イメージセンサ:利用者データの保護とセキュリティ時代、あらゆる場面で指紋が使われます
By: Dr. Amos Fenigstein, Managing Director of CIS Research & Development, Sensors Business Unit | July xx, 2021
私たちの指紋が独自のものであるという事実は、1000年以上にわたる周知の事実です。しかし、1902年に初めて、アルフォンセ・ベルティヨンが、パリの凱旋門近くで、殺人ミステリーと美術品盗難を解決したとき、窓枠に付いた1つの指紋だけで、その指紋は犯罪者を特定するための捜査の基本的なツールになりました。実際、今日、指紋は、犯罪事件を解決するためだけでなく、スマートフォン上の取引を行う上で高いセキュリティを確保するために、あらゆるところで最もよく使われ、信頼できる個人識別ツールの1つとなりました。ハイエンドのスマートフォンで初めて導入された指紋センサは、すぐにすべてのスマートフォンに普及しました。顔認証センサまたは網膜センサも同等レベルのセキュリティを提供しますが、指紋センサは、より低コスト、シンプル、プライバシーへの配慮から、個人識別のために今日では最も一般的です(顔認識の使用に消極的な人もいますが)。
実際、過去数年間、すべてのスマートフォンの「ホーム」ボタンに実装するために特別に設計された指紋センサの需要が急増したため、多くの企業が爆発的に成長しました。 その後まもなく、携帯電話製造会社がホームボタンのないフルガラススクリーン設計に移行したことで、指紋センサの実装に興味深い課題が生じました。静電容量式指紋センサは指と直接接触する必要がありますが、これを行うことができなくなり、容量性指紋検出が不可能になったからです。当初、一部のスマートフォンベンダーが採用した暫定的な解決策は、センサを電話の裏側に配置することでしたが、すぐにその解決策は非常に使いづらくユーザーフレンドリーではないことが判明しました。 この課題を克服するために、設計者は、静電容量式センサとは異なり、直接接触を必要とせず、LCD画面とOLED画面の両方で確実に機能する革新的な光学ベースの指紋センサを導入しました。 間もなく、これらの光学指紋センサは、全画面ガラスディスプレイのスマートフォンとの統合が容易なため、広く普及するようになります。
2つの主要な「アンダースクリーン」光センサ技術があります:
- システムレンズを使用し、そして5~6ミクロンサイズのピクセルを使用して、指紋を50umの特徴解像度で解像するレンズ型センサ
- レンズを使用せず、そのため50μm前後の大きなピクセルを必要とする1:1センサ
1：1センサを使用する理由は、レンズ型よりもはるかに大きく、結果的にはるかにコストがかかりますが、レンズレスセンサでのみ達成できる最小のセンサの高さです。 背面のバッテリーと画面の間にわずか0.6mmのスペースしかない、ハイエンドの5Gスマートフォンでは、0.5mmという小さな高さが非常に重要になります。 しかし、レンズの不足は、光をピクセルに注ぎ込む（コリメータ）だけでなく、周辺光をフィルターで除去する（タイトな光学フィルター）技術ソリューションの開発を推進するという他の課題を提起し、両方ともこのタイプのソリューションコストをさらに増大させます。
Schematic cross-section of a cellphone with a 1:1 fingerprint sensor
Schematic cross-section of a cellphone with a “lens type” fingerprint sensor
Schematic cross-section of a cell phone with an under-OLED 1:1 fingerprint sensor
一般的に、基礎となる指紋技術からの要求は、他のイメージセンサの要件と同様です。十分な光子のコンスタントな不足に対処するためには、高い量子効率が必要です。良好な信号対雑音比には低暗電流と低ノイズフロアが不可欠であり、適切なダイナミックレンジには低ノイズと適切なフルウェルの両方が必要です。
これらの要件は、必要とされるピクセルサイズや、コリメータやタイトなスペクトルフィルタの追加などのその他の光学的特徴に加えて、タワーの定評のある200mmウエハ上の0.18ミクロンプラットフォームがこの用途に最適になります。
上記のように、必要なピクセルはかなり大きく、レンズ型の場合、約5μm、1：1センサの場合は数十ミクロンです。これは0.18ミクロンのCISプラットフォームのスイートスポットです。 プロセスのシンプルさは、超高性能とともに費用効果をもたらします。 優れた4T古典的ピクセルを超えて、kTCノイズを追加することなく、「ピクセル内メモリノード」（1つ以上）を備えたピクセルなど、より精巧なピクセル利用が可能です。
1:1センサでは、タワーはマスクを削減した高性能ピクセルを提供するため、このような大型センサでは費用効果が高くなります。品質角度フィルタ(コリメータ)を可能にするために、特殊な厚い光バックエンドを開発しました。
以下は、高SAGマイクロレンズを実証した断面図と、このプロセスを用いて実現したフィルターの角度依存曲線を示しています。
Cross-section of an angle filter implemented by a micro-lens and a set of apertures
Microlens-Aperture angle filter performance: Signal vs. incidence beam angle
An array of elevated high SAG micro-lenses
Cross-section of an elevated high sag (8um) micro-lens
最後に、指紋センサは、携帯電話のセキュリティ機能に不可欠な部分です。光学式指紋センサは魅力的なソリューションで、センサに便利にアクセスできる「全ガラス画面」スマートフォンで可能になりました。タワーの0.18ミクロンCISプロセスは、コリメータとして作用する厚く持ち上げられたマイクロレンズのような特殊な光学バックエンドと、周囲の光ノイズを低減するためのタイトなスペクトルフィルタを備えた、レンズ型および1:1指紋の両方に対して、光学的指紋センサのための費用対効果の高い高性能ソリューションを提供します。
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Dr. Amos Fenigstein
Managing Director of CIS Research & Development, Sensors Business Unit
Dr. Amos Fenigstein is a senior director of R&D for image sensors in Tower Semiconductor since 2005. During these years Amos’s team developed a wide range of CIS pixel technologies, ranging from high end cameras and industrial fast global shutter sensors, to large X-ray sensor and SPAD devices. Amos has been with Tower since 2001 starting as device engineering manager. Before joining Tower, Amos managed a failure analysis team in Intel for its flip chip technology in the years 1998 – 2001. Prior to Intel, Amos worked for SCD on state-of-the-art MCT far infrared image sensors till 1998. Amos received his B.Sc., M.Sc. and D.Sc. from the Electrical Engineering Department of the Technion, Israeli Institute of Technology (D.Sc. in 1995 on Quantum Well IR sensors), where he lectures on CMOS and CIS technology to these days.
