KR20230089689A - 이미지 센싱 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센싱 장치는, 장면으로부터 입사되는 광을 집광하는 렌즈 모듈; 및 각각이 상기 렌즈 모듈로부터 전달되는 입사광을 감지하는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하며, 상기 픽셀 어레이는 상기 렌즈 모듈의 광축이 지나는 중앙 영역, 및 상기 광축으로부터 소정 거리 이격된 에지 영역을 포함하고, 상기 에지 영역에 포함된 픽셀은, 상기 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하는 광전 변환 소자를 포함하는 반도체 영역; 및 상기 픽셀의 인접 픽셀들과의 경계들 중 상기 광축으로부터 상대적으로 먼 경계에 접하는 내부 반사면을 포함하고 상기 반도체 영역의 상부에 배치되는 마이크로 렌즈를 포함하고, 상기 내부 반사면의 경사각은 상기 픽셀의 위치에 따라 달라질 수 있다.
Description
본 발명은 입사광의 세기에 대응하는 전기적 신호를 생성하는 픽셀을 포함하는 이미지 센싱 장치에 관한 것이다.
이미지 센싱 장치는 빛에 반응하는 광 감지 반도체 물질의 성질을 이용하여 광학 이미지를 캡쳐(capture)하는 장치이다. 자동차, 의료, 컴퓨터 및 통신 등 산업의 발전에 따라 스마트폰, 디지털 카메라, 게임기기, 사물 인터넷(Internet of Things), 로봇, 경비용 카메라, 의료용 마이크로 카메라 등과 같은 다양한 분야에서 고성능(high-performance) 이미지 센싱 장치에 대한 수요가 증대되고 있다.
이미지 센싱 장치는 크게 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센싱 장치와, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센싱 장치로 구분될 수 있다. CCD 이미지 센싱 장치는 CMOS 이미지 센싱 장치에 비해 더 나은 이미지 품질을 제공하나, 더 큰 크기로 구현되고 더 많은 전력을 소비하는 경향이 있다. 반면에, CMOS 이미지 센싱 장치는 CCD 이미지 센싱 장치에 비해 더 작은 크기로 구현될 수 있고, 더 적은 전력을 소비한다. 또한, CMOS 이미지 센싱 장치는 CMOS 제조 기술을 이용하여 제조되므로, 광 감지 소자 및 신호 처리 회로를 단일 칩에 통합할 수 있으며, 이를 통해 저렴한 비용으로 소형의 이미지 센싱 장치를 생산할 수 있다. 이러한 이유로, CMOS 이미지 센싱 장치는 모바일 장치를 포함한 많은 애플리케이션을 위해 개발되고 있다.
본 발명의 기술적 사상은 개선된 수광 효율을 갖는 이미지 센싱 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 문서에 개시되는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 센싱 장치는, 장면으로부터 입사되는 광을 집광하는 렌즈 모듈; 및 각각이 상기 렌즈 모듈로부터 전달되는 입사광을 감지하는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하며, 상기 픽셀 어레이는 상기 렌즈 모듈의 광축이 지나는 중앙 영역, 및 상기 광축으로부터 소정 거리 이격된 에지 영역을 포함하고, 상기 에지 영역에 포함된 픽셀은, 상기 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하는 광전 변환 소자를 포함하는 반도체 영역; 및 상기 픽셀의 인접 픽셀들과의 경계들 중 상기 광축으로부터 상대적으로 먼 경계에 접하는 내부 반사면을 포함하고 상기 반도체 영역의 상부에 배치되는 마이크로 렌즈를 포함하고, 상기 내부 반사면의 경사각은 상기 픽셀의 위치에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이미지 센싱 장치는, 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하는 광전 변환 소자를 포함하는 반도체 영역; 및 상기 반도체 영역의 상부에 배치되고, 상기 마이크로 렌즈 내부로 입사된 상기 입사광을 반사하여 상기 마이크로 렌즈에 대응하는 픽셀의 내부로 가이드하는 내부 반사면을 포함하는 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 내부 반사면은 상기 마이크로 렌즈의 하부면에 대해 소정의 경사각을 갖고, 상기 경사각은 상기 마이크로 렌즈에 대응하는 픽셀의 위치에 따라 달라질 수 있다.
본 문서에 개시되는 실시 예들에 따르면, 픽셀의 수광 효율을 개선할 수 있을 뿐 아니라, 픽셀 어레이 전체에서 광학적 균일성을 확보할 수 있다.
이 외에, 본 문서를 통해 직접적 또는 간접적으로 파악되는 다양한 효과들이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a는 도 2에 도시된 픽셀 어레이로 입사되는 광의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3b는 도 2에 도시된 픽셀 어레이로 입사되는 광의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 픽셀의 위치에 따라 달라지는 픽셀의 대략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 마이크로 렌즈의 내부 반사면의 경사각을 결정하는 원리에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 픽셀 어레이의 위치 별로 마이크로 렌즈의 형상을 결정하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a는 도 2에 도시된 픽셀 어레이로 입사되는 광의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3b는 도 2에 도시된 픽셀 어레이로 입사되는 광의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 픽셀의 위치에 따라 달라지는 픽셀의 대략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 마이크로 렌즈의 내부 반사면의 경사각을 결정하는 원리에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 픽셀 어레이의 위치 별로 마이크로 렌즈의 형상을 결정하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예가 설명될 것이다. 그러나, 본 개시는 특정한 실시 예에 한정되지 않고, 실시 예의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시의 실시 예는 본 개시를 통해 직간접적으로 인식될 수 있는 다양한 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센싱 장치를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센싱 장치(100)는 픽셀 어레이(pixel array, 110), 로우 드라이버(row driver, 120), 상관 이중 샘플러(Correlate Double Sampler; CDS, 130), 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter; ADC, 140), 출력 버퍼(output buffer, 150), 컬럼 드라이버(column driver, 160) 및 타이밍 컨트롤러(timing controller, 170)를 포함할 수 있다. 여기서, 이미지 센싱 장치(100)의 각 구성은 예시적인 것에 불과하며, 필요에 따라 적어도 일부의 구성이 추가되거나 생략될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 복수의 로우들(rows) 및 복수의 컬럼들(columns)로 배열된 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 픽셀들은 로우들 및 컬럼들을 포함하는 2차원 픽셀 어레이로 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 단위 이미지 픽셀들은 3차원 픽셀 어레이로 배열될 수 있다. 복수의 픽셀들은 픽셀 단위로 또는 픽셀 그룹 단위로 광 신호를 전기적 신호로 변환할 수 있으며, 픽셀 그룹 내 픽셀들은 적어도 특정 내부 회로를 공유할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 로우 드라이버(120)로부터 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호 등을 포함하는 구동 신호를 수신할 수 있으며, 구동 신호에 의하여 픽셀 어레이(110)의 해당 픽셀은 로우 선택 신호, 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호에 대응하는 동작을 수행하도록 활성화될 수 있다.
로우 드라이버(120)는 타이밍 컨트롤러(170)에 의해 공급되는 명령들 및 제어 신호들에 기초하여 해당 로우에 포함된 픽셀들에 대해 특정 동작들을 수행하도록 픽셀 어레이(110)를 활성화할 수 있다. 일 실시예에서, 로우 드라이버(120)는 픽셀 어레이(110)의 적어도 하나의 로우에 배열된 적어도 하나의 픽셀을 선택할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 복수의 로우들 중 적어도 하나의 로우를 선택하기 위하여 로우 선택 신호를 생성할 수 있다. 로우 드라이버(120)는 선택된 적어도 하나의 로우에 대응하는 픽셀들에 대해 픽셀 리셋 신호 및 전송 신호를 순차적으로 인에이블시킬 수 있다. 이에 따라, 선택된 로우의 픽셀들 각각으로부터 생성되는 아날로그 형태의 기준 신호와 영상 신호가 순차적으로 상관 이중 샘플러(130)로 전달될 수 있다. 여기서, 기준 신호는 픽셀의 센싱 노드(예컨대, 플로팅 디퓨전 노드)가 리셋되었을 때 상관 이중 샘플러(130)로 제공되는 전기적 신호이고, 영상 신호는 픽셀에 의해 생성된 광전하가 센싱 노드에 축적되었을 때 상관 이중 샘플러(130)로 제공되는 전기적 신호일 수 있다. 픽셀 고유의 리셋 노이즈(reset noise)를 나타내는 기준 신호와, 입사광의 세기를 나타내는 영상 신호는 픽셀 신호로 통칭될 수 있다.
CMOS 이미지 센서는 두 샘플들 사이의 차이를 제거하기 위해 픽셀 신호를 두 번 샘플링 함으로써, 고정 패턴 노이즈와 같은 픽셀의 원치 않는 오프셋 값을 제거할 수 있도록 상관 이중 샘플링을 이용할 수 있다. 일 예로, 상관 이중 샘플링은 입사광에 의해 생성된 광전하가 센싱 노드에 축적되기 전후로 획득된 픽셀 출력 전압들을 비교함으로써, 원치 않는 오프셋 값을 제거하여 오직 입사광에 기초하는 픽셀 출력 전압이 측정될 수 있다. 일 실시예에서, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)로부터 복수의 컬럼 라인들 각각에 제공되는 기준 신호와 영상 신호를 순차적으로 샘플링 및 홀딩(sampling and holding)할 수 있다. 즉, 상관 이중 샘플러(130)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 기준 신호와 영상 신호의 레벨을 샘플링하고 홀딩할 수 있다.
상관 이중 샘플러(130)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터의 제어 신호에 기초하여 컬럼들 각각의 기준 신호와 영상 신호를 상관 이중 샘플링 신호로서 ADC(140)로 전달할 수 있다.
ADC(140)는 상관 이중 샘플러(130)로부터 출력되는 각 컬럼에 대한 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 일 실시예에서, ADC(140)는 램프 비교 타입(ramp-compare type) ADC로 구현될 수 있다. 램프 비교 타입 ADC는 시간에 따라 상승 또는 하강하는 램프 신호와 아날로그 픽셀 신호를 비교하는 비교 회로, 및 램프 신호가 아날로그 픽셀 신호에 매칭(matching)될 때까지 카운팅 동작을 수행하는 카운터를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, ADC(140)는 컬럼들 각각을 위한 상관 이중 샘플러(130)에 의해 생성된 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다.
ADC(140)는 픽셀 어레이(110)의 컬럼들 각각에 대응하는 복수의 컬럼 카운터들을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110)의 각 컬럼은 각 컬럼 카운터에 연결되며, 영상 데이터는 컬럼 카운터들을 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환함에 의해 생성될 수 있다. 다른 실시예에 따라, ADC(140)는 하나의 글로벌 카운터를 포함하고, 글로벌 카운터에서 제공되는 글로벌 코드를 이용하여 컬럼들 각각에 대응되는 상관 이중 샘플링 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
출력 버퍼(150)는 ADC(140)에서 제공되는 각각의 컬럼 단위의 영상 데이터를 일시적으로 홀딩하여 출력할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어 신호에 기초하여 ADC(140)로부터 출력되는 영상 데이터를 일시 저장할 수 있다. 출력 버퍼(150)는 이미지 센싱 장치(100)와 연결된 다른 장치 사이의 전송(또는 처리) 속도 차이를 보상해주는 인터페이스로서 동작할 수 있다.
컬럼 드라이버(160)는 타이밍 컨트롤러(170)의 제어 신호에 기초하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택하고, 출력 버퍼(150)의 선택된 컬럼에 일시 저장된 영상 데이터가 순차적으로 출력되도록 제어할 수 있다. 일 실시예에서, 컬럼 드라이버(160)는 타이밍 컨트롤러(170)로부터 어드레스 신호를 수신할 수 있으며, 컬럼 드라이버(160)는 어드레스 신호를 기반으로 컬럼 선택 신호를 생성하여 출력 버퍼(150)의 컬럼을 선택함으로써, 출력 버퍼(150)의 선택된 컬럼으로부터 영상 데이터가 외부로 출력되도록 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 로우 드라이버(120), 상관 이중 샘플러(130), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 드라이버(160) 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
타이밍 컨트롤러(170)는 이미지 센싱 장치(100)의 각 구성의 동작에 요구되는 클럭 신호, 타이밍 컨트롤을 위한 제어 신호, 및 로우 또는 컬럼을 선택하기 위한 어드레스 신호들을 로우 드라이버(120), 상관 이중 샘플러(130), ADC(140), 출력 버퍼(150) 및 컬럼 드라이버(160) 중 적어도 하나에 제공할 수 있다. 일 실시예에 따라, 타이밍 컨트롤러(170)는 로직 제어회로(Logic control circuit), 위상 고정 루프(Phase Lock Loop, PLL) 회로, 타이밍 컨트롤 회로(timing control circuit) 및 통신 인터페이스 회로(communication interface circuit) 등을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 픽셀 어레이를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 픽셀 어레이(110)는 복수 개의 로우들과 복수 개의 컬럼들을 포함하는 매트릭스로 배열된 복수의 픽셀들을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110)는 픽셀 어레이(110) 상의 상대적인 위치에 따라 복수의 영역들로 구분될 수 있다.
픽셀 어레이(110)는 중앙 영역(CT), 제1 수평 에지 영역(HL), 제2 수평 에지 영역(HR), 제1 수직 에지 영역(VU), 제2 수직 에지 영역(VD), 및 제1 내지 제4 사선 에지 영역(DLU, DRD, DLD, DRU)을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(110)에 포함된 각 영역은 임의의 개수에 해당하는 픽셀들을 포함할 수 있다. 제1 수평 에지 영역(HL), 제2 수평 에지 영역(HR), 제1 수직 에지 영역(VU), 제2 수직 에지 영역(VD), 및 제1 내지 제4 사선 에지 영역(DLU, DRD, DLD, DRU)은 에지 영역으로 통칭될 수 있으며, 에지 영역은 광축(optical axis; OA)으로부터 각각 소정 거리 이격된 영역일 수 있다.
중앙 영역(CT)은 픽셀 어레이(110)의 중심에 위치할 수 있다. 중앙 영역(CT)은 장면(scene)으로부터 픽셀 어레이(110)로 광을 전달하는 렌즈 모듈(도 3a 및 도 3b의 50)의 광축(OA)이 지나는 영역일 수 있다.
제1 수평 에지 영역(HL)과 제2 수평 에지 영역(HR)은 중앙 영역(CT)을 지나는 수평선을 따라 중앙 영역(CT)의 양측으로 픽셀 어레이(110)의 에지에 위치할 수 있다. 본 개시에서 픽셀 어레이(110)의 에지는 픽셀 어레이(110)의 최외곽에 위치하는 픽셀을 중심으로 일정 거리 이내에 위치한 픽셀들을 포함하는 개념일 수 있다.
제1 수직 에지 영역(VU)과 제2 수직 에지 영역(VD)은 중앙 영역(CT)을 지나는 수직선을 따라 중앙 영역(CT)의 양측으로 픽셀 어레이(110)의 에지에 위치할 수 있다.
제1 사선 에지 영역(DLU)은 중앙 영역(CT)을 지나는 제1 사선 방향(수평선이 양의 예각으로 시계 방향으로 회전된 방향)을 따라 중앙 영역(CT)의 좌상측으로 픽셀 어레이(110)의 에지에 위치할 수 있다.
제2 사선 에지 영역(DRD)은 중앙 영역(CT)을 지나는 제1 사선 방향을 따라 중앙 영역(CT)의 우하측으로 픽셀 어레이(110)의 에지에 위치할 수 있다.
제3 사선 에지 영역(DLD)은 중앙 영역(CT)을 지나는 제2 사선 방향(수평선이 음의 예각로 반시계 방향으로 회전된 방향)을 따라 중앙 영역(CT)의 좌하측으로 픽셀 어레이(110)의 에지에 위치할 수 있다.
제4 사선 에지 영역(DRU)은 중앙 영역(CT)을 지나는 제2 사선 방향을 따라 중앙 영역(CT)의 우상측으로 픽셀 어레이(110)의 에지에 위치할 수 있다.
도 3a는 도 2에 도시된 픽셀 어레이로 입사되는 광의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3a를 참조하면, 도 1에 도시된 이미지 센싱 장치(100)는 렌즈 모듈(50)을 더 포함할 수 있다. 렌즈 모듈(50)은 이미지 센싱 장치(100)의 전방에서 픽셀 어레이(110)와 장면 사이에 배치되어 장면으로부터 입사되는 광을 집광하여 픽셀 어레이(110)로 전달할 수 있다. 렌즈 모듈(50)은 광축을 중심으로 정렬된 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있다. 여기서, 광축(OA)은 픽셀 어레이(110)의 중앙 영역(CT)을 통과할 수 있다.
렌즈 모듈(50)을 통과한 주광선(chief ray)은 광축을 중심으로 픽셀 어레이(110)의 각 영역으로 퍼지는 형태로 조사될 수 있다. 도 2에서, 제1 수평 에지 영역(HL)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 좌측 방향으로, 제2 수평 에지 영역(HR)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 우측 방향으로, 제1 수직 에지 영역(VU)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 상측 방향으로, 및 제2 수직 에지 영역(VD)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 하측 방향으로 각각 조사된다. 한편, 제1 사선 에지 영역(DLU)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 좌상측 방향으로, 제2 사선 에지 영역(DRD)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 우하측 방향으로, 제3 사선 에지 영역(DLD)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 좌하측 방향으로, 및 제4 사선 에지 영역(DRU)에 대한 주광선은 중앙 영역(CT)으로부터 우상측 방향으로 각각 조사된다.
도 3a에는 픽셀 어레이(110)를 제1 절단선(A-A')을 따라 절단한 단면이 개략적으로 도시되어 있다. 따라서, 픽셀 어레이(110)의 중앙에는 중앙 영역(CT)이 위치하고, 중앙 영역(CT)의 좌측에는 제1 수평 에지 영역(HL)이 위치하고, 중앙 영역(CT)의 우측에는 제2 수평 에지 영역(HR)이 위치할 수 있다.
중앙 영역(CT)으로 입사되는 주광선은 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 수직으로 입사될 수 있다. 즉, 중앙 영역(CT)으로 입사되는 주광선의 입사각은 0도(또는 0에 근사한 각도)일 수 있다.
그러나, 제1 수평 에지 영역(HL)과 제2 수평 에지 영역(HR)으로 입사되는 주광선은 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 비스듬하게 입사될 수 있다. 즉, 제1 수평 에지 영역(HL)과 제2 수평 에지 영역(HR)으로 입사되는 주광선의 입사각은 일정 각도(0보다 크고 90보다 작은 각도)에 해당할 수 있다. 일정 각도는 픽셀 어레이(110)의 크기, 렌즈 모듈(50)의 곡률, 및 렌즈 모듈(50)과 픽셀 어레이(110) 간의 거리 등에 따라 달라질 수 있다.
중앙 영역(CT)과 제1 수평 에지 영역(HL) 사이의 영역으로 입사되는 주광선은 도 3a의 좌측 점선과 같이, 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 비스듬하게 입사될 수 있으나, 중앙 영역(CT)과 제1 수평 에지 영역(HL) 사이의 영역으로 입사되는 주광선의 입사각은 제1 수평 에지 영역(HL)으로 입사되는 주광선의 입사각보다 작을 수 있다.
중앙 영역(CT)과 제2 수평 에지 영역(HR) 사이의 영역으로 입사되는 주광선은 도 3a의 우측 점선과 같이, 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 비스듬하게 입사될 수 있으나, 중앙 영역(CT)과 제2 수평 에지 영역(HR) 사이의 영역으로 입사되는 주광선의 입사각은 제2 수평 에지 영역(HR)으로 입사되는 주광선의 입사각보다 작을 수 있다.
도 3a에서는 픽셀 어레이(110)를 제1 절단선(A-A')을 따라 절단한 단면을 예로 들어 설명하였으나, 픽셀 어레이(110)를 제2 절단선(B-B')을 따라 절단한 단면에 대해서도 제1 수평 에지 영역(HL)이 제1 수직 에지 영역(VU)으로 대체되고, 제2 수평 에지 영역(HR)이 제2 수직 에지 영역(VD)으로 대체된다는 점을 제외하고는 실질적으로 동일한 설명이 적용될 수 있으므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3b는 도 2에 도시된 픽셀 어레이로 입사되는 광의 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 3b를 참조하면, 픽셀 어레이(110)를 제3 절단선(C-C')을 따라 절단한 단면이 개략적으로 도시되어 있다. 따라서, 픽셀 어레이(110)의 중앙에는 중앙 영역(CT)이 위치하고, 중앙 영역(CT)의 좌측에는 제1 사선 에지 영역(DLU)이 위치하고, 중앙 영역(CT)의 우측에는 제2 사선 에지 영역(DRD)이 위치할 수 있다.
중앙 영역(CT)으로 입사되는 주광선은 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 수직으로 입사될 수 있다. 즉, 중앙 영역(CT)으로 입사되는 주광선의 입사각은 0도(또는 0에 근사한 각도)일 수 있다.
그러나, 제1 사선 에지 영역(DLU)과 제2 사선 에지 영역(DRD)으로 입사되는 주광선은 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 비스듬하게 입사될 수 있다. 즉, 제1 사선 에지 영역(DLU)과 제2 사선 에지 영역(DRD)으로 입사되는 주광선의 입사각은 일정 각도(0보다 크고 90보다 작은 각도)에 해당할 수 있다. 일정 각도는 픽셀 어레이(110)의 크기, 렌즈 모듈(50)의 곡률 및 렌즈 모듈(50)과 픽셀 어레이(110) 간의 거리 등에 따라 달라질 수 있다.
중앙 영역(CT)과 제1 사선 에지 영역(DLU) 사이의 영역으로 입사되는 주광선은 도 3b의 좌측 점선과 같이, 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 비스듬하게 입사될 수 있으나, 중앙 영역(CT)과 제1 사선 에지 영역(DLU) 사이의 영역으로 입사되는 주광선의 입사각은 제1 사선 에지 영역(DLU)으로 입사되는 주광선의 입사각보다 작을 수 있다.
중앙 영역(CT)과 제2 사선 에지 영역(DRD) 사이의 영역으로 입사되는 주광선은 도 3b의 우측 점선과 같이, 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 비스듬하게 입사될 수 있으나, 중앙 영역(CT)과 제2 사선 에지 영역(DRD) 사이의 영역으로 입사되는 주광선의 입사각은 제2 사선 에지 영역(DRD)으로 입사되는 주광선의 입사각보다 작을 수 있다.
도 3b에서는 픽셀 어레이(110)를 제3 절단선(C-C')을 따라 절단한 단면을 예로 들어 설명하였으나, 픽셀 어레이(110)를 제4 절단선(D-D')을 따라 절단한 단면에 대해서도 제1 사선 에지 영역(DLU)이 제3 사선 에지 영역(DLD)으로 대체되고, 제2 사선 에지 영역(DRD)이 제4 사선 에지 영역(DRU)으로 대체된다는 점을 제외하고는 실질적으로 동일한 설명이 적용될 수 있으므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 픽셀의 위치에 따라 달라지는 픽셀의 대략적인 구조를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 중앙 영역(CT)에 위치한 픽셀, 제1 에지 영역(ED1)에 위치한 픽셀 및 제2 에지 영역(ED2)에 위치한 픽셀 각각의 구조가 비교되어 있다. 또한, 중앙 영역(CT)과 제1 에지 영역(ED1) 사이에 배치되는 제1 중간 에지 영역(MD1)에 위치한 픽셀과, 중앙 영역(CT)과 제2 에지 영역(ED2) 사이에 배치되는 제2 중간 에지 영역(MD2)에 위치한 픽셀 각각의 구조도 함께 도시되어 있다.
제1 에지 영역(ED1)과 제2 에지 영역(ED2)은, 제1 수평 에지 영역(HL)과 제2 수평 에지 영역(HR), 제1 수직 에지 영역(VU)과 제2 수직 에지 영역(VD), 제1 사선 에지 영역(DLU)과 제2 사선 에지 영역(DRD), 또는 제3 사선 에지 영역(DLD)과 제4 사선 에지 영역(DRU) 중 어느 하나에 해당할 수 있다.
중앙 영역(CT), 제1 에지 영역(ED1), 제1 중간 에지 영역(MD1), 제2 에지 영역(ED2) 및 제2 중간 에지 영역(MD2) 각각에 위치한 픽셀은 마이크로 렌즈(200), 광학 필터(300) 및 반도체 영역(400)이 순차적으로 적층된 형태를 가질 수 있다.
마이크로 렌즈(200)는 광학 필터(300)의 상부에 배치될 수 있고, 입사광에 대한 집광력(light gathering power)을 높여 해당 픽셀의 수광 효율을 향상시킬 수 있다.
광학 필터(300)는 반도체 영역(400)의 상부에 배치될 수 있고, 미리 정해진 특정 파장 대역의 광(예컨대, 레드(Red), 그린(Green), 블루(Blue), 마젠타(Magenta), 옐로우(Yellow), 사이언(Cyan) 등)을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
반도체 영역(400)은 픽셀 어레이(110)가 배치되는 반도체 기판 중 해당 픽셀에 대응하는 일부 영역을 의미할 수 있다. 반도체 기판은 P형 또는 N형 벌크(bulk) 기판, P형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층(epitaxial layer)이 성장된 기판, 또는 N형 벌크 기판에 P형 또는 N형 에피택셜층이 성장된 기판일 수 있다.
반도체 영역(400)은 해당 픽셀에 대응하는 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 광전 변환 소자는 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성 및 축적할 수 있다. 광전 변환 소자는 수광 효율을 나타내는 필 팩터(fill-factor)를 높이기 위해, 가능한 넓은 면적에 걸쳐 형성될 수 있다. 예를 들어, 광전 변환 소자는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 포토 게이트, 핀형(pinned) 포토 다이오드 또는 이들의 조합으로 구현될 수도 있다.
광전 변환 소자가 포토 다이오드로 구현되는 경우, 반도체 영역(400) 내에 N형 이온을 주입하는 이온 주입(ion implantation) 공정을 통해 N형 도핑 영역으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 포토다이오드는 복수의 도핑 영역들이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 하부 도핑 영역은 P형 이온 및 N+형 이온이 주입되어 형성될 수 있고, 상부 도핑 영역은 N-형 이온이 주입되어 형성될 수 있다.
광전 변환 소자가 생성 및 축적한 광전하는 해당 픽셀에 포함된 리드아웃 회로(예컨대, 4T(four transistor) 픽셀의 경우, 광전 변환 소자의 광전하를 센싱 노드로 전달하는 전송 트랜지스터, 센싱 노드를 특정 전압으로 리셋하는 리셋 트랜지스터, 센싱 노드의 포텐셜을 전기적 신호로 변환하는 소스 팔로워 트랜지스터 및 전기적 신호를 픽셀 외부로 출력하는 선택 트랜지스터)를 통해 픽셀 신호로 변환될 수 있다.
마이크로 렌즈(200)의 굴절률은 광학 필터(300)의 굴절률보다 낮고, 광학 필터(300)의 굴절률은 반도체 영역(400)의 굴절률보다 낮을 수 있다.
도 4에는 중앙 영역(CT), 제1 에지 영역(ED1), 제1 중간 에지 영역(MD1), 제2 에지 영역(ED2) 및 제2 중간 에지 영역(MD2) 각각에 위치한 픽셀이 각각 하나씩 도시되어 있으나, 각 픽셀은 인접하는 픽셀들과 연속적으로 배치될 수 있다.
비록 도시 되지는 않았으나, 서로 인접하는 광학 필터들(300) 사이에는 서로 인접하는 광학 필터들(300) 간의 광학적 크로스토크를 방지하기 위한 그리드 구조가 배치될 수 있다. 예를 들어, 그리드 구조는 텅스텐 그리드, 에어 그리드일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
또한, 서로 인접하는 픽셀들의 반도체 영역들(400) 사이에는 서로 인접하는 반도체 영역들(400) 간의 광학적 크로스토크를 방지하기 위한 분리 구조가 배치될 수 있다. 예를 들어, 분리 구조는 DTI(deep trench isolation) 공정으로 형성된 트렌치 내부에 적어도 절연 물질이 채워진 구조일 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.
픽셀 어레이(110)의 중앙 영역(CT)에서는 주광선(CR)의 입사각이 0(또는 0에 근사한 값)에 해당하므로, 주광선(CR)이 광축(OA)을 따라 픽셀에 대해 수직으로 입사될 수 있다. 그러나, 픽셀 어레이(110)의 에지 영역(ED1, MD1, ED2, MD2)에서는 주광선(CR)의 입사각이 소정의 값을 가지므로, 주광선(CR)이 픽셀에 대해 비스듬히 입사될 수 있다. 주광선(CR)이 비스듬히 입사됨에 따라, 해당 픽셀의 수광 효율이 저하될 뿐 아니라, 서로 인접하는 픽셀들 간의 광학적 크로스토크가 증가할 수 있다.
이러한 현상을 방지하기 위해, 본 발명의 비교예에 따르면 에지 영역(ED1, MD1, ED2, MD2)에서 광학 필터(300)와 마이크로 렌즈(200)는 반도체 영역(400)에 대해 주광선(CR)이 입사되는 방향(또는 광축(OA))을 향해 쉬프트(shift)될 수 있다. 이때, 어느 한 영역에서 마이크로 렌즈(200)가 반도체 영역(400)에 대해 쉬프트되는 정도는 광학 필터(300)가 반도체 영역(400)에 대해 쉬프트되는 정도보다 클 수 있다. 또한, 광학 필터(300)와 마이크로 렌즈(200)가 반도체 영역(400)에 대해 쉬프트되는 정도는 중앙 영역(CT)으로부터의 거리가 증가할수록 커질 수 있다. 예를 들어, 제1 에지 영역(ED1)에서 광학 필터(300)와 마이크로 렌즈(200)가 반도체 영역(400)에 대해 쉬프트되는 정도는, 제1 중간 에지 영역(MD1)에서 광학 필터(300)와 마이크로 렌즈(200)가 반도체 영역(400)에 대해 쉬프트되는 정도보다 클 수 있다.
그러나, 본 발명의 비교예와 같이 광학 필터(300)와 마이크로 렌즈(200)를 반도체 영역(400)에 대해 쉬프트시키게 되면, 제조 공정 상의 오버레이(overlay)가 쉽게 틀어질 수 있는 등 공정 오차가 발생하게 되어 광학적 특성이 심각하게 저하될 수 있다.
본 개시에서는 광학 필터(300)와 마이크로 렌즈(200)를 반도체 영역(400)에 대해 쉬프트시키지 않고, 마이크로 렌즈(200)의 형상을 주광선(CR)의 입사각에 따라 변형함으로써, 픽셀 어레이(110) 전체에서 광학적 균일성(optical uniformity)을 확보하고 픽셀들 간 크로스토크를 방지할 수 있다.
중앙 영역(CT)에서 마이크로 렌즈(200)는 일정 곡률을 갖는 볼록 렌즈의 형태를 가질 수 있다. 이에 반해, 에지 영역(ED1, MD1, ED2, MD2)에서 마이크로 렌즈(200)는 전체적으로는 볼록 렌즈의 형태에 가까우나, 마이크로 렌즈(200)가 포함된 픽셀의 중심을 기준으로 주광선(CR)이 입사하는 방향(또는 광축(OA))의 반대측에 위치한 면은 평편한 형태를 가질 수 있다. 마이크로 렌즈(200)의 평편한 형태를 갖는 면은 마이크로 렌즈(200)가 포함된 픽셀의 인접 픽셀들과의 경계들(BD1, BD2) 중 광축(OA)으로부터 상대적으로 먼 경계(BD2)에 접할 수 있다. 마이크로 렌즈(200)의 평편한 면은 내부 반사면(IR)으로 정의될 수 있다.
만일 에지 영역(ED1, MD1, ED2, MD2)에서도 마이크로 렌즈(200)가 일정 곡률을 갖는 볼록 렌즈의 형태를 가진다고 가정하면, 주광선(CR)의 적어도 일부는 마이크로 렌즈(200)에서 주광선(CR)이 입사하는 방향(또는 광축(OA))을 향하는 면을 통해 비스듬히 입사한 뒤, 마이크로 렌즈(200)가 포함된 픽셀의 중심을 기준으로 주광선(CR)이 입사하는 방향(또는 광축(OA))의 반대측에 위치한 면(또는 마이크로 렌즈(200)가 포함된 픽셀의 인접 픽셀들과의 경계들(BD1, BD2) 중 광축(OA)으로부터 상대적으로 먼 경계(BD2)에 접하는 면)을 통해 외부의 공기층으로 빠져 나갈 수 있다.
그러나, 본 개시에서는 에지 영역(ED1, MD1, ED2, MD2)에서 마이크로 렌즈(200)는 마이크로 렌즈(200)가 포함된 픽셀의 중심을 기준으로 주광선(CR)이 입사하는 방향(또는 광축(OA))의 반대측에 위치한(또는 마이크로 렌즈(200)가 포함된 픽셀의 인접 픽셀들과의 경계들(BD1, BD2) 중 광축(OA)으로부터 상대적으로 먼 경계(BD2)에 접하는) 평편한 면인 내부 반사면(IR)을 포함할 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈(200)로 비스듬히 입사한 주광선(CR)은 내부 반사면(IR)에 의해 반사되어, 마이크로 렌즈(200)에 대응하는 픽셀의 광학 필터(300) 및 반도체 영역(400)을 향해 가이드 될 수 있다. 도 4에 도시된 주광선(CR)의 경로는 주광선(CR)이 외부 공기층으로부터 마이크로 렌즈(200)의 일 면으로 입사될 때 발생하는 굴절은 무시된 경로임에 주의하여야 한다.
주광선(CR)의 입사각은 픽셀 어레이(110)의 중앙 영역(CT)으로부터 에지 영역(ED1 또는 ED2)으로 갈수록 점진적으로 증가할 수 있다. 점진적으로 증가하는 주광선(CR)의 입사각에 대응하여, 에지 영역(ED1 또는 ED2)으로 갈수록 내부 반사면(IR)의 경사각은 점진적으로 감소할 수 있다. 즉, 내부 반사면(IR)의 경사각은 마이크로 렌즈(200)가 포함되는 픽셀의 위치에 따라 달라질 수 있다. 여기서, 내부 반사면(IR)의 경사각은 반도체 기판의 일 면(또는 마이크로 렌즈(200)의 하부면)과 내부 반사면(IR) 사이의 각도를 의미할 수 있다.
에지 영역(ED1 또는 ED2)으로 갈수록 주광선(CR)의 입사각이 점진적으로 증가함에 따라, 내부 반사면(IR)의 경사각을 점진적으로 감소시킴으로써, 각 에지 영역(ED1, MD1, ED2, MD2)에서의 수광 효율을 중앙 영역(CT)의 수광 효율과 동등해지도록 설정할 수 있다.
도 5 및 도 6은 마이크로 렌즈의 내부 반사면의 경사각을 결정하는 원리에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 마이크로 렌즈(200)는 마이크로 렌즈(200)가 포함된 픽셀의 중심을 기준으로 주광선(CR)이 입사하는 방향(또는 광축(OA))의 반대측에 위치한(또는 마이크로 렌즈(200)가 포함된 픽셀의 인접 픽셀들과의 경계들 중 광축(OA)으로부터 상대적으로 먼 경계에 접하는) 지점을 원점(Po)으로 하는 부채꼴(circular sector)의 형태를 가질 수 있다. 부채꼴은 두 반지름과 원호로 둘러싸이고, 두 반지름이 이루는 중심각을 가질 수 있다. 마이크로 렌즈(200)의 한 반지름은 마이크로 렌즈(200)의 하부면(LD)(또는 광학 필터(300)의 상부면)에 해당하고, 마이크로 렌즈(200)의 다른 반지름은 마이크로 렌즈(200)의 내부 반사면(IR)에 해당할 수 있다. 또한, 마이크로 렌즈(200)의 하부면(LD)과 내부 반사면(IR)은 원호(circula arc; CA)로 연결될 수 있다. 마이크로 렌즈(200)의 하부면(LD)과 내부 반사면(IR)은 각각 픽셀의 폭에 해당하는 픽셀 길이(Lpx)에 대응하는 길이를 가질 수 있다. 마이크로 렌즈(200)의 중심각은 하부면(LD)과 내부 반사면(IR)이 이루는 각도로서, 내부 반사면(IR)의 경사각(θ)에 해당할 수 있다.
본 개시에서는 픽셀 어레이(110) 내에서 마이크로 렌즈(200)의 형상을 가변하는 원리에 대해 보다 쉽게 설명하기 위해 마이크로 렌즈(200)가 부채꼴의 형태를 가지는 경우를 중심으로 예시적으로 설명하나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고 마이크로 렌즈(200)는 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 내부 반사면(IR)의 길이는 마이크로 렌즈(200)의 하부면(LD)의 길이보다 짧고, 원호(CA)의 곡률 반경은 픽셀 길이(Lpx)보다 클 수 있다.
주광선(CR)은 원호(CA) 상의 임의의 지점인 입사점(Pi)으로 입사될 수 있다. 입사점(Pi)은 픽셀 내부로 가이드되어야 하는 주광선(CR)이 입사되는 지점으로서, 실험적으로 결정될 수 있다. 또한, 입사점(Pi)은 픽셀 어레이(110) 내에서 픽셀의 위치에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 4에서 제1 에지 영역(ED1)에서의 입사점(Pi)의 높이(즉, 마이크로 렌즈(200)의 하부면(LD)과 입사점(Pi) 간의 최단 거리)는 제1 중간 에지 영역(MD1)에서의 입사점(Pi)의 높이보다 클 수 있다.
주광선 입사각(θCRA)은 픽셀에 대해 주광선(CR)이 입사하는 각도로서, 마이크로 렌즈(200)의 하부면(LD)과 수직인 직선과 주광선(CR) 사이의 각도일 수 있다. 또한, 제1 입사각(θinc)은 마이크로 렌즈(200)의 표면에 대해 주광선(CR)이 입사하는 각도로서, 입사점(Pi)을 지나는 법선과 주광선(CR) 사이의 각도일 수 있다. 여기서, 주광선 입사각(θCRA)과 제1 입사각(θinc) 간의 차이는 산출각(θ')으로 정의될 수 있고, 산출각(θ')은 픽셀 길이(Lpx)와 입사점 단차(h)로부터 산출될 수 있다.
도 6을 참조하면, 중심각이 90도인 마이크로 렌즈(200)가 도시되어 있으며, 산출각(θ')은 입사점(Pi)을 지나는 법선과 마이크로 렌즈(200)의 하부면(LD)과 수직인 직선 사이의 각도에 해당할 수 있다. 맞꼭지각(vertical angle)과 엇각(alternative angle) 관계에 의해 원점(Po), 입사점(Pi) 및 단차점(Ph)으로 구성된 직각 삼각형에서 원점(Po)의 내각은 산출각(θ')에 해당할 수 있다. 여기서, 단차점(Ph)은 입사점(Pi)을 지나면서 마이크로 렌즈(200)의 하부면(LD)과 평행인 직선이 마이크로 렌즈(200)의 내부 반사면(IR)과 만나는 점을 의미할 수 있다. 내부 반사면(IR)의 끝점과 단차점(Ph) 간의 거리는 입사점 단차(h)로 정의될 수 있다.
원점(Po), 입사점(Pi) 및 단차점(Ph)으로 구성된 직각 삼각형으로부터 산출각(θ')은 다음의 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
[수학식 1]
다시 도 5를 참조하면, 제1 입사각(θinc)으로 마이크로 렌즈(200)의 표면으로 입사한 주광선(CR)은 굴절각(θref)으로 굴절되어 마이크로 렌즈(200)의 내부로 진행할 수 있다. 여기서, 굴절각(θref)은 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라 다음의 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 2]
nA는 공기의 굴절률(refractive index)이고, nL은 마이크로 렌즈(200)의 굴절률을 의미할 수 있다.
한편, 마이크로 렌즈(200)의 내부로 진행하는 주광선(CR)은 제2 입사각(θ'inc)으로 내부 반사면(IR)으로 입사할 수 있다. 즉, 제2 입사각(θ'inc)은 마이크로 렌즈(200)의 내부 반사면(IR)에 대해 주광선(CR)이 입사하는 각도로서, 주광선(CR)과 내부 반사면(IR)이 만나는 반사점(Pr)을 지나면서 내부 반사면(IR)과 수직인 직선과, 주광선(CR) 사이의 각도에 해당할 수 있다.
제2 입사각(θ'inc)의 크기에 따라 주광선(CR)은 내부 반사면(IR)에 의해 반사되거나 내부 반사면(IR)을 투과하여 외부의 공기층으로 진행할 수 있다. 제2 입사각(θ'inc)이 다음의 수학식 3의 조건을 만족할 경우, 주광선(CR)은 내부 반사면(IR)에 의해 반사될 수 있다.
[수학식 3]
여기서, 임계각(θc)은 전반사(total reflection)가 발생하는 입사각의 최소값을 의미하며, 제2 입사각(θ'inc)이 임계각(θc)과 동일하면 주광선(CR)은 반사점(Pr)을 만난 후 내부 반사면(IR)을 따라 원점(Po)을 향해 진행할 수 있다.
임계각(θc)은 스넬의 법칙에 따라 다음의 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
[수학식 4]
반사점(Pr)을 지나면서 내부 반사면(IR)과 수직인 직선과, 마이크로 렌즈(200)의 하부면(LD)과 수직인 직선 간의 교점을 교차점(Pc)으로 정의하면, 교차점(Pc), 반사점(Pr) 및 입사점(Pi)이 구성하는 삼각형에서 교차점(Pc)에서의 내각은 내부 반사면(IR)의 경사각(θ)과 동일할 수 있다.
또한, 교차점(Pc), 반사점(Pr) 및 입사점(Pi)이 구성하는 삼각형의 내각의 합이 180도라는 점을 이용하여, 제2 입사각(θ'inc), 내부 반사면(IR)의 경사각(θ), 굴절각(θref) 및 산출각(θ') 사이에는 다음의 수학식 5와 같은 관계가 성립할 수 있다.
[수학식 5]
여기서, 수학식 5를 수학식 3에 대입하고, 내부 반사면(IR)의 경사각(θ)을 중심으로 정리하면, 다음의 수학식 6의 관계가 도출될 수 있다.
[수학식 6]
즉, 입사점(Pi)으로 입사한 주광선(CR)이 픽셀 내부로 가이드되도록 하기 위한 내부 반사면(IR)의 경사각(θ)의 범위는 수학식 6에 의해 계산될 수 있다. 내부 반사면(IR)의 경사각(θ)은 90˚-(θref+θ')에 해당하는 최소각과, 180˚-(θc+θref+θ')에 해당하는 최대각 사이의 범위를 가질 수 있다.
주광선 입사각(θCRA), 공기의 굴절률(nA), 마이크로 렌즈(200)의 굴절률(nL), 픽셀 길이(Lpx)와 입사점(Pi)의 위치가 미리 결정되면, 이로부터 수학식 6의 임계각(θc), 굴절각(θref) 및 산출각(θ')이 계산될 수 있으며, 이에 따라 내부 반사면(IR)의 경사각(θ)의 범위가 결정될 수 있다.
도 5 및 도 6을 통해 상술된 바와 같이, 픽셀 어레이(110)의 특정 위치에서 특정 조건의(예컨대, 특정 위치(Pi)로 입사되는) 주광선(CR)이 해당 픽셀 내부로 가이드되도록 하기 위한 내부 반사면(IR)의 경사각(θ)의 범위가 계산될 수 있다.
도 7은 픽셀 어레이의 위치 별로 마이크로 렌즈의 형상을 결정하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 중앙 영역(CT), 제1 중간 에지 영역(MD1) 및 제1 에지 영역(ED1) 각각에서의 마이크로 렌즈(200)의 형상이 도시되어 있다. 도 7에서는 중앙 영역(CT), 제1 중간 에지 영역(MD1) 및 제1 에지 영역(ED1)을 예로 들어 설명하나, 제2 중간 에지 영역(MD2) 및 제2 에지 영역(ED2) 각각에서의 마이크로 렌즈(200)의 형상도 도 7에서 설명되는 방법과 실질적으로 동일한 방법으로 결정될 수 있다.
중앙 영역(CT)에서 주광선(CR)은 픽셀 어레이(110)의 상면에 대해 수직으로 입사될 수 있고, 주광선(CR)의 입사각은 0 도 또는 0에 근사한 각도일 수 있다. 중앙 영역(CT)에서 마이크로 렌즈(200)는 일정 곡률을 갖는 볼록 렌즈의 형태를 가질 수 있다.
중앙 영역(CT)으로부터 제1 에지 영역(ED1)으로 가까워질수록 주광선(CR)의 입사각은 점진적으로 증가할 수 있다. 주광선(CR)의 입사각은 점진적으로 증가함에 따라, 마이크로 렌즈(200)의 내부로 입사된 후 외부의 공기층으로 빠져나가는 주광선(CR)이 증가할 수 있다. 외부의 공기층으로 빠져나가는 주광선(CR)의 양이 일정 수준 이상으로 증가하는 영역을 제1 중간 에지 영역(MD1)으로 가정할 경우, 제1 중간 에지 영역(MD1)의 마이크로 렌즈(200)는 중앙 영역(CT)의 마이크로 렌즈(200)와 같은 볼록 렌즈의 형태와 달리 마이크로 렌즈(200)가 포함된 픽셀의 중심을 기준으로 주광선(CR)이 입사하는 방향(또는 광축(OA))의 반대측에 위치한(또는 마이크로 렌즈(200)가 포함된 픽셀의 인접 픽셀들과의 경계들 중 광축(OA)으로부터 상대적으로 먼 경계에 접하는) 면이 평편한 형태를 가질 수 있다. 즉, 제1 중간 에지 영역(MD1)의 마이크로 렌즈(200)는 마이크로 렌즈(200)의 내부로 입사된 후 외부의 공기층으로 빠져나가는 주광선(CR)을 해당 픽셀 내부로 가이드 하기 위한 내부 반사면(IR)을 포함할 수 있다.
마이크로 렌즈(200)의 형태가 볼록 렌즈로부터 내부 반사면(IR)을 포함하는 구조로 변경되는 영역의 위치는, 외부의 공기층으로 빠져나가는 주광선(CR)의 양을 고려하여 실험적으로 결정될 수 있다.
제1 중간 에지 영역(MD1)에서 주광선 입사각, 공기의 굴절률, 마이크로 렌즈(200)의 굴절률, 픽셀 길이와 입사점의 위치가 결정되면, 이로부터 수학식 6의 임계각, 굴절각 및 산출각이 계산될 수 있으며, 내부 반사면(IR)의 경사각(θ1)의 범위가 결정될 수 있다.
제1 중간 에지 영역(MD1)에의 주광선 입사각이 제1 주광선 입사각(θCRA1)이면, 수학식 6에 따라 내부 반사면(IR)의 경사각(θ1)은 제1 최소각(θMIN1)과 제1 최대각(θMAX1) 사이의 범위를 가질 수 있다. 즉, 제1 중간 에지 영역(MD1)에서 내부 반사면(IR)의 경사각(θ1)이 제1 최소각(θMIN1)과 제1 최대각(θMAX1) 사이의 범위를 가지게 되면, 특정 입사점으로 입사한 주광선(CR)이 해당 픽셀 내부로 가이드될 수 있다.
일 실시예에 따라, 내부 반사면(IR)의 경사각(θ1)은 제1 최소각(θMIN1)보다 크고 제1 최대각(θMAX1)보다 작은 값(예컨대, 평균값)으로 정해질 수 있다. 또는, 내부 반사면(IR)의 경사각(θ1)은 제1 최소각(θMIN1)보다 크고 제1 최대각(θMAX1)보다 작은 값(예컨대, 평균값)과, 직각(90도) 중 작은 값으로 정해질 수 있다. 이는 내부 반사면(IR)의 경사각(θ1)이 90도를 초과하게 되면 인접 픽셀에 해당하는 영역까지 연장될 수 밖에 없어 제조 공정이 까다로워지고 인접 픽셀의 수광 효율을 저하시킬 수 있기 때문이다.
한편, 제1 중간 에지 영역(MD1)에서 실제 제작된 마이크로 렌즈(200)의 내부 반사면(IR)의 경사각에 대해 웨이퍼(wafer) 또는 칩(chip)마다 오차가 발생할 수 있다. 그러나, 내부 반사면(IR)의 경사각(θ1)이 제1 최소각(θMIN1)과 제1 최대각(θMAX1)의 평균값으로 정해지면, 공정 오차 발생시에도 내부 반사면(IR)의 경사각이 θ1과 동일하지는 않더라도 제1 최소각(θMIN1)과 제1 최대각(θMAX1) 사이의 범위 내에 해당할 가능성이 매우 높으므로 제1 중간 에지 영역(MD1)에서 픽셀의 광학적 성능(예컨대, 수광 효율 및 광학적 균일성)은 보장될 수 있다.
또한, 제1 에지 영역(ED1)에서 주광선 입사각, 공기의 굴절률, 마이크로 렌즈(200)의 굴절률, 픽셀 길이와 입사점의 위치가 결정되면, 이로부터 수학식 6의 임계각, 굴절각 및 산출각이 계산될 수 있으며, 내부 반사면(IR)의 경사각(θ2)의 범위가 결정될 수 있다.
제1 에지 영역(ED1)에의 주광선 입사각이 제2 주광선 입사각(θCRA2)이면, 수학식 6에 따라 내부 반사면(IR)의 경사각(θ2)은 제2 최소각(θMIN2)과 제2 최대각(θMAX2) 사이의 범위를 가질 수 있다. 즉, 제1 에지 영역(ED1)에서 내부 반사면(IR)의 경사각(θ2)이 제2 최소각(θMIN2)과 제2 최대각(θMAX2) 사이의 범위를 가지게 되면, 특정 입사점으로 입사한 주광선(CR)이 해당 픽셀 내부로 가이드될 수 있다.
일 실시예에 따라, 내부 반사면(IR)의 경사각(θ2)은 제2 최소각(θMIN2)보다 크고 제2 최대각(θMAX2)보다 작은 값(예컨대, 평균값)으로 정해질 수 있다. 또는, 내부 반사면(IR)의 경사각(θ2)은 제2 최소각(θMIN2)보다 크고 제2 최대각(θMAX2)보다 작은 값(예컨대, 평균값)과, 직각(90도) 중 작은 값으로 정해질 수 있다. 이는 내부 반사면(IR)의 경사각(θ2)이 90도를 초과하게 되면 인접 픽셀에 해당하는 영역까지 연장될 수 밖에 없어 제조 공정이 까다로워지고 인접 픽셀의 수광 효율을 저하시킬 수 있기 때문이다.
한편, 제1 에지 영역(ED1)에서 실제 제작된 마이크로 렌즈(200)의 내부 반사면(IR)의 경사각에 대해 웨이퍼 또는 칩마다 오차가 발생할 수 있다. 그러나, 내부 반사면(IR)의 경사각(θ2)이 제2 최소각(θMIN2)과 제2 최대각(θMAX2)의 평균값으로 정해지면, 공정 오차 발생시에도 내부 반사면(IR)의 경사각이 θ2와 동일하지는 않더라도 제2 최소각(θMIN2)과 제2 최대각(θMAX2) 사이의 범위 내에 해당할 가능성이 매우 높으므로 제1 에지 영역(ED1)에서 픽셀의 광학적 성능(예컨대, 수광 효율 및 광학적 균일성)은 보장될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 중앙 영역(CT)과의 거리가 점진적으로 증가할수록 주광선 입사각은 점진적으로 증가할 수 있다. 중앙 영역(CT)과의 거리가 상대적으로 먼 제1 에지 영역(ED1)의 제2 주광선 입사각(θCRA2)은 중앙 영역(CT)과의 거리가 상대적으로 가까운 제1 중간 에지 영역(MD1)의 제1 주광선 입사각(θCRA1)보다 더 클 수 있다.
이에 따라, 제1 에지 영역(ED1)에서 내부 반사면(IR)의 경사각에 대한 제2 최소각(θMIN2)과 제2 최대각(θMAX2) 각각은 제1 중간 에지 영역(MD1)에서 내부 반사면(IR)의 경사각에 대한 제1 최소각(θMIN1)과 제1 최대각(θMAX1) 각각보다 작을 수 있다. 제1 에지 영역(ED1)과 제1 중간 에지 영역(MD1)에서 입사점의 위치가 일정하다고 가정하면, 제1 중간 에지 영역(MD1)으로부터 제1 에지 영역(ED1)으로 갈수록 주광선 입사각이 증가함에 따라, 수학식 2 및 수학식 6의 관계에 의해 최소각과 최대각은 각각 감소하게 되기 때문이다.
앞서 설명된 바와 같이, 각 영역에서 내부 반사면(IR)의 경사각이 최소각과 최대각의 평균값으로 정해질 경우, 제1 중간 에지 영역(MD1)에서 내부 반사면(IR)의 경사각(θ1)은 제1 에지 영역(ED1)에서 내부 반사면(IR)의 경사각(θ2)보다 클 수 있다. 또한, 제1 중간 에지 영역(MD1)으로부터 제1 에지 영역(ED1)으로 갈수록, 내부 반사면(IR)의 경사각은 점진적으로 감소할 수 있다.
Claims (14)
- 장면으로부터 입사되는 광을 집광하는 렌즈 모듈; 및
각각이 상기 렌즈 모듈로부터 전달되는 입사광을 감지하는 복수의 픽셀들을 포함하는 픽셀 어레이를 포함하며,
상기 픽셀 어레이는 상기 렌즈 모듈의 광축이 지나는 중앙 영역, 및 상기 광축으로부터 소정 거리 이격된 에지 영역을 포함하고,
상기 에지 영역에 포함된 픽셀은,
상기 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하는 광전 변환 소자를 포함하는 반도체 영역; 및
상기 픽셀의 인접 픽셀들과의 경계들 중 상기 광축으로부터 상대적으로 먼 경계에 접하는 내부 반사면을 포함하고 상기 반도체 영역의 상부에 배치되는 마이크로 렌즈를 포함하고,
상기 내부 반사면의 경사각은 상기 픽셀의 위치에 따라 달라지는 이미지 센싱 장치. - 제1항에 있어서,
상기 내부 반사면은 평편한 형태를 가지는 이미지 센싱 장치. - 제1항에 있어서,
상기 내부 반사면은 상기 마이크로 렌즈 내부로 입사된 상기 입사광을 반사하여 상기 마이크로 렌즈에 대응하는 픽셀의 내부로 가이드하는 이미지 센싱 장치. - 제1항에 있어서,
상기 경사각은 상기 마이크로 렌즈의 하부면과 상기 내부 반사면 사이의 각도인 이미지 센싱 장치. - 제1항에 있어서,
상기 경사각은 상기 에지 영역으로 입사되는 주광선의 입사각에 기초하여 결정되는 이미지 센싱 장치. - 제5항에 있어서,
상기 경사각은 상기 마이크로 렌즈의 굴절률 및 상기 마이크로 렌즈가 포함된 픽셀의 길이를 추가적으로 반영하여 결정되는 이미지 센싱 장치. - 제1항에 있어서,
상기 중앙 영역에 포함된 픽셀은,
상기 광전 변환 소자를 포함하는 반도체 영역; 및
상기 반도체 영역의 상부에 배치되고 볼록 렌즈의 형태를 갖는 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제1항에 있어서,
상기 픽셀 어레이는 상기 중앙 영역과 상기 에지 영역 사이에 배치되는 중간 에지 영역을 더 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제8항에 있어서,
상기 중앙 영역, 상기 중간 에지 영역 및 상기 에지 영역으로 갈수록 상기 픽셀 어레이로 입사되는 주광선의 입사각은 증가하는 이미지 센싱 장치. - 제9항에 있어서,
상기 중간 에지 영역에 포함된 픽셀은,
상기 광전 변환 소자를 포함하는 반도체 영역; 및
상기 중간 에지 영역에 포함된 픽셀의 인접 픽셀들과의 경계들 중 상기 광축으로부터 상대적으로 먼 경계에 접하는 내부 반사면을 포함하고 상기 반도체 영역의 상부에 배치되는 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제10항에 있어서,
상기 중간 에지 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 내부 반사면의 경사각은, 상기 에지 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 내부 반사면의 경사각보다 큰 이미지 센싱 장치. - 제1항에 있어서,
상기 픽셀은, 상기 마이크로 렌즈와 상기 반도체 영역의 사이에 배치되는 광학 필터를 더 포함하는 이미지 센싱 장치. - 제12항에 있어서,
상기 마이크로 렌즈의 굴절률은 상기 광학 필터의 굴절률보다 작고,
상기 광학 필터의 굴절률은 상기 반도체 영역의 굴절률보다 작은 이미지 센싱 장치. - 입사광의 세기에 대응하는 광전하를 생성하는 광전 변환 소자를 포함하는 반도체 영역; 및
상기 반도체 영역의 상부에 배치되고, 상기 마이크로 렌즈 내부로 입사된 상기 입사광을 반사하여 상기 마이크로 렌즈에 대응하는 픽셀의 내부로 가이드하는 내부 반사면을 포함하는 마이크로 렌즈를 포함하며,
상기 내부 반사면은 상기 마이크로 렌즈의 하부면에 대해 소정의 경사각을 갖고,
상기 경사각은 상기 마이크로 렌즈에 대응하는 픽셀의 위치에 따라 달라지는 이미지 센싱 장치.
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