堆栈式CMOS图像传感器之父讲述支撑这一世纪性发明的逻辑思维
September 21,2022
如今，智能手机以及数码单反相机、安防摄像头、车载相机等，我们身边的许多产品上都搭载了堆栈式CMOS图像传感器。除了相机的自动对焦功能、人脸识别、车载相机的标志识别等图像识别功能，这款传感器还能够以对我们有用的形式输出拍摄到的图像，体现了巨大的附加价值，如今索尼半导体解决方案株式会社（下称SSS）产的图像传感器几乎90%以上都是堆栈式的。这种堆栈式CMOS图像传感器最大的特点在于它的双层结构，即将捕捉到的光线转换为电信号的像素部和将电信号转换为数字信息、进而进行信息处理的逻辑电路部。这种双层结构具有划时代的意义，创造出了性能更好、成本更低的理想产品，堪称最伟大的发明。
它采用与过去CMOS图像传感器完全不同的开发方法完成，在公益社团法人发明协会主办的2016年度 全国发明表彰上荣获“内阁总理大臣奖”。又在2018年度科学技术领域的文部科学大臣表彰中荣获“科学技术奖（开发部门）”。在2020年度的春季表彰中，梅林先生被授予“紫丝带奖章”，在此，我们请他介绍了开发时经历的困难和作为开发者所重视的工作哲学。
Umebayashi Taku
Sony Semiconductor Solutions Corporation
Research Division 1
人物简介:1989年入职索尼株式会社从事存储器开发，负责Discman防跳音存储器和PS2图形合成器的商品化。从2002年开始，前往美国赴任，参与PS用电池芯片的开发。2005年，回到日本，在长崎从事PS3用图形芯片的量产化。2008年，回到厚木，开始开发堆栈式图像传感器。从2013年开始，参与三层堆栈式图像传感器的开发，从2016年开始至今，负责可搭载于堆栈式图像传感器上的新一代存储器技术的开发。
不是像素设计专家才能想到的双层结构新思路
在搭载数码相机等各种相机的众多产品上，使用了将光转换为数字信号的图像传感器这一半导体元件。这种图像传感器包含将光转换为电信号的“像素部”和将电信号转换为数字信息、进而进行信息处理的“逻辑电路部”。过去，“像素部”与“逻辑电路部”集成于一个芯片上，在搭建两个部分的工艺流程中，确立制造工艺时必须注意避免影响对方特性。当时，SSS主要开发的是背照式CMOS图像传感器。这种图像传感器通过翻转硅基板，让光从背面照射进来，增加“像素部”的受光面积，从而让暗部的成像也显得明亮，具有划时代的意义。正是这个商品，将SSS的CMOS图像传感器推上了市场份额No.1的宝座。当时，SSS全力推进背照式CMOS图像传感器的开发，但在这个时候出现了一个课题，那就是“希望降低搭载于移动设备上的背照式图像传感器的成本”，于是梅林的堆栈式CMOS图像传感器的开发就此开始。
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在了解到课题后，梅林花了一个半月的时间收集论文和信息，终于想到“要在确立各部分工艺时避免负面影响，只需将这两部分分离开来”。梅林在回顾当时的情景时，如此说到：“我在深入思考如何避免‘像素部’与‘逻辑电路部’制造时的浪费与不协调问题后，得出了这个结论。对图像传感器而言，‘像素部’是最重要的部分，而对于专门研究逻辑电路元器件的我来说，‘像素部’是给‘逻辑电路部’带来负面影响的干扰因素。因此，我想到将它们分离成2部分，确立相应工艺，之后再贴合在一起，这样，任何一部分的特性都能充分发挥出来，最终得到理想效果。将像素部与电路部重叠，就能缩小芯片面积，因此，1片晶圆能生产的产品数量就会增加，被视为课题的‘低成本’需求也应该能得到满足”。这正是逻辑电路专家才能想到的方法。这个概念立即获得认可，一个小规模的项目团队就此成立。但是，此时，他们遭遇了第一次挫折。最初的原理测试不顺利，连失败原因都没分析出来测试就搁置了。因为是前所未有的新结构，所以始终得不到周围的理解与协助，项目团队能做的事非常有限。但幸运的是，项目并没有因为最初的失败而分崩瓦解，开发仍在继续。
开发中经历的最大困难就是“像素部”与“逻辑电路部”晶圆的贴合。堆栈式结构的关键在于要将构建了“逻辑电路部”的带图案的晶圆打磨到极致平坦，然后与“像素部”的晶圆紧密贴合，避免空气进入。“像素部”的晶圆与“逻辑电路部”的晶圆之间是依靠电连接的，因此，不允许一点点偏差，需要非常先进的技术。其困难程度就像是将两个直径120m的棒球球场紧密贴合在一起，不允许有1m偏差。难度之大体现在从提出构思到成功制造样本，花了将近2年时间。在经历漫长的隧道期后，堆栈式CMOS图像传感器终于诞生了。“现在它已经成为其他公司也在使用的常见技术了，但是我们发布产品后，有相当一段时间，其他公司都没能发售”，由此，我们很容易就能想象出贴合技术的难度和开发团队的艰辛。
宛如奇迹的开发故事
在众人的期待与支持下迈入量产阶段
堆栈式CMOS图像传感器还有一项难题。那就是“像素部”与“逻辑电路部”分离后，“逻辑电路部”运用了各种技术，但直到量产前，还没有确定采用这款产品的客户。2011年，SSS在熊本与长崎启动了量产，但是有人提出异议“这款堆栈式图像传感器该怎么办？如果不能作为商品被客户采用，就没有生产的意义。不如停止开发吧”。此时，负责财务的人员表示“过去投入了多少研究成本都没关系。只要能回收后续量产的成本就是有价值的”，多亏了这个建议，才能成功走到量产这一步。最终，决定在“Xperia Z”上使用这项技术，并决定在后续的Xperia上也继续使用，堆栈式图像传感器因此被人们广泛了解，也促成了之后的爆炸式热销。
虽然经历了重重困难，但项目没有分崩瓦解，并最终进入量产阶段，关于这背后的原因，梅林称“我认为是因为大家都很期待这项技术。最初试制失败时，本来项目应该就此结束，或者我被调离，但最终无论是项目还是我都继续走下来了。工艺团队没有放弃，不断挑战。之后我还听说上司一直在为我奔走，比如保证预算、建立量产线等”。所以，这是一次得到许多人支持的开发。梅林微笑着说：“2009年年末时，我们真的是陷入了最艰难的困境，到2010年年初，当我们打造的试制品终于能成像时，我发自内心地感到高兴”。这一次的成功促成了在熊本进行的试制验证，公司内的风向一下子发生了改变。过去由一支小团队低调推进的研究，变成了无论到哪里都备受瞩目的存在。
以逻辑为依据思考、行动、确定方针
创造出世纪性发明的想象力源自何处？学生时代的梅林酷爱数学。他说“新学期拿到教科书后，我马上就开始自行解题。这样，到了第2个学期，就无事可干了，因此，找老师商量后，开始学习下一个学年的内容”。他对于数学就是如此热爱。从小就与父亲一起解题的梅林说“我感觉数学就像是谜语、智力测验。在和数学打交道的时候，完全不觉得是在学习，而像是游戏的延续”。或许正是在数学中锻炼出来的逻辑思维，让他想到了能消除各种浪费的堆栈结构。关于工作上所重视的，他表示“要以逻辑为依据思考、行动、确定方针”，“针对出现的结果，要把握原理、原因、依据”，这种工作态度正是开发者所必需的。“不要做含糊其辞的推测、不要撒谎，另一方面，要大胆想象未来技术上的可能性，这一点也很重要。否则，未来的萌芽在看见曙光之间就可能被扼杀了”，真诚对待技术，正是帮助梅林熬过将近2年的漫长隧道期，最终取得成功的重要姿态。另一方面，当陷入困境时，他也会远离纷繁的思绪，与少数一些人进行讨论。与少数人讨论，经常能得到意想不到的意见，从而帮助整理思维。另外，他从学生时代开始一直不擅长英语。入职索尼后，参加学会等使用英语的机会增加了，但是不能随心所欲地流利使用英语曾让梅林十分苦恼。此时，梅林采取的行动就是去美国赴任。虽然当时还没有考取海外赴任所需的TOEIC分数，但他还是报名了。他是带着“想要挑战新事物”的心情和“身处没有退路的环境中，即使不喜欢也能熟练掌握英语”这样的想法报名的。这些地方也体现了他“以逻辑为依据思考、行动”的工作态度。他提到“实际前往美国后，发现从好的方面来说，当地的环境很宽松，半导体的制造方法也与日本截然不同”，海外赴任的经验也帮助他形成了更加灵活的思维方式。
与其关注结果，不如思考产生这一结果的原因
梅林在进入大学研究室后立志从事研究、开发岗位。当时，相比思考，他更喜欢做实验，在与伙伴一起实验到深夜的过程中，他体会到了研究的乐趣，就此决定了自己未来的道路。但是，大学与企业的开发岗位是完全不同的，大学重视“原理”、“物理解释”，但进入企业后，则需要具有如何使用产品、如何发挥作用、如何实现实用化这样的视角。另外，他还提到“入职第一年时，在我研究、测量后，前辈一定会仔细检查。前辈告诉我，不要关注结果的可靠性，而要思考这个结果有什么意义、为什么会产生这样的结果”。索尼的这种自由的公司文化也影响了梅林的工作方式。索尼一直以来就有一句格言，那就是“有了好的想法就瞒着上司偷偷尝试吧。如果行不通就推翻，如果顺利就提出来”。正因为有这种鼓励挑战新事物的环境，梅林才能坚持完成开发，创造出堆栈式CMOS图像传感器。
“自己参与研发的技术成为商品，被许多人所使用，这正是这份工作的乐趣所在。今后，我希望研发出更多世界首创的产品，投入实用，得到全世界人们的认可”，今后梅林的出色表现也令人拭目以待。
2016年度 全国发明表彰“内阁总理大臣奖”和2020年度“紫丝带奖章”奖牌
