JP6217907B2

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

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Publication number: JP6217907B2
Application number: JP2013161676A
Authority: JP
Inventors: 博史稲田; 真樹右田; 猪口　康博; 康博猪口
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2017-10-25
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: JP2015032707A; US20150035989A1; US9264645B2

Description

本発明は、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に関し、より具体的には、高品質の画像を得ることができる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に関するものである。

光センサ装置は現代社会に不可欠のエレクトロニクス装置である。一般的な可視光の固体撮像素子だけでなく、近年、薬品、食品、生体等のライフサイエンス関連の重要対象物は、赤外域に吸収帯を持つものが多く、この分野の発展とともに赤外域の光センサ装置の使用が拡大している。赤外域の光センサ装置は、半導体技術の進歩に伴い、液体窒素温度まで冷やさなくても、ペルチエ素子等による冷却により十分高い画質が得られ、小型化が実現されている。たとえば画素が２次元アレイ化された赤外域受光素子（センサチップ）と、読み出し回路（ＲＯＩＣ:Read-Out IC）を構成するＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）とを組み合わせたイメージセンサが知られている（非特許文献１）。この赤外イメージセンサでは、センサチップはＣＭＯＳにインジウムバンプによってフリップチップ接続され、セラミックパッケージにペルチエ素子とともに実装される。センサチップの各画素で発生した光電流は読み出し回路のＣＴＩＡ（Capacitive Trans-Impedance Amplifier）を介して電圧出力され、外部のＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）で処理した後、デジタル出力される。

可視域対象の光センサ装置も含めて、これらの光センサ装置では、画像の質の向上が追求されてきた。たとえば可視光の固体撮像素子の受光領域（画素）間にわたって発生するノイズ光を抑制するため、反射光を吸収する反射防止膜が提案されている（特許文献１）。ここでは、反射防止膜にさらに凹凸を設ける提案がなされている。また、画素ユニットごとに隔壁を設けることで、散乱光によるクロストークを抑制する構造が提案されている（特許文献２）。また、赤外イメージセンサ関係での画質に関するトラブルとして、たとえば配線基板を貫通する貫通孔から入り込む赤外光によって、受光素子が誤動作をする例が紹介されている（特許文献３）。この問題に対して、可視光は透過するが赤外光は遮光する樹脂を貫通孔に充填する受光装置が提案されている。

猪口康博，森大樹，右田真樹，永井陽一，稲田博史，藤井慧，石塚貴司，秋田勝史， "低ノイズ・広帯域の近赤外２次元センサ開発", ＳＥＩテクニカルレビュー, 第１８２号，ｐ.103（2013年1月）

特開平６−３０２８４５号公報特開２００３−１６３９３８号公報特開２０１３−４１９２５２号公報

上述のように、光センサ装置は、ウィンドウを備えたパッケージ容器に収納して用いられる。特に赤外域用の光センサ装置では、ペルチエ素子等により冷却することで、暗電流等を抑えて高精細な画像が得られるようになっている。このような形態の光センサ装置では、これまでの経験では予測できない現象が生じることがある。とくに画質を劣化させる現象（トラブル）は、回避しなければならない。

本発明は、ウィンドウを備えたパッケージ容器に収納される光センサ装置において、画質を劣化させる現象を避けることができる構造をもつ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を提供することを目的とする。

本発明の光センサ装置は、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。

本発明によれば、ウィンドウを備えたパッケージ容器に収納される光センサ装置は、画質を劣化させる現象を避けることができ、画面全体にわたって均一な光の強度分布を実現することができる。

本発明の実施の形態１における光センサ装置を示す図である。図１の光センサ装置のセンサチップ／読み出し回路等を示す図である。センサチップ側から見た図２の平面図である。本発明の実施の形態２におけるセンサチップ／読み出し回路等を示す図である。図４の光センサ装置の変形例を示す図である。実施例における試験体Ａ１を示す図である。図６に示す試験体Ａ１の平面図である。試験体Ａ１における（センサチップ／読み出し回路）を示す図である。実施例における試験体Ｂ１を示す図である。図９に示す試験体Ｂ１の平面図である。試験体Ａ１（本発明例）の画像を示す図である。試験体Ｂ１（比較例）の画像を示す図である。

[本願発明の実施形態の説明]
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。

（２）電気的な接続経路：
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。

従来の光センサ装置では、読み出し信号は、読み出し回路の外部接続端子から、外部に取り出される。このため、読み出し回路の外部接続端子にはワイヤボンディングによってワイヤの一端がボンドされ、他端は中継基板の中継電極の一部に接続される。中継電極の残りの部分には、もう一本のワイヤの一端が接続され、他端は、容器本体部に設けた接続ピンにボンドされる。上記のワイヤボンディングの接続の形態を可能にするために、読み出し回路の外部接続端子は、平面的に見てセンサチップからはみ出した場所に配置しなければならなかった。すなわち読み出し回路は、外部接続端子の配置のために、センサチップからはみ出た場所を持たなければならなかった。

（３）問題となる現象：
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。

（４）上記の現象の原因解明：
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。

（５）上記の現象を回避するための構造：
（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。

（６）新しい電気的な接続経路：
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。

（ａ１）読み出し回路の下に中継基板を備え、読み出し回路は、センサチップに面する表面で、フリップチップ接続された電極の領域の外側に、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、中継基板は、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し、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、外部接続端子と中継電極とは、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いる。中継基板の中継電極からは、中継基板の中継電極の残りの部分と、パッケージ容器本体部の接続ピンとをワイヤボンディングすることで、読み出し信号を外部に伝達することができる。読み出し回路の外部接続端子は、当然であるが、センサピッチに隠されている。この場合、ワイヤボンディングは、中継電極と容器本体部の接続ピンとの間を接続する１種類である。本数は、少なくとも外部接続端子の数だけはあり、非常に多い。

（ａ２）読み出し回路の下に中継基板を備え、読み出し回路は、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、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、外部接続端子とパッド部とは、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導電材、によって導電接続され、中継基板は、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する。この場合、センサチップのパッド部と中継基板の中継電極の一部分とはワイヤボンディングされる。中継電極の残りの部分とパッケージ容器本体部の接続ピンとをワイヤボンディングすることで、読み出し信号を外部に伝達することができる。この場合、ワイヤボンディングは、センサチップのパッド部と中継電極の部分を接続するものと、中継電極の残りの部分と容器本体部の接続ピンとを接続するもの、の２種類である。上記のように、どちらの種類も本数は非常に多い。

（ａ３）読み出し回路は、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、センサチップは読み出し回路と逆の表面にパッド部を有し、外部接続端子とパッド部とは、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導電材、によって導電接続されている。そして、センサチップのパッド部とパッケージ容器本体部の接続ピンとがワイヤボンディングされる。この場合、ワイヤボンディングは１種類である。また、中継基板は有ってもよいが、不要となる。

（７）スペクトルイメージング撮像システム：
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。

[本願発明の実施形態の詳細]
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。

（実施の形態１）
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，Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２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）。

読み出し回路（ＲＯＩＣ：Read-Out IC）７０は、通常、シリコン基板に形成されており、たとえばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などを用いるのがよい。赤外イメージセンサ１０が、ＩｎＰ基板などＩＩＩ−Ｖ族半導体基板に形成され、読み出し回路７０がＳｉ基板に用いられることから、近赤外域用のセンサチップ１０と読み出し回路７０との組み合わせをハイブリッド半導体などと呼ぶことがある。ＣＭＯＳの読み出し電極とセンサチップ１０の画素電極とは、インジウムなどのバンプを介在させて、接続されている。

センサチップ１０の各画素で発生した電気信号は、ＣＭＯＳ７０の読み出し電極で読み出される。ＣＭＯＳ７０からの出力信号を外部に取り出すために、ＣＭＯＳ７０に設けた外部接続端子７５から金（Ａｕ）などのワイヤ７７を用いてパッケージ容器本体６２に設けた出力ピン（図示せず）に接続する。上記したように、このＣＭＯＳ７０の表面、外部接続端子等で反射した光が、ウィンドウ６１の裏面で反射され、センサチップ１０の入射面に至り、センサチップ１０の感度の画像面の非中心領域における明るさの不均一性を発生する。とくに、矩形の画像面の短辺に沿って明暗が波打つゆらぎがあらわれる。またＣＭＯＳ７０の外部接続端子の配列に類似の帯状の明暗模様が並行して画像面の辺領域にあらわれる。

（本実施の形態の赤外光センサ装置のポイント）
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２〜３の電気的な接続経路について説明する。図２〜３の光センサ装置では、センサチップ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に隠れるため、当然、外部接続端子７５も隠れることになる。したがって外部接続端子７５にワイヤボンディングすることはできない。このため、読み出し回路７０の外部接続端子７５の直下にビアホールを設けそのビアホールに導電材７３を充填して中継基板５０の中継電極５５と導電接続する点に特徴がある。外部接続端子７５と中継電極５５とは、位置合わせをしておく。中継電極５５からはワイヤボンディングにより接続ピンに接続され、外部に信号を伝送することができる。図３に示すように多数のワイヤ７７がボンディングされるが、その種類は１種類である。

（実施の形態２）
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。

（変形例）
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。

本発明の一部を適用した試験体Ａ１と、比較例の試験体Ｂ１と試作して、画面の光の強度の不均一性を評価した。図６はおよび図７は、試験体Ａ１のセンサチップ１０／読み出し回路７０等を示す図である。試験体Ａ１においては、読み出し回路７０の外部接続端子７５が配列されていない短辺の一方（破線の楕円Ｋの箇所）においてセンサチップ１０の基板１が延び出ていて、平面的に見て読み出し回路７０を隠している。読み出し回路７０の矩形の長辺側を隠すようなセンサチップ１０にすると、外部接続端子７５にワイヤボンディングすることができない。このため、矩形の短辺側を隠す試験体Ａ１となった。試験体Ａ１は、本発明をすべて適用したものではない。試験体Ａ１によって本発明の効果を検証せざるを得なかった理由は、次のとおりである。すなわち、稼働時の画面の光強度の均一性を検証するには、読み出し回路７０／中継基板５０における電気的な接続構造が本発明に対応したものとしなければならない。換言すれば、センサチップ／読み出し回路／外部の制御機器など、すべてをスイッチオン状態で稼働していなければならない。本発明をすべて実施して、スイッチオン状態にするには、製品として、本発明に対応した読み出し回路７０および中継基板５０を揃えなければならない。たとえば図２もしくは図４に示す電気的接続構造を実現するには、図２もしくは図４に示す読み出し回路７０またはセンサチップ１０の製品を得なければならない。製品として読み出し回路７０もしくはセンサチップ１０の電気的な接続構造を変更することは、多大な費用と時間を要することであり、実生産の前において発明の有効性を確認するのに、そのような大規模な費用と手間をかけることは適当ではない、というより許容されない。そこで、次善の策として、電気的な接続構造は、従来のものがそのまま使用できて、本発明の実施の形態における一部のみを実施した試験体Ａ１を用いることとなった。

図８は、試験体Ａ１に用いたセンサチップ１０と読み出し回路７０を示す図である。読み出し回路７０の右端がセンサチップ１０の隠されずに出ているのは、破線の楕円Ｋとは異なる辺だからである。センサチップ１０は、ＩｎＰ基板１／バッファ層２／タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５のエピタキシャル積層構造を有している。ＩｎＰ窓層５の表面に位置する選択拡散マスクパターン３６の開口部から導入された亜鉛（Ｚｎ）によるｐ型領域６の先端に、ｐｎ接合１５が形成されている。選択拡散マスクパターン３６はさらにパッシベーション膜４３で保護されている。画素は、ｐ型領域６を主要部として形成されており、各画素は隣の画素と選択拡散されていない領域によって隔てられ独立性を保つ、いわゆるプレーナ型フォトダイオードである。センサチップ１０における画素の画素領域は矩形であり、長辺に沿って３２０画素、短辺に沿って２５６画素が配列されている。入射面であるＩｎＰ基板１の裏面にＡＲ膜３５が貼られている。

次に、図９により従来例の試験体Ｂ１について説明する。試験体Ｂ１の光センサ装置１９０において、パッケージ１６０は、図１の光センサ装置９０と同様に、サファイア製のウィンドウ１６１と容器本体部１６２から構成され、センサチップ１１０はウィンドウ１６１に面している。図１と相違する点は、センサチップ１１０の下にセンサチップよりも縦横どちらもサイズが大きい読み出し回路１７０が位置している点である。すなわち平面的に見て、センサチップ１１０は読み出し回路１７０に完全に含まれている。この点だけが異なり、その他は、試験体Ａ１と同様の構造である。読み出し回路１７０の下に中継基板１５０が位置し、さらにその下にペルチエ素子１６５が位置している。図１０を合わせて参照して、読み出し回路１７０の読み出し電極１７５と中継基板１５０の中継電極１５５とはワイヤ１７７で接続されており、中継電極１５５と接続ピン（図示せず）とは、やはりワイヤボンディングされている。試験体Ｂ１についても、図８に示すものと同じセンサチップおよび読み出し回路を用いた。ただし、何度も繰り返すが、試験体Ｂ１では、図１０の短辺を囲む破線の楕円Ｋの位置で、読み出し回路１７０がセンサチップ１１０からはみ出している。

センサチップ／読み出し回路／外部制御装置等をスイッチオンさせた状態で、試験体Ａ１、Ｂ１に対して、ハロゲンランプの光を白色の平板に当てて反射した光を光センサ装置のウィンドウに入射させ、画像をプリントアウトして光の強度分布とした。試験体Ａ１の結果を図１１Ａに、また試験体Ｂ１の結果を図１１Ｂに示す。試験体Ａ１について説明したように、図１１Ａ〜１１Ｂでは、画像面の短辺の一つ（Ｋ楕円領域）の光強度の均一性を検証することになる。図１１Ｂに示すように、試験体Ｂ１では、楕円Ｋの位置の短辺の明暗が波打ってゆらいで、不均一である。これに対して、図１１Ａでは、楕円Ｋの付近の光強度は均一になっていることが分かる。図１１Ａでは、楕円Ｋと対向するもう一つの短辺付近（マークＫがない短辺）では、試験体Ｂ１と同じように光強度は不均一なままである。これより、画像面において光強度分布にむらが生じるのは、センサチップからはみ出した読み出し回路が原因であることが特定される。さらに、試験体Ｂ１において、画像面の四周にわたって光の強度分布が不均一になるのは、図９に示すように、センサチップ１１０からはみ出ている読み出し回路１７０から反射した光が、ウィンドウ１６１の裏面で反射してセンサチップ１１０に戻ってくることによる。本実施例では、試験体Ａ１により、楕円Ｋの短辺のみセンサチップ１０を延在させて読み出し回路を覆い隠すことで、画像面の光の強度の不均一性が消失することを確認できた。このことは、四周にわたって平面的に見て、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ようにすることで、画像面の光強度は均一になり、むらが消失することを確認するに等しい結果といえる。

＜付記＞
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。

[付記２]
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。

本発明の光センサ装置によれば、ウィンドウを備えたパッケージ容器に収納された光センサ装置において、読み出し回路をセンサチップで隠すことにより、読み出し回路からウィンドウに至る反射光がなくなる。これによって、画像の周縁部に生じていた光強度分布のむらを除いて均一な感度の画像を得ることができる。

１ＩｎＰ基板、２バッファ層、３タイプ２（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造、４ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層、５ＩｎＰ窓層、６ｐ型領域、１０センサチップ、１１ｐ側電極（画素電極）、１２グランド電極（ｎ側電極）、１５ｐｎ接合、２３センサチップ厚みを貫通する導電材、２５センサチップのパッド部、２７アンダーフィル、２７ａアンダーフィルの外周壁面、３５反射防止（ＡＲ）膜、３６選択拡散マスクパターン、４３パッシベーション膜、５０中継基板、５５中継電極、６０パッケージ容器、６１ウィンドウ、６２容器本体部、６５ペルチエ素子、７０読み出し回路（ＣＭＯＳ）、７３読み出し回路の厚み貫通導電材

Claims

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。