JP2007228347A - 真空パッケージおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カメラモジュールの小型化を図るとともに、レンズ形状が接合に影響を及ぼすこと、および、接合によりレンズに歪みや損傷が生じることを抑制することが可能な真空パッケージおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】真空パッケージは、基板１と、基板１の主表面上に設けられた画素領域９と、画素領域９の上方に設けられたレンズ６と、画素領域９を取り囲むように基板１上に設けられ、レンズ６を支持する支持部３Ａを有する筐胴３と、レンズ６を覆うように筐胴３上に設けられ該筐胴３内の空間を真空封止する封止窓５と、封止窓５とレンズ６との間に設けられ、レンズ６を筐胴３に向けて押圧することで該レンズ６を固定するストッパ４とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、真空パッケージおよびその製造方法に関し、特に、基板上に設けられた撮像デバイスを真空封止する真空パッケージおよびその製造方法に関する。

赤外線センサなどの撮像デバイスを真空封止するための真空パッケージが従来から知られている。

たとえば、特表平９−５０６７１２号公報（特許文献１）においては、赤外線検出器または放射素子アレイを有する赤外線透過性ウインドウまたはトップキャップを有する２枚のウエハまたはダイを互いに結合して得られた赤外線パッケージが開示されている。ここでは、素子に形成される画素領域との接触防止を目的とした空洞加工が窓側に施されており、真空封止しても窓部の反りによって該窓部が画素領域に接触しないように構成されている。

また、特開２００３−３１８２９８号公報（特許文献２）および特開平８−２１７６４号公報（特許文献３）においては、ベロースまたはデュワにレンズで蓋をして真空封止する構造が開示されている。
特表平９−５０６７１２号公報 特開２００３−３１８２９８号公報 特開平８−２１７６４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造においては、レンズを含む光学系は独立してカメラモジュールに設けなければならない。

また、特許文献２，３に記載の構造では、レンズで真空封止を行なうために、レンズの取付けにたとえば半田などを用いる場合には、レンズ側にメタライズ膜を形成する必要がある。このメタライズ層を球面形状側の表面に形成することは困難を要する。また、メタライズ膜のパターニングの際に、レンズに汚れや傷を発生させてしまう恐れも考えられる。また、低融点ガラスを用いた接合を行なう場合にも、メタライズ層の場合と同様に、レンズの曲率が接合に影響を与えてしまう恐れがある。さらに、上記構造をたとえば高温環境雰囲気に曝した場合、結合に用いたガラスからのガス放出が懸念される。このガス放出は真空度を著しく低下させ、画素感度を低下させてしまう要因となる。また、レンズによるキャップを行なうことで、レンズに余計な歪みを与えてしまい、割れ、クラック、欠けなどのダメージを与える恐れがある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、カメラモジュールの小型化を図るとともに、レンズ形状が接合に影響を及ぼすこと、および、接合によりレンズに歪みや損傷が生じることを抑制することが可能な真空パッケージおよびその製造方法を提供することにある。

本発明に係る真空パッケージは、基板と、基板の主表面上に設けられた撮像デバイスと、撮像デバイスの上方に設けられたレンズと、撮像デバイスを取り囲むように基板上に設けられ、レンズを支持する支持部を有する筐胴と、レンズを覆うように筐胴上に設けられ該筐胴内の空間を真空封止する封止窓と、封止窓とレンズとの間に設けられ、レンズを筐胴に向けて押圧することで該レンズを固定する固定部材とを備える。

本発明に係る真空パッケージの製造方法は、基板の主表面上に撮像デバイスを形成する工程と、撮像デバイスを取り囲むように基板上に筐胴を設ける工程と、撮像デバイスの上方において筐胴上にレンズを設ける工程と、レンズを覆うように筐胴上に封止窓を設け、該封止窓により固定部材を介してレンズを筐胴に向けて押圧するとともに筐胴内の空間を真空封止する工程とを備える。

本発明によれば、真空パッケージを含むデバイスにおいて、カメラモジュールの小型化を図るとともに、レンズ形状が接合に影響を及ぼすこと、および、接合によりレンズに歪みや損傷が生じることを抑制することができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、本発明にとって必ずしも必須のものではない。

本実施の形態においては、熱型検知器として利用される非冷却赤外センサアレイの真空パッケージおよびその製造方法について説明する。赤外センサアレイには冷却方式と非冷却方式とがあり、特に冷却機構が不要であり室温動作可能な非冷却方式の赤外センサは、小型化およびコスト低減効果が期待できるため、冷却方式に代わって様々な応用分野に展開されつつある。

「撮像デバイス」である非冷却赤外線センサは、熱型センサとも言われ、入射赤外線を熱に変換し温度変化による物性値の変化を電気信号として読み出している。このセンサは赤外検出感度を高めるため、赤外線検知部は基板から熱的に隔離された断熱画素構造となっており、さらに、外部からの断熱性を高めるため素子全体は真空雰囲気で封止されている。

非冷却赤外センサアレイにおいては、各々の素子中心付近に画素領域が配置され、その周辺部に読み出し回路などの周辺回路やパッドが形成されている。さらに、画素領域には、多数の画素が規則的に二次元配列され、各画素間には「配線」である走査線および信号線が格子状に形成されている。また、近年の微細加工技術の進歩により、赤外センサアレイの画素はより複雑な構造を有するようになり、この結果、外部的要因（たとえば風圧や水などの水分、塵、静電気、結露など）によって簡単に破壊されてしまう場合がある。特に、ウエハ単位から素子単位への切断では、水と加圧された窒素とを吹き付けて切削物を取り除く必要があるため、予め画素全体を覆うような赤外センサアレイ構造を形成することが今後のデバイス開発への重要な課題となっている。

以下では、上述した赤外センサアレイに適用可能な真空パッケージについて、図面を用いてさらに詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る真空パッケージが配列された基板の上面図である。また、図２は、本実施の形態に係る真空パッケージが配列された基板の側面図である。

図１，図２に示す例は、半導体ウエハである基板１上に筐胴が取付られたレンズ筐胴素子１２を規則的に配列したものである。ここで、素子サイズは、たとえば１７ｍｍ四方に形成される。またレンズ筐胴素子１２は、基板１上に１２個が規則的に設けられる。また、各々のレンズ筐胴素子１２間には、０．１ｍｍ幅のダイシング線２が形成されている。なお、本実施の形態では基板１としてシリコン基板が使用される。基板１は、ダイシング線２に沿ってたとえばダイサーなどによって切断される。ここで、主に外圧からの影響を受けて損傷し易い画素領域や読み出し回路部が筐胴によって保護されている。一方、筐胴から露出する部位は、パッドやパッドに接続される配線である。

図２を参照して、レンズ筐胴素子１２に含まれる筐胴の高さはレンズと素子間の焦点距離と封止窓までの距離を考慮して設計されている。また、基板１を裏面から切断するために、基板１の裏面にはたとえばシリコン酸化膜などからなるパターンが予め形成されている。このパターニングは既存の半導体技術である成膜法やエッチング法を用いて行なわれる。また、筐胴内は真空雰囲気で保持されるため、筐胴に用いられる材料としては、曲げや歪みに強く、発塵やガス放出が抑制された材料、さらに言うと基板１との線膨張係数が近い材料が必要とされる。本実施の形態では、鉄にニッケル、コバルトなどを配合した合金で作製した筐胴（高さ：１２ｍｍ）が使用される。また、筐胴形状としては、基板側が四角形状であり封止窓側が丸形状であるものが考えられる。なお、上記では、基板１を裏面側からダイサー切断する分離方法について説明しているが、たとえば、レーザによってダイシング線２に相当する部分の基板１を改質して分離する手法が用いられてよい。これによって、基板１の裏面上のパターニングが不要となる。

図３は、本実施の形態に係る真空パッケージを示した断面図である。図３を参照して、本実施の形態に係る真空パッケージは、基板１と、筐胴３と、ストッパ４と、封止窓５と、レンズ６と、メタライズ膜７と、パッド８と、画素領域９とを含んで構成される。

画素領域９を真空封止するための筒状の筐胴３は、画素領域９を取り囲むように基板１上に設けられる。筐胴３は、レンズ６を支持する支持部３Ａを有する。また、筐胴３の内部側壁には、赤外線反射防止膜が形成されている。

ストッパ４のレンズ接触面側の軸方向端面は、レンズ６の支持のため、レンズ曲率に合わせて加工されている。なお、ストッパ４はレンズと接触するため、摩擦による磨耗などに配慮する必要がある。ストッパ４を構成する材料としては、たとえばセラミックなどが考えられる。また、ストッパ４の外周側壁の一部および封止窓との接触面には、メタライズ膜７が設けられる。これは、封止窓５側との結合目的であるとともに、余分な半田２１が筐胴３内にはみ出すことを防止する役割と、ストッパ４をより強固に固定する役割を果たす。

封止窓５は、筐胴３内を真空封止するとともに、ストッパ４を固定する。封止窓５としては、赤外透過性のあるものが用いられ、その表面と裏面には反射防止膜が形成されている。封止窓５を構成する材料としては、たとえばシリコンが考えられる。また、封止窓５には、迷走光を低減する絞りを目的とした膜が形成されている。ここでは、封止窓５上に形成されたメタライズ膜７Ａを絞り用の膜として流用している。

レンズ６は、たとえば両面球面のメニスカスレンズである。レンズ６には赤外透過性のある材料が用いられる。このような材料としては、たとえばＳｉ，Ｇｅなどが考えられる。レンズ６の形状としては、たとえば丸形が考えられるが、レンズ形状はこれに限定されるものではなく、たとえばシリコンウエハのオリエンテーションフラットのような加工を施し、ストッパ４側にも、これを支えるための同様の加工を行なうことで回転方向の動きが封じ込まれ、筐胴３内のレンズ固定がより強固になる効果が得られる。また、筐胴３内のレンズ固定箇所にも同様の加工を施すことで同様の効果は得られる。また、本実施の形態では、両面球面の断面が凸形状のメニスカスレンズが用いられているが、レンズ断面形状はこれに限定されない。ただし、ストッパ４側の面が非球面である場合には、これに合わせてストッパ４の形状も加工する必要がある。

本実施の形態では、半田２１による接合が行なわれるため、各部材にメタライズ膜７が形成されている。メタライズ膜７は、たとえば蒸着やスパッタあるいはめっき法を用いて形成される。Ａｕ／Ｎｉ／Ｃｒ膜を順次形成することでメタライズ膜７が形成される。また、形成されたメタライズ膜７には、湿式または乾式法を講じてエッチング処理が行なわれ、所定の領域がパターニングされる。なお、メタライズの総膜厚は1〜２μｍ程度である。

図４は、本実施の形態に係る真空パッケージにおける筐胴を取り除いた状態を示した上面図である。図４を参照して、基板１側に設けられるメタライズ膜７は、画素領域９と読み出し回路とを囲むように形成される。また、真空封止領域のうち、基板１側にはゲッタ１０が配置されている。このゲッタ１０に用いる材料としては、たとえば、ジルコニウム（Ｚｒ），チタン（Ｔｉ），ハフニウム（Ｈｆ），セリウム（Ｃｅ），トリウム（Ｔｈ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などを含む焼結材料が考えられるが、素子等から放出されるガスなどを吸着してパッケージ内部の真空度を維持できる材質であればいずれの材料を使用してもよい。

図５〜図７は、本実施の形態に係る真空パッケージの製造方法における各工程を示した断面図である。

まず、図５に示すように、基板１上にパッド８と画素領域９が形成される。そして、画素領域９を囲むようにメタライズ膜７が形成され、このメタライズ膜７上に半田２１が設けられる。

次に、図６に示すように、基板１上に筐胴３が半田接合にて貼り合わされる。筐胴３の内部には、予め赤外線反射防止膜が形成されている。基板１側には、厚さ１〜２μｍ程度のジルコニア焼結材からなるゲッタ（図６においては図示せず）が固定されている。ここで、基板１と筐胴３との接合は、真空雰囲気下で行なう必要はなく、大気中で行なってもよい。

次に、図７に示すように、筐胴３内にレンズ６とストッパ４とが配置される。ここで、ストッパ４は、筐胴３と高さを合わせて設置される。

その後、筐胴３と封止窓５との半田接合が行なわれる。ここでは基板１と筐胴３との接合の場合とは異なり、１０^-4Ｐａ程度の真空雰囲気下で処理される。また、封止窓５には反射防止膜が予め両面に設けられている。上記半田結合は、ウエハボンディング装置を用いて行なわれる。ここでは、たとえば、真空チャンバ内に設置した下部ヒータ上に筐胴３を搭載した基板１を配置し、筐胴３上のメタライズ膜７上に予め半田２１を形成し、上部ヒータに封止窓５を設置し、メタライズ膜７，７Ａが相対するようにアライメント調整を行なう。チャンバを真空排気後、下部ヒータを４００℃で１０分間加熱し、薄膜ゲッタを活性化する。その後、下部ヒータと上部ヒータとを半田２１の融点より５０℃程度高い温度に設定した後、上部ヒータもしくは下部ヒータを下方もしくは上方に移動させ、筐胴３と封止窓５とを接合する。接合後はヒータの加熱を止め、半田の融点以下になるまで冷却する。最後に冷却された基板１をダイサー切断処理して素子単位に分離することで、図３，図４に示す真空パッケージが得られる。

なお、本実施の形態に係る真空パッケージは、レンズ焦点距離が固定された構造であり、筐胴３内のレンズ６で真空封止されるわけではなく、素子の画素領域９から封止窓５に至る全ての空間が同一の真空度で保持されることを特徴としている。

また、本実施の形態に係る真空パッケージでは、画像評価を行ない画像異常が確認された場合に、たとえば封止窓５をホットプレートなどで熱を加えて剥がしたのち、ストッパ４とレンズ６とを分離することで、画素領域９内の故障調査が可能となる。さらに、不良素子と判断された場合においても、レンズ６には余計な膜や半田などが形成されていないため、再利用することも可能である。また、本実施の形態では、ゲッタ１０が素子上に固定された例について説明したが、たとえば、筐胴３の素子接合部に予め溝を形成してゲッタを配置した後、半田接合の際に、筐胴３と素子との接合と同時にゲッタを固定してもよい。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る真空パッケージは、基板１と、基板１の主表面上に設けられた「撮像デバイス」としての画素領域９（赤外線検出器）と、画素領域９の上方に設けられたレンズ６と、画素領域９を取り囲むように基板１上に設けられ、レンズ６を支持する支持部３Ａを有する筐胴３と、レンズ６を覆うように筐胴３上に設けられ該筐胴３内の空間を真空封止する封止窓５と、封止窓５とレンズ６との間に設けられ、レンズ６を筐胴３に向けて押圧することで該レンズ６を固定する「固定部材」としてのストッパ４とを備える。また、封止窓５のレンズ６に対向する面に、筐胴３内の反射によって画素領域９に入射する迷走光を低減する絞りのためのパターン（メタライズ膜７Ａ）が形成されている。

また、本実施の形態に係る真空パッケージの製造方法は、基板１の主表面上に画素領域９を形成する工程（図５）と、画素領域９を取り囲むように基板１上に筐胴３を設ける工程（図６）と、画素領域９の上方において筐胴３上にレンズ６を設ける工程（図７）と、レンズ６を覆うように筐胴３上に封止窓５を設け、該封止窓５によりストッパ４を介してレンズ６を筐胴３に向けて押圧するとともに筐胴３内の空間を真空封止する工程（図７，図３）とを備える。なお、上記方法は、封止窓５のレンズ６に対向する面に、上述した絞りのためのメタライズ膜７Ａを形成するためのパターニング加工を施す工程（図７）をさらに備える。また、上記方法において、画素領域９は基板１の主表面上に規則的に配列される。そして、上記方法は、真空封止されたレンズ筐胴素子１２ごとに基板１を分断する工程（図２）をさらに備える。

本実施の形態に係る真空パッケージおよびその製造方法によれば、ストッパ４と封止窓５により、筐胴３内の空間の真空封止とレンズ６の固定とを一括して行なうことができる。このようにすることで、光学系と画素領域９との一体化が図られ、カメラモジュールの小型化に寄与することができる。また、両面球面のメニスカスレンズのような曲率を持った形状のものでも、ストッパ４を介して筐胴３の内部に固定することができるので、低融点ガラスなどを用いた接合が不要となる。また、レンズ６でのキャップが不要であるため、レンズ６に歪みを生じず、レンズ６の割れや損傷が抑制される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の１つの実施の形態に係る真空パッケージが配列された基板の上面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る真空パッケージが配列された基板の側面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る真空パッケージを示した断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る真空パッケージにおける筐胴を取り除いた状態を示した上面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る真空パッケージの製造方法における第１工程を示した断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る真空パッケージの製造方法における第２工程を示した断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る真空パッケージの製造方法における第３工程を示した断面図である。

符号の説明

１ 基板、２ ダイシング線、３ 筐胴、３Ａ 支持部、４ ストッパ、５ 封止窓、６ レンズ、７ メタライズ膜、８ パッド、９ 画素領域、１０ ゲッタ、１２ レンズ筐胴素子、２１ 半田。

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板の主表面上に設けられた撮像デバイスと、
   前記撮像デバイスの上方に設けられたレンズと、
   前記撮像デバイスを取り囲むように前記基板上に設けられ、前記レンズを支持する支持部を有する筐胴と、
   前記レンズを覆うように前記筐胴上に設けられ該筐胴内の空間を真空封止する封止窓と、
   前記封止窓と前記レンズとの間に設けられ、前記レンズを前記筐胴に向けて押圧することで該レンズを固定する固定部材とを備えた、真空パッケージ。
2. 前記封止窓の前記レンズに対向する面に、前記筐胴内の反射によって前記撮像デバイスに入射する迷走光を低減する絞りのためのパターンが形成される、請求項１に記載の真空パッケージ。
3. 前記撮像デバイスは赤外線検出器である、請求項１または請求項２に記載の真空パッケージ。
4. 基板の主表面上に撮像デバイスを形成する工程と、
   前記撮像デバイスを取り囲むように前記基板上に筐胴を設ける工程と、
   前記撮像デバイスの上方において前記筐胴上にレンズを設ける工程と、
   前記レンズを覆うように前記筐胴上に封止窓を設け、該封止窓により固定部材を介して前記レンズを前記筐胴に向けて押圧するとともに前記筐胴内の空間を真空封止する工程とを備えた、真空パッケージの製造方法。
5. 前記封止窓の前記レンズに対向する面に、前記筐胴内の反射によって前記撮像デバイスに入射する迷走光を低減する絞りのためのパターニング加工を施す工程をさらに備えた、請求項４に記載の真空パッケージの製造方法。
6. 前記撮像デバイスは前記基板の主表面上に規則的に配列され、
   真空封止されたデバイスごとに前記基板を分断する工程をさらに備えた、請求項４または請求項５に記載の真空パッケージの製造方法。

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