CMOS 이미지 센서의 BSI (Backside-illuminated) 기술

BSI(backside-illuminated) 기술은 CMOS 이미지 센서의 성능을 향상시키기 위해 개발된 혁신적인 기술 중 하나입니다. 이 기술은 이미지 센서의 뒷면(백사이드)에서 빛을 캡처하도록 설계되어 있습니다.

 

기존의 CMOS 이미지 센서에서는 빛이 이미지를 캡처하기 위해 센서 칩의 앞면(전면)을 통과해야 합니다. 이로 인해 빛이 전자 및 노이즈를 발생시키는 회로 및 전선에 의해 차단될 수 있습니다. 반면 BSI 기술은 이미지 센서의 뒷면에 픽셀 배열과 회로를 배치하고, 빛을 센서의 뒷면에서 직접 수집합니다. 이로써 빛이 센서의 뒷면을 통과하여 더 많은 빛이 픽셀에 도달하게 됩니다.

 

BSI(backside-illuminated) 기술은 CMOS 이미지 센서의 구조를 변경하여 센서의 뒷면에서 빛을 수집하도록 설계됩니다. 이를 위해 다음과 같은 구현 방법이 사용됩니다:

1. 전반적인 구조 변경: BSI 기술은 기존의 CMOS 이미지 센서의 구조를 변경하여 픽셀 및 회로를 센서의 뒷면에 배치합니다. 이를 위해 센서의 제조 과정에서 다른 절차와 재료를 사용해야 합니다.
2. 백사이드 가공 (BSG): BSI 기술을 구현하는 한 가지 방법은 백사이드 가공(BSG)입니다. 이 방법은 이미지 센서의 전반적인 제조 과정에서 센서의 뒷면을 가공하여 픽셀 및 회로를 뒷면에 배치합니다. 이렇게 하면 빛이 직접 픽셀에 도달하게 되어 감도와 성능을 향상시킵니다.
3. 백사이드 일부 열연 (BSI-partial): BSI-partial은 전체적인 구조 변경 대신 센서의 일부 영역에만 백사이드 가공을 적용하는 방법입니다. 일부 영역에만 BSI를 적용하여 기존 제조 공정을 최대한 유지하면서도 감도를 향상시킬 수 있습니다.
4. 백사이드 새로운 재료 및 기술 도입: BSI를 구현하기 위해 새로운 재료 및 기술이 필요할 수 있습니다. 새로운 재료와 기술은 빛이 더 잘 통과하고 센서의 뒷면에서 픽셀로 이동할 수 있도록 도와줍니다.

이러한 구현 방법은 BSI 기술을 적용하기 위한 주요 접근 방식입니다. 이들 방법은 CMOS 이미지 센서 제조 공정에 변화를 일으키고, 더 나은 이미지 성능과 품질을 달성하기 위해 연구 및 개발이 진행되고 있습니다.

BSI sensors are designed with a thick carrier wafer attached to the top of the metal stack.

 

BSI(backside-illuminated) 기술은 이미지 센서의 성능을 향상시키는 많은 이점을 제공하지만, 구현 상의 몇 가지 문제점도 있습니다. 일반적으로 다음과 같은 문제들이 있을 수 있습니다:

1. 제조 복잡도 및 비용: BSI 기술은 기존 CMOS 이미지 센서의 제조 과정을 변경해야 하므로 추가적인 제조 복잡도와 비용이 발생할 수 있습니다. 새로운 재료와 가공 기술이 필요하며, 이는 제조 비용을 증가시킬 수 있습니다.
2. 단일 사이트 제한: BSI 기술은 픽셀 및 회로를 센서의 뒷면에 배치하여 빛을 수집합니다. 그러나 이로 인해 센서의 뒷면에 배치되는 픽셀의 수가 제한될 수 있습니다. 이로 인해 고해상도 센서에서는 단일 사이트에서 픽셀의 수를 증가시키는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.
3. 광학적 광학 항목: BSI 기술을 적용할 때 광학적인 측면도 고려해야 합니다. 뒷면에서 빛을 수집하는 것은 렌즈 및 필터 등의 광학 항목과의 상호 작용을 고려해야 합니다.
4. 최적화 및 성능 조정: BSI 기술을 사용하면 센서의 성능을 최적화하고 조정해야 합니다. 이는 적절한 재료 선택, 제조 공정의 수정, 및 센서의 특성에 따른 적절한 조정이 필요합니다.

이러한 문제들은 BSI 기술을 구현할 때 고려해야 할 주요 요소입니다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 제조 기술과 광학 기술의 발전이 계속되고 있으며, 더 나은 BSI 센서의 개발을 위한 연구가 이루어지고 있습니다.

 

BSI(backside-illuminated) 기술은 CMOS 이미지 센서의 성능을 향상시키는 데 다양한 효과를 제공합니다. 이러한 효과는 다음과 같습니다:

1. 감도 향상: BSI 기술은 빛이 이미지 센서의 뒷면에서 직접 픽셀에 도달하므로 더 높은 감도를 제공합니다. 빛이 픽셀에 더 효율적으로 도달하면서 어두운 조명 조건에서도 더 밝고 선명한 이미지를 캡처할 수 있습니다.
2. 노이즈 감소: BSI 기술은 빛이 더 많은 픽셀에 도달하므로 노이즈를 감소시킵니다. 이는 더 깨끗하고 정확한 이미지를 캡처할 수 있도록 도와줍니다.
3. 동적 범위 향상: BSI 기술은 더 많은 빛을 수집하므로 동적 범위를 향상시킵니다. 이는 어두운 영역과 밝은 영역의 세부 정보를 더 정확하게 캡처할 수 있음을 의미합니다.
4. 낮은 광학 왜곡: BSI 기술은 빛이 이미지 센서의 뒷면에서 직접 수집되므로 광학 왜곡을 줄일 수 있습니다. 이는 더 정확한 이미지를 캡처하고 보다 정확한 측정 및 분석을 가능하게 합니다.
5. 고성능 영상: 위의 이점들은 모두 결합되어 더 높은 품질의 이미지를 제공하는 고성능 영상을 가능하게 합니다. BSI 기술은 더 나은 성능을 제공하면서도 카메라 모듈의 크기와 에너지 효율성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

이러한 효과들은 BSI 기술이 다양한 산업 및 응용 분야에서 센서의 성능을 향상시키고 이미지 품질을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여줍니다.

 

BSI(backside-illuminated) 기술은 고속 이미지 센서의 성능을 혁신적으로 향상시키는 기술로, 빛을 효과적으로 캡처하여 더 높은 프레임 속도와 해상도를 가능하게 합니다. 이 기술은 픽셀의 뒷면에서 빛을 캡처함으로써 채워진 영역을 최대화하고, 처리 속도를 향상시킴으로써 고속 이미지 촬영에 더욱 적합한 환경을 제공합니다. 최신 고속 센서는 76,000 fps의 속도와 1280 × 800 풀 해상도를 제공하며, 이는 이전 세대의 센서 대비 세 배의 증가량을 보입니다. 또한, 고속 ADC와 2 × 2 binning 기능을 결합하여 성능을 더욱 향상시키고, 이를 통해 과거에는 낮은 해상도로만 가능했던 높은 프레임 속도의 촬영이 가능해졌습니다. 이러한 혁신적인 기술은 과거에는 제한되었던 고속 이미지 촬영의 한계를 넘어서는데 중요한 역할을 합니다.

 

BSI(backside-illuminated) 기술은 다양한 분야에서 다음과 같은 적용 사례를 가지고 있습니다:

1. 과학 연구: BSI 기술은 과학 연구 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다. 초고속 현상이나 미세한 현상을 촬영하고 분석하는데 필요한 고속 이미징 시스템에서 사용됩니다. 생물학, 물리학, 화학 등 다양한 분야에서 활용되며, 단발 트리거 이벤트의 시간적 해상도를 향상시키는 데 도움이 됩니다.
2. 산업 및 엔지니어링: 고속 이미징은 제조업 및 엔지니어링 분야에서 사용되어 제품 및 프로세스의 성능을 평가하고 개선하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 자동차 엔진 내부에서의 연소 프로세스를 촬영하여 연료 효율성을 개선하거나, 제조 공정에서의 결함을 식별하고 해결할 수 있습니다.
3. 의료 분야: 의료 분야에서는 BSI 기술이 초고속 현상을 관찰하여 신체 내부의 구조 및 기능을 연구하는 데 사용됩니다. 신경학, 심장학, 혈류 역학 등 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있습니다.
4. 방위 및 보안: 안전 및 보안 분야에서는 BSI 기술이 고속 카메라를 사용하여 사건의 순간적인 이미지를 캡처하고 분석하는 데 사용됩니다. 특히, 사고 현장에서의 증거 수집 및 범죄 예방에 활용될 수 있습니다.
5. 항공우주 분야: 항공우주 분야에서는 BSI 기술이 로켓 발사, 우주 정거장 활동, 위성 관측 등의 고속 및 고해상도 이미징에 사용됩니다. 이는 우주 탐사 및 과학 연구에 필수적인 도구입니다.

이러한 적용 사례들은 BSI 기술이 다양한 산업 및 응용 분야에서 고속 이미징 시스템의 성능을 향상시키고 혁신적인 연구 및 개발을 가능하게 한다는 것을 보여줍니다.