背照式CMOS图像传感器分析

提到背照式CMOS，相信很多朋友首先会联想到智能手机等小型影像记录设备。现在主流的手机的摄像头均采用了背照式和堆栈式两种类型的传感器。

想要弄清楚背照式中“背”的含义，就必须要先了解传统CMOS——前照式（FrontSide Illumination，缩写为FSI）的结构。

前照式CMOS

CMOS是一个多层结构。在传统FSI结构中，自上至下依次为微透镜（Micro-lens）、彩色滤光镜（Color Filter）、电路层（Wiring Layers）和光电二极管（Photodiodes）。

不难发现：CMOS总面积 ≈ 光电二极管有效面积 + 电路层有效面积，光电二极管和配套电路需要争抢感光元件上有限的空间。

电路占据的面积大，光电二极管占据的面积就小，CMOS实际收集的光线就少。对于智能手机、便携数码相机等小型影像记录设备来说，这就意味着成像质量难以提升，最集中表现就是高ISO拍摄时的噪点大、杂讯多。

那么，能否减少电路面积呢？首先，现代CMOS普遍采用集成模数转换电路（ADC）的做法，1列光电二极管对应1个ADC和1套放大电路。想要提升像素数量、提高读取速度就必须增加配套电路。

传统的CMOS “前照式”结构，当光线射入像素，经过了片上透镜和彩色滤光片后，先通过金属排线层，最后光线才被光电二极管接收。

大家都知道金属是不透光的，而且还会反光。所以，在金属排线这层光线就会被部分阻挡和反射掉，光电二极管吸收的光线能就只有刚进来的时候的70％或更少；而且这反射还有可能串扰旁边的像素，导致颜色失真。（目前中低档的CMOS排线层所用金属是比较廉价的铝（Al），铝对整个可见光波段（380～780nm）基本保持90％左右的反射率。）

这样一来，“背照式”CMOS就应运而出了，其金属排线层和光电二极管的位置和“前照式”正好颠倒，光线几乎没有阻挡和干扰地就下到光电二极管，光线利用率极高，所以背照式CMOS传感器能更好的利用照射入的光线，在低照度环境下成像质量也就更好了。

背照式CMOS

背照式CMOS英文为Back-Illuminated CMOS，缩写为BI CMOS；或BackSide Illumination CMOS，缩写为BSI CMOS。在背照式BSI结构中，光电二极管和电路层的位置发生了调换，自上至下依次为微透镜（Micro-lens）、彩色滤光镜（Color Filter）、光电二极管（Photodiodes）和电路层（Wiring Layers）。

这带来了两个好处：

1.光电二极管可以接收到更多光线（开口率更大），使CMOS具有更高灵敏度和信噪比，改善高ISO下的成像质量。

2.配套电路无需再和光电二极管争抢面积，更大规模的电路有助于提高速度，实现超高速连拍、超高清短片拍摄等功能。

由于光电二极管层上移、卡口率更大，BSI CMOS可以更充分地吸收大角度入射光线。在使用传统CMOS的A7R上，索尼通过微透镜优化提升边缘质量（芯片位置匹配技术）；而在使用BSI CMOS的A7R II上，索尼就不需要再做特殊优化——当然，如果加上微透镜优化自然是极好的，但改善幅度不会有传统CMOS来的明显。

当然，任何事物都有两面性，背照式CMOS也不例外。由于电路层变得密度更高，电路和电路之间不可避免地会产生干扰。其结果就是低感光度下的信噪比可能会有所下降。

相比起普通的传感器，搭载背照式传感器的摄像头能够在弱光环境下，提高约30%—50%的感光能力，能够在弱光下拍摄更高的质量的照片。

背照式CMOS的重要发展历程

990年代，背照式概念被提出，但由于生产加工要求很高，因此无法实现量产化。

2007年，OmniVision对外展示了BSI CMOS样品。

2009年2月，索尼实现BSI CMOS量产化并注册了Exmor R商标。首批搭载Exmor R CMOS的产品包括索尼HDR-XR520、HDR-XR500摄像机（2009-2），索尼DSC-WX1、DSC-TX1便携数码相机（2009-9），索尼爱立信Cyber-shot S006拍照手机（2010-10）。

2011年10月，苹果iPhone 4S的主摄像头搭载了索尼生产的BSI CMOS。

2013年6月，索尼推出搭载1英寸约2020万像素BSI CMOS的数码相机RX100 II。

2015年6月，索尼推出搭载搭载35mm全画幅约4240万像素BSI CMOS的无反相机A7RII。

背照式CMO的特点

新型背照式CMOS传感器得益于电子器件的制作工艺升级，至少在两个方面有提升。

第一个是在传感器上的微透镜性能更为提升，以致经过微透镜后的光，入射到感光面上的角度更接近垂直，而且微透镜产生的色散，眩光等不良效果会减弱，让最终到达传感器感光面的光较传统的好。

第二就是在大像素下依旧具有高速的处理能力，这一点归根到底是对比CCD传感器而言的。CCD传感器是需要将各像素点的电荷数据传输出来统一处理，所以在像素大的时候速度比较难提高，如果强行提高处理的带宽就会造成噪点的增加。而CMOS传感器在每一个像素点上都已经将电荷转化成了电压数据，在提高大像素帧率上有比较大的空间。

不过这两个优点并非被照式CMOS传感器特有，是当今新款的CMOS传感器普遍都能做到的，这就是为什么越来越多数码相机采用CMOS传感器了，毕竟大像素和高速的性能会直接影响最终消费者的选择。

用上背照式CMOS传感器画质就会好了吗？

既然背照式CMOS传感器这么厉害，是不是说配备了了它的数码相机拍照就很牛了呢？其实不是，决定数码照片的画质除了核心部件传感器外，还有镜头以及处理算法等因素。镜头的因素大家应该都容易理解，因为光线到达传感器之前是要通过镜头。而各型号的相机使用的镜头不尽相同，具体的质素也当然会有差异。

另外一个就是数据处理的方面，因为从传感器出来的数据还是要经过数码相机内部的处理器来进行处理才能得到最终的照片数据（能输出RAW格式的相机除外），换句话说就是有了原始材料，还需要做润色才能出成品。这部分就要看各个厂家的图像处理算法了，这就好比不同厨师会用的烹调方法来处理食材一样，最终的图片就会用不同的质量，不同的风格。

对比装备了背照式CMOS传感器的相机和其他相机的各档位ISO画质，大体的结论是在低ISO的时候，两者相差不大，但在高ISO时候的确有一定的提升。另外值得提及的一点就是，装备了背照式CMOS传感器的相机在低光环境的对焦能力大大加强，这是一个非常重要的提升。

另外，背照式如果要用在单反上，必须等坏点率进一步降低才行。单反的cmos多大？小卡片机的cmos才有多大？如果采用背照式的技术，单反cmos的良品率必然大大下降。成本可是谁也承担不起的。

堆栈式CMOS

堆叠式CMOS最先出现在索尼推出的移动终端用CMOS上。堆叠式出现的初衷其实不是为了减少整个镜头模组的体积，这个只是其附带好处而已。

CMOS的制作和CPU的制作类似，需要特殊的光刻机对硅晶圆进行蚀刻，形成像素区域（Pixel Section）和处理回路区域（Circuit Section）。像素区域就是种植像素的地方，而处理回路顾名思义，就是管理这一群像素的电路。

为了提高像素集合光的效率，需要引入光波导管。光波导管的干刻过程中，硅晶圆和像素区域会有损伤，此时则要进行一个叫做“退火（annealing process）”的热处理步骤，让硅晶圆和像素区域从损伤中恢复回来，这时候需要将整块CMOS加热。好了，问题来了，这么一热，同在一块晶圆上的处理回路肯定有一定的损伤了，原先已经“打造”好了的电容电阻值，经过退火后肯定改变了，这种损伤必定会对电信号读出有一定影响。

还有一个问题，索尼目前建有的移动终端用CMOS的制程是65纳米干刻，这个65纳米的工艺对于CMOS的像素区域的“种植”是完全足够的。但是处理回路区域的“打造”，65纳米是不够的，如果能有30纳米（实际提升至45nm制程）的工艺去打造电路，那么处理回路上的晶体管数量就几乎翻番，其对像素区域的“调教”也就会有质的飞跃，画质肯定相应变好。但因为是在同一块晶圆上制作，像素和回路区域需要在同一个制程下制作。

如此鱼和熊掌不可兼得的事情，假如解决了多好！于是索尼的工程师打起了晶圆的基板的主意。

先来看这张结构图。原来处理回路是和像素区域在同一块晶圆上打造的。

那么不妨把处理回路放到其它地方去。首先利用SOI和基板的热传导系数差异，通过加热将两者分开。像素区域放到65纳米制程的机器上做，处理回路则放到制程更高（45nm）的机器上做。然后在拼在一起，堆栈式CMOS也就这样诞生了。

上边遇到的两个问题：①像素“退火”时回路区域躺着中枪；②在同一块晶圆上制作时的制程限制；均迎刃而解了。

堆叠式不仅继承了背照式的优点（像素区域依然是背照式），还克服了其在制作上的限制与缺陷。由于处理回路的改善和进步，摄像头也将能提供更多的功能，比如说硬件HDR，慢动作拍摄等等。

像素与处理回路分家的同时，摄像头的体积也会变得更小，但功能和性能却不减，反而更佳。像素区域（CMOS的尺寸）可以相应地增大，用来种植更多或者更大的像素。处理回路也会的到相应的优化。

堆栈式CMOS使用有信号处理电路的芯片代替感光组件的电路部分及支持基板，使得设备有极大的空间，在此形成更多的像素部分，同时采用堆栈的方式使像素部分和电路芯片重叠，堆栈的两层相互依赖,像素层与模拟逻辑芯片无需再互抢所占空间,两者相互独立，可单独提高像素质量及电路性能。

堆栈式CMOS的优点

堆栈式传感器是由背照式所发展而成的，背照式传感器是将感光层的光电二极管的位置换了一下，而堆栈式传感器则是把信号回路位置互换。而且，堆栈式传感器比背照式的的体积更加小，画质方面也是作了更加好的优化。

除此之外，堆栈式传感器相比起背照式的还拥有两项技术来提升画质的。

第一个就是堆栈式传感器加入了RGBW的编码技术，就是是由原来的R（红），G（绿），B（蓝）三原色像素点中再加入W（白）像素点来提升画质，提高传感器的感光能力的，使摄像头在暗光环境下也能够拍摄出质量更高的照片。

第二项就是堆栈式传感器更加是支持硬件HDR功能，硬件HDR英文名称叫做“In-camera HDR”，它实现的原理是能够精确地单独控制每一行像素的曝光时间，从而在传感器层面上就实现原生的高动态范围渲染，有别于之前的软件HDR技术一样需要软件，照相机综合算法来合成，所以照片生成的速度更快，而且可以实现HDR录像。

从以上的介绍可以看出，堆栈式传感器是从背照式传感器进化提升而来的产品，也是由背照式的基础上发展而来的，堆栈式传感器吸取了背照式的优势地方，再弥补了其劣势的地方，进行了更加全面的优化升级。除此之外，堆栈式传感器还可以兼顾背照式结构的设计，使到摄像头的拍摄画质有了很大的提高。

所以到现在，越来越多的手机生产厂商推出的手机的摄像头采用了堆栈式传感器，凭借更优秀的表现，堆栈式传感器将会成为日后手机摄像头的主流。