KR100848945B1 - 주광선 손실을 보상하는 마이크로렌즈 어레이 및 이를포함하는 이미지센서 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지센서의 주변으로 일정한 경사를 가지면서 입사되는 주광선으로 인한 광손실을 보상할 수 있도록 이미지센서와 이격되어 설치되는 마이크로렌즈 어레이 및 이를 포함하는 이미지센서 조립체를 제공한다. 본 발명에 따라 형성된 마이크로렌즈 어레이를 통하여 이미지센서의 중앙 화소 영역과 주변 화소 영역 사이의 "주변광량비"를 개선할 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따라 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 이미지센서 조립체를 예를 들어 폰 카메라에 적용할 경우, 보다 양호한 이미지 촬상이 가능할 것으로 기대된다.

주광선 보상 마이크로렌즈 어레이(Chief Ray Compensation Microlens Array, CMLA), 이미지 센서(Image Sensor)

Description

주광선 손실을 보상하는 마이크로렌즈 어레이 및 이를 포함하는 이미지센서 조립체{Microlens Array Compensating Chief Ray and Image Sensor Assembly Having the Same}

도 1은 마이크로렌즈를 채택한 종래의 CMOS 방식의 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도;

도 2는 도 1에 도시된 종래의 이미지센서를 이루는 중앙 화소 영역과 가장자리 화소 영역의 포토다이오드로 광이 집중되는 상태를 개략적으로 도시한 도면;

도 3은 마이크로렌즈의 위치를 변경함으로써, 에지 영역의 포토다이오드에 대한 감광도를 개선한 상태를 개략적으로 도시한 도면;

도 4a와 도 4b는 각각 대물렌즈와 이미지센서 사이의 거리에 따라 이미지센서의 에지 영역으로 경사지게 입사되는 주광선 각도로 인한 광 손실을 개략적으로 도시한 도면;

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 이미지센서의 상부로 이격되어 형성되는 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 이미지센서 조립체를 개략적으로 도시한 단면도;

도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따라 필터부에 형성된 마이크로렌즈 어레이의 구성을 개략적으로 도시한 도면;

도 7a는 본 발명에 따라 이미지센서와 이격되어 설치되는 마이크로렌즈를 채택함으로써, 이미지센서의 에지 영역으로 입사되는 주광선 각도가 보상되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 7b는 도 7a의 A 부분을 확대하여 표시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 이미지센서 조립체 110 : 이미지센서

111 : 반도체 기판 112 : 광감지소자

114 : 광차단층 117 : 컬러필터 어레이

120 : 마이크로렌즈 200 : 광보상부

210 : 필터부 212 : 투명 기판

220 : 광보상 마이크로렌즈 어레이

본 발명은 이미지센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이미지센서의 가장자리 영역으로 입사되는 주광선 각도를 보상함으로써, 이미지센서의 가장자리 영역으로의 광 손실을 개선할 수 있는 마이크로렌즈 어레이 및 이와 같은 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 이미지센서 조립체에 관한 것이다.

일반적으로 이미지센서(image sensor)라 하면 피사체 정보에 해당하는 광학적 영상을 검지하여 전기적인 영상신호로 변환하는 반도체 소자를 의미하는 것으로 크게 전하결합소자(charged-coupled device, CCD)와 상보적금속산화막반도체(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)로 구분된다. 이중 CCD는 외부에서 발생된 전기적 신호를 반도체 기판의 표면을 따라 전송하는 장치로서, 매우 근접하게 위치하는 개개의 금속산화실리콘(Metal-Oxide-Silicon, MOS) 커패시터의 상부로 상을 투사하면 상의 밝기에 따라 이미지 센서부의 반도체 내부에서 전자-정공의 쌍이 형성되고, 전하 캐리어가 커패시터에 저장, 이송되는 소자이며, CMOS 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로를 주변회로로 사용하는 기술을 사용하여 화소 수만큼 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채택하는 소자이다.

CCD의 경우 낮은 조명 조건하에서도 뛰어난 품질의 이미지를 생성할 수 있으며, 특히 색상과 선명한 이미지, 균일한 고품질 수준, 낮은 배경 소음(background noise)을 갖는다는 장점에도 불구하고, 장비가 고가일 뿐만 아니라 "초점번짐현상(blooming)" 또는 "빛끌림현상(smear)"이 발생하는 단점이 있다. 이에 따라 낮은 조명감도, 상대적으로 높은 소음 빈도율에도 불구하고, 표준 공정으로 인한 낮은 비용과 특수한 구성요소를 필요로 하지 않으며, 신호 처리 회로를 하나의 칩에 집적할 수 있는 SOC(System On Chip)이 가능하고 카메라 설계가 용이한 CMOS 방식의 이미지센서가 디지털 카메라, 폰 카메라, 컴퓨터용 카메라 등의 각종 영상 장치에서 널리 사용되고 있다.

CMOS 이미지 센서의 경우 빛을 감지하는 광감지 영역과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하는 로직회로 영역으로 구성되어 있는바, 감광도를 높이기 위해서는 전체 이미지 센서의 면적에서 광감지 영역의 면적이 차지하는 비율(fill factor)을 향상시키려는 노력이 진행되고 있다. 그러나 COMS 방식의 이미지센서에 있어서, 기본적으로 로직회로 영역을 완전히 제거할 수 없기 때문에 이러한 노력에는 한계가 있다.

한편, CCD 방식 및 CMOS 방식의 이미지 센서에서 빛을 검출하기 위하여 포토다이오드와 같은 광감지소자가 사용되는데, 광감지소자의 개수에 따라 이미지의 해상도가 결정된다. 그런데 최근 각종 영상 장치가 소형화, 고해상도를 향하여 발전됨에 따라, 영상 장치에 사용되는 이미지센서 역시 소형화, 고화소화, 고집적화로 변화되고 있다. 이와 같은 이미지센서의 소형화, 고화소화, 고집적화로 인하여 이미지센서의 단위 면적당 화소수가 크게 증가하고 있으며 이에 따라 단위 화소의 크기는 작아진다.

단위 화소 크기가 축소됨에 따라 이미지센서 내부에서 빛을 받아들이는 광감지소자 영역 역시 축소될 수밖에 없는데, 광감지소자 영역의 축소는 결국 감광도의 저하로 이어진다. 이에 따라, 최근에는 광감지 영역의 외부로 입사되는 빛의 경로를 전환하여 광감지 영역으로 모아주는 집광 기술이 많이 연구되고 있는데, 대표적으로 포토다이오드의 외부로 진행하는 빛을 포토다이오드로 집광함으로써, 감광도를 향상시키기 위한 마이크로렌즈의 채택을 들 수 있는데, 이에 대해서 간략하게 설명한다.

도 1은 마이크로렌즈를 채택한 종래의 CMOS 방식의 이미지센서를 개략적으로 도시한 단면도로서, 피사체로부터의 거리에 따라 초점 조절이 가능한 대물렌즈(30)의 저면으로 피사체의 광학적 영상을 탐지하여 전기적인 신호로 변환하는 이미지센서(10)가 위치한다.

종래의 CMOS 방식의 이미지센서(10)는 일반적으로 p형 기판인 반도체 기판(11)의 상면에 소정 간격으로 설치되는 광감지소자인 포토다이오드(12)가 형성되어 하나의 단위 픽셀을 구성한다. 도면에는 도시되지 않았으나, 반도체 기판(11)의 상부에 포토다이오드(12)를 형성하기 전에 광감지영역(활성영역)과 회로영역(필드영역)을 정의하기 위하여 필드산화막이 형성되고, 필드산화막에 의하여 정의된 반도체 기판(11)의 활성영역의 상부로 포토다이오드(12)가 형성된다. 즉, 필드산화막이 형성된 후에 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패터닝함으로써 게이트 전극을 형성하고, 적절한 이온 주입 공정을 진행하여 포토다이오드(12)를 비롯한 관련소자가 활성영역의 상부에 형성된다. 포토다이오드(12)는 일반적으로 n형 이온주입영역과 p형 이온주입영역으로 구분되어 있는데, 적절한 이온 주입 공정을 통하여 p형 기판과 함께 p/n/p 트랜지스터를 형성한다.

이어서, 포토다이오드(12)와 필드산화막을 포함하는 전체 구조 위로 층간절연막 등을 포함하는 각종 절연막(13)을 형성하고 평탄화 공정을 수행한다. 층간절연막 상에 금속배선을 형성하여 광차단막(14)을 형성한다. 광차단막(14)은 금속배 선의 역할과 함께 각각의 단위 화소와 인접한 단위 화소를 분리하여 광이 산란되어 서로 혼합되는 것을 방지한다.

이후에 습기나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막 또는 질화막으로 구성되는 패시베이션막(15)을 금속배선 상부에 형성한다. 만약 금속배선이 여러 층으로 구성되는 경우에는 금속배선들 사이에 금속배선간 절연막을 형성하고, 최종 금속배선 상부에 패시베이션막(15)이 형성된다. 패시베이션막(15)의 상부에 평탄화층(16)을 형성한 뒤에, 평탄화층(16)의 상부로 예를 들어, 적(R), 녹(G), 청(B)의 파장을 흡수하여 컬러이미지를 구현할 수 있도록, 염색된 포토레지스트를 사용하여 컬러필터 어레이(17)가 형성된다. 상기 평탄화층(16) 및 컬러필터 어레이(17)의 상부에 오버코팅레이어(OCL)를 증착하고 평탄화시킴으로써 형성된 스페이서(18)를 통하여 그 상부에 각각의 포토다이오드(12)와 대응되고, 외부의 빛을 포토다이오드(12)로 집광시키기 위한 다수의 마이크로렌즈(20)가 형성된다. 마이크로렌즈(20)는 단위 화소 영역의 크기 등에 따라 적절한 굴절각을 가지도록 소정의 두께 및 곡률 반경을 가지도록 형성된다.

통상적으로 마이크로렌즈(20)는 다음과 같은 방법으로 이미지센서(10)의 상부에 형성된다. 우선, 마이크로렌즈용 감광제를 스페이서(18) 위에 도포하고 이를 패터닝한 뒤, 열을 가하여 패터닝된 마이크로렌즈용 감광제를 플로(flow)시켜 돔 형태를 갖는 다수의 마이크로렌즈(20)를 형성한다. 마이크로렌즈(20)의 상부에는 이미지센서 모듈에 의하여 지지되고, 마이크로렌즈(20)로 광을 집광시키기 위한 대물렌즈(30)가 형성된다.

이와 같이 이미지센서의 상부에 마이크로렌즈를 채택함으로써, 앞서 살펴본 바와 같이 이미지센서의 단위 화소에서 포토다이오드와 같은 광감지소자가 위치하는 영역의 비율인 'fill factor'는 1이 되지 못함에도 불구하고, 이미지센서로 입사하는 과정에서 손실되는 빛을 집광함으로써 광감지소자로 수렴되는 광량을 증가시킬 수 있다. 그러나 빛을 광감지소자로 집중시키기 위하여 마이크로렌즈를 채택하더라도 이미지센서 중앙 화소 영역과 가장자리(edgy) 화소 영역의 광감지소자로 집광되는 빛의 양은 큰 편차를 보이게 된다.

도 2는 도 1에 도시된 종래의 이미지센서를 이루는 중앙 픽셀 영역과 에지 영역의 포토다이오드로 광이 집중되는 상태를 개략적으로 도시한 도면으로서, 대물렌즈의 중앙으로 입사되는 광을 중심으로 이미지센서의 중앙 화소 영역과 가장자리 화소 영역으로 입사되는 광이 포토다이오드로 집광되는 상태를 개략적으로 도시한 것이다. 도시된 것과 같이, 이미지센서(10)의 중앙 화소 영역으로 입사되는 빛(40a)은 중앙 화소 영역의 마이크로렌즈(20a)를 통하여 되어 중앙 화소 영역의 포토다이오드(12a)의 상면으로 정확하게 집광된다. 이에 반하여 이미지센서(10)의 가장자리 화소 영역으로 입사되는 빛(40b)은 소정의 경사를 가지면서 입사되는데, 가장자리 화소 영역의 마이크로렌즈(20b)를 통하여 일정 각도로 굴절되어 가장자리 화소 영역으로 집광된다. 그런데, 이미지센서(10)의 가장자리 화소 영역으로 입사되는 빛(40b)은 소정 각도를 가지면서 입사되기 때문에 가장자리 화소 영역의 포토다이오드(12b)의 중앙으로 정확히 입사되는 것이 아니라, 포토다이오드(12b)의 주 변 영역으로 집광되거나 또는 포토다이오드(12b)의 전면이 아닌 외곽으로 집광되기 때문에 가장자리 화소 영역의 광감도(photo-sensitivity)는 중앙 화소 영역에 비하여 불량하여, 이른바 '주변광량비'의 저하 문제를 야기하게 된다.

이와 같은 주변광량비의 저하 문제를 해결하기 위한 대안으로서, 주변 화소 영역의 마이크로렌즈의 광축과 이에 대응되는 포토다이오드의 광축을 엇갈리게 하는 구성이 제안되었다. 도 3은 이러한 "마이크로렌즈 이동(Microlens Shifting)"을 통하여, 이미지센서의 가장자리 영역의 포토다이오드에 대한 감광도를 개선한 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 이미지센서(10)의 중앙 화소 영역의 마이크로렌즈(20a)는 종전과 동일하게 그에 대응되는 중앙 화소 영역의 포토다이오드(12a)와 그 중심이 동일한 광축 위에 위치하도록 형성되어 있다. 이에 반하여, 이미지센서(10)의 가장자리 화소 영역의 마이크로렌즈(20b)는 종전과 달리 그에 대응되는 가장자리 화소 영역의 포토다이오드(12b)와 비교할 때 동일한 광축 위에 위치하지 않는다. 즉, 가장자리 화소 영역의 마이크로렌즈(20b)는 가장자리 화소 영역의 포토다이오드(12b)와 비교할 때 일정 거리만큼 이미지센서(10)의 중심을 향하여 이동한다. 결국, 도시된 것과 같은 '마이크로렌즈 이동'에 따라, 소정의 경사각을 가지고 이미지센서(10)의 가장자리 화소 영역으로 입사되는 빛(40b)은 가장자리 화소 영역에 형성된 포토다이오드(12b)로 집광될 수 있다. 그런데, 이와 같은 구성을 갖는 이미지센서(10)의 주변 화소 영역으로 입사되는 빛의 일부가 여전히 포토다이오드(12b)로 집광되지 못한다. 또한, 이미지센서(10)의 중앙 화소 영역 과 주변 화소 영역으로 각각 입사되는 빛의 기울기 차이로 인하여 동일한 특성을 갖는 마이크로렌즈로는 주변 화소 영역으로 빛을 충분히 수렴할 수 없다. 따라서 중앙 화소 영역과 가장자리 화소 영역에 각각 형성되는 마이크로렌즈는 서로 다른 특성을 가져야 하므로 공정이 복잡해지고, 일반적인 마이크로렌즈를 형성하는 방법으로는 사실상 불가능하게 된다.

한편, 주변광량비 저하를 개선하기 위하여 마이크로렌즈와 별도로 이미지센서의 내부에 이른바 '이너 렌즈'를 채택하여 광-효율을 증가시키는 방법이 또한 제안되었다. 그런데, CMOS 방식의 경우에는 구조적으로 이너 렌즈를 적용하기가 곤란하고, 이너 렌즈를 형성하기 위하여 별도의 공정이 요구되기 때문에 제조비용이 증가하는 문제가 있다.

이미지센서의 가장자리 화소 영역이 중앙 화소 영역에 비하여 감광도가 저하되는 '주변광량비' 저하는 기본적으로 대물렌즈를 통과하는 빛의 기울기가 각각의 영역에서 다르기 때문에 발생하는데, 도 4a와 도 4b는 각각 대물렌즈와 이미지센서 사이의 거리에 따라 이미지센서의 에지 영역으로 경사지게 입사되는 주광선 각도로 인한 광 손실을 개략적으로 도시한 도면이다. 앞서 살펴본 바와 같이, 이미지센서(10)의 전면에 형성되는 대물렌즈(30)의 중앙을 통과하여 이미지센서(10)의 내부로 입사되는 빛 중에서 일정한 경사각을 가지는 빛은 대물렌즈(30)에서 소정의 굴절 각도를 가지고 굴절되어 이미지센서(10) 상부에 형성된 마이크로렌즈로 입사되며, 마이크로렌즈를 통과한 입사광은 각각의 마이크로렌즈에서 다시 소정의 굴절각 을 가지고 포토다이오드로 입사된다. 그런데, 도 4a에 도시된 것과 같이 대물렌즈(30)와 이미지센서(10) 사이의 후초점거리가 L1인 경우, 소정의 경사각을 가지면서 대물렌즈(30)의 중앙을 통과한 빛은 광축으로부터 θ₁의 각도를 가지면서 이미지센서의 주변영역으로 수렴되는데, 이와 같이 광축과 평행하지 않고 소정의 각도를 가지면서 이미지센서의 주변영역으로 입사되기 때문에 주변광량비의 저하가 생기게 된다. 이때, 소정의 경사각을 가지면서 대물렌즈(30)의 중앙을 통과한 빛이 이미지센서의 전면에서 광축과 이루는 각도(θ₁)를 통상 주광선 각도(Chief Ray Angle, CRA)라고 한다.

한편, 최근 이미지센서에 채택된 화소수가 크게 증가함에 따라 단위 화소 크기가 점차 감소하고 있으며, 카메라 장치의 소형화, 추세에 따라 대물렌즈(30)의 후초점거리가 감소되고 있다. 이에 따라 도 4b에 도시된 것과 같이, 대물렌즈(30)와 이미지센서(10) 사이의 거리(L2)가 감소하게 되는데, 이 경우 주광선 각도(θ₂)는 광축을 기준으로 더욱 커지게 되어 주변광량비의 저하는 더욱 심각하게 된다.

따라서 광학적 영상을 전기적 신호로 전환하는 이미지센서의 주변으로 입사되는 주광선 각도를 보상하여 전체적인 감광도를 향상시킬 수 있는 구성을 개발할 필요성은 여전히 존재한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 광축을 기준으로 일정한 경사각을 가지고 이미지센서의 가장자리 영역으로 집광되는 빛의 주광선 각도를 보상함으로써, 이미지센서의 중앙 화소 영역에 비하여 가장자리 화소 영역의 감광도가 불량하게 되는 주변광량비 저하를 해소할 수 있는 마이크로렌즈 어레이 및 이를 포함하는 이미지센서 조립체를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상술한 주변광량비 개선을 통하여 이미지센서로 입사되는 빛의 감광도를 전체적으로 향상시킴으로써, 고품질의 이미지를 얻을 수 있도록 구성되는 마이크로렌즈 어레이 및 이를 포함하는 이미지센서 조립체를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 이미지센서의 타입에 관계없이 주변광량비 저하를 기본적으로 해소할 수 있는 마이크로렌즈 어레이 및 이를 포함하는 이미지센서 조립체를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 후술하는 발명의 구성 및 첨부하는 도면을 통하여 보다 분명해질 것이다.

상술한 것과 같은 목적을 갖는 본 발명의 일 관점에 따르면, 피사체의 광학적 영상을 탐지하여 전기적 영상신호로 변환하는 이미지 센서로 입사되는 주광선을 보상하기 위한 마이크로렌즈 어레이로서, 상기 이미지 센서와 이격되어 설치되는 필터부의 적어도 일면을 따라 광축에 수직하게 형성되는 다수의 마이크로렌즈를 포 함하는 마이크로렌즈 어레이를 포함한다.

본 발명에 따라 마이크로렌즈 어레이가 부착되는 필터부는 예컨대 IR 필터일 수 있으며, 예를 들어 대물렌즈의 대향면에 형성되는 투명 기판과, 상기 투명 기판 의 하부에 위치하는 적외선 필터를 포함하도록 구성될 수 있다.

특히, 본 발명에 따라 이미지센서와 이격되도록 설치되는 다수의 마이크로렌즈는 상기 필터부의 이미지센서 대향면에 형성될 수 있으며, 또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다수의 마이크로렌즈 어레이는 상기 필터부의 이미지 센서 대향면 및 대물렌즈 대향면에 모두 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 관점에 따르면 피사체의 광학적 영상을 탐지하여 전기적 영상신호로 변환하는 이미지 센서와; 상기 이미지 센서로 입사되는 주광선을 보상하기 위한 마이크로렌즈 어레이로서, 상기 이미지 센서와 이격되어 설치되는 필터부의 적어도 일면을 따라 광축에 수직하게 형성되는 다수의 마이크로렌즈를 포함하는 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서 조립체를 제공한다.

본 발명에 따른 이미지센서 조립체는 CMOS 타입은 물론이고, CCD 타입의 이미지센서에도 용이하게 채택될 수 있다.

이하, 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 CMOS 방식의 이미지센서의 상부로 이격된 다수의 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 이미지센서 조립체를 개략적으로 도시 한 단면도로서, 본 발명에 따른 이미지센서 조립체(100)피사체로부터의 거리에 따라 초점 조절이 가능한 대물렌즈의 저면으로 피사체의 광학적 영상을 탐지하여 전기적인 신호로 변환하는 이미지센서(110)가 위치하며, 상기 이미지센서(100)와 대물렌즈의 사이에는 이미지센서(100)와 소정 간격 이격되어 있는 광보상부(200)가 설치된다.

본 발명에 따른 이미지센서(110)는 일반적으로 p형 기판인 반도체 기판(111)의 상면에 필드산화막(미도시)을 형성하여 반도체 기판(111)의 상부에 감광지영역(활성영역)과 로직 회로영역(필드영역)을 정의한다. 이어서, 반도체 기판(10)의 상부 영역 중에서 필드산화막에 의하여 정의된 활성영역의 상부로 포토다이오드와 같은 감광지소자(112)가 소정 간격으로 설치되어 각각 하나의 단위 픽셀을 구성한다. 즉, 필드산화막이 형성된 후에 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드막을 연속적으로 도포하고 패터닝함으로써 게이트 전극을 형성하고, 적절한 이온 주입 공정을 진행하여 광감지소자(112)를 비롯한 각종 관련소자가 활성영역의 상부에 형성된다. 광감지소자(12)는 일반적으로 n형 이온주입영역과 p형 이온주입영역으로 구분되어 있는데, 적절한 이온 주입 공정을 통하여 p형 반도체 기판(111)과 함께 p/n/p 트랜지스터를 형성한다.

이어서, 광감지소자(112)와 필드산화막을 포함하는 전체 구조 위로 층간절연막 등을 포함하는 각종 절연막(113)을 형성하고, 평탄화 공정을 수행한 뒤에 층간절연막 상에 금속배선을 형성하여 광차단막(114)을 형성한다. 광차단막(114)은 금속배선의 역할과 함께 각각의 단위 화소와 인접한 단위 화소를 분리하여 광이 산란 되어 서로 혼합되는 것을 방지한다.

이후에 습기나 스크래치로부터 소자를 보호하기 위하여 산화막 또는 질화막으로 구성되는 패시베이션막(115)을 금속배선 상부에 형성한다. 도 5에서는 설명의 편의를 위하여 하나의 금속배선으로 구성되는 광차단막(114)을 도시하였으나, 다수의 금속배선층이 절연막(113) 상부에 형성될 수 있다. 이와 같이 다수의 금속배선층을 이루는 경우에는 금속배선들 사이에 금속배선간 절연막을 형성하고, 최종 금속배선 상부에 패시베이션막(115)이 형성된다.

계속해서, 패시베이션막(115)의 상부에 평탄화층(16)을 형성한 뒤에, 평탄화층(116)의 상부로 예를 들어, 적(R), 녹(G), 청(B)의 파장을 흡수하여 컬러이미지를 구현할 수 있도록, 염색된 포토레지스트를 사용하여 컬러필터 어레이(117)가 형성된다. 이어서, 상기 평탄화층(116) 및 컬러필터 어레이(117)의 상부에 오버코팅레이어(OCL)를 증착하고 평탄화시킴으로써 형성된 스페이서(118)를 통하여 그 상부에 각각의 광감지소자(112)와 대응되고, 외부의 빛을 광감지소자(112)로 집광시키기 위한 다수의 마이크로렌즈(120)가 형성된다. 마이크로렌즈(120)는 단위 화소 영역의 크기 등에 따라 적절한 굴절각을 가지도록 소정의 두께 및 곡률 반경을 가지도록 형성된다.

통상적으로 마이크로렌즈(120)는 다음과 같은 방법으로 이미지센서(110)의 상부에 형성된다. 우선, 마이크로렌즈용 감광제를 평탄화 공정이 수행된 스페이서(118) 위에 도포하고 이를 패터닝한 뒤, 열을 가하여 패터닝된 마이크로렌즈용 감광제를 플로(flow)시켜 돔 형태를 갖는 다수의 마이크로렌즈(120)를 형성한다.

마이크로렌즈(120)의 상부에는 이미지센서 모듈에 의하여 지지되고, 마이크로렌즈(120)로 광을 입사시키기 위한 대물렌즈(300, 도 7a 참조)가 형성된다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 하나의 대물렌즈만을 도시하였으나, 실질적으로는 그 곡률과 광학적 특성이 상이한 다수의 렌즈로 구성된다. 이 경우 피사체 사이의 거리에 따라 대물렌즈는 광축을 따라 상하로 이동하여 초점을 조절할 수 있는데, 초점을 조절하는 방법으로서 예를 들어 마그네트, 코일, 요크 사이의 전자기력(로렌츠의 힘)을 채택하는 VCM(Voice Coil Motor) 방식이 채택될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 이미지 센서가 반드시 VCM 방식의 렌즈 조립체로만 한정되는 것은 결코 아니며, 예를 들어 압전소자 방식을 채택하고 있는 렌즈 조립체 등에도 적용될 수 있다. 이미지센서(110)의 크기 등에 따라 대물렌즈는 소정의 두께와 곡률을 가지도록 함으로써, 적절한 굴절각을 가지도록 형성된다.

한편, 본 발명에서는 상술한 것과 같은 구성을 갖는 이미지센서(110)의 상부와 소정 간격을 두고 이격되며, 이미지센서(110)의 에지 영역의 광감지소자로 집광되는 빛의 광감도가 중앙 영역의 광감지소자로 집광되는 빛의 광감도에 필적할 수 있도록 다수의 제 2 마이크로렌즈로 구성되는 광보상 마이크로렌즈 어레이(220)가 형성되어 있는 광보상부(200)가 구비된다.

광보상부(200)는 크게 대물렌즈를 통과한 빛 중에서 특정 파장의 빛을 차단하기 위한 필터부(210)와, 상기 필터부(210)의 적어도 일면, 바람직하게는 필터부(210)의 이미지센서(110)와 대향면을 따라 광축에 수직하는 방향으로 형성된 다 수의 제 2 마이크로렌즈로 구성되는 광보상 마이크로렌즈 어레이(220)를 포함한다. 본 발명에 따른 광보상부(200)의 구성을 도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명한다.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광보상부를 개략적으로 도시한 단면도로서, 필터부(210)의 이미지센서 대향면을 따라 광보상 마이크로렌즈 어레이(220)가 형성된다. 상기 필터부(210)는 대물렌즈의 대향면을 따라 형성되는 투명 기판(212)과, 상기 투명 기판(212)의 하부와 이미지센서의 전면에 대향하도록 형성된 광보상 마이크로렌즈 어레이(220)의 상부 사이에 적층되어 특정 파장의 빛을 차단하기 위한 필터(214)로 구성될 수 있다. 상기 투명 기판(212)은 예를 들어 글래스와 같은 투명한 재질로 만들어지며, 상기 필터(214)는 예컨대 적외선 영역에 해당되는 파장을 갖는 빛만을 선택적으로 차단할 수 있는 적외선 필터(IR 필터)일 수 있다. 이 경우, 필터(214)는 적외선 파장의 빛을 차단할 수 있는 물질이 1개 이상, 예를 들어 1~10개 층 정도의 막으로 증착될 수 있다. 한편, 도면으로는 도시하지 않았으나, 상기 필터(214)와 광보상 마이크로렌즈 어레이(220) 사이로, 필터(214)를 보호하기 위한 별도의 보호막이 형성될 수 있다.

본 발명에 따라, 필터부(210)의 이미지센서 대향면에 소정의 간격을 가지고 다수 생성되는 제 2 마이크로렌즈는 종래 이미지센서의 상면에 형성되는 마이크로렌즈(120)와 유사한 방법으로 필터부(210)에 형성될 수 있다. 즉, 마이크로렌즈용 감광제를 필터부(210)의 하단에 도포하고 패터닝한 뒤, 열을 가하여 패터팅된 마이크로렌즈용 감광제를 플로(flow)시켜 이미지센서를 향하여 돌출된 형태의 제 2 마이크로렌즈(220)를 형성할 수 있다.
본 발명에 따라 필터부(210) 및 광보상 마이크로렌즈 어레이(220)로 구성되는 광보상부(200)는 이미지 센서(110)와 칩 스케일 패키지(chip scale package) 방법에 의하여 이격된 채로 조립될 수 있다. 예를 들어 마이크로렌즈(120)가 형성되는 이미지센서(110)의 상부 주변부와 광보상부(200) 하단 주변부 사이로 접착제를 도포하거나 또는 솔더 조인트와 같은 결합수단을 채용할 수 있다. 이와 같은 칩 스케일 패키지 방법에서 광보상부(200)와 이미지 센서(110) 사이에 형성되는 접착제의 도포 두께를 조절하거나 솔더 조인트의 두께를 조절함으로써 광보상부(200)에 형성되는 광보상 마이크로렌즈 어레이(220)와 이미지 센서(110)의 전면에 형성되는 다수의 마이크로 렌즈(120)의 이격 거리를 조절할 수 있다. 바람직하게는 본 발명에 따라 광보상부(200)에 형성되는 마이크로렌즈 어레이(200)를 통한 주광선의 굴절을 통하여 이미지센서(100)의 하단에 형성되는 광감지소자(112)로 주광선이 균일하게 집광될 수 있도록 광보상 마이크로렌즈 어레이(220)와 이미지 센서(11)의 전면에 형성된 다수의 마이크로 렌즈(120) 사이는 5-20 미크론으로 조절하여 각각의 마이크로 렌즈에 대한 초점거리를 조절할 수 있다. 바람직하게는 광보상 마이크로렌즈 어레이(220)와 이미지 센서(110) 상부에 형성된 종래의 마이크로 렌즈(120)는 1:1로 대응될 수 있다.

한편, 상술한 광보상 마이크로렌즈 어레이는 필터부(210)의 이미지센서 대향면을 따라 광축과 수직하게 형성될 수 있는 외에도, 필터부(210)의 이미지센서 대향면은 물론이고, 그에 대응되는 대물렌즈 대향면에도 형성될 수 있는데, 도 6b는 이와 같은 구성을 갖는 광보상부를 도시하고 있다. 도시한 것과 같이, 필터부(210)의 이미지센서 대향면으로는 하향 돌출되는 형상의 제 1 광보상 마이크로렌즈 어레이(222)가 형성되며, 대물렌즈 대향면으로는 상향 돌출되는 돔 형상의 제 2 광보상 마이크로렌즈 어레이(224)가 형성되어 있다. 별도의 도면으로 도시하지는 않았으나, 대물렌즈의 대향면으로만 광보상 마이크로렌즈 어레이를 형성하는 것 또한 가능하다. 본 발명에 따른 광보상 마이크로렌즈 어레이(220)로 소정의 경사각을 가지고 입사하는 빛에 대하여 정확한 포커싱이 가능하도록, 그 상부와 하부에 각각 존재하는 필터부(210)와 공기와 비교하여 굴절률이 큰 물질로부터 제조되는 것이 특히 바람직하다 할 것이지만, 본 발명이 이에 꼭 한정되지는 않는다.

상술한 것과 같이, 필터부(210)가 구비되어 있는 광보상부(200)와, 이미지센서(110)를 포함하는 이미지센서 조립체(100)는 대물렌즈가 그 내부에 배치되어 있는 렌즈 조립체를 수용하고 있는 하우징의 하단을 통하여 결합되어, 렌즈 조립체와 함께 초점 조절 장치를 형성한다. 투명 기판을 포함하는 필터부(210) 및 이미지센서(110)가 렌즈 조립체에 결합되는 형태에 대해서는 본 발명의 출원인에 의하여 출 원된 바 있는 한국등록특허 제 662238호에 기술되어 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.

본 발명에서는 이미지센서(110)의 상면으로 주변광량비 저하를 해소할 수 있는 광보상부(200)를 구비하였는데, 본 발명에 따라 이미지센서의 가장자리 화소 영역으로 입사되는 주광선의 보상을 설명한다. 도 7a는 본 발명에 따라 이미지센서와 이격되어 설치되는 마이크로렌즈를 채택함으로써, 이미지센서의 에지 영역으로 입사되는 광 각도의 보상 상태를 도시한 도면이고, 도 7b는 도 7a의 A 부분을 확대하여 표시한 도면이다.

앞서 살펴본 바와 같이, 이미지센서의 가장자리 화소 영역이 중앙 화소 영역에 비하여 감광도가 저하되는 '주변광량비' 저하는 기본적으로 대물렌즈를 통과하는 빛의 기울기가 각각의 영역에서 다르기 때문에 발생하게 된다. 이에 따라, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 종래 대물렌즈와 이미지센서 사이에 별도의 광보상부를 구비하지 않은 경우, 이미지센서(10)의 전면에 형성되는 대물렌즈(300)의 중앙을 통과하여 이미지센서(10)의 가장자리 화소 영역으로 입사되는 종래의 빛(40)은 대물렌즈(300)에서 소정의 굴절 각도를 가지고 굴절되어 이미지센서(110) 상부에 형성된 마이크로렌즈로 입사되며, 마이크로렌즈를 통과한 입사광은 다시 소정의 굴절각을 가지고 가장자리 화소 영역의 광감지소자(112b)로 집광된다. 즉, 소정의 경사각을 가지고 대물렌즈(300)의 중심을 관통한 빛은 이미지센서의 가장자리 화소 영 역으로 입사되기 전에 대물렌즈(300)에서 1회 굴절되어 광축을 중심으로 θ₁의 주광선 각도로 가장자리 마이크로렌즈로 입사되는데, 이 빛은 가장자리 화소 영역의 광감지소자(112b)로 집광되지 못하고 그 주변의 회로 영역으로 수렴되어, 가장자리 화소 영역의 감광도가 저하된다.

이에 반하여, 본 발명에 따라 대물렌즈(300)와 이미지센서(110) 사이에 다수의 광보상 마이크로렌즈를 구비한 경우, 대물렌즈(300)의 중앙을 통과하여 이미지센서(10)의 가장자리 화소 영역으로 입사되는 빛(400)은 대물렌즈(300)에서 소정의 굴절 각도를 가지고 굴절되고, 광보상 마이크로렌즈 어레이(220)에 다수 형성된 제 2 마이크로렌즈에 의하여 광축에 가까워지는 방향으로 다시 한 번 굴절된 뒤에 이미지센서(110)로 입사된다. 이에 따라, 본 발명에 따라 대물렌즈(300)의 중심을 관통하는 빛이 이미지센서(110)의 가장자리 화소 영역으로 입사되는 경우에는 광축을 중심으로 θ₀의 주광선 각도로 이미지센서의 가장자리 화소 영역으로 입사된다. 이 경우, 이미지센서의 가장자리 영역으로 입사되는 종래의 주광선 각도(θ₁)에 비하여 본 발명에 따라 광보상부가 구비되어 있는 경우의 주광선 각도(θ₀)는 광축을 중심으로 비교하면 훨씬 적은 값을 가지게 되어, 이미지센서(110)의 중앙 화소 영역으로 수직하게 입사되는 각도에 거의 근접하게 된다. 결국, 본 발명에서는 이미지센서의 가장자리 화소 영역으로 입사되는 주광선 각도를 보상함으로써, 이미지센서의 가장자리 화소 영역에 대한 광감도 및 광-효율을 증가시킬 수 있어, 주변광량비 저하로 인한 문제를 해결할 수 있게 된다.

상기에서는 본 발명에 대한 예시적인 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 기능을 기술하였으나, 본 발명이 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 결코 아니다. 오히려, 본 발명이 속하는 기술분야의 평균적 기술자라면 상술한 실시예 및 첨부하는 도면을 참고하여 다양한 변형과 변경을 용이하게 추고할 수 있음은 분명하다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 그러한 변형과 변경을 모두 포함하는 것으로서, 그와 같은 변형과 변경은 본 발명의 기본정신을 훼손하지 아니하는 범위 내에서 본 발명의 권리범위에 속한다는 사실은 후술하는 청구의 범위를 통하여 보다 분명해질 것이다.

본 발명에서는 대물렌즈와 이미지센서 사이에 형성된 광보상부를 통하여 일정한 경사각을 가지고 이미지센서의 가장자리 영역으로 집광되는 빛의 주광선 각도를 보상함으로써, 이미지센서의 중앙 화소 영역에 비하여 가장자리 화소 영역의 감광도가 불량하게 되는 주변광량비 저하를 해소할 수 있게 되었다.

이와 같은 주변광량비 개선을 통하여 이미지센서로 입사되는 빛의 감광도를 전체적으로 향상시킴으로써, 고품질의 이미지를 얻게 되었다.

또한, 주변광량비 개선을 위하여 제안된 바 있는 이너 렌즈 타입의 경우 CMOS 방식에서는 채택되기 곤란하였으나, 본 발명에서는 이미지센서와 이격되는 제 2의 마이크로렌즈 어레이를 채택함으로써, 이미지센서의 타입에 관계없이 용이하게 적용이 가능하다.

Claims (10)

1. 피사체의 광학적 영상을 탐지하여 전기적 영상신호로 변환하는 이미지센서로서, 그 전면에 외부의 빛을 집광시키기 위한 다수의 마이크로렌즈(제 1 마이크로렌즈)를 포함하고 있는 이미지 센서와;

   상기 이미지 센서로 입사되는 주광선을 보상하기 위한 마이크로렌즈 어레이로서, 상기 이미지 센서와 이격된 채로 조립되는 필터부의 적어도 일면을 따라 광축에 수직하게 형성되는 다수의 마이크로렌즈(제 2 마이크로렌즈)를 포함하는 광보상 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 이미지센서 조립체.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 필터부는 적외선 필터인 것을 특징으로 하는 이미지센서 조립체.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 필터부는 대물렌즈의 대향면에 형성되는 투명 기판과, 상기 투명 기판 의 하부에 위치하는 적외선 필터를 포함하는 이미지센서 조립체.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 다수의 마이크로렌즈는 상기 필터부의 이미지 센서 대향면에 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서 조립체.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 다수의 마이크로렌즈 어레이는 상기 필터부의 이미지 센서 대향면 및 대물렌즈 대향면에 모두 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지센서 조립체.
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