JP2014048109A - 遠赤外線検出装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】集光効率を保つために外乱光を遮断し、かつ電極の引き出しを基板内に持たせた小型の遠赤外線検出装置を得る。
【解決手段】遠赤外線を集光するレンズ基板群と遠赤外線を検出するセンサ基板群とを含む遠赤外線検出装置であって、レンズ基板群は、遠赤外線を集光するレンズからなるレンズ基板と、遠赤外線を吸収するスペーサ基板と、を含み、センサ基板群は、遠赤外線を検知するセンサ基板と、内部に電気配線が形成されている支持基板と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠赤外線検出装置及びその製造方法に関する。

遠赤外線は熱源である生体から放射される電磁波の一種である熱線であり、暗闇でも生体を検知することができることから、遠赤外線検出装置（以下、「遠赤外線センサ」ともいう。）には人感センサを始めとした様々なアプリケーションがある。このような遠赤外線検出装置の多くは、遠赤外線を検知するセンサと赤外線を集光するレンズとから構成される。

遠赤外線を検知するセンサとしては、多くの方式が知られており、温度変化を電圧変化として検知する焦電現象を利用した焦電型センサ、熱起電力の電圧差を検知する熱起力を利用したサーモパイル型センサ、及び温度変化による抵抗値変化を計測する抵抗値変化を利用したマイクロボロメータ等が比較的良く用いられている。

また、集光レンズには、ゲルマニウム、シリコン、カルコゲナイドガラス等様々な材料が用いられ、製作方法も数多く存在する。この遠赤外線を検知するセンサと赤外線を集光するレンズは、主に１つのパケージ部品内にそれぞれの部品が配置され、内部の空気対流を減衰させるために減圧封止されることにより、感度を大きくしていることが既に知られている。

さらに、近年、動き検知やレンジセンシングのために、遠赤外線センサの画素をライン状に複数配置したセンサも開発されている。また、高効率で小型の遠赤外線センサを実現するために、単画素センサと、単純な同心円状のレンズとの組合せによる一体構造とすることにより、集光効率の向上と小型化を両立させる技術も開発されている。

しかしながら、今までの遠赤外線検出装置は、集光効率を大きくすることと、小型化を両立することが困難であり、特に半導体プロセスの関係から、センサと同一平面状に電極を形成する必要があるため、ワイヤーボンド等の方法で電極線を引き出すことによるサイズの拡大を回避することは困難であるという問題があった。

特許文献１には、小型で低コスト化が可能な熱型赤外線検出装置を提供することを目的とし、パッケージング機能を有するウエハ上に赤外線用レンズを形成する構成が開示されている。しかしながら、上記したように、赤外線センサは、集光効率を大きくするために集光レンズとセンサ面との間の間隔を広く取る必要があり、遠赤外線検出装置のサイズの小型化を図ることができないという問題は依然として解消されていない。

特許文献２には、遠赤外線検出装置の小型化及び低コスト化を目的として、シリコンウエハを用いて形成された熱型赤外線検出素子と、その赤外線検出部を囲む形で封着されたパッケージとを備えた赤外線検出装置が開示されている。このパッケージは、シリコンウエハを用いて形成され、熱型赤外線検出素子に赤外線検出部と電気的に接続される貫通孔配線が形成され、半導体レンズ部が一体に形成されている。

特許文献２に開示された遠赤外線検出装置はレンズ一体型であり、シリンドリカルレンズを用いて複数の画素で高感度な検知を実現している。しかしながら、低価格で小型の遠赤外線検出装置を提供できたとしても、高感度な検知と認識処理とを同時に実現し、半導体プロセスの関係から、センサと同一面に電極を有するセンサ基板との導通を図りながら外部に電極を引き出し、外乱からの遮光を保持しつつウエハレベルで形成可能な遠赤外線検出装置を提供する技術は実現されていない。

そこで本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、集光効率を保つために外乱光を遮断し、かつ電極の引き出しを基板内に持たせた小型の遠赤外線検出装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明における遠赤外線検出装置は、遠赤外線を集光するレンズ基板群と前記遠赤外線を検出するセンサ基板群とを含む遠赤外線検出装置であって、前記レンズ基板群は、前記遠赤外線を集光するレンズからなるレンズ基板と、前記遠赤外線を吸収するスペーサ基板と、を含み、前記センサ基板群は、前記遠赤外線を検知するセンサ基板と、内部に電気配線が形成されている支持基板と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、遠赤外線検出センサ画素への通電を確保しながら、同時にウエハレベルで形成可能であり、外乱光を遮断することができる高効率で小型の遠赤外線検出装置及びその製造方法を得ることができる。

本発明の実施形態に係る遠赤外線検出装置の概略図であって、遠赤外線センサの中心軸に平行な平面で切断したときの断面図である。 本発明の実施形態に係る遠赤外線検出装置の製造方法について説明する図である。

次に、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化乃至省略する。

本発明は、要するに、遠赤外線を集光するレンズ基板と、遠赤外線を検知するセンサとから形成される遠赤外線検出装置において、外部から電力供給を可能とするために、基板内に電気配線を有する支持基板とセンサ基板とからなるセンサ基板群と、外乱光を遮断することが可能な材料からなるスペーサ基板と遠赤外線を集光するレンズからなるレンズ基板群とをウエハレベルで接合することにより、小型で高効率な一体型遠赤外線センサを提供することが特徴となっている。この本発明の特徴について、以下図面を用いて詳細に解説する。

最初に、本発明の実施形態に係る遠赤外線検出装置について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る遠赤外線検出装置の概略図であって、遠赤外線センサの中心軸に平行な平面で切断したときの断面図である。図１において、この遠赤外線センサ１００は、レンズ基板群１０１とセンサ基板群１０２との２つの部分から構成される。

まず、レンズ基板群１０１から説明する。レンズ基板群１０１は、レンズ基板１１１とスペーサ基板１２１とからなる。レンズ基板１１１は、波長８μｍから１２μｍの遠赤外線に透明な材料であるシリコン、ゲルマニウム、カルコゲナイドガラス等から形成され、遠赤外線が入射する表面と、遠赤外線が出射する裏面にレンズが形成されている。図１では、表面に凸レンズ、裏面に凹レンズが形成され、１ｍｍ以下の基板厚に対しても、外部から入射してきた遠赤外線（以下、「遠赤外光」ともいう。）が、遠赤外線センサ画素１３３上に集光されるように設計されている。

これらのレンズは基本的に球面レンズであるが、非球面等を取り入れて、ある程度収差を取り除くことも可能である。このようなレンズは、半導体プロセスを用いたリソグラフィーとエッチングによって形成可能である。特に、シリコンのようなドライエッチング技術が確立している材料であれば、ある程度の形状を再現することが可能となる。さらに、カルコゲナイドガラス等のガラス材料であれば、型を用いた成型方法も採用可能であり、より設計値に対する再現性を持たせることが可能となる。

スペーサ基板１２１は遠赤外線を吸収する材料で形成されており、ここでは、コスト面と加工の容易さから、ガラス又は石英で形成することを想定している。スペーサ基板１２１にはカメラの瞳に相当する孔１２２が形成されており、ここを透過する遠赤外線のみが遠赤外線センサ画素１３３に届くようにしてある。

また、スペーサ基板１２１の厚みは、典型的なガラス基板であれば、０．５ｍｍから１ｍｍ程度であり、レンズの厚みと合わせて１ｍｍから２ｍｍ程度の厚みを持たせることが可能であるため、レンズのみで形成される短い焦点距離による集光性能の限界を打破することができる。さらに、構造を殆ど有しないスペーサの厚み調整により、レンズの焦点距離の調整が可能であるという点もメリットがある。

次に、このスペーサ基板１２１の作成方法について以下説明する。まず、ガラス基板を研磨することによって高さを調整する。その後、矩形状孔を有する金属マスクを近接させて配置し、金属マスク面から微粒子を照射することにより孔１２２を形成する。孔のサイズは０．５ｍｍ角程度であるために、この方法で形成可能である。

さらに、この孔１２２の部分の接合面とは無関係な側面又は表面部分には、ゲッターと呼ばれるガス吸着剤層１２３を形成しておく。このスペーサ基板１２１により、レンズ基板１１１以外から入射された光は遠赤外線センサ画素１３３までには到達せず、外乱光を遮断でき、さらに封止後のガスの発生を抑制する効果も有する。

次に、センサ基板群１０２について説明する。センサ基板群１０２は、遠赤外線センサ基板１３１と支持基板１４１とが接合されたものからなる。遠赤外線センサ基板１３１には、基本的にサーモパイル構造やダイオード構造といった遠赤外線が照射されると電気信号を出力する電子回路が形成されている。この技術は既に実用化されており、この技術を採用することは、技術的にも比較的容易である。

遠赤外線センサ基板１３１の表面には、回路が形成される回路形成層１３２があり、そこに電子回路等が形成されている。遠赤外線センサ画素１３３は、回路形成層１３２に形成された画素であり、熱伝導を調整するために図示しない梁によって架空構造となっている。遠赤外線センサ画素１３３は、リソグラフィーとエッチングによる一般的な電子回路の回路形成技術によって形成することができる。また、架空構造も、リソグラフィーとドライエッチングによって形成することが可能であり、この遠赤外線センサ基板１３１を形成するのに技術的な困難さは殆どない。

支持基板１４１は、内部に電気配線構造を有する基板から形成されている。遠赤外線センサ基板１３１との電気的なコンタクトを取る部分１４２は、スタッドバンプ等から形成される。支持基板１４１内の配線１４３は、遠赤外線センサ基板１３１と電気的に接触する内部電気コンタクト１４２と、外部に電気信号を伝達する外部電気コンタクト１４４との導通を可能にしている。

外部電気コンタクト１４４の部分にはバンプ等が形成され、遠赤外線を検知したことを示す電気信号を処理する基板との接続に利用される。小型の電子回路であるので、主としてリフロー等の工程に適しており、このようなバンプが用いられている。この支持基板１４１は、貫通電極を形成したシリコン基板や、セラミックス基板で実現することができる。このような構造とすることにより、外部からの電力供給を可能としながら、外乱光を遮断可能な小型の遠赤外線センサを提供することができる。

次に、本発明の実施形態に係る遠赤外線検出装置の製造方法について説明する。図２は、本発明の実施形態に係る遠赤外線検出装置の製造方法について説明する図である。遠赤外線によって加熱されるセンサ部分、すなわち遠赤外線センサ画素１３３がある空洞は、少なくとも１０Ｐａ以下に減圧する必要がある。減圧されていないと、内部ガスの対流によって熱が遠赤外線センサ基板１３１の側面から放出されてしまうからである。

減圧封止方法には、ガラスフリット接合、陽極接合、シリコン直接接合、ポリマー又は金属を用いた接合等様々あるが、ガラスフリット接合と陽極接合とが実績のある接合方法である。そこで、本発明の実施形態に係る遠赤外線センサでは、ガラスフリット接合と陽極接合とを用いてレンズ基板群１０１とセンサ基板群１０２とを形成する。

まず、レンズ基板群１０１は、レンズ基板１１１とスペーサ基板１２１とをガラスフリット接合によってウエハ同士を接合する。このガラスフリット接合は、４５０℃程度まで過熱して接合剤を溶かして封止する方法であり、減圧封止に良く用いられる方法である。加熱温度が高いため、センサ面との接合に使用することはできないが、このようなレンズ基板群１０１を形成するには容易に用いることができ、精度も高い接合法である。

一方、センサ基板群１０２は、遠赤外線センサ基板１３１と支持基板１４１とを陽極接合（１）で形成する。このとき、支持基板１４１はガラス剤を含んでいる素材を用いた基板を用いる。この陽極接合も、減圧封止方法として良く用いられる接合方法である。

最後に、レンズ基板群１０１とセンサ基板群１０２との接合は、スペーサ基板１２１がガラス材料であるので、陽極接合（２）によって接合する。陽極接合は、４００℃程度の過熱で接合可能であるため、電子回路に与える影響は少なくて済む。このような製造方法を用いることによって、レンズ基板群１０１とセンサ基板群１０２との２つの部分から構成される構造を採用することで、外部からの電力供給を可能としながら、外乱光を遮断可能な小型の遠赤外線センサ１００を実現することができるのである。

以上説明したように、本発明では、遠赤外線検出センサ画素へ電力を供給しながらパッケージングを実現するために、基板内に電気配線を有する支持基板を用いている。その支持基板と遠赤外線センサ基板とを接合することにより、外部からの電力供給が可能なセンサ基板群が形成される。一方、遠赤外線を集光するレンズ形状が形成されているレンズ基板と、遠赤外線を吸収する材料で形成されたスペーサ基板とを接合することにより、レンズ基板群が形成される。

このセンサ基板群とレンズ基板群とを真空中で減圧接合し、チップに切断することにより、外部からの電力供給を可能としながら、外乱光を遮断することができる小型の遠赤外線検出装置及びその製造方法を得ることが可能となった。

以上、本発明の好適な実施形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に定義された本発明の広範囲な趣旨及び範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正及び変更が可能である。

１００ 遠赤外線検出装置
１０１ レンズ基板群
１０２ センサ基板群
１１１ レンズ基板
１２１ スペーサ基板
１２２ 孔
１２３ ガス吸着剤層
１３１ 遠赤外線センサ基板
１３２ 回路形成層
１３３ 遠赤外線センサ画素
１４１ 支持基板
１４２ 内部電気コンタクト
１４３ 配線
１４４ 外部電気コンタクト

特開平０８−３２７４４８号公報 特開２００７−１７１１７０号公報

Claims (6)

1. 遠赤外線を集光するレンズ基板群と前記遠赤外線を検出するセンサ基板群とを含む遠赤外線検出装置であって、
   前記レンズ基板群は、
   前記遠赤外線を集光するレンズからなるレンズ基板と、前記遠赤外線を吸収するスペーサ基板と、を含み、
   前記センサ基板群は、
   前記遠赤外線を検知するセンサ基板と、内部に電気配線が形成されている支持基板と、を含むことを特徴とする遠赤外線検出装置。
2. 前記レンズ基板は、前記遠赤外線が入射する面と、前記遠赤外線が出射する面とにレンズが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の遠赤外線検出装置。
3. 前記スペーサ基板は、前記遠赤外線が透過する孔を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の遠赤外線検出装置。
4. 前記センサ基板は、前記遠赤外線が照射されると電気信号を出力する回路が形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の遠赤外線検出装置。
5. 前記支持基板は、前記センサ基板と電気的に接触する内部接触部と、外部に電気信号を伝達する外部接触部と、前記内部接触部と外部接触部とを導通する配線と、を含むことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の遠赤外線検出装置。
6. 遠赤外線検出装置の製造方法であって、
   遠赤外線を集光するレンズからなるレンズ基板と、前記遠赤外線を吸収するスペーサ基板とをガラスフリット接合により接合する第１工程と、
   前記遠赤外線を検知するセンサ基板と、内部に電気配線が形成されている支持基板とを第１の陽極接合により接合する第２工程と、
   前記第１工程により形成されたレンズ基板群と、前記第２工程により形成されたセンサ基板群とを、第２の陽極接合により接合する第３工程と、
   を含むことを特徴とする製造方法。

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