常見的4種CMOS圖像傳感器工藝缺陷解析

- 本文將為您介紹何謂量子效率光譜（Quantum Efficiency Spectrum），以及常見的4種CMOS圖像傳感器工藝缺陷。

- 光焱科技SG-A_CMOS商用級圖像傳感器測試儀相較于傳統光學檢測設備可以提供更精細的缺陷檢測信息，有助于用戶全面了解CMOS圖像傳感器的性能表現。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。

通過量子效率光譜解析常見的4種工藝缺陷（下）

C. Color filter quality inspection

(1) 什么是圖像傳感器的Color filter？

圖像傳感器的Color filter是一種用于CMOS圖像傳感器的光學濾光片。它被用于調整圖像傳感器中各個像素的光譜響應，以便使CMOS圖像傳感器可以感測和分離不同顏色的光，并將其轉換為數字信號。Color filter通常包括紅（R）、綠（G）、藍（B）三種基本的色彩濾光片。而對于各種不同filter排列而成的color filter array (CFA)，可以參考下面的資料。最常見的CFA就是Bayer filter的排列，也就是每個單元會有一個B、一個R與兩個G的filter排列。

Color filter在CMOS圖像傳感器中扮演著非常重要的角色，其質量直接影響著圖像的色彩再現效果。為了確保Color filter的性能符合設計要求，需要進行精確的光譜分析和質量檢測。透過率光譜可以評估不同Color filter的光學性能；量子效率光譜可以檢測Color filter與光電二極管的匹配程度。只有通過嚴格的質量檢測，才能保證圖像傳感器芯片輸出優質的圖像。

圖1 Color filter 如何組合在“Pixel”傳感器中。一個像素單位由Micro Lens + CFA + Photodiode等三個主要部件構成。

Color filter的主要作用是將入射的白光分解成不同的色光，并且選擇性地遮擋某些色光，從而實現對不同波長光的選擇性感光。

(2) 為什么Color filter的檢測重要?

在CMOS圖像傳感器中，每個像素上都會有一個Color filter，用來選擇性地感光RGB三種顏色的光線，從而實現對彩色圖像的捕捉和處理。如果Color filter 的性能不好，會影響像素的感光度和光譜響應，進而影響圖像的品質和精度。因此，優化Color filter的性能對于提高CMOS圖像傳感器的品質至關重要。

Color filter的檢測是十分重要的，因為Color filter的品質和穩定性會直接影響到CMOS圖像傳感器的色彩精確度和對比度，進而影響整個圖像的品質和清晰度。如果Color filter存在缺陷或不均勻的情況，就會導致圖像中某些顏色的偏移、失真、色彩不均等問題。因此，對Color filter進行嚴格的檢測，可以幫助制造商確保其性能和品質符合設計要求，從而提高圖像傳感器芯片的生產效率和產品的可靠性。

(3) 如何利用量子效率光譜來檢測圖像傳感器的Color filter品質?

CMOS圖像傳感器的Color filter通常是由一種稱為“有機色料”(organic dyes or pigments)的物質制成，這些有機色料能夠選擇性地吸收特定波長的光，以產生所需的顏色濾波效果。這些有機色料通常是透過涂布技術將它們沉積在玻璃或硅基板上形成彩色濾光片。

量子效率光譜可以測量CMOS圖像傳感器在不同波長下的感光度，從而確定Color filter的品質和性能。正常情況下，Color filter應該能夠適當地分離不同波長的光，并且在光學過程中產生較小的串擾。因此，如果在特定波長下的量子效率比預期值低，可能是由于Color filter的品質或性能問題引起的。通過對量子效率光譜的分析，可以確定Color filter的性能是否符合設計要求，并提前進行相應的調整和優化。

圖2 TSMC利用晶圓級量子效率光譜（Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum）對不同的綠色濾光片材料進行檢測，以評估其對CMOS圖像傳感器的感光能力和光學串擾的影響。

如上圖，晶圓級量子效率光譜顯示了三種不同Color filter材料（Green_1， Green_2和Green_3）的特性。

通過過比較這三種材料，可以發現：

(1) 主要綠色峰值位置偏移至550nm；

(2) 綠光和藍光通道的光學串擾現象顯著降低；

(3) 綠光和紅光通道的光學串擾現象顯著增加。

通過對量子效率光譜的分析，可以確定Color filter的性能是否符合設計要求，并提前進行相應的調整和優化。以確保濾光片材料的特性符合設計要求，并且保證圖像的品質和精度，提高CMOS圖像傳感器的可靠性和穩定性。

D. Si晶圓厚度控制

(1) 什么是Si晶圓厚度控制？

當我們在制造BSI CMOS圖像傳感器時，需要使用一種稱為"減薄(thin down)"的工藝來將晶圓變得更薄。減薄后的晶圓厚度會直接影響CMOS圖像傳感器芯片的感光度，因此晶圓的厚度對芯片的感光性能和質量都有很大的影響。

為了確保CMOS圖像傳感器芯片能夠正常工作，我們需要使用"Si晶圓厚度控制"工藝來精確地控制晶圓的厚度。這樣可以確保我們減薄出來的晶圓厚度能夠符合設計要求，同時也可以提高CMOS圖像傳感器芯片的產品良率。

圖3 BSI的流程圖。采用BSI工藝的CMOS圖像傳感器，會有一道重要的工藝“減薄”(Thin down)， 也就是將晶圓的厚度減少到一定的程度。

(2) Si晶圓厚度控制工藝監控中的量子效率檢測非常重要

在制造CMOS圖像傳感器時，Si晶圓厚度控制工藝的控制對傳感器的感光度有著直接的影響。這種影響可以通過量子效率光譜來觀察，確保減薄后的CMOS圖像傳感器擁有最佳的光電轉換量子效率。減薄后的晶圓會有一個最佳的厚度值，可以確保CMOS圖像傳感器擁有最佳的光電轉換量子效率。使用450nm、530nm和600nm三種波長，可以測試紅色、綠色和藍色通道的量子效率。實驗結果顯示了不同減薄厚度的CMOS圖像傳感器在藍光、綠光、紅光通道的量子效率值的變化。減薄厚度的偏差會對CMOS圖像傳感器的感光度產生直接的影響，進而影響量子效率的值。因此，量子效率的檢測對于Si晶圓厚度控制工藝的監控至關重要，以確保制造的CMOS圖像傳感器具有穩定和一致的質量。

圖3顯示了在不同減薄厚度下CMOS圖像傳感器在藍、綠、紅三個光通道的量子效率值變化。藍光通道的量子效率值是利用450nm波長測量的，當減薄后的厚度比標準厚度多0.3um時，其量子效率值會由52%下降至49%；當減薄后的厚度比標準厚度少0.3um時，藍光通道的量子效率只略微低于52%。紅光通道的量子效率值是利用600nm波長測量的，發現紅光通道的表現在不同厚度下與藍光通道相反，當減薄后的厚度比標準厚度少0.3um時，紅光通道的量子效率顯著地由44%下降至41%。在較厚的條件(+0.3um)下，紅光通道的量子效率并沒有顯著的變化。綠光通道的量子效率值是以530nm波長測量的，在三種厚度條件下(STD THK ± 0.3um)，綠光通道的量子效率沒有顯著的變化。

圖4 利用不同的Si晶圓厚度對CMOS圖像傳感器的量子效率進行測試，測試波長分別為600nm、530nm和450nm，并且針對紅色、綠色和藍色通道的量子效率進行評估。

結果顯示，在綠光通道方面，Si晶圓厚度的變化在±0.3um范圍內，530nm波段的量子效率并未有明顯變化。但是，在紅光通道方面，隨著Si晶圓厚度的下降，量子效率會有顯著的下降。而在藍光通道450nm的情況下，量子效率會隨著Si晶圓厚度的下降而有顯著的下降。這些結果表明，Si晶圓厚度對于CMOS圖像傳感器的量子效率有重要的影響，且不同通道的影響程度不同。因此，在制造CMOS圖像傳感器時需要精確地控制Si晶圓厚度，以確保產品的質量和性能。

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編輯：黃飛

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