逻辑工艺深受「摩尔定律」（Moore's law）驱动，晶体管数量以每18个月或两年倍增一次，在尺寸微缩过程中，为了让芯片有更好的效能，晶体管架构经历了革命性的改革，由原来平面式构造，演化成三维的鳍式（Fin）构造，再不久的将来更将导入闸极全环（Gate-all-around;GAA）构造， 这种尺寸微缩与架构上的创新不但涌如今集成电路上，在周边的组件上也有类摩尔定律的趋势，影像感测器（CMOS image sensor;CIS）便是一个明显的例子。
正所谓「有图有原形，眼见为凭」，举凡在事情与日常生活上，影像（拍照与录影）已经成为当代人记录大小事务的主要媒介，如何将眼睛所瞥见的事物，清楚且真实地记录下来，其幕后元勋便是影像感测器。 影像感测器的事情事理是将波长介于400到700nm的可见光透过光路，包含微透镜（Microlens;ML）与彩色滤光片（Color filter;CF），聚焦在光电二极体（Photodiode;PD）上，光电二极管吸收到光子会产生「电子-电洞对」而形成光电流，光电流转换成电压后，透过仿照数字转换器（ADC）转换为数位资料， 资料末了会被传送到处理器将0与1的数字旗子暗记创建成我们熟习的图像模式。
近年来，沾恩于聪慧型手机、车用感测元件、工业4.0与物联网（IoT）等广范干系运用，影像感测器市场需求持续有强劲的发展动能，预估2026年环球市场规模将扩大至315亿美元、较2020年大增约5成，发展力道不容小觑。
影像感测器在2009-2010年经历了一次大的变革，由原来前照式（Front side illumination;FSI）、非堆叠（Non-stacked）设计，演化为背照式（Back side illumination;BSI）加上与其它芯片堆叠（Stacked）的设计，有效将影像传感器的效能推升到另一个境界，如画素（Pixel） 感光效率的提升、缩小图像传感器与像素尺寸以及实现高速拍摄，未来，图像感测器将还有可能与人工智能（Artificial intelligence;AI）芯片堆叠结合，影像撷取后，无缝地在AI堆叠层演算与判断，减少原来因数据与主处理器通报所导致的延迟与功耗，届时影像感测器将成为功能强大的AI影像感测器。
犹如智好手机内的运用场置器所采取的单芯片系统（SOC），图像感测器由于堆叠构造的设计也算是个单芯片系统，系统紧张可分为四大部份：画素（Pixel）、逻辑区电路、仿照数码转换器以及影像讯号处理器（Image signal processor;ISP），本次我们将焦点放在画素上，利用全方位的剖析技能，引领读者认识其内部的构造。
图1：a & b Samsung S21智好手机正面与背面照片。 c & d 手机X-ray照片，绿色虚线方框标示为本报告剖析的目标，Samsung S5KGW2 BSI image sensor。 e & f 剖析目标的特写照片。
本文剖析的目标是由市场上购买的三星电子（Samsung Electronics） S21智好手机拆解下来的图像传感器——S5KGW2 BSI，其硬件干系规格列于表1。 图1a和图1b为手机正面与背面照片，由照片可以清楚看到，S21背面有三个图像传感器，图1c和图1d为手机X-Ray照片， 剖析目标的图像传感器位于最下方由绿色虚线方框标示，图1e和图1f 为此剖析目标的特写照片，我们剖析的工具与技能包含高倍率3D光学显微镜（Optical microscopy;OM）、原子力显微镜（Atomic force microscopy;AFM）、聚焦离子束（Focused ion beam;FIB）、扫描电子显微镜（Scanning electron microscopy;SEM）以及扫描电容显微镜（ Scanning capacitance microscopy；SCM)。
表1：三星S5手机的KGW2 BSI影像感测器规格。
高倍率3D光学显微镜紧张是剖析此图像传感器像素的排列环境，剖析前，我们先去除传感器上的保护壳，图2a为此图像传感器模块包含周边元件在去除保护壳之后的照片，图2b为图像感测器的特写照片，图2c 为影像感测器位于中间位置的高倍3D光学显微镜影像，由影像中可以清楚看到RGB三原色像素的空间排列。
为了让读者轻松理解此图像传感器的像素排列，我们利用图2c下方的卡通图来解释RGB三原色像素的空间排列;另一方面，我们由图2c也不雅观察到有些绿色像素的尺寸较大，图像中呈现椭圆形状，如图2c 左上方由白色箭号标示之构造，看起来像是由两个绿色像素所组成，且有周期性的排列，但其间隔间隔已不易由光学显微镜分辨出来，这样的构造推测是三星的Super PD技能，是强化的相位检测自动对焦（Phase detection autofocus;PDAF）的办理方案，使移动中的主体能坚持清晰对焦，以得到更优化的成像品。
图2：a Samsung S5KGW2 BSI image sensor模块包含周边软件在去除保护壳之后的照片。 b影像感测器的特写照片。 c影像感测器位于中间位置的高倍3D光学显微镜影像，白色箭号标示一较大的绿色像素（Super PD），c下方的卡通图为此图像感测器RGB三原色像素的空间排列。
画本色的组成可以分成四大部分，由上而下分别为微透镜（ML）、彩色滤光片（CF）、光电二极体（PD）以及像素内各组件的连接电路，利用原子力显微镜剖析影像感测器表面可以得到最上面ML的表面描述，图3a是利用原子力显微镜所得到ML表面描述图，沿着玄色双箭号位置的高度分布呈现于图 3a的右下角，图3b因此3D视角呈现ML的特写图。 ML为类似半圆形的构造，此产品像素的间距，d，为0.8 mm （图3a右下图蓝色双箭号），相邻像素的构造有重叠的区域，图3也看到半椭圆球的构造，如图3a 以紫色箭号标示之构造，这便是先前在图2c所不雅观察到Super PD构造，Super PD的单一晶格由玄色箭号所标示（X' & Y'），周期为8X4Ö5，根据三星官方网站所供应的资料，此构造因此对角线隔开光电二极管的绿色画素，我们也可以依此关系来判断其它画素所代表的颜色。
图3：a由原子力显微镜所得到ML的表面描述图，紫色箭号标示一Super PD构造，玄色箭头（X' & Y'）为Super PD周期性构造的排列方向与单一晶格大小。 沿着玄色双箭号位置的高度分布呈现于右下角，d为一样平常像素间距。 b以3D视角呈现ML的特写图。
除了原子力显微镜外，表面构造也可利用扫描电子显微镜来不雅观察，图4a为ML的扫描电子显微镜小倍率图像，图4b-d与e–g 分别在不同的区域以不同的拍摄条件与视角所呈现ML的特写照片，由扫描电子显微镜照片也可以清楚不雅观察到Super PD构造，由表面影像看起来Super PD是由约两倍大的一样平常像素所组成。
图4：a ML的扫描电子显微镜影像。 b–d与e–g分别在不同的区域以不同的扫描电子显微镜拍摄条件与视角所呈现ML的特写照片。
画素的截面构造是另一个不雅观察重点，我们利用聚焦离子束搭配扫描电子显微镜来不雅观察画素内彩色滤光片与光电二极管构造。 我们首先制备一个大面积的截面来不雅观察与理解全体影像感测器的构造，图5是剖析目标截面的电子显微镜影像，很明显地，此图像感测器是由高下两个芯片贴合所构成的，上面晶片为画素，由ML、CF、PD和像素内各组件的金属走线所组成，下面芯片则是影像讯号处理器（ISP），干系的构造位置也同时标示在图中。
图5：三星S5KGW2 BSI影像传感器截面的扫描电子显微镜影像。
接着我们利用聚焦离子束制备不同位置的截面，仔细不雅观察像素的构造，我们一共制备了三个截面，方向与位置标示于图6中，个中Cut 1有经由一个Super PD构造的截面，Cut 3为经由ML对角线方向的截面。
图6：扫描电子显微镜影像标示聚焦离子束制备位置与方位。
图7为Cut 1的截面扫描电子显微镜影像，像素内部紧张的构造由不同颜色的箭号与笔墨标示，不同颜色像素以其对应颜色的正方形标示于图7a ML的正上方，可以很清楚地看到，Cut 1的画素是由蓝色与绿色所组成，相邻一排像素的截面，Cut 2的扫描电子显微镜图像则呈现于图8a和图8b中，此排像素是由赤色与绿色所组成，图8c和图8d为像素对角线45°方向，Cut 3，截面地扫描电子显微镜影像，通过的画素为赤色与蓝色。 此外，由图7和图8，我们不雅观察到除了绿色像素的CF在扫描电子显微镜图像有呈现明显比拟外，蓝色与赤色的CF与附近材料并没有呈现出明显的比拟，这可能与不同颜色像素所利用的CF材料有关。
图7：a Cut 1的扫描电子显微镜图像，不同颜色像素以其对应颜色的正方形标示于aML的正上方。 b–d扫描电子显微镜特写图像。
图8：a Cut 2的扫描电子显微镜影像，不同颜色像素以其对应颜色的正方形标示于aML的正上方。 b扫描电子显微镜特写影像。 c Cut 3的扫描电子显微镜图像，不同颜色的像素以其对应颜色的正方形标示于c ML的正上方。 d扫描电子显微镜特写影像。
画素的Grid是用来分隔不同像素的构造，紧张是用来形成光的反射，让由ML聚焦下来的光，可以进到各自像素内，增加灵敏度，也降落临近像素的Crosstalk。 图7和图8可以不雅观察Grid在不同方向的截面构造，如欲不雅观察其平面构造，我们可以利用分外工法移除表面构造，让Grid袒露出来，图9为Grid不同倍率的扫描电子显微镜影像。
图9：a–c以不同倍率拍摄Grid的扫描电子显微镜影像。
画素较下方为光电二极管（PD），PD的材料为Si，这是用来将光子转化为电子的原件，其事情事理是当入射光子经由ML聚焦，透过CL进入PD会产生电子-电洞对，再经由PN接面空乏区内建电场将电子和电洞分开，而网络到电子讯号，因此如何提高PD产生「电子-电洞对」效率与降落因PD构造而产生的噪声，攸关影像感测器的性能， 因此剖析PD内PN的分布状况是一项主要的事情。 剖析PN掺杂的空间分布最佳的利器为扫描电容显微镜，图10为原子力显微镜与扫描电容显微镜在光电二极管的剖析结果，可以清楚看到此影像传感器的光电二极管中央为N掺杂，四周则是P掺杂。
图10：光电二极管用原子力显微镜（左图）与扫描电容显微镜（右图）剖析的结果。
光电二极管产生的光电子必须藉由掌握Transfer gate （TG）传输到像素内的Floating node （FN），并藉由像素内的Source follow放大器（SF amplifier），将电子讯号转换为电压讯号并传输至后段处理电路，经由动态/连续的聚焦离子束剖析（图11 ），我们可以不雅观察到Transfer gate位于光电二极管的底部，深入Si内，称之为Vertical TG，这与一样平常传统Transfer gate是位于Si表面的2D架构是不一样的设计，是像素尺寸微缩下的趋势，用以改进小像素的效能。
图11：a-d 动态聚焦离子束剖析光电二极管构造，赤色虚线区域与红点标示为Transfer gate位置。
受到智能型手机、车用感测元件、工业4.0与物联网等干系运用的驱动，影像感测器市场需求将持续有强劲的发展动能，为符合消费者对付产品效能永无止境的挑剔，与一样平常IC芯片一样，影像感测器的制程技能也一代比一代地精进，相信在不久的将来，市情年夜将会涌现更新、功能更强大的影像感测器。
