KR100791472B1 - 이미지 센서의 마이크로 렌즈 및 그 제작방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서의 마이크로 렌즈가 개시된다. 컬러 필터의 위치에 대응하게 이미지 센서의 평탄층 상에 형성되는 마이크로 렌즈에 있어서, 마이크로 렌즈는 평탄층과 평행하게 형성되는 평탄부와 평탄부의 양단에서 연장되는 곡선부를 구비하는 마이크로 렌즈는 평탄부로 인한 곡률반경의 증가로 인해 집광 효율이 향상된다.
집광 효율, 마이크로 렌즈, 이미지 센서
Description
도 1은 종래의 이미지 센서의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈 방법을 도시한 흐름도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제작방법을 순차적으로 나타낸 단면도.
<도면 부호의 설명>
30: 이미지 센서 31: 실리콘 기판
33: 포토 다이오드 35: 컬러 필터
37: 평탄층 39: 마이크로 렌즈
41: 평탄부 43: 곡선부
45: 레지스트 47: 레티클
본 발명은 이미지 센서의 마이크로 렌즈 및 그 제작방법에 관한 것이다.
일반적으로 이미지 센서는 광학 영상(optical image)을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이중 전하 결합 소자(CCD: charge coupled device)는 개개의 MOS(metal-oxide-device) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 퍼캐시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS(complementary MOS) 이미지 센서는 제어회로(control circuit) 및 신호처리회로(signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 CMOS 기술을 이용하여 화소수 만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이를 이용하여 순차적으로 출력(output)을 검출하는 스위칭 방식을 이용하는 소자이다.
이러한 다양한 이미지 센서를 제작함에 있어서, 이미지 센서의 감광도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있는 바, 그 중 하나가 집광기술이다. 예를 들면, CMOS 이미지 센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 CMOS 로직 회로부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지 센서 면적에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율(이를 통상적으로 "fill factor"라고 한다)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직 회로부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적 하에서 이러한 노력에는 한계가 있기 마련이다. 따라서 광감도를 높여 주기 위해서는 광감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 부분으로 모아 주는 집광 기술이 많이 연구되고 있으며, 그 중 하나가 컬러 필터 상에 마이크로 렌즈(micro lens)를 형성하는 방법이다.
도 1은 종래의 이미지 센서의 단면도이다. 종래기술의 이미지센서는 실리콘기판(11)에 단위화소(unit pixel)간 분리를 위한 필드절연막(12)을 형성하고, 상기 필드절연막(12)을 제외한 실리콘기판(11)에 불순물 이온주입이나 확산에 의해 수광 영역인 포토 다이오드(13)를 형성한다. 그리고 포토 다이오드(13)의 상부에는 금속 배선간 절연을 위한 층간절연막 및 소자보호막(14)을 형성한다. 또한, 층간절연막 및 소자보호막(14) 상부에 컬러 이미지 구현을 위한 컬러 감광막(color photo resist)을 도포하고 순차적으로 형성하여 적색 컬러필터(R)(15), 녹색 컬러필터(G)(16), 청색 컬러필터(B)(17)의 컬러필터배열(CFA)을 구현한다. 그 후, 상기 컬러펄터배열(CFA) 상부에 평탄화를 위하여 평탄층(18)을 형성하고 각 포토 다이오드(13) 상에 빛을 집속하기 위한 일정폭의 마이크로 렌즈(19)를 형성한다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 마이크로 렌즈(19)의 곡률반경이 작으면 입사광의 굴절이 심해져서 포토 다이오드(13)쪽으로 집광되는 광의 세기가 줄어든다. 따라서 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 포토 다이오드(13)쪽으로 집광되지 않는 경우에는 광 감도(photo sensitivity)가 줄어들 뿐만 아니라 인접하는 포토 다이오드(13) 쪽으로 광이 입사하여 누화(cross talk) 등과 같은 잡음이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 집광 효율이 우수한 이미지 센서의 마이크로 렌즈를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 마이크로 렌즈는 컬러 필터의 위치에 대응하게 이미지 센서의 평탄층 상에 형성되는 마이크로 렌즈에 있어서, 마이크로 렌즈는 평탄층과 평행하게 형성되는 평탄부와 평탄부의 양단에서 연장되는 곡선부를 구비한다.
본 발명에 따른 마이크로 렌즈의 실시예는 다음과 같은 특징들을 하나 또는 그 이상 구비할 수 있다. 예를 들면, 평탄부의 면적은 이미지 센서의 포토 다이오드의 면적과 동일하거나 근사한 할 수 있다. 그리고 평탄층의 중심은 포토 다이오드의 중심과 일치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 측면에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈의 제작방법은, 이미지 센서의 평탄화층에 마이크로 렌즈용 레지스트를 도포하는 단계, 레지스트에 대한 선택적 노광 및 현상을 실시하여 레지스트 패턴을 형성하는 단계, 레지스트 패턴을 리플로우하여 평탄층과 평행한 평탄부와 평탄부의 양단부에서 연장되는 곡선부를 구비하는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈 제작방법에서는 평탄부를 이미지 센서의 포토 다이오드의 폭과 동일하거나 근사하게 형성할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하 며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈를 구비한 이미지 센서(30)의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈를 구비하는 이미지 센서의 구조는 마이크로 렌즈(39)의 형상을 제외하고는 도 1에 도시된 이미지 센서의 구성과 동일하거나 대응하므로, 이미지 센서(30) 각각의 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈(39)는 컬러필터(35)와 대응하는 위치에서 평탄층(37) 상에 위치한다. 마이크로 렌즈(39)는 상기 평탄층(37)과 평행한 평탄부(41) 및 상기 평탄부(41)의 양 단부에서 연장되는 곡선부(43)를 구비한다.
평탄부(41)는 마이크로 렌즈용 레진(resin)을 도포한 후 리플로우 공정에 의해 용융되어 흘러 내리지 않은 부분에 해당하는데, 평탄부(41)의 제작 방법에 대해서는 아래에서 설명하기로 한다. 평탄부(41)는 마이크로 렌즈(39)의 곡률반경을 크게 하는데, 이는 상기 평탄부(41)에 수직으로 입사한 빛은 굴절되지 않고 포토 다이오드(33)로 그대로 입사하기 때문이다. 따라서 평탄부(41)를 형성함으로써 이미지 센서는 광 감도(photo sensitivity)가 증가한다. 그리고 평탄부(41)의 면적을 포토 다이오드(33)와 동일하거나 다소 크게 형성함으로써 포토 다이오드(33) 방향으로 입사되는 빛이 최대로 함이 바람직하다. 평탄부(41)의 중심은 포토 다이오드(33)의 중심과 동일하거나 거의 동일하게 형성하는 것이 바람직하다.
곡선부(43)는 평탄부(41)의 양 단부에서 형성되어 평탄층(37)과 접한다. 곡선부(43)는 마이크로 렌즈용 레진을 도포한 후 리플로우 공정에 의해 용융되어 흘러 내린 부분에 해당한다.
이하에서는 도 3 및 도 4a 내지 도 4c를 참조하면서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈의 제작방법에 대해서 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제작방법은 이미지 센서의 평탄화층에 마이크로 렌즈용 레지스트를 도포하는 단계, 선택적 노광 및 현상을 실시하여 레지스트 패턴을 형성하는 단계, 그리고 레지스트 패턴을 리플로우하여 상기 평탄층과 평행한 평탄부와 상기 평탄부의 양단부에서 연장되는 곡선부를 구비하는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.
도 4a를 참조하면, 포토 다이오드(미도시)를 구비하는 이미지 센서와 광감지 소자들을 구비하는 실리콘 기판을 준비한 후, 컬러 필터 어레이(color filter array)(35)를 형성하고, 평탄층(37) 상에 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 레지스트(45)를 도포한다. 그리고 레티클(reticle)(47)을 이용하여 선택적으로 빛(화살표 표시)을 인가하여 레지스트(45) 부분을 부분적으로 노광시킨다.
그리고 도 4b에 도시된 바와 같이, 에칭 용액 등을 이용한 현상에 의해 노광된 부분을 제거함으로써, 원하는 레지스트 패턴(49)을 형성하고, 도 4c에 도시된 바와 같이, 베이킹(baking)에 의해 레지스트 패턴(49)을 약간 플로우시켜 곡선부(43)를 형성한다. 이 때, 마이크로 렌즈(39)의 평탄부(41)의 면적은 포토 레지스트(33)의 면적과 동일하거나 근사하게 형성하는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명의 다양한 변경예와 수정예도 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 집광 효율이 우수한 이미지 센서의 마이크로 렌즈를 제공할 수 있다.
Claims (6)
- 컬러 필터의 위치에 대응하게 이미지 센서의 평탄층 상에 형성되는 마이크로렌즈에 있어서,상기 마이크로 렌즈는 상기 평탄층과 평행하게 형성되는 평탄부와 상기 평탄부의 양단에서 연장되는 곡선부를 구비하고,상기 평탄부와 상기 곡선부는 동일한 재료에 의해 일체로 형성되는 이미지 센서의 마이크로 렌즈.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 평탄부의 중심은 상기 이미지 센서의 포토 다이오드의 중심과 일치하는 이미지 센서의 마이크로 렌즈.
- 이미지 센서의 평탄화층에 마이크로 렌즈용 레지스트를 도포하는 단계;상기 레지스트에 대한 선택적 노광 및 현상을 실시하여 레지스트 패턴을 형성하는 단계;상기 레지스트 패턴을 리플로우 하여 상기 평탄층과 평행한 평탄부 및 상기 평탄부의 양단부에서 연장되는 곡선부를 구비하는 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법.
- 삭제
- 제 4 항에 있어서,상기 평탄부의 중심은 상기 이미지 센서의 포토 다이오드의 중심과 일치하는 이미지 센서의 마이크로 렌즈 제조방법.
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