavité est à une pression inférieure à la pression atmosphérique.
Brève description des dessins
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 :
les figures 1A et 1B sont respectivement une vue en coupe et une vue de dessus simplifiées d'un exemple d'un détecteur élémentaire d'un capteur de rayonnement électromagnétique ;
les figures 2A et 2B sont respectivement une vue en coupe et une vue de dessus simplifiées d'un exemple d'un mode de réalisation d'un détecteur élémentaire d'un capteur de rayonnement électromagnétique ;
la figure 3 est une vue en coupe d'une variante de réalisation d'un détecteur élémentaire d'un capteur de rayonnement électromagnétique ; la figure 4 est une vue en coupe d'une autre variante de réalisation d'un détecteur élémentaire d'un capteur de rayonnement électromagnétique ;
la figure 5 est une vue en coupe d'une autre variante de réalisation d'un détecteur élémentaire d'un capteur de rayonnement électromagnétique ;
la figure 6 est une vue en coupe d'une autre variante de réalisation d'un détecteur élémentaire d'un capteur de rayonnement électromagnétique ;
les figures 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F et 7G sont des vues en coupe illustrant des étapes d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un détecteur élémentaire d'un capteur de rayonnement électromagnétique selon un mode de réalisation ; et
les figures 8A, 8B, 8C et 8D sont des vues en coupe illustrant des étapes d'un autre exemple d'un procédé de fabrication d'un détecteur élémentaire d'un capteur de rayonnement électromagnétique selon un mode de réalisation.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, la réalisation des circuits de contrôle des micro- détecteurs élémentaires n'a pas été détaillée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les réalisations usuelles de tels circuits de contrôle, ou la réalisation des circuits de contrôle étant à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles de la présente description. De plus, sur les figures illustratives des exemples décrits, un seul détecteur élémentaire d'un capteur de rayonnement est visible. En pratique, les capteurs de rayonnement peuvent comprendre plusieurs détecteurs élémentaires identiques ou similaires disposés dans et sur un même substrat semiconducteur, par exemple selon un agencement en matrice ou en barrette. L'agencement des différents détecteurs élémentaires du capteur, les interconnexions entre les détecteurs élémentaires du capteur, et les circuits périphériques de contrôle du capteur n'ont pas été détaillés, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les agencements, interconnexions, et circuits périphériques de contrôle usuellement prévus dans de tels capteurs. Par ailleurs, les utilisations qui peuvent être faites des capteurs décrits n'ont pas été détaillées, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec les applications usuelles des capteurs de rayonnement électromagnétique. On notera toutefois que les modes de réalisation décrits sont particulièrement avantageux pour les applications d'imagerie infrarouge, de thermographie, de détection de gaz par mesure de l'absorption optique dans le spectre infrarouge, de détection ou de reconnaissance de personnes, d'objets ou de mouvements dans le spectre infrarouge, etc. A titre d'exemple, les détecteurs décrits sont adaptés à détecter un rayonnement infrarouge thermique de longueur d'onde comprise dans la bande allant de 7 à 14 ym. Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position 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 à l'orientation des vues en coupe des figures, étant entendu que, dans la pratique, les dispositifs décrits peuvent être orientés différemment. Dans la description qui suit, les capteurs de rayonnement sont destinés à être éclairés ou irradiés par leur face supérieure (dans l'orientation des vues en coupe des figures) . Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
Les figures 1A et 1B sont respectivement une vue en coupe simplifiée et une vue de dessus simplifiée d'un exemple d'un détecteur élémentaire 100 d'un capteur de rayonnement électromagnétique . Le détecteur 100 est formé dans et sur un substrat semiconducteur 101, par exemple en silicium. Le détecteur 100 comprend un circuit électronique de contrôle 102 formé dans et sur le substrat 101, par exemple en technologie CMOS. Le circuit de contrôle 102 n'a pas été détaillé sur les figures. Seuls des plots de connexion électrique affleurant la face supérieure du circuit 102, destinés à connecter le circuit 102 à d'autres éléments du détecteur, sont représentés sur la figure 1A sous la forme de zones rectangulaires hachurées.
Le détecteur 100 comprend en outre une microplanche 103 suspendue au-dessus du circuit 102 par des bras d'isolation thermique, deux bras 105a et 105b dans l'exemple représenté. Plus particulièrement, dans cet exemple, le substrat 101 et le circuit 102 sont disposés horizontalement, et la microplanche 103 et les bras d'isolation thermique 105a et 105b sont disposés au-dessus du circuit 102, sensiblement parallèlement à la face supérieure du circuit 102. Chacun des bras 105a et 105b a une première extrémité ou extrémité proximale fixée à la microplanche 103, et une deuxième extrémité ou extrémité distale reposant sur le sommet d'un pilier vertical 107a, respectivement 107b, en un matériau conducteur, par exemple en cuivre ou en tungstène, dont la base repose sur la face supérieure du circuit 102. Les piliers 107a et 107b supportent mécaniquement la microplanche 103 par l'intermédiaire des bras 105a et 105b, et permettent de connecter électriquement la microplanche 103 au circuit 102, également par l'intermédiaire des bras 105a et 105b. Un espace libre de tout matériau solide est situé entre la face supérieure du circuit 102 et la face inférieure de la microplanche 103. Autrement dit, la microplanche 103 est en contact mécaniquement uniquement avec les bras 105a et 105b, qui isolent thermiquement la microplanche du reste de la structure et en particulier du circuit 102 et du substrat 101. Dans cet exemple, la microplanche 103 et les bras d'isolation thermique 105a, 105b sont fixes par rapport au substrat 101. La microplanche 103 est une microplanche bolométrique, c'est-à-dire qu'elle comprend un absorbeur (non détaillé sur les figures 1A et 1B) , par exemple sous la forme d'une couche conductrice, adapté à convertir un rayonnement électromagnétique incident en énergie thermique, et un thermomètre, comprenant par exemple une couche dont la résistivité électrique varie en fonction de la température, permettant de mesurer la température de 1 ' absorbeur .
A titre d'exemple, l' absorbeur est en nitrure de titane et le thermomètre est une thermistance formée dans une couche en silicium amorphe ou en oxyde de vanadium, les deux extrémités de la thermistance étant connectées respectivement aux piliers conducteurs 107a et 107b par l'intermédiaire des bras 105a et 105b.
Dans l'exemple représenté la base du pilier de support
107a est en contact mécaniquement et électriquement avec un plot de connexion 109a de la face supérieure du circuit 102, et la base du pilier de support 107b est en contact mécaniquement et électriquement avec un plot de connexion 109b de la face supérieure du circuit 102. Le circuit de contrôle et de lecture 102 est ainsi connecté aux extrémités de la thermistance du détecteur par l'intermédiaire des plots 109a et 109b et des piliers 107a et 107b du détecteur. Le circuit 102 est adapté à fournir un signal électrique représentatif de la valeur de la résistance électrique de la thermistance du détecteur, et donc de la température de la microplanche 103.
Dans cet exemple, le détecteur 100 comprend en outre un capot 111 transparent au rayonnement à détecter, reposant sur la face supérieure du circuit de contrôle 102 et délimitant, avec la face supérieure du circuit 102, une cavité ou enceinte hermétique
113 dans laquelle est située la microplanche suspendue 103. Un espace laissé libre de tout matériau solide est situé entre la face supérieure de la microplanche 103 et la face inférieure du capot 111, cet espace communiquant avec l'espace libre situé entre la face inférieure de la microplanche 103 et la face supérieure du circuit 102. La cavité 113 est de préférence mise sous vide ou sous une pression inférieure à la pression atmosphérique, de façon à renforcer l'isolation thermique de la microplanche 103 vis-à- vis du reste du capteur, en limitant la conduction thermique par l'air.
Le détecteur 100 représenté sur les figures 1A et 1B comprend de plus, sous la microplanche 103, une couche métallique 115 réfléchissante pour le rayonnement à détecter, sur et en contact avec la face supérieure du circuit 102. La couche réfléchissante 115 définit avec la microplanche 103 une cavité résonnante pour le rayonnement à détecter, ce qui permet d'augmenter l'absorption du rayonnement incident par la microplanche 103. A titre d'exemple, la distance entre la couche réfléchissante 115 et l'absorbeur de la microplanche 103 est de l'ordre du quart de la longueur d'onde moyenne du rayonnement à détecter, par exemple de l'ordre de 2,5 ym pour une longueur d'onde moyenne à détecter de 10 um.
Par souci de simplification, seuls la microplanche 103, les bras de maintien 105a et 105b, et les piliers de connexion verticaux 107a et 107b ont été représentés sur la figure 1B.
Dans un détecteur du type décrit en relation avec les figures 1A et 1B, une difficulté qui se pose est que, pour obtenir de bonnes performances de détection, il faut trouver un compromis entre plusieurs paramètres devant répondre à des critères parfois contradictoires. En particulier, la microplanche 103 (absorbeur + thermomètre) doit être relativement mince pour avoir une capacité thermique relativement faible, de façon que la vitesse d'acquisition puisse être élevée. Pour maximiser l'absorption du rayonnement électromagnétique et donc la sensibilité du détecteur, l'absorbeur doit en revanche de préférence être relativement épais. Dans le thermomètre, la couche de résistivité électrique variable en fonction de la température (ou couche thermomètre) est de préférence relativement mince de façon à maximiser la sensibilité du thermomètre. Toutefois, pour des raisons pratiques de fabrication et de reproductibilité, l'épaisseur de la couche thermomètre ne peut être inférieure à un certain seuil, par exemple de l'ordre de 10 nm. En outre, 1 ' absorbeur doit de préférence présenter une impédance adaptée à 1 ' impédance caractéristique du milieu incident, c'est-à-dire du milieu dans lequel est placée la microplanche. Dans l'exemple des figures 1A et 1B, le milieu incident est de l'air ou du vide, d'impédance caractéristique de l'ordre de 377 ohm/carré. L' absorbeur doit donc de préférence présenter une impédance de l'ordre de 377 ohm/carré. Selon le matériau utilisé ceci peut conduire à utiliser un absorbeur très mince. Toutefois, là encore, pour des raisons pratiques de fabrication et de reproductibilité, l'épaisseur de 1 ' absorbeur ne peut être inférieure à un certain seuil, par exemple compris entre 5 et 10 nm. En particulier, en dessous de ce seuil, les variabilités d'épaisseur conduisent à une variabilité d'impédance pouvant altérer les performances du détecteur.
Les figures 2A et 2B sont respectivement une vue en coupe et une vue de dessus simplifiées d'un exemple d'un mode de réalisation d'un détecteur élémentaire 200 d'un capteur de rayonnement électromagnétique .
Le détecteur 200 des figures 2A et 2B comprend les mêmes éléments que le détecteur 100 des figures 1A et 1B, agencés sensiblement de la même manière, et diffère du détecteur 100 principalement en ce qu'il comprend en outre une inductance 201 agencée pour appliquer un champ magnétique B à la microplanche 103.
Dans l'exemple représenté, l'inductance 201 est une inductance planaire formée dans la couche métallique réfléchissante 115 surmontant la face supérieure du circuit de contrôle 102. Les extrémités el et e2 de l'inductance 201 sont connectées à des plots de connexion électrique (non détaillés sur la figure) du circuit de contrôle 102. Selon la forme de l'inductance 201 et la position des plots de connexion du circuit de contrôle 102 à l'inductance 201, un deuxième niveau métallique (non détaillé sur la figure) peut être prévu pour connecter les extrémités el et e2 de l'inductance au circuit 102.
Le circuit de contrôle 102 est adapté à appliquer un courant dans l'inductance 201 pour générer un champ magnétique B au niveau de la microplanche 103. Le champ magnétique B est par exemple un champ constant appliqué de façon continue pendant toute la durée d'une phase d'acquisition d'une valeur représentative du rayonnement électromagnétique incident par le détecteur. A titre de variante, pour limiter la consommation électrique du détecteur, le champ magnétique B peut être puisé, c'est-à-dire appliqué par impulsions ou créneaux constants périodiques tout au long de la phase d'acquisition.
Un avantage du détecteur des figures 2A et 2B est que le champ magnétique B constitue un paramètre de réglage supplémentaire pour l'optimisation du détecteur. Il est en effet connu que l'application d'un champ magnétique dans un matériau conducteur ou semiconducteur conduit à augmenter la résistivité électrique de ce matériau, et ce d'autant plus que le champ magnétique appliqué est intense.
Ainsi, l'application du champ magnétique B permet d'augmenter l'impédance de l'absorbeur sans avoir à diminuer son épaisseur. L'épaisseur de l'absorbeur peut par exemple être choisie suffisamment élevée pour satisfaire les contraintes de fabrication et de reproductibilité et/ou pour obtenir un bon taux d'absorption du rayonnement électromagnétique incident.
L'adaptation à l'impédance du milieu incident peut ensuite être réalisée en jouant sur l'intensité du champ magnétique B appliqué à l'absorbeur par l'inductance 201.
De façon similaire, l'application du champ magnétique B permet d'augmenter la résistivité électrique de la couche thermomètre, et donc la sensibilité du thermomètre, sans avoir à diminuer son épaisseur.
On notera de plus qu'un avantage d'un capteur de rayonnement comprenant plusieurs détecteurs élémentaires du type décrit en relation avec les figures 2A et 2B est que le champ magnétique B peut être réglé individuellement, détecteur par détecteur, dans la mesure où chaque inductance est connectée par ses extrémités au circuit de contrôle du détecteur.
A titre d'exemple, dans le cas où les détecteurs élémentaires sont agencés en matrice selon des rangées et des colonnes, on peut prévoir de commander le capteur selon un mode d'acquisition de type "rolling shutter" (obturation déroulante) dans lequel les détecteurs sont lus rangée par rangée, le champ magnétique étant appliqué, dans chaque rangée, uniquement pendant la phase d'intégration des détecteurs de la rangée, de façon à limiter la consommation électrique liée à la génération du champ magnétique .
De plus, il peut être avantageux d'adapter le champ magnétique détecteur par détecteur pour obtenir une réponse uniforme des différents détecteurs. En effet, dans un capteur à détecteurs bolométriques, la réponse des différents détecteurs n'est généralement pas uniforme. Pour compenser ce défaut d'uniformité, on prévoit généralement de calibrer le capteur en l'exposant à une scène de référence de façon à déterminer une table de correspondance par détecteur, stockée dans une mémoire du capteur. En fonctionnement, la table de correspondance est utilisée pour corriger le signal fourni par chaque détecteur. Le réglage individuel du champ magnétique par détecteur permet avantageusement de rendre uniforme le comportement des différents détecteurs du capteur, et ainsi de se passer de l'utilisation d'une table de correspondance pour corriger les signaux fournis par les différents détecteurs.
On notera par ailleurs que le contrôle individuel du champ magnétique, détecteur par détecteur, peut permettre la mise en oeuvre d'une protection individuelle de chaque détecteur contre
1 ' éblouissement . En effet, lorsque l'intensité du rayonnement reçu par un détecteur devient trop importante, 1 ' échauffement de la microplanche peut conduire à une dégradation irréversible du détecteur. Pour prévenir une telle dégradation, on pourra prévoir, lorsque l'intensité du rayonnement mesuré par le détecteur dépasse un seuil, d'augmenter fortement le champ magnétique B émis par l'inductance du détecteur, de façon à modifier les propriétés électriques et optiques du thermomètre et de l'absorbeur de la microplanche, par exemple de façon à désadapter l'impédance de l'absorbeur par rapport à l'impédance du vide, pour réduire le coefficient d'absorption du rayonnement incident par la microplanche et ainsi limiter 1 ' échauffement de la microplanche.
En vue de dessus, l'inductance 201 peut avoir une forme en spirale, par exemple circulaire, carrée ou hexagonale. A titre de variante, l'inductance 201 peut avoir une forme en U, ou plus généralement, toute autre forme adaptée à générer un champ magnétique B au niveau de la microplanche 103. A titre d'exemple, l'inductance 201 s'étend, en vue de dessus, sous toute la surface de la microplanche 103.
Dans l'exemple des figures 2A et 2B, l'inductance 201 est réalisée dans la couche réfléchissante 115 surmontant le circuit de contrôle 102. Pour conserver la fonction réfléchissante de la couche 115, le motif de l'inductance 201 est de préférence tel que le taux d'occupation de la surface supérieure du circuit de contrôle 102 par le matériau conducteur de la couche 115 soit relativement élevé, par exemple supérieur ou égal à 50%. A titre d'exemple, dans le cas d'une inductance en spirale, la largeur de chaque spire est de préférence supérieure ou égale à 300 nm, et la distance entre deux spires voisines est de préférence inférieure ou égale à 300 nm. L'épaisseur de la couche métallique
115 dans laquelle est formée l'inductance 201 est par exemple comprise entre 100 et 1500 nm, et de préférence entre 300 et 500 nm.
La couche 115 dans laquelle est formée l'inductance 201 comprend de préférence un métal présentant une bonne conductivité électrique, par exemple du cuivre, de l'aluminium, un alliage aluminium-cuivre, du titane, de l'or, ou du platine.
Pour augmenter 1 ' intensité du champ magnétique B au niveau de la microplanche 103 tout en maintenant à un niveau raisonnable le courant électrique appliqué à l'inductance 201, et donc la consommation électrique du détecteur, l'absorbeur de la microplanche 103 peut être réalisé en un matériau ferromagnétique, c'est-à-dire un matériau présentant une perméabilité magnétique relative yr supérieure à 1, par exemple du nickel, un alliage nickel-chrome, du nitrure de niobium, etc.
A titre de variante, l'absorbeur peut être réalisé en un matériau non ferromagnétique, par exemple du nitrure de titane, du nitrure de silicium, du titane, du nitrure de tungstène, du tungstène, du tantale, du nitrure de tantale, etc.
Dans le cas où l'absorbeur est réalisé en un matériau non ferromagnétique, des plots en un matériau ferromagnétique peuvent être disposés sur la microplanche 103 ou au voisinage de la microplanche 103 (c'est-à-dire plus proche de la microplanche 103 que l'inductance 201) de façon à augmenter l'intensité du champ magnétique B au niveau de la microplanche 103. Les figures 3, 4, 5 et 6 sont des vues en coupe illustrant des exemples de réalisation de détecteurs comportant de tels plots ferromagnétiques .
La figure 3 illustre une variante de réalisation du détecteur élémentaire 200 des figures 2A et 2B, dans laquelle des plots 301 en un matériau ferromagnétique sont disposés sur et en contact avec la face supérieure de la microplanche 103. Un avantage de cette configuration est que les plots 301 sont au plus près de la microplanche 103, ce qui permet de maximiser l'intensité du champ magnétique vu par la microplanche 103.
La figure 4 illustre une autre variante de réalisation du détecteur élémentaire 200, dans laquelle les plots ferromagnétiques 301 ne sont pas en contact avec la microplanche 103, mais sont suspendus au-dessus de la microplanche 103, dans la cavité 113, entre la microplanche 103 et le capot d' encapsulâtion 111, par des structures de support 401 fixées à la face inférieure du capot 111. Un avantage de cette configuration est que les plots 301 ne sont pas supportés par la microplanche 103, ce qui permet de ne pas alourdir la microplanche et de ne pas augmenter sa capacité thermique. La figure 5 illustre une autre variante de réalisation du détecteur élémentaire 200, dans laquelle les plots ferromagnétiques 301 sont suspendus au-dessus de la microplanche 103, dans la cavité 113, entre la microplanche 103 et le capot d' encapsulâtion 111, par des structures de support 501 fixées à la face supérieure du circuit de contrôle 102. Dans cet exemple, la microplanche 103 comprend des ouvertures permettant le passage des bras de support 501. Là encore, un avantage de cette configuration est que les plots 301 ne sont pas supportés par la microplanche 103, ce qui permet de ne pas alourdir la microplanche et de ne pas augmenter sa capacité thermique.
La figure 6 illustre une autre variante de réalisation du détecteur élémentaire 200, dans laquelle les plots ferromagnétiques 301 sont suspendus sous la microplanche 103, dans la cavité 113, entre la microplanche 103 et le circuit de contrôle 102, par des structures de support 601 fixées à la face supérieure du circuit de contrôle 102. Là encore, un avantage de cette configuration est que les plots 301 ne sont pas supportés par la microplanche 103, ce qui permet de ne pas alourdir la microplanche et de ne pas augmenter sa capacité thermique.
Les figures 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F et 7G sont des vues en coupe illustrant des étapes successives d'un exemple d'un procédé de fabrication d'un détecteur de rayonnement électromagnétique du type décrit ci-dessus. Les figures 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F et 7G illustrent plus particulièrement des étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'un détecteur de rayonnement électromagnétique du type décrit en relation avec la figure 3, c'est-à-dire comportant des plots 301 en un matériau ferromagnétique sur la face supérieure de la microplanche 103. Les figures 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F et 7G illustrent plus particulièrement la réalisation d'un unique détecteur élémentaire 200 d'un capteur de rayonnement, étant entendu que, en pratique, une pluralité de détecteurs élémentaires identiques ou similaires peuvent être formés simultanément dans et sur un même substrat semiconducteur 101. La figure 7A illustre une étape de fabrication du circuit de contrôle 102 du détecteur 200, dans et sur le substrat 101, par exemple en technologie CMOS. Sur la figure 7A, seuls les plots de connexion électrique 109a et 109b du circuit 102, affleurant au niveau de la face supérieure du circuit, ont été détaillés. Dans cet exemple, le circuit 102 comprend en outre une couche supérieure de passivation 701 en un matériau isolant, par exemple de l'oxyde de silicium, la couche 701 étant ouverte uniquement au niveau des plots de connexion du circuit, de façon à libérer l'accès à la face supérieure des plots de connexion.
La figure 7A illustre en outre une étape optionnelle de formation, sur la face supérieure du circuit 102, de la couche réfléchissante 115. La couche 115 peut être une couche métallique unique, ou être constituée d'un empilement de plusieurs couches métalliques. A titre d'exemple, la couche 115 est un empilement Ti/TiN/AlCu/Ti, une couche de cuivre, une couche d'un alliage aluminium-cuivre, une couche d'or, une couche de platine, ou une couche de nickel. La couche 115 est par exemple déposée par dépôt physique en phase vapeur (PVD) . A cette étape, la couche 115 est déposée de façon continue sur toute la surface supérieure du détecteur, c'est-à-dire notamment sur la face supérieure des plots de connexion du circuit de contrôle 102 et sur la face supérieure de la couche de passivation 701. Avant le dépôt de la couche réfléchissante 115, une étape optionnelle de dépôt d'une couche d'un matériau ferromagnétique sur la face supérieure du circuit
102 peut être prévue, pour protéger le circuit 102 contre d'éventuelles perturbations liées au champ magnétique B généré par l'inductance 201 du détecteur.
La figure 7B illustre une étape de retrait localisé de la couche réfléchissante 115, par exemple par photolithographie et gravure, pour définir l'inductance 201 du détecteur.
La figure 7B illustre de plus une étape de dépôt d'une couche sacrificielle 703 sur et en contact avec la face supérieure du circuit 102 et de l'inductance 201. La couche 703 est par exemple déposée de façon continue sur sensiblement toute la surface du capteur. A titre d'exemple, la couche 703 est en polyimide ou en oxyde de silicium. L'épaisseur de la couche 703 fixe la distance entre la face supérieure de la couche réfléchissante 115 et la microplanche 103 du détecteur. A titre d'exemple, la couche 703 a une épaisseur comprise entre 1 et 5 ym, par exemple de l'ordre de 2,5 ym.
La figure 7B illustre en outre une étape de dépôt d'une couche de passivation inférieure 705 de la microplanche 103, en un matériau électriquement isolant, par exemple en nitrure de silicium, sur la face supérieure de la couche sacrificielle 703. La couche de passivation 705 est par exemple déposée de façon continue sur toute la surface du capteur. A titre d'exemple, la couche de passivation 705 a une épaisseur comprise entre 5 et 50 nm, par exemple de l'ordre de 10 nm.
La figure 7B illustre de plus une étape de dépôt, sur la face supérieure de la couche de passivation 705, d'une couche conductrice 707 en un matériau absorbant pour le matériau à détecter, formant 1 ' absorbeur de la microplanche 103. A titre d'exemple, la couche 707 est en nickel, en un alliage nickel- chrome, en nitrure de niobium, en nitrure de titane, en nitrure de silicium, en titane, en nitrure de tungstène, en tungstène, en tantale, ou en nitrure de tantale. La couche 707 est par exemple déposée de façon continue sur toute la surface du capteur. A titre d'exemple, la couche 707 est déposée par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) . La couche 707 a par exemple une épaisseur comprise entre 3 et 15 nm, par exemple de l'ordre de 5 nm.
La figure 7B illustre en outre une étape optionnelle de dépôt, sur et en contact avec la face supérieure de la couche d'absorption 707, d'une couche 709 en un métal de conductivité électrique supérieure à celle de la couche 707, par exemple une couche d'aluminium. La couche 709 permet notamment d'améliorer la qualité de contacts électriques qui seront repris ultérieurement sur la couche 707 pour connecter le thermomètre de la microplanche 103 au circuit de contrôle 102. La couche 709 est par exemple déposée de façon continue sur toute la surface du capteur, par exemple par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) .
La figure 7C illustre la formation des piliers de connexion électrique 107a et 107b du détecteur, dans des vias 711 gravés dans l'empilement des couches 709, 707, 705 et 703 à l'aplomb des plots de connexion 109a et 109b du circuit 102. A titre d'exemple, les vias 711 sont formés par gravure plasma, depuis la face supérieure de la couche 709, et débouchent sur la face supérieure des plots de connexion 109a, 109b (ou sur la face supérieure d'une portion de la couche 115 revêtant les plots de connexion 109a, 109b) . Les piliers de connexion électrique 107a et 107b sont ensuite formés par dépôt conforme d'une couche électriquement conductrice 713 sur les parois latérales et sur le fond des vias 711. Dans l'exemple représenté, la couche 713 est déposée de façon continue sur sensiblement toute la surface supérieure du capteur. A titre d'exemple, la couche 713 est un empilement Ti/TiN/WSi/aSi, présentant l'avantage d'avoir une conductivité thermique relativement faible. A titre de variante, la couche 713 est une couche en cuivre, ou en tout autre matériau ou empilement de matériaux conducteurs et/ou semiconducteurs adaptés .
La figure 7D illustre une étape de retrait localisée de la couche 713, par exemple par photolithographie et gravure, pour définir les piliers conducteurs 107a, 107b. Lors de cette étape, la couche 709 est en outre retirée de façon à libérer la face supérieure de l'absorbeur 707. Plus particulièrement, dans l'exemple représenté, la couche 713 est conservée uniquement dans les vias 711, ainsi que dans une zone périphérique autour des vias 711. La couche 709 est quant à elle conservée uniquement dans la zone périphérique entourant les vias 711, entre la couche 713 et la couche d'absorption 707.
La figure 7D illustre en outre une étape de gravure d'une tranchée 715 dans la couche 707, visant à séparer l'absorbeur en deux portions disjointes 707a et 707b dans la future microplanche bolométrique 103 du détecteur. En effet, dans cet exemple, l'absorbeur 707 est utilisé non seulement pour sa fonction d'absorbeur, mais aussi comme conducteur électrique pour relier électriquement le thermomètre du détecteur au circuit 102, par l'intermédiaire des piliers de connexion électrique 107a, 107b. Il convient donc de séparer l'absorbeur en deux portions ou électrodes disjointes, l'une (la portion 707a) connectée au pilier 107a, et l'autre (la portion 707b) connectée au pilier 107b. La tranchée 715 s'étend verticalement depuis la face supérieure jusqu'à la face inférieure de la couche 707, et s'interrompt sur la face supérieure de la couche de passivation inférieure 705. En vue de dessus, la tranchée 715 s'étend par exemple sur toute la largeur de la future microplanche bolométrique 103, dans une partie centrale de la microplanche.
La figure 7D illustre de plus une étape de dépôt, sur la face supérieure de la structure obtenue après la formation de la tranchée 715, d'une couche électriquement isolante 717, par exemple de même nature que la couche 705, recouvrant la face supérieure de la couche 707, ainsi que les parois latérales et le fond de la tranchée 715. Dans l'exemple représenté, la couche 717 est déposée de façon continue sur sensiblement toute la surface du capteur, par exemple par dépôt conforme, et recouvre ainsi la couche conductrice 713 sur les parois latérales et au fond des vias 711.
La figure 7E illustre une étape ultérieure de gravure localisée d'ouvertures traversantes localisées 719a et 719b dans la couche isolante 717, permettant d'accéder à la face supérieure des portions 707a, respectivement 707b de l'absorbeur.
La figure 7E illustre en outre une étape de dépôt d'une couche thermomètre 721, par exemple en silicium amorphe ou en oxyde de vanadium (par exemple V2O5) sur la face supérieure de la structure obtenue après la réalisation des ouvertures 719a, 719b. Dans cet exemple, le thermomètre de la microplanche 103 est une thermistance formée dans la couche 721, dont les extrémités sont connectées respectivement au plot de connexion électrique 109a du circuit 102, par l'intermédiaire du pilier de connexion 107a et de la portion 707a de l'absorbeur, via l'ouverture 719a, et au plot de connexion électrique 109b du circuit 102, par l'intermédiaire du pilier de connexion 107b et de la portion 707b de l'absorbeur, via l'ouverture 719b. La couche 721 a par exemple une épaisseur comprise entre 10 et 200 nm, par exemple de l'ordre de 100 nm. Dans cet exemple, la couche 721 est d'abord déposée de façon continue sur sensiblement toute la surface du capteur.
La figure 7F illustre une étape ultérieure de formation, par exemple par photolithographie et gravure, d'une tranchée traversante 723 dans la couche 721. La tranchée 723 s'étend verticalement depuis la face supérieure de la couche 721 jusqu'à la face supérieure de la couche isolante 717. Dans cet exemple, en vue de dessus, la tranchée 723 défini les contours de la microplanche et des bras d'isolation thermique du détecteur.
La figure 7F illustre en outre une étape de dépôt d'une couche isolante 725 sur la face supérieure de la structure obtenue à l'issue de l'étape de formation de la tranchée 723. La couche 725 est par exemple en nitrure de silicium ou en oxynitrure de silicium. A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche 725 est comprise entre 5 et 50 nm, par exemple entre 10 et 20 nm. La couche 725 est par exemple déposée de façon continue, par dépôt conforme, sur toute la surface du capteur. En particulier, la couche isolante 725 revêt la face supérieure de la couche thermomètre 721, ainsi que les parois latérales et le fond de la tranchée 723.
La figure 7F illustre de plus une étape de dépôt des plots ferromagnétiques 301 sur la microplanche 103, sur la face supérieure de la couche isolante 725. A titre d'exemple, une couche d'un matériau ferromagnétique est d'abord déposée sur toute la surface supérieure de la couche isolante 725, puis retirée localement par gravure pour ne conserver que les plots 301. Les plots 301 ont par exemple une épaisseur comprise entre 3 et 20 nm, par exemple comprise entre 5 et 10 nm. En vue de dessus, la plus grande dimension de chaque plot 301 est de préférence inférieure à la longueur d'onde moyenne λτ du rayonnement à détecter, par exemple comprise entre λπι/ΙΟ et λιη/6.
La figure 7G illustre une étape postérieure à la formation des plots ferromagnétiques 301, au cours de laquelle la tranchée 723 est prolongée par gravure à travers les couches 725, 717, 707 et 705, jusqu'à la face supérieure de la couche sacrificielle 703, de façon à délimiter la microplanche 103 et les bras d'isolation thermique 105a, 105b du détecteur.
La figure 7G illustre de plus une étape de retrait de la couche sacrificielle 703 pour libérer la microplanche 103 et les bras 105a, 105b du détecteur. Dans cet exemple, la microplanche 103 est formée par une portion de l'empilement des couches 705, 707, 717, 721 et 725, et chacun des bras 105a, 105b est formé par une portion de l'empilement des couches 705, 707, 717, 721 et 725.
Les figures 8A, 8B, 8C et 8D sont des vues en coupe illustrant des étapes successives d'une variante de réalisation du procédé des figures 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F et 7G. Les figures 8A, 8B 8C et 8D illustrent plus particulièrement des étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'un détecteur de rayonnement électromagnétique du type décrit en relation avec la figure 4, c'est-à-dire comportant des plots 301 en un matériau ferromagnétique suspendus au-dessus de la microplanche 103 par des structures de support 401 fixées à la face inférieure d'un capot d'encapsulation 111.
Le procédé des figures 8A, 8B, 8C et 8D comprend les mêmes étapes initiales que le procédé des figures 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F et 7G. Plus particulièrement, le procédé des figures 8A, 8B, 8C et 8D comprend toutes les étapes du procédé des figures 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F et 7G, à la différence près que :
- après l'étape de dépôt de la couche isolante 725 et avant l'étape de formation des plots ferromagnétiques 301 (figure 7F), il comprend une étape de dépôt d'une deuxième couche sacrificielle 801, par exemple de même nature que la couche 703 ; et - après l'étape de délimitation de la microplanche 103 et des bras d'isolation thermique 105a, 105b par prolongement de la tranchée 723 (figure 7G) , la couche sacrificielle 703 est n'est pas immédiatement retirée.
L'épaisseur de la couche 801 détermine la distance entre la microplanche 103 et les plots ferromagnétiques 301. A titre d'exemple, la couche 801 a une épaisseur comprise entre 200 nm et 1 ym, par exemple de l'ordre de 1 ym.
La figure 8A illustre la structure obtenue à l'issue des étapes décrites en relation avec les figures 7A à 7G avec les modifications mentionnées ci-dessus.
La figure 8B illustre une étape ultérieure de dépôt d'une troisième couche sacrificielle 803, par exemple de même nature que les couches 703 et 801, sur la face supérieure du détecteur. A titre d'exemple, la couche 803 a une épaisseur comprise entre 200 nm et 2 um, par exemple de l'ordre de 1 ym. La couche sacrificielle 803 est par exemple déposée de façon continue sur toute la surface du capteur.
La figure 8B illustre en outre une étape de formation d'une ouverture traversante 805 dans la couche sacrificielle 803, à l'aplomb de chacun des plots ferromagnétiques 301. Les ouvertures 805 sont par exemple formées par photolithographie et gravure, et débouchent sur les faces supérieures des plots 301.
La figure 8B illustre de plus une étape de gravure d'une tranchée périphérique annulaire 807 s 'étendant verticalement depuis la face supérieure de la couche sacrificielle 803, traversant entièrement les couches sacrificielles 803 et 703, et débouchant sur la face supérieure du circuit de contrôle 102. En vue de dessus, la tranchée 807 entoure entièrement la microplanche 103 et les bras d'isolation thermique 105a, 105b.
La figure 8C illustre une étape de dépôt d'une couche 809 transparente pour le rayonnement à détecter sur sensiblement toute la surface supérieure de la structure obtenue après la gravure de la tranchée 807, pour former le capot d'encapsulation 111 du détecteur. La couche 809 est par exemple une couche de silicium amorphe de 100 nm à 1 ym d'épaisseur, par exemple de l'ordre de 800 nm d'épaisseur. La couche 809 est notamment déposée sur et en contact avec les parois latérales et le fond de la tranchée 807, sur et en contact avec la face supérieure des plots ferromagnétique 301 dans les ouvertures 805, et sur la face supérieure de la couche sacrificielle 803 en dehors de la tranchée 807 et des ouvertures 805, de façon à encapsuler hermétiquement l'ensemble comprenant la microplanche 103, les bras 105a, 105b, et les piliers 107a et 107b du détecteur.
La figure 8D illustre une étape de gravure d'au moins une ouverture 811 dans la couche 809, à l'intérieur de la zone délimitée (en vue de dessus) par la tranchée 807, c'est-à-dire dans la partie supérieure du capot d'encapsulation 111 du détecteur. L'ouverture 811 est prévue pour permettre la mise en oeuvre d'une étape de retrait des couches sacrificielles 803, 801 et 703 à l'intérieur du capot 111. L'ouverture 811 s'étend verticalement sur toute l'épaisseur de la couche 809, et débouche sur la face supérieure de la couche sacrificielle 803.
La figure 8D illustre en outre une étape ultérieure de retrait des couches sacrificielles 803, 801 et 703 à l'intérieur du capot 111, par exemple par gravure chimique anisotrope, de façon à libérer la microplanche 103 et les bras de maintien 105a, 105b du détecteur.
Après le retrait des couches sacrificielles 803, 801 et 703, une étape (non illustrée) de dépôt d'un matériau adapté à boucher la ou les ouvertures 811, par exemple du silicium amorphe, du germanium, ou encore un métal tel que 1 ' aluminium, peut être prévue. Dans le cas où la couche de bouchage (non représentée) des ouvertures 811 n'est pas suffisamment transparente pour le rayonnement à détecter, cette dernière peut être déposée de façon localisée uniquement en regard des ouvertures 811, ou être gravée après dépôt pour n'être conservée qu'en regard des ouvertures 811. Sinon, la couche de bouchage peut être déposée sur toute la surface du détecteur. Le dépôt de la couche de bouchage est par exemple réalisé sous vide ou à une pression inférieure à la pression atmosphérique de façon à mettre sous vide ou à basse pression la cavité d'encapsulation du détecteur.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les modes de réalisations décrits ne se limitent pas aux exemples de procédés de fabrication décrits en relation avec les figures 7A à 7G et 8A à 8D. Plus généralement, l'homme du métier saura adapter les procédés décrits, ou mettre en oeuvre d'autres procédés, pour réaliser des détecteurs du type décrit en relation avec les figures 2A, 2B, 3, 4, 5 et 6.
Par ailleurs, on a décrit des exemples de réalisation dans lesquels la microplanche 103 de chaque détecteur élémentaire comprend un thermomètre de type thermistance . Les modes de réalisation décrits ne se limitent pas à ce cas particulier. A titre de variante, le thermomètre peut être un thermomètre à base d'un ou plusieurs transistors à effet de champ ou à base d'une ou plusieurs diodes PN, auquel cas la couche thermomètre peut être en silicium cristallin.
De plus, bien que l'on ait décrit des exemples de réalisation dans lesquels la microplanche 103 de chaque détecteur élémentaire comprend un absorbeur et un thermomètre distinct de l'absorbeur, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas à ce cas particulier. A titre de variante, l'absorbeur et le thermomètre peuvent être constitués d'une même couche d'un matériau qui soit à la fois apte à absorber le rayonnement électromagnétique à détecter et à le convertir en énergie thermique, et à fournir un signal électrique représentatif de sa température, par exemple du silicium cristallin.
De plus, bien que l'on ait décrit des exemples de réalisation dans lesquels le champ magnétique B généré par l'inductance 201 de chaque détecteur est appliqué uniquement à la microplanche 103 du détecteur, les modes de réalisation décrits ne se limitent pas à ce cas particulier. A titre de variante, le champ magnétique B peut être appliqué à la microplanche 103 et aux bras d'isolation thermique 105a, 105b, ou uniquement aux bras d'isolation thermique 105a, 105b. L'homme du métier saura adapter le motif de l'inductance en conséquence. A titre de variante, l'inductance peut être adaptée pour appliquer des champs magnétiques distincts à la microplanche 103 et aux bras d'isolation thermique 105a, 105b.
On notera qu'appliquer un champ magnétique B aux bras d'isolation thermique 105a, 105b peut s'avérer particulièrement intéressant dans certaines applications, dans la mesure où ceci permet d'augmenter la résistance thermique Rth des bras 105a, 105b, et donc de renforcer l'isolation thermique entre la microplanche 103 et le substrat 101. En effet, les bras d'isolation thermique 105a, 105b contiennent une ou plusieurs couches de matériaux conducteurs. Lorsqu'un champ magnétique est appliqué à ces matériaux, non seulement la résistance électrique de ces matériaux augmente comme expliqué ci-dessus, mais on observe en outre une augmentation de leur résistivité thermique. Il en résulte que la résistance thermique Rth des bras 105a, 105b augmente également, et ce d'autant plus que le champ appliqué est intense .

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur comportant une pluralité de détecteurs (200) de rayonnement électromagnétique formés dans et sur un substrat semiconducteur (101) , chaque détecteur comportant :
une microplanche (103) suspendue au-dessus du substrat (101) par des bras d'isolation thermique (105a, 105b), la microplanche comprenant un élément de conversion d'un rayonnement électromagnétique en énergie thermique et un thermomètre couplé thermiquement à l'élément de conversion ;
une inductance (201) agencée pour appliquer un champ magnétique (B) à la microplanche et/ou aux bras d'isolation thermique ; et
un circuit de contrôle formé dans et sur le substrat (101) et connecté aux extrémités de l'inductance (201).
2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel, dans chaque détecteur (200), l'inductance (201) est formée dans une couche métallique (115) disposée sur la face supérieure du substrat semiconducteur (101) , entre la face supérieure du substrat semiconducteur (101) et la microplanche (103) .
3. Capteur selon la revendication 2, dans lequel, dans chaque détecteur (200), la couche métallique (115) est réfléchissante pour le rayonnement électromagnétique à détecter.
4. Capteur selon la revendication 3, dans lequel, dans chaque détecteur (200) , la microplanche (103) et la couche métallique (115) définissent une cavité résonnante pour le rayonnement électromagnétique à détecter.
5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, comportant en outre, entre la face supérieure du substrat semiconducteur (101) et la couche métallique (115), une couche de protection en un matériau ferromagnétique protégeant le circuit de contrôle contre d'éventuelles perturbations liées au champ magnétique (B) généré par l'inductance (201).
6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel, dans chaque détecteur (200), l'élément de conversion est une couche (707) absorbante pour le rayonnement électromagnétique à détecter, et le thermomètre est formé dans une couche (721) de résistivité électrique variable en fonction de la température.
7. Capteur selon la revendication 6, dans lequel, dans chaque détecteur, la couche absorbante (707) et la couche de résistivité électrique variable (721) sont des couches distinctes en des matériaux distincts.
8. Capteur selon la revendication 6, dans lequel, dans chaque détecteur, la couche absorbante (707) et la couche de résistivité électrique variable (721) sont confondues.
9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel, dans chaque détecteur (200) , la microplanche (103) comprend une couche en un matériau ferromagnétique.
10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel chaque détecteur (200) comprend en outre un ou plusieurs plots en un matériau ferromagnétique disposés sur ou au voisinage de la microplanche (103) .
11. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel, dans chaque détecteur (200), le circuit de contrôle est connecté au thermomètre de la microplanche (103) par l'intermédiaire des bras d'isolation thermique (105a, 105b).
12. Capteur selon la revendication 11, dans lequel, dans chaque détecteur (200), l'élément de conversion est une couche (707) électriquement conductrice, et dans lequel la connexion électrique entre le circuit de contrôle (102) et le thermomètre est réalisée par des pistes conductrices formées dans le même niveau conducteur que l'élément de conversion et disposées dans les bras d'isolation thermique (105a, 105b).
13. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel, dans chaque détecteur, la microplanche (103) et les bras d'isolation thermique (105a, 105b) sont disposés dans une cavité (113) fermée par un capot (111) transparent au rayonnement à détecter.
14. Capteur selon la revendication 13, dans lequel, dans chaque détecteur (200) , la cavité (113) est à une pression inférieure à la pression atmosphérique.
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WO2024115517A1 (fr) * 2022-11-29 2024-06-06 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Dispositif de détection d'un rayonnement électromagnétique et procédé de fabrication

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