對於反向還原工程廠商而言，其主要之任務便是深入探討技術內部，拆解積體電路與電子系統，以為客戶提供相關的工程資訊。而不同的客戶也有不同的需求，有些對技術情報感興趣，有的則對專利情報感興趣。

《圖一　DLP晶片封裝結構圖》

對技術情報感興趣的通常都是製造商，這些廠商將反向還原工程用於產品開發，或者市場戰略推廣以及同類產品研究等用途上；而對專利情報感興趣的客戶通常是專利律師或製造商內部的知識產權部門。

由於業界對先進CMOS製程懷有濃厚的興趣，因此Chipworks也以CMOS製程技術為主，分析了其中各種類型的晶片。在本文中，將針對微機電（Micro Electro-Mechanical System；MEMS）領域選擇一款具代表性產品進行反向還原分析，這就是德州儀器（Texas Instruments；TI）所研發的數位光處理器（Digital Light Processing；DLP）投影元件。

《圖二　從封裝中取出的裸晶的照片》

德州儀器數位光處理器

TI從1987年開始開發DLP MEMS產品，於1994年正式推出，而產品於市場的成長速度亦逐漸增加。2004年12月TI宣佈其銷售數量達到500萬套，高出2004年4月的300萬套，美國微電腦傳真雜誌（PC Magazine）在德州儀器首度推出DLP技術時表示：「這是史上最奇怪的發明技術─最具巧思與最特別的微機電技術」。而在短短幾年之間，DLP也成為全球前投影與背投影市場的主要技術之一。根據日本Techno Systems Research的報告指出，德州儀器DLP子系統出貨量於2004年一年之內即超過265萬套，成為全球最大投影子系統供應商，到今天為止，其銷售量已超過1000萬套。而太平洋媒體協會（Pacific Media Associates）的資料也顯示DLP前投影技術市佔率已於2004年突破47％，DLP儼然成為全球前投影與背投影市場的主流技術之一。

《圖三　微鏡陣列結構圖》

DLP是真正的數位投影和顯示技術。利用接受數位視訊，進而產生一系列的數位光脈衝，而眼睛會把這些接收到的數位光脈衝訊號解譯成為彩色類比影像。DLP技術是德儀在1987年所發明的一種速度極快的反射性數位光開關。該技術是以一種MEMS元件做基礎，稱之為數位微型反射鏡元件（Digital Micromirror Device；DMD）。DMD微晶片上面有著數量龐大的超小型數位光開關，是一種由鋁金屬製成的絞接式反射鏡，面積小（14微米）、外觀四方。在接受電子訊號代表的資料字元後產生光學字元輸出。DMD周圍環繞著許多必要功能，例如影像處理、記憶體、格式轉換、時序控制、光源和投影光學系統，它們可以接受數位影像，然後在不降低畫質的情形下，把這些影像投影到投影幕。而DLP投影系統究竟該採用一顆或三顆DMD晶片則取決於成本、光源效率、功耗、重量和體積等多項因素。而採用一顆或三顆DMD晶片則需視其應用領域而定。

《圖四　第五金屬層M5上微鏡的SEM圖像》

首先先來討論單晶片DLP子系統。單晶片的DLP技術最主要運用在商用資料投影機、家庭娛樂投影機以及大螢幕背投電視上。它的原理是將燈泡發出的光線透過聚光鏡，聚焦在穿透性色輪（transmissive color wheel），然後再將通過色輪的光線透過第二組鏡片均勻聚焦在DMD元件表面。而隨著反射鏡旋轉狀態的不同（＋12度或－12度），光線可能會反射進入或是離開投影鏡頭的透光孔。單片面版的優點在於可縮小光學系統的體積，減輕重量，使廠商得以發展出攜帶方便又有彈性的投影機。

而在需要高亮度的會議室、禮堂、研討會及舞台，就必須以三顆DMD架構式的投影機，提供更高亮度的輸出。在具備三顆DMD元件的投影機中，稜鏡將燈泡發出的光線分成紅、綠、藍三種原色，將每種顏色分別導向適當的DMD元件，也就是說紅光、綠光和藍光各有一顆DMD元件負責執行光調變。3DMD提供的螢幕像素是三個微反射鏡輸出的組合/聚光結果，三個各自獨立的微反射鏡分別調變出紅光、綠光與藍光，進而提供範圍更寬廣的色彩再生能力。

德州儀器的DLP主要針對四類市場：背投電視、家用、商用以及電影院前投影儀器。本文所分析的DLP系統來自戴爾（Dell）的2300MP投影機，另外還附有DAD1000和DDP2000控制ASIC。

《圖五　第四金屬層M4微鏡下之金屬結構》

DLP中的MEMS部分實際上是S1076-7402 XGA數位微型反射鏡元件（DMD），這是一種對角尺寸為0.7吋的數位光開關，採用了1024×768鋁合金微鏡陣列，在5個電晶體SRAM驅動元件上製造。這些反射鏡分為48組，每組都有48行1024個微鏡單元。

驅動電路採用0.6μm CMOS製程製造，利用P－/P＋外延基座，然而此處過於微小而無法進行觀察。原始晶圓是由德州儀器或者DongbuAnam所製造，另外封裝則是在Amkor所進行。

該元件封裝在一個牢固的密封玻璃、金屬及陶瓷組裝件中，構造有些類似磚牆屋子的形狀，最後還有一個堅固的散熱片和內部吸氣條，如(圖一)所示。在玻璃裏面有一個長方形視窗使得光線只能通向微鏡陣列，另外在基座還有159個鍍金的接觸點。

(圖二)是從封裝中取出的裸晶照片，該元件使用了五個金屬層，三個用於CMOS電路，兩個用於MEMS上層部分。裸晶邊緣的紫色部分是第三金屬層（M3），上面覆蓋有一層薄的氧化物，經過調整使其儘量不反射光線，該層用於遮擋地址線路。圖二的照片是將多張圖像組合在一起而得到的拼接效果圖。

《圖六　微鏡電路連接到每個微鏡下面的SRAM單元轉換開關輸出端》

(圖三)顯示了微鏡陣列的一角，每個鏡12.7μm見方，間距為13.7μm。每個鏡中央的暗點是支撐點，連在下面扭動的轉動點上。(圖四)是第五金屬層（M5）上微鏡的SEM圖像，其中有兩個鏡被拿掉了，而圖中也可見到在取出微鏡的過程中所產生的一些碎片掉落在其他微鏡上。

仔細觀察第四金屬層（M4）微鏡下面的金屬，如(圖五)，可以發現扭動的轉動點呈對角排列，轉動點支撐每個像素的右上角和左下角，並從下面連到第三金屬層M3。第三金屬層的線從像素的左手和右手邊連接到相鄰像素上，使每行微鏡發生偏轉。微鏡位址電路在轉動點的任一邊，同樣連到第三金屬層上。

第四金屬層（M4轉動層）和第五金屬層（M5微鏡層）都是在氧化層上利用沉積製程完成，這在SEM圖片上並不明顯，但是陣列中的第三金屬層也覆蓋了同樣一層薄的氧化物作為週邊金屬，這種暗金屬可用來防止當微鏡關閉時偏光照射到螢幕上。據說這樣可將對比度從800：1提高到超過1500：1。

《圖七　DLP結構的截面圖》

微鏡電路連接到每個微鏡下面的SRAM單元轉換開關輸出端，如(圖六)。偏轉微鏡需要12V以上的電壓，所以SRAM單元裏7.5V CMOS電晶體是不夠的，為了解決這個問題，在微鏡偏置匯流排上施加了一個較大的偏置電壓（高達28V）。這個電壓加上微鏡位址電路偏壓，可以提供偏轉微鏡所需的靜電作用力。微鏡達到鎖定位置後，可用反向微鏡偏壓使其得到釋放。

微鏡的鎖存與解鎖透過二進位數位處理來完成，每個畫素的灰階等級則由微鏡的占空係數決定，微鏡鎖存到投影位置次數所占百分比越高，亮度就越大。微鏡的投影光路和黑暗光路角度傾斜相差12度。

在(圖七)中可以看到DLP結構的截面圖，上面顯示了三個常規CMOS金屬層，以及薄的（70nm）M4扭轉層和M5微鏡層。鋁合金微鏡經過最佳化處理，反射率約有90％，扭轉金屬是Al/Ti合金，應該具有很好的扭矩和可靠性能。M5微鏡層與轉動點金屬連接的一面明顯很薄，另外還可以看到M4扭轉層通孔深深蝕入到了第三金屬層M3中。

《圖八　微鏡/轉動接點TEM放大圖》

(圖八)是微鏡/轉動接點TEM放大圖，可以清楚地看見轉動點非常薄，但即使這樣德州儀器仍聲稱其具有很高的可靠性。可以看出德州儀器在這幾年裏對其結構進行了簡化，從圖中的晶片顯示微鏡直接連在轉動點，而德州儀器公佈的資料顯示微鏡是連在一個連接套上，再連到一對轉動點，如(圖九)。這種簡化極有可能使得傾斜角從10度升高到12度，進而提高了光學效率。

顯然，DMD是MEMS技術一項非常有意義的應用，其數位驅動系統開關轉換速度比起其他例如LCD顯示技術都要高上好幾個等級，同時光學效率、對比度以及可靠性都要優於PDP和LCD顯示技術。因此，DLP技術在顯示器市場中的佔有率能逐年提高也自有其道理。德州儀器目前在投影機市場擁有近50％的佔有率，未來隨著技術能力的改進與提升，這個數字也必將隨之增加。

（作者為Chipworks資深技術分析師；本文原文曾刊載於MICRO magazine）

《圖九　微鏡之連接套連結一對轉動點示意圖》

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