L’interdisciplinarietà nei sensori di immagini

I sensori di immagini più diffusi ad oggi sono quelli presenti nelle nostre fotocamere e nei telefoni cellulari. Questi sono sensori di immagini realizzati in grossi volumi. Tuttavia esiste anche un mercato per i sensori di immagine specializzati. Per questi ultimi, non è disponibile alcuna soluzione standard. Spesso, tali sensori di immagini hanno requisiti speciali in relazione all'applicazione. Ad esempio, i tool di ispezione dei wafer e delle maschere per la lavorazione avanzata dei semiconduttori richiedono sensori di immagini che siano sensibili alle lunghezze d'onda nell'estremo ultravioletto (EUV); le soluzioni lab-on-chip richiedono microscopi miniaturizzati che possano riconoscere le cellule ad alta velocità. Il mercato dei sensori di immagini specializzati è ampio e spazia dalle applicazioni scientifiche di alta fascia, a quelle in campo spaziale, dell'osservazione terrestre, dell'elaborazione delle immagini medicali, degli apparecchi consumer di alta fascia, fino alla visione artificiale e alla strumentazione. Esiste una domanda crescente da parte dei produttori di apparecchi per la fabbricazione di semiconduttori di sensori di immagini specializzati. Anche il segmento di mercato dell'elaborazione delle immagini medicali sta crescendo enormemente. Nuovi mercati impongono requisiti senza precedenti in termini di rumore, di velocità e di integrazione, ad esempio per i tool industriali avanzati di alta fascia. Queste specifiche senza precedenti necessitano di soluzioni di progetto innovative di tipo system-on-chip realizzate in stretta collaborazione con lo sviluppo tecnologico e con lo sviluppo della post-elaborazione software. Solo quando le sfide tecnologiche e di progetto sono affrontate congiuntamente, possiamo immaginare che il sensore possa servire in modo ottimale il campo di applicazione per il quale è destinato.   Quando si analizzano le esigenze del mercato dei sensori di immagini specializzati, si osserva una chiara tendenza verso sensori di immagini alle lunghezze d'onda non visibili (ad es. UV -EUV). Anche le soluzioni di sensori di immagini sotto forma di system-on-chip completi sono molto popolari oggi. Imec, in qualità di centro di ricerca che collabora strettamente con l'industria, ha affrontato alcuni progetti specifici per l'industria. Uno per uno,  questi progetti sono una chiara illustrazione del potenziale dei sensori di immagini quando si combinano diverse competenze. Qui sotto, forniamo alcuni esempi di realizzazioni di questo tipo.

Matrici di microlenti per la litografia a fascio elettronico
La litografia a fascio riflessivo elettronico (REBL) usa un fascio di elettroni per realizzare la litografia. L'obiettivo è di estendere la fabbricazione di semiconduttori al nodo tecnologico da 16 nm e oltre. La litografia a fascio elettronico esiste ma è soggetta a lunghi tempi di scrittura e si tratta essenzialmente di una tecnica seriale. Il vantaggio dell'attuale sviluppo è che consente la scrittura di 1 milione di fasci elettronici in parallelo, portando ad una produzione veloce. È stato sviluppato un processo per la fabbricazione di una matrice di microlenti elettrostatiche (lenslet) per il tool REBL. Il dispositivo lenslet consiste in una matrice di fori con un diametro di  1,4 µm distanziati fra loro di 1,6µm. Questi fori sono modellati in una pila con uno spessore totale di 4µm. Questa pila consiste nell'elettrodo e negli strati di isolamento. La struttura che è formata in questo modo si comporta come una lente elettrostatica. Applicando diverse tensioni agli elettrodi, sono creati dei campi elettrici che concentrano e assorbono o riflettono un fascio incidente di elettroni.  Lo sviluppo delle strutture a lenslet assieme alle interconnessioni pone molte sfide di progettazione e di lavorazione. È stato sviluppato un processo litografico e di attacco chimico per modellare i dispositivi con rapporto di aspetto elevato con una buona sovrapposizione con gli strati sottostanti degli elettrodi. La progettazione delle piazzole di saldatura e dei fori di via è stata effettuata utilizzando alcuni approcci di integrazione non convenzionali allo scopo di rimanere compatibili con le fasi di lavorazione dei lenslet.  

Sensori Euv
È necessaria la rivelazione nella regione dell'estremo ultravioletto per i tool di litografia Euv e per gli apparecchi di ispezione dei wafer e delle maschere. I sensori di immagini per queste applicazioni richiedono la rivelazione della luce con una lunghezza d'onda estremamente corta. Una simile luce ha tipicamente una profondità di penetrazione molto limitata nel silicio e nel dielettrico. Inoltre, gli apparecchi per la litografia richiedono alte dosi che causano problemi di affidabilità nei sensori Euv. I fotodiodi sono stati fabbricati con una struttura speciale. Un aspetto chiave è costituito da una passivazione dedicata che consente la penetrazione delle lunghezze d'onda Euv dalla sommità del dispositivo per raggiungere il silicio sensibile. Questi rivelatori possono essere usati per misurare la dose di radiazione Euv nei tool per la litografia. Tuttavia, per controllare l'uniformità, è necessaria una matrice 2D. Per questo motivo, il lavoro futuro si concentrerà sullo sviluppo di un sensore di immagini completo. Per fare ciò, concetti come la retroilluminazione diventano importanti. Gran parte dei sensori di immagini oggi usano l'illuminazione sul lato frontale. La luce deve passare attraverso l'interfaccia di uscita con le metallizzazioni e i dielettrici. Questi materiali riflettono la luce e assorbono anche parte della luce. Quando si passa alla luce al di là dello spettro visibile, questo diventa un problema. Per questo motivo, è meglio usare in questo caso il concetto di illuminazione sul lato posteriore per il sensore di immagini. Applicando questo concetto, è possibile usare i sensori di immagini Euv in applicazioni quali il monitoraggio della dose di esposizione e la calibratura, l'allineamento e la focalizzazione dei sistemi di lenti del tool litografico. 

Filtri iperspettrali in cima a un sensore di immagini 
L'elaborazione delle immagini iperspettrali esiste oggi sotto forma di tool di grandi dimensioni e costosi usati tipicamente in ambienti di ricerca. Tuttavia, l'integrazione innovativa di filtri e di sensori di immagini possono invertire questa tendenza e possono consentire la realizzazione di fotocamere iperspettrali compatte ad alta velocità e a basso costo. Tali fotocamere potrebbero essere usate per l'ispezione industriale, l'anticontraffazione, il controllo della qualità dei cibi e per le applicazioni medicali come lo screening del cancro della pelle.
È stato sviluppato un sensore di immagini iperspettrale integrando un gruppo di 100 filtri spettrali, sistemati in modo da formare un cuneo, in cima ad un sensore di immagini Cmos commerciale. Per consentire la lavorazione a basso costo di un simile filtro microscopico a cuneo, imec ha introdotto un progetto che è in grado di compensare per la variabilità del processo. Il risultato è una fotocamera iperspettrale compatta e veloce realizzata in una tecnologia di processo producibile in massa e completamente compatibile con il processo Cmos.
I filtri spettrali integrati sono filtri di interferenza Fabry-Pérot a banda stretta. Il filtro Fabry-Pérot è tipicamente realizzato da uno strato trasparente (detto cavità) con uno specchio su ciascun lato dello strato. La lunghezza della cavità definisce la lunghezza d'onda centrale del filtro ottico e la riflessività degli specchi definisce l'Fwhm (Full Width Half Maximum) del filtro. Usando questi filtri, possono essere realizzati diversi progetti di sensori di immagini iperspettrali. Ad esempio, un sensore di immagini iperspettrale a scansione di linea può registrare un intero cubo in 3D (ossia un'immagine in tutte le diverse lunghezze d'onda) per un oggetto lineare in movimento. I filtri iperspettrali possono essere lavorati in principio su qualsiasi sensore di immagini, per soddisfare diverse specifiche di applicazione. Analogamente, l'intervallo spettrale può essere regolato e attualmente è in fase di sviluppo un intervallo spettrale esteso di 400-1000 nm.

Sensori di immagini in system-on-chip
I sensori di immagini di alta fascia richiedono l'integrazione di molta intelligenza all'interno del sensore di immagini, basti pensare alla complessa e veloce circuiteria di lettura necessaria. La soluzione è un approccio system-on-chip basato sul processo Cmos per i sensori di immagine. L'approccio Ccd che è spesso usato per i sensori di immagine specializzati non può gestire questa necessità di intelligenza integrata. Ad esempio, la conversione analogico-digitale per i sensori di immagine spinge i confini della velocità di quadro e della risoluzione per soddisfare nuovi requisiti di prestazioni dal punto di vista dell'applicazione. È stato sviluppato un prototipo con Adc veloci e a basso consumo per ciascuna colonna del sensore di immagini. Per i sensori di immagini ad alte prestazioni di tipo system-on-chip, è essenziale la combinazione di tecnologia, progettazione e approccio a livello di sistema. È inoltre essenziale disporre di una piattaforma Cmos flessibile con opzioni in aggiunta come l'illuminazione sul lato posteriore, i Ccd immersi o i filtri iperspettrali.

Pile 3D nei sensori di immagine
Oltre alla tecnologia system-on-chip, è possibile usare anche la tecnologia di impilamento in 3D per rendere più intelligenti i sensori di immagini. Durante gli ultimi anni ci sono stati numerosi sforzi di sviluppo sui fori di via attraverso il Silicio (TSV) che consentono di impilare in 3D i die attivi al silicio. Il principale fattore di spinta per questa tecnologia è l'impilamento della memoria e l'impilamento della memoria sui chip logici. Questa tecnologia sta ora diventando matura (a livello di ricerca e sviluppo) e la realizzazione su scala industriale dovrebbe aver luogo nel corso dei prossimi anni. Anche per i sensori di immagini, l'impilamento 3D crea delle opportunità. Un primo vantaggio è il disaccoppiamento delle funzioni di diversi strati di un sensore di immagini: strato di misura, Roic analogico, Adc, sistema digitale. Ciascuno dei diversi strati può essere ottimizzato separatamente nella tecnologia più adeguata e può essere successivamente impilato. Un secondo vantaggio è il potenziamento della struttura di lettura usando uno schema di interconnessioni verticali in termini di velocità (elaborazione massicciamente parallela) e di prestazioni (elaborazione di immagini complesse). In terzo luogo, la mappatura in 3D dell'applicazione consente di distribuire la funzionalità di un sensore specifico in modo ottimizzato sugli strati eterogenei per ottenere una realizzazione economicamente conveniente.

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