Kamerų jutiklių gamybos technologija išmaniuosiuose telefonuose
Per pastarąjį dešimtmetį išmaniųjų telefonų kamerų vystymasis buvo fenomenalus. Nuotraukos, kurios kažkada buvo tik „pakankamai geros dokumentavimui“, dabar daugeliu sąlygų gali priartėti prie specializuotų kamerų kokybės. Šią pažangą skatina ne tik vaizdo apdorojimo programinė įranga, bet ir kamerų jutiklių – pagrindinių komponentų, kurie šviesą paverčia elektriniais signalais – gamybos technologija. Už plono kameros modulio slypi sudėtingas, didelio tikslumo ir nuolat besivystantis puslaidininkių gamybos procesas, skirtas mažo dydžio, mažo energijos suvartojimo ir aukštos vaizdo kokybės iššūkiams įveikti.
1. Jutiklių vaidmuo ir išmaniųjų telefonų kamerų technologijos tendencijos
Išmaniųjų telefonų kamerų jutikliai paprastai yra CMOS (papildomojo metalo oksido puslaidininkio) pagrindu. Palyginti su kadaise populiariais CCD jutikliais, CMOS yra efektyvesnis energijos vartojimo požiūriu, turi greitesnį nuskaitymą ir yra lengviau integruojamas su signalo apdorojimo grandinėmis tame pačiame luste. Išmaniųjų telefonų jutiklių inovacijas skatinančios tendencijos: didesnė raiška (iki dešimčių ar net šimtų megapikselių), geresnis veikimas esant prastam apšvietimui, didelės raiškos vaizdo įrašų galimybės, realaus laiko HDR, greitas automatinis fokusavimas ir kompiuterinės fotografijos palaikymas.
Dėl visų šių reikalavimų jutiklių gamintojai yra priversti optimizuoti pikselių struktūras, medžiagas, litografijos procesus, grandinių konstrukcijas ir net lustų sluoksnių sudėjimo būdą, kad būtų išlaikytas plonumas ir kartu pagerintas našumas.
2. CMOS jutiklio pagrindinė struktūra: nuo fotonų iki duomenų
Paprastai tariant, kiekvienas CMOS jutiklio pikselis susideda iš fotodiodo srities, skirtos šviesai fiksuoti, ir mažų tranzistorių, skirtų signalui nuskaityti ir sustiprinti. Kai patenka fotonai, fotodiodas generuoja elektronus (elektrinį krūvį), proporcingą šviesos intensyvumui. Tada šis krūvis nuskaitomas per nuskaitymo grandinę, ADC (analoginis-skaitmeninis keitiklis) paverčiamas skaitmeniniais duomenimis, o tada toliau apdorojamas į vaizdą.
Tačiau praktinis dizainas yra daug sudėtingesnis: kiekvienas pikselis turi sumažinti triukšmą, padidinti dinaminį diapazoną, užkirsti kelią pertrūkiams (šviesos ar krūvio nutekėjimui į kaimyninius pikselius) ir išlaikyti didelį jautrumą net ir mažėjant pikselių dydžiui.
3. Plokštelių gamybos etapas: jutiklių gamybos pagrindas
Kamerų jutiklių gamyba pradedama nuo silicio plokštelių, kaip ir kitose puslaidininkių pramonės šakose. Pagrindiniai procesai apima:
1. Oksidacija ir plonasluoksnis nusodinimas
Plokštelė padengiama izoliacine arba laidžia medžiaga (pvz., SiO₂, polikristaliniu siliciu, tam tikrais metalais), naudojant CVD (cheminį garų nusodinimą) arba PVD (fizikinį garų nusodinimą).
2. Fotolitografija
Grandinės raštai ir pikselių struktūros „spausdinamos“ naudojant fotorezistą ir apšviečiamos šviesa per kaukę. Kuo mažesnė proceso technologija, tuo tikslesnė litografija.
3. Ėsdinimas
Tam tikros sluoksnio dalys pašalinamos, kad būtų suformuota struktūra, šlapiuoju arba sausuoju ėsdinimu (plazma).
4. Dopingas / jonų implantacija
Į silicį implantuojami tam tikri jonai, kad susidarytų N ir P sritys, kurios yra būtinos, kad fotodiodai ir tranzistoriai veiktų pagal specifikacijas.
5. Metalizavimas ir sujungimas
Metaliniai takeliai sukurti tranzistoriams, atminčiai ir apdorojimo blokams lustuose sujungti.
Kamerų jutikliuose pikselių gamyba orientuota ne tik į tranzistorius, bet ir į fotodiodų bei virš jų esančių mikrooptinių struktūrų optimizavimą. Iššūkis yra užtikrinti, kad elektroniniai ir optiniai komponentai veiktų darniai labai mažame plote.
4. Galinis apšvietimas (BSI): jautrumo revoliucija
Viena iš pagrindinių išmaniųjų telefonų jutiklių naujovių yra BSI (galinis apšvietimas). Tradiciniuose jutikliuose (priekinis apšvietimas / FSI) šviesa patenka iš tos pačios pusės kaip ir metalizuotas sluoksnis bei tranzistoriai. Dėl to dalį šviesos blokuoja laidai ir grandinės, todėl sumažėja jautrumas.
BSI atveju plokštelė apdorojama taip, kad šviesa patektų iš „gale“ (pusės, kurioje nėra jungiamųjų linijų). Tai pasiekiama ploninant plokštelę ir perkeliant jungiamąsias linijas į kitą pusę. Rezultatas:
– fotodiodą pasiekia daugiau šviesos,
– pagerintas veikimas esant prastam apšvietimui,
– didesnis kvantinis efektyvumas,
– tinka mažiems pikseliams.
BSI procesas reikalauja griežtos mechaninės ir cheminės kontrolės ploninant plokšteles, nes per plonas storis gali sumažinti išeigą (gamybos sėkmės rodiklį) arba padaryti plokštelę linkusią įtrūkti.
5. Sluoksniuotas CMOS procesorius: sudėliotas siekiant pagreitinti ir praturtinti funkcijas
Siekdama padidinti greitį ir pridėti funkcijų nedidinant dydžio, pramonė naudoja sluoksniuotus jutiklius. Koncepcija: atskirti pikselių sluoksnį ir loginį sluoksnį ant atskirų plokštelių, tada sujungti juos naudojant labai tankią sujungimo technologiją (pvz., hibridinį sujungimą arba TSV – per silicį per vidų).
Sudėtinės CMOS matricos privalumai:
– Greitesnis nuskaitymas, tinka didelės spartos vaizdo įrašams, serijinėms nuotraukoms ir sumažina riedančio užrakto greitį.
– Galima pridėti daugiau logikos ir atminties (pvz., buferių / DRAM kai kuriuose modeliuose) neprarandant pikselių ploto.
– Jutiklio apdorojimas, pvz., greitesnis kelių ekspozicijų HDR arba jautresnis automatinis fokusavimas.
Gamyboje plokštelių lygiavimas reikalauja ypatingo tikslumo. Pagrindiniai iššūkiai yra išlaikyti sandūros kokybę, sumažinti varžą, padidinti našumą ir išlaikyti mažas gamybos sąnaudas.
6. Pikselių technologija: mikrolęšis, CFA ir izoliacija
Virš fotodiodo yra labai svarbūs mikrooptiniai elementai:
– Mikrolęšis: mažas lęšis virš kiekvieno pikselio, skirtas „surinkti“ šviesą aktyviojoje fotodiodo srityje. Išmaniuosiuose telefonuose su mažyčiais kameros lęšiais mikrolėšiai padeda padidinti šviesos kiekį, efektyviai pasiekiantį pikselį.
– Spalvų filtrų masyvas (SFA): spalvų filtras (dažniausiai Bayer šablonas arba jo variacijos), leidžiantis jutikliui atskirti spalvas. SFA sukuriami nusodinant ir formuojant spalvotų polimerinių medžiagų šablonus.
– Gilusis izoliacijos griovelis (DTI): izoliacijos griovelis, užpildytas izoliacine medžiaga, siekiant išvengti pikselių tarpusavio trukdžių. DTI tampa svarbus mažėjant pikselių dydžiui ir didėjant objektyvo diafragmai.
Mikrolęšių, CFA ir DTI derinys yra tiltas tarp optinio ir elektroninio pasaulių. Mažos sluoksnio storio, padėties ar vienodumo paklaidos gali turėti įtakos spalvų tikslumui, ryškumui ir triukšmui.
7. Fazės aptikimo automatinis fokusavimas (PDAF) ir specialūs pikseliai
Daugelyje šiuolaikinių išmaniųjų telefonų jutiklyje naudojamas PDAF (fazės aptikimo automatinis fokusavimas). Tai apima specialius pikselius arba sritis, kurios gauna šviesą iš konkrečių objektyvo diafragmos dalių ir apskaičiuoja fazių skirtumus, kad nustatytų fokusavimo reguliavimo kryptį ir mastą.
PDAF įdiegimui reikalingi skirtingi CFA ir mikrolęšių dizainai konkretiems pikseliams arba mikromaskavimo raštai. Tai padidina gamybos sudėtingumą, nes ne visi pikseliai yra identiški. Iššūkis yra užtikrinti, kad PDAF pikseliai nepakenktų vaizdo kokybei (pvz., nesukeltų artefaktų), tuo pačiu išlaikant fokusavimo tikslumą.
8. HDR, dvigubas konversijos stiprinimas ir nuskaitymo architektūros dizainas
Be „šviesos gaudymo“ gerinimo, jutiklių gamyba taip pat susijusi su grandinės architektūra:
– Dvigubo konversijos stiprinimo (DCG) technologija leidžia jutikliui perjungti didelio jautrumo režimą į didelio dinaminio diapazono režimą, atsižvelgiant į apšvietimo sąlygas.
– Daugkartinio eksponavimo HDR reikalauja greito nuskaitymo ir tikslaus laiko valdymo.
– Globalus užraktas (nors labiau paplitęs pramoninėse kamerose) yra svarbi tema norint įveikti riedantį užraktą, tačiau jį sunkiau įgyvendinti išmaniuosiuose telefonuose, nes jam reikalingas įkrovos kaupimo kondensatorius kiekvienam pikseliui arba papildoma konstrukcija, kuri padidina plotą ir sudėtingumą.
Visos šios savybės turi įtakos tranzistorių išdėstymui, metalinių sluoksnių skaičiui, energijos suvartojimui ir šilumai – kritiniams veiksniams plonuose įrenginiuose, kurių baterijos veikimo laikas ribotas.
9. Testavimas, kalibravimas ir modulių integravimas
Kai plokštelė apdorojama, atliekami šie svarbūs veiksmai:
– Plokštelių lygio bandymai, siekiant patikrinti, ar nėra neveikiančių pikselių, triukšmo, vienodumo ir elektrinių parametrų.
– Pjaustymas kubeliais (vaflinės plokštės supjaustymas į lustus), tada pakuotė, kuri apsaugo lustą ir užtikrina jungtis.
– Kalibravimas: apima triukšmo žemėlapių, šešėliavimo, baltos spalvos balanso ir objektyvo charakteristikų korekciją. Daugelis kalibravimo aspektų atliekami surenkant ir išbandant kameros modulį.
– Modulio integracija: jutiklis suporuotas su objektyvu, OIS (optiniu vaizdo stabilizavimu), jei yra, ir kitais pagalbiniais komponentais. Mechaninis išlyginimas (pakreipimas, fokusavimo atstumas) labai veikia ryškumą.
Išmaniuosiuose telefonuose kamerų moduliai turi atitikti griežtus tolerancijos reikalavimus, tuo pačiu išlikdami nebrangūs ir masiškai gaminami.
10. Ateities kryptys: daugiau sluoksnių ir skaičiavimas arčiau jutiklio
Ateityje išmaniųjų telefonų jutiklių gamybos technologija greičiausiai judės link:
– Agresyvesnis krovimas su sklandesniu suklijavimu ir griežtesnėmis linijomis.
– Jutiklyje integruotas dirbtinis intelektas / skaičiavimas triukšmo mažinimui, scenos aptikimui arba momentiniam HDR su minimaliu delsos laiku.
– Išmanesni pikseliai su architektūra, kuri sumažina triukšmą ir padidina dinaminį diapazoną tiesiog nepadidindama megapikselių skaičiaus.
– Naujos medžiagos ir struktūros, kurios padidina šviesos sugerties efektyvumą ir slopina skersinius trukdžius mažuose pikseliuose.
Net ir vis labiau dominuojant kompiuterinei fotografijai, neapdorotų jutiklių duomenų kokybė išlieka esminė. Todėl gamybos inovacijos – nuo BSI, DTI iki daugiasluoksnių CMOS – ir toliau bus labai svarbios.
Išvada
Išmaniųjų telefonų kamerų jutiklių gamybos technologija apjungia puslaidininkių tikslumą ir mikrometrų mastelio optinę inžineriją. Nuo plokštelių litografijos ir legiravimo iki ploninimo BSI, lustų krūvavimo sluoksniuotiems jutikliams ir mikrolęšių bei CFA gamybos – visi procesai yra sukurti taip, kad maži jutikliai galėtų efektyviai, greitai ir tiksliai fiksuoti šviesą. Rezultatas – vis patikimesnės išmaniųjų telefonų kameros įvairiomis sąlygomis, tuo pačiu atveriant kelią naujoms funkcijoms, tokioms kaip realaus laiko HDR, itin greitas automatinis fokusavimas ir aukštos kokybės vaizdo įrašymas įrenginiuose, kurie išlieka kompaktiški.
Jei pageidaujate, galiu pridėti: (1) gamybos proceso iliustraciją žingsnis po žingsnio punktų forma, (2) specialų poskyrį, kuriame palyginami BSI, FSI ir daugiasluoksniai gaminiai, arba (3) terminų sąrašą (žodynėlį), kad paprastiems skaitytojams būtų lengviau suprasti.
