DE60219360T2

DE60219360T2 - Bikonvexe festimmersionslinse

Info

Publication number: DE60219360T2
Application number: DE60219360T
Authority: DE
Inventors: Pakdaman Los Gatos Nader; James S. San Jose Vickers
Original assignee: Credence Systems Corp
Current assignee: Credence Systems Corp
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: EP1466194B1; KR100872751B1; KR20070087002A; US6594086B1; KR20080064912A; US6778327B2; TW200302354A; WO2003062864A3; US7227702B2; EP1466194A2; KR100870214B1; US20040240074A1; DE60219360D1; TWI249622B; CN1610843A; KR20040075862A; JP2005515514A; US20030202255A1; US7492529B2; JP4195921B2

Description

1. GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Flip-Chip-Tester.
2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Das optische räumliche Auflösungsvermögen ist definiert als die Fähigkeit eines Abbildungssystems, eng aneinander liegende Strukturen klar voneinander zu trennen. Das optische Auflösungsvermögen ist von besonderer Wichtigkeit für alle, die Objekte in Anwendungen wie optische Messtechnik, Lithographie und Astronomie abbilden.
In einer idealen Welt würden optische Abbildungselemente eine unendliche Größe aufweisen, wodurch die größtmögliche Lichtmenge auf das untersuchte Objekt gebündelt und/oder von diesem abgenommen werden könnte. Die wellenförmige Natur von Licht in Zusammenhang mit der begrenzten Apertur optischer Elemente führen zur Beugung – der Störung von Licht während es sich gestreut von der Trennfläche weg ausbreitet und sich wieder mit dem Licht, das von anderen Bereichen des optischen Elements ausgesandt worden ist, verbindet.
In der Realität weisen optische Elemente eine begrenzte Größe auf, und Lichtwellen beugen sich, während sie durch diese Elemente wandern und sich nach der Apertur dieser Elemente wieder verbinden. Neben anderen Faktoren wird das räumliche Auflösungsvermögen in echten optischen Systemen durch Abbildungsfehler der optischen Elemente mit endlicher Apertur, Sehfelder und deren Materialeigenschaften negativ beeinflusst.
Es gibt viele Elemente, die verstanden und ausgeglichen werden müssen, um die Leistung eines optisches Systems zu optimieren. Im Idealfall wären optische Elemente für die verschiedenen Wellenlängen (Farben) des Lichts undurchlässig, wodurch es keine Beeinflussung des Auflösungsvermögens und der optischen Leistung durch Farbfehler gäbe. Des Weiteren wären diese Elemente im Idealfall auch undurchlässig zwischen dem Licht, das in den Bereichen nahe ihrer Achse (paraxial) durchgelassen und gebündelt wird, im Unterschied zu Licht, das weiter entfernt von ihrer Achse durchgelassen und gebündelt wird. Diese Veränderung für radialsymmetrische Elemente wird sphärische Aberration genannt. Für einen Überblick über diese und andere Fehler/Aberrationen, deren Einteilung sowie Verfahren zum angemessenen Ausgleich und zur Optimierung eines optisches Abbildungssystems verweisen wir den Leser auf klassische Texte zum Thema Lichtlehre.
Im Folgenden beschreiben wir ein optisches Element und ein Verfahren zu dessen Verwendung zur Verbesserung und Erhöhung des Auflösungsvermögens hochauflösender Abbildungssysteme mit minimaler Fehlerkorrektur, um Objekte und Strukturen, die im Material der Probe eingebettet sind, abzubilden.
Sogar beim besten, optimal gestalteten optischen System, bei dem die Fehler/Aberrationen angemessen ausgeglichen und minimiert worden sind, bleibt die letzte Einschränkung, die endliche Öffnungsweite des Systems, die zu einer Beugung führt, bestehen. Daher konzentrieren wir uns auf beugungsbegrenzte optische Systeme (solche, deren Auflösungsvermögen ausschließlich durch Beugung eingeschränkt ist). Es sind verschiedene analytische Ausdrücke entwickelt worden, um das räumliche Auflösungsvermögen in einem beugungsbegrenzten System eines optischen Abbildungssystems zu definieren. All diese Formeln und Ausdrücke beziehen sich auf die grundlegenden Eigenschaften des einstrahlenden Lichts und der Fähigkeit des Abbildungssystems, Licht in die Probe einzukoppeln und von dieser wieder abzunehmen. Eine Möglichkeit, einen analytischen Ausdruck für das Auflösungsvermögen zu verwenden, ist zum Beispiel das Definieren des seitlichen räumlichen Auflösungsvermögens eines optischen Systems, um mit einer Linse, die imstande ist, Licht innerhalb eines Halbkegels θ₀ zu bündeln und zu erfassen, ein Gitter der Dauer T zu analysieren (10a): T = αλ0/(n·sinθ0) (1)
Wobei λ₀ die Wellenlänge von Licht im Vakuum und „n" der Brechungsindex des Mediums ist (das heißt für Luft n₀ = 1, λ = λ₀ die Wellenlänge von Licht in Luft/Vakuum. Für ein Medium mit dem Brechungsindex n, λ = λ₀/n). Die Proportionalitätskonstante, α, ist durch die Auflösungskriterien definiert, das heißt neben anderen häufig verwendeten Kriterien, α = 0,61 beim häufig verwendeten Rayleigh-Auflösungskriterium oder α = 0,5 für das Sparrow-Auflösungskriterium. Der maximale Halbwinkel des Lichtkegels bezieht sich auf die numerische Apertur, (NA), der Linse gemäß: NA = n·sinθ0 (2)
Somit erhält man die Beziehung: T = αλ0/(NA) (3)
Folglich konzentrierten sich die Anstrengungen zur Erhöhung des räumlichen Auflösungsvermögens entweder auf die Erhöhung der NA oder auf die Verwendung von Licht einer kürzeren Wellenlänge. Die NA kann durch geeignete Gestaltung des Objektivs erhöht werden, um den Raumwinkelkegel des Lichts, das zur und von der Probe gebündelt und abgenommen wird zu vergrößern, während eine Verringerung der Wellenlänge erreicht wird, indem eine andere Beleuchtungs quelle, zum Beispiel eine Laserlichtquelle oder eine eng gefilterte Breitbandlichtquelle für eine kürzere Wellenlänge verwendet wird.
In Fällen, in denen die untersuchte Struktur in einem Material mit einem Brechungsindex n₁ eingebettet ist, steht der Halbkegelwinkel innerhalb des Materials (θ₁) aufgrund der Brechung mit dem Halbkegelwinkel in Luft (θ₀) (10b) in einer Beziehung ausgedrückt durch n0 Sin(θ0) = n1 Sin(θ1) (Figur 10b) (4)
Obgleich der (Sinus des) Kegelwinkels um einen Faktor von n₀/n₁ verringert wird, verringert sich auch die Wellenlänge um denselben Faktor. Somit bleibt die NA erhalten, und die tatsächliche Auflösung des Abbildungssystems bleibt unverändert. Strahlen außerhalb der normalen Einfallsachse, die sich an der Luft-Medium-Grenzfläche beugen, verursachen jedoch sphärische Aberrationen und axiale, kometenschweifartige Abbildungsfehler, welche wiederum die Abbildungsgüte und die Gesamtauflösung verringern.
Des Weiteren ist anzumerken, dass in jedem Abbildungssystem die Fähigkeit, das Einkuppeln und das Abnehmen von Licht in die und von der untersuchten Probe zu maximieren, für die Abbildungsleistung entscheidend sind, da mehr gebündeltes und abgenommenes Licht aus dem Bereich von Interesse ein größeres Signal (mehr Informationen) ergibt. Ist der Bereich von Interesse in einem Material eingebettet, so wird Licht, das von der Probe reflektiert wird und außerhalb des Grenzwinkels (θ_c = sin^–1(n₀/n₁)) auf die Grenzfläche Material/Luft auftrifft, zurück in die Probe reflektiert (interne Totalreflexion) und nicht erfasst.
Daraus ergibt sich: Je größer der Unterschied zwischen den Brechungsindizes des Abbildungssystems und des eingebetteten Objekts ist, umso kleiner ist der Kegelwinkel des geometrischen Ortes, und umso größer ist die interne Totalreflexion (Lichtverlust von der Probe). Das Ziel ist daher, den abrupten Übergang vom Brechungsindex des Linsenscharfstellungselements (das heißt des Mikroskopobjektivs) zum Brechungsindex des eingebetteten Objekts zu verringern und auszugleichen. Optimal wäre, die Brechungsindizes „einander anzugleichen".
Herkömmlicherweise wird der Luftspalt zwischen der Objektivlinse und der Probe zum Ausgleichen dieser Verringerung von Auflösungsvermögen und Abnahme mit einem Fluid, das einen Brechungsindex, der dem des Materials angepasst ist, aufweist (Immersionsflüssigkeit), gefüllt. Bei vielen Mikroskopen, die für biologische Studien gestaltet sind, ist das Objekt unter einem Deckglas mit einem Brechungsindex nahe (~ 1,5) dem der Probe angeordnet. Die Immersionsflüssigkeit, die verwendet wird, um den Übergang vom Deckglas zur eingebetteten Probe zu „überbrücken", würde so genau wie möglich mit den Brechungsindizes übereinstimmen. Des Weiteren ist die Objektivlinse in dieser Indexanpassungsanordnung dafür gestaltet und optimiert, durch das Fluid mit höherem Index abzubilden.
Die Verbesserung des Auflösungsvermögens mit Flüssigkeit ist durch den Brechungsindex des verwendeten Fluids begrenzt. Der Brechungsindex von Silizium beträgt ungefähr 3,5, während der Brechungsindex von Immersionsfluids ungefähr 1,6 beträgt. Wird die Grenzfläche zwischen der Linse und dem Objekt entfernt, so kann die NA des optischen Systems den höheren Brechungsindex von durchsichtigem Vollmaterial vollständig ausnutzen. Im Fall von Silizium beträgt der Brechungsindex zum Beispiel ungefähr 3,5. In Fällen, in denen das Angleichen an den Brechungsindex des Materials nicht möglich ist (zum Beispiel aufgrund von Nichtverfügbarkeit von Fluids mit passendem Brechungsindex oder aufgrund von Überlegungen hinsichtlich Einsatz und Durchführung), wird das „Angleichen" mit einem Vollmaterial erreicht. Es liegt auf der Hand, dass ein Element, das aus demselben Material gefertigt ist wie das untersuchte Objekt, ein optimaler Kandidat für die „Indexanpassung" wäre.
Obwohl die Ziele für Feststoff-Indexanpassung und Fluid-Indexanpassung dieselben sind (Erhöhung des Einkoppels und Abnehmens von Licht in die und aus der Probe), gibt es einen grundlegenden Unterschied bezüglich Ausführung sowie Einschränkungen in Bezug auf das optische Gesamtsystem. Während Fluids verformbar sind und problemlos den Spalt zwischen Linse und Objekt ausfüllen, müssen feste Immersionselemente so gestaltet sein, dass sie physisch in das Abbildungssystem passen und optisch auf dieses abgestimmt sind. Aufgrund der ebenen Probe-Luft-Trennfläche und dem Ziel, über den größten Raumwinkel einzukoppeln (und das Licht nicht einfach weiter in den Raum hinein zu verlängern), ist das herkömmliche optische Feststoffimmersionselement naturgemäß mit einer ebenen (Trennfläche zur Probe) und einer symmetrisch nach außen gewölbten Fläche (von der Probe abgewandt) gestaltet. Diese gewölbte Fläche könnte eine zylindrische (zum Beispiel USP 4,625,114) oder eine kugelförmige (zum Beispiel USP 4,634,234) Gestalt aufweisen, wirkt durch ihre Krümmung als eine positive Sammellinse, und wird daher treffend als Festimmersionslinse (SIL) bezeichnet. Die SIL ist sehr ähnlich dem (von der Probe her gesehen) ersten plankonvexen Bündelungs-/Sammelelement in vielen herkömmlichen Mikroskopobjektiven. Während flüssige Anpassung ausschließlich ein Lichtkopplungsmechanismus ist, weist die Festimmersion zusätzlich den Aspekt einer fixen Scharfstellung auf.
Natürlich kann man auch beide Immersionsverfahren, das heißt eine Festimmersionslinse und ein Immersionsfluid, zusammen verwenden. Die Verwendung der oben genannten Verfahren ist zum Beispiel offenbart in USP 3,524,694, 3711,186 und 3,912,378 sowie in Modern Optical Engineering, Warren J. Smith, McGraw-Hill, Seiten 230–236, 1966. Weitere moderne Erläuterungen von Immersionslinsen finden sich in USP 5,004,307, 5,208,648 und 5,282,088. Um die neuartigen und vorteilhaften Merkmale der vorliegenden Erfindung in angemessener Weise zu verstehen, ist der Leser insbesondere angehalten, die drei zuletzt genannten Patente, sowie Solid Immersion Microscopy, M. Mansfield, Stanford University Doktorarbeit G.L. Report 4949, März 1992, zu studieren.
Immersionslinsen nach dem Stand der Technik sind plankonvex. Das bedeutet, die Unterseite, das heißt die Fläche, die zum Objekt gewandt ist, ist eben, während die Oberseite, das heißt die Fläche, die zur Objektivlinse gewandt ist, konvex ist. 1a–1c bilden drei Immersionslinsen ab, die den drei zuletzt genannten Patenten entsprechen. In den 1a–1c ist das Objekt, das abgebildet werden soll, mit 100 bezeichnet. Die 1a und 1b entsprechen der Klasse von Festimmersionslinsen, die als Normaleinfallshalbkugeln bezeichnet werden könnten, während 1c ein aplanatisches Fokussierelement ist.
Die Immersionslinse, 110, die in 1a abgebildet ist, ist eine Halbkugel. Das bedeutet, die ebene Fläche der plankonvexen Linse geht durch den radialgeometrischen Mittelpunkt, GC, der oberen halbkugelförmigen Fläche. Es ist anzumerken, dass sämtliche Lichtstrahlen an ihrem Eintritts-/Austrittspunkt senkrecht zur konvexen Fläche angeordnet sind. In USP 5,004,307 ist beschrieben, dass die Linse 110 des Weiteren geschliffen ist, wie durch die gestrichelten Linien 111 in 1a veranschaulicht. Dieser Schliff wird ausgeführt, um eine Befestigung zu ermöglichen, beeinträchtigt jedoch nicht die optischen Eigenschaften der Linse als Halbkugel, wie einer der Erfinder in seiner Doktorarbeit, Solid Immersion Microscopy, M. Mansfield, Stanford University, März 1992, erläutert.
Andererseits verläuft die ebene Fläche der Linse, 120, die in 1b abgebildet ist, „oberhalb" des radialgeometrischen Mittelpunkts, GC, der oberen Fläche. Es ist anzumerken, dass sie so gestaltet ist, dass ihr geometrischer Mittelpunkt im Brennpunkt innerhalb des Objekts, das abgebildet werden soll, angeordnet ist. Das bedeutet, die Linse 120 wird dazu verwendet, Elemente abzubilden, die innerhalb eines durchsichtigen Objekts 100 eingebettet sind. Um die Stetigkeit des Brechungsindexes zu erreichen, wird empfohlen, das Indexanpassungsmaterial 125 zu verwenden. Bei dieser Anordnung sind Lichtstrahlen am Eintritts-/Austrittspunkt senkrecht zur konvexen Fläche angeordnet (Anmerkung: in USP 5,208,648 sind die Strahlen in einem Winkel abgebildet, der nicht 90° beträgt; die Erfinder des vorliegenden Patents sind jedoch anderer Meinung. Man vergleiche zum Beispiel die Zeichnungen im Patent ,648 mit denen der oben genannten Dissertation).
Eine andere Variante ist in 1c abgebildet, bei der die ebene Fläche „unterhalb" des radialgeometrischen Mittelpunkts, GC, der Linse 130 verläuft. Die Platzierung der ebenen Fläche ergibt sich aus den Brechungsindizes der Linse, des Materials, das die Linse umgibt, und des Objekts, das abgebildet werden soll. Eine solche Immersionslinse wird als „aplanatische" Linse bezeichnet, und wurde in USP 5,282,088 von Davidson behandelt, einem Patent das dem Rechtsnachfolger dieser Anmeldung übertragen worden ist. Bei dieser Anordnung sind die Lichtstrahlen an ihrem Eintritts-/Austrittspunkt nicht senkrecht zur konvexen Fläche angeordnet. Wie aus einfachen Strahlverfolgungsanordnungen ersichtlich ist, ist die Vergrößerungsstärke der „aplanatischen" Linse größer als die von Normaleinfallshalbkugeln.
Bei der Verwendung werden die Linsen, die in den 1a–1c abgebildet sind, an das abgebildete Objekt „gekoppelt". Das bedeutet, die Linse wird an das Objekt „gekoppelt", um eine Übertragung von abklingenden Wellen zu ermöglichen. Mit anderen Worten werden die Linsen so an das Objekt gekoppelt, dass sie Strahlen, die sich im Objekt mit Winkeln, die größer als der Grenzwinkel sind (der Grenzwinkel ist jener Winkel, bei dem interne Totalreflexion erfolgt) fortpflanzen, erfassen. Wie Fachleuten bekannt ist, kann dieses Einkoppeln zum Beispiel durch physischen Kontakt mit dem abgebildeten Objekt, eine Platzierung sehr nahe (bis zu ungefähr 200 Nanometer) am Objekt, oder die Verwendung von Indexanpassungsmaterial oder Immersionsfluid erreicht werden.
Die Immersionslinsen nach dem Stand der Technik weisen die folgenden Schwierigkeiten auf:

Erstens: Da die Unterseite eben ist, ist es schwierig, die Stelle des Brennpunkts genau festzulegen, das heißt, es ist schwierig, exakt anzugeben, welche Stelle des Objekts abgebildet wird. Dies ist ein wichtiger Punkt bei der Abbildung sehr kleiner Objekte wie zum Beispiel elektronischer Schaltungen, die in Halbleitervorrichtungen (das heißt, Silizium oder GaAs) eingebettet sind.
Zweitens: Da die Unterseite eben ist, weist sie eine große Kontaktfläche auf. Das bedeutet, wie nach dem Stand der Technik bekannt ist, besteht ein Verfahren zur Indexanpassung ohne Verwendung eines Immersionsfluids darin, die Immersionslinse einfach mit dem Objekt, das abgebildet werden soll, in Kontakt zu bringen. Möchte man jedoch empfindliche Halbleitervorrichtungen abbilden, sollte ein solcher Kontakt so gering wie möglich gehalten werden, um die Verursachung von Schäden, zum Beispiel Verunreinigung oder Kratzerbildung, zu vermeiden.
Drittens: Da die Fläche der Probe möglicherweise nicht vollkommen eben ist (wie es bei Halbleitern der Fall ist), weist die ebene Fläche der Linse im Grunde genommen nur einen Dreipunktkontakt zur Fläche der Probe auf. Folglich ist es schwierig sicherzustellen, dass die ebene Fläche der Immersionslinse über den gesamten Kontaktbereich „parallel” und optisch an die Fläche der Probe gekoppelt ist.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Flip–Chip-Testvorrichtung bereitzustellen, welche die Vorteile der optischen Flip-Chip-Testvorrichtungen nach dem Stand der Technik umfasst, während sie zugleich bestimmte Nachteile der optischen Flip-Chip-Testvorrichtungen nach dem Stand der Technik umgeht.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Flip-Chip-Testvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1a–1c bilden drei Festimmersionslinsen nach dem Stand der Technik ab.
Die 2a und 2b bilden ein erstes und ein zweites Beispiel einer Festimmersionslinse ab, die mit einem Flip-Chip-Tester gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
3 bildet ein drittes Beispiel einer Festimmersionslinse ab, die mit einem Flip-Chip-Tester gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
4 bildet ein viertes Beispiel einer Festimmersionslinse ab, die mit einem Flip-Chip-Tester gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
5 veranschaulicht ein Mikroskop, das eine Festimmersionslinse aufweist.
6 bildet ein fünftes Beispiel einer Festimmersionslinse ab, die mit einem Flip-Chip-Tester gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
7 veranschaulicht die Verwendung einer Linse in optischen Speicheranwendungen.
8 bildet den allgemeinen Aufbau einer Testvorrichtung nach einer als Beispiel dienenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ab.
9 bildet die relevanten Einzelheiten der Testvorrichtung von 8 gemäß einer als Beispiel dienenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ab.
Die 10a–10b bilden allgemeine optische Systeme nach dem Stand der Technik ab.
11 ist eine graphische Darstellung der Kontaktfläche gegen die ausgeübte Kraft für zwei Festimmersionslinsen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG ALS BEISPIEL DIENENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
2a bildet ein erstes Beispiel einer bikonvexen Immersionslinse 210 ab. Im Besonderen ist die Oberseite 212 konvex in Form einer Halbkugel mit dem radialgeometrischen Mittelpunkt bei GC. Die Unterseite 214 ist konvex, weist jedoch einen Krümmungsradius auf, der viel größer ist, als jener der Oberseite. Der Krümmungsradius der Unterseite, 214, ist zum Beispiel um eine Größenordnung größer als jener der Oberseite 212. Der tiefste Punkt der Unterseite, 214, geht durch den radialgeometrischen Mittelpunkt, GC, der Oberseite.
Bei der Verwendung ist es vorteilhaft, dass der tiefste Punkt der Unterseite in Kontakt mit dem Objekt, das abgebildet werden soll, kommt, während der Rand der Unterseite einige zig Nanometer davon entfernt angeordnet ist. Die Linse 210 kann jedoch auch mit einem Spalt von bis zu ungefähr 200 Nanometer vom Objekt verwendet werden, wobei der Spalt entweder mit Luft oder mit einem Indexanpassungsmaterial oder Immersionsfluid gefüllt ist. In einer solchen Anordnung wäre der Rand der Unterseite einige zig Nanometer weiter vom Objekt entfernt angeordnet, als der tiefste Punkt.
Da beim Beispiel von 2a die Unterseite, 214, konvex ist, weist sie einen kleinen und definierten „Berührungspunkt" mit dem Objekt auf. Man beachte, dass sogar wenn die Linse das Objekt nicht berührt, beinahe die gesamte Strahlungsenergie, die zwischen der Linse und dem Objekt übertragen wird, durch den tiefsten Punkt der konvexen Unterseite 214 der Linse, der hierin relativ frei als „Berührungspunkt" definiert ist, gehen würde. Der kleine und definierte Berührungspunkt ermöglicht eine genaue Festlegung der Stelle am Objekt, die abgebildet wird. Des Weiteren minimiert er physische Wechselwirkungen zwischen der Linse und dem Objekt.
2b bildet ein abgeändertes Beispiel der SIL von 2a ab. Es ist zu beachten, dass die SIL von 2b eine abgeschrägte Kante 215 aufweist. Die abgeschrägte Kante 215 kann eine einfachere Befestigung im SIL-Halter ermöglichen. Gemäß einem Verfahren zur Herstellung der SIL von 2b wird zunächst eine Halbkugel geschaffen. Dann wird die Kante rund um die Halbkugel abgeschnitten und abgeschrägt. Danach wird die Unterseite auf den gewünschten Umfangsradius profiliert. Obwohl die Abschrägungsvariante hierin nur in Bezug auf die SIL von 2a gezeigt ist, sollte klar erkenntlich sein, dass alle hierin gezeigten SIL gemäß der Erfindung mit einer solchen Abschrägung ausgestattet werden können.
3 bildet ein weiteres Beispiel einer Immersionslinse ab. Bei diesem Beispiel ist die Unterseite 314 auf dieselbe Weise gestaltet, die in Bezug auf das Beispiel von 2 beschrieben ist, außer dass sie „oberhalb" der radialgeometrischen Fläche, GC, der oberen Fläche 312 verläuft. Diese Anordnung ist insbesondere geeignet für das Abbilden von Elementen, die in einem durchsichtigen Objekt eingebettet sind. Im Besonderen ist diese Anordnung dafür geeignet, Elemente, die innerhalb eines Halbleiters eingebettet sind, von der Rückseite des Halbleiters aus abzubilden. Dies ist in 3 abgebildet, wobei 300 das Trägermaterial bezeichnet, während 302 Elemente innerhalb des Trägermaterials bezeichnet. Eine derartige Abbildungsanordnung ist insbesondere wünschenswert zur Untersuchung und Analyse von „Flip-Chips".
4 bildet ein weiteres Beispiel ab. Bei diesem Beispiel ist die Unterseite 414 auf dieselbe Weise gestaltet, die in Bezug auf das Beispiel von 2 beschrieben ist, außer dass sie „unterhalb" der geometrischen Fläche, GC, der Oberseite 412 verläuft. Diese Anordnung ist ebenfalls verwendbar zur Untersuchung eingebetteter Elemente, insbesondere von Proben wie zum Beispiel verkappten integrierten Flip-Chip-Schaltkreisen, bei denen ein direkter optischer Zugang zu den Transistoren und aktiven Stromkreiselementen durch das Siliziumsubstrat möglich ist. Wie oben angemerkt, besteht ein Vorteil dieser Anordnung darin, dass sie einen größeren freien Objektabstand zwischen der Oberseite 412 und der Objektivlinse (nicht abgebildet) ermöglicht.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, besteht ein Vorteil der Immersionslinse darin, dass sie einen kleinen und definierten „Berührungspunkt" bereitstellt, so dass die exakte Stelle, die abgebildet wird, genau bestimmt werden kann. Der kleine und definierte Berührungspunkt minimiert des Weiteren jegliche physische Wechselwirkung zwischen der Linse und dem abgebildeten Objekt, wodurch auch die Gefahr minimiert wird, dass Schäden am abgebildeten Objekt verursacht werden.
Der Krümmungsradius der Unterseite kann viel größer sein, als jener der Oberseite. In jedem Fall sollte der Krümmungsradius der Unterseite kleiner sein, als jener der Fläche, die untersucht werden soll. Das bedeutet, falls die Fläche, die untersucht werden soll, eben ist, das heißt, falls ihr Krümmungsradius unendlich ist, kann die Unterseite jeglichen Krümmungsradius aufweisen, der kleiner als unendlich ist. Falls die Fläche, die untersucht werden soll, jedoch gekrümmt ist, sollte der Krümmungsradius der Unterseite kleiner sein, als der Krümmungsradius der untersuchten Fläche. Dies ist durch die gestrichelte Linie 415 in 4 veranschaulicht, die eine gekrümmte Fläche des Trägermaterials 400 darstellt.
Für vorteilhafte Ergebnisse sollte die Linse in das Objekt „eingekoppelt" (in direktem Kontakt) sein, um abklingende Oberflächenwellen zu erfassen. Mit anderen Worten sollte die Linse so an das Objekt gekoppelt sein, dass sie Strahlen, die sich im Objekt mit Winkeln, die größer als der Grenzwinkel sind, fortpflanzen, erfasst. Das Einkoppeln kann durch physischen Kontakt zwischen der SIL und dem untersuchten Objekt erreicht werden. In manchen Anwendungen stellt die SIL jedoch eine zusätzliche Einkopplungsfähigkeit bereit, wenn eine Kraft auf die SIL ausgeübt wird, so dass diese gegen das untersuchte Objekt gedrückt wird.
Bei der Mikroskopie eingebetteter Strukturen sind die Flächen von Interesse zum Beispiel in dünne und relativ formbare Proben eingebettet. Insbesondere bei integrierten Halbleiterschaltkreisen sind optische Messtechnikproben typischerweise auf zwischen ungefähr 50 und 150 Mikrometer verdünnt. In Flip-Chip-Baueinheiten sind diese Proben auf einem Lötfeld angebracht, wodurch eine nicht ebene (gewellte) und passende Struktur geschaffen wird, ohne die elektrische Leistung des integrierten Schaltkreises zu beeinträchtigen. Bei Verwendung der SIL der vorliegenden Erfindung kann eine minimale Kraft auf die SIL ausgeübt werden, um eine verbesserte Erfassungsleistung zu erzielen. 11 zeigt die erforderliche Kraft als eine Funktion des Durchmessers der Kontaktfläche zwischen einer bikonvexen SIL und einer typischen, verdünnten (von 500–600 Mikrometer auf ungefähr 120 Mikrometer) integrierten Flip-Chip-Schaltkreis-Probe für zwei SIL, die unterschiedliche Oberflächenkrümmungen aufweisen. Die relativ geringe Kraft, die für eine Kontaktfläche mit einem Durchmesser von 1 mm erforderlich ist, zeigt die formbare Beschaffenheit der Probe.
Für optimale optische Kopplungs- und Abbildungsergebnisse sollte der Brechungsindex der Immersionslinse dem des abgebildeten Objekts entsprechen. Beispiele für geeignete Materialien bei der Untersuchung von Objekten in Glas sind: Schott-58-Glas, Schott LaKN-22 und Schott LaSF-9. Für IC-Anwendungen in Silizium stellt eine Linse, die aus Silizium hergestellt ist, einen passenden Index bereit.
Die Immersionslinse ist für Anwendungen bei der Untersuchung von Flip–Chips geeignet. Insbesondere haben die Erfinder festgestellt, dass sich der Chip durch das Berühren der Rückseite des Chips und das Ausüben eines relativ geringen Drucks leicht verbiegt, wenn eine bikonvexe Immersionslinse zur Prüfung eines Flip-Chips verwendet wird; dies unterstützt das Koppeln der Linse an den Chip. Dieses Verbiegen ist untersucht worden und hat sich als erfolgreich gezeigt, ohne den Chip zu beschädigen oder seine elektrischen und/oder dynamischen (Zeitgabe-) Eigenschaften zu verändern. Im Besonderen ist eine bikonvexe Linse hergestellt worden, welche die folgenden Abmessungen aufweist:

– Radius der oberen Fläche: 3 mm;
– Radius der Unterseite: ~ 54 mm;
– Dicke/Höhe: 2,9 mm
– Brechungsindex (Silizium): 3,5.

Eine angemessene Kopplung ist beobachtet worden, wenn entweder die obere oder die untere Fläche mit einer angemessenen, nicht zerstörenden Kraft gegen den Chip gedrückt wurde. Folglich ist nachgewiesen worden, dass eine SIL, die eine gekrümmte Unterseite aufweist, die Lichterfassungsleistung aus einem integrierten Schaltkreis verbessert. Selbstverständlich sind diese Abmessungen nicht als Einschränkung auszulegen und ausschließlich als veranschaulichendes Beispiel angegeben.
5 veranschaulicht ein Mikroskop, das die Immersionslinse von 3 aufweist. Der Strahl aus einer Lichtquelle 540 wird durch die Linse 535 gebündelt und geht durch einen teildurchlässigen Spiegel 530. Das gebündelte Licht wird dann durch die Objektivlinse 525 auf einen Punkt innerhalb des Objekts 500 fokussiert. Bevor sie in das Objekt eindringen, gehen die gebündelten Strahlen durch die Immersionslinse 520. Die Immersionslinse 520 ist an das Objekt gekoppelt, so dass abklingende Wellenenergie über die Immersionslinse zum und vom Objekt übertragen werden kann.
Licht, das aus der oberen Fläche des Objekts austritt, wird dann von der Immersionslinse 520 eingefangen. Die Immersionslinse 520 ist aus einem Material mit hohem Brechungsindex hergestellt (zum Beispiel dem der Probe) und optomechanisch an das Objekt gekoppelt. Dadurch wird die numerische Apertur des Objektivs 525 (ursprünglich nicht SIL) wirksam vergrößert, und fängt Strahlen, die sich innerhalb des Objekts mit Winkeln, die größer als der Grenzwinkel sind, fortpflanzen, ein. Somit wird das räumli che Auflösungsvermögen erhöht, und Elemente kleinerer Größe können innerhalb des Objekts aufgelöst werden.
Das Licht geht von der Immersionslinse 520 in das Objektiv 525 und wird dann vom Spiegel 530 zum Detektor 545 reflektiert. Der Detektor 545 kann eine geeignete Kamera (das heißt CCD oder Vidikonfeld), ein Okular, oder beides davon (wobei Beugungs- und/oder Reflexionsoptik in bekannter Weise verwendet werden) sein.
Es versteht sich, dass man für das Mikroskop, das in 5 veranschaulicht ist, jede der hierin beschriebenen Immersionslinsen verwenden kann. Insbesondere kann die veränderte aplanatische Linse, die in 4 abgebildet ist, ebenfalls zum Abbilden innerhalb eines Objekts verwendet werden. Die Linse von 2 kann verwendet werden, wenn gewünscht ist, statt eingebetteten Elementen Elemente an der Oberfläche des Objekts abzubilden.
Eine Variante der Linse ist in 6 abgebildet. Im Besonderen weist die Immersionslinse von 6 eine konvexe Oberseite 612, die gleich jenen der Linsen, die in den s–4 abgebildet sind, ist, auf. Die Unterseite der Immersionslinse ist derart geschliffen, dass sie eine kleine und definierte gekrümmte Kontaktfläche 618 und eine diese umgebende zurückweichende Fläche 616 aufweist. In der Verwendung ist die gekrümmte Kontaktfläche 618 entweder dadurch, dass sie mit den Objekt in Kontakt gebracht wird, oder dadurch, dass sie sehr nahe, das heißt auf innerhalb bis zu 200 Nanometer, an das Objekt herangebracht wird, an das Objekt gekoppelt. Die zurückweichende Fläche ist so gestaltet, dass sie einige zig Nanometer oberhalb des Berührungspunktes angeordnet ist, so dass der Spalt 615 entsteht. Die zurückweichende Fläche kann entweder geneigt (wie abgebildet) oder eben sein. Bei diesem Beispiel ist die gekrümmte Kontaktfläche 618 konvex und weist einen Krümmungsradius auf, der kleiner ist, als jener der oberen Fläche 612.
Eine andere Anwendung der SIL, die keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, sind optische Datenspeichersysteme. Auch bei optischen Speicheranwendungen wie zum Beispiel CD, CD-ROM und DVD ist eine hohe numerische Apertur wünschenswert, wobei sie in diesem Fall das Auslesen von Daten aus dem Speichersystem verbessert und eine Erhöhung der Datendichte ermöglicht. Ein solches System ist in 7 veranschaulicht. Insbesondere weist das Speichermedium die Form eines Substrats 700 und einer Lese-Schreib-Oberfläche 705, die in einer Weise, die für sich alleine bekannt ist, Pits oder Phasenumtastungselemente umfassen kann, auf. Eine Immersionslinse 720 in Form irgendeiner der Immersionslinsen, die hierin offenbart sind, wird verwendet, um Licht, das von den Medien reflektiert wird, zu erfassen und zum Objektiv 730 weiterzuleiten. Die Immersionslinse kann in einer Anordnung mit einem Lesekopf oder einem Lese-Schreib-Kopf fest oder flexibel mit der Objektivlinse gekoppelt sein. Die aus einem Teil bestehende Anordnung ist oberhalb der Medien in einem Luftpolster, das durch die Luftströmung, die durch die Drehung der Medien entsteht, geschaffen wird, angeordnet. In 7 ist die Luftströmung allgemein mit dem Pfeil 740 gekennzeichnet.
8 bildet den allgemeinen Aufbau einer Testvorrichtung gemäß einer als Beispiel dienenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ab, während 9 die relevanten Einzelheiten in einer etwas vergrößerten Ansicht abbildet. Diese Testvorrichtung ist insbesondere nützlich zur Abbildung und im Besonderen zur zeitaufgelösten Ausstrahlung (Heißelektronenerfassung von Licht) zum Schalten (dynamisch und Zeitgabe) und für andere Tests von Flip-Chips. Der Flip-Chip 800 (900 in 9) ist am Träger 810 (in 9 nicht abgebildet) befestigt, um eine elektrische Verbindung zu diesem zu schaffen. Wie in 9 abgebildet, umfasst der Flip-Chip 900 eine farblose Substratschicht 903, eine erste Aktivschicht 905 (zum Beispiel die Source/Drain-Diffusionsschicht der Transistoren) und weitere Vorrichtungsschichten 907 (zum Beispiel Metallverbindungsschichten). Für Zeitgabetests ist die erste Aktivschicht 905 die Schicht von Interesse, und die Optik ist so aufgebaut, dass die Aktivschicht 905 in der Brennweitenebene angeordnet ist.
Wie des Weiteren in 8 gezeigt ist, ist die Immersionslinse 820 in einem Träger 840 angeordnet, und wird durch die Halterung 825 elastisch an der Stelle gehalten. In der Ausführungsform von 8 umfasst der Träger 840 eine Gleitplatte 844, die eine hochglanzpolierte Unterseite, die sich ein wenig über der Unterseite der Immersionslinse hinaus erstreckt, aufweist. Zur weiteren Erklärung dieser kennzeichnenden Eigenschaft siehe 9, die eine vergrößerte Ansicht dieses Merkmals abbildet. Im Besonderen dient in 9 der Träger 940 selbst als Gleitplatte. Aus diesem Grund ist seine Unterseite 942 hochglanzpoliert und erstreckt sich etwas über die Unterseite 922 der Immersionslinse 920 hinaus. Wie in den 8 und 9 gezeigt ist, sind innerhalb des Trägers (840, 940) Kühlmittelkanäle (845, 945) geschaffen, und Fluid wird den Kanälen über Schläuche oder Rohre (850, 950) zugeführt. Das Kühlmedium kann gasförmig oder flüssig sein, und wird verwendet, um Wärme vom Flip-Chip abzuführen.
Gemäß einer Verwendungsweise wird die Unterseite des Trägers mit der Unterseite des Flip-Chips in Kontakt gebracht, und wird dazu verwendet, die Immersionslinse über den Chip zu schieben, um die Linse an den für Tests geeigneten Stellen zu platzieren. Ein erster Vorteil dieses Merkmals ist, dass der Abstand zwischen der Unterseite der Linse und der Oberfläche des Chips mechanisch konstant gehalten wird. Ein zweiter Vorteil dieses Merkmals ist, dass ein Kratzen und Schleifen der Unterseite der Immersi onslinse am Chip vermieden wird. Ein dritter Vorteil ist, dass der Träger Wärme von der Vorrichtung, die getestet wird, abführt.
Da die Unterseite der Linse andererseits nicht mit der Oberfläche des Flip-Chips in Kontakt ist, ist die Lichtkopplung nicht optimal. Daher erstreckt sich die Unterseite der SIL in einer alternativen Ausführungsform über die Unterseite des Trägers hinaus. Bei Verwendung dieser Anordnung wird die SIL „aufgenommen" und auf verschiedenen Stellen am Flip-Chip „platziert", und es erfolgt kein Gleiten, wodurch Kratzer vermieden werden.
Die Aufmerksamkeit des Lesers wird nun zur weiteren Erklärung des Betriebs der Testvorrichtung zurück zu 8 gelenkt. Um die Immersionslinse auf der Vorrichtung, die getestet wird, von einer Stelle zur anderen Stelle zu bewegen, ist der Schlitten 840 mit einem x-y-z-Tisch 860 verbunden. Es wird erwägt, dass der Schlitten 840 für relativ große Bewegungen von der Vorrichtung abgehoben, zur neuen Position bewegt, und dann wieder abgesenkt wird, um wieder in Kontakt mit der Vorrichtung zu kommen. Für Feineinstellungen kann der Schlitten über die Oberfläche der Vorrichtung bewegt, oder die Linse „aufgenommen" und an einer neuen Position „platziert" werden. Es versteht sich, dass dieselbe Funktion auch dadurch erreicht werden kann, dass die optischen Linsen an einem festen Aufbau befestigt werden, während die Vorrichtung, die getestet werden soll, an einem x-y-z-Tisch angebracht wird.
Der Tisch 860 umfasst des Weiteren Manipulatoren 870 für die Feineinstellung in Z-Richtung. Die Manipulatoren 870 werden insbesondere dazu verwendet, den Abstand zwischen der Immersionslinse und dem Objektiv 830 zum Zweck der Scharfstellung und der Druckregelung zu regeln. Die Manipulatoren 870 können durch ein für sich alleine bekanntes automatisches Scharfstellungssystem geregelt werden.
Im Folgenden wird noch ein weiteres Merkmal der Erfindung beschrieben. Insbesondere wird, wie aus 9 ersichtlich ist, zwischen der Immersionslinse und der Fläche 909 der Vorrichtung, die getestet wird, ein kleiner Hohlraum 915 gebildet. Ist der Abstand zwischen der Unterseite 922 der Immersionslinse und der Unterseite 909 der Vorrichtung klein (zum Beispiel bis zu 200 nm), kann dieser Hohlraum nur mit Luft gefüllt bleiben. In der alternativen Ausführungsform ist innerhalb dieses Hohlraums allerdings Indexanpassungsfluid bereitgestellt. Dies verbessert die bildgebende Fähigkeit der Testvorrichtung, und hilft dabei, die Reibung zu verringern, wenn der Schlitten bewegt wird. Für die Praxis wird erwägt, auf der Oberseite der Oberfläche 909 der Vorrichtung Indexanpassungsfluid bereitzustellen, bevor der Schlitten auf die Vorrichtung abgesenkt wird.
In einer Ausführungsform ist die obere, konvexe Fläche der Linse mit einem Antireflexmaterial überzogen. Da durch den Aufbau der Linse alle Strahlen mit einem Winkel von 90 Grad in die obere Fläche eindringen beziehungsweise aus dieser austreten, ist das Beschichten stark vereinfacht, da die Dicke des Überzugs auf der gesamten konvexen Fläche gleich wäre.
Obwohl die Erfindung hierin in Bezug auf bestimmte ihrer Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere können von Durchschnittsfachleuten verschiedene Veränderungen und Modifikationen durchgeführt werden, wie durch die angehängten Ansprüche definiert ist.

Claims

Optische Flip-Chip-Testvorrichtung mit einer Bikonvex-Immersionslinsenanordnung, umfassend: eine bikonvexe Immersionslinse (820) aufweisend eine obere konvexe Oberfläche mit einem ersten Krümmungsradius und eine untere konvexe Oberfläche mit einem zweiten Krümmungsradius; eine Objektivlinse (830); und Manipulatoren (870) zum Regeln des Abstands zwischen der Immersionslinse (820) und der Objektivlinse (830), wobei die Manipulatoren (870) angepaßt sind, um den Druck, mit dem die bikonvexe Immersionslinse (820) beaufschlagt wird, zu regeln.
Optische Flip-Chip-Testvorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend Schläuche (850) für Kühlmittel, das zugeführt wird, um Wärme von einem Flip-Chip abzuführen.
Optische Flip-Chip-Testvorrichtung nach Anspruch 2, weiterhin umfassend: einen Träger (840) mit darin ausgebildeten Kühlmittelkanälen (845), wobei die Schläuche (850) angepaßt sind, den Kühlmittelkanälen (845) Kühlmittel zuzuführen.
Optische Flip-Chip-Testvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Träger (840) weiterhin Halterungen (825) umfaßt, um die bikonvexe Immersionslinse (820) elastisch an der Stelle zu halten.
Optische Flip-Chip-Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin wobei das Kühlmittel ein Gas ist.
Optische Flip-Chip-Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin wobei das Kühlmittel eine Flüssigkeit ist.
Optische Flip-Chip-Testvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin umfassend: eine Gleitplatte (844) mit einer hochglanzpolierten Unterseite, die leicht oberhalb der unteren Oberfläche (922) der bikonvexen Immersionslinse verläuft.