CN112543884A - 固体浸没式透镜单元、半导体检查装置 - Google Patents

固体浸没式透镜单元、半导体检查装置 Download PDF

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Abstract

本发明的固体浸没式透镜单元具备：固体浸没式透镜，其具有用于抵接于由硅基板构成的半导体器件的抵接面、及配置为与物镜相向的球面，且使具有200nm以上1100nm以下范围内的至少一部分的波长的光透射；固持件，其保持固体浸没式透镜；及光学元件，其以位于物镜与固体浸没式透镜之间的方式通过固持件保持，并修正因硅基板与固体浸没式透镜之间的折射率差所引起的像差。

Description

固体浸没式透镜单元、半导体检查装置
技术领域
本公开的一形态涉及固体浸没式透镜单元及半导体检查装置。
背景技术
作为半导体器件的观察技术，已知有使用固体浸没式透镜(SIL：Solid ImmersionLens)，自形成有器件(集成电路等)的表面的相反侧的表面观察内部构造的技术(例如参照专利文献1)。通过使固体浸没式透镜的抵接面密接于半导体器件的表面而实现消散耦合(evanescent coupling)，能够以高分辨率观察内部构造。
现有技术文献
专利文献
[专利文献1]日本专利特开2009-3133号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
在上述观察技术中，半导体器件由硅基板构成的情形，必须使用透射硅的1200nm以上的波长的光，但为了提高分辨率，较佳使用更短的波长的光。另外，在观察半导体器件的情形，同时谋求鲜明度。
本公开的一方面的目的在于，提供一种可实现高分辨率且鲜明的观察的固体浸没式透镜单元、及具备此种固体浸没式透镜单元的半导体检查装置。
解决问题的技术手段
本公开的一方面的固体浸没式透镜单元具备：固体浸没式透镜，其具有用以抵接于由硅基板构成的半导体器件的抵接面、及配置为与物镜相向的球面，且使具有200nm以上1100nm以下范围内的至少一部分的波长的光透射；固持件，其保持固体浸没式透镜；及光学元件，其以位于物镜与固体浸没式透镜之间的方式通过固持件保持，并修正因硅基板与固体浸没式透镜之间的折射率差引起的像差。
在该固体浸没式透镜单元中，固体浸没式透镜使具有200nm以上1100nm以下范围内的至少一部分的波长的光透射。由此，观察中可使用比硅的透射波长区域更短的波长的光，且可实现高分辨率的观察。另一方面，在使用此种固体浸没式透镜的情形时，有因硅基板与固体浸没式透镜之间的折射率差产生像差的担忧。对于该点，在该固体浸没式透镜单元中，通过以位于物镜与固体浸没式透镜之间的方式利用固持件保持的光学元件修正该像差。由此，利用固体浸没式透镜单元，可实现高分辨率且鲜明的观察。另，在硅基板形成得足够薄的情形时，200nm以上1100nm以下的波长范围的光也透射硅基板。
固体浸没式透镜也可由GaAs、GaP、SiC或金刚石构成。此时，可将固体浸没式透镜的透射波长区域设得比硅的透射波长区域短。
固持件也可具有相对于物镜装卸自由的安装部。该情形时，可容易地更换固体浸没式透镜单元。
光学元件也可由玻璃构成。该情形时，可较佳地修正因硅基板与固体浸没式透镜之间的折射率差引起的像差。
光学元件也可为凹凸透镜。该情形时，可更佳地修正因硅基板与固体浸没式透镜之间的折射率差引起的像差。
本公开的一形态的半导体检查装置具备：载台，其载置半导体器件；物镜，其以与载台上的半导体器件相向的方式配置；上述固体浸没式透镜单元，其在物镜与半导体器件之间保持固体浸没式透镜；及光检测器，其经由固体浸没式透镜及物镜检测来自半导体器件的光。在该半导体检查装置中，可通过上述理由实现高分辨率且鲜明的观察。
多个固体浸没式透镜单元也可以对应于不同的观察深度的方式构成。该情形时，可根据观察深度选择固体浸没式透镜单元，且可实现与硅基板的厚度相应的观察。
[发明的效果]
根据本公开，可提供一种能够实现高分辨率且鲜明的观察的固体浸没式透镜单元、及具备此种固体浸没式透镜单元的半导体检查装置。
附图说明
图1为实施方式的半导体检查装置的构成图。
图2为固体浸没式透镜单元的剖视图。
图3为固体浸没式透镜单元的部分剖视图。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边对本公开的一实施方式进行详细说明。另，在以下的说明中，对相同或相当的要件使用相同符号并省略重复的说明。
[半导体检查装置的构成]
图1所示的半导体检查装置100为取得半导体器件S的图像并检查半导体器件S的内部信息的装置。半导体器件S例如通过于硅基板嵌入多个元件而形成。即，半导体器件S由硅基板构成。半导体器件S为例如个别半导体元件(分立)、光电元件、传感器/致动器、逻辑LSI(Large Scale Integration：大规模集成电路)、内存元件、或线性IC(IntegratedCircuit：集成电路)等、或这些的混合器件等。个别半导体元件包含二极管、功率晶体管等。逻辑LSI通过MOS(Metal-Oxide-Semiconductor：金属氧化物半导体)构造的晶体管、双极构造的晶体管等构成。半导体器件S也可为包含半导体器件的封装、复合基板等。
作为检查对象的内部信息包含关于半导体器件S的电路图案的信息、关于来自半导体器件S的微弱发光(因半导体器件S的缺陷引起的发光、伴随半导体器件S内的晶体管的开关动作的瞬间发光等)的信息、关于因半导体器件的缺陷引起的发热的信息等。如图2所示，半导体器件S也可为例如以露出表面Sa的方式通过树脂M塑模的塑模型半导体器件。表面Sa为半导体器件S中形成有器件(集成电路等)的表面的相反侧的表面。
如图1所示，半导体检查装置100具备观察部110、控制部120、解析部130、及显示设备140。观察部110进行半导体器件S的观察。控制部120控制观察部110的动作。解析部130进行半导体器件S的检查所需的处理、指示等。显示设备140与解析部130电连接，显示通过解析部130取得或解析的图像、数据等。显示设备140为例如显示器。
观察部110具有载台111、光学系统112、二维相机(光检测器)113、移动机构114、及LSM(Laser Scanning Microscope：激光扫描显微镜)单元115。在载台111，以表面Sa朝向光学系统112侧的状态载置半导体器件S。移动机构114使光学系统112、二维相机113及LSM单元115移动。
光学系统112具有多个物镜150、相机用光学系统112a、及LSM单元用光学系统112b。多个物镜150的倍率彼此不同。将自多个物镜150选出的一个物镜150，配置为与载置于载台111的半导体器件S的表面Sa相向。
如图1所示，相机用光学系统112a将来自半导体器件S的光导入二维相机113。二维相机113检测通过相机用光学系统112a导入的光(通过光学系统112的光)。二维相机113可输出用于作成半导体器件S的电路图案等的图像的图像数据。在二维相机113，例如搭载有CCD(Charge Couple Device：电荷耦合装置)区域影像传感器、CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)区域影像传感器等。二维相机113例如也可为InGaAs相机、InSb相机、MCT相机等。
LSM单元用光学系统112b将自LSM单元115出射的激光导入半导体器件S，且将半导体器件S所反射的激光导入LSM单元115。LSM单元用光学系统112b具有检流镜(galvano-mirror)、多面镜、MEMS(Micro Electro-Mechanical System：微机电系统)镜等光扫描部，对半导体器件S扫描激光。
LSM单元115出射由光源产生的激光，且以光检测器115a检测半导体器件S所反射的激光。光源例如也可产生照射半导体器件S的CW(Continuous Wave：连续波)光或脉冲光。光源所产生的光除激光那样的相干光外，也可为非相干(非相干)的光。作为输出相干光的光源，可使用固体激光源、半导体激光源等。作为输出非相干光的光源，可使用SLD(SuperLuminescent Diode：超光二极管)、ASE(Amplified Spontaneous Emission：放大自发放射)、LED(Light Emitting Diode：发光二极管)等。
光检测器115a例如为雪崩光二极管、光电二极管、光电子倍增管、超导单一光子检测器等。光检测器115a所检测的激光的强度反映半导体器件S的电路图案。因此，光检测器115a可输出用以作成半导体器件S的电路图案等的图像的图像数据。
控制部120具有相机控制器121、LSM控制器122、及外围控制器123。相机控制器121与二维相机113电连接。LSM控制器122与LSM单元115电连接。相机控制器121及LSM控制器122通过分别控制二维相机113及LSM单元115的动作，而对执行半导体器件S的观察(图像的取得)、设定半导体器件S的观察条件等加以控制。
外围控制器123与移动机构114电连接。外围控制器123通过控制移动机构114的动作，而进行光学系统112、二维相机113及LSM单元115的移动、对位等。
解析部130具有图像解析部131、及指示部132。解析部130例如通过包含处理器(CPU：Central Processing Unit：中央处理单元)、记录媒体即RAM(Random AccessMemory：随机存取内存)及ROM(Read-Only Memory：只读存储器)的计算机而构成。解析部130与相机控制器121、LSM控制器122、及外围控制器123的各者电连接。图像解析部131基于自相机控制器121及LSM控制器122的各者输出的图像数据作成图像，并执行解析处理等。
指示部132参照操作者的输入内容、图像解析部131的解析内容等，对控制部120，进行观察部110中的半导体器件S的检查的执行相关的指示。在解析部130，电连接有操作部(未图示)。用户操作操作部而操作半导体检查装置100。操作部例如为鼠标、键盘等。操作部例如也可为内置于显示设备140的触控面板。
[固体浸没式透镜单元的构成]
光学系统112除上述物镜150等外，进而具有固体浸没式透镜单元1。如图2所示，固体浸没式透镜单元1具备固体浸没式透镜2、固持件3、及光学元件4。以下说明中，在载置于载台111的半导体器件S的表面Sa与物镜150相向的状态下，将相对于半导体器件S，物镜150所在的侧设为上侧，将相对于物镜150，半导体器件S所在的侧设为下侧。
如图3所示，固体浸没式透镜2具有抵接面2a、球面2b、锥形面2c、及周面2d。抵接面2a为平坦面，抵接于半导体器件S的表面Sa。球面2b为朝向上侧凸起的半球形状的面，与物镜150相向。锥形面2c为朝向上侧变广的圆锥台形状的面，自抵接面2a的外缘朝上侧延伸。周面2d为圆柱形状的面，连接于球面2b的外缘与锥形面2c的外缘。包含锥形面2c的虚设圆锥的顶点与固体浸没式透镜2的球心C(球面2b的曲率中心)一致，在抵接面2a的下侧位于光轴L上。球心C与固体浸没式透镜2的焦点一致。
固体浸没式透镜2例如包含GaAs、GaP、SiC、金刚石等与硅不同的材料。在固体浸没式透镜2由GaAs构成的情形时，使900nm以上2μm以下程度的范围的光透射。在固体浸没式透镜2包含GaP的情形时，使550nm以上2μm以下程度的范围的光透射。在固体浸没式透镜2由SiC构成的情形时，使400nm以上2μm以下程度的范围的光透射。在固体浸没式透镜2由金刚石构成的情形时，使200nm以上2μm以下程度的范围的光透射。即，在固体浸没式透镜2包含GaAs、GaP及金刚石的任一者的情形时，也使具有200nm以上1100nm以下的范围的至少一部分的波长的光透射。
如图2及图3所示，固体浸没式透镜2以位于物镜150与半导体器件S之间的方式通过固持件3保持。固持件3具有侧壁部31、底壁部32、及安装部33。固持件3通过非磁性材料(例如铝、铝合金、非磁性不锈钢等)形成为盖状。侧壁部31形成为筒形状。底壁部32以封塞侧壁部31的下侧开口的方式与侧壁部31一体形成。
如图3所示，在底壁部32，形成有配置固体浸没式透镜2的开口32a。开口32a配置于光轴L上，在上侧及下侧开口。开口32a的内表面包含划定上缘的第1面32b、及划定下缘的第2面32c。开口32a的上缘及下缘分别形成为以光轴L为中心的圆形状，上缘划定的圆的半径较下缘划定的圆的半径小。在第1面32b与第2面32c之间形成有台阶差部32d。
固体浸没式透镜2以抵接面2a及锥形面2c自开口32a的下缘朝下侧突出，且球面2b的一部分自开口32a的上缘朝上侧突出的方式，配置于开口32a。固体浸没式透镜2例如通过周面2d接合于开口32a的第2面32c而固定于固持件3。在该固定状态下，台阶差部32d抵接于球面2b。
光学元件4例如为由玻璃构成的凹凸透镜。光学元件4具有第1表面4a、及第1表面4a的相反侧的第2表面4b。第1表面4a朝向第2表面4b侧弯曲成凹状。第2表面4b朝向第1表面4a的相反侧弯曲成凸状。即，光学元件4具有彼此相对的凹面及凸面。光学元件4例如在自第1表面4a及第2表面4b相对的方向观察时，形成为圆形状。
光学元件4以位于物镜150与固体浸没式透镜2之间的方式，通过固持件3保持。更具体而言，在固持件3设置有用以保持光学元件4的保持部34，光学元件4保持于保持部34。保持部34例如通过以包围开口32a的方式延伸的台阶差部而构成。光学元件4例如通过接合于构成台阶差部的表面34a及表面34b而固定于固持件3。在该固定状态下，自平行于光轴L的方向观察时，光学元件4的中心位于光轴L上。另外，光学元件4的第1表面4a隔开特定间隔与固体浸没式透镜2的球面2b相对，且沿固体浸没式透镜2的球面2b延伸。
光学元件4为了修正因固体浸没式透镜2、与构成半导体器件S的硅基板之间的折射率差引起的像差而配置。光学元件4的材质、形状及配置例如以实质性消除该像差的方式而决定。
安装部33例如设置于侧壁部31的上端部。安装部33相对于物镜150的镜筒151的下端部151a装卸自由地构成。由此，固持件3相对于物镜150而装卸自由。安装部33只要相对于物镜150装卸自由即可，可为任意构成。例如，也可以螺钉插通形成于安装部33的螺孔，且使该螺钉螺合于物镜150的镜筒151。或可在安装部33配置磁铁，通过该磁铁的磁力，将安装部33安装于物镜150。
[半导体检查装置中的图像取得方法的一例]
半导体检查装置100中，使用未安装固体浸没式透镜单元1的物镜150，实施半导体器件S的观察部分的确定。该观察部分的特定通过指示部132对外围控制器123的指示、及外围控制器123对移动机构114的驱动的控制而实施。
继而，切换成安装有固体浸没式透镜1的物镜150，使固体浸没式透镜2的抵接面2a(参照图3)密接于半导体器件S的表面Sa。该固体浸没式透镜2的抵接面2a的密接通过指示部132对外围控制器123的指示、及外围控制器123对移动机构114的驱动的控制而实施。
继而，实施安装有固体浸没式透镜单元1的物镜150的调焦。该物镜150的调焦通过指示部132对外围控制器123的指示、及外围控制器123对移动机构114的驱动的控制而实施。
继而，实施半导体器件S的观察部分的观察。该观察部分的观察通过指示部132对相机控制器121及LSM控制器122的各者的指示、以及二维相机113及LSM单元115的各者的动作的控制而实施。观察时，来自半导体器件S的光经由固体浸没式透镜2、光学元件4及物镜150，由二维相机113检测。半导体检查装置100例如可应用于EOP(Electro OpticalProbing：电光探测)、EOFM(Electro Optical Frequency Mapping：电光频率映射)等解析技术。在这些解析技术中，基于来自驱动中的逻辑器件的光的强度调变，进行该器件的故障解析。
[作用及效果]
如上说明，在固体浸没式透镜单元1中，固体浸没式透镜2使具有200nm以上1100nm以下范围内的至少一部分的波长的光透射。由此，观察中可使用比硅的透射波长区域短的波长的光，且可实现高分辨率的观察。另一方面，在使用此种固体浸没式透镜2的情形时，有因固体浸没式透镜2、与构成半导体器件S的硅基板之间的折射率差产生像差的担忧。对于该点，在固体浸没式透镜单元1中，通过以位于物镜150与固体浸没式透镜2之间的方式利用固持件3保持的光学元件4修正该像差。由此，利用固体浸没式透镜单元1，可实现高分辨率且鲜明的观察。另，在上述的例中，构成半导体器件S的硅基板以可透射200nm以上1100nm以下的波长范围的光的方式形成得足够薄。
在具备固体浸没式透镜单元1的半导体检查装置100中，因通过光学元件4修正像差，故不必将用以修正像差的修正环设置于物镜150，可削减零件个数。另外，根据固体浸没式透镜单元1，与通过修正环修正像差的情形相比，可提高观察的精度。即，修正环一般沿平行于光轴L的方向可滑动地构成。该情形时，因滑动机构无法避免垂直于光轴L的方向的间隙的形成，故有在修正环的位置产生该间隙量的偏差的担忧。与此相对，在具备固体浸没式透镜单元1的半导体检查装置100中，因不必将修正环设置于物镜150，故可提高观察的精度。
在固体浸没式透镜单元1中，固体浸没式透镜2由GaAs、GaP、SiC或金刚石构成。由此，可将固体浸没式透镜2的透射波长区域设得比硅的透射波长区域短。
在固体浸没式透镜单元1中，固持件3具有相对于物镜150装卸自由的安装部33。由此，可容易地更换固体浸没式透镜单元1。
在固体浸没式透镜单元1中，光学元件4包含玻璃。由此，可较佳地修正因固体浸没式透镜2与硅基板之间的折射率差引起的像差。
在固体浸没式透镜单元1中，光学元件4为凹凸透镜(meniscus lens)。由此，可更佳地修正因固体浸没式透镜2与硅基板之间的折射率差引起的像差。
[变化例]
以上，虽对本公开的一实施方式进行了说明，但本公开并未限定于上述实施方式。例如，对于各构成的材料及形状，并未限定于上述材料及形状，可采用各种材料及形状。
光学元件4只要可修正因固体浸没式透镜2、与构成半导体器件S的硅基板之间的折射率差引起的像差即可，材料及形状未限定于上述的例。光学元件4也可通过多个元件而构成。构成光学元件4的凹面及凸面也可包含球面状的表面，又可包含如构成施密特(Schmidt)板的表面那样的非球面状的表面。
在物镜150，也可安装有用以修正像差的修正环、及用以调整修正环的马达。该情形时，通过使该马达驱动而调整修正环，可使物镜150的焦点确实地对准观察的位置。
半导体检查装置100也可具备多个固体浸没式透镜单元1。多个固体浸没式透镜单元1分别以对应于不同的观察深度的方式构成。观察深度意指自半导体器件S中的表面Sa至要观察的位置的距离(硅基板的厚度)。在各固体浸没式透镜单元1中，例如以所要的观察深度处无实质性像差的方式，决定固体浸没式透镜2及光学元件4的材质、形状及配置。例如，在观察时，自这些固体浸没式透镜单元1中选择的任一个固体浸没式透镜单元1安装于物镜150。根据此种半导体检查装置100，可根据观察深度选择固体浸没式透镜单元1，且可实现与硅基板的厚度相应的观察。另外，为了可容易地选择适当的固体浸没式透镜单元1，也可在固持件3的表面记载有对应的观察深度。在多个固体浸没式透镜单元1中，固持件3的形状也可彼此不同。该情形时，能够以回避固持件3与半导体器件S的周边的零件的干涉的方式选择固体浸没式透镜单元1。
在上述实施方式中，固体浸没式透镜2固定于固持件3，但固体浸没式透镜2也可通过固持件3可摇动地保持。例如，固持件3具有较固体浸没式透镜2更大的收纳空间，也可在该收纳空间内收纳有固体浸没式透镜2。该情形时，使固体浸没式透镜2的抵接面2a抵接并密接于半导体器件S的表面Sa时，因收纳空间内固体浸没式透镜2摇动且抵接面2a跟随表面Sa而密接，故可实现固体浸没式透镜2与半导体器件S的良好的密接。固体浸没式透镜2的抵接面2a未必为平坦面，也可为例如凸面。
符号说明
1 固体浸没式透镜单元
2 固体浸没式透镜
2a 抵接面
2b 球面
3 固持件
33 安装部
4 光学元件
100 半导体检查装置
111 载台
113 二维相机(光检测器)
150 物镜
S 半导体器件。

Claims (7)

1.一种固体浸没式透镜单元，其具备：
固体浸没式透镜，其具有用于抵接于由硅基板构成的半导体器件的抵接面、及配置为与物镜相向的球面，并使具有200nm以上1100nm以下范围内的至少一部分的波长的光透射；
固持件，其保持所述固体浸没式透镜；及
光学元件，其以位于所述物镜与所述固体浸没式透镜之间的方式通过所述固持件保持，并修正因所述硅基板与所述固体浸没式透镜之间的折射率差所引起的像差。
2.如权利要求1所述的固体浸没式透镜单元，其中，
所述固体浸没式透镜由GaAs、GaP、SiC或金刚石构成。
3.如权利要求1或2所述的固体浸没式透镜单元，其中，
所述固持件具有相对于所述物镜装卸自由的安装部。
4.如权利要求1至3中任一项所述的固体浸没式透镜单元，其中，
所述光学元件由玻璃构成。
5.如权利要求1至4中任一项所述的固体浸没式透镜单元，其中，
所述光学元件为凹凸透镜。
6.一种半导体检查装置，其具备：
载台，其载置所述半导体器件；
物镜，其以与所述载台上的所述半导体器件相向的方式配置；
权利要求1至5中任一项所述的固体浸没式透镜单元，其在所述物镜与所述半导体器件之间保持所述固体浸没式透镜；及
光检测器，其经由所述固体浸没式透镜及所述物镜，检测来自所述半导体器件的光。
7.如权利要求6所述的半导体检查装置，其中，
包含多个所述固体浸没式透镜单元，
所述多个固体浸没式透镜单元分别以对应于不同的观察深度的方式构成。
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