JP2004093850A

JP2004093850A - 干渉フィルタ、半導体受光装置、およびそれらを含む電子機器

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Publication number: JP2004093850A
Application number: JP2002254149A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Katayama; 片山　哲也; Shigeru Nakayama; 中山　茂; Soichiro Okubo; 大久保　総一郎; Isao Ogawa; 小川　功
Original assignee: Toshiba Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

【課題】耐熱性に優れた干渉フィルタを含む半導体受光装置を簡便かつ低コストで提供する。
【解決手段】干渉フィルタを含む半導体受光装置は、半導体受光素子と、その受光素子の半導体基板を下地として気相堆積法によって形成された干渉フィルタとを含み、その干渉フィルタは交互に積層された複数の高屈折率層と複数の低屈折率層とを含み、高屈折率層はＴａ_２Ｏ_５またはＮｂ_２Ｏ_５からなっていて少なくともその主要領域は実質的に非晶質であり、低屈折率層は非晶質ＳｉＯ_２からなることを特徴としている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光センサなどに利用される半導体受光装置に関し、特に干渉フィルタを含む半導体受光装置の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体受光装置としては、半導体受光素子に加えて干渉フィルタを備えたものがある。干渉フィルタは交互に積層された複数の高屈折率層と複数の低屈折率層を含み、一般に特定の波長範囲の光を透過または反射させるために利用される。たとえば、照度センサなどに利用される半導体受光装置として、赤外域の光をカットするが可視域の光を透過する干渉フィルタを備えたものがある。
【０００３】
干渉フィルタを含む半導体受光装置において、従来では、ガラス基板上に形成された干渉フィルタが半導体受光素子の受光面に対して合成樹脂の接着剤で固着されていた。しかし、たとえば携帯電話機のように、従来から電子機器の小型化が依然として求められている。したがって、半導体受光装置を電子機器に装着する場合、基板穴にリード線を挿入してはんだ付けする挿入実装よりも、リード線を利用することなく基板表面またはチップキャリヤ表面に直接装着する表面実装が望まれる。表面実装には銀ペーストを利用することも可能だが、その場合にはペーストの焼成に手間と時間がかかる。したがって、半導体装置の表面実装には、一般にリフローソルダリングが利用されている。
【０００４】
ところが、合成樹脂の接着剤で固着された干渉フィルタを含む半導体受光装置を表面実装すれば、リフローソルダリングの熱によって接着剤が劣化する場合がある。また、合成樹脂の接着剤自体が有する経年劣化の問題もある。さらに、干渉フィルタのガラス基板は、半導体受光装置の小型化の障害になり得る。
【０００５】
このような状況に鑑み、特開２００１−３０８３５１は、半導体受光素子の半導体基板に形成された受光面を覆うように、気相堆積法によって干渉フィルタを形成する技術を開示している。すなわち、その干渉フィルタは、接着剤を用いることなく、半導体受光素子の受光面を含む半導体基板を下地として直接的に積層される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００１−３０８３５１による半導体受光装置に含まれる干渉フィルタは、ＴｉＯ_２の高屈折率層とＳｉＯ_２の低屈折率層を含んでいる。そして、この半導体受光装置は、たとえば携帯電話の照度センサとして、リフローソルダリングによって表面実装され得る。
【０００７】
リフローソルダリングでは、一般に、約２７０℃以下の溶融温度を有するはんだが利用される。しかし、近年では、はんだに含まれる鉛による環境汚染が問題となっており、無鉛はんだ（鉛フリーはんだ）の使用が望まれている。無鉛はんだは、通常の鉛はんだより高い３００℃以上の溶融温度を有するのが一般的であり、３５０℃以上の溶融温度を有するものも多い。
【０００８】
ここで、たとえば電子ビーム（ＥＢ）真空蒸着によって形成されたＴｉＯ_２の高屈折率層とＳｉＯ_２の低屈折率層を含む干渉フィルタに対して約３００℃以上の熱履歴を与えれば、その干渉フィルタに微細なクラックを生じたり、下地である半導体受光素子からの部分的な剥離を生じることが多い。したがって、無鉛はんだを利用する観点だけからでも、少なくとも約３００℃以上の熱履歴に対する耐熱性を有する干渉フィルタを含む半導体受光装置が望まれる。
【０００９】
また、近年では、他の半導体装置の表面実装においては、リフローソルダリングよりもさらに簡便かつ短時間で実装するために、ホットプレートを利用した装着が行われている。ホットプレートを利用する表面実装では、接合面に対してあらかじめ付与された合金ろう材をホットプレートの熱で一旦溶融させることによって接合が行われる。しかし、そのような合金ろう材は、無鉛はんだよりさらに高い溶融温度を有するのが一般的であり、３５０℃以上の溶融温度を有するものが多い。したがって、ホットプレートを利用した表面実装を可能にする観点からは、少なくとも約３５０℃以上の熱履歴に対する耐熱性を有する干渉フィルタを含む半導体受光装置が望まれる。
【００１０】
いずれにしても、より高い温度に対する耐熱性を有する干渉フィルタを含む受光装置は、それを利用する電子機器の製造プロセスにおける熱的自由度を拡大し得ることが明らかである。
【００１１】
上述のような先行技術における状況に鑑み、本発明は、耐熱性に優れた干渉フィルタを含む半導体受光装置を簡便かつ低コストで提供することを主要目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、半導体基板を下地として気相堆積法によって形成された干渉フィルタは、交互に積層された複数の高屈折率層と複数の低屈折率層とを含み、高屈折率層はＴａ_２Ｏ_５またはＮｂ_２Ｏ_５からなっていて少なくともその主要領域は実質的に非晶質であり、低屈折率層は非晶質ＳｉＯ_２からなることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明にによる半導体受光装置は、半導体受光素子と、その受光素子の半導体基板を下地として気相堆積法によって形成された干渉フィルタとを含み、その干渉フィルタは交互に積層された複数の高屈折率層と複数の低屈折率層とを含み、高屈折率層はＴａ_２Ｏ_５またはＮｂ_２Ｏ_５からなっていて少なくともその主要領域は実質的に非晶質であり、低屈折率層は非晶質ＳｉＯ_２からなることを特徴としている。
【００１４】
なお、干渉フィルタに含まれる残留応力は、５０ＭＰａ以下の引っ張り応力または８０ＭＰａ以下の圧縮応力の範囲内にあることが好ましい。また、干渉フィルタに含まれる高屈折率層と低屈折率層の合計層数は、１５以上で１５０以下の範囲内にあることが好ましい。
【００１５】
本発明による電子機器は、上述の半導体受光装置がろう材によって装着された結果物を含んでおり、そのろう材が３００℃以上の融点を有することを特徴としている。そのろう材は、３５０℃以上の融点を有することも可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、干渉フィルタを含む半導体受光装置の一例の主要部を模式的な断面図で示している。この半導体受光装置においては、半導体受光素子１の受光面１ａを含む半導体基板を下地として、干渉フィルタ２が気相堆積法を利用して形成されている。すなわち、干渉フィルタ２は、ガラス基板や接合樹脂などを介することなく、直接的に半導体受光素子１の受光面１ａを覆うように形成されている。
【００１７】
干渉フィルタ２は、交互に積層された複数の高屈折層２Ｈと複数の低屈折層２Ｌを含んでいる。なお、半導体受光素子１の受光面１ａ上で最初に堆積されるのは、高屈折層２Ｈと低屈折層２Ｌのいずれであってもよい。
【００１８】
前述のように、特開２００１−３０８３５１による半導体受光装置に含まれる干渉フィルタは、ＴｉＯ_２の高屈折率層とＳｉＯ_２の低屈折率層を含んでいる。ＴｉＯ_２はＳｉＯ_２に比べてかなり高い屈折率を有しているので、これを高屈折率層に利用することは、光学的観点から大変好ましい。しかし、その干渉フィルタにおいては、約３００℃以上の熱履歴を与えれば、微細なクラックを生じたり、下地である半導体受光素子からの部分的な剥離を生じることが多い。
【００１９】
そこで、本発明者らは、ＴｉＯ_２の高屈折率層とＳｉＯ_２の低屈折率層を含む干渉フィルタにおいては約３００℃以上の熱履歴によってなにゆえに微細なクラックを生じたり、下地である半導体受光素子からの部分的な剥離を生じることが多いかについて検討した。その結果、ＴｉＯ_２高屈折率層とＳｉＯ_２低屈折率層を含む干渉フィルタの耐熱性が低いのは、ＴｉＯ_２薄膜が結晶化しやすいことに起因しているのであろうと考えられた。なぜならば、蒸着されたＳｉＯ_２薄膜は１０００℃近くでも非晶質であって安定だからである。
【００２０】
たとえば、Ｘ線回折によれば、加熱しない基板上に蒸着されたＴｉＯ_２薄膜は非晶質であるが、３００℃に加熱された基板上に蒸着されたＴｉＯ_２薄膜は結晶質である。そして、結晶質のＴｉＯ_２薄膜は、脆い性質を有している。また、ＴｉＯ_２は、多形であることが知られている。多形とは、同じ化学的組成物であっても、異なる結晶構造をとりうることを意味する。このように、ＴｉＯ_２薄膜が結晶化しやすいことや多形を生じやすいことなどが、ＴｉＯ_２高屈折率層とＳｉＯ_２低屈折率層を含む干渉フィルタの耐熱性が低い原因であろうと考えられた。
【００２１】
そこで、本発明者らは、ＴｉＯ_２に比べればわずかに屈折率が低いけれども結晶化しにくくて熱的に安定な非晶質Ｔａ_２Ｏ_５または非晶質Ｎｂ_２Ｏ_５を高屈折層２Ｈに利用することを考えた。すなわち、本発明による半導体受光装置に含まれる干渉フィルタ２においては、高屈折率層２Ｈとして非晶質Ｔａ_２Ｏ_５層または非晶質Ｎｂ_２Ｏ_５が堆積され、低屈折層２Ｌとして非晶質ＳｉＯ_２層が堆積される。Ｔａ_２Ｏ_５とＮｂ_２Ｏ_５は、互いに非常に似た性質を有している。非晶質Ｔａ_２Ｏ_５層が結晶化し始めるのは約６５０℃であり、これはホットプレートを利用して半導体受光装置を表面実装する際に用いられるろう材の溶融温度に比べて十分に高い温度である。
【００２２】
したがって、本発明におけるように非晶質Ｔａ_２Ｏ_５または非晶質Ｎｂ_２Ｏ_５の高屈折率層と非晶質ＳｉＯ_２低屈折率層を利用することによって、耐熱性に優れた干渉フィルタを含む半導体受光装置を簡便かつ低コストで提供することが可能となる。
【００２３】
【実施例】
本発明者らは、本願発明の効果を確認すべく、種々の実験を行った。まず、蒸着によって形成される干渉フィルタの耐熱性が調べられた。この耐熱性試験においては、Ｓｉ基板上に干渉フィルタが、ＥＢ蒸着によって形成された。なお、そのＥＢ蒸着は、１Ｐａ〜２×１０^−４Ｐａの真空度の下で行われた。干渉フィルタとしては、試料（以後「Ｓ」とも表示する）１〜９の他に、比較試料（以後「ＣＳ」とも表示する）１〜４が形成された。
【００２４】
Ｓ１〜Ｓ９においては、高屈折率層としてＴａ_２Ｏ_５またはＮｂ_２Ｏ_５が蒸着され、低屈折率層としてＳｉＯ_２層が蒸着された。他方、ＣＳ１〜ＣＳ４においては、高屈折率層としてＴｉＯ_２が蒸着され、低屈折率層としてＳｉＯ_２層が蒸着された。基板温度は１５０〜４５０℃の範囲内の温度に設定され、干渉フィルタに含まれる高屈折率層と低屈折率層の全層数は種々に変更された。このような干渉フィルタの耐熱性試験の結果が、表１にまとめて示されている。
【００２５】
【表１】

【００２６】
表１において、高屈折率層の材料を表すコラム中のＴａ_２Ｏ_５（ａ）とＴａ_２Ｏ_５（ｂ）は、Ｔａ_２Ｏ_５層のＥＢ蒸着用の粉末原料として市場で入手し得る原料の内で互いに異なる原料が用いられたことを表している。また、評価数は、各試料（Ｓ）または各比較試料（ＣＳ）に用いられたＳｉ基板の数を表している。さらに、耐熱試験結果のコラムにおいて、×印は干渉フィルタ中に大小の亀裂が多数生じて耐熱性が不良であることを表している。△印は、干渉フィルタ中のごく一部に亀裂があり、耐熱性改善効果が比較的小さいことを表している。そして、○印は、干渉フィルタ中に亀裂を生じることがなく、耐熱性改善効果が大きいことを表している。
【００２７】
なお、表１の耐熱試験においては、ＥＢ蒸着によって形成された干渉フィルタが、４１０℃±５℃の温度への加熱下で約４０秒間保持された。その後、実体顕微鏡（低倍率の光学顕微鏡）を用いて、干渉フィルタ中の亀裂の存在の有無が観察されて、その耐熱性が評価された。
【００２８】
表１の耐熱性試験の過程において、Ｓｉ基板上に形成された干渉フィルタ中の残留応力σも評価された。この残留応力σの評価には、片持ち梁の反りに適用されるＨｏｆｆｍａｎｎの式が利用された。
σ＝Ｅｂ^２δ／３（１−ν）ｄｌ
ここで、ＥはＳｉ基板のヤング率、ｂは基板の厚さ、δは片持ち梁としての基板端部の変位、νは基板のポアソン比、ｄは干渉フィルタの厚さ、そしてｌは片持ち梁としての基板の長さを表す。このような残留応力σの評価結果が、図２のグラフにおいてまとめて表示されている。
【００２９】
図２のグラフにおいて、縦軸は干渉フィルタ成膜後の残留応力（ＭＰａ）を表し、その正と負の値はそれぞれ干渉フィルタ中の引張りと圧縮の残留応力を表している。他方、グラフの横軸は試料（Ｓ）または比較試料（ＣＳ）の番号を表している。表１中の評価数（すなわち基板数）４に対応して、図２のグラフでは各試料（Ｓ）または各比較試料（ＣＳ）ごとに４つの残留応力評価値が存在する。
【００３０】
表１と図２とを合わせて検討すれば、ＴｉＯ_２高屈折率層を含んで成膜された比較試料（ＣＳ）１〜４では、いずれも干渉フィルタ膜中に大きな残留引張り応力が存在し、耐熱性が低いことがわかる。他方、Ｔａ_２Ｏ_５またはＮｂ_２Ｏ_５の高屈折率層含んで成膜された試料（Ｓ）１〜９における干渉フィルタ膜では、比較試料（ＣＳ）１〜４の場合に比べて小さな残留引張り応力を含むかまたは残留圧縮応力を含んでいる。
【００３１】
表１から分かるように、Ｔａ_２Ｏ_５またはＮｂ_２Ｏ_５の高屈折率層を含む試料（Ｓ）１〜９に関して、耐熱性として×印の評価が示されたものはない。しかし、干渉フィルタ中の全積層数が少なくて１０である試料（Ｓ）３では、異なる評価基板ごとに残留応力値のばらつきが大きくて（図２参照）、残留引張り応力が５０ＭＰａを超える評価基板も存在し、耐熱性としての評価も△印である。他方、干渉フィルタ中の全積層数が１５０より多い試料（Ｓ）７と９では、残留圧縮応力が大きくなり、残留圧縮応力が８０ＭＰａを超える評価基板も存在し、耐熱性としての評価も△印である。したがって、Ｔａ_２Ｏ_５またはＮｂ_２Ｏ_５の高屈折率層とＳｉＯ_２低屈折率層とを含む干渉フィルタにおいては、それに含まれる残留応力が引張り応力の場合には５０ＭＰａ以下で、圧縮応力の場合には８０ＭＰａ以下であることが望まれる。
【００３２】
なお、表１における耐熱性試験の後に、干渉フィルタに含まれる各層の結晶性が、Ｘ線回折によって調べられた。その結果、ＴｉＯ_２層に関しては結晶化を示す回折ピークが観察されたが、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、およびＳｉＯ_２の各層に関しては結晶の存在を示す回折ピークは観察されなかった。
【００３３】
ところで、干渉フィルタとしては、その光学的特性をも考慮しなければならない。図３は、Ｔａ_２Ｏ_５高屈折率層とＳｉＯ_２低屈折率層とを合計で１０層含む干渉フィルタに関する光学特性のシミュレーション結果を示している。このグラフにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）を表し、縦軸は透過率（％）を表している。同様に、図４は全積層数が２４の場合の光学特性を示しており、図５は全積層数が４８の場合の光学特性を示している。図３〜５を比較参照すれば分かるように、干渉フィルタ中の全積層数を増加させることによって、透過帯と不透過帯との間の遷移波長帯幅を小さくすることができ、また不透過帯の波長域を広くすることができると共に透過率をより小さくすることができる。すなわち、干渉フィルタの光学的特性からの観点のみからすれば、全積層数は多いほど所望の光学特性を得やすくなる。
【００３４】
以上のような干渉フィルタ膜の残留応力と光学特性の双方を考慮すると共に、その製造のための手間と時間を考慮しても、Ｔａ_２Ｏ_５またはＮｂ_２Ｏ_５の高屈折率層とＳｉＯ_２低屈折率層を含む干渉フィルタ中の全積層数の好ましい範囲は１５以上で１５０以下であると考えられる。なぜならば、全積層数が１５未満では干渉フィルタ中の残留引張り応力がばらついて大きくなる場合が生じて耐熱性が低下し、またそのように少ない全積層数では十分な光学特性を得ることが困難になるからである。他方、全積層数が１５０を超えれば干渉フィルタ中の残留圧縮応力が大きくなって耐熱性が低下するし、むやみに全積層数を増大させることは製造の手間と時間を増大させると共に製造設備に対する負担も大きくなるからである。
【００３５】
本発明者らはさらに、実際のシリコン受光素子の受光面上に干渉フィルタを形成してその耐熱性を調べた。その結果が、表２にまとめて示されている。
【００３６】
【表２】

【００３７】
表２において、評価ウエハ片は５ｍｍ角から８ｍｍ角程度の大きさを有するＳｉウエハ片であって、そのウエハ片上には複数の受光素子構造が形成された複数の区画が含まれている。すなわち、それらの「区画」の各々は、互いに分割されて各受光素子チップになるべき領域である。また、「評価ウエハ片」のコラム中に表示されているたとえば「Ｓ３相当品」は、表１における試料（Ｓ）３と同じ条件で形成された干渉フィルタを含むウエハを意味する。
【００３８】
表２の耐熱性試験においても、表１の場合と同様に、評価ウエハ片は４１０±５℃の加熱温度において約４０秒間保持された。この加熱処理後において、実体顕微鏡を用いて１００倍の倍率で、ウエハ片上の１区画について１視野の観察が行われた。表２中の「レベルＡ」は、１区画内の干渉フィルタの１視野観察において、亀裂が存在しないかまたは一部に微細亀裂が存在するがそれが伝播成長しない場合を意味する。他方、「レベルＢ」は、大きな亀裂が存在するかまたは伝播成長する微細亀裂が多数発生している場合を意味する。そして、「良好区画数割合」は、観察された区画数中でレベルＡと判定された区画の割合を意味する。
【００３９】
表２から明らかなように、ＴｉＯ_２高屈折率層を含むＣＳ３相当品では、半導体受光素子の受光面上の干渉フィルタの耐熱性がまったく不充分であることが分かる。他方、Ｔａ_２Ｏ_５高屈折率層を含むＳ７相当品では、ＣＳ３相当品に比べて、耐熱性が顕著に改善されていることが分かる。ただし、Ｓ７相当品では干渉フィルタ中の全積層数が１５０より多い１６０であるので、改善効果がまったく十分とはなっていない。しかし、Ｓ２相当品やＳ５相当品においては、Ｔａ_２Ｏ_５高屈折率層とＳｉＯ_２低屈折率層を含みかつ全積層数が１５以上で１５０以下の範囲内にあって、飛躍的に耐熱性が改善された干渉フィルタを有する半導体受光装置が得られることがわかる。
【００４０】
なお、以上の実験例ではＥＢ蒸着を利用して干渉フィルタが形成されたが、各種イオンアシスト蒸着やプラズマアシスト蒸着（受光素子の種類や仕様に応じて選択される）をＥＢ蒸着と併用することによって干渉フィルタの膜質の改善（緻密度向上、均質化、膜厚のばらつき低減など）を行えば、さらに耐熱性改善の効果が期待できる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば。耐熱性に優れた干渉フィルタを含む半導体受光装置を簡便かつ低コストで提供することができる。その結果、そのような半導体受光装置はホットプレートを利用した表面実装が可能となり、そのような半導体受光装置を含む小型化された電子機器を簡便かつ低コストで提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】干渉フィルタを含む半導体受光装置の一例の主要部を示す模式的な断面図である。
【図２】Ｓｉ基板上に気相堆積された干渉フィルタ中の残留応力を示すグラフである。
【図３】Ｔａ_２Ｏ_５高屈折率層とＳｉＯ_２低屈折率層とを合計で１０層含む干渉フィルタに関する光学特性のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４】Ｔａ_２Ｏ_５高屈折率層とＳｉＯ_２低屈折率層とを合計で２４層含む干渉フィルタに関する光学特性のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】Ｔａ_２Ｏ_５高屈折率層とＳｉＯ_２低屈折率層とを合計で４８層含む干渉フィルタに関する光学特性のシミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１　半導体受光素子、１ａ　受光面、２　干渉フィルタ、２Ｈ　高屈折率層、２Ｌ　低屈折率層。

Claims

半導体基板を下地として気相堆積法によって形成された干渉フィルタであって、
前記干渉フィルタは交互に積層された複数の高屈折率層と複数の低屈折率層とを含み、
前記高屈折率層はＴａ_２Ｏ_５またはＮｂ_２Ｏ_５からなっていて少なくともその主要領域は実質的に非晶質であり、
前記低屈折率層は非晶質ＳｉＯ_２からなることを特徴とする干渉フィルタ。
前記干渉フィルタに含まれる残留応力は５０ＭＰａ以下の引っ張り応力または８０ＭＰａ以下の圧縮応力であることを特徴とする請求項１に記載の干渉フィルタ。
前記干渉フィルタに含まれる前記高屈折率層と前記低屈折率層の合計層数が１５以上で１５０以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１または２に記載の干渉フィルタ。
半導体受光素子と、その受光素子の半導体基板を下地として気相堆積法によって形成された干渉フィルタとを含み、
前記干渉フィルタは交互に積層された複数の高屈折率層と複数の低屈折率層とを含み、
前記高屈折率層はＴａ_２Ｏ_５またはＮｂ_２Ｏ_５からなっていて少なくともその主要領域は実質的に非晶質であり、
前記低屈折率層は非晶質ＳｉＯ_２からなることを特徴とする半導体受光装置。
前記干渉フィルタに含まれる残留応力は５０ＭＰａ以下の引っ張り応力または８０ＭＰａ以下の圧縮応力であることを特徴とする請求項４に記載の半導体受光装置。
前記干渉フィルタに含まれる前記高屈折率層と前記低屈折率層の合計層数が１５以上で１５０以下の範囲内にあることを特徴とする請求項４または５に記載の半導体受光装置。
請求項４から６のいずれかに記載された半導体受光装置がろう材によって装着された結果物として含まれている電子機器であって、前記ろう材が３００℃以上の融点を有することを特徴とする電子機器。
前記ろう材は３５０℃以上の融点を有することを特徴とする請求項７に記載の電子機器。