JP2013186039A - 赤外線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線検出の分解能の低下を抑制可能で、より小型化することが可能な赤外線検出装置を提供する。
【解決手段】赤外線検出装置１０は、ベース基板１ｂとの間で間隙１ｆを介して支持される薄膜部１ａに赤外線検知部１ｅを備えた赤外線センサ１を有している。赤外線検出装置１０は、レンズ部３を備え赤外線センサ１を覆う覆部４を有している。赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１からの出力信号を信号処理する半導体素子６を有している。赤外線検知部１ｅは、複数個の熱電対を備え、薄膜部１ａ側において温接点を構成しベース基板１ｂ側において冷接点を構成している。赤外線センサ１は、空間２ａを介して、温接点および冷接点を覆う赤外線透過性の半導体材料からなる被覆部２がベース基板１ｂ側に接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線センサを備えた赤外線検出装置に関する。

従来から、各種の電子機器に内蔵される人感センサなどとして、赤外線検出装置が利用されている。この種の赤外線検出装置として、図７（ａ），（ｂ）に示すように、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とをパッケージ１０３内に備えたものが知られている（たとえば、特許文献１）。

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を有している。また、パッケージ１０３は、開口窓１５２ａを閉塞するレンズ１５３が設けられたパッケージ蓋１０５を有している。パッケージ１０３は、金属パターン１４７を介して、パッケージ蓋１０５とパッケージ本体１０４とを気密的に接合している。

図７に示す赤外線検出装置では、ＩＣチップ１０２の発熱に応じた赤外線センサチップ１００における温度変化量を均一化するカバー部材１０６が赤外線センサチップ１００とＩＣチップ１０２との間に設けられている。なお、カバー部材１０６には、赤外線センサチップ１００への赤外線を通す窓孔１０８が設けられている。

特許文献１の赤外線検出装置では、カバー部材１０６を設けないものと比較して、赤外線センサチップ１００がＩＣチップ１０２から熱を受けた場合でも、赤外線センサチップ１００における赤外線検出の分解能の低下を抑制できる場合もあると考えられる。

特開２０１２−８００３号公報

ところで、赤外線検出装置は、赤外線センサたる赤外線センサチップ１００と半導体素子たるＩＣチップ１０２との間にカバー部材１０６を設ける場合、平面視において、赤外線検出装置を小型化することが難しくなる場合がある。

赤外線検出装置は、赤外線検出装置が内蔵される電子機器の小型化などに伴い、赤外線検出の分解能の低下を抑制可能で、より小型化可能なものが求められており、上述の赤外線検出装置の構造だけでは十分ではなく、更なる改良が求められている。

本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、赤外線検出の分解能の低下を抑制可能で、より小型化することが可能な赤外線検出装置を提供する。

本発明の赤外線検出装置は、ベース基板と該ベース基板との間で間隙を介して上記ベース基板に支持される薄膜部と該薄膜部に少なくとも一部が設けられる赤外線検知部とを備えた赤外線センサと、該赤外線センサを覆い上記赤外線センサ側に赤外線を透過させるレンズ部を備えた覆部と、上記赤外線センサからの出力信号を信号処理する半導体素子とを有する赤外線検出装置であって、上記赤外線検知部は、複数個の熱電対を備えており、該熱電対は、上記薄膜部側において温接点を構成し上記ベース基板側において冷接点を構成しており、上記赤外線センサは、空間を介して、上記温接点および上記冷接点を覆う赤外線透過性の半導体材料からなる被覆部が上記ベース基板側に接合されていることを特徴とする。

この赤外線検出装置において、上記被覆部と該被覆部が接合された上記赤外線センサとは、複数個の上記赤外線センサが形成された赤外線センサウエハと上記赤外線センサの各々に対応する複数個の上記被覆部が形成された被覆部用ウエハとが接合された接合ウエハから一体として分離されてなることが好ましい。

この赤外線検出装置において、上記赤外線センサは、複数個の上記赤外線検知部を備えていることが好ましい。

この赤外線検出装置において、上記被覆部が接合された上記赤外線センサは、上記空間が気密封止されていることが好ましい。

この赤外線検出装置において、上記被覆部が接合された上記赤外線センサは、上記空間が真空封止されていることが好ましい。

本発明の赤外線検出装置は、赤外線検出の分解能の低下を抑制可能で、より小型化することが可能になるという効果がある。

実施形態１の赤外線検出装置を示す略断面図である。 実施形態１の赤外線検出装置に用いられる赤外線センサの要部の説明図である。 実施形態１の赤外線検出装置の要部を示す略断面図である。 実施形態２の赤外線検出装置を示す略断面図である。 実施形態３の赤外線検出装置を示す略断面図である。 実施形態４の赤外線検出装置を示す略断面図である。 従来の赤外線検出装置に関し、（ａ）は一部破断した概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。

（実施形態１）
以下、本実施形態の赤外線検出装置１０を図１に基づいて説明する。また、赤外線検出装置１０に用いられる赤外線センサ１の一例として、赤外線アレイセンサ１１を図２に基づいて説明する。なお、図中において同じ部材に対しては、同じ番号を付している。

本実施形態の赤外線検出装置１０は、図１に示すように、ベース基板１ｂとベース基板１ｂとの間で間隙１ｆを介してベース基板１ｂに支持される薄膜部１ａと薄膜部１ａに少なくとも一部が設けられる赤外線検知部１ｅとを備えた赤外線センサ１を有している。赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１を覆い赤外線センサ１側に赤外線（図１の破線の矢印を参照）を透過させるレンズ部３を備えた覆部４を有している。赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１からの出力信号を信号処理する半導体素子６を有している。

赤外線センサ１の赤外線検知部１ｅは、複数個の熱電対９を備えている（図２を参照）。熱電対９は、薄膜部１ａ側において温接点Ｔ１を構成しベース基板１ｂ側において冷接点Ｔ２を構成している。赤外線センサ１は、空間２ａを介して、温接点Ｔ１および冷接点Ｔ２を覆う赤外線透過性の半導体材料からなる被覆部２がベース基板１ｂ側に接合されている。

本実施形態の赤外線検出装置１０において、赤外線センサ１は、接合材２ｂにより、赤外線透過性の半導体材料からなる被覆部２が温接点Ｔ１および冷接点Ｔ２を覆ってベース基板１ｂ側に接合されている。赤外線センサ１は、温接点Ｔ１および冷接点Ｔ２を覆う被覆部２が半導体素子６の発熱などに起因する外部からの熱を熱伝達してベース基板１ｂ側の面内での温度差を小さくさせることが可能となる。赤外線センサ１は、赤外線センサ１が外部から熱を受けた場合でも、被覆部２とベース基板１ｂとの間の空間２ａ内で温度分布の小さい状態を作り出すことが可能となる。

特に、赤外線検知装置は、半導体素子６の駆動による時間の経過に伴って発熱量が大きくなればなるほど、赤外線センサ１の面内での温度むらが生じ易い傾向にある。赤外線検知装置は、半導体素子６の発熱に伴う熱により、ベース基板１ｂ側の面内での温度差が大きくなると、赤外線を検知していない状態においても、温接点Ｔ１と冷接点Ｔ２との温度差が生じてしまう。赤外線検知装置では、赤外線センサ１の温度むらにより、複数個の熱電対における一部の熱電対の特性が大きく変化して、赤外線検出の分解能の低下が生ずる場合がある。

本実施形態の赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１と半導体素子６とを横並びで配置するだけものと比較して、赤外線センサ１が半導体素子６から熱を受けた場合でも、赤外線センサ１における赤外線検出の分解能の低下を抑制できる。また、本実施形態の赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１と半導体素子６とを横並びで配置させ、赤外線センサ１と半導体素子６との間に熱を均一化させるカバー部材を用いるものと比較して、平面視において、赤外線検出装置１０を小型化することが可能となる。赤外線検出装置１０は、レンズ３を備えた覆部４とは、別途に被覆部２を備えている。赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１に赤外線を集光するレンズ部３の焦点距離に依存することなく、被覆部２をベース基板１ｂ側に近接して配置することができる。赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１の厚み方向において、薄型化することも可能となる。言い換えれば、本実施形態の赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１と半導体素子６との配置する位置関係によらず、赤外線検出の分解能の低下を抑制可能で、より小型化することが可能となる。

以下、本実施形態の赤外線検出装置１０の各構成について、より具体的に詳述する。

まず最初に、赤外線検出装置１０に用いられる赤外線センサ１として、図２に示す赤外線アレイセンサ１１を説明する。赤外線センサ１である赤外線アレイセンサ１１は、たとえば、薄膜部１ａがシリコン基板を用いたベース基板１ｂに薄膜部１ａ自体で支持されるダイアフラム構造としている。

赤外線アレイセンサ１１は、赤外線イメージセンサなどに用いられるものであり、図２（ａ）の平面視において、ｍ×ｎ個（図示例では、２×２個）の熱型赤外線検出部１１ａを２次元アレイ状に配置して構成している。熱型赤外線検出部１１ａは、図２（ｃ）の断面図で示すように、シリコン基板を用いたベース基板１ｂの一表面側に形成されたシリコン酸化膜１ａ１と、シリコン酸化膜１ａ１上に形成されたシリコン窒化膜１ａ２とを備えている。

熱型赤外線検出部１１ａは、シリコン窒化膜１ａ２上に形成された赤外線検知部１ｅを備えている。熱型赤外線検出部１１ａは、シリコン窒化膜１ａ２の表面側で赤外線検知部１ｅを覆うように形成された層間絶縁膜１ａ３と、層間絶縁膜１ａ３上に形成されたパッシベーション膜１ａ４とを備えている。熱型赤外線検出部１１ａは、シリコン酸化膜１ａ１と、シリコン窒化膜１ａ２と、赤外線検知部１ｅと、層間絶縁膜１ａ３と、パッシベーション膜１ａ４との積層構造をパターニングすることで赤外線センサ薄膜部を形成してある。赤外線センサ薄膜部の一部は、一表面側から形成された空洞１ｃによってベース基板１ｂと空間的に分離されている。また、赤外線センサ薄膜部には、空洞１ｃと連通するスリット１ｓが赤外線センサ薄膜部の厚み方向に貫設されている。

熱型赤外線検出部１１ａは、ＢＰＳＧ（Boro-Phospho Silicate Glass）膜により層間絶縁膜１ａ３を構成している。熱型赤外線検出部１１ａは、ＰＳＧ（Phospho Silicate Glass)膜とＰＳＧ膜上のＮＳＧ（Non-dopedSilicate Glass)膜との積層膜によりパッシベーション膜１ａ４を構成している。熱型赤外線検出部１１ａは、層間絶縁膜１ａ３とパッシベーション膜１ａ４との積層膜が赤外線吸収膜を兼ねている。なお、パッシベーション膜１ａ４は、ＰＳＧ膜とＮＳＧ膜の積層膜に限らず、たとえば、シリコン窒化膜で形成してもよい。

ここで、赤外線アレイセンサ１１は、空洞１ｃおよびスリット１ｓによりベース基板１ｂから空間的に分離されたシリコン酸化膜１ａ１およびシリコン窒化膜１ａ２が、赤外線センサ１の薄膜部１ａに対応している。赤外線アレイセンサ１１は、空洞１ｃおよびスリット１ｓが、赤外線センサ１における間隙１ｆに対応している。すなわち、赤外線センサ１は、薄膜部１ａがベース基板１ｂとの間で間隙１ｆを介してベース基板１ｂに支持されている。

熱型赤外線検出部１１ａの赤外線検知部１ｅは、複数個の熱電対９を電気的に直列接続してサーモパイルを構成している。赤外線検知部１ｅは、図２（ｂ）における、熱型赤外線検出部１１ａの中央部側の薄膜部１ａと空洞１ｃを囲む熱型赤外線検出部１１ａの外周部側のベース基板１ｂとに跨って形成されたｐ形多結晶シリコンからなる第１の熱電対素線９ａを有している。同様に、赤外線検知部１ｅは、図２（ｂ）における、熱型赤外線検出部１１ａの中央部側の薄膜部１ａと空洞１ｃを囲む熱型赤外線検出部１１ａの外周部側のベース基板１ｂとに跨って形成されたｎ形多結晶シリコンからなる第２の熱電対素線９ｂを有している。なお、第１および第２の熱電対素線９ａ，９ｂの材料は、多結晶シリコンだけに限られるものではなく、多結晶シリコンゲルマニウム、ビスマステルライド（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）、アンチモンテルライド（Ｓｂ_２Ｔｅ_３）などでもよい。第１および第２の熱電対素線９ａ，９ｂの材料は、一方を半導体材料とし、他方を金属材料であるＡｌまたはＡｕとしてもよい。

また、赤外線検知部１ｅは、薄膜部１ａの赤外線入射面側で第１の熱電対素線９ａの一端部と第２の熱電対素線９ｂの一端部とを電気的に接合した金属材料（たとえば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる接続部１２を有している。赤外線検知部１ｅは、ベース基板１ｂの一表面側で互いに隣り合う熱電対９の第１の熱電対素線９ａの他端部と第２の熱電対素線９ｂの他端部とが金属材料（たとえば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる配線１３で接合している。したがって、赤外線検知部１ｅは、４個の熱電対９が直列接続されたサーモパイルを構成している。赤外線検知部１ｅは、第１および第２の熱電対素線９ａ，９ｂの一端部と接続部１２とで薄膜部１ａ側の温接点Ｔ１を構成している。また、赤外線検知部１ｅは、第１および第２の熱電対素線９ａ，９ｂの他端部と配線１３とでベース基板１ｂ側の冷接点Ｔ２を構成している。したがって、本実施形態の赤外線検出装置１０では、赤外線アレイセンサ１１が複数個の赤外線検知部１ｅを備えていることになる。赤外線アレイセンサ１１は、複数個の赤外線検知部１ｅを備えた場合、被覆部２がベース基板１ｂ側に接合されているので複数個の赤外線検知部１ｅ間の性能ばらつきを抑制することもできる。

なお、接続部１２は、一対の熱電対９に対して、層間絶縁膜１ａ３に形成したコンタクトホール１ａ５を通してそれぞれ、電気的に接続させてある。赤外線アレイセンサ１１は、薄膜部１ａとなる矩形領域の四隅に、赤外線センサ薄膜部の厚み方向に貫通するスリット１ｓをベース基板１ｂの一表面側からエッチングにより形成している。スリット１ｓは、各熱電対９を熱的に分離させ熱型赤外線検出部１１ａのセンサ感度を向上させることができる。

さらに、赤外線アレイセンサ１１は、薄膜部１ａの赤外線入射面側に、赤外線センサ薄膜部の応力バランスの均一性を高めることが可能なｎ形多結晶シリコン層１１ｎおよびｐ形多結晶シリコン層１１ｐを好適に備えている。ｎ形多結晶シリコン層１１ｎやｐ形多結晶シリコン層１１ｐは、第１の熱電対素線９ａおよび第２の熱電対素線９ｂの形成時に、第１の熱電対素線９ａや第２の熱電対素線９ｂと同様に成膜などして形成することができる。

また、赤外線アレイセンサ１１は、外部への出力端子となる共通電極８ｂを備えている（図２（ａ）を参照）。赤外線アレイセンサ１１は、共通電極８ｂを複数個の熱型赤外線検出部１１ａの各々における第１の熱電対素線９ａと電気的に接続させている。同様に、赤外線アレイセンサ１１は、外部への出力端子となる個別電極８ａを備えている。赤外線アレイセンサ１１は、個別電極８ａを複数個の熱型赤外線検出部１１ａにおける第２の熱電対素線９ｂの一つと電気的に接続させている。個別電極８ａは、複数個の熱型赤外線検出部１１ａそれぞれに対応して複数個設けられている。赤外線アレイセンサ１１は、個別電極８ａと共通電極８ｂとを介して、赤外線アレイセンサ１１の外部に出力信号を出力させることができる。赤外線アレイセンサ１１は、赤外線検出装置１０のパッケージ基体５上に低融点ガラスや半田などの接合材７を用いて実装することができる。

なお、赤外線センサ１は、ダイアフラム構造だけに限られるものではない。赤外線センサ１は、図示していないがベース基板１ｂ側と熱断熱する支持部により、薄膜台座部を支持する断熱ブリッジ構造としてもよい。この場合、赤外線センサ１は、支持部を介して、ベース基板１ｂ側から薄膜台座部にかけて熱電対９を設けてもよい。

被覆部２は、空間２ａを介して赤外線センサ１の温接点Ｔ１および冷接点Ｔ２を覆うことができるものである。被覆部２は、赤外線センサ１に検知させる赤外線の波長を透過できるように赤外線透過性を有している。被覆部２は、赤外線センサ１の外部からの熱を熱伝導できるように半導体材料を用いて形成させている。被覆部２は、被覆部２の半導体材料として、Ｓｉ材料、Ｇｅ材料やＺｎＳ材料などが好適に用いられる。

被覆部２は、赤外線センサ１の外形形状などに合わせて種々の形状とすることができる。被覆部２は、たとえば、平板形状とすることができる（図３（ａ）を参照）。また、被覆部２は、平板形状だけに限られず、有底筒形状としてもよい（図３（ｂ）を参照）。被覆部２は、接合材２ｂにより、赤外線センサ１のベース基板１ｂ側と接合させることができる。接合材２ｂは、接合材２ｂの材料として、低融点ガラス、ＡｕＳｎやエポキシ樹脂などが挙げられる。赤外線検出装置１０は、低融点ガラスやＡｕＳｎなど無機材料を用いた接合材２ｂにより、被覆部２をベース基板１ｂ側に接合させた場合、空間２ａ内において有機樹脂材料などから放出されるアウトガスの影響を抑制することもできる。

赤外線センサ１は、ウエハレベルで各構成の形成を行ってから、個々の赤外線センサ１に分割するダイシンクを行うことで、複数個の赤外線センサ１を量産性よく形成することができる。したがって、赤外線検出装置１０では、赤外線センサ１と被覆部２とは、ウエハレベルパッケージ技術で形成させることもできる。

赤外線センサ１の製造方法は、図示していないが、たとえば、複数個の赤外線センサ１が形成された赤外線センサウエハと、赤外線センサ１の各々に対応する複数個の被覆部２が形成された被覆部用ウエハとを接合する。赤外線センサ１の製造方法では、赤外線センサ１が形成された赤外線センサウエハと被覆部２が形成された被覆部用ウエハとが接合されたものを分割するダイシンクを行うことで、被覆部２が接合された赤外線センサ１を量産性よく形成することができる。言い換えれば、被覆部２と被覆部２が接合される赤外線センサ１とは、複数個の赤外線センサ１が形成された赤外線センサウエハと赤外線センサ１の各々に対応する複数個の被覆部２が形成された被覆部用ウエハとが接合された接合ウエハから一体として分離することができる。

また、本実施形態の赤外線検出装置１０では、被覆部２のベース基板１ｂ側に、透過させる赤外線の波長を選択するフィルタ機能を備えた第１被膜（図示していない）を形成してもよい。同様に、赤外線検出装置１０では、被覆部２のレンズ部３側に、透過させる赤外線の反射を抑制などする第２被膜（図示していない）を形成してもよい。

フィルタとして機能する第１被膜は、たとえば、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２などの金属酸化物、ＭｇＦ_２などの金属弗化物、硫化亜鉛やＤＬＣ(Diamond-like Carbon)膜などの積層膜により形成させた誘電体多層膜により構成することができる。

同様に、赤外線の反射を抑制する第２被膜は、たとえば、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２などの金属酸化物、ＭｇＦ_２などの金属弗化物、硫化亜鉛やＤＬＣ膜などの積層膜により形成させた誘電体多層膜により構成することができる。

なお、第１被膜および第２被膜は、被覆部２の表面を保護するために設けるものでもよい。第１被膜および第２被膜は、たとえば、Ｓｉ材料、Ｇｅ材料やＺｎＳ材料などからなる被覆部２の表面を保護するＤＬＣ膜とすればよい。

また、第１被膜や第２被膜は、互いに屈折率の異なる第１層（たとえば、ゲルマニウム層）と、第２層（たとえば、硫化亜鉛層）とが交互に積層された多層光学層により構成することができる。赤外線センサ１は、人を検知するセンサとして機能させる場合、検知対象の赤外線の波長が８〜１２μｍ程度であり、検知する赤外線の中心波長を１０μｍ程度として設定すればよい。このため、被覆部２に設けられる第１被膜は、８μｍよりも波長の短い、たとえば、５μｍ以下の赤外線の反射が抑制できるように、第１層、第２層の光学膜厚、材質や積層数を適宜に設定すればよい。被覆部２は、第１被膜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第１被膜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して、赤外線センサ１の高感度化を図ることが可能となる。被覆部２は、第２被膜を設けることにより、所望の波長域の赤外線の反射を抑制して、赤外線センサ１の高感度化を図ることが可能となる。

本実施形態の赤外線検出装置１０は、被覆部２の周部に、低融点ガラスからなる接合材２ｂを用いて被覆部２をベース基板１ｂ側に接合することができる。赤外線検出装置１０は、被覆部２を赤外線センサ１に接合する接合材２ｂの材料として、低融点ガラスの代わりに、ＡｕＳｉ、半田などの無機材料を用いてもよいし、エポキシ樹脂などの有機材料を用いてもよい。

赤外線検出装置１０は、被覆部２が温接点Ｔ１および冷接点Ｔ２を囲む空間２ａの内部を減圧状態で気密封止することができる。赤外線検出装置１０は、被覆部２を用いて空間２ａを加圧状態で気密封止することにより、空間２ａの内部を揚圧（大気圧より高く）させてもよい。赤外線検出装置１０は、被覆部２を用いて、赤外線センサ１の赤外線検知部１ｅなどを曝しても実質的に影響のないガス等を加圧状態で気密封止してもよい。赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１などに実質的に影響のないガスとして、たとえば、Ａｒガスなどの希ガスや窒素ガス（Ｎ_２）などの不活性ガスが好適に挙げられる。

言い換えれば、本実施形態の赤外線検出装置１０は、被覆部２が接合された赤外線センサ１の空間２ａを気密封止することができる。これにより、赤外線検出装置１０は、被覆部２が接合された赤外線センサ１における空間２ａを閉空間として、空間２ａ内の熱分布を、より均一化することができる。また、本実施形態の赤外線検出装置１０は、被覆部２が接合された赤外線センサ１の空間２ａが減圧され真空封止することができる。赤外線検出装置１０は、被覆部２が接合された赤外線センサ１が、空間２ａに気体を封止する場合と比較して、気体を介しての熱伝達が生ずることを抑制させることができる。これにより、赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１における赤外線検出の分解能の低下をより抑制することができる。

レンズ部３は、赤外線検出装置１０の外部からの赤外線を赤外線センサ１に集光可能なものである。レンズ部３は、覆部４に設けられた開口部４ａａを閉塞可能としている。レンズ部３は、覆部４の開口部４ａａを接合材（図示していない）で気密的に封止するように接合することができる。レンズ部３は、図１に示すように、外部からの赤外線を集光して赤外線センサ１に照射する平凸レンズ形状に形成することができる。レンズ部３は、レンズ部３の形状として、平凸レンズ形状に限られず、たとえば、凹レンズ、シリンドリカルレンズ、楕円球面レンズ、フレネルレンズや回折レンズなどのレンズ形状としてもよい。

また、レンズ部３は、レンズ部３の材料として、赤外線が透過可能なＳｉ材料、Ｇｅ材料やＺｎＳ材料などの半導体材料が好適に用いられるが、これに限られない。したがって、レンズ部３は、レンズ部３の材料として、たとえば、赤外線が透過可能なポリエチレン樹脂材料などを利用することもできる。

レンズ部３は、たとえば、陽極酸化技術を応用した半導体レンズの形成方法により、レンズ部３の形状をレンズ形状に形成することができる。

より具体的には、陽極酸化技術を応用してレンズ部３となる半導体レンズを形成するため、半導体基板（たとえば、シリコン基板）とオーミック接触をなすように、半導体基板の一表面側に所望のレンズ形状に応じてパターン設計した陽極を形成する。たとえば、平凸レンズ形状のレンズ部３を形成する場合、半導体基板は、半導体基板の一表面上に陽極の基礎となる導電性層を形成した後、導電性層に円形状に開口した部位を設け半導体基板の一表面の一部が円形状に露出するようにパターニングを行う。次に、半導体基板は、半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去可能な電解液中に、半導体基板の他表面における多孔質部の形成予定領域全域が浸される。その後、半導体基板は、半導体基板の他表面側に対向配置される陰極と陽極との間に通電させ、半導体基板の他表面側に所望形状の多孔質部を酸化により形成される。続いて、半導体基板では、半導体基板に形成された多孔質部をエッチングなどにより除去される。これにより、半導体基板は、平凸レンズ形状のレンズ部３とすることができる。半導体基板は、導電性層に円形状に開口した部位を設ける代わりに、平面形状が長方形状の陽極を形成すれば、レンズ部３として平凹型のシリンドリカルレンズを形成することもできる。

なお、レンズ部３は、被覆部２と同様にして、透過させる赤外線の波長を選択するフィルタ機能を備えた第１被膜を形成してもよい。また、レンズ部３は、被覆部２と同様にして、赤外線センサ１で検知させる所定の赤外線の反射を抑制させる第２被膜を形成してもよい。

覆部４は、赤外線センサ１を覆い赤外線センサ１に赤外線を集光させるレンズ部３を備えたものである。赤外線検出装置１０の覆部４は、たとえば、金属製（たとえば、コバール製など）の蓋体に開口部４ａａが貫設されたものを用いることができる。赤外線検出装置１０は、図示していない接合材により、開口部４ａａを閉塞するように覆部４にレンズ部３を接合している。接合材は、たとえば、低融点ガラス、ＡｕＧｅやＡｕＳｎなどを用いることができる。赤外線検出装置１０は、導電性の接合材を用いて、金属製などの覆部４を電気的に接続させることで、外来ノイズに対する電磁シールド効果を持たせることもできる。覆部４は、金属製の蓋体に限られるものではなく、セラミック材料、半導体材料や樹脂材料などで形成することもできる。また、赤外線検出装置１０は、必ずしも覆部４とレンズ部３とを別体に形成させる必要もなく、覆部４とレンズ部３とが一体に形成されているものでもよい。

赤外線検出装置１０は、レンズ部３を備えた覆部４を蓋体として、覆部４と、赤外線センサ１が実装されたパッケージ基体５とを接合して気密封止することで、赤外線検出装置１０の内部を気密空間１０ａとすることができる。金属製（たとえば、コバール製など）の覆部４とセラミック製のパッケージ基体５とを気密性よく強固に接合するためには、たとえば、抵抗シーム溶接を行うことができる。そのため、パッケージ基体５は、パッケージ基体５上に覆部４と抵抗シーム溶接が可能なように、たとえば、コバールからなるシームリング（図示していない）が設けることができる。なお、赤外線検出装置１０は、抵抗シーム溶接により接合させる場合だけでなく、エポキシ樹脂などを用いて接合させてもよい。

パッケージ基体５は、たとえば、パッケージ基体５の内底面２ａａ側に赤外線センサ１が実装可能なものである。パッケージ基体５は、種々の材料から形成することができ金属材料でもよいし、半導体材料で構成してもよい。パッケージ基体５は、レンズ部３を備えた覆部４とパッケージ基体５とを気密封止して内部の空間に、不活性ガスを封入したり真空封止する場合、ガスバリア性が高いことが好ましい。パッケージ基体５は、パッケージ基体５の材料として、窒化アルミニウム、アルミナやシリカ系セラミックを用いることができる。また、パッケージ基体５は、金属材料やＳｉ材料により形成させてもよい。したがって、パッケージ基体５は、セラミック製のパッケージ基体５の構成だけに限定されず、キャンパッケージに使用されるステムでもよいし、半導体ウエハを利用するものでもよい。パッケージ基体５は、種々の形状のものを用いることができ、板状であっても有底筒状であってもよい。パッケージ基体５は、たとえば、パッケージ基体５の表面２ａａ側に赤外線センサ１と電気的に接続させる回路パターンを備えたセラミック基板を用いることができる。

半導体素子６は、赤外線センサ１と協働して赤外線センサ１からの出力信号を増幅処理などを行う。半導体素子６には、赤外線センサ１からの出力信号を増幅などする信号処理用の回路を内部に形成している。半導体素子６は、たとえば、信号処理用ＩＣチップにより構成することができる。赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１からの出力信号を半導体素子６の増幅回路（ＡＭＰ）にて増幅して外部に出力することができる。赤外線検出装置１０は、半導体素子６をパッケージ基体５上に接合材１４により接合することができる。

赤外線検出装置１０は、たとえば、ワイヤ１５ａ（たとえば、金線やアルミニウム線）などにより、赤外線センサ１のパッド１ｐと、パッケージ基体５上の配線パターン（図示していない）とを電気的に接続させている。同様に、赤外線検出装置１０は、たとえば、ワイヤ１５ｂ（たとえば、金線やアルミニウム線）などにより、半導体素子６のパッド６ｐと、パッケージ基体５上の配線パターン（図示していない）とを電気的に接続させる。赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１の出力信号をワイヤ１５ａ，１５ｂや配線パターンを介して半導体素子６で増幅させた後、赤外線検出装置１０の外部へ外部接続端子５ａ，５ｂを介して出力できるように構成することができる。

赤外線検知装置１０では、赤外線センサ１と半導体素子６とを横並びでパッケージ基体５上に配置されている場合、半導体素子６の駆動に起因する熱が、接合材１４、パッケージ基体５や接合材７などを介して赤外線センサ１に熱伝達される。また、赤外線検知装置１０は、赤外線センサ１と半導体素子６とを横並びでパッケージ基体５上に配置されている場合、半導体素子６の駆動に起因する熱が気密空間１０ａを介して赤外線センサ１に熱伝達される。本実施形態の赤外線検知装置１０では、被覆部２が赤外線センサ１に設けられていない場合と比較して、外部からの熱を被覆部２が熱伝達してベース基板１ｂ側の面内での温度差を小さくさせ、赤外線センサ１における赤外線検出の分解能の低下を抑制可能としている。

（実施形態２）
図４に示す本実施形態の赤外線検出装置１０は、実施形態１の赤外線検出装置１０における被覆部２を備えた赤外線センサ１と半導体素子６とを横並びに配置させる代わりに被覆部２を備えた赤外線センサ１を半導体素子６上に配置した点が主として相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を適宜省略している。

本実施形態の赤外線検出装置１０は、エポキシ樹脂の接合材７により、半導体素子６上に赤外線センサ１を実装している。赤外線検出装置１０は、被覆部２が接合された赤外線センサ１と半導体素子６とを別体に形成させ、接合材７を介して、赤外線センサ１と協働する信号処理用の半導体素子６上に被覆部２が接合された赤外線センサ１を直接的に実装したスタック構造としている。赤外線検出装置１０は、接合材７を用いて、赤外線センサ１を半導体素子６上に実装している。赤外線センサ１は、たとえば、導電性の接合材７やワイヤ１５ａにより、赤外線センサ１をパッケージ基体５上に予め形成させた配線パターン（図示していない）と電気的に接続させている。

また、赤外線検出装置１０は、導電性の接合材１４を用いて、パッケージ基体５上に予め形成させた配線パターン（図示していない）に半導体素子６を接着している。赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１が実装された半導体素子６と、パッケージ基体５の配線パターンとをワイヤ１５ｂによりワイヤボンディングしている。赤外線検出装置１０は、パッケージ基体５に貫設された貫通配線（図示していない）を介してパッケージ基体５の配線パターンと、外部接続端子５ａ，５ｂとを電気的に接続させている。

赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１の出力信号を半導体素子６で増幅して外部へ出力できるように、パッケージ基体５に貫設された貫通配線（図示していない）を通して、半導体素子６と、外部接続端子５ａ，５ｂとを電気的に接続させている。赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１からの出力信号を、外部接続端子５ａ，５ｂから外部に出力することができる。

本実施形態の赤外線検出装置１０では、赤外線センサ１と半導体素子６とが互いの厚み方向に離間して配置されているので、半導体素子６の発熱が赤外線センサ１に与える影響を、より低減することが可能となる。

（実施形態３）
図５に示す本実施形態の赤外線検出装置１０は、図１に示す実施形態１の赤外線検出装置１０とパッケージの構造が主として相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を適宜省略している。

本実施形態の赤外線検出装置１０は、図５に示すように、被覆部２が接合された赤外線センサ１と、赤外線センサ１の出力信号を信号処理する半導体素子６と、赤外線センサ１を覆う覆部４と、半導体素子６を覆う蓋部１６と、パッケージ基体５とを備えている。

パッケージ基体５は、赤外線センサ１がパッケージ基部５ｃの一面側に実装され半導体素子６がパッケージ基部５ｃの他面側に実装される構造としている。そのため、パッケージ基体５は、パッケージ基体５の上記一面側でパッケージ基部５ｃから突設され、被覆部２が接合された赤外線センサ１を囲む第１壁部５ｃａを備えている。また、パッケージ基体５は、パッケージ基部５ｃの上記他面側でパッケージ基部５ｃから突設され半導体素子６を囲む第２壁部５ｃｂを備えている。

パッケージ基体５は、パッケージ基部５ｃと第１壁部５ｃａとで構成される第１凹部５ａａを閉塞する覆部４を備える。また、パッケージ基体５は、パッケージ基部５ｃと第２壁部５ｃｂとで構成される第２凹部５ａｂを閉塞する蓋部１６とを備えている。パッケージ基体５は、覆部４が、赤外線センサ１での検知対象の赤外線を透過する機能を有している。

なお、覆部４は、金属板により形成され、半導体基板により形成されたレンズ部３と導電性材料（たとえば、鉛フリー半田、銀ペーストなど）からなる接合材３ａを介して接合されている。レンズ部３は、覆部４においてパッケージ基体５とは反対側に配置してあるが、これに限らず、パッケージ基体５側に配置してもよい。

また、蓋部１６は、平板状であり、外周形状が矩形状となっている。蓋部１６の材料は、赤外線および可視光を遮断する材料が好ましく、コバールなどの金属を用いることが好ましい。

本実施形態の赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１と半導体素子６とが、パッケージ基部５ｃを介して対向している。

赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１のパッド１ｐがワイヤ１５ａを介して電気的に接続される第１導体パターン１５ｄが形成され、上記他面側に、半導体素子６のパッド６ｐがワイヤ１５ｂを介して電気的に接続される第２導体パターン１５ｅが形成されている。また、パッケージ基体５は、赤外線センサ１が電気的に接続された第１導体パターン１５ｄと半導体素子６が電気的に接続された第２導体パターン１５ｅとを接続する配線１５ｆが埋設されている。パッケージ基体５は、第２壁部５ｃｂの先端面に外部接続端子５ａ，５ｂが形成されている。外部接続端子５ａ，５ｂは、配線１５ｆを介して、第２導体パターン１５ｅなどと電気的に接続されている。

本実施形態の赤外線検出装置１０では、赤外線センサ１と半導体素子６とが、パッケージ基部５ｃを介して対向している。赤外線検出装置１０は、赤外線検出装置１０の内部で赤外線センサ１と半導体素子６とがパッケージ基部５ｃの厚み方向において離れて配置されている。そのため、本実施形態の赤外線検出装置１０では、半導体素子６の発熱に起因した赤外線センサ１の分解能の低下を抑制することが可能となる。

（実施形態４）
図６に示す本実施形態の赤外線検出装置１０は、図５に示す実施形態３の赤外線検出装置１０と、覆部４およびパッケージ基体５の構造が主として相違する。なお、実施形態３と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を適宜省略している。

赤外線検出装置１０は、図６に示すように、被覆部２が接合された赤外線センサ１と、赤外線センサ１と協働する半導体素子６とを有している。赤外線検出装置１０は、赤外線センサ１と半導体素子６とが互いの厚み方向に離間して収納されたパッケージ基体５と、赤外線センサ１を覆いレンズ部３を備えた覆部４とを有している。

赤外線検出装置１０は、接合部４ｂを介して、パッケージ基体５と、覆部４とが気密的に接合されている。パッケージ基体５には、パッケージ基体５の一面側に２段の窪みが第１凹部５ａａおよび第２凹部５ａｂとして設けられている。そして、パッケージ基体５は、半導体素子６が、第２凹部５ａｂの内底面に接合材１４ｂを介して接合されている。また、パッケージ基体５は、赤外線センサ１が、第１凹部５ａａの内底面における第２凹部５ａｂの周部の全周に亘って接合材７を介して気密的に接合されている。また、赤外線検出装置１０は、パッケージ基体５と赤外線センサ１と接合材７と覆部４とで囲まれた気密空間１０ａ（以下、第１気密空間ともいう）が真空雰囲気となっている。

本実施形態の赤外線検出装置１０においては、パッケージ基体５と赤外線センサ１と接合材７とで囲まれた気密空間１０ｂ（以下、第２気密空間ともいう）が、真空雰囲気であることが好ましい。これにより、赤外線検出装置１０は、半導体素子６が真空雰囲気にあるので、半導体素子６で発生した熱が赤外線センサ１に伝わりにくくなる。赤外線検出装置１０は、第１気密空間１０ａの真空度と第２気密空間１０ｂの真空度とが略同じであることが好ましい。赤外線検出装置１０は、第１気密空間１０ａと第２気密空間１０ｂとの圧力差に起因して、接合材７の気密性が低下したり、赤外線センサ１のセンサ特性が変動することを抑制することが可能となる。

パッケージ基体５は、多層セラミック基板からなり、第１凹部５ａａの内底面に、赤外線センサ１がワイヤ１５ａを介して電気的に接続される配線（図示していない）が形成され、第２凹部５ａｂの内底面に、半導体素子６が接合材１４ｂを介して電気的に接続される配線（図示していない）が形成されている。また、パッケージ基体５には、赤外線センサ１と半導体素子６とを電気的に接続する配線（図示していない）が埋設されている。

本実施形態の赤外線検出装置１０では、赤外線検出装置１０の内部で、赤外線センサ１と半導体素子６とが、互いの厚み方向において離間して配置されている。本実施形態の赤外線検出装置１０では、半導体素子６の発熱に起因した赤外線センサ１の分解能の低下を抑制することが可能となる。

Ｔ１ 温接点
Ｔ２ 冷接点
１ 赤外線センサ
１ａ 薄膜部
１ｂ ベース基板
１ｆ 間隙
１ｅ 赤外線検知部
２ 被覆部
２ａ 空間
３ レンズ部
４ 覆部
６ 半導体素子
９ 熱電対
１０ 赤外線検出装置

Claims (5)

1. ベース基板と該ベース基板との間で間隙を介して前記ベース基板に支持される薄膜部と該薄膜部に少なくとも一部が設けられる赤外線検知部とを備えた赤外線センサと、該赤外線センサを覆い前記赤外線センサ側に赤外線を透過させるレンズ部を備えた覆部と、前記赤外線センサからの出力信号を信号処理する半導体素子とを有する赤外線検出装置であって、
   前記赤外線検知部は、複数個の熱電対を備えており、該熱電対は、前記薄膜部側において温接点を構成し前記ベース基板側において冷接点を構成しており、前記赤外線センサは、空間を介して、前記温接点および前記冷接点を覆う赤外線透過性の半導体材料からなる被覆部が前記ベース基板側に接合されていることを特徴とする赤外線検出装置。
2. 前記被覆部と該被覆部が接合された前記赤外線センサとは、複数個の前記赤外線センサが形成された赤外線センサウエハと前記赤外線センサの各々に対応する複数個の前記被覆部が形成された被覆部用ウエハとが接合された接合ウエハから一体として分離されてなることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出装置。
3. 前記赤外線センサは、複数個の前記赤外線検知部を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の赤外線検出装置。
4. 前記被覆部が接合された前記赤外線センサは、前記空間が気密封止されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
5. 前記被覆部が接合された前記赤外線センサは、前記空間が真空封止されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。

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