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JPH0738019A - 冷却型固体撮像装置 - Google Patents

冷却型固体撮像装置

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JPH0738019A
JPH0738019A JP5182764A JP18276493A JPH0738019A JP H0738019 A JPH0738019 A JP H0738019A JP 5182764 A JP5182764 A JP 5182764A JP 18276493 A JP18276493 A JP 18276493A JP H0738019 A JPH0738019 A JP H0738019A
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Hamamatsu Photonics KK
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 分光分析などの計測により適し、かつコンパ
クト化を安価に行う。 【構成】 本発明の冷却型固体撮像装置は、パッケージ
２１０内に固体撮像素子３１０とこの固体撮像素子３１
０を冷却するためのペルチェ素子２２０を内蔵した冷却
型固体撮像装置であって、パッケージ２１０の底部に、
電子冷却素子２２０からの熱を放熱する良好な熱伝導率
の放熱部材２７０と、この放熱部材２７０の温度を検出
するためのセンサー２３０とを備え、ガラス窓２５０
は、外枠２８０とガラス窓２５０の熱膨脹率が同じ材料
２６０で融着され、固体撮像素子３１０は、オンチップ
で形成された１つまたは複数の温度検出素子を有するこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、パッケージ内のＣＣＤ
チップを冷却することによって高いＳ／Ｎで光の検出が
行い得る固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図８（ａ）は、一般的なＮチャンネルの
フルフレームトランスファ（ＦＦＴ）型ＣＣＤイメージ
センサチップの構成例を示したものであり、このチップ
１１０は、フレーム部１２０、水平転送部１３０、出力
部１４０より構成されている。フレーム部１２０は、そ
れぞれが画素をなす複数列のＣＣＤで構成されており、
光電変換と光電変換された信号電荷を水平転送部１３０
へ転送する機能を有する。水平転送部１３０はフレーム
部１２０で光電変換された信号電荷を、１ライン毎に順
次出力部１４０へ転送するものである。また出力部１４
０はフローティング・ディフュージョン・アンプ（ＦＤ
Ａ）で構成されており、信号電荷を電圧に変換して出力
する。
【０００３】ＦＦＴ型ＣＣＤは機械的なシャッター又は
点灯制御された光源と組み合わせて使用され、信号電荷
の読み出し期間においては光がセンサーに照射されない
ように設定して使用している。
【０００４】図８（ｂ）は、図８（ａ）のチップ１１０
のＡ−Ａ’断面構造図を示したものである。このチップ
１１０の製造の際、まず、Ｐ+ 型基板１１１にＰ型のエ
ピタキシャル層１１２を成長させたウエハを用い、ＬＯ
ＣＯＳによりフィールド酸化膜１１３（素子分離領域）
を形成した後、リン又は砒素をイオン注入することによ
りＮ型埋め込みチャンネル１１４の形成をする。そし
て、ゲート酸化膜１１５、転送用ポリシリコン電極１１
６を形成した後、電極取り出し用のコンタクトホール、
配線用アルミ１１７を形成して完了する。
【０００５】ＦＦＴ型ＣＣＤイメージセンサーは主に分
光分析等の計測用途に使用されるが、常温では暗電流に
よるショット雑音で検出限界が決まってしまいＣＣＤの
性能を十分に活用することができない。そこで暗電流に
よるショット雑音を低減し、読み出し雑音で検出限界が
決まるように、素子を冷却して使用することが一般に行
なわれている。
【０００６】図９は、素子の冷却の一例を示したもの
で、ＰＮ接合ダイオードから成る温度検出素子１５０を
チップ１１０内に形成したＣＣＤ素子を冷却装置１６０
上に配置し、温度検出素子の出力に応じて冷却温度の制
御を行うものである。この方法の具体的な例としては、
「特開平２−４４８７２」などに記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来技術におけるＣＣ
Ｄ素子の冷却方法は一般的なものであるが、計測用イメ
ージセンサにおいては、分光分析に適したものであるこ
と、即ち、露光が比較的長時間であり、冷却温度の表示
などの機能を要するため、上述の方法をそのまま用いた
のでは、十分な放熱ができなかった場合、熱暴走のおそ
れが高く、使用の際の冷却による熱ストレスによってパ
ッケージの封止にダメージを与えるなど、装置のコンパ
クト化を安価にするのは困難である。
【０００８】本発明においては、分光分析などの計測に
より適し、かつコンパクト化を安価にできる固体撮像装
置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の冷却型固体撮像装置は、パッケージ内に固
体撮像素子とこの固体撮像素子を冷却するための電子冷
却素子（ペルチェ素子）を内蔵した冷却型固体撮像装置
であって、パッケージの底部に、電子冷却素子からの熱
を放熱する良好な熱伝導率の放熱部材と、この放熱部材
の温度を検出するためのセンサーとを備え、パッケージ
のガラス窓は、パッケージの外枠と前記ガラス窓の熱膨
脹率が同じ材料で融着され、固体撮像素子は、オンチッ
プで形成された１つまたは複数の温度検出素子を有する
ことを特徴とする。
【００１０】ここで、温度検出素子は、ＰＮ接合ダイオ
ードまたは電界効果トランジスタであり、ＰＮ接合ダイ
オードの順方向電流または電界効果トランジスタのドレ
イン電流から温度表示する手段をさらに有することを特
徴としても良い。
【００１１】
【作用】本発明では、オンチップで形成された１つまた
は複数の温度検出素子からの検出出力により、固体撮像
素子のチップ温度の表示をするだけでなく、電子冷却素
子の温度制御回路に検出出力をフィードバックすること
で、電子冷却素子による固体撮像素子の冷却が制御さ
れ、設定温度に保つように使用することができるように
なる。ここで、電子冷却素子によって固体撮像素子で発
生した熱が放出されるのであるが、良好な熱伝導率をも
つ放熱部材で電子冷却素子からの熱が放熱されるため、
熱暴走を抑えられる。もし、熱暴走が起こったとしても
これをセンサーで検出することによって、装置の保護を
図りうる。
【００１２】また、温度サイクルによる熱ストレスが全
体に加わったとしても、ガラスと同程度の熱膨脹率を持
つ枠材料で融着していることから、その影響が抑えら
れ、気密性を保つことができ、良好な計測を行うことを
維持できる。このように、冷却温度の表示までを含め装
置全体が簡単に構成され、分光分析に適した比較的長時
間露光が可能な計測用イメージセンサーを安価にコンパ
クト化して提供することができる。
【００１３】
【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
前述の従来例と同一または同等のものについてはその説
明を簡略化し若しくは省略するものとする。図１は、本
発明の固体撮像装置の構成例について、その断面図を示
したものである。
【００１４】セラミックのパッケージ２１０は、その底
部に銅タングステン（ＣｕＷ）の放熱材２７０が設けら
れ、内部で発生した熱を良好に放熱できるようになって
いる。また、入射光の入射側にはコバールガラスの入射
窓２５０が設けられ、この入射窓２５０は、コバール
（フェルニコ）の枠材２６０でパッケージ２１０の外枠
２８０に取り付けられている。入射窓２５０と枠材２６
０、枠材２６０と外枠２８０は融着部２６２，２６４で
固着され、その内部は密封されている。
【００１５】パッケージ２１０内には、電子冷却素子
（ペルチェ素子）２２０が内蔵され、ペルチェ素子２２
０のホット側に温度検出素子（サーミスタ）２３０が設
けられている。このサーミスタ２３０は、ペルチェ素子
２２０が熱暴走を起こした場合、ある設定温度以上にな
った時点で強制的にペルチェ素子への印加電源を停止さ
せるのに用いられ、ペルチェ素子の熱暴走によってペル
チェ素子が破壊されるのを防ぐためのものである。な
お、図面の都合上、ホット側のサーミスタのワイヤボン
ディング、ペルチェ素子の電源端子等の配線は省略して
ある。
【００１６】ペルチェ素子２２０のクール側には固体撮
像素子（ＣＣＤチップ）３１０がマウントされており、
ＣＣＤチップ３１０が冷却され、パッケージ２１０を介
して放熱されるようになっている。
【００１７】図２（ａ）は、ＣＣＤチップ３１０の外形
を示したもので、チップ３１０内にＰＮ接合ダイオード
１５０が形成されている。このダイオード１５０は、チ
ップ３１０の温度をモニターするための温度センサーと
して使用され、ＣＣＤチップ３１０内のＰ型エピタキシ
ャル層１１２にリン、砒素等のＮ型不純物をドープする
ことにより形成される。図２（ｂ）は、その断面を示し
たものである。Ｐ+エピタキシャル層１１２とＮ+層１１
４´でダイオードが形成され、酸化膜１１８に形成した
開口を介して、配線用アルミはＮ+層１１４´に接続さ
れている。このダイオード１５０に定電流の順方向電流
を流すことによって、その両端に生じる順方向電圧から
温度を検出することができ、後述する温度表示回路によ
りＣＣＤチップ３１０の温度を表示する機能を実現する
ことができる。以下に、ＣＣＤチップ内に形成したＰＮ
接合ダイオードの出力を用いてチップ温度を表示する一
例を具体的に述べる。
【００１８】図３は、ダイオード１５０に等価的な定電
流源２５０で一定の順方向電流を流し、ダイオード１５
０の順方向電圧を検出するための回路である。この回路
ではＰＮ接合ダイオードのＰ側端子は基板でグランドレ
ベルであり、Ｎ側端子に定電流源を接続し、Ｎ側端子の
電位をモニターしている。ＰＮ接合ダイオードの基本特
性として、ダイオード電流が一定の場合にはダイオード
１５０の順方向電圧の温度係数は約−２ｍＶ／℃である
ことは一般に知られている。温度が１℃下がるごとにダ
イオードの順方向電圧は約２ｍＶ上昇することを利用
し、順方向電圧をモニターする回路によってＣＣＤチッ
プ３１０の温度測定をなし得る。
【００１９】図４は、ダイオード１５０の順方向電圧か
ら温度表示を簡単に行う回路の構成例のブロックダイア
グラムを示したものである。この回路では、可変抵抗器
などのオフセット調整回路４１０からの電圧と、センサ
ー１５０の出力との差を、ＯＰアンプ構成の電圧増幅回
路４２０で増幅し、可変抵抗器などのゲイン調整回路４
３０で調整されて電圧計４５０などで電圧表示が行われ
る。
【００２０】図５は、この回路を用いた温度表示例とし
て測定温度と電圧表示値との関係を示したものであり、
ここでは、−４０℃から２５℃の温度範囲でＣＣＤチッ
プ３１０の温度をモニターするものとしている。−４０
℃から２５℃の温度範囲では、ダイオードの順方向電圧
はほぼリニアに変化することから、測定温度ｔ（℃）及
び電圧表示値Ｖ（ｍＶ）を用いて「ｔ＝α×Ｖ（但しα
は係数）」で表され、係数αを適当な値に定めることに
よって測定温度が電圧で表示される。
【００２１】予め０℃における出力が０Ｖとなるように
オフセット調整してある程度の電圧増幅をした後、＋２
５℃における出力が２５０ｍＶとなるようにゲイン調整
し、「α＝０．１」となるように設定を行うことによ
り、温度のスケールと電圧計のスケールとを一致させ得
る。そして、電圧表示値が１００ｍＶであれば温度は１
０℃であることが判り、−２５０ｍＶであれば−２５℃
であることが判り、非常に見やすい表示になる。電圧計
のスケールがことなれば、そのスケールに応じた設定を
行う。
【００２２】また、ＣＣＤチップ３１０内に形成したＰ
Ｎ接合ダイオード１５０の順方向電圧出力は、上記ＣＣ
Ｄチップ３１０の温度表示をするだけでなく、ペルチェ
素子の温度制御回路にフィードバックされ、設定温度に
保つように使用されている。
【００２３】この固体撮像装置の使用時には、上述のよ
うにして温度表示がなされ、また、一定の温度に保たれ
る。ここで、ＣＣＤチップ３１０で発生した熱を逃がす
ためペルチェ素子２２０により多く電流を流すように制
御がなされるのであるが、発生した熱が十分に放出され
なかった場合、ペルチェ素子２２０に流れる電流によっ
てペルチェ素子２２０自身が発熱し、熱暴走を起こすこ
とになる。しかし、この固体撮像装置では、熱伝導が良
好なＣｕＷの放熱材２７０で放熱しやすいようにして熱
暴走を抑えるとともに、もし、熱暴走が起こったとして
もこれをサーミスタ２３０で検出し、装置の保護を図っ
ている。
【００２４】また、使用時と未使用時とでは、温度サイ
クルが生じ、これによる熱ストレスが全体に加わること
になる。ここで、入射窓２５０を樹脂で封止したとする
と、この熱ストレスによって気密性が保てなくなるおそ
れが大きいが、この固体撮像装置では、ガラスと同程度
の熱膨脹率を持つコバールで融着していることから、熱
ストレスの影響が抑えられ、気密性を保つことができ、
良好な計測を行うことを維持できる。このように、冷却
温度の表示までを含め装置全体が簡単に構成され、分光
分析に適した比較的長時間露光が可能な計測用イメージ
センサーを安価にコンパクト化して提供することができ
る。
【００２５】また、上記実施例では、温度表示するため
にＰＮ接合ダイオード、ＦＥＴといった温度検出素子が
１つの場合を示したが、図６に示すように、ＣＣＤチッ
プ３１０に複数の温度センサー１５０を形成するように
しても良い。このようにすることで、ＣＣＤチップの温
度測定を高い精度で行い得る。例えば、図６の場合は、
チップ内に設けた４個の温度センサー出力を平均するこ
とにより高い精度で温度表示することが可能となる。
【００２６】本発明は前述の実施例に限らず様々な変形
が可能である。
【００２７】上述の実施例では、温度検出にＰＮ接合ダ
イオードを用いたが、ＰＮ接合ダイオード以外でもよ
く、替わりに電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）をＣＣＤ
チップ３１０に形成し、これを温度検出に用いても良
い。例えば、Ｎチャンネルのディプリーション型ＦＥＴ
を形成した場合、ソース電流ＩS の温度特性を利用して
ＣＣＤチップの温度をモニターし得る。この場合には、
図７に示すような回路でソース電流ＩS を検出し、図４
の電圧増幅４２０の部分をＩ−Ｖ変換・電圧増幅とした
回路でスケールが一致した表示を行い得る。なお、図７
では、ゲートはグランド電位としているが、電源電圧等
の所定の電位に固定してもよい。
【００２８】また、ＣＣＤチップ３１０にはＮチャンネ
ルのＣＣＤを用いた例を示したが、ＰチャンネルのＣＣ
Ｄでも同様に用いることができ、ＣＣＤウエハ１１１に
ついてもＰ／Ｐ+ 型以外でも可能で種類は問わない。こ
れらに伴い、温度センサーとして用いるＰＮ接合ダイオ
ードやＦＥＴの極性、バイアスの仕方等は使用する温度
センサー素子、使用ウエハに適したように設定する必要
があることは言うまでもない。
【００２９】ＣＣＤイメージセンサーの種類についても
ＦＦＴ型である必要はなく、インタライントランスファ
（ＩＴ）型、フレームトランスファ（ＦＴ）型、フレー
ムインタライントランスファ型（ＦＩＴ）でも同様の効
果を得ることができる。
【００３０】
【発明の効果】以上の通り本発明によれば、温度検出素
子によって固体撮像素子のチップ温度を表示し、放熱部
材によって熱暴走を抑えて装置の保護を図るとともに、
パッケージのガラス窓をパッケージの外枠とガラス窓の
熱膨脹率が同じ材料で融着することによって温度サイク
ルによる熱ストレスの影響を抑えて気密性を保つことが
できるため、良好な計測を行うことを維持できる装置全
体が簡単に構成され、分光分析に適した比較的長時間露
光が可能な計測用イメージセンサーを安価にコンパクト
化して提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置の構成図。
【図２】ＣＣＤチップの外形図。
【図３】ダイオードの順方向電圧を検出するための回路
図。
【図４】温度表示を簡単に行う回路の構成図。
【図５】測定温度と電圧表示値との関係を示した図。
【図６】複数の温度センサーを形成した場合のＣＣＤチ
ップの外形図。
【図７】ソース電流ＩS を検出するための回路図。
【図８】ＣＣＤチップの従来例の構成図。
【図９】従来例の固体撮像装置の構成図。
【符号の説明】
１５０…ＰＮ接合ダイオード、２１０…パッケージ、２
２０…ペルチェ素子、２３０…サーミスタ、２５０…入
射窓、２６０…枠材、２７０…放熱材、２８０…外枠、
３１０…ＣＣＤチップ。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パッケージ内に固体撮像素子とこの固体
    撮像素子を冷却するための電子冷却素子を内蔵した冷却
    型固体撮像装置であって、 前記パッケージの底部に、前記電子冷却素子からの熱を
    放熱する良好な熱伝導率の放熱部材と、この放熱部材の
    温度を検出するためのセンサーとを備え、 前記パッケージのガラス窓は、前記パッケージの外枠と
    前記ガラス窓の熱膨脹率が同じ材料で融着され、 前記固体撮像素子は、オンチップで形成された１つまた
    は複数の温度検出素子を有することを特徴とする冷却型
    固体撮像装置。
  2. 【請求項２】 前記温度検出素子は、ＰＮ接合ダイオー
    ドまたは電界効果トランジスタであり、 前記ＰＮ接合ダイオードの順方向電流または前記電界効
    果トランジスタのドレイン電流から温度表示する手段を
    さらに有することを特徴とする請求項１記載の冷却型固
    体撮像装置。
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