真空パッケージ及びその製造方法
【課題】大型化、封止不良及び機能不良を生ずることなく高真空を実現する真空パッケージ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】真空パッケージ１００は、チャンバ６内に真空封止される赤外線受光素子１と、チャンバ６を形成する赤外線透過窓１２、スペーサ９及び受光素子基板３とを備える。赤外線透過窓１２は、チャンバ６内を脱気するための貫通孔１３を有し、貫通孔１３は封止材料１５で封止されている。貫通孔１３を形成する赤外線透過窓１２の角部は鈍角である。貫通孔１３の内壁は、チャンバ６の外面側から内面側に向けて貫通孔の開口面積を縮小する第１テーパ面と、チャンバ６の内面側から外面側に向けて貫通孔１３の開口面積を縮小する第２テーパ面と、を有し、第１テーパ面は、第２テーパ面よりもチャンバ６の外面側に形成されている。また、封止材料１５用のパッド１４は、貫通孔１３の内壁のうち、第１テーパ面上のみに形成されている。
【解決手段】真空パッケージ１００は、チャンバ６内に真空封止される赤外線受光素子１と、チャンバ６を形成する赤外線透過窓１２、スペーサ９及び受光素子基板３とを備える。赤外線透過窓１２は、チャンバ６内を脱気するための貫通孔１３を有し、貫通孔１３は封止材料１５で封止されている。貫通孔１３を形成する赤外線透過窓１２の角部は鈍角である。貫通孔１３の内壁は、チャンバ６の外面側から内面側に向けて貫通孔の開口面積を縮小する第１テーパ面と、チャンバ６の内面側から外面側に向けて貫通孔１３の開口面積を縮小する第２テーパ面と、を有し、第１テーパ面は、第２テーパ面よりもチャンバ６の外面側に形成されている。また、封止材料１５用のパッド１４は、貫通孔１３の内壁のうち、第１テーパ面上のみに形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能素子（例えば、赤外線検出素子、圧電素子、振動素子等）を真空封止したパッケージ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線センサ、圧力センサ、加速度センサ等の機能デバイスにおいては、その性能を高めるために各機能素子を真空封止する必要がある。
【０００３】
赤外線センサを例にすると、一般に、赤外線検出素子には量子型と熱型があるが、熱型は相対的な熱量を検出する方式である。このため、熱型は、量子型に比べ追随性に劣るものの、非冷却方式にすることが可能であり、構造の単純化により製造コストを安く抑えることができる。この熱型赤外線センサにおいては、ウィンドウを透過した赤外線が検出素子の受光部に吸収され、これにより生ずる温度変化に伴う抵抗変化を信号として検出する。そのため、夜間のセキュリティ用監視カメラや、温度分布を割り出し表示するサーモグラフィなどに用いられる赤外線センサにおいては、信号を高感度に検出するために、受光部を熱的に絶縁する必要がある。このような熱的絶縁性は、例えば、受光部を中空に浮かせたり、赤外線検出素子自体を真空容器内に配置したりすることで得ることができる。
【０００４】
図２４に、特許文献１に記載の赤外線検出用真空パッケージを説明するための概略断面図を示す。例えば、特許文献１に記載の赤外線検出用真空パッケージにおいては、基板９０１上に受光部９０２を形成した基板９０１と、１個以上の貫通穴９１１が設けられ、基板９０１の該受光部９０２の前面に空隙９０３を隔てて配置された赤外線透過窓９０４とが形成され、基板９０１と透過窓９０４とは、該受光部９０２を完全に囲む接着面で、相互に気密に接着することにより固定されており、基板９０１と透過窓９０４との空隙９０３を該貫通穴９１１から排気することにより真空とした後に透過窓９０４の貫通穴９１１が封止材料９１２により気密に封止されている。
【０００５】
この他にも、機能素子を封止した真空パッケージにおける封止技術は、例えば特許文献２及び特許文献３に記載されている。
【０００６】
特許文献２に記載の圧電デバイス用パッケージは、底部となる底部基板に枠状基板が積層されることにより、この枠状基板の内側に圧電振動片を収容するための内部空間が形成されており、かつ、底部基板に内部空間と外部とを連通し、封止材を溶融して孔封止される貫通孔が設けられた圧電デバイス用パッケージであり、底部基板は、一層の基板から形成され、貫通孔は、溶融前の封止材の外形より大きな内周を有すると共に、この大きな内周よりも内側に、溶融前の封止材の外形より小さな内周を有する。また、貫通孔の内周面には、封止材と濡れ性のよい金属被覆部が設けられている。
【０００７】
図２５に、特許文献３に記載の素子の封止パッケージ構造を説明するための概略断面図を示し、図２６に、図２５に示す穴部の部分概略断面図を示す。特許文献３に記載の素子の封止パッケージ構造においては、素子形成基板体９２２と、素子形成基板体９２２の上側に接合される蓋部基板体９２３と、素子形成基板体９２２と蓋部基板体９２３とで囲まれた空間９２５に収容される素子９２１と、蓋部基板体９２３表面の開口部から素子形成基板体９２２表面に至る穴部９２６と、この穴部９２６によって囲まれる素子形成基板体９２２の表面領域内に穴部９２６よりも小径の小径開口部９３０ａが形成され該小径開口部９３０ａから空間９２５に連通接続する連通孔９２９と、この連通孔９２９の小径開口部９３０ａを塞いで上記素子９２１の収容空間を封止する封止部材９３１と、連通孔９２９の小径開口部上端縁９３０ｂに形成された封止部材９３１の接合強度を高める封止接合強化膜９３３とを備え、上記穴部９２６には上記開口部から素子形成基板体９２２の表面に至るまでの間に穴径が細くくびれているくびれ部分９３２が形成されている。この封止パッケージ構造においては、まず、空間９２５が封止されていない状態の素子の封止パッケージ構造を真空装置に配置し、連通孔９２９と穴部９２６とを通して空間９２５の真空排気を行い、引き続き真空排気を行っている状態でくびれ部分９３２に乗せられた封止部材９３１を加熱して溶解させながら封止部材９３１のガス抜きを行い、さらに封止部材９３１の加熱を継続し、くびれ部分９３２から連通孔９２９の小径開口部９３０ａに向けて溶融した封止部材９３１を落とし込ませて連通孔９２９の小径開口部９３０ａを封止部材９３１により塞ぎ素子９２１の収容空間９２５を封止している。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３２６０３７号公報
【特許文献２】特開２００４−２６６７６３号公報
【特許文献３】特開平１１−３４０３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図２７〜図２９に、本発明が解決しようとする課題を説明するための貫通孔部分の概略断面図を示す。図２７（ａ）及び図２８（ａ）は、貫通孔に封止材料を載置した封止前の状態を示し、図２７（ｂ）及び図２８（ｂ）は、封止材料を溶融した封止後の状態を示す。
【００１０】
特許文献１記載のような封止技術においては、貫通孔の内部（内壁間）を封止せずに、貫通孔の開口を半田等の封止材料で封止している。この場合、例えば、図２７（ａ）に示すように、貫通孔９４３の開口の周囲に封止材料用パッド（金属被覆）９４２を形成し、貫通孔９４３に封止材料（例えばハンダボール）９４４を配置して封止材料９４４を溶解させる。しかしながら、このような形態では、図２７（ｂ）に示すように、封止材料９４４が貫通孔９４３の開口を避けるように流動したり、貫通孔９４３を通って落下したりして、貫通孔９４３を完全に封止することができない問題が生じやすい。特に、貫通孔９４３の開口の径が広い場合に封止不良が発生しやすい。
【００１１】
特許文献２に記載のような封止技術においては、貫通孔の内部を完全に封止材料で塞いでいる。この場合、例えば、図２８に示すように、貫通孔９５３の内壁全体に封止材料用パッド（金属被覆）９５２が形成される。しかしながら、このような形態では、図２８（ｂ）に示すように、封止材料９５４がその表面張力によって貫通孔９５３から突出してしまうことがある。そうすると、パッケージを薄型化した構造においては、貫通孔９５３と機能素子（例えば赤外線受光素子）との距離が短いので、突出した封止材料９５４ａが、機能素子や金属配線（例えばワイヤボンディング）に達してしまい、機能不良（例えば撮像不良）やショートを引き起こすことになる。特に、封止材料９５４に鉛フリーハンダを使う場合は、Ｓｎによる針状のウィスカが発生しやすいので、ハンダとワイヤなどが初期の段階で直接接していなくても、時間と共に成長したウィスカが原因でショートが発生するリスクが高くなる。したがって、図２８に示すような形態においては、封止材料９５４と機能素子や金属配線との距離を十分に確保しておく必要があるが、そうするとパッケージの薄型化が図れなくなる。
【００１２】
特許文献３に記載のような封止技術においては、最終的に、封止材料はくびれ部分から落とされるので、封止材料によって貫通孔の内部（内壁間）を封止することはできない。したがって、図２４に示すような形態のパッケージの貫通孔に対しては、特許文献３に記載の封止技術は適用することができない。
【００１３】
また、図２７〜図２９に示すようなテーパを有する貫通孔を形成すると、貫通孔を形成する基板には角度が９０度以下となる部分が形成されることになる（例えば、図２７〜図２９の角部９４５，９５５）。このような直角ないし鋭角の角部は、封止時や製品使用時における封止材料の膨張／収縮に伴う熱応力により、割れる危険性を有している。特に、赤外線透過窓や受光素子基板、スペーサなどにしばしば用いられるシリコンやゲルマニウムなどの材料は、非常に割れやすい材料であるため、このような材料に鋭角部分を有する貫通孔を形成すると、クラックによる封止不良が発生する危険性が高い状態となる。
【００１４】
さらに、赤外線センサにおいては、一般的な赤外線透過窓は０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の厚さがあるが、この厚さの赤外線透過窓に対して、例えば、図２７及び図２９に示すようなテーパを有する貫通孔９４３を形成する場合、貫通孔９４３から真空引きを行うには、十分なコンダクタンスを確保するため、パッケージ容量に対してある程度大きなサイズの貫通穴９４３を開ける必要がある。すなわち、真空引きは貫通孔９４３の最小面積に依存することになるので、一方の面に形成される第１開口９４１ａの最小面積Ｓ１が十分な大きさになるように貫通孔９４３を形成する必要がある。しかしながら、最小面積Ｓ１を大きくすると、貫通孔９４３のテーパ形状により、他方の面に形成される第２開口９４１ｂの最大面積Ｓ２は自然と大きくならざるを得えない。そして、その結果として、パッケージサイズも大きくならざるを得ないことが問題となる。
【００１５】
次に、貫通孔のコンダクタンスの算出方法について説明する。例えば、図３０に示すような寸法Ｘ×Ｙ×Ｚの容器に、直径Ｄ、長さＬの貫通孔がつながれた簡易的な真空パッケージを１つのモデルとして考えてみる。気体分子の平均自由工程をλとした場合、λ＜＜Ｄを満たす圧力領域は粘性流領域と呼ばれ、そのコンダクタンスは圧力に依存することが知られている。この粘性流領域におけるコンダクタンスＣｐは貫通孔両端の圧力の平均をｐとすると、数１で表される。なお、このときパッケージに封入されていた気体は２０℃の空気とする。また、ｐの単位はＴｏｒｒ、Ｌ、Ｄの単位はｃｍである。
【００１６】
［数１］
Ｃｐ＝１８２×（Ｄ４／Ｌ）×ｐ （ｌ／ｓ）
【００１７】
一方、λ＞＞Ｄを満たす圧力領域は分子流領域と呼ばれ、この分子流領域におけるコンダクタンスＣｋは、数２で表される。この場合もパッケージに封入されていた気体は２０℃の空気とする。Ｌ、Ｄの単位はｃｍである。
【００１８】
［数２］
Ｃｋ＝１２．１×（Ｄ３／Ｌ） （ｌ／ｓ）
【００１９】
ここで室温の空気で圧力がｐ（Ｔｏｒｒ）の場合、平均自由工程λは数３の概算式で表される。
【００２０】
［数３］
λ（ｍｍ）≒５×１０−２／ｐ
【００２１】
ここで、数３を用い、さらに貫通孔の直径Ｄを０．１ｍｍとすると、λ／Ｄ＜０．０１程度の粘性流領域となるのは約５０Ｔｏｒｒ以上と、またλ／Ｄ＞１０程度の分子流領域となるのは約０．０５Ｔｏｒｒ以下と計算できる。０．０５Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒ（６．６７Ｐａ〜６６６５Ｐａ）の領域では０．０１＜λ／Ｄ＜１０の中間領域となっている。赤外線センサのような真空封止パッケージで求められる真空度は通常１０−２Ｔｏｒｒ〜１０−６Ｔｏｒｒ（１３３．３×１０−２Ｐａ〜１３３．３×１０−６Ｐａ）であるので、分子流領域まで十分なコンダクタンスが確保されていることが必要となる。
【００２２】
いまＤが０．１ｍｍ、Ｌが１ｍｍの貫通孔における粘性流領域のコンダクタンスＣｐを数１式より計算すると、その値は１８×ｐ（ｍｍ３／ｓ）であり、分子流領域のコンダクタンスＣｋは数２より１２１（ｍｍ３／ｓ）と計算される。仮に真空パッケージの容量が１４ｍｍ×１４ｍｍ×１．４ｍｍで、体積が２７４ｍｍ３とするならば、分子流領域のコンダクタンスを考慮しても真空引きできることが想定される。
【００２３】
しかしながら、この結果は貫通孔の直径０．１ｍｍを想定した場合の結果であり、Ｃｋは貫通孔径の３乗に比例して低下するので、貫通孔の直径を０．１ｍｍより小さくすると、高真空パッケージを実現するのが困難になってしまう。つまり、例えば赤外線センサにおいて高真空パッケージを実現するには、十分なコンダクタンスを得るために、図２９の第１開口９４１ａの直径を例えば少なくとも０．１ｍｍにする必要があるが、その場合、第２開口９４１ｂの直径は０．１ｍｍよりも大きくならざるを得ない。逆に言えば、第２開口９４１ｂの最大面積Ｓ２をそれより小さくすると、第１開口９４１ａの最小面積Ｓ１が小さくなりすぎ、十分な真空引きができなくなる。すなわち、高真空かつ小型のパッケージを実現するためには、狭い表面開口面積でありながらも十分大きなコンダクタンスを有する貫通孔を形成する必要がある。
【００２４】
本発明の目的は、大型化、封止不良及び機能不良を生ずることなく高真空を実現する真空パッケージ及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の第１視点によれば、大気圧より減圧されたチャンバ内に封止される機能素子と、チャンバの少なくとも一部を形成する部材と、を備える真空パッケージであって、部材は、チャンバ内を脱気するための貫通孔を少なくとも１つ有し、貫通孔に沿った部材に垂直な断面において、貫通孔を形成する部材の角部は鈍角であり、貫通孔は封止材料で封止されている真空パッケージを提供する。
【００２６】
上記第１視点の好ましい形態によれば、貫通孔の内壁は、チャンバの外面側から内面側に向けて貫通孔の開口面積を縮小する第１テーパ面と、チャンバの内面側から外面側に向けて貫通孔の開口面積を縮小する第２テーパ面と、を有し、第１テーパ面は、第２テーパ面よりもチャンバの外面側に形成されている。
【００２７】
上記第１視点の好ましい形態によれば、封止材料に対して部材よりも濡れ性の高いパッドが、貫通孔の内壁のうち第１テーパ面上のみに形成されている。
【００２８】
上記第１視点の好ましい形態によれば、第１テーパ面と第２テーパ面とは連続して形成されている。
【００２９】
上記第１視点の好ましい形態によれば、封止材料は、貫通孔からチャンバ内部へは突出していない。
【００３０】
上記第１視点の好ましい形態によれば、機能素子は赤外線受光素子であり、チャンバは、少なくとも、赤外線受光素子を搭載する受光素子基板と、チャンバ外方からの赤外線を赤外線受光素子が受光できるように赤外線を透過する赤外線透過窓と、受光素子基板と赤外線透過窓との間に所定の間隙を形成するスペーサと、で形成され、貫通孔を形成する部材は、受光素子基板、赤外線透過窓及びスペーサのうちの少なくとも１つである。
【００３１】
本発明の第２視点によれば、大気圧より減圧されたチャンバ内に機能素子を封止した真空パッケージの製造方法であって、チャンバの少なくとも一部を形成する部材に対して、開口面積が縮小する筒状の第１テーパ面を部材の一方の面から形成すると共に、開口面積が縮小する筒状の第２テーパ面を部材の他方の面から形成することにより、少なくとも第１テーパ面及び第２テーパ面を内壁に有する、チャンバ内を脱気するための貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、貫通孔から脱気することにより、機能素子を収容したチャンバ内を減圧する脱気工程と、貫通孔を封止材料で封止する封止工程と、を含み、貫通孔形成工程において、貫通孔は、貫通孔に沿った部材に垂直な断面における貫通孔を形成する部材の角部が鈍角となるように形成される真空パッケージの製造方法を提供する。
【００３２】
上記第２視点の好ましい形態によれば、貫通孔形成工程後に、第２テーパ面よりもチャンバの外方側に配置される第１テーパ面上に、封止材料に対して部材よりも濡れ性の高いパッドを形成するパッド形成工程をさらに含み、封止工程において、第１テーパ面のパッド上又は部材の一方の面に形成された貫通孔の開口上に載置された封止材料を溶融することにより貫通孔を封止する。
【００３３】
上記第２視点の好ましい形態によれば、脱気工程において、チャンバ内の減圧前に、第１テーパ面のパッド上又は部材の一方の面に形成された貫通孔の開口上に封止材料を載置し、封止材料と貫通孔との間に形成された間隙からチャンバ内を減圧し、チャンバ内を減圧した後、封止材料を溶融して貫通孔を封止する。
【００３４】
上記第２視点の好ましい形態によれば、封止工程において、チャンバ内を減圧した後、第１テーパ面のパッド上又は部材の一方の面に形成された貫通孔の開口上に封止材料を載置し、封止材料を溶融することにより貫通孔を封止する。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、貫通孔の中途に最小面積となるくびれ部を形成するので、大きな開口面積を要することなく、コンダクタンスの大きい貫通孔を形成することができる。これにより、真空パッケージを小型化できると共に、真空パッケージの高真空化及び短時間真空化を実現することができる。
【００３６】
また、本発明によれば、貫通孔部分の角部は鈍角形状であるので、割れやすい部材を使用したとしても貫通孔部分の角部おけるクラックの発生を抑制することができる。これにより、真空パッケージの気密性を高めることができる。
【００３７】
さらに、本発明によれば、貫通孔の内壁のうち第１テーパ面のみに封止材料用のパッドを形成することにより、封止材料やウィスカがチャンバ内部へ侵入することを防止することができる。これにより、機能不良や電気的ショートを防止することができる。また、最小開口面積部分で貫通孔を封止することもできる。これにより、封止不良の発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の真空パッケージについて、機能素子として赤外線受光素子を真空封止した赤外線センサに係る真空パッケージを例にして説明する。
【００３９】
本発明の第１実施形態に係る真空パッケージについて説明する。図１に、本発明の第１実施形態に係る真空パッケージの概略断面図を示す。真空パッケージ１００は、赤外線を検出する赤外線受光素子１と、赤外線受光素子１を搭載する受光素子基板３と、赤外線受光素子１が受光できるように赤外線を透過する赤外線透過窓１２と、受光素子基板３と赤外線透過窓１２との間に所定の間隙を形成するスペーサ９と、を備える。赤外線受光素子１は、受光素子基板３上に接合材２を介して固定され、赤外線受光素子１を収容するチャンバ６は、その側面及び上面をスペーサ９や赤外線透過窓１２等によって覆われることによって、赤外線受光素子１上に形成されている。チャンバ６内は、大気圧より減圧され、好ましくは１３３．３×１０−２Ｐａ〜１３３．３×１０−６Ｐａまで減圧される。
【００４０】
赤外線透過窓１２には、チャンバ６を脱気するために使用する貫通孔１３が少なくとも１つ形成されている。図２に、貫通孔１３部分（封止材料１５の図示は省略）の拡大概略断面図を示す。また、図３に、封止材料１５で貫通孔１３を封止した後の状態を示す拡大概略断面図を示す。貫通孔１３は、その内壁に、チャンバ６の外方に面した外面１２ａからチャンバ６内方に向けて開口面積（図面上、幅ないし径）が縮小する第１テーパ面１２ｂと、チャンバ６の内方に面した内面１２ｄからチャンバ６外方に向けて開口面積（図面上、幅ないし径）が縮小する第２テーパ面１２ｃと、を有する。そして、第１テーパ面１２ｂと第２テーパ面１２ｃとが連続して形成されることにより、第１テーパ面１２ｂと第２テーパ面１２ｃの境界に、貫通孔１３の開口面積（図面上、幅ないし径）が最も縮小したくびれ部１３ａが形成されている。
【００４１】
ここで、貫通孔１３に沿った赤外線透過窓１２に垂直な断面（図２及び図３）において、外面１２ａと第１テーパ面１２ｂとで形成される第１角部の第１角度α、及び第１テーパ面１２ｂと第２テーパ面１２ｃとで形成される第２角部の第２角度βは、封止材料１５と（パッド１４を介して）接することになるので、いずれも鈍角となるように形成する。好ましくは、第１角度α、第２角度β、及び第２テーパ面１２ｃと内面１２ｄとで形成される第３角部の第３角度γは、いずれも鈍角であるように形成する。より好ましくは、第１角度α、第２角度β及び第３角度γは、１００°〜１６０°に設定する。これにより、貫通孔１３を形成する赤外線透過窓１２の第１〜第３角部はいずれも鈍角となり、各角部における欠陥の発生を抑制することができる。
【００４２】
図１及び図２に示す貫通孔１３は、貫通孔１３を通る中心線に対して線対称となるように第１テーパ面１２ｂ及び第２テーパ面１２ｃを形成している。すなわち、第１テーパ面１２ｂ部分の貫通孔の中心線と第２テーパ面１２ｃの貫通孔の中心線が一致している。これにより、くびれ部１３ａの最小幅（最小径）を結ぶ線は、赤外線透過窓１２（外面１２ａ又は内面１２ｄ）に対して平行となっている。また、貫通孔１３は、くびれ部１３ａが赤外線透過窓１２の厚みの中央となるように、赤外線透過窓１２の両面から同じ深さで掘ることによって形成されている。すなわち、外面１２ａ側から形成した第１テーパ面１２ｂの深さｄ１と内面１２ｄ側から形成した第２テーパ面１２ｃの深さｄ２が、同じになるように形成されている。
【００４３】
テーパ面１２ｂ，１２ｃを有する貫通孔１３は、例えばエッチング法によって形成することができる。特に、異方性エッチングを使用すれば、図１及び図２に示す形態の他にも、種々のテーパ形状を有する貫通孔を形成することができる。本実施形態を例にすれば、例えば、赤外線透過窓１２としてＳｉを使用して、外面１２ａを（１００）面とし、赤外線透過窓１２の両面から異方性エッチングすると、第２角部の第２角度の二等分角β／２は５４．７°（すなわちβ＝１０９．４°）にすることができる。
【００４４】
赤外線透過窓１２の表面（外面１２ａ又は内面１２ｄの平面図）における貫通孔１３の開口形状（あるいは、赤外線透過窓１２の面方向に沿った断面形状）は種々の形態（例えば円形）にすることができる。このとき、貫通孔１３の表面形状は、封止前の封止材料１５を載置したときに、貫通孔１３の表面開口又は内壁と封止材料１５との間に、チャンバ６を脱気できるような間隙が形成できるような形状とすると好ましい。例えば、封止前（溶融前）の封止材料１５の形状が球状である場合、貫通孔１３の開口形状を円形以外の開口形状にすると、封止材料１５を貫通孔１３にセットした状態で、貫通孔１３と封止材料１５との間隙からチャンバ６内を減圧する（真空にする）ことができる。
【００４５】
図４に、貫通孔１３の表面形状の一例を示す概略平面図を示す。図４に示す貫通孔１３の開口形状は正方形である。このとき、貫通孔１３は、２つの四角錐台を、面積の小さい面同士で接続したような形状となる。真空封止時に、封止材料１５（点線）として例えば球状のハンダボールを使用する場合、チャンバ６の脱気前に貫通孔１３にハンダボール１５をセットし、その状態で真空引きすると、ハンダボール１５で閉塞されていない貫通孔１３の四隅（矢印部分）からチャンバ６内の空気を抜くことができる。
【００４６】
図５に、貫通孔１３の表面形状の別の例を示す概略平面図及び概略断面図を示す。図５（ａ）は、貫通孔１３の表面形状の一例を示す概略平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のVb−Vb線における概略断面図である。図５における貫通孔１３の開口は、楕円形状になっている。このため、溶融前の封止材料１５として球状のハンダボール（点線）を貫通孔１３にセットすると、楕円形状の短軸方向はハンダボール１５に塞がれるが、長軸方向（矢印部分）の両端にはハンダボール１５との間に間隙が形成され、該間隙からチャンバ６内の空気を抜くことができる。また、図５（ｂ）に示すように、第１テーパ面１２ｂ及び第２テーパ面１２ｃは、曲面状であっても構わない。
【００４７】
また、貫通孔１３の平面投影形状は、円形、正方形、楕円形に限定されることなく、種々の形状を採用することができる。例えば、図６に示すような、十字形（図６（ａ））、平行四辺形、（図６（ｂ））、三角形（図６（ｃ））、多角形（例えば六角形）（図６（ｄ））、長方形（図６（ｅ））、花形（図６（ｆ））等を適用することができる。
【００４８】
本発明における貫通孔１３を作成する方法としては、例えば、異方性エッチング、等方性エッチング、ドライエッチング、ドリル、サンドブラスタ、超音波加工、ワイヤ放電等を利用することができる。
【００４９】
なお、貫通孔１３に封止材料１５を予め載置してからチャンバ６を脱気する場合、最小の開口となるくびれ部の開口面積よりも、封止材料１５で部分的に閉塞された開口の面積のほうが小さくなる場合もある。両面積の大小関係は、貫通孔の形状（寸法、テーパ角、開口形状）や封止材料の形状（寸法、立体形状）に依存するので、コンダクタンスやチャンバの脱気が可能となるかは、より小さい開口面積で検討するようにする。
【００５０】
図１〜図３に示す本実施形態に係る真空パッケージにおいて、赤外線透過窓１２の貫通孔１３上における第１テーパ面１２ｂ上と、第１テーパ面１２ｂと連続する外面１２ａの少なくとも一部上にはパッド１４が形成されている。パッド１４は、第２テーパ面１２ｃ及び内面１２ｄ上には形成されていない。パッド１４の材料には、封止材料１５に対して赤外線透過窓１２よりも濡れ性の高い材料を用いる。例えば、Ｎｉ、ＮｉＰ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｔや、それらを主成分とする合金などをパッド１４として使用することができる。これにより、封止材料１５は、溶融状態となってもパッド１４上、すなわち第１テーパ面１２ｂ上に載るように貫通孔１３内に確実に配されると共に、最も開口面積の小さいくびれ部１３ａ部で貫通孔１３を封止することができる。一方で、封止材料１５は、第２テーパ面１２ｂ部分では貫通孔１３を封止しないので、内面１２ｄよりチャンバ６の内部へは突出しないようになっている。これにより、封止材料１５は、チャンバ６を気密性良く封止すると共に、チャンバ６内の赤外線受光素子１やボンディングワイヤ５等と接触しないようになっている。
【００５１】
次に、図１に示す第１実施形態に係る赤外線センサ用真空パッケージ１００の詳細について以下に説明する。
【００５２】
受光素子基板３上には電極パッド４が形成され、電極パッド４は、チャンバ６内からチャンバ６外へ受光素子基板３に沿って引き出されている。赤外線受光素子１の電極パッド１６は、ボンディングワイヤ５によって電極パッド４と電気的に接続されている。これにより、赤外線受光素子１が検知した信号を、電極パッド４を介してチャンバ６の外部へ送ることができる。
【００５３】
受光素子基板３は、チャンバ６内部を高真空に保持することができる材料で形成する。受光素子基板３の材料としては、例えば、ＳｉやＧｅなどの半導体材料、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属やそれらを主成分とする合金材料、あるいはＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などのガラスやセラミックス材料を使用することができる。
【００５４】
電極パッド４上には、絶縁層７を介して、赤外線受光素子１を取り囲むようにパッド８ａが形成されている。パッド８ａ上には、接合材料１０ａによってスペーサ９が接合されている。スペーサ９は、赤外線受光素子１を取り囲むと共に、受光素子基板３と赤外線透過窓１２との間に、赤外線受光素子１等を配置するための所定の間隙を確保するものである。さらに、スペーサ９上には、接合材料１０ｂによって赤外線透過窓１２のパッド８ａが接合され、赤外線透過窓１２が赤外線受光素子１上を覆い、チャンバ６を形成するように配設される。各要素の接合は、チャンバ６の気密性を高めるように実施する。
【００５５】
絶縁層７としては、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ等のセラミックスやガラス等の材料を使用することができる。
【００５６】
スペーサ９の材料は特に制限されないが、チャンバ６内部を真空に引いたときにガスを放出しにくいことが求められる。スペーサ９の材料としては、例えば、ＳｉやＧｅなどの半導体材料、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属やそれらを主成分とする合金材料、あるいはＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などのガラスやセラミックス材料を使用することができる。
【００５７】
接合材料１０ａ，１０ｂとしては、Ａｕやハンダなどを使用することができる。Ａｕで接続する場合には、スペーサ９と、受光素子基板３あるいは赤外線透過窓１２のパッド８ａ，８ｂ部分に予めＡｕを形成しておき、熱圧着、超音波接合、表面活性化接合などにより接続する。一方、ハンダで接続する場合には、スペーサ９と、受光素子基板３あるいは赤外線透過窓１２のパッド８ａ，８ｂ部分に予めハンダの拡散防止、あるいはハンダ濡れを促進するＮｉ、ＮｉＰ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｔや、それらを主成分とする合金などを形成しておき、その両者の間にハンダを供給してリフロー炉やホットプレートなどで加熱溶融することで接続する。なお、パッド８ａ，８ｂの表面に予めハンダをめっき、スパッタ、蒸着などで形成しておいて、それを接続してもよい。接合材料１０ａ，１０ｂがハンダの場合、その材料としては、例えば、Ｓｎ、Ｐｂ、ＳｎＰｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＩｎ、ＳｎＺｎ、ＳｎＢｉ、ＳｎＺｎＢｉ、Ｂｉ、Ｉｎ、ＩｎＡｇ、などの低融点金属を主成分とする材料であることが望ましい。そのほか、接合材料１０ａ，１０ｂを用いずに、Ｓｉ／Ｓｉ、ＳｉＯ２／ＳｉＯ２、Ｓｉ／ガラス、などの基板材料を陽極接合などにより直接接合してもよい。
【００５８】
赤外線透過膜１２は、赤外線受光素子１上に、反射防止膜１１ａ，１１ｂをその両面に有する。赤外線透過窓１２は、赤外線を透過させることができる材料で形成する。赤外線透過窓の材料としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などのほか、ＬｉＦ、ＮａＣｌ、ＫＢｒ、ＣｓＩ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＭｇＦ２などのアルカリハライド系材料やアルカリ土類ハライド系材料、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓｂなどを主成分とするカルコゲナイト系ガラスなどの材料を使用することができる。
【００５９】
赤外線透過膜１２の貫通孔１３を封止する封止材料１５としては、例えば、Ｓｎ、Ｐｂ、ＳｎＰｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＩｎ、ＳｎＺｎ、ＳｎＢｉ、ＳｎＺｎＢｉ、Ｂｉ、Ｉｎ、ＩｎＡｇ、などの低融点金属を主成分とする材料を使用することができる。
【００６０】
本実施形態によれば、貫通孔１３を形成する角部が鈍角形状になっているので、封止材料１５の接合時や製品使用時においてクラックなどの欠陥の発生を防止することができる。特に、貫通孔１３を形成する基材が割れやすいシリコンやガラスであっても貫通孔１３におけるクラックの発生を抑制することができる。また、封止材料１５の接合部分には、パッド１４を形成することにより、気密不良を防止している。これにより、気密性の高い真空パッケージを得ることができる。
【００６１】
また、くびれ部１３ａによって封止材料１５を受け止めると共に、赤外線受光素子１側の第２テーパ面１２ｃにパッド１４を形成しないことにより、封止材料１５をチャンバ６内に突出することを防止している。これにより、機能不良やショートの発生を防止することができる。
【００６２】
さらに、貫通孔１３は、赤外線透過窓１２の両面から、対称的にテーパ面１２ｂ，１２ｃが形成されているので、一方向のテーパ面しか有さない貫通孔と比べて、基板表面の開口面積に対して大きなコンダクタンスを得ることができる。すなわち、基板表面の開口を大きくすることなく、チャンバ６の真空化に有利な大きなコンダクタンスを有する貫通孔１３を形成することができる。これにより、性能レベルを維持しながらも真空パッケージの小型化を達成することができる。
【００６３】
次に、本発明の第２実施形態〜第７実施形態に係る真空パッケージについて説明する。第２実施形態〜第７実施形態は、赤外線透過窓の厚み方向に沿った断面における貫通孔の形態がそれぞれ異なっている。第２実施形態〜第７実施形態における貫通孔部分以外の形態は、第１実施形態と同様である。
【００６４】
図７に、本発明の第２実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図を示す。図７（ａ）は、封止前の状態を示す貫通孔の概略断面図であり、図７（ｂ）は、貫通孔を封止材料で封止した状態を示す貫通孔の概略断面図である。図２に示す第１実施形態においては赤外線透過窓の外面側からの第１テーパ面の深さと内面からの第２テーパ面の深さは同等であったが、第２実施形態においては、赤外線透過窓２２の外面２２ａからの第１テーパ面２２ｂの深さｄ１のほうが、内面２２ｄからの第２テーパ面２２ｃの深さｄ２よりも深くなっている。これにより、貫通孔２３のくびれ部２３ａは、外面２２ａ側よりも内面２２ｄ側に形成されると共に、外面２２ａ表面の貫通孔２３の開口は、内面２２ｄ表面の貫通孔２３の開口よりも大きくなる。パッド２４は、第１テーパ面２２ｂ及び外面２２ａに形成されており、封止材料２５は、パッド２４上を覆うように貫通孔２３を封止する。本実施形態によれば、封止時に、封止材料２５を貫通孔２３に安定にセットすることができる。
【００６５】
図８に、本発明の第３実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図を示す。図８（ａ）は、封止前の状態を示す貫通孔の概略断面図であり、図８（ｂ）は、貫通孔を封止材料で封止した状態を示す貫通孔の概略断面図である。第２実施形態においては第２テーパ面よりも第１テーパ面の方が深くなっていたが、第３実施形態においては、赤外線透過窓３２の内面３２ｄからの第２テーパ面３２ｃの深さｄ２のほうが、外面３２ａからの第１テーパ面３２ｂの深さｄ１よりも深くなっている。これにより、貫通孔３３のくびれ部３３ａは、内面３２ｄ側よりも外面３２ａ側に形成されると共に、内面３２ｄ表面の貫通孔３３の開口は、外面３２ａ表面の貫通孔３３の開口よりも大きくなる。パッド３４は、第１テーパ面３２ｂ及び外面３２ａに形成されており、封止材料３５は、パッド３４上を覆うように貫通孔３３を封止する。本実施形態によれば、封止材料３５（例えばハンダ）が加熱時に流れやすい場合でも、チャンバ内部に封止材料３５を突出しにくくすることができる。
【００６６】
図９に、本発明の第４実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図を示す。図９（ａ）は、封止前の状態を示す貫通孔の概略断面図であり、図９（ｂ）は、貫通孔を封止材料で封止した状態を示す貫通孔の概略断面図である。第１実施形態〜第３実施形態においては、第１テーパ面を形成する外面側の貫通孔部分と第２テーパ面を形成する内面側の貫通孔部分の中心線は同一であったが、第４実施形態においては、第１テーパ面４２ｂを形成する外面４２ａ側の貫通孔４３部分と第２テーパ面４２ｃを形成する内面４２ｄ側の貫通孔４３部分の中心線がずれている（ｄ１及びｄ２の矢印参照）。このため、貫通孔４３内壁の角部を結ぶ線（くびれ部４３ａ）は、赤外線透過窓４２の平面延在方向と平行になっていない。本実施形態においても、パッド４４は、第１テーパ面４２ｂ上に形成され、封止材料４５は、少なくともパッド４４上において貫通孔４３を封止する。本実施形態によれば、貫通孔４３は全体として赤外線透過窓４２面に対して斜め方向に貫通しているので、封止材料４５が加熱時に重力によって下方へ流れにくくなっている。
【００６７】
図１０に、本発明の第５実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図を示す。図１０（ａ）は、封止前の状態を示す貫通孔の概略断面図であり、図１０（ｂ）は、貫通孔を封止材料で封止した状態を示す貫通孔の概略断面図である。第１〜第４実施形態においては、第１テーパ面と第２テーパ面とは連続して形成されていたが、第５実施形態においては、第１テーパ面５２ｂと第２テーパ面５２ｃとは連続しておらず、その間に、赤外線透過窓５２に対して垂直な内周面５２ｅが形成されている。パッド５４は、第１テーパ面５２ｂ及び外面５２ａ上に形成され、封止材料５５は、パッド５４上を覆うように貫通孔５３を封止することになる。本実施形態における貫通孔５３は、例えば、第１実施形態の貫通孔をさらにエッチングすることによって形成することができる。
【００６８】
図１１に、本発明の第６実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図を示す。図１１（ａ）は、封止前の状態を示す貫通孔の概略断面図であり、図１１（ｂ）は、貫通孔を封止材料で封止した状態を示す貫通孔の概略断面図である。本実施形態においては、第１テーパ面６２ｂ及び第２テーパ面６２ｃのテーパ角度が統一されていない。例えば、図１１の断面図において、第１テーパ面６２ｂの左側のテーパ角度α１と右側のテーパ角度α２とが異なるような貫通孔６３となっている。このことは、第２テーパ面６２ｃについても同様である。このような貫通孔６３は、例えば、赤外線透過窓６２としてＳｉを使用して、外面６２ａを（４１１）面にして異方性エッチングすることにより形成することができる。
【００６９】
図１２に、本発明の第７実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図を示す。図１２（ａ）は、封止前の状態を示す貫通孔の概略断面図であり、図１２（ｂ）は、貫通孔を封止材料で封止した状態を示す貫通孔の概略断面図である。本実施形態は、第１テーパ面７２ｂと第２テーパ面７２ｃとは連続しておらず、第６実施形態の貫通孔をさらにエッチングすることにより、第１テーパ面７２ｂと第２テーパ面７２ｃとの間に内周面７２ｅをさらに形成している。
【００７０】
第２実施形態〜第７実施形態においても、第１実施形態において説明したように、貫通孔を形成する角部（貫通孔に面する角部）は鈍角になっている。また、パッドは、外面側の第１テーパ面上及び外面上に形成され、第２テーパ面上及び内面上には形成されていない。
【００７１】
第１実施形態〜第７実施形態における貫通孔は、異方性エッチングの他にも、等方性エッチングやドライエッチングを用いたり、等方性エッチングやドライエッチングと異方性エッチングを組み合わせたりすることもできる。第１実施形態〜第７実施形態において示したテーパ形状はほんの一例であり、これらに限定されずに、さまざまな面方位の基板やエッチング方法を用いることにより多様な形状のテーパを有する貫通穴を形成することができる。
【００７２】
次に、本発明の第８実施形態〜第１１実施形態に係る真空パッケージについて説明する。第８実施形態〜第１１実施形態は、図１に示す第１実施形態とは、それぞれ、貫通孔を形成している場所やチャンバの形態が異なっている。
【００７３】
本発明の第８実施形態に係る真空パッケージについて説明する。図１３に、本発明の第８実施形態に係る真空パッケージの概略断面図を示す。第１実施形態においては、貫通孔は赤外線透過窓に形成されていたが、第８実施形態に係る真空パッケージ２００においては、貫通孔２１３は、受光素子基板２０３に形成されている。それ以外は、真空パッケージ２００は、第１実施形態に係る真空パッケージと同様である。また、貫通孔２１３としては、第１実施形態〜第７実施形態において説明したような種々の形態を適用することができる。
【００７４】
本発明の第９実施形態に係る真空パッケージについて説明する。図１４に、本発明の第９実施形態に係る真空パッケージの概略断面図を示す。第９実施形態に係る真空パッケージ３００においては、貫通孔３１３は、スペーサ３０９に形成されている。スペーサ３０９は、少なくとも一部分が赤外線透過膜３１２（又は受光素子基板３０３）面の延在方向と同一方向に幅広に形成され、その幅広部分は、赤外線透過膜３１２の外部に露出されている。貫通孔３１３は、その外部に露出した幅広部分に、赤外線透過膜３１２の厚み方向と同一方向（面の延在方向に対して垂直方向）に沿って形成されている。また、パッド３０８ａや絶縁層３０７は、スペーサ３０９の形状に合わせて大きく形成されている。真空パッケージ３００において、その他の形態については、第１実施形態に係る真空パッケージと同様である。また、貫通孔３１３としては、第１実施形態〜第７実施形態において説明したような種々の形態を適用することができる。
【００７５】
本発明の第１０実施形態に係る真空パッケージについて説明する。図１５に、本発明の第１０実施形態に係る真空パッケージの概略断面図を示す。第１０実施形態に係る真空パッケージ４００においては、貫通孔４１３は、第９実施形態と同様に、スペーサ４０９に形成されている。しかし、本実施形態においては、スペーサ４０９は、チャンバ４０６の空間（高さ）（受光素子基板４０３と赤外線透過窓４１２との間隔）を拡げるように延びており、貫通孔４１３は、スペーサ４０９の側方から、赤外線透過膜４１２面の延在方向と同一方向（厚み方向に対して垂直方向）に沿って形成されている。その他の形態については、第１実施形態に係る真空パッケージと同様である。また、貫通孔４１３としては、第１実施形態〜第７実施形態において説明したような種々の形態を適用することができる。
【００７６】
本発明の第１１実施形態に係る真空パッケージについて説明する。図１６に、本発明の第１１実施形態に係る真空パッケージの概略断面図を示す。第１実施形態及び第８実施形態〜第１０実施形態においては、赤外線受光素子は受光素子基板上に接合材料を介して接続され、受光素子基板がチャンバの一部分を形成していたが、第１１実施形態に係る真空パッケージ５００においては、受光素子基板を使用することなく、赤外線受光素子５０１自体がチャンバ５０６の一部を形成している。したがって、電極パッド５０４及び絶縁層５０７は、赤外線受光素子５０１上に形成されている。図１６においては貫通孔５１３は、赤外線透過窓５１２に形成されているが、スペーサ５０９に形成することもできる。その他の形態については、第１実施形態に係る真空パッケージと同様である。また、貫通孔５１３としては、第１実施形態〜第７実施形態において説明したような種々の形態を適用することができる。本実施形態によれば、第１実施形態等と比較して、ワイヤボンディング等の電気的接続が不要となるだけではなく、真空パッケージをより薄型化することができる。
【００７７】
第１実施形態及び第８実施形態〜第１１実施形態は、それぞれ組み合わせることも可能である。すなわち、各実施形態においては、貫通孔は、赤外線透過膜、スペーサ、又は受光素子基板のいずれかに形成されていたが、各実施形態を組み合わせて、赤外線透過膜、スペーサ、及び受光素子基板のうちの複数に貫通孔を形成することも可能である。
【００７８】
次に、本発明の第１２実施形態に係る真空パッケージについて説明する。図１７〜図１９に、本発明の第１２実施形態に係る真空パッケージの概略断面図を示す。図１７〜図１９に示す真空パッケージ６００は、第１実施形態に係る真空パッケージと同様であるが、異なる点は、チャンバ６内を高真空にするためのゲッタ１８をチャンバ６内に有している点である。ゲッタ１８は、図１７に示す形態においては赤外線透過窓１２に設けられ、図１８に示す形態においては受光素子基板３（絶縁膜１７）上に設けられ、図１９に示す形態においてはスペーサ９上に設けられている。あるいは、ゲッタ１８の配置箇所は、図１７〜図１９に示す形態を組み合わせることも可能である。ゲッタ１８は、Ｚｒ系材料、Ｔｉ系材料、又はそれらを含む合金などから形成することができ、パッケージを気密封止した後に活性化することでチャンバ６の内部を高真空にすることができる。第１２実施形態に係る真空パッケージ６００は、第１実施形態に係る真空パッケージを基に説明したが、第２実施形態〜第１１実施形態に係る真空パッケージにも適用できることはいうまでもない。
【００７９】
次に、本発明の第１３実施形態として、本発明の真空パッケージにおける貫通孔の形成方法について説明する。図２０に、第１実施形態に係る真空パッケージを例にして、赤外線透過窓に貫通孔を形成する方法を説明するための概略工程図を示す。まず、赤外線透過窓１２に対して、所定の位置に反射防止膜１１ａ，１１ｂを形成する（図２０（ａ））。次に、貫通孔１３を形成しない部分にＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮや金属などからなる、マスクまたは耐アルカリレジスト１９を形成する（図２０（ｂ））。次に、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロキシサイト）、ヒドラジン、ＥＰＷ（エチレンジアミン−ピロカテコール−水）などによる異方性エッチングを、赤外線透過窓１２の両面１２ａ，１２ｄに対してそれぞれ施し、第１テーパ面１２ｂ及び第２テーパ面１２ｃを有する貫通孔１３を形成する（図２０（ｃ））。なお、貫通孔１３を形成するのに等方性エッチングを用いてもよい。次に、第１テーパ面１２ｂ及び第１テーパ面１２ｂと連続する外面１２ａの一部に、封止材料接続用パッド１４をスパッタリングや蒸着、めっきなどにより形成する（図２０（ｄ））。最後に、スペーサに接続するためのパッド８ｂをスパッタリングや蒸着、めっきなどにより形成する（図２０（ｅ））。
【００８０】
ここでは、第１実施形態を例に説明したが、第２実施形態〜第７実施形態に係る貫通孔であっても、エッチングの深さや方向など、エッチングの条件を適宜変更することにより、図２０に示す形成方法と同様の方法で貫通孔を形成することができる。また、受光素子基板やスペーサに貫通孔を形成する第８実施形態〜第１１実施形態であっても、図２０に示す形成方法と同様の方法で貫通孔を形成することができる。なお、貫通孔を形成する基材がシリコンではなく金属などの場合には、マスク材料にフォトレジストを用い、エッチング液に酸やアルカリなどを用いれば貫通孔の形成は可能である。
【００８１】
次に、本発明の第１４実施形態〜第１５実施形態として、本発明の真空パッケージを真空封止する方法について説明する。図２１に第１４実施形態に係る真空封止方法を説明するための概略断面図を示し、図２２に第１５実施形態に係る真空封止方法を説明するための概略断面図を示す。真空封止する真空パッケージとして、第１実施形態に係る真空パッケージを例にする。
【００８２】
第１４実施形態においては、まず、貫通孔を形成したパッケージ１００を真空チャンバ８１のステージ８２上にセットする。次に、真空チャンバ８１内を高真空にすることによって真空パッケージ１００のチャンバ内を真空にする。例えば赤外線センサの場合、最低限の性能を出すためには、到達真空度は１０−２Ｔｏｒｒ以下が望ましい。また、長期間のデバイスの安定性を保つためにはさらに真空度を高めることが望ましい。次に、この状態を維持して、パッケージ１００の貫通孔に封止材料（例えばハンダ）１５をセットする。または、第１実施形態において説明したように、真空チャンバ８１の内部を真空引きする前に、予め大気中で貫通孔に封止材料１５を配置しておいてもよい。次に、真空チャンバ８１の透過窓８３を通して、真空チャンバ８１の外側からレーザ装置８４によりレーザを封止材料１５に向かって照射する。これによって、封止材料１５は溶融され、貫通孔を封止する。
【００８３】
図２１に示す第１４実施形態においては、レーザ装置８４は真空チャンバ８１外部に設置されているが、図２２に示す第１５実施形態においては、レーザ装置８４は真空チャンバ８１内に設置されている。この場合、封止材料１５を直接的に加熱できるので、透過窓は省略することができる。その他は、第１４実施形態と同様である。
【００８４】
図２１及び図２２に示した方法では、受光素子基板／スペーサ、及びスペーサ／赤外線透過窓の間をハンダ等の接合材料で接続している場合でも、貫通孔にセットした封止材料１５のみをレーザ装置８４で局所的に加熱することが可能なので、貫通孔の封止材料１５の融点が該接合材料の融点以下のときに、該接合材料を溶解させずに貫通孔の封止材料だけを溶かして真空封止することができるのみならず、封止材料１５の融点が該接合材料の融点より高いときであっても、条件を最適化すれば貫通孔の封止材料１５だけを溶解させて封止することも可能である。レーザ装置８４としてはＹＡＧレーザが適しているが、そのほかにもルビーレーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザ、液体レーザ、半導体レーザ、自由電子レーザなどハンダを加熱することができるレーザであればいずれのレーザでも使用することができる。
【００８５】
次に、本発明の第１６実施形態として、本発明の真空パッケージを真空封止する方法について説明する。図２３に、第１６実施形態に係る真空封止方法を説明するための概略断面図を示す。第１４実施形態及び第１５実施形態においてはレーザを用いて封止材料を溶融したが、第１６実施形態においてはパッケージ全体を加熱することにより封止材料を溶融する。例えば、第１４実施形態又は第１５実施形態のように真空チャンバ８１内を真空にした後、ステージ８２を加熱することで、封止材料１５を溶融することができる。なお、受光素子基板／スペーサ、及びスペーサ／赤外線透過窓の間をハンダ等の接合材料で接続している場合は、この接合材料を溶かさないようにするため、貫通孔にセットする封止材料１５の融点は、該接合材料の融点より低いことが望ましい。
【００８６】
図２１〜図２３においては、第１実施形態に係る真空パッケージを示したが、第１４実施形態〜第１６実施形態においては第２実施形態〜第１２実施形態に係る真空パッケージにも適用できることは言うまでもない。
【実施例１】
【００８７】
本発明の真空パッケージの実施例について説明する。作製した真空パッケージは、図１に示すような、赤外線センサに使用する真空パッケージであって、機能素子として赤外線受光素子を有するものである。貫通孔は、第１実施形態のように赤外線透過窓に形成した。
【００８８】
まず、反射防止膜を形成した、大きさが１６．２ｍｍ×１６．２ｍｍで厚さが０．８ｍｍの赤外線透過窓となるシリコン基板に対し、ＳｉＯ２をマスクとしてシリコン基板両面からＫＯＨによる異方性エッチングを行い貫通孔を形成した。形成した貫通孔は、第１実施形態に係る図２に示すような、深さ方向の中央にくびれ部があるように第１テーパ面と第２テーパ面の深さが同一であり、貫通孔の中心線に対して対称となるような貫通孔である。貫通孔の基板表面の開口形状は正方形であり、その一辺の長さは０．７２６ｍｍ、面積は０．５２７ｍｍ２であった。貫通孔を形成する角部の大きさは、図２にα、β及びγを用いて表すと、α＝１２５．３°、β＝１０９．４°、及びγ＝１２５．３°であった。すなわち、貫通孔を形成するすべての角部は鈍角となっている。また、これにより、貫通孔の開口面積が最も狭い部分であるくびれ部の大きさは、一辺が０．１６ｍｍ、開口面積が０．０２５６ｍｍ２となった。
【００８９】
次に、赤外線透過窓の外面側（チャンバとは反対側）の表面と、該表面と連続する貫通孔の第１テーパ面に、スパッタリングによりＴｉ／Ａｌ層を形成した。Ｔｉの厚みは０．１μｍ、Ａｌは１μｍであった。また、赤外線透過窓の内面側（チャンバ側）にはスペーサと接続するためのパッドとして、同様にＴｉ／Ａｌを形成した。このＴｉ／Ａｌパッドは赤外線受光素子を囲むように形成し、その幅は１ｍｍ程度とした。その後、無電解めっきによりＴｉ／Ａｌ上にＮｉＰを３μｍ、Ａｕを０．０５μｍ形成した。さらにその後、シリコン基板をダイシングし個片化した。
【００９０】
次に、別の厚さ１ｍｍのシリコン基板を両面からエッチングすることにより、中央部に１３．８ｍｍ×１３．８ｍｍ程度の赤外線受光素子を取り囲むための貫通穴を有するスペーサを作製した。その後、赤外線受光素子を囲むように幅１ｍｍのＴｉ／Ａｌ電極パッドをスペーサ表面の両側に形成し、このスペーサの表面についても無電解めっきによりＮｉＰを３μｍ、Ａｕを０．０５μｍ形成した。その後、このシリコン基板を１６．２ｍｍ×１６．２ｍｍにダイシングした。
【００９１】
次に、１８ｍｍ×１８ｍｍ×０．６２５ｍｍのサイズの受光素子基板としてのシリコン基板に、１層目に電極パッドとしてチャンバの内部と外部をつなぐ配線、２層目にスペーサと接続するための幅１ｍｍのパッドを形成した。１層目の配線と２層目のパッドとの間には、ＳｉＯ２絶縁層を形成した。配線パッドはＴｉ０．１μｍ、Ａｌ１μｍとした。この上に無電解めっきによりＮｉＰを３μｍ、Ａｕを０．４μｍ形成した。次にこの受光素子基板上に接合材料により赤外線受光素子を固定し、φ３０μｍのＡｌのワイヤにより赤外線受光素子基板の電極パッドと受光素子基板上に形成した電極パッドとを電気的に接続した。
【００９２】
次に、スペーサと赤外線透過窓及び受光素子基板とを接合する接合材料として、内周１４ｍｍ×１４ｍｍの貫通穴を有する外周１６ｍｍ×１６ｍｍ、厚さ２００μｍ、幅１ｍｍのＳｎＡｇＣｕの鉛フリーハンダプリフォーム材を、赤外線透過窓／スペーサ界面、及びスペーサ／受光素子基板の界面にはさみ、これらの部品を一括してリフローに通し、ハンダプリフォーム材を溶融して、これらを接合した。
【００９３】
次に、赤外線透過窓の貫通孔上に、封止材料としてφ０．６ｍｍのＳｎＡｇＣｕハンダボールを配置した後、作製した部品を、１０−６Ｔｏｒｒの真空チャンバ内に保持した。真空チャンバにはガラス窓が形成されてあり、そのガラス窓を通してハンダボールに、外部から波長が１．０６μｍのＮｄ−ＹＡＧレーザ（０．５３μｍの二次高調波でも可）を照射し、ハンダボールを加熱溶融させて、貫通孔を封止した。以上のような方法により、真空パッケージを製造した。
【００９４】
そこで、本実施例に係る貫通孔について分子流コンダクタンスを計算した。なお、本実施例においては、ハンダボールで閉塞された部分の開口面積（０．５１５ｍｍ２）は、最小の開口となるくびれ部の開口面積（０．０２５６ｍｍ２）よりも大きいので、くびれ部の開口面積を基にコンダクタンスを計算した。本実施例に係る貫通孔の最小開口面積（くびれ部）は０．０２５６ｍｍ２であり、これは直径が０．１８ｍｍの円柱状の貫通孔に相当する。そこで、Ｄ＝０．１８ｍｍ、Ｌ＝０．８ｍｍの貫通孔における粘性流領域のコンダクタンスＣｐを上記数１より計算すると、その値は２３９×ｐ（ｍｍ３／ｓ）であり、分子流領域のコンダクタンスＣｋは、上記数２より８８２（ｍｍ３／ｓ）となった。真空パッケージにおけるキャビティの容量は、１４ｍｍ×１４ｍｍ×１．４ｍｍ＝２７４ｍｍ３であるので、本発明によればコンダクタンスを考慮しても短時間で真空引きが可能であることが分かる。
【００９５】
［比較例１］
実施例１と同じチップ厚０．８ｍｍの赤外線透過窓に対して、一方の面側のみから異方性エッチングを行い、図２７〜図２９に示すような一方向のテーパ面のみを有する貫通孔を形成した。貫通孔の平面形状は実施例１と同様に正方形であり、貫通孔の大きさは、最も狭い開口面積（一方の表面における開口面積）が０．１６ｍｍ、開口面積が０．０２５６ｍｍ２とした。すなわち、貫通孔の最小開口面積が、実施例１に係る貫通孔における貫通孔の最小開口面積と同じになるようにした。また、貫通孔を形成する一方の角部（図２７〜図２９に示す角度δ）は５４．７°となった。その結果、比較例１において、実施例１と同じ最小開口面積を有する貫通孔を形成すると、開口面積が最大となる開口は、一辺１．２９３ｍｍ、開口面積１．６７２ｍｍ２となった。
【００９６】
［比較例２］
比較例１と同様にして、最大開口面積が実施例１に係る貫通孔の最大開口面積と同一となる貫通孔を形成しようとしたが、同様のチップ厚（０．８ｍｍ）及びテーパ角（５４．７°）では物理的に貫通孔を形成することはできなかった。
【００９７】
以下に、実施例１における貫通孔と比較例１及び比較例２における貫通孔について比較する表１を示す。
【００９８】
【表１】
【００９９】
実施例１及び比較例１においては、分子流コンダクタンスが同一となるように、最小開口面積が同一となる貫通孔を形成した。その結果、本発明によれば、基板（赤外線透過窓）表面に形成される開口の面積（最大開口面積）を比較例１の最大開口面積よりも１／３未満にすることができた。すなわち、本発明の貫通孔によれば、真空パッケージをより小型にすることができる。
【０１００】
また、本発明では貫通孔に面する第２角部は１０９．５°であるのに対し、比較例１においては貫通孔に面する角部は５４．７となる。このような鋭角の角部は、本発明の鈍角の角部と比較してクラックが発生しやすく、真空パッケージの気密性を低下させるおそれがある。しかしながら、本発明によれば、貫通孔部分におけるクラックの発生をより抑制することができる。
【０１０１】
さらに、比較例１においては、図２７及び図２９に示すように基板表面にのみパッドを形成し、貫通孔内壁にパッドを形成しない場合には、ハンダは、最大開口面積１．６７２ｍｍ２を有する部分を封止しなければならず、不完全封止によりリークが生じるおそれがある。しかしながら、本発明によれば、比較例１の最大開口面積の約１．５％である最小開口面積０．０２５６ｍｍ２を有する部分を封止すればいいので、不完全封止となるリスクを大きく低下させることができる。
【０１０２】
一方で、比較例１において、図２８に示すように、貫通孔内壁全体にパッドを形成すると、実施例１と比較例１とで封止しなければならない最小開口面積は同じとなる。しかしながら、比較例１においては、ハンダは貫通孔全体に広がり、貫通孔の最小開口面積の部分はチャンバに面する内面に形成されるので、ハンダがチャンバ内部に突出したり、ウィスカがチャンバ内部に侵入したりおそれがある。しかしながら、本発明によれば、第１テーパ面のみにパッドが形成され、最小開口面積となるくびれ部は、チャンバに面する内面から０．４ｍｍ離れた位置にあるので、ハンダやウィスカがチャンバ内部に侵入するリスクを大きく低下させることができる。
【０１０３】
本明細書中では圧力の単位として便宜上「Ｔｏｒｒ」を用いている箇所があるが、「Ｔｏｒｒ」は、１Ｔｏｒｒ＝１３３．３ＰａでＳＩ単位に変換することができる。
【０１０４】
本発明は、上記実施形態を基に説明したが、上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において種々の変更、変形、改良等を含むことはいうまでもない。また、本発明の範囲内において、開示した要素の多様な組み合わせ、置換ないし選択が可能である。
【０１０５】
本発明のさらなる課題・目的及び展開形態は、特許請求の範囲を含む本発明の全開示事項からも明らかにされる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
上記実施形態においては、機能素子として赤外線受光素子を使用する赤外線センサに係る真空パッケージについて説明したが、本発明の機能素子は赤外線受光素子に限定されることなく、圧電素子や振動素子等の真空封止が必要な種々の機能素子を本発明に適用することができる。すなわち、本発明の真空パッケージは、赤外線センサの他にも、圧力センサや加速度センサにも適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図２】図１の貫通孔部分の拡大概略断面図。
【図３】封止材料で貫通孔を封止した後の状態を示す拡大概略断面図。
【図４】貫通孔の表面形状の一例を示す概略平面図。
【図５】貫通孔の表面形状の一例を示す概略平面図及び概略断面図。
【図６】貫通孔の表面形状の例を示す概略平面図。
【図７】本発明の第２実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図。
【図８】本発明の第３実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図。
【図９】本発明の第４実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図。
【図１０】本発明の第５実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図。
【図１１】本発明の第６実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図。
【図１２】本発明の第７実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図。
【図１３】本発明の第８実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図１４】本発明の第９実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図１５】本発明の第１０実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図１６】本発明の第１１実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図１７】本発明の第１２実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図１８】本発明の第１２実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図１９】本発明の第１２実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図２０】本発明の第１３実施形態に係る、本発明の真空パッケージにおける貫通孔の形成方法を説明するための概略工程図。
【図２１】本発明の第１４実施形態に係る、真空パッケージを真空封止する方法を説明するための概略断面図。
【図２２】本発明の第１５実施形態に係る、真空パッケージを真空封止する方法を説明するための概略断面図。
【図２３】本発明の第１６実施形態に係る、真空パッケージを真空封止する方法を説明するための概略断面図。
【図２４】特許文献１に記載の赤外線検出用真空パッケージを説明するための概略断面図。
【図２５】特許文献３に記載の素子の封止パッケージ構造を説明するための概略断面図。
【図２６】図２５に示す穴部の部分概略断面図。
【図２７】本発明が解決しようとする課題を説明するための貫通孔部分の概略断面図。
【図２８】本発明が解決しようとする課題を説明するための貫通孔部分の概略断面図。
【図２９】本発明が解決しようとする課題を説明するための貫通孔部分の概略断面図。
【図３０】貫通孔のコンダクタンスの算出方法を説明するための概略斜視図。
【符号の説明】
【０１０８】
１００，２００，３００，４００，５００，６００ 真空パッケージ
１，２０１，３０１，４０１，５０１ 機能素子（赤外線受光素子）
２，２０２，３０２，４０２，５０２ 接合材
３，２０３，３０３，４０３，５０３ 受光素子基板
４，２０４，３０４，４０４，５０４ 電極パッド
５，２０５，３０５，４０５，５０５ ボンディングワイヤ
６，２０６，３０６，４０６，５０６ チャンバ
７，２０７，３０７，４０７，５０７ 絶縁層
８ａ，８ｂ，２０８ａ，２０８ｂ，３０８ａ，３０８ｂ，４０８ａ，４０８ｂ，５０８ａ，５０８ｂ， パッド
９，２０９，３０９，４０９，５０９ スペーサ
１０ａ，１０ｂ，２１０ａ，２１０ｂ，３１０ａ，３１０ｂ，４１０ａ，４１０ｂ，５１０ａ，５１０ｂ 接合材料
１１ａ，１１ｂ，２１１ａ，２１１ｂ，３１１ａ，３１１ｂ，４１１ａ，４１１ｂ，５１１ａ，５１１ｂ， 反射防止膜
１２，２２，３２，４２，５２，６２，７２，２１２，３１２，４１２，５１２ 赤外線透過窓
１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ，５２ａ，６２ａ，７２ａ，２０３ａ，３０９ａ，４０９ａ，５１２ａ 外面
１２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４２ｂ，５２ｂ，６２ｂ，７２ｂ，２０３ｂ，３０９ｂ，４０９ｂ，５１２ｂ 第１テーパ面
１２ｃ，２２ｃ，３２ｃ，４２ｃ，５２ｃ，６２ｃ，７２ｃ，２０３ｃ，３０９ｃ，４０９ｃ，５１２ｃ 第２テーパ面
１２ｄ，２２ｄ，３２ｄ，４２ｄ，５２ｄ，６２ｄ，７２ｄ，２０３ｄ，３０９ｄ，４０９ｄ，５１２ｄ 内面
５２ｅ，７２ｅ 内周面
１３，２３，３３，４３，５３，６３，７３，２，３，４，５ 貫通孔
１３ａ，２３ａ，３３ａ，４３ａ，５３ａ，６３ａ，７３ａ，２，３，４，５ くびれ部
１４，２４，３４，４４，５４，６４，７４，２１３，３１３，４１３，５１３ パッド
１５，２５，３５，４５，５５，６５，７５，２１５，３１５，４１５，５１５ 封止材料
１６，２１６，３１６，４１６，５１６ 電極パッド
１７，２１７，３１７，４１７，５１７ 絶縁層
１８ ゲッタ
１９ レジスト
８１ 真空チャンバ
８２ ステージ
８３ 透過窓
８４ レーザ装置
９０１ 基板
９０２ 受光部
９０３ 空隙
９０４ 赤外線透過窓
９０５ ハンダ
９０６ メタライズ層
９０７ 配線
９０８ 酸化シリコン保護膜
９０９ パッド
９１０ 反射防止膜
９１１ 貫通穴
９１２ 封止材料（真空封止用ハンダ）
９１３ 真空封止用メタライズ層
９２１ 素子
９２２ 素子形成基板体
９２３ 蓋部基板体
９２４ キャビティ
９２５ 空間
９２６ 穴部
９２７ スルーホール
９２８ 電極パターン
９２９ 連通孔
９３０ａ 小径開口部
９３０ｂ 小径開口部上端縁
９３１ 封止部材
９３２ くびれ部分
９３３ 封止接合強化膜
９４１，９５１ 部材
９４１ａ 第１開口
９４１ｂ 第２開口
９４２，９５２ 封止材料用パッド
９４３，９５３ 貫通孔
９４４，９５４ 封止材料
９５４ａ 突出した封止材料
９４５，９５５ 角部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能素子（例えば、赤外線検出素子、圧電素子、振動素子等）を真空封止したパッケージ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線センサ、圧力センサ、加速度センサ等の機能デバイスにおいては、その性能を高めるために各機能素子を真空封止する必要がある。
【０００３】
赤外線センサを例にすると、一般に、赤外線検出素子には量子型と熱型があるが、熱型は相対的な熱量を検出する方式である。このため、熱型は、量子型に比べ追随性に劣るものの、非冷却方式にすることが可能であり、構造の単純化により製造コストを安く抑えることができる。この熱型赤外線センサにおいては、ウィンドウを透過した赤外線が検出素子の受光部に吸収され、これにより生ずる温度変化に伴う抵抗変化を信号として検出する。そのため、夜間のセキュリティ用監視カメラや、温度分布を割り出し表示するサーモグラフィなどに用いられる赤外線センサにおいては、信号を高感度に検出するために、受光部を熱的に絶縁する必要がある。このような熱的絶縁性は、例えば、受光部を中空に浮かせたり、赤外線検出素子自体を真空容器内に配置したりすることで得ることができる。
【０００４】
図２４に、特許文献１に記載の赤外線検出用真空パッケージを説明するための概略断面図を示す。例えば、特許文献１に記載の赤外線検出用真空パッケージにおいては、基板９０１上に受光部９０２を形成した基板９０１と、１個以上の貫通穴９１１が設けられ、基板９０１の該受光部９０２の前面に空隙９０３を隔てて配置された赤外線透過窓９０４とが形成され、基板９０１と透過窓９０４とは、該受光部９０２を完全に囲む接着面で、相互に気密に接着することにより固定されており、基板９０１と透過窓９０４との空隙９０３を該貫通穴９１１から排気することにより真空とした後に透過窓９０４の貫通穴９１１が封止材料９１２により気密に封止されている。
【０００５】
この他にも、機能素子を封止した真空パッケージにおける封止技術は、例えば特許文献２及び特許文献３に記載されている。
【０００６】
特許文献２に記載の圧電デバイス用パッケージは、底部となる底部基板に枠状基板が積層されることにより、この枠状基板の内側に圧電振動片を収容するための内部空間が形成されており、かつ、底部基板に内部空間と外部とを連通し、封止材を溶融して孔封止される貫通孔が設けられた圧電デバイス用パッケージであり、底部基板は、一層の基板から形成され、貫通孔は、溶融前の封止材の外形より大きな内周を有すると共に、この大きな内周よりも内側に、溶融前の封止材の外形より小さな内周を有する。また、貫通孔の内周面には、封止材と濡れ性のよい金属被覆部が設けられている。
【０００７】
図２５に、特許文献３に記載の素子の封止パッケージ構造を説明するための概略断面図を示し、図２６に、図２５に示す穴部の部分概略断面図を示す。特許文献３に記載の素子の封止パッケージ構造においては、素子形成基板体９２２と、素子形成基板体９２２の上側に接合される蓋部基板体９２３と、素子形成基板体９２２と蓋部基板体９２３とで囲まれた空間９２５に収容される素子９２１と、蓋部基板体９２３表面の開口部から素子形成基板体９２２表面に至る穴部９２６と、この穴部９２６によって囲まれる素子形成基板体９２２の表面領域内に穴部９２６よりも小径の小径開口部９３０ａが形成され該小径開口部９３０ａから空間９２５に連通接続する連通孔９２９と、この連通孔９２９の小径開口部９３０ａを塞いで上記素子９２１の収容空間を封止する封止部材９３１と、連通孔９２９の小径開口部上端縁９３０ｂに形成された封止部材９３１の接合強度を高める封止接合強化膜９３３とを備え、上記穴部９２６には上記開口部から素子形成基板体９２２の表面に至るまでの間に穴径が細くくびれているくびれ部分９３２が形成されている。この封止パッケージ構造においては、まず、空間９２５が封止されていない状態の素子の封止パッケージ構造を真空装置に配置し、連通孔９２９と穴部９２６とを通して空間９２５の真空排気を行い、引き続き真空排気を行っている状態でくびれ部分９３２に乗せられた封止部材９３１を加熱して溶解させながら封止部材９３１のガス抜きを行い、さらに封止部材９３１の加熱を継続し、くびれ部分９３２から連通孔９２９の小径開口部９３０ａに向けて溶融した封止部材９３１を落とし込ませて連通孔９２９の小径開口部９３０ａを封止部材９３１により塞ぎ素子９２１の収容空間９２５を封止している。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３２６０３７号公報
【特許文献２】特開２００４−２６６７６３号公報
【特許文献３】特開平１１−３４０３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図２７〜図２９に、本発明が解決しようとする課題を説明するための貫通孔部分の概略断面図を示す。図２７（ａ）及び図２８（ａ）は、貫通孔に封止材料を載置した封止前の状態を示し、図２７（ｂ）及び図２８（ｂ）は、封止材料を溶融した封止後の状態を示す。
【００１０】
特許文献１記載のような封止技術においては、貫通孔の内部（内壁間）を封止せずに、貫通孔の開口を半田等の封止材料で封止している。この場合、例えば、図２７（ａ）に示すように、貫通孔９４３の開口の周囲に封止材料用パッド（金属被覆）９４２を形成し、貫通孔９４３に封止材料（例えばハンダボール）９４４を配置して封止材料９４４を溶解させる。しかしながら、このような形態では、図２７（ｂ）に示すように、封止材料９４４が貫通孔９４３の開口を避けるように流動したり、貫通孔９４３を通って落下したりして、貫通孔９４３を完全に封止することができない問題が生じやすい。特に、貫通孔９４３の開口の径が広い場合に封止不良が発生しやすい。
【００１１】
特許文献２に記載のような封止技術においては、貫通孔の内部を完全に封止材料で塞いでいる。この場合、例えば、図２８に示すように、貫通孔９５３の内壁全体に封止材料用パッド（金属被覆）９５２が形成される。しかしながら、このような形態では、図２８（ｂ）に示すように、封止材料９５４がその表面張力によって貫通孔９５３から突出してしまうことがある。そうすると、パッケージを薄型化した構造においては、貫通孔９５３と機能素子（例えば赤外線受光素子）との距離が短いので、突出した封止材料９５４ａが、機能素子や金属配線（例えばワイヤボンディング）に達してしまい、機能不良（例えば撮像不良）やショートを引き起こすことになる。特に、封止材料９５４に鉛フリーハンダを使う場合は、Ｓｎによる針状のウィスカが発生しやすいので、ハンダとワイヤなどが初期の段階で直接接していなくても、時間と共に成長したウィスカが原因でショートが発生するリスクが高くなる。したがって、図２８に示すような形態においては、封止材料９５４と機能素子や金属配線との距離を十分に確保しておく必要があるが、そうするとパッケージの薄型化が図れなくなる。
【００１２】
特許文献３に記載のような封止技術においては、最終的に、封止材料はくびれ部分から落とされるので、封止材料によって貫通孔の内部（内壁間）を封止することはできない。したがって、図２４に示すような形態のパッケージの貫通孔に対しては、特許文献３に記載の封止技術は適用することができない。
【００１３】
また、図２７〜図２９に示すようなテーパを有する貫通孔を形成すると、貫通孔を形成する基板には角度が９０度以下となる部分が形成されることになる（例えば、図２７〜図２９の角部９４５，９５５）。このような直角ないし鋭角の角部は、封止時や製品使用時における封止材料の膨張／収縮に伴う熱応力により、割れる危険性を有している。特に、赤外線透過窓や受光素子基板、スペーサなどにしばしば用いられるシリコンやゲルマニウムなどの材料は、非常に割れやすい材料であるため、このような材料に鋭角部分を有する貫通孔を形成すると、クラックによる封止不良が発生する危険性が高い状態となる。
【００１４】
さらに、赤外線センサにおいては、一般的な赤外線透過窓は０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の厚さがあるが、この厚さの赤外線透過窓に対して、例えば、図２７及び図２９に示すようなテーパを有する貫通孔９４３を形成する場合、貫通孔９４３から真空引きを行うには、十分なコンダクタンスを確保するため、パッケージ容量に対してある程度大きなサイズの貫通穴９４３を開ける必要がある。すなわち、真空引きは貫通孔９４３の最小面積に依存することになるので、一方の面に形成される第１開口９４１ａの最小面積Ｓ１が十分な大きさになるように貫通孔９４３を形成する必要がある。しかしながら、最小面積Ｓ１を大きくすると、貫通孔９４３のテーパ形状により、他方の面に形成される第２開口９４１ｂの最大面積Ｓ２は自然と大きくならざるを得えない。そして、その結果として、パッケージサイズも大きくならざるを得ないことが問題となる。
【００１５】
次に、貫通孔のコンダクタンスの算出方法について説明する。例えば、図３０に示すような寸法Ｘ×Ｙ×Ｚの容器に、直径Ｄ、長さＬの貫通孔がつながれた簡易的な真空パッケージを１つのモデルとして考えてみる。気体分子の平均自由工程をλとした場合、λ＜＜Ｄを満たす圧力領域は粘性流領域と呼ばれ、そのコンダクタンスは圧力に依存することが知られている。この粘性流領域におけるコンダクタンスＣｐは貫通孔両端の圧力の平均をｐとすると、数１で表される。なお、このときパッケージに封入されていた気体は２０℃の空気とする。また、ｐの単位はＴｏｒｒ、Ｌ、Ｄの単位はｃｍである。
【００１６】
［数１］
Ｃｐ＝１８２×（Ｄ４／Ｌ）×ｐ （ｌ／ｓ）
【００１７】
一方、λ＞＞Ｄを満たす圧力領域は分子流領域と呼ばれ、この分子流領域におけるコンダクタンスＣｋは、数２で表される。この場合もパッケージに封入されていた気体は２０℃の空気とする。Ｌ、Ｄの単位はｃｍである。
【００１８】
［数２］
Ｃｋ＝１２．１×（Ｄ３／Ｌ） （ｌ／ｓ）
【００１９】
ここで室温の空気で圧力がｐ（Ｔｏｒｒ）の場合、平均自由工程λは数３の概算式で表される。
【００２０】
［数３］
λ（ｍｍ）≒５×１０−２／ｐ
【００２１】
ここで、数３を用い、さらに貫通孔の直径Ｄを０．１ｍｍとすると、λ／Ｄ＜０．０１程度の粘性流領域となるのは約５０Ｔｏｒｒ以上と、またλ／Ｄ＞１０程度の分子流領域となるのは約０．０５Ｔｏｒｒ以下と計算できる。０．０５Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒ（６．６７Ｐａ〜６６６５Ｐａ）の領域では０．０１＜λ／Ｄ＜１０の中間領域となっている。赤外線センサのような真空封止パッケージで求められる真空度は通常１０−２Ｔｏｒｒ〜１０−６Ｔｏｒｒ（１３３．３×１０−２Ｐａ〜１３３．３×１０−６Ｐａ）であるので、分子流領域まで十分なコンダクタンスが確保されていることが必要となる。
【００２２】
いまＤが０．１ｍｍ、Ｌが１ｍｍの貫通孔における粘性流領域のコンダクタンスＣｐを数１式より計算すると、その値は１８×ｐ（ｍｍ３／ｓ）であり、分子流領域のコンダクタンスＣｋは数２より１２１（ｍｍ３／ｓ）と計算される。仮に真空パッケージの容量が１４ｍｍ×１４ｍｍ×１．４ｍｍで、体積が２７４ｍｍ３とするならば、分子流領域のコンダクタンスを考慮しても真空引きできることが想定される。
【００２３】
しかしながら、この結果は貫通孔の直径０．１ｍｍを想定した場合の結果であり、Ｃｋは貫通孔径の３乗に比例して低下するので、貫通孔の直径を０．１ｍｍより小さくすると、高真空パッケージを実現するのが困難になってしまう。つまり、例えば赤外線センサにおいて高真空パッケージを実現するには、十分なコンダクタンスを得るために、図２９の第１開口９４１ａの直径を例えば少なくとも０．１ｍｍにする必要があるが、その場合、第２開口９４１ｂの直径は０．１ｍｍよりも大きくならざるを得ない。逆に言えば、第２開口９４１ｂの最大面積Ｓ２をそれより小さくすると、第１開口９４１ａの最小面積Ｓ１が小さくなりすぎ、十分な真空引きができなくなる。すなわち、高真空かつ小型のパッケージを実現するためには、狭い表面開口面積でありながらも十分大きなコンダクタンスを有する貫通孔を形成する必要がある。
【００２４】
本発明の目的は、大型化、封止不良及び機能不良を生ずることなく高真空を実現する真空パッケージ及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の第１視点によれば、大気圧より減圧されたチャンバ内に封止される機能素子と、チャンバの少なくとも一部を形成する部材と、を備える真空パッケージであって、部材は、チャンバ内を脱気するための貫通孔を少なくとも１つ有し、貫通孔に沿った部材に垂直な断面において、貫通孔を形成する部材の角部は鈍角であり、貫通孔は封止材料で封止されている真空パッケージを提供する。
【００２６】
上記第１視点の好ましい形態によれば、貫通孔の内壁は、チャンバの外面側から内面側に向けて貫通孔の開口面積を縮小する第１テーパ面と、チャンバの内面側から外面側に向けて貫通孔の開口面積を縮小する第２テーパ面と、を有し、第１テーパ面は、第２テーパ面よりもチャンバの外面側に形成されている。
【００２７】
上記第１視点の好ましい形態によれば、封止材料に対して部材よりも濡れ性の高いパッドが、貫通孔の内壁のうち第１テーパ面上のみに形成されている。
【００２８】
上記第１視点の好ましい形態によれば、第１テーパ面と第２テーパ面とは連続して形成されている。
【００２９】
上記第１視点の好ましい形態によれば、封止材料は、貫通孔からチャンバ内部へは突出していない。
【００３０】
上記第１視点の好ましい形態によれば、機能素子は赤外線受光素子であり、チャンバは、少なくとも、赤外線受光素子を搭載する受光素子基板と、チャンバ外方からの赤外線を赤外線受光素子が受光できるように赤外線を透過する赤外線透過窓と、受光素子基板と赤外線透過窓との間に所定の間隙を形成するスペーサと、で形成され、貫通孔を形成する部材は、受光素子基板、赤外線透過窓及びスペーサのうちの少なくとも１つである。
【００３１】
本発明の第２視点によれば、大気圧より減圧されたチャンバ内に機能素子を封止した真空パッケージの製造方法であって、チャンバの少なくとも一部を形成する部材に対して、開口面積が縮小する筒状の第１テーパ面を部材の一方の面から形成すると共に、開口面積が縮小する筒状の第２テーパ面を部材の他方の面から形成することにより、少なくとも第１テーパ面及び第２テーパ面を内壁に有する、チャンバ内を脱気するための貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、貫通孔から脱気することにより、機能素子を収容したチャンバ内を減圧する脱気工程と、貫通孔を封止材料で封止する封止工程と、を含み、貫通孔形成工程において、貫通孔は、貫通孔に沿った部材に垂直な断面における貫通孔を形成する部材の角部が鈍角となるように形成される真空パッケージの製造方法を提供する。
【００３２】
上記第２視点の好ましい形態によれば、貫通孔形成工程後に、第２テーパ面よりもチャンバの外方側に配置される第１テーパ面上に、封止材料に対して部材よりも濡れ性の高いパッドを形成するパッド形成工程をさらに含み、封止工程において、第１テーパ面のパッド上又は部材の一方の面に形成された貫通孔の開口上に載置された封止材料を溶融することにより貫通孔を封止する。
【００３３】
上記第２視点の好ましい形態によれば、脱気工程において、チャンバ内の減圧前に、第１テーパ面のパッド上又は部材の一方の面に形成された貫通孔の開口上に封止材料を載置し、封止材料と貫通孔との間に形成された間隙からチャンバ内を減圧し、チャンバ内を減圧した後、封止材料を溶融して貫通孔を封止する。
【００３４】
上記第２視点の好ましい形態によれば、封止工程において、チャンバ内を減圧した後、第１テーパ面のパッド上又は部材の一方の面に形成された貫通孔の開口上に封止材料を載置し、封止材料を溶融することにより貫通孔を封止する。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、貫通孔の中途に最小面積となるくびれ部を形成するので、大きな開口面積を要することなく、コンダクタンスの大きい貫通孔を形成することができる。これにより、真空パッケージを小型化できると共に、真空パッケージの高真空化及び短時間真空化を実現することができる。
【００３６】
また、本発明によれば、貫通孔部分の角部は鈍角形状であるので、割れやすい部材を使用したとしても貫通孔部分の角部おけるクラックの発生を抑制することができる。これにより、真空パッケージの気密性を高めることができる。
【００３７】
さらに、本発明によれば、貫通孔の内壁のうち第１テーパ面のみに封止材料用のパッドを形成することにより、封止材料やウィスカがチャンバ内部へ侵入することを防止することができる。これにより、機能不良や電気的ショートを防止することができる。また、最小開口面積部分で貫通孔を封止することもできる。これにより、封止不良の発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の真空パッケージについて、機能素子として赤外線受光素子を真空封止した赤外線センサに係る真空パッケージを例にして説明する。
【００３９】
本発明の第１実施形態に係る真空パッケージについて説明する。図１に、本発明の第１実施形態に係る真空パッケージの概略断面図を示す。真空パッケージ１００は、赤外線を検出する赤外線受光素子１と、赤外線受光素子１を搭載する受光素子基板３と、赤外線受光素子１が受光できるように赤外線を透過する赤外線透過窓１２と、受光素子基板３と赤外線透過窓１２との間に所定の間隙を形成するスペーサ９と、を備える。赤外線受光素子１は、受光素子基板３上に接合材２を介して固定され、赤外線受光素子１を収容するチャンバ６は、その側面及び上面をスペーサ９や赤外線透過窓１２等によって覆われることによって、赤外線受光素子１上に形成されている。チャンバ６内は、大気圧より減圧され、好ましくは１３３．３×１０−２Ｐａ〜１３３．３×１０−６Ｐａまで減圧される。
【００４０】
赤外線透過窓１２には、チャンバ６を脱気するために使用する貫通孔１３が少なくとも１つ形成されている。図２に、貫通孔１３部分（封止材料１５の図示は省略）の拡大概略断面図を示す。また、図３に、封止材料１５で貫通孔１３を封止した後の状態を示す拡大概略断面図を示す。貫通孔１３は、その内壁に、チャンバ６の外方に面した外面１２ａからチャンバ６内方に向けて開口面積（図面上、幅ないし径）が縮小する第１テーパ面１２ｂと、チャンバ６の内方に面した内面１２ｄからチャンバ６外方に向けて開口面積（図面上、幅ないし径）が縮小する第２テーパ面１２ｃと、を有する。そして、第１テーパ面１２ｂと第２テーパ面１２ｃとが連続して形成されることにより、第１テーパ面１２ｂと第２テーパ面１２ｃの境界に、貫通孔１３の開口面積（図面上、幅ないし径）が最も縮小したくびれ部１３ａが形成されている。
【００４１】
ここで、貫通孔１３に沿った赤外線透過窓１２に垂直な断面（図２及び図３）において、外面１２ａと第１テーパ面１２ｂとで形成される第１角部の第１角度α、及び第１テーパ面１２ｂと第２テーパ面１２ｃとで形成される第２角部の第２角度βは、封止材料１５と（パッド１４を介して）接することになるので、いずれも鈍角となるように形成する。好ましくは、第１角度α、第２角度β、及び第２テーパ面１２ｃと内面１２ｄとで形成される第３角部の第３角度γは、いずれも鈍角であるように形成する。より好ましくは、第１角度α、第２角度β及び第３角度γは、１００°〜１６０°に設定する。これにより、貫通孔１３を形成する赤外線透過窓１２の第１〜第３角部はいずれも鈍角となり、各角部における欠陥の発生を抑制することができる。
【００４２】
図１及び図２に示す貫通孔１３は、貫通孔１３を通る中心線に対して線対称となるように第１テーパ面１２ｂ及び第２テーパ面１２ｃを形成している。すなわち、第１テーパ面１２ｂ部分の貫通孔の中心線と第２テーパ面１２ｃの貫通孔の中心線が一致している。これにより、くびれ部１３ａの最小幅（最小径）を結ぶ線は、赤外線透過窓１２（外面１２ａ又は内面１２ｄ）に対して平行となっている。また、貫通孔１３は、くびれ部１３ａが赤外線透過窓１２の厚みの中央となるように、赤外線透過窓１２の両面から同じ深さで掘ることによって形成されている。すなわち、外面１２ａ側から形成した第１テーパ面１２ｂの深さｄ１と内面１２ｄ側から形成した第２テーパ面１２ｃの深さｄ２が、同じになるように形成されている。
【００４３】
テーパ面１２ｂ，１２ｃを有する貫通孔１３は、例えばエッチング法によって形成することができる。特に、異方性エッチングを使用すれば、図１及び図２に示す形態の他にも、種々のテーパ形状を有する貫通孔を形成することができる。本実施形態を例にすれば、例えば、赤外線透過窓１２としてＳｉを使用して、外面１２ａを（１００）面とし、赤外線透過窓１２の両面から異方性エッチングすると、第２角部の第２角度の二等分角β／２は５４．７°（すなわちβ＝１０９．４°）にすることができる。
【００４４】
赤外線透過窓１２の表面（外面１２ａ又は内面１２ｄの平面図）における貫通孔１３の開口形状（あるいは、赤外線透過窓１２の面方向に沿った断面形状）は種々の形態（例えば円形）にすることができる。このとき、貫通孔１３の表面形状は、封止前の封止材料１５を載置したときに、貫通孔１３の表面開口又は内壁と封止材料１５との間に、チャンバ６を脱気できるような間隙が形成できるような形状とすると好ましい。例えば、封止前（溶融前）の封止材料１５の形状が球状である場合、貫通孔１３の開口形状を円形以外の開口形状にすると、封止材料１５を貫通孔１３にセットした状態で、貫通孔１３と封止材料１５との間隙からチャンバ６内を減圧する（真空にする）ことができる。
【００４５】
図４に、貫通孔１３の表面形状の一例を示す概略平面図を示す。図４に示す貫通孔１３の開口形状は正方形である。このとき、貫通孔１３は、２つの四角錐台を、面積の小さい面同士で接続したような形状となる。真空封止時に、封止材料１５（点線）として例えば球状のハンダボールを使用する場合、チャンバ６の脱気前に貫通孔１３にハンダボール１５をセットし、その状態で真空引きすると、ハンダボール１５で閉塞されていない貫通孔１３の四隅（矢印部分）からチャンバ６内の空気を抜くことができる。
【００４６】
図５に、貫通孔１３の表面形状の別の例を示す概略平面図及び概略断面図を示す。図５（ａ）は、貫通孔１３の表面形状の一例を示す概略平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のVb−Vb線における概略断面図である。図５における貫通孔１３の開口は、楕円形状になっている。このため、溶融前の封止材料１５として球状のハンダボール（点線）を貫通孔１３にセットすると、楕円形状の短軸方向はハンダボール１５に塞がれるが、長軸方向（矢印部分）の両端にはハンダボール１５との間に間隙が形成され、該間隙からチャンバ６内の空気を抜くことができる。また、図５（ｂ）に示すように、第１テーパ面１２ｂ及び第２テーパ面１２ｃは、曲面状であっても構わない。
【００４７】
また、貫通孔１３の平面投影形状は、円形、正方形、楕円形に限定されることなく、種々の形状を採用することができる。例えば、図６に示すような、十字形（図６（ａ））、平行四辺形、（図６（ｂ））、三角形（図６（ｃ））、多角形（例えば六角形）（図６（ｄ））、長方形（図６（ｅ））、花形（図６（ｆ））等を適用することができる。
【００４８】
本発明における貫通孔１３を作成する方法としては、例えば、異方性エッチング、等方性エッチング、ドライエッチング、ドリル、サンドブラスタ、超音波加工、ワイヤ放電等を利用することができる。
【００４９】
なお、貫通孔１３に封止材料１５を予め載置してからチャンバ６を脱気する場合、最小の開口となるくびれ部の開口面積よりも、封止材料１５で部分的に閉塞された開口の面積のほうが小さくなる場合もある。両面積の大小関係は、貫通孔の形状（寸法、テーパ角、開口形状）や封止材料の形状（寸法、立体形状）に依存するので、コンダクタンスやチャンバの脱気が可能となるかは、より小さい開口面積で検討するようにする。
【００５０】
図１〜図３に示す本実施形態に係る真空パッケージにおいて、赤外線透過窓１２の貫通孔１３上における第１テーパ面１２ｂ上と、第１テーパ面１２ｂと連続する外面１２ａの少なくとも一部上にはパッド１４が形成されている。パッド１４は、第２テーパ面１２ｃ及び内面１２ｄ上には形成されていない。パッド１４の材料には、封止材料１５に対して赤外線透過窓１２よりも濡れ性の高い材料を用いる。例えば、Ｎｉ、ＮｉＰ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｔや、それらを主成分とする合金などをパッド１４として使用することができる。これにより、封止材料１５は、溶融状態となってもパッド１４上、すなわち第１テーパ面１２ｂ上に載るように貫通孔１３内に確実に配されると共に、最も開口面積の小さいくびれ部１３ａ部で貫通孔１３を封止することができる。一方で、封止材料１５は、第２テーパ面１２ｂ部分では貫通孔１３を封止しないので、内面１２ｄよりチャンバ６の内部へは突出しないようになっている。これにより、封止材料１５は、チャンバ６を気密性良く封止すると共に、チャンバ６内の赤外線受光素子１やボンディングワイヤ５等と接触しないようになっている。
【００５１】
次に、図１に示す第１実施形態に係る赤外線センサ用真空パッケージ１００の詳細について以下に説明する。
【００５２】
受光素子基板３上には電極パッド４が形成され、電極パッド４は、チャンバ６内からチャンバ６外へ受光素子基板３に沿って引き出されている。赤外線受光素子１の電極パッド１６は、ボンディングワイヤ５によって電極パッド４と電気的に接続されている。これにより、赤外線受光素子１が検知した信号を、電極パッド４を介してチャンバ６の外部へ送ることができる。
【００５３】
受光素子基板３は、チャンバ６内部を高真空に保持することができる材料で形成する。受光素子基板３の材料としては、例えば、ＳｉやＧｅなどの半導体材料、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属やそれらを主成分とする合金材料、あるいはＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などのガラスやセラミックス材料を使用することができる。
【００５４】
電極パッド４上には、絶縁層７を介して、赤外線受光素子１を取り囲むようにパッド８ａが形成されている。パッド８ａ上には、接合材料１０ａによってスペーサ９が接合されている。スペーサ９は、赤外線受光素子１を取り囲むと共に、受光素子基板３と赤外線透過窓１２との間に、赤外線受光素子１等を配置するための所定の間隙を確保するものである。さらに、スペーサ９上には、接合材料１０ｂによって赤外線透過窓１２のパッド８ａが接合され、赤外線透過窓１２が赤外線受光素子１上を覆い、チャンバ６を形成するように配設される。各要素の接合は、チャンバ６の気密性を高めるように実施する。
【００５５】
絶縁層７としては、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ等のセラミックスやガラス等の材料を使用することができる。
【００５６】
スペーサ９の材料は特に制限されないが、チャンバ６内部を真空に引いたときにガスを放出しにくいことが求められる。スペーサ９の材料としては、例えば、ＳｉやＧｅなどの半導体材料、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属やそれらを主成分とする合金材料、あるいはＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などのガラスやセラミックス材料を使用することができる。
【００５７】
接合材料１０ａ，１０ｂとしては、Ａｕやハンダなどを使用することができる。Ａｕで接続する場合には、スペーサ９と、受光素子基板３あるいは赤外線透過窓１２のパッド８ａ，８ｂ部分に予めＡｕを形成しておき、熱圧着、超音波接合、表面活性化接合などにより接続する。一方、ハンダで接続する場合には、スペーサ９と、受光素子基板３あるいは赤外線透過窓１２のパッド８ａ，８ｂ部分に予めハンダの拡散防止、あるいはハンダ濡れを促進するＮｉ、ＮｉＰ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｔや、それらを主成分とする合金などを形成しておき、その両者の間にハンダを供給してリフロー炉やホットプレートなどで加熱溶融することで接続する。なお、パッド８ａ，８ｂの表面に予めハンダをめっき、スパッタ、蒸着などで形成しておいて、それを接続してもよい。接合材料１０ａ，１０ｂがハンダの場合、その材料としては、例えば、Ｓｎ、Ｐｂ、ＳｎＰｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＩｎ、ＳｎＺｎ、ＳｎＢｉ、ＳｎＺｎＢｉ、Ｂｉ、Ｉｎ、ＩｎＡｇ、などの低融点金属を主成分とする材料であることが望ましい。そのほか、接合材料１０ａ，１０ｂを用いずに、Ｓｉ／Ｓｉ、ＳｉＯ２／ＳｉＯ２、Ｓｉ／ガラス、などの基板材料を陽極接合などにより直接接合してもよい。
【００５８】
赤外線透過膜１２は、赤外線受光素子１上に、反射防止膜１１ａ，１１ｂをその両面に有する。赤外線透過窓１２は、赤外線を透過させることができる材料で形成する。赤外線透過窓の材料としては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などのほか、ＬｉＦ、ＮａＣｌ、ＫＢｒ、ＣｓＩ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＭｇＦ２などのアルカリハライド系材料やアルカリ土類ハライド系材料、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓｂなどを主成分とするカルコゲナイト系ガラスなどの材料を使用することができる。
【００５９】
赤外線透過膜１２の貫通孔１３を封止する封止材料１５としては、例えば、Ｓｎ、Ｐｂ、ＳｎＰｂ、ＳｎＡｇ、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＩｎ、ＳｎＺｎ、ＳｎＢｉ、ＳｎＺｎＢｉ、Ｂｉ、Ｉｎ、ＩｎＡｇ、などの低融点金属を主成分とする材料を使用することができる。
【００６０】
本実施形態によれば、貫通孔１３を形成する角部が鈍角形状になっているので、封止材料１５の接合時や製品使用時においてクラックなどの欠陥の発生を防止することができる。特に、貫通孔１３を形成する基材が割れやすいシリコンやガラスであっても貫通孔１３におけるクラックの発生を抑制することができる。また、封止材料１５の接合部分には、パッド１４を形成することにより、気密不良を防止している。これにより、気密性の高い真空パッケージを得ることができる。
【００６１】
また、くびれ部１３ａによって封止材料１５を受け止めると共に、赤外線受光素子１側の第２テーパ面１２ｃにパッド１４を形成しないことにより、封止材料１５をチャンバ６内に突出することを防止している。これにより、機能不良やショートの発生を防止することができる。
【００６２】
さらに、貫通孔１３は、赤外線透過窓１２の両面から、対称的にテーパ面１２ｂ，１２ｃが形成されているので、一方向のテーパ面しか有さない貫通孔と比べて、基板表面の開口面積に対して大きなコンダクタンスを得ることができる。すなわち、基板表面の開口を大きくすることなく、チャンバ６の真空化に有利な大きなコンダクタンスを有する貫通孔１３を形成することができる。これにより、性能レベルを維持しながらも真空パッケージの小型化を達成することができる。
【００６３】
次に、本発明の第２実施形態〜第７実施形態に係る真空パッケージについて説明する。第２実施形態〜第７実施形態は、赤外線透過窓の厚み方向に沿った断面における貫通孔の形態がそれぞれ異なっている。第２実施形態〜第７実施形態における貫通孔部分以外の形態は、第１実施形態と同様である。
【００６４】
図７に、本発明の第２実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図を示す。図７（ａ）は、封止前の状態を示す貫通孔の概略断面図であり、図７（ｂ）は、貫通孔を封止材料で封止した状態を示す貫通孔の概略断面図である。図２に示す第１実施形態においては赤外線透過窓の外面側からの第１テーパ面の深さと内面からの第２テーパ面の深さは同等であったが、第２実施形態においては、赤外線透過窓２２の外面２２ａからの第１テーパ面２２ｂの深さｄ１のほうが、内面２２ｄからの第２テーパ面２２ｃの深さｄ２よりも深くなっている。これにより、貫通孔２３のくびれ部２３ａは、外面２２ａ側よりも内面２２ｄ側に形成されると共に、外面２２ａ表面の貫通孔２３の開口は、内面２２ｄ表面の貫通孔２３の開口よりも大きくなる。パッド２４は、第１テーパ面２２ｂ及び外面２２ａに形成されており、封止材料２５は、パッド２４上を覆うように貫通孔２３を封止する。本実施形態によれば、封止時に、封止材料２５を貫通孔２３に安定にセットすることができる。
【００６５】
図８に、本発明の第３実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図を示す。図８（ａ）は、封止前の状態を示す貫通孔の概略断面図であり、図８（ｂ）は、貫通孔を封止材料で封止した状態を示す貫通孔の概略断面図である。第２実施形態においては第２テーパ面よりも第１テーパ面の方が深くなっていたが、第３実施形態においては、赤外線透過窓３２の内面３２ｄからの第２テーパ面３２ｃの深さｄ２のほうが、外面３２ａからの第１テーパ面３２ｂの深さｄ１よりも深くなっている。これにより、貫通孔３３のくびれ部３３ａは、内面３２ｄ側よりも外面３２ａ側に形成されると共に、内面３２ｄ表面の貫通孔３３の開口は、外面３２ａ表面の貫通孔３３の開口よりも大きくなる。パッド３４は、第１テーパ面３２ｂ及び外面３２ａに形成されており、封止材料３５は、パッド３４上を覆うように貫通孔３３を封止する。本実施形態によれば、封止材料３５（例えばハンダ）が加熱時に流れやすい場合でも、チャンバ内部に封止材料３５を突出しにくくすることができる。
【００６６】
図９に、本発明の第４実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図を示す。図９（ａ）は、封止前の状態を示す貫通孔の概略断面図であり、図９（ｂ）は、貫通孔を封止材料で封止した状態を示す貫通孔の概略断面図である。第１実施形態〜第３実施形態においては、第１テーパ面を形成する外面側の貫通孔部分と第２テーパ面を形成する内面側の貫通孔部分の中心線は同一であったが、第４実施形態においては、第１テーパ面４２ｂを形成する外面４２ａ側の貫通孔４３部分と第２テーパ面４２ｃを形成する内面４２ｄ側の貫通孔４３部分の中心線がずれている（ｄ１及びｄ２の矢印参照）。このため、貫通孔４３内壁の角部を結ぶ線（くびれ部４３ａ）は、赤外線透過窓４２の平面延在方向と平行になっていない。本実施形態においても、パッド４４は、第１テーパ面４２ｂ上に形成され、封止材料４５は、少なくともパッド４４上において貫通孔４３を封止する。本実施形態によれば、貫通孔４３は全体として赤外線透過窓４２面に対して斜め方向に貫通しているので、封止材料４５が加熱時に重力によって下方へ流れにくくなっている。
【００６７】
図１０に、本発明の第５実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図を示す。図１０（ａ）は、封止前の状態を示す貫通孔の概略断面図であり、図１０（ｂ）は、貫通孔を封止材料で封止した状態を示す貫通孔の概略断面図である。第１〜第４実施形態においては、第１テーパ面と第２テーパ面とは連続して形成されていたが、第５実施形態においては、第１テーパ面５２ｂと第２テーパ面５２ｃとは連続しておらず、その間に、赤外線透過窓５２に対して垂直な内周面５２ｅが形成されている。パッド５４は、第１テーパ面５２ｂ及び外面５２ａ上に形成され、封止材料５５は、パッド５４上を覆うように貫通孔５３を封止することになる。本実施形態における貫通孔５３は、例えば、第１実施形態の貫通孔をさらにエッチングすることによって形成することができる。
【００６８】
図１１に、本発明の第６実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図を示す。図１１（ａ）は、封止前の状態を示す貫通孔の概略断面図であり、図１１（ｂ）は、貫通孔を封止材料で封止した状態を示す貫通孔の概略断面図である。本実施形態においては、第１テーパ面６２ｂ及び第２テーパ面６２ｃのテーパ角度が統一されていない。例えば、図１１の断面図において、第１テーパ面６２ｂの左側のテーパ角度α１と右側のテーパ角度α２とが異なるような貫通孔６３となっている。このことは、第２テーパ面６２ｃについても同様である。このような貫通孔６３は、例えば、赤外線透過窓６２としてＳｉを使用して、外面６２ａを（４１１）面にして異方性エッチングすることにより形成することができる。
【００６９】
図１２に、本発明の第７実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図を示す。図１２（ａ）は、封止前の状態を示す貫通孔の概略断面図であり、図１２（ｂ）は、貫通孔を封止材料で封止した状態を示す貫通孔の概略断面図である。本実施形態は、第１テーパ面７２ｂと第２テーパ面７２ｃとは連続しておらず、第６実施形態の貫通孔をさらにエッチングすることにより、第１テーパ面７２ｂと第２テーパ面７２ｃとの間に内周面７２ｅをさらに形成している。
【００７０】
第２実施形態〜第７実施形態においても、第１実施形態において説明したように、貫通孔を形成する角部（貫通孔に面する角部）は鈍角になっている。また、パッドは、外面側の第１テーパ面上及び外面上に形成され、第２テーパ面上及び内面上には形成されていない。
【００７１】
第１実施形態〜第７実施形態における貫通孔は、異方性エッチングの他にも、等方性エッチングやドライエッチングを用いたり、等方性エッチングやドライエッチングと異方性エッチングを組み合わせたりすることもできる。第１実施形態〜第７実施形態において示したテーパ形状はほんの一例であり、これらに限定されずに、さまざまな面方位の基板やエッチング方法を用いることにより多様な形状のテーパを有する貫通穴を形成することができる。
【００７２】
次に、本発明の第８実施形態〜第１１実施形態に係る真空パッケージについて説明する。第８実施形態〜第１１実施形態は、図１に示す第１実施形態とは、それぞれ、貫通孔を形成している場所やチャンバの形態が異なっている。
【００７３】
本発明の第８実施形態に係る真空パッケージについて説明する。図１３に、本発明の第８実施形態に係る真空パッケージの概略断面図を示す。第１実施形態においては、貫通孔は赤外線透過窓に形成されていたが、第８実施形態に係る真空パッケージ２００においては、貫通孔２１３は、受光素子基板２０３に形成されている。それ以外は、真空パッケージ２００は、第１実施形態に係る真空パッケージと同様である。また、貫通孔２１３としては、第１実施形態〜第７実施形態において説明したような種々の形態を適用することができる。
【００７４】
本発明の第９実施形態に係る真空パッケージについて説明する。図１４に、本発明の第９実施形態に係る真空パッケージの概略断面図を示す。第９実施形態に係る真空パッケージ３００においては、貫通孔３１３は、スペーサ３０９に形成されている。スペーサ３０９は、少なくとも一部分が赤外線透過膜３１２（又は受光素子基板３０３）面の延在方向と同一方向に幅広に形成され、その幅広部分は、赤外線透過膜３１２の外部に露出されている。貫通孔３１３は、その外部に露出した幅広部分に、赤外線透過膜３１２の厚み方向と同一方向（面の延在方向に対して垂直方向）に沿って形成されている。また、パッド３０８ａや絶縁層３０７は、スペーサ３０９の形状に合わせて大きく形成されている。真空パッケージ３００において、その他の形態については、第１実施形態に係る真空パッケージと同様である。また、貫通孔３１３としては、第１実施形態〜第７実施形態において説明したような種々の形態を適用することができる。
【００７５】
本発明の第１０実施形態に係る真空パッケージについて説明する。図１５に、本発明の第１０実施形態に係る真空パッケージの概略断面図を示す。第１０実施形態に係る真空パッケージ４００においては、貫通孔４１３は、第９実施形態と同様に、スペーサ４０９に形成されている。しかし、本実施形態においては、スペーサ４０９は、チャンバ４０６の空間（高さ）（受光素子基板４０３と赤外線透過窓４１２との間隔）を拡げるように延びており、貫通孔４１３は、スペーサ４０９の側方から、赤外線透過膜４１２面の延在方向と同一方向（厚み方向に対して垂直方向）に沿って形成されている。その他の形態については、第１実施形態に係る真空パッケージと同様である。また、貫通孔４１３としては、第１実施形態〜第７実施形態において説明したような種々の形態を適用することができる。
【００７６】
本発明の第１１実施形態に係る真空パッケージについて説明する。図１６に、本発明の第１１実施形態に係る真空パッケージの概略断面図を示す。第１実施形態及び第８実施形態〜第１０実施形態においては、赤外線受光素子は受光素子基板上に接合材料を介して接続され、受光素子基板がチャンバの一部分を形成していたが、第１１実施形態に係る真空パッケージ５００においては、受光素子基板を使用することなく、赤外線受光素子５０１自体がチャンバ５０６の一部を形成している。したがって、電極パッド５０４及び絶縁層５０７は、赤外線受光素子５０１上に形成されている。図１６においては貫通孔５１３は、赤外線透過窓５１２に形成されているが、スペーサ５０９に形成することもできる。その他の形態については、第１実施形態に係る真空パッケージと同様である。また、貫通孔５１３としては、第１実施形態〜第７実施形態において説明したような種々の形態を適用することができる。本実施形態によれば、第１実施形態等と比較して、ワイヤボンディング等の電気的接続が不要となるだけではなく、真空パッケージをより薄型化することができる。
【００７７】
第１実施形態及び第８実施形態〜第１１実施形態は、それぞれ組み合わせることも可能である。すなわち、各実施形態においては、貫通孔は、赤外線透過膜、スペーサ、又は受光素子基板のいずれかに形成されていたが、各実施形態を組み合わせて、赤外線透過膜、スペーサ、及び受光素子基板のうちの複数に貫通孔を形成することも可能である。
【００７８】
次に、本発明の第１２実施形態に係る真空パッケージについて説明する。図１７〜図１９に、本発明の第１２実施形態に係る真空パッケージの概略断面図を示す。図１７〜図１９に示す真空パッケージ６００は、第１実施形態に係る真空パッケージと同様であるが、異なる点は、チャンバ６内を高真空にするためのゲッタ１８をチャンバ６内に有している点である。ゲッタ１８は、図１７に示す形態においては赤外線透過窓１２に設けられ、図１８に示す形態においては受光素子基板３（絶縁膜１７）上に設けられ、図１９に示す形態においてはスペーサ９上に設けられている。あるいは、ゲッタ１８の配置箇所は、図１７〜図１９に示す形態を組み合わせることも可能である。ゲッタ１８は、Ｚｒ系材料、Ｔｉ系材料、又はそれらを含む合金などから形成することができ、パッケージを気密封止した後に活性化することでチャンバ６の内部を高真空にすることができる。第１２実施形態に係る真空パッケージ６００は、第１実施形態に係る真空パッケージを基に説明したが、第２実施形態〜第１１実施形態に係る真空パッケージにも適用できることはいうまでもない。
【００７９】
次に、本発明の第１３実施形態として、本発明の真空パッケージにおける貫通孔の形成方法について説明する。図２０に、第１実施形態に係る真空パッケージを例にして、赤外線透過窓に貫通孔を形成する方法を説明するための概略工程図を示す。まず、赤外線透過窓１２に対して、所定の位置に反射防止膜１１ａ，１１ｂを形成する（図２０（ａ））。次に、貫通孔１３を形成しない部分にＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮや金属などからなる、マスクまたは耐アルカリレジスト１９を形成する（図２０（ｂ））。次に、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロキシサイト）、ヒドラジン、ＥＰＷ（エチレンジアミン−ピロカテコール−水）などによる異方性エッチングを、赤外線透過窓１２の両面１２ａ，１２ｄに対してそれぞれ施し、第１テーパ面１２ｂ及び第２テーパ面１２ｃを有する貫通孔１３を形成する（図２０（ｃ））。なお、貫通孔１３を形成するのに等方性エッチングを用いてもよい。次に、第１テーパ面１２ｂ及び第１テーパ面１２ｂと連続する外面１２ａの一部に、封止材料接続用パッド１４をスパッタリングや蒸着、めっきなどにより形成する（図２０（ｄ））。最後に、スペーサに接続するためのパッド８ｂをスパッタリングや蒸着、めっきなどにより形成する（図２０（ｅ））。
【００８０】
ここでは、第１実施形態を例に説明したが、第２実施形態〜第７実施形態に係る貫通孔であっても、エッチングの深さや方向など、エッチングの条件を適宜変更することにより、図２０に示す形成方法と同様の方法で貫通孔を形成することができる。また、受光素子基板やスペーサに貫通孔を形成する第８実施形態〜第１１実施形態であっても、図２０に示す形成方法と同様の方法で貫通孔を形成することができる。なお、貫通孔を形成する基材がシリコンではなく金属などの場合には、マスク材料にフォトレジストを用い、エッチング液に酸やアルカリなどを用いれば貫通孔の形成は可能である。
【００８１】
次に、本発明の第１４実施形態〜第１５実施形態として、本発明の真空パッケージを真空封止する方法について説明する。図２１に第１４実施形態に係る真空封止方法を説明するための概略断面図を示し、図２２に第１５実施形態に係る真空封止方法を説明するための概略断面図を示す。真空封止する真空パッケージとして、第１実施形態に係る真空パッケージを例にする。
【００８２】
第１４実施形態においては、まず、貫通孔を形成したパッケージ１００を真空チャンバ８１のステージ８２上にセットする。次に、真空チャンバ８１内を高真空にすることによって真空パッケージ１００のチャンバ内を真空にする。例えば赤外線センサの場合、最低限の性能を出すためには、到達真空度は１０−２Ｔｏｒｒ以下が望ましい。また、長期間のデバイスの安定性を保つためにはさらに真空度を高めることが望ましい。次に、この状態を維持して、パッケージ１００の貫通孔に封止材料（例えばハンダ）１５をセットする。または、第１実施形態において説明したように、真空チャンバ８１の内部を真空引きする前に、予め大気中で貫通孔に封止材料１５を配置しておいてもよい。次に、真空チャンバ８１の透過窓８３を通して、真空チャンバ８１の外側からレーザ装置８４によりレーザを封止材料１５に向かって照射する。これによって、封止材料１５は溶融され、貫通孔を封止する。
【００８３】
図２１に示す第１４実施形態においては、レーザ装置８４は真空チャンバ８１外部に設置されているが、図２２に示す第１５実施形態においては、レーザ装置８４は真空チャンバ８１内に設置されている。この場合、封止材料１５を直接的に加熱できるので、透過窓は省略することができる。その他は、第１４実施形態と同様である。
【００８４】
図２１及び図２２に示した方法では、受光素子基板／スペーサ、及びスペーサ／赤外線透過窓の間をハンダ等の接合材料で接続している場合でも、貫通孔にセットした封止材料１５のみをレーザ装置８４で局所的に加熱することが可能なので、貫通孔の封止材料１５の融点が該接合材料の融点以下のときに、該接合材料を溶解させずに貫通孔の封止材料だけを溶かして真空封止することができるのみならず、封止材料１５の融点が該接合材料の融点より高いときであっても、条件を最適化すれば貫通孔の封止材料１５だけを溶解させて封止することも可能である。レーザ装置８４としてはＹＡＧレーザが適しているが、そのほかにもルビーレーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザ、液体レーザ、半導体レーザ、自由電子レーザなどハンダを加熱することができるレーザであればいずれのレーザでも使用することができる。
【００８５】
次に、本発明の第１６実施形態として、本発明の真空パッケージを真空封止する方法について説明する。図２３に、第１６実施形態に係る真空封止方法を説明するための概略断面図を示す。第１４実施形態及び第１５実施形態においてはレーザを用いて封止材料を溶融したが、第１６実施形態においてはパッケージ全体を加熱することにより封止材料を溶融する。例えば、第１４実施形態又は第１５実施形態のように真空チャンバ８１内を真空にした後、ステージ８２を加熱することで、封止材料１５を溶融することができる。なお、受光素子基板／スペーサ、及びスペーサ／赤外線透過窓の間をハンダ等の接合材料で接続している場合は、この接合材料を溶かさないようにするため、貫通孔にセットする封止材料１５の融点は、該接合材料の融点より低いことが望ましい。
【００８６】
図２１〜図２３においては、第１実施形態に係る真空パッケージを示したが、第１４実施形態〜第１６実施形態においては第２実施形態〜第１２実施形態に係る真空パッケージにも適用できることは言うまでもない。
【実施例１】
【００８７】
本発明の真空パッケージの実施例について説明する。作製した真空パッケージは、図１に示すような、赤外線センサに使用する真空パッケージであって、機能素子として赤外線受光素子を有するものである。貫通孔は、第１実施形態のように赤外線透過窓に形成した。
【００８８】
まず、反射防止膜を形成した、大きさが１６．２ｍｍ×１６．２ｍｍで厚さが０．８ｍｍの赤外線透過窓となるシリコン基板に対し、ＳｉＯ２をマスクとしてシリコン基板両面からＫＯＨによる異方性エッチングを行い貫通孔を形成した。形成した貫通孔は、第１実施形態に係る図２に示すような、深さ方向の中央にくびれ部があるように第１テーパ面と第２テーパ面の深さが同一であり、貫通孔の中心線に対して対称となるような貫通孔である。貫通孔の基板表面の開口形状は正方形であり、その一辺の長さは０．７２６ｍｍ、面積は０．５２７ｍｍ２であった。貫通孔を形成する角部の大きさは、図２にα、β及びγを用いて表すと、α＝１２５．３°、β＝１０９．４°、及びγ＝１２５．３°であった。すなわち、貫通孔を形成するすべての角部は鈍角となっている。また、これにより、貫通孔の開口面積が最も狭い部分であるくびれ部の大きさは、一辺が０．１６ｍｍ、開口面積が０．０２５６ｍｍ２となった。
【００８９】
次に、赤外線透過窓の外面側（チャンバとは反対側）の表面と、該表面と連続する貫通孔の第１テーパ面に、スパッタリングによりＴｉ／Ａｌ層を形成した。Ｔｉの厚みは０．１μｍ、Ａｌは１μｍであった。また、赤外線透過窓の内面側（チャンバ側）にはスペーサと接続するためのパッドとして、同様にＴｉ／Ａｌを形成した。このＴｉ／Ａｌパッドは赤外線受光素子を囲むように形成し、その幅は１ｍｍ程度とした。その後、無電解めっきによりＴｉ／Ａｌ上にＮｉＰを３μｍ、Ａｕを０．０５μｍ形成した。さらにその後、シリコン基板をダイシングし個片化した。
【００９０】
次に、別の厚さ１ｍｍのシリコン基板を両面からエッチングすることにより、中央部に１３．８ｍｍ×１３．８ｍｍ程度の赤外線受光素子を取り囲むための貫通穴を有するスペーサを作製した。その後、赤外線受光素子を囲むように幅１ｍｍのＴｉ／Ａｌ電極パッドをスペーサ表面の両側に形成し、このスペーサの表面についても無電解めっきによりＮｉＰを３μｍ、Ａｕを０．０５μｍ形成した。その後、このシリコン基板を１６．２ｍｍ×１６．２ｍｍにダイシングした。
【００９１】
次に、１８ｍｍ×１８ｍｍ×０．６２５ｍｍのサイズの受光素子基板としてのシリコン基板に、１層目に電極パッドとしてチャンバの内部と外部をつなぐ配線、２層目にスペーサと接続するための幅１ｍｍのパッドを形成した。１層目の配線と２層目のパッドとの間には、ＳｉＯ２絶縁層を形成した。配線パッドはＴｉ０．１μｍ、Ａｌ１μｍとした。この上に無電解めっきによりＮｉＰを３μｍ、Ａｕを０．４μｍ形成した。次にこの受光素子基板上に接合材料により赤外線受光素子を固定し、φ３０μｍのＡｌのワイヤにより赤外線受光素子基板の電極パッドと受光素子基板上に形成した電極パッドとを電気的に接続した。
【００９２】
次に、スペーサと赤外線透過窓及び受光素子基板とを接合する接合材料として、内周１４ｍｍ×１４ｍｍの貫通穴を有する外周１６ｍｍ×１６ｍｍ、厚さ２００μｍ、幅１ｍｍのＳｎＡｇＣｕの鉛フリーハンダプリフォーム材を、赤外線透過窓／スペーサ界面、及びスペーサ／受光素子基板の界面にはさみ、これらの部品を一括してリフローに通し、ハンダプリフォーム材を溶融して、これらを接合した。
【００９３】
次に、赤外線透過窓の貫通孔上に、封止材料としてφ０．６ｍｍのＳｎＡｇＣｕハンダボールを配置した後、作製した部品を、１０−６Ｔｏｒｒの真空チャンバ内に保持した。真空チャンバにはガラス窓が形成されてあり、そのガラス窓を通してハンダボールに、外部から波長が１．０６μｍのＮｄ−ＹＡＧレーザ（０．５３μｍの二次高調波でも可）を照射し、ハンダボールを加熱溶融させて、貫通孔を封止した。以上のような方法により、真空パッケージを製造した。
【００９４】
そこで、本実施例に係る貫通孔について分子流コンダクタンスを計算した。なお、本実施例においては、ハンダボールで閉塞された部分の開口面積（０．５１５ｍｍ２）は、最小の開口となるくびれ部の開口面積（０．０２５６ｍｍ２）よりも大きいので、くびれ部の開口面積を基にコンダクタンスを計算した。本実施例に係る貫通孔の最小開口面積（くびれ部）は０．０２５６ｍｍ２であり、これは直径が０．１８ｍｍの円柱状の貫通孔に相当する。そこで、Ｄ＝０．１８ｍｍ、Ｌ＝０．８ｍｍの貫通孔における粘性流領域のコンダクタンスＣｐを上記数１より計算すると、その値は２３９×ｐ（ｍｍ３／ｓ）であり、分子流領域のコンダクタンスＣｋは、上記数２より８８２（ｍｍ３／ｓ）となった。真空パッケージにおけるキャビティの容量は、１４ｍｍ×１４ｍｍ×１．４ｍｍ＝２７４ｍｍ３であるので、本発明によればコンダクタンスを考慮しても短時間で真空引きが可能であることが分かる。
【００９５】
［比較例１］
実施例１と同じチップ厚０．８ｍｍの赤外線透過窓に対して、一方の面側のみから異方性エッチングを行い、図２７〜図２９に示すような一方向のテーパ面のみを有する貫通孔を形成した。貫通孔の平面形状は実施例１と同様に正方形であり、貫通孔の大きさは、最も狭い開口面積（一方の表面における開口面積）が０．１６ｍｍ、開口面積が０．０２５６ｍｍ２とした。すなわち、貫通孔の最小開口面積が、実施例１に係る貫通孔における貫通孔の最小開口面積と同じになるようにした。また、貫通孔を形成する一方の角部（図２７〜図２９に示す角度δ）は５４．７°となった。その結果、比較例１において、実施例１と同じ最小開口面積を有する貫通孔を形成すると、開口面積が最大となる開口は、一辺１．２９３ｍｍ、開口面積１．６７２ｍｍ２となった。
【００９６】
［比較例２］
比較例１と同様にして、最大開口面積が実施例１に係る貫通孔の最大開口面積と同一となる貫通孔を形成しようとしたが、同様のチップ厚（０．８ｍｍ）及びテーパ角（５４．７°）では物理的に貫通孔を形成することはできなかった。
【００９７】
以下に、実施例１における貫通孔と比較例１及び比較例２における貫通孔について比較する表１を示す。
【００９８】
【表１】
【００９９】
実施例１及び比較例１においては、分子流コンダクタンスが同一となるように、最小開口面積が同一となる貫通孔を形成した。その結果、本発明によれば、基板（赤外線透過窓）表面に形成される開口の面積（最大開口面積）を比較例１の最大開口面積よりも１／３未満にすることができた。すなわち、本発明の貫通孔によれば、真空パッケージをより小型にすることができる。
【０１００】
また、本発明では貫通孔に面する第２角部は１０９．５°であるのに対し、比較例１においては貫通孔に面する角部は５４．７となる。このような鋭角の角部は、本発明の鈍角の角部と比較してクラックが発生しやすく、真空パッケージの気密性を低下させるおそれがある。しかしながら、本発明によれば、貫通孔部分におけるクラックの発生をより抑制することができる。
【０１０１】
さらに、比較例１においては、図２７及び図２９に示すように基板表面にのみパッドを形成し、貫通孔内壁にパッドを形成しない場合には、ハンダは、最大開口面積１．６７２ｍｍ２を有する部分を封止しなければならず、不完全封止によりリークが生じるおそれがある。しかしながら、本発明によれば、比較例１の最大開口面積の約１．５％である最小開口面積０．０２５６ｍｍ２を有する部分を封止すればいいので、不完全封止となるリスクを大きく低下させることができる。
【０１０２】
一方で、比較例１において、図２８に示すように、貫通孔内壁全体にパッドを形成すると、実施例１と比較例１とで封止しなければならない最小開口面積は同じとなる。しかしながら、比較例１においては、ハンダは貫通孔全体に広がり、貫通孔の最小開口面積の部分はチャンバに面する内面に形成されるので、ハンダがチャンバ内部に突出したり、ウィスカがチャンバ内部に侵入したりおそれがある。しかしながら、本発明によれば、第１テーパ面のみにパッドが形成され、最小開口面積となるくびれ部は、チャンバに面する内面から０．４ｍｍ離れた位置にあるので、ハンダやウィスカがチャンバ内部に侵入するリスクを大きく低下させることができる。
【０１０３】
本明細書中では圧力の単位として便宜上「Ｔｏｒｒ」を用いている箇所があるが、「Ｔｏｒｒ」は、１Ｔｏｒｒ＝１３３．３ＰａでＳＩ単位に変換することができる。
【０１０４】
本発明は、上記実施形態を基に説明したが、上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において種々の変更、変形、改良等を含むことはいうまでもない。また、本発明の範囲内において、開示した要素の多様な組み合わせ、置換ないし選択が可能である。
【０１０５】
本発明のさらなる課題・目的及び展開形態は、特許請求の範囲を含む本発明の全開示事項からも明らかにされる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
上記実施形態においては、機能素子として赤外線受光素子を使用する赤外線センサに係る真空パッケージについて説明したが、本発明の機能素子は赤外線受光素子に限定されることなく、圧電素子や振動素子等の真空封止が必要な種々の機能素子を本発明に適用することができる。すなわち、本発明の真空パッケージは、赤外線センサの他にも、圧力センサや加速度センサにも適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図２】図１の貫通孔部分の拡大概略断面図。
【図３】封止材料で貫通孔を封止した後の状態を示す拡大概略断面図。
【図４】貫通孔の表面形状の一例を示す概略平面図。
【図５】貫通孔の表面形状の一例を示す概略平面図及び概略断面図。
【図６】貫通孔の表面形状の例を示す概略平面図。
【図７】本発明の第２実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図。
【図８】本発明の第３実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図。
【図９】本発明の第４実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図。
【図１０】本発明の第５実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図。
【図１１】本発明の第６実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図。
【図１２】本発明の第７実施形態における貫通孔部分の概略部分断面図。
【図１３】本発明の第８実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図１４】本発明の第９実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図１５】本発明の第１０実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図１６】本発明の第１１実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図１７】本発明の第１２実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図１８】本発明の第１２実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図１９】本発明の第１２実施形態に係る真空パッケージの概略断面図。
【図２０】本発明の第１３実施形態に係る、本発明の真空パッケージにおける貫通孔の形成方法を説明するための概略工程図。
【図２１】本発明の第１４実施形態に係る、真空パッケージを真空封止する方法を説明するための概略断面図。
【図２２】本発明の第１５実施形態に係る、真空パッケージを真空封止する方法を説明するための概略断面図。
【図２３】本発明の第１６実施形態に係る、真空パッケージを真空封止する方法を説明するための概略断面図。
【図２４】特許文献１に記載の赤外線検出用真空パッケージを説明するための概略断面図。
【図２５】特許文献３に記載の素子の封止パッケージ構造を説明するための概略断面図。
【図２６】図２５に示す穴部の部分概略断面図。
【図２７】本発明が解決しようとする課題を説明するための貫通孔部分の概略断面図。
【図２８】本発明が解決しようとする課題を説明するための貫通孔部分の概略断面図。
【図２９】本発明が解決しようとする課題を説明するための貫通孔部分の概略断面図。
【図３０】貫通孔のコンダクタンスの算出方法を説明するための概略斜視図。
【符号の説明】
【０１０８】
１００，２００，３００，４００，５００，６００ 真空パッケージ
１，２０１，３０１，４０１，５０１ 機能素子（赤外線受光素子）
２，２０２，３０２，４０２，５０２ 接合材
３，２０３，３０３，４０３，５０３ 受光素子基板
４，２０４，３０４，４０４，５０４ 電極パッド
５，２０５，３０５，４０５，５０５ ボンディングワイヤ
６，２０６，３０６，４０６，５０６ チャンバ
７，２０７，３０７，４０７，５０７ 絶縁層
８ａ，８ｂ，２０８ａ，２０８ｂ，３０８ａ，３０８ｂ，４０８ａ，４０８ｂ，５０８ａ，５０８ｂ， パッド
９，２０９，３０９，４０９，５０９ スペーサ
１０ａ，１０ｂ，２１０ａ，２１０ｂ，３１０ａ，３１０ｂ，４１０ａ，４１０ｂ，５１０ａ，５１０ｂ 接合材料
１１ａ，１１ｂ，２１１ａ，２１１ｂ，３１１ａ，３１１ｂ，４１１ａ，４１１ｂ，５１１ａ，５１１ｂ， 反射防止膜
１２，２２，３２，４２，５２，６２，７２，２１２，３１２，４１２，５１２ 赤外線透過窓
１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ，５２ａ，６２ａ，７２ａ，２０３ａ，３０９ａ，４０９ａ，５１２ａ 外面
１２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４２ｂ，５２ｂ，６２ｂ，７２ｂ，２０３ｂ，３０９ｂ，４０９ｂ，５１２ｂ 第１テーパ面
１２ｃ，２２ｃ，３２ｃ，４２ｃ，５２ｃ，６２ｃ，７２ｃ，２０３ｃ，３０９ｃ，４０９ｃ，５１２ｃ 第２テーパ面
１２ｄ，２２ｄ，３２ｄ，４２ｄ，５２ｄ，６２ｄ，７２ｄ，２０３ｄ，３０９ｄ，４０９ｄ，５１２ｄ 内面
５２ｅ，７２ｅ 内周面
１３，２３，３３，４３，５３，６３，７３，２，３，４，５ 貫通孔
１３ａ，２３ａ，３３ａ，４３ａ，５３ａ，６３ａ，７３ａ，２，３，４，５ くびれ部
１４，２４，３４，４４，５４，６４，７４，２１３，３１３，４１３，５１３ パッド
１５，２５，３５，４５，５５，６５，７５，２１５，３１５，４１５，５１５ 封止材料
１６，２１６，３１６，４１６，５１６ 電極パッド
１７，２１７，３１７，４１７，５１７ 絶縁層
１８ ゲッタ
１９ レジスト
８１ 真空チャンバ
８２ ステージ
８３ 透過窓
８４ レーザ装置
９０１ 基板
９０２ 受光部
９０３ 空隙
９０４ 赤外線透過窓
９０５ ハンダ
９０６ メタライズ層
９０７ 配線
９０８ 酸化シリコン保護膜
９０９ パッド
９１０ 反射防止膜
９１１ 貫通穴
９１２ 封止材料（真空封止用ハンダ）
９１３ 真空封止用メタライズ層
９２１ 素子
９２２ 素子形成基板体
９２３ 蓋部基板体
９２４ キャビティ
９２５ 空間
９２６ 穴部
９２７ スルーホール
９２８ 電極パターン
９２９ 連通孔
９３０ａ 小径開口部
９３０ｂ 小径開口部上端縁
９３１ 封止部材
９３２ くびれ部分
９３３ 封止接合強化膜
９４１，９５１ 部材
９４１ａ 第１開口
９４１ｂ 第２開口
９４２，９５２ 封止材料用パッド
９４３，９５３ 貫通孔
９４４，９５４ 封止材料
９５４ａ 突出した封止材料
９４５，９５５ 角部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気圧より減圧されたチャンバ内に封止される機能素子と、
前記チャンバの少なくとも一部を形成する部材と、を備える真空パッケージであって、
前記部材は、前記チャンバ内を脱気するための貫通孔を少なくとも１つ有し、
前記貫通孔に沿った前記部材に垂直な断面において、前記貫通孔を形成する前記部材の角部は鈍角であり、
前記貫通孔は封止材料で封止されていることを特徴とする真空パッケージ。
【請求項２】
前記貫通孔の内壁は、前記チャンバの外面側から内面側に向けて前記貫通孔の開口面積を縮小する第１テーパ面と、前記チャンバの内面側から外面側に向けて前記貫通孔の開口面積を縮小する第２テーパ面と、を有し、
前記第１テーパ面は、前記第２テーパ面よりも前記チャンバの外面側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の真空パッケージ。
【請求項３】
前記封止材料に対して前記部材よりも濡れ性の高いパッドが、前記貫通孔の内壁のうち前記第１テーパ面上のみに形成されていることを特徴とする請求項２に記載の真空パッケージ。
【請求項４】
前記第１テーパ面と前記第２テーパ面とは連続して形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の真空パッケージ。
【請求項５】
前記封止材料は、前記貫通孔から前記チャンバ内部へは突出していないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の真空パッケージ。
【請求項６】
前記機能素子は赤外線受光素子であり、
前記チャンバは、少なくとも、前記赤外線受光素子を搭載する受光素子基板と、前記チャンバ外方からの赤外線を前記赤外線受光素子が受光できるように赤外線を透過する赤外線透過窓と、前記受光素子基板と前記赤外線透過窓との間に所定の間隙を形成するスペーサと、で形成され、
前記貫通孔を形成する前記部材は、前記受光素子基板、前記赤外線透過窓及び前記スペーサのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の真空パッケージ。
【請求項７】
大気圧より減圧されたチャンバ内に機能素子を封止した真空パッケージの製造方法であって、
前記チャンバの少なくとも一部を形成する部材に対して、開口面積が縮小する筒状の第１テーパ面を前記部材の一方の面から形成すると共に、開口面積が縮小する筒状の第２テーパ面を前記部材の他方の面から形成することにより、少なくとも前記第１テーパ面及び前記第２テーパ面を内壁に有する、前記チャンバ内を脱気するための貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
前記貫通孔から脱気することにより、前記機能素子を収容した前記チャンバ内を減圧する脱気工程と、
前記貫通孔を封止材料で封止する封止工程と、を含み、
前記貫通孔形成工程において、前記貫通孔は、前記貫通孔に沿った前記部材に垂直な断面における前記貫通孔を形成する前記部材の角部が鈍角となるように形成されることを特徴とする真空パッケージの製造方法。
【請求項８】
前記貫通孔形成工程後に、前記第２テーパ面よりも前記チャンバの外方側に配置される前記第１テーパ面上に、前記封止材料に対して前記部材よりも濡れ性の高いパッドを形成するパッド形成工程をさらに含み、
前記封止工程において、前記第１テーパ面の前記パッド上又は前記部材の前記一方の面に形成された前記貫通孔の開口上に載置された前記封止材料を溶融することにより前記貫通孔を封止することを特徴とする請求項７に記載の真空パッケージの製造方法。
【請求項９】
前記脱気工程において、前記チャンバ内の減圧前に、前記第１テーパ面の前記パッド上又は前記部材の前記一方の面に形成された前記貫通孔の開口上に前記封止材料を載置し、
前記封止材料と前記貫通孔との間に形成された間隙から前記チャンバ内を減圧し、
前記チャンバ内を減圧した後、前記封止材料を溶融して前記貫通孔を封止することを特徴とする請求項８に記載の真空パッケージの製造方法。
【請求項１０】
前記封止工程において、前記チャンバ内を減圧した後、前記第１テーパ面の前記パッド上又は前記部材の前記一方の面に形成された前記貫通孔の開口上に前記封止材料を載置し、前記封止材料を溶融することにより前記貫通孔を封止することを特徴とする請求項８に記載の真空パッケージの製造方法。
【請求項１】
大気圧より減圧されたチャンバ内に封止される機能素子と、
前記チャンバの少なくとも一部を形成する部材と、を備える真空パッケージであって、
前記部材は、前記チャンバ内を脱気するための貫通孔を少なくとも１つ有し、
前記貫通孔に沿った前記部材に垂直な断面において、前記貫通孔を形成する前記部材の角部は鈍角であり、
前記貫通孔は封止材料で封止されていることを特徴とする真空パッケージ。
【請求項２】
前記貫通孔の内壁は、前記チャンバの外面側から内面側に向けて前記貫通孔の開口面積を縮小する第１テーパ面と、前記チャンバの内面側から外面側に向けて前記貫通孔の開口面積を縮小する第２テーパ面と、を有し、
前記第１テーパ面は、前記第２テーパ面よりも前記チャンバの外面側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の真空パッケージ。
【請求項３】
前記封止材料に対して前記部材よりも濡れ性の高いパッドが、前記貫通孔の内壁のうち前記第１テーパ面上のみに形成されていることを特徴とする請求項２に記載の真空パッケージ。
【請求項４】
前記第１テーパ面と前記第２テーパ面とは連続して形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の真空パッケージ。
【請求項５】
前記封止材料は、前記貫通孔から前記チャンバ内部へは突出していないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の真空パッケージ。
【請求項６】
前記機能素子は赤外線受光素子であり、
前記チャンバは、少なくとも、前記赤外線受光素子を搭載する受光素子基板と、前記チャンバ外方からの赤外線を前記赤外線受光素子が受光できるように赤外線を透過する赤外線透過窓と、前記受光素子基板と前記赤外線透過窓との間に所定の間隙を形成するスペーサと、で形成され、
前記貫通孔を形成する前記部材は、前記受光素子基板、前記赤外線透過窓及び前記スペーサのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の真空パッケージ。
【請求項７】
大気圧より減圧されたチャンバ内に機能素子を封止した真空パッケージの製造方法であって、
前記チャンバの少なくとも一部を形成する部材に対して、開口面積が縮小する筒状の第１テーパ面を前記部材の一方の面から形成すると共に、開口面積が縮小する筒状の第２テーパ面を前記部材の他方の面から形成することにより、少なくとも前記第１テーパ面及び前記第２テーパ面を内壁に有する、前記チャンバ内を脱気するための貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
前記貫通孔から脱気することにより、前記機能素子を収容した前記チャンバ内を減圧する脱気工程と、
前記貫通孔を封止材料で封止する封止工程と、を含み、
前記貫通孔形成工程において、前記貫通孔は、前記貫通孔に沿った前記部材に垂直な断面における前記貫通孔を形成する前記部材の角部が鈍角となるように形成されることを特徴とする真空パッケージの製造方法。
【請求項８】
前記貫通孔形成工程後に、前記第２テーパ面よりも前記チャンバの外方側に配置される前記第１テーパ面上に、前記封止材料に対して前記部材よりも濡れ性の高いパッドを形成するパッド形成工程をさらに含み、
前記封止工程において、前記第１テーパ面の前記パッド上又は前記部材の前記一方の面に形成された前記貫通孔の開口上に載置された前記封止材料を溶融することにより前記貫通孔を封止することを特徴とする請求項７に記載の真空パッケージの製造方法。
【請求項９】
前記脱気工程において、前記チャンバ内の減圧前に、前記第１テーパ面の前記パッド上又は前記部材の前記一方の面に形成された前記貫通孔の開口上に前記封止材料を載置し、
前記封止材料と前記貫通孔との間に形成された間隙から前記チャンバ内を減圧し、
前記チャンバ内を減圧した後、前記封止材料を溶融して前記貫通孔を封止することを特徴とする請求項８に記載の真空パッケージの製造方法。
【請求項１０】
前記封止工程において、前記チャンバ内を減圧した後、前記第１テーパ面の前記パッド上又は前記部材の前記一方の面に形成された前記貫通孔の開口上に前記封止材料を載置し、前記封止材料を溶融することにより前記貫通孔を封止することを特徴とする請求項８に記載の真空パッケージの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【公開番号】特開２００９−１３５２９６（Ｐ２００９−１３５２９６Ａ）
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１０６９４（Ｐ２００７−３１０６９４）
【出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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