CN1692627A - 使用具有室温光学系统的发射型显微镜的高灵敏度热辐射探测器 - Google Patents

Abstract

一种光发射型显微镜，包括通过室温投影光学系统(30)从检测中的器件(14)接收光的低温探测器阵列(16)。包括可移动冷却的光阑(32)以及低温滤光器的冷孔径吸收由该光学系统发出的不需要的热辐射。在一个实施例中，高分辨率CCD相机可以与低温探测器阵列(16)和具有计算机控制的反射镜的相机一起使用，所述计算机控制的反射镜向这两个相机提供发射光。

Description

使用具有室温光学系统的发射型显微镜的高灵敏度热辐射探测器

相关申请的交叉参考

本申请要求2002年4月4日提交的序列号为no.60/370,128的共同未决的临时申请，其内容包含在此作为参考。

发明背景

本发明通常涉及在半导体器件测试中使用的光发射型显微镜。

半导体芯片中的缺陷呈现出LED效应并发出波长为0.4μm～1.3μm的冷辐射。传统发射型显微镜检测从半导体芯片发出的波长范围为0.4μm～1.1μm的辐射，并已经用于查找半导体中的缺陷。

发明简述

本发明旨在将发射型显微镜的检测范围扩展到2.2μm范围。通过检测更长的波长，发射型显微镜能够检测从半导体芯片中发出的热。这显然需要使用对直至2.2μm波长敏感的探测器，以及使用能在该范围工作的透镜。然而，这样的发射型显微镜变得也对显微镜以及其它光学部件内发出的寄生热辐射敏感，并且这些寄生热信号大大降低了系统的灵敏度。现有的红外显微镜系统试图通过两种方式之一克服此问题。首先冷却光学部件以减少照射到探测器的寄生热辐射。或者加热芯片使其发出更多热辐射，这克服了光学系统内发出的寄生热信号。在任何一种情况下，所探测到的芯片温度将大大高于光学部件的温度。冷却光学系统是棘手的问题，这是由于其导致在光学部件上凝聚湿气并且形成雾，因此所有被冷却的部件必须放在密封的真空室里。这严重地制约能够使用的光学部件的种类并且限制了系统的可用性。加热半导体芯片并不方便，并且减慢了分析，这是因为必须构建特殊的固定设备以加热每种类型的芯片的缘故。加热芯片还会改变芯片或缺陷的特性，而这是应当避免的。

本发明主要针对的是显微镜的设计技术，该技术减少照射到热探测器元件上的寄生热辐射，并允许构造一种显微镜，其能够在室温下检测从芯片发出的热辐射，而不需要冷却大部分的光学部件。这允许在实际中使用任何复杂的光学配置，并且大大提高了能够进行的分析的质量。

附图说明

图1是发射型显微镜的示意图。

图2示出了具有被封入冷室中的光学管的发射性显微镜。

图3示出了具有室温光学系统的发射性显微镜的一个实施例。

图4是热通量相对于波长的曲线。

图5示出了图像对比度相对波长的关系。

图6是硅的光透射相对于波长和掺杂的曲线。

图7示出了冷却的发光相机和高分辨率CCD相机的结合。

具体实施方式

现在考虑最简单的显微镜系统，其具有显微镜物镜、普通光学管和冷却的探测器阵列，如图1所示，其中物镜10将由检测中的器件14发出的辐射12投影到探测器阵列上。在这种结构中，来自光学管20的壁18的热辐射也将照射到探测器阵列上，并将降低从处于检测的器件(DUT)芯片中所检测出的热的灵敏度。

图2示出了一种结构，其中相同的光学管20封入包含探测器阵列的冷室内。如果该管的壁在室温下100℃，从壁发出的热辐射将微不足道。为了以变化的放大率观察芯片，需要频繁地变化物镜。因此，使用透明窗口，并且透镜在该透明窗口前的真空室外，并且透明窗口的尺寸比需要的最大透镜稍大。然而，室温下的透镜仍会发出一些寄生热辐射，并且该寄生热辐射将照在探测器上并限制灵敏度。一个热源是透镜的光阑(stop)或有效光阑(aperture diaphragm)(用于限制透镜收集的能量的轴锥)。此外，从显微镜透镜箱的背面及其机械座架发出一定量的热。由于在冷室中增加照明器是不实际的，因此该结构不能有直通的透镜照明配置。因此，这种系统必须采用外部的离轴照明系统，这将产生较差的图像质量。

传统的发射型显微镜(非热的)使用巨透镜配置以在低放大率下观察半导体芯片。巨透镜配置包括两个大的背靠背的相机透镜，并且甚至在低放大率下提供高数值孔径(＞0.2)。相反，传统显微镜透镜在低放大率透镜下的数值孔径很小(0.05)。在非热发射型显微镜中，巨透镜配置和显微镜透镜之间的转换需要机动化的滑面以将巨透镜组件移进和将显微镜光学组件移出。这在密封的真空室内难以实现。如果使用大的巨透镜，透明窗开口需要加大，这使得当系统处于显微镜模式下时，进入大量的寄生热辐射。因此巨透镜的尺寸将受到显微镜透镜尺寸的制约，这将巨透镜的数值孔径限制为一个小的数。典型地，显微镜透镜的直径是30mm，大的巨透镜的直径可能是60mm或更大。因此，为了容纳大的60mm的巨透镜，将需要60mm直径的透明窗口，这意味着当在显微镜模式下使用时，将容许大量的寄生热辐射。

本发明避免了冷却的显微镜系统的所有约束。如图3所示，使用室温光学显微镜系统来投影被测试的器件14的中间图像。然后投影透镜系统30将此中间图像成像在低温探测器阵列16上。在投影透镜和该阵列之间插有冷却的光阑32，它是一个具有小圆开口的薄磁盘，该小圆开口充当有效光阑。该冷却的光阑在室温以下，通常由喷砂阳极氧化铝制成。在本发明的一个优选实施例中，该冷却的光阑位于冷却的相机组件的真空室34内。如果该冷却的光阑大大低于室温，其将吸收落在不透明部分上的所有入射的热辐射的90-95％。本发明使用它吸收不需要的寄生热辐射。如果该冷却的光阑位于某个具体的位置，其将几乎吸收由光学系统的壁、有效光阑和物镜箱发出的所有寄生热辐射，并且通过该冷却的光阑的开口并落在探测器阵列上的辐射才仅仅是由检测中的器件发出的辐射。

该冷却的光阑32的位置是关键的。该冷却的光阑要放在投影透镜形成物镜孔径的图像的平面上。在此位置，该冷却的光阑的性能是理想的。如果该冷却的光阑远离此位置，效果会大大减弱。具体的是图像将严重晕映(vignetted)，即图像强度远离图像的中心。原因是，在该冷却的光阑上将吸收来自测试中的器件(尤其是来自器件边缘)的大量热辐射。系统的灵敏度将受损。

在通常的基于显微镜或相机的系统中，系统的限制孔径将是物镜10的孔径。然而，本发明中冷却的光阑的孔径是限制孔径。在冷却的光阑中，孔径的尺寸是关键的。优选该孔径应当是系统的限制孔径，即其应当与物镜的孔径有相同尺寸或略小。在这种情况下，只有测试中的器件发出的辐射会照射到探测器上。物镜线的孔径将投影在冷却的光阑的表面上，该冷却的光阑的表面是在冷却的光阑的孔径周围，并且其所有辐射将被冷却的光阑吸收。来自显微镜的壁20的辐射将聚焦在冷却的光阑前的位置，该冷却的光阑将吸收此辐射的大部分。

在一个系统中，巨透镜和显微镜透镜所需的孔径大不相同。显微镜透镜的孔径对应于f16孔径。然而，巨透镜的孔径对应于f2孔径。本发明使用旋转轮将多个孔径安放在冷相机室内。

必须注意，中间图像和投影透镜系统是本发明正确工作的要素。例如，仅仅在图1的系统中增加冷却的光阑并不能令人满意地工作。所形成的图像将被严重地晕映，这是因为从芯片中心发出的信号将被冷却的光阑吸收。到达阵列边缘的信号大大减弱。从暖壁发出的辐射将被部分吸收而不是全部吸收。因此，没有投影透镜，系统的性能大大退化。

一旦在投影透镜和图像感应阵列之间安装冷却的光阑，大部分暖光学系统的性能限制就消失了。现在暖巨透镜配置变得实用，并且大相机透镜的大数值孔径并不会影响其性能。类似地，直通的透镜照明方案现在变得实用，这是因为使用冷光学系统，将照明器放入密封的冷却室中是不实际的。

我们发现使用热辐射谱的短波长也是理想的。传统上热图像和热探测使用的是长波长3-7μm。原因在于热辐射随长波长指数地增加，见图4。因此，更容易使用长波长来构建系统。然而，系统的空间分辨率受公知的极限R＝波长/N.A的限制，其中N.A是光学系统的数值孔径。

因此使用长波长明显地降低了系统的分辨率，并且随着芯片上特征尺寸的快速减小，更加需要减小显微镜的分辨率并且使用更短的波长。此外，波长越短，热对比(每度C的热通量的变化)也提高，见图5。使用短波长的另一个原因是因为需要观察来自硅芯片背部的热。现在的芯片在芯片前直至芯片有多层金属表面层，向外的热辐射被这些金属层俘获。如果从背部观察芯片，就能解决此问题，这是因为硅对1.1μm以上的波长是透明的。但是在长波长，硅开始吸收发出的热辐射，如图6所示，并且硅发出的寄生热发射开始增加。因此，在长波长，由缺陷产生的热信号被削弱，而来自硅的寄生热信号增加。因此，实际上理想的是使用尽可能短的波长。

理想的是使用阻挡长波长的滤光器。在前述的减小噪声以及信号检测中的创新大大提高了灵敏度。这允许我们使用比通常更短的波长。如图7所示，我们使用对从0.8μm-2.μm的辐射敏感的MERCAD(HgCdTe)阵列40作为传感器，并且使用冷滤光器42来阻挡不需要的波长作用在该阵列上。我们的实验表明低热通量情形(例如，在高于室温几度情况下的芯片缺陷)最好使用阻挡2.2μm以上的辐射的滤光器检测。然而，当芯片更热时，通过阻挡1.8μm以上的热辐射，热通量越多，我们获得的热对比度和温度分辨率越好。然而，室温的滤光器发出热，因此滤光器也必须被冷却，并且被放置在冷却的密封相机室44内。当芯片被加电时还能够发出从0.4μm至1.4μm的冷复合辐射。我们发现为了正确地将热缺陷与冷发射点区分开，必须阻挡短波长(＜1.5μm)。因此我们使用三种类型的滤光器：用于低流量热缺陷的1.6-2.2μm带通滤光器，用于高流量热缺陷的1.6-1.8μm带通滤光器，以及用于冷发射缺陷的1.5μm低通滤光器。这些滤光器安放在旋转圆形轮上。在本发明的第一实施例中，这些冷滤光器和不同的孔径安装在同一个轮子上，但是在接下来的实施例中我们计划使用分开的孔径轮和滤光器轮。

除了形成热图像之外，还需要形成芯片的高分辨的反射光图像(照明图像)。对使用CCD相机的高分辨反射图像的需要，有助于参考具有芯片表面上特性的热图像。这通过热图像与反射光图像的计算机叠印来实现。反射光图像的分辨率需要最大化。这通过使用尽可能短的波长形成反射光图像来实现。HgCdTe阵列40对0.8μm-2.5μm的波长敏感。因此，我们使用类似标准钨灯丝的宽带光源来照射芯片，并使用滤光器除去长波长。另一个优化反射光图像质量的方法是使用直通透镜的照明，而非在红外热成像仪中标准的侧向照明方案。直通透镜的照明在实验室显微镜中是标准的，但是不用在热成像仪和红外系统中。由于来自照明器部件的热发射，直通透镜照明在冷却的相机上是不实际的。我们通过使冷却的光阑在相机内，已经消除了来自照明器侧壁的热发射。反射镜48还将反射所发射的寄生热，并且为了使其最小化，我们不使用局部镀银的反射镜，而使用现有的普通无色玻璃反射镜。为了使由照明器反射镜反射的寄生热最小化，该反射镜在1.8μm至2.1μm范围内的反射率必须被最小化。普通无色玻璃具有7％的反射率，但是我们正研发特殊的涂层，其将减小在此光谱内的反射率。

HgCdTe探测器阵列由Rockwell Scientific制造，并具有256×256的形式，该阵列在商业上被称作PICNIC阵列。我们还使用由Rockwell Scientific与我们共同研发的低信号检测电子装置。来自该电子装置的信号被馈至存在于个人计算机50内的帧接收器。我们以几种方式处理由帧接收器获得的图像。首先，图像被读出多次并被平均，以将电子噪声最小化。在低流量的情况下，读出信号8次并将其平均。在高流量情况下，不进行多次读出。其次，探测器阵列中的不同像素具有不同的增益和偏差。我们使用在图像处理技术中已知为平场校正(flatfielding)的处理对这些非均匀性进行校正。它包括在制造系统后将增益和偏差参数存储在计算机内，以及运用必要的数学运算。

在监视器52上显示所有获得的被处理过的图像。在该系统的一个优选实施例中，计算机显示器充当显示监视器，以及处理过的图像在窗口内显示。所有的图像还备份在硬盘上，并且系统保留8个最近的图像的磁盘备份。

现在我们创造了由芯片发出的热通量图。然而，我们首先在芯片断电的情况下制作这张图，然后对芯片通电再重复该图。然后获得了两张图的差别，这是由于对芯片通电导致的由芯片发出的额外的辐射。这对于芯片上的热污点(hot spot)是足够的。可以使用计算机将该热通量图叠印在芯片的反射光图像上或者CAD图上。该被叠印的图像有助于在芯片上定位热污点。在越来越高的物镜放大率下，重复该操作，直到获得最高放大率的图像以帮助定位缺陷。用户最终将使用扫描电子显微镜在甚至更高的放大率(因为电子显微镜有更高的放大率)下观察该位置，有希望获得关于引起热污点的缺陷的高分辨率图像。对于某些应用，必须获得的是芯片的温度图而不是热通量图。原因在于芯片包含不同的材料，这些材料的热辐射系数大不相同。物体发出的热通量是温度和该物体的热辐射系数的函数。例如，铝的热辐射系数很低，为0.05，而氧化铝具有0.80的高热辐射系数。对于升高相同的温度，氧化铝发出的热通量将是铝的19倍。为了得到温度图，必须通过计算芯片上每个像素的热辐射系数来作更多的图像处理。这通过使用计算机控制的热卡盘(hot chuck)来测量芯片的每个像素上的两个不同温度下的热通量来完成，由此该计算机计算每个像素的热辐射系数，并且该信息被用于将热通量图转变为温度图。

我们现在使用的HgCdTe限于256×256形式。可以使用更大尺寸的阵列，但是成本是天文数字。现代芯片需要最高的可能分辨率。我们通过使用两相机的技术方案获得此效果。除了HgCdTe外，我们还使用由柯达制造的天文级的CCD阵列46，其分辨率为1317×1035。由CCD相机46获得的高分辨率图像也可用作被照明的图像。这通过使用具有相机转换能力的双光学通道配置来实现。投影透镜系统包括两个背靠背的f2透镜，其间有金反射镜。HgCdTe相机和基于CCD的相机共用第一投影透镜元件，但是具有单独的第二透镜元件。为了从一个相机转换到另一个，需要移动反射镜48使其从一个位置转换到另一个。这通过高精确度的计算机控制的马达来完成。CCD 46的光谱响应是从0.4μm～1.1μm。因为复合发光缺陷小于0.8μm，因此其光谱响应补偿了HgCdTe阵列的响应。所以CCD传感器既可以用于形成发射图像又可以用于形成被照明的图像。该系统具有软件校准特征，其将CCD摄影空间映射到HgCdTe阵列的摄影空间内。这允许我们将CCD相机上的拍摄的被照明的图像与使用HgCdTe拍摄的发射图像叠印。总之，双相机的配置最好地体现了HgCdTe阵列和天文级CCD的优点。

虽然参照具体的实施例描述了本发明，但这些描述是对本发明的说明。在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种变化。

Claims (19)

1.一种显微镜，包括：

低温探测器阵列，输出与1.5μm以上的热辐射成比例的电子信号；

多个物镜，用于将由测试中的器件发出的热辐射成像并投影中间图像，不同的物镜具有不同的放大率；

投影透镜系统，用于将中间图像成像在探测器阵列上；

作为系统的限制孔径的冷孔径，位于投影透镜系统和探测器阵列之间，所述冷孔径吸收在该光学系统内发出的不需要的热辐射，并且该冷孔径位于与物镜的出射光阑共轭的平面处；

冷光学滤光装置，阻挡不需要波长在所述阵列上成像；

连接到低温探测器阵列的处理器装置，用于除去噪声和增强信号；以及

连接到该处理器装置的显示装置，用于显示测试中的器件发出的热的热图像。

2.根据权利要求1的显微镜，其中低温滤光器阻挡2.2μm以上的热辐射。

3.根据权利要求1的显微镜，该显微镜具有通过1.5μm～2.2μm之间的辐射的低温滤光器。

4.根据权利要求1的显微镜，其中低温滤光器阻挡1.8μm以上的热辐射。

5.根据权利要求1的显微镜，该显微镜具有通过1.5μm～1.8μm之间的辐射的低温滤光器。

6.根据权利要求1的显微镜，该显微镜具有允许多个冷滤光器的可移动装置。

7.根据权利要求6的显微镜，其中该探测器阵列对非热辐射(＜1.3μm)敏感。

8.根据权利要求7的显微镜，具有允许高分辨率反射光图像的、用于短波长(＜1.3μm)的直通透镜照明装置，该高分辨率反射光图像可以叠印在通过相同物镜获得的热图像上。

9.根据权利要求1的显微镜，具有允许多个冷孔径的可移动装置，为每个物镜优化所述冷孔径。

10.根据权利要求9的显微镜，其中权利要求1的多个物镜包括用于获得器件的全局视图且具有高数值孔径(＞0.05)的巨透镜，以及提供用于观察器件的子区域的高放大率的显微镜透镜。

11.根据权利要求10的显微镜，其中巨物镜包括两个具有高数值孔径(＞0.1)的背靠背的透镜。

12.根据权利要求11的显微镜，该显微镜具有阻挡大于2.2μm的热辐射的低温滤光器。

13.根据权利要求12的显微镜，其中低温滤光器通过1.5μm～2.2μm之间的辐射。

14.根据权利要求11的显微镜，该显微镜具有阻挡大于1.8μm的热辐射的可移动低温滤光器。

15.根据权利要求12的显微镜，该显微镜具有通过1.5μm～1.8μm之间的辐射的低温滤光器。

16.根据权利要求10的显微镜，该显微镜具有允许多个冷滤光器的可移动装置。

17.根据权利要求16的显微镜，其中探测器阵列对于非热辐射(＜1.3μm)敏感。

18.根据权利要求17的显微镜，具有允许高分辨率反射光图像的、用于短波长(＜1.3μm)的直通透镜照明装置，该高分辨率反射光图像可以叠印在通过相同物镜获得的热图像上。

19.根据权利要求10的显微镜，该显微镜具有允许多个冷孔径的可移动装置，为每个物镜优化所述冷孔径。

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