JP2006010405A - 赤外線センサ用真空パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】高解像度であり、実装工程が短くでき生産性に優れ、赤外線透過窓と赤外線素子との接触がない構造の赤外線センサ用真空パッケージを得る。
【解決手段】表面に赤外線素子を設けた基板と、この基板の赤外線素子に対向し、上記基板と間隔を設けて配置された赤外線透過窓と、上記赤外線素子を完全に囲み、且つ上記基板と上記赤外線透過窓とを接合するハンダ接合体とで、真空キャビティが形成された赤外線センサ用真空パッケージであって、上記ハンダ接合体と上記赤外線素子との間に、上記赤外線素子を囲み、上記基板と上記赤外線透過窓とに当接して設けらた表面にゲッタ膜を有するスペーサを設けることである。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサの真空パッケージに関し、特に非冷却赤外線センサの真空パッケージに関するものである。

非冷却赤外線センサは、赤外線検出感度を高めるため、赤外線素子の検知部は基板から熱的に隔離された断熱構造となっており、さらに、断熱性を高めるため素子全体は真空下に置かれ、真空パッケージの構造になっている。
例えば、赤外線素子を形成した基板と赤外線透過窓とを隙間を設け、これらの周辺部をハンダにより接合して、赤外線素子を封止し、隙間部を真空にした非冷却赤外線センサ用パッケージがある。このパッケージには、パッケージ内面から放出される少量の気体を除去して、パッケージの真空を維持するゲッタが、赤外線透過窓に設けられた貫通孔に通した配線に固定され、赤外線透過窓と基板との間に設置されている。（例えば、特許文献１参照）。
しかし、上記のゲッタを赤外線透過窓と基板との間に設置した非冷却赤外線センサ用パッケージでは、赤外線透過窓の内面側に凹部を設け、赤外線透過窓と基板との間隔を十分にとらないとゲッタが赤外線素子と接触するとの問題があった。

ゲッタを赤外線透過窓と基板との隙間に設置せず、赤外線透過窓の内面側に凹部を形成しない非冷却赤外線センサ用パッケージとして、ゲッタを、赤外線素子を形成した基板面または赤外線透過窓となるトップキャップの内面に設け、赤外線素子を形成した基板と赤外線透過窓となるトップキャップとを、真空中でハンダにより、隙間を設けて接合するものがある。
しかし、非冷却赤外線センサの高解像度の要求にともない、赤外線素子が大型化しており、パッケージの隙間部の長さや幅が大きくなり、上記構造の非冷却赤外線センサ用パッケージでは、大気圧によりパッケージの赤外線透過窓が撓み、赤外線素子と接触する恐れがでてきている。そこで、赤外線素子の検知部が形成されている領域に支柱を設けるとともに、ハンダ接合部にスタンドオフを形成して、赤外線透過窓の内面と赤外線素子との間隔を広げ、赤外線透過窓と赤外線素子との接触を防止する構造としている。（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−３２６０３７号公報（第５頁、第８図） 特表平９−５０６７１２号公報（第１０頁、第４図）

従来の非冷却赤外線センサ用パッケージにおいては、赤外線透過窓と赤外線素子との接触を防止するのに、赤外線素子の検知部が形成されている領域に支柱が設けられているので、赤外線素子における検知部の間隔をつめることができず、非冷却赤外線センサの解像度の向上に限界を生じるとの問題があった。また、赤外線透過窓と赤外線素子を形成した基板との間隔を確保するのに、ハンダ接合部にスタンドオフを形成しているが、スタンドオフは、金属の蒸着で行われるので、必要な高さを確保するのに長時間を要し、非冷却赤外線センサの生産性が低下するとの問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、赤外線素子の複数の検知部からなるアレイの密度を向上でき、高解像度であり、実装工程を短くでき生産性に優れ、赤外線透過窓と赤外線素子との接触がない構造の赤外線センサ用真空パッケージを得るものである。

本発明の赤外線センサ用真空パッケージは、表面に赤外線素子を設けた基板と、この基板の赤外線素子に対向し、上記基板と間隔を設けて配置された赤外線透過窓と、上記赤外線素子を囲み、且つ上記基板と上記赤外線透過窓とを接合するハンダ接合体とで、真空キャビティが形成された赤外線センサ用真空パッケージであって、上記ハンダ接合体と上記赤外線素子との間に、上記赤外線素子を囲み、上記基板と上記赤外線透過窓とに当接して設けられた表面にゲッタ膜を有するスペーサを備えたものである。

本発明の赤外線センサ用真空パッケージは、表面に赤外線素子を設けた基板と、この基板の赤外線素子に対向し、上記基板と間隔を設けて配置された赤外線透過窓と、上記赤外線素子を囲み、且つ上記基板と上記赤外線透過窓とを接合するハンダ接合体とで、真空キャビティが形成された赤外線センサ用真空パッケージであって、上記ハンダ接合体と上記赤外線素子との間に、上記赤外線素子を囲み、上記基板と上記赤外線透過窓とに当接して設けられた表面にゲッタ膜を有するスペーサを備えたものであり、赤外線素子の複数の検知部からなるアレイの密度が向上した解像度の高い赤外線センサが実現でき、実装工程を短くでき生産性に優れており、大気圧による赤外線透過窓の撓みを抑え、赤外線透過窓と赤外線素子との接触を防止できる。

実施の形態１.
図１は、本発明の実施の形態１に係る赤外線センサ用真空パッケージを説明する断面模式図（ａ）と、断面模式図（ａ）におけるｃ−ｃ面の上面模式図（ｂ）である。
図１において、赤外線センサ用真空パッケージ１０は、シリコンの基板１の面に各赤外線検知部１２をアレイ状に配置して赤外線素子２を形成している。具体的には、各赤外線検知部１２は、熱絶縁のため、シリコンの基板１の一部が除去された部分１３に基板表面から浮かした状態で設けられている。但し、図１（ｂ）では、赤外線素子２を省略した簡易な構造で示している。
赤外線素子２が設けられた基板１は、赤外線素子２の周囲に設けられたハンダ接合体１１により赤外線透過窓４と接合され、赤外線素子２を封止するキャビティ１４が形成される。この封止は真空中で行われ、パッケージ内部は真空となる。そして、ハンダ接合のための基板１にはメタラズ７が、赤外線透過窓４にはメタラズ８が形成されている。また、赤外線透過窓４には、赤外線の透過率を向上させるため、その内面側に反射防止膜９ａが、その外面側に反射防止膜９ｂが設けられている。
そして、上記キャビティ１４における、ハンダ３とメタライズ７とメタライズ８とからなるハンダ接合体１１と赤外線素子２の外周部との間であって、ハンダ接合体１１に近い側に、４本の短冊状のスペーサ５が、赤外線素子２を囲むようにして設けられている。スペーサ５は、その高さが基板１と赤外線透過窓４との間隙と同じであり、赤外線素子２側に向く面にはゲッタ６が設けられている。スペーサ５のゲッタ６を設ける面は、この面に限るものではない。

本実施の形態では、基板１にはシリコン基板が用いられ、赤外線透過窓４には、ゲルマニウム、シリコン、硫化亜鉛、セレン化亜鉛等の赤外線を透過する材料のいづれかを用いることができるが、シリコンが、安価で入手が容易であるので低コストが実現でき、接合する基板１と同一の材料であるので熱膨張のミスマッチがなく、赤外線透過窓４の接合信頼性が高くなり、特に好ましい。
しかし、シリコンを赤外線透過窓４としてそのまま使用すると、反射ロスが大きいので、シリコンの赤外線透過窓４の両面には、厚さ約１.１μｍの反射防止防止膜９ａと９ｂとが設けられ、この反射防止膜の材料として硫化亜鉛が用いられる。

ハンダ接合体１１に用いられるハンダ３には、例えば、鉛−錫共晶ハンダ等が用いられ、基板１に形成されるメタライズ７と赤外線透過窓４に形成されるメタライズ８には、例えば、下地側から、３０００Åのクロムと３０００Åのニッケルと１０００Åの金とからなる三層の金属層が用いられる。そして、ハンダ接合体１１の高さはスペーサ５と同じである。
また、スペーサ５は、短冊状のシリコンまたはガラスであり、例えば、その高さは約２００μｍで、幅は約３００μｍである。スペーサ５の長さは、パッケージのキャビティ１４内にハンダ接合体１１に略平行な状態で収まり、対向する接合体１１の長さの１／２以上である。このスペーサ５に設けられるゲッタ６としては、ジルコン、バナジウム、鉄、またはこれらの合金の厚さ約２μｍ膜が用いられる。

次に、本実施の形態の赤外線センサ用真空パッケージの製造方法を説明する。
図２は、実施の形態１の赤外線センサ用真空パッケージを製造する工程を説明する図である。図２においても、赤外線素子２は省略した簡易な構造で示している。
図２の（ａ）示す第１の工程では、所定の方法で赤外線素子２が形成され、その周辺部にハンダ層を形成するためのメタライズ７を備えたシリコン基板１を準備する。メタライズ７は、クロム／ニッケル／金の三層からなる金属層を、スパッタ法、蒸着法、または、めっき法により形成する。
また、両面に反射防止膜９ａ、９ｂが設けられ、周辺部にハンダ層を形成するためのメタライズ８を備えたシリコンの赤外線透過窓４を準備する。反射防止膜９ａと９ｂとは、硫化亜鉛の膜を、真空蒸着法により形成し、メタライズ８は、クロム／ニッケル／金の三層からなる金属層を、スパッタ法、蒸着法、または、めっき法により形成する。
図２の（ｂ）に示す第２の工程では、例えば、シート状のハンダをメタライズに載せて溶融して接合することにより、シリコン基板１のメタライズ７に高さ約１５０μｍのハンダ層３ａを、赤外線透過窓４のメタライズ８に高さ約１５０μｍのハンダ層３ｂを各々形成する。

図２の（ｃ）に示す第３の工程では、真空チャンバ５０内の下部ヒータ５１に、上記、両面に反射防止膜９ａと９ｂとが設けられ、周辺部のメタライズ８にハンダ層３ｂが形成された赤外線透過窓４をセットする。この下部ヒータ５１にセットされた赤外線透過窓４のハンダ層３ｂに沿った内側の近傍に、ゲッタ６を備えたスペーサ５を設置する。スペーサ５は、厚さ３００μｍのシリコンウェハの表面に、蒸着法により、ゲッタ６となる厚さが約２μｍのバナジウムの膜を形成し、このゲッタ６が形成されたシリコンウェハを幅２００μｍで切断し、短冊状にして用いられる。この場合、スペーサ５は、ゲッタ６が形成された面がハンダ層３ｂと対向する側の反対側に向くように設置する。
また、真空チャンバ内の上部ヒータ５２に、上記、赤外線素子２が形成され、その周辺部のメタライズ７にハンダ層３ａが形成されたシリコン基板１をセットする。
図２の（ｄ）に示す第４の工程では、真空チャンバ５０を真空として、まず、下部ヒータ５１を４００℃で１０分間加熱して、ゲッタ６を活性化する。次に、上部ヒータ５２と下部ヒータ５１とをハンダ層３ａおよびハンダ層３ｂの融点より５０℃程度高い温度にした後、上部ヒータ５２を下方に、もしくは下部ヒータ５１を上方に移動して、シリコン基板１の下面をスペーサ５に当接させるとともに、シリコン基板１のハンダ層３ａと赤外線透過窓４のハンダ層３ｂとを接触させて溶融一体化させる。
図示しないが、ヒータ温度を下げハンダ３を固化させて、シリコン基板１と赤外線透過窓４とをハンダ接合体１１で接合封止して、本実施の形態の赤外線センサ用真空パッケージを完成する。

本実施の形態は１個の赤外線センサ用真空パッケージであるが、複数の赤外線素子を形成したウェハと、複数の赤外線透過窓を形成した別のウェハとを、本実施の形態と同様にして接合し、複数の赤外線センサ用真空パッケージを同時に形成しても良い。

本実施の形態の赤外線センサ用真空パッケージは、赤外線素子の周囲に、ゲッタを設けたスペーサがある。すなわち、スペーサが赤外線素子の周囲にあるので、赤外線素子において、赤外線検知部のアレイを高密度に設けることができ、赤外線素子の解像度を向上できる。また、ゲッタがスペーサの表面に設けられているので、ゲッタを基板面または赤外線透過窓に設けたパッケージよりキャビティを小さくできる。スペーサがシリコンやガラスであるので、赤外線素子と赤外線透過窓との必要な間隔を、蒸着によるスタンドオフで形成するより、短時間に形成でき、生産性が優れている。
赤外線素子と赤外線透過窓との間隔をスペーサで規定するので、ハンダのみで、上記間隔を規定するのものより精度が高く、赤外線素子が大きくなり、真空パッケージのキャビティが大きくなった場合でも、大気圧により撓んだ部分の赤外線透過窓と赤外線素子との間隔を、赤外線透過窓が赤外線素子と接触しない最小の間隔に設定でき、薄肉のパッケージを得ることができる。

実施の形態２.
図３は、本発明の実施の形態２に係る赤外線センサ用真空パッケージを説明する上面模式図である。本実施の形態でも、赤外線素子２は省略した簡易な構造で示している。
本実施の形態では、キャビティ内において、矩形状に設けられたハンダ接合体の対向する２辺に沿って、ゲッタ６が設けられたスペーサ５を設けた以外、実施の形態１と同じ赤外線センサ用真空パッケージ２０であり、実施の形態１の赤外線センサ用真空パッケージと同様な効果がある。

実施の形態３.
図４は、本発明の実施の形態３に係る赤外線センサ用真空パッケージを説明する断面模式図（ａ）と、断面模式図（ａ）におけるｄ−ｄ面の上面模式図（ｂ）である。本実施の形態でも、図４（ｂ）の上面模式図では、赤外線素子２を省略した簡易な構造で示している。
本実施の形態の赤外線センサ用真空パッケージ３０は、実施の形態１と同じ赤外線センサ用真空パッケージにおいて、キャビティ１４内の赤外線透過窓４の面に、スペーサ５の高さより低い内壁３１を設けたものである。内壁３１を設ける場所は、赤外線透過窓４のスペーサ５の設置部の内側と検出する赤外線の透過部の外側との間である。内壁３１は、赤外線透過窓４のスペーサ５が設置される位置の内側に設けたメタライズパターン３２に、ハンダ層３３を設けて形成されている。
本実施の形態では、内壁３１が、４本のスペ−サ５に沿って設けられているが、内壁３１を実施の形態２の赤外線センサ用真空パッケージにある２本のスペーサ５に沿って設けても良い。

赤外線センサ用真空パッケージは、基板と赤外線透過窓との接合時の真空排気の気流により、スペーサがずれて不良となる場合があるが、本実施の形態の赤外線センサ用真空パッケージでは、内壁が設けられており、このずれを防止でき、不良率の小さい赤外線センサ用真空パッケージを得ることができる。

実施の形態１に係る赤外線センサ用真空パッケージを説明する断面模式図（ａ）と、断面模式図（ａ）におけるｃ−ｃ面の上面模式図（ｂ）である。 実施の形態１の赤外線センサ用真空パッケージの製造工程を説明する図である。 実施の形態２に係る赤外線センサ用真空パッケージを説明する上面模式図である。 実施の形態３に係る赤外線センサ用真空パッケージを説明する断面模式図（ａ）と、断面模式図（ａ）におけるｄ−ｄ面の上面模式図（ｂ）である。

符号の説明

１ 基板、２ 赤外線素子、３ ハンダ、４ 赤外線透過窓、５ スペーサ、６ ゲッタ、７，８ メタライズ、１０,２０,３０ 赤外線センサ用真空パッケージ、１１ ハンダ接合体、１２ 赤外線検知部、１４ キャビティ、３１ 内壁、５０ 真空チャンバ、５１ 下部ヒータ、５２ 上部ヒータ。

Claims (3)

1. 表面に赤外線素子を設けた基板と、この基板の赤外線素子に対向し、上記基板と間隔を設けて配置された赤外線透過窓と、上記赤外線素子を囲み、且つ上記基板と上記赤外線透過窓とを接合するハンダ接合体とで、真空キャビティが形成された赤外線センサ用真空パッケージであって、上記ハンダ接合体と上記赤外線素子との間に、上記赤外線素子を囲み、上記基板と上記赤外線透過窓とに当接して設けられた表面にゲッタ膜を有するスペーサを備えたことを特徴とする赤外線センサ用真空パッケージ。
2. 真空キャビティーが略矩形であり、ハンダ接合体の対向する２辺に沿って２本のスペーサが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ用真空パッケージ。
3. 赤外線透過窓の内面における、スペーサが設けられた部分の内側と検出する赤外線が透過する部分の外側との間に、上記赤外線透過窓と上記基板との間隔より高さが低い内壁を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサ用真空パッケージ。
   
   
   
   

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