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第四種元素:銀 —《改變世界的七種元素》

PanSci_96
・2014/07/08 ・5283字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 504 ・六年級

一位法國的戲院設計師正在實驗銀的感光性,他使用塗了銀的銅板和碘。在 1835 年春天,達格赫把一片曝光過但失敗的銅板扔進櫥櫃,打算磨亮後再次使用。幾天後他回來看,發現影像奇蹟似的顯現了。 Public domain
利用鍍有薄銀的銅板和水銀進行顯影的技術稱為銀板照相法。 Public domain

感光的銀鹽,永恆的影像

在 1973 年紐約嚴熱的夏天裡,我花了好幾個週末的下午,在華盛頓廣場公園拍照。公園中央有一排西洋棋桌,那裡總是擠滿了老人,聚精會神盯著擺滿黑白棋子的棋盤看。我按下快門,光由這個城市的街景反射回來,射入打開的光圈,打在底片的鹵化銀上。光子打到的地方,形成純的銀原子,記錄下歷史的影像。

 把影像永久固定下來的想法,最早是由湯馬士.威基伍德(Thomas Wedgwood)在十八世紀末想出來的,他是英國有名的陶藝家約西亞.威基伍德(Josiah Wedgwood)的兒子。約西亞.威基伍德曾經使用暗箱把周遭的影像投射到屏幕上,好讓他快速又準確的把影像畫在陶器上。湯馬士.威基伍德思考如何永久保存這些影像,於是以硝酸銀進行實驗,因為 1725 年一位德國大學教授無意中發現硝酸銀具有感光性質。當初舒爾茲(Johann Schulze)教授在靠近紐倫堡的阿道夫大學(University of Altdorf)研究硝酸與白堊溶液(剛好含有一些銀)的性質。他在窗邊進行研究,那天是大晴天,光線射入他放溶液的透明瓶中。他突然注意到,面對窗戶那邊的混合物變成紫色,然而面對室內這邊仍然是白色。他想,也許是太陽的熱使溶液發生了化學反應。他又再試了一次實驗,只是這次把瓶子放在黑暗中。什麼也沒有發生。舒爾茲瞭解,一定是陽光的作用使混合物發生了變化,進一步研究之後,他發現銀是這個反應的重要元素。

湯馬士.威基伍德利用了這項發現。他在紙張上塗抹硝酸銀水溶液,然後把物體放在上面。接著把紙張放在陽光下曝曬,製造出物體的輪廓圖,但是陽光會逐漸把其餘部分的硝酸銀也變黑,最後影像就消失了。湯馬士.威基伍德遭受挫折,加上健康不佳,於是終止了實驗。還要再等上三十年,製造永久影像的攝影術才會發明出來。

1833 年 10 月,英國人泰爾包特(William Henry Fox Talbot)正在科莫湖(Lake Como)畔度蜜月。他嘗試用攝影描繪器把風景描繪下來,那是製圖者的一種輔助工具,利用稜鏡把風景的影像疊在紙上。他運氣不好。當他把眼睛由稜鏡移開時,發現「可惡的鉛筆只在紙上留下幾乎看不見的淡淡筆跡。泰爾包特想要找出比較好的科技,但是他顯然不知道湯馬士.威基伍德的實驗,所以回到家後,他開始使用塗了硝酸銀的紙製造葉子、花邊及其他平面物體的輪廓圖。

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但是和威基伍德發現的一樣,他無法阻止影像消失。有一天,他注意到紙的邊緣往往感光性較強,通常他只用一點點鹽水(為塗抹硝酸銀水溶液打底)處理那個地方。他發現,如果使用濃一點的鹽水,可以使紙的感光性變弱。而且他也體會到,如果把曝曬過的紙浸在濃鹽水裡,影像就可以固定在紙上。雖然有了重要進展,但仍然不算成功。由暗箱製造出來的影像太淡,無法深刻顯影。他又設計實驗,要改進紙的感光性,經由使用透鏡,把光線聚焦到較小的面積上,他可以製造出郵票大小的影像。這些影像「可以想像成是小人國畫家的作品」,泰爾包特寫道。他的發現比舒爾茲和湯馬士.威基伍德深入,但也和他們一樣,沒有理解到這項發現的意義;他把這發現放一邊,又去追求其他興趣了。

同一時間,在英吉利海峽的另一邊,一位法國的戲院設計師正在實驗銀的感光性,他使用塗了銀的銅板和碘。在 1835 年春天,達格赫(Louis-Jacques-Mandé Daguerre)把一片曝光過但失敗的銅板扔進櫥櫃,打算磨亮後再次使用。幾天後他回來看,發現影像奇蹟似的顯現了。原來是櫥櫃裡一個瓶子逸出的汞蒸氣使「潛在」的影像顯影了。當初這塊銅板曝光時,銀原子已經形成隱藏的影像,但是原子的數目太少,肉眼無法看見。汞蒸氣與潛影中的銀原子形成汞齊,就使影像看得見了。利用這個方法,達格赫能夠把曝光時間縮短到 20 分鐘,短到可以捕捉到靜止物體的清晰影像。1839 年 8 月 19 日,位於巴黎的法國科學院宣布這項發明的名稱為達格赫照相法(又稱銀版照相法)。好勝心很強的泰爾包特聽到這個消息後,很快就用一種新型的紙,發明了自己的潛影產生法,曝光時間只要 1 分鐘左右。他把這種新方法稱為碘化銀照相法。

自從威基伍德第一次企圖利用銀的感光性捕捉影像以來,已經大約過了四十年。現在有兩種成功而且相互競爭的商業產品;泰爾包特與達格赫很快就各自努力,要社會大眾相信,自己獨特的攝影方法有其優點。一開始泰爾包特在說服社會大眾時,遭遇到一點困難。它沒有辦法產生像銀版照相法那麼精細的影像,但是能在同一張負片上產生許多影像,這一點是銀版照相法辦不到的,銀版照相法只能拍攝昂貴的單一物件,例如為有錢人拍肖像。最後泰爾包特的發明勝出,也為流行達兩百年,以銀為基本材料的攝影術打下基礎。

柯達布朗尼相機使用了塗了溴化銀的明膠底片 CC by Cargado por Lefrancq
柯達布朗尼相機使用了塗了溴化銀的明膠底片
CC by Cargado por Lefrancq

因銀而起的柯達王國

我在新加坡拍下我的第一張照片時,只有四歲。當天是伊莉莎白二世的加冕典禮,曾經是大英帝國殖民地的新加坡,以今天稱為街頭派對的方式來進行慶祝。我拿著我的柯達布朗尼(Kodak Brownie)相機,拍家人、朋友的照片,只要拿到未曝光的底片,我就拿來照下看到的任何東西。我的布朗尼相機最後由更好的機型取代了,接著又換了一系列的相機,直到今天,我有一整套很棒的萊卡相機當攝影工具。這些機器持續幫我記錄行動的時刻以及值得回憶的場景,偶爾也會有佳作。

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柯達公司在 1900 年推出第一部布朗尼相機,名稱取自一組廣受歡迎的卡通人物,相機的簡單硬紙板外殼裡裝有一捲底片,方便攜帶,也容易使用,立刻獲得成功,尤其受到兒童歡迎。價格是五先令(大約是平均週薪的四分之一),幾乎人人都負擔得起。因為發明了塗布溴化銀的明膠底片,才有可能做出這種相機。明膠底片可以先曝光,且存放一段時間後才在工作室裡進行顯影,因此稱為「乾」片。「濕」的膠棉片,塗布、曝光與顯影必須在很短的時間內一口氣完成,因此攝影師無論走到哪裡,都必須攜帶笨重的工作設備。

柯達的創立者伊士曼(George Eastman),在 1877 年上了第一堂濕片法的課,很快就發現這方法不實用。「我的道具只含有一些必需品而已,裡面有肥皂箱那麼大的相機;一個三腳架,它既堅固又笨重,足以支撐一座小屋;一個大的底片盒、一頂黑色帳篷、一缸硝酸鹽,以及一個裝水的容器」。他讀到乾片發明的消息後,決定自己進行實驗。

到了 1879 年,他已經製造出自己的底片,這底片在沖洗前可存放的時間比市面上任何產品都久。但伊士曼還是不滿意,他的玻璃底片又重又脆又昂貴。伊士曼想把攝影術交到廣大群眾的手中,就像後來福特發明的 T 型車那樣。他想要「讓相機變得像鉛筆一樣方便」,但是要做到這一點,他必須發明一種更便宜、更簡單的攝影方法。結果他發明了「伊士曼負紙」—不使用玻璃,而使用紙卷捕捉影像。伊士曼底片可以裝入小小的黑盒子裡,他還設計了包住底片盒並只放基本零件的相機:透鏡固定在相機上,以拉動繩子的方式啟動快門。

柯達相機在 1888 年首度販售,價格為 25 美元(相當於今天的 600 美元)。產品大受歡迎,讓伊士曼能大規模生產相機,並因此把單價降下來。在 1896 年,柯達製造出第十萬部相機;那時候,每一部相機的價格只要 5 美元(相當於今天的 120 美元)。因為柯達相機簡單,又以人人能負擔的價格出售,所以它訴求的市場相當龐大。

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伊士曼做的,正是所有傑出的消費產品發明家做的。他讓使用者(攝影者)專心在他的目的(拍照)上,而把技術功能(顯影與沖印)變得不可察覺。伊士曼相機在賣出時,已經裝好一捲可拍一百張照片的底片,等拍攝完畢,使用者可以把底片繳回工廠。幾天後,處理好的負片會沖出照片,裝入相片簿送至消費者手裡。就像柯達的口號說的:「您只要按快門,其餘的交給我們。」到了第二年的年底,他的工廠每天要處理大約七百卷底片。現在,人人都可以成為攝影師了。

柯達相機讓每個人可以為個人歷史留下紀錄,也為他們最珍惜的時刻保存回憶。現在處處可以見到照片。照片不但變成普遍且可任意使用的物品,而且也是記錄世界大事的文件,並產生能塑造未來風貌的影像。

保存了決定性時刻

有些影像讓我們見識到殘酷、暴虐,令人難以忍受的畫面。有一幅越共戰俘的影像,記錄在處決前一刻,有一把槍頂住他的太陽穴,對我來說,這張照片就是越戰的同義詞。一群百姓在雜亂無章的盧安達難民營裡等待食物的影像,會永遠讓我想起那裡發生的種族屠殺。而虛弱的囚徒擁擠站在奧斯威辛(Auschwitz)集中營的有刺鐵絲網前的影像,描述著我們家族中許多成員在猶太大屠殺中遭遇的命運。

然而,還有其他影像顯示比較快樂的時光。我從窗戶俯瞰大運河時所拍的照片,企圖捕捉季節變換時威尼斯的色調。我的書桌前放著一張我拍的照片,拍攝對象是在佛羅倫斯的新聖母大殿的信徒。他們正在觀賞壁畫,那幅畫展現了透視圖法,是馬薩其奧(Masaccio)的作品。攝影大師塞西爾.畢頓(Cecil Beaton)有一幅如詩如畫的作品,是新加冕的女王伊莉莎白二世的照片,以西敏寺的雕梁畫棟為背景,目的是想為剛脫離二次大戰的大英帝國帶來一點歡樂。我們藉由照片,得知並記住世界上的重大事件。圖像創造共同的經驗;圖像為不同的世代之間畫下界線。

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到了第二次大戰爆發時,底片的感光性更加良好,也有更多可裝底片的攜帶式相機,攝影師因此可以跟隨士兵進入戰場,相對來說,較早期的戰地攝影師,如布雷迪(Mathew Brady)和芬頓(Roger Fenton),他們在十九世紀的設備,受拍攝的對象必須靜止不動才照得起來。1944 年盟軍進攻諾曼第時,戰地攝影師卡帕(Robert Capa),隨第二波部隊登陸。英吉利海峽水深及腰,機關槍的子彈在他周圍濺起水花,卡帕拍下了數張登陸日的關鍵性影像。「如果你拍的照片不夠好,表示你靠得不夠近,」卡帕說。

相片可以捕捉世界上瞬間即逝的影像,如果沒有銀,你只能留下模糊的回憶。「當你拍照時,那是創造性的一剎那,」多產又技術高超的攝影師布雷松在 1957 年解釋:「生活本身會提供給你一幅構圖或一個表情,你必須靠著直覺判斷,什麼時候該按下相機按鈕。」

在正確的時候按下快門,創造出的影像揭露了平民百姓如何被捲入越戰。敵人不再是沒有面目的怪獸,而是受苦受難的人類,說不定與觀看照片的人有所關聯。經由揭露世界另一端的普遍人性,攝影術喚醒了全球的社會良心。艾迪.亞當斯(Eddie Adams)在 1968 年拍的照片「西貢槍決」,揭露了上文所說的情形,激起抗議怒潮反對畫面中呈現的情況:越南將軍不加思索的謀殺了一名無辜的百姓。這張照片也展示了攝影術扭曲事實真相的威力。艾迪.亞當斯解釋:「將軍殺了越共;我用相機殺了將軍。靜止的照片是世界上威力最強大的武器。人們相信照片;但是照片會說謊,甚至連造假都不必。照片只說出一半的事實⋯⋯照片沒說出來的是,『如果你是將軍,在那種時空情境下,在那樣炎熱的天氣中,在那個所謂的壞蛋剛剛轟掉一個、兩個或三個美國人之後,你正好抓到他,你會怎麼做?』」

雖然照片已經非常忠實的呈現事實,但是它並不真的是可靠的資料來源。影像可能會,也確實會騙人。大家都知道,史達林以修改照片做為排除黨內政敵的手段;當某些部長被選定為應該排除的對象時,就會從照片中消失。中國共產黨也同樣大量使用暗房技巧扭曲事實。

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然而,可靠的資料來源會提供吸引人的真實影像。1994 年,攝影記者薩爾加多(Sebastião Salgado)在盧安達西南方的基貝霍(Kibeho)難民營待了三天。每天有數百名難民為逃避強暴與謀殺,從軍閥手裡逃到此處。薩爾加多所看到的景象,令他大為震撼:「恐怖事件的規模好像已經讓人們對死亡麻木了。我看到一個人手臂裡抱著一綑東西,一邊走一邊和其他人聊天。當走到萬人塚時,他把自己小孩的屍體扔進屍堆,然後掉頭就走,繼續聊天。」身為經濟學碩士,薩爾加多想用影像描述世界上窮人的生活,呈現統計數字背後的真相。影像展示比訴說更有力:人類受苦的生動影像,比寥寥幾字的政治宣言更能打動人心,喚起令人感傷、感動的私密細節。因此,照片會驅使觀看者採取行動。

對我來說,除了攝影之外,銀還有其他能力可以保存珍貴的回憶。在我書房的茶几上有三個波斯銀盒,那是我父母在 1960年代離開伊朗時收到的臨別饋贈。它們設計精美,由錘版塑成,這種技術是靠著敲打金屬的背面,造成淺淺的浮雕效果。它們為我在伊朗生活的那幾年帶來生動的回憶:燃燒天然氣造成的焰火和噪音、油田在夜晚發出的火光,當然還有我們去拜訪銀匠的回憶,那人在一間小屋裡,盤著腿熟練的工作著。無論是做成裝飾品、勳章或珠寶,銀總是能保存回憶。但是它也一直是保值的工具。1970 年代,當銀攝影術正在流行時,有兩兄弟為了幫他們驚人的財富找到安全的避風港,結果造成銀的價格飆漲到空前未有的水準。

本文摘自《改變世界的七種元素》,由天下文化出版

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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數位攝影搖身一變黑科技,CIS 成長無止盡,遇上異常該如何 DEBUG?
宜特科技_96
・2023/06/05 ・4124字 ・閱讀時間約 8 分鐘

一個女子用手機在進行自拍
圖/宜特科技

從小時候的底片相機,發展到數位相機,如今手機就能拍出許多高清又漂亮的照片,你知道都是多虧了 CIS 晶片嗎?

本文轉載自宜特小學堂〈CIS晶片遇到異常 求助無門怎麼辦〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

CIS 晶片又稱 CMOS 影像感測器(CMOS Image Sensor),最早是在 1963 年由美國一家半導體公司發明出來的積體電路設計,隨著時代進步,廣泛應用在數位攝影的感光元件中。而人們對攝影鏡頭解析度需求不斷增加,渴望拍出更精美的畫質。

CIS 已從早期數十萬像素,一路朝億級像素邁進,有賴於摩爾定律(Moore’s Law)在半導體微縮製程地演進,使得訊號處理能力顯著提升。如今的 CIS 已經不僅適用於消費型電子產品,在醫療檢測、安防監控領域等應用廣泛,近幾年智慧電車興起,先進駕駛輔助系統(ADAS, Advanced Driver. Assistance Systems)已成為新車的安全標配,未來車用 CIS 的市場更是潛力無窮。

然而,越精密、越高階的 CIS 晶片由於結構比較薄,加上特殊的 3D 堆疊結構,使得研發難度大大提升,當遇到異常(Defect)現象時,想透過分析找出故障的真因也更為困難了。

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本文將帶大家認識三大晶片架構,並以案例說明當 CIS 晶片遇到異常,到底我們可以利用那些工具或手法,成功 DEBUG?

一、認識 CIS 三大晶片架構

現今 CIS 晶片架構,可概分為三大類,(一)前照式(Front Side illumination,簡稱FSI);(二)背照式 (Back Side illumination,簡稱 BSI);(三)堆疊式 CIS(Stacked CIS)

(一)前照式(FSI)CIS

為使 CIS 晶片能符合半導體製程導入量產,最初期的 CIS 晶片為前照式 (Front Side illumination,簡稱 FSI) CIS;其感光路徑係透過晶片表面進行收光,不過,前照式 CIS 在效能上的最大致命傷為感光路徑會因晶片的感光元件上方金屬層干擾,而造成光感應敏度衰減。

(二)背照式(BSI)CIS

為使 CIS 晶片能有較佳的光感應敏度,背照式(Back Side illumination ,簡稱 BSI)CIS 技術應運而生。此類型產品的感光路徑,係由薄化至數微米後晶片背面進行收光,藉此大幅提升光感應能力。

而 BSI CIS 的前段製程與 FSI CIS 類似,主要差別在於後段晶片對接與薄化製程。BSI CIS 的製程是在如同 FSI CIS 一般製程後,會將該 CIS 晶片正面與 Carrier wafer 對接。對接後的晶片再針對 CIS 晶片背面進行 Backside grinding 製程至數微米厚度以再增進收光效率,即完成 BSI CIS。

(三)堆疊式(Stacked)CIS

隨著智慧型手機等消費電子應用的蓬勃發展,人們對於拍攝影像的影像處理功能需求也大幅增加,使製作成本更親民與晶片效能更能有效提升,利用晶圓級堆疊技術,將較成熟製程製作的光感測元件(Sensor Chip)晶片,與由先進製程製作、能提供更強大計算能力的特殊應用 IC(Application Specific Integrated Circuit,簡稱 ASIC)晶片、或是再進一步與記憶體(DRAM)晶片進行晶圓級堆疊後,便可製作出兼具高效能與成本效益的堆疊式 CIS(Stacked CIS)晶片(圖一),也是目前最主流的晶片結構。

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堆疊式(Stacked) CIS晶片示意圖
《圖一》堆疊式(Stacked)CIS 晶片示意圖。圖/宜特科技

二、如何找堆疊式(Stacked)CIS 晶片的異常點(Defect)呢?

介紹完三大類 CIS 架構,我們就來進入本文重點:「如何找到堆疊式(Stacked)CIS 晶片的異常點(Defect)?」

由於這類型的 CIS 晶片結構相對複雜,在進行破壞性分析前,需透過電路專家電路分析或熱點(Hot Spot)故障分析,鎖定目標、縮小範圍在 Stacked CIS 晶片中的其一晶片後,針對可疑的失效點/失效層,進行該 CIS 樣品破壞性分析,方可有效地呈現失效點的失效狀態以進行進一步的預防修正措施。

接著,我們將分享宜特故障分析實驗室,是如何(一)利用電性熱點定位;(二)移除非鎖定目標之晶粒(Die),並針對鎖定目標晶粒(Die)逐層分析;(三)電性量測分析;(四)超音波顯微鏡(SAT)分析等四大分析手法交互應用,進行 Stacked CIS 晶片進行故障分析,順利找到異常點(Defect)。

(一)透過電性熱點定位找故障點(Hot Spot)

當CIS晶片具有高阻值(High Resistance)、短路(Short)、漏電(Leakage)或是功能失效(Function Failure)等電性失效時,可依據不同的電性失效模式,經由直流通電或上測試板通電,並透過選擇適合的電性故障分析(EFA, Electrical Failure Analysis)工具來進行電性定位分析。

設備OBIRCHThermal EMMIInGaAs
偵測目標電晶體/金屬層金屬層/封裝/印刷電路板電晶體/金屬層
失效模式漏電/短路/高阻值漏電/短路/高阻值漏電/短路/開路
各設備適合使用的選擇時機

包括雷射光束電阻異常偵測(Optical Beam Induced Resistance Change,簡稱 OBIRCH)熱輻射異常偵測顯微鏡(Thermal EMMI)(圖二)、砷化鎵銦微光顯微鏡(InGaAs),藉由故障點定位設備找出可能的異常熱點(Hot Spot)位置,以利後續的物性故障(PFA, Physical Failure Analysis)分析。

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透過Thermal EMMI找到電性失效的故障點位置
《圖二》透過 Thermal EMMI 找到電性失效的故障點位置。圖/宜特科技

(二)移除非鎖定目標之晶粒,並針對鎖定目標晶粒逐層分析

接著,依照上述電性分析縮小可能的異常範圍至光感測元件晶片、ASIC 或記憶體晶片區後,根據 Stacked CIS 晶片堆疊的結構特性,需先將其一側的矽基材移除,方可進行逐層去除(Layer by layer),或層層檢查。

再者,透過特殊分析手法,移除不需保留的晶粒結構,進而露出目標晶粒之最上層金屬層(圖三)。接著,透過逐層去除(Layer by layer),最終在金屬層第一層(Metal 1)找到燒毀現象的異常點(defect) (圖四)。

搭配特殊手法,將CIS待測樣品不需保留之晶粒部分,完整移除
《圖三》搭配特殊手法,將 CIS 待測樣品不需保留之晶粒部分,完整移除。圖/宜特科技
對照Hot Spot分析範圍,進行鎖定目標晶粒進行逐層去除,發現燒毀現象
《圖四》對照Hot Spot分析範圍,進行鎖定目標晶粒進行逐層去除,發現燒毀現象。圖/宜特科技

(三)電性量測分析:導電性原子力顯微鏡(C-AFM, Conductive Atomic Force Microscopy)與奈米探針系統(Nano-prober)的應用

當逐層去除(Layer by Layer)過程當中,除利用電子顯微鏡(SEM) 於故障點區域進行 VC(Voltage Contrast)的電性確認與金屬導線型態觀察外,亦可搭配導電原子力顯微鏡(Conductive Atomic Force Microscopy,簡稱C-AFM)快速掃描該異常區域,以獲得該區域電流分布圖(Current map)(圖五),並量測該接點對矽基板(Si Substrate)的電性表現,進而確認該區域是否有漏電 / 開路等電性異常問題。

C-AFM異常分析結果圖
《圖五 (左)》C-AFM 異常分析結果圖。圖五 (左): 外加正電壓 (+1V) 時的 Current map 異常電性發生;
《圖五 (右)》外加負電壓 (-1V) 時的 Current map 異常電性發生 (黃圈處)。圖/宜特科技

在完成C-AFM分析後,若有相關疑似異常路徑需要進一步進行電性量測與定位,可使用奈米探針電性量測(Nano-Prober)進行更精準的異常點定位分析,包括電子束感應電流(EBIC , Electron Beam Induced Current)、電子束吸收電流(EBAC, Electron Beam Absorbed Current)、與電子束感應阻抗偵測(EBIRCH , Electron Beam Induced Resistance Change)等定位法。而Nano-Prober亦可針對電晶體進行電性量測,如Vt、 IdVg、IdVd等基本參數獲取(圖六)。

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當透過上述分析手法精準找到異常點後,亦可再透過雙束聚焦離子束(Dual-beam FIB,簡稱DB-FIB)或是穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy,簡稱TEM)來對異常點進行結構確認,以釐清失效原因(圖七)。

EBIC分析結果圖
《圖六》EBIC分析結果圖。圖/宜特科技
TEM分析結果圖
《圖七》TEM分析結果圖。圖/宜特科技

(四)超音波顯微鏡(Scanning Acoustic Tomography,簡稱SAT)分析:於背照式(BSI)/堆疊式(Stacked)CIS晶圓對接製程的應用

超音波顯微鏡(SAT)

超音波顯微鏡(SAT)為藉由超音波於不同密度材料反射速率及回傳能量不同的特性來進行分析,當超音波遇到不同材料的接合介面時,訊號會部分反射及部分穿透,但當超音波遇到空氣(空隙)介面時,訊號則會 100% 反射,機台就會接收這些訊號組成影像。
超音波顯微鏡(SAT)原理圖
超音波顯微鏡(SAT)原理圖。圖/宜特科技

在背照式(BSI)與堆疊式(Stacked)CIS 製程中晶圓與晶圓對接(bonding)製程中,SAT 可作為偵測晶圓與晶圓之間接合不良造成存在空隙的重要利器(圖八)。

圖八: 透過超音波顯微鏡(SAT),找到晶圓與晶圓對接(bonding)之鍵合空隙位置
《圖八》透過超音波顯微鏡(SAT),找到晶圓與晶圓對接(bonding)之鍵合空隙位置。圖/宜特科技

半導體堆疊技術的蓬勃發展,加上人們對影像感測器在消費性電子、車用電子、安控系統等應用,功能需求大幅度增加,CIS 未來將繼續進化,無論是晶圓級對接的製程穩定度分析,或是堆疊式(Stacked)CIS 故障分析,都可以透過宜特實驗室豐富的分析手法,與一站式整合服務精準地分析、加速產品開發、改善產品品質。

宜特科技_96
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抓住光的男人:達蓋爾與他的攝影術——《資訊大歷史》
azothbooks_96
・2022/07/03 ・3530字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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路易.雅克.馬克.達蓋爾

路易.雅克.馬克.達蓋爾(Louis-Jacques-Mandé Daguerre),1787 年 11 月 18 日−1851 年 7 月 1 日。

記錄下真實的影像,將彼時的美好場景長久留存——攝影技術,載著人類幾千年來如夢幻般的希冀越走越遠,一步步幫我們達成所願。

    

達蓋爾出生於法國,學過建築、戲劇設計和全景繪畫,在舞台幻境製作領域聲譽卓著。 1839 年,他宣布達蓋爾攝影法獲得了圓滿成功,從此,作為攝影術的最後一個發明人,他便以銀版攝影法發明者的身份為後人所知。

「我抓住了光,我捕捉到了它的飛行」

一九四五年八月十四日傍晚,日本無條件投降的消息傳到美國,整個美國都沸騰了,紐約的人們紛紛湧向時代廣場慶賀戰爭的結束。一位海軍士兵難以抑制自己喜悅的心情,摟住路過的一位護士小姐就親吻起來。

這個場景被當時在場的兩位記者捕捉到了,他們用手邊的徠卡相機記錄下這一令人難忘的歷史性時刻。一張照片的表達力勝過千言萬語。在人類付出了近一億人的生命代價之後,和平終於再次回到了這個世界上,這種發自內心的喜悅是難以用文字形容的。

時過境遷,今天我們大多數人雖然沒有經歷過那場戰爭,但依然能從這些精彩的照片中深刻地體會到當時人們狂喜的心情。

世界上的任何事情,只要發生過,就會留下或多或少的痕跡。對於這些痕跡的記錄,以前只有筆。雖然也有繪畫,但是繪畫無法在瞬間完成,因此很多描繪歷史性大事件的名畫,都是畫家後來參考文字記載,然後憑藉著想像而創作的。那些畫作再現了當時人們所能夠看到的一些視覺資訊,畫家也難免會按照自我意願對資訊內容進行添加或者刪改。

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比如,反映美國獨立戰爭最著名的油畫《華盛頓橫渡特拉華河》,就有多處和歷史事實不一致。比如,華盛頓身邊的門羅(美國第五任總統)當時根本就不在船上,甚至畫作中還出現了當時並不存在的星條旗。這些都是畫家在半個多世紀後憑自己的想像加進去的,這種人為因素,讓繪畫很難做到真實地記錄歷史事實。

延伸閱讀:從此有了攝影:達蓋爾誕辰|科學史上的今天:11/18

《華盛頓橫渡特拉華河》由德國畫家埃瑪紐埃爾·洛伊茨(Emanuel Leutze)於1851年所創作,描繪了美國獨立戰爭。圖/Wikipedia

要做到對真實畫面的記錄,就需要發明一種儀器來自動進行記錄,而不是人們主觀地進行繪製,這種儀器就是我們今天所說的照相機。當然,要想得到照片,光有照相機是遠遠不夠的,還需要一整套工藝將照片處理沖洗出來。這一整套的工藝流程,被稱為攝影術(照相術)。

今天,法國科學院確認的攝影術發明人是法國藝術家路易.雅克.馬克.達蓋爾(Louis-Jacques-Mandé Daguerre)。和很多重大發明的榮譽給予了最後一個發明人一樣,達蓋爾是攝影術的最後一個發明人,而非第一個。在他之前另一名法國人涅普斯(Joseph Nicéphore Nièpce)已經在一八二六年拍攝出一張永久性的照片,但是涅普斯使用的裝置與後續處理技術和後來大家普遍使用的攝影術,沒有什麼關係。

再往前,針孔成像的原理在中國古代的《墨子》中就有了相關記載,但是我們顯然無法把發明攝影術的功勞給予墨子。達蓋爾和前人不同的是,他不是設法得到一張照片,而是發明了一整套設備和一系列工藝流程,這就使得我們能夠通過攝影術記錄下真實的場景資訊,並且能夠以照片的形式完美地呈現出來。

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世界上第一張照片《在萊斯格拉的窗外景色》,由涅普斯拍攝。圖/Wikipedia

達蓋爾發明攝影術,並不僅僅為了記錄資訊,而是為了能夠取代當時十分流行的肖像油畫。達蓋爾本人是一位非常著名的建築設計師和全景畫家,他發明了建築繪圖的全景透視法,也就是從兩個(或多個)視角來觀察一個三維的物件(比如一棟大樓),然後將它畫在同一個畫面中。

這和布魯內萊斯基所發明的單點透視法不同。當時畫一幅油畫要花很長時間,如果要在戶外繪畫,更是一件十分困難和艱苦的事情,因為人們還沒有發明出牙膏管裝的油畫顏料,一罐罐的顏料既不好攜帶,也不便於保存。

因此,達蓋爾想,如果能夠發明一種方法自動將所看到的圖像「畫」下來,這樣可以省去一筆一筆畫油畫的麻煩。

當得知涅普斯用很複雜的方法得到了一張可以永久保存的照片後,達蓋爾就找到他決定一起合作研製攝影術。涅普斯則看中了達蓋爾在繪畫界的巨大影響力,作為出版商的他希望能夠借此賣出更多的畫冊,於是十分爽快地答應了。雖然一開始兩個人是各取所需,目的不同,但是因為目標一致,合作也算順暢。

然而不幸的是,當時已經六十四歲高齡的涅普斯沒幾年就去世了,而他們在攝影術方面的研究才剛剛開始。接下來,達蓋爾只好自己一個人繼續摸索研究。

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涅普斯最早是用瀝青作為感光材料。因為瀝青在強光的照耀下會逐漸變硬,這樣就能夠把攝影物件的輪廓迅速地描下來,但這樣照相至少要在陽光下曝光幾個小時甚至長達幾天。

一個偶然的機會,達蓋爾瞭解到一百多年前化學家所發現的銀鹽具有感光的特點,將銀鍍在銅版上,然後在碘蒸氣中形成一層碘化銀,碘化銀在感光後就會在銅版上留下影像。這和後來膠捲上塗溴化銀的原理是一樣的。達蓋爾用這種方法將原來涅普斯需要幾個小時才能完成的曝光過程縮短到了幾十分鐘,後來又縮短到幾分鐘。

一八三八年末(或者一八三九年初),達蓋爾將他的照相機擺在自己家的視窗,拍了一張街景照片——《坦普爾大街街景》。

《坦普爾大街街景》。圖/漫遊者文化提供

這張照片拍攝得非常清晰。達蓋爾在處理完照片後,極其興奮地對人們說:「我抓住了光,我捕捉到了它的飛行!」他的這個說法非常形象化,這是人類第一次發明實用的、以圖片方式記錄現實景象的技術。

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在這張照片中,這條大道顯得非常寂靜,實際上達蓋爾拍照時,大道上車水馬龍,人來人往,熙熙攘攘,非常繁華。照片之所以沒有能夠記錄下這些人和車輛是因為曝光的時間長達十分鐘之久,移動的人和車輛只能留下淡淡的陰影。當時摩斯看到照片中的巴黎街頭居然沒有人,感到非常吃驚。

今天的攝影家依然採用這種長時間曝光的手法來濾除鬧市中過多的閒人。不過如果你仔細觀察這張照片,就會在左下角發現一個擦皮鞋的人,由於他一直站在那裡不動,因此被拍了進去。這個人成為被攝影術記錄下來的第一個人。

從一七一七年德國人舒爾策(Johann Heinrich Schulze)發現銀鹽的感光效果,到達蓋爾用這種原理記錄下影像,中間經過了一個多世紀的時間。為什麼在這麼長的時間裡沒有人想到用銀鹽感光的性質來記錄影像?

因為這項技術雖然原理並不複雜,但是要變成一個可以記錄影像的工藝過程卻不是那麼簡單。銀鹽感光背後的原因是它們在光照下會分解,其中的銀會以細微的粉末狀出現,這就是人們在感光銅版上看到的黑色部分。但是這些銀粉一碰就掉,不可能形成一張能永久保存的照片。而且由於被感光部分是黑色的,未被感光的部分是白色的,和我們眼睛所看到的景物亮度正好相反(它們也被稱為負片),所以我們難以直接欣賞,還需要想辦法把它還原成我們肉眼所習慣看到的照片。

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這個記錄和還原圖像的過程有很多環節而且非常複雜。

達蓋爾最為了不起的地方,就在於他不只簡單發現了一種記錄圖像的現象,或者一個照相機,而是發明了一整套記錄圖像資訊的工藝過程。特別是在成像之後需要用水銀和食鹽在銅版底片上進行顯影和定影。這個過程有很多複雜的技術難題,都被達蓋爾成功地解決了。

今天「銀版攝影術」(又稱為達蓋爾銀版法)一詞,就是以他的名字命名的。

延伸閱讀:第四種元素:銀 —《改變世界的七種元素》

——本文摘自《資訊大歷史:人類如何消除對未知的不確定》,2022 年 6 月,漫遊者文化,未經同意請勿轉載。

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azothbooks_96
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