KR102363211B1

KR102363211B1 - 집적 회로들의 광학적 나노프로빙

Info

Publication number: KR102363211B1
Application number: KR1020160080045A
Authority: KR
Inventors: 블라디미르 에이 우크라인스체브; 마이크 버크마이어
Original assignee: 에프이아이 컴파니
Priority date: 2015-06-25
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2022-02-14
Also published as: US10175295B2; CN106324486A; CN106324486B; US20160377675A1; KR20170001659A

Abstract

광 회절 한계를 넘어서는 전기적 및 광학적 나노프로빙을 위한 장치. 네비게이션 현미경은 관심 영역으로의 네비게이션을 위해 구성된다. 프로브 공간 포지셔너는 포크를 지원하고, 진동 압전 튜브는 포크의 자유단에 부착되고 샘플에 거리를 표시하는 출력을 제공한다. 단일 모드 광 섬유는 그 종단에 형성된 근접장 트랜스듀서를 가지며, 근접장 트랜스듀서가 샘플을 향해 진동 압전 튜브 아래로 연장하도록 진동 압전 튜브에 부착된다. 광검출기는 샘플로부터 수집된 광자들을 검출하도록 포지셔닝된다. 근접장 트랜스듀서는 단일 모드 광 섬유의 종단에 형성된 테이퍼된 섹션, 테이퍼된 섹션의 팁에 형성된 금속성 코팅, 및 금속성 코팅을 통해 테이퍼된 섹션의 팁을 노출시키도록 금속성 코팅에 형성된 개구로서 형성될 수도 있다.

Description

집적 회로들의 광학적 나노프로빙{OPTICAL NANOPROBING OF INTEGRATED CIRCUITS}

관련 출원들에 대한 상호 참조

이 출원은 2015 년 6 월 25 일에 출원된 U.S. 가특허출원 제 62/184,822 호로부터의 우선권 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 통합된다.

이 발명은 주사 또는/및 스테핑 (터칭) 나노프로빙 시스템들을 사용한 집적 회로들 (IC) 의 광전기적 특징화의 분야에 관련된다.

나노프로빙은 나노오브젝트들의 차원적 (dimensional), 전기적, 기계적, 조성적 및 화학적 물리적 특성의 다양한 타입들을 포함하는 분석 과학의 넓은 분야를 커버한다. 어드밴스드 (<130nm) IC들과 같은 나노전자 디바이스들이 그러한 오브젝트들의 예들이다.

1000-1500 nm 레이저를 사용하는, 종래 원거리장 (far-field) 광학적 프로빙은 분해능이 없어지고 있다. 최근, 가장 정교한 광자 전달 및 수집 광학 장치(고체 잠입 렌즈, SIL) 조차도 약 200 nm 의 측면 분해능 (lateral resolution) 을 제공하며 일부 더 많은 노력들에 의해서도 약 100 nm 의 측면 분해능을 제공한다. 광학 장치의 필요한 공간 분해능은 최소 게이트 (또는 접촉 레벨) 의 약 2 배이다. 기술 노드들에서의 트랜지스터들의 피치 치수는 20 nm 노드에 대해 약 140 nm, 14 nm 노드에 대해 100 nm, 10 nm 노드에 대해 70 nm 그리고 7 nm 노드에 대해 50 nm 이며; 이들 치수들이 또한 트랜지스터들의 광학적 프로빙의 분해능을 위한 요건들이다. 이에 따라, 광학적 상업/산업 프로버들의 분해능은 무어의 법칙 (Moore's Law) - 산업 트렌드를 따르도록 개선되어야 한다.

근거리장 주사 광학 현미경 (NSOM) 은 회절 한계를 너머 광학 장치의 분해능을 개선하는 알려진 방식이다. 이 솔루션은 개구 (aperture) 직경 대 파장의 비에 대한 광자 수집 효율의 강한 의존성 (베테의 이론 (Bethe's theory) 에 의한 네제곱 의존성) 과 관련된 심각한 제한을 갖는다. 1250 nm 비편광 광자들 (광학적 회로 분석에 의해 최근 사용되는 1000 nm 내지 1500 nm 범위의 중간) 및 200 nm 개구 직경에 대하여, 효율은 1.5 % 에 근접하고, 50 nm 개구에 대하여 단지 0.006 % 이거나 아마도 기껏해야 0.8 % 이다. 샘플에 의해 방출된 17,000 광자들 중 겨우 단 하나만이 수집된다. 실제 어플리케이션들에 대해 광자 수집 효율은 부적절하다.

광학 현미경 분해능의 회절 한계들을 극복하기 위해서, 다양한 근거리장 소산 (evanescence) 방사선 접근법들이 과거에 사용되었다. 예: 회절 한계보다 작은 치수들을 갖는 섬유 (fiber) 개방을 사용하는 NSOM. 근거리장 경우에 있어서, 시스템의 분해능은 광학적 프로브 (섬유, 핀 홀 등) 의 개구에 의해 정의된다. 임의의 근거리장 소산 방법에 의한 문제는 그 열악한 광자 전달 및 수집 효율이다. 섬유 프로브들을 갖는 NSOM 의 수집 효율은 D³ (실험) 또는 D⁴ (이론) 함수로서 그 공간 분해능에 의해 또는 섬유 개구의 직경에 의해 하락한다. 1250 nm 에 광에 대하여, 100 nm 핀 홀의 예상되는 투과율은 약 0.0001 이고, 50 nm 분해능에 대하여 0.00006 투과율들을 예상할 것이다. 이것은 또한 방법의 쓰루풋도 감소시키고 섬유 NSOM-기반 고분해능 OCA 를 그저 비실용적이게 한다.

목적은 타겟의 트랜지스터/다이오드와 상호 작용하거나 이에 의해 방출되는 모든 가능한 광자를 수집하는 것이고, 또한 필요한 공간 분해능을 보존하는 것이다. 근거리장 트랜스듀서들 (NFT) 또는/및 광학 나노 안테나들은 회절 한계보다 작은 스팟 사이즈에서 광학 에너지를 집중시키기 위해 사용되고 있다. 이러한 최근 NFT 개발은 데이터 스토리지 회사들에 의해 지원되는데, 이는 HAMR (heat assisted magnetic recording) 기술이 데이터 스토리지의 더 높은 밀도들을 달성하는 것을 약속하기 때문이다. 근거리장에서의 ~20 nm 의 분해능은 수 내지 10 퍼센트의 800 nm 파장에서의 투과율을 갖는 다양한 NFT 를 사용하여 (또는 자기 매체 효율과 커플링하여) 현재 달성될 수 있다. 광학적 프로빙을 위해 NSOM 에 의해 필요한 파장들은 원거리장 프로빙에 대한 것보다 더 짧을 수 있다는 것을 유념한다; 하지만, 원거리장 프로빙은 10 um 보다 큰 실리콘 두께들로 작업할 수 있는 반면, NSOM 은 250 nm 보다 작은 실리콘 두께들로 작업하여야 한다. 이들 숫자들은 약 0.0002 % 인, 직경 20 nm 의 단순한 금속 개구의 투과율과 비교되어야 한다. 이에 따라, NFT 는 근거리장 광학 장치의 효율 (투과율, 커플링 효율) 을 현저히 개선한다.

레이저 주사 시스템으로 관심 영역 (ROI) 의 다중 지점들로부터의 광자들을 수집하기 위해 사용되는 이미징 근거리장 광학 시스템의 공간 분해능은 어니스트 아베 (Ernest Abbe) 에 의해 정의된, 회절 한계라 칭하는 것에 의해 근본적으로 제한된다. 이 공간 분해능은 광학 시스템의 품질뿐만 아니라 파장, 개구수 그리고 샘플의 방출, 반사 또는 흡수 특성들에 의존한다. 이 같은 회절 한계는 레이저 프로브의 감소를 소정 사이즈 아래로 한정한다. 이러한 한계는 다시 포커싱 광학 장치의 파장, 개구수 및 품질에 의해 정의된다. 광학 시스템의 분해능에 대한 회절 한계를 극복하는 것을 돕는 몇몇 기법들이 알려져 있다. 이들 중 하나는 ROI 의 근거리장에서 나노스케일 광자 센서/소스를 주사하거나 포지셔닝하는 것이다. 광 섬유로 코팅된 전도체의 개구가 "센서/소스" 사이즈를 정의하는 NSOM 이 사용될 수 있다. 얇은 섬유의 열악한 투과율에도 불구하고, NSOM 의 이러한 타입은 때때로 나노스케일 분해능으로 ROI 에 광자들을 전달하기 위해 채용된다 (소스 레이저의 높은 전력이 돕는다). 하지만, 방출된 또는 반사된 광자들의 수집을 위한 NSOM 의 사용은 제한된다. 서브 파장 개구의 이론적인 광자 수집 효율은 직경 대 파장비의 네제곱 만큼 떨어진다. 일부 실험 데이터는, 식각되고 금속 코팅된 섬유 투과율의 약간 덜 급격한 쇠퇴를 - 직경 대 파장 비의 세제곱으로서 제안한다. 이러한 세제곱에 있어서도 근거리장 광학 장치에 의해 제공된 250 nm 분해능으로부터 NSOM 의 50 nm 분해능까지 가는 경우는 2 자릿수 보다 큰 신호의 감소 (1/125 또는 0.008) 를 야기할 것이다. NSOM 의 순차적 데이터 수집 알고리즘을 고려하면, 250 nm 분해능에 의한 병렬 이미징으로부터 50 nm 분해능에 의한 순차적 주사 현미경까지 가는 쓰루풋의 상당한 손실을 직면한다 (단지 추가의 데이터 수집 시간만이 신호 대 노이즈 비, SNR 을 개선할 수 있다). 나노스케일, 서브 파장 광학 장치의 광자 수집 효율 (또는 투과율) 은 산업적 어플리케이션들에 대해 수용될 방법을 위해 현저히 개선되어야 한다.

따라서, 당업계에서는 불충분한 분해능 및/또는 광자 수집 효율로 인하여 현재 기술을 사용하여 프로빙될 수 없는 다가오는 설계 노드들에서의 IC 의 프로빙을 가능하게 하기 위한 필요성이 있다. 이 개시물은 그것을 행하기 위한 시스템 및 방법을 기재한다.

개시물의 다음의 개요는 발명의 일부 양태들 및 피처들의 기본적인 이해를 제공하기 위해 포함된다. 이 개요는 발명의 광범위한 개관이 아니며 이에 따라 발명의 핵심적이거나 중요한 엘리먼트들을 특별히 식별하기 위해 또는 발명의 범위를 기술하기 위해 의도되지 않는다. 그 유일한 목적은 하기에 제시되는 보다 상세한 설명에 대한 서두로서 간략화된 형태로 발명의 일부 개념들을 제시하는 것이다.

개시된 실시형태들은 주사 또는 스테핑 나노프로빙 시스템과 통합된 NFT 를 활용하는 것에 의해 광학적 프로빙의 나노스케일 공간 분해능을 달성한다. 이러한 (기계적) 주사 광학 시스템의 공간 분해능은 근거리장 주사 광학 현미경 (NSOM) 에서 광학적 프로브의 사이즈에 의해 정의된다.

개시된 실시형태들에 따라, HAMR (heat assisted magnetic recording) 을 위해 개발된 근거리장 트랜스듀서 기술은 작동 IC 의 엘리먼트들의 국부적 가열/조사에 기초하여 광학적 회로 분석 (OCA) 기법들에 적용될 수 있다. 예를 들어, 파장이 1250 nm 보다 커야 하는, 동적 열적 레이저 자극 (stimulation) 및 정적 열적 레이저 자극은 이들 실시형태들을 사용하여 구현될 수도 있다. 개시된 실시형태들에서, HAMR NFT 는 적절하게 동작하기 위해 타겟으로부터 수십 나노미터 거리 (15 내지 25 nm) - 통상의 NSOM들 보다 훨씬 감소된 거리에 배치되도록 설계된다.

발명의 양태들은, 나노스케일 공간 분해능 (고효율 광자 수집 및 전달을 위해 사용될 단일 NFT 또는 하나보다 많은 NFT 의 조합) 으로 에너자이징된 IC 에 광자들을 전달하거나 에너자이징된 IC 로부터 광자들을 수집하기 위해 사용되는 나노 사이즈 광학적 프로브를 갖는 주사 또는 스테핑 프로버를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 현미경 (광학적 또는 주사 전자 또는 주사 이온 또는 다른 것) 은 ROI 에 대한 샘플 상의 네비게이션을 위해 사용될 수도 있다. 발명의 통합된 나노센서는 NFT(들) 및 광자 센서를 결합하거나 광 섬유 또는 원거리장 광학 장치 (렌즈들) 를 사용하여 NFT(들) 및 광자 센서를 커플링한다. 대안으로, 통합된 나노소스는 NFT(들) 및 광자들의 소스를 직접 결합하거나 광 섬유 또는 원거리장 광학 장치 (렌즈들) 를 사용하여 NFT(들) 및 광자 소스를 커플링한다. 나노센서 또는 나노소스는 NFT 와 샘플 표면 사이의 거리 및 특정된 각도를 유지하기 위해 사용되는, 압전 튜브에 접착될 수도 있다. 진동 압전 튜브는 또한 프로브 랜딩 동안 표면 터치 및/또는 근접도를 검출하기 위해 사용된다. 이것은 프로브 진동 (진폭 및/또는 위상) 의 감쇠를 모니터링하는 것을 통해 행해진다. 일부 실시형태들에서, 샘플로의 광자 전달 또는 샘플로부터의 광자 수집은 ROI 상에서 포커싱되는 원거리장 광학 장치를 사용하여 행해지며, 동시에 근거리장 광학 장치가 광자들의 수집 또는 전달을 위해 각각 사용된다.

다른 양태들에서, 광학적 회절 한계를 넘는 분해능으로 전기적 및 광학적 샘플 나노프로빙을 수행하는 방법이 가능해지며, 이 방법은 NFT 로 근거리장 근접도 (예를 들어, 1/10 파장 미만) 에서 프로빙 엘리먼트들을 가져오기 위해 IC 를 박화 또는 디레이어링하는 단계; 현미경 (광학적 또는 주사 전자 또는 주사 이온 또는 다른 것) 을 사용하여 ROI 로 네비게이팅하는 단계; 테스트 (SLS: OBIRCH, TIVA, OBIC, LIVA, 제백 효과 등) 하에서 회로를 방해하기 위해 광자들의 나노스케일 소스의 사용 또는 테스트 하에서 에너자이징된 회로의 광학적 나노스케일 검사 (광자 방출/산란) 를 주사/스테핑하는 단계; 전면으로부터 IC 를 에너자이징하게 위해 기능적 테스터 또는 전기적 프로브들을 사용하여 후면 및 전면 광학적 프로빙을 구현하는 단계; 소프트 실패들 (SDL, LADA, CPA, SIFT) 을 검출하고 특징화하기 위해 시간 분해된 전기 광학적 방법들 (펄싱) 을 사용하는 단계; IC 의 소프트 및 하드 패일된 엘리먼트들을 국부화 및 특징화하는 단계를 포함한다.

발명의 양태들은 추가로 다음의 피처들을 포함한다: 회절 한계 아래의 분해능으로 OCA 에서 높은 투과율 NFT (단일 또는 하나보다 많은 NFT 의 조합) 의 사용; NFT 와 샘플 표면 사이의 거리 및 각도의 최적화를 통해 NFT 의 수집 효율을 개선하기 위한 3D 나노 모션 트랜스듀서 (예: 압전 튜브) 의 사용; 및 전면 및 후면 나노프로빙에서 회로들 및 디바이스들의 빠른 고분해능 분석을 위한 효율적인 NFT 의 채용.

개시된 실시형태들에 따라, 나노프로버와 통합된 근거리장 트랜스듀서 (NFT) 를 사용하여 프로빙 시스템에서 샘플을 프로빙하는 방법이 제공되고, 이 방법은, 샘플을 스테이지에 고정하는 단계; 샘플링 팁에 형성된 NFT 를 갖는, 단일 모드 광 섬유를, 압전 튜브에 고정하는 단계로서, 압전 튜브는 나노프로버의 포크에 부착되는, 압전 튜브에 고정하는 단계; 프로빙 시스템의 좌표에 샘플의 관심 영역 (ROI) 을 등록하기 위해 스테이지를 사용하는 단계; ROI 의 상부 표면으로부터 미리 정해진 거리 내로 NFT 를 가져오기 위해 나노프로버의 포지셔너를 에너자이징하는 단계로서, 미리 정해진 거리는 근거리장 근접도를 포함하고, 근거리장 근접도는 프로빙 동안 사용된 파장의 일부, 예를 들어 1/10 인, 포지셔너를 에너자이징하는 단계; 압전 튜브의 감쇠를 모니터링하는 것에 의해 상부 표면에 대한 NFT 의 근접도를 결정하는 단계; ROI 의 상부 표면 상으로 NFT 를 주사하는 단계를 포함한다.

발명의 양태들에 따라, 미리 선택된 파장에서 동작하기 위한 근거리장 트랜스듀서를 제조하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은 파장보다 더 큰 직경을 갖는 단일 모드 섬유를 제공하는 단계; 단일 모드 섬유의 일 단부에서 박화된 부분을 형성하는 단계로서, 박화된 부분은 파장보다 더 작은 직경을 갖는 평탄한 저부에서 종료하는, 박화된 부분을 형성하는 단계; 불투명층으로 평탄한 저부를 코팅하는 단계; 불투명층에서 개구를 절단하는 (cutting) 단계로서, 개구는 미리 선택된 파장들을 위해 최적화되고 미리 결정된 파장들보다 더 작은 치수를 갖는, 개구를 절단하는 단계; 개구의 근방에서 불투명층 상에 금속 팁을 성장시키는 단계; 및 불투명층의 외주 상에 정렬 마크들을 형성하는 단계를 포함한다. 불투명층은 예를 들어 금과 같은 금속으로 이루어질 수도 있다. 개구는 C 형상을 갖도록 형성될 수도 있고 금속 팁은 C 형상 개구의 중심에 형성될 수도 있다. 팁은 50 내지 100 nm 의 높이를 갖도록 성장될 수 있고 포커싱된 이온 빔 보조 화학 기상 증착을 사용하여 성장될 수도 있다. 정렬 마크들은 포커싱된 이온 빔을 사용하여 성장된 금속성 범프들일 수도 있고 또는 포커싱된 이온 빔을 사용하여 불투명층 상에 식각된다.

발명의 양태는 근거리장 트랜스듀서를 통합하는 프로버를 제공하며, 프로버는, 프로브 공간 포지셔너; 포지셔너에 부착된 포크; 포크의 자유단에 부착된 진동 압전 튜브; 진동 압전 튜브에 부착된 전기적 리드들; 단부에 형성된 근거리장 트랜스듀서를 갖는 광 섬유로서, 광 섬유는 근거리장 트랜스듀서가 진동 압전 튜브 아래에서 연장하도록 진동 압전 튜브에 부착되는, 광섬유를 포함하고; 근거리장 트랜스듀서는 광 섬유의 단부에 형성된 테이퍼된 부분, 테이퍼된 부분의 팁에 형성된 금속성 코팅, 및 금속성 코팅을 통해 테이퍼된 부분의 팁을 노출하도록 금속성 코팅에 형성된 개구를 포함한다. 근거리장 트랜스듀서는 추가로 50 nm 내지 100 nm 의 높이로 연장하는, 금속성 코팅으로부터 연장하는 금속 팁을 포함할 수도 있고, 20 nm 내지 30 nm 의 직경의 팁 정점을 갖는다.

발명의 양태는 또한, 광학적 회절 한계를 넘는 분해능으로 전기적 및 광학적 샘플 나노프로빙을 수행하기 위한 장치를 제공하며, 장치는, 샘플 홀더; 관심 영역 (ROI) 에 대한 샘플 상의 네비게이션을 위해 구성된 네비게이션 현미경; 프로브 공간 포지셔너; 포지셔너에 부착된 포크; 포크의 자유단에 부착되고 샘플에 대한 거리의 출력 표시를 제공하는 진동 압전 튜브; 진동 압전 튜브에 부착된 전기적 리드들; 단부에 형성된 근거리장 트랜스듀서를 갖는 단일 모드 광 섬유로서, 근거리장 트랜스듀서가 진동 압전 튜브 아래에서 샘플을 향해 연장하도록 진동 압전 튜브에 부착되는, 광 섬유; 광 검출기를 포함하고, 근거리장 트랜스듀서는 단일 모드 광 섬유의 단부에 형성된 테이퍼된 부분, 테이퍼된 부분의 팁에 형성된 금속성 코팅, 및 금속성 코팅을 통해 테이퍼된 부분의 팁을 노출하도록 금속성 코팅에 형성된 개구를 포함한다. 장치는, 단일 모드 광 섬유에 레이저 빔을 제공하도록 포지셔닝된 레이저; 샘플로부터 반사된 광을 수집하고 반사된 광을 광 검출기로 지향시키도록 포지셔닝된 수집 오브젝티브; 수집 오브젝티브와 광 검출기 사이에 포지셔닝된 편광자를 더 포함할 수도 있다. 장치는, 샘플을 향해 레이저 빔을 제공하도록 포지셔닝된 레이저; 레이저 소스로부터의 레이저 빔을 ROI 상에 포커싱하도록 포지셔닝된 오브젝티브; 단일 모드 광 섬유의 출구 측에 포지셔닝된 편광자를 더 포함할 수도 있고; 광 검출기는 편광자 뒤에 포지셔닝되며 편광자를 통과하는 광을 수신한다. 장치는 포지셔너에 부착되고 신호 소스에 전기적으로 커플링된 복수의 전도성 나노프로브들을 더 포함할 수도 있다.

발명의 양태들에 따라, 많은 디바이스들이 동시에 에너자이징되고, 큰 회로들도 단일 또는 하나보다 많은 근거리장 나노센서들을 사용하여 높은 공간 분해능으로 특징화될 수 있다.

다른 양태들에 따라, 높은 공간 분해능으로 에너자이징된 회로에 광자들을 전달하기 위한 능력이 가능해진다.

발명의 다른 양태들 및 피처들은, 다음의 도면들을 참조하여 이루어지는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 도면들은 첨부된 청구항들에 의해 정의되는, 발명의 다양한 실시형태들의 다양한 비한정 예들을 제공하는 것이 언급될 것이다.
이 명세서에 통합되고 명세서의 부분을 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 실시형태들을 예시하며, 설명과 함께, 발명의 원리를 설명하고 예시하는 것을 제공한다. 도면들은 도식적인 방식으로 예시의 실시형태들의 주요 피처들을 도시하는 것으로 의도된다. 도면들은 실제 실시형태들의 모든 피처들을 도시하는 것으로 의도되지 않고 또한 도시된 엘리먼트들의 상대적 치수를 도시하는 것으로도 의도되지 않으며, 일정한 비율로 도시되지 않는다.
도 1 은 일 실시형태에 따른 NFT 를 사용한 광의 서브 파장 포커싱의 도시이다.
도 2 는 일 실시형태에 따른 NFT 를 사용한 광의 서브 파장 소스들로부터의 광자 수집의 도시이다.
도 3 은 공기 및 수중에서의 금 팁에 대한, 팁 반경의 함수로서 (전계)⁴ 의 반치전폭 (full-width-at-half-maximum) 또는 산란된 전계의 플롯 측면 분해능이다.
도 4a 및 도 4b 는 개시된 실시형태에 따른 은 나노입자 안테나로 단일 분자의 방사율의 강화를 도시한다.
도 5a 는 CAN-팁의 개략도인 한편, 도 5b 는 CAN-팁의 팁으로부터 6 nm 에서 980 nm 광에 대해 계산된 바와 같은 근거리장 프로파일의 플롯이다.
도 6a 및 도 6b 는 특징적인 사이즈 a = 100 nm 및 100 nm 사이즈의 정사각형 개구와 C 개구의 투과율 및 피크 광 세기를 비교한다.
도 7 은 광 센서 및 NFT 의 통합을 위한 실시형태의 개략도이다.
도 8 은 일 실시형태에 따른 광자들의 소스 및 NFT 의 통합을 도시한다.
도 9 는 일 실시형태들에 따른, 광 섬유와 NFT 의 통합의 실시형태를 나타낸다.
도 9a 내지 도 9e 는 광 섬유의 NFT 공동에 대한 다양한 실시형태들을 도시한다.
도 10 은 일 실시형태에 따른 현재 나노프로빙 시스템의 프로브 포지셔너와 NFT 및 광 섬유의 통합의 개략적인 도시이다.
도 11 은 개시된 실시형태에 따른, 전기적 활성 IC 의 후면 광학적 나노프로빙을 위한 셋업을 도시한다.
도 12 는 개시된 실시형태에 따른, 전기적 활성 IC 의 후면 광학적 나노프로빙을 위한 셋업을 도시한다.
도 13 은 개시된 실시형태에 따른, 전기적 활성 IC 의 전면 광학적 나노프로빙을 위한 셋업을 도시한다.
도 14 는 개시된 실시형태에 따른, 전기적 활성 IC 의 전면 광학적 나노프로빙을 위한 셋업을 도시한다.

NFT 를 사용한 광자 수집에 관하여 상대적으로 적게 알려져 있다. 도 1 및 도 2 는, 개시된 실시형태들에서 구현되는 바와 같이, 샘플로의 광자 전달 및 샘플에 의해 방출된 광자들의 수집의 양자 모두의 프로세스들의 원리들의 도시를 제시한다.

도 1 은 NFT 를 사용한 광의 서브 파장 포커싱의 도시이다. 포커싱된 또는 평면파 (좌측 상에 나타냄) 는 수백 나노미터의 유효 단면적으로 플라즈모닉 (plasmonic) NFT (100) 상에서 회절한다. 집중된 광은 근거리 장에서 포커싱된 빔의 치수들을 정의하는 NFT 의 개구 (105) 를 통해 우측 반 공간 (semi space) 으로 관통하며, 개구 직경은 조명 파장보다 훨씬 더 작고 이미징될 오브젝트는 개구로부터 서브파장 거리

에 위치된다. 10 퍼센트의 커플링 효율 및 투과율이 NFT 로 달성될 수 있다. 포커싱된 빔의 광 세기는 입사광 세기를 상당히 (100x 보다 많이) 초과할 수도 있다.

도 2 는 NFT 를 사용한 광의 서브파장 소스들로부터의 광자 수집의 도시이다. 서브파장 소스에 의해 방출된 광자들 (우측) 은 수백 나노미터의 유효 단면적으로 플라즈모닉 NFT (200) 에 의해 수집된다. 수십 퍼센트의 NFT 의 최대 수집 효율이 예상된다. 수집 효율은 개구 소스 오정렬에 의해 빠르게 떨어진다. 그것은 NFT 기반 광자 수집 시스템의 높은 나노미터 공간 분해능을 제공한다. 높은 분해능 및 수집 효율을 달성하기 위해 광 소스는 NFT 로부터 근거리장 거리

에 배치되어야 한다. 원거리 또는 근거리장 검출기가 좌측 반 공간으로 투과된 광자들을 카운트하기 위해 사용될 수 있다.

이와 같이 도 1 및 도 2 로부터, NFT 는 종래 광학 회로 분석의 공간 분해능 및 감응도 또는 신호 대 노이즈 비를 또한 개선하는데, 이는 전자기장 (EM) 이 NFT 의 근방에서 광자들의 재분포를 통해 강화되기 때문이다. 트랜스듀서 "퍼널 (funnel)" 또는 "안테나" 는 이러한 재분포 작업들을 어떻게 하는지를 이해하기 위해 유사하게 사용될 수 있다. 들어오는 광자들의 EM 장 및 밀도는 NFT 와 샘플 사이의 갭에서 2 자릿수보다 크게 증폭된다 (도 1). NFT 를 사용하여 수집된 방출된 또는/및 산란된 광자들 (도 2) 에 대하여, 역 경로가 고려되어야 한다. 광자의 수집 확률 (NFT 의 광자 이송 기능) 은 광자들의 소스에 대한 NFT 의 나노미터 근접도에 있어서 더 높다 (그리고 수십 퍼센트까지 일 수 있다). 따라서, NFT 가 타겟의 방출/산란 활성 엘리먼트 상에 배치되면, NFT 의 공간 분해능으로 (X, Y) 에서 그 시발점 (origin) 을 표시하는 신호가 증가한다. 즉, NFT 및 타겟의 오정렬에 기인하는 수집 효율에서의 급격한 강하는 NFT 의 배치의 가용 정확도를 사용하여, 방출 엘리먼트의 공간 위치를 정확히 결정하기 위해 사용될 수 있다. 섬유 NSOM 프로브를 사용한 광자들의 수집과 이 프로세스를 비교하면, 방출된 광자들이 섬유 팁에 의해 대부분 역 산란되고/반사되며 단지 이들 중의 일부만이 서브 파장 개구를 통해 섬유에 진입한다.

이러한 점에서 비선형 프로세스들은 광학적 프로빙의 측면 분해능을 강화하기 위해 고려되지 않는다. 하지만, SHSG (second harmonic surface generation), 라만 형광 산란은 또한 측면 분해능을 개선하기 위해 사용될 수 있는데, 이는 생성된 2 차 고조파 또는 라만 또는 형광 광자들의 세기가 입사 광자의 전계의 네제곱에 비례하기 때문이다. NFT 의 개구 근방의 전계의 ~10² 강화를 상정하면, SHSG 또는 라만 수율의 ~10⁸ 강화를 예상할 것이다. 이 효과는 소위 팁 강화된 라만 스펙트로스코피 (TERS) 에서 사용된다.

시뮬레이션은 반경 1nm 의 격리된 금 팁 주위의 전계 (E) 로 수행되었다. 주변 매체는 공기이고, 팁은 파장 886 nm 의 p 편광된 광으로 그리고 45 도에서 조명된다. 팁 정점, 예를 들어 다양한 반경의 금 팁에서 전계 (E) 의 강화의 스펙트럼 의존성이 플로팅되었다. 산란된 전계의 값들이 또한 플로팅되었다. 산란된 전계의 전반적인 광학적 강화는 약 108 까지, 즉 원거리장 신호보다 우세하는 근거리장 신호에 대해 충분한 것을 나타냈다. 시뮬레이션은 금속 또는 유전체 샘플에 접근하는 나노미터 사이즈 금속 팁 하에서 상당한 (~10²) EM 장 강화를 예측한다. 이 경우, 금속 나노입자 (팁 정점) 가 NFT 로서 사용된다. EM 강화는 산란된 광자들 (라만, 형광, 2 차 고조파 등) 의 수율에 있어서 10⁸이득 및 SHSG 과 광학적 스펙트로스코피의 측면 분해능에서의 상당한 개선을 유도할 것이다.

도 3 은 공기 및 수중에서 금 팁에 대해, 팁 반경의 함수로서 (전계)⁴ 의 반치전폭 또는 산란된 전계의 측면 분해능의 플롯이다. 기울기는 0.75 이며, 이는 분해능이 팁 반경의 약 0.75 임을 의미한다.

이 작업은 매우 단순한 NFT (예를 들어, AFM 프로브에 부착된 금속 나노입자) 를 사용하여 측면 분해능 (LR) 의 상당한 개선을 예상할 수도 있음을 나타낸다. 또한 TE 스펙트로스코피의 신호 대 노이즈 비에서의 개선을 예상하여야 하는데, 이는 이 경우에서의 노이즈가 훨씬 감소된 샘플 영역으로 수집되기 때문이다 (동일한 신호이지만 SIL 약 200 nm 및 TE 약 20 nm 경우들에 비해 감소된 노이즈 약 100).

이들 시뮬레이션들에 있어서, 관심의 오브젝트는 나노미터 근접도에 있어서 NFT 아래 우측에 배치된다. 그러한 실험적 셋업은 광학 회로 분석의 경우 실현하는 것이 어려울 수 있으며, 여기서 IC 는 상부로부터 전력이 공급되어야 하고, 광자 수집은 후면으로부터 행해져야 하며, 또는 다른 실시형태에 있어서 전기적 프로브들은 전면으로부터 회로에 전력을 전달하고 방출된 광자들은 또한 전면에서 수집될 것이다. 양자의 경우들에서, 광자들은 실리콘 이산화물 (프리-금속 유전체) 의 박막들 또는 결정질 실리콘 (c-Si) 을 통해 이동하고 이에 의해 산란할 것이다. 이것은 광자 수집 효율 및 LR 에서의 감소를 야기할 수도 있다. 최근 70 nm 나머지 두께 미만으로 기능 IC 의 후면 c-Si 폴리싱이 입증되고 있다. 20 nm 내지 50 nm 두께 프리-금속 유전체들을 갖는 샘플들이 현재 나노프로빙에 사용된다. 그러한 샘플들을 위한 최적 NFT LR 은 30-50 nm 의 범위이어야 한다. 도 3 에 제시된 데이터로부터 따르는 바와 같이, 30 nm 의 LR 이 달성될 수 있다.

다음 예는 도 4a 및 도 4b 에 도시된, 유리 표면 상에 배치된 염료 분자들의 형광성을 강화하기 위한 80 nm 은 입자의 활용을 입증한다. 도 4a 는 안테나-분자 분리의 함수로서 정규화된 형광 레이트를 도시한다. 도트들 및 데이터, 그리고 곡선은 이론적 계산의 결과이다. 삽도는 나노입자 안테나의 주사 전자 현미경 이미지이다. 입자는 유전체 팁, 파장 λ = 488 nm 에 의해 유지된다. 도 4b 는 나노입자 안테나 밑의 평면

nm 에서 분산된 염료 분자들을 갖는 샘플의 래스터 주사에 의해 기록된 형광 레이트 이미지를 도시한다. 상이한 형광 패턴들은 분자 전이 쌍극자 축의 상이한 배향들에 기인한다.

실험은 단일 분자에 대한 TE 라만 스펙트로스코피 (TERS) 감응도 그리고 또한 이미징 시스템에 기초한 은 나노입자의 높은 공간 분해능을 확인한다. 이 데이터는 시뮬레이션들을 확인한다. 중요하게, TESR 는 NFT (Ag 입자) 와 샘플 (염료 분자) 사이의 거리가 10 nm 미만일 때만 주목할만한 강화를 나타낸다. Z=50 nm 에 대해, 어떠한 강화도 관측되지 않는다. 동일한 열악한 강화가 50 nm 두께 c-Si (후면) 또는 프리 금속 유전체 (전면) 를 통해 이미징하기 위해 예상되어야 한다.

또 다른 예에 따라, C 형상 개구는 나노 팁 (본 명세서에 c-개구 나노 팁, 또는 CAN-팁으로 지칭됨) 과 통합된다. 이 NFT 는 독립적으로 튜닝될 수 있는, C 형상 개구 공진 및 팁 안테나 공진의 양자 모두를 사용한다. 유한 차분 시간 도메인 시뮬레이션들은 CAN-팁이 980 nm 의 파장에서 높은 세기 (650x), 높은 광학적 분해능 (~λ/60), 및 배경 없는 근거리장 조명을 제공하는 것을 예측한다. 16.1 nm 의 근거리장 광학적 분해능은 NSOM 프로브로서 CAN-팁을 채용하는 것에 의해 실험적으로 확인되었다.

도 5a 는 CAN-팁의 개략도인 한편, 도 5b 는 CAN-팁의 팁으로부터 6 nm 에서 980 nm 광에 대해 계산된 바와 같은 근거리장 프로파일의 플롯이다. FWHM 근거리장 스팟 사이즈는 18.36 nm x 18.36 nm 이다. 그레이 레벨 바는 정규화된 세기들을 나타낸다. 백색 라인들은 각각의 도면에서 개구의 상대적 포지션들을 기술한다. C-개구의 특징적인 사이즈들은 40 nm 이고 팁에서의 곡률 반경은 10 nm 이다.

도 6a 및 도 6b 는 C 개구의 투과율 및 피크 광 세기를 특징적인 사이즈 a = 100 nm 및 100 nm 사이즈의 정사각형 개구와 비교한다. 양자의 구조들은 비교할만한 스팟 사이즈들을 갖는다. 비교는 980 nm 광에 대해서이다. 양자의 구조들은 비교할만한 측면 분해능을 갖는다. 스팟 사이즈는 C 개구 및 정사각형 개구에 대해 각각 128 nm x 136 nm 및 140 nm x 80 nm 이다. C 개구는 600x 고전력 쓰루풋 및 2000x 고 피크 광 세기를 갖는다. C 개구 및 정사각형 개구는 88% 및 0.2% 의 투과율들을 각각 갖는다. 이 C 개구를 팁과 결합하면 매우 높은 투과율 (개구 치수들에 의해 정의됨) 및 측면 분해능 (프로브 정점 직경에 의해 정의됨) 을 갖는 새로운 NFT 를 생성한다. CAN 팁은 NFT 의 새로운 매우 유망한 타입이다. 팁 기반 트랜스듀서들 뿐만 아니라 이 NFT 는 또한, 샘플에 매우 근접하여 (~10 nm) 동작하도록 설계된다.

광자 전달 및 광자 수집 스킴들에 있어서 NFT 의 통합

도 7 및 도 8 은 높은 분해능 광자 수집 (도 7) 및 광자 전달 (도 9) 을 위해 사용되는 NFT 통합 스킴들의 예들을 나타낸다. 양자의 경우들에 있어서, NFT 는 회절 한계 아래에서 광자들의 고 투과율 포커싱을 위해 사용된다. p/n 접합에 의해 방출된 광자들의 예상되는 파장은 실리콘이 그렇게 얇지 않을 때, 모바일 디바이스들의 낮은 Vdd 동작 전압에서 1000 nm 내지 2000 nm 범위이다. 실리콘이 정말 얇을 때, 그러면 더 짧은 파장 광자들이 캡처된다. 그러나 더 긴 파장 광자들이 항상 더 많다. 이에 따라, 수집 스킴 (도 7) 에서 사용되는 NFT 의 광자 수집 효율은 약 1500 nm 로 최적화되어야 한다. 사실, NFT 는 100 nm 까지 촛점 깊이를 가져야 하고 NFT 투과율은 50 nm 등의 깊이에서 최적화되어야 한다. 더 NFT 와 샘플 사이의 더 두꺼운 막들은 공간 분해능을 저하시킨다. NFT 의 더 짧은 촛점 깊이는 일반적으로 보다 양호한 공간 분해능 및 더 높은 투과율을 제공한다. 활성 실리콘의 두께가 프로세스 노드에 의해 감소한다는 사실은 IC 가 동작하는 것을 가능하게 하는 나머지 실리콘 두께로 필요한 분해능을 스케일링하는 경향이 있다. 광자 센서 및 NFT 의 커플링은 광 섬유 또는/및 단순 광학 장치 (렌즈) 를 사용하여 NFT 로의 센서의 직접 부착 (도 7) 을 포함하는 다양한 방식들로 행해질 수 있다.

도 7 의 실시형태는 광자 수집 스킴에 있어서 NFT 및 광센서의 통합을 입증한다. NFT (700) 는 수집된 광자들의 파장 보다 훨씬 더 작은 직경을 갖는 나노 스케일 개구 (705) 를 갖는다. 개구는 다양한 형상들, 예를 들어 원형, 나비넥타이, c-형상 등을 가질 수도 있다. NFT (700) 는 샘플로부터 거리 h 에서 배치를 위해 구성되고, 여기서 h 는 수집된 광자들의 파장보다 훨씬 더 작다. 센서 (710) 는, 예를 들어 나노전자기계 시스템들 또는 MEMS 빌트 나노스케일 열전쌍 또는 열 저항기일 수도 있다. 광센서 (710) 는 개구 (705) 뒤에서 직접 NFT (700) 에 부착된다. 이 스킴은 약 30x30 nm²의 공간 분해능으로 10 퍼센트 광자 수집 효율을 약속한다.

도 8 은 광자 전달 스킴에서 광자들의 소스 (815) 및 NFT (800) 의 통합을 도시한다. 광자 소스 (815) 는, 예를 들어 1000 nm 위의 파장을 갖는 미크론 사이즈 LED 일 수도 있다. 옵션으로서, 광 섬유 또는 단순 광학 장치 (포커싱 렌즈) 가 LED 와 NFT 사이에 삽입될 수 잇다. 회절 한계 아래의 고 투과율 광 포커싱이 NFT 에 의해 제공된다.

LED (815) 및 NFT (800) 의 커플링은 광 섬유 또는/및 단순 광학 광치 (렌즈) 를 사용하여, NFT (800) 로의 LED (815) 의 직접 부착을 포함하는 다양한 방식들로 행해질 수 있다. LED (815) 의 원격 위치 (광 섬유의 옵션) 는 이로울 수도 있는데, 이는 이것이 나노포지셔너들 및 그 샘플에 대한 LED 의 열적 영향을 감소시킬 것이기 때문이다. 열적 시스템 드리프트의 감소는 일부 어플리케이션들에 대해 중요할 수 있다. LED 의 광자 에너지는 어플리케이션에 의존하여 최적화되어야 한다. 대부분의 경우들에서, 약 1060 nm (c-Si 의 에너지 갭의 사이즈) 아래의 파장은 IC 의 엘리먼트로 광 에너지를 전달하기에 적합하여야 한다. 50 nm 두께 c-Si 층 (후면 프로빙) 에서의 광자들의 흡수는 IC 의 엘리먼트들의 광자 여기 또는 국부적 가열을 제공하기에 충분히 높아야 한다. 펄싱 및 로크 인 (lock-in) 증폭의 사용은 프로빙의 신호 대 노이즈 비를 개선하여야 한다.

도 9 는 단일 모드 광섬유 (920) 와 NFT (900) 의 통합의 실시형태를 나타낸다. CAN-팁 (925) 은 특정 파장 투과율에 대해 최적화를 제공하고 또한 제어가능한 (팁 정점의 사이즈에 의해 정의됨) 공간 분해능을 전달하는 2 개의 상이한 NFT 의 양호한 조합이다. 상업적으로 입수가능한 단일 모드 광 섬유의 직경은 8 μm 내지 10.5 μm 범위이다. 심지어 8 μm 직경 섬유가 IC 의 상당한 면적을 블록킹하여, ROI 에 대한 광학적 프로브의 네비게이션 (NFT) 을 복잡하게 한다. 이에 따라, 도 9 에서 테이퍼 부분 (930) 에 의해 도시되는 바와 같이, 서브 파장 직경으로 섬유의 부가적인 협소화가 강하게 권고된다. 이러한 관점에서, 단일 모드 광 섬유 (SMF) 는 횡단 모드 (transverse mode) 로서 또한 지칭되는, 섬유 아래로만 직접 광을 반송하도록 설계된 광 섬유인데, 이는 그 전자기 진동들이 섬유의 길이에 대해 수직 (횡단) 으로 발생하기 때문이다.

도 9 의 실시형태의 장치를 제조하기 위해서, 단일 모드 섬유 (920) 가 서브 파장 직경 (935) 으로 박화된다 (930). 도 9 의 예에서, 팁은 1060 nm 의 파장에 대해 구성되어, 섬유의 팁이 파장 아래 직경으로, 이 예에서 700 nm 로 박화된다. 섬유의 박화된 저부 단부는 그 후 금속성 코팅 (940), 예를 들어 금 또는 은 층의 약 150 nm 후막으로 커버된다. FIB 는 특정 파장에 대해 최적화된 치수들로, 금 층 (940) 에서 C- 개구 (945) 를 절단하기 위해 사용된다. 그 후, 약 50 내지 100 nm 높이의 금속 팁 (950) 이 FIB 보조 화학 기상 증착 (CVD) 프로세스를 사용하여 C 개구의 중심에서 성장된다. FIB 는 또한 20 내지 30 nm 의 직경으로 팁 정점 (955) 를 선명하게 하기 위해 사용된다. FIB 보조 CVD 는 그 후 섬유의 외주 상에서 20 내지 30 nm 금속 정렬 마크들을 성장시키기 위해 사용된다. FIB 는 또한, 성장 대신 정렬 마크들을 식각하기 위해 사용될 수 있다. 이들 마크들은 탑 다운 (top-down) SEM 에 의해 가시적일 수 있고 ROI 에 대한 광학적 프로브 네비게이션을 단순하게 하기 위해 사용될 수도 있다. 마크들은 대안으로 e 빔으로 성막될 수도 있다.

도 9a 내지 도 9e 는 섬유의 팁에서 금속성 층 코팅 (940) 을 통해 제작된 개구들에 대한 다양한 실시형태들을 도시한다. 도 9a 는 동심원의 홈들에 의해 둘러싸인 원형 홀을 도시하고, 도 9b 는 도 9 의 실시형태의 C 개구를 도시하고, 도 9c 는 삼각형 개구를 도시하고, 도 9d 는 L 형상 개구를 도시하며, 도 9e 는 나비넥타이 개구를 도시한다. 도 9a 내지 도 9e 로부터 알 수 있는 바와 같이, C 형상 개구가 금속 팁 (950) 에 의한 사용을 위해 가장 적합하다.

본 명세서에 개시된 다양한 실시형태들에 따라, 광학 또는/및 주사 전자 현미경이 광학적 및 전기적 프로브들을 ROI 로 네비게이팅하기 위해 사용된다. 먼저, 샘플 스테이지 모션은 미리 설정된 위치, 예를 들어 툴의 좌표계의 시발점으로 ROI 를 가져오기 위해 사용된다. 그 후, ROI 가 프로브 아래에 포지셔닝될 때, ROI 상의 전기적 프로브들 및 광학적 근거리장의 주사 또는 스테핑이 프로브 포지셔너들을 사용하여 행해지며, 이 프로브 포지셔너들은 툴의 좌표계에 미리 등록된다. 테스팅 시스템과 NFT 의 통합을 기재하기 전에, 나노프로버와 광 섬유 NFT 의 통합의 기재가 제공된다. 도 10 은 현재 나노프로빙 시스템의 프로브 포지셔너와 NFT 및 광 섬유의 통합의 예를 나타낸다.

도 10 은 일 실시형태에 따른 현재 나노프로빙 시스템의 프로브 포지셔너와 팁에서 NFT 를 갖는 광 섬유의 통합의 개략적인 도시이다. 도 10 의 콜아웃 (callout) 내부의 도면은 표준 프로브 포지셔너 (102) 상에 설치되는 이 실시형태의 엘리먼트들을 도시한다. 콜아웃 내부의 엘리먼트들이 본 명세서에서 설명될 것이지만, 표준 프로브 포지셔너 (102) 의 엘리먼트들은 논의될 필요가 없는데, 이는 임의의 표준 프로브 포지셔너가 사용될 수도 있기 때문이다.

도 10 을 참조하면, 미세 포지셔너 (101) 는 포크 (103) 의 미세 이동을 제어한다. 진동 압전 튜브 (104) 는 포크 (103) 의 단부에 고정되고 4 개의 동축 와이어들 (106) 에 커플링된다. 진동 압전 튜브 (104) 는 샘플 상의 프로브 랜딩 동안 샘플 표면 터치 및/또는 근접도를 검출하기 위해 사용된다. 이것은 프로브의 진동들 (진폭 및/또는 위상) 의 감쇠의 모니터링을 통해 행해진다. 본 명세서에 개시된 실시형태들 중 어느 것에 따라 트랜스듀서에 형성되는 광 섬유 (120) 는, 샘플의 표면과 섬유 (120) 의 팁 (매우 작게 나타냄) 에서의 NFT 사이의 거리 및 특정된 각도를 유지하도록, 압전 튜브 (104) 에 부착된다. 일 실시형태에 따라, 광 섬유 (120) 는 압전 튜브 (104) 에 접착된다. 일반적으로 사용 동안, 섬유 (120) 의 팁에서의 NFT 와 샘플 사이의 거리는 몇 nm 내지 10 nm 사이에서 달라진다.

개시된 실시형태들 중 어느 것에 따른 광학적 근거리장 프로브들은 다양한 셋업들에서 사용될 수 있다. 근거리장 센서들은 샘플로의 광자 전달 (도 11, 도 14), 및 샘플의 ROI 로부터의 광자 수집 (도 12, 도 13) 을 위해 사용될 수 있다. 원거리장 광학 장치는 근거리장 광학 장치와 조합하여 사용될 수 있다 (도 11, 도 12). 광학적 프로브들은 후면 OCA 에 대해 웨이퍼 전기적 테스터들 (도 11, 도 12) 과 함께 또는/및 전면 OCA 에 대해 전기적 나노프로브들 (도 13, 도 14) 와 함께 사용될 수 있다. 이들 배열들의 일부는 다음의 실시형태들에서 입증될 것이다.

도 11 은 전기적 활성 IC 의 후면 광학적 나노프로빙을 위한 셋업을 도시한다. 도 11 에 도시된 실시형태는 광학적 회로 분석의 정적 레이저 자극 (SLS) 및 동적 레이저 자극 (DLS) 스킴들에서 사용될 수 있다. 샘플 (111)(이 예에서 박화된 집적 회로 칩) 이 샘플 포지셔너 (113) 상에 배치된다. 샘플 포지셔너 (113) 는 x-y-z 스테이지일 수도 있으며, 이 경우 x-y-z 스테이지는 관심 영역 (ROI) 으로의 용이한 네비게이션을 위한 시스템의 좌표에 샘플을 등록하기 위해 사용될 수 있다. 네비게이션 현미경 (114) 은 그 후 나노프로버 포지셔너 (101) 의 주사 도착 내에서 또는 그 아래에서 ROI 를 배치하기 위해 사용될 수도 있다. 네비게이션 현미경은 광자, 전자, 또는 이온 현미경일 수도 있다. 전자 현미경은 이로운 정확도를 제공할 수도 있지만, 진공 요건들에 기인하여 더 높은 비용을 수반할 수도 있다.

그 후 나노프로브 포지셔너는 ROI 의 상부 표면으로부터 미리 정해진 거리로 광 섬유 (120) 의 팁에 형성된 NFT 를 배치하며, 미리 정해진 거리는 근거리장 근접도를 포함하고, 근거리장 근접도는 프로빙 동안 사용된 파장의 일부, 예를 들어 1/10 이다. 도 11 의 예에서, 파장은 레이저 소스 (107) 의 파장이다. ROI 의 상부 표면에 근거리장 근접도에서 NFT 를 정확히 배치하기 위해서, 압전 튜브 (104) 의 감쇠가 모니터링된다. 감쇠는 포크 (103) 에 커플링된 압전 튜브 (104) 의 진폭, 위상 또는 진폭 및 위상을 센싱하는 것에 의해 모니터링될 수도 있다.

소정의 프로빙에 대하여, 샘플 (113) 은, 예를 들어 이 도시에서는 나타내지 않은 종래의 자동화 테스팅 장비 (ATE) 에 의해 인가되는 테스트 벡터들로서 때때로 지칭되는, 테스트 신호들로 에너자이징될 수도 있다. ATE 는 잘 알려져 있으며 IC 로 테스트 벡터들을 전송하고 테스트 벡터들에 대한 IC 로의 전기적 응답을 감지하기 위해 사용된다.

도 11 의 실시형태에서, 테스트 벡터들이 IC 에 인가되는 한편, 레이저 (107) 는 광 섬유 (120) 에 커플링된 레이저 빔을 생성한다. 광 섬유의 출구 팁에서 NFT 는 레이저 빔으로부터 ROI 로 광자들을 전달하기 위해 사용된다. 레이저 빔이 단일 모드에서 광 섬유를 횡단하고 NFT 를 통해 팁을 빠져나가기 때문에, 광자들은 ROI 상의 매우 작은 공간 분포로 포커싱된다. 즉, 광자 전달은 IC 내에서 특정 노드 또는 특정 디바이스를 타겟팅하도록 나노 스케일 정확도로 될 수 있다. 그 후 산란된 광은 원거리장 광학 장치 (106) 를 사용하여 수집되고 광 검출기 (109) 를 향해 지향된다. 이 실시형태에서, 편광자 (108) 는 신호 대 노이즈 비를 강화하기 위해 사용된다. 부가적으로, 광 섬유는 ROI 에 레이저 빔을 전달하고 ROI 로부터 반사된 광자들을 수집하는 것 모두를 행하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들어, 레이저 빔이 펄싱될 수도 있어서, 펄스가 ROI 로 전달된 후, 광 섬유는 반사된 광자들을 수집하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 실시형태에 대하여, 옵션의 굴절 광학 (116), 예를 들어 하프 미러가 광 검출기 (109') 상에서 수집된 광자들을 굴절시키기 위해 사용될 수 있다.

도 12 는 전기적 활성 IC 의 후면 광학 나노프로빙을 위한 셋업을 도시한다. 도 12 의 많은 엘리먼트들은 도 11 에 나타낸 것과 유사하고, 이에 따라 동일한 참조 문자들로 표시된다. 이 실시형태에서, 근거리장 포커싱 광학 장치 (106) 가 레이저 소스 (107) 로부터 ROI 상으로 레이저 빔을 포커싱하기 위해 사용된다. 단일 모드 섬유 (120) 의 팁에서 NFT 는 NFT 의 수집 분해능에 의해 정의된 공간 영역으로부터 굴절되거나 산란되는 광자들을 수집한다. 이 실시형태에서, 조명 및 수집이 수행될 수도 있는 한편, 디패키징 및 박화된 샘플 (111) 이 ATE 와 같은 테스터를 사용하여 전기적으로 활성화된다. 일 예에서, 근거리장 광학 장치 (106) 는 ROI 에 편광 레이저 빔을 전달하기 위해 사용된다. 섬유 (120) 의 단부에 포지셔닝된 편광자 (108) 는 신호 대 노이즈 비를 강화하기 위해 사용될 수도 있다. 도 11 에 대한 예에서와 같이, 이러한 셋업은 OCA 의 SLS 및 DLS 스킴들에서 사용될 수 있다.

대안의 실시형태에서, 광 검출기 (109) 는 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기들 (SNSPD) 이다. 그러한 실시형태는 레이저 (107) 로부터의 조명 없이, IC 내에서 활성 디바이스로부터 방출된 단일 광자들을 검출하기 위해 사용될 수도 있다. 효율적인 SNSPD 방출 검출을 위해, 렌즈가 편광자 (108) 의 포지션에, 즉 광 검출기 (109) 와 광 섬유 (120) 의 출구 팁 사이에 배치될 수도 있다. 이러한 셋업을 사용하여, 시스템은 나노 스케일 공간 분해능으로 방출을 분해하기 위한 능력을 갖는 방출 현미경을 형성한다. 게다가, ATE 의 클록에 SNSPD 의 신호를 동기시키는 것에 의해, 시스템은 나노 스케일 공간 분해능으로 방출을 분해하기 위한 능력을 갖는 시간 분해된 방출 현미경을 형성할 수 있다. 어떠한 경우에도, 시스템은 현재 고체 잠입 렌즈 (SIL) 에 의해 가능한 것보다 더 높은 분해능으로 방출들을 분해할 수 있다.

도 13 은 전기적 활성 IC 의 전면 광학적 나노프로빙을 위한 셋업을 도시한다. 도 13 의 많은 엘리먼트들은 도 11 에 나타낸 것과 유사하고 이에 따라 동일한 참조 문자들로 표시된다. 이 실시형태에서, 섬유 (120) 의 팁에 형성된 NFT 는 디패키징되고 디레이어링된 IC (111) 의 디바이스들에 의해 방출된 광자들의 수집을 위해 사용된다. IC (111) 는 나노프로브들 (117)(4 개의 프로브들이 나타나 있음) 을 사용하여 전기적으로 활성화된다. 나노프로브들 (117) 은 ROI 내에서 선택된 전도성 엘리먼트들 상에 정확히 배치되도록 포지셔너 (101) 에 의해 액츄에이트되는 전도성 나노프로브들이다. 나노프로브들 (117) 은 ROI 내에서 선택된 전도성 엘리먼트들에 직접 테스트 벡터들을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 테스트 벡터들이 트랜지스터들로 하여금 상태를 스위칭하게 할 때, 트랜지스터들은 광자들을 방출한다. NFT 의 수집 반경 내에서 방출된 광자들은 섬유 (120) 의 출구 팁을 향해 섬유 (120) 를 통해 투과된다. 편광자 (108) 는 섬유 (120) 의 출구 팁에 배치될 수도 있고 신호 대 노이즈 비를 강화하기 위해 사용된다. 그 후 광자들은 광 검출기 (109) 에 의해 검출된다. 이러한 셋업은 OCA 의 정적 및 동적 자극 스킴들에서 사용될 수 있다.

도 14 는 전기적 활성 IC 의 전면 광학적 나노프로빙을 위한 셋업을 도시한다. 도 14 의 많은 엘리먼트들은 도 13 에 나타낸 것과 유사하고, 이에 따라 동일한 참조 문자들로 표시된다. 이 실시형태에서, 광 섬유 (120) 의 팁에서 NFT 는 디패키징되고 디레이어링된 IC (111) 의 디바이스들의 광자 전달을 위해 사용된다. IC (111) 는 나노프로브들 (117)(4 개의 프로브들이 나타나 있음) 을 사용하여 전기적으로 활성화된다. 이 셋업은 OCA 의 SLS 및 DLS 스킴들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 테스트 신호들은 나노프로브들 (117) 을 통해 IC 에 인가될 수도 있고 IC 내의 다양한 디바이스들의 전기적 응답이 나노프로브들 (117) 을 사용하여 검출될 수 있다. 그 후, 레이저 소스 (107) 가 활성화되고 레이저 빔이 ROI 내에서 특정 위치 상으로 빔을 포커싱하도록 광섬유 (120) 에 커플링되며, 이로써 그 위치를 가열한다. 그 후 테스트 신호들은 나노프로브들 (117) 을 통해 IC 에 다시 인가되고, 가열 조건 하에서 IC 내의 다양한 디바이스들의 전기적 응답이 나노프로브들 (117) 을 사용하여 검출된다. 이것은 소정의 동작 조건들 하에서 실패를 당하는 디바이스들을 검출하기 위해 사용된다.

상기 기재는 설명을 위해 특정 실시형태들을 사용하여 기재되었다. 하지만, 위의 예시적인 논의들은 개시된 정확한 형태들로 완전한 것으로 또는 이에 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 많은 수정들 및 변형들이 위의 교시들에 관하여 가능하다. 실시형태들은 양태들의 원리들 및 그 실제 적용들을 최상으로 설명하기 위해 선택되었고, 이에 따라 당업자가 고려되는 특정 사용에 적합하도록 다양한 수정들로 양태들 및 다양한 실시형태들을 최상으로 활용하는 것을 가능하게 한다.

Claims

근거리장 트랜스듀서를 통합하는 프로버로서,
프로브 공간 포지셔너;
상기 포지셔너에 부착된 포크;
상기 포크의 자유단에 부착된 진동 압전 튜브;
상기 진동 압전 튜브에 부착된 전기적 리드들; 및
광섬유로서, 상기 광섬유의 단부에 형성된 근거리장 트랜스듀서를 갖고, 상기 근거리장 트랜스듀서가 상기 진동 압전 튜브 아래로 연장하도록 상기 진동 압전 튜브에 부착되는, 상기 광 섬유를 포함하고,
상기 근거리장 트랜스듀서는 상기 광 섬유의 단부에 형성된 테이퍼된 부분, 상기 테이퍼된 부분의 팁에 형성된 금속성 코팅, 및 상기 금속성 코팅을 통해 상기 테이퍼된 부분의 팁을 노출하도록 상기 금속성 코팅에 형성된 개구를 포함하는, 근거리장 트랜스듀서를 통합하는 프로버.
제 1 항에 있어서,
상기 근거리장 트랜스듀서는 상기 금속성 코팅으로부터 연장하는 금속 팁을 더 포함하는, 근거리장 트랜스듀서를 통합하는 프로버.
제 2 항에 있어서,
상기 금속 팁은 50 nm 내지 100 nm 의 높이로 연장하고, 20 nm 내지 30 nm 인 직경의 팁 정점을 갖는, 근거리장 트랜스듀서를 통합하는 프로버.
제 2 항에 있어서,
상기 개구는 C 형상을 가지며, 상기 금속 팁은 상기 c 형상 개구의 중심 부분에 형성되는, 근거리장 트랜스듀서를 통합하는 프로버.
제 1 항에 있어서,
상기 금속성 코팅은 금층을 포함하는, 근거리장 트랜스듀서를 통합하는 프로버.
제 1 항에 있어서,
상기 금속성 코팅 상에 제공된 정렬 마크들을 더 포함하는, 근거리장 트랜스듀서를 통합하는 프로버.
제 6 항에 있어서,
상기 정렬 마크들은 금속성 범프들을 포함하는, 근거리장 트랜스듀서를 통합하는 프로버.
제 6 항에 있어서,
상기 정렬 마크들은 식각된 마크들을 포함하는, 근거리장 트랜스듀서를 통합하는 프로버.
제 1 항에 있어서,
상기 테이퍼된 부분의 상기 팁은 검출될 광자들의 파장보다 더 작은 직경을 갖는, 근거리장 트랜스듀서를 통합하는 프로버.
미리 선택된 파장들에서 동작하기 위한 근거리장 트랜스듀서를 제조하기 위한 방법으로서,
상기 파장들보다 더 큰 직경을 갖는 단일 모드 섬유를 제공하는 단계;
상기 단일 모드 섬유의 일 단부에서 박화된 부분 (thinned section) 을 형성하는 단계로서, 상기 박화된 부분은 상기 파장들보다 더 작은 직경을 갖는 평탄한 저부에서 종료하는, 상기 박화된 부분을 형성하는 단계;
상기 평탄한 저부를 불투명층으로 코팅하는 단계;
상기 불투명층에서 개구를 절단하는 (cutting) 단계로서, 상기 개구는 상기 미리 선택된 파장들에 대해 최적화된 치수를 갖고, 상기 미리 선택된 파장들보다 더 작은, 상기 개구를 절단하는 단계;
상기 개구의 근방에서 상기 불투명층 상에 금속 팁을 성장시키는 단계; 및
상기 불투명층의 외주 상에 정렬 마크들을 형성하는 단계를 포함하는, 근거리장 트랜스듀서를 제조하기 위한 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 불투명층은 금으로 이루어진, 근거리장 트랜스듀서를 제조하기 위한 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 개구는 C 형상을 갖도록 형성되는, 근거리장 트랜스듀서를 제조하기 위한 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 금속 팁은 상기 C 형상 개구의 중심에 형성되는, 근거리장 트랜스듀서를 제조하기 위한 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 팁은 50 내지 100 nm 의 높이를 갖도록 성장되는, 근거리장 트랜스듀서를 제조하기 위한 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 팁은 포커스 이온 빔 보조 화학 기상 증착을 사용하여 성장되는, 근거리장 트랜스듀서를 제조하기 위한 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 정렬 마크들은 포커싱된 이온 빔을 사용하여 성장된 금속성 범프들인, 근거리장 트랜스듀서를 제조하기 위한 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 정렬 마크들은 포커싱된 이온 빔을 사용하여 상기 불투명층 상으로 식각되는, 근거리장 트랜스듀서를 제조하기 위한 방법.
광학 회절 한계를 넘는 분해능으로 전기적 및 광학적 샘플 나노프로빙을 수행하기 위한 장치로서,
샘플 홀더;
관심 영역 (ROI) 에 대한 샘플 상의 네비게이션을 위해 구성된 네비게이션 현미경;
프로브 공간 포지셔너;
상기 포지셔너에 부착된 포크;
상기 포크의 자유단에 부착되고 상기 샘플에 대한 거리의 출력 표시를 제공하는 진동 압전 튜브;
상기 진동 압전 튜브에 부착된 전기적 리드들;
단부에 형성된 근거리장 트랜스듀서를 갖는 단일 모드 광 섬유로서, 상기 근거리장 트랜스듀서가 상기 진동 압전 튜브 아래에서 상기 샘플을 향해 연장하도록 상기 진동 압전 튜브에 부착되는, 상기 광 섬유; 및
광 검출기를 포함하고,
상기 근거리장 트랜스듀서는 상기 단일 모드 광 섬유의 단부에 형성된 테이퍼된 부분, 상기 테이퍼된 부분의 팁에 형성된 금속성 코팅, 및 상기 금속성 코팅을 통해 상기 테이퍼된 부분의 상기 팁을 노출하도록 상기 금속성 코팅에 형성된 개구를 포함하는, 전기적 및 광학적 샘플 나노프로빙을 수행하기 위한 장치.
제 18 항에 있어서,
상기 단일 모드 광 섬유에 레이저 빔을 제공하도록 포지셔닝된 레이저;
상기 샘플로부터 반사된 광을 수집하고 상기 반사된 광을 상기 광 검출기로 지향시키도록 포지셔닝된 수집 오브젝티브; 및
상기 수집 오브젝티브와 상기 광 검출기 사이에 포지셔닝된 편광자를 더 포함하는, 전기적 및 광학적 샘플 나노프로빙을 수행하기 위한 장치.
제 18 항에 있어서,
상기 샘플을 향해 레이저 빔을 제공하도록 포지셔닝된 레이저;
레이저 소스로부터의 상기 레이저 빔을 상기 ROI 상으로 포커싱하도록 포지셔닝된 오브젝티브; 및
상기 단일 모드 광 섬유의 출구 측에 포지셔닝된 편광자를 더 포함하고,
상기 광 검출기는 상기 편광자 뒤에 포지셔닝되고 상기 편광자를 통과하는 광을 수신하는, 전기적 및 광학적 샘플 나노프로빙을 수행하기 위한 장치.
제 18 항에 있어서,
상기 포지셔너에 부착되고 신호 소스에 전기적으로 커플링된 복수의 전도성 나노프로브들을 더 포함하는, 전기적 및 광학적 샘플 나노프로빙을 수행하기 위한 장치.
제 21 항에 있어서,
상기 단일 모드 광 섬유의 출구 측에 포지셔닝된 편광자를 더 포함하고,
상기 광 검출기는 상기 편광자 뒤에 포지셔닝되고 상기 편광자를 통과하는 광을 수신하는, 전기적 및 광학적 샘플 나노프로빙을 수행하기 위한 장치.
제 21 항에 있어서,
상기 단일 모드 광 섬유에 레이저 빔을 제공하도록 포지셔닝된 레이저를 더 포함하는, 전기적 및 광학적 샘플 나노프로빙을 수행하기 위한 장치.
나노프로버와 통합된 근거리장 트랜스듀서 (NFT) 를 사용하여 프로빙 시스템에서 샘플을 프로빙하는 방법으로서,
샘플을 스테이지에 고정하는 (affixing) 단계;
단일 모드 광 섬유를 압전 튜브에 고정하는 단계로서, 상기 단일 모드 광 섬유는 상기 단일 모드 광 섬유의 팁에 형성된 NFT 를 갖고, 상기 압전 튜브는 나노프로버의 포크에 부착되는, 상기 압전 튜브에 고정하는 단계;
상기 프로빙 시스템의 좌표에 상기 샘플의 관심 영역 (ROI) 을 등록하기 위해 상기 스테이지를 사용하는 단계;
상기 ROI 의 상부 표면으로부터 미리 정해진 거리 내로 NFT 를 가져오기 위해 상기 나노프로버의 포지셔너를 에너자이징하는 단계;
압전 튜브의 감쇠 (dampening) 의 모니터링에 의해 상기 상부 표면에 대한 상기 NFT 의 근접도를 결정하는 단계;
상기 ROI 의 상기 상부 표면 상에서 상기 NFT 를 주사하는 단계를 포함하는, 나노프로버와 통합된 근거리장 트랜스듀서를 사용하여 프로빙 시스템에서 샘플을 프로빙하는 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 압전 튜브의 감쇠의 모니터링은 상기 압전 튜브의 진동의,
진폭;
위상; 또는
진폭 및 위상을 모니터링하는 것을 포함하는, 나노프로버와 통합된 근거리장 트랜스듀서를 사용하여 프로빙 시스템에서 샘플을 프로빙하는 방법.
제 24 항에 있어서,
레이저 빔으로 상기 ROI 를 조명하는 단계를 더 포함하는, 나노프로버와 통합된 근거리장 트랜스듀서를 사용하여 프로빙 시스템에서 샘플을 프로빙하는 방법.
제 26 항에 있어서,
상기 레이저 빔으로 ROI 를 조명하는 단계는, 상기 단일 모드 광 섬유로 상기 레이저 빔을 지향하는 단계를 포함하는, 나노프로버와 통합된 근거리장 트랜스듀서를 사용하여 프로빙 시스템에서 샘플을 프로빙하는 방법.
제 26 항에 있어서,
상기 레이저 빔으로 ROI 를 조명하는 단계는, 포커싱 광학 장치를 사용하여 상기 ROI 상으로 상기 레이저 빔을 지향하는 단계를 포함하는, 나노프로버와 통합된 근거리장 트랜스듀서를 사용하여 프로빙 시스템에서 샘플을 프로빙하는 방법.
제 28 항에 있어서,
상기 단일 모드 광 섬유에 의해 상기 샘플로부터 수집된 광자들을 검출하기 위해 광 검출기를 사용하는 단계를 더 포함하는, 나노프로버와 통합된 근거리장 트랜스듀서를 사용하여 프로빙 시스템에서 샘플을 프로빙하는 방법.
제 29 항에 있어서,
상기 단일 모드 광 섬유의 출구 단부와 상기 광 검출기 사이에 편광자를 배치하는 단계를 더 포함하는, 나노프로버와 통합된 근거리장 트랜스듀서를 사용하여 프로빙 시스템에서 샘플을 프로빙하는 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 샘플을 복수의 전도성 나노프로브 팁들과 접촉시키는 단계 및 상기 나노프로브 팁들을 통해 상기 샘플에 테스트 신호들을 인가하는 단계를 더 포함하는, 나노프로버와 통합된 근거리장 트랜스듀서를 사용하여 프로빙 시스템에서 샘플을 프로빙하는 방법.
제 31 항에 있어서,
상기 테스트 신호들을 인가하면서 상기 단일 모드 광 섬유에 의해 상기 샘플로부터 수집된 광자들을 검출하기 위해 광 검출기를 사용하는 단계를 더 포함하는, 나노프로버와 통합된 근거리장 트랜스듀서를 사용하여 프로빙 시스템에서 샘플을 프로빙하는 방법.
제 31 항에 있어서,
상기 테스트 신호들을 인가하면서 상기 단일 모드 광 섬유로 레이저 빔을 지향시키는 것을 사용하는 단계, 및 상기 레이저 빔 및 상기 테스트 신호들을 인가하는 것에 응답하여 상기 ROI 로부터 전기적 신호들을 수집하기 위해 상기 나노프로브 팁들을 사용하는 단계를 더 포함하는, 나노프로버와 통합된 근거리장 트랜스듀서를 사용하여 프로빙 시스템에서 샘플을 프로빙하는 방법.