(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体基板に形成された赤外線センサ基板と、第２の半導体基板に形成された信号処理回路基板とを備えた赤外線センサデバイスであって、
前記赤外線センサ基板は、
前記第１の半導体基板上の第１の方向に沿ってそれぞれ延在する複数の第１の信号線と、
前記第１の半導体基板上の第２の方向に沿ってそれぞれ延在する複数の第２の信号線と、
前記複数の第１の信号線のうちの１つと前記複数の第２の信号線のうちの１つとに接続された赤外線検出素子をそれぞれ含む複数の画素を、前記第１の方向及び前記第２の方向に沿って２次元アレイ状に配置した画素アレイと、
前記複数の第１の信号線を介して前記各赤外線検出素子に接続された第１の電流源と、
前記複数の第２の信号線を介して前記各赤外線検出素子に電圧を印加する第１の電圧源と、
前記複数の第１の信号線に１対１で設けられ、前記複数の第１の信号線にそれぞれ接続された複数の出力端子と、
前記複数の第２の信号線に１対１で設けられ、前記複数の第２の信号線にそれぞれ接続された複数の入力端子と、
前記第１の電圧源により前記各赤外線検出素子に印加される電圧をモニタリング可能なモニタリング端子とを備え、
前記信号処理回路基板は、
前記赤外線センサ基板の複数の出力端子にそれぞれ電気的に接続された複数の入力端子と、
前記信号処理回路基板の複数の入力端子と、前記赤外線センサ基板の複数の出力端子と、前記複数の第１の信号線とを介して、前記赤外線センサ基板の各赤外線検出素子の出力信号を受信して処理する信号処理回路と、
前記赤外線センサ基板の複数の入力端子にそれぞれ電気的に接続された複数の出力端子と、
前記信号処理回路基板の複数の出力端子と、前記赤外線センサ基板の複数の入力端子と、前記複数の第２の信号線とを介して、前記各赤外線検出素子に電圧を印加する第２の電圧源とを備え、
前記第１及び第２の電圧源は、前記各赤外線検出素子に同時に電圧を印加することを特徴とする赤外線センサデバイス。
【請求項２】
前記第１の電圧源は、前記複数の第２の信号線を介して前記各赤外線検出素子に選択的に電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の赤外線センサデバイス。
【請求項３】
前記第１の電流源は、前記複数の第１の信号線を介して前記各赤外線検出素子に選択的に接続されることを特徴とする請求項１又は２記載の赤外線センサデバイス。
【請求項４】
前記第１の電圧源は、前記複数の第２の信号線を介して前記各赤外線検出素子に可変な電圧を印加する電圧調整回路を含むことを特徴とする請求項１〜３のうちの１つに記載の赤外線センサデバイス。
【請求項５】
前記信号処理回路基板は、前記信号処理回路基板の複数の入力端子と、前記赤外線センサ基板の複数の出力端子と、前記複数の第１の信号線とを介して、前記各赤外線検出素子に接続された第２の電流源をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のうちの１つに記載の赤外線センサデバイス。
【請求項６】
前記赤外線センサ基板は第１の面及び第２の面を有し、
前記信号処理回路基板は第１の面及び第２の面を有し、
前記赤外線センサ基板の複数の出力端子及び複数の入力端子は、複数の第１のバンプを介して、前記信号処理回路基板の複数の入力端子及び複数の出力端子に電気的に接続され、
前記赤外線センサ基板の第１の面と前記信号処理回路基板の第１の面とは互いに対向し、前記第１のバンプの高さだけ離間して互いに機械的に接合されることを特徴とする請求項１〜５のうちの１つに記載の赤外線センサデバイス。
【請求項７】
前記信号処理回路基板の第２の面に、赤外線の反射防止膜が形成されることを特徴とする請求項６記載の赤外線センサデバイス。
【請求項８】
前記信号処理回路基板の表面における電極以外の領域に、赤外線の反射防止膜が形成されることを特徴とする請求項６記載の赤外線センサデバイス。
【請求項９】
前記信号処理回路基板の第２の面の最表面に、赤外線を反射するゲッター薄膜が形成されることを特徴とする請求項６記載の赤外線センサデバイス。
【請求項１０】
前記ゲッター薄膜は信号処理回路基板の接地導体に接続されることを特徴とする請求項９記載の赤外線センサデバイス。
【請求項１１】
前記赤外線センサ基板は、前記赤外線センサ基板の第１の面と前記信号処理回路基板の第１の面とが互いに対向する領域において、赤外線検出素子を含む少なくとも１つの基準画素をさらに備え、
前記基準画素は、前記赤外線検出素子の温度に応じて変化する信号を出力する請求項６〜１０のうちの１つに記載の赤外線センサデバイス。
【請求項１２】
前記赤外線センサ基板の第１の面と前記信号処理回路基板の第１の面とは、前記赤外線センサ基板の回路と前記信号処理回路基板の回路とを電気的に接続する複数の前記第１のバンプと、前記赤外線センサ基板の回路と前記信号処理回路基板の回路とを電気的に接続しない複数の第２のバンプとによって、互いに対向し、前記第１のバンプ及び前記第２のバンプの高さだけ離間して互いに機械的に接合されることを特徴とする請求項６〜１１のうちの１つに記載の赤外線センサデバイス。
【請求項１３】
前記第１及び第２のバンプは互いに異なる材料からなり、前記第２のバンプの材料は、前記第１のバンプの材料の融点よりも高い融点を有することを特徴とする請求項１２記載の赤外線センサデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出素子をそれぞれ含む複数の画素の画素アレイを備えた赤外線センサ基板と、各赤外線検出素子の出力信号を処理する信号処理回路を備えた信号処理回路基板とからなる赤外線センサデバイスに関する。また、本発明は、そのような赤外線センサデバイスのための赤外線センサ基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、セキュリティ、医療、車載応用などの様々な分野において、赤外線センサに対する需要があり、検出能力の向上が図られてきた。赤外線センサとして、例えば、入射した赤外線による温度変化を２次元配列された半導体センサで検出する熱型赤外線センサ（「熱型赤外線固体撮像素子」ともいう）がある。特に、冷却装置が不要な熱型赤外線センサは様々な手法により高感度化がなされ、性能、価格、使いやすさから普及してきている。車載応用などにおいては、動く物体を被写体とし、さらに人を検出するなど、より高性能なセンサが求められている。【０００３】
熱型赤外線センサは、入射した赤外線を熱に変換したことによる温度変化によって生じる物性値の変化を電気信号として読み出している。このため、赤外線センサでは、赤外線の検出感度を高めるため、すなわち、入射した赤外線を吸収することで発生した熱による感熱部の温度変化を大きくするために、赤外線検出部である赤外線検出素子を基板から熱的に隔離した断熱構造が採用される。【０００４】
さらに、断熱性を高めるため、赤外線検出素子が真空中に保持された状態とし、赤外線センサの全体をパッケージにより真空封止することで、赤外線検出素子の雰囲気による伝導又は対流に起因する熱抵抗の低下を防止している。赤外線センサに対する要求として、車載応用のナイトビジョンでは、動く人間や物体を検出するために、解像度（画素数）及びフレームレートの向上が求められている。その結果として、赤外線センサの回路規模が増大し、チップ面積及びシステムでの実装面積が増大し、最終的なコスト高を招くこととなる。【０００５】
そこで、赤外線センサを、赤外線検出素子をそれぞれ含む複数の画素の画素アレイを備えた赤外線センサ基板と、各赤外線検出素子の出力信号を処理する信号処理回路（アナログ／ディジタル変換器など）を備えた信号処理回路基板とに分離し、赤外線センサ基板と信号処理回路基板とを互いに対向させて組み立てるものが知られている。これにより、簡便な製造プロセスで、チップ面積及び実装面積の増大を抑制することが可能となる。赤外線センサ基板を信号処理回路基板の上に配置することにより、小型で高性能な撮像素子を実現している。例えば、特許文献１は、このように撮像チップを画像処理チップの上に積層する固体撮像装置を開示している。【０００６】
しかし、撮像チップ及び画像処理チップは、所定の製造プロセスを用いてそれぞれ製造されるが、製造プロセスの途中で、配線の断線、検出画素の欠陥、などが発生することがある。センサの最終的なテストは、撮像チップ及び画像処理チップをセンサとして組み立てなければ行うことができない。従って、不具合が発生したチップも組み立て後にテストすることになり、不要な実装コストの増加を招いてしまう。このような課題に対して、従来の固体撮像素子では、素子上に断線チェック回路を設け、センサを実動作させることなく配線の断線を判定することにより、不良素子に対する不要なウエハテストやアセンブリ工程をなくし、コスト負担を削減するものがある。例えば、特許文献２は、このような固体撮像素子を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１４６８１６号公報
【特許文献２】特開平４−１８０３７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
赤外線検出素子を含む赤外線センサのように特殊な製造プロセスを用いるデバイスでは、従来の固体撮像装置及び固体撮像素子の製造プロセスを適用しようとすると以下の問題がある。特許文献１のように、センサの最終的なテストを、赤外線センサ基板及び信号処理回路基板を赤外線センサとして組み立てた後に行うと、製造プロセスの途中で不具合が発生したチップも組み立て後にテストすることになり、不要な実装コストの増加を招いてしまう。また、特許文献２のように、素子上に断線チェック回路を設け、センサを実動作させることなく配線の断線を判定しても、画素単位で欠陥を判定することはできない。【０００９】
本発明の目的は、赤外線センサ基板及び信号処理回路基板を赤外線センサデバイスとして組み立てる前に、単独でテスト可能である赤外線センサ基板を提供することにある。本発明の目的はまた、そのような赤外線センサ基板及び信号処理回路基板からなる赤外線センサデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、第１の半導体基板に形成された赤外線センサ基板と、第２の半導体基板に形成された信号処理回路基板とを備えた赤外線センサデバイスが提供される。赤外線センサ基板は、複数の第１の信号線と、複数の第２の信号線と、画素アレイと、第１の電流源と、第１の電圧源と、複数の出力端子と、複数の入力端子と、モニタリング端子とを備える。複数の第１の信号線は、第１の半導体基板上の第１の方向に沿ってそれぞれ延在する。複数の第２の信号線は、第１の半導体基板上の第２の方向に沿ってそれぞれ延在する。画素アレイは、複数の第１の信号線のうちの１つと複数の第２の信号線のうちの１つとに接続された赤外線検出素子をそれぞれ含む複数の画素を、第１の方向及び第２の方向に沿って２次元アレイ状に配置している。第１の電流源は、複数の第１の信号線を介して各赤外線検出素子に接続される。第１の電圧源は、複数の第２の信号線を介して各赤外線検出素子に電圧を印加する。複数の出力端子は、複数の第１の信号線に１対１で設けられ、複数の第１の信号線にそれぞれ接続される。複数の入力端子は、複数の第２の信号線に１対１で設けられ、複数の第２の信号線にそれぞれ接続される。モニタリング端子は、第１の電圧源により各赤外線検出素子に印加される電圧をモニタリング可能である。信号処理回路基板は、複数の入力端子と、信号処理回路と、複数の出力端子と、第２の電圧源とを備える。複数の入力端子は、赤外線センサ基板の複数の出力端子にそれぞれ接続される。信号処理回路は、信号処理回路基板の複数の入力端子と、赤外線センサ基板の複数の出力端子と、複数の第１の信号線とを介して、赤外線センサ基板の各赤外線検出素子の出力信号を受信して処理する。複数の出力端子は、赤外線センサ基板の複数の入力端子にそれぞれ接続される。第２の電圧源は、信号処理回路基板の複数の出力端子と、赤外線センサ基板の複数の入力端子と、複数の第２の信号線とを介して、各赤外線検出素子に電圧を印加する。第１及び第２の電圧源は、各赤外線検出素子に同時に電圧を印加する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、赤外線センサ基板及び信号処理回路基板を赤外線センサデバイスとして組み立てる前に、単独でテスト可能である赤外線センサ基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る赤外線センサデバイスの概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る赤外線センサデバイスの概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１の変形例に係る赤外線センサデバイスの概略構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る赤外線センサ基板の画素アレイ及び制御回路を示す回路図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る赤外線センサ基板の電圧調整回路を示す回路図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る赤外線センサ基板と信号処理回路基板とを赤外線センサデバイスとして組み立てた状態を示す回路図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る赤外線センサデバイスの概略構成を示す斜視図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る赤外線センサ基板の画素アレイ及び制御回路を示す回路図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る赤外線センサ基板と信号処理回路基板とを赤外線センサデバイスとして組み立てた状態を示す回路図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る赤外線センサ基板の画素アレイ及び制御回路を示す回路図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係る赤外線センサ基板と信号処理回路基板とを赤外線センサデバイスとして組み立てた状態を示す回路図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係る赤外線センサデバイスの概略構成を示す斜視図である。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る赤外線センサデバイスの概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る赤外線センサデバイス１の概略構成を示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る赤外線センサデバイス１の概略構成を示す断面図である。図２は、図１のＡ１−Ａ１’線における断面図である。
【００１４】
赤外線センサデバイス１は、赤外線センサ基板１０及び信号処理回路基板２０から構成される。赤外線センサ基板１０及び信号処理回路基板２０は、互いに対向して所定の高さだけ離間して組み立てられている。
【００１５】
図２に示すように、赤外線は、赤外線センサ基板１０及び信号処理回路基板２０の＋Ｚ側の面に入射する。
【００１６】
図１に示すように、赤外線センサ基板１０は第１の半導体基板１１に形成される。赤外線センサ基板１０は、赤外線検出素子をそれぞれ含む複数の画素１２を２次元アレイ状に配置した画素アレイと、各画素１２を制御する制御回路１３とを備える。
【００１７】
赤外線センサ基板１０を製造するとき、まず、断熱構造体を形成する前に、第１の半導体基板１１（シリコン基板）に対してウエハプロセスを用いて、画素１２の画素アレイと、制御回路１３とを形成する。その後、信号処理回路基板２０との接続のために、第１の半導体基板１１の表面へメタライズパターンを形成する。具体的には、例えばスパッタ法により第１の半導体基板１１の全面に下層から上層へ順にクロム及び銅を成膜し、その後、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。次に、電解メッキ法により下層から上層へ順にニッケル及び金を形成し、その後、レジストを除去し、下地膜を除去し、メタライズパターンを形成する。次に、ウエハをダイシングして個別のチップに分離し、その後、マイクロマシニング技術によりシリコンエッチング等を行うことで、断熱構造体からなる画素１２の画素アレイを備える赤外線センサ基板１０を製造する。なお、製造時にウエハからのダイシングは必須ではなく、ウエハ形態のまま同様に処理を行って赤外線センサ基板１０を製造してもよい。
【００１８】
図２に示すように、信号処理回路基板２０は第２の半導体基板２１に形成される。信号処理回路基板２０は、接地導体２２及び信号処理回路２３を備える。信号処理回路２３は、赤外線センサ基板１０の各赤外線検出素子の出力信号を処理する。信号処理回路２３は、各赤外線検出素子の出力信号を読み出すための読み出し回路、その信号を増幅する増幅器、サンプルホールド、アナログ／ディジタル変換器、ディジタル信号処理回路などを含む。信号処理回路基板２０の＋Ｚ側の面には、入射する赤外線の反射光により迷光成分が発生することを防止する目的で、赤外線の反射防止膜２４（ＡＲ（Anti Reflection）コート）が形成されてもよい。
【００１９】
信号処理回路基板２０は、特殊な製造プロセスを用いる赤外線センサ基板１０とは別に製造されるので、従来の一般的なシリコンウエハプロセスにより製造可能である。
【００２０】
赤外線センサ基板１０の＋Ｚ側の面と信号処理回路基板２０の−Ｚ側の面とは、複数のバンプ３１と、複数のダミーバンプ３２とによって、互いに対向し、バンプ３１及びダミーバンプ３２の高さだけ離間して互いに機械的に接合される。各バンプ３１は、導電性材料からなり、赤外線センサ基板１０の各回路と信号処理回路基板２０の各回路とを電気的に接続する。一方、各ダミーバンプ３２は、赤外線センサ基板１０の各回路と信号処理回路基板２０の各回路とを電気的に接続しない。本明細書では、各バンプ３１を「第１のバンプ」ともいい、各ダミーバンプ３２を「第２のバンプ」ともいう。
【００２１】
バンプ３１及びダミーバンプ３２は、互いに異なる材料からなるものでもよい。この場合、ダミーバンプ３２の材料は、バンプ３１の材料の融点よりも高い融点を有してもよい。例えば、バンプ３１の材料がインジウム又はインジウム合金であるとき、ダミーバンプ３２の材料はニッケル又は銅などであってもよい。互いに異なる融点を有するバンプ３１及びダミーバンプ３２を用いることにより、赤外線センサ基板１０及び信号処理回路基板２０を以下のように機械的かつ電気的に接合することができる。まず、ダミーバンプ３２の融点より高い温度でダミーバンプ３２を加熱して溶融し、赤外線センサ基板１０及び信号処理回路基板２０をダミーバンプ３２により互いに機械的に接合する。これにより、赤外線センサ基板１０及び信号処理回路基板２０は、ダミーバンプ３２の高さだけ互いに離間する。次に、バンプ３１の融点より高くかつダミーバンプ３２の融点より低い温度でバンプ３１を加熱して溶融し、赤外線センサ基板１０及び信号処理回路基板２０を、ダミーバンプ３２の高さだけ互いに離間したまま、バンプ３１により互いに機械的かつ電気的に接合する。これにより、赤外線センサ基板１０及び信号処理回路基板２０の間の距離は、ダミーバンプ３２の高さによって決まる。このように、ダミーバンプ３２の材料がバンプ３１の材料の融点よりも高い融点を有することにより、赤外線センサ基板１０及び信号処理回路基板２０を高精度で互いに接合することができる。
【００２２】
以上のように、赤外線センサ基板１０及び信号処理回路基板２０を最終的な赤外線センサデバイス１として組み立てることができる。
【００２３】
図１等に示すように、赤外線センサ基板１０のサイズが信号処理回路基板２０のサイズよりも大きくてもよく、又は、その逆であってもよい。本明細書の例では、赤外線センサ基板１０からみて、信号処理回路基板２０が設けられる方向から赤外線が入射するので、画素１２の画素アレイは、赤外線センサ基板１０の両面のうち、信号処理回路基板２０と対向する面に設けられる。
【００２４】
図３は、本発明の実施の形態１の変形例に係る赤外線センサデバイス１Ａの概略構成を示す断面図である。赤外線センサデバイス１Ａは、図２の信号処理回路基板２０に代えて信号処理回路基板２０Ａを備える。信号処理回路基板２０Ａの＋Ｚ側の面には、図２の反射防止膜２４に代えて、真空度を維持するためのゲッター薄膜２５であって、赤外線を反射するゲッター薄膜２５が形成される。ゲッター薄膜２５は、信号処理回路基板２０の接地導体２２に接続される。ゲッター薄膜２５を信号処理回路基板２０の接地導体２２に接続することにより、ゲッター薄膜２５をノイズに対するシールドとして機能させ、ノイズによる影響を抑制することができる。
【００２５】
図４は、本発明の実施の形態１に係る赤外線センサ基板１０の画素アレイ及び制御回路１３を示す回路図である。
【００２６】
赤外線センサ基板１０には、第１の半導体基板１１上のＹ方向に沿ってそれぞれ延在する複数の列信号線１０１と、第１の半導体基板１１上のＸ方向に沿ってそれぞれ延在する複数の行信号線１０２とが形成される。本明細書では、Ｙ方向を「第１の方向」又は「垂直方向」ともいい、Ｘ方向を「第２の方向」又は「水平方向」ともいう。また、本明細書では、各列信号線１０１を「第１の信号線」ともいい、各行信号線１０２を「第２の信号線」ともいう。複数の列信号線１０１のうちの１つと複数の行信号線１０２のうちの１つとに接続された赤外線検出素子１００をそれぞれ含む複数の画素１２を、Ｙ方向及びＸ方向に沿って２次元アレイ状に配置して画素アレイが形成される。各列信号線１０１の一端には端子１１１がそれぞれ接続され、各行信号線１０２の一端には端子１１２がそれぞれ接続される。各端子１１１，１１２は、バンプ３１を介して信号処理回路基板２０に接続可能である。本明細書では、端子１１１を赤外線センサ基板１０の「出力端子」ともいい、端子１１２を赤外線センサ基板１０の「入力端子」ともいう。
【００２７】
各画素１２の赤外線検出素子１００は、例えば、第１の半導体基板１１上に支持脚によって中空保持される。各赤外線検出素子１００は、例えば、ダイオード、抵抗ボロメータ、薄膜強誘電体、熱電素子などのＭＥＭＳ技術を利用した素子であってもよい。
【００２８】
制御回路１３は、列信号線１０１ごとに１つずつ設けられたスイッチング素子１０３，１０４及び電流源１０５と、１つの列選択回路１０６と、１つの行選択回路１０７と、１つの電圧調整回路１０８とを備える。各電流源１０５は、スイッチング素子１０３，１０４を介して列信号線１０１に接続され、列信号線１０１を介して複数の画素１２の赤外線検出素子１００に接続される。本明細書では、各電流源１０５を「第１の電流源」ともいう。スイッチング素子１０３は、端子１１４から入力される制御信号に応じて、各電流源１０５を各列信号線１０１に対して接続又は切断する。スイッチング素子１０３は、赤外線センサ基板１０をテストするときのみオンされる。列選択回路１０６は、スイッチング素子１０４を用いて、各電流源１０５を、対応する列信号線１０１を介して各赤外線検出素子１００に選択的に接続する。行選択回路１０７は、各行信号線１０２を介して各赤外線検出素子１００に選択的に電圧を印加する。電圧調整回路１０８は、端子１１３から入力される制御信号に応じて、各行信号線１０２を介して複数の画素１２の赤外線検出素子１００に可変な電圧を印加する。本明細書では、行選択回路１０７及び電圧調整回路１０８を「第１の電圧源」ともいい、端子１１３を「モニタリング端子」ともいう。
【００２９】
図５は、本発明の実施の形態１に係る赤外線センサ基板１０の電圧調整回路１０８を示す回路図である。電圧調整回路１０８は、行信号線１０２ごとに１つずつ設けられたスイッチング素子１２１及び増幅器１２２，１２３を備える。スイッチング素子１２１及び増幅器１２２，１２３はバッファ回路として動作し、その出力電圧は、端子１１３から入力される制御信号に応じて変化する。
【００３０】
再び図４を参照すると、赤外線センサ基板１０をテストするとき、制御回路１３の端子１１３，１１４に欠陥判定回路４１が接続される。欠陥判定回路４１は、電源回路４２を備え、赤外線センサ基板１０のテストに必要な電力を制御回路１３に供給する。欠陥判定回路４１は、端子１１３を介して、各赤外線検出素子１００に印加される電圧を設定し、さらに、端子１１３を介して、行選択回路１０７及び電圧調整回路１０８により各赤外線検出素子１００に印加される電圧をモニタリングすることができる。
【００３１】
このように、赤外線センサ基板１０は、信号処理回路基板２０の信号処理回路２３のうち、少なくとも、画素アレイに電圧を印加し、かつ電流を流すことを可能にする手段（すなわち、各電流源１０５、列選択回路１０６、行選択回路１０７、及び電圧調整回路１０８）を有する。列選択回路１０６及び行選択回路１０７により、２次元アレイ状に配置された画素１２を１つずつ選択することができる。行選択回路１０７及び電圧調整回路１０８により、各画素１２の赤外線検出素子１００に可変な電圧を印加し、その電圧をモニタリングすることにより、欠陥判定回路４１は欠陥画素又は欠陥ラインなどを判定することができる。
【００３２】
端子１１３から供給される電圧が各画素１２の電源となっているとき、例えば、ある画素１２において短絡が発生すると、端子１１３において異常な電圧及び電流が生じる。欠陥判定回路４１は、このような異常な電圧及び電流を検出することにより、信号処理回路基板２０が赤外線センサ基板１０に接続されていない状態でも、赤外線センサ基板１０のみで画素１２の断線、短絡、漏れ電流を判定することができる。従って、赤外線センサデバイス１の全体を実際に動作させることなく、不良チップを選別することができる。
【００３３】
図６は、本発明の実施の形態１に係る赤外線センサ基板と信号処理回路基板とを赤外線センサデバイスとして組み立てた状態を示す回路図である。赤外線センサ基板１０の複数の端子１１１は、複数のバンプ３１を介して、信号処理回路基板２０の複数の端子２１１に接続される。本明細書では、各端子２１１を信号処理回路基板２０の「入力端子」ともいう。
【００３４】
信号処理回路基板２０の信号処理回路２３は、端子２１１ごとに１つずつ設けられたスイッチング素子２０１、電流源２０２，２０３、演算増幅器２０４、及びスイッチング素子２０５と、１つの列選択回路２０６と、１つの増幅器２０７とを備える。各端子２１１は、演算増幅器２０４の反転入力端子に接続され、さらに、スイッチング素子２０１及び電流源２０２，２０３を介して演算増幅器２０４の非反転入力端子に接続される。従って、各電流源２０２，２０３は、信号処理回路基板２０の端子２１１と、バンプ３１と、赤外線センサ基板１０の端子１１１及び列信号線１０１とを介して、各画素１２の赤外線検出素子１００に接続される。本明細書では、各電流源２０２，２０３を「第２の電流源」ともいう。演算増幅器２０４の非反転入力端子には、さらに、端子２１３を介してバイアス電圧が印加される。スイッチング素子２０１は、端子２１２から入力される制御信号に応じて、各端子２１１を各電流源２０２，２０３に対して接続又は切断する。スイッチング素子２０１は、赤外線センサデバイス１を実際に動作させて撮像するときにオンされる。各演算増幅器２０４は、積分回路として動作する。列選択回路２０６は、各スイッチング素子２０５を用いて、各演算増幅器２０４の出力信号を選択的に増幅器２０７に送る。増幅器２０７は、増幅した信号を端子２１４に出力する。
【００３５】
赤外線センサデバイス１を実際に動作させて撮像するとき、信号処理回路基板２０の列選択回路２０６及び赤外線センサ基板１０の行選択回路１０７により、２次元アレイ状に配置された画素１２を１つずつ選択することができる。赤外線センサデバイス１を実際に動作させて撮像するとき、各画素１２の赤外線検出素子１００には、赤外線センサ基板１０の電流源１０５ではなく、信号処理回路基板２０の電流源２０２，２０３が接続される。行選択回路１０７及び電圧調整回路１０８により、各画素１２の赤外線検出素子１００に可変な電圧が印加される。演算増幅器２０４には、各画素１２の赤外線検出素子１００に接続された電流源２０２の両端電圧と、端子２１３に接続された電流源２０３の両端電圧とが入力される。その結果、増幅器２０７は、最終的に、水平方向の配線抵抗による電圧降下分布が減算された信号を出力する。
【００３６】
図６によれば、信号処理回路基板２０は、赤外線センサ基板１０からバンプ３１を介して入力された各赤外線検出素子１００の出力信号を、演算増幅器２０４の積分回路によって差動増幅して出力するように構成されている。各赤外線検出素子１００の近傍で各赤外線検出素子１００の出力信号を増幅し、アナログ／ディジタル変換器を用いて信号をディジタルデータへ変換することにより、後段回路での影響を受けずに、最終的に良好な信号を出力することができる。
【００３７】
それに代わって、信号処理回路基板２０は、各赤外線検出素子１００の出力信号を、最初に、アナログ／ディジタル変換器を用いて、ノイズ耐性が高く演算処理に適したディジタルデータに変換し、その後、信号処理回路基板２０に搭載したディジタル信号処理回路にて各種信号処理を行ってもよい。
【００３８】
また、ディジタル信号処理回路の出力信号を用いて、赤外線センサデバイス１の信号処理回路基板２０に対して、より最適な制御を行えるようフィードバックを行ってもよい。この場合、ディジタル信号処理回路の出力信号を、ディジタル／アナログ変換器を用いてアナログの電圧信号に変換し、別のバンプ３１を介して赤外線センサ基板１０へ送ってもよい。この場合、ディジタル／アナログ変換器を、信号処理回路基板２０ではなく、赤外線センサ基板１０に搭載すれば、信号をディジタル信号のまま伝えることが可能である。
【００３９】
なお、実施の形態１では、赤外線センサ基板１０の各列信号線１０１に接続された複数の端子１１１が、複数のバンプ３１を介して、信号処理回路基板２０の複数の端子２１１に接続される場合について説明した。赤外線センサ基板１０及び信号処理回路基板２０の各回路構成をこれに限定するものではなく、用途に応じて回路構成を適宜選択することができる。赤外線センサ基板１０の各行信号線１０２に接続された複数の端子１１２が、複数のバンプ３１を介して、信号処理回路基板２０の複数の端子に接続されてもよい。
【００４０】
実施の形態１に係る赤外線センサデバイス１は、以下の構成及び効果を有することを特徴とする。
【００４１】
実施の形態１によれば、第１の半導体基板（１１）に形成された赤外線センサ基板（１０）が提供される。赤外線センサ基板（１０）は、第１の半導体基板（１１）上の第１の方向（Ｙ）に沿ってそれぞれ延在する複数の第１の信号線（１０１）と、第１の半導体基板（１１）上の第２の方向（Ｘ）に沿ってそれぞれ延在する複数の第２の信号線（１０２）と、複数の第１の信号線（１０１）のうちの１つと複数の第２の信号線（１０２）のうちの１つとに接続された赤外線検出素子（１００）をそれぞれ含む複数の画素（１２）を、第１の方向（Ｙ）及び第２の方向（Ｘ）に沿って２次元アレイ状に配置した画素アレイとを備える。赤外線センサ基板（１０）は、複数の第１の信号線（１０１）を介して各赤外線検出素子（１００）に接続された第１の電流源（１０５）と、複数の第２の信号線（１０２）を介して各赤外線検出素子（１００）に電圧を印加する第１の電圧源（１０７，１０８）と、複数の第１の信号線（１０１）にそれぞれ接続された複数の出力端子（１１１）であって、各赤外線検出素子（１００）の出力信号を処理する信号処理回路（２３）を備えた信号処理回路基板（２０）に複数のバンプ（３１）を介して接続可能である複数の出力端子（１１１）とを備える。赤外線センサ基板（１０）は、第１の電圧源（１０７，１０８）により各赤外線検出素子（１００）に印加される電圧をモニタリング可能なモニタリング端子（１１３）を備える。
【００４２】
これにより、赤外線センサ基板及び信号処理回路基板を赤外線センサデバイスとして組み立てる前に、単独でテスト可能である赤外線センサ基板を提供することができる。赤外線センサ基板及び信号処理回路基板のそれぞれに最適な製造プロセスを用いることができる。さらに、赤外線センサ基板及び信号処理回路基板を赤外線センサデバイスとして組み立てる前に、赤外線検出素子の断線、短絡、漏れ電流などについて、赤外線センサ基板を単独でテストすることができる。同様に、赤外線センサ基板及び信号処理回路基板を赤外線センサデバイスとして組み立てる前に、信号処理回路基板を単独でテストしてもよい。従って、赤外線センサデバイスを実際に動作させることなく、不良チップの不要な実装及びテスト工程を削減し、コスト負担を低減するという効果が得られる。また、最終的な赤外線センサデバイスの歩留りを向上させることができる。
【００４３】
実施の形態１によれば、第１の電圧源（１０７，１０８）は、複数の第２の信号線（１０２）を介して各赤外線検出素子（１００）に選択的に電圧を印加してもよい。
【００４４】
実施の形態１によれば、第１の電流源（１０５）は、複数の第１の信号線（１０１）を介して各赤外線検出素子（１００）に選択的に接続されてもよい。
【００４５】
これにより、欠陥画素又は欠陥ラインの位置を特定することができる。
【００４６】
実施の形態１によれば、第１の電圧源（１０７，１０８）は、複数の第２の信号線（１０２）を介して各赤外線検出素子（１００）に可変な電圧を印加する電圧調整回路（１０８）を含んでもよい。
【００４７】
これにより、欠陥画素又は欠陥ラインを高精度に検出することができる。
【００４８】
実施の形態１によれば、赤外線センサ基板（１０）と、信号処理回路基板（２０）とを備えた赤外線センサデバイス（１）が提供される。信号処理回路基板（２０）は、第２の半導体基板（２１）に形成された信号処理回路基板（２０）であって、赤外線センサ基板（１０）の各赤外線検出素子（１００）の出力信号を処理する信号処理回路（２３）を備える。赤外線センサ基板（１０）は第１の面及び第２の面を有し、信号処理回路基板（２０）は第１の面及び第２の面を有する。赤外線センサ基板（１０）の複数の出力端子（１１１）は、複数のバンプ（３１）を介して、信号処理回路基板（２０）の複数の入力端子（２１１）に接続される。赤外線センサ基板（１０）の第１の面と信号処理回路基板（２０）の第１の面とは互いに対向し、バンプ（３１）の高さだけ離間して互いに機械的に接合される。
【００４９】
実施の形態１によれば、信号処理回路基板（２０）は、信号処理回路基板（２０）の複数の入力端子（２１１）と、複数のバンプ（３１）と、赤外線センサ基板（１０）の複数の出力端子（１１１）と、複数の第１の信号線（１０１）とを介して、各赤外線検出素子（１００）に接続された第２の電流源（２０２，２０３）をさらに備えてもよい。
【００５０】
これにより、第１の半導体基板１１に形成された画素１２に電圧を印加し、かつ電流を流すことを可能にする回路と、第２の半導体基板２１に形成された画素１２に電圧を印加し、かつ電流を流すことを可能にする回路とを、用途（テスト又は撮像）に応じて、どちらか一方を使用できるよう切り替え可能である。従って、赤外線センサ基板及び信号処理回路基板のそれぞれが単独でテスト可能で、かつ、どちらかの回路に不具合が生じた場合、バックアップ動作が可能である。
【００５１】
実施の形態１によれば、信号処理回路基板（２０）の第２の面に、赤外線の反射防止膜（２４）が形成されてもよい。
【００５２】
これにより、信号処理回路基板に入射する赤外線の反射による迷光成分の発生を防止することができる。
【００５３】
実施の形態１によれば、信号処理回路基板（２０Ａ）の第２の面に、赤外線を反射するゲッター薄膜（２５）が形成されてもよい。
【００５４】
これにより、信号処理回路基板に入射する赤外線成分の発生を防止することができる。これにより、反射防止膜及びゲッター薄膜の機能を単一の薄膜で実現できるので、部品個数の削減及び製造工程の削減により、赤外線センサデバイスのコストを削減することができる。
【００５５】
実施の形態１によれば、ゲッター薄膜（２５）は信号処理回路基板（２０Ａ）の接地導体（２２）に接続されてもよい。
【００５６】
これにより、ゲッター薄膜はノイズに対するシールドとしての機能を備えることになるため、ノイズによる影響を抑止することができる。
【００５７】
実施の形態１によれば、赤外線センサ基板（１０）の第１の面と信号処理回路基板（２０）の第１の面とは、複数の第１のバンプ（３１）と複数の第２のバンプ（３２）とによって、互いに対向し、第１のバンプ（３１）及び第２のバンプ（３２）の高さだけ離間して互いに機械的に接合されてもよい。複数の第１のバンプ（３１）は、赤外線センサ基板（１０）の回路と信号処理回路基板（２０）の回路とを電気的に接続する。複数の第２のバンプ（３２）は、赤外線センサ基板（１０）の回路と信号処理回路基板（２０）の回路とを電気的に接続しない。
【００５８】
これにより、ダミーバンプは赤外線センサ基板と信号処理回路基板間の機械的な強度向上に寄与するとともに、バンプ接続における平行性（間隔の均一性）を向上することができる。
【００５９】
実施の形態１によれば、第１のバンプ（３１）及び第２のバンプ（３２）は互いに異なる材料からなり、第２のバンプ（３２）の材料は、第１のバンプ（３１）の材料の融点よりも高い融点を有してもよい。
【００６０】
これにより、赤外線センサ基板（１０）及び信号処理回路基板（２０）を高精度で互いに接合することができる。
【００６１】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る赤外線センサデバイス１Ｂの概略構成を示す斜視図である。赤外線センサデバイス１Ｂは、赤外線センサ基板１０Ｂ及び信号処理回路基板２０Ｂから構成される。赤外線センサ基板１０Ｂは、図１の制御回路１３に代えて制御回路１３Ｂを備える。
【００６２】
図８は、本発明の実施の形態２に係る赤外線センサ基板１０Ｂの画素アレイ及び制御回路１３Ｂを示す回路図である。
【００６３】
図８の画素アレイは、図４の画素アレイと同様に構成されている。
【００６４】
制御回路１３Ｂは、図４の制御回路１３の複数のスイッチング素子１０３及び端子１１４を除去し、さらに、列信号線１０１ごとに１つずつ設けられた追加の電流源１０９を備える。各電流源１０９は、赤外線センサ基板１０Ｂの各回路と信号処理回路基板２０Ｂの各回路とを複数のバンプ３１を介して電気的に接続するとき、バンプ３１及び信号処理回路基板２０Ｂを介して、各列信号線１０１に接続される。
【００６５】
図９は、本発明の実施の形態２に係る赤外線センサ基板１０Ｂと信号処理回路基板２０Ｂとを赤外線センサデバイス１Ｂとして組み立てた状態を示す回路図である。赤外線センサ基板１０Ｂの複数の端子１１１は、複数のバンプ３１を介して、信号処理回路基板２０Ｂの複数の端子２１１に接続される。さらに、赤外線センサ基板１０Ｂの複数の端子１１２は、複数のバンプ３１を介して、信号処理回路基板２０Ｂの複数の端子２１６に接続される。本明細書では、各端子１１２を赤外線センサ基板１０Ｂの「入力端子」ともいい、各端子２１６を信号処理回路基板２０Ｂの「出力端子」ともいう。
【００６６】
信号処理回路基板２０Ｂの信号処理回路２３Ｂは、図６の信号処理回路２３のスイッチング素子２０１、電流源２０２，２０３、及び端子２１２を除去し、さらに、行選択回路２０８及び電圧調整回路２０９を備える。行選択回路２０８及び電圧調整回路２０９は、赤外線センサ基板１０Ｂの行選択回路１０７及び電圧調整回路１０８と同様に構成される。従って、行選択回路２０８及び電圧調整回路２０９は、信号処理回路基板２０Ｂの複数の出力端子２１６と、複数のバンプ３１と、赤外線センサ基板１０Ｂの複数の入力端子１１２と、複数の行信号線１０２とを介して、各赤外線検出素子１００に電圧を印加する。本明細書では、行選択回路２０８及び電圧調整回路２０９を「第２の電圧源」ともいう。
【００６７】
赤外線センサ基板１０Ｂは、信号処理回路基板２０Ｂの信号処理回路２３Ｂに含まれる回路のうち、少なくとも、画素アレイに電圧を印加し、かつ電流を流すことを可能にする手段を有する。実施の形態１と異なる点は、赤外線センサデバイス１を実際に動作させて撮像するときに使用する電流源１０９が、信号処理回路基板２０Ｂではなく、赤外線センサ基板１０Ｂに設けられている点である。これによれば、トランジスタなどで構成される電流源１０９を赤外線センサ基板１０Ｂ内に設けることによって、大きなサイズの電流源１０９を配置することができ、センサの低雑音化に寄与する。
【００６８】
赤外線センサデバイス１Ｂを実際に動作させて撮像するとき、信号処理回路基板２０Ｂの列選択回路２０６及び行選択回路２０８により、２次元アレイ状に配置された画素１２を１つずつ選択することができる。行選択回路２０８及び電圧調整回路２０９により、各画素１２の赤外線検出素子１００に可変な電圧が印加される。
【００６９】
実施の形態２によれば、信号処理回路基板２０Ｂにも行選択回路２０８及び電圧調整回路２０９を搭載しているので、画素アレイの両端から各画素１２の赤外線検出素子１００に電圧を印加することにより、水平方向の配線抵抗による電圧降下分布をより抑制することができる。
【００７０】
実施の形態２に係る赤外線センサデバイスは、以下の構成及び効果を有することを特徴とする。
【００７１】
実施の形態２によれば、赤外線センサ基板（１０Ｂ）は、複数の第２の信号線（１０２）にそれぞれ接続された複数の入力端子（１１２）をさらに備える。赤外線センサ基板（１０）の複数の入力端子（１１２）は、複数のバンプ（３１）を介して、信号処理回路基板（２０）の複数の出力端子（２１６）に接続される。
【００７２】
実施の形態２によれば、信号処理回路基板（２０Ｂ）は、信号処理回路基板（２０）の複数の出力端子（２１６）と、複数のバンプ（３１）と、赤外線センサ基板（１０）の複数の入力端子（１１２）と、複数の第２の信号線（１０２）とを介して、各赤外線検出素子（１００）に電圧を印加する第２の電圧源（２０８，２０９）をさらに備えてもよい。
【００７３】
これにより、画素アレイの両端から各画素に電圧を印加することにより、水平方向の配線抵抗による電圧降下分布をより抑制することができる。さらに、赤外線センサ基板及び信号処理回路基板のそれぞれに行選択回路及び電圧調整回路を形成することで、回路面積を分散することができ、回路付加によるチップサイズの増大を防ぐことができる。
【００７４】
実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３に係る赤外線センサ基板の画素アレイ及び制御回路１３Ｃを示す回路図である。制御回路１３Ｃは、図８の制御回路１３Ｂの複数のスイッチング素子１０４及び列選択回路１０６を除去した構成を有する。
【００７５】
図１１は、本発明の実施の形態３に係る赤外線センサ基板と信号処理回路基板とを赤外線センサデバイスとして組み立てた状態を示す回路図である。図１１の赤外線センサデバイスは、図９の制御回路１３Ｂの複数のスイッチング素子１０４及び列選択回路１０６を除去したことのほかは、図９の赤外線センサデバイスと同様に構成される。
【００７６】
実施の形態３において、赤外線センサ基板は、信号処理回路基板の信号処理回路のうち、少なくとも、画素アレイに電圧を印加し、かつ電流を流すことを可能にする手段を有する。実施の形態２と異なる点は、各画素１２の赤外線検出素子１００が、列ごとに電流源１０５に直接に接続され、赤外線センサ基板をテストするとき、各行の画素１２の赤外線検出素子１００に同時に電圧が印加される点である。行選択回路１０７及び電圧調整回路１０８により、各画素１２の赤外線検出素子１００に可変な電圧を印加し、その電圧をモニタリングすることにより、欠陥判定回路４１は欠陥画素又は欠陥ラインなどを判定することができる。これにより、信号処理回路基板が赤外線センサ基板に接続されていない状態でも、赤外線センサ基板のみで画素１２の断線、短絡、漏れ電流を判定することができる。従って、赤外線センサデバイスの全体を実際に動作させることなく、不良チップを選別することができる。
【００７７】
実施の形態３によれば、その効果として、実施形態２と同様に、画素アレイの両端から各画素に電圧を印加することにより、水平方向の配線抵抗による電圧降下分布をより抑制することができる。さらに、赤外線センサ基板及び信号処理回路基板のそれぞれに行選択回路及び電圧調整回路を形成することで、回路面積を分散することができ、回路付加によるチップサイズの増大を防ぐことができる。
【００７８】
実施の形態４．
図１２は、本発明の実施の形態４に係る赤外線センサデバイスの概略構成を示す斜視図である。図１３は、本発明の実施の形態４に係る赤外線センサデバイスの概略構成を示す断面図である。図１３は、図１２のＡ２−Ａ２’線における断面図である。
【００７９】
赤外線センサデバイス１Ｄは、赤外線センサ基板１０Ｄ及び信号処理回路基板２０Ｄから構成される。
【００８０】
赤外線センサ基板１０Ｄは、赤外線センサ基板１０Ｄの＋Ｚ側の面と信号処理回路基板２０Ｄの−Ｚ側の面とが互いに対向する領域（すなわち、赤外線センサ基板１０Ｄ上で、入射する赤外線から信号処理回路基板２０Ｄにより遮光される領域）において、赤外線検出素子１００を含む少なくとも１つの基準画素１４をさらに備える。基準画素１４は、赤外線検出素子１００の温度に応じて変化する信号を出力する。
【００８１】
信号処理回路基板２０Ｄは、基準画素１４の出力信号に基づいて、各画素１２の赤外線検出素子１００の出力信号のうち、赤外線検出素子１００の温度に由来する成分を除去する。
【００８２】
信号処理回路基板２０Ｄの表面における電極以外の領域に、赤外線の反射防止膜２４が形成されてもよい。
【００８３】
実施形態４に係る赤外線センサデバイス１Ｄによれば、各画素１２の赤外線検出素子１００の出力信号から赤外線検出素子１００の温度に由来する成分を除去し、より高精度の撮像を行うことができる。
【００８４】
実施の形態４に係る赤外線センサデバイス１Ｄは、以下の構成及び効果を有することを特徴とする。
【００８５】
実施の形態４によれば、赤外線センサ基板（１０Ｄ）は、赤外線センサ基板（１０Ｄ）の第１の面と信号処理回路基板（２０Ｄ）の第１の面とが互いに対向する領域において、赤外線検出素子（１００）を含む少なくとも１つの基準画素（１４）をさらに備える。基準画素（１４）は、赤外線検出素子（１００）の温度に応じて変化する信号を出力する。
【００８６】
これにより、入射した赤外線に実質的に応答せず、センサ温度に応じた信号を出力する基準画素により、赤外線検出画素の信号のうちセンサの温度に由来する成分を除去することが可能となる。
【００８７】
実施の形態４によれば、信号処理回路基板（２０Ｄ）の表面における電極以外の領域に、赤外線の反射防止膜（２４）が形成される。
【００８８】
これにより、信号処理回路基板に入射する赤外線の反射による迷光成分の発生を防止することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｄ  赤外線センサデバイス、１０，１０Ｂ，１０Ｄ  赤外線センサ基板、１１  第１の半導体基板、１２  画素、１３，１３Ｂ，１３Ｃ  制御回路、１４  基準画素、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｄ  信号処理回路基板、２１  第２の半導体基板、２２  接地導体、２３，２３Ｂ  信号処理回路、２４  反射防止膜、２５  ゲッター薄膜、３１  バンプ、３２  ダミーバンプ、４１，４１Ｂ  欠陥判定回路、４２  電源回路、１００  赤外線検出素子、１０１  列信号線、１０２  行信号線、１０３，１０４  スイッチング素子、１０５  電流源、１０６  列選択回路、１０７  行選択回路、１０８  電圧調整回路、１０９  電流源、１１１〜１１４  端子、１２１  スイッチング素子、１２２，１２３  増幅器、２０１  スイッチング素子、２０２，２０３  電流源、２０４  演算増幅器、２０５  スイッチング素子、２０６  列選択回路、２０７  増幅器、２０８  行選択回路、２０９  電圧調整回路、２１１〜２１５  端子。
【要約】
赤外線センサ基板（１０）は、複数の列信号線（１０１）と、複数の行信号線（１０２）と、列信号線（１０１）及び行信号線（１０２）に接続された赤外線検出素子（１００）を含む複数の画素（１２）の画素アレイとを備える。赤外線センサ基板（１０）は、各列信号線（１０１）を介して各赤外線検出素子（１００）に接続された電流源（１０５）と、各行信号線（１０２）を介して各赤外線検出素子（１００）に電圧を印加する電圧源（１０７，１０８）と、列信号線（１０１）に接続され、各赤外線検出素子（１００）の出力信号を処理する信号処理回路基板（２０）に接続可能である複数の出力端子（１１１）とを備える。赤外線センサ基板（１０）は、電圧源（１０７，１０８）により各赤外線検出素子（１００）に印加される電圧をモニタリング可能なモニタリング端子（１１３）を備える。【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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