JP6217907B2 - 光センサ装置およびスペクトルイメージング撮像システム - Google Patents
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Description
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
1.光センサ装置:
(1)構造:
アレイ化された受光素子を有するセンサチップと、センサチップの下に位置し、該センサチップと電極どうしがバンプを介してフリップチップ接続されている読み出し回路とを備え、センサチップの側から平面的に見て、読み出し回路がセンサチップに隠されて、はみ出ている部分がない。これによって、画像面における光の強度分布は均一になり、高画質を得ることができる。なお、センサチップの光入射面の側を上、または上側といい、そのセンサチップの光入射面から読み出し回路側の方向を下側方向、または下方向、と記す。誤解を生じるおそれがない場合は、単に、下もしくは下側などと記す。上もしくは上側についても同様である。
パッケージされた光センサ装置では、センサチップまたは受光素子の入射面は、パッケージ容器のウィンドウに面しており、センサチップの下に読み出し電極が配置され、さらにその下に中継基板が配置されているのが普通である。赤外域用の光センサ装置の場合、その中継基板の下にペルチエ素子が配置される。パッケージ容器の容器本体部は、断熱性等を考慮して焼結セラミックスで形成される。上記の配置は、上から順に、センサチップ(受光素子)/読み出し回路/中継基板/ペルチエ素子、となっている。センサチップ(受光素子)の画素電極は、読み出し回路の読み出し電極と、バンプを介してフリップチップ接続されている。
赤外域の光センサ装置において、次の現象が発生することが分かった。ハロゲンランプの白色光を平板に当てて反射した光を当該光センサ装置に入射させた場合、本来、画面の全面に均一な強度分布の面の像が得られるはずである。しかし、実際は、矩形画面の縦(短辺)の縁の部分で、像のゆらぎ、すなわち明暗が波打つパターンがあらわれた。さらに矩形画面の横辺(長辺)に並行するように、帯状の明るい部分と、その帯を上下から挟むような暗部が生じた。このような光の強度の不均一は、画面の中心から外れた周縁部にのみあらわれるのが特徴である。これが、問題となる現象である。このような現象は、画質を著しく損ない、当該赤外イメージセンサの商品価値を損傷する。
赤外域用のセンサチップの入射面には、反射防止(AR:Anti-Reflection)膜が貼られている。ウィンドウから光が入射して、大部分がセンサチップの画素領域に入射されるが、ウィンドウは、センサチップの入射面より余裕をもつように大きく形成されている。このため、ウィンドウを通った光の一部は、センサチップの外側を通って読み出し回路の周辺部および外部接続端子に到達する。すなわちセンサチップからはみ出している領域で反射される。これらの光は、読み出し回路の周辺部および外部接続端子で反射され、ウィンドウ裏面に到達してそのウィンドウ裏面でさらに反射されて、センサチップに戻る光を生じる。このような、読み出し回路の周縁部および外部接続端子で反射された光は、矩形画面の中心から外れた周縁部に光の強度のむらを生じる。画像面の周縁部にのみむらが現れるのは、読み出し回路のはみ出し領域で反射した光は、ウィンドウ裏面で反射してセンサチップの画素領域の周縁部にのみ入射されるからと考えられる。センサチップの入射面には反射防止膜が貼られているので、さらに引き続いての反射は生じない。
(i)本実施の形態では、センサチップの画素領域の外側を通る光があっても、読み出し回路で反射しなければ、画面の光強度の不均一は生じない、というアイデアに基づいている。このため、センサチップの側から平面的に見て、読み出し回路がセンサチップに隠されて、はみ出ている部分がない、構成とした。これによって、読み出し回路からの反射、とくに読み出し回路の辺に沿って配列された外部接続端子からの反射がなくなり、むらのない画像を得ることができる。
(ii)上記(i)に伴い、電極どうしの接続に介在しているバンプの間の空間を充填するように配置されているアンダーフィルの樹脂の形状が、独自の形態となる。すなわち、本実施の形態では、アンダーフィルの樹脂の外周壁面は、読み出し回路側からセンサチップ側にかけて裾を引くように広がる形態となる。センサチップと読み出し回路の大きさが逆の場合、アンダーフィルの樹脂の外周壁面は、センサチップ側から読み出し回路側にかけて裾を引くように広がる。アンダーフィルの樹脂を充填するとき、広い方を下にするので、上記のアンダーフィルの樹脂の外周壁面の形状の相違が生じる。なおアンダーフィルの樹脂は、シリカ含有エポキシ系樹脂が用いられる。その理由は、エポキシ系樹脂は熱膨張率的にも、また強度的にも、光センサ装置の使用中の低温と不使用時の常温とを繰り返す熱サイクルにおいて、インジウム(In)バンプ等が剥離する等の現象が生じるのを、防止するのに有効だからである。
読み出し回路は、センサチップの下に隠されるので、外部に読み出し信号を伝達するための外部接続端子を設けても、ワイヤボンディングすることは不可能である。別の電気経路を形成して、パッケージ容器本体部の接続ピンにワイヤボンディングしなければならない。このために、信号を外部に取り出すために、次の3つの電気的な経路(a1)〜(a3)を設けることができる。
撮像(分析)対象の物が、複数の物質を含み、その複数の物質が吸収スペクトル帯を異にすれば、センサチップに入射する前の光を分光するなどして帯域化することにより、対象物における各物質の分布やその濃度を検知することができる。上記の光センサ装置を組み込んだスペクトルイメージング撮像システムは、このような帯域別の画像を得ることを可能にする。
(8)センサチップ:
センサチップはどのようなセンサチップであってもよい。たとえばInP基板上に形成したタイプ2のInGaAs/GaAsSbの多重量子井戸構造を受光層に用いて、近赤外の長波長域にまで感度を有するようにしたセンサチップであってもよい。多重量子井戸構造は、タイプ2の、(InGaAsN/GaAsSb)、(InGaAsNP/GaAsSb)、(InGaAsNSb/GaAsSb)のいずれかであってもよい。受光層に用いるその他の半導体として、InGaAs、タイプ2のGaSb/InAs多重量子井戸構造、HgCdTe、InAsSbなどを用いることができる。また、センサチップには、複数の画素の独立性を確保するために、選択拡散によって画素の独立性を確保するプレーナ型受光素子でも、また溝を形成して独立性を確保するメサ型受光素子でも、用いることができる。
次に、本願発明の実施形態のエピタキシャルウエハ等の具体例を、図面を参照しながら説明する。なお、本願発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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が含まれることが意図されている。
図1は、本発明の実施の形態1における赤外域の光センサ装置90を示す模式図である。図1によれば、赤外域の光センサ装置90は、ウィンドウ61と箱状の容器本体62とが組み合わされたパッケージ容器60に、センサチップ10/読み出し回路70/中継基板50/ペルチエ素子65、が積層されて収められている。パッケージ容器60の中は、ペルチエ素子65によって低温にされ、負圧がかかる場合もあるので、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性な気体が封入されていてもよい。センサチップ10のウィンドウ61に対向する面(通常、半導体基板の裏面)には、AR膜が配置されている。AR膜は、SiON,SiN,Al2O3,TiO2等の誘電体膜で形成されている。センサチップ10は、InP基板上に形成したタイプ2のInGaAs/GaAsSbの多重量子井戸構造を受光層に用いて、近赤外の長波長域にまで感度を有するようにしたプレーナ型の受光素子を含むセンサチップである(図8参照)。
本発明の実施の形態のポイントは、図1〜図5に示すように、センサチップ10が、二次元的に、読み出し回路70以上の大きさを有する点にある。すなわちセンサチップ10の側から平面的に見て、読み出し回路70がセンサチップ10に隠されて、はみ出ている部分がないようにする。これに伴って、図2などに示すように、電極どうし11,71の接続に介在しているバンプ79の間の空間を充填しているアンダーフィルの樹脂27の形態が従来と変わってくる。アンダーフィルの樹脂27の外周壁面27aは、読み出し回路側からセンサチップ側にかけて裾を引くように広がっている。大きさ関係が逆の場合、アンダーフィルの樹脂は、逆に、センサチップ10側から読み出し回路側にかけて裾を引くように広がっていた。このような本実施の形態におけるアンダーフィルの樹脂27の外周壁面27aの形状は、センサチップ10が読み出し回路70より広いために起きる副次的な構造といってよい。すなわち、アンダーフィルの樹脂27を充填するとき、広いほうのセンサチップ10を下に、読み出し回路70を上にして樹脂を注入するために生じる。
図4は、本発明の実施の形態2における光センサ装置の心臓部を示す図である。図4に示す光センサ装置では、読み出し回路70の外部接続端子75は、センサチップ10の入射面に位置するパッド部25に導電接続される。パッド部25の直下には、貫通孔を充填する導電材23と外部接続端子75が位置していて、パッド部23と読み出し回路の外部接続端子75とは導通している。パッド部25と外部接続端子75とは、どのような配線経路で導電接続してもよく、たとえばセンサチップ10の端面を経由する配線で導電接続してもよい。センサチップ10のパッド部25からはワイヤ77によって中継電極55に接続される。中継電極55から先は、図2の装置と同じである。この場合のワイヤボンディングの種類は、パッド部23と中継電極55とを繋ぐものと、中継電極55と接続ピン(図示せず)とを繋ぐもの、の2種類である。
図5は、本発明の実施の形態例であり、図4に示す装置の変形例を示す図である。図5では、中継基板は有っても無くてもよい。図5に示す装置の特徴は、センサチップ10のパッド部25から、直接、接続ピン(図示せず)にワイヤボンディングする点に特徴がある。中継基板55は有ってもよいが、無いほうが経済性は高くなる。
以上の実施の形態に関し、さらに以下の付記を請求する。
[付記1]
半導体基板にアレイ化された複数の受光素子を備えるセンサチップであって、
前記半導体基板の裏面に貼られた反射防止膜と、
前記裏面の辺縁部に設けられたパッド部と、
前記パッド部と前記半導体基板の裏面と逆側の表面に至る導電部とを備え、
前記導電部が、該センサチップの端面を回り込む配線、またはセンサチップを貫通する配線、である、センサチップ。
これによって、本発明の光センサ装置に用いられて、その独特な構造ゆえに、有用性を発揮するセンサチップを保護対象とすることができる。センサチップのパッド部は、受光素子の配線とは無関係であり、読み出し回路の信号を外部に伝送するための途中の部分を構成する。これまでこのようなパッド部を備えたセンサチップはなかった。
センサチップの画素の電極から信号を読み出す読み出し電極を有する読み出し回路であって、
前記信号を外部に伝送するための、前記読み出し電極が配列されている面に設けられた外部接続端子と、
前記外部接続端子の下に該外部接続端子と連続して設けられた、該読み出し回路の厚みを貫通する導電部と、を備える、読み出し回路。
これによって、本発明の光センサ装置に用いられて、その独特な構造ゆえに、有用性を発揮する読み出し回路を保護対象とすることができる。
Claims (6)
- アレイ化された受光素子を有するセンサチップと、
前記センサチップの下に位置し、該センサチップと電極どうしがバンプを介してフリップチップ接続されている読み出し回路と、
前記センサチップと前記読み出し回路を収納するとともに、ウインドウを有するパッケージ容器とを備え、
前記ウインドウは、前記センサチップの入射面より大きく形成されるとともに、前記センサチップの入射面は、前記ウインドウから離間して配置されており、
前記センサチップは、前記読み出し回路と逆の表面にパッド部を有し、
前記読み出し回路は、前記センサチップに面する表面に、読み出した情報を外部に取り出すための外部接続端子を有し、該外部接続端子と前記パッド部とが接続され、当該パッド部と前記パッケージ容器に設けられた接続ピンとが、ワイヤボンディングを介して接続されており、
前記センサチップの側から平面的に見て、前記読み出し回路が前記センサチップに隠されて、はみ出ている部分がなく、
前記電極間に位置するバンプの間の空間を充填するようにアンダーフィルの樹脂が配置されており、読み出し回路の表面に露出した前記外部接続端子が、当該アンダーフイルにより被覆されている、光センサ装置。 - 前記アンダーフィルの樹脂の外周壁面は、前記読み出し回路側から前記センサチップ側にかけて裾を引くように広がっている、請求項1に記載の光センサ装置。
- アレイ化された受光素子を有するセンサチップと、
前記センサチップの下に位置し、該センサチップと電極どうしがバンプを介してフリップチップ接続されている読み出し回路と、
前記センサチップと前記読み出し回路を収納するとともに、ウインドウを有するパッケージ容器と、
前記読み出し回路の下に中継基板とを備え、
前記ウインドウは、前記センサチップの入射面より大きく形成されるとともに、前記センサチップの入射面は、前記ウインドウから離間して配置されており、
前記読み出し回路は、前記センサチップに面する表面に、読み出した情報を外部に取り出すための外部接続端子を有し、
前記中継基板は、前記センサチップの側から平面的に見て、該センサチップからはみ出ている領域を有するとともに、前記読み出し回路に隠される領域から該はみ出ている領域に延在する中継電極を有し、前記外部接続端子と前記中継電極とは、前記読み出し回路の該外部接続端子の直下に設けたビアホールに充填された導電材を介して導電接続しており、
前記中継電極と前記パッケージ容器に設けられた接続ピンとが、ワイヤボンディングを介して接続されており、
前記センサチップの側から平面的に見て、前記読み出し回路が前記センサチップに隠されて、はみ出ている部分がなく、
前記電極間に位置するバンプの間の空間を充填するようにアンダーフィルの樹脂が配置されており、読み出し回路の表面に露出した前記外部接続端子が、当該アンダーフイルにより被覆されている、光センサ装置。 - 前記読み出し回路の下に中継基板を備え、前記外部接続端子と前記パッド部とは、前記センサチップの端面を回り込む配線、または、前記センサチップを貫通する導電材、によって導電接続され、
前記中継基板は、前記センサチップの側から平面的に見て、該センサチップからはみ出ている領域に中継電極を有し、
前記パッド部と前記中継電極とがワイヤボンディングにより接続されるとともに、前記中継電極と前記接続ピンとが、ワイヤボンディングにより接続される、請求項1または請求項2に記載の光センサ装置。 - 前記外部接続端子と前記パッド部とは、前記センサチップの端面を回り込む配線、または、前記センサチップを貫通する導電材、によって導電接続され、
前記パッド部から前記パッケージ容器に設けられた接続ピンに、直接、ワイヤボンディングにより接続される、請求項1または請求項2に記載の光センサ装置。 - 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の光センサ装置を組み込んだ、スペクトルイメージング撮像システム。
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