1、CIS技术概述：图像传感器市场格局、中芯国际CIS工艺平台介绍、CIS芯片的基本工作原理
各位工程师朋友，大家好。我是你们的老朋友，在图像传感器工艺这行摸爬滚打了十几年。今天咱们开始聊中芯国际的CIS工艺，第一讲先搭个架子，把市场、平台和原理这三块说透。
说实话，每次给新人培训，我都喜欢先从“为什么做”讲起。你想想看，没有市场需求的工艺，再牛也是白搭。所以咱们先看看外面是什么情况。
1.1 图像传感器市场格局：谁在吃肉，谁在喝汤？
图像传感器这个市场，说白了就是CMOS图像传感器（CIS）的天下。CCD？嗯，现在基本只活在工业、医疗这些特殊领域了。CIS凭借低功耗、高集成度、低成本，把消费电子、汽车、安防、医疗全吃下了。
我给大家列个2023年的数据，心里有个数：
| 排名 | 厂商 | 市场份额（约） | 主力领域 |
|---|---|---|---|
| 1 | Sony | 42% | 手机、高端相机 |
| 2 | Samsung | 22% | 手机、安防 |
| 3 | OmniVision（韦尔股份） | 11% | 手机、汽车、安防 |
| 4 | ST（意法半导体） | 6% | 汽车、工业 |
| 5 | GalaxyCore（格科微） | 4% | 手机、物联网 |
看到没？Sony一家就占了四成多。为什么？因为它在堆栈式CIS、双层晶体管像素这些前沿工艺上，确实领先了同行两三年。我2018年去日本参观过Sony的熊本工厂，那个洁净度、那个自动化程度，说实话，当时心里挺不是滋味的。
但咱们也别灰心。中芯国际这几年在CIS工艺上进步很快，尤其是55nm、40nm这些成熟节点，已经能做出很有竞争力的产品了。我个人觉得，未来三年国产CIS的市占率会有一个明显的跃升。
1.2 中芯国际CIS工艺平台：我们有什么牌？
中芯国际的CIS工艺平台，我习惯把它分成三代：
- 第一代：0.18μm CIS工艺——这是老将了，主要做VGA、1MP、2MP这些低像素产品。特点是成熟、便宜、良率高。现在主要用在物联网、玩具摄像头这些对成本极度敏感的地方。
- 第二代：0.11μm / 90nm CIS工艺——这是中坚力量。像素尺寸可以做到1.4μm到1.12μm，支持5MP到13MP。我记得2019年帮一个客户做项目，就是用0.11μm工艺，把一颗8MP的CIS芯片面积压缩到了1/4英寸，客户非常满意。
- 第三代：55nm / 40nm CIS工艺——这是目前的主力。像素尺寸可以做到0.9μm甚至更小，支持20MP以上。而且中芯国际在这代工艺上做了很多优化，比如深沟槽隔离（DTI）、背照式（BSI）技术。
这里我要特别提一下55nm CIS工艺。为什么它这么重要？因为它在成本和性能之间找到了一个很好的平衡点。你想想看，40nm以下的光刻成本急剧上升，而55nm的成熟度已经很高了。对于大多数手机副摄、安防、汽车环视这些应用，55nm完全够用。
核心工艺模块：
- 深沟槽隔离（DTI）：减少像素间的光学串扰，提升量子效率
- 背照式（BSI）：把光电二极管放在金属布线层上面，进光量提升30%以上
- 微透镜工艺：优化聚光效率，尤其是边缘像素
- 彩色滤光片（CF）：RGB或RGGB排列，拜耳模式为主
我曾经在一个项目中遇到过DTI刻蚀深度不够的问题，导致相邻像素的串扰严重，拍出来的照片边缘发红。后来调整了刻蚀时间和气体比例，才把问题解决。嗯，这些细节后面章节会详细讲。
1.3 CIS芯片的基本工作原理：光怎么变成电？
这个原理其实不复杂，但很多新人容易搞混。我尽量用大白话说清楚。
CIS芯片的核心，是一个个像素（Pixel）。每个像素里有一个光电二极管（Photodiode）。光打进来，光子被硅吸收，产生电子-空穴对。电子被收集起来，就形成了光生电荷。
然后呢？这些电荷需要被读出来。经典的4T像素结构（4个晶体管）是这样的：
像素结构示意（俯视图）：
+-------------------+
| PD | TG | FD |
| | | |
| RST | SF | SEL |
+-------------------+
PD: 光电二极管（Photodiode）
TG: 传输门（Transfer Gate）
FD: 浮置扩散节点（Floating Diffusion）
RST: 复位晶体管（Reset）
SF: 源跟随器（Source Follower）
SEL: 行选择晶体管（Select）
工作流程我总结成四步：
- 复位（Reset）：先把FD节点的电压复位到一个高电平（比如VDD）。
- 曝光（Integration）：光照射PD，产生光生电荷。曝光时间由快门控制。
- 传输（Transfer）：打开TG，把PD里的电荷全部转移到FD节点。这一步很关键，传输效率直接影响图像质量。
- 读出（Readout）：通过SF和SEL，把FD上的电压信号读出来。这个电压和光生电荷量成正比。
避坑指南：
我曾经在设计一个高动态范围（HDR）传感器时，发现传输门关断不彻底，导致残留电荷影响了下一帧的图像。后来查了半天，原来是TG的驱动电压不够高。所以大家设计时，一定要留够TG的电压余量，尤其是低光照条件下。
读出来的电压信号是模拟的，还需要经过列级ADC（模数转换器）转成数字信号。这个ADC的设计也很有讲究，后面会有专门章节讲。
最后，数字信号经过ISP（图像信号处理器）处理，就变成了我们看到的照片。当然，ISP通常不在CIS芯片内部，而是放在主控SoC里。但有些高端CIS会集成一部分ISP功能，比如坏点校正、增益控制等。
注意事项：
CIS芯片对暗电流（Dark Current）非常敏感。暗电流是热激发产生的电子，即使没有光照也会积累。温度每升高10度，暗电流大约翻一倍。所以工业级和汽车级的CIS，通常需要做温度补偿，或者采用制冷方案。我在做车载摄像头项目时，就遇到过夏天高温下暗电流暴增的问题，后来通过工艺优化和算法校正才搞定。
好了，第一讲就到这里。咱们把市场格局、中芯国际的工艺平台、以及CIS的基本工作原理都过了一遍。下一讲，我会深入像素设计，聊聊光电二极管的掺杂、深沟槽隔离的工艺细节。到时候见。