KR20010061586A - Method for fabricating microlens in image sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이미지센서(image sensor)에 관한 것으로, 특히 마이크로렌즈(microlens)를 갖는 고집적 이미지센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image sensor, and more particularly to a highly integrated image sensor having microlens.
CMOS 이미지센서는 빛을 감지하는 광감지 부분과 감지된 빛을 전기적 신호로 처리하여 데이타화 하는 로직회로 부분으로 구성 되어있다. 광감도를 높이기 위하여 전체 이미지센서 소자에서 광감지 부분의 면적이 차지하는 비율(Fill Factor)을 크게 하려는 노력이 진행되고 있지만, 근본적으로 로직회로 부분을 제거할 수 없기 때문에 제한된 면적하에서 이러한 노력에는 한계가 있다. 따라서 광감도를 높여주기 위하여 광감지 부분 이외의 영역으로 입사하는 빛의 경로를 바꿔서 광감지 부분으로 모아주는 집광기술이 등장하였는데, 이러한 집광을 위하여 이미지센서는 칼라필터 상에 마이크로 렌즈를 형성하는 방법을 사용하고 있다.CMOS image sensor is composed of light sensing part that detects light and logic circuit part that processes detected light into electrical signal and makes data. Efforts have been made to increase the fill factor of the area of the photo-sensing part in the overall image sensor device to increase the light sensitivity. However, this effort is limited under a limited area because the logic circuit part cannot be removed. . Therefore, a condensing technology that changes the path of light incident to the area other than the light sensing portion and collects the light sensing portion has been introduced to increase the light sensitivity. For this purpose, the image sensor uses a method of forming a microlens on the color filter. I use it.
도1은 종래의 마이크로 렌즈 형상 및 위치를 나타내는 이미지센서의 개략적인 단면도로서, 도1을 참조하면, 이미지센서는 기판 상에 R G B 수광소자(1)가 어레이되어 있으며, 칼라 이미지를 구현하기 위한 칼라필터(2), 및 집광을 위한 마이크로 렌즈(3)를 포함하고 있다.1 is a schematic cross-sectional view of an image sensor showing a shape and position of a conventional micro lens. Referring to FIG. 1, an image sensor includes an RGB light receiving element 1 arrayed on a substrate, and a color for implementing a color image. A filter 2 and a microlens 3 for condensing.
여기서, 마이크로 렌즈(6)는 각 소자의 구성 즉, 단위 화소의 크기와 위치, 모양, 그리고 수광소자의 깊이, 그리고 광차단막의 높이, 위치, 크기 등등에 의해 결정되는 최적의 크기와 두께 그리고 곡률반경으로 형성되어야 한다.Here, the microlens 6 has an optimal size, thickness, and curvature determined by the configuration of each device, that is, the size and position of the unit pixel, the shape, the depth of the light receiving element, and the height, position, size, etc. of the light blocking layer. It must be formed in a radius.
통상적으로 마이크로 렌즈는 통상의 리쏘그라피 공정에 의해서 형성된 열 변형성 포토레지스트(Photo Resist)를 사용한다. 즉, 열 변형성 포토레지스트를 도포하고 선택적 노광 및 현상에 의해 패턴을 형성한 다음, 소정온도에서 포토레지스트를 플로우시키는 과정을 통해 마이크로 렌즈는 형성된다.Microlenses typically use a thermally deformable photoresist formed by conventional lithography processes. That is, the microlenses are formed by applying a thermally deformable photoresist, forming a pattern by selective exposure and development, and then flowing the photoresist at a predetermined temperature.
그러나, 칼라필터(2)의 크기 R보다 마이크로 렌즈(3, 3a)의 크기 R'를 가능하면 크게(R'≤R) 형성하여야만 집광효율(Fill Factor)이 높아지게 되는데, 종래의 마이크로렌즈 형성 방법을 적용하는 경우에는 도1에 도시된 바와 같이 칼라필터 크기보다 마이크로 렌즈 크기를 적게 형성할 수 밖에 없어 마이크로 렌즈간 공백(2*Δr)에 의해 집광 효율이 떨어지게 된다.However, if the size R 'of the microlenses 3 and 3a is larger than the size R of the color filter 2 (R'≤R), the fill factor is increased. In this case, as shown in FIG. 1, the size of the microlenses is smaller than the size of the color filter, and thus the light condensing efficiency is reduced by the space between the microlenses (2 * Δr).
즉, 종래의 방법과 같이 R G B 칼라필터 모두에 한꺼번에 포토레지스트 패턴을 형성하고 이를 플로우시키는 방법을 사용하는 경우, 플로우시 용융된 상태에서 이웃하는 패턴과 합쳐져 내려앉는 문제점이 있다. 따라서, 도2에 도시된 바와 같이 형성하고자 하는 마이크로 렌즈 패턴(3b)과는 렌즈 형태가 많이 변형된 마이크로렌즈 패턴(3a)이 형성되어 촛점거리가 달라져 오히려 광감도가 크게 저하된다.That is, in the case of using a method of forming a photoresist pattern at the same time in all the R G B color filters and flowing the same, as in the conventional method, there is a problem of being combined with neighboring patterns in a molten state during the flow. Therefore, as shown in FIG. 2, the microlens pattern 3a having a largely deformed lens form is formed from the microlens pattern 3b to be formed, and thus the focal length is changed, so that the light sensitivity is greatly reduced.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 칼라필터 패턴을 모두 덮도록 또는 최대한 크게 마이크로 렌즈를 형성하여 집광효율을 극대화시키기 위한 마이크로 렌즈 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a microlens forming method for maximizing condensing efficiency by forming a microlens to cover all of the color filter patterns or as large as possible.
도1 및 도2는 종래기술에 따른 마이크로 렌즈 형성 방법 및 그 문제점을 개략적으로 나타낸 도면,1 and 2 is a view schematically showing a microlens forming method and its problems according to the prior art,
도3a 내지 도3g는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 형성 공정을 보여주는 단면도.3A to 3G are cross-sectional views showing a micro lens forming process according to a preferred embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
31 : 칼라필터어레이 32 : 제1포토레지스트31 color filter array 32 first photoresist
32a : 제1마이크로렌즈 33, 35 : 포토마스크32a: first microlens 33, 35: photomask
34 : 제2포토레지스트 34a : 제2마이크로렌즈34: second photoresist 34a: second micro lens
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 마이크로 렌즈 형성 방법은 소정 공정이 완료된 기판 상에 마이크로 렌즈용 제1포토레지스트를 도포하는 단계; 상기 제1포토레지스트를 선택적으로 노광 및 현상하여 제1포토레지스트패턴을 형성하는 단계; 큐어링 공정에 의해 상기 제1포토레지스트패턴을 플로우시키고 경화시켜 제1마이크로렌즈를 형성하는 단계; 결과물 전면에 제2포토레지스트를 도포하는 단계; 상기 제2포토레지스트를 선택적으로 노광 및 현상하여 상기 제1마이크로렌즈가 형성되어 있지 않는 영역에 제2포토레지스트패턴을 형성하는 단계; 및 큐어링 공정에 의해 상기 제2포토레지스트패턴을 플로우시키고 경화시켜 제2마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.Microlens formation method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of applying a first photoresist for the microlens on a substrate having a predetermined process; Selectively exposing and developing the first photoresist to form a first photoresist pattern; Flowing and curing the first photoresist pattern by a curing process to form a first microlens; Applying a second photoresist to the entire surface of the resultant; Selectively exposing and developing the second photoresist to form a second photoresist pattern in a region where the first microlens is not formed; And forming a second microlens by flowing and curing the second photoresist pattern by a curing process.
이와 같이 본 발명은 마이크로 렌즈를 적어도 2회의 포토리소그라피 공정 및 큐어링 공정을 수행하여 형성하는데 그 특징이 있는 것으로서, 이에 의해 서로 이웃하는 마이크로렌즈를 최대한 크게 형성하여도 이웃하는 마이크로렌즈와 붙어서 무너져 내리는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 이웃하는 마이크로렌즈와 붙어도 먼저 형성되어 있던 마이크로렌즈는 큐어링에 의해 경화되어 있으므로 무너져 내리지 않는다.As described above, the present invention is characterized in that the microlenses are formed by performing at least two photolithography processes and curing processes, whereby the microlenses collide with the neighboring microlenses even when the microlenses are formed as large as possible. The phenomenon can be prevented. In other words, the microlenses formed earlier even if they are attached to neighboring microlenses are hardened by curing, and therefore do not collapse.
또한 본 발명은 서로다른 3가지 칼라에 상응하는 제1, 제2 및 제3 칼라필터가 어레이된 이미지센서에서의 마이크로 렌즈 형성 방법에 있어서, 상기 제1칼라필터 상부에 포토리소그라피 공정에 의해 제1포토레지스트패턴을 형성하는 단계; 큐어링 공정에 의해 상기 제1포토레지스트패턴을 플로우시키고 경화시켜 제1마이크로렌즈를 형성하는 단계; 상기 제2칼라필터 상부에 포토리소그라피 공정에 의해 제2포토레지스트패턴을 형성하는 단계; 큐어링 공정에 의해 상기 제2포토레지스트패턴을 플로우시키고 경화시켜 제2마이크로렌즈를 형성하는 단계; 상기 제3칼라필터 상부에 포토리소그라피 공정에 의해 제3포토레지스트패턴을 형성하는 단계; 및 큐어링 공정에 의해 상기 제3포토레지스트패턴을 플로우시키고 경화시켜 제3마이크로렌즈를 형성하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.The present invention also provides a method for forming a microlens in an image sensor in which first, second and third color filters corresponding to three different colors are arranged, wherein a first photolithography process is performed on the first color filter. Forming a photoresist pattern; Flowing and curing the first photoresist pattern by a curing process to form a first microlens; Forming a second photoresist pattern on the second color filter by a photolithography process; Forming a second microlens by flowing and curing the second photoresist pattern by a curing process; Forming a third photoresist pattern on the third color filter by a photolithography process; And forming a third microlens by flowing and curing the third photoresist pattern by a curing process.
이렇게 각 칼라필터 별로 마이크로 렌즈를 형성하게 되면, 칼라필터의 두께 및 각 칼라 별 광 회절 상수차로 인한 촛점거리 차이를 고려하여 마이크로렌즈의 곡률 반경을 조절 가능하므로 칼라별 집광 효율을 극대화할 수 있다.When the microlens is formed for each color filter, the curvature radius of the microlens can be adjusted in consideration of the thickness of the color filter and the focal length difference due to the light diffraction constant for each color, thereby maximizing the condensing efficiency for each color.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
도3a 내지 도3g는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 형성 공정을 보여주는 단면도이다.3A to 3G are cross-sectional views showing a micro lens forming process according to a preferred embodiment of the present invention.
먼저, 도3a는 칼라필터어레이(CFA : Color Filter Array)(31) 상에 마이크로 렌즈용 제1포토레지스트(32)를 도포하고 포토마스크(33)를 사용하여 노광을 실시하는 상태이고, 도3b는 현상(Develop)하여 제1포토레지스트(32) 패턴을 형성한 상태이다. 칼라필터어레이는 종래와 동일하게 레드(R), 블루(B) 및 그린(G)의 3가지 칼라필터가 어레이되어 형성되거나, 옐로우(Yellow), 마젠타(Magenta) 및 시안(Cyan)의 3가지 칼라필터가 어레이되어 형성되어 진다. 중요하게 본 발명에서는 제1포토레지스트 패턴을 형성함에 있어 이웃하는 인접한 칼라필터 상에는 제1포토레지스트패턴이 형성되지 않도록 하고 있다.First, FIG. 3A is a state in which a first photoresist 32 for microlenses is coated on a color filter array (CFA) 31 and exposed using a photomask 33. FIG. 3B Is developed to form the first photoresist 32 pattern. The color filter array is formed by arranging three color filters of red (R), blue (B) and green (G) as in the prior art, or three types of yellow, magenta and cyan. Color filters are arranged in an array. Importantly, in the present invention, in forming the first photoresist pattern, the first photoresist pattern is not formed on adjacent adjacent color filters.
이어서, 도3c를 참조하면, 마이크로 렌즈 물질의 Tg(Glass TransitionTemperature) 이상에서 열적 큐어링(Curing)을 가하여 제1포토레지스트 패턴을 플로우시키므로써 볼록한 반구형의 제1마이크로 렌즈(33a)를 구현한다.Subsequently, referring to FIG. 3C, a convex hemispherical first micro lens 33a is implemented by flowing a first photoresist pattern by applying thermal curing above Tg (Glass TransitionTemperature) of the micro lens material.
이어서, 도3d와 같이 마이크로 렌즈용 제2포토레지스트(34)를 도포하고, 도3e와 같이 포토마스크(34)를 사용하여 노광 공정을 실시한다. 이때 포토마스크(34)는 앞서 사용하였던 포토마스크(33)과 그 오픈영역이 서로 상반되는 형상을 가져야 한다.Next, as illustrated in FIG. 3D, the second photoresist 34 for microlenses is applied, and an exposure process is performed using the photomask 34 as shown in FIG. 3E. At this time, the photomask 34 should have a shape in which the photomask 33 and the open area used previously are opposite to each other.
이어서, 도3f와 같이 현상에 의해 제2포토레지스트(34) 패턴을 형성한다. 제2포토레지스트 패턴은 제1마이크로 렌즈(33a)가 형성되어 있지 않은 칼라필터 상에 형성되게 된다.Subsequently, as shown in FIG. 3F, a second photoresist 34 pattern is formed by development. The second photoresist pattern is formed on the color filter in which the first microlens 33a is not formed.
이어서, 도3g와 같이 열적 큐어링 공정에 의해 제2포토레지스트(34) 패턴을 플로우시켜 제2마이크로 렌즈(34a)를 형성한다. 이때 중요하게 제1마이크로 렌즈(32a)는 이미 열공정을 거쳐 경화되어 있는 상태이므로 2차 패턴과는 상(Phase)와 표면에너지가 달라, 서로 합쳐 지지 않고 패턴 가능하다.Subsequently, as shown in FIG. 3G, the second photoresist 34 pattern is flowed by a thermal curing process to form a second micro lens 34a. In this case, since the first microlens 32a is already hardened through a thermal process, the phase and surface energy of the second microlens 32a are different from each other.
본 발명에서와 같이 마이크로 렌즈를 형성하면 마이크로 렌즈간 공백(2*Δr)이 최소화 되어 결국 아래 수학식 1에 해당되는 만큼 면적이 증가하여 집광 효율이 늘어 난다.When the microlenses are formed as in the present invention, the space between the microlenses (2 * Δr) is minimized, and thus the area is increased by the following Equation 1, thereby increasing the light collecting efficiency.
= 2πΔr(Δr+2R)= 2πΔr (Δr + 2R)
(ΔA : Fill Factor Increasement)(ΔA: Fill Factor Increasement)
상술한 바와 같이 본 실시예에서는 2회에 걸쳐 마이크로 렌즈를 패턴하였으나, 필요에 의해 3회 이상으로 실시할 수도 있다. 특히 3가지의 각 칼라필터 상에 각각 마이크로렌즈 형성을 달리하게 되면, 비록 공정 스텝이 많아지기는 하나 칼라필터의 두께 및 각 칼라 별 광 회절 상수차로 인한 촛점거리 차이를 고려하여 마이크로렌즈의 곡률 반경을 조절하는 것이 가능하기 때문에 칼라별 집광 효율을 극대화할 수 있다.As described above, in the present embodiment, the microlenses were patterned twice, but may be performed three times or more as necessary. In particular, when the microlens formation is different on each of the three color filters, although the process steps are increased, the radius of curvature of the microlens is considered in consideration of the difference in focal length due to the thickness of the color filter and the optical diffraction constant for each color. Since it is possible to adjust the color can be maximized the condensing efficiency by color.
한편 본 실시예에서 마이크로 렌즈가 칼라필터어레이 상에 형성되었으나, 칼라필터어레이 상에 평탄화 및 광투과도 향상을 위한 버퍼절연층이 형성된 소자에서는 버퍼층 상에 마이크로렌즈가 형성될 것이며, 칼라필터어레이가 없는 흑백 이미지센서에도 본 발명은 적용 가능한 바 이때는 마이크로 렌즈가 소자보호막 또는 버퍼층 상에 형성될 것이다.Meanwhile, in the present embodiment, the microlenses are formed on the color filter array, but in the device in which the buffer insulation layer is formed on the color filter array for flattening and light transmittance improvement, the microlenses will be formed on the buffer layer. The present invention is also applicable to a monochrome image sensor, in which a microlens will be formed on the element protective film or the buffer layer.
이렇듯, 본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.As such, although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above-described preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
본 발명은 마이크로 렌즈의 집광효율을 극대화 할 수 있어 이미지 센서의 광감도가 증가시키고, 칼라필터어레이의 두께 및 각 칼라 별 광 회절 상수차로 인한 촛점거리 차이를 고려하여 마이크로렌즈의 곡률 반경을 조절 가능하므로 칼라별 집광 효율을 극대화할 수 있다.The present invention can maximize the condensing efficiency of the microlens, so that the light sensitivity of the image sensor can be increased, and the curvature radius of the microlens can be adjusted in consideration of the thickness of the color filter array and the focal length difference due to the optical diffraction constant for each color. Condensing efficiency by color can be maximized.
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