휴대폰에서 망원경에 이르기까지 카메라에는 빛을 포착하여 이미지로 변환하는 데 이미지 센서가 필요합니다. CMOS(전면 조명) 및 BSI(후면 조명) 센서는 유사한 원리로 작동하지만 구조가 다르기 때문에 빛 캡처, 노이즈 및 색상 품질에 영향을 미칩니다. 이 기사에서는 설계, 성능, 용도 및 향후 개발에 대해 자세히 설명합니다.
씨1. CMOS 대 BSI 센서 개요
씨2. CMOS 센서 아키텍처
씨3. BSI CMOS 센서 내부
CC7. BSI에서 스택형 CMOS 아키텍처로
CMOS 대 BSI 센서 개요
주머니 속의 스마트폰부터 먼 은하계를 탐험하는 망원경에 이르기까지 모든 카메라는 이미지 센서가 빛을 얼마나 효율적으로 포착하는지에 달려 있습니다. CMOS와 BSI 센서는 모두 유사한 반도체 원리를 따르지만 구조적 차이로 인해 빛 감도, 노이즈 성능 및 이미지 품질에 큰 차이가 있습니다. 기존 CMOS(전면 조명, FSI) 센서에서 금속 배선과 트랜지스터는 포토다이오드 위에 위치하여 들어오는 빛을 부분적으로 차단하고 전반적인 감도를 감소시킵니다. 이 설계는 CMOS 센서를 비용 효율적이고 제조하기 쉽게 만들지만 저조도 성능을 제한합니다. 대조적으로, BSI(Back-Side Illuminated) 센서는 구조를 뒤집어 포토다이오드를 상단에 배치하여 빛이 방해받지 않고 직접 도달하도록 합니다. 이를 통해 양자 효율성이 향상되고 노이즈가 줄어들며 DSLR 카메라부터 과학 기기에 이르기까지 소형 또는 고급 이미징 시스템의 성능이 향상됩니다.
CMOS 센서 아키텍처
FSI(Front-Side Illuminated) CMOS 센서는 디지털 카메라와 스마트폰에 사용된 초기의 기존 이미지 센서 구조를 나타냅니다. 이 아키텍처에서 들어오는 빛은 광자를 전기 신호로 변환하는 빛에 민감한 영역인 포토다이오드에 도달하기 전에 여러 층의 재료를 통과해야 합니다.
작업 과정
디스플레이의 각 픽셀은 마이크로렌즈, 컬러 필터, 금속 상호 연결, 트랜지스터 및 포토다이오드 레이어를 포함하는 조정된 프로세스를 통해 작동합니다. 마이크로렌즈는 먼저 빨간색, 녹색 및 파란색 컬러 필터를 통해 들어오는 빛의 초점을 맞춰 특정 파장만 각 하위 픽셀에 도달하도록 합니다. 포토다이오드 위의 금속 상호 연결과 트랜지스터는 픽셀의 전기 제어 및 신호 판독을 관리하지만 그 위치는 들어오는 빛의 일부를 부분적으로 차단할 수 있습니다. 이 층 아래에는 남은 빛을 포착하여 전하로 변환하여 픽셀의 기본 이미지 신호를 형성하는 포토다이오드가 있습니다.
FSI 설계의 한계
• 빛 감도 감소: 빛의 일부는 포토다이오드에 도달하기 전에 배선 및 트랜지스터 층에 의해 반사되거나 흡수됩니다.
• 낮은 채우기 계수: 픽셀 크기가 줄어들수록 전체 픽셀 영역에 대한 빛에 민감한 영역의 비율이 감소하여 노이즈가 더 많이 발생합니다.
• 약한 저조도 성능: FSI 센서는 BSI 센서와 같은 최신 대안에 비해 어두운 환경에서 어려움을 겪습니다.
BSI CMOS 센서 내부
BSI(Backside-Illuminated) CMOS 센서는 기존 FSI(Front-Side Illuminated) 설계의 주요 단점인 금속 배선 및 트랜지스터의 빛 차단을 해결하여 디지털 이미징에 혁명을 일으켰습니다. BSI는 센서의 구조를 반전시켜 들어오는 빛이 포토다이오드에 직접 도달할 수 있도록 하여 빛 효율과 이미지 품질을 획기적으로 향상시킵니다.
BSI 기술 기능
• 실리콘 웨이퍼는 감광층을 노출시키기 위해 몇 마이크로미터까지 얇아집니다.
• 포토다이오드 레이어는 입사광을 직접 향하는 상단에 위치합니다.
• 금속 배선 및 트랜지스터 회로가 뒷면으로 재배치되어 광로를 방해하지 않습니다.
• 고급 마이크로렌즈는 최적의 빛 초점을 보장하기 위해 각 픽셀에 정확하게 정렬됩니다.
BSI 센서의 장점
• 더 높은 빛 흡수 효율: FSI 센서에 비해 최대 30-50% 향상되어 더 밝고 깨끗한 이미지를 얻을 수 있습니다.
• 우수한 저조도 성능: 광자 손실이 감소하여 감도가 향상되고 어두운 환경에서 노이즈가 최소화됩니다.
• 향상된 색상 정확도: 방해받지 않는 빛 경로를 통해 컬러 필터는 보다 정확하고 생생한 톤을 생성합니다.
• 컴팩트한 픽셀 디자인: BSI는 이미지 품질을 유지하면서 더 작은 픽셀 크기를 지원하므로 고해상도 센서에 이상적입니다.
• 향상된 다이내믹 레인지: 장면의 밝은 영역과 어두운 영역 모두에서 더 나은 신호 캡처.
광효율 및 감도 비교
| 특징 | FSI CMOS 센서 | BSI 센서 |
|---|---|---|
| 라이트 패스 | 빛은 부분 손실→ 배선을 통과합니다 | 광 다이오드에 직접 연결→ 손실 최소화 |
| 양자 효율성(QE) | 60–70% | 90–100% |
| 저조도 성능 | 보통 | 우수 |
| 반사 및 누화 | 높음 | 낮음 |
| 이미지 선명도 | 평균 | 희미한 조명에서도 선명하고 밝음 |
픽셀 축소 및 채우기 계수
FSI CMOS 센서
픽셀 크기가 1.4μm 아래로 떨어지면 금속 상호 연결과 트랜지스터가 더 큰 표면적을 차지합니다. 채우기 계수가 감소하여 픽셀당 포착되는 빛이 줄어들고 이미지 노이즈가 증가합니다. 그 결과 이미지가 어두워지고 대비가 감소하며 저조도 조건에서 성능이 약해집니다.
BSI CMOS 센서에서
포토다이오드는 배선 위에 위치하여 빛이 직접 닿을 수 있도록 합니다. 이 구성은 거의 100% 채우기 계수를 달성하므로 거의 전체 픽셀 영역이 빛에 민감해집니다. BSI 센서는 이미지 프레임 전체에서 균일한 밝기와 더 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 유지합니다. 또한 스마트폰이나 드론 카메라와 같은 소형 모듈에서도 뛰어난 저조도 성능을 제공합니다.
누화, 소음 및 후면 확산
| 측면 | CMOS(FSI) 센서의 잠재적 문제 | BSI 센서의 잠재적 문제 | 엔지니어링 솔루션 | 이미지 품질에 미치는 영향 |
|---|---|---|---|---|
| 광학 누화 | 빛은 포토다이오드에 도달하기 전에 금속 배선에 의해 산란되거나 차단되어 조명이 고르지 않게 됩니다. | 뒷면 노출로 인해 빛이 인접한 픽셀로 누출됩니다. | DTI(Deep Trench Isolation): 광학 간섭을 방지하기 위해 픽셀 사이에 물리적 장벽을 만듭니다. | 더 선명한 이미지, 더 나은 색상 분리 및 흐림 감소. |
| 전하 재결합 | 전하 캐리어는 두꺼운 실리콘 또는 금속 층 내에서 손실되어 감도가 낮아집니다. | 뒷면 재조합: 캐리어는 수집 전에 노출된 표면 근처에서 재결합합니다. | 패시베이션 층 및 표면 처리: 결함을 줄이고 전하 수집을 개선합니다. | 감도가 향상되고 신호 손실이 감소합니다. |
| 블루밍 효과 | 한 픽셀의 과다 노출은 전면 확산으로 인해 인접한 픽셀이 포화됩니다. | 과다 노출은 얇아진 실리콘 층 아래에 전하를 퍼뜨립니다. | 표면 도핑 및 전하 장벽: 전하를 억제하고 오버플로를 방지합니다. | 흰색 줄무늬가 줄어들고 하이라이트가 더 부드러워졌습니다. |
| 전기 및 열 소음 | 온픽셀 트랜지스터의 열은 신호 경로에 노이즈를 생성합니다. | 얇은 실리콘과 조밀한 회로로 인해 더 높은 샷 노이즈. | 저잡음 증폭기 및 온칩 잡음 감소 알고리즘. | 더 깨끗한 이미지, 향상된 저조도 성능. |
| 채우기 계수 제한 | 금속층과 트랜지스터는 넓은 픽셀 영역을 덮어 빛 감도를 줄입니다. | 거의 제거 - 포토다이오드가 빛에 완전히 노출됩니다. | BSI 구조 및 마이크로렌즈 최적화. | 최대 빛 포착 및 균일한 밝기. |
BSI에서 적층형 CMOS 아키텍처로
적층형 CMOS 센서의 구조
| 레이어 | 기능 | 설명 |
|---|---|---|
| 최상층 | 픽셀 어레이(BSI 설계) | 감도를 극대화하기 위해 BSI 구조를 사용하여 들어오는 빛을 포착하는 감광성 포토다이오드가 포함되어 있습니다. |
| 중간 계층 | 아날로그/디지털 회로 | 더 깨끗한 출력을 위해 픽셀 어레이와 별도로 신호 변환, 증폭 및 이미지 처리 작업을 처리합니다. |
| 하단 레이어 | 메모리 또는 프로세서 통합 | 빠른 데이터 버퍼링 및 실시간 이미지 향상을 위한 임베디드 DRAM 또는 AI 처리 코어가 포함될 수 있습니다. |
적층형 CMOS 센서의 장점
• 초고속 판독: 롤링 셔터 왜곡을 최소화하면서 최대 4K 또는 8K 해상도의 고속 연속 촬영 및 실제 비디오 캡처가 가능합니다.
• 향상된 온칩 처리: HDR 병합, 동작 보정 및 노이즈 감소를 센서에 직접 수행하는 논리 회로를 통합합니다.
• 에너지 효율성: 더 짧은 데이터 경로와 독립적인 전원 도메인으로 전력 소비를 줄이면서 처리량이 향상됩니다.
• 더 작은 폼 팩터: 수직 스태킹을 통해 스마트폰, 자동차 카메라 및 드론에 이상적인 소형 모듈 설계가 가능합니다.
• AI 및 전산 이미징 지원: 일부 적층형 센서에는 지능형 자동 초점, 장면 인식 및 실시간 향상을 위한 전용 신경 프로세서가 포함되어 있습니다.
CMOS와 BSI 센서의 다이내믹 레인지 및 색상 성능
BSI(후면 조명) 센서
BSI 센서는 포토다이오드 위의 금속 배선을 제거함으로써 광자가 빛에 민감한 영역에 직접 도달할 수 있도록 합니다. 이 구조는 풀웰 용량을 증가시켜 빛 흡수를 개선하고 하이라이트 클리핑을 최소화합니다. 결과적으로 BSI 센서는 뛰어난 HDR 성능, 더 나은 색 심도 및 더 미세한 그림자 그라데이션을 제공하여 HDR 사진, 의료 영상 및 저조도 감시에 가장 적합합니다.
FSI(전면 조명) 센서
대조적으로, FSI 센서는 광다이오드에 도달하기 전에 빛이 여러 층의 회로를 통과해야 합니다. 이로 인해 부분 반사 및 산란이 발생하여 다이내믹 레인지 및 톤 매핑 기능이 제한됩니다. 밝은 조건에서 과다 노출되기 쉽고 깊은 그림자에서 덜 정확한 색상을 생성하는 경우가 많습니다.
CMOS와 BSI 센서의 응용
CMOS(FSI) 센서
• 머신 비전
• 산업 검사
• 의료 내시경 검사
• 감시 카메라
BSI 센서
• 스마트폰
• 디지털 카메라
• 자동차 ADAS
•천문학 및 과학 이미징
• 8K 비디오 녹화
CMOS와 BSI 센서의 향후 발전
• 3D 스택 설계는 초고속 판독 및 AI 기반 이미징을 위해 픽셀, 로직 및 메모리 레이어를 결합합니다.
• 글로벌 셔터 BSI 센서는 로봇 공학, 드론 및 자동차 시스템의 동작 왜곡을 제거합니다.
• 유기 CMOS 및 양자점 센서는 더 높은 감도, 더 넓은 스펙트럼 응답 및 더 풍부한 색상을 제공합니다.
• 온센서 AI 처리를 통해 실시간 노이즈 감소, 물체 감지 및 적응형 노출 제어가 가능합니다.
• 하이브리드 이미징 플랫폼은 CMOS와 BSI의 장점을 결합하여 다이내믹 레인지를 개선하고 전력 사용을 줄입니다.
결론
CMOS 및 BSI 센서는 BSI가 더 높은 감광도, 더 적은 노이즈 및 더 나은 색상 정확도를 제공하여 최신 이미징을 재편했습니다. 적층형 CMOS 및 AI 통합 센서의 등장으로 속도, 이미지 선명도 및 다이내믹 레인지가 더욱 향상되었습니다. 이러한 기술은 함께 사진, 감시 및 과학 이미징을 더욱 정밀하고 효율적으로 지속적으로 발전시키고 있습니다.
자주 묻는 질문
CMOS 및 BSI 센서에는 어떤 재료가 사용됩니까?
둘 다 실리콘 웨이퍼를 사용합니다. BSI 센서에는 더 나은 빛 흡수를 위해 얇은 실리콘 층, 마이크로렌즈 및 금속 상호 연결도 포함되어 있습니다.
어떤 센서 유형이 더 많은 전력을 사용합니까?
BSI 센서는 복잡한 설계와 더 빠른 데이터 처리로 인해 더 많은 전력을 소비하지만 최신 설계는 효율성을 향상시키고 있습니다.
BSI 센서가 CMOS보다 비싼 이유는 무엇입니까?
BSI 센서에는 웨이퍼 얇아짐 및 정밀한 레이어 정렬과 같은 추가 제조 단계가 필요하므로 생산 비용이 더 많이 듭니다.
이 센서는 열을 어떻게 처리합니까?
고온은 두 센서의 노이즈를 증가시킵니다. BSI 설계에는 이미지 품질을 안정적으로 유지하기 위해 더 나은 열 제어가 포함되는 경우가 많습니다.
CMOS 및 BSI 센서가 적외선을 감지할 수 있습니까?
예. IR 감지 코팅을 장착하거나 필터를 제거하면 둘 다 적외선을 감지할 수 있으며 BSI는 더 나은 IR 감도를 보여줍니다.
이미지 센서에서 마이크로렌즈의 목적은 무엇입니까?
마이크로렌즈는 빛을 각 픽셀의 포토다이오드로 직접 유도하여 더 작은 BSI 센서의 밝기와 효율성을 향상시킵니다.