Microbolomètres supraconducteurs suspendus opérant à la température de l'azote liquide ; conception et fabrication par micro-usinage de substrats de silicium

摘要

La sensibilité d'un bolomètre croit si la conductance thermique entre la partie du capteur échauffée par la lumière incidente et le thermostat auquel il est couplé décroît. Ainsi, notre travail s'est orienté vers la conception et la fabrication de microstructures YBaCuO suspendues par micro-usinage de substrats de silicium. Les films d'YBaCuO obtenus sur silicium avec une double couche tampon CeO_2 / YSZ ont montré de très bonnes caractéristiques structurales et électriques, une seule orientation dans le plan et une température critique mesurée à résistance nulle de 88 K. La technique de micro-usinage par Gravure Ionique Réactive (GIR) du substrat de silicium a montré une très bonne reproductiblité de fabrication. Un modèle d'écoulement thermique a été élaboré sur de simples ponts suspendus et vérifié expérimentalement. Les résultats ont été étendus au cas des serpentins et ont permis d'optimiser la géométrie d'un détecteur, méandre constitué de 17 ponts suspendus en série et couvrant une surface de détection de 100 x 100 μm~2. Les performances du méandre optimisé, mesurées à 85 K, sont au niveau des meilleures publiées (NEP = 4,0 10~(-12) W (Hz)~(1/2) et détectivité = 2,5 10~9 cm (Hz)~(1/2) / W, avec un temps de réponse de 564 μs). La gravure de substrats SIMOX a ensuite permis de réaliser des membranes suspendues constituées des couches de (YBaCuO, CeO_2, YSZ, Si) et d'obtenir ainsi un degré de liberté supplémentaire dans la composition de la membrane.%The sensitivity of a bolometer increases if the thermal conductance between the part of the sensor heated by the incident radiation and the heat sink decreases. Then, our work deals with the modelling and the fabrication of suspended YBaCuO microstructures by silicon micromachining. High quality YBaCuO films showing completely c-oriented texture and single in-plane epitaxial orientation were obtained on CeO_2 / YSZ-buffered Si substrates. Critical temperatures up to 88 K were measured for the as grown films. The micromachining technique using the Reactive Ion Etching (RIE) of silicon substrates was very reproducible. A thermal model was established on single suspended bridges and verified experimentally. The results enabled to optimise the detector geometry, a meander constituted of 17 suspended bridges in series and covering a detection surface of 100 x 100 μm~2. The performances of the optimised detector, measured at 85 K under irradiation from a blackbody, are among the best reported for YBaCuO micrometers (NEP = 4.0 10~(-12) W (Hz)~(1/2) and detectivity = 2,5 10~9 cm (Hz)~(1/2) / W, with a thermal time constant of 564 μs). The etching of Separated by Implanted Oxygen (SIMOX) substrates enabled to fabricate suspended membranes constituting of the YBaCuO / CeO_2 /YSZ / Si multi-layers and then to obtain an additional liberty degree in the membrane composition.