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在本篇設計揭密中，我們將審視富士膠片(Fujifilm)公司630萬(wàn)像素的Finepix E550數碼相機所用的電荷耦合器件(CCD)傳感器。對一部傻瓜型相機來(lái)說(shuō)，Finepix E550的分辨率及其ISO 800標準的感光度和1/2,000秒的快門(mén)速度令人印象深刻。實(shí)際上，為了實(shí)現這些性能目標，富士采用了其專(zhuān)有的超級CCD設計制造了其中的傳感器。 在數碼靜止照相機(DSC)市場(chǎng)，成像技術(shù)按圖像傳感器分為兩類(lèi)：CCD和CMOS成像器。CMOS技術(shù)盤(pán)踞低端，而高端雖非由CCD獨家把持，但它仍是主宰。在富士膠片的超級CCD架構內，傳統的x-y陣列被旋轉45度，以將像素排成對角線(xiàn)。此舉在允許設計師采用相對大的八邊光電二極管的同時(shí)，優(yōu)化了空間利用，且與其它設計相比，它支持更細的點(diǎn)陣間距。 富士的設計人員表示，歸功于在布局上的改進(jìn)，其超級CCD傳感器能將分辨率、感光性、動(dòng)態(tài)范圍、信噪比和色彩逼真度等指標均衡地結合起來(lái)。另外，該公司的信號處理技術(shù)在光電二極管間生成虛擬像素，所以存儲的圖像實(shí)際上是一個(gè)1,230萬(wàn)像素的方格x-y陣列。 富士膠片的MS3895A傳感器是其最初于1999年公布的技術(shù)的第四代產(chǎn)品。新傳感器的像素大小已縮小至2.7平方微米，以改進(jìn)分辨率。該芯片由Fujifilm Microdevices在其日本仙臺的晶圓廠(chǎng)采用0.35微米、雙金屬、雙多晶硅工藝，在n型基層上埋置p型井的方法制成。在其7.7×9mm的裸片上總共有663萬(wàn)像素，有效像素達630萬(wàn)。借助信號處理增加的虛擬像素，能記錄內容的像素總數達1,230萬(wàn)。 該傳感器的像素以對角線(xiàn)方式排列。為正確觀(guān)察像素，也可通過(guò)沿對角線(xiàn)方向取成像陣列的橫截面。在該橫截面上，你將在頂部看到半球狀的鏡頭結構，然后是覆蓋在一個(gè)平面結構層上的色彩過(guò)濾器層。在平面構造層下面的是氮化硅鏡頭，在鏡頭下面的是光電二極管和CCD電荷遷移電極。 若對硅結構進(jìn)行放大，你將發(fā)現氮化硅鏡頭實(shí)際上包含兩個(gè)氮化物層。下面一層沉積在CCD構造上然后經(jīng)過(guò)平整化處理，而上面一層被沉積在被平整化處理的這一層上，然后被浸蝕成半球狀。下面的兩個(gè)多晶硅遷移電極覆以一個(gè)鎢燈防護罩。 通過(guò)用一個(gè)掃描電容顯微鏡觀(guān)察橫截面圖像，可看到襯底的摻雜結構。在底部你開(kāi)始看到n基層，隨著(zhù)逐步升高將進(jìn)入陣列的p井區。 靠近p井表面的是處在光電二極管和位于二極管表面p型銷(xiāo)入層之間的p型絕緣區。n摻雜電荷遷移通道位于p絕緣區內，在表面下是嵌埋的光電二極管。在表面上是遷移電極和作為空白區間的電介質(zhì)，其上覆以一層完整金屬。  圖1：將圖像傳感器上的像素排列沿水平傾斜45度后，可提供更高的封裝密度。每個(gè)像素的尺寸縮小到了2.7平方微米，使得E550的有效像素達到630萬(wàn)。 當將構造層剝去，從上面看傳感器時(shí)，氮化硅鏡頭的對角線(xiàn)組織就變得清晰可見(jiàn)。氮化硅鏡頭周邊的虛擬像素由片上的信號處理電路生成。當與物理像素結合時(shí)，該傳感器的總有效像素數就變?yōu)?,230萬(wàn)。  將成像陣列表面磨去后，以水平方式橫跨陣列工作的多晶硅電極就暴露出來(lái)了。進(jìn)一步深入到硅構造后，就可看到菱形的嵌埋光電二極管。富士將這些構造稱(chēng)為八邊形。電極遷移過(guò)程通過(guò)電荷遷移通道將被各個(gè)光電二極管積聚起來(lái)的電荷以鐘控方式移出光電二極管。然后，這些電荷被送至CCD陣列的邊緣。一個(gè)附屬CCD將電荷移至第一級功放然后再進(jìn)入信號處理電路。 總體上，在現在這個(gè)納米技術(shù)時(shí)代，富士膠片的超級CCD傳感器采用的是一個(gè)相對簡(jiǎn)單的結構，但經(jīng)過(guò)精雕細鑿，它能恰倒好處地實(shí)現一款1,200萬(wàn)像素照相機所要求的功能。富士膠片這款數碼相機的初始售價(jià)為325美元。 |
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