KR20160023158A - 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
이미지 센서는 서로 다른 컬러의 광을 투과시키는 다수의 컬러 필터들과, 상기 다수의 컬러 필터들을 구획하며 상기 컬러 필터 보다 굴절률이 작은 물질로 이루어진 반사성 격벽을 포함하는 컬러 필터 어레이층; 상기 다수의 컬러 필터 각각에 입사되도록, 입사광을 복수개의 컬러 광으로 분리하는 색분리 소자; 상기 다수의 컬러 필터들을 투과한 광을 각각 센싱하는 다수의 광검출 소자들이 어레이 된 센서 기판;을 포함한다.
Description
본 개시는 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서 및 그 제조 방법에 대한 것이다.
컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서는 통상적으로 컬러 필터를 이용하여 다양한 색의 영상을 표시하거나 또는 입사광의 색을 감지하고 있다. 현재 사용되는 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서는, 예를 들어, 4개의 화소 중에서 2개의 화소에는 녹색 필터가 배치되고, 나머지 2개의 화소에는 청색 필터와 적색 필터가 배치되는 RGB 컬러 필터 방식을 가장 많이 채택하고 있다. 또한, RGB 컬러 필터 방식 외에도, 보색 관계에 있는 사이안, 옐로우, 그린, 마젠타의 컬러 필터가 4개의 화소에 각각 배치되는 CYGM 컬러 필터 방식이 채택되기도 한다.
그런데, 일반적인 흡수형 컬러 필터는 해당 색의 빛을 제외한 나머지 색의 빛을 흡수하기 때문에 광 이용 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, RGB 컬러 필터를 사용하는 경우, 입사광의 1/3만을 투과시키고 나머지 2/3는 흡수하여 버리게 되므로 광 이용 효율이 약 33% 정도에 불과하다. 따라서, 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서의 경우, 대부분의 광 손실이 컬러 필터에서 발생하게 된다.
이미지 센서의 화소의 수는 점차 증가하고 있으며, 이에 따라 화소의 크기는 점점 작아지고 있어 한 화소에 도달하는 빛의 양은 줄어들게 되다. 따라서 광 효율을 향상시키는 방법이 더욱 중요해지고 있다.
최근에는 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서의 광 이용 효율을 향상시키기 위하여, 컬러 필터와 함께 색분리 소자를 이용하는 시도가 이루어지고 있다. 색분리 소자는 파장에 따라 다른 빛의 회절 또는 굴절 특성을 이용하여 입사광의 색을 분리하고, 색분리 소자에 의해 분리된 색들은 각각의 대응하는 화소에 전달될 수 있다. 컬러 필터의 각 화소에는 해당 화소에 불필요한 색은 들어오지 않고 이를 필요로 하는 인접 화소로 전달될 수 있어 전체적인 효율을 높일 수 있다.
그러나, 색분리 소자에서 분리된 광이 컬러 필터로 입사할 때, 컬러에 따라 일부 광은 컬러 필터로 수직 입사하지 못하고 경사각을 갖게 된다. 이와 같은 경사각에 의해, 광이 컬러 필터를 지나 센서 어레이에 입사할 때, 해당 화소에 대응하는 센서가 아닌 인접 화소에 대응하는 센서에 입사하는 경우가 발생하며, 광효율 저하 및 크로스토크 증가를 초래한다.
본 개시는 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서, 특히, 색분리 소자에서 분리된 광이 해당 화소로 입사하는 효율이 높아질 수 있는 구조의 이미지 센서를 제시하고자 한다.
일 유형에 따르는 이미지 센서는 서로 다른 컬러의 광을 투과시키는 다수의 컬러 필터들과, 상기 다수의 컬러 필터들을 구획하며 상기 컬러 필터 보다 굴절률이 작은 물질로 이루어진 반사성 격벽을 포함하는 컬러 필터 어레이층; 상기 다수의 컬러 필터 각각에 입사되도록, 입사광을 복수개의 컬러 광으로 분리하는 색분리 소자; 상기 다수의 컬러 필터들을 투과한 광을 각각 센싱하는 다수의 광검출 소자들이 어레이 된 센서 기판;을 포함한다.
상기 컬러 필터의 굴절률이 n1일 때, 상기 반사성 격벽의 굴절률 n2는 다음 조건을 만족할 수 있다.
n2 < n1cosθ
여기서, θ는 상기 색분리 소자에서 분리된 복수의 컬러 광이 상기 컬러 필터에 입사하는 입사각 중 가장 큰 각을 의미한다.
또는, 상기 컬러 필터의 굴절률이 n1일 때, 상기 반사성 격벽의 굴절률 n2는 다음 조건을 만족할 수 있다.
n2 < n1cosφ
여기서, φ는 상기 색분리 소자의 광출사면의 중심과 상기 반사성 격벽의 중심을 연결하는 선이 상기 컬러 필터의 광입사면의 법선과 이루는 각 중 가장 큰 각을 의미한다.
상기 반사성 격벽의 재질은 PMMA(polymethylmetacrylate), 실리콘 아크릴레이트(Silicon acrylate), CAB(cellulose acetate butyrate), 실리콘 산화물(SiO2), 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass), FSA(fluoro-silicon acrylate), 또는 실리콘 질화물(SiNx)로 이루어질 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 색분리 소자로 광을 집속하는 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 컬러 필터 어레이층 위에 배치된 투명 스페이서층을 더 포함할 수 있고, 상기 색분리 소자는 상기 투명 스페이서층 내부에 매립되어 고정될 수 있다.
상기 센서 기판에는 상기 다수의 광검출 소자를 구획하는 것으로, 광을 흡수하거나 반사시키는 재질로 된 격벽이 더 구비될 수 있다.
상기 다수의 컬러 필터들은 제 1 컬러의 광을 투과시키는 다수의 제 1 컬러필터; 제 2 컬러의 광을 투과시키는 다수의 제 2 컬러필터; 제 3 컬러의 광을 투과시키는 다수의 제 3 컬러필터;를 포함하며, 상기 다수의 제 1 내지 제 3 컬러필터는 서로 다른 컬러 필터가 인접하도록 2차원적으로 교번 배열될 수 있다.
상기 색분리 소자는, 입사광 중 제 1 컬러의 광을 상기 제 1 컬러 필터를 향하는 방향으로 진행하게 하고, 제 2 컬러의 광을 상기 제 2 컬러 필터를 향하는 방향으로 진행하게 하며, 제 3 컬러의 상기 제 3 컬러 필터를 향하는 방향으로 진행하게 하는 구성을 가질 수 있다.
또는, 상기 색분리 소자는, 입사광 중 제 2 컬러의 광을 상기 제 2 컬러 필터를 향하는 방향으로 진행하게 하고, 제 1 컬러와 제 3 컬러가 혼합된 광을 제 1 컬러 필터 및 제 3 컬러 필터를 향하는 방향으로 진행하게 하는 구성을 가질 수 있다.
상기 제 1 컬러 필터의 굴절률이 n1일 때, 상기 반사성 격벽의 굴절률 n2는 다음 조건을 만족할 수 있다.
n2 < n1cosθ
여기서, θ는 상기 색분리 소자에서 분리된 제 1 컬러와 제 3 컬러가 혼합된 광이 상기 제 1 컬러 필터에 입사하는 입사각을 의미한다.
또는, 상기 컬러 필터의 굴절률이 n1일 때, 상기 반사성 격벽의 굴절률 n2는 다음 조건을 만족할 수 있다.
n2 < n1cosφ
여기서, φ는 상기 색분리 소자의 광출사면의 중심과 상기 반사성 격벽의 중심을 연결하는 선이 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면의 법선과 이루는 각을 의미한다.
상기 다수의 제 2 컬러 필터와 상기 다수의 제 3 컬러 필터가 제 1 방향의 제 1 행을 따라 번갈아 배열되고, 상기 다수의 제 1 컬러 필터와 상기 다수의 제 2 컬러 필터가 제 1 행과 나란한 제 2 행을 따라 번갈아 배열되고, 상기 제 1 행과 제 2 행은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 서로 번갈아 배열될 수 있다.
상기 색분리 소자는 상기 제 1 행의 제 2 컬러 필터와 마주하게 배치되어, 입사광 중에서 제 3 컬러의 광을 상기 제 3 컬러 필터를 향해 진행시키고 제 2 컬러의 광을 상기 제 2 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성된 제 1 색분리 소자; 및 상기 제 2 행의 제 2 컬러 필터와 마주하게 배치되어, 입사광 중에서 제 2 컬러의 광을 상기 제 2 컬러 필터를 향해 진행시키고 제 1 컬러의 광을 상기 제 1 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성된 제 2 색분리 소자;를 포함할 수 있다.
또는, 상기 색분리 소자는 상기 제 1 행 또는 제 2 행의 제 2 컬러 필터와 마주하게 배치되어, 입사광 중에서 제 2 컬러의 광을 상기 제 2 컬러 필터를 향해 진행시키며, 제 1 컬러와 제 3 컬러가 혼합된 광을 상기 제 1 및 제 3 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성될 수 있다.
또한, 일 유형에 따르는 촬상 장치는 물체로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성하는 촬영 렌즈부; 상기 촬영 렌즈부에서 형성한 광학상을 전기적 신호로 변환하는 것으로, 상술한 어느 하나의 이미지 센서;를 포함한다.
또한, 일 유형에 따르는 이미지 센서 제조방법은 광을 센싱하는 다수의 광검출 소자들이 어레이 된 센서 기판을 마련하는 단계; 상기 센서 기판 상의 영역을 이차원적으로 배열된 복수의 영역으로 구획하는 반사성 격벽을 형성하는 단계; 상기 복수의 영역에 서로 다른 컬러의 광을 투과시키는 다수의 컬러 필터를 형성하는 단계; 및 상기 다수의 컬러 필터 위에, 입사광을 복수개의 컬러 광으로 분리하여 상기 다수의 컬러 필터 각각에 입사시키는 색분리 소자를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 반사성 격벽을 형성하는 단계는 상기 센서 기판상에 상기 컬러 필터의 보다 작은 굴절률을 가지는 물질층을 형성하는 단계; 상기 물질층 상에 포토 리지스트층을 형성하고, 상기 반사성 격벽에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계: 상기 패터닝된 포토 리지스트층을 마스크로 하여 상기 물질층을 식각하고, 상기 패터닝된 포토리지스트층을 제거하는 단계;를 포함한다.
또는, 상기 반사성 격벽을 형성하는 단계는 상기 센서 기판 상에 포토 리지스트층을 형성하고, 상기 반사성 격벽에 대응하는 형상이 음각되도록 패터닝하는 단계; 상기 음각된 영역과 상기 포토 리지스트층 상부를 전체적으로 덮는 물질층을 형성하는 단계; 상기 포토 리지스트층 상부가 드러나도록 상기 물질층을 식각하는 단계; 상기 포토리지스트층을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 색분리 소자는 투명 스페이서층 내부에 매립되어 고정된 형태로 상기 다수의 컬러 필터 위에 형성될 수 있다.
상술한 이미지 센서는 광 이용 효율이 높고 정확한 색상 정보의 획득이 가능하여 향상된 색 순도를 나타낼 수 있다.
상술한 이미지 센서는 촬상 장치에 채용되어 양질의 영상을 형성할 수 있다.
상술한 이미지 센서 제조방법에 따르면, 광 이용 효율이 높고 향상된 색 순도를 구현하는 이미지 센서가 제공된다.
도 1은 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 이미지 센서에 구비된 반사성 격벽에 의해 광 이용 효율이 향상되게 하는 굴절률 조건을 설명하는 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 4는 도 3의 이미지 센서에 구비된 반사성 격벽에 의해 광 이용 효율이 향상되는 광경로를 보인다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 도 5의 A-A' 단면도 및 B-B' 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 8은 실시예에 따른 촬상 장치의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
도 9a 내지 도 9g는 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하는 도면들이다.
도 10a 내지 도 10g는 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하는 도면들이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 이미지 센서에 구비된 반사성 격벽에 의해 광 이용 효율이 향상되게 하는 굴절률 조건을 설명하는 도면이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 4는 도 3의 이미지 센서에 구비된 반사성 격벽에 의해 광 이용 효율이 향상되는 광경로를 보인다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 도 5의 A-A' 단면도 및 B-B' 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 8은 실시예에 따른 촬상 장치의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
도 9a 내지 도 9g는 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하는 도면들이다.
도 10a 내지 도 10g는 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하는 도면들이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 이미지 센서(101)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이고, 도 2a 및 도 2b는 도 1의 이미지 센서에 구비된 반사성 격벽(135)에 의해 광 이용 효율이 향상되게 하는 굴절률 조건을 설명하는 도면이다.
이미지 센서(101)는 광을 센싱하는 다수의 광검출 소자들(110R)(110G)(110B)이 어레이된 센서 기판(110), 센서 기판(110) 상에 형성되며 다른 컬러의 광을 투과시키는 다수의 컬러 필터들(130R)(130G)(130B)을 구비하는 컬러 필터 어레이층(130), 다수의 컬러 필터(130R)(130G)(130B) 각각에 입사되도록, 입사광을 복수개의 컬러 광으로 분리하는 색분리 소자(170)를 포함한다.
또한, 컬러 필터 어레이층(130)은 다수의 컬러 필터(130R)(130G)(130B) 들을 구획하는 반사성 격벽(135)을 구비하고 있다. 반사성 격벽(135)은 컬러 필터(130R)(130G)(130B)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 재질로 이루어져, 입사광을 전반사 시킬 수 있도록 구성된다.
또한, 이미지 센서(101)는 색분리 소자(170)가 매립되어 고정되는 투명 스페이서층(150)을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 이미지 센서(101)는 광 이용 효율을 높이기 위해 색분리 소자(170)와 다수의 컬러 필터(130R)(130G)(130B)들을 함께 채용하고 있으며, 또한, 색분리 소자(170)에서 분리된 광들이 각기 정해진 화소에 잘 입사하고 다른 화소에는 입사되지 않도록 반사성 격벽(135)을 채용하고 있다.
도면에서는 편의상, 하나의 색분리 소자(170)와 각각 하나의 제 1 컬러 필터(130R), 제 2 컬러 필터(130G), 제 3 컬러 필터(130B), 그리고, 제 1 내지 제 3 컬러 필터(130R)(130G)(130B) 에 마주하는 제 1 내지 제 3 광검출 소자(110R)(110G)(110B)만을 도시하고 있다. 이미지 센서(101)는 도시된 단위가 필요한 화소 수만큼 반복된 형태로 이루어지며, 다른 실시예들에서도 이는 동일하게 적용된다.
이미지 센서(101)를 구성하는 각 구성요소를 보다 상세히 살펴보기로 한다.
센서 기판(110)은 광을 감지하여 전기적인 신호를 발생시키는 다수의 광검출 소자(110R)(110G)(110B)를 포함하며, 다수의 광검출 소자(110R)(110G)(110B)는 각각 다수의 컬러 필터들(130R)(130G)(130B)에 대응되게 마련되어 있다. 예를 들어, 제1 광검출 소자(110R)는 제 1 컬러 필터(130R)에 마주하게 배치되어, 제 1 컬러 필터(130R)를 투과한 광을 검출하고, 제 2 광검출 소자(110G)는 제 2 컬러 필터(130G)에 마주하게 배치되어 제 2 컬러 필터(130G)를 투과한 광을 검출하고, 제 3 광검출 소자(110B)는 제 3 컬러 필터(130B)에 마주하게 배치되어 제 3 컬러 필터(130B)를 투과한 광을 검출한다. 제 1 내지 제 3 광검출 소자(110R)(110G)(110B)는 각기 독립적으로 구동되며 해당 소자에 입사된 광의 세기에 비례하는 크기의 전기적 신호를 발생시킨다. 제 1 내지 제 3 광검출 소자(110R)(110G)(110B)는 예를 들어 CCD(charge-coupled device) 센서나 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 센서를 포함할 수 있고, 다수의 행과 열을 갖는 2차원 매트릭스의 형태로 배열될 수 있다.
색분리 소자(170)는 입사광을 파장에 따라 분리하여 상이한 파장 대역의 빛이 상이한 경로로 진행하도록 하는 소자이다. 색분리 소자(170)는 파장에 따라 달라지는 빛의 회절 또는 굴절 특성을 이용하여 입사광의 파장에 따라 빛의 진형 경로를 바꿈으로써 색을 분리할 수 있다. 예를 들어, 색분리 소자(170)는 투명한 대칭 또는 비대칭 구조의 막대 형태, 또는 경사면을 갖는 프리즘 형태 등과 같은 매우 다양한 형태가 공지되어 있으며, 출사광의 소망하는 스펙트럼 분포에 따라 다양한 설계가 가능하다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 색분리 소자(170)는 녹색광을 투과시키는 제 2 컬러 필터(130G)와 마주하게 배치될 수 있다. 이 경우, 색분리 소자(170)는 입사광 중에서 제 2 컬러의 광(C2)을 바로 아래에 있는 제 2 컬러 필터(130G)로 진행시키고, 제 1 컬러의 광(C1)을 좌측에 있는 제 1 컬러 필터(130R)를 향해 진행시키고, 제 3 컬러의 광(C3)을 우측에 있는 제 3 컬러 필터(130B)를 향해 진행시키도록 구성될 수 있다.
색분리 소자(30)는 투명 스페이서층(150) 내에 매립되어 고정될 수 있다. 입사광을 충분히 회절 및 굴절시키기 위하여, 색분리 소자(170)는 주위의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 즉, 색분리 소자(170)의 굴절률은 투명 스페이서층(150)의 굴절률보다 클 수 있다. 예컨대, 투명 스페이서층(50)은 실리콘 산화물(SiO2)나 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass)로 이루어질 수 있으며, 색분리 소자(30)는 TiO2, SiN3, ZnS, ZnSe, Si3N4 등과 같은 고굴절률 재료로 이루어질 수 있다. 색분리 소자(170)의 구체적인 형태와 재료는 원하는 색분리 특성에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
색분리 소자(170)를 사용함으로써, 각각의 컬러 필터(130R)(130G)(130B)를 투과하는 빛이 증가하므로 이미지 센서의 광 이용 효율이 향상될 수 있다.
컬러 필터 어레이층(130)은 제 1 컬러의 광을 투과시키는 제 1 컬러 필터(130R), 제 2 컬러의 광을 투과시키는 제 2 컬러 필터(130G), 제 3 컬러의 광을 투과시키는 제 3 컬러 필터(130B)와 이들 제 1 내지 제 3 컬러 필터들(130R)(130G)(130B)을 광학적으로 격리하는 반사성 격벽(135)을 포함한다. 상기 다수의 컬러 필터들(130R)(130G)(130B)은 다수의 행과 열을 갖는 2차원 매트릭스의 형태로 배열될 수 있다. 이 때, 서로 다른 컬러 필터가 소정 규칙으로 교번되는, 즉, 서로 다른 컬러 필터가 인접하는 형태의 다양한 배열 형태를 가질 수 있다. 제 1 컬러, 제 2 컬러, 제 3 컬러는 예를 들어, 적색, 녹색, 청색일 수 있으며, 다만, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 컬러 필터 어레이층(130)은 사이안, 옐로우, 그린, 마젠타의 컬러 필터를 포함할 수도 있다. 또는, 필요에 따라 적외선 대역이나 자외선 대역을 포함하는 다른 파장 대역에 대해 투과 특성을 갖는 필터들을 사용할 수도 있다.
반사성 격벽(135)은 다수의 제 1 내지 제 3 컬러 필터(130R)(130G)(130B)들 사이에 각각 배치되어, 제 1 내지 제 3 컬러 필터(130R)(130G)(130B)들 그에 인접한 다른 제 1 내지 제 3 컬러 필터(130R)(130G)(130B)들과 광학적으로 격리하는 역할을 할 수 있다. 즉, 컬러 필터(130R)(130G)(130B)로 광이 입사될 때, 입사광이 비스듬한 각으로 입사되더라도 반사성 격벽(135)에 의해 인접 화소로 넘어가지 않는다. 이를 위해, 반사성 격벽(135)은 제 1 내지 제 3 컬러 필터(130R)(130G)(130B)들의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 반사성 격벽(135)은 PMMA(polymethylmetacrylate), 실리콘 아크릴레이트(Silicon acrylate), CAB(cellulose acetate butyrate), 실리콘 산화물(SiO2), 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass), FSA(fluoro-silicon acrylate), 실리콘 질화물(SiNx) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다. 반사성 격벽(135)은 입사광을 전반시시킬 수 있는 소정의 굴절률 조건만 만족한다면 어떠한 재료도 사용할 수 있으며, 특히 일반적인 반도체 공정에서 이용하는 물리적 기상 증착법(PVD)이나 화학적 기상 증착법(CVD)으로 형성될 수 있는 재료를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 상기 소정의 굴절률 조건은 컬러 필터(130R)(130G)(130B)의 굴절률과 색분리 소자(170)에서 분리된 광이 컬러 필터(130R)(130G)(130B)에 입사하는 입사각과의 관계에서 정해질 수 있다. 이에 대해서는 도 2a 및 도 2b를 참조하여 후술할 것이다.
반사성 격벽(135)은 각각의 컬러 필터(130R)(130G)(130B)의 광입사면을 통해 경사지게 입사하여 각각의 컬러 필터(130R)(130G)(130B)의 측면으로 빠져나가는 빛을 전반사함으로써, 각각의 컬러 필터(130R)(130G)(130B)를 그에 인접한 다른 컬러 필터(130R)(130G)(130B)들과 광학적으로 격리시킬 수 있다.
색분리 소자(170)에서 광이 분리될 때, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 2 컬러의 광(C2)는 제 2 컬러 필터(130G)에 거의 수직으로 입사하게 되어 인접한 제 1 컬러 필터(130R)나 제 2 컬러 필터(130G)로 입사하여 손실되는 광은 거의 발생하지 않을 수 있다. 하지만, 좌, 우로 분리되는 제 1 컬러의 광(C1), 제 3 컬러의 광(C2)는 소정의 경사각, 즉 0보다 큰 입사각으로 제 1 컬러 필터(130R), 제 3 컬러 필터(130B)에 입사되게 되므로, 만약, 반사성 격벽(135)이 존재하지 않는다면, 이에 각각 인접한 다른 제 3 컬러 필터(130B)나 제 1 컬러 필터(130R)로 입사하게 되어 광손실이나 크로스토크를 야기한다.
도 2a를 참조하면, 제 1 컬러 필터(130R)로 입사각 θ로 입사한 제 1 컬러의 광(C1)은 반사성 격벽(135)에 입사각 90°-θ로 입사하게 된다. 이 때, 전반사가 일어나기 위해서는 입사각 90°-θ 가 전반사 임계각(θc)보다 커야 하며, 즉, 다음 임계 조건을 만족하여야 한다.
90°-θ> sin-1(n2/n1)
n2 < n1cosθ
여기서, n1는 제 1 컬러 필터(130R)의 굴절률이고, n2은 반사성 격벽(135)의 굴절률이다.
상기 조건은 색분리 소자(170)에서 분리되어 컬러 필터에 비스듬하게 입사하는 광이 제 1 컬러의 광(C1)인 것으로 설명한 것이나 이는 예시적인 것이다. 상기 조건을 도출하기 위한 θ는 색분리 소자(170)에서 분리되어 다수의 컬러 필터들(130R)(130G)(130B)에 각각 입사하는 광의 입사각 중 가장 큰 각으로 정할 수 있다. 예를 들어, 제 3 컬러의 광(C3)이 제 3 컬러 필터(130B)에 입사하는 입사각이 제 1 컬러의 광(C1)이 제 1 컬러 필터(130R)에 입사하는 입사각보다 큰 경우, 제 3 컬러의 광(C3)이 제 3 컬러 필터(130B)에 입사하는 입사각을 기준으로 반사성 격벽(135)의 굴절률을 정할 수 있다.
반사성 격벽(135)이 이와 같이 굴절률 조건을 만족할 때, 입사한 제 1 컬러의 광(C1)은 반사성 격벽(135)에서 전반사되므로, 인접한 제 3 컬러 필터(130B)에 입사되지 않으며 제 1 컬러 필터(130R)를 투과하여 모두 제 1 광검출 소자(110R)에 입사될 수 있다. 즉, 제 1 컬러 필터(130R)에 입사한 제 1 컬러의 광(C1)은 손실없이 제 1 광검출 소자(130R)에 입사되어 전기적 신호 생성에 기여하게 된다.
한편, 도 2a에서 점선으로 도시한 화살표는 반사성 격벽(135)이 존재하지 않는다고 가정한 경우이다. 제 1 컬러의 광(C1)은 인접한 제 3 컬러 필터(130B)로 입사하게 되는데, 제 3 컬러 필터(130B)는 제 3 컬러의 광(C3)를 투과시키고 나머지 광은 흡수시키는 필터이므로, 제 1 컬러의 광(C1)은 제 3 컬러 필터(130B)에 흡수된다. 제 1 컬러(C1)의 광은 제 2 컬러 필터(130G)를 투과하여 제 1 광검출소자(130R)에 입사되어 색상 정보의 획득에 기여하여야 하는데, 제 3 컬러 필터(130B)에 흡수되므로, 정확한 색상 정보의 획득에 저해가 된다. 또한, 제 3 컬러 필터(130B)에서 다른 컬러의 흡수가 100% 일어나는 것은 아니며, 일부는 제 3 광검출 소자(110B)로 입사하게 되며 이에 의해 부정확한 색상 정보가 획득되어 크로스토크를 야기할 수 있다.
도 2b는 상기 설명된 굴절률 조건을 정하는 다른 방법을 예시한다.
도 2b를 참조하면, 색분리 소자(170a)의 광출사면(170a)의 중심과 반사성 격벽(135)의 중심을 연결하는 선이 제 1 내지 제 3 컬러 필터(130R)(130G)(130B)의 광입사면의 법선과 이루는 각 중 가장 큰 각(φ)을 기준으로 반사성 격벽(135)의 굴절률을 다음과 같이 정할 수 있다.
90°-φ> sin-1(n2/n1)
n2 < n1cosφ
도면에서는 색분리 소자(170a)의 광출사면(170a)의 중심과 반사성 격벽(135)의 중심을 연결하는 선이 제 1 컬러 필터(130R)의 광입사면(130a)의 법선과 이루는 각으로 φ가 표시되고 있으나, 이는 예시적인 것이다. 제 2 컬러 필터(130G) 또는 제 3 컬러 필터(130B)의 광입사면의 법선과의 관계에서 상기 φ가 정해질 수도 있다.
반사성 격벽(135)의 굴절률을 정하기 위한 φ를 이와 같이 정하는 것은 색분리 소자(170)에서 분리되어 제 1 컬러 필터(130R)에 비스듬하게 입사하는 제 1 컬러의 광(C1)의 입사각이 φ 또는 이에 가까운 값이 되도록 색분리 소자(170)가 설계될 수 있음을 감안한 것이다.
색분리 소자(170)에서 분리되어 제 1 컬러 필터(130R)에 비스듬하게 입사하는 제 1 컬러의 광(C1)의 입사각이 모두 같지는 않고, 어느 정도의 분포를 가질 수 있다. 이 때, 입사각 분포 중의 중간값이 될 수 있는 각을 기준으로 반사성 격벽(135)의 굴절률을 정하여, 가능한 많은 광이 반사성 격벽(135)에서 전반사되도록 할 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(102)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이고, 도 4는 도 3의 이미지 센서(102)에 구비된 반사성 격벽(135)에 의해 광 이용 효율이 향상되는 광경로를 보인다.
본 실시예의 이미지 센서(102)는 색분리 소자(172)의 기능에서만 도 1의 이미지 센서(101)와 차이가 있고 나머지 구성은 동일하다.
색분리 소자(172)는 입사광(W) 중에서 제 2 컬러의 광(C2)을 바로 아래에 있는 제 2 컬러 필터(130G)로 진행시키고, 제 1 컬러의 광(C1)와 제 3 컬러의 광(C3)가 혼합된 광(C1+C3)을 좌측과 우측에 있는 제 1 컬러 필터(130R)와 제 3 컬러 필터(130B)를 향해 진행시키도록 구성될 수 있다.
제 1 컬러의 광(C1)와 제 3 컬러의 광(C3)가 혼합된 광(C1+C3)이 제 1 컬러 필터(130R)에 입사하면, 제 1 컬러 필터(130R)는 제 1 컬러의 광(C1)를 투과시키고 나머지는 흡수하므로, 제 1 컬러의 광(C1)이 제 1 컬러 필터(130R)를 투과하여 제 1 광검출 소자(130R)에 입사된다. 그리고, 제 3 컬러 필터(130B)에서는 제 1 컬러의 광(C1)과 제 3 컬러의 광(C3)이 혼합된 광(C1+C3) 중에서, 제 3 컬러의 광(C3)이 투과되어 제 3 광검출 소자(130B)에 입사하게 된다.
색분리 소자(172)에서 분리된 제 2 컬러의 광(C2)은 제 2 컬러 필터(130G)에 거의 수직으로 입사하므로 반사성 격벽(135)이 존재하지 않더라도 인접한 다른 컬러 필터로 입사될 가능성은 낮다. 그러나, 색분리 소자(172)의 좌, 우에 각각 배치된 제 1 컬러 필터(130R), 제 3 컬러 필터(130B)를 향하게 되는, 제 1 컬러의 광(C1)과 제 3 컬러의 광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)은 제 1 및 제 3 컬러 필터(130R)(130B)에 비스듬하게 입사하게 되므로, 반사성 격벽(135)이 없는 경우 제 1 컬러 필터(130R) 및 제 3 컬러 필터(130B)에 각각 인접한 다른 제 3 컬러 필터(130B), 제 1 컬러 필터(130R)에 입사하게 된다.
도 4를 참조하면, 제 1 컬러 필터(130R)로 입사각 θ로 입사한 광(C1+C3)은 반사성 격벽(135)에 입사각 90°-θ로 입사하게 된다. 이 때, 전반사가 일어나기 위해서는 입사각 90°-θ 가 전반사 임계각(θc)보다 커야 하며, 즉, 다음 임계 조건을 만족하여야 한다.
90°-θ> sin-1(n2/n1)
n2 < n1cosθ
여기서, n1는 제 1 컬러 필터(130R)의 굴절률이고, n2은 반사성 격벽(135)의 굴절률이다.
상기 조건은 도 2b에서 설명한 것과 같은 방법으로 정해지는 각 φ를 기준으로 변형될 수 있다.
상기 조건은 색분리 소자(172)에서 분리된, 제 1 컬러의 광(C1)과 제 3 컬러의 광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)이 제 1 컬러 필터(130R)에 입사하는 각을 θ로 하여 설명한 것이나, 이는 예시적인 것이다. 제 1 컬러의 광(C1)과 제 3 컬러의 광(C3)이 혼합된 광(C1+C3)이 제 2 컬러 필터(130G)에 입사하는 각을 θ로 하여 상기 조건을 도출할 수 있다. 색분리 소자(172)가 입사광을 상기와 같이 단색광과 혼색광으로 분리하는 경우, 혼색광이 두 컬러 필터에 입사하는 각은 일반적으로, 같은 값을 갖는다.
반사성 격벽(135)이 이와 같이 굴절률 조건을 만족할 때, 입사광(C1+C3)은 전반사되므로, 인접한 제 3 컬러 필터(130B)에 입사되지 않으며 모두 제 1 컬러 필터(130R)에 입사한다. 입사광(C1+C3) 중 제 1 컬러의 광(C1)은 제 1 컬러 필터(130R)를 투과하여 제 1 광검출 소자(130R)에 입사될 수 있다. 즉, 제 1 컬러 필터(130R)에 입사한 광(C1+C3) 중에서 제 1 컬러의 광(C1)은 손실없이 제 1 광검출 소자(130R)에 입사되어 전기적 신호 생성에 기여하게 된다.
한편, 도 4에서 점선으로 도시한 화살표는 반사성 격벽(135)이 존재하지 않는다고 가정한 경우이다. 제 1 컬러 필터(130R)로 입사한 광(C1+C3)은 제 3 컬러 필터(130B)로 입사된다. 이 때, 제 1 컬러 필터(130R)는 제 1 컬러의 광(C1)을 투과시키고 나머지는 흡수하므로, 인접한 제 3 컬러 필터(130B)에는 제 1 컬러의 광(C1)이 입사되게 된다. 제 3 컬러 필터(130B)에서 제 1 컬러의 광(C1)은 흡수된다. 제 3 컬러 필터(130B)에 흡수된 제 1 컬러의 광(C1)은 제 1 광검출 소자(130R)에 입사되어 색상 정보 획득에 기여하여야 하는데, 제 3 컬러 필터(130B)에서 흡수되므로 정확한 색상 정보의 획득이 저해된다. 또한, 제 1 컬러 필터(130R)에서 제 1 컬러의 광(C1)를 제외한 나머지 광의 흡수가 100% 일어나는 것은 아니며, 일부 제 3 컬러의 광(C3)이 제 3 컬러 필터(130B)에 입사될 수 있다. 이 광은 제 3 광검출 소자(130B)에 입사되어 센싱되므로, 부정확한 영상 정보를 생성하게 된다.
이와 같이, 실시예들에 따른 이미지 센서(101)(102)는 색분리소자(170)(172)를 채용하여, 제 1 내지 제 3 컬러 필터(130R)(130G)(130B)에 각 컬러 필터가 투과시키는 컬러의 광 이외의 광이 입사되는 가능성을 줄이고 있다. 또한, 이와 함께, 반사성 격벽(135)을 채용하여, 색분리소자(170)(172)에서 분리되어 비스듬한 각으로 제 1 내지 제3 컬러필터(130R)(130G)(130B)에 광이 입사되더라도, 인접한 컬러 필터로 입사하는 것을 방지하고 있다. 따라서, 이미지 센서의 광 이용 효율이 높아지며 또한, 정확한 색상 정보의 획득이 가능하므로 색 순도가 향상될 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(103)의 평면도이고, 도 6a 및 도 6b는 각각 도 5의 A-A' 단면도 및 B-B' 단면도이다.
실시예에 따른 이미지 센서(103)는 컬러 필터 어레이층(132)을 이루는 다수의 컬러 필터(130R)(130G)(130B)들의 배치 형태 및 이에 따른 색분리 소자(173)(174)의 구성에서 전술한 실시예와 차이가 있다.
도 5의 평면도에서는 컬러 필터(130R)(130G)(130B)들의 배치를 보이기 위해, 편의상, 색분리소자의 도시는 생략하였다.
도면들을 참조하면, 다수의 제 3 컬러 필터(130B)와 상기 다수의 제 2 컬러 필터(130G)가 일 방향의 제 1 행을 따라 번갈아 배열되고, 다수의 제 2 컬러 필터(130G)와 다수의 제 3 컬러 필터(130B)가 제 1 행과 나란한 제 2 행을 따라 번갈아 배열되어 있다. 상기 제 1 행과 제 2 행은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 서로 번갈아 배열되어 있다.
도 6a는 상기 제 1 행에 대한 단면도이고, 도 6b는 상기 제 2 행에 대한 단면도이다.
도 6a를 참조하면, 제 1 색분리 소자(173)는 상기 제 1 행의 제 2 컬러 필터(130G)와 마주하게 배치되어, 입사광 중에서 제 1 컬러의 광(C1)을 상기 제 1 컬러 필터(130R)를 향해 진행시키고 제 2 컬러의 광(C2)을 상기 제 2 컬러 필터(130G)를 향해 진행시키도록 구성된다.
도 6b를 참조하면, 제 2 색분리 소자(174)는 상기 제 2 행의 제 2 컬러 필터(130G)와 마주하게 배치되어, 입사광 중에서 제 2 컬러의 광(C2)을 제 2 컬러 필터(130G)를 향해 진행시키고 제 3 컬러의 광(C3)을 제 3 컬러 필터(130B)를 향해 진행시키도록 구성된다.
반사성 격벽(135)은 상기한 배열의 제 1 내지 제 3 컬러 필터(130R)(130G)(130B)들을 구획하도록 마련되고, 제 1 색분리 소자(173), 제 2 색분리 소자(174)는 투명 스페이서층(150)에 매립되어 고정된 형태를 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 색분리 소자(173)(174)에 입사광을 집속하도록 마이크로 렌즈(190)가 더 구비될 수 있다.
변형될 실시예로서, 제 1 색분리 소자(173)와 제 2 색분리 소자(174)가 동일한 색분리 기능을 하는 구성으로 형성되는 것도 가능하다. 제 1 색분리 소자(173)와 제 2 색분리 소자(174)는 제 2 컬러의 광(C2)을 제 2 컬러 필터(130G)를 향해 진행시키고, 제 1 컬러와 제 3 컬러가 혼합된 광(C1+C3)을 제 1 컬러 필터(130R)와 제 3 컬러 필터(130B)를 향해 진행시키도록 구성될 수도 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서(104)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 이미지 센서(104)는 센서 기판(112)이 다수의 광검출 소자(110R)(110G)(110B)를 구획하는 격벽(115)을 더 구비하는 점에서 도 1의 실시예와 차이가 있고, 나머지 구성은 동일하다.
격벽(115)은 컬러 필터(130R)(130G)(130B)에 비스듬하게 입사된 광이 광검출소자(110R)(110G)(110B)에도 비스듬하게 입사되어 인접한 다른 광검출 소자(110R)(110G)(110B)로 진행하는 것을 막는 역할을 한다. 이를 위하여, 격벽(115)은 광을 흡수하는 재질 또는 반사시키는 재질로 이루어질 수 있다. 격벽(115)의 재료로는 광검출소자(110R)(110G)(110B)의 재료에 비해 낮은 굴절률을 갖는 물질이 사용될 수 있으며, 반사성 격벽(135)의 재료로 사용되는 다양한 재료들이 또한 사용될 수 있다. 격벽(115)은 또한, 이중층의 구조로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 광검출소자(110R)(110G)(110B)와 직접 접하게 되는 외측 부분은 실리콘 옥사이드로, 그 안쪽 부분은 폴리실리콘으로 이루어질 수도 있다. 격벽(155)의 두께는 반사성 격벽(135)의 두께와 같거나, 또는 이보다 클 수 있다.
이러한 구조의 센서 기판(112)은 도 1의 이미지 센서(101) 뿐 아니라, 도 3의 이미지 센서(102), 도 5의 이미지 센서(103)에도 적용될 수 있다.
도 8은 실시예에 따른 촬상 장치(1000)의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
촬상 장치(1000)는 물체(OBJ)로부터 반사된 광을 집속하여 광학 상(optical image)을 형성하는 촬영 렌즈부(1200)와, 촬영 렌즈부(1200)에서 형성한 광학 상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서(1400)를 포함한다.
이미지 센서(1400)는 전술한 실시예의 이미지 센서(101)(102)(103)(104) 중 어느 하나 또는 이들을 선택적으로 조합한 형태의 이미지 센서일 수 있다.
촬상 장치(1000)는 또한, 이미지 센서(1400)에서의 전기적 신호를 영상 신호로 처리하는 영상 처리부(1600), 영상 처리부(1600)에서 형성한 영상을 표시하는 디스플레이부(1700), 영상 처리부(1600)에서 형성한 영상 데이터를 저장하는 메모리(1800)를 더 포함할 수 있다. 또한, 이미지 센서(1400)와 촬영 렌즈부(1200) 사이에는 적외선 차단 필터가 더 배치될 수 있다.
이미지 센서(1400)는 전술한 바와 같이, 색분리 소자와, 다수의 컬러 필터들을 구획하며 색분리 소자에서 분리된 광이 해당 화소 이외의 화소로 입사하는 것을 막는 반사성 격벽을 구비하고 있다. 따라서, 광 이용효율이 높고 정확한 색상 정보 획득이 가능하다. 또한, 광이 경사지게 입사하게 되는 이미지 센서(1400)의 가장자리 영역에서도 정확한 색상 정보를 얻을 수 있다.
도 9a 내지 도 9g는 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하는 도면들이다.
도 9a를 참조하면, 먼저, 광을 센싱하는 다수의 광검출 소자들(110R)(110G)(110B)이 어레이 된 센서 기판(110)을 마련한다. 센서 기판(110)에는 다수의 광검출 소자들(110R)(110G)(110B)을 구획하는 격벽이 더 구비될 수도 있다.
다음, 도 9b를 참조하면, 반사성 격벽을 형성할 재질로 물질층(135')을 형성한다. 물질층(135')은 이후의 단계에서 반사성 격벽에 의해 구획되는 컬러 필터 물질 보다 굴절률이 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 전반사를 위한 소정의 굴절률 조건을 만족할 수 있다. 물질층(135')은 PMMA(polymethylmetacrylate), 실리콘 아크릴레이트(Silicon acrylate), CAB(cellulose acetate butyrate), 실리콘 산화물(SiO2), FSA(fluoro-silicon acrylate), 실리콘 질화물(SiNx) 등과 같은 재료로 이루어질 수 있다. 물질층(135')은 선택된 재질에 따라 이에 알맞은 방법으로 센서 기판(110) 상에 형성된다. 예를 들어, 실리콘 산화물을 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법으로 형성할 수 있다. 또는, SOG(spin-on-glass)나 이와 유사한 액상의 폴리머 물질을 스핀 코팅 방법으로 형성할 수도 있다. 물질층(135')의 두께는 이후에 형성될 컬러 필터 두께로 형성한다.
다음, 도 9c를 참조하면, 물질층(135')을 원하는 반사성 격벽의 형상으로 패터닝하기 위해 포토 리지스트층(PR)을 형성한다.
다음, 도 9d와 같이, 사진 식각 공정을 통해, 포토 리지스트층(PR)을 패터닝한다.
다음, 도 9e, 도 9f와 같이, 패터닝된 포토 리지스트층(PR)을 마스크로 하여 물질층(135')을 식각하여 반사성 격벽(135)을 형성하고, 다음, 포토 리지스트층(PR)을 제거한다.
다음, 도 9g와 같이, 반사성 격벽(135)으로 구획된 영역에 각각 제 1 컬러 필터(130R), 제 2 컬러 필터(130G), 제 3 컬러 필터(130B)를 형성한다. 제 1 내지 제 3 컬러 필터(130R)(130G)(130B)의 배치는 도 6의 실시예에서 설명한 것과 같이 변경될 수도 있다.
다음, 도 9h와 같이 다수의 컬러 필터들 위로 색분리 소자(170)를 형성한다. 색분리 소자(170)는 투명한 스페이서층(150) 내부에 매립 고정된 형태로, 다수의 컬러 필터들(130R)(130G)(130B) 위에 배치될 수 있다. 또한, 색분리 소자(170)에 광을 집속하는 마이크로 렌즈(190)를 더 형성할 수 있다.
도 10a 내지 도 10g는 다른 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법을 설명하는 도면들이다.
도 10a와 같이 준비된 센서 기판(110) 상에 도 10b와 같이, 포토 리지스트층(PR)을 도포한다.
다음, 도 10c와 같이, 포토 리지스트층(PR)을 사진 식각 공정으로 패터닝한다. 패턴된 포토 리지스트층(PR)은 형성하고자 하는 반사성 격벽에 대응하는 형상이 음각된 패턴을 갖는다.
다음, 도 10d와 같이, 상기 음각된 영역과 포토 리지스트층(PR) 상부를 전체적으로 덮는 물질층(135')을 형성한다. 물질층(135')은 반사성 격벽이 될 물질이므로, 전반사를 위한 소정의 굴절률 조건을 만족하는 물질로 선택될 수 있다. 또한, 재질에 따라 적절한 방법으로 형성되며, 예를 들어, 실리콘 산화물을 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 방법으로 형성하거나, SOG(spin-on-glass)나 이와 유사한 액상의 물질을 스핀 코팅하는 방법을 사용할 수 있다.
다음, 도 10e와 같이, 상기 포토 리지스트층 상부가 드러나도록 물질층(135')을 식각하고, 포토 리지스트층(PR)을 제거하면, 도 10f와 같이 반사성 격벽(135)이 형성된다.
다음, 도 10g와 같이, 반사성 격벽(135)으로 구획된 영역에 각각 제 1 컬러 필터(130R), 제 2 컬러 필터(130G), 제 3 컬러 필터(130B)를 형성한다. 제 1 내지 제 3 컬러 필터(130B)의 배치는 도 6의 실시예에서 설명한 것과 같은 배치로 변경될 수도 있다.
다음, 도 10h와 같이 다수의 컬러 필터들 위로 색분리 소자(170)를 형성한다. 색분리 소자(170)는 투명한 스페이서층(150) 내부에 매립 고정된 형태로, 다수의 컬러 필터들(130R)(130G)(130B) 위에 배치될 수 있다. 또한, 색분리 소자(170)에 광을 집속하는 마이크로 렌즈(190)를 더 형성할 수 있다.
이러한 본원 발명인 이미지 센서, 이의 제조방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
101,102,103,104,1400...이미지 센서
110, 112...센서 기판
110R, 110G, 110B...제1, 제2, 제3 광검출 소자
130, 132...컬러 필터 어레이층
135...반사성 격벽
130R, 130G, 130B...제1, 제2, 제3 컬러 필터
150...투명 스페이서층
170, 172, 173, 174...색분리 소자
190...마이크로 렌즈
1000...촬상 장치
110, 112...센서 기판
110R, 110G, 110B...제1, 제2, 제3 광검출 소자
130, 132...컬러 필터 어레이층
135...반사성 격벽
130R, 130G, 130B...제1, 제2, 제3 컬러 필터
150...투명 스페이서층
170, 172, 173, 174...색분리 소자
190...마이크로 렌즈
1000...촬상 장치
Claims (20)
- 서로 다른 컬러의 광을 투과시키는 다수의 컬러 필터들과, 상기 다수의 컬러 필터들을 구획하며 상기 컬러 필터 보다 굴절률이 작은 물질로 이루어진 반사성 격벽을 포함하는 컬러 필터 어레이층;
상기 다수의 컬러 필터 각각에 입사되도록, 입사광을 복수개의 컬러 광으로 분리하는 색분리 소자;
상기 다수의 컬러 필터들을 투과한 광을 각각 센싱하는 다수의 광검출 소자들이 어레이 된 센서 기판;을 포함하는 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 컬러 필터의 굴절률이 n1일 때, 상기 반사성 격벽의 굴절률 n2는 다음 조건을 만족하는 이미지 센서.
n2 < n1cosθ
여기서, θ는 상기 색분리 소자에서 분리된 복수의 컬러 광이 상기 컬러 필터에 입사하는 입사각 중 가장 큰 각을 의미한다. - 제 1 항에 있어서,
상기 컬러 필터의 굴절률이 n1일 때, 상기 반사성 격벽의 굴절률 n2는 다음 조건을 만족하는 이미지 센서.
n2 < n1cosφ
여기서, φ는 상기 색분리 소자의 광출사면의 중심과 상기 반사성 격벽의 중심을 연결하는 선이 상기 컬러 필터의 광입사면의 법선과 이루는 각 중 가장 큰 각을 의미한다. - 제 1 항에 있어서,
상기 반사성 격벽의 재질은 PMMA(polymethylmetacrylate), 실리콘 아크릴레이트(Silicon acrylate), CAB(cellulose acetate butyrate), 실리콘 산화물(SiO2), 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass), FSA(fluoro-silicon acrylate), 또는 실리콘 질화물(SiNx)인 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 색분리 소자로 광을 집속하는 마이크로 렌즈가 더 구비된 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 컬러 필터 어레이층 위에 배치된 투명 스페이서층을 더 포함하며,
상기 색분리 소자는 상기 투명 스페이서층 내부에 매립되어 고정된 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 센서 기판에는 상기 다수의 광검출 소자를 구획하는 것으로, 광을 흡수하거나 반사시키는 재질로 된 격벽이 더 구비된 이미지 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 다수의 컬러 필터들은
제 1 컬러의 광을 투과시키는 다수의 제 1 컬러필터;
제 2 컬러의 광을 투과시키는 다수의 제 2 컬러필터;
제 3 컬러의 광을 투과시키는 다수의 제 3 컬러필터;를 포함하며,
상기 다수의 제 1 내지 제 3 컬러필터는 서로 다른 컬러 필터가 인접하도록 2차원적으로 교번 배열된 이미지 센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 색분리 소자는,
입사광 중 제 1 컬러의 광을 상기 제 1 컬러 필터를 향하는 방향으로 진행하게 하고, 제 2 컬러의 광을 상기 제 2 컬러 필터를 향하는 방향으로 진행하게 하며, 제 3 컬러의 상기 제 3 컬러 필터를 향하는 방향으로 진행하게 하는 이미지 센서. - 제8항에 있어서,
상기 색분리 소자는,
입사광 중 제 2 컬러의 광을 상기 제 2 컬러 필터를 향하는 방향으로 진행하게 하고, 제 1 컬러와 제 3 컬러가 혼합된 광을 제 1 컬러 필터 및 제 3 컬러 필터를 향하는 방향으로 진행하게 하는 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 컬러 필터의 굴절률이 n1일 때, 상기 반사성 격벽의 굴절률 n2는 다음 조건을 만족하는 이미지 센서.
n2 < n1cosθ
여기서, θ는 상기 색분리 소자에서 분리된 제 1 컬러와 제 3 컬러가 혼합된 광이 상기 제 1 컬러 필터에 입사하는 입사각을 의미한다. - 제 10 항에 있어서,
상기 컬러 필터의 굴절률이 n1일 때, 상기 반사성 격벽의 굴절률 n2는 다음 조건을 만족하는 이미지 센서.
n2 < n1cosφ
여기서, φ는 상기 색분리 소자의 광출사면의 중심과 상기 반사성 격벽의 중심을 연결하는 선이 상기 제 1 컬러 필터의 광입사면의 법선과 이루는 각을 의미한다. - 제 8 항에 있어서,
상기 다수의 제 2 컬러 필터와 상기 다수의 제 3 컬러 필터가 제 1 방향의 제 1 행을 따라 번갈아 배열되고,
상기 다수의 제 1 컬러 필터와 상기 다수의 제 2 컬러 필터가 제 1 행과 나란한 제 2 행을 따라 번갈아 배열되고,
상기 제 1 행과 제 2 행은 제 1 방향에 수직한 제 2 방향을 따라 서로 번갈아 배열되어 있는 이미지 센서. - 제 13 항에 있어서,
상기 색분리 소자는
상기 제 1 행의 제 2 컬러 필터와 마주하게 배치되어, 입사광 중에서 제 3 컬러의 광을 상기 제 3 컬러 필터를 향해 진행시키고 제 2 컬러의 광을 상기 제 2 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성된 제 1 색분리 소자; 및
상기 제 2 행의 제 2 컬러 필터와 마주하게 배치되어, 입사광 중에서 제 2 컬러의 광을 상기 제 2 컬러 필터를 향해 진행시키고 제 1 컬러의 광을 상기 제 1 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성된 제 2 색분리 소자;를 포함하는 이미지 센서. - 제 13 항에 있어서,
상기 색분리 소자는
상기 제 1 행 또는 제 2 행의 제 2 컬러 필터와 마주하게 배치되어, 입사광 중에서 제 2 컬러의 광을 상기 제 2 컬러 필터를 향해 진행시키며, 제 1 컬러와 제 3 컬러가 혼합된 광을 상기 제 1 및 제 3 컬러 필터를 향해 진행시키도록 구성된 이미지 센서. - 물체로부터 반사된 광을 집속하여 광학상을 형성하는 촬영 렌즈부;
상기 촬영 렌즈부에서 형성한 광학상을 전기적 신호로 변환하는 것으로, 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 하나의 이미지 센서;를 포함하는 촬상 장치. - 광을 센싱하는 다수의 광검출 소자들이 어레이 된 센서 기판을 마련하는 단계;
상기 센서 기판 상의 영역을 이차원적으로 배열된 복수의 영역으로 구획하는 반사성 격벽을 형성하는 단계;
상기 복수의 영역에 서로 다른 컬러의 광을 투과시키는 다수의 컬러 필터를 형성하는 단계; 및
상기 다수의 컬러 필터 위에, 입사광을 복수개의 컬러 광으로 분리하여 상기 다수의 컬러 필터 각각에 입사시키는 색분리 소자를 형성하는 단계;를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 반사성 격벽을 형성하는 단계는
상기 센서 기판상에 상기 컬러 필터의 보다 작은 굴절률을 가지는 물질층을 형성하는 단계;
상기 물질층 상에 포토 리지스트층을 형성하고, 상기 반사성 격벽에 대응하는 형상으로 패터닝하는 단계:
상기 패터닝된 포토 리지스트층을 마스크로 하여 상기 물질층을 식각하고, 상기 패터닝된 포토리지스트층을 제거하는 단계;를 포함하는 이미지 센서의 제조 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 반사성 격벽을 형성하는 단계는
상기 센서 기판 상에 포토 리지스트층을 형성하고, 상기 반사성 격벽에 대응하는 형상이 음각되도록 패터닝하는 단계;
상기 음각된 영역과 상기 포토 리지스트층 상부를 전체적으로 덮는 물질층을 형성하는 단계;
상기 포토 리지스트층 상부가 드러나도록 상기 물질층을 식각하는 단계;
상기 포토리지스트층을 제거하는 단계;를 포함하는 이미지 센서 제조 방법 - 제 17 항에 있어서,
상기 색분리 소자는 투명 스페이서층 내부에 매립되어 고정된 형태로 상기 다수의 컬러 필터 위에 형성되는 이미지 센서 제조 방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020140109047A KR20160023158A (ko) | 2014-08-21 | 2014-08-21 | 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서 및 그 제조방법 |
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