Современные технологии и продукты 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].
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].
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
Литература
- http://www.dalsa.com/corp/company/sgc.aspx
- http://www.dalsa.com/corp/company/profile.aspx
- http://www.dalsa.com/corp/news/news.aspx? itemID=276
- http://www.dalsa.com/corp/news/news.aspx? itemID=296
- http://www.dalsa.com/semi/technology/memstoolbox.aspx
- http://www.dalsa.com/semi/technology/MEMSintegrated.aspx
- http://www.dalsa.com/semi/technology/hvcmos.aspx
- http://www.dalsa.com/semi/technology/legacycmos.aspx
- http://www.dalsa.com/ls/