JP2013216568A - 赤外吸収ガラスウェハ及びそれを作製する方法 - Google Patents

赤外吸収ガラスウェハ及びそれを作製する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】赤外フィルターとしてフィルターガラスを含む光学系の製造を単純化し、その製造をより安価なものにし、同時にフィルターガラスで要求される空間を低減する方法の提供。
【解決手段】銅イオンを含有するリン酸ガラス又はフルオロリン酸ガラスで作製されたガラスウェハ1であって、該ガラスウェハ1が15センチメートルを超える直径と、0.4ミリメートル未満の厚さとを有し、該ガラスウェハ1の2つの面平行表面3,5の少なくとも一方が研磨される、銅イオンを含有するリン酸ガラス又はフルオロリン酸ガラスで作製されたガラスウェハ1が提供される。
【選択図】図3

Description

本発明は概して、ガラスウェハに関する。より具体的には、本発明は赤外吸収ガラスで作製されたガラスウェハに関する。
知られているように、カメラチップは通常、チップのピクセルが赤外スペクトル領域においても感度があるという特性を有する。その上、光学部品が標準ガラス又はプラスチック材料から作製されたカメラモジュールの光学系は一般に或る特定量の赤外線透過を示す。しかしながら、チップに到達する赤外光によって、望ましくない色及び輝度歪みが生じる。
このため、カメラモジュールには通常、赤外フィルターが具備されている。最も一般的な赤外フィルターは干渉フィルターである。このようなフィルターでは、多層誘電層系が基板、通常ガラス基板上に堆積されている。物理的理由に基づき、多層誘電層系は赤外線放射を反射するが、可視光を透過するように設計されている。このようなフィルターは作製するのに比較的安価であるが、幾つかの欠点を有する。干渉フィルターは多くの場合、透過曲線に或る特定の変調を与える。この変調はコムフィルターと同様の効果があり、個々の色に影響を与え得る。
その上、干渉フィルターは、「色ガラス」又は吸収フィルターとも称される光学フィルターガラスよりも、光入射角に対するフィルター曲線(透過曲線)のかなり強い依存性を示す。コンパクトカメラは通常、最大30度の全開口角を有し、多くの場合テレセントリックに配向されることがない。すなわち光線が或る特定の角度で(全開口角で)画像センサに衝突する。
さらに、赤外光が干渉層により光学系へと後方反射する。干渉フィルターは一般的に少なくとも近赤外領域においても一部(residual)透過を示すことから、多重反射により光学系において非常に厄介なゴースト(ghost images)が生じ得る。
その代替方法がフィルターガラスの形態の赤外フィルターにより与えられる。赤外光がフィルターガラスを通過する際に吸収されることから、フィルターガラスはその特質から上述のコムフィルター効果も多重反射した赤外光によるゴーストも示さない。
しかしながら、今までのところ干渉フィルターのコスト効率の高い製造はフィルターガラスと比較して干渉フィルターの唯一の利点ではない。干渉層は非常に薄く、また非常に薄型の基板上に堆積させることができる。これにより今では干渉フィルターを用いてよりコンパクトな光学系を作製することが可能になっている。
そのため、本発明の目的は、赤外フィルターとしてフィルターガラスを含む光学系の製造を単純化し、その製造をより安価なものにし、同時にフィルターガラスで要求される空間を低減することである。この目的は独立クレームの主題によって達成される。本発明の有益な実施形態及び変更形態は各従属クレームに記載されている。
したがって、本発明は銅イオン(Cuイオン)を含有するフルオロリン酸ガラス又はリン酸ガラスで作製されたガラスウェハを提供する。赤外光吸収のためのこのような銅イオン含有ガラスは、ブルーガラスとも称される。ガラスウェハは15センチメートルを超える直径を有する。ガラスウェハの厚さは0.4ミリメートル未満である。ガラスウェハの表面の少なくとも一方が研磨されている。ウェーブ形態のガラスウェハの表面の高さ変調は、1ミリメートル以下の長さに対して200ナノメートル未満、好ましくは130ナノメートル未満の高さに限定される。1ミリメートルという上述の関連尺度未満の幅を有するウェーブが、カメラセンサの光学的分解能に関して特に有効である。0.1ミリメートル〜1ミリメートルの長さ範囲内のウェーブ長、すなわちウェーブの平均周期が本明細書に関連する。
さらに本発明の1つの実施の形態によれば、ガラスウェハの厚さの変動は、5×5mm、すなわち25mmの表面積に対して±50μm未満である。この厚さの僅かな変動が、フィルター曲線(透過曲線)をほぼ一定に保つ(すなわちほんの僅かしか変化しない)ようにするのに有益である。またガラスウェハのこの特徴は下記の本発明の作製方法により達成することができる。
好ましくは、ガラスウェハの厚さは、0.18ミリメートル〜0.32ミリメートル、より好ましくは0.2ミリメートル以上から0.3ミリメートル以下の範囲である。1つの例示的な実施の形態によれば、ガラスウェハは8インチの直径及び0.30mmの厚さを有する。
別の実施の形態によれば、ガラスウェハの厚さは0.08ミリメートル〜0.15ミリメートルの範囲であり、特に約0.1ミリメートルである。
当然のことながら、上述の厚さデータは、ガラスウェハの厚さが記載の値の間で変動することを意味するものではない。正確には、ガラスウェハは面平行形状であり、ガラスウェハの均一な厚さが上述の値の範囲内にある。
通常、ガラスウェハから作製される赤外フィルターはカメラチップの近くに設置されている。カメラチップに対する陰影効果を避けるために、ガラスウェハは、100nmより大きい又は200nmより大きい気泡及び/又は包含物を有しないのが好ましい。そのため、たとえピクセルのサイズを約1μmへと小さくしたカメラセンサの小さいピクセルであっても、陰影効果は実質的に取るに足らないものである。
本発明によるガラスウェハは、銅イオンを含有していることから、赤外領域の光を吸収する。
ウェハは非常に薄型であり、0.4ミリメートル未満の厚さを有しており、そのため携帯電話に組み込まれているような小型のカメラの非常にコンパクトな光学系に特に適している。
しかしながら、薄型のガラスで通常生じる問題は、ガラス表面のリップル(ripple:波状化)及びガラスの厚さの均一性である。本発明によれば、この問題はより厚いガラス基板を0.4mm未満の厚さにする削磨プロセスによりウェハを薄くすることで解決される。削磨プロセスは、適切な表面を得るために唯一の工程として又は特に最終工程として研磨を含む。
具体的には、ガラスウェハを製造する方法であって、
少なくとも1.8ミリメートルの厚さを有する、銅イオンを含有するリン酸ガラス又はフルオロリン酸ガラスのガラスシートを作製する工程と;
ガラスシート又はガラスシートから予め作製されたウェハが0.4ミリメートル以下の厚さになるまで、削磨プロセスにおいてガラス材料を除去する工程であって、研磨プロセスがガラスシート又はガラスシートから既に作製されたウェハを研磨することを少なくとも含む、除去する工程と;
を含む、方法が提供される。ガラスシートからのウェハの作製は特に、その目的とする外形でガラスシートからウェハを加工することを含む。加工は例えば、切断、ソーイング、又は更には超音波振動研削等の研削により達成することができる。
本方法の代替方法によれば、削磨プロセスの終了時のガラスシートが依然としてウェハの最終外形を備えていない場合、削磨プロセスの後にガラスシートからウェハに加工する。
上記の厚さに従って、ウェハを製造するためにガラスを、研磨により又は研削後の研磨により少なくとも4.5倍まで薄くする。本方法は一見したところ複雑であるように見えるが、このようにしてガラスウェハの高い面平行性及び特に低い湾曲(「反り(warpage)」とも称される)を達成することができる。
これにより、このウェハと、カメラチップが上に配置された機能的ウェハ又はオプトエレクトロニックアレイセンサとを接続させた後に、チップを分割し、それによりカメラモジュールを作製することが可能になる。したがって本発明は、本発明によるガラスウェハと、オプトエレクトロニック機能的ウェハとを備えるウェハアセンブリ、又はカメラモジュールを作製するための複数のオプトエレクトロニックアレイセンサを上に備える半導体ウェハと、半導体ウェハに接続した本発明によるガラスウェハとのアセンブリにも関する。2つのウェハは必ずしも直接接続していなくてもよい。正確には、1つ又は複数の中間層を2つのウェハ層の間に設けることができる。例えば、マイクロレンズを備える層又はウェハを、本発明による赤外吸収ガラスウェハと、機能的ウェハとの間に設けることができる。
本発明によるガラスウェハの製造を示す図である。 本発明によるガラスウェハの製造を示す図である。 本発明によるガラスウェハの製造を示す図である。 半導体ウェハと赤外吸収ガラスウェハとを含むウェハアセンブリを示す図である。 赤外フィルターを含むカメラチップを示す図である。 赤外フィルターを備えるカメラモジュールを示す図である。 0.3mmの厚さを有する赤外吸収ガラスウェハの透過曲線を示す図である。
これより本発明を例示的な実施形態によって及び添付の図面を参照してより詳細に説明する。図面において、同じ参照符号は同じ又は対応する要素を指定するものである。
図1、図2及び図3を参照して、本発明によるガラスウェハの製造を概略的に説明する。初めに、ガラスシートが作製される溶融ガラスを、好ましくは連続溶融プロセスにより調製する。図1は、底にスロットノズルを備える坩堝14を示す。坩堝はそれ自体が融液トラフにより形成され得るか、又は融液トラフ内で作製されるフルオロリン酸ガラス若しくはリン酸ガラスの融液15で坩堝14を満たす。スロットノズル16から排出されるガラスのストリップ(strip)を、切断ツール17を用いて個々のガラスシート10へと分割する。したがってこの例示的な実施形態において、ガラスシートはいわゆるダウンドロープロセスで製造される。しかしながら代替的に、フロートプロセス又はオーバーフロー融解プロセスのような他のプロセスも可能である。
このようにして作製されたガラスシート10は、少なくとも1.8ミリメートル、好ましくは1.8ミリメートル〜3.2ミリメートルの厚さ、より好ましくは2ミリメートル〜3ミリメートルの範囲の厚さを有する。これらのガラスの厚さでは、平らな表面及び比較的均一な厚さが達成される。他方で3mm以下のガラスの厚さでは、目的とする最終厚さを得るのに削磨するガラス材料の量が制限される。
続いて図2に示すように、ウェハ状のガラスシート11をガラスシート10から切り出す。
次いで図3に示されるように、1つ又は複数の削磨ツール19を用いて、少なくとも1.8ミリメートルの元の厚さから0.4ミリメートル未満の厚さへと、これらのガラスシート11を研削及び研磨する。したがってこのようにして作製されたガラスウェハ1は少なくとも1つの研磨された表面3を備える。好ましくはガラスウェハ1の2つの対向表面3、5が研磨されるように、ガラス材料が両面から除去される。研磨のために、例えば研磨プレート及び酸化セリウムスラリー等の好適な研磨剤を使用することができる。
図1〜図3において概略的に示される例示的な実施形態において、ガラスウェハ1をガラスシート10から切り出した後に研磨する。これは除去される材料の量を低減するために有益である。しかしながら、何回かの削磨工程を行った後に切断することも可能である。さらにプレフォームを切り出し、ガラスを目的とする厚さまで薄くした後、最終形状のウェハを切り出すことも可能である。これは削磨プロセスにより引き起こされ得るガラスウェハ1の縁での不均質性を避けるという点で有益であり得る。
一般的に、ウェハを切り出した後に、材料を削磨除去することは、残ったものをガラスの製造のためのガラス片として再利用することにより、資源(環境、コスト、原材料)を守ることができることから有益である。
好ましくは、ガラスシートはできる限り筋(streaks)が少なくなるように作製する。筋(当該技術分野ではシュリーレンとも称される)は屈折率の不均質性を引き起こす。しかしながら、このようなシュリーレンは或る程度であれば、ガラスウェハ1から作製される赤外フィルターがセンサの近くに位置している場合にはカメラモジュールの光学特性にほとんど影響を与えない。この配置は原則、カメラモジュールに共通の配置である。
しかしながら、光学特性に悪影響を与え得る別の影響が存在する。シュリーレンはガラスにおいて局所的な化学変化及び/又は物理変化を示す。これらの変化は一般的に強度の変化を伴う。研削プロセスにおいて、このことが、シュリーレンがガラスの研磨中でのむら(unevennesses)に反映される原因となり得る。ガラスの体積を通過する光の光路に対するシュリーレンの影響は、屈折率がほんの少ししか局所的に変化しないことから比較的小さい。
しかしながら、これはガラスの表面上では異なる結果になる。シュリーレンが表面に生じると、研磨中にシュリーレンに生じるガラス表面上のウェーブがレンズのように作用することから、厚さの局所的な変動が起こり、これによりビーム路に対する多大な影響が引き起こされ、カメラモジュールの分解能に悪影響を及ぼし得る。
そのため、本発明によるウェハにおいて、ガラス内部のシュリーレンにより引き起こされる表面の変調は200nm未満、より好ましくは130nm未満である。
しかしながら、本発明によるリン酸ガラス又はフルオロリン酸ガラスを削磨除去と合わせて使用することで、この影響を避けることができるとともに、均一な厚さの非常に薄型の大面積ガラスウェハ1を作製することが可能になる。
加えて、ガラスにおける気泡及び/又は包含物は、陰影効果を避けることによりカメラチップの良好な画像品質を確保するために、200nm未満、より好ましくは100nm未満とする。
以下の構成要素を含む化学組成(酸化物ベースのwt%)の、銅を含有するリン酸ガラス又はフルオロリン酸ガラスが本発明に好適であることが分かっている:
: 25〜80;
Al: 1〜13;
: 0〜3;
LiO: 0〜13;
NaO: 0〜10;
O: 0〜11;
CaO: 0〜16;
BaO: 0〜26;
SrO: 0〜16;
MgO: 1〜10;
ZnO: 0〜10;
CuO: 1〜7。
上記で与えられる組成から逸脱して、上記で挙げられるアルカリ土類酸化物の全ての酸化物を含有していなくてもよい。しかしながら、アルカリ土類酸化物CaO、BaO、SrO及びMgOの内の少なくとも2つをガラス組成に用いるのが好ましい。
一実施形態によれば、(酸化物ベースのwt%で)以下の構成要素を含む化学組成を有する以下のフルオロリン酸ガラスが好ましい:
: 25〜60;
Al: 1〜13;
LiO: 0〜13;
NaO: 0〜10;
O: 0〜11;
MgO: 1〜10;
CaO: 1〜16;
BaO: 1〜26;
SrO: 0〜16;
ZnO: 0〜10;
CuO: 1〜7;
Σ RO(R=Mg、Ca、Sr、Ba) 15〜40;
Σ RO(R=Li、Na、K) 3〜18;
ここでこの組成を元にして、ガラスにおける酸化物イオン(O2−)の1mol%〜39mol%をフッ化物イオン(F)に置き換える。
Asは清澄剤(refining agent)として任意選択的なものである。Asを使用する場合、その含量は好ましくは最大0.02重量パーセントである。
ガラスに含有されるフッ化物が耐蝕性及び耐候性の点で有用であることが見出されていることから、本発明の一実施形態によればフルオロリン酸ガラスが好ましい。
さらに本発明に従って作製される薄型のガラスウェハ1によって、ウェハレベルで赤外フィルターを備える、カメラモジュール又は少なくともカメラセンサを作製することが可能になる。図4は、本発明によるガラスウェハ1と、複数のカメラセンサ22を上に備える半導体ウェハ12とを含み、ガラスウェハ1が半導体ウェハ12のカメラセンサ22が配置されている側で半導体ウェハ12に結合している、ウェハアセンブリ13を示す。半導体ウェハ12もガラスウェハ1と同様に15cmを超える直径を有する。
削磨プロセスにおいてガラス材料を除去することにより、大型のガラスウェハ1を作製することができることから、相応に大量のカメラセンサ22が上に配置された相応に大型の半導体ウェハ12を使用することも可能である。それからカメラセンサ22を備える個々のカメラチップをウェハアセンブリ13からダイシング又はソーイングにより分割することができる。
先に上述されるように、ガラスウェハ1はウェハアセンブリにおいて半導体ウェハ12と直接結合している必要はなく、更なるウェハまたは中間層が介在していてもよい。図5は、ウェハアセンブリ13からの分割により得られるような光学機能層を備えるカメラチップの例示的な実施形態を示す。示される例において、マイクロレンズを備えるウィンドウ27は、オプトエレクトロニックアレイセンサ22が配置されている側でカメラチップ25に設置されている。このウィンドウ27上に、ガラスウェハ1から作製された赤外フィルター29が配置される。最後に有益には、光学ローパスフィルター31が用いられる。図5に示される例において、この光学ローパスフィルター31は赤外フィルター29に設置されている。光学ローパスフィルター31は、周期がピクセルピッチに対応する周期構造を記録する際に生じる、取込み画像のモアレパターンを回避する働きがある。ローパスフィルター31は、ウェハの形態でウェハアセンブリ13のガラスウェハ1に取り付けることもでき、その後ウェハアセンブリ13から切り出すことによりカメラチップ25及び赤外フィルター27とともに分割することができる。
これより、赤外フィルターのシュリーレン及びまた対応する表面の変形がカメラモジュールの分解能にどのように影響を与え得るかを例示的な実施形態により説明する。この目的のために、図6はレンズ34、35、36、37を用いてオプトエレクトロニックアレイセンサ22上に光線39の入射ビームを集束させる対物レンズ33を備えるカメラモジュール32を示す。
赤外フィルター29のガラスに存在するシュリーレンが屈折率の局所的な変動により光路に差異を生じさせることから、シュリーレンの影響は、対応する光路の差異を生じる、赤外フィルター29の表面の変形によりシミュレートすることができる。説明のために、ガラスウェハ1から切り出した赤外フィルター29の表面3を波打っているように示す。当然のことながら、説明のために、ウェーブ100の高さは誇張されて示されている。
シュリーレンにより与えられる表面上のウェーブ100が、更なる負又は正の屈折力を局所的に引き起こす。両方の場合でその結果、光線の各ビームがアレイセンサ22の感光性表面上に正確に集束しなくなる。したがって最大可能空間分解能の喪失が起こる。この悪影響は、低シュリーレンのリン酸ガラス、好ましくはフルオロリン酸ガラスを機械的に薄くすることにより作製される本発明によるガラスウェハ1から作製された赤外フィルターを使用することにより回避されるか又は少なくとも軽減される。シュリーレンに起因するウェーブ100によって引き起こされる表面の変調は200ナノメートル未満、好ましくは130ナノメートル未満である。この高さ指標はPV(peak-to-valley)値を示す。ウェーブに関連する表面尺度は最大1ミリメートルの長さ範囲、典型的に0.1ミリメートル〜1ミリメートルの長さ範囲である。換言すると、1ミリメートル以下のウェーブの縦方向に対して横方向の平均的な周期又は幅を有するウェーブ構造に言及している。
加えて、好ましくは、ガラスウェハ1の厚さの変動は、透過曲線をほぼ一定に保つように、25mmの表面積に対して50μm未満である。
図7は、本発明に使用することができるような、銅イオン含有フルオロリン酸ガラス(この場合、SCHOTT AGの商品名BG60で市販され、0.3mmの厚さを有するガラス)の透過曲線を例示的な実施形態として示す。曲線から明らかなように、銅イオンの吸収により、560ナノメートルというヒトの眼の最大赤感度を超える波長ではガラスの透過率が大幅に低減する。より短い波長の可視スペクトル領域では、透過は比較的一定である。より高い銅含量を選択すると、560ナノメートルを超える波長での透過の低下は更に急激なものになる。
本発明は図面で示される例示的な実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲内であれば様々な方法で変更することができることは、当業者にとって明らかであろう。例えばガラスウェハ1は更なる層を備えることができる。例えば、光学的反射防止コーティングが可能であり、及び/又は赤外線成分を反射するために更なる誘電干渉層系と組み合わせることが可能である。
1 ガラスウェハ
3、5 ガラスウェハの表面
10 ガラスシート
11 ウェハ状のガラスシート
12 半導体ウェハ
13 ウェハアセンブリ
14 坩堝
15 ガラス融液
16 スロットノズル
17 分割ツール
19 削磨ツール
22 カメラセンサ
25 カメラチップ
27 マイクロレンズを備えるウィンドウ
29 赤外フィルター
31 光学ローパスフィルター
32 カメラモジュール
33 対物レンズ
34、35、36、37 33のレンズ
39 光線のビーム
100 1の表面上のウェーブ

Claims (10)

  1. 銅イオンを含有するリン酸ガラス又はフルオロリン酸ガラスで作製されたガラスウェハ(1)であって、該ガラスウェハ(1)が15センチメートルを超える直径と、0.4ミリメートル未満の厚さとを有し、該ガラスウェハ(1)の2つの面平行表面(3、5)の少なくとも一方が研磨され、ウェーブ(100)形態の該ガラスウェハ(1)の該表面(3、5)の高さ変調は、1ミリメートル以下の長さに対して200ナノメートル未満、好ましくは130ナノメートル未満の高さを有する、銅イオンを含有するリン酸ガラス又はフルオロリン酸ガラスで作製されたガラスウェハ。
  2. 請求項1に記載のガラスウェハ(1)であって、該ガラスウェハ(1)の厚さの変動が25mmの表面積に対して±50μm未満である、ガラスウェハ。
  3. 請求項2に記載のガラスウェハ(1)であって、該ガラスウェハ(1)の厚さが0.18ミリメートル〜0.32ミリメートルの範囲である、ガラスウェハ。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載のガラスウェハ(1)であって、気泡及び内包物が200nm未満、より好ましくは100nm未満である、ガラスウェハ。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載のガラスウェハ(1)であって、酸化物ベースの重量パーセントで以下の構成成分を含む組成を有する、ガラスウェハ:
    : 25〜80;
    Al: 1〜13;
    : 0〜3;
    LiO: 0〜13;
    NaO: 0〜10;
    O: 0〜11;
    MgO: 1〜10;
    CaO: 0〜16;
    BaO: 0〜26;
    SrO: 0〜16;
    ZnO: 0〜10;
    CuO: 1〜7。
  6. 請求項1〜3のいずれか一項に記載のガラスウェハ(1)であって、重量パーセント(酸化物ベース)で以下の構成要素を含む組成を有し:
    : 25〜60;
    Al: 1〜13;
    LiO: 0〜13;
    NaO: 0〜10;
    O: 0〜11;
    MgO: 1〜10;
    CaO: 1〜16;
    BaO: 1〜26;
    SrO: 0〜16;
    ZnO: 0〜10;
    CuO: 1〜7;
    Σ RO(R=Mg、Ca、Sr、Ba) 15〜40;
    Σ RO(R=Li、Na、K) 3〜18;
    前記組成を元にして、前記ガラスにおける酸化物イオン(O2−)の1mol%〜39mol%をフッ化物イオン(F)に置き換える、ガラスウェハ。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項に記載のガラスウェハ(1)を作製する方法であって、
    少なくとも1.8ミリメートルの厚さを有するガラスシート(10、11)を、銅イオンを含有するリン酸ガラス又はフルオロリン酸ガラスから作製する工程と;
    前記ガラスシート又は該ガラスシートから作製されたウェハ(1)が0.4ミリメートル以下の厚さになるまで、削磨プロセスにおいてガラス材料を除去する工程であって、該削磨プロセスが該ガラスシート(10、11)又は該ガラスシートから作製された該ウェハ(1)を研磨することを含む、除去する工程と;
    を含む、方法。
  8. 前記ガラスシートを作製する溶融ガラスが連続溶融プロセスにより調製される、請求項7に記載の方法。
  9. 前記ウェハ(1)が研磨前に前記ガラスシート(10)から切り出される、請求項7又は8に記載の方法。
  10. カメラモジュール(32)を製造するための複数のオプトエレクトロニックアレイセンサ(22)を備える半導体ウェハ(12)と、該半導体ウェハ(12)に結合した請求項1に記載のガラスウェハ(1)とを含むアセンブリ。
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