CN1692274A - 光检测装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有可以有效地冷却CCD读取部，并且能够使整个装置小型化的构造的光检测装置。该光检测装置具备：半导体基板，其中半导体基板具有作为光入射面的背面、与该背面相对并且设置有检测出从该背面到达的光的CCD读取部的前面；冷却该CCD读取部的冷却装置；和具有收容这些半导体基板和冷却装置的空腔的封装。半导体基板通过用于冷却的冷却装置而固定在封装的空腔底部，该背面是与设置有CCD读取部的区域对应的部分被薄化处理。冷却装置具有在覆盖设置CCD读取部的区域的状态下，与该半导体基板的前面接触的冷却面。该冷却面的尺寸大于设置CCD读取部的区域，而小于该半导体基板的前面。此外，半导体基板的前面之内，在被冷却装置的冷却面所覆盖区域的周边区域内设置的电极垫与设置在封装内的封装端子通过接合线电气连接在一起。

Description

光检测装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及光检测装置，尤其涉及对从背面入射的光利用设置在与该背面相对的前面上的光电变换元件而加以检测的背面入射型光检测装置及其制造方法。
背景技术
通过由设置在该半导体基板的前面的电荷耦合元件构成的电荷读取部(以下称CCD读取部)，而检测出从背面入射并透过半导体基板的光线的光检测装置(以下称背面入射型光检测装置)，与通过设置在前面之上的CCD读取部直接检测入射光的光检测装置(以下称前面入射型光检测装置)相比，直至更短波长区域它仍具有良好的灵敏度。因此，作为要求在大范围波长区域进行测定的光谱分析装置的光检测装置，背面入射型光检测装置非常适合。在该光谱分析领域的光检测装置中，对高精细画像及高S/N特性的要求日益强烈。
在上述背面入射型光检测装置中，为了实现高S/N特性，需要利用珀耳帖等元件积极地冷却CCD读取部。例如，在特开平4-290464号公报中，记载了一种具有上述冷却构造的背面入射型光检测装置。如图1所示，传统的背面入射型光检测装置具备，在其中一面形成有CCD读取部102的半导体基板101、保持该半导体基板101的封装103、在形成半导体基板101的CCD读取部的一面上封闭封装103的盖子104。在CCD读取部102与盖子104之间，至少在常温条件下封入可塑性的热传导部件108，冷却部件107被设置在封装103外部，冷却部件107的冷却面按照与盖子104接触的方式设置。
发明内容
发明人对上述传统技术进行研究，从而发现了以下问题。即特开平4-290464号公报中记载的背面入射型光检测装置具有如下优点，为了冷却发热的CCD读取部102，在CCD读取部102与盖子104之间封入热传导部件108，这样，它就可以促进冷却部件107与CCD读取部102的热传导。
但是，在CCD读取部102通过封装103而被冷却的构造中，为了使CCD读取部102充分冷却，整个封装103也必须冷却。因此，传统的背面入射型光检测装置存在如下问题，即它不仅冷却效率较差，而且必须使用冷却能力较大(因此，尺寸也随之增大)冷却部件107。此外，传统的背面入射型光检测装置还存在这样的问题，由于使冷却部件107外接在封装103上，因此其体积增大。
本发明就是为了解决上述课题而发明出来的，其目的在于提供一种具有可以有效地冷却CCD读取部，并且能够使整个装置小型化的构造的光检测装置及其制造方法。
本发明的光检测装置涉及一种通过设置在前面的光检测部而检测出从背面入射的光线的背面入射型光检测装置。其具体情况在于，该光检测装置具备：半导体基板，其中半导体基板具有作为光入射面的背面、与该背面相对并且设置有由检测出从该背面到达的光的电荷耦合元件构成的电荷读取部(CCD读取部)的前面；冷却该CCD读取部的冷却装置；和容纳这些半导体基板与冷却装置的封装，同时，还具备构成部分电气布线的电极垫、封装端子及接合线。
在上述半导体基板的背面，在与设置着CCD读取部的前面之内的区域对应的区域内形成凹槽。这样，半导体基板是设置有CCD读取部区域的厚度就比其余区域的厚度薄。此外，在半导体基板的前面，在设置着CCD读取部的区域的周边配置着电极垫。上述冷却装置在覆盖整个CCD读取部的状态下，具有与上述半导体基板的前面接触的冷却面。冷却该CCD读取部整体的冷却面的尺寸，大于设置着该CCD读取部的区域，以使之覆盖该整个CCD读取部，而小于半导体基板的整个前面。上述封装具有容纳半导体基板及冷却装置的空腔、用于电气连接该空腔与外部的封装端子。设置在半导体基板的前面之内的电极垫与封装端子通过接合线而电气连接在一起。
如上所述，由于半导体基板与冷却装置被同时容纳在一个封装之内，因此能够实现该光检测装置的小型化。此外，冷却装置的冷却面与形成有CCD读取部的半导体基板的前面接触，以覆盖形成有CCD读取部的区域，因此，可以直接利用冷却装置冷却CCD读取部。
此外，半导体基板的前面之内，在设置着CCD读取部区域的周边配置着电极垫，由于该电极垫与封装端子通过接合线电气连接，因此，可以使用于把CCD读取部的电荷信号取出至封装外部的布线的长度缩短。这样，就可以使该光检测装置的高速响应性保持在较高标准。
在覆盖设置着CCD读取部的区域的状态下，与半导体基板的前面接触的上述冷却装置的冷却面的尺寸，比该半导体基板的超薄处理部分(设置有CCD读取部的区域)大。因此，使冷却面与半导体基板的前面接触，这样，可以机械强固薄型化处理的部分(机械强度较差)。
上述冷却装置，其与冷却面相反一侧的面在与空腔底部接触的状态下，被固定在封装内。优选在该空腔底部，在与电极垫及封装端子对应的位置形成操作口。由于可以通过操作口并利用接合线进行连接电极垫与封装端子之间部分的操作，因此，这种引线接合作业就变得简单。此外，该操作口在引线接合作业结束之后，优选用盖子封闭(空腔的密封)。
上述封装优选具有用于封闭空腔的上部开口的顶板，在通过该顶板所限制的空腔内的空间内容纳半导体基板与冷却装置。这种构造有效地防止上部开口与外界的气体移动。因此，可以有效地防止当空腔内部充满惰性气体或者成为真空时，半导体基板与冷却装置的结露。此外，通过设置顶板，半导体基板可以免受污染或机械撞击。
在本发明涉及的光检测装置中，上述半导体基板与上述封装的空腔内壁之间优选离开一定的距离，该半导体基板通过冷却装置被封装所支撑。在这种构造中，除了接合线与冷却装置的冷却面之外，半导体基板不与封装接触。因此，从封装向设置在半导体基板前面侧的CCD读取部的热传导被控制在最小限度。
具体地讲，上述冷却装置优选包括珀耳帖元件、与该珀耳帖元件的冷却一侧接触的冷却板。冷却板中与珀耳帖元件的冷却侧接触的面相反的一面作为上述冷却面，它与半导体基板接触。一般情况下，通过使流过珀耳帖元件的电流量变化，则可以使珀耳帖元件的冷却一侧冷却至需要的温度。于是，由于只有冷却板介于珀耳帖元件的冷却一侧与设置着CCD读取部的半导体基板的前面之间，因此，不仅可以较好地维持该珀耳帖元件的冷却一侧与CCD读取部之间的热传导效率，还可以有效地冷却CCD读取部。
本发明涉及的光检测装置的制造方法，准备具有上述构造的半导体基板、冷却装置及封装。
上述半导体基板具有作为光入射面的背面、设置着用于检测从该背面到达的光的CCD读取部并与该背面相对的前面。此外，该半导体基板在与设置着CCD读取部的前面之内的区域对应的背面的规定区域内形成凹槽，这样，半导体基板就具有如下构造，设置着CCD读取部的区域的厚度比其余区域的厚度薄。还有，在半导体基板的前面，在设置着CCD读取部的区域的周边配置着电极垫。上述冷却装置在覆盖整个CCD读取部的状态下，具有与上述半导体基板的前面接触的冷却面。冷却该CCD读取部的冷却面的尺寸，大于设置着该CCD读取部的区域，以使之覆盖该整个CCD读取部，而小于半导体基板的整个前面。上述封装具有容纳半导体基板及冷却装置的空腔、用于电气连接该空腔与外部的封装端子。
本发明涉及的光检测装置的制造方法，首先，按照该冷却装置的冷却面相反一侧的面与空腔底部相对的方式，将上述冷却装置设置在该空腔内。其次半导体基板的前面与该冷却面接触，使CCD读取部被该冷却面所覆盖并且不与空腔内壁接触。之后，半导体基板的前面之内，在被冷却面所覆盖区域的周边设置的电极垫与设置在封装内的封装端子通过接合线电气连接。
如上所述，如果根据本发明涉及的光检测装置的制造方法，由于半导体基板与冷却装置被容纳在一个封装之内，因此，可以实现该光检测装置本身的小型化。此外，由于设置着CCD读取部的半导体基板的前面与冷却装置的冷却面接触，因此，可以很好地维持冷却面与CCD读取部之间的热传导效率(CCD读取部被有效冷却)。
此外，半导体基板与空腔内壁保持一定距离间隔的状态下，被容纳在该空腔之内，因此，除了接合线及冷却装置之外，封装与半导体基板不直接接触。因此，不仅可以控制热传导从封装传向半导体基板，还可以有效地冷却CCD读取部。
利用接合线连接电极垫与封装端子，优选在通过从空腔的上部开口插入的夹具支撑半导体基板的状态下进行。这样，通过在半导体基板被夹具支撑的同时，进行引线接合作业，就可以避免半导体基板由于冲击等原因而破损。此外，优选在上述封装的空腔底部，在与电极垫与封装电极对应的位置设置操作口。通过该操作口利用接合线连接电极垫与封装端子，这样，引线接合作业就变得简单。此外，还可以缩短用于把CCD读取部的电荷信号取出至外部的布线的长度。
该引线接合作业结束之后，该操作口优选用盖子封闭。同样，该引线接合作业结束之后，空腔的上部开口优选用顶板封闭。这样，如果用顶板封闭空腔上部开口，则使该空腔内充满惰性气体或者保持真空就变得容易，还可以有效地防止该空腔内的结露。
此外，关于本发明涉及的各个实施例，通过以下详细的说明及附图，能够获得更全面的理解。这些实施例只是用于举例说明，它们并不限制本发明的内容。
此外，本发明的更广泛的应用范围通过以下详细的说明就会明白。但是，详细的说明及特定事例表示本发明的最佳实施例，但它们只是用于举例，在本发明的主旨及范围之内进行的各种修改及改进，对于本领域从业人员而言通过该详细说明则会不言自明。
附图说明
图1是传统的背面入射型光检测装置的断面构造示意图。
图2是从上部(光入射的半导体基板的背面一侧)观看本发明涉及的光检测装置的俯视图。
图3是从底部(半导体基板的前面一侧)观看图2所示的光检测装置的仰视图。
图4是本发明涉及的光检测装置沿着图2中III-III线的断面构造示意图。
图5A～图5C是说明本发明涉及的光检测装置的制造方法的工序图(第一工序)。
图6A～图6C是说明本发明涉及的光检测装置的制造方法的工序图(第二工序)。
具体实施方式
下面参照图2～4以及5A～6C，对本发明涉及的光检测装置及其制造方法的各个实施例进行详细的说明。在附图的说明中，相同部位、相同要素标注相同的符号，并省略重复性的说明。
图2是从上部(光入射的半导体基板的背面一侧)观看本发明涉及的光检测装置的俯视图。图3是从底部(半导体基板的前面一侧)观看图2所示的光检测装置的仰视平面图。图4是沿着图2中III-III线的该光检测装置的断面构造示意图。
本发明涉及的光检测装置具备具有由底部2a(空腔底部)与侧壁2b(空腔内壁)围成的空腔2f的封装2、覆盖该空腔2f的上部开口的顶板3。该光检测装置的外观略呈长方体形状，在封装2的空腔2f内容纳着半导体基板4、冷却装置C。此外，半导体基板4具有作为光入射面的背面、与该背面相对并且设置有用于检测从该背面到达的光的CCD读取部4a的前面。此外，冷却装置C具有，在覆盖整个CCD读取部4a的状态下与半导体基板4的前面接触，用于冷却该CCD读取部4a的冷却面7a。
顶板3在中央部附近设置着透光性的窗口3a(图2)。透过该窗口3a的光线，向容纳在封装2内的半导体基板4的背面入射，并透过半导体基板4，最后到达设置在前面的CCD读取部4a(通过CCD读取部进行光检测)。
在封装2的侧壁2b的上端部，设置着朝着空腔2f的内侧方向延伸的鳄部2e，在该鳄部2e上，沿着矩形的底部2a的长边，以与底部2a相临的方式配置有两列封装端子2d。
此外，封装2在底部2a沿其长边设置着两个操作口2c。该操作口2c是一个开口，其用途在于当连接半导体基板4的电极垫4c与设置在侧壁2b上的封装端子2d时插入接合机的接合头，它设置在电极垫4c与封装端子2d露出的位置。
在半导体基板4的前面，由设置着CCD读取部4a的区域4b、沿着操作口2c设置两列用于把来自CCD读取部4a的信号向外部传送的电极垫4c的周边区域构成。电极垫4c与封装端子2d一一对应，它们之间通过接合线6电气连接。
另一方面，在半导体基板4的背面，在与设置着CCD读取部4a的区域4b对应的区域设置凹槽，这样，区域4b的厚度变得比其余周边区域的厚度薄。半导体基板4按照形成有CCD读取部4a的前面与空腔底部2a相对的方式，通过冷却装置C安装在空腔底部2a上。
半导体基板4在与空腔2f的内壁(侧壁2b)保持规定间隔距离的状态下，被配置在该封装2内。
冷却装置C由珀耳帖元件5与冷却板7构成，珀耳帖元件5的发热一侧5b通过粘接剂等而固定在封装2的底部2a。珀耳帖元件的冷却一侧5a与板状部件的冷却板7接触。冷却板7介于半导体基板4与冷却一侧5a之间，与半导体基板4接触的一面作为冷却面7a。
该冷却面7a比设置着CCD读取部4a的区域4b大，而且其尺寸小于半导体基板4的整个前面。因此，冷却面7a在使配置着电极垫4c的区域露出的状态下，覆盖设置着CCD读取部4a的区域4b。换言之，在半导体基板4的前面之内，在被冷却面7a所覆盖的区域的周边区域内配置着电极垫4c。
因此，封装2优选由具有电气绝缘性，机械强度优良的陶瓷等材料制成。此外，窗口3a优选由具有充足透光性的石英玻璃等材料制成。由于该光检测装置是在封装2的内部充满惰性气体或者真空状态下所使用，因此，为了避免在接合部发生泄露，顶板3与封装2优选通过焊接等方式接合。
如前所述，为了使封装2内部充满惰性气体或者为真空状态，在电极垫4c及封装端子2d之间连接接合线6的操作(引线接合作业)结束之后，操作口2c被盖子等封闭。
冷却板7较硬，只要是具有充足热传导性的材料即可，并没有特别限制，可以使用玻璃、硅基板、陶瓷等材料。
此外，冷却板7的厚度优选是机械强固半导体基板4的薄型部(设置CCD读取部4a的区域4b)，同时能够充分冷却CCD读取部4a的范围之内。为了机械强固半导体基板4的薄型部(设置CCD读取部4a的区域4b)，该冷却板7比该区域4b宽，而且其尺寸小于半导体基板4的整个前面。此外，冷却板7是半导体基板4的前面之内的电极垫4c露出的形状(未覆盖电极垫4c的形状)。
如果从抑制来自侧壁2b的热电导的观点来讲，半导体基板4与侧壁2b的间隙d优选较宽，而如果从缩短接合线6的观点来讲，则优选较窄。因此，必须考虑两者的平衡而做出决定。例如间隙d优选是2.0±0.2mm左右。
于是，如果根据本发明涉及的光检测装置，则与珀耳帖元件5的冷却一侧5a连接的冷却板7与CCD读取部4a直接接触。因此，可以有效地使CCD读取部4a冷却。此外，由于半导体基板4除了冷却板7与接合线6以外，不与封装2接触，因此，可以有效地抑制热电导从封装2传向半导体基板4。
此外，由于冷却板7的尺寸大于半导体基板4的薄型部(设置CCD读取部4a的区域4b)，因此，它能够机械强固半导体基板4。
还有，通过操作口2c，电极垫4c与封装端子2d之间利用接合线6连接，因此，这样不仅可以缩短用于把CCD读取部4a的电荷信号取出外部的布线的长度，还可以使该光检测装置保持良好的高速响应性。
下面，参照图5A～5C以及图6A～6C，对本发明涉及的光检测装置的制造方法进行说明。此外，在图5A～5C中，表示该制造方法的第一～第三工序，而在图6A～6C中，表示该制造方法的第四～第六工序。
首先，在第一工序中，珀耳帖元件5通过环氧树脂等粘合剂与封装2的底部2a(空腔底部)的规定位置粘合。此时，底部2a与珀耳帖元件的发热一侧5b以接触的方式粘合(图5A)。
其次，在第二工序中，准备在其前面具备形成有CCD读取部4a的区域4b、与区域4b对应的部分被薄化处理、该前面之内的在区域4b的周边区域配置有电极垫4c的半导体基板4，在该半导体基板4的前面，通过环氧树脂等粘合剂使冷却板7与其粘合。
此时，冷却板7在覆盖形成有CCD读取部4a的区域4b，并且使电极垫4c露出的状态下，与半导体基板4的前面粘合(图5B)。
此外，上述第一工序、第二工序的顺序不仅可以调换，还可以两者同时实施。
在第三工序中进行如下操作，使在第一工序中获得的粘合着珀耳帖元件5的封装2与在第二工序中获得的粘合着冷却板7的半导体基板4两者连接。
换言之，粘合着冷却板7的半导体基板4，以冷却板7与珀耳帖元件5的冷却一侧5a相对的方式插入封装2的内部。在半导体基板4与封装2的侧壁2b之间保持规定间隙d的状态下，未与半导体基板4粘合的冷却板7的一个面与珀耳帖元件5的冷却侧5a，通过环氧树脂等粘合剂粘合(图5C)。
在第四工序中，电极垫4c与在鳄部2e形成的封装端子2d通过接合线6电气连接(引线接合作业)。即从空腔2f的上部开口，引线接合用紧固夹具8被插入封装2的内部，半导体基板4的背面(未形成CCD读取部4a的面)被引线接合用紧固夹具8所支撑。在此状态下，通过设置在底部2a上的操作口2c，使用接合机等进行引线接合作业(图6A)。
这样，通过利用引线接合用紧固夹具8支撑半导体基板4，则可以避免半导体基板4的破损，从而可以安全地进行引线接合作业。
下面，在第五工序中，进行封闭操作口2c的操作。即通过在操作口2c处粘合由陶瓷等材料制成的盖子9，从而使操作口2c封闭(图6B)。
最后，在第六工序中，在惰性气体或者真空条件下，顶板3通过焊接等方式安装在封装2的上部开口(图6C)。通过该操作，该光检测装置的内部被充满惰性气体，或者变为真空，因此，可以有效地防止空腔2f内的结露。
通过上述制造工序，则可以获得本发明涉及的光检测装置。
如果采用上述光检测装置的制造方法，由于CCD读取部4a通过冷却板7，在珀耳帖元件5的冷却一侧5a直接被冷却，因此，CCD读取部4a被有效地冷却。
此外，由于通过封装2的底部2a的操作口2c进行引线接合作业(通过接合线电气连接电极垫4c与封装端子2d的作业)，因此，能够缩短用于把CCD读取部4a的电荷信号取出至外部的布线的长度，此外，在该工序中，由于半导体基板4的背面被引线接合用紧固夹具8所支撑，因此，在引线接合作业过程中，半导体基板4不会破损。
此外，在惰性气体条件下或者真空中，封装2的上部开口被顶板3所封闭，因此，可以有效地防止在该光检测装置内部发生结露。
从以上关于本发明的说明可知，可以对本发明进行各种形式的修改。不能认为这样的变形脱离了本发明的思想和范围，对于所有的本领域普通技术人员显而易见的改进，都包括在下面的权利要求的范围内。
工业上的可利用性
根据本发明，不仅可以有效地冷却CCD读取部，而且还可以获得能够使整个装置小型化的光检测装置及其制造方法。

Claims (11)

1.一种光检测装置，其特征在于，该光检测装置具备：
半导体基板，其中该半导体基板具有作为光入射面的背面、与该背面相对并且设置有由检测出从该背面到达的光的电荷耦合元件构成的电荷读取部的前面，配置着该电荷读取部区域的厚度比其余区域的厚度薄；
冷却装置，用于冷却所述电荷读取部，它的尺寸大于配置该电荷读取部的区域，而小于该半导体基板的整个前面，在覆盖该电荷读取部整体的状态下具有与所述半导体基板的前面接触的冷却面；
封装，具有容纳所述半导体基板及所述冷却装置的空腔、同时设置有用于电气连接该空腔与外部的封装端子；
电极垫，设置在所述半导体基板的所述前面之内的被所述冷却面覆盖的区域的周边区域内；和
接合线，用于电气连接所述封装端子与所述电极垫。
2.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
所述冷却装置，其与所述冷却面相反一侧的面在与所述封装的空腔底部接触的状态下，被固定在该封装内，
在所述封装的空腔底部，在与所述电极垫及所述封装端子对应的位置设置有操作口。
3.如权利要求2所述的光检测装置，其特征在于，
它还具备用于封闭设置在所述封装的空腔底部的所述操作口的盖子。
4.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
所述封装具有用于闭塞所述空腔的上部开口的顶板。
5.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
容纳在所述空腔内的所述半导体基板在与该空腔的内壁之间保持一定的距离的状态下，通过所述冷却装置被支撑在所述封装。
6.如权利要求1所述的光检测装置，其特征在于，
所述冷却装置包括珀耳帖元件、与该珀耳帖元件的冷却一侧接触的冷却板，
与所述珀耳帖元件的冷却一侧接触的面相对的、所述冷却板的背面作为所述冷却面而与所述半导体基板的前面接触。
7.一种光检测装置的制造方法，其特征在于，
准备具有下述构造的半导体基板，该半导体基板具有作为光入射面的背面、与设置有由检测出从该背面到达的光的电荷耦合元件构成的电荷读取部并与该背面相对的前面，其结构为配置有该电荷读取部的区域的厚度比其余区域的厚度薄，
准备冷却装置，冷却装置具有冷却面，其尺寸小于所述半导体基板的整个前面，而大于该前面中设置有所述电荷读取部的区域，
准备封装，具有同时容纳所述半导体基板与所述冷却装置的空腔，
按照与所述冷却面相对的所述冷却装置的背面与所述封装的空腔底部相对的方式，在所述封装的空腔内配置所述冷却装置，
按照覆盖所述电荷读取部的方式，使所述半导体基板的前面与所述冷却面接触，并且，在与所述封装的空腔内壁保持一定间隔距离的状态下，使之配置在所述封装的空腔内，
在所述半导体基板的前面之内的被所述冷却面所覆盖区域的周边区域内设置的电极垫与设置在所述封装的封装端子通过接合线连接。
8.如权利要求7所述的光检测装置的制造方法，其特征在于，
利用所述接合线的连接，在通过从所述封装的空腔的上部开口插入的夹具支撑所述半导体基板的状态下进行。
9.如权利要求7所述的光检测装置的制造方法，其特征在于，
在所述封装的空腔底部，在与所述电极垫及所述封装端子对应的位置设置操作口，
利用所述接合线的连接通过所述操作口进行。
10.如权利要求9所述的光检测装置的制造方法，其特征在于，
利用所述接合线的连接结束之后，所述操作口用盖子封闭。
11.如权利要求7所述的光检测装置的制造方法，其特征在于，
利用所述接合线的连接结束之后，所述封装的空腔的上部开口用顶板封闭。
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