Технологија за изработка на сензори за камера на паметни телефони
Развојот на камерите на паметните телефони во текот на изминатата деценија беше феноменален. Фотографиите што некогаш беа само „доволно добри за документација“ сега се способни да се приближат до квалитетот на наменските камери во многу услови. Овој напредок е поттикнат не само од софтверот за обработка на слики, туку и од технологијата на производство на сензорите на камерата - основните компоненти што ја претвораат светлината во електрични сигнали. Зад тенкиот модул на камерата лежи сложен, високопрецизен и постојано еволуирачки процес на производство на полупроводници за да се задоволат предизвиците на мала големина, мала потрошувачка на енергија и висок квалитет на сликата.
1. Улогата на сензорите и трендовите во технологијата на камерите на паметните телефони
Сензорите на камерите на паметните телефони генерално се базираат на CMOS (комплементарни метално-оксидни полупроводници). Во споредба со некогаш популарните CCD сензори, CMOS е поефикасен во однос на потрошувачката на енергија, има побрзо отчитување и полесно се интегрира со кола за обработка на сигнали на истиот чип. Трендовите што ја поттикнуваат иновацијата на сензорите на паметните телефони вклучуваат: зголемена резолуција (до десетици или дури стотици мегапиксели), подобри перформанси при слаба осветленост, можности за видео со висока резолуција, HDR во реално време, брз автофокус и поддршка за компјутерска фотографија.
Сите овие барања ги принудуваат производителите на сензори да ги оптимизираат структурите на пикселите, материјалите, процесите на литографија, дизајнот на кола, па дури и начинот на кој ги редат слоевите на чиповите за да ја одржат тенкоста, а воедно да ги подобрат перформансите.
2. Основна структура на CMOS сензор: од фотони до податоци
Едноставно кажано, секој пиксел на CMOS сензор се состои од област на фотодиода за снимање на светлината и мали транзистори за читање и засилување на сигналот. Кога ќе влезат фотони, фотодиодата генерира електрони (електричен полнеж) пропорционален на интензитетот на светлината. Овој полнеж потоа се чита преку коло за читање, се претвора во дигитални податоци од ADC (аналогно-дигитален конвертор), а потоа понатаму се обработува во слика.
Сепак, практичниот дизајн е многу покомплициран: секој пиксел мора да го минимизира шумот, да го зголеми динамичкиот опсег, да спречи преслушување (протекување на светлина или полнеж кон соседните пиксели) и да одржува висока чувствителност дури и кога големината на пикселот продолжува да се намалува.
3. Фаза на производство на плочка: основа на производството на сензори
Производството на сензори за камери започнува со силиконски плочки, исто како и во другите индустрии за полупроводници. Главните процеси вклучуваат:
1. Оксидација и таложење на тенок филм
Облогата е обложена со изолационен или спроводлив материјал (на пр. SiO₂, полисилициум, одредени метали) со помош на процес како што е CVD (хемиско таложење со пареа) или PVD (физичко таложење со пареа).
2. Фотолитографија
Шемите на кола и структурите на пикселите се „печатат“ со помош на фоторезист и се изложуваат на светлина преку маска. Колку е помала технологијата на процесот, толку е попрецизна литографијата потребна.
3. Бакрорез
Одредени делови од слојот се отстрануваат за да се формира структурата, или со влажно јорганизирање или со суво јорганизирање (плазма).
4. Допинг / јонска имплантација
Одредени јони се имплантираат во силициумот за да ги формираат N и P регионите, кои се неопходни за фотодиодите и транзисторите да работат според спецификациите.
5. Метализација и меѓусебно поврзување
Металните шини се создадени за поврзување на транзистори, меморија и блокови за обработка во чипот.
Кај сензорите за камера, изработката на пиксели се фокусира не само на транзистори, туку и на оптимизирање на фотодиодите и микрооптичките структури над нив. Предизвикот е да се обезбеди дека електронските и оптичките компоненти работат хармонично во многу мала површина.
4. Задно осветлување (BSI): револуција во чувствителноста
Една од главните иновации кај сензорите за паметни телефони е BSI (Задно осветлување). Кај традиционалните сензори (Предно осветлување/FSI), светлината влегува од истата страна како и метализираниот слој и транзисторите. Како резултат на тоа, дел од светлината е блокиран од жиците и струјните кола, намалувајќи ја чувствителноста.
Во BSI, плочката се обработува така што светлината влегува од „задната страна“ (страната која не е попречена од меѓусебни поврзувања). Ова се постигнува со истенчување на плочката и поместување на меѓусебните линии на другата страна. Резултатот:
– повеќе светлина стигнува до фотодиодата,
– подобрени перформанси при слаба осветленост,
– поголема квантна ефикасност,
– погодно за мали пиксели.
Процесот BSI бара строга механичка и хемиска контрола за време на истенчувањето на плочката, бидејќи премногу тенката дебелина може да го намали приносот (стапка на успех во производството) или да ја направи плочката склона кон пукање.
5. Склопен CMOS: склопен за забрзување и збогатување на функциите
За да се зголеми брзината и да се додадат функции без зголемување на големината, индустријата користи наредени сензори. Концептот: одделете го слојот на пиксели и слојот на логика на посебни плочки, а потоа поврзете ги со помош на технологија за многу густо меѓусебно поврзување (на пр., хибридно поврзување или TSV—Through-Silicon Via).
Предности на наредениот CMOS:
– Побрзо отчитување, погодно за видео со голема брзина, секвенцијални фотографии и намалување на ротирачкото копче на блендата.
– Може да се додаде повеќе логика и меморија (на пр. бафери/DRAM кај некои дизајни) без да се жртвува површината на пикселите.
– Обработка на сензорот, како што е побрз HDR со повеќе експозиции или поодзивно автоматско фокусирање.
Во производството, усогласувањето на плочките бара екстремна прецизност. Главните предизвици се одржување на квалитетот на спојот, намалување на отпорот, зголемување на приносот и одржување на ниски трошоци за производство.
6. Пикселна технологија: микро-леќа, CFA и изолација
Над фотодиодата се наоѓаат многу важни микрооптички елементи:
– Микролеќа: мала леќа над секој пиксел за „собирање“ на светлината врз активната област на фотодиодата. Кај паметните телефони со мали леќи на камерата, микролеќите помагаат да се зголеми количината на светлина што ефикасно стигнува до пикселот.
– Низа на филтри за бои (CFA): филтер за бои (обично Баеров модел или негови варијации) што му овозможува на сензорот да разликува бои. CFA се создаваат преку таложење и обликување на обоени полимерни материјали.
– Изолација на длабок ров (DTI): изолациски ров исполнет со изолационен материјал за да се спречи преслушување помеѓу пикселите. DTI станува важен како што големината на пикселите се намалува, а отворот на објективот се зголемува.
Комбинацијата од микролеќи, CFA и DTI е мост помеѓу оптичкиот и електронскиот свет. Малите грешки во дебелината на слојот, положбата или униформноста можат да влијаат на точноста на бојата, острината и шумот.
7. Автоматски фокус со фазна детекција (PDAF) и наменски пиксели
Многу современи паметни телефони користат PDAF (автофокус за фазна детекција) на сензорот. Ова вклучува специјални пиксели или области кои примаат светлина од специфични делови од отворот на објективот и ги пресметуваат фазните разлики за да ја одредат насоката и степенот на прилагодување на фокусот.
Имплементацијата на PDAF бара различни дизајни на CFA и микролеќи за специфични пиксели или шеми на микромаскирање. Ова ја зголемува сложеноста на производството бидејќи не сите пиксели се идентични. Предизвикот е да се осигура дека PDAF пикселите не го нарушуваат квалитетот на сликата (на пр., внесуваат артефакти), а воедно да се одржи точноста на фокусот.
8. HDR, двојно конвертирачко засилување и дизајн на архитектура за отчитување
Покрај подобрувањето на „фаќањето на светлината“, изработката на сензори се однесува и на архитектурата на кола:
– Двојното засилување на конверзијата (DCG) му овозможува на сензорот да се префрла помеѓу режим на висока чувствителност и режим на висок динамички опсег, во зависност од условите на осветлување.
– HDR со повеќе експозиции бара брзо читање и прецизна контрола на времето.
– Глобалниот бленд (иако почест кај индустриските камери) е важна тема за надминување на ролачкиот бленд, но е потешко да се имплементира кај паметните телефони бидејќи бара кондензатор за складирање на полнење по пиксел или дополнителен дизајн што додава површина и сложеност.
Сите овие карактеристики влијаат на распоредот на транзисторите, бројот на метални слоеви, потрошувачката на енергија и топлината - критични фактори кај тенки уреди со ограничен век на траење на батеријата.
9. Тестирање, калибрација и интеграција на модули
Откако ќе се обработи вафлата, следните важни чекори се:
– Тестирање на ниво на плочка за проверка на мртви пиксели, шум, униформност и електрични параметри.
– Сечење на коцки (сечење на плочката на парчиња), потоа пакување што го штити чипот и обезбедува врски.
– Калибрација: вклучува корекција на мапите на шум, сенчењето, балансот на белата боја и карактеристиките на објективот. Многу аспекти на калибрацијата се извршуваат кога модулот на камерата е склопен и тестиран.
– Интеграција на модулот: сензорот е спарен со објективот, OIS (оптичка стабилизација на сликата) доколку е присутна и други придружни компоненти. Механичкото порамнување (навалување, фокусно растојание) во голема мера влијае на острината.
Кај паметните телефони, модулите на камерите мора да исполнуваат строги толеранции, а воедно да останат ефтини и масовно произведени.
10. Идни насоки: повеќе слоеви и пресметување поблиску до сензорот
Во иднина, технологијата за производство на сензори за паметни телефони веројатно ќе се движи кон:
– Поагресивно редење со помазно лепење и поцврсти линии.
– Вградена вештачка интелигенција/пресметка на сензорот за намалување на шумот, откривање на сцена или моментален HDR со минимална латентност.
– Попаметни пиксели со архитектура што го намалува шумот и го зголемува динамичкиот опсег без едноставно зголемување на мегапикселите.
– Нови материјали и структури што ја зголемуваат ефикасноста на апсорпција на светлина и го потиснуваат преслушувањето кај малите пиксели.
Дури и кога компјутерската фотографија станува сè доминантна, квалитетот на суровите сензорски податоци останува фундаментален. Затоа, иновациите во производството - од BSI, DTI до stacked CMOS - ќе продолжат да бидат клучни.
Заклучок
Технологијата за производство на сензори за камери за паметни телефони комбинира полупроводничка прецизност и оптичко инженерство на микрометарска скала. Од литографија и допирање со плочести плочи, до истенчување за BSI, редење чипови за наредени сензори, до производство на микролеќи и CFA, сите процеси се дизајнирани да им овозможат на малите сензори ефикасно, брзо и прецизно да ја снимаат светлината. Резултатот се сè посигурни камери за паметни телефони во различни услови, а воедно се отвора патот за нови функции како HDR во реално време, супер брз автофокус и висококвалитетно видео во уреди кои остануваат компактни.
Доколку сакате, можам да додадам: (1) илустрација на процесот на изработка во форма на чекори чекор-по-чекор, (2) посебно подпоглавје што ги споредува BSI наспроти FSI наспроти stacked, или (3) список на термини (речник) за да им се олесни на обичните читатели.
