比利時的研究機構imec展示當將設計者、軟體工程師、技術人員以及系統設計師集合在一起合作時，可以為成像元件帶來新的發展契機。一個具備彈性製程能力的晶圓廠也是開拓此新型影像系統的要素之一。此外還有哪些要素呢？一個0.13μm CMOS製程、背面透光技術、特製製程以及鍍膜、3D堆疊、嵌入式CCD、超光譜濾波器等等，再加上單晶片系統（System-on-Chip）以及專門的軟體開發以開展此前所未有的影像感測應用領域。這裡將介紹一些由此多元技術整合之後的計畫成果實例。
圖1：只有當技術與設計上的挑戰能彼此相契合時，才能讓影像感測器
符合市場應用的需求。
市場
今日成像元件最大的應用市場是我們的照相機與手機，這些是標準的成像元件並且已經在大量生產。然而也有特製的成像元件的場，這些應用沒有標準的解決方案。通常這些成像元件會隨著應用不同而有不同的需求。比如說尖端半導體製程的晶圓與光罩的檢驗工具所需要的成像元件必須要能偵測超紫外線（extreme ultraviolet, EUV）波長；單晶圓實驗室（lab-on-chip）則需要微小化的顯微鏡，以快速地分辨細胞。
特製成像元件的市場是很廣泛的，其中包含尖端的科學應用、太空應用、土壤觀測、醫學影像、頂尖的消費性產品、機台影像到儀器設備等。特別的是半導體設備製造商對特製成像元件的需求正與日俱增，而醫學影像方面的市場成長速度更是顯著。
新市場，例如尖端工業設備上的應用，對雜訊、速度與整合性的需求是前所未見的。這些不曾有過的需求需要創新的系統單晶片（SOC）設計，同時要緊密地結合後處理軟體。只有當技術與設計的困難點都能被克服，最後完成的影像感測器才能符合應用領域的需求。
分析特製成像元件的市場資料時，可以發現一個清楚的市場趨勢落在不可見光的應用上（如UV、EUV）。同時全SoC成像元件更是當今市場炙手可熱的產品。Imec作為一個與工業界有密切合作關係的研究機構，有過不少與工業界專案合作的經驗。從一個個與成像元件有關的專案經驗中，我們清楚地認知整合不同領域的專業能力，可以為成像元件帶來嶄新的契機。以下我們將提供數個實際的例子作說明。
圖2：特製成像元件的市場是相當多元的。相關的應用通常需要特製的解決方案，包含許多技術及專業知識。
圖3：連接到CMOS讀出線路的背面透光混成成像元件（一百萬像素），
與傳統的正面透光CMOS影像感測器相比，背面透光成像元件有較佳的光源靈敏度。
應用於電子束微影設備的微鏡片陣列
反射式電子束微影法（Reflective Electron Beam Lithography, REBL）是以電子束進行曝光動作。用意在於將半導體的製造能力繼續朝16nm以及更小的尺寸前進。電子束微影法一直是存在的，但是一直受限於寫入時間太長，畢竟這個方法在本質上是一種序列式的技術。目前技術的進展是可以同時進行一百萬個電子束寫入，如此可達到高效率的生產速度。
製造靜電式微鏡片（又稱做小透鏡, lenslet）以供REBL使用的製程技術已經開發出來。此小透鏡元件包含直徑1.4μm的孔洞陣列，而單位元件的尺寸是1.6μm。這些孔洞是穿透一疊總厚度4μm的材料所製成。這些材料包含電極以及絕緣層，用來構成靜電式透鏡。藉由在電極上施加不同的電壓，形成的電場會聚焦注入的電子束，或吸收或反射電子束。
小透鏡以及內連線的技術開發伴隨著許多設計與製程上的挑戰。必須有足夠的微影與蝕刻技術才能處理高深寬比的孔洞製程，同時兼顧與底部電極層之間良好的層疊效果。與此同時，打線處（pad）與連接孔（via）的設計與傳統的整合製程也稍有不同，以相容於小透鏡的製作流程。
EUV感測器
EUV偵測對EUV微影製程以及晶圓與光罩的檢測設備而言是相當重要的一部分。這些應用使用的成像元件需要偵測非常短波長的光源。這些光源通常在矽或是介電質內的穿透距離很短。同時微影設備會用到高劑量的光源，這也挑戰EUV感測器的可靠度。
製造特殊結構的光二極體，其中一項關鍵在於一層特製的覆蓋層，可以讓 EUV從上方穿透到可感光的矽結構。這些偵測元件可以用來感測微影設備中的EUV劑量。然而若要檢測光的均勻性，則需要2D陣列才能達到。因此未來的工作 將著眼於發展一個完整的成像元件。而達成此目標需要如背面透光（back-side illumination, BSI）的技術來完成。
當今大多數成像元件都採用正面透光（front-side illumination）的方式。光線必須穿越後段製程製作的電極與介電層才能到達下方的矽區域。這些上層材料會反射光源，甚至吸收部分光源。當我們感興趣的光源換成不可見光時，前述現象就變成一個需要解決的問題。因此在這個情況下最好是使用背面透光的方式來製作成像元件。藉由此BSI方式，EUV成像元件可用來監測曝光劑量、校正光源對準以及聚焦微影設備的鏡片系統。
成像元件上的超光譜（hyperspectral）濾波器
今日大型且昂貴的超光譜影像技術通常應用在研究領域中。然而創新的整合方式可以將濾波器以及影像感測器結合在一起變成高速、低成本以及體積小的超光譜照相機。這種相機可以應用在工業檢測、偽造防範、食品監測以及例如皮膚癌的醫學篩檢應用上。
一個超光譜成像元件包含一組100個光譜濾波器，在商用的CMOS成像元件上以楔形（wedge）方式排列。為了讓此微小的楔形濾波器的製作成本降低，imec設計出一種可以補償製程變異的方法。得到的成果是一個能夠大量量產，而且完全與CMOS製程相容的體積小且快速的超光譜照相機。
這些經過整合製程的光譜濾波器是所謂的窄頻Fabry–Pérot干涉濾波器。此Fabry–Pérot 濾波器通常是以透明層做成（稱作腔，cavity），在該層的兩旁各有一面鏡子。腔的長度決定光學濾波器的中心波長，而鏡子的反射率決定此濾波器的半峰全幅（full width half maximum, FWHM）特性。採用這些濾波器可以設計出不同的超光譜成像元件。舉例而言，一個線狀掃描的超光譜成像元件可以記錄一個線性運動物品的全3D立方數據（亦 即一個影像但是包含所有不同的波長）。
這些超光譜濾波器理論上可以製作在任何影像感測器上以符合不同的應用規格。同樣地頻寬範圍可以加以調整，目前正在開發的頻寬範圍在400-1000nm之間。
圖4：上有超光譜濾波器的晶圓。這些光譜濾波器的原理是以Fabry–Pérot濾波器為基礎。
這個結構是製作於相機感測器之上，可作為超光譜影像之應用。
圖5：將影像感測器與特製的濾波器整合在一起而構成的
微小超光譜相機以及超光譜影像感測器。
圖6：直接於影像感測器之上經過後處理的超光譜濾波器
（階梯形的楔型結構包含Fabry–Pérot干涉計）。
單晶片系統的成像元件
尖端的成像元件需要整合許多智慧的創意，這點只要我們想到需要多複雜以及多快的讀取線路就能略知一二。解決的方案是以CMOS為基礎的SoC架構來設計此成像元件。常用在特製成像元件的CCD技術反而不能用來處理與整合相關的創意解決方案。
比如說，成像元件的類比轉數位功能可以提升畫面更新率與畫質以符合來自應用端對元件特性的新要求。目前已經有一個原型（prototype）產出，是在每一個成像元件的縱列上配置快速而且低功耗的ADCs。對高性能的SoC成像元件而言，整合技術、設計以及系統，乃至於一個彈性的CMOS製程平台，加上諸如背面透光技術、嵌入式CCD或是超光譜濾波器等單元都是相當重要的構成要素。
成像元件的3D層疊技術
除了單晶片系統技術，3D層疊技術也可以用來讓成像元件更加智慧。在過去幾年，許多資源投入矽穿孔技術（through Si vias, TSVs）的研發，使3D層疊也能應用在主動區的矽元件上。這項技術的主要推動者是記憶體層疊以及在邏輯線路上疊加記憶體元件。目前這項技術在研發階段已經成熟，未來將可實際應用在工業生產之中。
3D層疊技術同樣也帶給成像元件新的發展契機。第一個優點是成像元件各層的功能可以分離：感測層、類比ROIC、ADC以及數位系統都可分開。因此各個層次的功能可以盡最好的技術能力加以優化，之後再接續疊加成一個元件。第二個優點是採用垂直內連線方式可增強讀出能力，包括速度（大量平行處理）及效能（複雜影像處理）等項目都能改善。第三個優點是3D架構讓我們可以分散特製感測器的功能到各個異質層次上，並加以優化以得到最節省成本的優點。
圖7：3D推疊影像系統的概念圖。此智慧影像系統內含不同的主動區層次做不同功能之用。
文請參閱《半導體科技雜誌 SST-AP Taiwan》
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