背照式CMOS圖像傳感器的發(fā)展歷程 背照式CMOS的優(yōu)勢分析

提到背照式CMOS，相信很多朋友首先會聯(lián)想到智能手機等小型影像記錄設(shè)備?，F(xiàn)在主流的手機的攝像頭均采用了背照式和堆棧式兩種類型的傳感器。

想要弄清楚背照式中“背”的含義，就必須要先了解傳統(tǒng)CMOS——前照式（FrontSide Illumination，縮寫為FSI）的結(jié)構(gòu)。

前照式CMOS

CMOS是一個多層結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)FSI結(jié)構(gòu)中，自上至下依次為微透鏡（Micro-lens）、彩色濾光鏡（Color Filter）、電路層（Wiring Layers）和光電二極管（Photodiodes）。

不難發(fā)現(xiàn)：CMOS總面積 ≈ 光電二極管有效面積 + 電路層有效面積，光電二極管和配套電路需要爭搶感光元件上有限的空間。

電路占據(jù)的面積大，光電二極管占據(jù)的面積就小，CMOS實際收集的光線就少。對于智能手機、便攜數(shù)碼相機等小型影像記錄設(shè)備來說，這就意味著成像質(zhì)量難以提升，最集中表現(xiàn)就是高ISO拍攝時的噪點大、雜訊多。

那么，能否減少電路面積呢？首先，現(xiàn)代CMOS普遍采用集成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）的做法，1列光電二極管對應(yīng)1個ADC和1套放大電路。想要提升像素數(shù)量、提高讀取速度就必須增加配套電路。

傳統(tǒng)的CMOS “前照式”結(jié)構(gòu)，當(dāng)光線射入像素，經(jīng)過了片上透鏡和彩色濾光片后，先通過金屬排線層，最后光線才被光電二極管接收。

大家都知道金屬是不透光的，而且還會反光。所以，在金屬排線這層光線就會被部分阻擋和反射掉，光電二極管吸收的光線能就只有剛進(jìn)來的時候的70％或更少；而且這反射還有可能串?dāng)_旁邊的像素，導(dǎo)致顏色失真。（目前中低檔的CMOS排線層所用金屬是比較廉價的鋁（Al），鋁對整個可見光波段（380～780nm）基本保持90％左右的反射率。）

這樣一來，“背照式”CMOS就應(yīng)運而出了，其金屬排線層和光電二極管的位置和“前照式”正好顛倒，光線幾乎沒有阻擋和干擾地就下到光電二極管，光線利用率極高，所以背照式CMOS傳感器能更好的利用照射入的光線，在低照度環(huán)境下成像質(zhì)量也就更好了。

背照式CMOS

背照式CMOS英文為Back-Illuminated CMOS，縮寫為BI CMOS；或BackSide Illumination CMOS，縮寫為BSI CMOS。在背照式BSI結(jié)構(gòu)中，光電二極管和電路層的位置發(fā)生了調(diào)換，自上至下依次為微透鏡（Micro-lens）、彩色濾光鏡（Color Filter）、光電二極管（Photodiodes）和電路層（Wiring Layers）。

這帶來了兩個好處：

1.光電二極管可以接收到更多光線（開口率更大），使CMOS具有更高靈敏度和信噪比，改善高ISO下的成像質(zhì)量。

2.配套電路無需再和光電二極管爭搶面積，更大規(guī)模的電路有助于提高速度，實現(xiàn)超高速連拍、超高清短片拍攝等功能。

由于光電二極管層上移、卡口率更大，BSI CMOS可以更充分地吸收大角度入射光線。在使用傳統(tǒng)CMOS的A7R上，索尼通過微透鏡優(yōu)化提升邊緣質(zhì)量（芯片位置匹配技術(shù)）；而在使用BSI CMOS的A7R II上，索尼就不需要再做特殊優(yōu)化——當(dāng)然，如果加上微透鏡優(yōu)化自然是極好的，但改善幅度不會有傳統(tǒng)CMOS來的明顯。

當(dāng)然，任何事物都有兩面性，背照式CMOS也不例外。由于電路層變得密度更高，電路和電路之間不可避免地會產(chǎn)生干擾。其結(jié)果就是低感光度下的信噪比可能會有所下降。

相比起普通的傳感器，搭載背照式傳感器的攝像頭能夠在弱光環(huán)境下，提高約30%—50%的感光能力，能夠在弱光下拍攝更高的質(zhì)量的照片。

背照式CMOS的重要發(fā)展歷程

990年代，背照式概念被提出，但由于生產(chǎn)加工要求很高，因此無法實現(xiàn)量產(chǎn)化。

2007年，OmniVision對外展示了BSI CMOS樣品。

2009年2月，索尼實現(xiàn)BSI CMOS量產(chǎn)化并注冊了Exmor R商標(biāo)。首批搭載Exmor R CMOS的產(chǎn)品包括索尼HDR-XR520、HDR-XR500攝像機（2009-2），索尼DSC-WX1、DSC-TX1便攜數(shù)碼相機（2009-9），索尼愛立信Cyber-shot S006拍照手機（2010-10）。

2011年10月，蘋果iPhone 4S的主攝像頭搭載了索尼生產(chǎn)的BSI CMOS。

2013年6月，索尼推出搭載1英寸約2020萬像素BSI CMOS的數(shù)碼相機RX100 II。

2015年6月，索尼推出搭載搭載35mm全畫幅約4240萬像素BSI CMOS的無反相機A7RII。

背照式CMO的特點

新型背照式CMOS傳感器得益于電子器件的制作工藝升級，至少在兩個方面有提升。

第一個是在傳感器上的微透鏡性能更為提升，以致經(jīng)過微透鏡后的光，入射到感光面上的角度更接近垂直，而且微透鏡產(chǎn)生的色散，眩光等不良效果會減弱，讓最終到達(dá)傳感器感光面的光較傳統(tǒng)的好。

第二就是在大像素下依舊具有高速的處理能力，這一點歸根到底是對比CCD傳感器而言的。CCD傳感器是需要將各像素點的電荷數(shù)據(jù)傳輸出來統(tǒng)一處理，所以在像素大的時候速度比較難提高，如果強行提高處理的帶寬就會造成噪點的增加。而CMOS傳感器在每一個像素點上都已經(jīng)將電荷轉(zhuǎn)化成了電壓數(shù)據(jù)，在提高大像素幀率上有比較大的空間。

不過這兩個優(yōu)點并非被照式CMOS傳感器特有，是當(dāng)今新款的CMOS傳感器普遍都能做到的，這就是為什么越來越多數(shù)碼相機采用CMOS傳感器了，畢竟大像素和高速的性能會直接影響最終消費者的選擇。

用上背照式CMOS傳感器畫質(zhì)就會好了嗎？

既然背照式CMOS傳感器這么厲害，是不是說配備了了它的數(shù)碼相機拍照就很牛了呢？其實不是，決定數(shù)碼照片的畫質(zhì)除了核心部件傳感器外，還有鏡頭以及處理算法等因素。鏡頭的因素大家應(yīng)該都容易理解，因為光線到達(dá)傳感器之前是要通過鏡頭。而各型號的相機使用的鏡頭不盡相同，具體的質(zhì)素也當(dāng)然會有差異。

另外一個就是數(shù)據(jù)處理的方面，因為從傳感器出來的數(shù)據(jù)還是要經(jīng)過數(shù)碼相機內(nèi)部的處理器來進(jìn)行處理才能得到最終的照片數(shù)據(jù)（能輸出RAW格式的相機除外），換句話說就是有了原始材料，還需要做潤色才能出成品。這部分就要看各個廠家的圖像處理算法了，這就好比不同廚師會用的烹調(diào)方法來處理食材一樣，最終的圖片就會用不同的質(zhì)量，不同的風(fēng)格。

對比裝備了背照式CMOS傳感器的相機和其他相機的各檔位ISO畫質(zhì)，大體的結(jié)論是在低ISO的時候，兩者相差不大，但在高ISO時候的確有一定的提升。另外值得提及的一點就是，裝備了背照式CMOS傳感器的相機在低光環(huán)境的對焦能力大大加強，這是一個非常重要的提升。

另外，背照式如果要用在單反上，必須等壞點率進(jìn)一步降低才行。單反的cmos多大？小卡片機的cmos才有多大？如果采用背照式的技術(shù)，單反cmos的良品率必然大大下降。成本可是誰也承擔(dān)不起的。

堆棧式CMOS

堆疊式CMOS最先出現(xiàn)在索尼推出的移動終端用CMOS上。堆疊式出現(xiàn)的初衷其實不是為了減少整個鏡頭模組的體積，這個只是其附帶好處而已。

CMOS的制作和CPU的制作類似，需要特殊的***對硅晶圓進(jìn)行蝕刻，形成像素區(qū)域（Pixel Section）和處理回路區(qū)域（Circuit Section）。像素區(qū)域就是種植像素的地方，而處理回路顧名思義，就是管理這一群像素的電路。

為了提高像素集合光的效率，需要引入光波導(dǎo)管。光波導(dǎo)管的干刻過程中，硅晶圓和像素區(qū)域會有損傷，此時則要進(jìn)行一個叫做“退火（annealing process）”的熱處理步驟，讓硅晶圓和像素區(qū)域從損傷中恢復(fù)回來，這時候需要將整塊CMOS加熱。好了，問題來了，這么一熱，同在一塊晶圓上的處理回路肯定有一定的損傷了，原先已經(jīng)“打造”好了的電容電阻值，經(jīng)過退火后肯定改變了，這種損傷必定會對電信號讀出有一定影響。

還有一個問題，索尼目前建有的移動終端用CMOS的制程是65納米干刻，這個65納米的工藝對于CMOS的像素區(qū)域的“種植”是完全足夠的。但是處理回路區(qū)域的“打造”，65納米是不夠的，如果能有30納米（實際提升至45nm制程）的工藝去打造電路，那么處理回路上的晶體管數(shù)量就幾乎翻番，其對像素區(qū)域的“調(diào)教”也就會有質(zhì)的飛躍，畫質(zhì)肯定相應(yīng)變好。但因為是在同一塊晶圓上制作，像素和回路區(qū)域需要在同一個制程下制作。

如此魚和熊掌不可兼得的事情，假如解決了多好！于是索尼的工程師打起了晶圓的基板的主意。

先來看這張結(jié)構(gòu)圖。原來處理回路是和像素區(qū)域在同一塊晶圓上打造的。

那么不妨把處理回路放到其它地方去。首先利用SOI和基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)差異，通過加熱將兩者分開。像素區(qū)域放到65納米制程的機器上做，處理回路則放到制程更高（45nm）的機器上做。然后在拼在一起，堆棧式CMOS也就這樣誕生了。

上邊遇到的兩個問題：①像素“退火”時回路區(qū)域躺著中槍；②在同一塊晶圓上制作時的制程限制；均迎刃而解了。

堆疊式不僅繼承了背照式的優(yōu)點（像素區(qū)域依然是背照式），還克服了其在制作上的限制與缺陷。由于處理回路的改善和進(jìn)步，攝像頭也將能提供更多的功能，比如說硬件HDR，慢動作拍攝等等。

像素與處理回路分家的同時，攝像頭的體積也會變得更小，但功能和性能卻不減，反而更佳。像素區(qū)域（CMOS的尺寸）可以相應(yīng)地增大，用來種植更多或者更大的像素。處理回路也會的到相應(yīng)的優(yōu)化。

堆棧式CMOS使用有信號處理電路的芯片代替感光組件的電路部分及支持基板，使得設(shè)備有極大的空間，在此形成更多的像素部分，同時采用堆棧的方式使像素部分和電路芯片重疊，堆棧的兩層相互依賴,像素層與模擬邏輯芯片無需再互搶所占空間,兩者相互獨立，可單獨提高像素質(zhì)量及電路性能。

堆棧式CMOS的優(yōu)點

堆棧式傳感器是由背照式所發(fā)展而成的，背照式傳感器是將感光層的光電二極管的位置換了一下，而堆棧式傳感器則是把信號回路位置互換。而且，堆棧式傳感器比背照式的的體積更加小，畫質(zhì)方面也是作了更加好的優(yōu)化。

除此之外，堆棧式傳感器相比起背照式的還擁有兩項技術(shù)來提升畫質(zhì)的。

第一個就是堆棧式傳感器加入了RGBW的編碼技術(shù)，就是是由原來的R（紅），G（綠），B（藍(lán)）三原色像素點中再加入W（白）像素點來提升畫質(zhì)，提高傳感器的感光能力的，使攝像頭在暗光環(huán)境下也能夠拍攝出質(zhì)量更高的照片。

第二項就是堆棧式傳感器更加是支持硬件HDR功能，硬件HDR英文名稱叫做“In-camera HDR”，它實現(xiàn)的原理是能夠精確地單獨控制每一行像素的曝光時間，從而在傳感器層面上就實現(xiàn)原生的高動態(tài)范圍渲染，有別于之前的軟件HDR技術(shù)一樣需要軟件，照相機綜合算法來合成，所以照片生成的速度更快，而且可以實現(xiàn)HDR錄像。

從以上的介紹可以看出，堆棧式傳感器是從背照式傳感器進(jìn)化提升而來的產(chǎn)品，也是由背照式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，堆棧式傳感器吸取了背照式的優(yōu)勢地方，再彌補了其劣勢的地方，進(jìn)行了更加全面的優(yōu)化升級。除此之外，堆棧式傳感器還可以兼顧背照式結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使到攝像頭的拍攝畫質(zhì)有了很大的提高。

所以到現(xiàn)在，越來越多的手機生產(chǎn)廠商推出的手機的攝像頭采用了堆棧式傳感器，憑借更優(yōu)秀的表現(xiàn)，堆棧式傳感器將會成為日后手機攝像頭的主流。

編輯：黃飛

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