KR20040071686A - 시간분해 비침투 진단시스템 - Google Patents

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KR20040071686A
KR20040071686A KR10-2004-7007251A KR20047007251A KR20040071686A KR 20040071686 A KR20040071686 A KR 20040071686A KR 20047007251 A KR20047007251 A KR 20047007251A KR 20040071686 A KR20040071686 A KR 20040071686A
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Abstract

집적회로 장치로부터 전기 신호들을 프로브 없이 비침투방식으로 검출하는 시스템이 개시되어 있다. 이 시스템은 조사원, 집광광학장치, 이미징 광학장치, 및 포톤 센서를 구비한다. 내비게이션 모드에서, 광원이 활성화되며, 이미징 광학장치가 이용되어 칩 상의 목표영역을 인식하고 집광광학장치를 적절하게 위치시킨다. 집광광학장치가 적절하게 위치되는 경우, 광원은 비활성화되고 포톤원이 이용되어 칩으로부터 방사되는 포톤을 검출한다.

Description

시간분해 비침투 진단시스템{TIME RESOLVED NON-INVASIVE DIAGNOSTICS SYSTEM}
배경기술
1. 기술분야
본 발명은 전기적 활성 반도체 집적회로의 트랜스터들의 이벤트들을 스위칭하는 스위칭 이벤트 (논리 트랜지션) 에 직접 관련되는 회로 타이밍 정보의 인 시츄 (in-situ) 트랜지스터 레벨 측정시스템에 관한 것이다.
2. 관련기술의 설명
종래기술에서는, 반도체 장치에서의 여러 매커니즘이 발광을 발생시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 발광의 검출은 반도체 장치를 조사하는데 이용되어 왔다. 예를 들면, 절연체에서의 사태 항복 (avalanche breakdown) 이 발광을 발생시키며, 이러한 발광의 검출이 장치에서의 불량위치들을 나타낼 수 있다. 이와 유사한 검출을 이용하여, 장치에서의 정전방전의 특성을 나타낼 수 있다. 전기적으로 활성화된 (액티브) 트랜지스터에서는, 장치가 전류를 흘려보내는 경우 캐리어 (전자 및 홀; 핫 캐리어라고도 함) 들이 광을 방출한다. 흐르는 전기 전류가 기대레벨을 초과하여 반도체 장치에서 위치설정불량을 초래하는 장치 상의 위치들을 검출하는데, 여러 방사형 현미경들이 이용되어 왔다. 종래기술에서는, 이들 핫 케리어 방사형 현미경 중 몇몇이 개시되어 있다. 이러한 방사형현미경들의 예들은 예를 들면, 미국특허 제4,680,635호, 제4,811,090호 및 제5,475,316호에 개시되어 있다.
트랜지스터 (즉, 상보성 금속 산화물 반도체 (CMOS)) 장치에서는, 전류 "펄스"는 장치의 상태 (논리) 에서의 변화를 초래하는 전압 트랜지션과 (시간 및 특성에서) 바로 일치한다. 본 발명의 특정 관심분야는 전기적으로 활성화된 반도체 트랜지스터 장치로부터의 핫 전자 방출을 시간분해하여, 전류에 대한 장치의 동작과 응답 및 서로에 대한 전류 펄스의 시간관계들을 연구하는 것이다. 트랜지션 (펄스) 자체의 검출과 함께 이들 시간 특성은, 집적회로 (IC) 장치의 설계와 디버그 (debug) 에서 매우 중요하다. 이러한 과제에 대한 이전의 관련 연구들은 다음 논문,
G. S. Buller 등의 All-Solid-State Microscope-Based System for Picosecond Time-Resolved Photoluminescence Measurements on II-VI semiconductors (Rev. Sci. Instrum pp. 2994,63, (5), (1992));
G. S. Buller 등의 Time-Resolved Photoluminescence Measurements in InGaAs/InP Multiple-Quantum-Well Structures at 1.3-m Wavelengths by Use of Germanium Single-PhotonAvalanche Photodiodes (Applied Optics, Vol 35 No. 6, (1996));
Khurana 등의 Analysis of Product Hot Electron Problems by Gated Emission Microscope (IEEE/IRPS (1986));
H. Kume 등의 Ultrafast Mcrochannel Plate Photomultiplier (Appl. Optics,Vol 27, No. 6,15 (1988)); 및
S. Charboneau 등의 Two-Dimensional Time-Resolved Imaging with 100-ps Resolution Using a Resistive Anode Photomultiplier Tube (Rev. Sci.Instrum. 63 (11),(1992)) 에 개시 및 설명되어 있다.
특히, Khurana 등은, 포토루미네센스 핫 캐리어 방출이 시간과 특성에서 전류펄스, 즉, 트랜지스터의 전압 스위칭과 일치함을 언급함으로써, 이러한 현상을 결함 분석 (장치가 그 설계를 초과하는 전류를 흘려보낼 수 있는 "핫-스폿"의 위치) 뿐만 아니라 회로 타이밍 정보 (스위칭) 를 얻는데 이용하여, IC 장치 디버그와 회로설계에 이용할 수 있음을 교시하고 있다. 또한, Kash 등의 미국특허 제5,940,545호에도, 이러한 연구에 대한 시스템이 개시되어 있다.
상술한 개시물에서 알 수 있는 바와 같이, 반도체 장치에서 광전자방출은 매우 약하다. 따라서, 발광을 보다 효과적으로 집광하고 잡음을 감소시키는 등, 집광 및 검출 시스템의 신뢰성, 대역폭 및 속도를 증가시키는 여러 광학적 검출 방식들이 제안되어 왔다. 예를 들면, 시중에서 입수가능한 저잡음 마이크로채널 포토멀티플러 (MCPs) 는 집광된 광을 매우 큰 양으로 증폭시키는데 이용되고 있다. 또한, 초고속 광전자회로 (즉, 시간-대-증폭 변환기 (TAC)) 에 결합되는 애벌런치 포토다이오드 (APDs) 가 약한 발광현상의 높은 시간분해능을 제공하는데 이용되고 있다.
집광광학장치의 관점에서는, 별도의 애플리케이션들에서, 전체적인 광학 시스템의 초소형 샘플들로부터 광의 포커싱/이미징 및 집광을 증가시키려는 여러 시도가 이루어지고 있다. 특히, 현미경의 대물렌즈의 개구수 (NA =n*sinθ; n 은 매질의 굴절율이며, θ는 포커싱빔의 반원뿔각이다) 의 증가를 위해 많은 시도가 있어 왔다. 개구수 (NA) 를 증가시키는 것는 샘플의 굴절율과 매칭하기 위해 원뿔각을 증가시키는 것 뿐만 아니라 굴절율 (n) 을 증가시킴으로써 달성될 수 있으며, 공기 (n=1) 와 샘플 계면의 굴절율 미스매칭을 방지할 수 있음이 오랫동안 알려져 왔다. "n"을 증가시키는 지금까지의 방법은 적절하게 수차보정된 대물렌즈와 샘플 간의 에어갭을, 물체의 굴절율을 매칭시키는 굴절율 매칭 오일로 충전시키는 것이다. 적절한 매칭 유체를 이용하여 굴절율 매칭을 얻을 수 없는 경우, 물체와 대물렌즈 간에 배치된 (샘플의 재료를 매칭시키는) 입체 계침 렌즈 (solid immersion lens) 의 이용과 같은 다른 방법이 이용될 수 있다. 물론, 이들 양쪽 기술, 즉, 입체 계침 렌즈와 굴절율 매칭 유체를 이용할 수도 있다. 예를 들면, 미국특허 제3,524,694호, 제3,711,186호, 및 제3,912,378호에는 상술한 기술의 이용이 개시되어 있다. 미국특허 제4,634,234호 제5,004,307호, 제5,208,648호, 제5,282,088호 및 S. M. Mansfield의 Solid Immersion Microscopy (G. L. Report No. 4949, Stanford University 1992) 에는, 계침 렌즈의 더욱 최근 기술내용이 개시되어 있다. 입체 계침 렌즈의 경우, 종래기술의 렌즈는 평철 (즉, 반구형) 렌즈이다. 즉, 하단면, 즉, 물체를 대향하는 면은 평편하고 상단면, 즉, 대물렌즈와 대향하는 면은 볼록하다.
본 발명의 특히 관련된 반도체 장치는 플립칩 형태로 패키징된 것이다. 플립칩 패키징 장치에서, IC 장치와 패키지 캐리어 간의 직접적인 부착은 캐리어의IC "칩"의 와이어 본딩의 이용을 경감시킬 수 있다. 또한, 트랜지스터들은 쉽게 기판을 통하여 액세스가능하기 때문에, 다층의 금속 배선에 의해 "마스킹"되는 점이다. 플립칩 패키징 장치의 구성, 구현 및 구조가 잘 알려져 있는데, 이것은 본 명세서에서 자세히 설명하지 않는다. 플립칩에 대한 정보는 예를 들면, http://www.flipohip.com 및 http://world.std.com/~hycomp/flippage. html에서 찾을 수 있다.
당해기술분야에서, 최근의 특정관심은 IC 트랜지스터의 활성층에 용이하게 액세스할 수 있는 후방, 즉, 기판측으로부터 이러한 장치를 검사하는 것이다. e-빔 (전압-컨트라스트) 프로브와 같은 종래의 다이내믹 (타이밍) 진단 방법을 이용하여 플립칩 패키징 장치를 프로브할 때의 한 문제점은, 타이밍 정보와 결함분리가 중요한 주요노드가 다층의 금속 배선들에 의해 용이하게 액세스될 수 없고 마스킹되는 점이다. 따라서, e-빔 프로버에 금속라인을 노출시키기 위해서는, 강제이온빔 (forced ion beam) 을 이용하여 기판을 "천공"하고 주요노드 야금을 노출시키거나, 테스트 및 프로브 구조체용의 개구부를 사전설계하는 것이 필요하다. 전자는 시간소모적이고 파괴적인 방법이며, 후자는 비싼 부동산을 소비하고, 많은 경우에, 관련된 특징을 회로 설계자에게 표현하지 못한다. 따라서, 기판 (후방) 을 통하여 장치를 프로브하는데 광학적 기술이 이용되고 있다. 어떠한 IC도 플립/직접 부착으로 재패키징될 수 있다. 또한, 극도의 타이밍 측정과 디버그의 반복을 요구하는 가장 진보된 서브 0.18 마이크론 (미만) 장치들은 플립 칩 패키지 형식이며, 이에 따라, 장치에 대한 후방의 광학적 프로빙 및 검출을 제공한다. 이는 1998 International Test Conference (ITC'98; 1998년 10월 18-22일, Washington DC, IEEE Catalog No. RS00191) 의 학회보에 개시된 아래 3개의 논문,
Novel Optical Probing Technique for Flip Chip Packaged Microprocessors, Mario Paniccia, Travis Eiles (V. R. M. Rao 및 Wai Mun Yee),
Diagnosis and Characterization of Timing-Related Defects by Time-Dependent Light Emission (DaveVauett, Leendert Huisman 및 Phil Nigh), 및
Contactless Gigahertz Testing (W. Mertin, A. Leyk, U. Behnke, 및 V. Wittpahl) 에 교시되어 있다.
관련된 또 다른 논문은 H. K Heinrich의 Picosecond Noninvasive Optical Detection of Internal Electrical Signals in Flip-Chip-Mounted Silicon Integrated Circuits (IBM J. Res. Develop. Vol 34, No. 2/3 1990) 이다.
미국특허 제5,208,648호, 제5,220,403호 및 제5,940,545호에는, 후방으로부터 실리콘 기판을 통하여 플립 칩을 이미징하는 시스템이 개시되어 있다.
그러나, 이 기술분야의 상당한 연구에도 불구하고, 여전히, 열전자 방출의 시간분해 측정에 의한 상업적으로 실용성있는 장치 디버그 시스템이 없다. 이 산업에 직면한 많은 문제들로는,
검출된 신호 신뢰성 (즉, 대역폭과 분해능) 이 손상받지 않는 고속의 신뢰성있는 포착속도,
낮은 (또는 제로) 용량성 장치에 대한 측정을 수행하는 능력 (즉, 어떤 사람들은 통상적인 실리콘 기판을 대신하여, 실리콘-온-절연체 (SOI) 를 이용함),
서브 0.2 마이크론 장치에서의 관련된 노드들을 위치결정시킬 수 있는 높은 공간분해능 이미징 및 내비게이션,
(전기적으로 시뮬레이션되는) 테스트동안, 그리고 방열기 (heat-sink) 없이 장치에 액세스하도록 동작하는 동안의 장치의 냉각과 전력부하 관리가 있다.
발명의 개요
본 발명자 들은 높은 공간 분해능 이미징 및 높은 시간분해능 검출을 제공하며 열전자 광방출의 시간분해 측정에 의한 IC 장치 디버그용의 상업적으로 실용적인 통합시스템을 제공한다. 또한, 이 시스템은 피시험 장치 (DUT) 의 냉각과 온도제어를 할 수 있다. 또한, 이 시스템은 IC 컴퓨터지원설계 (CAD) 레이아웃을 이용하여 내비게이션 및 이미징을 할 수 있다. 더욱 자세하게는, 본 발명의 시스템은 내부에 동작 전류가 흐르는 기능적인 반도체 집적회로를 테스트하고 디버그하는데 유용하다.
본 발명의 일 태양에서, 집적회로 칩을 테스트하는 통합시스템이 제공된다. 피시험 칩은 장치에 전력을 공급한 다음 그 장치를 프로그래밍된 논리 벡터와 신호들로 시뮬레이션하여 칩의 동작 (기능적 또는 테스트) 상태들을 시뮬레이션하는 자동테스트장치 (ATE) 에 연결되어 있다. 본 발명의 시스템은, ATE로부터 동기 (sync) 신호를 수신하는 제어기; 칩의 선택된 장치들을 선택적으로 이미징하는 광학 이미징 시스템; 칩으로부터 광전자방출을 집광하고 광전자방출을 나타내는 시간분해 신호를 제공하는 집광시스템; 선택된 장치에 대하여 광학 이미징 시스템과 집광 시스템을 배향시키는 광학기계적 (optomechanical) 내비게이션 시스템; 및 제어기에 의해 지정된 온도로 칩을 냉각시키는 온도 관리 시스템을 구비한다.
본 발명의 또 다른 태양에서, 본 발명의 시스템은 피시험 장치에 대하여 관련된 위치로 광학장치를 이동시키며 관련된 장치(들)을 포커싱하고 이미징하는데 이용하는 x-y-z 스테이지를 포함한다. 이 내비게이션은 IC의 CAD 레이아웃과 관련되어 수행된다. 기계화된 셔터는 광학장치의 시계 내에서 이미징 영역을 가변적으로 정의하는데 이용된다. 내비게이션 및 목표 포착 동안에, 장치는 조사를 받으며 이미지 강화기로 이미징됨으로써, 높은 공간분해능을 제공한다. 테스트될 장치가 포착되었을 경우, 즉, 이미징 영역 내에 위치되었을 경우, 조사원이 턴오프되고 장치가 테스트 신호로 시뮬레이션된다. 시뮬레이션 기간동안, 열전자 광방출이 광학장치에 의해 집광되어 섬유광학계 상으로 이미징된다
시간분해능을 제공하기 위해, 방사검출이 테스트 신호와 동기되는데, 즉, 자동테스트장치 (ATE) 와 동기된다. 섬유광학계에 의해 집광된 광은 애벌런치 포토다이오드 (APD) 에 의해 검출되는데, 이 포토다이오드는 애벌런치 소거회로 (quenching circuit), 시간-대-진폭 변환기 (TAC) 및 다중채널 분석기에 연결되어 있다. 옵션으로, APD 는 광전자방출이 ATE로부터의 동기신호에 따라 예측되기 바로 전에만 검출상태를 추정하도록 게이트된다. 이는 잡음의 감소를 제공하며 APD의 수명을 증가시킨다.
본 발명의 시스템의 유용한 한 특징은 DUT의 능동온도제어이다. IC의 디버그에서, 관련된 과제는 여러 동작온도에서의 여러 장치들의 거동이다. 이러한 연구는 동작온도에서의 변화에 의해 발생되는 성능과 신뢰성의 문제를 지적할수 있으며, 또한, 온도에 강하게 의존하는 중요장치 연결동작상태를 장치 설계자에게 제공한다. 본 발명의 시스템들은 여러 제어 온도에서 DUT의 테스트를 할 수 있다. 온도제어는 챔버의 내부 및 DUT에 별도로 제공되며 광학이미징/검출 시스템과 일체식으로 제공된다. 일 실시형태에 따르면, DUT 의 냉각은 내부를 순환하는 냉각 유체를 가진 냉각블록을 이용하여 수행된다. 또 다른 실시형태에 따르면, DUT 는 액체 마이크로스프레이 냉각 기술을 이용하여 냉각된다.
본 발명의 특정 특징에 따르면, 계침 렌즈들을 이용하여 집광 효율과 이미징 분해능을 증가시킨다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 굴절율 매칭 계침 렌즈들은 양면볼록형이며, DUT와의 (에어갭이 없는) 직접적인 접촉을 보장하기 위해 DUT 상으로 가압된다.
또한, 시스템의 강화된 안정성을 위해 자동초점기능부가 제공될 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 자동초점기능부는 수동 시스템으로, 즉, 조사원을 포함하지 않고 다만 광전자방출 광의 집광율을 최적화하는 피드백루프를 이용한다.
도면의 간단한 설명
본 발명은 도면에 예시된 특정 실시형태들을 통하여 설명된다. 그러나, 도면에 나타낸 여러 실시형태들은 단지 예를 들어 설명하기 위한 것일 뿐, 첨부된 청구범위와 같이 본 발명의 범위를 제한할 수 없다.
도 1a 내지 1b 는 본 발명의 실시형태에 따른 테스트 및 디버그 시스템의 주요 구성요소를 나타내는 일반구성도이다.
도 1c 는 본 발명의 테스트 및 디버그 시스템의 또 다른 실시형태의 주요 구성요소를 나타낸다.
도 2a 는 상부에서 본 냉각판의 실시형태를 나타내며, 도 2b 는 도 2a 의 선 A-A 을 따른 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 계침 렌즈의 일 실시형태를 나타낸다.
도 4 는 이미징을 위하여 레이저 현미경을 이용한 본 발명의 시스템의 또 다른 실시형태를 나타낸다.
도 5 는 적절한 목표 위치에서 계침 렌즈들을 위치시키는 "픽 앤 플레이스 (pick and place)" 시스템에 대한 일 실시형태를 예시한다.
도 6 은 본 발명의 또 다른 실시형태를 나타낸다.
도 7 내지 도 9 는 본 발명의 실시형태들의 여러 구성설정들을 예시한다.
도 10 은 본 발명의 현미경 대물렌즈/DUT 손상 보호 시스템의 일 실시형태를 나타낸다.
도 11 은 본 발명의 마이크로스프레이 냉각의 일 실시형태를 나타낸다.
도 12 는 본 발명의 또 다른 실시형태를 나타낸다.
도 13 은 레지스트레이션에서 2중렌즈들을 가진 본 발명의 마이크로스프레이 냉각의 일 실시형태를 나타낸다.
도 14 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고속 시간분해 방사검출 방식을 예시한다.
본 발명의 예시적인 실시형태들의 자세한 설명
본 발명은 상승시간 타이밍에 대하여 특히 적합한 테스트 시스템; 논리 결함국소화 및 특히 기판을 통하여 후방측으로부터의 마이크로칩들 (예를 들면, 플립칩 패키징 장치) 의 또 다른 테스트를 제공한다. 따라서, 본 발명은 플립칩을 이용한 예들을 가지고 설명한다. 그러나, 본 발명은 테스트 플립칩으로만 제한되지 않는다. 예를 들면, 칩-스케일 패키지 (CSP) 에서 상단측 패키징 장치들을 선택하여 이들을 "플립핑"하는 것도 가능하며, 또는 상단측을 통하여 방출광이 포착되는 것을 보장하도록 적절한 개구부를 설계할 수도 있다. 원하는 것은 칩에서의 관련된 장치로부터 방출광을 집광할 수 있게 하는 것이다.
도 1a 및 도 1b 는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 테스트 및 디버그 시스템의 주요 구성요소를 나타내는 일반구성도이다. 이 시스템은 시중에서 입수가능한 자동 테스트 장치 (105; ATE) 와 결합하여 동작한다. 일반적으로, ATE 는 사전프로그래밍된 컴퓨터 (181) 와 같은 제어기, 및 당해기술분야에 잘 알려진 방법으로 제어기 (181) 에 의해 생성된 신호들을 DUT (110; 도 1b) 로 전달하는데 이용되는 어댑터 (125) 를 포함하는 테스트 헤드 (124) 를 포함한다. 구체적으로는, ATE 는 칩을 검사 및/또는 디버그하도록 칩 설계자에 의해 설계될 때, 여러 작업들을 수행하도록 DUT 를 시뮬레이션하는 신호들을 생성하는데 이용된다. 제어기 (181) 에 의해 생성되는 여러 신호들은 어댑터 (125) 를 통하여 DUT 로 전달된다. 어댑터 (125) 는 당해기술분야에 잘 알려진 방식으로 스페이스 트랜스포머, DUT 적재판 및 DUT 소켓을 포함한다.
도 1a 및 도 1b 에 나타낸 실시형태에서, ATE 테스트 헤드는 진동차단 테스트 벤치 (115) 의 상단에 위치되며, 전체 광학장치, 이미징 및 감지 시스템, 및 X-Y-Z 스테이지 (175) 를 하우징하는 챔버 (100) 가 그 아래에 배치된다. 이는 시스템이 챔버 (100) 내부의 어떠한 소자들에 대한 변형이나 간섭없이 어떠한 형태나 크기의 ATE도 이용될 수 있게 하는 상당한 이점을 제공한다. 다만, ATE 는 개구부 (185) 를 통하여 광학장치 (120) 들을 볼 수 있도록 상부로부터 DUT 를 배치시키는데 이용된다. 스테이지 (175) 는 개구부 (185) 내의 어떠한 위치에서도 집광광학장치를 위치시킬 수 있게 한다. 이 예에서는, X-Y-Z 스테이지가 이용되고 있지만, 또 다른 스테이지들을 이용하여 개구부 (185) 내에서의 표시위치에 광학장치를 배치할 수 있게 하는데 이용될 수 있다.
이하, 도 1a 및 도 1b 의 시스템의 여러 소자들을, 이들의 동작모드를 통하여 설명한다. 일반적으로, 시스템은 내비게이션 모드와 검출 모드인 2 개의 모드로 동작한다. 이 설명에서는, "내비게이션 모드"의 기준은 내비게이션, 목표 포착, 및 이미징을 포함한다. 따라서, 이들 용어는 명세서내에서 대체하여 사용될 수 있다. 내비게이션 모드에서, 조사원 (130) 은 DUT를 조사하는데 이용된다. 조사원 (130) 은 예를들면, IR 레이저 또는 포토다이오드 또는 텅스텐-할로겐 램프를 이용한 적외선 (IR) 범위의 광을 방사한다. 이 광은 현미경 대물렌즈를 통하여 포커싱된 다음 DUT 와 빔 스플릿터 (160) 를 통하여 반사된다. 이미저 (145) 는 예를 들면, 강화기 비디콘 (vidicon) 또는 InGaAs 어레이와 같이 적외선 범위에서 이미징할 수 있는 어떠한 2 차원 검출기도 될 수 있다. IR 비디콘은 예를 들면, Hamamatsu (http://usa.hamamatsu.com) 로부터 입수가능하다. 이 예에서, 관련된 장치는 실리콘 상에서 제조된다. 잘 알려진 바와 같이, IR보다 짧은 파장들은 실리콘에 흡수된다. 따라서, 이 예에서, 조사 및 이미징은 IR에서 수행된다. 물론, 관련된 장치가 SOI 또는 GaAs와 같은 다른 기판 상에서 제조되어, 상이한 파장의 조사와 이미징이 이용될 수도 있다.
빔 스플릿터 미러 (165) 는 포커싱 시스템 (140) 으로 집광된 광부분을 편향시키는데 이용된다. 옵션으로, 전체적인 이미징 시스템이 자동초점기능의 목적을 위해 Z-액츄에이터 (190) 에 연결된다. 그러나, 자동초점기능의 예시적인 시스템을 보다 자세히 후술한다.
스위칭가능 미러 (135) 는 내비게이션 모드와 검출 모드 간의 광학경로를 선택적으로 변경할 수 있도록 하는데 필요하다. 이러한 목적을 위하여, 미러 (135) 는 기계적으로 이동하거나 회전될 수도 있고, 또는 예를 들면, 어느 한 모드에서는 전체적으로 반사하고 다른 한 모드에서는 전체적으로 투과하도록 선택된 모드에 따라 가변적으로 반사할 수 있는 활성 소자로 이루어질 수도 있다. 회전 실시의 경우, 기판은, 반은 투과하고 나머지 반은 반사하는 것으로 이루어질 수 있다. 이러한 기판에는, 회전기구가 제공되어, 필요에 따라 광학 경로에서 투과부 중의 반사부가 삽입될 수 있다.
또한, 집광광학장치 (120) 의 이미지 평면에는, 기계적 개구 (170) 가 필드 렌즈 (195) 와 함께 제공된다. 특히, 이 실시형태에서, 집광광학장치 (120) 의 입사동공은 필드 렌즈 (195) 에 의해 이미저 (145) 에서의 검출기의 포커싱 소자의 입사평면 상에 이미징된다. (본 명세서에서는 설명하지 않는) 일 실시형태에서, 집광광학장치의 동공입사는 포커싱 소자에 의해, 수집된 포톤들을 이미저(145) 에서의 검출기에 연결하는 섬유 상에 이미징된다. 본 발명의 특징은 조사경로가 (집광광학장치의 이미지 평면에 위치되는) 기계화 개구 (170) 를 통하여 발생함으로써, 그 개구부가 피시험 샘플이나 장치에 대한 시계를 한정한다는 점이다. 또한, 이 개구는 이미저 (145) 상에 이미징된 샘플의 위치를 한정한다. 즉, 실행할 특정 테스트에 의존하여, 사용자는 방사를 위한 DUT 의 어떤 특정 부분을 선택하는 것을 원할 수 있다. 예를 들면 Cadence와 같은 CAD 소프트웨어에 저장된 칩설계와 레이아웃에 대한 정보를 이용하고 예를 들면 Knights Technology (www. electroglass.com) 에서 입수가능한 Merlin's Framework 와 같은 내비게이션 소프트웨어를 이용하여, 방사 테스트를 위한 특정 장치를 선택할 수도 있고 집광광학장치의 시계에서 다른 장치들의 이미지와 방사를 차단할 수 있다. 사용자가 장치나 위치를 선택하는 경우, 이 시스템은 광학장치가 선택 장치나 위치상에 센터링되도록 스테이지 (175) 를 활성화시킨다. 다른 방법으로, 관련된 영역이 집광광학장치의 시계에 놓이는 한, 관련된 영역을 개구로부터 분리시킨 다음, "선택적으로" 이미징하고 검출하는 것을 진행할 수 있다. 이후, 개구 (170) 는 원하는 특정 테스트에 대하여 적절하게 시계를 증가시키거나 감소시키도록 조정될 수 있다.
적절한 시계가 설정되고 이미지가 얻어지는 경우, IR 감지 검출기 (150) 를 향한 광경로가 성립 (개방) 되도록 미러 (135) 가 회전된다. 또한, 테스트 동안, 광원 (130) 이 폐쇄되거나 차단된다. 물론, 챔버 (100) 는 어떠한 외부광이 내부에 포함된 광학장치, 이미저 및 센서들에 도달하는 것을 방지해야 한다.
후술할 바와 같이, 또 다른 실시형태에서, 섬유가 광을 검출기에 연결하는데 이용되는 경우, "프로브 영역" 은 필드 렌즈와 집광광학장치에 의해 검출기로부터 DUT 상으로 이미징되기 때문에 섬유 코어의 영역에 의해 성립된다. 이러한 "프로브 영역" 의 직경은 섬유의 크기, 및 섬유에서 광학 트레인 (optical train), 집광광학장치, 필드 렌즈 및 포커싱 광학장치들의 초점 길이들과 거리에 의해 정의되는 배율에 의해 정의된다. 이러한 구성으로, 집광광학장치에 의해 한정되는 시계 상에서 X-Y 액츄에이터로 섬유를 이동시킬 수 있다. 본 발명의 또 다른 특징은 기계화 개구에 의해 한정되는 사전선택된 영역 내에서 프로브영역을 이동시키는 능력을 사용자에게 부여한다는 점이다.
테스트 동안의 포톤 감지는 검출기 (150) 에 의해 수행되는데, 이 검출기 (150) 는 예를 들면, 포토멀티플라이어 튜브 (PMT) 와 같은 적외선 센서, 다중채널 플레이트 (MCP) 에 연결된 포토캐소드, 애벌런치 포토다이오드 (APD) 등이 있다. 검출기 (150) 로부터의 신호는 고속 데이터 포착 전자장치 (155) 에 의해 샘플링된다. 전자장치 (155) 는 아래 더욱 자세히 설명한다. 전용 소프트웨어를 실행시키는 범용 컴퓨터일 수 있는 제어기 (180) 는 액츄에이터 및 스테이지와 같은 시스템의 여러 소자들과 샘플러를 제어하는데 이용된다. 제어기 (180) 는 ATE (105) 로부터의 동기 신호를 수신한다.
본 발명의 시스템의 특징은 테스트 모드 포커스에서 DUT로부터 방사되는 광을 이용하여 수행된다. 더욱 자세하게는, 제어기 (180) 는 여러 Z 위치들에서 검출기 (150) 에 의해 집광되는 포톤의 포톤 계수를 수행한다. 가능 높은 총포톤 개수에 대응하는 Z 위치가 포커싱 위치로 되도록 결정된다.
도 1c 는 챔버 (100) 내부에서 광학장치와 검출기들의 상이한 배치를 이용하는 것을 제외하고 도 1b의 실시형태의 일반구성을 이용하는 본 발명의 일 실시형태를 나타낸다. 도 1c의 실시형태에 따르면, 내비게이션 모드에서, 스위칭가능 미러 (135') 는 광원 (130') 으로부터 DUT (110') 를 향하여 광을 전달한다. DUT 로부터 반사된 광은 1/4파 판 (162') 을 통과한 다음, 편광기 미러 (106') 에 의해 이미저를 향하여 편향된다. 물론, 알수 있는 바와 같이, 1/4파 판 (162') 과 편광기 미러 (106') 는 광원 (130') 으로부터의 광을 투과하지만 DUT (110') 로부터 오는 광을 반사하는 하프미러 배치로 교체될 수도 있다. 도 1b 의 실시형태에서와 같이, 필드 렌즈 (195') 를 가진 기계화 개구 (170') 가 이미지 평면에 제공되어, 시계를 한정하도록 후방으로부터 조사된다. 또한, 이 실시형태에서, 이미저 (145') 에 의해 얻어진 이미지는 포커스 알고리즘 (140') 에 의해 이용된다. 이러한 방식으로 DUT (110') 로부터 반사된 모든 광이 이미지를 생성하는 이미저 (145') 에 이용가능하기 때문에 이러한 구성은 매우 바람직하다.
검출 모드 동안에, 미러 (135') 는 IR 감지 검출기 (150') 로의 광학경로를 생성하도록 회전한다. 또한, 광원 (130') 은 턴오프되는 것이 바람직하다. 알 수 있는 바와 같이, 내비게이션 모드 동안 시계가 기계화 개구에 의해 결정되었을 경우, 검출모드에 대해서도 동일한 위치를 유지함으로써 검출모드 동안 시계를 한정한다.
이하, 본 발명의 추가 실시형태들을 통하여, 본 발명의 시스템의 여러 소자들을 더욱 자세하게 설명한다. 본 발명의 실시형태의 특징은 집적화된 칩 냉각부를 제공한다는 점이다. 즉, 최적의 동작환경, 즉, 필드 조건들을 시뮬레이션하면서 칩의 완벽하고 정확한 테스트를 수행하기 위해, 본 발명의 여러 실시형태들은 칩의 냉각과 온도제어를 제공한다. 알려진 바와 같이, 칩이 연산장치에 설치되는 경우, 방열기 및/또는 팬들과 같은 여러 소자들이 칩으로부터의 열을 제거하기 위하여 제공된다. 따라서, 본 발명의 여러 실시형태에서, 이러한 열 제거 소자들을 시뮬레이션하고 완벽하고 정확한 테스트를 수행하기 위하여 여러 제공물들이 형성된다. 또한, 이 시스템은 여러 동작온도에 대하여 DUT의 성능을 테스트하기 위해 DUT 온도의 능동적인 제어를 가능하게 한다.
도 2a 는 상부에서 본 냉각판 (210) 형태의 열제거 시스템의 제 1 실시형태를 나타낸 것이며, 도 2b 는 도 2a 의 선 A-A 을 따라 절단한 단면도이다. 도 2b 에서, DUT (260) 는 설명을 위하여 주변 장치 (265) 에 포함시켜 나타낸 것에 불과하다. 또한, 이 시스템은 주변장치를 갖지 않는 DUT 의 검사에 대해서도 이용될 수 있다. 냉각판 (210) 은 CVD와 같은 공지된 방법을 이용하여 바람직하게는 인공다이어몬드로 이루어진다. 유체 콘딧 (220) 은 냉각판 (210) 의 상단표면에 제공되며, 순환유체를 냉각하는 도입구 (250) 와 배출구 (240) 를 가진다 (펌프와 다른 유체 순환소자들은 당해기술분야에 잘 알려져 있기 때문에 그 설명을 생략한다).
냉각판 (210) 은 DUT 상의 목표 영역을 이미징하는 윈도우를 갖는 것이 필요하다. 최상의 환경 하에서는 단일 윈도우로도 충분하지만, 도 2b 에 나타낸 바와 같이, 주변소자들 (265) 이 DUT 상에서 냉각판 (210) 의 배치와 이동을 구속할 수도 있다. 따라서, 설명중인 이 실시형태에서는, 냉각판 (210) 은 윈도우 (235) 들의 어레이를 포함한다. 따라서, DUT에 대한 각각의 목표 영역에 대하여, 적절한 윈도우가 선택되며 그 선택된 윈도우를 통하여 집광광학장치 (120; 도 2b 에는 점선으로 나타냄) 이 x-y 스테이지 (175) 를 이용하여 정렬된다. 냉각판은, 윈도우가 검사할 칩의 목표영역과 정렬되도록 x-y 액츄에이터 (280) 를 이용하여 플립칩 상에서 이동될 수도 있다. 테스트 동안 포톤 집광을 최대로 하기 위해, 바람직한 실시형태에서는, 냉각판 (210) 의 윈도우 (235) 는 내부에 배치된 계침 렌즈를 가진다. 계침 렌즈는 미국특허 제5,004,307호 제5,208,648호 및 제5,282,088호에 개시된 것들 중 하나일 수 있고 또는 다른 어떤 적절한 계침 렌즈일 수도 있다. 그러나, 이 실시형태에서는, 신규의 양면볼록형 렌즈가 이용된다. 이 렌즈는 도 3 에 자세히 나타나 있는데, 이 도 3 은 도 2b 의 윈도우 (235) 들중의 한 영역을 확대한 것이다.
특히, 평편한 하단표면을 가진 종래의 계침 렌즈와 달리, 도 3 의 계침 렌즈는 볼록한 하단표면 (385) 을 가진다. 볼록한 하단표면은 DUT와 함께 진공상태가 되는 것을 방지하기 때문에 냉각판의 횡방향 이동 및 종방향 이동을 더욱더 용이하게 할 수 있다는 이점을 가진다. 또한, 이 렌즈는 포커스 면의 배치를 더욱 용이하게 하는, 즉, 관련된 위치 상에서 광학축의 정렬을 보다 용이하게 할 수 있다. 또한, 이는 이용되는 경우에 여분의 굴절율 매칭 유체를 수집하는데 보조할 수 있는 보이드 (voids) 를 제공한다.
양면볼록형 설계의 또 다른 이점은 최소한의 힘으로 계침 렌즈를 DUT 에 "가압"하여 계침 렌즈와 DUT 간의 에어 갭을 갖는 것을 방지하는 능력이다. 종래의 평편한 반구형 렌즈는 에어갭을 방지할 수 없었고 보다 많은 힘으로 필요로 하여 가압하는 경우 DUT를 파손시킬 수도 있었다.
도 3 에 나타낸 또 다른 특징은 센터 마킹 (375) 이 계침 렌즈 (370) 의 상단표면의 중심에 제공되는 점이다. 이러한 마킹은 이용되는 계침 렌즈의 타입과 무관하게 제공될 수 있다. 이 마킹은 계침 렌즈 상에서 집광광학장치 (120) 의 신속하고 정확한 배치를 할 수 있도록 이루어질 수 있다. 즉, 집광광학장치 (120) 이 한 계침 렌즈로부터 다른 계침 렌즈로 이동하는 경우, 이 마킹은 목표의 계침 렌즈와 집광광학장치의 대물렌즈와의 신속한 포착과 정렬을 용이하게 한다.
테스트 이전에, 집광광학장치는 DUT 상의 목표 영역 위에 배치되는 것이 필요하다. 제어기 (165) 는 윈도우들 중의 하나가 목표 영역과 그 인접영역을 노출시키도록 일반적으로 배치되도록 냉각판을 이동시키는데 이용된다. 이 시스템은 통상의 현미경 모드, 즉, 조사원 (130) 이 활성화되고 미러 (135) 가 집광광학장치 (120) 으로부터 이미저 (145) 와 포커스 (140) 로 광경로를 제공하도록 삽입되는 모드에 배치된다. 이미저 (145) 는 냉각판과 집광광학장치의 적절한 윈도우를 통하여 DUT를 이미징한다. 현미경 모드에서의 조사와 이미징은 명시 (bright-field) 모드, 암시 (dark-field) 모드 또는 양쪽 모드에서 수행될 수 있다. 명시모드와 암시모드 조사 및 이미징 구성은 당해기술분야에 잘 알려져 있기 때문에 자세히 설명하지 않는다.
포착된 이미지를 이용하여, 목표영역의 정확한 위치가 식별되며, 제어기 (165) 는 x-y 스테이지를 활성화시켜 집광광학장치를 정확하게 배치시킨다. 또한, 자동초점기능부 (140) 는, 집광광학장치 (120) 의 대물렌즈가 DUT의 목표영역 상에 포커싱되도록 Z-액츄에이터를 제어하는데 이용된다. 또한, 시계 내의 관련된 영역은 개구 (170) 를 이용하여 한정된다.
자동초점기능 추가의 필요성 설명
도 4 는 본 발명의 또 다른 실시형태를 나타낸다. 도 4 에서, 내비게이션 및 목표 포착은 공초점 레이저 스캔 현미경 (LSM; 400) 을 이용하여 수행된다. 공초점 레이저 스캔 현미경에 대한 통상적인 정보는, P. C. D. Hobbs 및 G. S. Kino의 Generalizing the Confocal Microscope via Heterodyne Interferometry and Digital Filtering (Journal of Microscopy, Vol. 130, Pt. 3, 1990, pp. 245-264) 및 미국특허 제5,532,873호에서 찾을 수 있다. Kino 의 책이나 Hobbs의 것을 참조할 수도 있다.
LSM (400) 는 실선 이미지로 나타낸 바와 같이, 적외선 레이저 다이오드 (405) 가 광원으로서 활성화되며 미러 (435) 가 레이저 다이오드 (405) 로부터 DUT로의 광학경로를 완성하도록 위치되는 경우에 연결된다. 레이저 (405) 로부터의 광빔은 스캐너 (430) 를 이용하여 스캐닝되며 이 스캐너 (430) 는 예를 들면, 음향광학 편향기 (AOD) 또는 회전 다면 미러일 수 있다. LSM (400) 를 연결해제하고 포토루미네센스의 검출을 가능하게 하기 위해, 파선 이미지로 나타낸 바와 같이, 레이저 다이오드 (405) 가 비활성화되고 미러 (435) 가 DUT 로부터 검출기(450) 로의 광학경로를 완성하도록 위치된다.
일반적으로, 레이저 다이오드 (405) 에 더하여, LSM (400) 는 다이오드로부터의 광을 집광시킨 다음 그 광을 편광기 미러 (425) 와 1/4 파 판 (415) 상으로 전달하는 렌즈 시스템 (410) 을 포함한다. 이후, 광은 대물렌즈 터릿 (465) 에 의해 선택되는 대물렌즈 (445) 들중의 하나에 입사한다. 이 실시형태에서 예시한 바와 같이, 터릿 (465) 은 3 개의 선택가능한 대물렌즈 (445) 를 반송하는데, 이 대물렌즈 각각은 상이한 배율을 갖고 있지만, 단일 또는 또 다른 여러 대물렌즈 배치도 제공될 수 있다. 이후, DUT로부터 반사된 광은 집광된 다음 편광기 미러 (425) 에 의해 검출기 (420; 예를 들면, 비디콤 또는 InGaAs 검출기) 를 향하여 전달된다.
2 개의 특정 특징을, 대물렌즈 (445) 를 통하여 설명한다. 수차보정 링 (455) 은 실리콘 두께의 변경을 보상하도록 제공된다. 특히, 이는 칩의 후방을 통하여 관찰하는 경우 유용한 특징이다. 또한, 입체 계침 렌즈 (460) 도 도시되어 있다. 상술한 실시형태에서와 같이, 입체 계침 렌즈는 양면볼록형일 수 있다. 입체 계침 렌즈 (460) 는 최종 목표 이미징과 효과적인 방사 집광을 위하여 이용될 수 있다. 또한, 예시적인 실시형태에서, "픽 앤 플레이스" 시스템이 적절한 목표 위치에 계침 렌즈 (460) 를 위치시키고 랜딩시키도록 제공된다.
픽 앤 플레이스 시스템의 실시형태가 도 5 에 나타나 있다. 자세하게는, 현미경 대물렌즈 연결 하우징 (505) 에는 이 하우징 (505) 에 연결하는 기밀부 (air-tight) 를 활성화시키는 조정가능 슬리브 (510) 가 제공된다. 슬리브는계침 렌즈 (560) 상에 위치된다. 밸브 (515) 는 계침 렌즈, 슬리브 (510) 및 대물렌즈 하우징 (505) 에 의해 한정되는 챔버 (520) 내의 압력을 조정할 수 있도록 공기펌프에 연결된다. 압력을 감소시킴으로써 진공력을 이용하여 오퍼레이터가 렌즈 (560) 를 위치설정할 수 있다. 렌즈 (560) 가 적절한 목표 위치에 위치되는 경우, 포커싱이 가능하도록 압력이 제어될 수 있다. 또한, 장치에 대한 층들에 의해 발생되는 장치에서의 두께의 편차와 수차를 보상하기 위하여 커플링 대물렌즈와 계침 렌즈 간의 거리가 제어될 수 있다. 또한, 펌프가 챔버 (520) 에서의 압력을 형성하거나 상승시키는데 이용되어, 칩 표면과 렌즈 간의 우수한 표면 접촉을 보장하고 에어 갭을 방지할 수 있다. 본 발명자 등은, 대기압 이상으로 미소하게 상승되는 압력이 양면볼록형 계침 렌즈 상에 제공되는 경우, 얇은 샘플 웨이퍼가 렌즈에 대하여 "굴곡"되어 웨이퍼로부터의 광의 집광을 증가시킴으로써, 높은 NA 와 우수한 커플링을 보장하는 SIL 과 샘플간의 굴절률 매칭을 악화 (표면의 불균일성에 의해 발생) 시키는 (에어) 갭을 방지할 수 있음을 발견하였다.
대물렌즈 시스템과 결합하여 도 4 에서 예시되는 또 다른 특징은 활성 장치 냉각 시스템 (440) 의 제공이다. 이 특정 실시형태에서, 마이크로 스프레이 냉각 시스템이 제공된다. 이하, 도 11 을 통하여 마이크로 스프레이 냉각 시스템을 자세히 설명한다.
방사 검출을 위하여, 레이저 (405) 가 오프로 스위칭되고 미러 (435) 가 파선 이미지로 나타낸 위치로 스위칭된다. 이 위치에서, DUT 로부터 방사되어 집광된 광은 필드 렌즈 (465) 를 향하여 나아가고 시계가 이미지 평면에 위치된 기계화 개구 (470) 에 의해 한정된다. 이후, 필드 렌즈 (465) 는 검출기 (450) 상에 이미지를 프로젝션한다. ATE 는 원하는 테스트 백터를 DUT에 제공하고 또한, 동기 신호를 시스템 제어기와 검출기 전자장치에 제공한다. 따라서, 방사 (이벤트) 가 발생하는 경우, 동기신호에 대한 그 상대적인 "도달" 시간이 DUT 의 성능의 타이밍 분석이 가능하도록 기록된다.
도 6 은 본 발명의 또 다른 실시형태를 나타낸다. 특히, 도 6 의 실시형태는 2 개의 조사원을 포함한다. 더욱 자세하게는, 2 개의 교대 조사원 (605 및 671) 이 내비게이션, 목표포착 및 이미징을 위하여 제공된다. 이 모드에서, 어느 한 쪽의 조사원을 이용하여, 카메라 (628) 가 색선별 미러 (627; 적절한 코팅으로 어떤 사전할당된 파장, 즉, CVI 레이저에 의해 제공되는 파장을 반사 또는 투과할 수 있는 미러) 를 통하여 이미징하는데 이용된다. 텅스텐 할로겐 램프 또는 근적외선 (1000 nm 내지 1700 nm 파장) 스펙트럼을 가진 다른 어떤 조사원일 수 있는 광원 (605) 이 이용되는 경우, 축 (630) 에 대하여 선회되는 것으로 예시되는 미러 (625) 가 실선으로 나타낸 위치에 있도록 시스템이 설정된다. 반면, 광원 (671) 이 이용되는 경우 또는 시스템이 방사 검출모드에 있는 경우, 미러 (625) 는 파선으로 나타낸 위치에 설정된다.
광원 (671) 이용되는 경우 또는 시스템이 방사 검출모드에 있는 경우, 섬유 광학부 (690) 는 집광광학장치 (685) 과 기계화 미러 (695) 간의 광경로를 제공한다. 광원 (671) 을 이용하여 내비게이션하는 경우, 미러 (695) 는 파선에 의해나타낸 바와 같이 위치된다. 이 위치에서, 광원 (671) 으로부터의 광이 조사 대물렌즈 (672) 에 의해 집광된 다음 섬유 광학부 (690) 를 통하여 투과되어 DUT의 조사를 위해 이용된다. 더욱 자세하게는, 섬유가 렌즈 (665) 와 대물렌즈 (645) 를 통하여 DUT 상으로 이미징된다. 원하는 경우, 이미지는 기계화 개구 (670) 를 이용하여 축소될 수 있다. 이후, DUT 상의 이미지는 재이미징고 미러 (627) 에 의해 반사되어 카메라 (628) 에 의해 이미징된다. 도 6 의 실시형태의 유용한 특징은 선택된 시계 내에서 보다 우수한 이미징을 할 수 있다는 점이다. 이는 다음과 같이 수행된다. 먼저, 시스템이 광원 (605) 을 이용하여 이미징을 위하여 기계화 개구 (670) 의 후방을 통하여 DUT 를 조사하도록 설정된다. NavCad로부터의 장치 위치결정부를 이용하여, 스테이지는 장치의 위치에 대하여 대물렌즈를 위치결정한다. 장치의 영역이 이미징되고 적절한 시계가 기계화 개구 (670) 를 이용하여 선택되는 경우, 시스템은 광원 (671) 을 이용한 이미징을 위하여 스위칭된다. 이러한 설정에서, 섬유는 시계의 선택된 부분만을 이미징하도록 선택된 시계 내에서 이동될 수 있다. 섬유가 관련된 위치에 정확하게 정확하게 위치되면, 시스템은 방사 검출을 위하여 스위칭된다. 또한, 개구가 프로브 (섬유) 영역의 스페이싱에 대하여 차단될 수 있다.
활성화된 장치 광전자방출 검출 동안, 집광 대물렌즈 (696) 를 향하여 집광된 광을 반사하도록 미러 (695) 가 실선으로 나타낸 바와 같이 위치된다. 이후, 집광 대물렌즈 (696) 에 도달한 방사는 검출기 (698) 에 의해 검출되는데, 이 검출기는 마이크로 냉각기 (697) 에 하우징되어 있다. 마이크로 냉각기는 헬륨또는 질소와 같은 냉각 매체를 검출기 온도의 제어를 가능하게 하는 유량으로 순환시켜, 그 효율을 감소시키기 않고 최적의 잡음 성능을 확보한다. 저온은 검출기 (698) 잡음을 실질적으로 감소시키는 것을 지원한다.
잡음의 감소를 가능하게 하는 본 발명의 또 다른 특징은 다음과 같다. 도 1 의 실시형태를 통하여 상술한 바와 같이, 시스템 제어기는 ATE 로부터의 동기신호를 수신한다. 따라서, 관련된 각각의 장치에 대하여, 시스템 제어기는 방사 이벤트가 예측될 수 있는 때를 "기지"하고 있다. 따라서, 시스템 제어기는 방사가 예측되는 소정의 시간까지 방사 검출기를 오프상태로 유지한다. 그 때, 방사 검출기가 소정의 기간 동안 턴온된다. 검출기가 포톤 방사 유도 이벤트를 검출할 때와 검출하는 경우, 이벤트의 도달시간이 기록되고 저장된다. 더욱 자세하게는, 일 실시형태에 따르면, 타이머가 테스트의 시작시에 시작되어, ATE 로부터의 동기신호에 대한 포톤의 도달을 시간측정하는데 이용된다. 또 다른 실시형태에 따르면, 검출기가 턴온될 때 포인트가 기록되고 그 때 타이머가 시작된다. 따라서, 포톤 도달 시간은 검출기가 턴온되었던 때의 포인트와 관련하여 관찰된다. 도 7 내지 도 9 는 본 발명의 이 실시형태들의 여러 동작모드를 예시한 것이다. 도 7 에서, 시스템은 광원 (705) 을 이용하여 내비게이션을 위해 설정되는데, 도면에는 광원이 조사되고 있는 것으로 나타나 있다. 반면, 광원 (771) 은 턴오프되어 있는 것으로 나타나 있다. 기계화 미러 (725) 는 광원 (705) 으로부터 대물렌즈 (745) 로의 경로에 위치된다. 필드 렌즈 (765) 와 기계화 개구 (770) 는 이미지 평면에 위치되며, 후방으로부터 조사받는다. 따라서, 시계의 크기는개구 (770) 를 이용하여 선택될 수 있다. 이후, DUT로부터의 반사광이 색선별 미러 (727) 에 의해 카메라 (728) 로 보내진다. 적절한 이미지가 포착되었고 관련된 영역이 시계에서 멀어진 경우, 시스템은 도 8 에 나타낸 설정으로 재구성된다.
도 8 에 나타낸 바와 같이, 광원 (805) 이 턴오프되는 반면, 광원 (871) 은 턴온된다. 또한, 기계화 미러 (825 및 895) 가 광경로의 외부로 회전이동된다. 개구 (870) 가 시계를 선택하기 때문에, 시계 내의 장치들은 시계 내에서 섬유광학계를 적절하게 이동시켜 이미징될 수 있다. 이러한 방법으로, 섬유광학계는 선택된 시계 내에서 작은 영역만을 이미징하도록 배치될 수 있다. 이미지는 높은 공간 분해능을 가진 카메라 (828) 에 의해 기록된다. 이후, 시스템은 도 9 에 나타낸 설정으로 다시 재구성된다.
도 9 에서, 양쪽 광원이 모두 턴오프된다. 또한, 미러 (995) 가 집광광학장치 (996) 을 향하여 입사광을 반사시키도록 광경로로 회전이동된다. 이 특정 실시형태에서, 또한, 카메라 (928) 는 미러 (927) 를 외부로 회전이동시켜 광경로 외부를 포착한다. 이 위치에서, DUT 가 시뮬레이션되고 장치 방사가 발생되며 방사광이 계침 렌즈와 대물렌즈에 의해 집광되어 섬유광학계 (990) 를 통하여 집광광학장치 (996) 으로 전달된 다음 여기서 검출기 (998) 로 전달된다.
도 10 은 상술한 실시형태들 중의 어떤 대물렌즈에 이용될 수 있는 현미경 대물렌즈 손상 보호 시스템을 예시한 것이다. 나타낸 바와 같이, 대물렌즈 (1200) 에는 절연링 (1210) 이 제공되며, 절연링 상부에는 도전성 칼라 (1220;collar) 가 부착되어 있다. 도전성 칼라는 예를 들어 3 volts 로 전기적으로 바이어스된다. 컨덕터 링 (1220) 주변에 가요성 절연링 (1230) 이 제공되며, 가요성 절연링 (1230) 에 도전성 차단부 (1240; Conductive shield) 가 부착되어 있다. 도전성 차단부 (1240) 는 접지되어 있기 때문에 DUT를, 전압을 공급받은 칼라 (1220) 에 의해 발생되는 정전 방전 (ESD) 으로부터 차단한다. 대물렌즈가 블록 화살표로 나타낸 바와 같이, DUT 를 향하여 이동되거나, DUT 상의 장치를 향하여 옆으로 이동되는 경우, 원형 파선으로 예시된 바와 같이, 차단부는 전압을 공급받는 칼라에 반대하여 압축된다. 이러한 일이 발생되는 경우, 도전칼라 또한 접지되어 그 전위가 접지전위로 떨어진다. 이는 전압계 (1250) 에 의해 검출되며, 이후 전압계는 알람 (1260) 을 활성화시킨다.
도 11 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로스프레이 냉각을 예시한 것이다. 자세하게는, DUT (1115) 가 당해기술분야에 잘 알려진 방법으로 테스트 어댑터 (1100) 에 부착된다. 챔버 (1130) 는 0-링 (1110) 을 이용하여 밀봉을 형성하도록 테스트 어댑터 (1100) 에 반대하여 가압된다. 대물렌즈 (1125) 는 스프레이 하우징 (1140) 에 적절하게 설치되어 있으며 밀봉방식으로 챔버 (1130) 내에 삽입되어 있다. 이후, 펌프 (1160) 는 보이드 (1135) 내의 압력을 감소시키는데 이용된다. 이는 보이드 (1135) 내부의 비등점을 감소시키기 위해 행해지는 것으로, 즉, 보이드 (1135) 내부의 비등점은 보이드 (1135) 내부의 압력을 변경하여 가변적으로 제어될 수 있다. 감소된 압력의 레벨은 원하는 비등점과 이용된 냉각 유체의 특성에 따라 계산될 수 있다.
이후, 펌프 (1165) 는 DUT 상에 삽입되어질 관 (1145) 을 통하여 냉각제를 펌핑하는데 이용된다. 이 실시형태는 특히 유용하다. 먼저, 냉각이 아래에서부터 행해지기 때문에, 여분의 유체를 DUT로부터 배출시키기 쉽다. 또한, SIL (1120) 가 이용되기 때문에, 유체가 이미징 중인 DUT의 부분에 도달하지 않아, 스프레이 냉각이 이미지의 열화를 발생시키지 않는다. 또한, 제트류가 직교방향인 통상적인 스프레이 냉각에 반하여, 예시적인 실시형태에서는, 스프레이 냉각이 이미징 작업에 영향을 주는 각도에서 수행된다.
냉각 유체가 DUT (1115) 상으로 스프레이될 때, 냉각유체는 보이드 (1135) 내에서 증발한다. 이후, 이 증기는 챔버 (1130) 벽부 상에서 응축되어, 채널 (1170) 을 통하여 펌프 (1165) 로 다시 배출된다. 이후, 유체는 DUT 상으로 다시 스프레이되기 전에 열교환기 (1150) 에서 순환될 수 있다. 이 예에서, 스프레이압은 DUT의 온도에 따라 가변적으로 제어되어, DUT 의 원하는 온도가 유지된다. 다른 방법으로, 스프레이가 적절한 냉각 레벨을 유지하기 위하여 변경된 듀티 사이클 (duty cycle) 로 맥동 (pulsated) 될 수도 있다.
대물렌즈를 교환하기 위해, 스프레이가 중단되고 나머지 액체가 펌핑되어 배출된다. 이후, 감소된 압력이 예를 들면, 밸브 (1175) 를 이용하여 깨트린 다음 대물렌즈가 교체된다. 별개의 대물렌즈는 별개의 크기와 형상을 가질 수도 있기 때문에, 각각의 대물렌즈는 자체 하우징 (1140) 에 배치될 수도 있고, 또는 단일 하우징 (1140) 에 대한 어댑터가 이용될 수도 있다. 또한, 관 (1145) 은 간단하게 스프레이 배출구로서 종단될 수도 있고 또는 특정 스프레이 헤드가 관(1145) 의 단부에 부착될 수도 있다.
이 시스템을 이용하여, DUT 의 온도가 변경되어, 그 동작 특성을 여러 온도 조건하에서 테스트할 수 있다. 예를 들면, 오퍼레이터는 DUT를 테스트하는 어떤 동작 온도를 입력할 수도 있다. DUT 의 실제온도는 DUT와 매우 근접하게 적절한 위치에 배치된 장치 (즉, 열전대) 에 의해 검출되거나 DUT 에 내장된 적절한 장치를 통하여 얻어진 다음 당해기술분야에 알려진 방법으로 ATE를 통하여 판독된다. 예를 들면, 온도 다이오드가 DUT 에 내장되고 그 신호를 ATE로 전송할 수 있다. 종래에는, 이것은 안전성의 이유로 수행되었는데, 즉, DUT 의 온도가 너무 뜨거운 경우, 시스템을 차단하기 위하여 수행되었다. 그러나, 본 발명의 이 실시형태에 따르면, DUT의 온도는 ATE로부터 제어기 (180) 로 전송된다. 실제 DUT 온도를 이용하여, 제어기 (180) 는 DUT 를 오퍼레이터에 의해 선택된 온도로 동작시키도록 냉각 레이트 (예를 들면, 액체 압력, 플로우 레이트, 공동 압력 등) 를 조정한다. 냉각 레이트를 제어하기 위해, 제어기 (180) 는 냉각 유체 스프레이의 레이트를 조정할 수 있으며 또는 냉각 액체의 비등점을 변경하도록 챔버의 압력을 변경할 수 있다.
최적의 냉각을 얻기 위하여, 별개의 스프레이 헤드가 서로 교차하는 것을 피하는 것이 바람직하다. 이것은 여러 방법으로 달성될 수 있다. 예를 들면, 스프레이가 서로 교차하지 않도록 여러 스프레이 헤드가 동기되어 맥동될 수 있다. 다른 방법으로, (소자 (1111) 로 나타낸) 격벽 (baffle) 또는 장벽 (barrier) 이 스프레이 교차를 방지하도록 제공될 수 있다.
도 12 는 본 발명의 또 다른 실시형태를 나타낸 것이다. 도 12 의 실시형태는 관련된 장치를 가르킬 수 있는 "레이저 포인터" 특징부를 포함한다. 내비게이션 동안, 광원 (1250) 이 활성화되고 미러 (1255) 가 점선 위치로 회전이동되며 하프 미러 (1220a) 가 DUT를 조사하도록 상술한 위치에 배치된다. DUT로부터 반사된 광은 하프 (1220a) 를 통과하여 이미저 (1210) 에 의해 이미징된다. DUT 상의 관련된 영역의 이미지가 얻어지면, 미러 (1265) 가 점선 위치로 회전이동되고 미러 (1255) 가 실선 위치로 회전이동된다. 이후, 레이저 원 (1260) 이 활성화되어 렌즈 (1270) 를 통하여 레이저 빔을 생성하고 DUT 를 조사한다. DUT 로부터 반사된 레이저 광은 비교적 작은 "레이저 포인터"이미지로서 이미저 (1210) 에 의해 이미징된다. 이후, 스테이지는 "레이저 포인터"가 관련된 장치를 가르킬 때까지 활성화될 수 있다. 일단 활성화되면, 레이저원 (1260) 이 턴오프되며 미러 (1265) 가 실선 위치로 회전이동되며 입체 미러 (1220b) 가 하프 미러 (1220a) 에 의해 이미 점유되는 광경로로 회전이동된다. 이 위치에서, 검출기 (1280) 으로의 광경로는 방사가 테스트되어질 수 있도록 "레이저 포인터"에 의해 이전에 조사받은 동일한 장치 상으로 정렬된다.
도 13 은 레지스트레이션에서 2중렌즈를 가진 본 발명의 마이크로 스프레이 냉각의 또 다른 실시형태를 나타낸 것이다. 간략한 설명을 위해, 단지 2 개의 렌즈 (1324 및 1325) 가 설명되었지만, 그 이상의 대물렌즈도 이용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 각각의 대물렌즈는 자체 마이크로 스프레이 챔버를 가진다. 각각의 챔버는 자신의 펌핑 및 냉각 장치를 가질 수도 있지만, 도 13 에 나타낸 바와 같이, 각각의 챔버로부터의 관이 적절한 밸브들을 이용하여 공통 펌핑 및 냉각 장치에 연결될 수도 있다. 각각의 챔버 내의 대물렌즈는 서로 정확한 레지스트레이션 상태로 되어, 목표 장치가 한 대물렌즈를 이용하여 포착되는 경우, 레지스트레이션을 이용하여 제어기는 포착된 목표 장치 상에 또 다른 대물렌즈를 위치시키도록 스테이지를 쉽게 이동시킬 수 있다.
도 14 는 본 발명의 실시형태에 따른 고속 시간분해 방사 검출 방식을 예시한 것이다. 자세하게는, ATE (1400) 가 트리거 신호 (1410) 를 생성하는데 이 신호는 트리거 회로 (1420) 로 전송된다. 트리거 회로 (1420) 는 예를 들면, -2.5 내지 +2.5 Volts 의 범위에 있는 선택가능한 파장으로 트리거 신호 (1410) 의 상승에지 또는 하강에지에 대한 트리거링을 인에이블시킨다. 적절한 트리거링 상태가 검출되는 경우, 트리거링 회로 (1420) 는 포착 시퀀스의 시작을 규정하는 고속 "시작" 신호 (1490) 를 생성한다. 또한, 트리거링 회로 (1420) 는 신호를 지연 생성회로 (1430) 에 제공하는데, 이 지연생성회로는 신호를 게이트 회로 (1440) 에 보내기 전에 사용자-선택가능 시간량만큼 대기한다. 게이트 회로 (1440) 는 검출기 (1450) 를 온과 오프로 게이트하는데 이용된다. 게이트 회로 (1440) 는 개개의 포톤들을 검출할 수 있는 시점에서 검출기 (1450) 를 온으로 게이트한다. 검출기 (1450) 는 지연 생성회로 (1430) 에 의해 결정될 때의 사용자-선택가능 기간에 따라 게이트 온 상태를 유지하지만, 포톤이 검출기 (1450) 에 의해 검출되었음을 포착 회로 (ACQ; 1460) 가 결정한 경우, 검출기 (1450) 는 활성적으로 소거, 즉, 게이트 오프될 수 있다. 자세하게는, AQC (1460) 는 포톤 검출을 위하여 검출기 (1450) 를 모니터링하며, 포톤이 검출된 경우, AQC (1460) 가 2 개의 신호를 보내는데, 제 1 신호 (소거신호 (1470)) 는 검출기 (1450) 를 게이트 오프시키도록 게이트 회로에 명령하는 반면, 제 2 신호는 검출기에서 포톤 도착을 규정하는 고속 "STOP"신호 (1480) 이다. 따라서, 포톤이 검출기 (1450) 에 의해 검출되는 경우, 지연회로 (1430) 에 의해 게이트 회로 (1440) 가 검출기 (1440) 를 게이트 오프시키기 전에, 소거신호 (1470) 가 검출기를 게이트 오프시키도록 게이트 회로 (1440) 에 명령한다.
"시작" (1490) 및 "정지" (1480) 신호들은 피코초 (Picosecond) 타이밍 분석기 (PTA; 1500) 에 의해 이용되는데, 이 분석기는 통상적인 테스트 기계이다. PTA (1500) 는 시간 대 디지털 변환기 (TDC; 1510) 와 다중채널 분석기 (MCA; 1520) 를 포함하는데, 이 분석기는 데이터 포착 시퀀스 동안의 매 시간마다 포톤의 히스토그램을 형성한다. 이 히스토그램은 PTA 전기 인터페이스를 통하여 컴퓨터 (180) 로 전달된다.
본 발명은 특정 실시형태들을 통하여 상술하였지만, 이들 실시형태들로 제한되는 것은 아니다. 특히, 본 발명의 청구범위에서 정의된 사상과 범위에 벗어남이 없이 여러 변경 및 변형이 구현될 수 있다. 또한, 상술한 모든 종래기술의 참조는 본 명세서에서 참조로 포함된다.

Claims (25)

  1. 동작 상태를 시뮬레이션하도록 시뮬레이션되는 집적회로 칩을 테스트하는 통합시스템으로서,
    상부에 칩을 위치시키는 테스트 벤치;
    집광광학장치;
    양면볼록형 입체 계침 렌즈 (solid immersion lens);
    내비게이션 모드에서 상기 집광광학장치를 통하여 상기 칩을 조사하는 1 차 조사원;
    상기 칩으로부터 반사되고 양면볼록형 입체 계침 렌즈에 의해 집광된 광을 이용하여 상기 칩을 이미징하는 이미저;
    검출모드에서, 칩으로부터 방사되는 포톤을 검출하고 대응 전기 신호들을 생성하도록 동작가능한 포톤 센서; 및
    상기 전기 신호들을 수신하며 상기 포톤의 타이밍 정보를 제공하는 시스템 제어기를 구비하며,
    상기 광원은 상기 검출모드 동안에 상기 칩의 조사를 중단하는, 통합시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    아래쪽으로부터 상기 테스트 벤치에 연결된 가동 스테이지를 더 구비하며,
    상기 집광광학장치는 상기 가동 스테이지에 부착되어 있는, 통합시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    냉각 기구를 더 포함하는, 통합시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    조사 시스템으로부터 상기 칩 상으로의 광, 또는 칩으로부터 상기 포톤 센서 상으로 방사된 포톤들 중 어느 하나를 선택적으로 안내하도록 동작가능한 광학 소자를 더 구비하는, 통합시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미저는 비디콘 카메라를 구비하는, 통합시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 광학소자는 스위칭가능 미러를 구비하는, 통합시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 포톤 센서는 애벌런치 포토다이오드를 구비하는, 통합시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광광학장치의 이미지 평면에 배치된 기계화 개구를 더 구비하는, 통합시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광광학장치를 통하여 상기 칩을 조사하기 위한 2 차 조사원을 더 구비하는, 통합시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 집광광학장치와, 상기 포톤 센서 (검출기) 와 2 차 조사원 중 적어도 하나 간에 광학경로를 제공하는 섬유광학계를 더 구비하는, 통합시스템.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각 기구는 마이크로 스프레이 냉각 시스템을 구비하는, 통합시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 포톤 센서를 게이트하는 게이트 타이머를 더 구비하는, 통합시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광광학장치의 포커싱을 행하기 위한, 상기 집광광학장치를 지원하는 z-액츄에이터를 더 구비하는, 통합시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 z-액츄에이터를 제어하는 자동초점기능부를 더 구비하는, 통합시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 자동초점기능부는 상기 포톤 검출기에 의해 검출되는 포톤들의 주기적 총 개수에 따라 초점상태를 결정하는, 통합시스템.
  16. 집적회로칩을 테스트하되, 상기 집적회로칩은 시뮬레이션 신호를 칩에 전송하여 상기 칩의 동작 상태를 시뮬레이션하는 자동 테스트 장치 (ATE) 에 연결되는, 통합시스템으로서,
    상기 ATE로부터 동기신호를 수신하는 제어기;
    상기 칩의 선택된 장치들을 선택적으로 이미징하는 광학 이미징 시스템;
    상기 칩으로부터의 광전자방출을 집광하고 상기 광전자방출을 나타내는 시간분해 신호를 제공하는 집광 시스템;
    상기 선택된 장치에 대하여 상기 광학 이미징 시스템과 상기 집광 시스템을 배향시키는 내비게이션 시스템; 및
    상기 제어기에 의해 지정된 온도로 상기 칩을 냉각시키는 냉각 시스템을 구비하는, 통합시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광학 이미징 시스템은 상기 광학 이미징 시스템에 의해 한정되는 시계 내에서부터 관련된 영역을 선택하도록 동작가능한 기계적 개구를 구비하는, 통합시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 마이크로 스프레이 냉각 시스템을 구비하는, 통합시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 집광 시스템은 계침 렌즈를 구비하는, 통합시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 계침 렌즈는 양면볼록형 계침 렌즈인, 통합시스템.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 칩으로부터의 광전자방출을 집광하는 상기 집광 시스템은, 상기 광전자방출의 주기적 집광에 따라 포커싱 신호를 제공하는, 통합시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 집광 시스템은 양면볼록형 계침 렌즈를 구비하는, 통합시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 마이크로 스프레이 냉각 시스템을 구비하는, 통합시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 광학 이미징 시스템은 상기 칩 상의 선택된 장치들을 조사하도록 광섬유케이블에 연결되는 조사원을 구비하는, 통합시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 조사원은 적외선 스펙트럼의 광을 제공하는, 통합시스템.
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