成像传感器的基础生产工业——信息记录材料在成像领域技术进展（九）.doc

成像传感器的基础生产工业信息记录材料在成像领域技术进展（九） RECoRDING&M EDIA，如rmation,Recording MaterialsxxVo14No3成像传感器的基础生产工业信息记录材料在成像领域技术进展 (九)晏磊，段大高(1北京大学遥感与地理信息系统研究所，北京100871；2北京市空间信息集成与工程应用重点实验室，北京100871；3北京邮电大学自动化学院，北京100876)摘要在数字成像系统中，目前常用的传感器有CCD和CMOS2种。 根据CL-13的特点，阐述了CL-13传感器的产业化和生产工业问题。 同时也介绍了CMOS成像传感器及其生产工业。 关键词成像；传感器；CCD；CMOS；生产工业TB854A10095624 (xx)03005004The BasicProduction Industryof ImagingSensorTechnical Achievementsof InformationRecording Materials inImaging Fields (9)YAN Lei-DUAN Da-gaJ(1Institute ofRSGIS，Peking Univ，Bei jing100871，China；2Bei jingKey LabofSpatial Information Integration，Bei jing100871，C hin a；313ei jingUniwersityofPosts andTelemunications，13ei jing100876，Chin a)AbstractCCD andCMOS imagingsensors aremonly usedin digitalimagin gsystemAccordin gto thecha racteristicof CCD，the industrialization andmanufacture ofCLT)a restatedAnd CI、OS manufactureiS describedKeywords Imaging；Sensor；CCD；CMOS；Production1前言20世纪60年代，贝尔实验室(BeU Laboratories)开发出1种能够直接用作数字影像捕获的成像光电器件电荷耦合器件(Cha rgeCoupled Devices)，即CCD成像传感器，它可以用作数字和视频照相机、摄像机、扫描机以及数字捕获设备的主要元件u。 随着微电子技术和半导体工业的发展，在70年代末，人们又研制出另1种成像光电xx1216器件互补性金属氧化物半导体(Comple mentary MetalOxide Semiconductor)，即CMOS成像传感器【2。 因此，在数码成像领域中，应用最广泛最有前途的成像传感器目前主要有CCD和OS两种。 作为数码成像的核心部件，成像传感器在科学研究、军事、医疗、工业、安防、影视、办公室及家电等应用领域中存在着巨大的市场需求。 由此推动了成像传感器技术成为当前数码成像技术领域最活跃、发展最快、技术含量最高的技术领域之一。 其技术竞争力、极大的市场空间和日益旺盛的市场需求确定了其重要的产业地位和广阔的产业前景。 握鋈童信息记录材料xx年第4卷第3期记录与介质各种数字化图像获取产品在世界范围内蓬勃兴起，以数码成像为中心的产业链还将不断延伸和扩展到各个领域，形成相当规模的产业群。 研究和开发成像传感器及其基础生产工业，即意味着无限的商机。 本文以作者曾经参与的规划设计，阐述了CCD传感器的产业化和生产工业，包括市场需求、产品原材料及供求情况、经营范围、产品规格及生产规模、技术、工艺、设备与原材料，以及环境保护。 最后介绍了CMOS成像传感器及其生产工业。 2CCD成像传感器市场需求21国内生产及需求状况国内CCD成像传感器的研制始于20世纪70年代中期，从事的单位也屈指可数，主要集中于各科研院所。 经过科技人员的努力，在技术上取得了一定的进展，先后在线阵、面阵等方面取得了一些成果。 但由于工艺技术的不成熟以及生产条件的限制，无法进行规模化生产。 然而，随着电子及信息产业的发展，CCD成像传感器的应用比制造技术的发展更快，应用领域不断扩大。 目前，国内的应用领域主要是传真机、家用电器、工业用及新闻采访用摄像机、航空航天摄像机、工业检测、电视监测等，大部分都从国外购买或散件装配，每年花费大量外汇。 如果国产CCD器件在性能、可靠性等方面有所突破，国内的市场需求量将会急剧增加。 22国外生产及需求状况由于国外半导体生产技术的水平较高，发展较快，自从1973年第1个商业化CCD由Fairchild公司研制成功之后，到目前CCD成像传感器在集成度、分辨率、暗电流、动态范围及光谱响应范围等性能方面均达到非常高水平。 在应用方面，由于先进国家的电子信息产业的高度发达，CCD成像传感器的应用领域比国内广泛得多，除一般的传真机、遥感、工业检测、设施保卫等领域之外也正向其他各行各业渗透，随着新的应用领域不断扩展，CCD的市场需求量将日益扩大。 综上所述，CCD是当今信息领域和图像处理方面最急需、最活跃、最具发展前途的高技术，具有很大的应用市场和巨大的潜在市场。 对我国而言，国内的生产水平远远落后于国外。 尽快引进国外先进的CCD设计制造技术，无疑是提高我国CCD技术水平的一条捷径，不仅能够使我国CCD技术跨上高水平，参与国际市场竞争，而且还能带动一系列下游产品，形成一个新的图像信息处理行业。 特别是在各国政府投入巨资发展多媒体和信息高速公路的历史性时期，尽早掌握CCD技术并生产出高质量的CCD产品更是重要。 3产品原材料及供求情况制造CCD所需的原材料与其它的半导体器件如IC所需的原材料基本相同，具体所需的原材料及供应情况如下 (1)硅片按单班计算，每年约需5硅片8500片。 为确保产品的质量，以购买国外5，硅片为主进行生产。 (2)封装件CCD封装件与一般的半导体器件的封装件相比，要求较高。 国内目前生产的封装件技术水平较低，不能满足需要，以采用进口件，其中封装玻璃可立足国内，其余管壳部分逐步实现国产化。 (3)气体和化学品需要气体和化学品共有几10种之多，但只有少量的气体和化学品的用量比较大，这些用量大的气体和化学品如氮气、硫酸等均可使用国产产品。 对于那些用量少，而又要求比较高的气体和化学品都需要使用进口产品。 目前，在国内市场上均可采购到(国内有专售进口气体和化学品的公司，如BOC公司)，这些化学品大部分由委托加工厂自行采购。 4经营范围、产品规格及生产规模 (1)经营范围研究、设计、制造和销售CCD成像传感器及其系列应用产品。 (2)产品规格从国外引进CCD产品的设计、生产、检测、封装技术并建厂生产。 可以生产几种代表产品，如4K4K、2K2K、1K1K、512 512、2K线型、320256微光夜视型等，以适应不同的需要。 2k线型d主要是针对国内传真可 recording&m edialqfbrmation recordingmaterialsxxp，0z4no3机应用市场而生产的；微光型d属于低噪音d，可用于星光夜视等领域和车、船夜间避碰等；其它4种可见光面阵d，可用于数字照相机、医疗x光诊断仪、多媒体计算机、卫星摄像等。 (3)生产规模每年生产产品及产量如下注实际要按市场需求调整品种，此值为一年后的期望值，还口J望进一步提高。 年总产量达165550块，年投片量8500个50硅片，预计年产值达2500万美元，预计年利税达1600万美元，人均产值20万美元，回报率25。 以后，随着对技术掌握的更加熟练和市场的不断扩大，将相应增加部分产品的产量和生产新开发的市场需要的产品。 其主要途径是通过增加班次的办法来增加产量。 5技术、工艺、设备与原材料51技术从国外引进彩色CCD产品(包括最高象素数达1600万，即40964096的面阵CCD和微光CCD)的全套设计、生产、检测、封装技术，包括设计软件、数据库，技术引进后，将具备自行设计新产品的能力。 美国、欧洲等CCD成像传感器技术先进、成熟，目前其CCD成像传感器产品已有几十种之多，用户遍布世界各地。 40964096(简称4K4K)CCD是目前世界上最高的成熟的CCD代表技术，其动态范围、灵敏度、暗电流、噪声系数、填充系数和三相埋沟结构，都是国际上最先进的技术。 由于高性能CCD产品用于如战斧导弹、哈勃太空望远镜、卫星摄像等，所以其产品质量和可靠性是有保证的。 52工艺CCD成像传感器的生产工艺，从硅片的氧化开始，经过多次光刻、离子注入、多晶、BPSG回匝一流、合金、纯化、压焊封装、到成品测试、老化等，共约40余道工艺过程。 CCD成像传感器的制造过程，均在净化条件下进行，对环境、水、气体等方面要求较高，其具体工艺参数为 (1)净化室空气灰尘颗粒度10级03tan100级05ttm湿度35-50温度68-74F2F雾度2PPHM(亿分之一) (2)去离子水电阻率1518Mcm颗粒在05tma时，10颗CC细菌在05tma时，100个CC溶解氧50100PPB有机碳20-25PPB (3)化学药品金属含量999水蒸汽5PPM过滤至03肿 (5)部分工艺气体的用量压缩空气100磅平方英寸小时；160立方英尺分去离子水8加仑分；存储量为10000加仑工艺冷却水60磅平方英寸小时；20N80磅平方英寸小时；12-20SLM()，30磅平方英寸小时；60SLM H30磅平方英寸小时；IOOSLM真空100立方英尺分；28I-Ig柱53设备设备主要包括设计、封装、测试仪器等，还包括工艺设备。 仪器设备以配套引进为主，设备精度为1215ttm， 5、6兼容，在设备的选型上既要考虑设备的生产能力，又要考虑设备维修服务的方便以及设备的价格因素，对一些使用频率较高，生产工艺上的关键设备，每种选用2台，其他生产设备每种选用1台。 为了提高净化级别，采用多级小环境净化方案，可使设备的潜在能力充分地发挥出来。 由于硅片可加工采用外协加工的形式，因此投资只包括设信息记录材料xx年第4卷第3期记录与介质计和后封装厂(后封装工序的设备及厂房)，以及部分前工序部分设备(主要指彩色工艺设备部分)。 6环境保护环境与安全保护包括气体及化学品的存储，废水废气的处理及工作环境等方面。 在工程中，由于不包括硅片加工部分的工艺，无有害废水废气排放。 所谓废水只是清洗封装件的纯水，可以直接排放污水管道中。 只有少量酸碱洗液使用，拟采用瓶罐回收，通过中和处理后集中解决。 (1)废水处理a有害废水酸碱污水其中主要是纯水制造过程中树脂再生排放的酸碱污水以及废气处理装置中洗涤排放的酸碱污水。 含氟污水系硅片腐蚀清洗后排放的污水。 上述有害污水将分别进行处理，达到国家排放标准后再排人污水管道。 b一般污水生活污水直接排人城内污水管道。 无害污水包括一般洗涤排放的水和冷却设备排放的水。 无害污水直接排人污水管道。 C雨水雨水采用设在道路2侧的集水口汇集后排人雨水管道。 (2)废气处理在生产CCD成像传感器的过程中，使用较多的气体是H 2、 02、N2，同时也使用极少量的特殊气体。 对于极少量的特殊气体，在使用这种气体的设备中均设有处理装置，保证能达到排放标准；对于酸性气体，拟采用喷淋的处理办法，使其达到国家规定的排放标准。 (3)噪音CCD成像传感器的生产过程，是1种高精度的精密加工过程，自身对噪音、振动的要求十分严格，因此它不会给环境造成噪音污染。 (4)环境美化CCD成像传感器的生产过程，对环境质量、大气质量要求较高。 据此，在建设中要拟留出一定数量的空地作为绿化用地，建设成为庭园式的设计、生产基地。 尽量改善其小气候，满足生产的需要。 (5)主要原材料生产CCD成像传感器的材料，主要是5英寸硅片、封装件、气体、化学药品和各种焊丝等。 硅片按单班制计算，每年约需10000片。 封装件属高技术部件，也是CCD成像传感器的重要部件，拟采用进口方式。 以后，争取自办封装件生产厂，实现国产化。 封装辅料主要是合金焊丝及粘合封口材料。 在生产过程中需要使用的气体主要有H 2、 02、N、Ar、He和氨气等，这些气体国内都能解决。 化学药品主要是丙酮、已醇、氢氧化钾、硫酸、双氧水等，无有毒有害药品。 7CMOS成像传感器的生产工业CMOS传感器与CCD传感器类似，同样是以电荷包的形式贮存和传输信息，但不是以电荷转移而是以电荷释放的方式获取光电信号，主要由光敏单元阵列、行列选通逻辑、定时和控制电路以及模拟信号处理器构成。 CMOS半导体器件具有功耗低、体积小、可靠性高、成本低廉的优势，近年来发展迅速，成为国外研究其实际应用的热点。 CCD使用特殊工艺，成品率较低；采用最普遍的半导体工艺，成品率高。 由于CMOS的制造工艺非常普通，因此它能利用其他微电子电路的很多特性，在同一块硅晶片上，CMOS传感器与其他电路的结合要容易很多，它能与某些必要的附加电路一如模数转换器、数字信号处理器(DsP)相结合。 而使用