OPTRONIQUE & infrarouge DOSSIER
Figure 1. Courbes d’ absorption spectrale du black silicon sur wafer avec 4 jeux de paramètres de process et comparaison à l’ absorption d’ un wafer de silicium nu [ 2 ].
comprenant chacun plusieurs imageurs en silicium.
Dans cet article, nous expliquons comment il est possible de donner des capacités de vision à bas niveau de lumière à des imageurs CMOS en silicium pour répondre à des besoins dans les domaines de la défense mais aussi civils dans l’ automobile, le spatial, l’ industrie, le médical, le scientifique,...
LE BLACK SILICON: L’ ANTIREFLET ULTIME Le Black Silicon( BS) est obtenu par une texturation aléatoire de la surface du silicium. La littérature est extrêmement fournie sur le BS car il peut être obtenu par différents procédés:
• tirs lasers dans une vapeur soufrée, lors de sa découverte, il y a plus de 25 ans, par l’ équipe d’ Eric Mazur à l’ Université d’ Harvard [ 1 ]
• gravure chimique humide avec catalyseur métallique
• gravure sèche par plasma à basse température ou même à température ambiante.
Chaque procédé conduit à un BS dont les nanostructures diffèrent en termes de morphologie, de densité et de caractéristiques géométriques. Du point de vue des propriétés optiques, le BS est un antireflet qui se comporte comme une couche homogène d’ indice de réfraction graduellement croissant entre celui de l’ air et celui du silicium. Une de ses caractéristiques les plus importantes est son caractère aléatoire ce qui donne à cet antireflet des performances exceptionnelles:
• à la fois efficace( généralement en dessous du pourcent de réflexion) sur une très large gamme de longueurs d’ onde: du visible au proche infrarouge( Near InfraRed – NIR et même jusqu’ au SWIR, MWIR et LWIR en adaptant les tailles des nanostructures)
• et présentant une très large acceptance angulaire jusqu’ à plus de 50 ° d’ incidence.
Ce sont ces propriétés qui donnent au BS cette couleur noire si particulière, même en incidence ou en lumière diffuse.
Nous avons développé un procédé breveté qui permet de réaliser du BS par un procédé de gravure sèche par plasma. Ce procédé a été conçu pour pouvoir traiter industriellement à vitesse élevée de grandes surfaces de silicium- jusqu’ à des wafers de 8 pouces dans nos installations et 12 pouces chez des fondeurs en microélectronique- sur lesquels ont préalablement été fabriqués des imageurs CMOS. Le traitement BS est exclusivement réalisé sur la matrice de pixels, en remplacement des couches antireflet qui sont habituellement déposées en surface. Il est optimisé en termes de paramètres statistiques des nanostructures( longueur de corrélation, distribution des hauteurs) pour que la performance de l’ antireflet soit maximale pour les longueurs d’ onde du visible et du proche infrarouge et pour toutes les incidences. Dans le NIR, le BS diffuse la lumière dans le volume du pixel maximisant ainsi l’ interaction optique avec le matériau et donc son absorption. Ainsi l’ ensemble de ces rayonnements est absorbé à plus de 99 % dans le silicium( Figure 1).
La texturation de la surface du silicium par gravure plasma
Figure 2. Efficacité quantique d’ un imageur CMOS traité black silicon comparée à celle de l’ imageur identique de référence sans black silicon.
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