JP2007266380A - 半導体撮像装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シェーディングを抑制し、かつ小型、薄型の半導体撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像領域１３に複数のマイクロレンズ１６を備える半導体撮像素子１１と、半導体撮像素子１１を搭載するための半導体パッケ−ジ２０と、キャビティー２２に半導体撮像素子１１を固着するための固着部材３０と、キャビティー２２中に配置された半導体撮像素子１１を覆うように半導体パッケ−ジ２０に対して封着部材３３で接着される光学部材３２とを備え、半導体撮像素子１１は撮像領域１３の中央部のマイクロレンズ１６の曲率が最も小さく、最外周で最も大きく、かつ中央部のマイクロレンズ１６から最外周のマイクロレンズ１６に向けてその頂点の厚みが連続的に増加し、マイクロレンズ１６のそれぞれの頂点を結び形成される面が連続的な凹曲面をなす構成からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面にマイクロレンズを有する半導体撮像装置、特に像面湾曲に起因する画像不良を抑制する半導体撮像装置およびその製造方法に関する。

近年、電子機器の小型化、薄型化とともに半導体部品の高密度実装化の要求が高まるなか、半導体撮像素子が搭載された半導体撮像装置についても、高品質化、小型、薄型化のための構造や製造方法が検討されている。

このような半導体撮像装置においては、その感度向上のため受光面上に凸レンズからなるマイクロレンズを設け、入射した光を受光面に集中させて効率的な集光する構成が一般的である。このような半導体撮像装置においては、撮像面の前に光学レンズ系が配置されている。しかしながら、撮像面の前に光学レンズ系を配置すると、像面湾曲に起因する画像のボケや色にじみが生じる。これに対しては、通常、光学レンズ系におけるレンズの形状や絞り値を最適化して防止しているが、光学レンズ系自体で防止するとレンズ形状や全体の構成が複雑になり高価になるという課題がある。このため、より安価で、光学レンズ系の像面湾曲を補正し得る構成や方法が望まれている。

これに対して、第１の例として半導体撮像素子の膜厚を２０μｍ以下にした後、この薄いベアチップ状態のまま、配線基板に設けた装着凹部に接着固定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。装着凹部は、所定の曲率で湾曲した、例えば円弧面状または球面状に形成されており、半導体撮像素子はこの装着凹部に沿うように接着固定されることで所定の曲率で湾曲した状態となる。なお、薄膜状の半導体撮像素子を得る方法として、シリコン基板上に多孔質シリコン層を設け、その上層に成長させたエピタキシャル層に固体撮像素子を形成した後、多孔質シリコン層でシリコン基板を分離する方法を示している。

このような構造とすることで、湾曲した形状の半導体撮像素子を有する半導体撮像装置を容易に、かつ歩留まりよく実現できるとともに、これを組み込んだ電子機器の小型化も可能になるとしている。

さらに、第２の例として、光学レンズ系の像面湾曲を補正し得るマイクロレンズとその製造方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この方法によれば、画素毎に凸形状となったレジストパターンをマスクとしてレンズ形成層をエッチングするので、エッチング法として適宜な方法、例えばレジストパターンおよびレンズ形成層に対するエッチングレートがほぼ等しい方法を採用することにより、レンズ形成層をレジストパターンと同様の凸形状のものに形成することが可能になる。また、レジストパターンを、それぞれ略相似形となるようにパターニングし、かつ撮像面の周辺部側に配置されたものの面積が、撮像面の中央部側に配置されたものより大きくなるようにパターニングするので、これらレジストパターンをマスクとしてレンズ形成層をエッチングすることにより、形成されるマイクロレンズは、撮像面の周辺部側に配置された凸レンズの曲率が撮像面の中央部側に配置された凸レンズの曲率より大きくなる。

このような形状のマイクロレンズによれば、撮像面の周辺部側に配置された凸レンズが撮像面の中央部側に配置された凸レンズに比べ、その曲率が大きく形成されるので、これら凸レンズの曲率を予めマイクロレンズを有した半導体撮像素子の前に配設される光学レンズ系に対応させておくことにより、このマイクロレンズによって光学レンズ系の像面湾曲収差を補正することが可能であるとしている。
特開２００３−２４４５５８号公報 特開平９−２６０６２４号公報

しかしながら、第１の例の半導体撮像装置では、半導体撮像素子を実装する際、半導体撮像素子の上面を、弾性パッドを備えた押圧治具で物理的に押圧して曲げ、湾曲形状を実現している。しかし、このような方法では、半導体撮像素子を接着剤で配線基板上に加熱固着する際に、押圧治具で透明樹脂からなるマイクロレンズの表面を押圧することになるため、マイクロレンズ表面の変形や微細なダストの付着等が生じやすく、押圧工程を清浄な環境で行うことが要求される。さらに、２０μm程度に薄く加工した半導体撮像素子を割れ等が生じないようにしながら装着凹部までハンドリングし、押圧して接着固定する工程までを充分管理することが要求され、量産性に乏しい。

また、第２の例は、マイクロレンズ自体の曲率を変化させる方法であるので、第１の例のように半導体撮像素子を薄く加工することや、接着工程での厳密な工程管理は不要である。しかし、レジストパターンを画素毎に凸形状とするためには、その表面張力により画素の中央部が上に凸となるようにレジストパターンをそれぞれ溶融することが必要である。さらに、レジストパターンおよびレンズ形成層のエッチングレートがほぼ等しい条件でエッチングを行うことも要求される。これらの条件を満たすためには、レジスト材料およびレンズ形成層の材料に制約が生じる。また、撮像面の周辺部側に配置された受光部上のレジストパターンの面積が、撮像面の中央部側に配置された受光部上のレジストパターンに比べ大となるようにパターニングすることが必要であるが、このように形状に差異を設けると中央部の受光部と周辺部の受光部との形状等の設計が複雑となる。

本発明は、曲面形状のマイクロレンズの外形寸法を同一としながら、撮像領域の中央部から最外周に向けて、マイクロレンズのそれぞれの頂点を結ぶ線が連続曲線となるマイクロレンズ構造とすることで、特にシェーディングを抑制し、かつ小型、薄型の半導体撮像装置を提供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半導体撮像装置は、撮像領域と周辺回路領域と電極領域とを有し、かつ撮像領域に複数のマイクロレンズを備える半導体撮像素子と、半導体撮像素子を搭載するためのキャビティーと、キャビティーの周辺部に形成され、半導体撮像素子の複数の電極端子と接続するための内部接続端子と、内部接続端子と接続し、外部機器と接続するための外部接続端子とを含む半導体パッケ−ジと、キャビティーに半導体撮像素子を固着するための固着部材と、キャビティー中に配置された半導体撮像素子を覆うように半導体パッケ−ジに対して封着部材で接着される光学部材とを備え、半導体撮像素子は撮像領域の中央部のマイクロレンズの曲率が最も小さく、最外周で最も大きく、かつ中央部のマイクロレンズから最外周のマイクロレンズに向けてその厚みが連続的に増加し、マイクロレンズのそれぞれの頂点を結び形成される面が連続的な凹曲面をなす構成からなる。

このような構成とすることにより、被写体の撮像が周辺部で暗くなり撮像品質の低下につながるシェーディング現象を防止できて、鮮明で良質な撮像を実現できる。

また、上記構成において、半導体撮像素子は撮像領域の中央部を基準として凹面形状に湾曲してキャビティーに固着されていてもよい。

この場合に、半導体パッケージのキャビティーの半導体撮像素子を固着する領域は凹面形状を有し、半導体撮像素子はキャビティーの凹面形状に沿って固着されてもよい。

あるいは、半導体撮像素子は撮像領域の形成された面と反対側の面に、少なくとも撮像領域に対応する形状の窪みと、この窪みと半導体撮像素子の外周端部とを連結し、窪みと同じ深さの複数の溝とが設けられ、半導体撮像素子は窪みの中心を基準として湾曲した状態でキャビティーに固着されていてもよい。

さらに、半導体パッケージのキャビティーには、その底部に半導体撮像素子の配置位置を規制するための素子位置規制段差部と、素子位置規制段差部内に半導体撮像素子の少なくとも撮像領域に対応する形状で、かつ素子位置規制段差部の底面より深い窪みを有する素子固着段差部とが形成されており、半導体撮像素子は素子位置規制段差部に嵌め込まれるとともに、素子固着段差部の中心を基準として湾曲した状態で素子固着段差部に固着されていてもよい。

このような構成とすることにより、マイクロレンズ群により凹面形状が形成されるだけでなく、半導体撮像素子自体の湾曲によっても凹面形状が得られるので、より被写体の撮像が周辺部で暗くなり撮像品質の低下につながるシェーディング現象を防止できる。また、半導体撮像素子のみの湾曲によりレンズの収差で生じる映像のひずみを低減させる場合に比べて、例えば半導体撮像素子を湾曲させるときの曲率が小さくてもよく、曲面状態での接着固定が容易で、かつ使用中においても曲率の変動を抑制できる。なお、半導体撮像素子を湾曲させる方法として、例えば固着部材を半導体撮像素子の外周の４端部と中央部に形成し、中央部と外周端部の厚みの違いによる収縮応力を利用してもよい。

また、上記構成において、マイクロレンズは固着部材中の揮発成分により軟化する材料からなるものであってもよい。この場合において、マイクロレンズはアクリル系樹脂からなり、固着部材は、主剤が液状のエポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂およびアクリル系樹脂から選択された少なくとも１種類からなり、溶剤がＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰとよぶ）であるものであってもよい。

このような構成とすることにより、半導体撮像素子を半導体パッケージに封止した状態で、マイクロレンズを軟化させ変形させることにより、マイクロレンズ群自体を全体として凹面形状にすることができる。この結果、被写体の撮像が周辺部で暗くなり撮像品質の低下につながるシェーディング現象を防止できて、鮮明で良質な撮像を実現できる。

また、上記構成において、撮像領域に形成されたマイクロレンズは同じ形状からなるようにしてもよい。また、封着部材は紫外線および加熱により硬化する材料からなるものでもよい。さらに、光学部材は少なくとも可視光に対して透明なガラス、石英ガラス、エポキシ樹脂、アクリル樹脂またはポリイミド樹脂のいずれかであってもよい。

また、本発明の半導体撮像装置の製造方法は、中央にキャビティーを有する半導体パッケ−ジのキャビティーの底部に、封着部材を加熱硬化する温度でマイクロレンズを軟化させる揮発成分を放出する固着部材を塗布する工程と、撮像領域上にマイクロレンズが形成された半導体撮像素子を固着部材上に載置して固着する工程と、半導体撮像素子の複数の電極端子とキャビティー周辺部に配置された内部接続端子とを金属細線で接続する工程と、半導体パッケージの封着面上に、紫外線および加熱により硬化する特性を有する前記封着部材を塗布する工程と、封着面に光学部材を載置して、光学部材を介して封着部材に紫外線を照射して仮硬化する第１の硬化工程と、第１の硬化工程後、半導体パッケージを加熱して、封着部材を加熱硬化するとともに固着部材から揮発成分を放出させることにより、撮像領域の中央部から撮像領域の最外周にかけてマイクロレンズを連続的に変形させて、撮像領域の中央部のマイクロレンズの曲率が最も小さく、最外周で最も大きく、かつ中央部のマイクロレンズから最外周のマイクロレンズに向けてその厚みが連続的に増加し、マイクロレンズのそれぞれの頂点を結び形成される面を連続的な凹曲面とする第２の硬化工程とを含む方法からなる。

このような方法とすることにより、半導体ウエハーの段階においては均一な形状のマイクロレンズを作製し、ダイシングした半導体撮像素子を半導体パッケージ中に封止してから加熱することで、マイクロレンズ群の頂点の厚みが中央で最も薄く、最外周で最も厚く、かつマイクロレンズのそれぞれの頂点を結び形成される面を連続的な凹曲面とすることができる。これにより、撮像時に被写体の周辺部で暗くなり撮像品質の低下につながるシェーディング現象を防止できて、鮮明で良質な撮像を実現できる。また、このような曲面形状を有する半導体撮像装置を簡単な工程で作製することができる。

また、上記方法において、半導体パッケージはキャビティーの半導体撮像素子を固着する領域が凹面形状を有し、固着工程において半導体撮像素子をキャビティーの凹面形状に沿って固着するようにしてもよい。

または、半導体撮像素子の撮像領域が形成された面とは反対側の面に、少なくとも撮像領域に対応する形状の窪みと、この窪みと半導体素子の外周端部とを連結する上記窪みと同じ深さの複数の溝とを設ける工程をさらに有し、固着工程において固着部材の固着時に固着部材の収縮応力により半導体撮像素子を湾曲させた状態でキャビティーに固着するようにしてもよい。

あるいは、半導体パッケージはキャビティーの底部に半導体撮像素子の配置位置を規制するための素子位置規制段差部と、素子位置規制段差部内に半導体撮像素子の少なくとも撮像領域に対応する形状で、かつ素子位置規制段差部の底面より深い窪みを有する素子固着段差部とが形成されており、固着工程において、固着部材の固着時に固着部材の収縮応力により半導体撮像素子を湾曲させた状態でキャビティーに固着する方法としてもよい。

このような方法とすることにより、マイクロレンズの全体形状を凹面状とすることに加えて、半導体撮像素子自体を凹面形状にすることもできるので、より映像のひずみを抑制することができる。

また、上記方法において、マイクロレンズの材料としてアクリル系樹脂を用い、固着部材の材料としては、主剤が液状のエポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂およびアクリル系樹脂から選択された少なくとも１種類からなり、溶剤がＮ−メチル−２−ピロリドンを用いるようにしてもよい。さらに、第２の硬化工程は固着部材の硬化温度より低い温度で、かつ固着部材の硬化時間より長い時間とするようにしてもよい。

本発明の半導体撮像装置およびその製造方法によれば、簡略な工法で受光面上のマイクロレンズ群の頂点を繋ぐ連続的な曲線形状を得ることができ、被写体の撮像が周辺部で暗くなり撮像品質の低下につながるシェーディング現象を防止できて、鮮明で良質な撮像を実現できるという大きな効果を奏する。

以下、本発明の施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、これらの図において、それぞれの厚みや長さ等は図面の作成上から実際の形状とは異なる。また、半導体撮像素子および半導体パッケージの端子の数も実際とは異なり、図示しやすい数量としている。さらに、同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる半導体撮像装置１０の構造を説明するための図で、（ａ）は光学部材３２を通してみた平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図である。

本実施の形態の半導体撮像装置１０において、半導体撮像素子１１は撮像領域１３と周辺回路領域１４と電極領域１５とを有し、かつ撮像領域１３に複数のマイクロレンズ１６を備えている。なお、周辺回路領域１４と電極領域１５とは、明確に分離できない場合もあるが、本実施の形態においては電極端子１７が形成されている領域を電極領域１５とよび、この電極領域１５と撮像領域１３との間に種々の回路が形成されている領域を周辺回路領域１４とよんでいる。

また、半導体撮像素子１１を収納する半導体パッケージ２０は、基材２１に半導体撮像素子１１を搭載するためのキャビティー２２と、このキャビティー２２の周辺部に形成され、半導体撮像素子１１の複数の電極端子１７と接続するための内部接続端子２３と、この内部接続端子２３と接続し、外部機器（図示せず）と接続するための外部接続端子２４とが形成されて構成されている。

さらに、キャビティー２２に、半導体撮像素子１１を固着するための固着部材３０と、キャビティー２２中に配置された半導体撮像素子１１を覆うように半導体パッケ−ジ２０に対して封着部材３３で接着される光学部材３２とを備えている。

そして、半導体撮像素子１１は撮像領域１３の中央部のマイクロレンズ１６１の曲率が最も小さく、最外周で最も大きく、かつ中央部のマイクロレンズ１６１から最外周のマイクロレンズ１６８に向けてその頂点の厚みが連続的に増加し、マイクロレンズ１６のそれぞれの頂点を結び形成される面が連続的な凹曲面をなしている。すなわち、マイクロレンズ１６は全体として曲面形状をしており、中心のマイクロレンズ１６１の曲率が最も大きく、最外周の曲率が最も小さい。また、本実施の形態では、中心部のマイクロレンズ１６１と最外周のマイクロレンズ１６８を含めて、すべてを同じ外形寸法としている。

以下、本実施の形態の半導体撮像装置１０について、さらに詳細に説明する。

まず、半導体撮像素子１１は、半導体基板１２上に形成された撮像領域１３と周辺回路領域１４と電極領域１５とを含んで構成されている。撮像領域１３の受光部の各画素上に、例えばプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（以下、ＰＧＭＥＡとよぶ）を用いて形成したアクリル系透明樹脂からなるマイクロレンズ１６が配置されている。なお、半導体基板１２は、一般にシリコン単結晶基板を用い、撮像領域１３、周辺回路領域１４および電極領域１５の電極端子１７等については、周知の半導体技術を用いて作製することができる。さらに、マイクロレンズ１６についても同様に、半導体撮像素子に通常用いられる工法を用いて作製することができる。

また、周辺回路領域１４は、各画素からの電気信号をそれぞれの電極端子１７に伝達するための複数の回路ブロック（図示せず）で構成されている。そして、電極領域１５は、周辺回路領域１４に形成されている回路ブロックから伝達された電気信号を半導体パッケージ２０の内部接続端子２３に伝達するための複数の電極端子１７で構成されている。

半導体パッケージ２０は投影形状が矩形で、上面側にはその周囲を除いてキャビティー２２が設けられている。キャビティー２２の内部は、その周辺に複数の内部接続端子２３と、この内部接続端子２３が形成されている内周領域に半導体撮像素子１１の外形寸法より大きな形状の凹部とが形成されている。なお、内部接続端子２３は、半導体撮像素子１１の電極端子１７とそれぞれ金属細線３１で接続されている。また、キャビティー２２の内部接続端子２３が形成されている面は、半導体撮像素子１１の厚みとほぼ同じに設定されている。

さらに、内部接続端子２３は、半導体パッケージ２０の外部の底面に設けられた外部接続端子２４にそれぞれ接続されている。本実施の形態の場合には、内部接続端子２３は、そのまま延在され半導体パッケージ２０の側面部に形成された配線パターンを介して底面の外部接続端子２４に接続されている。しかし、このような構成に限定されることはない。例えば、内部接続端子２３と外部接続端子２４とを、導体が充填された貫通導体を介して接続してもよい。

なお、半導体パッケージ２０の基材２１は、例えばエポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、アラミド樹脂等の樹脂基材、あるいはアルミナセラミック基材、あるいは表面に絶縁被覆膜が形成された金属材料等を用いることができる。これらの中で、アルミナセラミック等のセラミック基材は封止特性に優れており、好ましい基材の１つである。また、内部接続端子２３および外部接続端子２４については、例えば銅（Ｃｕ）やニッケル（Ｎｉ）等の表面に金（Ａｕ）薄膜を形成した積層構成を用いてもよい。このような積層構成とすることにより、導体抵抗を小さくし、かつワイヤボンディングによるボンディング性を良好なものとすることができる。さらに、外部機器に外部接続端子２４をはんだ等により接続する場合の接続信頼性を向上できる。

また、電極端子１７と内部接続端子２３との接続は、例えばワイヤボンディング方式を用いて金属細線３１により行うが、この金属細線３１は金（Ａｕ）線や銅（Ｃｕ）線あるいはアルミニウム（Ａｌ）線を用いることができる。

光学部材３２は、少なくとも可視光に対して透明なガラス、石英ガラス、エポキシ樹脂、アクリル樹脂またはポリイミド樹脂のいずれかを用いることができる。この場合に、両面の平面度および平行度が高精度に加工されていることが要求される。この光学部材３２の形状は、半導体パッケージ２０の外形寸法よりは小さく、封着面２５に載置できる大きさとする。光学部材３２は、封着面２５上に載置され、封着部材３３により接着されている。

半導体パッケージ２０のキャビティー２２の底面部には、半導体撮像素子１１が、例えば溶剤としてＮＭＰを用い、主剤としてエポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂またはアクリル系樹脂等のいずれかを用いてなる固着部材３０で固着されている。なお、溶剤であるＮＭＰは、半導体パッケージ２０を加熱する工程で揮発するので、最終の工程後では固着部材３０中にほとんどＮＭＰを含まない。

さらに、封着部材３３は、紫外線および加熱により硬化する材料からなり、例えばエポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂またはアクリル系樹脂等を用いることができる。

このような構造において、半導体撮像素子１１が搭載され、光学部材３２の紫外線照射による第１の硬化をした後、半導体パッケージ２０を加熱する第２の硬化工程を経ることにより、半導体パッケージ２０のキャビティ２２に固着された半導体撮像素子１１のマイクロレンズ１６を、撮像領域１３の中心付近で最も薄く、周辺に向かって次第に厚く、すなわち全体として曲面形状とすることができる。なお、実際には周辺部のマイクロレンズ１６の厚みおよび形状はほとんど変形せず、中央部に向けて変形し、だれが生じるために中央部のマイクロレンズ１６が薄く、曲率が大きくなるものである。

以下、図２から図４を用いて本実施の形態の半導体撮像装置１０の製造方法を説明する。図２および図３は、本実施の形態の半導体撮像装置１０の製造方法を説明する図で、図１（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面部をそれぞれ示している。また、図４（ａ）は図３（ａ）に対応したマイクロレンズ領域の拡大模式図で、図４（ｂ）は図３（ｂ）に対応したマイクロレンズ領域の拡大模式図である。

まず、図２（ａ）に示すように、投影形状が矩形で、内部に半導体撮像素子１１の外形寸法より大きなキャビティー２２を有し、かつ内部接続端子２３と、この内部接続端子２３に接続する外部接続端子２４と、封着面２５とを備えた半導体パッケージ２０を準備する。なお、本実施の形態では、この半導体パッケージ２０の基材２１はアルミナセラミック基材を用いる場合について説明する。

つぎに、図２（ｂ）に示すように、半導体パッケージ２０のキャビティー２２の底面部に、溶剤としてＭＮＰが配合されたエポキシ系樹脂からなる固着部材３０を、例えばディスペンサーにより塗布する。なお、塗布する形状としては、半導体撮像素子１１と同じ面積としてもよいし、あるいは複数箇所または１箇所に点状に塗布してもよい。そして、固着部材３０に対して半導体撮像素子１１を押圧しながら載置し、その後１５０℃〜１９０℃、好ましくは１７０℃で、５分間、窒素ガスまたは非酸化雰囲気中で加熱硬化する。なお、この硬化条件は例示的なものであり、半導体パッケージ２０の大きさや固着部材３０の材質等により適宜変更することができる。ただし、ＮＭＰのような溶剤が完全に揮発してしまう温度と時間に設定することは望ましくない。

この場合に用いる半導体撮像素子１１としては、以下に述べるような構成とする。すなわち、撮像領域１３の各画素上に、例えば溶剤としてＰＧＭＥＡが配合されたアクリル系透明樹脂を用いてマイクロレンズ１６を形成する。その時の代表的なアクリル系透明樹脂のレンズ化処理条件としては、処理温度、処理時間および処理雰囲気が、それぞれ１８０℃〜２００℃、５分間、窒素ガスまたは非酸化性雰囲気である。このような条件で処理することで、このアクリル系透明樹脂は軟化して曲面形状となりマイクロレンズ１６が形成される。なお、処理温度は、２００℃がより好ましい。この後、ダイシングして、それぞれの半導体撮像素子１１に個片化して用いる。なお、上記の処理温度、処理時間および処理雰囲気は例示的に示すものであり、マイクロレンズとなる層が溶融して曲面形状となる条件であればよい。

つぎに、図２（ｃ）に示すように、半導体撮像素子１１の電極領域１５に配置された電極端子１７と半導体パッケージ２０のキャビティー２２の周辺部に形成された内部接続端子２３との間を、例えばワイヤボンダーを用いて金属細線３１で接続する。なお、金属細線３１としては、例えば金（Ａｕ）線、銅（Ｃｕ）線またはアルミニウム（Ａｌ）線を用いてもよい。また、ワイヤボンダーとしては、熱圧着方式、超音波熱圧着方式または超音波圧着方式等を用いることができる。この後、半導体パッケージ２０の封着面２５上に、熱光硬化型で液状のエポキシ系樹脂からなる封着部材３３を、例えばディスペンサーを用いて塗布する。なお、封着部材３３はアクリル系樹脂やポリイミド系樹脂を用いてもよい。

つぎに、図３（ａ）に示すように半導体パッケージ２０の封着面２５に塗布された封着部材３３上に光学部材３２を押圧しながら載置し、紫外線３４を照射して第１の硬化を行う。この第１の硬化工程は、例えば２ジュール程度の紫外線３４を照射し、さらにその後１０ジュール程度の紫外線３４を照射して行う。なお、本実施の形態では、光学部材３２としてパイレックス（登録商標）ガラスを用いた場合について説明する。

つぎに、図３（ｂ）に示すように封着部材３３を、例えば赤外線ヒータ３５を用いて１１０℃〜１３０℃、好ましくは１２０℃で、６０分間、ドライエヤーもしくは窒素ガス中で加熱して硬化させ半導体パッケージ２０と封着部材３３との間を封止する第２の硬化工程を行う。この第２の硬化工程を経ることにより、中心部のマイクロレンズ１６１は変形して薄くなるので曲率が大きくなる。一方、外周領域のマイクロレンズ１６８はほとんど変形しないので、マイクロレンズ１６は全体として凹面形状となる。このような形状とすることで、外周領域にいくほど受光部に入射する光量を増加でき、シェーディングを改善することができる。

このように中心部のマイクロレンズ１６１の曲率が大きくなるように変形し、外周領域のマイクロレンズ１６８の変形がほとんど生じず、全体として凹面形状にできるメカニズムについては、以下のように推測される。

図３（ａ）に示す第１の硬化工程では、半導体パッケージ２０のキャビティー２２内の温度上昇はない。また、この第１の硬化工程では、光学部材３３と半導体パッケージ２０とは固着されるが、封着部材３３による気密封止は不十分な状態である。したがって、キャビティー２２内は、紫外線３４の照射時の温度、湿度および圧力と平衡状態、あるいは第１の硬化工程からの時間の経過によっては外気圧と同様となる。この状態では、図４（ａ）に示すように、マイクロレンズ１６は中央領域のマイクロレンズ１６１および外周領域のマイクロレンズ１６８ともに同一形状に保持されたままである。

つぎに、図３（ｂ）に示す第２の硬化工程では、半導体パッケージ２０のキャビティー２２内の温度が１２０℃になり、光学部材３２とキャビティー２２とで囲まれた内部領域の表面に吸着している水分等の脱ガスおよび固着部材３０中のＮＭＰの気化が生じる。特に、固着部材３０は、溶剤であるＮＭＰの沸点２０４℃以下の温度１７０℃で、５分間加熱されているだけであるので、固着部材３０中にはＮＭＰはまだ相当量が残存している。そのために、第２の硬化工程の条件である１２０℃中、６０分間加熱する間に、固着部材３０中のＮＭＰが気化し揮発成分となり、キャビティー２２中に拡がる。ただし、ＮＭＰの気化は６０分間の加熱中一定の量で生じるのではなく、最初の加熱からある一定時間までにほとんどの量が揮発し、その後の揮発量は非常に少なくなるものと思われる。

一方、封着部材３３は、最初の加熱時にはまだ気密性は充分ではなく、キャビティーの内部の圧力上昇に伴い、内部のガスは封着部材３３を通して外部に放出される。すなわち、初期段階で気化したＮＭＰはキャビティー２２中に拡散して拡がるが、その後封着部材３３を通して一部が抜けていく。このため、撮像領域１３の中心部ではＮＭＰの濃度が高く保持されるが、外周領域に向かうにつれてＮＭＰの濃度が低くなる。このような濃度分布を反映して中心部のマイクロレンズ１６１が膨潤し軟化する度合いは大きく、外周領域に向かうほど軟化度合は小さくなる。

さらに、キャビティー２２領域においては、封着部材３３を通して内部の気体が抜けるため、撮像領域１３の中央部の圧力が高く、電極領域１５に向かうほど圧力が低くなる状態も生じる。

このようなマイクロレンズ１６の軟化度合の違いと圧力分布とに基づき、撮像領域１３の中央部のマイクロレンズ１６１の頂点が最も薄く、撮像領域１３の最外周で最も厚く、かつ撮像領域１３の中心を基準としてマイクロレンズ１６のそれぞれの頂点を結ぶ面が連続的な凹曲面となる。

なお、封着部材３３の架橋の進行に伴い、気密封止性が向上し、キャビティー２２の内部の気体が抜けなくなると、キャビティー２２領域の圧力も全体として均一となるが、この場合であってもマイクロレンズ１６の軟化度合が異なるため、同一圧力を受けても中心部のマイクロレンズ１６１の変形は進行するが、外周領域のマイクロレンズ１６８の変形はほとんど生じない。したがって、気密封止状態となっても、マイクロレンズ１６の変形はさらに生じると考えられる。

以上のような現象により、図４（ｂ）に示すように、中央領域のマイクロレンズ１６１は軟化して薄くなり、曲率が大きくなる。一方、外周領域のマイクロレンズ１６８は、初期状態とほとんど同じ形状を保持する。したがって、中心領域から外周領域に向かって、マイクロレンズの頂点を結ぶ線分が連続的な曲線３６となる。すなわち、全体として凹面形状が得られるものと推測される。

なお、このようなマイクロレンズの変形が生じる現象については、以下のような推測も可能である。

光学部材３２により封着する第１の硬化工程では、半導体パッケージ２１のキャビティー２２内の温度上昇がなく、キャビティー２１内は封着工程の温度、湿度および圧力で平衡状態になる。つぎに、第２の硬化工程では、半導体パッケージ２０のキャビティー２２内の温度が１２０℃になり、光学部材３２とキャビティー２２とで囲まれた内部領域の表面に吸着している水分等の脱ガスおよび固着部材３０中のＮＭＰの気化が生じる。特に、固着部材３０は、溶剤であるＮＭＰの沸点２０４℃以下の温度１７０℃で、５分間加熱されているだけであるので、固着部材３０中にはＮＭＰはまだ相当量が残存している。そのために、第２の硬化工程の条件である１２０℃中、６０分間加熱する間に、固着部材３０中のＮＭＰが気化し揮発成分となり、キャビティー２２中に拡がる。ただし、ＮＭＰの気化は６０分間の加熱中一定の量で生じるのではなく、最初の加熱からある一定時間までにほとんどの量が揮発し、その後の揮発量は非常に少なくなるものと思われる。

なお、マイクロレンズ１６を構成する材質のアクリル系透明樹脂も半導体撮像素子１１を構成する各材料の耐熱性を考慮して完全硬化前の状態で形成されている。そのために、第２の硬化工程時に、１２０℃、６０分間の条件で硬化する間に固着部材３０中のＮＭＰが気化してキャビティー２２内に１２０℃の分圧で存在する。この気体はアクリル系透明樹脂からなるマイクロレンズ１６中に進入して、樹脂の表面から膨潤を生じ、軟化がおこる。この状態で降温する時、半導体パッケージ２０からの熱伝導や半導体撮像素子１１を取り巻くキャビティー２２内の気体の対流や熱伝導によって半導体撮像素子１１の周囲から冷却がおこり中心部が最後に常温に戻る。このようなマイクロレンズ１６の場所による冷却速度差や、それによるキャビティー２２内での圧力分布の発生で、中心近傍が最後まで高温、すなわちＰＧＭＥＡ、ＮＭＰや水分から生じる圧力が高く維持される。その結果、撮像領域１３内のマイクロレンズ１６群の厚みが中心部で最も薄く、周辺部に向かうに伴いマイクロレンズ１６の変形が抑制される。同様な例としては半導体素子やリードフレームを含まない半導体パッケージを、樹脂成形金型を用いてエポキシ樹脂でトランスファー成形した場合の半導体パッケージ上下面で中心部が最も深くなる「ひけ」という現象に類似するものと考えられる。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる半導体撮像装置５０の構造を説明するための図で、（ａ）は光学部材３２を通してみた平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

本実施の形態の半導体撮像装置５０は、半導体パッケージ４０のキャビティー４２の半導体撮像素子１１を固着する領域が凹面形状を有しており、半導体撮像素子１１がキャビティー４２の凹面形状に沿って固着されていることが第１の実施の形態の半導体撮像装置１０と異なる。また、本実施の形態の半導体撮像素子１１は、第１の実施の形態で用いた半導体撮像素子１１を凹面に沿って固着するために薄片化していることも異なる点である。これら以外については、第１の実施の形態の半導体撮像装置１０と同じである。

半導体パッケージ４０の全体形状は第１の実施の形態と同じであり、半導体撮像素子１１を搭載するためのキャビティー４２と、このキャビティー４２の周辺部に形成され、半導体撮像素子１１の複数の電極端子１７と接続するための内部接続端子４３と、この内部接続端子４３と接続し、外部機器（図示せず）と接続するための外部接続端子４４とを含み構成されている。なお、半導体パッケージ４０の基材４１は、例えばセラミック材料により形成される。さらに、光学部材３２を封着するための封着面４５の形状は、第１の実施の形態の半導体パッケージ２０と同じである。ただし、本実施の形態の半導体パッケージ４０では、図５に示されるように半導体撮像素子１１を搭載する領域を凹面形状に加工している。

また、半導体撮像素子１１は、第１の実施の形態と同様な構成を有しているが、全体の厚みを５０μｍ〜１００μｍ程度に薄片化して凹面に沿いやすくしている。

本実施の形態の半導体撮像装置５０については、半導体撮像素子１１は撮像領域１３上の複数のマイクロレンズ１６が曲面形状を有し、撮像領域１３の中央部のマイクロレンズ１６１の頂点が最も薄く、撮像領域１３の最外周のマイクロレンズ１６８の頂点が最も厚く、かつ撮像領域１３の中心を基準としてマイクロレンズ１６のそれぞれの頂点を結ぶ面が連続的な凹曲面となる。すなわち、マイクロレンズ１６は全体として曲面形状をしており、中心のマイクロレンズ１６１の曲率が最も大きく、最外周の曲率が最も小さい。また、本実施の形態では、中心部のマイクロレンズ１６１と最外周のマイクロレンズ１６８を含めて、すべてを同じ外形寸法としている。

さらに、半導体撮像素子１１自体も半導体パッケージ４０のキャビティー４２に形成された凹面領域に沿って固着されている。このような構成とすることにより、マイクロレンズ１６を含む撮像領域１３の曲面形状をより任意に設定することができる。したがって、レンズ構成をより簡略化し、かつ小型の半導体撮像装置５０を実現できる。

なお、本実施の形態では、マイクロレンズ１６についても、全体的な形状を凹面状にするので、半導体撮像素子１１自体を湾曲させる曲率を大きくしてもよい。したがって、従来の半導体素子に比べて厚く形成してもよいので、半導体パッケージへの搭載等のハンドリング作業で半導体撮像素子の割れ等が発生しにくい。あるいは、従来と同様の厚みとした場合であっても、半導体パッケージ４０のキャビティー４２の凹面形状の曲率を大きくできるので、固着部材３０による接着時に固着部材３０の硬化収縮力の作用により半導体撮像素子１１を容易に凹面形状に沿わせて固着することができる。また、使用中に固着部材３０から半導体撮像素子１１が剥離する等の不良も生じ難く、高信頼性の半導体撮像装置を実現できる。

なお、本実施の形態の半導体撮像装置５０の製造方法は、第１の実施の形態の製造方法と同じでよいので説明を省略する。また、半導体撮像素子１１を固着する工程において、半導体撮像素子１１を凹面形状に沿わせるように、例えば高圧空気等により加圧して固着させてもよい。あるいは、固着部材３０の硬化収縮力を利用して凹面形状に沿わせるように固着してもよい。

なお、第１の実施の形態および第２の実施の形態においては、マイクロレンズの材料としてＰＧＭＥＡを用いて形成したアクリル系透明樹脂について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ポリグリシンメタクリレート（ＰＧＭＡ）からなるアクリル系樹脂等でもよい。あるいは、感光性のノボラック樹脂等を用いてもよい。この場合には、このノボラック樹脂を膨潤、軟化させる揮発成分を固着部材中に添加することが必要である。

（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態にかかる半導体撮像装置６０の構造を示す図で、（ａ）は光学部材３２を通してみた平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った断面図である。また、図７は、この半導体撮像装置６０に用いられる半導体撮像素子５１の構成を示す図で、（ａ）はマイクロレンズ１６側からみた平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は裏面側からみた平面図である。

本実施の形態の半導体撮像装置６０は、半導体撮像素子５１が撮像領域１３の形成された面と反対側の面の半導体基板５２に、少なくとも撮像領域１３に対応する形状の窪み５３と、この窪み５３と半導体撮像素子５１の外周端部とを連結し窪み５３と同じ深さの複数の溝５４とが設けられ、この半導体撮像素子５１が窪み５３の中心を基準として湾曲した状態でキャビティー２２に固着されていることを特徴としている。その他の構成については、第１の実施の形態の半導体撮像装置１０と同じである。

すなわち、半導体基板５２の裏面には、半導体撮像素子５１の撮像領域１３よりもやや広い領域の窪み５３が形成されており、さらにこの窪み５３の周辺部に窪み５３から半導体撮像素子５１の外周端部に向かって窪み５３と同じ深さの溝５４が形成されている。このような裏面構成を有する半導体撮像素子５１を、第１の実施の形態で説明した半導体パッケージ２０のキャビティー２２に搭載する。この場合に、半導体パッケージ２０に封じ込まれた半導体撮像素子５１が湾曲し、撮像領域１３の中央部のマイクロレンズ１６１の頂点が最も低く、撮像領域１３の最外周で最も高く、かつ撮像領域１３の中心を基準としてマイクロレンズ１６のそれぞれの頂点を結ぶ面が連続的な凹曲面をなす。

以下、本実施の形態の半導体撮像装置６０の詳細構造について説明する。なお、半導体パッケージ２０、半導体撮像素子５１上のマイクロレンズ１６、固着部材３０、封着部材３３や光学部材３２等については、第１の実施形態の半導体撮像装置１０と同様のものを用いてもよいので、以下では詳細説明を省略する。第１の実施形態の半導体撮像装置１０との違いは、本実施の形態では半導体撮像素子５１の裏面の撮像領域１３に対応する領域に窪み５３とその周辺を分割する溝５４を備えた構造としたことである。

本実施の形態の半導体撮像装置６０に用いる半導体撮像素子５１の構造を説明する。半導体撮像素子５１の主面上には、撮像領域１３、周辺回路領域１４、電極領域１５および撮像領域１３の各画素上に設けられたアクリル系透明樹脂からなるマイクロレンズ１６を備えている。この半導体撮像素子５１の厚みは、１００μｍ〜８００μｍ、好ましくは４００μｍである。この半導体撮像素子５１の裏面に撮像領域１３よりやや広い領域で、深さが２０μｍ〜２５０μｍ、好ましくは１２０μｍの深さの窪み５３が形成されている。そして、窪み５３の周辺部の厚肉領域には、この窪み５３と半導体撮像素子５１の外周端部とを連結する複数の溝５４が形成されている。この溝５４の深さは、窪み５３の深さと同じとし、溝５４の幅は３０μｍ〜２００μｍとする。

このような構造の半導体撮像素子５１を用いて半導体パッケージ２０の所定の位置に固着させるが、固着部材３０の作用により半導体撮像素子５１を湾曲させることができる。すなわち、半導体パッケージ２０のキャビティー２２の半導体撮像素子５１を固着する領域の周囲４箇所と中央１箇所にエポキシ樹脂からなる固着部材３０を塗布し、半導体撮像素子５１をこれらの固着部材３０によりキャビティー２２に固着させる。この加熱硬化時において、固着部材３０の層が厚い中央部は、固着部材３０の層が薄い周辺部に比べて固着部材３０の硬化収縮時の収縮変位量が大きくなる。この結果、固着された半導体撮像素子５１は固着部材３０の収縮に伴い変形して湾曲状態となる。これにより、撮像領域１３の中心を基準としてマイクロレンズ１６のそれぞれの頂点を結ぶ面が連続的な凹曲面をなす。

これに加えて、第１の実施形態の半導体撮像装置１０で説明したマイクロレンズ１６の厚みの変化により形成されるマイクロレンズ１６の凹曲面と重畳することで、マイクロレンズ１６群の各頂点で形成される面をより顕著な凹曲面とすることができる。その結果、被写体の撮像が周辺部で暗くなり撮像品質の低下につながるシェーディング現象を防止できて、鮮明で良質な撮像が実現できる。

図８は、本実施の形態の半導体撮像装置６０に用いる半導体撮像素子５１の製造方法を説明するための主要工程の断面図である。これらの工程は、具体的には半導体撮像素子５１が多数形成されている半導体ウェーハ状態で行われるが、図面の作成の都合上、１個のみの半導体撮像素子５１の場合について説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、撮像領域１３と周辺回路領域１４と電極領域１５で構成された半導体撮像素子５１が多数所定の形状に配置された半導体ウェハーを準備する。

つぎに、図８（ｂ）に示すように、半導体ウェーハの撮像領域１３等が形成されている面の全面にフォトレジスト膜５５を形成する。一方、撮像領域１３等が形成された面とは反対側の面、すなわち裏面にも、その全面にフォトレジスト膜５５を形成する。その後、フォトマスク（図示せず）を用いて撮像領域１３よりやや広い領域の窪み５３となる領域、およびダイシングしたときに半導体撮像素子５１の外周端部となる位置とこの窪み５３との間を連結する複数の溝５４となる領域を露光プロセスと現像プロセスにより露出させる。

つぎに、図８（ｃ）に示すように、半導体ウェーハの露出部を、例えばフッ酸を含むウエットエッチングもしくはフッ素化合物を含むドライエッチングして窪み５３と溝５４とを形成する。この後、フォトレジスト膜５５を除去する。この除去は、例えばレジスト除去液もしくは酸素プラズマで行うことができる。あるいは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のアルカリ系エッチング液によりエッチングしてもよい。

つぎに、図８（ｄ）に示すように、半導体ウェーハの裏面に表面保護膜５６を形成する。さらに、撮像領域１３側の面には、感光性のアクリル系透明樹脂膜５７を所定の厚みに形成する。この表面保護膜５６は、フォトレジスト膜を用いてもよいし、あるいはアクリル系透明樹脂膜５７を現像するときに侵されない樹脂保護膜で、弱いアルカリ系あるいは酸系の薬液等で溶解除去できるものであれば、特に材料については限定されない。

つぎに、図８（ｅ）に示すように、半導体ウェーハを構成する各半導体撮像素子５１の撮像領域１３内の各画素に対応するパターンを備えたフォトマスク５８を用いて撮像領域１３上のアクリル系透明樹脂膜５７に紫外線５９を照射して露光する。

つぎに、図８（ｆ）に示すように、露光後のアクリル系透明樹脂膜５７を現像して各画素上に個々に分離されたアクリル系透明樹脂膜５７とする。

つぎに、図８（ｇ）に示すように、分離されたアクリル系透明樹脂膜５７が形成された半導体ウェーハを窒素ガスもしくは非酸化ガス雰囲気中で、２００℃、５分間加熱する。この加熱処理により、アクリル系透明樹脂膜５７が流動するとともに硬化し、マイクロレンズ１６が形成される。最後に、半導体ウェーハをダイシングにより各半導体撮像素子５１に個片化する（図示せず）。以上の工程により、本発明の半導体撮像素子５１を得ることができる。

なお、上記製造工程では、感光性のアクリル系透明樹脂膜５７を用いて各画素単位に分離したが、本発明はこれに限定されない。例えば、非感光性のアクリル系透明樹脂膜を形成し、このアクリル系透明樹脂膜上にフォトレジスト膜を形成し、このフォトレジスト膜に対して露光プロセスおよびエッチングプロセスを行い、所定のパターンを形成する。このようにパターン形成されたフォトレジスト膜をマスクとしてアクリル系透明樹脂膜をエッチングして分離するようにしてもよい。

上述した半導体撮像素子５１の製造方法によれば、マイクロレンズ１６に変形や傷を生じないで、窪み５３および溝５４を作製することができる。

図９は、上記の半導体撮像素子５１を用いて本実施の形態にかかる半導体撮像装置６０の製造方法を説明するための主要工程の断面図である。

まず、図９（ａ）に示すように、第１の実施形態で使用した半導体パッケージ２０のキャビティー２２の半導体撮像素子５１を固着する領域に、第１の実施の形態で使用した固着部材３０を、例えばディスペンサーにより外周領域の４箇所と中央部の１箇所に適量塗布する。なお、固着部材３０の材質は液状のポリイミド系樹脂やアクリル系樹脂等もしくはシート状で半硬化のエポキシ樹脂やポリイミド系樹脂やアクリル系樹脂でもよい。そして、固着部材３０の適正位置に押圧しながら半導体撮像素子５１を載置し、載置後１５０℃〜１９０℃、好ましくは１７０℃、窒素ガスや非酸化雰囲気中、５分間加熱硬化する。これにより、半導体撮像素子５１が図に示すように湾曲形状となった状態で固着される。なお、この硬化条件は例示的なものであり、半導体パッケージ２０の大きさや固着部材３０の材質等により適宜変更することができる。ただし、ＮＭＰのような溶剤が完全に揮発してしまう温度と時間に設定することは望ましくない。

つぎに、図９（ｂ）に示すように、半導体撮像素子５１の電極領域１５に配置された電極端子１７と半導体パッケージ２０のキャビティー２２の周辺部に形成された内部接続端子２３との間を、例えばワイヤボンダーを用いて金属細線３１で接続する。なお、金属細線３１としては、例えば金（Ａｕ）線、銅（Ｃｕ）線またはアルミニウム（Ａｌ）線を用いてもよい。また、ワイヤボンダーとしては、熱圧着方式、超音波熱圧着方式または超音波圧着方式等を用いることができる。この後、半導体パッケージ２０の封着面２５上に、熱光硬化型で液状のエポキシ系樹脂からなる封着部材３３を、例えばディスペンサーを用いて塗布する。なお、封着部材３３はアクリル系樹脂やポリイミド系樹脂を用いてもよい。

つぎに、図９（ｃ）に示すように、半導体パッケージ２０の封着面２５に塗布された封着部材３３上に光学部材３２を押圧しながら載置し、紫外線３４を照射して第１の硬化を行う。この第１の硬化工程は、例えば２ジュール程度の紫外線を照射し、さらにその後１０ジュール程度の紫外線を照射して行う。なお、本実施の形態では、光学部材３２としてパイレックス（登録商標）ガラスを用いた場合について説明する。

つぎに、図９（ｄ）に示すように、封着部材３３を、例えば赤外線ヒータ３５を用いて１１０℃〜１３０℃、好ましくは１２０℃で、６０分間、ドライエヤーもしくは窒素ガス中で加熱して硬化させ半導体パッケージ２０と封着部材３３との間を封止する第２の硬化工程を行う。この第２の硬化工程を経ることにより、中心部のマイクロレンズ１６１は変形して曲率が大きくなり、外周領域のマイクロレンズ１６８はほとんど変形しないので、マイクロレンズ１６は全体として凹面形状となる。このような製造工程を経ることで、上記したように固着された半導体撮像素子５１が湾曲状態となることに加えて、マイクロレンズ１６の厚みの変化により形成されるマイクロレンズ１６の凹曲面とが重畳された凹曲面が得られる。その結果、被写体の撮像が周辺部で暗くなり撮像品質の低下につながるシェーディング現象を防止できて、鮮明で良質な撮像が実現できる。

なお、本実施の形態では、窪み５３を撮像領域１３よりやや広い領域としたが、本発明はこれに限定されず、撮像領域１３より小さな領域としてもよい。

（第４の実施の形態）
図１０は、本発明の第４の実施の形態にかかる半導体撮像装置７０の構成を示す図で、（ａ）は光学部材３２を通してみた平面図、（ｂ）はＤ−Ｄ線に沿った断面図である。また、図１１は、本実施の形態の半導体撮像装置７０に用いる半導体パッケージ６５の構成を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）はＤ−Ｄ線に沿った断面図である。

本実施の形態の半導体撮像装置７０の特徴は、以下のようである。第１に、半導体パッケージ６５のキャビティー２２が、第１の段差部６２、この第１の段差部６２の内周領域に素子位置規制段差部６３と、この素子位置規制段差部６３の内周領域に素子固着段差部６４とから構成されていることである。第２に、半導体撮像素子１１がキャビティー２２に固着部材３０で固着されるときに、固着部材３０の収縮応力により半導体撮像素子６５が湾曲した状態で固着されることである。

すなわち、半導体パッケージ６５のキャビティー２２には、その底部に半導体撮像素子１１の配置位置を規制するための素子位置規制段差部６３と、素子位置規制段差部６３内に半導体撮像素子１１の少なくとも撮像領域１３に対応する形状で、かつ素子位置規制段差部６３の底面より深い窪みを有する素子固着段差部６４とが形成されている。そして、半導体撮像素子１１は素子位置規制段差部６３に嵌め込まれるとともに、素子固着段差部６４の中心を基準として湾曲した状態で素子固着段差部６４に固着されている。

以下、本実施の形態の半導体撮像装置７０の詳細な構造についてさらに説明する。なお、本実施の形態の半導体撮像装置７０に搭載される半導体撮像素子１１は第１の実施形態で説明した半導体撮像素子と同じものを用いているので説明を省略し、符号等についても同じものを使用する。ただし、第１の実施の形態の半導体撮像素子に比べて、本実施の形態の半導体撮像素子１１では、その厚みをより薄くすることが望ましい。これは、固着部材３０の収縮応力により容易に変形しやすくするためである。

つぎに、半導体撮像装置７０に使用される半導体パッケージ６５は投影形状が矩形で、半導体パッケージ６５の上面には周囲の封着面２５を除いてキャビティー２２が設けられている。キャビティー２２は、第１の段差部６２、この第１の段差部６２の内周領域に形成した素子位置規制段差部６３およびこの素子位置規制段差部６３のさらに内周領域に形成された素子固着段差部６４からなる。その他の構成については、第１の実施の形態の半導体撮像装置１０で用いた半導体パッケージ２０と同じである。

なお、内部接続端子２３の表面から素子位置規制段差部６３の底面までの距離は半導体撮像素子１１の厚みと同程度以上としている。さらに、素子位置規制段差部６３の底面から素子固着段差部６４の底面までの距離は、２０μｍ〜２５０μｍ、好ましくは１２０μｍとする。

このような構造の半導体パッケージ６５を用いて半導体撮像素子１１を所定の位置に固着させるが、固着部材３０の作用により半導体撮像素子５１を湾曲させることができる。すなわち、半導体パッケージ６５のキャビティー２２の素子位置規制段差部６３の底面の４箇所のコーナー部と素子固着段差部６４の底面のほぼ中央部の１箇所に、ディスペンサー等を用いて固着部材３０を塗布する。そして、半導体撮像素子１１をこれらの固着部材３０によりキャビティー２２に固着させる。素子固着段差部６４の固着部材３０の層は、素子位置規制段差部６４のコーナー部に形成された固着部材３０の厚みより厚い。したがって、固着工程において、素子固着段差部６４の固着部材３０の層が、コーナー部の固着部材３０に比べて硬化収縮時の収縮変位量が大きくなる。この結果、固着された半導体撮像素子１１は固着部材３０の収縮に伴い変形して湾曲状態となる。これにより、撮像領域１３の中心を基準としてマイクロレンズ１６のそれぞれの頂点を結ぶ面が連続的な凹曲面をなす。

このような半導体パッケージ６５を用いて半導体撮像装置７０を作製することで、素子位置規制段差部６３により半導体撮像素子１１をキャビティー２２の所定の位置に容易に、かつ正確に搭載できる。さらに、半導体撮像素子１１を湾曲した状態で固着することができる。これに加えて、第１の実施形態の効果も加わるので、被写体の撮像が周辺部で暗くなり撮像品質の低下につながるシェーディング現象を防止できて、鮮明で良質な撮像を実現できる。

つぎに、本実施の形態の半導体撮像装置７０の製造方法について説明する。図１２は、本実施の形態の半導体撮像装置７０の製造方法を説明するための主要工程の断面図である。

まず、図１２（ａ）に示すように、半導体パッケージ６５のキャビティー２２の素子位置規制段差部６３の底面の４箇所のコーナー部と素子固着段差部６４の底面のほぼ中央部の１箇所に、ディスペンサー等を用いて固着部材３０を塗布する。そして、半導体撮像素子１１を固着部材３０上の適正な位置に押圧しながら載置し、載置後１５０℃〜１９０℃、好ましくは１７０℃、窒素ガスや非酸化雰囲気中、５分間の加熱硬化処理を行う。これにより、半導体撮像素子１１が図に示すように湾曲形状となった状態で固着される。なお、この硬化条件は例示的なものであり、半導体パッケージ６５の大きさや固着部材３０の材質等により適宜変更することができる。ただし、ＮＭＰのような溶剤が完全に揮発してしまう温度と時間に設定することは望ましくない。

つぎに、図１２（ｂ）に示すように、半導体撮像素子１１の電極領域１５に配置された電極端子１７と半導体パッケージ６５のキャビティー２２の周辺部に形成された内部接続端子２３との間を、例えばワイヤボンダーを用いて金属細線３１で接続する。なお、金属細線３１としては、例えば金（Ａｕ）線、銅（Ｃｕ）線またはアルミニウム（Ａｌ）線を用いてもよい。また、ワイヤボンダーとしては、熱圧着方式、超音波熱圧着方式または超音波圧着方式等を用いることができる。この後、半導体パッケージ６５の封着面２５上に、熱光硬化型で液状のエポキシ系樹脂からなる封着部材３３を、例えばディスペンサーを用いて塗布する。なお、封着部材３３はアクリル系樹脂やポリイミド系樹脂を用いてもよい。

つぎに、図１２（ｃ）に示すように、半導体パッケージ６５の封着面２５に塗布された封着部材３３上に光学部材３２を押圧しながら載置し、紫外線３４を照射して第１の硬化を行う。この第１の硬化工程は、例えば２ジュール程度の紫外線を照射し、さらにその後１０ジュール程度の紫外線を照射して行う。なお、本実施の形態では、光学部材３２としてパイレックス（登録商標）ガラスを用いた場合について説明する。

つぎに、図１２（ｄ）に示すように、封着部材３３を、例えば赤外線ヒータ３５を用いて１１０℃〜１３０℃、好ましくは１２０℃で、６０分間、ドライエヤーもしくは窒素ガス中で加熱して硬化させ半導体パッケージ２０と封着部材３３との間を封止する第２の硬化工程を行う。この第２の硬化工程を経ることにより、中心部のマイクロレンズ１６１は変形して曲率が大きくなり、外周領域のマイクロレンズ１６８はほとんど変形しないので、マイクロレンズ１６は全体として凹面形状となる。このような製造工程を経ることで、上記したように固着された半導体撮像素子５１が湾曲状態となることに加えて、マイクロレンズ１６の厚みの変化により形成されるマイクロレンズ１６の凹曲面とが重畳された凹曲面が得られる。その結果、被写体の撮像が周辺部で暗くなり撮像品質の低下につながるシェーディング現象を防止できて、鮮明で良質な撮像が実現できる。

なお、第３の実施の形態と第４の実施の形態では、固着部材を半導体撮像素子の４角と中央部の５箇所に塗布してキャビティーに固着させたが、本発明はこれに限定されない。例えば、半導体撮像素子の全面に塗布して固着させても同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では素子固着段差部６４の形状を撮像領域１３よりやや広くしたが、本発明はこれに限定されず、撮像領域１３より小さくしてもよい。

本発明の半導体撮像装置は、シェーディングが発生しない良質な画像が得られ、かつ軽量、小型とすることが可能であり、携帯電話やデジタルカメラ等の電子機器分野に有用である。

（ａ）は本発明の第１の実施形態にかかる半導体撮像装置の構造を説明するための図で、光学部材を通してみた平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図 （ａ）〜（ｃ）は同実施の形態の半導体撮像装置の製造方法を説明する図 （ａ）及び（ｂ）は同実施の形態の半導体撮像装置の製造方法を説明する図 （ａ）は図３（ａ）に対応したマイクロレンズ領域の拡大模式図、（ｂ）は図３（ｂ）に対応したマイクロレンズ領域の拡大模式図 （ａ）は本発明の第２の実施形態にかかる半導体撮像装置の構造を説明するための図で、光学部材を通してみた平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った断面図 （ａ）は本発明の第３の実施の形態にかかる半導体撮像装置の構造を示す図で、光学部材を通してみた平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ線に沿った断面図 （ａ）は同実施の形態の半導体撮像装置に用いられる半導体撮像素子の構成を示す図で、マイクロレンズ側からみた平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は裏面側からみた平面図 （ａ）〜（ｇ）は同実施の形態の半導体撮像装置に用いる半導体撮像素子の製造方法を説明するための主要工程の断面図 （ａ）〜（ｄ）は同実施の形態の半導体撮像装置の製造方法において、上記の半導体撮像素子を用いた製造方法を説明するための主要工程の断面図 （ａ）は本発明の第４の実施の形態にかかる半導体撮像装置の構成を示す図で、光学部材を通してみた平面図、（ｂ）はＤ−Ｄ線に沿った断面図 （ａ）は同実施の形態の半導体撮像装置に用いる半導体パッケージの構成を示す平面図、（ｂ）は断面図 （ａ）〜（ｄ）は同実施の形態の半導体撮像装置の製造方法を説明するための主要工程の断面図

符号の説明

１０，５０，６０，７０ 半導体撮像装置
１１，５１ 半導体撮像素子
１２，５２ 半導体基板
１３ 撮像領域
１４ 周辺回路領域
１５ 電極領域
１６，１６１，１６８ マイクロレンズ
１７ 電極端子
２０，４０，６５ 半導体パッケージ
２１，４１ 基材
２２，４２ キャビティー
２３，４３ 内部接続端子
２４，４４ 外部接続端子
２５，４５ 封着面
３０ 固着部材
３１ 金属細線
３２ 光学部材
３３ 封着部材
３４ 紫外線
３５ 加熱ヒータ
３６ 曲線
５３ 窪み
５４ 溝
５５ フォトレジスト膜
５６ 表面保護膜
５７ アクリル系透明樹脂膜
５８ フォトマスク
５９ 紫外線
６２ 第１の段差部
６３ 素子位置規制段差部
６４ 素子固着段差部

Claims (16)

1. 撮像領域と周辺回路領域と電極領域とを有し、かつ前記撮像領域に複数のマイクロレンズを備える半導体撮像素子と、
   前記半導体撮像素子を搭載するためのキャビティーと、前記キャビティーの周辺部に形成され、前記半導体撮像素子の複数の電極端子と接続するための内部接続端子と、前記内部接続端子と接続し、外部機器と接続するための外部接続端子とを含む半導体パッケ−ジと、
   前記キャビティーに前記半導体撮像素子を固着するための固着部材と、
   前記キャビティー中に配置された前記半導体撮像素子を覆うように前記半導体パッケ−ジに対して封着部材で接着される光学部材とを備え、
   前記半導体撮像素子は、前記撮像領域の中央部の前記マイクロレンズの曲率が最も小さく、最外周で最も大きく、かつ前記中央部の前記マイクロレンズから最外周の前記マイクロレンズに向けてその頂点の厚みが連続的に増加し、前記マイクロレンズのそれぞれの頂点を結び形成される面が連続的な凹曲面をなすことを特徴とする半導体撮像装置。
2. 前記半導体撮像素子は、前記撮像領域の中央部を基準として凹面形状に湾曲して前記キャビティーに固着されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体撮像装置。
3. 前記半導体パッケージの前記キャビティーの前記半導体撮像素子を固着する領域は凹面形状を有し、前記半導体撮像素子は前記キャビティーの凹面形状に沿って固着されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体撮像装置。
4. 前記半導体撮像素子は、前記撮像領域の形成された面と反対側の面に、少なくとも前記撮像領域に対応する形状の窪みと、前記窪みと前記半導体撮像素子の外周端部とを連結し前記窪みと同じ深さの複数の溝とが設けられ、
   前記半導体撮像素子は、前記窪みの中心を基準として湾曲した状態で前記キャビティーに固着されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体撮像装置。
5. 前記半導体パッケージの前記キャビティーには、その底部に前記半導体撮像素子の配置位置を規制するための素子位置規制段差部と、前記素子位置規制段差部内に前記半導体撮像素子の少なくとも前記撮像領域に対応する形状で、かつ、前記素子位置規制段差部の底面より深い窪みを有する素子固着段差部とが形成されており、
   前記半導体撮像素子は、前記素子位置規制段差部に嵌め込まれるとともに、前記素子固着段差部の中心を基準として湾曲した状態で前記素子固着段差部に固着されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体撮像装置。
6. 前記マイクロレンズは、前記固着部材中の揮発成分により軟化する材料からなることを特徴とする請求項1から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体撮像装置。
7. 前記マイクロレンズはアクリル系樹脂からなり、
   前記固着部材は、主剤が液状のエポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂およびアクリル系樹脂から選択された少なくとも１種類からなり、溶剤がＮ−メチル−２−ピロリドンであることを特徴とする請求項６に記載の半導体撮像装置。
8. 前記撮像領域に形成された前記マイクロレンズは同じ形状からなることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の半導体撮像装置。
9. 前記封着部材は、紫外線および加熱により硬化する材料からなることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の半導体撮像装置。
10. 前記光学部材は、少なくとも可視光に対して透明なガラス、石英ガラス、エポキシ樹脂、アクリル樹脂またはポリイミド樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の半導体撮像装置。
11. 中央にキャビティーを有する半導体パッケ−ジの前記キャビティーの底部に、封着部材を加熱硬化する温度でマイクロレンズを軟化させる揮発成分を放出する固着部材を塗布する工程と、
    撮像領域上にマイクロレンズが形成された半導体撮像素子を前記固着部材上に載置して固着する工程と、
    前記半導体撮像素子の複数の電極端子と前記キャビティー周辺部に配置された内部接続端子とを金属細線で接続する工程と、
    前記半導体パッケージの封着面上に、紫外線および加熱により硬化する特性を有する前記封着部材を塗布する工程と、
    前記封着面に光学部材を載置して、前記光学部材を介して前記封着部材に紫外線を照射して仮硬化する第１の硬化工程と、
    前記第１の硬化工程後、前記半導体パッケージを加熱して、前記封着部材を加熱硬化するとともに前記固着部材から前記揮発成分を放出させることにより、前記撮像領域の中央部から前記撮像領域の最外周にかけて前記マイクロレンズを連続的に変形させて、前記撮像領域の中央部の前記マイクロレンズの曲率が最も小さく、最外周で最も大きく、かつ前記中央部の前記マイクロレンズから最外周の前記マイクロレンズに向けてその頂点の厚みが連続的に増加し、前記マイクロレンズのそれぞれの頂点を結び形成される面を連続的な凹曲面とする第２の硬化工程とを含むことを特徴とする半導体撮像装置の製造方法。
12. 前記半導体パッケージは、前記キャビティーの前記半導体撮像素子を固着する領域が凹面形状を有し、
    前記固着工程において、前記半導体撮像素子を前記キャビティーの凹面形状に沿って固着することを特徴とする請求項１１に記載の半導体撮像装置の製造方法。
13. 前記半導体撮像素子の撮像領域が形成された面とは反対側の面に、少なくとも前記撮像領域に対応する形状の窪みと、前記窪みと前記半導体素子の外周端部とを連結する前記窪みと同じ深さの複数の溝とを設ける工程をさらに有し、
    前記固着工程において、前記固着部材の固着時に前記固着部材の収縮応力により前記半導体撮像素子を湾曲させた状態で前記キャビティーに固着することを特徴とする請求項１１に記載の半導体撮像装置の製造方法。
14. 前記半導体パッケージは、前記キャビティーの底部に前記半導体撮像素子の配置位置を規制するための素子位置規制段差部と、前記素子位置規制段差部内に前記半導体撮像素子の少なくとも前記撮像領域に対応する形状で、かつ、前記素子位置規制段差部の底面より深い窪みを有する素子固着段差部とが形成されており、
    前記固着工程において、前記半導体素子を前記素子位置規制段差部に嵌め込むとともに、前記固着部材の固着時に前記固着部材の収縮応力により前記半導体撮像素子を湾曲させた状態で前記キャビティーに固着することを特徴とする請求項１１に記載の半導体撮像装置の製造方法。
15. 前記マイクロレンズの材料としてアクリル系樹脂を用い、
    前記固着部材の材料としては、主剤が液状のエポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂およびアクリル系樹脂から選択された少なくとも１種類からなり、溶剤がＮ−メチル−２−ピロリドンを用いることを特徴とする請求項１１から請求項１４までのいずれか１項に記載の半導体撮像装置の製造方法。
16. 前記第２の硬化工程は、前記固着部材の硬化温度より低い温度で、かつ前記固着部材の硬化時間より長い時間とすることを特徴とする請求項１１から請求項１５までのいずれか１項に記載の半導体撮像装置の製造方法。

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