(57)【要約】【課題】より性能が高い赤外線センサ装置を量産性よく製造可能な製造方法を提供する。【解決手段】シリコン基板（基板）１の一表面側に形成された赤外線センサ薄膜２と、他表面側に形成された空洞５とを備えた赤外線アレイセンサ（赤外線センサ素子）１０が実装されたパッケージ（基体）３１と、レンズ形状の赤外線透過部材３４を備え赤外線アレイセンサ１０を気密封止するリッド（カバー）３３と、を有する赤外線センサ装置３０の製造方法であり、シリコン基板１の基礎となるシリコンウエハ（ウエハ）の一表面側に赤外線センサ薄膜２を形成後、前記シリコンウエハの他表面側に少なくとも空洞５を形成する空洞形成領域を除いて金属層７を形成し、金属層７をマスクとしてエッチングして赤外線アレイセンサ１０を形成し、赤外線アレイセンサ１０の金属層７と、パッケージ３１の金属パターン３２と、を直接接合することで実装後にリッド３３によって気密封止する。【選択図】図１
2010243365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一表面側に形成された赤外線センサ薄膜と、前記基板の他表面側に形成され前記赤外線センサ薄膜の一部を前記基板と空間的に分離する空洞と、を備えた赤外線センサ素子と、該赤外線センサ素子が実装された基体と、前記赤外線センサ素子に赤外線を入射させるレンズ形状の赤外線透過部材を備え前記基体に実装された前記赤外線センサ素子を囲って前記基体に気密的に封止するカバーと、を有する赤外線センサ装置の製造方法であって、
前記基板の基礎となるウエハにおける一表面側に前記赤外線センサ薄膜を形成させた後、前記ウエハの他表面側に少なくとも前記空洞を形成するための空洞形成領域を除いて金属層を形成し、前記ウエハの前記他表面側から前記金属層をマスクとして前記空洞形成領域をエッチングして前記赤外線センサ素子を形成する赤外線センサ素子形成工程と、
前記赤外線センサ素子の前記金属層と、前記基体と、を接触させて直接接合することで前記赤外線センサ素子を前記基体に実装する赤外線センサ素子実装工程と、
前記カバーによって、前記基体に実装された前記赤外線センサ素子を囲って前記基体に気密的に封止する気密封止工程と、を有することを特徴とする赤外線センサ装置の製造方法。
【請求項２】
前記赤外線センサ素子実装工程では、前記赤外線センサ素子の前記金属層と、前記基体に形成された金属パターンと、を拡散接合により直接接合することを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ装置の製造方法。
【請求項３】
前記赤外線センサ素子形成工程では、前記基板の基礎となるウエハの厚み方向に前記赤外線センサ薄膜からの出力を取り出すことができる貫通配線を貫設した後、前記金属層を形成することによって前記金属層と前記貫通配線とを電気的に接続し、前記赤外線センサ素子実装工程では、前記金属層と前記金属パターンを拡散接合することによって前記金属層と前記金属パターンとを電気的に接続することを特徴とする請求項２に記載の赤外線センサ装置の製造方法。
【請求項４】
前記赤外線センサ素子実装工程では、前記赤外線センサ素子の前記金属層と、前記基体と、を陽極接合により直接接合することを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズ形状の赤外線透過部材を備えたカバーによって、基体に実装された赤外線センサ素子を囲って気密封止した赤外線センサ装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、赤外線センサ素子を保護するとともに赤外線センサ素子のセンサ感度を向上させるため、赤外線が透過する赤外線透過部材を備えたカバーによって、基体に実装された赤外線センサ素子を囲って気密封止した赤外線センサ装置が研究開発されている。
【０００３】
この種の赤外線センサ装置としては、たとえば、図５に示すように、基板１’の一表面側に形成された赤外線センサ薄膜２’と、基板１’の他表面側に形成され赤外線センサ薄膜２’下側の基板１’の厚みを薄くする空洞５とを備えた赤外線センサ素子１０’と、赤外線センサ素子１０’が底面側に実装された基体となるステム４１と、赤外線透過部材３４’を備えステム４１に実装された赤外線センサ素子２’を囲ってステム４１に気密的に封止するカバーとなるキャップ４３と、を有する赤外線センサ装置３０’が提案されている（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００４】
この赤外線センサ装置３０’では、赤外線センサ素子１０’が該赤外線センサ素子１０’と協働する信号処理用チップ３７’を介してステム４１に実装されている。そのため、赤外線センサ素子１０’が信号処理用チップ３７’に接着剤７’で接着されており、信号処理用チップ３７’は、ステム４１に接着剤３６’で接着されている。
【０００５】
また、赤外線センサ素子１０’と、信号処理用チップ３７’と、をワイヤ３９，３９によりワイヤボンディングして電気的に接続している。同様に、信号処理用チップ３７’と、ステム４１に挿入されたリードピンたる外部電極３５’，３５’と、をワイヤ３９，３９によりワイヤボンディングしている。ここで、赤外線センサ装置３０’は、キャップ４３と、ステム４１とで構成されるキャンパッケージを使用して気密封止している。そのため、赤外線透過部材３４’は、キャップ４３の開口部４３ａを覆うように封止されている。また、外部電極３５’，３５’は、ステム４１における外部電極３５’，３５’の挿入孔においてハーメッチックガラス４０，４０により封止されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−４７０８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、このような赤外線センサ装置３０’を、より高性能化させるためには、赤外線透過部材３４’を備えたキャップ４３によってステム４１を封止する代わりに、赤外線センサ素子１０’に赤外線を入射させるレンズ形状の赤外線透過部材を備えたリッドをカバーとして基体となるパッケージを封止することが考えられる。
【０００８】
しかしながら、赤外線センサ装置３０’における基体の底面側に、半田やダイボンド樹脂などの接着剤７’を用いて赤外線センサ素子１０’を実装する場合、接着剤７’の量を均一に前記基体の底面側に塗布等することが難しい。そのため、前記基体の底面に対する赤外線センサ素子１０’の垂直方向の位置が傾かないように配置させようとしても、レンズ形状の赤外線透過部材と赤外線センサ素子１０’との相対的位置関係がずれる場合がある。また、赤外線センサ素子１０’と前記基体の底面側との接着時に接着剤７’が軟化し、前記基体の底面に対する赤外線センサ素子１０’の垂直方向の位置が接着前後で変化する場合がある。
【０００９】
この場合、レンズ形状の赤外線透過部材を有するリッドと、赤外線センサ素子１０’との相対的位置関係が正確に位置合わせされていなければ、レンズ形状の赤外線透過部材における焦点がずれてしまい、かえって赤外線センサ装置３０’のセンサ感度が低下するという問題がある。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、よりセンサ感度が高い赤外線センサ装置を量産性よく製造可能な赤外線センサ装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、基板の一表面側に形成された赤外線センサ薄膜と、前記基板の他表面側に形成され前記赤外線センサ薄膜の一部を前記基板と空間的に分離する空洞と、を備えた赤外線センサ素子と、該赤外線センサ素子が実装された基体と、前記赤外線センサ素子に赤外線を入射させるレンズ形状の赤外線透過部材を備え前記基体に実装された前記赤外線センサ素子を囲って前記基体に気密的に封止するカバーと、を有する赤外線センサ装置の製造方法であって、前記基板の基礎となるウエハにおける一表面側に前記赤外線センサ薄膜を形成させた後、前記ウエハの他表面側に少なくとも前記空洞を形成するための空洞形成領域を除いて金属層を形成し、前記ウエハの前記他表面側から前記金属層をマスクとして前記空洞形成領域をエッチングして前記赤外線センサ素子を形成する赤外線センサ素子形成工程と、前記赤外線センサ素子の前記金属層と、前記基体と、を接触させて直接接合することで前記赤外線センサ素子を前記基体に実装する赤外線センサ素子実装工程と、前記カバーによって、前記基体に実装された前記赤外線センサ素子を囲って前記基体に気密的に封止する気密封止工程と、を有することを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、赤外線センサ素子の形成工程時に使用した該赤外線センサ素子の金属層と、パッケージの凹部の内底面側と、を接触させて直接接合することで前記赤外線センサ素子を前記パッケージに実装する赤外線センサ素子実装工程を有することにより、よりセンサ感度が高い赤外線センサ装置を量産性よく製造することができる。すなわち、基体に対する赤外線センサ素子の垂直方向の位置合わせを高精度に行うことができる赤外線センサ装置を製造することができる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記赤外線センサ素子実装工程では、前記赤外線センサ素子の前記金属層と、前記基体に形成された金属パターンと、を拡散接合により直接接合することを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、半田や樹脂からなる接着剤を用いて、赤外線センサ素子を基体に実装する場合と異なり、赤外線センサ素子の金属層を固体のまま基体に形成された金属パターンと接合できる。そのため、前記基体に対する前記赤外線センサ素子の垂直方向の位置が接合前後で実質的に変化することがない。したがって、前記赤外線センサ素子は、前記基体に対して、垂直方向の位置を高精度に合わせて実装することが可能となる。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項２に記載の発明において、前記赤外線センサ素子形成工程では、前記基板の基礎となるウエハの厚み方向に前記赤外線センサ薄膜からの出力を取り出すことができる貫通配線を貫設した後、前記金属層を形成することによって前記金属層と前記貫通配線とを電気的に接続し、前記赤外線センサ素子実装工程では、前記金属層と前記金属パターンを拡散接合することによって前記金属層と前記金属パターンとを電気的に接続することを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、赤外線センサ素子の形成工程時に使用した該赤外線センサ素子の金属層を、前記赤外線センサ素子の実装時に前記赤外線センサ素子の電極として利用することができるため、より小型化が可能な赤外線センサ装置を量産性よく製造することができる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１に記載の発明において、前記赤外線センサ素子実装工程では、前記赤外線センサ素子の前記金属層と、前記基体と、を陽極接合により直接接合することを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、半田や樹脂からなる接着剤を用いて、赤外線センサ素子を基体に実装する場合と異なり、赤外線センサ素子の金属層を固体のまま基体と直接接合できる。そのため、前記基体に対する前記赤外線センサ素子の垂直方向の位置が接合前後で実質的に変化することがない。したがって、前記赤外線センサ素子は、前記基体に対して、垂直方向の位置を高精度に合わせて実装することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明では、赤外線センサ素子の基板の基礎となるウエハにおける一表面側に赤外線センサ薄膜を形成させた後、前記ウエハの他表面側に少なくとも空洞を形成するための空洞形成領域を除いて金属層を形成し、前記ウエハの前記他表面側から前記金属層をマスクとして前記空洞形成領域をエッチングして前記赤外線センサ素子を形成する赤外線センサ素子形成工程と、前記赤外線センサ素子の前記金属層と、前記赤外線センサ素子の前記金属層と、前記基体と、を接触させて直接接合することで前記赤外線センサ素子を前記基体に実装する赤外線センサ素子実装工程と、前記カバーによって、前記基体に実装された前記赤外線センサ素子を囲って前記基体に気密的に封止する気密封止工程と、を有する赤外線センサ装置の製造方法とすることにより、よりセンサ感度が高い赤外線センサ装置を量産性よく製造できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態１の赤外線センサ装置の製造方法を示す概略工程断面図である。
【図２】同上の赤外線センサ素子を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は要部概略平面図、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ’断面に相当する概略断面図である。
【図３】同上の赤外線センサ素子の製造方法を示す概略工程断面図である。
【図４】実施形態２の赤外線センサ装置の概略断面図である。
【図５】従来の赤外線センサ装置を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施形態１）
本実施形態の赤外線センサ装置に用いられる赤外線センサ素子として赤外線アレイセンサを図２で説明し、赤外線アレイセンサの製造方法を図３に基づいて説明する。
【００２２】
図２の赤外線アレイセンサ１０は、赤外線イメージセンサなどに用いられるものであり、図２（ａ）には、ｍ×ｎ個（図示例では、２×２個）の熱型赤外線検出部２５が２次元アレイ状に配置されている。なお、赤外線アレイセンサ１０を構成する熱型赤外線センサとしての熱型赤外線検出部２５は、図２（ｃ）の断面図に示すように、基板であるシリコン基板１の一表面側に形成されたシリコン酸化膜１１と、このシリコン酸化膜１１上に形成されたシリコン窒化膜１２と、シリコン窒化膜１２上に形成されたセンシングエレメント２０と、シリコン窒化膜１２の表面側でセンシングエレメント２０を覆うように形成された層間絶縁膜１７と、層間絶縁膜１７上に形成されたパッシベーション膜１９との積層構造をパターニングすることで赤外線センサ薄膜２を形成してある。
【００２３】
ここにおいて、赤外線センサ薄膜２の一部は、シリコン基板１における前記一表面側とは反対面側となる他表面側から形成された空洞５によってシリコン基板１と空間的に分離されており、空洞５と連通するスリット４が赤外線センサ薄膜２の厚み方向に貫設されている。また、シリコン基板１の他表面には、赤外線アレイセンサ１０を後述する基体となるパッケージ側へ接合するための金属層７が設けられている。赤外線センサ薄膜２のうちシリコン基板１から空間的に分離された部分が赤外線を吸収する赤外線吸収部２１を構成している。
【００２４】
熱型赤外線検出部２５は、層間絶縁膜１７をＢＰＳＧ（Boro-PhosphoSilicate Glass）膜により構成するとともに、パッシベーション膜１９をＰＳＧ（PhosphoSilicate Glass)膜と当該ＰＳＧ膜上のＮＳＧ（Non-doped Silicate Glass)膜との積層膜により構成してあり、層間絶縁膜１７とパッシベーション膜１９との前記積層膜が赤外線吸収膜２２を兼ねている。
【００２５】
ここで、赤外線吸収膜２２の屈折率をｎ、検出対象の赤外線の中心波長をλとするとき、赤外線吸収膜２２の厚さｔをλ／４ｎに設定すると、検出対象の波長（たとえば、８〜１２μｍ）の赤外線の吸収効率を高めることができ高感度化を図ることができる。例えば、ｎ＝１．４、λ＝１０μｍである場合にはｔ≒１．８μｍとすればよく、層間絶縁膜１７の膜厚を０．８μｍ、ＰＳＧ膜の膜厚を０．５μｍ、ＮＳＧ膜の膜厚を０．５μｍとしてある。なお、パッシベーション膜１９は、ＰＳＧ膜とＮＳＧ膜の積層膜に限らず、例えば、シリコン窒化膜で形成することもできる。
【００２６】
熱型赤外線検出部２５のセンシングエレメント（感温部）２０は、図２（ｂ）のように赤外線吸収部２１とシリコン基板１とに跨って形成されたｐ型ポリシリコン層１５、ｎ型ポリシリコン層１３、および赤外線吸収部２１の赤外線入射面側でｐ形ポリシリコン層１５の一端部とｎ形ポリシリコン層１３の一端部とを電気的に接合した金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる接続部２３で構成されるサーモパイルを備えている。
【００２７】
ここで、センシングエレメント２０を構成する前記サーモパイルは、シリコン基板１の前記一表面側で互いに隣り合う熱電対のｐ型ポリシリコン層１５の他端部とｎ型ポリシリコン層１３の他端部とが金属材料（例えば、Ａｌ−Ｓｉなど）からなる配線１８で接合することにより、４個直列接続されている。
【００２８】
センシングエレメント２０を構成する前記サーモパイルは、ｎ型ポリシリコン層１３の一端部とｐ型ポリシリコン層１５の一端部と接続部２３とで赤外線吸収部２１側の温接点を構成し、ｐ型ポリシリコン層１５の他端部とｎ型ポリシリコン層１３の他端部と配線１８とでシリコン基板１側の冷接点を構成している。
【００２９】
なお、金属材料で形成された接続部２３は、ｎ型ポリシリコン層１３およびｐ型ポリシリコン層１５に対して、層間絶縁膜１７に形成したコンタクトホール２５を通してそれぞれ、電気的に接続させてある。赤外線吸収部２１となる矩形領域の四隅には、赤外線センサ薄膜２の厚み方向に貫通するスリット４をシリコン基板１の前記一表面側からエッチングにより形成している。スリット４は各熱電対を熱的に分離させ熱型赤外線検出部２５のセンサ感度を向上させることができる。
【００３０】
また、シリコン基板１の前記他表面側から金属層７をエッチングマスクとして深堀反応性イオンエッチング（Ｄｅｅｐ ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：以下、ＤＲＩＥという）法を用いてエッチングすることにより空洞５を形成することができる。シリコン基板１の前記他表面側に形成した空洞５は、赤外線センサ薄膜２に熱的分離を生じさせ熱型赤外線検出部２５のセンサ感度を向上させることができる。
【００３１】
さらに、本実施態様では赤外線吸収部２１の赤外線入射面側に、ｎ型ポリシリコン層１３およびｐ型ポリシリコン層１５のパターニング時に電気的に接続されていないｎ型補償ポリシリコン層１４およびｐ型補償ポリシリコン層１６を残している。このようなｎ型補償ポリシリコン層１４やｐ型補償ポリシリコン層１６は、赤外線センサ薄膜２の応力バランスの均一性を高めることができる。
【００３２】
そのため、ｎ型補償ポリシリコン層１４やｐ型補償ポリシリコン層１６は、赤外線センサ薄膜２の薄膜化を図りながらも反りを防止し、熱型赤外線検出部２５のセンサ感度を向上させることができる。こうして積層された赤外線センサ薄膜２の厚みは、シリコン基板１の厚みと比較して十分に薄い。赤外線センサ薄膜２の厚みは、上述した赤外線吸収膜２２等により構成された赤外線センサ薄膜２の厚みに限られず、たとえば、０．１μｍ〜１０μｍ程度の厚みとすることもできる。
【００３３】
以下、上述の赤外線アレイセンサ１０たる赤外線センサ素子の製造方法について、図３に基づき説明する。
【００３４】
まず、基板たるシリコン基板１の基礎となるウエハたるシリコンウエハ３の一表面側に上述の赤外線センサ薄膜２を形成する。引き続きフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により赤外線センサ薄膜２に熱型赤外線センサを構成すべくスリット４をシリコンウエハ３における前記一表面側から赤外線センサ薄膜２の厚み方向に形成する。次に、シリコンウエハ３の前記一表面側にレジスト膜６を塗布形成し、赤外線センサ薄膜２を保護する。
【００３５】
続いて、ターゲット材料を金属Ｃｒとして、シリコンウエハ３における赤外線センサ薄膜２が形成されている前記一表面側とは反対面側となる他表面側の全面に、スパッタリング法によりＣｒ膜を形成する。続いて、前記ターゲット材料を前記金属Ｃｒから金属Ａｕに変更しシリコンウエハ３の前記他表面側に形成された前記Ｃｒ膜上の全面にスパッタリング法によりＡｕ膜を形成する。これにより、シリコンウエハ３の前記他表面側の全面に前記Ｃｒ膜と該Ｃｒ膜上の前記Ａｕ膜からなる金属積層膜７ａを形成する金属積層膜形成工程を行う（図３（ａ））。
【００３６】
次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、シリコンウエハ３の前記他表面側に形成された金属積層膜７ａのうち、少なくとも空洞５を形成する空洞形成領域に相当する金属積層膜７ａを除去することで、最表面がＡｕ膜からなる金属層７を形成する金属層形成工程を行う。このようにシリコンウエハ３の全面に金属層７を一括して形成してあるために、金属層７の厚みを均一に形成することができる。
【００３７】
次に、形成された金属層７をマスクとして、シリコンウエハ３の前記他表面側からＤＲＩＥ法により、異方性エッチングすることで、シリコンウエハ３の前記他表面側に赤外線アレイセンサ１０の空洞５となる窪みを形成するエッチング工程を行う（図３（ｂ））。
【００３８】
なお、金属積層膜７ａの形成に先立って、予めシリコンウエハ３の前記他表面側から、赤外線センサ薄膜２と電気的に導通を取るためシリコンウエハ３を貫設する貫通配線（図示していない）を形成している。そのため、赤外線アレイセンサ１０の金属層７は、赤外線センサ薄膜２のセンシングエレメント２０の出力をシリコン基板１に貫設された前記貫通配線を介して基体たるパッケージの金属パターンに出力することができる。
【００３９】
その後、シリコンウエハ３の前記一表面側に設けたレジスト膜６を介して仮固定シート８を貼り付けることで仮固定シート貼付工程を行う（図３（ｃ））。
【００４０】
ここにおいて、仮固定シート８は、厚さが１〜５００μｍ程度のプラスティックやポリエステルなどの基材上に粘着剤が塗布されたシートを好適に用いている。量産性に鑑み短時間で接着力を低下させること及び処理後の接着力を考慮して加熱により接着力が低下する加熱剥離型粘着シートを用いている。
【００４１】
前記加熱剥離型粘着シートは、熱膨張性微粒子が含有された粘着剤（たとえば、ゴム系粘着剤、アクリル系粘着剤、ビニルアルキルエーテル系粘着剤、シリコーン系粘着剤、ポリエステル系粘着剤、ポリアミド系粘着剤、ウレタン系粘着剤、フッ素系粘着剤など）を粘着剤層として、ポリエステルなどの基材に形成させたものを用いることができる。前記熱膨張性微粒子としてはイソブダン、プロパン、ペンタンなどの加熱により容易にガス化して膨張する物質を、弾性を有する殻に内包させたマイクロカプセルなどが挙げられる。
【００４２】
続いて、ダイシングシート９をシリコンウエハ３の前記他表面側に貼り付けた後、シリコンウエハ３の前記一表面側からダイシングライン８ａに沿って、仮固定シート８、レジスト膜６ごとダイシングシート９を全て切断しないように、ダイサーによってシリコンウエハ３をダイシングする。これによって、ダイシングシート９上に分離された仮固定シート８、レジスト膜６を有する複数個の赤外線アレイセンサ１０をシリコンウエハ３から切断することができる（図３（ｄ））。
【００４３】
次に、シリコンウエハ３に加熱処理等を行うことで、ダイサーにより複数個に切断された仮固定シート８を各赤外線アレイセンサ１０の赤外線センサ薄膜２側から取り除くことができる。ここで、加熱剥離型粘着シートからなる仮固定シート８は、個々に切断された仮固定シート８を熱風乾燥器、ホットプレート、近赤外線ランプなどにより加熱して赤外線センサ薄膜２を損傷することなく赤外線アレイセンサ１０から剥離することができる。すなわち、加熱により、前記加熱剥離型粘着シートの前記粘着剤中に含有された前記熱膨張性微粒子が大きく膨らむ。これにより前記粘着剤層表面に微小な凹凸が生じ、仮固定シート８と、赤外線アレイセンサ１０の赤外線センサ薄膜２が面で接着した比較的強固な接着から点での接着へと変化する。そのため、仮固定シート８の接着面積が減少し粘着力が大きく低下させることができる。
【００４４】
仮固定シート８を剥離後、仮固定シート８が剥離された各赤外線アレイセンサ１０の前記一表面に形成しているレジスト膜６をアッシング（灰化）処理することにより除去する。具体的には、紫外線や高周波マイクロ波を酸素ガスに照射させ生成したオゾンを用いてレジスト膜６を除去することができる。これにより、赤外線アレイセンサ１０の前記一表面側に形成されていたレジスト膜６を除去するだけでなく、赤外線アレイセンサ１０の一表面側にあるスリット４内やシリコン基板１に形成された空洞５に付着した不要な有機物を分解表面脱離により除去することも可能となる。
【００４５】
赤外線アレイセンサ１０は、それぞれ赤外線センサ薄膜２の損傷もなく、また、シリコン基板１における赤外線センサ薄膜２と対向する前記他表面側に金属層７を有する赤外線アレイセンサ１０を量産性よく製造することができる（図３（ｅ））。
【００４６】
こうして製造された赤外線アレイセンサ１０をダイシングシート９から個別にピックアップすることにより、各赤外線アレイセンサ１０を後述する基体たるパッケージなどに配置させることができる。
【００４７】
次に、本実施形態の金属層７を有する赤外線アレイセンサ１０を基体たるパッケージに実装した赤外線センサ装置の構造を説明し、次に、その製造工程を図１を用いて説明する。
【００４８】
赤外線センサ装置３０は、図１（ｃ）に示すようにパッケージ３１の凹部の内底面３１ａ側に赤外線アレイセンサ１０と、赤外線アレイセンサ１０と協働する信号処理用チップ３７と、を収納している。赤外線アレイセンサ１０のシリコン基板１における赤外線センサ薄膜２が形成された前記一表面と対向する前記他表面側に形成された金属層７は、パッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａに設けられた金属パターン３２と直接接合され電気的にも接続されている。赤外線アレイセンサ１０と協働する信号処理用チップ３７は、パッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａに設けられた金属パターン３８，３８と金属バンプ（たとえば、半田バンプ）３６，３６を介して実装され電気的に接続されている。
【００４９】
赤外線アレイセンサ１０と信号処理用チップ３７とは、それぞれ金属パターン３２および金属パターン３８とを介して電気的に接続され、金属パターン３８，３８がパッケージ３１に貫設された貫通電極（図示していない）を介してパッケージ３１の外部に設けられた外部電極３５，３５と電気的に接続されている。また、赤外線アレイセンサ１０および信号処理用チップ３７が実装されたパッケージ３１の前記凹部の内部を、凸レンズ形状の赤外線透過部材３４を備えたカバーたるリッド３３によって気密封止している。
【００５０】
以下、本実施形態に用いられる赤外線センサ装置３０の各構成について、詳述する。
【００５１】
赤外線センサ装置３０の基体は、たとえば、パッケージ３１の凹部の内底面３１ａ側に赤外線アレイセンサ１０や信号処理用チップ３７が実装可能なものであり、金属やセラミックなどから構成することができる。パッケージ３１の材料としては、不活性ガスを封入したり真空排気させるなど気密封止のためには、ガスバリア性が高いことが要求され、窒化アルミニウム、アルミナやシリカ系セラミックを用いることがより好ましい。なお、基体としては、上述のパッケージ３１のごとき構成だけに限定されず、キャンパッケージに使用されるステムでもよい。
【００５２】
赤外線アレイセンサ１０は、赤外線アレイセンサ１０の空洞５を形成するときにエッチングマスクとして機能させた金属層７をパッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａに設けられた金属パターン３２と接触させて、金属層７と金属パターン３２との拡散接合により直接接続するとともに電気的に接続させてある。なお、金属層７と金属パターン３２とを拡散接合させているため、赤外線アレイセンサ１０のパッケージ３１への実装にあたっては、赤外線センサ装置３０の内部で不要なガスが生じることがない。
【００５３】
また、信号処理用チップ３７は、パッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａに設けられた金属パターン３８，３８上に、金属バンプ３６，３６を用いてフリップチップ実装させている。これにより、信号処理用チップ３７を金属パターン３８，３８に固定するとともに電気的に接続し実装している。なお、信号処理用チップ３７は、赤外線アレイセンサ１０の金属層７をパッケージ３１に設けられた金属パターン３２に実装するのと同様にして拡散接合により接合固定させてもよい。
【００５４】
赤外線アレイセンサ１０や信号処理用チップ３７が実装されたパッケージ３１には、赤外線アレイセンサ１０に赤外線を入射させるレンズ形状の赤外線透過部材３４を備えたリッド３３をカバーとして、赤外線センサ装置３０の内部を気密封止して形成してある。リッド３３とパッケージ３１とを気密性よく強固に接合するためには、抵抗シーム溶接で行うことができる。そのため、パッケージ３１の凹部上には、リッド３３と抵抗シーム溶接が可能なように、たとえば、コバールからなるシームリング（図示していない）が設けられている。なお、抵抗シーム溶接する場合には、前記シームリングと当接するパッケージ３１上に、シーム溶接用金属膜（たとえば、Ｗ膜、Ｎｉメッキ膜およびＡｕメッキ膜など）を予め形成することが好ましい。
【００５５】
パッケージ３１の形状、赤外線アレイセンサ１０の金属層７と接合させるパッケージ３１に設けられた金属パターン３２、信号処理用チップ３７とフリップチップ実装させる金属パターン３８，３８、パッケージ３１に貫設された前記貫通電極、パッケージ３１の外部に設けられた外部電極３５，３５やシーム溶接用金属膜の一部は、パッケージ３１の焼成と同時に形成させることができる。
【００５６】
次に、本実施形態の赤外線センサ装置３０に用いられるカバーは、パッケージ３１に実装された赤外線アレイセンサ１０を囲ってパッケージ３１に気密的に封止が可能なものである。カバーたるリッド３３には、パッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａ側に実装させた赤外線アレイセンサ１０に対して窓となる開口部３３ａを有し、開口部３３ａを封止するように赤外線アレイセンサ１０に赤外線を入射させるレンズ形状の赤外線透過部材３４が気密接合してある。なお、カバーとしては、パッケージ３１を封止するリッド３３だけに限らずキャンパッケージに用いられるキャップでもよい。また、カバーや基体は、それぞれ板状部材とし、内部に赤外線アレイセンサ１０を収納可能な円筒状のスペーサを介在させた構造としてもよい。さらに、カバーとして赤外線透過部材３４を備えたセラミック材料からなるキャップを用い、金属製の基体に実装された赤外線アレイセンサ１０を囲って気密的に封止した構造でもよい。
【００５７】
リッド３３は、赤外線アレイセンサ１０にノイズの原因となる不要な電磁波を遮蔽して、気密接合が可能なものが好ましく、リッド３３とパッケージ３１とをシーム溶接する場合は、リッド３３が導電性を有することが好ましい。このようなリッド３３の材料として、コバール、ステンレスや鉄などを用いることができる。なお、リッド３３に設けられる開口部３３ａの形状は、円形、楕円形、正方形や長方形など所望に応じて種々形成することができる。
【００５８】
また、リッド３３をパッケージ３１にシーム溶接させる場合、リッド３３がパッケージ３１或いは前記シームリングと当接するリッド３３の表面にＮｉメッキ層を設けることが好ましい。しかしながら、前記Ｎｉメッキ層が設けられたリッド３３は、３５０℃以上の高温雰囲気では酸化されやすく、表面抵抗の増加を招きシーム溶接不良を引き起こす可能性がある。そのため、高温雰囲気下で予めリッド３３と赤外線透過部材３４とを低融点ガラスなどを用いて気密接合させている。こうして、リッド３３をパッケージ３１にシーム溶接する場合においても、赤外線透過部材３４のリッド３３への接合時に真空雰囲気または不活性雰囲気下で気密封止していることから、リッド３３の表面（Ｎｉメッキ層）の酸化を防止することができる。
【００５９】
本実施形態の赤外線センサ装置３０に用いられる赤外線透過部材３４は、リッド３３の開口部３３ａを封止するように接合され、図１（ｃ）に示すように凸レンズ形状に形成している。赤外線透過部材３４のレンズ形状としては、凸レンズに限られず、たとえば、凹レンズ、シリンドリカルレンズ、楕円球面レンズ、フレネルレンズや回折レンズなどとすることもできる。
【００６０】
また、赤外線透過部材３４の材料としては、赤外線が透過可能なＳｉ、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅなど半導体材料が好適に用いられるが、これに限られない。なお、赤外線透過部材３４をレンズ形状とするには、例えば、陽極酸化技術を応用した半導体レンズの形成方法により形成することができる。
【００６１】
より具体的には、陽極酸化技術を応用して赤外線透過部材３４となる半導体レンズを形成する（たとえば、特許第３８９７０５６号公報参照）ために、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した陽極を半導体基板（例えば、シリコン基板）の一表面側に半導体基板とオーミック接触をなすように形成する。たとえば、図１（ｃ）に示した凸レンズ形状の赤外線透過部材３４を形成するために、前記半導体基板の前記一表面上に陽極の基礎となる導電性層を形成した後、該導電性層に円形状に開口した部位を設け前記半導体基板の前記一表面の一部が円形状に露出するようにパターニングを行う。
【００６２】
次に、前記半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去可能な電解液中に、前記半導体基板の他表面における多孔質部の形成予定領域全域を浸す。
【００６３】
その後、前記半導体基板の前記他表面側に対向配置される陰極と陽極との間に通電させ、前記半導体基板の前記他表面側に所望形状の多孔質部を酸化により形成する。続いて、前記半導体基板に形成された前記多孔質部をエッチングなどにより除去することで、凸レンズ形状の赤外線透過部材３４を形成することができる。
【００６４】
なお、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した陽極の代わりに、所望のレンズ形状に応じてパターン設計した絶縁層を半導体基板の一表面側に形成し、前記絶縁層を有する前記半導体基板の前記一表面側に導電層を形成する、或いは前記絶縁層を有する前記半導体基板の一表面側と電解液を介して通電用電極を対向配置することで、前記半導体基板の前記他表面側に、後に除去される多孔質部を形成することもできる。また、前記導電性層に円形状に開口した部位を設ける代わりに、平面形状が長方形状の陽極を形成すれば、赤外線透過部材３４として平凹型のシリンドリカルレンズを形成することもできる。
【００６５】
このような赤外線透過部材３４は、リッド３３の開口部３３ａを封止するように、ろう材、半田、気密封止可能な樹脂や低融点ガラスなどにより気密接合することができる。たとえば、赤外線透過部材３４として、赤外線が透過可能なＳｉを用いた凸レンズ形状の半導体レンズをリッド３３の開口部３３ａの周縁に合わせて低融点ガラスを介して気密接合する場合、鉛フリーのビスマス系低融点ガラスのフリットをリング状にプリフォームした成形品を好適に用いることができる。
【００６６】
次に、本実施形態の金属層７を有する赤外線アレイセンサ１０をパッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａに実装させた赤外線センサ装置３０の製造工程を図１に基づいて順に説明する。
【００６７】
本実施形態では、赤外線センサ装置３０のパッケージ３１として、凹部を有するアルミナセラミック材料からなるパッケージ３１を用いている。パッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａ側には、赤外線アレイセンサ１０の金属層７と接合するため、少なくとも表面がＡｕからなる金属パターン３２を設けてある。また、信号処理用チップ３７と金属バンプ３６，３６を用いてフリップチップ実装させるために、パッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａ側には、金属パターン３８，３８を形成させている。金属パターン３８には、パッケージ３１の厚み方向に貫設させた前記貫通電極を介してパッケージ３１の裏面に設けられた外部電極３５，３５と電気的に接続させてある（図１（ａ））。
【００６８】
次に、熱型赤外線検出部２５を４個持った赤外線アレイセンサ１０を、前記凹部を有するパッケージ３１の内底面３１ａ側に実装させる赤外線センサ素子実装工程を行う。具体的には、内部をアルゴンガス雰囲気とした真空チャンバ内で、赤外線アレイセンサ１０の金属層７を、パッケージ３１に設けられた金属パターン３２（たとえば、Ａｕ膜）上に位置合わせして直接接触して配置させる。赤外線アレイセンサ１０をパッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａ側に押圧しながら３００℃〜４００℃で加熱する。これにより、赤外線アレイセンサ１０の金属層７をパッケージ３１に設けられた金属パターン３２とＡｕＡｕ拡散接合を行うことで直接接合し実装する。赤外線アレイセンサ１０の金属層７と、パッケージ３１の金属パターン３２とは、電気的にも接続することになる（図１（ｂ））。
【００６９】
なお、拡散接合とは、母材を密着させて母材の融点以下の温度条件で、塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧し接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法である。そのため、半田や樹脂等の接着剤による実装と異なり、固体のまま直接接合することができる。これにより、パッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａに対する赤外線アレイセンサ１０の垂直方向の位置関係が接合前後で変化することが実質的にない。そのため、高精度に赤外線アレイセンサ１０をパッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａ側に実装することができる。したがって、拡散接合において、接合する材料等に応じ常温（たとえば、２５℃）で接合させてもよいし、加熱しながら接合させてもよい。常温で拡散接合させる場合、たとえば、接合前に接合面へアルゴンのプラズマ、イオンビームや原子ビームを真空中で照射して、各接合面の活性化を行ってから、接合面同士を接触させて接合させればよい。このような常温での拡散接合は、赤外線アレイセンサ１０とパッケージ３１の直接接合時に応力を緩和させる点でより好ましい。
【００７０】
なお、パッケージ３１の前記凹部の内側は、赤外線アレイセンサ１０とパッケージ３１との接合強度を向上させるために、拡散接合に先立って表面洗浄する活性化工程を設けることがより好ましい。また、赤外線アレイセンサ１０をパッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａにおける平面方向において、高精度に位置合わせしたい場合は、予め赤外線アレイセンサ１０とパッケージ３１とにそれぞれアライメントマークを形成しておき、赤外線アレイセンサ１０とパッケージ３１とをアライメントマークに沿って実装し、接合することにより平面方向においても高精度に実装配置させることができる。
【００７１】
次に、信号処理用チップ３７の電極（図示していない）と、パッケージ３１に設けられた金属パターン３８，３８と、を金属バンプ３６，３６を用いて接続固定させる。
【００７２】
本実施形態では、パッケージ３１の前記凹部の内部は、赤外線アレイセンサ１０の金属層７をパッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａに設けられた金属パターン３２と拡散接合させた後、アッシング処理して有機物を除去してある。なお、信号処理用チップ３７は、赤外線アレイセンサ１０やパッケージ３１と同時に不要な有機物を除去してもよいし、別途有機物を除去してもよい。アッシング処理は、パッケージ３１内に配置された赤外線アレイセンサ１０や信号処理用チップ３７などの大きさ、数、使用材料によって随時適用することができるが、たとえば、光励起アッシングとしてオゾンアッシング装置やプラズマアッシング装置を利用することができる。
【００７３】
続いて、アッシング処理されたパッケージ３１の前記凹部の内部を気密封止するようにレンズ形状の赤外線透過部材３４を備えたリッド３３をシーム溶接する。具体的には、予めリッド３３と赤外線透過部材３４とを気密接合するために、リッド３３の開口部３３ａの端部に低融点ガラスのプリフォーム成形品を介して開口部３３ａを塞ぐように赤外線透過部材３４を重ね合わせる。低融点ガラスの前記プリフォーム成形品内の不要なバインダを除去した後、リッド３３の酸化防止のため真空雰囲気またはＮ２ガス雰囲気など不活性雰囲気下で低融点ガラスの焼成温度まで加熱することでリッド３３と赤外線透過部材３４とを低融点ガラスによって気密接合する。
【００７４】
続いて、赤外線アレイセンサ１０などが実装されたパッケージ３１の前記凹部を覆うように、シームリングを介して、リッド３３を真空雰囲気でシーム溶接し気密封止する。この気密封止工程により赤外線センサ装置３０を形成することができる（図１（ｃ））。
【００７５】
なお、赤外線透過部材３４とリッド３３とは、予めアッシング処理して有機物を除去してある。また、赤外線透過部材３４を備えたリッド３３とパッケージ３１とをシーム溶接により気密封止する代わりに、赤外線透過部材３４を備えたリッド３３とパッケージ３１は、低融点ガラス、ＡｕＳｉ、半田や有機系ならばエポキシ樹脂などを利用して封止してもよい。
【００７６】
本実施形態の赤外線センサ装置３０は、赤外線アレイセンサ１０をパッケージ３１へ実装するために、赤外線アレイセンサ１０の形成時に設けられた赤外線アレイセンサ１０の金属層７と、パッケージ３１の前記凹部の内底面３１に設けられた金属パターン３２の拡散接合を用いている。そのため、レンズ形状の赤外線透過部材３４における赤外線アレイセンサ１０との焦点距離は、赤外線アレイセンサ１０を、パッケージ３１に位置合わせを行い半田やダイボンド樹脂などで実装させた赤外線センサ装置と比較して、パッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａに対する赤外線アレイセンサ３１の垂直方向の位置が実装前後で変化することが少ない。従って、より性能が高い赤外線センサ装置３０を量産性よく製造可能となる。
（実施形態２）
本実施形態の赤外線センサ装置３０における基本構成は実施形態１と略同一であり、赤外線アレイセンサ１０の金属層７とパッケージ３１の凹部の内底面３１ａ側に設けられた金属パターン３２とを拡散接合させる代わりに、赤外線アレイセンサ１０の金属層７とパッケージ３１の凹部の内底面３１ａとを陽極接合により直接接合する点が異なる。なお、実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００７７】
本実施形態の赤外線センサ装置は、図４に示すように、赤外線アレイセンサ１０が実装されるパッケージ３１を陽極接合ができるように、パッケージ３１を高温・高電圧下で可動イオンとなるアルカリ金属を有するガラス成分を含む低温同時焼成セラミックス（Low Temperature Co-firedCeramics；以下、ＬＴＴＣという。）により形成させている。
【００７８】
アルミナを主成分としたセラミックパッケージは、通常、１５００℃程度で焼成する必要があるのに対し、ＬＴＣＣは、アルミナにガラス系材質を加えることで、たとえば９００℃以下のより低い温度で焼成することができる。このようなＬＴＣＣの材料として、具体的には、アルミノケイ酸塩系（Ｎａ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３−Ｂａ２Ｏ３−ＳｉＯ２系）のガラス組成物を用いることができる。
【００７９】
ここで、陽極接合とは、可動イオンを有するガラスと、金属材料と、を直接密着接合が可能な加工方法であり、たとえば、赤外線アレイセンサ１０の金属層７とＬＴＴＣからなるパッケージ３１とを重ね合わせ、数百度以下の温度で加熱して、 同時に金属層７側を陽極として両者の間に数百ボルトの直流電圧を印加する。このときに生ずる静電引力により、赤外線アレイセンサ１０の金属層７をパッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａと直接接合することができる。
【００８０】
なお、本実施形態では、パッケージ３１が絶縁性を有し、赤外線アレイセンサ１０がパッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａに直接接合されている。そのため、赤外線アレイセンサ１０と信号処理用チップ３７とは、ワイヤ（たとえば、金線やアルミニウム線）３９によりワイヤボンディングして電気的に接続している。同様に、信号処理用チップ３７は、パッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａに設けた金属パターン３８と、ワイヤ３９によりワイヤボンディングし、金属パターン３８から前記貫通電極を介して外部電極３５，３５と電気的に接続可能に構成してある。また、信号処理用チップ３７は、接着剤（たとえば、エポキシ樹脂）３６’でパッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａに実装している。
【００８１】
本実施形態の赤外線センサ装置３０は、赤外線アレイセンサ１０をパッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａ側に赤外線アレイセンサ１０の形成時に設けられた金属層７を用いて直接陽極接合している。そのため、レンズ形状の赤外線透過部材３４における赤外線アレイセンサ１０との焦点距離は、赤外線アレイセンサ１０を、パッケージ３１に位置合わせを行い半田やダイボンド樹脂などで実装させた赤外線センサ装置と比較して、パッケージ３１の前記凹部の内底面３１ａに対する赤外線アレイセンサ３１の垂直方向の位置が実装前後で変化することが少ない。そのため、より性能が高い赤外線センサ装置３０を量産性よく製造可能となる。
【符号の説明】
【００８２】
１  シリコン基板（基板）
２  赤外線センサ薄膜
３  シリコンウエハ（ウエハ）
５  空洞
７  金属層
１０  赤外線アレイセンサ（赤外線センサ素子）
３０  赤外線センサ装置
３１  パッケージ（基体）
３２  金属パターン
３３  リッド（カバー）
３４  赤外線透過部材
【図１】
2010243365.tif 000003
【図２】
2010243365.tif 000004
【図３】
2010243365.tif 000005
【図４】
2010243365.tif 000006
【図５】
2010243365.tif 000007