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圖像感測器(一):科普篇

Sony在CIS領域的創新,可說是異構整合(heterogeneous integration)的CIS。Sony

圖像感測器(CIS)是利用光電效應(這可是愛因斯坦1921年物理諾貝爾奬得獎作品)的機制,入射光進入物質之後轉換成電子-電洞對、進而轉為數位化電壓的器件。它的前身是電荷藕合元件(CCD),但是CIS出現後,由於生產成本大幅降低,CIS已經佔有絕大部分的應用及市場。

CIS有四個主要構成部件:微鏡頭(microlens)、濾光片(color filters)、畫素設計(pixel design)和光電二極體(photodiode),前二者是光學元件,後二者才是矽電學元件。由於有光和電兩種製程的協奏,讓這個次產業變得豐饒有趣。這兩種物理性質的互相折衝妥協,造就了各式的CIS樣態。

要組成一個可用於圖像或影片構成的CIS模組,除了上述的光電二極體等四個元件外,至少還要有影像訊號處理器(ISP)。光電二極體所感知的只是經濾光片解析的紅、藍、綠三種數位訊號,單只是這些訊號組不成圖像的,就好像人眼睛視網膜(photodiode)中的錐體細胞(cone cell)和桿狀細胞(rod cell)感知到的訊號要經視覺神經送到大腦(ISP)中處理才會形成人可以感知的圖像。

以前CSI的製程如其他的半導體製程,都是從光電二極體、畫素設計的3~6個CMOS先做起,最後才做金屬連線層,這可是依半導體元件的一般進程發展的,談不上什麼特別的設計考慮。進光的孔徑及諸種光學元件在金屬線之上圳後形成。當入射光由前端最上層微透鏡聚焦進來之後,還得透過金屬層及其下的種種結構才能到達底下的光電二極體,感光經過金屬的反射,效率自然不甚理想。

這令人想起人類眼睛構造的演化過程。生物先發展出感光細胞(視網膜,生物的光電二極體)以及光學神經細胞(金屬線),以後才逐漸發展出透鏡等完整的眼睛結構。但是脊髓動物的光學神經叢長在視網膜之前,也就是說入射光得先經過視神經叢才能抵達視網膜,這是個錯誤的開始。但是演化進程無法倒退,這個錯誤被後來的演化持續的擕帶著走,以至於人類眼睛存有盲點,就是在眼睛特定的方向光線被視網膜前的視神經叢遮蔽,以至於圖像無法感知。

這種「不良」的光學及電學元件設計現在被叫做前端照明(FSI)。雖然生物演化的路徑出於偶然,而且無法逆轉,但是元件的製程是可以重新設計的。

新的CIS製程做完了光電二極體及金屬線的電學元件後,將晶圓翻轉過來,光電二極體那端的晶圓再貼上一層矽晶圓磨薄,然後挖深溝觸及光電二極體,於其上依次再加上光學元件濾光片和微鏡頭,這些工序都是在晶圓原來的背面施加的。在此結構之下,入射光進來時從微鏡頭經濾光片直達光電二級體,不必經過金屬線,也不會被反射。從結構上命名,這叫背面照明(BSI)。BSI結構從工程設計的觀點當然比較合理,事實上,頭足動物(如章魚、烏賊等)的眼睛的確是視神經叢長在視網膜後頭的,不會阻擋光線。

一般呈像的光學器材還有快門(shutter),用以調節進光量。CSI有兩種快門,其實是與如何取得光電二極體上所得畫素資料的方式有關:

滾動快門(rolling shutter)取得個別光電二級體的畫素資料的方式是在光電二極體陣列的週邊依行、依列的方式序列是取出各項畫素資料,這種方式的好處是CIS結構簡單、製作容易;缺點是因為個個畫素被擷取的時間有相當落差,快速移動物體的影像會呈現線條歪斜的現象。

全域快門(global shutter)則是每個畫素的資料是同時、一次性的讀取。好處當然是圖像不會扭曲,但是每個畫素必須備有專屬的類比/數位轉換器(analog-digital converter),製作當然比較複雜。兩種快門結構各有它們的應用場域。

為了加快、加大訊號處理,除了CIS、ISP外,還可以加入DRAM做數據緩衝。以CIS、DRAM和ISP三個元件以三維堆疊(3D stacked)方式整合成模組,大幅降低了晶片的長、寛、髙,而且令各晶片選用各自最佳化的製程,進而降低了成本,這是Sony在此領域的創新,也是state-of the-art。以最時尚的語言來說,這就是異構整合(heterogeneous integration)的CIS。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。