ALD技术，相机去噪，图像传感器

ALD图像传感器

1. 防反射涂层技术技术备受关注ALD（atomic layer deposition）介绍趋势。 （a）为什么需要新的涂层技术来防止反射？ALD被认为是防止反射最有前途的涂层技术吗？ 原子层沉积（ALD）它是以单原子膜的形式在基底表面逐层涂层的技术。原子层沉积是化学气相沉积（CVD）一种，是一种新型的膜沉积技术，具有膜均匀性优良、膜密度优良、膜纯度高、台阶覆盖优良、低温沉积等优点，可广泛应用于微纳电子、纳米材料制造领域，世界许多国家的技术研究和应用开发正在深化。 低温沉积、薄膜纯度、优良覆盖率等固有优点。 ALD 除了常规的半导体高度K 材料、太阳能等领域，军事用途： MCP 、热和快中子探测等领域。 （b）ALD哪些方面优于现有？CVD和PVD沉积技术促进了沉积技术ALD进入市场？另一方面，是否有阻碍因素？ALD的导入？ 例如，折射率的提高可以将厚度均匀的膜层、成本优势、大量初始投资等涂在小镜头上。 ALD哪些方面优于现有？CVD和PVD沉积技术： 成膜均匀性好； 薄膜密度高 台阶覆盖性好 能实现低温沉积(T: 50℃~500 ℃) 阻止： 沉积速相对较慢，极大地限制了其在工业中的推广和应用。 限制了 沉积率、成本和价格的推广。 （c）谁在加快ALD的导入？ 是由华为、索尼、特斯拉、英伟达或苹果等成品制造商引导的吗？ ?还是镜头制造商和加工商在引导，以增加附加价值？ 在全球市场，ALD设备制造商主要是美国的应用材料Applied Materials、拉姆研究Lam Research、美国英特格Entegris、韩国NCD、荷兰SolayTec、荷兰Levitech等。 在我国市场中，ALD设备制造商主要包括无锡微导、无锡松宇、理想能源等。 （d）ALD预计进入市场并满足市场需求需要多长时间？ （e）ALD是否有预期的特定用途？ 例如，超高端智能手机（iPhone13等)，自动驾驶，监控摄像头等。 或者在镜头的特定部分(如7层镜头配置的第一片镜头表面或形状复杂的凹凸镜头等。ALD？ 预计未来五年消费电子产业技术升级迭代速度将加快，新产品推出将增加；在物联网时代，终端移动设备数量将迅速增加；可穿戴智能设备和智能家居领域将迅速发展，传感器需求将迅速增长；工业自动化和工业机器人普及率将继续提高，微电子和半导体市场需求将继续上升。在此背景下，全球对原子层沉积技术的需求将迅速增长，预计2020-2025年全球ALD设备市场年均复合增长率将达到14%以上。 2.图像传感器的总体趋势和行业正在关注的重要技术问题。 （a）相机模块的小型化会继续吗？另一方面，图像传感器会变得更大、更薄、分辨率更高或更敏感吗？ 超小超薄包装COBP光反射器促进了手机相机模块的小规模化 镜头可以更换，其次是更大的像场、变焦等。A尽管机身体积小。 图像传感器或感光元件是将光学图像信息转换为电信号的设备，广泛应用于数码相机等电子光学设备中。完成图像信息光电转换的功能设备称为光电图像传感器。 电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)和金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)该装置是目前市场上广泛使用的两种图像传感器。其主要区别在于半导体工艺的差异。CMOS和CCD设备是基于光电效应原理的，但在光生电荷的收集和读取方法上存在明显差异。 （b）这些图像传感器的发展需要哪些趋势或人？ 作为智能手机的摄像头，据说目前的摄像头模块还不够薄，对吧？由于相机部件突出，背面不光滑。另一方面，光学噪声是否无法消除，图像质量是否因镜头数量增加或相机变薄而下降？ 在汽车自动驾驶中，光学噪声的存在会导致识别错误和事故，所以必须消除光学噪声，这是正确的吗？ 噪音分析 对于噪声类型的区别，图像传感器的噪声源可以根据不同的特性大致分为两类：一类是时间变化噪声，另一类是空间分布噪声。时间变化噪声是指不同时间噪声值变化的噪声，如光子散射噪声、散射噪声、热噪声等。它们具有白色噪声的性质。在时间轴上，该噪声呈泊松分布趋势，信号值在不同时间围绕平均值随机分布。另一种噪声在空间分布中具有高斯分布特性，但在不同时间会出现空间影响。例如，由于每个像素的增益和不同的光传感区域引起的固定模式噪声，以及由传感器每列数据读取电路差引起的列向固定模式噪声(Column Fixed Pattern Noise,CFPN)。图像传感器电路中常见的两种噪声，噪声传递规律能反映图像传感器的内部特征，对两部分的主要噪声分析具有重要意义。 光子散射噪声 光子散射噪声是一种具有泊松分布特征的随机噪声。它们是由大量单个事件的统计不确定性引起的。它们及时服从泊松分布。入射光子的标准差通常用于噪声值σ描述。散射噪声从根本上反映了光子从空间到探测器的随机分布。例如，演示光子随机入射Monte Carlo模拟示意图，其中200个光子射入200个×20 像素区域。可以看出，每个像素接收到的光子数从零到四个随机分布。每个像素接收光子数的标准偏差称为光子散射噪声。 子散射噪声具有量子特性。当光子击中图像传感器像元时，光子必须遵循随机分布的规律，光子散射噪声是不可避免的。然而，在传感器中信号传输的过程中，随机噪声的传输也受到增益的影响，随机分布的统计规律仍将显示在输出端。因此，光子散射噪声对图像传感器的参数测试至关重要，如系统增益测试。 信号散粒噪声 除了光子入射的随机噪声外，图像传感器内部电路还会引入散粒噪声。由于带电粒子也具有量子性，当带电粒子传输或穿过势垒时，其数量不是恒定的，而是在平均值附近随机上升和下降。带电粒子的上升和下降特性符合泊松分布，因此当电荷积累和电压放大时，电子随机上升和下降会引起散粒噪声。这种噪声源于带电散粒的量子特性，因此被称为散粒噪声。散粒噪声属于白噪声。 暗电流 任何像素在无光条件下都会产生意想不到的电荷。产生意想不到电荷的原因包括：感应节点复位引入的复位噪声、内部传输引入的电压源跟随噪声、潜在陷阱充放电引入的其他随机读取噪声。这些噪声可以统一归因于热随机噪声，这是由图像传感器中的热冲击引起的，热随机噪声遵循高斯分布规律。暗电流是单位时间内热噪声的累积值。 热噪声可视为白噪声。事实上，热噪声的功率谱密度和频域是平坦的，只有在非常高的频率范围内才开始下降。白噪声模型足够准确。 固定模式噪声 固定模式噪声包括固定模式的不均匀响应和固定模式噪声(FPN)，这是由图像传感器的像素结构不一致引起的噪声。图像不均匀的原因有很多。硅材料本身的质量和加工工艺导致不均匀的混合浓度、不均匀的表面密度分布和不同的网格氧化物厚度，因此开启电压和有效的光敏区域不同。 图像传感器的不均匀响应表现在三个方面：一是图像传感器每列读取电路差引入的列向固定模式噪声CFPN，CFPN主要来源有两个:差分放大器输入级失配和列双采样电路源跟踪器失配。第二，由于图像传感器像元加工工艺不一致，像元感光面积不同，每个像元输出的灰度值在同一光照下不同；第三，由于半导体材料内部掺杂浓度不均匀，每个像元之间的增益大小存在差距。在同一光照下，增益大的像元输出灰度值大，增益小的像元输出灰度值小。 （c）高性能图像传感器的决定性主题是什么？ 鬼影、耀斑等光学噪音是主题吗？还是减少红外线？还是防雾？还有其他主题吗？ 目前的技术(用于减少红外线的蓝玻璃等。)无法解决哪些问题？ （d）为了解决这些问题，打算使用什么样的技术？ 改进软件？ 改进摄像头？ 还有别的办法吗？ （e）图像传感器将来会成为什么样的角色？ 图像传感器会起到关键作用吗？或者，像ToF其他传感技术成为主流，图像传感器的作用变得不重要？ 智能手机多摄像头发展迅速 据预测，未来图像传感器的市场增长率将远远超过智能手机。OMDIA假设2020年智能手机出货量较去年有所下降.2%，图像传感器的出货量将与去年持平，或略有增加。此外，2020-2030年的年平均增长率（CAGR）会保持在5.2026年左右，年出货量将超过100亿。 的主要原因如下：智能手机配备多个摄像头，以获得高质量的图像，即多摄像头趋势的发展。2019年，多摄像头的趋势开始迅速发展。OMDIA调查显示，2018年配备两台以上摄像头的智能手机不到全部的一半，预计2020年将占80%左右。2020年，预计将有50%以上配备三台以上摄像头的智能手机。他们进一步指出:进入红海市场（Red Ocean）接下来，战略对于每个公司获得市场份额非常重要。摄像头也会起到一定的助推作用。在今天的市场上，如果不是手机配备多个摄像头，基本上不会刺激购买层。 2019年智能手机出货量中，第一名是三星(21%)，第二名是华为(17%)，第三名是苹果(14%)，后续是小米(9%)。OPPO在前五大公司中，中国公司占三家。智能手机市场不仅存在TOP此外，2019年中国制造商占总出货量的57%，并呈快速增长趋势。正是这些中国手机制造商促进了多摄像头的发展。 其中，华为动作最快。2017年第四季度，一半的华为手机配备了两个或两个以上的摄像头。据说，2019年第三季度，华为和小米是中国前四大手机制造商OPPO、Vivo80%个摄像头的手机超过80%。受此影响，排名第一的三星也迅速扩大了多摄像头手机。此外，苹果iPhone X／XS开始携带多个摄像头。手机的多摄像头已经成为行业的趋势。如今，携带三台摄像头已成为一种趋势。2020年第一季度，中国前四的手机制造商和三星60%以上的手机都配备了三台或三台以上的摄像头。 OMDIA进一步表示：这一趋势与图像传感器预测（未来十年，图像传感器需求将稳定推进）有关，即使2020年智能手机市场下滑，智能手机方向摄像头需求不会减少，增长足以弥补新冠肺炎的损失。 此外，他们还提到了智能手机摄像头像素的极限。本来可以用摄像头获得更高的像素，但遗憾的是，比如今在智能手机可搭载的形状因素（Form Factor）中，20M像素已经是极限。这里说的并不是半导体设计的极限，而是镜头（Lens）的极限，如果像素的大小超过镜头的聚光范围，即使进一步提高像素，也无法适当地开启和关闭光的投射，因此，不得不搭载两个、三个甚至更多个摄像头”。 智能手机方向图像传感器的像素在不断提高，如三星研发了108M像素的图像传感器—“Samsung ISOCELL Bright HMX”，正在推进供货。但是，OMDIA方面认为：“如果是单位达亿的图像传感器的话，STMicroelectronics以及一些日系厂家已经在数年前开始研发用于卫星用途的产品，远远早于三星，且技术更胜一筹，即使是三星的产品，也只是’噱头’，实际并没有什么需求”。 预计搭载ToF的智能手机将会大幅度增长 在智能手机的功能中，另一个令人期待的是“ToF 传感”功能的增长。已经有多家智能手机厂家发布了搭载“ToF 传感”功能的手机，此外，近期、发布的“iPhone 12 Pro”也搭载此功能。OMDIA表示，2019年智能手机方向的“ToF 传感器”出货数量达13亿9，500万个，2020年虽然会因新冠肺炎而减速，而2020年-2030年期间，预计CAGR会达到5.3%。另外，在普通照相机方向的图像传感器中，索尼位居首位，且与TOP2拉开了很大距离；而在ToF传感器方面，STMicroelectronics、ams是两家最大的厂商。李根秀先生表示：“不过，与照相机用途方向相比，手机用途的技术门槛更低，因此有很多中国厂家在不断加入，未来市场占比还会再发生变化”。 车载领域持续增长、年度增长率近20% 如上所述，在图像传感器市场中，手机方向占了八成左右，起决定性作用，从增长率来看，又是另一番景象！尤其引人注目的是汽车、工业设备、无人机三个领域，OMDIA表示，2020年-2030年期间的CAGR分别为19.6％、21.6％、14.0％，增长极其迅速。 车载领域增长的主要原因在于ADAS（高级驾驶辅助系统，Advanced Driving Assistance System）的发展。如今，普及率最高的是后视摄像头（Rear View Camera），据说这是基于美国的“KT法（Kids and Transportation Safety Act）”要求的。就ADAS摄像头而言，成本是最大的“瓶颈”，与“后视摄像头（Rear View Camera）”相比，普及率还较低，但在无人驾驶L2上已经实现了量产，且在2020年4月份日本的L3已经全面启动，因此市场开始活跃化。各家汽车厂家正在加速研发以投入新产品。 据预测， 2020年新冠肺炎虽然会导致市场低迷，而2030年车载方向的图像传感器会从2019年的9，400万个增至5亿2，500万个。从一辆汽车的摄像头搭载率来看（摄像头数量/汽车辆数），2019年为79.7%，2026年将会扩大至195.2%！ 此外，在车载摄像头方面，以“后视摄像头（Rear View Camera）”为中心，安森美半导体（ON Semiconductor）和豪威科技（OmniVision）两家公司占有较高份额，如上所述，就ADAS摄像头的研发而言，“在技术上占有优势的索尼的受关注程度较高”。此外，索尼曾经有一条不成文的规定—-“不从事与人类生命相关的产品”，自2014年发布车载图像传感器以来，把车载图像传感器定位为一大业务并开始推进研发，索尼于2020年公布称：开始量产800万像素级别的车载图像传感器。且应用实绩稳步推移，如已经被丰田最新款ADAS“Toyota Safety Sense 2.0”采用，此外，索尼在2020年1月的CES上公布了自主研发的电动汽车试做版—-“VISION-S”，进一步提高了自身的存在感。 在车载领域，索尼虽然处于后起之秀，但OMDIA却认为：“索尼以创造了图像传感器市场而感到自豪，在车载领域，也尽快与博世在德国的高速公路（Autobahn）上对搭载了800万像素图像传感器的无人驾驶汽车进行了验证试验，可以说索尼表现了极大的自信！索尼应该是希望通过运用自身的产品获得TOP1的地位，在不久的将来，索尼应该会研发出令汽车厂家、Tier1大吃一惊的技术！” 就工业设备而言，据预测，在机器视觉（Machine Vision，即电子设备、食品外观检查等设备）方面的应用未来还会继续加速发展。OMDIA表示，2020年-2030年期间的CAGR高达21.6%，而2019年的工业图像传感器的出货数量为910万个，规模不及车载用途的十分之一，2030年的预测值为6，700万个。但是，OMDIA认为：“也许这个预测不是那么乐观”，“从以往的市场动向来看，很有可能会在以某种模式获得成功的同时，各行各业以及各厂家会超越隔阂，加大投资。现在还没有明显的证据，如果一旦成真，将会获得突破性的发展”。 在无人机领域，CAGR主要是基于以个人兴趣为中心的消费用途（2019年出货数量的七成以上为个人消费用途），未来活跃的中心会集中在以喷洒农药为主的第一产业，且监控、点检、检查等各种专业性方向的采用也会扩大。据说，图像传感器的出货数量会从2019年的740万个增至2030年的2，600万个。OMDIA认为：“到2030年，专业用途方向的图像传感器将会增至整体的一半，就数量而言，虽然比不上智能手机，而改变我们的世界这一点是毫无疑问的事实，市场肯定会进一步扩大”。