JP7292077B2

JP7292077B2 - パッケージ素子の製造方法およびパッケージ素子

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Publication number: JP7292077B2
Application number: JP2019056500A
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Inventors: 有輔山縣; 久敏秦; 倫宏前川
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Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2023-06-16
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Description

本発明は、パッケージ素子およびその製造方法に関し、特に、赤外線センサまたは赤外線イメージセンサを真空パッケージに封止パッケージ素子およびその製造方法に関する。

赤外線センサでは、赤外線の検出感度を高めるために、ＭＥＭＳ技術を用いて、センサ（撮像素子）が基材から熱的に隔離された断熱構造とする共に、断熱性を高めるために、密閉された真空パッケージに封止される。真空パッケージの製造方法としては、赤外線センサを形成したデバイスウエハと、デバイスウエハに対向するリッドウエハを真空雰囲気で接合し、複数の真空パッケージをウエハ状態で形成するウエハレベルパッケージ（Wafer Level Package）が提案されている。

ウエハレベルパッケージの一例として、複数のデバイスとそれを囲む第１シーリングリング、およびボンディングパッド形成されたデバイスウエハと、第１シーリングリングに対向する第２シーリングリングとデバイスに対向した窪みが形成されたリッドウエハを重ねて真空炉に入れる。真空炉内を真空状態にした後に、デバイスウエハとリッドウエハを加熱して接合し、複数の真空パッケージを形成し、最後にダイシングによりデバイスを個片化する（例えば、特許文献１参照）。

特表２００３－５３１４７５号公報

しかしながら、金属膜からなる第２シーリングリングとシリコンからなるリッドウエハとの熱膨張係数の違いにより、加熱による接合工程において、リッドウエハが反り、接合が不十分になった。また、ウエハが薄いほど赤外線の透過効率は向上するが、接合工程での反りは大きくなるため、窪みを形成してウエハを薄くするとリッドウエハの反りはさらに大きくなった。このような、リッドウエハとデバイスウエハの接合不良は、真空パッケージ内の真空度の低下につながり、赤外線センサの性能の低下を招くこととなった。

そこで、本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、真空パッケージ素子をウエハレベルパッケージで作製する方法において、２つのウエハが良好に接合される真空パッケージ素子およびその製造方法の提供を目的とする。

本発明の一つの態様は、ウエハレベルパッケージングを用いたパッケージ素子の製造方法であって、
対向する表面と裏面とを有し、第１シーリングリングと、前記第１シーリングリングの内側に形成されたデバイス領域と、前記第１シーリングリングの外側に形成されたボンディングパッドとを含むデバイスが、前記表面側に複数配置されたデバイスウエハを準備する工程と、
対向する表面と裏面とを有し、前記第１シーリングリングに対応するように設けられた第２シーリングリングと、前記第２シーリングリングの内側に形成された第１窪みとを含むリッドが、前記表面側に複数配置されたリッドウエハを準備する工程と、
前記デバイスウエハの前記表面と前記リッドウエハの前記表面とを対向させて、前記第１シーリングリングと前記第２シーリングリングとをシール層を挟んで重ねる工程と、
真空雰囲気内で前記シール層を加熱し、前記第１シーリングリングと前記第２シーリングリングとを前記シール層で接合する工程と、
前記デバイスウエハと前記リッドウエハとを切断して、前記デバイスと前記リッドとの間に前記デバイス領域が真空状態で封止されたパッケージ素子とする工程と、を含み、
前記デバイスウエハは、複数の前記デバイスからなるデバイス群の繰り返しを含み、前記リッドウエハは、複数の前記リッドからなるリッド群の繰り返しを含むことを特徴とするパッケージ素子の製造方法である。

本発明の一つの態様は、
対向する表面と裏面とを有し、第１シーリングリングと、前記第１シーリングリングの内側に形成され、複数のデバイスが設けられたデバイス領域とを含む第１ウエハと、
対向する表面と裏面とを有し、前記第１シーリングリングに対応するように設けられた第２シーリングリングを含む第２ウエハとを含み、
前記第１ウエハの前記表面と前記第２ウエハの前記表面とを対向させた状態で、前記第１シーリングリングと前記第２シーリングリングとがシール層で接続されて、前記第１ウエハと前記第２ウエハとの間に前記デバイス領域を封止する中空部が形成されたパッケージ素子であって、
前記デバイスは、有効画素と、出力レベル参照画素と、前記有効画素および前記出力レベル参照画素からの電気信号を用いて信号処理を行う読出回路とを含み、
前記第２ウエハの前記表面に遮光膜が設けられ、前記第２ウエハの前記裏面から入射する赤外線光が、前記出力レベル参照画素に入射するのを阻止したことを特徴とするパッケージ素子である。

本発明にかかる真空パッケージ素子の製造方法では、デバイスウエハおよびリッドウエハ（リッドブロック）の反りを低減し両者の接合が確実に行えるようになり、高歩留まりで高品質の真空パッケージ素子を製造することができる。

本発明にかかる真空パッケージ素子では、高性能な赤外線の検出が可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサの平面図である。図１の真空パッケージセンサをＩＩ－ＩＩ方向に見た場合の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサの製造に用いるデバイスウエハの平面図である。本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサの製造に用いるリッドウエハの平面図である。本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態２にかかる真空パッケージセンサの製造に用いるリッドウエハの平面図である。本発明の実施の形態２にかかる真空パッケージセンサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態２にかかる真空パッケージセンサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態２にかかる真空パッケージセンサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態２にかかる真空パッケージセンサの製造工程の断面図である。本発明の実施例にかかる真空パッケージセンサのリッドウエハの平面図である。図１８のリッドウエハをＸＩＸ－ＸＩＸ方向に見た場合の断面図である。本発明の実施の形態３にかかる真空パッケージセンサの断面図である。本発明の実施の形態３にかかる真空パッケージセンサの読出回路である。本発明の実施の形態３にかかる他の真空パッケージセンサの断面図である。本発明の実施の形態３にかかる他の真空パッケージセンサの断面図である。本発明の実施の形態４にかかる真空パッケージセンサの断面図である。本発明の実施の形態５にかかる真空パッケージセンサの断面図である。本発明の実施の形態６にかかる真空パッケージセンサの断面図である。本発明の実施の形態７にかかる真空パッケージセンサの断面図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら以下に説明する。図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付す。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサの平面図であり、図２は、図１の真空パッケージセンサをＩＩ－ＩＩ方向に見た場合の断面図である。図２に示すように、真空パッケージセンサ１００は、デバイス１０とリッド２０とが、シール３０により接合され、内部に中空部４０を備えた構造を有する。中空部４０は真空に維持される。

図１に示すように、デバイス１０は、例えばシリコンからなるウエハ１を有する。ウエハ１の上には、撮像素子領域３が設けられ、撮像素子領域３の周囲には走査回路領域４および読出回路領域５がそれぞれ設けられている。撮像素子領域３、走査回路領域４、および読出回路領域５は総称してデバイス領域１２と呼ぶ。

デバイス領域１２の周囲には、デバイス領域１２を囲むようにシール３０が形成されている。シール３０は、デバイス１０に形成された第１シーリングリング１６と、リッド２０に形成された第２シーリングリング２６と、これらを接合するシール層３６を含む。第１シーリングリング１６、第２シーリングリング２６は、例えばＮｉやＡｕからなり、シール層３６は、例えばＳｎＡｇＣｕからなる。

リッド２０は、例えばシリコンからなるウエハ２を有する。ウエハ２には窪み３２が設けられ、ウエハ２の膜厚が薄くなっている。図１では、理解を容易にするために、ウエハ２の外周を破線で、窪み３２の外周を一点鎖線で、それぞれ表示する。図１から分かるように、窪み３２はシール３０より内側に設けられている。

リッド２０には、赤外線の透過率を向上させるために、反射防止膜（ＡＲ）が設けられても良い。反射防止膜は、例えば、窪み３２の内側の底面、またはリッド２０の外側の表面に形成される。

また、内部の真空を維持するために、中空部４０の中にガス吸着剤（ゲッター）等を設けても良い。

さらに、図１に示すように、ウエハ１の上の、シール３０の外側には、配線基板等（図示せず）と電気的に接続するための複数のボンディングパッド１４が設けられている。ボンディングパッド１４は、例えばＡｕやＡｌからなる。

次に、図３、４を用いて、本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサ１００の製造に用いるデバイスウエハ１１およびリッドウエハ３１について説明する。

図３に示すように、デバイスウエハ１１には、複数のデバイス領域１２が形成されている。デバイス領域１２の周囲には、デバイス領域１２を囲むように第１シーリングリング１６が形成されている。図１のデバイス１０は破線で囲まれた部分に相当する。

デバイスウエハ１１では、２つのデバイス１０が、Ｘ方向（水平方向）に、ボンディングパッド１４が配置された辺と反対側の辺が対向するように配置され、これらがＹ方向に４つ並置されて、１つのデバイス群８を構成している。デバイス群８は合計８個のデバイス１０から構成されている。

一般に、デバイスウエハ１１の上に、複数のデバイス１０が同一方向に連続してアレイ状に配置された場合、第１シーリングリング１６が設けられた部分は、第１シーリングリング１６が設けられていない部分より面積が大きく、かつ連続して配置されているため、第１シーリングリングとウエハ１との熱膨張係数の違いにより引張応力が発生する。このためデバイスウエハ１１は、第１シーリングリング１６が形成された面を上面として凹方向の反り（ｚ軸方向に中央が凹になる）を生じる。

しかし、図３に示すように、デバイス１０を、単純なアレイ配置ではなく、デバイス群８を構成して配置することにより、デバイス群８とデバイス群８との間で応力が開放されて反りが緩和され、デバイスウエハ１１全体としての反りは小さくなる。

一方、図４に示すように、リッドウエハ３１には、デバイスウエハ１１の第１シーリングリング１６に対応するに第２シーリングリング２６が形成されている。即ち、図３のデバイスウエハ１１の上に、図４のリッドウエハ３１を裏返して（ｚ軸方向を下にして）重ねた場合、デバイスウエハ１１の第１シーリングリング１６に、リッドウエハ３１の第２シーリングリング２６が重なる。

第２シーリングリング２６の上にはシール層３６が形成されている。また、第２シーリングリング２６の内側には、窪み３２が形成されている。さらに、第２シーリングリング２６を囲むように、反り調整用の窪み３８が形成されている。窪み３８は、第２シーリングリング２６とは反対の面に形成されているため、図４では破線で示している。

第２シーリングリング２６や窪み３２は、デバイスウエハ１１のデバイス群８に対応する位置に、リッド群９を構成するように配置される。このため、リッド２０が、単純なアレイ配置ではなく、リッド群９を構成して配置することにより、リッド群９とリッド群９との間で応力が開放されて反りが緩和される。この結果、第２シーリングリング２６が形成された面を上面として凹方向の反り（図３において中央が凹となる）は、リッドウエハ３１全体として小さくなる。

また、窪み３８により、リッド群９とリッド群９の間のリッドウエハ３１の膜厚は薄くなっている。これにより、この領域はリッド群９と反対方向の反り、つまり第２シーリングリング２６が形成された面を上面として凸方向の反り（図４において、中央が凸となる方向の反り）が生じるため、リッドウエハ３１の反りが相殺されて、反りが大幅に緩和される。

さらに、デバイスウエハ１１とリッドウエハ３１が貼り合わされた場合、窪み３８は、真空パッケージセンサ１００となる領域の外部に位置される。このため、真空パッケージセンサ１００において、リッド２０を透過する赤外線が窪み３８で散乱されることはなく、窪み３８の形成により真空パッケージセンサ１００の特性に影響を与えることはない。

次に、図５～図１２を参照しながら、本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサ１００の製造方法について説明する。図５～図１２は、図３に示すデバイスウエハ１１をＡ－Ａ方向に見た場合の断面図、および／または図４に示すリッドウエハ３１をＢ－Ｂ方向にみた場合の断面図である。

真空パッケージセンサ１００の製造方法は、以下の工程（ａ）から工程（ｇ）を含む。

工程（ａ）：図５に示すように、デバイスウエハ１１に、半導体微細加工プロセスを用いてデバイス領域１２（撮像素子領域３、走査回路領域４、および読出回路領域５）とボンディングパッド１４を形成する。続いてデバイス領域１２の周囲を囲むように第１シーリングリング１６を形成する。第１シーリングリング１６は、例えばＮｉとＡｕからなり、電解メッキ法を用いて形成する。第１シーリングリング１６の形成方法や材料は、これに限らず適宜選択可能である。

工程（ｂ）：図６に示すように、リッドウエハ３１に、第２シーリングリング２６を形成する。第２シーリングリング２６は、第１シーリングリング１６と同様に電解メッキ法を用いて、ＮｉとＡｕから形成する。第２シーリングリング２６の形成方法、材料はこれに限らず適宜選択可能である。

工程（ｃ）：図７に示すように、例えばボッシュ法を用いて、第２シーリングリング２６の内部のリッドウエハ３１を１００μｍの深さまでエッチングし、窪み３４を形成する。窪み３４の形成は、ボッシュ法に限らずウェットエッチング法や、ＳＯＩウエハのＳＯＩ層を選択的にエッチングして形成しても良い。なお、窪み３４は、中空部４０の容積がシール層３６の高さを大きくすることで確保できる場合は、省略することができる。

工程（ｄ）：図８に示すように、リッドウエハ３１の第２シーリングリング２６の上に、シール層３６を形成する。シール層３６の材料にはＳｎＡｇＣｕを用いたが、シール層３６の材料はこれに限らず、第１、第２シーリングリング１６、２６に適した材料を適宜選定できる。

従来の製造方法では、シール層３６の引張応力により、シール層３６が形成された面を上面として凹方向の反り（図８において、中央が下に向かって凸となる方向の反り）はさらに大きくなるが、上述のように、リッド群９が、リッドウエハ３１の反りを減らすように配置されているため、リッドウエハ３１の反りは、従来の製造方法で発生するリッドウエハ３１の反りの１／２以下に抑えられる。

工程（ｅ）：図９に示すように、リッドウエハ３１を裏返し、裏面に反り調整用の窪み３８を形成する。窪み３８の形成は、リッドウエハ３１の裏面をダイシングすることで行う。窪み３８の形成には、ボッシュ法やウェットエッチング法などを用いても良い。

この工程（ｅ）では、窪み３８の形成により、リッドウエハ３１は、第２シーリングリング２６を上面として凸方向の反り、即ち、工程（ｅ）でシール層３６の引張応力により発生する反りとは逆方向の素反りを生じる。このため、従来の製造方法にはない、逆方向の反りを発生させることにより、リッドウエハ３１の反りは、従来の製造方法のリッドウエハ３１の全反り量の１／３以下に低減できる。

また、窪み３８の形成工程を、デバイスウエハ１１とリッドウエハ３１の貼り合わせ前の最後の工程とすることにより、製造工程中のウエハのハンドリングによる破損を防ぐことができる。例えば、窪み３８を形成した後に、シール層３６を形成した場合、シール層３６の形成する際のハンドリングや吸着および熱処理でリッドウエハ３１に不要な力がかかり、リッドウエハ３１が窪み３８から破損する可能性がある

工程（ｆ）：図１０に示すように、デバイスウエハ１１の第１シーリングリング１６の上に、リッドウエハ３１シール層３６を重ねた状態で、デバイスウエハ１１とリッドウエハ３１を真空加熱装置に入れる。真空加熱装置内が真空状態に到達した後、デバイスウエハ１１とリッドウエハ３１を加熱し、第１シーリングリング１６とシール層３６とを接合する。

ここで、リッドウエハ３１は、裏面に形成された窪み３８やリッド群９の配置により、ウエハの反りが緩和されている。同様に、デバイスウエハ１１もデバイス群８の配置により反りが抑制されている。このため、デバイスウエハ１１とリッドウエハ３１とは、良好に接合できる。

工程（ｇ）：図１１に示すように、接合したデバイスウエハ１１とリッドウエハ３１のうち、リッドウエハ３１のみをダイシング法を用いて切断する。これにより、リッドウエハ３１は、ウエハ２毎に分割され、リッド２０が形成される。この工程（ｇ）で使用されるダイシングのブレードは、次の工程（ｈ）においてデバイスウエハ１１の切断に使用されるダイシングのブレードよりも刃厚が厚いものを使用することが好ましい。

工程（ｈ）：図１２に示すように、リッドウエハ３１を切断した隙間（ウエハ２の隙間）を用いて、デバイスウエハ１１をダイシングで切断する。これにより、デバイスウエハ１１はウエハ１毎に分割され、デバイス１０となる。この結果、デバイス１０とリッド２０とが、真空状態の中空部４０を備えた状態でシール３０により接合された真空パッケージセンサ１００が完成する。

このように形成された真空パッケージセンサ１００では、そのリッド２０の切断面の少なくとも１辺の上面側には、窪み３８の一部から形成された切り欠き部３９が形成されている。

このように、本発明の実施の形態１にかかる真空パッケージセンサ１００の製造方法では、デバイスウエハ１１のデバイス群８の配置、リッドウエハ３１のリッド群９の配置および窪み３８の形成により、デバイスウエハ１１とリッドウエハ３１との双方のウエハの反りを低減できる。このため、デバイスウエハ１１とリッドウエハ３１との接合が確実に、高い歩留まりで行えるようになる。即ち、真空漏れ等の無い高品質の真空パッケージセンサ１００を、高い歩留まりで製造することが可能になる。

実施の形態２．
図１３～図１７を参照しながら、全体が２００で表される本発明の実施の形態２にかかる真空パッケージセンサの製造方法について説明する。本発明の実施の形態２にかかる製造方法は、実施の形態１の製造方法と、リッドウエハ３１の製造工程が異なっている。具体的には、実施の形態１では、工程（ｅ）において、リッドウエハ３１の裏面に反り調整用の窪み３８を形成するが、本発明の実施の形態２にかかる製造方法では、窪み３８を形成する代わりに、リッドウエハ３１を切断する。

本発明の実施の形態２にかかる真空パッケージセンサ２００の製造方法は、実施の形態１と同様の工程（ａ）～（ｄ）を行った後に、以下の工程（ｉ）～（ｌ）を行う。

工程（ｉ）：図１３は、本工程により切断したリッドウエハ３１の平面図であり、図１４は、図１３をＸＩＶ－ＸＩＶ方向に見た場合の断面図である。図１４に示すように、工程（ｉ）では、実施の形態１の工程（ｂ）～（ｄ）を行ったリッドウエハ３１に対して、リッド群９の間を切断して、リッドブロック４１を形成する。リッドウエハ３１の切断には、例えばエッチング法が用いられる。工程（ｉ）では、リッドウエハ３１を、よりサイズの小さなリッドブロック４１に分割するため、リッドブロック４１の各辺の長さが短くなり、それぞれのリッドブロック４１の反りを低減できる。

リッドブロック４１は、デバイスウエハ１１のデバイス群８に対応する位置に、治具により配置、保持される。例えば、ダイシング用テープに貼り付けても良い。

なお、実施の形態１と同様に、リッドブロック４１には、デバイスウエハ１１の第１シーリングリング１６に対応するように、第２シーリングリング２６が形成されている。また、第２シーリングリング２６の上にはシール層３６が形成されている。さらに、第２シーリングリング２６の内側には窪み３２が形成されている。このように、デバイスウエハ１１のデバイス群８に対応し、リッドブロック４１が形成されている。

工程（ｊ）：図１５に示すように、デバイスウエハ１１の第１シーリングリング１６の上に、リッドブロック４１のシール層３６を重ねた状態で、デバイスウエハ１１とリッドウエハ３１を真空加熱装置に入れる。真空加熱装置内が真空状態に到達した後、デバイスウエハ１１とリッドブロック４１を加熱し、第１シーリングリング１６とシール層３６とを接合する。上述のように、リッドブロック４１の反りは低減されているため、第１シーリングリング１６とシール層３６との良好な接合が可能となる。

工程（ｋ）：図１６に示すように、接合したデバイスウエハ１１とリッドブロック４１のうちリッドブロック４１のみを各ウエハ２に切断し、デバイス１０を形成する。この工程のダイシングで使用するブレードは、次の工程（ｌ）でデバイスウエハ１１をダイシングするブレードよりも刃厚が厚いものを使用することが好ましい。

工程（ｌ）：図１７に示すように、リッドブロック４１を切断した隙間（ウエハ２の隙間）を用いてデバイスウエハ１１をダイシングで切断する。これにより、デバイスウエハ１１は、ウエハ１毎に分断されて、デバイス１０となる。この結果、デバイス１０とリッド２０とが、真空状態の中空部４０を備えた状態でシール３０により接合された真空パッケージセンサ２００が完成する。

なお真空パッケージセンサ２００では、窪み３８は形成されないため、実施の形態１にかかる真空パッケージセンサ１００のような切り欠き部３９を有さない。

このように、本発明の実施の形態２にかかる真空パッケージセンサ２００の製造方法では、リッドウエハ３１をリッドブロック４１に分割した後に、デバイスウエハ１１に接合するため、リッドブロック４１の反りが低減できる。このため、デバイスウエハ１１とリッドウエハ３１との接合が確実に、高い歩留まりで行えるようになり、真空漏れ等の無い高品質の真空パッケージセンサ２００を、高い歩留まりで製造することが可能となる。

本発明の実施の形態１、２では、赤外線センサ等を備えた真空パッケージセンサについて説明したが、センサ以外のＭＥＭＳデバイスを内蔵した真空パッケージ素子にも適用できることは言うまでもない。また、真空状態は、大気圧より圧力の低い状態をいう。

＜実施例＞
図１８、１９を参照しながら、リッドウエハ３１に形成されたリッド群９と窪み３８を構成するパラメータについて説明する。図１８は、リッドウエハ３１の一部の平面図であり、図１９は、図１８のリッドウエハ３１の、ＸＩＸ－ＸＩＸ方向に見た場合の断面図である。

まず、リッド群９のパラメータについて説明する。第２シーリングリング２６の長さと窪み３２の長さを合わせたＸ方向とＹ方向の関係は、Ｘ方向の辺を基準：１としたとき、Ｙ方向の長さは１倍（１：１）より大きく、３倍（１：３）以下であることが好ましい。なぜなら、１倍（１：１）とした場合、反り調整用の窪み３８の占有面積が大きくなり、１枚のデバイスウエハ１１およびリッドウエハから得られる真空パッケージセンサ１００、２００の数が少なくなるためである。また、窪み３８の占有面積が大きくなることにより、ハンドリングでのリッドウエハ３１の破損が発生するためである。

一方、Ｙ方向の長さがＸ方向の長さの３倍（１：３）よりも大きくなる場合は、Ｙ方向（一方向）の反りが大きくなり、窪み３８での反りの低減が困難となる。つまり反りを低減するためには、Ｙ方向の反りを抑制するための窪み３８の幅や深さを、Ｘ方向の反りを抑制する窪み３８の幅や深さに比べて、著しく大きく、深くすることが必要となる。このため、Ｙ方向とＸ方向の反り量のバランスが崩れ、反りによりリッドウエハ３１が破損する場合もある。

なお、Ｘ方向、Ｙ方向の大小関係は逆でもよく、Ｙ方向を短辺、Ｘ方向を長辺としてもよい。また、上述の実施の形態１、２では、Ｘ方向の長さが２、Ｙ方向の長さが４の場合（１：２）を例に説明しているが、これに限定されるものではない。

次に、反り調整用の窪み３８のパラメータについて説明する。反りの調整は、窪み３８の深さＤＸ、ＤＹ（図示せず）と、窪み３８の幅ＷＸ、ＷＹで行うことができる。例えば、Ｙ方向の反りが大きい場合、窪み３８のＸ方向の幅ＷＸに比べて、Ｙ方向の幅ＷＹを大きくすることで反りの低減が可能となる。または、深さＤＸ、ＤＹを異なる深さにすることでも反りの低減が可能である。深さＤＸ、ＤＹで反りを調節する場合、窪み３８の形成はダイシングで行うのが好ましい。

図１８に示すように、窪み３８は、平面視で第２シーリングリング２６の外周より幅ＣＬＸ、ＣＬＹだけ外側に配置することが好ましい。なぜなら、幅ＣＬＸ、ＣＬＹが０の場合、第２シーリングリング２６と窪み３８に応力が集中し、リッドウエハ３１が破損する可能性があるからである。また、幅ＣＬＸ、ＣＬＹが負、つまり第２のリーリングリング２６と窪み３８が重複する場合、第２シーリングリング２６に応力がかかり、真空パッケージセンサ１００、２００のシール３０が破損し、真空度が劣化する可能性が高くなる。本実施例では幅ＣＬＸ、ＣＬＹはそれぞれ５０μｍとしたが、これに限定されるものではない。

なお、第２シーリングリング２６の幅のうち、Ｘ方向に延びる第２シーリングリング２６の幅と、Ｙ方向に延びる第２シーリングリング２６の幅を異なるようにして、反り量を調節することも可能であるが、この場合は、第２シーリングリング２６に搭載するシール層３６の厚みが異なってしまい、接合不良を生じる場合がある。

ここでは、リッドウエハ３１についてしたが、窪み３２、３８以外は、デバイスウエハ１１についても同様である。

実施の形態３．
図２０は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態３にかかる真空パッケージセンサの断面図である。図２０は、図１のＩＩ－ＩＩと同じ方向に見た場合の断面図であり、図２０中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

真空パッケージセンサ３００では、入射する赤外線光を検知し、電気信号に変換する有効画素５１と、有効画素５１と同一特性を有する出力レベル参照画素５２とが、撮像素子領域３に配列されている。有効画素５１および出力レベル参照画素５２から出力される電気信号は、読出回路領域５（図１参照）に接続されている。一般に、画素から出力される電気信号には、画素を構成する部材が有する出力信号レベル成分と、環境温度変化に依存した出力信号変化成分と、入射光に対応する信号成分とが重畳されている。

真空パッケージセンサ３００では、リッド２０のウエハ２の、撮像素子領域３に対向して形成された窪み３２の表面に、被写体から入射する赤外線光を遮光する遮光膜５３が設けられている。遮光膜５３は、出力レベル参照画素５２の上部に形成される。これにより、出力レベル参照画素５２は、入射光を検知せず、かつ出力信号レベルと、環境温度変化に対する出力信号レベルの変化とが有効画素５１と同一である信号成分を出力することが可能となる。

読出回路領域５（図１参照）は、図２１に示すような差分演算を行う差動積分器６０を有しており、有効画素５１および出力レベル参照画素５２から出力される電気信号の差分信号を出力する。これにより、出力信号レベルと、出力信号レベルの環境温度変化に対する出力信号変化とを除外し、有効画素５１に入射した赤外線光による信号成分のみを選択して検出することができ、出力信号の耐環境温度安定性の向上、およびアンプゲインの増加が可能となる。

なお、遮光膜５３は、出力レベル参照画素５２に入射する赤外線光を完全に遮光することが好ましく、出力レベル参照画素５２の直上だけでなく、被写体から入射する赤外線光の入射光角度に依存して、広い面積に配置しても良い。

また、差分演算を行う回路は、図２１に示すような差動積分器６０に限定されるものではなく、例えばデジタル信号による演算処理回路や、相関二重サンプリング回路のような他の回路構成でも良い。

また、真空パッケージセンサ３００では、遮光膜５３は、リッド２０のウエハ２に形成された窪み３２の表面に形成されているが、図２２に示す真空パッケージセンサ３１０のように、シール層３６を高くすることで、中空部４０の容積が大きくできる場合は、窪み３２を形成せずに、ウエハ２の表面に形成しても良い。

また、遮光膜５３の材料には、中空部４０の中に形成されるガス吸着部（ゲッター）と同じ材料を用いても構わない。また、図２３に示す真空パッケージセンサ３２０のシール層遮光膜３６ａのように、第１シーリングリング１６と第２シーリングリング２６とを接続するシール層３６と同じ材料からなり、シール層３６と同時に形成されたシール層遮光膜３６ａを用いても構わない。

実施の形態４．
図２４は、全体が４００で表される、本発明の実施の形態４にかかる真空パッケージセンサの断面図である。図２４は、図１のＩＩ－ＩＩと同じ方向に見た場合の断面図であり、図２４中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

真空パッケージセンサ４００では、ウエハ２に窪み３２をボッシュプロセス等によりエッチングして形成される際に、出力レベル参照画素５２の上部をエッチングせずに、凸部５４を形成し、その上に遮光膜５３を形成している。他の構造は、真空パッケージセンサ３００と同様である。

真空パッケージセンサ４００では、窪み３２を設けた構造でも、出力レベル参照画素５２と、遮光膜５３との距離を小さくすることができ、遮光膜５３による遮光性能が向上する。また、出力レベル参照画素５２を完全に遮光するために必要な遮光膜５３の面積を縮小することができ、真空パッケージセンサ４００の小型化が可能となる。

実施の形態５．
図２５は、全体が５００で表される、本発明の実施の形態５にかかる真空パッケージセンサの断面図である。図２５は、図１のＩＩ－ＩＩと同じ方向に見た場合の断面図であり、図２５中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

真空パッケージセンサ５００では、ウエハ２に窪み３２をボッシュプロセス等によりエッチングして形成される際に、出力レベル参照画素５２と有効画素５１との分離領域の上部を残してエッチングすることにより、出力レベル参照画素５２と有効画素５１との間の領域に対向するように凸部５５を構成する。そして凸部５５の上面から側面をへて出力レベル参照画素５２に対向する窪み３２の上部まで、連続した遮光膜５３を形成する。

真空パッケージセンサ５００では、窪み３２の表面に加えて、凸部５５の上面から側面に遮光膜５３を形成することにより、遮光膜５３の遮光性能が向上する。また、出力レベル参照画素５２を完全に遮光するために必要な遮光膜５３の面積を縮小することが可能となり、真空パッケージセンサ４００の小型化が可能となる。

実施の形態６．
図２６は、全体が６００で表される、本発明の実施の形態６にかかる真空パッケージセンサの断面図である。図２６は、図１のＩＩ－ＩＩと同じ方向に見た場合の断面図であり、図２６中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

真空パッケージセンサ６００では、ウエハ２に窪み３２をボッシュプロセス等によりエッチングして形成される際に、２次元配列された有効画素５１の相互分離領域の上部を残してエッチングし、有効画素５１に対向する領域を囲むように凸部５５を構成する。そして、これにより、上述の真空パッケージセンサ５００の遮光膜５３に加えて、凸部５６上面および側面にも遮光膜５３を形成する。

真空パッケージセンサ６００では、被写体から入射する赤外線光の、有効画素５１への入射角度を制限することが可能となり、画像特性の改善が可能となる。また、凸部５６と遮光膜５３により、有効画素５１の表面で反射された赤外線入射光の迷光成分を、隣接する有効画素５１から遮断し、隣接する有効画素５１の間のクロストークを防止し、画像特性の改善が可能となる。

実施の形態７．
図２７は、全体が７００で表される、本発明の実施の形態７にかかる真空パッケージセンサの断面図である。図２７は、図１のＩＩ－ＩＩと同じ方向に見た場合の断面図であり、図２７中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

真空パッケージセンサ７００では、ウエハ２に窪み３２をボッシュプロセス等によりエッチングして形成される際に、有効画素５１の上部を粗面化して粗面化領域とする、粗面化領域は、例えば複数の凸部５７を含む。凸部５７は、例えば底面の直径および高さが、検知対象である赤外線光の波長（５～１６μｍ）程度の円錐、円柱でも良く、または不規則な凸部形状でも良い。他の構造は、上述の真空パッケージセンサ３００と同じである。

このように、有効画素５１の上部に複数の凸部５７を設けて粗面化することにより、ウエハ２から凸部５７を通って中空部４０までの屈折率が段階的に変化する。つまり、有効画素５１の上部に凸部５７がない場合、ウエハ２と中空部４０の屈折率の差が大きく、被写体からの入射光が、ウエハ２と中空部４０との境界部で反射し、入射光の量が低下して、検出感度の低下や迷光成分による画像性能の悪化が発生する。

これに対して、有効画素５１の上部に複数の凸部５７を設けて、屈折率を段階的に変化させることにより、境界部での反射を減らして、検出感度を向上させることができる。また、有効画素５１の表面で反射された赤外線入射光が、ウエハ２の表面で再度反射されるのを抑制し、迷光成分による隣接する有効画素５１の間のクロストークを防止して、画像特性の改善が可能となる。

さらには、窪み３２の表面に形成される反射防止膜（ＡＲ）が不要となるため、製造工程の簡略化、および製造コストの低減が可能となる。

１、２ウエハ、３撮像素子領域、４走査回路領域、５読出回路領域、８デバイス群、９リッド群、１０デバイス、１１デバイスウエハ、１２デバイス領域、１４ボンディングパッド、１６第１シーリングリング、２０リッド、２６第２シーリングリング、３０シール、３１リッドウエハ、３２窪み、３６シール層、３６ａシール層遮光膜、３８窪み、４０中空部、４１リッドブロック、５１有効画素、５２出力レベル参照画素、５３遮光膜、５４、５５、５６、５７凸部、６０差動積分器、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００真空パッケージセンサ。

Claims

対向する表面と裏面とを有し、第１シーリングリングと、前記第１シーリングリングの内側に形成され、複数のデバイスが設けられたデバイス領域とを含む第１ウエハと、
対向する表面と裏面とを有し、前記第１シーリングリングに対応するように設けられた第２シーリングリングを含む第２ウエハとを含み、
前記第１ウエハの前記表面と前記第２ウエハの前記表面とを対向させた状態で、前記第１シーリングリングと前記第２シーリングリングとがシール層で接続されて、前記第１ウエハと前記第２ウエハとの間に前記デバイス領域を封止する中空部が形成されたパッケージ素子であって、
前記デバイスは、有効画素と、出力レベル参照画素と、前記有効画素および前記出力レベル参照画素からの電気信号を用いて信号処理を行う読出回路とを含み、
前記第２ウエハの前記表面に遮光膜が設けられ、前記第２ウエハの前記裏面から入射する赤外線光が、前記出力レベル参照画素に入射するのを阻止し、
前記第２ウエハの前記表面に、前記第２シーリングリングの内側に形成された窪み領域を含み、前記遮光膜は、前記窪み領域内に設けられ、
前記窪み領域は、前記有効画素と前記出力レベル参照画素とで挟まれる分離領域に対向する領域に凸部を有し、前記凸部の上に延在するように前記遮光膜が設けられたことを特徴とするパッケージ素子。
前記遮光膜は、前記シール層と同じ材料からなることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ素子。
前記窪み領域は、前記出力レベル参照画素に対向する領域に凸部を有し、前記凸部の上に前記遮光膜が設けられたことを特徴とする請求項１に記載のパッケージ素子。
前記窪み領域は、さらに、複数の前記有効画素で挟まれる分離領域に対向する領域に凸部を有し、前記凸部の上にも前記遮光膜が設けられ、前記第２ウエハの前記裏面から入射する赤外線光の、前記有効画素への入射角度を制限することを特徴とする請求項１に記載のパッケージ素子。
前記窪み領域は、さらに、前記有効画素に対向する領域が粗面化された粗面化領域であることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ素子。
上記粗面化領域は、前記窪み領域の表面に形成された複数の凸部からなることを特徴とする請求項５に記載のパッケージ素子。
前記凸部は、前記第２ウエハの一部からなることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載のパッケージ素子。