在成像和傳感領域，索尼提供了一系列前沿產品，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現自動駕駛至關重要的汽車圖像傳感器。 這些產品背后的獨特技術均為世界首創，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，我們請有關人員向我們介紹這些產品和技術的更多信息，并讓我們了解它們如何被開發。

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月發布。它實現了高速邊緣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處理的所有內容。

問：它們的優點和用途是什么？

Eki： 僅提取必要的數據可以減少數據傳輸延遲和相機功耗，并解決使用云服務時的隱私問題。這些圖像傳感器減少的數據使用量也將有助于降低云服務器的功耗。可以使用最新的AI模型重寫和更新AI模型，以匹配各種系統環境和條件。這些圖像傳感器除了使具有AI功能的微型相機的開發成為可能之外，還有望實現零售和工業設備行業的各種應用，并與云計算相結合，將有助于實現最佳系統。

問：是什么讓Sony開發出了世界上第一個具有AI處理功能的圖像傳感器？

Eki： 最大的原因是，當我們開始計劃時，索尼已經為開發奠定了基礎。除了開發系統LSI的專業知識外，Sony還擁有其他必要的技術，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，可實現高質量的圖像捕獲和多種同時功能。索尼半導體在以色列的一個團隊也正在研究專門用于AI的處理器的核心技術，目前的DSP最初計劃是在2017年制定的。但是，當時很少使用AI的產品，目前尚不清楚預期有哪些功能。此外，我們對AI模型的研究也在飛速發展，因此有必要采用AI處理規范，該規范將在商業化后的幾年中繼續發揮作用。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（飛行時間）圖像傳感器，可以通過測量發射的光脈沖反射并返回到傳感器表面所需的時間來獲取深度信息。ToF有多種類型，我們專注于開發間接ToF（iToF），該方法通過測量返回光在被目標物體反射后的相位延遲來工作。為了實現此傳感器，我們通過結合使用Sony深度感測解決方案IP的CAPD技術和Sony的背照式CMOS圖像傳感器技術，開發了一種新的背照式CAPD（電流輔助光子解調器）。

問：背照式CAPD的優勢和應用是什么？

Yasu： 該設計充分利用了背照式結構，它可以將光有效地轉換為電子，從而可以在50皮秒以下的時間進內行檢測，并大大提高了距離分辨率。它可以實現3D相機模塊的小型化，并通過實時獲取高分辨率3D深度信息為AR和VR做出貢獻。它可用于智能手機中的面部識別，AR和VR相關的功能以及自動駕駛機器人和無人機。

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研發已經很多年了，并且擁有大量的專業知識。背光CAPD的開發揭示了與索尼的設備和電路技術的協同作用。索尼深度感測解決方案當時是一家新興公司，只有少數熟練的成員參與了開發。在我們開始合作之后，企業文化的差異使我們感到困惑。通過縮小索尼半導體解決方案團隊的規模，要求每個成員承擔更多責任，我們能夠在吸收這種陌生文化的同時實現快速發展。在開發過程中，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，比利時和日本兩家公司之間的這種合作也有助于確保iToF業務的安全。我們開發了諸如軟件的系統，可以生成平滑的深度圖像，小型模塊設計和高效的激光驅動器。

汽車圖像傳感器

問：請介紹一些有關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（ADAS）的感應和觀察相機。除了高分辨率和高靈敏度之外，HDR（高動態范圍），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，例如進入或退出隧道時，它們也可以同時捕獲高質量的圖像和閃爍的LED顯示屏。圖像傳感器使用的技術可確保足夠長的曝光時間來捕獲LED，同時防止由明亮的物體引起的像素飽和，以及獨特的像素結構和曝光方法可同時實現HDR和LFM功能。此外，我們的產品符合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計質量，已經引入了符合ISO26262汽車功能安全標準的開發流程，并遵守功能安全要求等級ASIL進行故障檢測和通知，

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

池田： 索尼多年來在日本的生產基地積累了專業知識，并設法實現了高靈敏度和低噪音的圖像傳感器。這些關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，圖像傳感器產生的噪點就越多，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圖像傳感器技術有助于進一步區分。它們允許圖像傳感器具有復雜且相對較大的電路，同時具有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拍攝的大量圖像并僅傳輸必要的數據。

──進入汽車行業有什么困難？

池田： 對我們來說最困難的是處理確保安全所需的質量。在汽車工業中，有許多與產品開發過程相關的國際標準，這些標準也必須與產品一起根據行業標準進行完善。利用在開發過程中收集到的證據，證明了該過程的有效性，旨在建立穩固的地位，使其成為行業中可靠的供應商，同時接受客戶的評估和審核。最初，我們對與電子產品相比的差異和汽車行業的獨特文化一無所知，但我們通過閱讀標準和參加研討會來學習，同時一直在努力改進。特別是，需要花費大量時間和精力來考慮如何將在車輛級別上定義的想法應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，以開發我們的圖像傳感器，為實現一個安全的社會做出貢獻。

附加：SWIR圖像傳感器

SWIR代表“短波長紅外”。代替傳統的基于硅（Si）的光電二極管，基于化合物半導體砷化銦鎵（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體上形成集成電路，因此將單獨的Si層用于讀取光電二極管信號的電路。一項名為“ SenSWIR”的獨特技術通過Cu-Cu直接鍵合連接這些不同的半導體，從而實現了Sony的創新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。

應用：

SWIR圖像傳感器用于材料選擇，污染檢查，半導體檢查等。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

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，具有獨特的結構，可以區分布線層和光入射表面。在常規的前照式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，由于布線阻擋光到達光電二極管基板而導致的靈敏度降低越大。為了解決這個問題，我們開發了用于翻轉光電二極管基板的基板鍵合技術，用于控制基板厚度的高精度研磨技術以及在研磨過程中抑制噪音的技術。這使我們成為世界上第一個將背照式CMOS圖像傳感器商業化的公司。

：前照明結構/右：后照明結構

問：它們的優點和用途是什么？

Yamaguchi： 更高的靈敏度和更好的布線布局可改善圖像質量并允許高速記錄。像素越細，傳感器芯片的尺寸就越小，進而產品的尺寸也越小。它用于數碼相機，可換鏡頭數碼相機和智能手機。最近，該結構已經被用于ToF（飛行時間）圖像傳感器，并且已經成為CMOS圖像傳感器的標準結構。

問：背照式CMOS圖像傳感器的發展具有什么劃時代的意義？

Yamaguchi： 在開發期間，基于在相機上進行高分辨率圖像捕獲和視頻拍攝的趨勢，與CCD相比，能夠實現更低功耗和更快記錄速度的CMOS圖像傳感器有望普及。盡管對于某些應用正在發生從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量仍有改進的空間，并且過渡本身帶來了許多問題。可以說，開發可實現高圖像質量的背照式結構加快了向CMOS圖像傳感器的過渡。

在工業上，從技術角度來看，背照式被認為是理想的但難以實現的結構。您可能想知道為什么索尼是第一個開發它的人，但是我認為關鍵在于技術的集成，包括最新技術和我們在CCD中建立的技術。

例如，在開發多種處理技術和設備結構時，我們在游戲領域培育的LSI采用了先進的處理技術。背照式結構與堆疊結構非常匹配，并且能夠適應技術進步。結合在智能手機上拍攝高質量照片的趨勢不斷增長，它變得非常受歡迎。現在，自其首次商業化以來已經過去了十多年，并且仍被廣泛用于各種應用中。

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千個電子連接，而不是通常需要使用背照式CMOS圖像傳感器來確保機械強度的支撐基板。這項世界領先的技術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單獨的層。由于這種結構，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域中。

問：此技術的用途是什么？

Umebayashi： 由于體積小和功能強大，它最初在智能手機相機中使用，因為它能夠在強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，帶來了多種好處，包括更高的速度，更低的功耗，擴展的功能，更低的成本和更高的生產率。

問：您在開發過程中遇到什么問題？

Umebayashi： 在計劃項目時有兩個主要問題。一個問題是如何堆疊像素部分和電路部分。由于開發的目標是生產可為移動設備上的相機量產的圖像傳感器，因此我得出結論，晶圓對晶圓鍵合技術是唯一的解決方案。我們的技術還處于早期階段，但是我確信這是幾種方法中最好的。

另一個問題與如何最好地在兩個不同層上的像素芯片和電路芯片之間建立電子連接有關。我認為銅-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行連接。

在背照式結構中，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間。創建原型意味著要設定最后期限，而加工利潤不足導致了艱苦的斗爭。經過流程開發團隊的努力，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： 這項技術在堆疊的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，以同時建立物理和電氣連接。由于Cu-Cu直接鍵合是在硅片生產過程中進行的，因此需要超平坦的硅片表面和高精度的硅片 鍵合。索尼開發了原始的制造工藝來克服這些問題，并成為世界上第一個推出該技術的公司。

問：有什么優點和用途？

Kagawa： 縮小Cu連接焊盤的尺寸可實現更小的芯片尺寸和更高密度的連接，同時實現更高的生產率和功能。由于我們可以一次堆疊數量驚人的芯片，因此它比常規的芯片級堆疊制造工藝更快，更便宜。它主要用于智能手機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： 采用傳統的疊層技術，TSV（硅通孔），使用垂直穿透半導體芯片的電極。由于這種穿透，它們不能位于像素區域中，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實現批量生產的公司。在2019年，索尼為此獲得了Okochi Memorial Foundation的第65屆Okochi Memorial制作獎。這項技術不僅對圖像傳感器有用，而且通常也可作為LSI的3D堆疊技術使用。將來有望開發出功能更高，性能更高的3D-LSI。
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