Der Unterschied zwischen Staplungs-CMOS, zurück-belichtetem CMOS und traditionellen CMOS-Sensoren
August 23, 2021
Der Unterschied zwischen Staplungs-CMOS, zurück-belichtetem CMOS und traditionellen CMOS-Sensoren
Photoelektrischer Effekt
Das Phänomen des photoelektrischen Effektes wurde durch Hertz (die Einheit der Frequenz wird nach ihm genannt), entdeckt, aber es wurde richtig durch Einstein.Simply sich setzte erklärt, hell, oder bestimmte elektromagnetische Wellen produzieren Elektronen, wenn sie auf bestimmten lichtempfindlichen Materialien bestrahlt werden, das der photoelektrische Effekt ist.
Dieses macht Licht zu Strom, und die Änderung des optischen Signals bewerkstelligt die Änderung des elektrischen Signals. Deshalb verwenden Leute dieses Prinzip, um das lichtempfindliche Element zu erfinden.
Es gibt zwei Arten lichtempfindliche Elemente, dass wir mit vertraut sind, man ist CCD und das andere ist CMOS. Früher CMOS war viel schlechter als CCD, aber mit der Entwicklung der Technologie, hat die Qualität von CMOS jetzt einen qualitativen Sprung genommen, und CMOS ist billig und hat gute Leistungsaufnahmen-Leistung.
Sensor-Strukturtechnologie
Traditioneller (vorder-belichteter) CMOS, zurück-belichtet (Zurück-belichtet)
CMOS, Staplungs-CMOS
Prozessunterschiede
Die größten und grundlegendsten Unterschiedlügen in seiner Struktur. Es ist nicht nur CMOS, der den abschließenden Darstellungseffekt beeinflußt, aber auch der Linsen- und Kameraalgorithmus. Tatsächlich ist die modernere Struktur nicht notwendigerweise besser, hängt sie von ab, was Prozess (wie Lithographie der Immersion 180nm oder Trockenätzen 500nm) und Technologie verwendet wird (wie Sony „Exmor“ jede Spaltenähnlichkeit unabhängige analoge CDS + 2digitale-analog Umwandlung + Schalldämpfungsauslesenschleife Digital CDSS ikonenhafte).
Ausgezeichneter Prozess und Technologie können es machen haben bessere Quantenausbeute, inhärentes thermisches Rauschen, Gewinn, ganz genau Gebühr, Breite, Empfindlichkeit und andere Schlüsselindikatoren sogar ohne eine neuere Struktur von CMOS.Under zu verwenden die gleiche Technologie und Kunstfertigkeit, der tiefste Stand, zerquetscht tatsächlich. Menschlicher Fortschritt ist ständig, lösend entdeckend und Probleme. Das Auftauchen zurück-belichteten und Staplungs-CMOS ist auch, die verschiedenen Probleme vorhergehenden CMOS zu lösen.
Traditioneller (vorder-belichteter) CMOS
Vergleichen Sie die vorder-belichteten und zurück-belichteten Querschnittsvergleichsikonen:
Der traditionelle CMOS ist die „vorder-belichtete“ Struktur auf der linken Seite der Zahl, und die allgemeinen CMOS-Pixel werden aus den folgenden Teilen verfasst: microlenses, Auf-Chipfarbfilter, asphaltieren Kabel (Stromkreisschicht), Fotodioden und das Substrat. Wenn Licht das Pixel kommt, nachdem es durch die Aufchiplinse und den Farbfilter überschritten hat, überschreitet es zuerst durch die Metallverdrahtungsschicht, und schließlich wird das Licht durch die Fotodiode empfangen.
Mikrolinse: Es ist eine sehr kleine konvexe Linse auf jedem körperlichen Pixel von CMOS, zum zusammenzulaufen Licht.
Farbfilter: Die Farbe des Vorfalllichtes kann in RGB-Modus zerlegt werden. Die Bayer-Anordnung, die wir manchmal hören, ist die Anordnung für diese Filter. Wie die klassischste RGGB-Anordnung.
Metallkabel: Es gibt normalerweise einige Schichten, hauptsächlich für Signalübertragung.
Fotodiode: Das heißt, für CMOS, das wirkliche lichtempfindliche Teil, wo der photoelektrische Effekt auftritt.
Jeder weiß, dass Metall undurchsichtig ist und Licht reflektieren kann. Deshalb wird das Licht in der Metallkabelschicht teilweise blockiert und reflektiert. Schuld zu den Prozessbeschränkungen, zu nur 70% oder zu kleiner des Lichtes erreicht die Fotodiode, nachdem sie durch die Metallstromkreisschicht überschritten hat; Und diese Reflexion kann auch Übersprechen die Pixel nahe bei ihr und verursacht Farbverzerrung. (Zur Zeit, ist das Metall, das in der mittleren und billigen CMOS-Kabelschicht benutzt wird (Al) verhältnismäßig billig Aluminium, das beibehält im Allgemeinen ein Reflexionsvermögen von ungefähr 90% für das gesamte sichtbare helle Band (380-780nm)
Zurück-belichteter CMOS
Wegen dieser Mängel von vorder-belichtet, kam der Zurück-belichtete CMOS-Entwurf in Sein. Er setzt die Stromkreisschicht hinter die Fotodiode, damit das Licht auf der Fotodiode direkt glänzen kann, und das Licht geht unten zur Fotodiode mit fast keiner Behinderung oder Störung. Die helle Auslastung ist extrem hoch, also kann der zurück-belichtete CMOS-Sensor mit dem Gebrauch von dem bestrahlten Licht besser sein, die Bildqualität ist besser in einer Niedrigbeleuchtungsstärkeumwelt.
Zurück-belichteter CMOS kann höhere helle Nutzungs-Leistungsfähigkeit haben, damit es höhere Empfindlichkeit in der Niedrigbeleuchtungsstärkeumwelt hat. Gleichzeitig weil der Stromkreis nicht die Fotodiode beeinflußt, um Licht zu empfangen, kann die Stromkreisschicht dick gemacht werden, damit, Stromkreise verarbeitend, gesetzt werden kann, die hilft, die Signalaufbereitungsgeschwindigkeit zu erhöhen.
Verglichen mit gewöhnlichen vorder-belichteten Sensoren, können die Geräte, die mit zurück-belichteten Sensoren ausgerüstet werden, die Empfindlichkeit von ungefähr 30%-50% in der Restlichtumwelt erhöhen, also können sie hochwertigere Fotos oder Videos in der Restlichtumwelt schießen. , Sind die Geräusche kleiner. Der reichere Verarbeitungsstromkreis kann das Ausgangsbildsignal mit einer größeren Menge Daten verarbeiten.
Staplungs-CMOS
Staplungs-CMOS erschien zuerst auf Sonys CMOS für mobile Anschlüsse. Die ursprüngliche Absicht des Stapelns war nicht, die Größe des gesamten Linsenmoduls zu verringern. Dieses ist gerade ein Nebeneffekt.
Die Produktion von CMOS ist der Produktion von CPU ähnlich. Eine spezielle Photolithographiemaschine wird angefordert, um die Siliziumscheibe zu ätzen, um einen Pixelabschnitt und einen Leitungsabschnitt zu bilden. Der Pixelbereich ist, wo die Pixel gepflanzt werden, und die Verarbeitungsschleife ist ein anderer Gesamtsteuerstromkreis, der diese Gruppe Pixel handhabt.
1, ist der Pixelbereich
2, ist der Verarbeitungsstromkreis
Bei der Ätzung, gibt es ein Problem. Nehmen Sie Sonys kleinen CMOS, der als Beispiel in den Handys verwendet wird. Für das Herstellungsverfahren des Pixelbereichs, kann er einen Prozess 65nm (der verwenden als Herstellungsgenauigkeit einfach verstanden werden kann), aber für den Bereich, in dem der Stromkreis verarbeitet wird, ist der Prozess 65nm nicht genug. Wenn er unter Verwendung des Prozesses 45nm hergestellt werden kann, kann die Anzahl von Transistoren auf dem Verarbeitungsstromkreis verdoppelt werden. Auf diese Art kann das Bild von den Pixeln schneller verarbeitet werden und die Bildqualität kann besser sein. Aber, weil die Radierung am gleichen Stück des Silikons durchgeführt wird, kann sie nicht unter Verwendung zwei Prozesse hergestellt werden.
So ist es einfach, zu denken, dass, wenn diese zwei Bereiche getrennt werden, der Pixelbereich auf einen Silizium-Chip gesetzt wird und mit einem Prozess 65nm hergestellt, und der Verarbeitungsstromkreis wird auf einen anderen Silizium-Chip gesetzt, hergestellt mit einem Prozess 45nm, und dann werden sie zusammen gestapelt und gesetzt. Dieser Widerspruch ist entschlossen. Dieses ist Staplungs-CMOS.
1, ist der Pixelbereich
2, ist der Verarbeitungsstromkreis
3, ist der Pufferspeicher
Mit einer Staplungsstruktur können wir mehr Transistoren im Verarbeitungsstromkreis erhalten und eine schnellere Geschwindigkeit haben. Deshalb werden HDR und Verbesserungen, die nicht einfach zu erzielen waren, jetzt sehr üblich. Die Ablesengeschwindigkeit ist auch schneller geworden, also ist der Geleeeffekt kleiner. Außerdem seit dem Pixelbereich und dem Verarbeitungsstromkreis werden der Bereich gestapelt, der Pixelbereich kann vergrößert werden.
Außerdem kann der Gebrauch von Stapeln etwas spezielle Technologien holen. Zum Beispiel ist unsere allgemeine Bayer-Anordnung größtenteils RGGB, und die Helligkeit des Bildes wird vom Wert des RGB-Farblichtes durch die Helligkeitsgleichung (Y=0.299R+0.587G+0.114B) berechnet. Aber unter Verwendung der Staplungstechnologie, haben Leute eine neue Bayer-Anordnung RGBW, in der RGB allgemeinem Rotem entspricht, grün und blau, W entsprechen Weiß entwickelt, und sind empfindlich für Helligkeit. Auf diese Art wird die Restlichtempfindlichkeit des Sensors erheblich verbessert.
Gestapelt, zurück-belichtet und vorder-belichtet, sind diese drei Arten unterschiedlich und es gibt kein Unterordnungs-Verhältnis. Wir können die zurück-belichtete Technologie einsetzen, und die Staplungsstruktur dann benutzen, um die Vorteile zu maximieren.
Ausglühen
Um die Leistungsfähigkeit der hellen Sammlung durch Pixel zu verbessern, müssen optische Wellenleiter eingeführt werden. Während des Trockenätzenprozesses des optischen Wellenleiters, werden die Siliziumscheibe und der Pixelbereich geschädigt. Diesmal wird ein Wärmebehandlungsschritt, der „Vergütungsprozeß“ genannt wird, angefordert, um sich den Siliziumscheibe- und Pixelbereich von dem Schaden zu erholen. Es ist notwendig, den gesamten Block von CMOS.Okay zu erhitzen, kommt hier das Problem. Nach solch einer Hitze muss der Verarbeitungsstromkreis auf der gleichen Oblate einen bestimmten Grad an Schaden haben. Nach der Vergütung der Widerstandswert des Kondensators, der in der Vergangenheit „errichtet worden“ ist, muss geändert werden. Dieser Schaden muss sei es hat eine bestimmte Auswirkung auf das Auslesen von elektrischen Signalen. Auf diese Art wird der Verarbeitungsstromkreis beim sich hinlegen geschossen, und das „Ausglühen“ des Pixelbereichs ist notwendig.
Es gibt ein anderes Problem. Der CMOS-Prozess, der z.Z. durch Sony für mobile Anschlüsse aufgebaut wird, ist der 65-Nanometer-trockene Stich. Dieser 65-Nanometer-Prozess ist für das „Pflanzen“ des CMOS-Pixelbereichs vollständig genügend.
Jedoch ist 65 Nanometer nicht genug, zum des Verarbeitungsschleifenbereichs „aufzubauen“. Wenn ein Prozess 30 Nanometers (wirklich verbesserte zum Prozess 45nm), verwendet werden kann, um den Stromkreis zu errichten, dann verdoppelt sich die Anzahl von Transistoren auf der Verarbeitungsschleife fast, die erheblichen Auswirkungen auf dem Pixelbereich hat. „Unterricht“ hat auch einen qualitativen Sprung, und die Bildqualität verbessert bestimmt dementsprechend. Aber, weil sie auf der gleichen Oblate gemacht werden, müssen die Pixel- und Schleifenbereiche unter dem gleichen Prozess gemacht werden. Verarbeitung des Stromkreises: „Er ist immer ich, der leidet!“ Solch eine Sache, die nicht gleichzeitig erzielt werden kann, wenn es gelöst wird, ist er groß! So fanden Sony-Ingenieure die Idee des Oblatensubstrates (CHEF-Anfang). Lassen Sie uns dieses Strukturdiagramm zuerst betrachten. Der ursprüngliche Verarbeitungsstromkreis wurde auf der gleichen Oblate wie der Pixelbereich errichtet.
Wie über den Verarbeitungsstromkreis dort setzen?
Zuerst wird der Unterschied bezüglich der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem SOI und dem Substrat verwendet, um die zwei zu trennen, indem man erhitzt. Der Pixelbereich wird auf einer Maschine mit einem Prozess 65nm gemacht, und die Verarbeitungsschleife wird auf einer Maschine mit einem höheren Prozess (45nm) gemacht. Fügen Sie sie dann zusammen und der Staplungs-CMOS war geboren. Die zwei Probleme trafen oben an:① Wenn das Pixel „getempert“ wird, liegt der Schleifenbereich im Schuss.
②Prozessbeschränkungen wann fabriziert auf der gleichen Oblate. Alle gelöst! Die Staplungsart erbt nicht nur die Vorteile der zurück-belichteten Art (der Pixelbereich wird noch zurück-belichtet), aber überwindt auch seine Beschränkungen und Defekte in der Produktion.
Wegen der Verbesserung und des Fortschritts der Verarbeitungsschleife, ist die Kamera auch in der Lage, mehr Funktionen, wie Hardware HDR und so weiter zur Verfügung zu stellen, Zeitlupeschießen. Wenn die Pixel und die Verarbeitungsstromkreise getrennt werden, wird die Größe der Kamera kleiner, aber die Funktion und die Leistung verringern sich nicht, aber es ist besser. Der Pixelbereich (die Größe des CMOS) kann dementsprechend vergrößert werden, um mehr oder größere Pixel zu wachsen. Die Verarbeitungsschleife wird auch dementsprechend optimiert (die wichtigste Sache wird nicht in der „Vergütung“ geschossen).