TWI551856B - 光子發射的光譜套圖 - Google Patents

Description

光子發射的光譜套圖

本案主張美國臨時申請案61/978,173號2014年4月10日的優先權，該案所揭示之內容全部併入本案供作本案之參考。

本發明涉及一設備和方法用以從一待測裝置(DUT)進行光子發射的發射光譜分析。本發明涉及判斷、定位及歸類該DUT內的故障元件。

探測系統在現有技術中廣泛用在對積體電路(IC)的設計及配置進行測試和除錯。各種發射型和雷射型的系統用以探測IC，在現有技術中已是眾所周知。本專利說明書將說明在現有技術的概要。如需更多資訊，讀者可以參照美國專利第5,208,648號、第5,220,403號、第5,940,545號、第6,943,572號、第7,012,537號、第7,038,442號、第7,224,828號和第7,323,862號，其專利說明書全文併入本案之參考。其他相關資訊可參考Yee, WM等人之Laser Voltage Probe (LVP): A Novel Optical Probing Technology for Flip-Chip Packaged Microprocessors，刊在International Symposium for Testing and Failure Analysis (ISTFA)，2000年，第3-8頁；Bruce, M等人之Waveform Acquisition form the Backside of Silicon Using Electro-Optic Probing，刊在International Symposium for Testing and Failure Analysis (ISTFA)，1999年，第19-25頁；Kolachina, S等人之Optical Waveform Probing – Strategies for Non-Flip-chip Devices and Other Applications刊在International Symposium for Testing and Failure Analysis (ISTFA)，2000年，第51-57頁；Soref, RA與BR Bennett之Electrooptical Effects in Silicon刊在IEEE Journal of Quantum Electronics，1987年. QE-23(1)第123-9頁；Kasapi, S等人之Laser Beam Backside Probing of CMOS Integrated Circuits，刊在Microelectronics Reliability，1999年，39卷第957頁；Wilsher, K等人之Integrated Circuit Waveform Probing Using Optical Phase Shift Detection，刊在International Symposium for Testing and Failure Analysis (ISTFA)，2000年，第479-485頁；Heinrich, HK之Picosecond Noninvasive Optical Detection of Internal Electrical Signals in Flip-Chip-Mounted Silicon Integrated Circuits，刊在IBM Journal of Research and Development，1990年，34(2/3)卷第162-72頁；Heinrich HK、DM Bloom及BR Hemenway之Noninvasive sheet charge density probe for integrated silicon devices，刊在Applied Physics Letters，1986年，48(26)卷第1811頁；Heinrich HK等人之Measurement of real-time digital signals in a silicon bipolar junction transistor using a noninvasive optical probe，刊在IEEE Electron Device Letters，1986年，22(12)卷第650-652頁；Hemenway, BR等人之Optical detection of charge modulation in silicon integrated circuits using a multimode laser-diode probe，刊在IEEE Electron Device Letters，1987年，8(8)卷第344-346頁；A Black, C. Courville, G Schultheis, H Heinrigh之Optical Sampling of GHz Charge Density Modulation in Silicon Bipolar Junction Transistors刊在 Electronics Letters，1987年，Vol. 23, No. 15第783-784頁。上開文獻之內容，均列為本案之參考。另有Kindereit U、Boit C、Kerst U、Kasapi S、Ispasoiu R、Ng R、Lo W之Comparison of Laser Voltage Probing and Mapping Results in Oversized and Minimum Size Devices of 120nm and 65nm Technology，刊在Microelectronics Reliability，2008年，48卷第1322-1326頁，19th European Symposium on Reliability of Electron Devices, Failure Physics and Analysis (ESREF 2008)。

應當理解的是，在除錯和測試一IC時，可以使用一市售的測試平台，例如：自動測試設備，也稱作一自動檢測和評估(ATE)測試器，用以產生測試圖形(也被稱作測試向量)，以提供到該待測裝置(DUT) 的IC。有多種系統和方法可用以測試該DUT對該測試向量所產生的反應，其中一種常見的方法為發射顯微鏡(emission microscopy)。發射顯微鏡會收集一積體電路內產生的光子發射。發射顯微鏡的種類包括靜態發射顯微鏡和動態發射顯微鏡。在靜態發射顯微鏡中，當施加於該DUT之信號為靜態信號時，DUT會發射光子。在動態發射顯微鏡，當信號施加在該DUT而導致該DUT內部裝置成為動態時，亦即發生開關動作時，產生光子發射。因此，在實際測試期間發射顯微鏡並不使用照明。

與此相反，其他的方法是利用光照進行測試，例如：雷射電壓探測器(LVP)。當使用一雷射系統例如一LVP用以進行探測，該DUT被該雷射照射，使光從DUT反射，並以該探測系統收集反射光。當該雷射光束照射在該DUT上時，該雷射光束會因為該DUT的各種元件(電晶體開關)對該測試向量的響應受到調變。調變的條件包括：該自由載流電子密度的電性調變，以及因該IC材料 – 最常見為矽材料 – 的吸收係數與折射率所產生的擾動。因此，分析該反射光即可提供與該DUT內各種裝置的操作相關的訊息。

發射顯微鏡系統需應用雷射系統的大部分元件，因為即使在發射顯微鏡，也需使用照明，例如雷射照射，以供在該DUT上尋找位置，以及使該DUT成像。因此，提供對雷射型顯微鏡的簡要說明如下。但需理解，所描述的內容同樣適用於發射顯微鏡系統。

圖1顯示根據現有技術的一種光學探測系統架構100的主要元件一般示意圖。圖1中，虛線箭頭代表光學路徑，而實線箭頭代表電子信號路徑。該圖中曲線表示的光學路徑通常使用光纖電纜產生。探測系統100包括一雷射源，在該特定實例中為一雙雷射源(DLS) 110，及一光具座112，及數據採集和分析裝置114。該光具座112包括用以安裝該DUT 160的裝置。

一傳統ATE測試器140提供激勵信號至該DUT並從該DUT接受響應信號142 ，並可提供觸發和時鐘信號144至該時基板155。從該測試器發出的信號一般經由測試板，DUT板(適配板)及連接所有這些組件的各種電纜和介面，傳送至該DUT。一般來說，該ATE和該光學探測系統是由不同和不相關的公司生產及販售。因此，本發明的系統的實施例所描述的只涉及該光學探測系統，而不是該ATE。亦即，該ATE並非該光學探測系統100的一部份。

現回到該光學探測系統100。該時基板155將信號採集與對該DUT的觸發以及該雷射脈衝作同步。工作站170控制以及接收、處理和顯示來自該信號採集板150、該時基板155及該光具座112的數據。

探測系統100的各種元件將在此更加詳細的描述。由於時間解析度在DUT的某些測試中具有高度重要性，圖1的實施例乃利用現有技術的脈衝雷射，其中該雷射脈衝寬度決定了該系統的時間解析度。雙雷射源110包括兩組雷射光源：一脈衝鎖模雷射源MLL 104，用以產生10-35皮秒的脈衝寬度，及一連續波雷射源，CWL 106，可從外部控制，以產生大約1微秒的脈衝寬度。該MLL雷射源104之頻率通常固定於100 MHz運行，且必須與提供DUT 160的觸發信號142同步。同步的基準包括在該時基板155的鎖相迴路(PLL)，及由該ATE測試器所提供的觸發信號和時鐘信號144。該DLS 110的輸出使用光纖電纜115傳送到該光具座112。然後該光束通過光束元件125整形，引導光束照射該DUT 160的選定部分。

該光束元件125包括一雷射掃描顯微鏡(LSM 130)和一光束整形元件(BMO 135)。這種光學設置所使用的特定元件，例如物鏡等均屬習知元件，故未顯示於圖中。一般來說，BMO 135包括必要的光學元件，用以調整光束至所需的形狀、焦點、偏光等，而該LSM 130則包括必要的元件，用以掃描光束經過DUT的特定區域。除了需掃描光束之外，該LSM 130可在向量指向模式下操作，用以將雷射光束指向並停駐到該LSM和物鏡的視野中的任何位置。該X-Y-Z軸平台120移動該光束元件125，使其相對於靜態的DUT 160移動。使用該平台120和該LSM 130的向量指向模式時，即可照射並探測任何在該DUT 160上的待測點。在發射模式中，該光束元件收集從DUT的選定區域所發射的光子，其方式例如為使用該LSM的停駐模式。

在探測該DUT 160時，由該ATE 140傳遞激勵信號142至該DUT，該信號與提供至時基板155上的鎖相迴路的觸發和時鐘信號同步。該鎖相迴路控制該MLL 104，使其輸出脈衝與傳遞至該DUT的激勵信號142同步，或使該時鐘信號同步至光子探測，以提供時間解析的光子發射。MLL 104發出雷射脈衝以照射受激勵的DUT中的一特定待測裝置。該光束元件125收集從該DUT所發射或反射的光束，經由光纖電纜134傳遞至光感測器138。該發射或反射光束的性質變化(例如：強度變化)取決於該裝置對激勵信號的反應。

順帶一提，為監測入射雷射功率以補償雷射功率的波動，可在例如該光具座112提供一裝置，以轉移MLL 104一部份的入射脈衝通過光纖電纜132到達光感測器136。

光感測器136和光感測器138的輸出信號傳遞至信號採集板150，並由信號採集板150傳遞該信號至該控制器170。通過操作該時基板155上的鎖相迴路，控制器170可控制MLL140的脈衝相對於DUT 160的激勵信號142的精確時間點。只要改變時間點並監測該光感測器的信號，該控制器170即可分析該DUT對該激勵信號142的時間響應。該時間解析的分析的基準為該MLL 104脈衝的寬度。

在本領域中使用連續波LVP是眾所皆知的技術。這種技術是使用一連續波雷射照射該DUT上的一裝置，並收集該連續的反射光。該連續反射光包含與該主動裝置對不同激勵信號的其響應，即開關動作相關的時間訊息。該反射光信號使用一光感測器，例如雪崩二極體(APD)持續轉換成電子信號，且加以放大。該電子信號包含時間資訊，且代表從該裝置所檢測到的調變。之後，該資訊及調變可以分別以示波器顯示其時間域，或以光譜分析器顯示其頻率域的資訊。

許多因素會造成DUT的探測更加複雜，尤其是基於摩爾定律的元件尺寸縮小現象。所造成的問題包括判斷故障裝置的困難。也就是說，隨著元件尺寸的縮小和操作電壓的降低，判斷故障裝置的工作變得更加困難，原因或是因為裝置發射的光太過微弱，或者是因為光的調變與背景噪音相比過於微小。另一個問題則是故障裝置的定位。亦即，即使判定該DUT中有一特定區域包含一故障裝置，但由於其中所含裝置排列太過緊密，難以確切得知該損壞裝置的位置，或判斷出特定的故障裝置。另外一個困難在於判斷該裝置故障的類型，以協助故障分析。例如一故障電晶體可能為超載或飽和。就此而言故障類型中有一種是電晶體在超載狀態仍持續傳導。其原因可能有多種，其中一種為一閘電壓過低。此種現象在本文中稱作「三態」(tristate)。

因此，在本領域需要提供更先進的技術，以協助進行判斷、定位和歸類故障的裝置。在這方面，應當注意的是在本領域中一般所使用的術語有些混亂。也就是說，一個測試中的積體電路(IC)晶片在本領域稱作待測裝置(DUT)。當然，該晶片是由數以百萬計的電子元件，例如電晶體、二極體等所組成。這些電子元件也稱作「裝置」。因此，為避免混淆，該DUT在以下的說明中將稱作IC，而電子元件則稱作裝置。

以下發明簡述提供作為對本發明數種面向及技術特徵之基本理解。發明簡述並非對本發明之廣泛介紹，因此也並非用來特別指出本發明之關鍵性或是重要元件，也非用來界定本發明之範圍。其唯一之目的僅在以簡化之方式展示本發明之數種概念，並作為以下發明詳細說明之前言。

本發明的各種實施例提供設備和方法，用以判斷在IC中的故障裝置。本發明的各種實施例也提供設備和方法，用以在IC中定位該故障裝置。此外，本發明各種實施例提供設備及方法，用以在IC中歸類該故障裝置的類型。

本發明所公開的實施例提出一種概念，即利用透射光柵，使該光柵能插入到該測試器的光學路徑中，並能對準該發射本身的影像，且不干擾該發射本身的圖像。通過適當選擇一透射光柵，例如一適當的透射炫耀光柵，將該發射先於無光柵下成像，之後將該光柵插入到光學路徑中，而不干擾該發射的影像，但同時保持對準該發射點。達成該結果的方法由部分是通過選擇該透射光柵，使得其零階繞射成為發射點的累積發射(integrated emission)，且其一階繞射成為該發射點的繞射。如果要選擇適當的炫耀光柵，以使在該一階繞射得到最高效率，但在較高階時降低功率為最佳。該炫耀光柵是使用對800至2500 mn的波長為透明的材料製成，且該炫耀光柵的炫耀角配置成對波長為800或2500 nm或介於800到2500 nm之間的波長，在一階會具有最大功率的角度。雖然根據所使用的感測器不同而異，不過該炫耀光柵可配置成對波長為800或2500 nm或介於800到2500 nm之間的波長，在一階會具有最大功率。

根據一變化實施例，該透射光柵設置為一可旋轉的光柵，用以判斷、定位和歸類該IC中的故障裝置。該光柵用以分割所檢測到的光成為其頻率分量。這種作法有助於進行故障的判斷與歸類。本發明人發現，使用該光柵以不同旋轉朝向對該IC取像，可獲得有用的訊息。這種效果可用以協助判斷、定位和歸類該故障。由於本發明所揭示的技術和實施例特別有利於在發射顯微鏡中使用，包括靜態和動態發射顯微鏡，以下的說明大部分會以發射顯微鏡為例。

本質上，在標準的發射系統中所收集的光會顯示成圓形。但在該光收集路徑嵌入一繞射元件，會導致該發射光譜的成像及顯示形狀成為直線形狀，其形狀並因繞射的次數而異。本發明使用該透射繞射光柵，並使其零階投射且對準該發射點的影像，且使其一階投射在該發射點的一側。因此，用戶可從該一階所對應的繞射判斷該光點。用戶也可使用這些影像分析該一階繞射影像，以判定該零階繞射的光點是否代表故障。如果使用可旋轉的透射光柵，則該光譜可能呈現不同的朝向。亦即，該光譜影像的軸會朝向不同的角度，其角度取決於該繞射元件的旋轉角度。此外，該光譜本身的形狀也可能有不同的顯示。例如：可能形成一直線條紋、形成一彗星尾、形成一淚滴形等，皆取決於故障的類型。所有這些現象都有助於進行判斷、定位和歸類故障的裝置。此外，當該發射顯示成一條紋時，沿著該條紋軸線的頻率分布也有助於進行故障裝置的判斷、定位和歸類。

本發明所揭示一種設備和方法，用以探測一DUT。本發明的系統能夠對DUT內有缺陷的裝置進行光學探測及/或成像及套圖。於一DUT接收靜態或動態的測試信號時，探測該DUT的一選定區域，過程中可能造成一些裝置發光。這個概念可用於靜態或是動態發射，亦即，該主動裝置不一定需要切換成會發光的狀態。收集從該DUT發射或反射的光，並且以一光感測器將收集的光轉換成一電子信號。對該光感測器的輸出進行採樣和分析。其後，使用本發明所公開的技術，將一透射光柵插入至該光學路徑，使得其零階繞射投射在該感測器，並對準該原始的發射影像。該一階配置成一位在該零階旁邊的條紋的形式，投射到該感測器上。該透射光柵配置成使高於該一階的階投射在該感測器視野的外面，使得感測器無法取像。之後擷取該零階和一階影像，使得零階和一階投射影像之間形成一對一的對應關係，故而容易判斷一階繞射影像所對應的發射點。該步驟可以重複實施，但使放置在該光學路徑的光柵改變其旋轉朝向。替代的作法是在光柵達到最佳旋轉朝向時，收集數據並分析。在進行分析時，可以比較該光柵在不同旋轉朝向時所得到的光譜響應。

本發明所揭示的方法包括：從一積體電路的一選定區域收集發射光，並使用該光感測器以產生一發射影像；在發射影像中判斷一發射點；插入一透射光柵於該物鏡和該光感測器間的一光學路徑，並配置該透射元件，以投射一零階繞射和一階繞射於光感測器上，使得該零階對準於該發射點；及顯示該零階繞射和該一階繞射於一顯示器上。該方法尚可包括之後根據顯示器上的繞射光譜影像形狀，對該積體電路內的一故障裝置進行歸類的步驟。該方法可進一步包括沿該繞射光譜主軸的形狀掃描，並繪製所產生的光譜形狀於該顯示器上，以及根據該光譜形狀歸類該故障的類型的步驟歸類。該方法可進一步包括執行複數次形狀掃描，所有掃描方向皆垂直於該光譜繞射的主軸，以及比較所得到的圖形以檢測一熱點的步驟。在上述方法中，該繞射元件可以是一透射光柵，且該方法包括配置該透射光柵，以將零階繞射和一階繞射同時投射於該光感測器的取像平面。該方法進一步包括旋轉該繞射元件，從而分離該影像中的多個光譜。該方法可更進一步包括插入一可調整光圈於一中間圖像平面，並調整該可調整光圈的開口，以限制收集到的光到所需要的視野內。

本發明也揭示一種方法，用以光學探測位在一積體電路晶片內的裝置，包括：使用一物鏡組件從該晶片的一選定區域收集光；傳遞該光穿過一透射繞射元件，並達到一光學感測器上，使得該透射光柵的零階繞射對準由該物鏡組件所投射的一影像，而一階以上的階的繞射則投射到該感測器的視野以外的區域；從該光學感測器的輸出產生一影像，其中該影像包括在該物鏡組件視野內所有發射點的零階繞射和一階繞射；分析該影像中的零階繞射，以判斷由故障的裝置所產生的點所對應的零階繞射點。

本發明揭示一種探測位在一積體電路(IC)中的電子裝置的系統，包括；一支撐該IC的平台；一物鏡組件，配置成可收集來自該IC的光；一光感測器；一透射光柵，配置成可插入於該物鏡組件與該光感測器之間的一光學路徑中，且配置成可從該物鏡組件接收收集的光，並提供繞射光至該感測器，該透射光柵進一步配置成，當其插入該光學路徑中時，可將一零階繞射和一一階繞射投射到該光感測器上；其中，該零階對準到該透射光柵未插入至該光學路徑中時，一以該光感測器成像的一發射點；及一顯示器，用以顯示一影像，該影像對應於該感測器所偵測到的光。

本發明的其他面向和特徵可由各種實施例的說明，而更加清楚的在此描述，且均落入本發明的保護範圍以及精神之內，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍來界定。

本發明的各種實施例提供設備和方法，以對DUT中一選定區域內的主動電晶體進行非侵入性、非接觸式的探測。本發明的方法通過提高判斷能力以提升現有系統，所提高的判斷能力包括判斷損害裝置的能力、判斷因為周圍問題(例如因為流程/設計錯誤造成的短路)造成使用中電晶體的狀態錯誤的能力，提升定位該故障裝置的能力，即使在高密度區域亦能尋找到故障裝置的位置，以及提供用以判斷故障之類型的方法，用以協助進行故障分析。事實上，本發明實施例也可用以判斷熱幅射。例如：可判斷導線的電阻性發熱。亦即，並非電晶體或裝置，而只是金屬線因電阻所發出的熱。在這種現象中，其曲線或光譜形狀甚至比飽和的NMOS形狀變化更急劇。該系統實施方式的各種實施例將在以下說明與描述。

圖2A顯示根據本發明一實施例之光學路徑200所使用元件的示意圖，該光學路徑200可使用在本領域中，任何用以探測DUT260的光學系統中。靜態和動態的發射探測器特別有利於在本實施例使用。一物鏡222收集由DUT260發射或反射的光束。該光束可經過數種光學元件，以使感測器224取像。在本實施例中所使用的該感測器是一InGaAs相機。也可以使用其他相機，例如：短波紅外線(SWIR)相機、HgCdTe相機等。其他的光學元件在本領域中已屬習知，且因系統不同元件也會有所不同，故未描繪於此。如圖3A所示，在本實例中有三個發射點302、304和306出現在該物鏡222的視野中。如圖3A的例示中，各個點的光點密度可能有所不同，取決於在該特定的點所代表的故障。這種圖像可用來在現有技術已知的方式中進行標準的光子發射型測試和除錯。

此外，圖2A的實施例中也使用一可插入的透射光柵226，插入到該光學路徑中，該感測器224正上方處，或從光學路徑中移除，如圖中的雙箭頭所示。在圖2A中所顯示的位置是該光柵未插入光學路徑時之狀態，而對應的圖3A所顯示的影像是當光柵位於光學路徑外部時，所得到的影像。圖2B顯示該透射光柵226插入至該光學路徑中時的情況。通過該透射光柵226而產生繞射的光束，由光學元件收集後，產生的影像並顯示於圖3B。如圖2B和圖3B所示，在插入的狀態下，該光柵是配置成使其零階繞射對準於該光柵位於該光學路徑外部時所獲得的發射點。此外，該光柵也配置成使其在插入狀態時，其一階繞射會投射於該感測器224上，但更高階的繞射則無法為該感測器取像，一如其投射在感測器224的視野以外一般。

在一種實施例中，該透射光柵為一透明的炫耀光柵(blazed grating)，由對波長為800-1600 nm之光波為透明的材料製成。此外，在一種實施例中，該炫耀光柵的炫耀角配置成對800到1600 nm波長的光波，在一階具有最大功率。當插入至該光學路徑時，該光柵位置與其至該感測器的距離配置成使其零階繞射和一階繞射位於該感測器的視野中，但更高階的繞射則在該感測器的視野之外。

值得注意的是，先前已有人提出在探測光學路徑中使用一繞射元件。例如：Rusu等人認為使用一光柵校準所產生的光譜中的波長軸，便能計算兩個待測點之間的直流電壓差。(見Rusu等人之Backside Infrared Probing for Static Voltage Drop and Dynamic Timing Measurements，刊在TD: 3D Technology and Measurement Techniques17.5，IEEE ISSCC，2001年，17.5章第276、277、454頁)。與此類似，Scholz等人使用一稜鏡作為繞射元件。(見Scholz等人之Single Element Spectral Electroluminescence (Photon Emission) of GaN HEMTs，刊在IEEE-IRPS，2013年，CD3.1-CD3.7)。然而，先前技術均未提出使用透射的繞射光柵以獲得零階繞射和一階繞射，並使該一階繞射對準於該發射點的概念。此外，先前技術也從未公開或建議使用一繞射元件，用以判斷、定位和歸類故障的裝置。事實上，Scholz所使用的稜鏡並無法提供一階繞射，且無法用以將該一階繞射對準至該發射點。此外，Scholz也注意到，如果在視野裡具有多於一個發射的裝置，則會產生光譜重疊的問題。為克服此問題，Scholz表示在同一時間內只能測試單一個發射點，且所有其他發射點都不可以位於其「容許距離」之內。該容許距離是系統的放大倍率、稜鏡的色散能力，以及發射點的光譜特性的函數。與此相反，本發明人則發現，使用一種透射光柵，並將光柵配置成使其在插入該光學路徑時，其零階繞射和一階繞射可在該感測器上成像，並且零階可對準該發射點的技術。此外，本發明人也發現，使用一可旋轉的透射光柵，可以分離多個發射光譜。而使用該旋轉功能可以更佳地進行判斷、定位和歸類故障的裝置。

圖3B顯示將該透射光柵嵌插至該光學路徑後，由圖3A的發射點所產生的零階繞射影像和一階繞射影像示意圖。在本實施例中，是調整該透射光柵，使得零階繞射和一階繞射可以顯現在該感測器224的視野中。因此，圖3B的影像才能同時顯示該發射點(零階)和該發射點的光譜(一階)。各個發射點的光譜(一階)的長軸穿過該發射點(零階)如圖中該虛線所示。在圖3B中，302'、304' 和306' 為對應的發射點302、304和306的零階繞射影像。在圖2B的實施例中，該透射光柵配置成使得當透射光柵嵌插該光學路徑後，所產生的零階繞射圖像302'、304' 和306' 對準於該發射點302、304和306的影像。

在圖3A和圖3B的特定實例中，該零階繞射影像302'、304'和306'分別來自一正向偏壓的二極體、一在飽和狀態的NMOS，及一在三態下的NMOS。所顯示的發射點的尺寸符合所獲得的實際圓形發射影像。在將該光柵調整朝向達到最大效益，亦即旋轉到45度時，該正向偏壓的二極體、該飽和狀態的NMOS，及該三態下的NMOS的光譜影像312、314和316分別顯示出清晰的分隔和差異特徵。此外，在本實施例中，該光柵會使較短的波長較接近發射點，而較長的波長則離發射點較遠。因此，觀察該光譜影像的形狀、或其沿各光譜的長軸或短軸延伸的線，就可以用來歸類該故障。

根據本發明一種實施例，是將該影像投射於一顯示螢幕，並利用該光譜圖像的形狀來判斷該故障的類型。如圖所示，該三態的NMOS所提供的一平面狀的光譜，並呈現出平均的條紋。相反的，在飽和狀態的NMOS則顯示如一彗星，亦即，尾巴方向朝向該發射點的形狀。該二極體的光譜呈現斑點狀或淚滴形狀(頭部朝向發射點)，且容易與該兩個NMOS光譜區別。因此，利用一適當定向的光柵，即可從使用該旋轉光柵所獲得的光譜，判斷、定位和歸類各種損壞裝置。

在圖3B的實施例中，是將該光柵旋轉到能獲得最佳結果的朝向，使各該光譜產生清晰的分隔，然後擷取該圖像。在圖3B中是在旋轉至大約45度時可提供清晰分隔的光譜。相反的，如果該光柵不可旋轉，則該二極體和該飽和的NMOS所產生的光譜則會重疊，使得這兩個裝置產生的光譜無法判斷。應當注意的是，該光柵較佳的旋轉定向取決於各該故障裝置在視野中的實際朝向。例如，在圖3B的情況下，光柵轉動90度的結果，將導致該兩個NMOS的光譜影像重疊。因此，依據故障裝置在視野中的朝向和密度不同，可能需要將光柵定向在不同的旋轉角度，對各個影像取像多次。此外，也可能需要將待測的群集與其他群集分別處理，或縮小取像的視野。相關操作可以使用圖4的實施例加以實現。

該旋轉光柵具有一附加用途。這種光柵有時可以用來取得比不具旋轉能力的光柵所能取得的更多的影像。從圖3B所示的影像可知，如果該光柵無法旋轉，光譜圖像314將投射超過該感測器感測範圍的邊緣之外。這種現象可從圖3B所示的投影看出，如虛線彎曲的箭頭所示，該光譜314影像將會投射在水平方向上。因此，通過使用該旋轉光柵，不但可以分隔從該多個發射點所產生的光譜，也可因為將其一階繞射投射於該感測器取像範圍的對角線方向，而擷取到更多影像。

圖4顯示根據本發明另一實施例的光學路徑400的元件系統示意圖。該實施例可在現有技術中，任何用以探測DUT460光學系統中實施。一物鏡422收集從DUT460發射或反射的光束。該光束可穿過各種光學元件，以調整該光束，使其在感測器424上成像。由於這種光學元件為現有技術中習知的元件，且因系統不同而異，故未顯示於圖中。然而，在圖4的實施例中，使用一可調整光圈421，設置在該物鏡422所定義的中間影像平面。該光圈的開口尺寸為可控制，且用以限制該光學系統400的視野。該光圈421的大小及位置為可調。一可插入透射光柵426插入在該光圈421的後方。該透射光柵可插入該光學路徑中，並可從該光學路徑移除，如圖中的雙箭頭所示。此外，該透射光柵在本實施例中為可旋轉，如圖中的曲線箭頭所示。當該透射光柵426插入至該光學路徑內，該離開該光柵426的光束會穿過一中繼透鏡423，聚集至該感測器424 (最終影像平面)。在本實施例中也是將該透射光柵426用作繞射元件，並配置成使得其零階繞射和一階繞射影像在視野中為可見，且兩者可同時由感測器424擷取影像。該入射光的影像取會隨同該光柵旋轉朝向而改變。此外，該可移動光圈421協助將多個裝置所得到的光束分隔，從而較清楚的定位該故障裝置。調整該光圈的開口尺寸，以使一束(或多束)發射光束可以穿過，且其位置可在X和Y方向上移動，而使該光圈可以放置在特定發射器上，以在該位置阻擋該光學視域中其他發射器的光束。

圖4也顯示一個固態浸沒透鏡(SIL) 427，形成該物鏡組件的一部份。該SIL可用於本發明所揭示的任何實施例中。

圖5顯示本發明另一實施例中光學路徑500的元件示意圖。該元件可實施在現有技術中任何用以實現探測DUT 560的光學系統中。具有SIL527的物鏡522收集從DUT 560發射或反射的光束。該光束可穿過各種光學元件，以調整該光束，使其在感測器524上成像。由於這種光學元件為現有技術中習知的元件，且因系統不同而異，故未顯示於圖中。然而，在圖5的實施例中，使用一可調整光圈521，設置在物鏡522所定義的影像平面中。該光圈521的開口尺寸為可控制，用以限制該光學系統500的視野。一可轉動反射光柵526插入在該光圈521的後方，並位在反射鏡528所產生的光學路徑中。該反射鏡可為校準鏡。從該光柵526反射的光束會穿過一中繼透鏡523，聚集至該感測器524。該入射光的影像會隨同該光柵旋轉朝向而改變。

應當理解的是，本文所述的透鏡是包括任何可作為鏡片的光學元件，亦即，透射元件和反射元件兩者。相同的，本文所述的繞射元件包括繞射光束至其頻率分量的任何元件。因此包括，例如：透射光柵、反射光柵、稜鏡、可調濾波器如：聲光可調濾波器、液晶可調濾波器等。使用透射光柵和炫耀光柵有益於本發明，因為這些元件相對較薄，因此容易插入至現有發射系統的光學路徑中。此外，這些元件更可同時投射其零階繞射和一階繞射影像至成像平面，使得該發射點和其相應光譜可在該影像上顯示。因此可以清楚的判斷該故障裝置的位置，以及根據相應的光譜形狀判斷和歸類故障的類型。

圖6顯示本發明另一實施例中光學路徑600的元件示意圖。該元件可實施在現有技術中任何用以實現探測DUT 660的光學系統中。物鏡622收集從DUT 660發射或反射的光束。該光束可穿過各種光學元件，以調整該光束，使其在感測器624上成像。由於這種光學元件為現有技術中習知的元件，且因系統不同而異，故未顯示於圖中。在先前實施例中所使用的可轉動光柵在圖6中以可調濾波器629代替。該入射光的影像會隨同該可調濾波器629的微調而改變。不同的濾波調整可用來判斷故障的類型，但無法用來如該可轉動光柵一般，有效的尋找故障的位置歸類。

圖7顯示本發明中沿著三個光譜圖形的一軸，進行任意線性形狀掃描產生的曲線圖。圖中的實線曲線顯示一相當單調的光譜，對應至例如從一三態的NMOS的發射所得到的影像。反之，圖中的虛線曲線則顯示向較短波長加權所得的光譜。如此形成的光譜較適合表示正向偏壓的二極體。該點狀曲線所顯示的光譜在較長的波長部分更加明顯，可表示這是一飽和的NMOS。本發明實施例實際上也能用來判斷熱輻射。例如，可用來判斷傳導線的電阻性發熱，亦即，並非電晶體或裝置，而是金屬線因電阻而散發熱能。在這種情況下，所得的曲線或光譜形狀甚至比在飽和狀態的NMOS圖形，變化更具指數性。因此，沿著各個光譜的軸線掃描所得的直線即可用來歸類該故障。故障的歸類可以通過編程電腦170，以對所得的各個光譜進行直線掃描來完成。因此，用戶可觀察該光譜圖像的形狀，並執行直線掃描，以沿著各個光譜的軸線掃描，即可判斷該故障的類型歸類。因此，本發明所揭示的方法包括 ：取得一發射點的光譜，以及沿該光譜的軸線作直線掃描的步驟。該直線掃描的結果之後可用以產生一強度對頻率的對比圖，所得的曲線圖的形狀即可用以判斷該發射點的故障類型。該判斷可透過將得到的曲線圖，與一曲線圖的圖庫進行比較而達成。

如上所述，本發明所公開的實施例也可用以判斷簡單的故障，例如金屬線或導線的電阻，以說明導體的完整性。圖8左側顯示一傳導線的發射影像(零階)的外觀，右側則顯示使用繞射元件所得的光譜套圖的外觀。標準的發射影像顯示較為單調，但光譜影像則顯示出該傳導線的傳導性能的非均質特性。圖中，電阻較高的區域比電阻較低的區域更熱。判斷方式為對影像中數個點，沿其短軸方向掃描，得到一光譜外觀圖形，結果如圖9所示。圖中顯示曲線3比曲線1熱，表示在擷取到曲線3圖形的點，具有較高的電阻。

以上是對本發明例示性實施例之說明，其中顯示特定之材料與步驟。但對習於此藝之人士而言，從上述特定實例可產生或使用不同變化，而此種結構及方法均可在理解本說明書所描述及說明之操作，以及對操作之討論後，產生修改，但仍不會脫離本發明申請專利範圍所界定之範圍。

100‧‧‧光學探測系統 104‧‧‧脈衝鎖模雷射源 106‧‧‧連續波雷射源 110‧‧‧雙雷射源 112‧‧‧光具座 114‧‧‧數據採集和分析裝置 115‧‧‧光纖電纜 120‧‧‧X-Y-Z軸平台 125‧‧‧光束元件 130‧‧‧雷射掃描顯微鏡 132‧‧‧光線電纜 134‧‧‧光纖電纜 135‧‧‧光束整形元件 136‧‧‧光感測器 138‧‧‧光感測器 140‧‧‧ATE測試器 142‧‧‧響應信號、激勵信號 144‧‧‧觸發和時鐘信號 150‧‧‧信號採集板 155‧‧‧時基板 160‧‧‧DUT 170‧‧‧工作站、控制器、編程電腦 200‧‧‧光學路徑 222‧‧‧物鏡 224‧‧‧感測器 226‧‧‧透射光柵 260‧‧‧DUT 302‧‧‧發射點 304‧‧‧發射點 306‧‧‧發射點 302'‧‧‧對應發射點 304'‧‧‧對應發射點 306'‧‧‧對應發射點 312‧‧‧光譜影像 314‧‧‧光譜影像 316‧‧‧光譜影像 400‧‧‧光學路徑 421‧‧‧可調整光圈 422‧‧‧物鏡 423‧‧‧中繼透鏡 424‧‧‧感測器 426‧‧‧透射光柵 427‧‧‧固態浸沒透鏡 460‧‧‧DUT 500‧‧‧光學路徑 521‧‧‧可調整光圈 522‧‧‧物鏡 523‧‧‧中繼透鏡 524‧‧‧感測器 526‧‧‧透射光柵 527‧‧‧固態浸沒透鏡 528‧‧‧反射鏡 560‧‧‧DUT 600‧‧‧光學路徑 622‧‧‧物鏡 629‧‧‧可調濾波器 660‧‧‧DUT

附隨之圖式為本說明書所包含並構成本說明書之一部份。該等圖式例示本發明之實施例，並與發明說明共同解釋並描述本發明之原理。該等圖式之目的在於以圖表之形式描述例示實施例之主要特徵。該等圖式並非用以描述實際實施例之每一特徵，或描述所示構件之相對尺寸比例，亦非按照比例描繪。

圖1顯示根據現有技術的一種雷射電壓探測系統架構的主要元件一般示意圖。 圖2A顯示根據本發明一種實施例中，可插入光柵位在該光學路徑外部時光束整形光學元件的主要元件示意圖，而圖2B顯示該實施例在該光柵插入於光學路徑時的示意圖。 圖3A顯示使用標準光學元件從發射點所得之發射影像示意圖，而圖3B顯示將透射光柵插入至光學路徑中所得的繞射影像示意圖。 圖4顯示根據本發明另一實施例的光學路徑400的元件系統示意圖。 圖5顯示根據本發明另一實施例的光學路徑500的元件系統示意圖。 圖6顯示根據本發明另一實施例的光學路徑600的元件系統示意圖。 圖7顯示本發明沿著三個光譜圖形的一軸，進行任意線性形狀掃描產生的曲線圖。 圖8左側顯示一傳導線的發射影像(零階)的外觀，右側則顯示使用繞射元件所得的光譜套圖的外觀。 圖9顯示沿垂直於圖8所示的光譜套圖的主軸方向掃描產生的外觀曲線圖。

以下將以特定實施例說明本發明的內容。然而，應當理解的是，附圖中所描繪的各種實施例僅是示例性，且不得用以限制本發明。本發明的範圍應由所附的申請專利範圍界定。

200‧‧‧光學路徑

222‧‧‧物鏡

224‧‧‧感測器

226‧‧‧透射光柵

260‧‧‧DUT

Claims (20)

1. 一種方法，用以探測裝置在一發射顯微鏡中的積體電路，該發射顯微鏡具有一物鏡及一光感測器，該方法包括： 收集從一積體電路的一選定區域發射的光，並使用該光感測器以產生一發射影像； 在發射影像中判斷至少一發射點；插入一透射光柵於該物鏡和該光感測器之間的一光學路徑中，並配置該透射元件，以投射一零階繞射和一階繞射於該光感測器上，使得該零階繞射對準於該發射點；及 顯示該零階繞射和該一階繞射於一顯示器上。
2. 如請求項1的方法，另包括觀察該一階繞射影像的各光譜，沿該光譜一軸線的形狀，及將各光譜歸類至至少一種可能的故障的步驟。
3. 如請求項1的方法，另包括分析該一階繞射影像，及判斷該零階繞射的光點是否代表故障的步驟。
4. 如請求項1的方法，其中該透射光柵包括閃耀光柵，該光柵對800到2500 nm的波長為透明。
5. 如請求項1的方法，另包括沿該一階繞射影像的各個光譜軸線做直線掃描，以及產生屬各直線掃描圖形的步驟。
6. 如請求項5的方法，其中，於該直線掃描結果為單調圖形時，將該故障歸類為一電晶體持續導通之故障，於該直線掃描結果為朝向其長軸加權之圖形時，將該故障歸類為一電晶體處於飽和狀態之故障。
7. 如請求項6的方法，其中，於該直線掃描結果為朝向其較短波長加權之圖形時，將該故障歸類為電晶體正向偏壓之故障。
8. 如請求項1的方法，另包括施加一測試信號到該晶片的步驟，其中，該收集從該積體電路的一選定區域發射的光的步驟包括收集從該積體電路的選定區域發射的光子。
9. 如請求項1的方法，另包括建置該透射光柵，使其將高於一階的繞射階投射至該光感測器的視野以外。
10. 一種探測位在一積體電路晶片中的電子裝置的系統，包括： 一支撐該IC的平台； 一物鏡組件，配置成可收集來自該晶片的光； 一光感測器； 一透射型繞射光柵，配置成可插入於該物鏡組件與該光感測器之間的一光學路徑中，且配置成可從該物鏡組件接收收集的光，並提供繞射光至該感測器，該透射光柵進一步配置成，當其插入該光學路徑中時，可將一零階繞射和一一階繞射投射到該光感測器上； 其中，該零階對準到該透射光柵未插入至該光學路徑中時，以該光感測器成像的一發射點；及 一顯示器，用以顯示一影像，該影像對應於該感測器所偵測到的光。
11. 如請求項10的系統，另包括一可調整光圈，設於該物鏡與該透射光柵之間，並位於該物鏡組件所定義的一成像平面。
12. 如請求項11的系統，另包括一中繼鏡片，位於該可旋轉繞射元件與該光感測器之間。
13. 如請求項12的系統，另包括一旋轉機構，建置成可轉動該透射光柵。
14. 如請求項10的系統，其中該光感測器包括一紅外光攝影機。
15. 如請求項10的系統，另包括一控制器，建置成可對該繞射元件的一階繞射所產生的一光譜，執行一直線掃描。
16. 如請求項10的系統，其中該物鏡組件包括一固態浸沒透鏡及一物鏡。
17. 一種探測位在一積體電路晶片中的電子裝置的系統，包括： 一支撐該晶片的平台； 一物鏡組件，配置成可收集來自該IC的光； 一光感測器； 一閃耀透射光柵，位在該物鏡組件與該光感測器之間，且配置成可從該物鏡組件接收收集的光，並提供一零階和一一階繞射光至該感測器，且將較高階的繞射光投射到該光感測器的視野以外；及 一顯示器，用以顯示一影像，該影像對應於該感測器所偵測到的光。
18. 如請求項17的系統，另包括一可調整光圈，設於該物鏡與該閃耀光柵之間，並位於該物鏡組件所定義的一成像平面。
19. 如請求項17的系統，另包括一中繼鏡片，位於該可調整濾波器與該光感測器之間。
20. 如請求項17的系統，其中該閃耀透射光柵建置成對800到1600 nm的波長為透明。