이미지 센서 광학

선수 지식

이 페이지에서는 COMPASS의 주요 시뮬레이션 대상인 후면 조사(Backside-Illuminated, BSI) CMOS 이미지 센서 픽셀의 광학 구조를 설명합니다.

BSI 픽셀 구조

BSI 픽셀에서 빛은 실리콘 후면(배선측의 반대편)을 통해 입사합니다. 픽셀 스택은 상단(빛 입사측)에서 하단 순으로 다음과 같이 구성됩니다:

              Incident light
                   |
                   v
    +---------------------------------+
    |             Air                  |
    +---------------------------------+
    |          Microlens               |   Focuses light into pixel center
    +---------------------------------+
    |       Planarization (SiO2)       |   Uniform dielectric
    +---------------------------------+
    |  Color Filter (Bayer pattern)    |   Wavelength-selective absorption
    |  + Metal Grid (W)               |   Optical isolation between pixels
    +---------------------------------+
    |   BARL (anti-reflection stack)   |   Minimizes reflection at CF/Si
    +---------------------------------+
    |         Silicon                  |   Absorbs photons, generates e-h pairs
    |   [Photodiode regions]           |   Collects charge
    |   [DTI trenches]                 |   Prevents optical/electrical crosstalk
    +---------------------------------+

Interactive BSI Pixel Stack Cross-Section

Click on any layer to view its material properties and role in the pixel stack.

Click a layer in the stack diagram to see its properties.

마이크로렌즈

마이크로렌즈(Microlens)는 입사광을 픽셀 중심으로 집광하는 곡면 폴리머 구조입니다. COMPASS에서 마이크로렌즈는 초타원(Superellipse) 프로파일로 모델링됩니다:

h (x, y) = H {(1 - {| \frac{x - c_{x}}{r_{x}} |}^{n} - {| \frac{y - c_{y}}{r_{y}} |}^{n})}^{1 / α}

매개변수:

$H$ : 렌즈 높이 (일반적으로 0.4~0.8 um)
$r_{x}, r_{y}$ : 반축 (일반적으로 피치의 절반보다 약간 작음)
$n$ : 사각성 매개변수 (2.0 = 타원, 값이 클수록 더 사각형)
$α$ : 곡률 제어

마이크로렌즈 중심은 **주광선각(Chief Ray Angle, CRA)**을 고려하여 이동시킬 수 있습니다. CRA는 카메라 렌즈로부터 빛이 도달하는 각도입니다. 이미지 센서 가장자리에 위치한 픽셀은 더 큰 CRA에서 빛을 받으므로, 양호한 집광 효율을 유지하기 위해 마이크로렌즈를 이동시켜야 합니다.

컬러 필터 배열

컬러 필터 배열(Color Filter Array, CFA)은 선택적으로 빛을 흡수하여 색 감도를 만들어냅니다. 가장 일반적인 패턴은 베이어 RGGB(Bayer RGGB) 배열입니다:

  +---+---+
  | R | G |
  +---+---+
  | G | B |
  +---+---+

각 컬러 필터 재료는 파장에 따른 복소 굴절률을 가지며, 통과 대역 밖에서는 흡수( $k > 0$ )가 크고 통과 대역 내에서는 흡수가 작습니다. 필터는 원하지 않는 파장을 흡수하고 대상 색상을 투과시킵니다.

Interactive Bayer Pattern Viewer

Explore different color filter array (CFA) patterns. Click a pixel to see its details.

Pattern:

Pattern

RGGB

Unit Cell Size

2x2

Green Ratio

50%

Description

Most common Bayer pattern. Two green pixels per unit cell provide higher luminance resolution, mimicking human vision sensitivity.

컬러 필터 서브픽셀 사이의 금속 격자(Metal Grid)(일반적으로 텅스텐, 40~80 nm 폭)는 광학적 격리를 제공하여, 인접한 색상 채널 간의 빛 누설을 방지합니다.

BARL: 하부 반사 방지층

BARL(Bottom Anti-Reflection Layer)은 컬러 필터와 실리콘 사이의 계면에 위치한 얇은 다층 유전체 스택입니다. 이 고대비 계면에서의 반사를 최소화하는 것이 목적입니다.

BARL이 없으면, 컬러 필터/실리콘 계면( $n \approx 1.55$ 에서 $n \approx 4.0$ )에서의 반사율은 다음과 같습니다:

R = {(\frac{n_{Si} - n_{CF}}{n_{Si} + n_{CF}})}^{2} \approx 20 %

잘 설계된 BARL 스택(예: SiO2/HfO2/Si3N4)은 가시광 스펙트럼 전체에서 이 값을 5% 이하로 줄일 수 있습니다.

실리콘과 포토다이오드

실리콘(Silicon)은 광자가 전자로 변환되는 흡수 매질입니다. 흡수 깊이(Absorption Depth)는 파장에 크게 의존합니다:

파장	색상	Si에서의 흡수 깊이
400 nm	보라색	~0.1 um
450 nm	파란색	~0.4 um
550 nm	녹색	~1.7 um
650 nm	빨간색	~3.3 um
800 nm	근적외선	~10 um

이는 청색 빛은 표면 근처에서 흡수되지만, 적색/근적외선 빛은 수 마이크로미터의 실리콘이 필요함을 의미합니다. 일반적인 BSI 픽셀의 실리콘 두께는 2~4 um입니다.

**포토다이오드(Photodiode)**는 실리콘 내의 정해진 영역을 차지합니다. 포토다이오드 체적 내에서 흡수된 광자만이 광전류에 기여합니다. COMPASS는 포토다이오드 경계 박스 내의 흡수 전력을 적분하여 이를 모델링합니다.

심부 트렌치 격리 (DTI)

심부 트렌치 격리(Deep Trench Isolation, DTI)는 저굴절률 재료(일반적으로 SiO2, $n \approx 1.46$ )로 채워진 수직 트렌치로, 실리콘 내에서 인접 픽셀을 광학적으로 격리합니다. 실리콘( $n \approx 3.5$ ~ $4.0$ )과 SiO2 사이의 큰 굴절률 차이로 트렌치 벽에서 전반사(Total Internal Reflection)가 발생하여, 빛이 인접 픽셀로 건너가는 것을 방지합니다.

DTI의 핵심 역할:

광학적 크로스토크(Crosstalk) 감소
색 재현성 향상
MTF(Modulation Transfer Function, 변조 전달 함수) 유지

BSI 픽셀에서의 광학 현상

효과	메커니즘	QE에 대한 영향
박막 간섭	BARL/평탄화층에서의 다중빔 간섭	스펙트럼 리플
회절	서브파장 금속 격자	각도 의존적 광 재분배
도파 모드	DTI가 실리콘 도파관 형성	빛을 가두어 QE 향상 또는 저하 가능
마이크로렌즈 집광	굴절	픽셀 중심에 빛을 집중
광학적 크로스토크	인접 픽셀로의 빛 누설	색 정확도 저하
전반사	고굴절률 Si / 저굴절률 주변부	빛을 가두어 유효 광경로 증가

이 모든 효과는 COMPASS의 전파 전자기(Full-Wave EM) 솔버(RCWA, FDTD)에 의해 자동으로 포착됩니다.

이미지 센서 광학 ​

BSI 픽셀 구조 ​

Interactive BSI Pixel Stack Cross-Section

마이크로렌즈 ​

컬러 필터 배열 ​

Interactive Bayer Pattern Viewer

BARL: 하부 반사 방지층 ​

실리콘과 포토다이오드 ​

심부 트렌치 격리 (DTI) ​

BSI 픽셀에서의 광학 현상 ​