CMOS圖像傳感器(CMOS Image Sensor, CIS) 是一種可以將通過鏡頭捕獲的光的顏色和亮度轉(zhuǎn)換為電子信號，并將其傳輸至處理器的傳感器。因此，圖像傳感器充當?shù)氖?a href="http://www.asorrir.com/v/tag/11230/" target="_blank">智能手機或平板電腦等移動設備“眼睛”的角色。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(VR)、增強現(xiàn)實(AR) 、自動駕駛的興起，CIS技術成為工業(yè)4.0的一項關鍵技術。人們預計，CIS技術將不僅可以作為設備的“眼睛”，還將在功能上有更進一步的發(fā)展。

? 1.前照式(FSI)技術及其局限性

? 早期的CIS產(chǎn)品像素采用前照式(FSI)結構，這種結構將光學結構置于基于CMOS1)工藝的電路上。這項技術適用于像素尺寸為1.12μm及以上的大多數(shù)CIS解決方案，被廣泛用于移動設備、閉路電視(CCTV)、行車記錄儀、數(shù)碼單反相機、車用傳感器等產(chǎn)品。

? 1)?互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Silicon, CMOS)：由成對的N溝道和P溝道MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 低壓金屬氧化物半導體場效應管) 組成的互補邏輯電路。CMOS器件的功耗極低，被應用于DRAM產(chǎn)品和CPU中，因為雖然這類器件搭載的處理器較為復雜，但卻能夠進行大規(guī)模集成。

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圖1. 前照式(FSI)結構和單位像素示意圖

? 一款高性能的圖像傳感器即使在弱光條件下，也應能夠呈現(xiàn)出明亮清晰的圖像，而要實現(xiàn)這一效果，需要提高像素的量子效率(QE)2)。因此，像素下層電路的金屬布線設計應以FSI結構為基礎，以盡可能避免光干擾。 2) 量子效率(QE)：用于衡量成像設備將入射光子轉(zhuǎn)換為電子的有效性的指標。如果一款傳感器的量子效率為100%且暴露在100個光子下，則可以轉(zhuǎn)換為100個電子信號。

圖2. 量子效率(QE)方程式和前照式(FSI)結構圖

? 然而，通常情況下，當連續(xù)的光線穿過光圈或物體周圍時，就會發(fā)生衍射現(xiàn)象3)。就光圈而言，隨著光圈孔徑尺寸的減少，更多的光會隨著衍射量的增加而擴散。

? 3) 衍射現(xiàn)象：聲波和光波等在穿過障礙物或光圈時偏離直線傳播的現(xiàn)象。從光的角度來看，當障礙物或光圈的尺寸等于或小于所通過光波的波長時，就會發(fā)生衍射現(xiàn)象。
? 同樣，外部光達到單個像素時，衍射現(xiàn)象也無法避免。就FSI結構而言，因為受到下層電路中金屬布線層的影響，這種結構更容易受到衍射的影響。即使FSI像素尺寸減少，被金屬覆蓋的區(qū)域也保持不變。因此，光通過的區(qū)域變得更小，衍射現(xiàn)象增強，導致圖像中的顏色混合在一起。 ?

圖3. 光衍射和像素大小的關系 然而，控制像素的衍射也并非不可能。為了改善單個區(qū)域的衍射，可以根據(jù)衍射計算公式來縮短微透鏡到硅(Si)的距離。為此，人們提出了一種背照式(BSI)工藝，通過翻轉(zhuǎn)晶圓來利用其背面，以此消除金屬干擾。

? 2.基于BSI的像素技術的出現(xiàn)

? 2011年，蘋果iPhone 4手機問世，其配備了當時首個應用BSI技術的CIS產(chǎn)品。蘋果公司當時聲稱BSI技術與FSI技術相比可以捕獲更大的進光量，因此可以再現(xiàn)更高質(zhì)量的圖像。

? 蘋果公司以及當今整個行業(yè)所使用的BSI流程如下圖所示。就BSI技術而言，首先在晶圓的一側制作所有電路部分，然后將晶圓翻轉(zhuǎn)倒置，以便創(chuàng)建可以在背面收集光線的光學結構。這樣可以消除FSI中金屬線路造成的干擾，在同一大小像素的條件下光線通過的空間更大，從而可提高量子效率。 ?

圖4. 背照式(BSI)工藝流程圖

圖5. 不同結構下微透鏡和光電二極管(PD)之間的距離比較

? 借助BSI技術，使1.12μm及以下像素尺寸的應用成為可能，并為1600萬像素及以上的高分辨率產(chǎn)品開辟出了市場。不同于會受到布線干擾的FSI結構，基于BSI的光學工藝有著更高的自由度。得益于此，背側深溝槽隔離(BDTI)、W型柵格(W Grid)和空氣柵格(Air Grid)等在內(nèi)的各種光學像素結構被開發(fā)出來，以提高產(chǎn)品的量子效率。

? 背側深溝槽隔離(BDTI)工藝 雖然采用克服光衍射問題的BSI結構可以提高量子效率，但仍需要采用額外的像素分割結構，以順應智能手機不斷縮小的像素尺寸和不斷降低的攝像頭F值4)。在這方面，背側深溝槽隔離(BDTI)結構是最具代表性的例子，這種結構可以在光線沿CIS芯片外側斜向進入的區(qū)域提升全內(nèi)反射(TIR)效果5)，從而增加信號。目前，這項技術被廣泛應用于大多數(shù)基于BSI技術的CIS產(chǎn)品。

? 4) F值：決定光圈亮度的值。相機的F值越低，光圈開得就越大，進光量就越多，使相機能夠在較暗的地方拍出明亮清晰的照片，同時減少圖像噪點。
? 5) 全內(nèi)反射(TIR)：是指光由介質(zhì)(包括水或玻璃)周圍表面全部被反射回原介質(zhì)內(nèi)部的現(xiàn)象。當入射角大于臨界角時，就會發(fā)生全反射現(xiàn)象。

圖6. 傳統(tǒng)的背照式(BSI)結構和作為附加像素分割結構的背側深溝槽隔離(BDTI)工藝

? 彩色濾光片隔離結構彩色濾光片隔離結構是與BDTI結構并駕齊驅(qū)的另一種技術，是通過在濾色器之間插入物理屏障提高基于BSI的像素性能。由于在使用BSI結構之后，微透鏡和光電二極管6)之間的距離無法再縮短，因此這種結構防止了由像素收縮引起的衍射。彩色濾光片隔離的代表性結構包括W型柵格和SK海力士專有的空氣柵格(Air Grid)結構。與簡單的光阻隔結構W型柵格不同的是，使用全內(nèi)反射的空氣柵格可以提高量子效率，因而有望成為新一代技術。
? 6) 光電二極管(PD)：將CIS傳感器接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

圖7. W型柵格結構和空氣柵格結構 3.總結

? 從前照式到背照式，看似只是內(nèi)部器件順序上的簡單調(diào)整，其實更是工藝水平的革新。通過將像元置于金屬層之上，意味著承載像元的基板要非常薄，約是前照式像元的1/100。依賴工藝的革新，背照式像元最終才得以實現(xiàn)(可以想見，背照式像元生產(chǎn)成本也相對較高) 。

? ? 審核編輯：黃飛

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