Les imageurs CMOS, un exemple de convergence des technologies optique et microélectronique ® Mireille Commandré, Institut Fresnel UMR CNRS 6133, Professeur Ecole Centrale Marseille Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 ® Collaboration Institut Fresnel/ ST Microelectronics financée par le Conseil Général des Bouches du Rhône et la Région Provence Alpes Côte d’Azur Remerciements • Guillaume Demesy, thèse CIFRE soutenue en mars 2009 • Olivier Gagliano, Brendan Dunne et Valérie Serradeil de ST Microelectronics • André Nicolet et Frédéric Zolla de l’Institut Fresnel, équipe CLARTE Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 2 Introduction Évolution de la microélectronique : Loi de Moore Réduction des dimensions des composants pour améliorer: La densité d’intégration × 1,4 chaque année, très proche de la prédiction de Moore en 1965 La rapidité des circuits LG la longueur de grille des transistors est passée de 350nm en 1994 à environ 80 nm en 2004 et 50 nm en 2006. Prévisions: 25nm en 2011/2012 Ö vers l’électronique ultime voire la « nanoélectronique » car toutes les dimensions des MOSFET deviennent de l’ordre de la dizaine de nanomètres Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 3 Introduction Optique et microélectronique, une longue histoire: la microélectronique dans sa course à l’intégration n’a cessé de poser des challenges à l’optique • La photolithographie au cœur des procédés de fabrication de la microélectronique : masques, correction des effets de la diffraction (OPC, Optical proximity correction), masques de déphasage (PSM), répéteurs aux longueurs d’onde 248nm puis 193nm et maintenant 13nm, au-delà de la limite de diffraction… • La caractérisation optique pour la microélectronique: microscopies, microscopie d’émission, microscopie Raman, spectrophotométrie, ellipsométrie, scatterométrie, réflectométrie de rayons X, méthodes photothermiques… • …. Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 4 Photolithographie Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 5 Problématique ¾ The Subwavelength illumination gap ¾ Distorsions de l’image due à la diffraction quand la longueur d’onde est de l’ordre de grandeur du motif Journées de l’Optique Le Croisic élémentaire 3/5 juin 2009 6 Introduction 9 Optique et microélectronique, une longue histoire, 9 Mais Optoélectronique et optique intégrée longtemps en filières indépendantes sur substrats autres que silicium…. 9 Tendances actuelles: Réduction des dimensions et échelles nanométriques Intégration multifonctionnelle sur une seule puce (optique, traitement du signal ou de l’image, mécanique….) Toutes fonctions optiques sur substrat silicium (sources, détecteurs…) Avec le développement des nanotechnologies et la généralisation des procédés d’intégration, on assiste à une convergence des technologies, notamment optique et microélectronique. Les capteurs d’image réalisés en technologie CMOS, qui conquièrent de nouvelles parts de marché pour des applications de plus en plus nombreuses, en sont un bon Journées de l’Optique Le Croisic 7 exemple. 3/5 juin 2009 Plan de l’exposé • Les micros caméras et leurs applications • Réduction drastique des dimensions • Structure du capteur : microlentilles et filtres colorés • Éléments constitutifs de l’appareil photo complet • Conséquences de la miniaturisation sur la partie optique • Exemple du filtrage colorimétrique Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 8 Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 9 Exemples d’applications pour l’automobile ® Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 10 Besoin de flexibilité sur les produits Résolutions multiples, interfaces, partitionnement et options optiques entraînent une multitude de produits pour adresser le marché ® Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 11 Réduction drastique des dimensions La résolution augmente tous les ans, le prix diminue tous les ans ® Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 12 Réduction drastique des dimensions ® Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 13 Réduction drastique des dimensions ® Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 14 Structure de l’imageur Micro lentille Obtenue par fluage de la résine spacer Filtres en résines colorées 11 0,9 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 0,6 T oxydes métaux 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 00 0,3 0,3 0,35 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,75 0,8 0,8 longueur d'onde en microns Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 15 Éléments constitutifs de l’appareil photo complet Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 16 Éléments constitutifs de l’appareil photo complet Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 17 Éléments constitutifs de l’appareil photo complet Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 18 Éléments constitutifs de l’appareil photo complet Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 19 Complexité de l’assemblage d’un micromodule Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 20 Exemple d’intégration miniaturisée, téléphone portable Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 21 Filtrage colorimétrique - Partition Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 22 Filtrage colorimétrique - Partition Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 23 Filtrage colorimétrique - Partition Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 24 Filtrage colorimétrique - Partition Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 25 Filtrage colorimétrique - Partition Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 26 Filtrage colorimétrique - Partition Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 27 Flots de données du traitement d’image Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 28 Conséquences inéluctables de la miniaturisation Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 29 Conséquences inéluctables de la miniaturisation Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 30 Conséquences inéluctables de la miniaturisation Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 31 Conséquences inéluctables de la miniaturisation Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 32 Conséquences inéluctables de la miniaturisation Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 33 Conséquences inéluctables de la miniaturisation Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 34 Conséquences inéluctables de la miniaturisation Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 35 Conséquences inéluctables de la miniaturisation Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 36 Filtrage diffractif sub-longueur d’onde dans le visible intégré dans un pixel d’imageur CMOS Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 37 Nano-candidats retenus après étude paramétrique Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 38 Simulation de la reconstruction des couleurs Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 39 Simulation de la reconstruction des couleurs Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 40 Structures de test embarquées sur un pixel commercialisé Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 41 Perspectives Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 42 FIN Journées de l’Optique Le Croisic 3/5 juin 2009 43