JP2012186272A - 光学装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光学素子の光機能部に水分が結露することを防止し、光学素子の機能が損なわれることのない光学装置を提供する。
【解決手段】光学装置は、一面に光機能部12が露出した光学素子を有する第一基板11と、前記光機能部に対向して配された第二基板13と、前記光機能部を覆い、前記第一基板と前記第二基板とを接合する光透過性の第一樹脂層14と、前記第一基板の平面視において前記第一樹脂層を取り囲む空洞部15と、前記第一基板の平面視において前記空洞部を取り囲み、前記第一基板と前記第二基板とを接合する第二樹脂層16と、を備えた光学装置であって、前記第一樹脂層と前記空洞部とは、隣接している。
【選択図】図1

Description

本発明は、光学装置に関し、詳しくは、光学素子を備えた光学装置に関する。
CCD、CMOSを使った固体撮像素子や、LEDを使った発光素子に代表される光半導体デバイスでは、市場からのパッケージサイズの縮小要求により、基板貫通配線技術を応用したTSV(Through Silicon Via)パッケージを応用したパッケージ形態が注目されている。
従来の光半導体デバイス(以下、単に光学装置と称する)の構造は、例えば、図7(a)に示すものが挙げられる。この光学装置201は、半導体基板202の一面側202aに光学素子203が形成され、前記光学素子203の内部には光機能部203aが形成されている。また、半導体基板202の一面側202aに対向し、光透過性の接合樹脂204を介して透明基板205が接合される。そして、半導体基板202の一面側202aと他面側202bとの間で貫通電極205が形成されている。他面側202bには、他の回路基板に接続(実装)する際に接続端子となる半田バンプ206が形成されている(例えば、特許文献1、2参照)。
また、図7(b)に示す、別な構成の従来の光学装置211では、半導体基板212の一面側212aに光学素子213が形成され、前記光学素子213の内部には光機能部213aが形成されている。また、半導体基板212の一面側212aに対向し、接合樹脂214を介して透明基板215が接合される。この接合樹脂214は、前記一面側212aを見下ろす平面視において、半導体基板212の周縁領域に形成されている。光機能部213aの上方は、半導体基板212、接合樹脂214、透明基板215によって囲まれた空隙216となっている(例えば、特許文献3、4参照)。
特開2009−010288号公報 特開平7−221132号公報 特開2006−108285号公報 特開2003−92394号公報
しかしながら、上述した図7(b)に示した従来構造の光学装置211は、外部環境の条件(温度など)によっては、空隙216にガスとして存在していた水分が、光学素子213の光機能部213aに結露する虞がある。そのため、光機能部213aに入射したり、光機能部213aから出射する光が、結露により付着した水滴によって乱反射し、光学素子113の機能を損ねてしまう可能性があった。
また、上述した図7(a)に示した従来構造の光学装置201は、光機能部203aを覆うように接合樹脂204が形成されている。そのため、図7(b)の光学装置211のように、光機能部203aの上方は空隙となっていない。しかしながら光学装置201においても、外部環境の条件によっては、接合樹脂の内部に含まれていた水分が、光機能部203aと接合樹脂204との界面に結露して水滴を生じさせる虞があった。この場合も同様に、光機能部203aに入射したり、光機能部203aから出射する光が水滴によって乱反射し、光学素子203の機能を損ねてしまう可能性があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、光学素子の光機能部に水分が結露することを防止し、光学素子の機能が損なわれることのない光学装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は、次のような光学装置を提供した。
すなわち、本発明の光学装置は、一面に光機能部が露出した光学素子を有する第一基板と、前記光機能部に対向して配された第二基板と、前記光機能部を覆い、前記第一基板と前記第二基板とを接合する光透過性の第一樹脂層と、前記第一基板の平面視において前記第一樹脂層を取り囲む空洞部と、前記第一基板の平面視において前記空洞部を取り囲み、前記第一基板と前記第二基板とを接合する第二樹脂層と、を備えた光学装置であって、前記第一樹脂層と前記空洞部とは、隣接していることを特徴とする。
こうした構成より、光機能部を覆う第一樹脂層内部の水分が、空洞部に向けて排出されるので、光機能部と第一樹脂層との界面に水分が結露する不具合を抑制することができる。よって、外部環境の条件が変動したとしても、光学素子の機能が損なわれることのない光学装置を提供することができる。
前記第一樹脂層と前記第二樹脂層とは、互いに異なる材料で形成されていればよい。
こうした構成によれば、例えば、光透過性に優れた樹脂で第一樹脂層を構成し、接合強度に優れた樹脂で第二樹脂層を構成するというように、それぞれの樹脂層に異なる機能を持たせることができる。
前記空洞部には、吸湿体が配されていれば良い。
こうした構成によれば、第一樹脂層から空洞部に向けて排出された水分が吸湿体に吸湿され、空洞部内の湿度が低下する。したがって、第一樹脂層から空洞部への水分の排出を、促進することができる。
前記第一樹脂層は、前記第二樹脂層よりも吸湿性の低い樹脂で形成されていればよい。
こうした構成によれば、第一樹脂層内に含まれる水分の量を少なくし、第一樹脂層内での結露の発生を、より低減することが可能になる。
前記第二樹脂層には、前記空洞部と外気とを連通させる通気口が形成されていればよい。
こうした構成によれば、第一樹脂層から空洞部に放出された水分を、通気口を通して外気へ排出することができる。このため、空洞部の湿度上昇が抑えられ、第一樹脂層から空洞部への水分の放出を、より促進することができる。
本発明の光学装置によれば、光機能部を覆う第一樹脂層内部の水分が、空洞部に向けて排出されるので、光機能部と第一樹脂層との界面における水分の結露を抑制することができる。よって、外部環境の条件が変動したとしても、光学素子の機能が損なわれることのない光学装置を提供することができる。
本発明の光学装置の一実施形態を示す断面図である。 本発明の光学装置の他の実施形態を示す断面図である。 本発明の光学装置の他の実施形態を示す断面図である。 本発明の光学装置の他の実施形態を示す断面図である。 本発明の光学装置の他の実施形態を示す断面図である。 光学装置の製造方法の一例を示す断面図である。 従来の光学装置の一例を示す断面図である。
以下、図面を参照して、本発明に係る光学装置の一実施形態について説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨を分かり易く開示した具体例を説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴を分かり易くするために、便宜上、主要な部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが、実際に作製したものと同一であるとは限らない。
(第一実施形態)
図1は、本発明の光学装置の一実施形態を示したものである。図1(a)は、本実施形態の光学装置を厚さ方向に切断した断面図である。また、図1(b)は、図1(a)のA−A線に沿った断面図である。
光学装置10は、半導体基板(第一基板)11を有し、この半導体基板11の一面11a側には、光学素子12が形成されている。光学素子12には、光が入射出する光機能部12aが形成され、光機能部12aは半導体基板11の一面11a側に露出している。
半導体基板11の材料は、例えば、Siであればよい。また、これ以外にも、例えば、SiGe,GaAs等の化合物半導体でもよい。半導体基板11は、半導体ウエハに複数の光学素子を形成し、その後、個々の光学素子を分離するように切断(ダイシング)したチップ状の半導体基板である。
半導体基板11の厚さは、例えば50〜800μm程度であればよい。
また、光学素子12は、例えば、CCD、CMOS等の撮像素子や、LED等の発光素子である。
光学素子12の光機能部12aに対向するように、透明基板(第二基板)13が配されている。
透明基板13は、光学素子12が入射出する光に対して透明な材料であれば良い。透明基板13の材料は、例えばガラスや樹脂など、適宜選択すればよい。
互いに対向して配された半導体基板11と透明基板13とは、第一樹脂層14と、第二樹脂層16とを介して接合される。第一樹脂層14は、光学素子12に入射出する光に対して透明な樹脂を用いて形成される。そして、この第一樹脂層14は、半導体基板11と透明基板13とが重なり合う領域のうち、少なくとも光学素子12の光機能部12aを覆う領域に選択的に形成されている。即ち、第一樹脂層14は、半導体基板11と透明基板13のそれぞれに接して形成されている。
第一樹脂層14を構成する材料の具体例としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、等が挙げられる。
第一樹脂層14が、半導体基板11と透明基板13とを接合する構造を得るためには、先ず、透明基板13上に第一樹脂層14を形成した後に半導体基板11を貼り合わせればよい。あるいは、半導体基板11上に第一樹脂層14を形成した後に、透明基板13と貼り合わせてもよい。
第一樹脂層14の形成方法は、先ず、感光性の液状樹脂をスピンコート法、印刷法、スプレー法等により塗布したり、感光性のフィルムレジストをラミネート法でコーティングしたりする。次いで、これをフォトリソグラフィ技術によりパターニングして、所定位置のみ残して形成することができる。
第一樹脂層14の厚さは、光学素子12から要求される仕様などに応じて自由に選択可能である。例えば数μm〜数十μmの範囲であれば、半導体基板11と透明基板13とが強固に接合されるとともに、光学装置10の厚さを抑制することができる。
半導体基板11の一面11aを見下ろす平面視において、第一樹脂層14の周囲には、空洞部15が形成されている。また、第一樹脂層14と空洞部15とは隣接している。
第一樹脂層14の周囲には、空洞部15を介して第二樹脂層16が更に形成されている。この第二樹脂層16は、半導体基板11の一面11aを見下ろす平面視において、半導体基板11と透明基板13とが重なり合う領域の最外周に沿って形成されている。こうした第二樹脂層16も、第一樹脂層14と同様に、下面で半導体基板11の一面11aと接し、上面で透明基板13と接している。
第一樹脂層14と第二樹脂層16とは、同じ材料で形成されていてもよい。あるいは、第一樹脂層14と第二樹脂層16とは、互いに異なる材料で形成されていてもよい。第一樹脂層14と第二樹脂層16とが互いに異なる材料で形成されていることによって、それぞれの樹脂層に独自の機能を与えることができる。例えば、第一樹脂層14には、光透過性に優れた材料を適用し、第二樹脂層16には半導体基板11と透明基盤13との接合機能に優れた材料を適用することができる。
第二樹脂層16は、半導体基板11と透明基板13との接合強度に優れた材料を採用することが好ましい。このような材料を適用することで、半導体基板11と透明基板13との剥離不良を抑制することができる。
第二樹脂層16の具体例としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、等が挙げられる。
半導体基板11の一面11aには、光学素子12と電気的に接続された電極パッドが形成されている。さらに、この電極パッドから半導体基板11の他面11bにかけて貫通した貫通電極17が形成されている。そして、この貫通電極17の一端から他面11b上に表面配線が形成されており、その表面配線上には光学装置10を他の回路基板等に電気的に接続するためのバンプ18が形成されている。更に、他面11b側には他面11bに形成された表面配線を覆う封止層19が形成されている。
貫通電極17としては、電気の良導体であれば特に制限は無く、例えば、銅、チタン、チタンタングステン、クロム等の金属の他に、Au−Sn、Sn−Pb等の合金、あるいはそれらの組み合わせからなる材料を用いればよい。
封止層19としては、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。バンプ18としては、Sn−PbやSn−Ag−Cu等の半田が用いられる。
以上のような構成の光学装置における本発明の作用について説明する。
本発明の光学装置10では、光学素子12の光機能部12aが第一樹脂層14で覆われているため、空洞部15に存在する水分が結露したとしても、光機能部12aに直接付着することがない。
また、第一樹脂層14の周囲には、空洞部15が形成されている。このような空洞部15によって、第一樹脂層14の内部に含まれる水分は、空洞部15に露出した第一樹脂層14の側面14aから空洞部15に向けて排出される。これにより、第一樹脂層14の内部の水分が、第一樹脂層14と光機能部12aとの界面に結露することを抑制することができる。
こうした作用を円滑に実現するために、第一樹脂層14や第二樹脂層16は、吸湿性が低く、かつ透湿性が高い樹脂を用いることが好ましい。これにより、第一樹脂層14が吸湿した水分は空洞部15に放出されやすくなり、第一樹脂層14の内部の水分が、第一樹脂層14と光機能部12aとの界面において結露することを、より抑制することができる。
以上のように、光学装置10の温度や湿度などの周辺環境が大きく変動しても、光学素子12の光機能部12aと第一樹脂層14との界面に結露が生じ、光の入射出を妨げることを抑制することができる。
(第二実施形態)
図2は、本発明の光学装置の他の実施形態を示したものである。図2(a)は、本実施形態の光学装置を厚さ方向に切断した断面図である。また、図2(b)は、図2(a)のA−A線に沿った断面図である。
この実施形態の光学装置20は、半導体基板(第一基板)21の一面21a側に、光学素子22が形成されている。光学素子22の内部には、光が入射出する光機能部22aが形成され、光機能部22aは半導体基板21の一面21aに露出している。そして、半導体基板21と透明基板(第二基板)23との間には、光機能部22aを覆うように、透明な第一樹脂層24が形成されている。そして、半導体基板21の一面21aを見下ろす平面視において、第一樹脂層24の周囲には空洞部25が形成されており、第一樹脂層24と空洞部25とは隣接している。
更に、空洞部25の周囲には第二樹脂層26が形成されている。この第二樹脂層26は、半導体基板21の一面21aを見下ろす平面視において、半導体基板21と透明基板23とが重なり合う領域の最外周部に沿って形成されている。
そして、空洞部25には、吸湿体29が形成されている。この吸湿体29は、例えば、空洞部25に面した半導体基板21の一部に形成されていても良いし、第一樹脂層24を囲むロ字状に形成されていても良い。
こうした吸湿体29としては、例えば、多孔質シリカを挙げることができる。多孔質シリカの粉体を含む溶液を半導体基板21の一面に塗布し、その後、溶媒を乾燥、気化させることによって、半導体基板21の一面に多孔質シリカからなる吸湿体29を形成することが可能になる。
なお、こうした吸湿体29は、半導体基板21の一面に形成する以外にも、透明基板23が空洞部25に露出する領域に形成しても良い。更に、半導体基板21と透明基板23の両方の空洞部25に露出する領域に吸湿体29をそれぞれ形成することも好ましい。
こうした実施形態では、第一樹脂層24から空洞部に向けて排出された水分を吸湿体29によって捕捉し、空洞部25内の湿度を下げることができる。したがって、第一樹脂層24から空洞部25に向けて水分が排出されるのを促進することができる。また、空洞部25内で水分が再結露することを抑制することができる。
(第三実施形態)
図3は、本発明の光学装置の他の実施形態を示した図である。図3(a)は、本実施形態の光学装置を厚さ方向に切断した断面図である。また、図3(b)は、図3(a)のA−A線に沿った断面図である。
この実施形態の光学装置30は、半導体基板(第一基板)31の一面31a側に、光が入射出する光機能部32aをもつ光学素子32が形成されている。そして、光機能部32aを覆うように、半導体基板31と透明基板(第二基板)33との間に、透明樹脂からなる第一樹脂層34が形成されている。半導体基板31の一面31aを見下ろす平面視において、第一樹脂層34の周囲には、空洞部35が形成されており、第一樹脂層34と空洞部35とは隣接している。
更に、空洞部35の周囲には第二樹脂層36が形成されている。そして、この第二樹脂層36には、空洞部35と外気とを連通させる通気口37が形成されている。
空洞部35は通気口37を介して外気と連通されているので、第一樹脂層34から空洞部35に放出された水分は通気口37を介して速やかに外部に排出される。このため、空洞部35を速やかに低湿度にすることでき、第一樹脂層34の内部に含まれる水分が空洞部35へ放出されることをより一層促進させることができる。
(第四実施形態)
図4は、本発明の光学装置の他の実施形態を示した図である。図4(a)は、本実施形態の光学装置を、厚さ方向に切断した断面図である。また、図4(b)は、図4(a)のA−A線に沿った断面図である。
この実施形態の光学装置40は、半導体基板(第一基板)41の一面41a側に、光が入射出する光機能部42aをもつ光学素子42が形成されている。そして、半導体基板41と透明基板(第二基板)43との間には、光機能部42aを覆う透明樹脂からなる第一樹脂層44が形成されている。半導体基板41の一面41aを見下ろす平面視において、第一樹脂層44の周囲には、空洞部45が形成されており、第一樹脂層44と空洞部45とは隣接している。
半導体基板31の一面31aを見下ろす平面視において、第一樹脂層44は、丸形となるように形成されている。即ち、第一樹脂層44は、半導体基板31と透明基板43とで挟まれた空間において、丸柱状に形成されている。こうした第一樹脂層44は、光機能部42aの全てを覆うように形成されていれば良い。
このように、半導体基板31の一面31aを見下ろす平面視において、第一樹脂層44が丸形となるように形成されていることによって、第一樹脂層44内部の水分が空洞部45へと排出されることによって、第一樹脂層44と光機能部42aとの界面に生じる結露を抑制できるとともに、第一樹脂層44へ応力集中しにくくなり、第一樹脂層44へのダメージを抑えることができる。
(第五実施形態)
図5は、本発明の光学装置の他の実施形態を示した図である。図5(a)は、本実施形態の光学装置を厚さ方向に切断した断面図である。また、図5(b)は、図5(a)のA−A線に沿った断面図である。
この実施形態の光学装置50は、半導体基板(第一基板)51の一面51a側に、光機能部52aをもつ光学素子52が形成されている。そして、半導体基板51と透明基板(第二基板)53との間には、光機能部52aを覆うように、透明樹脂からなる第一樹脂層54が形成されている。そして、この第一樹脂層54の周囲には、空洞部55が形成されており、第一樹脂層54と空洞部55とは隣接している。
更に、空洞部55の周囲には第二樹脂層56が形成されている。更に、第一樹脂層54と第二樹脂層56との間の空洞部55には、第二樹脂層56の四隅の角部の近傍に、第三樹脂層59a〜59dが形成されている。この第三樹脂層59a〜59dは、半導体基板51と透明基板53とを接合する、例えば円柱状に形成された樹脂層とすることができる。
こうした実施形態であっても、光機能部52aに対応して第一樹脂層54を形成することによって、光機能部52aに結露が生じることを防止する。また、第一樹脂層54の内部に浸透している結露の原因となる水分を、空洞部55に向けて速やかに放出することができ、第一樹脂層54の内部で結露が生じることを確実に防止する。
そして、第三樹脂層59a〜59dを形成することによって、半導体基板51と透明基板53との接合面積を増加させ、例えば、外部からの応力による半導体基板51と透明基板53との剥離を防止し、半導体基板51と透明基板53との結合をより一層高めることができる。
次に、本発明に係る光学装置の製造方法の一例を説明する。
図6は、光学装置の製造方法の一例を段階的に示した図である。
まず、半導体基板(第一基板)101を用意する。この半導体基板101は、ウエハ状(円盤状)の基板であり、直径が6インチや8インチなど、様々なサイズのウエハを用いることができる。また、外形がウエハ状(円盤状)の基板に限らず、矩形状などの任意の外形の基板を用いることができる。
この半導体基板101の一面101a側に複数の光学素子102,102…を所定の間隔で配列形成する(図6(a)参照)。光学素子102の内部には、光機能部102aが形成されており、一面101aに露出している。ウエハ状の半導体基板101は、例えば、Si、SiGe,GaAs等の半導体材料からなる半導体ウエハを用いればよい。また、光学素子102は、例えば、CCD、CMOS等の受光素子や、LED等の発光素子といった光学素子であれば良い。
次に、半導体基板101の一面101a上の光機能部102aを覆う位置に、透明な樹脂からなる第一樹脂層104と第二樹脂層106とを、所定の厚さで形成する(図6(b)参照)。または、後述する透明基板103に第一樹脂層104と第二樹脂層106とを形成した後に、半導体基板101と貼り合わせても良い。
第一樹脂層104と第二樹脂層106とを、異なる材料を用いて形成しても良い。その場合は、第一樹脂層104と第二樹脂層106とを、一方ずつ順に形成すれば良い。
第一樹脂層104と第二樹脂層とは、互いに離間して形成する。このようにすることで、透明基板103を貼り合せた後に、空洞部105が区画される。
第一樹脂層104を形成するには、感光性もしくは液状樹脂やフィルム状の樹脂を用いることができる。樹脂の種類としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂等が利用できる。第二樹脂層106は、透明である必要はなく、不透明であってもよい。第二樹脂層106としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂等が利用できる。
次に、半導体基板101の一面101a側に、第一樹脂層104と第二樹脂層106を介して透明基板(第二基板)103を貼り合わせる(図6(c)参照)。透明基板103の材料は、例えばガラスや樹脂など、光学装置100の用途によって適宜選択することが可能である。
半導体基板101と透明基板103とを貼り合わせた後、半導体基板101の裏面101b側を研磨して、半導体基板101を薄化することができる。さらに、半導体基板101の裏面101b側から光学素子102の電極パッド(不図示)に向けて、半導体基板11を厚さ方向に貫通する貫通電極107を形成してもよい(図6(d),(e)参照)。こうした貫通電極107を形成するには、半導体基板101の性質に応じて公知技術を適用することができる。
こうして段階的に形成された光学装置100の集合体を、切断(ダイシング)し、個々の光学装置100,100…を形成する(図6(f)〜(h)参照)。切断にあたっては、第二樹脂層106を両断する位置において切断すればよい。切断する方法としては、例えば回転ブレードやレーザー光による切断など、材料に応じて切断方法を適宜選択すれば良い。
10…光学装置、11…半導体基板(第一基板)、12…光学素子(機能素子)、13…透明基板(第二基板)、14…第一樹脂層、15…空洞部、16…第二樹脂層。

Claims (5)

  1. 一面に光機能部が露出した光学素子を有する第一基板と、前記光機能部に対向して配された第二基板と、前記光機能部を覆い、前記第一基板と前記第二基板とを接合する光透過性の第一樹脂層と、前記第一基板の平面視において前記第一樹脂層を取り囲む空洞部と、前記第一基板の平面視において前記空洞部を取り囲み、前記第一基板と前記第二基板とを接合する第二樹脂層と、を備えた光学装置であって、前記第一樹脂層と前記空洞部とは、隣接していることを特徴とする光学装置。
  2. 前記第一樹脂層と前記第二樹脂層とは、互いに異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
  3. 前記空洞部には、吸湿体が配されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光学装置。
  4. 前記第一樹脂層は、前記第二樹脂層よりも吸湿性の低い樹脂で形成されていることを特徴とする請求項1ないし3いずれか1項に記載の光学装置。
  5. 前記第二樹脂層には、前記空洞部と外気とを連通させる通気口が形成されていることを特徴とする請求項1ないし4いずれか1項に記載の光学装置。
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JP2018182172A (ja) * 2017-04-18 2018-11-15 日本電信電話株式会社 受光素子およびその作製方法

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