JP2013231738A - 検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線吸収効率を向上させることができる検出装置を提供する。
【解決手段】本発明の検出装置は、第１の基板１０６と、赤外線センサ１１１と、第１の基板１０６の一面に備えられたレンズ１１０とを有し、第１の基板１０６と赤外線センサ１１１とレンズ１１０とが一体となっている。
【選択図】図１５

Description

本発明は、赤外線吸収効率の向上を図ることのできる検出装置に関する。

従来、赤外線センサーや加速度センサーのセンシング部を薄膜状のメンブレン部に形成し、このメンブレン部を基板に複数本の梁によりブリッジ構造で中空状態に支持した半導体装置が提案されている。そのようなブリッジ構造は、Ｓｉの結晶方位によるエッチング速度の差を利用したＳｉの異方性ウェットエッチングによって形成可能であることが既に知られている。

しかし、従来のブリッジ構造の場合、メンブレン部と梁部の下部のＳｉをエッチングし、中空状態のブリッジ構造を形成するのに長いエッチング処理時間を要するという問題があった。

メンブレン部を基板にブリッジ構造で支持した半導体装置の従来例として、特開２００１−２６４４４１号公報「カロリーメーターとその製造方法」（特許文献１）に開示されたものがある。

特開２００１−２６４４４１号公報（特許文献１）に開示されたものは、メンブレン部の下部のＳｉのエッチングに要する時間を短縮することを目的とし、そのために、メンブレン部を＜１００＞方向に形成するようにしたものである。

しかしながら、特許文献１に記載されたものは、メンブレン部下部のＳｉを短時間でエッチングするためにメンブレン部を＜１００＞方向に形成するようにしたもので、梁を持たないメンブレン部のみのセンサー構造に関するものであり、ブリッジ構造のメンブレン部と梁部両方の下部のＳｉを短時間で確実に除去することについてはまったく考慮されていない。

また、特許文献１に記載されたものは、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層を異方性ウェットエッチングしているものであり、ＳＯＩ基板のＳｉ基板部あるいはＳｉ（１００）基板そのものを異方性ウェットエッチングしているものではない。

また、その特許文献１には、赤外線吸収効率を高めるための具体的構造が記載されていない。
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、特に、赤外線吸収効率を高めることができる構造の検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、第１の基板と、赤外線センサと、前記第１の基板の一面に備えられたレンズとを有し、
前記第１の基板と前記赤外線センサと前記レンズとが一体となっていることを特徴とする。

より詳しくは、更に第２の基板を備え、前記第２の基板は内部配線を有し、前記第２の基板と前記第１の基板とが一体となっている。

赤外センサは第１の基板と第２の基板の間に位置することが望ましい。

第１の基板に前記赤外センサの信号処理を行う信号処理回路を備えることがより望ましい。

第１の基板は電極を有し、該電極は第２の基板の内部配線と電気的に接続されていることが望ましい。

第１の基板と第２の基板の間にキャビティを備え、赤外線センサは該キャビティ内に形成されていることが望ましい。

そのキャビティ内は気密に封止されていることが望ましく、より詳しくは、真空封止されていることが望ましい。

キャビティ内にゲッターを有することがより望ましい。

赤外線センサは赤外線アレイセンサであることがより望ましい。

本発明によれば、第１の基板と一体に赤外線センサとレンズとを形成したので、赤外線吸収効率を高めることができる。

Ｓｉ（１００）基板表面に＜１１０＞方向に形成したマスクパターンを用いてＳｉ異方性エッチングを行った場合の概要を示す図である。 Ｓｉ（１００）基板表面に＜１００＞方向に形成したマスクパターンを用いてＳｉ異方性エッチングを行った場合の概要を示す図である。 ＜１１０＞以外の方向の辺を有するマスクパターンを用いて異方性ウェットエッチングを行った場合のＳｉ基板のエッチング形状を示す図である。 メンブレン部を＜１００＞方向に形成し、梁部を＜１１０＞方向に形成したブリッジ構造の一例を示す図である。 メンブレン部を＜１１０＞方向に形成し、梁部を＜１００＞方向に形成したブリッジ構造の一例を示す図である。 メンブレン部と梁部を＜１００＞方向に形成したブリッジ構造の一例を示す図である。 メンブレン部と梁部を＜１００＞方向に形成したブリッジ構造の別の一例を示す図である。 本発明のブリッジ構造を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る赤外線センサーを説明するための図である。 本発明の実施例２に係る赤外線センサーを説明するための図である。 本発明の実施例３に係る赤外線センサーを説明するための図である。 本発明の実施例４に係る赤外線センサーを説明するための図である。 本発明の実施例６に係る赤外線センサー素子と信号処理回路を同一基板上にワンチップ化した赤外線センサーチップを説明するための図である。 本発明の実施例７に係る赤外線センサーの構成を説明するための図である。 本発明の実施例８に係る赤外線センサーアレイの構成を示す図である。 本発明の実施例９に係るセンサー素子の構成を示す図である。

（概要）
まず、本発明に係る検出装置の構造を説明する前に製造方法の概要を説明する。

本発明に係る検出装置は、ブリッジ構造を形成するメンブレン部と梁部の下部のＳｉを異方性ウェットエッチングにて除去する処理に際して、
（１）メンブレン部と梁部をＳｉ（１００）基板の＜１００＞方向に形成する
（２）梁部はメンブレン部の対向する二辺上でのみメンブレン部を支持する
（３）梁部の最短部の長さを梁部の幅よりも長くする
という構成を採用することにより、メンブレン部の梁のない対向する二辺からメンブレン部の中心部まで最短距離でＳｉのエッチングが進行し、かつ、{１１１}面で囲まれたＳｉが現れないようにしており、ブリッジ構造のメンブレン部と梁部の下部のＳｉを短時間で確実にエッチング除去することを可能にしている。

（実施形態の説明）
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。
始めに、本発明に関して重要なＳｉの異方性ウェットエッチングの特性について説明する。

図１は、Ｓｉ（１００）基板表面に＜１１０＞方向に形成したマスクパターンを用いてＳｉ異方性エッチングを行った場合の概要を示す図である。

通常の基板では、オリフラ（orientation flat；オリエンテーション・フラット＝ウェーハの結晶方向を示すためのウェーハ外周に設けられた直線部分）に平行または垂直な方向が＜１１０＞方向である。図１（ａ）はエッチング前の基板表面の状態を示しており、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’の断面図を示したものである。

Ｓｉのエッチング溶液は、例えばヒドラジン水溶液、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム(ＴＭＡＨ)を使用し、溶液の温度は、５０度〜１００度程度に設定する。

また、 エッチングに使用するマスクは、これらのエッチング溶液に耐性を有する酸化シリコンや窒化シリコン等を用いる。

図１（ａ）、（ｂ）では、マスクパターンは＜１１０＞方向に形成されており、マスクの開口部にはＳｉの｛１００｝面が露出した状態となっている。

このマスク開口部から異方性ウェットエッチングを行う。異方性ウェットエッチングを行った後の基板表面の様子を図１（ｃ）に示す。また、Ｂ−Ｂ’の断面図を図１（ｄ）に示す。

図１（ｃ）、（ｄ）に示すように、＜１１０＞方向にマスクパターンを形成した場合、マスクパターンの形状に沿ってＳｉの｛１１１｝面が出現するため、エッチングは深さ方向のみに進行する。これは、Ｓｉの｛１１１｝面は、｛１００｝面や｛１１０｝面と比較して著しくエッチング速度が遅いためである。

例えば、ＫＯＨ溶液を使用した場合は、｛１１１｝面と｛１００｝面あるいは｛１１１｝面と｛１１０｝面のエッチング速度比は１：数百程度であり、ＴＭＡＨ溶液を使用した場合は１：数十程度であることが知られている。Ｓｉ異方性ウェットエッチングはこのような面方位によるエッチング速度の差を利用したものである。

図２は、Ｓｉ（１００）基板表面に＜１００＞方向に形成したマスクパターンを用いてＳｉ異方性エッチングを行った場合の概要を示す図である。

通常のＳｉ基板では、オリフラに対して４５°あるいは１３５°の角度を持つ方向が＜１００＞方向である。図２（ａ）はエッチング前の基板表面の状態を示しており、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＣ−Ｃ’の断面図を示したものである。異方性ウェットエッチングを行った後の基板表面の様子を図２（ｃ）に示す。また、Ｄ−Ｄ’の断面図を図２（ｄ）に示す。

図２（ｃ）に示すように、＜１００＞方向にマスクパターンを形成した場合、マスクパターンの各辺に対して垂直な＜１００＞方向へエッチングが進み、Ｓｉは図２（ｃ）の破線のようにエッチングされる。これは、図１に示した＜１１０＞方向にマスクパターンを形成した場合と異なり、Ｓｉの｛１１１｝面がマスクパターンに沿った位置に出現しないためである。

また、図２（ｄ）に示すように、＜１００＞方向にマスクパターンを形成した場合は、マスクの下部のＳｉをエッチングすることができるため、これを利用してブリッジ構造等を形成することが可能である。

図３は、＜１１０＞以外の方向の辺を有するマスクパターンを用いて異方性ウェットエッチングを行った場合のＳｉ基板のエッチング形状を示す図である。実線はマスクパターンを、破線はエッチング後のＳｉの形状を示している。

図２（ｃ）および図３に示すように、マスクパターンが＜１１０＞以外の方向の辺を有する場合、Ｓｉ基板はマスクパターンに対して、そのマスクパターンを内包し、全ての辺が＜１１０＞方向にある最小の長方形の形状にエッチングされる。この特性を考慮することにより、マスクパターンに対してＳｉ基板がどのようにエッチングされるかをある程度予測することが可能である。

ここで、従来型のブリッジ構造について説明する。
図４は、メンブレン部を＜１００＞方向に形成し、梁部を＜１１０＞方向に形成したブリッジ構造の一例を示す図である。図４（ａ）はブリッジ構造の形状と、マスクパターンを示している。

図４（ａ）の例では、中央部のメンブレン部１を四本の梁２〜５で中空状体に支持する構造となっており、マスクパターン６〜９を用いて、メンブレン部１と梁部２〜５の下部のＳｉ基板のエッチングを行い、ブリッジ構造を形成する。

図４（ｂ）に、ある時間ウェットエッチングを行った後のＳｉ基板のエッチング状を示す。図４（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板のエッチングは斜線で塗られた正方形１０〜１３の形状で止まってしまう。これは、正方形１０〜１３の周囲に｛１１１｝面が出現するためである。

図４（ｃ）に図４（ｂ）中のＥ−Ｅ’の断面図を示す。図４（ｃ）のように、メンブレン部の下部に｛１１１｝面で囲まれたＳｉ基板が残留することになる。｛１１１｝面は非常にエッチング速度が遅いため、この残留したＳｉを完全にエッチングするためには非常に長い時間のエッチングが必要である。よって、図４に示した構成のブリッジ構造の場合、メンブレン部１および梁部２〜５の下部に十字状のＳｉ基板が残留する可能性が非常に高い。

図５は、メンブレン部を＜１１０＞方向に形成し、梁部を＜１００＞方向に形成したブリッジ構造の一例を示す図である。図５（ａ）はブリッジ構造の形状と、マスクパターンを示している。

図５（ａ）のように中央部のメンブレン部２１を四本の梁２２〜２５で中空状に支持する構造となっており、マスクパターン２６〜２９によって、メンブレン部２１と梁部２２〜２５の下部のＳｉ基板のエッチングを行い、ブリッジ構造を形成する。メンブレン部２１の幅はａ[μｍ]、梁部２２〜２５の幅はｂ[μｍ]とする。

図５（ｂ）に、ある時間ウェットエッチングを行った後のＳｉ基板のエッチング形状を示す。ある時間エッチングを行うと、Ｓｉ基板は斜線で塗られた形状にエッチングされる。このとき、メンブレン部２１の下部は、｛１１１｝面で囲まれてしまうが、図４の構成の場合とは異なり、メンブレン部２１の下部のＳｉのエッチングはメンブレン部２１の各頂点部分から、メンブレン部２１の中心方向へと進む。

図５（ｃ）に、図５（ｂ）から更にある時間エッチングを行った後のＳｉ基板のエッチング形状を示す。図５（ｃ）のように、エッチングはメンブレン部２１の各頂点部分から中心部へと進み、最終的にはメンブレン部２１と梁部２２〜２５の下部のＳｉはエッチングされてブリッジ構造が完成する。

Ｓｉの＜１００＞方向のエッチングの速度がＸ[μｍ/ｍｉｎ]とすると、図５の構成の場合、メンブレン部２１の下部のＳｉが完全にエッチングされるまでの時間は、およそ（ｂ/２+ａ/√２）/Ｘ [ｍｉｎ]となる。

これを、図５（ｂ）を使って説明する。
ウェットエッチングを開始すると、まず始めに、梁部の下部のＳｉがエッチングされ、メンブレン部２１の形状に沿って｛１１１｝面で囲まれたＳｉが出現する。これは、図３を用いて説明した、Ｓｉ異方性ウェットエッチング特性によるものである。メンブレン部の頂点を点Ｆとすると、点Ｆが出現すると同時に点Ｆからメンブレン部２１の中心点Ｇの方向へとエッチングが進行する。

点Ｆからマスクパターン２９に下ろした垂線とマスクパターン２９の交点を点Ｈとすると、Ｓｉのエッチング面がメンブレン部２１の中心部まで到達する最短の経路は、Ｈ→Ｆ→Ｇの経路である。点Ｆから点Ｇまでの距離がａ/√２［μｍ］であり、点Ｈから点Ｆまでの距離がｂ/２［μｍ］である。

よって、Ｓｉの＜１００＞方向のエッチングの速度がＸ[μｍ/ｍｉｎ]とすると、メンブレン部２１の下部のＳｉがエッチングされてブリッジ構造が完成するまでの時間は、およそ（ｂ/２+ａ/√２）/Ｘ [ｍｉｎ]となる。

図６は、メンブレン部と梁部を＜１００＞方向に形成したブリッジ構造の一例を示す図である。図６（ａ）はブリッジ構造の形状と、マスクパターンを示している。

図６（ａ）のように中央部のメンブレン部３１を四本の梁３２〜３５で中空状態に支持する構造となっており、マスクパターン３６〜３９によって、メンブレン部３１と梁部３２〜３５の下部のＳｉ基板のエッチングを行い、ブリッジ構造を形成する。メンブレン部３１の幅はａ[μｍ]、梁部３２〜３５の幅はｂ[μｍ]とする。

図６（ｂ）に、ある時間ウェットエッチングを行った後のＳｉ基板のエッチング形状を示す。ある時間エッチングを行うと、Ｓｉ基板は斜線で塗られた形状にエッチングされる。このとき、図６（ｂ）中に示すように、メンブレン部３１と梁部３２〜３５の結合部分の下部には、｛１１１｝面が出現するが、図５の場合と同様に、エッチングはその頂点部分からメンブレン部３１の中心方向へ進む。

図６（ｂ）の状態から更にある時間エッチングを行った後のＳｉ基板のエッチング形状を図６（ｃ）に示す。図６（ｃ）のように、エッチングはメンブレン部３１の中心部へと進み、最終的にはメンブレン部３１と梁部３２〜３５の下部のＳｉがエッチングされてブリッジ構造が完成する。

Ｓｉの＜１００＞方向のエッチングの速度がＸ[μｍ/ｍｉｎ]とすると、図６の構成の場合、メンブレン部３１の中心部分の下部のＳｉがエッチングされるまでの時間は、およそ（ｂ+ａ/２）/Ｘ [ｍｉｎ]となる。これを、図６（ｂ）を使って説明する。メンブレン部の下部のＳｉがエッチングされるためには図６（ｂ）の状態を経る必要がある。

メンブレン部３１と梁部３２〜３５の結合部分の下部に出現する｛１１１｝面の交差点を点Ｉとすると、点Ｉの出現と同時に、点Ｉからメンブレン部３１の中心点Ｊの方向に向かってメンブレン部３１の下部のＳｉのエッチングが始まる。

点Ｉからマスクパターン３９に下ろした垂線とマスクパターン３９の交点を点Ｋとすると、Ｓｉのエッチング面がメンブレン部３１の中心部まで到達する最短の経路は、Ｋ→Ｉ→Ｊの経路である。

点Ｉから点Ｊまでの距離がｂ/２+ａ/２［μｍ］であり、点Ｋから点Ｉまでの距離がｂ/２［μｍ］である。よって、Ｓｉの＜１００＞方向のエッチングの速度がＸ[μｍ/ｍｉｎ]とすると、メンブレン部３１の下部のＳｉがエッチングされてブリッジ構造が形成されるまでの時間は、およそ（ｂ+ａ/２）/Ｘ [ｍｉｎ]である。

図７は、メンブレン部と梁部を＜１００＞方向に形成したブリッジ構造の別の一例を示す図である。図７（ａ）はブリッジ構造の形状と、マスクパターンを示している。

図７（ａ）のように、中央部のメンブレン部４１を四本の梁４２〜４５で中空状に支持する構造となっており、マスクパターン４６〜４９によって、メンブレン部４１と梁部４２〜４５の下部のＳｉ基板のエッチングを行う。メンブレン部４１の幅はａ[μｍ]、梁部４２〜４５の幅はｂ[μｍ]である。

図７（ｂ）に、ある時間ウェットエッチングを行った後のＳｉ基板のエッチング形状を示す。ある時間エッチングを行うと、Ｓｉ基板のエッチングは斜線で塗られた形状にエッチングされる。これは、メンブレン部４１の下部には、図７（ｂ）中の矢印で示す部分に｛１１１｝面が出現するためである。更にエッチングを行った後のＳｉ基板のエッチング形状を図７（ｃ）に示す。

図７（ｃ）のように中心部に残ったＳｉ基板はその頂点部分から中心部に向かってエッチングされ、最終的にはメンブレン部４１と梁部４２〜４５の下部のＳｉはエッチングされてブリッジ構造が完成する。Ｓｉの＜１００＞方向のエッチングの速度がＸ[μｍ/ｍｉｎ]とすると、図７の構成の場合、メンブレン部４１の下部のＳｉがエッチングされて中空状態となるまでの時間は、およそ（ｂ+ａ/２）/Ｘ [ｍｉｎ]となる。

これを、図７（ｃ）を使って説明する。メンブレン部４１が中空状態になるためにはまず図７（ｃ）の状態になる必要がある。

図７（ｃ）の状態になるためにはマスクパターン４６上の点Ｌから正方形状に残留するＳｉの頂点Ｍまでエッチングが進行しなければならない。点Ｌから点Ｍまでの距離がａ/２[μｍ]である。

さらに、点Ｍからメンブレン部４１の中心点Ｎまでエッチングが進行する必要があり、点Ｍから点Ｎまでの距離がｂ[μｍ]である。よって、Ｓｉの＜１００＞方向のエッチングの速度がＸ[μｍ/ｍｉｎ]とすると、メンブレン部４１の下部のＳｉがエッチングされてブリッジ構造が完成するまでの時間は、およそ（ｂ+ａ/２）/Ｘ [ｍｉｎ]である。

Ｓｉの＜１００＞方向のエッチング速度がＸ[μｍ/ｍｉｎ]の条件で、幅ａ［μｍ］のメンブレン部を持つブリッジ構造を形成する場合、メンブレン部の周囲からメンブレン部の中心部まで最短距離でエッチングが進めば、ブリッジ構造が形成されるまでに要する最短の時間は(ａ/２)/Ｘ[ｍｉｎ]である。しかし、図４〜図７のような構成の場合、いずれもエッチング時間は(ａ/２)/Ｘ[ｍｉｎ]より長くなっている。

次に、本発明のブリッジ構造について説明する。
図８は、本発明のブリッジ構造を説明するための図である。
図８（ａ）は、本発明のブリッジ構造である。本ブリッジ構造は、同一平面上にあるメンブレン部５１と四本の梁部５２〜５５から構成され、メンブレン部５１が梁部５２〜５５で中空状態に支持されている。

メンブレン部５１の一辺はａ[μｍ]、梁部５２〜５５の幅はｂ[μｍ]、梁部５２〜５５の最短部の長さはｃ[μｍ]であるとする。本発明のブリッジ構造には三つの特徴がある。

特徴の一つ目は、メンブレン部５１と梁部５２〜５５が全てＳｉ（１００）基板の＜１１０＞方向以外の方向に形成されていることである。ただし、これ以降の本文、図中では説明の簡略化のためにメンブレン部５１と梁部５２〜５５を全て＜１００＞方向に形成した場合について示してある。

図８（ａ）に示すように、メンブレン部５１と梁部５２〜５５を＜１００＞方向に形成すると、メンブレン部５１と梁部５２〜５５の辺に沿った位置にエッチング速度が著しく遅い{１１１}面が出現しないため、メンブレン部５１と梁部５２〜５５の下部のＳｉのエッチングがスムーズに進行し、ブリッジ構造を短時間に形成することが可能となる。特徴の二つ目は、梁部５２〜５５がメンブレン部５１の対向する二辺上でのみメンブレン部５１を支持していることである。

図８（ａ）では、メンブレン部５１はその四つの辺５６〜５９のうち、対向する二辺５７、５９上で支持されている。梁部をメンブレン部５１の対向する二辺５７、５９上のみに設けたことで、もう一対の対向する二辺５６、５８上にはエッチングを妨げる構造が全くない。

図８（ｂ）に、ある時間Ｓｉの異方性ウェットエッチングを行ったときのＳｉ基板のエッチング形状を示す。

図８（ｂ）中のＯ点はメンブレン部５１の中心点、点Ｐ、Ｑは辺５６、５８の中点、多角形６０〜６３はウェットエッチングのマスクパターンを示している。ある時間ウェットエッチングを行うと、メンブレン部５１の各辺５６〜５９からメンブレン部５１の中心点Ｏに向かってエッチングが進行し、Ｓｉ基板は図８（ｂ）中の斜線で示した形状にエッチングされる。さらにエッチングを行うと、Ｓｉ基板は図８（ｃ）のようにエッチングされ、最終的にはメンブレン部５１と梁部５２〜５５の下部のＳｉがエッチングされブリッジ構造が完成する。

本構成の場合、辺５６、５８上にはエッチングを妨げるものがないので、辺５６、５８の全体から一様にＳｉ基板のエッチングが始まる。よって、点Ｐ、Ｑから点Ｏまで、最短距離ａ/２[μｍ]でＳｉ基板のエッチングが進行する。

Ｓｉの＜１００＞方向のエッチングの速度がＸ[μｍ/ｍｉｎ]とすると、メンブレン部５１の下部のＳｉがエッチングされ、ブリッジ構造が完成するまでの時間ｔはおよそ(ａ/２)/Ｘ[ｍｉｎ]である。これは、一辺の長さがａ[μｍ]の正方形状のメンブレン部を形成するためのエッチング時間としては最短の時間である。

図５、図６、図７の構成の場合は、メンブレン部の各辺に梁が設けられていたために、最終的なエッチング時間ｔはいずれもｔ＞(ａ/２)/Ｘ[ｍｉｎ]であった。特徴の三つ目は、梁部５２〜５５に関して、梁部の最短部分の長さｃと梁部の幅ｂの関係がｃ＞ｂとなっていることである。

図８（ｄ）に、逆の条件のｃ＜ｂの構成のブリッジ構造を示す。
梁７２〜７５は全てｃ＜ｂとなっている。図８（ｅ）に、図８（ｄ）の構成において、ある時間Ｓｉの異方性ウェットエッチングを行った場合のＳｉのエッチング形状を示す。ある時間後、図８（ｅ）中の斜線部で示した形状にＳｉはエッチングされる。

図８（ｅ）に示すように、メンブレン部７１の中心部の下部のＳｉはマスクパターン８０、８２から＜１００＞方向にエッチングが進むため、ｔ=(ａ/２)/Ｘ[ｍｉｎ]程度でエッチングされるが、図中の矢印で示した８ヵ所に{１１１}面が出現するため、この{１１１}面で囲まれた部分のＳｉはメンブレン部７１の中心部の下部のＳｉよりも遅れてエッチングされる。

つまり、図８（ｄ）の場合、ブリッジが完成する時間ｔはｔ＞(ａ/２)/Ｘ[ｍｉｎ]となる。よって、最短時間ｔ＝(ａ/２)/Ｘ[ｍｉｎ]でブリッジ構造を形成するためには、｛１１１｝面で囲まれたＳｉが出現しないようにｃ＞ｂの条件を満たす必要がある。

以上のように、メンブレン部と梁部をＳｉ（１００）基板の＜１００＞方向に形成し、梁部はメンブレン部の対向する二辺上でのみメンブレン部を支持し、梁部の最短部分の長さが梁部の幅よりも長い構成とすることにより、メンブレン部の周囲からメンブレン部の中心部まで最短距離でＳｉのエッチングが進行し、かつ、{１１１}面で囲まれたＳｉが現れないので、最短時間でブリッジ構造を形成することができる。また、図８では、メンブレン部の形状は正方形のものを示したが、長方形であっても問題はない。

＜実施例１＞
以下、上記のブリッジ構造を適用した本発明に係る検出装置としての半導体装置の実施例１について説明する。

上記のブリッジ構造は、従来型のブリッジ構造が使用されている半導体装置であればどのような装置にも適用することが可能である。特に、赤外線センサー、加速度センサー等にブリッジ構造が適用される場合が多い。そこで、上記のブリッジ構造を赤外線センサーに適用した場合について説明する。

図９は、本発明の実施例１に係る赤外線センサーを説明するための図である。
図９（ａ）は、本実施例に係る赤外線センサーを示す図である。ブリッジ構造の形状は図８（ａ）で説明した構造と同じであるので、同じ構成部分に関しては同じ番号を使用した。

メンブレン部５１と梁部５２〜５５は、Ｓｉ（１００）基板の＜１００＞方向に形成され、梁部５２〜５５はメンブレン部５１の対向する二辺上でのみメンブレン部５１を支持し、梁部５２〜５５の最短部分の長さが幅よりも長い構成となっている。メンブレン部５１上には赤外線を検出するための温度センサー９０と赤外線吸収膜９１が形成され、温度センサー９０からの出力信号は、メンブレン部５１、梁部５３、５５に形成された配線９２，９３を通って外部へと導かれている。

本実施例の赤外線センサーは熱型赤外線センサーと呼ばれるタイプのものであり、赤外線を赤外線吸収膜９１で吸収し、赤外線吸収によって生じた温度変化を温度センサー９０で検出することによって、赤外線を検知するものである。

温度センサー９０は、焦電体型温度センサー、サーモパイル、サーミスタ、ＰＮ接合ダイオード、仕事関数差型温度センサー等、赤外線吸収による温度変化を検出可能な温度センサーであればどのような温度センサーを使用しても良い。

赤外線吸収膜９１は、一般的に金黒（Au-black）が多く用いられるが、酸化シリコンや窒化シリコン等を使用しても良く、特に限定されない。配線はＡｌ、Ｃｕ等の金属材料で形成されるが、感熱部９０の素子タイプによって本数等は異なる。

図９（ａ）で示した形状は一例であり、ブリッジ形状の条件さえ満たしていれば、他の構成や形状はどのようなものであってもよい。

図９（ｂ）に、図９（ａ）のＲ−Ｒ’の断面図を示す。メンブレン部５１は底面保護層９４、層間膜９５、上面保護層９６によって周囲を保護されており、Ｓｉの異方性ウェットエッチングを行う際に、感熱部９０、赤外線吸収膜９１、配線９２、９３をエッチング溶液から保護する構造になっている。

底面保護層９４、層間膜９５、上面保護層９６はいずれも酸化シリコンや窒化シリコンからなる。これらの層構成は、フォトリソ、熱酸化、ＣＶＤ等の既存の半導体プロセスによって形成することが可能である。

また、酸化シリコンや窒化シリコンは赤外線に対して吸収を持つので、これらの層を赤外線吸収膜として利用することも可能である。

図９（ｂ）で示した層構成は一例であり、感熱部９０、赤外線吸収膜９１、配線９２、９３をエッチング溶液から保護する構造になっていれば、どのような層構成であっても、どのような材料を使用しても良い。

このブリッジ構造を適用することによって、Ｓｉ異方性ウェットエッチングのエッチング時間を短縮することができるので、底面保護層９４、層間膜９５、上面保護層９６の厚さを薄くすることが可能である。

これらの保護膜はエッチング溶液に対して非常に遅い速度ではあるが、徐々にエッチングされる。

もし保護層がエッチング中に貫通してしまうと、感熱部９０、赤外線吸収膜９１、配線９２、９３等がエッチングされてしまうため、ある程度の余裕を持って保護層の厚みが決められている。

また、本実施例ではメンブレン部の側面は層間膜９５が露出した状態であるが、図９（ｃ）に示すように、メンブレン部側面にも側面保護膜９７を形成しても良い。

このとき上面保護層９６と側面保護膜９７は、特にアルカリ系のエッチング溶液に対するエッチング速度が遅い窒化シリコンで形成するのが良い。

赤外線センサーでは、応答速度を向上させるために、センサーの熱容量を低減させる必要があり、各保護層を薄くすることができれば熱容量の低減につながり、センサー性能を向上することが可能である。

また、感熱部９０や赤外線吸収膜９１や配線９２、９３を配置可能な面積を増加させることも可能であり、レイアウトの自由度や素子サイズの自由度が増加し、センサー性能の向上につながる。

また、エッチングの処理時間が短くなるので、製造コストダウンの効果がある。

＜実施例２＞
赤外線センサーにおいて、赤外線の入射方向に対して、赤外線吸収膜よりも下層に赤外線反射膜を形成した構成について説明する。

図１０は、本発明の実施例２に係る赤外線センサーの構成を説明するための図である。

図１０（ａ）にこの実施例で説明する赤外線センサーの構成を示す。本構成の特徴は、図１０（ａ）の示すように、赤外線反射膜１０２を有することである。Ｔ−Ｔ’の断面図を図１０（ｂ）に示す。

図１０（ｂ）では、赤外線がメンブレン部５１の上面から入射する場合の構成を示している。

この場合、赤外線反射膜１０２は底面保護層９４の上に形成されており、赤外線吸収膜９１で吸収されずに下層に透過した赤外線が赤外線反射膜１０２で赤外線吸収膜９１の方向へ反射されるため、赤外線の吸収率を増加させることが可能である。

本構成では、赤外線反射膜１０２は底面保護層９４の上に形成されているが、赤外線吸収膜９１の直下、あるいは層間膜９５の中間に形成してもよく、赤外線の入射方向に対して、赤外線吸収膜９１よりも下層であればどこに形成しても問題はない。また、赤外線反射膜１０２は、アルミや窒化チタン等の赤外線を反射する材料であればどの材料で形成してもよい。

また、図１０（ｃ）では、赤外線がＳｉ基板の裏面側から入射する場合の構成を示している。Ｓｉは赤外線を吸収しないためこのような構成にすることが可能である。

この場合、図１０（c）に示すように、赤外線反射膜１０２は赤外線吸収膜９１と上面保護層９６の間に形成している。赤外線の入射方向に対しては、赤外線反射膜１０２は赤外線吸収膜９１よりも下層に形成されている。

このようにすれば、赤外線がＳｉ基板裏面方向から入射する場合においても、赤外線吸収膜９１で吸収されずに透過した赤外線が赤外線反射膜１０２で赤外線吸収膜９１の方向へ反射されるため、赤外線の吸収率を増加させることが可能である。

＜実施例３＞
赤外線センサーにおいて、メンブレン部５１の表面に赤外線反射防止膜を形成した構成について説明する。

図１１（ａ）にこの実施例３で説明する赤外線センサーの構成を示す。本構成の特徴は、図１１（ａ）の示すように、赤外線反射防止膜１０３を有することである。Ｕ−Ｕ’の断面図を図１１（ｂ）に示す。

赤外線反射防止膜１０３は上面保護層９６の上に形成されている。赤外線反射防止膜１０３を形成することによって、入射赤外線がメンブレン部５１表面で反射することを抑制し、赤外線吸収膜９１へ入射する赤外線量を増大させて、赤外線センサーの感度を向上させることが可能である。

赤外線反射防止膜１０３の材料がＳｉの異方性ウェットエッチングに使用するエッチング溶液に対してエッチング耐性を持つ場合は、ウェットエッチングの前に赤外線反射防止膜１０３を形成すればよく、材料がエッチング耐性を持たない場合はウェットエッチングを行った後に赤外線反射防止膜１０３を形成する必要がある。

赤外線反射防止膜１０３は、下層の光学定数等を考慮して、メンブレン部５１の表面での赤外線反射率が小さくなるようにその材料を選択する必要がある。

また、図１１（ａ）、（ｂ）では、実施例２で説明した赤外線反射膜がない構造を示したが、赤外線反射膜があれば、さらに赤外線吸収率が高くなるので、赤外線センサーの性能が向上する。

＜実施例４＞
赤外線センサーにおいて、ダミー配線を形成した構成について説明する。

図１２（ａ）に実施例４で説明する赤外線センサーの構成を示す。本構成の特徴は、どこにも接続されないダミー配線１０４、１０５を有することである。例えば、図９（ａ）の赤外線センサーの構成の場合、梁部５３、５５は配線９３、９２が通っているが梁部５２、５４には配線が通っていない。

このような場合、各梁部における内部応力が不均一となるために、ブリッジ構造が破壊されてしまう可能性がある。そこで、配線９３，９２と対称的な位置にダミー配線１０４、１０５を形成することによって、各梁部５２〜５５の内部応力の均一化を図り、ブリッジ構造が破壊することを防止することが可能である。

＜実施例５＞
この実施例では、赤外線センサーにおいて、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を使用する場合について説明する。特に図示しないが、使用するＳＯＩ基板はＳｉ（１００）基板上にＢＯＸ（Buried Oxide；埋め込み酸化膜）層とＳＯＩ層が形成されている基板である。

この実施例では、底面保護層９４にＳＯＩ基板のＢＯＸ層を用いている。ＳＯＩ基板を用いると、底面保護層９４を形成する必要がないためプロセスの簡略化が可能である。また、ＳＯＩ基板を使用すると、半導体素子の寄生容量を低減することが可能であり、回路の高速動作、低消費電力化が可能である。よって、センサー素子と信号処理回路を同一基板上にモノシリックに形成する場合には、ＳＯＩ基板を使用するメリットが特に大きい。

＜実施例６＞
実施例６では、赤外線センサー素子と信号処理回路を同一基板上に作成し、ワンチップ化した赤外線センサーチップの構成について説明する。

図１３は、実施例６に係る赤外線センサー素子と信号処理回路を同一基板上にワンチップ化した赤外線センサーチップの一例の模式図である。

図１３に示すように、この実施例に係る赤外線センサーチップは、Ｓｉ基板１０６上に、センサー素子部１０７と信号処理回路部１０８がモノシリックに形成されている。基板はＳＯＩ基板であっても問題ない。センサー素子部１０７と信号処理回路部１０８とが別体の場合には、これらの二つの基板間を接続するための配線加工やパッケージのコストが増大してしまうが、図１３に示すようにセンサー素子部１０７と信号処理回路部１０８をワンチップ化することによって、そのようなコストの増大を抑制することが可能である。

特に、感熱素子として、ＰＮ接合ダイオードや仕事関数差出力回路等のＣＭＯＳプロセスで作成可能な感熱素子を採用すれば、センサー素子と信号処理回路を同一基板上に同時に形成することが可能であり、より低コストな赤外線センサーを提供することが可能となる。

＜実施例７＞
実施例７では、赤外線センサーにおいて、Ｓｉ基板の裏面に赤外線レンズを形成した構成について説明する。

図１４は、この実施例７に係る赤外線センサーの構成を説明するための図である。この実施例は、赤外線がＳｉ基板の裏面から入射する構成の赤外線センサーであり、赤外線レンズ１１０がＳｉ基板の裏面に形成されている。メンブレン部５１については、図１０（ｃ）と同様の構成であるため、詳細は省略する。

図１４に示す赤外線レンズ１１０は、フレネルレンズであり、Ｓｉ基板を異方性ドライエッチングやエッチバックによって直接加工することによって形成している。また、赤外線レンズは、図１４の形状以外にもＳｉ基板を同心円状にエッチングして形成したフレネルレンズや、凸面レンズであってもよい。このように赤外線レンズを形成することによって、赤外線吸収効率を高めることが可能であり、センサー感度の向上が可能である。

＜実施例８＞
実施例８の検出装置では、センサー素子を二次元アレイ状に配置し、信号処理回路を同一基板上に作成した二次元センサーアレイについて説明する。

図１５は、実施例８で説明する赤外線センサーアレイの構成を示す図である。
本構成の特徴は、図１５（ａ）に示すように、Ｓｉ基板（第１の基板）１０６上に赤外線センサー１１１を二次元アレイ状に配置し、これらの赤外線センサーアレイからの出力信号を処理する信号処理回路１１２を同一基板上に形成したことである。

信号処理回路１１２は、ＣＭＯＳイメージセンサー等に使用されている信号処理回路と同様のものを使用することができる。また、図１５（ａ）では、信号処理回路１１２は赤外線センサーアレイの周囲に形成した場合を示したが、赤外線センサーアレイと同一基板上に形成されていればよく、その形状、レイアウトは限定されない。

図１５（ａ）中のＶ−Ｖ’の断面図を図１５（ｂ）に示す。
赤外線センサー１１１がアレイ状に形成されており、各赤外線センサーに対して、Ｓｉ基板１０６の裏面に赤外線レンズ（レンズ）１１０が形成されている。このように、赤外線レンズを形成することにより、二次元赤外線センサーアレイの開口率、感度を向上させることができる。また、赤外線レンズ１１０は凸型レンズの例について示しているが、フレネルレンズ等の他の形状のレンズでも問題はない。メンブレン部５１については、図１０（ｃ）と同様の構成であるため、詳細は省略する。

＜実施例９＞
実施例９の検出装置では、本発明を適用したセンサー素子において、ウェハレベルチップサイズパッケージ（ＷＬ−ＣＳＰ）によって気密封止された構成について説明する。

図１６は、実施例９で説明するセンサー素子の構成を示す図である。
本構成の特徴は、赤外線センサーが形成されたＳｉ基板１０６と、蓋となるガラス基板（第２の基板）１２０とを陽極接合等を利用して貼り合わせ、貼り合わせた後にダイシングを行い、ウェハレベルチップサイズパッケージ（ＷＬ−ＣＳＰ）に形成したものである。

ガラス基板１２０には、Ｓｉ基板１０６に形成されている赤外線センサー部と対向する位置に空洞部が形成されており、メンブレン部５１がガラス基板１２０に接触しない構成となっている。また、ガラス基板１２０の空洞部（キャビティ）にはガスを吸着し高真空状態を維持するためのゲッター１２１を形成しても良い。

また、ガラス基板１２０には、貫通ヴィア１２２が形成されており、貫通ヴィア１２２は電界メッキ等の方法によって内部配線としての導電金属が埋め込まれている。Ｓｉ基板１０６とガラス基板１２０とを陽極接合等の方法で接合する際に、Ｓｉ基板１０６側の電極とガラス基板１２０側の貫通ヴィア１２２内の導電金属とが接着されることによって、出力信号を外部電極１２３に取り出す構成となっている。

蓋となる基板に関しては、ガラス基板以外にも陽極接合が可能な基板であればセラミック基板等が使用可能である。特に、Ｓｉと熱膨張係数が近いLTCC基板等を使用するのが良い。ガラス基板１２０に形成する空洞部、貫通ヴィア、ゲッター、電界メッキ、外部電極等は貼り合わせの前に形成される場合が多いが、貫通ヴィア、電界メッキ、外部電極等は貼り付け後に形成しても良い。ウェハの貼り合せ終了後に、各センサー間をダイシングすることにより、気密封止されたウェハレベルチップサイズパッケージ（ＷＬ−ＣＳＰ）の赤外線センサーが完成する。

また、ここで説明したウェハレベルチップサイズパッケージ（ＷＬ−ＣＳＰ）の形成方法は一例であり、どのような方法で形成されたものであっても良い。このように形成したウェハレベルチップサイズパッケージ（ＷＬ−ＣＳＰ）は内部の気密性が保持されるため、真空封止やガス封止が可能となる。

特に、赤外線センサーの場合は、メンブレン部５１と周囲との断熱性が感度向上に大きく寄与するため、真空封止が可能となるこのパッケージは非常に有効である。また、ダイシング時にブリッジ構造にダメージが生じるという課題もこのＷＬ−ＣＳＰを適用すれば解決することが可能である。また、このウェハレベルチップサイズパッケージ（ＷＬ−ＣＳＰ）は、二次元赤外線センサーアレイの場合でも適用することが可能である。

１０６：Ｓｉ基板（第１の基板）
１１０：赤外線レンズ（レンズ）
１１１：赤外線センサー（赤外線センサ）
１２０：ガラス基板（第２の基板）

特開２００１−２６４４４１号公報

Claims (10)

1. 第１の基板と、赤外線センサと、前記第１の基板の一面に備えられたレンズとを有し、
   前記第１の基板と前記赤外線センサと前記レンズとが一体となっていることを特徴とする検出装置。
2. 請求項１に記載の検出装置において、更に第２の基板を備え、前記第２の基板は内部配線を有し、前記第２の基板と前記第１の基板とが一体となっていることを特徴とする検出装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の検出装置において、
   前記赤外センサは前記第１の基板と前記第２の基板の間に位置することを特徴とする検出装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の検出装置において、
   前記第１の基板に前記赤外センサの信号処理を行う信号処理回路を備えることを特徴とする検出装置。
5. 請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の検出装置において、
   前記第１の基板は電極を有し、
   該電極は前記第２の基板の内部配線と電気的に接続されていることを特徴とする検出装置。
6. 請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の検出装置において、
   前記第１の基板と前記第２の基板の間にキャビティを備え、
   赤外線センサは該キャビティ内に形成されていることを特徴とする検出装置。
7. 請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の検出装置において、前記キャビティ内は気密に封止されていることを特徴とする検出装置。
8. 請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の検出装置において、
   前記キャビティ内は真空封止されていることを特徴とする検出装置。
9. 請求項２から請求項８のいずれか１項に記載の検出装置において、前記キャビティ内にゲッターを有することを特徴とする検出装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の検出装置において、前記赤外線センサは赤外線アレイセンサであることを特徴とする検出装置。