La différence entre le CMOS empilé, le CMOS de retour-illuminé et les capteurs traditionnels de CMOS
August 23, 2021
La différence entre le CMOS empilé, le CMOS de retour-illuminé et les capteurs traditionnels de CMOS
Effet photoélectrique
Le phénomène de l'effet photoélectrique a été découvert par Hertz (l'unité de la fréquence est baptisée du nom de lui), mais il a été correctement expliqué par Einstein.Simply a mis, léger ou certaines ondes électromagnétiques produiront des électrons quand irradié sur certains matériaux photosensibles, qui est l'effet photoélectrique.
Ceci transforme la lumière en électricité, et le changement du signal optique provoquera le changement du signal électrique. Par conséquent, les gens emploient ce principe pour inventer l'élément photosensible.
Il y a deux types d'éléments photosensibles que nous sommes familiarisés avec, un est CCD et l'autre est CMOS. Le CMOS tôt était beaucoup plus mauvais que le CCD, mais avec le développement de la technologie, la qualité du CMOS a maintenant pris un saut qualitatif, et le CMOS est bon marché et a la bonne représentation de puissance.
technologie de structure de capteur
CMOS (avant-illuminé) traditionnel, de retour-illuminé (De retour-illuminé)
CMOS, CMOS empilé
Différences de processus
Les plus grands et les plus fondamentaux mensonges de différence en sa structure. C'est non seulement le CMOS qui affecte l'effet final de représentation, mais l'algorithme également de lentille et de caméra. En fait, la structure plus avancée n'est pas nécessairement meilleure, elle dépend de ce que le processus est employé (comme la lithographie d'immersion 180nm ou gravure à l'eau-forte 500nm sèche) et technologie (telle que Sony « Exmor » chaque analogue indépendant parallèle de colonne CDS + conversion numérique-analogique + boucle iconique de lecture de réduction du bruit de Digital CDS).
L'excellents processus et technologie peuvent le faire ont un meilleur rendement quantique, bruit thermique inhérent, gain, pleine charge bonne, latitude, sensibilité et d'autres indicateurs principaux même sans employer une plus nouvelle structure de CMOS.Under la mêmes technologie et art, le plus de bas niveau écrase en effet. Le progrès humain est constamment découvrant et résolvant des problèmes. L'émergence du CMOS de retour-illuminé et empilé est également de résoudre les divers problèmes du CMOS précédent.
CMOS (avant-illuminé) traditionnel
Comparez les icônes en coupe avant-illuminées et de retour-illuminées de comparaison :
Le CMOS traditionnel est la structure « avant-illuminée » du côté gauche de la figure, et les pixels généraux de CMOS se composent de pièces suivantes : microlenses, filtres de couleur de Sur-puce, câble en métal (couche de circuit), photodiodes et le substrat. Quand la lumière entre dans le pixel, après dépassement par la lentille de sur-puce et le filtre de couleur, elle traverse d'abord la couche de câblage en métal, et finalement la lumière est reçue par la photodiode.
Lentille micro : C'est une lentille convexe très petite sur chaque pixel physique du CMOS à converger lumière.
Filtre de couleur : La couleur de la lumière d'incident peut être décomposée en mode de RVB. La disposition de Bayer que nous entendons parfois est la disposition de ces filtres. Comme la disposition de RGGB la plus classique.
Câble en métal : Il y a habituellement plusieurs couches, principalement pour la transmission de signal.
Photodiode : C'est-à-dire, pour le CMOS, la vraie partie photosensible où l'effet photoélectrique se produit.
Chacun sait que le métal est opaque et peut réfléchir la lumière. Par conséquent, la lumière dans la couche de câble en métal sera partiellement bloquée et réfléchie. L'en raison des limitations de processus, seulement de 70% ou de moins de lumière atteint la photodiode après dépassement par la couche de circuit en métal ; Et cette réflexion peut également interférence les pixels à côté de elle, entraînant la déformation de couleur. (Actuellement, le métal utilisé dans la couche moyenne et bas de gamme de câble de CMOS est relativement bon marché en aluminium (Al), qui maintient fondamentalement une réflectivité environ de 90% pour la bande claire évidente entière (380-780nm)
CMOS De retour-illuminé
En raison de ces points faibles d'avant-illuminer, la conception De retour-illuminée de CMOS est entrée dans l'être. Elle met la couche de circuit derrière la photodiode, de sorte que la lumière puisse directement briller sur la photodiode, et la lumière descend à la photodiode avec presque aucune obstruction ou interférence. Le taux d'utilisation léger est extrêmement haut, ainsi le capteur de retour-illuminé de CMOS peut être meilleur avec l'utilisation de la lumière irradiée, la qualité d'image est meilleur dans un environnement de bas-illumination.
le CMOS De retour-illuminé peut avoir une efficacité légère plus élevée d'utilisation, de sorte qu'il ait une sensibilité plus élevée dans des environnements de bas-illumination. En même temps, parce que le circuit n'affecte pas la photodiode pour recevoir la lumière, la couche de circuit peut être faite plus profondément, de sorte que plus traitant des circuits puisse être placé, qui aide à augmenter la vitesse de traitement de signal.
Comparé aux capteurs avant-illuminés ordinaires, les dispositifs équipés des capteurs de retour-illuminés peuvent augmenter la sensibilité environ de 30%-50% dans les environnements à faible niveau d'éclairement, ainsi ils peuvent tirer des photos ou des vidéos plus de haute qualité dans les environnements à faible niveau d'éclairement. , Le bruit est plus petit. Le circuit de traitement plus riche peut traiter le signal original d'image avec plus de données.
CMOS empilé
Le CMOS empilé est apparu la première fois sur le CMOS de Sony pour les terminaux mobiles. L'intention originale d'empilement n'était pas de réduire la taille du module entier de lentille. C'est juste un avantage latéral.
La production du CMOS est semblable à la production de l'unité centrale de traitement. Une machine spéciale de photolithographie est exigée pour graver à l'eau-forte la gaufrette de silicium pour former une section de pixel et une section de circuit. Le secteur de pixel est où les pixels sont plantés, et la boucle de traitement est un autre circuit de commande global qui contrôle ce groupe de pixels.
1, est le secteur de pixel
2, est le circuit de traitement
En gravant à l'eau-forte, il y aura un problème. Prenez le petit CMOS de Sony utilisé dans des téléphones portables comme exemple. Pour le processus de fabrication du secteur de pixel, il peut employer un processus 65nm (qui peut être simplement compris en tant qu'exactitude de fabrication), mais pour le secteur où le circuit est traité, le processus 65nm n'est pas assez. S'il peut être fabriqué utilisant le processus 45nm, le nombre de transistors sur le circuit de traitement peut être doublé. De cette façon, l'image peut être traitée plus rapidement des pixels et la qualité d'image peut être meilleure. Mais parce que gravure à l'eau-forte est exécutée sur le même morceau de silicium, elle ne peut pas être fabriquée utilisant deux processus.
Ainsi il est facile de penser que si ces deux secteurs sont séparés, le secteur de pixel est placé sur une puce de silicone et fabriqué avec un processus 65nm, et le circuit de traitement est placé sur une autre puce de silicone, construite avec un processus 45nm, et ils sont empilés et ensemble alors mis. Cette contradiction est résolue. C'est CMOS empilé.
1, est le secteur de pixel
2, est le circuit de traitement
3, est la cachette
Avec une structure empilée, nous pouvons obtenir plus de transistors dans le circuit de traitement et avoir une vitesse plus rapide. Par conséquent, HDR et les hausses, il n'était pas facile réaliser que, deviennent maintenant très communs. La vitesse de lecture est également devenue plus rapidement, ainsi l'effet de gelée est plus petit. D'ailleurs, depuis le secteur de pixel et le circuit de traitement le secteur sont empilés, le secteur de pixel peut être rendu plus grand.
D'ailleurs, l'utilisation de l'empilement peut apporter quelques technologies spéciales. Par exemple, notre disposition commune de Bayer est en grande partie RGGB, et l'éclat de l'image est calculé à partir de la valeur de la lumière de couleur de RVB par l'équation d'éclat (Y=0.299R+0.587G+0.114B). Mais utilisant la technologie empilée, les gens ont développé une nouvelle disposition RGBW de Bayer, où le RVB correspond à rouge, vert commun et bleu, W correspondent au blanc, et sont sensibles à l'éclat. De cette façon, la sensibilité à faible niveau d'éclairement du capteur est considérablement améliorée.
Empilés, de retour-illuminés, et avant-illuminés, ces trois types sont distincts et il n'y a aucune relations de subordination. Nous pouvons employer la technologie de retour-illuminée, et puis employer la structure empilée pour maximiser les avantages.
Recuit
Afin d'améliorer l'efficacité de la collection légère par des pixels, des guides d'ondes optiques doivent être présentés. Pendant le procédé graver à l'eau-forte sèche du guide d'ondes optique, la gaufrette de silicium et le secteur de pixel seront endommagés. Actuellement, une étape de traitement thermique appelée « le processus de recuit » est exigée pour récupérer le secteur de gaufrette et de pixel de silicium des dommages. Il est nécessaire de chauffer le bloc entier de CMOS.Okay, vient ici le problème. Après une telle chaleur, le circuit de traitement sur la même gaufrette doit avoir un certain degré de dommages. La valeur de résistance du condensateur qui « a été construit » dans le passé doit être changée après recuit. Ces dommages doivent que ce soit auront un certain impact sur la lecture des signaux électriques. De cette façon, le circuit de traitement est tiré tout en se couchant, et le « recuit » du secteur de pixel est nécessaire.
Il y a un autre problème. Le processus de CMOS actuellement établi par Sony pour les terminaux mobiles est gravure sèche du nanomètre 65. Ce processus du nanomètre 65 est complètement suffisant pour la « plantation » du secteur de pixel de CMOS.
Cependant, 65 nanomètres n'est pas suffisants « pour établir » le secteur de boucle de traitement. Si un processus du nanomètre 30 (a amélioré réellement au processus 45nm) peut être employé pour établir le circuit, alors le nombre de transistors sur la boucle de traitement doublera presque, qui a un impact important sur le secteur de pixel. Le « enseignement » aura également un saut qualitatif, et la qualité d'image s'améliorera certainement en conséquence. Mais parce qu'ils sont faits sur la même gaufrette, les secteurs de pixels et de boucle doivent être faits sous le même processus. Traitement du circuit : « Il est toujours moi qui souffre ! » Une telle chose qui ne peut pas être réalisée en même temps, s'il est résolu, il sera grand ! Ainsi les ingénieurs de Sony ont proposé l'idée du substrat de gaufrette (début de PATRON). Regardons d'abord ce diagramme de structure. Le circuit de traitement original a été établi sur la même gaufrette que le secteur de pixel.
Que diriez-vous de mettre le circuit de traitement là ?
D'abord, la différence dans la conduction thermique entre le SOI et le substrat est employée pour séparer les deux par la chauffage. Le secteur de pixel est fait sur une machine avec un processus 65nm, et la boucle de traitement est faite sur une machine avec un processus plus élevé (45nm). Remontez-alors les, et le CMOS empilé était né. Les deux problèmes ont rencontré en haut :① Quand le pixel « est recuit », le secteur de boucle se situe dans le tir.
②Limitations de processus quand fabriquées sur la même gaufrette. Tous résolus ! Le type empilé hérite non seulement des avantages du type de retour-illuminé (le secteur de pixel de retour-est encore illuminé), mais surmonte également ses limitations et défauts dans la production.
En raison de l'amélioration et du progrès de la boucle de traitement, la caméra pourra également fournir plus de fonctions, telles que le matériel HDR, tir de mouvement lent et ainsi de suite. Quand les pixels et les circuits de traitement sont séparés, la taille de la caméra deviendra plus petite, mais la fonction et la représentation ne diminueront pas, mais il sera meilleur. Le secteur de pixel (la taille du CMOS) peut être élargi en conséquence pour élever plus ou de plus grands pixels. La boucle de traitement également sera optimisée en conséquence (la chose la plus importante ne sera pas tirée dans le « recuit »).