什么是CMOS圖像傳感器的量子效率光譜？

量子效率光譜是CMOS圖像傳感器的關鍵參數之一，可以反映CMOS圖像傳感器對不同波長下的感光能力，進而影響圖像的成像質量。

什么是CMOS圖像傳感器的量子效率光譜？

CMOS圖像傳感器的量子效率光譜是指在不同波長下，傳感器對光的響應效率。物理上，光子的能量與其波長成反比，因此，不同波長的光子對CMOS圖像傳感器產生的響應效率也不同。量子效率光譜可以反映圖像傳感器在不同波長下的響應能力，幫助人們理解圖像傳感器的靈敏度和色彩還原能力等特性。通常，圖像傳感器的量子效率光譜會在可見光波段范圍內呈現出不同的特征，如波峰和波谷，這些特征也直接影響著圖像傳感器的成像質量。

量子效率光譜可以解析CMOS圖像傳感器內部的缺陷，常見的有下四種：

● BSI processing design

● Optical Crosstalk inspection

● Color filter quality and performance

● Si wafer THK condition in BSI processing

通過量子效率光譜解析常見的4種工藝缺陷

A. BSI processing design

（1）BSI的運作方式

BSI全名是Back-Side Illumination，是指"背照式"圖像傳感器的制造工藝，它相對于傳統的"前照式"(FSI, Front-Side Illumination)圖像傳感器，能夠提高圖像傳感器的光學性能，特別是在各波長的感光效率的大幅提升。在BSI工藝中，像素置于硅基板的背面，光通過硅基板進入感光像素，減少了前面的傳輸層和金屬線路的干擾，提高了光的利用率和繞射效應，進而提高了圖像傳感器的解析度和靈敏度。

圖1 BSI的工作方式

（2）傳統的"前照式"圖像傳感器的工作方式

FSI是一種傳統的圖像傳感器工藝技術，光線透過透鏡后，從圖像傳感器的正面照射到圖像傳感器的感光面，因此需要在感光面(黃色方筐，Silicon)的上方放置一些電路和金屬線。這些元件會遮擋一部分光線，降低圖像傳感器的光量利用率，影響圖像的品質。相對地，BSI 技術是在感光面的背面，也就是基板反面制作出感光元件，讓光線可以直接進入到感光面，這樣就可以最大限度地提高光量利用率，提高圖像的品質。并且，不需要額外的電路和金屬線的遮擋，因此也可以實現更高的像素密度和更快的圖像讀取速度。

（3）為什么BSI工藝重要?

BSI工藝是重要的制造技術之一，可以大幅提升CMOS圖像傳感器的感光度和量子效率，因此對于低光照環境下的圖像采集有很大的幫助。

BSI工藝還可以提高圖像傳感器的分辨率、動態范圍和信噪比等性能，使得圖像質量更加優良。

由于現今圖像應用日益廣泛，對圖像質量和性能要求也越來越高，因此BSI工藝在現代圖像傳感器的制造中扮演著重要的角色。目前，BSI技術已成為高端圖像傳感器的主流工藝技術之一，被廣泛應用于各種高階圖像產品中。

（4）量子效率光譜如何評估BSI工藝的好壞

如前述，在CMOS圖像傳感器芯片的制造過程中，不同波長的光子對于圖像芯片的感光能力有所不同。因此，量子效率光譜是一種可以檢測圖像傳感器芯片感光能力的方法。利用量子效率光譜，可以評估BSI工藝的好壞。

案例-1

如圖2，臺積電（TSMC）使用量子效率光譜分析了前照式FSI和背照式BSI兩種工藝對RGB三原色的像素感光表現的差異。結果表明，BSI工藝可以大幅提高像素的感光度，將原本FSI的40%左右提高到將近60%的量子效率。

圖2 TSMC利用晶圓級量子效率光譜（Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum）分析1.75μm的FSI與BSI兩種工藝對RGB三原色的像素在不同波長下的感光表現差異。量子效率光譜的分析可以幫助工程師判斷不同工藝對感光能力的影響，并確定BSI工藝的優勢。

（5）利用量子效率光譜分析不同BSI工藝對CMOS圖像傳感器芯片感光能力的影響

案例-2?

如圖3。某CMOS圖像傳感器廠商采用晶圓級量子效率光譜分析利用TSMC 65nm工藝進行量產時，不同工藝對CMOS圖像傳感器芯片感光能力的影響。在1.4um像素尺寸使用BSI-1工藝與BSI-2工藝的量子效率光譜比較下，可以明顯判斷，BSI-2的量子效率較BSI-1有著將近10%的提升。代表著BSI-2工藝可以使CMOS圖像傳感器芯片內部絕對感光能力提升10%((a)表)。

圖3 某CMOS圖像傳感器廠商采用晶圓級量子效率光譜，分析TSMC 65nm工藝在量產時，不同工藝對CMOS圖像傳感器芯片感光能力的影響。

此外，量子效率光譜是優化CMOS圖像傳感器芯片制造的重要工具。例如，在將BSI-2用于1.1um像素的工藝中，與1.4um像素的比較表明，在藍光像素方面，BSI-2可以提供更高的感光效率，而在綠光和紅光像素的感光能力方面，BSI-2的效果與1.4um像素相似。

這個結果顯示，BSI-2工藝可以在保持像素尺寸的前提下提高CMOS圖像傳感器芯片的感光能力，進而提高圖像質量。因此，利用量子效率光譜比較不同工藝對CMOS圖像傳感器芯片的影響，可以為CMOS圖像傳感器制造優化提供重要參考。

B. Optical Crosstalk Inspection

（1）什么是Optical Crosstalk?

CMOS圖像傳感器的光學串擾（Optical Crosstalk）是指光線在圖像芯片中行進時，由于折射、反射等原因，導致相鄰像素之間的光相互干擾而產生的一種影響。

圖4 光學串擾（Optical Crosstalk）

（2）為什么Optical Crosstalk的檢測重要?

在CMOS圖像傳感器芯片中，Optical Crosstalk是一個重要的問題，因為它會影響圖像的品質和精度。Optical Crosstalk是由于像素之間的光學相互作用而產生的，導致相鄰像素的光信號互相干擾，進而影響到像素之間的區別度和對比度。因此，降低Optical Crosstalk是提高CMOS圖像傳感器芯片品質的重要目標之一。

（3）如何利用量子效率光譜來檢測CMOS圖像傳感器的Optical Crosstalk?

量子效率光譜可用于檢測CMOS圖像傳感器的串擾問題。當CMOS圖像傳感器中存在串擾問題時，在某些波長下可能會觀察到量子效率異常。在這種情況下，可以采取相應的措施來降低串擾，例如優化CMOS圖像傳感器設計或改進工藝。

縮小像素尺寸對于高分辨率成像和量子圖像傳感器是絕對必要的。

如上圖4，TSMC利用45nm先進CMOS工藝來制作0.9 um像素堆疊式CMOS圖像傳感器。而Optical Crosstalk對于信噪比（SNR）和成像品質有著顯著的影響。

因此，TSMC采用了一種像素工藝來改善這種Optical Crosstalk。結構如下圖5。

圖5 像素的橫截面示意圖 (a) 控制像素；(b)串擾改善像素。

結構(a)是控制像素。光的路徑線為ML (Microlens)、CF (Color Filter)、PD(Photodiode，感光層)。而在Optical Crosstalk影響的示意圖，如綠色線的軌跡。光子由相鄰的像素單元進入后，因為多層結構的折射，入射到中間的PD感光區，造成串擾訊號。TSMC設計了結構(b)“深溝槽隔離(DTI)”技術，是為了在不犧牲并行暗性能的情況下抑制Optical Crosstalk。由(b)圖可以發現，DTI所形成的溝槽可以隔離原本會產生Optical Crosstalk的光子入射到中間的感光Photodiode區，抑制了串擾并提高了SNR。

圖6 該圖展示了0.9um像素的量子效率光譜，其中虛線代表控制的0.9um像素(a)，實線代表改進的0.9um像素(b)。由于柵格結構的光學孔徑面積略微變小，因此Optical Crosstalk得到了極大的抑制。Optical Crosstalk抑制的直接證據在量子效率光譜上得到體現。圖中三個黃色箭頭指出了R、G、B通道的串擾抑制證據。藍光通道和紅光通道反應略微下降，但是通過新開發的顏色濾光片材料，綠光通道的量子效率得到了提升。(Reference：tsmc CIS)

利用晶圓級量子效率光譜技術可以直接證明Optical Crosstalk的抑制現象。對于不同的CMOS圖像傳感器芯片，可以通過量子效率光譜測試來比較它們在不同波長下的量子效率響應，進而分辨Optical Crosstalk是否得到抑制。

審核編輯：劉清