TET, BOTTTER HERMETIQUE ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE

DOMAINE TECHNIQUE

L’invention concerne un boîtier hermétique configuré pour former une enceinte au sein de laquelle règne une pression prédéterminée et destinée à recevoir un composant, dont le fonctionnement nécessite une faible pression ou le vide. L’invention concerne également un composant de type bolomètre d’imagerie encapsulé dans un tel boîtier hermétique. Elle concerne enfin un procédé de réalisation d’un tel boîtier hermétique.

Au sens de l’invention, un composant de type bolomètre d’imagerie correspond à un composant comportant une membrane montée en suspension sur un substrat. De préférence, le substrat est recouvert d’un réflecteur et les parois et/ou la partie supérieure de l’enceinte supportent le matériau getter.

ART ANTERIEUR

Afin de former un boîtier sous vide ou sous pression réduite, il est connu d’utiliser un pompage de l’air dans une enceinte, suivi par le scellement des parois constitutives du boîtier, notamment par soudure métallique. Cependant, réaliser une soudure métallique engendre un échauffement de l’enceinte, entraînant la désorption des molécules de gaz piégées sur ses parois. Lorsque le boîtier est scellé, les gaz dans le boîtier ne peuvent plus être évacués par le système de pompage, de sorte qu’un dispositif spécifique d’absorption doit être positionné au sein du boîtier pour éliminer les gaz résultants de la désorption des parois et présents au sein dudit boîtier. Ce dispositif d’absorption est appelé « getter ».

Un getter se présente sous la forme d’une couche métallique déposée sur l’une des parois du boîtier. Le getter est initialement passivé. Cette passivation est réalisée par son oxyde natif s’il a été exposé à l’air ambiant ou par une couche de métal noble recouvrant le getter. Il est donc nécessaire d’activer le getter de sorte à provoquer une dissolution de l’oxyde natif ou de la couche de métal noble dans le volume de la couche métallique, rendant alors le getter réactif. Cette activation est classiquement réalisée par chauffage du getter. Suite à ce chauffage, les atomes de la couche de passivation ont diffusé dans la couche métallique du getter et la surface de la couche métallique est apte à capter les gaz présents dans le boîtier, abaissant ainsi la pression en son sein. Le getter est alors dit « activé ».

Le niveau de vide atteint dans une enceinte est contrôlé par la quantité de molécules gazeuses absorbées par le getter. Cette quantité dépend des conditions d’activation et des propriétés du getter, c’est-à-dire de sa nature chimique, de sa microstructure et de l’étendue de sa surface au contact des gaz de l’enceinte.

En ce qui concerne les conditions d’activation du getter, il est recherché une diffusion des atomes de la couche de passivation dans le volume du getter. Pour faciliter cette diffusion, le getter doit présenter une haute densité de joints de grains, car la diffusion est plus rapide à travers les joints de grains que dans l’intérieur des grains. En outre, au cours de l’activation, la quantité de gaz désorbée est proportionnelle à la température de recuit. Ainsi, avec une haute densité de joints de grains, il est possible de limiter la température d’activation du getter et ainsi de limiter la désorption des molécules de gaz dans l’enceinte pour obtenir une pression très faible.

Cependant, la taille des grains en surface d’un getter augmente lorsque l’épaisseur du getter augmente. Dans le même temps, il est également connu qu’un getter insuffisamment épais ne peut pas régénérer le caractère métallique de sa surface, car les atomes d’impuretés constituant la couche de passivation ne peuvent pas diffuser complètement à l’intérieur du getter.

En effet, comme décrit dans le document US 7,998,319, avec des épaisseurs faibles, les propriétés de sorption des gaz sont excessivement réduites du fait que des dépôts fins tendent à reproduire la morphologie de la surface sur laquelle ils croissent, ce qui aboutit à une surface trop lisse et compacte pour avoir de bonnes caractéristiques de sorption.

Ainsi, les documents US 2016/0040282, US 9,309,110 et US 7,998,319 indiquent que les films getter présentant une épaisseur inférieure à 200 nanomètres sont considérés comme non fonctionnels. Le problème technique objectif de l’invention est de fournir un boîtier hermétique avec une couche de matériau getter dont la microstructure permet de répondre plus efficacement aux contraintes des conditions d’activation et des besoins d’absorption.

EXPOSE DE L’INVENTION

L’invention est issue d’une découverte selon laquelle l’épaisseur d’une couche de matériau getter ne contribue à régénérer le caractère métallique de sa surface que sur une très faible épaisseur, typiquement inférieure à 20 nanomètres. Contrairement aux préjugés de l’état de la technique, l’invention propose donc d’utiliser une couche de matériau getter dont l’épaisseur est comprise entre 20 et 200 nanomètres.

Le calcul de cette valeur d’épaisseur minimale de 20 nanomètres est un calcul théorique réalisé pour le titane par monsieur L. TENCHINE dans sa thèse de l’Université de Grenoble de 2011 intitulée « Effet getter de multicouches métalliques pour des applications MEMS », en page 138. Il s’agit de l’épaisseur nécessaire pour que la concentration du film en oxygène soit inférieure à sa limite de solubilité, après absorption des atomes d’oxygène provenant de sa couche de passivation. Comme le titane est le matériau avec la plus haute limite de solubilité pour l’oxygène, les épaisseurs minimales qui seraient calculées pour les films getter élaborés avec d’autres matériaux seraient supérieures à celle de 20 nanomètres du titane.

A cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un boîtier hermétique configuré pour former une enceinte sous une pression prédéterminée recevant un composant de type bolomètre d’imagerie, ledit boîtier hermétique comportant une couche de matériau getter monolithique apte à capter des gaz présents dans ladite enceinte.

L’invention se caractérise en ce que ladite couche de matériau getter présente une épaisseur comprise entre 20 nanomètres et 200 nanomètres.

En découvrant qu’il était possible de réduire l’épaisseur d’une couche de matériau getter monolithique en dessous de 200 nanomètres, il est maintenant possible de former un getter avec une densité de joints de grains importante, permettant de faciliter l’activation du getter, c’est-à-dire en limitant la température ou le temps d’activation. Au sens de l’invention, une couche de matériau getter « monolithique » correspond à un matériau getter formé d’une seule couche réalisant la désorption des molécules pour maintenir une pression recherchée dans un boîtier.

En outre, dans le cadre d’un dépôt du matériau getter par évaporation, la pression dans l’enceinte augmente au cours du dépôt du matériau getter, en raison de l’échauffement progressif des parois définissant ladite enceinte, qui s’accompagne d’une désorption des molécules piégées dans lesdites parois.

Durant cette phase de dépôt, certains contaminants présents dans l’enceinte sont incorporés (dont l’argon) dans la couche de matériau getter, et ces impuretés sont défavorables aux propriétés du getter. En outre, les atomes d’argon seront désorbés par le getter dans l’enceinte du boîtier lors de la phase d’activation du getter.

Ainsi, contre toute attente, la réduction de l’épaisseur du matériau getter permet, en réduisant la température d’activation, d’une part d’obtenir un getter plus pur et plus efficace pour absorber les gaz présents dans l’enceinte et, d’autre part, d’obtenir un niveau de vide plus important dans l’enceinte du boîtier, en limitant la désorption de molécules non absorbées par le getter telles que l’argon.

D’autres avantages plus évidents découlent également de l’utilisation d’un getter plus fin que les getters de l’état de la technique. En effet, un dépôt plus fin est moins long à réaliser et consomme moins de matière première.

De plus, la résistance mécanique entre le getter et son support est inversement proportionnelle à l’épaisseur du getter. Il s’ensuit que l’utilisation d’un getter fin limite le risque de décrochement du getter de son support. De manière classique, le getter est disposé sur une paroi de l’enceinte mais l’utilisation d’un getter fin permet de déposer le getter sur un composant électronique, tel qu’un circuit CMOS, dont la surface est plus sensible que les parois aux contraintes mécaniques. Ces avantages sont augmentés lorsque l’épaisseur du getter diminue, typiquement lorsque la couche de matériau getter est déposée avec une épaisseur comprise entre 20 et 100 nanomètres.

En outre, il est préférable d’utiliser un matériau getter non poreux pour réaliser le getter de faible épaisseur, de sorte à garantir l’absorption des molécules de la couche de passivation lors de l’activation du getter.

Si le matériau getter est poreux, la proportion d’oxyde qu’il contient est augmentée par rapport à un film non poreux, et donc l’épaisseur minimale nécessaire à son activation est plus grande.

De préférence, la couche de matériau getter présente une porosité inférieure à 5%. Cette valeur de porosité est déterminée, au sens de l’invention, en utilisant la méthode BET, du nom de leurs inventeurs Brunauer, Emmet et Teller, telle que décrite dans la publication de S. Brunauer, P. H. Emmet, E. Teller "Adsorption of gases in multimolecular loyers", Journal of the American Chemical Society, vol 60(2), pages 309-319 (1938). Cette méthode consiste à mesurer la porosité d’un volume par adsorption d'un gaz et par quantification d’une quantité de gaz absorbée par unité de volume. En d’autres termes, cette méthode permet de mesurer la quantité de molécules de gaz adsorbées sur la paroi du matériau, cette quantité étant proportionnelle à la surface de la paroi. Cette méthode est normée et tous ses paramètres sont décrits dans la norme ISO 44941.

Pour augmenter la surface de contact du getter avec les gaz présents dans l’enceinte, la couche de matériau getter peut présenter une base surmontée par un motif de structuration, l’épaisseur de la base étant supérieure à 20 nanomètres.

Dans ce mode de réalisation, l’épaisseur de la base garantit l’absorption des molécules de la couche de passivation (oxyde natif) lors de l’activation du getter et le motif de structuration permet d’augmenter le volume de gaz capté par le getter. Typiquement, la couche de matériau getter peut être configurée pour garantir une pression inférieure à 10 ^-3 mbar dans Tenceinte. Ce mode de réalisation permet d’atteindre une sensibilité maximale pour les bolomètres d’imagerie, et en particulier pour les micro- bolomètres non refroidies dans le domaine de l’imagerie infrarouge.

La couche de matériau getter peut être réalisée en zirconium, en titane, en vanadium, en hafnium, en niobium, en tantale, en cobalt, en yttrium, en baryum, en fer ou en alliance de ces matériaux.

Ces métaux permettent d’obtenir les propriétés d’absorption recherchées. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à l’utilisation de ces matériaux et tous les métaux de transition, plus le baryum et l’aluminium, peuvent être utilisés comme getter.

En outre, ladite couche de matériau getter peut être réalisée avec des terres rares ou de l’aluminium.

Ce mode de réalisation permet à la surface du matériau getter de conserver un caractère réactif après chimisorption des molécules gazeuses et, ainsi, d’obtenir une surface avec une microstructure favorable à l’absorption des gaz dans l’enceinte.

Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un composant de type bolomètre d’imagerie comportant un boîtier hermétique selon le premier aspect de l’invention.

Selon un troisième aspect, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un composant de type bolomètre d’imagerie selon le second aspect de l’invention, ledit procédé comportant une étape de dépôt physique en phase vapeur (PVD) par évaporation d’une couche de matériau getter avec une épaisseur comprise entre 20 et 200 nanomètres.

Avec les épaisseurs connues des getters de l’état de la technique, il est recherché d’augmenter la porosité du getter afin d’améliorer la capacité d’absorption des gaz dans l’enceinte. Ainsi, les getters sont classiquement déposés selon la technique de la pulvérisation cathodique car elle permet d’obtenir des getters poreux. La méthode de dépôt physique en phase vapeur par évaporation est même considérée dans le document US 7,998,319, comme mal appropriée, car elle ne permettrait pas d’obtenir un getter avec la porosité nécessaire au bon fonctionnement d’un getter.

Contre toute attente, ce troisième aspect de l’invention propose d’utiliser cette méthode de dépôt physique en phase vapeur par évaporation pour former un getter de faible épaisseur et compact, permettant d’obtenir tous les avantages précédemment décrits.

Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une structuration du dépôt de la couche de matériau getter sur un substrat réalisée par :

une première étape de dépôt d’une couche de résine sur ledit substrat ;

une seconde étape de structuration de ladite couche de résine par photolithographie ; une troisième étape de dépôt de ladite couche de matériau getter par dépôt physique en phase vapeur (PVD acronyme anglo-saxon pour « Physical Vapor Déposition ») par évaporation ; et

une quatrième étape de dissolution de ladite couche de résine.

Ce procédé est appelé « lift off » dans la littérature anglo-saxonne. Par exemple, le document US 7,998,319 décrit la structuration de ce getter par photolithographie suivie du dépôt d’un getter par pulvérisation cathodique.

Cependant, ce procédé de structuration induit des contraintes mécaniques importantes sur la couche de résine lors du dépôt du matériau getter, et il existe un risque de décollement du film getter de la couche de résine lors du dépôt du matériau getter. Ainsi, ce procédé est classiquement utilisé avec un dépôt de la couche de matériau getter par pulvérisation cathodique car la pulvérisation cathodique permet d’obtenir des getters plus poreux que le dépôt physique en phase vapeur par évaporation, ce qui limite les contraintes mécaniques sur la couche de résine.

Un procédé alternatif au « lift off » pour la structuration d’un dépôt getter est la technique appelée « shadow masking » dans la littérature anglo-saxonne. Elle consiste à utiliser un masque physique posé sur le substrat et retiré après le dépôt du getter. Cette technique est décrite dans le brevet US 8,912,620 pour le dépôt d’un film getter. Cette alternative au « lift off » pour la structuration du getter est moins appropriée que la technique du « lift off » car elle est plus difficile à mettre en œuvre et beaucoup moins précise en raison de la diffraction de la lumière après passage dans les orifices du masque de gravure.

Un autre procédé alternatif connu pour la structuration d’un dépôt getter est de réaliser : une première étape de dépôt de ladite couche de matériau getter par dépôt physique en phase vapeur (PVD) par évaporation ;

une seconde étape de dépôt d’un masque de gravure structuré (par « lift off » ou « shadow masking ») sur ladite couche de matériau getter ;

une troisième étape de gravure sélective du matériau getter exposé par les ouvertures du masque de gravure ; et

une quatrième étape de dissolution dudit masque de gravure.

Cette alternative au « lift off » pour la structuration du getter est plus difficile à mettre en œuvre que la technique du « lift off » et l’étape de dissolution du masque de gravure risque de dégrader la surface du getter.

La faible épaisseur du getter de l’invention permet d’utiliser la meilleure technique connue de structuration d’un film getter, c’est-à-dire la plus simple et la plus précise, qui est le « lift off ».

Il peut également être recherché d’obtenir une couche de matériau getter surmontée d’un motif de structuration. Pour ce faire, il est possible de graver une couche de getter monolithique déposée sur un substrat.

De préférence, pour obtenir un motif de structuration sur une couche de matériau getter, ledit procédé comporte une seconde étape de dépôt d’une couche de matériau getter sur une couche de matériau getter préalablement déposée, ladite seconde étape de dépôt étant réalisée par :

une première étape de dépôt d’une couche de résine sur ladite couche de matériau getter préalablement déposée;

une seconde étape de structuration de ladite couche de résine par photolithographie ; une troisième étape de dépôt de ladite nouvelle couche de matériau getter par dépôt physique en phase vapeur (PVD) par évaporation ; et

une quatrième étape de dissolution de ladite couche de résine.

Ce mode de réalisation permet d’utiliser la technique du « lift off » sur un matériau getter préalablement déposé sur un substrat pour réaliser un motif de structuration.

Selon un mode de réalisation, ledit procédé comporte une étape de scellement dudit boîtier hermétique à une température comprise entre l80°C et 450°C configurée pour assurer une activation de ladite couche de matériau getter. Avantageusement, l’étape de scellement dudit boîtier hermétique intervient à une température comprise entre 250°C et 320°C. Ce mode de réalisation permet de réaliser l’activation de la couche de matériau getter directement lors de l’étape de scellement du boîtier hermétique en limitant la température subie par le boîtier de sorte à réduire la désorption de molécules. En variante, ledit procédé comporte une étape d’activation réalisée par effet Joule en reliant la couche de matériau getter à un circuit résistif.

DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES

La manière de réaliser l’invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif mais non limitatif, à l’appui des figures annexées dans lesquelles les figures 1 et 6 représentent :

Figure 1 : représentation schématique en section d’un composant encapsulé dans un boîtier sous une pression prédéterminée selon un mode de réalisation de l’invention dans lequel le getter est disposé sur une paroi supérieure de l’enceinte ;

Figure 2 : représentation schématique en section d’un composant encapsulé dans un boîtier sous une pression prédéterminée selon un mode de réalisation de l’invention dans lequel le getter est disposé sur un substrat de l’enceinte ;

Figure 3 : représentation schématique en section du getter de la figure 2 selon un premier mode de réalisation avant la phase d’activation ;

Figure 4 : représentation schématique en section du getter de la figure 3 après la phase d’activation ; Figure 5 : représentation schématique en section du getter de la figure 2 selon un second mode de réalisation avant la phase d’activation ; et

Figure 6 : représentation schématique en section du getter de la figure 5 après la phase d’activation.

DESCRIPTION PET ATTT.EE DE L’INVENTION

La figure 1 illustre un composant 11 encapsulé dans une enceinte 12 sous une pression prédéterminée, par exemple sous une pression inférieure à 10 ^-3 mbar. Le composant 11 corresponde à un bolomètre d’imagerie.

Pour garantir la pression dans l’enceinte 12, un matériau getter 15 est disposé au sein de cette dernière.

Dans l’exemple de la figure 1, l’enceinte 12 est formée par le scellement de parois 14 sur un substrat 13 au moyen d’un joint de scellement métallique 20, formant ainsi un boîtier hermétique 10 autour du composant 11.

En variante, le boîtier 10 peut être formé par des parois 14 disposées autour d’un ou plusieurs substrats 13 ou par un ensemble formé par des parois 14 et un ou plusieurs substrats 13.

Le getter 15 doit être disposé dans le volume défini par l’enceinte 12 pour capter les gaz présents dans l’enceinte 12 après activation dudit getter. Dans l’exemple de la figure 1, le geter 15 est disposé sur la face interne d’une paroi supérieure 14 du boîtier 10 en regard de l’enceinte 12. Dans l’exemple de la figure 2, le getter 15 est disposé sur la face supérieure du substrat 13 en regard de l’enceinte 12.

Conformément à l’invention, le getter 15 présente une épaisseur e comprise entre 20 nanomètres et 200 nanomètres, et préférentiellement entre 20 nanomètres et 100 nanomètres. De préférence, le getter 15 présente également une porosité inférieure à 5%. Le getter peut être réalisé en zirconium (Zr), en titane (Ti), en vanadium (Y), en hafnium (Hf), en niobium (Nb), en tantale (Ta), en cobalt (Co), en fer (Fe), en yttrium (Y), en baryum (Ba) ou en alliance de ces matériaux.

De plus, de l’aluminium (Al) et des terres rares tels que le chrome (Cr), le cérium (Ce), le césium (Cs) ou le lanthane (La) peuvent être ajoutés à ces métaux pour améliorer les caractéristiques du getter 15, telles que la taille des grains, l’enthalpie libre de formation des oxydes ou l’activité catalytique pour le craquage des molécules gazeuses.

Les figures 3 et 4 illustrent le processus d’activation d’un getter 15 massif, c’est-à-dire ne présentant pas de structuration. Ce type de getter 15 peut être obtenu par un dépôt physique en phase vapeur par évaporation.

Avant l’activation, tel qu’illustré sur la figure 3, la face supérieure du getter 15 au contact avec l’air forme une couche d’oxyde à cause de la présence de molécules d’oxygène dans l’air. En chauffant le boîtier 10, par exemple pour réaliser un scellement par la soudure métallique 20 à une température comprise entre l80°C et 450°C, les atomes d’oxydes 21 migrent dans l’épaisseur e du getter 15.

Après activation, tel qu’illustré sur la figure 4, les atomes issus de la couche d’oxyde 21 sont donc stockés dans l’épaisseur e du getter 15, et les molécules gazeuses 22 présentes dans l’enceinte, et résultant de leur désorption hors des parois constitutives de l’enceinte peuvent être capturées par le getter 15, dont la surface ainsi activée est très réactive vis-à- vis des gaz susceptibles de désorber dans l’enceinte, et typiquement l’hydrogène, l’azote, le dioxyde de carbone, le méthane.

Pour augmenter la surface de captation des molécules gazeuses présentes dans l’enceinte 12, il est possible de structurer la face supérieure du getter 15 tel qu’illustré sur les figures 5 et 6. Pour ce faire, une lithographie peut être réalisée sur la face supérieure de sorte à former une base 16 surmontée par un motif de structuration 17. Cette structuration peut être réalisée par dépôt de résine puis nouveau dépôt getter ou dépôt de résine puis gravure. Dans ce mode de réalisation, il est préférable que la base 16 présente une épaisseur e ₁ supérieure à 20 nanomètres car les molécules d’oxydes 21 migrent, au moins en partie, dans cette base 16 lors de l’activation, c’est-à-dire entre les figures 5 et 6. Si les tranchées s’étendent jusqu’au substrat, la diffusion des molécules d’oxydes 21 peut être réalisée de manière latérale, c’est-à-dire des flancs vers l’intérieur.

Dans la description des figures 1 à 6, le getter 15 est décrit avec une couche d’oxyde 21 recouvrant le getter 15. En variante, l’invention peut être réalisée avec une couche de métal noble protégeant le getter 15 avant l’activation. Cette couche de métal noble, par exemple d’une épaisseur de 20 nm, serait également dissoute dans le volume du getter 15 lors de la phase d’activation.

La phase d’activation est également décrite par chauffage lors du scellement thermique du boîtier. En variante, l’activation peut être réalisée par effet Joule en reliant le getter 15 à un circuit résistif sans changer l’invention.

L’invention propose donc d’utiliser un getter 15 fin, c’est-à-dire avec une épaisseur e comprise entre 20 et 200 nm, et avantageusement entre 20 et 100 nanomètres. Tel que décrit précédemment, ce getter fin 15 permet d’obtenir une plus grande densité de joints de grains que les getters de l’état de la technique ainsi qu’une plus grande pureté. En outre, la finesse du getter 15 améliore la résistance aux contraintes mécaniques, si bien que le procédé de lithographie peut être utilisé pour structurer le getter 15.

L’invention permet également de consommer moins de matière et de limiter le temps de fabrication du getter 15.