KR101613346B1 - 촬상 장치 - Google Patents

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다케하루 다니
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후지필름 가부시키가이샤
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Abstract

렌즈 군 (115) 및 개구 조리개 (111) 를 갖는 촬상 광학계 (110), 및 고상 이미지 센서 (10) 를 포함하고, 이 고상 이미지 센서 (10) 는, 유기 재료로 이루어진 광전 변환층 (14), 및 2색 이상의 컬러 필터 (21r, 21g, 21b) 와 분리벽 (22) 으로 이루어진 컬러 필터층 (CF) 을 포함하는, 유리한 광학 특성으로 두께 및 크기가 감소된 촬상 장치를 실현한다. 광전 변환층 (14) 은 0.1 ㎛ 의 두께를 갖고, 컬러 필터 (21r, 21g, 21b) 각각은 1.5 내지 1.8 의 굴절률을 갖고, 분리벽 (22) 은 0.05 ㎛ 내지 0.2 ㎛ 의 폭 및 1.22 내지 1.34 의 굴절률을 가지며, 이 센서 (10) 의 화소 피치 D (㎛) 와 이 센서 (10) 에 입사하는 주광선의 최대 각도 α (°) 사이의 관계가, D≤2.6 ㎛ 일 때 45≥α≥25·D-20 이도록 렌즈 군 (115) 과 센서 (10) 가 배치된다.

Description

촬상 장치{IMAGING APPARATUS}
본 발명은 유기 재료의 광전 변환 막과 컬러 필터가 서로 적층되어 이루어진 고상 이미지 센서 (solid-state image sensor) 를 갖는 촬상 장치에 관한 것이다.
디지털 카메라로 대표되는 촬상 장치는 용이하게 소형화될 수 있기 때문에, 휴대 전화기, PDA 등과 같은 각종 휴대 장치에 조립된다. 또한, 비디오폰의 카메라로서 또는 각종 차량의 내외의 이미지를 운전석으로부터 모니터링하기 위한 차량 카메라로서 널리 사용되고 있다. 촬상 장치는, 촬상 광학계와 이 광학계로 형성된 피사체 이미지를 광전 변환하는 고상 이미지 센서를 유닛화한 촬상 유닛 이외에도, 고상 이미지 센서를 구동하여 촬상 신호를 판독하고 촬상 신호에 각종 신호 처리를 수행하여 디지털화한 이미지 데이터를 획득하는 회로, 및 이미지 데이터를 기록하는 메모리 장치를 포함한다.
예를 들어, 개인 휴대 정보 단말기로서 널리 이용되고 있는 이동 전화기 또는 PDA 에 촬상 장치가 포함되는 경우, 회로 및 메모리 장치의 두께를 다양한 장착 방법으로 감소시키는 것이 비교적 용이하지만, 촬상 유닛의 두께를 그의 광학적 성능을 고려하여 감소시키는 것은 어렵다.
현재 널리 사용되고 있는 통상적인 표면 조사형 CMOS 이미지 센서는, 화소의 개구 효율을 향상시켜, 이미지의 빔을 가능한 많이 각각의 화소의 광전 변환부의 부분들에 유도하기 위해, 피사체로부터의 광의 입사면에 삽입된 마이크로렌즈를 포함한다. 이는 마이크로렌즈가 제공되지 않은 경우에 비해 개구 효율을 향상시킬 수도 있어서, 광전 변환 효율도 또한 향상된다.
피사체 이미지를 광전 변환하는 광전 변환부가 배선층보다 아래에 위치되기 때문에, 입사 광 빔의 일부는 배선 등에 의해 차단되어, 큰 손실을 야기시킨다. 또한, 소정 각도보다 큰 입사각을 갖는 광 빔은 배선 등에 의해 차단될 뿐만 아니라, 인접 화소로 누설할 수도 있어서, 광 빔이 본래 화소의 광전 변환에 기여하지 못하고 그 대신에 인접 화소의 광전 변환층에 입사할 수 있다. 즉, 입사각이 커질수록 감도 저하 및 혼색 (color mixture) 의 문제가 현저하게 될 수도 있다.
그 결과, 표면 조사형 CMOS 이미지 센서에서는, 상술된 바와 같이 광전 변환부가 배선층보다 아래에 위치되는 화소 구조로 인해 광 빔의 확대 각도의 허용가능 범위가 제한된다. 표면 조사형 CMOS 이미지 센서에서는, 화소 단위에서의 광전 변환 효율은 광 빔이 촬상면에 수직으로 입사된 경우에 가장 높고, 약 20°의 입사각에서 수직 입사시의 100% 로부터 약 35% 로 급격히 감소하고, 입사각이 약 30°를 초과하면 배선층 등에 의한 대부분의 광 빔의 차단 또는 인접 화소로의 누설로 인해 수직 입사시의 약 5% 로 감소한다고 말해지고 있다. 상술된 상황 하에서, 예를 들어, 일본 미심사 특허공보 2007-122007호, 일본 미심사 특허공보 2008-268946호, 및 일본 미심사 특허공보 2008-185687호에 기재된 바와 같이, 촬상 장치에 사용되는 광학계는, 이미지 스크린의 주변부에 입사하는 주광선의 입사각이 약 30°이하에 있을 수도 있도록 설계된다. 상술된 바와 같이 입사각을 감소시키기 위해서는, 촬상 렌즈 (렌즈 군 (lens group)) 의 전체 광학 길이를 어느 정도 길게 할 필요가 있고, 이는 촬상 장치의 전체 두께의 감소에 장애가 된다.
최근, 화소 피치의 현저한 감소가 이루어지고 있고, 1 ㎛ 보다 작은 화소 피치를 갖는 이미지 센서의 실험 생산의 결과가 보고되기 시작하고 있다. 화소 면적의 감소는 감도 저하를 커지게 하여, 광전 변환 효율의 향상이 이루어지고 있고, 표면 조사형 이미지 센서에서의 배선으로 인한 입사 광의 손실을 감소시키기 위해 소위 이면 조사형 (back illuminated type) 이 현재 지배적이다. 이면 조사형 방식에서는, 광전 변환부가 광 입사측에 배치되고, 이는 광전 변환 효율을 향상시키는 것에 유리하다. 이면 조사형 방식에서, 인접 화소들 간의 크로스토크가 또한, 입사 광의 입사각이 커지면 상당한 혼색을 야기시키는 큰 문제가 있다.
이에 따라, 예를 들어, 일본 미심사 특허공보 2010-067828호 및 일본 미심사 특허공보 2010-232537호에 기재된 바와 같이, 광전 변환층을 종래의 실리콘 대신에 유기 재료를 사용하는 것이 제안되고 있다. 유기 재료는 가시광의 흡수 계수가 실리콘에 비해 크기 때문에, 광전 변환층의 두께를 실리콘 광전 변환층에 비해 감소시킬 수도 있어서, 이 두께의 감소는 화소들 간의 크로스토크를 감소시킬 수도 있다. 종래의 실리콘으로 이루어진 광전 변환층이 약 3 ㎛ 의 두께를 필요로 하는 반면, 유기 재료로 이루어진 광전 변환층의 두께는 약 0.5 ㎛ 만큼 얇게 감소될 수도 있다. 광전 변환층의 두께의 감소는 이미지 센서를 더 얇게 할 수도 있다.
또한, 일본 미심사 특허공보 2010-232537호는, 광전 변환부의 상방에 제공된 컬러 필터와 광전 변환부 사이의 거리가 3 ㎛ 이하이고 인접 컬러 필터들 사이에 분리벽이 제공된 이미지 센서를 제안한다. 분리벽이 제공된 컬러 필터는, 인접 화소들 간의 크로스토크가 크게 감소되도록 한다.
일본 미심사 특허공보 2010-232537호는, 이미지 센서의 두께의 감소를 가능하게 하지만, 이미지 센서가 포함되는 촬상 장치에 대해 충분히 고려되지 않았다. 즉, 감소된 두께를 갖는 유리한 광학 특성을 갖는 촬상 장치를 실현하기 위한, 촬상 장치에 있어서의 이미지 센서와 촬상 광학계 사이의 관계, 화소 피치, 광 입사각 등에 대해 충분히 고려되지 않았다.
본 발명은 상술된 상황을 고려하여 전개된 것이며, 본 발명의 목적은 광학 특성이 유리할 뿐만 아니라 두께 감소 및 소형화가 달성된 고상 이미지 센서를 갖는 촬상 소자를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 촬상 장치는,
렌즈 군 (lens group) 및 개구 조리개를 갖는 촬상 광학계; 및
촬상 광학계의 촬상면에 형성된 이미지를 촬영하는 고상 이미지 센서 (solid-state image sensor)
를 포함하고,
고상 이미지 센서는 기판 상에 복수의 화소들을 갖는 센서이고, 유기 재료로 이루어진 광전 변환층, 및 그 광전 변환층보다 위에 배치된, 2색 이상의 컬러 필터들과 각 색들의 컬러 필터들 각각을 분리하는 투명한 분리벽을 갖는 컬러 필터층을 포함하고,
광전 변환층은 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛ 의 두께를 갖고;
각 색들의 컬러 필터들 각각은 1.5 내지 1.8 의 굴절률을 갖고;
분리벽은 0.05 ㎛ 내지 0.2 ㎛ 의 폭을 갖고;
분리벽은 1.22 내지 1.34 의 굴절률을 갖고;
고상 이미지 센서의 화소 피치 D (㎛) 와 고상 이미지 센서에 입사하는 주광선의 최대 각도 α (°) 사이의 관계가,
D≤2.6 ㎛ 일 때 45≥α≥25·D-20
이도록 렌즈 군과 고상 이미지 센서가 배치된다.
화소 피치 D (㎛) 와 주광선의 최대 각도 α (°) 사이의 관계가,
D≤2.4 ㎛ 일 때 45≥α≥25·D-15
인 것이 바람직하다.
화소 피치 D (㎛) 와 주광선의 최대 각도 α (°) 사이의 관계가,
D≤2.0 ㎛ 일 때 45≥α≥25·D-5
인 것이 바람직하다.
본 발명의 촬상 장치는, 유기 재료로 이루어진 광전 변환층을 갖는 고상 이미지 센서를 포함하고, 광전 변환층의 두께는 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛ 로 감소될 수도 있다. 또한, 촬상 장치는, 각 색의 컬러 필터 각각을 분리하는 분리벽을 갖는 컬러 필터층을 포함한다. 컬러 필터 각각이 1.5 내지 1.8 의 굴절률을 가지며 그 분리벽이 1.22 내지 1.34 의 굴절률을 갖기 때문에, 인접 화소들 간의 크로스토크를 상당히 감소시킬 수도 있다. 또한, 화소 피치 D 가 2.6 ㎛ 이하이고 주광선의 최대 입사각이 α (°) 로서 간주되는 경우, α≥25·D-20 의 관계가 만족되도록 렌즈 군과 이미지 센서가 배치되어, 상기 정의된 범위의 α 의 값이 사용될 수도 있어서 렌즈 군의 전체 광학 길이가 감소될 수도 있고 장치의 두께의 감소가 실현될 수도 있다. 분리벽이 없는 종래의 컬러 필터와 마이크로렌즈를 갖는 이미지 센서가 채용된 경우, α≥25·D-20 의 범위의 입사각은 상당한 혼색으로 인해 이용할 수 없다. 상술된 범위의 입사각을 이용하는 본 발명에 따르면, 분리벽이 없는 종래의 컬러 필터와 마이크로렌즈를 갖는 이미지 센서가 사용되는 경우에 비해 렌즈 군의 전체 길이가 확실하게 감소될 수도 있다. 그 결과, 본 발명은 얇은 촬상 장치를 제공할 수도 있다.
본 발명의 촬상 장치에서는, 일본 미심사 특허공보 2010-232537호에서 명확하지 않은 이미지 센서의 화소 피치와 최대 입사각 α 사이의 관계가 명확히 규정되어, 본 발명의 촬상 장치가 만족스러운 광학 특성을 가질 수도 있다. 또한, 본 발명은 최대 45°까지의 입사각이 허용가능하다는 것을 분명히 밝혀서, 높은 설계 유연성을 제공한다.
도 1a 는 본 발명의 실시형태에 따른 촬상 장치의 구조를 예시한 개략 단면도이다.
도 1b 는 본 발명의 실시형태에 따른 촬상 장치에 제공된 고상 이미지 센서의 구조를 예시한 개략 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 유리한 효과를 예시한 것이다.
도 3 은 컬러 필터의 레이아웃을 예시한 도면이다.
도 4a 는 시뮬레이션에 사용된 분리벽 부착 컬러 필터를 갖는 이미지 센서의 구조를 예시한 단면도이다.
도 4b 는 시뮬레이션에 사용된 마이크로렌즈를 갖는 이미지 센서의 구조를 예시한 단면도 (비교예) 이다.
도 5 는 시뮬레이션 결과에 기초하여 발생된, 화소 피치와 유효 입사각 사이의 관계를 예시한 그래프이다.
도 6 은 도 4a 에 도시된 구조의 녹색 화소에서의 입사각과 입사광량의 시뮬레이션 결과를 예시한 그래프 (1.8 ㎛ 의 화소 피치) 이다.
도 7 은 도 4a 에 도시된 구조의 청색 화소에서의 입사각과 입사광량의 시뮬레이션 결과를 예시한 그래프 (1.4 ㎛ 의 화소 피치) 이다.
도 8 은 도 4a 에 도시된 구조의 청색 화소에서의 입사각과 입사광량의 시뮬레이션 결과를 예시한 그래프 (1.2 ㎛ 의 화소 피치) 이다.
도 9 는 도 4b 에 도시된 구조의 녹색 화소에서의 입사각과 입사광량의 시뮬레이션 결과를 예시한 그래프 (1.8 ㎛ 의 화소 피치) 이다.
도 10 은 도 4b 에 도시된 구조의 녹색 화소에서의 입사각과 입사광량의 시뮬레이션 결과를 예시한 그래프 (1.4 ㎛ 의 화소 피치) 이다.
도 11 은 도 4b 에 도시된 구조의 녹색 화소에서의 입사각과 입사광량의 시뮬레이션 결과를 예시한 그래프 (1.2 ㎛ 의 화소 피치) 이다.
본 발명의 실시형태에 따른 촬상 장치를 이하 설명한다. 도 1a 는 본 발명의 실시형태에 따른 촬상 장치의 구조를 예시한 개략 단면도이며, 도 1b 는 촬상 장치에 의해 제공된 고상 이미지 센서 (solid-state image sensor) 의 개략 부분 단면도이다.
도 1a 에 예시된 바와 같이, 촬상 장치 (100) 는, 세라믹 패키지 (101) 에 포함된 고상 이미지 센서 (10), 및 개구 조리개 (111) 를 갖는 렌즈 홀더 (102) 에, 고상 이미지 센서 (10) 의 표면 (수광면) 에 이미지를 형성하도록 고정 배치된 렌즈 (112, 113) 를 포함하고, 세라믹 패키지 (101) 와 렌즈 홀더 (102) 가 조합된다. 렌즈 (112, 113) 의 렌즈 군 (lens group) 과 고상 이미지 센서 (10) 사이에는 적외광 컷 필터 (105) 가 제공된다. 여기서, 개구 조리개 (111) 와 렌즈 군 (115) 에 의해 촬상 광학계 (110) 가 형성된다.
도 1b 에 예시된 바와 같이, 고상 이미지 센서 (10) 는, 반도체 회로 기판 (11), 반도체 회로 기판 (11) 상에 2차원 어레이로 형성된 복수의 화소 전극 (이면 접촉 전극) (12), 복수의 화소 전극 (12) 상에 연속적으로 형성된 유기 재료의 광전 변환층 (14), 및 복수의 화소 전극에 대향하는 대향 전극인, 단일층으로서 광전 변환층 (14) 상에 형성된 공통 전극 (상부 전극) (16) 을 포함한다. 또한, 상부 전극 (16) 위에는 투명한 절연층 (18) 이 적층되어 있고, 이 절연층 (18) 상에, 2개 이상 (본 실시형태에서는 3개) 의 컬러 필터 (21r, 21g, 21b) 와 분리벽 (22) 을 포함하는 컬러 필터층 (CF) 이 제공된다. 더욱 더, 컬러 필터층 (CF) 상에는 저반사층 (25) 이 제공된다.
촬상 장치 (100) 는, 개구 조리개 (111) 를 통과한 광 (L) 이 렌즈 (112), 렌즈 (113), 및 적외광 컷 필터 (105) 를 통해 순차적으로 투과되어 고상 이미지 센서 (10) 의 수광면에 이미지를 형성하도록 구성된다. 여기서, 렌즈 (113) 를 통해 투과된 주광선의 최대 입사각 α 가 45°를 초과하지 않도록 렌즈 군 (115) 및 고상 이미지 센서 (10) 가 배열된다.
또한, 화소 피치 D (㎛) 와 주광선의 최대각 α (°) 사이의 관계가, D≤2.6 ㎛ 일 때, 45≥α≥25·D-20 이 되도록 렌즈 군 (115) 과 고상 이미지 센서 (10) 사이의 위치 관계가 설정된다.
화소 피치 D (㎛) 와 주광선의 최대각 α (°) 사이의 관계는, D≤2.4 ㎛ 일 때에는, 45≥α≥25·D-15 가 되도록 렌즈 군 (115) 과 고상 이미지 센서 (10) 사이의 위치 관계가 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 화소 피치 D (㎛) 와 주광선의 최대각 α (°) 사이의 관계가, D≤2.0 ㎛ 일 때에는, 45≥α≥25·D-5 가 되도록 렌즈 군 (115) 과 고상 이미지 센서 (10) 사이의 위치 관계가 설정되는 것이 바람직하다.
여기서, 단순한 광학계로 본 발명의 유리한 효과를 검증한다. 도 2 는 하나의 렌즈 (201) 에 의해 집광되어 이미지 센서 (202) 상에 이미지를 동일한 배율로 형성하는 경우를 예시한 것이다. 2.0 ㎛ 의 화소 피치로 풀 HD 촬상을 수행하는 경우, 이미지 센서의 크기는, 횡 방향으로 2.0 ㎛×1920=3.84 mm, 수직 방향으로 2.0 ㎛×1080=2.16 mm 로서 계산된다. 이는 4.4 mm 의 대각 길이를 필요로 한다. 개구를 4.4 mmφ 의 이미지 센서와 동일한 것으로 가정한 경우, 그리고 이미지 센서가 본 발명의 분리벽 부착 컬러 필터 (도 4a) 를 사용한 센서인 경우, NA=0.7 인 렌즈의 사용은 렌즈와 이미지 센서 사이의 거리 "d" 를 4.4 mm 로 되게 하는 한편, 마이크로렌즈 부착 컬러 필터 (도 4b) 는 0.5 까지의 NA 를 가진 렌즈의 사용을 허용하여, 렌즈와 이미지 센서 사이의 거리가 7.6 mm 가 된다. 실제 광학계는 제품에 따라 상이한 개구를 가지며, 수차 및 주변부의 왜곡의 영향을 감소시키기 위해 2개 이상의 렌즈가 사용되며, 복잡한 비구면 렌즈가 사용되어, 실제 광학계의 구조는 상술된 것과 같은 단순한 것이 아니다. 그러나, 원리적으로, 동일한 유리한 효과가 획득될 수도 있어서 광축 방향의 길이를 감소시킬 수도 있다.
이하, 각 구성요소를 상세히 설명한다.
(반도체 회로 기판)
반도체 회로 기판 (11) 은, p형 웰 영역 (2) 이 제공되고 복수의 n형 불순물 확산 영역 (3) 이 형성된 n형 실리콘 기판 (이하, 단순히 기판 (1) 이라고 지칭된다) 을 포함한다. 불순물 확산 영역 (3) 은, 회로 기판 (11) 상에 형성된 화소 전극 (12) 에 대응하여 2차원 어레이로 형성된다. 또한, 웰 영역 (2) 의 표면에 가까운 각 불순물 확산 영역 (3) 에 인접하게 신호 판독부 (4) 가 제공되어, 그 각 불순물 확산 영역 (3) 에 저장된 전하에 따른 신호를 출력한다.
신호 판독부 (4) 는, 불순물 확산 영역 (3) 에 저장된 전하를 전압 신호로 변환하여 그 전압 신호를 출력하는 회로이고, 이 회로는, 예를 들어, 공지된 CCD 또는 CMOS 회로에 의해 구성될 수도 있다.
또한, 기판 (1) 의 웰 영역 (2) 의 표면 상에 절연층 (5) 이 형성된다. 절연층 (5) 상에는, 평면에서 보았을 때 대략 직사각형 형상을 각각 갖는 복수의 화소 전극이 소정 간격으로 배열되어 있다. 각 화소 전극 (12) 은, 절연층 (5) 을 관통하도록 형성된 도전성 재료의 접속부 (6) 를 통해 기판 (1) 의 각각의 대응하는 불순물 확산 영역 (3) 에 전기적으로 접속되어 있다.
광전 변환층 (14) 에 광이 입사될 때 광전 변환층 (14) 에서 발생된 전하 (정공 및 전자) 중, 예를 들어, 정공이 상부 전극 (16) 으로 이동되고 전자가 이면 접촉 전극 (12) 으로 이동되도록, 이미지 센서 (10) 의 이면 접촉 전극 (12) 및 상부 전극 (16) 사이에는 전압 공급부 (미도시) 로부터 바이어스 전압이 인가된다. 이 경우, 상부 전극 (16) 이 정공 포집 전극으로서 사용되고, 이면 접촉 전극 (12) 이 전자 포집 전극으로서 사용된다.
상부 전극 (16) 및 이면 접촉 전극 (12) 은, 광전 변환층 (14) 과의 밀착성, 전자 친화력, 이온화 포텐셜, 안정성 등을 고려하여 선택된다.
상부 전극 (16) 및 이면 접촉 전극 (12) 은, 사용된 재료에 따라 다양한 방법에 의해 형성된다. 예를 들어, ITO 의 경우, 전자빔법, 스퍼터링법, 저항 가열 증착법, 화학 반응법 (졸-겔법 등), 산화 인듐 주석의 분산물의 도포법 등이 이용되어 막을 형성한다. ITO 의 경우, UV 오존 처리, 플라즈마 처리 등이 이용될 수도 있다.
광전 변환층 (14) 에 광을 입사시킬 필요가 있기 때문에, 상부 전극 (16) 은 투명한 도전성 재료로 이루어진다. 투명 전극 재료는, 약 420 nm 내지 약 660 nm 의 파장의 가시광 범위에서 약 80% 이상의 광 투과율을 갖는 것이 바람직하다.
상부 전극 (16) 에 대한 구체적인 재료는, 예를 들어, 산화 주석, 산화 아연, 산화 인듐, 산화 인듐 주석 (tin-doped indium oxide; ITO) 등의 도전성 금속 산화물, 금, 은, 크롬, 니켈 등의 금속, 이들의 금속과 도전성 금속 산화물과의 혼합물 또는 적층체, 요오드화 구리, 황화 구리 등의 무기 도전성 재료, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리피롤 등의 유기 도전성 재료, 실리콘 화합물, 및 이들과 ITO 와의 적층체를 포함할 수도 있다. 그 중에서, 도전성 금속 산화물이 사용되는 것이 바람직하고, 특히 생산성, 고 도전성, 투명성 등을 고려하여 ITO, ZnO, 및 InO 가 바람직하다.
이면 접촉 전극 (12) 의 재료는 임의의 도전성 재료이어도 되고 반드시 투명할 필요는 없다. 그러나, 기판 (1) 측에 광을 투과시킬 필요가 있는 경우에는, 이면 접촉 전극 (12) 도 또한 투명 전극 재료로 이루어질 필요가 있다. 이 경우, 이면 접촉 전극 (12) 의 투명 전극 재료로서, 상부 전극 (16) 에서처럼, ITO 를 사용하는 것이 바람직하다.
(광전 변환층)
유기 재료로 이루어진 광전 변환층 (14) 은, 0.1 ㎛ 내지 1.0 ㎛ 의 범위의 두께를 갖는 막으로 형성된다. 층 두께가 얇을수록 혼색의 방지에는 더 효과적이지만, 층 두께와 광 흡수 사이의 트레이드 오프가 존재하여, 실제 최적의 층 두께는 약 0.5 ㎛ 일 수도 있다.
광전 변환층 (14) 에 사용되는 재료는, 예를 들어, 전자 사진의 감광 재료로서 사용되는 것과 같은 다양한 종류의 유기 반도체 재료를 포함할 수도 있다. 그 중에서, 높은 광전 변환 성능, 분광시의 우수한 색 분리, 장시간의 노광에 대한 높은 내구성, 진공 증착의 용이성 등을 고려하여, 퀴나크리돈 골격을 갖는 재료 또는 프탈로시아닌 골격을 갖는 유기 재료가 특히 바람직하다.
광전 변환층 (14) 의 유기 재료는, p형 유기 반도체 및 n형 유기 반도체 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, p형 유기 반도체 및 n형 유기 반도체로서, 퀴나크리돈 유도체, 나프탈렌 유도체, 안트라센 유도체, 페난트렌 유도체, 테트라센 유도체, 피렌 유도체, 페릴렌 유도체, 및 플루오란텐 유도체 중 어느 하나가 특히 바람직하다.
광전 변환층 (14) 를 유기 재료로 형성하면, 실리콘 기판 상에 형성된 포토다이오드를 광전 변환부로서 사용하는 구성에 비해, 광 흡수 계수가 더 높아질 수도 있다. 따라서, 광전 변환층 (14) 에 입사한 광이 더 흡수될 가능성이 있다. 이 성질에 따르면, 광전 변환층 (14) 에 비스듬하게 입사한 광은, 인접 화소부로 누설될 가능성이 없고, 광이 입사한 화소부에서 광전 변환되어, 투과 효율의 향상과 크로스토크의 방지를 달성할 수도 있다.
(절연층)
절연층 (18) 은 Al2O3, SiO2, SiN, 또는 이들의 혼합 막으로 이루어질 수도 있다.
(컬러 필터층)
도 3 에 예시된 바와 같이, 컬러 필터층 (CF) 은, 서로 상이한 파장의 광을 투과시키는 복수의 컬러 필터를 포함한다. 여기서, 컬러 필터층 (CF) 은, 각 화소에 대해 제공된 적색/청색/녹색의 안료 또는 염료를 포함하는 유기 재료로 이루어진 컬러 필터 (21r, 21g, 및 21b) 를 포함하고, 각 컬러 필터 (21r, 21g, 및 21b) 간에는 컬러 필터 재료의 굴절률보다 더 작은 굴절률을 갖는 투명 재료로 이루어진 분리벽 (22) 을 갖는다.
컬러 필터 (21r, 21g, 및 21b) 는, 서로 상이한 파장의 광을 투과시키고, 컬러 필터 (21r) 는, 입사 광 중 적색 파장의 광을 투과시키도록 구성된 R 광 컬러 필터로서 기능한다. 마찬가지로, 컬러 필터 (21g) 는, 입사 광 중 녹색 파장의 광을 투과시키도록 구성된 G 광 컬러 필터로서 기능하고, 컬러 필터 (21b) 는, 입사 광 중 청색 파장의 광을 투과시키도록 구성된 B 광 컬러 필터로서 기능한다.
복수의 컬러 필터 (21r, 21g, 및 21b) 는, 화소부의 배열에 따라, 베이어 배열 (Bayer arrangement) 등의 컬러 패턴으로 배열되고, 각 화소부에 이들 중 어느 하나가 포함된다. 도 3 은, 일 예로서, 4개의 화소부에서의 컬러 필터 (21r, 21g, 및 21b) 의 베이어 배열을 예시한 것이다. 복수의 컬러 필터 (21r, 21g, 및 21b) 의 배열은 상술된 것으로 한정되지 않고 임의로 변경될 수도 있다.
각 컬러 필터의 굴절률은 적색, 청색, 및 녹색의 색뿐만 아니라 입사 광의 파장에 따라 상이하지만, 컬러 필터 (21r, 21g, 및 21b) 각각은 입사 파장 (적어도 그 가시광 범위의 파장 (400 nm 내지 700 nm)) 에 대해 1.5 내지 1.8 의 범위 내의 굴절률을 갖는다.
컬러 필터 (21r, 21g, 및 21b) 각각의 두께는 0.3 ㎛ 내지 1.0 ㎛ 의 범위 내에 있다.
컬러 필터 (21r, 21g, 및 21b) 를 분리하기 위한 분리벽 (22) 은, 도 3 을 평면에서 보았을 때 대략 격자 패턴으로 형성되어 이 컬러 필터 각각을 개별적으로 둘러싸도록 한다.
컬러 필터 (21r, 21g, 및 21b) 각각 사이의 거리에 상당하는 분리벽 (22) 의 폭 "t" 는 0.05 ㎛ 내지 0.2 ㎛ 의 범위 내에 있고, 그 굴절률은 1.22 내지 1.34 의 범위 내에 있다. 굴절률이 낮을수록 이미지 센서로서의 특성은 높아질 수도 있지만, 극히 낮은 굴절률을 갖는 재료를 사용하면 막으로서의 취약성이 문제가 야기된다. 그 결과, 약 1.28 내지 1.30 의 굴절률을 갖는 재료가 사용되는 것이 바람직하다.
(저반사층)
저반사층 (25) 은 공기로부터 컬러 필터 (CF) 에 광이 직접적으로 입사하는 경우의 반사 손실을 감소시키기 위해 제공된다. 컬러 필터 (CF) 의 재료의 굴절률 (3색의 굴절률들의 평균값) 을 nc 로 간주한 경우, 가시광의 거의 중심 파장인 550 nm 의 1/4 에 대응하는 층 두께에서 √nc 의 굴절률을 갖는 재료가 선택될 수도 있다. 예를 들어, 본 이미지 센서의 경우, 컬러 필터 (CF) 의 굴절률이 550/4/1.28=107 nm
Figure 112013114044664-pct00001
0.1 ㎛ 의 두께에서 1.5 내지 1.8 이기 때문에 약 1.28 의 굴절률을 갖는 재료가 사용될 수도 있다.
본 실시형태의 촬상 장치는 상술된 방식으로 구성된다.
본 실시형태에서의 촬상 소자 (10) 는, 기판 (1) 상에 광전 변환층 (14) 이 적층된 적층형 이미지 센서이다. 포토다이오드가 형성된 기판 상에 전하 전송로가 형성되고 그 전하 전송로 상에 평탄화 막을 사이에 두어 컬러 필터층이 형성된 종래의 표면 조사형 이미지 센서에 비해, 본 이미지 센서는 컬러 필터층과 광전 변환층 (14) 사이의 거리 "d" 를 감소시킬 수도 있다. 더 구체적으로, 거리 "d" 는, 컬러 필터층 (CF) 의 하측 면과 광전 변환층 (14) 의 상측 면으로부터의 거리이다. 본 이미지 센서의 구성에 따르면, 거리 "d" 는 3 ㎛ 이하가 되도록 감소될 수도 있다.
상술된 구조를 갖는 이미지 센서 (10) 를 사용하면, 촬상 장치 (100) 의 두께 "T" 가 이전보다 더 작아지도록 하는 것이 가능하다. 더 구체적으로는, 고상 이미지 센서가 1/4 인치 (6.35 mm) 인 경우, 종래 장치의 두께 "T" 가 약 5 mm 이상인 한편, 상술된 구성은 4 mm 보다 적은 두께를 달성할 수도 있다.
(시뮬레이션)
본 발명에 따른 분리벽 (22) 을 갖는 컬러 필터 (CF) 가 제공된 경우와 비교예로서 분리벽이 없는 마이크로렌즈 (31) 를 갖는 컬러 필터 (CF') 가 제공된 경우에 대해 수행된 광학 시뮬레이션의 결과를 설명한다.
시뮬레이션이 수행된 이미지 센서의 구조의 개략 단면도를 도 4a 및 도 4b 에 각각 도시한다. 도 4a 는 분리벽 부착 컬러 필터를 갖는 이미지 센서의 구조를 예시한 것이고, 도 4b 는 마이크로렌즈 부착 컬러 필터를 갖는 이미지 센서의 구조를 예시한 것이다. 본 시뮬레이션에서는, 양쪽 경우에서 컬러 필터 (21r, 21g, 및 21b) 가 도 3 에 도시된 베이어 배열로 배열되고, 녹색 화소 영역에서의 녹색 필터를 통해 입사한 광량과 인접 화소 (적색 또는 청색) 로부터의 입사광량의 입사각 의존성이 계산된다. 더 구체적으로는, 도 3 에 도시된 컬러 필터 (CF) 에서 G1-G1 선 상의 R 화소에 인접하는 G 화소의 입사광량을 G1, 그리고 이 G 화소에 인접하는 R 화소로부터의 입사광량을 R 로서 간주하여, 입사각을 G1-G1 선의 방향으로 변화시켰을 경우 입사각 의존성이 계산된다. 마찬가지로, G2-G2 선 상의 B 화소에 인접하는 G 화소의 입사광량을 G2, 그리고 이 G 화소에 인접하는 B 화소로부터의 입사광량을 B 로서 간주하여, 입사각을 G2-G2 선의 방향으로 변화시켰을 경우 입사각 의존성이 계산된다.
각각의 구조는, 0.5 ㎛ 의 두께를 갖는, 광전 변환층 (14) 에 대한 유기 재료를 사용하고, 컬러 필터층 (CF 또는 CF') 과 광전 변환층 (14) 사이에는 가시광에 대해 투명한 0.3 ㎛ 두께의 절연층 (18) 을 포함한다.
컬러 필터 (CF) 의 분리벽 (22) 의 폭은 0.2 ㎛ 로 간주하고, 그 분리벽의 굴절률은 1.3 으로 간주한다. 컬러 필터 (21r, 21g, 및 21b) 의 막 두께는, 0.7 ㎛, 0.5 ㎛, 및 0.5 ㎛ 로 각각 간주된다.
컬러 필터층 (CF') 의 컬러 필터 (21r, 21g, 및 21b) 의 막 두께는, 0.7 ㎛, 0.5 ㎛, 및 0.5 ㎛ 로 각각 간주된다. 컬러 필터 (CF') 와 마이크로렌즈 (31) 사이에 평탄화 층 (30) 이 제공된 구조가 가정되어, 평탄화 층의 두께는 적색 컬러 필터와 마이크로렌즈 (31) 사이의 두께로서 정의된다. 또한, 마이크로렌즈의 렌즈 두께 "tm" 이 0.6 ㎛ 로 간주된다.
통상적으로, 평탄화 층의 두께가 1 내지 2 ㎛ 이지만, 본 시뮬레이션에서는 평탄화 층이 0 ㎛, 0.5 ㎛, 및 1.0 ㎛ 의 두께를 각각 갖는 3개의 상이한 구조에 대해 계산이 이루어졌다. 평탄화 층 (30) 은, 컬러 필터층 (CF') 의 표면이 현재 일반적인 제조 방법에서는 요철 형상으로 되어 상이한 색의 컬러 필터가 상이한 두께를 갖는다는 사실로 인해, 마이크로렌즈를 안정적으로 형성하는데 필요한 층이다. 평탄화 층의 일반적인 두께는 1 내지 2 ㎛ 의 범위보다 약간 두껍지만, 평탄화 층에 사용되는 재료에 기술적 진보가 예상되고 장래에는 1 ㎛ 보다 얇은 두께를 갖는 평탄화 층으로 평탄화가 달성될 수도 있다. 마이크로렌즈는 평탄한 면 상에 제공되어야 할 필요가 있기 때문에, 실제로는 0 ㎛ 의 평탄화 층은 있을 수 없으며, 기껏해야 약 0.5 ㎛ 의 두께가 막 두께 한계 (최소 막 두께) 일 수도 있다.
시뮬레이션에 의해 획득된, 혼색이 허용가능한 유효 입사각과 화소 피치 사이의 관계가 도 5 에 도시되어 있다. 입사 유효각은 수직 입사시의 광량보다 10% 만큼 광량이 감소되었을 때의 각도로서 정의된다.
도 4a 에 도시된 분리벽 부착 컬러 필터 (CF) 를 갖는 구조, 및 도 4b 에 도시된 마이크로렌즈 부착 컬러 필터 (CF') 를 갖는 구조 각각에 대해, 평탄화 층이 1 ㎛, 0.5 ㎛, 및 0 ㎛ 로 변화되고 화소 피치가 1.8, 1.4, 및 1.2 ㎛ 로 변화된 경우 각각에 대해 시뮬레이션이 수행되었다.
도 5 에 도시된 본 시뮬레이션의 결과는, 종래의 마이크로렌즈 부착 컬러 필터 구조에서는, 유기 재료의 얇은 광전 변환층에서도 화소 피치가 감소되기 때문에 광의 큰 입사각에서 혼색을 피하지 못해서, 최대 유효 입사각이 작아지는 것을 나타낸다. 이에 반해, 분리벽 부착 컬러 필터 구조는, 기울어진 광의 입사로 인한 혼색이 극적으로 감소될 수도 있어서, 최대 유효 입사각의 허용가능 범위가 상당히 증가된다는 것을 알았다.
도 6 내지 도 8 은 화소 피치가 각각 1.8, 1.4, 및 1.2 로 간주된 경우 도 4a 에 도시된 분리벽 부착 컬러 필터 구조의 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 6 내지 도 8 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 촬상 장치에서는, 화소 피치가 1.8, 1.4, 또는 1.2 인지 여부에 관계없이, 45°의 입사각까지는 거의 열화가 보이지 않는다는 것을 알았다.
도 9 내지 도 11 은, 도 4b 에 도시된 마이크로렌즈 부착 컬러 필터 (분리벽이 없음) 가 제공되고 화소 피치가 각각 1.8, 1.4, 및 1.2 로 간주된 경우 평탄화 층의 평균 두께 th 가 0.5 ㎛ 로 간주된 구조의 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 9 내지 도 11 에 도시된 바와 같이, 마이크로렌즈 부착 컬러 필터 및 0.5 ㎛ 의 두께를 갖는 평탄화 층을 갖는 이미지 센서에서는, 화소 피치 D 가 1.8 ㎛ 인 경우 (도 9), 입사각이 30°를 초과하면 입사광량 및 혼색에 있어서 열화가 발생한다. 마찬가지로, 화소 피치 D 가 1.4 ㎛ 인 경우 (도 10), 입사각이 20°를 초과하면 입사광량 및 혼색에 있어서 상당한 열화가 발생하고, 화소 피치 D 가 1.2 ㎛ 인 경우 (도 11), 입사각이 15°를 초과하면 입사광량 및 혼색에 있어서 상당한 열화가 발생하는 것이 보여진다.
도 6 내지 도 11 에서의 시뮬레이션 결과의 그래프의 세로축 (입사광량) 은, 도 6 에 도시된 수직 입사 (0°의 입사각) 에서의 G1 의 광량을 1 로서 간주하여 표준화된 것임에 주목한다.
도 5 에 도시된 바와 같이, 마이크로렌즈 부착 컬러 필터를 갖는 구조에서는, 평탄화 층이 1.0 ㎛ 의 현실적인 값을 갖는 경우, 1.8 ㎛ 의 화소 피치 D 에서는 입사각이 25°를 초과하면 인접 화소로부터의 혼색이 문제가 된다. 마찬가지로, 1.4 ㎛ 의 화소 피치 D 에서는 입사각이 15°를 초과하면, 그리고 1.2 ㎛ 의 화소 피치 D 에서는 입사각이 10°를 초과하면 혼색으로 인한 성능 열화가 발생한다. 즉, 화소 피치가 감소함에 따라 유효 입사각이 감소된다. 즉, 마이크로렌즈 부착 컬러 필터를 갖는 구조에서는, 평탄화 층의 두께 1.0 ㎛ 인 경우, 도 5 의 직선 (1) 보다 아래의 조건 하에서 만족스러운 성능이 획득될 수도 있다. 화소 피치가 D (㎛), 유효 입사각이 α (°) 로서 간주된 경우, 도 5 의 직선 (1) 은, α=25·D-20 을 나타내고, α≥25·D-20 의 범위에서 G 광의 입사광량의 감소 및 R 광, B 광의 혼색으로 인한 성능 열화 등이 발생한다.
또한, 재료 등에 있어서의 기술적 진보를 통해 장래에 실현될 것으로 예상되는, 평탄화 층이 0.5 ㎛ 의 두께를 갖는 마이크로렌즈 부착 컬러 필터를 갖는 구조의 경우, 도 5 의 직선 (2) 보다 아래의 조건 하에서 양호한 성능이 획득될 수도 있다. 이 경우, α≥25·D-15 의 범위에서 성능 열화가 발생한다.
또한, 평탄화 층이 제조의 이론적 한계인 0 ㎛ 의 두께를 갖는 마이크로렌즈 부착 컬러 필터를 갖는 구조의 경우, 1.8 ㎛ 의 화소 피치 D 에서는 입사각이 40°를 초과하면 인접 화소로부터의 혼색이 문제가 된다. 마찬가지로, 1.4 ㎛ 의 화소 피치 D 에서는 입사각이 30°를 초과하면 그리고 1.2 ㎛ 의 화소 피치 D 에서는 입사각이 22.5°를 초과하면, 혼색에 의한 성능 열화가 발생한다. 이 경우, α≥25·D-5 의 범위에서 성능 열화가 발생한다는 것이 명확해졌다.
이에 반해, 분리벽 부착 컬러 필터는 화소 피치에 관계없이 입사각에 대한 열화가 작고, 1.8 ㎛, 1.4 ㎛, 및 1.2 ㎛ 의 어느 화소 피치에서도 입사각이 45°를 초과할 때까지 혼색 문제가 발생하지 않는 것이 시뮬레이션에 의해 처음으로 명확해졌다. 종래의 마이크로렌즈 부착 컬러 필터의 경우, 화소 피치가 작아질수록 최대 입사각이 작아진다는 사실을 고려하여, 어느 정도까지 평탄화 층의 두께에 또한 의존할 수도 있는, 2 ㎛ 이상의 화소 피치에서는 혼색이 문제가 되지 않는다고 말할 수 있다. 반대로, 화소 피치가 작은 측에 대해서는, 시뮬레이션에서 1.2 ㎛ 까지만 계산이 이루어졌지만, 파장 크기, 즉, 최장 파장인 0.7 ㎛ 의 적색 파장을 컬러 필터의 굴절률로 나눔으로써 획득된 0.4 ㎛ 의 화소 피치까지는 효과적일 수도 있다. 0.4 ㎛ 보다 더 작은 화소 피치측에 대해, 화소 크기가 광의 진폭보다 작아지기 때문에 수직 입사에서도 혼색이 발생할 수도 있다는 것이 예상된다. 상기 연구는 분리벽 부착 컬러 필터가 약 0.4 ㎛ 내지 약 2 ㎛ 의 화소 피치 범위에서 특히 효과적이라는 것을 밝혔다.
시뮬레이션 결과에 기초하여, 본 발명은, 종래의 구성에 의해 달성될 수 없었던 화소 피치와 입사 유효각의 범위를 정의한다. 즉, 본 발명은, 최대 입사각이 마이크로렌즈 부착 컬러 필터에서는 큰 손실이 발생하는 입사각 이상인, 분리벽 부착 컬러 필터를 갖는 이미지 센서에 의해 달성될 수 있는 입사각 범위를 다음과 같이 정의한다.
화소 피치가 2.6 ㎛ 이하일 때, 45≥α≥25·D-20 이고,
화소 피치가 2.4 ㎛ 이하일 때, 45≥α≥25·D-15 이며,
화소 피치가 2.0 ㎛ 이하일 때, 45≥α≥25·D-5 이다.
상술된 바와 같이, 마이크로렌즈 부착 컬러 필터의 경우, 평탄화 층 (30) 을 이용하지 않는 것, 즉, 0 ㎛ 의 두께를 갖는 평탄화 층을 이용하는 것은 현실적이지 않다. 평탄화 층 (30) 이 없는 구조를 채용하기 위해, 컬러 필터층은, 각 색의 필터가 평평한 면으로 그리고 인접 화소 간의 어떤 중첩 부분 없이 동일한 두께를 갖게 하도록 패터닝될 필요가 있다. 실제로는, 각 컬러 필터가 상이한 광 흡수 계수를 갖기 때문에, 동일한 두께를 갖도록 각 색의 컬러 필터를 제공하는 것은 기술적으로 어렵고, 상업적으로 입수가능한 촬상 장치에 이용되는 각 색의 컬러 필터는 일반적으로 상이한 두께를 갖는다. 또한, 각 필터의 표면을 평평하게 하는 것도 또한 어렵고, 실제로는, 단의 부분이 둥근 볼록 형상을 갖는다. 그 결과, 적색, 청색, 및 녹색 컬러 필터의 표면은 볼록 형상을 갖는 각 필터 표면에 요철 표면이 형성되게 된다. 마이크로렌즈는 평면 상에 형성될 필요가 있기 때문에, 컬러 필터의 요철 표면을 평탄화하기 위한 평탄화 층 (30) 이 필수적이다. 컬러 필터의 표면 상의 요철 패턴의 높이 차이는 아무리 그 높이 차이를 감소시키려고 해도 불가피하게 적어도 0.2 내지 0.3 ㎛ 가 남아서, 수지를 도포하여 표면을 평탄하게 하기 위해서는 그 차이의 적어도 3배의 두께를 필요로 한다. 따라서, 현실적인 평탄화 층은 약 1 ㎛ 의 두께를 필요로 한다.
마이크로렌즈 부착 컬러 필터를 갖는 구조에서는, 화소 피치가 감소됨에 따라, 광 입사 유효각이 작아진다. 따라서, 광학계의 전체 길이를 길게 할 필요가 있어, 이는 장치의 소형화에 대한 장애가 되었다. 본 발명의 고상 이미지 센서에서는, 기울어져 입사한 광에 대해 입사각이 45°를 초과할 때까지는 거의 혼색 문제가 발생하지 않는다. 따라서, 본 이미지 센서를 채용한 촬상 장치는, 45°이하의 α 를 갖는 임의의 광학계와 조합하여 사용될 수가 있고, 종래의 마이크로렌즈 부착 이미지 센서에서 각 화소 피치에 대해 상한으로 생각된 입사 유효각보다 큰 입사 유효각을 수용할 수도 있다. 이는 모듈의 전체 길이를 감소시킬 수 있어서 소형화 및 두께 감소에 유리하다. 이에 따라, 본 발명의 촬상 장치는, 디지털 카메라, 다른 가전 제품, 및 개인 휴대 정보 단말기 등의 다양한 용도로 내장된 촬상 장치로서 효과적으로 이용될 수도 있다.
본 발명의 촬상 장치는 또한, 초광각 촬상을 수행할 필요가 있는 감시용 카메라, 초슬림 구성을 필요로 하는 디지털 카메라, 비디오 카메라, 및 휴대 전화기 등에 적용될 수도 있다.

Claims (3)

  1. 렌즈 군 (lens group) 및 개구 조리개를 갖는 촬상 광학계; 및
    상기 촬상 광학계의 촬상면에 형성된 이미지를 촬영하는 고상 이미지 센서 (solid-state image sensor)
    를 포함하고,
    상기 고상 이미지 센서는 기판 상에 복수의 화소들을 갖는 센서이고, 유기 재료로 이루어진 광전 변환층, 및 상기 광전 변환층보다 위에 배치된, 2색 이상의 컬러 필터들과 각 색들의 컬러 필터들 각각을 분리하는 투명한 분리벽을 갖는 컬러 필터층을 포함하고,
    상기 광전 변환층은 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛ 의 두께를 갖고;
    상기 각 색들의 컬러 필터들 각각은 1.5 내지 1.8 의 굴절률을 갖고;
    상기 분리벽은 0.05 ㎛ 내지 0.2 ㎛ 의 폭을 갖고;
    상기 분리벽은 1.22 내지 1.34 의 굴절률을 갖고;
    상기 고상 이미지 센서의 화소 피치 D (㎛) 와 상기 고상 이미지 센서에 입사하는 주광선의 최대 각도 α (°) 사이의 관계가,
    D≤2.4 ㎛ 일 때 45≥α≥25·D-15
    이도록 상기 렌즈 군과 상기 고상 이미지 센서가 배치되는, 촬상 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 화소 피치 D (㎛) 와 상기 주광선의 최대 각도 α (°) 사이의 관계가,
    D≤2.0 ㎛ 일 때 45≥α≥25·D-5
    인, 촬상 장치.
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