JP2012008003A - 赤外線センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】ＩＣチップの発熱に起因した赤外線センサチップの面内でのＳ／Ｎ比のばらつきを抑制することが可能な赤外線センサを提供する。
【解決手段】サーモパイル３０ａにより構成される感温部３０を具備する複数の画素部２が半導体基板１の一表面側においてアレイ状に配置された赤外線センサチップ１００と、赤外線センサチップ１００の出力信号を信号処理するＩＣチップ１０２とを備える。パッケージ１０３は、赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２が横並びで実装されたパッケージ本体１０４と、赤外線を透過するレンズ１５３を有しパッケージ本体１０４に気密的に接合されたパッケージ蓋１０５とを有する。パッケージ１０３内に、赤外線センサチップ１００への赤外線を通す窓孔１０８を有しＩＣチップ１０２の発熱に応じた各画素部２の温接点Ｔ１および冷接点Ｔ２の温度変化量を均一化するカバー部材１０６を設けてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサに関するものである。
従来から、サーモパイルからなる感温部を具備する複数の画素部がシリコン基板の一表面側においてアレイ状に配置された赤外線センサチップと、この赤外線センサチップの出力信号を信号処理するＩＣチップと、赤外線センサチップおよびＩＣチップが収納されたパッケージとを備えた赤外線センサ（赤外線センサモジュール）が提案されている（例えば、特許文献１）。
上述のパッケージは、赤外線センサチップおよびＩＣチップが横並びで実装されたパッケージ本体と、このパッケージ本体との間に赤外線センサチップおよびＩＣチップを囲む形でパッケージ本体に覆着されたパッケージ蓋とで構成されている。ここにおいて、パッケージ蓋は、赤外線センサチップでの検知対象の赤外線を収束するレンズを備えている。要するに、パッケージ蓋は、赤外線センサチップでの検知対象の赤外線を透過する機能を有している。
上述の赤外線センサチップは、各画素部において感温部を備えた熱型赤外線検出部がシリコン基板の上記一表面側に形成されてシリコン基板に支持されている。また、赤外線センサチップは、シリコン基板において熱型赤外線検出部の一部の直下に空洞部が形成されている。また、赤外線センサチップは、感温部を構成しているサーモパイルの温接点が、熱型赤外線検出部において空洞部に重なる領域に形成され、冷接点が熱型赤外線検出部において空洞部に重ならない領域に形成されている。なお、赤外線センサチップは、シリコン基板の上記一表面側において、各画素部それぞれに、画素部選択用のスイッチング素子であるＭＯＳトランジスタが形成されている。
特開２０１０−７８４５１号公報
上述の赤外線センサでは、赤外線センサチップとＩＣチップとが１つのパッケージ内に収納されており、赤外線センサチップとＩＣチップとの間の配線を短くできるので、外来ノイズの影響を低減でき、耐ノイズ性を向上できる。
しかしながら、この赤外線センサでは、赤外線センサチップの各画素部それぞれの出力信号（出力電圧）に、ＩＣチップの発熱に起因したオフセット電圧を含んでしまい、しかも、画素部でＳ／Ｎ比がばらついてしまう。要するに、赤外線センサチップの面内でＳ／Ｎ比がばらついてしまう。ここにおいて、ＩＣチップからパッケージ本体を通る経路で赤外線センサチップのシリコン基板へ伝わる熱は、主に冷接点の温度を上昇させるのでマイナスのオフセット電圧を発生させる要因となる。一方、ＩＣチップからのパッケージ内の媒体（例えば、窒素ガスなど）を介した熱伝導や熱輻射により赤外線センサチップへ伝わる熱は、主に温接点の温度を上昇させるので、プラスのオフセット電圧を発生させる要因となる。
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、ＩＣチップの発熱に起因した赤外線センサチップの面内でのＳ／Ｎ比のばらつきを抑制することが可能な赤外線センサを提供することにある。
本発明の赤外線センサは、サーモパイルにより構成される感温部を具備する複数の画素部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置された赤外線センサチップと、前記赤外線センサチップの出力信号を信号処理するＩＣチップと、前記赤外線センサチップおよび前記ＩＣチップが収納されたパッケージとを備え、前記パッケージが、前記赤外線センサチップおよび前記ＩＣチップが横並びで実装されたパッケージ本体と、前記赤外線センサチップでの検知対象の赤外線を透過する機能を有し前記パッケージ本体との間に前記赤外線センサチップおよび前記ＩＣチップを囲む形で前記パッケージ本体に気密的に接合されたパッケージ蓋とを有し、前記パッケージ内に、前記赤外線センサチップへの赤外線を通す窓孔を有し前記ＩＣチップの発熱に応じた前記各画素部の温接点および冷接点の温度変化量を均一化するカバー部材を設けてなることを特徴とする。
この赤外線センサにおいて、前記カバー部材は、前記赤外線センサチップの前方に位置し前記窓孔が形成された前板部と、前記前板部の外周縁から後方へ延設され前記ＩＣチップと前記赤外線センサチップとの間で前記パッケージ本体に接合された側板部とで構成されてなることが好ましい。
また、この赤外線センサにおいて、前記パッケージ本体は、前記赤外線センサチップを実装する第１の領域の表面よりも前記ＩＣチップを実装する第２の領域の表面を後退させてあり、前記カバー部材は、前記赤外線センサチップの前方に位置し前記窓孔が形成された前板部と、前記前板部の外周縁から後方へ延設され前記赤外線センサチップと前記ＩＣチップとの並設方向に沿った前記赤外線センサチップの両側面それぞれの側方に位置し前記パッケージ本体に接合された２つの側板部とを備え、前記前板部は、前記前板部の外周線の投影領域内に前記赤外線センサチップおよび前記ＩＣチップが収まる大きさに形成されてなることが好ましい。
この赤外線センサにおいて、前記カバー部材は、前記前板部の前記窓孔が矩形状であり、平面視で前記窓孔の前記ＩＣチップ側の内周線が前記赤外線センサチップの前記ＩＣチップ側の外周線よりも前記ＩＣチップ側にあることが好ましい。
本発明は、ＩＣチップの発熱に起因した赤外線センサチップの面内でのＳ／Ｎ比のばらつきを抑制することが可能となる。
実施形態１の赤外線センサに関し、（ａ）は一部破断した概略斜視図、（ｂ）はパッケージ蓋を取り外した状態の概略斜視図、（ｃ）はパッケージ蓋を取り外した状態の概略側面図、（ｄ）は概略断面図、（ｅ）は赤外線センサチップの要部概略断面図である。 同上における赤外線センサチップの平面レイアウト図である。 同上における赤外線センサチップの画素部の平面レイアウト図である。 同上における赤外線センサチップの画素部の平面レイアウト図である。 同上における赤外線センサチップの画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面に対応する概略断面図である。 同上における赤外線センサチップの画素部の要部の平面レイアウト図である。 同上における赤外線センサチップの画素部の要部の平面レイアウト図である。 同上における赤外線センサチップの画素部の要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面に対応する概略断面図である。 同上における赤外線センサチップの冷接点を含む要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は概略断面図である。 同上における赤外線センサチップの温接点を含む要部を示し、（ａ）は平面レイアウト図、（ｂ）は概略断面図である。 同上における赤外線センサチップの画素部の要部の概略断面図である。 同上における赤外線センサチップの画素部の要部の概略断面図である。 同上における赤外線センサチップの要部説明図である。 同上における赤外線センサチップの等価回路図である。 同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上における赤外線センサの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 実施形態２の赤外線センサに関し、（ａ）は一部破断した概略斜視図、（ｂ）はパッケージ蓋を取り外した状態の概略斜視図、（ｃ）はパッケージ蓋を取り外した状態の概略側面図、（ｄ）は概略断面図、（ｅ）は赤外線センサチップの要部概略断面図である。 実施形態３の赤外線センサに関し、（ａ）は一部破断した概略斜視図、（ｂ）はパッケージ蓋を取り外した状態の概略斜視図、（ｃ）はパッケージ蓋を取り外した状態の概略側面図、（ｄ）は概略断面図、（ｅ）は赤外線センサチップの要部概略断面図である。 実施形態４の赤外線センサに関し、（ａ）は一部破断した概略斜視図、（ｂ）はパッケージ蓋を取り外した状態の概略斜視図、（ｃ）はパッケージ蓋を取り外した状態の概略側面図、（ｄ）は概略断面図、（ｅ）は赤外線センサチップの要部概略断面図である。
（実施形態１）
以下、本実施形態の赤外線センサについて図１〜図１４を参照しながら説明する。
本実施形態の赤外線センサは、赤外線センサチップ１００と、この赤外線センサチップ１００の出力信号を信号処理するＩＣチップ１０２と、赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２が収納されたパッケージ１０３とを備えている。また、赤外線センサは、絶対温度を測定するサーミスタ１０１も、パッケージ１０３に収納されている。
赤外線センサチップ１００は、図１（ｅ）に示すように、サーモパイル３０ａを有する熱型赤外線検出部３がシリコン基板からなる半導体基板１の一表面側に形成されている。
パッケージ１０３は、赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２およびサーミスタ１０１が実装されたパッケージ本体１０４と、パッケージ本体１０４との間に赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２およびサーミスタ１０１を囲む形でパッケージ本体１０４に気密的に接合されたパッケージ蓋１０５とを有している。
パッケージ本体１０４は、ＩＣチップ１０２と赤外線センサチップ１００とが横並びで実装されている。また、パッケージ本体１０４は、赤外線センサチップ１００とサーミスタ１０１とが、ＩＣチップ１０１と赤外線センサチップ１００との並設方向とは直交する方向において横並びで実装されている。一方、パッケージ蓋１０５は、赤外線センサチップ１００での検知対象の赤外線を透過する機能および導電性を有している。
パッケージ蓋１０５は、パッケージ本体１０４の上記一表面側に覆着されたメタルキャップ１５２と、メタルキャップ１５２において赤外線センサチップ１００に対応する部位に形成された開口窓１５２ａを閉塞するレンズ１５３とで構成されている。ここにおいて、レンズ１５３が、赤外線を透過する機能を有するとともに、赤外線センサチップ１００へ赤外線を収束する機能を有している。
また、赤外線センサは、パッケージ１０３内に、ＩＣチップ１０２の発熱に応じた各画素部２の温接点Ｔ１および冷接点Ｔ２の温度変化量を均一化するカバー部材を設けてある。ここにおいて、カバー部材１０６は、赤外線センサチップ１００への赤外線を通す窓孔１０８を有している。
以下、各構成要素についてさらに説明する。
赤外線センサチップ１００は、熱型赤外線検出部３と画素選択用のスイッチング素子であるＭＯＳトランジスタ４とを有する複数の画素部２が半導体基板１の上記一表面側においてアレイ状（ここでは、２次元アレイ状）に配列されている（図２参照）。本実施形態では、１つの半導体基板１の上記一表面側にｍ×ｎ個（図２に示した例では、８×８個）の画素部２が形成されているが、画素部２の数や配列は特に限定するものではない。また、本実施形態では、熱型赤外線検出部３の感温部３０が、複数個（ここでは、６個）のサーモパイル３０ａ（図３参照）を直列接続することにより構成されている。図１４では、熱型赤外線検出部３における感温部３０の等価回路を、当該感温部３０の熱起電力に対応する電圧源で表してある。
また、赤外線センサチップ１００は、図３、図５および図１４に示すように、各列の複数の熱型赤外線検出部３の感温部３０の一端が上述のＭＯＳトランジスタ４を介して各列ごとに共通接続された複数の垂直読み出し線７と、各行の熱型赤外線検出部３の感温部３０に対応するＭＯＳトランジスタ４のゲート電極４６が各行ごとに共通接続された複数の水平信号線６とを備えている。また、赤外線センサチップ１００は、各列のＭＯＳトランジスタ４のｐ＋形ウェル領域４１が各列ごとに共通接続された複数のグラウンド線８と、各グラウンド線８が共通接続された共通グラウンド線９とを備えている。さらに、赤外線センサチップ１００は、各列の複数個の熱型赤外線検出部３の感温部３０の他端が各列ごとに共通接続された複数の基準バイアス線５を備えている。しかして、赤外線センサチップ１００は、全ての熱型赤外線検出部３の感温部３０の出力を時系列的に読み出すことができるようになっている。要するに、赤外線センサチップ１００は、半導体基板１の上記一表面側に熱型赤外線検出部３と当該熱型赤外線検出部３に並設され当該熱型赤外線検出部３の出力を読み出すためのＭＯＳトランジスタ４とを有する複数の画素部２が形成されている。
ここで、ＭＯＳトランジスタ４は、ゲート電極４６が水平信号線６に接続され、ソース電極４８が感温部３０を介して基準バイアス線５に接続され、ドレイン電極４７が垂直読み出し線７に接続されている。ここで、各水平信号線６それぞれは、各別の画素選択用のパッドＶselに電気的に接続され、各基準バイアス線５は、共通基準バイアス線５ａに共通接続され、各垂直読み出し線７それぞれは、各別の出力用のパッドＶoutに電気的に接続されている。また、共通グラウンド線９は、グラウンド用のパッドＧndに電気的に接続され、共通基準バイアス線５ａは、基準バイアス用のパッドＶrefと電気的に接続され、半導体基板１は、基板用のパッドＶddに電気的に接続されている。
しかして、ＭＯＳトランジスタ４が、順次、オン状態になるように各画素選択用のパッドＶselの電位を制御することで各画素部２の出力電圧を順次読み出すことができる。例えば、基準バイアス用のパッドＶrefの電位を１．６５Ｖ、グラウンド用のパッドＧndの電位を０Ｖ、基板用のパッドＶddの電位を５Ｖとしておき、画素選択用のパッドＶselの電位を５Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオンとなり、出力用のパッドＶoutから画素部２の出力電圧（１．６５Ｖ＋感温部３０の出力電圧）が読み出される。また、画素選択用のパッドＶselの電位を０Ｖとすれば、ＭＯＳトランジスタ４がオフとなり、出力用のパッドＶoutから画素部２の出力電圧は読み出されない。なお、図２では、図１４における画素選択用のパッドＶsel、基準バイアス用のパッドＶref、グラウンド用のパッドＧnd、出力用のパッドＶoutなどを区別せずに、全てパッド８０として図示してある。
以下、熱型赤外線検出部３およびＭＯＳトランジスタ４それぞれの構造について説明する。なお、本実施形態では、上述の半導体基板１として、導電形がｎ形で上記一表面が（１００）面の単結晶シリコン基板を用いている。
各画素部２の熱型赤外線検出部３は、半導体基板１の上記一表面側において熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１（図５参照）に形成されている。また、各画素部２のＭＯＳトランジスタ４は、半導体基板１の上記一表面側においてＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２（図５参照）に形成されている。
赤外線センサチップ１００は、半導体基板１の上記一表面側において熱型赤外線検出部３の一部の直下に空洞部１１が形成されている。熱型赤外線検出部３は、半導体基板１の上記一表面側で空洞部１１の周部に形成された支持部３ｄと、半導体基板１の上記一表面側で平面視において空洞部１１を覆う第１の薄膜構造部３ａとを備えている。第１の薄膜構造部３ａは、赤外線を吸収する赤外線吸収部３３を備えている。ここで、第１の薄膜構造部３ａは、空洞部１１の周方向に沿って並設され支持部３ｄに支持された複数の第２の薄膜構造部３ａａと、隣接する第２の薄膜構造部３ａａ同士を連結する連結片３ｃとを有している。なお、図３の例の熱型赤外線検出部３では、複数の線状のスリット１３を設けることにより、第１の薄膜構造部３ａが６つの第２の薄膜構造部３ａａに分離されている。以下では、赤外線吸収部３３（第１の赤外線吸収部３３と称する）のうち第２の薄膜構造部３ａａそれぞれに対応して分割された各部位を第２の赤外線吸収部３３ａと称する。
熱型赤外線検出部３は、第２の薄膜構造部３ａａごとにサーモパイル３０ａが設けられている。ここで、サーモパイル３０ａは、温接点Ｔ１が、第２の薄膜構造部３ａａに設けられ、冷接点Ｔ２が、支持部３ｄに設けられている。要するに、温接点Ｔ１は、熱型赤外線検出部３において空洞部１１に重なる第１の領域に形成され、冷接点Ｔ２は、熱型赤外線検出部３において空洞部１１に重ならない第２の領域に形成されている。
また、熱型赤外線検出部３の感温部３０は、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で、全てのサーモパイル３０ａが電気的に接続されている。図３の例では、感温部３０は、６個のサーモパイル３０ａを直列接続してある。ただし、上述の接続関係は、複数個のサーモパイル３０ａの全てを直列接続する接続関係に限らない。例えば、それぞれ３個のサーモパイル３０ａの直列回路を並列接続すれば、６個のサーモパイル３０ａが並列接続されている場合や、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて、感度を高めることができる。また、６個のサーモパイル３０ａの全てが直列接続されている場合に比べて、感温部３０の電気抵抗を低くできて熱雑音が低減されるから、Ｓ／Ｎ比が向上する。
ここで、熱型赤外線検出部３では、第２の薄膜構造部３ａａごとに、支持部３ｄと第２の赤外線吸収部３３ａとを連結する２つの平面視短冊状のブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂが空洞部１１の周方向に離間して形成されている。これにより、２つのブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂと第２の赤外線吸収部３３ａとを空間的に分離し空洞部１１に連通する平面視コ字状のスリット１４が形成されている。熱型赤外線検出部３のうち、平面視において第１の薄膜構造部３ａを囲む部位である支持部３ｄは、矩形枠状の形状となっている。なお、ブリッジ部３ｂｂは、上述の各スリット１３，１４により、第２の赤外線吸収部３３ａおよび支持部３ｄそれぞれとの連結部位以外の部分が、第２の赤外線吸収部３３ａおよび支持部３ｄと空間的に分離されている。ここで、第２の薄膜構造部３ａａは、支持部３ｄからの延長方向の寸法を９３μｍ、この延長方向に直交する幅方向の寸法を７５μｍとし、各ブリッジ部３ｂｂの幅寸法を２３μｍ、各スリット１３，１４の幅を５μｍに設定してあるが、これらの値は一例であって特に限定するものではない。
第１の薄膜構造部３ａは、半導体基板１の上記一表面側に形成されたシリコン酸化膜１ｂと、当該シリコン酸化膜１ｂ上に形成されたシリコン窒化膜３２と、当該シリコン窒化膜３２上に形成された感温部３０と、シリコン窒化膜３２の表面側で感温部３０を覆うように形成された層間絶縁膜５０と、層間絶縁膜５０上に形成されたパッシベーション膜６０との積層構造部をパターニングすることにより形成されている。層間絶縁膜５０は、ＢＰＳＧ膜により構成し、パッシベーション膜６０は、ＰＳＧ膜と当該ＰＳＧ膜上に形成されたＮＳＧ膜との積層膜により構成してあるが、これに限らず、例えば、シリコン窒化膜により構成してもよい。
上述の熱型赤外線検出部３では、シリコン窒化膜３２のうち第１の薄膜構造部３ａのブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂ以外の部位が第１の赤外線吸収部３３を構成している。また、支持部３ｄは、シリコン酸化膜１ｂとシリコン窒化膜３２と層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０とで構成されている。
また、赤外線センサチップ１００は、層間絶縁膜５０とパッシベーション膜６０との積層膜が、半導体基板１の上記一表面側において、熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１とＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２とに跨って形成されており、この積層膜のうち、熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に形成された部分が赤外線吸収膜７０（図５（ｂ）参照）を兼ねている。ここで、赤外線吸収膜７０の屈折率をｎ２、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、赤外線吸収膜７０の厚さｔ２をλ／４ｎ２に設定するようにしているので、検出対象の波長（例えば、８〜１２μｍ）の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、ｎ２＝１．４、λ＝１０μｍの場合には、ｔ２≒１．８μｍとすればよい。なお、本実施形態では、層間絶縁膜５０の膜厚を０．８μｍ、パッシベーション膜６０の膜厚を１μｍ（ＰＳＧ膜の膜厚を０．５μｍ、ＮＳＧ膜の膜厚を０．５μｍ）としてある。
また、各画素部２では、空洞部１１の内周形状が矩形状であり、連結片３ｃは、平面視Ｘ字状に形成されており、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向に交差する斜め方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士、第２の薄膜構造部３ａａの延長方向に直交する方向において隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結している。
サーモパイル３０ａは、シリコン窒化膜３２上で第２の薄膜構造部３ａａと支持部３ｄとに跨って形成されたｎ形ポリシリコン層３４とｐ形ポリシリコン層３５との一端部同士を第２の赤外線吸収部３３ａの赤外線入射面側で金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる接続部３６により電気的に接続した複数個（図３に示した例では、９個）の熱電対を有している。また、サーモパイル３０ａは、半導体基板１の上記一表面側で互いに隣り合う熱電対のｎ形ポリシリコン層３４の他端部とｐ形ポリシリコン層３５の他端部とが金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる接続部３７により接合され電気的に接続されている。ここで、サーモパイル３０ａは、ｎ形ポリシリコン層３４の上記一端部とｐ形ポリシリコン層３５の上記一端部と接続部３６とで温接点Ｔ１を構成している。また、ｎ形ポリシリコン層３４の上記他端部とｐ形ポリシリコン層３５の上記他端部と接続部３７とで冷接点Ｔ２を構成している。要するに、サーモパイル３０ａの各温接点Ｔ１は、熱型赤外線検出部３において空洞部１１に重なる領域に形成され、各冷接点Ｔ２は、熱型赤外線検出部３において空洞部１１に重ならない領域に形成されている。なお、本実施形態における赤外線センサチップ１００では、サーモパイル３０ａの各ｎ形ポリシリコン層３４および各ｐ形ポリシリコン層３５それぞれにおいて、上述のブリッジ部３ｂｂ，３ｂｂに形成されている部位および半導体基板１の上記一表面側のシリコン窒化膜３２上に形成されている部位でも赤外線を吸収することができる。
また、赤外線センサチップ１００は、空洞部１１の形状が、四角錘状であり、平面視における中央部の方が周部に比べて深さ寸法が大きくなっているので、第１の薄膜構造部３ａの中央部に温接点Ｔ１が集まるように各画素部２におけるサーモパイル３０ａの平面レイアウトを設計してある。すなわち、図３の上下方向における真ん中の２つの第２の薄膜構造部３ａａでは、図３および図６に示すように、３つの第２の薄膜構造部３ａａの並設方向に沿って温接点Ｔ１を並べて配置してあるのに対し、当該上下方向における上側の２つの第２の薄膜構造部３ａａでは、図３および図７に示すように、３つの第２の薄膜構造部３ａａの並設方向において真ん中の第２の薄膜構造部３ａａに近い側に温接点Ｔ１を集中して配置してあり、当該上下方向における下側の２つの第２の薄膜構造部３ａａでは、図３に示すように、３つの第２の薄膜構造部３ａａの並設方向において真ん中の第２の薄膜構造部３ａａに近い側に温接点Ｔ１を集中して配置してある。しかして、本実施形態における赤外線センサチップ１００では、図３の上下方向における上側、下側の第２の薄膜構造部３ａａの複数の温接点Ｔ１の配置が、真ん中の第２の薄膜構造部３ａａの複数の温接点Ｔ１の配置と同じである場合に比べて、温接点Ｔ１の温度変化を大きくできるので、感度を向上できる。なお、本実施形態では、空洞部１１の最深部の深さを所定深さｄｐ（図５（ｂ）参照）とするとき、所定深さｄｐを２００μｍに設定してあるが、この値は一例であり、特に限定するものではない。
また、第２の薄膜構造部３ａａは、シリコン窒化膜３２の赤外線入射面側においてサーモパイル３０ａを形成していない領域に、第２の薄膜構造部３ａａの反りを抑制するとともに赤外線を吸収するｎ形ポリシリコン層からなる赤外線吸収層３９が形成されている。また、隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結する連結片３ｃには、当該連結片３ｃを補強するｎ形ポリシリコン層からなる補強層３９ｂ（図８参照）が設けられている。ここで、補強層３９ｂは、赤外線吸収層３９と連続一体に形成されている。しかして、赤外線センサチップ１００では、連結片３ｃが補強層３９ｂにより補強されているので、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止でき、また、製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。なお、本実施形態では、図８に示す連結片３ｃの長さ寸法Ｌ１を２４μｍ、幅寸法Ｌ２を５μｍ、補強層３９ｂの幅寸法Ｌ３を１μｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。ただし、本実施形態のように半導体基板１としてシリコン基板を用いており、補強層３９ｂがｎ形ポリシリコン層により形成される場合には、空洞部１１の形成時に補強層３９ｂがエッチングされるのを防止するために、補強層３９ｂの幅寸法は、連結片３ｃの幅寸法よりも小さく設定し、平面視において補強層３９ｂの両側縁が連結片３ｃの両側縁よりも内側に位置する必要がある。
また、赤外線センサチップ１００は、図８および図１３（ｂ）に示すように、連結片３ｃの両側縁と第２の薄膜構造部３ａａの側縁との間にそれぞれ面取り部３ｄ，３ｄが形成され、Ｘ字状の連結片３ｃの略直交する側縁間にも面取り部３ｅが形成されている。しかして、赤外線センサチップ１００では、図１３（ａ）に示すように面取り部が形成されていない場合に比べて、連結片３ｃと第２の薄膜構造部３ａａとの連結部位での応力集中を緩和でき、製造時に発生する残留応力を低減できるとともに製造時の破損を低減でき、製造歩留まりの向上を図れる。また、使用中の外部の温度変化や衝撃に起因して発生する応力による破損を防止できる。なお、図８に示した例では、各面取り部３ｄ，３ｅをＲ（アール）が３μｍのＲ面取り部としてあるが、Ｒ面取り部に限らず、例えば、Ｃ面取り部としてもよい。
また、赤外線センサチップ１００は、各熱型赤外線検出部３に、支持部３ｄと一方のブリッジ部３ｂｂと第２の赤外線吸収部３３ａと他方のブリッジ部３ｂｂと支持部３ｄとに跨るように引き回されたｎ形ポリシリコン層からなる故障診断用の配線（以下、故障診断用配線と称する）１３９を設けて、全ての故障診断用配線１３９を直列接続してある。しかして、ｍ×ｎ個の故障診断用配線１３９の直列回路へ通電することで、ブリッジ部３ｂｂの折れなどの破損の有無を検出することができる。
要するに、赤外線センサチップ１００は、製造途中での検査時や使用時において、ｍ×ｎ個の故障診断用配線１３９の直列回路への通電の有無によって、ブリッジ部３ｂｂの折れや故障診断用配線１３９の断線などを検出することができる。また、赤外線センサチップ１００では、上述の検査時や使用時において、ｍ×ｎ個の故障診断用配線１３９の直列回路へ通電して各感温部３０の出力を検出することにより、感温部３０の断線の有無や感度のばらつき（感温部３０の出力のばらつき）などを検知することが可能となる。ここにおいて、感度のばらつきに関しては、画素部２ごとの感度のばらつきを検知することが可能であり、例えば、第１の薄膜構造部３ａの反りや第１の薄膜構造部３ａの半導体基板１へのスティッキングなどに起因した感度のばらつきを検知することが可能となる。ここで、本実施形態における赤外線センサチップ１００では、平面視において、故障診断用配線１３９を複数の温接点Ｔ１の群の付近において折り返され蛇行した形状としてある。したがって、故障診断用配線１３９へ通電することにより発生するジュール熱によって、各温接点Ｔ１を効率良く温めることができる。上述の故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５と同一平面上に同一厚さで形成されている。
上述の赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４と同じｎ形不純物（例えば、リンなど）を同じ不純物濃度（例えば、１０１８〜１０２０ｃｍ−３）で含んでおり、ｎ形ポリシリコン層３４と同時に形成されている。また、ｐ形ポリシリコン層３５のｐ形不純物として例えばボロンを採用すればよく、不純物濃度を例えば１０１８〜１０２０ｃｍ−３程度の範囲で適宜設定すればよい。本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４およびｐ形ポリシリコン層３５それぞれの不純物濃度が１０１８〜１０２０ｃｍ−３であり、熱電対の抵抗値を低減でき、Ｓ／Ｎ比の向上を図れる。なお、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９は、ｎ形ポリシリコン層３４と同じｎ形不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてあるが、これに限らず、例えば、ｐ形ポリシリコン層３５と同じ不純物を同じ不純物濃度でドーピングしてもよい。
ところで、本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、および故障診断用配線１３９の屈折率をｎ１、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、および故障診断用配線１３９それぞれの厚さｔ１をλ／４ｎ１に設定するようにしている。しかして、検出対象の波長（例えば、８〜１２μｍ）の赤外線の吸収効率を高めることができ、高感度化を図れる。例えば、ｎ１＝３．６、λ＝１０μｍの場合には、ｔ１≒０．６９μｍとすればよい。
また、本実施形態では、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９、および故障診断用配線１３９それぞれの不純物濃度が１０１８〜１０２０ｃｍ−３であるので、赤外線の吸収率を高くしつつ赤外線の反射を抑制することができて、感温部３０の出力のＳ／Ｎ比を高めることができる。また、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９をｎ形ポリシリコン層３４と同一工程で形成できるから、低コスト化を図れる。
ここで、感温部３０の接続部３６と接続部３７とは、半導体基板１の上記一表面側において、層間絶縁膜５０によって絶縁分離されている（図９および図１０参照）。すなわち、温接点Ｔ１側の接続部３６は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ａ１，５０ａ２を通して、両ポリシリコン層３４，３５の上記各一端部と電気的に接続されている。また、冷接点Ｔ２側の接続部３７は、層間絶縁膜５０に形成されたコンタクトホール５０ａ３，５０ａ４を通して、両ポリシリコン層３４，３５の上記各他端部と電気的に接続されている。
また、ＭＯＳトランジスタ４は、上述のように、半導体基板１の上記一表面側においてＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に形成されている。
ＭＯＳトランジスタ４は、図５および図１２に示すように、半導体基板１の上記一表面側にｐ＋形ウェル領域４１が形成され、ｐ＋形ウェル領域４１内に、ｎ＋形ドレイン領域４３とｎ＋形ソース領域４４とが離間して形成されている。さらに、ｐ＋形ウェル領域４１内には、ｎ＋形ドレイン領域４３とｎ＋形ソース領域４４とを囲むｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２が形成されている。
ｐ＋形ウェル領域４１においてｎ＋形ドレイン領域４３とｎ＋形ソース領域４４との間に位置する部位の上には、シリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜４５を介してｎ形ポリシリコン層からなるゲート電極４６が形成されている。
また、ｎ＋形ドレイン領域４３上には、金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるドレイン電極４７が形成され、ｎ＋形ソース領域４４上には、金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるソース電極４８が形成されている。
ゲート電極４６、ドレイン電極４７およびソース電極４８は、上述の層間絶縁膜５０によって絶縁分離されている。ここで、ドレイン電極４７は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｄを通してｎ＋形ドレイン領域４３と電気的に接続され、ソース電極４８は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｅを通してｎ＋形ソース領域４４と電気的に接続されている。
赤外線センサチップ１００の各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のソース電極４８と感温部３０の一端とが電気的に接続され、感温部３０の他端が基準バイアス線５に電気的に接続されている。また、各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のドレイン電極４７が、垂直読み出し線７と電気的に接続され、ゲート電極４６が、当該ゲート電極４６に連続一体に形成されたｎ形ポリシリコン配線からなる水平信号線６と電気的に接続されている。また、各画素部２では、ＭＯＳトランジスタ４のｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２上に、金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなるグラウンド用の電極（以下、グラウンド用電極と称する）４９が形成されている。このグラウンド用電極４９は、当該ｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２をｎ＋形ドレイン領域４３およびｎ＋形ソース領域４４よりも低電位にバイアスして素子分離するための共通グラウンド線８と電気的に接続されている。なお、グラウンド用電極４９は、層間絶縁膜５０に形成したコンタクトホール５０ｆを通してｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２と電気的に接続されている。
上述の赤外線センサチップ１００によれば、通電されることにより発生するジュール熱によって温接点Ｔ１を温める自己診断用配線１３９を備えているので、自己診断用配線１３９へ通電してサーモパイル３０ａの出力を測定することにより、サーモパイル３０ａの断線などの故障の有無を判断することが可能となって、信頼性の向上を図れ、しかも、自己診断用配線１３９は、熱型赤外線検出部３において半導体基板１の空洞部１１に重なる領域でサーモパイル３０ａと重ならないように配置されているので、自己診断用配線１３９によるサーモパイル３０ａの温接点Ｔ１の熱容量の増大を防止でき、感度および応答速度の向上を図れる。
ここで、赤外線センサチップ１００は、使用時において自己診断を行わない通常時において、自己診断用配線１３９も外部からの赤外線を吸収するので、複数の温接点Ｔ１の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。なお、赤外線センサチップ１００では、赤外線吸収層３９および補強層３９ｂも外部からの赤外線を吸収するので、複数の温接点Ｔ１の温度の均一化を図れ、感度の向上を図れる。また、赤外線センサチップ１００の使用時の自己診断は、ＩＣチップ１０２に設けられた自己診断回路（図示せず）により定期的に行われるが、必ずしも定期的に行う必要はない。
また、赤外線センサチップ１００は、第１の薄膜構造部３ａが、複数の線状のスリット１３を設けることによって、空洞部１１の内周方向に沿って並設されそれぞれ熱型赤外線検出部３において空洞部１１を囲む部位である支持部３ｄから内方へ延長された複数の第２の薄膜構造部３ａａに分離され、各第２の薄膜構造部３ａａごとにサーモパイル３０ａの温接点Ｔ１が設けられるとともに、各サーモパイル３０ａごとに出力を取り出す場合に比べて温度変化に対する出力変化が大きくなる接続関係で全てのサーモパイル３０ａが電気的に接続されているので、応答速度および感度の向上を図れ、しかも、全ての第２の薄膜構造部３ａａに跨って自己診断用配線１３９が形成されているので、熱型赤外線検出部３の全てのサーモパイル３０ａを一括して自己診断することが可能となる。また、赤外線センサチップ１００では、隣接する第２の薄膜構造部３ａａ，３ａａ同士を連結する連結片３ｃが形成されていることにより、各第２の薄膜構造部３ａａの反りを低減でき、構造安定性の向上を図れ、感度が安定する。
また、赤外線センサチップ１００は、ｎ形ポリシリコン層３４とｐ形ポリシリコン層３５と赤外線吸収層３９と補強層３９ｂと自己診断用配線１３９とが同一の厚さに設定されているので、第２の薄膜構造部３ａａの応力バランスの均一性が向上し、第２の薄膜構造部３ａａの反りを抑制することができ、製品ごとの感度のばらつきや、画素部２ごとの感度のばらつきを低減できる。
また、赤外線センサチップ１００は、自己診断用配線１３９が、第１の熱電要素であるｎ形ポリシリコン層３４もしくは第２の熱電要素であるｐ形ポリシリコン層３５と同じ材料により形成されているので、自己診断用配線１３９を第１の熱電要素もしくは第２の熱電要素と同時に形成することが可能となり、製造プロセスの簡略化による低コスト化を図れる。
また、赤外線センサチップ１００は、赤外線吸収部３３および自己診断用配線１３９を備えた複数の画素部２が、半導体基板１の上記一表面側でアレイ状に設けられているので、製造時や使用時の自己診断に際して各画素部２それぞれの自己診断用配線１３９に通電することにより、各画素部２それぞれの感温部３０の感度のばらつきを把握することが可能となる。
また、赤外線センサチップ１００は、各画素部２ごとに感温部３０の出力を読み出すためのＭＯＳトランジスタ４を有しているので、出力用のパッドＶout（図１４参照）の数を少なくでき、小型化および低コスト化を図れる。
以下、赤外線センサチップ１００の製造方法について図１５〜図１８を参照して説明する。
まず、シリコン基板からなる半導体基板１の上記一表面側に第１の所定膜厚（例えば、０．３μｍ）の第１のシリコン酸化膜３１と第２の所定膜厚（例えば、０．１μｍ）のシリコン窒化膜３２との積層膜からなる絶縁層を形成する絶縁層形成工程を行う。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して当該絶縁層のうち熱型赤外線検出部３の形成用領域Ａ１に対応する部分の一部を残してＭＯＳトランジスタ４の形成用領域Ａ２に対応する部分をエッチング除去する絶縁層パターニング工程を行うことによって、図１５（ａ）に示す構造を得る。ここにおいて、シリコン酸化膜３１は、半導体基板１を所定温度（例えば、１１００℃）で熱酸化することにより形成し、シリコン窒化膜３２は、ＬＰＣＶＤ法により形成している。
上述の絶縁層パターニング工程の後、半導体基板１の上記一表面側にｐ＋形ウェル領域４１を形成するウェル領域形成工程を行い、続いて、半導体基板１の上記一表面側におけるｐ＋形ウェル領域４１内にｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２を形成するチャネルストッパ領域形成工程を行うことによって、図１５（ｂ）に示す構造を得る。ここで、ウェル領域形成工程では、まず、半導体基板１の上記一表面側の露出部位を所定温度で熱酸化することにより第２のシリコン酸化膜（熱酸化膜）５１を選択的に形成する。その後、ｐ＋形ウェル領域４１を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してシリコン酸化膜５１をパターニングする。続いて、ｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、ｐ＋形ウェル領域４１を形成する。また、チャネルストッパ領域形成工程では、半導体基板１の上記一表面側を所定温度で熱酸化することにより第３のシリコン酸化膜（熱酸化膜）５２を選択的に形成する。その後、ｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２を形成するためのマスクを利用したフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第３のシリコン酸化膜５２をパターニングする。続いて、ｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブインを行うことにより、ｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２を形成する。なお、第１のシリコン酸化膜３１と第２のシリコン酸化膜５１と第３のシリコン酸化膜５２とで、半導体基板１の上記一表面側のシリコン酸化膜１ｂを構成している。
上述のチャネルストッパ領域形成工程の後、ｎ＋形ドレイン領域４３およびｎ＋形ソース領域４４を形成するソース・ドレイン形成工程を行う。このソース・ドレイン形成工程では、ｐ＋形ウェル領域４１におけるｎ＋形ドレイン領域４３およびｎ＋形ソース領域４４それぞれの形成予定領域にｎ形不純物（例えば、リンなど）のイオン注入を行ってから、ドライブを行うことによって、ｎ＋形ドレイン領域４３およびｎ＋形ソース領域４４を形成する。
ソース・ドレイン形成工程の後、半導体基板１の上記一表面側に熱酸化により所定膜厚（例えば、６００Å）のシリコン酸化膜（熱酸化膜）からなるゲート絶縁膜４５を形成するゲート絶縁膜形成工程を行う。続いて、半導体基板１の上記一表面側の全面にゲート電極４６、水平信号線６（図３参照）、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９の基礎となる所定膜厚（例えば、０．６９μｍ）のノンドープポリシリコン層をＬＰＣＶＤ法により形成するポリシリコン層形成工程を行う。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記ノンドープポリシリコン層のうちゲート電極４６、水平信号線６、ｎ形ポリシリコン層３４、ｐ形ポリシリコン層３５、赤外線吸収層３９および故障診断用配線１３９それぞれに対応する部分が残るようにパターニングするポリシリコン層パターニング工程を行う。続いて、上記ノンドープポリシリコン層のうちｐ形ポリシリコン層３５に対応する部分にｐ形不純物（例えば、ボロンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりｐ形ポリシリコン層３５を形成するｐ形ポリシリコン層形成工程を行う。その後、上記ノンドープポリシリコン層のうちｎ形ポリシリコン層３４、赤外線吸収層３９、故障診断用配線１３９、ゲート電極４６および水平信号線６に対応する部分にｎ形不純物（例えば、リンなど）のイオン注入を行ってからドライブを行うことによりｎ形ポリシリコン層３４、赤外線吸収層３９、故障診断用配線１３９、ゲート電極４６および水平信号線６を形成するｎ形ポリシリコン層形成工程を行うことによって、図１６（ａ）に示す構造を得る。なお、ｐ形ポリシリコン層形成工程とｎ形ポリシリコン層形成工程との順序は逆でもよい。
上述のｐ形ポリシリコン層形成工程およびｎ形ポリシリコン層形成工程が終了した後、半導体基板１の上記一表面側に層間絶縁膜５０を形成する層間絶縁膜形成工程を行う。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して層間絶縁膜５０に各コンタクトホール５０ａ１，５０ａ２，５０ａ３，５０ａ４，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ（図９、図１０、図１２参照）を形成するコンタクトホール形成工程を行うことによって、図１６（ｂ）に示す構造を得る。層間絶縁膜形成工程では、半導体基板１の上記一表面側に所定膜厚（例えば、０．８μｍ）のＢＰＳＧ膜をＣＶＤ法により堆積させてから、所定温度（例えば、８００℃）でリフローすることにより平坦化された層間絶縁膜５０を形成する。
上述のコンタクトホール形成工程の後、半導体基板１の上記一表面側の全面に接続部３６，３７、ドレイン電極４７、ソース電極４８、基準バイアス線５、垂直読み出し線７、グラウンド線８、共通グラウンド線９および各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndなど（図１４参照）の基礎となる所定膜厚（例えば、２μｍ）の金属膜（例えば、Ａｌ−Ｓｉ膜）をスパッタ法などにより形成する金属膜形成工程を行う。続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して金属膜をパターニングすることで接続部３６，３７、ドレイン電極４７、ソース電極４８、基準バイアス線５、垂直読み出し線７、グラウンド線８、共通グラウンド線９および各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndなどを形成する金属膜パターニング工程を行うことによって、図１７（ａ）に示す構造を得る。なお、金属膜パターニング工程におけるエッチングはＲＩＥにより行っている。また、この金属膜パターニング工程を行うことにより、温接点Ｔ１および冷接点Ｔ２が形成される。
上述の金属膜パターニング工程の後、半導体基板１の上記一表面側（つまり、層間絶縁膜５０の表面側）に所定膜厚（例えば、０．５μｍ）のＰＳＧ膜と所定膜厚（例えば、０．５μｍ）のＮＳＧ膜との積層膜からなるパッシベーション膜６０をＣＶＤ法により形成するパッシベーション膜形成工程を行うことによって、図１７（ｂ）に示す構造を得る。
上述のパッシベーション膜形成工程の後、シリコン酸化膜３１、シリコン窒化膜３２、層間絶縁膜５０、パッシベーション膜６０などを備え、感温部３０などが埋設された積層構造部をパターニングすることにより、第２の薄膜構造部３ａａおよび連結片３ｃを形成する積層構造部パターニング工程を行うことによって、図１８（ａ）に示す構造を得る。なお、積層構造部パターニング工程において、各スリット１３，１４を形成している。
上述の積層構造部パターニング工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して各パッドＶout，Ｖsel，Ｖref，Ｖdd，Ｇndを露出させる開口部（図示せず）を形成する開口部形成工程を行う。次に、各スリット１３，１４をエッチング液導入孔としてエッチング液を導入し半導体基板１を異方性エッチング（結晶異方性エッチング）することにより半導体基板１に空洞部１１を形成する空洞部形成工程を行うことで、図１８（ｂ）に示す構造の赤外線センサチップ１００を得る。ここで、開口部形成工程におけるエッチングはＲＩＥにより行っている。また、空洞部形成工程では、エッチング液として所定温度（例えば、８５℃）に加熱したＴＭＡＨ溶液を用いているが、エッチング液はＴＭＡＨ溶液に限らず、他のアルカリ系溶液（例えば、ＫＯＨ溶液など）を用いてもよい。なお、空洞部形成工程が終了するまでの全工程はウェハレベルで行うので、空洞部形成工程が終了した後、個々の赤外線センサチップ１００に分離する分離工程を行えばよい。また、上述の説明から分かるように、ＭＯＳトランジスタ４の製造方法に関してみれば、周知の一般的なＭＯＳトランジスタの製造方法を採用しており、熱酸化による熱酸化膜の形成、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術による熱酸化膜のパターニング、不純物のイオン注入、ドライブイン（不純物の拡散）の基本工程を繰り返すことにより、ｐ＋形ウェル領域４１、ｐ＋＋形チャネルストッパ領域４２、ｎ＋形ドレイン領域４３とｎ＋形ソース領域４４を形成している。
上述の赤外線センサチップ１００では、半導体基板１として上記一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を用いて、エッチング速度の結晶面方位依存性を利用した異方性エッチングにより形成する空洞部１１を四角錘状の形状としてあるが、四角錘状の形状に限らず、四角錘台状の形状でもよい。また、半導体基板１の上記一表面の面方位は特に限定するものではなく、例えば、半導体基板１として上記一表面が（１１０）面の単結晶のシリコン基板を用いてもよい。
ＩＣチップ１０２は、ＡＳＩＣ（：Application Specific ＩＣ）であり、シリコン基板を用いて形成されている。
ＩＣチップ１０２は、例えば、赤外線センサチップ１００を制御する制御回路、赤外線センサチップ１００の複数の出力用のパッド８０に電気的に接続された複数の入力用のパッドの出力電圧を増幅する増幅回路、複数の入力用のパッドの出力電圧を択一的に上記増幅回路に入力するマルチプレクサ、上記増幅回路の出力（画素部２における温接点Ｔ１と冷接点Ｔ２との温度差に応じた出力）とサーミスタ１０１の出力（絶対温度に応じた出力であり、画素部２における冷接点Ｔ２の温度に応じた出力であると想定している）とに基づいて温度を求める演算回路などを備えており、外部の表示装置に赤外線画像を表示させることができる。また、ＩＣチップ１０２は、上述の自己診断回路も備えている。なお、ＩＣチップ１０２の回路構成は、特に限定するものではない。また、サーミスタ１０１は、必ずしも設ける必要はない。
本実施形態の赤外線センサは、パッケージ本体１０４とパッケージ蓋１０５とで構成されるパッケージ１０３の内部空間（気密空間）１６５を、窒素ガス（ドライ窒素ガス）雰囲気としてあるが、これに限らず、例えば、真空雰囲気としてもよい。
パッケージ本体１０４は、絶縁材料からなる基体１０４ａに金属材料からなる配線パターン（図示せず）および電磁シールド層（図示せず）が形成されており、この電磁シールド層により電磁シールド機能を有している。一方、パッケージ蓋１０５は、レンズ１５３が導電性を有するとともに、レンズ１５３がメタルキャップ１５２に導電性材料により接合されており、導電性を有している。そして、パッケージ蓋１０５は、パッケージ本体１０４の上記電磁シールド層と電気的に接続されている。しかして、本実施形態では、パッケージ本体１０４の上記電磁シールド層とパッケージ蓋１０５とを同電位とすることができる。その結果、パッケージ１０３は、赤外線センサチップ１００、ＩＣチップ１０２、サーミスタ１０１、上記配線パターン、後述のボンディングワイヤ（図示せず）などを含んで構成されるセンサ回路（図示せず）への外来の電磁ノイズを防止する電磁シールド機能を有している。
パッケージ本体１０４は、赤外線センサチップ１００、ＩＣチップ１０２およびサーミスタ１０１が一表面側に実装される平板状のセラミック基板により構成してある。要するに、パッケージ本体１０４は、基体１０４ａが絶縁材料であるセラミックスにより形成されており、配線パターンのうち基体１０４ａの一表面側に形成された部位に、赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２それぞれのパッド（図示せず）が、ボンディングワイヤを介して適宜接続されている。なお、赤外線センサにおいて、赤外線センサチップ１００とＩＣチップ１０２とは、ボンディングワイヤおよびパッケージ本体１０４の配線パターンなどを介して電気的に接続されている。各ボンディングワイヤとしては、Ａｌワイヤに比べて耐腐食性の高いＡｕワイヤを用いることが好ましい。
本実施形態では、パッケージ本体１０４の絶縁材料としてセラミックスを採用しているので、上記絶縁材料としてエポキシ樹脂などの有機材料を採用する場合に比べて、パッケージ本体１０４の耐湿性および耐熱性を向上させることができる。ここで、絶縁材料のセラミックスとしては、アルミナを採用しているが、特に、アルミナに限定するものではなく、窒化アルミニウムや炭化珪素などを採用してもよい。なお、アルミナの熱伝導率は、１４Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。
また、パッケージ本体１０４は、上述の配線パターンの一部により構成される外部接続電極（図示せず）が、基体１０４ａの他表面と側面とに跨って形成されている。しかして、本実施形態の赤外線センサでは、回路基板などへの２次実装後において、回路基板などとの接合部の外観検査を容易に行うことができる。
また、赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２は、パッケージ本体１０４に対して、ダイボンド剤を用いて実装されている。ダイボンド剤としては、エポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂などの絶縁性接着剤、半田（鉛フリー半田、Ａｕ−Ｓｎ半田など）や銀ペーストなどの導電性接着剤を用いればよい。また、ダイボンド剤を用いずに、例えば、常温接合法や、Ａｕ−Ｓｎ共晶もしくはＡｕ−Ｓｉ共晶を利用した共晶接合法などにより接合してもよい。なお、エポキシ系樹脂の熱伝導率は、０．２Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。また、赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ２の外周形状は、矩形状（正方形状ないし長方形状）である。
パッケージ蓋１０５は、パッケージ本体１０４側の一面が開放された箱状に形成され赤外線センサチップ１００に対応する部位に開口窓１５２ａが形成されたメタルキャップ１５２と、メタルキャップ１５２の開口窓１５２ａを閉塞する形でメタルキャップ１５２に接合されたレンズ１５３とで構成されており、メタルキャップ１５２の上記一面がパッケージ本体１０４により閉塞される形でパッケージ本体１０４に気密的に接合されている。ここで、パッケージ本体１０４の上記一表面の周部には、パッケージ本体１０４の外周形状に沿った枠状の金属パターン１４７（図１参照）が全周に亘って形成されており、パッケージ蓋１０５とパッケージ本体１０４の金属パターン１４７とは、シーム溶接（抵抗溶接法）により金属接合されており、気密性および電磁シールド効果を高めることができる。なお、パッケージ蓋１０５のメタルキャップ１５２は、コバールにより形成されており、Ｎｉめっきが施されている。また、パッケージ本体１０４の金属パターン１４７は、コバールにより形成され、Ｎｉのめっきが施され、さらにＡｕのめっきが施されている。コバールの熱伝導率は、１６．７Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。
パッケージ蓋１０５とパッケージ本体１０４の金属パターン１４７との接合方法は、シーム溶接に限らず、他の溶接（例えば、スポット溶接）や、導電性樹脂により接合してもよい。ここで、導電性樹脂として異方導電性接着剤を用いれば、樹脂（バインダー）中に分散された導電粒子の含有量が少なく、接合時に加熱・加圧を行うことでパッケージ蓋１０５とパッケージ本体１０４との接合部の厚みを薄くできるので、外部からパッケージ１０３内へ水分やガス（例えば、水蒸気、酸素など）が侵入するのを抑制できる。また、導電性樹脂として、酸化バリウム、酸化カルシウムなどの乾燥剤を混入させたものを用いてもよい。
なお、パッケージ本体１０４およびパッケージ蓋１０５の外周形状は矩形状としてあるが、矩形状に限らず、例えば、円形状でもよい。また、パッケージ蓋１０５のメタルキャップ１５２は、パッケージ本体１０４側の端縁から全周に亘って外方に延設された鍔部１５２ｂを備えており、鍔部１５２ｂが全周に亘ってパッケージ本体１０４と接合されている。
レンズ１５３は、平凸型の非球面レンズである。しかして、本実施形態の赤外線センサでは、レンズ１５３の薄型化を図りながらも、赤外線センサチップ１００での赤外線の受光効率の向上による高感度化を図れる。また、本実施形態の赤外線センサでは、赤外線センサチップ１００の検知エリアをレンズ１５３により設定することが可能となる。レンズ１５３は、赤外線センサチップ１００の半導体基板１とは別の半導体基板を用いて形成されている。更に説明すれば、レンズ１５３は、所望のレンズ形状に応じて半導体基板（ここでは、シリコン基板）との接触パターンを設計した陽極を半導体基板の一表面側に半導体基板との接触がオーミック接触となるように形成した後に半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液からなる電解液中で半導体基板の他表面側を陽極酸化することで除去部位となる多孔質部を形成してから当該多孔質部を除去することにより形成された半導体レンズ（ここでは、シリコンレンズ）により構成されている。しかして、レンズ１５３は、導電性を有している。なお、この種の陽極酸化技術を応用した半導体レンズの製造方法については、例えば、特許第３８９７０５５号公報、特許第３８９７０５６号公報などに開示されているので、説明を省略する。
本実施形態では、赤外線センサチップ１００の検知エリアを上述の半導体レンズからなるレンズ１５３により設定することができ、また、レンズ１５３として、球面レンズよりも短焦点で且つ開口径が大きく収差が小さな半導体レンズを採用することができるから、短焦点化により、パッケージ１０３の薄型化を図れる。本実施形態の赤外線センサは、赤外線センサチップ１００の検知対象の赤外線として、人体から放射される１０μｍ付近の波長帯（８μｍ〜１３μｍ）の赤外線を想定しており、レンズ１５３の材料として、ＺｎＳやＧａＡｓなどに比べて環境負荷が少なく且つ、Ｇｅに比べて低コスト化が可能であり、しかも、ＺｎＳに比べて波長分散が小さなＳｉを採用している。
また、レンズ１５３は、メタルキャップ１５２における開口部１５２ａの周部に導電性接着剤（例えば、鉛フリー半田、銀ペーストなど）からなる接合部（図示せず）により固着されている。上記接合部の材料として導電性接着剤を採用することにより、レンズ１５３が、上記接合部およびメタルキャップ１５２を介してパッケージ本体１０４の上記電磁シールド層に電気的に接続されるので、電磁ノイズに対するシールド性を高めることができ、外来の電磁ノイズに起因したＳ／Ｎ比の低下を防止することができる。
上述のレンズ１５３には、赤外線センサチップ１００での検知対象の赤外線の波長を含む所望の波長域の赤外線を透過し当該波長域以外の赤外線を反射する光学多層膜（多層干渉フィルタ膜）からなるフィルタ部（図示せず）を設けることが好ましい。このようなフィルタ部を設けることにより、所望の波長域以外の不要な波長域の赤外線や可視光をフィルタ部によりカットすることが可能となり、太陽光などによるノイズの発生を抑制することができ、高感度化を図れる。
ここにおいて、本実施形態では、上述のようにＩＣチップ１０２としてベアチップを採用しているので、パッケージ蓋１０５が可視光をカットする機能を有するように、メタルキャップ１５２およびレンズ１５３およびフィルタ部の材料を適宜選択することにより、可視光に起因したＩＣチップ１０２の起電力による誤動作を防止することができる。ただし、ベアチップからなるＩＣチップ１０２における少なくともパッケージ蓋１０５側の表面に外部からの光を遮光する樹脂部（図示せず)を設けるようにすれば、可視光に起因したＩＣチップ１０２の起電力による誤動作を防止することができる。
また、本実施形態では、パッケージ本体１０４が平板状に形成されているので、パッケージ本体１０４への赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２の実装が容易になるとともに、パッケージ本体１０４の低コスト化が可能となる。また、パッケージ本体１０４が平板状に形成されているので、パッケージ本体１０４を、一面が開放された箱状の形状として、多層セラミック基板により構成し、パッケージ本体１０４の内底面に赤外線センサチップ１００を実装する場合に比べて、パッケージ本体１０４の上記一表面側に配置される赤外線センサチップ１００とレンズ１５３との間の距離の精度を高めることができ、より一層の高感度化を図れる。
カバー部材１０６は、赤外線センサチップ１００の前方に位置し窓孔１０８が形成された前板部１０７と、前板部１０７の外周縁から後方へ延設されＩＣチップ１０２と赤外線センサチップ１００との間でパッケージ本体１０４に接合された側板部１０９とで構成されている。ここにおいて、前板部１０７は、レンズ１５３と赤外線センサチップ１００との間で、レンズ１５３および赤外線センサチップ１００それぞれから離間して配置されている。側板部１０９は、ＩＣチップ１０２と赤外線センサチップ１００との間で、ＩＣチップ１０２および赤外線センサチップ１００それぞれから離間して配置されているが、側板部１０９とＩＣチップ１０２との距離を、側板部１０９と赤外線センサチップ１００との距離よりも短く設定することが好ましい。要するに、側板部１０９をＩＣチップ１０２に近接して配置することが好ましい。
カバー部材１０６の材料としては、コバールを採用しているが、これに限らず、例えば、ステンレス鋼、銅、アルミニウムなどを採用してもよい。
上述のカバー部材１０６は、前板部１０７の外周形状が矩形状であり、前板部１０７の外周縁の投影領域内に赤外線センサチップ１００が収まるように前板部１０７の外形サイズを設定してある。カバー部材１０６の側板部１０９とパッケージ本体１０４とは、例えば、接着剤（例えば、エポキシ樹脂など）により接合すればよいが、カバー部材１０６とパッケージ本体１０４とを熱結合する観点から、熱伝導率の高い材料が好ましく、また、カバー部材１０６をパッケージ本体１０４の上記シールド層と電気的に接続して電磁シールド性を付与する観点から、導電性を有する材料が好ましく、例えば、銀ペーストなどを採用することが好ましい。また、前板部１０７の窓孔１０８は、矩形状に開口されている。ここで、窓孔１０８の開口形状は、赤外線センサチップ１００の外周形状と相似となるように設定してあるが、必ずしも相似である必要はない。
以上説明した本実施形態の赤外線センサでは、パッケージ１０３内に、赤外線センサチップ１００への赤外線を通す窓孔１０８を有しＩＣチップ１０２の発熱に応じた各画素部２の温接点Ｔ１および冷接点Ｔ２の温度変化量を均一化するカバー部材１０６を設けてあることにより、ＩＣチップ１０２の発熱に起因した熱をパッケージ本体１０４を通る経路と、カバー部材１０６を通る経路とで赤外線センサチップ１００の画素部２へ伝えるので、赤外線センサチップ１００の各画素部２へ伝わる熱を均一化することが可能となり、ＩＣチップ１０２の発熱に起因した赤外線センサチップ１００の面内でのオフセット電圧のばらつきを抑制できてＳ／Ｎ比のばらつきを抑制することが可能となる。例えば、図１に示した赤外線センサでは、カバー部材１０６を設けていない場合に比べて、赤外線センサチップ１００のうちＩＣチップ１０２に最も近い画素部２における感温部３０のオフセット電圧とＩＣチップ１０２から最も遠い画素部２における感温部３０のオフセット電圧との差を低減することが可能となる。
また、赤外線センサは、パッケージ１０３内にカバー部材１０６が設けられていることにより、ＩＣチップ１０２の発熱に起因してＩＣチップ１０２から放射された赤外線やパッケージ蓋１０５のメタルキャップ１５２から放射された赤外線が赤外線センサチップ１００へ到達するのを阻止することもできる。ここで、カバー部材１０６が、赤外線センサチップ１００の前方に位置し窓孔１０８が形成された前板部１０７と、前板部１０７の外周縁から後方へ延設されＩＣチップ１０２と赤外線センサチップ１００との間でパッケージ本体１０４に接合された側板部１０９とで構成されていることにより、ＩＣチップ１０２から放射された赤外線が直接、赤外線センサチップ１００へ到達するのを防止することが可能となる。
また、本実施形態では、パッケージ本体１０４が平板状に形成されているので、パッケージ本体１０４への赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２の実装が容易になるとともに、パッケージ本体１０４の低コスト化が可能となる。また、パッケージ本体１０４が平板状に形成されているので、パッケージ本体１０４を、一面が開放された箱状の形状として、多層セラミック基板により構成し、パッケージ本体１０４の内底面に赤外線センサチップ１００などを実装する場合に比べて、パッケージ本体１０４の上記一表面側に配置される赤外線センサチップ１００とレンズ１５３との間の距離の精度を高めることができ、より一層の高感度化を図れる。
また、本実施形態の赤外線センサは、赤外線センサチップ１００の各画素部２にＭＯＳトランジスタ４を設けてあるので、感温部３０とＭＯＳトランジスタ４との間の配線に起因したノイズを低減することが可能となる。
また、本実施形態の赤外線センサは、パッケージ本体１０４において、上述の配線パターンのうち赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２それぞれのグランド用のパッド（図示せず）が接続される部位を、上記電磁シールド層に電気的に接続しておくことにより、赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２などにより構成されるセンサ回路への外来の電磁ノイズの影響を低減でき、外来の電磁ノイズに起因したＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。なお、赤外線センサを回路基板などに２次実装する場合には、電磁シールド層を回路基板などのグランドパターンと電気的に接続することで、上述のセンサ回路への外来の電磁ノイズの影響を低減でき、外来の電磁ノイズに起因したＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。
（実施形態２）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態１と略同じであり、図１９に示すように、カバー部材１０６の形状などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
本実施形態の赤外線センサでは、パッケージ本体１０４において、赤外線センサチップ１００を実装する第１の領域１４１の表面よりもＩＣチップ１０２を実装する第２の領域１４２を後退させてある。したがって、第１の領域１４１の表面と第２の領域１４２との間に段差が形成されている。ここで、パッケージ本体１０４は、段差の寸法がＩＣチップ１０２の厚み寸法よりも小さくなるように、第２の領域１４２の表面を後退させる寸法を設定してある。
カバー部材１０６は、赤外線センサチップ１００の前方に位置し窓孔１０８が形成された前板部１０７と、前板部１０７の外周縁から後方へ延設されパッケージ本体１０４に接合された２つの側板部１０９とを備えている。
ここで、前板部１０７と赤外線センサチップ１００との間の距離は、実施形態１の赤外線センサよりも長く設定してある。また、２つの側板部１０９は、赤外線センサチップ１００とＩＣチップ１０２との並設方向に沿った赤外線センサチップ１００の両側面それぞれの側方に位置している。
また、前板部１０７は、当該前板部１０７の外周線の投影領域内に赤外線センサチップ１００およびＩＣチップ１０２が収まる大きさに形成されている。また、前板部１０７は、赤外線センサチップ１００とＩＣチップ１０２との並設方向に沿った長手方向の両側縁から後方へ突出片１０７ｂが延設されている。この突出片１０７ｂは、側板部１０９よりも前板部１０７からの突出寸法が小さく、当該突出片１０７ｂの先端面を含む平面が赤外線センサチップ１００の表面よりも前方に位置するように、前板部１０７からの突出寸法を設定してある。
本実施形態の赤外線センサでは、ＩＣチップ１０２の発熱に起因した赤外線センサチップ１００の面内でのＳ／Ｎ比のばらつきを抑制することを可能としつつ、実施形態１に比べて、カバー部材１０６を、より安定して接合することができ、前板部１０７が赤外線センサチップ１００の表面に対して傾くのを防止することが可能となる。また、本実施形態の赤外線センサでは、赤外線センサチップ１００とＩＣチップ１０２との間に側板部１０９が位置していないので、赤外線センサチップ１００とＩＣチップ１０２とをボンディングワイヤのみにより直接接続することが可能となる。
（実施形態３）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態２と略同じであり、図２０に示すように、カバー部材１０６の形状などが相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の赤外線センサは、実施形態２において説明した突出片１０７ｂ（図１９参照）を設けておらず、図２０に示すように、前板部１０７と赤外線センサチップ１００との間の距離を実施形態２の赤外線センサよりも短く設定してある点が相違する。
しかして、本実施形態の赤外線センサでは、ＩＣチップ１０２の発熱に起因した赤外線センサチップ１００の面内でのＳ／Ｎ比のばらつきを抑制することを可能としつつ、前板部１０７と赤外線センサチップ１００との間の距離の短縮化を図れる。
（実施形態４）
本実施形態の赤外線センサの基本構成は実施形態２と略同じであり、図２１に示すように、カバー１６０の形状が相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態におけるカバー部材１０６は、前板部１０７の窓孔１０８が矩形状である点は実施形態２と同様であるが、平面視で窓孔１０８のＩＣチップ１０２側の内周線（４辺のうちの１辺）が、赤外線センサチップ１００のＩＣチップ１０２側の外周線（４辺のうちの１辺）よりもＩＣチップ１０２側にある点が実施形態２とは相違している。
しかして、本実施形態の赤外線センサでは、実施形態２に比べてカバー部材１０６を通して赤外線センサチップ１００に伝わる熱を低減することが可能となる。
ところで、上記各実施形態において、半導体基板１の空洞部１１は、半導体基板１の厚み方向に貫通する形で形成してもよく、この場合は、空洞部１１を形成する空洞部形成工程において、半導体基板１の上記一表面とは反対の他表面側から、半導体基板１における空洞部１１の形成予定領域を、例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）型のドライエッチング装置を用いた異方性エッチング技術を利用して形成すればよい。また、赤外線センサチップ１００は、サーモパイル３０ａにより構成される感温部３０を具備する複数の画素部２が半導体基板１の一表面側においてアレイ状に配置されたものであればよく、構造は特に限定するものではなく、感温部３０を構成するサーモパイル３０ａの数も複数に限らず、１つでもよい。また、半導体基板１もシリコン基板に限らず、例えば、ゲルマニウム基板や、シリコンカーバイド基板などでもよい。また、パッケージ蓋１０４において、レンズ１５３の代わりに、平板状のシリコン基板を配置して赤外線を透過する機能を有するようにしてもよい。また、パッケージ蓋１０４におけるレンズ１５３の配置も特に限定するものではなく、レンズ１５３をパッケージ蓋１０４の外側に配置するようにしてもよい。
１ 半導体基板
２ 画素部
３０ａ サーモパイル
１００ 赤外線センサチップ
１０２ ＩＣチップ
１０３ パッケージ
１０４ パッケージ本体
１０５ パッケージ蓋
１０６ カバー部材
１０７ 前板部
１０８ 窓孔
１０９ 側板部
１４１ 第１の領域
１４２ 第２の領域
１５３ レンズ
Ｔ１ 温接点
Ｔ２ 冷接点

Claims (4)

  1. サーモパイルにより構成される感温部を具備する複数の画素部が半導体基板の一表面側においてアレイ状に配置された赤外線センサチップと、前記赤外線センサチップの出力信号を信号処理するＩＣチップと、前記赤外線センサチップおよび前記ＩＣチップが収納されたパッケージとを備え、前記パッケージが、前記赤外線センサチップおよび前記ＩＣチップが横並びで実装されたパッケージ本体と、前記赤外線センサチップでの検知対象の赤外線を透過する機能を有し前記パッケージ本体との間に前記赤外線センサチップおよび前記ＩＣチップを囲む形で前記パッケージ本体に気密的に接合されたパッケージ蓋とを有し、前記パッケージ内に、前記赤外線センサチップへの赤外線を通す窓孔を有し前記ＩＣチップの発熱に応じた前記各画素部の温接点および冷接点の温度変化量を均一化するカバー部材を設けてなることを特徴とする赤外線センサ。
  2. 前記カバー部材は、前記赤外線センサチップの前方に位置し前記窓孔が形成された前板部と、前記前板部の外周縁から後方へ延設され前記ＩＣチップと前記赤外線センサチップとの間で前記パッケージ本体に接合された側板部とで構成されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
  3. 前記パッケージ本体は、前記赤外線センサチップを実装する第１の領域の表面よりも前記ＩＣチップを実装する第２の領域の表面を後退させてあり、前記カバー部材は、前記赤外線センサチップの前方に位置し前記窓孔が形成された前板部と、前記前板部の外周縁から後方へ延設され前記赤外線センサチップと前記ＩＣチップとの並設方向に沿った前記赤外線センサチップの両側面それぞれの側方に位置し前記パッケージ本体に接合された２つの側板部とを備え、前記前板部は、前記前板部の外周線の投影領域内に前記赤外線センサチップおよび前記ＩＣチップが収まる大きさに形成されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ。
  4. 前記カバー部材は、前記前板部の前記窓孔が矩形状であり、平面視で前記窓孔の前記ＩＣチップ側の内周線が前記赤外線センサチップの前記ＩＣチップ側の外周線よりも前記ＩＣチップ側にあることを特徴とする請求項３記載の赤外線センサ。
JP2010144176A 2010-06-24 2010-06-24 赤外線センサ Active JP5842118B2 (ja)

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