- 本文將為您介紹何謂量子效率光譜（Quantum Efficiency Spectrum），以及常見的4種CMOS圖像傳感器工藝缺陷。

- 光焱科技SG-A_CMOS商用級圖像傳感器測試儀相較于傳統(tǒng)光學(xué)檢測設(shè)備可以提供更精細(xì)的缺陷檢測信息，有助于用戶全面了解CMOS圖像傳感器的性能表現(xiàn)。量子效率光譜是CMOS圖像傳感器的關(guān)鍵參數(shù)之一，可以反映CMOS圖像傳感器對不同波長下的感光能力，進(jìn)而影響圖像的成像質(zhì)量。

通過量子效率光譜解析常見的4種工藝缺陷（下）

C. Color filter quality inspection

(1) 什么是圖像傳感器的Color filter？

圖像傳感器的Color filter是一種用于CMOS圖像傳感器的光學(xué)濾光片。它被用于調(diào)整圖像傳感器中各個像素的光譜響應(yīng)，以便使CMOS圖像傳感器可以感測和分離不同顏色的光，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。Color filter通常包括紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）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CMOS圖像傳感器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)計要求，需要進(jìn)行精確的光譜分析和質(zhì)量檢測。透過率光譜可以評估不同Color filter的光學(xué)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(yán)格的質(zhì)量檢測，才能保證圖像傳感器芯片輸出優(yōu)質(zhì)的圖像。

圖1 Color filter 如何組合在“Pixel”傳感器中。一個像素單位由Micro Lens + CFA + Photodiode等三個主要部件構(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，從而實現(xiàn)對不同波長光的選擇性感光。

(2) 為什么Color filter的檢測重要?

在CMOS圖像傳感器中，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(xiàn)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(yīng)，進(jìn)而影響圖像的品質(zhì)和精度。因此，優(yōu)化Color filter的性能對于提高CMOS圖像傳感器的品質(zhì)至關(guān)重要。

Color filter的檢測是十分重要的，因為Color filter的品質(zhì)和穩(wěn)定性會直接影響到CMOS圖像傳感器的色彩精確度和對比度，進(jìn)而影響整個圖像的品質(zhì)和清晰度。如果Color filter存在缺陷或不均勻的情況，就會導(dǎo)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(jìn)行嚴(yán)格的檢測，可以幫助制造商確保其性能和品質(zhì)符合設(shè)計要求，從而提高圖像傳感器芯片的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可靠性。

(3) 如何利用量子效率光譜來檢測圖像傳感器的Color filter品質(zhì)?

CMOS圖像傳感器的Color filter通常是由一種稱為“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。

量子效率光譜可以測量CMOS圖像傳感器在不同波長下的感光度，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不同波長的光，并且在光學(xué)過程中產(chǎn)生較小的串?dāng)_。因此，如果在特定波長下的量子效率比預(yù)期值低，可能是由于Color filter的品質(zhì)或性能問題引起的。通過對量子效率光譜的分析，可以確定Color filter的性能是否符合設(shè)計要求，并提前進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。

圖2 TSMC利用晶圓級量子效率光譜（Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum）對不同的綠色濾光片材料進(jìn)行檢測，以評估其對CMOS圖像傳感器的感光能力和光學(xué)串?dāng)_的影響。

如上圖，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。

通過過比較這三種材料，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)光通道的光學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象顯著降低；

(3) 綠光和紅光通道的光學(xué)串?dāng)_現(xiàn)象顯著增加。

通過對量子效率光譜的分析，可以確定Color filter的性能是否符合設(shè)計要求，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)計要求，并且保證圖像的品質(zhì)和精度，提高CMOS圖像傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。

D. Si晶圓厚度控制

(1) 什么是Si晶圓厚度控制？

當(dāng)我們在制造BSI CMOS圖像傳感器時，需要使用一種稱為"減薄(thin down)"的工藝來將晶圓變得更薄。減薄后的晶圓厚度會直接影響CMOS圖像傳感器芯片的感光度，因此晶圓的厚度對芯片的感光性能和質(zhì)量都有很大的影響。

為了確保CMOS圖像傳感器芯片能夠正常工作，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(shè)計要求，同時也可以提高CMOS圖像傳感器芯片的產(chǎn)品良率。

圖3 BSI的流程圖。采用BSI工藝的CMOS圖像傳感器，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(jiān)控中的量子效率檢測非常重要

在制造CMOS圖像傳感器時，Si晶圓厚度控制工藝的控制對傳感器的感光度有著直接的影響。這種影響可以通過量子效率光譜來觀察，確保減薄后的CMOS圖像傳感器擁有最佳的光電轉(zhuǎn)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CMOS圖像傳感器擁有最佳的光電轉(zhuǎn)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(lán)色通道的量子效率。實驗結(jié)果顯示了不同減薄厚度的CMOS圖像傳感器在藍(lán)光、綠光、紅光通道的量子效率值的變化。減薄厚度的偏差會對CMOS圖像傳感器的感光度產(chǎn)生直接的影響，進(jìn)而影響量子效率的值。因此，量子效率的檢測對于Si晶圓厚度控制工藝的監(jiān)控至關(guān)重要，以確保制造的CMOS圖像傳感器具有穩(wěn)定和一致的質(zhì)量。

圖3顯示了在不同減薄厚度下CMOS圖像傳感器在藍(lán)、綠、紅三個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波長測量的，當(dāng)減薄后的厚度比標(biāo)準(zhǔn)厚度多0.3um時，其量子效率值會由52%下降至49%；當(dāng)減薄后的厚度比標(biāo)準(zhǔn)厚度少0.3um時，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波長測量的，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，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。

圖4 利用不同的Si晶圓厚度對CMOS圖像傳感器的量子效率進(jìn)行測試，測試波長分別為600nm、530nm和450nm，并且針對紅色、綠色和藍(lán)色通道的量子效率進(jìn)行評估。

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，量子效率會有顯著的下降。而在藍(lán)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(jié)果表明，Si晶圓厚度對于CMOS圖像傳感器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CMOS圖像傳感器時需要精確地控制Si晶圓厚度，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

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編輯：黃飛

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