Développement d'un procédé de fabrication de microlentilles planaires pour des applications imageurs

par Lucie Dilhan

Projet de thèse en Physique des materiaux

Sous la direction de Jérôme Vaillant et de Laurent Frey.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (LETI - CEA) (laboratoire) depuis le 01-05-2018 .


  • Résumé

    Les capteurs d'images font désormais partie de notre quotidien à travers les smartphones et autres appareils mobiles. La qualité croissante des images délivrées est liée au progrès importants des technologies mises en œuvre. Les technologies Imageur permettent d'associer des modules de capture d'image avec des circuits intégrés. Ces modules sont construits avec des matrices de pixels photosensibles qui réagissent à certaines longueurs d'onde en fonction du type d'application visé. Ces matrices nécessitent la fabrication de microlentilles qui permettent de capturer et de focaliser les rayons lumineux vers chaque pixel. La fabrication des microlentilles est un enjeu majeur pour maximiser la collection des photons et assurer une qualité d'image optimale. Les procédés actuels de fabrication sont basés sur le fluage de résine et la gravure. Par ailleurs, les applications deviennent plus complexes et imposent par exemple la nécessité la coexistence de lentilles de plusieurs formes et de plusieurs hauteurs au sein d'un même pixel. Ceci est actuellement réalisé en plusieurs étapes de photolithographie avec peu de contrôle sur les formes finales. Les microlentilles sont des optiques réfractives de forme sphérique dont l'épaisseur dépend de la longueur focale et peut varier de un à plusieurs microns. Cet aspect facteur de forme entraine des limitations technologiques dans le schéma d'intégration global. Dans ce contexte nous proposons l'étude de nouveaux procédés innovants pour la réalisation de systèmes de focalisation de la lumière basés sur des films à gradient d'indice et/ou des lentilles de Fresnel. Le but de l'étude est d'évaluer le gain en milieu industriel en terme de capabilité de fabrication et de collection de photon par rapport aux procédés actuels basés sur le fluage de résine. Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un programme bilatéral de collaboration entre STMicroelectronics et le CEA-Leti. Le candidat viendra poursuivre et renforcer la collaboration existante entre les équipes de STMicrolectronics et le DOPT du CEA-Leti. Le travail expérimental sera effectué dans la salle blanche du CEA-Leti, et toutes les problématiques industrielles seront adressées à STMicroelectronics. Dans un premier temps l'étudiant(e) aura comme but de démontrer la faisabilité théorique de microlentilles planaires, en réalisant un travail bibliographique de l'état de l'art, en investiguant tous les paramètres critiques tels que les matériaux à utiliser (réflectivité, empilement, épaisseurs des couches...), en imaginant des méthodes permettant de réaliser un gradient d'indice, en simulant optiquement une diversité de dimensions de pixels et de longueurs d'ondes. Le/la candidat(e) mettra ensuite en place l'intégration du procédé dans une route industrielle imageur ou photodiode à avalanche. Il développera le dessin des structures permettant la variation d'indice, les procédés lithographiques, les procédés de gravure, la conception de masques lithographiques afin de réaliser un démonstrateur. Dans le cadre de la thèse, le démonstrateur sera caractérisé électro-optiquement après fabrication et les performances mesurées seront comparées de façon critique avec les simulations réalisées en première partie de thèse. Dans une vision à plus long terme, ce projet permettra de faire un comparatif de performance des microlentilles asphériques à gradient d'indice et/ou de Fresnel durant la thèse avec le procédé de référence industriel pour démontrer le gain d'une telle innovation.

  • Titre traduit

    Process development of planar micro lens for imager applications


  • Résumé

    Image sensor are part of our everyday life through smartphone and various kinds of portable devices. Increasing image quality is correlated with innovation and progress of technologies involved. Imager technology allows to integrate optical image capture modules within integrated circuits. These modules are built with photo sensitive pixel matrix to specific illumination wavelength, depending on the desired application. These matrix require micro lens fabrication to capture and focus light onto photo diode of each pixel. Micro lens fabrication is a major challenge to maximize photon collection and ensure optimal image quality. Current micro lens processes are based upon resist melt and etch. Moreover, increasing application complexity requires coexistence of various lens shape and lens height within a single pixel. This is currently achieved with several lithography process steps, but control of final lens profile is limited. Micro lenses are refractive optics structures with spherical shape which height depends on desired focal length and can vary from one to several microns. Aspect ratio is a technical limitation in the global integration scheme. In this context we propose to study new innovative processes to realize light focus devices based on graded index and/or Fresnel structures. Objective of the study is to evaluate gain in an industrial environment in term of fabrication capability and photon collection efficiency and compare to current standard processes based on resist melt. This thesis is part of bilateral collaboration program between STMicroelectronics and CEA-Leti. Candidate will reinforce existing collaboration between both company teams. Theoretical work will take place CEA-Leti, experimental in ST clean room, all industrial process challenge will be driven with STMicroelectronics. Student will demonstrate theoretical feasability of planar micro lens by gathering bibliography information related to state of the art, by investigating all critical material parameters (reflectivity, stack, film thickness...), by optical simulation of various pixel dimensions and illumination wavelength, and finally by brainstorming on innovative industrial process methods to realize a graded index film and Fresnel profile. Candidate will then set up integration of process within an imager or avalanche photodiode industrial route. He will develop structure design allowing index variation, lithography, mask design and etch process in order to realize a demonstrator. Within the frame of the thesis, demonstrator will be electro-optically characterized after fabrication. Measured performance will be compared to initial simulation. · In the long term, this study will allow a benchmark of performance of graded index and/or Fresnel micro lens with the industrial current process of reference. This comparison will allow to demonstrate gain of this innovation.