OmniBSITM Technology Backgrounder 
`
`Embargoed News: June 22, 2009 
`
`OmniVision Technologies, Inc. 
` 
`
`At the heart of any digital camera lies the image sensor.  The image sensor is an integrated circuit, like any memory chip 
`
`or microprocessor, except that it’s designed to be very sensitive to visible light.  Image sensor technology has undergone 
`
`rapid technological improvements in recent years.  OmniVision’s BackSide Illumination (OmniBSI™) pixel technology 
`
`truly offers a giant leap forward in the world of imaging technology. 
`
`Image Sensor Trends 
`
`Understanding the key trends in the image sensor business helps to illustrate the substantial value offered through 
`
`OmniBSI technology.  Specifically, the image sensor market is being driven towards lower cost devices, smaller pixels, 
`
`higher resolution, thinner camera modules and better image quality.   
`
`As with all electronics, the primary trend in image sensors is lower cost and higher performance.  Lower cost is achieved 
`
`primarily by shrinking all features on the die.  Aside from transistors, whose size reduction is driven mainly by the 
`
`microprocessor and memory industries, the largest devices on an image sensor are the actual pixels themselves.  It is the 
`
`innovation in the pixel technology that drives higher performance. 
`
`The second trend in image sensors is better performance.  ‘Make them smaller and better’ has been the industry’s 
`
`mantra for many years, from salespeople to the pixel designers.  The first image sensors for mobile cameras used 5.6 µ 
`
`pixels, shifting to 2.8µ, 2.2µ, 1.75µ and smaller.  Current leading‐edge devices use 1.4µ pixels, with 1.1 µ and 0.9µ pixels 
`
`in development.  For comparison, the wavelength of visible light varies from 0.65 µ (deep red) to 0.40 µ (blue).  Evidently, 
`
`pixels are getting close to some fundamental physical size limits.  With the development of smaller pixels, engineers are 
`
`asked to pack in as many pixels as possible, often sacrificing image quality.   
`
`The third most important trend in image sensors is increased resolution.  While resolution, measured in megapixels, is 
`
`easily the most defining specification of a digital camera, it doesn’t tell the whole story. Consumers demand higher 
`
`resolution coupled with other performance factors.  
`
`The fourth trend in sensors is reduction in camera module size.  In the majority of consumer electronics, the camera is 
`
`built as a small, self‐contained module integrated into the final product.  The camera module contains the image sensor, 
`
`a lens, a tiny circuit board and a plastic housing to hold it all together.  Like sensors, camera modules are under 
`
`Sony Corp. v. Raytheon Co.
`IPR2016-00209
`
`Raytheon2028-0001
`
`

`
`enormous pressure to shrink in size and cost while increasing in resolution.  A primary focus in recent years has been to 
`
`make modules as thin as possible, a trend emphasized by ultra‐thin mobile phones.   
`
`All the while, consumers expect mobile cameras to deliver image quality and features comparable to high‐end digital still 
`
`cameras.  And why shouldn’t they, with features like auto‐focus, the resolution of digital still cameras (DSC) resolutions 
`
`and image processing features like red‐eye reduction, image stabilization and HD video recording?  
`
`Traditional CMOS Image Sensor Design 
`
`At its core, a solid state image sensor is a two‐dimensional array of light‐sensitive pixels.  Each pixel contains a single 
`
`photodiode with supporting electronics.  Photodiodes are the actual light sensing structure, and convert visible light 
`
`photons into electrons.  The number of electrons collected by each pixel is measured by the in‐pixel electronics, and the 
`
`values are transmitted to the rest of the camera’s electronics for further amplifying, image processing, storage and 
`
`display. 
`
`In traditional CMOS Image sensors the “front” of most integrated circuits is the top surface, which contains all 
`
`photodiodes, transistors, metal wiring layers and other electronics.  This front‐side layer uses only the top 1 percent or 
`
`so of the silicon wafer.  The remaining 99 percent becomes the “backside”, and serves only as mechanical support and 
`
`bonding surface, as well as an electrical ground terminal.   
`
`In image sensors, the photodiode array is fabricated along with the transistors on the front‐side surface.  The lens 
`
`projects its image onto the front surface, where the light is collected by the photodiodes and digitized into an image. 
`
`Pixel Fundamentals 
`
`To understand the advantages of OmniBSI technology, some background information on pixel performance and the 
`
`limitation of current technology is useful.   
`
`Electrical circuits can’t sense light directly; the light as photons must first be converted to electrons.  That’s the job of 
`
`the photodiode which absorbs the light and converts each photon into one electron and stores those electrons as you 
`
`would store rain drops in a bucket.  Like a heavy rain, the brighter the image, the more photons that land on the sensor 
`
`over a given period, the fuller the photodiode buckets become.   
`
`The process of converting photons to electrons is perfect; every photon that strikes the photodiode is converted into a 
`
`electron by the photodiode structure. The problem is that not every photon that strikes also strikes the photosensitive 
`
`area, the photosensor, because the photodiode is just a component of the sensor and so is smaller than the physical size 
`
`of each pixel. The ratio of the number of photons hitting the sensor to the number actually converted to detected 
`
`electrons is known as quantum efficiency (QE). QE is dependent on the wavelength (i.e. the color) of the light.  The 
`
`closer to 100 percent, the stronger the electrical signal, resulting in a more vivid image.  
`
`QE is an important aspect of sensitivity, which is an important metric of camera performance.  In the context of sensors, 
`
`sensitivity measures size of the output signal for a known number of input photons.  Intuitively, more sensitivity is better. 
`
`Raytheon2028-0002
`
`

`
`noise floor also has to be considered. The noise floor is the minimum detectable signal of the photodiode.  The same 
`
`way it’s hard to see the change in water level caused by a single drop of rain, small changes in signal are hard to 
`
`accurately measure.  Noise is also present in film cameras, and noisy images are usually termed “grainy”.  This noise 
`
`floor is a critical performance parameter for image sensors, as it determines how small a signal (or how dim an image) 
`
`can be before it’s indistinguishable from random measurement error.  
`
`Engineers use the ratio of the measured signal to the noise floor (the signal to noise ratio, or SNR) as one of the most 
`
`critical sensor performance metrics.   The SNR level relates well to the overall image quality.  An image with a low SNR 
`
`will look grainy, and an image with a high SNR will look good. 
`
`This, however, only considers the image sensor pixel array alone.  In reality, the pixels are connected to a good deal of 
`
`supporting circuitry by layers of metal wiring on top of the silicon surface.  Recall that light is shining downwards onto 
`
`the silicon surface, and must pass though these metal routing layers first.  Since metal is both opaque and reflective, it 
`
`creates a huge problem in pixel design.  The wires have to be kept out of the light path, or they will cast shadows or 
`
`reflect the light away from the photodiode, negatively impacting image quality; i.e. lower the sensors QE and sensitivity 
`
`as explained above. 
`
`Any light striking the wires is not just directed away from the right photodiode, but often reflected into another 
`
`photodiode, in a phenomenon called “crosstalk” (refer to  FSI pixel shown in Figure 1).   
`
`Crosstalk creates blurry images by causing the light from a small object (destined for only one or two pixels) to be spread 
`
`out into neighboring pixels.  Since photons aren’t being collected in the right place, the resulting electrical signal at the 
`
`target pixels is smaller than it could be, therefore reducing the SNR of the image.  This is especially important in low‐light 
`
`images, where there aren’t many photons to begin with.  Crosstalk also reduces color quality, as the photons must pass 
`
`through color filters on their way to the photodiode.  Adjacent pixels possess different colored filters, and crosstalk 
`
`distorts the sensor’s color perception. Clearly sharp, low‐noise images and good color are the desirable features in 
`
`photographs, thus eliminating crosstalk is an important element. 
`
`
`
`Raytheon2028-0003
`
`

`
`
`Figure 1:  FSI and BSI crosstalk comparison 
` 
`
`As Figure 1 illustrates, getting light to the pixel is quite difficult, and the trend toward shrinking pixels isn’t helping.  
`
`Although pixels are getting smaller, the metal layer stack‐up isn’t thinning as rapidly.  The result is that pixels now 
`
`resemble a tall glass, rather than a bucket, commonly referred to as the “pixel straw”.   
`
`Since light cannot pass through the metal walls, it’s very hard to get the light where you want it unless it’s perfectly 
`
`aimed.  Pixel designers go to great lengths to achieve this, including adding tiny lenses (micro lenses) to the top of each 
`
`pixel to direct light towards the photodiode and away from the metal layers.  More exotic techniques include reducing 
`
`the number of metal layers in the pixel array, and innovative circuit designs to minimize the number of metal wires 
`
`required.  But the problem remains; how do you get light past all of the metal layers while continuing to shrink pixel 
`
`size? 
`
`Do tall pixels and crosstalk affect the camera design?  Yes, and profoundly so, with the greatest impact being on the lens 
`
`design.  The best way to get light through the pixel straw is to send it straight through, which means the lens has to aim 
`
`all rays of light towards each pixel at perfect right angles to the sensor surface.  Doing so requires very tall lenses, which 
`
`simply isn’t possible in the small space allowed for mobile cameras.   
`
`Practical mobile phone lenses produce images where the rays of light form relatively flat cones.  The industry term 
`
`“chief ray angle” (CRA) defines the cone angles that the light passing through the center of the lens will follow.  Mobile 
`
`phone lenses typically have CRAs ranging from 20 to 30 degrees.  Making the lens thinner (shorter) requires squishing 
`
`the cone, which further increases the CRA.  Twenty or thirty degrees might not seem so large, but compared to most 
`
`DSC lenses where the cone angles are 5 degrees or less, it is significant.  Sensor designers can compensate to some 
`
`extent by adjusting the positions of the micro lenses to better align with the actual paths the light follows to the 
`
`photodiode.  This matching isn’t perfect, since light rays destined for a particular pixel can pass though different parts of 
`
`the lens and at different angles.  The sensor also ends up tuned to a very specific lens design, limiting the selection of 
`
`lenses a manufacturer can use, or causing problems if the lens properties change, as in the case of autofocus or zoom 
`
`lenses.  Mismatches between the sensor and lens can cause color shifts across the image, darkened corners and other 
`
`image artifacts.  The ideal sensor would not be so selective, accepting light from a range of angles and lens designs 
`
`without suffering crosstalk or reductions in sensitivity. 
`
`Backside Illumination (OmniBSI) Technology 
`As previously described, FSI pixels have been shown to suffer many disadvantages – low QE, low sensitivity, high 
`
`crosstalk and high sensitivity to CRA mismatch.  So what if there was a way to get the light to the photodiode through 
`
`the backside of the silicon?  By avoiding the metal layers, one could avoid all the drawbacks associated with FSI pixels.   
`
`Raytheon2028-0004
`
`

`
`This is the essence of OmniBSI technology. As discussed, an image sensor’s backside is the bottom surface of previously 
`
`unused silicon.  OmniVision has developed a technology for reducing the thickness of the silicon wafer without 
`
`compromising the image sensor’s strength or flatness.   
`
`Manufacturing CMOS Image Sensors 
`Image sensors are made in the same silicon fabrication process as other CMOS semiconductors as reflected in Figure 2. 
`
`Devices such as transistors and photodiodes are defined and created in a pure silicon crystal wafer.  Three to six layers of 
`
`metal wires (aluminum or copper) are deposited on top of the silicon to connect the silicon devices together.  The image 
`
`sensor process involves a few more steps to create the color filters and micro lenses that enable the sensor to see color 
`
`and to improve image quality.   
`
`Figure 2: Manufacturing FSI pixels 
`
` 
`
`Although the same initial process steps (fabricating transistors and depositing metal layers) are used for both FSI and BSI 
`technologies, during manufacturing of OmniBSI sensors, the process takes a radical turn ─ literally.  Once the metal 
`
`layers are deposited, the silicon wafer is flipped over and ground thinner than a strand of human hair.  This is a crucial 
`step and is key to the performance of OmniBSI technology.  The process of grinding a 200 mm to 300 mm diameter 
`
`silicon wafer without causing it to shatter is extremely challenging.  OmniVision and its manufacturing partner, TSMC, 
`
`worked closely together to develop the necessary technology that allows grinding the wafer to the levels required for 
`
`high‐volume production. 
`
`Raytheon2028-0005
`
`

`
` 
`
`Figure 2: Manufacturing BSI pixels, showing the flip process step 
`
`Once the wafer is thinned, the color filters and micro lenses are deposited on the backside.  The wafer is then tested, 
`
`diced up, packaged, and is now ready for integration into camera modules.   
`
`Conceptually, the process is very simple; however the practical limitations have prevented previous BSI technologies 
`
`from being adopted in all but the most costly and high performance applications, such as astronomy and scientific 
`
`cameras. 
`
`By making the silicon “backside” many times thinner than a strand of human hair, light can now pass easily though to 
`
`the photodiodes.  So easily in fact, that the quantum efficiency is significantly higher than any FSI design could ever be 
`
`(and remember ‐ higher QE is a good thing).  With no metal layers between the lens and photodiode, many more 
`
`photons are collected.  Between the increased efficiency and lack of obstructing metal layers, OmniBSI technology 
`
`provides a wide range of performance advantages.   
`
`Performance Advantages of OmniBSI Sensors 
`OmniBSI technology offers a multitude of advantages over conventional FSI designs, including higher sensitivity, smaller 
`
`pixel size, reduced crosstalk and greater CRA tolerance. OmniBSI technology offers almost double the sensitivity over a 
`
`similarly sized FSI pixel.  Since there is less material through which photons must pass, fewer are absorbed or reflected.  
`
`The lack of obstructing metals means more photons reach their target, or photodiodes.   This combines to produce 
`
`greater sensitivity over FSI pixels designs.  Consumers enjoy brighter, less noisy images, clearer photographs.  
`
`OmniBSI pixels can also be made smaller than FSI pixels.  In FSI pixels, the photodiode and metal layers compete for the 
`
`same space.  With OmniBSI technology, there is no competition:  metal wiring can be placed right on top of the 
`
`photodiode.  This allows the pixel components to be packed together more tightly, making for smaller and lower cost 
`
`image sensors.   
`
`Crosstalk is also greatly reduced in OmniBSI sensors.  Again, without the shiny metal layers redirecting photons, more 
`
`pixels end up where they’re targeted.  Images become sharper and the color reproduction is truer.  With truer color 
`
`comes lower noise, since the process of correcting color introduces noise into the images.   
`
`Raytheon2028-0006
`
`

`
`Finally, without metal layers forming a “pixel straw”, OmniBSI pixels impose fewer restrictions on lens CRA matching.  
`
`The following section describes in more detail how wider CRA flexibility provides lens and module designers with greater 
`
`freedom and flexibility. 
`
`Advantages of OmniBSI Sensors for Lens and Module Design 
`OmniBSI technology provides camera module and lens designers three new options over FSI pixel designs: 
`1. Better support for larger CRAs, enabling thinner modules 
`2. Better support for larger CRAs, enabling lenses with larger apertures (faster lenses) 
`3. Support for variations in CRAs, enabling high‐quality zoom lens designs 
`
`These advantages are illustrated in 
`
`, and discussed below. 
`
` 
`
`Figure 3:  The wider optical path of OmniBSI enables new camera designs 
`
`OmniBSI Sensors for Thinner Modules 
`
` 
`
`Without metal layers shadowing the photodiode, OmniBSI pixels can accept light at a wider range of angles. The most 
`
`immediate advantage in camera module design is the allowance of the lens to be placed closer to the image sensor, 
`
`therefore providing a thinner camera module. By allowing a wider range of CRAs, OmniBSI technology allows lens 
`
`designers to make their designs more extreme, enabling thinner lens and modules, without sacrificing image quality. 
`
`Raytheon2028-0007
`
`

`
`OmniBSI Sensors for Large Aperture Lenses                                
`
`Good low‐light sensitivity is a crucial requirement for mobile cameras, since they rarely have a powerful flash and are 
`
`used in a variety of challenging lighting environments.  One promising solution is to use lenses with larger apertures 
`
`(also referred to as faster lenses or smaller f‐numbers), such as f/2.0 instead of the conventional f/2.8.  The problem is 
`
`that large‐aperture lenses are also larger in diameter, and force the camera module to be taller to maintain the same 
`
`CRA profile.  This directly contradicts the trend for smaller camera modules.  
`
`By allowing lenses with larger CRAs, OmniBSI technology enables lens designers to place large‐aperture lenses closer to 
`
`the sensor, making the module thinner than FSI pixels allow.  Besides its inherently larger QE and sensitivity, OmniBSI 
`
`technology can further improve low‐light performance by enabling the effective use of larger aperture lenses. 
`
`OmniBSI Sensors for Zoom Lenses 
`
`Zoom lenses are extremely popular in nearly all consumer products, with the exception of mobile devices.  One 
`
`significant optical design problem is that the lens CRA changes with the zoom position.  As previously discussed, FSI 
`
`sensors have to be carefully matched to the lens CRA curve.  A close match is impossible if the curve changes.  With 
`
`OmniBSI technology, lens CRAs don’t have to be as closely matched, giving lens designers the optical design freedom 
`
`they need to make high‐quality zoom lenses.  
`
`OmniBSI Sensor Compatibility with Module Design and Manufacturing 
`
`With its radical new manufacturing process, one might expect OmniBSI technology to create challenges in module 
`
`design or manufacturing.  In fact, OmniBSI sensors are completely compatible with all existing module design rules, 
`
`handling procedures, and manufacturing processes.  OmniBSI sensors can be made as thick or thin as any FSI device, and 
`
`can be supplied for either chip‐on‐board (COB) wire bonding or in a chip‐scale package (CSP).  OmniBSI technology 
`
`provides module designers with many new degrees of freedom, without incurring any module design or manufacturing 
`
`disadvantages. 
`
`Conclusion 
`
`With its revolutionary OmniBSI technology, OmniVision delivers some of the highest quality image sensors in the world.  
`
`OmniBSI technology enables higher sensitivity, smaller pixels, better image quality, thinner camera modules, faster 
`
`lenses and greater camera module design freedom than ever before, making it truly a giant step forward for consumer 
`
`imaging. Consumers will appreciate higher resolution images that are brighter, more colorful and less noisy than FSI 
`
`pixels could ever produce. 
`
` 
`
`Author: Michael Okincha, Senior Staff Technical Product Manager 
`
`   
`
`Raytheon2028-0008