JP4862325B2

JP4862325B2 - 真空パッケージおよびその製造方法

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Publication number: JP4862325B2
Application number: JP2005258725A
Authority: JP
Inventors: 正樹廣田; 誠岩島; 最実太田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2025-09-07
Also published as: JP2007073721A

Description

本発明は非冷却型赤外線センサ等を内包する真空パッケージおよびその製造方法に関するものである。

非冷却型赤外線センサでは検知部の温度変化を増大させ感度を高めるために、真空パッケージを用いることがある。真空パッケージにおいて１０^−１Ｐａ以下の低い圧力の真空度を長時間維持するためには、真空パッケージ内部からの放出ガスを吸着して真空度を維持する必要があり、ゲッターと呼ばれるガス吸着物質を真空パッケージに内包させる必要がある。そして、大気中でのガス吸着物質へのガス吸着を防ぎ、封止後にガスをガス吸着物質に効率的に吸着させるために、内部のヒーターによりゲッターを加熱し、あるいは外部からバーナなどでゲッターを加熱して、ガス吸着物質を活性化している。

特開２００３−１３９６１６号公報

しかし、このような真空パッケージにおいては、内部のヒーターによりゲッターを加熱するときには、ヒーターに電流を供給するための電流導入端子が別に必要となるから、真空パッケージが大型になり、また外部からバーナなどでゲッターを加熱するときには、加熱によって赤外線センサが損傷するという問題があった。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、真空パッケージを小型化することができ、かつ赤外線センサが損傷することがない真空パッケージ、その製造方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明においては、内部に加熱処理によってガスの吸着速度が向上するガス吸着剤を設け、外部から上記ガス吸着剤に光エネルギーを導入可能な受光窓を設ける。

本発明においては、内部のヒーターによりガス吸着剤を加熱しないから、ヒーターに電流を供給するための電流導入端子が不要となるので、真空パッケージを小型化することができ、また外部からバーナなどでガス吸着剤を加熱しないから、加熱によって赤外線センサが損傷することがない。

（第１の実施の形態）
図１は本発明に係る真空パッケージを示す正断面図、図２は図１に示した真空パッケージを示す平面図である。図に示すように、ステム１にダイボンド材３により非冷却型の赤外線センサ２が実装され、ステム１に筒状のキャップ４が固定され、キャップ４に低融点ガラス６により外部からガス吸着剤８（説明後述）に光エネルギーを導入可能な受光窓５が貼り付けられ、キャップ４の内部にドーナッツ形状の遮光板７が取り付けられ、遮光板７に加熱処理によってガスの吸着速度が向上するドーナッツ形状のガス吸着剤８が設けられており、真空パッケージ内は１０^−１Ｐａ以下の真空雰囲気に保持されている。

次に作用を説明する。赤外線センサ２は別名熱型センサともいい、赤外線センサ２上に設けられた感熱物質の電気特性の温度変化を何らかの方法で電気信号に変えて出力するものであり、感熱物質の電気抵抗の変化を用いるボロメータ、誘電率変化を用いる焦電タイプ、ゼーベック効果を用いるサーモパイルなどがある。赤外線センサ２のセンサ感度を向上させるためには、感熱物質の温度変化率を大きくする必要があり、感熱物質を支える構造体を断熱構造することや真空パッケージ内を低圧にして雰囲気ガスの熱伝導を抑制することがよく用いられる。高感度センサでは、内部の圧力を１０^−１Ｐａ程度の高真空に維持する必要があり、真空パッケージ内部の物質から出てくるアウトガスによって圧力が上昇しないように、ガス吸着剤８が用いられることが一般的である。このガス吸着剤８には、大気中でのガス吸着を防ぎ、封止後にガスを効率的に吸着させるために、真空中でガス吸着剤８を３５０〜５００℃程度に加熱させる活性化というものが必要であるが、本発明では受光窓５より導入したレーザ光で加熱を行なう。加熱に用いるレーザ光の波長は受光窓５の透過波長であることが必要であり、一般的なＧｅ窓の場合にはＣＯ_２レーザ（波長１０．６μｍ）を用いる。また、受光窓５がＺｎＳｅやＺｎＳの場合には、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ（波長１．０６４μｍ）やＥｒ：ｇｌａｓｓレーザ（波長１．０６０μｍ）を用いることもできる。

今、５００℃で１０分以上加熱する必要があるガス吸着剤８を出力１０ＷのＣＷレーザを用いて加熱した場合の加熱温度、加熱時間を考える。まず、受光窓５での損失やガス吸着剤８での吸収率を考慮して、総合的な有効利用されるエネルギーの割合が５０％と仮定し、ガス吸着剤８の真空パッケージへの熱抵抗を１００ｋ／Ｗと仮定する。さらに、周囲温度が２５℃の場合を想定すると、ガス吸着剤８へは５Ｗエネルギーが注入されるので、５２５℃で熱平衡に達する。ガス吸着剤８の比熱が鉄に近く質量が１０ｇと仮定すると、熱容量は４．４Ｊ／ｋとなり、熱時定数は１００×４．４＝４４０secとなる。従って、温度上昇に必要な７分と加熱時間１０分とを加えて、合計１７分以上レーザ光を照射することでガス吸着剤８が活性化される。但し、ガス吸着剤８からの熱伝導によって加熱時には真空パッケージ全体が加熱されないように、ヒートシンクなどに固定することが必要となる。

つぎに、図３により図１、図２に示した真空パッケージの製造方法を説明する。まず、図３(ａ)に示すように、赤外線センサ２をダイボンド材３を用いてステム１に実装する。つぎに、図３(ｂ)に示すように、低融点ガラス６により受光窓５をキャップ４に貼り付ける。つぎに、図３(ｃ)に示すように、キャップ４にドーナッツ形状のガス吸着剤８が設けられた遮光板７を固定して、キャップ４にガス吸着剤８を内蔵させる。なお、キャップ４への遮光板７の固定はスポット溶接などを用いる。つぎに、図３(ｄ)に示すように、キャップ４とステム１とを真空雰囲気中で電子ビーム溶接、レーザ溶接、抵抗加熱溶接などで溶接して固定する。

そして、真空パッケージ全体を回転させながら、レーザ光を受光窓５の一部を透過してガス吸着剤８に照射し、ガス吸着剤８の温度を上昇せしめてガス吸着速度を増大させる。すなわち、レーザ光を受光窓５より照射して、レーザ光をガス吸着剤８に吸収させると、ガス吸着剤８に吸収された光エネルギーが熱に変換され、ガス吸着剤８が加熱されて、ガス吸着剤８の活性化処理が行なわれる。この場合、遮光板７はレーザ光の赤外線センサ２への照射を防ぐとともに、赤外線センサ２への迷光を除去する。

この真空パッケージ、その製造方法においては、レーザ光を受光窓５より照射して、ガス吸着剤８の活性化処理を行なうことができるから、電流導入端子を別に設ける必要がないので、真空パッケージを小型化することができる。また、外部からバーナなどでガス吸着剤８を加熱しないから、加熱によって赤外線センサ２が損傷することはない。また、ガス吸着剤８の吸着能力が低下してきたときに、適宜外部からガス吸着剤８の再活性化を行なうことが可能になる。また、組み立て時に真空中でガス吸着剤８の活性化を行なう必要がないために、組み立て工程が簡略化される。また、キャップ４とステム１とをレーザ溶接する場合には、同じレーザで溶接と加熱処理とを同時行なうことができるから、工程が大幅に簡略化される。

（第２の実施の形態）
図４は本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図である。図に示すように、受光窓５には赤外線センサ２の検出面（チップ検出面）に像を結ぶための第１の凸レンズ１１が形成され、レーザ光を凸レンズ１１の領域以外の受光窓５を通して導入して、ガス吸着剤８の加熱を行なう。

この真空パッケージにおいては、レーザ光の受光部が明確に定義されているので、レーザ光照射位置が合わせやすい。

（第３の実施の形態）
図５は本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図である。図に示すように、受光窓５に凸レンズ１１が形成され、また受光窓５のレーザ光の導入部（入射部）に集光用の第２の凸レンズ１２が設けられている。

この真空パッケージにおいては、凸レンズ１２でレーザ光が集光されるので、照射された部位のエネルギー密度が増加し、少ない入射エネルギーでガス吸着剤８の活性化が可能になる。また、レーザ光の照射位置がずれた場合にも、凸レンズ１２で補正することが可能になる。

なお、図５では凸レンズ１２を受光窓５の外側に設けているが、第２の凸レンズを受光窓５の内側に設けてもよい。

（第４の実施の形態）
図６は本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図であり、図６(ｂ)は図６(ａ)のＡ−Ａ断面図である。図に示すように、受光窓５に凸レンズ１１が形成され、また受光窓５のレーザ光の導入部に円周方向に曲率を持つ凹レンズ１３が設けられている。

この真空パッケージにおいては、凹レンズ１３によりレーザ光が円周方向に拡散されるので、広い範囲のガス吸着剤８を加熱することが可能になる。すなわち、レーザ光を円周方向に拡大させる効果があり、１回の照射で広い範囲を加熱することが可能になる。このため、元々レーザ光強度が大きく、多量のガス吸着剤８を加熱する必要がある場合に有効である。

（第５の実施の形態）
図７は本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図である。図に示すように、受光窓５の赤外線センサ２に対応する部分に凸部２１が設けられている。

この真空パッケージにおいては、レーザ光がアライメント不良によって垂直に入射しなかった場合であっても、受光窓５と凸部２１との段差でレーザ光が全反射するから、レーザ光を確実にガス吸着剤８に照射することができる。また、レーザ光の受光部が明確に定義されているので、レーザ照射位置が合わせやすい。

（第６の実施の形態）
図８は本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図である。図に示すように、受光窓５の赤外線センサ２に対応する部分に凹部２２が設けられている。

この真空パッケージにおいては、レーザ光がアライメント不良によって垂直に入射しなかった場合であっても、受光窓５と凹部２２との段差でレーザ光が全反射するから、レーザ光を確実にガス吸着剤８に照射することができる。また、レーザ光の受光部が明確に定義されているので、レーザ照射位置が合わせやすい。

（第７の実施の形態）
図９は本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図である。図に示すように、受光窓５にテーパ状の凹部２３が設けられている。すなわち、受光窓５の外周部の厚みを受光窓５の中央部の厚みより厚くして、受光窓５のレーザ光の導入部の厚さをテーパー状に中心部へ向かって薄くしている。

この真空パッケージにおいては、レーザ光がテーパー部に入射した場合に、レーザ光が受光窓５の外周部へ向かって屈折するので、多少のアライメント不良が生じても、レーザ光が赤外線センサ２に照射されることがなく、効果的にガス吸着剤８の加熱、活性化が可能になるとともに、より小型の真空パッケージを作製することが可能になる。

（第８の実施の形態）
図１０は本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図である。図に示すように、受光窓５の赤外線センサ２に対応する部分にレーザ光を透過しないコート２４が形成されている。

この真空パッケージにおいては、レーザ光のアライメント不良が生じても、コート２４に照射されたレーザ光は透過せず反射若しくは吸収されるから、レーザ光が赤外線センサ２にあたってしまう可能性が低くなり、歩留まりが向上し、若しくはより小型の真空パッケージを作成することが可能になる。

なお、検出対象の赤外線波長領域とレーザ光の波長とが異なることで、上記効果を達成させる。例えば、赤外線センサ２の受光波長が８〜１２μｍ（遠赤外光）の場合には、レーザ光としてＥｒ：ＹＡＧレーザ（波長１．０６４μｍ）等を用いる。その場合には、受光窓５には遠赤外光およびＥｒ：ＹＡＧレーザを透過するＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＫＢｒなどの材料を用いる。

（第９の実施の形態）
図１１は本発明に係る他の真空パッケージの製造方法の説明図である。図に示すように、基体ウェハ３１に複数の赤外線センサ３２を形成し、基体ウェハ３１の各赤外線センサ３２の近傍に異方性エッチングにより第２のキャビティ３３を形成し、各キャビティ３３の上部の板状部にガス吸着剤３４を設け、シリコンからなるキャップウェハ３５に異方性エッチングにより赤外線センサ３２に対応して、赤外線センサ３２よりも大きな面積の第１のキャビティ（窪み）３６を設け、基体ウェハ３１とキャップウェハ３５とをダイレクトボンドや陽極接合などにより接合する。そして、基体ウェハ３１とキャップウェハ３５とを接合したのち、集積状態でレーザ光をキャップウェハ３５の一部を透過して複数のガス吸着剤３４に照射し、複数のガス吸着剤３４の温度を上昇せしめてガス吸着速度を増大させ、つぎに基体ウェハ３１とキャップウェハ３５との接合部（破線部）において各真空パッケージを切り離す。

この真空パッケージの製造方法においては、同時に複数の真空パッケージのガス吸着剤３２を加熱することができるので、工数の削減が可能になる。また、ガス吸着剤３２の下部にキャビティ３３が形成され、熱分離構造にしているから、ガス吸着剤３２の温度が上がりやすい。

なお、ＺｎＳの焼結体でキャップウェハを形成する場合には、予めキャビティを形成した形で焼結を行なう。

なお、上述実施の形態においては、レーザ光によりガス吸着剤に光エネルギーを導入したが、他の光によりガス吸着剤に光エネルギーを導入してもよい。また、上述実施の形態においては、ステム１にダイボンド材３により赤外線センサ２を実装したが、ステム１にダイボンド材３以外のものを使用して赤外線センサ２を実装してもよい。また、上述実施の形態においては、キャップ４に低融点ガラス６により受光窓５を貼り付けたが、キャップ４に低融点ガラス６以外のものを使用して受光窓５を貼り付けてもよい。

本発明に係る真空パッケージを示す正断面図である。図１に示した真空パッケージを示す平面図である。図１、図２に示した真空パッケージの製造方法の説明図である。本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図である。本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図である。本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図である。本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図である。本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図である。本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図である。本発明に係る他の真空パッケージを示す断面図である。本発明に係る他の真空パッケージの製造方法の説明図である。

符号の説明

１…ステム
２…赤外線センサ
４…キャップ
５…受光窓
８…ガス吸着剤
１１…第１の凸レンズ
１２…第２の凸レンズ
１３…凹レンズ
２１…凸部
２２…凹部
２３…凹部
２４…コート
３１…基体ウェハ
３２…赤外線センサ
３３…第２のキャビティ
３４…ガス吸着剤
３５…キャップウェハ
３６…第１のキャビティ

Claims

赤外線センサを内包し、中の圧力が外部よりも低い真空パッケージにおいて、
内部に加熱処理によってガスの吸着速度が向上するガス吸着剤と、
外部から上記ガス吸着剤に光エネルギーを導入可能な受光窓と、
上記受光窓と上記赤外線センサの間に配置され、上記受光窓側で上記ガス吸着剤を支持すると共に、上記赤外線センサに向かう上記光エネルギーを遮光する遮光板と、を備えたことを特徴とする真空パッケージ。
上記遮光板において上記赤外線センサと対向する領域には、開口が形成され、
上記遮光板において上記ガス吸着剤を支持する主面は、上記ガス吸着剤から露出した露出部を含み、
上記露出部は、上記開口の内縁に沿って位置していることを特徴とする請求項１に記載の真空パッケージ。
上記受光窓は、
上記赤外線センサに対応するセンサ対応部と、
上記光エネルギーを導入する導入部と、を有し、
上記センサ対応部の厚さと上記導入部の厚さが相互に異なり、且つ、上記センサ対応部から上記導入部に亘って、上記受光窓において外部に露出する表面が非平坦となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空パッケージ。
上記受光窓に上記赤外線センサに像を結ぶための第１の凸レンズを形成したことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の真空パッケージ。
上記受光窓の上記光エネルギーの導入部に第２の凸レンズを形成したことを特徴とする請求項４に記載の真空パッケージ。
上記受光窓の上記光エネルギーの導入部に円周方向に曲率を持つ凹レンズを形成したことを特徴とする請求項４に記載の真空パッケージ。
上記受光窓の上記赤外線センサに対応するセンサ対応部に凸部を設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の真空パッケージ。
上記受光窓の上記赤外線センサに対応するセンサ対応部に凹部を設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の真空パッケージ。
上記受光窓の上記光エネルギーの導入部の厚さをテーパー状に中心部へ向かって薄くしたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の真空パッケージ。
上記受光窓の赤外線センサに対応するセンサ対応部に上記光エネルギーを透過しないコートを形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の真空パッケージ。
赤外線センサをステムに実装する工程と、
キャップの一端に受光窓を貼り付ける工程と、
上記キャップの内部に、上記受光窓側にガス吸着剤が設けられた遮光板を固定する工程と、
上記キャップの他端に上記ステムを固定する工程と、
光エネルギーを上記受光窓の一部を透過して上記ガス吸着剤に照射し、上記ガス吸着剤の温度を上昇せしめてガス吸着速度を増大させる工程とを有することを特徴とする真空パッケージの製造方法。