(57)【要約】【課題】  炭化水素系ガスを除去して、赤外線センサの性能低下を防ぐことのできるガス吸着素子とそれを用いた赤外線センサを提供することを目的とする。【解決手段】  ガス吸着素子１０は、化学的に活性な金属を用いた非蒸発型のゲッター１３と、非蒸発型のゲッターの活性化温度において緻密化焼結されない多孔質ガス吸着材１２とから構成され、非蒸発型のゲッターは標準的な円柱または円盤形状であり、多孔質ガス吸着材に形成した保持穴１１で保持される。ガス吸着素子を非蒸発型のゲッターの活性化温度以下に加熱してガス放出させ、その後ガス吸着素子を非蒸発型のゲッターの活性化温度まで加熱して、非蒸発型のゲッターを活性化させ、その後ガス吸着素子を赤外線センサ２０内部に封入する。特に多孔質ガス吸着材は、着目する炭化水素系ガスの分子径以上の細孔を有する成型したゼオライトであるので、赤外線センサ内部に発生する着目する種々の炭化水素系ガスの吸着ができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的に活性な金属を用いた非蒸発型のゲッターと、
該非蒸発型のゲッターの活性化温度において緻密化焼結されない多孔質ガス吸着材とから構成され、
前記非蒸発型のゲッターは、前記多孔質ガス吸着材に保持されていることを特徴とするガス吸着素子。
【請求項２】
前記多孔質ガス吸着材が、ゼオライト、シリカゲル、活性炭のうちのいずれか１つ、またはその２つ以上の複合材であることを特徴とする請求項１に記載のガス吸着素子。
【請求項３】
前記多孔質ガス吸着材の細孔径が、所定の炭化水素系ガスの分子径以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のガス吸着素子。
【請求項４】
前記非蒸発型のゲッターは前記多孔質ガス吸着材に形成した保持穴に保持されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載のガス吸着素子。
【請求項５】
前記多孔質ガス吸着材は中央に開口部を有した円盤形状であり、
前記保持穴は前記円盤形状の片面側に開口し、
前記非蒸発型のゲッターは円柱形状または円盤形状であることを特徴とする請求項４に記載のガス吸着素子。
【請求項６】
ステムの上面に赤外線センサチップを固定し、請求項５に記載のガス吸着素子を、該ガス吸着素子の開口部に前記赤外線センサチップを納めるように前記ステム上に配置し、
前記赤外線センサチップと前記ガス吸着素子を覆い、かつ前記ガス吸着素子を前記ステムとの間に挟んで保持するように、キャップを真空中で前記ステムにかぶせて気密接合し、
前記キャップは、前記赤外線センサチップの位置に対応した赤外線透過性を有する窓を有することを特徴とする赤外線センサ。
【請求項７】
前記キャップは、前記ステムとの合わせ面から円筒部が立ち上がり、
さらに前記窓の縁部は、前記円筒部の端面が、径方向内側で同心円リング状に段差をつけて前記ステムから離間する方向に押し出されて形成され、
前記ガス吸着素子は、前記円盤形状の外周部分と前記窓の側の面の外周近傍を、前記円筒部の内周部分と端面により保持されることを特徴とする請求項６に記載の赤外線センサ。
【請求項８】
化学的に活性な金属を用いた非蒸発型のゲッターを、非蒸発型のゲッターの活性化温度において緻密化焼結されない多孔質ガス吸着材に保持させたガス吸着素子を真空中に置き、
前記ガス吸着素子を非蒸発型のゲッターの活性化温度以下に加熱してガス放出させ、
その後前記ガス吸着素子を前記非蒸発型のゲッターの活性化温度まで加熱して、非蒸発型のゲッターを活性化させ、
その後前記ガス吸着素子を密封容器内部に電子機器とともに封入することを特徴とする密封容器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップなどの電子機器を真空環境に実装する際に用いるガス吸着素子と、それを用いた赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
内部を真空に保ち、半導体チップなどの電子機器を封入する実装技術における従来例としては特許文献１に記載されたものがある。
従来技術においては、赤外線センサチップを固定し、接続端子を設けた下部のステムと、受光用の窓を備えたキャップとを合わせて周縁部を真空雰囲気にて溶接して赤外線センサを形成する。赤外線センサ内部の真空を維持するために、真空排気時にヒータ加熱して活性化した非蒸発型のゲッターを、赤外線センサ内部に支持具にて固定している。
【特許文献１】特開２００３−４５２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非蒸発型のゲッターは、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、鉄（Ｆｅ）などよりなる合金であり、活性化と呼ばれる真空中での加熱処理を施すことで、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）のような不活性ガスを除く全てのガスを吸着できるようになる。
真空排気された容器中に存在する酸素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素などの活性ガスは、ゲッターの表面に吸着され、あるものは分解され、最後に活性化した非蒸発型のゲッターの構成金属と酸化物、窒化物、炭化物となって化学的に吸着される。
また、容器中に存在する水や炭化水素ガスについても非蒸発型のゲッターの表面にて、水素、酸素、炭素に分解されて同様に化学吸着されるが、炭化水素系ガスの分解を効率よく行うためには、非蒸発型のゲッターの温度を４００℃以上に保つ必要があることが知られている。
【０００４】
一方、赤外線センサのような比較的大型の半導体チップをステムにダイボンディングする際には、半導体チップへ応力が掛かるのを緩和するため、シリコン接着剤に代表される有機系接着剤を用いることが多い。有機系接着剤は、真空環境において加熱されることによってその一部が分解し、水、炭化水素系ガスを放出する。
前述のように、真空雰囲気中にてステムとキャップの周縁部を溶接するが、その溶接時の熱はステムを伝熱し、有機系接着剤にも熱が加わって、炭化水素系ガスを含む種々のガスが赤外線センサの内部に発生する。
【０００５】
発生したガスは、前述の非蒸発型のゲッターのガス吸着能力により除去されるが、炭化水素系ガスの分解効率の悪い常温においては、赤外線センサ内部に炭化水素系ガスが蓄積されてしまう。
その結果として、赤外線センサ内部の真空度が所定の値を得られなくなり、赤外線センサの性能低下を招くという問題があった。
本発明は、上記の問題点を解決するために、炭化水素系ガスを除去して、赤外線センサの性能低下を防ぐことのできるガス吸着素子とそれを用いた赤外線センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明は、化学的に活性な金属を用いた非蒸発型のゲッターと、非蒸発型のゲッターの活性化温度において緻密化焼結されない多孔質ガス吸着材とから構成され、非蒸発型のゲッターは多孔質ガス吸着材に保持されるものとした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、非蒸発型のゲッターの活性化温度において緻密化焼結されない多孔質ガス吸着材に非蒸発型のゲッターを保持させたガス吸着素子を、例えば電子機器とともに真空容器に封入すると、常温において非蒸発型のゲッターが吸着困難な炭化水素系ガスを多孔質ガス吸着材が吸着する。したがって、真空容器内に炭化水素系ガスが蓄積することがなく、良好な真空度が維持できる。赤外線センサに上記ガス吸着素子を封入した場合、炭化水素系ガスの蓄積による真空度悪化に伴う性能低下の問題が解決できる。
【０００８】
また、真空排気した後に非蒸発型のゲッターを活性化するためにガス吸着素子全体を活性化温度で加熱しても、多孔質ガス吸着材の細孔が緻密化しないので、活性化のための加熱処理により、多孔質ガス吸着材の炭化水素系ガスの吸着能力が劣化しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下本発明の実施の形態を説明する。
図１は実施の形態の赤外線センサの縦断面図である。本赤外線センサ２０は、ステム２１とキャップ２６とからなる。
円盤状のステム２１には、電気導体で構成された接続端子２２を外部に貫通させる貫通孔３０が設けられている。接続端子２２は、電気絶縁材としてのガラス材２８が貫通孔３０に充填されて、ハーメチックシールによって電気的絶縁と真空封止を同時に満足しつつ固定されている。
このステム２１上の中央部に半導体チップである赤外線センサチップ２３が、有機系接着剤２７によりステム２１の上面にダイボンドされ、赤外線センサチップ２３上の図示しない外部接続用パッドと接続端子２２の間は電気配線となるワイヤボンディング２４が施されている。
【００１０】
赤外線センサチップ２３の周囲には、中央に円筒形の開口部１４を有する円盤形状のガス吸着素子１０（図２参照）が配置されている。ガス吸着素子１０の下面はステム２１の上面に接し、開口部１４の内周面は貫通孔３０より外側に位置し、接続端子２２、ワイヤボンディング２４と離間している。
【００１１】
キャップ２６は、赤外線センサチップ２３とガス吸着素子１０を覆うため、その周縁部３３から上側に円筒部３４が突出して、格納空間を形成し、ステム２１の周縁部３２と合わさる周縁部３３とでハット形状をしている。円筒部３４の上端面３５は、さらに径方向内側で同心円リング状に段差をつけて上側に押し出され、窓の縁部３６を形成している。窓の縁部３６には、円形の赤外線透過窓２５が、低温ガラス３１により、接着されている。
上端面３５がガス吸着素子１０の上面の一部を、特に保持穴１１（図２参照）の径のほぼ半分を押さえ、円筒部３４の内周面がガス吸着素子１０の外周面を押さえ、赤外線センサ２０内部でのガス吸着素子１０の位置を規制している。
キャップ２６の周縁部３３とステム２１の周縁部３２とはシール溶接部２９の溶接により気密接合し、内部は真空排気されている。
【００１２】
図２はガス吸着素子の外形を示す斜視図である。
ガス吸着素子１０は、中央に開口部１４を有する円盤形状の多孔質ガス吸着材１２と、片面側に開口する保持穴１１を多孔質ガス吸着材１２に複数形成し、その保持穴１１に入れた円柱形状の非蒸発型のゲッター１３とから構成されている。
非蒸発型のゲッター１３の外径は、保持穴１１とほぼ一致し、保持穴１１に入れると摩擦により容易には抜けにくい寸法としてある。
なお、非蒸発型のゲッター１３は円盤形状のものを複数重ねて保持穴１１に入れてもよい。
【００１３】
多孔質ガス吸着材１２は、例えばゼオライト、非蒸発型のゲッター１３は、例えばジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、鉄（Ｆｅ）などの合金からなる。
ガス吸着素子１０の形状は、開口部１４が赤外線センサチップ２３の受光する赤外線の通路を形成しており、表面積の大きいドーナツ形状となり、比較的空間の狭い赤外線センサ２０内に表面積の大きい多孔質ガス吸着材１２を封入することができる。
一般的に非蒸発型のゲッターは、ゲッター材単独での自由な形の形成が難しく、円柱または円盤形状、シート形状に限られるため、本ガス吸着素子１０では、非蒸発型のゲッター１３を円柱形状または円盤形状とし、それに適合する保持穴１１を比較的成型の自由な多孔質ガス吸着材１２側に設ける。
【００１４】
多孔質ガス吸着材１２は、自身が有する細孔構造の物理吸着によりガス吸着を行う。
図３は、商品名「モレキュラーシーブ（ＭＯＬＥＣＵＬＡＲ  ＳＩＥＶＥＳ）」と呼ばれるゼオライトのガス吸着特性の一例として、水の吸着特性をゼオライトの温度をパラメータとして示したものである。横軸は蒸気圧（ｍｍＨｇ）を、縦軸は多孔質ガス吸着材１００ｇに対する水の吸着量（ｇ）を示す。
【００１５】
一般的に多孔質ガス吸着材１２は、低温での吸着能力が高いが、図３によれば、１００℃程度においても、蒸気圧１×１０−３ｍｍＨｇ（１×１０−３Ｔｏｒｒ）において対重量比１％の吸着能力を保持していることが分かる。
図３は水に対する吸着特性を示しているが、ゼオライトは不活性ガスを除き、炭化水素系ガスを含むあらゆるガスを吸着できる。
多孔質ガス吸着材１２は、着目する炭化水素系ガスの分子径以上の細孔径とすることで炭化水素系の吸着が可能である。
【００１６】
図４は、商品化されている「低温活性タイプ」と呼ばれる種類の非蒸発型のゲッターの活性化条件を示す図である。横軸は分オーダーから時間オーダーの加熱時間を、縦軸は活性化温度を示し、パラメータは活性化度合いを示している。
本図より、加熱時間に依存するが３００℃〜５００℃に加熱することにより、「低温活性タイプ」の非蒸発型のゲッター１３を１００％活性化させることができる。
また、多孔質ガス吸着材１２であるゼオライトは、この温度領域に対し耐熱性を有しており、ガス吸着素子１０全体を活性化温度で加熱しても多孔質ガス吸着材１２が緻密化焼結することはない。
【００１７】
次に、本発明におけるガス吸着素子を収納する簡単な真空容器の組立工程の一例を図５、図６、図７にもとづいて説明する。
まず、図５の（ａ）に示すように、組み立て完了したガス吸着素子１０を用意し、ガス吸着素子１０を可動爪６４で掴んでセラミック製のヒータブロック６３に密着保持する。
また、図５の（ｂ）に示すように赤外線透過窓２５を受光用の窓を塞ぐように低温ガラス３１で接着されたキャップ２６を用意し、キャップ２６の内側面を上向きにし、溶接治具６１に載せ、保持する。
【００１８】
さらに、図５の（ｃ）に示すように、ステム２１に赤外線センサチップ２３を有機系接着剤２７にてダイボンドしたものを用意し、赤外線センサチップ２３が有機系接着剤２７により固定された側を下向きにして、溶接治具６２に保持する。
ステム２１は、接続端子２２がハーメチックシールによって固定されている。赤外線センサチップ２３と接続端子２２とはワイヤボンディング２４で接続されている。
【００１９】
次に、上記のキャップ２６、ステム２１をそれぞれ保持した溶接治具６１、６２、およびガス吸着素子１０保持したヒータブロック６３の３点を図示省略の真空溶接機チャンバー内の可動ステージにセットし、チャンバー全体を排気する。
真空度が約１．３３×１０−３Ｐａ（≒１０−５Ｔｏｒｒ）に到達したところで、ヒータブロック６３を加熱する。
この加熱処理の制御は、まずガス吸着素子１０を構成する多孔質ガス吸着材１２の脱ガス処理をするため、ガス吸着素子１０全体を非蒸発型のゲッター１３の活性化温度より低い１５０℃となるように制御して３０分間加熱する。
【００２０】
この熱処理によって、それまで多孔質ガス吸着材１２が吸着していたガスを放出させることができる。
この段階では非蒸発型のゲッター１３は活性化不十分な状態であり、多孔質ガス吸着材１２から放出されたガスを非蒸発型のゲッター１３が吸着してしまうということはない。
次に、非蒸発型のゲッター１３を活性化するため、ガス吸着素子１０全体が４００℃になるように制御して１０分間加熱する。この熱処理によって、非蒸発型のゲッター１３が１００％活性状態となる。
【００２１】
次にガス吸着素子１０を１００℃以下に冷却後、図６の（ａ）に示すようにキャップ２６を保持した溶接治具６１を、ガス吸着素子１０を保持したヒータブロック６３の真下に移動させ、さらに上昇、接近させる。続いて（ｂ）のように可動爪６４を開いて、ガス吸着素子１０をキャップ２６内に落とし込む。
続いて図７の（ａ）に示すように、キャップ２６を保持した溶接治具６１を、ステム２１を保持した溶接治具６２の下に移動させ、さらに上昇させ、（ｂ）に示すようにステム２１とキャップ２６の周縁部３２、３３を合わせて密着させる。
その後、真空チャンバー内で電子ビーム法を用いてシール溶接部２９を溶接、またはシーム溶接にて周縁部３２、３３を溶接して封止する。
【００２２】
以上のように本実施の形態によれば、「低温活性タイプ」の非蒸発型のゲッター１３の活性化温度において緻密化焼結されない多孔質ガス吸着材１２に形成した保持穴１１に、非蒸発型のゲッター１３を保持させた構造のガス吸着素子１０を、赤外線センサチップ２３とともにステム２１とキャップ２６とで形成する真空容器に封入して赤外線センサ２０を製造する。
特に多孔質ガス吸着材１２は、着目する炭化水素系ガスの分子径以上の細孔を有する成型したゼオライトであるので、赤外線センサ２０内部に発生する着目する種々の炭化水素系ガスの吸着ができる。
【００２３】
したがって、ステム２１とキャップ２６の周縁部３２、３３を溶接するときの熱により有機系接着剤２７から炭化水素系ガスが発生しても、常温において非蒸発型のゲッター１３が吸着困難な炭化水素系ガスを多孔質ガス吸着材１２が吸着するので、真空容器内に炭化水素系ガスが蓄積することがなく、良好な真空度が維持できる。
赤外線センサ２０にガス吸着素子１０を封入することにより、炭化水素系ガスの蓄積による真空度悪化に伴う赤外線センサ２０の性能低下の問題が解決できる。
【００２４】
また、多孔質ガス吸着材１２は、中央に開口部１４を有する円盤形状に成型され、複数の保持穴１１を形成し、成型が容易で比較的安価な標準形状（円柱または円盤形状）の非蒸発型のゲッター１３を保持穴１１で保持し、ガス吸着素子１０はステム２１とキャップ２６により挟まれて保持され、多孔質ガス吸着材１２が非蒸発型のゲッター１３の支持具を兼ねている。
特に、キャップ２６の上端面３５は、保持穴１１の径のほぼ半分を覆っており、非蒸発型のゲッター１３の保持穴１１からの脱落を防止する。
ガス吸着素子１０を保持するために、また従来のように非蒸発型のゲッターを支持するために、別途金属などよりなる支持具を必要としない。
多孔質ガス吸着剤１２を構成するゼオライトは比較的安価な材料であり、ガス吸着素子１０および赤外線センサ２０のコストを低減できる。
【００２５】
赤外線センサ製造工程において、ガス吸着素子１０を構成する多孔質ガス吸着材１２を、非蒸発型のゲッター１３の活性化温度以下にてガス放出させた後、ガス吸着素子１０に保持されている非蒸発型のゲッター１３の活性化を行い、その後ガス吸着素子１０を赤外線センサ２０に封入する工程を用いることで、非蒸発型のゲッター１３のガス吸着特性を損ねることなく多孔質ガス吸着材１２の脱ガスを行える。
【００２６】
さらに、脱ガス工程と活性化工程は、同じヒータブロック６３を用いて加熱温度制御を変えるだけでできるので、製造コストアップとなることなく、ガス吸着素子のガス吸着性能を向上できる。
また、真空排気した後に非蒸発型のゲッター１３を活性化するためにガス吸着素子１０全体を活性化温度で加熱しても、多孔質ガス吸着材１２の細孔が緻密化しないので、活性化のための加熱処理により、多孔質ガス吸着材１２の炭化水素系ガスの吸着能力が劣化しない。
【００２７】
なお、本実施の形態の多孔質ガス吸着材１２の開口部１４の形状を円筒形としたが、四角筒形としてもよい。
また、多孔質ガス吸着材１２をゼオライトのような導電性のない材料とすることにより、ガス吸着素子１０の開口部１４の内周面を接続端子２２に接触するぎりぎりまで接近でき、多孔質ガス吸着材１２の体積、または露出面を増大させガス吸着能力を長く維持できる。
キャップ２６の上端面３５は、多孔質ガス吸着材１２の上面の露出ができるだけ大きくなるように、形成することが望ましい。
【００２８】
以上、本実施の形態の多孔質ガス吸着材１２として、ゼオライトを例に説明したがシリカゲル、活性炭でもよい。また、ゼオライト、シリカゲル、活性炭のいずれか２つ以上を用いた複合材でもよい。
【００２９】
また、本発明のガス吸着素子を用いた電子機器の真空容器内への密封製造方法（図５、６、７）において、ガス吸着素子１０を保持穴１１の開口側を下側に向け、キャップ２６の内面側を上側に向けた状態で、キャップ２６にガス吸着素子１０を落とし込んだが、それに限定されるものではない。
ステム２１の内面側を上にして溶接治具で下側から保持し、その上からガス吸着素子１０の保持穴１１の開口側を上側にして落とし込むようにしてもよい。
その場合、さらにキャップ２６の内面側を下側にして上側から保持した溶接治具の下に、ステム２１を保持した溶接治具を移動し、さらに上方に移動して周縁部３２、３３を合わせて溶接するようにしてもよい。
このようにすることにより、保持穴１１に入れる非蒸発型のゲッター１３の外径を保持穴１１の径より小さめにし、非蒸発型のゲッター１３が赤外線センサ２０内部のガスと接触しやすくでき、かつ組み立て時の非蒸発型のゲッター１３の保持穴１１からの脱落を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の赤外線センサの断面図である。
【図２】本発明のガス吸着素子の斜視図である。
【図３】ゼオライトのガス吸着特性図である。
【図４】非蒸発型のゲッターの活性化条件を示す図である。
【図５】本発明におけるガス吸着素子を収納する真空容器の組み立て工程の示す図である。
【図６】本発明におけるガス吸着素子を収納する真空容器の組み立て工程の示す図である。
【図７】本発明におけるガス吸着素子を収納する真空容器の組み立て工程の示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０      ガス吸着素子
１１      保持穴
１２      多孔質ガス吸着材
１３      非蒸発型のゲッター
１４      開口部
２０      赤外線センサ
２１      ステム
２２      接続端子
２３      赤外線センサチップ
２４      ワイヤボンディング
２５      赤外線透過窓
２６      キャップ
２７      有機系接着剤
２８      ガラス材
２９      シール溶接部
３０      貫通孔
３１      低温ガラス
３２、３３    周縁部
３４      円筒部
３５      上端面
３６      窓の縁部
６１、６２    溶接治具
６３      ヒータブロック
６４      可動爪
【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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【図７】
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