Mireille Commandré

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
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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
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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…
• ….
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Photolithographie
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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
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élémentaire
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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:
ƒ Réduction des dimensions et échelles nanométriques
ƒ Intégration multifonctionnelle sur une seule puce (optique, traitement
du signal ou de l’image, mécanique….)
ƒ 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
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exemple.
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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
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Exemples d’applications pour l’automobile
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Besoin de flexibilité sur les produits
Résolutions multiples, interfaces, partitionnement et
options optiques entraînent une multitude de
produits pour adresser le marché
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Réduction drastique des dimensions
La résolution augmente tous les ans, le prix diminue tous les ans
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Réduction drastique des dimensions
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Réduction drastique des dimensions
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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
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Éléments constitutifs de l’appareil photo complet
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Éléments constitutifs de l’appareil photo complet
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Éléments constitutifs de l’appareil photo complet
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Éléments constitutifs de l’appareil photo complet
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Complexité de l’assemblage d’un micromodule
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Exemple d’intégration miniaturisée, téléphone portable
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Filtrage colorimétrique - Partition
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Filtrage colorimétrique - Partition
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Filtrage colorimétrique - Partition
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Filtrage colorimétrique - Partition
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Filtrage colorimétrique - Partition
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Filtrage colorimétrique - Partition
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Flots de données du traitement d’image
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Conséquences inéluctables de la miniaturisation
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Conséquences inéluctables de la miniaturisation
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Conséquences inéluctables de la miniaturisation
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Conséquences inéluctables de la miniaturisation
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Conséquences inéluctables de la miniaturisation
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Conséquences inéluctables de la miniaturisation
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Conséquences inéluctables de la miniaturisation
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Conséquences inéluctables de la miniaturisation
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Filtrage diffractif sub-longueur d’onde dans le visible
intégré dans un pixel d’imageur CMOS
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Nano-candidats retenus après étude paramétrique
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Simulation de la reconstruction des couleurs
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Simulation de la reconstruction des couleurs
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Structures de test embarquées sur un pixel commercialisé
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Perspectives
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FIN
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