KR102336174B1 - 전방위 이미지 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
전방위 이미지 센서 및 그 제조 방법이 개시된다. 일 실시예 따른 이미지 센서는 복수의 돌출부(protrusion)를 포함하고, 상기 복수의 돌출부 사이에 상기 복수의 포토 다이오드가 위치하기 위한 구조체를 포함한다.
Description
아래 실시예들은 전방위 이미지 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
2013년 발표된 논문 "Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye, Nature 497, 95"은 늘어날 수 있는 형태의 포토 다이오드와 폴리머를 이용하여 형성된 마이크로 렌즈를 결합하여 곤충의 겹눈 구조를 갖는 이미지 센서를 형성하였다. 이러한 이미지 센서를 볼록한 반구 형태 위에 형성함으로써 넓은 시야각을 갖는 디지털 이미지 센서를 형성하였다.
그러나 "Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye, Nature 497, 95"의 기술은 이미지 센서와 반구 형태의 구조체를 결합하는 제조과정이 부정확하고, 시야각에 제한이 있다. 또한, 마이크로 렌즈가 볼록하여 얇게 만들기 어렵고, 곡률에 의해 디바이스에 결하는데 어려움이 있다.
2013 년 발표된 다른 논문 "Miniature curved artificial compound eyes, PNAS 110, 9267"에서는 곤충 눈의 겹눈 형태를 모사하기 위해서VLSI 기술을 이용한 포토 디텍터 어레이와 고분자 마이크로 렌즈들을 결합한 구조를 PCB(Printed Circuit Board)위에 형성하였다. 또한, 이를 다이싱(dicing) 기술을 이용하여 한쪽 방향으로 구부릴 수 있는 형태로 만들었고, 볼록한 곡면으로 변형 배치하여 넓은 시야각을 갖는 이미징 장치를 형성하였다.
그러나, "Miniature curved artificial compound eyes, PNAS 110, 9267"는 다이싱으로 구부릴 수 있는 형태를 만들기 때문에 곡률에 한계가 있고, 이에 따라 시야각이 제한되는 문제점이 있다.
그러므로 개선된 제조 과정과, 넓은 시야각을 갖는 기술이 필요하다.
실시예들은 광범위한 시야각을 가지는 이미지 센서를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 이미지 센서는, 복수의 포토 다이오드와, 복수의 돌출부(protrusion)를 포함하고, 상기 복수의 돌출부 사이에 상기 복수의 포토 다이오드가 위치하기 위한 구조체를 포함한다.
상기 구조체는 복수의 구형 쐐기(spherical wedge)를 포함하는 구형 구조체이고, 상기 복수의 구형 쐐기는 제1 반지름을 가지는 제1 구형 쐐기 및 제2 반지름을 가지는 제2 구형 쐐기를 포함하고, 상기 구형 구조체는 제1 구형 쐐기 및 제2 구형 쐐기가 교대로(alternating) 결합되어 상기 복수의 돌출부를 형성할 수 있다.
상기 복수의 포토 다이오드는 상기 제1 구형 쐐기 및 제2 구형 쐐기 중 작은 반지름을 가지는 구형 쐐기의 구형 룬(spherical lune) 상에 위치할 수 있다.
상기 복수의 포토 다이오드는 고분자 유기물로 봉지(encapsulation)될 수 있다.
상기 복수의 포토 다이오드는 수평 구조 포토 다이오드(lateral photodiode)로 구현될 수 있다.
상기 복수의 포토 다이오드 상부에 위치하는 복수의 마이크로 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 마이크로 렌즈는 프레넬 띠판(Fresnel zone plate)으로 구현될 수 있다.
상기 이미지 센서는, 상기 복수의 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 포토 다이오드 사이에 초점 거리를 조절하기 위한 중간층을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 포토 다이오드, 상기 중간층 및 상기 복수의 마이크로 렌즈는 전사 인쇄(transfer printing)를 이용하여 결합될 수 있다.
상기 중간층은 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 구현될 수 있다.
일 실시예에 따른 이미지 센서 제조 방법은, 복수의 포토 다이오드를 생성하는 단계와, 구조체에 포함된 복수의 돌출부 사이에 상기 복수의 포토 다이오드를 결합하는 단계를 포함한다.
상기 구조체는 복수의 구형 쐐기를 포함하는 구형 구조체이고, 상기 복수의 구형 쐐기는 제1 반지름을 가지는 제1 구형 쐐기 및 제2 반지름을 가지는 제2 구형 쐐기를 포함하고, 상기 구형 구조체는 제1 구형 쐐기 및 제2 구형 쐐기가 교대로(alternating) 결합되어 상기 복수의 돌출부를 형성할 수 있다.
상기 복수의 포토 다이오드는 상기 제1 구형 쐐기 및 제2 구형 쐐기 중 작은 반지름을 가지는 구형 쐐기의 구형 룬(spherical lune) 상에 위치할 수 있다.
상기 생성하는 단계는, 복수의 포토 다이오드를 고분자 유기물로 봉지(encapsulation)하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 포토 다이오드는 수평 구조 포토 다이오드(lateral photodiode)로 구현될 수 있다.
상기 복수의 포토 다이오드 상부에 위치하는 복수의 마이크로 렌즈를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 마이크로 렌즈는 프레넬 띠판(Fresnel zone plate)으로 구현될 수 있다.
상기 이미지 센서 제조 방법은, 상기 복수의 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 포토 다이오드 사이에 초점 거리를 조절하기 위한 중간층을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서 제조 방법은, 상기 복수의 포토 다이오드, 상기 중간층 및 상기 복수의 마이크로 렌즈를 전사 인쇄(transfer printing)를 이용하여 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 중간층은 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 구현될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미징 시스템의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 3는 도 1에 도시된 이미지 센서의 구조의 예시를 나타낸다.
도 4은 도 2에 도시된 구조체의 상면도(top view) 및 측면도(side view)의 예시를 나타낸다.
도 5는 도 2에 도시된 픽셀의 개략적인 구조의 예시를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 픽셀의 구현의 예시이다.
도 7은 도 5에 도시된 포토 다이오드 구현의 예시이다.
도 8은 도 7에 도시된 포토 다이오드의 동작 성능을 나타낸다.
도 9는 도 7에 도시된 포토 다이오드가 구조체 상에 결합된 상태에서의 동작 성능을 나타낸다.
도 10은 마이크로 렌즈 제조 공정의 예시를 나타낸다.
도 11은 도 10에 도시된 마이크로 렌즈의 특성을 나타낸다.
도 12는 인쇄 전사 공정을 이용한 결합 공정의 예시를 나타낸다.
도 13은 도 3에 도시된 이미지 센서의 시야각 측정 결과를 나타낸다.
도 14는 도 3에 도시된 이미지 센서의 패턴된 빛에 대한 감지 결과의 예시를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 3는 도 1에 도시된 이미지 센서의 구조의 예시를 나타낸다.
도 4은 도 2에 도시된 구조체의 상면도(top view) 및 측면도(side view)의 예시를 나타낸다.
도 5는 도 2에 도시된 픽셀의 개략적인 구조의 예시를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 픽셀의 구현의 예시이다.
도 7은 도 5에 도시된 포토 다이오드 구현의 예시이다.
도 8은 도 7에 도시된 포토 다이오드의 동작 성능을 나타낸다.
도 9는 도 7에 도시된 포토 다이오드가 구조체 상에 결합된 상태에서의 동작 성능을 나타낸다.
도 10은 마이크로 렌즈 제조 공정의 예시를 나타낸다.
도 11은 도 10에 도시된 마이크로 렌즈의 특성을 나타낸다.
도 12는 인쇄 전사 공정을 이용한 결합 공정의 예시를 나타낸다.
도 13은 도 3에 도시된 이미지 센서의 시야각 측정 결과를 나타낸다.
도 14는 도 3에 도시된 이미지 센서의 패턴된 빛에 대한 감지 결과의 예시를 나타낸다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미징 시스템의 개략적인 블록도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 이미징 시스템(10)은 이미지 센서(100) 및 이미지 처리 장치(image processing device, 200)를 포함할 수 있다.
이미징 시스템(10)은 이미지 센서(100)를 통해 획득한 이미지를 이미지 처리부(200)를 통해 처리할 수 있다.
이미지 센서(100)는 광 감지 장치를 이용하여 빛을 감지할 수 있다. 이미지 센서(100)는 감지한 빛을 전기적 정보로 변환하여 이미지 처리 장치(200)로 출력할 수 있다.
이미지 처리 장치(200)는 이미지 센서(100)로부터 수신한 전기적 정보를 통해 이미징 시스템(10)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있다. 이미지 처리 장치(200)는 마더보드(motherboard)와 같은 인쇄 회로 기판(printed circuit board(PCB)), 집적 회로(intergrated circuit(IC)), 또는 SoC(system on chip)로 구현될 수 있다. 예를 들어, 이미지 처리 장치(200)는 애플리케이션 프로세서(application processor)일 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 이미지 센서의 개략적인 블록도를 나타내고, 도 3는 도 1에 도시된 이미지 센서의 구조의 예시를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 이미지 센서(100)는 픽셀(110) 및 구조체(130)를 포함할 수 있다. 픽셀(110)은 빛을 수신하여 전류로 변환할 수 있다. 픽셀(110)은 구조체(130)에 결합되어 빛을 수신할 수 있다. 픽셀은 유연한(flexible)한 특성을 가지고, 굴곡이 있는 구조체(130)에 결합될 수 있다.
도 3를 참조하면, 이미지 센서(100)는 복수의 포토 다이오드 및 복수의 돌출부(protrusion)를 포함하고, 복수의 돌출부 사이에 상기 복수의 포토 다이오드가 위치하기 위한 구조체를 포함할 수 있다.
이미지 센서(100)는 빛을 감지하는 복수의 픽셀(pixel, 110) 및 복수의 픽셀이 결합되는 구조체(130)를 포함한다. 각각의 픽셀(110)은 포토 다이오드(photodiode), 중간층(medium) 및 마이크로 렌즈(micro lens)를 포함할 수 있다. 포토 다이오드와 마이크로 렌즈는 복수일 수 있고, 어레이(array)의 형태를 가질 수 있다. 중간층은 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 구현될 수 있다.
복수의 픽셀은 어레이(array)의 형태로 결합될 수 있다. 복수의 픽셀은 집적 이미지 센서 어레이(integrated image sensor array)를 구성할 수 있다.
픽셀에 관해서는 도 5 및 도 6를 참조하여 자세하게 설명할 것이다.
구조체(130)는 복수의 돌출부(protrusion)를 포함하고, 복수의 돌출부 사이에 복수의 포토 다이오드가 위치할 수 있다. 구조체(130)는 픽셀(110)의 후면으로 통하는 빛을 차단하여 디바이스 간의 간섭을 줄일 수 있다.
구조체(130)는 복수의 구형 쐐기를 포함하는 구형 구조체(spherical structure)이고, 구형 구조체는 복수의 구형 쐐기(spherical wedge)로 구성될 수 있다.
구형 쐐기는 두 개의 평면 반원과 구형 룬(spherical lune)을 경계로 가지는 구의 일부를 의미할 수 있다. 구형 쐐기의 경계면인 두 개의 평면 반원은 일정한 이면각(dihedral angle)을 가질 수 있다.
구형 룬은 구의 표면 상의 대척점(antipodal point)에서 교차하는 두 개의 반 대원(half great circle)을 경계로 가지는 구 표면 상의 영역을 의미할 수 있다.
구조체(130)를 구성하는 구형 쐐기는 제1 반지름을 가지는 제1 구형 쐐기 및 제2 반지름을 가지는 제2 구형 쐐기를 포함할 수 있다. 제1 반지름 및 제2 반지름은 동일하거나 상이할 수 있다. 도 3의 예시는 제1 반지름과 제2 반지름은 상이한 경우를 나타낸 것일 수 있다.
제1 구형 쐐기 및 제2 구형 쐐기는 교대로(alternating) 결합되어 구조체(130)의 돌출부를 형성할 수 있다.
이 때, 제1 구형 쐐기와 제2 구형 쐐기의 반지름이 같으면 완전한 구형 구조체가 형성될 수 있다. 도 2의 예시는 제1 구형 쐐기와 제2 구형 쐐기의 반지름이 상이하여 돌출부가 존재하는 경우를 나타낼 수 있다.
구형 구조체(130)의 돌출부 사이에 복수의 포토 다이오드를 배치함으로써, 이미지 센서(100)는 농게(fiddler crab)의 눈과 같이 넓은 시야각을 가질 수 있다.
농게의 눈은 곤충의 눈 구조와 유사한 겹눈(ommateum) 구조로, 인간의 눈과 같은 각막(cornea), 유리체(vitreous humour), 소망막(retinula)으로 이루어진 낱눈(ommatidium)들이 모여있는 구조일 수 있다.
농게의 눈은 겹눈이 눈자루(eye-stalk)를 감싸는 구조로 이루어져 360도에 가까운 시야각을 가질 수 있다. 구조체(130)에 복수의 픽셀(110)을 결합시킴으로써, 이미지 센서(100)는 넓은 시야각을 가질 수 있다.
구조체(130)는 3D 프린터를 이용하여 생성될 수 있다. 구조체(130)는 포토 다이오드(111), 중간층(113) 및 마이크로렌즈(115)가 결합된 디바이스를 구면에 결합할 때 가이드 역할을 할 수 있다.
구형의 구조체(130)에 복수의 포토 다이오드가 결합됨으로써, 넓은 시야각을 가지는 이미지 센서가 제조될 수 있다.
포토 다이오드를 포함하는 복수의 픽셀(110)은 제1 구형 쐐기 및 제2 구형 쐐기 중 작은 반지름을 가지는 구형 쐐기의 구형 룬 상에 위치할 수 있다. 즉, 작은 반지름을 가지는 구형 쐐기의 구형 룬 영역이 돌출부의 사이가 되고, 돌출부 사이에 포토다이오드가 위치할 수 있다.
도 4은 도 2에 도시된 구조체의 상면도(top view) 및 측면도(side view)의 예시를 나타낸다.
도 4을 참조하면, 제1 구형 쐐기 및 제2 구형 쐐기는 일정한 간격을 가지고 교대로 결합할 수 있다. 즉, 돌출부는 일정한 간격으로 반복적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 돌출부의 간격은 20도일 수 있다.
또한, 구조체(130)의 일부 영역은 배선을 배치하기 위하여 포토 다이오드가 없는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 300도의 영역을 가지는 구형 룬의 표면에는 포토 다이오드를 배치하고, 60도의 영역을 가지는 구형 룬에는 배선을 배치할 수 있다.
픽셀(110)은 일정한 중심각을 간격으로 가지고 배치될 수 있다. 예를 들어, 픽셀(110)은 10.55도의 중심각을 가지고 작은 반지름을 가지는 구형 룬의 표면에 결합될 수 있다.
도 5는 도 2에 도시된 픽셀의 개략적인 구조의 예시를 나타내고, 도 6은 도 5에 도시된 픽셀의 구현의 예시이다.
도 5를 참조하면, 픽셀(110)은 포토 다이오드(111), 중간층(113) 및 마이크로 렌즈(115)를 포함할 수 있다.
픽셀(110)은 아래부터 포토 다이오드(111), 중간층(113) 및 마이크로 렌즈(115)의 차례로 형성될 수 있다. 즉, 마이크로 렌즈(115)는 포토 다이오드(111) 상부에 위치할 수 있고, 중간층(113)은 마이크로 렌즈(115)와 포토 다이오드(111)의 사이에 위치할 수 있다.
픽셀(110)을 구성하는 포토 다이오드(111), 중간층(113) 및 마이크로 렌즈(115)는 유연한 물질로 구성되어 휘어질 수 있다.
도 6을 참조하면, 단일 픽셀(110)은 절지 동물의 낱눈(ommatidium)에 대응될 수 있다. 각각의 픽셀(110)은 마이크로 렌즈(115)를 통해서 빛을 수집하고, 중간층(113)을 통해 초점거리를 조절하고, 포토 다이오드(111)를 통해 감지한 빛을 전류로 변환시킬 수 있다.
유연성을 가지기 위해서, 포토 다이오드(111), 중간층(113) 및 마이크로 렌즈(115)는 고분자 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 포토 다이오드(111)는 PI(Poly-Imide) 기판 상에 형성될 수 있고, 중간층은 PDMS를 이용하여 형성될 수 있다.
도 7은 도 5에 도시된 포토 다이오드 구현의 예시이다.
도 7을 참조하면, 복수의 포토 다이오드는 수평 구조 포토 다이오드(lateral photodiode)로 구현될 수 있다.
포토 다이오드(111)는 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(wafer)에서 얻은 단결정 실리콘 층을 이용하여 평면(lateral) PIN구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, SOI 웨이퍼의 실리콘은 1.25um 두께를 가질 수 있다.
얇은 두께의 다이오드 형태를 위해서 P/N 도핑된 실리콘이 수직(vertical) 구조가 아닌 평면 구조로 제조될 수 있다. 포토 다이오드(111)는 채널의 폭(width)를 넓히기 위하여 인터디짓(interdigit) 구조로 제조될 수 있다.
포토 다이오드(111)는 복수일 수 있고, 어레이의 형태를 가질 수 있다. 복수의 포토 다이오드는 고분자 유기물로 봉지(encapsulation)될 수 있다.
전사된 포토 다이오드(111) 상에 금속을 열진공증착(thermal vacuum evaporation)한 후, 봉지(encapsulation) 공정이 수행될 수 있다.
SOI 웨이퍼 위에 SiO2를 증착하고, 패터닝을 통해 도핑 영역을 설정하고, 스핀 온 도펀트(spin on dopant) 공정을 수행함으로써 P영역과 N영역이 형성될 수 있다. 홀 패턴(hole pattern)을 이용해서 상부 실리콘(top silicon)에서 아래에 존재하는 옥사이드(oxide)층까지 구멍이 형성될 수 있다. HF(hydrofluoric Acid) 용액을 홀(hole)로 침투시킴으로써, 옥사이드를 제거하고 상부 실리콘층이 웨이퍼로부터 분리될 수 있다.
PI는 SiO2 웨이퍼 위에 코팅을 통해 형성될 수 있다. 도핑된 실리콘층은 PDMS를 이용한 전사 인쇄(transfer printing) 기법을 이용하여 PI 기판 상으로 전사될 수 있다.
포토 다이오드(111)는 인터디짓 형태로 P 도핑된 실리콘(P doped Si), 인트린직 실리콘(intrinsic Si), N 도핑된 실리콘(N doped Si) 영역을 가질 수 잇다. 포토 다이오드는 실리콘 웨이퍼에 형성된 포토 다이오드(111) 위에 제1 봉지층을 덮고, 열진공증착을 이용해 제1 금속층이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 봉지층은 PI 일 수 있고, 제1 금속층은 Au/Cr층 일수 있다.
실리콘과 금속층은 PI에 형성된 홀(hole)을 통해 연결될 수 있다. 제2 금속층 과의 분리를 위해 제2 봉지층이 제1 금속층 위에 형성될 수 있다. 그 후, 열진공증착과 패터닝을 통해 제2 금속층이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 봉지층은 PI일 수 있고, 제2 금속층은 Au/Cr 일 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 포토 다이오드의 동작 성능을 나타낸다.
포토 다이오드(111) NIPIN 구조로 한 쪽 다이오드는 빛에 반응하고, 반대쪽 다이오드는 빛을 차단하여 역으로 흐르는 전류를 차단할 수 있다.
NIPIN 구조는 NIP 다이오드와 PIN 다이오드가 연결되어 있는 형태로 이해될 수 있다. PIN 다이오드는 블로킹(blocking) 다이오드로 동작할 수 있다. 블로킹 다이오드의 인트린직(intrinsic) 영역은 금속으로 가려져 빛이 차단될 수 있다. 따라서 블로킹 다이오드의 인트린직 영역은 빛에 둔감(insensitive)할 수 있다. 반면 NIP 다이오드는 인트린직 영역에서 빛에 의해 형성된 캐리어(carrier)로 인해 전류를 발생시킬 수 있다.
포토 다이오드(111)에 흐르는 전류는 조사되는 빛의 세기에 따라 선형적으로 증가될 수 있다.
도 9는 도 7에 도시된 포토 다이오드가 구조체 상에 결합된 상태에서의 동작 성능을 나타낸다.
도 9를 참조하면, 포토 다이오드(111)는 유연한(flexible) 형태로 구형 구조체(130) 상에 전사될 수 있다. 예를 들어, 구형 구조체(130)는 제1 반지름과 제2 반지름이 동일하여 돌출부가 없는 구형 구조체(130)일 수 있다. 전사된 포토 다이오드(111)는 구형 구조체 상에서도 빛의 온/오프(on/off)에 따라 전류 변화를 잘 나타낼 수 있다.
전사된 포토 다이오드(111)는 구부러진 상태로 구형 구조체와 결합했음에도 불구하고, 구형 구조체의 고도 방향(altitudinal direction) 및 방위각 방향(azimuthal) 방향에 대하여, 위치에 따른 성능의 차이가 적을 수 있다.
도 10은 마이크로 렌즈 제조 공정의 예시를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 마이크로 렌즈(115)는 복수의 어레이 형태를 가질 수 있다. 복수의 마이크로 렌즈(115)는 FZP(Fresnel zone plate)으로 구현될 수 있다.
FZP를 이용함으로써, 포토 다이오드(111)와 마이크로 렌즈(115)의 얼라인(align)이 용이해질 수 있다. 또한, FZP 기반의 유연한 마이크로 렌즈(115)는 볼록한 형태의 마이크로 렌즈에 비하여 얇은 두께를 가질 수 있다.
FZP는 SiO2 상에 PI층을 코팅하고, PI 상에 열진공증착을 통해 금속층(예를 들어, Au 및 Cr)을 형성하고 패터닝함으로써 제조될 수 있다. 그 후 패턴된 금속층은 봉지를 위하여 PI층에 의해 코팅될 수 있다. FZP에 패터닝과 에칭(etching) 공정이 수행됨으로써 렌즈 영역만 남겨질 수 있다.
도 11은 도 10에 도시된 마이크로 렌즈의 특성을 나타낸다.
금속의 바이너리 패턴 사이의 간격을 조절하여 마이크로 렌즈(115)의 초점거리가 조절될 수 있다. 마이크로 렌즈(115)에 특정 모양의 빛을 조사함으로써, 이미지가 획득될 수 있다.
마이크로 렌즈(115)는 1.7mm에서 최적 초점 거리(optimum focal distance)를 가질 수 있다.
도 12는 인쇄 전사 공정을 이용한 결합 공정의 예시를 나타낸다.
복수의 포토 다이오드(111), 중간층(113) 및 복수의 마이크로 렌즈(115)는 전사 인쇄(transfer printing)를 이용하여 결합될 수 있다.
포토 레지스트(photoresist)를 이용하여 최적 초점 거리에 해당하는 두께의 층을 형성하고, 포토 리소그래피를 이용하여 PDMS 중간층과 같은 모양의 패턴이 형성될 수 있다. 예를 들어, 포토 레지스터는 SU8 100을 사용할 수 있다.
형성된 포토 레지스터 패턴위에 PDMS 용액을 부어 굳힌 후, 떼어내면 패턴 모양과 같은 PDMS 몰드(mold)가 만들어질 수 있다. 몰드에 실란처리(silanization)를 하고, PDMS 용액을 몰드에 채워 중간층(113)이 형성될 수 있다.
중간층(113)을 이용하여 마이크로 렌즈(115) 및 포토 다이오드(111) 사이에 초점거리가 조절될 수 있다.
예를 들어, PDSM 몰드 및 중간층은 15:1의 비율을 가진 PDMS 용액을 사용하여 제조될 수 있다.
포토 다이오드(111)의 상부인 PI에 GPTMS(3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane) 처리를 함으로써, 에폭시(epoxy)기가 형성될 수 있다. 중간층(113)을 형성하는 PDMS에는 MPTMS(3-mercaptopropyltrimethoxysilane) 처리를 함으로써, 싸이올(thiol)기가 형성될 수 있다.
싸이올-에폭시 클릭(thiol-epoxy click) 반응을 통하여 중간층(113) 몰드에서 포토 다이오드(111) 상부로 옮겨질 수 있다.
마이크로 렌즈(115)를 형성하는 FZP 상부의 PI 에도 GTPMS를 이용하여 에폭시 기가 형성될 수 있고, 포토 다이오드(111) 상부와 얼라인(align) 과정이 수행될 수 있다.
마이크로렌즈(115)는 싸이올-에폭시 반응을 이용하여 중간층(113)과 결합한 포토 다이오드(111)의 상부에 결합될 수 있다.
도 13은 도 3에 도시된 이미지 센서의 시야각 측정 결과를 나타내고, 도 14는 도 3에 도시된 이미지 센서의 패턴된 빛에 대한 감지 결과의 예시를 나타낸다.
도 13을 참조하면, 레이저 스팟팅(laser spotting)을 통해서 픽셀(110)이 배열된 방향으로 테스트가 수행될 수 있다.
포토 다이오드(111)가 구형 구조체(130)의 전면을 감싸고 있기 때문에, 이미지 센서(100)는 매우 넓은 시야각을 가질 수 있다. 도 13의 측정결과를 참조하면, 이미지 센서(100)는 고도 방향으로 84도 에서 -84도 영역에서 빛을 감지하는 것을 알 수 있다. 또한, 이미지 센서(100)는 방위각 방향으로 0도부터 300도 까지 빛을 감지할 수 있다.
도 14를 참조하면, 3차원 구 형태로 패턴된 마스크가 씌워진 상태에서도, 이미지 센서(113)는 마스크의 패턴을 인식하여 빛을 감지할 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (20)
- 복수의 포토 다이오드; 및
복수의 돌출부(protrusion)를 포함하고, 상기 복수의 돌출부 사이에 상기 복수의 포토 다이오드가 위치하기 위한 구조체
를 포함하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 구조체는 복수의 구형 쐐기(spherical wedge)를 포함하는 구형 구조체이고,
상기 복수의 구형 쐐기는 제1 반지름을 가지는 제1 구형 쐐기 및 제2 반지름을 가지는 제2 구형 쐐기를 포함하고,
상기 구형 구조체는 제1 구형 쐐기 및 제2 구형 쐐기가 교대로(alternating) 결합되어 상기 복수의 돌출부를 형성하는
이미지 센서.
- 제2항에 있어서,
상기 복수의 포토 다이오드는 상기 제1 구형 쐐기 및 제2 구형 쐐기 중 작은 반지름을 가지는 구형 쐐기의 구형 룬(spherical lune) 상에 위치하는
이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 포토 다이오드는 고분자 유기물로 봉지(encapsulation)되는
이미지 센서.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 포토 다이오드는 수평 구조 포토 다이오드(lateral photodiode)로 구현되는
이미지센서.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 포토 다이오드 상부에 위치하는 복수의 마이크로 렌즈
를 더 포함하는 이미지 센서.
- 제6항에 있어서,
상기 복수의 마이크로 렌즈는 프레넬 띠판(Fresnel zone plate)으로 구현되는
이미지 센서.
- 제6항에 있어서,
상기 복수의 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 포토 다이오드 사이에 초점 거리를 조절하기 위한 중간층
을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제8항에 있어서,
상기 복수의 포토 다이오드, 상기 중간층 및 상기 복수의 마이크로 렌즈는 전사 인쇄(transfer printing)를 이용하여 결합되는
이미지 센서.
- 제8항에 있어서,
상기 중간층은 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 구현되는
이미지 센서.
- 복수의 포토 다이오드를 생성하는 단계; 및
구조체에 포함된 복수의 돌출부 사이에 상기 복수의 포토 다이오드를 결합하는 단계
를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 구조체는 복수의 구형 쐐기를 포함하는 구형 구조체이고,
상기 복수의 구형 쐐기는 제1 반지름을 가지는 제1 구형 쐐기 및 제2 반지름을 가지는 제2 구형 쐐기를 포함하고,
상기 구형 구조체는 제1 구형 쐐기 및 제2 구형 쐐기가 교대로(alternating) 결합되어 상기 복수의 돌출부를 형성하는
이미지 센서 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 복수의 포토 다이오드는 상기 제1 구형 쐐기 및 제2 구형 쐐기 중 작은 반지름을 가지는 구형 쐐기의 구형 룬(spherical lune) 상에 위치하는
이미지 센서 제조 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 생성하는 단계는,
복수의 포토 다이오드를 고분자 유기물로 봉지(encapsulation)하는 단계
를 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 복수의 포토 다이오드는 수평 구조 포토 다이오드(lateral photodiode)로 구현되는
이미지센서 제조 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 복수의 포토 다이오드 상부에 위치하는 복수의 마이크로 렌즈를 생성하는 단계
를 더 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제16항에 있어서,
상기 복수의 마이크로 렌즈는 프레넬 띠판(Fresnel zone plate)으로 구현되는
이미지 센서 제조 방법.
- 제16항에 있어서,
상기 복수의 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 포토 다이오드 사이에 초점 거리를 조절하기 위한 중간층을 생성하는 단계
를 더 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제18항에 있어서,
상기 복수의 포토 다이오드, 상기 중간층 및 상기 복수의 마이크로 렌즈를 전사 인쇄(transfer printing)를 이용하여 결합하는 단계
를 더 포함하는 이미지 센서 제조 방법.
- 제18항에 있어서,
상기 중간층은 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 구현되는
이미지 센서 제조 방법.
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