WO2013172081A1 - 固体撮像装置 - Google Patents

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WO2013172081A1
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semiconductor photodetecting
face
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PCT/JP2013/057003
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小林 宏也
村松 雅治
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a solid-state imaging device.
  • a solid-state imaging device includes a fiber optic plate having a light incident end face and a light exit end face, and a semiconductor photodetecting element in which the light incident face is optically coupled to the light exit end face of the fiber optic plate.
  • a fiber optic plate having a light incident end face and a light exit end face
  • a semiconductor photodetecting element in which the light incident face is optically coupled to the light exit end face of the fiber optic plate.
  • solid-state imaging devices employing back-illuminated semiconductor photodetecting elements may have the following problems.
  • the back-illuminated semiconductor photodetecting element has a first main surface and a second main surface that face each other.
  • Back-illuminated semiconductor photodetectors are generally provided with a photosensitive region on the first main surface side, and the portion corresponding to the photosensitive region is thinned from the second main surface side, leaving the peripheral portion of the portion. Has been. For this reason, in a state where the fiber optical plate is disposed on the back-illuminated semiconductor photodetecting element, the light emitting end face of the fiber optical plate and the thinned portion of the semiconductor photodetecting element are thinned by the semiconductor photodetecting element. It is separated by the level difference formed by the part that has been turned into a part and the peripheral part.
  • the resolution (spatial resolution) of the solid-state imaging device is lowered.
  • An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of suppressing a reduction in resolution even when a back-illuminated semiconductor photodetecting element is employed.
  • the present invention is a solid-state imaging device having a first main surface and a second main surface facing each other, a light sensitive region is provided on the first main surface side, and a portion corresponding to the light sensitive region is provided A back-illuminated semiconductor photodetecting element thinned from the second main surface side, leaving a peripheral portion of the portion, and a third main surface having a third main surface and a fourth main surface facing each other; And a fourth main surface and a package in which an accommodation space for accommodating the semiconductor light detection element is formed, a light incident end surface and a light emitting end surface, and the light emitting end surface is opposed to the second main surface.
  • a protective member that is fixed to the semiconductor photodetecting element from the first main surface side and protects the thinned portion of the semiconductor photodetecting element.
  • the end-side part protrudes outside the package from the third main surface, and The portion on the light emitting end face side of the rate corresponds to the first portion corresponding to the peripheral portion of the semiconductor photodetecting element, the thinned portion of the semiconductor photodetecting element, and toward the semiconductor photodetecting element rather than the first portion
  • the height of the step formed by the first portion and the second portion of the fiber optic plate is configured by the thinned portion and the peripheral portion of the semiconductor photodetector element.
  • the semiconductor photodetecting element and the fiber optic plate are lower than the height of the step, and the optically transparent resin with respect to the detected light filled between the light emitting end face and the thinned portion is used to
  • the second portion of the fiber optic plate and the thinned portion of the semiconductor photodetecting element are fixed in a state where a part and the peripheral portion are in contact with each other and the second portion and the thinned portion are separated from each other. And optically through resin It is coupled.
  • the portion on the light emitting end face side of the fiber optic plate corresponds to the first portion corresponding to the peripheral portion of the semiconductor photodetecting element, the thinned portion of the semiconductor photodetecting element, and is more semiconductor than the first portion. And a second portion protruding toward the light detection element. For this reason, in the state where the fiber optical plate is disposed in the back-illuminated semiconductor photodetecting element, the light emitting end face of the second portion of the fiber optical plate and the thinned portion of the semiconductor photodetecting element are brought close to each other. Yes.
  • the height of the step formed by the first portion and the second portion of the fiber optic plate is set lower than the height of the step formed by the thinned portion and the peripheral portion of the semiconductor photodetecting element. .
  • the semiconductor photodetecting element and the fiber optic plate are fixed in a state where the first portion and the peripheral portion are in contact with each other and the second portion is separated from the thinned portion.
  • the thinned portion of the semiconductor light detection element and the fiber optical plate No contact with the second part. Therefore, it is possible to prevent the thinned portion of the semiconductor photodetecting element from being damaged due to contact of the fiber optic plate or the like.
  • a protective member is fixed to the semiconductor light detection element from the first main surface side to protect the thinned portion of the semiconductor light detection element. Thereby, the thinned part in the semiconductor photodetecting element can be mechanically reinforced.
  • the semiconductor light detection element and the fiber optical plate are fixed by a resin that is optically transparent to the light to be detected that is filled between the light emitting end face and the thinned portion. Since the resin for fixing the semiconductor optical detection element and the fiber optical plate is filled between the light output end face of the fiber optical plate and the thinned portion of the semiconductor optical detection element, the light output of the fiber optical plate Voids are unlikely to occur between the end face and the thinned portion of the semiconductor light detection element, in particular, between the second portion of the fiber optic plate and the thinned portion of the semiconductor light detection element. Therefore, scattering of the light emitted from the light emitting end face in the second portion of the fiber optical plate can be prevented.
  • a wavelength selective filter is disposed on a surface of the second portion of the fiber optic plate facing the thinned portion of the semiconductor photodetecting element, and the semiconductor photodetecting element and the fiber optic plate are connected to the wavelength selective filter. And the thinned portion may be fixed in a separated state. In this case, even if the wavelength selective filter and the thinned portion of the semiconductor photodetecting element are brought close to each other, the thinned portion of the semiconductor photodetecting element and the wavelength selective filter do not contact each other. Therefore, it is possible to prevent any of the thinned portion of the semiconductor photodetecting element and the wavelength selection filter from being damaged due to contact of the wavelength selection filter or the like.
  • the semiconductor photodetecting element may be fixed to the package via a pedestal.
  • the semiconductor photodetection element can be fixed with high accuracy.
  • the housing space may be further closed from the fourth main surface side and a lid member fixed to the protection member may be further provided, and the protection member and the lid member may be thermally coupled.
  • heat generated in the semiconductor photodetecting element is dissipated through the protective member and the lid member. Therefore, heat dissipation can be improved.
  • the protective member and the lid member may be fixed by an adhesive containing a resin and a filler made of a material having a higher thermal conductivity than the resin. In this case, heat dissipation can be further improved.
  • FIG. 1 is a plan view showing a solid-state imaging device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a view for explaining a cross-sectional configuration along the line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a cross-sectional configuration of the semiconductor photodetector element and the fiber optical plate.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view showing the configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a manufacturing process of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the manufacturing process of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the manufacturing process of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
  • FIG. 1 is a plan view showing a solid-state imaging device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a view for explaining a cross-sectional configuration along the line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a cross-sectional configuration of the semiconductor photodetector element and the fiber optical plate.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view showing the configuration of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
  • the solid-state imaging device 1 includes a package 10, a back-illuminated semiconductor light detection element 20, a pedestal 30, a fiber optical plate 40, a protection member 50, and a lid member 60. .
  • the solid-state imaging device 1 can be used for a radiographic image reading device for an imaging plate.
  • the radiographic image readout device for an imaging plate irradiates the imaging plate with excitation light and detects light emitted from the imaging plate.
  • the wavelength of the light (detected light) emitted from the imaging plate is different from the wavelength of the excitation light.
  • the package 10 has a main surface 10a and a main surface 10b facing each other, and is made of a ceramic material.
  • the package 10 is made of alumina.
  • a hollow portion 11 extending in a predetermined direction in the package 10 is formed in the central region of the package 10.
  • the package 10 has a substantially rectangular shape in plan view, and the hollow portion 11 extends in the long side direction of the package 10.
  • the hollow part 11 is open to the main surface 10a and the main surface 10b.
  • the opening of the main surface 10 a has a substantially rectangular shape in plan view and extends in the long side direction of the package 10.
  • the hollow portion 11 functions as a housing space for housing the semiconductor light detection element 20.
  • the package 10 is provided with a placement portion 13 for placing the semiconductor light detection element 20 so as to protrude into the hollow portion 11.
  • the placement unit 13 includes a first plane 15 on which the semiconductor light detection element 20 is disposed, a second plane 16 on which electrode pads (not shown) are disposed, and a third plane 17 on which the lid member 60 is fixed. ,have.
  • the first, second, and third planes 15, 16, and 17 are opposed to the main surface 10 a, and are stepped in the order of the third plane 17, the second plane 16, and the first plane 15 from the main surface 10 b side. Is formed. That is, the main surface 10b and the third plane 17 form a step, the third plane 17 and the second plane 16 form a step, and the second plane 16 and the first plane 15 form a step. .
  • a plurality of electrode pins 19 for external connection are respectively arranged on both side surfaces of the package 10.
  • the electrode pins 19 are electrically connected to corresponding electrode pads via wirings arranged in the package 10.
  • the semiconductor photodetector 20 has a main surface 20a and a main surface 20b facing each other, and a photosensitive region 21 is provided on the main surface 20a side.
  • the photosensitive region 21 generates a charge according to incident light.
  • a BT (Back-illuminated Thinning) -CCD (Charge Coupled Device) is used as the semiconductor light detection element 20.
  • the generated charge is transferred as a signal charge by the shift register, converted into a voltage corresponding to the signal charge, and output.
  • the semiconductor photodetection element 20 performs charge transfer by a TDI (Time Delay Integration) operation.
  • Each electrode pad (not shown) of the semiconductor photodetecting element 20 is electrically connected to a corresponding electrode pad of the package 10 via a bonding wire.
  • a portion corresponding to the photosensitive region 21 is thinned from the main surface 20b side leaving a peripheral portion 23 of the portion. That is, a portion corresponding to the photosensitive region 21 is a thinned portion (thin portion) 25.
  • the semiconductor photodetecting element 20 can be thinned as follows, for example. A silicon nitride film is deposited on the main surface 20b of the silicon substrate constituting the semiconductor photodetecting element 20, and the silicon nitride film is patterned into a desired shape by a photolithography process. A region corresponding to the peripheral portion 23 is covered with a silicon nitride film, and a portion corresponding to the photosensitive region 21 is exposed. Thereafter, the silicon substrate is etched with an etching solution (for example, KOH) while leaving a region covered with the silicon nitride film (region corresponding to the peripheral portion 23) thick.
  • an etching solution for example, KOH
  • the semiconductor light detection element 20 is mounted on the first plane 15 of the mounting portion 13 via the pedestal 30 and fixed to the mounting portion 13 (package 10) so that the main surface 20b side becomes a light incident surface. Yes.
  • the semiconductor photodetecting element 20 is disposed in the package 10 so that the thin portion 25 of the semiconductor photodetecting element 20 faces the opening of the main surface 10a.
  • the thin portion 25 extends in the long side direction of the opening of the main surface 10a corresponding to the opening of the main surface 10a.
  • the base 30 is formed with a through hole corresponding to the opening of the main surface 10a.
  • the pedestal 30 is made of a ceramic material whose thermal expansion coefficient in a predetermined temperature range is larger than that of the semiconductor photodetecting element 20 (silicon). In the present embodiment, the pedestal 30 is made of alumina.
  • the pedestal 30 is fixed to the package 10 with an adhesive (not shown).
  • the main surface 20b side of the peripheral portion 23 of the semiconductor photodetecting element 20 is fixed to the pedestal 30 with an adhesive (not shown).
  • the fiber optical plate 40 has a light incident end surface 40a and a light emitting end surface 40b.
  • the fiber optical plate 40 is disposed such that the light emitting end face 40b faces the main surface 20b of the semiconductor light detection element 20.
  • the fiber optical plate 40 has a substantially rectangular shape in plan view, and the long side direction thereof coincides with the long side direction of the opening of the main surface 10a.
  • the portion 41 on the light emitting end face 40b side of the fiber optical plate 40 includes a first portion 41a and a second portion 41b as shown in FIG.
  • the first portion 41 a is located so as to correspond to the peripheral portion 23 of the semiconductor photodetecting element 20.
  • the second portion 41b is positioned so as to correspond to the thin portion 25 of the semiconductor photodetecting element 20.
  • the second portion 41b protrudes toward the semiconductor photodetecting element 20 rather than the first portion 41a. That is, a step is formed on the light emitting end face 40b by the first portion 41a and the second portion 41b.
  • the height of the step formed by the first portion 41 a and the second portion 41 b of the fiber optic plate 40 is set lower than the height of the step formed by the thin portion 25 and the peripheral portion 23 of the semiconductor light detection element 20. ing.
  • a wavelength selection filter 70 is disposed on the surface of the second portion 41b of the fiber optic plate 40 that faces the thin portion 25 of the semiconductor photodetector 20 (the light emitting end surface 40b of the second portion 41b).
  • the wavelength selection filter 70 is, for example, a dielectric multilayer filter.
  • the dielectric multilayer filter can be formed on the light emitting end face 40b of the second portion 41b of the fiber optical plate 40 by vapor deposition or the like.
  • the radiographic image reading device of the imaging plate it is necessary to separate the excitation light and the detected light so that the excitation light applied to the imaging plate does not enter the semiconductor light detection element 20.
  • the excitation light and the detected light are separated by the wavelength selection filter 70, and the detected light enters the semiconductor light detection element 20.
  • the semiconductor light detection element 20 and the fiber optical plate 40 are fixed by a resin 45.
  • the resin 45 is optically transparent to the light to be detected.
  • the resin 45 is filled in the light emitting end face 40 b of the fiber optical plate 40 and the space between the wavelength selection filter 70 and the thin portion 25 of the semiconductor light detection element 20.
  • the wavelength selection filter 70 (second portion 41 b of the fiber optical plate 40) and the thin portion 25 of the semiconductor light detection element 20 are optically coupled via the resin 45.
  • a transparent silicone resin is used as the resin 45.
  • the portion 43 on the light incident end face 40 a side of the fiber optical plate 40 protrudes from the main surface 10 a of the package 10 to the outside of the package 10.
  • the fiber optic plate 40 is not directly fixed to the package 10, but is fixed to the package 10 via the semiconductor photodetecting element 20 and the pedestal 30. Therefore, a predetermined gap is formed between the fiber optic plate 40 and the package 10.
  • the distance between the second portion 41 b of the fiber optic plate 40 and the thin portion 25 of the semiconductor photodetector 20 is set to be larger than the thickness of the wavelength selection filter 70. That is, the height of the step formed by the thin portion 25 and the peripheral portion 23 of the semiconductor photodetector 20 is the wavelength of the step formed by the first portion 41a and the second portion 41b of the fiber optical plate 40. It is set higher than the value obtained by adding the thickness of the selection filter 70. Therefore, the semiconductor photodetecting element 20 and the wavelength selection filter 70 are separated in a state where the first portion 41a and the peripheral portion 23 are in contact with each other.
  • the protective member 50 is fixed to the semiconductor photodetector 20 from the main surface 20a side.
  • the protection member 50 protects the thin portion 25 of the semiconductor light detection element 20.
  • the protection member 50 has a substantially rectangular shape in plan view, and the long side direction is the longitudinal direction of the thin portion 25.
  • the protection member 50 is made of, for example, a sapphire substrate.
  • the protective member 50 is fixed to the semiconductor photodetecting element 20 with an adhesive (not shown).
  • the lid member 60 closes the hollow portion 11 from the main surface 10b.
  • the end of the lid member 60 is fixed to the third plane 17 of the placement unit 13.
  • the lid member 60 is made of a ceramic material. In the present embodiment, the lid member 60 is made of alumina.
  • the lid member 60 is fixed to the package 10 (third plane 17) with an adhesive (not shown).
  • the lid member 60 is also fixed to the protection member 50. Thereby, the protection member 50 and the lid member 60 are thermally coupled.
  • the lid member 60 is fixed to the protective member 50 with an adhesive 61.
  • the adhesive 61 includes a resin (for example, an epoxy resin) and a filler (for example, alumina) made of a material having a higher thermal conductivity than the resin.
  • FIGS. 5 to 7 are diagrams for explaining the manufacturing process of the solid-state imaging device according to the present embodiment.
  • the package 10 and the pedestal 30 are prepared, and the pedestal 30 is fixed to the package 10 (first plane 15) with an adhesive 81 (see FIG. 5A).
  • an adhesive 81 for example, an epoxy resin containing Ag powder as a filler is used.
  • the prepared semiconductor photodetecting element 20 is fixed to the pedestal 30 with an adhesive 82 (see FIG. 5B).
  • an adhesive 82 for example, an epoxy resin containing Ag powder as a filler is used.
  • the surface fixed to the package 10 and the surface fixed to the semiconductor light detection element 20 are flattened by machining (for example, chemical mechanical polishing). Thereby, the mounting surface of the semiconductor photodetecting element 20 is appropriately defined.
  • the corresponding electrode pad (not shown) of the semiconductor light detection element 20 and the electrode pad (not shown) of the package 10 are connected by wire bonding (see FIG. 6A).
  • the prepared protective member 50 is fixed to the main surface 20a of the semiconductor photodetecting element 20 with an adhesive 83 (see FIG. 6B).
  • an adhesive 83 for example, an epoxy resin is used as the adhesive 83.
  • the adhesive 83 is cured, the temperature is raised to the predetermined temperature range described above. Thereby, due to the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor photodetecting element 20 and the pedestal 30, the thin portion 25 of the semiconductor photodetecting element 20 is flattened, and the protection member 50 is kept in the semiconductor state while the state is maintained. Fixed to the light detection element 20.
  • the prepared lid member 60 is fixed to the protective member 50 and the package 10 (third plane 17) with adhesives 61 and 84 (see (a) of FIG. 7).
  • the adhesive 61 for example, the above-described epoxy resin containing an alumina filler is used. Curing of the adhesive 61 is performed in a temperature range lower than the predetermined temperature range described above.
  • an epoxy resin is used as the adhesive 84 that fixes the lid member 60 and the package 10.
  • the prepared fiber optical plate 40 is fixed to the semiconductor photodetecting element 20 with a resin 45 (see FIG. 7B).
  • a wavelength selection filter 70 is formed on the light emitting end face 40b of the second portion 41b.
  • a transparent silicone resin is used as the resin 45. This silicone resin is cured at room temperature.
  • the portion 41 on the light emitting end face 40b side of the fiber optical plate 40 includes the first portion 41a and the second portion 41b.
  • a wavelength selection filter 70 is disposed on the light emitting end face 40b of the second portion 41b of the fiber optical plate 40. For this reason, in the state where the fiber optical plate 40 is disposed on the semiconductor light detection element 20, the wavelength selection filter 70 (the light emitting end face 40 b in the second portion 41 b) and the thin portion 25 of the semiconductor light detection element 20 are brought close to each other. Yes. Therefore, it is difficult for the light emitted from the wavelength selection filter 70 to be diffused before entering the semiconductor light detection element 20, and it is possible to suppress a decrease in the resolution (spatial resolution) of the solid-state imaging device 1.
  • the height of the step formed by the first portion 41a and the second portion 41b of the fiber optical plate 40 is determined from the height of the step formed by the thin portion 25 and the peripheral portion 23 of the semiconductor photodetecting element 20. It is set lower than the value obtained by reducing the thickness of 70.
  • the semiconductor light detection element 20 and the fiber optical plate 40 are fixed in a state where the first portion 41a and the peripheral portion 23 are in contact with each other and the wavelength selection filter 70 (second portion 41b) and the thin portion 25 are separated from each other. . Accordingly, even when the wavelength selective filter 70 and the thin portion 25 of the semiconductor photodetector 20 are brought close to each other, the thin portion 25 of the semiconductor photodetector 20 and the wavelength selective filter 70 do not come into contact with each other. Therefore, it is possible to prevent any of the thin portion 25 and the wavelength selection filter 70 of the semiconductor photodetector 20 from being damaged due to contact of the wavelength selection filter 70 or the like.
  • the protective member 50 is fixed to the semiconductor light detection element 20 from the main surface 20a side, and protects the thin portion 25 of the semiconductor light detection element 20. Thereby, the thin part 25 of the semiconductor photodetector 20 can be mechanically reinforced. In a state where the protection member 50 is fixed to the semiconductor light detection element 20, the thinned portion 25 of the semiconductor light detection element 20 is kept flat. For this reason, it is suppressed that the space
  • the semiconductor light detection element 20 and the fiber optical plate 40 are fixed by the resin 45 filled in the space between the light emitting end face 40b of the fiber optical plate 40 and the wavelength selection filter 70 and the thin portion 25 of the semiconductor light detection element 20.
  • the resin 45 is filled between the light emitting end face 40b of the fiber optical plate 40 and the wavelength selective filter 70 and the thin portion 25 of the semiconductor light detecting element 20, the light emitting end face 40b of the fiber optical plate 40 and the semiconductor light are filled. Voids are unlikely to occur between the thin portion 25 of the detection element 20, particularly between the wavelength selective filter 70 and the thin portion 25. Therefore, scattering of light emitted from the wavelength selection filter 70 can be prevented.
  • the semiconductor photodetecting element 20 is fixed to the package 10 via the pedestal 30. Thereby, the semiconductor photodetecting element 20 can be fixed to the package 10 with high accuracy.
  • the lid member 60 that closes the hollow portion 11 from the main surface 10b is fixed to the protection member 50 and is thermally coupled to the protection member 50. Thereby, the heat which generate
  • the protective member 50 and the lid member 60 are fixed by an adhesive 61 containing a resin and a filler made of a material having a higher thermal conductivity than the resin. Thereby, heat dissipation can be improved further.
  • the solid-state imaging device 1 of the present embodiment can be used not only for a radiographic image reading device for an imaging plate but also for a spectroscopic device.
  • the wavelength selection filter 70 does not need to be arranged.
  • the height of the step formed by the first portion 41 a and the second portion 41 b of the fiber optic plate 40 is higher than the height of the step formed by the thin portion 25 and the peripheral portion 23 of the semiconductor light detection element 20. Should be set low. Thereby, it is possible to prevent the thin portion 25 of the semiconductor photodetecting element 20 from being damaged.
  • the present invention can be used for a solid-state imaging device used for a radiographic image reading device for an imaging plate.
  • SYMBOLS 1 Solid-state imaging device, 10 ... Package, 10a, 10b ... Main surface, 11 ... Hollow part, 20 ... Semiconductor light detection element, 20a, 20b ... Main surface, 21 ... Photosensitive area

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Abstract

 ファイバ光学プレート40の光出射端面40b側の部分41は、第一部分41aと第二部分41bとを含む。第一部分41aは、半導体光検出素子20の周辺部分23に対応する。第二部分41bは、半導体光検出素子20の薄型部分25に対応し且つ第一部分41aよりも半導体光検出素子20に向けて突出する。ファイバ光学プレート40の第一部分41aと第二部分41bとで構成される段差の高さは、半導体光検出素子20の薄型部分25と周辺部分23とで構成される段差の高さよりも低い。半導体光検出素子20とファイバ光学プレート40とは、第一部分41aと周辺部分23とが当接し且つ第二部分41bと薄型部分25とが離れている状態で、樹脂45により固定されている。

Description

固体撮像装置
 本発明は、固体撮像装置に関する。
 光入射端面と光出射端面とを有するファイバ光学プレートと、光入射面がファイバ光学プレートの光出射端面と光学的に結合された半導体光検出素子と、を備える固体撮像装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
特開2000-162724号公報
 固体撮像装置の検出感度を向上させるために、半導体光検出素子として裏面入射型の半導体光検出素子を採用することが考えられる。しかしながら、裏面入射型の半導体光検出素子が採用された固体撮像装置では、以下のような問題点が生じる懼れがある。
 裏面入射型の半導体光検出素子は、互いに対向する第一主面と第二主面とを有する。裏面入射型の半導体光検出素子は、一般に、第一主面側に光感応領域が設けられると共に、光感応領域に対応する部分が当該部分の周辺部分を残して第二主面側から薄化されている。このため、ファイバ光学プレートが裏面入射型の半導体光検出素子に配置された状態では、ファイバ光学プレートの光出射端面と半導体光検出素子における薄化されている部分とが、半導体光検出素子の薄化されている部分と周辺部分とで構成される段差の分だけ離れている。ファイバ光学プレートの光出射端面と半導体光検出素子における薄化されている部分とが離れていると、ファイバ光学プレートの光出射端面から出射された光が半導体光検出素子に入射するまでに拡散する。この結果、固体撮像装置の解像度(空間分解能)が低下する。
 本発明は、裏面入射型の半導体光検出素子が採用された場合でも、解像度の低下を抑制することが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
 本発明は、固体撮像装置であって、互いに対向する第一主面と第二主面とを有し、第一主面側に光感応領域が設けられると共に、光感応領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して第二主面側から薄化されている裏面入射型の半導体光検出素子と、互いに対向する第三主面と第四主面とを有し、第三主面と第四主面とに開口し且つ半導体光検出素子を収容する収容空間が形成されたパッケージと、光入射端面と光出射端面とを有し、光出射端面が第二主面と対向するように配置されたファイバ光学プレートと、第一主面側から半導体光検出素子に固定され、半導体光検出素子の薄化されている部分を保護する保護部材と、を備え、ファイバ光学プレートの光入射端面側の部分は、第三主面よりパッケージの外側に突出し、ファイバ光学プレートの光出射端面側の部分は、半導体光検出素子の周辺部分に対応する第一部分と、半導体光検出素子の薄化されている部分に対応し且つ第一部分よりも半導体光検出素子に向けて突出する第二部分と、を含み、ファイバ光学プレートの第一部分と第二部分とで構成される段差の高さは、半導体光検出素子の薄化されている部分と周辺部分とで構成される段差の高さよりも低く、半導体光検出素子とファイバ光学プレートとは、光出射端面と薄化されている部分との間に充填された被検出光に対して光学的に透明な樹脂により、第一部分と周辺部分とが当接し且つ第二部分と薄化されている部分とが離れている状態で固定されており、ファイバ光学プレートの第二部分と半導体光検出素子の薄化されている部分とは、樹脂を介して光学的に結合されている。
 本発明では、ファイバ光学プレートの光出射端面側の部分が、半導体光検出素子の周辺部分に対応する第一部分と、半導体光検出素子の薄化されている部分に対応し且つ第一部分よりも半導体光検出素子に向けて突出する第二部分と、を含んでいる。このため、ファイバ光学プレートが裏面入射型の半導体光検出素子に配置された状態では、ファイバ光学プレートの第二部分における光出射端面と半導体光検出素子における薄化されている部分とが近づけられている。したがって、ファイバ光学プレートの第二部分における光出射端面から出射された光が半導体光検出素子に入射するまでに拡散し難く、固体撮像装置の解像度(空間分解能)が低下するのを抑制できる。
 ファイバ光学プレートの第一部分と第二部分とで構成される段差の高さが、半導体光検出素子の薄化されている部分と周辺部分とで構成される段差の高さよりも低く設定されている。半導体光検出素子とファイバ光学プレートとが、第一部分と周辺部分とが当接し且つ第二部分と薄化されている部分とが離れている状態で固定されている。これらにより、ファイバ光学プレートの第二部分における光出射端面と半導体光検出素子における薄化されている部分とが近づけられた状態でも、半導体光検出素子における薄化されている部分とファイバ光学プレート(第二部分)とが接触しない。したがって、ファイバ光学プレートの接触などにより半導体光検出素子の薄化されている部分が損傷を受けるのを防ぐことができる。
 保護部材が、第一主面側から半導体光検出素子に固定され、半導体光検出素子の薄化されている部分を保護している。これにより、半導体光検出素子における薄化されている部分を機械的に補強することができる。
 半導体光検出素子とファイバ光学プレートとが、光出射端面と薄化されている部分との間に充填された被検出光に対して光学的に透明な樹脂により固定されている。半導体光検出素子とファイバ光学プレートとを固定する樹脂が、ファイバ光学プレートの光出射端面と半導体光検出素子における薄化されている部分との間に充填されているので、ファイバ光学プレートの光出射端面と半導体光検出素子における薄化されている部分との間、特に、ファイバ光学プレートの第二部分と半導体光検出素子における薄化されている部分との間にボイドが生じ難い。したがって、ファイバ光学プレートの第二部分における光出射端面から出射された光の散乱などを防ぐことができる。
 ファイバ光学プレートの第二部分の、半導体光検出素子の薄化されている部分に対向する面には、波長選択フィルタが配置されており、半導体光検出素子とファイバ光学プレートとは、波長選択フィルタと薄化されている部分とが離れている状態で固定されていてもよい。この場合、波長選択フィルタと半導体光検出素子における薄化されている部分とが近づけられた状態でも、半導体光検出素子における薄化されている部分と波長選択フィルタとが接触しない。したがって、波長選択フィルタの接触などにより半導体光検出素子の薄化されている部分及び波長選択フィルタのいずれかが損傷を受けるのを防ぐことができる。
 半導体光検出素子が、台座を介してパッケージに固定されていてもよい。この場合、半導体光検出素子を精度良く固定することができる。
 収容空間を第四主面側から閉塞し、保護部材に固定される蓋部材を更に備え、保護部材と蓋部材とが、熱的に結合されていてもよい。この場合、半導体光検出素子にて発生する熱が保護部材及び蓋部材を介して放散される。したがって、放熱性を高めることができる。
 保護部材と蓋部材とが、樹脂と該樹脂よりも熱伝導率が高い材料からなるフィラーとを含む接着剤により固定されていてもよい。この場合、放熱性をより一層高めることができる。
 本発明によれば、裏面入射型の半導体光検出素子を採用した場合でも、解像度の低下を抑制することが可能な固体撮像装置を提供することができる。
図1は、本実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。 図2は、図1におけるII-II線に沿った断面構成を説明するための図である。 図3は、半導体光検出素子とファイバ光学プレートとの断面構成を説明するための図である。 図4は、本実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す分解斜視図である。 図5は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造過程を説明するための図である。 図6は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造過程を説明するための図である。 図7は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造過程を説明するための図である。
 以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
 まず、図1~図4を参照して、本実施形態に係る固体撮像装置1の構成を説明する。図1は、本実施形態に係る固体撮像装置を示す平面図である。図2は、図1におけるII-II線に沿った断面構成を説明するための図である。図3は、半導体光検出素子とファイバ光学プレートとの断面構成を説明するための図である。図4は、本実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す分解斜視図である。
 図1~図4に示されるように、固体撮像装置1は、パッケージ10、裏面入射型の半導体光検出素子20、台座30、ファイバ光学プレート40、保護部材50、及び蓋部材60を備えている。固体撮像装置1は、イメージングプレートの放射線画像読み出し装置に用いることができる。イメージングプレートの放射線画像読み出し装置は、イメージングプレートに励起光を照射し、イメージングプレートから放射される光を検出する。イメージングプレートから放射される光(被検出光)の波長は、励起光の波長とは異なる。
 パッケージ10は、互いに対向する主面10aと主面10bを有しており、セラミック材料からなる。本実施形態では、パッケージ10は、アルミナからなる。パッケージ10の中央領域には、パッケージ10における所定方向に延びる中空部11が形成されている。パッケージ10は、平面視で略長方形状を呈しており、中空部11はパッケージ10の長辺方向に延びている。
 中空部11は、主面10aと主面10bとに開口している。主面10aの開口は、平面視で略長方形状を呈しており、パッケージ10の長辺方向に延びている。中空部11は、半導体光検出素子20を収容する収容空間として機能する。パッケージ10には、半導体光検出素子20を載置するための載置部13が中空部11に突出するように設けられている。
 載置部13は、半導体光検出素子20を配置するための第一平面15と、電極パッド(不図示)が配置された第二平面16と、蓋部材60が固定される第三平面17と、を有している。第一、第二、及び第三平面15,16,17は、主面10aと対向しており、主面10b側から第三平面17、第二平面16、第一平面15の順で階段状に形成されている。すなわち、主面10bと第三平面17とで段差が構成され、第三平面17と第二平面16とで段差が構成され、第二平面16と第一平面15とで段差が構成されている。
 パッケージ10の両側面には、外部接続用の複数の電極ピン19がそれぞれ配置されている。電極ピン19は、対応する電極パッドとパッケージ10内に配置された配線を介して電気的に接続されている。
 半導体光検出素子20は、互いに対向する主面20aと主面20bとを有し、主面20a側に光感応領域21が設けられる。光感応領域21は、入射光に応じて電荷を発生させる。本実施形態では、半導体光検出素子20として、BT(Back-illuminated Thinning)-CCD(電荷結合素子)が用いられている。発生した電荷は、シフトレジスタにより信号電荷として転送され、信号電荷に対応した電圧に変換されて出力される。半導体光検出素子20は、TDI(Time Delay Integration)動作により電荷転送が行われる。半導体光検出素子20の各電極パッド(不図示)は、パッケージ10の対応する電極パッドとボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。
 半導体光検出素子20は、光感応領域21に対応する部分が当該部分の周辺部分23を残して主面20b側から薄化されている。すなわち、光感応領域21に対応する部分が、薄化されている部分(薄型部分)25とされている。半導体光検出素子20の薄化は、たとえば、以下のようにして行うことができる。半導体光検出素子20を構成するシリコン基板の主面20bにシリコン窒化膜を堆積し、シリコン窒化膜をホトリソグラフィ工程により所望の形状にパターニングする。周辺部分23に対応する領域がシリコン窒化膜で覆われており、光感応領域21に対応する部分が露出している。その後、シリコン基板をエッチング液(たとえば、KOHなど)により、シリコン窒化膜に覆われた領域(周辺部分23に対応する領域)を厚く残したままエッチングする。
 半導体光検出素子20は、主面20b側が光入射面となるように、台座30を介して載置部13の第一平面15に載置され、載置部13(パッケージ10)に固定されている。半導体光検出素子20は、主面10aの開口に半導体光検出素子20の薄型部分25が臨むようにパッケージ10に配置されている。薄型部分25は、主面10aの開口に対応して、主面10aの開口の長辺方向に延びている。
 台座30には、主面10aの開口に対応する貫通孔が形成されている。台座30は、所定の温度域における熱膨張係数が半導体光検出素子20(シリコン)の熱膨張係数よりも大きいセラミック材料からなる。本実施形態においては、台座30は、アルミナからなる。台座30は、接着剤(不図示)により、パッケージ10に固定されている。台座30には、接着剤(不図示)により、半導体光検出素子20の周辺部分23の主面20b側が固定されている。
 ファイバ光学プレート40は、光入射端面40aと光出射端面40bとを有している。ファイバ光学プレート40は、光出射端面40bが半導体光検出素子20の主面20bと対向するように配置されている。ファイバ光学プレート40は、平面視で略長方形状を呈しており、その長辺方向が主面10aの開口の長辺方向に一致している。
 ファイバ光学プレート40の光出射端面40b側の部分41は、図3にも示されるように、第一部分41aと第二部分41bとを含んでいる。第一部分41aは、半導体光検出素子20の周辺部分23に対応するように位置する。第二部分41bは、半導体光検出素子20の薄型部分25に対応するように位置する。第二部分41bは、第一部分41aよりも、半導体光検出素子20に向けて突出している。すなわち、光出射端面40bには、第一部分41aと第二部分41bとにより段差が形成されている。ファイバ光学プレート40の第一部分41aと第二部分41bとで構成される段差の高さは、半導体光検出素子20の薄型部分25と周辺部分23とで構成される段差の高さよりも低く設定されている。
 ファイバ光学プレート40の第二部分41bにおける半導体光検出素子20の薄型部分25に対向する面(第二部分41bの光出射端面40b)には、波長選択フィルタ70が配置されている。波長選択フィルタ70は、たとえば誘電体多層膜フィルタである。誘電体多層膜フィルタは、ファイバ光学プレート40の第二部分41bの光出射端面40bに、蒸着などにより形成することができる。
 イメージングプレートの放射線画像読み出し装置では、イメージングプレートに照射する励起光が半導体光検出素子20に入射しないように、励起光と被検出光とが分離される必要がある。波長選択フィルタ70により、励起光と被検出光とが分離されて、被検出光が半導体光検出素子20に入射する。
 半導体光検出素子20とファイバ光学プレート40とは、樹脂45により固定されている。ファイバ光学プレート40が半導体光検出素子20に固定された状態では、第一部分41aと周辺部分23とが当接し且つ波長選択フィルタ70(第二部分41b)と薄型部分25とが離れている。樹脂45は、被検出光に対して光学的に透明である。樹脂45は、ファイバ光学プレート40の光出射端面40b及び波長選択フィルタ70と半導体光検出素子20の薄型部分25との間の空間に充填されている。これにより、波長選択フィルタ70(ファイバ光学プレート40の第二部分41b)と半導体光検出素子20の薄型部分25とが、樹脂45を介して光学的に結合される。本実施形態では、樹脂45として、透明なシリコーン樹脂が用いられている。
 ファイバ光学プレート40が半導体光検出素子20に固定された状態で、ファイバ光学プレート40の光入射端面40a側の部分43は、パッケージ10の主面10aよりパッケージ10の外側に突出している。ファイバ光学プレート40は、パッケージ10に直接的に固定されておらず、半導体光検出素子20及び台座30を介してパッケージ10に固定されている。したがって、ファイバ光学プレート40とパッケージ10との間には、所定の間隙が形成されている。
 ファイバ光学プレート40の第二部分41bと半導体光検出素子20の薄型部分25との間隔は、波長選択フィルタ70の厚みよりも大きく設定されている。すなわち、半導体光検出素子20の薄型部分25と周辺部分23とで構成される段差の高さは、ファイバ光学プレート40の第一部分41aと第二部分41bとで構成される段差の高さに波長選択フィルタ70の厚みを加えた値よりも高く設定されている。したがって、第一部分41aと周辺部分23とが当接した状態で、半導体光検出素子20と波長選択フィルタ70とは離れている。
 保護部材50は、主面20a側から半導体光検出素子20に固定されている。保護部材50は、半導体光検出素子20の薄型部分25を保護している。保護部材50は、平面視で略長方形状を呈しており、その長辺方向が薄型部分25の長手方向とされている。保護部材50は、たとえばサファイア基板などからなる。保護部材50は、接着剤(不図示)により、半導体光検出素子20に固定されている。
 蓋部材60は、中空部11を主面10bから閉塞している。蓋部材60の端部は、載置部13の第三平面17に固定されている。蓋部材60は、セラミック材料からなる。本実施形態では、蓋部材60は、アルミナからなる。蓋部材60は、接着剤(不図示)により、パッケージ10(第三平面17)に固定されている。蓋部材60は、保護部材50にも固定されている。これにより、保護部材50と蓋部材60とが熱的に結合される。蓋部材60は、接着剤61により、保護部材50に固定されている。接着剤61は、樹脂(たとえば、エポキシ樹脂など)と当該樹脂よりも熱伝導率が高い材料からなるフィラー(たとえば、アルミナなど)とを含んでいる。
 次に、図5~図7を参照して、上述した構成を備えた固体撮像装置1の製造過程について説明する。図5~図7は、本実施形態に係る固体撮像装置の製造過程を説明するための図である。
 まず、パッケージ10と台座30とを用意し、パッケージ10(第一平面15)に台座30を接着剤81により固定する(図5の(a)を参照)。接着剤81として、たとえば、フィラーとしてAg粉を含有するエポキシ樹脂が用いられる。
 次に、用意した半導体光検出素子20を、台座30に接着剤82により固定する(図5の(b)を参照)。接着剤82として、たとえば、フィラーとしてAg粉を含有するエポキシ樹脂が用いられる。台座30は、パッケージ10に固定される面と、半導体光検出素子20が固定される面と、が機械加工(たとえば、化学機械研磨など)により平坦化されている。これにより、半導体光検出素子20の搭載面が適切に規定される。
 次に、対応する半導体光検出素子20の電極パッド(不図示)とパッケージ10の電極パッド(不図示)とをワイヤボンディングにより接続する(図6の(a)を参照)。
 次に、用意した保護部材50を、半導体光検出素子20の主面20aに接着剤83により固定する(図6の(b)を参照)。接着剤83として、たとえば、エポキシ樹脂が用いられる。接着剤83を硬化させる際に、上述した所定の温度域まで昇温させる。これにより、半導体光検出素子20と台座30との熱膨張係数の差により、半導体光検出素子20の薄型部分25が平坦化された状態となり、当該状態が維持されたまま、保護部材50が半導体光検出素子20に固定される。
 次に、用意した蓋部材60を、保護部材50とパッケージ10(第三平面17)とに接着剤61,84により固定する(図7の(a)を参照)。接着剤61として、たとえば、上述したアルミナフィラー入りのエポキシ樹脂が用いられる。接着剤61の硬化は、上述した所定の温度域よりも低い温度域で行う。蓋部材60とパッケージ10とを固定する接着剤84として、たとえば、エポキシ樹脂が用いられる。
 次に、用意したファイバ光学プレート40を、半導体光検出素子20に樹脂45により固定する(図7の(b)を参照)。ファイバ光学プレート40には、第二部分41bの光出射端面40bに波長選択フィルタ70が形成されている。樹脂45として、透明なシリコーン樹脂が用いられる。このシリコーン樹脂は、室温で硬化される。
 これらの製造過程により、上述した構成を備えた固体撮像装置1が得られる。
 以上のように、本実施形態では、ファイバ光学プレート40の光出射端面40b側の部分41は、第一部分41aと第二部分41bとを含んでいる。ファイバ光学プレート40の第二部分41bにおける光出射端面40bには、波長選択フィルタ70が配置されている。このため、ファイバ光学プレート40が半導体光検出素子20に配置された状態では、波長選択フィルタ70(第二部分41bにおける光出射端面40b)と半導体光検出素子20の薄型部分25とが近づけられている。したがって、波長選択フィルタ70から出射された光が半導体光検出素子20に入射するまでに拡散し難く、固体撮像装置1の解像度(空間分解能)が低下するのを抑制できる。
 ファイバ光学プレート40の第一部分41aと第二部分41bとで構成される段差の高さが、半導体光検出素子20の薄型部分25と周辺部分23とで構成される段差の高さから波長選択フィルタ70の厚みを減じた値よりも低く設定されている。半導体光検出素子20とファイバ光学プレート40とが、第一部分41aと周辺部分23とが当接し且つ波長選択フィルタ70(第二部分41b)と薄型部分25とが離れている状態で固定されている。これらにより、波長選択フィルタ70と半導体光検出素子20の薄型部分25とが近づけられた状態でも、半導体光検出素子20の薄型部分25と波長選択フィルタ70とが接触しない。したがって、波長選択フィルタ70の接触などにより半導体光検出素子20の薄型部分25及び波長選択フィルタ70のいずれかが損傷するのを防ぐことができる。
 保護部材50が、主面20a側から半導体光検出素子20に固定され、半導体光検出素子20の薄型部分25を保護している。これにより、半導体光検出素子20の薄型部分25を機械的に補強することができる。保護部材50が半導体光検出素子20に固定された状態では、半導体光検出素子20の薄型部分25が平坦化された状態が維持されている。このため、波長選択フィルタ70(第二部分41bにおける光出射端面40b)と半導体光検出素子20の薄型部分25との間隔が場所によって変化するのが抑制され、解像度にばらつきが生じるのを防ぐことができる。
 半導体光検出素子20とファイバ光学プレート40とが、ファイバ光学プレート40の光出射端面40b及び波長選択フィルタ70と半導体光検出素子20の薄型部分25との間の空間に充填された樹脂45により固定されている。樹脂45が、ファイバ光学プレート40の光出射端面40b及び波長選択フィルタ70と半導体光検出素子20の薄型部分25との間に充填されているので、ファイバ光学プレート40の光出射端面40bと半導体光検出素子20の薄型部分25との間、特に、波長選択フィルタ70と薄型部分25との間にボイドが生じ難い。したがって、波長選択フィルタ70から出射された光の散乱などを防ぐことができる。
 半導体光検出素子20が、台座30を介してパッケージ10に固定されている。これにより、半導体光検出素子20をパッケージ10に精度良く固定することができる。
 中空部11を主面10bから閉塞する蓋部材60が、保護部材50に固定されており、保護部材50と熱的に結合されている。これにより、半導体光検出素子20にて発生する熱が保護部材50及び蓋部材60を介して放散され、放熱性を高めることができる。
 保護部材50と蓋部材60とが、樹脂と該樹脂よりも熱伝導率が高い材料からなるフィラーとを含む接着剤61により固定されている。これにより、放熱性をより一層高めることができる。
 以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
 本実施形態の固体撮像装置1は、イメージングプレートの放射線画像読み出し装置だけでなく、分光装置などにも用いることができる。
 半導体光検出素子20に入射する光を選択する必要がない場合には、波長選択フィルタ70を配置する必要はない。この場合は、ファイバ光学プレート40の第一部分41aと第二部分41bとで構成される段差の高さが、半導体光検出素子20の薄型部分25と周辺部分23とで構成される段差の高さよりも低く設定されていればよい。これにより、半導体光検出素子20の薄型部分25が損傷するのを防ぐことができる。
 本発明は、イメージングプレートの放射線画像読み出し装置に用いられる固体撮像装置に利用できる。
 1…固体撮像装置、10…パッケージ、10a,10b…主面、11…中空部、20…半導体光検出素子、20a,20b…主面、21…光感応領域、23…周辺部分、25…薄型部分、30…台座、40…ファイバ光学プレート、40a…光入射端面、40b…光出射端面、41…光出射端面側の部分、41a…第一部分、41b…第二部分、43…光入射端面側の部分、45…樹脂、50…保護部材、60…蓋部材、61…接着剤、70…波長選択フィルタ。

Claims (5)

  1.  固体撮像装置であって、
     互いに対向する第一主面と第二主面とを有し、前記第一主面側に光感応領域が設けられると共に、前記光感応領域に対応する部分が該部分の周辺部分を残して前記第二主面側から薄化されている裏面入射型の半導体光検出素子と、
     互いに対向する第三主面と第四主面とを有し、前記第三主面と前記第四主面とに開口し且つ前記半導体光検出素子を収容する収容空間が形成されたパッケージと、
     光入射端面と光出射端面とを有し、前記光出射端面が前記第二主面と対向するように配置されたファイバ光学プレートと、
     前記第一主面側から前記半導体光検出素子に固定され、前記半導体光検出素子の薄化されている部分を保護する保護部材と、を備え、
     前記ファイバ光学プレートの前記光入射端面側の部分は、前記第三主面より前記パッケージの外側に突出し、
     前記ファイバ光学プレートの前記光出射端面側の部分は、前記半導体光検出素子の前記周辺部分に対応する第一部分と、前記半導体光検出素子の薄化されている部分に対応し且つ前記第一部分よりも前記半導体光検出素子に向けて突出する第二部分と、を含み、
     前記ファイバ光学プレートの前記第一部分と前記第二部分とで構成される段差の高さは、前記半導体光検出素子の薄化されている前記部分と前記周辺部分とで構成される段差の高さよりも低く、
     前記半導体光検出素子と前記ファイバ光学プレートとは、前記光出射端面と薄化されている前記部分との間に充填された被検出光に対して光学的に透明な樹脂により、前記第一部分と前記周辺部分とが当接し且つ前記第二部分と薄化されている前記部分とが離れている状態で固定されており、
     前記ファイバ光学プレートの前記第二部分と前記半導体光検出素子の薄化されている前記部分とは、前記樹脂を介して光学的に結合されている。
  2.  請求項1に記載の固体撮像装置であって、
     前記ファイバ光学プレートの前記第二部分の、前記半導体光検出素子の薄化されている前記部分に対向する面には、波長選択フィルタが配置されており、
     前記半導体光検出素子と前記ファイバ光学プレートとは、前記波長選択フィルタと薄化されている前記部分とが離れている状態で固定されている。
  3.  請求項1又は2に記載の固体撮像装置であって、
     前記半導体光検出素子が、台座を介して前記パッケージに固定されている。
  4.  請求項1~3のいずれか一項に記載の固体撮像装置であって、
     前記収容空間を前記第四主面側から閉塞し、前記保護部材に固定される蓋部材を更に備え、
     前記保護部材と前記蓋部材とが、熱的に結合されている。
  5.  請求項4に記載の固体撮像装置であって、
     前記保護部材と前記蓋部材とが、樹脂と該樹脂よりも熱伝導率が高い材料からなるフィラーとを含む接着剤により固定されている。
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