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近年來，隨著虛擬現實(VR)、增強現實(AR) 、自動駕駛的興起，CIS技術成為工業4.0的一項關鍵技術。人們預計，CIS技術將不僅可以作為設備的“眼睛”，還將在功能上有更進一步的發展。

大家都知道，自2000年初以來，CMOS 圖像傳感器已被許多行業廣泛采用。其多功能應用擴展到數碼相機、移動設備、監控系統、機器人、醫療器械和自動駕駛汽車等許多行業。通過使用像素陣列中的光電二極管捕獲圖像并將信號實時轉換為數字文件的能力可以實現高級數據管理和分析，從而實現其硬件與計算系統的兼容性。最近的進步使分析功能更接近像素陣列。機器學習 (ML)、人工智能 (AI) 算法和圖像傳感器內的圖像重建技術的實施已被廣泛報道 。因此，圖像傳感器技術平臺是許多應用的關鍵部分。

雷達和圖像傳感器的傳感器融合、用于高級駕駛員輔助系統的光檢測和測距 (LiDAR)、神經形態和高光譜成像、熱成像和生物醫學應用等先進應用正在不斷發展。2018-2019年，圖像傳感器的市場規模已達到約200億美元。預計從 2019 年到 2025 年，僅三維 (3D) 成像和傳感市場的擴張將達到50億至150億美元，這幾年的CGAR 為 20%。主要行業是消費移動產品和汽車行業。

技術平臺和業務平臺之間的協同效應已經顯現。為了滿足移動設備的外形尺寸限制，我們為具有巨大消費者需求的移動設備應用開發了先進的技術平臺。移動設備建立的規模經濟進一步鼓勵先進的像素電子設計和使用芯片堆疊方法的像素并行處理在其他行業的應用。圖像傳感器將繼續成為與業務平臺協同的產品開發的強大技術平臺。

像素電子產品的創新實現了多種先進功能。2000 年初，已有許多復雜圖像傳感器的設計被報道。只有當芯片堆疊和先進互連技術變得可制造時，這些創新的商業化才有可能實現。3D集成圖像傳感器的示范性設計始于1999年的四層堆疊，以及2004年多芯片堆疊架構中的多功能傳感器。新實施的支持技術和特征尺寸的減小改變了擬議的 3D 集成。一些重大突破，如2009年的背照式(BSI) CIS、2012年的芯片堆疊、2015年的“pixel-DRAM-logic ”三芯片堆疊、2016年的銅-銅混合鍵合（Cu-Cu hybrid bonding），這些技術都帶來了最先進的技術平臺。

因此，在過去的十年里，CMOS圖像傳感器（CIS）技術取得了令人矚目的進展，圖像傳感器的性能也得到了極大的改善。背面照度（BSI）技術，是常用的前面照度（FSI）技術的有前途的替代方案，具有深光電二極管和短光路，從而具有更高的量子效率。

一、BSI-CIS 圖像傳感器的介紹

“BSI-CIS”，它是Back-Side Illuminated CMOS Image Sensor的簡稱，中文稱作：背照式互補金屬氧化物半導體圖像傳感器。

它是一種特定類型的圖像傳感器，其核心特點是將光電二極管置于傳感器頂部，也就是采用背照式結構。這種結構消除了傳統前照式中金屬布線層對光線的遮擋，使得進光量和量子效率得到顯著提升，能有效提升在低亮度狀態下的圖像品質，常用于對成像質量要求較高的場景，如智能手機攝像頭等。

講到BSI，肯定有朋友知道：2011年，蘋果iPhone 4手機問世，其配備了當時首個應用BSI技術的CIS產品。蘋果公司當時聲稱BSI技術與FSI技術相比可以捕獲更大的進光量，因此可以再現更高質量的圖像。

蘋果公司以及當今整個行業所使用的BSI流程如下圖所示。就BSI技術而言，首先在晶圓的一側制作所有電路部分，然后將晶圓翻轉倒置，以便創建可以在背面收集光線的光學結構。這樣可以消除FSI中金屬線路造成的干擾，在同一大小像素的條件下光線通過的空間更大，從而可提高量子效率。

1、BSI（Back-Side Illuminated，背照式）

簡單來講，BSI（背照式）就是CIS 的一種重要結構設計，它是將感光層（光電二極管）放在電路層的背面，光線無需穿過金屬布線層，直接照射到感光區。相比傳統的 FSI（Front-Side Illuminated，前照式），BSI 大幅提升了 進光量與量子效率，特別適合在 低光環境 下使用，顯著改善了圖像的 信噪比（SNR）與動態范圍。同時，BSI 技術自2000年代末開始普及，已成為高端 CIS（如手機主攝、車載攝像頭等）的主流結構。

借助BSI技術，使1.12μm及以下像素尺寸的應用成為可能，并為1600萬像素及以上的高分辨率產品開辟出了市場。不同于會受到布線干擾的FSI結構，基于BSI的光學工藝有著更高的自由度。得益于此，背側深溝槽隔離(BDTI)、W型柵格(W Grid)和空氣柵格(Air Grid)等在內的各種光學像素結構被開發出來，以提高產品的量子效率。

背側深溝槽隔離(BDTI)工藝 雖然采用克服光衍射問題的BSI結構可以提高量子效率，但仍需要采用額外的像素分割結構，以順應智能手機不斷縮小的像素尺寸和不斷降低的攝像頭F值4)。在這方面，背側深溝槽隔離(BDTI)結構是最具代表性的例子，這種結構可以在光線沿CIS芯片外側斜向進入的區域提升全內反射(TIR)效果5)，從而增加信號。目前，這項技術被廣泛應用于大多數基于BSI技術的CIS產品。

彩色濾光片隔離結構彩色濾光片隔離結構是與BDTI結構并駕齊驅的另一種技術，是通過在濾色器之間插入物理屏障提高基于BSI的像素性能。由于在使用BSI結構之后，微透鏡和光電二極管之間的距離無法再縮短，因此這種結構防止了由像素收縮引起的衍射。彩色濾光片隔離的代表性結構包括W型柵格和SK海力士專有的空氣柵格(Air Grid)結構。與簡單的光阻隔結構W型柵格不同的是，使用全內反射的空氣柵格可以提高量子效率，因而有望成為新一代技術。

而關于FSI（Front-Side Illuminated，前照式），早期的CIS產品像素采用前照式(FSI)結構，這種結構將光學結構置于基于CMOS1)工藝的電路上。這項技術適用于像素尺寸為1.12μm及以上的大多數CIS解決方案，被廣泛用于移動設備、閉路電視(CCTV)、行車記錄儀、數碼單反相機、車用傳感器等產品。

一款高性能的圖像傳感器即使在弱光條件下，也應能夠呈現出明亮清晰的圖像，而要實現這一效果，需要提高像素的量子效率(QE)2)。因此，像素下層電路的金屬布線設計應以FSI結構為基礎，以盡可能避免光干擾。

然而，通常情況下，當連續的光線穿過光圈或物體周圍時，就會發生衍射現象。就光圈而言，隨著光圈孔徑尺寸的減少，更多的光會隨著衍射量的增加而擴散。同樣，外部光達到單個像素時，衍射現象也無法避免。就FSI結構而言，因為受到下層電路中金屬布線層的影響，這種結構更容易受到衍射的影響。即使FSI像素尺寸減少，被金屬覆蓋的區域也保持不變。因此，光通過的區域變得更小，衍射現象增強，導致圖像中的顏色混合在一起。

然而，控制像素的衍射也并非不可能。為了改善單個區域的衍射，可以根據衍射計算公式來縮短微透鏡到硅(Si)的距離。為此，人們提出了一種背照式(BSI)工藝，通過翻轉晶圓來利用其背面，以此消除金屬干擾。SK海力士從像素尺寸低于1.12μm的產品開始采用BSI技術。

2、CIS（CMOS Image Sensor，CMOS 圖像傳感器）

CMOS圖像傳感器(CIS)是一種可以將通過鏡頭捕獲的光的顏色和亮度轉換為電子信號，并將其傳輸至處理器的傳感器。因此，圖像傳感器充當的是智能手機或平板電腦等移動設備“眼睛”的角色。近年來，隨著虛擬現實(VR)、增強現實(AR) 、自動駕駛的興起，CIS技術成為工業4.0的一項關鍵技術。人們預計，CIS技術將不僅可以作為設備的“眼睛”，還將在功能上有更進一步的發展。

二、65nm制程BSI-CIS 圖像傳感器

這里講的，65nm制程指的是 CIS 芯片采用的 半導體制造工藝節點，數字越小代表晶體管密度越高、單位面積集成能力越強、功耗與發熱相對更低。

而65nm是較早的一代工藝節點（大約在 2006 年左右成熟），但在 CIS 領域，特別是 BSI CIS 中，65nm 依然可用于某些 中高端或特殊用途的圖像傳感器，尤其是在 高集成度、多通道處理、片上 ISP（圖像信號處理） 等方面。

當前主流高端 CIS 制程已經發展到40nm、28nm、甚至更先進的節點（如 14nm 或以下），但 65nm 仍具有一定應用價值，特別是在 成本、良率、特殊功能集成 等方面有優勢的場景。所以，后來的65nm BSI制程系列針對快速興起的應用產品所推出，諸如智慧手機、平板電腦、高階監視器、以及消費型數位相機/數位單眼相機等，都在取得開發商的授權后采用了。

三、65nm BSI-CIS 工藝流程介紹

以下是本章節主要跟大家分享的65nm BSI-CIS 工藝流程介紹，有興趣的朋友可以一起交流學習，如有遺漏或是不足之處，還希望大家指正：

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四、65nm BSI-CIS 的關鍵工藝技術

1、深層光電二極管成型工藝技術

在相同芯片尺寸上增加像素數量時，需縮小單一像素尺寸。為確保圖像質量，深層光電二極管的形成是關鍵技術，要在更小像素中保證足夠滿阱容量（FWC），需采用難度更高的圖像形成技術，尤其要確保高縱橫比（>15:1）植入掩碼工藝技術，阻止高能量離子植入，且業內縱橫比有逐步提高趨勢。

2、像素間隔離處理技術

對于高清 CIS，將像素彼此隔離至關重要，不同隔離技術使用不當可能引入圖像缺陷，如顏色混合和顏色擴散。

3、彩色濾波陣列（CFA）處理技術

CFA 是 CIS 獨有的工藝，由彩色濾波器（CF）和微透鏡（ML）組成。CF 可將入射光過濾成紅、綠、藍各波長范圍，ML 可提高光凝聚效率。為獲得優良圖像品質，需開發和評估 R/G/B 彩色素材，優化形狀、厚度等工藝條件。

4、晶圓堆疊工藝技術

對于高像素 CIS 產品，像素陣列和邏輯電路分別形成在單獨的晶圓上，然后使用晶圓鍵合技術將它們連接起來。該技術可生產高像素、高清 CIS 產品。

五、65nm BSI-CIS 圖像傳感器的優勢特點

1、高感光性能

BSI 結構使光線直接到達光電二極管，減少光損失，提升低光環境下的成像質量，具有更高的量子效率和靈敏度。

2、高集成度

65nm 工藝允許在 CIS 芯片上集成更多的邏輯處理電路，如 ADC（模數轉換器）、DSP（數字信號處理器）等，可在較小芯片面積上實現更多功能。

3、低功耗

相比其他一些傳感器技術，CMOS 工藝本身就具有低功耗的特點，65nm BSI - CIS 在保證性能的同時能有效降低功耗，適合對功耗敏感的應用場景，如移動設備。

4、小型化

有助于實現更小的芯片尺寸，滿足現代電子產品對小型化、輕量化的需求，可用于設計更緊湊的攝像頭模塊。

5、可擴展功能

可集成多光譜、HDR、全局快門、3D 感測等進階功能，具體取決于設計。

六、65nm BSI-CIS 圖像傳感器的主要應用場景

1、智能手機攝像頭

用于前置或后置攝像頭，尤其是對 低光拍攝、高畫質、快速對焦 有要求的場景。

雖然當前旗艦手機主攝多采用更先進制程（如 40nm 以下），但中端機型或輔助攝像頭（如超廣角、微距）仍可能使用 65nm BSI CIS。

2、安防監控

用于夜間或光線不足環境下的攝像頭，對 高感光、低噪聲 有較高要求。

65nm BSI CIS 提供良好的性價比與成像性能平衡。

3、汽車電子

包括 前視攝像頭、環視系統、倒車影像、駕駛員監控系統（DMS） 等。

要求高可靠性和一定的環境適應性，65nm 工藝在成本與性能之間提供了實用的解決方案。

4、機器視覺 / 工業檢測

用于自動化檢測、條碼識別、表面檢測等，對圖像穩定性與一致性要求較高。

5、消費類電子設備

如平板電腦、筆記本電腦的攝像頭模塊、智能手表等。

七、65nm BSI-CIS 圖像傳感器的行業背景及發展趨勢

當前，BSI 技術已成為 CIS 的主流，自 2010 年后幾乎所有高端 CIS（特別是手機主攝）均采用 BSI 或更先進的堆疊 BSI（Stacked BSI）結構。

然而65nm 雖不是最先進制程，但在 CIS 領域仍有其價值，特別是在 成本控制、特殊功能集成、中等性能需求 的產品線上。

所以，高端 CIS 正在向更小制程（如 28nm、14nm 及以下）、3D 堆疊（如 Pixel + Logic 堆疊）、AI 加速 ISP 集成等方向發展，用于支持 8K 視頻、AI 場景識別、多攝協同等高級功能。

特別是近年來，國內多家企業通過技術突破，逐步實現65nm CIS芯片的國產化，打破國際壟斷，推動國產CIS向高端市場邁進。

八、寫在最后面的話

65nm BSI - CIS 圖像傳感器 是采用 65 納米制程、背照式結構 的 CMOS 圖像傳感器，具有 高感光、低噪聲、高集成度與良好性價比 等特點，廣泛應用于 智能手機、安防、汽車、工業與消費電子 等領域。

雖然目前 CIS 制程工藝不斷向更小節點發展，如 40nm、28nm 甚至更先進制程，但 65nm BSI - CIS 仍在一些對成本、性能和工藝成熟度有特定要求的市場中具有競爭力。未來，隨著技術的不斷進步，65nm BSI - CIS 可能會在現有基礎上進一步優化性能，降低成本，拓展應用范圍。同時，與其他技術的融合，如與人工智能、物聯網等技術的結合，也將為其帶來新的發展機遇。

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審核編輯 黃宇