背照式CMOS圖像傳感器的重要發(fā)展歷程及特點(diǎn)

提到背照式CMOS，相信很多朋友首先會(huì)聯(lián)想到智能手機(jī)等小型影像記錄設(shè)備?，F(xiàn)在主流的手機(jī)的攝像頭均采用了背照式和堆棧式兩種類(lèi)型的傳感器。

想要弄清楚背照式中“背”的含義，就必須要先了解傳統(tǒng)CMOS——前照式（FrontSide Illumination，縮寫(xiě)為FSI）的結(jié)構(gòu)。

前照式CMOS

CMOS是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)FSI結(jié)構(gòu)中，自上至下依次為微透鏡（Micro-lens）、彩色濾光鏡（Color Filter）、電路層（Wiring Layers）和光電二極管（Photodiodes）。

不難發(fā)現(xiàn)：CMOS總面積 ≈ 光電二極管有效面積 + 電路層有效面積，光電二極管和配套電路需要爭(zhēng)搶感光元件上有限的空間。

電路占據(jù)的面積大，光電二極管占據(jù)的面積就小，CMOS實(shí)際收集的光線就少。對(duì)于智能手機(jī)、便攜數(shù)碼相機(jī)等小型影像記錄設(shè)備來(lái)說(shuō)，這就意味著成像質(zhì)量難以提升，最集中表現(xiàn)就是高ISO拍攝時(shí)的噪點(diǎn)大、雜訊多。

那么，能否減少電路面積呢？首先，現(xiàn)代CMOS普遍采用集成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）的做法，1列光電二極管對(duì)應(yīng)1個(gè)ADC和1套放大電路。想要提升像素?cái)?shù)量、提高讀取速度就必須增加配套電路。

傳統(tǒng)的CMOS “前照式”結(jié)構(gòu)，當(dāng)光線射入像素，經(jīng)過(guò)了片上透鏡和彩色濾光片后，先通過(guò)金屬排線層，最后光線才被光電二極管接收。

大家都知道金屬是不透光的，而且還會(huì)反光。所以，在金屬排線這層光線就會(huì)被部分阻擋和反射掉，光電二極管吸收的光線能就只有剛進(jìn)來(lái)的時(shí)候的70％或更少；而且這反射還有可能串?dāng)_旁邊的像素，導(dǎo)致顏色失真。（目前中低檔的CMOS排線層所用金屬是比較廉價(jià)的鋁（Al），鋁對(duì)整個(gè)可見(jiàn)光波段（380～780nm）基本保持90％左右的反射率。）

這樣一來(lái)，“背照式”CMOS就應(yīng)運(yùn)而出了，其金屬排線層和光電二極管的位置和“前照式”正好顛倒，光線幾乎沒(méi)有阻擋和干擾地就下到光電二極管，光線利用率極高，所以背照式CMOS傳感器能更好的利用照射入的光線，在低照度環(huán)境下成像質(zhì)量也就更好了。

背照式CMOS

背照式CMOS英文為Back-Illuminated CMOS，縮寫(xiě)為BI CMOS；或BackSide Illumination CMOS，縮寫(xiě)為BSI CMOS。在背照式BSI結(jié)構(gòu)中，光電二極管和電路層的位置發(fā)生了調(diào)換，自上至下依次為微透鏡（Micro-lens）、彩色濾光鏡（Color Filter）、光電二極管（Photodiodes）和電路層（Wiring Layers）。

這帶來(lái)了兩個(gè)好處：

1.光電二極管可以接收到更多光線（開(kāi)口率更大），使CMOS具有更高靈敏度和信噪比，改善高ISO下的成像質(zhì)量。

2.配套電路無(wú)需再和光電二極管爭(zhēng)搶面積，更大規(guī)模的電路有助于提高速度，實(shí)現(xiàn)超高速連拍、超高清短片拍攝等功能。

由于光電二極管層上移、卡口率更大，BSI CMOS可以更充分地吸收大角度入射光線。在使用傳統(tǒng)CMOS的A7R上，索尼通過(guò)微透鏡優(yōu)化提升邊緣質(zhì)量（芯片位置匹配技術(shù)）；而在使用BSI CMOS的A7R II上，索尼就不需要再做特殊優(yōu)化——當(dāng)然，如果加上微透鏡優(yōu)化自然是極好的，但改善幅度不會(huì)有傳統(tǒng)CMOS來(lái)的明顯。

當(dāng)然，任何事物都有兩面性，背照式CMOS也不例外。由于電路層變得密度更高，電路和電路之間不可避免地會(huì)產(chǎn)生干擾。其結(jié)果就是低感光度下的信噪比可能會(huì)有所下降。

相比起普通的傳感器，搭載背照式傳感器的攝像頭能夠在弱光環(huán)境下，提高約30%—50%的感光能力，能夠在弱光下拍攝更高的質(zhì)量的照片。

背照式CMOS的重要發(fā)展歷程

990年代，背照式概念被提出，但由于生產(chǎn)加工要求很高，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化。

2007年，OmniVision對(duì)外展示了BSI CMOS樣品。

2009年2月，索尼實(shí)現(xiàn)BSI CMOS量產(chǎn)化并注冊(cè)了Exmor R商標(biāo)。首批搭載Exmor R CMOS的產(chǎn)品包括索尼HDR-XR520、HDR-XR500攝像機(jī)（2009-2），索尼DSC-WX1、DSC-TX1便攜數(shù)碼相機(jī)（2009-9），索尼愛(ài)立信Cyber-shot S006拍照手機(jī)（2010-10）。

2011年10月，蘋(píng)果iPhone 4S的主攝像頭搭載了索尼生產(chǎn)的BSI CMOS。

2013年6月，索尼推出搭載1英寸約2020萬(wàn)像素BSI CMOS的數(shù)碼相機(jī)RX100 II。

2015年6月，索尼推出搭載搭載35mm全畫(huà)幅約4240萬(wàn)像素BSI CMOS的無(wú)反相機(jī)A7RII。

背照式CMOS的特點(diǎn)

新型背照式CMOS傳感器得益于電子器件的制作工藝升級(jí)，至少在兩個(gè)方面有提升。

第一個(gè)是在傳感器上的微透鏡性能更為提升，以致經(jīng)過(guò)微透鏡后的光，入射到感光面上的角度更接近垂直，而且微透鏡產(chǎn)生的色散，眩光等不良效果會(huì)減弱，讓最終到達(dá)傳感器感光面的光較傳統(tǒng)的好。

第二就是在大像素下依舊具有高速的處理能力，這一點(diǎn)歸根到底是對(duì)比CCD傳感器而言的。CCD傳感器是需要將各像素點(diǎn)的電荷數(shù)據(jù)傳輸出來(lái)統(tǒng)一處理，所以在像素大的時(shí)候速度比較難提高，如果強(qiáng)行提高處理的帶寬就會(huì)造成噪點(diǎn)的增加。而CMOS傳感器在每一個(gè)像素點(diǎn)上都已經(jīng)將電荷轉(zhuǎn)化成了電壓數(shù)據(jù)，在提高大像素幀率上有比較大的空間。

不過(guò)這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)并非被照式CMOS傳感器特有，是當(dāng)今新款的CMOS傳感器普遍都能做到的，這就是為什么越來(lái)越多數(shù)碼相機(jī)采用CMOS傳感器了，畢竟大像素和高速的性能會(huì)直接影響最終消費(fèi)者的選擇。

用上背照式CMOS傳感器畫(huà)質(zhì)就會(huì)好了嗎？

既然背照式CMOS傳感器這么厲害，是不是說(shuō)配備了了它的數(shù)碼相機(jī)拍照就很牛了呢？其實(shí)不是，決定數(shù)碼照片的畫(huà)質(zhì)除了核心部件傳感器外，還有鏡頭以及處理算法等因素。鏡頭的因素大家應(yīng)該都容易理解，因?yàn)楣饩€到達(dá)傳感器之前是要通過(guò)鏡頭。而各型號(hào)的相機(jī)使用的鏡頭不盡相同，具體的質(zhì)素也當(dāng)然會(huì)有差異。

另外一個(gè)就是數(shù)據(jù)處理的方面，因?yàn)閺膫鞲衅鞒鰜?lái)的數(shù)據(jù)還是要經(jīng)過(guò)數(shù)碼相機(jī)內(nèi)部的處理器來(lái)進(jìn)行處理才能得到最終的照片數(shù)據(jù)（能輸出RAW格式的相機(jī)除外），換句話說(shuō)就是有了原始材料，還需要做潤(rùn)色才能出成品。這部分就要看各個(gè)廠家的圖像處理算法了，這就好比不同廚師會(huì)用的烹調(diào)方法來(lái)處理食材一樣，最終的圖片就會(huì)用不同的質(zhì)量，不同的風(fēng)格。

對(duì)比裝備了背照式CMOS傳感器的相機(jī)和其他相機(jī)的各檔位ISO畫(huà)質(zhì)，大體的結(jié)論是在低ISO的時(shí)候，兩者相差不大，但在高ISO時(shí)候的確有一定的提升。另外值得提及的一點(diǎn)就是，裝備了背照式CMOS傳感器的相機(jī)在低光環(huán)境的對(duì)焦能力大大加強(qiáng)，這是一個(gè)非常重要的提升。

另外，背照式如果要用在單反上，必須等壞點(diǎn)率進(jìn)一步降低才行。單反的cmos多大？小卡片機(jī)的cmos才有多大？如果采用背照式的技術(shù)，單反cmos的良品率必然大大下降。成本可是誰(shuí)也承擔(dān)不起的。

堆棧式CMOS

堆疊式CMOS最先出現(xiàn)在索尼推出的移動(dòng)終端用CMOS上。堆疊式出現(xiàn)的初衷其實(shí)不是為了減少整個(gè)鏡頭模組的體積，這個(gè)只是其附帶好處而已。

CMOS的制作和CPU的制作類(lèi)似，需要特殊的光刻機(jī)對(duì)硅晶圓進(jìn)行蝕刻，形成像素區(qū)域（Pixel Section）和處理回路區(qū)域（Circuit Section）。像素區(qū)域就是種植像素的地方，而處理回路顧名思義，就是管理這一群像素的電路。

為了提高像素集合光的效率，需要引入光波導(dǎo)管。光波導(dǎo)管的干刻過(guò)程中，硅晶圓和像素區(qū)域會(huì)有損傷，此時(shí)則要進(jìn)行一個(gè)叫做“退火（annealing process）”的熱處理步驟，讓硅晶圓和像素區(qū)域從損傷中恢復(fù)回來(lái)，這時(shí)候需要將整塊CMOS加熱。好了，問(wèn)題來(lái)了，這么一熱，同在一塊晶圓上的處理回路肯定有一定的損傷了，原先已經(jīng)“打造”好了的電容電阻值，經(jīng)過(guò)退火后肯定改變了，這種損傷必定會(huì)對(duì)電信號(hào)讀出有一定影響。

還有一個(gè)問(wèn)題，索尼目前建有的移動(dòng)終端用CMOS的制程是65納米干刻，這個(gè)65納米的工藝對(duì)于CMOS的像素區(qū)域的“種植”是完全足夠的。但是處理回路區(qū)域的“打造”，65納米是不夠的，如果能有30納米（實(shí)際提升至45nm制程）的工藝去打造電路，那么處理回路上的晶體管數(shù)量就幾乎翻番，其對(duì)像素區(qū)域的“調(diào)教”也就會(huì)有質(zhì)的飛躍，畫(huà)質(zhì)肯定相應(yīng)變好。但因?yàn)槭窃谕粔K晶圓上制作，像素和回路區(qū)域需要在同一個(gè)制程下制作。

如此魚(yú)和熊掌不可兼得的事情，假如解決了多好！于是索尼的工程師打起了晶圓的基板的主意。

先來(lái)看這張結(jié)構(gòu)圖。原來(lái)處理回路是和像素區(qū)域在同一塊晶圓上打造的。

那么不妨把處理回路放到其它地方去。首先利用SOI和基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)差異，通過(guò)加熱將兩者分開(kāi)。像素區(qū)域放到65納米制程的機(jī)器上做，處理回路則放到制程更高（45nm）的機(jī)器上做。然后在拼在一起，堆棧式CMOS也就這樣誕生了。

上邊遇到的兩個(gè)問(wèn)題：①像素“退火”時(shí)回路區(qū)域躺著中槍?zhuān)虎谠谕粔K晶圓上制作時(shí)的制程限制；均迎刃而解了。

堆疊式不僅繼承了背照式的優(yōu)點(diǎn)（像素區(qū)域依然是背照式），還克服了其在制作上的限制與缺陷。由于處理回路的改善和進(jìn)步，攝像頭也將能提供更多的功能，比如說(shuō)硬件HDR，慢動(dòng)作拍攝等等。

像素與處理回路分家的同時(shí)，攝像頭的體積也會(huì)變得更小，但功能和性能卻不減，反而更佳。像素區(qū)域（CMOS的尺寸）可以相應(yīng)地增大，用來(lái)種植更多或者更大的像素。處理回路也會(huì)的到相應(yīng)的優(yōu)化。

堆棧式CMOS使用有信號(hào)處理電路的芯片代替感光組件的電路部分及支持基板，使得設(shè)備有極大的空間，在此形成更多的像素部分，同時(shí)采用堆棧的方式使像素部分和電路芯片重疊，堆棧的兩層相互依賴(lài),像素層與模擬邏輯芯片無(wú)需再互搶所占空間,兩者相互獨(dú)立，可單獨(dú)提高像素質(zhì)量及電路性能。

堆棧式CMOS的優(yōu)點(diǎn)

堆棧式傳感器是由背照式所發(fā)展而成的，背照式傳感器是將感光層的光電二極管的位置換了一下，而堆棧式傳感器則是把信號(hào)回路位置互換。而且，堆棧式傳感器比背照式的的體積更加小，畫(huà)質(zhì)方面也是作了更加好的優(yōu)化。

除此之外，堆棧式傳感器相比起背照式的還擁有兩項(xiàng)技術(shù)來(lái)提升畫(huà)質(zhì)的。

第一個(gè)就是堆棧式傳感器加入了RGBW的編碼技術(shù)，就是是由原來(lái)的R（紅），G（綠），B（藍(lán)）三原色像素點(diǎn)中再加入W（白）像素點(diǎn)來(lái)提升畫(huà)質(zhì)，提高傳感器的感光能力的，使攝像頭在暗光環(huán)境下也能夠拍攝出質(zhì)量更高的照片。

第二項(xiàng)就是堆棧式傳感器更加是支持硬件HDR功能，硬件HDR英文名稱(chēng)叫做“In-camera HDR”，它實(shí)現(xiàn)的原理是能夠精確地單獨(dú)控制每一行像素的曝光時(shí)間，從而在傳感器層面上就實(shí)現(xiàn)原生的高動(dòng)態(tài)范圍渲染，有別于之前的軟件HDR技術(shù)一樣需要軟件，照相機(jī)綜合算法來(lái)合成，所以照片生成的速度更快，而且可以實(shí)現(xiàn)HDR錄像。

從以上的介紹可以看出，堆棧式傳感器是從背照式傳感器進(jìn)化提升而來(lái)的產(chǎn)品，也是由背照式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，堆棧式傳感器吸取了背照式的優(yōu)勢(shì)地方，再?gòu)浹a(bǔ)了其劣勢(shì)的地方，進(jìn)行了更加全面的優(yōu)化升級(jí)。除此之外，堆棧式傳感器還可以兼顧背照式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使到攝像頭的拍攝畫(huà)質(zhì)有了很大的提高。

所以到現(xiàn)在，越來(lái)越多的手機(jī)生產(chǎn)廠商推出的手機(jī)的攝像頭采用了堆棧式傳感器，憑借更優(yōu)秀的表現(xiàn)，堆棧式傳感器將會(huì)成為日后手機(jī)攝像頭的主流。

原文標(biāo)題：一文讀懂背照式CMOS圖像傳感器

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