量子效率光譜是CMOS圖像傳感器的關(guān)鍵參數(shù)之一，可以反映CMOS圖像傳感器對(duì)不同波長(zhǎng)下的感光能力，進(jìn)而影響圖像的成像質(zhì)量。

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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(zhǎng)下，傳感器對(duì)光的響應(yīng)效率。物理上，光子的能量與其波長(zhǎng)成反比，因此，不同波長(zhǎng)的光子對(duì)CMOS圖像傳感器產(chǎn)生的響應(yīng)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(zhǎng)下的響應(yīng)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(huì)在可見光波段范圍內(nèi)呈現(xiàn)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(zhì)量。

量子效率光譜可以解析CMOS圖像傳感器內(nèi)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(guò)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(yùn)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(duì)于傳統(tǒng)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(xué)性能，特別是在各波長(zhǎng)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(guò)硅基板進(jìn)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(yīng)，進(jìn)而提高了圖像傳感器的解析度和靈敏度。

（2）傳統(tǒng)的"前照式"圖像傳感器的工作方式

FSI是一種傳統(tǒng)的圖像傳感器工藝技術(shù)，光線透過(guò)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(huì)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(zhì)。相對(duì)地，BSI 技術(shù)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(jìn)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(zhì)。并且，不需要額外的電路和金屬線的遮擋，因此也可以實(shí)現(xiàn)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(shù)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(duì)于低光照環(huán)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(dòng)態(tài)范圍和信噪比等性能，使得圖像質(zhì)量更加優(yōu)良。

由于現(xiàn)今圖像應(yīng)用日益廣泛，對(duì)圖像質(zhì)量和性能要求也越來(lái)越高，因此BSI工藝在現(xiàn)代圖像傳感器的制造中扮演著重要的角色。目前，BSI技術(shù)已成為高端圖像傳感器的主流工藝技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于各種高階圖像產(chǎn)品中。

（4）量子效率光譜如何評(píng)估BSI工藝的好壞

如前述，在CMOS圖像傳感器芯片的制造過(guò)程中，不同波長(zhǎng)的光子對(duì)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(cè)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(píng)估BSI工藝的好壞。

案例-1

如圖2，臺(tái)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(duì)RGB三原色的像素感光表現(xiàn)的差異。結(jié)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(jí)量子效率光譜（Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum）分析1.75μm的FSI與BSI兩種工藝對(duì)RGB三原色的像素在不同波長(zhǎng)下的感光表現(xiàn)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(duì)感光能力的影響，并確定BSI工藝的優(yōu)勢(shì)。

（5）利用量子效率光譜分析不同BSI工藝對(duì)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(jí)量子效率光譜分析利用TSMC 65nm工藝進(jìn)行量產(chǎn)時(shí)，不同工藝對(duì)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(nèi)部絕對(duì)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(jí)量子效率光譜，分析TSMC 65nm工藝在量產(chǎn)時(shí)，不同工藝對(duì)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(yōu)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(lán)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(gè)結(jié)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(jìn)而提高圖像質(zhì)量。因此，利用量子效率光譜比較不同工藝對(duì)CMOS圖像傳感器芯片的影響，可以為CMOS圖像傳感器制造優(yōu)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(xué)串?dāng)_（Optical Crosstalk）是指光線在圖像芯片中行進(jìn)時(shí)，由于折射、反射等原因，導(dǎo)致相鄰像素之間的光相互干擾而產(chǎn)生的一種影響。

圖4 光學(xué)串?dāng)_（Optical Crosstalk）

（2）為什么Optical Crosstalk的檢測(cè)重要?

在CMOS圖像傳感器芯片中，Optical Crosstalk是一個(gè)重要的問(wèn)題，因?yàn)樗鼤?huì)影響圖像的品質(zhì)和精度。Optical Crosstalk是由于像素之間的光學(xué)相互作用而產(chǎn)生的，導(dǎo)致相鄰像素的光信號(hào)互相干擾，進(jìn)而影響到像素之間的區(qū)別度和對(duì)比度。因此，降低Optical Crosstalk是提高CMOS圖像傳感器芯片品質(zhì)的重要目標(biāo)之一。

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

量子效率光譜可用于檢測(cè)CMOS圖像傳感器的串?dāng)_問(wèn)題。當(dāng)CMOS圖像傳感器中存在串?dāng)_問(wèn)題時(shí)，在某些波長(zhǎng)下可能會(huì)觀察到量子效率異常。在這種情況下，可以采取相應(yīng)的措施來(lái)降低串?dāng)_，例如優(yōu)化CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)或改進(jìn)工藝。

縮小像素尺寸對(duì)于高分辨率成像和量子圖像傳感器是絕對(duì)必要的。

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

因此，TSMC采用了一種像素工藝來(lái)改善這種Optical Crosstalk。結(jié)構(gòu)如下圖5。

圖5 像素的橫截面示意圖 (a) 控制像素；(b)串?dāng)_改善像素。

結(jié)構(gòu)(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(jìn)入后，因?yàn)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)的折射，入射到中間的PD感光區(qū)，造成串?dāng)_訊號(hào)。TSMC設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)(b)“深溝槽隔離(DTI)”技術(shù)，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(fā)現(xiàn)，DTI所形成的溝槽可以隔離原本會(huì)產(chǎn)生Optical Crosstalk的光子入射到中間的感光Photodiode區(qū)，抑制了串?dāng)_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(shí)線代表改進(jìn)的0.9um像素(b)。由于柵格結(jié)構(gòu)的光學(xué)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(jù)在量子效率光譜上得到體現(xiàn)。圖中三個(gè)黃色箭頭指出了R、G、B通道的串?dāng)_抑制證據(jù)。藍(lán)光通道和紅光通道反應(yīng)略微下降，但是通過(guò)新開發(fā)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(jí)量子效率光譜技術(shù)可以直接證明Optical Crosstalk的抑制現(xiàn)象。對(duì)于不同的CMOS圖像傳感器芯片，可以通過(guò)量子效率光譜測(cè)試來(lái)比較它們?cè)诓煌ㄩL(zhǎng)下的量子效率響應(yīng)，進(jìn)而分辨Optical Crosstalk是否得到抑制。