(57)【要約】【課題】赤外線センサのチップに赤外線透過窓を直接接合して中が真空状態の赤外線センサを作製する場合でも画素欠陥が発生し難い高感度な赤外線センサを提供する。【解決手段】この発明に係る赤外線センサの製造方法は、赤外線を透過する窓側基板の縁部に第一の封止部を形成する工程と、赤外線の検知部を有する複数の画素と画素からの電気信号を読み出す回路とを含む赤外線センサのチップの周辺部であって画素を取囲む位置に第二の封止部を形成する工程と、赤外線センサのチップの裏面に補強部材を接合する工程と、補強部材を接合する工程の後に、第一及び第二の封止部同士を接合するとともに窓側基板と赤外線センサのチップとで挟まれる空間を真空封止する工程とを備えたことを特徴とする。【選択図】図２
2010261806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を透過する窓側基板の縁部に第一の封止部を形成する工程と、
赤外線の検知部を有する複数の画素と前記画素からの電気信号を読み出す回路とを含む赤外線センサのチップの周辺部であって前記画素を取囲む位置に第二の封止部を形成する工程と、
前記赤外線センサのチップの裏面に補強部材を接合する工程と、
前記補強部材を接合する工程の後に、前記第一及び第二の封止部同士を接合するとともに前記窓側基板と前記赤外線センサのチップとで挟まれる空間を真空封止する工程とを備えた赤外線センサの製造方法。
【請求項２】
補強部材としてセラミック基板を用い、第一及び第二の封止部としてチタン、金の少なくともいずれかとニッケルとを積層したメタライズ層を用い、
赤外線センサのチップの裏面にはんだを用いて前記セラミック基板を接合する工程と、
前記赤外線センサのチップに前記セラミック基板を接合したものと、窓側基板とを真空容器内に収容する工程と、
真空状態にて前記赤外線センサのチップ及び窓側基板を加熱して前記窓側基板を前記赤外線センサのチップにはんだで接合する工程とからなる請求項１に記載の赤外線センサの製造方法。
【請求項３】
赤外線の検知部を有する複数の画素と前記画素からの電気信号を読み出す回路とを含む赤外線センサを半導体基板上に作り込んだ赤外線センサのチップと、
前記赤外線センサのチップの裏面に接合された補強部材と、
赤外線を透過する窓側基板と、
前記複数の画素周囲に位置しかつ前記窓側基板と前記赤外線センサのチップとを接合する封止部材とから構成され、
前記窓側基板、前記赤外線センサのチップおよび前記封止部材に囲まれた空間が真空である赤外線センサ。
【請求項４】
外部接続のための端子としてリード若しくはピンが形成されているセラミック基板、またはキャスタレーション構造を有するセラミック基板を用いた請求項３記載の赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、遠赤外域に感度を有する非冷却型の赤外線センサおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、防犯、医療、非破壊検査、車載応用など様々な分野において、赤外線センサに対する需要があり、検知能力の向上が図られてきた。特に、冷却装置が不要な非冷却型の（あるいは「熱型」と呼ばれる）赤外線センサは、様々な手法により性能、価格、使いやすさの向上が図られてきた。
従来の赤外線センサでは、このような背景から赤外線センサの高感度化が進められ、赤外線の検知部は基板から熱的に隔離された断熱構造が提案されてきた（例えば、特許文献１参照）。また、赤外線の検知部の断熱性を高めるために、赤外線センサのチップを真空パッケージ内に収容して使用する例もあった。
【０００３】
しかし、赤外線センサのチップを１つずつ真空パッケージ内にアセンブリして赤外線センサを完成する手法では、センサコストの低価格化、量産性向上が図れなかった。そこで、従来の真空パッケージを省略するために、赤外線センサのチップに赤外線透過窓を直接接合して中が真空状態の赤外線センサを作製する提案があった（例えば、特許文献２参照）。かかる提案によればアセンブリコストの低価格化、量産性向上が図れるというものであった。
【０００４】
上述の従来の非冷却型の赤外線センサは、真空パッケージを省略するので、アセンブリコストが下がることが期待できたが、上述の手法で製造したものは画素欠陥が発生することがあり製造歩留まりに課題があった。そのためコスト削減には限界があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２０９４１８号公報
【特許文献２】特開２００５−２２３２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、赤外線センサのチップに赤外線透過窓を直接接合して中が真空状態の赤外線センサを作製する場合でも画素欠陥が発生し難い高感度な赤外線センサを得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る赤外線センサの製造方法は、赤外線を透過する窓側基板の縁部に第一の封止部を形成する工程と、赤外線の検知部を有する複数の画素と画素からの電気信号を読み出す回路とを含む赤外線センサのチップの周辺部であって画素を取囲む位置に第二の封止部を形成する工程と、赤外線センサのチップの裏面に補強部材を接合する工程と、補強部材を接合する工程の後に、第一及び第二の封止部同士を接合するとともに窓側基板と赤外線センサのチップとで挟まれる空間を真空封止する工程とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、この発明は、赤外線の検知部を有する複数の画素とこれらの画素からの電気信号を読み出す回路とを含む赤外線センサを半導体基板上に作り込んだ赤外線センサのチップと、赤外線センサのチップの裏面に接合された補強部材と、赤外線を透過する窓側基板と、複数の画素周囲に位置しかつ窓側基板と赤外線センサのチップとに挟持された封止部材とを有し、窓側基板、赤外線センサのチップおよび封止部材に囲まれた空間が真空である赤外線センサでもある。
【発明の効果】
【０００９】
この発明に係る赤外線センサは、赤外線センサ自身の歪みを抑制する構造を有するので、製造工程中あるいは製造後に生ずる感度不良欠陥の発生の少ない赤外線センサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態１における赤外線センサの構成を示した平面模式図である。
【図２】本発明の実施形態１における赤外線センサの断面模式図である。
【図３】本発明の実施形態１における赤外線センサの製造工程中の断面図である。
【図４】本発明の実施形態１における赤外線センサの製造工程中の断面図である。
【図５】本発明の実施形態１における赤外線センサの製造工程中の断面図である。
【図６】本発明の実施形態１における赤外線センサの製造工程中の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
本願発明者は、上述した課題を解決すべく、赤外線センサの製造時に発生する画素欠陥の原因を探求していた。その結果、以下の結論に達した。
【００１２】
非冷却型の赤外線センサの検出感度を高めることを目的として、赤外線の検知部の断熱性を高めるために、なるべく支持脚の断面積を小さく設計することが行われてきた。そのため、支持脚の機械的強度の低下もしかたが無かった。したがって、外部からの力が加われば支持脚が変形し、検知部が基板と接触する可能性が高くなっていた。
【００１３】
他方、従来の赤外線センサの製造工程では、赤外線センサの検知部を真空に封止する工程があり、できあがった赤外線センサは絶えず大気圧で押されることになる。そのため、赤外線センサのチップは大気圧で押されて内側へ反る。そこで、チップの反りと画素欠陥の発生を観察した結果、チップの反りが発生する過程で、赤外線の検知部が基板表面と接触し固着することが判明した。結果として、赤外線の検知部の断熱性は失われ、画素欠陥として発現したものと結論した。
【００１４】
封止内部と外部との気圧差によりセンサの変形が発生するから、これを防止する方法に想到した。本実施形態においてこの一例を説明する。
【００１５】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することである。
【００１６】
図１は、この発明の実施の形態１における赤外線センサの概略構成を示す平面図である。図２は、図１中に示したＩＩ−ＩＩ断面を矢印方向に見た断面図である。
【００１７】
まず、赤外線センサの全体構成について、図１、２を参照しつつ説明する。
本実施形態に係る赤外線センサ３０は、受光した赤外線量に応じた電気信号を出力する赤外線センサであって、概ね、電気回路を備える素子側チップ５と、これに剛性を持たせるためのセラミック基板１と、窓チップ８とを備えている。なお、窓チップ８は、素子側チップ５の主面であって赤外線の検知部２０が形成されている側の面に接合されている。図１にこの状態を示す。また、窓チップ８と素子側チップ５の主面とは密着しているわけではなく、若干の隙間（真空封止領域１１）があり、真空の状態に封止されている。かかる状態を図２に示す。
【００１８】
本実施形態の赤外線センサ３０では、素子側チップ５はチップの状態、窓チップ８は予め所定の大きさに切りだしたチップ状態のものを用いている。素子側チップ５と窓チップ８とは、はんだ１０により接合され、これらに囲まれた領域１１が真空封止されている。赤外線の検知部２０は図２に示すように、素子側チップ５の主面に形成されている。また、赤外線センサの回路等が形成された素子側チップ５はシリコンからなる基板である。
【００１９】
図２を参照して、窓側チップ８の基材は赤外線の透過率の高いシリコンもしくはゲルマニウムである。また、窓側チップ８の両面には赤外線反射防止膜９ａ、９ｂが形成されている。赤外線反射防止膜９ａ、９ｂは、例えばダイアモンドライクカーボン膜（ＤＬＣ  Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）からなる。
【００２０】
素子側チップ５と窓側チップ８との接合は、はんだ１０によりなされている。素子側チップ５上の回路はアルミ配線（図示せず）を介して外部パッド６へ導かれている。ここで配線（図示せず）は、はんだ接合部の下層に形成されている。素子側チップ５の表面にはメタライズパターン１２ｂ、窓側チップ８の表面にはメタライズパターン１２ａがそれぞれ同一形状で形成されている。また、はんだ１０はこれらと同じパターン形状であり、はんだ１０を介して素子側チップ５と窓側チップ８とが接合されている。メタライズパターン１２ａ、１２ｂは例えば下層よりＣｒ、Ｎｉ、Ａｕの順で堆積されたスパッタ法あるいはめっき法により形成された積層体である。また、はんだ１０は、いずれかのメタライズパターン上にめっき法あるいはプリフォームの形態で形成される。
【００２１】
また、素子側チップ５はアルミナ等からなるセラミック基板１にＡｕＳｎはんだ等による金属ダイボンド剤４によりダイボンドされている。さらに、セラミック基板１上には電極３が形成されており、素子側チップ上のパッド６とＡｕワイヤー７によりワイヤーボンディングされる。セラミック基板１には電極３から電気的に繋がっているリード２が設けてある。なお、リードの他、ピンもしくはキャスタレーション構造としても良い。
【００２２】
なお、本実施形態の赤外線センサ３０は、素子側チップ５の上に作製されたｐｎ接合ダイオードを検出部とした構成である。また、検出部の下は、部分的にエッチングにより空洞が形成されて空洞となっている。さらに、検出部は支持脚により素子側チップ５から離間されて支持されている。そのため、検出部から素子側チップ５への熱伝導を低減する構造が可能となる。なお、この構造はマイクロマシニング技術を用いて作製されている。
【００２３】
つぎに、赤外線センサの動作について説明する。
はじめに、赤外線センサの撮像対象となる被写体が発した赤外線が、画素である赤外線の検出器に入射すると、入射した赤外線は吸収されて熱に変換される。このため、吸収された熱によって断熱構造体上の検出部の温度が上昇する。このとき、温度変化に応じてｐｎ接合ダイオードの電気特性が変化する。さらに、素子側チップ５の上に作成されている駆動走査回路により、赤外線の検知部ごとの電気特性の変化を読み取って外部に出力し、被写体の熱画像を得ることができる。
【００２４】
図１，２に示したような本実施形態の構造によれば、セラミック基板１に素子側チップ５を予めダイボンドしておくことにより、セラミック基板１の剛性によって素子チップの変形が抑制されるため、チップの反りが発生する過程で赤外線の検知部が基板表面と接触し固着することも抑制される。したがって、赤外線センサ使用中に画素欠陥として発現することが抑制できる。
【００２５】
さらに、図３〜図６を用いて赤外線センサの製造方法について、製造工程の順をおって説明する。図３〜図６は、本実施の形態に係る赤外線センサの断面を示した模式図である。なお、切断面は、図１中に示したＩＩ−ＩＩ断面である。
【００２６】
まず、素子側チップになる基板としてシリコン基板を準備する。つづいて、ウエハプロセスを用いて、回路部、赤外線検知部（断熱構造体形成前の状態）を形成し、素子表面へメタライズパターン１２を形成する。具体的には、たとえばスパッタ法により基板全面に下層よりＣｒ、Ｃｕを成膜した後、写真製版（リソグラフィー技術）によりレジストパターンを形成する。つぎに、電解メッキ法にて下層よりＮｉ，Ａｕを形成した後、レジスト除去、下地膜除去を行い、メタライズパターン１２を形成する。さらに、素子基板の裏面側へもスパッタ法でメタライズ層１３を形成する。素子側基板の裏面に形成するメタライズ層はたとえば下層からＴｉ、Ｎｉ、Ａｕからなる。次にウエハをダイシングしチップ状態とした後、Ｓｉエッチング等を行うことで断熱構造体からなる赤外線検知部２０を有する素子側チップ５を作製する。ここまでの工程の後の状態が図３に示した状態である。
【００２７】
つぎに、上述した素子側チップ５をセラミック基板１の上にダイボンドする。ダイボンド後の状態が図４に示した状態である。セラミック基板１には素子側チップ５をダイボンドする領域に予めメタライズ層（図示せず）が形成されている。また、電極部３、電極部３から電気的に繋がるリード２もセラミック基板１に形成されている。また、セラミック基板１とのダイボンドにはＡｕＳｎ等のはんだを用いる。なお、有機系の接着剤を用いないのは、真空封止時に印加される温度に耐性がないためである。
【００２８】
素子側チップ５へダイボンド後、素子側チップ５上のパッド６とセラミック基板上の電極３とをＡｕワイヤー７等によりワイヤーボンディングする。ワイヤーボンディング後の状態が図５に示した状態である。なお、ワイヤーボンディングには超音波を印加したワイヤーボンダーにて実施可能である。
【００２９】
つぎに、真空チャンバー内（図示せず）に、窓側チップ８およびセラミック基板１を設置できるヒーターを組み込んだ冶具１４を用意し、下層に窓側チップ８を置き、その上に素子側チップ５がダイボンドされたセラミック基板１をセットする。係る状態が図６に示した状態である。図６は断面を示した模式図であるが、冶具１４は、セラミック基板１と素子側チップ５とが接合されたものと、素子側チップ５を対向して配置できる冶具であって、封止するときにいずれか一方を移動させることができる構造であればどのような形状でも差し支えない。なお、図６においては、紙面下方に窓側チップ８を置き、これを上方へ移動できる形態である。また、ワイヤーボンディングされたＡｕワイヤーが冶具１４に接しないような空間を有する構造となっている。
【００３０】
つぎに、真空排気した後にヒーターをはんだ融点以上に加熱し、ピン１５を上方に移動させ、窓チップ８と素子とを接合することで、図１あるいは図２記載の赤外線センサを作製することができる。最後に、真空チャンバーを大気圧にベントして、赤外線センサを取り出す。なお、本実施形態では封止前にワイヤーボンディングを行ったが、封止後にワイヤーボンディングしても良い。
【００３１】
本実施形態の赤外線センサの製造方法によれば、真空封止後の大気へのベント時に封止内部と大気圧との圧力差による素子変形を防止することができ、素子変形による感度不良画素の発生を防止できるとともに、カメラ基板への実装を容易に行うことができるセンサを製造できる。
【００３２】
すなわち、支持脚の断面積が小さい検知部を有する非冷却型の赤外線センサであっても、真空に封止されたセンサ内部と大気圧との圧力差に起因する赤外線センサ自身の歪みを抑制する構造を本実施形態の赤外線センサは有するので、赤外線の検知部が基板表面と接触し固着することによる画素欠陥の発生を抑制することが可能となる。
【００３３】
また、本実施形態の赤外線センサは、歪みを抑制するための基板を素子側チップに接合しているので、製造後においても赤外線センサ自身の歪みを抑制することができるので、感度不良欠陥の発生の少ない赤外線センサを提供することができる。
【００３４】
なお、上述した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上述した実施形態の範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【符号の説明】
【００３５】
１  セラミック基板、２  リード、３  電極部、４，ダイボンドはんだ、５  素子側チップ、６  パッド、７  ワイヤー、８  窓チップ、９  赤外線反射防止膜、１０  はんだ、    １１  真空封止領域、１２  メタライズパターン、１３  メタライズ層、１４  ヒーター冶具、１５  ピン、２０  画素、３０  赤外線センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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