First of all, I'm very pleased to present our latest result first at IDM.

まず第一に、IDMで最初に最新の結果を発表できることを大変嬉しく思う。

We all know it's not a good situation to hold a conference because of COVID-19, but I think we are very fortunate to have the option to attend online.

COVID-19のせいでカンファレンスを開催するのがいい状況でないことは皆知っているが、オンラインで参加できるという選択肢は非常に幸運だと思う。

The topic I would like to present to you today is a highly efficient color separation and focusing in the sub-micron CMOS image sensor.

今日ご紹介したいのは、サブミクロンCMOSイメージセンサーにおける高効率な色分離とフォーカシングです。

Here is the outline of my presentation today.

以下が今日のプレゼンテーションの概要だ。

First, I'll talk about the pixel scaling downtrend, which is the motivation for this study.

まず、この研究の動機となったピクセルスケーリングのダウントレンドについて。

And next, I'll explain the concept and design principle of the metaphotonic color routing structure proposed in the paper.

そして次に、この論文で提案されているメタフォトニック・カラー・ルーティング構造のコンセプトと設計原理について説明する。

And we'll show the design and verification results of MPCR, which is integrated into an image sensor with a pixel size of 0.8 micron.

また、画素サイズ0.8ミクロンのイメージセンサーに組み込まれたMPCRの設計と検証結果を紹介する。

In addition, I'll also show our preliminary results for small pixel applications below 0.7 micron.

さらに、0.7ミクロン以下の小さなピクセル・アプリケーションに関する予備的な結果もお見せします。

And finally, I'll conclude my talk today.

そして最後に、今日の私の話を締めくくる。

Pixel scaling downtrend has continued for the past 20 years along with the development of smartphone technology.

ピクセルの縮小傾向は、スマートフォン技術の発展とともに過去20年間続いている。

Recently, with the advent of AR and metaverse, miniaturization of image sensors has become more important than ever.

近年、ARやメタバースの登場により、イメージセンサーの小型化がこれまで以上に重要になっている。

As the technology advances from 5.6 micron pixel in 2000 to 0.64 micron pixel in 2021, the pixel area has decreased by more than 70 times and the number of pixels has increased by more than 300 times.

2000年の5.6ミクロン画素から2021年の0.64ミクロン画素へと技術が進歩するにつれ、画素面積は70倍以上減少し、画素数は300倍以上増加している。

So far, we have experienced several structural innovations.

これまで、私たちはいくつかの構造改革を経験してきた。

First, the BSI technology replaced FSI.

まず、BSI技術がFSIに取って代わった。

BSI can greatly increase the amount of light received by reducing the scattering loss in metal wires.

BSIは、金属線の散乱ロスを減らすことで、受光量を大幅に増やすことができる。

The next innovation is going to be deep trench isolation, which can reduce both the electrical and optical crosstalk in photodetector layers.

次の技術革新はディープ・トレンチ・アイソレーションで、光検出器層における電気的・光学的クロストークを低減することができる。

The introduction of low refractive index fence layer for color filter separation can also improve optical efficiency and crosstalk.

また、カラーフィルター分離のために低屈折率フェンス層を導入することで、光学効率とクロストークを改善することができる。

Currently, the technology seems to be being developed incrementally by just improving these structures.

現状では、これらの構造を改良することで段階的に技術が開発されているようだ。

However, as the pixel size becomes extremely small, it is more important to improve SNR by receiving sufficient light even in low light conditions.

しかし、画素サイズが極端に小さくなると、低照度下でも十分な光を受光してSNRを向上させることがより重要になる。

To this end, one can choose pixel binning to increase the effective pixel size or use a broadband color filter, such as a white color filter or a combination of CMY complementary color filters.

このため、有効画素サイズを大きくするために画素ビニングを選択したり、白色フィルターやCMY補色フィルターの組み合わせなどの広帯域カラーフィルターを使用したりすることができる。

Instead of taking this route, we actually decided to take advantage of the light loss caused by the color filter layer.

その代わりに、カラーフィルター層による光の損失を利用することにした。

We started studying metaphotonic structures, which can engineer light propagation to separate colors and focus the light at the same time.

私たちはメタフォトニック構造の研究を始めた。メタフォトニック構造は、光の伝搬を工学的に制御して色を分離し、同時に光を集束させることができる。

Here we introduce the metaphotonic color routing structure.

ここでは、メタフォトニック・カラー・ルーティング構造を紹介する。

From now on, it will be called as MPCR.

今後はMPCRと呼ぶ。

As shown in the schematic on the left bottom, in the conventional image sensor, when blue light is incident, only the light incident to the blue pixel is transmitted through the corresponding color filter.

左下の模式図に示すように、従来のイメージセンサーでは、青色光が入射すると、青色画素に入射した光のみが対応するカラーフィルターを透過する。

And the light entering the green and red pixels is lost due to the absorption of color filters.

そして、緑と赤の画素に入る光は、カラーフィルターの吸収によって失われる。

So only about one third of the incident light can be used.

そのため、入射光の約3分の1しか利用できない。

However, if the direction of the light absorbed by other pixels is changed and redirected, the amount of light received can be greatly increased.

しかし、他の画素で吸収される光の向きを変えて方向転換すれば、受光量を大幅に増やすことができる。

Placing a large virtual lens that covers the green and red pixels will collect the blue light that is lost from the neighboring pixels.

緑と赤の画素を覆う大きな仮想レンズを配置することで、隣の画素から失われる青い光を集めることができる。

The concept can be extended for all RGB color bands, and for these, virtual lens phase distributions as shown on the right are required.

このコンセプトはすべてのRGBカラーバンドに拡張可能であり、これらには右図のような仮想レンズ位相分布が必要である。

For blue and red, a large-scale lens array is necessary to cover the neighboring pixels, and for green pixels, a large array of lenses arranged diagonally is required to contain the adjacent RGB color pixels.

青と赤の場合は、隣接するピクセルをカバーするために大規模なレンズアレイが必要であり、緑のピクセルの場合は、隣接するRGBカラーピクセルを含むために、対角線上に配置された大規模なレンズアレイが必要である。

If this phase distribution can be realized simultaneously for RGB color bands, both color separation and focusing are possible at the same time even in the Bayes array.

この位相分布をRGBの色帯域で同時に実現できれば、ベイズ配列でも色分離と集束の両立が可能になる。

It can be seen in the simulation field distribution below here that RGB can be separated and focused by the phase conditions described above.

以下のシミュレーションフィールド分布から、RGBが上記の位相条件によって分離・集束できることがわかる。

With the conventional microlens array, however, it is impossible to achieve such wavelength-dependent phase properties.

しかし、従来のマイクロレンズアレイでは、このような波長依存の位相特性を実現することは不可能であった。

On the other hand, if the metaphotonic technology is applied, the wavelength-dependent phase distribution can be realized by utilizing the dispersion properties of higher effective index nanostructures.

一方、メタフォトニック技術を応用すれば、実効指数の高いナノ構造の分散特性を利用することで、波長に依存した位相分布を実現できる。

MPCR is an artificially engineered nanostructure that is composed of high refractive index nanoposts which is embedded in a low-index medium.

MPCRは、低屈折率媒体に埋め込まれた高屈折率ナノポストで構成される人工ナノ構造である。

Titanium dioxide posts can be used as a waveguide to create the phase array so that the desired lens phase distribution can be realized by properly selecting post dimensions at each phase point.

二酸化チタンポストは、各位相点におけるポスト寸法を適切に選択することによって所望のレンズ位相分布を実現できるように、位相アレイを作成するための導波路として使用することができる。

Light coupled to the nanopost travels much slower than light passing through its surroundings.

ナノポストに結合した光は、その周囲を通過する光よりもはるかに遅く進む。

The induced phase difference changes as a function of wavelength, thus allowing wavelength-dependent color separation from interference and diffraction phenomena.

誘導される位相差は波長の関数として変化するため、干渉や回折現象から波長に依存した色分離が可能になる。

As shown in the figure on the left bottom, when the green light of 540 nm is incident on the post, it is transmitted to the bottom of the post with no problem, but the red light of 630 nm is split left and right by the post due to destructive interference.

左下の図のように、540nmの緑色光がポストに入射すると、問題なくポストの下まで透過するが、630nmの赤色光は破壊干渉によりポストで左右に分断される。

The phase delay of this post actually originates from the mode index of the waveguide, and one can calculate the mode index according to the dimensions of waveguide post.

このポストの位相遅れは、実際には導波管のモードインデックスに由来しており、導波管ポストの寸法に従ってモードインデックスを計算することができる。

As shown on the right, the design library can be acquired based on this information.

右図のように、この情報に基づいてデザイン・ライブラリーを取得することができる。

In the early design stage of MPCR, we also used this library to check the initial settings of the post dimensions to satisfy the phase conditions described above.

MPCRの設計初期段階では、このライブラリを使って、上記の位相条件を満たすポスト寸法の初期設定も確認した。

Using the described design rules, we successfully designed an MPCR structure to be applied to a 0.8-micron Bayer sensor.

説明したデザインルールを用いて、0.8ミクロンのベイヤーセンサーに適用するMPCR構造の設計に成功した。

As shown in the schematic on the left, the optimized MPCR structure is spaced apart from the color filter layer to secure the color separation distance.

左の模式図に示すように、最適化されたMPCR構造は、色分離距離を確保するためにカラーフィルター層から間隔をあけて配置されている。

As can be seen from the finite difference time domain field evolution simulation in the middle, when green light is incident on the designed MPCR structure, the light incident on the red pixel is redirected and transmitted to the green pixel, so that the optical efficiency enhancement and light focusing effect are simultaneously possible.

中央の有限差分時間領域フィールド展開シミュレーションからわかるように、設計されたMPCR構造に緑色光が入射すると、赤色画素に入射した光がリダイレクトされて緑色画素に透過するため、光学効率の向上と集光効果が同時に得られる。

The advantage of such color separation and redirection is that it is equally applied to other colors with the same single structure.

このような色の分離と方向転換の利点は、同じ単一構造を持つ他の色にも同じように適用できることである。

Optical efficiency enhancement effect can also be confirmed by the increase in quantum efficiency curves on the right.

光学効率の向上効果は、右側の量子効率曲線の増加によっても確認できる。

Compared to the conventional sensor indicated by the dotted lines, it is clearly shown that the QE improvement of about 30% is possible in all RGB channels in the case of MPCR sensors.

点線で示した従来のセンサーと比較すると、MPCRセンサーの場合、すべてのRGBチャンネルで約30％のQE改善が可能であることが明確に示されている。

In order to confirm the characteristics of the designed MPCR structure, we developed a new mass production process method.

設計したMPCR構造の特性を確認するため、新しい量産プロセス法を開発した。

In order to realize the maximum refractive index contrast, an air-surrounding structure may be preferred, but a buried form is more suitable in consideration of mass production due to its mechanical stability.

最大限の屈折率コントラストを実現するためには、空気に囲まれた構造が好ましいかもしれないが、機械的安定性から量産を考慮すると埋設型が適している。

Like the process flow on the left, after forming the color filter layer, a spatial layer is deposited and planarized.

左のプロセスフローのように、カラーフィルター層を形成した後、空間層を蒸着し、平坦化する。

Next, the first MPCR layer can be formed by patterning holes in the deposited SiO2 layer, gap filling with titanium dioxide ALD process, and planarization with CMP process.

次に、成膜したSiO2層にホールをパターニングし、酸化チタンALDプロセスでギャップを埋め、CMPプロセスで平坦化することで、第1のMPCR層を形成することができる。

This process was repeated twice to form the final structure, which is bilayer MPCR.

この工程を2回繰り返し、二層MPCRという最終構造を形成した。

For patterning, either KRF or ARF ortholithography techniques can be applied depending on the dimensions of the optimized design structure.

パターニングには、最適化された設計構造の寸法に応じて、KRFまたはARFリソグラフィ技術のいずれかを適用できる。

The fabrication example shown on the right is a cross-sectional image of the MPCR structure integrated by KRF patterning on the actual 0.8-micron pixel image sensor of our company.

右の作製例は、当社の実際の0.8ミクロン画素イメージセンサにKRFパターニングによりMPCR構造を集積した断面像である。

As shown in the image, the double-layered titanium dioxide post is well-formed and successfully embedded in the SiO2 medium.

画像に示すように、二重構造の二酸化チタンポストはよく形成され、SiO2媒体にうまく埋め込まれている。

To confirm the optical efficiency enhancement of the fabricated MPCR sensor, we measured the quantum efficiency of the fabricated MPCR sensor package and compared it with the reference sensor.

作製したMPCRセンサーの光学効率向上を確認するため、作製したMPCRセンサーパッケージの量子効率を測定し、基準センサーと比較した。

As can be seen from the graph on the left, on average of 20% QE was improved for all RGB channels as expected from the simulation results.

左のグラフからわかるように、シミュレーション結果から予想されるように、すべてのRGBチャンネルで平均20％のQEが改善された。

In particular, it is noteworthy that the QE improvement of the blue channel is remarkable.

特に、ブルー・チャネルのQE改善は注目に値する。

For this reason, the actual RGB channels are more balanced, so images with proper white balance can be captured.

このため、実際のRGBチャンネルはよりバランスが取れており、適切なホワイトバランスの画像を撮影することができる。

As can be seen from the raw images on the right, which is before ISP processing, unlike the reference sensor that has a greenish hue due to a large green channel signal, it can be seen that a brighter and more white balanced image is obtained with the MPCR sensor.

右側のISP処理前の生画像からわかるように、緑チャンネルの信号が大きいために緑がかった色合いとなっているリファレンスセンサーとは異なり、MPCRセンサーではより明るくホワイトバランスの取れた画像が得られていることがわかる。

In order for MPCR to be applied in real camera module applications, it is necessary to maintain the optical properties of each pixel according to the CRA used in the module lens.

MPCRを実際のカメラモジュールアプリケーションに適用するためには、モジュールレンズで使用されるCRAに応じて各画素の光学特性を維持する必要がある。

Most optical nanostructures reported so far are very sensitive to the angle of incidence so that their properties are greatly deteriorated when they are deviating from the optimal angle.

これまでに報告されているほとんどの光学ナノ構造は、入射角度に非常に敏感であるため、最適な角度からずれると特性が大きく劣化する。

In order to maintain the angular characteristics of MPCR, we developed an appropriation design method of MPCR and applied it to the fabricated sensor.

MPCRの角度特性を維持するため、MPCRの流用設計法を開発し、製作したセンサーに適用した。

The module lens used in the camera test has F number of 2.4, maximum CRA is 30 degrees.

カメラテストに使用したモジュールレンズのF値は2.4、最大CRAは30度。

The luminous shading shown on the left bottom are the images of the white surface light source taken with the reference and the MPCR camera modules.

左下に示されている発光シェーディングは、リファレンスとMPCRカメラモジュールで撮影された白色面光源の画像である。

It was confirmed that a proper design rule for the angle of incidence was reflected in the MPCR module so that the luminous shading of MPCR were maintained over the entire sensor area, which is almost equivalent to the existing sensor.

入射角の適切な設計ルールがMPCRモジュールに反映され、MPCRの遮光性がセンサー全域で維持され、既存センサーとほぼ同等であることが確認された。

In addition, we also tested the resolution of MPCR.

さらに、MPCRの分解能もテストした。

The fabricated MPCR sensor module appeared to have comparable quality of the star chart image and MTF characteristics as shown on the right.

製作されたMPCRセンサーモジュールは、右図に示すように、星図画像の品質とMTF特性は同等であった。

If necessary, we also expect it can be more improved by applying a resolution restoration algorithm that is dedicated to MPCR sensors.

必要であれば、MPCRセンサー専用の解像度復元アルゴリズムを適用することで、さらに改善できることも期待している。

The advantage of MPCR technology is that if the target phase distribution is satisfied, it can be applied not only to large pixels but also to fine pixels of 0.8 micron or even less.

MPCR技術の利点は、目標の位相分布を満たせば、大きな画素だけでなく、0.8ミクロン以下の微細な画素にも適用できることだ。

We carried out designs applicable to pixel sizes of 0.7 micron, 0.64, 0.56, and 0.5 micron and first confirmed through simulation that color routing and focusing of RGB are possible even in this small pixel region.

0.7ミクロン、0.64ミクロン、0.56ミクロン、0.5ミクロンの画素サイズに対応した設計を行い、この小さな画素領域でもRGBのカラールーティングとフォーカシングが可能であることをまずシミュレーションで確認した。

In order to confirm the actual implementation possibility, each design was fabricated on a glass substrate and imaged with a microscope.

実際の実装の可能性を確認するため、各設計をガラス基板上に作製し、顕微鏡で撮影した。

And RGB routing characteristics by MPCR could be confirmed at the focal plane.

また、MPCRによるRGBの配線特性も焦点面で確認できた。

The lower images were captured by CCD showing color separation characteristics of the fabricated MPCR structures.

下の画像は、作製したMPCR構造の色分離特性をCCDで撮影したものである。

The clear RGB routing characteristics of 0.7 micron and 0.56 micron designs can be confirmed and even at 0.5 micron, the color routing operation was clearly demonstrated.

0.7ミクロンと0.56ミクロン設計の明確なRGB配線特性が確認でき、0.5ミクロンでもカラー配線動作が明確に示された。

Recently, we have confirmed that the design rules works down to 0.45 micron.

最近、この設計ルールが0.45ミクロンまで機能することを確認した。

We are currently working on the design and verification to enhance the performance of MPCR and now are looking forward to commercialization.

現在、MPCRの性能を向上させるための設計と検証を進めており、実用化を目指している。

Finally, I would like to summarize today's presentation.

最後に、今日のプレゼンテーションを総括したい。

First, we developed and introduced MPCR design rules and a new mass production fabrication process.

まず、MPCRの設計ルールと新しい量産製造プロセスを開発・導入した。

By applying this design and fabrication method, we were able to demonstrate the optical efficiency enhancement by integrating MPCR into a 0.8 micron pixel image sensor for the first time.

この設計と製造方法を適用することで、MPCRを0.8ミクロンピクセルのイメージセンサーに組み込むことによる光学効率の向上を初めて実証することができた。

In addition, we not only simulated that MPCR can operate below 0.8 micron, but also demonstrated color separation with fabrication and imaging.

さらに、MPCRが0.8ミクロン以下で動作することをシミュレートしただけでなく、作製とイメージングで色分離を実証した。

We expect that MPCR can be utilized to implement high-efficiency ultrafine pixel image sensors.

MPCRは、高効率の超微細画素イメージセンサの実装に活用できると期待している。

Thank you for your attention. www.microsoft.com

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