Սմարթֆոնների վրա տեսախցիկի սենսորների արտադրության տեխնոլոգիա

Սմարթֆոններում տեսախցիկի սենսորների արտադրության տեխնոլոգիա

Վերջին տասնամյակում սմարթֆոնների տեսախցիկների զարգացումը ֆենոմենալ է եղել։ Լուսանկարները, որոնք մի ժամանակ պարզապես «բավականաչափ լավն էին փաստաթղթավորման համար», այժմ շատ պայմաններում կարող են մոտենալ մասնագիտացված տեսախցիկների որակին։ Այս առաջընթացը պայմանավորված է ոչ միայն պատկերի մշակման ծրագրակազմով, այլև տեսախցիկի սենսորների՝ լույսը էլեկտրական ազդանշանների վերածող հիմնական բաղադրիչների, արտադրության տեխնոլոգիայով։ Բարակ տեսախցիկի մոդուլի հետևում թաքնված է բարդ, բարձր ճշգրտության և անընդհատ զարգացող կիսահաղորդիչների արտադրության գործընթաց՝ փոքր չափի, ցածր էներգիայի սպառման և բարձր պատկերի որակի մարտահրավերներին դիմակայելու համար։

1. Սենսորների դերը և միտումները սմարթֆոնների տեսախցիկների տեխնոլոգիայի մեջ

Սմարթֆոնների տեսախցիկների սենսորները սովորաբար հիմնված են CMOS (լրացուցիչ մետաղ-օքսիդային կիսահաղորդչային) վրա: Համեմատած նախկինում հայտնի CCD սենսորների հետ, CMOS-ը ավելի էներգաարդյունավետ է, ունի ավելի արագ ընթերցում և ավելի հեշտ է ինտեգրվել նույն չիպի վրա գտնվող ազդանշանի մշակման սխեմաների հետ: Սմարթֆոնների սենսորների նորարարությունը խթանող միտումներն են՝ բարձրացված լուծաչափը (մինչև տասնյակ կամ նույնիսկ հարյուրավոր մեգապիքսելներ), ավելի լավ կատարողականություն թույլ լուսավորության պայմաններում, բարձր լուծաչափով տեսանյութերի հնարավորություններ, իրական ժամանակի HDR, արագ ավտոֆոկուս և հաշվողական լուսանկարչության աջակցություն:

Այս բոլոր պահանջները ստիպում են սենսորների արտադրողներին օպտիմալացնել պիքսելային կառուցվածքները, նյութերը, լիտոգրաֆիկ գործընթացները, սխեմաների նախագծումը և նույնիսկ չիպերի շերտերը դասավորելու եղանակը՝ բարակությունը պահպանելու և արդյունավետությունը բարելավելու համար։

2. CMOS սենսորի հիմնական կառուցվածքը՝ ֆոտոններից մինչև տվյալներ

Պարզ ասած, CMOS սենսորի յուրաքանչյուր պիքսել բաղկացած է լուսադիոդի տարածքից՝ լույսը որսալու համար, և փոքր տրանզիստորներից՝ ազդանշանը կարդալու և ուժեղացնելու համար: Երբ ֆոտոնները մտնում են, լուսադիոդը առաջացնում է էլեկտրոններ (էլեկտրական լիցք), որոնք համեմատական ​​են լույսի ինտենսիվությանը: Այնուհետև այս լիցքը կարդացվում է կարդացման միացման միջոցով, վերածվում թվային տվյալների անալոգ-թվային փոխարկիչի (ADC) միջոցով, ապա հետագայում մշակվում է պատկերի մեջ:

Սակայն գործնական դիզայնը շատ ավելի բարդ է. յուրաքանչյուր պիքսել պետք է նվազագույնի հասցնի աղմուկը, մեծացնի դինամիկ տիրույթը, կանխի խաչաձև խոսակցությունը (լույսի կամ լիցքի արտահոսքը հարևան պիքսելներին) և պահպանի բարձր զգայունություն, նույնիսկ եթե պիքսելի չափը շարունակում է փոքրանալ։

3. Թիթեղների արտադրության փուլ. սենսորների արտադրության հիմքը

Տեսախցիկի սենսորների արտադրությունը սկսվում է սիլիկոնային թիթեղներից, ինչպես մյուս կիսահաղորդչային արդյունաբերություններում: Հիմնական գործընթացները ներառում են՝

1. Օքսիդացում և բարակ թաղանթի նստեցում
Վաֆլին պատված է մեկուսիչ կամ հաղորդիչ նյութով (օրինակ՝ SiO₂, պոլիսիլիցիում, որոշակի մետաղներ)՝ օգտագործելով CVD (քիմիական գոլորշու նստեցում) կամ PVD (ֆիզիկական գոլորշու նստեցում) գործընթաց։

2. Լուսավիտոգրաֆիա
Սխեմաների սխեմաները և պիքսելային կառուցվածքները «տպագրվում» են լուսառեզիստի միջոցով և ենթարկվում լույսի ազդեցությանը դիմակի միջոցով: Որքան փոքր է գործընթացի տեխնոլոգիան, այնքան ավելի ճշգրիտ է պահանջվում լիտոգրաֆիայի համար:

3. Փորագրություն
Կառուցվածքը ձևավորելու համար շերտի որոշակի մասեր հեռացվում են կա՛մ թաց փորագրման, կա՛մ չոր փորագրման (պլազմային) միջոցով։

4. Դոպինգ / իոնային իմպլանտացիա
Որոշակի իոններ են իմպլանտացվում սիլիցիումի մեջ՝ ձևավորելով N և P շրջաններ, որոնք անհրաժեշտ են ֆոտոդիոդների և տրանզիստորների՝ սահմանված պահանջներին համապատասխան աշխատելու համար։

5. Մետաղացում և փոխկապակցվածություն
Մետաղական ռելսեր են ստեղծվում չիպի մեջ տրանզիստորները, հիշողությունը և մշակող բլոկները միացնելու համար։

Տեսախցիկի սենսորներում պիքսելների արտադրությունը կենտրոնանում է ոչ միայն տրանզիստորների, այլև ֆոտոդիոդների և դրանց վերևում գտնվող միկրոօպտիկական կառուցվածքների օպտիմալացման վրա: Խնդիրն այն է, որ ապահովվի, որ էլեկտրոնային և օպտիկական բաղադրիչները ներդաշնակորեն աշխատեն շատ փոքր տարածքում:

4. Հետևի լուսավորություն (BSI). զգայունության հեղափոխություն

Սմարթֆոնների սենսորների հիմնական նորարարություններից մեկը BSI-ն է (Backside Illumination): Ավանդական սենսորներում (Frontside Illumination/FSI) լույսը մտնում է նույն կողմից, ինչ մետաղացված շերտը և տրանզիստորները: Արդյունքում, լույսի մի մասը արգելափակվում է լարերի և սխեմաների կողմից, ինչը նվազեցնում է զգայունությունը:

BSI-ում թիթեղը մշակվում է այնպես, որ լույսը մտնի «հետևից» (միջմիակցումներից զերծ կողմը): Սա իրականացվում է թիթեղը նոսրացնելով և միջմիակցման գծերը մյուս կողմ տեղափոխելով: Արդյունքը՝
– ավելի շատ լույս է հասնում ֆոտոդիոդին,
– բարելավված աշխատանք թույլ լուսավորության պայմաններում,
– ավելի բարձր քվանտային արդյունավետություն,
– հարմար է փոքր պիքսելների համար։

BSI գործընթացը պահանջում է խիստ մեխանիկական և քիմիական վերահսկողություն վեֆերի նոսրացման ընթացքում, քանի որ չափազանց բարակ հաստությունը կարող է նվազեցնել արտադրողականությունը (արտադրության հաջողության մակարդակը) կամ վեֆերը հակված դարձնել ճաքերի։

5. Շերտավորված CMOS. շերտավորված՝ գործառույթները արագացնելու և հարստացնելու համար

Արագությունը մեծացնելու և չափսը չմեծացնելով հնարավորություններ ավելացնելու համար արդյունաբերությունը կիրառում է կուտակված սենսորներ: Հայեցակարգն է՝ պիքսելային և տրամաբանական շերտերը առանձնացնել առանձին վեֆլերի վրա, այնուհետև միացնել դրանք շատ խիտ փոխկապակցման տեխնոլոգիայի միջոցով (օրինակ՝ հիբրիդային կապ կամ TSV—Through-Silicon Via):

Stacked CMOS-ի առավելությունները՝
– Ավելի արագ ընթերցում, հարմար է բարձր արագությամբ տեսանյութերի, շարքային լուսանկարների համար և նվազեցնում է գլորվող փակաղակի արագությունը։
– Կարելի է ավելացնել ավելի շատ տրամաբանություն և հիշողություն (օրինակ՝ բուֆերներ/DRAM որոշ դիզայնների վրա)՝ առանց պիքսելային տարածքը զոհաբերելու։
– Սենսորային մշակում, ինչպիսիք են ավելի արագ բազմաէքսպոզիցիոն HDR-ը կամ ավելի արագ արձագանքող ավտոֆոկուսը։

Արտադրության մեջ թիթեղների դասավորությունը պահանջում է ծայրահեղ ճշգրտություն: Հիմնական մարտահրավերներն են միացման որակի պահպանումը, դիմադրության նվազեցումը, արտադրողականության բարձրացումը և արտադրական ցածր ծախսերի պահպանումը:

6. Պիքսելային տեխնոլոգիա՝ միկրո-ոսպնյակ, CFA և մեկուսացում

Ֆոտոդիոդի վերևում կան շատ կարևոր միկրոօպտիկական տարրեր.

– Միկրոսինձ. յուրաքանչյուր պիքսելի վերևում տեղադրված փոքր ոսպնյակ՝ լույսը «հավաքելու» համար ֆոտոդիոդի ակտիվ հատվածի վրա: Փոքրիկ տեսախցիկի ոսպնյակներով սմարթֆոններում միկրոոսպնյակները օգնում են մեծացնել պիքսելին հասնող լույսի քանակը:
– Գունային ֆիլտրի զանգված (ԳՖՄ). գունային ֆիլտր (սովորաբար Բայերի պատկեր կամ դրա տարբերակներ), որը թույլ է տալիս սենսորին տարբերակել գույները: ԳՖՄ-ները ստեղծվում են գունավոր պոլիմերային նյութերի նստեցման և պատկերման միջոցով:
– Խորը խրամատի մեկուսացում (DTI). մեկուսիչ նյութով լցված մեկուսիչ խրամատ՝ պիքսելների միջև խաչաձև շփումը կանխելու համար: DTI-ն կարևոր է դառնում պիքսելների չափերի փոքրացման և օբյեկտիվի դիաֆրագմայի մեծացման հետ մեկտեղ:

Միկրոլիզների, CFA-ի և DTI-ի համադրությունը կամուրջ է օպտիկական և էլեկտրոնային աշխարհների միջև: Շերտի հաստության, դիրքի կամ միատարրության փոքր սխալները կարող են ազդել գույնի ճշգրտության, սրության և աղմուկի վրա:

7. Փուլային հայտնաբերման ավտոֆոկուս (PDAF) և նվիրված պիքսելներ

Շատ ժամանակակից սմարթֆոններ սենսորի վրա օգտագործում են PDAF (Phase Detection Autofocus): Սա ներառում է հատուկ պիքսելներ կամ տարածքներ, որոնք լույս են ստանում օբյեկտիվի դիաֆրագմայի որոշակի մասերից և հաշվարկում են փուլային տարբերությունները՝ ֆոկուսի կարգավորման ուղղությունը և չափը որոշելու համար:

PDAF-ի իրականացումը պահանջում է CFA-ի և միկրոոսպնյակի տարբեր դիզայններ որոշակի պիքսելների կամ միկրոդիմակավորման նախշերի համար: Սա ավելացնում է արտադրության բարդությունը, քանի որ ոչ բոլոր պիքսելներն են նույնական: Խնդիրն այն է, որ ապահովվի, որ PDAF պիքսելները չվնասեն պատկերի որակին (օրինակ՝ արտեֆակտներ ներդնեն), միաժամանակ պահպանելով ֆոկուսի ճշգրտությունը:

8. HDR, կրկնակի փոխակերպման ուժեղացում և ընթերցման ճարտարապետության դիզայն

Բացի «լույսի կլանման» բարելավումից, սենսորների արտադրությունը վերաբերում է նաև սխեմաների ճարտարապետությանը.
– Կրկնակի փոխակերպման ուժեղացումը (DCG) թույլ է տալիս սենսորին անցնել բարձր զգայունության ռեժիմի և բարձր դինամիկ տիրույթի ռեժիմի միջև՝ կախված լուսավորության պայմաններից։
– Բազմաէքսպոզիցիայի HDR-ը պահանջում է արագ ընթերցում և ճշգրիտ ժամանակի կառավարում։
– Գլոբալ փակաղակը (չնայած ավելի տարածված է արդյունաբերական տեսախցիկներում) կարևոր թեմա է գլանաձև փակաղակի խնդիրը հաղթահարելու համար, բայց ավելի դժվար է ներդնել սմարթֆոններում, քանի որ այն պահանջում է լիցքի կուտակիչ յուրաքանչյուր պիքսելի համար կամ լրացուցիչ դիզայն, որը ավելացնում է տարածք և բարդություն։

Այս բոլոր առանձնահատկությունները ազդում են տրանզիստորի դասավորության, մետաղական շերտերի քանակի, էներգիայի սպառման և ջերմության վրա, որոնք կարևոր գործոններ են բարակ սարքերում, որոնք ունեն սահմանափակ մարտկոցի աշխատանքային կյանք։

9. Փորձարկում, կարգաբերում և մոդուլի ինտեգրում

Վաֆլիի մշակումից հետո հաջորդ կարևոր քայլերն են՝
– Վաֆլի մակարդակի թեստավորում՝ մեռած պիքսելների, աղմուկի, միատարրության և էլեկտրական պարամետրերի ստուգման համար։
– Կտրատում (վաֆլիի կտրում չիպերի), այնուհետև փաթեթավորում, որը պաշտպանում է չիպը և ապահովում միացումներ։
– Կալիբրացիա. ներառում է աղմուկի քարտեզների, ստվերի, սպիտակի հաշվեկշռի և օբյեկտիվի բնութագրերի ուղղում: Կալիբրացիայի շատ ասպեկտներ կատարվում են տեսախցիկի մոդուլի հավաքման և փորձարկման ժամանակ:
– Մոդուլի ինտեգրում. սենսորը զուգակցվում է օբյեկտիվի, OIS-ի (օպտիկական պատկերի կայունացում), եթե կա, և այլ օժանդակ բաղադրիչների հետ: Մեխանիկական հավասարեցումը (թեքություն, ֆոկուսային հեռավորություն) մեծապես ազդում է սրության վրա:

Սմարթֆոններում տեսախցիկի մոդուլները պետք է համապատասխանեն խիստ թույլատրելի չափանիշներին՝ միաժամանակ մնալով էժան և զանգվածային արտադրության համար հասանելի։

10. Ապագայի ուղղություններ՝ ավելի շատ շերտեր և սենսորին ավելի մոտ հաշվարկներ

Ապագայում սմարթֆոնների սենսորների արտադրության տեխնոլոգիան, հավանաբար, կշարժվի դեպի.
– Ավելի ագրեսիվ շերտավորում՝ ավելի հարթ կապակցմամբ և ավելի ամուր գծերով։
– Սենսորի վրա տեղադրված արհեստական ​​բանականություն/հաշվարկ՝ աղմուկի նվազեցման, տեսարանի հայտնաբերման կամ ակնթարթային HDR-ի համար՝ նվազագույն լատենտությամբ։
– Ավելի խելացի պիքսելներ՝ ճարտարապետությամբ, որը նվազեցնում է աղմուկը և մեծացնում դինամիկ տիրույթը՝ առանց պարզապես մեծացնելու մեգապիքսելները։
– Նոր նյութեր և կառուցվածքներ, որոնք բարձրացնում են լույսի կլանման արդյունավետությունը և ճնշում են փոքր պիքսելներում խաչաձև շփումը։

Նույնիսկ այն դեպքում, երբ հաշվողական լուսանկարչությունը գնալով ավելի գերիշխող է դառնում, սենսորային հում տվյալների որակը մնում է հիմնարար։ Հետևաբար, արտադրության նորարարությունները՝ BSI-ից, DTI-ից մինչև stacked CMOS, կշարունակեն կարևոր լինել։

Եզրակացություն

Սմարթֆոնների տեսախցիկների սենսորների արտադրության տեխնոլոգիան համատեղում է կիսահաղորդչային ճշգրտությունը և միկրոմետրային մասշտաբի օպտիկական ինժեներիան: Վաֆլերի լիտոգրաֆիայից և լեգիրումից մինչև BSI-ի համար նոսրացում, դարսված սենսորների համար չիպերի կուտակում, միկրոլինզաների և CFA-ի արտադրություն, բոլոր գործընթացները նախագծված են այնպես, որ փոքր սենսորները կարողանան արդյունավետ, արագ և ճշգրիտ որսալ լույսը: Արդյունքը սմարթֆոնների ավելի ու ավելի հուսալի տեսախցիկներ են տարբեր պայմաններում, միաժամանակ ճանապարհ հարթելով նոր հնարավորությունների համար, ինչպիսիք են իրական ժամանակի HDR-ը, գերարագ ավտոֆոկուսը և բարձրորակ տեսանյութը կոմպակտ սարքերում:

Եթե ​​ցանկանում եք, կարող եմ ավելացնել. (1) արտադրության գործընթացի նկարազարդում՝ քայլ առ քայլ կետերի տեսքով, (2) BSI-ն, FSI-ն և stacked-ը համեմատող հատուկ ենթագլուխ, կամ (3) տերմինների ցանկ (բառարան)՝ ընթերցողների համար ավելի հեշտ դարձնելու համար։