EP4662466A1 - Detecteur infrarouge et procede de realisation associe - Google Patents

Detecteur infrarouge et procede de realisation associe

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Publication number
EP4662466A1
EP4662466A1 EP23837743.6A EP23837743A EP4662466A1 EP 4662466 A1 EP4662466 A1 EP 4662466A1 EP 23837743 A EP23837743 A EP 23837743A EP 4662466 A1 EP4662466 A1 EP 4662466A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical window
spacers
base substrate
infrared detector
nails
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23837743.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pascal LE BOTERF
Nicolas BOUDOU
Sylvain LEMETTRE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Lynred SAS
Original Assignee
Lynred SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lynred SAS filed Critical Lynred SAS
Publication of EP4662466A1 publication Critical patent/EP4662466A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
    • 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
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/04—Casings
    • G01J5/041—Mountings in enclosures or in a particular environment
    • G01J5/045—Sealings; Vacuum enclosures; Encapsulated packages; Wafer bonding structures; Getter arrangements
    • 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
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0801—Means for wavelength selection or discrimination
    • G01J5/0802—Optical filters
    • 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
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0875—Windows; Arrangements for fastening thereof
    • 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
    • G01J2005/202—Arrays

Definitions

  • the invention relates to the field of infrared detection, and in particular detection using micro-bolometers.
  • the invention relates to an infrared detector produced using the transfer manufacturing of an optical window on a base substrate.
  • the invention aims to limit the deflections likely to appear, during vacuum sealing after this transfer, between the optical window and the base substrate. This limitation of the deflections makes it possible in particular to obtain infrared detectors, produced using the transfer manufacturing, with a large number of pixels and/or with increased precision.
  • the invention can be implemented in many fields for which infrared images are currently used, such as the fields of aerospace, security, defense, transportation, thermography, industrial inspection, building inspection, leisure, health, etc.
  • an infrared detector 100 is conventionally in the form of a hermetic cavity 16 integrating a network of micro-bolometers 19.
  • Each micro-bolometer 19 comprises a membrane 15 mounted in suspension on a base substrate 11 by means of anchoring nails 14.
  • the hermetic cavity 16 is generally constituted by an optical window 12 and side walls 13 fixed between the base substrate 11 and the optical window 12.
  • a microbolometer 19 is for example designed to exhibit maximum sensitivity over the wavelength range of interest 8-14 micrometers, while being insensitive to flux outside this spectral band. Intrinsically, the uncoated optical window exhibits a transmittance wider than the wavelength range of interest.
  • this optical window is treated or structured with respect to the micro-bolometers 19.
  • this optical window is intended to attenuate wavelengths between 2 and 8 micrometers, and to form an anti-reflection filter for wavelengths of interest between 8 and 14 micrometers.
  • the optical window 12 may comprise a first filter 17 and a second filter 18, formed respectively on the lower face and the upper face of the optical window 12.
  • separate filters can be associated with separate microbolometers 19.
  • this embodiment requires limiting the distance between the optical window 12 and the microbolometers 19 so that the infrared radiation intended for a specific microbolometer 19 mainly passes through the associated filter.
  • the performance of the infrared detector 100 is also related to the vacuum level within the hermetic cavity 16.
  • the vacuum level in the hermetic cavity 16 must typically be less than 10' 2 mbar.
  • the optical window 12 is vacuum sealed on an upper end of the side walls 13 above the base substrate 11 and the microbolometers 19.
  • the invention more specifically targets manufacturing by transfer, detectable on an infrared detector 100 because the optical window does not include a vent.
  • the vacuum level can cause a deflection of the optical window 12 and/or the base substrate 11, as illustrated in FIG. 1.
  • These deflections reduce the distance Hmin between the optical window 12 and the base substrate 11.
  • the optical window 12 can come into contact with the microbolometers 19, or even destroy or degrade them.
  • the deflection of the optical window 12 can also lead to a degradation of the filtering properties of the filters 17-18 and disturb the optical signal received by the micro-bolometers 19.
  • the deflection depends mainly on the vacuum level in the hermetic cavity 16, on the external pressure, i.e. the pressure of the medium in which the detector is located, on the surface of the infrared detector 100, on the thickness Es and the nature of the base substrate 11, and on the thickness Ef and the nature of the optical window 12.
  • the possible surface limits for the infrared detector 100 as a function of the thickness Es and the nature of the base substrate 11 and the thickness Ef and the nature of the optical window 12.
  • the deflection phenomenon limits the possibilities of producing an infrared detector 100 for applications in which the distance between the optical window 12 and the microbolometers 19 is small.
  • the technical problem that the invention seeks to solve therefore consists in proposing an infrared detector having a large and/or thin substrate and optical window while limiting the deflection.
  • the invention proposes to address this technical problem by placing spacers between the upper end of at least part of the anchor nails and the lower surface of the optical window. These spacers form a mechanical stop capable of opposing these deflections of the optical window and/or the base substrate.
  • the invention relates to an infrared detector comprising: a base substrate supporting an array of microbolometers, each microbolometer being suspended above said substrate by means of anchoring nails extending substantially perpendicularly relative to the base substrate; side walls extending substantially perpendicularly relative to the base substrate; and an optical window fixed on an upper end of the side walls above the microbolometers, the optical window not comprising a vent; the base substrate, the side walls and the optical window forming a vacuum-sealed cavity within which the microbolometers are present.
  • the infrared detector also comprises spacers extending vertically above at least 10% of the anchoring nails, these spacers also being oriented substantially perpendicularly relative to the base substrate, said spacers forming a stop capable of cooperating with the lower face of the optical window, or with the upper end of the anchoring nails, and thus limiting the deflections of the optical window and/or the substrate.
  • the invention thus makes it possible, with the manufacturing by transfer, to limit the deflections of the optical window and/or the substrate. With these limited deflections, it is now possible to limit the thickness of the optical window and the base substrate without risking degrading the microbolometers after vacuum sealing of the hermetic cavity. Indeed, the optical window no longer risks coming into contact with the suspended membranes of the microbolometers.
  • At least 10% of the anchor nails must be associated with a spacer oriented substantially perpendicular to the base substrate.
  • spacers can be distributed evenly across the anchor nails, for example across all anchor nails or every 2, 4 or 8 anchor nails in a row.
  • the spacers may also be distributed according to a non-uniform distribution law that increases the number of spacers at the center of the infrared detector.
  • This embodiment makes it possible to limit the number of spacers by placing a large number of spacers in the areas most sensitive to deflections, typically the center of the infrared detector.
  • the spacers can have a cross section between 0.5 and 1.5 square micrometers. Additionally, the height of the spacers may be at least twice that of the anchor nails, typically a height of 5 micrometers compared to a height of the anchor nails of the order of 2 micrometers.
  • the contact between the spacers and the optical window or the anchor nails is observed after vacuum sealing of the cavity.
  • the spacers can be previously fixed on the optical window or on the anchor nails.
  • the base substrate and the optical window are placed in a vacuum sealing oven. After sealing, the pressure rises in the sealing oven and deflections of the optical window or the base substrate can then appear.
  • the spacers are made on the lower face of the optical window and come into contact with the anchoring nails of the base substrate after vacuum sealing of the cavity formed around the micro-bolometers by the base substrate, the side walls and the optical window.
  • the spacers are made in the extension of the anchoring nails of the base substrate and come into contact with the optical window after vacuum sealing of the cavity formed around the micro-bolometers by the base substrate, the side walls and the optical window.
  • the optical window may be provided with flat areas intended to cooperate with the upper end of the spacers after vacuum sealing of the cavity.
  • the optical window can be provided on its upper face with a multilayer interference filter or a periodic diffraction grating, and on its lower face, with a multilayer interference filter or a periodic diffraction grating.
  • the lower face is structured by a periodic diffraction grating, it is advantageous to provide flat areas to receive the spacers and limit possible degradation of the patterns of said grating.
  • an upper support transparent to radiation in the wavelength range of interest of the microbolometers, can be formed on the spacers.
  • the infrared detector includes an upper support attached to the upper end of the spacers and positioned between the spacers and the optical window after vacuum sealing the cavity.
  • the wavelength range of interest typically corresponds to the range of 8-14 micrometers.
  • the invention can implement known additive manufacturing steps using several sacrificial layers.
  • the invention also relates to a method for producing an infrared detector comprising the following steps: depositing and structuring a first sacrificial layer on a base substrate; forming anchoring nails through the first sacrificial layer until reaching the base substrate; forming membranes on the first sacrificial layer and the anchoring nails; depositing and structuring a second sacrificial layer on the membranes and the first sacrificial layer; forming spacers through the second sacrificial layer and in the extension of at least part of the anchoring nails; and removing the sacrificial layers so as to release the microbolometers formed by the membranes and the anchoring nails; producing an optical window; forming side walls on the base substrate or the optical window and around the microbolometers; the side walls being produced before removing the sacrificial layers when they are formed on the base substrate; transfer of the optical window to the base substrate; and vacuum sealing of the cavity formed by the base substrate, the side walls and the optical window; the spacers forming
  • Figure 1 illustrates a schematic sectional view of a state-of-the-art infrared detector
  • Figure 2 illustrates a schematic sectional view of an infrared detector according to a first embodiment of the invention before the step of vacuum sealing the housing;
  • Figure 3 illustrates a schematic sectional view of the infrared detector of Figure 2 after the vacuum sealing step of the housing;
  • Figure 4 illustrates a schematic sectional view of an infrared detector according to a second embodiment of the invention before the step of vacuum sealing the housing;
  • Figure 5 illustrates a schematic sectional view of the infrared detector of Figure 4 after the vacuum sealing step of the housing;
  • Figure 6 illustrates a schematic sectional view of an infrared detector according to a third embodiment of the invention before the step of vacuum sealing the housing;
  • Figure 7 illustrates a schematic sectional view of the infrared detector of Figure 6 after the vacuum sealing step of the housing;
  • Figure 8 illustrates a schematic sectional view of an infrared detector according to a fourth embodiment of the invention before the step of vacuum sealing the housing;
  • Figure 9 illustrates a schematic sectional view of the infrared detector of Figure 8 after the vacuum sealing step of the housing.
  • Figures 10 to 16 illustrate a schematic sectional view of the steps in producing a base substrate for the infrared detector of Figure 2.
  • each microbolometer 19 comprises a membrane 15 suspended above the base substrate 11 by means of anchoring nails 14.
  • each membrane 15 may be mounted on two or four anchoring nails 14 by means of suspension arms intended to limit thermal conduction between the membrane 15 and the base substrate 11.
  • the base substrate 11 may also support a reflector arranged under the membranes 15.
  • Microbolometers 19 are typically arranged in an array of rows and columns to form the image points, or pixels, of an infrared image.
  • microbolometers 19 shown in FIGS. 2 to 9 may also be structured on the base substrate 11, for example microbolometers thermalized with the substrate, in order to reject a non-useful component of the signal, called common mode, which may be largely predominant. The rejection of this component makes it possible to read the useful signal by making maximum use of the electrical dynamics of the reading circuit.
  • spacers 20 are formed on several anchor nails 14 of the detection micro-bolometers 19.
  • the spacers 20 extend vertically above at least 10% of the anchor nails 14 and substantially perpendicularly relative to the base substrate 11.
  • every other microbolometer 19 has spacers 20 fixed to anchor nails 14.
  • the distribution of the spacers 20 can take different forms without changing the invention, provided that at least 10% of the anchor nails 14 are surmounted by spacers 20.
  • the distribution of the spacers 20 can be uniform.
  • These spacers 20 can in particular be placed on all the anchor nails 14, on every other anchor nail 14, on every four anchor nails 14 or even on every eight anchor nails 14, without changing the invention.
  • the distribution of the anchor nails 14 may also be non-uniform, i.e., more spacers 20 are placed in certain areas of the infrared detector 10a-10d.
  • the boundary between the central area and the peripheral area of the infrared detector 10a-10d may be determined such that the central area covers an area twice as small as the peripheral area, or by any other mathematical definition.
  • an infrared detector 10a-10d also includes an optical window 12 attached to an upper end of side walls 13 and above the microbolometers 19.
  • the side walls 13 may be formed independently of the base substrate 11 and the optical window 12 and attached to the base substrate 11 before the optical window 12 is attached. Alternatively, it is possible to structure the base substrate 11 or the optical window 12 so as to form side walls 13.
  • these side walls 13 can be made of amorphous silicon allowing the micro-bolometers 19 to be encapsulated laterally. Whatever the technology for forming the side walls 13, they extend substantially perpendicularly relative to the base substrate 11 and allow a hermetic vacuum cavity 16 to be formed by fixing the optical window 12 to the upper ends of said walls.
  • the spacers 20 form a stop between the anchoring nails 14 of the micro-bolometers 19 and the optical window 12.
  • the optical window 12 is structured by filters making it possible to limit the incident radiation on the micro-bolometers 19.
  • the optical window 12 is structured with two interference multilayer filters 17 and 18.
  • the total thickness Ef of the optical window 12 therefore corresponds to the thickness of the substrate of this optical window 12 added to the thickness of the two interference multilayer filters 17 and 18.
  • the spacers 20 do not necessarily touch the optical window 12. After vacuum sealing, necessary to form the infrared detector 10a illustrated in Figure 3, a deflection appears and this deflection causes contact between the spacers 20 and the optical window 12. More precisely, in the example of Figure 3, the spacers 20 come into contact with the interference multilayer filter 17 produced on the lower face of the optical window 12.
  • the height of the anchoring nails 14 and the spacers 20 makes it possible to define the minimum height Hmin of the cavity 16. Indeed, when the optical window 12 comes into contact with the spacers 20, the deflections of the optical window 12 and/or the base substrate 11 are limited.
  • the height of the anchoring nails 14 can be between 2 and 2.5 micrometers while the height of the spacers 20 can be between 5 and 10 micrometers.
  • the spacers 20 preferably have a smaller section than the anchoring nails 14.
  • the anchoring nails 14 may have a section of 2 square micrometers while the spacers 20 may have a cross section of between 0.5 and 1.5 square micrometers.
  • the anchoring nails 14 conventionally integrate metal elements making it possible to reestablish contact with the membrane 15.
  • these metal elements are naturally thermal conductors.
  • the spacers 20 they have no electrical conduction function so that they can be made of a thermally insulating material, such as amorphous silicon.
  • the optical window 12 has a periodic diffraction grating 21 structured on its lower face.
  • This periodic diffraction grating makes it possible, like the interference multilayer filters, to filter part of the incident infrared radiation.
  • a periodic diffraction grating is more sensitive to the risks of deterioration due to contact with a spacer 20.
  • spacers 20 whose section is approximately 1 square micrometer, and an alignment precision of the optical window 12 relative to the base substrate 11 of the order of 2 micrometers when transferring the optical window 12, flat areas of between 3 and 5 micrometers on each side can be produced.
  • the spacers 20 come into contact with the flat areas 22 of the optical window 12 after vacuum sealing of the cavity 16, so as to limit the possible deterioration of the periodic diffraction gratings 21.
  • an upper support 23 transparent to infrared radiation in the wavelength range of interest of the microbolometers 19, is placed above the spacers 20.
  • This upper support 23 makes it possible to constitute a support zone for the optical window 12 in order to distribute the mechanical pressure of supporting the spacers 20 with the optical window 12. In doing so, the risk of deterioration of a periodic diffraction grating 21 formed on the lower face of the optical window 12 is limited, and it is no longer necessary to provide flat areas.
  • this upper support extends over the entire surface of the microbolometers 19 in the example of FIGS. 6 and 7.
  • this upper support 23 may extend only to the center of the infrared detector 10c.
  • spacers 20 are fixed on the lower face of the optical window 12 and come into contact with the anchoring nails 14 after vacuum sealing of the cavity 16.
  • This embodiment also makes it possible to guarantee a minimum height Hmin between the optical window 12 and the base substrate 11.
  • Figures 10 to 16 illustrate an embodiment of spacers 20 on the anchor nails 14 of a base substrate 11.
  • a first step consists of depositing and structuring a sacrificial layer 30 on a base substrate 11.
  • the anchoring nails 14 are then formed during a second step inside the structuring patterns of the sacrificial layer, as illustrated in FIG. 11.
  • the membranes 15 of the different micro-bolometers 19 are then formed on the sacrificial layer 30 and the anchoring nails 14, as illustrated in FIG. 12.
  • a second sacrificial layer 31 is deposited on the membranes 15 and on the first sacrificial layer 30.
  • This second sacrificial layer 31 is also structured in order to define areas for which the spacers 20 are to be produced, and in this case, in the extension of the anchor nails 14, as illustrated in FIG. 13.
  • the spacers 20 can then be formed by deposition of material in the structuring patterns of the second sacrificial layer 31.
  • This deposition can consist of amorphous silicon produced by physical vapor deposition.
  • the thin layer of amorphous silicon 43 deposited on the second sacrificial layer 31 can then be removed, for example by reactive ion etching, as illustrated in FIG. 15.
  • the optical window 12 To obtain an infrared detector, it is also appropriate to produce the optical window 12, to form the side walls 13 on the base substrate 11 or on the optical window 12, to transfer the optical window 12 onto the base substrate 11 and to vacuum seal the optical window 12 onto the base substrate 11 in order to form the cavity 16.
  • the side walls 13 are formed on the base substrate 11, these are conventionally formed before the release of the micro-bolometers 19.
  • the invention makes it possible to obtain a cavity 16 with a fixed minimum height Hmin between the base substrate 11 and the optical window 12 so that it is possible to use a base substrate 11 with a thickness Es less than the thicknesses of the prior art or even an optical window 12 with a thickness Es less than the thicknesses of the prior art while overcoming the constraints of bringing these two elements together. It is also possible to form infrared detectors 10a-10d with detection surfaces greater than the surfaces of the prior art.
  • the invention makes it possible to obtain an infrared detector having a substrate and an optical window of large size and/or fine.
  • the invention makes it possible, for example, to produce an infrared detector with separate filters for different microbolometers or, more simply, to limit the distance between the optical window 12 and the microbolometers 19 to simplify the manufacturing process or limit the size.

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Abstract

Ce détecteur infrarouge (10d) comprend : - un substrat d'embase (11) supportant un réseau de micro-bolomètres (19), chaque micro- bolomètre étant monté en suspension au-dessus dudit substrat au moyen de clous d'ancrage (14) s'étendant sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d'embase (11); - des parois latérales (13) s'étendant sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d'embase (11); et - une fenêtre optique (12) fixée sur une extrémité supérieure des parois latérales (13) au- dessus des micro-bolomètres (19). Le substrat d'embase (11), les parois latérales (13) et la fenêtre optique (12) forment une cavité hermétique sous vide (16) au sein de laquelle sont présents les micro-bolomètres (19). Le détecteur infrarouge (10d) comprend également des espaceurs (20) s'étendant à l'aplomb d'au moins 10% des clous d'ancrage (14), ces espaceurs (20) étant également orientés sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d'embase (11), lesdits espaceurs (20) formant une butée apte à coopérer avec la face inférieure de la fenêtre optique (12), ou avec l'extrémité supérieure des clous d'ancrage (14), et ainsi limiter les déflexions de la fenêtre optique (12) et/ou du substrat (11).

Description

DETECTEUR INFRAROUGE ET PROCEDE DE REALISATION ASSOCIE
DOMAINE DE L’INVENTION
L’invention a trait au domaine de la détection infrarouge, et notamment la détection mettant en œuvre des micro-bolomètres.
Plus particulièrement, l’invention concerne un détecteur infrarouge réalisé en utilisant la fabrication par report d’une fenêtre optique sur un substrat d’embase. Dans ce contexte, l’invention vise à limiter les déflexions susceptibles d’apparaitre, lors du scellement sous vide après ce report, entre la fenêtre optique et le substrat d’embase. Cette limitation des déflexions permet notamment d’obtenir des détecteurs infrarouges, réalisé en utilisant la fabrication par report, avec un grand nombre de pixels et/ou avec une précision accrue.
Ainsi, l’invention peut être mise en œuvre dans de nombreux domaines pour lesquels les images infrarouges sont actuellement utilisées, tels que les domaines de l’aérospatial, de la sécurité, de la défense, du transport, de la thermographie, de l’inspection industrielle, de l’inspection de bâtiments, du loisir, de la santé...
ETAT DE LA TECHNIQUE
Tel que schématiquement illustré sur la figure 1, un détecteur infrarouge 100 se présente classiquement sous la forme d’une cavité hermétique 16 intégrant un réseau de micro-bolomètres 19. Chaque micro-bolomètre 19 comporte une membrane 15 montée en suspension sur un substrat d’embase 11 au moyen de clous d’ancrage 14. La cavité hermétique 16 est généralement constituée par une fenêtre optique 12 et des parois latérales 13 fixées entre le substrat d’embase 11 et la fenêtre optique 12.
Un micro-bolomètre 19 est par exemple conçu pour présenter un maximum de sensibilité sur la gamme de longueurs d’onde d’intérêt 8-14 micromètres, tout en étant peu sensible au flux en dehors de cette bande spectrale. Intrinsèquement, la fenêtre optique non traitée présente une transmittance plus large que la gamme de longueurs d’onde d’intérêt.
Pour améliorer les performances du détecteur infrarouge 100, cette fenêtre optique est traitée ou structurée au regard des micro-bolomètres 19. Typiquement, cette fenêtre optique est destinée à atténuer les longueurs d’onde comprises entre 2 et 8 micromètres, et à former un filtre anti-reflet pour les longueurs d’onde d’intérêt comprises entre 8 et 14 micromètres. Pour ce faire, la fenêtre optique 12 peut comporter un premier filtre 17 et un second filtre 18, formés respectivement sur la face inférieure et la face supérieure de la fenêtre optique 12.
Par ailleurs, pour certaines applications, il est recherché d’obtenir plusieurs mesures de responsivité distinctes pour un même point d’une image infrarouge, par exemple avec plusieurs micro-bolomètres 19 sensibles dans des bandes spectrales différentes. Par exemple, à partir de plusieurs mesures de responsivité distinctes, il est possible de déterminer la température absolue, c’est-à-dire une mesure de la température d’un objet d’intérêt sans utiliser d’objet de référence.
Pour ce faire, des filtres distincts peuvent être associés à des micro-bolomètres 19 distincts. Ce mode de réalisation nécessite cependant de limiter la distance entre la fenêtre optique 12 et les micro-bolomètres 19 afin que les rayonnements infrarouges destinés à un micro-bolomètre 19 spécifique traversent principalement le filtre associé.
Il peut également être recherché de limiter la distance entre la fenêtre optique 12 et les micro- bolomètres 19 pour simplifier le processus de fabrication.
En outre, les performances du détecteur infrarouge 100 sont également liées au niveau de vide régnant au sein de la cavité hermétique 16. Afin de garantir l’isolation thermique des micro- bolomètres 19, nécessaire pour aboutir aux performances attendues, le niveau de vide dans la cavité hermétique 16 doit typiquement être inférieur à 10’2 mbar. Pour garantir ce niveau de vide, dans la technique de fabrication par report, la fenêtre optique 12 est scellée sous vide sur une extrémité supérieure des parois latérales 13 au-dessus du substrat d’embase 11 et des micro- bolomètres 19.
Outre la fabrication par report, il est également connu de réaliser une fabrication monolithique, tel que décrite dans le document US 2002/0175284, dans laquelle des couches sacrificielles sont mises en œuvre pour venir déposer la fenêtre optique sur le substrat d’embase. Dans ce procédé alternatif à la fabrication par report, un évent est nécessairement utilisé pour retirer les couches sacrificielles.
Le document US 2018/0321087 décrit encore un autre type de fabrication hybride entre la fabrication monolithique et la fabrication par report. En effet, dans ce document, le substrat d’embase est classiquement réalisé avec des couches sacrificielles et, comme dans la fabrication par report, la fenêtre optique est réalisée séparément du substrat d’embase. Cependant, la fenêtre optique intègre un évent et celle-ci est reportée sur le substrat d’embase alors que les couches sacrificielles sont toujours présentes. La soudure de la fenêtre optique sur le substrat d’embase est réalisée avec ces couches sacrificielles, et ces dernières sont ensuite nécessairement retirées par l’évent avant de mettre sous vide la cavité et de procéder au dépôt d’une couche de scellement de l’évent.
L’invention vise plus spécifiquement la fabrication par report, détectable sur un détecteur infrarouge 100 car la fenêtre optique ne comporte pas d’évent.
Dans cette méthode de fabrication, après le scellement sous vide de la fenêtre optique 12 sur une extrémité supérieure des parois latérales 13, le niveau de vide peut entrainer une déflexion de la fenêtre optique 12 et/ou du substrat d’embase 11, tel qu’illustré sur la figure 1. Ces déflexions réduisent la distance Hmin entre la fenêtre optique 12 et le substrat d’embase 11. Ainsi, pour des applications dans lesquelles la distance entre la fenêtre optique 12 et les micro-bolomètres 19 est faible, de l’ordre de 10 à 20 micromètres, si les déflexions sont trop importantes, typiquement supérieures à 10 micromètres, la fenêtre optique 12 peut entrer en contact avec les micro- bolomètres 19, voire les détruire ou les dégrader. En outre, la déflexion de la fenêtre optique 12 peut également entrainer une dégradation des propriétés de filtrage des filtres 17-18 et perturber le signal optique reçu par les micro-bolomètres 19.
La déflexion dépend principalement du niveau de vide dans la cavité hermétique 16, de la pression externe, c’est-à-dire la pression du milieu dans lequel est situé le détecteur, de la surface du détecteur infrarouge 100, de l’épaisseur Es et de la nature du substrat d’embase 11, et de l’épaisseur Ef et de la nature de la fenêtre optique 12.
En pratique, pour une application dans laquelle le niveau de vide interne et la pression externe à la cavité 16 sont connus, il est possible de déterminer les limites de surface possible pour le détecteur infrarouge 100 en fonction de l’épaisseur Es et de la nature du substrat d’embase 11 et de l’épaisseur Ef et de la nature de la fenêtre optique 12.
Par exemple, pour un vide interne de 10’2 mbar et une pression externe d’un bar et une épaisseur Es du substrat d’embase 11 de 725 micromètres, il a été déterminé qu’il est possible d’obtenir un détecteur infrarouge 100 de 1600 par 1200 pixels avec un pas pixel de 12 micromètres et une distance lors du scellement entre la fenêtre optique 12 et les micro-bolomètres 19 de 10 micromètres, mais pas un détecteur infrarouge 100 de 2048 par 1536 pixels avec une épaisseur Ef de la fenêtre optique 12 de 725 micromètres. En effet, pour un détecteur infrarouge 100 de 2048 par 1536 pixels, il a été déterminé numériquement que la déflexion de la fenêtre optique 12 est supérieure à 10 micromètres. Dans ces conditions, les propriétés de filtrage des filtres 17-18 sont tellement dégradées que l’effet de cette dégradation est visible sur l’image infrarouge obtenue.
Dans un autre exemple avec un pas pixel de 12 micromètres et une distance lors du scellement entre la fenêtre optique 12 et les micro-bolomètres 19 de 10 micromètres, pour un vide interne de 10’2 mbar et une pression externe d’un bar et une épaisseur Es du substrat d’embase 11 de 725 micromètres, il a été déterminé qu’il est possible d’obtenir un détecteur infrarouge 100 de 1024 par 768 pixels, mais pas un détecteur infrarouge 100 de 1280 par 1024 pixels avec une épaisseur Ef de la fenêtre optique 12 de 300 micromètres. Dans cet exemple, un détecteur infrarouge 100 de 1280 par 1024 pixels entrainerait une déflexion de la fenêtre optique 12 supérieure à 10 micromètres et une dégradation visible des propriétés de filtrage des filtres 17-18.
Ainsi, le phénomène de déflexion limite les possibilités de réalisation d’un détecteur infrarouge 100 pour des applications dans lesquelles la distance entre la fenêtre optique 12 et les micro- bolomètres 19 est faible. Le problème technique que se propose de résoudre l’invention consiste donc à proposer un détecteur infrarouge présentant un substrat et une fenêtre optique de grande taille et/ou fins tout en limitant la déflexion.
EXPOSE DE L’INVENTION
L’invention propose de répondre à ce problème technique en plaçant des espaceurs entre l’extrémité supérieure d’au moins une partie des clous d’ancrage et la surface inférieure de la fenêtre optique. Ces espaceurs forment une butée mécanique propres à s’opposer à ces déflexions de la fenêtre optique et/ou du substrat d’embase.
Ainsi, l’invention concerne un détecteur infrarouge comprenant : un substrat d’embase supportant un réseau de micro-bolomètres, chaque micro-bolomètre étant monté en suspension au-dessus dudit substrat au moyen de clous d’ancrage s’étendant sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d’embase; des parois latérales s’étendant sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d’embase ; et une fenêtre optique fixée sur une extrémité supérieure des parois latérales au-dessus des micro-bolomètres, la fenêtre optique ne comportant pas d’évent ; le substrat d’embase, les parois latérales et la fenêtre optique formant une cavité hermétique sous vide au sein de laquelle sont présents les micro-bolomètres. Selon l’invention, le détecteur infrarouge comprend également des espaceurs s’étendant à l’aplomb d’au moins 10% des clous d’ancrage, ces espaceurs étant également orientés sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d’embase, lesdits espaceurs formant une butée apte à coopérer avec la face inférieure de la fenêtre optique, ou avec l’extrémité supérieure des clous d’ancrage, et ainsi limiter les déflexions de la fenêtre optique et/ou du substrat.
L’invention permet ainsi, avec la fabrication par report, de limiter les déflexions de la fenêtre optique et/ou du substrat. Avec ces déflexions limitées, il est désormais possible de limiter l’épaisseur de la fenêtre optique et du substrat d’embase sans risquer de dégrader les micro- bolomètres après scellement sous vide de la cavité hermétique. En effet, la fenêtre optique ne risque plus de rentrer en contact avec les membranes en suspension des micro-bolomètres.
Pour des besoins d’encombrement, il est également possible de limiter le volume de la cavité hermétique en réduisant la distance entre la fenêtre optique et le substrat d’embase.
En reprenant l’exemple de l’état de la technique, avec un pas pixel de 12 micromètres, une distance lors du scellement entre la fenêtre optique et les micro-bolomètres de 10 micromètres, un vide interne de 10’2 mbar et une pression externe d’un bar, une épaisseur du substrat d’embase et de la fenêtre optique de 725 micromètres, il est désormais possible avec l’invention d’obtenir un détecteur infrarouge de 2048 par 1536 pixels.
Pour obtenir cet effet de limitation des déflexions, au moins 10% des clous d’ancrage doivent être associés à un espaceur orienté sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d’embase.
Ces espaceurs peuvent être répartis uniformément sur les clous d’ancrage, par exemple sur tous les clous d’ancrage ou tous les 2, 4 ou 8 clous d’ancrage d’une ligne.
En variante, les espaceurs peuvent également être répartis selon une loi de répartition non- uniforme qui fait croitre le nombre d’espaceurs au niveau du centre du détecteur infrarouge. Ce mode de réalisation permet de limiter le nombre d’espaceurs en plaçant un grand nombre d’espaceurs dans les zones les plus sensibles aux déflexions, typiquement le centre du détecteur infrarouge.
Pour garantir le support mécanique de la fenêtre optique, les espaceurs peuvent présenter une section transversale comprise entre 0.5 et 1.5 micromètre carré. En outre, la hauteur des espaceurs peut être au moins deux fois supérieure à celle des clous d’ancrage, typiquement une hauteur de 5 micromètres comparativement à une hauteur des clous d’ancrage de l’ordre de 2 micromètres.
En pratique, le contact entre les espaceurs et la fenêtre optique ou les clous d’ancrage est observé après scellement sous vide de la cavité. Ainsi, avant le scellement sous vide de la cavité, les espaceurs peuvent être préalablement fixés sur la fenêtre optique ou sur les clous d’ancrage. Pour obtenir le scellement sous vide de la cavité, le substrat d’embase et la fenêtre optique sont placés dans un four de scellement sous vide. Après le scellement, la pression remonte dans le four de scellement et des déflexions de la fenêtre optique ou du substrat d’embase peuvent alors apparaitre.
Ainsi, dans un mode de réalisation, les espaceurs sont réalisés sur la face inférieure de la fenêtre optique et entrent en contact avec les clous d’ancrage du substrat d’embase après scellement sous vide de la cavité formée autour des micro-bolomètres par le substrat d’embase, les parois latérales et la fenêtre optique.
Selon un autre mode de réalisation, les espaceurs sont réalisés dans le prolongement des clous d’ancrage du substrat d’embase et entrent en contact avec la fenêtre optique après scellement sous vide de la cavité formée autour des micro-bolomètres par le substrat d’embase, les parois latérales et la fenêtre optique.
Dans ce mode de réalisation, il peut être nécessaire de prévoir des zones de réception des espaceurs sur la fenêtre optique. Ainsi, la fenêtre optique peut être pourvue de zones planes destinées à coopérer avec l’extrémité supérieure des espaceurs après scellement sous vide de la cavité.
En effet, la fenêtre optique peut être munie sur sa face supérieure d’un filtre multicouche interférentiel ou d’un réseau périodique de diffraction, et sur sa face inférieure, d’un filtre multicouche interférentiel ou d’un réseau périodique de diffraction. Lorsque la face inférieure est structurée par un réseau périodique de diffraction, il est avantageux de prévoir des zones planes pour recevoir les espaceurs et limiter les dégradations possibles des motifs dudit réseau.
En variante, pour protéger les motifs du réseau périodique de diffraction sans limiter la surface utile de ce dernier sur la face inférieure de la fenêtre optique, un support supérieur, transparent aux rayonnements dans la gamme de longueurs d’onde d’intérêt des micro-bolomètres, peut être formé sur les espaceurs. Dans ce mode de réalisation, le détecteur infrarouge comprend un support supérieur fixé à l’extrémité supérieure des espaceurs et placé entre les espaceurs et la fenêtre optique après scellement sous vide de la cavité. La gamme de longueurs d’onde d’intérêt correspond typiquement à la gamme de 8-14 micromètres.
Pour réaliser les espaceurs sur les clous d’ancrage, l’invention peut mettre en œuvre des étapes de fabrication additives connues en utilisant plusieurs couches sacrificielles.
Ainsi, l’invention concerne également un procédé de réalisation d’un détecteur infrarouge comprenant les étapes suivantes : dépôt et structuration d’une première couche sacrificielle sur un substrat d’embase ; formation de clous d’ancrage à travers la première couche sacrificielle jusqu’à atteindre le substrat d’embase ; formation de membranes sur la première couche sacrificielle et les clous d’ancrage ; dépôt et structuration d’une seconde couche sacrificielle sur les membranes et la première couche sacrificielle ; formation d’espaceurs à travers la seconde couche sacrificielle et dans le prolongement d’une partie au moins des clous d’ancrage ; et suppression des couches sacrificielles de sorte à libérer les micro-bolomètres formés par les membranes et les clous d’ancrage ; réalisation d’une fenêtre optique ; formation de parois latérales sur le substrat d’embase ou la fenêtre optique et autour des micro-bolomètres ; les parois latérales étant réalisées avant la suppression des couches sacrificielles lorsqu’elles sont formées sur le substrat d’embase ; report de la fenêtre optique sur le substrat d’embase ; et scellement sous vide de la cavité formée par le substrat d’embase, les parois latérales et la fenêtre optique ; les espaceurs formant une butée apte à coopérer avec la face inférieure de la fenêtre optique et ainsi limiter les déflexions de la fenêtre optique et/ou du substrat ; lorsque les espaceurs sont réalisés sur la face inférieure de la fenêtre optique, ils entrent en contact avec les clous d’ancrage du substrat d’embase après scellement sous vide de la cavité et, lorsque les espaceurs sont réalisés dans le prolongement des clous d’ancrage du substrat d’embase, ils entrent en contact avec la fenêtre optique après scellement sous vide de la cavité. Ce procédé permet de réutiliser des étapes connues de fabrication additive pour réaliser les espaceurs sur les clous d’ancrage. Il est ainsi possible d’obtenir un détecteur infrarouge avec des espaceurs limitant les déflexions tout en utilisant les outils de production classiques des détecteurs infrarouges.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d’exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels :
La figure 1 illustre une vue schématique en section d’un détecteur infrarouge de l’état de la technique ;
La figure 2 illustre une vue schématique en section d’un détecteur infrarouge selon un premier mode de réalisation de l’invention avant l’étape de scellement sous vide du boitier ;
La figure 3 illustre une vue schématique en section du détecteur infrarouge de la figure 2 après l’étape de scellement sous vide du boitier ;
La figure 4 illustre une vue schématique en section d’un détecteur infrarouge selon un deuxième mode de réalisation de l’invention avant l’étape de scellement sous vide du boitier ;
La figure 5 illustre une vue schématique en section du détecteur infrarouge de la figure 4 après l’étape de scellement sous vide du boitier ;
La figure 6 illustre une vue schématique en section d’un détecteur infrarouge selon un troisième mode de réalisation de l’invention avant l’étape de scellement sous vide du boitier ;
La figure 7 illustre une vue schématique en section du détecteur infrarouge de la figure 6 après l’étape de scellement sous vide du boitier ;
La figure 8 illustre une vue schématique en section d’un détecteur infrarouge selon un quatrième mode de réalisation de l’invention avant l’étape de scellement sous vide du boitier ;
La figure 9 illustre une vue schématique en section du détecteur infrarouge de la figure 8 après l’étape de scellement sous vide du boitier ; et
Les figures 10 à 16 illustrent une vue schématique en section des étapes de réalisation d’un substrat d’embase du détecteur infrarouge de la figure 2.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Pour limiter la déflexion entre la fenêtre optique 12 et le substrat d’embase 11 d’un détecteur infrarouge avec la fabrication par report, l’invention propose d’utiliser des espaceurs 20. Les figures 3, 5, 7 et 9 illustrent quatre modes de réalisation différents permettant de limiter cette déflexion. Dans tous ces modes de réalisation, le substrat d’embase 11 supporte un réseau de micro- bolomètres 19. Plus précisément, chaque micro-bolomètre 19 comporte une membrane 15 montée en suspension au-dessus du substrat d’embase 11 au moyen de clous d’ancrage 14. Par exemple, chaque membrane 15 peut être montée sur deux ou quatre clous d’ancrage 14 au moyen de bras de suspension visant à limiter la conduction thermique entre la membrane 15 et le substrat d’embase 11. Par ailleurs, le substrat d’embase 11 peut également supporter un réflecteur disposé sous les membranes 15.
Les micro-bolomètres 19 sont classiquement disposés sous la forme d’un réseau de lignes et de colonnes pour former les points d’image, ou pixels, d’une image infrarouge.
Outre les micro-bolomètres 19 représentés sur les figures 2 à 9, d’autres types de micro- bolomètres 19 peuvent également être structurés sur le substrat d’embase 11, par exemple des micro-bolomètres thermalisés avec le substrat, afin de rejeter une composante non utile du signal, appelée mode commun, qui peut être largement prédominante. La réjection de cette composante permet de lire le signal utile en utilisant au maximum la dynamique électrique du circuit de lecture.
Dans le mode de réalisation des figures 2 à 7, des espaceurs 20 sont formés sur plusieurs clous d’ancrage 14 des micro-bolomètres 19 de détection.
Plus précisément, selon l’invention, les espaceurs 20 s’étendent à l’aplomb d’au moins 10 % des clous d’ancrage 14 et sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d’embase 11. Dans l’exemple des figures 2 à 7, un micro-bolomètre 19 sur deux présente des espaceurs 20 fixés sur des clous d’ancrage 14. En variante, la répartition des espaceurs 20 peut prendre différentes formes sans changer l’invention, pour peu qu’au moins 10 % des clous d’ancrage 14 soient surmontés par des espaceurs 20. Ainsi, la répartition des espaceurs 20 peut être uniforme. Ces espaceurs 20 peuvent notamment être placés sur tous les clous d’ancrage 14, sur un clou d’ancrage 14 sur deux, sur un clou d’ancrage 14 sur quatre ou encore sur un clou d’ancrage 14 sur huit, sans changer l’invention.
Par ailleurs, la répartition des clous d’ancrage 14 peut également être non uniforme, c’est-à- dire que davantage d’espaceurs 20 sont placés dans certaines zones du détecteur infrarouge 10a- lOd. Typiquement, il peut être recherché d’avoir un espaceur 20 positionné sur chaque clou d’ancrage 14 sur une zone sensiblement centrale du détecteur infrarouge 10a-10d, alors qu’une zone en périphérie présente un espaceur 20 sur deux ou sur quatre clous d’ancrages 14. La limite entre la zone centrale et la zone périphérique du détecteur infrarouge 10a- lOd peut être déterminée de sorte que la zone centrale couvre une surface deux fois plus faible que la zone périphérique, ou par toute autre définition mathématique. Outre le substrat d’embase 11 et ses micro-bolomètres 19, un détecteur infrarouge 10a-10d comporte également une fenêtre optique 12 fixée sur une extrémité supérieure de parois latérales 13 et au-dessus des micro-bolomètres 19. Les parois latérales 13 peuvent être formées indépendamment du substrat d’embase 11 et de la fenêtre optique 12 et fixées sur le substrat d’embase 11 avant le report de la fenêtre optique 12. En variante, il est possible de structurer le substrat d’embase 11 ou la fenêtre optique 12 de sorte à former des parois latérales 13.
Par exemple, ces parois latérales 13 peuvent être réalisées en silicium amorphe permettant d’encapsuler latéralement les micro-bolomètres 19. Quelle que soit la technologie de formation des parois latérales 13, celles-ci s’étendent sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d’embase 11 et permettent de former une cavité hermétique sous vide 16 par la fixation de la fenêtre optique 12 sur les extrémités supérieures desdites parois.
Pour limiter les déflexions, les espaceurs 20 forment une butée entre les clous ancrage 14 des micro-bolomètres 19 et la fenêtre optique 12. Classiquement, la fenêtre optique 12 est structurée par des filtres permettant de limiter les rayonnements incidents sur les micro-bolomètres 19.
Dans l’exemple des figures 2 et 3, la fenêtre optique 12 est structurée avec deux filtres multicouches interférentiels 17 et 18. L’épaisseur totale Ef de la fenêtre optique 12 correspond donc à l’épaisseur du substrat de cette fenêtre optique 12 ajoutée à l’épaisseur des deux filtres multicouches interférentiels 17 et 18. Tel qu’illustré sur la figure 2, lorsque la fenêtre optique 12 est reportée sur le substrat d’embase 11, les espaceurs 20 ne touchent pas nécessairement la fenêtre optique 12. Après scellement sous vide, nécessaire pour former le détecteur infrarouge 10a illustré sur la figure 3, une déflexion apparaît et cette déflexion entraine un contact entre les espaceurs 20 et la fenêtre optique 12. Plus précisément, dans l’exemple de la figure 3, les espaceurs 20 entrent en contact avec le filtre multicouche interférentiel 17 réalisé sur la face inférieure de la fenêtre optique 12.
La hauteur des clous d’ancrage 14 et des espaceurs 20 permet de définir la hauteur minimum Hmin de la cavité 16. En effet, lorsque la fenêtre optique 12 entre en contact avec les espaceurs 20, les déflexions de la fenêtre optique 12 et/ou du substrat d’embase 11 sont limitées. Typiquement, la hauteur des clous d’ancrage 14 peut être comprise entre 2 et 2,5 micromètres alors que la hauteur des espaceurs 20 peut être comprise entre 5 et 10 micromètres. Les espaceurs 20 présentent préférentiellement une section inférieure aux clous ancrage 14. Typiquement, les clous d’ancrage 14 peuvent présenter une section de 2 micromètres carré alors que les espaceurs 20 peuvent présenter une section transversale comprise entre 0.5 et 1.5 micromètre carré. Compte tenu de la hauteur et de la section des espaceurs 20, et s’ils sont réalisés dans le même matériau, ceux-ci sont donc bien moins thermiquement conducteurs que les clous d’ancrage 14. Par ailleurs, les clous d’ancrage 14 intègrent classiquement des éléments métalliques permettant d’effectuer une reprise de contact avec la membrane 15. Or, ces éléments métalliques sont naturellement des conducteurs thermiques. En ce qui concerne les espaceurs 20, ils n’ont aucune fonction de conduction électrique de sorte qu’ils peuvent être réalisés dans un matériau thermiquement isolant, tel que du silicium amorphe.
Dans l’exemple des figures 4 et 5, la fenêtre optique 12 présente un réseau périodique de diffraction 21 structuré sur sa face inférieure. Ce réseau périodique de diffraction permet, comme les filtres multicouches interférentiel, de filtrer une partie des rayonnements infrarouges incidents. Cependant, un tel réseau périodique de diffraction est davantage sensible aux risques de détérioration dus au contact avec un espaceur 20. Pour limiter ce risque, il est possible de prévoir des zones planes 22, c’est-à-dire des zones dans lesquelles aucune structure d’un réseau périodique de diffraction 21 n’est réalisée. Ces zones planes 22 sont destinées à coopérer avec l’extrémité supérieure des espaceurs 20 après scellement sous vide de la cavité 16.
Typiquement, avec des espaceurs 20 dont la section est d’environ 1 micromètre carré, et une précision d’alignement de la fenêtre optique 12 par rapport au substrat d’embase 11 de l’ordre de 2 micromètres lors du report de la fenêtre optique 12, il peut être réalisé des zones planes comprises entre 3 et 5 micromètres de côté.
Ainsi, pour le détecteur infrarouge 10b de la figure 5, les espaceurs 20 entrent en contact avec les zones planes 22 de la fenêtre optique 12 après scellement sous vide de la cavité 16, de sorte à limiter la détérioration possible des réseaux périodiques de diffraction 21.
Dans l’exemple des figures 6 et 7, un support supérieur 23, transparent aux rayonnements infrarouges dans la gamme de longueurs d’onde d’intérêt des micro-bolomètres 19, est placé au-dessus des espaceurs 20. Ce support supérieur 23 permet de constituer une zone d’appui pour la fenêtre optique 12 afin de répartir la pression mécanique de support des espaceurs 20 avec la fenêtre optique 12. Ce faisant, le risque de détérioration d’un réseau périodique de diffraction 21 formé sur la face inférieure de la fenêtre optique 12 est limité, et il n’est plus nécessaire de ménager des zones planes. Par ailleurs, ce support supérieur s’étend sur toute la surface des micro-bolomètres 19 dans l’exemple des figures 6 et 7. En variante, ce support supérieur 23 peut s’étendre uniquement au centre du détecteur infrarouge 10c. Dans l’exemple des figures 8 et 9, des espaceurs 20 sont fixés sur la face inférieure de la fenêtre optique 12 et viennent en contact avec les clous d’ancrage 14 après scellement sous vide de la cavité 16. Ce mode de réalisation permet également de garantir une hauteur minimale Hmin entre la fenêtre optique 12 et le substrat d’embase 11.
Les figures 10 à 16 illustrent un mode de réalisation d’espaceurs 20 sur les clous d’ancrage 14 d’un substrat d’embase 11.
Pour ce faire, une première étape consiste à déposer et à structurer une couche sacrificielle 30 sur un substrat d’embase 11. Les clous d’ancrage 14 sont ensuite formés lors d’une seconde étape à l’intérieur des motifs de structuration de la couche sacrificielle, tel qu’illustré sur la figure 11. Les membranes 15 des différents micro-bolomètres 19 sont ensuite formées sur la couche sacrificielle 30 et les clous d’ancrage 14, tel qu’illustré sur la figure 12.
Une seconde couche sacrificielle 31 est déposée sur les membranes 15 et sur la première couche sacrificielle 30. Cette seconde couche sacrificielle 31 est également structurée afin de définir des zones pour lesquelles les espaceurs 20 sont appelés à être réalisés, et en l’espèce, dans le prolongement des clous d’ancrage 14, tel qu’illustré sur la figure 13.
Tel qu’illustré sur la figure 14, les espaceurs 20 peuvent ensuite être formés par dépôt de matière dans les motifs de structuration de la seconde couche sacrificielle 31. Ce dépôt peut être constitué de silicium amorphe réalisé par dépôt physique en phase vapeur.
La fine couche de silicium amorphe 43 déposée sur la seconde couche sacrificielle 31 peut ensuite être supprimée, par exemple par gravure ionique réactive, tel qu’illustré sur la figure 15. En variante, il est possible de conserver cette couche de silicium amorphe 43 pour obtenir le support supérieur 23 des figures 6 et 7. Si cette couche de silicium amorphe 43 est conservée, il est être nécessaire de réaliser des évents dans cette couche de silicium amorphe 43 pour permettre le retrait des deux couches sacrificielles 30 et 31.
Ainsi, après le retrait des deux couches sacrificielles 30 et 31 permettant d’obtenir la libération des micro-bolomètres 19, les espaceurs 20 sont fixés dans le prolongement d’au moins une partie des clous d’ancrage 14, tel qu’illustré sur la figure 16.
Pour obtenir un détecteur infrarouge, il convient également de réaliser la fenêtre optique 12, de former les parois latérales 13 sur le substrat d’embase 11 ou sur la fenêtre optique 12, de reporter la fenêtre optique 12 sur le substrat d’embase 11 et de sceller sous vide la fenêtre optique 12 sur le substrat d’embase 11 afin de former la cavité 16. Lorsque les parois latérales 13 sont formées sur le substrat d’embase 11, celles-ci sont classiquement formées avant la libération des micro-bolomètres 19.
Ce faisant, l’invention permet d’obtenir une cavité 16 avec une hauteur minimum fixe Hmin entre le substrat d’embase 11 et la fenêtre optique 12 si bien qu’il est possible d’utiliser un substrat d’embase 11 avec une épaisseur Es inférieure aux épaisseurs de l’état de la technique ou encore une fenêtre optique 12 avec une épaisseur Es inférieure aux épaisseurs de l’état de la technique en s’affranchissant des contraintes de rapprochement de ces deux éléments. Il est également possible de former des détecteurs infrarouges 10a- lOd avec des surfaces de détection supérieures aux surfaces de l’état de la technique.
Plus précisément, avec un vide interne de 10’2 mbar et une pression externe d’un bar, une épaisseur Es du substrat d’embase 11 de 725 micromètres, et une épaisseur Ef de la fenêtre optique 12 de 725 micromètres, il est désormais possible d’obtenir des déflexions inférieures à 10 micromètres en formant un détecteur infrarouge 10a- lOd avec une résolution supérieure ou égale à 2048 par 1536 pixels.
Ainsi, en limitant le phénomène de déflexion, l’invention permet d’obtenir un détecteur infrarouge présentant un substrat et une fenêtre optique de grande taille et/ou fins. L’invention permet par exemple de réaliser un détecteur infrarouge avec des filtres distincts pour différents micro-bolomètres ou, plus simplement, de limiter la distance entre la fenêtre optique 12 et les micro-bolomètres 19 pour simplifier le processus de fabrication ou limiter l’encombrement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur infrarouge (10a-10d) comprenant : un substrat d’embase (11) supportant un réseau de micro-bolomètres (19), chaque micro-bolomètre (19) étant monté en suspension au-dessus dudit substrat au moyen de clous d’ancrage (14) s’étendant sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d’embase (11); des parois latérales (13) s’étendant sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d’embase (11) ; et une fenêtre optique (12) fixée sur une extrémité supérieure des parois latérales (13) au-dessus des micro-bolomètres (19), la fenêtre optique (12) ne comportant pas d’évent ; le substrat d’embase (11), les parois latérales (13) et la fenêtre optique (12) formant une cavité hermétique sous vide (16) au sein de laquelle sont présents les micro- bolomètres (19) ; caractérisé en ce que le détecteur infrarouge (10a-10d) comprend également des espaceurs (20) s’étendant à l’aplomb d’au moins 10% des clous d’ancrage (14), ces espaceurs (20) étant également orientés sensiblement perpendiculairement par rapport au substrat d’embase (11), lesdits espaceurs (20) formant une butée apte à coopérer avec la face inférieure de la fenêtre optique (12), ou avec l’extrémité supérieure des clous d’ancrage (14), et ainsi limiter les déflexions de la fenêtre optique (12) et/ou du substrat (H).
2. Détecteur infrarouge selon la revendication 1, dans lequel les espaceurs (20) présentent une section transversale comprise entre 0.5 et 1.5 micromètre carré.
3. Détecteur infrarouge selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les espaceurs (20) sont répartis uniformément sur les clous d’ancrage (14).
4. Détecteur infrarouge selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les espaceurs (20) sont répartis selon une loi de répartition non-uniforme qui fait croitre le nombre d’espaceurs (20) au niveau du centre du détecteur infrarouge (10a-10d).
5. Détecteur infrarouge selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel les espaceurs (20) sont réalisés sur la face inférieure de la fenêtre optique (12) et entrent en contact avec les clous d’ancrage du substrat d’embase (11).
6. Détecteur infrarouge selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel les espaceurs (20) sont réalisés dans le prolongement des clous d’ancrage du substrat d’embase (11) et entrent en contact avec la fenêtre optique (12).
7. Détecteur infrarouge selon la revendication 6, dans lequel la fenêtre optique (12) est pourvue de zones planes (22) coopérant avec l’extrémité supérieure des espaceurs (20).
8. Détecteur infrarouge selon la revendication 6, dans lequel le détecteur infrarouge (10a- lOd) comprend un support supérieur (23), transparent aux rayonnements dans la gamme de longueurs d’onde d’intérêt des micro-bolomètres (19), fixé à l’extrémité supérieure des espaceurs (20) et placé entre les espaceurs (20) et la fenêtre optique (12).
9. Détecteur infrarouge selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la fenêtre optique (12) comprend une face supérieure munie d’un filtre multicouche interférentiel (18) ou d’un réseau périodique de diffraction, et une face inférieure munie d’un filtre multicouche interférentiel (17) ou d’un réseau périodique de diffraction (21).
10. Procédé de réalisation d’un détecteur infrarouge (10a-10d) selon la revendication 5, comprenant les étapes suivantes : dépôt et structuration d’une première couche sacrificielle (30) sur un substrat d’embase (11) ; formation de clous d’ancrage (14) à travers la première couche sacrificielle (30) jusqu’à atteindre le substrat d’embase (11) ; formation de membranes (15) sur la première couche sacrificielle (30) et les clous d’ancrage (14) ; dépôt et structuration d’une seconde couche sacrificielle (31) sur les membranes (15) et la première couche sacrificielle (30) ; formation d’espaceurs (20) à travers la seconde couche sacrificielle (31) et dans le prolongement d’une partie au moins des clous d’ancrage (14) ; et suppression des couches sacrificielles (30, 31) de sorte à libérer les micro-bolomètres (19) formés par les membranes (15) et les clous d’ancrage (14) ; réalisation d’une fenêtre optique (12) ; formation de parois latérales (13) sur le substrat d’embase (11) ou sur la fenêtre optique (12) et autour des micro-bolomètres (19) ; les parois latérales (13) étant réalisées avant la suppression des couches sacrificielles (30, 31) lorsqu’elles sont formées sur le substrat d’embase (11) ; report de la fenêtre optique (12) sur le substrat d’embase (11) ; et scellement sous vide de la cavité (16) formée par le substrat d’ embase ( 11 ), les parois latérales (13) et la fenêtre optique (12) ; les espaceurs (20) formant une butée apte à coopérer avec la face inférieure de la fenêtre optique (12) et ainsi limiter les déflexions de la fenêtre optique (12) et/ou du substrat (11) ; les espaceurs (20) entrant en contact avec les clous d’ancrage du substrat d’embase (11), ou avec la face inférieure de la fenêtre optique (12) après scellement sous vide de la cavité (16).
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