TWI428305B - A semiconductor substrate for a semiconductor element, and a wafer size thereof - Google Patents

Description

半導體元件用玻璃基板及使用其之晶片尺寸封裝

本發明係關於，使用於半導體元件，特別係使用於CCD(Charge Coupled DeVice，電荷耦合元件)或CMOS(Complementary Metal－Oxide Semiconductor，互補性金屬氧化半導體)等固體攝影元件封裝中之玻璃基板及使用其之封裝者。

於數位相機或攝影機中，廣泛使用有CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等固體攝影元件。

CCD或CMOS等固體攝影元件，一般設置於陶瓷製之有底無蓋箱型形狀的台座內底部，並以玻璃蓋密閉使用，以不受使用環境之影響(例如，參照專利文獻1。)。如此，固體攝影元件受到保護，而不受粉塵、機械衝擊、化學腐蝕或破壞元件之α射線等放射線之損害。

近年來，由於逐步將固體攝影元件搭載於行動電話或行動裝置等小型裝置中，因而要求使其封裝變小、變薄，並提案有晶片尺寸封裝(CSP)(例如，參照專利文獻2。)。

晶片尺寸封裝係，預先於1張設置有包含金屬薄膜之布線(下述中，稱為金屬布線)之玻璃基板的特定位置上，配設固體攝影元件，並以另1張玻璃基板夾住固體攝影元件之方式，使用環氧樹脂等接著劑進行貼合。

再者，所謂表面上設置有金屬布線的玻璃基板，並非僅包括直接於玻璃基板表面設置有金屬布線者，亦包括於玻璃基板表面上所形成之環氧樹脂等接著劑層上，形成有金屬布線之玻璃基板。

[專利文獻1]特開平6-15'1796號公報

[專利文獻2]美國專利2005-0056769號公報

晶片尺寸封裝中，作為連接固體攝影元件與外部電路之布線材料，廣泛使用有即使細線化亦可高速傳輸電訊號且環境負荷較小之Al。

然而，由於Al之離子化傾向較大且化學穩定性不高，因而於進行製造步驟中之化學處理或熱處理時，有時會腐蝕或切斷布線。

本發明之目的在於提供一種晶片尺寸封裝，該晶片尺寸封裝於進行製造時之化學處理或熱處理時，不腐蝕或切斷布線。

本發明者等，已對使用於晶片尺寸封裝且表面形成有布線的玻璃基板進行各種研究。其結果，除作為玻璃澄清劑添加外，作為玻璃原料，尤其係作為鹼性金屬氧化物或鹼土金屬氧化物原料之不純物混入之鹵族元素，藉由形成金屬布線時所使用之化學藥品而溶出，或藉由熱處理而於玻璃基板表面上移動，或藉由玻璃表面而一次揮發後，與金屬布線發生反應。因此，本發明查明並提出如下者，即若玻璃基板中所含之鹵族元素，尤其氟元素與氯元素之含量較少，則難以引起金屬布線之腐蝕或切斷。

即，本發明之半導體元件用玻璃基板係於表面設置有包含金屬膜之布線者，其特徵在於：鹵族元素之含量以質量%換算小於等於0.1%。

又，本發明之晶片尺寸封裝之特徵在於：於2張玻璃基板之間配設有半導體元件，且至少一方之玻璃基板之鹵族元素含量以質量%換算小於等於0.1%。

由於本發明之半導體元件用玻璃基板，其鹵族元素含量以質量%換算小於等於0.1%，因而鹵族元素之溶出量亦較小，即使A1製之布線，於進行製造時之化學處理或熱處理時亦無腐蝕或切斷，可製造晶片尺寸封裝。再者，所謂鹵族元素，指氟元素(F)、氯元素(Cl)、溴元素(Br)以及碘元素(I)。

若玻璃基板之鹵族元素含量以質量%換算大於0.1%，則易因自玻璃基板溶出之鹵族元素而腐蝕金屬布線。較好的是，鹵族元素之含量小於等於0.08%，更好的是小於等於0.05%。進而較好的是，小於等於0.03%。尤其，由於氟元素或氯元素易腐蝕金屬布線，因而較好的是，該等成分之合量小於等於0.05%。

為控制鹵族元素之含量，較好的是，尤其使用於含有鹼性金屬氧化物或鹼土金屬氧化物之原料中，不純物較少之原料，或使用以蒸餾水等清洗之原料，或不將鹵族元素作為澄清劑，或作為助熔劑等添加劑進行添加。

本發明之半導體元件用玻璃基板，尤其於用於CCD中之情形時，若α射線釋放量小於等於0.01 c/cm² ．hr，則難以損傷CCD，因而較好。較好的是，α射線釋放量小於等於0.005 c/cm² ．hr，進而較好的是小於等於0.003 c/cm² ．hr。

為使來自玻璃基板之α射線釋放量小於等於0.01 c/cm² ．hr，使用高品位之玻璃原料，以使玻璃基板中不混入大量放射性同位素，或以難以含有放射性同位素之材料製作使用設備(熔窯等)，藉此，可達成目的。尤其作為問題放射性同位素，可列舉鈾(U)或釷(Th)。

為使來自玻璃基板之α射線釋放量小於等於0.01 c/cm² ．hr，必須使鈾之含量小於等於10 ppb，使釷之含量小於等於20 ppb。

再者，於將本發明之玻璃基板用於CMOS等時，亦可不特別考慮玻璃基板之α射線釋放量，或者假設即使對α射線存在要求，該要求亦為稍寬鬆於上述水準之水準(小於等於0.5 c/cm² ．hr左右)。

對於本發明之半導體元件用玻璃基板，若鹼溶出量小於等於1.0 mg，則用以貼合2張玻璃基板之接著劑(一般而言為環氧樹脂)難以劣化，因而存在可長期保持封裝之形態之傾向。較好的是小於等於0.1 mg，更好的是小於等於0.01 mg。再者，鹼溶出量係藉由使用基於JISR3502之試驗方法而進行測定者。

對於本發明之半導體元件用玻璃基板，若30~380℃之溫度範圍之平均熱膨脹係數為25~60×10^{－ 7} /℃，則於半導體元件之晶片之間，對熱膨脹係數進行調整，因而難以於晶片尺寸封裝上加載負荷，半導體元件與金屬布線難以脫落。較好的是30~50×10^{－ 7} /℃，更好的是30~40×10^{－ 7} /℃。

對於本發明之半導體元件用玻璃基板，若楊氏模數大於等於60 GPa，則即使加以外力亦難以變形，因而可易於防止固體攝影元件之損傷。較好的是，楊氏模數大於等於65 GPa。

又，對於半導體元件用玻璃基板，由於楊氏模數比(楊氏模數/密度)越大，越難因自重而產生彎曲，且一般以厚度0.03~0.7 mm使用，因此具體而言，較好的是大於等於27 GPa/g．cm^{－ 3} 。更好的是大於等於28 GPa/g．cm^{－ 3} 。

玻璃基板密度較小，有利於使楊氏模數變大。本發明中，較好的是小於等於2.7 g/cm³ ，更好的是小於等於2.6 g/cm³ ，進而較好的是小於等於2.5 g/cm³ 。

又，對於本發明之半導體元件用玻璃基板，由於若維氏硬度大於等於500 Hv，則難以於表面上產生瑕疵，因而較好。此種固體攝影元件中，由於即使係微小之瑕疵，亦將無法正確進行攝影，因此作為元件將變得不良。較好的是，維氏硬度大於等於520 Hv。

對於本發明之半導體元件用玻璃基板中使用之玻璃，若液相溫度中之黏度(液相黏度)大於等於10^{4 . 0} dPa．s，則玻璃中難以產生失透物。若產生失透物，則透光性受損，或產生熱膨脹係數差而導致玻璃易破損，或於玻璃表面產生凹凸。較好的是，液相黏度大於等於10^{4 . 5} dPa．s，更好的是大於等於10^{5 . 0} dPa．s。若為此液相黏度，則可以下拉法、浮式法、滾筒成形法等成形方法進行製作。尤其，對於以下拉法、浮式法所成形之玻璃基板，由於易獲得較高之表面品位，因而較好。

以溢流下拉法使本發明之玻璃基板成形時，尤其需要注意液相黏度。較理想之液相黏度為大於等於10^{5 . 0} dPa．s，更好的是大於等於10^{5 . 2} dPa．s，進而更好的是大於等於10^{5 . 5} dPa．s，最好的是大於等於10^{5 . 8} dPa．s。

作為本發明之半導體元件用玻璃基板中使用之玻璃，例如可列舉如下所示之2種玻璃。

對於第1種玻璃，以質量%表示其組成，含有：SiO₂ 50~70%、Al₂ O₃ 5~20%、B₂ O₃ 3~20%、鹼土金屬氧化物4~30%。再者，所謂鹼土金屬氧化物，係指MgO、CaO、SrO及BaO。該玻璃藉由儘量降低鹼溶出而具有非常優越之耐候性，但由於高溫黏度較高，因此其熔融、成形需要非常高之技術。

SiO₂ 係構成玻璃結構之主成分，若少於50%，則存在無法得到充分之耐候性之傾向，若多於70%，則因玻璃之高溫黏度變高而存在溶解性惡化之傾向，並且因液相黏度變高而使玻璃變得易失透。SiO₂ 較好的是53~67%，更好的是55~65%。

Al₂ O₃ 若少於5%，則存在無法得到充分之耐候性之傾向，若多於20%，則存在如下傾向，即玻璃之高溫黏度上升，熔融性惡化，並且玻璃之液相溫度上升，液相黏度下降，耐失透性惡化。Al₂ O₃ 較好的是7~19%，更好的是10~18%。

B₂ O₃ 若少於3%，則存在無法充分降低玻璃之黏性，且無法提高熔融性之傾向，若多於20%，則易降低玻璃之耐候性。B₂ O₃ 較好的是5~17%，更好的是6~15%。

鹼土金屬氧化物若少於4%，則存在無法充分降低玻璃之黏性，且無法提高熔融性之傾向，若多於30%，則存在如下傾向，即玻璃中之SiO₂ 之含量變少，難以獲得耐候性，並且於玻璃中產生失透。鹼土金屬氧化物較好的是5~20%，更好的是6~16%。

鹼土金屬氧化物中，尤其CaO係較容易取得之高純度原料，並且係可顯著提高玻璃熔融性之成分，其較好的是1~15%。若少於1%，則難以提高熔融性，若多於15%，則易產生失透，若添加更多，則存在降低耐候性之傾向。CaO較好的是2~12%，更好的是3~10%。

較好的是，MgO為0~5%。若多於5%，則存在如下傾向，即玻璃易產生失透，且耐候性、耐化學藥品性變低。MgO較好的是0~4%，更好的是0~3%。

又，對於SrO或BaO，由於原料中含有放射性同位素之情形較多，因此為減少α射線之釋放量，較理想的是，使其合量小於等於8.5%，較好的是小於等於5%，更好的是小於等於2.5%。

鹼性金屬氧化物係指Li₂ O、Na₂ O以及K₂ O，其係具有調整熱膨脹係數及降低液相溫度之效果的成分，但由於若自玻璃溶出，則有可能白化後，降低透明性或降低耐候性，因而業者要求將其含量控制為小於等於0.5%，較理想的是小於等於0.1%，更好的是小於等於0.08%，最好的是小於等於0.05%。

又，由於鹼性金屬氧化物於環氧樹脂或固體攝影元件中擴散，因而該等金屬氧化物劣化後，有可能損壞封裝之接著，或於固體攝影元件中產生不良，因此其含量較好的是小於等於0.1%，更好的是小於等於0.08%，進而較好的是小於等於0.05%。

作為其他成分，於不影響玻璃特性之範圍內，最高可含有5%之ZnO、P₂ O₅ 、Y₂ O₃ 、Nb₂ O₃ 、La₂ O₃ 等。

又，作為澄清劑，可單獨或組合使用Sb₂ O₃ 、Sb₂ O₅ 、As₂ O₃ 、C、SO₃ 、SnO₂ 、Al、Si等。再者，對於As₂ O₃ ，由於原料中含有放射性同位素之情形較多，並且由於毒性非常強烈，且有可能污染環境，因而較好的是不使用。

對於第2種玻璃，以質量%表示其組成，含有：SiO₂ 58~75%、Al₂ O₃ 0.5~15%、B₂ O₃ 5~20%、鹼性金屬氧化物1~20%、鹼土金屬氧化物0~20%、ZnO0~10%。該玻璃之特徵在於，由於高溫黏度較低而易熔融、成形，但由於含有較多之鹼性成分，因而其鹼性溶出高於第1種玻璃。

SiO2係構成玻璃結構之主成分，若少於58%，則存在無法獲得充分之耐候性之傾向，若多於75%，則存在玻璃之高溫黏度變高，溶解性變差之傾向，並且由於液相黏度變高，玻璃易失透。SiO₂ 較好的是58~72%，更好的是60~70%。

若Al₂ O₃ 少於0.5%，則存在無法獲得充分之耐候性之傾向，若多於15%，則存在玻璃之高溫黏度上升，熔融性變差之傾向。Al₂ O₃ 較好的是1.1~12%，更好的是6~11%。

若B₂ O₃ 少於5%，則存在無法充分降低玻璃之黏性，且無法提高熔融性之傾向，若多於20%，則玻璃之耐候性易下降。B₂ O₃ 較好的是9~18%，更好的是11~18%，最好的是12~18%。

鹼性金屬氧化物係降低玻璃黏性，提高熔融性，並調整熱膨脹係數之成分，若少於1%，則難以獲得上述效果。又，若多於20%，則存在玻璃之耐候性受損之傾向。鹼性金屬氧化物較好的是5~18%，更好的是7~13%。

對於Li₂ O，由於原料中含有放射性同位素之情形較多，因而較好的是，其含量小於等於5%，更好的是小於等於3%，進而較好的是小於等於1%，最好的是小於等於0.5%。

Na₂ O係調節熱膨脹係數之效果較明顯之成分，其含量較好的是0.1~11%，更好的是0.5~9%。

K₂ O係具有提高液相黏度之效果之成分，其含量較好的是0.1~8%，更好的是0.5~7%。

若混合使用Na₂ O與K₂ O，則由於可維持較高之液相溫度，並且可調節熱膨脹係數，因而較好，其含量較好的是7.6~18%，更好的是9~16%。又，(Na₂ O＋K₂ O)/Na₂ O之值為1.1~10，但存在液相黏度變高之傾向。若小於1.1，則液相黏度難以充分變高，若大於10，則難以調整熱膨脹係數。較好的是1.1~5，更好的是1.2~3。

若取代SiO₂ 添加Al₂ O₃ 與K₂ O，則存在液相黏度變高之傾向，SiO₂ /(Al₂ O₃ ＋K₂ O)之值較好的是3~12，更好的是4~10。藉小於3，則難以獲得充分之耐候性，若大於10，則液相黏度難以充分變高。

鹼土金屬氧化物係提高玻璃耐候性，並提高熔融性之成分，但若多於20%，則玻璃容易失透。鹼性土類氧化物較好的是0.5~18%，更好的是1.0~18%。

尤其CaO係比較容易取得之高純度原料，並係可顯著提高玻璃熔融性與耐候性之成分，其含量較好的是0.5~10%，更好的是1~8%。

由於BaO與SrO係提高密度之成分，因而若將其合量控制為小於等於13%，較好的是控制為小於等於10%，更好的是控制為小於等於7%，則楊氏模數比易變高。又，由於原料中含有放射性同位素之情形較多，因而考慮α射線釋放量，較好的是，該等之合量小於等於3%，更好的是小於等於1.4%。

ZnO係改善耐候性及熔融性之成分，尤其於Al₂ O₃ 之含量小於等於3%之情形時，為得到充分之耐候性，較好的是，添加大於等於2%之ZnO，更好的是大於等於4.5%。另一方面，若添加量多於10%，則玻璃容易失透。較好的是，添加量小於等於9%，更好的是小於等於6%。

Fe₂ O₃ 係用作澄清劑，但由於若其含量多，則玻璃被著色，因而較好的是其含量小於等於500 ppm，更好的是小於等於300 ppm，進而較好的是小於等於200 ppm。

CeO₂ 亦用作澄清劑，若其含量多，則玻璃被著色。因此，其含量較好的是小於等於2%，更好的是小於等於1%，進而較好的是小於等於0.7%。

TiO₂ 具有提高玻璃之耐候性，並降低高溫黏度之效果，但由於若與Fe₂ O₃ 共存，則有助於Fe₂ O₃ 之著色，因此若Fe₂ O₃ 之含量小於等於200 ppm，則可添加至5%。

ZrO₂ 係提高耐候性之成分，由於原料中含有放射性同位素之情形較多，因而較好的是，其含量小於等於2%，更好的是小於等於0.5%，進而較好的是小於等於500 ppm。

作為其他成分，於不影響玻璃特性之範圍內，最高可含有5%之P₂ O₅ 、Y₂ O₃ 、Nb₂ O₃ 、La₂ O₃ 等。

又，作為澄清劑，可單獨或組合使用Sb₂ O₃ 、Sb₂ O₅ 、As₂ O₃ 、C、SO₃ 、SnO₂ 、Al、Si等。再者，對於As₂ O₃ ，由於原料中含有放射性同位素之情形較多，並且由於毒性非常強而有可能污染環境，因而較好的是不使用。

又，由於PbO、CdO之毒性亦非常強，因而較好的是不使用。

對於如上所述之玻璃，由於若藉由以含有放射性同位素之情形較多之材料，例如以ZrO₂ 、SrO、BaO含量較少之材料所構築的設備進行製造，則易使α射線釋放量為較低之值，因而較好。

本發明之半導體元件用玻璃基板，適宜作為晶片尺寸封裝之玻璃基板。於此情形時，可用作晶片尺寸封裝之一方或兩方之玻璃基板。

[實施例]

以下，使用實施例，詳細說明本發明。

表1、2表示本發明之實施例，表3~6表示腐蝕性之評價結果。

表1中所揭示之試料以如下之方式進行製作。

首先，以成為表中組成之方式，將各所調製之玻璃原料放入鉑銠坩堝中，於具有攪拌功能之電熔融爐內，以1600℃、20小時之條件熔融玻璃原料。

其次，使熔融玻璃流出至碳板上後，使其漸漸冷卻並製作各試料。

表2中所揭示之試料，除於電熔融爐中以1550℃、6小時之條件進行熔融以外，以與表1中所揭示之試料相同之方式進行製作。又，表3~6中所揭示之試料以與表1中所揭示之試料相同之方式進行製作。

對於所得之試料，以如下之方法，對其特性進行評價。

對於鹵族含量，藉由離子色譜法，將氟元素、氯元素、溴元素、碘元素之含量作為F^－ 、Cl^－ 、Br^－ 、I^－ 進行測定。該分析法係如下者，其將稀薄之溶析液使用於移動層，並將粒子直徑細微且交換容量低之離子交換體作為固定相後，於層析管內使離子種類成分等展開游離，並以電導檢測器檢測目的成分(離子種類)。離子色譜法之測定器使用DIONEX社(U.S.A)之產品。

基於JIS R 3502中揭示之方法測定鹼溶出量。

使用阿基米德法測定密度。

使用鐘紡(株)製非破壞彈性測定裝置(K－11)，並藉由彎曲共振法測定楊氏模數。

根據所測定之密度與楊氏模數，算出楊氏模數比。

基於JIS Z 2244-1992，測定維氏硬度。

使用熱膨脹計測定熱膨脹係數，作為30~380℃之溫度範圍中之平均熱膨脹係數。

液相溫度係，將粉碎為粒徑300~500 μm之各玻璃試料填充至鉑金舟中，於溫度梯度電爐內保持24小時，使用顯微鏡觀察於內部析出結晶時之最高溫度。

使用ICP-MASS測定U及Th之含量。

基於ATMS C 336-71所揭示之方法，測定應變點及徐冷點。

基於ASTM C 338-93所揭示之方法，測定軟化點。

又，利用鉑球牽引法，測定黏度為10⁴ dPa‧s、10³ dPa‧s及10^2.5 dPa‧s時之溫度。黏度為10^2.5 dPa‧s時之溫度越低，熔融性越優良。

液相黏度係指製成各玻璃試料中溫度與黏度之對應曲線後，與各玻璃試料中之液相溫度對應之黏度。再者，表示液相黏度越大，越容易成形為所期望之形狀。

使用超低水準α射線測定裝置(住友化學(株)製LACS-4000M)，測定α射線釋放量。

以如下之方式評價Al膜之腐蝕。

首先，從各自玻璃試料中切出150 Φ×0.2 mm之晶圓狀基 板，並對其表面進行光學研磨。

其次，藉由濺鍍法於上述基板上形成厚度為3000之Al膜後，進而於該膜上再形成厚度為100之SiO₂ 膜。

繼而，將上述基板放入熱壓(Autoclave)裝置中，並於130℃、100%、8小時之條件下進行保持，其後，目視觀察基板中央部分膜之變化。

其結果，使於Al膜上觀察到明顯之凹凸或變形、變色者為「×」，使稍微觀察到凹凸或變色者為「△」，使未於Al膜上觀察到變化者為「○」。

根據表3~6可得知，對於試料15~17、21~23及31，於Al膜上觀察到明顯之變形或變色，對於試料13、18、19、24、26~30及33~35，於Al膜上無法觀察到變化，對於試料14、20、25及32，稍微觀察到變色，但可使用。由此，推測鹵族元素與Al膜之腐蝕相關。

因此，對於表1、2中所揭示之試料1~12，由於鹵族元素之含量未達0.005%，因而即使形成Al膜，亦難以腐蝕。

又，使用上述試料1~12，準備2張200 Φ、厚度0.5 mm且兩面經光學研磨之玻璃基板，使用光阻膜形成包含線寬10 μm之Al膜之布線，配設CCD晶片，並以環氧樹脂進行接著，製作晶片尺寸封裝。

[產業上之可利用性]

本發明之半導體元件用玻璃基板，除適用於CCD或CMOS等固體攝影元件以外，亦適用於IC晶片或發光二極體等半導體元件之封裝用途。

又，亦可用作先前之固體攝影元件之封裝玻璃蓋。

Claims (9)

1. 一種半導體元件用玻璃基板，其特徵在於其配設有表面上包覆著金屬膜之布線，並且以質量%換算，鹵族元素之含量小於等於0.005%，鹼金屬化合物之含量小於等於0.5%。
2. 如請求項1之半導體元件用玻璃基板，其中其α射線之釋放量小於等於0.05 c/cm² ‧hr。
3. 如請求項1記載之半導體元件用玻璃基板，其中在30~380℃之溫度範圍內之平均熱膨脹係數為30~50×10^-7 /℃。
4. 如請求項2記載之半導體元件用玻璃基板，其中在30~380℃之溫度範圍內之平均熱膨脹係數為30~50×10^-7 /℃。
5. 如請求項1至4中任一項中記載之半導體元件用玻璃基板，其中實質上不含鹼性金屬氧化物。
6. 如請求項1記載之半導體元件用玻璃基板，其係包含以質量%表示為含有SiO₂ 50~70%、Al₂ O₃ 5~20%、B₂ O₃ 3~20%、鹼土金屬氧化物4~30%之玻璃。
7. 一種晶片尺寸封裝，其中在兩張玻璃基板之間配設有半導體元件，並且至少其中一張玻璃基板之鹵族元素含量以質量%換算小於等於0.1%。
8. 如請求項7之晶片尺寸封裝，其中其半導體元件為固體攝影元件。
9. 如請求項8之晶片尺寸封裝，其中其固體攝影元件為CCD或CMOS。