JP2008190992A

JP2008190992A - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP2008190992A
Application number: JP2007025422A
Authority: JP
Inventors: Noboru Motai; 昇罍
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2008-08-21

Abstract

【課題】上部シリコン基板の位置がシリコンウエハに近いと、熱吸収膜（温接点側）からの放射対流によって熱を奪い、そして冷接点に伝わり、結果としてセンサの出力を低下させることになっていた。
【解決手段】本発明の赤外線センサは、第１の基板の表面に形成され、温接点および冷接点を有するサーモパイル素子と、第１の基板のサーモパイル素子の形成部を覆い、第１の基板と７０μｍ〜１ｍｍの間隔で設けられた赤外線を透過する第２の基板と、サーモパイル素子の冷接点部上に設けられ、第１の基板および第２の基板を前記間隔で接着する樹脂製のスペーサ部材とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、赤外線センサに関するものであり、特に、基板に形成されたサーモパイル素子と、その素子を覆うように上部基板が設けられた構造を有する赤外線センサに関するものである。

サーモパイル型赤外線センサは、例えばシリコンウエハなどの基板表面上に熱吸収膜を備えたメンブレム構造（中空構造）を有している。そして、多くの赤外線検知素子は、ウエハ状態のシリコン基板に縦横整列されて複数個形成され、その素子の形成されたシリコン基板をダイシング技術によって切断し、個々の素子のチップに分割される。

このようなシリコンウエハに面付され作りこまれた赤外線検知素子チップを個片化する場合には、ダイシング工程で使用する切削冷却水からメンブレム構造を保護する必要があり、そのために事前にウエハ表面上にレジストを塗布して保護膜を形成するなど、メンブレム構造の破壊防止工程を入れている。このような素子構造及びダイシング方法は、例えば、特開平６−３０６９６０号公報に開示されている。

また、レジストによる保護の代わりに、メンブレム構造が形成されたシリコンウエハの上部に、個々の素子に蓋となる上部シリコン基板を貼り合わせた構造も検討されている。この場合、上部シリコン基板はダイシング工程における切削水、冷却水からの保護層として、さらに後工程でのチップ実装やダイボンディング工程でのハンドリング時などの物理的な力から、メンブレムを保護する役目を果たす。また、シリコン基板としての特性から、素子に対して赤外線のみ透過させるフィルタ窓の役目も果たす。このような構造及びダイシング方法は、例えば、特開平６−２１３７０８号公報に開示されている。

特開２００１−３５２０７８号公報特開平６−３０６９６０号公報

表面に赤外線検知素子（サーモパイル）が形成されたシリコンウエハの上部にシリコン基板を貼り合わせる場合、両基板間に部分的に設けられるエポキシ樹脂などの接着層を介して貼り合わされる。

そして、サーモパイルである場合は、接着層は下部シリコンウエハ上に形成された素子の冷接点上に配置されることになる。すなわち、上部シリコン基板による蓋は、平面的に見て熱吸収膜（温接点側）及びサーモパイルパターンよりも大きく、そして該サーモパイルパターンの冷接点に接続されるボンディングパッド領域を外部に露出させるようなサイズになるため、この蓋を支える接着層は必然的に冷接点上に位置してしまう。

このような構造の場合、上部シリコン基板の位置がシリコンウエハに近いと、センサのメンブレム構造上に設けられている熱吸収膜（温接点側）からの放射対流によって熱を奪い、熱が接着層を介して冷接点に伝わることとなる。これにより、冷接点と温接点との温度差が少なくなり、結果としてセンサの出力を低下させることになっていた。

本発明は、サーモパイル型の赤外線センサにおいて、素子特性の低下を招くことなく、またダイシング工程における切削水、冷却水からの保護、更に後工程でのチップ実装やダイボンディング工程でのハンドリング時の物理的な力からの保護を目的とした上部基板の採用を可能とするとした構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の赤外線センサは、第１の基板の表面に形成され、温接点および冷接点を有するサーモパイル素子と、前記第１の基板のサーモパイル素子の形成部を覆い、前記第１の基板と７０μｍ〜１ｍｍの間隔で設けられた赤外線を透過する第２の基板と、前記サーモパイル素子の冷接点部上に設けられ、前記第１の基板および前記第２の基板を前記間隔で接着する樹脂製のスペーサ部材とを有することを特徴とする。

第２の基板の、第１の基板に形成されたサーモパイル素子の熱吸収膜と対向する面に凹部を形成し、凹部の底と第１の基板の距離が、７０μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする。

第２の基板は、Ｇｅ、ＺｎＳ、Ｓｉ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢａＦ_２のいずれかの材料からなる基板であることを特徴とする。

スペーサ部材は、エポキシ系樹脂またはフィラーを混入させたエポキシ系樹脂であることを特徴とする。

本発明における赤外線センサでは、ダイシング工程やダイボンディング工程での素子の保護を可能とした上部基板を重ねた構造において、この上部基板を設けたことに起因する素子の冷接点と温接点との温度差の減少を防ぎ、効率よくセンサの出力を外部に取り出すことが可能となる。

以下本発明の好適な実施の形態を、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係わるウェハ状態の貼り合わせ基板を示す平面図である。図１に示される通り、基板１には矩形のチップ形状からなる半導体装置が行及び列方向に整列して複数個形成されている。この基板１は、貼り合わせ後の基板を示しており、その表面領域に素子が形成された半導体ウエハと、該半導体ウエハの素子の形成された表面側に貼り合わされた、半導体ウエハと略同じ大きさシリコン基板とから構成されている。

次に、図２を参照して本発明の実施の形態に係わる半導体装置を説明する。図２は、図１に記載されたＡ−Ｂ線に沿った断面における半導体装置が個片化された後の状態を表す断面図である。半導体ウエハ５には、既に複数の半導体装置が形成されて、ダイシングおよびブレーキングにより分離された各々の半導体装置には、素子６及び電極パッド４が設けられている。

該素子６は、サーモパイル型の赤外線検知素子であり、図２に示されているように、半導体ウエハ５の表面領域にダイアフラムなどの断熱構造で支持されるよう形成されたメンブレムと、メンブレム上に形成された赤外線吸収膜とを有している。本実施の形態において素子６は、赤外線検知素子のみの構造として説明するが、切換スイッチやアンプ等の回路素子が同一基板上に一緒に搭載される場合もあり、それらをまとめて素子と定義することもできる。

同図に示されるように、半導体ウエハ５の素子形成面を内側にし、半導体ウエハ５とシリコン基板３とはエポキシ樹脂７を介して張り合わせられ、このエポキシ樹脂７は、後述する図５に示されるように、素子６を囲い電極パッド４がその外側に出る形状になっている。詳細な平面構造については図４に示す通りであり後述するが、エポキシ樹脂７は、素子６の冷接点側配線上に位置している。

半導体ウエハ５とシリコン基板３との間隔Ｄ１は、エポキシ樹脂７の厚さによって制御され、約７０μｍである。発明者らの実験によると、間隔Ｄ１が短すぎる場合、外部に取り出されるセンサ出力は低下し、３０μｍであった場合にはセンサ自体の出力の２０パーセント程度しか電極パッド経由で外部に取り出すことは出来なかった。そして、この間隔Ｄ１を長くするにつれて取り出すことが出来る出力は急上昇し、７０μｍの場合には７０パーセントの出力を得ることができた。また、間隔Ｄ１を７０μｍ以上にした場合でも緩やかではあるが出力も上昇し、１００μｍになるまで上昇したのち飽和することが判明した。従って、この間隔Ｄ１は７０μｍ以上であることが必須であり、また、上限は１ｍｍである。この上限値は、間隔Ｄ１が増した時の、外部環境から素子６への影響（例えば視野が制限される）や取り扱いの困難性などを考慮した値である。

本実施の形態においてエポキシ樹脂７は、接着剤として又基板間のスペースを確保するものとして用いているが、スペーサを介して接着することも可能である。スペーサの材質は、半導体ウエハ５に合わせた方が熱ストレス上から好ましい。また、樹脂製シートや形状加工された金属の上下に接着剤を塗った構造などでも同様の効果が得られ置き換えも可能である。また、接着剤は、エポキシ系が接着力、耐湿性で好ましく、他にエポキシ系樹脂にフィラーを混入させたものやアルミナや金属粉を入れた材料でも使用可能である。

シリコン基板３は、その表面に反射防止膜、光のバンドパスフィルタ又は光のカットオフフィルタのいずれかが形成されたミラーＳｉウエハが好ましいが、反射防止膜のないものやＧｅ、ＺｎＳ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢａＦ_２基板でも可能である。また、ミラーウエハではなく、梨地基板（表面粗さ１μｍ以下）でも使用可能である。

図３は、個片化された半導体装置の一チップの外形を示す斜視図である。Ｙ方向に切断された面は、上下の基板（シリコン基板３及び半導体ウエハ５）とも揃っているが、Ｘ方向に切断された面は、ずれた状態であり、半導体ウエハ５上に設けられた電極パッド４が露出している。そして、この半導体チップは露出された電極パッド４に対して従来から知られているワイヤボンディングやフレキシブル基板等の技術で外部へ接続される。

次に、図４を参照し平面構造について説明する。図４は、図１と同様に貼り合わせ基板の平面図であるが、説明を容易にするため、４つの素子及びその周辺部分のみを拡大して抽出した図である。

図２の電極パッド４、素子６、エポキシ樹脂７は、図４においても同じ参照番号にて表示している。参照番号８は各センサ素子の冷接点側と電極パッドとを接続する内部金属配線（冷接点）である。この内部金属配線は、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ合金などの金属による配線を用いることができる。エポキシ樹脂７は、平面上、素子６を囲って形成され、電極パッドに接続される内部金属配線（冷接点）上を横断し、重なって設けられる。

また、図中破線で示された1０、1１は、シリコン基板３（上部基板）のＹ方向に沿ったダイシングラインであり、図中一点鎖線で示された1２は、半導体ウエハ５（下部基板）のＹ方向に沿ったダイシングラインである。破線1４は、Ｘ方向のダイシングラインであるが、Ｘ方向については、ボンディングパッドが配置されていないため、シリコン基板３（上部基板）も半導体ウエハ５（下部基板）も同じ位置にダイシングラインが設けられるため、これらを、ダイシングライン1４としてまとめて表している。

このように本発明の赤外線センサは、ダイシング工程における切削水、冷却水からの保護、更に後工程でのチップ実装やダイボンディング工程でのハンドリング時の物理的な力からの保護を目的とした上部基板の採用を可能とした構造であって、この上部基板を設けたことに起因する素子の冷接点と温接点との温度差の減少を防ぎ、効率よくセンサの出力を外部に取り出すことが可能となる。すなわち、半導体ウエハ５とシリコン基板３との間隔Ｄ１を制御することによって、センサの熱吸収膜（温接点側）からの放射対流によってシリコン基板（上部基板）が熱を奪うという現象を防ぐことができる。

エポキシ樹脂等の接着位置は、貼り合わせ精度も考慮し、センサメンブレム端から０．３ｍｍ、樹脂接着幅０．３ｍｍでセンサの特性評価したところ好結果が得られた。メンブレム端からの距離や接着幅を大きくとると貼り合わせが容易になるが、チップサイズの点で不利になるので、実装性や信頼性確保の面からバランスをとって設計する必要がある。

上述の実施の形態においては、上部基板は、凹凸のない平板形状のものを採用しているが、下部基板表面に形成された素子の上部スペースを確保するために、素子の直上領域を窪ませた形状とすることも可能である。図５は、本発明の他の実施の形態に係わる半導体装置を表す断面図である。そして、図２と同様に、図１に記載されたＡ−Ｂ線に沿った断面における半導体装置が個片化された後の状態を表している。

半導体ウエハ１５には、既に複数の半導体装置が形成されて、ダイシングおよびブレーキングにより分離された各々の半導体装置には、素子及び電極パッド４が設けられている。そして、シリコン基板１５（上部基板）の底面は、半導体ウエハ１６（下部基板）表面に形成された素子の上部スペースを確保するために、素子の直上領域に凹部を設けた形状となっている。この凹部によって形成された間隔Ｄ２が、前述の実施の形態で説明した間隔Ｄ１に対応しており、センサ出力の外部への取り出しを考慮すると、間隔Ｄ２も７０μｍ以上であることが必須であり、上限は１ｍｍである。この上限値は、前述の実施の形態同様、間隔Ｄ１が増した時の、外部環境から素子６への影響（例えば視野が制限される）や取り扱いの困難性などを考慮した値である。

本実施の形態における構造においても、半導体ウエハ１６とシリコン基板１５との間隔Ｄ２を上述の通り制御することによって、センサの熱吸収膜（温接点側）からの放射対流によってシリコン基板（上部基板）が熱を奪うという現象を防ぐことができる。

本発明の実施の形態に係わるウエハ状態の基板を示す平面図である。図１に記載されたＡ−Ｂ線に沿った断面における半導体装置が個片化された状態を表す断面図である。本発明の実施の形態に係わる個片化方法を用いて個片化された半導体装置のチップ外形を示す斜視図である。図１に示された基板を部分的に拡大した平面図である。本発明の他の実施の形態に係わる半導体装置が個片化された状態を表す断面図である。

符号の説明

１基板
２半導体装置
３シリコン基板
４電極パッド
５半導体ウエハ
６素子
７エポキシ樹脂

Claims

第１の基板表面に形成され、温接点及び冷接点を有するサーモパイル素子と、前記第１の基板の前記サーモパイル素子の形成部を覆い、前記第１の基板と７０μｍ〜１ｍｍの間隔を空けて設けられた赤外線を透過する第２の基板と、前記サーモパイル素子の冷接点部上に設けられ、前記第１の基板および前記第２の基板を前記間隔で接着する樹脂製のスペーサ部材と、を有することを特徴とする赤外線センサ。
前記第２の基板の、前記第１の基板に形成されたサーモパイル素子の熱吸収膜と対向する面に凹部を形成し、前記凹部の底と前記第１の基板の距離が、７０μｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
前記第２の基板は、Ｇｅ、ＺｎＳ、Ｓｉ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢａＦ_２のいずれかの材料からなる基板であることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
前記スペーサ部材は、エポキシ系樹脂またはフィラーを混入させたエポキシ系樹脂であることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。