KR20170036414A - 고굴절률 광학 기능층을 포함하는 광학 장치 및 상기 광학 장치의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
높은 굴절률을 갖는 광학 기능층을 포함하는 광학 장치 및 상기 광학 장치를 제조하는 방법이 개시된다. 개시된 광학 장치는 제 1 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률을 가지며 제 1 온도 범위 보다 높은 제 2 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률보다 높은 제 2 굴절률을 갖는 상변이 재료로 형성된 광학 기능층을 포함하는데, 여기서 광학 기능층은 고온에서 증착하지 않고도 마이크로 히터를 이용하여 제 2 굴절률을 갖도록 구성될 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 고굴절률층을 포함하는 광학 장치 및 상기 광학 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 굴절률을 갖는 광학 기능층을 포함하는, 예를 들어, 이미지 센서, 발광 다이오드, 유기 발광 소자와 같은 광학 장치 및 상기 광학 장치를 제조하는 방법에 관한 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, 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.
최근에는 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서의 광 이용 효율을 향상시키기 위하여, 컬러 필터 대신에 색분리층과 같은 광학 기능층을 이용하는 시도가 이루어지고 있다. 색분리층은 파장에 따라 다른 빛의 회절 또는 굴절 특성을 이용하여 입사광의 색을 분리하는 광학 기능층으로서, 색분리층에서 분리된 색들은 이미지 센서의 각각의 대응하는 화소에 전달될 수 있다. 통상적으로, 색분리층의 굴절률이 높을수록 색분리 특성이 증가하는 것으로 알려져 있다.
높은 굴절률을 갖는 광학 기능층을 포함하는, 예를 들어, 이미지 센서, 발광 다이오드, 유기 발광 소자와 같은 광학 장치를 제공한다.
상기 광학 장치를 제조하는 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 광학 장치는 반도체층, 및 상기 반도체층 위에 배치된 것으로 제 1 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률을 가지며 제 1 온도 범위 보다 높은 제 2 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률보다 높은 제 2 굴절률을 갖는 상변이 재료로 형성된 광학 기능층을 포함하며, 상기 광학 기능층은 제 2 굴절률을 갖도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 상변이 재료는 TiO2 또는 SiN을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 온도 범위는 400℃ 내지 550℃이며, 상기 제 2 온도 범위는 600℃ 내지 900℃일 수 있다.
또한 예를 들어, 상기 제 1 굴절률은 2.4 내지 2.6의 범위 내에 있으며 상기 제 2 굴절률은 2.7 내지 2.9의 범위 내에 있을 수 있다.
상기 광학 장치는 이미지 센서이며, 상기 반도체층은 입사광의 세기를 감지하도록 형성된 다수의 화소들의 화소 어레이를 포함할 수 있다.
상기 광학 기능층은 입사광 중에서 제 1 파장의 빛이 제 1 방향으로 방출되고 제 1 파장과 다른 제 2 파장의 빛이 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 방출되도록 입사광을 파장에 따라 각각 분리하는 다수의 색분리 요소들을 포함할 수 있다.
상기 화소 어레이는 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소 및 제 1 파장과 다른 제 2 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 2 화소를 포함하며, 상기 다수의 제 1 화소와 다수의 제 2 화소가 번갈아 배치될 수 있다.
각각의 색분리 요소는 입사광 중에서 제 1 파장의 빛을 제 1 화소로 진행시키고 제 2 파장의 빛을 제 2 화소로 진행시키도록 구성될 수 있다.
상기 광학 기능층은 각각의 화소에 입사광을 집광시키는 다수의 마이크로 렌즈들을 포함할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 입사광의 세기를 감지하도록 형성된 다수의 광센싱 화소들을 포함하는 화소 어레이; 및 상기 화소 어레이에 대향하여 배치된 것으로, 입사광을 파장에 따라 분리하여 서로 방향으로 진행시키도록 구성된 다수의 색분리 요소;를 포함하며, 상기 다수의 색분리 요소는 제 1 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률을 가지며 제 1 온도 범위 보다 높은 제 2 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률보다 높은 제 2 굴절률을 갖는 상변이 재료로 형성되고, 상기 색분리 요소는 제 2 굴절률을 가질 수 있다.
상기 화소 어레이는 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소 및 제 1 파장과 다른 제 2 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 2 화소를 포함하며, 상기 다수의 제 1 화소와 다수의 제 2 화소가 번갈아 배치될 수 있다.
각각의 색분리 요소는 입사광 중에서 제 1 파장의 빛을 제 1 화소로 진행시키고 제 2 파장의 빛을 제 2 화소로 진행시키도록 구성될 수 있다.
상기 화소 어레이는 제 1 대각선 방향으로 배열된 제 1 화소와 제 3 화소 및 제 1 대각선 방향에 교차하는 제 2 대각선 방향으로 배열된 2개의 제 2 화소를 포함하며, 상기 제 1 화소는 제 1 파장의 빛을 감지하고, 상기 제 2 화소는 제 2 파장의 빛을 감지하며, 상기 제 3 화소는 제 3 파장의 빛을 감지하도록 구성될 수 있다.
상기 색분리 요소는 제 1 대각선 방향으로 배향되어 있는 제 1 색분리 요소 및 제 2 대각선 방향으로 배향되어 있는 제 2 색분리 요소를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 색분리 요소는 입사광 중에서 제 1 파장의 빛을 제 1 화소로 진행시키고 제 3 파장의 빛을 제 3 화소로 진행시키도록 구성될 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 화소 어레이 위에 배치된 컬러 필터층을 더 포함하며, 상기 컬러 필터층은 제 1 파장의 빛을 투과시키는 제 1 컬러 필터, 제 2 파장의 빛을 투과시키는 제 2 컬러 필터, 및 제 3 파장의 빛을 투과시키는 제 3 컬러 필터를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 컬러 필터층 위에 배치된 투명 유전체층을 더 포함하며, 상기 색분리 요소는 상기 투명 유전체층 내에 매립될 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 광학 장치의 제조 방법은, 제 1 온도 범위에서 광학 기능층 재료를 증착하는 단계; 상기 광학 기능층 재료 위에 마이크로 히터를 형성하는 단계; 상기 마이크로 히터에 전류를 인가하여 제 1 온도 범위 보다 높은 제 2 온도 범위에서 상기 광학 기능층 재료를 국부적으로 열처리하는 단계; 및 상기 마이크로 히터를 제거하는 단계;를 포함하며, 상기 광학 기능층 재료는 제 1 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률을 가지며 제 1 온도 범위 보다 높은 제 2 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률보다 높은 제 2 굴절률을 갖는 상변이 재료로 형성될 수 있다.
또한 상기 마이크로 히터를 형성하는 단계는, 상기 광학 기능층 재료 위에 절연체층을 형성하는 단계; 상기 절연체층 위에 도전성 금속층 재료를 형성하는 단계; 및 습식 에칭 방식으로 상기 도전성 금속층 재료를 패터닝하여 도전성 금속층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 도전성 금속층 재료의 패터닝 시에 상기 도전성 금속층 하부의 절연체층을 부분적으로 제거하여 상기 광학 기능층 재료가 상기 패터닝된 도전성 금속층에 대해 노출되도록 할 수 있다.
상기 패터닝된 도전성 금속층은, 전류를 인가 받기 위한 패드부, 제 1 온도 범위 이하의 온도로 발열하는 제 1 가열부, 및 제 2 온도 범위로 발열하는 제 2 가열부를 포함하며, 상기 제 2 가열부의 폭은 상기 제 1 가열부의 폭보다 작을 수 있다.
상기 패터닝된 도전성 금속층의 패드부 또는 제 1 가열부 아래에 상기 절연체층이 제거되지 않고 남을 수 있다.
상기 광학 기능층 재료를 증착하는 단계는, 증착된 광학 기능층 재료를 패터닝하여 광학 기능층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광학 기능층 재료를 국부적으로 열처리하는 단계는, 상기 광학 기능층 재료 중에서 제 2 온도 범위로 열처리된 영역을 남기고 나머지 영역을 제거함으로써 광학 기능층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 고온에서 광학 기능층을 증착하지 않고도 높은 굴절률을 갖는 광학 기능층을 형성할 수 있다. 따라서, 고온 공정으로 인한 공정 상의 또는 응용 상의 제약 없이 높은 굴절률을 포함하는 광학 장치를 제조할 수 있다. 또한, 광학 기능층의 굴절률이 높기 때문에, 광학 장치의 두께를 저감시킬 수 있다.
도 1은 광학 기능층을 포함하는 일 실시예에 따른 광학 장치, 예를 들어, 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 이미지 센서의 A-A' 라인을 따른 단면도이다.
도 2b는 도 1에 도시된 이미지 센서의 B-B' 라인을 따른 단면도이다.
도 3a 내지 도 3i는 도 1에 도시된 이미지 센서를 제조하는 예시적인 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 도 3f의 과정에서 형성된 마이크로 히터의 도전성 금속층의 패턴을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 5는 도 3f의 과정에서 형성된 마이크로 히터의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 6a 내지 도 6e는 도 1에 도시된 이미지 센서를 제조하는 다른 예시적인 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 도 6c의 과정에서 형성된 마이크로 히터의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 도 6d에서 광학 기능층 재료를 국부적으로 열처리하는 과정을 보이는 다른 방향의 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 유기 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 이미지 센서의 A-A' 라인을 따른 단면도이다.
도 2b는 도 1에 도시된 이미지 센서의 B-B' 라인을 따른 단면도이다.
도 3a 내지 도 3i는 도 1에 도시된 이미지 센서를 제조하는 예시적인 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 도 3f의 과정에서 형성된 마이크로 히터의 도전성 금속층의 패턴을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 5는 도 3f의 과정에서 형성된 마이크로 히터의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 6a 내지 도 6e는 도 1에 도시된 이미지 센서를 제조하는 다른 예시적인 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 도 6c의 과정에서 형성된 마이크로 히터의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 도 6d에서 광학 기능층 재료를 국부적으로 열처리하는 과정을 보이는 다른 방향의 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 유기 발광 소자의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 고굴절률 광학 기능층을 포함하는 광학 장치 및 상기 광학 장치의 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 광학 기능층을 포함하는 일 실시예에 따른 광학 장치, 예를 들어, 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다. 도 1을 참조하면, 이미지 센서는 제 1 대각선 방향으로 배열된 제 1 화소(110a)와 제 3 화소(110c) 및 제 1 대각선 방향에 교차하는 제 2 대각선 방향으로 배열된 2개의 제 2 화소(110b)를 구비하는 베이어 패턴(Bayer pattern)을 포함할 수 있다. 도 1에는 편의상 한 단위의 베이어 패턴만이 도시되어 있지만, 이미지 센서는 2차원 배열된 다수의 베이어 패턴들을 포함하는 화소 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서는 다수의 제 2 화소(110b)와 다수의 제 3 화소(110c)들이 가로 방향으로 번갈아 배열된 제 1 화소행(P1)과 다수의 제 1 화소(110a)와 다수의 제 2 화소(110b)들이 가로 방향으로 번갈아 배열된 제 2 화소행(P2)을 포함할 수 있다. 그리고, 다수의 제 1 화소행(P1)들과 다수의 제 2 화소행(P2)들이 세로 방향으로 번갈아 배열될 수 있다.
또한, 이미지 센서는 제 2 화소행(P2) 내의 제 2 화소(110b)와 대향하여 배치된 제 1 광학 기능층(131) 및 제 1 화소행(P1) 내의 제 2 화소(110b)와 대향하여 배치된 제 2 광학 기능층(132)을 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)은 입사광을 파장에 따라 분리하여 상이한 파장 대역의 빛이 상이한 경로로 진행하도록 하는 역할을 한다. 이러한 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)은 파장에 따라 달라지는 빛의 회절 또는 굴절 특성을 이용하여 입사광의 파장에 따라 빛의 진형 경로를 바꿈으로써 색을 분리할 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)은 색분리 요소(color separation element)라고 볼 수 있다. 예를 들어, 색분리 요소는 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.
제 1 광학 기능층(131)은, 예를 들어, 입사광 중에서 제 1 파장 대역의 빛을 좌우 측면으로 경사지게 진행시키고 제 2 파장 대역의 빛을 제 1 광학 기능층(131)의 바로 아래 방향으로 진행시키도록 구성될 수 있다. 제 1 광학 기능층(131)에 의해 분리된 제 1 파장 대역의 빛은 제 2 화소행(P2) 내의 제 2 화소(110b)에 인접한 제 1 화소(110a)에 입사할 수 있으며, 제 2 파장 대역의 빛은 제 2 화소행(P2) 내의 제 1 광학 기능층(131)와 대향하는 제 2 화소(110b)에 입사할 수 있다. 또한, 제 2 광학 기능층(132)은 입사광 중에서 제 3 파장 대역의 빛을 좌우 측면으로 경사지게 진행시키고 제 2 파장 대역의 빛을 제 2 광학 기능층(132)의 바로 아래 방향으로 진행시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 제 2 광학 기능층(132)에 의해 분리된 제 3 파장 대역의 빛은 제 1 화소행(P1) 내의 제 2 화소(110b)에 인접한 제 3 화소(110c)에 입사할 수 있으며, 제 2 파장 대역의 빛은 제 1 화소행(P1) 내의 제 2 광학 기능층(132)와 대향하는 제 2 화소(110b)에 입사할 수 있다.
도 2a는 도 1에 도시된 이미지 센서에서 제 1 화소행(P1)의 A-A' 라인을 따른 단면도이다. 도 2a를 참조하면, 이미지 센서의 제 1 화소행(P1)은 입사광의 세기를 전기적인 신호로 변환하는 광센싱 반도체층(110), 광센싱 반도체층(110) 위에 배치되어 소망하는 파장 대역의 빛만을 투과시키도록 구성된 컬러 필터층(150), 컬러 필터층(150) 위에 배치된 투명 유전체층(120), 투명 유전체층(120) 내에 매립되어 고정된 제 2 광학 기능층(132), 및 투명 유전체층(120) 위에 배치된 마이크로 렌즈(140)를 포함할 수 있다. 광센싱 반도체층(110)은 예를 들어 광센싱 소자와 스위칭 소자 등으로 구성된 반도체 회로를 포함할 수 있다. 제 1 화소행(P1)의 광센싱 반도체층(110)에는 제 2 화소(110b)와 제 3 화소(110c)가 배열될 수 있다. 컬러 필터층(150)은 제 2 화소(110b) 위에 배치되어 제 2 파장 대역의 빛(C2)만을 투과시키는 제 2 컬러 필터(CF2)와 제 3 화소(110c) 위에 배치되어 제 3 파장 대역(C3)의 빛만을 투과시키는 제 3 컬러 필터(CF3)를 포함할 수 있다. 제 2 광학 기능층(132)는 제 2 화소(110b)와 대향하여 배치될 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 제 2 광학 기능층(132)에 입사하는 빛 중에서, 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 제 2 광학 기능층(132)의 바로 아래에 있는 제 2 컬러 필터(CF2)를 통과하여 제 2 화소(110b)에 입사할 수 있다. 또한, 제 3 파장 대역의 빛(C3)은 제 2 광학 기능층(132)의 양쪽 측면 방향으로 경사지게 진행한 후, 제 3 컬러 필터(CF3)를 통과하여 제 3 화소(110c)에 입사할 수 있다. 제 2 및 제 3 컬러 필터(CF2, CF3)를 사용하더라도, 제 2 광학 기능층(132)에 의해 상당 정도로 색분리된 빛(C2, C3)이 각각 제 2 및 제 3 컬러 필터(CF2, CF3)에 입사하므로, 컬러 필터층(150)에 의한 광 손실은 크지 않다. 제 2 광학 기능층(132)에 의한 색분리가 충분하다면 컬러 필터층(150)은 생략될 수도 있다.
도 2b는 도 1에 도시된 이미지 센서에서 제 2 화소행(P2)의 B-B' 라인을 따른 단면도이다. 도 2b를 참조하면, 이미지 센서의 제 2 화소행(P2)은 입사광의 세기를 전기적인 신호로 변환하는 광센싱 반도체층(110), 광센싱 반도체층(110) 위에 배치되어 소망하는 파장 대역의 빛만을 투과시키도록 구성된 컬러 필터층(150), 컬러 필터층(150) 위에 배치된 투명 유전체층(120), 투명 유전체층(120) 내에 매립되어 고정된 제 1 광학 기능층(131), 및 투명 유전체층(120) 위에 배치된 마이크로 렌즈(140)를 포함할 수 있다. 제 2 화소행(P2)의 광센싱 반도체층(110)에는 제 1 화소(110a)와 제 2 화소(110b)가 배열될 수 있다. 컬러 필터층(150)은 제 1 화소(110a) 위에 배치되어 제 1 파장 대역의 빛(C1)만을 투과시키는 제 1 컬러 필터(CF1)와 제 2 화소(110b) 위에 배치되어 제 2 파장 대역(C2)의 빛만을 투과시키는 제 2 컬러 필터(CF2)를 포함할 수 있다. 제 1 광학 기능층(131)는 제 2 화소(110b)와 대향하여 배치될 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 제 1 광학 기능층(131)에 입사하는 빛 중에서, 제 2 파장 대역의 빛(C2)은 제 1 광학 기능층(131)의 바로 아래에 있는 제 2 컬러 필터(CF2)를 통과하여 제 2 화소(110b)에 입사할 수 있다. 또한, 제 1 파장 대역의 빛(C1)은 제 1 광학 기능층(131)의 양쪽 측면 방향으로 경사지게 진행한 후, 제 1 컬러 필터(CF1)를 통과하여 제 1 화소(110a)에 입사할 수 있다. 제 2 화소행(P2)에서도, 제 1 광학 기능층(131)에 의한 색분리가 충분하다면 컬러 필터층(150)은 생략될 수도 있다. 또는, 제 1 내지 제 3 컬러 필터(CF1, CF2, CF3)들 중에서 일부가 생략될 수도 있다.
또한, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 제 1 화소행(P1)에서 마이크로 렌즈(140)는 제 2 화소(110b)를 중심으로 양쪽의 제 3 화소(110c)까지 연장되어 배치될 수 있다. 또한, 제 2 화소행(P2)에서 마이크로 렌즈(140)는 제 2 화소(110b)를 중심으로 양쪽의 제 1 화소(110a)까지 연장되어 배치될 수 있다. 그러나, 이미지 센서가 반드시 도 2a 및 도 2b에 도시된 마이크로 렌즈(140)만을 사용할 필요는 없다. 예를 들어, 각각의 화소(110a, 110b, 110c)마다 배치된 별개의 마이크로 렌즈가 사용될 수도 있으며, 또는 마이크로 렌즈가 생략될 수도 있다.
개시된 실시예에 따른 이미지 센서는, 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)를 이용하여 향상된 광 이용 효율과 우수한 색 순도를 동시에 달성할 수 있다. 더욱이, 이미지 센서에서 일반적으로 채택되고 있는 베이어 패턴 방식을 그대로 유지하기 때문에, 기존의 이미지 센서의 화소 구조와 이미지 처리 알고리즘을 크게 변경할 필요가 없다. 이러한 실시예에 따른 이미지 센서는 다양한 종류의 촬상 장치에 적용되어 우수한 품질의 영상을 제공할 수 있다.
한편, 입사광을 충분히 회절 및 굴절시키기 위하여, 상기 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)은 주위의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 예컨대, 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)의 굴절률은 투명 유전체층(120)의 굴절률보다 높을 수 있다. 예를 들어, 투명 유전체층(120)은 SiO2나 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass)로 이루어질 수 있으며, 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)은 TiO2, SiN3, ZnS, ZnSe, Si3N4 등과 같은 고굴절률 재료를 통상적으로 사용할 수 있다. 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)의 굴절률과 투명 유전체층(120)의 굴절률 차이가 클수록, 이미지 센서의 두께가 작아질 수 있으며 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)의 색분리 특성이 향상될 수 있다.
통상적으로, 약 600℃ 이상의 고온에서 PVD(physical vapor deposition) 방법을 사용하면 충분히 높은 굴절률을 갖는 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)을 형성할 수 있다. 그런데, 그러한 고온에서는 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)의 아래에 있는 광센싱 반도체층(110)과 컬러 필터층(150) 등이 열에 의해 손상될 가능성이 높아진다. 반면, 광센싱 반도체층(110)과 컬러 필터층(150) 등의 손상 가능성을 낮추기 위하여 증착 온도를 낮추면 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)의 굴절률이 충분히 높아지지 않을 수 있다.
예를 들어, 도 3a 내지 도 3i는 도 1에 도시된 이미지 센서를 제조하는 예시적인 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다. 이하, 도 3a 내지 도 3i를 참조하여, 광센싱 반도체층(110)과 컬러 필터층(150) 등을 손상시키지 않으면서 고굴절률의 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)을 형성하는 공정을 설명한다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 먼저 광센싱 반도체층(110) 위에 컬러 필터층(150)을 형성하고, 컬러 필터층(150) 위에 제 1 투명 유전체층(120a)을 형성한다. 도 3a에는 광센싱 반도체층(110)이 단지 하나의 층으로 단순하게 도시되어 있지만, 광센싱 반도체층(110)은 실리콘, 화합물 반도체, 또는 산화물 반도체 등과 같은 반도체 재료와 금속 배선을 패터닝하여 형성된 복잡한 집적 회로를 포함할 수 있으며, 다수의 화소들의 어레이로 구획될 수 있다. 또한, 광센싱 반도체층(110)은 투명한 패시베이션막에 의해 보호될 수 있다. 컬러 필터층(150)도 역시 각각의 화소들에 대응하는 다수의 컬러 필터들의 어레이를 포함할 수 있다. 제 1 투명 유전체층(120a)은 예를 들어 SiO2나 실란올계 유리를 증착하여 형성될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 제 1 투명 유전체층(120a) 위에 광학 기능층 재료(130')를 형성할 수 있다. 광학 기능층 재료(130')는 열처리 온도에 따라 상변이 하여 굴절률이 변화하는 상변이 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 그러한 광학 기능층 재료(130')로는 TiO2 또는 SiN와 같은 상변이 재료를 사용할 수 있다. 이와 같은 상변이 재료는 열처리 온도에 따라 결정 구조가 달라지면서 상이한 굴절률을 가질 수 있다. 특히, 열처리 온도가 높아질수록 상변이 재료의 굴절률이 높아질 수 있다. 즉, 상변이 재료는 제 1 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률을 가지며, 제 1 온도 범위 보다 높은 제 2 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률보다 높은 제 2 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 온도 범위는 약 400℃ 내지 550℃이며, 제 2 온도 범위는 약 600℃ 내지 900℃일 수 있고, 제 1 굴절률은 약 2.4 내지 2.6의 범위 내에 있으며 제 2 굴절률은 약 2.7 내지 2.9의 범위 내에 있을 수 있다. 구체적으로, TiO2는 비정질 상태에서 약 2.49의 굴절률을 가지며, 약 450~550℃로 열처리하여 아나타제(anatase) 상태가 되면 약 2.56의 굴절률을 갖고, 약 600~700℃로 열처리하여 루틸(rutile) 상태가 되면 약 2.87의 굴절률을 갖는 것으로 알려져 있다. 여기서, 굴절률은 약 632.8nm의 파장에서 측정된 것이다.
도 3b에 도시된 단계에서는, 광센싱 반도체층(110)과 컬러 필터층(150)이 열에 의해 손상되지 않도록 비교적 저온인 제 1 온도 범위(약 400℃ 내지 550℃)로 광학 기능층 재료(130')를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제 1 온도 범위에서 PVD 방법을 이용하여 제 1 투명 유전체층(120a) 위에 광학 기능층 재료(130')를 형성할 수 있다. 이 경우, 광학 기능층 재료(130')의 굴절률은 약 2.4 내지 2.6의 범위 내에 있을 수 있다.
다음으로 도 3c를 참조하면, 광학 기능층 재료(130')를 패터닝하여 광학 기능층(130)을 형성할 수 있다. 도 3c에는 광학 기능층(130)이 단순히 사각형 형태로 편의상 도시되어 있지만, 소망하는 광학적 기능에 따라 다양한 형태로 패터닝될 수 있다. 예를 들어, 광학 기능층(130)이 도 1에 도시된 색분리 요소인 경우에 색분리 특성에 따라 대칭 또는 비대칭 구조의 막대 형태, 또는 경사면을 갖는 프리즘 형태를 갖도록 광학 기능층 재료(130')를 패터닝할 수 있다. 또한, 광학 기능층(130)이 렌즈와 같은 역할을 하는 경우에 볼록 또는 오목한 광학면을 갖도록 광학 기능층 재료(130')를 패터닝할 수도 있다.
이어서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 광학 기능층(130)을 완전히 덮도록 제 1 투명 유전체층(120a) 위에 절연체층(121)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 절연체층(121)이 광학 기능층(130)의 상부 표면을 완전히 덮도록 절연체층(121)의 높이는 광학 기능층(130)의 높이보다 더 클 수 있다. 절연체층(121)은 제 1 투명 유전체층(120a)과 동일한 SiO2로 이루어질 수도 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 절연체층(121)은 반드시 투명할 필요가 없으며 제 2 온도 범위(약 600℃ 내지 900℃)에서 내열성이 있고 절연성이 있다면 어떠한 유전체 재료로도 이루어질 수 있다. 또한, 절연체층(121)의 재료는 열전도도가 낮을수록 유리할 수 있다.
그런 후, 도 3e에 도시된 바와 같이, 절연체층(121) 위에 도전성 금속층 재료(161')를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도전성 금속층 재료(161')는 스퍼터링 방식으로 형성될 수 있다. 도전성 금속층 재료(161')는 전류가 흐르면 열을 발생할 수 있는 도전성 금속으로서 제 2 온도 범위(약 600℃ 내지 900℃)에서 녹지 않는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도전성 금속층 재료(161')는 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 금(Au), 은(Ag) 등의 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다.
그리고, 도 3f를 참조하면, 도전성 금속층 재료(161')를 패터닝하여 도전성 금속층(161)을 형성할 수 있다. 이때, 절연체층(121)이 함께 패터닝되면서 패터닝된 도전성 금속층(161)과 패터닝된 절연체층(121)을 포함하는 마이크로 히터(160)가 형성될 수 있다. 이를 위하여, 도전성 금속층 재료(161')의 패터닝은, 예를 들어, 습식 에칭을 이용한 등방성 에칭 방식으로 수행될 수 있다. 도전성 금속층 재료(161')를 습식 에칭 방식으로 패터닝 할 때, 패터닝된 도전성 금속층(161)의 하부에 있는 절연체층(121)도 부분적으로 제거되면서 광학 기능층(130)의 상부가 외부로 노출될 수 있다. 즉, 패터닝된 도전성 금속층(161)과 광학 기능층(130) 사이의 절연체층(121)이 제거되어 패터닝된 도전성 금속층(161)과 광학 기능층(130) 사이에 빈 공간이 형성될 수 있다.
도전성 금속층 재료(161')의 패터닝은 후속하는 광학 기능층(130)의 열처리 공정을 고려하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 도 4는 도 3f의 과정에서 형성된 마이크로 히터(160)의 도전성 금속층(161)의 패턴을 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 3f는 도 4에서 C-C' 라인을 따른 단면도라고 볼 수 있다. 도 4를 참조하면, 패터닝된 도전성 금속층(161)은, 전류를 인가 받기 위한 패드부(161p), 제 1 온도 범위 이하의 온도로 발열하는 제 1 가열부(161a), 및 제 2 온도 범위로 발열하는 제 2 가열부(161b)를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 더 높은 온도로 발열하는 제 2 가열부(161b)의 폭(W2)은 제 1 가열부(161a)의 폭(W1)보다 작을 수 있다. 도전성 금속층(161)의 폭이 좁아질수록 저항이 커지고 전류 밀도가 높아지기 때문에 줄 발열(Joule heating) 현상에 의해 온도가 증가할 수 있다. 다수의 제 2 가열부(161b)들의 위치는 열처리될 광학 기능층(130)들의 위치와 일치할 수 있다. 도 4에는 예시적으로 2개의 제 1 가열부(161a)와 3개의 제 2 가열부(161b)가 도시되어 있지만, 제 1 가열부(161a)와 제 2 가열부(161b)의 위치, 형태, 개수는 도 4에 도시된 예에 한정되지 않으며, 광학 기능층(130)의 위치, 형태, 개수에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 광학 기능층(130)이 하나의 긴 일직선 형태로 형성된 경우, 2개의 패드부(161p) 사이에 제 1 가열부(161a) 없이 하나의 제 2 가열부(161b)만이 일직선 형태로 형성될 수도 있다.
도전성 금속층 재료(161')를 습식 에칭 방식으로 에칭하면, 폭이 좁은 제 2 가열부(161b)의 아래 있는 절연체층(121)이 대부분 제거되어 광학 기능층(130)의 상부가 외부로 노출될 수 있다. 반면, 폭이 넓은 제 1 가열부(161a)의 아래에 있는 절연체층(121)은 적게 제거되어 도전성 금속층(161)을 지지하는 지지부를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 5는 도 3f의 과정에서 형성된 마이크로 히터(160)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도로서, 도 4에서 D-D' 라인을 따른 단면도이다. 도 5를 참조하면, 제 2 가열부(161b)의 아래에는 절연체층(121)이 제거되어 빈 공간(122)이 형성되어 있다. 따라서, 광학 기능층(130)의 상부 표면이 제 2 가열부(161b)와 직접 대향하게 된다. 그리고, 패드부(161p)의 아래와 제 1 가열부(161a)의 아래에는 절연체층(121)이 기둥 형태로 남아 있게 된다. 따라서, 제 2 가열부(161b)는 패드부(161p)와 제 1 가열부(161a)의 아래에 남아 있는 절연체층(121)에 의해 지지되어 공간(122) 위로 현가될 수 있다.
상술한 방식으로 마이크로 히터(160)를 형성한 후에는, 도 3g에 도시된 바와 같이, 도전성 금속층(161)에 전류를 인가하여 광학 기능층(130)을 열처리할 수 있다. 광학 기능층(130)을 열처리하는 온도는 도전성 금속층(161)에 인가되는 전류를 통해 쉽게 조절할 수 있다. 예를 들어, 광학 기능층(130)을 약 600℃ 내지 900℃의 제 2 온도 범위로 열처리하면, 광학 기능층(130)이 상변이 하면서 약 2.7 내지 2.9의 제 2 굴절률을 갖는 결정 구조를 갖게 될 수 있다. 광학 기능층(130)의 상부 표면은 빈 공간(122)을 통해 도전성 금속층(161)과 직접 대향하기 때문에 쉽게 가열될 수 있다. 반면, 다른 층들, 예컨대, 광센싱 반도체층(110)과 컬러 필터층(150)은 제 1 투명 유전체층(120a)과 절연체층(121)에 의해 열이 어느 정도 차단되기 때문에 거의 가열되지 않을 수 있다. 따라서, 광학 기능층(130)이 가열되어 상변이 되는 동안 광센싱 반도체층(110)과 컬러 필터층(150)은 열에 의한 영향을 거의 받지 않을 수 있다.
그런 후, 도 3h를 참조하면, 광학 기능층(130)을 제외하고 제 1 투명 유전체층(120a) 위에 있는 마이크로 히터(160)를 에칭을 통해 제거할 수 있다. 예를 들어, 도전성 금속층(161)과 절연체층(121)을 순차적으로 제거할 수 있다. 그러나 만약 절연체층(121)이 제 1 투명 유전체층(120a)과 동일한 재료로 이루어진 경우에는, 절연체층(121)은 남겨 두고 도전성 금속층(161)만을 제거할 수도 있다.
마지막으로, 도 3i를 참조하면, 광학 기능층(130)을 덮도록 제 1 투명 유전체층(120a) 위에 제 2 투명 유전체층(120b)을 형성할 수 있다. 제 2 투명 유전체층(120b)은 제 1 투명 유전체층(120a)과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 따라서,제 1 투명 유전체층(120a)과 제 2 투명 유전체층(120b)이 함께 하나의 투명 유전체층(120)을 형성하게 된다. 그러면, 광학 기능층(130)이 투명 유전체층(120) 내에 매립될 수 있다. 그리고, 각각의 광학 기능층(130)의 상부 표면과 대향하도록 투명 유전체층(120) 위에 각각 마이크로 렌즈(140)를 형성하여 이미지 센서를 완성할 수 있다.
도 3a 내지 도 3i에서 설명한 실시예의 경우, 광학 기능층(130)을 먼저 패터닝한 후에 열처리를 수행하였다. 그러나, 광학 기능층(130)에 대한 열처리를 먼저 수행한 후에 광학 기능층(130)을 패터닝하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 6a 내지 도 6e는 도 1에 도시된 이미지 센서를 제조하는 다른 예시적인 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다.
먼저, 도 6a를 참조하면, 앞서 설명한 도 3a 및 도 3b의 과정을 통해 광센싱 반도체층(110) 위에 컬러 필터층(150)을 형성하고, 컬러 필터층(150) 위에 제 1 투명 유전체층(120a)을 형성한다. 그리고, 제 1 투명 유전체층(120a) 위에 광학 기능층 재료(130')를 형성한 다음, 광학 기능층 재료(130') 위에 전체적으로 일정한 두께로 절연체층(121)을 형성할 수 있다. 도 3b에서 설명한 바와 같이, 도 6a의 과정에서는 광센싱 반도체층(110)과 컬러 필터층(150)이 열에 의해 손상되지 않도록 비교적 저온인 제 1 온도 범위(약 400℃ 내지 550℃)로 광학 기능층 재료(130')를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제 1 온도 범위에서 PVD 방법을 이용하여 제 1 투명 유전체층(120a) 위에 광학 기능층 재료(130')를 형성할 수 있다. 이 경우, 광학 기능층 재료(130')의 굴절률은 약 2.4 내지 2.6의 범위 내에 있을 수 있다.
이어서, 도 6b를 참조하면, 절연체층(121) 위에 도전성 금속층 재료(161')를 형성할 수 있다. 절연체층(121)과 도전성 금속층 재료(161')의 재료는 도 3d 및 도 3e에서 설명한 것과 같다. 그런 후, 도 6c에 도시된 바와 같이, 도전성 금속층 재료(161')를 패터닝하여 도전성 금속층(161)을 형성할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 습식 에칭 방식으로 도전성 금속층 재료(161')를 패터닝할 때 절연체층(121)이 함께 패터닝되면서 패터닝된 도전성 금속층(161)과 패터닝된 절연체층(121)을 포함하는 마이크로 히터(160)가 형성될 수 있다. 그러면, 절연체층(121)의 아래에 있는 광학 기능층 재료(130')의 상부 표면이 외부로 노출될 수 있다. 노출된 광학 기능층 재료(130')의 상부 표면은 빈 공간을 통해 도전성 금속층(161)과 직접 대향하게 된다.
도 4를 참조하여 이미 설명한 바와 같이, 도전성 금속층 재료(161')의 패터닝은 후속하는 광학 기능층(130)의 열처리 공정을 고려하여 수행될 수 있다. 도 6c의 과정에서 패터닝된 도전성 금속층(161)도 역시, 도 4에 도시된 바와 같이, 전류를 인가 받기 위한 패드부(161p), 제 1 온도 범위 이하의 온도로 발열하는 제 1 가열부(161a), 및 제 2 온도 범위로 발열하는 제 2 가열부(161b)를 포함할 수 있다. 제 1 가열부(161a)와 제 2 가열부(161b)의 위치, 형태, 개수는, 후속하는 공정에서 형성될 광학 기능층(130)의 위치, 형태, 개수에 따라 결정될 수 있다.
도 7은 도 6c의 과정에서 형성된 마이크로 히터(160)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도로서, 도 5와 동일한 방향에서 본 단면도이다. 도 7을 참조하면, 제 1 투명 유전체층(120a) 위에 광학 기능층 재료(130')가 전체적으로 일정한 두께로 배치되어 있다. 그리고, 광학 기능층 재료(130') 위에 패터닝된 절연체층(121)이 배치되어 있다. 절연체층(121)은 패드부(161p)와 제 1 가열부(161a)의 아래에만 남아 있으며, 제 2 가열부(161b)의 아래에는 절연체층(121)이 거의 대부분 제거되어 빈 공간(122)이 형성되어 있다. 따라서, 제 2 가열부(161b)는 패드부(161p)와 제 1 가열부(161a)의 아래에 남아 있는 절연체층(121)에 의해 지지되어 공간(122) 위로 현가될 수 있다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 광학 기능층 재료(130')의 상부 표면 중 일부만이 공간(122)을 통해 도전성 금속층(161)의 제 2 가열부(161b)와 직접 대향하게 된다.
이렇게 마이크로 히터(160)를 형성한 후에는, 도 6d에 도시된 바와 같이, 도전성 금속층(161)에 전류를 인가하여 광학 기능층 재료(130')를 국부적으로 열처리할 수 있다. 또한, 도 8은 도 6d에서 광학 기능층 재료(130')를 국부적으로 열처리하는 과정을 보이는 다른 방향의 단면도로서, 도 7과 동일한 방향에서 본 단면도이다. 도 6d 및 도 7을 참조하면, 광학 기능층 재료(130') 중에서 공간(122)을 통해 도전성 금속층(161)의 제 2 가열부(161b)와 직접 대향하는 영역은 예컨대 약 600℃ 내지 900℃의 제 2 온도 범위로 가열될 수 있다. 그리고, 광학 기능층 재료(130') 중에서 절연체층(121)을 사이에 두고 패드부(161p) 및 제 1 가열부(161a)와 대향하는 영역은 예컨대 제 1 온도 범위 이하의 온도로 가열될 수 있다. 또한, 광학 기능층 재료(130') 중에서 도전성 금속층(161)과 전혀 대향하지 않는 영역은 가열되지 않을 수 있다.
제 2 가열부(161b)에서의 발열 온도는 도전성 금속층(161)에 인가되는 전류를 통해 조절할 수 있다. 제 2 가열부(161b)를 약 600℃ 내지 900℃의 제 2 온도 범위로 발열시키면, 광학 기능층 재료(130') 중에서 공간(122)을 통해 도전성 금속층(161)의 제 2 가열부(161b)와 직접 대향하는 영역이 상변이 되면서 약 2.7 내지 2.9의 제 2 굴절률을 갖는 결정 구조를 갖는 광학 기능층(130)이 될 수 있다. 광학 기능층 재료(130')의 나머지 영역들은, 즉 패드부(161p) 및 제 1 가열부(161a)와 대향하는 영역 및 도전성 금속층(161)과 전혀 대향하지 않는 영역은 상변이 되지 않으므로 약 2.4 내지 2.6의 제 1 굴절률을 유지할 수 있다. 이러한 방식으로, 광학 기능층 재료(130') 중에서 일부 영역만을 국부적으로 상변이시켜 약 2.7 내지 2.9의 제 2 굴절률을 갖는 광학 기능층(130)을 형성할 수 있다.
다음으로 도 6e를 참조하면, 마이크로 히터(160)를 에칭을 통해 제거할 수 있다. 예를 들어, 광학 기능층 재료(130')과 광학 기능층(130) 위에 있는 도전성 금속층(161)과 절연체층(121)을 순차적으로 제거할 수 있다. 그리고, 제 2 굴절률을 갖는 광학 기능층(130)을 제외하고 제 1 굴절률을 갖는 광학 기능층 재료(130')를 선택적으로 제거할 수 있다. 예를 들어, 광학 기능층 재료(130')로서 TiO2를 사용하는 경우, 10% HF를 이용하여 루틸만을 남기고 아나타제를 제거할 수 있다.
이러한 방식으로 광학 기능층(130)을 형성한 다음에는, 도 3i에서 설명한 바와 같이, 광학 기능층(130)을 덮도록 제 1 투명 유전체층(120a) 위에 제 2 투명 유전체층(120b)을 형성할 수 있다. 그러면, 광학 기능층(130)이 투명 유전체층(120) 내에 매립될 수 있다. 그리고, 각각의 광학 기능층(130)의 상부 표면과 대향하도록 투명 유전체층(120) 위에 각각 마이크로 렌즈(140)를 형성하여 이미지 센서를 완성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 개시된 실시예에 따르면, 고온에서 광학 기능층(130)을 증착하지 않고도 높은 굴절률을 갖는 광학 기능층(130)을 형성할 수 있다. 즉, 비교적 저온에서 광학 기능층(130)을 증착한 후에, 마이크로 히터(160)를 이용하여 광학 기능층(130)만을 선택적으로 또는 국부적으로 가열함으로써 광학 기능층(130)의 굴절률을 증가시킬 수 있다. 따라서, 고온 공정으로 인한 공정 상의 또는 응용 상의 제약 없이 높은 굴절률을 포함하는 이미지 센서를 제조할 수 있다. 이렇게 형성된 광학 기능층(130)의 굴절률이 높기 때문에, 이미지 센서의 두께를 저감시킬 수 있다.
한편, 도 1에서는 색분리 요소(color separation element)로서 역할을 하는 다수의 제 1 및 제 2 광학 기능층(131, 132)들이 화소마다 떨어져 배치된 것으로 도시되어 있으나, 여러 화소에 걸쳐 일직선 형태로 하나의 광학 기능층이 배치되는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 9 및 도 10은 또 다른 실시예들에 따른 이미지 센서의 화소 구조를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 9를 참조하면, 이미지 센서는 대각선 방향으로 배열된 제 3 광학 기능층(133)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 화소(110a)와 제 3 화소(110c)가 제 1 대각선 방향으로 배열되고 제 2 화소(110b)들이 제 1 대각선 방향에 교차하는 제 2 대각선 방향으로 배열된다고 가정할 경우, 제 3 광학 기능층(133)은 제 2 대각선 방향을 따라 다수의 제 2 화소(110b)들과 대향하도록 배치될 수 있다. 이러한 제 3 광학 기능층(133)은 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 제 3 광학 기능층(133)의 바로 아래 방향으로 진행시키고 나머지 파장 대역의 빛(C1+C3)을 제 1 대각선 방향으로 진행시키도록 구성될 수 있다. 이미지 센서는 또한, 도 9에서 점선으로 표시된 바와 같이, 제 3 광학 기능층(133)을 따라 제 2 대각선 방향으로 배치된 다수의 마이크로 렌즈(140)를 더 포함할 수도 있다. 도 9에 도시된 이미지 센서의 경우, 화살표로 표시된 바와 같이, 제 1 화소(110a)와 제 3 화소(110c)는 제 1 대각선 방향으로부터 제 1 및 제 3 파장 대역의 빛(C1+C3)을 각각 제공받을 수 있다.
또한, 도 10을 참조하면, 이미지 센서는 제 2 대각선 방향을 따라 다수의 제 2 화소(110b)들과 대향하도록 배치된 제 3 광학 기능층(133) 및 제 1 대각선 방향을 따라 다수의 제 2 화소(110b)들과 대향하도록 배치된 제 4 광학 기능층(134)을 포함할 수도 있다. 제 3 광학 기능층(133)은 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 바로 아래 방향으로 진행시키고 나머지 파장 대역의 빛(C1+C3)을 제 1 대각선 방향으로 진행시키도록 구성되며, 제 4 광학 기능층(134)은 제 2 파장 대역의 빛(C2)을 바로 아래 방향으로 진행시키고 나머지 파장 대역의 빛(C1+C3)을 제 2 대각선 방향으로 진행시키도록 구성될 수 있다. 이러한 점에서, 제 4 광학 기능층(134)은 제 3 광학 기능층(133)과 색분리 특성이 동일하고 단지 방향이 제 3 광학 기능층(133)에 대해 90도 회전되어 있는 것이라고 볼 수 있다. 도 10에 도시된 이미지 센서의 경우, 화살표로 표시된 바와 같이, 제 1 화소(110a)와 제 3 화소(110c)는 제 1 및 제 2 대각선 방향으로부터 제 1 및 제 3 파장 대역의 빛(C1+C3)을 각각 제공받을 수 있다.
지금까지는 광학 기능층(130, 131, 132, 133, 134)이 색분리 요소이고 광학 장치가 이미지 센서인 경우에 대해서만 설명하였다. 그러나, 도 3a 내지 도 3i 및 도 6a 내지 도 6e에 도시된 실시예들은 반도체층과 고굴절률 물질이 함께 사용되는 어떠한 광학 장치에도 적용될 수 있으며, 고굴절률을 갖는 광학 기능층은 색분리 요소 이외에 다른 광학 요소의 역할을 할 수도 있다. 예를 들어, 도 2a 및 도 2b에 도시된 마이크로 렌즈(140)도 역시 도 3a 내지 도 3i 또는 도 6a 내지 도 6e에 도시된 방법으로 형성될 수 있으며, 이 경우 마이크로 렌즈(140)가 고굴절률을 갖는 광학 기능층이라고 볼 수 있다. 마이크로 렌즈(140)를 고굴절률 재료로 형성할 경우 마이크로 렌즈(140)의 굴절력을 증가시킬 수 있다.
또한, 광학 장치는 이미지 센서가 아닌 발광 다이오드(LED; light emitting diode) 또는 유기 발광 소자(OLED; organic light emitting diode)이며, 광학 기능층은 발광 다이오드 또는 유기 발광 소자의 광추출 구조일 수도 있다.
예를 들어, 도 11은 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드(200)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 11을 참조하면, 발광 다이오드(200)는 기판(201) 상에 배치된 LED 칩(202) 및 LED 칩(202)을 둘러싸도록 기판(201) 상에 배치된 봉지 부재(203)를 포함할 수 있다. LED 칩(202)은 통상적으로 GaN과 같은 화합물 반도체를 이용하여 형성될 수 있다. 여기서, 봉지 부재(203)의 굴절률과 GaN의 굴절률(약 2.5) 사이의 차이가 커지면 봉지 부재(203)와 LED 칩(202) 사이의 계면에서 광손실이 일어나기 때문에 봉지 부재(203)의 광추출 효율이 낮아지게 된다. 따라서, 봉지 부재(203)는 도 3a 내지 도 3i 또는 도 6a 내지 도 6e에 도시된 방법을 이용하여 높은 굴절률을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우, 봉지 부재(203)가 광학 기능층이 될 수 있다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 유기 발광 소자(300)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 12를 참조하면, 유기 발광 소자(300)는 투명 기판(301), 투명 기판(301) 위에 배치된 광추출층(302), 광추출층(302) 위에 배치된 투명 전극(303), 투명 전극(303) 위에 배치된 발광층(304), 및 발광층(304) 위에 배치된 반사 전극(305)을 포함할 수 있다. 투명 전극(303)은 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide)나 IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 투명 전도성 산화물로 이루어질 수 있다. 광추출층(302)은 발광층(304)에서 발생한 빛을 투명 기판(301)을 통해 외부로 방출시키기 위한 역할을 한다. 이를 위해 광추출층(302)은 발광층(304)의 굴절률보다 큰 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 반사 전극(305)은 예를 들어 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 등과 같이 반사성이 우수한 도전성 금속 재료로 이루어질 수 있다. 발광층(304)은 예를 들어 유기 발광 재료로 이루어질 수 있다.
이러한 유기 발광 소자(300)의 구조에서, 광추출층(302)의 광추출 효율을 향상시키기 위하여 통상적으로 광추출층(302)과 투명 전극(303) 사이의 계면에 요철 구조를 형성할 수 있다. 광추출층(302)의 표면 요철들의 거칠기가 커질수록 광추출층(302)의 산란 효율을 증가시킬 수는 있지만 공정성 및 가공성이 악화될 수 있다. 따라서, 도 3a 내지 도 3i 또는 도 6a 내지 도 6e에 도시된 방법을 이용하여 광추출층(302)으로서 높은 굴절률을 갖는 재료를 사용하면, 광추출층(302)의 표면 요철들의 거칠기를 줄일 수 있다. 이 경우, 광추출층(302)이 광학 기능층이 될 수 있다.
지금까지, 고굴절률 광학 기능층을 포함하는 광학 장치 및 상기 광학 장치의 제조 방법에 대한 다양한 실시예들이 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예들은 단지 예시를 위한 것이고 권리범위를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 권리범위는 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
110.....광센싱 반도체층
120.....투명 유전체층
120a, 120b.....투명 유전체층 121.....절연체층
122.....공간 130'.....광학 기능층 재료
130, 131, 132, 133, 134.....광학 기능층
140.....마이크로 렌즈 150.....컬러 필터층
160.....마이크로 히터 161'.....도전성 금속층 재료
161.....도전성 금속층 200.....발광 다이오드
201.....기판 202.....LED 칩
203.....봉지 부재 300.....유기 발광 소자
301.....투명 기판 302.....광추출층
303.....투명 전극 304.....발광층
305.....반사 전극
120a, 120b.....투명 유전체층 121.....절연체층
122.....공간 130'.....광학 기능층 재료
130, 131, 132, 133, 134.....광학 기능층
140.....마이크로 렌즈 150.....컬러 필터층
160.....마이크로 히터 161'.....도전성 금속층 재료
161.....도전성 금속층 200.....발광 다이오드
201.....기판 202.....LED 칩
203.....봉지 부재 300.....유기 발광 소자
301.....투명 기판 302.....광추출층
303.....투명 전극 304.....발광층
305.....반사 전극
Claims (28)
- 반도체층; 및
상기 반도체층 위에 배치된 것으로, 제 1 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률을 가지며 제 1 온도 범위 보다 높은 제 2 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률보다 높은 제 2 굴절률을 갖는 상변이 재료로 형성된 광학 기능층;을 포함하며,
상기 광학 기능층은 제 2 굴절률을 갖도록 구성된 광학 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 상변이 재료는 TiO2 또는 SiN을 포함하는 광학 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 온도 범위는 400℃ 내지 550℃이며, 상기 제 2 온도 범위는 600℃ 내지 900℃인 광학 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 굴절률은 2.4 내지 2.6의 범위 내에 있으며 상기 제 2 굴절률은 2.7 내지 2.9의 범위 내에 있는 광학 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광학 장치는 이미지 센서이며, 상기 반도체층은 입사광의 세기를 감지하도록 형성된 다수의 화소들의 화소 어레이를 포함하는 광학 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 광학 기능층은 입사광 중에서 제 1 파장의 빛이 제 1 방향으로 방출되고 제 1 파장과 다른 제 2 파장의 빛이 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 방출되도록 입사광을 파장에 따라 각각 분리하는 다수의 색분리 요소들을 포함하는 광학 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 화소 어레이는 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소 및 제 1 파장과 다른 제 2 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 2 화소를 포함하며, 상기 다수의 제 1 화소와 다수의 제 2 화소가 번갈아 배치되어 있는 광학 장치. - 제 7 항에 있어서,
각각의 색분리 요소는 입사광 중에서 제 1 파장의 빛을 제 1 화소로 진행시키고 제 2 파장의 빛을 제 2 화소로 진행시키도록 구성된 광학 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 광학 기능층은 각각의 화소에 입사광을 집광시키는 다수의 마이크로 렌즈들을 포함하는 광학 장치. - 입사광의 세기를 감지하도록 형성된 다수의 광센싱 화소들을 포함하는 화소 어레이; 및
상기 화소 어레이에 대향하여 배치된 것으로, 입사광을 파장에 따라 분리하여 서로 방향으로 진행시키도록 구성된 다수의 색분리 요소;를 포함하며,
상기 다수의 색분리 요소는 제 1 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률을 가지며 제 1 온도 범위 보다 높은 제 2 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률보다 높은 제 2 굴절률을 갖는 상변이 재료로 형성되고,
상기 색분리 요소는 제 2 굴절률을 갖는 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 화소 어레이는 제 1 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 1 화소 및 제 1 파장과 다른 제 2 파장의 빛을 감지하는 다수의 제 2 화소를 포함하며, 상기 다수의 제 1 화소와 다수의 제 2 화소가 번갈아 배치되어 있는 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서,
각각의 색분리 요소는 입사광 중에서 제 1 파장의 빛을 제 1 화소로 진행시키고 제 2 파장의 빛을 제 2 화소로 진행시키도록 구성된 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 화소 어레이는 제 1 대각선 방향으로 배열된 제 1 화소와 제 3 화소 및 제 1 대각선 방향에 교차하는 제 2 대각선 방향으로 배열된 2개의 제 2 화소를 포함하며, 상기 제 1 화소는 제 1 파장의 빛을 감지하고, 상기 제 2 화소는 제 2 파장의 빛을 감지하며, 상기 제 3 화소는 제 3 파장의 빛을 감지하도록 구성된 이미지 센서. - 제 13 항에 있어서,
상기 색분리 요소는 제 1 대각선 방향으로 배향되어 있는 제 1 색분리 요소 및 제 2 대각선 방향으로 배향되어 있는 제 2 색분리 요소를 포함하며,
상기 제 1 및 제 2 색분리 요소는 입사광 중에서 제 1 파장의 빛을 제 1 화소로 진행시키고 제 3 파장의 빛을 제 3 화소로 진행시키도록 구성된 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 화소 어레이 위에 배치된 컬러 필터층을 더 포함하며, 상기 컬러 필터층은 제 1 파장의 빛을 투과시키는 제 1 컬러 필터, 제 2 파장의 빛을 투과시키는 제 2 컬러 필터, 및 제 3 파장의 빛을 투과시키는 제 3 컬러 필터를 포함하는 이미지 센서. - 제 15 항에 있어서,
상기 컬러 필터층 위에 배치된 투명 유전체층을 더 포함하며, 상기 색분리 요소는 상기 투명 유전체층 내에 매립되어 있는 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 상변이 재료는 TiO2 또는 SiN을 포함하는 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 온도 범위는 400℃ 내지 550℃이며, 상기 제 2 온도 범위는 600℃ 내지 900℃인 이미지 센서. - 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 굴절률은 2.4 내지 2.6의 범위 내에 있으며 상기 제 2 굴절률은 2.7 내지 2.9의 범위 내에 있는 이미지 센서. - 제 1 온도 범위에서 광학 기능층 재료를 증착하는 단계;
상기 광학 기능층 재료 위에 마이크로 히터를 형성하는 단계;
상기 마이크로 히터에 전류를 인가하여 제 1 온도 범위 보다 높은 제 2 온도 범위에서 상기 광학 기능층 재료를 국부적으로 열처리하는 단계; 및
상기 마이크로 히터를 제거하는 단계;를 포함하며,
상기 광학 기능층 재료는 제 1 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률을 가지며 제 1 온도 범위 보다 높은 제 2 온도 범위에서 열처리시 제 1 굴절률보다 높은 제 2 굴절률을 갖는 상변이 재료로 형성되는 광학 장치의 제조 방법. - 제 20 항에 있어서,
상기 상변이 재료는 TiO2 또는 SiN을 포함하는 광학 장치의 제조 방법. - 제 20 항에 있어서,
상기 제 1 온도 범위는 400℃ 내지 550℃이며, 상기 제 2 온도 범위는 600℃ 내지 900℃인 광학 장치의 제조 방법. - 제 20 항에 있어서,
상기 제 1 굴절률은 2.4 내지 2.6의 범위 내에 있으며 상기 제 2 굴절률은 2.7 내지 2.9의 범위 내에 있는 광학 장치의 제조 방법. - 제 20 항에 있어서,
상기 마이크로 히터를 형성하는 단계는:
상기 광학 기능층 재료 위에 절연체층을 형성하는 단계;
상기 절연체층 위에 도전성 금속층 재료를 형성하는 단계; 및
습식 에칭 방식으로 상기 도전성 금속층 재료를 패터닝하여 도전성 금속층을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 도전성 금속층 재료의 패터닝 시에 상기 도전성 금속층 하부의 절연체층을 부분적으로 제거하여 상기 광학 기능층 재료가 상기 패터닝된 도전성 금속층에 대해 노출되도록 하는 광학 장치의 제조 방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 패터닝된 도전성 금속층은, 전류를 인가 받기 위한 패드부, 제 1 온도 범위 이하의 온도로 발열하는 제 1 가열부, 및 제 2 온도 범위로 발열하는 제 2 가열부를 포함하며, 상기 제 2 가열부의 폭은 상기 제 1 가열부의 폭보다 작은 광학 장치의 제조 방법. - 제 25 항에 있어서,
상기 패터닝된 도전성 금속층의 패드부 또는 제 1 가열부 아래에 상기 절연체층이 제거되지 않고 남아 있는 광학 장치의 제조 방법. - 제 20 항에 있어서,
상기 광학 기능층 재료를 증착하는 단계는, 증착된 광학 기능층 재료를 패터닝하여 광학 기능층을 형성하는 단계를 포함하는 광학 장치의 제조 방법. - 제 20 항에 있어서,
상기 광학 기능층 재료를 국부적으로 열처리하는 단계는, 상기 광학 기능층 재료 중에서 제 2 온도 범위로 열처리된 영역을 남기고 나머지 영역을 제거함으로써 광학 기능층을 형성하는 단계를 포함하는 광학 장치의 제조 방법.
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