本文將為您介紹何謂量子效率光譜，以及CIS影像晶片常見的4種制程缺陷。
SG-A_CMOS 商用級圖像傳感器測試儀相較于傳統光學檢測設備可以提供更精細的缺陷檢測資訊，有助于使用者全面了解CIS影像晶片的性能表現。量子效率光譜是CIS影像晶片的關鍵參數之一，可以反映CIS影像晶片對不同波長下的感光能力，進而影響影像的成像質量。
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下，CIS晶片對光的響應效率。物理上，光子的能量與其波長成反比，因此，不同波長的光子對CIS影像晶片產生的響應效率也不同。量子效率光譜可以反映傳感器在不同波長下的響應能力，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在可見光波段范圍內呈現出不同的特征，如波峰和波谷，這些特征也直接影響著傳感器的成像質量。
2. Quantum Efficiency Spectrum 量子效率光譜可以解析CIS影像晶片內部的缺陷，常見的有下四種：
BSI processing design
Optical Crosstalk inspection
Color filter quality and performance
Si wafer THK condition in BSI processing
3. 透過量子效率光譜解析常見的4種制程缺陷
A. 什么是BSI制程？
(1) BSI的運作方式
BSI全名是Back-Side Illumination．是指"背照式"影像傳感器的制造工藝，它相對于傳統的"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性能，特別是在各波長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，光通過矽基板進入感光像素，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，進而提高了影像傳感器的解析度和靈敏度。
(2) 傳統的"正面照射"(FSI, Front-Side Illumination)圖像傳感器的工作方式
FSI 是一種傳統的圖像傳感器制程技術,光線透過透鏡后,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。相對地,BSI 技術是在感光面的背面,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,并且不需要額外的電路和金屬線的遮擋,因此也可以實現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,因此對于低光照環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、動態范圍和信噪比等性能,使得圖像質量更加優良。
由于現今圖像應用日益廣泛,對圖像質量和性能要求也越來越高,因此BSI工藝在現代圖像傳感器的制造中扮演著重要的角色。目前,BSI 技術已成為圖像傳感器的主流工藝技術之一,被廣泛應用于各種高階圖像產品中。
(4) 量子效率光譜如何評估BSI工藝的好壞
如前述,在CIS圖像芯片的制造過程中,不同波長的光子對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圖像芯片感光能力的方法。利用量子效率光譜,可以評估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RGB三原色的像素感光表現的差異。結果表明,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RGB三原色的像素在不同波長下的感光表現差異。由量子效率光譜的結果顯示,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感光能力的影響,并且確定BSI工藝的優勢。
(5) 利用量子效率光譜分析不同BSI工藝工藝對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工藝進行量產時,不同工藝工藝,對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BSI-2的工藝可以讓CIS圖像芯片內部絕對感光能力可以提升10%((a)表)。
此外,量子效率光譜是優化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CIS圖像芯片感光能力的影響,發現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。結果顯示,使用BSI-2工藝的1.1um像素,在藍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。這個結果顯示,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,進而提高圖像質量。因此,利用量子效率光譜比較不同工藝工藝對CIS圖像芯片的影響,可以為CIS制造優化提供重要參考。
上圖 Omnivision采用了Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum量子效率光譜,以分析TSMC 65nm工藝在量產時,不同工藝工藝對CIS圖像芯片感光能力的影響。通過這種光譜分析技術,Omnivision能夠精確地判斷不同工藝工藝所產生的量子效率差異,并進一步分析出如何優化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工藝中一項重要的技術,可用于協助提高CIS圖像芯片的質量和性能。(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時,由于折射、反射等原因,導致相鄰像素之間的光相互干擾而產生的一種影響。
(2) 為什么Optical Crosstalk的檢測重要?
在CIS圖像芯片中,optical crosstalk是一個重要的問題,因為它會影響圖像的品質和精度。optical crosstalk是由于像素之間的光學相互作用而產生的,導致相鄰像素的光信號互相干擾,進而影響到像素之間的區別度和對比度。因此,降低optical cross-talk是提高CIS圖像芯片品質的重要目標之一。
(3) 如何利用QE光譜來檢測CIS 的Crosstalk?
量子效率(QE)光譜可用于檢測CMOS圖像傳感器(CIS)的串音問題。通過測量CIS在不同波長下的QE,可以檢測CIS中是否存在串音問題。當CIS中存在串音問題時,在某些波長下可能會觀察到QE異常。在這種情況下,可以采取相應的措施來降低串音,例如優化CIS設計或改進工藝。
縮小像素尺寸對于高分辨率成像和量子圖像傳感器是絕對必要的。
如上圖,TSMC利用45nm 先進CMOS工藝,來制作0.9um 像素用于堆疊式CIS。而optical crosstalk光學串擾對于SNR與成像品質有著顯著的影響。
因此,TSMC采用了一種像素工藝,來改善這種optical crosstalk光學串擾。結構如下圖。
結構(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入后,因為多層結構的折射,入射到中間的PD感光區,造成串擾訊號。TSMC設計結構(b) “深溝槽隔離(DTI)" 技術是為了在不犧牲并行暗性能的情況下抑制光學串擾。由(b)可以發現,DTI所形成的溝槽可以隔離原本會產生光學串擾的光子入射到中間的感光Photodiode區,抑制了串擾并提高了SNR。
像素的橫截面示意圖 (a) 控制像素; (b)串擾改善像素。
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),實線代表改進的0.9um像素(b)。由于柵格結構的光學孔徑面積略微變小,因此光學串擾得到了極大的抑制。光學串擾抑制的直接證據,在量子效率光譜上得到體現。圖中三個黃色箭頭指出了R、G、B通道的串擾抑制證據。藍光通道和紅光通道反應略微下降,但是通過新開發的顏色濾光片材料,綠光通道的量子效率得到了提升。
利用Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum技術可以直接證明光學串擾的抑制現象。對于不同的CIS圖像芯片,可以通過量子效率光譜測試來比較它們在不同波長下的量子效率響應,進而分辨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),實線代表改進的0.9um像素(b)。由于柵格結構的光學孔徑面積略微變小,因此光學串擾得到了極大的抑制。
光學串擾抑制的直接證據,在量子效率光譜上得到體現。圖中三個黃色箭頭指出了R、G、B通道的串擾抑制證據。
C. Color filter quality inspection
(1) 什么是CIS 的Color filter？
CIS的Color filter是一種用于CIS圖像芯片的光學濾光片。它被用于調整圖像傳感器中各個像素的光譜響應,以便使得CIS圖像芯片可以感測和分離不同顏色的光,并將其轉換為數字信號。Color filter通常包括紅、綠、藍三種基本的色彩濾光片。而對于各種不同filter排列而成的color filter array (CFA),可以參考下面的資料。最常見的CFA就是Bayer filter的排列,也就是每個單元會有一個B、一個R、與兩個G的filter排列。
Color filter在CIS圖像芯片中扮演著非常重要的角色,其質量直接影響著圖像的色彩再現效果。為了確保Color filter的性能符合設計要求,需要進行精確的光譜分析和質量檢測。透過率光譜可以評估不同Color filter的光學性能;量子效率光譜可以檢測Color filter與光電二極管的匹配程度。只有通過嚴格的質量檢測,才能保證CIS芯片輸出優質的圖像。
圖 Color filter 如何組合在“Pixel"傳感器中。一個像素單位會是由Micro Lens + CFA + Photodiode等三個主要部件構成。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,從而實現對不同波長光的選擇性感光。
(2) 為什么Color filter的檢測重要?
在CIS圖像芯片中,每個像素上都會有一個color filter,用來選擇性地感光RGB三種顏色的光線,從而實現對彩色圖像的捕捉和處理。如果color filter的性能不好,會影響像素的感光度和光譜響應,進而影響圖像的品質和精度。因此,優化color filter的性能對于提高CIS圖像芯片的品質至關重要。
Color filter 的檢測是十分重要的,因為color filter 的品質和穩定性會直接影響到CIS 圖像芯片的色彩精確度和對比度,進而影響整個圖像的品質和清晰度。如果color filter 存在缺陷或不均勻的情況,就會導致圖像中某些顏色的偏移、失真、色彩不均等問題。因此,對color filter 進行嚴格的檢測,可以幫助制造商確保其性能和品質符合設計要求,從而提高CIS 圖像芯片的生產效率和產品的可靠性。
(3) 如何利用QE光譜來檢測CIS 的Color filter quality?
CIS的Color filter通常是由一種稱為“有機色料"(organic dyes or pigments)的物質制成,這些有機色料能夠選擇性地吸收特定波長的光,以產生所需的顏色濾波效果。這些有機色料通常是透過涂布技術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)光譜可以測量CIS在不同波長下的感光度,從而確定Color filter的品質和性能。正常情況下,Color filter應該能夠適當地分離不同波長的光,并且在光學過程中產生較小的串擾。因此,如果在特定波長下的量子效率比預期值低,可能是由于Color filter的品質或性能問題引起的。通過對量子效率 (QE)光譜的分析,可以確定Color filter的性能是否符合設計要求,并提前進行相應的調整和優化。
TSMC利用Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum晶片級量子效率光譜技術,對不同的綠色濾光片材料進行檢測,以評估其對CIS圖像芯片的感光能力和光學串擾的影響。
如上圖,TSMC的CIS工藝流程利用Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum的光譜技術,針對不同的綠色濾光片材料進行檢測,以評估其對CIS圖像芯片的感光能力和光學串擾的影響。晶圓級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。
透過比較這三種材料,可以發現:
(1) 主要綠色峰值位置偏移至550nm
(2) 綠光和藍光通道的optical crosstalk現象顯著降低
(3) 綠光和紅光通道的optical crosstalk現象顯著增加。
通過對量子效率(QE)光譜的分析,可以確定Color filter的性能是否符合設計要求,并提前進行相應的調整和優化。以確保濾光片材料的特性符合設計要求,并且保證圖像的品質和精度,提高CIS圖像芯片的可靠性和穩定性。
D. Si 晶圓厚度控制
(1) 什么是Si 晶圓厚度控制?
當我們在制造BSI CIS圖像芯片時,需要使用一種稱為"減薄(thin down)"的工藝來將晶圓變得更薄。這減薄后的晶圓厚度會直接影響CIS芯片的感光度,因此晶圓的厚度對圖像芯片的感光性能和質量都有很大的影響。
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"工藝來精確地控制晶圓的厚度。這樣可以確保我們減薄出來的晶圓厚度能夠符合設計要求,同時也可以提高圖像芯片的產品良率。
BSI的流程圖。采用BSI工藝的CIS圖像芯片,會有一道重要的工藝“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控中的量子效率檢測非常重要
在制造CIS芯片時,Si 晶圓厚度控制工藝的控制對于芯片的感光度有著直接的影響。這種影響可以透過量子效率光譜來觀察,確保減薄后的CIS芯片擁有相當的光電轉換量子效率。減薄后的晶圓會有一個最佳的厚度值,可以確保CIS芯片擁有最佳的光電轉換量子效率。使用450nm、530nm和600nm三種波長,可以測試紅色、綠色和藍色通道的量子效率。實驗結果顯示了不同減薄厚度的CIS在藍光、綠光、紅光通道的量子效率值的變化。減薄厚度的偏差會對CIS的感光度產生直接的影響,進而影響量子效率的值。因此,量子效率的檢測對于Si 晶圓厚度控制工藝的監控至關重要,以確保制造的CIS芯片具有穩定和一致的質量。
下圖顯示了在不同減薄厚度下CIS圖像芯片在藍、綠、紅三個光通道的量子效率值變化。藍光通道的量子效率值是利用450nm波長測量的,當減薄后的厚度比標準厚度多0.3um時,其量子效率值會由52%下降至49%;當減薄后的厚度比標準厚度少0.3um時,藍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波長測量的,發現紅光通道的表現在不同厚度下與藍光通道相反,當減薄后的厚度比標準厚度少0.3um時,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有顯著的變化。綠光通道的量子效率值是以530nm波長測量的,在三種厚度條件下(STD THK ± 0.3um),綠光通道的量子效率沒有顯著的變化。
利用不同的Si晶圓厚度(THK)對CIS圖像芯片的量子效率進行測試,測試波長分別為600nm、530nm和450nm,并且針對紅色、綠色和藍色通道的量子效率進行評估。結果顯示,在綠光通道方面,Si晶圓厚度的變化在±0.3um范圍內,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,量子效率會有顯著的下降。而在藍光通道450nm的情況下,量子效率會隨著Si晶圓厚度的下降而有顯著的下降。這些結果表明,Si晶圓厚度對于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圖像芯片時需要精確地控制Si晶圓厚度,以確保產品的質量和性能。
