JP2016017794A - 光学センサとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学センサにおいて、バラツキが少なく、所望のセンサ視野角を得ることができる。【解決手段】光学面を有する第１の層（１３）と、センサ部（１０）とを有する第２の層（１）と、第２の層（１）と接合され第２の層（１）に対し第１の層（１３）と逆側に位置する第３の層（１６）とを備える光学センサの製造方法において、第２の層（１）と第３の層（１６）とを接合する接合工程と、接合工程の後、第２の層（１）の一面を研磨する研磨工程と、研磨工程の後、第２の層（１）に光を通過させる貫通孔（１２）を設ける工程とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば赤外線センサなどの光学センサとその製造方法に関する。

近年、ボロメータ、サーモパイル、ダイオード等を使用した非冷却型の熱型赤外線アレイセンサ、熱型赤外線ラインセンサ等の光学センサの開発、実用化が盛んに行われている（例えば、特許文献１及び２参照）。

これらのセンサは、中赤外から遠赤外の波長帯に感度を有するため、自動車向けの暗視カメラや、セキュリティ機器向けの人体検知センサ、電気電子機器の節電を目的とした人体検知センサ等に幅広く用いられている。これらの熱型赤外線センサは、主に赤外線吸収層と断熱構造体と温度センサの三つの要素から構成され、断熱構造体上に赤外線吸収層と温度センサを形成する構成が一般的である。断熱構造体は、ＭＥＭＳ（Micro-Electro Mechanical Systems）プロセス等により形成したブリッジ構造体やダイアフラム構造体などが一般的であり、この断熱構造体によって微弱な赤外線に対して十分な感度を得ることができる。また、これらのセンサをレンズと組み合わせて用いることにより、画角や検出範囲を調整し、様々なアプリケーションに適用されている。

図３Ａは第１の従来例に係る裏面照射型の赤外線センサの縦断面図である。また、図３Ｂは図３Ａの赤外線センサの平面図である。なお、図３Ａは図３ＢのＡ−Ａ’線についての縦断面図である。

図３Ａにおいて、センサ基板１上に、断熱構造体２と赤外線吸収部３と温度センサ部４が形成されている。断熱構造体２は赤外線センサの感度を高める目的で、センサ基板１との熱絶縁性を向上するために形成されており、断熱構造体２の下部の基板はＩＣＰ（Inductive Coupling Plasma）エッチング等の方法を用いて除去されている。赤外線吸収部３は赤外線を吸収する材料からなる薄膜で、断熱構造体２上に形成される。図３Ａでは、赤外線吸収部３は、Ｓｉ酸化膜や層間膜、Ｓｉ窒化膜等を利用する構成となっている。可能であればセンサの裏面側に別途、金黒等の赤外線吸収膜を形成しても良い。温度センサ部４は、赤外線吸収部３で赤外線を吸収したことによる温度変化を捉えるために断熱構造体２条に形成されている。温度センサ部４はサーモパイル、ダイオード、ボロメータ、焦電体等の温度変動を検知できるものであればどのような方式のものでもよい。

図３Ｂにおいて、断熱構造体２は、４本の梁部５で薄膜部６を中空状態に支持する構成となっている。開口部７は梁部５、薄膜部６の形状を決めている。赤外線吸収部３は、断熱構造体２の薄膜部６と一体の構成となっている。図３Ｂでは一例として、サーモパイル型の温度センサ部４を示している。温度センサ部４は第１のサーモパイル材料８と第２のサーモパイル材料９とが交互に接続された構成となっている。前述の他方式の温度センサを用いる場合も同様に、断熱構造体２の薄膜部６上に温度センサを形成すればよい。

図４は第２の従来例に係る裏面照射型の赤外線センサの縦断面図である。以下、図４を参照して、当該裏面照射型の赤外線センサの視野角について説明する。

図４において、センサ基板１上に赤外線センサ部１０が形成され、その周囲に周辺回路１１が形成されている。赤外線センサ部１０の詳細は図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明したのでここでは省略する。赤外線センサ部１０の下部のセンサ基板１には、断熱構造体を形成するための開口部である貫通孔１２が形成されており、この貫通孔１２から赤外線が入射する。このとき、センサの視野角Ｂは、センサ基板１の厚さと、貫通孔１２の開口サイズで決まってしまう。赤外線センサ部１０の周辺には周辺回路１１が形成されており、貫通孔１２のサイズを大きくすると周辺回路１１の下部までセンサ基板１が除去されてしまい、回路特性に影響が出てしまうため、貫通孔１２のサイズを単純に大きくしてセンサの視野角を広げることは出来ない。

また、センサ基板１を研磨して基板厚さを薄くすることが考えられるが、製造工程における基板のハンドリング等に影響が出るため、そのままでは、この方法も採用することが難しい。また、赤外線センサにおいてもさらなる小型化が求められており、赤外線センサ部１０を小型化しようとすると、貫通孔１２のアスペクト比がさらに大きくなり、センサの視野角がより狭くなってしまうという問題点があった。

図５は第３の従来例に係る赤外線センサの縦断面図である。以下、図５を参照して裏面照射型赤外線センサの視野角とレンズの関係について説明する。

図５に示すように、赤外線集光用のレンズ１３をセンサ基板１の裏面側に近接して設置する場合、レンズ１３から赤外線センサ部１０へと入射する赤外線のうち、貫通孔１２よりも外側から赤外線センサ部１０へと入射する赤外線は、センサ基板１に遮られて赤外線センサ部１０に到達することができない。つまり、赤外線センサ部１０の視野角が狭いために、レンズ１３からの赤外線を効率よく受けることができない。レンズ１３の有効径Ｃに対して、実質的には赤外線センサの視野角で決まる有効径Ｄしか使えておらず、赤外線光量の損失が大きい。

以上、図４及び図５を参照して説明したように、貫通孔１２のアスペクト比を小さくし、赤外線センサの視野角Ｂを広げることは難しい。

本発明の目的は、光学センサにおいて、センサ視野角をより大きくすることができる光学センサの製造方法を提供することにある。

本発明に係る光学センサの製造方法は、光学面を有する第１の層と、センサ部とを有する第２の層と、前記第２の層と接合され前記第２の層に対し前記第１の層と逆側に位置する第３の層とを備える光学センサの製造方法において、
前記第２の層と前記第３の層とを接合する接合工程と、
前記接合工程の後、前記第２の層の一面を研磨する研磨工程と、
前記研磨工程の後、前記第２の層に光を通過させる貫通孔を設ける工程と、
を備えることを特徴とする。

従って、本発明に係る光学センサの製造方法によれば、センサ視野角をより大きくすることができる光学センサの製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る裏面照射型の赤外線センサの縦断面図である。 図１の赤外線センサの第１の工程を示す縦断面図である。 図１の赤外線センサの第２の工程を示す縦断面図である。 図１の赤外線センサの第３の工程を示す縦断面図である。 図１の赤外線センサの第４の工程を示す縦断面図である。 図１の赤外線センサの第５の工程を示す縦断面図である。 図１の赤外線センサの第６の工程を示す縦断面図である。 第１の従来例に係る裏面照射型の赤外線センサの縦断面図である。 図３Ａの赤外線センサの平面図である。 第２の従来例に係る裏面照射型の赤外線センサの縦断面図である。 第３の従来例に係る裏面照射型の赤外線センサの縦断面図である。

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。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

図１は本発明の一実施形態に係る裏面照射型の赤外線センサの縦断面図である。図１において、本実施形態に係る赤外線センサは、赤外線センサ部１０の裏面側に、所望のセンサ視野角が得られるようにシリコン基板であるセンサ基板１の膜厚を制御するために、加工方法工程を変更していることを特徴としている。具体的には、裏面照射型の光学センサにおいて、センサ基板１を下地ウェハであるパッケージ基板１６との接合後にセンサ基板１の裏面をできるだけ薄く研磨する。このことにより他の影響を極力少なくして、バラツキが少なく、所望のセンサ視野角を得ることを特徴としている。

従来技術では、センサ基板１の裏面側に貫通孔１２を形成した後、センサ基板１とパッケージ基板１６やレンズ１３を接合する工程において、貫通孔１２をいかに上手く形成し、視野角を得ることが工夫されてきた。

これに対して、本実施形態は、貫通孔１２を形成する前にパッケージ基板１６を接合部１７により貼り合わせ、強度を上げた状態で、赤外線センサ部１０の裏面におけるセンサ基板１のアスペクト比をできるだけ落とすため薄く研磨することである。接合せずにただ、薄く削るだけでは、ワレ、欠けなどの不具合が発生する。また、図５の点線の丸の箇所のように、貫通孔１２の角にあたる光は、１００％ではないにしても、センサ基板１のシリコンを透過して赤外線センサ部１０に届く可能性がある。このため有効径Ｄは、実際にはＤ＋ΔＤとなり、バラツキの要因となる。つまり、センサ部にて検知する赤外線光量についてのバラつきが課題として存在する。このときにポリッシュなどの鏡面仕上げではなく、例えば低粒性のラップ剤を用いたラップ仕上げにより、詳細後述する所定のしきい値以上の粗さとなるように、凹凸面からなり光を反射する反射面を有する反射層１４が同時に形成され、遮光効果がある。

この反射層１４は次の接合部１７の強度向上の役割も持つ。センサ部の開口部が貫通孔１２によって形成されていることである。したがって、本実施形態では、従来技術と構造を比べたところ、赤外線センサ部１０のシリコン膜厚が薄く、アスペクト比が低いことと、反射層１４があることが異なるが、その製法フローにおいて、以下に説明するように従来技術と大いに異なる。

図２Ａ〜図２Ｆは図１の赤外線センサの各工程を示す縦断面図である。図２Ａ〜図２Ｆを参照して図１の赤外線センサの製造プロセスの工程の一例について説明する。

（１）図２Ａは、例えばシリコン基板（第２の層）であるセンサ基板１上に赤外線センサ部１０と周辺回路１１が形成された状態であり、通常のＩＣ、ＬＳＩプロセスが終了した状態である。

（２）図２Ｂにおいて、センサ基板１の表面側に接合に必要なガラスフリットや金属薄膜などの接合部１７を形成する。次いで、センサ基板１に接合部１７を介してパッケージ基板１６（第３の層）を貼り合わせる。通常このセンサ基板１はウェハレベルパッケージの台に相当し、セラミックやガラス、シリコンが材料で端子となるシリコン貫通電極（Through Silicon Via（ＴＳＶ））、ガラス貫通電極（Through Glass Via（ＴＧＶ））や端子メタルを有する。なお、センサ基板１の初期の厚さは６００〜７００μｍ程度、パッケージ基板１６の厚さは４００〜５００μｍ程度となる。

（３）図２Ｃにおいて、センサ基板１とパッケージ基板１６を接合部１７を介して貼り合わした状態の後、センサ基板１の裏面から研磨を行う。このとき、研磨面はポリッシュと呼ばれる鏡面仕上げではなく、例えば低粒性のラップ剤（例えば、１２００番の研磨剤）を用いて研磨面の粗いラップ仕上げとする。このため、研磨面は光に対して乱反射する凹凸面を有する反射層１４が形成される。研磨については、接合前にセンサ基板１とパッケージ基板１６の膜厚を確認しておく。接合後の膜厚は２つの基板１，１６の和であるから、センサ基板１の研磨後の膜厚が一定になるように、パッケージ基板１６の膜厚を加味して研磨量を決定することが望ましい。

（４）図２Ｄにおいて、接合されたセンサ基板１の裏面が十分薄く（たとえば１００〜２００μｍ程度）なった後、裏面に写真製版によりパターンをつけて、ＩＣＰエッチング法などでセンサ基板１を貫通させて光を通過させる貫通孔１２を形成する。このときの加工条件は、センサ基板１の開口エリアに対して十分薄いためアスペクト比が低いので、もっとも簡単な異方性ドライエッチングの１回の処理のみで加工可能となる。

（５）図２Ｅにおいて、レンズ１３を接合するための接合部１５を反射層１４の下面に形成する。

（６）別途加工形成された例えば凸レンズであるレンズ（第１の層）１３を、接合部１５を用いてセンサ基板１の裏面に貼り合わせを行い、３層ウェハレベルの赤外線センサのパッケージが完成する。なお、レンズ１３は光を透過させる光学面を有する。

図２Ｄの工程における凹凸面を有する反射層１４を形成するときの好ましい平面粗さの一例については、非特許文献１において定義された平均粗さ（Ｒａ）及び最大粗さ（Ｒｚ）を用いて以下のように表すことができる。

（１）平均粗さ（Ｒａ）の平均値は０．３３μｍ、最大値は０．３６μｍ、最小値は０．２９μｍ。
（２）最大粗さ（Ｒｚ）の平均値は４．２１μｍ、最大値は４．９６μｍ、最小値は３．５６μｍ。

これらの粗さは、いわゆるポリッシュと呼ばれる鏡面加工の粗さに比較して、平均粗さ（Ｒａ）を２桁程度大きくなるように上記の粗さ（しきい値）以上に設定することが好ましい。これにより、反射層１４の凹凸面を形成して光を乱反射して光の透過を抑えることができる。

以上のように構成された本実施形態に係る赤外線センサの製造方法によれば、裏面照射型の熱型赤外線センサにおいて、パッケージ基板１６とセンサ基板１のウェハを接合後、センサ基板１の膜厚を薄くし、かつ研磨面の粗さを粗くする。これにより、通常のシリコンエッチングでも十分な開口が取れ、視野角を得ることができる。また、研磨表面を粗くすることにより、貫通孔１２の開口部以外の場所に入った光は、反射層１４の反射面で反射吸収され、透過しないため、より精度よく集光される。ここで、研磨表面を適度に粗くすることにより、後工程でのウェハ接合において、密着性が向上するという、２次的な効果も得られる。

なお、接合前にパッケージ基板１６と研磨されるセンサ基板１のそれぞれの膜厚を測定し、研磨量を決めることにより、センサ基板１の裏面（シリコン面）から赤外線センサ部１０までの距離をパッケージ基板１６のバラツキに関係なく、正確にコントロールできる。センサ基板１のウェハに対して薄くなるようにＳｉエッチングを行うことは、パッケージ基板１６の直下の周辺回路１１の素子へのエッチングダメージを減らす効果もある。さらに、研磨面が粗いことは、金属やガラスなどの接合部１５の接着剤の接触面積が増え、より接合強度が向上するメリットもある。

以上の本実施形態においては、赤外線センサについて説明しているが、本発明はこれに限らず、赤外線に限らず、可視光などを含む光学センサに広く適用することができる。

なお、本実施形態と特許文献２とは以下のように異なる。特許文献２は、ウェハ基板間に形成される気密封止空間に半導体素子などを収容した状態のウェハレベル半導体装置の製造方法に関する。特許文献２では、ＴＳＶなどのビアについて完全に貫通させた状態ではなく、ウェハを接合後、研磨する。これはスルーホールを形成するためのエッチング処理などの時間を削減することができるようにするためである（特許文献２の段落００６９参照）。この技術はＴＳＶの加工では一般的な技術となっている。すなわち、特許文献２は本発明と比べてウェハ接合後研磨をするところは似ているが、接合後ウェハを薄く仕上げ、貫通孔のアスペクト比を抑え、反射層を同時に形成するという本発明の目的及び効果とはまったく異なる。

裏面照射型の熱型赤外線センサの場合、センサ基板に貫通孔を形成し、基板裏面側から貫通孔を通して赤外線を入射する必要がある。貫通孔の形成は断熱構造体の形成を兼ねているために、貫通孔の開口サイズは断熱構造体のサイズとほぼ同程度であり、比較的アスペクト比が高い貫通孔形状となり、センサの視野角が非常に狭くなる。

また、赤外線センサ部の周辺には回路領域があるため、貫通孔のサイズを大きくしてアスペクト比を小さくすることにも限界がある。また、基板を研磨、あるいはエッチングして薄くし、貫通孔のアスペクト比を小さくすることが考えられるが、ワレなどにより基板のハンドリングが難しくなり、バラツキや工程増の問題があった。

さらに、貫通孔以外のところから入る光を完全に遮断できないので、視野角のバラツキの問題もあった。また後から接合するレンズとの気密性接合強度の確保も問題であった。そのために、従来技術に係る裏面照射型の熱型赤外線センサでは、レンズからセンサへと入射する赤外線が、センサの視野角で制限されてしまい、実質的なレンズの有効径が減少してレンズの集光機能が十分に得られず、センサ部で十分な赤外線光量を得ることができなかったり、バラツキの大きなものになるという問題があった。

上述した本実施形態により、以上の問題点を解決し、光学センサにおいて、バラツキが少なく、所望のセンサ視野角を得ることができる。

１…センサ基板、
１０…赤外線センサ部、
１１…周辺回路、
１２…貫通孔、
１３…レンズ、
１４…反射層、
１５…接合部、
１６…パッケージ基板、
１７…接合部。

特開２０００−１１４６０７号公報 特開２００６−３０３０６１号公報

日本工業標準調査会、ＪＩＳＢ０６０１、「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−用語、定義及び表面性状パラメータ」、一般財団法人日本規格協会原案作成、１９５２年５月２１日制定、２０１３年３月２１日最新改正。

Claims (7)

1. 光学面を有する第１の層と、センサ部とを有する第２の層と、前記第２の層と接合され前記第２の層に対し前記第１の層と逆側に位置する第３の層とを備える光学センサの製造方法において、
   前記第２の層と前記第３の層とを接合する接合工程と、
   前記接合工程の後、前記第２の層の一面を研磨する研磨工程と、
   前記研磨工程の後、前記第２の層に光を通過させる貫通孔を設ける工程と、
   を備えることを特徴とする光学センサの製造方法。
2. 前記研磨工程にて、前記第２の層の一面に凹凸面を形成することを特徴とする請求項１に記載の光学センサの製造方法。
3. 前記凹凸面は光の反射面であることを特徴とする請求項２記載の光学センサの製造方法。
4. 前記研磨工程にて、前記第２の層の一面の粗さが、所定のしきい値より粗くなるように研磨することを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の光学センサの製造方法。
5. 光学面を有する第１の層と、センサ部を有する第２の層と、前記第２の層と接合され前記第２の層に対し前記第１の層と逆側に位置する第３の層とを備える光学センサにおいて、
   前記第２の層の一面は凹凸が形成されていることを特徴とする光学センサ。
6. 前記第２の層の一面において凹凸が形成されている面は光の反射面であることを特徴とする請求項５記載の光学センサ。
7. 前記第２の層の一面において凹凸が形成されている面の粗さは、所定のしきい値より粗いことを特徴とする請求項５又は６記載の光学センサ。

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