探问索尼 揭开Exmor R技术背后的秘密

日媒拜访索尼研发：欲揭背照式CMOS迷团

    泡泡网数码相机频道9月27日 索尼的Exmor R CMOS 是去年以来第二种投入大规模商业应用的新概念影像传感器，而且和稍早搭载在F200EXR上投入市场的Super CCD EXR传感器相比，Exmor R CMOS无疑在硬件层面作出的改动幅度更大，更冒险——有一点毫无疑问，为了打破传统影像传感器造成“画幅”决定“画质”的现有局面，为了让高成像质量，高性能，但体积小巧便携，价格低廉的消费型数码相机能真正走入寻常人家。两个敢于冒险应用新型传感器的厂商都是值得尊敬的！

    附：本文系翻译整理自国外专业媒体，不代表本站观点，仅供国内感兴趣的读者参考。

Exmor R 传感器因为其革命性的极富前途的新结构，而成为当前数码影
像核心技术层面上最耀眼的明星，其实际性能潜力也引起了广泛关注

    此前，通过相对售价平易近人的F200EXR和F75EXR，前卫的消费人群已经对EXR技术有了相当的了解。相比之下，在TX1和WX1近期面市之前，仅在高级消费DV上出现过Exmor R 背照射式CMOS依然显得有些“玄妙”，人们并不确知它能给实际应用带来多大的好处，也不知道为了这项新技术出现在批量生产的相机上，工程师将面临怎样的挑战！带着这些问题，日本媒体于前不久采访了索尼半导体及影像传感器的相关研发部门，希望能够在那里获得一些线索！

    接受日本媒体采访的索尼官员包括半导体事业部产品部总经理宏道松井，和半导体部门研发部副主任平山郁夫两位先生。而记者们首先提出的问题，就是希望索尼透露一下这块“背照射式CMOS传感器”的研发细节：

    平山郁夫（以下简称平山）：（关于开发Exmor R技术既背面照射式CMOS技术的初衷）：CMOS由于自带了放大电路和数模转化电路，所以光电二极管表面的线路链接层往往多达2层甚至3层，这就使其光电2级管距离色彩滤镜更远（与CCD相比），而且这些线路连接层还会阻塞从色彩滤镜到达光电二极管的光路。因此，在实际应用中，现有CMOS传感器的灵敏度甚至弱于以往的CCD系统。此次，开发背面照射式CMOS技术的目的就是从硬件结构层面上彻底解决这个问题。

来自索尼研发部门的平山先生和松井先生

    日媒：能否透露一下背面照射式（Exmor R CMOS）的结构特征

    平山：和现有CMOS传感器相比，Exmor R CMOS的光电二极管（光线的接受端）和（传感器芯片上的)线路连接层的位置完全被颠倒过来。形成光电二极管在上，线路层在下的布局。这样，在拍摄时，光线通过芯片表面的色彩滤镜，微透镜后到达CMOS传感器的路线就大大缩短。而且，不再受到以往覆盖在光电二极管表面的各种线路连接层的遮挡和干扰。入射光线的利用率就大大的提升了。这样，我们就能够充分的发扬CMOS半导体材料在信噪比方面（理论上）的优势。

早已用于天文摄影等领域：Exmor R的研发史

    日媒：很多年前，这个概念就已经为人们所了解，为什么这项技术现在才得以实现？

    平山：Exmor R CMOS所使用的“背照射技术”（back irradiation）作为一个影像传感器领域的概念，提出已经20年了。此前，这项技术仅被用于科学研究/工业生产方面的精确测量和科研级的天文拍摄（专用的天文摄影CCD或CMOS），因为“背照射技术”能够带来不可思议的特性，捕获到更多的图像信息。但是，很多年以来，这种技术无法投入大批量生产——因为，其工作温度难以控制，需要专门的冷却装置来使其稳定工作——否则过热反而会引入更多的噪音。现在，我们通过工艺和技术的改良，使该技术能够应用在普通的环境下，并投入大规模的商业生产，可以说是使其发展到一个全新的阶段。

    日媒：为什么背照射式CMOS有可能引入更多噪声，并如此难于大批量制造？

    平山：如我们所知，CCD和CMOS传感器，部件使用不同的材料，分层排布:用单晶硅制作衬底（这些单晶硅就是光电二极管,衬底就是感知光线的层），在其表面上则是氧化法获得的二氧化硅线路连接层（绝缘层），在绝缘层上（使用蒸镀的方法）装上多晶硅或金属组成的电级——各种硅（单晶硅，多晶硅，硅的氧化物，金属）按传统的科学的顺序分层排列（就可以最大程度的减少噪声，而此时，光电二级管就不得不被安排在整个传感器芯片的最底下）如果这个顺序被打乱，噪声就会产生。

    平山：如果受光的表面和（上文提到的传感器内）不同层的交越面在同一个方向（不同材料层的交越面就是噪声产生的源头），那么噪声的控制相对还好处理一些。而对于“背照射式”传感器来说，受光表面和不同材料层的交越面在两个方向上（线路连接层，绝缘层都在另一侧），这就使控制噪声的工作变得更复杂！

    平山：最后，是一个材料机械强度的问题：我们知道CCD和CMOS都是在一个晶圆上刻制完成的。以外传统的CCD和CMOS，我们在一块700微米厚（0.7mm）的硅晶圆上制作这个芯片。现在，背照射式CMOS，要求我们在整个厚度只有8个微米的单晶硅晶圆上制作芯片，这个难度在当初是不可想象的。简单一句话，现在，我们能够克服“背照射式”CMOS自身的特性和工艺上的难点，使之投入普通环境下的大规模商业应用，已经是完成了一个相当艰巨的工作。

    日媒: 那么，是怎样做到把（不同材料层的排列）颠倒过来的

    平山：……（重复已经介绍过的CCD和CMOS片上层的分布），总之，在“背照射式”传感器上，我们把这些线路连接层都放到了和传感器受光面相反的另外一侧，而微透镜和色彩滤镜布置在受光面的一侧。

下图，早期的固态影像传感器的封装，可以看到分层处理硅晶圆的效果

    日媒: 那么你们已经把硅原有的排列顺序破坏了？

    平山：似乎是这样。

    日媒: 那么现在，是否会因此产生噪声呢？

    平山：（材料的厚度）它从750微米减小到3微米，进行正面的加工，需要非常严谨的控制……当变薄以后，噪声源（材料层级间交越面）就得到了最大程度的抑制。

    接下来，日媒围绕关于Exmor R CMOS艰苦的研发过程进行了一些提问，譬如“在很薄的材料上加工是否会容易造成材料损失”，“研发的历史”，“研发过程中来自内部的阻力”等等。平山先生和松井先生都一一作答，他们提到Exmor R CMOS的研发计划始于2003年，最初平山先生们尝试背照射式CMOS技术时，遇到了很大的阻力，包括来自内部保守人士的反对和资金上的限制。平山提到，索尼是一个有趣的公司，人们都在期待新技术的出现，但却提供和平时一样的资金。

关于CCD上应用背面照射技术的问题：

    接下来，日媒询问了未来在CCD上使用背面照射技术的一些问题：关于“传感器灵敏度提升的程度”，“光电转换的效率”，“噪音的控制”，“在小尺寸传感器条件下的应用效果”等等。

TX1拆解后，注意传感器的大小比例

    平山和松井先生的回答大体如下：和传统的表面照射型传感器相比，灵敏度总的来说是增加了2倍：可见光的转换效率是原来的2倍，这意味着6dB的信噪比的提升，再加上2dB的噪声被抑制了，所以总的来看，“背面照射技术”使信噪比提升了8dB。

    当被问及是否因为，可见光的接受量的提升，而引起信噪比的提升时，平山先生讲到，即使是在全黑环境下，该传感器的噪声抑制水平也比传统表面照射型更好！

    平山先生表示，尽管细节不方便透露，但是目前背照射式CMOS/CCD技术相对表面照射型的影像传感器在噪声抑制方面的性能提升是普遍意义上的。

    平山先生还提到，由于较快的处理速度，使用CMOS能使拍摄的速率（帧数）提高。如果在高速的高清视频拍摄时，采用CCD，能耗等问题会变成巨大的困难。我们现在在高清视频摄像机上使用这种Exmor R 背面照射型CMOS，这样就获得了60fps的高清视频短片的拍摄帧数。但是，仍然有必要重视CCD所带来的较高的画面质量。因为，在传统的表面照射型CCD和CMOS之间比较，就灵敏度这方面看，CCD就是绝对有优势的。

自由布线使未来DC或者DV的拍摄帧数会有可预期的大幅提高

    在关于CCD应用的方面，松井和平山先生，似乎在回答媒体的提问时，似乎有一些分歧。松井先生认为，使用CMOS不仅仅是考虑到节能和提高拍摄速度（高速摄影和摄像），从行业的整体讲，未来CMOS代替CCD是大势所趋。而且依靠现有的背面照射型CMOS（已经能够获得较好的画质）不一定需要把背面照射的设计理念延伸到CCD上。

关于背面照射技术的CMOS应用在DSLR上的问题

    最后，日本媒体的记者们把话题逐步引向了Exmor R CMOS和背照射传感器技术应用到DSLR领域，这一话题。有关的问题包括：

• 背照式传感器使布线可以自由进行后，是否能显著提高CMOS传感器的性能？如更快的拍摄速度，更好的动态范围表现等等？
• 背照射式是否会很快取代表面照射式CMOS和CCD？
• 表面照射型CMOS是否有明显的成本优势？
• 背照射式CMOS是否会很快出现在其他厂商的相机上？
• 这种传感器是否代表着CyberShot相机的未来？
• 如果将其安装在单反上，是否也会显著的改善灵敏度，噪音控制等性能等？

    平山和松井的回答：（关于第一个问题）由于设计线路连接层的时不再需要担心（遮挡）受光的光电二极管，所以传感器的线路布置变得自由度更高了，确实可以尝试通过布线的改进来提高传感器的转换和传输速度，以及色彩和动态范围方面的性能改进。

目前的Exmor R一方面一方面因为其本身都一些特性，在DC上使用似乎更合适

    松井：（新传感器）应该可以使拍摄速度更快，目前（高清摄像机）上是60fps，120fps也已经接近实用，人们认为对人眼来说最好是240fps，未来我们希望能通过Exmor R CMOS把速度提升到原来的4倍。

    松井：（第二个问题）表面照射型传感器仍有有其优点，我们在能够体现其优点的产品上使用它。我们当然可以把现有的产品都换成另一种形式。但是我们更希望根据具体的产品策略来自由的选择需要的技术，

    平山：（关于表面照射型CMOS的优势是不是指比较低的生产成本）似乎是这样的。

看起来，索尼似乎并不打算把Exmor R技术迅速扩展到单反
相机身上——或者说是比DC更大型的相机上

    松井：（第四个问题）向索尼以外的厂商兜售背面照射型CMOS，这正是我们希望的，但现在，这不是我们能够回答的问题。

    松井：（第五个问题）按照部门任务的划分，我们只是负责推动传感器的设计和制造工作的发展。或者说，当我们和对手的数码相机产品计划拥有某项功能特征时，我们能够拿出预先研发好的产品，提供给他们已获得预期的产品特质。

在传感器研发领域，索尼不断的通过新技术的
发表来证明这一与对手相比的最大优势

    未来，你也许可能看到其他厂商先于索尼推出装有其他类型新型传感器的数码相机。

    平山：（第六个问题，似乎暗示未来Exmor R CMOS不会很快出现在DSLR上）因为1/2.4英寸的这类小尺寸传感器，像素开口更小，所以背照射式技术采用后，灵敏度会有高达两倍的提升。但单反相机的传感器很大，像素开口也很大，收集可见光的能力很强。采用背照射式传感器，在灵敏度方面，不会有那么大比例的性能提升。■<