摄影技巧

堆叠式背照式 CMOS 与传统 CMOS 有什么区别

简单来说,传统(前照式)CMOS、背照式(Back-Illuminated)CMOS、堆叠式(Stacked)CMOS最大、最基本的区别在于它们的结构。

最终的成像效果不仅由CMOS决定,还需要考虑镜头和相机算法。

其实结构不一定越先进越好,要看采用什么工艺(如180nm浸没式光刻或500nm干法刻蚀)和技术(如索尼的“Exmor”并行独立模拟CDS+数模转换) + 每列 Digital CDS 的标志性降噪读出电路)。 优秀的工艺和技术可以使CMOS即使不采用更新结构的CMOS,也能拥有更好的量子效率、固有热噪声、增益、满阱电荷、宽容度、灵敏度等关键指标。

首款1英寸堆叠式CMOS传感器相机索尼黑卡RX100IV:5580元

堆栈式/背照式和传统CMOS有什么区别?

同样的技术和工艺,更大的底层确实是压倒性的(无镜酒吧的一句名言)。

人类的进步就是不断发现问题、解决问题。

背照式和堆叠式CMOS的出现也是为了解决以往CMOS的各种问题。

1.传统(前照式)CMOS和背照式(Back-filled)CMOS

传统CMOS的真正名称应该是前照式CMOS。 这两个放在一起就很好的介绍了~

我们先来看一张前照式和背照式的剖面对比图。

堆栈式、背照式和传统CMOS有何区别?

一般的CMOS像素由以下部分组成:片上透镜(microlens)、片上滤色片(On-chip colorfilters)、金属电缆、光电二极管和基板。

传统的CMOS具有图中左侧的“前照式”结构。 当光线进入像素时,经过片上透镜和彩色滤光片后,首先穿过金属布线层,最后光线被光电二极管接收。

大家都知道金属是不透明且反光的。 因此,金属电缆层中的光线会被部分阻挡和反射,光电二极管吸收的光能只有刚进来时的70%以下; 并且这种反射还可能与它旁边的像素发生串扰,从而导致颜色失真。 (目前中低端CMOS布线层使用的金属是相对便宜的铝(Al)。铝对于整个可见光波段(380-780nm)基本保持90%左右的反射率。)

于是,“背照式”CMOS应运而生。 金属布线层和光电二极管的位置与“前照式”CMOS正好相反。 光线到达光电二极管时几乎没有任何阻碍或干扰。 光线利用效率极高,因此背照式CMOS传感器可以更好地利用入射光线,在弱光环境下图像质量会更好。

堆栈式

2. 背照式和堆叠式

Stacked CMOS最早出现在索尼推出的移动终端CMOS上,Exmor RS是其注册商标。

堆叠的初衷并不是为了缩小整个镜头模组的尺寸,这只是一个附带好处。

CMOS的生产与CPU的生产类似。 需要特殊的光刻机对硅片进行蚀刻,形成像素区域(Pixel Section)和处理电路区域(Circuit Section)。 像素区域就是种植像素的地方,而处理循环,顾名思义,就是管理这组像素的电路。

为了提高像素集光的效率,需要引入光波导。 在光波导干法雕刻过程中,硅片和像素区域会受到损伤。 此时,需要进行称为“退火工艺”的热处理步骤,以使硅晶圆和像素区域从损坏中恢复。 这有时需要加热整个CMOS。 好吧,问题来了。 如此高的热量,同一晶圆上的处理电路肯定受到了一定程度的损坏。 原来“内置”的电容和电阻值在退火后肯定发生了变化。 这种损坏必然会对电信号的读取产生一定的影响。

结果,即使躺着时处理循环也会被拍摄,并且需要对像素区域进行“退火”。

还有一个问题。 索尼目前的移动终端采用的CMOS工艺是65nm干法刻蚀。 这个65nm工艺对于CMOS像素区域的“种植”来说完全足够了。 但对于处理环路区域的“创造”来说,65纳米还不够。 如果可以使用30纳米(实际上升级到45纳米工艺)工艺来构建电路,那么处理环路上的晶体管数量将几乎增加一倍,这将对像素面积产生“重大影响”。 “调音”也会有质的飞跃,画质肯定会相应变好。 但由于它们是在同一晶圆上生产的,因此像素和电路区域需要在同一工艺中生产。

处理循环:“为什么受苦的总是我!”

如果能解决这样不兼容的事情该多好啊! 于是索尼工程师想出了晶圆基板的想法(BOSS出现)。

我们先看这个结构图。 事实证明,处理电路与像素区域构建在同一晶圆上。

堆栈式

那么为什么不把处理循环放在那里呢?

首先,利用SOI和衬底之间导热系数的差异,通过加热将两者分开。

像素区域是在65nm工艺的机器上制作的,处理电路是在更高工艺(45nm)的机器上制作的。

然后将它们放在一起,堆叠式 CMOS 就诞生了。

上面遇到的两个问题:

① 当像素“退火”时,​​拍摄环路区域。

②在同一晶圆上制造时的工艺限制。

一切都解决了!

堆叠式不仅继承了背照式的优点(像素区域仍为背照式),而且克服了其生产限制和缺陷。 由于处理电路的完善和进步,相机也将能够提供更多的功能,比如硬件HDR、慢动作拍摄等。

当像素和处理电路分离后,相机的尺寸会变得更小,但功能和性能不会减少,而是更好。 像素面积(CMOS的尺寸)可以相应增加,以种植更多或更大的像素。 处理循环也会相应优化(最重要的是你不会在“退火”中被枪杀)。 ■

来源:xjrumo