KR20090033269A - 광학 필터 매트릭스 구조체 및 그에 관련된 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 2 개의 기본적인 광학 필터(R, V, B)의 세트로 이루어진 광학 필터링 매트릭스 구조체에 관한 것으로서, 하나의 기본적인 광학 필터는 최적의 투과 주파수에 중심을 두고, 상기 광학 필터링 구조체는, 제 1 의 n 번째 금속층(m1)과 실질적으로 투명한 층(d3) 사이에서 번갈아 있는 n 개의 금속층(m1, m2, m3) 및 n 개의 실질적으로 투명한 층(d1, d2, d3)의 적층을 포함하고, n 개의 금속층(m1, m2, m3)들 각각은 일정한 두께를 가지고, 적어도 하나의 실질적으로 투명한 층은 기본적인 광학 필터의 최적 투과 주파수를 설정하는 가변적인 두께를 가지며, n 은 2 보다 크거나 2 와 같은 정수이다. 이것은 이미지 센서를 소형화하는데 적용된다.
Description
본 발명은 광학 필터링 매트릭스 구조체에 관한 것이며, 본 발명에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체를 포함하는 이미지 센서에 관한 것이다.
본 발명은 예를 들면 이동 전화기의 소형 카메라 이미지 센서들과 같은 작은 치수의 이미지 센서들을 제조하는데 특히 유리하게 적용될 수 있다.
전자 센서로 이미지를 얻는 것은 완전히 개발되어 있다. 센서들의 제조를 단순화시켜야 하는 필요성은 매우 강하게 지속된다. 통상적으로 CCD 센서로 지칭되는 전하 결합 소자는 점진적으로 CMOS 기술의 액티브 픽셀 센서(active pixel sensors)로 교체되고 있으며, 이것은 통상적으로 CMOS APS(Active Pixel Sensor)로 지칭된다.
이미지 센서를 위해서 해결되어야 하는 중요한 문제점들중 하나는 칼러를 얻는 것에 관한 것이다. 가시 스펙트럼(레드, 그린, 블루)으로부터 취해진 3 가지 칼러들로 시작하여, 대부분의 칼러들을 기록하고 재생하는 것이 가능하다.
장비의 특정한 부분들은 3 개의 칼러 밴드(color band)들을 분리함으로써 시작되고, 다음에 칼러 밴드들을 3 개의 이미지 센서들을 향하여 지향시킨다. 다른 것들은 검출부들의 단일 매트릭스 표면에서 칼러들을 직접적으로 분리시킨다: 상기 센서들의 제 2 유형이 본 발명에 관련된 것이다.
상기 제 2 유형의 센서들에 대해서, 2 가지의 선택 사양들이 고려된다.
- 광자를 전자로 변환시키는 것이 수행되는 물질(포토사이트(photosite))에서 상이한 칼러들이 동일한 깊이로 침투되지 않는다는 사실을 구조체의 몇 개 레벨에서 이용하여, 매우 복잡한 검출 매트릭스를 만들거나;
- 또는 검출기들의 매트릭스 표면에서 매트릭스로서 위치된 필터들의 세트를 추가한다.
제 2 선택(검출기들의 매트릭스의 표면에 매트릭스로서 위치된 필터들의 세트들을 추가함)은 대부분 이용되는 것이다. 가장 표준적인 매트릭스는 통상적으로 바이에르 매트릭스(Bayer matrix)로 지칭되는 매트릭스이다.
바이에르 매트릭스의 예는 상부로부터 도시된 것이 도 1 에 도시되어 있다. 도 1 에 도시된 바이에르 매트릭스는 2 x 2 (2 개 라인 x 2 개 칼럼) 매트릭스이다. 좌측으로부터 우측으로, 열(1) 라인의 필터들은 각각 그린(green) 필터 및 레드(red) 필터이고, 열(2) 라인의 필터들은 각각 블루(blue) 필터 및 그린 필터이다.
그러한 필터링 매트릭스를 만드는 것은 컬러화된 수지들을 이용함으로써 편리하게 달성된다. 필터링 매트릭스의 제조를 용이하게 하기 위하여, 자외선 조사에 감광성이 있는 수지들을 이용하게 되는데, 그러한 것에서는 격리되지 않았던 곳이 현상조(developing bath)에서 제거될 수 있다. 예를 들면, 종래 기술에 따른 바이 에르 매트릭스를 제조하기 위하여, 수지의 3 개 층들이 연속적으로 증착된다: 하나는 그린을 위한 것이고, 하나는 레드를 위한 것이고, 하나는 블루를 위한 것이다. 각각의 증착에서, 수지들 각각은 마스크를 통해서 격리되고 현상됨으로써 그것이 배치되어야만 하는 곳에만 남아있게 된다.
도 2 의 개략도는 종래 기술로부터의 APS CMOS 의 단순화된 구조체를 도시한다. CMOS APS 센서는, 감광성 영역(Zph) 및 전자 회로(E1)가 형성되는 표면에 있는, 예를 들면 실리콘인, 감광성 반도체 요소(1), 전기적인 상호 연결부(3)들이 통합되고 전자 회로(E1)를 함께 연결시키는 실리카 층(2), 블루 필터(B), 레드 필터(R) 및 그린 필터(V)를 형성하는 수지 층, 수지의 층(4) 및 마이크로 렌즈(MC)들의 세트를 포함한다.
이러한 센서 제조 기술은 현재 잘 제어되고 있다. 그러나 이러한 센서의 단점은 적외선을 필터링시키는 것이 불가능하다는 것이다. 따라서 상기의 센서 뒤에, 적외선을 제거하기 위한 다층 간섭 필터가 제공된 유리 시트(glass sheet)를 추가할 필요가 있다.
더욱이, 수지들은 조밀하지 않으며 충분한 필터링 효과를 얻기 위하여 현재 1 마이크론보다 크거나 1 마이크론에 가까운 수지(resin) 두께를 둘 필요가 있다. 최근의 이미지 센서들의 픽셀들의 크기는 결국 이러한 크기(통상적으로 2 마이크로미터)에 근접하게 된다. 이러한 픽셀 크기는 광선(ray)들이 센서의 표면(이미지의 가장자리 또는 강하게 개방된 대상체)에 강한 입사로써 도달하였을 때 문제를 일으킨다. 실제로, 필터를 통과하도록 허용된 광자들은 이웃하는 필터의 포토사이 트(photosite)에서 광자들의 진행이 끝나게 될 수 있다. 따라서 이러한 현상은 소형화(miniaturization)를 상당히 제한한다.
칼러화된 수지들은 또한 용이하게 비균질화되는 것으로 알려져 있다. 따라서 필터링 비균질성은 픽셀들이 작기 때문에 더욱 두드러진다. 이것은 다른 단점을 나타낸다.
더욱이, 수지가 아닌 흡수성 재료들이 있지만, 그것이 더욱 흡수성이 있다면, 일체화된 포토사이트의 매트릭스를 간단히 제조하는 것과 양립되도록 그 재료들 제조하는데 있어서 그러한 재료들이 많은 문제점을 일으키며, 그러한 제조는 너무 비용이 많이 소요된다.
본 발명은 상기에 언급된 단점들을 가지지 않는다.
실제로, 본 발명은 적어도 2 개의 기본적인 광학 필터들의 세트로 이루어진 광학 필터링 구조체에 관한 것으로서, 하나의 기본적인 광학 필터는 최적 투과 주파수에 중심을 두고, 광학 필터링 구조체는, 제 1 금속 층과 n 번째의 실질적으로 투명한 층 사이에 번갈아 있는 n 개의 금속층 및 n 개의 실질적으로 투명한 층들의 적층부를 포함하고, n 개의 금속층들 각각은 일정한 두께를 가지고, 적어도 하나의 실질적으로 투명한 층은 가변적인 두께를 가지며, 가변적인 두께는 기본적인 광학 필터의 최적 투과 주파수를 설정하고, n 은 2 보다 크거나 또는 2 와 같은 정수이다.
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, n=2 이고 오직 하나의 실질적으로 투명한 층이 가변적인 두께를 가지고, 가변적인 두께를 가진 실질적으로 투명한 층은 제 1 금속층과 제 2 금속층 사이에 위치된 실질적으로 투명한 층이다.
본 발명의 다른 추가적인 특징에 따르면, n=3 이고, 실질적으로 투명한 2 개의 층들은 가변적인 두께를 가지고, 가변적인 두께를 가진 실질적으로 투명한 제 1 층은 제 1 금속층과 제 2 금속층 사이에 위치된 실질적으로 투명한 층이고, 가변적인 두께를 가진 실질적으로 투명한 제 2 층은 제 2 금속층과 제 3 금속층 사이에 위치되고, 실질적으로 투명한 제 1 층의 두께 변화로부터 초래된 과도 두께(overthickness)는 실질적으로 투명한 제 2 층의 두께 변화로부터 초래된 과도 두께와 실질적으로 적층된다.
본 발명의 다른 추가적인 특징에 따르면, 기본적인 광학 필터들은 매트릭스로서 위치된다.
본 발명의 다른 추가적인 특징에 따르면, 매트릭스는 레드, 그린 및 블루의 3 개 칼러들을 필터링시키기 위한 바이에르 매트릭스(Bayer matrix) 이다.
본 발명의 다른 추가적인 특징에 따르면, 금속 층들은 은(Ag)이다.
본 발명의 다른 추가적인 특징에 따르면, 실질적으로 투명한 층들을 만드는 재료는 티타늄 이산화물(TiO2), 실리카(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 하프늄 산화물(HfO2)로부터 선택된다.
본 발명은 또한 광학 센서에 관한 것인데, 이것은 광학 필터링 구조체 및, 광학 필터링 구조체가 증착되어 있는 감광성 반도체 기판을 포함하고, 광학 필터링 구조체는 본 발명에 따른 구조체이고, 그것의 제 1 금속층은 반도체 기판의 제 1 면상에 증착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광학 필터링 구조체 및, 광학 필터링 구조체가 증착되어 있는 감광성 반도체 기판을 포함하는 광학 센서로서, 광학 필터링 구조체는 본 발명에 따른 구조체이고, 광학 센서는 장벽층을 포함하고, 장벽층의 제 1 면은 반도체 기판의 제 1 면상에 증착되고 장벽층의 제 2 면은 광학 필터링 구조체의 제 1 금속층과 접촉하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, 장벽층은 광학 필터링 구조체의 실질적으로 투명한 층들을 형성하는 재료와 동일한 재료로 만들어진다.
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, 장벽층은 부분적으로나 또는 전체적으로 전기 도전성이다.
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, 장벽층의 재료는, 전기적으로 도전성의 부분들에서 인듐 도핑 주석 산화물(ITO)이고, 전기적으로 비도전성의 부분들에서 실리카(SiO2) 또는 실리콘 질화물(Si3N4)이다.
본 발명의 추가적인 특징에 따르면, 감광성 영역 및 전자적 구성 요소들은 감광성 반도체의 제 1 면상에 형성된다.
본 발명의 다른 추가적인 특징에 따르면, 감광성 영역 및 전자적 구성 요소들은 제 1 면에 반대편인, 감광성 반도체의 제 2 면상에 형성된다.
투명층들의 변경 및 금속 층들로 이루어진 다층 필터들이, 통상적으로 PBG(Photonic Band Gap)로 지칭되는 포토닉 억제 밴드(photonic forbbiden band)를 가진 구조체를 제조하기 위한 것으로 알려져 있다. 미국 특허 6,262,830 호는 포토닉 억제 밴드를 가진 금속 유전체 투명 구조체를 개시한다.
미국 특허 6,262,930 에 개시된 포토닉 억제 밴드를 가진 금속-유전체 투명 구조체들은, 얇은 금속 층들에 의해 분리되고 절반의 파장에 근접한 두께를 가진 복수개의 투명 유전체 층을 중첩시킨 것으로 이루어진다. 각각의 유전체 층 또는 금속 층의 두께는 균일하다. 이러한 구조체들은 특정 주파수 밴드들을 통과시키고 다른 것들을 차단하도록 설계된다. 이러한 구조체의 단점은, 구조체가 투명해야 하는 것으로 소망되는 영역들을 포함하는 곳에서 광의 일부가 흡수된다는 것이다.
당업자가 예상하지 못한 방식으로, 본 발명은 오직 하나 또는 2 개의 투명층의 두께를 변화시키는 반면에 모든 다른 층들은 일정한 두께로 있으면서, 어떤 특정한 주파수의 투과에 적합화된 광학 필터링 구조체를 제조하는 것으로 보인다. 단면도에 도시된 바와 같이, 가변적인 두께를 가진 투명층(들)은 매트릭스에서의 위치에 따라서 단계별로 변화된다.
유리하게는, 본 발명에 따른 광학 필터링 구조체, 예를 들면 바이에르 매트릭스는, 매트릭스의 모든 기본적인 광학 필터들이 유용한 파장들의 최소값보다 작은 두께를 가지도록 될 수 있다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예를 읽음으로써 명백해질 것이다.
도 1 은 이미 설명된 것으로서, 종래 기술에 따른 바이에르 매트릭스의 평면도를 도시한다.
도 2 는 이미 설명된 것으로서, 종래 기술에 다른 CMOS APS 센서의 단면도를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 광학 필터링 매트릭스의 평면도를 도시한다.
도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체의 2 개의 상이한 축들을 따른 단면도를 도시한다.
도 5 는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체의 광학 필터링의 성능을 도시한다.
도 6a 및 도 6b 는 본 발명의 제 2 구현예에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체의 2 개의 상이한 축들을 따른 단면도를 도시한다.
도 7 은 본 발명의 제 2 구현예에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체의 광학 필터링 성능을 도시한다.
도 8 은 본 발명의 제 2 구현예에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체를 이용하는 센서 블록 단면도를 도시한다.
도 9 는 본 발명에 따른 제 1 대안의 센서를 도시한다.
도 10 은 본 발명에 따른 제 1 대안의 센서를 도시한다.
모든 도면들에서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 3 은 본 발명의 광학 필터링 매트릭스 구조체(optical filtering matrix structure)에 대한 평면을 도시한다. 위로부터 도시된 바와 같이, 본 발명의 광학 필터링 매트릭스 구조체는 도 1 에 도시된 종래 기술로부터의 기본 구조체를 반복함으로써 얻어진 기하 형상을 가진다. 레드, 그린 및 블루의 칼러들을 각각 선택하기 위한 필터링 셀(filtering cells, R,V,B)들은 서로 옆에 배치된다.
도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 광학 필터링 매트릭스 구조체의 단면도를 2 개의 상이한 축들을 따라서 도시한 것이다. 도 3 을 참조하면, 도 4a 는 도 3 의 축(AA)을 따른 단면도이고, 도 4b 는 도 3 의 축(BB)을 따른 단면도이다. 축(AA)은 그린의 광학적 필터(V)들을 대각선으로 절단한다. 축(BB)은 축(AA)에 대하여 직각인 축이며, 대각선의 외측에서 연속적인 블루(B), 그린(V), 레드(R), 그린(V), 블루(B), 그린(V), 레드(R)등의 광학적 필터들을 절단한다.
이미지 센서는 예를 들면 실리콘인 감광성 반도체 요소(1)를 포함하며, 그곳에는 제 1 금속층(m1), 제 1 투명층(d1), 제 2 금속층(m2) 및 제 2 투명층(d2)이 연속적으로 놓인다. 금속층(m1,m2)을 제조하는데 이용되는 금속은 예를 들면 은(Ag)이고, 투명층(d1,d2)을 제조하는데 이용되는 금속은 예를 들면 유전체로서, 이것은 예를 들면 티타늄 이산화물(TiO2)일 수 있다.
층(d1)은 조절층(adjustment layer)으로서, 조절층의 두께 변화는 필터의 상이한 투과 파장(transmission wavelength)을 변화시키며, 모든 다른 층들은 일정한 두께를 가진다. 따라서 층(d1)의 두께 변화는 블루 칼러(두께(e1)), 그린 칼러(두께(f1)) 및 레드 칼러(두께(g1))의 선택적인 투과에 적합화된다.
금속층(m1,m2)들이 은(Ag)의 층이고 투명층(d1,d2)들이 티타늄 이산화물(TiO2) 층인 특정의 경우에, 층(m1,m2) 및 층(d2)의 두께는 같으며, 예들 들면 각각 27 nm, 36nm 및 41nm 이고, 층(d1)의 두께는 50 nm 과 90 nm 사이에서 변화되며;즉, 블루에 대하여 52 nm 이고, 그린에 대하여 70 nm 이고, 레드에 대하여 87 nm 이다.
층들의 두께는 다른 재료들에 대하여 상이한 값을 취할 것이다. 비제한적인 예로서, 금속 층들은 Ag, Al, Au, Nb, Li 로 제작될 수 있고, 투명층들은 TiO2, ITO, SiO2, Si3N4, MgF2, SiON, Al2O3, HfO2 로 제작될 수 있다. 일반적으로, 층(m1,d1,m2,d2)들의 두께는 다층 필터 계산을 위한 알고리듬(algorithms)으로써 계산된다.
도 4a 및 도 4b에 있어서, (그리고 이것은 전체 다른 도면들에 대해서도 마찬가지이다) 층의 두께는 두께 변화를 보다 잘 나타내도록 의도적으로 확대된다는 점이 주목되어야 한다.
도 5 는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 필터링 매트릭스 구조체의 광학적 필터링 성능들을 나타낸다. 이들 곡선들은 도 5 에 도시되어 있는데, 즉, (블루 필터들을 위한) 블루 칼러에 대한 투과 곡선(C1), (그린 필터들을 위한) 그린 칼러에 대한 투과 곡선(C2) 및, (레드 필터들을 위한) 레드 칼러에 대한 투과 곡선(C3)을 나타낸다. 곡선(C1,C2,C3)들은 nm 으로 표시된 파장(λ)에 따른 백분율로서 나타낸 매트릭스 구조체의 투과 계수를 도시한다.
오직 4 개의 층들로써 얻어진 투과 결과들의 우수한 품질(투과는 실질적으로 70 %를 달성) 뿐만 아니라, 900 nm 을 넘는 적외선 파장의 우수한 배제(rejection)도 얻어질 수 있다는 점이 주목되어야 한다.
더욱이, 광학적 필터들은 근자외선(400 nm)과 적외선(1100 nm) 사이에 하나의 투과 피크(transmission peak)를 나타낸다. 이것은 근적외선(> 800 nm)에서 이미 기생의 투과(parasitic transmission)을 가지는 종래 기술의 유전성 구조체와 비교할 때 유리한 것이다.
도 6a 및 도 6b 는 본 발명의 제 2 구현예에 따른 광학적 필터링 매트릭스 구조체의 2 개의 상이한 축들을 따른 단면도를 도시한다. 도 3을 참조하면, 도 6a 는 축(AA)을 따른 단면도이고, 도 6b 는 축(BB)을 따른 단면도이다.
이미지 센서는 감광성 반도체 요소(1), 예를 들면 반도체를 포함하며, 그것에는 3 개의 금속 층(m1,m2,m3) 및 3 개의 투명층(d1,d2,d3)들이 번갈아서 놓이고, 금속층(m1)은 반도체 요소(1)와 접촉된다. 금속층(m1-m3)은 예를 들면 은(Ag)이고, 투명층(d1-d3)은 예를 들면 티타늄 이산화물(TiO2)이다.
층(d1,d2)들은 조절층(adjustment layers)들인데, 이들의 두께 변화는 필터의 상이한 투과 파장들을 설정하며, 모든 다른 층들은 일정한 두께를 가진다. 층(d1)의 두께 변화로부터 초래된 과도한 두께는 층(d2)의 두께 변화로부터 초래된 과도한 두께와 일치한다 (과도한 두께가 쌓이게된다). 층(d3)은 반사 방지 층이다. 층(d1 및 d2)들의 두께 변화는 따라서 상이한 칼러들의 선택적인 투과에 적합화된 다:
- 층(d1)의 두께(e1) 및 층(d2)의 두께(e2)는 블루 칼러의 선택적인 투과를 위해 연관된다;
- 층(d1)의 두께(f1) 및 층(d2)의 두께(f2)는 그린 칼러의 선택적인 투과를 위해 연관된다;
- 층(d1)의 두께(g1) 및 층(d2)의 두께(g2)는 레드 칼러의 선택적인 투과를 위해 연관된다.
은(Ag)으로 만든 금속 층들 및 티타늄 이산화물(TiO2)의 투명 층들의 특정한 경우에, 층(m1, m2, m3 및 d3)들의 두께는 예를 들면 각각 23nm, 39nm, 12nm 및 65nm 이며, 층(d1,d2)들의 두께는 50 nm 와 100 nm 사이에 포함된다, 즉:
| d1 | d2 | |
| 블루 | 52 nm | 51.4 nm |
| 그린 | 70 nm | 73.5 nm |
| 레드 | 87.5 nm | 96 nm |
이러한 매트릭스 구조체로부터 초래된 투과 스펙트럼은 도 7 에 도시되어 있다. 곡선(D1, D2, D3)들은 nm 으로 표시된 파장(λ)에 따른 백분율로서 나타낸 매트릭스 구조체의 투과 계수(T)를 나타낸다. 3 개의 소망의 칼러들(레드, 그린, 블루)에 대응하는 중앙 파장들에서, 투과는 실질적으로 60 내지 70 % 사이에 포함된다.
도 8 은 본 발명의 제 2 구현예에 따른 광학적 필터링 매트릭스 구조체의 향상된 것에 대한 단면도를 도시한다. 매트릭스 구조체는 여기에서 마이크로 렌즈(MC)들의 세트가 구비되어 있는데, 마이크로 렌즈들은 포토사이트(photosite)에 서 광(L)의 초점을 맞춘다. 알려진 바와 같이, 마이크로 렌즈(MC)들은 평탄화 층(P)상에 배치된다.
도 6a 및 도 6b 를 참조하여 이미 설명된 요소들인 마이크로 렌즈(MC) 및 평탄화 층(P)에 더하여, 본 발명의 매트릭스 구조체는 장벽 층(b)을 포함하는데, 장벽 층(b)은 반도체(1)를 금속 층(m1)으로부터 보호한다. 장벽 층(b)은 반도체(1)가 금속 층(m1)에 의해 오염되는 것을 방지한다 (금속 이온이 반도체로 이동하는 것에 의한 오염을 방지한다). 예를 들면, 금속이 은(Ag)인 경우에, 실리카 장벽 층 또는 인듐으로 도핑된 주석 산화물(ITO)(인듐 주석 산화물)의 층으로써, 소망되는 보호가 이루어질 수 있다. 실리카 층들의 두께 또는 ITO 층의 두께는 예를 들면 10 nm 와 같다.
장벽층(b)은 비도전성일 수 있거나 (이것은 실리카(SiO2) 및 실리콘 질화물(Si3N4)의 경우이다), 도전성일 수 있거나 (이것은 ITO 의 경우이다), 또는 부분적으로 도전성일 수 있다. 도전성일 때, 장벽 층(b)은 반도체(1)의 표면에서 전극으로서 유리하게 이용될 수 있다. 유리하게는, 장벽 층이 ITO 장벽일 경우에, ITO 는 구조체의 투명 층들을 제조하는데 이용될 수 있는데, ITO 는 투명하다. 층(b, d1, d2, d3)들은 ITO 이고, 층(m1, m2, m3)들은 Ag 이다. 2 개의 재료(Ag 및 ITO)들은 감광성 반도체가 금속과의 접촉으로부터 보호된다는 점에서 본 발명에 따른 구조체를 제조하는데 충분하다. 또한 은(silver)을, 우수한 인덱스 특성들을 가지지만 반도체에 대하여 오염성이 적은 금속 합금으로 대체하는 것도 가능하다.
도 9 및 도 10 은 본 발명에 따른 2 개의 대안의 광학적 센서들을 도시한다.
도 9 는 광학 센서를 도시하는데, 여기에서 광은, 감광성 영역(Zph) 및 전자 회로(E1)가 형성되는 감광성 반도체의 면에 도달한다. 이러한 유형의 광학 센서에서, 광은 금속 상호 연결부(3)를 회피하여야 한다. 본 발명의 광학 필터들은 종래 기술의 필터들보다 전체적으로 훨씬 얇다. 필터들을 상호 연결부(3)들 사이에서 감광성 영역(Zph)들에 가능한 한 근접하게 배치하는 것이 유리하다. 따라서, 종래 기술의 대응 구조체와 비교하여 (도 2 와 비교), 광학 센서는 광의 입사에 대하여 보다 낳은 둔감성을 가진다.
도 10 은 광학 센서를 도시하는데, 여기에서 광은 감광성 영역(Zph) 및 전자 회로(E1)가 형성되는 면에 대하여 반대편인 감광성 반도체의 면에 도달한다. 본 발명의 광학적 필터링 매트릭스는 이러한 유형의 센서에 매우 용이하게 적합화된다. 여기에서, 본 발명의 광학적 센서가 유리하게는 종래 기술의 대응하는 광학적 센서보다 얇은 두께를 가진다. 더욱이, 특정의 적용예들에서, 광학적 필터들의 근접성이 유리하게는 마이크로-렌즈(MC)들이 눌려지는 것을 허용한다.
특정한 구현예에 따르면, 도 10 에 도시된 센서는 반도체(1)와 제 1 금속층(m1) 사이에 장벽층(b)을 포함하는데, 상기 장벽층에는 전기 도전성 영역(k1) 및 전기 절연성 영역(k2)이 제공된다. 도전성 영역(k1) 및 절연성 영역(k2)은 소망의 위치들에 전기 접촉부가 확립될 수 있게 한다.
도 9 및 도 10 에 도시된 2 개의 특정 구조들이 유리하게는 광의 입사 입사 각도와 거의 변하지 않는 투과 스펙트럼(transmission spectrum)을 가진다. 따라 서, 예를 들면, 90 nm 의 필터 대역폭을 가진 그린 필터(TiO2/Ag)는 입사각이 0°내지 40°로 변화될 때 그것의 평균 파장은 실질적으로 20 nm 로써 변화된다. 상대적으로, 이러한 변화는 종래 기술의 다층 필터(SiO2/TiO2)에 대하여 38 nm 이 된다.
본 발명의 필터링 구조체의 다른 장점은 이들이 전기 도전체인 은(silver) 및 ITO 와 같은 재료로 제작될 수 있어서 필터가 전극의 역할을 할 수 있다는 것이며, 이러한 전극은 하부의 회로(E1, Zph)와 몇 개의 접촉 지점들을 가질 수 있다.
본 발명의 필터링 구조체 및 센서들을 제조하는 기술은 간단하고 마이크로 전자 분야의 통상적인 제조 공정을 이용한다.
선택적으로, 투명층 및 금속층은 진공 스퍼터링에 의해 제조되지만 다른 기술들도 이용할 수 있으며 예를 들면 진공 증착과 같은 것도 이용 가능하다. 증착의 비율을 알게 되는 것에 의해 두께의 제어가 달성된다.
가변적인 두께의 단일 투명층을 가진 예시적인 광학 필터링 구조체를 제조하기 위한 방법은 이후에 설명될 것이다.
감광성 반도체 기판상에 보호층(SiO2), 금속층(은) 및 투명 재료층(ITO)이 연속적으로 증착된다. 다음에 포토리소그래픽 에칭의 2 개 단계들이 수행된다. 에칭되지 말아야 하는 영역들에 대한 마스킹(masking)은 수지(resin)로 이루어진다. 바람직스럽게는, 에칭이 반응성 이온 에칭으로서 (예를 들면, ITO 를 에칭하기 위한 염소(chlorine) + HBr 개스 하에서) 수행된다. 에칭을 정지시키는 시점은 인터페로메터(interferometer)에 의해서 결정된다. 비제한적인 예로서, 90 nm 의 두께 를 가진 ITO 층으로부터, 그린을 위해서 70 nm 의 ITO 두께를 얻을 수 있고, 블루를 위해서 50 nm 의 두께를 얻을 수 있고, 레드를 위해서는 90 nm 의 최초 두께가 유지된다. 일정한 두께를 가지는 은(Ag) 층 및 ITO 층 각각은 연속적으로 증착된다.
가변적인 두께의 2 개의 투명층들을 가진 예시적인 광학 필터링 구조체를 제조하기 위한 방법은 아래에 설명된다.
그 방법은 가변적인 두께의 단일 투명층에 대하여 위에서 설명된 것과 거의 동일하다:
- 3 개의 제 1 층(보호용 SiO2 층, 제 1 Ag 층, 제 1 ITO 층)들을 증착한다;
- 제 1 ITO 층의 투명 단계부들을 만들기 위해서 2 개의 포토리소그래피-에칭 단계들을 수행한다;
- 2 개의 다음 층(제 2 Ag 층, 제 2 ITO 층)들을 증착한다;
- 제 2 투명층의 투명 단계부들을 만들기 위해서 2 개의 새로운 포토리소그래피-에칭 단계들을 수행한다;
- 일정한 두께의 2 개의 마지막 층(Ag, ITO)들을 증착한다.
이전에 이미 언급된 바와 같이, 유리하게는, 단순한 유전체 층보다 보호층을 제조하는 것이 복잡할 수 있는 것이 본 발명에 의해 제공된다. 예를 들면, 만약 초보적인 필터를 도전성 전극으로서 이용하는 것이 의도되었다면, 보호층이 감광성 반도체와 전기 접촉하는 위치들에서 절연성 보호층을 도전성 보호층으로 교체하는 것이 필수적이다.
그러한 층을 2 개의 재료, 예를 들면, 절연성 영역을 제조하기 위한 SiO2 및 도전성 영역을 제조하기 위한 ITO 로써 제조하는 것은 다음의 4 개 단계들로 수행된다:
- SiO2 층을 증착한다;
- ITO 를 배치하도록 의도된 곳에서 SiO2를 포토리소그래피 및 에칭시킨다;
- SiO2 층 보다 약간 두꺼운 ITO 층을 증착한다;
- SiO2 의 표면까지 ITO 를 기계 화학적 평탄화(mechano-chemical planarizaton)로 제거한다.
본 발명은 이미지 센서 분야에 적용될 수 있다.
Claims (14)
- 적어도 2 개의 기본적인 광학 필터(R, V, B)의 세트로 이루어진 광학 필터링 구조체로서, 기본적인 광학 필터는 최적의 투과 주파수(transmission frequency)에 중심을 두고,상기 광학 필터링 구조체는, 제 1 금속층(m1)과 n 번째의 실질적으로 투명한 층(d3) 사이에서 번갈아 있는 n 개의 금속층(m1, m2, m3) 및 n 개의 실질적으로 투명한 층(d1, d2, d3)의 적층(stack)을 포함하고, n 개의 금속층(m1, m2, m3)들 각각은 일정한 두께를 가지고, 적어도 하나의 실질적으로 투명한 층은 기본적인 광학 필터의 최적 투과 주파수를 설정하는 가변적인 두께를 가지며, n 은 2 보다 크거나 2 와 같은 정수인 것을 특징으로 하는, 광학 필터링 구조체.
- 제 1 항에 있어서,n = 2 이고, 단일의 실질적으로 투명한 층은 가변적인 두께를 가지고, 가변적인 두께를 가진 실질적으로 투명한 층은 제 1 금속층(m1)과 제 2 금속층(m2) 사이에 위치된 실질적으로 투명한 층인, 광학 필터링 구조체.
- 제 1 항에 있어서,n=3 이고, 2 개의 실질적으로 투명한 층들은 가변적인 두께를 가지고, 가변적인 두께를 가진 실질적으로 투명한 제 1 층은 제 1 금속층(m1)과 제 2 금속 층(m2) 사이에 위치된 실질적으로 투명한 층이고, 가변적인 두께를 가진 실질적으로 투명한 제 2 층은 제 2 금속층과 제 3 금속층(m3) 사이에 위치되고, 실질적으로 투명한 제 1 층의 두께 변화로부터 초래되는 과도 두께(overthickness)는 실질적으로 투명한 제 2 층의 두께 변화로부터 초래되는 과도 두께와 적층되는, 광학 필터링 구조체.
- 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,기본적인 광학 필터(R,V,B)는 매트릭스(matrix)로서 배치되는, 광학 필터링 구조체.
- 제 4 항에 있어서,매트릭스는 레드, 그린, 블루의 3 개 칼러들을 필터링하기 위한 베이어 매트릭스(Bayer matrix)인, 광학 필터링 구조체.
- 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,금속층들은 은(Ag)으로 되어 있는, 광학 필터링 구조체.
- 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,실질적으로 투명한 층들을 만들기 위한 재료는, 티타늄 이산화물(TiO2), 인 듐 도핑 주석 산화물(ITO), 실리카(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 하프늄 산화물(HfO2)로부터 선택된, 광학 필터링 구조체.
- 광학 필터링 구조체 및, 광학 필터링 구조체가 증착되어 있는 감광성 반도체 기판(1)을 포함하는 광학 센서로서, 광학 필터링 구조체는 제 1 항 내지 제 7 항의 어느 한 항에 따른 구조체이고, 제 1 금속층(m1)은 반도체 기판(1)의 제 1 면상에 증착되는 것을 특징으로 하는, 광학 센서.
- 광학 필터링 구조체 및, 광학 필터링 구조체가 증착되어 있는 감광성 반도체 기판(1)을 포함하는 광학 센서로서,광학 필터링 구조체는 제 1 항 내지 제 7 항의 그 어느 한 항에 따른 구조체이고, 광학 센서는 장벽층(b)을 포함하고, 장벽층의 제 1 면은 반도체 기판(1)의 제 1 면상에 증착되고 장벽층의 제 2 면은 제 1 금속층(m1)과 접촉하는 것을 특징으로 하는, 광학 센서.
- 제 9 항에 있어서,장벽층은 광학 필터링 구조체의 실질적으로 투명한 층들을 만드는 재료와 동일한 재료로 만들어지는, 광학 센서.
- 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,장벽층(b)은 부분적으로나 또는 전체적으로 전기 도전성인, 광학 센서.
- 제 11 항에 있어서,장벽층의 재료는, 전기적으로 도전성의 부분들에서 인듐 도핑 주석 산화물(ITO)이고, 전기적으로 비도전성의 부분들에서 실리카(SiO2) 또는 실리콘 질화물(Si3N4)인, 광학 센서.
- 제 8 항 내지 제 12 항의 어느 한 항에 있어서,감광성 영역(Zph) 및 전자적 구성 요소(El)들은 감광성 반도체의 제 1 면상에 형성되는, 광학 센서.
- 제 8 항 내지 제 12 항의 어느 한 항에 있어서,감광성 영역(Zph) 및 전자적 구성 요소(El)들은 제 1 면에 반대편인, 감광성 반도체(1)의 제 2 면상에 형성되는, 광학 센서.
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