量子效率光谱

量子效率光谱是CMOS图像传感器的关键参数之一，可以反映CMOS图像传感器对不同波长下的感光能力，进而影响图像的成像质量。

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什么是CMOS图像传感器的量子效率光谱？

CMOS图像传感器的量子效率光谱是指在不同波长下，传感器对光的响应效率。物理上，光子的能量与其波长成反比，因此，不同波长的光子对CMOS图像传感器产生的响应效率也不同。量子效率光谱可以反映图像传感器在不同波长下的响应能力，帮助人们理解图像传感器的灵敏度和色彩还原能力等特性。通常，图像传感器的量子效率光谱会在可见光波段范围内呈现出不同的特征，如波峰和波谷，这些特征也直接影响着图像传感器的成像质量。

量子效率光谱可以解析CMOS图像传感器内部的缺陷，常见的有下四种：

● BSI processing design

● Optical Crosstalk inspection

● Color filter quality and performance

● Si wafer THK condition in BSI processing

通过量子效率光谱解析常见的4种工艺缺陷

A. BSI processing design

（1）BSI的运作方式

BSI全名是Back-Side Illumination，是指"背照式"图像传感器的制造工艺，它相对于传统的"前照式"(FSI, Front-Side Illumination)图像传感器，能够提高图像传感器的光学性能，特别是在各波长的感光效率的大幅提升。在BSI工艺中，像素置于硅基板的背面，光通过硅基板进入感光像素，减少了前面的传输层和金属线路的干扰，提高了光的利用率和绕射效应，进而提高了图像传感器的解析度和灵敏度。

（2）传统的"前照式"图像传感器的工作方式

FSI是一种传统的图像传感器工艺技术，光线透过透镜后，从图像传感器的正面照射到图像传感器的感光面，因此需要在感光面(黄色方筐，Silicon)的上方放置一些电路和金属线。这些元件会遮挡一部分光线，降低图像传感器的光量利用率，影响图像的品质。相对地，BSI 技术是在感光面的背面，也就是基板反面制作出感光元件，让光线可以直接进入到感光面，这样就可以最大限度地提高光量利用率，提高图像的品质。并且，不需要额外的电路和金属线的遮挡，因此也可以实现更高的像素密度和更快的图像读取速度。

（3）为什么BSI工艺重要?

BSI工艺是重要的制造技术之一，可以大幅提升CMOS图像传感器的感光度和量子效率，因此对于低光照环境下的图像采集有很大的帮助。

BSI工艺还可以提高图像传感器的分辨率、动态范围和信噪比等性能，使得图像质量更加优良。

由于现今图像应用日益广泛，对图像质量和性能要求也越来越高，因此BSI工艺在现代图像传感器的制造中扮演着重要的角色。目前，BSI技术已成为高端图像传感器的主流工艺技术之一，被广泛应用于各种高阶图像产品中。

（4）量子效率光谱如何评估BSI工艺的好坏

如前述，在CMOS图像传感器芯片的制造过程中，不同波长的光子对于图像芯片的感光能力有所不同。因此，量子效率光谱是一种可以检测图像传感器芯片感光能力的方法。利用量子效率光谱，可以评估BSI工艺的好坏。

案例-1

如图2，台积电（TSMC）使用量子效率光谱分析了前照式FSI和背照式BSI两种工艺对RGB三原色的像素感光表现的差异。结果表明，BSI工艺可以大幅提高像素的感光度，将原本FSI的40%左右提高到将近60%的量子效率。

图2 TSMC利用晶圆级量子效率光谱（Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum）分析1.75μm的FSI与BSI两种工艺对RGB三原色的像素在不同波长下的感光表现差异。量子效率光谱的分析可以帮助工程师判断不同工艺对感光能力的影响，并确定BSI工艺的优势。

（5）利用量子效率光谱分析不同BSI工艺对CMOS图像传感器芯片感光能力的影响

案例-2 

如图3。某CMOS图像传感器厂商采用晶圆级量子效率光谱分析利用TSMC 65nm工艺进行量产时，不同工艺对CMOS图像传感器芯片感光能力的影响。在1.4um像素尺寸使用BSI-1工艺与BSI-2工艺的量子效率光谱比较下，可以明显判断，BSI-2的量子效率较BSI-1有着将近10%的提升。代表着BSI-2工艺可以使CMOS图像传感器芯片内部绝对感光能力提升10%((a)表)。

图3 某CMOS图像传感器厂商采用晶圆级量子效率光谱，分析TSMC 65nm工艺在量产时，不同工艺对CMOS图像传感器芯片感光能力的影响。

此外，量子效率光谱是优化CMOS图像传感器芯片制造的重要工具。例如，在将BSI-2用于1.1um像素的工艺中，与1.4um像素的比较表明，在蓝光像素方面，BSI-2可以提供更高的感光效率，而在绿光和红光像素的感光能力方面，BSI-2的效果与1.4um像素相似。

这个结果显示，BSI-2工艺可以在保持像素尺寸的前提下提高CMOS图像传感器芯片的感光能力，进而提高图像质量。因此，利用量子效率光谱比较不同工艺对CMOS图像传感器芯片的影响，可以为CMOS图像传感器制造优化提供重要参考。

B. Optical Crosstalk Inspection

（1）什么是Optical Crosstalk?

CMOS图像传感器的光学串扰（Optical Crosstalk）是指光线在图像芯片中行进时，由于折射、反射等原因，导致相邻像素之间的光相互干扰而产生的一种影响。

图4 光学串扰（Optical Crosstalk）

（2）为什么Optical Crosstalk的检测重要?

在CMOS图像传感器芯片中，Optical Crosstalk是一个重要的问题，因为它会影响图像的品质和精度。Optical Crosstalk是由于像素之间的光学相互作用而产生的，导致相邻像素的光信号互相干扰，进而影响到像素之间的区别度和对比度。因此，降低Optical Crosstalk是提高CMOS图像传感器芯片品质的重要目标之一。

（3）如何利用量子效率光谱来检测CMOS图像传感器的Optical Crosstalk?

量子效率光谱可用于检测CMOS图像传感器的串扰问题。当CMOS图像传感器中存在串扰问题时，在某些波长下可能会观察到量子效率异常。在这种情况下，可以采取相应的措施来降低串扰，例如优化CMOS图像传感器设计或改进工艺。

缩小像素尺寸对于高分辨率成像和量子图像传感器是绝对必要的。

如上图4，TSMC利用45nm先进CMOS工艺来制作0.9 um像素堆叠式CMOS图像传感器。而Optical Crosstalk对于信噪比（SNR）和成像品质有着显著的影响。

因此，TSMC采用了一种像素工艺来改善这种Optical Crosstalk。结构如下图5。

图5 像素的横截面示意图 (a) 控制像素；(b)串扰改善像素。

结构(a)是控制像素。光的路径线为ML (Microlens)、CF (Color Filter)、PD(Photodiode，感光层)。而在Optical Crosstalk影响的示意图，如绿色线的轨迹。光子由相邻的像素单元进入后，因为多层结构的折射，入射到中间的PD感光区，造成串扰讯号。TSMC设计了结构(b)“深沟槽隔离(DTI)”技术，是为了在不牺牲并行暗性能的情况下抑制Optical Crosstalk。由(b)图可以发现，DTI所形成的沟槽可以隔离原本会产生Optical Crosstalk的光子入射到中间的感光Photodiode区，抑制了串扰并提高了SNR。

图6 该图展示了0.9um像素的量子效率光谱，其中虚线代表控制的0.9um像素(a)，实线代表改进的0.9um像素(b)。由于栅格结构的光学孔径面积略微变小，因此Optical Crosstalk得到了极大的抑制。Optical Crosstalk抑制的直接证据在量子效率光谱上得到体现。图中三个黄色箭头指出了R、G、B通道的串扰抑制证据。蓝光通道和红光通道反应略微下降，但是通过新开发的颜色滤光片材料，绿光通道的量子效率得到了提升。(Reference：tsmc CIS)

利用晶圆级量子效率光谱技术可以直接证明Optical Crosstalk的抑制现象。对于不同的CMOS图像传感器芯片，可以通过量子效率光谱测试来比较它们在不同波长下的量子效率响应，进而分辨Optical Crosstalk是否得到抑制。