A microlens array has been required to improve light conversion efficiency in image sensors. A microlens array can be usually fabricated by photoresist reflow, hot-embossing, micro injection molding, and UV-imprinting. Among these processes, a UV-imprinting, which is operated at room temperature wit...
A microlens array has been required to improve light conversion efficiency in image sensors. A microlens array can be usually fabricated by photoresist reflow, hot-embossing, micro injection molding, and UV-imprinting. Among these processes, a UV-imprinting, which is operated at room temperature with relatively low applied pressure, can be a desirable process to integrate microlens array on image sensors, because this process provides the components with low thermal expansion, enhanced stability, and low birefringence, furthermore, it is more suitable for mass production of high quality microlens array. In this study, to analyze the optical properties of the wafer scale microlens array integrated image sensor, another wafer scale simulated image sensor chip array was designed and fabricated. An aspherical square microlens was designed and integrated on a simulated image sensor chip array using a UV-imprinting process. Finally, the optical performances were measured and analyzed.
A microlens array has been required to improve light conversion efficiency in image sensors. A microlens array can be usually fabricated by photoresist reflow, hot-embossing, micro injection molding, and UV-imprinting. Among these processes, a UV-imprinting, which is operated at room temperature with relatively low applied pressure, can be a desirable process to integrate microlens array on image sensors, because this process provides the components with low thermal expansion, enhanced stability, and low birefringence, furthermore, it is more suitable for mass production of high quality microlens array. In this study, to analyze the optical properties of the wafer scale microlens array integrated image sensor, another wafer scale simulated image sensor chip array was designed and fabricated. An aspherical square microlens was designed and integrated on a simulated image sensor chip array using a UV-imprinting process. Finally, the optical performances were measured and analyzed.
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문제 정의
본 연구에서는 높은 광 효율을 갖는 이미지 센서용 마이크로렌즈 어레이를 설계하고, 이를 모사 이미지 센서 기판 상에 제작하고, 최종적으로 광 효율을 측정하고 평가하였다.
가설 설정
일반적으로 구면 형태를 갖는 원형리플로우 렌즈와는 달리, 밑면이 사각형인 리플로우 렌즈를 모델링 하는 방법에는 여러 가지가 있다. 그 중 첫 번째 방법은[6] 리플로우 사각 마이크로렌즈 표면을 구의 표면의 일부라고 가정하는 것이다. 두 번째는[7] 렌즈의 표면이 렌즈 중심을 지나는 단면을 따라 변화는 돔 형태로 가정하는 것이다.
그 중 첫 번째 방법은[6] 리플로우 사각 마이크로렌즈 표면을 구의 표면의 일부라고 가정하는 것이다. 두 번째는[7] 렌즈의 표면이 렌즈 중심을 지나는 단면을 따라 변화는 돔 형태로 가정하는 것이다. 또 다른 세 번째 방법은 리플로우 사각 마이크로렌즈의 중심축(수평과 수직) 을 지나는 단면의 프로파일은 구의 표면 프로파일을 따르고, 수평 및 수직 축과 평행한 단면 프로파일들은 그 프로파일들의 중심 높이와 중심축에서 단위 높이 분포에 의해서 결정된다고 가정하였다.
두 번째는[7] 렌즈의 표면이 렌즈 중심을 지나는 단면을 따라 변화는 돔 형태로 가정하는 것이다. 또 다른 세 번째 방법은 리플로우 사각 마이크로렌즈의 중심축(수평과 수직) 을 지나는 단면의 프로파일은 구의 표면 프로파일을 따르고, 수평 및 수직 축과 평행한 단면 프로파일들은 그 프로파일들의 중심 높이와 중심축에서 단위 높이 분포에 의해서 결정된다고 가정하였다. Fig.
제안 방법
높은 감도의 이미지 센서를 위해 본 연구에서는 사각 비구면 마이크로렌즈를 설계하고 UV 임프린팅 공정을 통해 모사 이미지 센서 위에 마이크로렌즈 어레이를 제작하였다. 또한 모사 이미지센서용 마이크로렌즈 어레이의 표면 형상과 광학 특성을 평가하여 UV 임프린팅을 통한 이미지 센서용 마이크로렌즈 어레이의 제작과 집적화의 가능성을 확인하였다.
어레이를 제작하였다. 또한 모사 이미지센서용 마이크로렌즈 어레이의 표면 형상과 광학 특성을 평가하여 UV 임프린팅을 통한 이미지 센서용 마이크로렌즈 어레이의 제작과 집적화의 가능성을 확인하였다. 현재 본 연구의 성형 공정을 이용하여 실제 이미지 센서용 마이크로렌즈 어레이 제작 연구가 진행 중이다.
마이크로렌즈 어레이의 광특성을 평가하기 위해 모사된 이미지 센서를 설계하고 제작하였다.
앞서 제작된 모사 이미지 센서 상에 자외선 경화 폴리머를 스핀 코팅 하고, 스탬퍼를 모사 이미지 센서와 밀착 시킨 후, 자외선 경화를 위한 노광 공정을 통해 모사 이미지 센서용 마이크로 렌즈 어레이를 제작하였다. 이때 수축을 보완하기 위해 90kPa의 압력을 가하였다.
55μm를 갖는 리플로우 사각 마이크로렌즈의 세가지 모델에 의한 모델링 결과이다. 이 중 가장 적합한 렌즈 모델링 방법을 선정하기 위해서 실제 사각 마이크로렌즈를 리플로우 공정을 통해서 제작 및 측정하고 각각의 모델링 방법을 통해서 얻은 표면 프로파일들과 비교하였다.
제작된 마이크로렌즈의 광 효율을 측정하기 위해 모사 이미지 센서에 마이크로렌즈를 적용했을때와 적용하지 않았을 때의 광 파워를 측정하고 비교하였다. Fig.
제작된 성형품의 기하학적 특성을 평가하기 위해 임프린팅된 마이크로렌즈와 마스터 패턴의 형상을 측정 및 비교 하였다. Fig.
대상 데이터
본 공정의 적용을 위 해, Fig. 3과 같이 5.6iim x 5.6p.m 크기의 픽 셀과 3.7pm X 3.7μm 크기의 수광부를 갖는 1.3M 픽셀급 이미지 센서를 기준으로 실험을 진행하였다. 마이크로렌즈 밑면은4.
리플로우 공정으로 제작된다. 본 연구에서는원형 리플로우 렌즈보다 상대적으로 fill factors7} 큰 밑면이 사각형인 리플로우 마이크로렌즈가 사용되었다. 일반적으로 구면 형태를 갖는 원형리플로우 렌즈와는 달리, 밑면이 사각형인 리플로우 렌즈를 모델링 하는 방법에는 여러 가지가 있다.
성능/효과
2는 (a) 수평축과 (b) 대각선축에서의 실제 측정 된 렌즈 프로파일과 모델링한 프로파일을 비교한 결과이다. 위의 결과들은 세 번째 모델이 리플로우 사각 마이크로렌즈 설계에 가장 적합한 모델임을 보여준다.
후속연구
또한 모사 이미지센서용 마이크로렌즈 어레이의 표면 형상과 광학 특성을 평가하여 UV 임프린팅을 통한 이미지 센서용 마이크로렌즈 어레이의 제작과 집적화의 가능성을 확인하였다. 현재 본 연구의 성형 공정을 이용하여 실제 이미지 센서용 마이크로렌즈 어레이 제작 연구가 진행 중이다.
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