JP5636557B2

JP5636557B2 - 赤外線センサの製造方法及び赤外線センサ並びに量子型赤外線ガス濃度計

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Description

本発明は、赤外線センサの製造方法及び赤外線センサ並びに量子型赤外線ガス濃度計に関し、より詳細には、センサ素子の受光面に光学フィルタを形成する赤外線センサの製造方法及び赤外線センサ並びに量子型赤外線ガス濃度計に関する。

一般に、赤外線センサは、人体などの物体検出や大気中の種々のガス濃度を測定するのに用いられている。この種の従来の赤外線センサとしては、上面に凹部が形成されたパッケージと、凹部の底面に載置された赤外線センサ素子と、パッケージの上面の凹部の周囲に紫外線硬化型樹脂を介して取着された板状の光学フィルタとを備えた赤外線センサが提案されている。この赤外線センサは、光学フィルタとパッケージとの接着強度を向上させることが可能になり、低コストで作製することができる光学フィルタを備えた小型化かつ高信頼性の赤外線センサを提供することができるとされている。

しかしながら、上述のような赤外線センサは、１）高価な光学フィルタの受光面の外周部をパッケージと貼り合わせるため、光学フィルタとして機能しない部分が必要となり、コストの増大を招く、２）接着剤の塗布量や塗布状態にばらつきが生じ、接着不良や、接着部以外への接着剤の滲み出しにより、例えば、人体の検知や防犯機器などに用いられる赤外線センサに適用した場合、検知範囲が狭くなり、視野特性にばらつきが生じる、といった問題点がある。

これらの問題点を解決するために、例えば、特許文献１に記載されているような赤外線センサが提案されている。この特許文献１に記載のものは、赤外線センサ素子を収容したパッケージの開口部に、赤外線センサ素子に所定の波長の赤外線を受光させる機能と、パッケージの開口部を封止する蓋としての機能とを同時に果たす光学フィルタを配設した構造を有する赤外線センサ及びその製造方法に関するものである。つまり、パッケージとして、光学フィルタを、パッケージの周壁の上端部よりも低い位置で支持する支持部と、支持部に支持された光学フィルタの側面と、パッケージの周壁との間に形成される隙間と連通する凹部とを備えたパッケージを用い、支持部に光学フィルタを支持させた状態で、凹部に接着剤を供給し、光学フィルタとパッケージの周壁との隙間に、毛細管現象により接着剤を浸入させ、光学フィルタを、接着剤を介してパッケージの開口部に固定するものである。

また、赤外線センサ素子と光学フィルタとをパッケージして一体化した赤外線センサとしては、例えば、特許文献２のものがある。この特許文献２に記載のものは、シリコン基板の表裏面のうち一方の面に異種金属の接合によるサーモパイルなどを用いた赤外線センサ部がダイヤフラム上に支持させて形成されているとともに、他方の面に光学干渉多層からなる受光波長選択用光学フィルタが形成されているものである。

また、赤外線などの光を透過する窓材と検出素子との間に、検出素子に対応し、光学薄膜によって所定の波長帯域の光のみを選択し透過させる光学フィルタが配置される赤外線センサについては、例えば、特許文献３に開示されている。

また、炎中の二酸化炭素の共鳴放射スペクトルは、４．３μｍにピークを持ち、他の放射を比較するための帯域の赤外線強度と比較することにより、精度良い火災検知ができることが、例えば、特許文献４により知られている。

従来の赤外線センサとしては、熱型赤外線センサと量子型赤外線センサに分けられる。熱型赤外線センサは、赤外線のエネルギーを熱として利用したセンサであり、赤外線の熱エネルギーによりセンサ自体の温度が上昇し、その温度上昇による効果（抵抗変化、容量変化、起電力、自発分極）を電気信号に変換する素子である。この熱型赤外線センサには、焦電型（ＰＺＴ、ＬｉＴａＯ₃）、熱起電力型（サーモパイル、熱電対）、導電型（ボロメータ、サーミスタ）があり、感度に波長依存性がなく、冷却は不要である。しかも、応答速度が遅く、検出能力もあまり高くない。また、赤外線検出部と周辺部を熱的に分離する必要があるために赤外線検出部と周辺部との間に空隙をとる必要があり、上述の光学フィルタも赤外線検出部に接着できなかった。

一方、量子型赤外線センサは、半導体に赤外線が照射されると、その光量子によって発生する電子や正孔を利用するセンサであり、光導電型（ＨｇＣｄＴｅなど）や光起電力型（ＩｎＡｓなど）がある。この量子型赤外線センサは、感度の波長依存性があり、高感度で、応答速度が速いという特長があるが、冷却する必要があり、ペルチェ素子やスターリングクーラーなどの冷却機構とともに用いられるのが一般的であった。

特開２００７−２８８１６８号公報特開２００６−０５８２０３号公報特開２００２−２４３５４４号公報特開２００１−２４９０４７号公報

このような従来の赤外線センサ素子では、上述したセンサ温度の大幅な変化に対応するため、缶パッケージを用いて、センサ素子の周辺に空隙を設け、更に真空化したり、熱伝導率の小さいガスを充填したり、又は熱容量の大きなヒートシンク部をつけたりして、熱的に検知部を遮断、安定化することによって、この現象を緩和させられる方法が取られている。しかしながら、これらの構成では、素子の形状を複雑化、大型化、重量を増加させるとともに、パッケージに高い工作精度を要求し、コストを上昇させる原因になっていた。

また、缶パッケージを使用せずにモールド樹脂等のパッケージを使用したり、赤外線素子の表面上に直接フィルタをつけたものなども提案されているが、これらのものの場合、熱型の赤外線センサ素子を利用した場合には、熱的な分離が不充分なために測定する気体の温度や流量が大幅に変化した場合には、安定な測定が行えないという問題があった。

また、従来の量子型赤外線センサを用いた場合、常温で安定に高い感度を得ることが出来ないため、素子を大型のヒートシンクで熱的に安定化させる方法や、ペルチェ素子や液体窒素で素子を冷却する方法が行われる。素子を冷却することによる結露を防ぐためと、外部への熱伝導を抑えるためにＸｅ、Ｎｅ等の熱伝導率の低いガスで封入する等の目的で、熱型赤外線センサと同様に缶パッケージが使用される。そのため、素子の大型化や形状の複雑化、パッケージに高い工作精度を要求するため、コストを上昇させるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小型でかつ簡便なセンサ形状を有し、測定ガスの流量変化や温度変化などの外乱変化に対して安定して測定することができるようにした赤外線センサの製造方法及び赤外線センサ並びに量子型赤外線ガス濃度計を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、本発明の一態様は、複数の量子型センサ素子が形成されるウェハの第１の主面と対向する前記ウェハの第２の主面の全面に、前記量子型センサ素子の赤外線吸収部を避けて周辺部に形成された接着材を介して光学フィルタを被着するフィルタリング工程と、前記ウェハを切り離して複数の前記量子型センサ素子を形成する第１のダイシング工程と、該第１のダイシング工程により切り離された前記量子型センサ素子を、リードフレームと支持基材とで形成される凹部内に、前記ウェハの第１の主面側が露出し、前記光学フィルタが前記支持基材と接するように搭載するダイボンド工程と、前記ウェハの第１の主面に形成された量子型センサ素子と前記リードフレームとをワイヤにより前記凹部内で収納接続するワイヤボンド工程と、前記凹部を前記ウェハの第２の主面側に形成された光学フィルタ面を除いて樹脂でモールドするモールド工程と、前記量子型センサ素子と前記リードフレームを個片化する第２のダイシング工程と、をこの順で実行するように有し、前記センサ素子と前記光学フィルタとを一体的に形成することを特徴とする赤外線センサの製造方法である。（実施例１）
また、本発明の別の態様は、前記リードフレームが、前記凹部を形成するリードフレームの側面に段差部を有し、前記ワイヤボンド工程が、前記ウェハの第１の主面に形成された量子型センサ素子と前記リードフレームの前記段差部とをワイヤにより前記凹部内で収納接続する、上記の赤外線センサの製造方法である。

また、本発明の別の態様は、上記の赤外線センサの製造方法により製造される赤外線センサである。（実施例２）

また、本発明の別の態様は、測定対象ガスの流路を構成するサンプルセル内の一端に赤外線光源を配置するとともに、前記サンプルセル内の他端に、上記の赤外線センサを配置したことを特徴とする量子型赤外線ガス濃度計である。（実施例３）

本発明によれば、ウェハを切り離して複数の前記センサ素子を形成する第１のダイシング工程と、この第１のダイシング工程により切り離されたセンサ素子をリードフレームに搭載し、ワイヤとともに樹脂モールドされたセンサ素子とリードフレームを個片化する第２のダイシング工程と、第１又は第２のダイシング工程の前段において、センサ素子の受光面に光学フィルタを形成するフィルタリング工程とを有するので、小型でかつ簡便なセンサ形状を有し、測定ガスの流量変化や温度変化などの外乱変化に対して安定して測定することができるようにした赤外線センサの製造方法及び赤外線センサ並びに量子型赤外線ガス濃度計を提供することが可能である。

（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の赤外線センサの製造方法の実施例１を説明するための工程図（その１）である。（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の赤外線センサの製造方法の実施例１を説明するための工程図（その２）である。（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の赤外線センサの製造方法の実施例２を説明するための工程図（その１）である。（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の赤外線センサの製造方法の実施例２を説明するための工程図（その２）である。本発明の赤外線センサを用いた量子型赤外線ガス濃度計（実施例３）を説明するための赤外線センサの感度スペクトルを示す図である。本発明の赤外線センサを用いた量子型赤外線ガス濃度計（実施例３）を説明するためのセンサ感度域の各種ガス赤外線透過スペクトルを示す図である。本発明に係る量子型赤外線ガス濃度計（実施例３）を説明するために構成図である。本発明の赤外線センサを用いた量子型赤外線ガス濃度計（実施例３）を説明するためのＮＤＩＲ法によるＣＯ₂濃度定量の例を示した図である。本発明の赤外線センサを用いた人感センサ（実施例４）について説明するための発熱体の温度の違いによる光スペクトルを示す図である。本発明の赤外線センサを用いた量子型赤外線ガス濃度計（実施例３）について、２波長一体で樹脂モールドした例を示した図である。本発明の赤外線センサを用いた量子型赤外線ガス濃度計（実施例３）について、４波長一体で樹脂モールドした例を示した図である。本発明に係る赤外線センサの実施例１及び後述する各実施例に用いられる量子型センサ素子の具体的な構成図である。実施例１におけるセンサ素子部の接着層を説明するための上面図である。図１３に示した接着層に切り欠き部を設けた実施例を説明するための上面図であり、（ａ）は、赤外線吸収部１１４の外周部の接着層の中間部に切り欠き部１１２ａを設けた場合を示し、（ｂ）は、外周部の接着層のコーナー部に切り欠き部１１２ａを設けた場合を示している。実施例２におけるセンサ素子部の接着層を説明するための上面図である。

以下、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。
＜実施例１＞
図１（ａ）乃至（ｃ）及び図２（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の赤外線センサの製造方法の実施例１を説明するための工程図である。

本発明の実施例１に係る赤外線センサ１８の製造方法は、センサ素子１３の受光面１３ａに光学フィルタ１２を形成する赤外線センサ１８の製造方法であって、光学フィルタ１２付きのウェハ１０を切り離して複数のセンサ素子１３を形成する第１のダイシング工程と、この第１のダイシング工程により切り離されたセンサ素子１３をリードフレーム１４に搭載し、ワイヤ１６とともに樹脂１７によりモールドされたセンサ素子１３とリードフレーム１４を個片化する第２のダイシング工程と、第１のダイシング工程の前段において、センサ素子１３の受光面１３ａに光学フィルタ１２を形成するフィルタリング工程とを有し、センサ素子１３に光学フィルタ１２を直接一体的に形成するものである。

まず、ウェハ基板１１の裏面に接着剤を介して光学フィルタ１２を被着してウェハ１０を形成する（図１（ａ）；フィルタリング工程）。次に、ウェハ１０を切り離して複数の光学フィルタ１２付きセンサ素子１３を形成する（図１（ａ）；第１のダイシング工程）。次に、この第１のダイシング工程により切り離されたセンサ素子１３をリードフレーム１４の凹部１５内に整列し、この凹部１５内にセンサ素子１３の受光面１３ａを下向きにして収納するように搭載する（図１（ｂ）；ダイボンド工程）。次に、このダイボンド工程により凹部１５に収納されたセンサ素子１３とリードフレーム１４とをワイヤ１６により凹部１５内で収納接続する（図１（ｃ）；ワイヤボンド工程）。

次に、このワイヤボンド工程によるワイヤボンドが施されたセンサ素子１３の受光面１３ａを除いて凹部１５内を樹脂１７によりモールドする（図２（ａ）；モールド工程）。次に、ワイヤ１６とともに樹脂１７によりモールドされたセンサ素子１３とリードフレーム１４を個片化する（図２（ｂ）；第２のダイシング工程）。

このように、本発明の実施例１に係る赤外線センサの製造方法は、第１のダイシング工程の前段において、ウェハ基板１１上に接着剤を介して光学フィルタ１２を被着するもので、この図１（ａ）に示すようなフィルタリング工程及び第１のダイシング工程と、図１（ｂ）に示すようなダイボンド工程と、図１（ｃ）に示すようなワイヤボンド工程と、図２（ａ）に示すようなモールド工程と、図２（ｂ）に示すような第２のダイシング工程とを経て、図２（ｃ）に示すような赤外線センサ１８が完成する。つまり、この実施例１によって完成された赤外線センサ１８は、センサ素子１３の受光面１３ａのみに光学フィルタ１２が直接設けられている。

上述した図１（ａ）に示したフィルタリング工程における光学フィルタは、赤外光を選択的に透過する機能を有するものであればよい。この光学フィルタの例としては、光学部材と、この光学部材上に多層で形成された薄膜とで、長波長又は短波長、又はその両方の波長の赤外線を透過させない機能を有するものであり、これらの透過機能を組み合わせて結果的に、特定の波長の赤外線のみを透過させる機能を有する光学フィルタである。

この光学フィルタは、特定の波長の赤外線のみを透過させる機能を１枚で行っても良いし、場合によっては複数枚を使用することもできる。また、この光学部材の材料としては、シリコン（Ｓｉ），硝子（ＳｉＯ₂），サファイヤ（Ａｌ₂Ｏ₃），Ｇｅ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＣａＦ₂，ＢａＦ２などの所定の赤外線が透過する材料が用いられ、また、これに蒸着される薄膜材料としては、シリコン（Ｓｉ），硝子（ＳｉＯ₂），サファイヤ（Ａｌ₂Ｏ₃），Ｇｅ，ＺｎＳ，ＴｉＯ₂，ＭｇＦ₂，ＳｉＯ₂，ＺｒＯ₂，Ｔａ₂Ｏ₅などが使用される。また、光学部材上に異なる屈折率を有する誘電体を層状に積層した誘電体多層膜フィルタは、表面、裏面異なる所定の厚み構成で両面に作られていてもよいし、また、片面のみに形成されていてもよい。また、不要な反射を防止する目的で反射防止膜が表面、裏面の両面、又は片面の最表層に形成されていても構わない。

また、ウェハ基板１１の表面に光学フィルタ１２を被着するための接着剤としては、ポリイミド系、ポリエチレン系、エポキシ系、アクリル系、ゴム系などがある。光学フィルタの透過帯域と接着剤の吸収帯域が異なる接着剤が好適である。また、センサ素子１３としては、量子型センサ素子であることが望ましい。この量子型センサ素子は、光学フィルタ１２を透過した赤外光を常温で検出することのできる量子型センサ素子であり、光起電力型、光導電効果型、光電子放出効果型等の形式があり、本発明にはこれらのいずれの形式も使用できるが、光電子放出効果型は、高真空等の特殊な環境が必要であり装置自体やセンサ素子が大きくなるという問題があり、光導電効果型ではセンサ素子自信に電流を通電させるため、ノイズが大きくなる欠点があり、常温では高感度で測定することが難しい。したがって、好適には光起電力型が最も好ましい。

また、光学フィルタを透過した赤外線を常温で検出することのできる量子型赤外線センサは、基板上に赤外線によって光起電力効果を生じるフォトダイオード構造を有する受光部を形成したものである。この基板には、単結晶のＳｉ基板、ガラス基板、又はＧａＡｓ基板などを使用することが可能であるが、ここでは一例として半絶縁性のＧａＡｓ基板を使用する。

また、センサ素子は、赤外線の光量子（フォトン）によって受光面が励起され、この励起によって受光面の電気的性質が変化する量子型のセンサ素子である。このセンサ素子では、その受光面での光電変換によって赤外線エネルギーが電気エネルギーに変換される。量子型であるため、センサ素子の赤外線検出感度は、このセンサ素子及びその周辺の熱容量にほとんど影響されない。

また、センサ素子の受光面は、例えば、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ（０≦ｘ≦１）で構成されており、波長１〜１１μｍ程度までの赤外線を効率良く光電変換することができるようになっている。センサ素子は、例えば、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に形成されたＩｎＳｂ系の量子型ＰＩＮフォトダイオードで構成されている。

また、このＩｎＳｂ系の量子型ＰＩＮフォトダイオードは、基板と、この基板上に形成されたｎ型のＩｎＳｂ層（コンタクト層）と、このｎ型のＩｎＳｂ層上に形成されたｐ型ドープされたＩｎＳｂ層（吸収層）と、このｐ型ドープされたＩｎＳｂ層上に形成されたｐ型のＡｌＩｎＳｂ層（バリア層）と、このｐ型のＡｌＩｎＳｂ層上に形成されたｐ型のＩｎＳｂ層（コンタクト層）とを備えてもよい。

センサ素子では、各ＰＩＮフォトダイオードは接続配線によって直列に接続されている。基板の裏面（すなわち、ＰＩＮフォトダイオードが形成されている面の反対）側から赤外線が入射すると、その赤外線輻射量に応じた光起電力がＰＩＮフォトダイオードで発生し、接続配線を通ってセンサ素子の外へ出力されるようになっている。

常温で動作する量子型センサ素子は、従来一般に用いられるサーモパイルなどの熱起電力型の素子よりも高い感度であり、シグナルあたりのノイズ量、すなわち、ＳＮ比もそれらよりも良好である。また、この量子型センサ素子は、その組み立て成型時に表面実装可能な形状とすることも可能である。

図１２は、本発明に係る赤外線センサの実施例１及び後述する各実施例に用いられる量子型センサ素子の具体的な構成図である。量子型センサ素子１０３はセンサ素子部１０３ａを有し、このセンサ素子部１０３ａは、基板１０５上に設けられた第１のコンタクト層１０６と、この第１のコンタクト層１０６上に設けられた吸収層１０７と、この吸収層１０７上に設けられたバリア層１０８と、このバリア層１０８上に設けられた第２のコンタクト層１０９と、この第２のコンタクト層１０９上に設けられた第２の素子部電極１１１ｂと、第１のコンタクト層１０６と吸収層１０７とバリア層１０８と第２のコンタクト層１０９に隣接して設けられたパッシベーション層１１０と、このパッシベーション層１１０を介して基板１０５上に設けられた第１の素子部電極１１１ａとを備えている。なお、接着層１１２と光学フィルタ１１３とは、本発明にかかるセンサ素子部１０３ａに含まないものとする。

つまり、センサ素子部１０３ａの受光面を除いた全体は、モールド樹脂１０１で覆われ、センサ素子部１０３ａの両側には、センサ信号を取り出すためのセンサ電極端子１０２ａ，１０２ｂが設けられている。さらに、センサ素子部１０３ａを構成する第１の素子部電極１１１ａと第２の素子部電極１１１ｂに接続され、基板１０５上に形成されたパッド電極１０４ａ，１０４ｂは、ワイヤーボンディング１１５によりセンサ電極端子１０２ａ，１０２ｂと電気的に接続されている。

さらに、センサ素子部１０３ａをより詳細に説明する。例えば、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０５上にｎ型のＩｎＳｂコンタクト層１０６と、π型のＩｎＳｂ吸収層１０７と、ｐ型のＡｌＩｎＳｂバリア層１０８と、ｐ型のＩｎＳｂコンタクト層１０９が形成され、ｎ型のＩｎＳｂコンタクト層１０６は、一方のパッド電極１０４ａに素子部電極１１１ａで電気的に接続され、さらに、ｐ型のＩｎＳｂコンタクト層１０９は、他方のパッド電極１０４ｂに第２の素子部電極１１１ｂで電気的に接続されている。

センサ素子部１０３ａを構成する半導体薄膜の材料は、上述した例に限定されるものではない。また、センサ素子部は、上述した１組の１０３ａで構成した例に限定されるものではなく、基板上に直列または並列に複数組接続してあっても同じである。

＜実施例２＞
図３（ａ）乃至（ｃ）及び図４（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の赤外線センサの製造方法の実施例２を説明するための工程図である。

本発明の実施例２に係る赤外線センサ２７の製造方法は、センサ素子２１の受光面２１ａに光学フィルタ２６を形成する赤外線センサ２７の製造方法であって、ウェハ２０を切り離して複数のセンサ素子２１を形成する第１のダイシング工程と、この第１のダイシング工程により切り離されたセンサ素子２１をリードフレーム２２上に搭載し、ワイヤ２４とともに樹脂２５によりモールドされたセンサ素子２１とリードフレーム２２を個片化する第２のダイシング工程と、第２のダイシング工程の前段において、センサ素子２１の受光面２１ａに光学フィルタ２６を形成するフィルタリング工程とを有し、センサ素子２１と光学フィルタ２６を、樹脂２５を介して一体的に形成するものである。

まず、ウェハ２０を切り離してセンサ素子２１を形成する（図３（ａ）；第１のダイシング工程）。次に、この第１のダイシング工程により切り離されたセンサ素子２１をリードフレーム２２の凹部２３内に整列し、この凹部２３内にセンサ素子２１の受光面２１ａを下向きにして収納するように搭載する（図３（ｂ）；ダイボンド工程）。次に、このダイボンド工程により凹部２３に収納されたセンサ素子２１とリードフレーム２２とをワイヤ２４により凹部２３内で収納接続する（図３（ｃ）；ワイヤボンド工程）。

次に、このワイヤボンド工程によるワイヤボンドが施されたセンサ素子２１の受光面２１ａを除いて凹部２３内を樹脂２５によりモールドする（図４（ａ）；モールド工程）。次に、モールド工程により形成されたモールド体を上下反転させて、センサ素子２１の受光面２１ａを含めて樹脂２５の表面とリードフレーム２２の表面に光学フィルタ２６を被着形成する（図４（ｂ）；フィルタリング工程）。次に、ワイヤ２４とともに樹脂２５によりモールドされたセンサ素子２１とリードフレーム２２と光学フィルタ２６とを個片化する（図４（ｃ）；第２のダイシング工程）。

このように、本発明の実施例２に係る赤外線センサの製造方法は、第２のダイシング工程の前段において、樹脂２５の表面及びリードフレーム２２の表面に接着剤を介して光学フィルタ２６を被着するもので、図３（ａ）に示すような第１のダイシング工程と、図３（ｂ）に示すようなダイボンド工程と、図３（ｃ）に示すようなワイヤボンド工程と、図４（ａ）に示すようなモールド工程と、図４（ｂ）に示すようなフィルタリング工程と、図４（ｃ）に示すような第２のダイシング工程とを経て、図４（ｄ）に示すような赤外線センサ２７が完成する。つまり、この実施例２によって完成された赤外線センサ２７は、樹脂２５の表面及びリードフレーム２２の表面の全体に亘って光学フィルタ２６が被着され、樹脂２５を介してセンサ素子２１の受光面２１ａに光学フィルタ２６が設けられものである。

なお、この実施例２における光学フィルタは、上述した実施例１における光学フィルタと同じものが使用される。また、樹脂層２５の表面及びリードフレーム２２の表面に光学フィルタ２６を被着するための接着剤も、上述した実施例１の場合と同じ材料が用いられる。また、センサ素子２１としては、量子型センサ素子であることが望ましい。この量子型センサ素子についても、上述した実施例１の場合と同様なものが用いられる。

＜実施例３＞
次に、本発明の赤外線センサを用いた量子型赤外線ガス濃度計について説明する。
図５は、本発明の赤外線センサの感度スペクトルを示す図である。例えば、ＩｎＳｂ系の量子型センサ素子の場合、赤外線波長１μｍから８μｍに感度帯域を有している。この帯域内に吸収を有する代表的なガスとして、二酸化炭素，一酸化炭素，窒素酸化物，硫黄酸化物，ホルムアルデヒドなどがあげられる。図６には、センサ感度域の各種ガス赤外線透過スペクトルを示している。吸収波長の赤外線量を実施例１及び実施例２によって製造された赤外線センサを用いて測定することにより、量子型赤外線ガス濃度計を実現することができる。

図７は、本発明に係る量子型赤外線ガス濃度計を説明するために構成図である。この量子型赤外線ガス濃度計は、１光源２波長比較ＮＤＩＲガス濃度計で、量子型赤外線センサ３２を備えている。この量子型赤外線センサ３２は、複数の量子型赤外線センサ素子３３ａ，３３ｂからなり、複数の光学フィルタ３４ａ，３４ｂは、量子型赤外線センサ素子３３ａ，３３ｂに対して赤外線光源側に設けられ、各々異なる特定の波長帯域の赤外線を選択的に透過するもので、二酸化炭素の吸収特性に合わせた光学フィルタ３４ｂと、参照光として例えば約３．９μｍ近傍の波長の赤外線を透過させる光学フィルタ３４ａで２波長を選択し、選択された赤外線は、それぞれ量子型赤外線センサ素子３３ａおよび３３ｂにより検出される。この場合、測定された参照光の吸収特性との比較によって、光源３０の劣化や、サンプルセル３１の汚れ等による出力信号の経時変化を補正することができる。

つまり、図７に示した量子型赤外線ガス濃度計は、測定対象ガスの流路を構成するサンプルセル３１内の一端に赤外線光源３０を配置するとともに、サンプルセル３１内の他端に本発明の量子型赤外線センサ３２を配置したもので、例えば、二酸化炭素の吸収特性に合わせた一方のフィルタと、参照光としての波長の赤外線を透過させる他方のフィルタで２波長を選択し、選択された赤外線は、それぞれ赤外線センサにより検出される。図８は、本発明のＮＤＩＲ法によるＣＯ₂濃度定量の例を示した図である。

また、それぞれの波長の光学フィルタを備えた実施例１及び２の赤外線センサをそれぞれ配置しても良いが、図１０に示すように、実施例１のセンサ素子を２波長一体で樹脂モールドすることにより、小型、高感度、高速応答で、センサ間の温度差や受光量差を抑えた赤外線センサを実現することができる。

また、図１１に示すように、量子型赤外線センサ素子及び光学フィルタを４つ設けた量子型赤外線ガス濃度計を実現することができる。４つの光学フィルタは、赤外線光源からの参照光透過用の１つの光学フィルタと、参照光と各々異なる波長帯域透過用の３つの光学フィルタとからなり、３つの異なるガス種の濃度をそれぞれ測定することができる。実施例１のセンサ素子を用いれば１体で樹脂モールドした赤外線センサを実現できる。

なお、複数センサを一体で樹脂モールドする場合、赤外線光量のモニターなどの目的のために、少なくとも一つはフィルタなしのものでも良い。

このように、本発明の実施例１，実施例２又は実施例３の構成により、小型でかつ簡便なセンサ形状を有し、測定ガスの流量変化や温度変化などの外乱変化に対して安定して測定することができるようにした非分散赤外吸収型（Ｎｏｎ−ＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＩｎｆｒａＲｅｄ）ガス濃度計用の量子型赤外線センサ及びそれを用いた量子型赤外線ガス濃度計を実現することができる。

本発明のＮＤＩＲガス濃度計は、以下のような演算により測定の対象となるガスのガス濃度の定量を行なうことができる。ランバートベール（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ）則によれば、ガス濃度ｃは、ガス吸収帯の入射光度Ｉｇ0、ガス吸収帯の透過光度Ｉｇ、吸光度係数ε、ガス路長Ｌとすると、以下のような式で表すことができる。

ガス吸収帯の入射光度Ｉｇ0は、吸収のない波長帯の透過光度Ｉｂに比例するので、比例係数をαとすると、

したがって、ガスの吸収帯の透過光量とガスの吸収のない波長帯の透過光量を用いて、ガスの濃度の定量が以下のような式によって求められる。

＜実施例４＞
次に、本発明の赤外線センサを用いた人感センサについて説明する。
図９は、発熱体の温度の違いによる光スペクトルを示す図である。人間は、１０μｍをピークに４μｍから２０μｍの赤外線を放射している。一方、室内の天井などに設置されている白熱灯は、１μｍ付近にピークを持つ赤外線を放射している。５μｍより長波長を透過する光学フィルタを用いた場合、白熱灯などの外乱光による赤外線の影響を低減させ、人間による赤外線量の変化を検出することができる。このように、実施例１及び実施例２によって、５μｍより長波長を透過する光学フィルタで製造された赤外線センサを用いることにより、小型、高感度、高速応答で、白熱灯などの外乱光による誤動作を抑えた小型の人感センサを実現することができる。

＜実施例５＞
次に、本発明の赤外線センサを用いた炎センサについて説明する。
炎中の二酸化炭素の共鳴放射スペクトルは、４．３μｍにピークを持ち、他の放射を比較するための帯域の赤外線強度と比較することにより、精度良い火災検知ができることが知られている（例えば、特許文献４参照）。

実施例１及び実施例２によって製造された赤外線センサを用いて、該当波長の光学フィルタを用いることにより、小型、高感度、高速応答で、誤動作を抑えた小型の炎センサを実現することができる。

＜実施例６＞
本発明の実施例６に係る赤外線センサ１８の製造方法は、センサ素子１３の受光面１３ａに光学フィルタ１２を形成する赤外線センサ１８の製造方法であって、光学フィルタ１２付きのウェハ１０を切り離して複数のセンサ素子１３を形成する第１のダイシング工程と、この第１のダイシング工程により切り離されたセンサ素子１３をリードフレーム１４に搭載し、ワイヤ１６とともに樹脂１７によりモールドされたセンサ素子１３とリードフレーム１４を個片化する第２のダイシング工程と、第１のダイシング工程の前段において、センサ素子１３の受光面１３ａに光学フィルタ１２を形成するフィルタリング工程と、このフィルタリング工程が、センサ素子の赤外線吸収部（後述する図１３の符号１１４）を避けて形成した接着層（後述する図１３の符号１１２）を有し、センサ素子１３に光学フィルタ１２を直接一体的に形成するものである。

赤外線吸収部を避けて形成した接着層を介して前記光学フィルタを被着しているので、小型でかつ簡便なセンサ形状を有し、接着層による赤外線の減衰を無くし、測定ガスの流量変化や温度変化などの外乱変化に対して安定して測定することができる。

まず、ウェハ基板１１の裏面に赤外線吸収部を避けて形成した接着層を介して光学フィルタ１２を被着してウェハ１０を形成する（図１（ａ）；フィルタリング工程）。次に、ウェハ１０を切り離して複数の光学フィルタ１２付きセンサ素子１３を形成する（図１（ａ）；第１のダイシング工程）。次に、この第１のダイシング工程により切り離されたセンサ素子１３をリードフレーム１４の凹部１５内に整列し、この凹部１５内にセンサ素子１３の受光面１３ａを下向きにして収納するように搭載する（図１（ｂ）；ダイボンド工程）。次に、このダイボンド工程により凹部１５に収納されたセンサ素子１３とリードフレーム１４とをワイヤ１６により凹部１５内で収納接続する（図１（ｃ）；ワイヤボンド工程）。

このように、本発明の実施例６に係る赤外線センサの製造方法は、第１のダイシング工程の前段において、ウェハ基板１１上に赤外線吸収部を避けて形成した接着層を介して光学フィルタ１２を被着するもので、この図１（ａ）に示すようなフィルタリング工程及び第１のダイシング工程と、図１（ｂ）に示すようなダイボンド工程と、図１（ｃ）に示すようなワイヤボンド工程と、図２（ａ）に示すようなモールド工程と、図２（ｂ）に示すような第２のダイシング工程とを経て、図２（ｃ）に示すような赤外線センサ１８が完成する。つまり、この実施例６によって完成された赤外線センサ１８は、センサ素子１３の受光面１３ａのみに光学フィルタ１２が直接設けられている。

上述した図１（ａ）に示したフィルタリング工程における接着層は、その接着剤が赤外線の吸収があるため、センサ素子の赤外線吸収部を避けて形成する。接着層の形状は、例えば、基板の外周部のみにリング上に形成するのが単純で加工が容易である。

ウェハ基板１１と光学フィルタ１２の接着強度は、接着剤の単位面積当たりの接着力で決まるため、後工程や完成後で分離しないための最低限の接着力が必要である。接着層の形状を、例えば、基板の外周部のみにリング上に形成する場合、センサ素子の小型化により十分な接着面積を確保できずに接着強度が不足する場合がある。

センサ素子の赤外線吸収部以外の部分、例えば、パッド電極（図１２中の符号１０４ａ，１０４ｂ）上を接着層とすることにより（図１３）、接着層の接合部割合を増やして接着強度を確保することができる。

図１３は、実施例６におけるセンサ素子部の接着層を説明するための上面図である。センサ素子部１０３ａの接着層１１２は、センサ素子部１０３ａの赤外線吸収部１１４を避けて形成され、このセンサ素子部１０３ａには、接着層１１２を介して光学フィルタ１１３が被着されている。

図１３によれば、例えば、基板のサイズを０．７ｍｍ×０．７ｍｍ、外周部の接着層１１２の幅を３０μｍとし、パッド電極１０４ａ，１０４ｂ上の１４０μｍ×１４０μｍの２カ所を接着層１１２にした場合、この接着層１１２の接合面積割合を約５割増加することができるため、接着強度を約５割向上できる。この時、外周部の接着層１１２とパッド電極１０４ａ，１０４ｂ上の接着層１１２は繋がっていても良い。

また、上述した図１３に示したフィルタリング工程における接着層１１２は、センサ素子部１０３ａを囲む形で形成するため、内部の中空部分は密封された構造になる。構造を形成する材料のガス排出や吸収、加工工程による加圧減圧、使用環境温度による加圧減圧、などにより、センサ素子部１０３ａや接着層１１２の接合部へのストレスとなり、センサ素子の特性の変動や接着強度の低下や剥離といった問題発生する場合がある。

図１４（ａ），（ｂ）は、図１３に示した接着層に切り欠き部を設けた実施例を説明するための上面図で、図１４（ａ）は、赤外線吸収部１１４の外周部の接着層の中間部に切り欠き部１１２ａを設けた場合を示し、図１４（ｂ）は、外周部の接着層のコーナー部に切り欠き部１１２ａを設けた場合を示している。

このように、図１３に示した接着層１１２に切り欠き部１１２ａを入れることにより、密封を防ぎ、センサ素子部や接着層の接合部へのストレスを低減することができる。この切り欠き部１１２ａは、接着面に対して対角に入れることにより、接着力の偏りを防ぐことができる。

また、ウェハ基板１１の表面に光学フィルタ１２を被着するための接着剤としては、ポリイミド系、ポリエチレン系、エポキシ系、アクリル系、ゴム系などがある。接着層の形成方法としては、感光性材料を用いた光学的な手法や、接着剤を必要な箇所に印刷する方法がある。微細パターンを安定して形成できるポリイミドやＢＣＢなどの感光性樹脂や感光性ゴムなどの感光性材料を用いる方法が好適である。

なお、この実施例６における光学フィルタは、上述した実施例１における光学フィルタと同じものを使用することができる。また、センサ素子２１としても、実施例１の場合と同じものを使用いることができる。実施例６に用いられるセンサ素子２１としては、量子型センサ素子であることが望ましい。この量子型センサ素子についても、上述した実施例１の場合と同じものを用いることができる。

＜実施例７＞
本発明の実施例７に係る赤外線センサ２７の製造方法は、センサ素子２１の受光面２１ａに光学フィルタ２６を形成する赤外線センサ２７の製造方法であって、ウェハ２０を切り離して複数のセンサ素子２１を形成する第１のダイシング工程と、この第１のダイシング工程により切り離されたセンサ素子２１をリードフレーム２２上に搭載し、ワイヤ２４とともに樹脂２５によりモールドされたセンサ素子２１とリードフレーム２２を個片化する第２のダイシング工程と、第２のダイシング工程の前段において、センサ素子２１の受光面２１ａに光学フィルタ２６を形成するフィルタリング工程と、このフィルタリング工程がセンサ素子の赤外線吸収部を避けて形成した接着層（後述する図１５の符号１１２）を有し、センサ素子２１と光学フィルタ２６を、樹脂２５を介して一体的に形成するものである。

このように、本発明の実施例７に係る赤外線センサの製造方法は、第２のダイシング工程の前段において、樹脂２５の表面及びリードフレーム２２の表面に赤外線吸収部を避けて形成した接着層を介して光学フィルタ２６を被着するもので、図３（ａ）に示すような第１のダイシング工程と、図３（ｂ）に示すようなダイボンド工程と、図３（ｃ）に示すようなワイヤボンド工程と、図４（ａ）に示すようなモールド工程と、図４（ｂ）に示すようなフィルタリング工程と、図４（ｃ）に示すような第２のダイシング工程とを経て、図４（ｄ）に示すような赤外線センサ２７が完成する。つまり、この実施例７によって完成された赤外線センサ２７は、樹脂２５の表面及びリードフレーム２２の表面の全体に亘って光学フィルタ２６が被着され、樹脂２５を介してセンサ素子２１の受光面２１ａに光学フィルタ２６が設けられものである。

図１５は、実施例７におけるセンサ素子部の接着層を説明するための上面図である。上述した図４（ａ）に示したフィルタリング工程における接着層１１２は、その接着剤が赤外線の吸収があるため、センサ素子の赤外線吸収部１１４を避けて形成する。接着層１１２の形状は、例えば、受光面２１ａの周囲、または、第２のダイシング工程により分離される赤外線センサの外周部のみにリング上に形成するのが単純で加工が容易である。

また、上述した図１５に示したフィルタリング工程における接着層１１２は、例えば、受光面２１ａの周囲、または、第２のダイシング工程により分離される赤外線センサの外周部を囲む形で形成するため、内部の中空部分は密封された構造になる。構造を形成する材料のガス排出や吸収、加工工程による加圧減圧、使用環境温度による加圧減圧、などにより、センサ素子部１０３ａや接着層１１２の接合部へのストレスとなり、センサ素子の特性の変動や接着強度の低下や剥離といった問題発生する場合がある。

上述した接着層１１２に、実施例６の図１４（ａ），（ｂ）に示したような切り欠き部を形成することにより、密封を防ぎ、センサ素子部１０３ａや接着層１１２の接合部へのストレスを低減することができる。この切り欠き部は、接着面に対して対角に入れることにより、接着力の偏りを防ぐことができる。

また、樹脂層２５の表面及びリードフレーム２２の表面に光学フィルタ２６を被着するための接着剤としては、ポリイミド系、ポリエチレン系、エポキシ系、アクリル系、ゴム系などがある。接着層の形成方法としては、感光性材料を用いた光学的な手法や、接着剤を必要な箇所に印刷する方法がある。微細パターンを安定して形成できるポリイミドやＢＣＢなどの感光性樹脂や感光性ゴムなどの感光性材料を用いる方法が好適である。

なお、この実施例７における光学フィルタは、上述した実施例１における光学フィルタと同じものを使用することができる。また、センサ素子２１としても、実施例１の場合と同じものを使用いることができる。実施例７に用いられるセンサ素子２１としては、量子型センサ素子であることが望ましい。この量子型センサ素子についても、上述した実施例１の場合と同じものを用いることができる。

１０，２０ウェハ
１１ウェハ基板
１２，２６光学フィルタ
１３，２１センサ素子
１３ａ，２１ａ受光面
１４，２２リードフレーム
１５，２３凹部
１６，２４ワイヤ
１７，２５樹脂
１８，２７赤外線センサ
３０赤外線光源
３１サンプルセル
３２量子型赤外線センサ
３３ａ，３３ｂ量子型赤外線センサ素子
３４ａ，３４ｂ光学フィルタ
１０１モールド樹脂
１０２ａ，１０２ｂセンサ電極端子
１０３量子型センサ素子
１０３ａセンサ素子部
１０４ａ，１０４ｂパッド電極
１０５半絶縁性ＧａＡｓ基板
１０６第１のｎ型のＩｎＳｂコンタクト層
１０７ π型のＩｎＳｂ吸収層
１０８ｐ型のＡｌＩｎＳｂバリア層
１０９第２のｐ型のＩｎＳｂコンタクト層
１１０パッシベーション層
１１１ａ第１の素子部電極
１１１ｂ第２の素子部電極
１１２接着層
１１３光学フィルタ
１１４赤外線吸収部
１１５ワイヤーボンディング

Claims

複数の量子型センサ素子が形成されるウェハの第１の主面と対向する前記ウェハの第２の主面の全面に、前記量子型センサ素子の赤外線吸収部を避けて周辺部に形成された接着材を介して光学フィルタを被着するフィルタリング工程と、
前記ウェハを切り離して複数の前記量子型センサ素子を形成する第１のダイシング工程と、
該第１のダイシング工程により切り離された前記量子型センサ素子を、リードフレームと支持基材とで形成される凹部内に、前記ウェハの第１の主面側が露出し、前記光学フィルタが前記支持基材と接するように搭載するダイボンド工程と、
前記ウェハの第１の主面に形成された量子型センサ素子と前記リードフレームとをワイヤにより前記凹部内で収納接続するワイヤボンド工程と、
前記凹部を前記ウェハの第２の主面側に形成された光学フィルタ面を除いて樹脂でモールドするモールド工程と、
前記量子型センサ素子と前記リードフレームを個片化する第２のダイシング工程と、
をこの順で実行するように有し、前記センサ素子と前記光学フィルタとを一体的に形成することを特徴とする赤外線センサの製造方法。
前記リードフレームが、前記凹部を形成するリードフレームの側面に段差部を有し、
前記ワイヤボンド工程が、前記ウェハの第１の主面に形成された量子型センサ素子と前記リードフレームの前記段差部とをワイヤにより前記凹部内で収納接続する請求項１に記載の赤外線センサの製造方法。
請求項１または２に記載の赤外線センサの製造方法により製造される赤外線センサ。
測定対象ガスの流路を構成するサンプルセル内の一端に赤外線光源を配置するとともに、前記サンプルセル内の他端に請求項３に記載の赤外線センサを配置したことを特徴とする量子型赤外線ガス濃度計。