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图像传感器(一):科普篇

Sony在CIS领域的创新,可说是异构整合(heterogeneous integration)的CIS。Sony

图像传感器(CIS)是利用光电效应(这可是爱因斯坦1921年物理诺贝尔奬得奖作品)的机制,入射光进入物质之後转换成电子-电洞对、进而转为数码化电压的器件。它的前身是电荷藕合元件(CCD),但是CIS出现後,由於生产成本大幅降低,CIS已经占有绝大部分的应用及市场。

CIS有四个主要构成部件:微镜头(microlens)、滤光片(color filters)、像素设计(pixel design)和光电二极管(photodiode),前二者是光学元件,後二者才是矽电学元件。由於有光和电两种制程的协奏,让这个次产业变得丰饶有趣。这两种物理性质的互相折冲妥协,造就了各式的CIS样态。

要组成一个可用於图像或影片构成的CIS模块,除了上述的光电二极管等四个元件外,至少还要有影像信号处理器(ISP)。光电二极管所感知的只是经滤光片解析的红、蓝、绿三种数码信号,单只是这些信号组不成图像的,就好像人眼睛视网膜(photodiode)中的锥体细胞(cone cell)和杆状细胞(rod cell)感知到的信号要经视觉神经送到大脑(ISP)中处理才会形成人可以感知的图像。

以前CSI的制程如其他的半导体制程,都是从光电二极管、像素设计的3~6个CMOS先做起,最後才做金属连线层,这可是依半导体元件的一般进程发展的,谈不上什麽特别的设计考虑。进光的孔径及诸种光学元件在金属线之上圳後形成。当入射光由前端最上层微透镜聚焦进来之後,还得透过金属层及其下的种种结构才能到达底下的光电二极管,感光经过金属的反射,效率自然不甚理想。

这令人想起人类眼睛构造的演化过程。生物先发展出感光细胞(视网膜,生物的光电二极管)以及光学神经细胞(金属线),以後才逐渐发展出透镜等完整的眼睛结构。但是脊髓动物的光学神经丛长在视网膜之前,也就是说入射光得先经过视神经丛才能抵达视网膜,这是个错误的开始。但是演化进程无法倒退,这个错误被後来的演化持续的擕带着走,以至於人类眼睛存有盲点,就是在眼睛特定的方向光线被视网膜前的视神经丛遮蔽,以至於图像无法感知。

这种「不良」的光学及电学元件设计现在被叫做前端照明(FSI)。虽然生物演化的路径出於偶然,而且无法逆转,但是元件的制程是可以重新设计的。

新的CIS制程做完了光电二极管及金属线的电学元件後,将晶圆翻转过来,光电二极管那端的晶圆再贴上一层硅片磨薄,然後挖深沟触及光电二极管,於其上依次再加上光学元件滤光片和微镜头,这些工序都是在晶圆原来的背面施加的。在此结构之下,入射光进来时从微镜头经滤光片直达光电二级体,不必经过金属线,也不会被反射。从结构上命名,这叫背面照明(BSI)。BSI结构从工程设计的观点当然比较合理,事实上,头足动物(如章鱼、乌贼等)的眼睛的确是视神经丛长在视网膜後头的,不会阻挡光线。

一般呈像的光学器材还有快门(shutter),用以调节进光量。CSI有两种快门,其实是与如何取得光电二极管上所得像素数据的方式有关:

滚动快门(rolling shutter)取得个别光电二级体的像素数据的方式是在光电二极管阵列的周边依行、依列的方式序列是取出各项像素数据,这种方式的好处是CIS结构简单、制作容易;缺点是因为个个像素被撷取的时间有相当落差,快速移动物体的影像会呈现线条歪斜的现象。

全域快门(global shutter)则是每个像素的数据是同时、一次性的读取。好处当然是图像不会扭曲,但是每个像素必须备有专属的类比/数码转换器(analog-digital converter),制作当然比较复杂。两种快门结构各有它们的应用场域。

为了加快、加大信号处理,除了CIS、ISP外,还可以加入DRAM做数据缓冲。以CIS、DRAM和ISP三个元件以三维堆叠(3D stacked)方式整合成模块,大幅降低了芯片的长、寛、髙,而且令各芯片选用各自最佳化的制程,进而降低了成本,这是Sony在此领域的创新,也是state-of the-art。以最时尚的语言来说,这就是异构整合(heterogeneous integration)的CIS。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教於中央大学,後转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾於 Taiwan Semicon 任谘询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在於台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。