JP2007258750A

JP2007258750A - 固体撮像装置及び固体撮像装置の製造方法

Info

Publication number: JP2007258750A
Application number: JP2007157636A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Maeda; 弘前田; Kazuhiro Nishida; 和弘西田; Yoshihisa Negishi; 能久根岸
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2007-10-04

Abstract

【課題】カバーガラスにα線遮蔽ガラスを使用するチップサイズパッケージタイプの固体撮像装置のコストダウンを図る。
【解決手段】ガラス基板１４は、安価な透明ガラスからなり、固体撮像装置のカバーガラスの基材に用いられる。このガラス基板１４の一方の面にα線遮蔽材１２を塗布し、α線遮蔽機能を付与する。その後に、固体撮像素子の周囲を取り囲むスペーサーの基材となるスペーサー用ウエハ１６を接着剤１７で接合し、レジストマスク１９を形成し、エッチングによりスペーサーを形成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ウエハレベルチップサイズパッケージ構造が用いられた固体撮像装置と、この固体撮像装置の製造方法とに関するものである。

銀塩フイルムの代わりに固体撮像装置と半導体メモリとを使用したデジタルカメラが普及している。また、固体撮像装置と半導体メモリとを組み込むことで、手軽に撮影を行なえるようにした携帯電話や、電子手帳等の小型電子機器も普及している。そのため、固体撮像装置の小型化が望まれている。

固体撮像装置を小型化する実装方式の一つとして、パッケージを使用せずにウエハレベルで固体撮像装置の実装を完了するウエハレベルチップサイズパッケージ構造（以下、ウエハレベルＣＳＰと略称する）がある（例えば、特許文献１参照）。このウエハレベルＣＳＰを用いた固体撮像装置は、固体撮像素子チップの上面に、固体撮像素子の周囲を取り囲むようにスペーサーを配し、このスペーサーの上に固体撮像素子を封止するカバーガラスを取り付けて固体撮像装置を形成している。固体撮像素子であるＣＣＤは、α線が照射されるとフォトダイオードが破壊されてしまう。そのため、カバーガラスにはα線遮蔽ガラス、又は自身からα線を発生しないガラス素材が用いられている。

上記固体撮像装置の後工程は、次のようにして行なわれる。まず、カバーガラスの基材となる透明なガラス基板に、スペーサーの基材となる無機材料基板、例えばシリコンウエハ（以下、スペーサー用ウエハと呼称する）を接着剤等で貼り合わせる。このスペーサー用ウエハに、フォトリソグラフィを用いてスペーサーの形状のレジストマスクを形成し、レジストマスクで覆われていない部分をエッチングする。これにより、ガラス基板上に多数のスペーサーが形成される。各スペーサーの端面に接着剤を塗布し、多数の固体撮像素子が形成されているチップ用ウエハにガラス基板を貼り合わせる。その後、ガラス基板とウエハとをダイシングすることで、多数のウエハレベルＣＳＰ構造の固体撮像装置が完成する。
特開２００２−２３１９２１号公報

カバーガラスの材料となるα線遮蔽、又は低α線ガラスは高価であり、固体撮像装置のコストダウンを阻害していた。また、特許文献１には開示されていないが、α線遮蔽ガラスは、スペーサーの素材となるシリコンと熱膨張率が異なっている。そのため、ガラス基板とスペーサー用ウエハとの貼り合わせでは、熱膨張率の違いによる反りや破損の発生を懸念して、安価で信頼性が高く、硬化時間の短い熱硬化型接着剤を使用することができなかった。

本発明は、上記課題を解決するためのもので、α線遮蔽ガラスによるコストアップを解消することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の固体撮像装置及びその製造方法は、透明板をスペーサーの材料に近似した熱膨張率を有する材質で形成し、固体撮像素子に対面する少なくとも一方の面に、特定の放射線を遮蔽する素材をコーティングしたものである。

本発明の固体撮像装置及び製造方法によれば、透明板にコーティング材を塗布することによって、特定の放射線に対する遮蔽性能を付与するようにしたので、安価に構成することができる。また、透明板として、スペーサーの材料と近似した熱膨張係数の材質を使用することができるので、透明板とスペーサーとが一体に設けられている際に熱処理を施しても、熱膨張係数の違いによる反りや破損は発生しない。更に、コーティング材の塗布は、透明基板上にスペーサーを形成する前でも、スペーサーを形成した後でもよいので、製造ラインの構成自由度を向上させることができる。

図１及び図２は、本発明の製造方法によって製造されたウエハレベルＣＳＰ構造の固体撮像装置の外観形状を示す斜視図、及び要部断面図である。固体撮像装置２は、固体撮像素子３が設けられた矩形状の固体撮像素子チップ４と、固体撮像素子３を取り囲むようにチップ４上に取り付けられた枠形状のスペーサー５と、このスペーサー５の上に取り付けられて固体撮像素子３を封止する透明なカバーガラス６とからなる。

固体撮像素子チップ４は、矩形のチップ基板４ａと、このチップ基板４ａ上に形成された固体撮像素子３と、固体撮像装置２が組み込まれる電子機器との接続に用いられる複数個の接続端子８とからなる。この固体撮像素子チップ４は、チップ用ウエハ上に多数の固体撮像素子３及び接続端子８を形成し、ウエハを各固体撮像素子３毎にダイシングして形成される。チップ基板４ａの厚みは、例えば３００μｍ程度となる。

固体撮像素子３は、例えば、ＣＣＤからなる。このＣＣＤの上には、カラーフイルタやマイクロレンズが積層されている。接続端子８は、例えば、導電性材料を用いてチップ基板４ａの上に印刷により形成されている。接続端子８と固体撮像素子３との間は、チップ基板４ａ上に形成された配線層により接続されている。

スペーサー５は、無機材料、例えばシリコンで形成されており、幅寸法が例えば２００μｍ程度、厚みが１０〜２００μｍ程度である。スペーサー５とチップ基板４ａとの接合は、接着剤によって行なわれる。スペーサー５のチップ基板４ａに貼り合わされる端面５ａのエッジには、スペーサー５の断面を略ワイングラス形状とするような面取り部５ｂが形成されている。この面取り部５ｂは、スペーサー５とチップ基板４ａとを接着剤１０を用いて貼り合わせた時に、スペーサー５の下からはみ出た接着剤１０を収容し、接着剤１０が固体撮像素子３上に流れ込むのを防止する。

カバーガラス６には、熱膨張率がスペーサー５の材料であるシリコンに近い透明ガラス、例えば、「パイレックス（登録商標）ガラス」等が用いられている。また、カバーガラス６の内面には、ＣＣＤのフォトダイオードの破壊を防止するために、α線遮蔽材１２がコーティングされている。カバーガラス６は、固体撮像装置２を補強する機能も有しており、例えば５００μｍ程度の厚みである。

図３は、上記固体撮像装置の後工程を示すフローチャートであり、「ガラス基板上へのスペーサーの形成（第１工程）」、「ガラス基板とチップ用ウエハとの貼り合わせ（第２工程）」、「ダイシング（第３工程）」からなる。図４は、第１工程の第１〜第７ステップを示すフローチャートである。

図５（Ａ）に示すように、第１ステップでは、カバーガラス６の基材となるウエハ状のガラス基板１４の一方の面にα線遮蔽材１２がコーティングされる。α線遮蔽材１２としては、透明性が高くかつ薄膜形成性に優れるアモルファスフッ素樹脂（例えば、「サイトップ（旭ガラス）」等）や、液状ポリイミド等が用いられる。α線遮蔽材１２のコーティング方法としては、スピンコートやスプレーコート等を用いることができる。また、感光性を有するα線遮蔽材１２を使用すれば、塗布したα線遮蔽材１２に紫外線を照射して短時間で硬化させることができる。このように、α線遮蔽ガラスを安価な透明ガラス１４とα線遮蔽材１２とで構成することができるため、固体撮像装置２のローコスト化に寄与することができる。

図５（Ｂ）に示すように、第２ステップでは、ガラス基板１４のα線遮蔽材１２が塗布されている側の面に、スペーサー５の基材となるスペーサー用ウエハ１６が接着剤１７によって貼り合わされる。ガラス基板１４とスペーサー用ウエハ１６には、厚めのもの（例えば、シリコンウエハの場合、φ６インチサイズであればｔ６２５μｍの標準ウエハ）が使用される。そして、両者を貼り合わせた後に、第３ステップにおいて研削，研磨することで、必要な厚みのガラス基板１４とスペーサー用ウエハ１６とを得ることができる。これにより、材料コストを抑えることができ、かつハンドリング性を向上させることができる。

接着剤１７は、スピンコート法などを用いてガラス基板１４に薄く（例えば、ｔ１０μｍ以下）均一に塗布する必要があるため、５００ｃｐｓ以下の低粘度なものが好ましい。また、接着剤１７の種類としては、ガラス基板１４にシリコンに近い熱膨張率を有する素材を使用しているため、安価で信頼性が高く、硬化時間の短い熱硬化型接着剤を使用することができる。なお、熱硬化型接着剤の他に、常温硬化型接着剤やＵＶ硬化型接着剤等を用いることができる。ＵＶ硬化型接着剤を使用する場合には、ガラス基板１４側から紫外線を照射して、短時間で接着剤１７を硬化させることができる。

また、ガラス基板１４とスペーサー用ウエハ１６との貼り合わせに用いる接着剤１７の選択基準として、除去適性を挙げることもできる。詳しくは第７ステップで説明するが、本実施形態では、アッシングによってガラス基板１４上に残った不用な接着剤１７を除去するようにしている。そのため、アッシングによって除去しやすい接着剤として低分子量の接着剤を選択することも、固体撮像装置２の製造効率化に対して有効である。

また、低分子量の接着剤以外でアッシングによる除去効率のよい接着剤としては、Ｃ＝Ｃ結合を含まない、又は結合割合の少ない接着剤を選択することができる。これは、Ｃ＝Ｃの結合力は、酸素プラズマによる分解エネルギーでも断ち切ることが容易ではないためである。

ガラス基板１４とスペーサー用ウエハ１６との貼り合わせには、アライメント貼付け装置が使用される。アライメント貼付け装置は、スピンコート法を用いてガラス基板１４の上面に接着剤１７を塗布し、このガラス基板１４上に、オリフラによってＸＹ方向及び回転方向の位置調整が行なわれたスペーサー用ウエハ１６を重ね合わせ、その後にガラス基板１４及びスペーサー用ウエハ１６を加熱して接着剤１７を硬化させる。

なお、ガラス基板１４とスペーサー用ウエハ１６との貼り合わせの際に、両者の間に気泡や空隙が生じてはならない。これは、接着剤１７の層はガラス基板１４とスペーサー用ウエハ１６とを貼り合わせるだけではなく、固体撮像素子３を確実に封止するという機能をも果たさなければならないためである。そのため、アライメント貼付け装置は、ガラス基板１４とスペーサー用ウエハ１６との貼り合わせを、減圧〜真空状態（例えば、１０Ｔｏｒｒ以下）の作業環境を形成することのできるチャンバー内で実施する。また、ガラス基板１４とスペーサー用ウエハ１６との貼り合わせには、接着剤や介在物を全く使用しない陽極接合，フュージョン接合，直接接合，常温接合等を用いてもよい。

図５（Ｃ）に示すように、第３ステップでは、貼り合わされたガラス基板１４とスペーサー用ウエハ１６との厚み寸法を薄くする研削，研磨が行なわれる。なお、完成後の厚みのガラス基板１４及びスペーサー用ウエハ１６を使用することもでき、この場合には、研削，研磨を目的とする第３ステップを省略することができる。

図５（Ｄ）に示すように、第４ステップでは、スペーサー用ウエハ１６の上面にレジストマスク１９が作成される。このレジストマスク１９の作成は、周知のフォトリソグラフィ技術が用いられる。まず、スペーサー用ウエハ１６の上に未露光のレジストが塗布される。次いで、スペーサー５のパターンが形成された露光マスクを介してレジストを露光し、現像処理する。これにより、スペーサー用ウエハ１６の上には、スペーサー５の形状をしたレジストマスク１９が多数形成される。

なお、レジストマスク１９の厚みとしては、第５，６ステップのドライエッチングでスペーサー用ウエハ１６をエッチングする際に、レジストマスク１９そのものがエッチングガスで消耗されないだけの厚みを形成しておく必要がある。また、このレジストマスク１９の作成時には、スペーサー５のパターンだけではなく、アライメントマークや、ウエハの外周に設けられる外周リングのレジストパターンも形成される。

第５，６ステップでは、エッチングによってガラス基板１４上に多数のスペーサー５が形成される。スペーサー５の加工には、等方性ドライエッチングと異方性ドライエッチングとが用いられる。そのため、等方性と異方性との両エッチングに対応した、平行平板型のＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）装置等を用いるとよい。なお、スペーサー５の高さが１００μｍを超えるような場合には、寸法精度を維持しかつ高生産性を確保するために、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）型ドライエッチャを使用するとよい。

まず、ドライエッチャによってスペーサー用ウエハ１６に等方性ドライエッチングを施す。これにより、図６（Ａ）に示すように、スペーサー用ウエハ１６のレジストマスク１９によって覆われていない部分と、レジストマスク１９の下の部分とが等しい速度でエッチングされていく。この等方性ドライエッチングは、スペーサー５の貼合わせ端面５ａのエッジに、はみ出した接着剤１０を収容する面取り部５ｂを形成することを目的としているため、スペーサー用ウエハ１６が所定の幅と深さだけエッチングされるように制御する必要がある。

次に、同じドライエッチャで異方性ドライエッチングを行なう。これにより、図６（Ｂ）に示すように、垂直な側面を有し、エッジに面取り部５ｂが高精度に加工されたスペーサー５がガラス基板１４上に多数形成される。スペーサー５の側面の直角度を±５°以下に抑える必要がある場合には、側面のサイドエッチングを防止しつつ、垂直方向の加工を進めることができるＢｏｓｃｈプロセスを利用するとよい。

Ｂｏｓｃｈプロセスは、エッチングと、このエッチングによって浸食されないポリマーをワーク全体にコーティングするデポジションという作業とを交互に繰り返すプロセスをいう。Ｂｏｓｃｈプロセスをスペーサー５の製造に使用すると、デポジション工程でコーティングしたポリマーがガラス基板１４の表面に残り（以下、ポリマー残渣と呼ぶ）ガラス基板１４の透明性が損なわれてしまう。そのため、このポリマー残渣を無くすために、スペーサー５の加工終了間際のデポジション工程で、ポリマーのコーティング量を少なくするとよい。また、このコーティング量の減少に合わせて、エッチングレートも低くするとよい。

また、Ｂｏｓｃｈプロセスによるポリマー残渣を少なくするために、次のような方法をとることもできる。それは、スペーサー用ウエハ１６を貫通するエッチング終了間際にＢｏｓｃｈプロセスを終了し、デポジションを行なわない通常のエッチングによってスペーサー５の形成を完了する、という方法である。

図６（Ｃ）に示すように、第７ステップでは、ガラス基板１４上に残った接着剤１７とレジストマスク１９とが除去される。この残留有機物の除去処理には、酸素プラズマによって有機物を除去（灰化）するアッシング処理が用いられる。このアッシング処理では、ガラス基板１４が汚染されないため、残留有機物の除去後にガラス基板１４を洗浄する工程は必要ない。アッシング処理は、スペーサー５のエッチング形成の直後にドライエッチャ上で行なってもよいし、専用のアッシャによって行なってもよい。また、接着剤１７の組成（灰化特性）や目標とする処理速度を実現するために、フッ素系，水素系，アルゴン系のガスを利用したり、酸素に添加してもよい。

このように、スペーサー５のエッチング形成と、接着剤１７及びレジストマスク１９の除去とをドライ一貫工程で処理することで、ガラス基板１４が清浄な状態で加工を終えることができ、洗浄工程を経ることなく、固体撮像素子３の形成されたチップ用ウエハに接合させることができる。

なお、接着剤１７とレジストマスク１９との除去には、ウエット処理を用いることもできる。このウエット処理では、溶剤や強酸，強アルカリ溶液等の薬液にガラス基板１４を浸すことで、残留有機物を分解（溶解）させることになる。ウエット処理の利点としては、装置費用の抑制，スループット向上に加え、薬液の洗浄工程によって、ガラス基板１４全体を洗浄することができる。

以上、第１工程の第１〜第７ステップで説明したように、ガラス基板１４とスペーサー用ウエハ１６とを最初に一体化させてから、スペーサー５の加工や残留有機物の除去を行なうようにしたので、薄く脆いスペーサー用ウエハ１６を単体で取り扱う場合よりも、工程を簡略化することができる。

第２工程では、図７及び図８（Ｂ）に示すように、多数のスペーサー５が形成されたガラス基板１４と、多数の固体撮像素子３が形成されたチップ用ウエハ２１とが貼り合わされる。まず、図８（Ａ）に示すように、ガラス基板１４のスペーサー５，アライメントマーク，外周リング上に接着剤１０が薄く均一に塗布される。接着剤１０のスペーサー５への塗布には、別のシートやウエハ等のプレート上に接着剤を薄く均一な厚みで塗布し、これをガラス基板１４のスペーサー５，アライメントマーク，外周リングに転写する方法が用いられている。この方法によれば、粘度を代表とする接着剤１０の取り扱い性に左右されることなく、薄く均一な厚みの接着剤１０の層をスペーサー５上に形成することができる。

また、接着剤１０の別の塗布方法としては、接着剤１０の取り扱い性に応じてディスペンサを利用する方式や、固体撮像素子３と対向すべき領域にのみ覆いをして一括でスプレーコートする方法、スクリーン印刷技術を利用する方法等を選択することができる。

このように、多数のスペーサー５を一括してチップ用ウエハ２１に貼り合わせる方法では、１個ずつ分離されたスペーサー５をチップ用ウエハ２１上に配置する場合よりも、位置精度，接着工程の観点からも現実的である。また、ダイシング工程の前にガラス基板１４とチップ用ウエハ２１とを貼り合わせて固体撮像素子３を封止することで、塵埃に対する懸念を完全に打ち消すことができる。

図８（Ｃ），（Ｄ）に示すように、第３工程では、ガラス基板１４とチップ用ウエハ２１とを貼り合わせた接着剤１０が充分に硬化した後、ガラス基板１４とチップ用ウエハ２１とのダイシングが実施される。チップ用ウエハ２１の裏面には、ダイシング後に各固体撮像装置２がバラバラにならないようにダイシングテープ２３が貼着される。また、ガラス基板１４の表面には、研削屑や研削液による汚染を防止するために、汚染防止用の保護テープ２４を貼付しておくとよい。なお、保護テープ２４の代わりに、塗布及び除去の容易な表面保護コーティングを施すこともできる。

ガラス基板１４のダイシングには、＃４００〜＃１５００程度のダイヤモンド又はＣＢＮ砥粒で形成した砥石が使用される。ガラス基板１４は、硬く脆い素材であるため、切断時には切断エッジのチッピング，砥石の損耗が問題となり、切断速度を上げることはできない。そのため、１枚の砥石で加工を行なうのではなく、数枚を砥石を軸上に組み付け、一括して多条切断するマルチブレード化を採用するとよい。これにより、通常では０．１〜１０ｍｍ／ｓ程度の処理効率だったものを、組んだブレード枚数分だけ効率を倍増させることができる。

ガラス基板１４のダイシング完了後、同様にしてチップ用ウエハ２１のダイシングが行なわれる。その後、ダイシングテープ２３や保護テープ２４を剥離して固体撮像装置２が完成する。

なお、上記実施形態では、スペーサー５が形成される前のガラス基板１４にα線遮蔽材１２を塗布したが、図９（Ａ）に示すように、スペーサー３０が形成されて接着剤とレジストマスクとが除去された後のガラス基板３１に、同図（Ｂ）に示すように、α線遮蔽材３２を塗布してもよい。この場合には、例えば、紫外線硬化性を有するα線遮蔽材３２を使用し、塗布後にガラス基板３１側から紫外線を照射する。これにより、スペーサー３０上のα線遮蔽材３２は、紫外線によって硬化されないため、同図（Ｃ）に示すように簡単に除去することができる。

本発明を用いて製造される固体撮像装置の構成を示す外観斜視図である。固体撮像装置の構成を示す要部断面図である。固体撮像装置の後工程の手順を示すフローチャートである。第１工程の手順を示すフローチャートである。第１工程の第１ステップから第４ステップのガラス基板及びスペーサー用ウエハの状態を示す要部断面図である。第１工程の第５ステップから第７ステップのガラス基板とチップ用ウエハとの状態を示す要部断面図である。ガラス基板とチップ用ウエハとの貼り合わせ状態を示す斜視図である。第２及び第３工程のガラス基板及びスペーサー用ウエハの状態を示す要部断面図である。本発明の別の実施形態のα線遮蔽材のコーティング状態を示す要部断面図である。

符号の説明

２固体撮像装置
３固体撮像素子
４固体撮像素子チップ
５スペーサー
６カバーガラス
１０接着剤
１２ α線遮蔽材
１４ガラス基板
１６スペーサー用ウエハ
１９レジストマスク
２１チップ用ウエハ

Claims

固体撮像素子が形成されたチップ基板の上に、固体撮像素子を取り囲む枠形状のスペーサーを配置し、このスペーサーの上を透明板で封止した固体撮像装置において、
前記透明板は、スペーサーの材料に近似した熱膨張率を有する材質で形成され、固体撮像素子に対面する少なくとも一方の面に、特定の放射線を遮蔽する素材がコーティングされていることを特徴とする固体撮像装置。
固体撮像素子を取り囲むスペーサーを透明基板上に多数形成する工程と、多数の固体撮像素子が形成されたチップ用ウエハと透明基板上のスペーサーとを接着剤で貼り合わせ、各固体撮像素子をスペーサーで取り囲み、かつ各固体撮像素子の上を透明基板で封止する工程と、チップ用ウエハと透明基板とを各固体撮像素子毎に分割し、多数の固体撮像装置を形成する工程とを含む固体撮像装置の製造方法において、
前記スペーサーが形成される前の透明基板、またはスペーサーが形成された後の透明基板に、特定の放射線を遮蔽する素材をコーティングすることを特徴とする固体撮像装置の製造方法。