太空梭的復飛路程

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。

窗外的風景飛逝，火車快速前行。座位上 21 歲的荷蘭女子，突然恐慌發作（panic attack）。5、6 歲時，多次被兄姊鎖在衣櫃裡的恐懼，由這一刻起廣泛延伸：不僅深怕受困車廂和電梯，開車要有人陪，連單獨出門也擔心迷路。^[1]

23 歲那年，她接受理性情緒行為治療（rational emotive behaviour therapy，縮寫REBT），從認知、情緒和行為等層面，改變不合理的想法，可惜成效不彰。^{[1, 2]}後來結了婚，38 歲時孩子出生，她的病情卻惡化，無法專心育養。50 歲的時候，她又嘗試配合眼動脫敏再處理（eye movement desensitisation and reprocessing，簡稱 EMDR）的心理治療。^[1]雖然深入挖掘創傷的根源，但規律的眼球左右運動，沒有減低她的焦慮。^{[1, 3]}

治療目標

2017 年，跟丈夫還有 2 個小孩同住，並擔任市政府公務員的荷蘭女子，已經 53 歲。這次她改採藝術治療。事前的量表與各項評估，顯示女子難以調節情緒，並罹患恐慌症（panic disorder）、廣場恐懼症（agoraphobia）和幽閉恐懼症（claustrophobia）。^[1]另外，她還有疑病症（hypochondria）會過度煩惱健康的症狀，但未達診斷標準。這些全都是焦慮症（anxiety disorder）的子分類。^{[1, 4]}

為了避免先入為主，藝術治療師沒被告知病況細節。不過，女子有跟她說自己焦慮、緊張和疑病。療程長達 6 個月，中間扣掉暑假，每週 1 小時，總共 14 次，期間外加量表評估。第 1 次療程的前半個鐘頭，治療師先跟女子溝通，瞭解其病史、症狀和家庭等資訊；剩下的時間，則提供水彩畫的材料與工具，讓她自由發揮，作為診斷的根據。然而，沒有規則可循的創作，令女子缺乏安全感；於是改為她熟悉且偏好，又能刺激觸覺的捏陶。^[1]

廣場恐懼症及幽閉恐懼症，都是將外界視為痛苦的來源。治療師認為女子嚴謹的繪畫筆法，呈現出焦慮者高度警覺的心理狀態，但可以靠訓練改善。她為女子設定的治療目標，如下：^[1]

1. 提升內在放鬆的程度。^[1]
2. 解除高度的控制和警覺。^[1]
3. 促進對外界的客觀洞察。^[1]
4. 增強與外界的正向互動。^[1]

針對第一項，治療師計劃用簡單的捏陶，促成放鬆的效果；第二、三個目標，要透過較難上手的炭筆畫，破壞精確掌握的慣性，並探索光影細微的漸層變化，挑戰患者容易以偏概全的判斷；最後的階段，則以能刺激視、觸覺的粉彩為媒材，從指尖塗抹的色彩，回歸繽紛的日常。療程中，治療師很少因解釋打斷體驗，主要扮演支持與鼓勵的角色，傾聽個案的想法及感受。^[1]

治療過程

以下是 14 次療程的內容摘要：^[1]

• 第 1 次：問診、自由發揮的水彩畫，以及做陶土球。（細節如前述。）^[1]
• 第 2 次：先重複上次的捏陶，再將陶土球改成別的形狀，但不能偷看，僅仰賴觸覺，最後用炭筆素描該成品（圖 2）。^[1]
• 第 3 次：用炭筆描繪上回陶土作品外圍的空間（圖2），也就是在熟悉的事物前，面對新挑戰。接著是抽象畫練習，用線條連結隨機分佈的黑色方塊，再以漸層填滿空白（圖3）。治療師與女子討論暑假想在家畫什麼。^[1]
• 第 4 次：提前執行雙方同意的提案之一：報紙人物照片的炭筆素描。照片上下顛倒，所以得格外用心觀察。完成後，轉過來對照，女子驚訝竟十分相似（圖4）。^[1]

暑假期間，女子在家練習炭筆素描的光影，以及用粉彩仿畫印象派作品。下面是學期開始後，繼續的療程摘要：^[1]

• 第 5 次：把畫紙底部塗黑，再將碳粉向上推出漸層，迎向光芒。希望營造安全、舒適的感受。^[1]
• 第 6 次：女子安靜地把上次的作品完成（圖 5）。治療師不確定她在想什麼，但感覺其情緒平穩，該是時候進入下個階段了。^[1]
• 第 7 次：女子應要求，帶來自己 5、6 歲時的照片。治療師請她先把畫紙全部塗黑，再用橡皮擦拭出層次。試圖將她的注意力，從負面情緒和記憶，轉移到學習技法上，讓與童年之間的連結產生其他可能。過程中，她全神貫注。^[1]
• 第 8 次：女子忘了帶照片來完成上次的作品，所以畫了些隨機的黑點，練習漸層（圖 6）。^[1]
• 第 9 次：總算完成那張童年自畫像。（原文未附圖。）雖然沒有直接觸及創傷記憶，但是女子談到勇氣的重要性。^[1]

在第 10 次的療程開頭，治療師口頭描述光線照進一座山洞，同時提供一些參考照片，請女子用炭筆與粉彩，分別畫山洞裡的黑暗及外面的色彩。由此至第 13 次療程，逐漸減少山洞內部在畫面上的比重，並迫近洞口，擴大對洞外的描繪，直到剩下繽紛的外在世界（圖7）。在最終的第 14 次療程，治療師邀請女子一起回顧這段時間的畫作。女子表示，這些練習對她很有幫助。^[1]

人智學藝術治療

這名荷蘭女子經歷的人智學藝術治療（anthroposophic art therapy），不以排除症狀為優先，反而視個案為整體，並著重於問題背後的肇因。比方說，對付焦慮不能只處理情緒，而要改善過度思考。治療師運用色彩、形狀與氛圍，著手於潛意識的體驗。儘管病症尚未完全消除，此案女子自評的焦慮、疑病和緊張程度，都因此明顯降低。療程結束 4 個月後受訪，她說兒時的照片喚起孤獨感，然而「繪圖能拉開跟童年之間的距離…你看著它，畫它」。總歸而言，作畫時思緒暫停，「宛如冥想，幫助放鬆」。^[1]

參考資料

1. Abbing AC, Baars EW, Van Haastrecht O, et al. (2019) ‘Acceptance of Anxiety through Art Therapy: A Case Report Exploring How Anthroposophic Art Therapy Addresses Emotion Regulation and Executive Functioning’. Case Reports in Psychiatry, 4875381.
2. American Psychological Association. ‘Rational emotive behavior therapy (REBT)’. APA Dictionary of Psychology. (Accessed on 27 MAY 2023)
3. ‘Eye Movement Desensitization and Reprocessing (EMDR) Therapy’. (31 JUL 2017) American Psychological Association.
4. ‘Hypochondria’. (FEB 2021) Healthdirect Australia.

「假裝成真」：行為會改變你的性格

多數改善自信的課程，是以下面的概念為基礎：自信低落是因為看待自己的方式有問題。所以他們鼓勵受測者把焦點放在過去做得很好的事情上，或想像自己變得更堅定、更有自信。相反的，「裝假成真」原理則認為，改變行為的效果更快，也更有效。

在早期的一項研究中，研究人員找來一群受測者，假裝請他們測試新開發的塑膠眼鏡對人的感知力有沒有影響。受測者分成兩組，研究人員要求兩組做一樣的智商測驗和性格測驗，其中一半是以正常的方式完成測試，另一半則是戴上平光鏡片的眼鏡做測試。

由於我們常把眼鏡和智慧聯想在一起，研究人員預測，光是戴上眼鏡，就會讓人突然覺得更有自信、更聰明。結果的確如此，儘管兩組的智力測驗成績差不多，但是戴眼鏡的受測者覺得自己比較穩定、能幹、有學問。

另外，姿勢也會產生影響。哥倫比亞大學的研究人員戴娜． 卡尼（Dana Carney）知道，自信的人通常自我感覺良好，比較願意冒險，體內睪固酮（攸關控制力的化學物質）的濃度較高， 皮質醇（攸關壓力的化學物質）的濃度較低。

改變姿勢使你變得更有自信

卡尼想知道，讓一些人表現出強勢的樣子會發生什麼事？為了找出答案，卡尼和同事找來一群受測者，告訴他們是來幫忙評估新的心臟追蹤系統， 並把他們分成兩組。

其中一組受測者擺出下面的強勢姿態（見下圖）。有些人是坐在桌邊，把腳翹到桌面上，把頭抬高，手臂交叉放在後腦杓； 另一些人是站在桌邊，身子前傾，手掌撐在桌面上。

另一組受測者則擺出不強勢的姿勢（見下頁圖）。有些人坐著，腳平放在地上，雙手放在大腿上，眼睛看著地面。另一些人是雙臂交叉，雙腳也交叉。

受測者擺出上述姿勢一分鐘後，研究人員請他們評估自己感覺有多「強大」。那姿勢對他們的自信產生了很大的影響。擺出強勢姿態的人覺得自己比較強大，但效果不只這樣而已。

接著，研究人員請受測者做冒險測試，給他們兩美元，告訴他們可以把錢留著，或拋硬幣賭博。如果拋硬幣時受測者贏了， 他可以得到加倍的錢（亦即四美元）；萬一輸了，就空手而歸。結果跟「強勢姿態讓人更願意冒險」的假設相符，剛剛擺出強勢姿態的人中，有80%決定賭博，另一組願意賭博的人只有60%。

在實驗的最後階段，研究人員把注意力轉向受測者血管中流動的化學物質。他們叫受測者擺出姿勢之前和之後，分別把唾液吐到試管中。研究人員分析唾液後，發現剛剛擺出強勢姿態的受測者，睪固酮濃度上升了，皮質醇濃度降低了。總之，表現出強勢的樣子僅短短一分鐘，就改變了他們體內的化學成分。

如果你沒時間擺出強勢姿態，握緊拳頭也可以。心理學家湯瑪斯．舒伯特（Thomas Schubert）請一群人評估自己的自信度， 接著以玩剪刀石頭布為由，請受測者握拳幾秒鐘，之後再評估自信度。結果受測者的行為影響了他們的大腦，剛剛握拳片刻讓他們的信心大增了。

——本文摘自《怪咖心理學之鍛鍊正能量思維，用科學方法讓好事成真》，2023 年 4 月，漫遊者文化出版，未經同意請勿轉載。