KR20220058388A - Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
입사광을 파장 별로 분리하여 집광할 수 있는 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지센서 및 이미지센서를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an image sensor having a color separation lens array capable of separating and condensing incident light by wavelength, and an electronic device including the image sensor.
이미지 센서는 통상적으로 컬러 필터를 이용하여 입사광의 색을 감지한다. 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.The image sensor typically senses the color of incident light using a color filter. However, since the color filter absorbs light of a color other than the light of the corresponding color, light use efficiency may be reduced. For example, when an RGB color filter is used, since only 1/3 of incident light is transmitted and the remaining 2/3 is absorbed, the light utilization efficiency is only about 33%. Accordingly, in the case of a color display device or a color image sensor, most of the light loss occurs in the color filter.
입사광을 파장 별로 분리하여 집광할 수 있는 색분리 렌즈 어레이를 이용하여 광 이용 효율 및 색 재현성이 향상된 이미지센서 및 이미지센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.Provided are an image sensor having improved light use efficiency and color reproducibility by using a color separation lens array that can separate incident light for each wavelength and collect the light, and an electronic device including the image sensor.
일 실시예에 따른 이미지센서는, 제1 파장 광을 감지하는 제1 화소와 제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소를 포함하는 센서 기판; 센서 기판 상부에 배치된 투명한 스페이서층; 및 스페이서층 상부에 배치된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며, 색분리 렌즈 어레이는, 색분리 렌즈 어레이로 입사하는 제1 파장의 광을 제1 광 감지셀로 집광하고, 스페이서층 상부에 배치된 제1 렌즈층, 제1 렌즈층 상부에 배치된 제2 렌즈층 및 제1 렌즈층과 제2 렌즈층 사이 전면에 걸쳐 형성된 에칭 방지층을 포함할 수 있다.An image sensor according to an embodiment includes: a sensor substrate including a first pixel for sensing light of a first wavelength and a second pixel for sensing light of a second wavelength; a transparent spacer layer disposed over the sensor substrate; and a color separation lens array disposed on the spacer layer, wherein the color separation lens array collects light of a first wavelength incident on the color separation lens array to the first light sensing cell, and is disposed on the spacer layer It may include a first lens layer, a second lens layer disposed on the first lens layer, and an etching prevention layer formed over the entire surface between the first lens layer and the second lens layer.
일 실시예에 따른 이미지센서 제조방법은, 제1 파장 광을 감지하는 제1 화소와 제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소를 포함하는 센서 기판 상부에 스페이서층을 형성하는 단계; 스페이서층 상부에 제1 렌즈층을 형성하는 단계; 제1 렌즈층 상부에 에칭 방지층을 형성하는 단계; 에칭 방지층 상부에 유전체 층을 형성하는 단계; 유전체 층에 음각 패턴을 형성하는 단계; 및 음각 패턴에 고굴절 물질을 충전하여 제2 렌즈층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.An image sensor manufacturing method according to an embodiment includes: forming a spacer layer on a sensor substrate including a first pixel for sensing light of a first wavelength and a second pixel for sensing light of a second wavelength; forming a first lens layer on the spacer layer; forming an etch stop layer on the first lens layer; forming a dielectric layer over the etch stop layer; forming an intaglio pattern on the dielectric layer; and filling the engraved pattern with a high refractive material to form a second lens layer.
일 실시예에 따른 전자 장치는, 제1 파장 광을 감지하는 제1 화소와 제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소를 포함하는 센서 기판; 센서 기판 상부에 배치된 투명한 스페이서층; 및 스페이서층 상부에 배치된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며, 색분리 렌즈 어레이는, 색분리 렌즈 어레이로 입사하는 제1 파장의 광을 제1 광 감지셀로 집광하고, 스페이서층 상부에 배치된 제1 렌즈층, 제1 렌즈층 상부에 배치된 제2 렌즈층 및 제1 렌즈층과 제2 렌즈층 사이 전면에 걸쳐 형성된 에칭 방지층을 포함할 수 있다.According to an embodiment, an electronic device includes: a sensor substrate including a first pixel for sensing light of a first wavelength and a second pixel for sensing light of a second wavelength; a transparent spacer layer disposed over the sensor substrate; and a color separation lens array disposed on the spacer layer, wherein the color separation lens array collects light of a first wavelength incident on the color separation lens array to the first light sensing cell, and is disposed on the spacer layer It may include a first lens layer, a second lens layer disposed on the first lens layer, and an etching prevention layer formed over the entire surface between the first lens layer and the second lens layer.
색분리 렌즈 어레이는 입사광을 흡수하거나 차단하지 않으면서 파장 별로 분리하여 집광하여 광 이용 효율을 향상할 수 있다. 색분리 렌즈 어레이를 채용한 이미지센서는 이미지센서에서 일반적으로 채택되고 있는 베이어 패턴(Bayer pattern) 방식을 유지할 수 있어, 기존의 이미지센서의 화소 구조와 이미지 처리 알고리즘을 활용할 수 있다. 또한, 색분리 렌즈 어레이를 채용한 이미지센서는 빛을 화소에 집광시키기 위한 별도의 마이크로 렌즈를 필요로 하지 않는다.The color separation lens array does not absorb or block incident light, but separates it for each wavelength and collects the light, thereby improving light use efficiency. An image sensor employing a color separation lens array can maintain the Bayer pattern method generally adopted in image sensors, and thus can utilize the pixel structure and image processing algorithm of the existing image sensor. In addition, an image sensor employing a color separation lens array does not require a separate micro lens for condensing light to a pixel.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지센서의 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 이미지센서의 화소 어레이의 다양한 화소 배열을 예시적으로 도시한다.
도 3a 및 3b는 일 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이의 개략적인 구조와 동작을 보이는 개념도이다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 이미지센서의 화소 어레이의 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다.
도 5a는 화소 어레이에서 화소의 배열을 개략적으로 보이는 평면도이며, 도 5b는 색분리 렌즈 어레이의 복수 영역에 복수의 나노포스트가 배열된 형태를 예시적으로 보이는 평면도이고, 도 5c는 도 5b의 일부를 확대하여 상세히 보인 평면도이고, 도 5d는 제2 렌즈층에 나노포스트가 배열된 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 6a는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광 및 청색광의 위상 분포를 도 5b의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 보이고, 도 6b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 보이고, 도 6c는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 청색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 보이는 도면이다.
도 6d는 제1 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6e는 제1 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보이는 도면이다.
도 6f는 청색광 집광 영역으로 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6g는 청색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보이는 도면이다.
도 7a는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광 및 적색광의 위상 분포를 도 5b의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 보이고, 도 7b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 적색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 보이고, 도 7c는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들 중심에서의 위상을 보이는 도면이다.
도 7d는 적색광 집광 영역으로 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 7e는 적색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보이는 도면이다.
도 7f는 제2 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 7g는 제2 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보이는 도면이다.
도 8a 내지 도 8h는 도 4a의 화소 어레이의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 에칭 방지층의 두께가 변할 때 센서 기판으로 입사하는 광의 스펙트럼의 변화를 보여주는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 색분리 렌즈 어레이 상부에 반사 방지층을 더 포함하는 화소 어레이의 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 반사 방지층에 의해 센서 기판으로 입사하는 광의 스펙트럼의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 실시예들에 따른 이미지센서를 포함하는 전자 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 13은 도 12의 카메라 모듈을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 14 내지 도 23은 실시예들에 따른 이미지센서들이 적용된 전자 장치 다양한 예를 보이는 도면이다.1 is a block diagram of an image sensor according to an exemplary embodiment.
2A to 2C exemplarily show various pixel arrangements of a pixel array of an image sensor.
3A and 3B are conceptual views illustrating a schematic structure and operation of a color separation lens array according to an exemplary embodiment.
4A and 4B are schematic cross-sectional views viewed from different cross-sections of a pixel array of an image sensor according to an exemplary embodiment.
5A is a plan view schematically illustrating the arrangement of pixels in a pixel array, FIG. 5B is a plan view exemplarily illustrating a form in which a plurality of nanoposts are arranged in a plurality of regions of a color separation lens array, and FIG. 5C is a portion of FIG. 5B is an enlarged and detailed plan view, and FIG. 5D is a plan view illustrating an arrangement of nanoposts on the second lens layer.
FIG. 6A shows the phase distribution of green light and blue light passing through the color separation lens array along line I-I' of FIG. 5B, and FIG. 6B is the phase distribution of green light passing through the color separation lens array at the center of corresponding pixel regions. 6C is a view showing the phase at the center of the pixel-corresponding regions of the blue light passing through the color separation lens array.
FIG. 6D exemplarily illustrates a traveling direction of green light incident to the first green light converging area, and FIG. 6E is a diagram illustrating an array of the first green light converging area.
FIG. 6F exemplarily shows a traveling direction of blue light incident to the blue light converging area, and FIG. 6G is a diagram exemplarily showing an array of the blue light converging area.
Fig. 7a shows the phase distribution of green light and red light passing through the color separation lens array along line II-II' of Fig. 5b, and Fig. 7b shows the phase at the center of the pixel corresponding regions of the red light passing through the color separation lens array. 7C is a view showing the phase at the center of the pixel-corresponding regions of green light passing through the color separation lens array.
FIG. 7D exemplarily shows the propagation direction of red light incident to the red light converging area, and FIG. 7E is a diagram exemplarily showing the array of the red light converging area.
7F exemplarily shows a traveling direction of green light incident to the second green light converging area, and FIG. 7G is a diagram exemplarily showing an array of the second green light converging area.
8A to 8H are diagrams for explaining a method of manufacturing the pixel array of FIG. 4A.
9A and 9B are diagrams illustrating a change in the spectrum of light incident on a sensor substrate when the thickness of the etching prevention layer is changed.
10A and 10B are cross-sectional views of a pixel array further including an anti-reflection layer on the color separation lens array.
11A and 11B are views for explaining a change in the spectrum of light incident to the sensor substrate by the antireflection layer.
12 is a block diagram schematically illustrating an electronic device including an image sensor according to example embodiments.
13 is a block diagram schematically illustrating the camera module of FIG. 12 .
14 to 23 are views illustrating various examples of electronic devices to which image sensors are applied according to embodiments.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 대해 상세하게 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. Hereinafter, an image sensor including a color separation lens array and an electronic device including the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The described embodiments are merely exemplary, and various modifications are possible from these embodiments. In the following drawings, the same reference numerals refer to the same components, and the size of each component in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description.
이하에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.Hereinafter, the expression "upper" or "on" may include not only being directly above/below/left/right in contact, but also above/below/left/right in non-contact.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but are used only for the purpose of distinguishing one component from other components. These terms do not limit the difference in the material or structure of the components.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. Also, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 하나 또는 복수의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as "...unit" and "module" described in the specification mean a unit that processes one or a plurality of functions or operations, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software. there is.
"상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.The use of the term “above” and similar referential terms may be used in both the singular and the plural.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.The steps constituting the method may be performed in any suitable order, unless expressly stated that they must be performed in the order described. In addition, the use of all exemplary terms (eg, etc.) is merely for describing the technical idea in detail, and unless limited by the claims, the scope of rights is not limited by these terms.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도이다. 도 1을 참조하면, 이미지 센서(1000)는 화소 어레이(1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 이미지 센서는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서일 수 있다.1 is a schematic block diagram of an image sensor according to an embodiment. Referring to FIG. 1 , the
화소 어레이(1100)는 복수의 로우와 컬럼을 따라 2차원 배열된 화소들을 포함한다. 로우 디코더(1020)는 타이밍 컨트롤러(1010)로부터 출력된 로우 어드레스 신호에 응답하여 화소 어레이(1100)의 로우들 하나를 선택한다. 출력 회로(1030)는 선택된 로우를 따라 배열된 복수의 화소로부터 컬럼 단위로 광감지 신호를 출력한다. 이를 위하여, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 아날로그-디지털 변환기(ADC; analog to digital converter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 화소 어레이(1100) 사이에서 컬럼 별로 각각 배치된 복수의 ADC, 또는, 컬럼 디코더의 출력단에 배치된 하나의 ADC를 포함할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)는 하나의 칩 또는 각각 별개의 칩으로 구현될 수 있다. 출력 회로(1030)를 통해 출력된 영상 신호를 처리하기 위한 프로세서가 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)와 함께 하나의 칩으로 구현될 수도 있다.The
화소 어레이(1100)는 서로 다른 파장의 빛을 감지하는 복수의 화소를 포함할 수 있다. 화소의 배열은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 2a 내지 도 2c는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 다양한 화소 배열을 도시한다.The
먼저, 도 2a는 이미지 센서(1000)에서 일반적으로 채택되고 있는 베이어 패턴(Bayer Pattern)을 보인다. 도 2a를 참조하면, 하나의 단위 패턴은 네 개의 사분 영역(Quadrant region)을 포함하며, 제1 내지 제4 사분면이 각각 청색 화소(B), 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 녹색 화소(G)가 될 수 있다. 이러한 단위 패턴이 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 이차원적으로 반복 배열된다. 다시 말해, 2×2 어레이 형태의 단위 패턴 내에서 한 쪽 대각선 방향으로 2개의 녹색 화소(G)가 배치되고, 다른 쪽 대각선 방향으로 각각 1개의 청색 화소(B)와 1개의 적색 화소(R)가 배치된다. 전체적인 화소 배열을 보면, 복수의 녹색 화소(G)와 복수의 청색 화소(B)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제1 행과 복수의 적색 화소(R)와 복수의 녹색 화소(G)가 제1 방향을 따라 번갈아 배열되는 제2 행이 제2 방향을 따라 반복적으로 배열된다.First, FIG. 2A shows a Bayer pattern generally adopted in the
화소 어레이(1100)의 배열 방식은 베이어 패턴 이외에도 다양한 배열 방식이 가능하다. 예를 들어, 도 2b를 참조하면, 마젠타(Magenta) 화소(M), 사이안(Cyan) 화소(C), 옐로우(Yellow) 화소(Y), 및 녹색 화소(G)가 하나의 단위 화패턴을 구성하는 CYGM 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도 2c를 참조하면, 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 청색 화소(B), 및 백색 화소(W)가 하나의 단위 패턴을 구성하는 RGBW 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도시되지는 않았지만 단위 패턴이 3×2 어레이 형태를 가질 수도 있다. 그 밖에도 화소 어레이(1100)의 화소들은 이미지센서(1000)의 색 특성에 따라 다양한 방식으로 배열될 수 있다. 아래에서는 이미지센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴을 갖는 것을 예로 설명하지만, 동작 원리는 베이어 패턴이 아닌 다른 형태의 화소 배열에도 적용될 수 있다.As the arrangement method of the
이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 특정 화소에 대응하는 색의 빛을 집광하는 색분리 렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b 는 색분리 렌즈 어레이의 구조와 동작을 보이는 개념도이다. The
도 3a를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(CSLA, Color Separating Lens Array) 는 입사광(Li)의 위상을 입사 위치에 따라 다르게 변화시키는 복수의 나노포스트(NP)들을 포함할 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 다양한 방식으로 구획될 수 있다. 예를 들어, 입사광(Li)에 포함된 제1 파장 광(Lλ1)이 집광되는 제1 화소(PX1)에 대응하는 제1 화소 대응 영역(R1), 및 입사광(Li)에 포함된 제2 파장 광(Lλ2)이 집광되는 제2 화소(PX2)에 대응하는 제2 화소 대응 영역(R2)으로 구획될 수 있다. 제1 및 제2 화소 대응 영역(R1, R2)은 각각 하나 이상의 나노포스트(NP)를 포함할 수 있고, 각각 제1 및 제2 화소(PX1, PX2)와 마주하게 배치될 수 있다. 다른 예로, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 제1 파장 광(Lλ1)을 제1 화소(PX1)에 집광하는 제1 파장 집광 영역(L1), 제2 파장 광(Lλ2)을 제2 화소(PX2)에 집광하는 제2 파장 집광 영역(L2)으로 구획될 수 있다. 제1 파장 집광 영역(L1)과 제2 파장 집광 영역(L2)은 일부 영역이 중첩될 수 있다.Referring to FIG. 3A , a Color Separating Lens Array (CSLA) may include a plurality of nanoposts NP that change the phase of incident light Li differently according to an incident position. The color separation lens array CSLA may be partitioned in various ways. For example, the first pixel-corresponding region R1 corresponding to the first pixel PX1 on which the first wavelength light L λ1 included in the incident light Li is focused, and the second pixel-corresponding region R1 included in the incident light Li The wavelength light L λ2 may be divided into a second pixel-corresponding region R2 corresponding to the second pixel PX2 on which the light L λ2 is focused. The first and second pixel-corresponding regions R1 and R2 may each include one or more nanoposts NP, and may be disposed to face the first and second pixels PX1 and PX2, respectively. As another example, the color separation lens array CSLA includes a first light condensing area L1 for condensing the first wavelength light L λ1 on the first pixel PX1 and the second wavelength light L λ2 for a second pixel It may be partitioned into a second wavelength converging region L2 condensing light to PX2 . A portion of the first wavelength converging region L1 and the second wavelength converging region L2 may overlap.
색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 입사광(Li)에 포함된 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)에 각각 다른 위상 분포(Phase Profile)를 형성하여, 제1 파장 광(Lλ1)을 제1 화소(PX1)에 집광하고, 제2 파장 광(Lλ2)을 제2 화소(PX2)로 집광할 수 있다. The color separation lens array CSLA forms different phase profiles in the first and second wavelength lights L λ1 and L λ2 included in the incident light Li, respectively, to form the first wavelength light L λ1 . may be focused on the first pixel PX1 , and the second wavelength light L λ2 may be focused on the second pixel PX2 .
예를 들어, 도 3b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통과한 직후의 위치, 즉, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)의 하부 표면 위치에서, 제1 파장 광(Lλ1)이 제1 위상 분포(PP1)를 갖고 제2 파장 광(Lλ2)이 제2 위상 분포(PP2)를 갖도록 하여, 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)이 각각 대응하는 제1 및 제2 화소(PX1, PX2)에 집광되도록 할 수 있다. 구체적으로, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통과한 제1 파장 광(Lλ1)은 제1 화소 대응 영역(R1)의 중심에서 가장 크고, 제1 화소 대응 영역(R1)의 중심에서 멀어지는 방향, 즉 제2 화소 대응 영역(R2) 방향으로 감소하는 제1 위상 분포(PP1)를 가질 수 있다. 이러한 위상 분포는 볼록 렌즈, 예를 들면, 제1 파장 집광 영역(L1)에 배치된 중심부가 볼록한 마이크로 렌즈를 통과하여 한 지점으로 수렴하는 광의 위상 분포와 유사하며, 제1 파장 광(Lλ1)은 제1 화소(PX1)에 집광될 수 있다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통과한 제2 파장 광(Lλ2)은 제2 화소 대응 영역(R2)의 중심에서 가장 크고, 제2 화소 대응 영역(R2)의 중심에서 멀어지는 방향, 즉 제1 화소 대응 영역(R1) 방향으로 감소하는 제2 위상 분포(PP2)를 가져, 제2 파장 광(Lλ2)은 제2 화소(PX2)로 집광될 수 있다. For example, referring to FIG. 3B , the color separation lens array CSLA has a first wavelength at a position immediately after passing through the color separation lens array CSLA, that is, at a lower surface position of the color separation lens array CSLA. The light L λ1 has the first phase distribution PP1 and the second wavelength light L λ2 has the second phase distribution PP2 so that the first and second wavelength lights L λ1 and L λ2 are The light may be focused on the corresponding first and second pixels PX1 and PX2, respectively. Specifically, the first wavelength light L λ1 passing through the color separation lens array CSLA is greatest at the center of the first pixel correspondence area R1, and in a direction away from the center of the first pixel correspondence area R1, That is, the first phase distribution PP1 may be decreased in the direction of the second pixel corresponding region R2 . This phase distribution is similar to the phase distribution of light converging to a point through a convex lens, for example, a microlens having a convex center disposed in the first wavelength converging region L1, and the first wavelength light (L λ1 ) may be focused on the first pixel PX1 . In addition, the second wavelength light L λ2 passing through the color separation lens array CSLA is greatest at the center of the second pixel correspondence area R2, and in a direction away from the center of the second pixel correspondence area R2, that is, The second phase distribution PP2 may decrease in the direction of the first pixel-corresponding region R1 , so that the second wavelength light L λ2 may be focused on the second pixel PX2 .
물질의 굴절률은 반응하는 빛의 파장에 따라 다르게 나타나기 때문에, 도 3b와 같이, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)가 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)에 대해 서로 다른 위상 분포를 제공할 수 있다. 다시 말하면, 동일한 물질이라도 물질과 반응하는 빛의 파장에 따라 굴절률이 다르고 물질을 통과했을 때 빛이 겪는 위상지연도 파장마다 다르기 때문에 파장별로 다른 위상 분포가 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 화소 대응 영역(R1)의 제1 파장 광(Lλ1)에 대한 굴절률과 제1 화소 대응 영역(R1)의 제2 파장 광(Lλ2)에 대한 굴절률이 서로 다를 수 있고, 제1 화소 대응 영역(R1)을 통과한 제1 파장 광(Lλ1)이 겪는 위상지연과 제1 화소 대응 영역(R1)을 통과한 제2 파장 광(Lλ2)이 겪는 위상지연이 다를 수 있으므로, 이러한 빛의 특성을 고려하여 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 설계하면, 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)에 대해 서로 다른 위상 분포를 제공하도록 할 수 있다. Since the refractive index of a material appears differently depending on the wavelength of the light it reacts to, as shown in FIG. 3B , the color separation lens array CSLA provides different phase distributions for the first and second wavelength lights L λ1 and L λ2 . can do. In other words, even for the same material, a different phase distribution may be formed for each wavelength because the refractive index is different depending on the wavelength of light reacting with the material, and the phase delay experienced by light when it passes through the material is also different for each wavelength. For example, the refractive index of the first wavelength light L λ1 of the first pixel correspondence region R1 and the refractive index of the second wavelength light L λ2 of the first pixel correspondence region R1 may be different from each other, , the phase delay experienced by the first wavelength light L λ1 passing through the first pixel correspondence region R1 is different from the phase delay experienced by the second wavelength light L λ2 passing through the first pixel correspondence region R1 Therefore, if the color separation lens array CSLA is designed in consideration of the characteristics of the light, different phase distributions may be provided for the first and second wavelength lights L λ1 and L λ2 .
색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 제1 및 제2 파장 광(Lλ1, Lλ2)이 각각 제1 및 제2 위상 분포(PP1, PP2)를 가지도록 특정한 규칙으로 배열된 나노포스트(NP)를 포함할 수 있다. 여기서, 규칙(rule)은 나노포스트(NP)의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등의 파라미터에 적용되는 것으로, 이들 파라미터는 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통해 구현하고자 하는 위상 분포(Phase Profile)에 따라 정해질 수 있다. The color separation lens array (CSLA) is a nanopost (NP) arranged in a specific order so that the first and second wavelength lights (L λ1 , L λ2 ) have first and second phase distributions (PP1, PP2), respectively. may include Here, the rule is applied to parameters such as the shape, size (width, height), spacing, and arrangement of the nanoposts (NP), and these parameters are the phase to be implemented through the color separation lens array (CSLA). It may be determined according to the distribution (Phase Profile).
나노포스트(NP)가 제1 화소 대응 영역(R1)에 배치되는 규칙과 제2 화소 대응 영역(R2)에 배치되는 규칙은 서로 다를 수 있다. 다시 말하면, 제1 화소 대응 영역(R1)에 구비된 나노포스트(NP)의 크기, 형상, 간격 및/또는 배열이 제2 화소 대응 영역(R2)에 구비된 나노포스트(NP)의 크기, 형상, 간격 및/또는 배열과 다를 수 있다.A rule for disposing the nanoposts NP in the first pixel-corresponding region R1 and a rule for disposing the nanoposts NP in the second pixel-corresponding region R2 may be different from each other. In other words, the size, shape, spacing, and/or arrangement of the nano-posts NP provided in the first pixel-corresponding region R1 is the size and shape of the nano-posts NP provided in the second pixel-corresponding region R2 . , spacing and/or arrangement may be different.
나노포스트(NP)는 단면의 지름이 서브 파장의 치수를 가질 수도 있다. 여기서 서브 파장은 분기 대상인 광의 파장 대역보다 작은 파장을 의미한다. 나노포스트(NP)는, 예를 들어, 제1 파장, 제2 파장 중 짧은 파장보다 작은 치수를 가질 수 있다. 입사광(Li)이 가시광인 경우, 나노포스트(NP)의 단면의 지름은 예를 들어 400 nm, 300 nm, 또는 200 nm 보다 작은 치수를 가질 수 있다. 한편 나노포스트(NP)의 높이는 500 nm 내지 1500 nm일 수 있고, 단면의 지름보다 높이가 클 수 있다. 도시하지는 않았지만, 나노포스트(NP)는 높이 방향(Z방향)으로 적층된 2개 이상의 포스트가 결합된 것일 수 있다.The nanopost NP may have a cross-sectional diameter of sub-wavelength. Here, the sub-wavelength refers to a wavelength smaller than the wavelength band of the branch light. The nanoposts NP may have a smaller dimension than, for example, a shorter wavelength of the first wavelength and the second wavelength. When the incident light Li is visible light, the diameter of the cross-section of the nanoposts NP may have a dimension smaller than, for example, 400 nm, 300 nm, or 200 nm. On the other hand, the height of the nano-post (NP) may be 500 nm to 1500 nm, the height may be greater than the diameter of the cross-section. Although not shown, the nanopost NP may be a combination of two or more posts stacked in the height direction (Z direction).
나노포스트(NP)는 주변 물질에 비하여 높은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나노포스트(NP)는 c-Si, p-Si, a-Si 및 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노포스트(NP)는 나노포스트(NP)를 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 나노포스트(NP)의 서브 파장의 형상 치수에 의해 일어나는 위상 지연(phase delay)에 의한 것이며, 위상이 지연되는 정도는 나노포스트(NP)의 세부적인 형상 치수, 배열 형태 등에 의해 정해진다. 나노포스트(NP) 주변 물질은 나노포스트(NP)보다 낮은 굴절률을 갖는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 주변 물질은 SiO2 또는 공기(air)를 포함할 수 있다.The nanopost (NP) may be made of a material having a higher refractive index than that of a surrounding material. For example, nanoposts (NPs) may include c-Si, p-Si, a-Si and III-V compound semiconductors (GaP, GaN, GaAs, etc.), SiC, TiO2, SiN, and/or combinations thereof. can The nanopost NP having a refractive index difference from that of the surrounding material may change the phase of light passing through the nanopost NP. This is due to a phase delay caused by the shape dimension of the sub-wavelength of the nanopost (NP), and the degree of the phase delay is determined by the detailed shape dimension, arrangement, and the like of the nanopost (NP). The material surrounding the nanoposts (NP) may be made of a dielectric material having a lower refractive index than that of the nanoposts (NP). For example, the surrounding material may include SiO 2 or air.
제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)은 적외선 및 가시광선 파장 대역일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 복수의 나노포스트(NP)의 어레이의 배열 규칙에 따라 다양한 파장에서 동작할 수 있다. 또한, 두 개의 파장이 분기되어 집광되는 것을 예시하였으나 입사광이 파장에 따라 세 방향 이상으로 분기되어 집광될 수도 있다.The first wavelength λ1 and the second wavelength λ2 may be infrared and visible wavelength bands, but are not limited thereto, and may operate at various wavelengths according to the arrangement rule of the array of the plurality of nanoposts NP. In addition, although the example in which two wavelengths are diverged and condensed has been exemplified, incident light may be converged by being diverged in three or more directions according to wavelengths.
또한 색분리 렌즈 어레이(CSLA)가 1개 층인 경우를 예로 설명하였으나, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 복수층이 적층된 구조일 수도 있다. 예를 들면, 1층은 가시광선을 특정 화소에 집광하고 2층은 적외선을 다른 화소에 집광하도록 설계할 수 있다.In addition, although the case where the color separation lens array CSLA is one layer has been described as an example, the color separation lens array CSLA may have a structure in which a plurality of layers are stacked. For example, the first layer can be designed to focus visible light on a specific pixel, and the second layer can be designed to focus infrared light on other pixels.
아래에서는 앞서 설명한 색분리 렌즈 어레이(CSLA)가 이미지센서(1000)의 화소 어레이(1100)에 적용된 예를 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, an example in which the aforementioned color separation lens array CSLA is applied to the
도 4a 및 도 4b는 일 예에 따른 화소 어레이를 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 도면이고, 도 5a는 화소 어레이의 광감지셀의 배열을 개략적으로 보이는 평면도이며, 도 5b는 제1 렌즈층(130a)에 나노포스트가 배열된 형태를 예시적으로 보이는 평면도이고, 도 5c는 도 5b의 일부를 확대하여 상세히 보인 평면도이고, 도 5d는 제2 렌즈층(130b)에 나노포스트가 배열된 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.4A and 4B are schematic views of a pixel array according to an example in different cross-sections, FIG. 5A is a plan view schematically illustrating an arrangement of photo-sensing cells of the pixel array, and FIG. 5B is a
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 광을 센싱하는 복수의 화소(111, 112, 113, 114)를 포함하는 센서 기판(110), 센서 기판(110) 상에 배치된 투명한 스페이서층(120), 및 스페이서층(120) 상에 배치된 색분리 렌즈 어레이(130) 를 포함한다.4A and 4B , the
센서 기판(110)은 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 녹색 화소(111), 청색 화소(112), 적색 화소(113) 및 제2 녹색 화소(114)를 포함할 수 있고, 제1 녹색 화소(111) 및 청색 화소(112)가 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되고, Y 방향의 위치가 다른 단면에서는 도 4b에 도시된 바와 같이, 적색 화소(113) 및 제2 녹색 화소(114)가 번갈아 배열될 수 있다. 도 5a는 이미지센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 도 2a와 같이 베이어 패턴 배열을 가지는 경우의 광감지셀들의 배열을 보인다. 이러한 배열은 입사광을 베이어 패턴과 같은 단위 패턴으로 구분하여 센싱하기 위한 것이며, 예를 들어, 제1 및 제2 녹색 화소(111, 114)는 녹색광을 센싱하고, 청색 화소(112)는 청색광을 센싱하며, 적색 화소(113)는 적색광을 센싱할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 셀 간 경계에는 셀 분리를 위한 분리막이 더 형성될 수도 있다.The
스페이서층(120)은 센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 사이에 배치되어 센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 역할을 한다. 스페이서층(120)은 가시광에 대해 투명한 재료, 예를 들어, SiO2, 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass) 등 나노포스트(NP)보다 낮은 굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 낮은 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 스페이서층(120)의 두께(h)는 ht - p ≤ h ≤ ht + p의 범위 내에서 선택될 수 있다. 여기서, 스페이서층(120)의 이론 두께 ht는 λ0의 파장에 대한 스페이서층(120)의 굴절률을 n, 화소의 피치를 p라고 할 때, 다음의 [수학식 1]로 표시될 수 있다.The
스페이서층(120)의 이론 두께 ht는 λ0의 파장을 갖는 광이 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 화소들(111, 112, 113, 114)의 상부 표면 상에 집광되는 초점 거리를 의미할 수 있다. λ0은 스페이서(120)의 두께(h)를 정하는 기준이 되는 파장일 수 있으며, 녹색광의 중심 파장인 540 nm를 기준으로 스페이서층(120)의 두께를 설계할 수 있다.The theoretical thickness h t of the
색분리 렌즈 어레이(130)는 스페이서층(120)에 의해 지지될 수 있고, 나노포스트(NP)가 형성된 복수의 렌즈층(130a, 130b)을 포함할 수 있다. 나노포스트(NP)들 사이에는 나노포스트(NP)를 이루는 물질보다 굴절률이 낮은 유전체, 예를 들면, 공기 또는 SiO2를 포함할 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(130)의 제1 렌즈층(130a)은 고굴절 물질인 나노포스트(NPa)들 및 나노포스트(NPa)들 사이의 공간에 충전된 저굴절 물질인 제1 유전체층(DL1)을 포함할 수 있다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(130)의 제2 렌즈층(130b)은 고굴절 물질인 나노포스트(NPb)들 및 나노포스트(NPb)들 사이의 공간에 충전된 저굴절 물질인 제2 유전체층(DL2)을 포함할 수 있다 .The color
도 5b 및 도 5d를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)는 도 5a의 각 화소들(111, 112, 113, 114)에 대응하는 4개 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)으로 구획될 수 있다. 제1 녹색 화소 대응 영역(131)은 제1 녹색 화소(111)에 대응하며 제1 녹색 화소(111) 상부에 배치될 수 있고, 청색 화소 대응 영역(132)은 청색 화소(112)에 대응하며 청색 화소(112) 상부에 배치될 수 있고, 적색 화소 대응 영역(133)은 적색 화소(113)에 대응하며 적색 화소(113) 상부에 배치될 수 있고, 제2 녹색 화소 대응 영역(134)은 제2 녹색 화소(114)에 대응하며 제2 녹색 화소(114) 상부에 배치될 수 있다. 즉, 색분리 렌즈 어레이(130)의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)은 센서 기판(110)의 각 화소(111, 112, 113, 114)와 마주하게 배치될 수 있다. 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)은 제1 녹색 화소 대응 영역 및 청색 화소 대응 영역(131, 132)이 번갈아 배열되는 제1 행과 적색 화소 대응 영역 및 제2 녹색 화소 대응 영역(133, 134)이 번갈아 배열되는 제2 행이 서로 교대로 반복되도록 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 이차원 배열될 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(130)도 센서 기판(110)의 화소 어레이와 같이 2차원 배열된 복수의 단위 패턴을 포함하며, 각각의 단위 패턴은 2×2의 형태로 배열된 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)을 포함한다.5B and 5D , the color
색분리 렌즈 어레이(130)는 제1 및 제2 녹색 화소(111, 114)로 녹색광이 분기되어 집광되고, 청색 화소(112)로 청색광이 분기되어 집광되며, 적색 화소(113)로 적색 광이 분기되어 집광되도록 크기, 형상, 간격 및/또는 배열이 정해진 나노포스트(NP)들을 포함할 수 있다. 한편, 제3 방향(Z방향)을 따른 색분리 렌즈 어레이(130)의 두께는 나노포스트(NP)의 높이와 유사할 수 있으며, 500 nm 내지 1500 nm일 수 있다.In the color
도 5b를 참조하면, 제1 렌즈층(130a) 은 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에 원형단면을 가지는 원기둥 형태의 나노포스트(NPa)들을 포함할 수 있고, 각 영역의 중심부에는 단면적이 서로 다른 나노포스트(NPa)가 배치되고, 화소간 경계선 상의 중심 및 화소 경계선의 교차점에도 나노포스트(NPa)가 배치될 수 있다. Referring to FIG. 5B , the
도 5c는 도 5b의 일부 영역, 즉, 단위 패턴을 구성하는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에 포함된 나노포스트(NPa) 의 배열을 상세히 보인다. 도 5c에서 나노포스트(NPa)들은 세부 위치에 따라 p1~p9로 표시되어 있다. 도 5c를 참조하면, 나노포스트(NPa)들 중, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심부에 배치된 나노포스트(p1) 및 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 중심부에 배치된 나노포스트(p4)의 단면적이 청색 화소 대응 영역(132)의 중심부에 배치된 나노포스트(p2)나 적색 화소 대응 영역(133)의 중심부에 배치된 나노포스트(p3)의 단면적보다 크며, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심부에 배치된 나노포스트(p2)의 단면적이 적색 화소 대응 영역(133)의 중심부에 배치된 나노포스트(p3)의 단면적보다 크다. 다만, 이는 하나의 예에 불과하고, 필요에 따라 다양한 형상, 크기, 배열의 나노포스트(NPa)들이 적용될 수 있다. FIG. 5C shows the arrangement of the nanoposts NPa included in the partial area of FIG. 5B , that is, the
제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에 구비된 나노포스트(NPa)들은 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 서로 다른 분포 규칙을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에 배치된 나노포스트(NPa)들은 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 다른 크기 배열을 가질 수 있다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 나노포스트(NPa)들 중, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 청색 화소 대응 영역(132)과의 경계에 위치하는 나노포스트(p5)의 단면적과 제2 방향(Y방향)으로 인접하는 적색 화소 대응 영역(133)과의 경계에 위치하는 나노포스트들(p6)의 단면적은 서로 다르다. 마찬가지로, 제2 녹색 화소 대응 영역(134)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 적색 화소 대응 영역(133)과의 경계에 위치하는 나노포스트(p7)의 단면적과 제2 방향(Y방향)으로 인접하는 청색 화소 대응 영역(132)과의 경계에 위치하는 나노포스트(p8)의 단면적은 서로 다르다.The nanoposts NPa provided in the first and second green pixel-corresponding
반면, 청색 화소 대응 영역(132) 및 적색 화소 대응 영역(133)에 배치된 나노포스트(NPa)들은 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 대칭적인 분포 규칙을 가질 수 있다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 나노포스트(NPa)들 중, 청색 화소 대응 영역(132)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(p5)와 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(p8)의 단면적은 서로 같으며, 또한, 적색 화소 대응 영역(133)에서도 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(p7)와 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트(p6)의 단면적이 서로 같다.On the other hand, the nanoposts NPa disposed in the blue pixel-corresponding
한편, 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 각각의 네 모서리, 즉, 네 영역이 교차하는 위치에 배치된 나노포스트(p9)들은 같은 단면적을 갖는다.Meanwhile, the nanoposts p9 disposed at four corners of each of the pixel-corresponding
이러한 분포는, 베이어 패턴의 화소 배열에 기인한다. 청색 화소(112)와 적색 화소(113)는 모두 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소들이 녹색 화소(111, 114)로 동일한 반면, 제1 녹색 화소(111)는 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소가 청색 화소(112)이고 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소가 적색 화소(113)로 서로 다르고, 제2 녹색 화소(114)는 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소가 적색 화소(113)이고 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소가 청색 화소(114)로 서로 다르다. 그리고 제1 및 제2 녹색 화소(111, 114)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 녹색 화소이고, 청색 화소(112)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 적색 화소(113)로 서로 같고, 적색 화소(113)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 청색 화소(112)로 서로 같다. 따라서, 청색 화소(112)와 적색 화소(113)에 대응하는 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에서는 4방 대칭(4-fold symmetry)의 형태로 나노포스트(NPa)들이 배열되고, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에서는 2방 대칭(2-fold symmetry)의 형태로 나노포스트(NPa)들이 배열될 수 있다. 특히, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)은 서로에 대해 90도 회전되어 있다.This distribution is due to the pixel arrangement of the Bayer pattern. In both the
도 5b 및 도 5c의 나노포스트(NPa)들은 모두 대칭적인 원형의 단면 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 비대칭 형상의 단면 형상을 갖는 나노포스트가 일부 포함될 수도 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에는 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 폭이 서로 다른 비대칭 단면 형상을 갖는 나노포스트가 채용되고, 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에는 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 폭이 같은 대칭적인 단면 형상을 갖는 나노포스트가 채용될 수 있다.Although the nanoposts NPa of FIGS. 5B and 5C are all shown to have a symmetrical circular cross-sectional shape, some nanoposts having an asymmetrical cross-sectional shape may be included. For example, nanoposts having asymmetric cross-sectional shapes having different widths in the first direction (X direction) and the second direction (Y direction) are employed in the first and second green
도 5d는 제2 렌즈층(130b) 의 평면도이다. 제2 렌즈층(130b)에 포함된 나노포스트(NPb)의 형상 및 배열은 앞서 설명한 제1 렌즈층(130a)과 유사하고, 차이점은 제2 렌즈층(130b)은 제1 렌즈층(130a)의 나노포스트(NPa) 보다 색분리 렌즈 어레이(130)의 중심(C) 방향으로 시프트된 나노포스트(NPb)들을 포함할 수 있다. 예를 들어 도 4a를 참조하면, 제2 렌즈층(130b)의 우측에 배열된 나노포스트(NPbR)는 대응하는 제1 렌즈층(130a)의 나노포스트(NPaR)보다 색분리 렌즈 어레이(130)의 중심(C) 방향으로 dR 만큼 시프트 될 수 있고, 제2 렌즈층(130b)의 좌측에 배열된 나노포스트(NPbL)는 대응하는 제1 렌즈층(130a)의 나노포스트(NPaL)보다 색분리 렌즈 어레이(130)의 중심(C) 방향으로 dL 만큼 시프트 될 수 있다. 제2 렌즈층(130b)이 시프트된 나노포스트(NPb)를 포함하는 이유는 색분리 렌즈 어레이(130)의 위치별로 입사하는 주광선(Chief Ray)의 각도가 다르기 때문이며, 시프트 되는 양은 색분리 렌즈 어레이(130)의 중심(C)과의 거리에 비례할 수 있다. 다시말하면, 색분리 렌즈 어레이(130)의 중심(C)에서 멀리 떨어질수록 나노포스트(NPb)가 시프트되는 양이 커질 수 있다. 5D is a plan view of the
도 5d의 제2 렌즈층(130b)은 제1 렌즈층(130a)에 형성된 나노포스트(NPa)와 동일한 수의 나노포스트(NPb)를 포함하는 경우를 예로 설명하지만, 제2 렌즈층(130b)은 제1 렌즈층(130a)에 형성된 나노포스트(NPa) 보다 적거나 많은 수의 나노포스트(NPb)를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 제1 렌즈층(130a)의 녹색 화소 대응 영역(131)과 적색 화소 대응 영역(133)의 경계선에는 나노포스트(NPa)가 형성되어 있지만, 대응하는 위치의 제2 렌즈층(130b)에는 나노포스트(NPb)가 형성되어 있지 않을 수도 있다.Although the case in which the
한편, 도 4a 및 도 4b를 다시 참조하면, 제1 및 제2 렌즈층(130a, 130b)의 각 하부에는 제1 및 제2 에칭 방지층(140a, 140b)이 배치될 수 있다. 제1 에칭 방지층(140a)은 제1 렌즈층(130a) 형성 공정에 의해 스페이서층(120)이 손상되지 않도록 스페이서층(120)과 제1 렌즈층(130a) 사이에 배치될 수 있고, 제2 에칭 방지층(140b)는 제2 렌즈층(130b) 형성 공정에 의해 제1 렌즈층(130a)이 손상되지 않도록 제1 렌즈층(130a)과 제2 렌즈층(130b) 사이에 배치될 수 있다. 제1 및 제2 에칭 방지층(140a, 140b)은 HfO2막일 수 있으며, 색분리 렌즈 어레이(130)의 전면적에 걸쳐 형성될 수 있다. 제1 및 제2 에칭 방지층(140a, 140b)은 색분리 렌즈 어레이(130)의 광학 특성을 저해하지 않으면서 하부층 보호 기능을 수행할 수 있는 두께를 가지며, 제1 및 제2 에칭 방지층(140a, 140b)의 두께는 예를 들어, 3 nm 내지 30 nm 또는 5 nm 내지 15 nm일 수 있다.Meanwhile, referring back to FIGS. 4A and 4B , first and second
도 6a는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광 및 청색광의 위상 분포를 도 5b의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 보이고, 도 6b는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보이고, 도 6c는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 청색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보인다. 도 6a의 녹색광 및 청색광의 위상 분포는 도 3b에서 예시적으로 설명한 제1 및 제2 파장 광의 위상 분포와 유사하다. FIG. 6A shows the phase distribution of green light and blue light passing through the color
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광은 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 가장 크고, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 제1 위상 분포(PP1)를 가질 수 있다. 구체적으로, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 직후 위치, 다시 말해 색분리 렌즈 어레이(130)의 하부 표면 또는 스페이서층(120)의 상부 표면에서, 녹색광의 위상이, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 가장 크고, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서, X방향 및 Y방향으로는 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)의 중심에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 접점에서 최소가 된다. 녹색광의 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 중심에서 출사되는 광의 위상을 기준으로 하여 2π라고 정하면, 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133) 중심에서는 위상이 0.9π 내지 1.1π, 제2 녹색 화소 대응 영역(134) 중심에서는 위상이 2π, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 접점에서는 위상이 1.1 π 내지 1.5 π인 광이 출사할 수 있다. 한편, 제1 위상 분포(PP1) 는 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 중심을 통과한 광의 위상 지연량이 가장 크다는 것을 의미하는 것은 아니며, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)을 통과한 광의 위상을 2π 라고 정했을 때 다른 위치를 통과한 광의 위상 지연이 더 커서 2π 보다 큰 위상 값을 가진다면, 2nπ 만큼 제거하고 남은 값, 즉, 랩(Wrap)된 위상의 분포일 수 있다. 예를 들어, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)을 통과한 광의 위상을 2π 라고 했을 때, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심을 통과한 광의 위상이 3π 라면, 청색 화소 대응 영역(132)에서의 위상은 3π에서 2π(n=1인 경우)를 제거하고, 남은 π 일 수 있다. Referring to FIGS. 6A and 6B , the green light passing through the color
도 6a 및 도 6c를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 청색광은 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 가장 크고, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 제2 위상 분포(PP2)를 가질 수 있다. 구체적으로, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 청색광의 위상이, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 가장 크고, 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서, X방향 및 Y방향으로는 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에서 최소가 된다. 청색광의 청색 화소 대응 영역(132) 중심에서의 위상을 2π라고 하면, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상은 예를 들어, 0.9π 내지 1.1π 일 수 있고, 적색 화소 대응 영역(133) 중심에서의 위상은 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상보다 작은 값 예를 들어, 0.5π 내지 0.9π일 수 있다.6A and 6C , the blue light passing through the color
도 6d는 제1 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6e는 제1 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다. 6D exemplarily shows a traveling direction of green light incident to the first green light converging area, and FIG. 6E exemplarily shows an array of the first green light converging area.
제1 녹색 화소 대응 영역(131) 주변으로 입사한 녹색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 6d에 도시한 것과 같이, 제1 녹색 화소(111)로 집광되며, 제1 녹색 화소(111)에는 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 외에도 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에서 오는 녹색광이 입사한다. 즉, 도 6a 및 도 6b에서 설명한 녹색광의 위상 분포는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 한 변을 맞대고 인접한 2개의 청색 화소 대응 영역(132)과 2개의 적색 화소 대응 영역(133)의 중심을 연결한 제1 녹색광 집광 영역(GL1)을 통과한 녹색광을 제1 녹색 화소(111)에 집광한다. 따라서, 도 6e에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 제1 녹색 화소(111)에 녹색광을 집광하는 제1 녹색광 집광 영역(GL1) 어레이로 동작할 수 있다. 제1 녹색광 집광 영역(GL1)은 대응하는 제1 녹색 화소(111)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.2배 내지 2배 클 수 있다. As shown in FIG. 6D , the green light incident around the first green pixel-corresponding
도 6f는 청색광 집광 영역으로 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 6g는 청색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.6F exemplarily shows a traveling direction of blue light incident to the blue light converging region, and FIG. 6G exemplarily shows an array of the blue light converging region.
청색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 6f과 같이 청색 화소(112)로 집광되며, 청색 화소(112)에는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서 오는 청색광이 입사한다. 앞서 도 6a 및 도 6c에서 설명한 청색광의 위상 분포는 청색 화소 대응 영역(132)과 꼭지점을 맞대고 인접한 4개의 적색 화소 대응 영역(133)의 중심을 연결하여 만든 청색광 집광 영역(BL)를 통과한 청색광을 청색 화소(112)에 집광한다. 따라서, 도 6g에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 청색 화소에 청색광을 집광하는 청색광 집광 영역(BL) 어레이로 동작할 수 있다. 청색광 집광 영역(BL)은 대응하는 청색 화소(112)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.5 내지 4배 클 수 있다. 청색광 집광 영역(BL)은 일부 영역이 제1 녹색광 집광 영역(GL1), 적색광 집광 영역(RL), 및 후술하는 제2 녹색광 집광 영역(GL2, 도 7f 참조)과 중첩될 수 있다.The blue light is condensed to the
도 7a는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광 및 적색광의 위상 분포를 도 5b의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 보이고, 도 7b는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 적색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보이고, 도 7c는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보인다.7A shows the phase distributions of green light and red light passing through the color
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 적색광은 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에서 가장 크고, 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 제3 위상 분포(PP3)를 가질 수 있다. 구체적으로, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 적색광의 위상이, 적색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 가장 크고, 적색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 멀어질수록 동심원 형태로 점차 작아져서, X방향 및 Y방향으로는 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 청색 화소 대응 영역(132)의 중심에서 최소가 된다. 적색광의 적색 화소 대응 영역(133) 중심에서의 위상을 2π라고 하면, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상은 예를 들어, 0.9π 내지 1.1π 일 수 있고, 청색 화소 대응 영역(132) 중심에서의 위상은 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)의 중심에서의 위상보다 작은 값 예를 들어, 0.6π 내지 0.9π일 수 있다.Referring to FIGS. 7A and 7B , the red light passing through the color
도 7a 및 도 7c를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광은 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 중심에서 가장 크고, 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 중심에서 멀어지는 방향으로 감소하는 제4 위상 분포(PP4)를 가질 수 있다. 도 6a의 녹색광의 제1 위상 분포(PP1)와 도 7의 녹색광의 제4 위상 분포(PP4 )를 비교하면, 제4 위상 분포(PP4)는 제1 위상 분포(PP1)를 X방향 및 Y방향으로 1 화소 피치만큼 평행 이동한 것과 같다. 즉, 제1 위상 분포(PP1)는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 위상이 가장 큰 반면, 제4 위상 분포(PP4)는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)의 중심에서 X방향 및 Y방향으로 1 화소 피치만큼 떨어진 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 중심에서 위상이 가장 크다. 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보여주는 도 6b와 도 7c의 위상 분포는 동일할 수 있다. 다시 한번 제2 녹색 화소 대응 영역(134)을 기준으로 녹색광의 위상 분포를 설명하면, 녹색광의 제2 녹색 화소 대응 영역(134) 중심에서 출사되는 광의 위상을 기준으로 하여 2π라고 정하면, 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133) 중심에서는 위상이 0.9π 내지 1.1π, 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 중심에서는 위상이 2π, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 접점에서는 위상이 1.1 π 내지 1.5 π인 광이 출사할 수 있다.Referring to FIGS. 7A and 7C , the green light passing through the color
도 7d는 적색광 집광 영역으로 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 7e는 적색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.7D exemplarily shows a traveling direction of red light incident to the red light converging region, and FIG. 7E exemplarily shows an array of the red light converging region.
적색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 7d 와 같이 적색 화소(113)로 집광되며, 적색 화소(113)에는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서 오는 적색광이 입사한다. 앞서 도 7a 및 도 7b에서 설명한 적색광의 위상 분포는 적색 화소 대응 영역(133)과 꼭지점을 맞대고 인접한 4개의 청색 화소 대응 영역(133)의 중심을 연결하여 만든 적색광 집광 영역(RL)를 통과한 적색광을 적색 화소(113)에 집광한다. 따라서, 도 7e에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 적색 화소에 적색광을 집광하는 적색광 집광 영역(RL) 어레이로 동작할 수 있다. 적색광 집광 영역(RL)은 대응하는 적색 화소(113)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.5 내지 4배 클 수 있다. 적색광 집광 영역(RL)은 일부 영역이 제1 녹색광 집광 영역(GL1), 청색광 집광 영역(BL), 및 후술하는 제2 녹색광 집광 영역(GL2, 도 7f 참조)과 중첩될 수 있다.The red light is focused to the
도 7f 및 도 7g를 참조하면, 제2 녹색 화소 대응 영역(134) 주변으로 입사한 녹색광은 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 주변으로 입사한 녹색광에 대해 설명한 것과 유사하게 진행하며, 도 7f에 도시한 것과 같이 제2 녹색 화소(114)로 집광된다. 제2 녹색 화소(114)에는 제2 녹색 화소 대응 영역(134) 외에도 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에서 오는 녹색광이 입사한다. 즉, 도 7a 및 도 7c에서 설명한 녹색광의 위상 분포는 제2 녹색 화소 대응 영역(134)과 한 변을 맞대고 인접한 2개의 청색 화소 대응 영역(132)과 2개의 적색 화소 대응 영역(133)의 중심을 연결한 제2 녹색광 집광 영역(GL2)을 통과한 녹색광을 제2 녹색 화소(114)에 집광한다. 따라서, 도 7g에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 제2 녹색 화소(114)에 녹색광을 집광하는 제2 녹색광 집광 영역(GL2) 어레이로 동작할 수 있다. 제2 녹색광 집광 영역(GL2)은 대응하는 제2 녹색 화소(114)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.2배 내지 2배 클 수 있다.7F and 7G , the green light incident around the second green
도 8a 내지 도 8h는 도 4a의 화소 어레이(1100)의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 8A to 8H are diagrams for explaining a method of manufacturing the
먼저, 도 8a과 같이, 센서 기판(110) 상부에 스페이서(120)층을 형성한다. 스페이서층(120)은 예를 들면, SiO2 층일 수 있고, 다양한 물리 또는 화학적 형성 방법, 예를 들면, 열 산화(thermal oxidation) 방법으로 형성할 수 있다.First, as shown in FIG. 8A , a
다음으로 도 8b와 같이, 스페이서층(120) 상부에 제1 에칭 방지층(140a) 을 형성한다. 제1 에칭 방지층(140a)은 제1 유전체층(DL1)을 선택적으로 에칭할 수 있는 물질, 다시말하면, 제1 유전체층(DL1)의 에칭에 사용하는 물질로는 에칭되지 않는 물질, 예를 들면, HfO2로 이루어진 층일 수 있다. HfO2층은 물리 또는 화학적 형성 방법, 예컨대, PVD, CVD, PE-CVD, ALD 등으로 형성할 수 있다.Next, as shown in FIG. 8B , a first
다음으로 도 8c와 같이, 제1 에칭 방지층(140a) 상부에 제1 유전체층(DL1)을 형성한다. 제1 유전체층(DL1)은 SiO2 층일 수 있다.Next, as shown in FIG. 8C , a first dielectric layer DL1 is formed on the first
다음으로 도 8d와 같이, 포토 공정을 통해 제1 유전체층(DL1)에 음각의 제1 패턴(DL1a)을 형성한다. 제1 유전체층(DL1) 상부에 포토 레지스트를 형성하고, 노광 공정을 통해 포토 레지스트를 패터닝한 다음, 노출된 제1 유전체층(DL1)을 에칭 공정, 예를 들면, 플로린 기반의 반응성 이온 에칭 공정을 통해 제거하여 제1 패턴(DL1a)을 형성할 수 있다. 제1 유전체층(DL1) 에칭 공정시, 제1 에칭 방지층(140a)이 스페이서층(120)이 손상되는 것을 방지할 수 있다.Next, as shown in FIG. 8D , an engraved first pattern DL1a is formed on the first dielectric layer DL1 through a photo process. A photoresist is formed on the first dielectric layer DL1, the photoresist is patterned through an exposure process, and then the exposed first dielectric layer DL1 is etched through an etching process, for example, a Florin-based reactive ion etching process. It may be removed to form the first pattern DL1a. During the etching process of the first dielectric layer DL1 , the first
다음으로 도 8e와 같이, 제1 유전체층(DL1)에 나노포스트(NPa)를 형성한다. 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition) 등을 이용하여 TiO2 등 제1 유전체층(DL1)을 이루는 물질과 굴절률이 다른 물질을 제1 패턴(DL1a)에 충전하여, 나노포스트(NPa)를 형성할 수 있으며, 제1 유전체층(DL1) 상부에 증착된 물질은 증착 이후 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 통해 제거하여 제1 렌즈층(130a)을 형성할 수 있다. Next, as shown in FIG. 8E , nanoposts NPa are formed on the first dielectric layer DL1. Nanoposts NPa can be formed by filling the first pattern DL1a with a material having a refractive index different from that of the material constituting the first dielectric layer DL1, such as TiO2, using atomic layer deposition, etc. The material deposited on the first dielectric layer DL1 may be removed through a chemical mechanical polishing (CMP) process after deposition to form the
이후, 제1 렌즈층(130a)과 유사한 공정을 통해 제2 렌즈층(130b)을 형성할 수 있다. 도 8f과 같이, 제1 렌즈층(130a) 상부에 제2 에칭 방지층(140b)을 형성하고, 도 8g와 같이, 제2 에칭 방지층(140b) 상부에 제2 유전체층(DL2)을 형성하고, 제2 유전체층(DL2)을 패터닝하여 제2 패턴(DL2a)을 형성한 후, 도 8h와 같이, 제2 유전체층(DL2)에 나노포스트(NPb)를 형성하여 제2 렌즈층(130b)을 형성할 수 있다.Thereafter, the
도 9a 및 도 9b는 에칭 방지층의 두께가 변할 때 센서 기판으로 입사하는 광의 스펙트럼의 변화를 보여주는 도면이다.9A and 9B are diagrams illustrating a change in the spectrum of light incident on a sensor substrate when the thickness of the etching prevention layer is changed.
도 9a는 제1 및 제2 에칭 방지층(140a, 140b)이 없는 경우와 10 nm 두께의 제1 및 제2 에칭 방지층(140a, 140b)이 있는 경우의 센서 기판(110)이 감지한 광의 스펙트럼 차이를 보여준다. 도 9a에서 제1 스펙트럼(S1)은 제1 및 제2 에칭 방지층(140a, 140b)이 없는 경우 녹색 화소(G)에 해당하는 제1 및 제4 광감지셀(111, 114)에서 감지한 광의 스펙트럼을 보여준다. 즉, 제1 스펙트럼(S1)은 화소 어레이(1100)로 입사하는 빛이 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 분기되어 녹색 화소(111, 114)에서 감지된 광의 스펙트럼을 보여주고, 녹색광에 해당하는 490 nm 내지 580 nm 파장 대역이 가장 많다. 도 9a에서 제2 스펙트럼(S2)은 청색 화소(112)에서 감지한 광의 스펙트럼을 보여주고, 청색광에 해당하는 420 nm 내지 475 nm 파장 대역이 가장 많다. 도 9a에 제3 스펙트럼(S3)은 적색 화소(113)에서 감지한 광의 스펙트럼을 보여주고, 적색광에 해당하는 590 nm 내지 680 nm 파장 대역이 가장 많다.9A is a spectral difference of light sensed by the
QE(Quantum Efficiency)는 양자 효율을 말하며, 화소 어레이(1100)로 입사하는 광자가 광전 변환 소자에 의해 전자로 변환되는 정도를 나타내고, 예를 들어, 입사하는 광자의 80%가 전자로 변환될 때의 QE가 0.8이고, 입사하는 광자가 100% 전자로 변환되었을 때의 QE를 1이라고 할 수 있다. 일반적인 화소 어레이에서는 QE가 1 이상이 되지 않으나, 도 4a 및 도 4b의 화소 어레이는 색분리 렌즈 어레이(130)를 포함하기 때문에, QE가 1 이상이 될 수 있다. 예를 들어, 500 nm 파장에 대해 청색 화소(112)의 QE가 2라는 것은 청색 화소(112)를 향해 진행하는 500 nm 파장 광의 광자가 100개 일 때, 청색 화소(112)에서는 광자 200개에 해당하는 전자가 발생한는 것을 의미한다. 도 4a 및 도 4b의 화소 어레이(1100)에서는 청색 화소(112)를 향해 진행하는 500 nm 파장 광의 광자뿐만 아니라, 제1 및 제2 녹색 화소 및 적색 화소(111, 113, 114)를 향해 진행하던 500 nm 파장 광의 광자까지 청색 화소(112)로 입사하기 때문에, QE가 1 이상이 될 수 있다. 다시 말하면, 청색 화소(112)로 입사하는 500 nm 파장 광의 광자의 양은 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과하기 전에 청색 화소(112)를 향해 진행하는 500 nm 파장 광의 광자보다 많아질 수 있으므로, 500 nm 파장 광에 대한 청색 화소(112)의 QE가 1 이상이 될 수 있다.QE (Quantum Efficiency) refers to quantum efficiency, and represents the degree to which photons incident on the
도 9a에 점선으로 표시된 보정된 제1' 내지 제3' 스펙트럼(S1', S2' , S3')은 10 nm 두께의 제1 및 제2 에칭 방지층(140a, 140b)이 있는 경우 센서 기판(110)이 감지한 광의 스펙트럼이며, 제1 내지 제3 스펙트럼(S1, S2, S3)이 10 nm 두께의 제1 및 제2 에칭 방지층(140a, 140b)에 의해 어떻게 변화하는지 볼 수 있다. 도 9a를 참조하면, 10 nm의 제1 및 제2 에칭 방지층(140a, 140b)에 의한 광의 흡수, 반사, 또는 산란에 의해 QE가 감소하며, 제1' 내지 제3' 스펙트럼(S1', S2', S3') 중 피크에서의 QE 감소율이 가장 큰 제2' 스펙트럼(S2')은 440 nm 파장에서 제2 스펙트럼(S2)에 비해 QE가 3.2% 감소되었다.The corrected 1' to 3' spectra S1', S2', and S3' indicated by dotted lines in FIG. 9A are the
도 9b에 1점 쇄선으로 표시된 제1" 내지 제3" 스펙트럼(S1", S2", S3")은 제1 내지 제3 스펙트럼(S1, S2, S3)이 15 nm 두께의 제1 및 제2 에칭 방지층(140a, 140b)에 의해 변화된 형태를 도시한다. 피크에서의 QE 감소율이 가장 큰 제2" 스펙트럼(S2")은 440 nm 파장에서 제2 스펙트럼(S2)에 비해 QE가 6.8% 감소되었다.The first "to third" spectra (S1", S2", S3") indicated by the dashed-dotted line in FIG. 9B are the first to third spectra S1, S2, and S3 having a 15 nm-thick first and second It shows the shape changed by the
도 9a 및 도 9b는 에칭 방지층의 두께가 커질수록 센서 기판의 QE가 낮아져 광 이용 효율이 저감됨을 보여준다. 다만, 에칭 방지층의 두께가 2 nm 이하인 경우에는 에칭 방지 기능이 저하될 수 있으므로, 에칭 방지층은 3 nm 내지 30 nm, 또는 5 nm 내지 15 nm 두께로 형성할 수 있다.9A and 9B show that as the thickness of the etch stop layer increases, the QE of the sensor substrate decreases, thereby reducing the light utilization efficiency. However, when the thickness of the anti-etching layer is 2 nm or less, the anti-etching function may be deteriorated. Therefore, the anti-etching layer may be formed to have a thickness of 3 nm to 30 nm, or 5 nm to 15 nm.
도 10a 및 도 10b는 색분리 렌즈 어레이 상부에 반사 방지층을 더 포함하는 화소 어레이의 단면도이다.10A and 10B are cross-sectional views of a pixel array further including an anti-reflection layer on the color separation lens array.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 반사 방지층(150)은 색분리 렌즈 어레이(130) 상부에 형성되어, 입사광 중 색분리 렌즈 어레이(130)의 상부 표면에서 반사되는 광을 줄여 화소 어레이(1100a)의 광 이용 효율을 개선할 수 있다. 다시 말하면, 반사 방지층(150)은 외부에서 화소 어레이(1100a)로 입사하는 광이 색분리 렌즈 어레이(130)의 상부 표면에서 반사되지 않고 투과하여 센서 기판(110)에서 감지될 수 있도록 돕는다.Referring to FIGS. 10A and 10B , the
반사 방지층(150)은 하나 또는 복수의 층이 적층된 구조일 수 있으며, 도 10a와 같이, 나노포스트(NPa, NPb )를 이루는 물질과 굴절률이 다른 물질, 예를 들면, SiO2로 이루어진 1개 층일 수 있다. 반사 방지층(150)은 80 nm 내지 120 nm 두께로 형성될 수 있다. 또한, 반사 방지층(150)은 도 10b와 같이, 상하로 적층된 제1 및 제2 반사 방지층(150a, 150b)을 포함할 수 있다. 제1 반사 방지층(150a)은 예를 들면, SiO2층일 수 있으며, 80 nm 내지 120 nm 두께로 형성될 수 있다. 제2 반사 방지층(150b)은 예를 들면 Si3N4층일 수 있으며, 20 nm 내지 60 nm로 형성될 수 있다.The
도 11a 및 도 11b는 반사 방지층에 의해 센서 기판으로 입사하는 광의 스펙트럼의 변화를 설명하기 위한 도면이다.11A and 11B are diagrams for explaining a change in the spectrum of light incident to the sensor substrate by the antireflection layer.
도 11a는 도 9a의 보정된 스펙트럼(S1', S2', S3')이 도 10a와 같이 100nm 두께로 형성된 1개의 SiO2 반사 방지층(150)에 의한 변화된 제1a 내지 제3a 스펙트럼(S1a, S2a, S3a)을 도시한다. 도 11a를 참조하면, 변화된 제1a 내지 제3a 스펙트럼(S1a, S2a, S3a)들 중 제2a 스펙트럼(S2a)이 피크에서의 QE 증가율이 가장 크고, 예를 들면, 440 nm 파장에서 제2 스펙트럼(S2')에 비해 QE가 0.86% 증가되었다.FIG. 11a shows the corrected spectra S1', S2', and S3' of FIG. 9a are changed by one SiO 2 anti-reflection layer 150 formed to a thickness of 100 nm as in FIG. 10a 1a to 3a spectrum S1a, S2a , S3a) is shown. Referring to Figure 11a, the second spectrum (S2a) of the changed 1a to 3a spectrum (S1a, S2a, S3a) has the highest QE increase rate at the peak, for example, the second spectrum at a wavelength of 440 nm ( Compared to S2'), QE was increased by 0.86%.
도 11b는 도 9a의 보정된 스펙트럼(S1', S2', S3')이 도 10b와 같이 100nm 두께의 SiO2로 형성된 제1 반사 방지층(150a) 및 40 nm 두께의 Si3N4로 형성된 제2 반사 방지층(150b)에 의해 변화된 스펙트럼(S1b, S2b, S3b)을 도시한다. 도 11b를 참조하면, 변화된 스펙트럼(S1b, S2b, S3b)들 중 제2b 스펙트럼(S2b)이 피크에서의 QE 증가율이 가장 크고, 예를 들면, 440 nm 파장에서 제2 스펙트럼(S2')에 비해 QE가 2.37% 증가되었다.FIG. 11b shows the corrected spectra S1', S2', and S3' of FIG. 9a as in FIG. 10b, a
도 11a 및 도 11b는 반사 방치층을 적용하면 화소 어레이의 광 이용 효율이 개선될 수 있음을 보여준다.11A and 11B show that the light utilization efficiency of the pixel array can be improved by applying the reflection leaving layer.
앞서 설명한 화소 어레이(1100)를 포함하는 이미지센서(1000)는 컬러 필터, 예를 들면, 유기 컬러 필터에 의한 광 손실이 거의 없기 때문에 화소의 크기가 작아지더라도 화소에 충분한 양의 빛을 제공할 수 있다. 따라서 수 억개 이상의 화소를 갖는 초고해상도 초소형 고감도 이미지센서의 제작이 가능하다. 이러한 초고해상도 초소형 고감도 이미지센서는 다양한 고성능 광학 장치 또는 고성능 전자 장치에 채용될 수 있다. 이러한 전자 장치는, 예컨대, 스마트 폰(smart phone), 휴대폰, 핸드폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 휴대용 기기, 가전 제품, 보안 카메라, 의료용 카메라, 자동차, 사물인터넷(IoT;Internet of Things) 기기, 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 일 수 있고, 이에 제한되지 않는다.Since the
전자 장치는 이미지센서(1000) 외에도, 이미지센서를 제어하는 프로세서, 예를 들면, 어플리케이션 프로세서(AP: Application Processor)를 더 포함할 수 있으며, 프로세서를 통해 운영 체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 다수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 프로세서는 GPU (Graphic Processing Unit) 및/또는 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor)를 더 포함할 수 있다. 프로세서에 이미지 신호 프로세서가 포함되는 경우, 이미지센서에 의해 획득된 이미지(또는 영상)를 프로세서를 이용하여 저장 및/또는 출력할 수 있다.In addition to the
도 12는 이미지센서(1000)를 포함하는 전자 장치(1201)의 일 예를 나타내는 블럭도이다. 도 12를 참조하면, 네트워크 환경(1200)에서 전자 장치(1201)는 제1 네트워크(1298)(근거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 다른 전자 장치(1202)와 통신하거나, 또는 제2 네트워크(1299)(원거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 또 다른 전자 장치(1204) 및/또는 서버(1208)와 통신할 수 있다. 전자 장치(1201)는 서버(1208)를 통하여 전자 장치(1204)와 통신할 수 있다. 전자 장치(1201)는 프로세서(1220), 메모리(1230), 입력 장치(1250), 음향 출력 장치(1255), 표시 장치(1260), 오디오 모듈(1270), 센서 모듈(1276), 인터페이스(1277), 햅틱 모듈(1279), 카메라 모듈(1280), 전력 관리 모듈(1288), 배터리(1289), 통신 모듈(1290), 가입자 식별 모듈(1296), 및/또는 안테나 모듈(1297)을 포함할 수 있다. 전자 장치(1201)에는, 이 구성요소들 중 일부(표시 장치(1260) 등)가 생략되거나, 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 이 구성요소들 중 일부는 하나의 통합된 회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 센서 모듈(1276)(지문 센서, 홍채 센서, 조도 센서 등)은 표시 장치(1260)(디스플레이 등)에 임베디드되어 구현될 수 있다.12 is a block diagram illustrating an example of an electronic device 1201 including an
프로세서(1220)는, 소프트웨어(프로그램(1240) 등)를 실행하여 프로세서(1220)에 연결된 전자 장치(1201) 중 하나 또는 복수개의 다른 구성요소들(하드웨어, 소프트웨어 구성요소 등)을 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 데이터 처리 또는 연산의 일부로, 프로세서(1220)는 다른 구성요소(센서 모듈(1276), 통신 모듈(1290) 등)로부터 수신된 명령 및/또는 데이터를 휘발성 메모리(1232)에 로드하고, 휘발성 메모리(1232)에 저장된 명령 및/또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(1234)에 저장할 수 있다. 프로세서(1220)는 메인 프로세서(1221)(중앙 처리 장치, 어플리케이션 프로세서 등) 및 이와 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(1223)(그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)를 포함할 수 있다. 보조 프로세서(1223)는 메인 프로세서(1221)보다 전력을 작게 사용하고, 특화된 기능을 수행할 수 있다. The
보조 프로세서(1223)는, 메인 프로세서(1221)가 인액티브 상태(슬립 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(1221)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(1221)가 액티브 상태(어플리케이션 실행 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(1221)와 함께, 전자 장치(1201)의 구성요소들 중 일부 구성요소(표시 장치(1260), 센서 모듈(1276), 통신 모듈(1290) 등)와 관련된 기능 및/또는 상태를 제어할 수 있다. 보조 프로세서(1223)(이미지 시그널 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(카메라 모듈(1280), 통신 모듈(1290) 등)의 일부로서 구현될 수도 있다. The
메모리(1230)는, 전자 장치(1201)의 구성요소(프로세서(1220), 센서모듈(1276) 등)가 필요로 하는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(프로그램(1240) 등) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(1230)는, 휘발성 메모리(1232) 및/또는 비휘발성 메모리(1234)를 포함할 수 있다. 비휘발성 메모리(1234)는 전자 장치(1201) 내에 고정 장착된 내장 메모리(1236)과 탈착 가능한 외장 메모리(1238)를 포함할 수 있다 .The
프로그램(1240)은 메모리(1230)에 소프트웨어로 저장될 수 있으며, 운영 체제(1242), 미들 웨어(1244 ) 및/또는 어플리케이션(1246)을 포함할 수 있다. The
입력 장치(1250)는, 전자 장치(1201)의 구성요소(프로세서(1220) 등)에 사용될 명령 및/또는 데이터를 전자 장치(1201)의 외부(사용자 등)로부터 수신할 수 있다. 입력 장치(1250)는, 마이크, 마우스, 키보드, 및/또는 디지털 펜(스타일러스 펜 등)을 포함할 수 있다. The
음향 출력 장치(1255)는 음향 신호를 전자 장치(1201)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 장치(1255)는, 스피커 및/또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있고, 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 리시버는 스피커의 일부로 결합되어 있거나 또는 독립된 별도의 장치로 구현될 수 있다.The
표시 장치(1260)는 전자 장치(1201)의 외부로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 표시 장치(1260)는, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 표시 장치(1260)는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(Touch Circuitry), 및/또는 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로(압력 센서 등)를 포함할 수 있다. The
오디오 모듈(1270)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 오디오 모듈(1270)은, 입력 장치(1250)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(1255), 및/또는 전자 장치(1201)와 직접 또는 무선으로 연결된 다른 전자 장치(전자 장치(1202) 등)의 스피커 및/또는 헤드폰을 통해 소리를 출력할 수 있다.The
센서 모듈(1276)은 전자 장치(1201)의 작동 상태(전력, 온도 등), 또는 외부의 환경 상태(사용자 상태 등)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 및/또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 센서 모듈(1276)은, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(Infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 및/또는 조도 센서를 포함할 수 있다. The
인터페이스(1277)는 전자 장치(1201)가 다른 전자 장치(전자 장치(1202) 등)와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 또는 복수의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 인터페이스(1277)는, HDMI(High Definition Multimedia Interface), USB(Universal Serial Bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.The
연결 단자(1278)는, 전자 장치(1201)가 다른 전자 장치(전자 장치(1202) 등)와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 연결 단자(1278)는, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 및/또는 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터 등)를 포함할 수 있The
햅틱 모듈(1279)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(진동, 움직임 등) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 햅틱 모듈(1279)은, 모터, 압전 소자, 및/또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.The
카메라 모듈(1280)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 카메라 모듈(1280)은 하나 또는 복수의 렌즈들을 포함하는 렌즈 어셈블리, 도 1의 이미지센서(1000), 이미지 시그널 프로세서들, 및/또는 플래시들을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(1280)에 포함된 렌즈 어셈블리는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다.The
전력 관리 모듈(1288)은 전자 장치(1201)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 전력 관리 모듈(1288)은, PMIC(Power Management Integrated Circuit)의 일부로서 구현될 수 있다.The
배터리(1289)는 전자 장치(1201)의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(1289)는, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 및/또는 연료 전지를 포함할 수 있다.The
통신 모듈(1290)은 전자 장치(1201)와 다른 전자 장치(전자 장치(1202), 전자 장치(1204), 서버(1208) 등)간의 직접(유선) 통신 채널 및/또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(1290)은 프로세서(1220)(어플리케이션 프로세서 등)와 독립적으로 운영되고, 직접 통신 및/또는 무선 통신을 지원하는 하나 또는 복수의 커뮤니케이션 프로세서들을 포함할 수 있다. 통신 모듈(1290)은 무선 통신 모듈(1292)(셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, GNSS(Global Navigation Satellite System 등) 통신 모듈) 및/또는 유선 통신 모듈(1294)(LAN(Local Area Network) 통신 모듈, 전력선 통신 모듈 등)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(1298)(블루투스, WiFi Direct 또는 IrDA(Infrared Data Association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(1299)(셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(LAN, WAN 등)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 다른 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성 요소(단일 칩 등)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성 요소들(복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(1292)은 가입자 식별 모듈(1296)에 저장된 가입자 정보(국제 모바일 가입자 식별자(IMSI) 등)를 이용하여 제1 네트워크(1298) 및/또는 제2 네트워크(1299)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(1201)를 확인 및 인증할 수 있다.
안테나 모듈(1297)은 신호 및/또는 전력을 외부(다른 전자 장치 등)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 안테나는 기판(PCB 등) 위에 형성된 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(1297)은 하나 또는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 복수의 안테나가 포함된 경우, 통신 모듈(1290)에 의해 복수의 안테나들 중에서 제1 네트워크(1298) 및/또는 제2 네트워크(1299)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 안테나가 선택될 수 있다. 선택된 안테나를 통하여 통신 모듈(1290)과 다른 전자 장치 간에 신호 및/또는 전력이 송신되거나 수신될 수 있다. 안테나 외에 다른 부품(RFIC 등)이 안테나 모듈(1297)의 일부로 포함될 수 있다.The
구성요소들 중 일부는 주변 기기들간 통신 방식(버스, GPIO(General Purpose Input and Output), SPI(Serial Peripheral Interface), MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 등)을 통해 서로 연결되고 신호(명령, 데이터 등)를 상호 교환할 수 있다.Some of the components are connected to each other through communication methods between peripheral devices (bus, GPIO (General Purpose Input and Output), SPI (Serial Peripheral Interface), MIPI (Mobile Industry Processor Interface), etc.) and signals (commands, data, etc.) ) are interchangeable.
명령 또는 데이터는 제2 네트워크(1299)에 연결된 서버(1208)를 통해서 전자 장치(1201)와 외부의 전자 장치(1204)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 다른 전자 장치들(1202, 1204)은 전자 장치(1201)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 전자 장치(1201)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 다른 전자 장치들(1202, 1204, 1208) 중 하나 또는 복수의 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(1201)가 어떤 기능이나 서비스를 수행해야 할 때, 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 일부 또는 전체를 수행하라고 요청할 수 있다. 요청을 수신한 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들은 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(1201)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 및/또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.The command or data may be transmitted or received between the electronic device 1201 and the external
도 13은, 도 12의 카메라 모듈(1280)을 예시하는 블럭도이다. 도 13을 참조하면, 카메라 모듈(1280)은 렌즈 어셈블리(1310), 플래시(1320), 이미지센서(1000)(도 1의 이미지센서(1000) 등), 이미지 스태빌라이저(1340), 메모리(1350)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(1360)를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(1310)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다. 카메라 모듈(1280)은 복수의 렌즈 어셈블리(1310)들을 포함할 수도 있으며, 이런 경우, 카메라 모듈(1280)은, 듀얼 카메라, 360도 카메라, 또는 구형 카메라(Spherical Camera)가 될 수 있다. 복수의 렌즈 어셈블리(1310)들 중 일부는 동일한 렌즈 속성(화각, 초점 거리, 자동 초점, F 넘버(F Number), 광학 줌 등)을 갖거나, 또는 다른 렌즈 속성들을 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(1310)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다. 13 is a block diagram illustrating the
플래시(1320)는 피사체로부터 방출 또는 반사되는 빛을 강화하기 위하여 사용되는 빛을 방출할 수 있다. 플래시(1320)는 하나 또는 복수의 발광 다이오드들(RGB(Red-Green-Blue) LED, White LED, Infrared LED, Ultraviolet LED 등), 및/또는 Xenon Lamp를 포함할 수 있다. 이미지센서(1000)는 도 1에서 설명한 이미지센서일 수 있으며, 피사체로부터 방출 또는 반사되어 렌즈 어셈블리(1310)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다. 이미지센서(1000)는, RGB 센서, BW(Black and White) 센서, IR 센서, 또는 UV 센서와 같이 속성이 다른 이미지센서들 중 선택된 하나 또는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 이미지센서(1000)에 포함된 각각의 센서들은, CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수 있다.The
이미지 스태빌라이저(1340)는 카메라 모듈(1280) 또는 이를 포함하는 전자 장치(1301)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(1310)에 포함된 하나 또는 복수개의 렌즈 또는 이미지센서(1000)를 특정한 방향으로 움직이거나 이미지센서(1000)의 동작 특성을 제어(리드 아웃(Read-Out) 타이밍의 조정 등)하여 움직임에 의한 부정적인 영향이 보상되도록 할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(1340)는 카메라 모듈(1280)의 내부 또는 외부에 배치된 자이로 센서(미도시) 또는 가속도 센서(미도시)를 이용하여 카메라 모듈(1280) 또는 전자 장치(1201)의 움직임을 감지할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(1340)는, 광학식으로 구현될 수도 있다. The
메모리(1350)는 이미지센서(1000)를 통하여 획득된 이미지의 일부 또는 전체 데이터가 다음 이미지 처리 작업을 위하여 저장할 수 있다. 예를 들어, 복수의 이미지들이 고속으로 획득되는 경우, 획득된 원본 데이터(Bayer-Patterned 데이터, 고해상도 데이터 등)는 메모리(1350)에 저장하고, 저해상도 이미지만을 디스플레이 해준 후, 선택된(사용자 선택 등) 이미지의 원본 데이터가 이미지 시그널 프로세서(1360)로 전달되도록 하는데 사용될 수 있다. 메모리(1350)는 전자 장치(1201)의 메모리(1230)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.The
이미지 시그널 프로세서(1360)는 이미지센서(1000)을 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(1350)에 저장된 이미지 데이터에 대하여 이미지 처리들을 수행할 수 있다. 이미지 처리들은, 깊이 지도(Depth Map) 생성, 3차원 모델링, 파노라마 생성, 특징점 추출, 이미지 합성, 및/또는 이미지 보상(노이즈 감소, 해상도 조정, 밝기 조정, 블러링(Blurring), 샤프닝(Sharpening), 소프트닝(Softening) 등)을 포함할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1360)는 카메라 모듈(1280)에 포함된 구성 요소들(이미지센서(1000) 등)에 대한 제어(노출 시간 제어, 또는 리드 아웃 타이밍 제어 등)를 수행할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1360)에 의해 처리된 이미지는 추가 처리를 위하여 메모리(1350)에 다시 저장 되거나 카메라 모듈(1280)의 외부 구성 요소(메모리(1230), 표시 장치(1260), 전자 장치(1202), 전자 장치(1204), 서버(1208) 등)로 제공될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1360)는 프로세서(1220)에 통합되거나, 프로세서(1220)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(1360)가 프로세서(1220)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(1360)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(1220)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(1260)를 통해 표시될 수 있다.The
전자 장치(1201)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 복수의 카메라 모듈(1280)들을 포함할 수 있다. 이런 경우, 복수의 카메라 모듈(1280)들 중 하나는 광각 카메라이고, 다른 하나는 망원 카메라일 수 있다. 유사하게, 복수의 카메라 모듈(1280)들 중 하나는 전면 카메라이고, 다른 하나는 후면 카메라일 수 있다.The electronic device 1201 may include a plurality of
실시예들에 따른 이미지센서(1000)는 도 14에 도시된 모바일폰 또는 스마트폰(1400), 도 15에 도시된 태블릿 또는 스마트 태블릿(1500), 도 16에 도시된 디지털 카메라 또는 캠코더(1600), 도 17에 도시된 노트북 컴퓨터(1700)에 또는 도 18에 도시된 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(1800) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰(1400) 또는 스마트 태블릿(1500)은 고해상 이미지센서가 각각 탑재된 복수의 고해상 카메라를 포함할 수 있다. 고해상 카메라들을 이용하여 영상 내 피사체들의 깊이 정보를 추출하거나, 영상의 아웃포커싱을 조절하거나, 영상 내 피사체들을 자동으로 식별할 수 있다.The
또한, 이미지센서(1000)는 도 19에 도시된 스마트 냉장고(1900), 도 20에 도시된 보안 카메라(2000), 도 21에 도시된 로봇(2100), 도 22에 도시된 의료용 카메라(2200) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트 냉장고(1900)는 이미지센서를 이용하여 냉장고 내에 있는 음식을 자동으로 인식하고, 특정 음식의 존재 여부, 입고 또는 출고된 음식의 종류 등을 스마트폰을 통해 사용자에게 알려줄 수 있다. 보안 카메라(2000)는 초고해상도 영상을 제공할 수 있으며 높은 감도를 이용하여 어두운 환경에서도 영상 내의 사물 또는 사람을 인식 가능하게 할 수 있다. 로봇(2100)은 사람이 직접 접근할 수 없는 재해 또는 산업 현장에서 투입되어 고해상도 영상을 제공할 수 있다. 의료용 카메라(2200)는 진단 또는 수술을 위한 고해상도 영상을 제공할 수 있으며 시야를 동적으로 조절할 수 있다.In addition, the
또한, 이미지센서(1000)는 도 23에 도시된 바와 같이 차량(2300)에 적용될 수 있다. 차량(2300)은 다양한 위치에 배치된 복수의 차량용 카메라(2310, 2320, 2330, 2340)를 포함할 수 있으며. 각각의 차량용 카메라(2310, 2320, 2330, 2340)는 실시예에 따른 이미지센서를 포함할 수 있다. 차량(2300)은 복수의 차량용 카메라(2310, 2320, 2330, 2340)를 이용하여 차량(2300) 내부 또는 주변에 대한 다양한 정보를 운전자에게 제공할 수 있으며, 영상 내의 사물 또는 사람을 자동으로 인식하여 자율 주행에 필요한 정보를 제공할 수 있다.Also, the
상술한 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지센서 및 이를 포함하는 전자 장치가 비록 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the image sensor having the above-described color separation lens array and the electronic device including the same have been described with reference to the embodiment shown in the drawings, this is only an example, and those of ordinary skill in the art can use various It will be understood that modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the disclosed embodiments are to be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of rights is indicated in the claims rather than the above description, and all differences within the scope of equivalents should be construed as being included in the scope of rights.
Claims (37)
상기 센서 기판 상부에 배치된 투명한 스페이서층; 및
상기 스페이서층 상부에 배치된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며,
상기 색분리 렌즈 어레이는,
상기 색분리 렌즈 어레이로 입사하는 제1 파장의 광을 상기 제1 광 감지셀로 집광하고,
상기 스페이서층 상부에 배치된 제1 렌즈층 , 상기 제1 렌즈층 상부에 배치된 제2 렌즈층 및 상기 제1 렌즈층과 상기 제2 렌즈층 사이 전면에 걸쳐 형성된 에칭 방지층을 포함하는,
이미지센서.a sensor substrate including a first pixel sensing light of a first wavelength and a second pixel sensing light of a second wavelength;
a transparent spacer layer disposed on the sensor substrate; and
and a color separation lens array disposed on the spacer layer;
The color separation lens array,
Condensing light of a first wavelength incident on the color separation lens array to the first light sensing cell,
A first lens layer disposed on the spacer layer, a second lens layer disposed on the first lens layer, and an etching prevention layer formed over the entire surface between the first lens layer and the second lens layer,
image sensor.
상기 에칭 방지층의 두께는 3 nm 내지 30 nm 인,
이미지센서.According to claim 1,
The thickness of the anti-etching layer is 3 nm to 30 nm,
image sensor.
상기 에칭 방지층의 두께는 5 nm 내지 15nm 인,
이미지센서.According to claim 1,
The thickness of the anti-etching layer is 5 nm to 15 nm,
image sensor.
상기 에칭 방지층은 HfO2인,
이미지센서.According to claim 1,
The anti-etching layer is HfO 2 ,
image sensor.
상기 색분리 렌즈 어레이 상부에 배치된 반사 방지층을 더 포함하는,
이미지센서.According to claim 1,
Further comprising an anti-reflection layer disposed on the color separation lens array,
image sensor.
상기 반사 방지층은 SiO2층인,
이미지센서.6. The method of claim 5,
The anti-reflection layer is a SiO 2 layer,
image sensor.
상기 반사 방지층의 두께는 80 nm 내지 120 nm인,
이미지센서.6. The method of claim 5,
The thickness of the anti-reflection layer is 80 nm to 120 nm,
image sensor.
상기 반사 방지층은 제1 물질로 이루어진 제1 반사 방지층 및 상기 제1 물질과 다른 제2 물질로 이루어지고 상기 제1 반사 방지층 하부에 배치된 제2 반사 방지층을 포함하는,
이미지센서.6. The method of claim 5,
The anti-reflection layer includes a first anti-reflection layer made of a first material and a second anti-reflection layer made of a second material different from the first material and disposed under the first anti-reflection layer,
image sensor.
상기 제1 물질은 SiO2이고, 상기 제2 물질은 Si3N4인,
이미지센서.9. The method of claim 8,
The first material is SiO 2 and the second material is Si 3 N 4 ,
image sensor.
상기 제2 반사 방지층의 두께는 20 nm 내지 60 nm인,
이미지센서.9. The method of claim 8,
The thickness of the second anti-reflection layer is 20 nm to 60 nm,
image sensor.
상기 스페이서층과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 배치된 제2 에칭 방지층을 더 포함하는,
이미지센서.According to claim 1,
Further comprising a second etch stop layer disposed between the spacer layer and the color separation lens array,
image sensor.
상기 제1 렌즈층 및 상기 제2 렌즈층은, 제1 굴절률을 가지는 고굴절 물질과 상기 고굴절 물질 사이에 충전된 제2 굴절률을 가지는 저굴절 물질을 포함하는,
이미지센서.According to claim 1,
The first lens layer and the second lens layer include a high refractive material having a first refractive index and a low refractive material having a second refractive index filled between the high refractive material,
image sensor.
상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 제2 파장의 광을 상기 제2 광 감지셀로 집광하는
이미지센서.According to claim 1,
The color separation lens array condenses the light of the second wavelength to the second light sensing cell.
image sensor.
상기 스페이서층 상부에 제1 렌즈층을 형성하는 단계;
상기 제1 렌즈층 상부에 에칭 방지층을 형성하는 단계;
상기 에칭 방지층 상부에 유전체 층을 형성하는 단계;
상기 유전체 층에 음각 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 음각 패턴에 고굴절 물질을 충전하여 제2 렌즈층을 형성하는 단계;
를 포함하는,
이미지센서 제조 방법.forming a spacer layer on a sensor substrate including a first pixel sensing light of a first wavelength and a second pixel sensing light of a second wavelength;
forming a first lens layer on the spacer layer;
forming an etching prevention layer on the first lens layer;
forming a dielectric layer over the etch stop layer;
forming an intaglio pattern on the dielectric layer; and
forming a second lens layer by filling the engraved pattern with a high refractive material;
containing,
Image sensor manufacturing method.
상기 에칭 방지층의 두께는 3 nm 내지 30 nm 인,
이미지센서 제조 방법.15. The method of claim 14,
The thickness of the anti-etching layer is 3 nm to 30 nm,
Image sensor manufacturing method.
상기 에칭 방지층의 두께는 5 nm 내지 15nm 인,
이미지센서 제조 방법.15. The method of claim 14,
The thickness of the anti-etching layer is 5 nm to 15 nm,
Image sensor manufacturing method.
상기 에칭 방지층은 HfO2인,
이미지센서 제조 방법.15. The method of claim 14,
The anti-etching layer is HfO 2 ,
Image sensor manufacturing method.
상기 제1 렌즈층을 형성하는 단계는,
상기 센서 기판 상부에 스페이서층을 형성하는 단계 이후에,
상기 스페이서층 상부에 제1 에칭 방지층을 형성하는 단계;
상기 제1 에칭 방지층 상부에 제1 유전체 층을 형성하는 단계;
상기 제1 유전체 층에 제1 음각 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 제1 음각 패턴에 고굴절 물질을 충전하는 단계;
를포함하는,
이미지센서 제조 방법.15. The method of claim 14,
The step of forming the first lens layer,
After forming a spacer layer on the sensor substrate,
forming a first etch stop layer on the spacer layer;
forming a first dielectric layer over the first etch stop layer;
forming a first engraved pattern on the first dielectric layer; and
filling the first engraved pattern with a high refractive material;
including,
Image sensor manufacturing method.
상기 제2 색분리 층 상부에 반사 방지층을 형성하는 단계를 더 포함하는,
이미지센서 제조 방법.15. The method of claim 14,
Further comprising the step of forming an anti-reflection layer on the second color separation layer,
Image sensor manufacturing method.
상기 반사 방지층은 SiO2층인,
이미지센서 제조 방법.20. The method of claim 19,
The anti-reflection layer is a SiO 2 layer,
Image sensor manufacturing method.
상기 반사 방지층은 80 nm 내지 120 nm인,
이미지센서 제조 방법.20. The method of claim 19,
The anti-reflection layer is 80 nm to 120 nm,
Image sensor manufacturing method.
상기 반사 방지층을 형성하는 단계는 제1 반사 방지층을 형성하고, 상기 제1 반사 방지층 상부에 제2 반사 방지층을 형성하는 단계인,
이미지센서 제조 방법.20. The method of claim 19,
The step of forming the antireflection layer is a step of forming a first antireflection layer, and forming a second antireflection layer on the first antireflection layer,
Image sensor manufacturing method.
상기 제1 반사 방지층은 SiO2로 이루어지고, 상기 제2 반사 방지층은 Si3N4으로 이루어진,
이미지센서 제조 방법.23. The method of claim 22,
The first anti-reflection layer is made of SiO 2 , the second anti-reflection layer is made of Si 3 N 4 ,
Image sensor manufacturing method.
상기 제1 반사 방지층의 두께는 80 nm 내지 120 nm이고, 상기 제2 반사 방지층의 두께는 20 nm 내지 60 nm인,
이미지센서 제조 방법.23. The method of claim 22,
The thickness of the first anti-reflection layer is 80 nm to 120 nm, and the thickness of the second anti-reflection layer is 20 nm to 60 nm,
Image sensor manufacturing method.
상기 이미지센서의 동작을 제어하고, 상기 이미지센서에서 생성한 신호를 저장 및 출력하는 프로세서를 포함하고,
상기 이미지 센서는,
제1 파장 광을 감지하는 제1 화소와 제2 파장 광을 감지하기 위한 제2 화소를 포함하는 센서 기판;
상기 센서 기판 상부에 배치된 투명한 스페이서층; 및
상기 스페이서층 상부에 배치된 색분리 렌즈 어레이;를 포함하며,
상기 색분리 렌즈 어레이는,
상기 색분리 렌즈 어레이로 입사하는 제1 파장의 광을 상기 제1 광 감지셀로 집광하고,
상기 스페이서층 상부에 배치된 제1 렌즈층, 상기 제1 렌즈층 상부에 배치된 제2 렌즈층 및 상기 제1 렌즈층과 상기 제2 렌즈층 사이 전면에 걸쳐 형성된 에칭 방지층을 포함하는,
전자 장치.an image sensor that converts an optical image into an electrical signal; and
A processor for controlling the operation of the image sensor and storing and outputting a signal generated by the image sensor,
The image sensor is
a sensor substrate including a first pixel sensing light of a first wavelength and a second pixel sensing light of a second wavelength;
a transparent spacer layer disposed on the sensor substrate; and
and a color separation lens array disposed on the spacer layer;
The color separation lens array,
Condensing light of a first wavelength incident on the color separation lens array to the first light sensing cell,
A first lens layer disposed on the spacer layer, a second lens layer disposed on the first lens layer, and an etching prevention layer formed over the entire surface between the first lens layer and the second lens layer,
electronic device.
상기 에칭 방지층의 두께는 3 nm 내지 30 nm 인,
전자 장치.26. The method of claim 25,
The thickness of the anti-etching layer is 3 nm to 30 nm,
electronic device.
상기 에칭 방지층의 두께는 5 nm 내지 15nm 인,
전자 장치.26. The method of claim 25,
The thickness of the anti-etching layer is 5 nm to 15 nm,
electronic device.
상기 에칭 방지층은 HfO2인,
전자 장치.26. The method of claim 25,
The anti-etching layer is HfO 2 ,
electronic device.
상기 색분리 렌즈 어레이 상부에 배치된 반사 방지층을 더 포함하는,
전자 장치.26. The method of claim 25,
Further comprising an anti-reflection layer disposed on the color separation lens array,
electronic device.
상기 반사 방지층은 SiO2층인,
전자 장치.30. The method of claim 29,
The anti-reflection layer is a SiO 2 layer,
electronic device.
상기 반사 방지층의 두께는 80 nm 내지 120 nm인,
전자 장치.30. The method of claim 29,
The thickness of the anti-reflection layer is 80 nm to 120 nm,
electronic device.
상기 반사 방지층은 제1 물질로 이루어진 제1 반사 방지층 및 상기 제1 물질과 다른 제2 물질로 이루어지고 상기 제1 반사 방지층 하부에 배치된 제2 반사 방지층을 포함하는,
전자 장치.30. The method of claim 29,
The anti-reflection layer includes a first anti-reflection layer made of a first material and a second anti-reflection layer made of a second material different from the first material and disposed under the first anti-reflection layer,
electronic device.
상기 제1 물질은 SiO2이고, 상기 제2 물질은 Si3N4인,
전자 장치.33. The method of claim 32,
The first material is SiO 2 and the second material is Si 3 N 4 ,
electronic device.
상기 제2 반사 방지층의 두께는 20 nm 내지 60 nm인,
전자 장치.33. The method of claim 32,
The thickness of the second anti-reflection layer is 20 nm to 60 nm,
electronic device.
상기 스페이서층과 상기 색분리 렌즈 어레이 사이에 배치된 제2 에칭 방지층을 더 포함하는,
전자 장치.26. The method of claim 25,
Further comprising a second etch stop layer disposed between the spacer layer and the color separation lens array,
electronic device.
상기 제1 렌즈층 및 상기 제2 렌즈층은, 제1 굴절률을 가지는 고굴절 물질과 상기 고굴절 물질 사이에 충전된 제2 굴절률을 가지는 저굴절 물질을 포함하는,
전자 장치.26. The method of claim 25,
The first lens layer and the second lens layer include a high refractive material having a first refractive index and a low refractive material having a second refractive index filled between the high refractive material,
electronic device.
상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 제2 파장의 광을 상기 제2 광 감지셀로 집광하는
전자 장치. 26. The method of claim 25,
The color separation lens array condenses the light of the second wavelength to the second light sensing cell.
electronic device.
Priority Applications (5)
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|---|---|---|---|
| CN202111224244.4A CN114449193A (en) | 2020-10-30 | 2021-10-20 | Image sensor including color separation lens array and electronic device including the same |
| JP2021175270A JP2022074062A (en) | 2020-10-30 | 2021-10-27 | Image sensor, manufacturing method for image sensor, and electronic device including image sensor |
| EP21205263.3A EP3993045B1 (en) | 2020-10-30 | 2021-10-28 | Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor |
| US17/514,780 US20220137267A1 (en) | 2020-10-30 | 2021-10-29 | Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor |
| US18/135,585 US20230251403A1 (en) | 2020-10-30 | 2023-04-17 | Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the image sensor |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200143875 | 2020-10-30 | ||
| KR20200143875 | 2020-10-30 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20220058388A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4325572A3 (en) * | 2022-08-18 | 2024-02-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensor including patterned antireflection layer and electronic apparatus including the same |
-
2021
- 2021-06-25 KR KR1020210083125A patent/KR20220058388A/en unknown
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4325572A3 (en) * | 2022-08-18 | 2024-02-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image sensor including patterned antireflection layer and electronic apparatus including the same |
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