WO2024023402A1 - Micro-bolometre d'imagerie infrarouge aveugle et procede de realisation - Google Patents

Micro-bolometre d'imagerie infrarouge aveugle et procede de realisation Download PDF

Info

Publication number
WO2024023402A1
WO2024023402A1 PCT/FR2023/050505 FR2023050505W WO2024023402A1 WO 2024023402 A1 WO2024023402 A1 WO 2024023402A1 FR 2023050505 W FR2023050505 W FR 2023050505W WO 2024023402 A1 WO2024023402 A1 WO 2024023402A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
micro
bolometer
blind
release
membrane
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.)
Ceased
Application number
PCT/FR2023/050505
Other languages
English (en)
Inventor
Nicolas BOUDOU
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 WO2024023402A1 publication Critical patent/WO2024023402A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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
    • G01J5/0225—Shape of the cavity itself or of elements contained in or suspended over the cavity
    • G01J5/024—Special manufacturing steps or sacrificial layers or layer structures
    • 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
    • G01J5/046—Materials; Selection of thermal materials
    • 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
    • G01J5/06—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • G01J5/064—Ambient temperature sensor; Housing temperature sensor; Constructional details 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
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/06—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • G01J2005/065—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity by shielding

Definitions

  • the present invention relates to the field of detection of electromagnetic radiation and, more precisely, to the compensation of detection errors of infrared detectors using micro-bolometers.
  • the invention relates, on the one hand, to a blind micro-bolometer and, on the other hand, to an associated production method.
  • detectors traditionally use the variation of a physical quantity of a material or assembly of appropriate materials as a function of temperature, around 300K.
  • this physical quantity is the electrical resistivity, but other quantities can be used, such as the dielectric constant, polarization, thermal expansion, refractive index, etc.
  • Such an uncooled detector generally combines: means of absorbing thermal radiation and converting it into heat; thermal insulation means of the detector, so as to allow it to heat up under the action of thermal radiation; thermometry means which, in the context of a micro-bolometric detector, use a resistive element whose resistance varies with the temperature; and means for reading the electrical signals provided by the thermometry means.
  • Detectors intended for thermal or infrared imaging are conventionally produced in the form of a matrix of elementary detectors, forming image points or pixels, in one or two dimensions. To guarantee the thermal insulation of the detectors, they are suspended above a substrate via support arms. The absorption means and the thermometry means are then combined to form a membrane mounted in suspension above the substrate by means of studs on which the support arms are fixed.
  • the substrate usually comprises means for sequentially addressing the elementary detectors and means for electrical excitation and pre-processing of the electrical signals generated from these elementary detectors.
  • This substrate and the integrated means are commonly referred to as “reading circuit”.
  • the preprocessing means can integrate micro-bolometers dedicated to compensating for undesirable effects degrading the quality of the measured signals. These micro-bolometers dedicated to compensation are called reference micro-bolometers. A differential measurement is then generally carried out between a sensitive micro-bolometer and a reference micro-bolometer to filter each measurement from a sensitive micro-bolometer.
  • certain reference micro-bolometers make it possible to reject a non-useful component of the signal, called common mode, which can be largely predominant. The rejection of this component makes it possible to read the useful signal using the electrical dynamics of the reading circuit as much as possible. To do this, these reference micro-bolometers are thermalized to the substrate, and do not have an absorbent layer.
  • the invention relates more specifically to another type of reference micro-bolometers; so-called blind reference micro-bolometers, which allow, in association with detection micro-bolometers, the differential measurement of a temperature variation by means of a thermometric material present both in the detection micro-bolometers and blind micro-bolometers.
  • blind reference micro-bolometers are not thermalized with the substrate and they are provided with an occultation screen.
  • the temperature variation detected by the thermometric material comes from several factors: the useful flow to be detected, the self-heating inherent in the reading mode, and the parasitic flows.
  • the screening of blind micro-bolometers aims to effectively compensate for any source of temperature variation other than that resulting from the useful flow to be detected, between the detection micro-bolometers and those compensation.
  • these two types of micro-bolometers preferably have the same thermal and electrical properties so as to guarantee the precision of the measurement.
  • the formation of the occultation screen on the membrane greatly complicates the removal of the sacrificial layers used to form the membrane in suspension and to form the occultation screen on it. .
  • the occultation screen must be mounted suspended above the membrane. To do this, it is known to use a second sacrificial layer deposited on the membrane and on the first sacrificial layer around the membrane. Openings are made in this second sacrificial layer around the membrane to deposit a supporting structure before forming the occultation screen on this supporting structure.
  • the occultation screen or the supporting structure is common to several blind micro-bolometers arranged at the bottom of the line or column and a vent is provided for each blind micro-bolometer.
  • the release of the membrane from the micro-bolometers that is to say the removal of the sacrificial layers, is then carried out by removal of the sacrificial layers through the release vents made.
  • the release process uses oxygen plasma etching to remove sacrificial layers typically made of polyimide.
  • the release vents are used so that the flows of reactive gases and reaction products enter and exit the cavity formed by the occultation screen and the supporting structure perpendicularly to the plane formed by the occultation screen.
  • the creation of the release vents within the concealment screen poses a technical problem.
  • one solution consists of forming the release vents in an area of the occultation screen which is not located opposite the membrane.
  • document EP 3 243 052 proposes a supporting structure in the form of staircase steps, that is to say with at least one intermediate step between the plane of the substrate and the plane of the occultation screen.
  • the supporting structure has a walking plane parallel respectively to the planes of the substrate, the membrane and the occultation screen, and this parallel walking plane can be used to position the release vents.
  • This solution consisting of offsetting the release vents on a horizontal surface of an intermediate step of a staircase structure effectively makes it possible to limit the degradation of the optical properties of the occultation screen inherent to the presence of the release vents, because the latter can be placed at the same level as the plane of the membrane, thus limiting the propagation of parasitic radiation likely to pass through the release vents to reach the membrane.
  • this solution requires an enlargement of the supporting structure to place the release vents, thus limiting the integration density of these blind micro-bolometers.
  • document EP 2 633 279 proposes to use a release vent for each blind micro-bolometer with a size less than 1 micrometer in order to effectively attenuate the transmission of infrared radiation through the release vent.
  • the length limit on each side of the vent is 1.6 micrometer to obtain acceptable parasitic radiation, i.e. a screening power of at least 99%.
  • the section of the release vent of this simulation is therefore 2.56 um 2 .
  • the “screening power” corresponds to the percentage of incident flow blocked by the occultation screen.
  • the electro-optical response of a micro-bolometer also called residual response, is the difference in continuous level measured when this micro-bolometer is successively illuminated by two black bodies at different temperatures. This residual response is therefore expressed in V/K or, more usually, in mV/K.
  • the screening power corresponds to the ratio between the two responses, i.e. the response of the detection micro-bolometer reduced by the response of the blind micro-bolometer on the response of the detection micro-bolometer.
  • the response values are taken from an average over a set of detection and blind micro-bolometers.
  • the release speed i.e. the time required to remove the entire volume of the sacrificial layers through said vents
  • the rate of release of a membrane through the vents can be of the order of one hour, while the membranes of the detection micro-bolometers, that is to say the membranes not covered by the blackout screens, can be released in 15 minutes.
  • This difference in the release times of the membranes can lead to over-etching of the membranes of the detection micro-bolometers compared to the membranes of the compensation micro-bolometers.
  • the membranes of the compensation micro-bolometers and the detection micro-bolometers are preferably produced simultaneously to present the same thermal and electrical properties, this over-etching of the membranes of the detection micro-bolometers can lead to discrepancies between the properties. thermal and electrical detection micro-bolometers and compensation micro-bolometers. Thus, this over-etching can degrade the precision of the compensation carried out by the compensation micro-bolometers.
  • the “relative difference” corresponds to the percentage difference in resistance between a blind micro-bolometer and that of a detection micro-bolometer located near the blind micro-bolometer. This resistance can simply be measured at the terminals of the blind micro-bolometer and at the terminals of the detection micro-bolometer in a dark room, that is to say without infrared radiation captured by the detection micro-bolometer.
  • the relative difference therefore corresponds to the ratio between the two resistance measurements, i.e. the resistance measurement of the detection micro-bolometer reduced by the resistance measurement of the blind micro-bolometer on the resistance measurement of the detection micro-bolometer.
  • the measurements are taken from an average over a set of detection and blind micro-bolometers.
  • the technical problem that the invention intends to solve therefore consists of obtaining a blind infrared imaging micro-bolometer comprising release vents limiting parasitic radiation and making it possible to achieve an acceptable release speed of the membrane of the blind micro-bolometer. and close to that of the membranes of detection micro-bolometers, by limiting the difference between the resistance of a blind micro-bolometer and that of a detection micro-bolometer.
  • the invention proposes to use at least two release vents per blind micro-bolometer having sufficiently small dimensions to limit the transmission of infrared radiation.
  • the invention arises from the observation that the multiplication of small release vents does not increase the transmittance of infrared radiation through the occultation screen. Due to this counter-intuitive observation, a person skilled in the art, who would naturally have considered that the transmittance of infrared radiation is directly proportional to the open surface of the occultation screen, also called aperture rate, would not have not taken this route. Within the meaning of the invention, the “opening rate” of the occultation screen thus corresponds to the total surface of the release vents formed facing a blind micro-bolometer on the total surface of the blind micro-bolometer .
  • each release vent must have an opening rate of less than 30% and a size of less than 3 micrometers.
  • the “size” of a release vent corresponds to the largest dimension of said vent, for example the diagonal of a square or rectangular vent or the diameter of a circular vent.
  • the invention relates to a blind infrared imaging micro-bolometer comprising: a substrate; a membrane, comprising at least two electrodes and a thermo-resistive element, mounted in suspension above the substrate; and an occultation screen arranged above the membrane so as to block incident infrared radiation; said occultation screen being mounted in suspension above the membrane and the substrate by means of a supporting structure fixed to the substrate.
  • the occultation screen comprises: at least one metal layer having a thickness greater than 150 nanometers; and at least two release vents provided within said occultation screen facing said membrane and intended to allow the removal of at least one sacrificial layer implemented during the manufacturing process of the blind micro-bolometer; each release vent having a size less than 3 micrometers so that said concealment screen has an opening rate of less than 30%, the opening rate being defined by the total surface area of said at least two release vents on the total surface of said blind infrared imaging micro-bolometer.
  • the invention makes it possible to obtain a blind micro-bolometer, or a set of blind micro-bolometers produced collectively, with a screening power of at least 99% and a relative difference between the resistances of the blind micro-bolometers and that micro-bolometers detection less than 1%.
  • This reduction in release duration depends on the opening rate of the occultation screen.
  • the possible increase in this opening rate to maintain a screening power of at least 99% depends on the initial screening power of the occultation screen, that is to say on the nature and the thickness of the metal layer integrated into said screen. Of course, it is possible to implement the invention to obtain a screening power of less than 99%.
  • the thickness of the metal layer is preferably greater than 400 nanometers and the opening rate is preferably less than 25%.
  • the occultation screen comprises a metallic layer made of aluminum, gold, silver, copper, platinum, molybdenum or tungsten
  • the thickness of the metallic layer is preferably greater than 150 nanometers and the opening rate is preferably less than 25%.
  • the variation in the possible opening rate depends on the thickness and nature of the metal layer constituting the occultation screen.
  • the opening rate can be obtained with release vents of variable shapes without changing the invention.
  • release vents can be square, rectangular, circular, hexagonal in shape. ..
  • each vent is less than 3 micrometers.
  • vents can be placed randomly in the occultation screen or organized in the form of a periodic network of at least four release vents per blind microbolometer, the release vents being for example arranged in rows and columns .
  • a “periodic network” indicates that the vents of each blind microbolometer are regularly spaced from each other by a regular pitch. With at least two rows and two columns, the periodic network is formed at a minimum with four release vents. Of course, it is possible to use more than two columns or more than two rows.
  • the invention relates to a method of manufacturing a blind infrared imaging microbolometer comprising the following steps:
  • At least one blinding layer • deposition of at least one blinding layer on the second sacrificial layer and in the openings, so as to form a concealment screen and a supporting structure; said at least one blinding layer comprising at least one metal layer having a thickness greater than 150 nanometers;
  • the step of removing the first and second sacrificial layers is preferably carried out for a period of less than 10 minutes.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a blind micro-bolometer according to one embodiment of the invention.
  • Figure 2 is a schematic top view of the blind micro-bolometer of Figure 1.
  • Figure 3 is a schematic sectional view of a first stage of producing the blind micro-bolometer of Figure 1.
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a second stage of production of the blind micro-bolometer of Figure 1.
  • Figure 5 is a schematic sectional view of a third stage of production of the blind micro-bolometer of Figure 1.
  • Figure 6 is a schematic sectional view of a fourth stage of producing the blind micro-bolometer of Figure 1.
  • Figure 7 is a schematic sectional view of a fifth stage of producing the blind micro-bolometer of Figure 1.
  • Figure 8 is a schematic sectional view of a sixth stage of producing the blind micro-bolometer of Figure 1.
  • Figures 1 and 2 illustrate a blind micro-bolometer 10 comprising a membrane 14 mounted in suspension on a substrate 11 by anchoring nails 15.
  • the membrane 14 comprises a thermo-resistive element and at least two electrodes connected to the nails d anchor 15 to measure the resistance of the thermo-resistive material which varies depending on the temperature thereof.
  • a concealment screen 19 is fixed above the membrane 14. More precisely, the occultation screen 19 is presented as a plate supported by a supporting structure 30 fixed on the substrate 11 at the periphery of the membrane 14.
  • the supporting structure 30 has feet 20 extending from the concealment screen 19 to the substrate 11 by means of two V-shaped side walls 31.
  • the supporting structure 30 can rest on pads deposited on the substrate 11.
  • the concealment screen 19 comprises at least two release vents 32 having an opening rate of less than 30% and a size of less than 3 micrometers.
  • the release vents 32 may be square in shape and arranged in rows and columns to form a periodic network of sixteen release vents 32.
  • the release vents 32 may take other shapes, for example a rectangular, circular or hexagonal shape. It is also possible to form a network of 4 or 9 release vents 32 or even to produce several distinct release vents 32 without changing the invention.
  • the occultation screen 19 must integrate at least one metal layer having a thickness greater than 150 nanometers.
  • This metal layer can be the only layer constituting the concealment screen 19, also used to form the side walls 31 of the supporting structure 30.
  • the metal layer can be deposited on a support layer or interposed between two encapsulation layers.
  • the supporting structure 30 may or may not integrate the metal layer constituting the concealment screen 19.
  • the thickness of the metal layer depends on the material used. For a metal layer made of titanium or chromium, the thickness of the metal layer is preferably greater than 400 nanometers and the opening rate is less than 25%. For a metal layer made of aluminum, gold, silver, copper, platinum, molybdenum or tungsten, the thickness of the metal layer is preferably greater than 150 nanometers and the opening rate is less than 25% .
  • a first sacrificial layer 12 is deposited on the substrate 11 so as to allow the formation of the membrane 14.
  • the substrate 11 integrates the addressing and reading elements of the micro-bolometer 10.
  • Layers can also be deposited on the substrate 11 before the deposition of this sacrificial layer 12, for example a reflector or a stopping layer intended to protect the reading circuit during the step of removing the sacrificial layer 12, for example example a layer made of silicon dioxide SiCh.
  • Openings 13 are then etched in the first sacrificial layer 12 by reactive ion etching.
  • Reactive ion etching is better known by the acronym RIE for “Reactive-Ion Etching” in Anglo-Saxon literature.
  • the layers forming the membrane 14, the anchoring nails 15, and the support arms of the membrane 14 are then deposited in the openings 13 and on the first sacrificial layer 12.
  • the openings 13 can be filled with a conductive material forming the anchor nails 15, such as titanium nitride or tungsten.
  • the elements 14 and 15 integrate at least metal layers and support layers so as to form at least two electrodes connected between the substrate 11 and the membrane 14.
  • the electrodes can be made of titanium nitride with a thickness between 5 and 20 nanometers.
  • the support layers can be made of amorphous silicon with a thickness of between 10 and 100 nanometers.
  • the membrane 14 also includes a thermo-resistive element connected between the two electrodes. This thermo-resistive element can be made of amorphous silicon, titanium oxide or vanadium oxide and deposited by ion beam with a thickness of between 10 and 200 nanometers.
  • the steps of producing these elements 14 and 15 of the micro-bolometer 10 are carried out simultaneously with those of the detection micro-bolometers (not shown), so that the blind micro-bolometer 10 formed on the first sacrificial layer 12 has thermal and resistive properties identical to those of detection micro-bolometers.
  • the steps for producing the microbolometer 10 may correspond to those described in document FR 3045148.
  • a second sacrificial layer 17 is deposited on the first sacrificial layer 12, on the membrane 14 and on the support arms, as illustrated in Figure 5.
  • This second sacrificial layer 17 is preferably made of silicon dioxide SiCh.
  • This second sacrificial layer 17 is intended to allow the formation of the support structure 30 and the concealment screen 19, the function of which is to mask the membrane 14 so as to make it very insensitive, or even insensitive, to infrared radiation. incidents.
  • openings 18 are etched in the two sacrificial layers 12 and 17 by one or more reactive ionic etchings until reaching the substrate 11, as illustrated in Figure 6.
  • the sacrificial layers 12 and 17 can conventionally be made of polyimide.
  • the sacrificial layers 12 and 17 are made of silicon oxide deposited at low temperature, that is to say at a temperature below 400°C by chemical vapor deposition.
  • Sacrificial layers 12 and 17 made of silicon oxide make it possible to implement a particularly precise etching process, for example reactive ion etching with an etching pitch of less than 1 micrometer. This engraving process makes it possible to obtain 20 feet with very fine widths.
  • Figure 7 illustrates the production of the supporting structure 30 and the concealment screen 19.
  • a layer of titanium can be deposited on the second sacrificial layer 17 and in the openings 18 so as to form side walls 31 of the supporting structure 30, as well as the concealment screen 19.
  • This layer of titanium can be deposited by chemical vapor deposition with a thickness of between 400 and 600 nanometers.
  • the step illustrated in Figure 8 aims to form the release vents 32 and to remove the occultation screen 19 outside the expected grip of the blind micro-bolometer on the substrate 11, that is to say to prevent the occultation screen 19 from extending opposite the membrane of a neighboring detection micro-bolometer.
  • This step preferably defines an overhang 22 on the edges of the openings 18.
  • this step makes it possible to define the position, number and shape of the release vents 32.
  • this step is carried out by reactive ion etching of the concealment screen 19.
  • each release vent 32 is 1 ⁇ m 2 and the total section is 16 ⁇ m 2 .
  • a periodic network of 9 release vents 32 of circular section with a diameter of 1.4 micrometers and a pitch of 4 micrometers between said vents 32 and also to obtain a screening power greater than 99% .
  • the section of each release vent 32 is 1.54 iim 2 and the total section is 13.85 iim 2 .
  • the etching fluid can consist of hydrofluoric acid, making it possible to remove sacrificial layers made of silicon oxide, or of an oxygenated plasma making it possible to remove sacrificial layers made of polyimide.
  • the occultation screen 19 covers a single blind micro-bolometer 10.
  • an occultation screen 19 can cover several blind micro-bolometers 10 juxtaposed with a single supporting structure 30 common to these different blind micro-bolometers 10.
  • each blind micro-bolometer 10 is arranged facing at least two release vents 32 formed in the occultation screen 19 of so as to obtain rapid removal of the sacrificial layers 12 and 17.
  • the invention thus makes it possible to obtain a blind infrared imaging micro-bolometer comprising release vents limiting parasitic radiation and making it possible to achieve an acceptable release speed close to that of the membranes of detection micro-bolometers, without limiting the integration density of the blind micro-bolometer.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

L'invention concerne un micro-bolomètre aveugle d'imagerie infrarouge (10) comprenant : - un substrat (11); - une membrane (14); et - un écran d'occultation (19) disposé au-dessus de la membrane (14) de sorte à bloquer les rayonnements infrarouges incidents; ledit écran d'occultation (19) comprenant :  au moins une couche métallique présentant une épaisseur supérieure à 150 nanomètres; et  au moins deux évents de libération (32) destinés à permettre le retrait d'au moins une couche sacrificielle mise en œuvre lors du procédé de fabrication du micro-bolomètre aveugle (10), chaque évent de libération (32) présentant un taux d'ouverture inférieur à 30% et une taille inférieure à 3 micromètres.

Description

MICRO-BOLOMETRE D’IMAGERIE INFRAROUGE AVEUGLE ET PROCEDE DE REALISATION
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention a trait au domaine de la détection de rayonnements électromagnétiques et, plus précisément, à la compensation des erreurs de détection des détecteurs infrarouges mettant en œuvre des micro-bolomètres.
L’invention concerne, d’une part, un micro-bolomètre aveugle et, d’autre part, un procédé de réalisation associé.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
Dans le domaine des détecteurs mis en œuvre pour l’imagerie infrarouge, il est connu d'utiliser des dispositifs agencés sous forme matricielle, susceptibles de fonctionner à température ambiante, c'est-à-dire ne nécessitant pas de refroidissement à de très basses températures, contrairement aux dispositifs de détection appelés "détecteurs quantiques" qui eux, nécessitent un fonctionnement à très basse température.
Ces détecteurs utilisent traditionnellement la variation d'une grandeur physique d'un matériau ou assemblage de matériaux approprié(s) en fonction de la température, au voisinage de 300K.
Dans le cas particulier des détecteurs micro-bolométriques, les plus couramment utilisés, cette grandeur physique est la résistivité électrique, mais d’autres grandeurs peuvent être exploitées, telle la constante diélectrique, la polarisation, la dilatation thermique, l’indice de réfraction, etc.
Un tel détecteur non refroidi associe généralement : des moyens d’absorption du rayonnement thermique et de conversion de celui-ci en chaleur ; des moyens d’isolation thermique du détecteur, de telle sorte à permettre à celui-ci de s'échauffer sous l'action du rayonnement thermique ; des moyens de thermométrie qui, dans le cadre d'un détecteur micro-bolométrique, mettent en œuvre un élément résistif dont la résistance varie avec la température ; et des moyens de lecture des signaux électriques fournis par les moyens de thermométrie. Les détecteurs destinés à l'imagerie thermique, ou infrarouge, sont classiquement réalisés sous la forme d'une matrice de détecteurs élémentaires, formant des points d’image ou pixels, selon une ou deux dimensions. Pour garantir l’isolation thermique des détecteurs, ces derniers sont suspendus au-dessus d’un substrat via des bras de soutien. Les moyens d’absorption et les moyens de thermométrie sont alors associés pour former une membrane montée en suspension au-dessus du substrat au moyen de plots sur lesquels sont fixés les bras de soutien.
Le substrat comporte usuellement des moyens d'adressage séquentiel des détecteurs élémentaires et des moyens d’excitation électrique et de pré-traitement des signaux électriques générés à partir de ces détecteurs élémentaires. Ce substrat et les moyens intégrés sont communément désignés par le terme « circuit de lecture ».
Dans le cas de détecteurs infrarouges utilisant des micro-bolomètres, les moyens de prétraitement peuvent intégrer des micro-bolomètres dédiés à la compensation d’effets indésirables dégradant la qualité des signaux mesurés. Ces micro-bolomètres dédiés à la compensation sont appelés micro-bolomètres de référence. Une mesure différentielle est alors généralement réalisée entre un micro-bolomètre sensible et un micro-bolomètre de référence pour filtrer chaque mesure issue d’un micro-bolomètre sensible.
Par exemple, certains micro-bolomètres de référence permettent 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. Pour ce faire, ces micro-bolomètres de référence sont thermalisés au substrat, et sont dépourvus de couche absorbante.
L’invention concerne plus spécifiquement un autre type de micro-bolomètres de référence ; les micro-bolomètres de référence dit aveugles, qui permettent, en association avec les micro-bolomètres de détection, la mesure différentielle d’une variation de température au moyen d’un matériau thermométrique présent à la fois dans les micro- bolomètres de détection et les micro-bolomètres aveugles.
Ainsi, contrairement aux micro-bolomètres de référence thermalisés avec le substrat, les micro-bolomètres de référence aveugles ne sont pas thermalisés avec le substrat et ils sont pourvus d’un écran d’occultation. La variation de température détectée par le matériau thermométrique est issue de plusieurs facteurs : le flux utile à détecter, l’auto-échauffement inhérent au mode de lecture, et les flux parasites. Dans le but d’améliorer la précision de mesure, l’écrantage des micro- bolomètres aveugles vise à compenser de manière efficace toute source de variation de température autre que celle issue du flux utile à détecter, entre les micro-bolomètres de détection et ceux de compensation.
Selon cette approche, ces deux types de micro-bolomètres présentent préférentiellement les mêmes propriétés thermiques et électriques de sorte à garantir la précision de la mesure.
Dans le cas des micro-bolomètres aveugles, la formation de l’écran d’occultation sur la membrane complexifie grandement le retrait des couches sacrificielles mises en œuvre pour former la membrane en suspension et pour former l’écran d’occultation sur celle-ci. En effet, l’écran d’occultation doit être monté en suspension au-dessus de la membrane. Pour ce faire, il est connu d’utiliser une seconde couche sacrificielle déposée sur la membrane et sur la première couche sacrificielle autour de la membrane. Des ouvertures sont réalisées dans cette seconde couche sacrificielle autour de la membrane pour déposer une structure porteuse avant de former l’écran d’occultation sur cette structure porteuse.
Pour éliminer la seconde couche sacrificielle, et potentiellement la première couche sacrificielle simultanément, il est nécessaire de réaliser au moins un évent de libération dans l’écran d’occultation ou au sein de la structure porteuse. Généralement, l’écran d’occultation ou la structure porteuse sont communs à plusieurs micro-bolomètres aveugles disposés en pied de ligne ou de colonne et un évent est ménagé pour chaque micro-bolomètre aveugle.
La libération de la membrane des micro-bolomètres, c’est-à-dire la suppression des couches sacrificielles, est ensuite réalisée par retrait des couches sacrificielles à travers les évents de libération réalisés. Classiquement, le procédé de libération met en œuvre une gravure par plasma oxygéné pour retirer des couches sacrificielles typiquement réalisées en polyimide.
Ainsi, tel que décrit dans le document JP 2011/232157, les évents de libération sont utilisés de sorte que les flux de gaz réactifs et produits de réaction pénètrent et sortent de la cavité formée par l’écran d’occultation et la structure porteuse perpendiculairement au plan formé par l’écran d’occultation. La réalisation des évents de libération au sein de l’écran d’occultation pose cependant un problème technique.
En effet, une partie des rayonnements infrarouges peut passer à travers ces évents de libération et entrainer un échauffement indésiré de la membrane. Il s’ensuit que l’aveuglement du micro-bolomètre n’est pas parfait, et la compensation n’est pas toujours efficace, dégradant ainsi l’image globale issue du capteur infrarouge.
Pour résoudre ce problème technique, une solution consiste à former les évents de libération dans une zone de l’écran d’occultation qui n’est pas situé en regard de la membrane. Pour ce faire, le document EP 3 243 052 propose une structure porteuse en forme de marches d’escalier, c’est à dire avec au moins une marche intermédiaire entre le plan du substrat et le plan de l’écran d’occultation. Ainsi, la structure porteuse présente un plan de marche parallèle respectivement aux plans du substrat, de la membrane et de l’écran d’occultation, et ce plan de marche parallèle peut être utilisé pour positionner les évents de libération.
Cette solution consistant à déporter les évents de libération sur une surface horizontale d’une marche intermédiaire d’une structure en escalier permet effectivement de limiter la dégradation des propriétés otiques de l’écran d’occultation inhérente à la présence des évents de libération, car ces derniers peuvent être ménagés au même niveau que le plan de la membrane, limitant ainsi la propagation des rayonnements parasites susceptibles de passer à travers les évents de libération pour atteindre la membrane. Cependant, cette solution nécessite un élargissement de la structure porteuse pour placer les évents de libération, limitant ainsi la densité d’intégration de ces micro-bolomètres aveugles.
En outre, pour limiter efficacement la propagation des rayonnements parasites susceptibles de passer à travers les évents de libération et corollairement d’atteindre la membrane, il est classiquement requis de limiter la section des évents de libération, même en utilisant des évents déportés sur une marche intermédiaire d’une structure porteuse en marche d’escalier. Par exemple, le document EP 2 633 279 propose d’utiliser un évent de libération pour chaque micro-bolomètre aveugle avec une taille inférieure à 1 micromètre afin d’atténuer efficacement la transmission des rayonnements infrarouges à travers l’évent de libération. Dans le cadre de l’invention, il a été déterminé numériquement que, pour un évent de libération de section carrée situé au-dessus d’une membrane bolométrique, la limite de longueur de chaque côté de l’évent est de 1.6 micromètre pour obtenir des rayonnements parasites acceptables, c’est-à-dire un pouvoir d’écrantage d’au moins 99%. La section de l’évent de libération de cette simulation est donc de 2.56 um2.
Au sens de l’invention, le « pouvoir d’écrantage » correspond au pourcentage de flux incident bloqué par l’écran d’occultation. La réponse électro-optique d’un micro- bolomètre, également appelée réponse résiduelle, est la différence de niveau continu mesurée lorsque ce micro-bolomètre est successivement illuminé par deux corps noirs à des températures différentes. Cette réponse résiduelle s’exprime donc en V/K ou, plus habituellement, en mV/K.
Pour évaluer le pouvoir d’écrantage, il est ainsi possible de mesurer la réponse résiduelle d’un micro-bolomètre aveugle et celle d’un micro-bolomètre de détection situé à proximité du micro-bolomètre aveugle. Le pouvoir d’écrantage correspond alors au rapport entre les deux réponses, soit la réponse du micro-bolomètre de détection diminuée de la réponse du micro-bolomètre aveugle sur la réponse du micro-bolomètre de détection. De préférence, les valeurs de réponses sont issues d’une moyenne sur un ensemble de micro-bolomètres de détection et aveugles.
En raison de la limitation des dimensions des évents de libération, la vitesse de libération, c’est-à-dire la durée nécessaire pour retirer tout le volume des couches sacrificielles à travers lesdits évents, est particulièrement longue. Par exemple, la vitesse de libération d’une membrane à travers les évents peut être de l’ordre d’une heure, tandis que les membranes des micro-bolomètres de détection, c’est-à-dire les membranes non recouvertes par les écrans d’occultation, peuvent être libérées en 15 minutes.
Cette différence dans les durées de libération des membranes peut entrainer une surgravure des membranes des micro-bolomètres de détection par rapport aux membranes des micro-bolomètres de compensation.
Bien que les membranes des micro-bolomètres de compensation et des micro-bolomètres de détection soient préférentiellement réalisées simultanément pour présenter les mêmes propriétés thermiques et électriques, cette sur-gravure des membranes des micro- bolomètres de détection peut conduire à des écarts entre les propriétés thermiques et électriques des micro-bolomètres de détection et des micro-bolomètres de compensation. Ainsi, cette sur-gravure peut dégrader la précision de la compensation réalisée par les micro-bolomètres de compensation.
Plus précisément, il est recherché une différence relative entre les résistances des micro- bolomètres aveugles et celle des micro-bolomètres de détection inférieure à 1%.
Au sens de l’invention, la « différence relative » correspond au pourcentage de différence de résistance entre un micro-bolomètre aveugle et celle d’un micro-bolomètre de détection situé à proximité du micro-bolomètre aveugle. Cette résistance peut être simplement mesurée aux bornes du micro-bolomètre aveugle et aux bornes du micro-bolomètre de détection dans une chambre obscure, c’est-à-dire sans rayonnement infrarouge capté par le micro-bolomètre de détection. La différence relative correspond donc au rapport entre les deux mesures de résistance, soit la mesure de résistance du micro-bolomètre de détection diminuée de la mesure de résistance du micro-bolomètre aveugle sur la mesure de résistance du micro-bolomètre de détection. De préférence, les mesures sont issues d’une moyenne sur un ensemble de micro-bolomètres de détection et aveugles.
Le problème technique que l’invention entend résoudre consiste donc à obtenir un micro- bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge comportant des évents de libération limitant les rayonnements parasites et permettant d’aboutir à une vitesse de libération de la membrane du micro-bolomètre aveugle acceptable et proche de celle des membranes des micro-bolomètres de détection, en limitant la différence entre la résistance d’un micro- bolomètre aveugle et celle d’un micro-bolomètre de détection.
EXPOSE DE L’INVENTION
Afin de répondre à ce problème technique, l’invention propose d’utiliser au moins deux évents de libération par micro-bolomètre aveugle présentant des dimensions suffisamment réduites pour limiter la transmission des rayonnements infrarouges.
En effet, l’invention est issue de l’observation selon laquelle la multiplication des évents de libération de petites dimensions n’augmente pas la transmittance des rayonnements infrarouges à travers l’écran d’occultation. En raison de cette observation contre- intuitive, l’homme du métier, qui naturellement aurait considéré que la transmittance des rayonnements infrarouges est directement proportionnelle à la surface ouverte de l’écran d’occultation, également appelé taux d’ouverture, n’aurait pas emprunté cette voie. Au sens de l’invention, le « taux d’ouverture » de l’écran d’occultation correspond ainsi à la surface totale des évents de libération formés en regard d’un micro-bolomètre aveugle sur la surface totale du micro-bolomètre aveugle.
Pour des raisons de simplification du procédé de fabrication, l’état de la technique propose toujours d’utiliser un seul évent de libération lorsque celui-ci est disposé en regard du micro-bolomètre aveugle.
Fort de l’observation de l’invention selon laquelle ces deux contraintes ne sont pas inextricablement liées, il est désormais possible de limiter la durée de libération de la membrane du micro-bolomètre aveugle sans dégrader la transmittance des rayonnements infrarouges à travers l’écran d’occultation en multipliant les évents à travers ledit écran.
Pour obtenir cet effet surprenant, il a été observé qu’il est nécessaire d’utiliser un écran d’occultation avec une couche métallique suffisamment épaisse, typiquement une couche métallique présentant une épaisseur supérieure à 150 nanomètres.
Par ailleurs, chaque évent de libération doit présenter un taux d’ouverture inférieur à 30% et une taille inférieure à 3 micromètres.
Au sens de l’invention, la « taille » d’un évent de libération correspond à la plus grande dimension dudit évent, par exemple la diagonale d’un évent carré ou rectangulaire ou le diamètre d’un évent circulaire.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge comprenant : un substrat ; une membrane, comportant au moins deux électrodes et un élément thermo-résistif, montée en suspension au-dessus du substrat ; et un écran d’occultation disposé au-dessus de la membrane de sorte à bloquer les rayonnements infrarouges incidents ; ledit écran d’occultation étant monté en suspension au-dessus de la membrane et du substrat au moyen d’une structure porteuse fixée sur le substrat. L’invention se caractérise en ce que l’écran d’occultation comprend : au moins une couche métallique présentant une épaisseur supérieure à 150 nanomètres ; et au moins deux évents de libération ménagés au sein dudit écran d’occultation en regard de ladite membrane et destinés à permettre le retrait d’au moins une couche sacrificielle mise en œuvre lors du procédé de fabrication du micro-bolomètre aveugle ; chaque évent de libération présentant une taille inférieure à 3 micromètres de sorte que ledit écran d’occultation présente un taux d’ouverture inférieur à 30%, le taux d’ouverture étant défini par la surface totale desdits au moins deux évents de libération sur la surface totale dudit micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge.
L’invention permet d’obtenir un micro-bolomètre aveugle, ou un ensemble de micro- bolomètres aveugles réalisés collectivement, avec un pouvoir d’écrantage d’au moins 99% et une différence relative entre les résistances des micro-bolomètres aveugles et celle des micro-bolomètres de détection inférieure à 1%.
Cette amélioration de la différence relative est inhérente à la réduction de la durée de libération car le temps d’exposition des membranes des micro-bolomètres de détection est désormais plus proche du temps d’exposition des membranes des micro-bolomètres aveugles, et le risque de sur-gravure des membranes des micro-bolomètres de détection est limité.
Cette réduction de la durée de libération dépend du taux d’ouverture de l’écran d’occultation. L’augmentation possible de ce taux d’ouverture pour conserver un pouvoir d’écrantage d’au moins 99% dépend du pouvoir d’écrantage initial de l’écran d’occultation, c’est-à-dire de la nature et de l’épaisseur de la couche métallique intégrée dans ledit écran. Bien entendu, il est possible de mettre en œuvre l’invention pour obtenir un pouvoir d’écrantage inférieur à 99%.
Par exemple, pour un écran d’occultation comportant une couche métallique réalisée en titane ou en chrome, l’épaisseur de la couche métallique est préférentiellement supérieure à 400 nanomètres et le taux d’ouverture est préférentiellement inférieur à 25%.
Dans un autre exemple dans lequel l’écran d’occultation comporte une couche métallique réalisée en aluminium, en or, en argent, en cuivre, en platine, en molybdène ou en tungstène, l’épaisseur de la couche métallique est préférentiellement supérieure à 150 nanomètres et le taux d’ouverture est préférentiellement inférieur à 25%. Ainsi, la variation du taux d’ouverture possible dépend de l’épaisseur et de la nature de la couche métallique constitutive de l’écran d’occultation.
Par ailleurs, le taux d’ouverture peut être obtenu avec des évents de libération de formes variables sans changer l’invention.
Par exemple, les évents de libération peuvent être de forme carrée, rectangulaire, circulaire, hexagonale. ..
Il est néanmoins important que la taille de chaque évent soit inférieure à 3 micromètres.
Les évents peuvent être placés aléatoirement dans l’écran d’occultation ou organisés sous la forme d’un réseau périodique d’au moins quatre évents de libération par micro- bolomètre aveugle, les évents de libération étant par exemple agencés en lignes et en colonnes.
Au sens de l’invention, un « réseau périodique » indique que les évents de chaque micro- bolomètre aveugle sont régulièrement espacés les uns des autres par un pas régulier. Avec au moins deux lignes et deux colonnes, le réseau périodique est formé au minimum avec quatre évents de libération. Bien entendu, il est possible d’utiliser plus de deux colonnes ou plus de deux lignes.
Par exemple, pour un réseau périodique de trois lignes et de trois colonnes, alors que la section maximum d’un seul évent de libération a précédemment été estimée à 2.56 iim2 pour obtenir un pouvoir d’écrantage supérieur à 99%, il a été observé qu’il est possible d’utiliser un réseau périodique de 9 évents de libération de section circulaire avec un diamètre de 1.4 micromètre et un pas de 4 micromètres entre les évents et d’obtenir également un pouvoir d’écrantage supérieur à 99%. Avec cette configuration particulière, la section de chaque évent de libération est de 1.54 um2 et la section totale est de 13.85 um2. La vitesse de libération étant directement liée à la section totale des évents de libération de chaque micro-bolomètre aveugle, le passage d’une section de 2.56 um2 à une section totale de 13.85 um2 permet d’améliorer significativement la vitesse de libération. Il est donc possible d’obtenir une différence relative entre les résistances des micro- bolomètres aveugles et celle des micro-bolomètres de détection inférieure à 1%.
Les simulations de l’invention ont montré que l’invention est particulièrement efficace avec des réseaux de neuf ou seize évents de libération, avec trois lignes et trois colonnes ou avec quatre lignes et quatre colonnes. Selon un second aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un micro- bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge comprenant les étapes suivantes :
• réalisation de la membrane sur une première couche sacrificielle déposée sur un substrat ;
• dépôt d’une seconde couche sacrificielle sur la membrane et sur la première couche sacrificielle ;
• réalisation d’ouvertures à la périphérie de la membrane au sein desdites première et seconde couches sacrificielles jusqu’à atteindre le substrat ;
• dépôt d’au moins une couche d’aveuglement sur la seconde couche sacrificielle et dans les ouvertures, de sorte à former un écran d’occultation et une structure porteuse ; ladite au moins une couche d’aveuglement comportant au moins une couche métallique présentant une épaisseur supérieure à 150 nanomètres ;
• réalisation d’au moins deux évents de libération dans l’écran d’occultation en regard de ladite membrane, chaque évent de libération présentant une taille inférieure à 3 micromètres de sorte que ledit écran d’occultation présente un taux d’ouverture inférieur à 30%, le taux d’ouverture étant défini par la surface totale desdits au moins deux évents de libération sur la surface totale dudit micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge ; et
• retrait des première et seconde couches sacrificielles au moyen d’un fluide de gravure à travers les évents de libération ainsi formés.
L’utilisation de plusieurs évents de libération avec un taux d’ouverture inférieur à 30% et une taille inférieure à 3 micromètres permet de limiter la durée de libération de la membrane du micro-bolomètre aveugle. Ainsi, l’étape de retrait des première et seconde couches sacrificielles est préférentiellement réalisée pendant une durée inférieure à 10 minutes.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L’invention sera bien comprise à la lecture de la description qui suit, dont les détails sont donnés uniquement à titre d’exemple, et développée en relation avec les figures annexées, dans lesquelles des références identiques se rapportent à des éléments identiques :
La figure 1 est une vue schématique en section d’un micro-bolomètre aveugle selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 2 est une vue schématique de dessus du micro-bolomètre aveugle de la figure 1. La figure 3 est une vue schématique en section d’une première étape de réalisation du micro-bolomètre aveugle de la figure 1.
La figure 4 est une vue schématique en section d’une deuxième étape de réalisation du micro-bolomètre aveugle de la figure 1.
La figure 5 est une vue schématique en section d’une troisième étape de réalisation du micro-bolomètre aveugle de la figure 1.
La figure 6 est une vue schématique en section d’une quatrième étape de réalisation du micro-bolomètre aveugle de la figure 1.
La figure 7 est une vue schématique en section d’une cinquième étape de réalisation du micro-bolomètre aveugle de la figure 1.
La figure 8 est une vue schématique en section d’une sixième étape de réalisation du micro-bolomètre aveugle de la figure 1.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Les figures 1 et 2 illustrent un micro-bolomètre aveugle 10 comprenant une membrane 14 montée en suspension sur un substrat 11 par des clous d’ancrage 15. La membrane 14 comporte un élément thermo-résistif et au moins deux électrodes connectées sur les clous d’ancrage 15 pour mesurer la résistance du matériau thermo-résistif qui varie en fonction de la température de celui-ci.
Pour bloquer les rayonnements infrarouges pouvant atteindre la membrane 14, un écran d’occultation 19 est fixé au-dessus de la membrane 14. Plus précisément, l’écran d’occultation 19 se présente comme une plaque soutenue par une structure porteuse 30 fixée sur le substrat 11 à la périphérie de la membrane 14.
Dans l’exemple des figures 1 et 2, la structure porteuse 30 présente des pieds 20 s’étendant depuis l’écran d’occultation 19 jusqu’au substrat 11 au moyen de deux parois latérales 31 en forme de V. En variante, la structure porteuse 30 peut reposer sur des plots déposés sur le substrat 11.
Selon l’invention, l’écran d’occultation 19 comprend au moins deux évents de libération 32 présentant un taux d’ouverture inférieur à 30% et une taille inférieure à 3 micromètres. Tel qu’illustré sur la figure 2, les évents de libération 32 peuvent être de forme carrée et agencés en lignes et en colonnes pour former un réseau périodique de seize évents de libération 32. En variante, les évents de libération 32 peuvent prendre d’autres formes, par exemple une forme rectangulaire, circulaire ou hexagonale. Il est également possible de former un réseau de 4 ou 9 évents de libération 32 ou même de réaliser plusieurs évents de libération 32 distincts sans changer l’invention.
En outre, pour garantir un écrantage efficace des rayonnements infrarouges avec les multiples évents de libération 32, l’écran d’occultation 19 doit intégrer au moins une couche métallique présentant une épaisseur supérieure à 150 nanomètres.
Cette couche métallique peut être la seule couche constitutive de l’écran d’occultation 19, également utilisée pour former les parois latérales 31 de la structure porteuse 30. En variante, la couche métallique peut être déposée sur une couche de support ou interposée entre deux couches d’encapsulation. Ainsi, la structure porteuse 30 peut intégrer ou non la couche métallique constitutive de l’écran d’occultation 19.
L’épaisseur de la couche métallique dépend du matériau utilisé. Pour une couche métallique réalisée en titane on en chrome, l’épaisseur de la couche métallique est préférentiellement supérieure à 400 nanomètres et le taux d’ouverture est inférieur à 25%. Pour une couche métallique réalisée en aluminium, en or, en argent, en cuivre, en platine, en molybdène ou en tungstène, l’épaisseur de la couche métallique est préférentiellement supérieure à 150 nanomètres et le taux d’ouverture est inférieur à 25%.
L’invention sera mieux comprise en référence aux figures 3 à 8 qui illustrent le procédé de réalisation du micro-bolomètre aveugle 10 des figures 1 et 2.
Tel qu'illustré sur la figure 3, une première couche sacrificielle 12 est déposée sur le substrat 11 de sorte à permettre la formation de la membrane 14. Le substrat 11 intègre les éléments d'adressage et de lecture du micro-bolomètre 10.
Des couches peuvent également être déposées sur le substrat 11 avant le dépôt de cette couche sacrificielle 12, par exemple un réflecteur ou une couche d’arrêt destinée à protéger le circuit de lecture lors de l’étape de retrait de la couche sacrificielle 12, par exemple une couche réalisée en dioxyde de silicium SiCh.
Des ouvertures 13 sont ensuite gravées dans la première couche sacrificielle 12 par une gravure ionique réactive. La gravure ionique réactive est plus connue sous l’acronyme RIE pour « Reactive-Ion Etching » dans la littérature anglo-saxonne. Puis, tel qu'illustré sur la figure 4, les couches formant la membrane 14, les clous d’ancrage 15, et les bras de soutien de la membrane 14 sont ensuite déposées dans les ouvertures 13 et sur la première couche sacrificielle 12.
Par exemple, les ouvertures 13 peuvent être remplies par un matériau conducteur formant les clous d’ancrage 15, tel que du nitrure de titane, ou du tungstène.
Classiquement, les éléments 14 et 15 intègrent au moins des couches métalliques et des couches de support de sorte à former au moins deux électrodes connectées entre le substrat 11 et la membrane 14. Par exemple, les électrodes peuvent être réalisées en nitrure de titane avec une épaisseur comprise entre 5 et 20 nanomètres. Les couches de support peuvent être réalisées en silicium amorphe avec une épaisseur comprise entre 10 et 100 nanomètres. La membrane 14 comporte également un élément thermo-résistif connecté entre les deux électrodes. Cet élément thermo-résistif peut être réalisé en silicium amorphe, en oxyde de titane ou en oxyde de vanadium et déposé par faisceau ionique avec une épaisseur comprise entre 10 et 200 nanomètres.
De préférence, les étapes de réalisation de ces éléments 14 et 15 du micro-bolomètre 10 sont réalisées simultanément avec celles des micro-bolomètres de détection (non représentés), de sorte que le micro-bolomètre aveugle 10 formé sur la première couche sacrificielle 12 présente des propriétés thermiques et résistives identiques à celles des micro-bolomètres de détection. Par exemple, les étapes de réalisation du micro- bolomètre 10 peuvent correspondre à celles décrites dans le document FR 3045148.
Après délimitation et structuration de la membrane 14 et des bras de soutien par une ou plusieurs gravures ioniques réactives, une seconde couche sacrificielle 17 est déposée sur la première couche sacrificielle 12, sur la membrane 14 et sur les bras de soutien, tel qu’illustré sur la figure 5. Cette seconde couche sacrificielle 17 est préférentiellement réalisée en dioxyde de silicium SiCh.
Cette seconde couche sacrificielle 17 est destinée à permettre la formation de la structure de support 30 et de l'écran d'occultation 19, dont la fonction est de masquer la membrane 14 de sorte à la rendre très peu sensible, voire insensible aux rayonnements infrarouges incidents. Pour ce faire, des ouvertures 18 sont gravées dans les deux couches sacrificielles 12 et 17 par une ou plusieurs gravures ioniques réactives jusqu'à atteindre le substrat 11, tel qu'illustré sur la figure 6. En outre, les couches sacrificielles 12 et 17 peuvent être classiquement réalisées en polyimide.
De préférence, les couches sacrificielles 12 et 17 sont réalisées en oxyde de silicium déposées à basse température, c’est-à-dire à une température inférieure à 400°C par dépôt chimique en phase vapeur. Des couches sacrificielles 12 et 17 réalisées en oxyde de silicium permettent de mettre en œuvre un procédé de gravure particulièrement précis, par exemple une gravure ionique réactive avec un pas de gravure inférieur à 1 micromètre. Ce procédé de gravure permet d’obtenir des pieds 20 avec des largeurs très fines.
Après la réalisation des ouvertures discontinues 18, la figure 7 illustre la réalisation de la structure porteuse 30 et de l’écran d’occultation 19. Pour ce faire, une couche de titane peut être déposée sur la seconde couche sacrificielle 17 et dans les ouvertures 18 de sorte à former des parois latérales 31 de la structure porteuse 30, ainsi que l’écran d’occultation 19. Cette couche de titane peut être déposée par dépôt chimique en phase vapeur avec une épaisseur comprise entre 400 et 600 nanomètres.
L’étape illustrée sur la figure 8 vise à former les évents de libération 32 et à supprimer l’écran d’occultation 19 en dehors de l’emprise attendue du micro-bolomètre aveugle sur le substrat 11, c’est-à-dire pour éviter que l’écran d’occultation 19 ne s’étende au regard de la membrane d’un micro-bolomètre de détection voisin. Cette étape définit préférentiellement un surplomb 22 sur les bords des ouvertures 18.
En ce qui concerne les évents de libération 32, cette étape permet de définir la position, le nombre et la forme des évents de libération 32. De préférence, cette étape est réalisée par une gravure ionique réactive de l’écran d’occultation 19.
Par exemple, il est possible de former un réseau périodique de 16 évents de libération 32 de forme carrée avec des côtés de 1 micromètre et un pas de 4 micromètres entre lesdits évents 32 et d’obtenir un pouvoir d’écrantage supérieur à 99%. Avec cette configuration particulière, la section de chaque évent de libération 32 est de 1 um2 et la section totale est de 16 iim2. En variante, il est possible de former un réseau périodique de 9 évents de libération 32 de section circulaire avec un diamètre de 1.4 micromètre et un pas de 4 micromètres entre lesdits évents 32 et d’obtenir également un pouvoir d’écrantage supérieur à 99%. Avec cette configuration particulière, la section de chaque évent de libération 32 est de 1.54 iim2 et la section totale est de 13.85 iim2.
A partir de la structure illustrée sur la figure 8, il est possible de supprimer les couches sacrificielles 12 et 17 en utilisant les évents de libération 32. Ainsi, le fluide de gravure est introduit et extrait avec les couches sacrificielles 12 et 17 par l’ensemble de ces évents de libération 32 simultanément. Avec la section totale de l’ensemble des évents de libération 32, le retrait des couches sacrificielles 12 et 17 peut être réalisé pendant une durée inférieure à 10 minutes.
Typiquement, le fluide de gravure peut être constitué d’acide fluorhydrique, permettant de supprimer des couches sacrificielles réalisées en oxyde de silicium, ou encore d’un plasma oxygéné permettant de supprimer des couches sacrificielles réalisées en polyimide.
Le retrait des couches sacrificielles 12 et 17 permet d’obtenir le micro-bolomètre 10 illustré sur les figures 1 et 2.
Dans l'exemple des figures 1 et 2, l'écran d’occultation 19 recouvre un seul micro- bolomètre aveugle 10. En variante, un écran d’occultation 19 peut recouvrir plusieurs micro-bolomètres aveugles 10 juxtaposés avec une seule structure porteuse 30 commune à ces différents micro-bolomètres aveugles 10.
Quel que soit le nombre de micro-bolomètres aveugles 10 recouverts par l’écran d’occultation 19, chaque micro-bolomètre aveugle 10 est disposé en regard d’au moins deux évents de libération 32 formés dans l’écran d’occultation 19 de sorte à obtenir un retrait rapide des couches sacrificielles 12 et 17.
L’invention permet ainsi d’obtenir un micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge comportant des évents de libération limitant les rayonnements parasites et permettant d’aboutir à une vitesse de libération acceptable et proche de celle des membranes des micro-bolomètres de détection, sans limiter la densité d’intégration du micro-bolomètre aveugle.

Claims

REVENDICATIONS Micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge (10) comprenant : un substrat (11) ; une membrane (14), comportant au moins deux électrodes et un élément thermo-résistif, montée en suspension au-dessus du substrat (11) ; et un écran d’occultation (19) disposé au-dessus de la membrane (14) de sorte à bloquer les rayonnements infrarouges incidents ; ledit écran d’occultation (19) étant monté en suspension au-dessus de la membrane (14) et du substrat (11) au moyen d’une structure porteuse (20) fixée sur le substrat (11) ; caractérisé en ce que ledit écran d’occultation (19) comprend : au moins une couche métallique présentant une épaisseur supérieure à 150 nanomètres ; et au moins deux évents de libération (32) ménagés au sein dit écran d’occultation (19) en regard de ladite membrane (14) et destinés à permettre le retrait d’au moins une couche sacrificielle (12, 17) mise en œuvre lors du procédé de fabrication du micro-bolomètre aveugle (10) ; chaque évent de libération (32) présentant une taille inférieure à 3 micromètres de sorte que ledit écran d’occultation (19) présente un taux d’ouverture inférieur à 30%, le taux d’ouverture étant défini par la surface totale desdits au moins deux évents de libération (32) sur la surface totale dudit micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge (10). Micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge selon la revendication 1, dans lequel l’écran d’occultation (19) comporte une couche métallique réalisée en titane on en chrome, l’épaisseur de la couche métallique étant supérieure à 400 nanomètres et le taux d’ouverture étant inférieur à 25%. Micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge selon la revendication 1, dans lequel l’écran d’occultation (19) comporte une couche métallique réalisée en aluminium, en or, en argent, en cuivre, en platine, en molybdène ou en tungstène, l’épaisseur de la couche métallique étant supérieure à 150 nanomètres et le taux d’ouverture étant inférieur à 25%. Micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel les évents de libération (32) sont organisés sous la forme d’un réseau périodique d’au moins quatre évents de libération (32) par micro-bolomètre aveugle (10), les évents de libération (32) étant agencés en lignes et en colonnes. Micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge selon la revendication 4, dans lequel les évents de libération (32) sont organisés sous la forme d’un réseau périodique de neuf évents de libération (32) par micro-bolomètre aveugle (10), avec trois lignes et trois colonnes. Micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge selon la revendication 4, dans lequel les évents de libération (32) sont organisés sous la forme d’un réseau périodique de seize évents de libération (32) par micro-bolomètre aveugle (10), avec quatre lignes et quatre colonnes. océdé de réalisation d’un micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge comprenant les étapes suivantes :
• réalisation d’une membrane comportant au moins deux électrodes et un élément thermo-résistif sur une première couche sacrificielle (12) déposée sur un substrat (11) ;
• dépôt d’une seconde couche sacrificielle (17) sur la membrane (14) et sur la première couche sacrificielle (12) ;
• réalisation d’ouvertures (18) à la périphérie de la membrane (14) au sein desdites première et seconde couches sacrificielles (12, 17) jusqu’à atteindre le substrat (11) ;
• dépôt d’au moins une couche d’aveuglement sur la seconde couche sacrificielle (17) et dans les ouvertures (18), de sorte à former un écran d’occultation (19) et une structure porteuse (20) ; ladite au moins une couche d’aveuglement comportant au moins une couche métallique présentant une épaisseur supérieure à 150 nanomètres ;
• réalisation d’au moins deux évents de libération (32) dans l’écran d’occultation (19) en regard de ladite membrane (14), chaque évent de libération (32) présentant une taille inférieure à 3 micromètres de sorte que ledit écran d’occultation (19) présente un taux d’ouverture inférieur à 30%, le taux d’ouverture étant défini par la surface totale desdits au moins deux évents de libération (32) sur la surface totale dudit micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge (10) ; et retrait des première et seconde couches sacrificielles (12, 17) au moyen d’un fluide de gravure à travers les évents de libération (32) ainsi formés.
8. Procédé de fabrication d’un micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge selon la revendication 7, dans lequel la couche métallique entrant dans la constitution de l’écran d’occultation est réalisée en titane on en chrome, l’épaisseur de ladite couche métallique étant supérieure à 400 nanomètres et le taux d’ouverture est inférieur à 25%.
9. Procédé de fabrication d’un micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge selon la revendication 7, dans lequel la couche métallique entrant dans la constitution de l’écran d’occultation est réalisée en aluminium, en or, en argent, en cuivre, en platine, en molybdène ou en tungstène, l’épaisseur de la couche métallique étant supérieure à 150 nanomètres et le taux d’ouverture est inférieur à 25%.
10. Procédé de fabrication d’un micro-bolomètre aveugle d’imagerie infrarouge selon l’une des revendications 7 à 9, dans lequel l’étape de retrait des première et seconde couches sacrificielles (12, 17) est réalisée pendant une durée inférieure à 10 minutes.
PCT/FR2023/050505 2022-07-28 2023-04-07 Micro-bolometre d'imagerie infrarouge aveugle et procede de realisation Ceased WO2024023402A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2207795A FR3138517B1 (fr) 2022-07-28 2022-07-28 Micro-bolometre d’imagerie infrarouge aveugle et procede de realisation
FRFR2207795 2022-07-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024023402A1 true WO2024023402A1 (fr) 2024-02-01

Family

ID=84488234

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2023/050505 Ceased WO2024023402A1 (fr) 2022-07-28 2023-04-07 Micro-bolometre d'imagerie infrarouge aveugle et procede de realisation

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3138517B1 (fr)
WO (1) WO2024023402A1 (fr)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11108760A (ja) * 1997-10-07 1999-04-23 Nec Corp 熱型赤外線検出素子及びその製造方法
JP2011232157A (ja) 2010-04-27 2011-11-17 Mitsubishi Electric Corp 赤外線撮像装置
FR2966595A1 (fr) * 2010-10-26 2012-04-27 Commissariat Energie Atomique Dispositif de detection d'un rayonnement electromagnetique.
FR3045148A1 (fr) 2015-12-15 2017-06-16 Ulis Dispositif de detection a membranes bolometriques suspendues a fort rendement d'absorption et rapport signal sur bruit
EP3243052A1 (fr) 2015-01-08 2017-11-15 Flir Systems, Inc. Dispositifs et procédés pour pixels de référence infrarouges
FR3118663A1 (fr) * 2021-01-04 2022-07-08 Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives Procédé de fabrication d’un dispositif de détection comportant une structure d’encapsulation comportant une couche mince opaque reposant sur une paroi périphérique minérale

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11108760A (ja) * 1997-10-07 1999-04-23 Nec Corp 熱型赤外線検出素子及びその製造方法
JP2011232157A (ja) 2010-04-27 2011-11-17 Mitsubishi Electric Corp 赤外線撮像装置
FR2966595A1 (fr) * 2010-10-26 2012-04-27 Commissariat Energie Atomique Dispositif de detection d'un rayonnement electromagnetique.
EP2633279A1 (fr) 2010-10-26 2013-09-04 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives Dispositif de détection d'un rayonnement électromagnétique
EP3243052A1 (fr) 2015-01-08 2017-11-15 Flir Systems, Inc. Dispositifs et procédés pour pixels de référence infrarouges
FR3045148A1 (fr) 2015-12-15 2017-06-16 Ulis Dispositif de detection a membranes bolometriques suspendues a fort rendement d'absorption et rapport signal sur bruit
FR3118663A1 (fr) * 2021-01-04 2022-07-08 Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives Procédé de fabrication d’un dispositif de détection comportant une structure d’encapsulation comportant une couche mince opaque reposant sur une paroi périphérique minérale

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LEE JAE-WUNG ET AL: "Optimization of etch-hole design for the thin film packaging", 2013 IEEE 15TH ELECTRONICS PACKAGING TECHNOLOGY CONFERENCE (EPTC 2013), IEEE, 11 December 2013 (2013-12-11), pages 130 - 134, XP032569703, DOI: 10.1109/EPTC.2013.6745698 *

Also Published As

Publication number Publication date
FR3138517B1 (fr) 2025-03-14
FR3138517A1 (fr) 2024-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2786105B1 (fr) Detecteur infrarouge a base de micro-planches bolometriques suspendues
EP2335037B1 (fr) Detecteur de rayonnement electromagnetique a microencapsulation et dispositif pour la detection de rayonnement electromagnetique mettant en oeuvre de tels detecteurs
EP3239671B1 (fr) Dispositif de detection de rayonnement electromagnetique a structure d`encapsulation comportant au moins un filtre interferentiel
EP3067674B1 (fr) Dispositif de detection de rayonnement comportant une structure d'encapsulation a tenue mecanique amelioree
EP3182081B1 (fr) Dispositif de detection a membranes bolometriques suspendues a fort rendement d'absorption et rapport signal sur bruit
EP3196615B1 (fr) Procede de fabrication d'un detecteur de rayonnement electromagnetique a micro-encapsulation
EP3002570A1 (fr) Detecteur bolometrique a structures mim de dimensions differentes
EP2447688A1 (fr) Dispositif de détection d'un rayonnement électromagnétique
EP1637854B1 (fr) Dispositif de détection de rayonnements infrarouges à détecteurs bolométriques
FR3066321B1 (fr) Procede de realisation d'un detecteur bolometrique
FR2926635A1 (fr) Dispositif de spectroscopie en longueur d'onde a filtres integres
WO2021009421A1 (fr) Micro-bolomètre a faible capacité thermique et procédé de fabrication associé
EP2908109A1 (fr) Détecteur bolométrique à structure mim incluant un élément thermomètre
EP1399722B1 (fr) Microbolometre et son procede de fabrication
CA3046439C (fr) Detecteur de rayonnement electromagnetique et notamment de rayonnement infrarouge et procede pour sa realisation
WO2012164523A1 (fr) Detecteur spectroscopique et procede correspondant.
WO2024023402A1 (fr) Micro-bolometre d'imagerie infrarouge aveugle et procede de realisation
EP3067676A2 (fr) Dispositif de detection de rayonnement comportant une structure d'encapsulation a tenue mecanique amelioree
FR3125877A1 (fr) Procede de realisation d’un micro-bolometre d’imagerie infrarouge aveugle et micro-bolometre associe
FR3125876A1 (fr) Micro-bolometre aveugle d’imagerie infrarouge et procedes de realisation associes
EP3846209B1 (fr) Composant de détection incluant des pixels noirs et procédé de fabrication d'un tel composant
EP4662466A1 (fr) Detecteur infrarouge et procede de realisation associe

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23722614

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 23722614

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1