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Sensorgeflüster: Wozu dient die Grabenisolierung?

Grabenisolierung? Eine mittelalterliche Burg war oft von einem Graben umgeben, der vor dem Angriff von Feinden schützen sollte. Auch die Pixel mancher Sensoren werden durch Gräben geschützt – vor Licht und Elektrizität, die von Rechts wegen zu einem Nachbarpixel gehören.

Wahrscheinlich sagt Ihnen der Begriff Grabenisolierung oder die englische Bezeichnung Deep Trench Isolation nichts. In letzter Zeit werden aber immer öfter Gräben an den Grenzen der Sensorpixel gezogen, und zwar vor allem bei Sensoren mit sehr kleinen Pixeln in einem Raster von nur 1 µm (also einem Tausendstel eines Millimeters). Aber auch bei größeren Sensorpixeln mit einer Kantenlänge von 3 µm und mehr, wie man sie in den meisten Systemkameras findet, brächte eine Grabenisolierung Vorteile.

Sensorgeflüster: Wozu dient die Grabenisolierung?

OmniVision hat die Isolierung kleiner Pixel (links) verbessert, indem sie dickere Wafer mit tieferen Gräben verwenden, die Licht und elektrische Felder abschirmen (rechts). Quelle: OmniVision

Normalerweise gibt es auf einem Sensorchip keine festen Grenzen, denn er besteht aus einem Silizium-Einkristall – einer durchgehenden Kristallstruktur, in der sich von einem Ende zum anderen die Silizium-Atome an den Händchen halten. Die Chip-Produktion beginnt mit einem Ingot, einem annähernd wurstförmigen Siliziumbarren. Die „Wurstzipfel“ an beiden Enden werden abgeschnitten und der Ingot dann in dünne (um 0,5 mm) Scheiben zersägt – die sogenannten Wafer (Oblaten). Aus jedem Wafer werden mehrere Chips geschnitten, wobei dessen elektronische Komponenten – Transistoren, Dioden, Widerstände und Kondensatoren – in mehreren fotolithografischen Prozessen entstehen. Dabei werden immer neue Masken auf den Wafer aufgebracht und in den unmaskierten Bereichen entweder Teile des Siliziums weggeätzt oder weitere Schichten aufgebracht. Alle Bauelemente befinden sich also auf demselben Siliziumkristall. Das ist einerseits der Grund dafür, dass elektronische Schaltungen heute sehr viel weniger Platz benötigen als vor 50 Jahren, als dafür noch einzelne Bauelemente auf Platinen gelötet werden mussten. Diese Nähe begünstigt aber auch elektrische Störeinflüsse zwischen benachbarten Komponenten.

Bei Sensorchips kommt noch ein weiteres Problem hinzu. Insbesondere am Rand des Sensors trifft das Licht oft in einem flachen Winkel auf den Sensor, und breitet sich dann ebenso schräg durch den Chip aus, bis es absorbiert wird. Insbesondere rotes Licht kann sehr tief eindringen und dabei in den Bereich eines Nachbarpixels gelangen. Die Nachbarpixel eines rotempfindlichen Pixels sind aber grünempfindlich und daher wird rotes Licht fälschlich als grünes registriert, was zu Farbverschiebungen führen kann.

Um vagabundierendes Licht zu unterbinden, ist es empfehlenswert, die Sensorpixel durch tiefe Gräben zu isolieren – der Fachbegriff lautet daher Deep Trench Isolation (tiefe Grabenisolierung). Dazu wird eine weitere Maske aufgebracht, die jene Bereiche frei lässt, in denen die Gräben gezogen werden sollen. Mit Säure werden die Gräben dann in das Silizium geätzt. Zum Schluss füllt man die Gräben mit Siliziumdioxid auf, das für die Isolierung sorgt.

Sensorgeflüster: Wozu dient die Grabenisolierung?

Die Simulation zeigt, wie ein tieferer, isolierender Graben (links) für eine bessere Trennung des Lichts zwischen einem grün- und einem rotempfindlichen Pixel sorgt, als bei Sensoren ohne tiefen Graben (rechts). Quelle: Omnivision

Farbverschiebungen durch flache Einfallswinkel im Randbereich sind auch bei Sensoren mit deutlich größeren Pixeln als dem hier zur Illustration dienenden OmniVision-Sensor zu beobachten. Es wäre daher zu wünschen, dass auch bei großen Sensoren mehr Augenmerk auf eine bessere Isolierung zwischen den Pixeln gelegt würde.

Michael J. Hußmann

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  1. frank.ho

    Hallo

    schöner Artikel – kompliziert erklären kann jeder, einfach erklären nicht. Chapeau !

    Grüsse
    Frank

  2. winnetou

    Danke -wieder etwas gelernt!
    Habe dann auch gleich mal gegoogelt, warum der Trenchcoat („Graben-Mantel“) eigentlich so heißt: Aha, weil er ursprünglich als zweckmäßiger Mantel für den Einsatz im Schützengraben (engl.: trench) entworfen wurde. Er bietet guten Wetterschutz und zugleich Beweglichkeit. Und ist damit natürlich auch für den Outdoor-Fotografen geeignet- womit sich der Graben, äh, Kreis wieder schließt.

  3. bobbyboe

    Ja, wie immer cool erklärt!
    Aber verringert sich durch die Gräben nicht die Auflösung?
    Letztendlich müsste man dann den Qualitätsgewinn durch Ausschluß der Störungen mit dem eventuellen Qualitätsverlust durch verlorene Auflösung verrechnen. Andererseits leuchtet mir natürlich ein dass ein „stark gestörte“ höhere Auflösung wenig Qualitätszuwachs mit sich bringen wird.

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