JP4784399B2 - 赤外線センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線センサおよびその製造方法に関する。

半導体素子を形成した素子基板に、凹部を形成した封止用基板を接合して、半導体素子を封止用基板の凹部内に真空封止する小型半導体デバイスとして、半導体素子の電極を不純物ガスを吸着するゲッタ材料で構成したものが従来技術として知られている（たとえば、特許文献１）。
特開平８−３３０６０７号公報

赤外線検出素子がアレイ状に多数並んだ赤外線センサの場合、半導体素子基板のほとんどの面積を赤外線検出素子が占める。このため、電極が占める面積は少なくなり、特許文献１のように電極をゲッタ材料で構成しても不純物ガスを十分吸着できないという問題点がある。

本発明の赤外線センサは、真空封止した空所に配設された赤外線検出素子と、赤外線検出素子の赤外線を受光する受光部に設けられ、空所内の不純物ガスを吸着するゲッタ層とを備え、受光部は、受光面に形成された赤外線吸収膜を備え、ゲッタ層を、受光面に形成したことを特徴とする。

本発明によれば、赤外線検出素子の受光部に、不純物ガスを吸着するゲッタ層を形成したので、半導体素子を真空封止した空所内に発生した不純物ガスをゲッタ層によって十分に吸着できる。

−第１の実施形態−
本発明の第１の実施形態の赤外線センサについて図１を参照して説明する。図１（ａ）は赤外線センサ１の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

赤外線センサ１は半導体素子基板２と封止用基板３とを備える。半導体素子基板２は、たとえばＳｉからなり、表面には赤外線検出素子アレイ４が形成される。赤外線検出素子アレイ４は複数の赤外線検出素子４ａを縦横に並列配置したものである。赤外線検出素子アレイ４を構成する赤外線検出素子４ａの詳細については後述する。

封止用基板３は、たとえばＺｎＳやＧｅなど赤外線を透過する材料からなり、封止用基板３の半導体素子基板２側の面には凹部３ａが形成される。赤外線検出素子アレイ４を覆うように封止用基板３を半導体素子基板２と接合する。このとき、凹部３ａ内の圧力を１Ｐａ以下とし、赤外線検出素子アレイ４を凹部３ａ内に真空封止する。

封止用基板３には、半導体素子基板２との接合面からその反対側の面へ貫通する電極５が設けられており、電極５より赤外線検出素子アレイ４から出力される信号を取り出すことができる。

次に赤外線検出素子アレイ４を構成する赤外線検出素子４ａについて、図２を参照して説明する。図２（ａ）は赤外線検出素子４ａの平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。赤外線検出素子４ａは、略Ｌ字形状の一対の梁２１（２１ａ，２１ｂ）と、それらの梁２１により支持された受光部２２とを備えている。各梁２１の一方の端部は枠部２３に連結され、他方の端部は受光部２２に連結されている。半導体素子基板２には凹部２ａが形成されており、梁２１および受光部２２はこの凹部２ａの上方に設けられ、梁２１および受光部２２と半導体素子基板２との間には空隙２４が形成される。

梁２１は、たとえばＳｉＮからなり、内部には不図示のサーモパイルを構成するＰ型ポリシリコンおよびＮ型ポリシリコンが形成される。

受光部２２は、赤外線吸収膜２２ａとメンブレン２２ｂとを備えている。赤外線吸収膜２２ａは、赤外線を吸収し、熱エネルギーに変換する。また、赤外線吸収膜２２ａの表面には、封止用基板３の凹部３ａ内の不純物ガスを吸着するためのゲッタ材料からなるゲッタ層４１（図４参照）が形成されている。赤外線吸収膜２２ａの詳細については後述する。メンブレン２２ｂは、たとえばＳｉＮからなり、メンブレン２２ｂの内部において、不図示のＰ型ポリシリコンとＮ型ポリシリコンとがアルミ配線を介して接続している。このＰ型ポリシリコンとＮ型ポリシリコンとの接続は、赤外線を検出するときの温接点を構成する。

枠部２３は、たとえばＳｉＮからなり、枠部２３の内部において不図示のＰ型ポリシリコンとＮ型ポリシリコンとがアルミ配線を介して接続している。このＰ型ポリシリコンとＮ型ポリシリコンとの接続は、赤外線を検出するときの冷接点を構成する。

受光部２２に赤外線が入射すると、受光部２２の赤外線吸収膜２２ａは赤外線を吸収し、受光部２２の温度が上昇する。そして、ゼーベック効果によりメンブレン２２ｂの温接点と枠部２３の冷接点との間に起電力が発生する。この起電力を検出することによって赤外線を検出することができる。

赤外線吸収膜２２ａについて、図３を参照して説明する。図３は、赤外線吸収膜２２ａのＳＥＭ（ Scanning Electron Microscope ）像である。赤外線吸収膜２２ａは赤外線を吸収する金黒膜からなり、図３に示すように、赤外線吸収膜２２ａは５０ｎｍ程度の空隙を有する多孔質膜である。このような多孔質の赤外線吸収膜２２ａに赤外線が入射すると、入射した赤外線は赤外線吸収膜２２ａの内部で反射を繰り返し、その結果、入射した赤外線は全て赤外線吸収膜２２ａに吸収される。

赤外線吸収膜２２ａの表面に形成されたゲッタ層について図４を参照して説明する。図４は、赤外線吸収膜２２ａの表面の構造を模式的に示したものである。ゲッタ層４１はＴｉなど不純物ガスを吸着するゲッタ材料からなり、図４に示すように多孔質膜である赤外線吸収膜２２ａの表面に形成される。赤外線吸収膜の多孔質性を維持するため、ゲッタ層４１の膜厚は多孔質の内部の空隙が埋まらない程度の厚み、つまり２５ｎｍ以下であることが好ましい。ゲッタ層４１の膜厚が２５ｎｍを越えると、赤外線吸収膜２２ａ内の空隙がゲッタ材で埋まり、入射した赤外線は赤外線吸収膜２２ａの内部で反射を繰り返さなくなるからである。

次に、上述した赤外線センサ１の製造方法について、図５〜図６を参照して説明する。赤外線センサ１の製造方法は、赤外線検出素子形成工程と、封止用基板形成工程と、ゲッタ層形成工程と、半導体素子基板−封止用基板接合工程とを含む。以下では、赤外線検出素子形成工程により、半導体素子基板２には赤外線検出素子アレイ４などが形成されているものとし、封止用基板形成工程により、封止用基板３には凹部３ａや電極５などが形成されているものとする。

（イ）ゲッタ層形成工程
ゲッタ層形成工程は、図５に示すように、半導体素子基板２を蒸着装置５０のチャンバ５１内に設置して行われる。蒸着装置５０は、チャンバ５１、試料ホルダ５２および電子銃５３を備える。チャンバ５１は不図示の真空ポンプにより真空排気されている。試料ホルダ５２はチャンバ５１の上面側に設けられ、半導体素子基板２を保持する。電子銃５３は、チャンバ５１の下面側に設置された純チタンからなる蒸発源５４に電子ビームを照射する。

電子銃５３より電子ビームを蒸発源５４に照射すると、蒸発源５４からＴｉが蒸発し、赤外検出素子４ａの赤外線吸収膜２２ａの表面にＴｉが蒸着し、数ｎｍの厚みのゲッタ層４１が形成される。

（ロ）半導体素子基板−封止用基板接合工程
半導体素子基板−封止用基板接合工程は、図６に示すように、ゲッタ層４１を形成した半導体素子基板２と樹脂封止用基板３とを接合用真空装置６０のチャンバ６１内に設置して行われる。接合用真空装置６０は、チャンバ６１、上部試料ホルダ６２、下部試料ホルダ６３、およびビーム源６４，６５を備える。チャンバ６１は不図示の真空ポンプにより真空排気されている。上部試料ホルダ６２はチャンバ６１の上面側に設けられ、封止用基板３を保持する。上部試料ホルダ６２は上下移動可能であり、封止用基板３を半導体素子基板２と接合する位置まで移動できる。下部試料ホルダ６３はチャンバ６１の下面側に設けられ、半導体素子基板２を保持する。ビーム源６４は、上部試料ホルダ６２の保持された封止用基板３にＡｒイオンビームを照射し、ビーム源６５は、下部試料ホルダ６３に保持された半導体素子基板２にＡｒイオンビームを照射する。

封止用基板３にＡｒイオンビームを照射すると、封止用基板３の接合面がスパッタエッチングされる。このため、封止用基板３の表面を覆っていた汚染物や、酸化膜、水酸基、水分などは除去され、封止用基板３の接合面は活性な状態になる。一方、半導体素子基板２の接合面についても、Ａｒイオンビームを照射すると、表面を覆っていた汚染物や、酸化膜、水酸基、水分などは除去され、半導体素子基板２の接合面は活性な状態になる。

また、半導体素子基板２にＡｒイオンビームを照射したとき、赤外線吸収膜２２ａに形成したゲッタ層４１の表面もスパッタエッチングされる。このため、ゲッタ層４１の表面に吸着したガスや酸化膜などが除去され、ゲッタ層４１の表面も活性化される。

Ａｒイオンビームの照射後、上部試料ホルダ６２を下方に移動し、接合面が活性状態のまま真空中で封止用基板３と半導体素子基板２を重ね合わせると、半導体素子基板２と封止用基板３とは接合する（表面活性化接合）。また、ゲッタ層４１が活性状態のまま半導体素子基板２と封止用基板３とが接合されるので、凹部３ａ内の不純物ガスはゲッタ層４１に効率よく吸着される。

以上の第１の実施形態による赤外線センサ１は次のような作用効果を奏する。
（１）受光部２１の赤外線吸収膜２２ａの表面に、不純物ガスを吸着するゲッタ材料からなるゲッタ層４１を形成したので、ゲッタ層４１を形成する面積を大きくすることができる。したがって、半導体素子基板２を真空封止した凹部３ａ内に発生した不純物ガスをゲッタ層４１によって十分に吸着できる。また、ゲッタ層４１は赤外線吸収膜２２ａの受光面に形成され、表面に露出しているので効率よく凹部３ａ内に発生した不純物ガスを吸着できる。

（２）ゲッタ層４１の厚みを、多孔質を形成する赤外線吸収膜２２ａの空隙を埋めない厚さとした。したがって、入射した赤外線は赤外線吸収膜２２ａの内部で反射を繰り返し、その結果、入射した赤外線は全て赤外線吸収膜２２ａに吸収されるという効果を損なうことなくゲッタ層４１を赤外線吸収膜２２ａに形成することができる。また、このようにすることによって、ゲッタ層４１の表面積を大きくすることができ、不純物ガスを十分に吸収することができる。

（３）表面活性化接合によって、半導体素子基板２と封止用基板３とを接合した。したがって、加熱する必要がなく、常温で接合できるため、半導体素子基板２や封止用基板３などからの不純物ガス発生を防止することができる。また、ゲッタ層４１の活性化を同時に行うことができ、接合前または接合後にゲッタ層４１を加熱して活性化する必要がないので、工程を簡略化することができる。

−第２の実施形態−
本発明の第２の実施形態における赤外線センサについて説明する。第１の実施形態の赤外線センサ１と共通する部分は同じ符号を使用し、第１の実施形態の赤外線センサ１との相違点を主に説明する。

第２の実施形態における赤外線センサの構成は、図１に示す第１の実施形態における赤外線センサと同様であるが、赤外線検出素子アレイ４を構成する赤外線検出素子の構造が異なる。図７を参照して、第２の実施形態の赤外線センサにおける赤外線差検出素子１０４ａについて説明する。

図７（ｂ）に示すように、受光部２２Ａは、メンブレン１２２ｂと、このメンブレン１２２ｂ上に形成したゲッタ層１２２ｃと、ゲッタ層１２２ｃ上に形成した赤外線吸収膜１２２ａとを備える。第１の実施形態と異なり、赤外線吸収膜１２２ａの受光面にゲッタ層４１を形成せず、赤外線吸収膜１２２ａの受光面と反対側にゲッタ層１２２ｃを形成するようにした。したがって、図７（ａ）に示すように、赤外線吸収膜１２２ａよりゲッタ層１２２ｃの面積を大きくでき、ゲッタ層１２２ｃの周囲部が受光面に露出している。

図７（ｂ）に示すように、ゲッタ層１２２ｃは赤外線吸収膜１２２ａとメンブレン１２２ｂとの間に形成されている。上述したように赤外線吸収膜１２２ａは多孔質であるため、不純物ガスは赤外線吸収膜１２２ａを透過してゲッタ層１２２ｃに到達する。このため、赤外線吸収膜１２２ａとメンブレン１２２ｂとの間に形成されても、ゲッタ層１２２ｃは、凹部３ａ内の不純物ガスを吸着することができる。

次に、半導体素子基板２における赤外線検出素子１０４ａの形成方法について、図８〜図９を参照して説明する。

不図示のレジスト膜を形成した後、ＳｉＮ層を成膜し、レジスト膜を除去することによって、図８（ａ）に示すように、半導体素子基板２の表面に梁２１ａ，２１ｂ、枠部２３、メンブレン１２２ｂを形成する。そして、再び、不図示のレジスト膜を形成した後、Ｔｉを蒸着して、レジスト膜を除去し、メンブレン１２２ｂ上にゲッタ層１２２ｃを形成する。

図８（ｂ）に示すように、赤外線吸収層１２２ａを形成するため、ポリイミドからなるレジスト層８１を形成する。そして、金黒膜を蒸着し、図８（ｃ）に示すように、赤外線吸収膜１２２ａをゲッタ層１２２ｃ上に形成する。

図９（ａ）に示すように、レジスト層８１を除去する。そして、図９（ｂ）に示すように、半導体素子基板２を異方性エッチングすることによって、半導体素子基板２に凹部２ａを形成し、赤外線検出素子１０４ａの形成が完了する。

半導体素子基板２に赤外線検出素子１０４ａを形成した後、第１の実施形態と同様な方法で、半導体素子基板２と封止用基板とを接合し、赤外線センサは完成する。

以上の第２の実施形態による赤外線センサは次のような作用効果を奏する。
（１）受光部２１の赤外線吸収膜１２２ａとメンブレン１２２ｂとの間に、不純物ガスを吸着するゲッタ材料からなるゲッタ層１２２ｃを形成したので、ゲッタ層１２２ｃを形成する面積を大きくすることができる。したがって、半導体素子基板２を真空封止した凹部３ａ内に発生した不純物ガスをゲッタ層１２２ｃによって十分に吸着できる。また、ゲッタ層１２２ｃの一部は受光面に露出しているので効率よく凹部３ａ内に発生した不純物ガスを吸着できる。

（２）第１の実施形態のゲッタ層４１と異なり、ゲッタ層１２２ｃは赤外線吸収膜２２ａの赤外線吸収率に影響を及ぼさないので、その膜厚を厚くすることができる。したがって、ゲッタ層１２２ｃに吸着することができる不純物ガス量を多くすることができ、長期間、凹部３ａ内を真空に保つことができる。また、赤外線吸収膜２２ａの表面積が低減することもない。

（３）表面活性化接合によって、半導体素子基板２と封止用基板３とを接合したので、第１の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、ゲッタ層１２２ｃの露出している部分の活性化を同時に行うことができ、接合前または接合後にゲッタ層１２２ｃを加熱して凹部３ａ内の不純物ガスを除去する必要がないので、工程を簡略化することができる。

以上の実施形態の赤外線センサを次のように変形することができる。
（１）不純物ガスを吸着するものであれば、ゲッタ層４１，１２２ｃを構成するゲッタ材料はＴｉに限定されない。たとえば、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｔａ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎなどであってもよい。

（２）赤外線吸収膜２２ａ，１２２ａは、多孔質であって赤外線を吸収して熱を発生する膜であれば、金黒膜に限定されない。たとえば、Ｎｉ黒膜でもよい。

（３）メンブレン２２ｂ，１２２ｂの内部に抵抗体を形成し、抵抗体を発熱させることによってゲッタ層４１，１２２ｃを加熱して活性化させ、凹部３ａ内の不純物ガスを吸着するようにしてもよい。たとえば、図１０に示すように、メンブレン２２ｂと梁２１ａ，２１ｂの内部に抵抗体１００を形成する。そして、抵抗体１００に電流を流すことによって、赤外線吸収膜２２ａの表面に形成したゲッタ層４１を４００℃程度まで過熱し、ゲッタ層４１を活性化させるようにしてもよい。赤外線検出素子がボロメータ方式の場合、抵抗ボロメータに電流を流してゲッタ層４１，１２２ｃを加熱してもよく、赤外線検出素子がサーモパイル方式である場合は、サーモパイルの抵抗に電流を流してゲッタ層４１，１２２ｃを加熱してもよい。このようにすることによって、いつでもゲッタ層４１，１２２ｃを活性化させることができ、凹部３ａ内の真空を長期間持続することができる。

（４）半導体素子基板２と封止用基板３とを表面活性化接合によって接合したが、真空中の陽極接合によって接合してもよい。

（５）第２の実施形態では、ゲッタ層１２２ｃの周囲部が受光面に露出しているものとした。しかし、たとえば、図１１（ａ）に示すように、矩形形状の赤外線吸収膜１１２ａの一部を切り欠いてにゲッタ層１２２ｃａを露出させてもよい。図１１（ｂ）に示すように、ゲッタ層１２２ｃａの隅の部分が赤外線吸収膜１２２ａから露出するようにしてもよい。

本発明は、その特徴的構成を有していれば、以上説明した実施の形態になんら限定されない。

図１（ａ）は第１の実施形態の赤外線センサの平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。 図２（ａ）は第１の実施形態の赤外線検出素子の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。 赤外線吸収膜のＳＥＭ像である。 赤外線吸収膜の表面に形成したゲッタ層を説明するための図である。 ゲッタ層形成工程を説明するための図である。 半導体素子基板−封止用基板接合工程を説明するための図である。 図７（ａ）は第２の実施形態の赤外線検出素子の平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。 図８（ａ）〜（ｃ）は第２の実施形態の赤外線検出素子を半導体素子基板に形成するための過程を説明するための図である。 図９（ａ）、（ｂ）は第２の実施形態の赤外線検出素子を半導体素子基板に形成するための過程を説明するための図である。 メンブレンの内部に形成した抵抗体を説明するための図であり、図１０（ａ）は抵抗体を内蔵した赤外線検出素子の平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＤ−Ｄ’線断面図である。 図１１（ａ）、（ｂ）は第２の実施形態の赤外線検出素子の変形例を説明するための図である。

符号の説明

１ 赤外線センサ ２ 半導体素子基板
２ａ，３ａ 凹部 ３ 封止用基板
４ 赤外線検出素子アレイ ４ａ，１０４ａ 赤外線検出素子
５ 電極 ２１，２１ａ，２１ｂ 梁
２２，２２Ａ 受光部 ２２ａ，１１２ａ 赤外線吸収膜
２２ｂ，１２２ｂ メンブレン ２３ 枠部
４１，１２２ｃ，１２２ｃａ ゲッタ層 ５０ 蒸着装置
６０ 接合用真空装置 １００ 抵抗体

Claims (5)

1. 真空封止した空所に配設された赤外線検出素子と、
   前記赤外線検出素子の赤外線を受光する受光部に設けられ、前記空所内の不純物ガスを吸着するゲッタ層とを備え、
   前記受光部は、受光面に形成された赤外線吸収膜を備え、
   前記ゲッタ層を、前記受光面に形成したことを特徴とする赤外線センサ。
2. 請求項１に記載の赤外線センサにおいて、
   前記赤外線吸収膜は多孔質であり、
   前記ゲッタ層の厚みは、前記赤外線吸収膜の内部の空隙を埋めない厚みであることを特徴とする赤外線センサ。
3. 請求項１または２に記載の赤外線センサにおいて、
   前記受光部は抵抗体を内蔵しており、
   前記抵抗体を発熱することによって前記ゲッタ層を活性化させることを特徴とする赤外線センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の赤外線センサにおいて、
   前記赤外線検出素子は半導体素子基板に形成され、
   前記空所は封止用基板の凹部であり、
   表面活性化接合によって前記半導体素子基板に前記封止用基板を接合することを特徴とする赤外線センサ。
5. 請求項４に記載の赤外線センサの製造方法であって、
   前記半導体素子基板と前記封止用基板との接合面および前記ゲッタ層をスパッタエッチングするスパッタエッチング工程を備えることを特徴とする赤外線センサの製造方法。
   

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