KR20170073910A - 라이트 필드 이미징 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

라이트 필드 이미징 장치 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 기술은 라이트 필드 이미징 장치를 제공한다. 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치는 복수의 픽셀들이 2차원 배열된 이미지 센서; 상기 이미지 센서 상부에 형성되고 복수의 마이크로 렌즈가 2차원 배열된 마이크로 렌즈 어레이; 상기 이미지 센서와 상기 마이크로 렌즈 어레이 사이에 형성되어 이들 사이에 에어갭을 제공하는 복수의 지지구조물을 포함할 수 있다.

Description

라이트 필드 이미징 장치 및 그 제조방법{LIGHT FIELD IMAGING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 반도체 장치 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로 이미지 센서를 포함하는 라이트 필드 이미징 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 장치이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라, 로보트 등 다양한 분야에서 집적도 및 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.
본 발명의 실시예는 성능이 향상된 라이트 필드 이미징 장치 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치는 복수의 픽셀들이 2차원 배열된 이미지 센서; 상기 이미지 센서 상부에 형성되고 복수의 마이크로 렌즈가 2차원 배열된 마이크로 렌즈 어레이; 상기 이미지 센서와 상기 마이크로 렌즈 어레이 사이에 형성되어 이들 사이에 에어갭을 제공하는 복수의 지지구조물을 포함할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이에서 하나의 마이크로 렌즈는 상기 복수의 픽셀들에 대응할 수 있다. 상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 복수의 모서리를 갖고, 둘 이상의 모서리가 상기 복수의 지지구조물과 중첩될 수 있다. 상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 복수의 모서리를 갖고, 대각선 방향에 위치하는 두 모서리가 상기 복수의 지지구조물과 중첩될 수 있다. 상기 복수의 마이크로 렌즈 각각의 평면형상은 라운드진 모서리를 갖는 사각형 이상의 다각형을 포함할 수 있다. 상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 반구형 렌즈 또는 디지털 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 복수의 지지구조물은 상기 복수의 마이크로 렌즈 모서리에 중첩되도록 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 상기 복수의 지지구조물 중 어느 하나의 지지구조물을 상기 복수의 마이크로 렌즈가 공유할 수 있다. 상기 복수의 지지구조물 각각은 기둥형태를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치는 복수의 서브 마이크로 렌즈가 2차원 배열된 서브 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서; 상기 이미지 센서 상부에 형성되고 복수의 마이크로 렌즈가 2차원 배열된 마이크로 렌즈 어레이; 및 상기 이미지 센서와 상기 마이크로 렌즈 어레이 사이에 형성되어 이들 사이에 에어갭을 제공하는 지지구조물을 포함하고, 상기 지지구조물은, 상기 이미지 센서 상에 형성되어 상기 마이크로 렌즈 어레이를 지지하고 기둥형태를 갖는 복수의 제1지지구조물; 및 상기 제1지지구조물에 연결되어 상기 마이크로 렌즈 어레이 저면에 접하고, 평판형태를 갖는 제2지지구조물을 포함할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이에서 하나의 마이크로 렌즈는 상기 복수의 서브 마이크로 렌즈에 대응할 수 있다. 상기 서브 마이크로 렌즈 어레이에서, 각각의 상기 복수의 마이크로 렌즈의 각 모서리에 대응하는 영역에는 상기 서브 마이크로 렌즈가 형성되지 않을 수 있다. 상기 서브 마이크로 렌즈 어레이에서, 각각의 상기 서브 마이크로 렌즈의 각 모서리에 대응하는 영역에 형성된 서브 마이크로 렌즈는 그 외 영역에 형성된 서브 마이크로 렌즈와 상이한 형상을 가질 수 있다. 상기 복수의 서브 마이크로 렌즈 각각은 반구형 렌즈 또는 디지털 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 복수의 서브 마이크로 렌즈 각각의 평면형상은 라운드진 모서리를 갖는 사각형 이상의 다각형이거나, 또는 원형일 수 있다. 상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 복수의 모서리를 갖고, 둘 이상의 모서리가 상기 복수의 제1지지구조물과 중첩될 수 있다. 상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 복수의 모서리를 갖고, 대각선 방향에 위치하는 두 모서리가 상기 복수의 제1지지구조물과 중첩될 수 있다. 상기 복수의 마이크로 렌즈 각각의 평면형상은 라운드진 모서리를 갖는 사각형 이상의 다각형을 포함할 수 있다. 상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 반구형 렌즈 또는 디지털 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 복수의 제1지지구조물은 상기 복수의 마이크로 렌즈 모서리에 중첩되도록 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 상기 복수의 제1지지구조물 중 어느 하나의 제1지지구조물을 상기 복수의 마이크로 렌즈가 공유할 수 있다. 상기 복수의 제1지지구조물 각각은, 실린더 형태 또는 링타입의 기둥형태를 갖는 제1지지막을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1지지막 상에 형성되어 상기 제1지지막 내부를 갭필하는 실링막을 더 포함할 수 있다. 상기 실링막은 상기 복수의 마이크로 렌즈 또는 상기 제1지지막과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2지지구조물은, 상기 제1지지막으로부터 확장되어 상기 복수의 마이크로 렌즈 저면에 접하는 제2지지막; 및 상기 복수의 마이크로 렌즈 사이의 상기 제2지지막에 형성된 복수의 오픈부를 포함할 수 있다. 상기 제2지지막은 상기 제1지지막과 동일한 물질로 구성되고, 상기 제1지지막과 일체형일 수 있다. 상기 복수의 오픈부는 상기 복수의 제1지지구조물과 어긋나도록 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 상기 복수의 제1지지구조물과 상기 복수의 오픈부는 번갈아 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치 제조방법은 복수의 픽셀들이 2차원 배열된 이미지 센서를 준비하는 단계; 상기 이미지 센서 상에 희생층을 형성하는 단계; 상기 희생층을 선택적으로 식각하여 복수의 제1오픈부를 형성하는 단계; 상기 복수의 제1오픈부를 포함하는 구조물 상에 지지막을 형성하는 단계; 상기 지지막 상에 복수의 마이크로 렌즈가 2차원 배열된 마이크로 렌즈 어레이를 형성하는 단계; 상기 복수의 마이크로 렌즈 어레이 사이의 상기 지지막 및 상기 희생층 일부를 식각하여 복수의 제2오픈부를 형성하는 단계; 및 상기 제2오픈부를 통해 상기 희생층을 제거하여 에어갭을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 희생층을 형성하는 단계 이전에 상기 이미지 센서 상에 제1보호막을 형성하는 단계; 및 상기 복수의 제2오픈부를 형성하기 이전에 상기 마이크로 렌즈 어레이 상에 제2보호막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제1보호막, 상기 제2보호막 및 상기 지지막은 상기 희생층과 식각선택비를 갖는 물질로 형성할 수 있다.
상기 지지막은 상기 복수의 제1오픈부를 포함하는 구조물 표면을 따라 균일한 두께를 갖도록 형성할 수 있다. 상기 지지막은 상기 복수의 제1오픈부를 완전히 갭필하지 않도록 형성할 수 있다. 상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 복수의 모서리를 갖고, 둘 이상의 모서리가 상기 제1오픈부 내에 형성된 지지막과 중첩되도록 형성할 수 있다. 상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 복수의 모서리를 갖고, 대각선 방향에 위치하는 두 모서리가 상기 제1오픈부 내에 형성된 지지막과 중첩되도록 형성할 수 있다.
상술한 과제의 해결 수단을 바탕으로 하는 라이트 필드 이미징 장치는 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 형성되어 이들 사이에 에어갭을 제공하는 지지구조물을 구비함으로써, 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이를 하나의 칩에 집적함과 동시에 집적화에 따른 광손실을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치를 도시한 평면도.
도 3 및 도 4는 각각 도 2에 도시된 A-A'절취선 및 B-B'절취선을 따라 도시한 단면도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치의 변형예를 도시한 평면도.
도 7 내지 도 13a는 본 발명의 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치의 제조방법을 도 2에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도
도 7 내지 도 13b는 본 발명의 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치의 제조방법을 도 2에 도시된 B-B'절취선을 따라 도시한 단면도.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도면은 반드시 일정한 비율로 도시된 것이라 할 수 없으며, 몇몇 예시들에서, 실시예의 특징을 명확히 보여주기 위하여 도면에 도시된 구조물 중 적어도 일부의 비례는 과장될 수도 있다. 도면 또는 상세한 설명에 둘 이상의 층을 갖는 다층 구조물이 개시된 경우, 도시된 것과 같은 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 특정 실시예를 반영할 뿐이어서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 층들의 상대적인 위치 관계나 배열 순서는 달라질 수도 있다. 또한, 다층 구조물의 도면 또는 상세한 설명은 특정 다층 구조물에 존재하는 모든 층들을 반영하지 않을 수도 있다(예를 들어, 도시된 두 개의 층 사이에 하나 이상의 추가 층이 존재할 수도 있다). 예컨대, 도면 또는 상세한 설명의 다층 구조물에서 제1층이 제2층 상에 있거나 또는 기판상에 있는 경우, 제1층이 제2층 상에 직접 형성되거나 또는 기판상에 직접 형성될 수 있음을 나타낼 뿐만 아니라, 하나 이상의 다른 층이 제1층과 제2층 사이 또는 제1층과 기판 사이에 존재하는 경우도 나타낼 수 있다.
후술하는 본 발명의 실시예는 성능이 향상된 라이트 필드 이미징 장치 및 그 제조방법을 제공한다. 보다 구체적으로, 하나의 칩에 라이트 필드 마이크로 렌즈 어레이와 이미지 센서를 집적하고, 집적화된 장치에서 광손실을 방지할 수 있는 라이트 필드 이미징 장치 및 그 제조방법을 제공한다. 이하, 설명의 편의를 위해 라이트 필드 마이크로 렌즈 및 그 어레이는 각각 '마이크로 렌즈' 및 '마이크로 렌즈 어레이'라 지칭하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
먼저, 공지된 이미지 센서를 포함하는 이미징 장치 예컨대, 2차원 카메라는 대물렌즈를 통해 들어온 빛의 세기 정보를 이미지 센서로 획득하여 영상을 생성한다. 예를 들어, 피사체의 한 점으로부터 오는 다수의 입사광들을 대물렌즈를 이용하여 이미지 센서의 한 점에 모아 일정 시간 동안 누적함으로써, 피사체의 한 점에 대한 빛의 세기 정보를 얻을 수 있으며, 이미지 센서의 다수의 픽셀로부터 얻은 빛의 세기 정보를 이용하여 하나의 영상을 만들 수 있다. 그러나, 이러한 2차원 카메라의 영상 획득 방식으로는 피사체의 한 점으로부터 오는 개개의 입사광들의 세기와 방향에 대한 정보를 얻을 수는 없다.
이에 반해, 도 1에 도시된 바와 같이, 라이트 필드(light field) 기술은 피사체(100)의 한 점으로부터 오는 다수의 입사광들의 개별적인 세기와 방향에 대한 정보를 획득함으로써 임의의 시점(view point)이나, 임의의 초점에 해당하는 영상을 생성할 수 있도록 하는 기술이다. 라이트 필드 기술을 이용하면 피사체(100)의 다수의 시점에 대한 정보 및 피사체(100)의 깊이 정보를 얻을 수 있는 3차원 카메라 또는 화각 내의 모든 피사체(100)들에 임의로 초점을 맞출 수 있는 리포커싱(refocusing) 효과를 갖는 이미징 장치를 구현할 수 있다.
라이트 필드 이미징 장치는 대물렌즈(110)와 마이크로 렌즈 어레이(200)를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 2차원 배열된 다수의 마이크로 렌즈(210)들을 갖는 마이크로 렌즈 어레이(200)가 대물렌즈(110)와 이미지 센서(300) 사이에 배치될 수 있다. 여기서, 마이크로 렌즈 어레이(200) 내의 하나의 마이크로 렌즈(210)는 이미지 센서(300)의 다수의 픽셀(310)들과 대응할 수 있다. 따라서, 하나의 마이크로 렌즈(210)에 대응하는 다수의 픽셀(310)들에서 각각 서로 다른 시점의 영상을 얻을 수 있다. 예컨대, 하나의 마이크로 렌즈(210)가 10×10개의 픽셀(310)을 덮는 경우에는, 시점이 서로 다른 10×10개 이하의 영상을 동시에 얻을 수 있다.
한편, 공지된 라이트 필드 이미징 장치는 이미지 센서(300)와 마이크로 렌즈 어레이(200)가 독립된 구조로 기구에 의해 기계적으로 구분이 되어 부피가 크고, 이미지 센서(300)와 마이크로 렌즈 어레이(200)를 따로따로 만들어야 하기 때문에 고비용이 소요되는 단점이 있다. 또한, 개별적으로 형성된 마이크로 렌즈 어레이(200)와 이미지 센서(300)를 기계적으로 결합함에 따라 이들 사이의 미스매치(mismatch)로 인해 이미지의 품질이 저하되는 단점도 있다. 이를 해결하기 위해, 마이크로 렌즈 어레이(200)와 이미지 센서(300)를 하나의 칩에 집적하는 방법이 제안되었다. 마이크로 렌즈 어레이(200)와 이미지 센서(300)를 하나의 칩에 집적하면 마이크로 렌즈 어레이(200)와 이미지 센서(300) 사이의 간격 및 마이크로 렌즈(210)와 픽셀(310) 사이의 위치 따른 미스매치를 줄이고, 구조를 단순화시킬 수 있으며, 제조비용을 절감할 수 있다.
도면에 도시하지는 않았으나, 마이크로 렌즈 어레이(200)와 이미지 센서(300)를 하나의 칩에 집적하기 위해서는 소정의 공정이 완료된 이미지 센서(300) 상에 수십 마이크로미터의 공간층(space layer)을 형성하고, 공간층 상에 마이크로 렌즈 어레이(200)를 형성해야만 한다. 즉, 마이크로 렌즈 어레이(200)와 이미지 센서(300) 사이에 수십 마이크로미터의 두께를 갖는 공간층을 형성해야 한다. 이때, 공간층은 투광물질로 구성되나, 입사광이 공간층을 통과하면서 필연적으로 광손실이 발생할 수 밖에 없으며, 광손실에 의해 감도가 저하되는 치명적인 단점이 있다.
따라서, 후술하는 본 발명의 실시예는 마이크로 렌즈 어레이(200)와 이미지 센서(300)를 하나의 칩에 집적하고, 집적화에 따른 광손실을 방지할 수 있는 라이트 필드 이미징 장치 및 그 제조방법을 제공한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치를 도시한 평면도이다. 도 3 및 도 4는 각각 도 2에 도시된 A-A'절취선 및 B-B'절취선을 따라 도시한 단면도이다. 그리고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치의 변형예를 도시한 평면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치는 복수의 픽셀(310)들이 2차원 배열된 이미지 센서(300), 이미지 센서(300) 상부에 형성되고 복수의 마이크로 렌즈(210)가 2차원 배열된 마이크로 렌즈 어레이(200), 이미지 센서(300)와 마이크로 렌즈 어레이(200) 사이에 형성되어 이들 사이에 에어갭(500)을 제공하는 지지구조물(400)을 포함할 수 있다. 지지구조물(400)은 이미지 센서(300) 상에 형성되어 마이크로 렌즈 어레이(200)를 지지하고 기둥형태를 갖는 복수의 제1지지구조물(410) 및 복수의 제1지지구조물(410)에 연결되어 마이크로 렌즈 어레이(200) 저면에 접하고 평판형태를 갖는 제2지지구조물(420)을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치에서 이미지 센서(300)는 CCD(charge-coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서(300)일 수 있다. 이미지 센서(300)는 2차원 배열된 복수의 픽셀(310)들을 포함할 수 있고, 복수의 픽셀(310)들 각각은 독립적으로 입사광을 감지하여 입사광의 세기에 따라 전기적인 신호를 출력할 수 있다.
구체적으로, 이미지 센서(300)는 기판(320)상의 광전변환층(330), 광전변환층(330) 상의 컬러필터층(340), 컬러필터층(340) 상의 서브 마이크로 렌즈 어레이(350) 및 서브 마이크로 렌즈 어레이(350)를 포함하는 구조물 전면에 형성된 제1보호막(360)을 포함할 수 있다.
광전변환층(330)은 복수의 픽셀(310)들 각각에 대응하는 복수의 광전변환소자(photoelectric conversion element) 예컨대, 포토다이오드를 포함할 수 있다. 포토다이오드는 무기 또는 유기 포토다이오드를 포함할 수 있다. 따라서, 광전변환층(330)은 기판(320) 내부에 형성된 것일 수도 있고, 기판(320)상에 형성된 것일 수도 있다. 기판(320)은 반도체 기판을 포함할 수 있으며, 반도체 기판은 단결정 상태(Single crystal state)일 수 있다. 기판(320)은 실리콘 함유 재료를 포함할 수 있다.
컬러필터층(340)은 입사광의 색분리(color seperation)를 위한 것으로, 복수의 픽셀(310)들 각각에 대응하는 복수의 컬러필터(341)를 포함할 수 있다. 복수의 컬러필터(341)는 레드 필터(red filter), 그린 필터(green filter), 블루 필터(blue filter), 사이언 필터(cyan filter), 옐로우 필터(yellow filter), 마젠타 필터(magenta filter), 화이트필터(white filter), 블랙필터(black filter), 적외선차단필터(IR cutoff filter) 등을 포함할 수 있다.
컬러필터층(340)에서 마이크로 렌즈(210)의 각 모서리(vertex)에 대응하는 영역의 컬러필터(341)는 제거될 수 있다. 예컨대, 마이크로 렌즈(210)의 각 모서리에 대응하는 2×2개의 컬러필터(341)는 제거될 수 있다. 따라서, 제1지지구조물(410) 하부에는 컬러필터(341)가 형성되지 않을 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈(210)의 각 모서리에 대응하는 영역의 서브 마이크로 렌즈(351)이 잔류하는 경우에는 컬러필터(341)도 잔류할 수 있다.
서브 마이크로 렌즈 어레이(350)는 2차원 배열된 복수의 서브 마이크로 렌즈(351)를 포함할 수 있다. 복수의 서브 마이크로 렌즈(351) 각각은 복수의 픽셀(310)에 대응할 수 있다. 복수의 서브 마이크로 렌즈(351) 각각은 반구형 렌즈(hemispherical lens) 또는 디지털 렌즈(digital lens)를 포함할 수 있다. 여기서, 디지털 렌즈는 서브-웨이브랭스 광학(Sub-wavelength optics) 또는 서브-웨이브랭스 효과(Sub-wavelength effect)에 따라 굴절률이 상이한 복수의 물질층이 수직 또는 수평으로 교번 배치된 형태를 갖는 렌즈이다. 복수의 서브 마이크로 렌즈(351) 각각의 평면형상은 모서리가 라운드진 사각형 이상의 다각형이거나, 또는 원형일 수 있다.
서브 마이크로 렌즈 어레이(350)에서 마이크로 렌즈(210)의 각 모서리에 대응하는 영역의 서브 마이크로 렌즈(351)는 제거될 수 있다. 예컨대, 마이크로 렌즈(210)의 각 모서리에 대응하는 2×2개의 서브 마이크로 렌즈(351)는 제거될 수 있다. 따라서, 제1지지구조물(410)의 하부에는 서브 마이크로 렌즈(351)가 형성되지 않을 수 있다. 이 경우, 이미지 센서(300)와 제1지지구조물(410) 사이의 콘택면적을 증가시켜 제1지지구조물(410)에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 서브 마이크로 렌즈 어레이(350)에서 마이크로 렌즈(210)의 각 모서리에 대응하는 영역의 서브 마이크로 렌즈(351)를 잔류시킬 수도 있다. 이 경우, 제조공정시 마이크로 렌즈(210)의 각 모서리에 대응하는 영역의 서브 마이크로 렌즈(351)를 제거하기 위한 마스크를 생략할 수 있기 때문에 생산비용을 절감할 수 있다. 아울러, 더 많은 깊이(Depth) 정보를 얻고자 할 경우에 제1지지구조물(410)이 위치하는 픽셀(310)에서의 출력신호도 영상처리에 이용할 수 있다.
다른 한편으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 서브 마이크로 렌즈 어레이(350)에서 각각의 서브 마이크로 렌즈(351)는 서로 상이한 형상을 가질 수도 있다. 구체적으로, 마이크로 렌즈(210)의 각 모서리에 대응하는 영역(이하, 제1영역)의 서브 마이크로 렌즈(351)와 그 외 영역(이하, 제2영역)에서의 서브 마이크로 렌즈(351)는 그 형상이 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 제1영역의 서브 마이크로 렌즈(351)는 평면형상이 원형일 수 있고, 제2영역의 서브 마이크로 렌즈(351)는 평면형상이 모서리가 라운드진 사각형일 수 있다. 이처럼, 제1영역 및 제2영역에서의 서브 마이크로 렌즈(351)의 형상을 제어함에 따라 제1지지구조물(410)의 안정성을 향상시킴과 동시에 제1지지구조물(410)이 위치하는 픽셀(310)에서의 출력신호도 영상처리에 이용할 수 있다.
서브 마이크로 렌즈 어레이(350)를 포함한 구조물 전면에 형성된 제1보호막(360)은 공정간 서브 마이크로 렌즈 어레이(350) 및 그 하부 구조물을 보호하는 역할을 수행할 수 있다. 제1보호막(360)은 투광물질을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치에서 마이크로 렌즈 어레이(200)는 이미지 센서(300)와 상하로 이격되어 이미지 센서(300)의 상부에 위치하고, 2차원 배열된 복수의 마이크로 렌즈(210) 및 마이크로 렌즈 어레이(200)를 덮는 제2보호막(211)을 포함할 수 있다. 제2보호막(211)은 공정간 서브 마이크로 렌즈 어레이(350)를 보호하는 역할을 수행하고, 투광물질을 포함할 수 있다.
복수의 마이크로 렌즈(210) 각각은 복수의 픽셀(310)들과 중첩될 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈 어레이(200)에서 하나의 마이크로 렌즈(210)는 복수의 픽셀(310)들 또는 복수의 서브 마이크로 렌즈(351)들과 중첩될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면 하나의 마이크로 렌즈(210)가 10×10개의 픽셀(310)과 중첩될 수 있다. 물론, 하나의 마이크로 렌즈(210)와 중첩되는 픽셀(310)의 수는 요구되는 성능에 따라 설계시 조절할 수 있다. 실제 영상처리에 이용되는 부분은 10×10개의 픽셀(310) 중 6×6개 내지 8×8개의 픽셀(310)일 수 있으며, 나머지 픽셀(310)들은 주변부가 어두워지는 현상으로 영상처리에 사용되지 않을 수 있다. 물론, 경우에 따라 10×10개의 픽셀(310) 모두를 영상처리에 이용할 수도 있으며, 영상처리에 이용되는 픽셀(310)의 수가 증가할수록 리포커싱에 사용되는 영상 수가 많아져서 전체적으로 더 많은 깊이(Depth) 정보를 얻을 수 있다.
복수의 마이크로 렌즈(210) 각각은 반구형 렌즈(hemispherical lens) 또는 디지털 렌즈(digital lens)를 포함할 수 있다. 복수의 마이크로 렌즈(210) 각각의 평면형상은 모서리가 라운드진 사각형 이상의 다각형일 수 있다. 이는, 이미지 센서(300)와 마이크로 렌즈 어레이(200) 사이에서 최소한의 지지구조물(400)을 사용하여 에어갭(500)을 제공하기 위함이다. 이를 위해, 복수의 마이크로 렌즈(210) 각각은 복수의 모서리를 갖고, 둘 이상의 모서리가 제1지지구조물(410)과 중첩되는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 마이크로 렌즈(210) 각각은 대각선 방향에 위치하는 두 모서리가 복수의 제1지지구조물(410)과 중첩되는 형태를 가질 수 있다. 그리고, 복수의 마이크로 렌즈(210)가 하나의 제1지지구조물(410)을 공유하는 형태를 가질 수 있다.
실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치에서 지지구조물(400)은 이미지 센서(300)와 마이크로 렌즈 어레이(200)를 하나의 칩에 집적함과 동시에 이들 사이에 에어갭(500)을 제공하여 광손실을 방지하는 역할을 수행한다. 즉, 공지된 라이트 필드 이미징 장치에서 이미지 센서(300)와 마이크로 렌즈 어레이(200)를 하나의 칩에 집적하기 위해 도입된 공간층을 매우 적은 면적으로 형성할 수 있는 지지구조물(400)로 대체하고, 나머지 공간을 에어갭(500)으로 형성하여 광손실을 방지할 수 있다. 지지구조물(400)은 투광물질로 구성될 수 있다.
복수의 제1지지구조물(410)은 이미지 센서(300) 상에 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 구체적으로, 복수의 제1지지구조물(410)은 복수의 마이크로 렌즈(210) 모서리와 중첩되도록 지그재그 형태로 배치될 수 있다. 복수의 제1지지구조물(410) 각각은 실린더 형태 또는 링타입의 기둥형태를 갖는 제1지지막(411) 및 제1지지막(411) 상에 형성되어 제1지지막(411) 내부를 갭필하는 실링막(412)을 포함할 수 있다. 실린더 형태를 컵(cup) 형태를 의미할 수 있다. 실링막(412)은 제1지지막(411)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1지지구조물(410)은 단일물질로 이루어진 기둥형태를 가질 수 있다. 반면에, 실링막(412)은 제1지지막(411)과 상이한 물질을 포함할 수도 있다. 특히, 실링막(412)은 마이크로 렌즈(210)와 동일한 물질로 구성될 수 있다.
제2지지구조물(420)은 제1지지막(411)으로부터 확장되어 복수의 마이크로 렌즈(210) 저면에 접하는 제2지지막(421) 및 복수의 마이크로 렌즈(210) 사이의 제2지지막(421)에 형성된 복수의 오픈부(422)를 포함할 수 있다. 제2지지막(421)은 제1지지막(411)과 일체형(one body)일 수 있다. 여기서, 일체형은 제1지지막(411)과 제2지지막(421)이 단일 공정에 의해 함께 형성된 것을 의미할 수 있다. 또한, 일체형은 제1지지막(411)과 제2지지막(421)이 서로 연결되어 연속적인 구조를 갖는 것을 의미할 수도 있다. 제2지지막(421)은 제1지지막(411)과 동일한 물질로 구성될 수 있다. 복수의 오픈부(422)는 공극을 형성하기 위한 것으로, 복수의 제1지지구조물(410)과 번갈아 배치될 수 있다. 구체적으로, 복수의 오픈부(422)는 복수의 제1지지구조물(410)과 어긋나도록 지그재그 형태로 배치될 수 있다.
상술한 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치는 이미지 센서(300)와 마이크로 렌즈 어레이(200) 사이에 형성되어 이들 사이에 에어갭(500)을 제공하는 지지구조물(400)을 구비함으로써, 이미지 센서(300)와 마이크로 렌즈 어레이(200)를 하나의 칩에 집적함과 동시에 집적화에 따른 광손실을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 라이트 필드 이미징 장치의 제조방법에 대한 일례를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7 내지 도 13a는 도 2에 도시된 A-A'절취선을 따라 도시한 단면도이고, 도 7 내지 도 13b는 도 2에 도시된 B-B'절취선을 따라 도시한 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 소정의 공정이 완료된 이미지 센서를 준비한다. 이미지 센서는 기판(10)상의 광전변환층(12), 광전변환층(12) 상의 컬러필터층(14), 컬러필터층(14) 상의 서브 마이크로 렌즈 어레이(16)를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 공지된 제조기술을 통해 형성할 수 있다.
다음으로, 서브 마이크로 렌즈 어레이(16)를 선택적으로 식각한다. 식각공정을 통해 후속 공정을 통해 형성될 마이크로 렌즈의 각 모서리에 대응하는 영역의 서브 마이크로 렌즈 어레이(16) 일부를 제거한다.
다음으로, 식각된 서브 마이크로 렌즈 어레이(16)를 포함한 구조물 전면에 제1보호막(18)을 형성한다. 제1보호막(18)은 투광물질로 형성할 수 있다. 제1보호막(18)은 후속 공정간 서브 마이크로 렌즈 어레이(16) 및 그 하부 구조물을 보호하는 역할을 수행한다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 제1보호막(18) 상에 희생층(20)을 형성한다. 희생층(20)은 제1보호막(18)과 식각선택비를 갖는 물질로 형성할 수 있다. 이때, 희생층(20)의 두께는 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이 사이의 초점 거리에 따라 조절할 수 있으며, 수십 마이크로미터일 수 있다.
다음으로, 희생층(20) 상에 마스크패턴(미도시)을 형성한 후, 마스크패턴을 식각장벽으로 적어도 제1보호막(18)이 노출될때까지 희생층(20)을 식각하여 복수의 제1오픈부(22)를 형성한다. 복수의 제1오픈부(22)는 제1지지구조물(도 2 및 도 3의 도면부호 '410' 참조)이 형성될 공간을 제공하기 위한 것이다. 복수의 제1오픈부(22) 각각은 경사진 측벽을 가질 수 있다.
도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 복수의 제1오픈부(22)를 포함하는 구조물 표면을 따라 지지막(24)을 형성한다. 이때, 지지막(24)은 투광물질로 형성할 수 있으며, 희생층(20)과 식각선택비를 갖는 물질로 형성할 수 있다. 지지막(24)은 구조물 표면을 따라 균일한 두께를 갖도록 형성하되, 제1오픈부(22)를 완전히 갭필하지 않는 두께로 형성할 수 있다. 여기서, 지지막(24)이 제1오픈부(22)를 갭필하도록 형성하지 않는 것은 희생층(20)의 상부면 상에 형성되는 지지막(24)이 필요이상으로 두꺼워지는 것을 방지함과 동시에 제1오픈부(22) 내 갭필 불량이 발생하는 것을 방지하기 위함이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상술한 공정을 통해 형성된 지지막(24)에서 제1오픈부(22) 내에 형성된 지지막(24)은 실린더 형태를 갖는 제1지지구조물(410)의 제1지지막(411)으로 작용하고, 희생층(20)의 상부면 상에 형성된 지지막(24)은 평판형태를 갖는 제2지지구조물(420)의 제2지지막(421)으로 작용한다.
한편, 제1오픈부(22)의 선폭이 작을 경우에는 지지막(24)이 제1오픈부(22)를 갭필하도록 형성할 수도 있다.
도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 지지막(24) 상에 복수의 제1오픈부(22)를 갭필하는 실링막(26)을 형성한다. 실링막(26)은 투광물질로 형성할 수 있다.
다음으로, 실링막(26)을 포함한 지지막(24) 상에 렌즈층(28A)을 형성한다. 렌즈층(28A)은 복수의 마이크로 렌즈(28)를 형성하기 위한 것이다. 즉, 렌즈층(28A)은 마이크로 렌즈 어레이를 형성하기 위한 것이다. 여기서, 렌즈층(28A)과 실링막(26)은 동일한 물질을 포함할 수 있다. 즉, 실링막(26)과 렌즈층(28A)은 동시에 형성할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상술한 공정을 통해 제1오픈부(22) 내부에 형성된 지지막(24) 및 실링막(26)을 포함하는 제1지지구조물(410)을 형성할 수 있다. 제1지지구조물(410)은 이미지 센서(300) 상에 지그재그 형태로 배치되도록 형성할 수 있다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 렌즈층(28A)을 이용하여 복수의 마이크로 렌즈(28)가 2차원 배열된 마이크로 렌즈 어레이를 형성한다. 복수의 마이크로 렌즈(28)는 반구형 렌즈(hemispherical lens)로 형성할 수 있으며, 평면형상은 모서리가 라운드진 사각형으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 복수의 마이크로 렌즈(28)는 렌즈층(28A)을 패터닝한 후 리플로우 공정을 진행하는 방법으로 형성할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 복수의 마이크로 렌즈(28) 각각은 복수의 모서리를 갖고, 둘 이상의 모서리가 제1지지구조물(410)과 중첩되는 형태를 갖도록 형성할 수 있다. 구체적으로, 복수의 마이크로 렌즈(28) 각각은 대각선 방향에 위치하는 두 모서리가 복수의 제1지지구조물(410)과 중첩되는 형태를 갖도록 형성할 수 있다. 그리고, 복수의 마이크로 렌즈(28)가 하나의 제1지지구조물(410)을 공유하도록 형성할 수 있다.
도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 마이크로 렌즈 어레이를 포함한 구조물 전면에 제2보호막(30)을 형성한다. 제2보호막(30)은 후속 공정간 마이크로 렌즈 어레이를 보호하는 역할을 수행한다. 제2보호막(30)은 희생층(20)과 식각선택비를 갖는 물질로 형성할 수 있다.
다음으로, 복수의 마이크로 렌즈(28) 사이의 제2보호막(30), 지지막(24) 및 희생층(20)을 식각하여 복수의 제2오픈부(32)를 형성한다. 복수의 제2오픈부(32)는 희생층(20)을 제거하기 위한 식각제가 주입될 입구를 제공하기 위한 것이다. 복수의 제2오픈부(32)를 지그재그 형태로 배치되도록 형성할 수 있으며, 복수의 제1오픈부(22)와 번갈아 배치되도록 형성할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상술한 공정을 통해 제1지지막(411)으로부터 확장되어 복수의 마이크로 렌즈(210) 저면에 접하는 제2지지막(421) 및 복수의 마이크로 렌즈(210) 사이의 제2지지막(421)에 형성된 복수의 오픈부(422)를 포함하는 제2지지구조물(420)을 형성할 수 있다.
도 13a 및 도 13b에 도시된 바와 같이, 제2오픈부(32)를 통해 희생층(20)을 제거하여 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 에어갭(34)을 형성한다. 희생층(20)은 습식식각을 통해 제거할 수 있다.
상술한 제조방법을 통해 형성된 라이트 필드 이미징 장치는 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이 사이에 형성되어 이들 사이에 에어갭(34)을 제공하는 지지구조물을 구비함으로써, 이미지 센서와 마이크로 렌즈 어레이를 하나의 칩에 집적함과 동시에 집적화에 따른 광손실을 방지할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 피사체 110 : 대물렌즈
200 : 마이크로 렌즈 어레이 210 : 마이크로 렌즈
300 : 이미지 센서 310 : 픽셀
400 : 지지구조물 410 : 제1지지구조물
420 : 제2지지구조물 500 : 에어갭

Claims (35)

  1. 복수의 픽셀들이 2차원 배열된 이미지 센서;
    상기 이미지 센서 상부에 형성되고 복수의 마이크로 렌즈가 2차원 배열된 마이크로 렌즈 어레이;
    상기 이미지 센서와 상기 마이크로 렌즈 어레이 사이에 형성되어 이들 사이에 에어갭을 제공하는 복수의 지지구조물
    을 포함하는 라이트 필드 이미징 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이에서 하나의 마이크로 렌즈는 상기 복수의 픽셀들에 대응하는 라이트 필드 이미징 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 복수의 모서리(vertex)를 갖고, 둘 이상의 모서리가 상기 복수의 지지구조물과 중첩되는 라이트 필드 이미징 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 복수의 모서리를 갖고, 대각선 방향에 위치하는 두 모서리가 상기 복수의 지지구조물과 중첩되는 라이트 필드 이미징 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈 각각의 평면형상은 라운드진 모서리를 갖는 사각형 이상의 다각형을 포함하는 라이트 필드 이미징 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 반구형 렌즈 또는 디지털 렌즈를 포함하는 라이트 필드 이미징 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 지지구조물은 상기 복수의 마이크로 렌즈 모서리에 중첩되도록 지그재그 형태로 배치되는 라이트 필드 이미징 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 지지구조물 중 어느 하나의 지지구조물을 상기 복수의 마이크로 렌즈가 공유하는 라이트 필드 이미징 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 지지구조물 각각은 기둥형태를 갖는 라이트 필드 이미징 장치.
  10. 복수의 서브 마이크로 렌즈가 2차원 배열된 서브 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 이미지 센서;
    상기 이미지 센서 상부에 형성되고 복수의 마이크로 렌즈가 2차원 배열된 마이크로 렌즈 어레이; 및
    상기 이미지 센서와 상기 마이크로 렌즈 어레이 사이에 형성되어 이들 사이에 에어갭을 제공하는 지지구조물을 포함하고,
    상기 지지구조물은,
    상기 이미지 센서 상에 형성되어 상기 마이크로 렌즈 어레이를 지지하고 기둥형태를 갖는 복수의 제1지지구조물; 및
    상기 제1지지구조물에 연결되어 상기 마이크로 렌즈 어레이 저면에 접하고, 평판형태를 갖는 제2지지구조물
    을 포함하는 라이트 필드 이미징 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이에서 하나의 마이크로 렌즈는 상기 복수의 서브 마이크로 렌즈에 대응하는 라이트 필드 이미징 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 서브 마이크로 렌즈 어레이에서,
    각각의 상기 복수의 마이크로 렌즈의 각 모서리에 대응하는 영역에는 상기 서브 마이크로 렌즈가 형성되지 않는 라이트 필드 이미징 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 서브 마이크로 렌즈 어레이에서,
    각각의 상기 서브 마이크로 렌즈의 각 모서리에 대응하는 영역에 형성된 서브 마이크로 렌즈는 그 외 영역에 형성된 서브 마이크로 렌즈와 상이한 형상을 갖는 라이트 필드 이미징 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 서브 마이크로 렌즈 각각은 반구형 렌즈 또는 디지털 렌즈를 포함하는 라이트 필드 이미징 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 서브 마이크로 렌즈 각각의 평면형상은 라운드진 모서리를 갖는 사각형 이상의 다각형이거나, 또는 원형인 라이트 필드 이미징 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 복수의 모서리를 갖고, 둘 이상의 모서리가 상기 복수의 제1지지구조물과 중첩되는 라이트 필드 이미징 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 복수의 모서리를 갖고, 대각선 방향에 위치하는 두 모서리가 상기 복수의 제1지지구조물과 중첩되는 라이트 필드 이미징 장치.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈 각각의 평면형상은 라운드진 모서리를 갖는 사각형 이상의 다각형을 포함하는 라이트 필드 이미징 장치.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 반구형 렌즈 또는 디지털 렌즈를 포함하는 라이트 필드 이미징 장치.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 제1지지구조물은 상기 복수의 마이크로 렌즈 모서리에 중첩되도록 지그재그 형태로 배치되는 라이트 필드 이미징 장치.
  21. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 제1지지구조물 중 어느 하나의 제1지지구조물을 상기 복수의 마이크로 렌즈가 공유하는 라이트 필드 이미징 장치.
  22. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 제1지지구조물 각각은,
    실린더 형태 또는 링타입의 기둥형태를 갖는 제1지지막을 포함하는 라이트 필드 이미징 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 복수의 제1지지구조물 각각은,
    상기 제1지지막 상에 형성되어 상기 제1지지막 내부를 갭필하는 실링막을 더 포함하는 라이트 필드 이미징 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 실링막은 상기 복수의 마이크로 렌즈 또는 상기 제1지지막과 동일한 물질을 포함하는 라이트 필드 이미징 장치.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 제2지지구조물은,
    상기 제1지지막으로부터 확장되어 상기 복수의 마이크로 렌즈 저면에 접하는 제2지지막; 및
    상기 복수의 마이크로 렌즈 사이의 상기 제2지지막에 형성된 복수의 오픈부
    를 포함하는 라이트 필드 이미징 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제2지지막은 상기 제1지지막과 일체형인 라이트 필드 이미징 장치.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 복수의 오픈부는 상기 복수의 제1지지구조물과 어긋나도록 지그재그 형태로 배치되는 라이트 필드 이미징 장치.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 복수의 제1지지구조물과 상기 복수의 오픈부는 번갈아 배치되는 라이트 필드 이미징 장치.
  29. 복수의 픽셀들이 2차원 배열된 이미지 센서를 준비하는 단계;
    상기 이미지 센서 상에 희생층을 형성하는 단계;
    상기 희생층을 선택적으로 식각하여 복수의 제1오픈부를 형성하는 단계;
    상기 복수의 제1오픈부를 포함하는 구조물 상에 지지막을 형성하는 단계;
    상기 지지막 상에 복수의 마이크로 렌즈가 2차원 배열된 마이크로 렌즈 어레이를 형성하는 단계;
    상기 복수의 마이크로 렌즈 어레이 사이의 상기 지지막 및 상기 희생층 일부를 식각하여 복수의 제2오픈부를 형성하는 단계; 및
    상기 제2오픈부를 통해 상기 희생층을 제거하여 에어갭을 형성하는 단계
    를 포함하는 라이트 필드 이미징 장치 제조방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 희생층을 형성하는 단계 이전에 상기 이미지 센서 상에 제1보호막을 형성하는 단계; 및
    상기 복수의 제2오픈부를 형성하기 이전에 상기 마이크로 렌즈 어레이 상에 제2보호막을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 라이트 필드 이미징 장치 제조방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 제1보호막, 상기 제2보호막 및 상기 지지막은 상기 희생층과 식각선택비를 갖는 물질로 형성하는 라이트 필드 이미징 장치 제조방법.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 지지막은 상기 복수의 제1오픈부를 포함하는 구조물 표면을 따라 균일한 두께를 갖도록 형성하는 라이트 필드 이미징 장치 제조방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 지지막은 상기 복수의 제1오픈부를 완전히 갭필하지 않도록 형성하는 라이트 필드 이미징 장치 제조방법.
  34. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 복수의 모서리를 갖고, 둘 이상의 모서리가 상기 제1오픈부 내에 형성된 지지막과 중첩되도록 형성하는 라이트 필드 이미징 장치 제조방법.
  35. 제29항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈 각각은 복수의 모서리를 갖고, 대각선 방향에 위치하는 두 모서리가 상기 제1오픈부 내에 형성된 지지막과 중첩되도록 형성하는 라이트 필드 이미징 장치 제조방법.
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