JP2008528987A - センサ - Google Patents

Abstract

この発明は、第１の基板に形成されたセンサ素子と第２の基板に形成された少なくとも１つの光学素子とを提供するものであって、第２の基板が少なくとも１つのセンサ素子の上を覆うキャップを形成するように第１および第２の基板が互いに関連するように配置されていて、少なくとも１つの光学素子がキャップ上にくる入射光を少なくとも１つのセンサ素子に導くように構成されている。

Description

本発明は、センサ、特に２つの基板を含むセンサであって、一つの基板で検知素子を、その検知素子上のキャップを与えている第２の基板に形成された光学素子をそれぞれ提供するように、それらの基板が互いに関連して配置されているセンサに関するものである。

センサは従来技術でよく知られている。シリコンやゲルマニウムのような半導体材料に形成された場合、このようなセンサは例えばＭＥＭＳ装置または赤外(ＩＲ)センサのような電磁（ＥＭ）放射センサのような機械的構成物として提供される。シリコンのような材料を用いることにより、望みの構成となるようにエッチングや他の半導体加工技術を用いてウェーハの一層または多層構造をもつセンサを形成することが可能である。センサの繊細な性質と周囲環境への敏感さのために、センサが作動する周辺環境からセンサの環境を隔離するために役立つ保護キャップを備えることが知られている。

米国特許出願公開第２００３／００７５７９４号明細書

ＥＭセンサの領域では、センサがパッケージ型で提供されることが望ましいという特別な要求がある。

したがって、発明の第１の実施形態は、第１の基板に備えられた検知素子を含み、その検知素子上に備えられたキャップであって、その中に形成された光学素子を含むキャップをもち、その光学素子がキャップ上の入射光をその下にある検知素子に導くように構成されているＥＭセンサを提供することである。

好ましい実施例に示すように、本発明はそれゆえ請求項１にしたがってセンサを提供する。有利な実施例は従属クレーム中で提供される。発明はまた請求項１５に従いセンサアレーを、請求項１９に従い気体分析装置を、請求項１６に従い識別センサを提供する。本発明はまた請求項２１に従いセンサを形成する方法を提供する。

本発明は以下図１から７を参照して記述される。この発明は、どのような電磁（ＥＭ）放射検出環境においても応用することができるが、説明を容易化するために好ましい例示的な実施例として、シリコンウェーハベースの熱放射センサの実施例を参考にして以下記述される。

このようなセンサはしばしば繊細な検知膜（ｓｅｎｓｉｎｇ ｍｅｍｂｒａｎｅ）を含む。膜が壊れやすいという特性から、損傷や歩留まりの低下を防ぐため、膜が作製された後、センサの注意深い(結果的にはコストへの影響を含む)取り扱いが必要となる。さらに、膜ベースの熱放射センサでは、気体の対流や熱伝導を通して、膜が吸収する熱損失をなくすために、真空中もしくは他の低圧環境でセンサをパッケージすることが有利である。最後に、多くの単一点ＩＲセンサ（ｓｉｎｇｌｅ ｐｏｉｎｔ ＩＲ ｓｅｎｓｏｒ）は全く集光レンズを用いていないが、単一点熱センサにおいては、信号を効率的に増幅するために入ってくる光を膜上の単一の鋭敏な点に集光することが可能となれば有利となる。単一点ＩＲセンサがレンズを用いている場合には、一般には例えばゲルマニウムまたは同様な物質のように適切な形および屈折率をもつ材料からなる屈折レンズが用いられる。

センサアレー上の熱的な情景を画像化して該情景の赤外画像を生成するためには、上記と同じ要求が適用されるとともに、センサアレーの画像平面上にその情景の結像された画像を作成するため、光の結像（すなわちレンズによる結像）が非常に望ましいという付加的な要求が加わる。

本発明のセンサは、ウェーハレベルで熱センサにシリコンキャップをかぶせたデバイスとかぶせる方法とを提供することによって、上記の問題や他の問題に対応しようとしたものである。本発明によれば、センサデバイス（またはセンサデバイスを繰り返し配列したアレー）は１つのウェーハ基板の上に作製され、キャップとなるウェーハは別の基板上に作製される。キャップとなるウェーハはセンサウェーハと突き合わされ、制御された環境条件、好ましい実施例では真空条件のもとでセンサウェーハに接合される。接合されたウェーハ構成は、最終的にパッケージ化して販売するために、個々のキャップ付センサチップに分離または切断される。このようなキャップ作製方法は、Ｆｅｌｔｏｎらによる、本発明の譲受人に譲渡された特許文献１に詳しく記述されており、その内容は参照することによってここに組み込まれている。

図１はこのようなセンサデバイス１００を断面図で示す。デバイスは第１のシリコンウェーハ１１０、もしくは時としてセンサダイと呼ばれるウェーハに形成された検知素子１０５を含む。個々の回折光学素子を形成するようにパターン１２０がエッチングされたシリコンのふたからなるキャップ１１５もまた用意される。この回折光学素子（ＤＯＥ）を実装するには、それぞれ振幅変調および位相変調として知られている２つの方法がある。振幅変調の場合には、表面パターンは光を通す領域と光をブロックする領域からなる。位相変調の場合には、パターンは表面上の高さの変化からなっていて、光の相対的な位相をパターンの相対的な高さの違いの関数として効率的に変化させる。ここで説明される実施例では、パターンはキャップの内表面１３５に付与されているが、パターンはまた外表面１４０にも付与することができるということが理解されるであろう。また、パターンは、見やすいように誇張されているが、その間隔と深さが光学素子に入射する光の波長に関連する複数のリッジ１５０を含むことも理解されるであろう。キャップは典型的には第２の基板またはキャップ用のダイに形成される。回折光学素子キャップ１１５の中に形成されているパターン１２０は、センサの特定の平面上またはセンサ上の特定な点に、与えられた周波数の入射光１２５を集光すること、または異なった周波数の光を異なった点の上に集光することが可能である。キャップ１１５は第１のウェーハに接着剤またはシール材料１３０を用いて接合されており、その接合は、環境圧力とは異なる圧力にあり、典型的にはより低い圧力にあるシールされた空洞１４５の境界を区画する。代替の方法として、この空洞のシールされた性質およびその製造プロセスは、空洞内の環境気体として空気とは異なる気体の使用を可能にし、例えば空気より熱伝導率が小さいキセノンまたは他の気体も使用できる。シリコンキャップは可視スペクトル域の入射光を事実上透過させないので、その中にある検知素子に対して衝撃を与えないように光を締め出すものと考えられるが、シリコンはＥＭスペクトルの赤外周波数域の光を透過するので、この応用すなわちＩＲセンサとしてはシリコンが適した材料であることが理解されるであろう。図２は組み立てられたセンサデバイスの一例であり、検知素子がその上に付与されたキャップで覆われていることがわかるであろう。

センサ製造の典型的なプロセスの流れが図３に示されている。第１に、センサウェーハ１１０は当業者によく知られた技術を用いて製造される(ステップ３００)。キャップとなるウェーハもまた別に製造される（ステップ３１０）。このキャップとなるウェーハの製造は、キャップの外部表面１４０または内部表面１３５のいずれかまたは双方の上に望みのパターンのエッチングを施すことを含む。反射防止被覆がキャップの内部または外部表面に付加されてもよい。いったん望みの部品が２つのウェーハのそれぞれの上に付与されると、ウェーハを接合（ステップ３２０）するために２つのウェーハは突き合わされる。理想的にはこの接合は真空条件で達成される。いったん２つのウェーハが接合されると個々のチップは分離され、あるいは第２のウェーハの中でキャップが含まれていない領域を除くことによってウェーハの全領域が区域分けされる(ステップ３３０)。このようにして、複数の個々のチップまたはセンサを１つのプロセスの流れの中で作製することができる。

光学素子を区分するパターンの性質がセンサの動作に影響を及ぼすことは理解されるであろう。図４は、センサキャップ中で回折光学素子を定義するのに用いられる、振幅変調法または位相変調法を利用して実現することができるパターン型の例を示す。図４Ａの例は、位相変調法に対する回折光学素子における高さの正弦波変化を用いて、１０マイクロメーターの波長をもつ平行な入射光を３００マイクロメーター下にある焦点面に集光するよう最適化されたものである。正弦波の相対的な高さはパターンのグレースケールの変化で表されており、振幅変調法でのグレースケールはパターンの透過効率を表す。図４Ｂの例は、１０マイクロメーターの波長をもつ平行な入射光を３７０マイクロメーター下にある焦点面に集光するとように設計されているが、この場合は黒と白のパターンは位相変調回折光学素子の回折格子を実現するために、正弦波というよりはむしろ高さ変化が１段階だけである。図４Ｃもまた回折光学素子を実現するために１段階の高さ変化を用いているが、この場合は１０マイクロメーターの波長をもつ平行な入射光を１０マイクロメーター下にある焦点面に集光するように設計されている。これら３つの例は使用されるパターンのタイプを示すものであり、焦点面の制御、または入射光の中の異なった波長成分にわたる独立な制御に関する別の設計要求がこの方法によってまた可能であり、それらが本発明に含まれることが理解されるであろう。図４Ｂおよび４Ｃの黒と白の円からなるこれらの例は、光を集める、透過パターンかまたは位相変調パターンを示すが、透過損失があるという欠点がある。しかしながら、例えば図４Ａのグレースケール図面に表されるように、回折格子を形成するリッジの特性に曲面をもつ側壁を導入して低い損失条件を達成するように、パターンの設計を最適化できることが理解されるであろう。

本発明によって備えられるキャップは多くの側面で有利である。それは、１）引き続く処理の間、膜を保護する、２）製造工程で真空にすることが可能な、検知膜に対し筐体を提供する、そして３）入射赤外光を、信号を増幅するために単一の点に集めるため、または情景の画像を作成する目的でアレー上に集光するために、パターン形成やエッチングを行うことができる。特に、パターンは光学素子（すなわち、通常の屈折レンズやフレネルレンズ）の実現、または好ましい実施例では回折光学素子を実現することが可能である。この応用のための光学素子の作製は、今まで赤外屈折レンズに要求されてきためずらしい（高価な）材料のかわりに、シリコン中で実現できるという点で有利である。シリコンキャップにおける回折光学を用いることから生じる利点は、レンズがウェーハバッチレベルで十分に確立されたプロセスを用いてパターン化およびエッチングが行われ、センサウェーハに接合でき、その結果、従来の屈折レンズ技術に比べコスト面で有利なレンズを提供できることにある。この方法は、ここに記載されている赤外における応用にくわえて他の電磁放射センサにも応用可能である。例えば、もしセンサが赤外センサ以外の応用に用いられるならば、キャップは石英、もしくはある場合にはパイレックスのような標準的なガラス、またはことによるとサファイヤから作製することも可能である。

ある応用では、入射光のうちの異なった波長の光をキャップ内に封入された異なったセンサ上に集めるようなレンズ／キャップ構成を用いることができることが有益かもしれない。図５はそのような一例の模式図で、同一のキャップ配置図の中に４個の検知素子、５０１，５０２，５０３，５０４がある。レンズ配置の適切な設計により、ある特定の波長を集光する一方で、他の波長の焦点をはずす（排除する）ことが可能になることが理解されるであろう。これは、赤外光に含まれる異なった波長成分の個々の強度測定を可能とし、それが可能なことは例えばアルコール呼気採取装置のように人の呼気中のエチルアルコールのレベルを監視するような要求がある気体分析においては非常に有用である。アルコールはＩＲスペクトルにおいて特異的ないくつかの吸収ピークをもつので、キャップの下でアレー状に配置された４個のセンサ素子、５０１，５０２，５０３，５０４の特定の１つの素子に対しこれらの吸収ピークと一致する光を集めることにより、これらの特異的周波数における光強度の強度変化を識別することができ、それ故、試料中に存在するアルコールの指示装置となる。各センサ素子は適切な周波数の入射光と反応するように構成されているので、その光が個々の素子上に入射したときに、各センサ素子の振る舞いの分析は反応するように設計された材料の有無を指示し、分析される気体の波長標識を与える。

図６は、図５に示されている４個の検知素子、５０１，５０２，５０３，５０４の１つに、入射光の中の４個の明確な波長のうちの各１つを集光するため、図５のセンサ配置と組み合わせて用いることができる、振幅変調法を用いた回折光学素子（ＤＯＥ）の設計の１例である。このような設計またはパターンは、レンズにおける１段ステップ（一段階）を作ることによって、または異なった高さの多段ステップ（多段階）を作ることによって作製される。本発明は、ＤＯＥの加工法にどれかを限定しようとするものではなく、その方法が１段階、多段階、または他の変形した方法にしてもすべての製造方法を包含しようとするものであることが理解されるであろう。

示されてはいないが、本発明の構成は複合的なレンズ効果が生ずるように、光学素子上に第２のレンズ配置を含むようにさらに変形してもよいことが理解されるであろう。このような配置はおそらく倍率の増大、視野の拡大、分解能の増大、および光学的フィルタリングの改良のような応用に適しているであろう。このような配置は、チップに結合した第２のレンズを備えることにより提供することができる。代替の方法として、図７に示されるように、第２のレンズ７０１を作製し、その第２のレンズを完成したパッケージ７００と結合させることが可能である。このようにして、ＤＯＥ１１５と第２のレンズ７０１の内部の間に区画された体積７０３がつくられる。この区画された体積内の雰囲気は希望通りの相対圧力または成分に制御できる。複合的なレンズ効果を作製するどのほかの方法も本発明の範囲に包含されることが理解されるであろう。

本発明の技術は、例えば６０×６０アレーのようなＩＲセンサアレーを与える有効な方法を提供する。このような構成は、ＩＲイメージングのような応用にとって望ましいものであって、従来のＩＲアレーと置き換えて本発明のセンサアレーが使用される可能性がある。現在のＩＲアレーはレンズをもたず、またこの発明で提供されるような低価格ユニットに集積されたセンサアレーをもたない。現在の通常のＩＲアレーは、本発明に記載されているようなウェーハレベルの解決法ではなく、ＩＲに透明な窓あるいはレンズをパッケージ中に備えた真空パッケージを提供しているに過ぎない。

本発明の集積センサ素子／レンズ構成システムのもう１つの応用は、被写界深度解析が必要な場合である。レンズを適切に構成することによって、２つの異なった距離から発する光をキャップ内の別々のセンサ素子に焦点を合わせることができる。これは熱源の元を識別することを可能とし、その例としては平面金属板および三次元の人の胴体がある。このような応用は例えばエアバッグ展開配置に用いられる、識別展開センサを含む。

本発明に示すセンサの寸法は、典型的にはマイクロメーターからミリメーターのオーダーである。例えば波長１０マイクロメーターの光を標的とする場合、キャップは約１ｍｍ²の捕集面積とセンサ素子上約１６０マイクロメーターの高さをもつような寸法に作られる。しかしながら、これらの寸法は純粋に例示的な目的のものであって、本発明をいずれかの寸法条件の組に限定しようとするものではない。

「上部の」「下部の」「内部の」「外部の」という語は、典型的な例示目的の実施例における説明の容易さのために用いられており、発明をいずれか１つの方位に限定しようとするものではない。同様に、「備える／備えている」という語がこの明細書で用いられる場合には、記載された特徴、整数、ステップ、成分の存在を指定するものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴、整数、ステップ、成分の存在またはそれらの一群を排除しようとするものではない。さらに、本発明は特定な例に関して記載されているが、付属の請求項に照らして必要とみなされる場合を除いては、発明をどのような形であれ制限しようとするものではなく、この発明の精神と範囲からはずれない限り、記載事項に対する多くの修正や変更があり得る。

は本発明を実施するための例示的な実施例によるセンサの断面である。 は図１のセンサを上から見た斜視図である。 は図１のセンサを形成するために用いられる方法の例を示す図である。 は本発明の教示に従い、光学素子を定義するために用いられる第１のパターンの例を示す図である。 は本発明の教示に従い、光学素子を定義するために用いられる第２のパターンの例を示す図である。 は本発明の教示に従い、光学素子を定義するために用いられる第３のパターンの例を示す図である。 は発明の例示的実施例に従い、多数のセンサ素子を含むセンサの例を模式的に示した平図面である。 は本発明の教示に従い、図５における多数のセンサ素子とともに用い場合に適切な光学素子を定義するために用いられるパターンの例を示す図である。 は本発明の教示に従った複合センサの断面図である。

Claims (21)

1. 第１の基板に形成された少なくとも１つのセンサ素子と、
   第２の基板に形成された少なくとも１つの光学素子とを備え、
   前記第２の基板が前記少なくとも１つのセンサ素子上にキャップを形成するように該第１および第２の基板が互いに関係して構成され、前記少なくとも１つの光学素子は前記キャップ上の入射光を前記少なくとも一つのセンサ素子に導くように構成されていることを特徴とするセンサ。
2. 前記第１および第２の基板がシリコンであることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
3. 前記少なくとも１つのセンサ素子が赤外センサ素子であることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
4. 前記少なくとも１つの光学素子が回折光学素子であることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
5. 前記少なくとも１つの光学素子が屈折光学素子であることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
6. 前記キャップが前記センサ素子まわりの空洞を区画し、該空洞中の環境条件や成分を指定できることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
7. 前記空洞が常圧よりも低い圧力にあることを特徴とする請求項６記載のセンサ。
8. 前記空洞が、センサが利用されるべき応用形態に適合するように選択された気体の成分で満たされたていることを特徴とする請求項６記載のセンサ。
9. 前記組成の気体が、窒素の熱伝導率よりも低い熱伝導率を持つ気体を含むことを特徴とする請求項８記載のセンサ。
10. 該光学素子が、空洞に隣接する,キャップの内部表面に形成されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
11. 該光学素子が、空洞から離れた,キャップの外部表面に形成されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
12. 光学素子が、空洞から離れた,前記キャップの外部表面および該空洞に隣接する,該キャップの内部表面に形成されていて、該空洞に隣接する位置および離れた位置にある該光学素子の組み合わせが複合レンズを形成することを特徴とする請求項１記載のセンサ。
13. 複数のセンサ素子が形成され、該光学素子が特定の波長の光を複数のセンサ素子のうちあらかじめ選択されたセンサ素子に選択的に導くように構成されていることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
14. 前記センサが第２のキャップを備えており、該第２のキャップが前記第１のキャップの上に配置されていて、前記第２のキャップが光学素子を含み、該第１および該第２のキャップの光学素子が複合レンズとなるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
15. 複数のセンサを含むセンサアレーであって、前記センサの各々が第１の基板に形成されたセンサ素子と第２の基板に形成された光学素子を有し、該第２の基板が前記センサ素子上にキャップを形成するように前記第１および第２の基板が互いに関連して構成され、前記光学素子が前記キャップ上の入射光を前記センサ素子に導くように構成され、前記センサアレーが結像面を規定するように構成されていることを特徴とするセンサアレー。
16. あらかじめ定義されている、被検知の三次元形状を測定した際に信号を与えるように構成されている識別センサであって、
    前記識別センサから第１の距離にある対象物を検知した際に信号を発するように構成されている第１のセンサ素子と、
    前記識別センサから第２の距離にある対象物を検知した際に信号を発するように構成されている第２のセンサ素子とを備え、
    前記第１および第２のセンサ素子の各々は、第１の基板に形成された少なくとも１つの検知素子および第２の基板に形成された少なくとも１つの光学素子を含み、
    前記第２の基板が前記少なくとも１つの検知素子上にキャップを形成するように前記第１および第２の基板が互いに関連して構成され、前記少なくとも１つの光学素子が前記キャップ上の入射光を前記少なくとも一つの検知素子に導くように構成されていることを特徴とする識別センサ。
17. 前記第１および第２のセンサ素子のそれぞれの前記少なくとも１つの検知素子が同じ基板に形成されることを特徴とする請求項１６記載の識別センサ。
18. 該対象物が人の胴体であることを特徴とする請求項１６記載の識別センサ。
19. 第１の基板に形成された少なくとも１つのセンサ素子と
    第２の基板に形成された少なくとも１つの光学素子とを備え、
    前記第２の基板が前記少なくとも１つのセンサ素子上にキャップを形成するように前記第１および第２の基板が互いに関連して構成され、前記少なくとも１つの光学素子が前記キャップ上の入射光を前記少なくとも一つのセンサ素子に導くように構成され、導入された該入射光が特定の気体の存在を表示することを特徴とする気体分析装置。
20. 複数のセンサ素子およびそれに関連した複数の光学素子を含み、
    センサ素子と光学素子の組のそれぞれが、前記複数のセンサ素子の出力を気体の波長識別スペクトルを与えるために利用できるように、特定の波長を分析するように構成されていることを特徴とする請求項１９記載の気体分析装置。
21. センサを形成する方法であって、
    第１の基板に少なくとも１つのセンサ素子を形成するステップと、
    第２の基板に光学素子を形成するステップと、
    前記第２の基板が前記センサ素子上にキャップを与え、前記光学素子が該キャップ上の入射光を前記センサ素子に導くような構成をもつように該第１および該第２の基板を接合するステップと
    を含むことを特徴とする方法。

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