• 本文將為您介紹何謂量子效率光譜，以及CIS影像晶片常見(jiàn)的4種制程缺陷。

• SG-A_CMOS 商用級(jí)圖像傳感器測(cè)試儀相較于傳統(tǒng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備可以提供更精細(xì)的缺陷檢測(cè)資訊，有助于使用者全面了解CIS影像晶片的性能表現(xiàn)。量子效率光譜是CIS影像晶片的關(guān)鍵參數(shù)之一，可以反映CIS影像晶片對(duì)不同波長(zhǎng)下的感光能力，進(jìn)而影響影像的成像質(zhì)量。

1. 什么是CIS影像晶片的量子效率光譜？

CIS影像晶片的量子效率光譜是指在不同波長(zhǎng)下，CIS晶片對(duì)光的響應(yīng)效率。物理上，光子的能量與其波長(zhǎng)成反比，因此，不同波長(zhǎng)的光子對(duì)CIS影像晶片產(chǎn)生的響應(yīng)效率也不同。量子效率光譜可以反映傳感器在不同波長(zhǎng)下的響應(yīng)能力，幫助人們理解傳感器的靈敏度和色彩還原能力等特性。通常，傳感器的量子效率光譜會(huì)在可見(jiàn)光波段范圍內(nèi)呈現(xiàn)出不同的特征，如波峰和波谷，這些特征也直接影響著傳感器的成像質(zhì)量。

2. Quantum Efficiency Spectrum 量子效率光譜可以解析CIS影像晶片內(nèi)部的缺陷，常見(jiàn)的有下四種：

• BSI processing design

• Optical Crosstalk inspection

• Color filter quality and performance

• Si wafer THK condition in BSI processing

  
  

3. 透過(guò)量子效率光譜解析常見(jiàn)的4種制程缺陷

A. 什么是BSI制程？

(1) BSI的運(yùn)作方式

BSI全名是Back-Side Illumination．是指"背照式"影像傳感器的制造工藝，它相對(duì)于傳統(tǒng)的"正面照射"(FSI, Front-Side Illumination)影像傳感器，能夠提高影像傳感器的光學(xué)性能，特別是在各波長(zhǎng)的感光效率的大幅提升。在BSI制程中，像素置于矽基板的背面，光通過(guò)矽基板進(jìn)入感光像素，減少了前面的傳輸層和金屬線路的干擾，提高了光的利用率和繞射效應(yīng)，進(jìn)而提高了影像傳感器的解析度和靈敏度。

(2) 傳統(tǒng)的"正面照射"(FSI, Front-Side Illumination)圖像傳感器的工作方式

FSI 是一種傳統(tǒng)的圖像傳感器制程技術(shù),光線透過(guò)透鏡后,從圖像傳感器的正面照射到圖像傳感器的感光面,因此需要在感光面(黃色方框, Silicon)的上方放置一些電路和金屬線,這些元件會(huì)遮擋一部分光線,降低圖像傳感器的光量利用率,影響圖像的品質(zhì)。相對(duì)地,BSI 技術(shù)是在感光面的背面,也就是基板反面制作出感光元件,讓光線可以直接進(jìn)入到感光面,這樣就可以最大限度地提高光量利用率,提高圖像的品質(zhì),并且不需要額外的電路和金屬線的遮擋,因此也可以實(shí)現(xiàn)更高的像素密度和更快的圖像讀取速度。

(3) 為什么BSI工藝重要?

BSI工藝是重要的制造技術(shù)之一,可以大幅提升CIS圖像傳感器的感光度和量子效率,因此對(duì)于低光照環(huán)境下的圖像采集有很大的幫助。

BSI工藝還可以提高圖像傳感器的分辨率、動(dòng)態(tài)范圍和信噪比等性能,使得圖像質(zhì)量更加優(yōu)良。

由于現(xiàn)今圖像應(yīng)用日益廣泛,對(duì)圖像質(zhì)量和性能要求也越來(lái)越高,因此BSI工藝在現(xiàn)代圖像傳感器的制造中扮演著重要的角色。目前,BSI 技術(shù)已成為圖像傳感器的主流工藝技術(shù)之一,被廣泛應(yīng)用于各種高階圖像產(chǎn)品中。

(4) 量子效率光譜如何評(píng)估BSI工藝的好壞

如前述,在CIS圖像芯片的制造過(guò)程中,不同波長(zhǎng)的光子對(duì)于圖像芯片的感光能力有所不同。因此,量子效率光譜是一種可以檢測(cè)圖像芯片感光能力的方法。利用量子效率光譜,可以評(píng)估BSI工藝的好壞。

Example-1如圖,TSMC使用量子效率光譜分析了前照式FSI和背照式BSI兩種工藝對(duì)RGB三原色的像素感光表現(xiàn)的差異。結(jié)果表明,BSI工藝可以大幅提高像素的感光度,將原本FSI的40%左右提高到將近60%的量子效率。

上圖 TSMC利用Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum(量子效率光譜)分析1.75μm的前照式FSI與背照式BSI兩種工藝對(duì)RGB三原色的像素在不同波長(zhǎng)下的感光表現(xiàn)差異。由量子效率光譜的結(jié)果顯示,BSI工藝可以大幅提升像素的感光度,將原本FSI的40%左右提高到將近60%的量子效率。(Reference: tsmc CIS)。量子效率光譜的分析可以幫助工程師判斷不同工藝對(duì)感光能力的影響,并且確定BSI工藝的優(yōu)勢(shì)。

(5) 利用量子效率光譜分析不同BSI工藝工藝對(duì)CIS圖像芯片感光能力的影響

Example-2 如上圖。Omnivision 采用Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum量子效率光譜分析采用TSMC 65nm工藝進(jìn)行量產(chǎn)時(shí),不同工藝工藝,對(duì)CIS圖像芯片感光能力的影響。在1.4um像素尺寸使用BSI-1工藝與BSI-2的量子效率光譜比較下,可以顯著的判斷,BSI-2的量子效率較BSI-1有著將近10%的量子效率提升。代表著B(niǎo)SI-2的工藝可以讓CIS圖像芯片內(nèi)部絕對(duì)感光能力可以提升10%((a)表)。

此外,量子效率光譜是優(yōu)化CIS圖像芯片制造的重要工具。例如,在將BSI-2用于1.1um像素的工藝中,與1.4um像素的比較表明,在藍(lán)光像素方面,BSI-2可以提供更高的感光效率,而在綠光和紅光像素的感光能力方面,BSI-2的效果與1.4um像素相似。

另外,Omnivision也利用量子效率光譜分析了TSMC 65nm工藝中不同BSI工藝工藝對(duì)CIS圖像芯片感光能力的影響,發(fā)現(xiàn)BSI-2可以提高近10%的量子效率,從而使CIS圖像芯片的感光能力提高10%。

將BSI-2工藝用于1.1um像素的制造,并以量子效率光譜比較1.4um和1.1um像素。結(jié)果顯示,使用BSI-2工藝的1.1um像素,在藍(lán)色像素方面具有更高的感光效率,而在綠色和紅色像素的感光能力方面與1.4um像素相近。這個(gè)結(jié)果顯示,BSI-2工藝可以在保持像素尺寸的前提下提高CIS圖像芯片的感光能力,進(jìn)而提高圖像質(zhì)量。因此,利用量子效率光譜比較不同工藝工藝對(duì)CIS圖像芯片的影響,可以為CIS制造優(yōu)化提供重要參考。

上圖 Omnivision采用了Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum量子效率光譜,以分析TSMC 65nm工藝在量產(chǎn)時(shí),不同工藝工藝對(duì)CIS圖像芯片感光能力的影響。通過(guò)這種光譜分析技術(shù),Omnivision能夠精確地判斷不同工藝工藝所產(chǎn)生的量子效率差異,并進(jìn)一步分析出如何優(yōu)化CIS圖像芯片的感光能力。因此,Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum量子效率光譜分析是CIS工藝中一項(xiàng)重要的技術(shù),可用于協(xié)助提高CIS圖像芯片的質(zhì)量和性能。(Reference: Omnivision BSI Technology.)

B. Optical Crosstalk Inspection

(1) 什么是Optical Crosstalk?

CIS的optical cross-talk是指光線在圖像芯片中行進(jìn)時(shí),由于折射、反射等原因,導(dǎo)致相鄰像素之間的光相互干擾而產(chǎn)生的一種影響。

(2) 為什么Optical Crosstalk的檢測(cè)重要?

在CIS圖像芯片中,optical crosstalk是一個(gè)重要的問(wèn)題,因?yàn)樗鼤?huì)影響圖像的品質(zhì)和精度。optical crosstalk是由于像素之間的光學(xué)相互作用而產(chǎn)生的,導(dǎo)致相鄰像素的光信號(hào)互相干擾,進(jìn)而影響到像素之間的區(qū)別度和對(duì)比度。因此,降低optical cross-talk是提高CIS圖像芯片品質(zhì)的重要目標(biāo)之一。

(3) 如何利用QE光譜來(lái)檢測(cè)CIS 的Crosstalk?

量子效率(QE)光譜可用于檢測(cè)CMOS圖像傳感器(CIS)的串音問(wèn)題。通過(guò)測(cè)量CIS在不同波長(zhǎng)下的QE,可以檢測(cè)CIS中是否存在串音問(wèn)題。當(dāng)CIS中存在串音問(wèn)題時(shí),在某些波長(zhǎng)下可能會(huì)觀察到QE異常。在這種情況下,可以采取相應(yīng)的措施來(lái)降低串音,例如優(yōu)化CIS設(shè)計(jì)或改進(jìn)工藝。

縮小像素尺寸對(duì)于高分辨率成像和量子圖像傳感器是絕對(duì)必要的。

如上圖,TSMC利用45nm 先進(jìn)CMOS工藝,來(lái)制作0.9um 像素用于堆疊式CIS。而optical crosstalk光學(xué)串?dāng)_對(duì)于SNR與成像品質(zhì)有著顯著的影響。

因此,TSMC采用了一種像素工藝,來(lái)改善這種optical crosstalk光學(xué)串?dāng)_。結(jié)構(gòu)如下圖。

結(jié)構(gòu)(a)是控制像素。光的路徑線為ML(Microlens)、CF (Color Filter)、PD(Photodiode, 感光層)。而在optical crosstalk影響的示意圖,如綠色線的軌跡。光子由相鄰的像素單元進(jìn)入后,因?yàn)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)的折射,入射到中間的PD感光區(qū),造成串?dāng)_訊號(hào)。TSMC設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(b) “深溝槽隔離(DTI)" 技術(shù)是為了在不犧牲并行暗性能的情況下抑制光學(xué)串?dāng)_。由(b)可以發(fā)現(xiàn),DTI所形成的溝槽可以隔離原本會(huì)產(chǎn)生光學(xué)串?dāng)_的光子入射到中間的感光Photodiode區(qū),抑制了串?dāng)_并提高了SNR。

像素的橫截面示意圖 (a) 控制像素; (b)串?dāng)_改善像素。

Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum of two different structure CISs. 在該圖中,展示了0.9um像素的量子效率光譜,其中虛線代表控制的0.9um像素(a),實(shí)線代表改進(jìn)的0.9um像素(b)。由于柵格結(jié)構(gòu)的光學(xué)孔徑面積略微變小,因此光學(xué)串?dāng)_得到了極大的抑制。光學(xué)串?dāng)_抑制的直接證據(jù),在量子效率光譜上得到體現(xiàn)。圖中三個(gè)黃色箭頭指出了R、G、B通道的串?dāng)_抑制證據(jù)。藍(lán)光通道和紅光通道反應(yīng)略微下降,但是通過(guò)新開(kāi)發(fā)的顏色濾光片材料,綠光通道的量子效率得到了提升。

利用Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum技術(shù)可以直接證明光學(xué)串?dāng)_的抑制現(xiàn)象。對(duì)于不同的CIS圖像芯片,可以通過(guò)量子效率光譜測(cè)試來(lái)比較它們?cè)诓煌ㄩL(zhǎng)下的量子效率響應(yīng),進(jìn)而分辨optical crosstalk是否得到抑制。

上圖展示了0.9um像素的量子效率光譜,其中虛線代表控制的0.9um像素(a),實(shí)線代表改進(jìn)的0.9um像素(b)。由于柵格結(jié)構(gòu)的光學(xué)孔徑面積略微變小,因此光學(xué)串?dāng)_得到了極大的抑制。

光學(xué)串?dāng)_抑制的直接證據(jù),在量子效率光譜上得到體現(xiàn)。圖中三個(gè)黃色箭頭指出了R、G、B通道的串?dāng)_抑制證據(jù)。

C. Color filter quality inspection

(1) 什么是CIS 的Color filter？

CIS的Color filter是一種用于CIS圖像芯片的光學(xué)濾光片。它被用于調(diào)整圖像傳感器中各個(gè)像素的光譜響應(yīng),以便使得CIS圖像芯片可以感測(cè)和分離不同顏色的光,并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。Color filter通常包括紅、綠、藍(lán)三種基本的色彩濾光片。而對(duì)于各種不同filter排列而成的color filter array (CFA),可以參考下面的資料。最常見(jiàn)的CFA就是Bayer filter的排列,也就是每個(gè)單元會(huì)有一個(gè)B、一個(gè)R、與兩個(gè)G的filter排列。

Color filter在CIS圖像芯片中扮演著非常重要的角色,其質(zhì)量直接影響著圖像的色彩再現(xiàn)效果。為了確保Color filter的性能符合設(shè)計(jì)要求,需要進(jìn)行精確的光譜分析和質(zhì)量檢測(cè)。透過(guò)率光譜可以評(píng)估不同Color filter的光學(xué)性能;量子效率光譜可以檢測(cè)Color filter與光電二極管的匹配程度。只有通過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè),才能保證CIS芯片輸出優(yōu)質(zhì)的圖像。

圖 Color filter 如何組合在“Pixel"傳感器中。一個(gè)像素單位會(huì)是由Micro Lens + CFA + Photodiode等三個(gè)主要部件構(gòu)成。Color filter的主要作用是將入射的白光分解成不同的色光,并且選擇性地遮擋某些色光,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)光的選擇性感光。

(2) 為什么Color filter的檢測(cè)重要?

在CIS圖像芯片中,每個(gè)像素上都會(huì)有一個(gè)color filter,用來(lái)選擇性地感光RGB三種顏色的光線,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)彩色圖像的捕捉和處理。如果color filter的性能不好,會(huì)影響像素的感光度和光譜響應(yīng),進(jìn)而影響圖像的品質(zhì)和精度。因此,優(yōu)化color filter的性能對(duì)于提高CIS圖像芯片的品質(zhì)至關(guān)重要。

Color filter 的檢測(cè)是十分重要的,因?yàn)閏olor filter 的品質(zhì)和穩(wěn)定性會(huì)直接影響到CIS 圖像芯片的色彩精確度和對(duì)比度,進(jìn)而影響整個(gè)圖像的品質(zhì)和清晰度。如果color filter 存在缺陷或不均勻的情況,就會(huì)導(dǎo)致圖像中某些顏色的偏移、失真、色彩不均等問(wèn)題。因此,對(duì)color filter 進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè),可以幫助制造商確保其性能和品質(zhì)符合設(shè)計(jì)要求,從而提高CIS 圖像芯片的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可靠性。

(3) 如何利用QE光譜來(lái)檢測(cè)CIS 的Color filter quality?

CIS的Color filter通常是由一種稱(chēng)為“有機(jī)色料"(organic dyes or pigments)的物質(zhì)制成,這些有機(jī)色料能夠選擇性地吸收特定波長(zhǎng)的光,以產(chǎn)生所需的顏色濾波效果。這些有機(jī)色料通常是透過(guò)涂布技術(shù)將它們沉積在玻璃或硅基板上形成彩色濾光片。

量子效率(QE)光譜可以測(cè)量CIS在不同波長(zhǎng)下的感光度,從而確定Color filter的品質(zhì)和性能。正常情況下,Color filter應(yīng)該能夠適當(dāng)?shù)胤蛛x不同波長(zhǎng)的光,并且在光學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生較小的串?dāng)_。因此,如果在特定波長(zhǎng)下的量子效率比預(yù)期值低,可能是由于Color filter的品質(zhì)或性能問(wèn)題引起的。通過(guò)對(duì)量子效率 (QE)光譜的分析,可以確定Color filter的性能是否符合設(shè)計(jì)要求,并提前進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。

TSMC利用Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum晶片級(jí)量子效率光譜技術(shù),對(duì)不同的綠色濾光片材料進(jìn)行檢測(cè),以評(píng)估其對(duì)CIS圖像芯片的感光能力和光學(xué)串?dāng)_的影響。

如上圖,TSMC的CIS工藝流程利用Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum的光譜技術(shù),針對(duì)不同的綠色濾光片材料進(jìn)行檢測(cè),以評(píng)估其對(duì)CIS圖像芯片的感光能力和光學(xué)串?dāng)_的影響。晶圓級(jí)量子效率光譜顯示了三種不同Color filter材料(Green_1, Green_2和Green_3)的特性。

透過(guò)比較這三種材料,可以發(fā)現(xiàn):

(1) 主要綠色峰值位置偏移至550nm

(2) 綠光和藍(lán)光通道的optical crosstalk現(xiàn)象顯著降低

(3) 綠光和紅光通道的optical crosstalk現(xiàn)象顯著增加。

通過(guò)對(duì)量子效率(QE)光譜的分析,可以確定Color filter的性能是否符合設(shè)計(jì)要求,并提前進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。以確保濾光片材料的特性符合設(shè)計(jì)要求,并且保證圖像的品質(zhì)和精度,提高CIS圖像芯片的可靠性和穩(wěn)定性。

D. Si 晶圓厚度控制

(1) 什么是Si 晶圓厚度控制?

當(dāng)我們?cè)谥圃霣SI CIS圖像芯片時(shí),需要使用一種稱(chēng)為"減薄(thin down)"的工藝來(lái)將晶圓變得更薄。這減薄后的晶圓厚度會(huì)直接影響CIS芯片的感光度,因此晶圓的厚度對(duì)圖像芯片的感光性能和質(zhì)量都有很大的影響。

為了確保圖像芯片能夠正常工作,我們需要使用"Si 晶圓厚度控制"工藝來(lái)精確地控制晶圓的厚度。這樣可以確保我們減薄出來(lái)的晶圓厚度能夠符合設(shè)計(jì)要求,同時(shí)也可以提高圖像芯片的產(chǎn)品良率。

BSI的流程圖。采用BSI工藝的CIS圖像芯片,會(huì)有一道重要的工藝“減薄"(Thin down), 也就是將晶圓的厚度減少到一定的程度。

(2) Si 晶圓厚度控制工藝監(jiān)控中的量子效率檢測(cè)非常重要

在制造CIS芯片時(shí),Si 晶圓厚度控制工藝的控制對(duì)于芯片的感光度有著直接的影響。這種影響可以透過(guò)量子效率光譜來(lái)觀察,確保減薄后的CIS芯片擁有相當(dāng)?shù)墓怆娹D(zhuǎn)換量子效率。減薄后的晶圓會(huì)有一個(gè)最佳的厚度值,可以確保CIS芯片擁有最佳的光電轉(zhuǎn)換量子效率。使用450nm、530nm和600nm三種波長(zhǎng),可以測(cè)試紅色、綠色和藍(lán)色通道的量子效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了不同減薄厚度的CIS在藍(lán)光、綠光、紅光通道的量子效率值的變化。減薄厚度的偏差會(huì)對(duì)CIS的感光度產(chǎn)生直接的影響,進(jìn)而影響量子效率的值。因此,量子效率的檢測(cè)對(duì)于Si 晶圓厚度控制工藝的監(jiān)控至關(guān)重要,以確保制造的CIS芯片具有穩(wěn)定和一致的質(zhì)量。

下圖顯示了在不同減薄厚度下CIS圖像芯片在藍(lán)、綠、紅三個(gè)光通道的量子效率值變化。藍(lán)光通道的量子效率值是利用450nm波長(zhǎng)測(cè)量的,當(dāng)減薄后的厚度比標(biāo)準(zhǔn)厚度多0.3um時(shí),其量子效率值會(huì)由52%下降至49%;當(dāng)減薄后的厚度比標(biāo)準(zhǔn)厚度少0.3um時(shí),藍(lán)光通道的量子效率只略微低于52%。紅光通道的量子效率值是利用600nm波長(zhǎng)測(cè)量的,發(fā)現(xiàn)紅光通道的表現(xiàn)在不同厚度下與藍(lán)光通道相反,當(dāng)減薄后的厚度比標(biāo)準(zhǔn)厚度少0.3um時(shí),紅光通道的量子效率顯著地由44%下降至41%。在較厚的條件(+0.3um)下,紅光通道的量子效率并沒(méi)有顯著的變化。綠光通道的量子效率值是以530nm波長(zhǎng)測(cè)量的,在三種厚度條件下(STD THK ± 0.3um),綠光通道的量子效率沒(méi)有顯著的變化。

利用不同的Si晶圓厚度(THK)對(duì)CIS圖像芯片的量子效率進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試波長(zhǎng)分別為600nm、530nm和450nm,并且針對(duì)紅色、綠色和藍(lán)色通道的量子效率進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果顯示,在綠光通道方面,Si晶圓厚度的變化在±0.3um范圍內(nèi),530nm波段的量子效率并未有明顯變化。但是,在紅光通道方面,隨著Si晶圓厚度的下降,量子效率會(huì)有顯著的下降。而在藍(lán)光通道450nm的情況下,量子效率會(huì)隨著Si晶圓厚度的下降而有顯著的下降。這些結(jié)果表明,Si晶圓厚度對(duì)于CIS圖像芯片的量子效率有重要的影響,且不同通道的影響程度不同。因此,在制造CIS圖像芯片時(shí)需要精確地控制Si晶圓厚度,以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。