【微分享】索尼黑科技專欄--從SWIR圖像傳感器的開發(fā)看索尼是如何造芯片的？

SWIR（短波紅外線）圖像傳感器在產(chǎn)品的品質(zhì)檢測中發(fā)揮著重要作用。不同于可見光，SWIR是一種紅外線，可被廣泛應用于檢測，用以識別肉眼難以捕捉的劃痕、異物混入等。此次，索尼開發(fā)的SWIR圖像傳感器，以業(yè)界較小*1 的5μm像素實現(xiàn)了多像素化和小型化，并且以其高動態(tài)范圍的突出特點實現(xiàn)在可見光下成像。這款傳感器擁有超出市面一般產(chǎn)品的高規(guī)格。由于是首次開發(fā)，團隊也面臨諸多前所未有的挑戰(zhàn)。正是基于索尼半導體集團（以下簡稱本公司）獨有的技術(shù)經(jīng)驗，這款產(chǎn)品才得以誕生。通過SWIR圖像傳感器開發(fā)故事的采訪，我們可以通過這款全球創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)，一窺本集團公司的實力。

*1 在使用化合物半導體InGaAs（銦鎵砷）的SWIR圖像傳感器中。索尼調(diào)查結(jié)果。（截至2020年5月）

受訪人簡介

索尼首款SWIR圖像傳感器

開發(fā)前即已積累行業(yè)標桿式的技術(shù)實力

SWIR、SWIR圖像傳感器究竟是什么？

Maruyama：SWIR（Short Wavelength Infra-Red）是紅外線的一種。有些波段范圍的紅外線可以用于熱成像技術(shù)以感知溫度，比如人的體溫，有些具備其他特性。其中，0.9μm-2.5μm波段的光被稱為短波長紅外線SWIR。

SWIR波段和可見光的反射/吸收方式不同，SWIR圖像傳感器運用這個特性，可以捕捉以往人眼無法識別的物體。另外，一部分物質(zhì)不反射SWIR光，但可以讓其透過，因此讓SWIR光透過物體就可以對其內(nèi)部進行辨識。

SWIR光還有一個特性，就是相比可見光不那么容易散射，因此可以穿透霞、霧，識別它們后面的物體。

憑借公司獨有的技術(shù)，我們開發(fā)的SWIR圖像傳感器不僅可以捕捉波長1.7μm以下SWIR波段的影像，還能拍攝可見光波段的影像。

SWIR圖像傳感器應用于哪些行業(yè)和用途？

Osawa：SWIR可以穿透硅，還能將水分含量可視化。利用這一特性，SWIR圖像傳感器可被用于多個行業(yè)，其中以半導體和食品行業(yè)中的檢測為主。例如，在半導體的檢測中，半導體晶圓以硅為主材料，而硅具有吸收可見光的特性，因此如果使用捕捉可見光的設備進行拍攝，所呈現(xiàn)的圖像就只是單純的金屬板。而紅外線中的SWIR具備可穿透硅的特性，因此，用搭載SWIR圖像傳感器的相機拍攝，硅就會像透明玻璃一樣一目了然，從而能夠檢測出晶圓內(nèi)部的開裂以及混入的異物。
另外，水可以被可見光穿透，所以看起來是透明的。但如果利用某一SWIR波段的光進行觀察，水會吸收這一波段的光線，呈現(xiàn)出與周圍環(huán)境/物體不同的顏色。這種特性可以被用于了解物體哪個部分含有水分，例如食品檢測行業(yè)，用于檢測水果表面是否有傷痕，這是可見光相機難以做到的。

傳統(tǒng)的SWIR圖像傳感器存在著哪些難題？

Osawa：SWIR圖像傳感器已經(jīng)在很多行業(yè)得到廣泛應用，但在技術(shù)上還存在重大難題。像素尺寸就是其中之一。傳統(tǒng)的SWIR傳感器每一個像素尺寸都比較大，因此，很難在一個傳感器中配置許多像素，提升解像度是一大難題。從畫質(zhì)角度來說，這個問題導致難以拍攝清晰的影像，相機制造商必須在后期進行圖像處理。另外，市面上現(xiàn)有的傳感器都是模擬輸出類的，因此，必須由相機進行數(shù)字轉(zhuǎn)換，這樣會造成相機信號電路處理的負荷增大，而且設計難度也非常大。

Maruyama：傳統(tǒng)的SWIR圖像傳感器采用凸點（Bump）連接方式，用金屬球連接像素內(nèi)的磷化銦層和硅層。為了在凸點（Bump）連接下縮小像素尺寸，就必須以微米單位的間距精準配置這種金屬球，而這樣做非常困難。因為這種技術(shù)上的難題，傳感器的微細化一直難以取得進展，圖像傳感器的價格也因此居高不下。

索尼首款SWIR圖像傳感器的開發(fā)是如何開始的？

Maruyama：剛才我也提到了，傳統(tǒng)的SWIR圖像傳感器因為凸點（Bump）連接，微細化難以取得進展，但是我們發(fā)現(xiàn)，似乎可以使用索尼堆棧式圖像傳感器開發(fā)中研發(fā)的銅-銅連接*2技術(shù)來解決這個問題。利用這項技術(shù)，就能夠以細微的間距配置像素。另外，傳統(tǒng)的圖像傳感器使用硅作為光電轉(zhuǎn)換膜，而SWIR波段的光可以透過硅材料，無法達到集光的效果。因此，必須使用銦砷化鎵（以下稱InGaAs）代替硅，用作光電二極管的材料，捕捉SWIR的光能，轉(zhuǎn)換為電子信號。這是索尼的圖像傳感器不曾使用過的材料，但索尼其他的事業(yè)團隊掌握了能夠制造InGaAs化合物的半導體技術(shù)。并且，本集團公司還擁有光電數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)。事實上，解決問題所需要的基礎技術(shù)都已被我們公司掌握。將這些技術(shù)結(jié)合起來，就能開發(fā)出前所未有的小型且高解像度的SWIR圖像傳感器，我們帶著這樣的想法成立了項目小組。

*2 將像素芯片（上方）與邏輯芯片（下方）堆棧在一起時，通過連接兩個Cu（銅）片導通電流的技術(shù)。Cu-Cu技術(shù)與TSV技術(shù)（ 通過像素區(qū)外的周邊區(qū)域放置過孔來導通上下芯片電路的連接技術(shù)）相比，可提高設計自由度和生產(chǎn)效率，有望實現(xiàn)小型化、高性能化。

請介紹開發(fā)時的理念和力求實現(xiàn)的目標

Tsuji：我們堅信只要充分應用本集團公司掌握的技術(shù)，就能創(chuàng)造出優(yōu)秀的產(chǎn)品，所以剩下的就是思考如何應用這些技術(shù)，創(chuàng)造出對客戶而言好用的產(chǎn)品。我們首先搭載了應用于CMOS圖像傳感器中的列并行A/D轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)了SWIR圖像傳感器輸出的數(shù)字化。這樣，不僅相機制造商無需在后期準備A/D轉(zhuǎn)換用的零部件，而且其他公司產(chǎn)品面臨的畫質(zhì)問題也迎刃而解，大幅減輕了相機制造商在校正處理方面的負擔。另外，InGaAs容易受到溫度影響，因此，我們在圖像傳感器中搭載了數(shù)字溫度計，使設備冷卻時的溫度控制變得方便。

Maruyama：我們已經(jīng)知道，像素的微細化是可以實現(xiàn)的。但是我們認為“索尼不能只滿足于此”。
SWIR圖像傳感器在光電二極管中使用了InGaAs，而制造InGaAs所必須的磷化銦 （以下稱InP）層會導致無法捕捉可見光光譜中的影像。但是本集團公司采用的銅-銅連接的結(jié)構(gòu)適合減小InP層的厚度。于是，我們決定開發(fā)也能夠捕捉可見光影像的獨特的SWIR圖像傳感器。

Osawa：我們認為，如果能開發(fā)出可捕捉可見光影像的SWIR圖像傳感器，結(jié)合在多光譜、高光譜等多種波長范圍內(nèi)皆能成像的系統(tǒng)，就能充分發(fā)揮傳感器寬波段的特點，大幅提升產(chǎn)品的市場價值。

Maruyama：還有一點。傳統(tǒng)的SWIR圖像傳感器存在很多缺陷。比如，拍攝暗處時會出現(xiàn)大片白斑。這種現(xiàn)象源于InGaAs材料的品質(zhì)問題。我們公司在以往的激光開發(fā)過程中已經(jīng)成功掌握化合物半導體制造技術(shù)，應用該技術(shù)，我們開發(fā)出了沒有缺陷的高品質(zhì)傳感器。

Ogasawara：我負責傳感器封裝的規(guī)格制定，主要工作就是制定并開發(fā)實現(xiàn)內(nèi)置電子冷卻元件的陶瓷PGA封裝（以下稱冷卻封裝）的冷卻規(guī)格。

相比可見光，SWIR波段的能量更弱，所以，捕捉SWIR的圖像傳感器非常敏感，極易受到溫度的影響，1℃、2℃的微弱差異就會影響畫質(zhì)。這一問題勢必會增加成本和供貨挑戰(zhàn)，如不能解決，較終產(chǎn)品的市場化也會受到影響。為了全面發(fā)揮它的優(yōu)勢，我們決定，除了一般的封裝式樣，再新開發(fā)一款內(nèi)置冷卻裝置的封裝。

但是如果通過單純的降溫進行冷卻會出現(xiàn)結(jié)露，為了避免結(jié)露，我們在傳感器周圍采用了密閉結(jié)構(gòu)。另外，因為傳感器的數(shù)字化，從貼裝中伸出的引腳數(shù)增加，封裝內(nèi)的散熱空間變小。我們分析并權(quán)衡這些利弊，確保了規(guī)格的設定考慮到兩方面的平衡。

我們有信心開發(fā)出超越其他公司的產(chǎn)品，

但是另一方面，在開發(fā)初期階段，遇到的挑戰(zhàn)多達300項

在開發(fā)中經(jīng)歷了哪些困難

Tsuji：因為要開發(fā)公司第一款使用InGaAs的SWIR圖像傳感器，我們在開發(fā)初期就細查可能出現(xiàn)的問題點，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了大大小小300多條。而且，隨著開發(fā)的推進，不斷有新的問題被發(fā)現(xiàn)，總而言之，有堆積如山的難點需要我們?nèi)ソ鉀Q。并且，還出現(xiàn)了一些過去使用晶圓時不曾看到、使用InGaAs才有的現(xiàn)象，站在終端產(chǎn)品的角度要如何處理這些現(xiàn)象，也是必須討論解決的。

Maruyama：我們整個圖像傳感器的開發(fā)團隊并不了解InGaAs相關知識。激光開發(fā)團隊的同事雖然不具備圖像傳感器的知識，但是擅長制造InGaAs所需的化合物半導體技術(shù)。于是我們決定從一開始就聯(lián)手，共同進行技術(shù)開發(fā)。

另外，硅材料已經(jīng)實現(xiàn)大晶圓大批量的生產(chǎn)，而傳統(tǒng)的InGaAs材料只能用小晶圓來量產(chǎn)，如果我們的SWIR圖像傳感器不能像硅材料那樣大批量生產(chǎn)，那從成本和供應穩(wěn)定性來說，就不能算是一款合格的產(chǎn)品。另外，考慮到我們的工廠是首次采用InGaAs材料，我們決定邀請工廠方面的員工從開發(fā)初期就參與項目，共同探討量產(chǎn)方案。

Ogasawara：與一般的圖像傳感器的開發(fā)不同，此次的開發(fā)參與人數(shù)眾多，各自的職責和體制也不同于往常。作為開發(fā)小組的副組長，我非常關注信息共享，努力讓各個團隊分工明確而又緊密合作。
在封裝的開發(fā)中我們經(jīng)歷的困難是，在原型樣機上工作沒問題的冷卻功能，到了量產(chǎn)開發(fā)階段卻突發(fā)異常。以冷卻封裝為宣傳點的產(chǎn)品無法正常冷卻，這是生死攸關的問題。為此，我們決定回到起點，從較初設計開始全面徹查原因，較終解決了問題。

Osawa：公司的品質(zhì)管理要求非常嚴格。此次的SWIR圖像傳感器，雖然是第一次開發(fā)和產(chǎn)品化，但是為了確保與過去的CMOS圖像傳感器具備相同的高品質(zhì)，開發(fā)和制造團隊都付出了很多努力。

攻克這些挑戰(zhàn)的關鍵在哪里？

Tsuji：通常，問題管控與解決是由項目組長主導的，但是此次，我們面臨的挑戰(zhàn)多達300項，僅憑一人之力難以實現(xiàn)，因此，這些課題被分配給各個團隊，如果是涉及多個團隊的難題，我會牽頭進行解決。雖然存在很多挑戰(zhàn)，但是我們向客戶展示了預先制作的樣機后，得到了客戶的好評，甚至聽到了“完全是不同維度的高畫質(zhì)”這樣的超高評價，成員們因此熱情高漲，開發(fā)工作順利推進。
在碰到與普通硅材料不同的問題時，我們積極向客戶公開信息，努力讓客戶理解這款傳感器的特點。

Maruyama：關于晶圓大型化的難題，我們從初期階段就認識到，只能采用切割再粘貼的方式。問題就是粘貼的方法。雖然大家想了很多方案，但是都不順利。于是，我們咨詢了集團公司內(nèi)的許多工程師。我一直認為“在技術(shù)面前，沒有職位高低之分，人人平等”，因此，從老員工到新人，切切實實地從頭到尾問了個遍。就這樣，我們收集了各種方案，經(jīng)過討論和驗證，較終攻克了難題。在這些方案中，還包含了許多半導體上不曾應用過的技術(shù)。這些方案，只靠我們自己是絕對想不到的，實際上，正是憑借這些半導體以外的方案，我們才實現(xiàn)了晶圓的大型化。

公司聚集了各種人才，因此能提出各種方案。而且公司鼓勵大家相互學習、咨詢，對于你的問題，大家都會熱情回答。有時對方還會一起加入到團隊中來?！凹词箤懺诎装迳?，告訴你們要這樣做，你們大概也不明白，所以直接看我做吧”，像這樣，實際上手提供幫助的人也不少。開發(fā)者往往是技術(shù)難度越高，熱情越高漲。

Ogasawara：公司里有一些人具備豐富的熱能知識，我想要找他們進行咨詢，但是他們對于圖像傳感器并不熟悉，因此，面臨的熱能問題的關鍵在哪里，自己必須要清楚。如果不了解應該咨詢的要點，那么回答的一方就會偏離方向。因此，即使我在熱能方面缺少知識，也要徹底思考，整理事實，掌握問題所在。

然后回歸基礎，從熱能是如何傳遞開始，理解相關知識。在此基礎上進行仿真，用樣品測定熱能的移動，徹底掌握使用這種封裝時熱能的移動方式，終于找到了無法冷卻的原因，基于對產(chǎn)品封裝技術(shù)的理解，掌握了較終量產(chǎn)所需的評估測試，為產(chǎn)品的品質(zhì)管理做出了自己的貢獻。

顛覆性的索尼SWIR圖像傳感器
有望迅速開拓市場

憑借索尼的SWIR圖像傳感器有望提供哪些解決方案

Osawa：像素的微細化和多像素化將帶來很多好處，比如可識別過去無法檢測的細微劃痕等，檢測品質(zhì)有望提升。另外，數(shù)字化讓相機設計變得更加簡單，再加上成本優(yōu)勢，這款SWIR圖像傳感器的價格非常易于讓客戶接受?！白尭咂焚|(zhì)的檢測在世界范圍內(nèi)得到普及”，是我們的心愿，我們確信，此次的SWIR圖像傳感器將為我們達成心愿發(fā)揮重大作用。甚至一些客戶高度評價這款產(chǎn)品為“杰作”。

我們的SWIR圖像傳感器具備很多本集團公司產(chǎn)品特有的特點，比如使用方便和性能卓越等等，相信在市場帶上將不同凡響。我們還將利用這些特點，思考開發(fā)新的應用方案。

相關新聞稿 :
索尼發(fā)布工業(yè)設備用SWIR圖像傳感器，采用業(yè)界震驚的5微米像素尺寸，在可見光和不可見光光譜中均可捕捉影像

相關頁面?。骸?a >SWIR技術(shù)

請介紹未來SWIR圖像傳感器的可能性

Osawa：一般認為圖像傳感器的檢測精度會因為AI的應用而提升，但是，對于實現(xiàn)這一點，能否提供清晰的圖像讓AI進行學習這個問題非常重要。如果AI獲取到我們的傳感器拍攝的精細圖像，它就可能提高傳感器的精度，從而發(fā)現(xiàn)過去難以發(fā)現(xiàn)的更加細微的問題。另外，如果能在同時覆蓋可見光和SWIR波長范圍的超高光譜下進行檢測，將達到超乎想象的檢測品質(zhì)。

請介紹未來要挑戰(zhàn)的目標

Osawa：索尼首款SWIR圖像傳感器是在許多人的熱情支持下開發(fā)而成的。憑借SWIR圖像傳感器，我們有望向過去不曾導入、甚至不曾考慮索尼產(chǎn)品的客戶提供解決方案，讓他們考慮導入我們的產(chǎn)品。SWIR的波長范圍蘊含著許多的可能性，可以滿足各領域客戶的各種需求，我們將努力幫助更多客戶發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。

Tsuji：今后，希望不曾使用過SWIR圖像傳感器的客戶也能考慮使用我們的產(chǎn)品。為此，我們還要進一步提升產(chǎn)品的易用性，將其打造為一款任何人都能輕松使用的圖像傳感器，絕不輸于本集團公司的其他CMOS圖像傳感器。

Maruyama：此次的SWIR圖像傳感器在性能方面還有很大的提升空間。我們非常自豪，目前我們的產(chǎn)品比其他公司領先一籌，我們還會繼續(xù)努力，力爭進一步擴大我們的產(chǎn)品優(yōu)勢。我們希望為產(chǎn)品增加索尼才能提供的各種獨特的功能，打造獨一無二的傳感器。

Ogasawara：此次，我們的開發(fā)經(jīng)歷了許多第一次。產(chǎn)品一經(jīng)推出，將會收到客戶的反饋。我們將重視這些意見，創(chuàng)造出更加優(yōu)秀的下一代產(chǎn)品。另外，就封裝的新方案而言，我們認為如果不深思熟慮，就無法創(chuàng)造出好用的產(chǎn)品。所以我們將聽取客戶意見，思考超越客戶期待的易于使用的封裝，將其反映到下一代產(chǎn)品上。