WO2010116584A1 - 光学デバイス、電子機器、及びその製造方法 - Google Patents

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井上大輔
藤井恭子
中野高宏
佐野光
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Definitions

  • the present invention relates to an optical device for detecting light and a method for manufacturing the same.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a cross section of a solid-state imaging device 100A having a conventional wafer level CSP structure.
  • a conventional solid-state imaging device 100 ⁇ / b> A is provided around a semiconductor element 101, an imaging element 102 provided on the main surface of the semiconductor element 101, a microlens 103 provided on the imaging element 102, and the periphery of the imaging element 102.
  • a solid-state imaging device 100 including a peripheral circuit region 104A and an electrode wiring 104B electrically connected to the peripheral circuit region 104A is provided.
  • a translucent plate 106 made of, for example, optical glass is provided via an adhesive member 105. Further, a through electrode 107 that penetrates the semiconductor element 101 in the thickness direction is provided inside the semiconductor element 101.
  • the back surface of the semiconductor element 101 covers the metal wiring 108 that is electrically connected to the through electrode 107, covers the back surface of the semiconductor element 101 and a part of the metal wiring 108, and opens in the remaining portion of the metal wiring 108.
  • the imaging element 102 and the external electrode 110 are electrically connected via the peripheral circuit region 104A, the electrode wiring 104B, the through electrode 107, and the metal wiring 108. Therefore, the received light signal can be taken out to a flip chip substrate or the like.
  • the solid-state imaging device 100 having the above-described configuration includes, for example, an IR cut filter, a substrate, a passive component, and an optical member such as an optical lens and a diaphragm as a camera module.
  • an optical member such as an optical lens and a diaphragm
  • a reduction in the height of the module by providing a lens on the light transmitting plate 106 on the solid-state imaging device 100 has been proposed (see Patent Document 2 or Patent Document 3).
  • imaging area the area corresponding to the imaging element 102
  • peripheral area the imaging area
  • the amount of light received by the image sensor 102 is smaller than the amount of light incident on the light transmitting plate 106, the light receiving sensitivity of the image sensor 102 is consequently lowered.
  • the imaging area is narrowed, the number of effective pixels decreases and a clear image cannot be acquired.
  • the light receiving sensitivity decreases as the size of the microlens 103 is reduced.
  • the solid-state imaging device 100A is enlarged, there arises a problem that the area of the solid-state imaging device 100A is increased.
  • an object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, and to provide an optical device, an electronic apparatus, and a method for manufacturing the same, which are excellent in image characteristics, highly reliable, and can be manufactured at low cost.
  • the optical device includes a semiconductor element, a light receiving portion provided on the main surface of the semiconductor element, and a light transmitting plate laminated on the main surface of the semiconductor element via an adhesive layer. And the sawtooth-shaped uneven part is formed in at least one of the surface which faces the said semiconductor element of the said translucent plate, and its back surface.
  • the uneven portion may be either a Fresnel lens shape or a diffraction grating lens shape.
  • the concavo-convex portion includes a first side surface perpendicular to an angle formed with the main surface of the semiconductor element and a second side surface formed with an acute angle between the main surface of the semiconductor element.
  • a plurality of circumferential protrusions may be arranged concentrically.
  • an antireflection film may be formed on the first side surface. Thereby, it can prevent effectively that the light reflected by the 1st side surface injects into a light-receiving part.
  • a light shielding film may be formed between the first side surface and the antireflection film. Thereby, it can prevent effectively that the light which injected from the 1st side surface reaches
  • the area of the main surface of the semiconductor element and the area of the surface of the translucent plate facing the semiconductor element may be substantially the same. This contributes to miniaturization of the optical device.
  • the optical device further includes a through-hole penetrating the semiconductor element in a thickness direction, an electrode region provided in the main surface and electrically connected to the light receiving unit, and one end on the back surface of the electrode region.
  • a through electrode may be provided in contact with the other end and extending through the inside of the through hole to the surface opposite to the main surface of the semiconductor element.
  • a filling layer may be provided inside the through hole.
  • the optical device may further include an insulating layer that covers a surface opposite to the main surface so as to avoid at least a part of the through electrode located on the surface opposite to the main surface.
  • the optical device may include an external electrode provided on a surface opposite to the main surface and electrically connected to a portion of the through electrode not covered with the insulating layer.
  • An electronic apparatus includes a substrate having wiring on a surface thereof, and the above-described optical device attached to the surface of the substrate and electrically connected to the external electrode and the wiring.
  • Employing the optical device described above contributes to reducing the size and thickness of electronic equipment.
  • the method for manufacturing an optical device according to the present invention is a method for manufacturing the above-described optical device. Specifically, a light receiving portion forming step of forming the light receiving portion on the main surface of the semiconductor element, a stacking step of stacking the light transmitting plate on the main surface of the semiconductor element via an adhesive layer, An uneven portion forming step of forming a serrated uneven portion on at least one of the surface of the optical plate facing the semiconductor element and the back surface thereof.
  • the manufacturing method having the above configuration it is possible to manufacture an optical device capable of efficiently condensing light incident on the light transmitting plate on the light receiving unit.
  • the order of each process in said manufacturing method is not limited. That is, when the uneven portion is formed on the surface of the translucent plate facing the semiconductor element, the stacking step is performed after the uneven portion forming step. On the other hand, when forming an uneven part in the back surface of a translucent board, the front and back of an uneven part formation process and a lamination process are not ask
  • any uneven portion of a Fresnel lens shape or a diffraction grating lens shape may be formed. More specifically, in the concavo-convex portion forming step, the second side surface in which the angle formed between the first side surface that is perpendicular to the main surface of the semiconductor element and the main surface of the semiconductor element is an acute angle. And a plurality of circumferential protrusions configured concentrically on the surface of the translucent plate. Thereby, the height of the optical device can be further reduced.
  • the manufacturing method of the optical device may include a film forming step of forming an antireflection film on the first side surface.
  • a light shielding film may be formed on the first side surface prior to forming the antireflection film.
  • an electrode region electrically connected to the light receiving portion is formed on the main surface. Furthermore, in the method for manufacturing the optical device, a through-hole penetrating the semiconductor element in the thickness direction is formed, one end is in contact with the back surface of the electrode region, the inside of the through-hole is passed, and the other end is A through electrode forming step of forming a through electrode extending to a surface opposite to the main surface of the semiconductor element may be included.
  • the through hole may be filled with a filling layer after the through electrode is formed.
  • an insulating layer covering the surface opposite to the main surface may be formed so as to avoid at least a part of the through electrode located on the surface opposite to the main surface.
  • the manufacturing method of the optical device includes an external electrode forming step in which an external electrode electrically connected to the through electrode is formed in a portion of the surface opposite to the main surface where the insulating layer is not formed. May be included.
  • the incident light can be efficiently condensed on the light receiving part by forming the serrated uneven part.
  • the amount of light received by the light receiving unit is increased and the light receiving sensitivity is improved.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing the structure of an optical device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing the structure of an optical device which is a modification of FIG. 1A.
  • FIG. 1C is an enlarged view of the uneven portion shown in FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing the structure of an optical device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view showing the structure of an optical device which is a modification of FIG. 2A.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing the structure of an optical device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing the structure of an optical device which is a modification of FIG. 3A.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional solid-state imaging device.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing the structure of the optical device 10A according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view illustrating a structure of an optical device 10B that is a modification of the optical device 10A.
  • FIG. 1C is an enlarged view of the concavo-convex portion 16 provided in the optical devices 10A and 10B.
  • an optical device 10A includes a semiconductor element 11, a light receiving unit 12 on the surface (hereinafter referred to as “main surface”), and a signal from the light receiving unit 12 around the light receiving unit 12, for example.
  • a peripheral circuit region 13 to be processed, an electrode region 14 partially formed of a metal thin film such as Al or Cu, and a translucent plate 15 laminated on the main surface of the semiconductor element 11 via an adhesive member 20 are provided. Yes.
  • This optical device 10A is typically a solid-state image sensor. That is, a plurality of photodiodes (not shown) are arranged on the matrix on the surface of the light receiving unit 12 (upper surface in FIG. 1A). Further, microlenses (not shown) are arranged on the upper surfaces of the plurality of photodiodes.
  • the translucent plate 15 is made of optical glass, optical resin, or the like, and a sawtooth-shaped uneven portion 16 is formed on the surface thereof.
  • the concavo-convex portion 16 is formed on a surface (upper surface in FIG. 1A) opposite to the surface (lower surface in FIG. 1A) facing the semiconductor element 11 of the translucent plate 15.
  • the sawtooth-shaped uneven portion 16 has a Fresnel lens shape or a diffraction grating lens shape, and its dimensional shape may be determined depending on the region of the light receiving portion 12 and image characteristics to be secured.
  • the concavo-convex portion 16 is composed of a plurality of circumferential protrusions formed concentrically on the upper surface of the light transmitting plate 15.
  • Each of the circumferential protrusions is composed of a first side surface 17A that is perpendicular to the main surface of the semiconductor element 11 and a second side surface 17B that is acute in angle to the main surface of the semiconductor element 11.
  • the positional relationship between the first and second side surfaces 17A and 17B is such that the surface on which the uneven portion 16 is provided (the surface facing the semiconductor element 11 or the back surface thereof) and the material in contact with the translucent plate 15 and the uneven portion 16. It is determined by the magnitude relationship of the refractive index.
  • the concavo-convex portion 16 is formed on the upper surface of the translucent plate 15, and since it is air (atmosphere) that is in contact with the concavo-convex portion 16, “refractive index of the translucent plate 15”. > “Refractive index of air”.
  • the inner side surface of each circumferential protrusion is the first side surface 17A
  • the outer side surface is the second side surface 17B.
  • the concavo-convex portion 16 functions as a condensing lens that condenses light on the light receiving portion 12.
  • the angle formed between the second side surface 17B of the concavo-convex portion 16 and the main surface of the semiconductor element 11 may be varied for each circumferential projection.
  • an angle becomes small, so that it approaches a center part (inner side), and an angle becomes large, so that it approaches an outer edge part (outside).
  • the interval between adjacent circumferential protrusions may be increased as it approaches the center (inner side) and may decrease as it approaches the outer periphery (outside).
  • each of the plurality of circumferential projections constituting the concavo-convex portion 16 does not collect stray light in the imaging region and increases the diffraction efficiency
  • the outer side surface is the first side surface 17A and the inner side surface is the first side surface.
  • the second side surface 17B is desirable.
  • the height of the sawtooth may be appropriately changed so as to intensify the light beam at an arbitrary wavelength or diffraction order.
  • a plurality of translucent plates 15 having uneven portions 16 may be overlapped.
  • a light shielding film 18 and an antireflection film 19 may be formed on the first side surface 17A of the uneven portion 16.
  • the light shielding film 18 is formed of a metal such as Al, Cr, or Au, for example.
  • the antireflection film 19 may be either an inorganic material or an organic material. Then, it is desirable to first form the light shielding film 18 on the first side surface 17 ⁇ / b> A and laminate the antireflection film 19 on the light shielding film 18.
  • the antireflection film 19 may be formed on the first side surface 17A. Further, only the light shielding film 18 may be formed. Furthermore, instead of forming the light shielding film 18 and the antireflection film 19, a single light shielding / antireflection film having both light shielding properties and antireflection properties may be formed. For example, it is desirable to form CrO. .
  • the adhesive member 20 is made of a resin material, and may be formed on the entire surface of the semiconductor element 11 like the optical device 10A shown in FIG. 1A, or the optical device 10B shown in FIG. 1B.
  • region) except the light-receiving part 12 may be sufficient. That is, the adhesive member 20 may have a hollow cavity structure between the light receiving unit 12 and the translucent plate 15 as in the optical device 10B, and the electrical characteristics, image characteristics, and light receiving units of the optical devices 10A and 10B. What is necessary is just to select suitably by 12 area
  • the optical device 10A further includes a through hole 21 (for example, a depth of 100 to 300 ⁇ m) that penetrates the semiconductor element 11 in the thickness direction and is formed immediately below the electrode region 14, and the semiconductor element 11 includes A through electrode 22 formed over a part of the back surface (the lower surface in FIG. 1A) and the inside of the through hole 21 is provided.
  • a through hole 21 for example, a depth of 100 to 300 ⁇ m
  • the through electrode 22 is made of a metal such as Ti or Cu, and is electrically connected to the electrode region 14.
  • the through hole 21 is filled with a filling layer 23 made of, for example, resin.
  • the through electrode 22 may be configured to cover only the surface inside the through hole 21 as illustrated in FIG. 1A, or may be configured to completely fill the through hole 21 instead of the filling layer 23. Good.
  • an insulating layer 24 that covers the through electrode 22 and has an opening in a part thereof is formed on the back surface of the semiconductor element 11. That is, since the insulating layer 24 is formed so as to avoid at least a part of the through electrode 22 located on the back surface of the semiconductor element 11, a part of the through electrode 22 is exposed from the insulating layer 24.
  • the insulating layer 24 is made of, for example, a resin material.
  • an external electrode 25 electrically connected to the through electrode 22 is formed in the opening of the insulating layer 24.
  • the external electrode 25 is made of, for example, a lead-free solder material having a Sn—Ag—Cu composition.
  • one end of the through electrode 22 is in contact with the back surface of the electrode region 14, passes through the inside of the through hole 21, and the other end is electrically connected to the external electrode 25.
  • the electrode region 14 is electrically connected to the external electrode 25 via the through electrode 22, it is possible to take out a light reception signal in the optical devices 10 ⁇ / b> A and 10 ⁇ / b> B according to the first embodiment.
  • the sawtooth-shaped uneven portion 16 formed on the light transmitting plate 15 receives the incident light. 12 can be efficiently condensed. As a result, the amount of received light is increased and the light receiving sensitivity is improved. In addition, the height of the optical devices 10 ⁇ / b> A and 10 ⁇ / b> B can be reduced as compared with the case where a convex lens is formed on the translucent plate 15.
  • the angle between the main surface of the semiconductor element 11 and the second side surface 17 ⁇ / b> B in the serrated uneven portion 16 incident light and reflected light from the side surface of the translucent plate 15 are incident on the light receiving unit 12. Incident light can be suppressed. As a result, it is possible to reduce degradation of image characteristics as a solid-state imaging device. Further, since the distance between the light receiving unit 12 and the side surface of the translucent plate 15 can be shortened, the light receiving area is increased and the light receiving sensitivity is improved. Alternatively, the area of the semiconductor element 11 can be reduced while maintaining the light receiving region, and the optical device 10A can be downsized.
  • the angle formed by the second side surface 17B and the main surface of the semiconductor element 11 is made different for each circumferential projection, thereby condensing the imaging region more efficiently. And contributes to a reduction in the height of the optical device 10A.
  • the concavo-convex portion 16 has a diffraction grating lens shape, it is desirable that the interval between adjacent circumferential projections be increased as it approaches the center (inner side) and decreases as it approaches the outer periphery (outside). Thereby, it can concentrate on an imaging area
  • the adhesive member 20 becomes a cushioning material, and the compression load due to the probe being pushed during the probe inspection can be reduced. This can particularly reduce the compression load when the adhesive member 20 is formed on the entire surface of the semiconductor element 11 as shown in FIG. 1A. As a result, an optical device 10A having excellent bending strength can be obtained.
  • the incident light from the side surface of the translucent plate 15 is suppressed, the light incident on the adhesive member 20 located in the peripheral region is reduced in the hollow structure as shown in FIG. 1B.
  • the light resistance of the adhesive member 20 need not be considered even when there is a wavelength that causes the characteristic deterioration of the adhesive member 20.
  • the selection range of the adhesive member 20 is expanded, and the cost can be reduced.
  • the first side surface 17A of the concavo-convex portion 16 with the antireflection film 19
  • reflected light from the first side surface 17A can be prevented.
  • a film that shields light and prevents reflection it is possible to prevent reflected light and incident light from the first side surface 17A. As a result, it is possible to further improve image characteristics as a solid-state imaging device.
  • the optical devices 10A and 10B exemplified in the first embodiment are superior in light receiving sensitivity and image characteristics as compared with the conventional devices, and are excellent in downsizing and low profile of the optical devices 10A and 10B.
  • the optical device 10B shown in FIG. 1B has the same structure as the optical device 10A shown in FIG. 1A, except that the light receiving unit 12 is hollow (cavity structure). Is omitted. It goes without saying that the same effect as described above can be obtained even with such an optical device 10B.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing the structure of an optical device 10C according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view illustrating a structure of an optical device 10D that is a modification of the optical device 10C.
  • the optical devices 10 ⁇ / b> C and 10 ⁇ / b> D have serrated irregularities on the surface facing the semiconductor element 11 of the translucent plate 15 as compared with the optical devices 10 ⁇ / b> A and 10 ⁇ / b> B of the first embodiment.
  • the difference is that 16 is formed. Therefore, the following description will focus on the differences from the above-described embodiment, and the same components in FIGS. 1A to 2B will be denoted by common reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
  • the optical device 10C includes a sawtooth-shaped concavo-convex portion 16 on the surface facing the semiconductor element 11 of the light transmitting plate 15 (the lower surface in FIG. 2A). That is, the concavo-convex portion 16 of the translucent plate 15 is configured to face the main surface of the semiconductor element 11 with the adhesive member 20 interposed therebetween.
  • the adhesive member 20 may be formed on the entire surface of the semiconductor element 11 as shown in FIG. 2A.
  • the configuration may be such that it is formed in a region (peripheral region) except just above the light receiving unit 12 (imaging region). That is, as in the optical device 10D, a hollow cavity structure between the light receiving unit 12 and the light transmitting plate 15 may be used.
  • a hollow cavity structure between the light receiving unit 12 and the light transmitting plate 15 may be used.
  • the refractive index of the adhesive member 20 satisfies the condition “refractive index of the light-transmitting plate 15” ⁇ “refractive index of the adhesive member 20”, the dimensional shape of the uneven portion 16, the refractive index of the adhesive member 20, and the adhesive
  • the thickness of the member 20 may be appropriately selected depending on the image characteristics of the optical devices 10C and 10D and the region of the light receiving unit 12.
  • the concavo-convex portion 16 is formed on the lower surface of the translucent plate 15 and the concavo-convex portion 16 is formed on the premise of “refractive index of the translucent plate 15” ⁇ “refractive index of the adhesive member 20”.
  • the outer side surface of each of the circumferential protrusions constituting the first side surface 17A is the inner side surface and the second side surface 17B.
  • the concavo-convex portion 16 has a Fresnel lens shape
  • the angle formed between the second side surface 17B and the main surface of the semiconductor element 11 decreases as it approaches the center portion (inner side) and approaches the outer edge portion (outer side). It is getting bigger.
  • the interval between adjacent circumferential protrusions may be increased as it approaches the central portion (inner side) and may decrease as it approaches the outer peripheral portion (outside).
  • each of the plurality of circumferential protrusions constituting the concavo-convex portion 16 does not collect stray light in the imaging region,
  • the inner side surface is the first side surface 17A and the outer side surface is the second side surface 17B.
  • the height of the sawtooth may be appropriately changed so as to intensify the light beam at an arbitrary wavelength or diffraction order.
  • a plurality of translucent plates 15 having uneven portions 16 may be overlapped.
  • the optical device 10C has the following effects in addition to the effects described in the first embodiment.
  • the serrated irregularities 16 formed on the lower surface of the translucent plate 15 are configured to face the main surface of the semiconductor element 11 with the adhesive member 20 interposed therebetween. Due to the uneven shape, the bonding area between the semiconductor element 11 and the bonding member 20 increases. Thereby, the adhesive force between the semiconductor element 11 and the translucent plate 15 can be enhanced. As a result, the shear strength and the like between the semiconductor element 11 and the translucent plate 15 are improved.
  • the optical device 10C as shown in FIG.
  • an adhesive may be selected on the premise that “refractive index of the light-transmitting plate 15” ⁇ “refractive index of the adhesive member 20”. Spreading costs can be reduced.
  • the optical device 10D shown in FIG. 2B has the same structure as the optical device 10C shown in FIG. 2A except that the light receiving unit 12 is hollow (cavity structure). Is omitted. It goes without saying that the same effect can be obtained in such an optical device 10D.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing the structure of an optical device 10E according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view illustrating a structure of an optical device 10F that is a modification of the optical device 10E.
  • the sawtooth-shaped uneven portions 16 are formed not only on the upper surface but also on the lower surface of the light transmitting plate 15. Is different. Therefore, the following description will be described with a focus on differences from the above-described embodiments, and the same components in FIGS. 1A to 3B will be denoted by common reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
  • the concavo-convex portion 16 formed on the upper surface of the translucent plate 15 can have the same configuration as in the first embodiment, and the concavo-convex portion 16 formed on the lower surface has the same configuration as in the second embodiment. It can be. Further, assuming that the relationship between the refractive indexes of the light transmitting plate 15 and the adhesive member 20 is the same as that in the second embodiment, the dimensional shape of the uneven portion 16, the refractive index of the adhesive member 20, and the thickness of the adhesive member 20. May be appropriately selected depending on the image characteristics of the optical device 10E and the region of the light receiving unit 12.
  • the light receiving portion 12 can be more efficiently condensed. This improves the light receiving sensitivity.
  • the optical device 10F shown in FIG. 3B has the same structure as the optical device 10E shown in FIG. 3A, except that the light receiving unit 12 is hollow (cavity structure). Is omitted. It goes without saying that the same effect can be obtained in such an optical device 10F.
  • This manufacturing method includes a diffusion process, an uneven part forming process, an antireflection film forming process, a translucent plate attaching process, a back grinding process, a through electrode forming process, a solder ball forming process, a dicing process, and the like. .
  • the order of each said process shall be suitably changed except for a part.
  • a method for manufacturing the optical device 10A will be described with reference to FIG. 1A.
  • a wafer including a plurality of semiconductor elements 11 is prepared.
  • Each semiconductor element 11 is formed by a known method, and the main surface of the semiconductor element 11 includes a light receiving portion 12, a peripheral circuit region 13, and an electrode region 14.
  • the electrode region 14 is made of a metal thin film such as Al or Cu.
  • a serrated uneven portion 16 is formed on the upper surface of the translucent plate 15.
  • the first side surface 17A is perpendicular to the main surface of the semiconductor element 11 and the second side surface 17B is acute angle to the main surface of the semiconductor element 11.
  • a plurality of circumferential protrusions are formed concentrically on the upper surface of the translucent plate 15.
  • the concavo-convex portion 16 is formed by an embossing method using a mold or a cutting method using a cutting tool.
  • a lens sheet in which a lens shape is formed in advance may be bonded.
  • the embossing using a metal mold is excellent in processing time and cost because the concavo-convex portion 16 can be collectively formed on the entire surface of the translucent plate 15.
  • the lens sheet may be either an organic material or an inorganic material, but it is desirable that the refractive indexes of the light transmitting plate 15 and the lens sheet are equal. Thereby, reflection and refraction of incident light at the adhesive interface between the light transmitting plate 15 and the lens sheet can be prevented.
  • an antireflection film 19 is formed on the first side surface 17A of the uneven portion 16.
  • a method of depositing the antireflection film 19 on the light transmitting plate 15 using the CVD method is used.
  • a dielectric film such as SiN is deposited on the entire surface of the translucent plate 15 by CVD.
  • SiN other than the first side surface 17A is removed by, for example, RIE (reactive ion etching) using a CF-based reaction gas to form an arbitrary shape.
  • RIE reactive ion etching
  • the light shielding film 18 and the antireflection film 19 are formed on the first side surface 17A
  • first for example, Al, Cr, Au, or the like is used on the entire surface of the translucent plate 15 by using the PVD method or the CVD method.
  • the metal film other than the first side surface 17A is removed using an ion etching method.
  • the antireflection film 19 is formed by the above method.
  • CrO is deposited on the entire surface of the light transmitting plate 15 by CVD or reactive sputtering, and then ion etching is performed. Using this method, CrO other than the first side surface 17A is removed to form an arbitrary shape.
  • an adhesive member 20 made of a resin is applied to the plurality of wafer-like semiconductor elements 11 and bonded (laminated) to the wafer-like light transmitting plate 15. Alternatively, it may be applied to the wafer-shaped translucent plate 15 and then bonded to the plurality of wafer-shaped semiconductor elements 11.
  • a spin coating method, a printing filling method, a dispenser method, or the like may be used as a method for applying the adhesive member 20 .
  • the spin coat method is used for applying the adhesive member 20
  • patterning is performed using the photosensitive adhesive member 20 and by photolithography. Is desirable.
  • the uneven portion 16, the antireflection film 19, etc. may be formed on the surface of the translucent plate 15.
  • a desired value generally about 100 to 300 ⁇ m
  • CMP Chemical Mechanical Polishing
  • a through hole 21 that penetrates the semiconductor element 11 in the thickness direction is formed so as to reach the back surface of the electrode region 14 from the back surface of the semiconductor element 11.
  • dry etching, wet etching, or the like may be performed using a resist, SiO 2 , metal film, or the like as a mask.
  • FIGS. 1A to 1C the entire back surface of the semiconductor element 11 and the inside of the semiconductor element 11 and the through hole 21 are shown in FIGS. 1A to 1C by using a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or a printing filling method of an insulating paste.
  • An insulating film such as SiO 2 is formed.
  • the insulating film formed in the electrode region 14 is removed again using dry etching, wet etching, or the like.
  • the through electrode 22 provided so as to extend from the inside of the through hole 21 to the back surface of the semiconductor element 11 is formed.
  • a metal thin film is formed on the entire surface of the semiconductor element 11 using a sputtering method or the like.
  • Ti, TiW, Cr, Cu or the like is mainly used for the metal thin film.
  • the resist is patterned in accordance with the through electrode 22 by exposure and development using a photolithography technique.
  • the thickness of the resist may be determined according to the thickness of the through electrode 22 to be finally formed. Generally, it is about 5 to 30 ⁇ m.
  • the penetration electrode 22 is formed with metals, such as Cu, using the electrolytic plating method.
  • a filling layer 23 is formed in the through hole 21 in which the through electrode 22 is formed.
  • a filling material a metal or a resin can be used.
  • the metal plating may be filled using an electrolytic plating method, or the metal paste may be filled mainly using a printing filling method, dipping, or the like.
  • the filling layer 23 is filled so as to completely fill the through hole 21.
  • a mask having an opening is formed in the through hole 21, and the through hole 21 is formed using an electrolytic plating method.
  • the filling layer 23 is formed on the substrate.
  • a liquid photo-curing or thermosetting resin is filled by spin coating, or a resin paste is filled by a printing filling method, dipping or the like.
  • an insulating layer 24 is formed on the back surface of the semiconductor element 11 so as to cover the through electrode 22.
  • the insulating layer 24 is formed by using a photosensitive resin and spin coating or attaching a dry film.
  • an opening that exposes a part of the through electrode 22 is formed by selectively removing the insulating layer 24 using a photolithography technique.
  • an external electrode 25 that is electrically connected to the electrode region 14 is formed in the opening provided in the through electrode 22 by a solder ball mounting method using a flux, a solder paste printing method, or an electroplating method.
  • a solder ball mounting method using a flux for example, a solder ball mounting method using a flux, a solder paste printing method, or an electroplating method.
  • a solder ball mounting method using a flux for example, a solder paste printing method, or an electroplating method.
  • a solder ball mounting method using a flux, a solder paste printing method, or an electroplating method for example, a lead-free solder material having a Sn—Ag—Cu composition is used.
  • a wafer including a plurality of semiconductor elements 11 is cut to be separated into a plurality of optical devices 10A.
  • the semiconductor elements 11 may be picked up and attached to the light transmitting plate 15 after the plurality of semiconductor elements 11 are separated.
  • the semiconductor element 11 and the translucent plate 15 have substantially the same size, in other words, the main surface of the semiconductor element 11 and the area of the surface of the translucent plate 15 facing the semiconductor element 11 are substantially the same. Become. Note that “substantially the same” means that a certain amount of error is allowed, and the error is, for example, 3% or less, more preferably 1% or less.
  • the optical devices 10 ⁇ / b> C and 10 ⁇ / b> D shown in FIGS. 2A and 2B are provided with serrated irregularities 16 on the lower surface of the translucent plate 15. That is, the concavo-convex portion 16 of the translucent plate 15 is configured to face the main surface of the semiconductor element 11 with the adhesive member 20 interposed therebetween.
  • the transmissive portion 15 and the semiconductor element 11 are made transparent so that the concavo-convex portion 16 of the translucent plate 15 faces the semiconductor element 11 through the adhesive member 20.
  • the light plate 15 is bonded.
  • the optical devices 10E and 10F shown in FIGS. 3A and 3B are provided with serrated irregularities 16 on the upper surface and the lower surface of the translucent plate 15.
  • the semiconductor element so that the concavo-convex portion 16 of the translucent plate 15 faces the semiconductor element 11 through the adhesive member 20.
  • 11 and the translucent plate 15 are bonded together.
  • the semiconductor element 11 and the translucent plate 15 so that the concavo-convex portion 16 of the translucent plate 15 faces the semiconductor element 11 through the adhesive member 20.
  • the concavo-convex portion 16 on the upper surface of the translucent plate 15 may be formed.
  • the semiconductor device of the present invention is particularly suitable for optical devices (various semiconductor devices such as solid-state imaging devices, photodiodes, laser modules, and various modules).

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Abstract

　光学デバイス（１０Ａ）は、半導体素子（１１）と、半導体素子（１１）の主面に設けられた受光部（１２）と、接着部材（２０）を介して半導体素子（１１）の主面に積層された透光板（１５）とを備える。そして、透光板（１５）の半導体素子（１１）に対面する面及びその裏面のうちの少なくとも一方には、鋸歯状の凹凸部（１６）が形成されている。

Description

光学デバイス、電子機器、及びその製造方法
　本発明は、光を検知する光学デバイス及びその製造方法に関するものである。
　近年、電子機器の小型化、薄型化、軽量化及び高機能化の進展に伴い、半導体装置は、従来のパッケージ構造からベアチップあるいはＣＳＰ(チップ・サイズ・パッケージ)構造が主流になってきている。この中でも、ウエハ状態の組立工程において、貫通電極及び再配線形成によって電気的接続を可能にするウエハレベルＣＳＰ技術が注目されている。例えば、固体撮像素子をはじめとする光学デバイスにおいても、この技術が採用されてきている(例えば特許文献１参照)。
　図４は、従来のウエハレベルＣＳＰ構造を有する固体撮像装置１００Ａの断面を模式的に示す図である。
　従来の固体撮像装置１００Ａは、半導体素子１０１と、半導体素子１０１の主面に設けられた撮像素子１０２と、撮像素子１０２上に設けられたマイクロレンズ１０３と、撮像素子１０２の周辺に設けられた周辺回路領域１０４Ａと、周辺回路領域１０４Ａに電気的に接続された電極配線１０４Ｂとを含む固体撮像素子１００を備えている。
　また、半導体素子１０１の主面上には、接着部材１０５を介して、例えば光学ガラスからなる透光板１０６が設けられている。さらに、半導体素子１０１の内部には、半導体素子１０１を厚み方向に貫通する貫通電極１０７が設けられている。
　加えて、半導体素子１０１の裏面は、貫通電極１０７に電気的に接続される金属配線１０８と、半導体素子１０１の裏面と金属配線１０８の一部とを覆う共に金属配線１０８の残りの部分に開口部を有する絶縁層１０９と、絶縁層１０９の開口部に設けられて金属配線１０８に電気的に接続された例えば半田からなる外部電極１１０とを備えている。
　以上のように、従来の固体撮像装置１００Ａにおいて、撮像素子１０２と外部電極１１０とは、周辺回路領域１０４Ａと電極配線１０４Ｂと貫通電極１０７と金属配線１０８とを介して、電気的に接続されているので受光信号をフリップチップ用基板等に取り出すことができる。
　上記構成の固体撮像素子１００は、例えば、カメラモジュールとして、ＩＲカットフィルタと、基板と、受動部品と、光学レンズ及び絞り等の光学部材とを積層化する。しかし、複数の光学部材を積層するため、容易にカメラモジュールの低背化を実現することができなかった。そこで、固体撮像素子１００上の透光板１０６にレンズを設けることによるモジュールの低背化が提案されている(特許文献２または特許文献３参照)。
特開２００４－２０７４６１号公報 特開２００７－０１２９９５号公報 特開２００８－３１２０１２号公報
　しかし、上記の固体撮像装置１００Ａでは、透光板１０６に入射する光線のうち、撮像素子１０２に対応する領域（以下「撮像領域」と表記する）に入射する光線のみが撮像素子１０２に到達し、撮像領域の外側の領域（以下「周辺領域」と表記する）に入射する光線は撮像素子１０２に到達しないという問題があった。つまり、透光板１０６に入射してきた光量に対し、撮像素子１０２で受光する光量が少ないので、結果的に撮像素子１０２の受光感度が低くなっていた。
　また、周辺領域に入射する光線は、接着部材１０５にも照射されるため、光線の波長によっては接着部材１０５を劣化させるという耐光性の問題が生じてくる。
　また、透光板１０６の側面、周辺領域に対応する半導体素子１０１表面、および接着部材１０５表面で反射した光が画像特性の劣化を招くという問題が生じており、場合によっては、撮像素子１０２と透光板１０６の側面との距離をある程度広く設ける必要がある。また、それに伴って、撮像領域を狭くしたり、固体撮像装置１００Ａを大きく（半導体素子１０１を大きくする、または透光板１０６を撮像素子１０２に対して大きくする）しなければならない。
　しかしながら、撮像領域を狭くした場合は、有効画素数が減り鮮明な画像を取得できない。もしくは、マイクロレンズ１０３のサイズが小さくなることにより受光感度が減少する。一方、固体撮像装置１００Ａを大きくした場合は、固体撮像装置１００Ａの面積が大きくなるといった問題が生じてくる。
　そこで本発明の目的は、上記従来の問題点を解決するもので、画像特性に優れ、高信頼性で、低コストで製造可能な光学デバイス、電子機器およびその製造方法を提供することである。
　本発明に係る光学デバイスは、半導体素子と、前記半導体素子の主面に設けられた受光部と、接着層を介して前記半導体素子の主面に積層された透光板とを備える。そして、前記透光板の前記半導体素子に対面する面及びその裏面のうちの少なくとも一方には、鋸歯状の凹凸部が形成されている。
　上記構成とすることにより、透光板に入射する光を効率良く受光部に集光することができるので、受光部の受光量が増えて受光感度が向上する。
　また、前記凹凸部は、フレネルレンズ形状及び回折格子レンズ形状のいずれかであってもよい。より具体的には、前記凹凸部には、前記半導体素子の主面とのなす角が垂直な第１の側面と前記半導体素子の主面とのなす角が鋭角な第２の側面とで構成される複数の円周状突起が、同心円状に配置されていてもよい。上記の各構成を採用することにより、受光部に効率良く光を集光することができると共に、光学デバイスの低背化にも寄与する。
　また、前記第１の側面には、反射防止膜が形成されていてもよい。これにより、第１の側面で反射した光が受光部に入射するのを有効に防止することができる。
　さらに、前記第１の側面と前記反射防止膜との間には、遮光膜が形成されていてもよい。これにより、第１の側面から入射した光が受光部に到達するのを有効に防止することができる。
　また、前記半導体素子の主面の面積と前記透光板の前記半導体素子に対面する面の面積とは、実質的に同じであってもよい。これにより、光学デバイスの小型化に寄与する。
　さらに、該光学デバイスは、前記半導体素子を厚さ方向に貫通する貫通孔と、前記主面に設けられ、前記受光部と電気的に接続される電極領域と、一端が前記電極領域の裏面に接し、前記貫通孔の内部を通って、他端が前記半導体素子の前記主面と反対側の面まで延びる貫通電極とを備えてもよい。また、前記貫通孔の内部には、充填層が設けられていてもよい。さらに、該光学デバイスは、前記主面と反対側の面に位置する前記貫通電極の少なくとも一部を避けるように、前記主面と反対側の面を覆う絶縁層を備えてもよい。さらに、該光学デバイスは、前記主面と反対側の面上に設けられ、前記貫通電極の前記絶縁層に覆われていない部分と電気的に接続される外部電極を備えてもよい。
　このように、透光板に凹凸部を設けると共に、受光素子からの信号を貫通電極を介して半導体素子の裏面に取り出すことにより、更なる小型化、薄型化を実現することができる。
　本発明に係る電子機器は、表面に配線を有する基板と、前記基板の表面に取り付けられ、前記外部電極と前記配線とが電気的に接続された上記記載の光学デバイスとを備える。上記記載の光学デバイスを採用することにより、電子機器の小型化、薄型化に寄与する。
　本発明に係る光学デバイスの製造方法は、上記記載の光学デバイスを製造する方法である。具体的には、前記半導体素子の主面に前記受光部を形成する受光部形成工程と、接着部層を介して前記半導体素子の主面に前記透光板を積層する積層工程と、前記透光板の前記半導体素子に対面する面及びその裏面のうちの少なくとも一方に、鋸歯状の凹凸部を形成する凹凸部形成工程とを含む。
　上記構成の製造方法によれば、透光板に入射する光を効率良く受光部に集光することのできる光学デバイスを製造することができる。なお、上記の製造方法における各工程の順序は限定されない。すなわち、凹凸部を透光板の半導体素子に対面する面に形成する場合には、凹凸部形成工程の後に積層工程を実行する。一方、凹凸部を透光板の裏面に形成する場合には、凹凸部形成工程と積層工程との先後は問わない。
　また、前記凹凸部形成工程では、フレネルレンズ形状及び回折格子レンズ形状のいずれかの凹凸部を形成してもよい。より具体的には、前記凹凸部形成工程では、前記半導体素子の主面とのなす角が垂直となる第１の側面と前記半導体素子の主面とのなす角が鋭角となる第２の側面とで構成される複数の円周状突起を、前記透光板の面に同心円状に形成してもよい。これにより、さらに、光学デバイスの低背化することができる。
　さらに、該光学デバイスの製造方法は、前記第１の側面に反射防止膜を形成する成膜工程を含んでもよい。また、前記成膜工程では、前記反射防止膜を形成するのに先立って、前記第１の側面に遮光膜を形成してもよい。
　前記受光部形成工程では、前記受光部と電気的に接続される電極領域を前記主面に形成する。さらに、該光学デバイスの製造方法は、前記半導体素子を厚さ方向に貫通する貫通孔を形成すると共に、一端が前記電極領域の裏面に接し、前記貫通孔の内部を通って、他端が前記半導体素子の主面と反対側の面まで延びる貫通電極を形成する貫通電極形成工程を含んでもよい。
　また、前記貫通電極形成工程では、前記貫通電極が形成された後で前記貫通孔に充填層を充填してもよい。
　また、前記貫通電極形成工程では、前記主面と反対側の面に位置する前記貫通電極の少なくとも一部を避けるように、前記主面と反対側の面を覆う絶縁層を形成してもよい。
　さらに、該光学デバイスの製造方法は、前記貫通電極と電気的に接続される外部電極を、前記主面と反対側の面の前記絶縁層が形成されていない部分に形成する外部電極形成工程を含んでもよい。
　本発明によると、鋸歯状の凹凸部を形成することにより、入射光を受光部に効率よく集光することができる。その結果、受光部の受光量が増えて受光感度が向上する。
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る光学デバイスの構造を示す断面図である。 図１Ｂは、図１Ａの変形例である光学デバイスの構造を示す断面図である。 図１Ｃは、図１Ａに示す凹凸部の拡大図である。 図２Ａは、本発明の第２の実施形態に係る光学デバイスの構造を示す断面図である。 図２Ｂは、図２Ａの変形例である光学デバイスの構造を示す断面図である。 図３Ａは、本発明の第３の実施形態に係る光学デバイスの構造を示す断面図である。 図３Ｂは、図３Ａの変形例である光学デバイスの構造を示す断面図である。 図４は、従来の固体撮像装置の構造を示す断面図である。
　以下、本発明の形態を説明する。
　(第１の実施形態)
　以下、図１Ａ～図１Ｃを参照して、本発明の第１の実施形態に係る例示的な光学デバイス１０Ａ、１０Ｂについて説明する。なお、図１Ａは、第１の実施形態に係る光学デバイス１０Ａの構造を示す断面図である。図１Ｂは、光学デバイス１０Ａの変形例である光学デバイス１０Ｂの構造を示す断面図である。図１Ｃは、光学デバイス１０Ａ、１０Ｂに設けられた凹凸部１６の拡大図である。
　図１Ａに示すように、光学デバイス１０Ａは、半導体素子１１と、その表面（以下、「主面」と表記する）に受光部１２と、受光部１２の周辺に例えば受光部１２からの信号を処理する周辺回路領域１３と、一部Ａｌ、Ｃｕ等の金属薄膜で形成された電極領域１４と、接着部材２０を介して半導体素子１１の主面に積層された透光板１５とを備えている。
　この光学デバイス１０Ａは、典型的には、固体撮像素子である。つまり、受光部１２の表面（図１Ａの上面）には、複数のフォトダイオード（図示省略）がマトリックス上に配置される。さらに、複数のフォトダイオードの上面には、マイクロレンズ（図示省略）が配置される。
　ここで透光板１５は、光学ガラスもしくは光学樹脂等から構成されており、その表面には鋸歯状の凹凸部１６が形成されている。第１の実施形態においては、凹凸部１６は、透光板１５の半導体素子１１に対面する面（図１Ａの下面）と反対側の面（図１Ａの上面）に形成されている。この鋸歯状の凹凸部１６はフレネルレンズ形状もしくは回折格子レンズ形状であり、その寸法形状は受光部１２の領域や確保したい画像特性によって決定すればよい。
　より具体的には、凹凸部１６は、透光板１５の上面に同心円状に形成された複数の円周状突起で構成される。この円周状突起は、それぞれ半導体素子１１の主面とのなす角が垂直な第１の側面１７Ａと、半導体素子１１の主面とのなす角が鋭角な第２の側面１７Ｂとで構成される。
　なお、第１及び第２の側面１７Ａ、１７Ｂの位置関係は、凹凸部１６が設けられる面（半導体素子１１に対面する面若しくはその裏面）と、透光板１５及び凹凸部１６に接する物質の屈折率の大小関係とによって決定される。
　第１の実施形態において、凹凸部１６は透光板１５の上面に形成されており、且つ凹凸部１６に接しているのは空気（大気）であるので、「透光板１５の屈折率」＞「空気の屈折率」となる。この場合には、円周状突起それぞれの内側側面が第１の側面１７Ａとなり、外側側面が第２の側面１７Ｂとなる。
　上記構成とすることにより、透光板１５の周辺領域に入射した光をも受光部１２に集光することができる。つまり、凹凸部１６は、受光部１２に光を集光する集光レンズとして機能する。
　また、フレネルレンズ形状のように、凹凸部１６の第２の側面１７Ｂと半導体素子１１の主面とのなす角を、円周突起毎に異ならせてもよい。第１の実施形態において、中央部（内側）に近付く程角度が小さくなり、外縁部（外側）に近付く程角度が大きくなっている。
　また、回折格子レンズ形状のように、隣接する円周突起の間隔を、中央部（内側）に近付く程広くし、外周部（外部）に近づく程狭くしてもよい。このとき、凹凸部１６を構成する複数の円周状突起それぞれは、迷光を撮像領域に集光させず、且つ回折効率を高めるために、外側側面を第１の側面１７Ａとし、内側側面を第２の側面１７Ｂとするのが望ましい。また、光線を任意の波長や回折次数で強め合うように、鋸歯の高さを適宜変更してもよい。任意の波長だけでなく複数の波長の回折効率を高めるために、凹凸部１６を持つ透光板１５を複数重ね合わせてもよい。
　加えて、図１Ｃに示すように、凹凸部１６の第１の側面１７Ａには遮光膜１８及び反射防止膜１９を形成してもよい。遮光膜１８は、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ等の金属で形成される。反射防止膜１９は、無機材料もしくは有機材料のどちらでも構わない。そして、第１の側面１７Ａには、まず遮光膜１８を形成し、遮光膜１８の上に反射防止膜１９を積層するのが望ましい。
　尚、ここで第１の側面１７Ａには、反射防止膜１９のみを形成してもよい。また、遮光膜１８のみを形成してもよい。さらには、遮光膜１８と反射防止膜１９とを形成する代わりに、遮光と反射防止の特性を併せ持つ単一の遮光・反射防止膜を形成してもよく、例えば、ＣｒＯを形成することが望ましい。
　また、接着部材２０は、樹脂材から構成されており、図１Ａに示す光学デバイス１０Ａのように半導体素子１１の全面に形成される構成であってもよいし、図１Ｂに示す光学デバイス１０Ｂのように、受光部１２を除く領域（周辺領域）にのみ形成される構成であってもよい。つまり、接着部材２０は、光学デバイス１０Ｂのように、受光部１２と透光板１５との間が中空のキャビティ構造であってもよく、光学デバイス１０Ａ、１０Ｂの電気特性、画像特性、受光部１２の領域（撮像領域）、耐光性、半導体素子１１と透光板１５との接着強度によって適宜選択すればよい。
　また、光学デバイス１０Ａは、さらに、半導体素子１１を厚さ方向に貫通し、且つ電極領域１４の直下部に形成される貫通孔２１(例えば、深さが１００～３００μｍ)と、半導体素子１１の裏面（図１Ａの下面）の一部と貫通孔２１の内部に渡って形成された貫通電極２２を備える。
　ここで、貫通電極２２は、例えばＴｉ、Ｃｕ等の金属からなり、電極領域１４と電気的に接続されている。また、貫通孔２１には、例えば樹脂からなる充填層２３が充填されている。ここで、この貫通電極２２は、図１Ａのように貫通孔２１内部の表面だけを覆う構成であってもよいし、充填層２３の代わりに、貫通孔２１を完全に埋める構成であってもよい。
　また、半導体素子１１の裏面には、貫通電極２２を覆うと共にその一部に開口部を有する絶縁層２４が形成されている。つまり、絶縁層２４は、半導体素子１１の裏面に位置する貫通電極２２の少なくとも一部を避けるように形成されているので、貫通電極２２の一部は、絶縁層２４から露出している。
　この絶縁層２４は、例えば、樹脂材料で形成されている。加えて、絶縁層２４の開口部には貫通電極２２と電気的に接続された外部電極２５が形成されている。この外部電極２５は、例えば、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ組成の鉛フリー半田材料で形成されている。
　つまり、貫通電極２２は、その一端が電極領域１４の裏面に接し、貫通孔２１の内部を通って、他端が外部電極２５に電気的に接続されている。このように、電極領域１４が貫通電極２２を介して外部電極２５と電気的に接続されているため、第１の実施形態に係る光学デバイス１０Ａ、１０Ｂにおける受光信号の取出しが可能となる。
　以上のように、図１Ａ及び図１Ｂに示した第１の実施形態に係る光学デバイス１０Ａ、１０Ｂによると、透光板１５上に形成された鋸歯状の凹凸部１６により、入射光を受光部１２に効率よく集光することができる。これにより、受光量が増えて受光感度が向上する。加えて、透光板１５上に凸レンズを形成するよりも光学デバイス１０Ａ、１０Ｂの低背化が実現できる。
　更に、鋸歯状の凹凸部１６において、半導体素子１１の主面と第２の側面１７Ｂとのなす角を調整することにより、透光板１５の側面からの入射光及び反射光が受光部１２に入射するのを抑制することができる。その結果、固体撮像素子としての画像特性の劣化を軽減することができる。また、受光部１２と透光板１５の側面との距離を短くすることができるので、受光面積が拡大し受光感度が向上する。もしくは、受光領域を維持したまま半導体素子１１の面積を小さくすることができ、光学デバイス１０Ａの小型化が可能となる。
　また、凹凸部１６をフレネルレンズ形状とする場合、第２の側面１７Ｂと半導体素子１１の主面とのなす角を円周突起毎に異ならせることで、より一層効率よく撮像領域に集光することができると共に、光学デバイス１０Ａの低背化にも寄与する。
　凹凸部１６を回折格子レンズ形状とする場合は、隣接する円周状突起の間隔を、中央部（内側）に近付く程広くし、外周部（外部）に近づく程狭くするのが望ましい。これにより、光の回折により撮像領域に集光することができると共に、光学デバイス１０Ａの低背化にも寄与する。また、凹凸部１６を持つ透光板１５を複数重ね合わせることで、複数の波長に高い回折効率を持つようになり、更に効率よく撮像領域に集光することができる。
　また、接着部材２０が緩衝材となり、プローブ検査の際のプローブ押し込みによる圧縮負荷を軽減することができる。これは、図１Ａのような接着部材２０が半導体素子１１の全面に形成される構造の場合に、特に圧縮負荷を軽減することができる。その結果、抗折強度の優れた光学デバイス１０Ａを得ることができる。
　加えて、透光板１５の側面からの入射光を抑制することから、図１Ｂのような中空構造においては、周辺領域に位置する接着部材２０に入射する光線が減少する。その結果、接着部材２０の特性劣化を引き起こす波長が存在する場合においても、接着部材２０の耐光性を考えなくてよい。その結果、接着部材２０の選択範囲が拡がりコスト削減が可能となる。
　また、凹凸部１６の第１の側面１７Ａに反射防止膜１９を備えることにより、第１の側面１７Ａからの反射光を防止することができる。更には、遮光且つ反射防止する膜を形成することにより、第１の側面１７Ａからの反射光及び入射光を防止することができる。その結果、固体撮像素子としての更なる画像特性の向上を図ることができる。
　つまり、第１の実施形態において例示した光学デバイス１０Ａ、１０Ｂは、従来よりも受光感度及び画像特性に優れ、ならびに光学デバイス１０Ａ、１０Ｂの小型化及び低背化に優れている。
　なお、図１Ｂに示した光学デバイス１０Ｂは、受光部１２の直上が中空（キャビティ構造）になっていることを除けば、図１Ａに示した光学デバイス１０Ａと同一の構造であるので、詳しい説明は省略する。このような光学デバイス１０Ｂであっても上述と同様の効果を得られることは言うまでもない。
　（第２の実施形態）
　以下、図２Ａ及び図２Ｂを参照して、本発明の第２の実施形態に係る光学デバイス１０Ｃ、１０Ｄについて説明する。なお、図２Ａは、本発明の第２の実施形態に係る光学デバイス１０Ｃの構造を示す断面図である。図２Ｂは、光学デバイス１０Ｃの変形例である光学デバイス１０Ｄの構造を示す断面図である。
　図２Ａ及び図２Ｂに示すように、光学デバイス１０Ｃ、１０Ｄは、第１の実施形態の光学デバイス１０Ａ、１０Ｂと比較すると、透光板１５の半導体素子１１に対面する面に鋸歯状の凹凸部１６が形成されている点が異なる。そこで、以降の説明は上記の実施形態との相違点を中心に説明することとし、図１Ａ～図２Ｂで同一の構成要素には共通の参照番号を付して詳しい説明は省略する。
　図２Ａに示すように、第２の実施形態に係る光学デバイス１０Ｃは、透光板１５の半導体素子１１に対面する面（図２Ａの下面）に鋸歯状の凹凸部１６を備えている。つまり、透光板１５の凹凸部１６が接着部材２０を介して半導体素子１１の主面と対向するように構成されている。
　ここで接着部材２０は、図２Ａに示すように、半導体素子１１全面に形成されている構成であってもよい。または、図２Ｂに示すように、受光部１２の直上（撮像領域）を除く領域（周辺領域）に形成される構成であってもよい。つまり、光学デバイス１０Ｄのように、受光部１２と透光板１５との間が中空のキャビティ構造であってもよく、光学デバイスの電気特性、画像特性や受光部１２の領域（撮像領域）によって適宜選択すればよい。
　また、接着部材２０の屈折率は、「透光板１５の屈折率」≠「接着部材２０の屈折率」を満たすことを前提として、凹凸部１６の寸法形状、接着部材２０の屈折率、接着部材２０の厚さを光学デバイス１０Ｃ、１０Ｄの画像特性や受光部１２の領域によって適宜選択すればよい。
　また、第２の実施形態において、凹凸部１６は透光板１５の下面に形成され、且つ「透光板１５の屈折率」＜「接着部材２０の屈折率」を前提とし、凹凸部１６を構成する円周状突起それぞれの外側側面が第１の側面１７Ａとなり、内側側面が第２の側面１７Ｂとなる。
　また、凹凸部１６がフレネルレンズ形状のように、第２の側面１７Ｂと半導体素子１１の主面とのなす角は、中央部（内側）に近付く程小さくなり、外縁部（外側）に近付く程大きくなっている。
　凹凸部１６が回折格子レンズ形状のように、隣接する円周突起の間隔を、中央部（内側）に近付く程広くし、外周部（外部）に近づく程狭くしてもよい。このとき、「透光板１５の屈折率」≠「接着部材２０の屈折率」を前提として、凹凸部１６を構成する複数の円周状突起それぞれは、迷光を撮像領域に集光させず、且つ回折効率を高めるために、内側側面を第１の側面１７Ａとし、外側側面を第２の側面１７Ｂとするのが望ましい。また、光線を任意の波長や回折次数で強め合うように、鋸歯の高さを適宜変更してもよい。任意の波長だけでなく複数の波長の回折効率を高めるために、凹凸部１６を持つ透光板１５を複数重ね合わせてもよい。
　このような構成により、光学デバイス１０Ｃは、第１の実施形態において説明した効果に加えて、以下の効果を有する。
　透光板１５の下面に形成された鋸歯状の凹凸部１６が、接着部材２０を介して半導体素子１１の主面と対向するように構成されている。この凹凸形状により、半導体素子１１と接着部材２０との接着面積が増加する。これにより、半導体素子１１と透光板１５との接着力を強化することがきる。その結果、半導体素子１１と透光板１５とのシェア強度等が向上する。特に、図２Ａに示すような光学デバイス１０Ｃにおいては、接着力の強化は顕著に現れる。
　また、凹凸部１６を回折格子レンズ形状とする場合、「透光板１５の屈折率」≠「接着部材２０の屈折率」を前提として、接着剤を選択すればよいので接着剤の選択範囲が拡がりコスト削減が可能となる。
　尚、図２Ｂに示した光学デバイス１０Ｄは、受光部１２の直上が中空（キャビティ構造）になっていることを除けば、図２Ａに示した光学デバイス１０Ｃと同一の構造であるので、詳しい説明は省略する。このような光学デバイス１０Ｄにおいても同様の効果が得られることは言うまでもない。
　(第３の実施形態)
　以下、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、本発明の第３の実施形態に係る光学デバイス１０Ｅ、１０Ｆについて説明する。なお、図３Ａは、本発明の第３の実施形態に係る光学デバイス１０Ｅの構造を示す断面図である。図３Ｂは、光学デバイス１０Ｅの変形例である光学デバイス１０Ｆの構造を示す断面図である。
　図３Ａ及び図３Ｂに示すように、光学デバイス１０Ｅ、１０Ｆは、第１の実施形態の光学デバイス１０Ａと比較すると、透光板１５の上面だけでなく下面にも鋸歯状の凹凸部１６が形成されている点が異なる。そこで、以降の説明は上記の各実施形態との相違点を中心に説明することとし、図１Ａ～図３Ｂで同一の構成要素には共通の参照番号を付して詳しい説明は省略する。
　図３Ａに示すように、第３の実施形態に係る光学デバイス１０Ｅは、透光板１５の上面だけでなく、下面にも鋸歯状の凹凸部１６が形成されている。ここで、透光板１５の上面に形成される凹凸部１６は第１の実施形態と同一の構成とすることができ、下面に形成される凹凸部１６は第２の実施形態と同一の構成とすることができる。また、透光板１５及び接着部材２０の屈折率の関係は、第２の実施形態の場合と同様であるとして、凹凸部１６の寸法形状、接着部材２０の屈折率、接着部材２０の厚さを光学デバイス１０Ｅの画像特性や受光部１２の領域によって適宜選択すればよい。
　このように、透光板１５の上面及び下面に凹凸部１６を設けたことにより、第１及び第２の実施形態において説明した効果に加えて、更に受光部１２に効率よく集光することができ、受光感度が向上する。
　なお、図３Ｂに示した光学デバイス１０Ｆは、受光部１２の直上が中空（キャビティ構造）になっていることを除けば、図３Ａに示した光学デバイス１０Ｅと同一の構造であるので、詳しい説明は省略する。このような光学デバイス１０Ｆにおいても同様の効果が得られることは言うまでもない。
　（各実施形態の例示的光学デバイスの製造方法）
　以下に、第１の実施形態に係る光学デバイス１０Ａの製造方法について説明する。この製造方法は、拡散工程、凹凸部の形成工程、反射防止膜の形成工程、透光板の貼り付け工程、バックグラインド工程、貫通電極の形成工程、半田ボール形成工程、及びダイシング工程等を含む。なお、上記の各工程の順序は、一部を除いて適宜変更することができるものとする。
　図１Ａを参照して、光学デバイス１０Ａの製造方法を説明する。始めに、半導体素子１１を複数個含むウエハを準備する。各半導体素子１１は公知の方法により形成され、半導体素子１１の主面は受光部１２と周辺回路領域１３と電極領域１４とを備えるものとする。ここで、電極領域１４は、例えばＡｌ，Ｃｕ等の金属薄膜から成る。
　次に、透光板１５の上面に鋸歯状の凹凸部１６を形成する。具体的には、半導体素子１１の主面とのなす角が垂直となる第１の側面１７Ａと、半導体素子１１の主面とのなす角が鋭角となる第２の側面１７Ｂとで構成される複数の円周状突起を、透光板１５の上面に同心円状に形成する。
　凹凸部１６を形成するには、例えば、金型を用いたエンボス加工法、バイトを用いた切削加工法で形成する。もしくは、あらかじめレンズ形状が形成されたレンズシートを貼り合わせてもよい。
　金型を用いたエンボス加工は、凹凸部１６を透光板１５の全面に一括形成できるため、加工時間、コストに優れている。一方、レンズシートを貼り付ける場合は、レンズシートは有機材料又は無機材料のどちらでも構わないが、透光板１５とレンズシートとの屈折率は等しいほうが望ましい。これにより、透光板１５とレンズシートとの接着界面での、入射光の反射と屈折を防止することができる。
　その後、凹凸部１６の第１の側面１７Ａに反射防止膜１９を形成する。反射防止膜１９を形成する場合、例えば透光板１５にＣＶＤ法を用いて反射防止膜１９を堆積させる方法を用いる。まず、透光板１５の表面全面にＣＶＤ法で、例えばＳｉＮ等の誘電体膜を堆積させる。その後、例えばＣＦ系の反応ガスを用いたＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）で、第１の側面１７Ａ以外のＳｉＮの除去を行い、任意の形状を形成する。これにより、第１の側面１７Ａからの反射光を防止することができ、固体撮像素子としての画像特性の向上を図ることができる。
　更に、第１の側面１７Ａに遮光膜１８と反射防止膜１９とを形成する場合は、まず、透光板１５の表面全面にＰＶＤ法またはＣＶＤ法を用いて、例えばＡｌ、Ｃｒ、Ａｕ等の金属膜を堆積した後、イオンエッチング法を用いて第１の側面１７Ａ以外の金属膜の除去を行う。その後は、上記の方法で反射防止膜１９を形成する。また、遮光特性と反射防止特性とを兼ね備えた単一の膜を形成する場合は、例えば、透光板１５に表面全面にＣＶＤ法もしくは反応性スパッタ法を用いてＣｒＯを堆積した後、イオンエッチング法を用いて第１の側面１７Ａ以外のＣｒＯの除去を行い、任意の形状に形成する。
　次に、ウエハ状の複数の半導体素子１１に樹脂よりなる接着部材２０を塗布し、ウエハ状の透光板１５と接着（積層）する。または、ウエハ状の透光板１５に塗布してからウエハ状の複数の半導体素子１１と接着してもよい。接着部材２０の塗布方法は、スピンコート法、印刷充填法、ディスペンサ法等を用いてもよい。尚、図１Ｂのように中空のキャビティ構造を持つ光学デバイス１０Ｂにおいて、接着部材２０の塗布にスピンコート法を用いる際は、感光性の接着部材２０を用いて、且つフォトリソグラフィによりパターニングをすることが望ましい。
　尚、ウエハ状の半導体素子１１とウエハ状の透光板１５とを貼り合わせた後、透光板１５の表面に凹凸部１６、反射防止膜１９等を形成してもよい。
　次に、ウエハの厚さを予め所望の値（一般に、１００～３００μｍ程度）にまでバックグラインドし、更に、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等の鏡面処理を施しておくことが望ましい。
　続いて、半導体素子１１の裏面から、電極領域１４の裏面に達するように半導体素子１１を厚さ方向に貫通する貫通孔２１を形成する。具体的には、レジスト、ＳｉＯ2、金属膜等をマスクとし、ドライエッチング、ウェットエッチング等を行なえば良い。
　次に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や絶縁ペーストの印刷充填法等を用いて、半導体素子１１の裏面全体、ならびに、半導体素子１１、貫通孔２１の内部に図１Ａ～図１Ｃには示されていないＳｉＯ2等の絶縁膜を形成する。
　続いて、再度ドライエッチングやウェットエッチング等を用いて、電極領域１４に形成された絶縁膜を除去する。その後、貫通孔２１の内部から半導体素子１１の裏面にまで延びるように設けられる貫通電極２２を形成する。例えば、スパッタ法等を用いて、半導体素子１１の表面の全面に金属薄膜を形成する。
　ここで、金属薄膜には、主にＴｉ、ＴｉＷ、Ｃｒ、Ｃｕ等を用いる。続いて、ドライフィルム貼り付け又はスピンコートによる感光性の液状レジスト塗布を行なった後、フォトリソグラフィ技術を用いて、露光及び現像により貫通電極２２に合わせてレジストをパターニングする。尚、レジストの厚さは、最終的に形成したい貫通電極２２の厚さに応じて決定すればよい。一般には、５～３０μｍ程度とする。そして、電解めっき法を用いて、Ｃｕ等の金属で貫通電極２２を形成する。
　次に、貫通電極２２が形成された貫通孔２１に充填層２３を形成する。充填する材料としては、金属又は樹脂を用いることができる。金属を充填する場合は、電解めっき法を用いて金属めっきを充填するか、又は、印刷充填法、ディッピング等を用いて主に金属ペーストを充填すればよい。
　電解めっき法によって充填する場合は、貫通電極２２を形成するのと同時に行なうことが望ましい。この際、充填層２３は貫通孔２１を完全に埋め込むように充填する。また、充填層２３と貫通電極２２とを別々に形成する場合は、例えば貫通電極２２を形成した後に、貫通孔２１の部分に開口を持つマスクを形成し、電解めっき法を用いて貫通孔２１に充填層２３を形成する。
　樹脂材料を充填する場合は、液状の光硬化型又は熱硬化型の樹脂をスピンコートにより充填するか、又は、樹脂ペーストを印刷充填法、ディッピング等により充填すれば良い。
　続いて、半導体素子１１の裏面に、貫通電極２２を覆うように絶縁層２４を形成する。例えば、絶縁層２４は、感光性樹脂を用い、スピンコート又はドライフィルム貼り付けによって形成する。次に、フォトリソグラフィ技術を用い、絶縁層２４を選択的に除去することにより、貫通電極２２の一部を露出させる開口部を形成する。
　続いて、貫通電極２２に設けた開口部に対し、フラックスを用いた半田ボール搭載法、半田ペースト印刷法又は電気めっき法により、電極領域１４と電気的に接続する外部電極２５を形成する。この材料としては、例えば、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ組成の鉛フリー半田材料を用いる。
　その後、例えばダイシングソー等の切削部材を用い、半導体素子１１を複数個含むウエハを切削し、複数の光学デバイス１０Ａとして個片化する。尚、複数の半導体素子１１を個片化した後に、半導体素子１１をそれぞれピックアップし、透光板１５に貼り付けても構わない。これにより、半導体素子１１と透光板１５とが実質的に同じ大きさ、言い換えれば、半導体素子１１の主面と透光板１５の半導体素子１１に対面する面の面積が実質的に同じになる。なお、「実質的に同じ」とは、ある程度の誤差が許容されることを意味し、その誤差は、例えば、３％以下、より好ましくは１％以下とする。
　次に、第２及び第３の実施形態の光学デバイス１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆについて、上記の製造方法との相違点を説明する。主に、製造する順番が異なるのみなので、よって詳しい形状形成法は省略する。
　まず、図２Ａ及び図２Ｂに示す光学デバイス１０Ｃ、１０Ｄは、透光板１５の下面に鋸歯状の凹凸部１６を備えている。つまり、透光板１５の凹凸部１６が接着部材２０を介して半導体素子１１の主面と対向するように構成されている。このためには、まず透光板１５の下面に凹凸部１６を形成した後に、透光板１５の凹凸部１６が接着部材２０を介して半導体素子１１と対向するように、半導体素子１１と透光板１５とを接着する。
　また、図３Ａ及び図３Ｂに示す光学デバイス１０Ｅ、１０Ｆは、透光板１５の上面と下面とに鋸歯状の凹凸部１６を備えている。このためには、まず透光板１５の上面及び下面それぞれに凹凸部１６を形成した後に、透光板１５の凹凸部１６が接着部材２０を介して半導体素子１１と対向するように、半導体素子１１と透光板１５とを接着する。もしくは、透光板１５の下面に凹凸部１６を形成した後に、透光板１５の凹凸部１６が接着部材２０を介して半導体素子１１と対向するように、半導体素子１１と透光板１５とを接着し、最後に透光板１５の上面の凹凸部１６を形成してもよい。
　以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
　本発明の半導体装置は、光学デバイス（固体撮像素子をはじめ、フォトダイオード、レーザーモジュール等の各種半導体装置や各種モジュール）に特に好適である。
　１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ　　光学デバイス
　１１，１０１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　半導体素子
　１２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　受光部
　１３，１０４Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　周辺回路領域
　１４　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　電極領域
　１５，１０６　　　　　　　　　　　　　　　　　　　透光板
　１６　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　凹凸部
　１７Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第１の側面
　１７Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第２の側面
　１８　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　遮光膜
　１９　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　反射防止膜
　２０，１０５　　　　　　　　　　　　　　　　　　　接着部材
　２１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　貫通孔
　２２，１０７　　　　　　　　　　　　　　　　　　　貫通電極
　２３　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　充填層
　２４，１０９　　　　　　　　　　　　　　　　　　　絶縁層
　２５，１１０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　外部電極
　１００　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　固体撮像素子
　１００Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　固体撮像装置
　１０２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　撮像素子
　１０３　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　マイクロレンズ
　１０４Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　電極配線
　１０８　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　金属配線

Claims (20)

  1. 　半導体素子と、
    　前記半導体素子の主面に設けられた受光部と、
    　接着層を介して前記半導体素子の主面に積層された透光板とを備え、
    　前記透光板の前記半導体素子に対面する面及びその裏面のうちの少なくとも一方には、鋸歯状の凹凸部が形成されている
    　光学デバイス。
  2. 　前記凹凸部は、フレネルレンズ形状及び回折格子レンズ形状のいずれかである
    　請求項１に記載の光学デバイス。
  3. 　前記凹凸部には、前記半導体素子の主面とのなす角が垂直な第１の側面と前記半導体素子の主面とのなす角が鋭角な第２の側面とで構成される複数の円周状突起が、同心円状に配置されている
    　請求項２に記載の光学デバイス。
  4. 　前記第１の側面には、反射防止膜が形成されている
    　請求項３に記載の光学デバイス。
  5. 　前記第１の側面と前記反射防止膜との間には、更に遮光膜が形成されている
    　請求項４に記載の光学デバイス。
  6. 　前記半導体素子の主面の面積と前記透光板の前記半導体素子に対面する面の面積とは、実質的に同じである
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  7. 　該光学デバイスは、さらに、
    　前記半導体素子を厚さ方向に貫通する貫通孔と、
    　前記主面に設けられ、前記受光部と電気的に接続される電極領域と、
    　一端が前記電極領域の裏面に接し、前記貫通孔の内部を通って、他端が前記半導体素子の前記主面と反対側の面まで延びる貫通電極とを備える
    　請求項１～６のいずれか１項に記載の光学デバイス。
  8. 　前記貫通孔の内部には、充填層が設けられている
    　請求項７に記載の光学デバイス。
  9. 　該光学デバイスは、さらに、前記主面と反対側の面に位置する前記貫通電極の少なくとも一部を避けるように、前記主面と反対側の面を覆う絶縁層を備える
    　請求項７又は８に記載の光学デバイス。
  10. 　該光学デバイスは、さらに、前記主面と反対側の面上に設けられ、前記貫通電極の前記絶縁層に覆われていない部分と電気的に接続される外部電極を備える
    　請求項９に記載の光学デバイス。
  11. 　表面に配線を有する基板と、
    　前記基板の表面に取り付けられ、前記外部電極と前記配線とが電気的に接続された請求項１０に記載の光学デバイスとを備える
    　電子機器。
  12. 　請求項１に記載の光学デバイスを製造する光学デバイスの製造方法であって、
    　前記半導体素子の主面に前記受光部を形成する受光部形成工程と、
    　接着部層を介して前記半導体素子の主面に前記透光板を積層する積層工程と、
    　前記透光板の前記半導体素子に対面する面及びその裏面のうちの少なくとも一方に、鋸歯状の凹凸部を形成する凹凸部形成工程とを含む
    　光学デバイスの製造方法。
  13. 　前記凹凸部形成工程では、フレネルレンズ形状及び回折格子レンズ形状のいずれかの凹凸部を形成する
    　請求項１２に記載の光学デバイスの製造方法。
  14. 　前記凹凸部形成工程では、前記半導体素子の主面とのなす角が垂直となる第１の側面と前記半導体素子の主面とのなす角が鋭角となる第２の側面とで構成される複数の円周状突起を、前記透光板の面に同心円状に形成する
    　請求項１３に記載の光学デバイスの製造方法。
  15. 　該光学デバイスの製造方法は、さらに、前記第１の側面に反射防止膜を形成する成膜工程を含む
    　請求項１４に記載の光学デバイスの製造方法。
  16. 　前記成膜工程では、前記反射防止膜を形成するのに先立って、前記第１の側面に遮光膜を形成する
    　請求項１５に記載の光学デバイスの製造方法。
  17. 　前記受光部形成工程では、前記受光部と電気的に接続される電極領域を前記主面に形成し、
    　該光学デバイスの製造方法は、さらに、前記半導体素子を厚さ方向に貫通する貫通孔を形成すると共に、一端が前記電極領域の裏面に接し、前記貫通孔の内部を通って、他端が前記半導体素子の主面と反対側の面まで延びる貫通電極を形成する貫通電極形成工程を含む
    　請求項１２～１６のいずれか１項に記載の光学デバイスの製造方法。
  18. 　前記貫通電極形成工程では、前記貫通電極が形成された後で前記貫通孔に充填層を充填する
    　請求項１７に記載の光学デバイスの製造方法。
  19. 　前記貫通電極形成工程では、前記主面と反対側の面に位置する前記貫通電極の少なくとも一部を避けるように、前記主面と反対側の面を覆う絶縁層を形成する
    　請求項１７又は１８に記載の光学デバイスの製造方法。
  20. 　該光学デバイスの製造方法は、さらに、前記貫通電極と電気的に接続される外部電極を、前記主面と反対側の面の前記絶縁層が形成されていない部分に形成する外部電極形成工程を含む
    　請求項１９に記載の光学デバイスの製造方法。
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