JP7027714B2 - ウエハキャップ、遠赤外線センサ、遠赤外線検出装置、キャップ - Google Patents

Description

本発明は、ウエハキャップ、遠赤外線センサ、遠赤外線検出装置、キャップに関するものである。

物体が放射する遠赤外線を検知する遠赤外線検出装置（例えば、特許文献１参照）は、非接触で対象となる物体の温度分布が測定可能であることや、基本的には光源が不要であること等から、セキュリティ用や車載用、監視用、工場での品質管理用等、近年様々な分野で普及し始めている。

特開２０１１－１４９９７５号公報

遠赤外線検出装置では、遠赤外線を検出する素子よりも遠赤外線の入射側（対象物側）に、遠赤外線を集光するための複数のレンズからなるレンズ群が配置される。このレンズ群は、従来、遠赤外線の透過率が高いゲルマニウムにより形成されている。
しかし、ゲルマニウムは非常に希少な材料であり、ゲルマニウム製のレンズは、非常に高価である。また、そのようなレンズを複数枚組み合わせてレンズ群を形成するため、遠赤外線センサが非常に高価になり、普及の妨げになるという問題があった。
特許文献１では、レンズ材料として、有機材料に微粒化した無機材料を混入させた材料を用いる等、ゲルマニウム以外の材料を選択することにより改善を図っているが、レンズの加熱等が必要であり、より簡単な構成であって、安価な遠赤外線検出装置の実現が望まれている。

本発明の課題は、より安価な遠赤外線検出装置を提供可能とすること、及び、これを可能とするウエハキャップ、遠赤外線センサ、キャップを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
第１の発明は、センサウエハ（１７０）に一体に接合可能なウエハキャップであって、シリコンにより形成され、複数の同形状のキャップ部（１１）が配列されて形成されており、前記キャップ部は、本体層（１２）と、前記本体層の少なくとも一方の面に形成され、凸フレネルレンズ形状又は凹フレネルレンズ形状であるレンズ形状部（１４）と、を備えるウエハキャップ（１１０）である。
第２の発明は、第１の発明のウエハキャップにおいて、少なくともセンサウエハとの接合時に外側となる面には、反射抑制層（１５）が形成されていること、を特徴とするウエハキャップ（１１０）である。
第３の発明は、遠赤外線の波長域の光を検知する検出素子（１８）を備えるセンサ基板部（１７）と、前記センサ基板部の少なくとも前記検出素子を被覆し、前記センサ基板部に接合されるキャップ部（１１）と、を備える遠赤外線センサであって、前記キャップ部は、シリコンにより形成され、本体層（１２）と、前記本体層の少なくとも一方の面に形成されたレンズ形状部（１４）と、を備え、前記レンズ形状部は、凸フレネルレンズ形状又は凹フレネルレンズ形状であり、前記検出素子に対応する位置に設けられること、を特徴とする遠赤外線センサ（１０）である。
第４の発明は、第３の発明の遠赤外線センサにおいて、前記キャップ部の少なくとも遠赤外線の入射側となる面には、反射抑制層（１５）が形成されていること、を特徴とする遠赤外線センサ（１０）である。
第５の発明は、第３の発明又は第４の発明の遠赤外線センサ（１０）と、前記遠赤外線センサの前記キャップ部（１１）よりも遠赤外線の入射側に配置され、少なくとも１つのレンズ（２１）を備える光学系（２０）と、前記遠赤外線センサの駆動を制御する制御部（３１）と、を備える遠赤外線検出装置（１）である。
第６の発明は、本体層（１２）と、凸フレネルレンズ形状又は凹フレネルレンズ形状であって、前記本体層の少なくとも一方の面に形成されるレンズ形状部（１４）と、を備え、遠線赤外線の波長域の光を検知する検出素子（１８）を備えるセンサ基板（１７）に接合され、前記検出素子を被覆するキャップ（１１）である。

本発明の課題は、より安価な遠赤外線検出装置を提供可能とすること、及び、これを可能とするウエハキャップ、遠赤外線センサ、キャップを提供することである。

実施形態の遠赤外線検出装置１を説明する図である。 実施形態の遠赤外線センサ部１０を説明する図である。 実施形態のキャップ部１１の別の形態を説明する図である。 実施形態の遠赤外線センサ部１０の製造方法を説明する図である。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張している。
本明細書中において、形状や幾何学的条件を特定する用語、例えば、平行や直交等の用語については、厳密に意味するところに加え、同様の光学的機能を奏し、平行や直交と見なせる程度の誤差を有する状態も含むものとする。
また、本明細書中に記載する各部材の寸法等の数値及び材料名等は、実施形態としての一例であり、これに限定されるものではなく、適宜選択して使用してよい。

（実施形態）
図１は、実施形態の遠赤外線検出装置１を説明する図である。
本実施形態の遠赤外線検出装置１は、レンズ部２０、シャッター部２５、制御部３１、処理部３２、遠赤外線センサ部１０等を備えている。図１では、理解を容易にするために、光軸Ｏ方向に平行なＺ軸を示している。このＺ軸において、対象物側が＋Ｚ側、遠赤外線センサ部１０側が－Ｚ側とする。

レンズ部２０は、この遠赤外線検出装置１の不図示の筐体の開口部に設けられ、このレンズ部に対象物の放射する遠赤外線が入射する。
レンズ部２０は、少なくとも１枚のレンズ２１を備え、遠赤外線を集光する機能を有する光学系であり、遠赤外線センサ部１０よりも遠赤外線の入射側（＋Ｚ側）に設けられている。図１では、一例として２枚のレンズ２１を備えるレンズ部２０を示している。各レンズ２１の形状やその組み合わせは、所望するレンズ部２０としての光学性能に応じて適宜選択してよい。また、レンズ２１は、フレネルレンズ形状のものを用いてもよい。
レンズ部２０に用いられるレンズ２１は、ゲルマニウムやカルコゲナイドガラス、シリコン、セレン化亜鉛、硫化亜鉛等の遠赤外線（特に、波長域が８～１２μｍの遠赤外線）を透過する材料によって形成されている。

シャッター部２５は、光軸Ｏ方向に沿ってレンズ部２０と遠赤外線センサ部１０との間に配置されている。このシャッター部２５は、後述する遠赤外線センサ部１０の検出素子１８の露光時間中のみ開いて遠赤外線を遠赤外線センサ部１０側へ通し、それ以外の時は閉じて遠赤外線を遮る装置である。図１では、シャッター部２５が開いている状態を示しており、図１に示す破線は、シャッター部２５が閉じた状態を示している。本実施形態では、遠赤外線検出装置１は、シャッター部２５として機械的構造を有するメカニカルシャッターを備える例を示したが、これに限らず、遠赤外線検出装置１は、機械的構造を持たない、いわゆる電子シャッターを備える形態としてもよい。
また、遠赤外線検出装置１は、レンズ部２０とシャッター部２５との間に、所望する光学性能等に応じて、絞り等を備えていてもよい。

制御部３１は、遠赤外線センサ部１０に電気的に接合されており、遠赤外線センサ部１０の駆動を制御する制御回路である。この制御部３１は、不図示の駆動電源に接続されている。
処理部３２は、遠赤外線センサ部１０に電気的に接合されており、遠赤外線センサ部１０からの出力信号を用いて画像化等の処理する処理回路である。この処理部３２は、不図示の出力部を有しており、遠赤外線検出装置１の外へ画像処理を施した信号等を出力可能である。
なお、上記に限らず、遠赤外線検出装置１は、不図示の記憶部や表示部等をさらに備える形態としてもよい。

図２は、本実施形態の遠赤外線センサ部１０を説明する図である。図２では、遠赤外線センサ部１０の光軸Ｏ方向に平行な断面を模式的に示している。
遠赤外線センサ部１０は、平面視が矩形状の板状の部材である。遠赤外線センサ部１０は、センサ基板１７と、センサ基板１７よりも＋Ｚ側（遠赤外線の入射側、対象物側）に位置するキャップ部１１とを備えている。
この遠赤外線センサ部１０は、センサ基板１７とキャップ部１１とをウエハ状態で接合した後、個片化するウエハレベルパッケージ（ＷＬＰ）により形成されたいわゆるパッケージである。

センサ基板１７は、平面視が矩形状の板状の部材であり、シリコン等の半導体により形成され、不図示の配線等がその表面に形成されている。また、この配線は、適宜、制御部３１、処理部３２と電気的に接続されている。
検出素子１８は、遠赤外領域の光（遠赤外線）を受光し、電気信号に変換する素子である。本実施形態の検出素子１８は、遠赤外線の波長域（特に、約８～１２μｍの波長域）の光に対して受光感度を有している。このような検出素子１８としては、例えば、マイクロボロメーターやサーモパイル、焦電素子等が用いられる。
この検出素子１８は、センサ基板１７の＋Ｚ側（入射側）に配置され、センサ基板１７に設けられた不図示の配線と電気的に接続されている。
なお、検出素子１８が出力した信号に対して、信号処理を行って処理部３２へ出力する不図示のＩＣ回路等が、センサ基板１７上に設けられ、センサ基板１７上の配線を介して検出素子１８と電気的に接続されている形態としてもよい。

キャップ部１１は、光軸Ｏ方向から見てセンサ基板１７と同じ矩形形状であり、センサ基板１７を十分に被覆し、また、センサ基板１７に一体に接合されている。キャップ部１１は、センサ基板１７に設けられた検出素子１８や配線等を保護する機能を有している。
キャップ部１１は、シリコンにより形成され、本体層１２、この本体層１２の少なくとも一方の面に形成されたレンズ形状部１４、本体層１２からセンサ基板１７側（－Ｚ側）へ突出した突出部１３等を有している。

レンズ形状部１４は、凸フレネルレンズ形状又は凹フレネルレンズ形状であり、光軸Ｏ方向から遠赤外線センサ部１０を見た場合に、検出素子１８に対応する領域に形成されている。また、このレンズ形状部１４は、これを透過した遠赤外線は、検出素子１８の受光面上において焦点を結ぶように設けられている。
図２では、一例として、レンズ形状部１４が凸フレネルレンズ形状であり、本体層１２の＋Ｚ側（入射側）の面に形成されている例を示している。しかし、このレンズ形状部１４は、レンズ部２０の光学性能に応じて、凹フレネルレンズ形状としてもよい。

突出部１３は、レンズ形状部１４が設けられた領域（図２に示す領域Ｓ１）の周縁部となる領域（図２に示す領域Ｓ２）に形成され、センサ基板１７側（－Ｚ側）へ所定の高さで突出している。
突出部１３のセンサ基板１７側の端部には、接合層１６が設けられており、この接合層１６によりセンサ基板１７とキャップ部１１とが一体に接合されている。この接合層１６は、金（Ａｕ）等の金属により形成されている。
突出部１３の高さ（本体層１２からの突出高さ）は、レンズ形状部１４の焦点距離に応じて設定可能である。また、この突出部１３を設けることにより、検出素子１８とキャップ部１１との間に空間１９が形成されている。この空間１９は、本実施形態では真空であるが、適宜、空気等の気体が封入されている形態としてもよい。

キャップ部１１の本体層１２の＋Ｚ側（入射側、対象物側）の面や、－Ｚ側（出射側、センサ基板１７側）の面（特に、領域Ｓ１に相当する領域）には、反射抑制層（ＡＲ層）１５が形成されている。この反射抑制層１５は、図２に示すように、レンズ形状部１４のフレネルレンズを形成する単位レンズの表面にも形成されている。
この反射抑制層１５は、反射抑制機能を有する材料、例えば、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ－Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）等を所定の膜厚でコーティングする等により形成される。
このような反射抑制層１５を設けることにより、ゲルマニウム等に比べて遠赤外線の透過率が低いシリコン製のレンズ形状部１４であっても、遠赤外線の透過率を向上させることができる。

上述のように、本実施形態の遠赤外線センサ部１０は、従来、センサ基板１７を保護する部材として使用されているキャップ部１１がレンズ形状部１４を備えており、レンズ形状部１４を透過した遠赤外線は、検出素子１８の受光面で焦点を結ぶ。したがって、レンズ形状部１４も検出素子１８へ集光させる光学系として機能するので、レンズ部２０のレンズ２１の枚数を減らすことができる。
遠赤外線検出装置１のレンズ部２０としては、ゲルマニウム等の希少材料を用いたレンズ２１が用いられるが、そのようなレンズ２１を減らして、より安価なシリコン製のレンズを従来使用されているキャップ部１１に形成することにより、遠赤外線検出装置１の小型化や軽量化、生産コストの低減を図ることができる。
また、一般的な遠赤外線検出装置等において、レンズ部２０のレンズ２１は、遠赤外線（特に波長８～１２μｍ）の透過率が高いゲルマニウムにより形成されている。一般的にシリコンは、ゲルマニウムに比して、遠赤外線の透過率が低い傾向にある。しかし、上述のように、レンズ形状部１４のレンズ形状をフレネルレンズ形状とすることにより、レンズ形状部１４の厚みを薄くでき、透過率を十分確保することができる。

なお、図２では、一例として、レンズ形状部１４が、キャップ部１１の本体層１２の＋Ｚ側（入射側）に形成される例を示したが、これに限定されるものではない。
図３は、本実施形態のキャップ部１１の別の形態を説明する図である。
図３（ａ）に示すように、キャップ部１１の領域Ｓ１において、本体層１２の－Ｚ側（センサ基板１７側）の面にレンズ形状部１４を設けてもよい。
また、図３（ｂ）に示すように、キャップ部１１の領域Ｓ１において、本体層１２の両面（＋Ｚ側及び－Ｚ側の面）にレンズ形状部１４を設けてもよい。

また、レンズ形状部１４は、凸フレネルレンズ形状に限らず、凹フレネルレンズ形状としてもよく、例えば、図３（ｂ）に示すように、本体層１２の両面にレンズ形状部１４を形成する場合には、一方の面のレンズ形状部１４を凸フレネルレンズ形状とし、他方の面のレンズ形状部１４を凹フレネルレンズ形状としてもよいし、図示しないが、両面とも凸フレネルレンズ形状又は凹フレネルレンズ形状としてもよい。レンズ形状部１４として形成されるフレネルレンズ形状のタイプ（凹型又は凸型）や、レンズ形状部１４が本体層１２のどの面に設けられるか等は、レンズ部２０の光学特性に応じて、適宜設定してよい。

次に、本実施形態の遠赤外線センサ部１０の製造方法について説明する。
図４は、本実施形態の遠赤外線センサ部１０の製造方法を説明する図である。なお、図４（ｂ）～（ｅ）は、シリコンウエハ１１０、センサウエハ１７０の一部（１つのパッケージに相当する領域）を拡大して示している。
図４（ａ）に示すように、シリコンウエハ１１０を用意する。
このシリコンウエハ１１０の片面１１０ｂにレジストを塗付し、所定のマスクパターンを設けて露光、現像する。その後、ドライエッチングを行い、図４（ｂ）に示すように、シリコンウエハ１１０の片面１１０ｂに突出部１３が形成される。
次に、シリコンウエハ１１０の突出部１３が形成された面１１０ｂとは反対側の面１１０ａを研磨し、シリコンウエハ１１０（本体層１２）の厚みを所定の値まで薄くした後、図４（ｃ）に示すように、エッチングによりレンズ形状部１４を形成する。

次に、図４（ｄ）に示すように、シリコンウエハ１１０の面１１０ａと、面１１０ｂの領域Ｓ１に相当する領域に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）をスパッタリングや蒸着、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ 化学気相成長）等により反射抑制層１５を形成する。これにより、シリコンウエハ１１０には、複数のキャップ部１１が配列された状態で形成される。
次に、図４（ｅ）に示すように、センサウエハ１７０を用意し、所定の配線を形成し、さらに検出素子１８を配置して配線と電気的に接続する。
そして、突出部１３の端部に金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等をスパッタリングや蒸着等により接合層１６を形成し、図４（ｆ）に示すように、シリコンウエハ１１０とセンサウエハ１７０との位置を合わせ、接合する。そして、ダイシング（個片化）することにより、図４（ｇ）に示すように、遠赤外線センサ部１０（パッケージ）が完成する。

なお、レンズ形状部１４を本体層１２の－Ｚ側（センサ基板１７側）となる面に形成する場合には、ドライエッチングにより突出部１３を形成する際に、同時にレンズ形状部１４を形成することが可能である。
上述のように形成された遠赤外線センサ部１０を、遠赤外線検出装置１内の所定の位置に配置し、制御回路等を接続することにより、遠赤外線検出装置１が完成する。

本実施形態によれば、ゲルマニウムに比べて安価なシリコンにより形成されるキャップ部１１にレンズ形状部１４を形成することにより、レンズ部２０を構成するレンズ２１の枚数を削減することができ、より安価で十分な光学性能を有する遠赤外線検出装置１を提供することができる。また、レンズ部２０構成するレンズ２１の枚数を削減することができるので、遠赤外線検出装置１の小型化、薄型化、軽量化を図ることができる。

（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範囲内である。
（１）実施形態において、遠赤外線センサ部１０は、遠赤外線検出装置１に使用される例を示したが、これに限らす、例えば、遠赤外線カメラに使用してもよい。

（２）実施形態において、遠赤外線検出装置１は、不図示の駆動部を備え、この駆動部がレンズ部２０の各レンズ２１を保持し、各レンズ２１を光軸Ｏ方向に沿って移動可能である形態としてもよい。このような形態とした場合には、レンズ２１間の距離やレンズ２１と遠赤外線センサ部１０との距離を好適なものに適宜設定することができる。

なお、本実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は、上述の実施形態等によって限定されることはない。

１ 遠赤外線検出装置
１０ 遠赤外線センサ部
１１ キャップ部
１２ 本体層
１３ 突出部
１４ レンズ形状部
１５ 反射抑制層
１６ 接合層
１７ センサ基板
１８ 検出素子

Claims (5)

1. センサウエハに一体に接合可能なウエハキャップであって、
   シリコンにより形成され、
   複数の同形状のキャップ部が配列されて形成されており、
   前記キャップ部は、
   本体層と、
   前記本体層の少なくともセンサウエハとの接合時に外側となる面に形成され、前記キャップ部の厚み方向に平行な断面において少なくとも一部に、断面三角形状の単位レンズが配列された凸フレネルレンズ形状又は凹フレネルレンズ形状であるレンズ形状部と、
   を備え、
   前記レンズ形状部の前記単位レンズの表面には、ダイヤモンドライクカーボンからなる反射抑制層が形成されていること、
   を特徴とするウエハキャップ。
2. 遠赤外線の波長域の光を検知する検出素子を備えるセンサ基板部と、
   前記センサ基板部の少なくとも前記検出素子を被覆し、前記センサ基板部に接合されるキャップ部と、
   を備える遠赤外線センサであって、
   前記キャップ部は、
   シリコンにより形成され、
   本体層と、
   前記本体層の少なくとも遠赤外光の入射側となる面に形成されたレンズ形状部と、
   を備え、
   前記レンズ形状部は、前記キャップ部の厚み方向に平行な断面において少なくとも一部に、断面三角形状の単位レンズが配列された凸フレネルレンズ形状又は凹フレネルレンズ形状であり、前記検出素子に対応する位置に設けられ、
   前記レンズ形状部の前記単位レンズの表面には、ダイヤモンドライクカーボンからなる反射抑制層が形成されていること、
   を特徴とする遠赤外線センサ。
3. 請求項２に記載の遠赤外線センサと、
   前記遠赤外線センサの前記キャップ部よりも遠赤外線の入射側に配置され、少なくとも１つのレンズを備える光学系と、
   前記遠赤外線センサの駆動を制御する制御部と、
   を備える遠赤外線検出装置。
4. 請求項３に記載の遠赤外線検出装置において
   前記レンズは、セレン化亜鉛により形成されていること、
   を特徴とする遠赤外線検出装置。
5. 本体層と、
   厚み方向に平行な断面において少なくとも一部に、断面三角形状の単位レンズが配列された凸フレネルレンズ形状又は凹フレネルレンズ形状であって、前記本体層の少なくともセンサ基板との接合時に外側となる面に形成されるレンズ形状部と、
   を備え、
   遠線赤外線の波長域の光を検知する検出素子を備えるセンサ基板に接合され、前記検出素子を被覆し、
   前記レンズ形状部の前単位レンズの表面には、ダイヤモンドライクカーボンからなる反射抑制層が形成されているキャップ。

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