JP2009222638A - 非冷却赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】大気圧による基板の変形を防止することができ、基板の変形による感度不良を防止できる非冷却赤外線センサを提供する。
【解決手段】基板と、一端が基板に接続された支持脚によって基板上面から離れて保持された赤外線検知部と、基板上面との間に空間が形成されるように設けられた窓基板とを有し、赤外線検知部が空間内に真空封止された赤外線イメージセンサにおいて、基板の変形を防止するために、基板下面に対向する第２基板を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、非冷却赤外線センサ、特に、赤外線検知部が真空封止された非冷却赤外線センサに関する。

非冷却赤外線センサは、熱型センサとも言われるように、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構造となっている。さらに、断熱性を高めるため素子全体は真空下に置かれる。そのため素子は真空パッケージ内にアセンブリされ使用されている。従来、素子はウエハから１つずつ分離した後断熱構造体を形成し、真空パッケージ内にアセンブリしていたが、近年素子を作製したウエハ上に直接真空パッケージを形成することで、真空パッケージの低価格化、量産性向上が図られている。

図３は、特許文献１に記載された非冷却赤外線センサの断面図である。赤外線検知部２０が形成された基板９と窓側基板９ｂとを真空中で貼り合わせることで真空パッケージを構成している。基板間の接合にはハンダ１６が用いられている。赤外線検知部２０が形成された基板９上にメタライズ層を形成し、同様に赤外線透過窓が形成された基板９ｂにもメタライズ層を形成して、一方の基板上のメタライズ層の上にはんだを形成した後、真空中ではんだ融点以上に加熱後基板同士を接合させることで真空パッケージを作製する。

非冷却赤外線センサの赤外線検知部の一例として、特許文献２に記載された非冷却赤外線センサの画素構造を図４に示す。図４の例では、赤外線の検知にサーミスタボロメータの温度変化を利用しており、また、赤外線の吸収率を高めるため検知部上には赤外線吸収構造体が形成されて、検知部と赤外線吸収構造体とによって赤外線検知部２２が構成されている。赤外線検知部２２を中空で支持する断熱支持脚２３はＳｉＯ２，ＳｉＮ等からなる絶縁膜とメタル薄膜からなる配線層からなる。ここで、赤外検出感度を高めるために検知部と基板との間の高断熱性が要求されるので、支持脚の断面積は小さくする必要があるが、それに伴って支持脚の機械的強度も低下する。したがって、支持脚により中空で支えられた赤外線検知部を有する非冷却赤外線センサでは、赤外線検知部２２と基板２１との接触を防止するために、外部からの力による支持脚等の変形を小さくする必要がある。
特表平９−５０６７１２号公報 特開２００３−１９８８９７号公報

しかしながら、図３に示す真空パッケージされた非冷却赤外線センサにおいて、例えば、図４に示されるような、支持脚によって中空に検知部を保持した構造を採用すると、真空封止された領域と大気との気圧差で基板の反りが生じて、赤外線検知部が変形して検知部と基板とが接触したり、固着したりして断熱特性を低下させ、感度不良画素が発生することがあるという問題があった。

そこで、本発明は、感度不良を防止できる非冷却赤外線センサを提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る非冷却赤外線センサは、基板と、一端が基板に接続された支持脚によって基板上面から離れて保持された赤外線検知部と、上記基板上面との間に空間が形成されるように設けられた窓基板とを有し、上記赤外線検知部が上記空間内に真空封止された赤外線イメージセンサにおいて、上記基板下面に対向する第２基板を設けたことを特徴とする。

本発明に係る非冷却赤外線センサによれば、真空封止後の大気圧による素子変形を防止することができ、基板変形による感度不良の発生を防止できる。

本発明に係る非冷却赤外線センサは、上述したように、基板上に設けられた赤外線検知部を封止する真空封止空間を有する非冷却赤外線センサにおいて、表面に赤外線検知部が形成された基板の裏側に別の基板を設けて、これにより基板の変形を抑制して、断熱特性を低下させることなく感度不良画素の発生を防止したものである。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の非冷却赤外線センサについて説明する。
なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる非冷却赤外線センサ１００の断面図である。
本実施の形態１の非冷却赤外線センサ１００は、基板上に設けられた赤外線検知部を封止する真空封止空間４とは別に、真空封止空間４に対向する基板の下面側にダミー真空封止空間８を設けたことを特徴としており、これにより基板の変形を抑制して、断熱特性を低下させることなく感度不良画素の発生を防止している。
尚、図１において、真空封止空間４内には、従来と同様、一端が基板１に接続された支持脚によって基板上面から離れて保持された赤外線検知部２０が設けられている。

以下、実施の形態１の非冷却赤外線センサ１００について、詳細に説明する。
実施の形態１の非冷却赤外線センサにおいて、赤外線検知部２０は、支持脚によって基板上面から離れて保持され、入射赤外線を熱に変換してその温度変化による物性値の変化を電気信号として出力する。本実施の形態１では、複数の赤外線検知部２０をマトリクス状等、所定の配置で配列して、その配置位置に入射される赤外線に対応する電気信号をそれぞれ出力するように構成されている。このような構成により、赤外線イメージセンサとして使用できる。

また、基板１は、上記構成の赤外線検知部２０が半導体プロセスを経て形成された、例えば、シリコンからなる基板である。赤外線検知部２０と回路（図示されず）とは、図３に示す従来例と同様、アルミ等からなる配線を介して真空封止空間４の外に形成された外部パッドに接続されている。ここで、アルミ配線ははんだ接合部の下層に形成されている。

窓基板（窓側チップ）３は、赤外線の透過率の高いシリコンもしくはゲルマニウムなどからなり、一方の主面に赤外線反射防止膜５ａが形成され、他方の主面に赤外線反射防止膜５ｂが形成されている。この赤外線反射防止膜５ａ、５ｂは、例えば、ダイアモンドライクカーボン膜（DLC Diamond Like Carbon）からなる。

窓基板３と素子側の基板１との接合は、はんだ２によりなされる。すなわち、１つの赤外線センサを構成するための複数の赤外線検知部２０を内部に含むように、基板１上にメタライズ層が形成される。また、そのメタライズ層に対向するように窓基板３にメタライズ層が形成される。そして、基板１のメタライズ層と窓基板３にメタライズ層とをはんだ２により接合させることにより、素子側の基板１と窓基板３とが所定の間隔（はんだの厚さに相当する間隔）を隔てて接合される。この接合を真空中で行うことにより、真空封止空間４が形成される。ここで、基板１及び窓基板３上に形成されるメタライズ層は、例えば、下層からＣｒ、Ｎｉ、Ａｕからなり、スパッタ法あるいはめっき法により形成される。また、はんだ２は、メタライズパターン上にめっき法あるいはプリフォームの形状で形成される。

本実施の形態１の非冷却赤外線センサ１００では、さらに、基板１の裏面に窓基板３と同様にして、ダミー基板６が設けられ、基板１の裏側にもダミー真空封止空間８が形成される。具体的には、基板１の裏面の、表面のメタライズ層と相対する位置に、表面に形成されたメタライズ層と同一形状のメタライズ層を形成し、ダミー基板６に形成されたメタライズ層に対向させてはんだ７により接合する。これにより、真空封止された真空封止空間８が形成される。

以上のように構成された実施の形態１の非冷却赤外線センサ１００では、赤外線検知部２０が形成された基板１の両側に真空封止された空間が形成される。これにより、基板１に対して一方向から偏った大気圧が印加されることがなくなり、大気中における基板１の変形が抑制される。したがって、真空封止空間４内に配置された赤外線検知部２０が基板１に接触することもなく、断熱不良画素の発生を防止できる。

次に、本実施の形態１の非冷却赤外線センサ１００の製造方法について、簡単に説明する。
本実施の形態１の製造方法では、まず、ウエハプロセスを用いて、シリコンウエハ上に、回路部、赤外線検知部２０を形成し、所定の配線及び接合用のメタライズ層を形成する。
具体的には、例えば、スパッタ法により基板全面に下層よりＣｒ、Ｃｕを成膜した後、写真製版によりレジストパターンを形成する。次に、電解メッキ法にて下層よりＮｉ，Ａｕを形成した後、レジスト除去、下地膜除去を行い、メタライズ層等を形成する。

さらに、シリコンウエハの裏面側へもスパッタ法にてメッキ下地膜を成膜した後、両面アライナを用いて裏面側に表面側と相対する位置に写真製版にてレジストパターンを形成し、素子側と同様にメッキ法にてメタライズ層を形成する。

また、非冷却赤外線センサ１００に対応させて所定の大きさに切り出されたチップ状の窓基板３を準備する。チップ状の窓基板３にはそれぞれ基板１の上面に形成されたメタライズ層に対向するメタライズ層と赤外線反射防止膜５ｂが一方の主面に、赤外線反射防止膜５ｂが他方の主面に形成されている。
さらに、ダミー基板６となる裏面ウエハに基板１の裏面に形成されたメタライズ層に対応するメタライズ層を形成する。

そして、真空槽内にてたとえば、下層より窓基板３、素子が形成されたシリコンウエハ、ダミー基板６となる裏面ウエハを、メタライズ層間にはんだを塗布して重ねてセットして、真空排気後はんだ融点以上に加熱し、接合する。以上のようにして、複数の非冷却赤外線センサ１００が一括して形成されたウエハが完成する。
最後に、そのウエハを分割して、複数の非冷却赤外線センサ１００に分離する。

尚、本実施の形態１の製造方法では、非冷却赤外線センサ１００に対応させて所定の大きさに切り出されたチップ状の窓基板３を、シリコンウエハ上の非冷却赤外線センサ部にそれぞれ対応させて配置するようにした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、窓基板３が集合状態で形成されたウエハを用いて製造するようにしてもよい。
以上のような製造方法により、図１に示す実施の形態１の非冷却赤外線センサ１００を製造することができる。

以上の製造方法によれば、各非冷却赤外線センサに対応するダミー真空封止空間８をウエハ状態で一括して形成することができるので、製造コストを抑えることができる。したがって、低価格の非冷却赤外線センサ１００を量産性良く製造することができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２にかかる非冷却赤外線センサ２００の構成を示す断面図である。
本実施の形態２の非冷却赤外線センサ２００は、ダミー基板６を用いて構成されたダミー真空封止空間８に代えて、補強基板９を基板１の裏面に接合した以外は実施の形態１の非冷却赤外線センサと同様に構成される。

以上のように構成された実施の形態２の非冷却赤外線センサ２００は、補強基板９を基板１の裏面に接合することにより、基板１の板厚を大きくした場合と同様の効果が得られ、真空封止空間４と大気との圧力差による力が基板１に印加されても基板の反りを小さくできる。例えば、基板１と同じ材質でかつ同じ板厚の補強基板９を用いた場合、反り量は板厚の３乗に反比例するため、１／８に低減することができる。
したがって、断熱構造体である赤外線検知部２０に及ぶ力を小さくでき、感度不良の原因となる赤外線吸収検知部２０と基板１（基板１の表面）との接触を防止することができる。

補強基板９としては、基板１と同様の基板を用いることもできるし、異なる基板を用いることもできる。例えば、基板１としてシリコン基板を用いる場合には、補強基板９として、シリコン基板を用いることができる。この場合、基板１の裏面にメタライズ層を形成し、補強基板９の一方の面にメタライズ層を形成して、メタライズ層間をはんだ７により接合することにより、基板１と補強基板９とを接合することができる。

また、補強基板９として、ガラス基板を用いてもよい。ガラス基板を用いる場合、はんだ接合も可能であるが、それに加えて、加熱した状態でシリコン側を陽極にして高い電圧をかけて接合する陽極接合による貼り合わせることも可能である。

以上の実施の形態２の非冷却赤外線センサ２００は、実施の形態１と同様の工程により製造することができるが、以下のような順序で製造することが好ましい。
まず、ウエハプロセスで複数の非冷却赤外線センサ部をウエハ上に作製した後、非冷却赤外線センサ部を基板から離して構造体を断熱する前に、ウエハの裏面に補強基板９となるウエハまたはガラスウエハを接合する。

補強基板９となるウエハまたはガラスウエハを貼り合わせた後、非冷却赤外線センサ部を素子側ウエハから離すエッチング処理を行って断熱構造体を形成する赤外線センサの検知部に係る工程を完了する。
その後、真空封止装置内で窓基板３又は窓ウエハとの接合を行う。
そして、ウエハを分割して個々の非冷却赤外線センサ２００に分離する。

ここで、ウエハプロセスの最終工程で補強基板９を貼り合わせることが好ましいのは、ウエハプロセスでは一般に使用されるウエハの厚さに規格があるためである。

本発明の実施の形態１における非冷却赤外線センサの構成を示す模式的な断面図である。 本発明の実施の形態２における非冷却赤外線センサの構成を示す模式的な断面図である。 従来例の非冷却赤外線センサの真空パッケージの全体を示す断面図である。 従来例の赤外線イメージセンサの１画素を示す断面図である。

符号の説明

１ 基板、２ はんだ、３ 窓側基板、４，真空封止空間、５ａ，５ｂ 赤外線反射防止膜、６ ダミー基板、７ はんだ、８ ダミー真空封止空間、９ 補強基板。

Claims (5)

1. 基板と、一端が基板に接続された支持脚によって基板上面から離れて保持された赤外線検知部と、上記基板上面との間に空間が形成されるように設けられた窓基板とを有し、上記赤外線検知部が上記空間内に真空封止された非冷却赤外線センサにおいて、
   上記基板下面に対向する第２基板を設けたことを特徴とする非冷却赤外線センサ。
2. 上記基板下面と上記第２基板の間に真空封止された第２空間を設けた請求項１記載の非冷却赤外線センサ。
3. 上記基板下面に上記第２基板を密着接合した請求項１記載の非冷却赤外線センサ。
4. 上記基板に対向する上記第２基板の面と上記基板下面とにそれぞれ金属層を形成して、その金属層間を半田により接合した請求項２又は３記載の非冷却赤外線センサ。
5. 上記第２基板はガラス基板であり、上記基板下面に上記第２基板を陽極接合した請求項３記載の非冷却赤外線センサ。

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