JP2003156390A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 容易な方法で真空が破られ難く不良の少な
い、耐久性のある真空構造を有する赤外線センサを提供
する。 【解決手段】 断熱支持脚１７及び該断熱支持脚１７に
より支持されている感熱素子部１３とを具備するセル
が、個々のセルを分離する水平アドレス線及び垂直信号
線１４を埋め込んでなる枠体部と、この上に形成された
赤外線を透過する窓１５を接着し、複数のセル１０２が
個別に真空封止された赤外線センサを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は赤外線センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、冷却装置を必要としない熱型赤外
線イメージセンサとしてマイクロマシニング技術を用い
た酸化バナジウムのボロメータ型や、ＢＳＴ（Ｂａｒｉ
ｕｍ−Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ−Ｔｉａｎｉｕｍ）を用いた
焦電型のものが製品化されている。

【０００３】これらの熱型赤外線イメージセンサは、赤
外線を吸収して温度を上昇させる感熱素子部と、この感
熱素子部を支持すると共にシリコン基板と熱的に分離す
るための断熱支持脚とからなるセルを具備し、このセル
をシリコン基板上に２次元的に複数配列し、これらのセ
ルを選択するための水平アドレス線と垂直信号線によっ
て構成されている。

【０００４】このような構成によって、被写体から放射
される赤外線を感熱素子部で吸収し、その際に生じる感
熱素子部の温度上昇にともなう抵抗変化或いは容量変化
等をで検知することで被写体を撮像する。このため感熱
素子部が被写体以外からの温度変化を受けないようにす
るために、感熱素子部を支持する断熱支持脚の断熱効果
を高める必要がある。このために断熱支持脚は、断面積
を小さくし長さを長くする構造になっている。

【０００５】このような基板からの熱伝導の影響を防ぐ
ほかに、赤外線センサは、空気の対流による熱伝導によ
り感熱素子部の温度変化を少なくする必要がある。

【０００６】図８は、空気の対流による熱伝導を防ぐた
めの従来の素子全体を真空パッケージして実装したもの
である。８１は真空パッケージ、８２はセンサチップ、
８３は真空排気ポート、８４はボンディングワイヤー、
８５はボンディングパッド、８６は蓋、８７は赤外線透
過窓である。赤外線透過窓８７が形成された蓋８６を真
空パッケージ８１に取り付け、真空排気ポート８３で真
空引きすることで真空封止する。

【０００７】従来ワイヤーボンディング後にパッケージ
を真空に封じきるため、真空封止工程中にボンディング
ワイヤー８４の短絡や断線といった不良が多くなる問題
がある。

【０００８】図７にはイメージエリア全体をこのような
素子全体を真空パッケージした赤外線センサの断面図を
示す。この赤外線センサはＲａｙｔｈｅｏｎの文献
（“Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｓ
ｉｌｉｃｏｎ ＵｎｃｏｏｌｅｄＩＲ Ｓｙｓｔｅｍ
ｓ" ， Ｊ．Ｂｒａｄｙ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏ
ｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３６９８（１９９９）ｐ．１
６１−１６７）に記載されている。

【０００９】図７に示すように、この赤外線センサは、
シリコン基板２１にはと、このシリコン基板２１上に埋
め込み酸化膜２０３が形成され、この上にシリコン層２
０４が形成されている。シリコン層２０４中には、ＣＭ
ＯＳトランジスタ２０５が形成されている。シリコン基
板２１上の酸化膜層２０３に配線２４が埋め込まれ形成
されている。これらの配線２４を外部と接続するための
ボンディングパッド２２が酸化膜層２０３シリコン基板
２１の周辺部に形成されている。また、シリコン基板２
１上にはこれらの配線２４と接続されたＣＭＯＳトラン
ジスタが形成されている。

【００１０】各ＣＭＯＳトランジスタ２０５上には、感
熱素子部２３が形成され、２次元的に配列されたセルに
よってイメージエリア２６を構成している。感熱素子部
２３は断熱支持部２８によってセルごとに支持されてい
る。

【００１１】また、イメージエリア２６の外側にはイン
ジウム等の金属を用いたシールリング２７が形成され赤
外線を透過させる蓋（赤外線透過窓）２５を真空中で圧
接することによって、イメージエリア２６を真空封止し
ている。このようにして形成されたチップは、汎用のパ
ッケージにマウントされている。

【００１２】このような従来の赤外線センサは、イメー
ジエリア２６全体を真空封止するために、赤外線透過窓
２５の一部でも不良があるとイメージエリア２６全体の
真空が保てなくなり空気による熱伝導が非常に大きなノ
イズ源となり素子として機能できなくなる。

【００１３】また、赤外線透過窓２５の一部でも不良が
あると素子として不良品となるために、歩留まりが低い
という問題がある。さらに赤外線透過窓２５は使用中に
おいても破損されやすく、耐久性に問題がある。さら
に、従来ワイヤーボンディング後にパッケージを真空に
封じきるため、真空封止工程中にワイヤーの短絡や断線
といった不良が多くなる問題がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来の熱型赤外線イメ
ージセンサは、赤外線透過窓の一部でも不良があると真
空が破られ素子の不良が生じやすく、歩留まりが低いと
いう問題がある。

【００１５】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、真空が破られ難く不良が生じ難い赤外線センサを
提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、基板と、前記基板上に平面配置され、温
度変化を電気信号に変換する感熱素子部と前記感熱素子
部を前記基板上に支持する断熱支持脚とをそれぞれ備え
た複数のセルと、前記感熱素子部の電気信号を出力する
出力部と、前記複数のセルを個別に真空封止する封止部
材と、を具備することを特徴とする赤外線センサを提供
する。

【００１７】このとき、前記封止部材は赤外線を透過す
る蓋部を備えることが好ましい。

【００１８】また、本発明は、基板と、前記基板上に配
列され、温度変化を電気信号に変換する感熱素子部をそ
れぞれ備えた複数のセルと、前記複数のセルの間に設け
られ、前記複数のセルの各々を分離する枠体部と、前記
枠体部の上面に固着され、前記複数のセルを個別に真空
封止し且つ赤外線を透過する蓋部と、を具備することを
特徴とする赤外線センサを特徴とする。

【００１９】このとき、前記複数のセルは複数の行およ
び列のマトリクス状に配列され、前記複数のセルの各行
または各列のいずれか一方における前記感熱素子部のそ
れぞれに対して接続される複数の選択線と、前記複数の
セルの各行または各列の他方における前記感熱素子部の
それぞれに対して接続される複数の信号線とを備え、前
記複数の選択線及び前記複数の信号線は前記枠体部中に
埋め込まれてなることが好ましい。

【００２０】また、複数のセルのそれぞれは、前記感熱
素子部を前記基板上に支持する断熱支持脚を備えること
が好ましい。

【００２１】また、前記蓋部上にレンズを備えることが
好ましい。

【００２２】また、前記感熱素子部は、シリコン層に形
成されたｐｎ接合ダイオードであることが好ましい。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について説
明する。

【００２４】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１に係る赤外線センサのチップの断面を示す図である。

【００２５】この赤外線センサは、断熱支持脚１７及び
この断熱支持脚１７により支持されている感熱素子部１
３とを具備するセルがシリコン基板１１上に複数個配列
され、感熱素子部１３の温度変化を信号として順次出力
できるようになっている。図１中１２は、外部と電気的
に接続するためのボンディングパッドである。また、１
０１は埋め込み酸化膜である。

【００２６】この赤外線センサは、個々のセルを分離す
る水平アドレス線及び垂直信号線１４を埋め込んでいる
酸化シリコンからなる枠体部と、この上に形成された赤
外線を透過する蓋（赤外線透過窓）１５によって、複数
のセルが個別に真空封止されている。１０３は、これら
を接着するための接着材である。また、１０２はひとつ
のセルを示す領域である。

【００２７】次に、この赤外線センサの製造方法につい
て簡単に説明する。

【００２８】先ず、通常のＳｉ−ＣＭＯＳプロセスによ
って、トランジスタが形成されたＳＯＩシリコン基板１
１を準備する。このときボンディングパッド１２は、Ｓ
ｉ−ＣＭＯＳプロセスにより素子構造を製造した後に、
最後に開孔する。その際、平坦化工程によりアルミ配線
上の酸化膜を平坦化しておく。

【００２９】次に、このＳＯＩシリコン基板１１上に、
感熱素子部１３となるｐｎ接合ダイオードとトランジス
タを形成すべき領域を活性領域として残し、他の部分を
酸化シリコン領域にする。この酸化シリコン領域が感熱
素子部１３を支持する断熱支持部１７となる。次に活性
領域にイオン注入によってｐｎ接合ダイオードとトラン
ジスタを犠牲層を形成する。犠牲層としては酸化シリコ
ン層等を用いることができる。次に、この犠牲層上に、
感熱素子部１３及びこれを支持する断熱支持部１７とな
る多結晶或いはアモルファスシリコン層を形成する。次
に、信号伝達用のアルミ配線とそれを保護するための酸
化膜（酸化シリコン）を形成する。その際平坦化工程に
よって、この酸化膜表面を平坦化しておく。ボンディン
グパッド１２を開孔した後、断熱支持部と感熱素子部を
残すように溝をドライエッチングにより形成する。最後
にアルカリ溶液によりＳＯＩシリコン基板のシリコン基
板部を異方性エッチングして感熱素子部をシリコン基板
と熱的に分離する。ここで、埋め込み絶縁膜をエッチン
グ除去してもよい。犠牲層をエッチングし、多結晶或い
はアモルファスシリコンからなる感熱素子部１３及び断
熱支持脚１７を、中空に分離するようにパターニングす
ることによって、感熱素子部１３をシリコン基板１１と
熱的に分離する。

【００３０】シフトレジスタ回路や信号処理回路等を形
成したシリコン基板１１と感熱素子部１３とを、熱的に
分離するために断熱支持脚１７は、その長さ及び断面積
を調整することによって、熱コンダクタンスが約２×１
０^−７Ｗ／Ｋ以下になっている。また、この工程におい
て、水平アドレス線及び垂直信号線等の配線部１４のそ
れぞれは、各セルに接続されるとともに、各セルを囲む
ように残される。配線部１４は前記酸化膜中に形成され
ている。

【００３１】次に、チップを真空装置内に導入し１Ｐａ
以下の真空に引いた後、Ｇｅ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＳ
ｅ、、カルコゲナイド系カルコパイライト系材料等の赤
外線透過窓１５を、水平アドレス線及び垂直信号線１４
を含む酸化シリコンの枠体部の上面に静電接着する。こ
うすることで個々のセルを分離して、個別に真空封止す
ることができる。

【００３２】このとき赤外線透過窓１５を接着する際、
真空用接着剤１０３を塗布し接着することで、個々のセ
ル内の真空度を向上させることも可能である。接着剤を
用いれば、赤外線透過窓１５として、通常のプラスチッ
ク材も用いることができる。

【００３３】次に、図２に、実施形態１に係る赤外線セ
ンサにおける一つのセル１０２（図１）の拡大図（ａ）
及びこの上面図（ｂ）を示す。図２（ｂ）のＡ−Ａ'で
切り取ったものが図２（ａ）の断面図である。

【００３４】図２（ａ）（ｂ）に示すように、感熱素子
部１３がセルの中央部に形成され、２本の断熱支持脚１
７によって、水平アドレス線及び垂直信号線を含む酸化
シリコンの枠体部の側壁に支持されている。こうするこ
とで感熱素子部１３は、その周囲及び下に中空１００に
設けることができシリコン基板１１と熱的に分離するこ
とが可能となっている。ここで感熱素子部１３は、シリ
コン膜２０中にｐｎ接合１９が形成され、これらが配線
１８によって直列に接続された構造となっている。

【００３５】次に、図３に、実施形態１に係る赤外線セ
ンサの上面図を示す。

【００３６】図３に示すように、この赤外線センサは、
シリコン基板１１上にイメージエリア６１が形成されて
いる。イメージエリア６１上には赤外線透過窓６２によ
り蓋がされている。

【００３７】このイメージエリア６１の周辺には、水平
アドレス線を駆動するための垂直シフトレジスタ６３が
形成されている。また、イメージエリア６３の周辺には
増幅回路６６を介して、垂直信号線を駆動するための水
平シフトレジスタ６７が形成されている。

【００３８】また、シリコン基板１１上には出力回路６
５が形成され、これと外部とを電気的に接続するための
ボンディングパッド６４が形成されている。

【００３９】このようにして作製された赤外線センサに
ついて、従来のイメージエリア全てを一括して真空封止
したものと比較した。その結果７０℃における加速試験
においてセル内の圧力が１Ｐａになるまでの平均時間が
従来のものは約５０００時間であったものが、本実施形
態では約１２０００時間に向上した。

【００４０】また、チップアセンブリ時に生じる赤外線
透過窓６２の欠損等による不良率も従来のものが８％で
あったものが本実施形態では１％以下まで減少した。

【００４１】（実施形態２）次に、本発明の実施形態２
に係る赤外線センサについて説明する。

【００４２】図４は、実施形態２に係る赤外線センサの
チップの断面を示す図である。

【００４３】実施形態２では、感熱素子部の周囲及び下
部を埋め込んで空洞化させないセルをリファレンス用セ
ンサ３７として、赤外線透過窓１５の接着面下に配置す
る点が実施形態１のものと異なる。また、赤外線を透過
する蓋１５は接着材１０３によって接着した。また、埋
め込み絶縁膜は形成していないが、形成してもよい。そ
の他の構造は、実施形態１と同様であるので、その詳し
い説明は省略する。

【００４４】本実施形態では、実施形態１で説明した効
果のほかに、空洞化されていないセルをリファレンス用
センサ３７とすることによって、赤外線透過窓１７の温
度をリファレンス用センサ３７で測定することが可能に
なり雑音となるバックグラウンド信号を除去することが
できる。

【００４５】（実施形態３）次に、本発明の実施形態３
に係る赤外線センサについて説明する。

【００４６】図５は、実施形態３に係る赤外線センサの
チップの断面を示す図である。

【００４７】実施形態３では、シリコン基板１１上に通
常のＳｉ−ＣＭＯＳプロセスによって、トランジスタを
形成する。次に、セル領域対応する部分に選択的に犠牲
層を形成し、さらにこの上に感熱素子部１３及び感熱支
持脚１７となる膜を形成する。次に、エッチングホール
を形成して、犠牲層を除去して、感熱素子部１３及び断
熱支持脚１７を中空に形成する。

【００４８】また、ここでは埋め込み絶縁膜は、形成し
ていない。また、赤外線を透過する蓋は接着材１０３で
接着した。その他の構造は、実施形態１と同様であるの
で、その詳しい説明は省略する。

【００４９】このようにして作製した場合でも実施形態
１と同様の効果が得られる。

【００５０】（実施形態４）次に、本発明の実施形態４
に係る赤外線センサについて説明する。

【００５１】図６は、実施形態４に係る赤外線センサの
チップの断面を示す図である。

【００５２】実施形態４では、赤外線透過窓１５の表面
上に赤外線を感熱素子部１３上に効率よく集光するため
のレンズ５８が形成されたものである。

【００５３】このレンズ５８は、樹脂をモールドによっ
て成型することで、赤外線透過窓１５表面上に予め形成
することができる。また、シリコンやゲルマニウム等の
半導体を用いる場合は、中心部が厚く、周辺部が薄くな
るように複数回フォトリソグラフィによるマスクエッチ
ングを行うことにより成形することができる。また、赤
外線を透過する蓋１５は接着材１０３で接着した。

【００５４】実施形態では、実施形態１と同様の効果を
奏するほかに、開口率が向上し感度を約２倍向上するこ
とができた。

【００５５】従来は、ウエハからダイシングによってチ
ップ化した後、１チップずつ犠牲層をエッチングしるす
るか或いは異方性エッチングを行って感熱素子部及び断
熱支持脚の周囲及び下部を中空化していた。そのため赤
外線センサの大量生産は困難であった。

【００５６】しかしながら、上記実施形態により説明し
た赤外線センサでは、チップが複数個形成されたウエハ
上に上記の如く赤外線透過窓を真空中で位置決めして接
着することにより、個々のセルが個別に真空封止される
ので、その後、ダイシングによりボンディングパッド部
を露出し、さらにチップ化しても真空が破れることがな
く歩留まりが落ちることはなかった。これにより、大量
生産が可能になる。

【００５７】

【発明の効果】以上述べたように本発明により、従来の
技術では得られなかった安価で信頼性の高い赤外線セン
サが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１に係る赤外線センサの断
面図。

【図２】 本発明の実施形態１に係る赤外線センサにお
ける一つのセルの（ａ）断面図及び（ｂ）上面図。

【図３】 本発明の実施形態１に係る赤外線センサの上
面図。

【図４】 本発明の実施形態２に係る赤外線センサの断
面図。

【図５】 本発明の実施形態３に係る赤外線センサの断
面図。

【図６】 本発明の実施形態４に係る赤外線センサの断
面図。

【図７】 従来の赤外線センサの断面図。

【図８】 従来の赤外線センサを真空封止した真空封止
パッケージの構成図。

【符号の説明】

１１…シリコン基板 １２…ボンディングパッド 1３…感熱素子部 １４…配線 １５…赤外線透過窓 １６…中空 １７…支持脚 ３７…リファレンスセンサ ４６…溝 ５８…レンズ ６１…イメージエリア ６２…赤外線透過窓 ６３…垂直シフトレジスタ ６４…ボンディングパッド ６５…出力回路 ６６…増幅回路 ６７…水平シフトレジスタ ８１…真空パッケージ ８２…センサチップ ８３…真空排気ポート ８４…ボンディングワイヤー ８５…ボンディングパッド ８６…蓋 ８７…赤外線透過窓 １０１・・・埋め込み絶縁膜

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 27/146 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ａ Ｈ０４Ｎ 5/33 Ｄ Ｋ (72)発明者 真塩 尚哉 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 2G065 AA11 AB02 BA14 BA34 BB06 BE07 BE08 CA13 CA21 DA18 DA20 2G066 BA22 BA55 BA60 BB09 BB11 CA02 4M118 AA08 AA10 AB01 BA02 BA30 CA03 CA22 CB12 EA01 FC06 GA10 GB09 GD04 HA02 HA30 5C024 AX06 CY47 CY48 CY49 EX22 EX23 EX25 EX42 GX03 HX41

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、 前記基板上に平面配置され、温度変化を電気信号に変換
   する感熱素子部と前記感熱素子部を前記基板上に支持す
   る断熱支持脚とをそれぞれ備えた複数のセルと、 前記感熱素子部の電気信号を出力する出力部と、 前記複数のセルを個別に真空封止する封止部材と、を具
   備することを特徴とする赤外線センサ。
2. 【請求項２】前記封止部材は赤外線を透過する蓋部を備
   えることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
3. 【請求項３】基板と、 前記基板上に配列され、温度変化を電気信号に変換する
   感熱素子部をそれぞれ備えた複数のセルと、 前記複数のセルの間に設けられ、前記複数のセルの各々
   を分離する枠体部と、 前記枠体部の上面に固着され、前記複数のセルを個別に
   真空封止し且つ赤外線を透過する蓋部と、を具備するこ
   とを特徴とする赤外線センサ。
4. 【請求項４】前記複数のセルは複数の行および列のマト
   リクス状に配列され、 前記複数のセルの各行または各列のいずれか一方におけ
   る前記感熱素子部のそれぞれに対して接続される複数の
   選択線と、 前記複数のセルの各行または各列の他方における前記感
   熱素子部のそれぞれに対して接続される複数の信号線と
   を備え、前記複数の選択線及び前記複数の信号線は前記
   枠体部中に埋め込まれてなることを特徴とする請求項３
   記載の赤外線センサ。
5. 【請求項５】複数のセルのそれぞれは、前記感熱素子部
   を前記基板上に支持する断熱支持脚を備えることを特徴
   とする請求項３又は４に記載の赤外線センサ。
6. 【請求項６】前記蓋部上にレンズを備えることを特徴と
   する請求項２乃至５のいずれかに記載の赤外線センサ。
7. 【請求項７】前記感熱素子部は、シリコン層に形成され
   たｐｎ接合ダイオードであることを特徴とする請求項１
   乃至６のいずれかに記載の赤外線センサ。