ALD技术，相机去噪，图像传感器

Posted 2021-05-20 吴建明

ALD技术，相机去噪，图像传感器

1. 作为镜片的防反射涂层技术被关注的ALD（atomic layer deposition）的引入趋势。

（a）为什么需要一种新的防止反射的涂层技术？ ALD被认为是最有前途的防止反射的涂层技术吗？

原子层沉积（ALD）是将物质以单原子膜形式一层一层镀在基底表面的技术。原子层沉积是化学气相沉积（CVD）的一种，是一种新型薄膜沉积技术，具有成膜均匀性极优、成膜密度极好、薄膜纯度高、台阶覆盖性优、可低温沉积等优点，可以广泛应用在微纳电子、纳米材料制造领域，全球多个国家对其技术研究与应用开发正在不断深入。

低温沉积、薄膜纯度以及绝佳覆盖率等固有优点。

ALD 除了常规的半导体高K 材料，太阳能等领域，军事上的用途： MCP ， 热和快中子探测等领域。

（b）ALD有哪些方面优于现有的CVD和PVD沉积技术，从而促进了ALD进入市场？另一方面，是否有什么因素阻碍了ALD的导入？

✧例如）折射率的改善，能在小镜片上涂布厚度均匀的膜层，成本优势，大量的初期投资等。

ALD有哪些方面优于现有的CVD和PVD沉积技术：

• 成膜均匀性好；
• 薄膜密度高
• 台阶覆盖性好
• 可以实现低温沉积(T: 50℃~500 ℃)

阻止：

沉积速率还是比较慢，大大限制了其在工业上的推广应用。

沉积速率，成本和价格的问题，在制约推广。

（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？

在全球市场中，ALD设备生产企业主要是美国应用材料Applied Materials、美国拉姆研究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设备生产企业主要有无锡微导、无锡松煜、理想能源等。

（d）ALD进入市场并满足市场需求预计需要几年，多长时间？

（e）ALD是否有被期待的特定使用用途？

✧例如）超高端智能手机（iPhone13等），自动驾驶，监控摄像头等。

✧或者是在镜头的特定部分（例如7层镜片配置的第一片镜头表面或形状复杂的凹凸形镜头等）需要ALD？

预计未来5年，消费电子行业技术升级迭代速度将不断加快，新型产品推出将不断增多；物联网时代背景下，连接入网的终端移动设备数量将快速增加；可穿戴智能设备、智能家居领域发展迅速，传感器需求将快速增长；工业自动化、工业机器人普及率将不断提升，微电子、半导体市场需求将持续上升。在此背景下，全球原子层沉积技术需求将快速增长，预计2020-2025年间，全球ALD设备市场规模年均复合增长率将达到14%以上。

2.图像传感器的整体趋势和业界正在着重解决的重要的技术问题。

（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，分辨率会更高或灵敏会更高吗？

超小超薄封装COBP光反射器促使手机相机模块小型化

镜头可换，其次是更大的像场、变焦，等等这一系列问题都让A7纵然拥有小巧的机身体积。

图像传感器，或称感光元件，是一种将光学图像信息转换成电信号的设备，它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中。完成图像信息光电变换的功能器件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)器件是目前市场上广泛应用的两种图像传感器器件。它们的主要区别在于采用的半导体工艺的差别。CMOS和CCD器件都是基于光电效应原理，不过在光生电荷的收集和读出方式上两者存在着明显的区别。

（b）那些趋势或人要求了这些图像传感器的发展？

✧作为智能手机的摄像头，据说目前的摄像头模块还不够薄，对吗？由于相机部件突出，背面不能平整。另一方面，是否由于镜片数量增加或摄像头的变薄，造成光学噪声无法消除，图像质量下降，这种说法对的吗？

✧在汽车的自动驾驶中，光学噪声的存在会造成识别错误并导致事故，所以必须消除光学噪声，这种说法对的吗？

噪音分析

对噪声种类区分，图像传感器的噪声源根据特性的不同可以大致划分为两类：一种为时变噪声，另一种是空间分布噪声。时变噪声是在不同时刻其噪声值变化的噪声，如光子散射噪声、散粒噪声、热噪声等。他们具有白噪声的性质。在时间轴上，这种噪声呈泊松分布趋势，在不同时刻的信号值围绕均值随机分布。另一种噪声在空间分布上具有高斯分布特性，但是在不同时刻，空间影响都会显现。比如：每个像素的增益和感光面积不同造成的固定模式噪声、传感器每列数据读出电路差异造成的列向固定模式噪声(Column Fixed Pattern Noise, CFPN)。两种噪声普遍存在于图像传感器的电路中，并且噪声的传递规律能够体现图像传感器内部特征，对两部分主要噪声分析具有十分重要的意义。

光子散射噪声

光子散射噪声是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，在时间上服从泊松分布，噪声值通常采用入射光子的标准差σ描述。散射噪声从根本上体现了光子从空间到达探测器的随机分布情况。例如，关于演示光子随机入射的Monte Carlo模拟示意图，其中200个光子入射在一个20×20 像素的区域。可以看出，每一个像素接收到的光子数目从零到四个随机分布。每个像素接收到光子数目的标准偏差被称为光子散射噪声。

子散射噪声具有量子特性。光子打在图像传感器像元上时，光子必然遵循随机分布规律，光子散射噪声是不可避免的。但是在信号在传感器内传输的过程中，随机噪声的传递同样受增益的影响，在输出端仍会显示出随机分布的统计规律。所以光子散射噪声对于图像传感器的参数测试来说至关重要，例如系统增益测试。

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。由于带电粒子同样具有量子性，当带电粒子传递或者穿越势垒的过程中，其数量并不是恒定不变，而是围绕均值附近随机涨落的。带电粒子这一涨落特性符合泊松分布，因此当电荷积聚以及电压被放大的过程中，电子随机涨落引入散粒噪声。这种噪声源于带电散粒的量子特性，因而称为散粒噪声。散粒噪声属于白噪声。

暗电流

任何像素在无光条件下，都会产生非预期的电荷。能够产生非预期电荷的原因包括：感应节点复位引入的复位噪声、电压在内部传递引入的源跟随噪声、以及其他由于势阱充放电引入的随机读出噪声等。这些噪声可以统一归结为热随机噪声，这是由热电子在图像传感器热震荡引起的，热随机噪声服从高斯分布规律。暗电流是单位时间内热噪声的累计值。

热噪声可视为白噪声，实际上热噪声的功率谱密度，频域上是平坦的，只在非常高的频率范围时才开始下降，白噪声模型己经足够精确了。

固定模式噪声

固定模式噪声包括明场像素不均匀响应和固定模式噪声(FPN)，是图像传感器的像素结构不一致性引入的噪声。造成图像非均匀性原因有很多，硅材料本身质量及加工工艺造成沟道掺杂浓度不均，表面态密度分布不均以及栅氧化物厚度不同，因此开启电压和有效感光面积不同。

图像传感器的不均匀性响应表现在三方面：一是图像传感器每列的读出电路差异引入的列向固定模式噪声CFPN，CFPN的主要来源有两个：差分放大器输入级的失配和列双采样电路源跟随器的失配。二是由于图像传感器像元加工工艺的不一致，导致像元感光面积具有差异，致使相同光照的情况下，每一个像元输出的灰度值有所差异；三是由于半导体材料内部掺杂浓度不均匀，导致每个像元之间的增益大小有差距，同种光照情况下，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课题是什么？

✧鬼影和耀斑等光学噪声是否是课题？或者是降低红外线？还是防雾？还有其他课题吗？

✧当前的技术（用于降低红外线的蓝玻璃等）无法解决问题有哪些？

（d）为了解决这些问题，打算使用什么样的技术？

 ✧改善软件？

✧改善摄像头？

✧还有其他的方法吗？

（e）您认为将来图像传感器会成为什么样的角色？

  ✧图像传感器是否会起至关重要的作用？或者，像ToF等这样的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“多摄像头化”发展迅猛

据预测，未来图像传感器的市场增长率会远远超过智能手机的增长。据OMDIA表示，假设2020年的智能手机出货数量较上年下滑了13.2%，而图像传感器的出货数量会与去年持平，或者微增。此外，在2020年-2030年十年间，年平均增长率（CAGR）会保持在5.3%，在2026年前后，年度出货数量会突破100亿个。

而主要原因如下：智能手机通过搭载多个摄像头， 以获得高质量的图像—-即“多摄像头化”趋势的发展。“多摄像头化”趋势在2019年开始迅速发展。据OMDIA调查，搭载两个以上摄像头的智能手机在2018年还不及全数的一半，而据预测，在2020年将会占八成左右。2020年，搭载三个及以上摄像头的智能手机预计会超五成。他们进一步指出：“在市场进入红海（Red Ocean）之下，各家公司要获得市场份额，战略很重要。摄像头也会起到一定助推作用，在如今的市场上，如果不是搭载多个摄像头的手机，基本不会刺激购买层”。

2019年智能手机出货数量中，第一名为三星（21%）、第二名为华为（17%）、第三名为苹果（14%），后续为小米（9%）、OPPO为8%，在前五名的公司中，中国公司占了三家。智能手机市场上不仅存在TOP1的竞争，此外，2019年整体出货数量的57%被中国厂家占据，且呈迅速增长趋势。正是这些中国的手机厂家推动了“多摄像头化”的发展。

其中，动作最快的是华为，在2017年第四季度，一半的华为手机都搭载了两个及以上摄像头。据说，在2019年第三季度，中国的排名前四的手机厂家---华为和小米、OPPO、Vivo的搭载多个摄像头的手机突破了八成。受此影响，排名第一的三星也迅速扩大“多摄像头化”手机，此外，苹果也自“iPhone X／XS”开始搭载多个摄像头。手机的多摄像头化成为了业界的潮流。如今，搭载三个摄像头已经成为趋势，2020年第一季度，中国排名前四的手机厂商和三星的60%以上的手机都搭载了三个及以上摄像头。

OMDIA方面进一步表示：“这种趋势与对图像传感器的预测（未来十年，图像传感器的需求会稳定推移）有关联，即使2020年的智能手机市场下滑，智能手机方向的摄像头需求并不会减少，且增长程度可以足够弥补因新冠肺炎带来的损失”。

此外，他们还提及了智能手机摄像头像素的极限问题，“本来搭载一个摄像头就可以获得较高的像素，但是令人遗憾的是，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”。