智慧型手機相機感測器製造技術
過去十年，智慧型手機相機的發展可謂突飛猛進。曾經只能「勉強夠用」的照片，如今在許多情況下都能媲美專業相機的畫質。這項進步不僅得益於影像處理軟體，更得益於攝影機感測器——將光訊號轉化為電訊號的核心零件——的製造技術。在纖薄的相機模組背後，是複雜、高精度且不斷發展的半導體製造工藝，以應對小型化、低功耗和高畫質帶來的挑戰。
1. 感測器在智慧型手機相機技術中的作用及發展趨勢
智慧型手機相機感測器通常採用CMOS（互補金屬氧化物半導體）技術。與曾經流行的CCD感測器相比，CMOS感測器能源效率更高、讀取速度更快，並且更容易與同一晶片上的訊號處理電路整合。推動智慧型手機感測器創新發展的趨勢包括：更高的解析度（可達數千萬甚至數億像素）、更佳的低光性能、高解析度視訊拍攝能力、即時HDR、快速自動對焦以及對運算攝影的支援。
所有這些要求迫使感測器製造商優化像素結構、材料、光刻製程、電路設計，甚至優化晶片層的堆疊方式，以在保持厚度的同時提高性能。
2. CMOS感測器的基本結構：從光子到數據
簡而言之，CMOS感測器上的每個像素都由一個用於捕捉光線的光電二極體區域和用於讀取和放大訊號的小型電晶體組成。當光子進入時，光電二極體會產生與光強度成正比的電子（電荷）。然後，該電荷透過讀出電路讀取，由類比數位轉換器（ADC）轉換為數位數據，最後進一步處理成影像。
然而，實際設計要複雜得多：每個像素都必須最大限度地減少噪聲，增加動態範圍，防止串擾（光或電荷洩漏到相鄰像素），並且即使像素尺寸不斷縮小，也要保持高靈敏度。
3. 晶圓製造階段：感測器製造的基礎
與其他半導體產業一樣，相機感測器製造始於矽晶圓。主要製程包括：
1. 氧化和薄膜沉積
使用 CVD（化學氣相沉積）或 PVD（物理氣相沉積）等工藝，在晶圓上塗覆絕緣或導電材料（例如 SiO₂、多晶矽、某些金屬）。
2. 光刻技術
電路圖案和像素結構是透過光阻「印刷」出來的，並透過光罩進行曝光。製程技術越精細，對光刻精度的要求就越高。
3. 蝕刻
透過濕式蝕刻或乾蝕（等離子體）去除該層的某些部分以形成結構。
4. 摻雜/離子注入
將某些離子注入矽中，形成 N 區和 P 區，這是光電二極體和電晶體按規格運作所必需的。
5. 金屬化和互連
晶片中的電晶體、記憶體和處理模組透過金屬導線連接起來。
在相機感測器中，像素製造不僅關注晶體管，還關注光電二極體及其上方微光學結構的最佳化。困難在於如何確保電子元件和光學元件在極小的空間內協同工作。
4. 背面照明（BSI）：靈敏度的革命性突破
智慧型手機感測器領域的一項重大創新是背照式（BSI）技術。在傳統的感測器（正面照式/FSI）中，光線從金屬化層和晶體管的同一側入射。因此，部分光線會被線路和電路阻擋，從而降低靈敏度。
在背照式（BSI）技術中，晶圓經過特殊加工，使光線從「背面」（未被互連線遮擋的一側）進入。這是透過減薄晶圓並將互連線移至另一側來實現的。結果如下：
——更多光線到達光電二極體，
– 提高了低光源性能，
– 更高的量子效率，
– 適用於小像素。
BSI 製程在晶圓減薄過程中需要嚴格的機械和化學控制，因為厚度過薄會降低良率（生產成功率）或使晶圓容易開裂。
5. 堆疊式CMOS：堆疊設計可加速速度並豐富功能
為了在不增加尺寸的情況下提高速度並增加功能，業界正在採用堆疊式感測器。其概念是：將像素層和邏輯層分別放置在不同的晶圓上，然後使用高密度互連技術（例如混合鍵結或TSV——矽通孔）將它們連接起來。
堆疊式CMOS的優勢：
– 讀取速度更快，適用於高速影片、連拍照片，並減少滾動快門效應。
– 可以在不犧牲像素面積的情況下添加更多邏輯和記憶體（例如某些設計中的緩衝器/DRAM）。
– 感應器上處理，例如更快的多重曝光 HDR 或更靈敏的自動對焦。
在製造過程中，晶圓對準需要極高的精度。主要挑戰在於維持結品質、降低電阻、提高良率、控制生產成本。
6. 像素技術：微透鏡、CFA 和隔離
光電二極體上方有非常重要的微光學元件：
微透鏡：每個像素上方都有一個小型透鏡，用於將光線「收集」到光電二極體的有效區域。在配備微型相機鏡頭的智慧型手機上，微透鏡有助於增加有效到達像素的光量。
– 彩色濾光片陣列 (CFA)：一種彩色濾光片（通常為拜耳陣列或其變體），使感測器能夠區分顏色。 CFA 是透過沉積和圖案化的彩色聚合物材料製成。
深溝槽隔離（DTI）：一種填充絕緣材料的隔離溝槽，用於防止像素間的串擾。隨著像素尺寸減小和鏡頭光圈增大，DTI 的重要性日益凸顯。
微透鏡、CFA 和 DTI 的結合，搭建了光學和電子世界之間的橋樑。層厚度、位置或均勻性方面的微小誤差都會影響色彩準確度、清晰度和噪音水平。
7. 相位偵測自動對焦 (PDAF) 和專用像素
許多現代智慧型手機都在感測器上使用相位檢測自動對焦 (PDAF) 技術。這項技術利用特殊的像素或區域，接收來自鏡頭光圈特定部分的光線，並計算相位差，從而確定對焦調整的方向和程度。
相位檢測自動對焦 (PDAF) 的實現需要針對特定像素或微掩模圖案採用不同的彩色濾光片陣列 (CFA) 和微透鏡設計。這增加了生產的複雜性，因為並非所有像素都相同。挑戰在於如何確保 PDAF 像素在保持對焦精度的同時，不會影響影像品質（例如，引入偽影）。
8. HDR、雙轉換增益和讀出架構設計
除了提高「光捕獲」效率外，感測器製造還與電路架構有關：
– 雙轉換增益 (DCG) 可讓感測器根據光照條件在高靈敏度模式和高動態範圍模式之間切換。
– 多重曝光 HDR 需要快速讀取和精確的時間控制。
– 全域快門（雖然在工業相機中更常見）是克服滾動快門的重要課題，但在智慧型手機中實現起來更困難，因為它需要每個像素一個電荷儲存電容器或額外的設計，這會增加面積和複雜性。
所有這些特性都會影響電晶體佈局、金屬層數、功耗和發熱——這些都是電池壽命有限的超薄設備的關鍵因素。
9. 測試、校準和模組集成
晶圓加工完成後，接下來的重要步驟包括：
– 晶圓級測試，檢查死像素、雜訊、均勻性和電氣參數。
– 將晶圓切割成晶片，然後進行封裝，以保護晶片並提供連接。
– 校準：包含雜訊圖、陰影、白平衡和鏡頭特性校正。校準的許多方面都在相機模組組裝和測試時執行。
模組整合：感測器與鏡頭、光學防手震（如有配備）以及其他輔助組件整合在一起。機械對準（傾斜度、對焦距離）對清晰度影響很大。
在智慧型手機中，相機模組必須滿足嚴格的公差要求，同時也要保持價格低廉且可大規模生產。
10. 未來方向：更多層級和更靠近感測器的計算。
未來，智慧型手機感測器製造技術可能會朝著以下方向發展：
– 採用更激進的堆疊方式，黏合更平滑，線條更緊密。
– 感測器端 AI/運算，可實現降噪、場景偵測或即時 HDR，延遲極低。
– 採用更智慧的像素架構，在不簡單增加像素數的情況下，降低雜訊並提高動態範圍。
– 新型材料和結構，可提高小像素的光吸收效率並抑制串擾。
即使計算攝影技術日益佔據主導地位，原始感測器數據的品質仍然至關重要。因此，從背照式（BSI）、數位熱成像（DTI）到堆疊式CMOS，製造流程的創新仍將是關鍵所在。
結論
智慧型手機相機感測器製造技術融合了半導體精度和微米級光學工程技術。從晶圓光刻和摻雜，到用於背照式感測器的減薄製程、用於堆疊式感測器的晶片堆疊，再到微透鏡和CFA的製造，所有製程都旨在使小型感測器能夠高效、快速、準確地捕捉光線。結果是，智慧型手機相機在各種環境下都越來越可靠，同時為即時HDR、超高速自動對焦和高品質視訊等新功能鋪平了道路，並保持了設備的緊湊尺寸。
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