CIS：攝像頭繁榮的背后推手

作者：泛林集團(tuán)客戶支持事業(yè)部戰(zhàn)略營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān)David Haynes

提到科技，身處半導(dǎo)體行業(yè)的我們往往會(huì)想到電子工業(yè)的主要驅(qū)動(dòng)力：互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）邏輯和存儲(chǔ)器。絕大多數(shù)電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造都會(huì)使用到泛林集團(tuán)的設(shè)備，然而，要想打造有實(shí)用價(jià)值的系統(tǒng)，我們往往還需要借助很多其他的特種技術(shù)，其中包括很多涉及到人機(jī)互動(dòng)的技術(shù)，例如：

• 各種傳感器，例如CMOS圖像傳感器（CIS）和微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）
• 用于發(fā)送和接收無線信號(hào)的射頻（RF）電路
• 電力電子設(shè)備，其內(nèi)置器件包括金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFETs）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和雙極CMOS-雙擴(kuò)散MOS集成電路（BCD）
• 各種光學(xué)器件，例如顯示器和光子元件

這些技術(shù)關(guān)系到商業(yè)、工業(yè)和汽車市場(chǎng)中的各種系統(tǒng)。最近備受關(guān)注的物聯(lián)網(wǎng)器件和蜂窩技術(shù)（尤其是5G）就廣泛采用了各種特種技術(shù)。據(jù)估計(jì)，到2023年，這些市場(chǎng)將占到全球集成電路總需求的30％。（數(shù)據(jù)來源：2019年IC Insights、McClean和OSD Reports）

備受關(guān)注的攝像頭

在所有傳感器中，CIS器件的重要性日益突顯。隨著消費(fèi)者手中的智能手機(jī)開始配備越來越多的攝像頭，這個(gè)曾經(jīng)用來“錦上添花”的功能如今已經(jīng)成為了各類手機(jī)營(yíng)銷中的主要賣點(diǎn)。舉例來說，在2017年iPhone X發(fā)布會(huì)上，蘋果只用了大約10%的時(shí)間來介紹其相機(jī)功能; 而兩年后的iPhone 11發(fā)布會(huì)，全場(chǎng)有近一半（49%）的時(shí)間都在介紹其相機(jī)功能如何強(qiáng)大。

未來隨著高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動(dòng)駕駛的發(fā)展，汽車將廣泛配備更多不同類型的攝像頭（除了雷達(dá)和/或激光雷達(dá)之外）。為了消除盲區(qū)并讓駕駛員和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)更好地了解周圍情況，最終車身四周很可能遍布攝像頭。

據(jù)預(yù)計(jì)，CIS市場(chǎng)規(guī)模將在未來幾年間大幅增長(zhǎng)，到2024年的年均復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）可達(dá)6.6%。在增長(zhǎng)迅猛的細(xì)分領(lǐng)域，CIS需求量的增長(zhǎng)遠(yuǎn)不止此——在消費(fèi)產(chǎn)品、安全設(shè)備和汽車行業(yè)，CIS市場(chǎng)規(guī)模的年均復(fù)合增長(zhǎng)率可分別達(dá)到24.6%、17.1%和14.1%。（來源：Yole）

某些CIS器件用于記錄可見光線，其他一些則屬于紅外（IR） 或近紅外（NIR）相機(jī)元件，記錄可見光的設(shè)備可提供識(shí)別周圍環(huán)境和物體的視頻流。而紅外CIS就包括最近越來越流行的面部識(shí)別相機(jī)，它們可以利用結(jié)構(gòu)光在黑暗條件下識(shí)別人臉。

打造最好的CIS芯片

早期的CIS芯片需要從頂部或前部捕獲射入的光線，這也是讓光子穿過薄硅層到達(dá)傳感設(shè)備最常見的方法，但其缺點(diǎn)在于金屬噴鍍和其他芯片器件可能阻隔部分光線，導(dǎo)致傳感器只能捕獲可以繞過這些障礙的光線。

為解決這個(gè)問題，較新的CIS設(shè)備都改成從背面接收光線，這樣就可以避開上述障礙物。但較厚的晶圓會(huì)打散和吸收部分光線，所以，采用這種方法意味著晶片的背面必須足夠薄，才能最大限度地捕獲光子。隨著芯片集成度的提高，人們也開始以堆疊方式將圖像傳感器與存儲(chǔ)器和其他邏輯元件封裝在一起。在改成從背面接收光線后，可以將CIS芯片的前部與其他晶圓結(jié)合，而不會(huì)影響到對(duì)光的感測(cè)。

然而，要做到這一點(diǎn)，還需要用到許多先進(jìn)的技術(shù)以真正實(shí)現(xiàn)最高效的光線捕捉，其中最突出的兩個(gè)技術(shù)實(shí)例就是深槽隔離技術(shù)（DTI）和硅穿孔（TSV）。

DTI的作用是更有效地隔離相鄰的像素電路。在進(jìn)入像素之后，光子可能會(huì)分散并向周圍移動(dòng)， 即離開原本的像素而進(jìn)入相鄰像素。在分辨率較高的設(shè)備中，這種在像素間的光子移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致模糊的觀感。而DTI能夠在相鄰像素之間建立隔離墻，將光子關(guān)在像素內(nèi)部并由此生成清晰度更高的圖片。

TSV則是晶片堆疊所需的基礎(chǔ)性技術(shù)。所有金屬連接線和傳統(tǒng)焊盤都是布置在晶片的正面，所以將兩個(gè)芯片的正面放在一起時(shí)，芯片間可以實(shí)現(xiàn)互通信號(hào)。然而芯片的背面并不布置任何線路，如果要將一個(gè)芯片的背面與另一個(gè)芯片的任意一面相連，必須要用某種方法將前一個(gè)芯片上的信號(hào)從其正面?zhèn)鬟f到背面才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)互通。TSV就是從硅襯底鉆通的金屬導(dǎo)電通道。

DTI和TSV都屬于精度和細(xì)度要求較高的先進(jìn)工藝，而實(shí)現(xiàn)此類工藝正是泛林集團(tuán)的專長(zhǎng)。隨著CIS市場(chǎng)的增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)此類技術(shù)所需設(shè)備的需求預(yù)計(jì)將大幅提升。盡管CIS和其他特種技術(shù)受到的關(guān)注不能與主流技術(shù)相比，但我們?cè)谖磥韼啄陮⒖吹剿鼈冊(cè)谙到y(tǒng)應(yīng)用中相同的重要性。