KR100886567B1 - 이미지 센서의 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 렌즈를 이용한 이미지 센서를 제조하기 위한 마이크로 렌즈용 레지스트에 마이크로 렌즈 패턴을 형성하기 위한 마스크에 관한 것이다. 이미지 센서의 마이크로 렌즈를 형성하기 위하여 도포된 마이크로 렌즈용 레지스트를 노광하여 마이크로 렌즈 패턴을 형성하기 위한 본 발명에 의한 마스크는, 복수의 제1 패턴과 상기 제1 패턴 보다 크기가 작은 복수의 제2 패턴을 포함하고, 상기 복수의 제2 패턴은 상기 복수의 제1 패턴을 중심으로 하여 그 주변에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
마스크, 이미지 센서, 마이크로 렌즈
Description
도 1은 종래의 마이크로 렌즈를 이용한 씨모스 이미지 센서를 제조하는 과정을 나타낸 도면
도 2는 도 1의 제조 과정을 통하여 형성된 마이크로 렌즈를 나타내는 도면
도 3의 도면은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크를 나타낸 도면
도 4는 도 3의 마스크에 있어서 마이크로 렌즈 어레이 중심부의 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크를 확대한 모습을 나타내는 도면
도 5는 도 3의 마스크에 있어서 마이크로 렌즈 어레이 외곽부의 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크를 확대한 모습을 나타내는 도면
도 6은 본 발명에 의한 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크를 이용한 씨모스 이미지 센서의 단면을 나타내는 도면
<도면 부호의 설명>
100 : 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크
110 : 투명 마스크 원판
120 : 마이크로 렌즈 어레이
122:마이크로 렌즈 어레이 중심부의 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴
124:마이크로 렌즈 어레이 주변부의 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴
130 : 마이크로 렌즈 어레이 외곽부분
132 : 마이크로 렌즈 어레이 외곽부분의 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크
패턴
본 발명은 마이크로 렌즈를 이용한 이미지 센서를 제조하기 위한 마이크로 렌즈용 레지스트에 마이크로 렌즈 패턴을 형성하기 위한 마스크에 관한 것이다.
일반적으로, 이미지 센서(Image sensor)는 광학적 영상(optical image)을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로써, 크게 전하 결합 소자(charge coupled device: CCD)와 씨모스(CMOS; Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서(Image Sensor)로 구분된다.
상기한 전하 결합 소자는 개개의 모스 커패시터(MOS capacitor)가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, 상기한 씨모스 이미지 센서는 제어 회로(control circuit) 및 신호 처리 회로 (signal processing circuit)를 주변회로로 사용하는 씨모스(CMOS) 기술을 이용하여 화소 수만큼 모스 트랜지스터(MOS transistor)를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력(Output)을 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
상기한 이미지 센서를 제조함에 있어서, 이미지 센서의 광감도(photo sensitivity)를 증가시키기 위한 노력들이 진행되고 있다.
씨모스 이미지 센서의 경우에는, 빛을 감지하는 광감지 부분과, 이와 같이 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이터화하는 씨모스 로직회로 부분으로 구성되어 있는 바, 광감도를 높이기 위해서는 전체 이미지 센서 면적에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율인 필팩터(Fill Factor)를 크게 해주기 위한 시도가 진행되어 왔다.
그러나, 상기한 씨모스 이미지 센서의 경우에 근본적으로 씨모스 로직회로 부분을 제거할 수가 없기 때문에 전체적으로 제한된 면적 하에서 광감지 부분의 면적을 크게 하기 위한 노력에는 한계가 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위한 대안으로서, 광감도를 높여주기 위하여 광감지 부분이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꾸어서 광감지 부분으로 모아주는 집광기술이 많이 연구되어지고 있다.
따라서 광감지 부분의 상부에 광투과율이 좋은 물질을 사용하여 볼록하게 마이크로 렌즈를 만들어 줌으로써 입사광의 경로를 굴절시켜 광감지 부분에 보다 많은 양의 빛이 전달되도록 하는 집광기술이 사용되고 있다.
상기 마이크로 렌즈를 이용한 씨모스 이미지 센서는, 마이크로 렌즈의 광축 과 수평한 빛이 마이크로 렌즈에 의해서 굴절되어 광축상의 일정 위치에서 그 초점이 형성되는 구조로 이루어지는데, 1개의 이미지 센서에는 수만개의 마이크로 렌즈가 형성되어 있으므로, 각각의 마이크로 렌즈의 특성이 동일한 효과를 낼 수 있어야 선명한 이미지를 확보할 수 있게 된다.
종래의 마이크로 렌즈를 이용한 씨모스 이미지 센서를 제조하는 과정을 도 1a 내지 도 1b를 참조로 하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1a에 도시되어 있는 바와 같이, 포토 게이트 또는 포토 다이오드 (11)등으로 구성되어 있으며 빛을 감지하여 전기적인 신호로서 출력하는 광감지 센서부(12)의 상부에, 광감지 센싱 이외의 영역으로 빛이 입사되는 것을 방지하기 위한 금속층으로 형성되는 광차폐층(13)과, 상기한 광차폐층(13)의 위에 형성되어 있는 층간 절연막(14)과, 염색된 포토 레지스트를 이용하여 상기한 광감지 센서(12)로 특정한 파장의 빛을 투과시켜 전달되도록 하기 위한 칼라 필터 어레이(15)를 형성하고, 상기 칼라 필터 어레이(15)의 상부에 금속층(16)을 포함하며 칼라 필터의 단차를 극복하기 위해서 도포되는 저감도 고투과율의 평탄용 레지스트(17)를 도포한다.
이어서, 도 1b에 도시되어 있는 바와 같이, 마이크로 렌즈용 레지스트(18)를 도포한 후 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크(19)를 이용하여 마이크로 렌즈용 레지스트(18)의 일부분을 노광시키고 현상함으로써 마이크로 렌즈 패턴(20)을 형성한 후 고온에서 마이크로 렌즈 패턴(20)을 써말 플로우(thermal flow)시키고 베이킹하여 경화시켜서 마이크로 렌즈를 형성시킨다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 씨모스 이미지 센서의 마이크로 렌즈를 형성하는 과정에서, 평탄용 레지스트(17)에 포함된 금속층(16)에 의하여 형성된 단차에 의하여, 도포된 마이크로 렌즈용 레지스트(18)의 두께에 단차가 발생하게 된다. 따라서 마이크로 렌즈용 레지스트(18)를 노광 및 현상시켜 마이크로 렌즈를 형성하는 과정에서 마이크로 렌즈 어레이(A)의 주변부로 갈수록 마이크로 렌즈용 레지스트(18)가 두껍게 도포 되므로 노광 시 노광량이 부족하게 된다. 또한 마이크로 렌즈 어레이 이외의 영역(B)은 상대적으로 단차가 높기 때문에 마이크로 렌즈용 레지스트(18)가 얇게 도포 되어 있으므로 상대적으로 과도 노광이 이루어진다.
따라서 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈 어레이(A)의 중심부에서 주변부로 갈수록 부족 노광현상에 의하여 레지스트 패턴간에 브리지(Bridge, 30)현상이 발생하고, 마이크로 렌즈 어레이 이외의 영역(B)은 과도 노광이 심해져서 패턴 선폭이 매우 작아지고 따라서 패터닝이 제대로 이루어지지 않는(32) 등 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 일정한 마이크로 렌즈 패턴을 갖는 이미지 센서를 제조하기 위한 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크를 제공하는데 있다.
이러한 과제를 해결하기 위하여 이미지 센서의 마이크로 렌즈를 형성하기 위하여 도포된 마이크로 렌즈용 레지스트를 노광하여 마이크로 렌즈 패턴을 형성하기 위한 본 발명에 의한 마스크는, 복수의 제1 패턴과 상기 제1 패턴 보다 크기가 작은 복수의 제2 패턴을 포함하고, 상기 복수의 제2 패턴은 상기 복수의 제1 패턴을 중심으로 하여 그 주변에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 제2 패턴은 상기 제1 패턴보다 10%에서 15% 크기가 작은 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제1 및 제2 패턴은 차광 패턴인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제1 및 제2 패턴 외곽부분에 별도로 배치된 마이크로 렌즈 패턴 형성용 제3 패턴을 갖는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제1 및 제2 패턴은 전체적으로 사각형의 형상으로, 미세한 크기의 복수개의 사각형 패턴들이 노광 광의 노광 한계 해상도 이하의 선폭만큼 이격 배치되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 미세한 크기의 복수개의 사각형 구조로 된 마스크 패턴들은 중앙부위의 마스크 패턴이 가장 작고 외곽부위로 갈수록 마스크 패턴의 크기가 커지는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제3 패턴은 복수개의 스트라이프 형태의 패턴이 노광 광의 노광 한계 해상도 이하의 선폭만큼 이격 배치되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 마스크는 위상 반전 마스크인 것을 특징으로 한다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기 술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
먼저, 패턴 해상력의 정의는 다음 수학식 1과 같은 레일라이 수식(Rayleigh's Equation)으로 결정될 수 있다.
수학식 1
R(Resolution) = k*λ/ N.A.
여기서, k는 상수, λ는 조명계 파장, N.A.는 조명계 렌즈 구경을 나타낸다. 예를 들어, 상기 k를 0.5, λ는 0.248, N.A.는 0.65를 적용하면 해상도 R= 0.19㎛를 얻는다. 따라서 상기 값보다 작은 선폭을 갖는 미세 패턴을 마스크에 독립적으로 적용할 경우, 물리적으로 마스크만을 투광하고, 감광제에는 이미지가 나타나지 않는 패턴을 정의할 수 있다.
이하에서 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3의 도면은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크를 나타낸 도면이다. 본 발명에 의한 마스크는 크롬 없이 투광층의 위상 반전 효과만을 이용하는 Cr-less PSM(Chrome Less Phase Shift Mask)를 적용하는 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크(100)는 투명 마스크 원판(110)위에 마이크로 렌즈 어레이 부분(120)을 구분하고 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴을 배치한다.
마이크로 렌즈 어레이(120) 중심부의 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴(122)은 종래 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴의 크기와 같게 형성시키고, 마이크로 렌즈 어레이(120)의 주변부 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴(124)의 크기는 중심부의 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴의 크기보다 10% 내지 15%정도 작게 형성한다.
마이크로 렌즈 어레이 외곽부분(130)의 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴(132)은 도 3에 도시된 바와 같이 별도로 배치한다.
이와 같이 마이크로 렌즈 어레이 주변부의 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴의 크기를 마이크로 렌즈 어레이(120) 중심부의 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴(122)보다 작게 형성하는 것은 마이크로 렌즈 어레이의 중심부에서 주변부로 갈수록 부족 노광현상에 의하여 레지스트 패턴간에 브리지(Bridge)현상이 발생하는 것을 방지기 위한 것으로, 주변부에 광량을 최대화하기 위함이다.
도 4는 본 발명에 의한 마이크로 렌즈 어레이 중심부의 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴을 확대한 모습을 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴은 전체적으로 사각형의 형상으로, 상술한 바와 같은 레일라이 수식(Rayleigh's Equation)에 의하여 정의되는 노광 광의 노광 한계 해상도 이하의 선폭만큼 이격된 미세한 크기의 다수개의 사각형 구조로 된 마스크 패턴(125, 126, 127, 128, 129)들이 배치되어 구성된다.
상기 미세한 크기의 마스크 패턴(125, 126, 127, 128, 129)들은 중앙부위의 마스크 패턴이 가장 작고 외곽부위로 갈수록 마스크 패턴의 크기가 커진다. 여기서 중앙부위의 마스크 패턴(125)은 위상 0도의 투광부이고, 외곽부위 마스크 패턴들(126, 127, 128, 129)은 180도의 위상 반전 투광부이다.
여기서 마스크 패턴들이 이격되어 있는 간격이 노광 광의 한계 해상도 보다 작으므로 마이크로 렌즈용 레지스트에는 이격된 패턴 이미지가 나타나지 않는다.
이렇듯 중앙부위의 마스크 패턴의 크기가 작고 외곽부위로 갈수록 크게 한 것은 중앙부위의 광강도를 최소화하고 외곽부위로 갈수록 높임으로써 노광 후 마이크로 렌즈 형성 시 최적 곡률 반경을 갖도록 하기 위함이다. 따라서 레지스트의 써멀 플로우(thermal flow)에 의한 획일적인 곡률반경을 피할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명에 의한 마이크로 렌즈 어레이 외곽부의 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴을 확대한 모습을 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크 패턴(132)은 노광 한계 이하의 선폭만큼 이격(134)된 스트라이프 형태(136)로 배치된다.
여기서 마스크 패턴들이 노광 광의 한계 해상도 선폭보다 작은 크기만큼 이격이 되므로 마이크로 렌즈용 레지스트에는 이격된 패턴 이미지가 나타나지 않다.
이렇듯 스트라이프 형태의 마스크 패턴을 형성한 것은 광량을 조절하고 필요에 따라 광량을 최소화하여 과도 노광을 방지하기 위함이다.
도 6은 본 발명에 의한 마이크로 렌즈를 이용한 씨모스 이미지 센서의 단면 을 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크를 이용하여 제조한 씨모스 이미지 센서는 포토 게이트 또는 포토 다이오드(201) 등으로 구성되어 있으며 빛을 감지하여 전기적인 신호로서 출력하는 광감지 센서(202)와, 광감지 센서(202)의 광감지 센싱 이외의 영역으로 빛이 입사되는 것을 방지하기 위한 금속층으로 형성되는 광차폐층(203)과, 상기한 광차폐층(203)의 위에 형성되어 있는 층간 절연막(204)과, 염색된 포토 레지스트를 이용하여 상기한 광감지 센서(202)로 특정한 파장의 빛을 투과시켜 전달되도록 하기 위한 칼라 필터(205)와, 상기한 칼라 필터(205)의 단차를 극복하기 위해서 도포되는 높은 에너지를 필요로 하는 저감도의 평탄층(206)과, 폴리머 계열의 수지로 이루어지며 상기한 평탄층(206)의 위에 형성되어 빛을 집광하기 위한 마이크로 렌즈(207)를 포함하여 이루어진다.
여기서 마이크로 렌즈 어레이 주변부의 마이크로 렌즈 패턴간의 브리지(Bridge)가 개선(230)되고, 마이크로 렌즈 어레이 이외의 지역에 위치한 마이크로 렌즈 패턴의 과도 노광에 의한 패턴 부족을 방지(232)하게 되어 위치에 따른 마이크로 렌즈 크기의 편차를 줄일 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크의 제조방법에 의하면 마이크로 렌즈 어레이 주변부의 마이크로 렌즈 패턴간의 브리지(Bridge)가 개선되고, 마이크로 렌즈 어레이 이외의 외곽부분에 위치한 마이크로 렌즈 패턴의 과도 노광에 의한 패턴 부족을 방지하게 되는 효과가 있다. 또한 마이크로 렌즈용 마스크 패턴을 미세한 크기의 다수개의 사각형 구조로 형성함으로써 마이크로 렌즈 형성 시 최적 곡률 반경을 갖도록 하여 레지스트의 써멀 플로우(thermal flow)에 의한 획일적인 곡률 반경을 피할 수 있는 효과가 있다.
Claims (8)
- 이미지 센서의 마이크로 렌즈를 형성하기 위하여 도포된 마이크로 렌즈용 레지스트를 노광하여 마이크로 렌즈 패턴을 형성하기 위한 마스크에 있어서,복수의 제1 패턴,상기 제1 패턴 보다 크기가 작은 복수의 제2 패턴을 포함하고,상기 복수의 제2 패턴은 상기 복수의 제1 패턴을 중심으로 하여 그 주변에 배치되어 있는 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크.
- 제1항에서,상기 제2 패턴은 상기 제1 패턴보다 10%에서 15% 크기가 작은 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크.
- 제1항에서,상기 제1 및 제2 패턴은 차광 패턴인 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크.
- 제1항에서,상기 제1 및 제2 패턴 외곽부분에 별도로 배치된 마이크로 렌즈 패턴 형성용 제3 패턴을 갖는 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크.
- 제1항에서,상기 제1 및 제2 패턴은 외곽라인이 사각형의 형상으로, 복수개의 사각형 패턴들이 노광 광의 노광 한계 해상도 이하의 선폭만큼 이격 배치되어 구성되는 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크.
- 제5항에서,상기 복수개의 사각형 구조로 상기 마스크에 형성된 마스크 패턴들은 노광 공정시 위상 0도의 투광부인 중앙부위의 마스크 패턴이 가장 작고 상기 마스크의 외곽부위로 갈수록 마스크 패턴의 크기가 커지는 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크.
- 제4항에서,상기 제3 패턴은 복수개의 스트라이프 형태의 패턴이 노광 광의 노광 한계 해상도 이하의 선폭만큼 이격 배치되어 구성되는 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크.
- 제1항에서,상기 마스크는 위상 반전 마스크인 마이크로 렌즈 패턴 형성용 마스크.
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