在成像和傳感領(lǐng)域，索尼提供了一系列前沿產(chǎn)品，例如具有AI處理功能的智能視覺傳感器，可用于AR / MR的ToF圖像傳感器以及對實(shí)現(xiàn)自動駕駛至關(guān)重要的汽車圖像傳感器。 這些產(chǎn)品背后的獨(dú)特技術(shù)均為世界首創(chuàng)，其中包括背照式CMOS圖像傳感器，堆疊式CMOS圖像傳感器以及Cu-Cu直接鍵合。下面，我們請有關(guān)人員向我們介紹這些產(chǎn)品和技術(shù)的更多信息，并讓我們了解它們?nèi)绾伪婚_發(fā)。

索尼最新的圖像傳感器

問：請介紹一些智能視覺傳感器。

Ryoji Eki： 這是世界上第一款具有AI處理功能的圖像傳感器，于2020年5月發(fā)布。它實(shí)現(xiàn)了高速邊緣AI處理。像素芯片是背照式的，邏輯芯片除了具有傳統(tǒng)的圖像傳感器操作電路外，還具有許多功能，例如索尼最初的DSP（數(shù)字信號處理器）和用于存儲用戶選擇的AI模型的存儲器。這種配置允許單個(gè)圖像傳感器無需高性能處理器和外部存儲器即可處理從圖像捕獲到AI處理的所有內(nèi)容。

問：它們的優(yōu)點(diǎn)和用途是什么？

Eki： 僅提取必要的數(shù)據(jù)可以減少數(shù)據(jù)傳輸延遲和相機(jī)功耗，并解決使用云服務(wù)時(shí)的隱私問題。這些圖像傳感器減少的數(shù)據(jù)使用量也將有助于降低云服務(wù)器的功耗?？梢允褂米钚碌腁I模型重寫和更新AI模型，以匹配各種系統(tǒng)環(huán)境和條件。這些圖像傳感器除了使具有AI功能的微型相機(jī)的開發(fā)成為可能之外，還有望實(shí)現(xiàn)零售和工業(yè)設(shè)備行業(yè)的各種應(yīng)用，并與云計(jì)算相結(jié)合，將有助于實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)。

問：是什么讓Sony開發(fā)出了世界上第一個(gè)具有AI處理功能的圖像傳感器？

Eki： 最大的原因是，當(dāng)我們開始計(jì)劃時(shí)，索尼已經(jīng)為開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。除了開發(fā)系統(tǒng)LSI的專業(yè)知識外，Sony還擁有其他必要的技術(shù)，例如背照式CMOS圖像傳感器，堆疊式CMOS圖像傳感器和Cu-Cu直接鍵合，可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的圖像捕獲和多種同時(shí)功能。索尼半導(dǎo)體在以色列的一個(gè)團(tuán)隊(duì)也正在研究專門用于AI的處理器的核心技術(shù)，目前的DSP最初計(jì)劃是在2017年制定的。但是，當(dāng)時(shí)很少使用AI的產(chǎn)品，目前尚不清楚預(yù)期有哪些功能。此外，我們對AI模型的研究也在飛速發(fā)展，因此有必要采用AI處理規(guī)范，該規(guī)范將在商業(yè)化后的幾年中繼續(xù)發(fā)揮作用。在我們能夠完成智能圖像傳感器之前，我們不得不一遍又一遍地修改原始的DSP計(jì)劃。

ToF圖像傳感器

問：請簡要介紹一下ToF圖像傳感器。

Yohtaro Yasu： 使用ToF（飛行時(shí)間）圖像傳感器，可以通過測量發(fā)射的光脈沖反射并返回到傳感器表面所需的時(shí)間來獲取深度信息。ToF有多種類型，我們專注于開發(fā)間接ToF（iToF），該方法通過測量返回光在被目標(biāo)物體反射后的相位延遲來工作。為了實(shí)現(xiàn)此傳感器，我們通過結(jié)合使用Sony深度感測解決方案IP的CAPD技術(shù)和Sony的背照式CMOS圖像傳感器技術(shù)，開發(fā)了一種新的背照式CAPD（電流輔助光子解調(diào)器）。

問：背照式CAPD的優(yōu)勢和應(yīng)用是什么？

Yasu： 該設(shè)計(jì)充分利用了背照式結(jié)構(gòu)，它可以將光有效地轉(zhuǎn)換為電子，從而可以在50皮秒以下的時(shí)間進(jìn)內(nèi)行檢測，并大大提高了距離分辨率。它可以實(shí)現(xiàn)3D相機(jī)模塊的小型化，并通過實(shí)時(shí)獲取高分辨率3D深度信息為AR和VR做出貢獻(xiàn)。它可用于智能手機(jī)中的面部識別，AR和VR相關(guān)的功能以及自動駕駛機(jī)器人和無人機(jī)。

問：Sony Depthsensing Solutions與Sony Semiconductor Solutions之間的合作獲得了什么？

Yasu： 索尼深度傳感解決方案公司從事iToF研發(fā)已經(jīng)很多年了，并且擁有大量的專業(yè)知識。背光CAPD的開發(fā)揭示了與索尼的設(shè)備和電路技術(shù)的協(xié)同作用。索尼深度感測解決方案當(dāng)時(shí)是一家新興公司，只有少數(shù)熟練的成員參與了開發(fā)。在我們開始合作之后，企業(yè)文化的差異使我們感到困惑。通過縮小索尼半導(dǎo)體解決方案團(tuán)隊(duì)的規(guī)模，要求每個(gè)成員承擔(dān)更多責(zé)任，我們能夠在吸收這種陌生文化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。在開發(fā)過程中，我們遇到了以前從未遇到過的問題，包括在評估過程中芯片破裂，但我們相互合作并把它們完成了。除了圖像傳感器之外，比利時(shí)和日本兩家公司之間的這種合作也有助于確保iToF業(yè)務(wù)的安全。我們開發(fā)了諸如軟件的系統(tǒng)，可以生成平滑的深度圖像，小型模塊設(shè)計(jì)和高效的激光驅(qū)動器。

汽車圖像傳感器

問：請介紹一些有關(guān)汽車圖像傳感器的信息。

Noritaka Ikeda： 這些圖像傳感器用于自動駕駛（AD）和高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）的感應(yīng)和觀察相機(jī)。除了高分辨率和高靈敏度之外，HDR（高動態(tài)范圍），LFM（減輕LED閃爍）和安全性能也很重要。

即使在光線變化劇烈的情況下，例如進(jìn)入或退出隧道時(shí)，它們也可以同時(shí)捕獲高質(zhì)量的圖像和閃爍的LED顯示屏。圖像傳感器使用的技術(shù)可確保足夠長的曝光時(shí)間來捕獲LED，同時(shí)防止由明亮的物體引起的像素飽和，以及獨(dú)特的像素結(jié)構(gòu)和曝光方法可同時(shí)實(shí)現(xiàn)HDR和LFM功能。此外，我們的產(chǎn)品符合AEC-Q100汽車電子組件可靠性測試的要求。我們還滿足汽車功能安全要求所需的設(shè)計(jì)質(zhì)量，已經(jīng)引入了符合ISO26262汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)流程，并遵守功能安全要求等級ASIL進(jìn)行故障檢測和通知，

問：直到最近，索尼還主要從事移動設(shè)備和安全攝像機(jī)的圖像傳感器的處理。索尼汽車圖像傳感器的優(yōu)勢是什么？

池田： 索尼多年來在日本的生產(chǎn)基地積累了專業(yè)知識，并設(shè)法實(shí)現(xiàn)了高靈敏度和低噪音的圖像傳感器。這些關(guān)鍵功能對汽車圖像傳感器也非常重要。例如，由于夏季汽車內(nèi)外溫度很高，因此汽車圖像傳感器需要在很寬的溫度條件下工作。目前的上限是125℃左右。通常，溫度越高，圖像傳感器產(chǎn)生的噪點(diǎn)就越多，但是Sony的圖像傳感器即使在高溫下也能夠以很少的噪聲捕獲圖像。它們還具有很高的靈敏度，并且能夠在漆黑的黑暗中接載行人，即使打開燈，駕駛員的肉眼也看不見行人。此外，索尼的堆疊式CMOS圖像傳感器技術(shù)有助于進(jìn)一步區(qū)分。它們允許圖像傳感器具有復(fù)雜且相對較大的電路，同時(shí)具有HDR和LFM功能。我們相信，將來，通過將AI功能集成到其中，將有可能處理駕駛時(shí)拍攝的大量圖像并僅傳輸必要的數(shù)據(jù)。

──進(jìn)入汽車行業(yè)有什么困難？

池田： 對我們來說最困難的是處理確保安全所需的質(zhì)量。在汽車工業(yè)中，有許多與產(chǎn)品開發(fā)過程相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)也必須與產(chǎn)品一起根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善。利用在開發(fā)過程中收集到的證據(jù)，證明了該過程的有效性，旨在建立穩(wěn)固的地位，使其成為行業(yè)中可靠的供應(yīng)商，同時(shí)接受客戶的評估和審核。最初，我們對與電子產(chǎn)品相比的差異和汽車行業(yè)的獨(dú)特文化一無所知，但我們通過閱讀標(biāo)準(zhǔn)和參加研討會來學(xué)習(xí)，同時(shí)一直在努力改進(jìn)。特別是，需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力來考慮如何將在車輛級別上定義的想法應(yīng)用于圖像傳感器級別。為了確保車輛安全，圖像傳感器將變得越來越重要。我們將加倍努力，以開發(fā)我們的圖像傳感器，為實(shí)現(xiàn)一個(gè)安全的社會做出貢獻(xiàn)。

附加：SWIR圖像傳感器

SWIR代表“短波長紅外”。代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基于硅（Si）的光電二極管，基于化合物半導(dǎo)體砷化銦鎵（InGaAs）的光電二極管可捕獲長波長光。但是，由于難以在化合物半導(dǎo)體上形成集成電路，因此將單獨(dú)的Si層用于讀取光電二極管信號的電路。一項(xiàng)名為“ SenSWIR”的獨(dú)特技術(shù)通過Cu-Cu直接鍵合連接這些不同的半導(dǎo)體，從而實(shí)現(xiàn)了Sony的創(chuàng)新SWIR圖像傳感器。通過減薄阻擋可見光的磷化銦（InP）基板，SWIR圖像傳感器能夠以高靈敏度捕獲從可見光到短波紅外的各種波長。

應(yīng)用：

SWIR圖像傳感器用于材料選擇，污染檢查，半導(dǎo)體檢查等。在下面的蘋果圖片中，您可以看到可見光中的表面信息和短波長紅外光中的地下信息。

索尼圖像傳感器背后的技術(shù)

問：請簡要介紹一下背照式CMOS圖像傳感器。

Tetsuji Yamaguchi： 這是一種CMOS圖像傳感器，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，可以區(qū)分布線層和光入射表面。在常規(guī)的前照式CMOS圖像傳感器中，存在將光入射表面上的各種元件連接的布線。這樣，像素越細(xì)，由于布線阻擋光到達(dá)光電二極管基板而導(dǎo)致的靈敏度降低越大。為了解決這個(gè)問題，我們開發(fā)了用于翻轉(zhuǎn)光電二極管基板的基板鍵合技術(shù)，用于控制基板厚度的高精度研磨技術(shù)以及在研磨過程中抑制噪音的技術(shù)。這使我們成為世界上第一個(gè)將背照式CMOS圖像傳感器商業(yè)化的公司。

：前照明結(jié)構(gòu)/右：后照明結(jié)構(gòu)

問：它們的優(yōu)點(diǎn)和用途是什么？

Yamaguchi： 更高的靈敏度和更好的布線布局可改善圖像質(zhì)量并允許高速記錄。像素越細(xì)，傳感器芯片的尺寸就越小，進(jìn)而產(chǎn)品的尺寸也越小。它用于數(shù)碼相機(jī)，可換鏡頭數(shù)碼相機(jī)和智能手機(jī)。最近，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)被用于ToF（飛行時(shí)間）圖像傳感器，并且已經(jīng)成為CMOS圖像傳感器的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。

問：背照式CMOS圖像傳感器的發(fā)展具有什么劃時(shí)代的意義？

Yamaguchi： 在開發(fā)期間，基于在相機(jī)上進(jìn)行高分辨率圖像捕獲和視頻拍攝的趨勢，與CCD相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更低功耗和更快記錄速度的CMOS圖像傳感器有望普及。盡管對于某些應(yīng)用正在發(fā)生從CCD到CMOS圖像傳感器的過渡，但是前照式CMOS圖像傳感器的圖像質(zhì)量仍有改進(jìn)的空間，并且過渡本身帶來了許多問題。可以說，開發(fā)可實(shí)現(xiàn)高圖像質(zhì)量的背照式結(jié)構(gòu)加快了向CMOS圖像傳感器的過渡。

在工業(yè)上，從技術(shù)角度來看，背照式被認(rèn)為是理想的但難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。您可能想知道為什么索尼是第一個(gè)開發(fā)它的人，但是我認(rèn)為關(guān)鍵在于技術(shù)的集成，包括最新技術(shù)和我們在CCD中建立的技術(shù)。

例如，在開發(fā)多種處理技術(shù)和設(shè)備結(jié)構(gòu)時(shí)，我們在游戲領(lǐng)域培育的LSI采用了先進(jìn)的處理技術(shù)。背照式結(jié)構(gòu)與堆疊結(jié)構(gòu)非常匹配，并且能夠適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步。結(jié)合在智能手機(jī)上拍攝高質(zhì)量照片的趨勢不斷增長，它變得非常受歡迎?，F(xiàn)在，自其首次商業(yè)化以來已經(jīng)過去了十多年，并且仍被廣泛用于各種應(yīng)用中。

問：請簡要介紹一下堆疊式CMOS圖像傳感器。

Taku Umebayashi： 堆疊的CMOS圖像傳感器使用電路芯片，并且在像素芯片和電路芯片之間具有數(shù)千個(gè)電子連接，而不是通常需要使用背照式CMOS圖像傳感器來確保機(jī)械強(qiáng)度的支撐基板。這項(xiàng)世界領(lǐng)先的技術(shù)將先前放置在同一硅芯片上的像素和電路部分重新排列為兩個(gè)單獨(dú)的層。由于這種結(jié)構(gòu)，最佳的制造工藝可以用于分離的像素和電路層，而高容量邏輯電路可以安裝在較小的區(qū)域中。

問：此技術(shù)的用途是什么？

Umebayashi： 由于體積小和功能強(qiáng)大，它最初在智能手機(jī)相機(jī)中使用，因?yàn)樗軌蛟趶?qiáng)背光下捕獲清晰的照片。后來，它成為用于不同類型傳感器的平臺技術(shù)，帶來了多種好處，包括更高的速度，更低的功耗，擴(kuò)展的功能，更低的成本和更高的生產(chǎn)率。

問：您在開發(fā)過程中遇到什么問題？

Umebayashi： 在計(jì)劃項(xiàng)目時(shí)有兩個(gè)主要問題。一個(gè)問題是如何堆疊像素部分和電路部分。由于開發(fā)的目標(biāo)是生產(chǎn)可為移動設(shè)備上的相機(jī)量產(chǎn)的圖像傳感器，因此我得出結(jié)論，晶圓對晶圓鍵合技術(shù)是唯一的解決方案。我們的技術(shù)還處于早期階段，但是我確信這是幾種方法中最好的。

另一個(gè)問題與如何最好地在兩個(gè)不同層上的像素芯片和電路芯片之間建立電子連接有關(guān)。我認(rèn)為銅-銅直接鍵合非常難以控制，因此決定采用TSV（直通硅通孔）方法，該方法使我們在硅基板上開孔并使用電極進(jìn)行連接。

在背照式結(jié)構(gòu)中，在晶圓對晶圓的鍵合工藝之后，上層的像素芯片被減薄至約10μm的厚度，是通常厚度的五分之一。這樣可以最小化觸點(diǎn)的深度和直徑，將它們縮小到原始尺寸的五分之一。

反過來，這使大量的TSV連接成為可能。后來，我們驗(yàn)證了在晶圓對晶圓鍵合之前，有必要使下層的電路圖形超平整，并且堆疊成功用了大約兩年的時(shí)間。創(chuàng)建原型意味著要設(shè)定最后期限，而加工利潤不足導(dǎo)致了艱苦的斗爭。經(jīng)過流程開發(fā)團(tuán)隊(duì)的努力，我們終于克服了這些困難之后，

問：請介紹一下Cu-Cu定向鍵合

Yoshihisa Kagawa： 這項(xiàng)技術(shù)在堆疊的CMOS圖像傳感器的下部電路芯片和上部像素芯片中增加了Cu連接焊盤，以同時(shí)建立物理和電氣連接。由于Cu-Cu直接鍵合是在硅片生產(chǎn)過程中進(jìn)行的，因此需要超平坦的硅片表面和高精度的硅片 鍵合。索尼開發(fā)了原始的制造工藝來克服這些問題，并成為世界上第一個(gè)推出該技術(shù)的公司。

問：有什么優(yōu)點(diǎn)和用途？

Kagawa： 縮小Cu連接焊盤的尺寸可實(shí)現(xiàn)更小的芯片尺寸和更高密度的連接，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)率和功能。由于我們可以一次堆疊數(shù)量驚人的芯片，因此它比常規(guī)的芯片級堆疊制造工藝更快，更便宜。它主要用于智能手機(jī)中使用的堆疊式圖像傳感器，有助于芯片的小型化和更高的功能。

問：為什么銅銅定向鍵會有所不同？

Kagawa： 采用傳統(tǒng)的疊層技術(shù)，TSV（硅通孔），使用垂直穿透半導(dǎo)體芯片的電極。由于這種穿透，它們不能位于像素區(qū)域中，因此需要專用空間。相反，Cu-Cu直接鍵合不會滲透，因此不需要此類空間，從而比TSV方法具有更好的性能并降低了成本。這是一段艱難的旅程，但索尼成為世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的公司。在2019年，索尼為此獲得了Okochi Memorial Foundation的第65屆Okochi Memorial制作獎。這項(xiàng)技術(shù)不僅對圖像傳感器有用，而且通常也可作為LSI的3D堆疊技術(shù)使用。將來有望開發(fā)出功能更高，性能更高的3D-LSI。
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