JP2014228602A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外力に起因して、レンズ基板が厚み方向に振動して歪むのを防ぎ、レンズ基板と半導体基板との距離が変動したり、レンズ基板と半導体基板とが損傷することを抑制することが可能な光学装置を提供する。【解決手段】一方の主面に光学素子１０５を有する半導体基板１０１と、半導体基板の一方の主面１０１ａ側において、半導体基板１０１から離間して配されたレンズ基板１０２と、半導体基板の一方の主面１０１ａとレンズ基板１０２との間に配され、両者を接着する接着樹脂部１０３と、を備えた光学装置１００であって、レンズ基板１０２は、レンズ部１０２Ａと、レンズ部１０２Ａを周囲から支持する枠部１０２Ｂとを有しており、レンズ部１０２Ａは、光学素子１０５と重なる位置に配されており、接着樹脂部１０３は、半導体基板１０１とレンズ基板１０２とで挟まれた空間に充填されている。【選択図】図１

Description

本発明は、レンズ基板を備えた、受光や発光などの光学的な機能を有する光学装置に関する。

近年、受光や発光などの光学的な機能を有する、様々なタイプの光学装置が開発されている。例えば、カメラモジュールとして機能する光学装置が開発されている（特許文献１、２）。図８は、特許文献１において開示された光学装置５００の構成を模式的に示した断面図である。従来の光学装置５００は、図８に示すように、レンズ基板５０２が、イメージセンサチップ等の半導体基板５０１に接合されてなる。従来の光学装置５００を構成するレンズ基板５０２は、レンズ部５０２Ａと、レンズ部５０２Ａが所定の方向を向くように、レンズ基板５０２を半導体基板５０１に対して立設させるための枠部５０２Ｂとが連結してなる（特許文献１）。

ところで、特許文献１に開示されているように半導体基板５０１に対してレンズ基板５０２を重ねた場合、枠部５０２Ｂが基板５０１に固定され、レンズ部５０２Ａと半導体基板５０１とが、空気を挟んで離間した状態となる。

これらの場合、レンズ部５０２Ａは、いずれも枠部との連結箇所以外の箇所においては固定されていない。そのため、従来の構成の光学装置５００は、外部から加わる力に起因して、レンズ基板が厚み方向に振動することによって、歪んだレンズ基板と半導体基板との距離が変動して、光学的機能が損なわれる虞がある。

また、光学装置５００は、その製造過程においても、例えばダイシングのように、レンズ基板の厚み方向に力が加わる処理を行う際に振動することによって、歪んだレンズ基板と半導体基板とが接触し、レンズ基板や半導体基板が損傷する虞がある。

国際公開第２００８／０９３５１６号

本発明は以上のような点を考慮してなされたものであり、外力に起因して、レンズ基板が厚み方向に振動して歪むのを防ぎ、レンズ基板と半導体基板との距離が変動したり、レンズ基板と半導体基板とが損傷することを抑制することが可能な光学装置の提供を目的とする。

本発明の請求項１に係る光学装置は、一方の主面に光学素子を有する半導体基板と、前記半導体基板の一方の主面側において、前記半導体基板から離間して配されたレンズ基板と、前記半導体基板の一方の主面と前記レンズ基板との間に配され、両者を接着する接着樹脂部と、を備えた光学装置であって、前記レンズ基板は、レンズ部と、該レンズ部を周囲から支持する枠部とを有しており、前記レンズ部は、前記光学素子と重なる位置に配されており、前記接着樹脂部は、前記半導体基板と前記レンズ基板とで挟まれた空間に充填されていることを特徴とする。

請求項１に係る光学装置の構成によれば、半導体基板とレンズ基板とで挟まれた空間が、接着樹脂部によって充填されている。そのため、外力に起因してレンズ基板が厚み方向に振動して歪むのが抑制され、レンズ基板と、半導体基板との距離が変動しないように構成されている。したがって、レンズ基板と半導体基板との距離が変動することによる、光学的機能の低下を抑制することができる。

本発明の請求項２に係る光学装置は、請求項１において、前記レンズ部の外縁域は、中央域より薄くなっていることを特徴とする。

レンズ部の外縁域が中央域より薄い場合、従来の光学装置においては、外力に起因したレンズ基板の厚み方向の振動が増大し、レンズ基板の光学機能が低下してしまう問題がより深刻化する。ところが、本発明の構成においては、半導体基板とレンズ基板とで挟まれた空間が、接着樹脂部によって充填されているため、レンズ基板の厚み方向の振動が抑制され、レンズ基板の光学機能の低下を防ぐことができる。

本発明の請求項３に係る光学装置は、請求項１または２において、前記半導体基板の一方の主面に対する積層方向において、前記レンズ基板よりも上側に配された保護基板と、前記レンズ基板と前記保護基板との間に配され、両者を接着する第二接着樹脂部と、をさらに有していることを特徴とする。

請求項３に係る光学装置の構成によれば、レンズ基板は、硬質の半導体基板と保護基板との間に挟まれている。したがって、外部から受ける様々な衝撃に対して、レンズ部材が、より厳重に保護された状態を実現することができる。

本発明の光学装置は、レンズ部の外縁域と半導体基板とで挟まれた空間が、第一接着樹脂部によって充填されている。すなわち、レンズ部は、枠部との連結箇所以外の箇所において、第一接着樹脂部に支持（固定）されている。そのため、外力に起因してレンズ基板が厚み方向に振動して歪むのが抑制され、レンズ基板と、その下地をなす半導体基板との距離が変動しないように構成されている。したがって、レンズ基板と半導体基板との距離が変動することによる、光学的機能の低下や、レンズ基板と半導体基板とが接触することによる損傷を防ぐことができる。

本発明の第一実施形態に係る、光学装置の構成を模式的に示す断面図である。 （ａ）本発明のレンズ基板の構成を模式的に示す平面図である。（ｂ）本発明のレンズ基板の構成を模式的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）本発明の光学装置の製造方法を、段階的に説明する被処理体の断面図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の光学装置の製造方法を、段階的に説明する被処理体の断面図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の光学装置の製造方法を、段階的に説明する被処理体の断面図である。 本発明の第一実施形態の変形例１−１に係る、光学装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第二実施形態に係る、光学装置の構成を模式的に示す断面図である。 従来技術による光学装置の構成例を、模式的に示す断面図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために、例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明に用いる図面は、本発明の特徴を分かりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜第一実施形態＞
［光学装置の構成］
本発明の第一実施形態に係る光学装置１００の構成について、図１を用いて説明する。図１は、光学装置１００の構成を模式的に示す図である。光学装置１００は、光学素子１０５を備えたチップ状の半導体基板１０１と、半導体基板１０１の一方の主面１０１ａ側に配され、レンズ部１０２Ａを備えたレンズ基板１０２と、半導体基板の一方の主面１０１ａとレンズ基板１０２との間に配され、両者を接着する第一接着樹脂部１０３と、を有する。レンズ基板１０２は、第一接着樹脂部１０３を介して、半導体基板１０１に接合されている。第一接着樹脂部１０３は、半導体基板１０１とレンズ基板１０２との間を充填している。

レンズ基板１０２は透明であり、例えばガラスや樹脂からなる。レンズ基板１０２は、少なくともレンズ部１０２Ａが、半導体基板の一方の主面１０１ａと対向するように配されている。レンズ部１０２Ａは、その厚み方向に凹型または凸型の曲面を有しており、半導体基板１０１の光学素子１０５から外部へ、または、外部から光学素子１０５へ伝播する光が透過する部材であり、透過する光を拡散したり、光を収束させて光学素子１０５に集光する機能を有している。

また、レンズ基板１０２は、さらに、幅が１００［μｍ］程度の枠部１０２Ｂを備えている。レンズ部１０２Ａの周囲は、枠部１０２Ｂと連結されている。枠部１０２Ｂは、レンズ部１０２Ａを周囲から支持（固定）しており、レンズ部１０２Ａが半導体基板１０１から離間した状態を維持している。

なお、図１においては、レンズ部１０２Ａが、外側に凸の曲面と内側に凸の曲面を有する例を示しているが、レンズ部１０２Ａとしては、用途に応じた様々な形状のものを用いることができる。

半導体基板１０１が備える光学素子１０５は、レンズ部１０２Ａと重なる領域に配され、光学装置１００の外部からの光信号を受光したり、外部へ光信号を出力したりする機能を備えている。光学素子１０５は、第一接着樹脂部１０３とレンズ基板１０２とが積層する方向に重なって配された、レンズ部１０２Ａの光軸と交わる位置に配されていることが望ましい。

第一接着樹脂部１０３は、接着剤としての機能を有している。第一接着樹脂部１０３は、少なくとも光学装置１００が受光または発光する光の波長に対して透明であり、例えば、シリコーン樹脂などから構成されている。例えば波長が１４５［ｎｍ］〜１０４０［ｎｍ］の範囲において、第一接着樹脂部１０３の屈折率は、レンズ基板１０２の屈折率の１．５［％］以上１．９［％］以下であることが望ましい。第一接着樹脂部１０３は、スプレーコートや印刷法によって、２５［μｍ］程度の厚さで形成されている。

以上説明したように、第一実施形態に係る光学装置１００は、レンズ基板１０２と半導体基板１０１とで挟まれた空間が、第一接着樹脂部１０３によって充填されている。換言すると、レンズ基板１０２は、その全面が第一接着樹脂部１０３によって半導体基板１０１上に支持されている。

そのため、外力に起因してレンズ基板１０２が厚み方向に振動して歪むのが抑制され、レンズ基板１０２と、その下地をなす半導体基板１０１との距離が変動しないように構成されている。したがって、レンズ基板１０２と半導体基板１０１との距離が変動することによる、レンズ基板１０２と半導体基板１０１の損傷や光学装置１００の光学的機能の低下を防ぐことができる。

［光学装置の製造方法］
図１に示した光学装置１００の製造方法について、図２〜４を用いて説明する。図２、３は、光学装置１００の製造過程における被処理体の要部断面を、製造工程の順に、段階的に示した図である。

図２（ａ）は、ウエハ状のレンズ基板１０２の構成を模式的示す平面図である。図２（ａ）に示すように、複数のレンズ部１０２Ａ、レンズ部１０２Ａを周囲から支持する枠部１０２Ｂ、アライメントマーク１０２Ｃを備え、それらがアレイ状に配置されたレンズ基板（レンズアレイ）１０２を準備する。レンズ基板１０２は、レンズ部１０２Ａ、枠部１０２Ｂが、チップ単位に分割可能なように二次元的に配されてなる部材である。アライメントマーク１０２Ｃは、レンズ基板１０２と半導体基板１０１とを精度よく位置合わせして接合するための視認用マークである。

図２（ｂ）は、図２（ａ）のレンズ基板１０２をＡ−Ａ線において厚み方向に切断した際の断面図である。図２（ｂ）に示すように、レンズ部１０２Ａは、その厚み方向に凹型または凸型の曲面を有し、枠部１０２Ｂより薄く形成されている。

レンズ基板１０２は、その原料となるガラスなどの部材を、レンズ基板１０２の一方の側の形状を備えた金型と、他方の側の形状を備えた金型とで挟み、両側から押圧しながら加熱することによって得られる。

そして、図３（ａ）に示すように、レンズ基板の一方の側１０２ａにおいて、少なくともレンズ部１０２Ａが覆われるように、第二接着樹脂部１０４を形成する。第二接着樹脂部１０４は、例えば、第二接着樹脂部１０４の原料を、スピンコート、印刷法などの方法を用いて塗布することによって形成することができる。

第二接着樹脂部１０４は、接着剤としての機能を有している。第二接着樹脂部１０４は、少なくとも光学装置１００が受光または発光する光の波長に対して透明であり、例えば、シリコーン樹脂などから構成されている。例えば波長が１４５［ｎｍ］〜１０４０［ｎｍ］の範囲において、第二接着樹脂部１０４の屈折率は、レンズ基板１０２の屈折率の１．５［％］以上１．９［％］以下であることが望ましい。第二接着樹脂部１０４は、前述した第一接着樹脂部１０３と同じ材料で構成されていても良い。第二接着樹脂部１０４は、スプレーコートや印刷法によって、２５［μｍ］程度の厚さで形成されている。

次に、図３（ｂ）に示すように、下地基板１０６に対して、レンズ基板１０２を、その一方の側１０２ａが対向するように、第一接着樹脂部１０３を介して貼り合わせる（第一工程）。下地基板１０６は、レンズ基板１０２と一体化させることでレンズ基板１０２の取り扱いを容易にするためのものである。下地基板１０６としては、少なくとも、レンズ基板１０２と対向する一面１０６ａが平坦な形状であるものを用いることが望ましい。

次に、光学素子１０５を備えたウエハ状の半導体基板１０１を準備し、図３（ｃ）に示すように、レンズ基板１０２と接合する側の一方の主面１０１ａに第一接着樹脂部１０３を形成する。第一接着樹脂部１０３は、例えば、第一接着樹脂部１０３の原料を、スピンコート、印刷法などの方法を用いて塗布することによって形成することができる。

次に、図４（ａ）に示すように、一方の主面１０１ａに第一接着樹脂部１０３を備えた半導体基板１０１と、第一工程を経た下地基板１０６、第二接着樹脂部１０４、レンズ基板１０２が順に重なってなる被処理体１０７と、を接合して積層体αを形成する（第二工程）。より具体的には、半導体基板１０１に対して、レンズ基板１０２を、その他方の側１０２ｂが対向するように、第一接着樹脂部１０３を介して貼り合わせる。このとき、レンズ部１０２Ａの位置と光学素子１０５の位置とが重なっているように互いを位置合わせする。

次に、図４（ｂ）に示すように、第二工程を経た積層体αを、チップ単位にダイシングする（第三工程）。

ここでは、積層体αのダイシングを、枠部１０２Ｂの位置において行う例を示している。この場合には、ダイシング後の各チップの断面Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４において枠部１０２Ｂが露出した状態となる。このダイシングによって、アライメントマークを含む部位は取り除かれる。

次に、第三工程において分割された各チップα１、α２、α３から、第二接着樹脂部１０４および下地基板１０６を除去することによって、図１に示した光学装置１００を得ることができる。

なお、上述した第二接着樹脂部１０４と下地基板１０６の除去は、第二工程以降であれば、いつ行ってもよい。例えば、第二工程と第三工程の間に行う場合、図４（ａ）に示した積層体αから、第二接着樹脂部１０４、下地基板１０６を除去することになる。図５（ａ）は、積層体αから第二接着樹脂部１０４、下地基板１０６のみを除去した積層体βの構成を示す断面図である。
または、後述するように、第二接着樹脂部１０４と下地基板１０６とをレンズ基板１０２から除去することなく、光学装置１００を構成する一部として残しておいても良い。

そして、図５（ｂ）に示すように、下地基板１０６が除去された積層体βを、上述した第三工程と同様に、チップ単位にダイシングする。ダイシングする位置は、少なくとも、レンズ部１０２Ａがダイシングの影響を受けない程度に、レンズ部１０２Ａから離間した位置であればよい。

ここでは、積層体βのダイシングを、枠部１０２Ｂの位置において行う例を示している。この場合には、ダイシング後の各チップの断面Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８において枠部１０２Ｂが露出した状態となる。このダイシングによって、アライメントマークを含む部位は取り除かれる。なお、積層体βのダイシングは、レンズ部１０２Ｂの外縁域において行ってもよい。

以上説明したように、第一実施形態に係る光学装置１００の製造方法は、製造工程中の被処理体１０７を構成する、レンズ部１０２と半導体基板１０１とで挟まれた空間が、第一接着樹脂部１０３によって充填された状態となっている。すなわち、製造工程中のいずれのレンズ部１０２Ａも、枠部１０２Ｂとの連結箇所以外の箇所において、第一接着樹脂部１０３に支持（固定）された状態となっている。

そのため、製造工程中に、外力に起因してレンズ基板１０２が厚み方向に振動して歪むのが抑制されており、レンズ基板１０２と半導体基板１０１とが接触して損傷する虞がない。

第一実施形態においては、光学装置１００を、下地基板１０６側から積層して製造する方法について説明したが、半導体基板１０１側から積層して製造することも可能である。後者の製造方法によれば、半導体基板１０１を、積層構造を形成する際の下地基板として用いることができる。

［変形例１−１］
［光学装置の構成］
本発明の第一実施形態の変形例１−１に係る光学装置１２０の構成について、図６を用いて説明する。図６は、光学装置１２０の構成を模式的に示す図である。図３〜５を用いて説明した光学装装置の製造方法において、下地基板および第二接着樹脂部を除去しない場合には、図６に示すような光学装置１２０が得られる。

この場合、下地基板１２６は、レンズ基板１０２を保護するための保護基板として機能するものとなる。下地基板（保護基板）１２６は、例えば厚さが１００〜５００［μｍ］程度であり、ガラスや樹脂によって構成されている。また、下地基板１２６は、少なくとも光学装置１２０が受光または発光する光の波長に対して透明である。

レンズ基板１２２は、半導体基板１２１と保護基板１２６との間に挟まれている。したがって、外部から受ける様々な衝撃に対して、レンズ部材１２２が、より厳重に保護された状態を実現することができる。

光学装置１２０は、下地基板１２６および第二接着樹脂１２４を備えている点以外は、図１に示した光学装置１００と同様の構成となっており、第一実施形態における上述した効果を得ることができる。

＜第二実施形態＞
［光学装置の構成］
本発明の第二実施形態に係る光学装置２００の構成について、図７を用いて説明する。図７は、光学装置２００の構成例を模式的に示す図である。

光学装置２００は、光学素子２０５を備えたチップ状の半導体基板２０１と、半導体基板の一方の主面２０１ａに、第一接着樹脂部２０３、レンズ基板２０２が交互に複数回積層されてなる。ここでは、３つの第一接着樹脂部２０３について、半導体基板２０１側から順に、第一接着樹脂部２０３α、第一接着樹脂部２０３β、第一接着樹脂部２０３γとして区別している。また、ここでは、３つのレンズ基板２０２について、半導体基板２０１側から順に、レンズ基板２０２α、レンズ基板２０２β、レンズ基板２０２γとして区別している。

図７においては、第一接着樹脂部２０３とレンズ基板２０２とが交互に３回積層されている例を示しているが、積層回数については制限がなく、さらに多数回の積層を行ってもよい。光学装置２００を構成する各部材としては、第一実施形態、変形例１−１、１−２として説明した部材と同じものを用いることができる。

レンズ基板２０２α、２０２β、２０２γが備えたレンズ部は、それぞれ、用途に応じた所定の曲面を有する形状をなしている。すなわち、レンズ基板２０２α、２０２β、２０２γが、それぞれ備えたレンズ部は、いずれも同じ形状をなしていてもよいし、一部または全てが異なる形状をなしていてもよい。

光学装置２００は、その厚み方向において、最も外側に位置するレンズ基板２０２γ上に、図６に示した光学装置１２０のように、第二接着樹脂部を介して保護基板を備えていてもよい。

第二実施形態の構成によれば、積層方向において隣接するレンズ基板２０２同士で挟まれた空間レンズ部の外縁域と半導体基板とで挟まれた空間が、いずれも第一接着樹脂部によって充填されている。すなわち、積層された全てのレンズ部が、枠部との連結箇所以外の箇所において、第一接着樹脂部に支持（固定）されている。

そのため、外力に起因してレンズ基板が厚み方向に振動して歪むのが抑制され、隣接するレンズ基板２０２同士の距離や、レンズ基板と、その下地をなす半導体基板との距離が変動しないように構成されている。したがって、レンズ基板２０２同士の距離や、レンズ基板と半導体基板との距離が変動することによる、レンズ基板２０２や半導体基板２０１の損傷や、光学装置２００の光学的機能の低下を防ぐことができる。

本発明は、光学的な機能を有するレンズ基板を備えた、ＣＣＤ型イメージセンサ、ＣＭＯＳ型イメージセンサなどの固体撮像素子に対して、広く適用することができる。

１００、１１０、１２０、２００・・・光学装置、１０１、２０１・・・半導体基板、
１０１ａ、２０１ａ・・・一方の主面、１０２、１１２、２０２・・・レンズ基板、
１０２ａ・・・一方の側、１０２Ａ、２０２Ａ・・・レンズ部、
１０２Ｂ、２０２Ｂ・・・枠部、１０２Ｃ、２０２Ｃ・・・凹凸部、
１０３、２０３・・・第一接着樹脂部、１０４、２０４・・・第二接着樹脂部、
１０５、１１５、２０５・・・光学素子、
１０６、１１６、２０６・・・保護基板（下地基板）、１０７、２０７・・・被処理体、
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８・・・断面、α、β・・・積層体。

Claims (3)

1. 一方の主面に光学素子を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の一方の主面側において、前記半導体基板から離間して配されたレンズ基板と、
   前記半導体基板の一方の主面と前記レンズ基板との間に配され、両者を接着する接着樹脂部と、を備えた光学装置であって、
   前記レンズ基板は、レンズ部と、該レンズ部を周囲から支持する枠部とを有しており、
   前記レンズ部は、前記光学素子と重なる位置に配されており、
   前記接着樹脂部は、前記半導体基板と前記レンズ基板とで挟まれた空間に充填されていることを特徴とする光学装置。
2. 前記レンズ部の外縁域は、中央域より薄くなっていることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. 前記半導体基板の一方の主面に対する積層方向において、前記レンズ基板よりも上側に配された保護基板と、
   前記レンズ基板と前記保護基板との間に配され、両者を接着する第二接着樹脂部と、をさらに有していることを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。

Images