FOCALISATION

DOMAINE TECHNIQUE

[ooi] Le domaine de l’invention est celui des dispositifs de détection de rayonnement électromagnétique, en particulier infrarouge ou térahertz, comportant au moins un détecteur thermique encapsulé dans une cavité éventuellement hermétique. Celle-ci est formée notamment par une structure d’encapsulation comportant une portion de couche mince formant une structure optique convergente. L’invention s’applique en particulier au domaine de l’imagerie infrarouge ou térahertz, de la thermographie, voire de la détection de gaz.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

[002] Les dispositifs de détection de rayonnement électromagnétique, par exemple infrarouge ou térahertz, peuvent comprendre une matrice de détecteurs thermiques comportant chacun une membrane apte à absorber le rayonnement électromagnétique à détecter. Pour assurer l’isolation thermique des détecteurs thermiques vis-à-vis du substrat de lecture, les membranes absorbantes sont habituellement suspendues au-dessus du substrat par des piliers d’ancrage, et sont isolées thermiquement de celui-ci par des bras de maintien et d’isolation thermique. Ces piliers d’ancrage et bras d’isolation présentent également une fonction électrique en reliant électriquement les membranes absorbantes au circuit de lecture généralement disposé dans le substrat.

[003] Pour assurer un fonctionnement optimal des détecteurs thermiques, un faible niveau de pression peut être requis. Pour cela, les détecteurs thermiques sont généralement confinés, ou encapsulés, seuls ou à plusieurs, dans au moins une cavité hermétique sous vide ou à pression réduite. La cavité hermétique est définie par une structure d’encapsulation, également appelée capsule. Plus précisément, comme l’illustre le document de Dumont et al, Current progress on pixel level packaging for uncooled IRFPA, Proc. SPIE 8353, Infrared Technology and Applications XXXVIII, 83531I 2012, la structure d’encapsulation comporte une couche mince d’encapsulation qui définit, avec le substrat, la cavité hermétique. La couche mince d’encapsulation comporte au moins un évent de libération permettant l’évacuation, hors de la cavité, des couches sacrificielles utilisées lors du procédé de fabrication. Une couche mince de scellement recouvre au moins partiellement la couche d’encapsulation et assure l’herméticité de la cavité en obturant le ou les évents de libération. Les couches minces d’encapsulation et de scellement sont transparentes au rayonnement électromagnétique à détecter.

[004] La figure t illustre un exemple de dispositif de détection t tel que décrit dans le document WO2013/079855. Il comporte au moins un détecteur thermique 10, reposant sur un substrat de lecture 2, et encapsulé dans une cavité hermétique 3 définie par une structure d’encapsulation 20. Dans cet exemple, la couche de scellement 24 présente une fonction supplémentaire outre l’obturation de l’évent de libération 22, à savoir une fonction optique de focalisation du rayonnement électromagnétique à détecter sur la membrane absorbante 11. Pour cela, la couche de scellement 24 comporte une portion focalisatrice A30, laquelle est localement structurée de manière à former un réseau de motifs A30.1 de bas indice de réfraction au sein du matériau de haut indice de la couche de scellement 24. La taille des motifs A30.1 (échancrures) augmente latéralement à partir d’un axe optique associé à la portion focalisatrice A30 de manière à induire une diminution latérale de l’indice optique effectif, à partir de l’axe optique, conduisant ainsi le rayonnement électromagnétique à détecter à converger vers la membrane absorbante 11. Les motifs A30.1 sont agencés de manière périodique avec une période sub-longueur d’onde, c’est-à-dire inférieure à la longueur d’onde centrale Ac de la bande spectrale de détection, et présentent au moins une dimension latérale dans le plan XY également sub-longueur d’onde.

[005] Cependant, il existe un besoin de disposer d’un dispositif de détection similaire à celui décrit précédemment, comportant une couche de scellement présentant une fonction mécanique d’obturation de la cavité et une fonction optique de focalisation, qui présente des risques réduits de rupture d’étanchéité de la capsule et/ou une complexité diminuée de son procédé de fabrication. Il existe également un besoin de disposer d’un dispositif de détection dont le taux d’absorption de la membrane absorbante peut être augmenté. EXPOSÉ DE L’INVENTION

[006] L’invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l’art antérieur, et plus particulièrement de proposer un dispositif de détection, comportant au moins une portion focalisatrice, dont les risques de défauts d’herméticité de la cavité sont le cas échéant réduits et/ou pouvant être réalisé par un procédé de fabrication dont la complexité est diminuée. Une telle portion focalisatrice est également susceptible de permettre une augmentation du taux d’absorption du rayonnement électromagnétique à détecter par le détecteur thermique.

[007] Pour cela, l’objet de l’invention est un dispositif de détection d’un rayonnement électromagnétique, comportant un substrat de lecture ; une pluralité de détecteurs thermiques, comportant chacun une membrane absorbante isolée thermiquement du substrat de lecture ; une structure d’encapsulation définissant avec le substrat une cavité dans laquelle est située la pluralité de détecteurs thermiques, comportant : une couche mince d’encapsulation s’étendant au-dessus du détecteur thermique, et comportant au moins un orifice traversant dit évent de libération, et une couche mince de scellement recouvrant la couche d’encapsulation et obturant l’évent de libération, comportant une portion focalisatrice située en regard de la membrane absorbante et adaptée à focaliser le rayonnement électromagnétique à détecter en direction de la membrane absorbante suivant un axe optique, la couche mince de scellement étant réalisée en au moins un matériau distinct de celui de la couche mince d’encapsulation.

[008] Selon l’invention, la couche mince de scellement comporte une pluralité de portions focalisatrices, distinctes les unes des autres, chacune étant située en regard d’une membrane absorbante d’un détecteur thermique différent. De plus, chaque portion focalisatrice est structurée de manière à présenter une épaisseur locale qui diminue latéralement à mesure que l’on s’éloigne de l’axe optique.

[009] L’épaisseur est ici l’épaisseur physique du matériau formant la portion focalisatrice. Ainsi, l’épaisseur locale de la portion focalisatrice peut diminuer entre une valeur haute située au niveau de l’axe optique, et une valeur basse, de préférence nulle. La valeur haute correspond au sommet de la portion focalisatrice, et la valeur basse à l’extrémité périphérique de la portion focalisatrice. La portion focalisatrice peut ainsi présenter une surface inférieure, ou base, par laquelle elle repose sur la couche d’encapsulation et une surface supérieure dont la distance locale à la base définit l’épaisseur locale. La diminution latérale de l’épaisseur locale peut être continue ou non à partir de l’axe optique. Ainsi, dans le cas où la structure est dite tronquée, le sommet de la portion focalisatrice comporte un plateau où l’épaisseur locale est maximale et constante. L’épaisseur locale diminue alors à partir du plateau jusqu’à l’extrémité périphérique.

[ooio] Par ailleurs, la couche mince de scellement et la couche mince d’encapsulation présentent des coefficients de dilatation thermique différents. De préférence, la couche mince de scellement est réalisée en un matériau à base de germanium, et la couche mince d’encapsulation est réalisée en un matériau à base de silicium.

[ooii] Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce dispositif de détection sont les suivants.

[ooi2] Plusieurs détecteurs thermiques sont donc placés dans une même cavité, le dispositif de détection pouvant comporter plusieurs cavités différentes logeant chacune plusieurs détecteurs thermiques.

[ooi3] L’axe optique peut former en outre un axe de symétrie pour la portion focalisatrice.

[ooi4] L’axe optique peut être sensiblement orthogonal au plan du substrat de lecture. Il peut passer sensiblement au centre de la membrane absorbante.

[ooi5] La portion focalisatrice peut présenter une épaisseur locale maximale comprise entre o,4pm et 3pm.

[0016] La portion focalisatrice peut présenter un rapport entre un rayon de courbure moyen et une dimension latérale d’un pixel sensible associé à un détecteur thermique de préférence supérieur ou égal à 0,5, et de préférence compris entre 0,5 et 1,5. Le dispositif de détection peut comporter une pluralité de pixels sensibles comportant chacun un détecteur thermique, les pixels sensibles étant agencés périodiquement selon un pas p. La dimension latérale du pixel sensible peut alors être le pas p.

[0017] La portion focalisatrice peut présenter une étendue surfacique, dans un plan parallèle au plan du substrat de lecture, supérieure ou égale à celle de la membrane absorbante. [0018] L’évent de libération peut être obturé par la portion focalisatrice, et de préférence est situé en regard d’un sommet de la portion focalisatrice ayant une épaisseur locale maximale.

[ooi9] La couche mince d’encapsulation peut s’étendre au-dessus de la membrane absorbante à une distance comprise entre 0,5 et 3,5pm.

[0020] La portion focalisatrice peut présenter un sommet formé par un plateau au niveau duquel l’épaisseur locale est constante et maximale.

[0021] La couche mince de scellement peut être réalisée en un matériau à base de germanium.

[0022] L’invention porte également sur un procédé de fabrication d’un dispositif de détection selon l’une quelconque des caractéristiques précédentes, comportant les étapes suivantes :

i) réalisation de la membrane absorbante du détecteur thermique, à partir d’une première couche sacrificielle reposant sur le substrat de lecture ;

ii) réalisation de la couche d’encapsulation à partir d’une deuxième couche sacrificielle reposant sur la première couche sacrificielle, de manière à entourer la membrane absorbante ;

iii) gravure d’au moins un évent de libération au travers de la couche d’encapsulation, et suppression des première et deuxième couches sacrificielles ;

iv) réalisation d’au moins ladite portion focalisatrice d’une couche mince de scellement déposée sur la couche d’encapsulation et obturant l’évent de libération.

[0023] L’étape de réalisation de la portion focalisatrice peut comporter les sous- étapes suivantes :

a. dépôt d’une couche de résine photosensible sur la couche mince de scellement ; b. structuration de la couche de résine photosensible, de manière à former au moins un plot photosensible présentant une forme géométrique finale sensiblement identique à une forme géométrique prédéterminée de la portion focalisatrice ; c. gravure du plot photosensible et de la couche de scellement, de manière à former au moins la portion focalisatrice, laquelle présente la forme géométrique prédéterminée. [0024] La structuration de la couche de résine peut comporter une étape de fluage et/ou comporter une étape de lithographie à niveaux de gris.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

[0025] D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure t, déjà décrite, est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un exemple de dispositif de détection selon l’art antérieur, comportant une couche de scellement présentant une structure optique convergente ;

la figure 2 est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un dispositif de détection selon un mode de réalisation ;

les figures 3A à 3C sont des vues de dessus de différents exemples de pixels sensibles comportant chacun une portion focalisatrice, celle-ci étant de forme de cône pyramidal tronqué (fîg.3A), de cône de révolution tronqué (fig.3B), et de calotte sphérique (fig.3C) ;

la figure 4 est une vue en coupe, schématique et partielle d’une portion focalisatrice à forme de cône en marches d’escalier, présentant un rayon de courbure moyen ; la figure 5 est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un dispositif de détection selon un autre mode de réalisation, dans lequel plusieurs détecteurs thermiques sont situés dans la même cavité éventuellement hermétique ;

Les figures 6A à 6G illustrent différentes étapes d’un procédé de fabrication du dispositif de détection selon le mode de réalisation illustré sur la fig.2.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

[0026] Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent les éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l’échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres et peuvent être combinés entre eux. Sauf indication contraire, les termes « sensiblement », « environ », « de l’ordre de » signifient à 10% près. Par ailleurs, l’expression « comportant un » doit être comprise comme « comportant au moins un », sauf indication contraire.

[0027] L’invention porte notamment sur un dispositif de détection d’un rayonnement électromagnétique comportant au moins un détecteur thermique encapsulé dans une cavité éventuellement hermétique. Le détecteur thermique peut être adapté à détecter un rayonnement infrarouge ou térahertz. Il peut en particulier détecter un rayonnement infrarouge compris dans la bande de longueurs d’onde infrarouges longues (gamme LWIR) allant de 7pm à 14 pm environ.

[0028] Le détecteur thermique comporte une membrane absorbante située dans la cavité éventuellement hermétique, laquelle est définie par une structure d’encapsulation comportant une couche mince d’encapsulation à évent de libération, recouverte par une couche mince de scellement obturant l’évent de libération. Par couche mince, on entend une couche déposée par les techniques de dépôt de matériaux de la microélectronique, dont l’épaisseur est de préférence inférieure à îopm. Dans la suite de la description, on considère que la cavité est hermétique, mais la couche de scellement peut venir obturer le ou les évents sans nécessairement rendre hermétique la cavité. Dans ce cas, l’herméticité peut être assurée au niveau d’un boîtier ou par l’assemblage à une structure d’encapsulation globale réalisée au niveau d’un wafer.

[0029] Selon l’invention, la couche de scellement comporte une portion structurée formant une lentille réfractive convergente, permettant de focaliser le rayonnement électromagnétique incident en direction de la membrane absorbante. La portion de la couche de scellement est structurée de manière à présenter une épaisseur locale qui diminue latéralement à mesure que l’on s’éloigne de l’axe optique D.

[0030] La figure 2 est une vue schématique, en coupe transversale, d’un exemple de dispositif de détection 1 selon un mode de réalisation. Dans cet exemple, le détecteur thermique 10 comporte un transducteur thermométrique résistif 12 adapté à détecter un rayonnement infrarouge LWIR. Le dispositif de détection 1 comporte ici une matrice de détecteurs thermiques 10 formant des pixels sensibles, dont un seul pixel est représenté. La structure d’encapsulation 20 définit une pluralité de cavités hermétiques 3 encapsulant chacune un unique détecteur thermique 10 (configuration dite PLP, pour Pixel Level Packaging , en anglais).

[0031] On définit ici et pour la suite de la description un repère direct tridimensionnel (C,U,Z), où le plan XY est sensiblement parallèle au plan d’un substrat de lecture du dispositif de détection 1, l’axe Z étant orienté suivant une direction sensiblement orthogonale au plan du substrat de lecture. Par ailleurs, les termes « inférieur » et « supérieur » s’entendent comme étant relatifs à un positionnement croissant lorsqu’on s’éloigne du substrat de lecture suivant la direction +Z.

[0032] Le dispositif de détection 1 comporte un substrat de lecture 2, réalisé dans cet exemple à base de silicium, contenant un circuit électronique permettant la commande et la lecture du détecteur thermique 10. Le circuit de lecture se présente ici sous la forme d’un circuit intégré CMOS situé dans un substrat support. Il comporte des portions de lignes conductrices, par exemple métalliques, séparées les unes des autres par un matériau diélectrique, par exemple un matériau minéral à base de silicium tel qu’un oxyde de silicium SiOx, un nitrure de silicium SiN _x , ou leurs alliages. Il peut également comporter des éléments électroniques actifs (non représentés), par exemple des diodes, transistors, condensateurs, résistances..., connectés par des interconnexions électriques au détecteur thermique 10 d’une part, et à un plot de connexion (non représenté) d’autre part, ce dernier étant destiné à relier électriquement le système de détection à un dispositif électronique externe.

[0033] La face supérieure du substrat de lecture 2 peut être revêtue d’une couche de protection (non représentée) notamment lorsque des couches sacrificielles minérales sont utilisées lors de la réalisation de la membrane absorbante 11 et de la structure d’encapsulation 20, les couches sacrificielles minérales étant ensuite éliminées par attaque chimique en milieu acide. Elle peut recouvrir ou être recouverte par une couche réflectrice 14 disposée sous la membrane absorbante 11. Lorsqu’elle revêt la couche réflectrice 14, elle est réalisée en un matériau au moins partiellement transparent au rayonnement électromagnétique à détecter. La couche de protection présente une fonction d’arrêt de gravure, et est adaptée à assurer une protection du substrat de lecture et des couches diélectriques inter-métal réalisées en un matériau minéral vis-à-vis de l’attaque chimique mise en œuvre pour graver les couches sacrificielles minérales mentionnées précédemment. Cette couche de protection forme ainsi une couche hermétique et chimiquement inerte. Elle est électriquement isolante pour éviter tout court-circuit entre les portions de ligne métallique. Elle peut ainsi être réalisée en alumine Al ₂ 0 ₃ , voire en oxyde d’hafnium, entre autres. Elle peut présenter une épaisseur comprise entre quelques dizaines et quelques centaines de nanomètres, par exemple comprise entre tonm et soonm, de préférence comprise entre tonm et 30nm.

[0034] Le détecteur thermique to comporte une membrane absorbante n intégrant un transducteur thermométrique 12, par exemple un matériau thermistance tel que du silicium amorphe ou un oxyde de vanadium, thermiquement isolée du substrat de lecture 2. Pour cela, la membrane absorbante 11 est suspendue au-dessus du substrat de lecture par des piliers d’ancrage 13 et des bras d’isolation thermique (non représentés). Les piliers d’ancrage 13 sont électriquement conducteurs, et traversent localement la couche de protection pour assurer un contact électrique avec le circuit de lecture. La membrane absorbante 11 est espacée du substrat de lecture 2, et en particulier de la couche réflectrice 14, d’une distance non nulle. Cette distance est de préférence ajustée de manière à former une cavité interférentielle quart d’onde optimisant l’absorption du rayonnement électromagnétique à détecter par la membrane suspendue 11. La membrane absorbante 11 est espacée du substrat de lecture 2, et plus précisément du réflecteur 14, d’une distance typiquement comprise entre îpm et 5pm, de préférence 2pm, lorsque le détecteur thermique 10 est conçu pour la détection d’un rayonnement infrarouge compris dans le LWIR.

[0035] Le dispositif de détection 1 comporte une structure d’encapsulation 20, ou capsule, qui définit, avec le substrat de lecture 2, une cavité hermétique 3 à l’intérieur de laquelle se trouve le détecteur thermique 10.

[0036] La structure d’encapsulation 20 comporte une couche mince d’encapsulation 21 formée d’une paroi supérieure 21.1 sensiblement plane qui s’étend au-dessus du détecteur thermique 10, à une distance non nulle de la membrane suspendue, par exemple comprise entre 0,5pm et 5pm, de préférence comprise entre 0,5pm et 3,5pm, de préférence égale à 1,5pm. Elle comporte en outre, dans cet exemple, une paroi latérale 21.2, éventuellement périphérique de manière à entourer le détecteur thermique 10 dans le plan (X,Y), qui s’étend continûment à partir de la paroi supérieure 21.1 et vient reposer localement sur le substrat de lecture 2. La couche mince d’encapsulation 21 s’étend donc dans cet exemple de manière continue au- dessus et autour du détecteur thermique to de manière à définir la cavité 3 avec le substrat de lecture 2. A titre d’exemple, la couche d’encapsulation 21 peut être réalisée en silicium amorphe et présenter une épaisseur comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques microns, par exemple égale à o,8pm environ.

[0037] La couche d’encapsulation 21 peut être revêtue d’une couche mince d’arrêt de gravure 23. Cette couche est avantageuse lorsque le matériau d’encapsulation est identique à celui de la couche de scellement 24. Elle peut cependant être omise lorsque les matériaux d’encapsulation et de scellement sont différents. Cette couche d’arrêt de gravure 23 peut s’étendre continûment sur la couche d’encapsulation 21, hormis au niveau de l’évent de libération 22, et être recouverte par la couche antireflet 25 et par la couche de scellement 24. Cette couche d’arrêt de gravure 23 est alors transparente au rayonnement électromagnétique. En variante, elle peut s’étendre essentiellement entre deux portions focalisatrices 30 adjacentes et non pas en regard des membranes absorbantes, et ainsi être recouverte principalement par la couche antireflet 25. Cette couche d’arrêt de gravure 23 peut présenter une épaisseur comprise entre tonm et toonm, par exemple égale à 2onm environ. Elle peut être réalisée en un oxyde ou nitrure de silicium dans le cas où les couches sacrificielles décrites plus loin sont de nature organique, ou en AIN, AI ₂ O ₃ , Hf0 ₂ , entre autres, dans le cas où les couches sacrificielles sont minérales (par ex. en S1O ₂ ).

[0038] La couche mince d’encapsulation 21 comportant au moins un orifice traversant formant un évent de libération 22, la structure d’encapsulation 20 comporte au moins une couche de scellement 24, recouvrant au moins partiellement la couche mince d’encapsulation 21 de manière à obturer l’évent de libération 22, assurant ainsi l’herméticité de la cavité 3. La couche de scellement 24 est réalisée en au moins un matériau transparent au rayonnement électromagnétique à détecter. A titre d’exemple, la couche de scellement 24 peut être réalisée en germanium ou en silicium amorphe, voire en alliage de silicium et de germanium. Le matériau de scellement peut être identique au matériau d’encapsulation, mais il est de préférence distinct de ce dernier. Ainsi, la couche d’encapsulation 21 est de préférence, réalisée en silicium amorphe et la couche de scellement 24 en germanium. Le matériau de scellement présente de préférence un indice optique élevé à la longueur d’onde centrale de la bande spectrale de détection, par exemple un indice optique de 4 à la longueur d’onde de topm, comme c’est le cas du germanium. Par indice optique, on entend ici l’indice de réfraction du matériau. Comme détaillé plus loin, elle présente une épaisseur locale qui varie dans le plan XY entre une valeur haute et une valeur basse, de préférence nulle. La valeur haute peut être comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques microns. Elle est avantageusement supérieure ou égale à o,4pm, dans la mesure où la portion focalisatrice présente alors un effet optique de convergence du rayonnement incident, et permet d’obturer l’évent de libération. Elle peut être supérieure ou égale à i,ΐmhi, et de préférence est égale à i,6pm. Elle peut être inférieure ou égale à 3pm. Elle peut ainsi être comprise entre o,4pm et 3pm.

[0039] La couche de scellement 24 peut être recouverte par une couche antireflet 25, par exemple une couche réalisée en ZnS. La couche antireflet 25 peut ainsi présenter une épaisseur comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques microns, par exemple égale à i,2pm environ dans le cadre de la détection du rayonnement LWIR. La couche antireflet 25 peut présenter une épaisseur sensiblement constante, et recouvrir continûment la couche d’encapsulation 21 définissant les différentes cavités hermétiques 3 des détecteurs thermiques 10.

[0040] La couche de scellement 24 comporte une portion focalisatrice 30 ayant une fonction optique de focalisation du rayonnement électromagnétique incident en direction de la membrane absorbante 11. La portion focalisatrice 30 forme une lentille réfractive convergente par sa structuration telle que son épaisseur locale diminue latéralement, ici dans un plan parallèle au plan du substrat, à partir d’un axe optique D. Elle se distingue ainsi des réseaux à structuration sub-longueur d’onde comme dans l’exemple de l’art antérieur mentionné précédemment.

[0041] La portion focalisatrice 30 est positionnée en regard de la membrane absorbante 11. De préférence, elle présente un axe optique D sensiblement parallèle à l’axe Z, et positionné de préférence sensiblement au centre de la membrane absorbante 11. L’axe optique D peut être décalé vis-à-vis du centre de la membrane, et/ou peut être orienté de manière inclinée vis-à-vis de l’axe Z, notamment pour les pixels sensibles situés en bord de la matrice et pour un dispositif de détection 1 à grand champ de vue. De préférence, elle présente une étendue surfacique dans le plan XY au moins égale à celle de la membrane absorbante 11. Son étendue surfacique peut être comprise entre celle de la membrane absorbante 11 et celle du pixel sensible Px. [0042] La portion focalisatrice 30 forme ainsi une structuration locale de la couche de scellement 24, dans le sens où elle présente une diminution latérale de son épaisseur locale, c’est-à-dire de sa dimension suivant l’axe Z, à mesure que l’on s’éloigne de l’axe optique D. Autrement dit, l’épaisseur locale diminue à mesure que l’on s’éloigne de l’axe optique D dans le plan XY, entre une valeur haute au niveau de l’axe optique D et une valeur basse, de préférence nulle. La portion focalisatrice 30 présente une continuité de matière. L’épaisseur locale diminue continûment entre une valeur haute à son sommet 33 (au niveau de l’axe optique D) et une valeur basse, de préférence nulle, à son extrémité périphérique 34. L’axe optique D peut également former un axe de symétrie de la portion focalisatrice 30. Il peut s’agir d’un axe de révolution lorsque la portion focalisatrice 30 présente une forme de dôme ou de calotte, d’un axe de symétrie de rotation d’ordre n lorsque la portion focalisatrice 30 présente une forme de polyèdre. Par symétrie de rotation d’ordre n, on entend une symétrie autour de l’axe optique D d’un angle égal à 36o°/n. Ainsi, dans le cas où la portion focalisatrice 30 présente une forme pyramidale, la symétrie de rotation est d’ordre 2 lorsque sa base 31 de la pyramide est rectangulaire, d’ordre 3 lorsqu’elle est triangulaire, et d’ordre 4 lorsqu’elle est carrée.

[0043] Elle comporte une base 31 qui repose sur la paroi supérieure 21.1 de la couche d’encapsulation 21 (ici via la couche d’arrêt 23) et obture avantageusement l’évent de libération 22, et une surface supérieure 32 qui s’étend suivant l’axe Z et définit l’épaisseur locale. La surface supérieure 32 présente un sommet 33 formé par une extrémité pointue ou un plateau. Au sommet 33, l’épaisseur locale de la portion focalisatrice 30 est maximale, et peut être comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques microns, par exemple comprise entre o,4pm et 3pm environ, de préférence de l’ordre de i,6pm. La zone de la surface supérieure 32 reliant l’extrémité périphérique 34 de la base 31 au sommet 33 peut être formée d’une surface courbe dans le cas d’une portion focalisatrice 30 de forme conique de révolution, ou de plusieurs surfaces planes dans le cas d’une portion focalisatrice 30 de forme conique pyramidale. La surface supérieure 32 peut former, vis-à-vis de la base 31, un angle d’inclinaison a défini à partir de l’extrémité périphérique 34. De préférence, l’angle d’inclinaison a est compris entre 20° et 30°, permettant ainsi d’optimiser le taux d’absorption du rayonnement électromagnétique à détecter par la membrane absorbante 11. [0044] D’une manière générale, la portion focalisatrice 30 peut présenter une forme ellipsoïdale et/ou une forme de polyèdre. Elle peut ainsi présenter une forme de calotte ellipsoïdale à base 31 circulaire (calotte sphérique) ou ovale, éventuellement tronquée. Elle peut présenter une forme de cône de révolution ou un cône pyramidal, éventuellement tronqué. Ainsi, la surface supérieure 32 peut être courbe dans un plan passant par l’axe Z (calotte), être courbe dans un plan XY (cône de révolution) ou présenter plusieurs côtés plans (cône pyramidal). Le sommet 33 est dit tronqué lorsqu’il est formé par un plateau et non par une extrémité pointue ou sphérique.

[0045] La fig.2 illustre un exemple de couche de scellement 24 dont la portion focalisatrice 30 présente une forme de cône tronqué. La base 31 de la portion focalisatrice 30 repose sur la couche d’encapsulation 21 et obture ici l’évent de libération 22. A ce titre, il est avantageux que l’évent de libération 22 soit situé au droit, c’est-à-dire en regard du sommet 33 de la portion focalisatrice 30 suivant l’axe Z, dans la mesure où l’épaisseur locale de celle-ci y est maximale, ce qui réduit les risques de défaut d’obturation de l’évent de libération 22. La surface supérieure 32 s’étend de manière sensiblement conique autour de l’axe optique D, aux incertitudes technologiques près. Notons à cet égard que les géométries représentées ici sont schématiques : une surface peut ainsi présenter dans la réalité une variation locale de forme liée aux incertitudes technologiques. De même, une arête ne présente généralement un angle marqué mais plutôt une forme légèrement arrondie.

[0046] Par ailleurs, la portion focalisatrice 30 présente ici une étendue surfacique, dans le plan XY, sensiblement égale, voire légèrement inférieure à la surface p ² des pixels sensibles (p étant le pas des pixels sensibles), de sorte qu’elle est distincte de la portion focalisatrice 30 du pixel sensible voisin, comme il sera détaillé plus loin en référence à la fîg.5. Ainsi, la couche de scellement 24 peut être formée de plusieurs portions focalisatrices 30 distinctes les unes des autres. En variante (non représentée), les portions focalisatrices 30 peuvent être reliées les unes aux autres par une couche mince de liaison, qui s’étend entre les pixels sensibles, et présentent de préférence une épaisseur locale sensiblement constante. Enfin, la couche antireflet 25 revêt ici continûment la portion focalisatrice 30 de la couche de scellement 24. Elle peut revêtir continûment les différentes portions focalisatrices 30 de la couche de scellement 24, ou être formée de plusieurs portions antireflet distinctes les unes des autres, à raison d’une portion antireflet par pixel sensible.

[0047] Les figures 3A à 3C sont des vues de dessus, schématiques et partielles, de différents exemples de pixels sensibles Px comportant chacun une portion focalisatrice 30. Dans ces exemples, les pixels sensibles Px sont répartis en matrice au pas p. Les portions focalisatrices 30 présentent ici une étendue surfacique inférieure à celle p ² des pixels sensibles notés Px, de sorte qu’elles sont distinctes les unes des autres. La fig.sA illustre des portions focalisatrices 30 pyramidales tronquées à base 31 carrée. La fîg.3B illustre des portions focalisatrices 30 coniques de révolution à base 31 circulaire. Et la fig.3C illustre des portions focalisatrices 30 à forme de calotte sphérique. Ces formes géométriques sont données ici à titre illustratif, et d’autres formes sont possibles.

[0048] A ce titre, la figure 4 est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un autre exemple de portion focalisatrice 30, par exemple réalisée par lithographie en niveaux de gris. La figure est bien entendu schématique : les marches sont ici représentées à angles droits, alors que, dans les faits, elles sont plutôt localement arrondies. Par souci de clarté, la partie obturant l’évent de libération 22 n’est pas représentée. La portion focalisatrice 30 présente une forme de cône de révolution ou de cône pyramidal, dont la surface supérieure est formée d’une pluralité de marches d’escalier 35. Les marches 35 peuvent ainsi être circulaires (cône de révolution) ou polygonales (cône pyramidal). La hauteur de chaque marche, suivant l’axe Z, est très inférieure à la longueur d’onde centrale de la bande spectrale de détection. A titre d’exemple, elle peut être comprise entre 2onm et toonm environ, ce qui est très inférieur à la longueur d’onde centrale Ac de 10 pm dans le cas de la bande spectrale de détection LWIR. Ainsi, la variation latérale d’épaisseur locale de la portion focalisatrice 30 est optiquement continue vis-à-vis du rayonnement électromagnétique à détecter.

[0049] Par ailleurs, les inventeurs ont constaté que le taux d’absorption du rayonnement électromagnétique à détecter dépend d’un rayon de courbure moyen associé à la portion focalisatrice 30. Le rayon de courbure moyen peut être défini comme étant le rayon d’une calotte sphérique minimisant la distance locale avec la surface supérieure 32, comme l’illustre la fîg.4. Ainsi, à titre illustratif, on considère une membrane absorbante 11 d’une surface όmhicόmhi, positionnée à 2pm du réflecteur 14, et distante de i,5mhi de la paroi supérieure 21.1 d’encapsulation. Cette dernière est réalisée en silicium amorphe d’une épaisseur de o,8pm, la portion focalisatrice 30 est de type calotte sphérique à étendue surfacique I2pmxi2pm et réalisée en germanium, et la couche antireflet 25 est du ZnS d’une épaisseur de i,2pm. En l’absence de la portion focalisatrice 30 de la couche de scellement 24, le taux d’absorption est de l’ordre de 18%. Or, les inventeurs ont constaté qu’il augmente avec le rayon de courbure. Il est supérieur à la valeur de référence à partir d’un rayon de courbure de 8pm environ, et atteint 35,5% lorsque le rayon de courbure est égal à i2pm environ. Cela correspond à une épaisseur locale maximale de germanium égale à i,όmhi environ, ce qui permet en outre d’assurer une obturation efficace de l’évent de libération 22. Ainsi, le rayon de courbure moyen r est avantageusement compris entre 8pm et 16 pm dans le cas d’un pas des pixels sensibles de l’ordre de I2pm environ. D’une manière générale, un ratio r/p entre le rayon de courbure moyen r et le pas p des pixels sensibles est de préférence supérieur ou égal à 0,5, et de préférence compris entre 0,5 et 1,5.

[0050] La figure 5 est une vue en coupe, schématique et partielle, d’un exemple de dispositif de détection 1 qui diffère essentiellement de celui illustré sur la fig.2 en ce que la structure d’encapsulation 20 définit une même cavité hermétique 3 dans laquelle sont situés plusieurs détecteurs thermiques 10. Un exemple d’une telle configuration est décrit notamment dans le document EP3067674.

[0051] Dans cet exemple, la couche de scellement 24 est formée de plusieurs portions focalisatrices 30 distinctes les unes des autres, c’est-à-dire disjointes. En variante (non représentée), comme mentionné précédemment, les portions focalisatrices 30 peuvent être jointes, c’est-à-dire être physiquement reliées deux à deux par une zone de liaison réalisée en le même matériau de scellement. L’épaisseur locale de la couche de scellement 24 est alors maximale au niveau des sommets 33 des portions focalisatrices 30 et minimale au niveau des zones de liaison. Une même couche antireflet 25 revêt ici de manière continue les différentes portions focalisatrices 30.

[0052] Les inventeurs ont constaté que le fait que les portions focalisatrices 30 soient distinctes est avantageux pour la tenue mécanique de la structure d’encapsulation 20, notamment lorsque le matériau de scellement (par ex. à base de germanium) est différent de celui d’encapsulation (par ex. à base de silicium), et notamment lorsque la structure d’encapsulation 20 présente une configuration à plusieurs détecteurs dans une même cavité. En effet, lors du procédé de fabrication, la structure d’encapsulation 20 peut être soumise à une ou plusieurs montées en température. Or, elle peut alors subir des contraintes mécaniques susceptibles de fragiliser sa tenue mécanique du fait de la différence de coefficients de dilatation thermique entre les matériaux de scellement et d’encapsulation. Les inventeurs ont ainsi constaté que, lorsque les portions focalisatrices 30 sont distinctes, la tenue mécanique de la structure d’encapsulation 20 est améliorée, et donc l’herméticité de la cavité 3 est préservée.

[0053] Par ailleurs, il est avantageux que la couche de scellement 24 soit réalisée en un matériau à base de germanium, par exemple en germanium dont l’indice optique est de 4 à la longueur d’onde de iopm environ. En effet, la portion focalisatrice 30 forme une lentille réfractive convergente dont la distance focale est diminuée par rapport à celle de l’exemple de l’art antérieur mentionné précédemment. Ainsi, la partie supérieure 21.1 de la couche d’encapsulation 21 peut être placée à une distance faible vis-à-vis de la membrane absorbante 11, par exemple une distance comprise entre quelques centaines de nanomètres et quelques microns, par exemple comprise entre 0,5pm et 5pm, de préférence comprise entre 0,5pm et 2pm, par exemple égale à 1,5pm environ. Ainsi, la distance totale séparant la partie supérieure 21.1 de la couche d’encapsulation 21 vis-à-vis du substrat de lecture 2 est réduite, ce qui améliore la tenue mécanique de la structure d’encapsulation 20 d’une part, et réduit le temps nécessaire à l’évacuation de couches sacrificielles au travers de l’évent de libération 22 d’autre part. La couche de scellement 24 peut également être réalisée en le même matériau que la couche d’encapsulation 21, par exemple en silicium amorphe. Dans ce cas, la valeur haute de l’épaisseur locale de la portion focalisatrice 30 est de préférence de l’ordre de 9pm.

[0054] Ainsi, le dispositif de détection 1 comporte une couche de scellement 24 qui présente une fonction mécanique d’obturation de l’évent de libération 22 et une fonction optique de focalisation du rayonnement électromagnétique à détection en direction de la membrane absorbante 11. A la différence de l’exemple de l’art antérieur décrit précédemment, la portion focalisatrice 30 de la couche de scellement 24 forme une lentille convergente réfractive par sa structuration dans laquelle elle présente une épaisseur locale qui diminue latéralement à mesure que l’on s’éloigne son axe optique, ce qui permet de diminuer la complexité du procédé de fabrication. En effet, elle n’est donc pas formée d’une pluralité de motifs de dimensions sub-longueur d’onde dont la réalisation peut rendre particulièrement complexe le procédé de fabrication. De plus, les risques de rupture d’herméticité de la cavité 3 sont réduits dans la mesure où la portion focalisatrice 30 ne comporte pas de motifs susceptibles d’être traversants comme dans l’exemple de l’art antérieur. De plus, le taux d’absorption de la membrane absorbante 11 peut être amélioré lorsque la portion focalisatrice 30 présente un rayon de courbure moyen satisfaisant. Enfin, la distance entre la membrane absorbante et la couche d’encapsulation est réduite, notamment par rapport à l’exemple de l’art antérieur mentionné précédemment, ce qui permet d’améliorer la tenue mécanique de la structure d’encapsulation.

[0055] Les figures 6A à 6G illustrent différentes étapes d’un procédé de fabrication du dispositif de détection t représenté sur la fig.2.

[0056] En référence à la fig.6A, on réalise, sur un substrat fonctionnalisé 2 contenant un circuit de lecture (non représenté), une matrice de détecteurs thermiques io, connectés chacun au circuit de lecture CMOS. Les détecteurs thermiques to sont ici des microbolomètres comportant chacun une membrane n apte à absorber le rayonnement électromagnétique à détecter, suspendue au-dessus du substrat de lecture 2 et isolée thermiquement de celui-ci par des piliers d’ancrage 13 et des bras de maintien et d’isolation thermique (non représentés). L’obtention de membranes absorbantes 11 est classiquement obtenue par des techniques de micro-usinage de surface consistant à réaliser les membranes absorbantes 11 sur une première couche sacrificielle 41 qui est éliminée en fin de procédé. Chaque membrane absorbante 11 comporte en outre un transducteur thermométrique 12, par exemple un matériau thermistance relié au circuit de lecture CMOS par des connexions électriques prévues dans les piliers d’ancrage 13. Par ailleurs, une couche réflectrice 14 repose sur la surface supérieure du substrat de lecture 2, située en regard de la membrane absorbante 11. Des portions d’accroche (non représentées) peuvent également reposer sur la surface supérieure du substrat de lecture 2, par exemple des portions d’accroche sur lesquelles la paroi latérale 21.2 de la couche mince d’encapsulation 21 est destinée à reposer, et des portions d’accroche sur lesquels reposent les piliers d’ancrage 13.

[0057] En référence à la fig.6B, on réalise la couche mince d’encapsulation 21 de la structure d’encapsulation 20. Pour cela, on dépose une deuxième couche sacrificielle 42, préférentiellement de même nature que la première couche sacrificielle 41, par exemple en polyimide ou en un oxyde de silicium. La couche sacrificielle 42 recouvre la couche sacrificielle 41 ainsi que la membrane absorbante 11 et les piliers d’ancrage 13. Par des techniques classiques de photolithographie, on grave ensuite localement les couches sacrificielles 41, 42 jusqu’à la surface du substrat de lecture 2 (ou jusqu’aux portions d’accroche mentionnées précédemment). Les zones gravées peuvent prendre la forme de tranchées de périmètre continu et fermé entourant un ou plusieurs détecteurs thermiques 10, ou peuvent prendre la forme d’échancrures localisées entre les détecteurs thermiques 10. On procède ensuite au dépôt conforme de la couche mince d’encapsulation 21, ici de silicium amorphe, qui recouvre à la fois la surface supérieure de la couche sacrificielle 42 et les flancs des tranchées, par exemple par un dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour Chemical Vapor Déposition, en anglais). La couche mince d’encapsulation 21 comprend une partie supérieure 21.1 qui s’étend au-dessus et à distance de la membrane absorbante 11, et une partie latérale 21.2 qui entoure dans le plan XY de manière continue un ou plusieurs détecteurs thermiques 10.

[0058] On dépose ensuite une couche mince d’arrêt de gravure 23 sur la face supérieure de la couche mince d’encapsulation 21. La couche d’arrêt 23 peut ainsi être une couche de HfO _a , d’AlN ou d’Al ₂ 0 ₃ dans le cas de couches sacrificielles minérales, d’une épaisseur par exemple inférieure ou égale à 2onm environ de manière à limiter son impact sur la transmission du rayonnement électromagnétique à détecter. Dans cet exemple, la couche d’arrêt 23 s’étend sur toute la face supérieure de la couche d’encapsulation 21, mais, en variante, elle peut être gravée localement pour ne garder que des portions situées au niveau des parties latérales 21.2 de la couche d’encapsulation 21.

[0059] On réalise ensuite une gravure localisée de la couche d’encapsulation 21 et ici de la couche d’arrêt 23, de manière à réaliser des orifices traversants formant les évents de libération 22. Chaque évent de libération 22 est ici avantageusement positionné en regard du centre d’une membrane absorbante 11, c’est-à-dire dans une zone dans laquelle la portion focalisatrice 30 est destinée à présenter une épaisseur locale maximale. La membrane absorbante 11 peut alors être structurée de manière à présenter un orifice traversant (non représenté) situé en regard de l’évent de libération 22, comme décrit dans le document EP3067675.

[0060] En référence à la fig.6C, on réalise l’élimination des différentes couches sacrificielles 41, 42, par exemple par gravure sèche sous plasma d’oxygène avec apport éventuel de N2 et de CF4 dans le cas de couches sacrificielles organiques, ou par gravure humide en HF vapeur dans le cas de couches sacrificielles minérales, à travers les différents d’évents de libération 22, de manière à mettre en suspension la membrane absorbante 11 de chaque détecteur thermique 10. On réalise la mise sous vide ou sous pression réduite du dispositif de détection 1.

[0061] On dépose ensuite la couche mince de scellement 24 sur la couche d’encapsulation 21, de manière à obturer l’évent de libération 22. La cavité 3 est alors sous vide ou sous pression réduite, et est rendue hermétique par la couche de scellement 24. La couche de scellement 24 est réalisée en un matériau à haut indice optique, par exemple du germanium. Son épaisseur est ici ajustée de manière à être au moins égale à l’épaisseur locale maximale de la portion focalisatrice 30, par exemple ici i,όmhi environ.

[0062] En référence à la fig.6D, on dépose une couche de résine photosensible destinée à définir ultérieurement, par photolithographie et gravure, la forme géométrique désirée des portions focalisatrices 30 de la couche de scellement 24. La forme géométrique désirée est la forme ellipsoïdale et/ou polyédrique mentionnée précédemment. La résine photosensible est un matériau dont la solubilité à un solvant développeur varie sous l’effet d’un rayonnement d’insolation qui lui est appliqué, ici dans le cadre d’une étape de photolithographie. La résine photosensible est ici une résine positive. Elle est déposée de manière à recouvrir continûment la couche de scellement 24, et présente une épaisseur ajustée en fonction de l’épaisseur locale maximale désirée des portions focalisatrices 30. La résine photosensible est ensuite insolée et développée de manière à former des plots photosensibles 43 distincts, positionnés dans les zones où les portions focalisatrices 30 sont destinées à être situées. Les plots photosensibles 43 présentent des dimensions initiales préalablement ajustées de manière à obtenir ensuite une forme géométrique finale correspondant à la forme géométrique voulue des portions focalisatrices 30. [0063] En référence à la fîg.6E, on réalise ensuite le fluage des plots photosensibles 43, de manière à ce qu’ils présentent la forme géométrique finale voulue. Ainsi, les flancs des plots photosensibles 43 s’inclinent suivant l’angle d’inclinaison voulu. L’angle d’inclinaison peut ainsi être obtenu en ajustant les conditions de fluage, notamment la température et la durée de recuit. Les plots photosensibles 43 peuvent présenter alors une forme géométrique finale (épaisseur locale, angle d’inclinaison, plateau, etc...) sensiblement identique à la forme géométrique voulue des portions focalisatrices 30, en fonction de la sélectivité de la gravure. Les conditions de fluage pour obtenir la forme géométrique finale désirée sont connues de l’homme du métier, et peuvent correspondre au procédé décrit dans le document WO2015/107202 dans le cas où les plots photosensibles 43 sont reliés les uns aux autres par une couche de faible épaisseur. En variante, la forme géométrique finale des plots photosensibles 43 peut être obtenue au moyen d’un masque à niveaux de gris, selon des techniques de la microélectronique connues de l’homme du métier. D’autres techniques classiques de la microélectronique peuvent être utilisées, comme la lithographie par nano-impression, par ex. décrite dans le document US5772905.

[0064] En référence à la fig.6F, la couche de scellement 24 est gravée, et reproduit ainsi la forme géométrique finale des plots photosensibles, de sorte que l’on obtient alors des portions focalisatrices 30 d’une forme géométrique sensiblement identique. La couche d’arrêt de gravure 23 est avantageuse lorsque les matériaux de scellement et d’encapsulation sont identiques, par exemple du silicium amorphe. Elle peut être omise lorsque la couche d’encapsulation 21 est réalisée en silicium amorphe et la couche de scellement 24 en germanium. Dans cet exemple, les portions focalisatrices 30 sont avantageusement distinctes les unes des autres, permettant ainsi d’améliorer la tenue mécanique de la structure d’encapsulation 20.

[0065] En référence à la fîg.6G, on peut ensuite déposer une couche antireflet 25, par exemple réalisée en ZnS ou en carbone amorphe, et présentant une épaisseur par exemple égale à i,2pm environ dans le cas du ZnS. On obtient ainsi un dispositif de détection 1 comportant des portions 30 de couche mince assurant le scellement des évents de libération 22 d’une part, et la focalisation du rayonnement électromagnétique à détecter en direction de la membrane absorbante 11 d’autre part. Les portions focalisatrices 30 forment des lentilles convergentes réfractives. [0066] Ainsi, comme mentionné précédemment, le procédé de fabrication de la portion focalisatrice 30 est simplifié par rapport à celui de l’exemple de l’art antérieur mentionné précédemment dans la mesure où la portion focalisatrice 30 relève de l’optique réfractive et non pas de l’optique des réseaux. En effet, la forme géométrique des portions focalisatrices 30 peut être définie simplement par les techniques classiques de la microélectronique, telles que le fluage, la lithographie à niveaux de gris, la lithographie par nano-impression, voire la gravure anisotrope de la couche de scellement 24. Il n’est pas nécessaire de réaliser des motifs réguliers dont les dimensions sont sub-longueur d’onde.

[0067] Des modes de réalisation particuliers viennent d’être décrits. Différentes variantes et modifications apparaîtront à l’homme du métier.