KR20060011845A - 광검출 장치 - Google Patents

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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 노이즈 발생을 효과적으로 억제하여 정확한 광검출을 가능하게 하는 구조를 갖춘 광검출 장치에 관한 것이다. 해당 광검출 장치는, M×N개의 포토 다이오드 및 스위치가 표면에 설치된 제 1 기판과, 포토 다이오드 각각의 출력 신호를 처리하는 신호 처리부가 표면상에 설치된 제 2 기판과, 이들 제 1 및 제 2 기판의 사이에 배치된 제 3 기판을 구비한다. 제 3 기판은, 제 1 기판에 대면한 제 1 면과, 제 2 기판에 대면한 제 2 면을 가진다. 제 3 기판에 있어서, 제 1 면상에는, 포토 다이오드와 신호 처리부를 전기적으로 접속하기 위한 M개의 공통 배선이 배치되는 한편, 제 2 면상에는, 공통 배선 각각에 접속된 본딩 패드가 배치되어 있다. 그리고, 제 1 기판상의 각 포토 다이오드는 제 3 기판의 각 공통 배선에 제 1 범프를 통하여 전기적으로 접속되고, 제 2 기판상의 각 신호 처리부는 제 3 기판의 각 본딩 패드에 제 2 범프를 통하여 전기적으로 접속된다.

Description

광검출 장치 {PHOTO-DETECTION DEVICE}
본 발명은, 1차원 또는 2차원 모양으로 배치된 복수의 포토 다이오드(광검출 소자)를 구비한 광검출 장치에 관한 것이다.
광검출 장치는, 1차원 또는 2차원 모양으로 배열된 복수의 포토 다이오드와 앰프 및 커패시터를 포함한 적분 회로를 구비한 장치이다. 이런 종류의 광검출 장치에서는, 포토 다이오드 각각으로부터 입사광의 강도에 따른 전하가 출력된다. 출력된 전하는 커패시터에 축적되고, 그 축적된 전하에 따른 전압이 적분 회로로부터 출력된다. 광검출 장치에서는, 이 적분 회로의 출력 전압에 근거하여, 포토 다이오드 각각의 배치 위치에 대응하는 광 감응 영역의 입사광이 검출된다.
이런 종류의 광검출 장치로는, 예를 들어 특개 2001-242253호 공보(문헌 1)에 개시된 광검출 장치가 알려져 있었다. 이 문헌 1에 개시된 광검출 장치는 복수의 포토 다이오드에 대해 적분 회로가 1개 설치되고, 그 적분 회로의 입력 단자와 각 포토 다이오드와의 사이에 스위치가 설치되어 있다. 각 포토 다이오드는 제 1 기판상에 설치되고, 적분 회로는 제 2 기판상에 설치되어 있으며, 이들 제 1 및 제 2 기판의 단부끼리 와이어 본딩으로 전기적으로 접속되어 있다.
발명자들은 종래의 광검출 장치에 대해 검토한 결과, 이하와 같은 과제를 발견했다. 즉, 상기 문헌 1에 기재된 종래의 광검출 장치는 각 포토 다이오드로부터 적분 회로의 입력 단자까지의 전하 이동을 위한 경로가 길게 되어 있었다. 즉, 그 경로는 각 포토 다이오드로부터 제 1 기판의 단부에 이르기까지의 경로와, 제 1 기판의 단부로부터 제 2 기판의 단부에 이르기까지의 본딩 와이어와, 제 2 기판의 단부로부터 적분 회로의 입력 단자에 이르기까지의 경로를 포함하기 때문에, 전 경로 길이가 길어지게 되어 있었다. 그 때문에, 이 경로에 있어서의 기생 용량이 컸었다. 따라서, 종래의 광검출 장치에서는 적분 회로로부터 출력되는 전압에 포함되는 노이즈가 커서 정확한 광검출을 할 수 없었다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 노이즈 발생을 억제하여 정확한 광검출을 가능하게 하기 위한 구조를 갖춘 광검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 복수의 광검출 소자가 표면에 설치된 제 1 기판과, 각 광검출 소자의 출력 신호를 처리하는 신호 처리부가 표면에 설치된 제 2 기판과, 이들 제 1 및 제 2 기판 사이를 전기적으로 접속하기 위한 제 3 기판을 구비한다. 특히, 이 제 3 기판은 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치되고, 이 제 1 기판에 대면한 제 1 면과, 제 2 기판에 대면한 제 2 면을 가진다. 제 1 면상에는 광검출 소자 각각 전기적으로 접속된 공통 배선이 배치되고, 제 2 면상에는 제 1 면의 공통 배선과 전기적으로 접속됨과 동시에 신호 처리부와 전기적으로 접속된 단자부가 배치되어 있다.
본 발명에 관한 광검출 장치는 각 광검출 소자와 신호 처리부를 접속하기 위한 공통 배선을 가지는 제 3 기판이 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 배치되어 있으므로, 제 1 또는 제 2 기판상에 있어서의 배선의 길이를 효과적으로 단축할 수 있다. 이 경우, 각 광검출 소자와 공통 배선은 제 1 기판과 제 3 기판 사이에 배치된 제 1 범프를 통해 전기적으로 접속되는 것이 바람직하고, 또 신호 처리부와 단자부는 제 3 기판과 제 2 기판 사이에 배치된 제 2 범프를 통해 전기적으로 접속되는 것이 바람직하다.
상술한 배선 구조에 의해, 제 1, 제 2 및 제 3 기판 각각이 범프를 통해 접속되므로, 광검출 소자로부터 신호 처리부까지의 전하 이동 경로가 단축되어 그 경로상의 배선에 있어서의 기생 용량이 작아진다.
또한, 본 발명에 관한 광검출 장치에 있어서, 제 3 기판은 공통 배선과 단자부를 접속하는 내부 배선이 세라믹 기판 내에 매설된 구성을 가지는 것이 좋다.
제 3 기판이 절연성이 뛰어난 세라믹 기판 내에 내부 배선이 설치된 구조를 가지는 것에 의해, 복수의 내부 배선이 설치되었다고 해도 각 내부 배선을 전기적으로 분리할 수 있기 때문이다.
나아가, 본 발명에 관한 광검출 장치에 있어서, 제 3 기판에 있어서의 제 1 면상의 공통 배선은 소정 간격으로 배치된 복수의 배선 요소를 포함하고, 제 3 기판의 제 2 면상에 있어서의 단자부는 이 복수의 배선 요소의 배치 간격보다 좁은 간격으로 배치된 복수의 단자를 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 단자부에 포함되는 단자 간의 배치 간격이 좁아지는 것에 의해, 제 2 기판의 치수 자체를 작게 할 수 있고, 제 3 기판의 외연보다 안쪽에 제 2 기판을 위치시킬 수 있다.
또, 본 발명에 관한 광검출 장치에 있어서, 제 1 기판은 광검출 소자 각각에 전기적으로 접속된 복수의 스위치와 이들 스위치를 차례차례 개폐시키는 제어부를 더 구비하여도 좋다. 이와 같이, 각 스위치의 개폐가 제어부에 의해 제어되는 것에 의해, 생성된 전하를 복수의 광검출 소자로부터 차례차례 출력시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 각 실시예는 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면에 의해 더욱 충분히 이해할 수 있게 된다. 이들 실시예는 단지 예시를 위해서 나타내는 것으로, 본 발명을 한정하는 것이라고 생각해서는 안된다.
또, 본 발명의 새로운 응용 범위는, 이하의 상세한 설명으로부터 명확해진다. 그렇지만, 상세한 설명 및 특정의 사례는 본 발명의 매우 적합한 실시예를 나타내는 것이지만, 예시만을 위해 나타낸 것으로, 본 발명의 사상 및 범위에 있어서의 다양한 변형 및 개량이 본 상세한 설명으로부터 당업자에게 자명한 점은 분명하다.
도 1 은 본 발명에 관한 광검출 장치의 일 실시예의 구성을 나타내는 사시도.
도 2 는 도 1 에 나타낸 광검출 장치의 논리 블럭도.
도 3 은 도 1 에 나타낸 광검출 장치에 있어서의 적분 회로의 구성을 나타내는 회로도.
도 4 는 도 1 에 나타낸 광검출 장치에 포함되는 유닛 Um 및 제어 회로의 구 성을 나타내는 논리 블럭도.
도 5 는 도 1 에 나타낸 광검출 장치에 있어서의 제 1 기판의 구성을 나타내는 평면도.
도 6 은 도 1 에 나타낸 광검출 장치에 있어서의 제 3 기판의 상면(제 1 기판과 대면하고 있는 제 1 면)의 구성을 나타내는 평면도.
도 7 은 도 1 에 나타낸 광검출 장치에 있어서의 제 3 기판의 이면(제 1 기판과 대면하고 있는 제 2 면)의 구성을 상면측으로부터 본 평면도.
도 8 은 도 1 에 나타낸 광검출 장치에 있어서의 제 1 기판과 제 3 기판과의 사이의 제 1 단면 구조(제 1 실시예)를 나타내는 도면.
도 9 는 도 1 에 나타낸 광검출 장치에 있어서의 제 1 기판과 제 3 기판과의 사이의 제 2 단면 구조(제 2 실시예)를 나타내는 도면.
도 10 은 도 1 에 나타낸 광검출 장치에 있어서의 제 3 기판과 제 2 기판과의 사이의 X-X선 단면의 구조를 나타내는 도면.
도 11 은 도 1 에 나타낸 광검출 장치에 있어서의 제 1 기판과 제 3 기판과의 제 3 단면 구조(제 3 실시예)를 나타내는 도면.
도 12 는 도 1 에 나타낸 광검출 장치에 있어서의 용량을 발생하는 소자를 나타내는 회로도.
이하, 본 발명에 관한 광검출 장치의 각 실시예를 도 1 내지 도 12 를 이용하여 상세하게 설명한다. 덧붙이면, 도면의 설명에 대해 동일한 요소에는 동일한 부호를 첨부하고 중복하는 설명을 생략한다.
우선, 본 발명에 관한 광검출 장치의 하나의 실시예에 대해 도 2 내지 도 4 를 이용하여 설명한다. 도 2 는 본 발명에 관한 광검출 장치의 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다. 이 도 2 에 나타낸 광검출 장치(1)는 M조의 광검출 유닛(이하, 유닛이라고 함) U1 내지 UM 를 갖춘다. 각 유닛 Um 은 N개의 포토 다이오드 PDm ,1 내지 PDm ,N, N개의 스위치 SWm ,1 내지 SWm ,N 및 신호 처리 회로 60m 을 가진다. 여기서, M 은 1 이상의 정수, N 은 2 이상의 정수이다. m 은 1 이상 또는 M 이하의 정수이다. 또, 이하에 나타낸 n 은 1 이상 또는 N 이하의 정수이다.
각 유닛 Um 에 갖춰져 있는 포토 다이오드 PDm ,n 은 입사광 강도에 따른 전하를 발생하는 광검출 소자이다. 또, 스위치 SWm ,n 은 각 포토 다이오드 PDm ,n 에 대응하여 M×N개 설치되고, 스위치 개폐에 따라 서로 전기적으로 절단/접속이 가능한 제 1 단과 제 2 단을 가진다. 그 제 1 단은 대응하는 포토 다이오드 PDm ,n 에 접속되고, 제 2 단은 공통 배선 50m 을 통해 신호 처리 회로 60m 의 적분 회로 10m 에 접속되어 있다.
공통 배선 50m 은 각 유닛 Um 에 대응하여 M개 설치되어 있다. 각 공통 배선 50m 은 대응하는 유닛 Um 에 구비된 각 포토 다이오드 PDm ,n 을 신호 처리 회로 60m 의 적분 회로 10m 에 접속하기 위해서 설치되어 있다. 각 공통 배선 50m 은 일단이 N 개의 스위치 SWEn 1 내지 SWEn N 각각의 제 2 단에 접속되어 타단이 신호 처리 회로 60 m 의 적분 회로 10m 에 접속되어 있다. 이 공통 배선 50m 에 의해 각 포토 다이오드 PDm 이 1개의 적분 회로 10m 에 공통으로 접속되게 되어 있다.
신호 처리 회로 60m 은 각 유닛 Um 에 대응하여 M개 설치되어 있다. 각 신호 처리 회로 60m 은 대응하는 유닛 Um 에 구비된 각 포토 다이오드 PDm , n 의 출력 신호를 처리하는 회로이며, 적분 회로 10m, CDS(Correlated Double Sampling: 상관 이중 샘플링) 회로 20m 및 샘플 언더 홀드 회로(이하, 홀드 회로라고 함) 30m 을 가진다.
적분 회로 10m 은 대응하는 공통 배선 50m 과 CDS 회로 20m 에 접속되어 있다. 각 적분 회로 10m 는, 도 3 에 나타낸 바와 같이, 앰프 A, 커패시터 C 및 스위치 SWT 를 가지고, 이들은 병렬로 접속되어 있다. 그리고, 그 스위치 SWT 가 닫힘으로써, 커패시터 C 로부터 축적 전하가 방전되고, 출력 전압이 초기화되게 되어 있다. 한편, 스위치 SWT 가 열려 있으면, 공통 배선 50m 으로부터 입력된 전하가 커패시터 C 에 축적되고, 이 커패시터 C 에 축적되어 있는 전하에 따른 전압이 출력된다.
CDS 회로 20m 은 적분 회로 10m 과 홀드 회로 30m 에 접속되어 있다. CDS 회로 20m 은 적분 회로 10m 으로부터의 출력전압을 입력하고, 그 입력된 전압의 일정 시간의 변동분을 나타내는 전압을 홀드 회로 30m 에 출력한다. 홀드 회로 30m 는 CDS 회로 20m 로부터의 출력 전압을 입력하고, 그 전압을 일정 기간에 걸쳐서 보관 유지한다.
제어 회로(40)는 광검출 장치(1) 전체의 동작을 제어하는 제어 수단이다. 제어 회로(40)는, 도 4 에 나타낸 바와 같이, 광검출 장치(1)에 1개 설치되어 있다. 이 제어 회로(40)는 전 유닛 U1 내지 UM 을 대상으로, 각 유닛 Um 에 구비된 M×N개의 스위치 SW1 ,1 내지 SWM ,N 을 차례차례 개폐시키는 제어를 실시한다. 이 개폐 제어에 의해, 각 유닛 Um 의 N개의 포토 다이오드 PDm .1 내지 PDm ,N 이 PDm ,1, PDm ,2, …, PDm,N 까지 순으로 1개 적분 회로 10m 에 접속되고, 생성된 전하가 각 포토 다이오드 PDm, n 으로부터 차례차례 출력된다. 또, 제어 회로(40)는 각 적분 회로 10m 에 포함되는 스위치 SWT 의 개폐를 제어하고, 적분 회로 10m 에 있어서의 초기화 및 적분 동작의 타이밍을 제어한다. 또한, 제어 회로(40)는 각 CDS 회로 20m 및 홀드 회로 30m 의 동작 타이밍도 제어한다.
이상과 같은 구성을 가지는 광검출 장치(1)는 기판(100, 제 1 기판), 기판(200, 제 3 기판) 및 기판(300, 제 2 기판)에 의해 구성되어 있다(도 1 및 도 4 참조). 기판(200)의 상면측에 기판(100)이 배치되는 것과 동시에, 이면측에 기판(300)이 배치되는 것에 의하여, 빛의 입사 방향 L 로부터 보아, 기판(100), 기판 (200) 및 기판(300)이 차례로 배치된 삼차원 실장 구조가 실현되고 있다.
기판(100)과 기판(200)은 두께 방향으로 수직인 각각의 치수, 즉 외연의 치수가 일치하는 크기를 가지고 있지만, 기판(300)의 외연의 치수는 기판(200)의 외연의 치수보다 작고, 기판(200)의 외연의 안쪽에 위치해 있다(기판(300)의 외연이 기판(200)의 외연과 일치해도 됨).
기판(100, 제 1 기판)은 실리콘 기판을 포함한 제 1 기판이고, 이 기판상에 전 유닛 U1 내지 UM 을 구성하는 M×N개의 포토 다이오드 PD1 ,1 내지 PDM,N 및 M×N개의 스위치 SW1 ,1 내지 SWM ,N 이 설치되어 있다. 도 5 에 나타낸 바와 같이, 기판(100)은 광 L 이 입사하는 면(100a, 광입사면)측에 있어서, 각 포토 다이오드 PDm ,n 및 대응하는 스위치 SWm ,n 에 의한 1화소가 M×N(M행 N열)의 이차원 모양으로 배열된 PD 어레이를 가진다. 또, 기판(100)은 제 1 면(100a)측에 각 포토 다이오드 PDm,n 에 접속된 M×N개의 금속 배선 611,i 내지 61M.N 및 1 내지 N열까지의 각 열 M개의 스위치 SW1 ,n 내지 SWM ,n 에 공통으로 접속된 N개의 금속 배선 621 내지 62N 을 가지고 있다.
그리고, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 기판(100)에 있어서의 제 1 면(100a)의 반대측(제 2 면(100b)측)에는, 각 포토 다이오드 PDm ,n 에 대응해서 설치된 M×N개의 본딩 패드(64)와 각 금속 배선 62n 에 대응해서 설치된 N개의 본딩 패드(66)가 배치되어 있다. 또한, 기판(100)은 제 1 면(100a)과 제 2 면(100b)과의 사이를 관 통하고, 각 포토 다이오드 PDm ,n 에 대응해서 설치된 M×N개의 관통공에 관통 배선(67)을 구비한다. 각 관통 배선(67)은 일단이 각 금속 배선 61m,n 에 접속되고, 타단이 각 본딩 패드(64)에 접속되어 있다. 또, 각 관통 배선(67)은 일단이 각 금속 배선 62n 에 접속되고, 타단이 각 본딩 패드(66)에 접속되어 있다. 또한, 도시의 형편상, 본딩 패드(64, 66) 및 관통 배선(67)(후술하는 범프(63,65))은 포토 다이오드 PDM,1 또는 금속 배선 621 에 대응하는 것만이 나타나 있고, 다른 것은 생략되어 있다.
기판(200, 제 3 기판)은, 예를 들어 세라믹으로 된 제 3 기판이며, 각 포토 다이오드 PDm ,n 와 신호 처리 회로 60m 을 전기적으로 접속하기 위한 배선 구조를 가진다. 도 6 에 나타낸 바와 같이, 기판(100)에 대면하는 기판(200)의 제 1 면(200a, 상면)측에는, 각 유닛 Um 에 대응해서 설치된 M개의 공통 배선 501 내지 50M 과, 기판(100)의 M×N개의 스위치 SW1 ,1 내지 SWM ,N 에 SW 개폐 신호를 입력하기 위한 N개의 본딩 711 내지 71N 이 배치되어 있다. 또, 각 공통 배선 50m 은 대응하는 유닛 Um 에 구비된 N개의 포토 다이오드 PDm ,1 내지 PDm ,N 에 전기적으로 접속하기 위한 N개의 본딩 패드 51m,1 내지 51m,N 을 가진다. 또한, 도 7 에 나타낸 바와 같이, 기판(300)에 대면하는 기판(200)의 제 2 면(200b, 이면)측에는 각 유닛 Um 에 대응해서 설치된 M개의 단자부로서의 본딩 패드 721 내지 72M 과, 각 본딩 패드 71n 에 접속된 N개의 본딩 패드 731 내지 73N 이 배치되어 있다. 또한, 도 7 은 제 3 기판의 이면을 상면(제 1 면(200a))에서 본 해당 이면의 구성을 나타내고 있다.
기판(300, 제 2 기판)은 실리콘 기판이고, 이 실리콘 기판에는 각 유닛 Um 에 대응해서 설치된 M개의 신호 처리 회로 601 내지 60M 과, 1개의 제어 회로(40, 도 1 에는 도시하지 않음)가 설치되어 있다. 또, 기판(200)에 접속되는 제 1 면(300a)측에는, 기판(200)의 각 본딩 패드 72m 에 대응해서 설치된 M개의 본딩 패드 811 내지 81M 과, 각 본딩 패드 73n 에 대응해서 설치된 N개의 본딩 패드 821 내지 82N 이 배치되어 있다. 그리고, 이들 본딩 패드 81m 에, 대응하는 신호 처리 회로 60m 의 적분 회로 10m 가 접속되어 있다. 또, N개의 본딩 패드 82n 에는, 제어 회로(40)가 접속되어 있다.
다음에, 기판(100), 기판(200) 및 기판(300)의 각각의 전기적인 접속 구조에 대해 도 1 과 함께 도 8 및 도 10 에 나타낸 단면도를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 8 은 본 발명에 관한 광검출 장치의 제 1 실시예로서 제 1 기판인 기판(100)과 제 3 기판인 기판(200)의 제 1 단면 구조를 나타내는 도면이다. 또한, 이 제 1 실시예와 관련되는 광검출 장치(1)에서는 기본 패턴이 좌우 방향으로 반복해서 나타나 있으므로, 이하에서는 그 1개의 기본 패턴에 대해서만 설명한다.
기판(100)에는, n형 반도체 기판의 제 1 면(100a, 도면에서 위쪽면)측에, n형 반도체 기판(100N)과 함께 pn 접합을 형성하여 각 포토 다이오드 PD 를 구성하는 p+ 영역(111)과, 고립 영역으로서의 n+ 영역(112)이 형성되어 있다. p+ 영역(111)에는 금속 배선(61)이 전기적으로 접속되어 있다. 금속 배선(61)은 절연막(114)상에 형성되고, 그 컨택트홀에서 p+ 영역(111)에 접속되어 있다. 또, 금속 배선(61)은 관통 배선(67)도 접속되어 있다. 관통 배선(67)은 n형 반도체 기판(100N)을 관통하고 있다. 또, 관통 배선(67)이 통과하고 있는 관통공의 측벽에는, n형 반도체 기판(100N)과 관통 배선(67)을 전기적으로 절연하기 위한 절연막(68)이 형성되어 있다. 절연막(68)은 단층막이어도 괜찮고, 적층막이어도 괜찮다. 또, 제 2 면(100b)측에 있어서, 관통 배선(67)에는 본딩 패드(64)가 접속되어 있다. 또한, n형 반도체 기판(100N)의 이면측에는, n+형 불순물층(121)과 표면을 보호하기 위한 절연성의 보호층(122)이 차례로 형성되고, 본딩 패드(69)가 보호층(122)에 열린 컨택트홀을 통해 n+형 불순물층(121)과 전기적으로 접속되어, 오믹 접속을 형성하고 있다. 이 단면도에서는 생략되어 있지만, 각 포토 다이오드에는 스위치 SW 가 접속되어 있다.
기판(200)은 도 1 의 X-X선 단면을 나타낸 도 10 에 나타낸 바와 같이, 세라믹 기판(201) 내에 매설된 M개의 리본 모양 금속 배선 911 내지 91M 을 가지고 있다. 각 금속 배선 91m 은 대응하는 공통 배선 50m 과 본딩 패드 72m 에 접속되어 있다. 또, 각 금속 배선 91m 은 인접해서 만나는 것끼리의 배치 간격이 제 1 면(200a) 측보다 제 2 면(200b)측에서 좁아져서, 서로 접근하도록 형성되어 있다. 이 구성에 의해, 공통 배선 50m 의 배치 간격보다도, 본딩 패드 72m 의 배치 간격이 좁아져서, M개의 본딩 패드 72m 이 제 2 면(200b)측의 중앙 부분에 모인다. 그 결과, 기판(300)의 외연 치수 자체를 기판(200)의 외연 치수보다 작게 하는 것이 용이하게 되어 있다. 나아가, 세라믹 기판(201)은 내부에 매설된 N개의 리본 모양 금속 배선(92)을 가지고 있다. 각 금속 배선(92)은 대응하는 본딩 패드 71n 과, 본딩 패드 73n 에 접속되어 있다.
또한, 이 기판(200)과 기판(100)의 간격에는 수지(150)가 충전되어 있다. 또, 도 8 에 나타낸 바와 같이, 본딩 패드(64)와 본딩 패드(51)가 범프(63, 제 1 범프)를 통해 접속되어 있다(이하, 기판(100)과 기판(200)의 범프(63)에 의한 접속을 제 1 범프 접속이라고 함). 이 제 1 범프 접속에 의해, 기판(100)에 있어서의 각 포토 다이오드 PDm ,n 이 기판(200)에 있어서의 대응하는 공통 배선 50m 에 접속된다. 또한, 본딩 패드(66)와 본딩 패드(71)도 범프(65)를 통해 접속되어 있다.
기판(200)과 기판(300)의 간격에도 수지(150)가 충전되어 있다. 또, 도 10 에 나타낸 바와 같이, 본딩 패드(72)와 본딩 패드(81)가 범프(93, 제 2 범프)를 통해 접속되어 있다(이하, 기판(200)과 기판(300)의 범프(93)에 의한 접속을 제 2 범프 접속이라고 함). 이 제 2 범프 접속에 의해, 기판(300)에 있어서의 각 신호 처리 회로 60m 가 기판(200)에 있어서의 각 본딩 패드 72m 에 접속된다. 또, 본딩 패 드(73)와 본딩 패드(82)가 범프(94)를 통해 접속된다. 이와 같이, 광검출 장치(1)는 제 1 및 제 2 범프 접속에 의해 접속된 3개의 기판(100, 200, 300)에 의한 3차원 실장 구조(이하, 이 구조를 3차원 범프 접속 구조라고 함)를 가진다.
또, 도 8 에 나타낸 바와 같이, 기판(100)의 제 1 면(100a)측에는, 신틸레이터(510) 및 차단재(520)가 배치되어 있다. 신틸레이터(510)는 기판(100)의 p+ 영역(111)의 위쪽에 설치되어 있고, X선 등의 에너지선이 입사하면 그 에너지선에 대응한 신틸레이션광을 발생한다. 차단재(520)는 기판(100)의 n+ 영역(112)의 위쪽에 설치되어 있고, X선등의 에너지선의 투과를 저지하면서 신틸레이터(510)를 고정한다.
이상과 같은 구조를 가지는 광검출 장치(1)는 이하와 같이 작동한다.
X선 등의 에너지선이 신틸레이터(510)에 입사하면, 그 에너지선에 대응하는 신틸레이션광이 신틸레이터(510)로부터 발생한다. 그 신틸레이션광은 기판(100)의 p+ 영역(111)에 입사하고, 각 포토 다이오드 PD 에 있어서, 입사한 신틸레이션광에 대응하는 전하가 생성된다.
한편, 광검출 장치(1)에서는, 포토 다이오드 PD 에 의한 전하의 생성과 병행하여, 기판(300)의 제어 회로(40, 도 4 참조)가 본딩 패드(82)로부터 범프(94)를 통해 본딩 패드(73)에 SW 개폐 신호를 출력하고 있다. 이 SW 개폐 신호는 기판(200) 내의 금속 배선(92)을 통해 본딩 패드(71)에 입력되고, 또 범프(65), 본딩 패드(66) 및 관통 배선(67)을 통해 금속 배선(62)에 입력된다. 제어 회로(40)는 이 SW 개폐 신호의 출력 제어를 실시하는 것에 의해, 기판(100)의 각 스위치 SWm ,n 을 개폐시킨다. 즉, 제어 회로(40)는, 본딩 패드 821 내지 82N 을 대상으로 SW 개폐 신호를 출력하고 있고, 금속 배선 621 로부터 622, …, 62N 까지의 각각에 접속되어 있는 각 열 M개의 스위치 SW1 ,1 내지 SWM ,1 을 동시에 개폐시키며, 이 M개의 스위치 SW1,n 내지 SWM , n 의 개폐 동작을 일정 주기로 N회 반복한다.
스위치 SW 의 이러한 일련의 개폐 동작에 의해, 각 열 M개의 포토 다이오드 PD 로부터의 입사 신틸레이션광에 대응하는 전하의 출력이 N회(포토 다이오드 PD1 ,1 내지 PDM, 1 로부터의 출력, 포토 다이오드 PD1 ,2 내지 PDM, 2 로부터의 출력…다이오드 PD1,N 내지 PDM, N 으로부터의 출력까지의 N회) 행해진다(이하, 이 각 열 M개의 포토 다이오드 PD 로부터 출력되는 각 회의 전하를 전하군이라고 함).
그리고, 각 전하군은 각각 금속 배선(61), 관통 배선(67), 본딩 패드(64), 및 범프(63)를 거쳐서 기판(200)의 M개의 공통 배선(501 내지 50M)에 접속된 대응하는 본딩 패드(511,1 내지 51M,N)에 입력된다. 또한, 각 전하군은 공통 배선(501 내지 50M)을 통해 기판(200) 내의 대응하는 금속 배선(911 내지 91M)과 본딩 패드(721 내지 72M), 및 범프(93)를 통하여 본딩 패드(811 내지 81M)에 입력되고, 거기로부터 M개의 적분 회로 10m 에 각각 입력된다. 여기서, 각 적분 회로 10m 의 스위치 SWT 가 열려 있으면, 각 전하군의 전하는 각각의 커패시터 C 에 축적된다. 이와 같은 동작이 N회에 나누어 차례로 반복된다. 그러면, 각 적분 회로 10m 에는, 대응하는 유닛 Um 에 구비된 N개의 포토 다이오드 PDm ,1 내지 PDm , N 으로부터 출력된 전하가 축적된다. 그리고, 그 각 적분 회로(101 내지 10M)의 출력단으로부터, 커패시터 C 에 축적되어 있는 전하에 따른(비례하는) 전압이 출력되게 된다. 또, 기판(300)상의 CDS 회로 20m 으로부터, 적분 회로 10m 에 있어서의 출력 전압의 일정 시간의 변동분을 나타내는 전압이 출력되고, 기판(300)상의 홀드 회로(30m)에 있어서, CDS 회로 20m 으로부터 출력된 전압이 일정 기간에 걸쳐서 보관 유지된다.
이상과 같이, 광검출 장치(1)는 각 포토 다이오드 PDm ,n 과 신호 처리 회로 60m 을 접속하기 위한 공통 배선 50m 및 금속 배선 91m 을 갖는 기판(200)을 기판(100)과 기판(300) 사이에 개재하고 있으므로, 기판(100), 기판(200)상에 설치되는 배선의 길이를 단축할 수 있다. 또, 기판(100)과 기판(200)이 제 1 범프 접속에 의해 전기적으로 접속되고, 기판(200)과 기판(300)이 제 2 범프 접속에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 해당 광검출 장치(1)는 기판(100)에 있어서의 각 포토 다이오드 PDm , n 으로부터 기판(300)에 있어서의 적분 회로 10m 까지의 전하 이동 경로가 단축되므로, 경로상의 배선에 있어서의 기생 용량을 작게 할 수 있고, 각 적분 회로 10m 로부터의 출력 전압에 포함되는 노이즈를 작게 할 수 있다. 이로써 해당 광검출 장치(1)에서는, 정확한 광검출을 실시할 수 있다.
그리고, 광검출 장치로부터의 출력 신호에 포함되는 노이즈 Ns 는 도 12 에 나타낸 바와 같이 적분 회로에 있어서의 커패시터 C 의 정전 용량 Cf 에 반비례하고, 복수의 포토 다이오드의 합성 정전 용량 Cd 및 기생 용량 Cv 를 합친 용량 Ct 에 비례한다. 즉, Ns∝Ct/Cf, Ct=(Cd+Cv)이기 때문에, 기생 용량의 증대는 노이즈 Ns 의 증대로 연결된다.
이에 대해, 해당 광검출 장치(1)에서는, 기판(100)과 기판(300)이 세라믹 등으로 된 기판(200)을 개재시켜서 배치되어 있으므로, 기판(300, 실리콘 기판) 위에 설치되는 배선의 길이가 단축되어 기생 용량 Cv 를 작게 할 수 있다. 그 때문에, 적분 회로 10m 로부터 출력되는 전압에 포함되는 노이즈가 작고, 정확한 광검출을 할 수 있다.
또, 기판(200)은 절연성이 뛰어난 세라믹 기판으로 된다. 그 때문에, 기판(200)은 세라믹 기판 내에 있어서의 각 금속 배선(91)이 전기적으로 분리된다. 따라서, 해당 광검출 장치(1)는 1장의 기판(200)에 의해 복수의 유닛 U1 내지 UM 에 포함되는 각 포토 다이오드 PDm ,1 내지 PDm ,N 을 대응하는 신호 처리 회로 60m 에 개별적으로 접속할 수 있다.
또한, 해당 광검출 장치(1)에서는 기판(100)과 기판(200)의 각 치수보다 기판(300)의 치수가 작고, 나아가 기판(100)에는 PD 어레이가 형성되지만, 각 PD 어레이로부터 출력되는 신호를 처리하는 신호 처리 회로 60m 는 기판(300)에 설치되고 기판(100)에는 설치되지 않는다. 그 때문에, 복수의 기판(100)에 대해서, 상호 간격을 좁혀 기판(100)끼리를 지극히 접근시키거나 서로 접촉시켜 배열할 수 있다. 따라서, 해당 광검출 장치(1)의 경우, 화소수의 증가나 고밀도화가 가능하다.
또한, 해당 광검출 장치(1)는, PD 어레이가 형성되는 기판(100)과 신호 처리 회로 60m 가 형성되는 기판(300)을 각각 최적인 제조 프로세스에 의해 제조할 수 있는 점에서도 바람직하다.
그리고, 본 발명에 관한 광검출 장치의 일 실시예는, 상기 문헌 1에 기재된 종래의 광검출 장치에 비해, 이하와 같은 이점도 가진다. 즉, 종래의 광검출 장치에서는, 제 1 기판과 제 2 기판이 와이어 본딩으로 접속되는 것으로부터, 제 1 기판상에 신틸레이터를 배열할 때, 와이어 본딩을 위한 패드의 윗쪽에 신틸레이터를 배치할 수 없다. 신틸레이터를 배치한다고 하면, 그 신틸레이터의 형상을 그 외의 것과 다르도록 해야 한다. 그 때문에, 종래의 광검출 장치는, 복수의 제 1 기판이 배치될 때, 각 제 1 기판 내의 포토 다이오드의 광검출 감도가 한결같지 않다. 또, 종래의 광검출 장치는, 복수의 제 1 기판이 배치될 때, 이 제 1 기판의 옆에 제 2 기판이 위치하기 때문에(서로 이웃이 되는 제 1 기판의 사이에 제 2 기판이 위치함), 각 제 1 기판에 있어서의 포토 다이오드는 한결같은 피치로는 배열될 수 없다.
이에 반해, 본 발명에 관한 광검출 장치는, 기판(200)과 기판(300)이 제 2 범프 접속에 의해 접속되는 것에 의해, 신틸레이터의 형상은 모두 동일하게 할 수 있다. 또, 기판(200)보다 기판(300)을 작게 할 수 있으므로, 기판(100)은 거의 틈새 없이 전면에 깔 수 있는 상태로 늘어놓을 수 있고, 복수의 기판(100)에 있어서의 각 포토 다이오드를 한결같은 피치로 배열하는 것도 가능하게 된다.
도 9 는 본 발명에 관한 광검출 장치의 제 2 실시예로서 제 1 기판인 기판(102)과 제 3 기판인 기판(200)의 제 2 단면 구조를 나타내는 도면이다. 또, 이 제 2 실시예에 관한 광검출 장치(2)는 상술한 제 1 실시예에 관한 광검출 장치(1)와 비교하여, 제 1 기판의 구조가 상이한 한편, 기판(200, 제 3 기판) 및 기판(300, 제 2 기판)은 같은 구조를 가지기 때문에, 이하의 설명에서는, 기판(102)의 설명을 중심으로 하고, 기판(200)과 기판(300)의 설명은 생략 내지 간략화한다. 이 도 9 에 있어서도, 좌우 방향으로 기본 패턴이 반복해져서 나타나고 있으므로, 이하에서는 1개의 기본 패턴에 대해서만 설명한다.
제 1 기판인 기판(102)은 n형 반도체 기판의 제 1 면(102a)측에, 전하 재결합을 방지하기 위한 n+형 어큐뮬레이션층(151)과 표면을 보호하기 위한 절연성의 보호층(152)이 형성되어 있다. 또, 기판(102)은 제 2 면(102b)측에 n형 반도체 기판(102N)과 함께 pn 접합을 형성하여 포토 다이오드 PD 를 구성하는 p+ 영역(161)과 고립 영역으로서의 n+ 영역(162)이 형성되고, 이들을 피복하는 보호층(163)이 형성되어 있다. 또, 제 2 면(102b)측에는, p+ 영역(161)과 전기적으로 접속된 본딩 패드(164)가 형성되고, 각 본딩 패드(164)에 범프(165)가 접속되어 있다. 그리고, 범프(165)가 기판(200)에 있어서의 본딩 패드(51)에 접속되어 있다. 기판(102)과 기판(200)의 간격에는 수지(150)가 충전되어 있다. n+ 영역(162)에는, 본딩 패드 (166)가 형성되어 있다.
또, 기판(102)의 제 1 면(102a)측에는, 신틸레이터(510) 및 차단재(520)가 배치되어 있다. 신틸레이터(510)는 기판(102)의 p+ 영역(161)의 윗쪽에 설치되어 있고, X선 등의 에너지선이 입사하면 그 에너지선에 대응한 신틸레이션광을 발생한다. 차단판(520)은 기판(102)의 n+ 영역(162)의 윗쪽에 설치되어 있고, X선 등의 에너지선의 투과를 저지하면서 신틸레이터(510)를 고정한다. 또, 기판(102)은 p+ 영역(161)의 형성 부분에 있어서, 제 1 면측이 에칭되고, p+ 영역(161)의 형성 부분에 있어서의 두께가 얇게 되어 있다.
이 제 2 실시예와 관련되는 광검출 장치(2, 도 9)에서는, X선 등의 에너지선이 신틸레이터(510)에 입사하면 그 신틸레이터(510)가 신틸레이션광을 발생한다. 그 신틸레이션광이 제 1 면측으로부터 기판(102) 내를 투과하여 p+ 영역(161)에 입사하면, 제 1 면(102a)의 이면인 제 2 면(102b)측에 있어서의 포토 다이오드로 전하가 발생한다. 그 전하는 본딩 패드(164), 범프(165)를 통해 기판(200)에 입력되고, 이 이후 해당 광검출 장치(2)는 상술한 제 1 실시예에 관한 광검출 장치(1)와 마찬가지로 전하를 적분 회로(10)의 커패시터 C 에 축적한다. 그리고, 적분 회로(10)의 출력단으로부터, 커패시터 C 에 축적되어 있는 전하에 따른 전압이 출력된다.
이 제 2 실시예에 관한 광검출 장치(2)의 경우도, 각 기판(102, 200, 300)이 제 1 실시예에 관한 광검출 장치(1)와 같은 제 1 및 제 2 범프 접속에 의해 접속되 고 있으므로, 기판(100)에 있어서의 각 포토 다이오드 PDm , n 으로부터, 기판(300)에 있어서의 적분 회로 10m 에 도달할 때까지의 전하 이동 경로가 단축된다. 그 때문에, 경로상의 배선에 있어서의 기생 용량을 작게 할 수 있으므로, 각 적분 회로 10m 로부터의 출력 전압에 포함되는 노이즈가 작아진다. 이로써, 해당 광검출 장치(2)에서도 정확한 광검출을 실시할 수 있다. 해당 광검출 장치(2)는 그 외의 작용 효과도 제 1 실시예에 관한 광검출 장치(1)와 마찬가지이다.
도 11 은 본 발명에 관한 광검출 장치의 제 3 실시예로서, 제 1 기판인 기판(103)과 제 3 기판인 기판(200)의 제 3 단면 구조도를 나타내는 도면이다. 도 11 에 나타난 기판(103)은 제 1 실시예에 있어서의 기판(100)에 비해 n형 반도체 기판(103N)의 제 1 면(103a)측에 있어서의 포토 다이오드 PD 의 배치 간격보다, 제 2 면(103b)측에 있어서의 범프(64)의 배치 간격과, 기판(200)에 있어서의 본딩 패드(51)의 배치 간격이 짧은 점에서 상이하다. 또한, 본딩 패드(64)는 관통 배선(67)과의 접속 위치로부터 범프(63)와의 접속 위치까지가 필요에 따라서 길게 형성되어 있다. 또, 관통 배선(67)이 관통하고 있는 관통공의 측벽에는, 기판(103)과 관통 배선(67)을 전기적으로 절연하기 위한 절연막(68)이 형성되어 있다. 절연막(68)은 단층막이어도 괜찮고 적층막으로 해도 좋다. 또한, 본딩 패드(69)에 대해서도 본딩 패드(51)와 마찬가지로 배치되어 있다. 또, 도 8 에 나타낸 제 1 실시예에 관한 광검출 장치(1)에서도, 제 1 기판인 기판(100)에 있어서의 포토 다이오드 PD 의 배치 간격보다 제 1 범프 접속을 구성하는 범프(64, 51)의 배치 간격이 짧아도 좋다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 실시예로 한정되는 것이 아니고, 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 제 1 기판 (기판 100, 102, 103) 및 제 3 기판(기판 200) 각각의 단면 구조는, 도 8, 도 9, 도 11 각각에 도시된 구조 이외이어도 좋고, 이들에 한정되지 않는다. 또, 제 2 기판(기판 300)에는, 또 다른 회로, 예를 들어 홀드 회로 30m 로부터의 출력전압의 A/D 변환을 실시하는 A/D 변환 회로 등이 설치되어 있어도 된다.
상술한 실시예에서는, 제 3 기판(기판 200)으로서 세라믹 기판이 설명되어 있지만, 이 제 3 기판은 절연성 재료로 형성하면 좋으며, 세라믹 기판에 한정되지 않는다. 예를 들면, 유리나, 폴리이미드 등의 유기 재료, 이러한 복합 재료로 된 기판이라도 좋다.
또, 상술한 각 실시예에서는, 제 1 기판(기판 100, 102, 103)과 제 3 기판(기판 200), 또는, 제 3 기판(기판 200)과 제 2 기판(기판 300)을 접속하는데 범프를 이용하고 있지만, 납땜이나, 범프와 이방성 도전성 필름 ACF, 이방성 도전성 수지 ACP, 비도전성 수지 NCP 와의 조합이어도 괜찮다.
이상의 본 발명의 설명으로부터, 본 발명을 다양하게 변형할 수 있는 것은 분명하다. 그러한 변형은, 본 발명의 사상 및 범위로부터 일탈하는 것이라고 할 수 없으며, 모든 당업자에게 있어서 자명한 개량은 이하의 청구의 범위에 포함되는 것이다.
본 발명은, 광검출 소자가 배치된 제 1 기판과 신호 처리 회로가 배치된 제 2 기판과의 사이에, 절연성 재료로 된 배선용의 제 3 기판이 개재해 있으므로, 제 1 또는 제 2 기판상에 있어서의 배선의 길이를 단축할 수 있고, 전하 이동 경로상의 배선에 있어서의 기생 용량이 작은 광검출 장치에 적용된다.

Claims (5)

  1. 복수의 광검출 소자가 표면에 설치된 제 1 기판과,
    상기 광검출 소자 각각의 출력 신호를 처리하기 위한 신호 처리부가 표면에 설치된 제 2 기판과,
    상기 제 1 및 제 2 기판과의 사이에 위치하고, 상기 제 1 기판에 대면한 제 1 면과 상기 제 2 기판에 대면한 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 면상에 설치되고 상기 광검출 소자 각각과 전기적으로 접속된 공통 배선과, 상기 제 2 면상에 설치되고 상기 공통 배선과 전기적으로 접속됨과 동시에 상기 신호 처리부와 전기적으로 접속된 단자부를 갖는 제 3 기판을 구비하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기판과 제 3 기판과의 사이에 설치되고, 상기 광검출 소자 각각과 상기 공통 배선을 전기적으로 접속하는 제 1 범프와, 상기 제 3 기판과 상기 제 2 기판과의 사이에 설치되고, 상기 신호 처리부와 상기 단자부를 전기적으로 접속하기 위한 제 2 범프를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 기판은, 상기 공통 배선과 상기 단자부를 접속하는 내부 배선이 세라믹 기판 내에 매설된 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 기판의 제 1 면상에 설치된 상기 공통 배선은, 소정 간격으로 배치된 복수의 배선 요소를 포함하고, 상기 제 3 기판의 제 2 면상에 설치된 상기 단자부는, 상기 복수의 배선 요소의 배치 간격보다 좁은 간격으로 배치된 복수의 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 기판은, 상기 각 광검출 소자에 접속된 복수의 스위치를 구비하고, 상기 광검출 장치는, 상기 스위치 각각을 차례차례 개폐시키는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 광검출 장치.
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