「我的相機會轉彎」：MIT創新發明讓你能夠窺視轉角

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。

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。

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。

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。

（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）。

（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。

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）。

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）。

（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。

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）。

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。

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。

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

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。

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。

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》。

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。

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。

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。

水這種物質看起來再平凡不過。人們每天洗澡、澆花、游泳、沖咖啡，無時無刻不跟水相處在一起。人體中還有地球表面上大部分都是水，事實上，它可是宇宙中第三多的分子。

不過，時至今日還是有許多頂尖的科學家在進行水的前沿研究。你以為他們領了政府與學校的研究經費，是為了探索未知的星系或癌症的解藥，但他們其實在研究無聊的水。這可不是因為他們是薪水小偷，而是水分子雖然十分常見，但它的許多獨特性質在科學上還未有定論。

三態間的未解之謎

你可能會覺得：「水的性質不是國中就都教過了嗎？」。不過就跟所有其他東西一樣，事情並沒有課本寫得這麼簡單。從固態的冰講起，就有十幾二十種結晶型態。就像石墨加壓會變成鑽石，普通冰塊在高壓下也會轉變成其他的結構。另外，關於過冷（低於冰點卻不結冰）這種奇怪的現象，至今也還沒有完全清楚的實驗和理論圖像。

結冰的過程已經這麼捉摸不定，蒸發更是如此。雖然我們知道衣服晾在外面會乾，但對於水蒸發的速率，卻沒有一個精準的描述。水的蒸發是源自分子碰撞時，某些分子被撞出液態的水，因此蒸發速率可以寫成分子碰撞的多寡乘上某個實驗常數。要決定這個實驗常數聽起來像是個簡單的高中科展題目，但以往的許多結果卻時常出現分歧，差距高達三個數量級（也就是一千倍）！

如果想用電腦進行理論模擬則會出現另一個問題，例如我們模擬 18 公克的水如何蒸發（喝水一口都比 18 克還要多），就必須同時計算 6 × 10²³ 個水分子的狀態，以目前的電腦運算力難以負擔。想要解決蒸發的難題，需要一些相當進階的實驗與理論方法，而這也是科學家目前正在努力的方向。

除了轉變至固態與汽態的過程之外，就連最普遍的液態水也有許多捉摸不定的型態。科學家在瞬間結冰的水中發現兩種結構，兩者密度高低不同。由於瞬間凝結的冰沒有時間排列成整齊的固態晶格，所以能夠保留原本液態時的分子排列模式。也就是說，原本的液態水也有分兩種結構。這種結構上的差異被認為與過冷機制密切相關，相關的實驗不久前也剛登上 Nature 期刊 ^[1]。

水分子間的量子效應

要對水的這些奇特性質建立更好的理解，得先了解水分子微觀上的交互作用。水分子是由一顆氧跟兩顆氫組成一個米奇形狀，其中氧帶較多負電，氫帶較多正電，所以相鄰的水分子會感受到來自鄰居的吸引力，也就是所謂的「氫鍵」。靠著分子間的氫鍵，水才能夠組成上面提到的各式結構。

不過，用來解釋氫鍵的質子與電子，都是量子力學適用的尺度，而氫原子的嬌小身材，讓其中牽涉到的量子效應變的特別顯著。有許多人認為，如果將量子效應納入水分子結構理論模型，或許就能解釋水展現出的諸多特性。近期，史丹佛直線加速器中心（SLAC）的實驗團隊首次對水分子氫鍵的振動進行直接觀測，從實驗上踏出了重要的一步。

發生在皮秒間的氫鍵震盪

這次實驗首先得射出一道比頭髮細一千倍的迷你水柱，作為探測的樣本。在這麼細的水柱中，每個截面可能只有幾萬個水分子。水柱中的分子間氫鍵被外加的雷射刺激並進行振動，實驗團隊接著便能用高能量的電子束作為「探測槍」，利用電子束散射的結果，分析水分子每個瞬間的分子結構。

這種觀測方法可以達到分子等級的解析度，而這次實驗直接聚焦在三顆水分子之間的拉動牽扯。受到雷射刺激時，氫原子會先將鄰近的氧原子拉近，再拉開距離，一切都在幾皮秒(10^-12 秒）內發生。針對氫鍵長度的這種收縮震盪，研究團隊進行了一系列的探索。

透過電腦模擬，他們發現氫鍵拉扯的幅度比較符合加入量子力學的模型，為水分子結構的量子效應提供初步的證據。

拉開水分子量子性質的研究大門

以往研究分子結構需要仰賴光譜學的間接轉換，而以皮秒為單位在進行震盪的微小氫鍵，在實驗觀測上是一大挑戰。這次的裝置首次對液態水的氫鍵距離震盪做出直接的測量，也為科學家開啟更多的機會，去檢驗氫鍵的量子性質對於水的結晶和蒸發等過程有什麼影響。

關於水，我們還有許多不知道的事。也因為如此，網路上常常能看到「小分子團水」，「能量水」等等的健康廣告，讓大家看得不知是真是假。隨著目前研究持續進行，或許很快就要有「量子水」上市了。

參考資料：

1. https://pansci.asia/archives/194118
2. Yang, J., Dettori, R., Nunes, J.P.F. et al. Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water. Nature 596, 531–535 (2021).
3. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210825113614.htm
4. https://nautil.us/issue/25/water/five-things-we-still-dont-know-about-water