JP2011155038A

JP2011155038A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2011155038A
Application number: JP2010013988A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Yamamoto; 克己山本
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2011-08-11

Abstract

【課題】固体撮像装置の受光領域となる閉鎖空間の気密性を向上し、過酷な外部環境によっても受光領域の独立性が保たれ、長期にわたって性能を良好に維持できる固体撮像装置を提供することである。
【解決手段】シリコン基板１上層の固体撮像素子の上に枠壁６と封止ガラス板７により形成された受光領域の閉鎖空間１１に、屈折率１．３以下の透明不活性オイル１０、特に、パーフルオロポリエーテル油を代表とするフッ素系オイルが充填されていることを特徴とする固体撮像装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、性能劣化の少ない固体撮像装置に関する。

近年、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像装置をカメラに装着して、デジタルカメラやビデオカメラとして使われることが多く、携帯電話に付設するカメラ機能としても固体撮像装置とレンズ系からなるカメラモジュールが内蔵されるようになってきた。これらの用途に対して、小型・軽量・薄型でかつ高解像度の固体撮像装置がさらに求められている。例えば、１０００万画素に及ぶ解像画素数を小型の固体撮像素子で実現するために、各画素の大きさを数μｍ四方程度に微細化することも行われている。

従来の固体撮像装置の構成を説明するための模式断面図を図２に示す。シリコン基板１は、その上層部に固体撮像素子（図示せず）が形成されており、固体撮像素子の各画素に対応させて引き続き上層の受光側に、色分解用のカラーフィルタ８と集光用のマイクロレンズ９を設ける。固体撮像素子にて得られる画像情報の電気信号は、スルー・シリコン・ビア（以下、ＴＳＶと略称する）内に充填もしくはＴＳＶの内壁を被覆する導電物質２により、シリコン基板１の裏面に導かれ、パターン化された絶縁層３と配線回路が形成された導電層４とによって、例えばＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）方式による接続端子５を通じて、外部回路への選択的接続を可能とする。ソルダーレジスト１３によるパターン化された絶縁層により接続端子５の相互間を電気的に分離した構造を形成することができる。

従来の固体撮像装置の受光側は、固体撮像素子の上面を開口させてその周辺を囲む枠壁６と接着層１２により枠壁に接合して固体撮像素子を覆う封止ガラス板７により閉鎖空間１１を構成する。受光領域となる上記の閉鎖空間１１を窒素ガス等の不活性ガス１１ａで充填している。閉鎖空間１１と不活性ガス１１ａとは、便宜的に、同一領域からの引き出し線で図示し、他の図面でも同様の表示とする。受光領域をこのような閉鎖空間として、安定的に構成するための構造や製造方法が、特許文献１および２に提案されている。

図２に示した固体撮像装置は、一品だけを描いているが、実用的な作製工程においては、例えば直径２０ｃｍまたは３０ｃｍのシリコンウェハの加工プロセスと、同じく直径２０ｃｍまたは３０ｃｍのガラス板の加工プロセスを組み合わせて、プレーナー技術を多用したいわゆるウェハプロセスにて作製され、最終的にダイシング工程にて個々に断裁されて一個ずつの固体撮像装置を形成する。上記シリコンウェハおよびガラス板のサイズは限定されず、種々可能である。固体撮像装置が携帯電話に内蔵される小型カメラ用であれば、シリコン基板１の大きさが、３〜５ｍｍ四方程度であるから、一枚のウェハから最大４０００個程度の固体撮像装置が採れることになる。

特開平１−２７７０６８号公報特開２００８−１１７９１９号公報

固体撮像装置の受光領域となる閉鎖空間内を不活性ガスで充填することにより、受光領域を外部の汚染から遮断して清浄状態を維持することは、一定期間程度可能とはいえるが
、長期または多湿／温度差大の使用環境下で閉鎖空間の気密性を維持することは困難である。前記接着層１２に用いる樹脂の変質により、また、樹脂の変質以外の理由として、周辺温度の上昇と下降のため気密状態の受光領域内のガスが膨張または収縮することにより、また、外部からの衝撃等により、気密状態が破れて外気の侵入や封止ガスのリークが生じるなど、バリアー性が低下する。その結果生じる閉鎖空間１１内への水分の浸入は、封止ガラス板の曇り現象となって、素子性能の劣化に直結し易い。特に、車載用途などでは、曇りは致命的な欠陥となる。

本発明は、前記の問題点に鑑みて提案するものであり、本発明が解決しようとする課題は、固体撮像装置の受光領域となる閉鎖空間の気密性を向上し、過酷な外部環境によっても受光領域の独立性が保たれ、長期にわたって性能を良好に維持できる固体撮像装置を提供することである。

上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、固体撮像素子の上に形成された受光領域の閉鎖空間に、マイクロレンズの集光効果を保つために、屈折率１．３以下の透明不活性オイルが充填されていることを特徴とする固体撮像装置である。

また、請求項２に記載の発明は、固体撮像素子上の閉鎖空間が、固体撮像素子の上面周辺を囲む枠壁と枠壁に接合して固体撮像素子を覆う封止ガラス板により規制されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置である。

また、請求項３に記載の発明は、透明不活性オイルが、フッ素系オイルであることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置である。

また、請求項４に記載の発明は、フッ素系オイルが、パーフルオロポリエーテル油であることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置である。

本発明の固体撮像装置によれば、受光領域となる閉鎖空間に透明不活性オイルが充填されているため、過酷な外部環境の変化、例えば温度の上下に対しても体積膨張や収縮の程度が小さく、環境からの水蒸気の浸入による曇りを防止できる。すなわち、閉鎖空間の気密性を向上し易く、受光領域の独立性が保たれるので、長期にわたって固体撮像装置の性能を良好に維持できる。また、透明不活性オイルの屈折率を、撮像素子の各画素に対応して設けられる集光用のマイクロレンズの屈折率より充分に小さい１．３以下とすることにより、マイクロレンズの集光能を活用する光学設計が可能となる。

本発明の固体撮像装置の構成を説明するための模式断面図である。従来の固体撮像装置の構成を説明するための模式断面図である。本発明の固体撮像装置の他の構成を説明するための模式断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に従って説明する。
図１は、本発明の固体撮像装置の構成を説明するための模式断面図である。

シリコン基板１は、その上層部に固体撮像素子（図示せず）が形成されており、固体撮像素子の各画素に対応させて引き続き上層の受光側に、色分解用のカラーフィルタ８と集光用のマイクロレンズ９を設ける。固体撮像素子にて得られる画像情報の電気信号は、ＴＳＶ内に充填もしくはＴＳＶの内壁を被覆する導電物質２により、シリコン基板１の裏面
に導かれ、パターン化された絶縁層３と配線回路が形成された導電層４とによって、例えばＢＧＡ方式による接続端子５を通じて、外部回路への選択的接続を可能とする。ソルダーレジスト１３によるパターン化された絶縁層により接続端子５の相互間を電気的に分離した構造を形成することができる。

本発明の固体撮像装置の受光側には、固体撮像素子の上面を前記カラーフィルタ８とマイクロレンズ９を介して開口させて、受光領域となる閉鎖空間１１を構成する。前記閉鎖空間１１は、少なくとも外部光の入射側を透明な物質で構成すれば、種々の構造が可能であるが、閉鎖空間１１のギャップを保持するスペーサを兼ねてその周辺を囲む枠壁６と枠壁６上に形成した接着層１２により枠壁に接合して固体撮像素子を覆う透明な封止ガラス板７により閉鎖空間１１を構成することができる。

図３は、本発明の固体撮像装置の他の構成を説明するための模式断面図である。
封止ガラス板７を閉鎖空間１１に相当する領域だけザグリ加工またはエッチング加工をして凹部を予め形成しておけば、封止ガラス板の一部が枠壁１４として、図１の前記枠壁６と同様の機能を封止ガラス板７と一体として付与することができる。この場合、枠壁１４上（図では、下面）に接着層１２を設けて、シリコン基板１と接合することによって、前記と同様の閉鎖空間１１を構成することができる。また、構成する閉鎖空間１１のギャップを調節するために、前記シリコン基板１上に設ける枠壁６と併せて封止ガラス板の一部の枠壁１４を設けることもでき、前記の構造に限定されない。

また、実用的な作製工程において、直径２０ｃｍまたは３０ｃｍのシリコンウェハの加工プロセスと、同じく直径２０ｃｍまたは３０ｃｍのガラス板の加工プロセスを組み合わせて、プレーナー技術を多用したいわゆるウェハプロセスにて集合体が作製され、最終的にダイシング工程にて個々に断裁されて一個ずつの固体撮像装置を形成する方法は、従来と同様であるが、上記シリコンウェハおよびガラス板のサイズは限定されず、種々可能である。

本発明は、受光領域となる上記の閉鎖空間１１に、屈折率１．３以下の透明不活性オイル１０が充填されることを特徴とする。透明不活性オイル１０としては、フッ素系オイルが適しており、中でも、パーフルオロポリエーテル油が最適である。

前記透明不活性オイル１０は、封止ガラス板７の直下の受光領域にあって、透明であるので、封止ガラス板７を通過した外部光を減衰させずに集光用のマイクロレンズ９に導き、略１．５程度の屈折率を有するマイクロレンズ９より充分に低い１．３以下の屈折率とすることによって、透明不活性オイルとマイクロレンズとの界面での屈折効果を保持してマイクロレンズの集光能を活用するように光学設計することが可能である。

また、前記透明不活性オイル１０として、閉鎖空間１１の内部を均一に埋め尽くすことができて、熱的、化学的に安定な材料を選ぶことが可能であるので、閉鎖空間の気密性を向上し易く、受光領域の独立性が保たれるので、長期にわたって固体撮像装置の性能を良好に維持できる。上記の目的に合致する材料として、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）やクロロトリフルオロエチレン（ＣＴＦＥ）の低重合体等のフッ素系オイルが適しており、中でも、パーフルオロポリエーテル油が好ましい。

以下、本発明の固体撮像装置の製造工程を説明する。
まず、直径２０ｃｍ、３０ｃｍ、もしくは他のサイズのシリコンウェハ表面に多数の固体撮像素子を、また、シリコンウェハの裏面に絶縁層と導電層とを、半導体のウェハプロセスに従ってそれぞれ位置決めされたパターンを形成する。シリコンウェハの所定の位置に電気的に表裏導通するためのスルー・シリコン・ビア（ＴＳＶ）を加工し、表裏を導電物
質２で繋ぐ。また、表面の固体撮像素子上に、各画素に対応させて、色分解用のカラーフィルタ８と集光用のマイクロレンズ９とをフォトリソグラフィー法で設ける。上記の各工程は、適宜、工程中の保護のための保護層を仮設置し、順序を変更して実施することもできる。

枠壁６の材料として、接着性に富む樹脂膜であって、熱硬化性のポリイミド、エポキシ樹脂、もしくはアクリルウレタン系の感光性樹脂を利用できる。上記感光性樹脂を上述の加工表面に塗布後、露光・現像工程を有するフォトリソグラフィー法により、固体撮像素子と対応するカラーフィルタ、マイクロレンズを取り囲む位置に、枠壁６を所望のパターンで、５０〜１００μｍ程度の厚さに形成する。

さらに、封止ガラス板７との充分な接着力を得るために、引き続き、枠壁６上に枠壁６と略同一のパターンで、接着層１２を設けることができる。接着層の材料として上記の感光性樹脂を用いることもできるが、その特性と塗布法は、具体的な工程条件に合わせて自由に選ぶことができる。

次いで、上述の加工表面に、透明不活性オイル１０を適量滴下することにより、閉鎖空間となる凹部を均一に埋め尽くすことができる。滴下方法は、一般的な定量ディスペンス方式で処理することができる。

続いて、シリコンウェハと同じ直径のガラスウェハを、前記枠壁上に、固体撮像素子、カラーフィルタ、マイクロレンズと対向させて、位置決めしてＵＶ硬化および加熱圧着する。この状態で枠壁６は、接着層１２とともに接着力を発現し、しかる後に硬化するから、ガラスウェハは、固体撮像装置の封止ガラス板７として接合される。

また、本発明の固体撮像装置の他の構成例として説明した封止ガラス板７を加工して枠壁１４を用いる場合には、閉鎖空間１１に相当する領域だけザグリ加工またはエッチング加工をして凹部を予め形成しておく。その後、枠壁１４上（図では、下面）に接着層１２を設けておき、図３の上下逆向きに透明不活性オイル１０を適量滴下することにより、閉鎖空間となる凹部を均一に埋め尽くすことができる。滴下方法は、一般的な定量ディスペンス方式で処理することができる。次に、固体撮像素子、カラーフィルタ、マイクロレンズを形成済みのシリコン基板１と位置合わせしてＵＶ硬化等により接合することによって、前記と同様の閉鎖空間１１を構成することができる。

最後に、個々の固体撮像装置に断裁するためのダイシング工程を経て完成する。
なお、固体撮像素子にて得られる画像情報の電気信号を外部回路に選択的に接続するためのＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）方式による接続端子５を、ダイシング工程の前に予めシリコンウェハ裏面側に形成しておくことが望ましいが、接続の手段とその具体的方法は限定されない。

以下に、本発明の具体的な実施例を述べる。
厚さ０．２５ｍｍ、直径２０ｃｍのシリコンウェハに、固体撮像素子を多数作製したものを用意する。この固体撮像素子の上面に、６０μｍ厚の感光性エポキシ樹脂接着剤のドライフィルムを被覆し、露光・現像して、枠壁６を形成した。次いで、透明不活性オイルとして、ダイキン工業株式会社製のパーフルオロポリエーテル油（商品名デムナム_ＴＭ、屈折率１．２）を滴下して閉鎖空間となる空間を埋め、続いて、枠壁６をスペーサ兼接着層として、上面に厚さ０．４ｍｍ、直径２０ｃｍの封止ガラス板７を０．２ＭＰａ、１３０℃の加熱圧着で貼り合わせた。封止ガラス７を貼り合わせ硬化した後、ダイシング装置にて固体撮像装置を個々に分離して本発明品を得た。

〈比較例１〉
上記、透明不活性オイルに代えて、乾燥窒素ガスを閉鎖空間となる空間に充填した以外は、実施例１と同様にして、従来タイプの固体撮像装置を比較サンプルとして作製した。

〈耐性試験〉
上記実施例で得られた本発明品と比較サンプルとを、６０℃、湿度９０％の高温・高湿の加速耐性試験機の中に１００時間処理して取り出し、封止ガラス板面から固体撮像装置の受光面を観察した。その結果、比較サンプルは、受光面に結露したと見られる曇りが生じたが、本発明品は、異常を認めなかった。

１・・・シリコン基板
２・・・導電物質
３・・・絶縁層
４・・・導電層
５・・・接続端子
６・・・枠壁
７・・・封止ガラス板
８・・・カラーフィルタ
９・・・マイクロレンズ
１０・・・透明不活性オイル
１１・・・閉鎖空間
１１ａ・・・不活性ガス
１２・・・接着層
１３・・・ソルダーレジスト（絶縁層）
１４・・・枠壁（封止ガラス板の一部）

Claims

固体撮像素子の上に形成された受光領域の閉鎖空間に、屈折率１．３以下の透明不活性オイルが充填されていることを特徴とする固体撮像装置。
固体撮像素子上の閉鎖空間が、固体撮像素子の上面周辺を囲む枠壁と枠壁に接合して固体撮像素子を覆う封止ガラス板により規制されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
透明不活性オイルが、フッ素系オイルであることを特徴とする請求項１または２に記載の固体撮像装置。
フッ素系オイルが、パーフルオロポリエーテル油であることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。