JP4670757B2 - 赤外線センサおよび該赤外線センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線検出素子を真空封止した赤外線センサおよび該赤外線センサの製造方法に関する。

従来、赤外線検出素子毎に集光ミラーを形成した赤外線センサが発案されている（特許文献１参照）。上記の赤外線センサは、赤外線検出素子を形成した素子基板と、赤外線検出素子毎に形成された集光ミラーを備える赤外線集光部とを備え、素子基板上に赤外線集光部を設けている。赤外線検出素子は、入射赤外線を熱に変換する赤外線吸収部と、赤外線吸収部の温度上昇を検出するサーモパイルやボロメータ等の熱型検出部を含み、赤外線吸収部を離間して支持する梁とを備えている。上記のような構成を備えることにより、赤外線検出素子周りの配線部分へ入射する光を、赤外線検出素子の赤外線吸収部の受光面へ向けて集光させて、実質的な受光面の開口率を拡大している。
特開２００３−４５２７号公報

しかしながら、上記の赤外線検出素子毎に集光ミラーを形成した赤外線センサでは、梁へ入射する赤外線を赤外線吸収部に集光させていないため、受光部５０へと入射する赤外線の集光効率を上げることができず、実質的な開口率を上昇させることができない場合を否定できないといった問題もあった。更に、梁に入射する赤外線を赤外線吸収部に集光させるために、赤外線吸収部を露出させつつ、梁を覆うように集光ミラーを形成した場合、赤外線集光部を素子基板上に接着しているため、赤外線集光部と梁が接触し、赤外線集光部と赤外線吸収部との熱分離性が悪くなり感度が低下する危険があるといった問題もあった。そのため、赤外線集光部と素子基板をスペーサなどで分離する必要があった。

しかし、上記の赤外線検出素子毎に集光ミラーを形成した赤外線センサにおいて、素子基板にスペーサを接合した後、スペーサに封止基板を接合し、更に、封止基板に赤外線集光部を接合することにより、素子基板と赤外線集光部との間に封止基板を挿入した場合、赤外線集光部の集光ミラーと赤外線吸収部の距離が離れることから、集光ミラーを通過した赤外線が散乱し易くなり、赤外線検出素子の赤外線吸収部の受光面からはみ出すので、赤外線検出素子によって検出できなくなり、感度が低下するといった問題もあった。これを補うため、赤外線検出素子の赤外線吸収部を大きくすることが考えられるが、赤外線吸収部を大きくすると、赤外線検出素子そのものも大きくなり、画素単体の大きさが大きくなり、赤外線検出素子を格子状に並べるときの高解像度化が困難になるといった問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、赤外線検出素子を大きくすること無く感度の低下を防止できる赤外線センサおよび該赤外線センサの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明に係る赤外線センサでは、複数の赤外線検出素子を格子状に配置した素子基板と、赤外線を集光する複数の集光部を有する封止基板と、赤外線検出素子を真空封止する空間を素子基板と封止基板との間に形成するために挿入された支柱基板とから構成される。また、赤外線検出素子は、赤外線を熱に変換する受光部と、受光部の温度上昇を検出する熱型検出部を備えつつ、受光部を離間して支持する支持部とを備える。更に、集光部を封止基板のＶ字溝の凹部側面に形成されたミラーで形成したことを特徴とする。

本発明により、赤外線が透過する封止基板に集光部を形成したので、集光部と赤外線検出素子の受光部との距離を支柱基板の高さのみに減少できることから、赤外線検出素子を大きくすること無く、赤外線検出素子の感度の低下を防止できる赤外線センサを提供することができる。

本発明に係る赤外線センサについて、サーモパイルを用いた赤外線検出素子を含む赤外線センサを例として説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の赤外線センサ１００を、図１乃至図６を参照して説明する。図１は本発明に係る第１の実施形態の赤外線センサ１００の構成を示す平面図、図２は赤外線センサ１００のＡＡ’線における断面図、図３は図１に示す封止基板４の斜視図である。

第１の実施形態の赤外線センサ１００は、主に、９個の赤外線検出素子２を格子状に２次元に配置した赤外線検出素子アレイ（不図示）が形成されたＳｉからなる素子基板１と、９個の赤外線集光部１５を格子状に２次元に配置したマイクロミラーアレイ１６を有し、赤外線を透過する材料であるＧｅからなる封止基板４と、素子基板１と封止基板４との間に空間１２を形成するための支柱基板３とを備えている。そして、素子基板１と封止基板４との間に存在し、赤外線検出素子２と赤外線集光部１５が接触しないように分離する空間１２を低圧の真空状態としている。すなわち、本発明の赤外線センサ１００は、赤外線検出素子アレイをウェハレベルで真空封止した構成となっている。

ここで、素子基板１には、赤外線検出素子アレイの赤外線検出素子２と不図示の配線で接続された電極６が形成されている。一方、支柱基板３および封止基板４には、半田からなる４個の信号用貫通配線である貫通配線７が形成されている。図２に示すように、電極６と貫通配線７は導通している。そして、上記の４個の貫通配線７の内の１つを用いて、赤外線検出素子アレイからの検出信号を赤外線センサ１００の外部へ出力する。また、他の１つを用いて、サンプリング用のデジタル信号を赤外線検出素子アレイに入力する。これから、上記の赤外線センサ１００では、封止基板４から素子基板１に向けて入射された赤外線をマイクロミラーアレイ１６で集光し、赤外線検出素子アレイの赤外線検出素子２で検出している。そして、当該検出信号を電極６および貫通配線７を介して、赤外線センサ１００の外部へ出力している。

また、赤外線集光部１５は、封止基板４における赤外線の入射側対向面、すなわち、空間１２との接触面に形成されたＶ字溝１１（図６参照）の凹部側面、すなわち、台形状の平坦傾斜面に、赤外線に対して反射率が高い金属であるＡｕを蒸着することにより形成された４個のマイクロミラー５からなる。これから、図３に示すように、封止基板４のマイクロミラー５が形成された部分は入射側よりも入射側対向面の方が狭く形成され、逆ピラミッドのような形状をしている。このため、封止基板４に入射した赤外線は、マイクロミラー５で反射され、狭い入射側対向面に向かって進行する。よって、集光効率が上昇する。更に、赤外線集光部１５は、各赤外線検出素子２と対応する位置に、各赤外線検出素子２間のピッチと等しいピッチｈで形成されている。これにより、赤外線集光部１５によって集光された赤外線は、赤外線検出素子２に効率良く入射する。なお、第１の実施形態の赤外線センサ１００では、赤外線検出素子２のピッチおよび赤外線集光部１５のピッチｈ、すなわち、Ｖ字溝１１の谷部間の寸法を１００μｍとしている。よって、赤外線集光部１５のサイズは１００μｍ角となる。なお、Ｖ字溝１１の谷部において相対するマイクロミラー５の連結により、９個の赤外線集光部１５は連結し、マイクロミラーアレイ１６を形成している。

また、支柱基板３および封止基板４には、半田からなる接地用貫通配線１４も形成されている。接地用貫通配線１４は、封止基板４に形成された接地用配線１３を介して、マイクロミラーアレイ１６と導通すると共に、赤外線センサ１００の外部の接地端子（不図示）と導通している。これにより、赤外線センサ１００の外部から飛来する電磁波を遮断することができる。赤外線センサ１００では、上述のように、赤外線集光部１５のピッチｈを１００μｍとしているので、波長１００μｍ以上の電磁波をカットすることができ、当該電磁波によるノイズを低減することができる。なお、図３に示した封止基板４は、支柱基板３および素子基板１と接合する前の状態を示していることから、貫通配線７の代わりに貫通孔１０が示されている。同様に、接地用貫通配線１４の代わりに、接地用の貫通孔が示されている。一方、マイクロミラーアレイ１６を形成しているので、マイクロミラーアレイ１６と同時に形成される接地用配線１３が示されている。

次に、赤外線検出素子２について説明する。図４は、図１に示す赤外線検出素子２の構成を示す図である。ここで、図４（ａ）は赤外線検出素子２の平面図、図４（ｂ）は赤外線検出素子２のＸＸ’線における断面図である。

赤外線検出素子２は、入射した赤外線を熱に変換する受光部５０と、受光部５０の温度上昇を検出する熱型検出部であるサーモパイルを備えつつ、受光部５０を離間して支持する支持部である梁５１とからなる。赤外線検出素子２は、図４（ｂ）に示すような空隙５３を形成した素子基板１に設けられている。具体的には、図４（ａ）に示すように、２本の梁５１によって、素子基板１から機械的に受光部５０を離間させている。これにより、受光部５０を素子基板１から熱分離させることができる。また、上述したように、空間１２を低圧の真空状態にしていることから、赤外線検出素子２が置かれる雰囲気は真空状態となる。これより、赤外線検出素子２の受光部５０から気体への熱拡散によって受光部５０の温度が低下することを防止でき、受光部５０と封止基板１の熱分離性の悪化を防止でき、赤外線検出素子２の感度の低下を防止できる。

ここで、空隙５３は、エッチングスリット５２を通して、Ｓｉ（１００）面を露出するヒドラジンやＫＯＨなどを用いた結晶異方性エッチングによって形成されている。また、サーモパイルは、Ｐ型ポリシリコン６１ａとＮ型ポリシリコン６１ｂを直列につなぐことで形成されている。赤外線センサ１００では、赤外線検出素子２は２本のサーモパイルを備えている。そして、２本のサーモパイルは、受光部内アルミ配線６２およびアルミ配線６３により直列に接続されている。更に、出力端子６４と接続されている。上記のような構成の赤外線検出素子２の受光部５０に赤外線が入射すると、受光部５０において赤外線を吸収し、熱に変換する。そのため、受光部５０の温度が上昇する。サーモパイルは、温度上昇した受光部５０と素子基板１との温度差から熱起電力を発生する。サーモパイルによって発生した熱起電力を、検出信号として出力端子６４から赤外線検出素子２の外部に出力する。

次に、受光部５０とマイクロミラー５の位置関係について説明する。図５は、図４に示す受光部５０とマイクロミラー５の位置関係を示す断面図である。なお、図５は、図４（ｂ）に封止基板４を追加した図である。ここで、上記の通り、赤外線センサ１００の赤外線検出素子２は、１００μｍのピッチで素子基板１に形成されている。同様に、Ｖ字溝１１も１００μｍのピッチｈで封止基板４に形成されている。また、赤外線センサ１００では、５０μｍ角の受光部５０を含む赤外線検出素子２を使用している。更に、受光部５０の受光面と相対する封止基板４の入射側対向面を５０μｍ角としている。このような構成にすることにより、図６に示すように、受光部５０の両端部と封止基板４の入射側対向面の両端部を、入射側から見て同じ位置に配置している。これから、マイクロミラー５は赤外線検出素子２の梁５１を覆い隠している。

また、封止基板４の入射側対向面を通過した赤外線は、赤外線検出素子２の受光部５０に到達するまでに散乱してしまう。この散乱は支柱基板３の厚さによって決まる。よって、赤外線検出素子２の受光部５０を５０μｍ角としていることから、支柱基板３の厚さを受光部５０と同様に５０μｍとした。このような構成を有することで、マイクロミラー５が梁５１および赤外線検出素子２周りの配線部分を覆い隠していることから、梁５１および赤外線検出素子２周りの配線部分に入射する赤外線を受光部５０へ集光することができ、受光部５０へと入射する赤外線の集光効率を上げることができ、よって、実質的な開口率を上昇させることができる。

次に、第１の実施形態の赤外線センサ１００の製造方法について説明する。図６は、図１に示す赤外線センサ１００の製造工程を示す図である。なお、図６（ａ）〜（ｆ）は、各製造工程における断面図である。

まず、第１の工程として、図６（ａ）に示すように、金型加工により、貫通配線７の一部を形成するための貫通孔１０と、マイクロミラー５を形成するためのＶ字溝１１と、接地用配線１３を形成するための接地用の溝（不図示）と、接地用貫通配線１４を形成するための接地用の貫通孔（不図示）とを封止基板４に形成する。なお、Ｖ字溝１１の谷部である先端部分は、鋭角になっているほど良く、５μｍ以下の幅が望ましい。第２の工程として、図６（ｂ）に示すように、封止基板４のＶ字溝１１が形成された面に、赤外線に対して反射率の高い金属であるＡｕを蒸着する。第３の工程として、図６（ｃ）に示すように、ＣＭＰなどにより、封止基板４のＶ字溝１１が形成された面を研磨し、第２の工程で形成したＡｕ金属膜を除去する。この工程の後、Ｖ字溝１１の凹部側面だけにＡｕ金属膜が残る。このようにして、マイクロミラー５（赤外線集光部１５およびマイクロミラーアレイ１６）を形成する。同時に、接地用の溝にもＡｕ金属膜が残る。このようにして、接地用配線１３を形成する。次に、第４の工程として、図６（ｄ）に示すように、赤外線検出素子２を格子状に配置し、電極６を形成した素子基板１と貫通配線７の一部を形成するための貫通孔２０を備える支柱基板３との接合を行う。ここで、支柱基板３の材料は、ガラスなどの絶縁体である。素子基板１と支柱基板３との接合は、陽極接合で行った。第５の工程として、図６（ｅ）に示すように、マイクロミラー５および接地用配線１３を形成した封止基板４と素子基板１とを真空中において、陽極接合で支柱基板３を介して接合する。実際には、支柱基板３と封止基板４とを接合する。これにより、低圧の真空状態になっている空間１２を形成している。第６の工程として、図６（ｆ）に示すように、貫通孔１０および貫通孔２０に半田を流し込み、貫通配線７を形成する。同時に、接地用貫通配線１４を形成するための接地用の貫通孔に半田を流し込み、接地用貫通配線１４を形成する。なお、接地用貫通配線１４用の接地用の貫通孔と空間１２とは、支柱基板３によって分断されている。以上の工程により、第１の実施形態の赤外線センサ１００を製造する。

以上説明したように、第１の実施形態の赤外線センサ１００では、赤外線に対して反射率の高い金属であるＡｕからなるマイクロミラー５からなる赤外線集光部１５を封止基板４に形成し、赤外線集光部１５で赤外線を集光することにより、集光効率を向上することができる。また、赤外線検出素子２は、入射した赤外線を熱に変換する受光部５０と、受光部５０の温度上昇を検出するサーモパイルを備え、空隙５３を形成した素子基板１と受光部５０とを離間させた状態で、受光部５０を支持する梁５１とからなるので、受光部５０を素子基板１から熱分離させることができる。また、空間１２を低圧の真空状態にすることで、赤外線検出素子２が置かれる雰囲気を真空状態としているので、赤外線検出素子２の受光部５０から気体への熱拡散によって受光部５０の温度が低下することを防止でき、受光部５０と素子基板１の熱分離性の悪化を防止でき、赤外線検出素子２の感度の低下を防止できる。更に、赤外線集光部１５が形成された封止基板４と素子基板１との間に支柱基板３を挿入しているので、赤外線検出素子２の梁５１を覆い隠すように赤外線集光部１５を配置しても、赤外線集光部１５と梁５１が接触することが無く、受光部５０と赤外線集光部１５の熱分離性の悪化を防止でき、赤外線検出素子２の感度の低下を防止できる。更に、赤外線検出素子２の梁５１を覆い隠すように、赤外線集光部１５を形成しているので、梁５１および赤外線検出素子２周りの配線部分に入射する赤外線を受光部５０へ集光することができることから、受光部５０へと入射する赤外線の集光効率を上げることができ、実質的な開口率を上昇させることができる。

また、赤外線集光部１５を封止基板４に形成することにより、空間１２の真空封止のため気密性を確保する必要のある接合面は、素子基板１と支柱基板３との接合面および支柱基板３と封止基板４との接合面の２面であるので、信頼性の低下を防止することもできる。また、素子基板１、支柱基板３および封止基板４により形成される空間１２が低圧の真空状態であるため、素子基板１および封止基板４には大気圧と真空圧との差圧による力がかかり、素子基板１および封止基板４に反りが発生する場合があり、この反りの発生を防止するため、素子基板１および封止基板４を所定の厚さとする必要があるため、赤外線センサ１００の全体的な厚さが厚くなるものの、封止基板４に赤外線集光部１５を形成することで、赤外線センサ１００の全体的な厚さを薄くすることもできる。また、赤外線検出素子２の受光部５０までの距離が支柱基板３のみの厚さと等しくなるので、封止基板４の入射側対向面を通過した赤外線が散乱し難くなり、赤外線検出素子２の感度の低下を防止できる。よって、赤外線検出素子２を大きくする必要が無くなるため、赤外線検出素子２を小さくすることもでき，高解像度化を実現することが容易に可能となる。また、赤外線検出素子２のピッチと同じピッチで格子状に形成したマイクロミラーアレイ１６を、封止基板４に形成された接地用配線１３および接地用貫通配線１４を介して、赤外線センサ１００の外部の接地端子（不図示）と導通させているので、赤外線センサ１００の外部から飛来する電磁波を遮断することができ、当該電磁波によるノイズを低減することもできる。また、Ｖ字溝１１、貫通孔１０、接地用の溝および接地用の貫通孔を金型加工により形成し、マイクロミラー５を形成する工程で、同時に接地用配線１３も形成し、貫通配線７を形成する工程で、同時に接地用貫通配線１４も形成しているので、赤外線センサ１００の製造工程の増加を防止できる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の赤外線センサ２００について、第１の実施形態の赤外線センサ１００と異なる点を中心に図７および図８を参照して説明する。また、第２の実施形態の赤外線センサ２００について、第１の実施形態の赤外線センサ１００と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。なお、第２の実施形態の赤外線センサ２００の構造は、第１の実施形態の赤外線センサ１００の構造と基本的には同じである。第２の実施形態の赤外線センサ２００が、第１の実施形態と異なる点は、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１の交差点における封止基板４の入射側対向面の各端部と素子基板１との間に、支持バンプ８を設けていることだけである。よって、第２の実施形態の赤外線センサ２００を製造する工程・方法も第１の実施形態と同様である。これから、第２の実施形態の赤外線センサ２００は、第１の実施形態と同様の効果を取得できる。

図７は本発明に係る第２の実施形態の赤外線センサ２００の構成を示す平面図、図８は図７に示す赤外線センサ２００の断面図である。ここで、図８（ａ）は赤外線センサ２００の矢視ＢＢから見た断面図、図８（ｂ）は赤外線センサ２００の矢視ＣＣから見た断面図である。第２の実施形態の赤外線センサ２００も、第１の実施形態と同様に、空間１２を真空封止しているので、素子基板１および封止基板４が大気圧と真空圧との差圧による大きな力を受ける。素子基板１および封止基板４の間に支柱基板３を挿入して空間１２を形成しているが、マイクロミラーアレイ１６および赤外線検出素子２の形成のため、支柱基板３は赤外線センサ２００の外枠にしか形成されていない。更に、封止基板４の中央部分にＶ字溝１１を形成している。そのため、封止基板４の中央部分が最も反りが発生しやすい。そこで、第２の実施形態の赤外線センサ２００では、図７および図８に示すように、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１の交差点における封止基板４の入射側対向面の各端部と素子基板１との間に１個の支持バンプ８を設けている。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、支持バンプ８は、支柱基板３の厚さより若干高い高さで形成されている。そのため、支持バンプ８は、素子基板１および封止基板４にかかる大気圧と真空圧との差圧による大きな力によって、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１の交差点における封止基板４の入射側対向面の各端部と素子基板１から５方向の力を受けて固定される。なお、第２の実施形態の赤外線センサ２００では、支持バンプ８を、図６（ｅ）に示した工程と同様の工程において、Ｖ字溝１１の交差点にあたる素子基板１の位置に配置している。その後、支柱基板３と封止基板４とを接合することで、赤外線センサ２００を形成している。

以上より、素子基板１および封止基板４が大気圧と真空圧との差圧による大きな力を受けても、封止基板４の中央部分、すなわち、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１の交差点における封止基板４の入射側対向面の各端部と素子基板１との間に支持バンプ８を設けることで、素子基板１および封止基板４の反りを低減することができる。また、支持バンプ８は、素子基板１および封止基板４にかかる大気圧と真空圧との差圧による大きな力によって、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１の交差点における封止基板４の入射側対向面の各端部と素子基板１とから５方向の力を受けるため、特に何もしなくても、上記の位置に固定することができる。これにより、支持バンプ８を赤外線集光部１５のマイクロミラー５で覆い隠すこともでき、受光部５０へと入射する赤外線の集光効率を劣化させることなく、第１の実施形態と同様の効果を取得できる。更に、第１の実施形態では、素子基板１および封止基板４にかかる大気圧と真空圧との差圧による力によって、素子基板１および封止基板４に発生する反りを防止するため、素子基板１および封止基板４を所定の厚さとしていたが、第２の実施形態の赤外線センサ２００では、支持バンプ８を設けることにより、素子基板１および封止基板４の反りを低減できるので、素子基板１および封止基板４を所定の厚さよりも薄くすることが可能となり、赤外線センサ２００の全体的な厚さを薄くすることもできる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態の赤外線センサ３００について、第２の実施形態の赤外線センサ２００と異なる点を中心に図９および図１０を参照して説明する。また、第３の実施形態の赤外線センサ３００について、第２の実施形態の赤外線センサ２００と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。第３の実施形態の赤外線センサ３００が、第２の実施形態と異なる点は、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１の交差点に、赤外線に対して反射率の高い金属であるＡｕを蒸着していないことだけである。よって、第３の実施形態の赤外線センサ３００を製造する工程・方法も第２の実施形態と同様である。これから、第３の実施形態の赤外線センサ３００は、第２の実施形態と同様の効果を取得できる。

図９は本発明に係る第３の実施形態の赤外線センサ３００の構成を示す平面図、図１０は図９に示す赤外線センサの断面図である。ここで、図１０（ａ）は赤外線センサ３００のＤＤ’線における断面図、図１０（ｂ）は赤外線センサ３００のＥＥ’線における断面図である。図９および１０（ａ）に示すように、第３の実施形態の赤外線センサ３００の構成は、第２の実施形態と同様である。そして、第３の実施形態の赤外線センサ３００も、第２の実施形態と同様に、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１の交差点における封止基板４の入射側対向面の各端部と素子基板１との間に支持バンプ８を設けている。

しかし、第３の実施形態の赤外線センサ３００では、第２の実施形態と異なり、図９および図１０（ｂ）に示すように、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１の交差点に、赤外線に対して反射率の高い金属であるＡｕを蒸着していない。具体的には、第３の実施形態の赤外線センサ３００の製造工程において、図６（ａ）に示した封止基板４にＶ字溝１１を形成する工程と同様の工程で、封止基板４のＶ字溝１１の交差点に柱１７を形成する。これにより、柱１７の材料は、封止基板４を形成する材料と同じになる。ここで、柱１７を支持バンプ８と同程度の大きさで形成する。次に、図６（ｂ）に示した工程と同様の工程で、封止基板４のＶ字溝１１が形成された面に、赤外線に対して反射率の高い金属であるＡｕを蒸着する。これにより、Ｖ字溝１１の交差点に形成された柱１７の表面にもＡｕ金属膜が形成される。次に、図６（ｃ）に示した工程と同様の工程で、封止基板４のＶ字溝１１が形成された面を研磨し、封止基板４のＶ字溝１１が形成された面に形成したＡｕ金属膜を除去する。このとき、柱１７の支持バンプ８と接触する面に形成したＡｕ金属膜も除去される。以後、第２の実施形態と同様の工程で、第３の実施形態の赤外線センサ３００を製造する。このような工程を経ることで、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１の交差点にＡｕを蒸着することなく、マイクロミラーアレイ１６を形成している。そこで、第２の実施形態と同様に、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１の交差点における封止基板４の入射側対向面の各端部と素子基板１との間に支持バンプ８を設けた場合、図９に示したように、封止基板４を透過して支持バンプ８が見える。このため、支持バンプ８を素子基板１と封止基板４を接合する際の目印にすることができる。

以上より、第３の実施形態の赤外線センサ３００では、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１の交差点にＡｕを蒸着しないで、Ｖ字溝１１の交差点における封止基板４の入射側対向面の各端部と素子基板１との間に支持バンプ８を設けていることから、支持バンプ８を素子基板１と封止基板４を接合する際の目印にすることができる。よって、素子基板１と封止基板４を接合する際、支持バンプ８を位置合わせの目印に使用することができ、画素毎の合わせ精度を向上させることができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態の赤外線センサ４００について、第２の実施形態の赤外線センサ２００と異なる点を中心に図１１乃至図１３を参照して説明する。また、第４の実施形態の赤外線センサ４００について、第２の実施形態の赤外線センサ２００と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。なお、第４の実施形態の赤外線センサ４００の構造は、第２の実施形態の赤外線センサ２００の構造と基本的には同じである。第４の実施形態の赤外線センサ４００が、第２の実施形態と異なる点は、マイクロミラー５の代わりに、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１にＡｕを充填することで形成したマイクロミラー１９と、素子基板１に形成された電極６と封止基板４に形成された貫通配線１８を導通させる配線用バンプ９とを設けていることだけである。

図１１は本発明に係る第４の実施形態の赤外線センサ４００の構成を示す平面図、図１２は図１１に示す赤外線センサの断面図である。ここで、図１２（ａ）は赤外線センサ４００のＦＦ’線における断面図、図１２（ｂ）は赤外線センサ４００のＧＧ’線における断面図である。第４の実施形態の赤外線センサ４００では、図１２（ａ）に示すように、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１に、赤外線の反射率が高い金属であるＡｕを充填し、満たしている。これにより、マイクロミラー１９を形成している。更に、図１１に示すように、４個のマイクロミラー１９から赤外線集光部１５を形成している。なお、隣接する２個の赤外線集光部１５は１のマイクロミラー１９を共有している。また、第４の実施形態の赤外線センサ４００は、第２の実施形態と同様に、９個の赤外線集光部１５からなるマイクロミラーアレイ１６を備えている。

また、図１２（ａ）に示すように、封止基板４に形成された貫通孔１０（図１３参照）に、マイクロミラー１９を形成する材料と同じ材料であるＡｕを充填して、信号用貫通配線である貫通配線１８を形成している。これにより、マイクロミラー１９と貫通配線１８を同一工程で同時に形成している。更に、素子基板１に形成された電極６と貫通配線１８を導通させるため、電極６と貫通配線１８との間に配線用バンプ９を設けている。貫通配線１８は、貫通配線７と同様の用途に用いられている。また、図１１および図１２（ｂ）に示したように、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１の交差点には、支持バンプ８が設けられている。これにより、第２の実施形態と同様の効果を取得できる。

次に、第４の実施形態の赤外線センサ４００の製造方法について説明する。図１３は、図１１に示す赤外線センサ４００の製造工程を示す図である。なお、図１３（ａ）〜（ｅ）は、各製造工程における断面図である。

まず、第１の工程として、図１３（ａ）に示すように、金型加工により、貫通配線１８を形成するための貫通孔１０と、マイクロミラー１９を形成するためのＶ字溝１１と、接地用配線１３を形成するための接地用の溝（不図示）と、接地用貫通配線１４を形成するための接地用の貫通孔（不図示）とを封止基板４に形成する。なお、Ｖ字溝１１の谷部である先端部分は、鋭角になっているほど良く、５μｍ以下の幅が望ましい。第２の工程として、図１３（ｂ）に示すように、赤外線に対して反射率の高い金属であるＡｕを鍍金などの方法により、封止基板４全面に形成する。第３の工程として、図１３（ｃ）に示すように、ＣＭＰなどにより、封止基板４が露出するまで両面を研磨する。上記の工程により、Ｖ字溝１１にＡｕが充填されたマイクロミラー１９、接地用配線１３、接地用貫通配線１４および貫通配線１８を同時に形成している。次に、第４の工程として、図１３（ｄ）に示すように、赤外線検出素子２を格子状に配置し、電極６を形成した素子基板１と支柱基板３との接合を行う。ここで、支柱基板３の材料は、ガラスなどの絶縁体である。素子基板１と支柱基板３との接合は、陽極接合で行った。第５の工程として、図１３（ｅ）に示すように、支持バンプ８および配線用バンプ９を形成した後、封止基板４のＶ字溝１１の交差点にあたる素子基板１の位置に支持バンプ８を配置する。更に、素子基板１の電極６上に配線用バンプ９を配置する。次に、封止基板４と素子基板１とを真空中において、陽極接合で支柱基板３を介して接合する。実際には、支柱基板３と封止基板４とを接合する。以上の工程により、第４の実施形態の赤外線センサ４００を製造している。

以上より、第４の実施形態の赤外線センサ４００も、封止基板４の中央部分にＶ字溝１１を形成していることから、大気圧と真空圧との差圧による大きな力によりＶ字溝１１の角度が鈍角になることで、封止基板４の中央部分に最も反りが発生しやすい。しかし、封止基板４に格子状に形成されたＶ字溝１１にＡｕを充填して、マイクロミラー１９を形成することにより、Ａｕと封止基板４との接合力が反力となるため、Ｖ字溝１１の角度が鈍角になり難くなり、封止基板４の反りを低減することができる。また、マイクロミラー１９を形成する材料と同じ材料で、接地用配線１３、接地用貫通配線１４および貫通配線１８を形成し、素子基板１に形成された電極６と貫通配線１８を配線用バンプ９で導通させることで、マイクロミラー１９、接地用配線１３、接地用貫通配線１４および貫通配線１８を同一工程で同時に形成できる。よって、真空封止の前に配線用バンプ９を素子基板１の電極６上に配置する工程が増加したものの、接地用貫通配線１４および貫通配線１８を形成する工程を削減できたので、製造工程を増やさずに、マイクロミラー１９を形成することができる。

なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、第１乃至第４の実施形態では、サーモパイルを用いた赤外線検出素子２を使用しているが、特にこれに限定されるものでなく、ボロメータを用いた赤外線検出素子を使用しても、同様の効果を取得できる。

また、第１乃至第４の実施形態では、素子基板１、支柱基板３および封止基板４を陽極接合法で接合しているが、特にこれに限定されるものでなく、常温活性化接合法で接合しても良い。

また、第１乃至第４の実施形態では、封止基板４に金型加工でＶ字溝１１および貫通孔１０を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、ミリング、ワイヤソーなどで形成しても良い。

また、第１乃至第４の実施形態では、素子基板１の材料をＳｉとしているが、特にこれに限定されるものでなく、他の半導体材料でも良い。同様に、第１乃至第４の実施形態では、封止基板４の材料をＧｅとしているが、特にこれに限定されるものでなく、赤外線を効率よく透過させうる材料であれば、他の材料でも良い。例えば、ＺｎＳやＳｉなどの材料でも良い。

また、第１乃至第３の実施形態では、マイクロミラー５をＡｕで形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、赤外線の反射率が高い他の金属であれば、例えば、Ａｌで形成しても良い。同様に、第４の実施形態では、マイクロミラー１９をＡｕで形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、赤外線の反射率が高い他の金属であれば、例えば、Ａｌで形成しても良い。

また、第１乃至第３の実施形態では、接地用配線１３をＡｕで形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、接地用貫通配線１４およびマイクロミラー５と導通できれば他の金属で形成しても良い。しかし、マイクロミラー５と同じ金属で形成すれば、第１の実施形態で示したように、マイクロミラー５を形成する工程で、同時に接地用配線１３も形成できる。なお、接地用の溝の形状を説示していないが、どのような形状でも可能である。また、貫通配線７および接地用貫通配線１４を半田で形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の金属で形成しても良い。更に、接地用貫通配線１４を貫通配線７と同じ金属で形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、異なる金属で形成しても良い。しかし、同じ金属で形成すれば、貫通配線７を形成する工程で、同時に接地用貫通配線１４も形成することができる。

また、第４の実施形態では、接地用配線１３をＡｕで形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、接地用貫通配線１４およびマイクロミラー１９と導通できれば他の金属で形成しても良い。しかし、マイクロミラー１９と同じ金属で形成すれば、第４の実施形態で示したように、マイクロミラー１９を形成する工程で、同時に接地用配線１３も形成できる。なお、接地用の溝の形状を説示していないが、どのような形状でも可能である。また、接地用貫通配線１４をＡｕで形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の金属でも良い。同様に、貫通配線１８をＡｕで形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の金属でも良い。しかし、マイクロミラー１９と同じ金属で形成すれば、マイクロミラー１９を形成する工程で、接地用貫通配線１４および貫通配線１８も同時に形成できる。

また、第１乃至第４の実施形態では、素子基板１に赤外線検出素子２を９個形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、何個でも良いのはいうまでもない。同様に、封止基板４に赤外線集光部１５を９個形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、何個でも良い。

また、第１乃至第４の実施形態では、支柱基板３の厚さを受光部５０と同様に５０μｍとしているが、特にこれに限定されるものでない。しかし、支柱基板３の厚さは薄いほうが、赤外線が散乱し難くなるので、より感度の低下を防止できる。

また、第２乃至４の実施形態では、支持バンプ８は支柱基板３より若干高い高さで形成されているが、特にこれに限定されるものでなく、Ｖ字溝１１の交差点から別の位置、例えば、封止基板４の入射側対向面の中央に移動しなければ、同程度の高さでも良い。

また、第２の実施形態では、支持バンプ８は１つであったが、特にこれに限定されるものでなく、数を限定するものではない。同様に、第３および第４の実施形態では、支持バンプ８は４つであったが、数を限定するものではない。

また、第３の実施形態では、Ｖ字溝１１の交差点にＡｕが蒸着しないように、封止基板４に柱１７を形成しているが、特にこれに限定されるものでなく、Ｖ字溝１１の交差点にＡｕが蒸着しない他の方法を採用すれば、柱１７は無くても良い。

また、第４の実施形態では、支持バンプ８を設けているが、特にこれに限定されるものでなく、支持バンプ８が無くても良い。しかし、支持バンプ８を設けることにより、反りをより低減できる。

また、第４の実施形態では、Ｖ字溝１１の交差点をＡｕで充填しているが、特にこれに限定されるものでなく、第３の実施形態のように、Ｖ字溝１１の交差点にＡｕを充填しなくても良い。この場合、第３の実施形態と同様の効果を取得できる。なお、Ｖ字溝１１の交差点にＡｕを充填しない赤外線センサは、第３の実施形態に示す工程と同様の工程で製造可能である。

本発明に係る第１の実施形態の赤外線センサの構成を示す平面図 図１に示す赤外線センサのＡＡ’線における断面図 図１に示す封止基板の斜視図 図１に示す赤外線検出素子の構成を示す図 図４に示す受光部とマイクロミラーの位置関係を示す断面図 図１に示す赤外線センサの製造工程を示す図 本発明に係る第２の実施形態の赤外線センサの構成を示す平面図 図７に示す赤外線センサの断面図 本発明に係る第３の実施形態の赤外線センサの構成を示す平面図 図９に示す赤外線センサの断面図 本発明に係る第４の実施形態の赤外線センサの構成を示す平面図 図１１に示す赤外線センサの断面図 図１１に示す赤外線センサの製造工程を示す図

符号の説明

１ 素子基板、２ 赤外線検出素子、３ 支柱基板、４ 封止基板、
５ マイクロミラー、６ 電極、７ 信号用貫通配線である貫通配線、
８ 支持バンプ、９ 配線用バンプ、１０ 貫通孔、１１ Ｖ字溝、
１２ 空間、１３ 接地用配線、１４ 接地用貫通配線、
１５ 集光部である赤外線集光部、１６ マイクロミラーアレイ、１７ 柱、
１８ 信号用貫通配線である貫通配線、１９ マイクロミラー、２０ 貫通孔、
５０ 受光部、５１ 支持部である梁、５２ エッチングスリット、
５３ 空隙、６１ａ ｐ型ポリシリコン、６１ｂ ｎ型ポリシリコン、
６２ 受光部内アルミ配線、６３ アルミ配線、６４ 出力端子、
１００ 第１の実施形態の赤外線センサ、
２００ 第２の実施形態の赤外線センサ、
３００ 第３の実施形態の赤外線センサ、
４００ 第４の実施形態の赤外線センサ

Claims (20)

1. 複数の赤外線検出素子を格子状に配置した素子基板と、赤外線を透過する材料から形成された封止基板と、前記赤外線検出素子を真空封止する空間を前記素子基板と前記封止基板との間に形成するために挿入された支柱基板とを接合した赤外線センサにおいて、
   前記赤外線検出素子は、入射した赤外線を熱に変換する受光部と、前記受光部の温度上昇を検出する熱型検出部を備えつつ、前記受光部を離間して支持する支持部とを備え、
   前記封止基板は、入射した赤外線を前記赤外線検出素子の前記受光部へ集光する複数の集光部を備え、
   前記集光部は、前記封止基板に格子状に形成されたＶ字溝の凹部側面に形成されたミラーからなることを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記Ｖ字溝は、前記ミラーを形成する材料で満たされていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
3. 前記ミラーは、金属で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線センサ。
4. 前記集光部は、４面の前記ミラーからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の赤外線センサ。
5. 前記複数の集光部が形成された領域内で、かつ、前記素子基板と前記封止基板との間に、支持バンプを設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の赤外線センサ。
6. 前記支持バンプは、前記Ｖ字溝の交差点に配置されることを特徴とする請求項５に記載の赤外線センサ。
7. 前記封止基板における前記支持バンプと接触する位置に、前記ミラーを形成しないことを特徴とする請求項５乃至６のいずれかに記載の赤外線センサ。
8. 前記素子基板は前記赤外線検出素子からの検出信号を外部に出力するための電極を備え、
   前記支柱基板および前記封止基板は、前記電極と導通する信号用貫通配線を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の赤外線センサ。
9. 前記信号用貫通配線は、前記ミラーを形成する金属と同じ金属で形成されることを特徴とする請求項８に記載の赤外線センサ。
10. 前記封止基板は、該封止基板を貫通する接地用貫通配線を備え、
    前記複数の集光部は前記接地用貫通配線を介して接地されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の赤外線センサ。
11. 前記接地用貫通配線は、前記ミラーを形成する金属と同じ金属で形成されることを特徴とする請求項１０に記載の赤外線センサ。
12. 入射した赤外線を熱に変換する受光部と、前記受光部の温度上昇を検出する熱型検出部を備えつつ、前記受光部を離間して支持する支持部とを含む赤外線検出素子を備える赤外線センサの製造方法であって、
    複数の前記赤外線検出素子を素子基板に格子状に配置し、
    赤外線を透過する材料から形成された封止基板に格子状にＶ字溝を形成し、
    前記Ｖ字溝に金属を蒸着して、入射した赤外線を前記赤外線検出素子の前記受光部へ集光する複数の集光部を形成し、
    前記赤外線検出素子を真空封止する空間を前記素子基板と前記封止基板との間に形成するために挿入する支柱基板と、前記素子基板を接合し、
    前記支柱基板と前記封止基板を真空中で接合することを特徴とする赤外線センサの製造方法。
13. 前記素子基板に前記赤外線検出素子からの検出信号を外部に出力するための電極を形成し、
    前記封止基板および前記支柱基板に、信号用貫通配線を形成するための貫通孔を形成し、
    前記支柱基板と前記封止基板の接合後、前記貫通孔に半田を流し込み、前記電極と導通する前記信号用貫通配線を形成することを特徴とする請求項１２に記載の赤外線センサの製造方法。
14. 前記封止基板に、前記複数の集光部の接地用の溝および貫通孔を形成し、
    前記集光部を形成する工程で、同時に前記接地用の溝を使用して、接地用配線を形成し、
    前記支柱基板と前記封止基板の接合後、前記接地用の貫通孔に半田を流し込み、接地用貫通配線を形成することを特徴とする請求項１２または１３に記載の赤外線センサの製造方法。
15. 前記支柱基板と前記素子基板を接合した後、前記Ｖ字溝の交差点に対応する前記素子基板の位置に、前記素子基板と前記封止基板の反りを低減させるための支持バンプを配置することを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかにに記載の赤外線センサの製造方法。
16. 前記封止基板における前記支持バンプと接触する位置に、前記Ｖ字溝を形成しないことを特徴とする請求項１５に記載の赤外線センサの製造方法。
17. 入射した赤外線を熱に変換する受光部と、前記受光部の温度上昇を検出する熱型検出部を備えつつ、前記受光部を離間して支持する支持部とを含む赤外線検出素子を備える赤外線センサの製造方法であって、
    複数の前記赤外線検出素子を素子基板に格子状に配置し、
    赤外線を透過する材料から形成された封止基板に格子状にＶ字溝を形成し、
    前記Ｖ字溝に金属を鍍金して、前記Ｖ字溝を前記金属で満たし、
    前記封止基板の両面を研磨して、入射した赤外線を前記赤外線検出素子の前記受光部へ集光する複数の集光部を形成し、
    前記赤外線検出素子を真空封止する空間を前記素子基板と前記封止基板との間に形成するために挿入する支柱基板と、前記素子基板を接合し、
    前記支柱基板と前記封止基板を真空中で接合することを特徴とする赤外線センサの製造方法。
18. 前記素子基板に前記赤外線検出素子からの検出信号を外部に出力するための電極を形成し、
    前記封止基板に信号用貫通配線を形成するための貫通孔を形成し、
    前記集光部を形成する工程で、同時に前記貫通孔を使用して、前記信号用貫通配線を形成し、
    前記支柱基板と前記素子基板を接合した後、前記信号用貫通配線に対応する前記素子基板の位置に、前記信号用貫通配線と前記電極を導通する配線用バンプを配置することを特徴とする請求項１７に記載の赤外線センサの製造方法。
19. 前記封止基板に、前記複数の集光部の接地用の溝および貫通孔を形成し、
    前記集光部を形成する工程で、同時に前記接地用の溝および前記貫通孔を使用して、接地用配線および接地用貫通配線を形成することを特徴とする請求項１７または１８に記載の赤外線センサの製造方法。
20. 前記支柱基板と前記素子基板を接合した後、前記Ｖ字溝の交差点に対応する前記素子基板の位置に、前記素子基板と前記封止基板の反りを低減させるための支持バンプを配置することを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれかにに記載の赤外線センサの製造方法。
    

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