JP2006032886A - 固体撮像装置及びその製造方法及びカメラモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】 固体撮像装置のカバーガラスに対し、少ない工数で、かつローコストに光学フィルタ層を形成する。
【解決手段】 第１の工程では、固体撮像装置のカバーガラスの基材となるガラス基板の上に、赤外線カットフィルタ層や光学ローパスフィルタ層等の光学フィルタ層を形成する。この光学フィルタ層の形成には、フィルタ板の接合や、成膜によるフィルタ膜の形成等が用いられる。第２工程及び第３工程によって、多数の固体撮像素子が設けられた半導体ウエハとガラス基板とを接合する。第４工程では、ガラス基板と半導体ウエハとを各固体撮像素子ごとにダイシングし、多数の固体撮像装置を一括して製造する。これにより、一度の光学フィルタ層の形成により、多数の固体撮像装置のカバーガラス上に光学フィルタ層を形成することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、固体撮像素子を保護するカバーガラス上に光学フィルタ層が設けられた固体撮像装置と、この固体撮像装置の製造方法と、この固体撮像装置を使用するカメラモジュールとの改良に関する。
固体撮像装置を使用したデジタルカメラやビデオカメラが普及している。現在、主に用いられている固体撮像装置は、例えば、シリコン製の半導体基板上に固体撮像素子が設けられた固体撮像素子チップ（ベアチップ）と、この固体撮像素子チップを収納するセラミック製のパッケージと、このパッケージを封止する透明なカバーガラスとからなる。パッケージに収納された固体撮像素子チップは、チップ上に設けられた電極パッドとパッケージの接続端子との間がワイヤーボンディングによって電気的に接続され、パッケージの外部接続端子が実装基板に実装されることによって実装基板上の回路に接続される。
また、携帯電話や電子手帳等の小型電子機器に固体撮像装置を組み込んで、撮影機能を付加することも行なわれている。このような小型電子機器への撮影機能の組み込みを容易にするために、固体撮像装置と、撮像光学系が組み込まれた光学ユニットと、制御回路が設けられた実装基板とを予め組み立て、ユニット化したカメラモジュールが提供されている。
図１２は、セラミックパッケージタイプの固体撮像装置を使用した従来のカメラモジュール４０の一例を示す断面図である。固体撮像装置４１は、半導体基板４２上に固体撮像素子４３が設けられた固体撮像素子チップ４４と、この固体撮像素子チップ４４を収納するパッケージ４５と、パッケージ４５を封止するカバーガラス４６とからなり、実装基板４７上に取り付けられている。光学ユニット４８は、固体撮像装置４１を収納する固体撮像装置収納部４８ａと、撮像レンズ４９を保持する鏡筒部４８ｂとを有し、実装基板４７に固定されている。
上記カメラモジュール４０やデジタルカメラには、画質向上のために、赤外線カットフィルタ５２や光学ローパスフィルタ５３等が組み込まれている。また、固体撮像装置４１内の反射を防止するために、カバーガラス４６の上面に反射防止フィルタ５４が貼り付けられる場合もある。これら、赤外線カットフィルタ５２，光学ローパスフィルタ５３は、光学ユニット４８内で固体撮像装置４１と撮像レンズ４９との間に配置されるが、その取り付けスペースによってカメラモジュール４０のサイズが大型化するという問題があった。これを解決するには、例えば、特許文献１記載の固体撮像装置のように、固体撮像装置のカバーガラス上にシート状の赤外線カットフィルタ等を貼り付けるとよい。
また、小型電子機器では、固体撮像装置のサイズが外形サイズに与える影響が大きいため、固体撮像装置の小型化が望まれている。固体撮像装置を小型化するために、半導体プロセス中でパッケージングを完成させるウエハレベルチップサイズパッケージ（以下、ＷＬＣＳＰと略称する）を利用した固体撮像装置が発明されている（例えば、特許文献２参照）。
ＷＬＣＳＰタイプの固体撮像装置は、固体撮像素子が設けられた半導体基板と、この半導体基板に接合されて固体撮像素子を保護するカバーガラスとからなり、その大きさは、セラミックパッケージタイプの固体撮像装置のベアチップ程度と非常に小さくなる。また、このＷＬＣＳＰタイプの固体撮像装置を使用したカメラモジュールが、本出願人によって先行出願されている（特願２００３−１３０５９９号）。
特開２００４−０６４２７２号公報 特開２００２−２３１９２１号公報
固体撮像装置のカバーガラスに赤外線カットフィルタ板や光学ローパスフィルタ板、反射防止フィルタ等を貼り付ける際には、カバーガラスとフィルタ板との間に空気が入らないようにするため、真空環境内で行なわれる。しかし、ＷＬＣＳＰタイプの固体撮像装置は、その外形寸法が僅か数ｍｍ四方と非常に小さいため、カバーガラスへの赤外線カットフィルタ板，光学ローパスフィルタ板，反射防止フィルタの貼り付けは非常に難しい。また、例えば、１枚の８インチサイズの半導体ウエハから２０００個程度の固体撮像装置が形成されるが、これら２０００個の各固体撮像装置に光学フィルタ層を形成するには、多大な工数とコストとがかかるという問題があった。
本発明は、上記問題点を解決するためのもので、ＷＬＣＳＰタイプの固体撮像装置のカバーガラスに対し、ローコストに光学フィルタ層を形成することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の請求項１記載の固体撮像装置は、多数の固体撮像素子が形成された半導体ウエハの上に、固体撮像素子を覆って保護する透明基板を接合し、各固体撮像素子ごとに半導体ウエハと透明基板とを裁断することによって形成される固体撮像装置において、透明基板の少なくとも一方の表面には、半導体ウエハ及び透明基板とともに裁断されてなる光学フィルタ層を形成した。
請求項２記載の固体撮像装置は、透明基板に接合された板状またはシート状の光学フィルタによって光学フィルタ層を形成した。また、請求項３記載の固体撮像装置では、透明基板上に成膜によって光学フィルタ層を形成した。請求項４〜６記載の固体撮像装置では、光学フィルタ層として赤外線カットフィルタや光学ローパスフィルタ、反射防止フィルタ等を用いた。
請求項７記載の固体撮像装置の製造方法は、透明基板の少なくとも一方の表面に光学フィルタ層を形成する工程と、多数の固体撮像素子が形成された半導体ウエハと透明基板とを接合する工程と、半導体ウエハと透明基板とを各撮像素子ごとに裁断する工程とから構成した。また、請求項８記載の固体撮像装置の製造方法は、多数の固体撮像素子が形成された半導体ウエハと透明基板とを接合した後に、透明基板の表面に光学フィルタ層を形成する工程を設けた。
請求項９記載の固体撮像装置の製造方法は、板状またはシート状の光学フィルタを接合することによって、透明基板上の光学フィルタ層を形成した。また、請求項１０記載の固体撮像装置の製造方法は、透明基板上に成膜によって光学フィルタ層を形成した。
また、請求項１１及び１２記載のカメラモジュールでは、上述した固体撮像装置や、製造方法を用いて製造された固体撮像装置を使用してカメラモジュールを構成した。
本発明の固体撮像装置、及びこれを用いたカメラモジュールによれば、外形サイズが僅か数ｍｍ四方という小さなＷＬＣＳＰタイプの固体撮像装置であっても、カバーガラスの上に光学フィルタ層を設けることができるので、カメラモジュールや、このカメラモジュールを組み込んで使用する小型電子機器を更に小型化することができる。
また、カバーガラス上に設けることのできる光学フィルタ層として、赤外線カットフィルタや光学ローパスフィルタ、反射防止フィルタ等を種々選択することができ、その形成方法も貼り合せや、成膜等を選択することができるので、その固体撮像装置やカメラモジュールの性能や用途に合せて様々な組み合わせを適用することができる。
更に、固体撮像装置の製造においては、透明基板上に光学フィルタ層を形成する以外は、製造工程の増加が発生しないため、最小のコストアップでカバーガラス上に光学フィルタ層を備えたＷＬＣＳＰタイプの固体撮像装置を製造することができる。
図１は、本発明を用いたカメラモジュールの構成を示す断面図である。カメラモジュール２は、固体撮像装置３と、この固体撮像装置３が実装される実装基板４と、この実装基板４に取り付けられて固体撮像装置３の上に撮像レンズ５を配置する光学ユニット６とから構成されている。
図２及び図３は、固体撮像装置３の構成を示す外観斜視図及び断面図である。固体撮像装置３は、上面に固体撮像素子９が形成された半導体基板１０と、固体撮像素子９を取り囲むように半導体基板１０上に取り付けられた枠形状のスペーサー１１と、このスペーサー１１の上に取り付けられて固体撮像素子９を封止するカバーガラス１２と、このカバーガラス１２の上に貼り付けられて光学フィルタ層を形成する赤外線カットフィルタ層１３、及び光学ローパスフィルタ層１４とからなる。
半導体基板１０は、シリコン製の半導体ウエハが矩形状に分割されたもので、上面中心部には固体撮像素子９が形成されている。固体撮像素子９は、例えば、マトリクス状に配列された多数個の受光素子と、これらの受光素子に蓄積された電荷を搬送する電荷結合素子（ＣＣＤ）とからなる。各受光素子の上には、ＲＧＢのカラーフイルタやマイクロレンズが積層されている。なお、ＣＣＤイメージセンサに代えて、Ｃ−ＭＯＳイメージセンサ等を用いることもできる。
スペーサー１１は、中央に開口１７が形成されたロ字形状であり、固体撮像素子９の外周を取り囲むように半導体基板１０の上面に接合されている。スペーサー１１は、例えば、シリコン等の無機材料で形成されている。このスペーサー１１によって、固体撮像素子９とカバーガラス１２との間には空隙が形成され、固体撮像素子９のマイクロレンズがカバーガラス１２と干渉するのを防いでいる。
カバーガラス１２は、スペーサー１１の開口１７を塞ぐように該スペーサー１１の上面に接合されている。カバーガラス１２には、固体撮像素子９の受光素子がα線によって破壊されるのを防止するために、α線の放出が少ない低α線ガラスが用いられている。
半導体基板１０の上面でスペーサー１１の外側には、複数個の外部接続端子２０が設けられている。これらの外部接続端子２０は、半導体基板１０の表面に形成された配線によって固体撮像素子９と接続されており、固体撮像装置３と実装基板４との間のワイヤーボンディングによる配線に用いられる。
赤外線カットフィルタ層１３と光学ローパスフィルタ層１４は、固体撮像装置３の撮像画質を向上させるために設けられている。赤外線カットフィルタ層１３は、特定波長域の赤外線をカットして赤外光によるゴーストやかぶりを防止する。また、光学ローパスフィルタ層１４は、偽色や色モアレの発生を防止する。赤外線カットフィルタ層１３と光学ローパスフィルタ層１４は、カバーガラス１２の上に接合されているため、光学ユニット６内に赤外線カットフィルタ層１３と光学ローパスフィルタ層１４との取り付けスペースを設ける必要がなく、カメラモジュール２を小型化することができる。なお、固体撮像装置３内の反射を防止するために、カバーガラス１２の下面または上面に反射防止フィルタ層を設けてもよい。
実装基板４は、ガラスエポキシ基板やセラミック基板等を用いたリジッド基板であり、固体撮像装置３と光学ユニット６とが取り付けられる。この実装基板４には、固体撮像装置３を制御する制御回路が設けられている。光学ユニット６は、撮像レンズ５と、この撮像レンズ５を保持するレンズホルダー２３とからなる。レンズホルダー２３は、実装基板４に取り付けられて固体撮像装置３を覆う箱状のベース部２３ａと、撮像レンズ５を保持する円筒形状の鏡筒部２３ｂとを備えている。
以下、固体撮像装置３の製造工程について、図４のフローチャートを参照しながら説明する。第１の工程では、カバーガラス１２の基材となるガラス基板上への光学フィルタ層の形成が行なわれる。図５（Ａ）及び図６に示すように、光学フィルタ層の形成は、ガラス基板２６の上に、ほぼ同サイズの赤外線カットフィルタ基板２７と光学ローパスフィルタ基板２８とを接着剤２９によって接合することにより行なわれる。
ガラス基板２６と赤外線カットフィルタ基板２７との接合に使用される接着剤２９としては、例えば、固化後に透明になるＵＶ接着剤が使用される。接着剤２９は、ガラス基板２６の上に均一な厚みで薄く塗布される。ガラス基板２６と赤外線カットフィルタ基板２７との貼り合せは、間に空気が入り込まないようにするため、例えば真空環境内で行なわれ、貼り合せ後には真空加圧によって両者が密着される。その後、ガラス基板２６を通して紫外線を照射することにより接着剤２９が固化し、ガラス基板２６と赤外線カットフィルタ基板２７とは強固に接合される。なお、赤外線カットフィルタ基板２７上への光学ローパスフィルタ基板２８の接合も同様の手順によって行なわれるので、詳しい説明は省略する。
第２工程では、図５（Ｂ）に示すように、ガラス基板２６の下面に多数のスペーサー１１が形成される。このスペーサー１１の形成は、例えば次のような手順によって行なわれる。まず、ガラス基板２６の下面に、シリコン製のスペーサー用ウエハが接着剤によって接合される。次に、スペーサー用ウエハの上に、フォトリソグラフィーによってスペーサー１１の形状のレジストマスクが形成される。そして、このマスクで覆われていない部分がプラズマエッチングによって除去されることにより、ガラス基板２６上に多数のスペーサー１１が形成される。エッチング後のレジストマスクは、アッシング等によって除去される。
第３工程では、図５（Ｃ）及び図６に示すように、ガラス基板２６と、多数の固体撮像素子９が形成された半導体ウエハ３２との接合が行なわれる。この接合には、アライメント貼付け装置が使用される。アライメント貼付け装置は、ガラス基板２６と半導体ウエハ３２の各オリフラ２６ａ，３２ａを基準にして、両者のＸＹ方向及び回転方向の位置調整を行なう。そして、両者を重ね合わせて加圧することにより、ガラス基板２６と半導体ウエハ３２とを接合する。このガラス基板２６と半導体ウエハ３２との接合により、半導体ウエハ３２上の各固体撮像素子９は、スペーサー１１とガラス基板２６とによって封止されるため、以後の工程によって生じた塵芥が固体撮像素子３に付着することはない。
第４工程では、図５（Ｄ）に示すように、ガラス基板２６と、このガラス基板２６に接合された赤外線カットフィルタ基板２７と、光学ローパスフィルタ基板２８と、半導体ウエハ３２とがダイシングされる。接合された基板は、ガラス基板２６に保護のためのダイシングテープが貼着されてダイシング装置にセットされる。ダイシング装置は、基板に冷却水をかけながら、例えば、ダイヤモンド砥粒をレジンで固めたメタルレジン砥石等を使用して、ガラス基板２６，赤外線カットフィルタ基板２７，光学ローパスフィルタ基板２８，半導体ウエハ３２を各固体撮像素子９ごとに分割する。これにより、固体撮像装置３が完成する。
例えば、固体撮像装置３を８インチサイズのウエハで製造した場合、１回の製造で２０００個ほどの固体撮像装置が同時に形成される。これら２０００個の固体撮像装置のそれぞれに、赤外線カットフィルタと光学ローパスフィルタとを接合するには、多大な工数とコストとが必要となる。しかしながら、本実施形態のように、ガラス基板２６に赤外線カットフィルタ基板２７と光学ローパスフィルタ基板２８とを接合し、半導体ウエハ３２と一緒にダイシングすることにより、接合工程を１回にすることができるため、大幅な工数削減とコストダウンとが可能となる。
完成した固体撮像装置３は、機能検査等を経て光学ユニット６とともに実装基板４に実装され、カメラモジュール２として組み立てられる。カメラモジュール２は、携帯電話機等の小型電子機器に組み込まれる。本実施形態のカメラモジュール２は、赤外線カットフィルタ層１３と光学ローパスフィルタ層１４とを固体撮像装置３のカバーガラス１２の上に形成したので、光学ユニット６を小型化することができ、カメラモジュール２が組み込まれる小型電子機器の小型化にも寄与することができる。
なお、上記実施形態では、赤外線カットフィルタ基板２７と光学ローパスフィルタ基板２８とをガラス基板２６に接合して光学フィルタ層を形成したが、図７に示す固体撮像装置３４のように、カバーガラス３５上に、成膜処理によって赤外線カットフィルタ層３６と光学ローパスフィルタ層３７とを形成してもよい。
図８に示すように、成膜によるカバーガラス３５上への光学フィルタ層の形成は、接合による形成と同様に、カバーガラス３５の基材であるガラス基板３８に対してＣＶＤ装置や真空蒸着装置等を使用して実施される。その後、上述した第１の実施形態と同様に、スペーサーの形成と、ガラス基板３５と半導体ウエハとの接合と、ダイシングとが実施されて多数の固体撮像装置３４が一括して製造される。
このように、成膜処理によって光学フィルタ層を形成する場合でも、多数個の固体撮像装置３４に対する成膜処理が１度で済むため、多数個の固体撮像装置のそれぞれに成膜処理を施す場合に比べて大幅な工数削減とコストダウンとが可能となる。
また、上記各実施形態では、ガラス基板上への光学フィルタ層の形成を行なった後で、ガラス基板と半導体ウエハとを接合したが、ガラス基板と半導体ウエハとを接合した後で、ガラス基板上に接合や成膜処理によって光学フィルタ層を形成してもよい。
また、図９に断面を示す固体撮像装置６０のように、固体撮像装置６０内の内面反射を防止するために、カバーガラス６１の固体撮像素子６２に対向する面に反射防止フィルタ層６３を設けてもよい。
この固体撮像装置６０の製造方法としては、図１０（Ａ）に示すように、カバーガラス６１の基材であるガラス基板６５の一方の面に真空蒸着やＣＶＤ等の成膜処理で反射防止フィルタ層６３を形成する。次いで、同図（Ｂ）に示すように、反射防止フィルタ層６３の上に多数のスペーサー６７を形成する。そして、同図（Ｃ）に示すように、ガラス基板６５と、多数の固体撮像素子６２が形成された半導体ウエハ６８とを接合し、同図（Ｄ）に示すように、各固体撮像素子６２ごとにガラス基板６５と半導体ウエハ６８とをダイシングする。これにより、固体撮像素子６２に対向する面に反射防止フィルタ層６３を備えた固体撮像装置６０を得ることができる。なお、反射防止フィルタ層６３は、板状またはシート状の反射防止フィルタ板をガラス基板に接合して形成してもよい。
また、図１１に断面を示す固体撮像装置７０のように、カバーガラス７１の固体撮像素子７２に対向する面に成膜処理によって反射防止フィルタ層７３を形成し、カバーガラス７１の上面に、接合または成膜処理によって赤外線ローパスフィルタ層７４及び光学ローパスフィルタ層７５を形成してもよい。このように、固体撮像装置に複数の光学フィルタ層を形成する場合には、接合処理と成膜処理とを組み合わせてもよい。
本発明を実施したカメラモジュールの構成を示す断面図である。 固体撮像装置の構成を示す外観斜視図である。 固体撮像装置の構成を示す断面図である。 固体撮像装置の製造工程を示すフローチャートである。 固体撮像装置の製造手順を示す断面図である。 光学フィルタ層が設けられたガラス基板と半導体ウエハとの外観斜視図である。 成膜処理によって赤外線カットフィルタ層と光学ローパスフィルタ層とが設けられた固体撮像装置の構成を示す断面図である。 ガラス基板上に成膜処理によって赤外線カットフィルタ層と光学ローパスフィルタ層とが形成された状態を示す断面図である。 成膜処理によって反射防止フィルタ層が設けられた固体撮像装置の構成を示す断面図である。 ガラス基板上に成膜処理によって反射防止フィルタ層が形成された固体撮像装置の製造手順を示す断面図である。 反射防止フィルタ層と赤外線カットフィルタ層と光学ローパスフィルタ層とが設けられた固体撮像装置の構成を示す断面図である。 従来のカメラモジュールの構成の一例を示す断面図である。
符号の説明
２ カメラモジュール
３，３４，６０，７０ 固体撮像装置
６ 光学ユニット
９，６２，７２ 固体撮像素子
１０ 半導体基板
１２，３５，６１，７１ カバーガラス
１３，３６，７４ 赤外線カットフィルタ層
１４，３７，７５ 光学ローパスフィルタ層
２６，３８，６５ ガラス基板
２７ 赤外線カットフィルタ基板
２８ 光学ローパスフィルタ基板
３２ 半導体ウエハ
６３，７３ 反射防止フィルタ層

Claims (12)

  1. 多数の固体撮像素子が形成された半導体ウエハの上に、前記固体撮像素子を覆って保護する透明基板を接合し、各前記固体撮像素子ごとに前記半導体ウエハと前記透明基板とを裁断することによって形成される固体撮像装置において、
    前記透明基板の少なくとも一方の表面には、前記半導体ウエハ及び前記透明基板とともに裁断されてなる光学フィルタ層が形成されていることを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記光学フィルタ層は、前記透明基板上に接合された板状、またはシート状の光学フィルタからなることを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記光学フィルタ層は、前記透明基板上に成膜によって形成したことを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
  4. 前記光学フィルタ層として、赤外線カットフィルタを用いたことを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の固体撮像装置。
  5. 前記光学フィルタ層として、光学ローパスフィルタを用いたことを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の固体撮像装置。
  6. 前記光学フィルタ層として、反射防止フィルタを用いたことを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の固体撮像装置。
  7. 透明基板の少なくとも一方の表面に光学フィルタ層を形成する工程と、
    多数の固体撮像素子が形成された半導体ウエハと前記透明基板とを接合する工程と、
    前記半導体ウエハと前記透明基板とを前記各固体撮像素子ごとに裁断する工程とを含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  8. 多数の固体撮像素子が形成された半導体ウエハと透明基板とを接合する工程と、
    前記透明基板の表面に光学フィルタ層を形成する工程と、
    前記半導体ウエハと前記透明基板とを各前記固体撮像素子ごとに裁断する工程とを含むことを特徴とする固体撮像装置の製造方法。
  9. 前記透明基板の表面に前記光学フィルタ層を形成する工程は、前記透明基板に板状、またはシート状の光学フィルタを接合する工程からなることを特徴とする請求項７または８記載の固体撮像装置の製造方法。
  10. 前記透明基板の表面に前記光学フィルタ層を形成する工程は、前記透明基板の表面に成膜によって該光学フィルタ層を形成する工程からなることを特徴とする請求項７ないし９いずれか記載の固体撮像装置の製造方法。
  11. 請求項１ないし６いずれか記載の前記固体撮像装置と、前記固体撮像素子上に被写体像を結像する撮像光学系が組み込まれた光学ユニットとを備えたことを特徴とするカメラモジュール。
  12. 請求項７ないし１０いずれか記載の製造方法を用いて製造された前記固体撮像装置と、前記固体撮像素子上に被写体像を結像する撮像光学系が組み込まれた光学ユニットとを備えたことを特徴とするカメラモジュール。
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