KR20210088375A - 마이크로 렌즈 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서모듈과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 렌즈 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서모듈과 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 어두운 환경에도 이미징이 가능하면서 소형화가 가능한 마이크로 렌즈 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서모듈과 그 제조방법에 관한 것이다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 이미지 센서모듈은 투명한 기판과; 상기 기판의 표면에 패터닝된 홀이 형성되고, 금속으로 형성되는 제 1 흡수층과; 상기 제 1 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 1 흡수층의 표면에 형성되고, 투명한 폴리머로 형성되는 제 1 투과층과; 상기 제 1 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 패터닝된 홀을 형성하면서 상기 제 1 투과층의 표면에 형성되고, 불투명한 폴리머로 형성되는 제 2 흡수층과; 상기 제 2 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 2 흡수층의 표면에 형성되고, 투명한 폴리머로 형성되는 제 2 투과층과; 상기 제 2 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 상기 제 2 투과층의 표면에 형성되는 마이크로 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이와; 상기 마이크로 렌즈와 소정 간격 이격되어 배치되는 이미지 센서를 포함한다.

Description

마이크로 렌즈 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서모듈과 그 제조방법{Micro lens array and Image sensor module including the same and Manufacturing method thereof}

본 발명은 마이크로 렌즈 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서모듈과 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 어두운 환경에도 이미징이 가능하면서 소형화가 가능한 마이크로 렌즈 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서모듈과 그 제조방법에 관한 것이다.

이미지 센서(image sensor)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자이다. 최근 들어, 컴퓨터 산업과 통신 산업의 발달에 따라 디지털 카메라, 캠코더, PCS(Personal Communication System), 게임 기기, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등 다양한 분야에서 성능이 향상된 이미지 센서의 수요가 증대되고 있다.

일반적인 이미지 센서는 픽셀 어레이를 구비하고 각 픽셀은 광전 변환 기능을 갖는 포토 다이오드를 구비한다. 그리고, 각 픽셀은 컬러 필터를 구비하여 특정 영역의 파장의 광을 필터링함으로써 포토 다이오드에서 광전 변환된다.

이러한 이미지 센서에서, 인접 픽셀 간의 빛의 분광(spectrum) 차이에 의해 광학적 크로스토크가 발생될 수 있다. 따라서, 이에 대한 픽셀 간 크로스토크 현상을 방지하는 대책이 요구되고 있다.

한편, 최근에는 이미지 센서가 사용되는 기기의 높은 해상도 구현을 위하여 이미지 센서의 화소 수는 증가하고 있으나, 이에 따라 이미지 센서에서 광을 받는 영역의 면적은 점차 감소하고 있다. 이는 각 픽셀 상에 입사되는 광량 또한 감소한다는 것을 의미한다.

그리고, 광을 받아들이는 픽셀의 광활성 부분은 총 픽셀 영역의 50％ 또는 그 미만이기 때문에, 픽셀 어레이 상부에 마이크로 렌즈 어레이를 형성함으로써, 픽셀의 광활성 영역으로 입사하는 광량을 증가시키는 것이 바람직하다.

상기와 같은 문제점의 인식으로 인해 문제점을 해결하기 위한 다양한 제안이 있었다.

(특허문헌 1)에는 유리기판 윗면과 아랫면에 흡수층인 흑색폴리머를 패터닝하여 여러 유리기판을 적층하는 방식이 제안되었다. 하지만, 이러한 제안은 유리기판을 적층하여 렌즈의 두께가 두꺼워지는 문제가 있다.

(특허문헌 2)에서는 이미지의 서로 다른 세그먼트를 관측하기 위하여 형상이 서로 다른 렌즈의 배열이 포함된 구성이 제안되었다. 하지만, 이러한 제안은 렌즈배열과 이미지센서 사이에 흡수층-투과층 멀티레이어 구조를 포함하지 않아 시야각을 조절하는 것이 불가능하다는 문제가 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

US 7,897,903 B2 (2011.03.01) EP 0840502 A2 (1998.05.06)

본 발명은 렌즈의 전체 길이를 줄이면서 마이크로 렌즈 사이의 광학 크로스토크(cross-talk)를 저감시킬 수 있는 마이크로 렌즈 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서모듈과 그 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 마이크로 렌즈 사이에서 들어오는 가시광 및 적외선 스펙트럼의 빛을 차단할 수 있도록 금속 박막층과 흑색 폴리머층이 혼합된 마이크로 렌즈 어레이 및 이를 포함하는 이미지 센서모듈과 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로 렌즈 어레이는 이미지 센서 모듈에 적용되는 마이크로 렌즈 어레이로서, 투명한 기판과; 상기 기판의 표면에 패터닝된 홀이 형성되고, 금속으로 형성되는 제 1 흡수층과; 상기 제 1 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 1 흡수층의 표면에 형성되고, 투명한 폴리머로 형성되는 제 1 투과층과; 상기 제 1 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 패터닝된 홀을 형성하면서 상기 제 1 투과층의 표면에 형성되고, 불투명한 폴리머로 형성되는 제 2 흡수층과; 상기 제 2 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 2 흡수층의 표면에 형성되고, 투명한 폴리머로 형성되는 제 2 투과층과; 상기 제 2 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 상기 제 2 투과층의 표면에 형성되는 마이크로 렌즈를 포함한다.

상기 제 2 흡수층과 제 2 투과층은 복수 회수로 반복되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 흡수층과 제 2 흡수층은 가시광 및 적외선(IR)의 투과를 차단하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 이미지 센서모듈은 투명한 기판과; 상기 기판의 표면에 패터닝된 홀이 형성되고, 금속으로 형성되는 제 1 흡수층과; 상기 제 1 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 1 흡수층의 표면에 형성되고, 투명한 폴리머로 형성되는 제 1 투과층과; 상기 제 1 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 패터닝된 홀을 형성하면서 상기 제 1 투과층의 표면에 형성되고, 불투명한 폴리머로 형성되는 제 2 흡수층과; 상기 제 2 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 2 흡수층의 표면에 형성되고, 투명한 폴리머로 형성되는 제 2 투과층과; 상기 제 2 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 상기 제 2 투과층의 표면에 형성되는 마이크로 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이와; 상기 마이크로 렌즈와 소정 간격 이격되어 배치되는 이미지 센서를 포함한다.

상기 마이크로 렌즈와 이미지 센서가 이격된 공간은 빈 공간으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로 렌즈와 이미지 센서가 이격된 거리는 상기 마이크로 렌즈의 초점거리에 대응되는 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로 레즈 어레이의 제 2 흡수층과 제 2 투과층은 복수 회수로 반복되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 이미지 센서모듈의 제조방법은 이미지 센서 모듈을 제조하는 방법으로서, 마이크로 렌즈가 형성되는 마이크로 렌즈 어레이를 준비하는 과정과; 이미지 센서를 준비하는 과정과; 상기 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈가 이미지 센서의 센싱면을 향하도록 배치하고, 상기 마이크로 렌즈와 이미지 센서의 센싱면을 소정 간격 이격시켜 결합하는 과정을 포함한다.

상기 마이크로 렌즈 어레이를 준비하는 과정은, 투명한 기판을 준비하는 단계와; 상기 기판의 표면에 금속소재를 이용하여 패터닝된 홀이 형성된 제 1 흡수층을 형성하는 단계와; 투명한 폴리머를 이용하여 상기 제 1 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 1 흡수층의 표면에 제 1 투과층을 형성하는 단계와; 불투명한 폴리머를 이용하여 상기 제 1 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 패터닝된 홀을 형성하면서 상기 제 1 투과층의 표면에 제 2 흡수층을 형성하는 단계와; 투명한 폴리머를 이용하여 상기 제 2 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 2 흡수층의 표면에 제 2 투과층을 형성하는 단계와; 상기 제 2 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 상기 제 2 투과층의 표면에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 제 2 흡수층을 형성하는 단계와 제 2 투과층을 형성하는 단계는 보수 회수로 반복되어 실시되는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 흡수층을 형성하는 단계는, 상기 기판의 표면에 LOR 및 GXR 물질을 코팅한 후 홀패턴이 형성된 마스크를 이용한 포토리소그래피(Photolithography) 공정으로 상기 홀패턴에 대응되는 패턴으로 더미 제 1 흡수층패턴을 형성하는 과정과; 상기 제 1 흡수층패턴이 형성된 기판의 표면 전체에 금속을 증착시키는 과정과; 상기 제 1 흡수층패턴을 제거하여 상기 홀패턴에 대응되는 패턴을 갖는 제 1 흡수층을 기판의 표면에 잔류시키는 과정을 포함한다.

상기 제 1 투과층을 형성하는 단계에서, 상기 투명한 폴리머는 열경화성 감광액인 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는, 상기 제 2 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 상기 제 2 투과층의 표면에 마이크로 렌즈패턴을 형성하는 과정과; 상기 마이크로 렌즈패턴을 열처리하여 반구 형상을 갖는 복수개의 마이크로 렌즈를 형성하는 과정을 포함한다.

상기 마이크로 렌즈패턴은 열가소성 감광액을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 마이크로 렌즈와 이미지 센서의 센싱면을 소정 간격 이격시켜 결합하는 과정은, 상기 마이크로 렌즈와 이미지 센서의 센싱면을 상기 마이크로 렌즈의 초점거리에 대응되는 거리만큼 이격시켜 결합하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 짧은 초점거리를 갖는 마이크로 렌즈를 사용할 뿐 아니라 광학 크로스토크 저감 구조 또한 반도체 공정 방법을 이용하여 렌즈의 전체적인 두께를 초박형으로 제작가능다하는 장점이 있다.

둘째, 얇은 두께의 구조로도 마이크로 렌즈 사이에 가시광 영역의 빛뿐 아니라 근적외선(NIR) 영역의 빛을 차단함으로써, 가시광 이미징 및 근적외선 이미징 시에 이미지의 대비(contrast) 및 이미지 해상도(Modulation Transfer Function, MTF)를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

셋째, 금속 박막인 제 1 흡수층의 아래에 흑색 폴리머가 코팅되어 형성되는 제 2 흡수층을 형성하여 이미지 센서에서 반사된 빛이 제 1 흡수층에 재반사되어 들어오는 허상(Ghost image)를 방지할 수 있다.

넷째, 이미징 시에 마이크로렌즈 어레이가 역방향으로 형성되어 있고, 그 상부에 유리 기판(glass window)이 배치되어 빛을 굴절시켜 시야각을 확대시키는 효과를 기대할 수 있다.

다섯째, 본 발명을 이용하여 획득된 영상은 중첩도에 따라 고화질 이미지 합성 및 3 차원 카메라용 3D 깊이 정보 추출 응용에 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서모듈을 보여주는 단면도이고,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서모듈의 제조방법을 보여주는 도면이며,
도 3a는 비교예와 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 투과도를 비교한 그래프이고,
도 3b는 비교예와 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 반사도를 비교한 그래프이며,
도 4는 비교예와 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 광 경로 이미지를 보여주는 사진이고,
도 5는 비교예와 실시예에 따른 이미지 센서모듈의 허상 이미지를 보여주는 사진이며,
도 6a는 비교예와 실시예에 따른 이미지 센서모듈의 이미지 촬영 후를 비교한 사진이고,
도 6b는 비교예와 실시예에 따른 이미지 센서모듈의 이미지 해상도(Resolution)를 비교한 그래프이며,
도 6c는 비교예와 실시예에 따른 이미지 센서모듈의 대비(Contrast)를 비교한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서모듈을 보여주는 단면도이다.

도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서모듈은 크게 마이크로 렌즈 어레이(100)와 이미지 센서(200)로 이루어진다. 이때 마이크로 렌즈 어레이(100)와 이미지 센서(200)는 소정 간격 이격되어 결합됨으로써 패키지 된다.

마이크로 렌즈 어레이(100)는 외부에서 이미지 센서(200)로 입사되는 광 중 가시광 영역의 광뿐만 아니라 근적외선(NIR) 영역의 광을 차단시키면서, 짧은 초점거리를 갖도록 하는 구성이다.

이를 위하여 마이크로 렌즈 어레이(100)는 투명한 기판(110)과; 상기 기판(110)의 표면에 패터닝된 홀(170)이 형성되고, 금속으로 형성되는 제 1 흡수층(120)과; 상기 제 1 흡수층(120)에 형성된 홀(170)을 채우면서 상기 제 1 흡수층(120)의 표면에 형성되고, 투명한 폴리머로 형성되는 제 1 투과층(130)과; 상기 제 1 흡수층(120)에 형성된 홀(170)의 패턴에 대응되는 패턴으로 패터닝된 홀(170)을 형성하면서 상기 제 1 투과층(130)의 표면에 형성되고, 불투명한 폴리머로 형성되는 제 2 흡수층(140)과; 상기 제 2 흡수층(140)에 형성된 홀(170)을 채우면서 상기 제 2 흡수층(140)의 표면에 형성되고, 투명한 폴리머로 형성되는 제 2 투과층(150)과; 상기 제 2 흡수층(140)에 형성된 홀(170)의 패턴에 대응되는 패턴으로 상기 제 2 투과층(150)의 표면에 형성되는 마이크로 렌즈(160)를 포함한다.

이때, 상기 제 2 흡수층(140)과 제 2 투과층(150)은 복수 회수로 반복되어 형성될 수 있다. 예를 들어 본 실시예에서는 제 2 흡수층(140)과 제 2 투과층(150)을 2회 반복하여 형성하였다.

상기 기판(110)은 광이 투과되는 기판으로서, 제 1 흡수층(120), 제 1 투과층(130), 제 2 흡수층(140) 및 제 2 투과층(150)을 형성하기 위한 베이스 역할을 한다. 예를 들어 기판은 유리(glass window)로 형성될 수 있다.

제 1 흡수층(120)은 금속소재를 패터닝하여 형성되는 층으로서, 제 1 흡수층(120)에 의해 마이크로 렌즈 어레이(100)로 입사되는 광 중 적외선(IR), 특히 근적외선(NIR) 영역의 광을 차단시킨다. 이때 제 1 흡수층(120)은 크롬(Cr)을 사용하여 형성할 수 있다. 그리고, 제 1 흡수층(120)의 두께는 100㎚ 수준으로 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 제 1 흡수층(120)은 홀(170)을 패터닝하여 형성한다. 이때 홀(170)은 마이크로 렌즈 어레이(100)로 입사되는 광이 투과되어 이미지 센서에 도달되도록 광의 입사 경로의 형성한다.

제 1 투과층(130)은 마이크로 렌즈 어레이(100)로 입사되는 광을 투과시키고, 제 1 흡수층(120)과 제 2 흡수층(140)의 간격을 유지하도록 형성되는 층으로서, 투명한 폴리머를 사용하여 형성할 수 있다.

제 2 흡수층(140)은 제 1 투과층(130)의 홀(170)을 통하여 입사된 광이 이미지 센서(200)에서 반사되어 제 1 흡수층(120)에 재반사되면서 다시 이미지 센서(200)로 입사되는 것을 방지하는 층으로서, 광이 투과되지 못하도록 불투명한 폴리머를 사용하여 형성된다. 이때 제 2 흡수층(140)에는 제 1 흡수층(120)에 형성된 홀(170)의 패턴에 대응되는 홀(170)이 패터닝되어 형성된다.

제 2 투과층(150)은 제 1 투과층(130)과 마찬가지로 마이크로 렌즈 어레이(100)로 입사되는 광을 투과시키고, 제 2 흡수층(140)과 마이크로 렌즈(160)의 간격을 유지하도록 형성되는 층으로서, 투명한 폴리머를 사용하여 형성할 수 있다.

이때 제 2 흡수층(140)과 제 2 투과층(150)은 이미지 센서 모듈의 스펙에 따라 복수 회수로 반복되어 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 제 2 흡수층(140)과 제 2 투과층(150)을 2회 반복하여 형성함에 따라 제 2 흡수층(140), 제 2 투과층(150), 제 2 흡수층(140) 및 제 2 투과층(150)의 순으로 형성된다.

한편, 마이크로 렌즈(160)는 픽셀의 광활성 영역으로 입사하는 광량을 증가시키는 수단으로서, 제 1 투과층(130) 및 제 2 투과층(150)에 형성된 홀(170)의 패턴에 대응되는 위치에 반구의 형상으로 형성된다.

그리고, 이미지 센서(200)는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 소자로서, 통상의 이미지 센서모듈에 적용되는 이미지 센서가 적용될 수 있다.

한편, 마이크로 렌즈 어레이(100)와 이미지 센서(200)는 마이크로 렌즈 어레이(100)의 마이크로 렌즈(160)가 이미지 센서(200)의 센싱면을 향하도록 배치되고, 소정 간격 이격된 상태로 결합되어 패키징된다.

이때 마이크로 렌즈(160)와 이미지 센서(200)가 이격된 공간(S)은 빈 공간으로 형성되고, 마이크로 렌즈(160)와 이미지 센서(200)가 이격된 거리는 마이크로 렌즈(160)의 초점거리에 대응되도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 이미지 센서모듈의 제조방법에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서모듈의 제조방법을 보여주는 도면이다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서모듈의 제조방법은 마이크로 렌즈(160)가 형성되는 마이크로 렌즈 어레이(100)를 준비하는 과정과; 이미지 센서(200)를 준비하는 과정과; 상기 마이크로 렌즈 어레이(100)의 마이크로 렌즈(160)가 이미지 센서(200)의 센싱면을 향하도록 배치하고, 상기 마이크로 렌즈(160)와 이미지 센서(200)의 센싱면을 소정 간격 이격시켜 결합하는 과정을 포함한다.

마이크로 렌즈 어레이(100)를 준비하는 과정은 기판(110)에 제 1 흡수층(120), 제 1 투과층(130), 제 2 흡수층(140), 제 2 투과층(150) 및 마이크로 렌즈(160)를 순차적으로 형성하는 과정이다.

부연하자면, 먼저, 투명한 기판(110)을 준비하는 단계와; 상기 기판(110)의 표면에 금속소재를 이용하여 패터닝된 홀(170)이 형성된 제 1 흡수층(120)을 형성하는 단계와; 투명한 폴리머를 이용하여 상기 제 1 흡수층(120)에 형성된 홀(170)을 채우면서 상기 제 1 흡수층(120)의 표면에 제 1 투과층(130)을 형성하는 단계와; 불투명한 폴리머를 이용하여 상기 제 1 흡수층(120)에 형성된 홀(170)의 패턴에 대응되는 패턴으로 패터닝된 홀(170)을 형성하면서 상기 제 1 투과층(130)의 표면에 제 2 흡수층(140)을 형성하는 단계와; 투명한 폴리머를 이용하여 상기 제 2 흡수층(140)에 형성된 홀(170)을 채우면서 상기 제 2 흡수층(140)의 표면에 제 2 투과층(150)을 형성하는 단계와; 상기 제 2 흡수층(140)에 형성된 홀(170)의 패턴에 대응되는 패턴으로 상기 제 2 투과층(150)의 표면에 마이크로 렌즈(160)를 형성하는 단계를 포함한다.

투명한 기판(110)을 준비하는 단계는 광이 투과되는 기판(110)을 준비하는 단계로서, 기판(110)은 유리(glass window)로 준비한다.

제 1 흡수층(120)을 형성하는 단계는 기판(110)의 표면에 적외선 영역의 빛을 차단시킬 수 있는 금속 박막을 패터닝하여 형성하는 단계로서, 반도체 공정에 사용되는 포토리소그래피(Photolithography) 공정과 리프트 오프(Lift-off) 공정을 이용한다.

부연하자면, 제 1 흡수층(120)을 형성하는 단계는 상기 기판(110)의 표면에 LOR(111) 및 GXR 물질(112)을 코팅한 후 홀패턴(114)이 형성된 마스크(113)를 이용한 포토리소그래피(Photolithography) 공정으로 상기 홀패턴(114)에 대응되는 영역 이외의 영역에 형성된 LOR(111a) 및 GXR 물질(112a)를 제거하여 상기 홀패턴(114)에 대응되는 패턴으로 더미 제 1 흡수층패턴(111b, 112b)을 형성한다.(도 2a의 (a) 내지 (c) 참조)

그런다음, 상기 제 1 흡수층패턴(111b, 112b)이 형성된 기판(110)의 표면 전체에 금속(120, 121)을 증착시킨다.(도 2a의 (d) 참조)

그리고, 상기 제 1 흡수층패턴(111b, 112b)을 제거하여 상기 홀패턴(114)에 대응되는 패턴을 갖는 제 1 흡수층(120)을 기판(110)의 표면에 잔류시킨다.(도 2a의 (e) 참조)

이렇게 제 1 흡수층(120)이 형성되었다면 제 1 흡수층(120)을 덮는 제 1 투과층(130)을 형성한다.

제 1 투과층(130)을 형성하는 단계는 제 1 흡수층(120)에 형성된 홀(170)을 채우면서 상기 제 1 흡수층(120)의 표면에 투명한 폴리머층을 형성하는 단계로서, 빛이 투과되는 투명한 폴리머를 이용하여 제 1 투과층(130)을 형성한다.(도 2a의 (f) 참조)

이때 투명한 폴리머는 열경화성 감광액을 사용하는 것이 바람직하며, 제 1 투과층(130)은 투명한 열경화성 감광액을 제 1 투과층(130)의 표면에 코팅한 다음 UV에 노출시켜 경화시킴으로써 형성할 수 있다.

제 2 흡수층(140)을 형성하는 단계는 이미지 센서(200)에서 반사된 빛이 제 1 흡수층(120)에 재반사되어 들어오는 허상(Ghost image)를 방지할 수 있도록 제 1 투과층(130)의 표면에 불투명한 폴리머를 이용하여 상기 제 1 투과층(130)의 표면에 불투명한 폴리머층을 형성하는 단계이다.

이때 제 2 흡수층(140)에는 상기 제 1 흡수층(120)에 형성된 홀(170)의 패턴에 대응되는 패턴으로 패터닝된 홀(170)을 형성한다.(도 2a의 (g) 참조)

그리고, 불투명한 폴리머는 빛이 투과되는 것을 차단할 수 있는 소재를 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 불투명한 폴리머는 흑색의 열경화성 감광액을 사용하는 것이 바람직하며, 제 2 흡수층(140)은 흑색의 열경화성 감광액을 제 1 흡수층(120)의 표면에 패터닝하면서 코팅한 다음 UV에 노출시켜 경화시킴으로써 형성할 수 있다.

제 2 투과층(150)을 형성하는 단계는 제 1 투과층(130)을 형성하는 단계와 마찬가지로 제 2 흡수층(140)에 형성된 홀(170)을 채우면서 상기 제 2 흡수층(140)의 표면에 투명한 폴리머층을 형성하는 단계로서, 빛이 투과되는 투명한 폴리머를 이용하여 제 2 투과층(150)을 형성한다.(도 2a의 (h) 참조)

특히, 상기 제 2 흡수층(140)을 형성하는 단계와 제 2 투과층(150)을 형성하는 단계는 복수 회수로 반복되어 실시될 수 있다. 본 실시예에서는 제 2 흡수층(140)을 형성하는 단계와 제 2 투과층(150)을 형성하는 단계를 2번씩 실시하였다.(도 2a의 (h) 참조)

이때 투명한 폴리머는 열경화성 감광액을 사용하는 것이 바람직하며, 제 2 투과층(150)은 투명한 열경화성 감광액을 제 2 투과층(150)의 표면에 코팅한 다음 UV에 노출시켜 경화시킴으로써 형성할 수 있다.

마이크로 렌즈(160)를 형성하는 단계는 제 2 흡수층(140)에 형성된 홀(170)의 패턴에 대응되는 패턴으로 제 2 투과층(150)의 표면에 마이크로 렌즈(160)를 형성하는 단계이다.

마이크로 렌즈(160)를 형성하기 위하여 제 2 흡수층(140)에 형성된 홀(170)의 패턴에 대응되는 패턴으로 상기 제 2 투과층(150)의 표면에 마이크로 렌즈패턴(161)을 형성한다.(도 2a의 (i) 참조)

이때 마이크로 렌즈패턴(161)은 열가소성 감광액을 사용하여 형성하는 것이 바람직하며, 마이크로 렌즈패턴(161)은 열가소성 감광액을 제 2 투과층(150)의 표면에 패터닝하면서 코팅한 다음 UV에 노출시켜 경화시킴으로써 형성할 수 있다.

이렇게 제 2 투과층(150)의 표면에 패터닝된 마이크로 렌즈패턴(161)이 형성되었다면, 마이크로 렌즈패턴(161)을 열처리하여 마이크로 렌즈패턴(161)을 열 리플로우(thermal reflow)시켜서 반구 형상을 갖는 복수개의 마이크로 렌즈(160)를 형성한다.(도 2a의 (j) 참조)

상기와 같은 단계를 통하여 마이크로 렌즈 어레이(100)가 준비되었다면, 이미지 센서를 준비한다.

이미지 센서(200)를 준비하는 과정은 통상의 이미지 센서모듈에 적용되는 이미지 센서(200)를 준비한다.

이렇게 마이크로 렌즈 어레이(100)와 이미지 센서(200)가 준비되었다면, 마이크로 렌즈 어레이(100)와 이미지 센서(200)를 결합하여 패키징한다.

마이크로 렌즈 어레이(100)와 이미지 센서(200)를 결합하는 과정은 마이크로 렌즈 어레이(100)의 마이크로 렌즈(160)가 이미지 센서(200)의 센싱면을 향하도록 배치하고, 상기 마이크로 렌즈(160)와 이미지 센서(200)의 센싱면을 소정 간격 이격시켜 결합시킨다.(도 2a의 (k) 참조)

이때 마이크로 렌즈(160)와 이미지 센서(200)가 이격된 공간(S)은 빈 공간으로 형성하고, 마이크로 렌즈(160)와 이미지 센서(200)의 센싱면을 상기 마이크로 렌즈(160)의 초점거리에 대응되는 거리만큼 이격시켜 결합한다.

다음으로, 비교예와 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.

먼저, 비교예와 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 투과도와 반사도를 비교하였다.

도 3a는 비교예와 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 투과도를 비교한 그래프이고, 도 3b는 비교예와 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 반사도를 비교한 그래프이다.

이때 비교예 1(Cr 100㎚)은 흡수층으로 제 2 흡수층의 형성없이 제 1 흡수층만 형성하였고, 비교예 2(Only Black PR)는 흡수층으로 제 1 흡수층의 형성없이 제 2 흡수층만 형성하였으며, 실시예(Cr 100㎚+Black PR)는 흡수층으로 제 1 흡수층과 제 2 흡수층을 모두 형성하였다. 이때 제 1 흡수층은 크롬(Cr)을 100㎚ 두께로 형성하였고, 제 2 흡수층은 흑색의 불투명한 폴리머를 사용하여 형성하였다.

도 3a에서 확인할 수 있듯이, 비교예 2의 경우는 가시광 영역(400㎚ ~ 650㎚)에서 빛이 차단되지만 근적외선 영역(650㎚ ~ 900㎚)에서는 빛의 차단 효율이 매우 낮은 것을 확인할 수 있었다.

반면에, 실시예의 경우에는 가시광 영역뿐 아니라 근적외선 영역에서 대부분의 빛이 차단된 것을 확인할 수 있었다.

그리고, 3b에서 확인할 수 있듯이, 비교예 1은 반사도가 60%로 상대적으로 높은 수치를 보이는 것을 확인할 수 있었다.

반면에, 실시예의 경우에는 가시광 영역의 반사도를 현저히 저감시킬 뿐 아니라 근적외선 영역의 반사도도 저감시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

다음으로, 비교예와 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 광 경로를 관찰하였다.

도 4는 비교예와 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 광 경로 이미지를 보여주는 사진이다. 이때 도 4는 공초점 레이저 주사현미경(Confocal laser scanning microscopy, CLSM)으로 관측한 광 경로(optical path) 이미지이다.(광원 스텍트럼: 360 ~ 2600㎚)

도 4의 (a)는 비교예 2의 광 경로이고, (b)는 실시예의 광 경로이다.

도 4에서 확인할 수 있듯이, 비교예 2는 마이크로 렌즈 사이에 빛이 투과되는 것을 확인할 수 있지만, 실시예는 마이크로 렌즈 사이의 빛이 차단되는 것을 확인할 수 있었다.

다음으로, 비교예와 실시예에 따른 이미지 센서모듈의 허상 이미지를 관찰하였다.

도 5는 비교예와 실시예에 따른 이미지 센서모듈의 허상 이미지를 보여주는 사진이다.

도 5의 (a)는 비교예 1의 허상 이미지고, (b)는 실시예의 허상 이미지이다.

도 5에서 확인할 수 있듯이, 비교예 1의 경우 이미지 센서에서 반사된 빛이 제 1 흡수층인 금속 박막에 재반사 되어 허상 이미지가 생성된 것을 확인할 수 있었다. 반면에, 실시예의 경우 제 1 흡수층과 제 2 흡수층을 동시에 형성함에 따라 허상이 생성되지 않은 것을 확인할 수 있었다.

다음으로, 비교예와 실시예에 따른 이미지 센서모듈의 이미지 촬영 후를 비교하였고, 광학특성을 비교하였다.

도 6a는 비교예와 실시예에 따른 이미지 센서모듈의 이미지 촬영 후를 비교한 사진이고, 도 6b는 비교예와 실시예에 따른 이미지 센서모듈의 이미지 해상도(Resolution)를 비교한 그래프이며, 도 6c는 비교예와 실시예에 따른 이미지 센서모듈의 대비(Contrast)를 비교한 그래프이다.

도 6a의 (a)는 비교예 2의 이미지 촬영 후 사진이고, (b)는 실시예의 이미지 촬영 후 사진이다.

도 6a에서 확인할 수 있듯이, 비교예 2와 실시예의 이미지 촬영 후 사진을 비교한 결과 상대적으로 실시예에 따른 사진이 비교예 2에 따른 사진보다 선명하고 고대비의 이미지를 획득할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

그리고, 도 6b는 이미지 해상도 분석을 위한 변조 조달 함수(Modulation Transfer Function, MTF)값을 비교한 결과로서, 도 6b에서 확인할 수 있듯이, 실시예는 상대적으로 높은 MTF값을 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 비교예 2에 비하여 약 2배 정도 향상된 값을 보이는 것을 확인할 수 있었다.

그리고, 도 6c에서 확인할 수 있듯이, 실시예의 대비값이 비교예 2에 비하여 약 4배 정도로 높은 수치를 보이는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

100: 마이크로 렌즈 어레이 110: 기판
120: 제 1 흡수층 130: 제 1 투과층
140: 제 2 흡수층 150: 제 2 투과층
160: 마이크로 렌즈 170: 홀
200: 이미지 센서

Claims (15)

1. 이미지 센서 모듈에 적용되는 마이크로 렌즈 어레이로서,
   투명한 기판과;
   상기 기판의 표면에 패터닝된 홀이 형성되고, 금속으로 형성되는 제 1 흡수층과;
   상기 제 1 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 1 흡수층의 표면에 형성되고, 투명한 폴리머로 형성되는 제 1 투과층과;
   상기 제 1 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 패터닝된 홀을 형성하면서 상기 제 1 투과층의 표면에 형성되고, 불투명한 폴리머로 형성되는 제 2 흡수층과;
   상기 제 2 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 2 흡수층의 표면에 형성되고, 투명한 폴리머로 형성되는 제 2 투과층과;
   상기 제 2 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 상기 제 2 투과층의 표면에 형성되는 마이크로 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제 2 흡수층과 제 2 투과층은 복수 회수로 반복되어 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제 1 흡수층과 제 2 흡수층은 가시광 및 적외선(IR)의 투과를 차단하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이.
   
4. 투명한 기판과; 상기 기판의 표면에 패터닝된 홀이 형성되고, 금속으로 형성되는 제 1 흡수층과; 상기 제 1 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 1 흡수층의 표면에 형성되고, 투명한 폴리머로 형성되는 제 1 투과층과; 상기 제 1 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 패터닝된 홀을 형성하면서 상기 제 1 투과층의 표면에 형성되고, 불투명한 폴리머로 형성되는 제 2 흡수층과; 상기 제 2 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 2 흡수층의 표면에 형성되고, 투명한 폴리머로 형성되는 제 2 투과층과; 상기 제 2 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 상기 제 2 투과층의 표면에 형성되는 마이크로 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이와;
   상기 마이크로 렌즈와 소정 간격 이격되어 배치되는 이미지 센서를 포함하는 이미지 센서모듈.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 마이크로 렌즈와 이미지 센서가 이격된 공간은 빈 공간으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서모듈.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 마이크로 렌즈와 이미지 센서가 이격된 거리는 상기 마이크로 렌즈의 초점거리에 대응되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서모듈.
   
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 마이크로 레즈 어레이의 제 2 흡수층과 제 2 투과층은 복수 회수로 반복되어 형성되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서모듈.
   
8. 이미지 센서 모듈을 제조하는 방법으로서,
   마이크로 렌즈가 형성되는 마이크로 렌즈 어레이를 준비하는 과정과;
   이미지 센서를 준비하는 과정과;
   상기 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈가 이미지 센서의 센싱면을 향하도록 배치하고, 상기 마이크로 렌즈와 이미지 센서의 센싱면을 소정 간격 이격시켜 결합하는 과정을 포함하는 이미지 센서모듈의 제조방법.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 마이크로 렌즈 어레이를 준비하는 과정은,
   투명한 기판을 준비하는 단계와;
   상기 기판의 표면에 금속소재를 이용하여 패터닝된 홀이 형성된 제 1 흡수층을 형성하는 단계와;
   투명한 폴리머를 이용하여 상기 제 1 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 1 흡수층의 표면에 제 1 투과층을 형성하는 단계와;
   불투명한 폴리머를 이용하여 상기 제 1 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 패터닝된 홀을 형성하면서 상기 제 1 투과층의 표면에 제 2 흡수층을 형성하는 단계와;
   투명한 폴리머를 이용하여 상기 제 2 흡수층에 형성된 홀을 채우면서 상기 제 2 흡수층의 표면에 제 2 투과층을 형성하는 단계와;
   상기 제 2 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 상기 제 2 투과층의 표면에 마이크로 렌즈를 형성하는 단계를 포함하는 이미지 센서모듈의 제조방법.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 2 흡수층을 형성하는 단계와 제 2 투과층을 형성하는 단계는 보수 회수로 반복되어 실시되는 것을 특징으로 하는 이미지 센서모듈의 제조방법.
    
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 흡수층을 형성하는 단계는,
    상기 기판의 표면에 LOR 및 GXR 물질을 코팅한 후 홀패턴이 형성된 마스크를 이용한 포토리소그래피(Photolithography) 공정으로 상기 홀패턴에 대응되는 패턴으로 더미 제 1 흡수층패턴을 형성하는 과정과;
    상기 제 1 흡수층패턴이 형성된 기판의 표면 전체에 금속을 증착시키는 과정과;
    상기 제 1 흡수층패턴을 제거하여 상기 홀패턴에 대응되는 패턴을 갖는 제 1 흡수층을 기판의 표면에 잔류시키는 과정을 포함하는 이미지 센서모듈의 제조방법.
    
12. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 1 투과층을 형성하는 단계에서,
    상기 투명한 폴리머는 열경화성 감광액인 것을 특징으로 하는 이미지 센서모듈의 제조방법.
    
13. 청구항 9에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는,
    상기 제 2 흡수층에 형성된 홀의 패턴에 대응되는 패턴으로 상기 제 2 투과층의 표면에 마이크로 렌즈패턴을 형성하는 과정과;
    상기 마이크로 렌즈패턴을 열처리하여 반구 형상을 갖는 복수개의 마이크로 렌즈를 형성하는 과정을 포함하는 이미지 센서모듈의 제조방법.
    
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈패턴은 열가소성 감광액을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서모듈의 제조방법.
    
15. 청구항 8에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈와 이미지 센서의 센싱면을 소정 간격 이격시켜 결합하는 과정은,
    상기 마이크로 렌즈와 이미지 센서의 센싱면을 상기 마이크로 렌즈의 초점거리에 대응되는 거리만큼 이격시켜 결합하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서모듈의 제조방법.
    

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