WO2006120362A1 - Detecteur thermique de rayonnements electromagnetiques et dispositif de detection infrarouge mettant en oeuvre de tels detecteurs - Google Patents

Detecteur thermique de rayonnements electromagnetiques et dispositif de detection infrarouge mettant en oeuvre de tels detecteurs Download PDF

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WO2006120362A1
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sensitive material
substrate
absorber
electromagnetic radiation
detector
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Jean-Louis Ouvrier-Buffet
Sylvette Bisotto
Agnès ARNAUD
André Perez
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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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

Definitions

  • the present invention relates to a thermal detector, in particular a bolometric detector, as well as to an infrared detection device implementing such detectors.
  • the invention particularly finds its field of application in infrared imaging.
  • a thermal detector makes it possible to measure the quantity of an incident energy flow, and for example, the power of an electromagnetic radiation in the field of infrared rays.
  • the infrared detectors it is known devices arranged in matrix form, capable of operating at ambient temperature, that is to say not requiring cooling, unlike the detection devices called “quantum” detectors, which require them to operate. at very low temperature, typically that of liquid nitrogen.
  • These detectors generally comprise a sensitive element that can be heated by infrared radiation, characteristic of the temperature and the emissivity of the observed bodies.
  • the increase in temperature of the sensitive element causes a variation of an electrical property of the sensitive material: appearance of electric charges by pyroelectric effect, variation of capacity by change of the electrical constant or, more traditionally, variation of the resistance of a semiconductor or metallic material.
  • thermometry means which, traditionally, implement a resistive element
  • the detectors intended for infrared imaging are made in the form of a matrix of elementary detectors in one or two dimensions, on a substrate, generally made of silicon, which comprises means for electrical excitation (stimuli) of said elementary detectors, and means for pre-processing the electrical signals generated by these elementary detectors.
  • These electrical excitation and pre-treatment means are formed on the substrate and constitute a read circuit.
  • monolithic infrared imagers operating at ambient temperature are manufactured by directly connecting a matrix of sensitive elements to a silicon multiplexing circuit of the CMOS or CDD type.
  • a device comprising a matrix of elementary detectors and an associated reading circuit is generally placed in a housing and connected, in particular electrically, to the outside environment by conventional techniques (metal wires and mounting pins). In such an enclosure, the pressure is reduced to limit heat losses.
  • the thermal detector can be encapsulated under vacuum or under a low heat-conducting gas to improve performance.
  • the housing is further provided with a window transparent to the radiation to be detected.
  • the scene is projected through a suitable optics on the matrix of elementary detectors, and timed electrical stimuli are applied via the read circuit (also provided for this purpose). ), to each of the elementary detectors, or to each row of such detectors, in order to obtain an electrical signal constituting the image of the temperature reached by each elementary detector.
  • This signal is processed more or less elaborately by the read circuit, then possibly by an electronic device outside the housing, in order to generate a thermal image of the observed scene.
  • the performance of the uncooled bolometric detectors depends a great deal on the mastering of the development and integration of the most efficient bolometric materials into very light structures constituted by bolometric micro-thermally insulated bridges of the reading circuit, in order to draw from them. the best in terms of signal / noise ratio.
  • An efficient operation of these detectors involves, in particular at the level of the sensitive material, a good thermal insulation of the active layer vis-à-vis its support, and a high sensitivity of said material of the heating conversion effect in electrical signal.
  • the first two conditions are satisfied by a thin layer implementation.
  • this type of detector is constructed in the form of a membrane suspended above the substrate (1) acting as a support, and fixed to this substrate by means of anchoring points (5) called “pillars", conductors of electricity.
  • This membrane comprises a thin layer (typically between 0.1 and 1 ⁇ m) of bolometric material sensitive to temperature (2), two coplanar or parallel electrodes (not shown) and an absorber (3).
  • absorber is meant one or more layers or arrangements of layers, the function of which is to capture the electromagnetic radiation, convert it into heat and transmit its temperature to the thin layer (2) which acts as a thermometer.
  • thermometers (2) are envisaged, among which the thermistor is a widely used option.
  • numerous documents and publications describe different bolometric structures from a semiconductor material.
  • the sensitive material can thus be made of polycrystalline or amorphous silicon, of p or n type, weakly or strongly resistive. It can also be made of a vanadium oxide (VO x ) developed in a semiconductor phase.
  • VO x vanadium oxide
  • the sensitive material rests on an insulating support (SiO 2 , SiO, SiN, ...) which ensures the mechanical rigidity of the bolometric structure. It can also be fully encapsulated with one of these insulating materials.
  • the support substrate (1) typically consists of an electronic circuit integrated on a silicon wafer comprising, on the one hand, stimulus and reading devices of the thermometer, and, on the other hand, the multiplexing components that make it possible to serialize the signals from the different thermometers and transmit them to a small number of outputs to be exploited by a conventional imaging system.
  • This circuit can be positioned under the detector, or on the contrary, be offset further on the substrate.
  • This circuit can also be summarized as an interconnection network, whose function is to connect the electrical outputs of the detector to an information processing circuit located elsewhere.
  • thermometer (2) The electrical interconnection between the thermometer (2) and the reading elements arranged on the substrate (1) is provided by a layer, generally metallic, which is arranged on the thermal insulation devices described below.
  • the sensitivity of the thermal detector is notoriously improved by introducing isolation "arms" (8) between the support substrate (1) and the membrane (3), intended to limit thermal losses of the latter and thus to preserve its heating. .
  • isolation "arms” between the support substrate (1) and the membrane (3), intended to limit thermal losses of the latter and thus to preserve its heating.
  • These flat, elongated and very narrow structures consist of the thinnest possible layers and must be electrically conductive but thermally resistant.
  • the reading circuit therefore applies, via the pillars (5) and the arms (8), and via at least two conductive parts or electrodes (not shown), an electric current which passes through the structure parallel to the plane of the bolometric detector. This current then flows through the bolometric material (2), whose resistivity varies with temperature.
  • the isolation devices are located in the same plane as the layer of bolometric material, or are made below it.
  • this electrically conductive layer is also good thermal conductors.
  • the presence of this layer in the thermal insulation devices can therefore lead to a significant degradation of their thermal insulation, and corollary to the performance of the detector.
  • the technical problem to be solved by the present invention is therefore to offer an alternative arrangement of thermal detectors, in particular bolometers, capable of ensuring a satisfactory electrical connection while improving the thermal insulation of the bolometric material.
  • the thermal detector comprises:
  • a substrate providing the support function of the detector
  • the thermal detector according to the invention is characterized in that the sensitive material is in the form of a wafer extending in all or in part in a direction substantially perpendicular to the plane in which the substrate is inscribed, in that said material is held suspended by the absorber above the substrate, said absorber being secured to the sensitive material at the upper zone of the wafer, and in that the absorber is itself suspended by a fixing means mechanically connected to said substrate.
  • the fixing means is electrically conductive and therefore is mechanically and electrically connected to the substrate.
  • the solution proposed is no longer based on the optimization of the dimensional elements of the arms, but on the particular arrangement of the sensitive material: it is placed, no longer parallel to the surface of the support, but perpendicularly.
  • thermometric material is absent from almost the entire surface of the cavity, which is then really of the Fabry-Perrot type, and can be tuned strictly to one quarter of the wavelength to be detected, favoring in a known manner the performance of the detection.
  • thermal detectors of the bolometer type whose sensitive material has a resistivity that varies with temperature.
  • bolometric materials are preferably semiconductor materials chosen from the following group: polycrystalline or amorphous silicon of p or n type, polycrystalline or amorphous germanium of p or n type, their alloys, vanadium oxides and ferrites.
  • the absorber is in the form of a layer, preferably thin, located in a plane substantially parallel to that of the substrate.
  • the sensitive material is preferably formed of a single thin layer, arranged to have a continuous or discontinuous cylindrical surface, whose base is advantageously square, rectangular, cylindrical or hexagonal.
  • the device comprises a reflective layer vis-à-vis the electromagnetic radiation and electrically conductive located in a plane substantially parallel to the absorber.
  • the electrical continuity between the sensitive material, in contact with lower electrodes, and the substrate, or the metal layer if it is present, is provided either by means of mechanical or electrical connections.
  • the means for fixing the absorber above the substrate, playing a mechanical and electrically conductive role consists of an electrically conductive pillar arranged perpendicular to the plane in which the substrate, whose head is in electrical continuity with the absorber.
  • a portion of the conductive elements is directly secured to the sensitive material, these particular conductive elements being coupled capacitively to other conductive elements directly secured to the substrate.
  • this function of upper or lower electrode can be filled by separate elements of the device. These conductive elements can also be involved in maintaining the structure.
  • the capacitive coupling is ensured between conductive elements secured to the sensitive material at the lower zone of the wafer and conductive elements in the form of a metal layer, reflective vis-à-vis the electromagnetic radiation and conductor of electricity coating the substrate.
  • the fastening means for suspending the absorber above the substrate may be electrically conductive, mechanically and electrically connected to the substrate.
  • this fixing means can be electrically insulating and connected only mechanically to the substrate.
  • the means for fixing the absorber above the substrate is advantageously consists of a pillar disposed perpendicularly to the plane in which the substrate is inscribed, the head of which is in continuity with the absorber.
  • the detector according to the invention is constituted by a junction p / n or n / p.
  • a metal countermask of surface equal to that of the head of the pillar, is inserted between the head of said pillar and the absorber.
  • One or more thermal detectors according to the invention are implemented in an infrared detection device of bolometric type, which preferably has a matrix architecture.
  • Figure 1 is as already said, an illustration in perspective (Figure IA) or in plan (Figure IB) of an elementary detector of electromagnetic radiation, based on the principle of thermal detection, according to the prior art.
  • FIG 2 is a schematic plan representation of an active detector according to the present invention according to two embodiments (FIG 2A and FIG 2B),
  • FIG 3 is a sectional view along the line A - A of Figures 2A and 2B.
  • Figure 4 shows schematically the current reading principle of the bolometer.
  • Figure 5 schematically shows a sectional view of the bashing resistance.
  • Figure 6 shows schematically the different steps in the simultaneous manufacture of a bolometer and a bashing resistance.
  • FIG. 7 represents a schematic sectional view of a vertical thermometer bolometer, devoid of connection between the substrate and the lower electrodes.
  • Figure 8 is a view similar to Figure 7 illustrating an alternative embodiment of the capacitive connection.
  • Figure 9 is a schematic sectional representation of a thermal detector with junction p / n or vertical n / p.
  • the invention therefore relates first of all to an elementary thermal detector, and more particularly to the arrangement of the sensitive material of this detector, making its specificity with respect to a bolometer of the prior art, as illustrated in FIG.
  • Such a bolometer is made on a substrate (1) incorporating an integrated reading circuit. On this, is developed a metal layer (6), which serves both as a reflector of incident infrared radiation, and electrical connection of the bolometer.
  • thermometric material (2) On this metal layer (6) implemented according to conventional photolithographic methods, a first sacrificial layer of 0.2 ⁇ m to 0.5 ⁇ m temporarily serves to support the conductive film (4) (very thin to limit leakage). thermals) which once defined, ensures the lower contact or lower electrode of the thermometer.
  • a second sacrificial layer of 2 ⁇ m to 2.3 ⁇ m allows the construction of the bolometric structure (2), in particular the development of the thermometer in its thickness via a trench which opens onto the lower conductive material (4). ). After its deposition, the thermometric material (2) must be removed from the surface parallel to the substrate (1), for example by mechanical-chemical polishing.
  • a central pillar (5) intended to act as a mechanical support of the bolometric material (2) above the substrate, must be undertaken. It begins with the deposition of a layer of an absorber material (3) and against-mask (7).
  • the absorption of photons or electromagnetic radiation requires an absorber (3).
  • This is in the form of a metal layer. This allows to adapt the impedance between the vacuum and the cavity, formed by this metal layer (3) and the reflector (6), distant quarter or substantially one quarter of the wavelength to be detected. It is generally a thin layer (30 to 100 ⁇ ) of titanium nitride, for example.
  • the countermask (7) allows the etching of the sacrificial layer for the development of the central pillar (5), then the separation of the detectors (in particular the etching of the thermometric material at the bottom of the trenches).
  • a last level of masking defines the absorber (3) and the heat-insulating and holding arms of the detector (8).
  • the shape of the insulating arms at the upper and lower level is given as an indication in Figure 2. It may be for example two nested spirals ( Figure 2B).
  • Figure 3 explicitly illustrates the detector according to the invention. Basically, it is characterized by the extension of the bolometric material (2) in a plane perpendicular to the substrate, and therefore, its lack of direct exposure to the incident radiation to be detected.
  • Said bolometric material is kept suspended above the substrate at least through the absorber (3), which extends parallel to the substrate, and thus can fully receive the incident radiation to be detected, and thus transmit the amount of heat collected to the bolometric material.
  • a compensation or reference bolometer also called a bashing resistance
  • bashing resistance In order to increase the sensitivity of the reading, it is indeed useful to derive the invariant fraction of the current in a so-called “baseline” branch of the circuit, to send only the variable part of the current to the integrator.
  • thermometric material represented by the BOLO resistance in FIG. 4.
  • the current reading is frequently used.
  • the device serving as a basing function must have a low noise generation.
  • the basking is carried out via a sufficiently high resistance, polarized by direct injection.
  • a conventional solution consists in using as a basecoating resistor a thermal detector consisting of the same sensitive material (2) as the active thermal detector, preferentially thermalized at the temperature of the focal plane, but incapable of detection.
  • baseline resistors also regulate these effects, since they evolve with temperature in the same way as active detectors.
  • the effectiveness of the basing function is directly related to the characteristics of baseloading resistors. These must on the one hand have a minimum thermal resistance in order to follow as quickly as possible the temperature of the focal plane (thermalization) and on the other hand, to be really blind in situations of glare, that is to say very high luminous flux, then placing the electronic circuit in saturation state.
  • the subject of the invention also relates to the improvement of these two characteristics. Indeed, in Figure 5, the head of the pillar (5) extends to the entire surface of the pixel (3), thus ensuring a total reflection of the infrared radiation and an optimal thermalization through the thick metal layers constituting the pillar (5). In an alternative embodiment illustrated in FIGS. 7 and 8, the lower mechanical and electrical connections are eliminated, so as to substantially increase the thermal resistance of the detector.
  • thermo-metric resistance is read by capacitively coupling the lower electrode (4) of the meter with an electrode located on the reading circuit (1).
  • the absorber (3) is suspended above the substrate (1) by a fixing means (5), advantageously in the form of a central pillar (13, 14) mechanically connected to the substrate (1).
  • the pillar (13) is electrically insulating.
  • the bolometric material (2), as well as the electrodes (4), then consist of two electrically insulated parts, respectively (2a, 2b) and (4a, 4b).
  • the capacitive connection according to the invention is established between the electrodes (4a, 4b) secured at the lower edge of the bolometric material (2) and a metal layer (6) produced on the substrate, which serves both to reflector of incident infrared radiation, and electrical connection of the bolometer.
  • thermo-metric resistance is thus read by capacitively coupling the lower electrodes (4a, 4b) of the micro-bolometer (2) with the electrode (6) located on the substrate or the reading circuit (1). .
  • the current coming from the electrode (4a), after passing through the bolometric resistance (2a) runs through the upper electrode (3), then the second part (2b) of the bolometer to the second part (4b) of the lower electrode.
  • the reference bolometer to be implemented is developed according to the same principle as that of the bashing resistance illustrated in relation with FIG.
  • a diode or junction p / n or n / p (9, 10) operating directly can also be suitable for a thermal detection application, as shown in FIG. 9.
  • This junction can be made by inverting for example the type of material deposited by ion implantation or diffusion of a dopant to a suitable depth.
  • the corresponding vertical junction detonation detector is developed according to the principle described in FIG. 5. It consists of the p and n type regions. This option may optionally be coupled with the capacitive link, previously described and illustrated in FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 6 shows an example of the various steps involved in the manufacture of a bolometric-type infrared detection device incorporating a bolometer and a bashing resistance according to the invention, and in FIG. wherein the bolometric detection circuit is comprised of sensitive bolometers and basestation resistors generated on a substrate or a CMOS circuit (1).
  • Figure 6A Deposition and etching of a metal layer (6), intended to provide the functions of reflector and connection elements.
  • Figure 6B Laying a sacrificial layer 0.2 to 0.5 ⁇ m thick (polyimide) on the reflector (6), then opening it to make contact with lower electrodes (4) bolometer with the substrate (1). Then, depositing and etching the lower electrode (4), a part of which also serves as a structure for connecting and maintaining the bolometers.
  • a sacrificial layer 0.2 to 0.5 ⁇ m thick (polyimide) on the reflector (6), then opening it to make contact with lower electrodes (4) bolometer with the substrate (1). Then, depositing and etching the lower electrode (4), a part of which also serves as a structure for connecting and maintaining the bolometers.
  • Figure 6C Coupling of a sacrificial layer of 2 microns to 2.3 microns thick. Engraving vertical trenches in the sacrificial layer (polyimide).
  • the lower electrode (4) serves as a stop layer for etching the sacrificial layer.
  • a counter-mask may be necessary. It is removed before the filing of the next film.
  • Figure 6D Deposition of the bolometric thermometric material (2).
  • the depot must have good walking coverage. It is preferably carried out by a chemical process, and for example, in PECVD.
  • Figure 6E Laying of an organic layer (resin or polyimide) preparatory to mechanical-chemical polishing.
  • Figure 6F Mechano-chemical polishing of the surface parallel to the substrate (1) of the thermometer material (2).
  • Figure 6G Deposition of a layer of TiN (30 to 100 ⁇ ) constituting the upper electrode (3) and an aluminum countermask (7).
  • Figure 6H Etching of the contact opening in the sacrificial layer.
  • Figure 61 Deposition of the etching of the metallization (Ti, TiN, WSi) (5) ensuring the connection of the upper electrode (3) with the substrate (1).
  • Figure 6J Detector cross-linking using the aluminum countermask
  • Figure 6K Engraving of the counter-mask (7) on the active detectors, then definition on them of the upper electrode which also serves as absorber (3).
  • Figure 6L Release of active detectors and basement resistors by etching sacrificial layers.
  • the detector of the invention comprises a matrix architecture, in order to perform infrared imaging.
  • micro-structures in a thin layer makes it possible to achieve effective thermal insulation of the detector array, with respect to the read circuit (1).
  • these micro structures can be developed according to various processes that lead to the manufacture of microbridge.
  • thermometer is made in a thin layer (0.005 ⁇ m to 1 ⁇ m) of amorphous or polycrystalline semiconductor material (Si, Ge, SiC, a-Si: H, a-SiC: H, a-SiGe: H, Ferrite, oxides of Vanadium, ).
  • amorphous or polycrystalline semiconductor material Si, Ge, SiC, a-Si: H, a-SiC: H, a-SiGe: H, Ferrite, oxides of Vanadium, .
  • the possible doping of these layers is achieved by introducing a doping gas (BF3, PH3, ...) into the reactor or by ion implantation.
  • a doping gas BF3, PH3, Certainly
  • the etching of these materials is generally performed by plasma etching methods.
  • the metallic materials (Ti, TiN, Pt, Al, Pd, Ni, NiCr, ...) constituting the electrodes and the various metallizations, are also deposited by cathodic sputtering, or by thermal decomposition (LPCVD) or plasma (PECVD). These metallizations are defined by chemical etching, plasma or by a "lift off” method. The thickness of these layers is between 0.005 ⁇ m and 1 ⁇ m.
  • the solution recommended by the invention has a certain number of advantages over the detectors of the prior art.
  • thermometer material since the entire thermometer material is active, thanks to the contact made on the edge of the latter.

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Abstract

Ce détecteur thermique comprend: un matériau sensible (2), dont une propriété électrique varie avec la température; un absorbeur (3) du rayonnement électromagnétique en contact avec ledit matériau sensible (2); un substrat (1) assurant la fonction de support (1); des éléments conducteurs de l' ectricité assurant la continuité électrique entre le matériau sensible (2) et le substrat (1). Le matériau sensible (2) se présente en tout ou en partie sous la forme d'une tranche s'étandant selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan dans lequel s'inscrit le substrat (1). En outre, il est maintenu suspendu par l' sorbeur (3) au dessus du substrat (1), ledit absorbeur (3) étant solidarisé au matériau sensible (2) au niveau de la zone supérieure de la tranche. L'absorbeur (3) est lui-même suspendu par un moyen de fixation (5), relié mécaniquement audit substrat (1).

Description

DETECTEUR THERMIQUE DE RAYONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES ET DISPOSITIF DE DETECTION INFRAROUGE METTANT EN OEUVRE DE TELS DETECTEURS
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un détecteur thermique, notamment bolométrique, ainsi qu'un dispositif de détection infrarouge mettant en œuvre de tels détecteurs.
L'invention trouve notamment son domaine d'application dans l'imagerie infrarouge.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
Par définition, un détecteur thermique permet de mesurer la quantité d'un flux énergétique incident, et par exemple, la puissance d'un rayonnement électromagnétique dans le domaine des rayons infrarouges.
Concernant les détecteurs infrarouges, il est connu des dispositifs agencés sous forme matricielle, susceptibles de fonctionner à la température ambiante, c'est à dire ne nécessitant pas de refroidissement, contrairement aux dispositifs de détection appelés détecteurs « quantiques », qui eux nécessitent un fonctionnement à très basse température, typiquement celle de l'azote liquide.
Ces détecteurs comportent généralement un élément sensible pouvant être chauffé par un rayonnement infrarouge, caractéristique de la température et de l'émissivité des corps observés. L'augmentation de température de l'élément sensible engendre une variation d'une propriété électrique du matériau sensible : apparition de charges électriques par effet pyroélectrique, variation de capacité par changement de la constante électrique ou, plus traditionnellement, variation de la résistance d'un matériau semi-conducteur ou métallique.
Dans ce dernier cas de figure, on parle de détecteur bolométrique, de type résistif. Le rayonnement incident absorbé provoque une augmentation de la température du détecteur, qui induit une variation de la résistance électrique. Ces variations de résistance engendrent des variations de tension ou de courant aux bornes du détecteur, qui constituent le signal délivré par le capteur. Un tel détecteur non refroidi associe généralement : des moyens d'absorption du rayonnement infrarouge et de conversion de ce dernier en chaleur ; des moyens d'isolation thermique du détecteur, de telle sorte à permettre à celui-ci de s'échauffer sous l'action du rayonnement infrarouge ; des moyens de thermométrie qui, traditionnellement, mettent en œuvre un élément résistif ; des moyens de lecture des signaux électriques fournis par les moyens de thermométrie.
Les détecteurs destinés à l'imagerie infrarouge sont réalisés sous la forme d'une matrice de détecteurs élémentaires selon une ou deux dimensions, sur un substrat, généralement réalisé en silicium, qui comporte des moyens d'excitation électrique (stimuli) desdits détecteurs élémentaires, et des moyens de pré-traitement des signaux électriques générés par ces détecteurs élémentaires.
Ces moyens d'excitation électrique et de pré-traitement sont formés sur le substrat et constituent un circuit de lecture.
En pratique, des imageurs infrarouges monolithiques fonctionnant à température ambiante sont fabriqués en connectant directement une matrice d'éléments sensibles à un circuit de multiplexage en silicium de type CMOS ou CDD.
Un dispositif comportant une matrice de détecteurs élémentaires et un circuit de lecture associé est généralement placé dans un boîtier et relié, notamment électriquement, au milieu extérieur par des techniques classiques (fils métalliques et broches de montage). Dans un tel boîtier, la pression est réduite afin de limiter les pertes thermiques. Ainsi, le détecteur thermique peut être encapsulé sous vide ou sous un gaz peu conducteur de la chaleur pour gagner en performance. Le boîtier est en outre muni d'une fenêtre transparente aux rayonnements à détecter.
Pour observer une scène par l'intermédiaire de ce détecteur, on projette la scène à travers une optique adaptée sur la matrice de détecteurs élémentaires, et des stimuli électriques cadencés sont appliqués, par l'intermédiaire du circuit de lecture (également prévu à cet effet), à chacun des détecteurs élémentaires, ou à chaque rangée de tels détecteurs, afin d'obtenir un signal électrique constituant l'image de la température atteinte par chaque détecteur élémentaire. Ce signal est traité de manière plus ou moins élaborée par le circuit de lecture, puis éventuellement par un dispositif électronique extérieur au boîtier, afin de générer une image thermique de la scène observée.
Les performances des détecteurs bolométriques non refroidis dépendent beaucoup de la maîtrise d'élaboration et d'intégration des matériaux bolométriques les plus performants au sein de structures très légères constituées par des micro-ponts bolométriques isolés thermiquement du circuit de lecture, afin d'en tirer le meilleur parti en terme de rapport signal/bruit.
Un fonctionnement performant de ces détecteurs implique, en particulier au niveau du matériau sensible, une bonne isolation thermique de la couche active vis-à-vis de son support, ainsi qu'une forte sensibilité dudit matériau de l'effet de conversion de réchauffement en signal électrique. Les deux premières conditions sont satisfaites par une mise en œuvre en couche mince.
L'art antérieur décrit diverses manières de disposer les divers éléments constitutifs des détecteurs élémentaires. Cependant, un agencement classique est représenté sur la figure 1, en rapport avec un bolo mètre.
Schématiquement, ce type de détecteur est construit sous forme d'une membrane suspendue au-dessus du substrat (1) faisant fonction de support, et fixée à ce substrat par l'intermédiaire de points d'ancrage (5) appelés « piliers », conducteurs de l'électricité. Cette membrane comporte une couche mince (typiquement entre 0,1 et 1 μm) de matériau bolométrique sensible à la température (2), de deux électrodes coplanaires ou parallèles (non représentées) et d'un absorbeur (3).
Par absorbeur, on désigne une ou plusieurs couches ou arrangements de couches, dont la fonction est de capter le rayonnement électromagnétique, de le convertir en chaleur et de transmettre sa température à la couche mince (2) qui joue le rôle de thermomètre.
Selon l'état antérieur de la technique, différents thermomètres (2) sont envisagés, parmi lesquels le thermistor est une option largement répandue. En particulier, de nombreux documents et publications décrivent différentes structures bolométriques à partir d'un matériau semi-conducteur. Le matériau sensible peut ainsi être réalisé en silicium polycristallin ou amorphe, de type p ou n, faiblement ou fortement résistif. Il peut également être réalisé en un oxyde de vanadium (VOx) élaboré dans une phase semi-conductrice.
Généralement, le matériau sensible repose sur un support isolant (SiO2, SiO, SiN, ...) qui assure la rigidité mécanique de la structure bolométrique. Il peut aussi être totalement encapsulé avec l'un de ces matériaux isolants.
Le substrat support (1) est typiquement constitué d'un circuit électronique intégré sur une plaquette de silicium comprenant, d'une part des dispositifs de stimuli et de lecture du thermomètre, et d'autre part, les composants de multiplexage qui permettent de sérialiser les signaux issus des différents thermomètres et de les transmettre vers un nombre réduit de sorties afin d'être exploités par un système d'imagerie usuel. Ce circuit peut être positionné sous le détecteur, ou au contraire, être déporté plus loin sur le substrat. Ce circuit peut aussi se résumer à un réseau d'interconnexion, qui a pour fonction de relier les sorties électriques du détecteur à un circuit de traitement des informations, situé ailleurs.
L'interconnexion électrique entre le thermomètre (2) et les éléments de lecture disposés sur le substrat (1) est assurée par une couche, généralement métallique, qui est disposée sur les dispositifs d'isolation thermique décrits ci-dessous.
La sensibilité du détecteur thermique est notoirement améliorée en introduisant des « bras » d'isolement (8), entre le substrat support (1) et la membrane (3), destinés à limiter les pertes thermiques de cette dernière et donc à préserver son échauffement. Ces structures planes, allongées et très étroites, sont constituées de couches les plus minces possible et doivent être conductrices électriquement mais résistantes thermiquement.
Dans ce type de dispositif, le circuit de lecture applique donc, via les piliers (5) et les bras (8), et via au moins deux parties conductrices ou électrodes (non représentées), un courant électrique qui traverse la structure parallèlement au plan du détecteur bolométrique. Ce courant circule alors à travers le matériau bolométrique (2), dont la résistivité varie avec la température. Selon le mode de réalisation décrit, les dispositifs d'isolation sont situés dans le même plan que la couche de matériau bolométrique, ou bien sont réalisés en dessous de celle- ci.
Réalisé dans le plan de la planche bolométrique, ce système de bras est pénalisant au niveau du facteur de remplissage du point ou détecteur élémentaire. L'expérience démontre qu'il n'est pas possible d'accroître de manière importante la longueur des bras (8), ni de réduire leur largeur et/ou leur épaisseur sans affecter la rigidité de la structure. En effet, ces éléments constituent un point de faiblesse mécanique affectant la stabilité des micro-ponts qui peuvent alors basculer ou se déformer, et donc entrer en contact avec le substrat, limitant ainsi l'isolation thermique, et corollairement réduisant de manière importante les performances du détecteur.
Par ailleurs, l'une des couches qui constituent ces dispositifs d'isolation thermique est généralement une couche conductrice de l'électricité, ayant pour fonction d'assurer la connexion électrique entre le détecteur et le circuit de lecture. Il en résulte qu'une réduction de la largeur et/ou de l'épaisseur de ces éléments conduit à un accroissement de la résistance électrique d'accès du détecteur, qui, si elle est trop élevée, nuit à une polarisation optimale du détecteur.
En outre, les matériaux utilisés pour réaliser cette couche électriquement conductrice sont également de bons conducteurs thermiques. La présence de cette couche dans les dispositifs d'isolation thermique peut donc conduire à une dégradation significative de leur isolation thermique, et corollairement aux performances du détecteur.
Le problème technique que se propose de résoudre la présente invention est donc d'offrir un agencement alternatif des détecteurs thermiques, en particulier des bolomètres, apte à assurer une connexion électrique satisfaisante tout en améliorant l'isolation thermique du matériau bolométrique. EXPOSE DE L'INVENTION
Selon l'invention, le détecteur thermique comprend :
• un matériau sensible, dont une propriété électrique varie avec la température ; • un absorbeur du rayonnement électromagnétique, en contact avec ledit matériau sensible ;
• un substrat assurant la fonction de support du détecteur ; et
• des éléments conducteurs de l'électricité assurant la continuité électrique entre le matériau sensible et le substrat.
Le détecteur thermique conforme à l'invention se caractérise en ce que le matériau sensible se présente sous la forme d'une tranche s'étendant en tout ou en partie selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan dans lequel s'inscrit le substrat, en ce que ledit matériau est maintenu suspendu par l'absorbeur au-dessus du substrat, ledit absorbeur étant solidarisé au matériau sensible au niveau de la zone supérieure de la tranche, et en ce que l'absorbeur est lui-même suspendu par un moyen de fixation, relié mécaniquement audit substrat.
Avantageusement, le moyen de fixation est conducteur électrique et par conséquent est relié mécaniquement et électriquement au substrat.
Ainsi, la solution proposée n'est plus basée sur l'optimisation des éléments dimensionnels des bras, mais sur la disposition particulière du matériau sensible : celui-ci est placé, non plus parallèlement à la surface du support, mais perpendiculairement.
Il en résulte que le courant électrique dans le matériau bolométrique circule uniquement perpendiculairement à la surface du support. De la sorte, la quasi-totalité de la surface est libérée, permettant d'optimiser l'absorption optique et l'isolation thermique. De surcroît, cette configuration, bien adaptée à la réduction du pas, permet de réaliser les bras d'isolation thermique selon deux niveaux différents, donnant ainsi un degré de liberté supplémentaire pour agencer le détecteur. Le facteur de remplissage ainsi obtenu est optimum du point de vue de l'absorption du rayonnement infrarouge. Cette approche est également très favorable en termes de masse thermique, puisque la totalité du matériau thermomètre est active, grâce au contact réalisé sur la tranche de ce dernier. Au surplus, le matériau thermométrique est absent de la quasi- totalité de la surface de la cavité, qui est alors vraiment du type Fabry-Perrot, et peut être accordée strictement au quart de la longueur d'onde à détecter, favorisant de manière connue les performances de la détection.
Avec un tel agencement, il est donc possible d'améliorer les propriétés d'isolation thermique du bolomètre, sans dégrader la stabilité des microponts. De surcroît, la solution proposée conduit à un facteur de remplissage optimum.
Sont plus particulièrement concernés par l'invention les détecteurs thermiques de type bolomètre, dont le matériau sensible présente une résistivité qui varie avec la température. De tels matériaux bolométriques sont préférentiellement des matériaux semi-conducteurs choisis dans le groupe suivant : le silicium polycristallin ou amorphe de type p ou n, le germanium polycristallin ou amorphe de type p ou n, leurs alliages, les oxydes de vanadium et les ferrites.
Selon un mode de réalisation privilégié, l'absorbeur se présente sous la forme d'une couche, préférentiellement mince, située dans un plan sensiblement parallèle à celui du substrat.
En raison des contraintes mentionnées ci-dessus, le matériau sensible est préférentiellement formé d'une seule couche mince, agencée de manière à présenter une surface cylindrique continue ou discontinue, dont la base est avantageusement carrée, rectangulaire, cylindrique ou hexagonale.
De manière connue, pour améliorer les performances du dispositif, celui-ci comprend une couche réfléchissante vis-à-vis des rayonnements électromagnétiques et conductrice électriquement située dans un plan sensiblement parallèle à l'absorbeur.
Selon un premier mode de réalisation, la continuité électrique entre le matériau sensible, en contact avec des électrodes inférieures, et le substrat, ou la couche métallique si elle est présente, est assurée soit au moyen de connexions mécaniques ou électriques.
Dans ce cas de figure et en pratique, le moyen de fixation de l'absorbeur au dessus du substrat, jouant un rôle mécanique et conducteur électrique, est constitué d'un pilier conducteur électrique disposé perpendiculairement par rapport au plan dans lequel s'inscrit le substrat, dont la tête est en continuité électrique avec l'absorbeur. Alternativement et selon un second mode de réalisation, une partie des éléments conducteurs est directement solidarisée au matériau sensible, ces éléments conducteurs particuliers étant couplés par voie capacitive à d'autres éléments conducteurs directement solidarisés au substrat.
Ainsi, cette solution consiste à supprimer la continuité physique du conducteur électrique dans les organes de maintien et d'isolation thermique du matériau thermique, notamment bolométrique, et à réaliser la connexion électrique entre le détecteur et le circuit de lecture par l'intermédiaire d'une liaison de type capacitive.
Avec un tel dispositif, les pertes thermiques par conduction engendrées par le conducteur électrique sont totalement supprimées. Dans le même temps, la stabilité des micro-ponts et le facteur de remplissage du détecteur ne sont pas affectés alors que sa polarisation est favorisée.
Au niveau du principe, il est donc nécessaire d'avoir en regard un élément conducteur supérieur en contact avec le matériau sensible et un élément conducteur inférieur en contact avec le substrat, ces deux éléments conducteurs constituant un condensateur, permettant la transmission électrique entre le circuit de lecture et la zone active de détection, de résistance variable dans le cas du bolomètre. Selon les différents modes de réalisation, cette fonction d'électrode supérieure ou inférieure, dite d' « armature », peut être remplie par des éléments distincts du dispositif. Ces éléments conducteurs peuvent également être impliqués dans le maintien de la structure.
En pratique, le couplage capacitif est assuré entre des éléments conducteurs solidarisés au matériau sensible au niveau de la zone inférieure de la tranche et des éléments conducteurs se présentant sous la forme d'une couche métallique, réfléchissante vis-à-vis des rayonnements électromagnétiques et conductrice de l'électricité revêtant le substrat.
Deux modes de réalisation sont compatibles, lorsque la connexion électrique est assurée par liaison capacitive. Le moyen de fixation permettant de suspendre l'absorbeur au-dessus du substrat peut être électriquement conducteur, relié mécaniquement et électriquement au substrat. Alternativement, ce moyen de fixation peut être électriquement isolant et relié uniquement mécaniquement au substrat. Dans les deux cas, le moyen de fixation de l'absorbeur au dessus du substrat est avantageusement constitué d'un pilier disposé perpendiculairement par rapport au plan dans lequel s'inscrit le substrat, dont la tête est en continuité avec l'absorbeur.
Dans un mode de réalisation particulier et quelle que soit la nature de la connexion électrique, le détecteur selon l'invention est constitué par une jonction p/n ou n/p.
En relation avec le procédé de fabrication d'un détecteur thermique selon l'invention, un contre-masque métallique, de surface égale à celle de la tête du pilier, est inséré entre la tête dudit pilier et l'absorbeur.
Un ou plusieurs détecteurs thermiques selon l'invention sont mis en œuvre dans un dispositif de détection infrarouge de type bolométrique, qui présente préférentiellement une architecture matricielle.
En outre, un tel dispositif comprend avantageusement un détecteur thermique de référence ou de compensation, également appelé résistance d'ébasage en relation avec les bolomètres. Celui-ci, par ailleurs en tout point semblable au détecteur thermique actif, est dépourvu de la capacité à détecter les rayonnements électromagnétiques. En pratique, ceci est assuré par l'utilisation, comme moyen de fixation, d'un pilier métallique dont la tête recouvre entièrement la surface de l'absorbeur, empêchant ainsi toute détection du rayonnement électromagnétique et assurant de plus un couplage thermique efficace avec le substrat.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées.
La figure 1 est comme déjà dit, une illustration en perspective (Fig. IA) ou en plan (Fig. IB) d'un détecteur élémentaire de rayonnements électromagnétiques, fondé sur le principe de la détection thermique, selon l'art antérieur.
La figure 2 est une représentation schématique en plan d'un détecteur actif conforme à la présente invention selon deux modes de réalisation (Fig. 2A et Fig. 2B), dont la figure 3 est une vue en section selon la ligne A - A des figures 2A et 2B.
La figure 4 représente schématiquement le principe de lecture en courant du bolomètre. La figure 5 représente schématiquement une vue en section de la résistance d'ébasage. La figure 6 représente schématiquement les différentes étapes dans la fabrication simultanée d'un bolomètre et d'une résistance d'ébasage.
La figure 7 représente une vue schématique en section d'un bolomètre à thermomètre vertical, dépourvu de connexion entre le substrat et les électrodes inférieures.
La figure 8 est une vue analogue à la figure 7 illustrant une variante du mode de réalisation par liaison capacitive.
La figure 9 est une représentation schématique en section d'un détecteur thermique à jonction p/n ou n/p verticale.
EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION
L'invention concerne donc tout d'abord un détecteur thermique élémentaire, et plus particulièrement la disposition du matériau sensible de ce détecteur, faisant sa spécificité par rapport à un bolomètre de l'art antérieur, tel qu'illustré à la figure 1.
Un détecteur actif mettant en œuvre un bolomètre de type résistif selon l'invention est décrit plus en détail en relation avec les figures 2 et 3.
Un tel bolomètre est réalisé sur un substrat (1) intégrant un circuit de lecture intégré. Sur celui-ci, est élaborée une couche métallique (6), qui sert à la fois de réflecteur du rayonnement infrarouge incident, et de connexion électrique du bolomètre.
Sur cette couche métallique (6) mise en place selon des procédés photolithographiques usuels, une première couche sacrificielle de 0,2 μm à 0,5 μm sert temporairement de support au film conducteur (4) (de très faible épaisseur afin de limiter les fuites thermiques) qui une fois défini, assure le contact inférieur ou électrode inférieure du thermomètre. Une seconde couche sacrificielle de 2 μm à 2,3 μm permet la construction de la structure bolométrique (2), en particulier l'élaboration du thermomètre dans son épaisseur par l'intermédiaire d'une tranchée qui débouche sur le matériau conducteur inférieur (4). Après son dépôt, le matériau thermo métrique (2) doit être retiré de la surface parallèle au substrat (1), par exemple par polissage mécano-chimique. A l'issue de cette opération, l'élaboration d'un pilier central (5), destiné à faire fonction de support mécanique du matériau bolométrique (2) au dessus du substrat, doit être entreprise. Elle débute par le dépôt d'une couche d'un matériau absorbeur (3) et du contre-masque (7).
L'absorption des photons ou des radiations électromagnétiques nécessite un absorbeur (3). Celui-ci se présente sous la forme d'une couche métallique. Celle-ci permet d'adapter l'impédance entre le vide et la cavité, formée par cette couche métallique (3) et le réflecteur (6), distant du quart ou sensiblement du quart de la longueur d'onde à détecter. Il s'agit généralement d'une couche mince (30 à 100 Â) de nitrure de titane par exemple.
Le contre-masque (7) permet la réalisation de la gravure de la couche sacrificielle en vue de l'élaboration du pilier central (5), puis la séparation des détecteurs (en particulier la gravure du matériau thermo métrique au fond des tranchées). Après élimination du contre-masque (7) de la région destinée à l'absorption du rayonnement, un dernier niveau de masquage définit l'absorbeur (3) et les bras d'isolation thermique et de maintien du détecteur (8). La forme des bras d'isolation au niveau supérieur et inférieur est donnée à titre indicatif à la figure 2. Il peut s'agir par exemple de deux spirales imbriquées (Fig. 2B).
La figure 3 illustre de manière explicite le détecteur conforme à l'invention. Fondamentalement, celui-ci se caractérise par l'extension du matériau bolométrique (2) selon un plan perpendiculaire au substrat, et donc, son absence d'exposition directe au rayonnement incident à détecter.
Ledit matériau bolométrique est maintenu suspendu au dessus du substrat au moins par l'intermédiaire de l'absorbeur (3), qui s'étend parallèlement au substrat, et donc peut pleinement recevoir le rayonnement incident à détecter, et ainsi transmettre la quantité de chaleur collectée au matériau bolométrique.
Dans le cadre de la mise en oeuvre d'un détecteur thermique selon l'invention dans un dispositif de détection infrarouge de type bolométrique, l'utilisation d'un bolomètre de compensation ou de référence, également appelé résistance d'ébasage, s'avère avantageuse. Afin d'augmenter la sensibilité de la lecture, il est en effet utile de dériver la fraction invariante du courant dans une branche dite «d'ébasage » du circuit, pour n'envoyer que la partie variable du courant vers l'intégrateur.
II s'agit de mesurer la valeur de la résistance du matériau thermométrique, représentée par la résistance BOLO dans la figure 4. Parmi les nombreuses façons de la mesurer, la lecture en courant est fréquemment utilisée.
Le dispositif faisant fonction d'ébasage doit être faiblement générateur de bruit. Pour cela, l'ébasage est réalisé par l'intermédiaire d'une résistance suffisamment élevée, polarisée en injection directe.
Une solution classique consiste à utiliser comme résistance d'ébasage un détecteur thermique constitué du même matériau sensible (2) que le détecteur thermique actif, préférentiellement thermalisé à la température du plan focal, mais incapable de détection.
Généralement, ces éléments sont situés en bout de ligne ou de colonne pour gagner de la place. Lorsque la température du plan focal fluctue, les résistances d'ébasage régulent également ces effets, puisqu'ils évoluent avec la température de manière identique à celle des détecteurs actifs.
L'efficacité de la fonction d'ébasage est directement liée aux caractéristiques des résistances d'ébasage. Celles-ci doivent d'une part présenter une résistance thermique minimum afin de suivre le plus rapidement possible la température du plan focal (thermalisation) et d'autre part, se révéler réellement aveugles dans les situations d'éblouissement, c'est à dire de très fort flux lumineux, plaçant alors le circuit électronique en état de saturation.
L'objet de l'invention porte également sur l'amélioration de ces deux caractéristiques. En effet, dans la figure 5, la tête du pilier (5) s'étend à la totalité de la surface du pixel (3), assurant ainsi une réflexion totale du rayonnement infrarouge et une thermalisation optimale par l'intermédiaire des couches métalliques épaisses constituant le pilier (5). Dans un mode de réalisation alternatif illustré aux figures 7 et 8, les connexions mécaniques et électriques inférieures sont supprimées, de manière à accroître sensiblement la résistance thermique du détecteur.
Selon cette forme particulière de réalisation de l'invention, la lecture de la valeur de la résistance thermo métrique est assurée par couplage capacitif de l'électrode inférieure (4) du bolo mètre avec une électrode située sur le circuit de lecture (1).
L'absorbeur (3) est suspendu au-dessus du substrat (1) par un moyen de fixation (5), avantageusement sous la forme d'un pilier central (13, 14), relié mécaniquement au substrat (1).
Selon une première variante (figure 7), le pilier (13) est isolant électrique. Le matériau bolométrique (2), ainsi que les électrodes (4), sont alors constituées de deux parties isolées électriquement, respectivement (2a, 2b) et (4a, 4b).
La liaison capacitive conforme à l'invention s'établit entre les électrodes (4a, 4b) solidarisées au niveau de la tranche inférieure du matériau bolométrique (2) et une couche métallique (6) élaborée sur le substrat, qui sert à la fois de réflecteur du rayonnement infrarouge incident, et de connexion électrique du bolomètre.
La lecture de la valeur de la résistance thermo métrique est donc assurée par couplage capacitif des électrodes inférieures (4a, 4b) du micro-bolomètre (2) avec l'électrode (6) située sur le substrat ou le circuit de lecture (1). Le courant en provenance de l'électrode (4a), après avoir traversé la résistance bolométrique (2a) parcourt l'électrode supérieure (3), puis la seconde partie (2b) du bolomètre jusqu'à la seconde partie (4b) de l'électrode inférieure. Par couplage capacitif entre l'électrode (4a) et l'électrode (6a) d'une part, et entre l'électrode (4b) et l'électrode (6b) d'autre part, on peut déterminer la lecture entre les électrodes (6a) et (6b).
Les électrodes (6a) et (6b) constituent donc, dans cette forme de réalisation, les points H et L du circuit électrique du détecteur, entre lesquels est mesurée ou lue la variation de tension précitée. Selon la variante de la figure 8, le pilier (14) est conducteur électrique. Le matériau sensible est alors continu et ne constitue donc plus qu'une seule partie. Corollairement, l'électrode (6) est également unique.
Le courant électrique en provenance de l'électrode (4), après avoir traversé le matériau bolométrique (2), traverse l'électrode supérieure (3) puis redescend par le pilier (14) jusqu'au pied (6L) solidarisé au substrat (1). Le couplage capacitif intervient entre l'électrode (4) et l'électrode (6H), également unique. Il est mesuré entre les points H et L.
Cette solution présente un avantage évident et décisif en termes de prévention des fuites thermiques et de polarisation optimisée par rapport aux détecteurs de l'art antérieur. Ce faisant, les performances du dispositif de détection mettant en œuvre de tels détecteurs sont singulièrement améliorés.
Dans cette configuration, le bolomètre de référence à mettre en oeuvre est élaboré selon le même principe que celui de la résistance d'ébasage illustré en relation avec la figure 5.
Selon l'invention, une diode ou jonction p/n ou n/p (9, 10) fonctionnant en direct peut également convenir pour une application de détection thermique, comme illustré à la figure 9. Cette jonction peut être réalisée en inversant par exemple le type du matériau déposé par implantation ionique ou une diffusion d'un dopant sur une profondeur convenable.
La configuration dite « verticale » de l'invention se prête à la réalisation de détecteur performant, en limitant l'excès de bruit apporté par la résistance série du détecteur qui, dans cette configuration, est extrêmement réduite.
Le détecteur d'ébasage à jonction verticale correspondant est élaboré selon le principe décrit à la figure 5. Il est constitué des régions de type p et n. Cette option peut éventuellement être couplée avec la liaison capacitive, précédemment décrite et illustrée aux figures 7 et 8.
On a représenté en relation avec la figure 6 un exemple des différentes étapes entrant dans la fabrication d'un dispositif de détection infrarouge de type bolométrique intégrant un bolomètre et une résistance d'ébasage conformes à l'invention, et dans lequel le circuit de détection bolométrique est constitué de bolomètres sensibles et de résistances d'ébasage élaborés sur un substrat ou un circuit CMOS (1).
Figure 6A : Dépôt et gravure d'une couche métallique (6), destinée à assurer les fonctions de réflecteur et d'éléments de connectique.
Figure 6B : Couchage d'une couche sacrificielle de 0,2 à 0,5 μm d'épaisseur (polyimide) sur le réflecteur (6), puis ouverture de celle-ci afin d'établir le contact avec des électrodes inférieures (4) du bolomètre avec le substrat (1). Ensuite, dépôt et gravure de l'électrode inférieure (4), dont une partie sert également de structure de connexion et de maintien des bolomètres.
Figure 6C : Couchage d'une couche sacrificielle de 2 μm à 2,3 μm d'épaisseur. Gravure de tranchées verticales dans la couche sacrificielle (polyimide).
L'électrode inférieure (4) sert de couche d'arrêt à la gravure de la couche sacrificielle. Afin de maîtriser le profil de gravure, un contre- masque peut s'avérer nécessaire. Il est ôté avant le dépôt du film suivant.
Figure 6D : Dépôt du matériau thermo métrique bolométrique (2). Le dépôt doit présenter une bonne couverture de marche. Il est préférentiellement réalisé par un procédé chimique, et par exemple, en PECVD.
Figure 6E : Couchage d'une couche organique (résine ou polyimide) préparatoire au polissage mécano-chimique.
Figure 6F : Polissage mécano-chimique de la surface parallèle au substrat (1) du matériau thermomètre (2).
Figure 6G : Dépôt d'une couche de TiN (30 à 100 Â) constituant l'électrode supérieure (3) et d'un contre-masque en aluminium (7).
Figure 6H : Gravure de l'ouverture de contact dans la couche sacrificielle.
Figure 61 : Dépôt de la gravure de la métallisation (Ti, TiN, WSi) (5) assurant la connexion de l'électrode supérieure (3) avec le substrat (1). Figure 6J : Réticulation des détecteurs en utilisant le contre-masque en aluminium
(7).
Figure 6K : Gravure du contre-masque (7) sur les détecteurs actifs, puis définition sur ceux-ci de l'électrode supérieure qui sert également d'absorbeur (3).
Figure 6L : Libération des détecteurs actifs et des résistances d'ébasage par gravure des couches sacrificielles.
Préférentiellement, le détecteur de l'invention comprend une architecture matricielle, afin de réaliser de l'imagerie infrarouge.
L'utilisation de micro structures en couche mince permet de réaliser une isolation thermique efficace de la matrice de détecteurs, par rapport au circuit de lecture (1). Par exemple, ces micro structures peuvent être élaborées suivant différents procédés qui conduisent à la fabrication de microponts.
Le thermomètre est réalisé en couche mince (0.005 μm à 1 μm) de matériau semi- conducteur amorphe ou polycristallin (Si, Ge, SiC, a-Si :H, a-SiC :H, a-SiGe :H, Ferrite, oxydes de Vanadium,...). Ces couches sont obtenues à l'aide des techniques de dépôt basse température, habituellement utilisées pour ces matériaux : pulvérisation cathodique, décomposition thermique (LPCVD) ou plasma (PECVD).
Le dopage éventuel de ces couches est réalisé en introduisant un gaz dopant (BF3, PH3, ...) dans le réacteur ou bien par implantation ionique. La gravure de ces matériaux est généralement réalisée par des procédés d'attaque chimique assistée par plasma.
Les matériaux métalliques (Ti, TiN, Pt, Al, Pd, Ni, NiCr, ...) constituant les électrodes et les diverses métallisations, sont également déposées par pulvérisation cathodique, ou par décomposition thermique (LPCVD) ou plasma (PECVD). Ces métallisations sont définies par des procédés de gravure chimique, plasma ou par un procédé de « lift off ». L'épaisseur de ces couches est comprise entre 0,005 μm et 1 μm. La solution préconisée par l'invention présente un certain nombre d'avantages par rapport aux détecteurs de l'art antérieur.
On peut tout d'abord mentionner l'optimisation de l'absorption optique et de l'isolation thermique de ces détecteurs, inhérente à la libération de la surface effective de détection, notamment au seul profit de l'absorbeur.
On peut également citer la possibilité d'améliorer la résolution optique, de par la diminution possible du pas de localisation desdits détecteurs, c'est-à-dire du pas des matrices de détection les mettant en œuvre, et corollairement de l'augmentation du facteur de remplissage, en raison de l'architecture particulière proposée, notamment des éléments dimensionnels des bras d'isolation thermique, positionnés selon deux niveaux différents.
On peut noter enfin l'optimisation du détecteur conforme à l'invention en termes de masse thermique, puisque la totalité du matériau thermomètre est active, grâce au contact réalisé sur la tranche de ce dernier.

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur thermique d'un rayonnement électromagnétique, comprenant :
• un matériau sensible (2), dont une propriété électrique varie avec la température ;
• un absorbeur (3) du rayonnement électromagnétique en contact avec ledit matériau sensible (2) ;
• un substrat (1) assurant la fonction de support (1) ;
• des éléments conducteurs de l'électricité assurant la continuité électrique entre le matériau sensible (2) et le substrat (1) ; caractérisé : en ce que le matériau sensible (2) se présente en tout ou en partie sous la forme d'une tranche s'étendant selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan dans lequel s'inscrit le substrat (1) ; - en ce que ledit matériau sensible (2) est maintenu suspendu par l'absorbeur
(3) au-dessus du substrat (1), ledit absorbeur (3) étant solidarisé au matériau sensible (2) au niveau de la zone supérieure de la tranche ; et en ce que l'absorbeur (3) est lui-même suspendu par un moyen de fixation (5), relié mécaniquement audit substrat (1).
2. Détecteur thermique d'un rayonnement électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau sensible (2) présente une résistivité qui varie avec la température, et est constitué d'un matériau bolomètrique.
3. Détecteur thermique d'un rayonnement électromagnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau sensible (2) est constitué d'un matériau semi-conducteur choisi dans le groupe comprenant le silicium polycristallin ou amorphe de type p ou n, le germanium polycristallin ou amorphe de type p ou n, leurs alliages, les oxydes de vanadium et les ferrites.
4. Détecteur thermique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'absorbeur (3) se présente sous la forme d'une couche, située dans un plan sensiblement parallèle à celui du substrat (1).
5. Détecteur thermique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau sensible (2) présente une surface cylindrique continue ou discontinue.
6. Détecteur thermique d'un rayonnement électromagnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce que la base de la surface cylindrique constitutive du matériau sensible (2) est de forme carrée, rectangulaire, circulaire ou hexagonale.
7. Détecteur thermique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une couche (6), réfléchissante dudit rayonnement électromagnétique et conductrice électriquement, située dans un plan sensiblement parallèle à l'absorbeur (3).
8. Détecteur thermique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le contact entre les électrodes inférieures (4) en contact avec le matériau sensible (2), et le substrat (1) ou la couche réfléchissante (6), est assuré au moyen de connexions mécaniques ou électriques.
9. Détecteur thermique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de fixation (5) est constitué par un pilier conducteur électrique disposé perpendiculairement au plan dans lequel s'inscrit le substrat (1), la tête du pilier étant en continuité électrique avec l'absorbeur (3).
10. Détecteur thermique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la conduction électrique entre les électrodes inférieures (4) en contact avec le matériau sensible (2), et le substrat (1) ou la couche réfléchissante (6), est assurée par couplage capacitif.
11. Détecteur thermique d'un rayonnement électromagnétique selon la revendication 10, caractérisé :
• en ce que le matériau sensible (2) se présente sous la forme d'une tranche continue s'étendant selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan dans lequel s'inscrit le substrat (1) ; • en ce que ledit matériau sensible (2) est maintenu suspendu par l'absorbeur
(3) au-dessus du substrat (1), ledit absorbeur (3) étant solidarisé au matériau sensible (2) au niveau de la zone supérieure de la tranche constitutive du matériau sensible (2) ; • en ce que l'absorbeur (3) est lui-même suspendu par un moyen de fixation
(5, 14) électriquement conducteur, relié mécaniquement et électriquement audit substrat (1) ;
• et en ce que le couplage capacitif est assuré entre un élément conducteur
(4) solidarisé au matériau sensible (2) au niveau de la zone inférieure de la tranche et un élément conducteur (6) se présentant sous la forme d'une couche métallique conductrice, positionnée sur le substrat (1).
12. Détecteur thermique d'un rayonnement électromagnétique selon la revendication 10, caractérisé : • en ce que le matériau sensible (2) se présente sous la forme d'une tranche constituées de deux parties (2a, 2b) isolées électriquement l'une de l'autre, et s'étendant selon une direction sensiblement perpendiculaire au plan dans lequel s'inscrit le substrat (1) ;
• en ce que ledit matériau sensible (2a, 2b) est maintenu suspendu par l'absorbeur (3) au-dessus du substrat (1), ledit absorbeur (3) étant solidarisé au matériau sensible (2) au niveau de la zone supérieure de la tranche constitutive du matériau sensible (2) ;
• en ce que l'absorbeur (3) est lui-même suspendu par un moyen de fixation (5, 13) électriquement isolant, relié mécaniquement audit substrat (1) ; • et en ce que le couplage capacitif est assuré entre deux éléments conducteurs (4a, 4b), solidarisés respectivement au matériau sensible (2) au niveau de la zone inférieure de chacune des deux parties (2a, 2b) le constituant, et deux éléments conducteurs (6a, 6b) se présentant chacun sous la forme d'une couche métallique conductrice, positionnée sur le substrat.
13. Détecteur thermique d'un rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que le détecteur est constitué par une jonction p/n.
14. Dispositif de détection d'un rayonnement infrarouge, caractérisé en ce qu'il met en œuvre au moins un détecteur thermique selon l'une des revendications l à 13.
15. Dispositif de détection d'un rayonnement infrarouge selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il présente une structure matricielle comportant au moins deux détecteurs thermiques.
16. Dispositif de détection d'un rayonnement infrarouge selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il associe : au moins un détecteur thermique actif, tel que défini à l'une des revendications 1 à 13 ; et - un détecteur thermique dit de référence, semblable au détecteur actif mais dépourvu de la capacité à détecter les rayonnements électromagnétiques.
17. Dispositif de détection d'un rayonnement infrarouge selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'incapacité du détecteur dit de référence à détecter les rayonnements électromagnétiques est assurée par le fait que la tête du pilier constituant le moyen de fixation (5) recouvre entièrement la surface de l'absorbeur (3).
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