CIS技術(shù)的工作原理 CIS所特有的五類制造工藝技術(shù)

CMOS圖像傳感器（CIS）技術(shù)的創(chuàng)新繼續(xù)增強(qiáng)了數(shù)字成像的前景。盡管CMOS圖像傳感器的需求主要由智能手機(jī)制造商推動(dòng)——手機(jī)制造商們通過(guò)利用增強(qiáng)的照相功能使他們的手機(jī)在對(duì)手競(jìng)爭(zhēng)獲勝。同時(shí)，CMOS圖像傳感器在汽車，安全，醫(yī)療和制造領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)也不斷增長(zhǎng)。

微型CMOS圖像傳感器，在功能上與人眼的視網(wǎng)膜相當(dāng)，現(xiàn)在可以與以前只能用大型昂貴的攝像設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的功能相媲美。而且，與智能手機(jī)相比，新的應(yīng)用更加強(qiáng)調(diào)了CIS技術(shù)進(jìn)步的必要性。

因此，現(xiàn)在的CIS技術(shù)不再僅僅是捕捉圖像供人眼觀看，而是捕捉數(shù)據(jù)，為從自動(dòng)駕駛汽車、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）到下一代醫(yī)療成像和高科技監(jiān)控系統(tǒng)等一系列新的應(yīng)用案例提供動(dòng)力。

對(duì)先進(jìn)CIS技術(shù)的需求來(lái)自于各種應(yīng)用。來(lái)源：SK Hynix

為確保CIS技術(shù)跟上各種更先進(jìn)的應(yīng)用需求，我們需要做些什么呢？

首先，讓我們快速了解一下CIS技術(shù)的工作原理。然后，我們將著重介紹CIS所特有的五類制造工藝技術(shù)，這些技術(shù)將需要持續(xù)的進(jìn)步。

CIS是如何工作的？

在最基本的層面上，CIS技術(shù)的任務(wù)是將來(lái)自相機(jī)鏡頭的光轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以創(chuàng)造出視野中的畫面。當(dāng)可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍為400～700nm的光能凝結(jié)在硅基板的光電二極管（PD）上時(shí)，CMOS圖像傳感器的硅表面接收光能形成電子-空穴對(duì)。

在此過(guò)程中產(chǎn)生的電子通過(guò)浮動(dòng)擴(kuò)散（FD）轉(zhuǎn)換成電壓，再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被發(fā)送到處理器，以創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字描述，通常是一個(gè)圖像，即所看到的東西。

5種特定的制造工藝技術(shù)

生產(chǎn)如此精密的傳感器需要特定的制造技術(shù)，可分為五類。

1.PD深層形成工藝技術(shù)

消費(fèi)者對(duì)提高圖像質(zhì)量的持續(xù)需求，導(dǎo)致了如何提高移動(dòng)CIS的像素密度和分辨率的競(jìng)爭(zhēng)，而這又進(jìn)一步加速了CIS工藝技術(shù)的發(fā)展。為了達(dá)到這個(gè)目的，需要進(jìn)一步縮小像素尺寸，以便在相同尺寸的芯片上容納更多的像素。

該示意圖顯示了光電二極管結(jié)構(gòu)隨著像素尺寸的減小而發(fā)生的變化。來(lái)源：SK Hynix

為了避免圖像質(zhì)量的惡化，深層光電二極管也是至關(guān)重要的。為了確保小像素中足夠的全井容量（FWC），需要超越現(xiàn)有半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的難度級(jí)別的圖案化和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。為此，必須確保15:1以上的高長(zhǎng)寬比，植入能夠阻擋高能離子植入的掩膜工藝技術(shù)，順應(yīng)不斷發(fā)展的產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)，使比例越來(lái)越高。

2.像素與像素之間的隔離工藝技術(shù)

當(dāng)涉及到高清CIS時(shí)，像素之間的隔離技術(shù)是至關(guān)重要的。芯片制造商利用不同的隔離技術(shù)。如果使用不成熟的技術(shù)，就會(huì)產(chǎn)生顏色混合和顏色擴(kuò)散等圖像缺陷。

隨著更高的像素密度和分辨率成為普遍要求，隔離度越來(lái)越成為CIS市場(chǎng)圖像質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，在隔離過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，為此，人們正在努力選擇更好的設(shè)備，開發(fā)新的配方，以提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量。

3.彩色濾波陣列（CFA）工藝技術(shù)

彩色濾光片陣列（CFA）是CIS領(lǐng)域特有的工藝，在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器工藝中并不常見(jiàn)。CFA工藝一般包括將入射光過(guò)濾成紅、綠、藍(lán)各波長(zhǎng)范圍的彩色濾光片（CF）和提升冷凝效率的微透鏡（ML）。為了創(chuàng)造穩(wěn)健的圖像質(zhì)量，評(píng)估R/G/B彩色材料并開發(fā)優(yōu)化形狀和厚度等參數(shù)的技術(shù)非常重要。

最近，一系列高質(zhì)量和高功能的CIS產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)布;它們基于Quad Bayer等技術(shù)，并與CFA的基本形式相輔相成。

彩色濾光片陣列的組成圖圖3彩色濾光片陣列由彩色濾光片和微透鏡組成。來(lái)源：SK Hynix

4.晶圓堆積工藝技術(shù)

晶圓堆疊是指將兩個(gè)晶圓連接在一起，是生產(chǎn)高像素、高清晰度CIS產(chǎn)品的重要技術(shù)。在高像素CIS產(chǎn)品中，像素陣列和邏輯電路分別在單個(gè)晶圓上形成，然后在工藝中間使用稱為晶圓鍵合的技術(shù)進(jìn)行連接。

晶圓堆疊顯著提高CIS能力。來(lái)源：SK Hynix SK Hynix

晶圓堆疊技術(shù)已被大多數(shù)CIS芯片廠商采用，并在不同維度上不斷發(fā)展。

5.控制CIS產(chǎn)量和質(zhì)量的技術(shù)

在CIS產(chǎn)品研發(fā)和量產(chǎn)過(guò)程中，最基本的要求之一就是控制金屬污染。由于CIS產(chǎn)品對(duì)污染的敏感度是存儲(chǔ)器產(chǎn)品的數(shù)倍，而且污染直接影響到產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，因此各種污染控制技術(shù)是必須的。

除此之外，等離子體損傷控制也是一個(gè)重要因素。由于在加工過(guò)程中造成的損傷會(huì)導(dǎo)致熱像素等圖像特性的惡化，因此必須對(duì)關(guān)鍵工序進(jìn)行準(zhǔn)確管理。

CIS的未來(lái)展望

可以毫不夸張地說(shuō)，CIS驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用的有效性將由過(guò)程技術(shù)決定。這些單項(xiàng)工藝之間的互動(dòng)方式也將發(fā)揮重要作用。僅僅優(yōu)化制造工藝的某一個(gè)方面是不夠的，它們必須進(jìn)行優(yōu)化，使之有機(jī)互補(bǔ)。

不過(guò)，回報(bào)是巨大的。從制造業(yè)、醫(yī)療服務(wù)到監(jiān)控，幾乎每一個(gè)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)都可以利用新的CIS技術(shù)來(lái)改善運(yùn)營(yíng)。有了更豐富、更詳細(xì)的世界觀，各行各業(yè)的公司將能夠創(chuàng)造出更智能、更復(fù)雜的產(chǎn)品和服務(wù)，使其最終客戶和整個(gè)社會(huì)受益。

作者：In-Chul Jeong，SK Hynix的CIS流程團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。

編譯：梟梟
編輯：hfy