二十一世紀初，包括數位相機、數位攝影機、照相手機等數位影像產品市場快速成長，帶動影像感測元件市場的活絡。隨著影像感測元件性能不斷提升，數位影像電子產品市場更加成熟，於是元件與產品市場出現良性循環，進而帶動市場巨額成長。
目前較常應用在數位影像擷取單元的有矽晶片電荷耦合器件(CCD)與互補金屬氧化半導體(CMOS)兩種，均具有相同的感光二極體(Photo Diode)，不同的是其訊號讀取方式。CCD是在一條長的基板上放置諸多的閘電極(Gate Electrode)，每一閘電極和基板間形成電容以供應儲存光電荷用途，經由給予每一電極不同的電壓準位，此連串的電極就像一串記憶體或是移位暫存器般，可將來源端感光二極體的光電荷一級一級傳送至汲(Drain)端輸出。
由於電路架構簡單且適用於高密度設計，所以從1970年代便廣泛地被應用在影像擷取系統之中，發展至今已成為市場主流。CCD長期為日商所掌控，其特殊製程的關鍵技術為日商重要資產，亦為日本電子視訊產業重要基礎之一。
雖然CMOS影像感測技術在1967年即由Fairchild Weekler提出，比CCD還早三年，但由於早期CMOS製程技術處於萌芽階段，其雜訊高與畫面清晰度不佳的缺陷仍有待克服，以致於未能被廣泛採用來設計影像感測器，反促成CCD朝影像感測應用大幅邁進，甚至CCD影像感測器在幾年前一度成為影像感測器的代名詞，直至最近才改變。但隨著超大型積體電路(VLSI)製程技術的大幅推進，上述缺點已一一克服，再加上CMOS製程具有高整合密度與低功率消耗的優勢，符合可攜式電子產品的特性要求，因此自2000年後，CMOS影像感測器逐漸為人們所重視，其中最明顯的例子即是照相手機市場的興起。
2003年由於數位相機的急速成長，加上照相手機市場日趨成形，使得面型影像感測元件CCD與CMOS影像感測器競爭愈益白熱化，全球世界級大廠紛紛投入影像元件的研製，就連原先對CMOS影像元件採取保留態度的日系CCD影像感測器大廠，如新力(Sony)、夏普(Sharp)等也積極投入。
2005年為CMOS影像感測元件的關鍵年，市調公司In-Stat/MDR表示，CMOS影像感測IC在影像感測元市場的占有率首度超越CCD。目前全球CMOS影像感測器市場的主要廠商，包括美光(Micron)、豪威(OmniVision)、安華高(Avago)、賽普拉斯(Cypress)、柯達(Kodak)、三星(Samsung)、意法半導體(STMicroelectronics)以及東芝(Toshiba)等。本文將針對現今全球CMOS影像感測元件，除了傳統影像消費性電子產品外，其他應用領域如汽車、手機、電腦、消費與醫療等應用領域的技術發展現況供讀者參考。
降低雜訊/提高畫素為擴大市場關鍵
CMOS影像感測器是由陣列式的感光畫素構成，畫素結構可分為金屬氧化半導體(MOS)電容或是P-N接面(Junction)的感光二極體，主動式畫素感應單元是每一畫素內含一個放大電路，目前較通用的電路結構大概是三顆電晶體，一顆用做放大器，一顆做為選擇器，另一顆清除積分電荷用的Reset閘元件。
近幾年來，由於次微米半導體製程技術的發展，致使得主動式CMOS影像感測器的開口率及靈敏度得以提高，畫面品質亦獲得消費者接受，加上價位具競爭力，自然受到產業的注意。
迄今，其技術發展基本上大致分為三類：一是相較於CCD影像感測器，CMOS可發揮眾多優勢，如良好抗高能粒子特性，可研製醫學用小型X光感測器，能節省傳統X光照相顯影與定影時間；二是發展各式各樣感光單元，應用於不同環境，結合特定功能的訊號處理，朝晶片系統化發展，如車用感測，光學滑鼠、光學搖桿、智慧型機械視覺等；三是發展低單價、低耗能、單電源的單晶片影像IC，攻占現有量大的市場，如照相手機、低階數位相機、電動玩具、個人數位助理(PDA)等。在性能提升上，現階段CMOS影像感測器廠商必須面對的三大挑戰為：在光線微弱的環境下減低雜訊，維持一致性全彩以提高清晰度和色彩準確度，並降低製造差異以提升畫素一致性。
次微米CIS製程技術突破畫質瓶頸
對CMOS製程廠而言，2005年是充滿挑戰的一年，當CCD畫素尺寸進步到2.2微米以下時，CMOS影像IC要迎頭趕上的主要策略就是將互補金屬氧化半導體影像感測器(CIS)製程法則由0.18微米推進至0.13微米，這項在記憶體或是邏輯IC已經成熟的技術，於影像感測元件中碰上空前的瓶頸，一般情況是當製程法則縮減時，矽晶光電二極體的光電轉換效率會下降，導致成像畫面品質變差，原因是光電轉換空間變窄，漏電流增加，因而影像訊號雜訊比值變小所致。多家CIS製程大廠，如三星、美光等，由0.18微米演進到0.13微米均無法維持原本畫質，直至2005年底技術終有突破，顯示CMOS影像IC可推進至3三百至五百萬畫素的行列，三星甚至推出一千萬畫素的產品，促使CCD影像感測器再度面臨市場被壓縮的命運。
CIS廠商競逐照相手機市場
在今年3GSM大會上，美光推出全新的CMOS影像感測器產品線，目的在為下一代照相手機打造一個強大的影像平台。美光的新照相手機影像感測器採用1.75微米畫素設計，有五百萬、三百萬和一百三十萬畫素三種規格。一般認為1.75微米畫素尺寸微細化已超過達臨界值的1.8微米。美光的CMOS影像技術能讓消費者用戶以照相手機拍攝出高品質的照片和高解析度的視訊。在美光新款的CMOS影像感測器產品線中，五百萬畫素影像感測器規格為1/3.2吋，可拍攝出720p每秒六十幀和1080p每秒三十幀的高畫質視訊；三百萬畫素感測器則為1/4吋標準照相手機規格，能拍攝每秒三十幀的VGA視訊；此外一百三十萬畫素則為高整合度的單晶片照相機系統，為1/11吋小型規格，該感測器亦能拍攝每秒三十幀的VGA視訊。
美光計畫在2007年第二季向客戶提供五百萬與三百萬畫素感測器樣品，預計2007年第一季末提供130萬畫素感測器樣品，2007年夏季開始大規模生產。
在CMOS製程技術的進步下，IC設計的腳步亦發展迅速，其中最明顯的進展是在系統單晶片(SoC)部分，SoC將業界一流的影像感應器核心與具備眾多功能的先進片上影像訊號處理器整合在一起，這些功能包括：缺陷修補(Defect Interpolation)、黑電平校正、鏡頭去陰影、串擾補償、彩色馬賽克修補(Color Mosaic Interpolation)、色彩校正、帶光度估計的自動白平衡、自動曝光與增益控制、銳化、降低雜訊、以及珈碼(Gamma)校正等。賽普拉斯採用本身先進0.13微米CMOS製程、專為影像感應器生產的第一批可拍照手機影像感應器。
但是，隨著CMOS成像製程變得益發專用化，其製造成本也更為昂貴。在一般情況下，它的矽製程成本可能是基本邏輯IC製程的兩倍。雖然相機單一晶片化是技術發展趨勢，但是基於手機市場嚴苛的成本考量，在照相手機市場發展到百萬畫素以上，反而將影像處理功能(ISP)由手機的基頻產品和應用處理器的晶片負擔，如高通和德州儀器(TI)等公司，在建構複雜的手機SoC解決方案方面都擁有豐富經驗，把影像處理整合到這些複雜基頻IC上所增加的成本，幾乎可以忽略不計，此為一個成本阻礙技術發展的案例。
另外，豪威科技獨特的非線性微鏡頭移動技術，能改善中心角度偏移，增加邊緣畫素的進光量，有效縮短感測器與鏡頭間的距離，因而將相機模組的高度減少到僅3.0毫米，而無損於影像品質，大幅地減少模組高度，是薄型照相手機與筆記型電腦的關鍵特性。根據市調公司Techno System Research所做最新的統計數據顯示，2006年全球照相手機用CMOS影像感測器的出貨量約6.43億顆，較2005年成長70％左右，按2006年全球照相手機用CMOS影像感測器晶片的廠商市場占有率統計，美商美光科技繼2005年後仍以市占率29％居冠，其次依序為美商豪威科技占約16％、韓國三星電子占約14％、歐洲意法半導體占約12％，日本東芝市占率下滑至11.2％而退居第五，該公司同時預測2007年全球照相手機市場主流產品應為兩百萬畫素型。
車用影像市場爆發力十足
日本豐田汽車(Toyota)早在在2003年2月上市的新款「Harrier」汽車中，首次採用影像感測器做為選配配件，顯示駕駛席的角度不易看清的車輛前方和右側前方的情況。該裝置分別在前水箱罩及副駕駛席的後視鏡安裝攝影鏡頭。該「前/側面顯示器」與車用導航系統的圖像面板共用，是一種觸控式的7吋液晶顯示器。此LCD還可做為幫助倒車及停車時的後方影像顯示器使用，倒車時會在液晶顯示器上重疊顯示與方向盤操作聯動的預計前進路線和參考路線。基於市場安全需求，加上影像感測器價格低廉，汽車製造業者正在考慮2008年前在每輛車配備四個攝影鏡頭，以避免碰撞和檢測駕駛員睡意。一般認為保護汽車乘客的最好的方法是使用視訊系統，因此車商正與供應商密切合作，提出為這類應用所制定的CMOS解決方案。
影像感測器在汽車應用市場漸漸獲得各家廠商重視，包括美商美光、豪威與安華高等公司，紛紛推出適用於汽車規範之影像感測元件產品，主要是著眼於在安全輔助性能提升。另外，便利輔助也是車用影像感測元件積極努力的一個方向，此方面以倒車雷達最先成形，目前倒車雷達雖稱為雷達，用的卻不是雷達波，而是超音波，而感測器也是感測反射回來的聲波，以反射波的密度來推測車子與物體間的距離。原本只聽蜂鳴器的嗶嗶聲已顯不足，現在汽車駕駛人期望能親眼看到後方景象，增加安全感。也拜CCD、CMOS等影像感測器的價位快速下降，新出廠的汽車裝多配有倒車影像監視器。雖然目前車輛中多僅裝設一組倒車影像監視器，但預計未來一部車將會加裝更多組影像感測器，原因無他，對駕駛而言，汽車有太多的視覺死角，即便有三組後照鏡也助益有限，因此未來可能連車體側面與其他重要觀點位置都會裝設影像感測器，盡可能消除視覺死角，提升行車安全。根據Strategy Analysis在2006年4月公布資料顯示，2010年車用影像輔助駕駛系統，每年會有兩千五百四十萬套的市場需求量(圖1)。
縱使車用市場商機迷人，但是車用CMOS影像感測器須能配合戶外多變的環境條件，如高溫對CMOS影像感測器的影響甚大，若無法克服此一條件限制，未來車用市場發展有限。因此車用市場雖然商機龐大，但是目前有能力跨入的廠商不多。其中牽涉到的車用安規標準將成為進入車用市場的基本門檻。目前除了少數高級轎車外，如富豪汽車(Volvo)，大部分車用影像感測器都以改裝市場(After Market)為主，何時才能進入成為車用標準配備，還需時間觀察，估計應該在近一至兩年發生。
除了環境規格外，應用在汽車的CIS在技術性能規格也與一般3C產品不同，例如車用毋需高畫素，也不必強調低耗電，對於畫面色彩失真容許量大；另一方面，車用影像輔助駕駛人，特別是夜間駕駛，往往需要在對方強光車前燈照射下，分辨移動物，因此CIS在動態範圍(Dynamic range)以及感光度的需求會比較高(圖2)。同時要兼顧高、低光度光差之系統要求，提高動態範圍性能也是車用影像感測元件設計的另一重點，基本規格可能要達到100dB以上。應用在車用監控的感測器必須要在移動的環境中獲得影像，或在光線不良的情形下，提供駕駛者周遭環境的資訊，尤其是倒車影像系統，因此低光度、超感光度特性也成為在車用CIS應用上的重要議題。一般低光度影像感測元件由於晶片電路雜訊量要求較高亮度產品更為嚴格，因此設計技術水平較高。另外在高速行駛情況下，往往會需要高畫面速度處理，如每秒60畫面。
除了影像感測器的發展之外，由於車用市場驗證門檻極高，嚴苛的環境測試條件與耐久性要求，封裝技術似乎是更加重要，目前修訂版的汽車電子協會AEC-Q100標準，照相模組耐溫範圍為-40～+125℃；IC晶片則為-40～+150℃，與舊版高溫僅+85℃有一段距離，因此封裝技術才是車用影像感測器的成本重點。
台灣廠商在此方面主要發展的產品為停車安全輔助系統，其系統包含倒車雷達、照相模組、影像顯示裝置等。此外，也有廠商陸續發展車道維持、視線死角警示與夜視等產品。台灣廠商在倒車雷達等感測器方面的產品發展上，已具備相當的水準；而在影像感測的照相模組方面，除了原有的汽車零組件業者之外，近來亦有手機照相模組廠商試圖進軍此領域。不過，車用的照相模組，主要是以提供路況即時監控，其產品要求的是監視範圍的廣度，可接受較大的動態範圍，並需要即時回應。與照相手機所強調的高畫素數、精細對焦、複雜的影像調校處理等產品發展趨勢不同，對於手機照相模組製造廠商而言，是另一項產品開發的課題。
汽車電子的發展，重視穩定性與安全性，在產品研發與應用上，一個新產品的導入，須經過經年累月的研發、測試與改進，並且要能符合未來量產後十年以上的產品保固與維修承諾，與目前台灣廠商在IT產業領域中，不斷突破並更新產品規格的產業生態截然不同。再者，在汽車產業的供應鏈關係方面，汽車產業的價值網路屬於中衛體系，其近百年來的營運方式都是以車廠為中心，而其零組件供應商皆為其衛星工廠，也相當於車廠的合作夥伴，所以品質與緊密的合作關係更甚於價格。因此，獲得車廠的信賴與建立長久的合作關係，才是台灣廠商未來需要挑戰的課題。
CIS影像醫療市場採用率攀升
早期影像技術應用於醫療都是CCD的市場，如日本控制90%以上的胃鏡攝影系統等。惟近期略為變化，如在冠狀動脈繞道手術，英國醫師已首度成功使用機械操控的微影工具，完成冠狀動脈繞道手術，此一突破性的手術，毋須剖開病人胸腔，因能使手術更快、更安全，意謂傷疤較小、減輕疼痛、住院時間縮短以及感染風險大幅降低；其次是動此手術時僅需一名外科醫師，運用高解析度的三度空間影像引導儀器至正確的心臟部位。傳統手術中，因程序過於複雜，手術室中需要十二名專業人員合力工作。這項三個半小時的手術第一階段是讓四隻機械臂穿入胸腔，一支機械臂裝有相機，可拍回清楚的三度空間心臟影像，顯現在手術台附近的螢幕上，經放大12～15倍後，比通常在栓孔手術(即在病患身上留下最小程度傷口的手術方法)中所見的大得多，此一進展將造福大量的心臟病患。
除了直接應用醫學可見光影像技術外，另外在X光影像技術也有巨幅發展(圖3)，近年來X光影像技術進化為電子化醫療的重要項目之一，主因為CMOS影像技術及顯示器TFT製造技術突飛猛進，才有機會促成X光影像數位化技術全面發展。醫療設備製造商或研究機構經過十幾年的研究，目前數位式X光影像技術已有重大突破，無論是大型的醫學中心或小型之診所，目前皆須嚴肅地考量「數位檢測」對醫療的衝擊，該技術已能逐漸符合專業需求，並降低醫療成本提高營運效益。根據研究顯示，數位式X光偵檢器除可獲得即時影像外，所需輻射劑量僅為傳統軟片式技術的1/4～1/10，可大幅降低輻射對人體可能造成之傷害，抑或是在相同劑量下可獲得更多之病灶影像資訊，供醫師做正確判讀。
目前產品最成熟的是牙科小型之X光影像儀，在國內牙科診所日益普遍，此種新式數位Ｘ光系統僅要幾秒鐘就可將清楚的影像傳至電腦螢幕上，讓醫師能在診斷病患傷勢的關鍵時間點取得足夠資訊。另外多家歐美公司亦可提供胸腔X光影像儀，而其攝影的速度和影像品質皆非常驚人，相對急救傷者之診斷與傳統的全身Ｘ光攝影(圖4)，則得花上二十至四十五分鐘才能沖洗出來，相比之下明顯可挽救無數急診者生命。
X光影像訊號讀取電路技術可藉由原CMOS影像技術基礎繼續發展，整合II-VI族或Ⅲ-Ⅴ族複合材料X光感測薄膜技術。將來技術成熟成本下降後，X光影像儀除了醫療用途外，工業應用如焊接、鑄造件非破壞性檢驗、印刷電路板(PCB)、電子元件、封裝結構等之檢驗等之外，在安全防護應用如金融機構或機場之人身攜械檢查等應用空間十分寬廣。
利基市場規模持續擴大
除了用為可見光的影像感測器外，CMOS影像技術也發展出幾項利基型產品，作者建議國內業界在注意手機數位相機市場的同時，可以多留意此一發展趨勢。為了配合CMOS影像感測元件在可攜式產品市場的發展，低耗電與小型化的要求仍為未來技術發展的重點。本文列舉兩項CMOS影像感測技術延伸且具市場潛力產品供讀者參考。
安全指紋辨識功能需求上揚
隨著半導體和軟體技術的發展，筆記型個人電腦、PDA、手機等可攜式電子產品均擁有強大的無線上網功能，逐漸成為一種可隨時隨地獲取個人和公司數據的行動終端裝置，因此須確保用戶存取的安全性，以防止未授權的存取。最近Google計畫藉由強大的無線網路平台，推行終端機式的個人電腦，以降低硬體成本與減低中毒困擾。如此一來，在用戶存取的安全性下，以生物指紋掃描系統更為有效、可靠，其中又以指紋識別感測器最符合成本與性能的需求。目前市場上有兩種指紋感測器，第一種是單次觸摸型感測器，要求手指在指紋採集區進行可靠的觸摸；第二種則須用手指在感測器表面掃過，感測器會採集一套特定的數據，然後進行快速分析和認證。前者因為光學因素，無法做的太小，以固定式機構為主；後者體積小且具有成本低優勢，但是感觸穩度較差，這兩類指紋感測器將得到更加廣泛的應用。
指紋識別感測器工作原理為，當指紋中的凸起部分置於傳感電容圖素電極上時，電容會有所增加，應透過檢測增加的電容來進行數據採集(圖5)。CMOS指紋識別感測器中的圖素點為45平方微米，間隔為50微米，電容圖素陣列的解析度略高於500dpi，比起傳統電容式300-500微米解析度而言，指紋斷紋情形已大幅改善，實用性更勝一籌。此類感測器是採用一種標準的單－多晶矽三層金屬CMOS製程(1P3M)，只須採用0.25～0.5微米製程進行設計，技術上可說是CMOS影像感測器的延伸。其中採用金屬互連的第三層構成電容圖素層，由氮化鈦制成並覆蓋著一層氮化矽，厚度僅為七千埃米。該硬金屬電極與抗磨發配層組合形成的感測器十分堅實耐用，使用壽命可以達數年。
根據美國Frost&Sullivan的調查資料，2006年指紋感測元件市場的規模增至四億兩千六百四十萬美元。此種指紋檢測系統性能很高，對有效指紋作出錯誤判斷的機率小於1%；而將無效指紋錯判為有效指紋的可能則幾乎不存在，機率低於0.01%。
由於指紋檢測系統在筆記型電腦、鍵盤、手機以及PDA中的使用增加，多種商用機會將會被衍生出來，預計還將用於汽車門鎖控制、金融認證以及醫療領域。在九一一事件後，全體反恐之安全檢查措施，更進一步提供利用指紋的生物體認證的龐大商機，如今進入美國之各機場，均會記錄來訪者的指紋檔案，CMOS影像感測器技術還為價格下降和應用範圍的擴大做出貢獻。
雷射光學滑鼠搶進市場
早期安捷倫率先推出有別於傳統滾輪式機械滑鼠的光學滑鼠，目前進步到穩定性更高的雷射式光學滑鼠，這種由一顆半導體固態光源加上一顆CMOS影像感測晶片的產品，也是得力於CMOS影像技術的發展。
2006年美商安華高針對有線與無線滑鼠應用推出新一代LaserStream與採用LED的光學滑鼠感測器產品，該款LaserStream感測器採用套裝式供貨，包括感測器本身、可達2KV防靜電的單模式垂直共振腔面射型雷射二極體(VCSEL)、圓形或矩形透鏡及VCSEL組裝夾，這些元件搭配特別設計的基礎面板，可形成一套在生產時毋需精密光學校準的精簡雷射滑鼠追蹤系統。安華高表示，與採用傳統LED的光學滑鼠相較，該產品能在更多不同的物質表面運作，包括漆繪金屬、光滑木紋表面、平滑相片紙、半透明膠片、磨砂玻璃及其他更困難的表面。
繼去年國內原相科技與安捷倫在光學滑鼠晶片達成專利和解後，安華高又對國內另一晶片廠商提出法律訴訟，認為該公司侵犯安華高有關光學滑鼠感測器技術的美國專利，在這項於美國進行的訴訟案中，安華高希望停止販售侵權的光學滑鼠感測器，同時也將對該公司未經授權使用安華高專利光學滑鼠感測器技術的行為尋求損害賠償。
廠商間技術角力競爭激烈
綜合上述CIS各式各樣的應用市場，其技術規格亦存在差異，如影像靈敏度、畫面失真、畫素解析度、動態範圍、消耗功率及畫面速度、尺寸大小與環境規格要求等，在主要應用上，比較如表1所示。
數位相機、數位攝影機、照相手機等消費性數位影像電子產品市場快速成長趨勢十分明顯。短期內仍是影像感測元件商關注的焦點，不論是CCD或CMOS影像感測元件商，未來產品都將往高畫質、高感度、低耗電與小型化的要求發展。此外，安全監視系統、車用影像系統、醫療用影像、辨識系統等高單價的市場，更潛藏無窮的商機。相對於上述的市場，玩具及電腦相機的市場進入障礙較小、容易切入，卻也容易陷入價格戰。
觀察全球目前的影像感測元件生產廠商，歐美、日本、韓國及我國業者皆已投入CMOS影像感測器市場。其中歐美廠商擁有技術與整合能力，產品先進居主導地位，近年來在照相手機及光學滑鼠應用市場占有率高。
日本不論是CCD或CMOS影像感測元件一線零組件大廠，都占據極重要的市場地位。日本的影像感測元件生產廠商、光學鏡頭廠商與數位影像電子產品生產廠商相互結合，發展成完整的數位影像產業架構，形成高進入障礙。南韓業者投入家數也頗為豐富，除了少數一、兩家業者有提供上游感測器與中段模組整合服務，如三星、樂金(LG)外，其餘多如同台灣業者是以拿取IC業者感測器後，再組裝模組出貨，其主要分別在於台灣業者採用美系業者產品，韓國業者則同時購買日、韓業者產品。此外，南韓業者的模組除供應本身一、二線手機商之外，品質亦媲美、日系產品。
根據美國技術研究機構American Technology Research的分析表示，由於CMOS圖像感應器市場競爭激烈，加上產品的平均銷售價格(ASP)下跌，此一市場中的廠商將不會全部成功或者生存下來。該市場的擁擠程度將加速廠商間的整併行動，當市場完成整合後，將僅剩下三家大型廠商，還有六家左右的利基廠商。
(作者任職於中科院材料暨光電研究所)
(詳細圖表請見新電子科技雜誌255期6月號)
