Смартфондардағы камера сенсорларын жасау технологиясы
Соңғы онжылдықта смартфон камераларының дамуы керемет болды. Бұрын тек «құжаттау үшін жеткілікті жақсы» болған фотосуреттер қазір көптеген жағдайларда арнайы камералардың сапасына жақындай алады. Бұл прогресс тек кескін өңдеу бағдарламалық жасақтамасымен ғана емес, сонымен қатар жарықты электрлік сигналдарға айналдыратын негізгі компоненттер - камера сенсорларын жасау технологиясымен де байланысты. Жұқа камера модулінің артында шағын өлшем, төмен қуат тұтыну және жоғары кескін сапасы сияқты қиындықтарды шешуге арналған күрделі, жоғары дәлдіктегі және үнемі дамып келе жатқан жартылай өткізгіш өндіріс процесі жатыр.
1. Смартфон камерасы технологиясындағы сенсорлардың рөлі және үрдістері
Смартфон камерасының сенсорлары әдетте CMOS (қосымша металл-оксидті жартылай өткізгіш) негізінде жасалған. Бұрын танымал болған CCD сенсорларымен салыстырғанда, CMOS энергияны үнемдейді, оқу жылдамдығы жоғары және сол чиптегі сигналды өңдеу тізбектерімен біріктіру оңайырақ. Смартфон сенсорының инновациясын алға жылжытатын үрдістерге мыналар жатады: ажыратымдылықтың жоғарылауы (ондаған немесе тіпті жүздеген мегапиксельге дейін), жарық аз болған кезде жақсы өнімділік, жоғары ажыратымдылықтағы бейне мүмкіндіктері, нақты уақыттағы HDR, жылдам автофокус және есептеу фотографиясын қолдау.
Осы талаптардың барлығы сенсор өндірушілерін пиксель құрылымдарын, материалдарын, литография процестерін, тізбек дизайнын және тіпті өнімділікті жақсарта отырып, жұқалығын сақтау үшін чип қабаттарын қалай қабаттастыру керектігін оңтайландыруға мәжбүр етеді.
2. CMOS сенсорының негізгі құрылымы: фотондардан деректерге дейін
Қарапайым тілмен айтқанда, CMOS сенсорындағы әрбір пиксель жарықты ұстап алуға арналған фотодиод аймағынан және сигналды оқу және күшейту үшін шағын транзисторлардан тұрады. Фотондар кірген кезде, фотодиод жарық қарқындылығына пропорционалды электрондарды (электр зарядын) тудырады. Бұл заряд оқу тізбегі арқылы оқылады, ADC (аналогтық-цифрлық түрлендіргіш) арқылы сандық деректерге түрлендіріледі, содан кейін кескінге өңделеді.
Дегенмен, практикалық дизайн әлдеқайда күрделі: әрбір пиксель шуды азайтуы, динамикалық диапазонды арттыруы, жарықтың немесе зарядтың көрші пиксельдерге ағуын болдырмауы және пиксель өлшемі кішірейе бергеннің өзінде жоғары сезімталдықты сақтауы керек.
3. Пластинаны жасау кезеңі: сенсорлық өндірістің негізі
Камера сенсорларын жасау басқа жартылай өткізгіш салалардағыдай кремний пластиналарынан басталады. Негізгі процестерге мыналар кіреді:
1. Тотығу және жұқа қабықшалы тұндыру
Пластинаны оқшаулағыш немесе өткізгіш материалмен (мысалы, SiO₂, поликремний, белгілі бір металдар) CVD (химиялық бу тұндыру) немесе PVD (физикалық бу тұндыру) сияқты процестерді қолдана отырып қаптайды.
2. Фотолитография
Схема үлгілері мен пиксельдік құрылымдар фоторезист көмегімен «басылып» шығарылады және маска арқылы жарыққа шығарылады. Процесс технологиясы неғұрлым кішірек болса, литография соғұрлым дәлдікті қажет етеді.
3. Ою
Қабаттың белгілі бір бөліктері құрылымды қалыптастыру үшін ылғалды өңдеу немесе құрғақ өңдеу (плазма) арқылы алынады.
4. Допинг / иондық имплантация
Фотодиодтар мен транзисторлардың сипаттамаларға сәйкес жұмыс істеуі үшін қажетті N және P аймақтарын қалыптастыру үшін кремнийге белгілі бір иондар имплантацияланады.
5. Металлдандыру және өзара байланыс
Чиптегі транзисторларды, жадты және өңдеу блоктарын қосу үшін металл жолдар жасалады.
Камера сенсорларында пиксельдерді жасау тек транзисторларға ғана емес, сонымен қатар фотодиодтар мен олардың үстіндегі микрооптикалық құрылымдарды оңтайландыруға да бағытталған. Мәселе электрондық және оптикалық компоненттердің өте кішкентай аумақта үйлесімді жұмыс істеуін қамтамасыз етуде.
4. Артқы жарықтандыру (BSI): сезімталдықтағы төңкеріс
Смартфон сенсорларындағы негізгі жаңалықтардың бірі - BSI (Артқы жағын жарықтандыру). Дәстүрлі сенсорларда (алдыңғы жағын жарықтандыру/FSI) жарық металлдандырылған қабат пен транзисторлар орналасқан жақтан енеді. Нәтижесінде, жарықтың бір бөлігі сымдар мен схемалармен бітеліп, сезімталдықты төмендетеді.
BSI-де пластина жарықтың «артқы жағынан» (өзара байланысқан элементтермен кедергісіз жағы) түсетіндей етіп өңделеді. Бұған пластинаны жұқарту және өзара байланысқан желілерді екінші жағына жылжыту арқылы қол жеткізіледі. Нәтижесі:
- фотодиодқа көбірек жарық түседі,
– аз жарықта өнімділікті жақсарту,
– жоғары кванттық тиімділік,
– кішкентай пиксельдерге жарамды.
BSI процесі пластинаны жұқарту кезінде қатаң механикалық және химиялық бақылауды қажет етеді, себебі тым жұқа қалыңдық өнімділікті (өндірістің сәттілік көрсеткішін) төмендетуі немесе пластинаның жарылуына бейім болуы мүмкін.
5. Қабатталған CMOS: функцияларды жеделдету және байыту үшін қабатталған
Өлшемін ұлғайтпай жылдамдықты арттыру және мүмкіндіктерді қосу үшін сала қабаттасқан сенсорларды қабылдауда. Тұжырымдама: пиксель қабаты мен логикалық қабатты бөлек пластиналарға бөліп, содан кейін оларды өте тығыз өзара байланыс технологиясын (мысалы, гибридті байланыс немесе TSV—Through-Silicon Via) пайдаланып қосу.
Қабатталған CMOS артықшылықтары:
– Жылдам оқу, жоғары жылдамдықты бейнеге, үзік-үзік фотосуреттерге жарамды және жылжымалы ысырманы азайтады.
– Пиксель аймағын құрбан етпей, көбірек логика мен жад қосуға болады (мысалы, кейбір дизайндарда буферлер/DRAM).
– Жылдам көп экспозициялы HDR немесе жауап беретін автофокус сияқты сенсорлы өңдеу.
Өндірісте пластиналарды туралау аса дәлдікті талап етеді. Негізгі қиындықтар - түйіспе сапасын сақтау, кедергіні азайту, өнімділікті арттыру және өндіріс шығындарын төмен деңгейде ұстап тұру.
6. Пиксель технологиясы: микролинза, CFA және оқшаулау
Фотодиодтың үстінде өте маңызды микрооптикалық элементтер орналасқан:
– Микролинза: фотодиодтың белсенді аймағына жарықты «жинау» үшін әр пиксельдің үстіндегі кішкентай линза. Кішкентай камера линзалары бар смартфондарда микролинзалар пиксельге жететін жарық мөлшерін тиімді түрде арттыруға көмектеседі.
– Түс сүзгілерінің массиві (ТСЖ): сенсорға түстерді ажыратуға мүмкіндік беретін түс сүзгісі (әдетте Байер үлгісі немесе оның вариациялары). ТСЖ түрлі-түсті полимер материалдарын тұндыру және үлгілеу арқылы жасалады.
– Терең траншея оқшаулауы (DTI): пиксельдер арасындағы айқасудың алдын алу үшін оқшаулағыш материалмен толтырылған оқшаулағыш траншея. DTI пиксель өлшемдері кішірейіп, линза тесіктері ұлғайған сайын маңызды бола түседі.
Микролинзалардың, CFA және DTI үйлесімі оптикалық және электрондық әлемдер арасындағы көпір болып табылады. Қабат қалыңдығындағы, орналасуындағы немесе біркелкілігіндегі шағын қателіктер түс дәлдігіне, айқындығына және шуылына әсер етуі мүмкін.
7. Фазаны анықтау автофокусы (PDAF) және арнайы пикселдер
Көптеген заманауи смартфондар сенсорда PDAF (фазаны анықтау автофокусын) пайдаланады. Бұл линза диафрагмасының белгілі бір бөліктерінен жарық қабылдайтын және фокусты реттеу бағыты мен дәрежесін анықтау үшін фазалық айырмашылықтарды есептейтін арнайы пикселдерді немесе аймақтарды қамтиды.
PDAF енгізу белгілі бір пиксельдер немесе микромаска үлгілері үшін әртүрлі CFA және микролинза дизайндарын талап етеді. Бұл өндірістің күрделілігін арттырады, себебі барлық пиксельдер бірдей емес. Мәселе PDAF пиксельдерінің фокус дәлдігін сақтай отырып, кескін сапасына нұқсан келтірмеуін (мысалы, артефактілерді енгізбеуін) қамтамасыз етуде.
8. HDR, қос түрлендіру күшейткіші және оқу архитектурасының дизайны
«Жарық түсіруді» жақсартумен қатар, сенсор жасау схема архитектурасына да қатысты:
– Қос түрлендіру күшейткіші (DCG) сенсорға жарықтандыру жағдайларына байланысты жоғары сезімталдық режимі мен жоғары динамикалық диапазон режимі арасында ауысуға мүмкіндік береді.
– Көп экспозициялы HDR жылдам оқуды және дәл уақытты басқаруды қажет етеді.
– Жаһандық жапқыш (өнеркәсіптік камераларда жиі кездесетін болса да) жылжымалы жапқышты жеңу үшін маңызды тақырып болып табылады, бірақ смартфондарда оны енгізу қиынырақ, себебі ол пиксельге заряд сақтау конденсаторын немесе кеңістік пен күрделілікті арттыратын қосымша дизайнды қажет етеді.
Осы мүмкіндіктердің барлығы транзистордың орналасуына, металл қабаттарының санына, қуат тұтынуына және жылуға әсер етеді - батареяның қызмет ету мерзімі шектеулі жұқа құрылғылардағы маңызды факторлар.
9. Тестілеу, калибрлеу және модульді интеграциялау
Вафли өңделгеннен кейін келесі маңызды қадамдар:
– Өлі пикселдерді, шуылды, біркелкілікті және электрлік параметрлерді тексеру үшін пластина деңгейінде тестілеу.
– Вафлиді турау (жіптерге кесу), содан кейін чипті қорғайтын және қосылыстарды қамтамасыз ететін қаптама.
– Калибрлеу: шу карталарын, көлеңкелеуді, ақ балансты және линза сипаттамаларын түзетуді қамтиды. Калибрлеудің көптеген аспектілері камера модулі жиналып, тексерілген кезде орындалады.
– Модульді біріктіру: сенсор линзамен, оптикалық кескінді тұрақтандыру (OIS) бар болса және басқа да қолдаушы компоненттермен жұптастырылған. Механикалық туралау (еңкейту, фокустау қашықтығы) айқындыққа айтарлықтай әсер етеді.
Смартфондарда камера модульдері арзан және жаппай өндіруге жарамды болып қала отырып, қатаң төзімділікке сай болуы керек.
10. Болашақ бағыттар: көбірек қабаттар және сенсорға жақын есептеулер
Болашақта смартфон сенсорларын жасау технологиясы келесі бағыттарға ауысуы мүмкін:
– Тегіс байланыс және тығыз сызықтармен агрессивті қабаттастыру.
– Шуды азайту, көріністі анықтау немесе минималды кідіріспен лезде HDR үшін сенсордағы жасанды интеллект/есептеу.
– Мегапиксельдерді көбейтпей, шуды азайтатын және динамикалық диапазонды кеңейтетін архитектурасы бар ақылды пикселдер.
– Кішкентай пиксельдердегі жарықты сіңіру тиімділігін арттыратын және айқаспалы әсерлерді басатын жаңа материалдар мен құрылымдар.
Есептеу фотографиясы басым бола бастағанымен, шикі сенсор деректерінің сапасы негізгі болып қала береді. Сондықтан, BSI, DTI-ден бастап жинақталған CMOS-қа дейінгі өндірістік инновациялар маңызды болып қала береді.
Қорытынды
Смартфон камерасының сенсорын жасау технологиясы жартылай өткізгіш дәлдікті және микрометрлік масштабтағы оптикалық инженерияны біріктіреді. Пластиналық литография мен легирлеуден бастап, BSI үшін жұқартуға, қабатталған сенсорларға арналған чиптерді қабаттауға, микролинзалар мен CFA жасауына дейін барлық процестер шағын сенсорларға жарықты тиімді, жылдам және дәл түсіруге мүмкіндік беретіндей етіп жасалған. Нәтижесінде смартфон камераларының сенімділігі артып келеді, сонымен қатар нақты уақыттағы HDR, аса жылдам автофокус және ықшам болып қалатын құрылғыларда жоғары сапалы бейне сияқты жаңа мүмкіндіктерге жол ашылады.
Қаласаңыз, мен мыналарды қоса аламын: (1) өндіріс процесінің қадамдық нүктелер түріндегі иллюстрациясы, (2) BSI мен FSI-ді салыстыратын арнайы тарау немесе (3) қарапайым оқырмандарға жеңілдету үшін терминдер тізімі (глоссарий).
