2007.11.12
CMOS感測元件的三位一體: 設計、晶圓製造、彩色濾光片與微鏡的緊密合作
宋丁儀／電子時報 2007/11/12
根據TSR統計，2007年全球影響感測元件約出貨10億顆，2008年則可達到約12億顆；此外，根據另外一家市場調查機構預測，2007年影像感測元件的實際出貨量約介於11~12億顆之間，其中約有8成用於手機市場，這中間包括所謂白牌的或是黑牌的手機，手機是目前影像感測元件最大的應用市場，其次則是電腦用相機(PC Cam)、數位相機(DSC)。
由於近年來電腦用相機也逐漸成為筆記型電腦(NB)的標準配備，因此電腦用相機量逐漸成長，特別是零組件單價已經很便宜了，以產量最多的VGA影像感測模組來說，一個模組含鏡頭報價已低於2美元左右，130萬畫素則約3~4美元左右。
再回到手機應用市場來說，2007年全球手機市場約10~11億支，其中內建手機相機模組的便約8億支左右，具照相功能的手機已達手機的8成左右，其中更有部分的照相手機是雙鏡頭，便於3G手機互動視訊使用，而雙鏡頭多由一個高階鏡頭、一個低階鏡頭如VGA級畫素的兩相搭配。
高階手機將出現500萬畫素 VGA量將大增
若再細就市場技術層面，2年前，或許一般市場會認為，影像感測元件的技術與畫素是不斷持續前進的，也就是從35萬畫素增到130萬畫素、200萬畫素持續向上演進，但現在卻出現了規格上分野(Split)。
從2006年底到2007年初，高階手機多採200萬畫素及部分的300萬畫素，2008年，300萬畫素就很可能超越200萬畫素，甚至還會出現少數的500萬畫素。以手機市場來說，500萬畫素已算很足夠使用的了，再往更高階畫素發展，並不具太大意義，因為手機講求的是體積小、耗電量少，照相如果要更高階，必須要用好鏡頭，並容納機械式光學變焦功能，還必須防手震。而手機其實做到體積輕薄、成本低、感光度要好不需要補光，這樣就足了。因此800萬畫素以上市場，將是由數位相機所主導。
另外，再看看低階市場，低階VGA不僅沒有減少，甚至可能還會持續增加。低階VGA相機模組的成長動力主要來自於新興市場，或者所謂這些新興國家中第1次購買手機的人口，觀察到歐洲、印度、大陸市場，內建相機模組的手機比起沒有模組的手機更好賣，而以這些新興市場來說，VGA模組就必須做到很便宜，現在甚至有大廠模組已開始降到2美元以下，僅佔整支手機售價個位數百分比，成本便宜得足以與大陸低價白牌手機市場競爭。
半導體製造朝0.11微米製程以下前進 有助成本降至更低
而從上游根源來看，要靠什麼壓低照相手機的成本？半導體製程當中，晶片(die)可以愈做愈小，但鏡頭並非愈小愈便宜，當鏡頭曲徑小到某一個程度，加工、組裝反而更困難，成本反而愈高。這時候要降低成本怎麼辦？近期出現的趨勢則是朝向所謂「模組化」或「晶圓級」(Wafer Level)照相模組技術發展。也就是說，若回過頭來看剛才所提的低價、量大的VGA市場商機，如果能夠有相對應的半導體IC解決方案提供，便可以抓住此成長機會。
從半導體IC製程技術來看，2007年多半仍以0.18微米製程、0.13微米製程技術為主，收光畫素位元(Pixel)則以2.2微米為主，2008年預估製程技術會朝向0.11微米演進，畫素位元則進一步縮小到1.7微米，2008年底的製程則可能進一步縮小到90奈米製程。而隨著半導體製程不斷縮小，畫素位元跟著製程愈做愈小時，收光面積變得更小，於是收光的技術更為關鍵，這便考驗到晶圓製造本身的製程及其上彩色濾光片、微鏡片配合技術，這三項環節都會影響到光線進來之後，光源轉換成為訊號的品質。
IC設計、晶圓製造、彩色濾光片 需與微鏡緊密合作
舉個例子來說，如何做到將光源轉換效率提升？即使在光源減半的條件下，必須產生足夠的訊號傳遞，同時別忘了，此時訊號雜質(Noise)也要同步降得更多，這已非單純的晶圓製程技術便可解決的，這需要晶圓製程、與彩色濾光片設計業者共同合作，才能找出RGB三原色最佳組合方案，讓雜訊降到最低、色彩飽和度最高，讓色偏、色彩飽和度間達到最佳的平衡協調效果。
所以說，CMOS感測元件本身雖小但可說五臟俱全，從IC設計本身、到彩色濾光片、微鏡面的設計到晶圓製程技術，三者要很緊密得結合在一起。也就是說，從IC的設計初期階段，理應希望IC的效能更好，這時就會需要晶圓製造業者與彩色濾光片業者共同合作配合開發，找到一個可以多方調和的條件。比如說，設計業者計劃採用晶圓廠下一世代的0.13微米製程技術，彩色濾光片廠就必須開發出搭配這個元件最佳的RGB濾光片及鏡面，呈現出這個新產品的最佳效果。
從成本面來看，雖然彩色濾光片或開發微鏡面的成本是增加了，但是採用0.13微米製程，比起上一世代製程晶片卻增加更多，整體來說成本還是大幅下降。(林俊吉口述，宋丁儀整理)
林俊吉，台積電轉投資采鈺執行長兼總經理、精材執行長。1959年生，畢業於清大化工所84級、台大EMBA 93級，曾任工研院電子所研發工程師、台積電專案管理辦公室處長、首座12吋廠Fab12廠長