背面照射CMOS为何未被数码相机采用？│东京博士│东洋镜

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背面照射CMOS为何未被数码相机采用？
东京博士 (发表日期:2009-06-06 21:13:36 阅读人次:2656 回复数:6)
这次整个世界经济不景气，以行业区分，跌入最低谷的首推半导体行业，但最近已经露出了复苏的征兆，其中尤以“裏面照射CMOS”新技术的率先商品化令人瞩目，它与当年FujiFilm推出蜂房结构的六角形错位CCD（后来又进化为双层配对式蜂房CCD）一样，将会给数码摄影领域带来一次新的震动。　　“裏面照射CMOS”的与众不同是与至今为止的数码成像感光芯片CCD/CMOS相比，像素开口率（接受光照的孔径）理论上达到100%,其电路配线由于设计在像素光照面的另一面，不再占用像素之间的缝隙，也不在像素光照面上加工任何走线或绝缘层膜，因此使像素的信噪比（ISO感度）达到了飞跃性的提高。　　现在索尼公司已经有两款摄像机装备了这种崭新的背面照射CMOS，其中一款HDR-XR500价格仅为7.3万日元。该摄像机主要数据如下—— 　　记录媒体：耐冲击120GB内藏HD/memory stick 　　动画记录：1920x1080全高清MPG-4 　　静止摄影：1200万像素　　连续记录：50小时(内藏HD时) 　　最低照度：3lux 　　液晶屏：3.2英寸92万像素　　日本市场价格：7.3万日元　　　　那么对数码摄影已经如此普及的广大相机用户来说，为什么这种CMOS没有在数码相机上使用呢？　　由于兼有动画摄像功能的数码相机发展迅猛，机型人气更新周期最多也就半年，动画摄影质量又直逼传统摄像机，连不少袖珍数码相机的动画都已经对应了全高清模式，那是不是因为摄像机的市场规模好几年前就已经明显不如数码相机市场了，所以制造商想重新振兴摄像机市场才率先在摄像机上采用背面照射CMOS的呢？而且既然现在采用背面照射CMOS的终端商品价格已经这么便宜，为何数码相机（单反或袖珍）都还迟迟没有采用呢？作为正在参加与背面照射CMOS制造工艺设备有关开发的技术人员，向大家通俗地介绍一下背面照射CMOS尚未在数码相机上商品化的几个缘由（专业术语使用尽量回避，中文对应词汇可能与大陆习惯用语有不同之处请见谅）。　　　　1。摄像机与照相机在摄影上的主要差异　　大家知道动画摄影通常是由每秒60幅（field mode又称Interlace）或30幅(frame mode又称Progressive或Non-Interlace)静止图片的连续播放组成的，这是由电视画面的显示更新速度决定的，如果每秒的播放画面小于30幅，那么电视画面就会出现不自然的停顿感，影响动画图像视觉上的流畅感，比如早期的一些数码相机拍摄的动画有不少是每秒15帧的速率（通常用15fps表示），换句话说，动画画面的每帧曝光时间不能比1/30秒更长，否则无法拍摄到每秒30帧画面。那么在比较暗的摄像条件下，1/30这样的最低快门速度往往曝光严重不足，因此需要开大光圈或提高ISO感光度来解决，但是由于成本和体积的问题，摄像机采用的感光芯片都比数码相机小多了，因此提高ISO感度性能的急切度远远高于数码相机，因为数码相机并没有最低快门速度1/30的限制，曝光不足的时候，人们完全可以延长曝光时间到几秒十几秒甚至用B门拍摄夜景，因为静止照片只重视按下快门一刻的，长时间曝光只要用三脚架固定相机，理论上你能用任何快门速度来曝光。　　2。摄像机与照相机的感光芯片的面积差异　　前面已经提到，数码相机的感光芯片面积通常大于摄像机，而且单反相机的像素开口率大于摄像机的2-10多倍，像素开口率与ISO感度成正比的，具体比较的话，上述索尼摄像机的CMOS是1/2.88英寸（成像芯片对角线4.3mm）上形成了1200万像素，而全幅单反相机的1200像素是形成在24mmx36mm大小上（成像芯片对角线为43），是摄像机CMOS的10倍。数码相机不采用背面照射方式的CCD/CMOS，已经在理论感度高于摄像机很多了，反过来说，摄像机的感度不提高问题相当严重，在解决这个问题之前，以往是用电气方式进行信号的增幅，增幅越大，对原始像质的影响也越大，容易失真。　　3。背面照射CMOS的工艺难度问题　　背面照射CMOS芯片技术被成功开发前，早就在进行研究开发了，但是由于半导体高精细加工技术和设备环境的净化度保持等问题，成品率很低，为了将像素受光面与电路配线面分开，必须一开始就在硅晶片上挖很深的井户，一个像素相当于一口井，挖得太浅将来从井底照射的光线受衰减，挖得太深了会穿孔造成整片报废，而且如果是1200万像素的话，这1200万口井必须挖成一样的深度，误差不能大于0.1微米。为了保证这样的加工水准，通常是挖到快要穿通前终止，然后将整片硅晶片（称为薄化硅晶片，大约厚度0.2-0.4mm）贴在一张比它略大的厚度0.75mm的平板硅晶片（称为支持硅晶片）上保持形状，两张合成的片子送入研磨机，对将来光线照射的薄化硅晶片进行研磨。　　研磨后的每个像素的井底不能有一处穿通，但同时又仅有几十甚至十几纳米厚（1毫米=1000微米，1微米=1000纳米），这样的高精度加工技术难度是与井户口径和整个芯片面积有关的，井户口径越大或芯片面积越大，要保证整个加工的几十道工序的加工过程中每口井都不穿通，又具有同样的深度难度就越高，成品率是与加工面积成反比的，结论就是现在背面照射CMOS只能生产出像1/2.88英寸这样的小芯片，单反数码不要说全幅或APS-C尺寸，就是袖珍数码稍微大些的那些英寸数的芯片目前都还无法进行量产化制造（没有达到商品化水准）。　　综上所述，微细化和降低成本依然是今后半导体发展的主要方向，日本在这方面曾经领先世界，今后还将继续不断在新技术的开发上领先世界，但由于人件费的问题，制造将依然不断增辑海外生产的据点，因此海外日系台韩工厂将是主要市场。　　——东京博士 2009年6月6日

回复[1]: 蓝色海洋 (2009-06-08 09:11:13)

　　读东博兄的文章总是能学到许多有益的知识。前些日子电脑发生了故障，忍痛和东洋镜分居了那么长时间。今天上镜，发现来了许多新的镜友，欣喜！

　　东博兄前日买的尼康D90使得一定很顺心吧，那么好的相机才花了10万日元！下次更新相机一定拜托东博兄代买。

回复[2]: 老赵 (2009-06-08 22:39:28)

　　东博简直活的太明白了

　　别蒙我，您是自个修的

　　菜是自己种自己炒得

　　相机就不说了

　　日语又那么专业，简直。。。太简直了

　　无所不能啊

　　呵呵

　　

　　真的太羡慕了

　　真怀疑东博专业到底是干啥的

　　汗。。。。。。。前一段在小春还看到老人在说东博呢

　　呵呵

　　

　　传说东博日语是在国内突飞猛进的。真的假的

　　

回复[3]: 东京博士 (2009-06-08 23:56:19)

　　咱条件差，不能跟那些科班出身的比，啥都得无师自通，虽然有很多还不是很通，你听到的最后一句传说的确是真的。

　　明天俺还得给今年新入社的40多个小日本社员讲一天的课，得早些睡了。前年新卒里有3个中国留学生，去年今年都是100%的日本人，看来留学生就职很不妙啊。。。。。。。

回复[4]: 老赵 (2009-06-09 00:16:57)

　　呵呵

　　那次我还帮东博说了半天

　　最后结论就是

　　跟不明白的人说什么都是不明白的

　　呵呵，那些银比我还愤青

　　汗。。。。。。。。。呵呵

　　这儿常发言的情商智商双高的，东博算一个长虫算一个

　　科长貌似。。。。

　　汗。。。。。。。。。。无知之人，随口胡说，呵呵

　　

　　

　　

回复[5]: 老赵 (2009-06-12 02:58:30)

　　删了

　　呵呵

　　