CN1592854A - 时间解析非入侵式诊断系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种以无探针非侵入性方式来侦测集成电路元件的电子信号的系统。本系统包含一照射源、聚光装置、摄像光学装置及光子感应器。在导引模式中，光源被启动，摄像光学装置用于辨识晶片上的目标区并适当定位聚光装置。聚光装置适当予以定位后，光源即关闭，光子感应器则用来侦测晶片所放射的光子。遑论侦测特征(SIL)所用的冷却(主动元件测量功能)及高等光学装置。

Description

时间解析非入侵式诊断系统
技术领域
本发明是关于电路时序信息的原位电晶体层级测量系统，其中电路时序信息与电子作用半导体集成电路的电晶体切换事件(逻辑变换)之间有直接关联。
背景技术
在习知技术中，已知有多种机制能使半导体元件产生放射光。此种放射光的侦测已被用来检查半导体元件。例如，绝缘器内的累增崩溃(avalanche breakdown)会产生放射光，而此种放射光的侦测能指出元件失效的位置。类似的侦测方法可用来测定元件的静电放电特性。在电子模拟(活化)电晶体中，当元件汲取(draw)电流时，经过加速的载子(电子和空穴(hole))-a.k.a.热载子—会发出光。各种放射显微镜已用于侦测元件中电子流超过预期程度的位置，因而借此可判定出半导体元件的失效位置。某些热电子放射显微镜已在习知技术中揭露。例如，美国专利第4,680,635号、第4,811,090号及第5,475,316号即有描述此类放射显微镜。
对电晶体(互补式金氧半导体(CMOS))元件而言，电流「脉冲」直接与造成元件状态(逻辑)改变的电压变换一致(即时及特性)。本发明主要是解决电性活化半导体电晶体元件所放射的时间性热电子放射，用以研究元件对电流的行为及响应，以及电流脉冲彼此之间的时间关系。在设计集成电路(IC)元件及侦错过程中，这些时间特性以及变换(脉冲)本身的侦测非常重要。针对此项技术主题的先前相关著作已出版，并以下列论文为代表：
G.S.Buller等人的″All-Solid-State Microscope-Based System forPicosecond Time-Resolved Photoluminescence Measurements on II-VIsemiconductors″，Rev.Sci.Instrum.pp.2994，63，(5)，(1992)；
G.S.Buller等人的″Time-Resolved Photoluminescence Measurements inInGaAs/InP Multiple-Quantum-Well Structures at 1.3-m Wavelengths by Useof Germanium Single-Photon Avalanche Photodiodes″，Applied Optics，Vol35 No.6，(1996)；
Khurana等人的″Analysis of Product Hot Electron Problems by GatedEmission Microscope″，IEEE/IRPS(1986)；
H.Kume等人的″Ultrafast Microchannel Plate Photomultiplier″，Appl.Optics，Vol 27，No.6，15(1988)；以及
S.Charboneau等人的″Two-Dimensional Time-Resolved Imaging with100-ps Resolution Using a Resistive Anode Photomultiplier Tube″，Rev.Sci.Instrum.63(11)，(1992)。
值得注意的是，Khurana等人证明光致发光(photoluminescence)热载子发射在时间及特性上与电流脉冲一致，因而形成电晶体的电压切换；因此，除失效分析(元件汲取超过其设计电流的「热点」位置)的外，Khurana等人教示此现象亦可用于取得电路时序信息(切换)，并用于IC元件的电路设计及侦错。另请参酌授予Kash等人的美国专利第5,940,545号；该项专利揭露一种执行此研究的系统。
由上述引用的研究工作可知，半导体元件的放射光非常微弱。故此，目前已提出各种光学侦测方案来提高收集放射光的效率并降低杂信，亦即提高收集的精确度、频宽以及收集和侦测系统的速度。举例来说，利用商场上可购得的低杂信微通道光电倍增器(MCP)，可将收集到的光放大数个数量级。此外，与超高速光电电路(即时间-振幅转换器(TAC))耦合的崩溃(avalanche)光电二极体(APD)可为微弱放射现象提供高时间解析度。
以收集光学设计的观点而言，不同的应用场合已尝试用各种方式来提高来自于整体光学系统的显微样本的光的对焦/成像和收集成效。特别是增加显微镜物镜的数值孔径(NA＝n*sinθ；n为介质折射率，θ为聚焦光束的半圆锥角)。长期以来我们皆知，同时增加圆锥角与折射率n，使其匹配样本的折射率，并避免空气(n＝1)与样本的界面折射率不相配，即能提高数值孔径(NA)。一种用来提高″n″值的传统方法是将其折射率与物体折射率相配的油体填入经过适当像差校正的物镜与样本之间的空气间隙。当无法取得合适的相配流体以达到折射率匹配时，可利用其它方法，例如将固态浸没透镜(solid immersion lens)放置在物体与物镜之间。当然，我们可利用上述两种技术，即使用浸没透镜与折射率相配流体。例如，上述技术的运用已揭露于美国专利第3,524,694号、第3,711,186号，以及第3,912,378号。关于浸没透镜的更新论述，可参阅美国专利第4,634,234号、第5,004,307号、第5,208,648号、第5,282,088号，以及Solid ImmersionMicroscopy(固态浸没显微镜学)，S.M.Mansfueld，G.L.Report No.4949，Stanford University 1992。就固态透镜而言，习知的透镜为平凸透镜(即半球体)。换言的，底面(即面对物体的面)为平坦面，顶面(即面对物镜的面)则为凸面。
覆晶(flipchip)封装型元件为本发明所特别关注的半导体元件。在覆晶封装型元件中，IC元件与封装载体之间的直接黏合即无需将IC「晶片」打线接合于载体。此外，透过基板可以很容易趋近电晶体，因而不会被多层金属互连线「遮蔽」。由于覆晶封装元件的建构、实作及结构是属习知技术，在此将不详述其细节。关于覆晶的信息，可参阅例如http：//www.flipchip.com及http：//world.std.com/～hycomp/flippage.html。
本发明另关注近来由背面(即从基材面)检查此类元件的研究；IC电晶体的主动层可以很容易从元件背面趋近。使用习知动态(时序)检测方法(例如电子束(电压对比))来侦测覆晶封装型元件的其中一项问题在于：多层金属互连线无法方便趋近并遮蔽时序信息与错误隔离很重要的关键节点。因此，为了将金属线显露于电子束探测器，我们必须采用聚焦离子束(FIB)来「钻入」基板并露出关键金属层节点，或者预先设计供测试及侦测结构的开口。前者非常耗时，而且为一种破坏性方法；后者则会浪费宝贵的「占地面积」，而且在许多情况下，其并非代表电路设计者感兴趣的特征。因此，目前已采用光学技术穿过基板(背面)来侦测元件。必须注意的是，任何一种IC均可重新封装为覆晶/直接接合。此外，大部分必须进行多次时序测量及侦错的高等次0.18微米(及以下)是为覆晶封装元件，因而使其成为背面光学检测。读者请参阅1998年国际测试会议(ITC‘98)报告(October18-22，1998，Washington，DC，IEEE Catalog No.RS00191)当中的三篇论文：
Mario Paniccia、Travis Eiles、V.R.M.Rao及Wai Mun Yee的″NovelOptical Probing Technique for Flip Chip Packaged Microprocessors″。
Dave Vallett、Leendert Huisman及Phil Nigh的″Diagnosis andCharacterization of Timing-Related Defects by Time-Dependent LightEmission″。
W.Mertin、A.Leyk、U.Behnke及V.Wittpahl的″Contactless GigahertzTesting″。
其它相关论文包括H.K.Heinrich的″Picosecond Noninvasive OpticalDetection of Internal Electrical Signals in Flip-Chip-Mounted SiliconIntegrated Circuits″(IBM J.Res.Develop.Vol 34，No.2/3 1990)。
美国专利第5,208,648号、第5,220,403号和第5,940,545号已描述透过硅基板从背面成像覆晶的系统。
然而，尽管在此技术领域中已有许多研究工作，但仍无从购得借由热电子放射的时间解析测量进行元件侦错的可靠系统。业界所面临的问题包括：
●在保持侦测信号精确度(即频宽及解析度)的前提下，维持快速且可靠的撷取速度。
●在低(或零)电容元件(亦即以硅绝缘层替代一般的硅基板)上进行测量的能力。
●高空间解析成像及导引，以达所关注的0.2次微米元件的节点位置。
●在测试(电子化模拟)时进行元件的冷却和功率负载管理，且不以其散热器进行操作而能趋近该元件。
发明内容
本发明提供一种利用热电子光放射的时间解析测量而具产业可靠性的集成电路(IC)元件侦错整合系统，其能提供高空间解析度成像及高时间解析度侦测。此外，本系统能达成待测元件(DUT)的冷却及温度控制。再者，本系统能利用IC电脑辅助设计(CAD)布局达到导引及成像的目的。本发明的系统特别适用于测试及侦错有操作电流通过其中的功能性半导体集成电路。
在本发明的一形态中，其提供一种用于测试集成电路晶片的整合系统。待测晶片耦合于自动测试机(ATE)，该测试机供给该元件并以程式化逻辑向量及信号激励该元件，用以模拟晶片的操作(功能性与测试)状态。本发明的系统至少包含：一控制器，用于接收来自ATE的同步信号；一光学成像系统，用以选择性地使晶片的选定元件成像；一收集系统，用于控制来自该晶片的光放射，并提供该光放射的时间解析信号特征；一光学机械导引系统，用于该光学成像系统与该收集系统相对于该等选定元件的定向；以及一热管理系统，用于使该晶片冷却至该控制器所设定的温度。
在本发明的另一形态中，一种新颖的系统至少包含：一x-y-z镜台，其用于将光学装置移动至待测元件上关注的位置，同时对焦并使关注的元件成像。导引是依照IC的CAD布局加以执行。机械式遮光器是用于调整界定光学装置的视场内的成像区域。在导引及目标撷取期间，元件被照射并以影像增强器成像，用以提供高空间解析度。当待测元件已被撷取(即被放置在成像区域内)时，照射源被关闭并以测试信号激励该元件。在激励期间，热电子光放射由光学装置收集并在光纤上成像。
为提供时间解析度，放射侦测与测试信号(即自动测试机(ATE))同步。由光纤收集的光是由崩溃光电二极体(APD)予以侦测；APD耦合于崩溃抑制电路、一时间对振幅转换器(TAC)，以及一多频道分析器。APD可选择加以闸极限制，使其侦测状态正好呈现于依照来自ATE的同步信号预期光放射之前。如此能减少杂信并增加APD的寿命。
本发明的系统其中一项优点在于DUT的主动温度控制。在侦错IC时，其中一项重要问题为各种元件在不同操作温度下的特性。此类研究可针对操作温度变化所引发的性能及可靠性问题，并且为元件设计者提供高度温度相关的关键元件接面操作条件。本发明的系统能在各种温度控制下进行DUT测试。温度控制分别为腔室的内部及DUT提供，并与光学成像/侦测系统整合在一起。根据一实施例，利用其内具有冷却流体的冷却区块可达成DUT的冷却。根据另一实施例，DUT的冷却是利用液态微喷雾冷却技术。
根据本发明的一特点，浸没透镜是用来增加光收集效率和成像解析度。在一实施例中，折射率相配的浸没透镜为双凸透镜，并在放射侦测期间压在DUT上，以确保直接(无空气间隙)接触DUT。
另可提供自动对焦以提升系统的稳定性。根据一实施例，自动对焦为一种被动系统——即不包含照射源，并利用反馈回路使光放射的收集速率达最佳化。
附图说明
在此参照本发明的特定实施例来说明本发明，并以图式举例加以说明。然而应了解的是：图式所描绘的各式实施例仅为举例说明，其并非用以限定所附权利要求所界定的发明。
第1A图与第1B图为概要图，其描绘本发明的测试及侦错系统实施例的主要元件。
第1C图描绘本发明的另一测试及侦错系统实施例的主要元件。
第2A图描绘冷却板实施例的上视图，第2B图则为沿着第2A图的A-A线段的剖面图。
第3图描绘本发明的浸没透镜实施例。
第4图描绘另一本发明的系统实施例，该系统使用激光扫瞄显微镜来成像。
第5图举例说明用在适当目标位置上定位浸没透镜的「拣取及放置」系统实施例。
第6图描绘本发明的另一实施例。
第7图至第9图举例说明本发明的实施例的各式结构。
第10图描绘本发明的显微镜物镜/待测元件(DUT)失效保护系统的实施例。
第11图描绘本发明的微喷雾冷却实施例。
第12图描绘本发明的另一实施例。
第13图描绘本发明的微喷雾冷却实施例，其中采用双透镜。
第14图举例说明本发明的高速时间解析放射侦测架构的实施例
具体实施方式
本发明提供一种测试系统，特别适用于增加时间时序；逻辑错误定位及其它微晶片测试，特别是透过基板从背面进行测试(例如覆晶封装元件)。因此，以下以覆晶为例进行说明。然而，应了解的是，本发明不限定于覆晶测试。举例而言，可采用顶面封装元件，并将其「翻转」成晶片尺寸封装(CSP)，或设计适当开口以确保放射光通过顶面。真正需要的是能收集来自晶片内所关注的元件的放射光。
第1A图与第1B图为概要图，其描绘本发明的测试及侦错系统实施例的主要元件。此种系统连接可购得的自动测试机105(ATE)。ATE概括包含一控制器—例如预程式化电脑181，以及一测试头124，该测试头包含一转接器125，其以习知方式将控制器181所产生的信号传送到待测元件(DUT)110(第1B图)。确切而言，ATE是产生用来激励DUT的信号，以执行由晶片设计者所设计的各项工作，并检查及/或对晶片进行侦错。控制器181所产生的各种信号会经由转接器125传送到DUT。转接器125可如习知方式包含一空间电压器、一DUT负载板，以及一DUT插槽。
在第1A图与第1B图所描绘的实施例中，ATE测试头放置在振动绝缘测试台115上；罩上整体光学装置的腔室100、成像和感应系统，以及X-Y-Z镜台175均位于下方。如此能提供极大优点，因为其容许系统配合任何形式及尺寸的ATE共同运作而不会产生干扰，亦毋须修改腔室100内的任何零件。此外，ATE是用来从上方放置DUT，因此由开口185即能看见光学装置120。镜台175能将集光装置放置在开口185内的任何位置。虽然本实施例使用X-Y-Z镜台，但显然别种镜台同样适用于将光学装置配置在开口185内的指定位置。
第1A图与第1B图所示系统的各种元件将参照其操作模式加以说明。概括而言，系统的操作模式有二：导引模式及侦测模式。在说明当中，述及「导引模式」时当包括导引、目标撷取及成像。因此，在此将会交替运用此等用语。在导引模式中，照射源130用来照射待测元件(DUT)。照射源130发出红外(IR)光，例如使用IR激光或光电二极体，或钨-卤素灯。光透过显微镜物镜聚焦，而后从DUT及分光器160反射。摄像器145可为任何一种能在红外线范围内成像的二维侦测器，例如增强器摄像管或InGaAs阵列。IR摄像管可从例如Hamamatsu(http：//usa.hamamatsu.com)购得。此例中，我们关注的元件是在硅上制作。众所周知，波长短于IR者会被硅吸收。因此，在此例中，照射与成像均在IR范围内完成。当然，若关注的元件制造于不同基板上——例如SOI或GaAs，则可使用波长不同的照射及成像。
分光器面镜165是用来使部分收集到的光偏向到对焦系统140。整体成像系统可选择连接到Z致动器190以用于自动对焦。然而以下会更详细举例说明自动对焦系统。
切换式面镜135必须能够选择性地调整导引与侦测模式之间的光学路径。为达此目的，面镜135可机械式地移动或转动，或者其可由主动元件制成，且此主动元件能依照选定的模式改变反射率，使得例如在某一模式为完全反射，而在另一种模式为完全穿透。对转动实施方式而言，基板可制成为一半具穿透性，而另一半具反射性。此种基板可搭配旋转机构，并可依需要将其介入穿透部分的反射光学路径。
此外，机械式孔径170连同视野镜195配置于集光装置120的成像板处。应注意的是：在此实施例中，集光装置120的入射光孔由视野镜195成像于摄像器145内侦测器的对焦元件的入射面上。在某一实施例(未在此描绘)中，集光装置的入射光孔是由对焦元件成像于光纤上，且该光纤将收集到的光子耦合进入摄像器145内的侦测器。本发明的一特点在于照射路径通过机械化孔径170(其定位在集光装置的成像面)，因此其开口界定出样本或待测元件的视场。此孔径亦界定出样本成像于摄像器145上的部分。换言之，取决于要执行的特定测试，可选择待测元件供放射的任何区段。利用CAD软体(例如Cadence)所储存关于晶片设计与布局的信息，并且使用导引软体(例如可自Knights Technology(www.electroglass.com)购得的Merlin′s Framework)，可选择特定元件用于放射测试，并将集光装置的视场内的其它元件的成像及放射加以隔离。当用户选定某一元件或位置时，系统会启动镜台175，以使集光装置对准被选定的元件或位置。另一方面，只要关注的区域位在集光装置的视场范围内，即能「选择性地」将关注的孔径区域隔离并进行成像及侦测。然后，孔径170可予以调整，以适当地增加或减少所需特定测试的视场。
当适当的视场已被设定并获得影像时，面镜135会转动而建立(开启)朝向IR感应侦测器150的光学路径。此外，光源130会被关闭或在测试期间被隔离。当然，应了解的是，腔室100能避免任何的外部光源接近包含于其内的任何光学系统、摄像器及感应器。
如以下的说明，在其它实施例中(光纤将光耦合进入侦测器)，「侦测区」是由光纤核心区形成；该光纤核心区是借助场透镜及集光装置而由侦测器成像于待测元件。此「侦测区」的直径是由光纤大小所界定；放大倍率则由焦距、光波列的距离、集光装置、视野镜及光纤处的对焦光学系统界定。在此结构中，可利用集光装置所界定的视场上的X-Y致动器来移动光纤。此项特点让用户能够在机械式孔径所界定的既定区域内移动侦测区。
测试期间的光子感应是由侦测器150完成；举例而言，侦测器150可为红外线感应器，例如光电倍增管(PMT)、耦合于多频道板(MCP)的光电阴极管及崩溃光电二极体(APD)等。侦测器150的信号是由高速资料撷取电子装置155进行取样。以下将详细说明电子装置155。控制器180——如执行专用软体的一般用途电脑——是用于控制系统的各种元件，例如致动器、镜台及取样器。控制器180接收来自于ATE 105的同步信号。
本发明的一特点在于测试模式的对焦是利用DUT所放射的光来进行。更确切而言，控制器180执行在不同的Z位置上计算由侦测器150收集到的光子数。对应于最多光子数的Z位置即为聚焦位置。
第1C图描绘利用第1B图的一般结构实施例的本发明实施例，但其使用不同的光学系统及腔室100内部侦测器的配置。根据第1C图的实施例，在导引模式中，切换式面镜135′将来自于光源130′的光导引到DUT110′。从DUT反射的光通过四分之一波板162，并由极化器面镜160′转向至摄像器。当然，当能了解，四分之一波板162′及极化器面镜160′可由半面镜排列所取代；来自于光源130′的光可穿透半面镜排列，但会反射来自于DUT 110′的光。如第1B图所示实施例，具备视野镜195′的机械式孔径170′设于成像面，且在背面上被照射而界定出视场。此外，在本实施例中，摄像器145′所得到的影像是供对焦演算法140′运用。此为一项优点，因为如此一来，所有从DUT 110′反射的光均能被摄像器145′运用而形成影像。
在侦测模式中，面镜135′会转向而建立通往IR感应侦测器150′的光学路径。此外，最好能关闭光源130′。当能了解，当视场在导引模式期间由机械式孔径决定之后，其位置将在侦测模式中维持不变，用以同时界定侦测模式当中的视场。
以下将参照本发明的其它实施例进一步说明本发明系统的各式元件。本发明实施例的一特点在于提供整合型晶片冷却。换言之，为了能进行完整且准确的测试而同时能模拟最佳化操作环境(即视场状态)，本发明的各式实施例提供晶片的冷却及温度控制。如习知技术，当晶片安装在电脑设备时，诸如散热片及/或风扇等各式元件是用来散除晶片的热。有鉴于此，在本发明的实施例中，其提供各式手段以模拟此种散热元件，并提供完整且准确的测试。此外，本系统能执行DUT温度的主动控制，以便测试DUT在各种操作温度下的效能。
第2A图描绘冷却板210散热系统的第一实施例的上视图；第2B图则为沿着第2A图的A-A线段的剖面图。在第2B图中，DUT 260所包含的周边装置265仅为举例说明。应了解的是，本系统亦可应用于侦测不具周边装置的DUT。在较佳实施例中，冷却板210是由例如CVD等习知方法所制成的人造钻石。流体导管220设于冷却板的顶面，其有供冷却流体循环使用的入口250及出口240(泵浦及其它流体循环等配件均为习知而未予图示)。
冷却板210需要有一窗口用于DUT上的目标区的成像。虽然在大部分情况下，单一窗口(如第2B图所示)已足够，但周边装置265有时会限制冷却板210在DUT上方的定位和移动。因此，绘示的冷却板210实施例包含有一组窗口阵列235。有鉴于此，将会为DUT的各目标区选取适当的窗口，且集光装置120(第2B图中以虚线表示)在选取的窗口上使用x-y镜台175对齐排列。利用x-y致动器280可在覆晶上方移动冷却板，致使窗口与受测晶片的目标区对齐。在较佳实施例中，为了在测试期间能收集到最多的光子，冷却板210各窗口235内均放置有一浸没透镜。浸没透镜可为美国专利第5,004,307号、第5,208,648号及第5,282,088号所揭露的浸没透镜，或可为其它任何一种合适的浸没透镜。然而，绘示的实施例是使用新式双凸透镜。此种透镜详示于第3图，其为第2B图所示其中一窗口235的放大区。
值得注意的是，不像习知的浸没透镜具有平坦的底面，第3图所示浸没透镜有一凸底面385。凸底面的所以较有利是因为其让冷却板容易沿横向及垂直移动，因为其避免DUT所伴随的真空状态。此外，凸底面能让聚焦面较容易配置，亦即较容易在关注的位置上对准光轴。再者，当使用凸底面时，其能提供空隙而有助于聚集折射率过大的相配流体。
双凸面设计的另一项优点在于其能以最小的力将浸没透镜「压」入DUT，以避免浸没透镜与DUT之间存在空气间隙。习知的平面半球形无法避免空气间隙，且因按压需要更大的力而破坏DUT。
第3图所描绘的另一项特点为设于浸没透镜370的顶面中心的中央标记375。不论使用何种浸没透镜，均可设置此种标记。标记让集光装置120能在浸没透镜上方快速且准确地定位。换言之，当集光装置120从某一浸没透镜移至另一浸没透镜时，标记有助于快速撷取，以及使集光装置的物镜对准目标浸没透镜。
测试之前，集光装置必须放置在DUT的目标区上方。控制器165是用于移动冷却板，以使一窗口概略露出目标区及其邻近区域。本系统设在一般显微镜模式，亦即启动照射源130并置入面镜135，以提供从集光装置120至摄像器145和焦点140的光路径。摄像器145透过适当的冷却板窗口和集光装置而使DUT成像。显微镜模式的照射及成像可在亮场模式、暗场模式或两者当中完成。亮场与暗场照射及成像结构均为习知技术，在此不再详述。
使用取得的影像即可辨识出目标区的确切位置，且控制器165启动x-y镜台以适当地设置集光装置。此外，自动对焦装置140用来控制Z-致动器，使集光装置120的物镜聚焦在DUT的目标区。再者，在视场范围内所关注的区域是利用孔径170加以界定。
第4图描绘本发明的另一实施例。在第4图中，吾人使用共轭焦激光扫瞄显微镜(LSM)400进行导引及目标撷取。共轭焦扫瞄显微镜的相关信息可从下列取得：Generalizing the Confocal Microscope via HeterodyneInterferometry and Digital Filtering，P.C.D.Hobbs and G.S.Kino，Journalof Microscopy，Vol.130，Pt.3，1990，pp.245-264；以及美国专利第5,532,873号。可参阅Kino的著作而略过Hobbs。
当红外线激光二极体405已启动作为光源且面镜435已在定位而建立从激光二极体405至DUT的光路径(如实线影像所示)后，LSM 400即被接上进行操作。来自于激光405的光束是利用扫描器430进行扫瞄；扫描器430可为声光偏向器(acousto-optic deflector，AOD)或旋转式多面镜。激光二极体405被关闭且面镜435已在定位而建立从DUT至侦测器450的光路径(如虚线影像所示)后，即能卸下LSM 400并进行光致发光侦测。
除激光二极体405外，LSM 400概括包含有透镜系统410，其能聚集来自于二极体的光束，并将光束导引到极化器面镜425及四分之一波板415。然后光进入由物镜转台465所选定的其中一个物镜445。如本实施例所示，转台465承载三个可供选择的物镜445，各物镜有不同的放大倍率；无论如何，其可提供单一或多个物镜配置。从DUT反射的光随后被聚集，并藉由极化器面镜425导引至侦测器420(例如摄像管或InGaAs侦测器)。
物镜445有两项技术特点。像差修正环455用以补偿硅的厚度变化。当从晶片背面观察时，此项技术特点特别有利。另图示固态浸没透镜460。如前述实施例，固态浸没透镜可为双凸透镜。固态浸没透镜460可供作最后的目标成像，并提供有效率的放射聚集效果。此外，在本实施例中，「拣取及放置」系统是供作在适当目标位置上定位及放置浸没透镜460。
第5图例示一种拣取及放置系统实施例。确切而言，连接于外罩505的显微镜物镜具备可调式套管510，其能达成外罩505的气密连接。套管设置在浸没透镜560上方。阀门515连接空气泵浦，以便控制由浸没透镜、套管510及物镜外罩505所界定的腔室520内的压力。降低压力能让操作者利用真空力来选取透镜560。当透镜560放置在适当的目标位置时，此压力仍然能受到控制以进行对焦。此外，耦合物镜与浸没透镜之间的距离可加以控制，以便补偿由元件上层所造成的元件厚度及像差的变化量。再者，泵浦可提高腔室520内的压力，以确保透镜与晶片表面之间的良好表面接触，同时可避免形成空气间隙。本案发明人已发现：当双凸浸没透镜上的压力稍大于大气压力时，较薄的晶圆样本会使透镜「扭曲」，以致提高来自于晶圆的光聚集量，并避免(空气)间隙破坏SIL与样本之间的折射率相配(由表面不均匀性所造成)，因此能确保高数值孔径及良好的耦合。
第4图所示另一项与物镜系统有关的技术特点为主动元件耦合系统440。在此实施例中，其提供微喷雾冷却系统。以下将会参照第11图更详细说明微喷雾冷却系统。
进行放射侦测时，激光405被关闭，且面镜435切换到虚线影像所示位置。在此位置，由DUT放射并聚集的光被导向场透镜465，且视场是由位在成像面上的机械式孔径470所界定。场透镜465随后将影像投射在侦测器450上。ATE将所要的测试向量提供给DUT，同时也提供同步信号至系统控制器及侦测器电子装置。如此一来，当侦测到放射(事件)时，其相对于同步信号的相对「到达」时间会被记录，以便进行DUT效能的时序分析。
第6图描绘本发明的另一实施例。应注意的是，第6图所示实施例含有两个照射源。确切而言，两个交互照射源605和671供作导引、目标撷取及成像的用。在该模式中使用任一照射源，利用摄影器628经由双色面镜627(具适当涂层而能反射或穿透预设特定波长的面镜，亦即由CVI激光提供)成像。当使用光源605时(可为钨卤素灯或其它任何具近红外光光谱(波长1000nm至1700nm)的照射源)，本系统的设定使面镜625位在实线所示位置。另一方面，当使用光源671，或当系统处于放射侦测模式时，面镜625设定在虚线所示位置。
当使用光源671，或当系统处于放射侦测模式时，光纤690提供聚光装置685与机械式面镜695之间的光路径。当使用光源671进行导引时，面镜695定位于虚线所示位置。在此位置，来自于光源671的光由照射物镜672聚集，并经由光纤690传送而供照射DUT的用。更确切而言，光纤是经过透镜665及物镜645而成像于DUT上。若有需要，可利用机械式孔径670缩减此影像。DUT上的影像随后返回成像，并由面镜627反射而供摄影器628成像之用。第6图所示实施例的优点在于其能在视场范围内产生更佳的成像效果。此项功效是由以下步骤达成。首先，本系统使用光源605透过机械式孔径670照射DUT而成像。利用NavCad所提供的元件位置，镜台将物镜定位在元件所在位置的上方。当元件区已成像，且已利用机械式孔径670选取适当的视场时，本系统会切换到使用光源671来成像。在此架构中，光纤可在选定的视场范围内移动，而只撷取该选定场域部分的影像。一旦光纤准确定位在指定位置后，本系统会切换至进行放射侦测。孔径亦可关闭至探测(光纤)区域内的间隔。
在主动元件放射光侦测过程中，面镜695定位于实线所示位置，以便将聚集的光反射到聚集物镜696。到达聚集物镜696的放射光随后由侦测器698(位在微冷却器697内)加以侦测。微冷却器使冷却介质(例如氦或氮)在低流率下循环，其能达到控制侦测器的温度的目的，以确保在不降低效率的前提下达到最佳的杂信效能。低温有助于大幅降低侦测器698的杂信。
本发明另一项能降低杂信的技术特点如下。如参照第1图的实施例所述，系统控制器能接收来自于ATE的同步信号。因此，对各元件而言，系统控制器能「了解」何时会有放射事件。有鉴于此，系统控制器使放射侦测器保持关闭状态，直到预定会产生放射的时间为止。届临预定时间，放射侦测器会被开启一段预设时间。每当侦测器侦测到光子放射所引发的事件时，该事件的到达时间会被记录并储存。确切而言，根据某一实施例，计时器在测试开始进行时开始计时，其用来计量光子相对于来自ATE的同步信号的到达时间。根据另一实施例，其记录侦测器的开启时间点，而计时器即在该时间点开始计时。因此，光子的到达时间是相对于侦测器被开启的时间点加以观测。第7图至第9图举例说明本发明的实施例的各式操作模式。在第7图中，系统建置使用光源705来进行导引，且光源705被描绘为发光状态。另一方面，光源771描绘为关闭状态。机械式面镜725设于从光源705至物镜745的路径上。场透镜765和机械式孔径770设于成像面上，且从背面被照射。如此，视场大小即可利用孔径770加以选取。从DUT反射而来的光随后由双色面镜727传至摄影器728。一旦获得适当的影像，且关注的区域已在视场内被隔离，系统会重新设定成第8图所描绘的架构。
如第8图所示，光源805关闭，光源871则被开启。此外，机械式面镜825和895转移离开光路径。由于孔径870决定视场，视场范围内的部件可借着在视场内适当地移动光纤而摄影成像。在此情况下，光纤的定位可以只在选定的视场范围内的小区域形成影像。此影像由摄影器828录制成高空间解析度影像。然后，系统再度重新设定而形成第9图所描绘的架构。
在第9图中，两光源均被关闭。此外，面镜995切入光路径，用以反射朝向聚光装置996的光束。在此实施例中，摄影器928亦借着移出面镜927而从光路径移出。在此位置上，当DUT接受激励而产生元件放射时，放射出来的光由浸没透镜和物镜聚集，并经由光纤990导引到聚光装置996上，进而导引到侦测器998上。
第10图举例说明显微镜物镜损毁保护系统，此系统适用于上述任一实施例的任一物镜。如图所示，物镜1200具备绝缘环1210，且导电环1220固定于绝缘环1210的上。导电环受到例如3伏的电性偏压。弹性绝缘环1230设于导电环1220周围；导电挡板1240固定于弹性环1230。导电挡板1240接地，因此能避免处于激态的导电环1220所造成的DUT静电放电(ESD)。若物镜如箭号所示朝向DUT移动或侧边朝向DUT上的元件，则挡板将会压在充电的导电环上，即如虚线圆圈所示。当此情况发生时，导电环亦会接地而使其电位降至接地电位。电压计1250可侦测此种情况，而后再启动警报器1260。
第11图描绘本发明的微喷雾冷却实施例。确切而言，DUT 1115是以习知方式固定于测试机转接器1100。腔室1130压在测试机转接器1100上而用0形环1110形成密封。物镜1125配接于喷雾外罩1140，并以密封方式伸入腔室1130。然后，利用泵浦1160来降低空隙1135内的压力。如此做是为了降低空隙1135内部的沸点；亦即，空隙1135内部的沸点可借由改变空隙1135内部的压力加以控制。应了解的是，压力降低的程度可根据所使用的流体和需要的沸点等特性经过计算而得。
随后利用泵浦1165将冷却剂抽出并经过管道1145而被注入DUT上。应了解的是，此实施例具备特出优点。第一，由于冷却是由下方完成，因此过多的流体会从DUT流出。第二，由于使用SIL 1120，因此流体不会流到DUT被摄影的部件，使得喷雾冷却不会造成影像变形。此外，本实施例的喷雾冷却不像习知的喷雾冷却方式(垂直喷出)，其形成一角度足以承担成像工作。
当冷却流体喷在DUT 1115上时，其在空隙1135内蒸发。蒸汽随后凝结在腔室1130壁上，并经过通道1170排出而回到泵浦1165。流体再度喷在DUT上方的前可在热交换器1150内循环。在此实施例中，喷雾压力是依照DUT的温度加以控制而改变，因此可使DUT维持在所想要的温度。或者，喷雾可以脉动方式进行，且负荷循环的变化可使其维持在适当的冷却程度。
为了调换物镜，会停止喷雾并将剩余的液体排出。然后使用如阀门1175来终止下降的压力以调换物镜。应了解的是，由于不同物镜的大小与形状可能有所不同，因此各物镜可能仅适合其本身的外罩1140，或者需使用单一外罩1140的转接器。此外，应了解的是，管道1145可直接终止于喷出口，或特殊的喷头可固定在管道1145的末端。
使用此种系统，可改变DUT的温度来测试其在各种温度下的操作特性。举例而言，操作者可输入特定操作温度来测试DUT。DUT的实际温度是由设于DUT附近适当位置的元件(即热电偶)所侦测，或者取自嵌于DUT内部的适当元件，并以习知方式透过ATE读取。举例而言，温度二极体可内嵌于DUT，且其信号传送到ATE。习知处理方式以安全性为由，若DUT温度过高即关闭系统。然而，根据本发明的实施例，DUT的温度是从ATE送至控制器180。利用实际的DUT温度，控制器180可调整冷却率(例如液体压力、流率、空腔压力等)，以使DUT能在操作者所选定的温度下操作。若要控制冷却率，控制器180可调整冷却流体喷雾速率或改变腔室压力，以改变冷却液体的沸点。
为了得到最佳冷却效果，最好能避免由彼此交叉的不同喷头进行喷洒。有多种方式可达此效果。举例而言，各喷头可同时进行喷洒，使其喷雾不会彼此交叉。或者，挡板或障碍物(标示为1111的元件)可设置用来避免交叉喷雾。
第12图描绘本发明的另一实施例。第12图的实施例包含有一「激光指标」特征，其可指向吾人所关注的元件。在导引过程中，光源1250被启动、面镜1255转移到虚线位置，且半面镜1220a置入图中所示位置，用以照射DUT。从DUT反射的光随后通过半面镜1220a，并由摄像器1210摄影成像。获得DUT上关注区域的影像后，面镜1265转移到虚线位置，面镜1255则转移到实线位置。然后，启动激光源1260以形成一激光光束通过透镜1270并照射DUT。从DUT反射的激光光由摄像器1210摄影成像成为较小的「激光指标」影像。镜台随后被致动，直到「激光指标」指向关注的元件为止。完成之后，关闭激光源1260，面镜1265转移到实线位置，固态面镜1220b转移到先前由半面镜1220a所占据的光路径。在此位置，通往侦测器1280的光路径对准先前由「激光指标」所照射的相同元件，因此其可进行放射测试。
第13图描绘本发明的另一微喷雾冷却实施例，其中采用双透镜配置。为简洁起见，同中仅描绘两组透镜1324和1325，但可使用两组以上的透镜。如图所示，各物镜有其自身的微喷雾腔室。各腔室有其各自的抽取和冷却设备；然而，如第13图所示，各腔室的管道可使用适当的阀门连接共同的抽取及冷取设备。各腔室内的物镜均彼此确实登录，因此当使用某一物镜得到目标元件时，使用登录的控制器能轻易地移动镜台，以便将另一物镜定位在取得的目标元件上方。
第14图举例说明本发明的高速时间解析放射侦测架构的实施例。确切而言，ATE 1400产生触动信号1410并送至触动电路1420。触动电路1420能以选定的振幅(例如-2.5至+2.5伏)而在触动信号1410的上升缘或下降缘触动。当侦测到适当的触动状态时，触动电路1420产生高速「启始」信号1490，其定义撷取序列的启始点。触动电路1420亦提供一信号至延迟产生电路1430；延迟产生电路在将信号送至闸道(gating)电路1440的前等待一段由用户选定的时间。闸道电路1440是用于控制侦测器1450的开启和关闭。闸道电路1440开启侦测器1450时可侦测个别的光子。根据延迟产生电路1430所决定的用户选定时间，侦测器1450保持开启；然而，若撷取电路(ACQ)1460确定光子已被侦测器1450侦测到，则侦测器1450可主动关闭—即闸道关闭。确切而言，AQC 1460能监控侦测器1450的光子侦测，且若侦测到光子，AQC 1460会送出两信号：第一个信号Quench 1470指示闸道电路关闭侦测器1450，第二个信号则为高速「停止」信号1480，且此信号定义光子到达侦测器的时间。因此，若侦测器1450侦测到光子，Quench信号1470将会在延迟电路1430致使闸道电路1440关闭侦测器1450的前，先行指示闸道电路1440关闭侦测器1450。
「启始」信号1490和「停止」信号1480是供微微秒时序分析器(PTA)1500使用，其中PTA为商用测试仪器。PTA 1500包含有时间数位转换器(TDC)1510及多频道分析器(MCA)1520，其形成资料撷取序列期间的光子事件时间分布图。此分布图透过PTA电子介面传送到电脑180。
虽然本发明已参照其特定实施例加以说明，但本发明不限定于该等实施例。确切而言，熟习相关技术者当能实施各式变更及修饰而仍不脱离由权利要求所界定本发明的精神及范围。此外，以上所有习知技术参考资料在此均以引用方式并入。

Claims (25)

1.一种测试集成电路晶片的整合系统，该集成电路晶片接受激励以模拟操作状态，该系统至少包含：
一测试台，用于在其上放置该晶片；
一聚光装置；
一双凸固态浸没透镜；
一主要照射源，其透过该聚光装置而在导引模式中照射该晶片；
一摄像器，利用该晶片的反射光以及该双凸固态浸没透镜所聚集的光，用于摄取该晶片的影像；
一光子感应器，其在侦测模式中侦测由该晶片放射的光子，并产生对应电子信号；
一系统控制器，其接收该等电子信号及提供该等光子的时序信息；
其中该光源在该侦测模式停止照射该晶片。
2.如权利要求1所述的系统，其另包含一可移动式镜台，该镜台从下侧连接该测试台，且其中该聚光装置固定在该可移动式镜台。
3.如权利要求1所述的系统，其另包含一冷却机构。
4.如权利要求1所述的系统，其另包含一光学元件，其可操作选择从照射系统将光导引到该晶片，或者将该晶片所放射的光子导引到该光子感应器。
5.如权利要求1所述的系统，其中上述摄像器包含一摄像管摄影器。
6.如权利要求4所述的系统，其中上述光学元件包含一可切换面镜。
7.如权利要求1所述的系统，其中上述光子感应器包含一崩溃光电二极体。
8.如权利要求1所述的系统，其另包含一机械式孔径，位于该聚光装置的成像面。
9.如权利要求1所述的系统，其另包含一次要照射源，透过该聚光装置照射该晶片。
10.如权利要求9所述的系统，其另包含一光纤，在该聚光装置与至少一光子感应器(侦测器)与该次要照射源之间提供一光学路径。
11.如权利要求3所述的系统，其中上述冷却机构包含一微喷雾冷却系统。
12.如权利要求1所述的系统，其中上述控制器包含一闸道计时器以控制该光子感应器的开启和关闭。
13.如权利要求1所述的系统，其另包含一z-致动器，支援该聚光装置以协助该聚光装置的聚光作用。
14.如权利要求13所述的系统，其另包含一自动聚焦装置用以控制该z-致动器。
15.如权利要求14所述的系统，其中上述自动聚焦装置根据该光子侦测器所侦测的光子周期计数来判断聚焦条件。
16.一种测试集成电路晶片的整合系统，该晶片耦合一自动测试机(ATE)，该自动测试机送出激励信号至该晶片，用以模拟该晶片的操作状态，该系统至少包含：
一控制器，其接收来自于该ATE的同步信号；
一光学摄像系统，用以选择性地摄取该晶片选定元件的影像；
一聚光系统，用于聚集来自于该晶片的放射光，并提供一时间解析信号表示该放射光；
一导引系统，其相对于该等被选定的元件引导该光学摄像系统及该聚光系统；以及
一冷却系统，使该晶片冷却至该控制器所设定的温度。
17.如权利要求16所述的系统，其中上述光学摄像系统包含一机械式孔径，其能从该光学摄像系统所界定的视场范围内操作选择关注区域。
18.如权利要求17所述的系统，其中上述冷却系统包含一微喷雾冷却系统。
19.如权利要求18所述的系统，其中上述聚光系统包含一浸没透镜。
20.如权利要求19所述的系统，其中上述浸没透镜为一双凸浸没透镜。
21.如权利要求16所述的系统，其中上述聚光系统聚集该晶片所放射的光，并根据该放射光的周期性聚集而提供聚焦信号。
22.如权利要求21所述的系统，其中上述聚光系统包含一双凸浸没透镜。
23.如权利要求22所述的系统，其中上述冷却系统包含一微喷雾冷却系统。
24.如权利要求23所述的系统，其中上述光学摄像系统包含一照射源，该照射源与一光纤耦合，其能照射该晶片上选定的元件。
25.如权利要求24所述的系统，其中上述照射源提供红外线光谱范围内的光。
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