JP2014175605A - 受光センサ及び受光センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造効率の向上を図った上で、長期に亘って気密性を維持できる受光センサ及び受光センサの製造方法を提供する。
【解決手段】互いに接合されたベース部材１２及びリッド部材１３を有するパッケージ１４と、ベース部材１２及びリッド部材１３との間に形成されたキャビティＣ内に収納された受光素子１５と、リッド部材１３のうち、受光素子１５と対向する部分に配設され、パッケージ１４内に光を透過させるレンズ部３１と、を備え、レンズ部３１は、リッド部材１３の形成材料よりも融点の高い材料により形成されるとともに、リッド部材１３に埋設されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、受光センサ及び受光センサの製造方法に関する。

従来から、赤外線や可視光等、外部の光を受光（検出）して、その検出結果を電気信号に変換して出力する受光センサが知られている。この種の受光センサのうち、赤外線を検出する赤外線センサとして、下記特許文献１に示されるようなパッケージ型の赤外線センサが知られている。

パッケージ型の赤外線センサは、凹部を有するベース部材と、この凹部を閉塞するリッド部材と、が接合されたパッケージを備えている。
ベース部材の凹部内には、赤外線を受光する受光素子が収納されている。一方、リッド部材のうち、受光素子と対向する部分には開口部が形成され、この開口部を閉塞するようにレンズ部が配設されている。レンズ部は、例えば平凸状とされ、その外周部分が導電性接着剤等の接合材料によりリッド部材の内面に接合されている。
このように構成された赤外線センサでは、レンズ部に入射した赤外線が、レンズ部で集光された後、受光素子で受光されるようになっている。

特開２０１１−２７６４２号公報

ところで、上述した赤外線センサでは、熱対流や熱伝導による検出精度（感度）の低下を抑制するために、パッケージ内を真空封止することが望まれている。
しかしながら、上述した特許文献１の構成では、レンズ部とリッド部材とが別途の接合材料を用いて接合されているため、レンズ部とリッド部材との間を完全に塞ぐのが困難であり、パッケージ内の気密性を長期に亘って確保することが難しい。

また、上述した特許文献１の構成では、リッド部材にレンズ部を接合した後、リッド部材とベース部材とを１枚ずつ接合する必要があるため、製造効率が悪いという問題もある。

本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、製造効率の向上を図った上で、長期に亘って気密性を維持できる受光センサ及び受光センサの製造方法を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を提供する。
（１）本発明に係る受光センサは、互いに接合されたベース部材及びリッド部材を有するパッケージと、前記ベース部材及び前記リッド部材との間に形成されたキャビティ内に収納された受光素子と、前記リッド部材のうち、前記受光素子と対向する部分に配設され、前記パッケージ内に光を透過させる光透過部材と、を備え、前記光透過部材は、前記リッド部材の形成材料よりも融点の高い材料により形成されるとともに、前記リッド部材に埋設されていることを特徴としている。

この構成によれば、リッド部材の融点以上であって、光透過部材の融点未満の温度範囲でリッド部材を加熱して、リッド部材のみを溶融させた状態とすることで、リッド部材内に光透過部材を埋め込むことができる。この場合、光透過部材をリッド部材内に直接固着させることができるので、従来のように別途の接合材料等を用いて光透過部材とリッド部材とを接合する構成に比べて光透過部材とリッド部材との間の気密性を高めることができる。したがって、パッケージ内の気密性を長期に亘って確保することができるとともに、パッケージ内と外部との熱絶縁を行うことができるので、高精度な受光センサを提供することができる。
また、溶融したリッド部材内に光透過部材を埋め込むので、従来のようにリッド部材に対して光透過部材を１つずつ接合する場合と異なり、複数のリッド部材が形成されたリッドウエハに複数の光透過部材を一括して埋め込むことができる。すなわち、ウエハレベルでの作業を実現できるので、低コスト化及び製造効率の向上を図ることができる。

（２）上記本発明に係る受光センサにおいて、前記光透過部材は、両凸のレンズ形状とされていてもよい。
この構成によれば、両凸のレンズ形状とされた光透過部材を採用することで、集光効率（画角）を向上させ、受光センサの更なる感度向上を図ることができる。

（３）上記本発明に係る受光センサにおいて、前記光透過部材は、前記リッド部材に直接接合されていてもよい。
この構成によれば、光透過部材をリッド部材内に直接接合することで、従来のように別途の接合材料等を用いて光透過部材とリッド部材とを接合する構成に比べて光透過部材とリッド部材との間の気密性を確実に高めることができる。

（４）本発明に係る受光センサの製造方法は、互いに接合されたベース部材及びリッド部材を有するパッケージ内に受光素子が収納された受光センサの製造方法であって、前記リッド部材の形成材料よりも融点の高い材料により形成されるとともに、前記パッケージ内に光を透過させる光透過部材を前記リッド部材に埋設する埋め込み工程を有し、前記埋め込み工程では、前記リッド部材の融点以上であって、前記光透過部材の融点未満の温度範囲で前記リッド部材を加熱しつつ、前記光透過部材を前記リッド部材に向けて押圧し、前記光透過部材を前記リッド部材内に埋設することを特徴としている。
この構成によれば、埋め込み工程において、リッド部材の融点以上であって、光透過部材の融点未満の温度範囲でリッド部材を加熱することで、光透過部材を溶融させずにリッド部材のみを溶融させた状態とすることができる。この状態で、光透過部材をリッド部材に向けて押圧することで、リッド部材内に光透過部材を埋め込むことができる。
この場合、光透過部材をリッド部材内に直接固着させることができるので、従来のように別途の接合材料等を用いて光透過部材とリッド部材とを接合する構成に比べて光透過部材とリッド部材との間の気密性を高めることができる。したがって、パッケージ内の気密性を長期に亘って確保することができるとともに、パッケージ内と外部との熱絶縁を行うことができるので、高精度な受光センサを提供することができる。
また、溶融したリッド部材内に光透過部材を埋め込むので、従来のようにリッド部材に対して光透過部材を１つずつ接合する場合と異なり、複数のリッド部材が形成されたリッドウエハに複数の光透過部材を一括して埋め込むことができる。すなわち、ウエハレベルでの作業を実現できるので、低コスト化及び製造効率の向上を図ることができる。

（５）本発明に係る受光センサの製造方法において、前記埋め込み工程の前に、前記リッド部材に前記光透過部材をセットするための位置決め部を形成する位置決め部形成工程と、前記位置決め部に前記光透過部材をセットするセット工程と、を有していてもよい。
この構成によれば、リッド部材に位置決め部を形成しておくことで、リッド部材に対するレンズ部の位置決めを高精度に行うことができる。その結果、寸法精度に優れた受光センサを提供できる。

本発明によれば、低コスト化及び製造効率の向上を図った上で、長期に亘って気密性を維持できる。

赤外線センサの斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 ベースウエハ作成工程を説明するための工程図であって、図５のＢ−Ｂ線に相当する断面図である。 リッドウエハ作成工程を説明するための工程図であって、図５のＢ−Ｂ線に相当する断面図である。 （ａ）は個片化工程前におけるウエハ接合体の斜視図であり、（ｂ）は個片化工程中におけるウエハ接合体の斜視図である。 図５（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 位置決め部形成工程の他の方法を説明するための工程図であって、図４（ｃ）に相当する断面図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態では、本発明の受光センサを赤外線センサに適用した場合を例にして説明する。
［赤外線センサ］
図１は赤外線センサの斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図１、図２に示すように、本実施形態の赤外線センサ（受光センサ）１１は、ベース部材１２と及びリッド部材１３が接合された箱型のパッケージ１４と、パッケージ１４のキャビティＣ内に収納された受光素子１５と、を備えている。

ベース部材１２は、例えばシリコンや、ガラス（ソーダ石灰ガラス）、樹脂材料等からなる板状とされている。図２に示すように、ベース部材１２の上面２１（図２中上面）には、受光素子１５が収納される凹部２２が形成されている。凹部２２は、ベース部材１２及びリッド部材１３が重ね合わされたときに、受光素子１５を収納するキャビティＣを形成する。

受光素子１５は、赤外線を検出し、その検出結果を電気信号に変換して出力するものであり、凹部２２底面に形成された図示しない一対のマウント電極を介して実装されている。なお、本実施形態の受光素子１５としては、例えば熱起電力効果や焦電効果、熱電対効果等、赤外線を熱として検出する熱型タイプや、光起電力効果や光導電効果、光電子放出効果等、赤外線の光の性質を検出に利用した量子型タイプ等、適宜選択することが可能である。

また、ベース部材１２のうち、凹部２２底面に位置する部分には、ベース部材１２の厚さ方向に貫通して上述した凹部２２内に連通する一対の貫通孔２５が形成されている。そして、これら貫通孔２５内には、それぞれ貫通電極２６が配設されている。貫通電極２６は、貫通孔２５それぞれを埋めるように配設された柱状とされ、その一端部が凹部２２内に露出し、他端部がベース部材１２の下面２７で外部に露出している。

各貫通電極２６の一端部は、凹部２２内において各マウント電極を介して上述した受光素子１５に電気的に接続されている。一方、各貫通電極２６の他端部は、ベース部材１２の下面２７に形成された図示しない一対の外部電極にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、赤外線センサ１１から出力される電気信号が、貫通電極２６や外部電極を介して外部機器に出力されるようになっている。

リッド部材１３は、ガラス（ソーダ石灰ガラス）やサファイア、樹脂材料等からなり、平面視外形がベース部材１２と同形同大とされた板状とされている。リッド部材１３は、プラズマ活性化接合や陽極接合等によりベース部材１２の上面２１に接合され、ベース部材１２の凹部２２を閉塞している。そして、リッド部材１３がベース部材１２に接合されることで、上述したキャビティＣ内が真空封止されている。

ここで、リッド部材１３のうち、厚さ方向で上述した受光素子１５（凹部２２）と対向する部分には、レンズ部（光透過部材）３１が埋設されている。レンズ部３１は、シリコンやゲルマニウム、樹脂材料等、赤外線を透過可能で、かつ上述したリッド部材１３よりも融点の高い材料により形成されている。そして、レンズ部３１は、後述する製造工程において、リッド部材１３を溶融させた状態でリッド部材１３内に埋め込まれる。

具体的に、レンズ部３１は、径方向の外周部分から中央部に向かうに従い漸次厚さが増加する両凸状とされ、その光軸方向がリッド部材１３の厚さ方向に一致するように配設されている。この場合、レンズ部３１のうち、外周縁及び両面の外周部分が全周に亘ってリッド部材１３内に固着されるとともに、両面の中央部がリッド部材１３の両面から突出した状態で配置されている。

このように構成された赤外線センサ１１においては、レンズ部３１に入射した赤外線は、レンズ部３１で集光された後、キャビティＣ内に進入してキャビティＣ内の受光素子１５で受光される。そして、受光素子１５が赤外線を受光することで、その検出結果を電気信号に変換して外部に向けて出力するようになっている。

［赤外線センサの製造方法］
次に、上述した赤外線センサの製造方法について説明する。以下には、複数のベース部材１２が連なるベースウエハ５１（図３参照）と、複数のリッド部材１３が連なるリッドウエハ５２（図４参照）との間に複数の受光素子１５を収納してウエハ接合体５３（図５参照）を形成し、このウエハ接合体５３を切断することにより、複数の赤外線センサ１１を同時に製造する方法について説明する。なお、図３以降に示す鎖線Ｍは、後述する個片化工程で切断する際の切断線を示している。
本実施形態の赤外線センサ１１の製造方法は、ベースウエハ作成工程と、リッドウエハ作成工程と、組立工程と、を主に有している。そのうち、ベースウエハ作成工程と、リッドウエハ作成工程とは並行して行うことが可能である。

＜ベースウエハ作成工程＞
図３はベースウエハ作成工程を説明するための工程図であって、図５（ａ）のＢ−Ｂ線に相当する断面図である。
まず、図３（ａ）に示すように、ガラス等からなるベースウエハ５１を用意する。
次に、図３（ｂ）に示すように、ベースウエハ５１のうち、赤外線センサ１１（パッケージ１４）の形成領域毎に一対の貫通電極２６、及び凹部２２を形成する（貫通電極及び凹部形成工程）。なお、凹部２２は、ベースウエハ５１の上面５１ａ側から押し型によりプレス加工を施すことで形成することができる。また、貫通電極２６は、凹部形成前に形成しても、凹部形成後に形成しても構わない。

続いて、図３（ｃ）に示すように、ベースウエハ５１の各凹部２２内に受光素子１５を実装する（実装工程）。具体的には、各凹部２２底面に露出する貫通電極２６上に、図示しないマウント電極を介して受光素子１５を実装する。
以上により、ベースウエハ作成工程が終了する。

＜リッドウエハ作成工程＞
図４はリッドウエハ作成工程を説明するための工程図であって、図５（ａ）のＢ−Ｂ線に相当する断面図である。
図４（ａ）に示すように、ガラス等からなるリッドウエハ５２を用意する。
次に、図４（ｂ）に示すように、リッドウエハ５２のうち、レンズ部３１（図４（ｃ）参照）の配置領域毎にレンズ位置決め部５５を形成する（位置決め部形成工程）。具体的には、リッドウエハ５２を軟化点（融点より低い温度（例えば、融点の半分程度）であって、リッドウエハ５２が軟化し始める温度）以上に加熱した状態で、プレス加工等を施すことで、レンズ部３１の配置領域に凹状のレンズ位置決め部５５を形成することができる。なお、リッドウエハ５２として、ソーダ石灰ガラスを採用した場合、軟化点は１０００℃程度である。

続いて、図４（ｃ）に示すように、リッドウエハ５２をレンズ組付治具５６上に載置するとともに、上述した各レンズ位置決め部５５上にレンズ部３１をそれぞれセットする（レンズセット工程）。
レンズ組付治具５６は、板状とされ、その上面にリッドウエハ５２が載置可能となっている。また、レンズ組付治具５６のうち、リッドウエハ５２におけるレンズ部３１の配置領域に対応する部分には、厚さ方向に窪んだ収容凹部５７が形成されている。収容凹部５７は、リッドウエハ５２に埋め込まれるレンズ部３１の一部を収容するものである。なお、図示の例では、収容凹部５７の平面視外形は、上述したレンズ位置決め部５５よりも大きく、かつレンズ部３１よりも小さく形成されている。

レンズセット工程では、まずリッドウエハ５２のレンズ位置決め部５５が上方を向いた状態で、リッドウエハ５２を上述したレンズ組付治具５６上に載置する。このとき、リッドウエハ５２及びレンズ組付治具５６それぞれに形成された図示しないアライメントマークを指標として、各レンズ位置決め部５５と、レンズ組付治具５６の収容凹部５７と、が厚さ方向で重なるようにリッドウエハ５２を載置する。
そして、レンズ部３１の光軸方向と、リッドウエハ５２の厚さ方向と、を一致させた状態で、レンズ部３１の下面中央部がレンズ位置決め部５５内に収まるようにレンズ部３１をセットする。

次に、図４（ｄ）に示すように、リッドウエハ５２上にセットされたレンズ部３１をリッドウエハ５２に埋め込む（埋め込み工程）。具体的には、まずリッドウエハ５２を融点（例えば、ソーダ石灰ガラスの場合は１０００℃程度）以上であって、レンズ部３１の融点（例えば、シリコンの場合は１４００℃程度）未満の温度範囲で加熱して、リッドウエハ５２を溶融させる。このとき、レンズ部３１は、上述したようにリッドウエハ５２（リッド部材１３）よりも融点が高い材料により形成されているため、レンズ部３１は溶融せずにリッドウエハ５２のみが溶融する。

この状態で、図示しない押圧機構等によりレンズ部３１をリッドウエハ５２の厚さ方向（下方）に向けて押し込むと、レンズ部３１がリッドウエハ５２内に入り込んでいく。そして、レンズ部３１の一部（下面）がリッドウエハ５２を貫通した後、レンズ組付治具５６の収容凹部５７内に収容された時点でレンズ部３１の押し込みを停止する。
その後、リッドウエハ５２を冷却して、リッドウエハ５２を硬化させることで、レンズ部３１が埋設されたリッドウエハ５２を作成することができる。
以上により、リッドウエハ作成工程が終了する。

＜組付工程＞
図５（ａ）は個片化工程前におけるウエハ接合体の斜視図であり、図５（ｂ）は個片化工程中におけるウエハ接合体の斜視図である。また、図６は図５（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
次に、図５（ａ）、図６に示すように、上述したベースウエハ５１及びリッドウエハ５２同士を接合する接合工程を行う。具体的には、まず減圧雰囲気下または不活性ガス雰囲気下に保持されたチャンバー内に、上述したベースウエハ５１とリッドウエハ５２とを搬送する。そして、ベースウエハ５１及びリッドウエハ５２それぞれに形成された図示しないアライメントマークを指標として、両ウエハ５１，５２を重ね合わせる。これにより、ベースウエハ５１に実装された各受光素子１５が、ベースウエハ５１の各凹部２２とリッドウエハ５２とで囲まれるキャビティＣ内に収納され、かつリッドウエハ５２に埋設された各レンズ部３１が各受光素子１５（凹部２２）と対向した状態となる。
そして、各ウエハ５１，５２を陽極接合やプラズマ活性化接合等により接合することで、ベースウエハ５１とリッドウエハ５２とが接合したウエハ接合体５３を得ることができる。

その後、図５（ｂ）、図６に示すように、上述したウエハ接合体５３をパッケージ１４（赤外線センサ１１）ごとに個片化する個片化工程を行う。具体的には、ダイシングやステルスダイシング等を用いて、切断線Ｍに沿ってウエハ接合体５３を切断する。
すると、ウエハ接合体５３が赤外線センサ１１の形成領域毎に切り出されることで、１枚のウエハ接合体５３から複数の赤外線センサ１１を同時に作成することができる。

このように、本実施形態では、レンズ部３１がリッド部材１３よりも融点の高い材料により形成されるとともに、リッド部材１３に埋設される構成とした。
この構成によれば、リッド部材１３を、その融点以上であって、レンズ部３１の融点未満の温度範囲で加熱して、リッド部材１３のみを溶融させた状態とすることで、リッド部材１３内にレンズ部３１を埋め込むことができる。この場合、レンズ部３１をリッド部材１３内に直接固着させることができるので、従来のように別途の接合材料等を用いてレンズ部３１とリッド部材１３とを接合する構成に比べてレンズ部３１とリッド部材１３との間の気密性を高めることができる。したがって、パッケージ１４内の気密性を長期に亘って確保することができるとともに、パッケージ１４内と外部との熱絶縁を行うことができるので、高精度な赤外線センサ１１を提供することができる。

また、溶融したリッド部材１３内にレンズ部３１を埋め込むので、従来のようにリッド部材１３に対してレンズ部３１を１つずつ接合する場合と異なり、複数のリッド部材１３が形成されたリッドウエハ５２に複数のレンズ部３１を一括して埋め込むことができる。すなわち、ウエハレベルでの作業を実現できるので、低コスト化及び製造効率の向上を図ることができる。

さらに、本実施形態では、両凸形状のレンズ部３１を採用することができるので、集光効率（画角）を向上させ、赤外線センサ１１の更なる感度向上を図ることができる。
また、リッドウエハ５２にレンズ位置決め部５５を形成しておくことで、リッドウエハ５２に対するレンズ部３１の位置決めを高精度に行うことができる。その結果、寸法精度に優れた赤外線センサ１１を提供できる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、本発明の受光センサを赤外線センサ１１に適用した場合について説明したが、これに限らず、種々の受光センサに適用することができる。例えば可視光を受光して、その検出結果に基づいて電気信号を出力する照度センサ等に適用することが可能である。

また、上述した実施形態では、本発明の光透過部材を両凸状のレンズ部３１とした場合について説明したが、光透過可能な構成であれば、凸レンズ以外の種々のレンズ形状に設計変更が可能である。また、集光や発散の機能を有さない構成、すなわち両面が平坦面とされ、光透過可能な窓としても構わない。
また、上述した実施形態では、ベース部材１２に凹部２２を形成する構成について説明したが、ベース部材１２とリッド部材１３との間にキャビティＣが形成されていれば、リッド部材１３に凹部が形成されていても、ベース部材１２及びリッド部材１３の両方に凹部が形成されていても構わない。

さらに、上述した実施形態では、リッドウエハ５２のレンズ位置決め部５５として、凹状としたが、リッドウエハ５２の所望の位置にレンズ部３１をセット可能であれば、適宜設計変更が可能である。
例えば、単なるマーク等であってもよく、また図７に示すように、リッドウエハ５２を貫通する貫通孔６０でも構わない。この場合においても、各貫通孔６０（レンズ位置決め部）にレンズ部３１を配置した後、埋め込み工程を行うことで、上述した作用効果と同様の作用効果を奏することができる。

特に、レンズ位置決め部を貫通孔６０とすることで、上述した埋め込み工程においてリッドウエハ５２にレンズ部３１を貫通させた際、溶融したリッドウエハ５２の形成材料がレンズ部３１の下面等に付着するのを抑制できる。
なお、貫通孔６０は、その開口縁によってレンズ部３１の外周部分が保持される程度の内径とすることが好ましい。これにより、貫通孔６０からレンズ部３１の脱落を防止した上で、リッドウエハ５２に対するレンズ部３１の位置決めを高精度に行うことができる。
また、レンズ位置決め部５５やレンズ組付治具５６の収容凹部５７はテーパ状としても構わない。

また、レンズ部３１の外周縁（コバ面）に凹凸を形成しても構わない。これにより、リッド部材１３との接触面積を向上させ、レンズ部３１とリッド部材１３との固着強度を向上できる。
さらに、ベース部材１２の凹部２２内に複数の受光素子１５をアレイ状に配列しても構わない。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した各変形例を適宜組み合わせてもよい。

１１…赤外線センサ（受光センサ） １２…ベース部材 １３…リッド部材 １４…パッケージ １５…受光素子 ３１…レンズ部（光透過部材） ５５…レンズ位置決め部（位置決め部） ６０…貫通孔（位置決め部）

Claims (5)

1. 互いに接合されたベース部材及びリッド部材を有するパッケージと、
   前記ベース部材及び前記リッド部材との間に形成されたキャビティ内に収納された受光素子と、
   前記リッド部材のうち、前記受光素子と対向する部分に配設され、前記パッケージ内に光を透過させる光透過部材と、を備え、
   前記光透過部材は、前記リッド部材の形成材料よりも融点の高い材料により形成されるとともに、前記リッド部材に埋設されていることを特徴とする受光センサ。
2. 前記光透過部材は、両凸のレンズ形状とされていることを特徴とする請求項１記載の受光センサ。
3. 前記光透過部材は、前記リッド部材に直接接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の受光センサ。
4. 互いに接合されたベース部材及びリッド部材を有するパッケージ内に受光素子が収納された受光センサの製造方法であって、
   前記リッド部材の形成材料よりも融点の高い材料により形成されるとともに、前記パッケージ内に光を透過させる光透過部材を前記リッド部材に埋設する埋め込み工程を有し、
   前記埋め込み工程では、前記リッド部材の融点以上であって、前記光透過部材の融点未満の温度範囲で前記リッド部材を加熱しつつ、前記光透過部材を前記リッド部材に向けて押圧し、前記光透過部材を前記リッド部材内に埋設することを特徴とする受光センサの製造方法。
5. 前記埋め込み工程の前に、前記リッド部材に前記光透過部材をセットするための位置決め部を形成する位置決め部形成工程と、
   前記位置決め部に前記光透過部材をセットするセット工程と、を有していることを特徴とする請求項４記載の受光センサの製造方法。

Images