KR20080064336A - 마이크로 렌즈 및 그 제조방법과 이를 구비한 광학 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 렌즈 및 그 제조방법과 이를 구비한 광학 소자에 관한 것으로서, 기판 상부에 상호 이격된 복수개의 포토 레지스트 패턴을 형성하고, 포토 레지스트 패턴을 가열하여 마이크로 렌즈 형상으로 리플로우시키며, 건식 식각 공정을 통해 포토 레지스트 패턴의 마이크로 렌즈 형상을 기판의 표면으로 전사하여 마이크로 렌즈를 기판상에 형성하고, 기판에 적외선을 조사하여 상기 마이크로 렌즈의 표면을 어닐링(Annealing)하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 유리(Glass), 실리카(Fused Silica), 석영(Quartz) 등으로 이루어지는 기판에 마이크로 렌즈를 직접 형성함으로써, 마이크로 렌즈의 기계적 강도 및 열적 특성을 향상시킬 수 있고, 건식 식각으로 표면이 거칠게 된 마이크로 렌즈를 적외선 램프로 가열함으로써, 마이크로 렌즈의 표면 조도(Surface Roughness)를 향상시킬 수 있다.
마이크로 렌즈, 건식 식각, 적외선 램프, 표면 조도
Description
도 1a 내지 도 1d는 종래의 마이크로 렌즈의 제조방법을 나타낸 단면도.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명이 마이크로 렌즈의 제조방법을 나타낸 단면도.
도 3a는 적외선 램프로 가열하기 전의 마이크로 렌즈의 표면 상태를 나타낸 도면.
도 3b는 적외선 램프로 가열한 후의 마이크로 렌즈의 표면 상태를 나타낸 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 마이크로 렌즈의 단면도 및 평면도.
도 5는 본 발명의 마이크로 렌즈를 구비한 이미지 센서의 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 기판 105 : 마이크로 렌즈
110 : 포토 레지스트층 115 : 포토 레지스트 패턴
150 : 적외선 램프
본 발명은 마이크로 렌즈 및 그 제조방법과 이를 구비한 광학 소자에 관한 것이다.
마이크로 렌즈(Micro Lens)는 매우 작은 크기의 렌즈로서, 이미지 센서에서 필터에 집광시키기 위한 용도 이외에 평면 광 도파로(Planar Lightwave Circuit : PLC), 레이저 다이오드 및 포토 다이오드 등의 광 소자들 사이의 접속을 포함한 광통신 및 광센서 등 다양한 용도로 널리 사용되고 있다.
이미지 센서란 광학적 영상을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 전하 결합 소자(Charged Coupled Device : CCD)와, 씨모스(CMOS : Complementary Metal Oxide Silicon) 이미지 센서로 구분된다.
전하 결합 소자는 빛의 신호를 전기적 신호로 변환하는 복수의 포토 다이오드가 매트릭스 형태로 배열되고, 상기 매트릭스 형태로 배열된 각 수직 방향의 포토 다이오드 사이에 형성되어 상기 각 포토 다이오드에서 생성된 전하를 수직 방향으로 전송하는 복수개의 수직 방향 전하 전송 영역(Vertical Charge Coupled Device)과, 상기 각 수직 방향 전하 전송 영역에 의해 전송된 전하를 수평 방향으로 전송하는 수평 방향 전하 전송 영역(Horizontal Charge Coupled Device) 및 상기 수평 방향으로 전송된 전하를 센싱하여 전기적인 신호를 출력하는 센스 증폭기를 구비하여 구성된 것이다.
그러나, 이와 같은 전하 결합 소자는 구동 방식이 복잡하고, 전력 소비가 클 뿐만 아니라, 다단계의 포토 공정이 요구되므로 제조 공정이 복잡하다는 단점을 가지고 있다.
또한, 상기 전하 결합 소자는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환 회로 등을 전하 결합 소자 칩에 집적시키기가 어려워 제품의 소형화가 곤란한 단점을 갖는다.
최근에는 상기 전하 결합 소자의 단점을 극복하기 위한 차세대 이미지 센서로서, 씨모스 이미지 센서가 주목을 받고 있다.
상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로 및 신호처리회로 등을 주변회로로 사용하는 씨모스 기술을 이용하여 단위 화소에 해당하는 모스 트랜지스터들을 반도체 기판에 형성함으로써, 상기 모스 트랜지스터들에 의해 각 단위 화소의 출력을 순차적으로 검출하는 스위칭 방식을 채용한 소자이다.
즉, 씨모스 이미지 센서는 단위 화소 내에 포토 다이오드와 모스 트랜지스터를 형성시킴으로써, 스위칭 방식으로 각 단위 화소의 전기적 신호를 순차적으로 검출하여 영상을 구현한다.
상기 씨모스 이미지 센서는 씨모스 제조 기술을 이용하므로 비교적 적은 포토 공정을 거쳐 제조상의 장점을 갖는다.
또한, 상기 씨모스 이미지 센서는 제어회로, 신호처리회로, 아날로그/디지털 변환회로 등을 씨모스 이미지 센서 칩에 집적시킬 수가 있으므로 제품의 소형화가 용이하다는 장점이 있다.
따라서, 상기 씨모스 이미지 센서는 현재 디지털 정지 카메라(Digital Still Camera), 디지털 비디오 카메라, 모바일 전화에 내장된 카메라 등과 같은 다양한 응용 부분에 널리 사용되고 있다.
상기 CCD 이미지 센서 및 씨모스 이미지 센서는 공통적으로 빛의 파장을 감지하여 컬러를 구현하는 컬러 필터 및 마이크로 렌즈를 구비하고 있는데, 상기 마이크로 렌즈는 이미지 센서에 입사된 광을 컬러 필터에 집광시키는 역할을 한다.
이미지 센서의 크기를 유지하면서 고화소의 이미지 센서를 구현하고자 하는 경우, 화소의 소형화로 인해 각 화소에 입사되는 광량이 적어지므로, 이러한 마이크로 렌즈는 고화소 이미지 센서에 꼭 필요한 구성요소이다.
도 1a 내지 도 1d는 종래의 마이크로 렌즈의 제조방법을 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 먼저 기판(10) 상부에 렌즈용 수지층(20) 및 포토레지스트층(30)을 순차적으로 형성한다(도 1a).
여기서, 상기 기판(10)으로는 실리콘 기판, 쿼츠(Quartz) 기판 등이 사용되며, 상기 렌즈용 수지층(20)은 폴리머로 이루어진다.
다음으로, 포토 리소그래피(Photo Lithography) 공정을 이용하여 상기 포토레지스트층(30)을 패터닝한다.(도 1b).
이어서, 상기 패터닝된 포토레지스트층(30)을 식각 마스크로 하여 렌즈용 수지층(20)을 식각함으로써, 상기 기판(10) 상부에 렌즈 곡면에 대응하는 수지 패턴(25)을 형성한다(도 1c).
연이어, 상기 수지 패턴(25)에 열을 가해 리플로우(Reflow) 시킴으로써, 기판(10) 상부에 마이크로 렌즈(23)를 형성한다(도 1d).
종래의 마이크로 렌즈의 제작방법에서는, 마이크로 렌즈(23)를 폴리머 재질 을 사용하여 형성하였는데, 폴리머 재질로 이루어지는 마이크로 렌즈(23)는 기계적 강도가 약하고, 열에 약하다는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 유리로 이루어지는 기판 상부에 포토레지스트층을 형성하고, 포토레지스트층을 패터닝한 후 식각하여 포토레지스트 패턴을 기판에 전사시킴으로써 마이크로 렌즈를 형성하는 방안이 제시되었으나, 이러한 방법에 의해 형성되는 마이크로 렌즈는 표면 거칠기(Surface Roughness)가 커서 광학적 특성이 열악하다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 마이크로 렌즈를 직접 유리 기판에 형성함으로써, 기계적 강도 및 열적 성능이 우수한 마이크로 렌즈 및 그 제조방법과 이를 구비한 광학 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 유리로 이루어지는 마이크로 렌즈를 적외선 램프로 가열함으써, 표면 거칠기를 향상시킨 마이크로 렌즈 및 그 제조방법과 이를 구비한 광학 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 마이크로 렌즈의 제조방법의 바람직한 실시예는, 기판 상부에 상호 이격된 복수개의 포토 레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토 레지스트 패턴을 가열하여 마이크로 렌즈 형상으로 리플로우시키는 단계와, 건식 식각 공정을 통해 상기 포토 레지스트 패턴의 마이크로 렌즈 형상을 기판의 표면으로 전사하여 마이크로 렌즈를 상기 기판상에 형성하는 단계와, 상기 기판에 적외선을 조사하 여 상기 마이크로 렌즈의 표면을 어닐링(Annealing)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자의 바람직한 실시예는, 광전 변환에 의해 신호 전하를 얻기 위한 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드로부터 얻은 전하를 전송하기 위한 전송 전극과, 상기 포토 다이오드 위에 위치한 컬러 필터와, 상기 컬러 필터 위에 형성되는 마이크로 렌즈를 포함하여 구성되며, 상기 마이크로 렌즈는 유리(Glass), 실리카(Fused Silica), 석영(Quartz) 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지고, 1㎚ ~ 10㎚의 표면 조도를 가지는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 마이크로 렌즈 및 그 제조방법과 이를 구비한 광학 소자에 대해 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명이 마이크로 렌즈의 제조방법을 나타낸 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 기판(100) 상부에 포토레지스트층(110)을 형성한다(도 2a).
여기서, 상기 기판(100)은 유리(Glass), 실리카(Fused Silica), 석영(Quartz) 등으로 이루어진다.
다음으로, 포토 리소그래피 공정을 이용하여 상기 기판(100) 상부에 포토 레지스트 패턴(115)을 형성한다(도 2b).
상기 기판(100) 상부에 형성되는 포토 레지스트 패턴(115)은 원통형의 형상을 가지며, 이후에 형성될 마이크로 렌즈 영역을 정의하게 된다.
이어서, 상기 포토 레지스트 패턴(115)을 가열하여 리플로우(Reflow) 시킨다(도 2c).
즉, 상기 포토 레지스트 패턴(115)을 유리 천이온도(Glass Transition Temperature) 이상의 소정의 온도로 가열하여 리플로우시킨다.
여기서, 포토 레지스트 패턴(115)을 가열하는 온도는 100℃ ~ 300℃인 것이 바람직하며, 1분 ~ 10분 정도 가열하는 것이 바람직하다.
상기 온도로 포토 레지스트 패턴(115)을 가열하면, 포토 레지스트 패턴(115)은 준 액체 상태가 되며, 이때 포토 레지스트 패턴(115)은 표면 장력(Surface Tension)에 의해 볼록 렌즈의 형상을 갖게 된다.
연이어, 상기 볼록 렌즈 형상의 포토 레지스트 패턴(115)을 마스크로 하여 상기 기판(100)을 식각한다(도 2d).
즉, 진공 챔버 내에서 상기 볼록 렌즈 형상의 포토 레지스트 패턴(115)을 마스크로 하여 상기 기판(100)을 식각함으로써, 기판(100)에 마이크로 렌즈(105)를 형성한다.
이때, 상기 식각 공정은 적절한 조건에서 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching : RIE)과 같은 건식 식각 공정으로 수행한다.
이와 같이, 상기 볼록 렌즈 형상의 포토 레지스트 패턴(115)을 마스크로 하여 건식 식각을 행하게 되면, 포토 레지스트 패턴(115)의 볼록 렌즈 형상이 식각되는 기판(100)에 그대로 전사(Transfer)되어 구면의 굴절 곡면을 갖는 마이크로 렌즈(105)가 얻어진다.
다음으로, 상기 마이크로 렌즈(105)가 형성된 기판(100)을 적외선 램프(Infrared Ray Lamp)로 가열하여 마이크로 렌즈(105)의 표면 조도를 향상시킨다(도 2e).
상기 건식 식각 공정을 수행한 결과, 마이크로 렌즈(105)의 표면은 매우 거칠은 상태가 되는데, 적외선 램프로 가열하여 줌으로써 마이크로 렌즈(105)의 표면 거칠기를 즉, 표면 조도를 향상시켜 준다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 유리(Glass), 실리카(Fused Silica), 석영(Quartz) 등으로 이루어지는 기판에 마이크로 렌즈를 직접 형성함으로써, 마이크로 렌즈의 기계적 강도 및 열적 특성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 반도체 공정을 후공정에 바로 적용할 수 있으므로 제조 공정을 간단 히 할 수 있으며, 다양한 분야에 적용이 가능하다.
또한, 본 발명은 건식 식각으로 표면이 거칠게 된 마이크로 렌즈를 적외선 램프로 가열함으로써, 마이크로 렌즈의 표면 조도(Surface Roughness)를 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 마이크로 렌즈를 적외선 램프로 가열하는 공정을 설명하는 도면으로, 도 3a는 적외선 램프로 가열하기 전의 마이크로 렌즈의 표면 상태를 나타낸 도면이고, 도 3b는 적외선 램프로 가열한 후의 마이크로 렌즈의 표면 상태를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 3a를 참조하면 기판(100)에 형성된 마이크로 렌즈(105)는 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching : RIE)과 같은 건식 식각 공정 결과로 형성되기 때문에, 그 표면이 거칠게 되며 잔여물들이 남아있게 된다.
따라서, 적외선 램프(150)로 상기 마이크로 렌즈(105)를 가열하여 주는데, 적외선 램프로 마이크로 렌즈(105)를 가열하면 마이크로 렌즈(105)의 표면이 거친 부분 즉, 잔여물들이 남아있는 부분이나 울퉁 불퉁한 부분은 적외선이 투과하지 못하고 흡수되어 어닐링(Annealing)된다.
즉, 마이크로 렌즈(105)의 표면이 거친 부분에 열이 집중적으로 흡수되어 마이크로 렌즈(105)의 표면에 남아있는 잔여물들이 어닐링되면서 마이크로 렌즈(105)의 표면 조도가 향상되게 된다.
이때, 상기 마이크로 렌즈(105)는 1000㎚ ~ 2000㎚의 파장을 가지는 적외선 램프(150)를 사용하여 1분 ~ 10분 정도의 시간으로 가열하는 것이 바람직하다.
상기 적외선 램프(150)로 가열한 결과, 마이크로 렌즈(105)는 도 3b에서 보는 바와 같이 매끄러운 표면을 가지게 된다.
이때, 상기 마이크로 렌즈(105)는 10㎚이하의 최고 값 거칠기를 가진다.
즉, 표면 거칠기의 정도는 최고 값 거칠기 Rmax로 나타낼 수 있는데, 상기 마이크로 렌즈(105)는 Rmax = 1㎚ ~ 10㎚의 값을 가진다.
소정 물체의 표면을 상기 표면과 수직인 평면으로 절단하는 경우, 그 단면은 특정 곡선을 이루게 되는데 상기 곡선의 가장 낮은 곳에서 가장 높은 곳까지의 길이를 최고 값 거칠기라 한다.
도 4는 본 발명의 마이크로 렌즈를 나타낸 도면으로, 도 4a는 본 발명의 마이크로 렌즈의 단면도이고, 도 4b는 본 발명의 마이크로 렌즈의 평면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 기판(200)에 볼록렌즈 형상의 마이크로 렌즈(205)가 매트릭스 형태로 배열되어 있다.
여기서, 상기 기판(200)은 유리(Glass), 실리카(Fused Silica), 석영(Quartz) 등으로 이루어지며, 상기 마이크로 렌즈(205)의 표면 조도는 10㎚이하의 값을 가진다.
본 발명에 의해 제조된 마이크로 렌즈는 여러 다양한 분야에 응용될 수 있는 데, 여기서는 본 발명의 마이크로 렌즈를 구비한 이미지 센서에 대해 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 마이크로 렌즈를 구비한 이미지 센서의 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 광전 변환에 의해서 신호 전하를 얻기 위한 수광부(예를 들면, 포토 다이오드)(301)를 형성한 실리콘 기판(300) 상에 절연막(302)을 통해 전송 전극(303)이 형성되고, 층간 절연막(304), 실리콘 산화막(305), 수광부(302) 상부에 개구를 갖는 차광막(306), 표면 보호막(307), 제1 평탄화막(308), 컬러 필터(309), 제2 평탄화막(310)이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 제2 평탄화막(310) 상부에 마이크로 렌즈(311)가 형성되어 있다.
여기서, 상기 마이크로 렌즈(311)에서 집광된 입사 가시광은, 컬러 필터에 의해 적색광, 녹색광 및 청색광의 3원색으로 분리된다.
상기 마이크로 렌즈(311)는 유리(Glass), 실리카(Fused Silica), 석영(Quartz) 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지며, 상기 마이크로 렌즈(311)의 표면 조도는 10㎚이하의 값을 가진다.
상기 제2 평탄화막(310)은 상기 컬러 필터(309)를 보호하고 표면을 평탄화하기 위한 것으로서 생략될 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해 할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 유리(Glass), 실리카(Fused Silica), 석영(Quartz) 등으로 이루어지는 기판에 마이크로 렌즈를 직접 형성함으로써, 마이크로 렌즈의 기계적 강도 및 열적 특성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 반도체 공정을 후공정에 바로 적용할 수 있으므로 제조 공정을 간단히 할 수 있으며, 다양한 분야에 적용이 가능하다.
또한, 본 발명은 건식 식각으로 표면이 거칠게 된 마이크로 렌즈를 적외선 램프로 가열함으로써, 마이크로 렌즈의 표면 조도(Surface Roughness)를 향상시킬 수 있다.
Claims (8)
- 기판 상부에 상호 이격된 복수개의 포토 레지스트 패턴을 형성하는 단계;상기 포토 레지스트 패턴을 가열하여 마이크로 렌즈 형상으로 리플로우시키는 단계;건식 식각 공정을 통해 상기 포토 레지스트 패턴의 마이크로 렌즈 형상을 기판의 표면으로 전사하여 마이크로 렌즈를 상기 기판상에 형성하는 단계; 및상기 기판에 적외선을 조사하여 상기 마이크로 렌즈의 표면을 어닐링(Annealing)하는 단계를 포함하여 이루어지는 마이크로 렌즈의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 유리(Glass), 실리카(Fused Silica), 석영(Quartz) 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 포토 레지스트 패턴은 원통형(Cylindrical)인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 건식 식각 공정은 반응성 이온 식각(Reactive Ion Etching : RIE) 공정으로 수행하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 기판에 적외선을 조사하는 단계는,상기 기판에 1000㎚ ~ 2000㎚의 파장을 가지는 적외선 램프를 사용하여 1분 ~ 10분의 시간 동안 조사하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈의 제조방법.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항으로 제조된 마이크로 렌즈.
- 제6항에 있어서,상기 마이크로 렌즈의 표면 조도는 1㎚ ~ 10㎚인 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈.
- 광전 변환에 의해 신호 전하를 얻기 위한 포토 다이오드;상기 포토 다이오드로부터 얻은 전하를 전송하기 위한 전송 전극;상기 포토 다이오드 위에 위치한 컬러 필터; 및상기 컬러 필터 위에 형성되는 마이크로 렌즈를 포함하여 구성되며,상기 마이크로 렌즈는 유리(Glass), 실리카(Fused Silica), 석영(Quartz) 중에서 선택된 어느 하나의 물질로 이루어지고, 1㎚ ~ 10㎚의 표면 조도를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈를 구비한 광학 소자.
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