KR100656082B1 - 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자 및 마이크로 렌즈의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자 및 마이크로 렌즈의 제조방법에 관한 것으로서, 광전 변환에 의해 신호 전하를 얻기 위한 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드로부터 얻은 전하를 전송하기 위한 전극; 상기 포토 다이오드 위에 위치한 컬러 필터; 및 상기 컬러 필터 위에 형성되는 마이크로 렌즈를 포함하여 구성되며, 상기 마이크로 렌즈는 합성 수지로 이루어지고, 곡면상에 소정의 주기를 갖는 요철부가 형성된다.
이러한 특징에 의해, 본 발명은 빛이 입사하는 렌즈의 면에 나노 구조의 요철부를 형성하여 반사되는 빛을 감소시킴으로써, 이미지 센서 등 광학 소자의 감도를 향상시킬 수 있다.
마이크로 렌즈, 이미지 센서
Description
도 1a 내지 1c는 종래 기술에 따른 마이크로 렌즈를 구비한 이미지 센서의 제조방법을 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자의 일실시예를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자의 일실시예의 요철부를 확대하여 나타내는 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자의 일실시예의 효과를 나타내는 그래프,
도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 제조방법의 일실시예를 나타내는 단면도,
도 6a 내지 6h는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 제조방법에 사용되는 스탬프의 제조수순을 나타내는 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 제조방법에 사용되는 스탬프의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.
***도면의 주요 부호의 설명***
10 : 기판 11 : 스탬프
40 : 마이크로 렌즈 41 : 요철부
50, 51 : 포토 레지스트층
본 발명은 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자 및 마이크로 렌즈의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로 렌즈에서 입사하는 빛의 양을 감소시킴으로써, 이미지 센서 등 광학 소자의 감도를 향상시킬 수 있는 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자 및 마이크로 렌즈의 제조방법에 관한 것이다.
마이크로 렌즈란 매우 작은 크기의 렌즈로서, 이미지 센서에서 필터에 집광시키기 위한 용도 외에 다양한 용도에 사용된다.
이미지 센서란 광학적 영상을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전하 결합 소자(Charged Coupled Device : CCD)와 씨모스(CMOS : Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서로 구분된다.
전하 결합 소자는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수의 포토 다이오드가 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 상기 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직 방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical Charge Coupled Device)과, 상기 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 방향 전하 전송 영역(Horizontal Charge Coupled Device) 및 상기 상기 수평 방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기를 구비하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 CCD는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡한 단점을 가지고 있다. 또한, 상기 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지탈 변환 회로 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 이한 차세대 이미지 센서로서 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다. 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호 처리 회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소의 소량에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다. 즉, 상기 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 비교적 적은 전력 소모. 비교적 적은 포토공정을 거치므로 제조상의 장점을 갖는다. 또한, 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지탈 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 씨모스 이미지 센서는 현재 디지탈 정지 카메라(Digital Still Camera), 디지탈 비디오 카메라, 모바일 전화에 내장된 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
상기 CCD 이미지 센서 및 씨모스 이미지 센서는 공통적으로 색의 파장을 감지하여 컬러를 구현하는 컬러 필터 및 마이크로 렌즈를 구비하고 있다. 상기 마이크로 렌즈는 이미지 센서에 입사된 광을 컬러 필터에 집광시키는 역할을 한다. 이미지 센서의 크기를 유지하면서, 고화소의 이미지 센서를 구현하고자 하는 경우, 화소의 소형화로 인해 각 화소에 입사되는 광량이 적어지므로, 이러한 마이크로 렌즈는 고화소 이미지 센서에 꼭 필요한 구성요소이다.
도 1a 내지 1c는 종래 기술에 따른 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자의 제조 방법으로서, 도시된 바와 같이, 컬러 필터(210a, 210b, 210c) 위에 형성된 평탄화층(220) 위에 마이크로 렌즈용 수지층(230)을 형성하고, 상기 수지층을 포토 리소그라피(Photo Lithography) 공정을 이용하여 렌즈 곡면에 대응하는 수지 패턴(235)을 형성한 다음, 상기 수지 패턴에 열을 가함으로써, 리플로우(Reflow) 하여 마이크로 렌즈 형상(240)을 완성시키는 단계로 이루어진다.
그러나, 상기 종래 기술에 따른 마이크로 렌즈의 제조방법은 포토 리소그라피 공정을 통하여 마이크로 렌즈를 제조함으로써, 레지스트 형성, 노광 및 현상 등 다단계의 공정이 필요하다. 특히, 적색, 녹색, 청색으로 구성된 컬러 필터를 구비하며, 각각의 필터에 적합하도록 렌즈의 곡면을 각각 다르게 형성하는 경우에는, 공정은 더욱 복잡해지고 생산 수율이 저하된다.
상기 마이크로 렌즈를 구비하는 경우, 입사광이 렌즈 면에서 반사되어 입사하는 빛의 광량이 감소함으로써, 센서의 감도가 저하되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 빛이 입사하는 렌즈의 면 위에 산화막, 질화막 등의 다층 구조로 이루어진 반사 방지막을 형성하는 방법이 알려져 있다.
그러나, 반사 방지막을 형성하는 방법은 공정이 복잡하여 공정 전체의 효율이 저하된다는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하여 효율적으로 렌즈 면에서의 빛의 반사율을 감소시킬 수 있는 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자 및 그 제조방법이 개발될 필요가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마이크로 렌즈에서 입사하는 빛의 양을 감소시킴으로써, 이미지 센서 등 광학 소자의 감도를 향상시킬 수 있는 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자 및 마이크로 렌즈의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 광전 변환에 의해 신호 전하를 얻기 위한 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드로부터 얻은 전하를 전송하기 위한 전극; 상기 포토 다이오드 위에 위치한 컬러 필터; 및 상기 컬러 필터 위에 형성되는 마이크로 렌즈를 포함하여 구성되며, 상기 마이크로 렌즈는 합성 수지로 이루어지고, 곡면상에 소정의 주기를 갖는 요철부가 형성된 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자이다.
또, 상기 요철부는 1차원의 스트라이프 형태 또는 2차원의 격자 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자이다.
또, 상기 요철부의 주기는 20 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자이다.
또, 상기 마이크로 렌즈는, 곡면 또는 폭이 각각 다른 복수의 렌즈의 형상의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자이다.
또, 대상층 위에 합성 수지를 도포하는 단계; 일면에 마이크로 렌즈 형상이 음각 형성된 스탬프로, 상기 합성 수지를 가압하여 마이크로 렌즈 형상을 전사하는 단계; 상기 합성 수지를 경화시키는 단계; 및 상기 스탬프를 합성 수지로부터 분리하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 마이크로 렌즈 형상은 곡면에 소정의 주기를 갖는 요철이 형성되어 이루어진 마이크로 렌즈의 제조방법이다.
또, 상기 대상층은 이미지 센서의 컬러 필터이며, 상기 이미지 센서는, 광전 변환에 의해 신호 전하를 얻기 위한 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드로부터 얻은 전하를 전송하기 위한 전극; 및 상기 포토 다이오드 위에 위치한 컬러 필터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법이다.
또, 상기 스탬프는 실리콘 또는 쿼츠(Quartz)로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법이다.
또, 상기 합성 수지를 경화시키는 단계는, 합성 수지에 자외선을 조사하여 경화시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법이다.
또, 상기 합성 수지를 경화시키는 단계는, 합성 수지를 가열하여 경화시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법이다.
또, 상기 일면에 마이크로 렌즈 형상이 음각 형성된 스탬프는, 실란(Silane) 용액으로 표면처리된 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법이다.
또, 상기 일면에 마이크로 렌즈 형상이 음각 형성된 스탬프는, 기판 위에 제 1 포토 레지스트층을 형성하는 단계; 상기 제 1 포토 레지스트층을 노광, 현상하여 마이크로 렌즈에 해당하는 부분의 포토 레지스트층을 제거하는 단계; 상기 기판을 식각하여 렌즈 형상을 음각 형성하는 단계; 상기 제 1 포토 레지스트층을 제거하는 단계; 상기 렌즈 형상이 형성된 기판 위에 제 2 포토 레지스트층을 형성하는 단계; 상기 제 2 포토 레지스트층을 노광, 현상하여 요철부에 해당하는 부분의 포토 레지스트층을 제거하는 단계; 상기 렌즈 형상이 형성된 기판을 식각하여 요철부의 형상을 음각 형성하는 단계; 상기 제 2 포토 레지스트층을 제거하여 스탬프를 완성하는 단계로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법이다.
또, 상기 제 2 포토 레지스트층을 노광, 현상하는 단계는, 전자빔 리소그라피 또는 레이저 간섭 리소그라피를 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 기술적 특징을 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명은 실시예에 의하여 보다 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 정해지는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자의 일실시예를 나타내는 단면도로서, 광전 변환에 의해서 신호 전하를 얻기 위한 수광부(포토 다이오드, 32)를 형성한 실리콘 기판(31) 상에 절연막(33)을 통해 전송 전극(34)이 형성되고, 층간 절연막(35), 실리콘 산화막(36), 수광부(32) 위쪽에 개구를 갖는 차광막(38), 표면 보호막(39), 제1평탄화막(20), 컬러 필터(21), 제2평탄화막(22)가 순서대로 적층된 구조를 갖고 있다. 수광부는 CCD부와 번갈아 배열되도록 2차원적으로 배치되어 있다. 마이크로 렌즈에서 집광된 입사 가시광은, 컬러 필터에 의해 적색광, 녹색광 및 청색광의 3원색으로 분리된다. 상기 제2평탄화막은 필터를 보호하고 표면을 평탄화하기 위한 것으로서, 생략될 수 있다.
상기 제2평탄화막 위에는 렌즈의 곡면에 소정의 주기를 갖도록 형성된 요철부(41)를 구비하는 마이크로 렌즈(40)가 형성된다.
본 발명의 마이크로 렌즈는 요철부를 구비한 것이 특징이다. 이러한 요철부는 마이크로 렌즈에 입사되는 빛이 반사되어 컬러 필터에 입사되는 광량이 감소하는 것을 방지한다. 서로 다른 굴절률을 갖는 물질이 존재하는 경우, 양 물질의 경계를 지나는 빛의 일부는 그 경계에서 반사된다. 이와 같이 다른 굴절률을 갖는 매질 내를 광이 통과시 발생하는 반사를 프레넬 반사(Fresnel reflection)라 하며, 입사각이 클수록, 반사하는 빛의 양이 증가하는 것을 프레넬 효과라 한다.
마이크로 렌즈에 입사하는 빛은, 마이크로 렌즈와 렌즈 외부(예 : 공기)와의 굴절률이 다르기 때문에(마이크로 렌즈의 굴절율 : 약 1.4, 공기의 굴절율 : 약 1.0) 프레넬 반사가 일어나며, 특히, 빛이 입사하는 면은 곡면이기 때문에, 프레넬 효과에 의해 평평한 경계선을 지날 때보다 반사되는 양이 더욱 많다.
본 발명의 요철부는 마이크로 렌즈에 입사하는 빛의 입사각을 작게 함으로써, 프레넬 효과에 의한 반사를 방지하는 역할을 한다. 상기 요철부는 1차원의 스트라이프(Stripe) 형태 또는 2차원의 격자 형태로 형성된다. 또, 요철부는 소정의 주기를 갖도록 배열되며, 주기는 20 내지 500nm인 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자의 일실시예의 요철부가 형성된 표면을 확대한 도이고, 도 4는 상기 실시예에 대하여 파장이 다른 빛을 각각 입사했을 때의 반사율을 도시한 그래프로서, 도시된 바와 같이, 격자의 주기(T)가 192nm이고, 돌출부 하단(W1)의 폭이 115nm이고, 돌출부 상단의 폭(W2)은 0에 가깝고, 돌출부의 높이(H)가 180nm인 경우, 가시광선 파장의 전 영역에서 반사율이 0.4% 이하로 나타났다.
상기 그래프는 510 내지 550nm의 빛에서 가장 낮은 반사율이 측정되었는데, 이러한 최저 반사율을 갖는 빛의 파장 범위는 격자의 주기 변화에 따라 달라지는 것으로 보인다. 참고로, 상기와 같은 요철부가 형성되지 아니한 마이크로 렌즈의 경우 약 4% 정도의 반사율을 나타낸다.
살펴보았듯이, 본 발명에 따른 마이크로 렌즈에 형성된 요철부는 매우 미세한 나노 구조물이다. 이러한 나노 구조물을 형성하기 위해서는 일반적인 자외선을 이용한 포토 리소그라피 방법보다 전자빔 리소그라피 또는 레이저 간섭 리소그라피가 적당하나, 상기 방법들은 장비의 값이 고가이며, 공정 시간이 길어져 비경제적이다는 단점이 있다.
이에, 본 발명은 스탬프를 이용하여 미세 요철부가 형성된 마이크로 렌즈를 간단하게 제조할 수 있는 마이크로 렌즈의 제조방법을 제공한다.
도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 제조방법의 일실시예를 나타내는 단면도로서, 대상층(22) 위에 합성 수지(23)를 도포하는 단계(도 5a); 상기 합성 수지(23)를, 일면에 마이크로 렌즈 형상이 음각 형성된 스탬프(11)로 가압하여 마이크로 렌즈 형상(40, 41)을 전사하는 단계(도 5b); 상기 합성 수지를 경화시 키는 단계(미도시); 및 상기 스탬프를 합성 수지로부터 분리하는 단계(도 5c)를 포함하여 이루어지며, 상기 마이크로 렌즈 형상은 곡면에 소정의 주기를 갖는 요철이 형성되어 이루어진 마이크로 렌즈의 제조방법이다.
먼저, 대상층 위에 합성 수지를 도포한다(도 5a). 본 실시예에 있어서, 상기 대상층은 이미지 센서의 컬러 필터 위에 형성된 평탄화층이며, 전술하였듯이, 컬러 필터 위에 직접 합성수지를 도포할 수도 있다.
상기 합성 수지는 열 경화성 합성 수지 또는 자외선 경화성 합성 수지를 사용한다. 상기 열 경화성 합성 수지란 열에 의해 중합 반응이 일어나는 합성 수지를 말하며, 자외선 경화성 합성 수지란 자외선에 의해 중합 반응이 일어나는 합성 수지를 말한며, 중합을 통하여 고분자간에 그물 구조를 형성함으로써 경화가 일어난다. 어느 합성 수지를 사용하느냐에 따라, 스탬프의 재료 및 경화 방법 등이 달라진다. 상기 합성 수지는 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 것이므로, 빛이 잘 통과할 수 있도록, 투광성이 높은 것이 바람직하다. 열 경화성 합성 수지로는 PDMS(Polydimethylsiloxane)이 사용될 수 있다. 자외선 경화성 합성 수지는 바인더 고분자, 단량체, 광 개시제 등이 혼합된 페이스트가 사용된다. 구체적인 예로는 미뉴타텍의 MINS-LE01 등이 사용될 수 있다. 전술한 예 외에도 다른 알려진 열 경화성 합성 수지 또는 자외선 경화성 합성 수지가 사용될 수 있음은 물론이다.
상기 합성 수지로는 열 가소성 합성 수지가 사용될 수 있다. 이 경우, 합성 수지는 냉각에 의해 경화된다. 열 가소성 합성 수지를 이용할 경우, 중합을 통한 경화가 이루어지지 않으므로, 전체 공정의 시간이 짧아진다는 장점이 있으나, 마이크로 렌즈의 형성이 완료된 이후에도, 열에 의해 유동성을 갖게 될 수 있어, 안정성이 낮다는 단점이 있다.
다음으로, 일면에 마이크로 렌즈 형상이 음각 형성된 스탬프(11)로 상기 합성 수지(23)를 가압하여 마이크로 렌즈 형상을 전사한다(도 5b). 상기 마이크로 렌즈 형상은 렌즈의 곡면에 요철부가 형성되어 있다.
상기 스탬프의 마이크로 렌즈 형상의 패턴은 포토 리소그라피 공정을 통해 형성된다. 보다 상세하게는, 도 6a 내지 6h에 도시된 바와 같이, 기판(10) 위에 제 1 포토 레지스트층(50)을 형성하는 단계(도 6a); 상기 제 1 포토 레지스트층(50)을 노광, 현상하여 마이크로 렌즈에 해당하는 부분의 제 1 포토 레지스트층을 제거하는 단계(도 6b); 상기 기판을 식각하여 렌즈 형상(12)를 음각 형성하는 단계(도 6c); 상기 제 1 포토 레지스트층(50)을 제거하는 단계(도 6d); 상기 렌즈 형상이 형성된 기판 위에 제 2 포토 레지스트층(51)을 형성하는 단계(도 6e); 상기 제 2 포토 레지스트층(51)을 노광, 현상하여 요철부에 해당하는 부분의 제 2 포토 레지스트층을 제거하는 단계(도 6f); 상기 렌즈 형상이 형성된 기판을 식각하여 요철부의 형상(14)을 음각 형성하는 단계(도 6g); 상기 제 2 포토 레지스트층(51)을 제거하여 스탬프를 완성하는 단계(도 6h)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 기판(10) 위에 제 1 포토 레지스트층(50)을 형성한다(도 6a). 상기 기판으로는 실리콘 기판, 쿼츠(Quartz) 기판 등이 사용될 수 있다. 실리콘 기판은 가공성이 양호하여 나노미터 크기의 미세 패턴을 구현하기에 적합하며, 가격 및 재료의 질적인 측면에서도 적합하다. 쿼츠 기판은, 후술할 합성 수지를 경화시키는 단계에서 자외선을 이용하고자 하는 경우에는 스탬프의 투광성이 높을 필요가 있으므로, 이러한 투명 스탬프를 제조하고자 하는 경우에 사용한다.
다음으로, 상기 제 1 포토 레지스트층(50)을 노광, 현상하여 마이크로 렌즈에 해당하는 부분의 제 1 포토 레지스트층을 제거한다(도 6b). 본 실시예에 있어서, 상기 포토 레지스트층을 노광시키기 위한 광원으로는 수은 램프에서 방출되는 자외선이 사용되며, 이 외에도 전자빔, X-ray, 이온빔 등 나노 패턴을 형성할 수 있는 다양한 광선이 사용될 수 있음은 물론이다.
노광이 완료되면, 현상 공정을 통해 노광되지 않은 영역의 포토 레지스트층을 제거한다. 현상액으로는 알칼리 용액이 사용된다.
다음으로, 상기 기판(10)을 식각하여 렌즈 형상(12)을 음각 형성한다(도 6c). 상기 기판의 식각에는 플라즈마를 이용한 건식 이방성 식각 방법 등이 이용될 수 있다.
다음으로, 상기 제 1 포토 레지스트층(50)을 제거하고, 상기 렌즈 형상이 형 성된 기판 위에 제 2 포토 레지스트층(51)을 형성한다(도 6d, 6e). 상기 제 2 포토 레지스트층은 요철부 형성에 이용되는 포토 레지스트 패턴을 형성하기 위한 것이다.
다음으로, 제 2 포토 레지스트층(51)을 노광, 현상하여 요철부에 해당하는 부분의 포토 레지스트층을 제거하고, 상기 렌즈 형상이 형성된 기판을 식각하여 요철부의 형상(14)을 음각 형성한 다음, 상기 제 2 포토 레지스트층(51)을 제거하여 스탬프를 완성한다(도 6f, 6g, 6h).
상기 제 2 포토 레지스트층을 노광, 현상하는 단계는 전자빔 리소그라피 또는 레이저 간섭 리소그라피를 이용하는 것이 바람직하다. 포토 리소그라피의 노광 공정은, 조사되는 빛의 파장이 짧을수록 패턴을 미세하게 형성할 수 있는데, 상기 요철부는 주기가 20 내지 500nm의 나노 구조물로 이루어지므로, 일반적인 노광 공정에 사용되는 수은 램프 자외선보다는 전자빔 또는 레이저의 간섭을 이용하는 것이 좋다.
전자빔을 이용하여 노광하는 경우, 사용되는 전자빔의 전압은 2 내지 50keV 정도인 것이 좋다. 전자빔의 전압이 과도하게 높을 경우, 전자빔이 통과하는 스텐실 마스크의 개구부가 전자빔을 흡수하여 변형 또는 손상될 염려가 있으며, 전자빔의 전압이 너무 낮을 경우에는 해상도가 저하되고 패턴이 흐릿해진다.
상기 스탬프는 도 7에 도시된 바와 같이, 각각 폭이 다른 복수의 마이크로 렌즈의 형상의 조합(12a, 12b, 12c)이 형성되도록 할 수 있으며, 각각 곡률이 다른 복수의 마이크로 렌즈의 형상의 조합이 형성되도록 할 수도 있다. 상기 마이크로 렌즈의 형상은 대응하는 컬러 필터에 따라 달라진다.
컬러 필터는 원색계 필터와 보색계 필터로 나누어지는데, 원색계 필터는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 필터를 사용하는 것이며, 보색계 필터는 청록(Cyan:C), 분홍(Magenta:M), 노랑(Y), 녹색의 필터를 사용하는 것이다. 청록은 청색+녹색의 값이고, 분홍은 적색+청색의 값이고, 노랑은 적색+녹색의 값이다.
원색계 필터의 R, G, B 필터는 각 색상에 해당하는 파장의 빛만을 걸러내어 감지하며, 감지하지 못하는 파장은 해당 파장을 감지하는 인접한 소자의 값으로부터 계산하여 얻는다.
보색계 필터의 C, M, Y, G 필터는 각 색상에 해당하는 파장의 빛을 걸러내어 감지한다. 예를 들어 C 필터는 청색과 녹색의 빛을 감지한다. 그리고, 감지한 빛의 값을 계산하여 다시 해당 화소의 R, G, B 값을 읽어낸다. 보색계 필터는 색상을 감지하기 위하여 원색계 필터보다 복잡하고, 이에 따라 색재현성이 떨어진다는 단점이 있지만, 각 필터에 입사되는 빛의 양이 많기 때문에 각 화소를 소형화하는데 유리하다.
전술하였듯이, 각 화소의 필터는 감지하는 빛의 파장이 다르기 때문에, 집광 효율을 최적화하기 위해서는 각 컬러 필터의 종류에 따라, 마이크로 렌즈의 곡률을 다르게 형성할 필요가 있다. 예를 들어 R, G, B 필터를 사용하는 원색계 필터의 경우, 세가지 형상의 마이크로 렌즈가 필요하다.
이러한 경우, 전술한 스탬프 제조 방법은 1회의 사진 식각 공정이 아닌, 마이크로 렌즈 형상의 수에 따라 더 많은 사진 식각 공정이 필요하다. 예를 들어, R, G, B 필터에 따라 마이크로 렌즈 형상을 다르게 하고자 하는 경우, 기판 위에 제 1 포토 레지스트층을 형성하는 단계; 상기 제 1 포토 레지스트층을 노광, 현상하여 제 1 마이크로 렌즈에 해당하는 부분의 제 1 포토 레지스트층을 제거하는 단계; 상기 기판을 식각하여 제 1 마이크로 렌즈 형상부를 음각 형성하는 단계; 상기 제 1 포토 레지스트층을 제거하는 단계; 기판 위에 제 2 포토 레지스트층을 형성하는 단계; 상기 제 2 포토 레지스트층을 노광, 현상하여 제 2 마이크로 렌즈에 해당하는 부분의 제 2 포토 레지스트층을 제거하는 단계; 상기 기판을 식각하여 제 2 마이크로 렌즈 형상부를 음각 형성하는 단계; 상기 제 2 포토 레지스트층을 제거하는 단계; 기판 위에 제 3 포토 레지스트층을 형성하는 단계; 상기 제 3 포토 레지스트층을 노광, 현상하여 제 3 마이크로 렌즈에 해당하는 부분의 제 3 포토 레지스트층을 제거하는 단계; 상기 기판을 식각하여 제 3 마이크로 렌즈 형상부를 음각 형성하는 단계; 상기 제 3 포토 레지스트층을 제거하는 단계; 기판 위에 제 4 포토 레지스트층을 형성하는 단계; 상기 제 4 포토 레지스트층을 노광, 현상하여 요철부에 해당하는 부분의 제 4 포토 레지스트층을 제거하는 단계; 상기 스탬프를 완성하는 단계로 이루어진다. 상기 제 1 마이크로 렌즈, 제 2 마이크로 렌즈, 제 3 마이크로 렌즈는 각각 R, G, B 필터에 대응한다.
이와 같이, 각 필터의 종류에 따라 마이크로 렌즈의 형상을 다르게 형성하는 경우, 집광 효율을 높여서, 화소의 감도를 향상시킬 수 있다. 상기 필터에 따라 최적화된 마이크로 렌즈의 곡면은 일본특허 출원번호 1993-202081호에 자세하게 기재되어 있다.
상기 스탬프는 완성된 다음, 실란(Silane) 용액으로 표면처리되는 것이 바람직하다. 상기 실란 용액의 실란 분자는 스탬프의 표면의 반응기와 결합함으로써, 스탬프와 합성 수지의 접착을 방지하는 역할을 한다.
전술한 스탬프로 합성 수지를 가압하는 단계에서는 충분한 압력, 바람직하게는 1000psi 이상의 압력이 가해질 필요가 있다. 가압 압력이 충분하지 않은 경우, 스탬프의 마이크로 렌즈 형상이 음각된 부분에 공기가 갇혀 패턴이 제대로 형성되지 않을 염려가 있다.
본 발명에서와 같이, 스탬프로 합성 수지를 가압하여 마이크로 렌즈의 형상을 형성하면, 마이크로 렌즈의 하단에는 대상층과 평행한 잔류층이 형성된다. 이는 마이크로 렌즈의 성능에 영향을 끼치지 않으며, 오히려, 종래 기술에 따라 리플로우 방식으로 마이크로 렌즈를 형성하는 경우와 달리, 컬러 필터 위에 형성되는 평탄화층이 필요 없다는 장점이 있다.
다음으로, 상기 합성 수지를 경화시킨다. 상기 합성 수지를 경화시키는 방법은 합성 수지의 종류에 따라, 가열하여 경화시키거나, 자외선을 조사하여 경화시킨다.
본 발명의 열 경화성 합성 수지로 사용되는 고분자는 3개 이상의 반응기를 갖는다. 반응기를 가지며, 일정한 조건에 놓인 고분자는 중합 반응을 하게 된다. 반응기를 2개 가진 고분자는 중합을 통해 선상의 고분자를 형성하지만, 반응기가 3개 이상인 고분자는 그물구조를 형성하게 되어, 일단 중합된 이후에는 가열하여도 소성을 갖지 않게 된다. 상기 열 경화성 합성 수지는 가열에 의해 중합이 개시된다.
자외선 경화성 합성 수지는 자외선에 의하여 중합이 개시되는 합성 수지이다. 자외선 경화성 합성 수지의 고분자 역시, 3 이상의 반응기를 갖는다. 상기 자외선 경화성 합성 수지를 사용할 경우, 열 경화성 합성 수지를 사용하는 경우보다 사용 가능한 합성 수지의 종류가 제한된다는 단점이 있다. 그러나, 열 경화성 합성 수지와 달리, 가열에 의해 경화되지 않으므로, 스탬프와 대상층의 열팽창 계수 차에 의해 얼라인(align)이 어긋나는 것을 방지할 수 있는 유리한 점이 있다.
다음으로, 상기 스탬프(11)를 합성 수지로부터 분리한다(도 5c). 분리된 스탬프는 다른 마이크로 렌즈의 제조에 이용된다. 본 발명은 제조된 스탬프를 이용 하여 마이크로 렌즈를 제조함으로써, 포토 리소그라피를 이용하는 경우보다 간편하면서도 경제적인 방법으로 마이크로 렌즈를 제조할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자는 빛이 입사하는 렌즈의 면에 나노 구조의 요철부를 형성하여 반사되는 빛을 감소시킴으로써, 이미지 센서 등 광학 소자의 감도를 향상시킬 수 있다.
또, 본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 제조방법은 스탬프를 이용하여 대상층 위에 마이크로 렌즈의 패턴을 전사함으로써, 포토 리소그라피를 이용하여 마이크로 렌즈 패턴을 형성하는 종래의 기술보다 간편하게 마이크로 렌즈를 제조할 수 있으며, 특히, 이미지 센서용 마이크로 렌즈를 형성함에 있어서, 컬러 필터에 따라 마이크로 렌즈의 곡면을 다르게 형성하는 경우에 더욱 큰 효과가 기대된다.
또, 본 발명은 마이크로 렌즈를 형성하는 재질로서 자외선 경화성 합성 수지를 사용하고 자외선의 조사에 의해 합성 수지를 경화함으로써, 열에 의해 대상층과 스탬프의 열팽창 계수의 차이에 의해 렌즈의 얼라인이 어긋나거나, 대상층이 손상 되는 것을 방지할 수 있다.
Claims (12)
- 광전 변환에 의해 신호 전하를 얻기 위한 포토 다이오드;상기 포토 다이오드로부터 얻은 전하를 전송하기 위한 전극;상기 포토 다이오드 위에 위치한 컬러 필터; 및상기 컬러 필터 위에 형성되는 마이크로 렌즈를 포함하여 구성되며,상기 마이크로 렌즈는 합성 수지로 이루어지고, 곡면상에 소정의 주기를 갖는 요철부가 형성된 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자.
- 제1항에 있어서,상기 요철부는 1차원의 스트라이프 형태 또는 2차원의 격자 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자.
- 제1항에 있어서,상기 요철부의 주기는 20 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자.
- 제1항에 있어서,상기 마이크로 렌즈는,곡면 또는 폭이 각각 다른 복수의 렌즈의 형상의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자.
- 대상층 위에 합성 수지를 도포하는 단계;일면에 마이크로 렌즈 형상이 음각 형성된 스탬프로, 상기 합성 수지를 가압하여 마이크로 렌즈 형상을 전사하는 단계;상기 합성 수지를 경화시키는 단계; 및상기 스탬프를 합성 수지로부터 분리하는 단계를 포함하여 이루어지며,상기 마이크로 렌즈 형상은 곡면에 소정의 주기를 갖는 요철이 형성되어 있고,상기 일면에 마이크로 렌즈 형상이 음각 형성된 스탬프는,실란(Silane) 용액으로 표면처리된 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 스탬프는 실리콘 또는 쿼츠(Quartz)로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 합성 수지를 경화시키는 단계는,합성 수지에 자외선을 조사하여 경화시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 합성 수지를 경화시키는 단계는,합성 수지를 가열하여 경화시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법.
- 삭제
- 제5항에 있어서,상기 대상층은 이미지 센서의 컬러 필터이며,상기 이미지 센서는,광전 변환에 의해 신호 전하를 얻기 위한 포토 다이오드;상기 포토 다이오드로부터 얻은 전하를 전송하기 위한 전극; 및상기 포토 다이오드 위에 위치한 컬러 필터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 일면에 마이크로 렌즈 형상이 음각 형성된 스탬프는,기판 위에 제 1 포토 레지스트층을 형성하는 단계;상기 제 1 포토 레지스트층을 노광, 현상하여 마이크로 렌즈에 해당하는 부분의 포토 레지스트층을 제거하는 단계;상기 기판을 식각하여 렌즈 형상을 음각 형성하는 단계;상기 제 1 포토 레지스트층을 제거하는 단계;상기 렌즈 형상이 형성된 기판 위에 제 2 포토 레지스트층을 형성하는 단계;상기 제 2 포토 레지스트층을 노광, 현상하여 요철부에 해당하는 부분의 포토 레지스트층을 제거하는 단계;상기 렌즈 형상이 형성된 기판을 식각하여 요철부의 형상을 음각 형성하는 단계;상기 제 2 포토 레지스트층을 제거하여 스탬프를 완성하는 단계로 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 제 2 포토 레지스트층을 노광, 현상하는 단계는,전자빔 리소그라피 또는 레이저 간섭 리소그라피를 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법.
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