(57)【要約】【課題】放射線センサを製作する方法を提供する。【解決手段】複数の熱電対列が、あるウェーハ上に形成され、熱電対列用の複数のパッケージが、別のウェーハ内に形成される。各パッケージが、ウィンドウで覆われた形成済みのウェルを含む。これらの２枚のウェーハが、制御されたガスまたは真空環境内で、各熱電対列がウェル内でパッケージのウィンドウの下方にあるように接合される。【選択図】図４
2008139315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線センサを製作する方法であって、
あるウェーハ上に、複数の熱電対列を形成する段階と、
別のウェーハ内に、前記複数の熱電対列用の、ウィンドウで覆われた形成済みウェルをそれぞれが含む複数のパッケージを形成する段階と、
前記ウェーハを、制御されたガスまたは真空環境内で、各熱電対列が前記ウェル内でパッケージの前記ウィンドウの下方にあるように接合する段階と
を含む方法。
【請求項２】
各パッケージの前記ウェルが、前記ウェーハのエッチングによって形成される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ウィンドウが波長依存フィルタを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
放射線センサを製作する方法であって、
熱電対列を形成する段階と、
半導体材料内に形成されてウィンドウで覆われたウェルを含む、前記熱電対列用のパッケージを形成する段階と、
前記パッケージを前記熱電対列に、制御されたガスまたは真空環境内で接合する段階と
を含む方法。
【請求項５】
ウェルがシリコン基板内にエッチングされる、請求項４記載の方法。
【請求項６】
ウェーハを熱電対列に接合する段階をさらに含む、請求項４記載の方法。
【請求項７】
放射線センサであって、
熱電対列と、
半導体材料内に形成された、前記熱電対列を覆うウェル、および前記ウェルを覆うウィンドウを含む、前記熱電対列用のパッケージと、
前記ウェル内の制御されたガスまたは真空と
を備える放射線センサ。
【請求項８】
半導体材料がシリコンである、請求項７記載のセンサ。
【請求項９】
パッケージが、接点パッド用の穴を含む、請求項７記載のセンサ。
【請求項１０】
熱電対列の上にウェーハをさらに含む、請求項７記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外センサなどのセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な赤外センサは、半導体プロセスによってシリコンで形成される熱電対列（サーモパイル）を含む。本参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，９８７，２２３号を参照されたい。熱電対列はベースに接合され、次いでＴＯ型のカンまたはパッケージで覆われる。ＴＯカンの蓋が、開口を製作するために穿孔され、次いでＴＯカンの蓋に開口を覆って取り付けられたウィンドウまたはフィルタによって覆われる。ＴＯパッケージは、熱電対列を制御された環境内で維持する働きをする。カン内のガスの熱伝導率が変化すると、センサの応答が変化する恐れがある。したがって、ＴＯカンは一般に、乾燥不活性ガスで満たされる、または真空にされる。その結果得られるパッケージは、赤外放射がフィルタを通って進入するのとともに、赤外センサまたは熱電対列を環境の変化から保護するのを可能にする。
【０００３】
そのようなセンサを製作するためには、半導体プロセスを使用して熱電対列が形成される。次いで、熱電対列が、半導体製造エリアから移される。次いで、ＴＯカンが準備され、その蓋にフィルタが取り付けられ、熱電対列がベースに接合され、必要な電気接続が形成され、カンがベースに溶接される。その結果、かなりの手作業をしばしば必要とするプロセスになる。使用されるＴＯカンパッケージは、最新の自動回路板組立装置を用いて配置するのに適していない。また、ＴＯカンパッケージング技法は、センサのサイズを大幅に増大させ、有意な価値を付加することなくコストを追加する恐れがある。最後に、ＴＯカンパッケージシステムは、必ずしも気密密閉されるとは限らず、ＴＯカン内のガス容器の含量が経時変化して、熱電対列の性能に悪影響を及ぼす恐れがある。
【特許文献１】米国特許第６，９８７，２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、改良された放射線センサが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、全体を通して半導体プロセスを使用して製造することができる、完全なセンサが提供される。ＴＯ型カンの必要性が解消される。この方法により、熱電対列の周りにより良く気密密閉された環境がもたらされる。この方法は、センサの製作に関連する手作業の量を低減させる。センサをより小さくし、より低いコストで製作することができる。
【０００６】
本発明は、従来技術のＴＯカンを不要にし、その代わりに、熱電対列の基板に接合される基板（一般にシリコン）内にウェルが形成（一般にエッチング）される、半導体製作技法を使用して製造されたパッケージを提供することによって、より優れた、よりコストの低いセンサがもたらされるという認識に由来するものである。
【０００７】
しかし、本発明は、他の実施形態では、それら全ての目的を達成する必要はなく、添付の特許請求の範囲が、それらの目的を達成することができる構造または方法に限定されるべきではない。
【０００８】
本発明は、放射線センサを製作する方法を特徴とする。あるウェーハ上で、複数の熱電対列が形成される。別のウェーハでは、熱電対列用の複数のパッケージが形成され、各パッケージは、ウィンドウで覆われたウェルを含む。シリコンは本来、赤外透過材料であるので、シリコンウェーハがウィンドウとして働くことが可能であり、その赤外透過性を、適切な反射防止被覆を使用することによってさらに高めることができる。これらのウェーハが、制御されたガスまたは真空環境内で、各熱電対列がウェル内でパッケージのウィンドウの下方にあるように接合される。
【０００９】
一般に、各パッケージのウェルは、ウェーハのエッチングによって形成される。ＫＯＨエッチング液を使用して、角度がつけられた側面を有するウェルを製作することができる。あるいは、深堀り反応性イオンエッチングプロセス（ＤＲＩＥ）を使用して、平行面を有するウェルを製作することもできる。ウィンドウは通常、フィルタとして働き、一変形形態では、波長依存フィルタとして働く。一例では、ウィンドウは、ウェルに接合される。別の例では、ウィンドウは、ウェルと一体をなし、ウェーハ内に部分的にだけエッチングすることによって製作される。
【００１０】
これらのウェーハを互いに接合し、次いでダイシングして、個々の放射線センサを製作することができる。複数の熱電対列を含むウェーハと複数のパッケージを含むウェーハとが互いに接合される前または接合された後に、別のウェーハを、複数の熱電対列を含むウェーハに接合することができる。
【００１１】
本発明による放射線センサを製作する１つの方法は、熱電対列を形成すること、半導体材料内に形成されて、ウィンドウによって覆われたウェルを含む、熱電対列用のパッケージを形成すること、次いで、パッケージを熱電対列に、制御されたガスまたは真空環境内で接合することを特徴とする。
【００１２】
本発明による放射線センサは、熱電対列と、半導体材料内に形成された、熱電対列を覆うウェル、およびウェルを覆うウィンドウを含む、熱電対列用のパッケージと、ウェル内の制御されたガスまたは真空とを含む。
【００１３】
一般に、半導体材料はシリコンであり、ウェルがエッチングされる。典型的なウィンドウは、フィルタとして働く。一変形形態では、放射線センサが、熱電対列の下にウェーハを含んでもよく、かつ／または熱電対列用のパッケージが穴を含んでもよい。
【００１４】
一例では、ウィンドウが、ウェルに接合される別個の部片である。別の例では、ウィンドウがウェルと一体をなし、シリコン基板を部分的にだけエッチングすることによって形成される。ウェルは、角度がつけられた、または垂直な側面を有してよい。
【００１５】
好ましい実施形態についての以下の説明および添付の図面から、当業者には他の特徴および利点が想到されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に開示される好ましい１つまたは複数の実施形態とは別に、本発明は、他の実施形態が可能であり、またさまざまな方法で実施することが可能である。したがって本発明は、その利用において、以下の説明に記載の、または図面内に示される、構成の詳細および構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。１つの実施形態しか本明細書に記載されていない場合、添付の特許請求の範囲はその実施形態に限定されない。さらに、添付の特許請求の範囲は、何らかの除外、制限または放棄を示す明確かつ確信を抱かせるに足る証拠がない限り、限定して読まれるべきではない。
【００１７】
図１は、ベース１４に溶接されたＴＯカン１２を含む、従来技術の赤外センサ１０を示す。ＴＯカン１２の蓋１８は、蓋１８に蓋１８内の開口を覆って取り付けられたフィルタ１６を含む。熱電対列構造２０が、カン１２の内側のベース１４上にある（図２）。熱電対列２０の構成はさまざまでよいが、一般には、感熱素子２２ａおよび２２ｂと、ダイアフラムまたは膜２４（例えば、誘電体、ｐシリコン、および他の材料からなる層）と、冷接点２８ａおよび２８ｂを形成するシリコンヒートシンク２６と、吸収体３２との温接点３０とを含む。
【００１８】
本発明は、赤外センサおよび他のセンサに一般に使用されるＴＯカン型パッケージを不要にする。その代わりに、好ましい一実施形態では、半導体、一般にシリコンウェーハ基板４０（図３Ａ）を４１に示すようにマスクし、次いで、図３Ｂに示すようにエッチングして、ウェル４２を製作する。ＫＯＨエッチングプロセスが使用される場合、角度がつけられたウェル壁面４２ａ、４２ｂを形成することができる。あるいは、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使用して、垂直壁面を製作することもできる。次に、フィルタ４６を、例えばシリコン接合技法を使用して、ウェル４２を覆って接合する（図３Ｃ）。シリコン、サファイア、および他の材料で製作された、波長依存フィルタならびに広帯域通過フィルタおよび狭帯域通過フィルタを含む多数のフィルタが、当業者に公知である。
【００１９】
次いで、いくつかのこうした形成済みパッケージを含むウェーハ５０を、同数の図２に示す熱電対列を含むように加工されたウェーハ５２に接合する。この２枚のウェーハを、制御されたガス環境５４内で、または別法として真空内で接合することによって、ダイシング後の結果、制御されたガスがウェル４２内にあり（図５）、パッケージ６０と熱電対列構造２０の間が気密密閉となる。
【００２０】
この例では、好ましいセンサパッケージ材料としてシリコンが使用されたが、半導体業界および半導体加工技法において一般に使用される他の材料が適切となり得る。したがって、「半導体材料」という表現とは、微小電気機械構造の製造に使用される材料を含めて、半導体業界において一般に使用される材料を意味する。一変形形態では、例えば別のウェーハまたはプリント回路板などのベース６４をセンサに追加して、関連する配線、リード、およびピン、または他の電気接続を、２枚のウェーハが接合される前または接合された後に、必要に応じて形成することができる。ベース６４は、取付面として働くことができ、ウェーハの場合には、上記で論じたように制御されたガス環境または真空中で接合することによって、密閉することができる。一般には、空洞４２が深いほど、その結果得られる熱電対列がより高感度になる。次いで、センサを、標準的な半導体パッケージ内にパッケージングする、またはチップスケールパッケージング技法を使用して、回路内に集積することができる。
【００２１】
その結果、半導体プロセスを使用して製造される完全なセンサとなり、ＴＯ型カンの必要性が解消され、センサの製作に関連する手作業の量が低減される。熱電対列の周りの気密密閉がより良くなり、それによってより高い信頼性がもたらされる。さらに、センサがより小さくなり、大規模に製造される場合、センサを低減されたコストで製作することができる。
【００２２】
別のタイプでは、半導体材料４０（図６Ａ）を、４１に示すようにマスクし、次いで、図６Ｂに示すように部分的にエッチングして、ウェル４２’および一体型ウィンドウ／フィルタ４６’を製作する。所望の厚さのウィンドウ／フィルタ４６’を製作するための適当なエッチング制御技法が、当業者に公知である。
【００２３】
次いで、上述のように、いくつかのこうした形成済みパッケージを含むウェーハを、同数の図２に示す熱電対列を含むように加工されたウェーハに接合する。２枚のウェーハを制御されたガス環境内、または別法として真空内で接合することによって、ダイシング後の結果、制御されたガスがウェル４２’内にあり（図７）、パッケージ６０’と熱電対列構造２０の間が気密密閉となる。パッケージ６０’はこの場合、一体型ウィンドウ／フィルタ４６’を含む。シリコンが好ましいフィルタ材料でない場合、必要ならフィルタ４６’を被覆することができる。
【００２４】
別の実施形態では、半導体材料４０（図８）を、４１’に示すようにマスクし、次いでエッチングして、例えば接点パッド８２の最終的な配置用にシリコンカップ（図示の）または穴（図示せず）８０（図９）を形成する。
【００２５】
図１０に示す別の実施形態では、熱電対列２０用のシリコンベース２６’を、まずウェーハ９２内に空洞９０を例えばＫＯＨまたはＤＲＩＥ技法を使用してエッチングすることによって形成する。第２のウェーハを、第１のウェーハ９２に接合し、第２のウェーハの大部分をエッチング除去して、薄いダイアフラム２４’を残す。熱電対列２０および関連する電気接続を、ダイアフラム層２４’上に形成する。最後に、上記で図８において説明したように形成されたものなど、半導体材料４０からなるキャップを、薄いダイアフラム２４’および熱電対列２０の上で、第１の層９０のシリコンベース２６’に接合する。キャップ４０を、ダイアフラム２４’をシリコンベース２６’に接合した後、熱電対列２０の周りに制御されたガス環境を捕捉する、または真空を形成するように、上記のようにして薄いダイアフラム２４’に接合する。
【００２６】
本発明の特定の特徴が、示されている図面もあれば示されていない図面もあるが、これは便宜を図るために他ならない。というのも、各特徴を、本発明による他の特徴のいずれかまたは全てと組み合わせることができるためである。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、および「伴う（ｗｉｔｈ）」という語は、本明細書では、広義かつ包括的に解釈すべきであり、任意の物理的な相互接続に限定されない。さらに、本願において開示された任意の実施形態だけが、可能な実施形態であるとして解釈すべきではない。他の実施形態が当業者には想到され、それらは添付の特許請求の範囲内にある。
【００２７】
本記載では、最良の形態を含めて、本発明を開示するための、また当業者が本発明を製作し、使用するのを可能にするための例を使用している。本発明の特許性のある範囲が、特許請求の範囲によって定義され、その範囲には、当業者に想到される他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の範囲に記載の字義通りの文言とは異ならない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲に記載の字義通りの文言とはわずかに異なる等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。
【００２８】
さらに、本特許に関する特許出願の遂行中に提示されるどんな補正も、出願時の本願において提示された任意の請求項の要素を放棄するものではない。当業者は、可能なあらゆる等価物を字義的に包含する請求項を起草することが妥当に期待され得ず、多くの等価物が、補正の時点で予見できず、また放棄されるもの（があるとすればそれ）の公正な解釈を越えており、補正の根拠をなす理論的根拠が、本題から逸れているに他ならない関係を多くの等価物に対して有する可能性があり、かつ／または出願人が、補正される任意の請求項の要素に代わる何らかの非本質的な代替物を記載することが期待され得ない、他の多くの理由がある。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】典型的な従来技術の赤外センサＴＯカンパッケージの概略３次元正面図である。
【図２】図１に示すパッケージ内に収容された典型的な熱電対列構造を示す、概略断面正面図である。
【図３Ａ】半導体型センサパッケージを製作するために、ウェーハをどのように加工することができるかについての、本発明による一実施形態を示す、概略部分断面図である。
【図３Ｂ】半導体型センサパッケージを製作するために、ウェーハをどのように加工することができるかについての、本発明による一実施形態を示す、概略部分断面図である。
【図３Ｃ】半導体型センサパッケージを製作するために、ウェーハをどのように加工することができるかについての、本発明による一実施形態を示す、概略部分断面図である。
【図４】制御された不活性ガスまたは真空環境内で、エッチング済みウェルセンサパッケージを含むウェーハを熱電対列を含むウェーハにどのように接合することができるかについての、本発明による一実施形態を示す、概略高度概念図である。
【図５】本発明に従って製作された完全な赤外センサの一例を示す、概略正面断面図である。
【図６Ａ】一体型フィルタ／ウィンドウを有する半導体型センサパッケージを製作するために、本発明の別の実施形態に従ってウェーハをどのように加工することができるかについて示す、概略部分断面図である。
【図６Ｂ】一体型フィルタ／ウィンドウを有する半導体型センサパッケージを製作するために、本発明の別の実施形態に従ってウェーハをどのように加工することができるかについて示す、概略部分断面図である。
【図７】本発明に従って製作された完全な赤外センサの別の例を示す、概略正面断面図である。
【図８】本発明の一実施形態によるマスキングを示す、概略部分断面図である。
【図９】本発明に従って製作された完全な赤外センサの別の例を示す、概略正面断面図である。
【図１０】本発明の別の実施形態による赤外センサを示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  赤外センサ
１２  ＴＯカン
１４  ベース
１６  フィルタ
１８  蓋
２０  熱電対列構造、熱電対列
２２ａ  感熱素子
２２ｂ  感熱素子
２４  ダイアフラム、膜
２４’  ダイアフラム、ダイアフラム層
２６  シリコンヒートシンク
２８ａ  冷接点
２８ｂ  冷接点
３０  温接点
３２  吸収体
４０  シリコンウェーハ基板、半導体材料、キャップ
４１  マスク
４１’  マスク
４２  ウェル、空洞
４２’  ウェル
４２ａ  ウェル壁面
４２ｂ  ウェル壁面
４６  フィルタ
４６’  一体型ウィンドウ／フィルタ、フィルタ
５０  ウェーハ
５２  ウェーハ
５４  制御されたガス環境
６０  パッケージ
６０’  パッケージ
６４  ベース
８０  シリコンカップ、穴
８２  接点パッド
９０  空洞、第１の層
９２  第１のウェーハ
【図１】
2008139315.tif 000003
【図２】
2008139315.tif 000004
【図３Ａ】
2008139315.tif 000005
【図３Ｂ】
2008139315.tif 000006
【図３Ｃ】
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【図４】
2008139315.tif 000008
【図５】
2008139315.tif 000009
【図６Ａ】
2008139315.tif 000010
【図６Ｂ】
2008139315.tif 000011
【図７】
2008139315.tif 000012
【図８】
2008139315.tif 000013
【図９】
2008139315.tif 000014
【図１０】
2008139315.tif 000015