KR100935762B1 - Ｃｍｏｓ이미지 센서의 마이크로 렌즈 형성용 마스크 및상기 마스크를 이용한 마이크로 렌즈 형성 방법 - Google Patents

Ｃｍｏｓ이미지 센서의 마이크로 렌즈 형성용 마스크 및상기 마스크를 이용한 마이크로 렌즈 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, CMOS 이미지 센서 소자의 마이크로 렌즈 형성을 위한 노광 공정에 사용되는 마스크에 있어, 상기 노광 공정이 수행되는 웨이퍼에 형성된 구조물간의 높이 차이에 따라 투과되는 광 에너지의 차이를 발생시키는 마스크 및 상기 마스크를 이용한 마이크로 렌즈 형성 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르는 CMOS 이미지 센서 소자의 마이크로 렌즈를 형성하는 노광 공정에 사용되는 마스크는 상기 마이크로 렌즈가 형성되는 지역에 형성되는 패턴 영역의 투과율이 다른 영역에 형성되는 패턴 영역의 투과율에 비해 낮게 제작되며, 이때 상기 다른 영역은 웨이퍼 상에서 상기 마이크로 렌즈가 형성될 영역보다 상대적으로 높거나 또는 낮은 높이의 구조물을 가진 영역인 것을 의미한다. 또한 본 발명에 따르는 CMOS 이미지 센서 소자의 마이크로 렌즈를 형성하는 방법은 상기 마이크로 렌즈가 형성되는 영역에 형성되는 패턴 영역의 투과율이 상기 다른 영역에 형성되는 패턴 영역의 투과율에 비해 낮은 값을 갖도록 설계된 마스크를 이용하는 것을 특징으로 한다.
CMOS 이미지 센서, 마이크로 렌즈, 마스크, 광 투과율

Description

ＣＭＯＳ이미지 센서의 마이크로 렌즈 형성용 마스크 및 상기 마스크를 이용한 마이크로 렌즈 형성 방법{A mask for micro lens fabrication of CMOS image sensor and a method for fabrication of micro lens by using the mask.}
본 발명은 광학적 신호를 전기적 신호로 처리하는 소자인 CMOS 이미지 센서소자에 있어 투입되는 광학적 신호를 집광하기 위해 사용되는 마이크로 렌즈의 제조 방법에 관한 것이다.
광학적 신호를 전기적 신호로 처리하는 CMOS 이미지 센서 소자는 픽셀 영역에 투입되는 빛을 보다 효율적으로 집광하기 위한 마이크로 렌즈를 구비하고 있다. 이러한 마이크로 렌즈는 일반적으로 상부가 위로 볼록한 형태인 반원구의 표면(hemispherical surface)을 가지고 있다. 이러한 마이크로 렌즈는 일반적으로 감광막을 이용하여 노광 공정 및 사진 공정을 이용하여 일정 모양으로 형성한 후 적정 온도에서 리플로우(reflow) 시켜 형성한다. 즉 감광막을 도포하고 노광 및 사진 공정을 통해 사각형 형태의 섬 패턴(island pattern)을 형성한 후 열을 가해 감광막이 유동성을 가지게 하며, 유동성을 가진 감광막은 표면 에너지를 감소시키기 위해 섬 패턴의 상부 표면을 위로 볼록한 곡률을 가지도록 형상을 변화시킨다.
이때 리플로우 공정은 열을 사용하는 공정이므로 리플로우 공정을 이용하여 마이크로 렌즈의 크기를 조절하는 것이 일반 노광/사진 공정에 비해 용이하지 않다. 이는 가해지는 열에너지의 조건이나 공정 분위기 등과 같은 많은 변수에 의해 리플로우 후의 패턴 형상이나 크기가 좌우되기 때문이다. 따라서 일반적으로 통상의 리플로우 공정을 이용하여 마이크로 렌즈 간의 간격을 100nm 이하로 조절하는 것이 매우 어렵다.
이를 해결하기 위해서는 감광막 도포 후 노광 및 사진 공정에서 형성되는 섬 패턴 간의 간격을 가능한 작게 형성하여 리플로우를 수행하여야 하나 이러한 경우 또 다른 문제를 야기할 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈가 형성되는 픽셀의 집광부 영역과 그 외의 영역의 높이 차이로 인하여 영역에 따라 초점의 정도가 달라지는 문제점이 그 대표적이 예이다. 일반적으로 CMOS 이미지 센서 소자의 픽셀에 형성되는 집광부는 컬러 필터 어레이와 상기 컬러 필터 어레이 영역 위에 형성되는 평탄층이 형성되어 있어 다른 영역에 비해 높이가 높은 영역에 속한다. 따라서 상기 평탄층 형성까지 완료된 후 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 웨이퍼 전면에 감광막을 도포하고 노광 공정을 수행할 때 상기 평탄층 위에 도포된 감광막과 다른 영역에 도포된 감광막은 광원으로부터의 거리 차이로 인해 어느 한쪽에 노광 공정을 위한 초점을 맞추면 나머지 영역은 초점이 흐려지는 현상이 발생된다.
예를 들어 마이크로 렌즈가 형성되는 영역과 스크라이브 레인(scribe lane) 내의 금속 패드가 형성되는 영역은 마이크로 렌즈가 형성되는 영역에 비해 약 2um 정도 낮은 높이를 가진다. 따라서 집광부의 마이크로 렌즈 형성을 위한 패턴과 상기 스크라이브 레인 내 금속 패드 형성을 위한 패턴을 동시에 구비한 마스크를 이용하여 노광 공정을 진행하면 위와 같은 광의 초점의 불균일 문제가 발생한다. 즉 마이크로 렌즈가 형성될 영역에 광원의 초점을 맞추게 되면(이하 on-focus라 한다), 높이 차이로 인하여 스크라이브 레인의 금속 패드가 형성될 영역에서는 초점이 흐려지는 현상(이하 defocus라 한다)이 발생된다. 이러한 defocus가 발생되면 on-focus 때보다 최소 노광 에너지(감광막이 빛과 반응하여 특정 용액에 반응하여 제거될 수 있을 정도로 변화되게 하기 위한 광원의 최소 노광 에너지)가 증가하게 된다. 따라서 스크라이브 레인의 금속 패드 위에 도포된 감광막을 완전히 제거하기 위해서는 defocus를 감안하여 노광 에너지를 필연적으로 증가시켜야 한다. 그러나, 이러한 경우, 섬 패턴을 형성하기 위하여 도포된 감광막에는 지나치게 높은 에너지가 투여되게 된다. 예를 들어 on-focus 상태의 섬 패턴 형성 영역에 투입되는 광원의 적정 에너지가 약 150mJ/cm2 이라고 할 때, 이 정도의 에너지로는 defocus가 발생된 스크라이브 레인의 금속 패드 영역에 도포된 감광막을 완전히 변화 시킬 수 없다. 그러나 스크라이브 레인의 금속 패드 영역의 도포된 감광막을 완전히 변화 시키기 위하여 약 300mJ/cm2의 에너지를 투입하게 되면, 섬 패턴 형성 영역에 투입되는 광원의 에너지가 적정치보다 약 2배 가량 높아지게 되어 섬 패턴간의 간격도 적정치의 약 2배 이상으로 증가되게 된다. 이러한 섬 패턴 간의 간격 증가는 리플 로우 공정에서 변화시켜야 하는 간격의 폭이 넓어지게 되는 것을 의미하며, 그 만큼 공정 조절이 어려워 지게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 마이크로 렌즈 형성을 위한 마스크와 스크라이브 레인 내 금속 패드 형성을 위한 마스크를 따로 제작한 후 각각 진행하는 것이 일반적이었다. 이러한 종래의 방법에 의할 시에는 마스크 추가 제작 및 노광 공정의 추가를 피할 수 없었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 마이크로 렌즈 형성을 위한 노광 공정에 사용되는 마스크에 있어, 상기 노광 공정이 수행되는 웨이퍼에 형성된 구조물간의 높이 차이에 따라 투과되는 광 에너지의 차이를 발생시키는 마스크 및 상기 마스크를 이용한 마이크로 렌즈 형성 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르는 CMOS 이미지 센서 소자의 마이크로 렌즈를 형성하는 노광 공정에 사용되는 마스크는 상기 마이크로 렌즈가 형성되는 지역에 형성되는 패턴 영역의 투과율이 다른 영역에 형성되는 패턴 영역의 투과율에 비해 낮게 제작되며, 이때 상기 다른 영역은 웨이퍼 상에서 상기 마이크로 렌즈가 형성될 영역보다 상대적으로 높거나 또는 낮은 높이의 구조물을 가진 영역인 것을 의미한다.
또한 본 발명에 따르는 CMOS 이미지 센서 소자의 마이크로 렌즈를 형성하는 방법은 마이크로 렌즈가 형성되는 영역이 다른 영역에 비해 높은 구조로 이루어진 구조의 웨이퍼에 감광층을 전면 도포하는 단계; 상기 마이크로 렌즈가 형성되는 영역에 형성되는 패턴 영역의 투과율이 상기 다른 영역에 형성되는 패턴 영역의 투과율에 비해 낮은 값을 갖도록 설계된 마스크를 이용한 노광 공정 및 사진 공정으로 마이크로 렌즈 형성을 위한 섬 패턴을 형성하는 단계; 및 리플로우 공정을 이용하 여 상기 섬 패턴의 상부를 둥근 곡면을 가진 렌즈 형태로 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의할 시 하나의 광원을 사용하더라도 마이크로 렌즈가 형성되는 영역에 도포된 감광막과 상기 마이크로 렌즈가 형성되는 영역 보다 높거나 낮은 높이를 가지는 다른 영역에 도포되는 감광막에 서로 다른 광 에너지를 투여함으로써 마이크로 렌즈의 형성을 위한 섬 패턴의 간격을 미세하게 조절할 수 있으며, 이로 인해 CMOS 이미지 센서의 고 집적화 및 수율 향상에 이바지 할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 실시예로서 노광 작업이 수행되는 위에서 언급한 바와 같이, 픽셀의 집광부에는 평탄층까지 형성되어 있고, 스크라이브 레인에는 금속 패드가 형성되는 금속층이 형성되어 있으며, 이때 집광부의 표면과 금속층의 표면의 높이는 약 2um 정도 차이가 있는 웨이퍼에 적용되는 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 마스크의 단면 및 상기 마스크의 광 투과율을 도시한 것이다. 여기서 마스크란 광원에 의해 웨이퍼에 전사되는 패턴들이 설계되어 감광 원판을 말하며 보통 유리나 석영과 같은 투명한 재질(102)에 빛을 투과하지 않는 물질(104), 예를 들어 크롬이나 산화철들을 이용하여 패턴을 형성한다.
도 1에서 보는 바와 같이 마스크 내 설계된 집광부의 평탄층에 형성되는 패턴 부분에는 빛의 투과율이 마스크에 사용되는 투명 물질 보다 작은 물질(103)을 형성하여 그 부분에서의 광 투과율을 감소시키게 한다. 따라서 도 1에 나타낸 것과 같이 마이크로 렌즈가 형성되는 픽셀 부분(106)에서의 투과 강도는 다른 영역(108)에 비해 낮음을 알 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 마스크를 이용하여 마이크로 렌즈를 형성하는 방법은 다음과 같다. 위에서 언급한 것과 같은 구조를 가진 웨이퍼에 감광막을 전면 도포한다. 다음 본 발명에 따른 마스크를 이용하여 노광 공정을 진행한다. 이때 광원의 초점은 마이크로 렌즈가 형성되는 부분에 맞추되, 광원의 에너지는 스크라이브 레인에 도포된 감광막이 defocus 상태에서 빛과 완전히 반응할 수 있도록 충분히 높여 준다. 이러한 광원의 에너지는 defocus 되는 정도를 고려하여 결정하여야 하며, 이는 결국 초점이 맞은 영역, 즉 마이크로 렌즈가 형성될 영역과의 높이 차차이에 의존하게 될 것이다. 본 실시예에서는 도포된 감광막의 최소 노광 에너지가 150mJ/cm2 이며, 상기 스크라이브 레인 내 금속층 위에 도포된 감광막 에서는 defocus로 인해 최소 노광 에너지에 비해 2배 이상의 노광 에너지가 필요하므로 이를 고려하여 마스크의 제작 조건 및 광원의 에너지를 도출하면, 광원의 에너지를 300mJ/cm2가 되도록 하여 스크라이브 레인 내 금속층 위에 형성된 감광막에는 300mJ/cm2의 광에너지가 투여되도록 하고 대신 마스크 픽셀 지역의 광 투과율은 50%로 조절하여 마이크로 렌즈가 형성될 영역, 즉 평탄층 위에 도포된 감광층에는 300mJ/cm2의 50%인 150mJ/cm2의 광 에너지가 on-focus 되게 하다.
이러한 본 발명에 의할 시 한번의 마스크 사용 단계에서 마이크로 렌즈 형성 및 금속 패드 형성을 위한 노광 공정이 가능하게 된다.
이와 같은 실시예는 다른 영역이 마이크로 렌즈가 형성될 영역보다 높아서 defocus가 발생되는 경우에도 동일하게 적용 가능하다.
지금까지 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시 예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 형성에 사용되는 마스크의 단면 및 광 투과율이 영역에 따라 차이가 나타나는 것을 도시한 것이다.

Claims (5)

  1. CMOS 이미지 센서 소자의 마이크로 렌즈를 형성하는 노광 공정에 사용되는 마스크로서,
    상기 마이크로 렌즈가 형성되는 지역에 형성되는 패턴 영역의 투과율이 스크라이브 레인 내 금속 패드 형성을 위한 금속층이 형성되어 있는 영역의 투과율에 비해 낮게 제작되는 것
    을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 소자의 마스크.
  2. 삭제
  3. 마이크로 렌즈가 형성되는 영역이 다른 영역에 비해 높거나 또는 낮은 구조로 이루어진 CMOS 이미지 센서 소자의 마이크로 렌즈를 형성하는 방법에 있어서,
    감광층을 전면 도포하는 단계;
    상기 마이크로 렌즈가 형성되는 영역에 형성되는 패턴 영역의 투과율이 스크라이브 레인 내 금속 패드 형성을 위한 금속층이 형성되어 있는 영역의 투과율에 비해 낮은 값을 갖도록 설계된 마스크를 이용한 노광 공정 및 사진 공정으로 마이크로 렌즈 형성을 위한 섬 패턴을 형성하는 단계; 및
    리플로우 공정을 이용하여 상기 섬 패턴의 상부를 둥근 곡면을 가진 렌즈 형태로 변화시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 소자의 마이크로 렌즈 형성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 노광 공정시 광원의 초점을 상기 마이크로 렌즈가 형성되는 영역에 맞추는 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 소자의 마이크로 렌즈 형성 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 노광 공정 시 상기 다른 영역에서의 초점은 defocus 상태인 것을 특징으로 하는 CMOS 이미지 센서 소자의 마이크로 렌즈 형성 방법.
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