JP2018146263A - 光検出器 - Google Patents
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Abstract
【課題】光の検出感度の向上及びパッケージの破損の抑制の両方を実現することができる光検出器を提供する。【解決手段】光検出器1Aは、支持基板2と、光透過基板3と、画素部4と、第1下地層5と、第2下地層6と、半田層7と、補強部8と、を備える。光透過基板3は、支持基板2とで収容空間S1を画定する。光検出素子10は、収容空間S1に位置する。光検出素子10は、ボロメータ層を有する。第1下地層5は、第1角部5aを有し、第2下地層6は、第2角部6aを有している。半田層7は、第1下地層5と第2下地層6との間に配置され、支持基板2及び光透過基板3を互いに固定すると共に収容空間S1を気密に封止する。補強部8は、半田層7と同一の材料によって半田層7と一体的に形成されている。補強部8は、第1角部5a及び第2角部6aの内側において第1表面2a側及び第2表面3a側の少なくとも一方に至っている。【選択図】図8
Description
本発明は、マイクロボロメータ等の光検出素子を備える光検出器に関する。
収容空間を形成する支持基板及び光透過基板と、収容空間に位置するように支持基板に設けられたマイクロボロメータ等の光検出素子と、支持基板及び光透過基板を互いに固定すると共に収容空間を気密に封止する半田層と、を備える光検出器が知られている(例えば、特許文献1参照)。
上述したような光検出器では、光の検出感度を向上させるために、光透過基板を薄くすることで光透過率を高めたり、収容空間の真空度を高めることで光検出素子を外部から熱的に絶縁したりすることが考えられる。しかし、光透過基板を薄くすると光透過基板が変形しやすくなる。そのため、収容空間の真空度を高めることによる収容空間の内外の気圧差や外部からの応力によって、半田層と光透過基板との接合部や光透過基板に負荷が掛かって破損が生じ、収容空間の気密性が損なわれるおそれがある。
そこで、本発明は、光の検出感度の向上及びパッケージの破損の抑制の両方を実現することができる光検出器を提供することを目的とする。
本発明の光検出器は、支持基板と、支持基板上に配置され、支持基板とで収容空間を形成する光透過基板と、収容空間に位置するように支持基板に設けられ、光透過基板を介して光が入射した際に生じる熱に応じて電気抵抗が変化するボロメータ層を有する光検出素子と、支持基板の厚さ方向から見た場合に光検出素子を囲むように、支持基板における光透過基板側の第1表面に設けられた第1下地層と、支持基板の厚さ方向から見た場合に光検出素子を囲み且つ第1下地層に重なるように、光透過基板における支持基板側の第2表面に設けられた第2下地層と、第1下地層と第2下地層との間に配置され、支持基板及び光透過基板を互いに固定すると共に収容空間を気密に封止する半田層と、半田層と同一の材料によって半田層と一体的に形成された補強部と、を備え、第1下地層は、第1角部を有し、第2下地層は、支持基板の厚さ方向から見た場合に第1角部に重なる第2角部を有し、補強部は、支持基板の厚さ方向から見た場合に互いに重なる第1角部及び第2角部の内側において、第1表面側及び第2表面側の少なくとも一方に至っている。
この光検出器では、半田層と一体的に形成された補強部が、第1下地層の第1角部及び第2下地層の第2角部の内側において、支持基板の第1表面側及び光透過基板の第2表面側の少なくとも一方に至っている。これにより、光の検出感度を向上させるために光透過基板を薄くしつつ収容空間の真空度を高めたとしても、半田層と光透過基板との接合部や光透過基板に負荷が掛かることに起因してパッケージが破損するようなことが抑制される。よって、この光検出器によれば、光の検出感度の向上及びパッケージの破損の抑制の両方を実現することができる。
本発明の光検出器は、複数の光検出素子を備え、複数の光検出素子は、二次元マトリックス状に配置されていてもよい。この構成では、光検出素子が1つである場合に比べて、支持基板及び光透過基板が大きくなり、収容空間の内外の気圧差によって光透過基板が変形し易くなる。そのため、半田層と一体的に形成された補強部が、第1下地層の第1角部及び第2下地層の第2角部の内側において、支持基板の第1表面側及び光透過基板の第2表面側の少なくとも一方に至っていることは、特に重要である。
本発明の光検出器では、補強部は、少なくとも第2表面側に至っていてもよい。この構成によれば、半田層と光透過基板との接合部が補強部によって補強されるため、パッケージの破損をより確実に抑制することができる。
本発明の光検出器では、第1下地層は、支持基板の厚さ方向から見た場合に収容空間を挟んで互いに対向する一対の第1角部を有し、第2下地層は、支持基板の厚さ方向から見た場合に一対の第1角部にそれぞれ重なる一対の第2角部を有し、補強部は、支持基板の厚さ方向から見た場合に互いに重なる一方の第1角部及び一方の第2角部の内側、並びに、支持基板の厚さ方向から見た場合に互いに重なる他方の第1角部及び他方の第2角部の内側のそれぞれに、配置されていてもよい。この構成によれば、補強部の数の増加を抑制しつつ、光透過基板をバランス良く補強することができる。
本発明の光検出器では、補強部の内縁は、支持基板の厚さ方向から見た場合に凹状に湾曲していてもよい。この構成によれば、補強部の形成範囲がコントロールされるため、光透過基板の開口率(支持基板の厚さ方向から見た場合に、光透過基板において、光が透過し得る領域が占める割合)の低下を抑制することができる共に、収容空間の真空度及び光透過基板の補強の程度に個体差が生じるのを抑制することができる。
本発明の光検出器は、支持基板の厚さ方向から見た場合に互いに重なる第1角部及び第2角部と光検出素子との間に位置するように、第1表面及び第2表面の少なくとも一方に設けられた誘導部を更に備え、補強部を形成する材料に対する誘導部の濡れ性は、補強部を形成する材料に対する支持基板及び光透過基板の濡れ性よりも高く、補強部は、誘導部に至っていてもよい。この構成によれば、補強部の形成範囲がコントロールされるため、光透過基板の開口率の低下を抑制することができる共に、収容空間の真空度及び光透過基板の補強の程度に個体差が生じるのを抑制することができる。
本発明の光検出器では、第1表面及び第2表面の少なくとも一方には、支持基板の厚さ方向から見た場合に互いに重なる第1角部及び第2角部と光検出素子との間を通るように溝が形成されていてもよい。この構成によれば、補強部の形成範囲がコントロールされるため、光透過基板の開口率の低下を抑制することができる共に、収容空間の真空度及び光透過基板の補強の程度に個体差が生じるのを抑制することができる。
本発明の光検出器では、光透過基板には、収容空間の一部を構成する凹部が形成されており、補強部は、凹部内に至っていてもよい。この構成によれば、光透過基板のうち光が透過する領域を薄くして、光透過基板の光透過率を高めることができる。しかも、光透過基板のうち光が透過する領域を補強することができる。
本発明によれば、光の検出感度の向上及びパッケージの破損の抑制の両方を実現することができる光検出器を提供することが可能となる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
[第1実施形態]
[光検出器の構成]
[第1実施形態]
[光検出器の構成]
図1及び図2に示される光検出器1Aは、ボロメータとしての機能により光(例えば赤外線)を検出する熱型の光検出器であり、赤外イメージャ、サーモグラフィー等に用いられる。図1及び図2に示されるように、光検出器1Aは、支持基板2と、光透過基板3と、画素部4と、第1下地層5と、第2下地層6と、半田層7と、補強部8と、誘導部9と、ゲッター11と、を備えている。
支持基板2は、例えば、(数mm〜数十mm)×(数mm〜数十mm)程度の外形、及び数百μm程度の厚さを有する矩形板状のSi基板である。支持基板2内には、信号処理回路部(不図示)が形成されている。信号処理回路部は、画素部4と電気的に接続されている。なお、信号処理回路部は、支持基板2上に形成されていてもよい。
光透過基板3は、支持基板2の厚さ方向(すなわち、支持基板2の第1表面2aに垂直な方向)から見た場合に支持基板2に重なるように、支持基板2上に配置されている。光透過基板3は、例えば、(数mm〜数十mm)×(数mm〜数十mm)程度の外形、及び数百μm程度の厚さを有する矩形板状のSi基板である。光透過基板3は、光(例えば赤外線)を透過させる。光透過基板3は、支持基板2とで収容空間S1を形成している。つまり、光透過基板3及び支持基板2は、内部に収容空間S1が形成されたパッケージを構成している。
光透過基板3における支持基板2側の第2表面3aには、凹部3bが形成されている。凹部3bは、例えばドライエッチング又はウェットエッチングによって四角錘台状に形成されている。凹部3bの深さは、例えば十数μm〜数百μm程度である。凹部3bは、収容空間S1の一部を構成している。
画素部4は、収容空間S1に位置するように、支持基板2における光透過基板3側の第1表面2aに設けられている。画素部4は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、凹部3bに含まれている。画素部4は、例えば、(数十μm〜数十mm)×(数十μm〜数十mm)程度の外形を有している。画素部4は、第1表面2aに沿って二次元マトリックス状に配置された複数の光検出素子10(図3参照)によって構成されている。各光検出素子10は、光透過基板3を介して光が入射した際に生じる熱に応じて電気抵抗が変化するボロメータ層を有している。
第1下地層5は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に画素部4を囲むように、支持基板2の第1表面2aに設けられている。第1下地層5は、例えば、矩形環状に形成されており、4つの第1角部5aを有している。各第1角部5aにおける第1下地層5の内縁は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に角となっている。
第2下地層6は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に画素部4を囲み且つ第1下地層5に重なるように、光透過基板3の第2表面3aに設けられている。第2下地層6は、例えば、矩形環状に形成されており、4つの第2角部6aを有している。4つの第2角部6aは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、4つの第1角部5aにそれぞれ重なっている。各第2角部6aにおける第2下地層6の内縁は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に角となっている。
第1下地層5及び第2下地層6のそれぞれの幅は、例えば数十μm〜数百μm程度である。第1下地層5及び第2下地層6のそれぞれの厚さは、例えば数十nm〜数μm程度である。第1下地層5及び第2下地層6は、それぞれ、例えば、Al、AlCu、AlSi、AlSiCu、AlSiTi、Ti、TiN、Cr、Ni、W、WSi2、Pt、Pd、Au及びCuの少なくとも1つを含む積層膜である。第1下地層5及び第2下地層6は、それぞれ、例えば、上述した材料のいずれか1つを含む単層膜であってもよい。
半田層7は、第1下地層5と第2下地層6との間に配置されている。半田層7は、共晶接合によって、支持基板2及び光透過基板3を互いに固定すると共に収容空間S1を気密に封止する。半田層7は、矩形環状に形成されており、4つの角部7aを有している。4つの角部7aは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、4つの第1角部5aにそれぞれ重なっている。
半田層7の幅は、例えば数十μm〜数百μm程度である。半田層7の厚さは、例えば数μm程度である。半田層7の材料は、例えば、Sn/Pb、Sn/Pb/Ag、Sn/Bi/Pb、Sn/Ag/Cu、Sn/Zn/Bi、Sn/Cu、Sn/Ag/In/Bi、Sn/Zn/Al、Ni/Sn、Au/Sn、Ag/Sn、Cu/Sn、Au/In、Cu/In、Ag/In、In、Al/Ge、Al/Zn、Bi/Ag、Sn/Sb、Sn/Ag、Sn/Zn、Sn/Bi、Sn/In、Au/Ga、Au/Si、Au/Ge、Au/Si、Al/Si又はAl/Cu/Ge等である。なお、半田層7の材料が、Sn/Ag/Cu、Sn/Zn/Bi又はSn/Cuである場合には、当該材料に、例えば、Ni、Ge、Co及びSi等が添加されていてもよい。
補強部8は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に互いに重なる第1角部5a及び第2角部6aの内側に配置されている。誘導部9は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に互いに重なる第1角部5a及び第2角部6aと画素部4との間に配置されている。より具体的には、誘導部9は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に互いに重なる第1角部5a及び第2角部6aと凹部3bとの間に位置するように、光透過基板3の第2表面3aに設けられている。補強部8及び誘導部9の詳細については、後述する。
ゲッター11は、収容空間S1に配置されている。より具体的には、ゲッター11は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に画素部4を囲むように、凹部3bの底面に設けられている。ゲッター11は、例えば矩形環状に形成されている。ゲッター11の幅は、例えば数十μm〜数mm程度である。ゲッター11の厚さは、例えば数μm程度である。ゲッター11は、収容空間S1において気体を吸収することで、収容空間S1の真空度を維持する。ゲッター11は、例えば収容空間S1が数kPa程度まで減圧された状態を維持する。ゲッター11の材料は、例えば、Zr(ジルコニウム)を主成分とする合金である。
[光検出素子の構成]
[光検出素子の構成]
図3に示されるように、画素部4は、二次元マトリックス状に配置された複数の光検出素子10によって構成されている。図4に示されるように、各光検出素子10は、支持基板2(正確には、支持基板2の一部)と、光反射層12と、一対の電極プラグ13,14と、膜体20と、を有している。
光反射層12は、支持基板2の第1表面2aに形成されている。光反射層12は、後述する光吸収層34と対向しており、光吸収層34と共に光共振構造を構成している。光反射層12の厚さは、例えば数百nm程度である。光反射層12の材料は、例えば、Al等の光(例えば赤外線)に対する反射率が大きい金属材料である。
一対の電極プラグ13,14は、支持基板2の第1表面2a上に形成されている。各電極プラグ13,14は、例えば円柱状に形成されている。各電極プラグ13,14の高さは、例えば数μm程度である。各電極プラグ13,14の材料は、例えばTi等の金属材料である。一対の電極プラグ13,14は、支持基板2の第1表面2aと膜体20との間に空隙S2が形成されるように、支持基板2の第1表面2a上に膜体20を支持している。膜体20は、支持基板2の第1表面2aと略平行に配置されている。膜体20と支持基板2の第1表面2aとの距離は、例えば数μm程度である。
図4及び図5に示されるように、膜体20は、受光部21と、一対の電極部22,23と、一対の梁部24,25と、を有している。受光部21は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、各電極プラグ13,14を避けるように広がっている。電極部22は、電極プラグ13上に配置されている。電極部23は、電極プラグ14上に配置されている。梁部24は、受光部21の一方の側において受光部21の外縁に沿って延在している。梁部25は、受光部21の他方の側において受光部21の外縁に沿って延在している。梁部24の一端は、電極部22と接続されており、梁部24の他端は、電極部23の近傍の位置で受光部21と接続されている。梁部25の一端は、電極部23と接続されており、梁部25の他端は、電極部22の近傍の位置で受光部21と接続されている。膜体20は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、例えば矩形状を呈している。一対の電極部22,23は、膜体20の対角のそれぞれに設けられている。
受光部21、一対の電極部22,23、及び一対の梁部24,25は、一体的に形成されている。受光部21と電極部22との間、及び受光部21と梁部24との間には、スリット20aが一続きに形成されている。受光部21と電極部23との間、及び受光部21と梁部25との間には、スリット20bが一続きに形成されている。各梁部24,25の幅は、例えば数μm程度であり、各梁部24,25の長さは、例えば数十μm程度である。各スリット20a,20bの幅は、例えば数μm程度である。
図6は、光検出素子10の断面図である。図6のA−A、B−B、C−C、D−D、E−Eは、それぞれ、図5のA−A線、B−B線、C−C線、D−D線、E−E線に沿っての断面図である。図6に示されるように、膜体20は、第1配線層31及び第2配線層32と、抵抗層であるボロメータ層33と、光吸収層34と、分離層35と、を有している。
図5及び図6に示されるように、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、第1配線層31及び第2配線層32は、受光部21において、ギャップGを介して互いに対向している。ギャップGは、ラインLに沿って延在している。ラインLは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、例えば電極部22と電極部23とを結ぶように蛇行状に延在している。具体的には、ラインLは、蛇行部L1を有している。蛇行部L1は、複数の曲線部L2を含んでいる。蛇行部L1は、受光部21において、受光部21の一方の側に延び、曲線部L2において、例えば180°折り返して、受光部21の他方の側に延び、曲線部L2において、例えば180°折り返して、再び受光部21の一方の側に伸びることを繰り返すことによって構成されている。
本実施形態では、一方の側とは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、電極部22と電極部23とを結ぶ直線に対して一方の側(例えば梁部24が存在する側)をいい、他方の側とは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、電極部22と電極部23とを結ぶ直線に対して一方の側とは反対の側(例えば梁部25が存在する側)をいう。また、一方の側とは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、膜体20の重心を通る直線に対して一方の側(例えば梁部24が存在する側)であり、他方の側とは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、膜体20の重心を通る直線に対して一方の側とは反対の側(梁部25が存在する側)であってもよい。つまり、一方の側とは、光吸収層34における第1領域34a側をいい、他方の側とは、光吸収層34における第2領域34b側をいう。
支持基板2の厚さ方向から見た場合に、蛇行部L1は、第1区間L3と、第2区間L4と、第3区間L5と、第4区間L6と、を含んでいる。第1区間L3は、第1振れ量で一方の側に振れている。第2区間L4は、第2振れ量で一方の側に振れている。支持基板2の厚さ方向から見た場合に、電極部22と電極部23とを結ぶ直線に沿った方向において、第2区間L4は2つの第1区間L3によって挟まれている。第3区間L5は、第1振れ量で他方の側に振れている。第4区間L6は、第2振れ量で他方の側に振れている。支持基板2の厚さ方向から見た場合に、電極部22と電極部23とを結ぶ直線に沿った方向において、第4区間L6は2つの第3区間L5によって挟まれている。第1振れ量は、所定量よりも大きい。第2振れ量は、所定量よりも小さい。第1振れ量は、例えば十数μm程度である。第2振れ量は、例えば数μm程度である。
具体的には、受光部21において、第1区間L3は、受光部21の一方の側に第1振れ量延び、曲線部L2において、例えば180°折り返して、受光部21の他方の側に第1振れ量延びている。これに続いて、第4区間L6は、受光部21の他方の側に第2振れ量延び、曲線部L2において、例えば180°折り返して、受光部21の一方の側に第2振れ量延びている。これに続いて、第2区間L4は、受光部21の一方の側に第2振れ量延び、曲線部L2において、例えば180°折り返して、受光部21の他方の側に第2振れ量延びている。これに続いて、第3区間L5は、受光部21の他方の側に第1振れ量延び、曲線部L2において、例えば180°折り返して、受光部21の一方の側に第1振れ量延びている。蛇行部L1は、このようなことを繰り返すことによって構成されている。なお、第1区間L3、第2区間L4、第3区間L5及び第4区間L6のそれぞれは、曲線部L2を含んでいる。
第1配線層31及び第2配線層32は、受光部21において、ラインLに沿った方向において細長く形成されている。つまり、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、受光部21において、ラインLに沿った方向における第1配線層31及び第2配線層32のそれぞれの長さは、ラインLに垂直な方向における第1配線層31及び第2配線層32のそれぞれの幅よりも大きい。ラインLに垂直な方向とは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、ラインLの各位置における接線に垂直な方向をいう。曲線部の各位置においては、ラインLに垂直な方向はそれぞれ相違する。
具体的には、第1配線層31は、受光部21において、第1縁部31aと、第3縁部31bと、を有している。支持基板2の厚さ方向から見た場合に、第1縁部31a及び第3縁部31bのそれぞれは、ラインLに沿って延在している。第1縁部31aは、ラインL側において延在している。第3縁部31bは、ラインLとは反対側において延在している。第2配線層32は、受光部21において、第2縁部32aと、第4縁部32bと、を有している。支持基板2の厚さ方向から見た場合に、第2縁部32a及び第4縁部32bのそれぞれは、ラインLに沿って延在している。第2縁部32aは、ラインL側において延在している。第4縁部32bは、ラインLとは反対側において延在している。
支持基板2の厚さ方向から見た場合に、第1縁部31aと第2縁部32aとはラインLを介して互いに対向している。つまり、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、ギャップGは、第1縁部31aと第2縁部32aとによって画定されている。
基板の2の厚さ方向から見た場合に、第1配線層31におけるラインL側の第1縁部31a及びラインLとは反対側の第3縁部31b、並びに、第2配線層32におけるラインL側の第2縁部32a及びラインLとは反対側の第4縁部32bは、それぞれ、連続的に延在している。縁部が連続的に延在しているとは、縁部が角部を有しておらず、滑らかに形成されていることをいう。つまり、連続的に延在している縁部は、曲率半径が無限小の部分を含まない。例えば、第1縁部31a、第2縁部32a、第3縁部31b及び第4縁部32bのそれぞれの曲率半径の最小値は、0.01μmよりも大きい。
支持基板2の厚さ方向から見た場合に、受光部21において、ラインLに沿った方向における第1配線層31及び第2配線層32のそれぞれの長さは、例えば、数十〜数百μm程度である。支持基板2の厚さ方向から見た場合に、ラインLに垂直な方向における第1配線層31及び第2配線層32のそれぞれの幅は、例えば数μm程度である。支持基板2の厚さ方向から見た場合に、ラインLに垂直な方向におけるギャップGの幅は、例えば数μm程度である。第1配線層31及び第2配線層32の厚さは、例えば数十〜数百nm程度である。
第1配線層31は、受光部21から梁部24を介して電極部22に延在している。第1配線層31は、電極部22において電極プラグ13上に形成されている。第1配線層31は、電極プラグ13と電気的に接続されている。第2配線層32は、受光部21から梁部25を介して電極部23に延在している。第2配線層32は、電極部23において電極プラグ14上に形成されている。第2配線層32は、電極プラグ14と電気的に接続されている。第1配線層31及び第2配線層32の材料は、例えばTi等の金属材料である。
ボロメータ層33は、受光部21においては、支持基板2の反対側から第1配線層31及び第2配線層32を覆うように形成されている。ボロメータ層33は、受光部21においては、第1配線層31及び第2配線層32のそれぞれにおける支持基板2の反対側の表面、並びに、第1配線層31及び第2配線層32のそれぞれの側面を覆っている。つまり、ギャップGには、ボロメータ層33が配置されている。ボロメータ層33は、電極部22,23及び梁部24,25においては、第1配線層31及び第2配線層32における支持基板2の反対側の表面上に形成されている。ボロメータ層33は、第1配線層31及び第2配線層32のそれぞれと電気的に接続されている。ボロメータ層33の厚さは、例えば数十〜数百nm程度である。ボロメータ層33は、温度に依存する電気抵抗を有している。ボロメータ層33の材料は、例えばアモルファスシリコン(a−Si)等の温度変化による電気抵抗率の変化が大きい材料である。
光吸収層34は、受光部21において、支持基板2の第1表面2aと対向している。光吸収層34は、ボロメータ層33に対して支持基板2の反対側に配置されている。光吸収層34は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、受光部21のほぼ全領域に広がっている。光吸収層34の厚さは、例えば十数nm程度である。光吸収層34の材料は、例えばWSi2又はTi等である。
分離層35は、第1配線層31及び第2配線層32のそれぞれと光吸収層34との間に配置されている。具体的には、分離層35は、受光部21、梁部24,25及び電極部22,23において、ボロメータ層33における支持基板2の反対側の表面上に形成されている。そして、光吸収層34は、受光部21において分離層35の支持基板2の反対側の表面上に形成されている。分離層35の厚さは、例えば数百nm程度である。分離層35の厚さは、第1配線層31、第2配線層32、ボロメータ層33及び光吸収層34のそれぞれの厚さよりも大きい。分離層35の材料は、例えばシリコン窒化膜(SiN)等である。
支持基板2の厚さ方向から見た場合に、光吸収層34は、第1領域34aと、第2領域34bと、を含んでいる。第1領域34aは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、第1配線層31に対して第2配線層32の反対側に広がっている。第2領域34bは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、第2配線層32に対して第1配線層31の反対側に広がっている。支持基板2の厚さ方向から見た場合に、第1配線層31及び第2配線層32の面積の合計は、第1領域34a及び第2領域34bのそれぞれの面積よりも小さい。
なお、光吸収層34の第1領域34a及び第2領域34bは、分離層35を介してボロメータ層33上に形成されている。また、ボロメータ層33及び分離層35は、第1領域34a及び第2領域34bを亘って連続的に形成されている。
膜体20には、貫通孔20c,20dが形成されている。貫通孔20c,20dは、犠牲層(不図示)を除去するエッチングガスが通過する孔である。支持基板2の厚さ方向から見た場合に、貫通孔20c,20dは、第2区間L4の一方の側に形成されている。具体的には、貫通孔20cは、第1領域34aにおいて、2つの第1区間L3の間に位置している。貫通孔20dは、第2領域34bにおいて、2つの第3区間L5の間に位置している。支持基板2の厚さ方向から見た場合に、貫通孔20c,20dは、円形を呈しており、その直径は、例えば数μm程度である。
以上のように構成された光検出器1Aでは、以下のように、光が検出される。まず、光が光透過基板3を透過して受光部21に入射すると、後述する光共振構造を構成する光吸収層34において熱が生じる。このとき、受光部21と支持基板2とは、空隙S2によって熱的に分離されている。また、受光部21と電極部22及び梁部24とは、スリット20aによって熱的に分離されている。また、受光部21と電極部23及び梁部25とは、スリット20bによって熱的に分離されている。このため、光吸収層34において生じた熱が、梁部24,25及び電極部22,23を介して支持基板2側に逃げるようなことが抑制される。
光吸収層34において生じた熱は、分離層35を介してボロメータ層33に伝わる。そして、ボロメータ層33は、この熱によって温度が上昇すると共に電気抵抗が上昇する。このような電気抵抗の変化は、信号としてボロメータ層33と電気的に接続された第1配線層31及び第2配線層32、並びに、電極プラグ13,14を介して信号処理回路部へ送られる。そして、信号処理回路部では、ボロメータ層33の電気抵抗の変化が電圧の変化に変換され、この電圧の変化を基に、光が検出される。
次に、光共振構造について詳細に説明する。図7に示されるように、光吸収層34に入射した入射光A(波長がλである)は、一部が光吸収層34によって反射光B1として反射され、他の一部が光吸収層34を透過する。光吸収層34を透過した入射光Aの他の一部は、光反射層12によって反射光B2として反射される。そして、反射光B1と反射光B2とは、光吸収層34の反射面において、互いに干渉して打ち消される。これにより、光吸収層34の当該反射面において入射光Aが吸収される。吸収された入射光Aのエネルギーによって光吸収層34において熱が生じる。
入射光Aの吸収率は、光吸収層34のシート抵抗、及び、光吸収層34と光反射層12との間の光学距離tによって決められる。光吸収層34の厚さは、シート抵抗が真空インピーダンス(377Ω/sq)となるように略16nm(光吸収層34の材料が、WSi2である場合)に設定されている。これによれば、光吸収層34によって反射された反射光B1の振幅が光反射層12によって反射された反射光B2の振幅と一致する。このため、光吸収層34の反射面において、反射光B1と反射光B2とが効率的に干渉して打ち消される。従って、入射光Aの吸収率が向上される。
また、光学距離tは、t=(2m−1)λ/4(m=1、2、3、・・・)となるように設定されている。これによれば、反射光B1と反射光B2との位相が180°ずれる。このため、光吸収層34の反射面において、反射光B1と反射光B2とが効率的に干渉して打ち消される。従って、入射光Aの吸収率が向上される。このように、光反射層12は、光吸収層34と光共振構造を構成している。支持基板2の厚さ方向から見た場合に、光反射層12及び光吸収層34の重なっている部分の面積が広ければ広いほど、入射光Aが効率良く吸収される。
[補強部及び誘導部の構成]
[補強部及び誘導部の構成]
図8及び図9に示されるように、補強部8は、半田層7と同一の材料によって半田層7と一体的に形成されている。補強部8を形成する材料に対する誘導部9の濡れ性は、補強部8を形成する材料に対する支持基板2及び光透過基板3の濡れ性よりも高い。誘導部9は、例えば、Al、AlCu、AlSi、AlSiCu、AlSiTi、Ti、TiN、Cr、Ni、W、WSi2、Pt、Pd、Au及びCuの少なくとも1つを含む積層膜である。誘導部9は、例えば、上述した材料のいずれか1つを含む単層膜であってもよい。誘導部9の厚さは、例えば数十nm〜数μm程度である。
誘導部9は、第2下地層6の第2角部6aの内側の隅部を埋めるように、光透過基板3の第2表面3aに形成されている。誘導部9は、光透過基板3の第2表面3aにおいて第2下地層6から離れている。誘導部9の内縁9aは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に凹状に湾曲している(滑らかに湾曲している)。
補強部8は、半田層7の角部7aから誘導部9に延在し、誘導部9に至っている。つまり、補強部8は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に互いに重なる第1角部5a及び第2角部6aの内側において、光透過基板3の第2表面3a側に至っている。補強部8は、第2下地層6の内側に係合している。補強部8の内縁8aは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、誘導部9の内縁9aに重なっており、凹状に湾曲している(滑らかに湾曲している)。
なお、補強部8が光透過基板3の第2表面3a側に至っているとは、「補強部8が、第2下地層6の第2角部6aの内側において、第2表面3aに形成された膜、層等(例えば誘導部9)に至っている場合」、「補強部8が、第2下地層6の第2角部6aの内側において、例えば第2表面3aに膜、層等が形成されておらず、第2表面3aに至っている場合(第2表面3aに接触している場合)」及び「補強部8が、第2下地層6の第2角部6aの内側において、第2表面3a側に延在している場合」を含む。
補強部8は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に第2角部6aと画素部4との間に配置されている。補強部8は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に第2角部6aとゲッター11との間に配置されている。補強部8は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に第2角部6aと凹部3bとの間に配置されている。補強部8の厚さは、半田層7から画素部4に向かって漸減している。
支持基板2の厚さ方向から見た場合に収容空間S1を挟んで互いに対向する一対の第1角部5a、並びに、支持基板2の厚さ方向から見た場合に当該一対の第1角部5aにそれぞれ重なる一対の第2角部6aに着目すると、補強部8は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に互いに重なる一方の第1角部5a及び一方の第2角部6aの内側、並びに、支持基板2の厚さ方向から見た場合に互いに重なる他方の第1角部5a及び他方の第2角部6aの内側のそれぞれに、配置されている。
[作用及び効果]
[作用及び効果]
以上説明したように、光検出器1Aでは、補強部8は、半田層7と一体的に形成されており、第1角部5a及び第2角部6aの内側において第2表面3a側に至っている。これにより、半田層7と光透過基板3との接合部が、補強部8によって補強される。したがって、光の検出感度を向上させるために光透過基板3を薄くしつつ収容空間S1の真空度を高めたとしても、半田層7と光透過基板3との接合部が破損し難くなる。よって、光検出器1Aによれば、光の検出感度の向上及びパッケージの破損の抑制の両方を実現することができる。
以下、パッケージの破損の抑制について、より詳細に説明する。半田層7は、例えば、加熱されて溶融することによって、支持基板2及び光透過基板3を互いに固定すると共に収容空間S1を気密に封止する。半田層7が加熱される際には、光検出器1Aを構成する各部材において膨張及び収縮が生じ、それによる応力が各部材に発生する。また、半田層7が共晶反応する際には、半田層7自体においても膨張及び収縮が生じ、それによる応力が半田層7に発生する。半田層7の幅、第1下地層5の幅、第2下地層6の幅等が広くなればなるほど、膨張及び収縮時にそれらに発生する応力が大きくなる。
光検出器1Aでは、半田層7が第1角部5a及び第2角部6aから膨出して補強部8を形成しているため、半田層7に発生する応力を緩和することができる。なお、半田層7に発生する応力が大きくなると、半田材料が収容空間S1に吹き出し、光検出素子10が汚染されるおそれがあるが、光検出器1Aでは、そのようなことも防止することができる。
同様に、誘導部9が第2下地層6から分離されているため、第2下地層6及び誘導部9のそれぞれの幅が狭くなり、膨張及び収縮時に第2下地層6及び誘導部9のそれぞれに発生する応力を緩和することができる。なお、誘導部9が、第1表面2aに設けられている場合には、第1下地層5及び誘導部9のそれぞれの幅が狭くなり、膨張及び収縮時に第1下地層5及び誘導部9のそれぞれに発生する応力を緩和することができる。
また、半田層7と一体的に形成された補強部8が、第2下地層6の内側に係合しているため、アンカー効果によってパッケージの強度を高めることができる。なお、半田層7と一体的に形成された補強部8が、第1下地層5の内側に係合する場合にも、アンカー効果によってパッケージの強度を高めることができる。
以上により、光検出器1Aによれば、パッケージを形成する際に各部材に発生する応力を抑制しつつ、パッケージの強度を高めることができ、パッケージの破損を抑制することができる。
また、半田層7と一体的に形成された補強部8が、第1角部5a及び第2角部6aの内側に配置されている。そのため、補強部8が、第1下地層5及び第2下地層6の内縁に沿った領域のうち第1角部5a及び第2角部6aの内側以外の領域に配置されている場合に比べ、補強部8による光透過基板3の開口率(支持基板2の厚さ方向から見た場合に、光透過基板3において、光が透過し得る領域が占める割合)の低下を抑制すると共に、ゲッター11の配置領域を確保することができる。
また、光検出器1Aでは、複数の光検出素子10が二次元マトリックス状に配置されている。この構成では、光検出素子10が1つである場合に比べて、支持基板2及び光透過基板3が大きくなり、収容空間S1の内外の気圧差によって光透過基板3が変形し易くなる。そのため、半田層7と一体的に形成された補強部8が、第1下地層5の第1角部5a及び第2下地層6の第2角部6aの内側において、光透過基板3の第2表面3a側に至っていることは、特に重要である。
また、光検出器1では、補強部8が光透過基板3の第2表面3a側に至っている。この構成によれば、半田層7と光透過基板3との接合部が補強部8によって補強されるため、パッケージの破損をより確実に抑制することができる。また、補強部8が第1表面2aに設けられた光検出素子10に接触することで、光検出素子10が汚染又は破損されるのをより確実に抑制することができる。
また、光検出器1Aでは、第1下地層5が、支持基板2の厚さ方向から見た場合に収容空間S1を挟んで互いに対向する一対の第1角部5aを有しており、第2下地層6が、支持基板2の厚さ方向から見た場合に一対の第1角部5aにそれぞれ重なる一対の第2角部6aを有している。そして、補強部8が、支持基板2の厚さ方向から見た場合に互いに重なる一方の第1角部5a及び一方の第2角部6aの内側、並びに、支持基板2の厚さ方向から見た場合に互いに重なる他方の第1角部5a及び他方の第2角部6aの内側のそれぞれに、配置されている。この構成によれば、補強部8の数の増加を抑制しつつ、光透過基板3をバランス良く補強することができる。
また、光検出器1Aでは、補強部8の内縁8aが、支持基板2の厚さ方向から見た場合に凹状に湾曲している。この構成によれば、補強部8の形成範囲がコントロールされるため、光透過基板3の開口率の低下を抑制することができる共に、収容空間S1の真空度及び光透過基板3の補強の程度に個体差が生じるのを抑制することができる。
また、光検出器1Aでは、誘導部9が、支持基板2の厚さ方向から見た場合に互いに重なる第1角部5a及び第2角部6aと画素部4との間に位置するように、光透過基板3の第2表面3aに設けられている。そして、補強部8を形成する材料に対する誘導部9の濡れ性が、補強部8を形成する材料に対する支持基板2及び光透過基板3の濡れ性よりも高く、補強部8が誘導部9に至っている。この構成によれば、補強部8の形成範囲がコントロールされるため、光透過基板3の開口率の低下を抑制することができる共に、収容空間S1の真空度及び光透過基板3の補強の程度に個体差が生じるのを抑制することができる。
また、光検出器1Aでは、光透過基板3に、収容空間S1の一部を構成する凹部3bが形成されている。この構成によれば、光透過基板3のうち光が透過する領域を薄くして、光透過基板3の光透過率を高めることができる。
また、光検出器1Aでは、第1下地層5、第2下地層6及び半田層7は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に互いに重なっている。この構成によれば、第1下地層5、第2下地層6及び半田層7のパターニングを同一工程において行い、製造工程を簡素化することができる。
[第2実施形態]
[第2実施形態]
図10及び図11に示されるように、光検出器1Bは、光透過基板3の第2表面3aに誘導部9が設けられておらず、光透過基板3の第2表面3aに溝3cが形成されている点で、上述した光検出器1Aと主に相違している。光検出器1Bにおいて、光透過基板3の第2表面3aには、溝3cが形成されている。溝3cは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に互いに重なる第1角部5a及び第2角部6aと画素部4との間を通り、且つ、第1下地層5、第2下地層6及び半田層7と画素部4との間を通るように、矩形環状に形成されている。溝3cは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に凹部3bを囲んでいる。溝3cの幅は、例えば数μm〜数百μm程度である。溝3cの深さは、例えば数十μm〜数百μm程度である。また、補強部8は、第2下地層6の各第2角部6aの内側において、第2表面3a側に至っており(第2表面3aに接触しており)、溝3c内でとどまっている。
以上のように構成された光検出器1Bでは、上述した光検出器1Aと同様に、半田層7と一体的に形成された補強部8が、第1下地層5の第1角部5a及び第2下地層6の第2角部6aの内側において、光透過基板3の第2表面3a側に至っている。よって、光検出器1Bによれば、光の検出感度の向上及びパッケージの破損の抑制の両方を実現することができる。なお、この効果は、補強部8が溝3c内に至っておらず、更には、光透過基板3の第2表面3aに溝3cが形成されていなくても、補強部8が光透過基板3の第2表面3a側に至っていれば、奏される。
また、光検出器1Bでは、光透過基板3の第2表面3aに、支持基板2の厚さ方向から見た場合に互いに重なる第1角部5a及び第2角部6aと画素部4との間を通るように溝3cが形成されている。この構成によれば、補強部8の形成範囲がコントロールされるため、光透過基板3の開口率の低下を抑制することができる共に、収容空間S1の真空度及び光透過基板3の補強の程度に個体差が生じるのを抑制することができる。
[第3実施形態]
[第3実施形態]
図12に示されるように、光検出器1Cは、光透過基板3の第2表面3aに誘導部9が設けられておらず、補強部8が凹部3bに至っている点で、上述した光検出器1Aと主に相違している。光検出器1Cにおいて、補強部8は、第2下地層6の各第2角部6aの内側において、第2表面3a側に至っており(第2表面3aに接触しており)、凹部3b内において凹部3bの隅部にとどまっている。
以上のように構成された光検出器1Cでは、上述した光検出器1Aと同様に、半田層7と一体的に形成された補強部8が、第1下地層5の第1角部5a及び第2下地層6の第2角部6aの内側において、光透過基板3の第2表面3a側に至っている。よって、光検出器1Cによれば、光の検出感度の向上及びパッケージの破損の抑制の両方を実現することができる。なお、この効果は、補強部8が凹部3b内に至っておらず、更には、光透過基板3の第2表面3aに凹部3bが形成されていなくても、補強部8が光透過基板3の第2表面3a側に至っていれば、奏される。
また、光検出器1Bでは、補強部8は、凹部3b内に至っている。この構成によれば、この構成によれば、光透過基板3のうち光が透過する領域を薄くして、光透過基板3の光透過率を高めることができる。しかも、光透過基板3のうち光が透過する領域を補強することができる。
[変形例]
[変形例]
以上、本発明の第1、第2及び第3実施形態について説明したが、本発明は、上述した第1、第2及び第3実施形態に限定されるものではない。例えば、画素部4は、1つの光検出素子10によって構成されていてもよい。また、第1下地層5は、1つ又は3つ以上の第1角部5aを有していてもよい。同様に、第2下地層6は、1つ又は3つ以上の第2角部6aを有していてもよい。
また、補強部8は、支持基板2の第1表面2a側及び光透過基板3の第2表面3a側の両方に至っていてもよい。この構成によれば、半田層7と光透過基板3との接合部が補強部8によって補強されるため、パッケージの破損をより確実に抑制することができる。また、アンカー効果によって、支持基板2と光透過基板3とが構成するパッケージの強度が向上される。例えば、支持基板2の厚さ方向において、支持基板2及び光透過基板3に当該両基板が互いに離れる方向に沿った負荷が掛かった際、アンカー効果によって、支持基板2及び光透過基板3が互いに離れ難くなる。また、例えば、支持基板2及び光透過基板3に支持基板2の第1表面2aに沿った方向に沿った負荷が掛かった際、アンカー効果によって、支持基板2及び光透過基板3が互いに位置ずれし難くなる。
なお、補強部8が支持基板2の第1表面2a側に至っているとは、「補強部8が、第1下地層5の第1角部5aの内側において、第1表面2aに形成された膜、層等(例えば誘導部9)に至っている場合」、「補強部8が、第1下地層5の第1角部5aの内側において、例えば第1表面2aに膜、層等が形成されておらず、第1表面2aに至っている場合(第1表面2aに接触している場合)」及び「補強部8が、第1下地層5の第1角部5aの内側において、第1表面2a側に延在している場合」を含む。
また、補強部8は、支持基板2の第1表面2a側のみに至っていてもよい。この構成によれば、半田層7が膨張する際に生じる力が半田層7の角部7aにおいて解放されるため、半田層7の角部7aにおいて光透過基板3に負荷が掛かり難くなる。
また、誘導部9は、第1表面2aに設けられていてもよい。具体的には、誘導部9は、第1表面2a及び第2表面3aのうち、少なくとも補強部8が至っている表面に設けられている。
また、支持基板2の第1表面2aに設けられた誘導部9は、第1下地層5と一体的に形成されていてもよい。この際、誘導部9は、第1下地層5の一部として構成されていてもよい。また、光透過基板3の第2表面3aに設けられた誘導部9は、第2下地層6と一体的に形成されていてもよい。この際、誘導部9は、第2下地層6の一部として構成されていてもよい。また、誘導部9は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に光検出素子10(画素部4)を囲むように形成されていてもよい。例えば、誘導部9は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に、互いに重なる第1角部5a及び第2角部6aと画素部4との間を通り、且つ、第1下地層5、第2下地層6及び半田層7と画素部4との間を通るように、環状に形成されていてもよい。
また、溝3cは、第1表面2aに形成されていてもよい。具体的には、溝3cは、第1表面2a及び第2表面3aのうち、少なくとも補強部8が至っている表面に形成されている。
また、溝3cは、支持基板2の厚さ方向から見た場合に互いに重なる第1角部5a及び第2角部6aと画素部4との間において形成されていれば、支持基板2の厚さ方向から見た場合に画素部4を囲んでいなくてもよい。また、光検出器1Bでは、溝3cが形成されていなくてもよい。また、補強部8は、溝3c内に至っていなくてもよい。
また、各第1角部5aにおける第1下地層5の内縁は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に凹状に湾曲していてもよい(滑らかに湾曲している)。また、各第2角部6aにおける第2下地層6の内縁は、支持基板2の厚さ方向から見た場合に凹状に湾曲していてもよい(滑らかに湾曲している)。
1A,1B,1C…光検出器、2…支持基板、2a…第1表面、3…光透過基板、3a…第2表面、3b…凹部、3c…溝、5…第1下地層、5a…第1角部、6…第2下地層、6a…第2角部、7…半田層、8…補強部、8a…内縁、9…誘導部、10…光検出素子、33…ボロメータ層、S1…収容空間。
Claims (8)
- 支持基板と、
前記支持基板上に配置され、前記支持基板とで収容空間を形成する光透過基板と、
前記収容空間に位置するように前記支持基板に設けられ、前記光透過基板を介して光が入射した際に生じる熱に応じて電気抵抗が変化するボロメータ層を有する光検出素子と、
前記支持基板の厚さ方向から見た場合に前記光検出素子を囲むように、前記支持基板における前記光透過基板側の第1表面に設けられた第1下地層と、
前記支持基板の厚さ方向から見た場合に前記光検出素子を囲み且つ前記第1下地層に重なるように、前記光透過基板における前記支持基板側の第2表面に設けられた第2下地層と、
前記第1下地層と前記第2下地層との間に配置され、前記支持基板及び前記光透過基板を互いに固定すると共に前記収容空間を気密に封止する半田層と、
前記半田層と同一の材料によって前記半田層と一体的に形成された補強部と、を備え、
前記第1下地層は、第1角部を有し、
前記第2下地層は、前記支持基板の厚さ方向から見た場合に前記第1角部に重なる第2角部を有し、
前記補強部は、前記支持基板の厚さ方向から見た場合に互いに重なる前記第1角部及び前記第2角部の内側において、前記第1表面側及び前記第2表面側の少なくとも一方に至っている、光検出器。 - 複数の前記光検出素子を備え、
複数の前記光検出素子は、二次元マトリックス状に配置されている、請求項1に記載の光検出器。 - 前記補強部は、少なくとも前記第2表面側に至っている、請求項1又は2に記載の光検出器。
- 前記第1下地層は、前記支持基板の厚さ方向から見た場合に前記収容空間を挟んで互いに対向する一対の前記第1角部を有し、
前記第2下地層は、前記支持基板の厚さ方向から見た場合に一対の前記第1角部にそれぞれ重なる一対の前記第2角部を有し、
前記補強部は、前記支持基板の厚さ方向から見た場合に互いに重なる一方の前記第1角部及び一方の前記第2角部の内側、並びに、前記支持基板の厚さ方向から見た場合に互いに重なる他方の前記第1角部及び他方の前記第2角部の内側のそれぞれに、配置されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光検出器。 - 前記補強部の内縁は、前記支持基板の厚さ方向から見た場合に凹状に湾曲している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の光検出器。
- 前記支持基板の厚さ方向から見た場合に互いに重なる前記第1角部及び前記第2角部と前記光検出素子との間に位置するように、前記第1表面及び前記第2表面の少なくとも一方に設けられた誘導部を更に備え、
前記補強部を形成する材料に対する前記誘導部の濡れ性は、前記補強部を形成する材料に対する前記支持基板及び前記光透過基板の濡れ性よりも高く、
前記補強部は、前記誘導部に至っている、請求項1〜5のいずれか一項に記載の光検出器。 - 前記第1表面及び前記第2表面の少なくとも一方には、前記支持基板の厚さ方向から見た場合に互いに重なる前記第1角部及び前記第2角部と前記光検出素子との間を通るように溝が形成されている、請求項1〜6のいずれか一項に記載の光検出器。
- 前記光透過基板には、前記収容空間の一部を構成する凹部が形成されており、
前記補強部は、前記凹部内に至っている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の光検出器。
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