Современные технологии и продукты компании Teledyne DALSA

№ 8’2011
В статье рассмотрены продукты и технологии для получения высококачественных цифровых изображений, а также заказные МЭМС-устройства компании Teledyne DALSA.

О компании Teledyne DALSA

Компанию DALSA (Ватерлоо, провинция Онтарио, Канада) основал Саввас Чемберлен (Savvas Chamberlen), доктор технических наук, член IEEEE, СAE, FEIC, SRC [1]. С. Чемберлен был генеральным директором DALSA до 2007 года, а затем — председателем совета директоров фирмы до ее приобретения компанией Teledyne Technologies Company (Thousand Oaks, Калифорния, США) в феврале 2011 года.

Как считает главный исполнительный директор новой компании Teledyne DALSA Брайан Дуди (Brian Doody), объединение двух ведущих в своих областях компаний имеет позитивное значение как для развития DALSA, так и для клиентов, партнеров и поставщиков фирмы [2]. Достаточно крупная электронная компания Teledyne Tech-nologies Incorporated приобрела DALSA из-за наличия у нее современных технологий, продуктов, сильной команды инженеров, исследователей и успешных менеджеров.

DALSA проектирует, разрабатывает и продает продукты и технологии для получения высококачественных цифровых изображений, а также производит заказные МЭМС-устройства. В состав продукции DALSA входят высокопроизводительные ПЗС и КМОП датчики изображений, цифровые электронные камеры с программным обеспечением для обработки изображений. Камеры предназначены для систем машинного зрения, медицинских приборов, аппаратуры для аэрофотосъемки, спутниковой аппаратуры и даже для видеокамер межпланетных аппаратов. В компании работают более 1000 сотрудников по всему миру.

Teledyne и DALSA — признанные лидеры в области цифровой визуализации, а их продуктовые линейки выгодно дополняют друг друга. Например, DALSA выпускает датчики видимого изображения и соответствующие камеры для коммерческих приложений, а Teledyne разрабатывает и производит инфракрасные датчики изображения высокого разрешения и соответствующие системы для правительственных нужд. Благодаря такому сочетанию ведущих технологий вполне реально выйти на новый технологический уровень систем визуализации. Кроме того, качественные и пользовательские показатели МЭМС DALSA могут быть улучшены благодаря доступу к результатам обширных исследований технологий МЭМС, проведенных Teledyne. Сделку считает позитивным событием для всех заинтересованных сторон и основатель DALSA профессор С. Чемберлен [3].

В марте 2011 года на выставке «Автоматизация 2011» в Чикаго Teledyne DALSA представила новые решения в области технологий машинного зрения:

  • Приборы BOA Smart Cameras — более гибкие и простые в использовании видеокамеры для систем машинного зрения типа «все в одном», чем предыдущие поколения смарт-камер. Приборы рассчитаны на суровые условия эксплуатации по классу IP67 и отличаются малой потребляемой мощностью. Доступны цветные и монохромные исполнения с разрешением от VGA до 1280×960, скорость съемки — до 60 кадров/с. К видеокамерам прилагается новое программное обеспечение Inspect Express 1700 (внешний вид камеры BOA показан на рис. 1).
  • Приборы BOA IDR позволяют производителям объединить 1D- и 2D-отслеживания с другими задачами инспекции выпускаемой продукции, например для нанесения читаемой маркировки, сохраняющейся на продуктах после их выхода из цеха. Это приложение имеет особую актуальность в области автомобилестроения, упаковки, электронной и фармацевтической промышленности.
  • Платформа GEVA — это рентабельное решение, обеспечивающее управление несколькими камерами на базе серий DALSA Genie и Spyder3, а также при использовании видеокамер сторонних производителей (внешний вид платформы показан на рис. 2).
  • Серия камер Ginie GigE Vision в составе 21 модели цветных и монохромных видеокамер с разрешением от VGA до 1600×1200 [4].

 Видеокамера BOA

Рис. 1. Видеокамера BOA

 Платформа GEVA

Рис. 2. Платформа GEVA

В 2011 году деятельность Teledyne DALSA сосредоточена на четырех основных направлениях:

  • производство кремниевых пластин для полупроводниковых приборов и МЭМС;
  • датчики изображения;
  • приборы для машинного зрения;
  • приборы для медицины и биологии.

Компания располагает следующими продуктами, сервисами и технологиями: приборы машинного зрения для OEM-изготови-телей, полные решения для конечных потребителей; изготовление полупроводниковых приборов и МЭМС; приложения для датчиков изображения, в том числе в медицине и биологических науках; технологии ПЗС и КМОП. Здесь приведено краткое описание различных технологий новой компании: особенности и параметры серийных продуктов Teledyne DALSA требуют отдельного рассмотрения.

Производство кремниевых пластин для полупроводниковых приборов и МЭМС

Целью компании в этом направлении является обеспечение фаблесс-производителей интегральных схем и МЭМС кремниевыми пластинами для изготовления высоковольтных ASIC и КМОП-приборов, МЭМС, ПЗС-матриц и матриц на основе КМОП-технологий (Legacy CMOS). Технологии Teledyne DALSА позволяют интегрировать датчики изображения и МЭМС в одну структуру, обеспечивают гибкую систему масштабирования кремниевых пластин, подбор материалов, оборудования и технологий изготовления, что позволяет получать наиболее производительные МЭМС и датчики изображения. Ряд технологий фирмы не традиционны для производства обычных микросхем, однако они предоставляют дизайнерам и заказчикам редкую возможность для оптимизации архитектуры, производительности и надежности конечных изделий. Компания имеет возможность предоставления продуктов в больших объемах, что критически важно в таких отраслях, как телекоммуникации, фотоника, медицина, биология, промышленность и автомобилестроение. Teledyne DALSA также предлагает обширный пакет инструментов (табл. 1), десятки проверенных технологических методов производства МЭМС и интегральных схем.

При изготовлении МЭМС и полупроводниковых приборов компания использует и другие технологии, такие как Solder Bumping (способ формирования столбиковых выводов), в том числе из сплавов Ni-Pd, а также Backgrinding (шлифование снизу), Dicing (дисковая резка) и др.

Интегральные МЭМС

Teledyne DALSA обладает обширным опытом в области разработки и производства интегрированных МЭМС- и КМОП-продуктов, таких как ВЧ-чипы для сотовых телефонов, датчики твердых частиц и дыма, инерциальные датчики движения для игровых контроллеров, автомобильные датчики давления, микрожидкостные устройства для медицинских систем и др. Перечислим лишь некоторые из применяемых технологий:

  • TSV (Through Silicon Vias) — соединения сквозь кремний. Компания имеет многолетний опыт 3D-упаковки с длиной соединений через кремний до 400 мкм, пригодных для высоковольтных приложений (рис. 3). Типичное сопротивление проводника — менее 1 Ом на 430 мкм, емкость — менее 10 пФ.
  • WLP (Wafer-Level Packaging) — сборка на пластине. Поверхностный монтаж 3D-микросхем позволяет кардинально уменьшить размеры приборов (рис. 4) с соответствующим сокращением затрат на производство, что особенно актуально для мобильных приложений с герметичным уплотнением, таких как генераторы, датчики изображения и давления, и с негерметичным — для ВЧ-фильтров, кремниевых микрофонов и приложений микрофлюидики.
  • Bio-MEMS. Компания находится в уникальном положении, имея развитые технологии МЭМС, высоковольтных КМОП и приборов визуализации, необходимых для разработки и производства био-МЭМС в научных приложениях. В пакет био-МЭМС технологий фирмы входит микрофлюидика и высоковольтные КМОП-элементы, с помощью которых возможно создание технологической платформы — Lab-On-Chip (лаборатория на чипе) [6].

Высоковольтные ASIC и КМОП-приборы (HV ASICs/HV CMOS)

Компания имеет возможности для производства и дизайна высоковольтных микросхем КМОП для таких приложений, как драйверы струйных печатающих головок, плоских дисплеев, светодиодов, ЖК-панелей, микрозеркал и микрофлюидики. Многие приложения МЭМС требуют одновременно высоких и низких управляющих напряжений. Компания может разработать специализированные приборы ASIC, MEMS + ASIC сборки на уровне пластин или полностью интегрированные изделия. Заказчики могут воспользоваться специализированной библиотекой IP для реализации конкретных проектов. Компания способна оперативно разработать ASIC, от простых до самых сложных:

  • Диапазон напряжений: до 650 В.
  • Число высоковольтных выводов: 32, 64, 96, 128 и более.
  • Высокое быстродействие высоковольтных схем: более 500 кГц при напряжении 250 В и Сн = 15 пФ.
  • Индивидуальные формы приборов: отношение длина/ширина — более 5:0,1.
  • Малая площадь высоковольтных узлов [7].

 Технология TSV

Рис. 3. Технология TSV

 Элемент интегральной МЭМС

Рис. 4. Элемент интегральной МЭМС

Производство высоковольтных КМОП-микросхем Teledyne DALSA осуществляет в рамках четырех процессов: C08E; C08G (КМОП); C20G и C12K (КМОП/DMOS/BJT). Основные параметры процессов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Основные параметры процессов

Процесс Геометрия, мкм Высокое напряжение, В Среднее напряжение, В Низкое напряжение, В Вертикальные n-p-n, B Вертикальные p-n-p, B Удельное поверхностное сопротивление поликремния, кОм/квадрат Число слоев поликремния Металлы
C08E 0,8 20 3–5 17* 20 10 2* 2 или 3
C08G 0,8 350 3–5 17* 20 5 2* 2 или 3
C20G 2 500 12 5 17* 10 1 или 2 2*
C12K 1,2 650 12–33 5 17* 5 2 или 2 2*

Примечание. * — отмечены опции.

Рассмотрим некоторые особенности процессов.

С08Е 0,8 мкм, процесс BCD (biCMOS-DMOS):

  • КМОП — 3/5 B, 20 B, DMOS — 12/40 B.
  • Комплементарные изолированные вертикальные биполярные транзисторы.
  • Затворы с двойной изоляцией оксидом.
  • Задержка распространения (Tpd): 220 пс/5 В, 500 пс/20 В.
  • Сопротивление открытых каналов (Rси откр): для N-LDMOS — 1 мОм/см2 (12 В); 4,3 мОм/см2 (40 В).
  • Параметры пассивных элементов: поликонденсаторы (20 В) — 0,84 фФ/мкм2; высокоомные полирезисторы — 10 кОм/квадрат с низким ТКС, низкоомные резисторы — 285 Ом/квадрат.

Упрощенная структура фрагмента чипа, изготовленного по процессу С08Е, показана на рис. 5. Основные сферы применения чипов: МЭМС-сенсоры, электролюминесцентные дисплеи, драйверы ПЗС, автоматическое измерительное оборудование, прецизионные измерительные приборы.

 Фрагмент чипа в разрезе (технология С08Е)

Рис. 5. Фрагмент чипа в разрезе (технология С08Е)

С08G 0,8 мкм, процесс КМОП/DMOS:

  • Интеграция КМОП (5 В) и высоковольтных LDMOS/HV EDPMOS транзисторов позволяет оптимизировать архитектуру чипов для работы в широком диапазоне напряжений (30–300 В).
  • Возможность интеграции с МЭМС в системах на кристалле.
  • Затворы с двойной изоляцией оксидом, два слоя полисиликона, два или три слоя металла.
  • Возможность предварительного выбора высоковольтных LDMOS, EDPMOS и биполярных транзисторов с различными значениями Ron из библиотеки элементов.
  • Возможность включения биполярных комплементарных транзисторов (процесс BCD).
  • Параметры пассивных элементов: двойные поликонденсаторы — 0,75 фФ/мм2; высокоомные полирезисторы — 5 кОм/квадрат с низким ТКС, низкоомные резисторы — 185 Ом/квадрат.
  • Вертикальные pnp-транзисторы (Uкэ = 20 В, β = 60) — опция.
  • Вертикальные npn-транзисторы (Uкэ = 17 В, β = 70).

Основные области применения технологии: драйверы МЭМС; драйверы СИД и светодиодных дисплеев; драйверы затворов импульсных преобразователей напряжения и инверторов; SLIC (Subscriber Liner Interface Circuit) — схемы интерфейсов абонентских линий.

C20G 2 мкм, процесс КМОП/DMOS:

  • Интеграция КМОП (5 В), Lateral DMOS (LDMOS) и Extended Drain PMOS (EDPMOS) позволяет реализовать экономичную архитектуру чипов для работы в диапазоне напряжений 50–500 В.
  • Максимальное напряжение сток–исток (BVDSS) LDMOS — 50–500 В.
  • BVDSS EDPMOS — 50–440 B.
  • Изолированные вертикальные npn-транзисторы.
  • Параметры пассивных элементов: двойные поликонденсаторы — 0,75 фФ/мм2; четыре типа полирезисторов с низким ТКС.

Области применения те же, что и у чипов, выполненных по технологии C08G.

С12К 1,2 мкм, процесс КМОП/DMOS:

  • Интеграция КМОП (5 B/20–30 B), LDMOS (650 B), EDPMOS (450 B).
  • Возможность предварительного выбора LDMOS/EDPMOS и биполярных транзисторов с различными значениями Ron.
  • 1,2-км топологические проектные нормы для контактов и межсоединений.

Основные области применения: драйверы СИД, МЭМС, затворов транзисторов электроприводов и балластов, оффлайн-коммутаторов. Поставка ASIC и КМОП микросхем осуществляется в различных видах и упаковках, некоторые из вариантов упаковок показаны на рис. 6.

 Варианты поставки продуктов

Рис. 6. Варианты поставки продуктов

Технологии ПЗС и КМОП датчиков изображения (CCDs & Legacy CMOS)

Teledyne DALSA — один из немногих в мире открытых производителей, поставляющих ПЗС и КМОП сенсоры высокого разрешения сторонним заказчикам. В области создания ПЗС и КМОП сенсоров высокого разрешения компания является признанным мировым лидером. Например, продукты фирмы были использованы для видеокамер марсоходов, разрабатываемых в лаборатории реактивного движения НАСА, в том числе Opportunity (рис. 7) и других космических аппаратов.

 Марсоход Opportunity

Рис. 7. Марсоход Opportunity

В 2006 году был выпущен монолитный ПЗС-сенсор с самым большим числом элементов (10 560×10 560, 111 Мпикселей, рис. 8) для департамента астрометрии военно-морской обсерватории США (USNO). В 2008 году были изготовлены сенсоры с еще более высоким разрешением для фотограмметрии: с помощью видеокамер с сенсорами DALSA на Олимпиаде в Пекине были отсняты видеосюжеты высокого разрешения со скоростью 180 кадров/с. В 2010 году была выпущена цифровая камера для картографирования с разрешением 12 240×11 418 (140 Мпикселей).

 ПЗС-сенсор на 111 Мпикселей

Рис. 8. ПЗС-сенсор на 111 Мпикселей

Компания выпускает также радиационно-стойкие сенсоры (PMOS CCD) для применения в рентгеноскопии. Запущено в производство новое семейство 12-микронных АТ (Advanced Technology) ПЗС-датчиков с улучшенной квантовой эффективностью (QE), чувствительностью и отношением сигнал/шум. 12-мегаписксельная матрица FTF3041F (рис. 9) за счет высокой QE позволяет значительно снизить дозу облучения пациентов при ее использовании в медицинской рентгеноскопии. ПЗС и КМОП сенсоры фирмы широко используются в различной медицинской аппаратуре, оборудовании для биологических и научных исследований, приборах для костной денситометрии и других областях медицины. Кроме того, фирма выпускает стандартные ПЗС-датчики для высококачественных фотокамер с разрешением до 48 Мп.

 ПЗС-матрица FTF3041F

Рис. 9. ПЗС-матрица FTF3041F

Особенности технологического процесса производства ПЗС-сенсоров (C25 CCD Process):

  • размер пластины — 150 мм (максимальный размер заготовки — 10×10 см);
  • число полислоев — 2 или 3;
  • перекрытие полислоев — 0,5 мкм;
  • число используемых металлов — один, два или три;
  • максимальное рабочее напряжение — 15 В;
  • эффективность переноса заряда — более 99,999%;
  • низкий темновой ток — менее 1 нА/см2;
  • управление процессом мониторинга электрических испытаний пластин;
  • пробные испытания полупроводниковых пластин;
  • возможность контроля технологии заказчиком;
  • возможность контроля исходных материалов заказчиком;
  • быстрое изготовление заказа.

Основные области применения технологии C25 CCD Process: линейные ПЗС-сенсоры; матричные ПЗС-датчики изображения, заказные ПЗС-сенсоры.

Особенности технологии производства КМОП датчиков изображения (Legacy CMOS)

Компания сохранила производственные мощности для изготовления микросхем по многим, ранее разработанным технологиям [8], что позволяет ее клиентам поддерживать собственные продукты и технологии в сочетании с новейшими достижениями в отрасли в течение многих лет. Это особенно важно для сложных изделий, использующих аналоговые и смешанные сигналы. Компания может осуществлять модернизацию продуктов и технологий заказчиков на своих производственных мощностях. Правила разработки четко определены для облегчения совместимости технологий. Технологии производства Legacy CMOS выполняются в рамках шести стандартных технологических процессов, их основные параметры приведены в таблице 3. Используются стандартные методы легирования кремния. Диапазон скорости осаждения вещества — 1011–1014 атомов/см2, имплантация бора, фосфора и мышьяка при 5–500 кэВ; 1014–1017 атомов/см2 — при 5–200 кэВ.

Таблица 3. Основные параметры технологических процессов

Процесс Геометрия, мкм Напряжение, В Полислои Слои металла Размер пластин, дюйм
C08C 0,8 3; 5 1–2 1–3 6
С12С 1,2 5
С15В/С 1,5 1,2; 3; 5
С20В/С 2 3; 5 1–2
С30В/C/D 3 5; 10
С40С 4 5; 10

Другие параметры процессов могут быть разработаны по заказу. Рассмотрим некоторые особенности и параметры перечисленных процессов Legacy CMOS.

C08C 0,8-км КМОП-процесс:

  • Совместимость с технологиями КМОП размерами более 0,8 мкм.
  • Технология Twin-tub, p- или n-эпитаксия либо монолитная подложка.
  • Задержка распространения: Tpd = 220 пс.
  • Возможность переноса технологии C08E, C08G для реализации высоковольтных решений.
  • Совместимость с физической моделью транзисторов BSIM3v3.22 в части спектров и Hspice.
  • Параметры пассивных и автономных элементов: 5-В двойные поликонденсаторы (1,05 фФ/мкм2), высокоомные резисторы (10 кОм/квадрат) с низким ТКС (опция), низкоомные резисторы (40–55 Ом/квадрат); 3/5-В КМОП-транзисторы (размеры 50×0,8 мкм); полисиликоновые предохранители.

На основе процесса могут быть выполнены любые 3/5 В цифровые, аналоговые схемы и узлы для обработки смешанных сигналов. На рис. 10 в упрощенном виде показан прибор, выполненный по технологии С08С.

Фрагмент чипа в разрезе (технология С08С)

Рис. 10. Фрагмент чипа в разрезе (технология С08С)

C12C 1,2-км КМОП-процесс:

  • Совместимость с технологиями КМОП размерами более 1,2 мкм.
  • Оксидная изоляция затворов транзисторов 225 Å.
  • Опционный полислой гигаомных резисторов.
  • Опционная маска р-базы для npn-транзисторов.
  • NMOS-, PMOS-транзисторы с параметрами заказчика.
  • Опционная ESD-вставка.

Остальные параметры — как в процессе С08С. На основе технологии могут быть реализованы любые 5-В цифровые, аналоговые схемы и узлы для смешанных сигналов.

С15СА/В/С 1,5-км КМОП-процесс (основные отличия от процесса С08С):

  • Совместимость с технологиями КМОП размерами более 1,5 мкм.
  • Три различных напряжения: 1,2 В (С15А); 3 В (С15В); 5 В (С15С).
  • Оксидная изоляция затворов транзисторов 270 Å.

С20В/С 2-км КМОП-процесс (основные отличия от процесса С08С):

  • Совместимость с технологиями КМОП размерами более 2 мкм.
  • Два различных напряжения 3 В (С20В) или 5 В (С20С).
  • Оксидная изоляция затворов транзисторов 325 Å.

С30В/C/D 3-км КМОП процесс (основные отличия от процесса С08С):

  • Совместимость с технологиями КМОП размерами более 3 мкм.
  • Оксидная изоляция затворов транзисторов 470 Å.
  • Три различных напряжения питания: 3 В (С30В), 5 В (С30С) или 10 В (С30В).

С40С 4-км КМОП-процесс (основные отличия от процесса С08С):

  • Совместимость с технологиями КМОП размерами более 4 мкм.
  • Оксидная изоляция затворов транзисторов 470 Å.
  • Два различных напряжения питания: 5 или 10 В.

В заключение рассмотрим особенности некоторых продуктов компании для медицины и биологии, в частности, для маммографии, рентгеноскопии в стоматологии, инспекции пищевых продуктов, биотехнологий и других приложений [9].

Плоскопанельные детекторы (Flat Panel detectors)

Компания выпускает динамические и статические плоскопанельные детекторы рентгеновского излучения на основе КМОП-датчиков. Динамические панели Xineos-1313-EO/FL (рис. 11) обеспечивают высокую скорость наблюдения (телевидение в рентгеновском диапазоне), низкие дозы облучения пациентов без снижения разрешающей способности изображения. Эти приборы выполнены по КМОП-технологии пятого поколения и обеспечивают в три раза большую чувствительность и в пять раз большее отношение сигнал/шум при равных с прототипами дозах облучения. Приборы оптимально подходят как для панорамного, так и для полнокадрового наблюдения со средним полем зрения (Medium Field of View, MFOV) и скоростью 30 кадров/с. Режим MFOV в основном используется в рентгеновских компьютерных томографах, выполненных на основе конусно-лучевой технологии (MFOV Cone beam computed tomography), в основном — в стоматологии.

Динамическая панель Xineos-1313

Рис. 11. Динамическая панель Xineos-1313

Основные параметры панелей Xineos-1313:

  • разрешение — 1300×1300 (размер пикселя 100 мкм);
  • размер активной области панелей — 130×130 мм, в панорамном режиме — 10×130 мм при скорости 300 кадров/с.

Компания выпускает около 20 моделей статических плоскопанельных детекторов рентгеновского излучения с разрешением от 1024×512 (размер активной зоны — 49×25 мм) до 4160×4160 (150×150 мм). Одна из последних разработок фирмы — автономная рентгеновская панель SkiaGraph8 PT Panel высокого разрешения (2048×2000) с большой площадью активной зоны (20×20 см) при скорости цифрового потока 12 Мбит/с (интерфейс GigE). Новый портативный прибор может быть использован для различных рентгеновских приложений, например для медицинской диагностики, производственной дефектоскопии, визуализации процессов в научных исследованиях. Внешний вид прибора показан на рис. 12.

Рентгеновская панель SkiaGraph PT Panel

Рис. 12. Рентгеновская панель SkiaGraph PT Panel

Литература

  1. http://www.dalsa.com/corp/company/sgc.aspx
  2. http://www.dalsa.com/corp/company/profile.aspx
  3. http://www.dalsa.com/corp/news/news.aspx? itemID=276
  4. http://www.dalsa.com/corp/news/news.aspx? itemID=296
  5. http://www.dalsa.com/semi/technology/memstoolbox.aspx
  6. http://www.dalsa.com/semi/technology/MEMSintegrated.aspx
  7. http://www.dalsa.com/semi/technology/hvcmos.aspx
  8. http://www.dalsa.com/semi/technology/legacycmos.aspx
  9. http://www.dalsa.com/ls/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *