本文將為您介紹何謂量子效率光譜，以及CIS影像晶片常見的4種製程缺陷。
SG-A_CMOS 商用級影像感測器測試儀相較於傳統光學檢測設備可以提供更精細的缺陷檢測資訊，有助於使用者全面了解CIS影像晶片的性能表現。量子效率光譜是CIS影像晶片的關鍵參數之一，可以反映CIS影像晶片對不同波長下的感光能力，進而影響影像的成像質量。
CIS影像晶片的量子效率光譜是指在不同波長下，CIS晶片對光的響應效率． CIS影像晶片對光的響應效率。物理上，光子的能量與其波長成反比，因此，不同波長的光子對CIS影像晶片產生的響應效率也不同。量子效率光譜可以反映感測器在不同波長下的響應能力，幫助人們理解傳感器的靈敏度和色彩還原能力等特性。通常，感測器的量子效率光譜會在可見光波段範圍內呈現出不同的特徵，如波峰和波谷，這些特徵也直接影響著傳感器的成像質量。
BSI processing design
Optical Crosstalk inspection
Color filter quality and performance
Si wafer THK condition in BSI processing
(1) BSI的運作方式
BSI全名是Back-Side Illumination．是指”背照式”影像感測器的製造工藝，它相對於傳統的”正面照射”(FSI, Front-Side Illumination)影像感測器，能夠提高影像感測器的光學性能，特別是在各波長的感光效率的大幅提升。在BSI製程中，像素置於矽基板的背面，光通過矽基板進入感光像素，減少了前面的傳輸層和金屬線路的干擾，提高了光的利用率和繞射效應，進而提高了影像感測器的解析度和靈敏度。
(2) 傳統的”正面照射”(FSI, Front-Side Illumination)影像感測器的運作方式
FSI 是一種傳統的影像感測器製程技術，光線透過透鏡後，從影像感測器的正面照射到影像感測器的感光面，因此需要在感光面(黃色方筐, Silicon)的上方放置一些電路和金屬線，這些元件會遮擋一部分光線，降低影像感測器的光量利用率，影響影像的品質。相對地，BSI 技術是在感光面的背面，也就是基板反面製作出感光元件，讓光線可以直接進入到感光面，這樣就可以最大限度地提高光量利用率，提高影像的品質，並且不需要額外的電路和金屬線的遮擋，因此也可以實現更高的像素密度和更快的影像讀取速度
(3) 為什麼BSI製程重要？
BSI製程是重要的製造技術之一，
可以大幅提升CIS影像感測器的感光度和量子效率，因此對於低光照環境下的影像擷取有很大的幫助。
BSI製程還可以提高影像感測器的解析度、動態範圍和信噪比等性能，使得影像質量更加優良。
由於現今影像應用日益廣泛，對影像質量和性能要求也越來越高，因此BSI製程在現代影像感測器的製造中扮演著重要的角色。目前，BSI 技術已成為高端影像感測器的主流製程技術之一，被廣泛應用於各種高階影像產品中。
(4) 量子效率光譜如何評估BSI製程的好壞
如前述，在CIS影像晶片的製造過程中，不同波長的光子對於影像晶片的感光能力有所不同。因此，量子效率光譜是一種可以檢測影像晶片感光能力的方法。利用量子效率光譜，可以評估BSI製程的好壞。
Example-1如圖，TSMC使用量子效率光譜分析了前照式FSI和被照式BSI两种製程对RGB三原色的像素感光表现的差异。结果表明，BSI製程可以大幅提高像素的感光度，将原本FSI的40%左右提高到将近60%的量子效率。
圖 TSMC利用Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum（量子效率光譜）分析1.75μm的前照式FSI與被照式BSI兩種製程對RGB三原色的像素在不同波長下的感光表現差異。由量子效率光譜的結果顯示，BSI製程可以大幅提升像素的感光度，將原本FSI的40％左右提高到將近60％的量子效率．(Reference: tsmc CIS)．量子效率光譜的分析可以幫助工程師判斷不同製程對感光能力的影響，並且確定BSI製程的優勢。
(5) 利用量子效率光譜分析不同BSI製程工藝對CIS影像晶片感光能力的影響
Example-2 如圖．Omnivision 採用Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum量子效率光譜分析採用TSMC 65nm製程進行量產時，不同製程工藝，對CIS影像晶片感光能力的影響．在1.4um像素尺寸使用BSI-1工藝與BSI-2的量子效率光譜比較下，可以顯著的判別，BSI-2的量子效率較BSI-1有著將近10%的量子效率提升．代表著BSI-2的製程工藝可以讓CIS影像晶片內部絕對感光能力可以提升10%((a)表)．
此外，量子效率光譜是优化CIS影像晶片制造的重要工具。例如，在将BSI-2用于1.1um像素的製程中，与1.4um像素的比较表明，在蓝光像素方面，BSI-2可以提供更高的感光效率，而在绿光和红光像素的感光能力方面，BSI-2的效果与1.4um像素相似。
另外，Omnivision也利用量子效率光谱分析了TSMC 65nm製程中不同BSI製程工艺对CIS影像晶片感光能力的影响，发现BSI-2可以提高近10%的量子效率，从而使CIS影像晶片的感光能力提高10%。
將BSI-2製程用於1.1um像素的製造，並以量子效率光譜比較1.4um和1.1um像素。結果顯示，使用BSI-2製程的1.1um像素，在藍色像素方面具有更高的感光效率，而在綠色和紅色像素的感光能力方面與1.4um像素相近。這個結果顯示，BSI-2製程可以在保持像素尺寸的前提下提高CIS影像晶片的感光能力，進而提高影像品質。因此，利用量子效率光譜比較不同製程工藝對CIS影像晶片的影響，可以為CIS製造優化提供重要參考。
圖 Omnivision採用了Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum量子效率光譜，用以分析TSMC 65nm製程在量產時，不同製程工藝對CIS影像晶片感光能力的影響。透過這種光譜分析技術，Omnivision能夠精確地判別不同製程工藝所產生的量子效率差異，並進一步分析出如何優化CIS影像晶片的感光能力。因此，Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum量子效率光譜分析是CIS製程中一項重要的技術，可用於協助提高CIS影像晶片的品質和性能。(Reference: Omnivision BSI Technology.)
(1) 什麼是Optical Crosstalk？
CIS的optical cross-talk是指光線在影像晶片中行進時，由於折射、反射等原因，導致相鄰像素之間的光相互干擾而產生的一種影響。
(2) 為什麼Optical Crosstalk的檢測重要？
在CIS影像晶片中，optical crosstalk是一個重要的問題，因為它會影響影像的品質和精度。optical crosstalk是由於像素之間的光學相互作用而產生的，導致相鄰像素的光信號互相干擾，進而影響到像素之間的區別度和對比度。因此，降低optical cross-talk是提高CIS影像晶片品質的重要目標之一。
(3) 如何利用QE光譜來檢測CIS 的Crosstalk?
量子效率（QE）光譜可用於檢測CMOS影像感測器（CIS）的串音問題。通過測量CIS在不同波長下的QE，可以檢測CIS中是否存在串音問題。當CIS中存在串音問題時，在某些波長下可能會觀察到QE異常。在這種情況下，可以採取相應的措施來降低串音，例如優化CIS設計或改進製程。
縮小像素尺寸對於高分辨率成像和量子圖像傳感器是絕對必要的。
如上圖，TSMC利用45nm 先進CMOS製程，來製作0.9um 像素用於堆疊式CIS．而optical crosstalk光學串擾對於SNR與成像品質有著顯著的影響．
因此，TSMC採用了一種像素製程，來改善這種optical crosstalk光學串擾．結構如下圖．
結構(a)是控制像素．光的行徑路線為ML(Microlens)、CF (Color Filter)、PD(Photodiode, 感光層)．而在optical crosstalk影響的示意圖，如綠色線的軌跡．光子由相鄰的像素單元進入後，因為多層結構的折射，入射到中間的PD感光區，造成串擾訊號．TSMC設計結構(b) “深溝槽隔離 (DTI)” 技術是為了在不犧牲並行暗性能的情況下抑制光學串擾。由(b)圖可以發現，DTI所形成的溝槽可以隔離原本會產生光學串擾的光子入射到中間的感光Photodiode區，抑制了串擾並提高了SNR．
圖 像素的橫截面示意圖 (a) 控制像素; (b)串擾改善像素．
圖 Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum of two different structure CISs. 在該圖中，展示了0.9um像素的量子效率光譜，其中虛線代表控制的0.9um像素(a)，實線代表改進的0.9um像素(b)。由於網格結構的光學孔徑面積略微變小，因此光學串擾得到了極大的抑制。光學串擾抑制的直接證據，在量子效率光譜上得到體現。圖中三個黃色箭頭指出了R、G、B通道的串擾抑制證據。藍光通道和紅光通道反應略微下降，但是通過新開發的顏色濾光片材料，綠光通道的量子效率得到了提升。(Reference)
利用Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum技術可以直接證明光學串擾的抑制現象。對於不同的CIS影像晶片，可以通過量子效率光譜測試來比較它們在不同波長下的量子效率響應，進而分辨optical crosstalk是否得到抑制。
上圖展示了0.9um像素的量子效率光譜，其中虛線代表控制的0.9um像素(a)，實線代表改進的0.9um像素(b)。由於網格結構的光學孔徑面積略微變小，因此光學串擾得到了極大的抑制。
光學串擾抑制的直接證據，在量子效率光譜上得到體現。圖中三個黃色箭頭指出了R、G、B通道的串擾抑制證據。
(1) 什麼是CIS 的Color filter？
CIS的Color filter是一種用於CIS影像晶片的光學濾光片。它被用於調整影像感測器中各個像素的光譜響應，以便使得CIS影像晶片可以感測和分離不同顏色的光，並將其轉換為數位信號。Color filter通常包括紅、綠、藍三種基本的色彩濾光片．而對於各種不同filter排列而成的color filter array (CFA)，可以參考下面的資料．最常見的CFA就是Bayer filter的排列，也就是每個單元會有一個B、一個Ｒ、與兩個Ｇ的filter排列．
圖 Color filter 如何組合在“Pixel“sensor中．一個像素單位會是由Micro Lens+ CFA+ Photodiode等三個主要部件構成．Color filter的主要作用是將入射的白光分解成不同的色光，並且選擇性地遮擋某些色光，從而實現對不同波長光的選擇性感光。
(2) 為什麼Color filter的檢測重要？
在CIS影像晶片中，每個像素上都會有一個color filter，用來選擇性地感光RGB三種顏色的光線，從而實現對彩色影像的捕捉和處理。如果color filter的性能不好，會影響像素的感光度和光譜響應，進而影響影像的品質和精度。因此，優化color filter的性能對於提高CIS影像晶片的品質至關重要。
Color filter 的檢測是十分重要的，因為 color filter 的品質和穩定性會直接影響到 CIS 影像晶片的色彩精確度和對比度，進而影響整個影像的品質和清晰度。如果 color filter 存在缺陷或不均勻的情況，就會導致影像中某些顏色的偏移、失真、色彩不均等問題。因此，對 color filter 進行嚴格的檢測，可以幫助製造商確保其性能和品質符合設計要求，從而提高 CIS 影像晶片的生產效率和產品的可靠性。
(3) 如何利用QE光譜來檢測CIS 的Color filter quality?
CIS的Color filter通常是由一種稱為“有機色料”(organic dyes or pigments)的物質製成，這些有機色料能夠選擇性地吸收特定波長的光，以產生所需的顏色濾波效果。這些有機色料通常是透過塗佈技術將它們沉積在玻璃或矽基板上形成彩色濾光片。
量子效率（QE）光譜可以測量CIS在不同波長下的感光度，從而確定Color filter的品質和性能。正常情況下，Color filter應該能夠適當地分離不同波長的光，並且在光學過程中產生較小的串擾。因此，如果在特定波長下的量子效率比預期值低，可能是由於Color filter的品質或性能問題引起的。通過對量子效率（QE）光譜的分析，可以確定Color filter的性能是否符合設計要求，並提前進行相應的調整和優化。
如上圖，TSMC的CIS工藝製程利用Wafer Level Quantum Efficiency Spectrum的光譜技術，針對不同的綠色濾光片材料進行檢測，以評估其對CIS影像晶片的感光能力和光學串擾的影響。晶圓級量子效率光譜顯示了三種不同Color filter材料（Green_1, Green_2和Green_3）的特性。
透過比較這三種材料，可以發現：
(1) 主要綠色峰值位置偏移至550nm
(2) 綠光和藍光通道的optical crosstalk現象顯著降低
(3) 綠光和紅光通道的optical crosstalk現象顯著增加。
通過對量子效率（QE）光譜的分析，可以確定Color filter的性能是否符合設計要求，並提前進行相應的調整和優化。以確保濾光片材料的特性符合設計要求，並且保證影像的品質和精度，提高CIS影像晶片的可靠性和穩定性。
(1) 什麼是Si wafer THK control？
當我們在製造BSI CIS影像晶片時，需要使用一種稱為”減薄(thin down)”的工藝來將晶圓變得更薄。這減薄後的晶圓厚度會直接影響CIS晶片的感光度，因此晶圓的厚度對影像晶片的感光性能和品質都有很大的影響。
為了確保影像晶片能夠正常運作，我們需要使用”Si wafer THK control”工藝來精確地控制晶圓的厚度。這樣可以確保我們減薄出來的晶圓厚度能夠符合設計要求，同時也可以提高影像晶片的產品良率。
圖 BSI的流程圖．採用BSI製程的CIS影像晶片，會有一道重要的製程”減薄”(Thin down)， 也就是將晶圓的厚度減少到一定的程度．
(2) Si wafer THK製程監控中的量子效率檢測非常重要？
在製造CIS晶片時，Si wafer THK製程的控制對於晶片的感光度有著直接的影響。這種影響可以透過量子效率光譜來觀察，確保減薄後的ＣＩＳ晶片擁有最佳的光電轉換量子效率。減薄後的晶圓會有一個最佳的厚度值，可以確保CIS晶片擁有最佳的光電轉換量子效率。使用450nm、530nm和600nm三種波長，可以測試紅色、綠色和藍色通道的量子效率。實驗結果顯示了不同減薄厚度的CIS在藍光、綠光、紅光通道的量子效率值的變化。減薄厚度的偏差會對CIS的感光度產生直接的影響，進而影響量子效率的值。因此，量子效率的檢測對於Si wafer THK製程的監控至關重要，以確保製造的CIS晶片具有穩定和一致的品質。
圖xx顯示了在不同減薄厚度下CIS影像晶片在藍、綠、紅三個光通道的量子效率值變化。藍光通道的量子效率值是利用450nm波長測量的，當減薄後的厚度比標準厚度多0.3um時，其量子效率值會由52%下降至49%；當減薄後的厚度比標準厚度少0.3um時，藍光通道的量子效率只略微低於52%。紅光通道的量子效率值是利用600nm波長測量的，發現紅光通道的表現在不同厚度下與藍光通道相反，當減薄後的厚度比標準厚度少0.3um時，紅光通道的量子效率顯著地由44%下降至41%。在較厚的條件(+0.3um)下，紅光通道的量子效率並沒有顯著的變化。綠光通道的量子效率值是以530nm波長測量的，在三種厚度條件下(STD THK ± 0.3um)，綠光通道的量子效率沒有顯著的變化。
圖 利用不同的Si wafer THK (thickness)厚度對CIS影像晶片的量子效率進行測試，測試波長分別為600nm、530nm和450nm，並且針對紅色、綠色和藍色通道的量子效率進行評估。結果顯示，在綠光通道方面，Si wafer THK的厚度變化在±0.3um範圍內，530nm波段的量子效率並未有明顯變化。但是，在紅光通道方面，隨著Si wafer THK的厚度下降，量子效率會有顯著的下降。而在藍光通道450nm的情況下，量子效率會隨著Si wafer THK的厚度下降而有顯著的下降。這些結果表明，Si wafer THK的厚度對於CIS影像晶片的量子效率有重要的影響，且不同通道的影響程度不同。因此，在製造CIS影像晶片時需要精確地控制Si wafer THK的厚度，以確保產品的品質和性能。
SG-A、SG-O
