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Ein CIS (CMOS Image Sensor) ist ein Sensor, der die Farbe und Helligkeit des durch ein Objektiv eingefangenen Lichts in ein elektrisches Signal umwandelt und an eine Verarbeitungseinheit überträgt. Dadurch fungieren diese Bildsensoren als die Augen mobiler Geräte wie Smartphones und Tablets. In letzter Zeit hat die CIS-Technologie neben Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR) und autonomen Fahrzeugen als Schlüsseltechnologie der vierten industriellen Revolution Aufmerksamkeit erregt. Es wird erwartet, dass die Technologie nicht nur die Augen eines Geräts wird, sondern ihre Fähigkeiten noch weiter entwickelt.
Vor 15 Jahren gründete SK hynix eine Arbeitsgruppe zur Entwicklung von CIS-Produkten. Zusätzlich zu seinem Kerngeschäft Halbleiterspeicher, dargestellt durch DRAM und NAND-Flash-Speicher, hat SK hynix auch Nicht-Speicher-Halbleiter-CIS entwickelt und produziert, um seine Wettbewerbsfähigkeit zu steigern. Viele Geräte- und Prozesstechnologien wurden von SK hynix entwickelt, um den technologischen Abstand zu Wettbewerbern zu verringern, und das Unternehmen hat nun den Punkt erreicht, ultrahochauflösende CIS-Produkte mit 50 Millionen Pixeln oder mehr bei einer Pixelgröße von nur 0,64 μm herzustellen ( Mikrometer). Dieser Artikel stellt die BSI-Technologie (Backside Illumination) vor, einen Schlüsselbestandteil von CIS, basierend auf den Inhalten der 10. akademischen Konferenz von SK hynix, die im November stattfand.
FSI-Technologie und ihre Grenzen
Frühe CIS-Produktpixel verfügen über eine Frontside Illumination (FSI)-Struktur, die eine optische Struktur auf einem CMOS platziert1 prozessbasierte Schaltung. Diese Technologie gilt für die meisten CIS-Lösungen mit einer Pixelgröße von 1,12 μm oder mehr und wird in verschiedenen Produkten verwendet, darunter mobile Geräte, CCTVs, Dashcams, DSLR-Kameras und Fahrzeugsensoren.
1) Complementary Metal Oxide Silicon (CMOS): Eine komplementäre Logikschaltung, die aus Paaren von n-Kanal- und p-Kanal-MOSFETs besteht. CMOS-Vorrichtungen verbrauchen wenig Strom und werden in DRAM-Produkten und -Prozessoren verwendet, da sie unabhängig von ihren komplexen Prozessoren zu einer Integration in sehr großem Maßstab fähig sind.
Ein leistungsstarker Bildsensor muss in der Lage sein, auch bei schlechten Lichtverhältnissen helle Bilder anzuzeigen, was eine Steigerung der Quanteneffizienz (QE) erfordert.2 Pixel. Daher sollte das Design der Metallverdrahtung in der unteren Schaltung des Pixels auf der FSI-Struktur basieren, um Lichtinterferenzen so weit wie möglich zu vermeiden.
2) Quanteneffizienz (QE): Ein Maß für die Effizienz einer Abbildungsvorrichtung bei der Umwandlung einfallender Photonen in Elektronen. Ein Sensor mit 100 % QE, der 100 Photonen ausgesetzt wird, würde 100 Signalelektronen erzeugen.
Im Allgemeinen jedoch Beugung3 licht entsteht, wenn kontinuierliche lichtwellen durch eine öffnung oder um objekte herumlaufen. Im Falle einer Blende gilt: Je kleiner die Lochgröße, desto mehr Licht wird gestreut, wenn die Beugung zunimmt.
3) Beugung: Ausbreitung von Wellen wie Schall und Licht, wenn sie ein Hindernis oder eine Öffnung passieren. Im Fall von Licht tritt Beugung auf, wenn die Größe des Hindernisses oder der Öffnung gleich oder kleiner als die Wellenlänge der vorbeilaufenden Welle ist.
Ebenso ist Beugung unvermeidlich, selbst wenn externes Licht auf ein einzelnes Pixel trifft. Im Fall der FSI-Struktur ist sie anfälliger für Beugung, da sie durch die metallische Verdrahtungsschicht in der unteren Schaltung beeinflusst wird. Obwohl die FSI-Pixelgröße reduziert wird, bleibt die vom Metall bedeckte Fläche gleich. Dadurch wird die vom Licht durchdrungene Fläche kleiner und die Beugung verstärkt sich, was zu einer Farbmischung im Bild führt.
Trotzdem ist es nicht unmöglich, die Pixelbeugung zu steuern. Um die Beugung in einem einzelnen Bereich zu verbessern, kann der Abstand zwischen der Mikrolinse und dem Silizium (Si) gemäß der Beugungsberechnungsformel verringert werden. Zu diesem Zweck wurde ein BSI-Prozess vorgeschlagen, bei dem metallische Interferenzen durch Wenden des Wafers beseitigt wurden, um die Rückseite zu verwenden. Bei SK hynix begann die Einführung der BSI-Technologie mit Produkten mit einer Pixelgröße von 1,12 μm oder weniger.
Geburtsstunde der BSI-basierten Pixeltechnologie
Im Jahr 2011 stellte Apple das iPhone 4 vor, das mit dem ersten CIS ausgestattet war, das mit BSI angewendet wurde. Dieses BSI-basierte CIS soll im Vergleich zur bestehenden FSI-Technologie relativ größere Lichtmengen einfangen und daher Bilder mit höherer Qualität reproduzieren.
Der von Apple und mittlerweile branchenweit verwendete BSI-Prozess ist im folgenden Flussdiagramm dargestellt. Bei der BSI-Technologie werden alle Teile der Schaltung zuerst auf einer Seite des Wafers hergestellt, bevor sie dann umgedreht und umgedreht werden, um die Schaffung einer optischen Struktur zu ermöglichen, die Licht auf der Rückseite sammelt. Folglich ist es Es ist möglich, durch Metallverdrahtung im ISP verursachte Interferenzen zu unterdrücken und den Bereich zu erweitern, in dem Licht durchgelassen werden kann, um eine höhere QE bereitzustellen.
Dank dieser BSI-Technologie ist es wurde es möglich, eine Pixelgröße von 1,12 μm oder weniger anzuwenden, und dies schuf einen Markt für hochauflösende Produkte mit 16 Millionen Pixeln oder mehr. Im Gegensatz zur FSI-Struktur, die unter Störungen durch die Verkabelung litt, konnte der optische Prozess einen höheren Freiheitsgrad haben. Deshalb, verschiedene optische Pixelstrukturen wie BDTI, W Grid und Air Grid wurden entwickelt, und diese Strukturen werden verwendet, um die QE von Produkten zu erhöhen.
- BDTI-Verfahren (Backside Deep Trench Isolation)
Obwohl es möglich war, eine hohe QE mit nur einer BSI-Struktur zu erzielen, die die Lichtbeugung überwand, war eine zusätzliche Pixelaufteilungsstruktur erforderlich, um die immer kleinere Pixelgröße und die niedrigere Blendenzahl zu berücksichtigen.4 Smartphone-Kameras. Ein gutes Beispiel für eine zusätzliche Trennstruktur ist BDTI, das die totale interne Reflexion (TIR) fördert.5 in Bereichen, in denen Licht diagonal entlang der Außenseite eines CIS-Chips eintritt, wodurch das Signal verstärkt wird. Derzeit wird diese Technologie auf die meisten BSI-basierten CIS-Produkte angewendet.
4) Blendenzahl: Ein Wert, der die Helligkeit der Blende bestimmt. Je niedriger der F-Wert der Kamera ist, desto weiter öffnet sich die Blende, um mehr Licht zu sammeln, sodass eine Kamera hellere Bilder an dunkleren Orten aufnehmen und gleichzeitig das Bildrauschen reduzieren kann .
5) Total Internal Reflection (TIR): Eine Totalreflexion von Licht in einem Medium, einschließlich Wasser oder Glas, von umgebenden Oberflächen zurück in das Medium. TIR tritt auf, wenn der Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel ist.
- Farbfilter-Isolationsstruktur
Neben der BDTI-Struktur besteht eine weitere Technik zur Verbesserung der Leistung von BSI-basierten Pixeln darin, physische Barrieren zwischen den Farbfiltern einzufügen. Da der Abstand zwischen der Mikrolinse und der Fotodiode6 Nach BSI konnte diese Struktur nicht mehr abgebaut werden verhindert Beugung durch Pixelschrumpfung. Repräsentative Strukturen des Farbfilter-Isolierungsverfahrens umfassen eine W-förmige Gitterformation oder die proprietäre Air Grid-Struktur von SK Hynix. Anders als das W-Gitter, das eine einfache lichtblockierende Struktur ist, sollte das Air-Gitter, das TIR verwendet, eine Technologie der nächsten Generation sein, da es sogar die QE erhöhen kann.
6) Fotodiode (PD): Wandelt das vom CIS-Sensor empfangene Licht in ein elektrisches Signal um.
Eine strahlende Zukunft für die BSI-basierte Pixeltechnologie von SK hynix
Seit BSI-basierte CIS-Produkte erstmals 2011 im iPhone 4 erschienen, hat sich die Kluft zwischen den erfolgreichsten CIS-Unternehmen und dem Rest vergrößert, was dazu geführt hat, dass sich viele CIS-Sensorunternehmen aus dem Mobilfunkmarkt zurückgezogen haben. SK hynix sicherte sich jedoch schnell die BSI-Technologie durch seine eigenen Fähigkeiten und entwickelte Kernelementtechnologien, darunter BDTI und Air Grid, und wendete sie auf Produkte mit einer Pixelgröße von 1,12 μm oder weniger an.
Die SK hynix BSI-Technologie entwickelt sich ständig weiter. Kürzlich gelang SK hynix die Entwicklung einer Hybrid-Bonding-Technologie, die „Cu-zu-Cu-Bonding“ auf TSV-basierte gestapelte Sensoren (über Silizium) anwendet und damit den Grundstein für eine erhöhte Wettbewerbsfähigkeit der Chipgröße und die Ausweitung der Mehrschicht-Wafer-Bonding-Technologie legt. Diese technologischen Errungenschaften sollen zur Expansion des Marktes beitragen, indem sie in Zukunft bei der Entwicklung verschiedener Sensoren zur Unterstützung von KI, medizinischen Geräten, AR und VR eingesetzt werden.
