索尼最新的传感器及其背后的技术

在成像和传感领域，索尼提供了一系列前沿产品，例如具有AI处理功能的智能视觉传感器，可用于AR / MR的ToF图像传感器以及对实现自动驾驶至关重要的汽车图像传感器。这些产品背后的独特技术均为世界首创，其中包括背照式CMOS图像传感器，堆叠式CMOS图像传感器以及Cu-Cu直接键合。下面，我们请有关人员向我们介绍这些产品和技术的更多信息，并让我们了解它们如何被开发。

索尼最新的图像传感器

问：请介绍一些智能视觉传感器。

Ryoji Eki：这是世界上第一款具有AI处理功能的图像传感器，于2020年5月发布。它实现了高速边缘AI处理。像素芯片是背照式的，逻辑芯片除了具有传统的图像传感器操作电路外，还具有许多功能，例如索尼最初的DSP（数字信号处理器）和用于存储用户选择的AI模型的存储器。这种配置允许单个图像传感器无需高性能处理器和外部存储器即可处理从图像捕获到AI处理的所有内容。

问：它们的优点和用途是什么？

Eki：仅提取必要的数据可以减少数据传输延迟和相机功耗，并解决使用云服务时的隐私问题。这些图像传感器减少的数据使用量也将有助于降低云服务器的功耗。可以使用最新的AI模型重写和更新AI模型，以匹配各种系统环境和条件。这些图像传感器除了使具有AI功能的微型相机的开发成为可能之外，还有望实现零售和工业设备行业的各种应用，并与云计算相结合，将有助于实现最佳系统。

问：是什么让Sony开发出了世界上第一个具有AI处理功能的图像传感器？

Eki：最大的原因是，当我们开始计划时，索尼已经为开发奠定了基础。除了开发系统LSI的专业知识外，Sony还拥有其他必要的技术，例如背照式CMOS图像传感器，堆叠式CMOS图像传感器和Cu-Cu直接键合，可实现高质量的图像捕获和多种同时功能。索尼半导体在以色列的一个团队也正在研究专门用于AI的处理器的核心技术，目前的DSP最初计划是在2017年制定的。但是，当时很少使用AI的产品，目前尚不清楚预期有哪些功能。此外，我们对AI模型的研究也在飞速发展，因此有必要采用AI处理规范，该规范将在商业化后的几年中继续发挥作用。在我们能够完成智能图像传感器之前，我们不得不一遍又一遍地修改原始的DSP计划。

ToF图像传感器

问：请简要介绍一下ToF图像传感器。

Yohtaro Yasu：使用ToF（飞行时间）图像传感器，可以通过测量发射的光脉冲反射并返回到传感器表面所需的时间来获取深度信息。ToF有多种类型，我们专注于开发间接ToF（iToF），该方法通过测量返回光在被目标物体反射后的相位延迟来工作。为了实现此传感器，我们通过结合使用Sony深度感测解决方案IP的CAPD技术和Sony的背照式CMOS图像传感器技术，开发了一种新的背照式CAPD（电流辅助光子解调器）。

问：背照式CAPD的优势和应用是什么？

Yasu：该设计充分利用了背照式结构，它可以将光有效地转换为电子，从而可以在50皮秒以下的时间进内行检测，并大大提高了距离分辨率。它可以实现3D相机模块的小型化，并通过实时获取高分辨率3D深度信息为AR和VR做出贡献。它可用于智能手机中的面部识别，AR和VR相关的功能以及自动驾驶机器人和无人机。

从左上方顺时针方向：（1）单色输出，（2）深度热图，（3）点云显示，（4）3D显示

问：Sony Depthsensing Solutions与Sony Semiconductor Solutions之间的合作获得了什么？

Yasu：索尼深度传感解决方案公司从事iToF研发已经很多年了，并且拥有大量的专业知识。背光CAPD的开发揭示了与索尼的设备和电路技术的协同作用。索尼深度感测解决方案当时是一家新兴公司，只有少数熟练的成员参与了开发。在我们开始合作之后，企业文化的差异使我们感到困惑。通过缩小索尼半导体解决方案团队的规模，要求每个成员承担更多责任，我们能够在吸收这种陌生文化的同时实现快速发展。在开发过程中，我们遇到了以前从未遇到过的问题，包括在评估过程中芯片破裂，但我们相互合作并把它们完成了。除了图像传感器之外，比利时和日本两家公司之间的这种合作也有助于确保iToF业务的安全。我们开发了诸如软件的系统，可以生成平滑的深度图像，小型模块设计和高效的激光驱动器。

用于智能手机的ToF摄像头模块

汽车图像传感器

问：请介绍一些有关汽车图像传感器的信息。

Noritaka Ikeda：这些图像传感器用于自动驾驶（AD）和高级驾驶员辅助系统（ADAS）的感应和观察相机。除了高分辨率和高灵敏度之外，HDR（高动态范围），LFM（减轻LED闪烁）和安全性能也很重要。

即使在光线变化剧烈的情况下，例如进入或退出隧道时，它们也可以同时捕获高质量的图像和闪烁的LED显示屏。图像传感器使用的技术可确保足够长的曝光时间来捕获LED，同时防止由明亮的物体引起的像素饱和，以及独特的像素结构和曝光方法可同时实现HDR和LFM功能。此外，我们的产品符合AEC-Q100汽车电子组件可靠性测试的要求。我们还满足汽车功能安全要求所需的设计质量，已经引入了符合ISO26262汽车功能安全标准的开发流程，并遵守功能安全要求等级ASIL进行故障检测和通知，

问：直到最近，索尼还主要从事移动设备和安全摄像机的图像传感器的处理。索尼汽车图像传感器的优势是什么？

池田：索尼多年来在日本的生产基地积累了专业知识，并设法实现了高灵敏度和低噪音的图像传感器。这些关键功能对汽车图像传感器也非常重要。例如，由于夏季汽车内外温度很高，因此汽车图像传感器需要在很宽的温度条件下工作。目前的上限是125℃左右。通常，温度越高，图像传感器产生的噪点就越多，但是Sony的图像传感器即使在高温下也能够以很少的噪声捕获图像。它们还具有很高的灵敏度，并且能够在漆黑的黑暗中接载行人，即使打开灯，驾驶员的肉眼也看不见行人。此外，索尼的堆叠式CMOS图像传感器技术有助于进一步区分。它们允许图像传感器具有复杂且相对较大的电路，同时具有HDR和LFM功能。我们相信，将来，通过将AI功能集成到其中，将有可能处理驾驶时拍摄的大量图像并仅传输必要的数据。

──进入汽车行业有什么困难？

池田：对我们来说最困难的是处理确保安全所需的质量。在汽车工业中，有许多与产品开发过程相关的国际标准，这些标准也必须与产品一起根据行业标准进行完善。利用在开发过程中收集到的证据，证明了该过程的有效性，旨在建立稳固的地位，使其成为行业中可靠的供应商，同时接受客户的评估和审核。最初，我们对与电子产品相比的差异和汽车行业的独特文化一无所知，但我们通过阅读标准和参加研讨会来学习，同时一直在努力改进。特别是，需要花费大量时间和精力来考虑如何将在车辆级别上定义的想法应用于图像传感器级别。为了确保车辆安全，图像传感器将变得越来越重要。我们将加倍努力，以开发我们的图像传感器，为实现一个安全的社会做出贡献。

附加：SWIR图像传感器

SWIR代表“短波长红外”。代替传统的基于硅（Si）的光电二极管，基于化合物半导体砷化铟镓（InGaAs）的光电二极管可捕获长波长光。但是，由于难以在化合物半导体上形成集成电路，因此将单独的Si层用于读取光电二极管信号的电路。一项名为“ SenSWIR”的独特技术通过Cu-Cu直接键合连接这些不同的半导体，从而实现了Sony的创新SWIR图像传感器。通过减薄阻挡可见光的磷化铟（InP）基板，SWIR图像传感器能够以高灵敏度捕获从可见光到短波红外的各种波长。

应用：

SWIR图像传感器用于材料选择，污染检查，半导体检查等。在下面的苹果图片中，您可以看到可见光中的表面信息和短波长红外光中的地下信息。

索尼图像传感器背后的技术

问：请简要介绍一下背照式CMOS图像传感器。

Tetsuji Yamaguchi：这是一种CMOS图像传感器，具有独特的结构，可以区分布线层和光入射表面。在常规的前照式CMOS图像传感器中，存在将光入射表面上的各种元件连接的布线。这样，像素越细，由于布线阻挡光到达光电二极管基板而导致的灵敏度降低越大。为了解决这个问题，我们开发了用于翻转光电二极管基板的基板键合技术，用于控制基板厚度的高精度研磨技术以及在研磨过程中抑制噪音的技术。这使我们成为世界上第一个将背照式CMOS图像传感器商业化的公司。

左：前照明结构/右：后照明结构

问：它们的优点和用途是什么？

Yamaguchi：更高的灵敏度和更好的布线布局可改善图像质量并允许高速记录。像素越细，传感器芯片的尺寸就越小，进而产品的尺寸也越小。它用于数码相机，可换镜头数码相机和智能手机。最近，该结构已经被用于ToF（飞行时间）图像传感器，并且已经成为CMOS图像传感器的标准结构。

问：背照式CMOS图像传感器的发展具有什么划时代的意义？

Yamaguchi：在开发期间，基于在相机上进行高分辨率图像捕获和视频拍摄的趋势，与CCD相比，能够实现更低功耗和更快记录速度的CMOS图像传感器有望普及。尽管对于某些应用正在发生从CCD到CMOS图像传感器的过渡，但是前照式CMOS图像传感器的图像质量仍有改进的空间，并且过渡本身带来了许多问题。可以说，开发可实现高图像质量的背照式结构加快了向CMOS图像传感器的过渡。

在工业上，从技术角度来看，背照式被认为是理想的但难以实现的结构。您可能想知道为什么索尼是第一个开发它的人，但是我认为关键在于技术的集成，包括最新技术和我们在CCD中建立的技术。

例如，在开发多种处理技术和设备结构时，我们在游戏领域培育的LSI采用了先进的处理技术。背照式结构与堆叠结构非常匹配，并且能够适应技术进步。结合在智能手机上拍摄高质量照片的趋势不断增长，它变得非常受欢迎。现在，自其首次商业化以来已经过去了十多年，并且仍被广泛用于各种应用中。

问：请简要介绍一下堆叠式CMOS图像传感器。

Taku Umebayashi：堆叠的CMOS图像传感器使用电路芯片，并且在像素芯片和电路芯片之间具有数千个电子连接，而不是通常需要使用背照式CMOS图像传感器来确保机械强度的支撑基板。这项世界领先的技术将先前放置在同一硅芯片上的像素和电路部分重新排列为两个单独的层。由于这种结构，最佳的制造工艺可以用于分离的像素和电路层，而高容量逻辑电路可以安装在较小的区域中。

左：传统的背照式CMOS图像传感器/右：新开发的堆叠式CMOS图像传感器

问：此技术的用途是什么？

Umebayashi：由于体积小和功能强大，它最初在智能手机相机中使用，因为它能够在强背光下捕获清晰的照片。后来，它成为用于不同类型传感器的平台技术，带来了多种好处，包括更高的速度，更低的功耗，扩展的功能，更低的成本和更高的生产率。

问：您在开发过程中遇到什么问题？

Umebayashi：在计划项目时有两个主要问题。一个问题是如何堆叠像素部分和电路部分。由于开发的目标是生产可为移动设备上的相机量产的图像传感器，因此我得出结论，晶圆对晶圆键合技术是唯一的解决方案。我们的技术还处于早期阶段，但是我确信这是几种方法中最好的。

另一个问题与如何最好地在两个不同层上的像素芯片和电路芯片之间建立电子连接有关。我认为铜-铜直接键合非常难以控制，因此决定采用TSV（直通硅通孔）方法，该方法使我们在硅基板上开孔并使用电极进行连接。

在背照式结构中，在晶圆对晶圆的键合工艺之后，上层的像素芯片被减薄至约10μm的厚度，是通常厚度的五分之一。这样可以最小化触点的深度和直径，将它们缩小到原始尺寸的五分之一。

反过来，这使大量的TSV连接成为可能。后来，我们验证了在晶圆对晶圆键合之前，有必要使下层的电路图形超平整，并且堆叠成功用了大约两年的时间。创建原型意味着要设定最后期限，而加工利润不足导致了艰苦的斗争。经过流程开发团队的努力，我们终于克服了这些困难之后，

问：请介绍一下Cu-Cu定向键合

Yoshihisa Kagawa：这项技术在堆叠的CMOS图像传感器的下部电路芯片和上部像素芯片中增加了Cu连接焊盘，以同时建立物理和电气连接。由于Cu-Cu直接键合是在硅片生产过程中进行的，因此需要超平坦的硅片表面和高精度的硅片 键合。索尼开发了原始的制造工艺来克服这些问题，并成为世界上第一个推出该技术的公司。

问：有什么优点和用途？

Kagawa：缩小Cu连接焊盘的尺寸可实现更小的芯片尺寸和更高密度的连接，同时实现更高的生产率和功能。由于我们可以一次堆叠数量惊人的芯片，因此它比常规的芯片级堆叠制造工艺更快，更便宜。它主要用于智能手机中使用的堆叠式图像传感器，有助于芯片的小型化和更高的功能。

问：为什么铜铜定向键会有所不同？

Kagawa：采用传统的叠层技术，TSV（硅通孔），使用垂直穿透半导体芯片的电极。由于这种穿透，它们不能位于像素区域中，因此需要专用空间。相反，Cu-Cu直接键合不会渗透，因此不需要此类空间，从而比TSV方法具有更好的性能并降低了成本。这是一段艰难的旅程，但索尼成为世界上第一个实现批量生产的公司。在2019年，索尼为此获得了Okochi Memorial Foundation的第65届Okochi Memorial制作奖。这项技术不仅对图像传感器有用，而且通常也可作为LSI的3D堆叠技术使用。将来有望开发出功能更高，性能更高的3D-LSI。