昆蟲的異想世界

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。

本系列以往藉由講解真實案件，來分享鑑識科學；這篇則摘要免費電玩的虛構情境，鼓勵讀者親自體驗辦案。2023 年 1 月的《國際法醫期刊》（International Journal of Legal Medicine），介紹了一款德國漢堡開放線上大學（Hamburg Open Online University）的遊戲，名叫「Adventure Legal Medicine」（非官方中譯：法醫歷險）。論文詳述開發過程與教學功能，還強調玩家不管有無醫學知識，皆能輕易上手。^[1]

＝＝＝＝＝＝＝＝＝微劇情，防雷線＝＝＝＝＝＝＝＝＝

（想避開遊戲情境簡介的讀者，請跳過圖片後的第一段，謝謝。）

情境設定

依照學習的領域，此遊戲有下列 5 個故事情境，可供選擇：

1. 估計死亡時間（time of death estimation）：有人死在公寓裡。玩家必須選取正確的驗屍工具，例如：直腸體溫計（rectal thermometer）或神經反射錘（reflex hammer），來推估死亡時間。^{[1, 2]}
2. 體外驗屍檢查（external post-mortem examination）：河岸上死者的某些身體部位，藏有非自然死亡的線索。^[1]像是顱骨和手肘擦傷等，都有待玩家一探究竟。^[2]
3. 鑑識人類學（forensic anthropology）：森林裡，散落著人類骨骸。觀察並測量骨頭，以推估年紀、性別和身高。將結果拿去跟失蹤人口的檔案比對，玩家或許就能找出死者的身份。^[1]
4. DNA親子鑑定（DNA analysis/paternity test）：不知從哪迸出 4 個人，想繼承情境 2 那名死者的巨額財產。^[1]玩家得從唾液樣本，分析他們的 DNA，判斷誰才是真有血親關係的子嗣。^{[1, 2]}
5. 解剖、酒精與藥物（autopsy/alcohol and drug influence）：玩家幫車禍死者體外驗屍；解剖以檢查器官；並進行毒物學分析。最後，判讀以上檢查所得的結果。^[1]

開發過程

這個遊戲是鑑識病理學家、鑑識人類學家、心理學家、醫科學生、遊戲工程師和插畫藝術家，共同合作的結晶。類似於商業開發的線上遊戲，產品正式釋出之前，得先找人來封閉測試。2 名分別為 25 和 49 歲的男性；以及 21、25 與 54 歲的 3 名女性，率先嘗試情境 1 和 2 的前期測試版。研發團隊根據他們的感想與建議，改進遊戲，並設計情境 3。接著，請 40 名醫學系的學生，操作情境 1 至 3 的測試版。另外，其他不同教育程度的學生，作為一般大眾的樣本，也受邀試玩。最終統合大家的評論後，團隊設計出情境 4 和 5 的遊戲。^[1]

嚴肅遊戲

德國研發團隊將產品定位成「嚴肅遊戲」（serious game），以教學而非娛樂為主要目的，而且在視覺上多採灰階，來保持中性。^[1]筆者試玩了一小部份，又觀賞攻略影片，覺得繪圖和音效雖不華麗，但頗為用心。由於遊戲全程都有電子版的課本唾手可得，玩家本身無須具備專業知識。每個階段結束後，還能透過小測驗，了解學習成效。對相關科系而言，也可用於輔助教學或自學。從 2020 年 1 月在 Google Play 上架以來，有數千人下載，並獲得平均 4.5 星的評價；可惜不曉得線上網頁版的使用人次。^[1]下面是此遊戲的基本資料、連結與攻略，歡迎讀者分享闖關心得。

Adventure Legal Medicine

• 名稱：Adventure Legal Medicine^[1]（英文別名：Forensic Medicine Adventure；德文名稱：Abenteuer Rechtsmedizin）^[2]
• 對象：醫學相關科系的學生及一般愛好者。^[1]
• 語言：英文和德文。^[1]英文版的故事敘述，用字不難；但基於辦案的情境，勢必會出現骨骼、基因等，鑑識科學常見的專有名詞。
• 行動裝置版：僅支援Android系統的平板電腦和手機；沒有 iOS 的版本。請點超連結下載，或上Google Play搜尋「Abenteuer Rechtsmedizin」。^[1]
• 線上網頁版：http://elearning.uke.de/HOOU/RechtsmedizinSeriousGame/ （完全載入後，可以按下方代表德文的「DE」，將語言改為英文「EN」。）^[1]

參考資料

1. Anders S, Steen A, Müller T, et al. (2023) ‘Adventure Legal Medicine: a free online serious game for supplementary use in undergraduate medical education’. International Journal of Legal Medicine, 137, 545–549.
2. SLY MobileGaming (15 JAN 2021) ‘Forensic Medicine Adventure Abenteuer Rechtsmedizin | Point and Click Game Walkthrough’. YouTube.

【閱覽提醒】

本文含有屍體照片，已拉燈處理，請小心閱讀~

多功能家具可以在有限的室內空間中，發揮最大效益。有些床舖底下設計了抽屜，同時兼顧使用者的睡眠與儲藏需求。如果遇上狹小到連抽屜都拉不開的臥房，掀床（ottoman storage beds^[1]）則是異曲同工，卻更有彈性的首選。其儲物區一樣在床板底下，打開的方式卻改成向上掀起，容易擺進擁擠的地方。^[2]

在義大利有一名 56 歲，高 150 公分，重 55 公斤的女性，個頭雖小，但擁有一張巨大的白色雙人掀床。她在床上堆滿衣服和毛毯，底下也放了雜物，可謂物盡其用。事發當時，她正打開床底的儲物空間。然而，之後當急救人員衝進她的臥室，把床板向上推開，從下面拖出來的不是任何私人物品，而是她的屍體。^[1]

更確切地說，他們所見的情形是這樣的：該女子趴著，上半身被夾在掀床的底板和儲藏區之間。急救人員把她移到一旁，想要開始搶救，卻發現為時已晚。於是，她就被留在床邊的地板上，頭部朝左側轉，如同翻肚的死蛙般，彎曲的手腳向外攤開。不久，鑑識團隊趕到現場，此時女子的體溫等同室溫。臉、胸和上腹等處有定型的紫色屍斑（livor mortis、hypostasis 或 lividity^[3]）；而下巴與四肢硬化，為屍僵（rigor mortis）現象。因此，他們認為當急救人員抵達，女子應該早就死亡超過 24 小時。^[1]

驗屍工作於三天後展開，根據報告：她的結膜充血；面部浮腫；下巴與脖子擦傷；口鼻流血；舌頭從牙齒間伸出；臉龐與雙手發紺（cyanosis），呈現青色。頸椎雖然沒有斷裂，但頸靜脈擴張，且軟組織滲血。此外，她的肺部，也鬱血和膨脹。^[1]

法醫認為，女子體內的血液循環與氧氣輸送，都嚴重受到影響。從病理生理學的角度來說，干擾氧氣輸送的機制，大致分為五種：^[1]

1. 環境中的氧氣遭其他氣體取代，因而濃度下降。
2. 從口鼻至肺泡，整個空氣流經的路徑中，任何一處受到阻礙。
3. 脖子的血管受到壓迫，導致腦部血流減少。
4. 細胞因氰化物中毒，無法運用氧氣新陳代謝。
5. 結合多種機制，例如：上吊有同時壓迫呼吸道，以及阻斷血流等效果。

這名女子的創傷性窒息（traumatic asphyxia），一方面是呼吸道遭阻斷，而無法輸送氧氣到肺部；另方面又是頸部血管受外力擠壓，以致腦部缺氧，所以應該歸類為上述的第五種。^[1]

全天下那麼多人睡掀床，憑什麼她這張會格外致命？首先，鑑識團隊注意到她的掀床，缺乏防止床板墜落的懸吊機關，^[1] 所以手必須一直撐著，才能保持開啟。這可能也是為什麼知名家具行的網頁會強調，不要使用過重的床墊，否則裝置無法安全且正常地運作。^[4] 再來，該床底儲藏空間的口緣，有一抹血跡，那大約是她被卡住的地方。這個位置離床頭，也就是開關床板的支點頗近，比較不方便施力。最後，如果房間或至少屋子裡還有其他人，她或許不會那麼晚才被發現。^[1]

「有鑑於此，我們相信掀床的儲物空間，最好保持清空；不然就是要於他人在場時，才能放置物品，雖然這不太實際。…我們更強調其安全系統，要定期接受合格的人員檢查及維修…儲存與拿取東西的時候，則應該站在槓桿支點的對面。」鑑識團隊以一種家具使用說明書的口吻，為這篇個案報告作結。^[1]

延伸閱讀

鑑識故事系列：嬰兒側睡，會猝死？

參考資料

1. Cinquetti A, Franchetti G, Fichera G, et al. (2022) ‘Entrapment within an ottoman storage bed: an unusual accidental asphyxial death’. Forensic Science, Medicine, and Pathology, 18, pp. 176–181.
2. Biggs C. (27 NOV 2019) ‘Small Bedroom Ideas: The Best Ways to Maximize Your Tiny Space’. The Wirecutter.
3. Wolfe J. (2011) ‘Easing Distress When Death Is Near’. In Wolfe J, Hinds P, Sourkes B, Textbook of Interdisciplinary Pediatric Palliative Care: Expert Consult Premium Edition – Enhanced Online Features and Print. (pp. 381)
4. 「KORTGARDEN：雙人掀床，kimstad淺乳白色」IKEA臺灣版官網（Accessed on 01 OCT 2022）