JP2006253597A - 積層板の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張係数の異なる異種材料からなる積層板の表面層をドライエッチングで加工するにあたり、表面層にクラックを生じさせることなくドライエッチングすることのできる積層板の加工方法を提供すること。
【解決手段】ドライエッチングに先立って、積層板７の表面層１４に少なくとも１本の溝Ｇを形成し、溝Ｇを形成した後に表面層１４にドライエッチングを施し、ドライエッチング時の熱応力及び積層板７のメカニカルクランプによるストレスを表面層１４に形成した溝Ｇに集中させて、表面層１４にクラックが発生することを防止するようにした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、積層板の加工方法に関し、特にチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）タイプの固体撮像装置に用いられるスペーサ付のカバーガラス等の積層板の加工方法に関する。

デジタルカメラや携帯電話に用いられるＣＣＤやＣＭＯＳからなる固体撮像装置は、益々小型化が要求されている。このため、固体撮像素子チップ全体をセラミックス等のパッケージに気密封止した従来の大型パッケージから、最近では固体撮像素子チップの大きさと略等しい大きさのチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）タイプに移行しつつある。

このような中で、図７に示すように、ウェーハ（半導体基板）１１上に多数の固体撮像素子１１Ａを形成し、一方、透明材料からなる封止部材（カバーガラス）３に固体撮像素子１１Ａの受光エリアを囲う枠部（スペーサ）４を多数一体形成し、この封止部材（カバーガラス）３を枠部（スペーサ）４を介してウェーハ１１に接合して、各固体撮像素子１１Ａの受光エリアを密閉し、図７（ａ）に示すような固体撮像装置２１がウェーハレベルで多数形成された積層体を製造し、次に、図７（ｂ）に示すように、この積層体を個々の固体撮像装置２１に分割することによって、固体撮像装置２１をウェーハレベルで一括製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。なお、図７において、１１Ｂは外部との接続配線を行うための電極である。

カバーガラス３にスペーサ４を多数形成する方法は、先ずカバーガラス３にシリコン板１４を接着剤等で接合する。次いで、図８（ａ）に示すように、シリコン板１４上にフォトリソグラフィ技術を用いて加工すべきスペーサ４のパターンを描画してエッチングマスク５を形成する。次に、このシリコン板１４にドライエッチングを施してシリコン板１４の厚さ分の貫通加工をし、図８（ｂ）に示すように、カバーガラス３上にスペーサ４を多数一体形成する。次に、アッシングによってスペーサ４上のエッチングマスク５を除去し、図８（ｃ）に示すようなスペーサ付のカバーガラス３を製造する。

カバーガラス３は、多数の固体撮像素子１１Ａが形成されるウェーハ（半導体基板）１１と同じ直径の円盤状であり、最外周には後工程で個々の固体撮像装置２１に分割するダイシング時の剛性を確保するために、円周に沿って十分な幅を有するリングがパターニングされ、その内部にスペーサ４が多数並列配置されている。
特開２００２−２３１９２１号公報

ところで、スペーサ付のカバーガラス３を作成するための基材であるカバーガラス３に表面層であるシリコン板１４を接着剤等で接合した積層板においては、カバーガラス３とシリコン板１４とは異種材料であり、それらの熱膨張係数はカバーガラス３の方がシリコン板１４に比較して２倍程度大きい。

この積層板をドライエッチングにより表面層であるシリコン板１４を加工しているが、シリコン板１４とカバーガラス３との熱膨張率の違いから、加熱されることにより積層板に反りが発生する。この反りは、カバーガラス３にＩＲＣＦ（赤外線カットフィルタ）等の光学膜が成膜された場合は、更に顕著に現れる。

また、ドライエッチングプロセスにおいては、反っている積層板の外周部をメカニカルクランプにより固定しているが、エッチングが進むにつれ表面層であるシリコン板１４の厚みが薄くなり、積層板の反りとメカニカルクランプによるシリコン板１４へのストレスとによってシリコン板１４にクラックが発生してしまう。

このクラックがスペーサとなるべきパターンまで到達してしまうと、その後の各固体撮像装置２１に分割するためのカバーガラス３のダイシング工程及びウェーハ（半導体基板）１１のダイシング工程において、スペーサ４及びカバーガラス３によって密閉されたはずの固体撮像素子１１Ａ内に浸水してしまい、その部分の固体撮像装置２１が不良となって製品の歩留まり低下を招くという問題があった。

また、このクラックの発生した部分で局所的なスペーサのパターンズレが生じることもあり、カバーガラス３をスペーサ４を介してウェーハ１１に接合して、各固体撮像素子１１Ａの受光エリアを密閉するときに、正しく密閉することができないという問題もあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、熱膨張係数の異なる異種材料からなる積層板の表面層をドライエッチングで加工するにあたり、表面層にクラックを生じさせることなくドライエッチングすることのできる積層板の加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、異種材料からなる積層板の表面層にドライエッチングを施して、該表面層を加工する積層板の加工方法において、前記ドライエッチングに先立って、前記積層板の表面層に少なくとも１本の溝を形成することを特徴とする。

本発明によれば積層板の表面層に溝を形成した後に表面層にドライエッチングを施すので、ドライエッチング時の熱応力及び積層板のメカニカルクランプによるストレスを表面層に形成した溝に集中させることができ、表面層にクラックが発生することを防止することができる。

また、本発明は、結晶材料からなる表面層と該表面層とは異種材料からなる基材とが積層されて形成された積層板の、前記表面層にドライエッチングを施して前記表面層を加工する積層板の加工方法において、前記ドライエッチングに先立って、前記表面層の結晶方位に対して略垂直な方向及び前記表面層の結晶方位に対して略平行な方向に夫々少なくとも１本の溝を形成することを特徴とする。

本発明によれば、ドライエッチングに先立って、表面層の結晶方位に対して略垂直な方向及び表面層の結晶方位に対して略平行な方向に溝を形成するので、結晶方位に沿ってクラックが発生し易い結晶材料の、ドライエッチング時の熱応力及び積層板のメカニカルクランプによるストレスを前述の溝に効率よく集中させることができ、結晶材料からなる表面層にクラックが発生することを防止することができる。

前記発明において、前記溝の深さを前記積層板の表面層の厚さの３０％以上とすることで、クラック発生防止効果が生じ、前記溝の深さを前記積層板の表面層の厚さ以上とすることで、クラック発生防止効果を一層高めることができる。

以上説明したように本発明によれば、異種材料からなる積層板の表面層にドライエッチングを施して、表面層を加工する積層板の加工方法において、ドライエッチングに先立って、積層板の表面層に少なくとも１本の溝を形成するので、熱応力やクランプによるストレスを溝に集中させることができ、表面層に発生するクラックに対して抑止効果を有する。

以下添付図面に従って、本発明に係る積層板の加工方法の好ましい実施の形態について詳説する。各図において同一部材には同一の番号または記号を付している。なお、以下に説明する実施の形態では、固体撮像装置のカバーガラスにスペーサを形成する工程に本発明の積層板の加工方法を適用させた例として説明する。

図１は、ＣＳＰタイプの固体撮像装置の外観形状を示す斜視図である。固体撮像装置２１は、固体撮像素子１１Ａが設けられた固体撮像素子チップ１０、固体撮像素子チップ１０に取り付けられ固体撮像素子１１Ａを取り囲む枠形状のスペーサ４、及びスペーサ４の上に取り付けられて固体撮像素子１１Ａを封止する透明板（カバーガラス）３から構成されている。

固体撮像素子チップ１０は、矩形のチップ基板１０Ａと、このチップ基板１０Ａ上に形成された固体撮像素子１１Ａと、固体撮像素子１１Ａの外側に複数個配列され外部との配線を行うためのパッド（電極）１１Ｂとからなっている。チップ基板１０Ａの材質は、例えばシリコン単結晶で、その厚さは例えば３００μｍ程度である。

カバーガラス３は、熱膨張係数がシリコンに比較的近い透明ガラス、例えば、「パイレックス（登録商標）ガラス」等が用いられ、その厚さは、例えば５００μｍ程度である。

スペーサ４は、無機材料で、チップ基板１０Ａ及び透明板のカバーガラス３と熱膨張係数等の物性ができるだけ類似した材質が望ましいため、例えば多結晶シリコンが用いられる。また、枠形状のスペーサ４の一部分を断面で見たときに、その断面の幅は例えば２００μｍ程度、厚さは例えば１００μｍ程度である。このスペーサ４は、一方の端面でチップ基板１０Ａに接着剤を用いて接合され、他方の端面でカバーガラス３に別の接着剤を用いて接合されている。

スペーサ４のチップ基板１０Ａに接合される側の端面のエッジ部には図示しない段差部が形成されており、この段差部は、スペーサ４とチップ基板１０Ａとを接着剤を用いて接合した時に、スペーサの下からはみ出した接着剤を収容し、接着剤が固体撮像素子１１Ａやパッド１１Ｂ上に流れ出すのを防止している。段差部の端面からの段差寸法は、例えば３０μｍ程度である。

次に、前述したＣＳＰタイプ固体撮像装置の製造工程の概略について説明する。図２はＣＳＰタイプの固体撮像装置２１の製造工程を表わす説明図である。図２（ｂ）に示すように、半導体基板（ウェーハ）１１上に固体撮像素子１１Ａが多数形成される。

固体撮像素子１１Ａの製造には一般的な半導体素子製造工程が適用され、固体撮像素子１１Ａは、ウェーハ１１に形成された受光素子であるフォトダイオード、励起電圧を外部に転送する転送電極、開口部を有する遮光膜、層間絶縁膜、層間絶縁膜の上部に形成されたインナーレンズ、インナーレンズの上部に中間層を介して設けられたカラーフィルタ、カラーフィルタの上部に中間層を介して設けられたマイクロレンズ等で構成された微細素子が平面アレー上に配列された構造となっている。

固体撮像素子１１Ａはこのように構成されているため、外部から入射する光がマイクロレンズ及びインナーレンズによって集光されてフォトダイオードに照射され、有効開口率が上がるようになっている。

また、固体撮像素子１１Ａの外側には、図２（ｂ）に示すように、外部との配線を行うためのパッド１１Ｂ、１１Ｂ、…が形成されている。

図２に示した工程は、前述した固体撮像素子１１Ａが形成されたウェーハ１１に透明ガラス板（カバーガラス）３を貼付して固体撮像素子１１Ａの受光部を密閉し、次いで個々の固体撮像装置２１に分割する工程を概念的に表わしたものである。

先ず、図２（ａ）に示すように、カバーガラス３にシリコンからなるスペーサ４を形成する。スペーサ４の形成は、カバーガラス３に接着剤６Ａを塗布し、そこにシリコン板を接着する。次いで、フォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて必要な形状のスペーサ４を形成し、最後にスペーサ４部分のみに接着剤６Ｂを転写する。

次に、このようにして１面にスペーサ４が設けられたカバーガラス３をスペーサ４を介してウェーハ１１に接着する。これにより、図２（ｂ）に示すように、ウェーハ１１とカバーガラス３との間に空隙部１９を有し固体撮像素子１１Ａの受光部が密閉された構造の固体撮像装置２１がウェーハレベルで多数形成された積層体２０が製造される。

次に、厚さ０．１〜１．２ｍｍ程度の砥石で空隙部１９内まで切り込んで積層体２０のカバーガラス３のみを研削切断し、カバーガラス３の分割とウェーハ１１上のパッド１１Ｂ、１１Ｂ、…の露出とを行う（図２（ｃ））。次いでウェーハ１１のパッド１１Ｂとパッド１１Ｂとの間の部分を砥石で研削切断し、個々の固体撮像装置２１に分割する（図２（ｄ））。

前述したように、固体撮像装置２１に組込まれるスペーサ付のカバーガラス３では、最初に絶縁材料である円盤状のカバーガラス３の表面に導電性材料であるシリコン板１４を接合し、次にシリコン板１４を砥石で研削して１００μｍ程度まで薄くした部材（以下積層板７と称することがある）にスペーサ４のパターンを形成する。

カバーガラス３は、前述したように、例えば５００μｍ程度の「パイレックス（登録商標）ガラス」等が用いられる。また、スペーサ４の基材は、無機材料の例えばシリコンが用いられる。

また、カバーガラス３とシリコン板１４との接合は接着剤を用いて両者を接着する。なお、この接合は、接着剤等を使用しない陽極接合やフュージョン接合等を用いてもよい。

次に、カバーガラス３にシリコン板１４が接合された積層板に、多数並列配置されたパターンであるスペーサ４の形成方法について説明する。

図３は、本発明の積層板の加工方法を用いたパターン形成工程の流れを表わすフローチャートで、図４はその説明図ある。先ず、積層板７のシリコン板１４の表面にフォトレジスト１５を塗布する。フォトレジスト１５の塗布は、スピンコート法を用い、シリコン板１４表面にネガ型フォトレジスト１５を均一に塗布し、その後ベーキング炉中で塗布されたフォトレジスト１５をベーキングする（ステップＳ１）。図４（ａ）はこの状態を表わしている。

次に、フォトマスク９１を用いてシリコン板１４表面のフォトレジスト１５を露光する（ステップＳ２）。図４（ｂ）はこの状態を表わしている。この時用いるフォトマスク９１には所望するマスクパターン９１Ａが形成されている。

このマスクパターン９１Ａは、後出図５に示すように、多数並列配置された固体撮像素子１１Ａを囲む枠形状のスペーサ４に対応するエッチングマスク５のパターンと、積層板７の最外周部に形成され、後工程で個々の固体撮像装置２１に分割するダイシング時の剛性を確保するために、円周に沿って十分な幅を有して設けられるリングに対応するエッチングマスクのパターンと、リング内に多数形成され、カバーガラス３をスペーサ４を介してウェーハ１１に接着する際にスペーサ４の端面とウェーハ１１との間に空気が混入しないように作用する空気抜き溝に対応するエッチングマスクのパターンとからなっている。

次に、露光された積層板７を現像して、シリコン板１４表面にエッチングマスク５を形成する（ステップＳ３）。図４（ｃ）はこの状態を表わしており、積層板７のシリコン板１４の表面に多数並列配置されたパターンであるスペーサ４に対応するエッチングマスク５、５、・・・が形成されている。

次に、シリコン板１４の表面にエッチングマスク５が形成された積層板７にダイシングブレードを用いて応力集中用の溝を形成する。この溝の形成には、半導体ウェーハを個々の半導体チップに分割するダイシング装置が用いられる。

ダイシング装置は、エアーベアリングで支持され内臓する高周波モータによって回転数２０，０００〜６０，０００ｒｐｍの高速で回転されるスピンドルにダイシングブレードと称する薄刃の砥石を取り付け、研削水を供給しながらウェーハに溝加工又は切断加工を施すものである。

ダイシングブレードは、ダイヤモンド砥粒又はＣＢＮ砥粒をＮｉを結合材として電鋳したもので、直径５０ｍｍ程度から９０ｍｍ程度、厚さ１５μｍから１５０μｍ程度のものが用いられる。

本実施の形態では、図５に示すように、各スペーサ４に対応するエッチングマスク５同士の間のスペースで積層板７の中央部を通る溝Ｇを形成する。この場合、シリコン板１４の外周部に形成された不図示のオリエンテーションフラット又はノッチ等によって表示された結晶方位に対して、平行な溝Ｇと垂直な溝Ｇとを形成するのがよい。

この溝Ｇの形成によって、後述するドライエッチング工程において、熱膨張係数の異なるカバーガラス３とシリコン板１４とからなる積層板７の熱応力とメカニカルチャッキングによるストレスとを溝Ｇに集中させることができ、シリコン板１４にクラックが発生するのを防止することができる。

溝Ｇの幅は、５〜１００μｍが好ましいが、積層板７の反りによって溝Ｇの上淵同士が接触するのを防止するため、２０μｍ以上が更に好ましい。また、溝Ｇの深さは、シリコン板１４の板厚の３０％以上から、図６に示すように、シリコン板１４の板厚以上とする。

溝Ｇの深さがシリコン板１４の板厚の３０％未満では、応力集中が十分でなく、シリコン板１４にクラックが発生する場合が生ずる。そのため、溝Ｇの深さはシリコン板１４の板厚の３０％以上を必要とし、好ましくは板厚の５０％以上で、シリコン板１４の板厚以上がより好ましい（ステップＳ４）。図４（ｄ）はこの状態を表し、積層板７のシリコン板１４にシリコン板１４の板厚を貫通する溝Ｇが形成されている。

次に、シリコン板１４の表面にエッチングマスク５が形成され、シリコン板１４の板厚を貫通する溝Ｇ、Ｇが形成されたカバーガラス３をドライエッチング装置内にセットし、最初に等方性エッチングを施してエッチングマスク５の下部までサイドエッチング（アンダカットとも称する）させ、スペーサ４の端部のエッジを面取りする。この面取り部は、後の工程でスペーサ４とウェーハ１１とを接着する時に、はみ出した接着剤６Ｂをここに収納させ、固体撮像素子１１Ａの受光部まで流れ出さないようにするためのものである。

所定の時間等方性エッチングを行った後、残りのシリコン板１４を異方性エッチング、又はより垂直性に優れたＢｏｓｃｈプロセスを用いたエッチングを施してシリコン板１４の全厚さに渡って除去加工する（ステップＳ５）。図４（ｅ）はこの状態を表わしている。

ドライエッチング装置としては、反応性ガスプラズマを利用したドライエッチング装置で、プラズマエッチング装置や反応性イオンエッチング装置等が用いられる。

この時、カバーガラス３の表面層のシリコン板１４には、シリコン板１４の中央部を通りシリコン板１４の結晶方位に対して、平行な溝Ｇと垂直な溝Ｇとが形成されているので、熱応力による歪やメカニカルクランプによるストレスがこの２本の溝Ｇ、Ｇに集中する。このため、シリコン板１４にクラックが発生しない。

最後にエッチングマスク５、５、・・・をアッシングしてスペーサ４、４、・・・上から除去する（ステップＳ６）。図４（ｆ）はこの状態を表わしており、カバーガラス３上にシリコンからなる個々のパターンとしての枠形状のスペーサ４、４、・・・が多数並列配置されている。以上が本発明の積層板の加工方法を用いた固体撮像装置２１のスペーサ付カバーガラス３の製造方法である。

（１）直径２００ｍｍの積層板７であって、厚さ５００μｍのカバーガラス３と厚さ１００μｍのシリコン板１４との積層板７を用意した。次いで、フォトリソグラフィ技術によりシリコン板１４上にスペーサ４、４、…に対応したエッチングマスクパターンを形成した。

次に、ダイシング装置を用い、積層板７のシリコン板１４の中心を十字に切り込んで貫通溝を形成した。この十字の溝Ｇはシリコン板１４のノッチの位置からシリコン板１４の結晶方位を求め、それに対し平行な溝Ｇと垂直な溝Ｇで構成した。

溝幅を５０μｍとし、深さを１２０μｍ（下層のカバーガラス１４に２０μｍ切り込み）とした。カバーガラス１４への２０μｍの切り込みは、ダイシングブレードの磨耗を勘案したものである。

この後プラズマエッチング装置でシリコン板１４にドライエッチングを施してスペーサ４、４、…を形成した。この時の積層板７の固定は、積層板７の外周部１４点でメカニカルにクランプした。次いで、エッチングマスク５、５、…をアッシング装置で除去し、スペーサ付カバーガラス３を製造した。

（２）上記（１）に対して、シリコン板１４に形成する溝Ｇ，Ｇの深さをシリコン板１４の厚さの５０％に相当する５０μｍとし、その他は（１）と同様にしてスペーサ付カバーガラス３を製造した。

上記（１）及び（２）夫々のスペーサ付カバーガラス３を顕微鏡で観察したところ、どちらのカバーガラス３もクラックが溝Ｇ、Ｇ部に集中して誘発され、スペーサ４部分まで達するものがほとんどなく、従来約１０％程度低下していたクラックに起因する製品歩留まりが１％未満にまで改善されていた。

以上説明したように、本発明の積層板の製造方法によれば、ドライエッチング工程における熱応力やストレスを表面層に形成した溝に集中させるので、表面層に発生するクラックに起因する製品歩留まりの低下を大幅に改善することができる。

なお、前述の実施の形態において、シリコン板１４に形成する溝を、シリコン板１４の中心を通り結晶方位に平行及び垂直な十字溝としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、シリコン板１４に最小限１本の溝を形成しても効果があり、適宜の本数とすることで一層の効果が望める。また、結晶方位に無関係に溝を形成しても、ある程度の効果が期待できる。

また、前述の実施の形態において、本発明の積層板の加工方法を、固体撮像装置２１に組み込まれるスペーサ付のカバーガラス３の製造方法で説明したが、本発明はこれに限らず、種々の異種材料の積層板の加工方法に適用して効果を発揮することができる。

ウェーハレベルＣＳＰ型固体撮像装置を表す斜視図 ウェーハレベルＣＳＰ型固体撮像装置の製造方法の説明図 本発明を用いたスペーサ付カバーガラスの製造工程を説明するフローチャート 本発明を用いたスペーサ付カバーガラスの製造工程の説明図 本発明の実施の形態を説明するための平面図 本発明の実施の形態を説明するための部分断面図 ウェーハレベルＣＳＰ型固体撮像装置の製造方法の概略説明図 従来のスペーサ付カバーガラスの製造方法の概略説明図

符号の説明

３…カバーガラス（基材）、４…スペーサ、５…エッチングマスク、１１…ウェーハ（半導体基板）、１１Ａ…固体撮像素子、２１…固体撮像装置、１４…シリコン板（表面層）、Ｇ…溝

Claims (4)

1. 異種材料からなる積層板の表面層にドライエッチングを施して、該表面層を加工する積層板の加工方法において、
   前記ドライエッチングに先立って、前記積層板の表面層に少なくとも１本の溝を形成することを特徴とする積層板の加工方法。
2. 結晶材料からなる表面層と該表面層とは異種材料からなる基材とが積層されて形成された積層板の、前記表面層にドライエッチングを施して前記表面層を加工する積層板の加工方法において、
   前記ドライエッチングに先立って、前記表面層の結晶方位に対して略垂直な方向及び前記表面層の結晶方位に対して略平行な方向に夫々少なくとも１本の溝を形成することを特徴とする積層板の加工方法。
3. 前記溝の深さは、前記積層板の表面層の厚さの３０％以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の積層板の加工方法。
4. 前記溝の深さは、前記積層板の表面層の厚さ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の積層板の加工方法。

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