CN217639720U - 一种失效分析显微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种失效分析显微镜，包括：会聚超透镜和显微系统，所述显微系统包括显微物镜；所述会聚超透镜位于所述显微系统外侧，并与所述显微物镜位置对应；所述会聚超透镜远离所述显微物镜的一侧用于放置待测样品，所述会聚超透镜用于对所述待测样品所出射的激发光线进行会聚，并将会聚的激发光线射向所述显微物镜。通过本实用新型实施例提供的失效分析显微镜，利用会聚超透镜对待测样品所出射的激发光线进行会聚，可以增大系统数值孔径，能够提高光学显微镜的分辨率，可以用来检测待测样品的表面缺陷或破损，实现失效分析。并且，使用超表面作为会聚光线的会聚超透镜，可以有效地减小整体的尺寸，减轻整体的重量。

Description

一种失效分析显微镜

技术领域

本实用新型涉及失效分析技术领域，具体而言，涉及一种失效分析显微镜。

背景技术

随着生产和制造精度的不断提升，在大规模集成电路方面，也越来越朝着复杂化和小型集成化方向发展。器件的质量和可靠性越来越重要，在生产和制造的过程中检测出存在破损或缺陷的部分对提高产品合格率起着至关重要的作用。失效分析可以对生产过程中存在的问题的根本原因进行探究并为改进产品良率，提高产品可靠性提供参考价值。

在失效分析系统中，显微镜用来收集在器件背部的半导体基底的电子元件反射光线图像。对于更小的电子元器件，就需要更高分辨率的光学显微镜来进行失效分析。一种常见的方法是通过采用固体硅浸没透镜(SIL)的方法，该方法使得全反射发生的条件更为苛刻，因此可以收集更多从图案侧所衍射的光线，增加进光量。由数值孔径NA的计算公式NA＝nsinθ可知，n或θ越大，数值孔径NA越大，分辨率越高，从而可以达到提高光学显微图像分辨率的目的。其中，n为折射率，θ为孔径角的一半。

然而，物镜的放大倍率和NA值受到物镜本身的物理特性的限制。为了增加固体硅浸没透镜的NA，就需要加厚固体硅浸没透镜，并且使用高NA的显微物镜进行匹配，但这有可能会增加光学显微镜系统的整体物理尺寸，不利于实际的使用。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种失效分析显微镜。

本实用新型实施例提供了一种失效分析显微镜，包括：会聚超透镜和显微系统，所述显微系统包括显微物镜；

所述会聚超透镜位于所述显微系统外侧，并与所述显微物镜位置对应；

所述会聚超透镜远离所述显微物镜的一侧用于放置待测样品，所述会聚超透镜用于对所述待测样品所出射的激发光线进行会聚，并将会聚的激发光线射向所述显微物镜。

在一种可能的实现方式中，所述会聚超透镜的相位满足：

其中，为所述会聚超透镜的表面坐标位置，f为所述会聚超透镜的焦距，λ为所述会聚超透镜的工作波长。

在一种可能的实现方式中，所述会聚超透镜包括：基底和多个纳米结构，多个所述纳米结构周期排列在所述基底的一侧。

在一种可能的实现方式中，所述会聚超透镜还包括：填充材料；

所述填充材料填充在所述纳米结构之间。

在一种可能的实现方式中，所述待测样品被放置于所述会聚超透镜的一倍焦距以内。

在一种可能的实现方式中，所述显微物镜为准直超透镜。

在一种可能的实现方式中，所述显微系统还包括：图像传感器；

所述图像传感器位于所述显微物镜远离所述会聚超透镜的一侧，用于采集所述待测样品的图像。

在一种可能的实现方式中，所述显微系统还包括：光源和分光镜；

所述光源用于发出探测光线；

所述分光镜位于所述光源与所述显微物镜之间，用于将所述光源发出的至少部分探测光线调整为射向所述显微物镜；

所述分光镜还位于所述图像传感器与所述显微物镜之间，用于将所述待测样品所出射且透过所述显微物镜的至少部分激发光线调整为射向所述图像传感器。

在一种可能的实现方式中，所述显微系统还包括：反射镜；

所述反射镜位于所述显微物镜与所述分光镜之间，用于将所述分光镜出射的探测光线反射至所述显微物镜，并将透过所述显微物镜的激发光线反射至所述分光镜。

在一种可能的实现方式中，所述反射镜具有光束扫描功能。

本实用新型实施例提供的方案中，在显微系统与待测样品之间设置会聚超透镜，该会聚超透镜对待测样品所出射的激发光线进行会聚，可以增大系统数值孔径，能够提高光学显微镜的分辨率，可以用来检测待测样品的表面缺陷或破损，实现失效分析。并且，使用超表面作为会聚光线的会聚超透镜，可以有效地减小整体的尺寸，减轻整体的重量，实现系统轻量化。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例所提供的失效分析显微镜的第一结构示意图；

图2A示出了传统失效分析显微镜的成像原理示意图；

图2B示出了本实用新型实施例所提供的失效分析显微镜的成像原理示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的会聚超透镜的结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的失效分析显微镜的第二结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的失效分析显微镜的第三结构示意图；

图6示出了本实用新型实施例所提供的失效分析显微镜的第四结构示意图；

图7示出了本实用新型实施例所提供的失效分析显微镜的第五结构示意图。

图标：

10-会聚超透镜、20-显微系统、30-待测样品、101-基底、102-纳米结构、103-填充材料、21-显微物镜、22-图像传感器、23-光源、24-分光镜、25-反射镜。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供一种失效分析显微镜，用于实现对待测样品(例如，芯片等电子元件)进行失效分析。参见图1所示，该失效分析显微镜包括：会聚超透镜10和显微系统20，该显微系统20包括显微物镜21。如图1所示，会聚超透镜10位于显微系统20外侧，并与显微物镜21位置对应；会聚超透镜10远离显微物镜21的一侧用于放置待测样品30，会聚超透镜10用于对待测样品30所出射的激发光线进行会聚，并将会聚的激发光线射向显微物镜21。

本实用新型实施例中，在显微系统20外侧设有会聚超透镜10，如图1所示，在显微系统20的下侧设有会聚超透镜10，该会聚超透镜10用于调制入射至显微系统20的光线；具体地，该会聚超透镜10与显微物镜21位置对应，使得会聚超透镜10所调制的光线能够入射至该显微物镜21，被显微系统20接收。如图1所示，待测样品30与显微系统20分别位于该会聚超透镜10的两侧，该会聚超透镜10能够将待测样品30的光线会聚至显微物镜21。

具体地，该会聚超透镜10能够对待测样品30所出射的激发光线进行会聚，并将会聚的激发光线射向显微物镜21，使得显微物镜21可以采集到更大角度的光线，从而可以增加显微系统20的数值孔径NA，提高分辨率。可选地，该待测样品30被放置于会聚超透镜10的一倍焦距以内，以能够实现较好的会聚效果。

如图2A所示，若直接以显微系统20对待测样品30进行采样，此时的角度θ(孔径角的一半)如图2A所示；如图所示，该角度θ较小。而在本实用新型实施例中，如图2B所示，在显微系统20与待测样品30之间设置会聚超透镜10，会聚超透镜10能够将更多的光线会聚至显微系统20，此时的角度θ如图2B所示；如图所示，该角度θ较大。基于NA＝nsinθ可知，本实施例提供的失效分析显微镜具有较大的数值孔径NA，分辨率较高，能够对体积较小的电子元器件进行失效分析。

本实用新型实施例提供的失效分析显微镜，在显微系统20与待测样品30之间设置会聚超透镜10，该会聚超透镜10对待测样品30所出射的激发光线进行会聚，可以增大系统数值孔径，能够提高光学显微镜的分辨率，可以用来检测待测样品的表面缺陷或破损，实现失效分析。并且，使用超表面作为会聚光线的会聚超透镜10，可以有效地减小整体的尺寸，减轻整体的重量，实现系统轻量化。

可选地，会聚超透镜10表面设有多个周期排列的纳米结构，每个纳米结构实现相应的相位调制功能，该会聚超透镜10整体的相位分布满足：

其中，x,y为会聚超透镜10的表面坐标位置，f为会聚超透镜10的焦距，λ为会聚超透镜10的工作波长，例如，激发光线的波长。例如，会聚超透镜10表面的纳米结构的相位满足上式(1)，x,y为纳米结构在该会聚超透镜10表面的坐标。

本实用新型实施例提供的会聚超透镜10，可以对不同方向入射的光线都实现会聚作用。例如，若待测样品30的表面正常，待测样品30出射的激发光线可以按照预设方向射向会聚超透镜10，会聚超透镜10对其进行会聚，形成该待测样品30的正常图像；相反地，若待测图案存在不完美或破损，光线就不会以该预设方向入射进会聚超透镜10中，因此该位置的缺陷就由光线的缺失被发现并放大，实现失效分析的检测目的。

可选地，参见图3所示，该会聚超透镜10包括：基底101和多个纳米结构102，多个纳米结构102周期排列在基底101的一侧。例如，如图1所示，该纳米结构102位于基底101靠近显微系统20的一侧，使得该失效分析显微镜的最外侧(例如，会聚超透镜10远离显微系统20的一侧)不存在纳米结构102，可以避免因摩擦或误碰等破坏会聚超透镜10表面的纳米结构102。

本实用新型实施例中，纳米结构102呈阵列排布，通过划分的方式可以将会聚超透镜10分为多个超表面结构单元，该超表面结构单元可以为正六边形和/或正方形等，每个超表面结构单元的中心位置，或者每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置设有纳米结构102。图3用虚线示意性表示了超表面结构单元的一种划分方式，图3中，超表面结构单元为正方形，其包含纳米结构102以及一部分基底101，且纳米结构102位于该超表面结构单元的中心位置。纳米结构102可以为圆柱形、方柱形等形状，具体可基于实际情况而定。

本实用新型实施例中，纳米结构102所采用的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅中的至少一种。为实现透光效果，在该会聚超透镜10的工作波段，基底101是透明的，即对工作波段的光线具有高透过率；其中，基底101与纳米结构102采用不同的材料；例如，该基底101可以采用石英玻璃、火石玻璃等。

可选地，参见图3所示，该会聚超透镜10还包括：填充材料103；填充材料103填充在纳米结构102之间，以能够保护纳米级的纳米结构102。本实施例中，该填充材料103的折射率与纳米结构102的折射率之间的差值大于或等于0.5，以避免填充材料103影响纳米结构102的光线调制效果。例如，基底101、纳米结构102、填充材料103均采用不同的材料。

此外可选地，该显微物镜21为准直超透镜。本实施例中，显微物镜21也为一种超透镜，其能够实现准直功能，与会聚超透镜10类似，该显微物镜21也包括多个周期排列的纳米结构，利用纳米结构的相位调制功能实现对入射光线的准直。本实施例用准直超透镜代替传统的折射透镜，可以进一步减小失效分析显微镜的体积和重量。

在上述任一实施例的基础上，参见图4所示，该显微系统20还包括：图像传感器22；该图像传感器22位于显微物镜21远离会聚超透镜10的一侧，用于采集待测样品30的图像。

本实用新型实施例中，显微物镜21所收集的光线最终被入射至显微系统20的图像传感器22，图像传感器22基于所采集的光线可以生成待测样品30的图案；例如，该图像传感器22还可以包括目镜等。其中，该显微系统20生成待测样品30图案的原理与现有显微镜的成像原理相似，此处不做赘述。

或者，可选地，该失效分析显微镜为共聚焦式的光学扫描显微镜。参见图5和图6所示，该显微系统20还包括：光源23和分光镜24。其中，光源23用于发出探测光线；分光镜24位于光源23与显微物镜21之间，用于将光源23发出的至少部分探测光线调整为射向显微物镜21；分光镜24还位于图像传感器22与显微物镜21之间，用于将待测样品30所出射且透过显微物镜21的至少部分激发光线调整为射向图像传感器22。

本实用新型实施例中，该显微系统20本身能够向待测样品30发出探测光线，待测样品30在该探测光线的作用下出射激发光线，显微系统20收集该激发光线，从而生成该待测样品30的图案。本实施例中，显微系统20设有能够发出探测光线的光源23，并利用具有透反功能的分光镜24实现出射探测光线以及采集激发光线。

例如，参见图5所示，分光镜24用于为将光源23发出的至少部分探测光线反射至显微物镜21、并将透过显微物镜21的至少部分激发光线透射至图像传感器22；此时，图像传感器22与显微物镜21可以是共轴的。或者，参见图6所示，分光镜24用于将光源23发出的至少部分探测光线透射至显微物镜21、并将透过显微物镜21的至少部分激发光线反射至图像传感器22；此时，光源23与显微物镜21可以是共轴的。

以图6所示的失效分析显微镜为例，该失效分析显微镜的工作过程具体如下：光源23出射探测光线，该探测光线射向分光镜24，并透过分光镜24，进而入射至显微物镜21；显微物镜21将探测光线射向会聚超透镜10，探测光线透过该会聚超透镜10射向待测样品30；待测样品30在该探测光线的作用下，生成激发光线。该激发光线在会聚超透镜10的作用下，能够平行入射至显微物镜21，并透过该显微物镜21，射向分光镜24；分光镜24再反射该激发光线，使得该激发光线能够射向图像传感器22，图像传感器22能够接收到激发光线，从而形成该待测样品30的图案。

可选地，光源23发出的光线(探测光线)与待测样品30激发出的激发光线为不同波长的信号，该分光镜24具体可以为半透半反镜，其对探测光线波段以及激发光线波段的光线具有不同的处理效果；例如，如图5所示，该半透半反镜可以反射探测光线波段的部分光线、并透射激发光线波段的部分光线；或者，如图6所示，该半透半反镜可以透射探测光线波段的部分光线、并反射激发光线波段的部分光线。

可选地，参见图7所示，该显微系统20还包括：反射镜25。该反射镜25位于显微物镜21与分光镜24之间，用于将分光镜24出射的探测光线反射至显微物镜21，并将透过显微物镜21的激发光线反射至分光镜24。本实用新型实施例中，通过设置该反射镜25，可以调整显微系统20的成像光路，从而改变部分部件的位置，例如改变图像传感器22、光源23等部件的位置，使得该显微系统20可以适用于不同空间中。

此外可选地，该反射镜25具有光束扫描功能。例如，该反射镜25为具有光束扫描功能的电流镜(Galvano Mirror)，通过光束扫描可以将待测样品30不同位置处的激发光线均射入至显微系统20内，从而可以检测到待测样品30的每个位置。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种失效分析显微镜，其特征在于，包括：会聚超透镜(10)和显微系统(20)，所述显微系统(20)包括显微物镜(21)；

所述会聚超透镜(10)位于所述显微系统(20)外侧，并与所述显微物镜(21)位置对应；

所述会聚超透镜(10)远离所述显微物镜(21)的一侧用于放置待测样品(30)，所述会聚超透镜(10)用于对所述待测样品(30)所出射的激发光线进行会聚，并将会聚的激发光线射向所述显微物镜(21)。

2.根据权利要求1所述的失效分析显微镜，其特征在于，所述会聚超透镜(10)的相位满足：

其中，(x,y)为所述会聚超透镜(10)的表面坐标位置，f为所述会聚超透镜(10)的焦距，λ为所述会聚超透镜(10)的工作波长。

3.根据权利要求2所述的失效分析显微镜，其特征在于，所述会聚超透镜(10)包括：基底(101)和多个纳米结构(102)，多个所述纳米结构(102)周期排列在所述基底(101)的一侧。

4.根据权利要求3所述的失效分析显微镜，其特征在于，所述会聚超透镜(10)还包括：填充材料(103)；

所述填充材料(103)填充在所述纳米结构(102)之间。

5.根据权利要求1所述的失效分析显微镜，其特征在于，所述待测样品(30)被放置于所述会聚超透镜(10)的一倍焦距以内。

6.根据权利要求1所述的失效分析显微镜，其特征在于，所述显微物镜(21)为准直超透镜。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的失效分析显微镜，其特征在于，所述显微系统(20)还包括：图像传感器(22)；

所述图像传感器(22)位于所述显微物镜(21)远离所述会聚超透镜(10)的一侧，用于采集所述待测样品(30)的图像。

8.根据权利要求7所述的失效分析显微镜，其特征在于，所述显微系统(20)还包括：光源(23)和分光镜(24)；

所述光源(23)用于发出探测光线；

所述分光镜(24)位于所述光源(23)与所述显微物镜(21)之间，用于将所述光源(23)发出的至少部分探测光线调整为射向所述显微物镜(21)；

所述分光镜(24)还位于所述图像传感器(22)与所述显微物镜(21)之间，用于将所述待测样品(30)所出射且透过所述显微物镜(21)的至少部分激发光线调整为射向所述图像传感器(22)。

9.根据权利要求8所述的失效分析显微镜，其特征在于，所述显微系统(20)还包括：反射镜(25)；

所述反射镜(25)位于所述显微物镜(21)与所述分光镜(24)之间，用于将所述分光镜(24)出射的探测光线反射至所述显微物镜(21)，并将透过所述显微物镜(21)的激发光线反射至所述分光镜(24)。

10.根据权利要求9所述的失效分析显微镜，其特征在于，所述反射镜(25)具有光束扫描功能。

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