Способ изготовления устройства, имеющего усовершенствованную инкапсулирующую структуру, для детектирования электромагнитного излучения Российский патент 2023 года по МПК G01J5/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[001] Область изобретения относится к способам изготовления устройств для детектирования электромагнитного излучения, в частности инфракрасного или терагерцового излучения, содержащих инкапсулирующую структуру, образующую полость, в которой расположен по меньшей мере один тепловой детектор. Изобретение в особенности применимо к области получения инфракрасного или терагерцового изображения, термографии или даже детектирования газа.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[002] Устройства для детектирования электромагнитного излучения, например, инфракрасного или терагерцового излучения, могут содержать матрицу тепловых детекторов, каждый из которых содержит мембрану, способную поглощать подлежащее детектированию электромагнитное излучение, и содержит термометрический преобразователь, такой как терморезистивный материал. Для обеспечения теплоизоляции термометрических преобразователей относительно считывающей подложки, над подложками с помощью крепежных стоек обычно подвешивают поглощающие мембраны и теплоизолируют от них с помощью теплоизолирующих кронштейнов. Эти крепежные стойки и теплоизолирующие кронштейны также выполняют и электрическую функцию, поскольку они соединяют поглощающие мембраны со схемой считывания, которая обычно размещена в подложке.

[003] Для обеспечения оптимальной работы тепловых детекторов может потребоваться низкий уровень давления. С этой целью тепловые детекторы, как правило, изолируют или заключают в оболочку, отдельно или в группе из более чем одного из них, по меньшей мере, в одной герметичной полости, которая находится в условиях вакуума или низкого давления. Герметичная полость ограничена инкапсулирующей структурой, также называемой капсулой, как показано в документе Дюмон и др. «Текущий прогресс в упаковке на уровне пикселей для неохлаждаемой IRFPA (Матрица Инфракрасных Приемников в Фокальной Плоскости)», Proc. SPIE 8353, Инфракрасная технология и приложения XXXVIII, 835311, 2012, для конфигурации, в которой инкапсулирующая структура ограничивает множество герметичных полостей, каждая из которых инкапсулирует один тепловой детектор (конфигурация, называемая «упаковка на уровне пикселей»).

[004] В патенте США №9933309 описан другой пример детектирующего устройства 1, в котором инкапсулирующая структура 20 ограничивает герметичную полость 3, инкапсулирующую матрицу тепловых детекторов 10. Как показано на Фиг. 1, инкапсулирующая структура 20 также содержит тонкий инкапсулирующий слой 21, который вместе с подложкой 2 ограничивает герметичную полость 3. Тонкий инкапсулирующий слой 21 содержит множество выпускных отверстий, позволяющих откачивать из полости 3 жертвенные слои, используемые во время процесса изготовления. Тонкий герметизирующий слой 24 покрывает, по меньшей мере частично, инкапсулирующий слой и обеспечивает герметичность полости, перекрывая выпускные отверстия 22. Тонкие инкапсулирующий и герметизирующий слои 21, 24 изготавливают из материалов, прозрачных для подлежащего детектированию электромагнитного излучения. Тонкий антиотражающий слой 25 может покрывать тонкий герметизирующий слой 24.

[005] Тонкие инкапсулирующие и герметизирующие слои могут быть изготовлены из разных материалов, например, аморфного кремния для инкапсулирующего слоя и германия для герметизирующего слоя, которые, поэтому, имеют разные коэффициенты теплового расширения (СТЕ). Фактически, способ изготовления такого детектирующего устройства может включать один или несколько этапов, на которых изготавливаемое устройство подвергают воздействию высоких температур. Таким образом, в качестве иллюстрации, речь может идти просто об активации газопоглотительного материала, расположенного в герметичной полости 3, при температуре приблизительно 300°C, при этом этот газопоглотительный материал выполнен с возможностью вступления в реакцию с остаточным газом, потенциально присутствующим в полости, чтобы поддерживать последний при достаточном уровне вакуума. Оказывается, что разница в СТЕ между материалами инкапсулирующего и герметизирующего слоев может создавать механические напряжения в инкапсулирующей структуре, что может привести к ослаблению ее механической прочности.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[006] Задача изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере частично, устранить недостатки предшествующего уровня техники и, в частности, предложить способ изготовления такого детектирующего устройства, которое позволяет повысить механическую прочность инкапсулирующей структуры.

[007] С этой целью одним объектом изобретения является способ изготовления устройства для детектирования электромагнитного излучения, содержащего по меньшей мере один тепловой детектор, установленный на подложке, и одну инкапсулирующую структуру, ограничивающую вместе с подложкой полость, в которой расположен тепловой детектор. Способ включает следующие этапы:

- создание теплового детектора из по меньшей мере одного первого жертвенного слоя, осажденного на подложке;

- создание тонкого инкапсулирующего слоя инкапсулирующей структуры, проходящего над указанным тепловым детектором от по меньшей мере одного второго жертвенного слоя, расположенного на первом жертвенном слое, причем указанный тонкий инкапсулирующий слой выполняют из инкапсулирующего материала;

- создание, путем физического осаждения из паровой фазы, тонкого «герметизирующего» слоя, покрывающего указанный тонкий инкапсулирующий слой, причем указанный тонкий герметизирующий слой выполняют из герметизирующего материала, коэффициент теплового расширения которого, отличается от коэффициента теплового расширения инкапсулирующего материала.

В соответствии с изобретением, способ, кроме того, включает следующий этап:

- до этапа изготовления тонкого герметизирующего слоя, на тонком инкапсулирующем слое выполняют по меньшей мере один рельеф, имеющий подходящую среднюю толщину, чтобы во время осаждения тонкого герметизирующего слоя последний имел локальный разрыв непрерывности на рельефе.

[009] Ниже приведены некоторые предпочтительные, но не ограничивающие аспекты этого способа изготовления.

[0010] Рельеф может образовывать двумерную решетку продольных сегментов, по меньшей мере частично окружающих тепловой детектор в ортогональной проекции относительно подложки.

[0011] Решетка продольных сегментов рельефа может непрерывно окружать тепловой детектор в ортогональной проекции относительно подложки.

[0012] Тепловой детектор может содержать абсорбирующую мембрану, подвешенную над подложкой и содержащую термометрический преобразователь, причем указанный рельеф расположен на расстоянии, в ортогональной проекции относительно подложки, от абсорбирующей мембраны.

[0013] Тонкий герметизирующий слой может иметь среднюю толщину e_es, например, рельеф имеет среднюю толщину, большую или равную одной пятой от средней толщины e_es.

[0014] Этап изготовления рельефа может включать осаждение первого слоя, выполненного из материала, отличного от материала тонкого инкапсулирующего слоя, с последующим локализованным структурированием первого слоя, путем его выборочного травления относительно тонкого инкапсулирующего слоя, для формирования рельефа.

[0015] Детектирующее устройство может содержать матрицу тепловых детекторов, размещенных в указанной полости, причем рельеф образует двумерную решетку продольных сегментов, по меньшей мере частично окружающих каждый из тепловых детекторов в ортогональной проекции относительно подложки.

[0016] Тонкий инкапсулирующий слой может быть выполнен на кремниевой основе, а тонкий герметизирующий слой - на германиевой основе.

[0017] Тонкий герметизирующий слой предпочтительно осаждают из паровой фазы.

[0018] Способ изготовления может включать этап изготовления тонкого антиотражающего слоя путем физического осаждения из паровой фазы на тонкий герметизирующий слой, причем тонкий антиотражающий слой имеет локальный разрыв непрерывности.

[0019] Способ изготовления может включать:

- между этапом изготовления рельефа и этапом изготовления тонкого герметизирующего слоя, этап формирования по меньшей мере одного сквозного отверстия, называемого выпускным отверстием, проходящим через тонкий инкапсулирующий слой, при этом тонкий герметизирующий слой создают таким образом, чтобы перекрывать выпускное отверстие,

- этап удаления жертвенных слоев через выпускное отверстие.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0020] Другие аспекты, цели, преимущества и особенности изобретения станут более очевидными после прочтения следующего подробного описания его предпочтительных вариантов выполнения, которое приведено в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1, который уже был описан, изображает схематический вид в частичном поперечном разрезе детектирующего устройства, выполненного в соответствии с одним примером предшествующего уровня техники;

Фиг. 2А-2J схематически иллюстрируют в частичном поперечном разрезе различные этапы способа изготовления детектирующего устройства, выполненного в соответствии с одним вариантом выполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ

[0021] На чертежах и в остальной части описания для ссылки на идентичные или похожие элементы используются одинаковые номера позиций. Кроме того, для ясности понимания чертежей различные элементы показаны не в масштабе. Кроме того, различные варианты выполнения и варианты не исключают друг друга и могут быть объединены вместе. Если не указано иное, термины «по существу», «приблизительно» и «порядка» означают с точностью до 10% и предпочтительно с точностью до 5%. Кроме того, выражение «содержащий», за которым следует существительное в единственном числе, следует понимать как означающее «содержащий по меньшей мере один» и не означающее «содержащий один», если не указано иное.

[0022] Изобретение относится к способу изготовления устройства для детектирования электромагнитного излучения. Детектирующее устройство содержит по меньшей мере один тепловой детектор, который инкапсулирован, один или в группе из более чем одного из них, в полости, которая предпочтительно является герметичной и ограничена инкапсулирующей структурой. Тепловой детектор может быть выполнен с возможностью детектирования инфракрасного или терагерцового излучения. В частности, он может детектировать инфракрасное излучение в длинноволновом инфракрасном диапазоне (диапазон LWIR) от 7 до 14 мкм.

[0023] Фиг. 2А-2J иллюстрируют различные этапы способа изготовления детектирующего устройства 1, выполненного в соответствии с одним вариантом выполнения.

[0024] В этом варианте выполнения каждый тепловой детектор 10 содержит абсорбирующую мембрану 11, содержащую термометрический преобразователь 12, подходящий для детектирования инфракрасного излучения в полосе LWIR. Термометрический преобразователь 12 представляет собой элемент, имеющий электрические свойства, которые меняются в зависимости от его температуры и, в данном случае, он образован из терморезистивного материала, выполненного, например, из оксида титана или ванадия или из аморфного кремния. Как вариант, он может представлять собой конденсатор, выполненный из сегнетоэлектрического или пироэлектрического материала, диод (с р-n или с p-i-n-переходом) или даже полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET).

[0025] Кроме того, тепловой детектор 10 в настоящем документе имеет конфигурацию, в которой термометрический преобразователь 12 размещен в мембране, которая подвешена над считывающей подложкой 2 и выполнен с возможностью поглощения подлежащего детектированию электромагнитного излучения. Абсорбирующая мембрана 11 расположена в той же плоскости, что и теплоизолирующие кронштейны. Возможны и другие конфигурации, например, конфигурация, в которой абсорбирующая мембрана 11 расположена над теплоизолирующими кронштейнами, как, в частности, описано в международной патентной публикации №2018/055276, или даже конфигурация, в которой абсорбирующий элемент расположен отдельно и над мембраной, содержащей термометрический преобразователь 12, как, например, описано в заявке на патент США №2009/140147.

[0026] Детектирующее устройство 1 в настоящем изобретении содержит матрицу тепловых детекторов 10, формирующих чувствительные пиксели. Инкапсулирующая структура 20 предпочтительно ограничивает герметичную полость 3, которая инкапсулирует матрицу тепловых детекторов 10. В качестве варианта, детектирующее устройство 1 может содержать множество полостей, каждая из которых инкапсулирует один тепловой детектор 10, как, в частности, описано в вышеупомянутой статье Дюмона и др., 2012.

[0027] Здесь и в остальной части описания задана трехмерная система ортогональных координат (X, Y, Z), в которой плоскость XY по существу параллельна плоскости считывающей подложки 2 детектирующего устройства 1, а ось Z ориентирована в направлении, по существу ортогональном плоскости XY считывающей подложки 2. Кроме того, термины «нижний» и «верхний» будут пониматься как относящиеся к положениям, которые находятся ближе и дальше от считывающей подложки 2 в направлении + Z.

[0028] В этом примере тепловые детекторы 10 изготавливают с использованием минеральных жертвенных слоев 31, 32, которые впоследствии подлежат удалению влажным травлением в кислой среде (пары HF). Могут быть использованы и другие методы, такие как использование жертвенных слоев, сделанных из полиимида или ему эквивалентных материалов, которые затем удаляют сухим травлением, например, в кислородной плазме.

[0029] Как показано на Фиг. 2А, матрицу тепловых детекторов 10 сначала изготавливают путем осаждения по меньшей мере одного первого жертвенного слоя 31 на подложку 2. Этот этап идентичен или аналогичен описанному в патенте США №9933309.

[0030] Детектирующее устройство 1 содержит считывающую подложку 2, которая в этом примере выполнена на кремниевой основе и содержит электронную схему (не показана), позволяющую управлять тепловым детектором 10 и считывать его. Схема считывания в настоящем изобретении принимает форму интегральной схемы CMOS, расположенной в подложке-носителе. Она содержит линейные сегменты, которые являются проводящими и, например, выполнены из металла и отделены друг от друга диэлектрическим материалом, например минеральным материалом на кремниевой основе, таким как оксид кремния SiO_X, нитрид кремния SiN_X или их сплавы. Она также может содержать активные или пассивные электронные элементы (не показаны), например, диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы и т.д., которые соединены электрическими межсоединениями, с одной стороны - с тепловым детектором 10, а с другой стороны - с контактной площадкой (не показана), причем последняя выполнена с возможностью подключения детектирующей системы к внешнему электронному устройству.

[0031] Для каждого теплового детектора 10 также изготавливают отражающий элемент 13. Отражающий элемент 13 в настоящем изобретении образован сегментом проводящей линии последнего уровня межсоединений, причем указанный сегмент выполнен из материала, выполненного с возможностью отражения детектируемого электромагнитного излучения. Он расположен напротив абсорбирующей мембраны 11 и выполнен с возможностью формирования в ней четвертьволновой интерференционной полости для детектирования электромагнитного излучения.

[0032] Если интерметаллические диэлектрические слои выполнены из минерального материала, и если жертвенные слои 31, 32, используемые для изготовления тепловых детекторов 10 и инкапсулирующей структуры 20, также выполнены из минерального материала, то верхнюю поверхность считывающей подложки 2 покрывают защитным слоем (не показан). Последний в настоящем изобретении соответствует слою, препятствующему травлению, изготовленному из материала, который является по существу инертным по отношению к химическому травителю, используемому впоследствии для удаления минеральных жертвенных слоев, например, инертным по отношению к парофазной HF-среде. Таким образом, этот защитный слой образует химически инертный, герметичный слой. Он также является электрически изолирующим для предотвращения любого короткого замыкания между проводящими сегментами линии. Таким образом, на этом этапе удаления жертвенных слоев это позволяет предотвратить травление нижележащих минеральных изолирующих слоев. Он может быть выполнен из нитрида или оксида алюминия, из трифторида или нитрида алюминия или из ненамеренно легированного аморфного кремния.

[0033] Сперва первый жертвенный слой 31 осаждают на считывающую подложку 2, причем этот слой, например, изготавливают из минерального материала, такого как оксид кремния SiO_X, осажденный путем плазмохимического осаждения из паровой фазы (PECVD). Этот минеральный материал может быть удален влажным химическим травлением, в частности, химическим травлением в кислой среде, причем травитель предпочтительно представляет собой парофазную плавиковую кислоту (HF). Этот минеральный жертвенный слой 31 осаждают так, что он непрерывно проходит практически по всей поверхности считывающей подложки 2 и, таким образом, покрывает защитный слой. Толщина жертвенного слоя 31 вдоль оси Z может составлять от нескольких сотен нанометров до нескольких микрон.

[0034] Затем изготавливают следующие элементы: крепежные стойки 14, проходящие через жертвенный слой 31, теплоизолирующие кронштейны (не показаны) и абсорбирующую мембрану 11, которая расположена на жертвенном слое 31. Абсорбирующую мембрану 11 выполняют с возможностью подвешивания выше считывающей подложки 2 с помощью крепежных стоек 14 и теплоизолируют от считывающей подложки 2 с помощью теплоизолирующих кронштейнов. Крепежные стойки 14 являются электропроводящими и локально проходят через защитный слой для обеспечения электрического контакта со считывающей схемой. Абсорбирующая мембрана 11 отстоит от считывающей подложки 2 и, в частности, отражающего слоя, на ненулевое расстоянии. Это расстояние предпочтительно регулируют таким образом, чтобы образовалась четвертьволновая интерференционная полость, которая оптимизирует поглощение электромагнитного излучения, подлежащего детектированию мембраной 11. Когда тепловой детектор 10 выполнен с возможностью детектирования инфракрасного излучения в диапазоне LWIR, это расстояние обычно составляет от 1 до 5 мкм и, предпочтительно, составляет 2 мкм. Абсорбирующая мембрана 11 содержит включенный в нее терморезистивный материал, который соединен со считывающей схемой посредством теплоизолирующих кронштейнов и крепежных стоек 14.

[0035] Затем изготавливают инкапсулирующую структуру 20. Как правило, инкапсулирующая структура 20, или капсула, образует со считывающей подложкой 2 полость 3, которая является преимущественно герметичной и внутри которой, в данном случае, находится матрица тепловых детекторов 10. Инкапсулирующая структура 20 содержит по меньшей мере один тонкий инкапсулирующий слой 21, покрытый по меньшей мере одним тонким герметизирующим слоем 24. Тонкие инкапсулирующие и герметизирующие слои 21, 24 изготавливают из разных материалов, имеющих разные коэффициенты теплового расширения (СТЕ). Например, тонкий инкапсулирующий слой 21 может быть изготовлен из аморфного кремния, а тонкий герметизирующий слой 24 может быть изготовлен из германия. Под тонким слоем подразумевается слой, осажденный с использованием методов, используемых для осаждения материалов, используемых в области микроэлектроники, и толщина которого предпочтительно составляет менее 10 мкм.

[0036] Как показано на Фиг. 2В, сначала осаждают второй жертвенный слой 32, предпочтительно такой же природы, что и первый жертвенный слой 31. Жертвенный слой 32 покрывает жертвенный слой 31, а также абсорбирующую мембрану 11 и теплоизолирующие кронштейны. Используя обычные методы фотолитографии, жертвенные слои 31, 32 затем локализовано травят до поверхности считывающей подложки 2 (или до связи между собой сегментов, размещенных на подложке). Протравленные области могут иметь форму траншей с непрерывным и замкнутым периметром, окружающих матрицу тепловых детекторов 10.

[0037] Затем тонкий инкапсулирующий слой 21, который в настоящем изобретении выполнен из аморфного кремния и который покрывает как верхнюю поверхность жертвенного слоя 32, так и боковые стороны траншей, осаждают, например, с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD). Тонкий инкапсулирующий слой 21 содержит верхнюю стенку 21.1, которая расположена выше и на некотором расстоянии от тепловых детекторов 10, и боковую стенку 21.2, которая окружает матрицу тепловых детекторов 10 в плоскости XY, предпочтительно непрерывно. Верхняя стенка 21.1 является по существу плоской и расположена над тепловыми детекторами 10 на ненулевом расстоянии от подвешенных мембран, причем это расстояние составляет, например, от 0,5 до 5 мкм, предпочтительно от 0,5 до 3,5 мкм и предпочтительно равно 1,5 мкм. Боковая стенка 21.2 в данном примере является периферийной для того, чтобы окружать тепловые детекторы 10 в плоскости XY. Она проходит от верхней стенки 21.1 и локально лежит на считывающей подложке 2. Следовательно, в этом примере тонкий инкапсулирующий слой 21 непрерывно проходит над матрицей тепловых детекторов 10 и вокруг нее, образуя вместе со считывающей подложкой 2 полость 3. Тонкий инкапсулирующий слой 21 изготавливают из материала, прозрачного для подлежащего детектированию электромагнитного излучения, в данном случае из аморфного кремния, причем он имеет среднюю толщину, которая преимущественно равна нечетному кратному λ/4n_CE, где λ представляет собой центральную длину волны полосы детектирования представляющего интерес электромагнитного излучения, например, 10 мкм в случае полосы LWIR, а n_CE - показатель преломления материала тонкого инкапсулирующего слоя 21. Эта толщина может составлять от нескольких сотен нанометров до нескольких микрон, и, например, равна приблизительно 800 нм.

[0038] Как показано на Фиг. 2С, 2D и 2Е, на тонком инкапсулирующем слое 21, а точнее на его верхней стенке 21.1 затем создают рельеф 23. Под рельефом 23 подразумевается сегмент материала, проходящий локально над тонким инкапсулирующим слоем 21, образуя выступ из верхней поверхности 21а. Преимущественно он имеет верхнюю поверхность 23а, которая проходит по существу параллельно верхней поверхности 21а тонкого инкапсулирующего слоя 21, на которой он лежит. Верхняя поверхность 23а ограничена боковыми поверхностями 23b, которые проходят по существу ортогонально к тонкому инкапсулирующему слою 21. Таким образом, рельеф 23 может иметь поперечное сечение в поперечной плоскости, параллельной оси Z, по существу прямоугольной или квадратной формы. Локальная толщина определяется как локальный размер рельефа 23 вдоль оси Z. Среднюю толщину e_r определяют как среднее локальных толщин. Эту среднюю толщину e_r выбирают так, чтобы вызвать локальный разрыв непрерывности тонкого герметизирующего слоя 24, изготавливаемого впоследствии в результате физического осаждения из паровой фазы.

[0039] Для этого предпочтительно осаждать слой, выполненный из материала, отличного от материала тонкого инкапсулирующего слоя 21, и имеющего селективность травления по отношению к нему. Затем, посредством фотолитографии и травления, осажденный слой локально структурируется, чтобы сформировать рельеф 23 на тонком инкапсулирующем слое 21. Рельеф 23 может представлять собой один или несколько продольных сегментов, которые проходят над тонким инкапсулирующим слоем 21. Под продольным сегментом подразумевается объем материала, который имеет продольный размер, превышающий поперечные размеры по ширине и толщине. Продольные сегменты предпочтительно являются смежными и непрерывными друг с другом, но, как вариант, могут быть отделены друг от друга. Рельеф 23 также может быть выполнен из одного или нескольких отдельных сегментов, имеющих в плоскости XY размеры одного порядка.

[0040] Предпочтительно, рельеф 23 образует двумерную решетку, следовательно такую, которая проходит вдоль двух поперечных осей, параллельных плоскости XY, и состоящую из продольных сегментов, которые, по меньшей мере частично, окружают, в ортогональной проекции, каждый тепловой детектор 10. Под выражением «в ортогональной проекцией» или «в ортогональной проекции относительно подложки» подразумевается проекция вдоль оси Z в плоскости, параллельной плоскости подложки 2. Под выражением «по меньшей мере частично» подразумевается то, что продольные сегменты рельефа 23 окружают только одну часть теплового детектора 10 в плоскости XY. Таким образом, продольные сегменты могут быть отдельными друг от друга сегментами. Предпочтительно, чтобы продольные сегменты рельефа 23 непрерывно окружали, в ортогональной проекции, каждый тепловой детектор 10. Таким образом, они соединены друг с другом и, таким образом, имеют между собой непрерывный материал.

[0041] Предпочтительно, рельеф 23 расположен на расстоянии, в ортогональной проекции, от тепловых детекторов 10 и, предпочтительно, от абсорбирующих мембран 11, чтобы не нарушать пропускание электромагнитного излучения, которое должно быть зарегистрировано. Другими словами, рельеф 23 расположен строго вертикально относительно области, не содержащей абсорбирующих мембран 11. Таким образом, он может быть расположен строго вертикально относительно крепежных стоек 14 или даже строго вертикально относительно области, проходящей между крепежными стойками 14 двух соседних тепловых детекторов 10.

[0042] Рельеф 23 имеет среднюю толщину e_r, выбранную таким образом, чтобы во время последующего изготовления на тонком инкапсулирующем слое 21 и на рельефе 23 тонкого герметизирующего слоя 24 путем физического осаждения из паровой фазы, наличие рельефа 23 вызывало бы локальный разрыв непрерывности тонкого герметизирующего слоя 24, то есть разрыв в материале тонкого герметизирующего слоя 24 в плоскости XY у рельефа 23. Рельеф 23 имеет среднюю толщину e_r, большую или равную приблизительно одной пятой от средней толщины e_CS тонкого герметизирующего слоя 24, предпочтительно большую или равную одной четверти и предпочтительно большую или равную приблизительно половине средней толщины e_CS. Например, в случае тонкого герметизирующего слоя 24, имеющего среднюю толщину 1800 нм, рельеф 23 может иметь толщину, большую или равную 400 нм, например, равную приблизительно 800 нм или даже 1000 нм.

[0043] Как показано на Фиг. 2F, затем выполняют локализованное травление тонкого герметизирующего слоя 21, чтобы сформировать сквозные отверстия, образующие выпускные отверстия 22. Каждое выпускное отверстие 22 в настоящем изобретении преимущественно расположено обращенным к центру абсорбирующей мембраны 11. Затем абсорбирующая мембрана 11 может быть структурирована таким образом, чтобы иметь сквозное отверстие (не показано), расположенное напротив выпускного отверстия 22, как описано в документе ЕР 3067675.

[0044] Как показано на Фиг. 2G, различные жертвенные слои 31, 32 затем удаляют, в случае минеральных жертвенных слоев, как в настоящем изобретении, путем влажного травления в парах HF, через различные выпускные отверстия, чтобы освободить абсорбирующую мембрану 11 каждого теплового детектора 10 и сформировать полость 3. При необходимости детектирующее устройство 1 затем помещают в условия вакуума или низкого давления.

[0045] Как показано на Фиг. 2Н и 2I, затем осаждают тонкий герметизирующий слой 24 так, чтобы он покрывал тонкий инкапсулирующий слой 21 и рельеф 23, и чтобы он перекрывал выпускные отверстия 22. Тонкий герметизирующий слой 24 выполняют из материала, который является прозрачным для подлежащего детектированию электромагнитного излучения и имеющего высокий показатель преломления, и, например, изготавливают из германия или сплава кремний-германий. Его среднюю толщину в настоящем изобретении регулируют таким образом, чтобы она по существу была равна нечетному кратному λ/4n_CS, где n_CS - показатель преломления материала тонкого герметизирующего слоя 24. В качестве примера, тонкий герметизирующий слой 24 может быть изготовлен из германия и иметь среднюю толщину, равную приблизительно 1800 нм.

[0046] Материал тонкого герметизирующего слоя 24 отличается от материала тонкого инкапсулирующего слоя 21 и имеет другой коэффициент теплового расширения. В качестве примера, это может быть германий, СТЕ которого равен приблизительно 5,9×10^-6 К^-1, который в этом примере отличается от аморфного кремния тонкого инкапсулирующего слоя 21, СТЕ которого равен приблизительно 2,6×10^-6 К^-1.

[0047] Осаждение осуществляют путем физического осаждения из паровой фазы (PVD) и, например, путем испарения в вакууме, испарения электронным пучком или катодного распыления. Осаждение PVD сводится к образованию тонкого слоя материала на верхней поверхности приемной области. Таким образом, материал тонкого герметизирующего слоя 24 осаждают на верхней поверхности 21а тонкого инкапсулирующего слоя 21, не покрытого рельефом 23, и на верхней поверхности 23а рельефа 23. Материал тонкого герметизирующего слоя 24 по существу не осаждают на боковых поверхностях 23b рельефа 23 (в отличие от конформного осаждения, осуществляемого химическим осаждением из паровой фазы), что приводит к локальному нарушению непрерывности тонкого герметизирующего слоя 24. В результате тонкий герметизирующий слой 24 формируется по меньшей мере из одного сегмента 24.1 слоя, который лежит на тонком инкапсулирующем слое 21, и из по меньшей мере одной площадки 24.2, которая лежит на рельефе 23, причем в данном случае продольная площадка принимает форму полосы. Каждый сегмент 24.1 слоя является отдельным и, следовательно, не имеет непрерывности материала со смежными продольными площадками 24.2. Другими словами, между каждым сегментом 24.1 слоя и одной или несколькими соседними площадками 24.2 существует физическое разделение (и наоборот).

[0048] Если рельеф 23 образует непрерывную двумерную решетку вокруг тепловых детекторов 10, то продольные площадки 24.2 соединяются друг с другом и также образуют непрерывную решетку, расположенную поверх решетки рельефа 23. Поэтому возникает разрыв непрерывности, т.е. физическое разделение между продольными площадками 24.2, с одной стороны, и одним или несколькими соседними слоями 24.1, с другой стороны. Кроме того, соседние сегменты 24.1 слоя отделены друг от друга в плоскости XY.

[0049] Следует понимать, что разрыв непрерывности слоя отличается от простого нарушения планарности слоя из-за рельефа 23. То, что раскрыто в настоящем изобретении, отличается от того, что раскрыто в документах предшествующего уровня техники, которые, например, описывают конформное осаждение слоя на плоской поверхности, локально покрытой рельефом. Этот осажденный слой может затем непрерывно проходить по плоской поверхности и граням рельефа. В этом случае рельеф приводит к разрыву в плоскостности осажденного слоя в плоскости XY, а не к разрыву непрерывности слоя. Другими словами, часть слоя, расположенная на рельефе, не отделена (физически не отделена) от части слоя, расположенной на плоской поверхности.

[0050] Кроме того, локальный разрыв непрерывности может быть усилен эффектом затенения, связанным с площадками 24.2, лежащими на рельефе 23. В частности, из-за квазиоднонаправленности излучения источника PVD материала, подлежащего осаждению, в частности, во время осаждения путем испарения, площадки 24.2 имеют поперечное сечение, которое расширяется в направлении +Z, то есть ширина в плоскости XY увеличивается с расстоянием от рельефа 23 в направлении +Z. Это расширение площадок 24.2 приводит к сужению сегментов 24.1 слоя в направлении +Z. Этот эффект затенения усиливает локальный разрыв непрерывности тонкого инкапсулирующего слоя 21.

[0051] В результате, из-за наличия рельефа 23 среднюю толщину e_r выбирают в зависимости от толщины e_CS тонкого герметизирующего слоя 24 так, что в непрерывности тонкого герметизирующего слоя 24 на рельефе 23 образуется локальный разрыв. Таким образом, тонкий герметизирующий слой 24 имеет разрыв в материале в плоскости XY, что образует область релаксации механических напряжений, возникающих в результате разности коэффициентов теплового расширения между материалами тонкого инкапсулирующего и герметизирующего слоев 21, 24. По этой причине механическая прочность инкапсулирующей структуры 20 улучшается.

[0052] Особенно предпочтительно, чтобы рельеф 23 образовывал двумерную решетку, непрерывно ограничивающую каждый из тепловых детекторов 10. Таким образом, осажденный тонкий герметизирующий слой 24 в этом случае формируется из множества сегментов 24.1 слоя, которые отделены от друг от друга и отделены от соседних площадок 24.2, каждая из которых расположена напротив одного теплового детектора 10. Область ослабления механических напряжений окружает каждый сегмент 24.1 тонкого герметизирующего слоя 24, что дополнительно повышает механическую прочность инкапсулирующей структуры 20.

[0053] Как показано на Фиг. 2J, предпочтительно изготавливают тонкий антиотражающий слой 25, который осаждают с помощью PVD, чтобы покрыть тонкий герметизирующий слой 24. Из-за локального нарушения непрерывности тонкого герметизирующего слоя 25 и используемой технологии осаждения, то есть PVD, тонкий антиотражающий слой 24 также содержит локальный разрыв непрерывности. В настоящем изобретении это слой образован из сегментов 25.1, которые отделены друг от друга и которые покрывают сегменты 24.1 тонкого герметизирующего слоя 24, и из продольных площадок 25.2, которые являются отдельными и которые покрывают соседние продольные площадки 24.2 тонкого герметизирующего слоя 24. Тонкий антиотражающий слой 25 может быть изготовлен из ZnS и иметь среднюю толщину от нескольких сотен нанометров до нескольких микрон и, например, равную примерно 1,2 мкм в контексте детектирования излучения LWIR.

[0054] Таким образом, способ изготовления позволяет получить детектирующее устройство 1, у которого сформированная инкапсулирующая структура 20 имеет улучшенную механическую прочность. Это преимущественно позволяет изготавливать тонкий герметизирующий слой 24 и тонкий антиотражающий слой 25 в виде множества сегментов 24.1, 25.1, которые отделены друг от друга, то есть без непрерывности материала между ними в плоскости XY. Механические напряжения, возникающие из-за разницы между СТЕ различных материалов инкапсулирующей структуры 20, могут быть эффективно ослаблены. Инкапсулирующая структура 20 обладает улучшенной механической прочностью при термическом воздействии на нее высоких температур, таком как, например, активация газопоглотительного материала, расположенного в полости 3, при температуре приблизительно 300°C, причем этот газопоглотительный материал предназначен для реакции с остаточным газом, потенциально присутствующим в полости 3, чтобы поддерживать последний при достаточном уровне вакуума. Речь может также идти об этапе осаждения тонкого герметизирующего слоя 24 и/или тонкого антиотражающего слоя 25, или даже о пайке, используемой для запечатывания унитарных детектирующих микросхем в упаковках и т.д.

[0055] Этот способ изготовления позволяет избежать необходимости осуществлять, для получения локального нарушения непрерывности, определенный этап локализованного травления тонкого герметизирующего слоя 24 и, при необходимости, тонкого антиотражающего слоя 25, причем указанные слои осаждают на тонкий инкапсулирующий слой 21, не содержащий рельефа 23, с толщиной, выбранной для получения такого эффекта, например, в конфигурации, показанной на Фиг. 1. Кроме того, это позволяет избежать недостатков, которые могут возникнуть в результате такого локализованного травления.

[0056] В частности, можно выполнять локализованное влажное травление тонких герметизирующих и антиотражающих слоев, когда последние проходят плоским образом над тонким инкапсулирующим слоем 21. Однако изотропный характер влажного травления может привести к травлению в поперечном направлении порядка двукратной толщины тонких слоев, подлежащих травлению. Таким образом, для общей средней толщины тонких герметизирующих и антиотражающих слоев порядка приблизительно 3000 нм будет получен желоб, имеющий поперечный размер приблизительно 6 мкм в плоскости XY, что будет иметь неприемлемое влияние на рабочие характеристики детектирующего устройства 1, в частности, в случае, когда шаг пикселей матрицы тепловых детекторов 10 составляет порядка 12 мкм или менее.

[0057] Кроме того, также было бы возможно проводить локализованное сухое травление (например, локализованное плазменное травление) тонких герметизирующих и антиотражающих слоев. Однако материал, используемый для изготовления тонкого герметизирующего слоя 24, может иметь низкую селективность травления по отношению к материалу тонкого инкапсулирующего слоя 21, как в случае германия по отношению к аморфному кремнию. Сухое травление регулируют по времени, что, возможно, приводит либо только к частичному травлению тонкого герметизирующего слоя 24 и, следовательно, к отсутствию локального разрыва в непрерывности, либо к полному травлению тонкого герметизирующего слоя 24, но также и к (частичному) травлению тонкого инкапсулирующего слоя 21, которое затем приводит к еще большему снижению механической прочности инкапсулирующей структуры 20. Для уменьшения отсутствия селективности травления между материалами тонких инкапсулирующих и герметизирующих тонких слоев, тонкий между указанными двумя тонкими слоями может быть помещен ограничивающий травление слой, но за счет ухудшения рабочих характеристик детектирующего устройства 1, поскольку материал тонкого препятствующего травлению слоя может поглощать отличную от нуля часть подлежащего детектированию электромагнитного излучения.

[0058] Способ изготовления, выполненный в соответствии с изобретением, позволяет, тем самым, улучшить механическую прочность инкапсулирующей структуры 20 путем создания локального разрыва в непрерывности тонкого герметизирующего слоя 24 и, в случае необходимости, тонкого антиотражающего слоя 25, благодаря выполнению рельефа 23 с толщиной, выбранной для этой цели. При этом нет необходимости прибегать к конкретному этапу локализованного травления тонких герметизирующих и антиотражающих слоев, что, в частности, позволяет сохранить рабочие характеристики детектирующего устройства 1.

[0059] Выше были описаны конкретные варианты выполнения. Различные варианты и модификации будут очевидны для специалистов в данной области техники.

Изобретение относится к способам изготовления устройств для детектирования электромагнитного излучения, в частности инфракрасного или терагерцевого излучения. Способ изготовления устройства для детектирования электромагнитного излучения содержит по меньшей мере один тепловой детектор на подложке и одну герметизирующую структуру, ограничивающую вместе с подложкой полость, в которой расположен тепловой детектор, при этом способ включает изготовление теплового детектора; создание тонкого герметизирующего слоя герметизирующей структуры, проходящего над тепловым детектором, причем тонкий герметизирующий слой выполняют из герметизирующего материала; создание, путем физического осаждения из паровой фазы (PVD), второго тонкого герметизирующего слоя, покрывающего первый тонкий герметизирующий слой, причем второй тонкий герметизирующий слой выполняют из герметизирующего материала, коэффициент теплового расширения которого отличается от коэффициента теплового расширения материала первого герметизирующего слоя материала, при этом способ согласно изобретению включает выполнение на первом тонком инкапсулирующем слое, перед этапом создания второго тонкого герметизирующего слоя, по меньшей мере одного рельефа, имеющего подходящую среднюю толщину, чтобы во время осаждения второго тонкого герметизирующего слоя последний формировался из по меньшей мере одного сегмента, расположенного на первом тонком герметизирующем слое, и из по меньшей мере одной площадки, отделенной от указанного сегмента второго слоя и лежащей на рельефе, формируя тем самым локальный разрыв непрерывности второго тонкого герметизирующего слоя у рельефа. Предложенный согласно изобретению способ позволяет изготовить такие детектирующие устройства, которые обеспечивают увеличение механической прочности герметизирующей структуры. 10 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ изготовления устройства (1) для детектирования электромагнитного излучения, содержащего по меньшей мере один тепловой детектор (10), лежащий на подложке (2), и одну инкапсулирующую структуру (20), ограничивающую, вместе с подложкой (2), полость (3), в которой расположен тепловой детектор (10), при этом способ включает следующие этапы:

- изготовление теплового детектора (10) из по меньшей мере одного первого жертвенного слоя (31), осажденного на подложке (2);

- создание тонкого инкапсулирующего слоя (21) инкапсулирующей структуры (20), проходящего над тепловым детектором (10) по меньшей мере одного второго жертвенного слоя (32), расположенного на первом жертвенном слое (31), причем тонкий инкапсулирующий слой (21) выполняют из инкапсулирующего материала;

- создание, путем физического осаждения из паровой фазы (PVD), тонкого герметизирующего слоя (24), покрывающего тонкий инкапсулирующий слой (21), причем тонкий герметизирующий слой (24) выполняют из герметизирующего материала, коэффициент теплового расширения которого отличается от коэффициента теплового расширения инкапсулирующего материала,

отличающийся тем, что он дополнительно включает следующий этап:

- выполнение на тонком инкапсулирующем слое (21), перед этапом создания тонкого герметизирующего слоя (24), по меньшей мере одного рельефа (23), имеющего подходящую среднюю толщину, чтобы во время осаждения тонкого герметизирующего слоя (24) последний формировался из по меньшей мере одного сегмента (24.1), расположенного на тонком инкапсулирующем слое (21), и из по меньшей мере одной площадки (24.2), отделенной от указанного сегмента (24.1) слоя и лежащей на рельефе (23), формируя тем самым локальный разрыв непрерывности тонкого герметизирующего слоя (24) у рельефа (23).

2. Способ по п. 1, в котором рельеф (23) образует, в ортогональной проекции относительно подложки (2), двумерную решетку продольных сегментов, по меньшей мере частично окружающих тепловой детектор (10).

3. Способ по п. 2, в котором, в ортогональной проекции относительно подложки (2), решетка продольных сегментов рельефа (23) непрерывно окружает тепловой детектор (10), так что площадка (24.2) проходит непрерывно поверх решетки продольных сегментов рельефа (23) и отделена от указанного сегмента (24.1) слоя, окруженного решеткой продольных сегментов рельефа (23).

4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором тепловой детектор (10) содержит абсорбирующую мембрану (11), подвешенную над подложкой (2) и содержащую термометрический преобразователь (12), причем рельеф (23), в ортогональной проекции относительно подложки (2), расположен на расстоянии от абсорбирующей мембраны (11).

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором тонкий герметизирующий слой (24) имеет среднюю толщину e_cs, а рельеф (23) имеет среднюю толщину e_r, большую или равную одной пятой от средней толщины e_cs.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором на этапе выполнения рельефа (23) осаждают первый слой, выполненный из материала, отличающегося от материала тонкого инкапсулирующего слоя (21), с последующим локальным структурированием первого слоя путем его выборочного травления по отношению к тонкому инкапсулирующему слою (21), чтобы сформировать рельеф (23).

7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором детектирующее устройство (1) содержит матрицу тепловых детекторов (10), размещенных в указанной полости (3), причем рельеф (23) образует двумерную решетку продольных сегментов, по меньшей мере частично окружающих каждый из тепловых детекторов (10) в ортогональной проекции относительно подложки (2).

8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором тонкий инкапсулирующий слой (21) выполняют на кремниевой основе, а тонкий герметизирующий слой (24) выполняют на германиевой основе.

9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором тонкий герметизирующий слой (24) осаждают испарением.

10. Способ по любому из пп. 1-9, в котором изготавливают тонкий антиотражающий слой (25) путем физического осаждения из паровой фазы на тонкий герметизирующий слой (24), причем тонкий антиотражающий слой (25) имеет локальный разрыв непрерывности.

11. Способ изготовления по любому из пп. 1-10, в котором:

- между выполнением рельефа (23) и созданием тонкого герметизирующего слоя (24) формируют по меньшей мере одно сквозное отверстие, называемое выпускным отверстием (22), проходящее через тонкий инкапсулирующий слой (21),

при этом тонкий герметизирующий слой (24) затем создают таким образом, чтобы он перекрывал выпускное отверстие (22),

- удаляют жертвенные слои (31, 32) через выпускное отверстие (22).