JP2012049400A - 光センサの製造方法、光センサ及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像素子チップへのα線の影響が低減でき、反りを抑制することができる光センサの製造方法、光センサ及びカメラを提供することを目的とする。
【解決手段】 光センサの製造方法は、複数の画素領域を備えた半導体ウエハを準備する工程と、透光性ウエハと、透光性ウエハの第１主面上に複数の画素領域の各々に対応して配置された、α線放出量が０．０５ｃ／ｃｍ^２・ｈ以下の複数の透光性部材と、を有する透光性基板を準備する工程と、透光性ウエハの複数の透光性部材と半導体ウエハとを向かい合わせて、透光性基板と半導体ウエハとを固定部材によって貼り合せる工程と、固定された半導体ウエハと透光性基板とを個片化する工程と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光センサの製造方法、光センサ及びカメラに関する。

固体撮像装置としての光センサは、凹部を有するセラミックやプラスチップのパッケージとカバー部材とを用いて、ウエハから個片化された撮像素子チップを内部に封止する構成が知られている。このような光センサでは、ガラスがカバー部材として用いられた際に、ガラスに含まれる重金属類から放出されたα線が撮像素子チップの特性に悪影響を与えることがわかっている。そこで、光センサのカバー部材として、α線を全く放出しない水晶を用いる構成が開示されている（特許文献１参照）。さらに、α線の放出が小さいガラスをカバー部材として用いる構成が開示されている（特許文献２参照）。

また、撮像素子を備えたウエハの状態の半導体基板と光透過性基板とを固定し、個片化するＷＬＣＳＰ（ウエハレベルチップサイズパッケージ）が知られており、その構成や製造方法が開示されている（特許文献３参照）。

特開２００８−３４５０２号公報 特開平５−２７９０７４号公報 特開２０１０−０５０２６０号公報

ＷＬＣＳＰの光センサでは、ウエハレベルで一括処理できるため、製造コストの低減や、さらに小型、薄型の光センサが実現できる。

しかしながら、α線の放出量が無い水晶やα線の放出量が少ないガラスからなる光透過性基板を用いてウエハと固定した場合、製造工程中に反りが発生し、歩留りが低下するという問題点があった。また、固定された光透過性基板とウエハの反りが大きい場合は、クラックや、剥離が発生するという問題点があった。そのため、個片化した後の光センサも同様な問題点があった。

そこで、本発明は、撮像素子チップへのα線の影響が低減でき、反りを抑制することができる光センサの製造方法、光センサ及びカメラを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面に係る光センサの製造方法は、複数の画素領域を備えた半導体ウエハを準備する工程と、透光性ウエハと、前記透光性ウエハの第１主面上に前記複数の画素領域の各々に対応して配置された、α線放出量が０．０５ｃ／ｃｍ^２・ｈ以下の複数の透光性部材と、を有する透光性基板を準備する工程と、前記透光性ウエハの前記複数の透光性部材と前記半導体ウエハとを向かい合わせて、前記透光性基板と前記半導体ウエハとを固定部材によって貼り合せる工程と、固定された前記半導体ウエハと前記透光性基板とを個片化する工程と、を有する。

撮像素子チップへのα線の影響が低減でき、反りを抑制することができる光センサの製造方法、光センサ及びカメラを提供することができる。

実施例１の光センサの透視平面図及び断面図である。 実施例１の光センサの製造方法を示す平面図及び断面図である。 実施例１の光センサの部分的な断面図である。 実施例２の光センサの透視平面図及び断面図である。 実施例２の光センサの製造方法を示す平面図及び断面図である。 光センサを、撮像システムの一例であるデジタルカメラへ適用した場合のブロック図である。

以下、本発明の実施例を図１〜図６に基づいて説明する。

図１は本発明の第１の実施例の光センサを示す図である。図１（ａ）は、光センサの透視平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＸ−Ｘ’線に沿った模式的断面図である。

光センサは、画素領域５を備えた撮像素子チップ１と、撮像素子チップ１に固定部材３を介して固定された透光性カバー部材２と、を有する。透光性カバー部材２と撮像素子チップ１と固定部材３とで囲まれることによって空間７が構成されている。符号２７は固定部材３の内周を示している。この光センサは、後述するように半導体ウエハと透光性基板とを固定部材３で固定した後に切断して個片化した物である。撮像素子チップ１はＣＭＯＳイメージセンサであり、画素領域５は、入射光を電荷に変換する複数の変換素子、複数のトランジスタなどを有する。撮像素子チップ１の半導体基板上には配線構造１２、図２で説明する第１平坦化膜１４、カラーフィルタ１５、第２平坦化膜１６が配置され、マイクロレンズ１７が配置されている。半導体基板１１の下側（光入射側とは反対側）には、絶縁膜２０、導電膜２１、絶縁部材２３が配置されている。絶縁膜２０は、酸化膜や窒化膜などが用いられ、導電膜２１はＡｌ、Ｃｕなどが用いられ、絶縁部材２３はソルダーレジストなどが用いられる。撮像素子チップ１は、半導体基板１１の光入射側である透光性カバー部材側の第１主面と、第１主面とは反対側の第２主面とを貫通する貫通電極６を有する。貫通電極６は導電膜２１の一部によって構成されている。貫通電極６は配線構造内の表面電極１３に電気的に接続されている。また、不図示の回路基板と電気的に接続するために撮像素子チップ１は、導電膜２１の一部によって構成されている配線２２を有する。さらに、透光性カバー部材２とは反対側に配置された配線２２と電気的に接続された、外部回路との接続のための接続端子２４を有する。接続端子２４は半田ボールを用いたがＡＣＰ、ＡＣＦ、ＮＣＰなどの異方性導電性部材も好適に用いることができる。撮像素子チップとしてのＣＭＯＳイメージセンサは、シリコン基板が用いられている。撮像素子チップは、ＣＭＯＳイメージセンサの他にＣＣＤイメージセンサなどを用いることができる。透光性カバー部材２は、透光性基板が個片化された後の構成を示しており、ガラス板２ａと、ガラス板２ａの撮像素子チップ側に固定された、α線放出量が０．０５ｃ／ｃｍ^２・ｈ以下の透光性部材２ｂと、を有する。透光性カバー部材２からのα線放出量が０．０５ｃ／ｃｍ^２・ｈより大きい場合は、撮像素子チップ１の誤動作や画質低下の可能性があるため、α線放出量を低減する必要がある。また、透光性カバー部材２は、撮像素子チップ１と線膨張係数が近い方が好ましい。しかしながら、現状の光センサ用の低α線ガラスは線膨張係数の差が大きい。そこで、透光性カバー部材２として、撮像素子チップ１と固定したときに反りを抑制するためのガラス板２ａと、撮像素子チップ１へのα線の照射を低減するための透光性部材２ｂとを組み合わせている。ガラス板２ａは、撮像素子チップ１に用いられている半導体基板１１であるシリコンの線膨張係数の２．６ｐｐｍ／℃と近い線膨張係数の材料が好ましく、２．０ｐｐｍ／℃以上４．０ｐｐｍ／℃以下の材料が好ましい。そのため、ガラス基板２ａは、３．２ｐｐｍ／℃のホウ珪酸ガラスを用いた。ガラス基板２ａのためのホウ珪酸ガラスとしては、パイレックス（登録商標）、テンパックス（登録商標）などを用いることができる。ガラス基板２ａに用いるこれらの材料は、透光性部材２ｂに比べてα線の放出量が大きい。撮像素子チップ１とガラス板２ａとの線膨張係数が近いため、温度変化による反りが抑制される。透光性部材２ｂは、α線放出量が低い材料であり、さらにはガラス板２ａにおいてα線が放出されたとしてもそのα線を吸収して低減するため、α線の撮像素子チップ１への影響を低減することができる。透光性部材２ｂは、α線の吸収のためには厚い方が効果的であり、５０μｍ以上がより好ましい。一方、透光性部材２ｂは２００μｍ以下が好ましい。なぜなら透光性部材２ｂの厚みが２００μｍより厚くなると、ガラス板２ａと撮像素子チップ１との間隔が広がるため、固定部材３が厚くなってしまい、製造が難しい、耐湿性の低下などの可能性がある。透光性部材２ｂは、線膨張係数が約６ｐｐｍ／℃のホウ珪酸ガラスからなる低α線ガラスを用いた。透光性部材２ｂとしては、線膨張係数が約１０ｐｐｍ／℃の水晶や、その他、硅珪酸ガラスなども用いることができる。固定部材３は、接着剤であり、ＵＶ硬化や熱硬化タイプなどの液状接着剤、感光性フィルムなどのシート接着剤を用いることができ、例えばパターニングによって形成される。なお、ガラス板と撮像素子チップの間隔が広い場合は、固定部材を所望の位置に形成する工程において、液状接着剤を用いると接着剤が広がりやすく、シート接着剤を用いると何層も重ねたりと、製造工程が難しくなる。

次に、図１の光センサの製造方法を、図２を用いて説明する。なお、図２は、図１に比べて簡略化している。
まず、シリコン単結晶から形成された基板３１に、図１に示す画素領域等が複数形成された、複数の画素領域５を備えた半導体ウエハ３０を準備する（図２（ａ））。画素領域等は、一般的な半導体素子製造工程によって形成される。

そして、透光性ウエハ４１と、透光性ウエハ４１の第１主面上に半導体ウエハ３０の複数の画素領域５の各々に対応して配置された、複数の透光性部材２ｂと、を有する透光性基板４０を準備する（図２（ｂ））。複数の透光性部材２ｂは、α線放出量が０．０５ｃ／ｃｍ^２・ｈ以下である。透光性基板４０は半導体ウエハ３０と同程度の大きさである。符号４２は切断時の仮想の線である。透光性ウエハ４１と透光性部材２ｂの固定は、透光性部材２ｂの周辺部又は全面に配置された接着剤４３によって固定される。周辺部で固定した場合は、透光性ウエハ４１と透光性部材２ｂとの間に空間が構成され、全面で固定した場合は、透光性ウエハ４１と透光性部材２ｂとの間に接着剤４３の層が構成される（図３（ａ）及び図３（ｂ）参照）。透光性ウエハ４１は、厚みが０．３ｍｍで、シリコンの線膨張係数と近い３．２ｐｐｍ／℃のホウ珪酸ガラス（パイレックス（登録商標））である。透光性部材２ｂは、線膨張係数が約６ｐｐｍ／℃で、α線放出量が０．０５ｃ／ｃｍ^２・ｈ以下のホウ珪酸ガラスである。透光性部材２ｂは、半導体ウエハ３０の画素領域５にα線の入射することを低減することができることが必要である。そのため、透光性部材２ｂの大きさは、半導体ウエハ３０の画素領域５と同じ大きさ又はそれ以上の大きさとすることが好適である。さらに、透光性部材２ｂの大きさは、図１で示すように固定部材３の内周より小さいことが好ましい。なお、透光性ウエハ４１は、透光性部材２ｂに比べてα線放出量が大きい。

次に、半導体ウエハ上に格子状に固定部材３を配置する（図２（ｃ））。固定部材３は、液状接着剤を用い、透光性基板４０と半導体ウエハ３０とを貼り合わせた際に、透光性部材２ｂを囲むような位置に配置する。図では半導体ウエハ側に固定部材３を配置しているが、透光性基板４０に配置しても半導体ウエハ３０と透光性基板４０の両方に配置しても良い。

次に、透光性ウエハ４１に固定された複数の透光性部材２ｂと半導体ウエハ３０とを向かい合わせて、透光性基板４０と半導体ウエハ３０とを固定部材によって貼り合せる（図２（ｄ））。固定部材３の幅は、耐湿性の確保と小型化のため、１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。

次に、半導体ウエハ３０の厚みを薄くする（図２（ｅ））。厚みを薄くする方法は、バックグラインド、ＣＭＰ（化学機械研磨）、エッチングのうち１以上の方法が選択される。そして、半導体ウエハ３０の厚さは、加工前の７００μｍから７５μｍに薄くした。半導体ウエハ３０の厚みは１００μｍ程度まで薄化すると、次の工程である貫通電極の形成が容易になる。

次に、半導体ウエハ３０に貫通電極６を形成する（図２（ｆ））。貫通電極６は、半導体ウエハ表面に形成された不図示の多層配線の配線部分を開口させるために貫通孔をエッチングにて形成する。そして、シリコン酸化膜などの絶縁膜を形成し貫通孔内の絶縁膜をエッチングして開口させ、例えばＣｕメッキにて貫通孔に貫通電極を形成し、半導体ウエハの透光性基板とは反対側の面（裏面）に配線を形成する。そして、半導体ウエハの裏面に絶縁部材としてのソルダーレジストを形成し、配線上に開口を形成し、接続端子２４としての半田ボールを形成する。

次に、固定された半導体ウエハと透光性基板とを切断して個片化する（図２（ｇ））。符号５０は切断位置である。切断する方法は、ブレードダイシングやレーザダイシングなどから選択される。レーザダイシングは、薄化された半導体ウエハの加工性に優れ、切断の幅が小さくでき、切断面のバリなどの発生を抑制できるので好適な方法である。この様な工程によって、光センサが完成する（図２（ｈ））。
上記のように本実施例の光センサによって、撮像素子チップへのα線の影響を低減でき、反りを抑制することができる。また、本実施例の光センサの製造方法によって、撮像素子チップへのα線の影響を低減でき、ウエハレベルでの反りが抑制され、個片化した後の光センサにおいても反りが抑制されるため、歩留りの低下を抑制することができる。

図４は、本発明の第２の実施例の光センサを示す図である。図１（ａ）は、光センサの透視平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＹ−Ｙ’線に沿った模式的断面図である。

図１の光センサと異なる点は、透光性部材と撮像素子チップとの向かい合う表面同士の少なくとも一部が接触している点である。図１と同じ構成に関しては、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

透光性カバー部材２と撮像素子チップ１との接触は、図４に示すように撮像素子チップのマイクロレンズ１７と透光性部材２ｂとの接触である。ここで、マイクロレンズ１７と透光性部材２ｂとの接触とは、直接接する構成と、マイクロレンズ表面や透光性部材表面に形成された反射防止膜などを介して接する構成を含む。

このような構成によって、撮像素子チップ１のシリコン基板を薄くする際に、強度が向上し、反りなどの変形や割れの可能性を抑制することができる。

次に、図５の光センサの製造方法を、図５を用いて説明する。図５は図２と同様に簡略化している。
図５の光センサの製造方法が図２で示した製造方法と同じである場合は簡易的に説明し、異なる点を詳細に説明する。

まず、シリコン単結晶により形成された半導体ウエハ上に、図２に示す画素領域等が複数形成された、複数の画素領域５を備えた半導体ウエハ３０を準備する（図５（ａ））。半導体ウエハ３０の第１主面にはマイクロレンズ１７が形成されている。

そして、透光性ウエハ４１と、透光性ウエハ４１の第１主面上に半導体ウエハ３０の複数の画素領域５の各々に対応して配置された、複数の透光性部材２ｂと、を有する透光性基板４０を準備する（図５（ｂ））。透光性部材２ｂは、α線放出量が０．０５ｃ／ｃｍ^２・ｈ以下である。

次に、半導体ウエハ上に格子状に固定部材３を配置する（図５（ｃ））。固定部材３は、液状接着剤を用い、透光性基板４０と半導体ウエハ３０とを貼り合わせた際に、透光性部材２ｂを囲むような位置に配置する。

次に、透光性基板４ ０の複数の透光性部材２ｂと半導体ウエハ３０とを向かい合わせて、透光性基板４０と半導体ウエハ３０とを固定部材３によって貼り合せる（図５（ｄ））。この際、複数の透光性部材２ｂと半導体ウエハ３０の向かい合う表面同士の少なくとも一部を接触させる。すなわち、透光性部材２ｂとマイクロレンズ１７とが接触される。

次に、半導体ウエハの厚みを薄くする（図５（ｅ））。半導体ウエハ３０の薄化は貫通電極６を効果的に作成するために半導体ウエハのトータル厚みが１００μｍ程度になるまで薄化する。しかし、一般的に透光性基板４０と半導体ウエハ３０の間で中空部すなわち空間が形成された構成では、薄化が進むと研削砥石を押し付ける圧力で中空部が凹み、ウエハの局所変形や割れが生じてしまうという問題が発生した。この問題のため、センササイズの大型化は困難であった。本発明では透光性基板４０と半導体ウエハ３０を密着させることで、空間の凹みを低減し、半導体ウエハ３０の薄化工程における変形、割れ防止対策となることで、大型の光センサを得ることができる。ここで、大型の光センサとは、画角が１７．３×１３ｍｍのフォーサーズシステム以上のイメージセンサが主な対象となる。例えば、２２．３×１４．９ｍｍ程度のＡＰＳ−Ｃや３６．０×２４ｍｍ程度のフルサイズ、さらには中判サイズである。

次に、半導体ウエハに貫通電極６、半導体ウエハの透光性基板とは反対側の面（裏面）に配線を形成する（図５（ｆ））。そして、半導体ウエハの裏面に絶縁部材としてのソルダーレジストを形成し、配線上に開口を形成し、接続端子としての半田ボールを形成する。

次に、固定された半導体ウエハ３０と透光性基板４０とを切断して個片化する（図５（ｇ））。これらの工程によって、光センサが完成する（図５（ｈ））。

上記のように本実施例の光センサによって、撮像素子チップへのα線の影響を低減でき、反りをさらに抑制することができる。また、本実施例の光センサの製造方法によって、撮像素子チップへのα線の影響を低減でき、ウエハレベルでの反りがさらに抑制され、個片化した後の光センサにおいても反りが抑制されるため、歩留りの低下を抑制することができる。

（デジタルカメラへの応用）
図６は、本発明の第１、第２の実施例にて説明した光センサを、撮像システムの一例であるデジタルカメラへ適用した場合のブロック図である。

光センサである固体撮像装置６０４へ光を取り込むための構成として、シャッター６０１、撮像レンズ６０２、絞り６０３がある。シャッター６０１は固体撮像装置６０４への露出を制御し、入射した光は、撮像レンズ６０２によって固体撮像装置６０４に結像される。このとき、絞り６０３によって光量が制御される。

取り込まれた光に応じて固体撮像装置６０４から出力された信号は、撮像信号処理回路６０５にて処理され、Ａ／Ｄ変換器６０６によってアナログ信号からデジタル信号へ変換される。なお、Ａ／Ｄ変換器６０６は、固体撮像装置内に集積されていても良い。出力されたデジタル信号は、更に信号処理部６０７にて演算処理され撮像画像データが生成される。撮像画像データは、ユーザーの動作モードの設定に応じ、デジタルカメラに搭載されたメモリ６１０への蓄積や、外部Ｉ／Ｆ部６１３を通してコンピュータやプリンタなどの外部の機器への送信ができる。また、記録媒体制御Ｉ／Ｆ部８１１を通して、デジタルカメラに着脱可能な記録媒体６１２に撮像画像データを記録することも可能である。

固体撮像装置６０４、撮像信号処理回路６０５、Ａ／Ｄ変換器６０６、信号処理部６０７はタイミング発生部６０８により制御されるほか、システム全体は全体制御部・演算部６０９にて制御される。また、これらのシステムは、固体撮像装置６０４と同一の半導体基板上に、同一工程によって形成することも可能である。

１ 撮像素子チップ
２ 透光性カバー部材
２ａ ガラス板
２ｂ 透光性部材
３ 固定部材
５ 画素領域
６ 貫通電極
７ 空間
１１ 半導体基板
１２ 配線構造
１３ 表面電極
１４ 第１平坦化膜
１５ カラーフィルタ
１６ 第２平坦化膜
１７ マイクロレンズ
２０ 絶縁膜
２１ 導電膜
２２ 配線
２３ 絶縁部材
２４ 接続端子

Claims (13)

1. 複数の画素領域を備えた半導体ウエハを準備する工程と、
   透光性ウエハと、前記透光性ウエハの第１主面上に前記複数の画素領域の各々に対応して配置された、α線放出量が０．０５ｃ／ｃｍ^２・ｈ以下の複数の透光性部材と、を有する透光性基板を準備する工程と、
   前記透光性ウエハの前記複数の透光性部材と前記半導体ウエハとを向かい合わせて、前記透光性基板と前記半導体ウエハとを固定部材によって貼り合せる工程と、
   固定された前記半導体ウエハと前記透光性基板とを個片化する工程と、
   を有する光センサの製造方法。
2. 前記半導体ウエハを準備する工程は、前記複数の画素領域に対応する位置にマイクロレンズが配置された半導体ウエハを準備する工程であることを特徴とする請求項１に記載の光センサの製造方法。
3. 前記固定工程は、前記複数の透光性部材と前記半導体ウエハの向かい合う表面同士の少なくとも一部を接触させることを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光センサの製造方法。
4. 前記固定工程の前記透光性基板と前記半導体ウエハとの貼り合わせは、前記複数の透光性部材の各々を囲うように配置した固定部材によって、前記透光性ウエハと前記半導体ウエハとを貼り合わせることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光センサの製造方法。
5. 前記透光性基板を準備する工程は、前記透光性ウエハに固定された前記複数の透光性部材の厚みが５０μｍ以上の透光性基板を準備する工程であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光センサの製造方法。
6. 前記透光性基板を準備する工程は、前記複数の透光性部材よりα線の放出量が多い前記透光性ウエハを有する透光性基板を準備する工程であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光センサの製造方法。
7. 前記透光性基板を準備する工程は、前記透光性ウエハの線膨張係数が２．０ｐｐｍ／℃以上４．０ｐｐｍ／℃以下の透光性基板を準備する工程であり、
   前記半導体ウエハを準備する工程は、シリコンの半導体ウエハを準備する工程であることを特徴とする請求項１乃至６に記載の光センサの製造方法。
8. 画素領域を備えた撮像素子チップと、
   前記撮像素子チップに固定部材を介して固定された透光性カバー部材と、を有する光センサであって、
   透光性カバー部材は、ガラス板と、前記ガラス板の前記撮像素子チップ側に固定された、α線放出量が０．０５ｃ／ｃｍ^２・ｈ以下の透光性部材と、を有することを特徴とする光センサ。
9. 前記透光性部材の厚みが５０μｍ以上であることを特徴とする請求項８に記載の光センサ。
10. 前記ガラス板は前記透光性部材よりα線の放出量が大きいことを特徴とする請求項８又は９に記載の光センサ。
11. 前記ガラス板の線膨張係数が２．０ｐｐｍ／℃以上４．０ｐｐｍ／℃以下であり、前記撮像素子チップはシリコンからなる半導体基板を有することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の光センサ。
12. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光センサの製造方法によって製造された光センサと、
    前記光センサによって得られた信号を処理する信号処理部と、
    を備えることを特徴とするカメラ。
13. 請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の光センサと、
    前記光センサによって得られた信号を処理する信号処理部と、
    を備えることを特徴とするカメラ。

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