TWI826440B - 半導體檢查裝置 - Google Patents

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TWI826440B
TWI826440B TW108114250A TW108114250A TWI826440B TW I826440 B TWI826440 B TW I826440B TW 108114250 A TW108114250 A TW 108114250A TW 108114250 A TW108114250 A TW 108114250A TW I826440 B TWI826440 B TW I826440B
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Abstract

本發明之固態浸沒式透鏡單元具備：固態浸沒式透鏡，其具有用於抵接於包含矽基板之半導體器件之抵接面、及配置為與物鏡相向之球面，且使具有200nm以上1100nm以下範圍內之至少一部分之波長之光透射；固持件，其保持固態浸沒式透鏡；及光學元件，其以位於物鏡與固態浸沒式透鏡之間之方式藉由固持件保持，並修正因矽基板與固態浸沒式透鏡之間之折射率差所引起之像差。

Description

半導體檢查裝置
本揭示之一態樣係關於固態浸沒式透鏡單元及半導體檢查裝置。
作為半導體器件之觀察技術，已知有使用固態浸沒式透鏡(SIL：Solid Immersion Lens)，自形成有器件(積體電路等)之表面之相反側之表面觀察內部構造的技術(例如參照專利文獻1)。藉由使固態浸沒式透鏡之抵接面密接於半導體器件之表面而實現消散耦合，能夠以高解析度觀察內部構造。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2009-3133號公報
於上述觀察技術中，半導體器件包含矽基板之情形，必須使用透射矽之1200nm以上之波長之光，但為了提高解析度，較佳使用更短之波長之光。又，於觀察半導體器件之情形，同時謀求鮮明度。
本揭示之一態樣之目的在於，提供一種可實現高解析度且鮮明之觀察之固態浸沒式透鏡單元、及具備此種固態浸沒式透鏡單元之半導體檢查裝置。
本揭示之一態樣之固態浸沒式透鏡單元具備：固態浸沒式透鏡，其具有用以抵接於包含矽基板之半導體器件之抵接面、及配置為與物鏡相向之球面，且使具有200nm以上1100nm以下範圍內之至少一部分之波長之光透射；固持件，其保持固態浸沒式透鏡；及光學元件，其以位於物鏡與固態浸沒式透鏡之間之方式藉由固持件保持，並修正因矽基板與固態浸沒式透鏡之間之折射率差引起之像差。
於該固態浸沒式透鏡單元中，固態浸沒式透鏡使具有200nm以上1100nm以下範圍內之至少一部分之波長之光透射。藉此，觀察中可使用較矽之透射波長區域更短之波長之光，且可實現高解析度之觀察。另一方面，於使用此種固態浸沒式透鏡之情形時，有因矽基板與固態浸沒式透鏡之間之折射率差產生像差的擔憂。對於該點，於該固態浸沒式透鏡單元中，藉由以位於物鏡與固態浸沒式透鏡之間之方式利用固持件保持之光學元件修正該像差。藉此，利用固態浸沒式透鏡單元，可實現高解析度且鮮明之觀察。另，於矽基板形成得足夠薄之情形時，200nm以上1100nm以下之波長範圍之光亦透射矽基板。
固態浸沒式透鏡亦可包含GaAs、GaP、SiC或金剛石。此時，可將固態浸沒式透鏡之透射波長區域設得較矽之透射波長區域更短。
固持件亦可具有相對於物鏡裝卸自由之安裝部。該情形時，可容易地更換固態浸沒式透鏡單元。
光學元件亦可包含玻璃。該情形時，可較佳地修正因矽基板與固態浸沒式透鏡之間之折射率差引起之像差。
光學元件亦可為凹凸透鏡。該情形時，可更佳地修正因矽 基板與固態浸沒式透鏡之間之折射率差引起之像差。
本揭示之一態樣之半導體檢查裝置具備：載台，其載置半導體器件；物鏡，其以與載台上之半導體器件相向之方式配置；上述固態浸沒式透鏡單元，其於物鏡與半導體器件之間保持固態浸沒式透鏡；及光檢測器，其經由固態浸沒式透鏡及物鏡檢測來自半導體器件之光。於該半導體檢查裝置中，可藉由上述理由實現高解析度且鮮明之觀察。
複數個固態浸沒式透鏡單元亦可以對應不同之觀察深度之方式構成。該情形時，可根據觀察深度選擇固態浸沒式透鏡單元，且可實現與矽基板之厚度相應之觀察。
根據本揭示，可提供一種能夠實現高解析度且鮮明之觀察之固態浸沒式透鏡單元、及具備此種固態浸沒式透鏡單元之半導體檢查裝置。
1:固態浸沒式透鏡單元
2:固態浸沒式透鏡
2a:抵接面
2b:球面
2c:錐形面
2d:周面
3:固持件
4:光學元件
4a:第1表面
4b:第2表面
31:側壁部
32:底壁部
32a:開口
32b:第1面
32c:第2面
32d:階差部
33:安裝部
34:保持部
34a:表面
34b:表面
100:半導體檢查裝置
110:觀察部
111:載台
112:光學系統
112a:相機用光學系統
112b:LSM單元用光學系統
113:二維相機(光檢測器)
114:移動機構
115:LSM單元
115a:光檢測器
120:控制部
121:相機控制器
122:LSM控制器
123:外圍控制器
130:解析部
131:圖像解析部
132:指示部
140:顯示裝置
150:物鏡
151:鏡筒
151a:下端部
C:球心
L:光軸
M:樹脂
S:半導體器件
Sa:表面
圖1係實施形態之半導體檢查裝置之構成圖。
圖2係固態浸沒式透鏡單元之剖視圖。
圖3係固態浸沒式透鏡單元之部分剖視圖。
以下，一邊參照圖式一邊對本揭示之一實施形態進行詳細說明。另，於以下之說明中，對相同或相當之要件使用相同符號並省略重複之說明。
[半導體檢查裝置之構成]
圖1所示之半導體檢查裝置100係取得半導體器件S之圖像並檢查半導體器件S之內部資訊的裝置。半導體器件S例如藉由於矽基板嵌入複數個元件而形成。即，半導體器件S包含矽基板。半導體器件S為例如個別半導體元件(分立)、光電元件、感測器/致動器、邏輯LSI(Large Scale Integration：大型積體電路)、記憶體元件、或線性IC(Integrated Circuit：積體電路)等、又或該等之混合器件等。個別半導體元件包含二極體、功率電晶體等。邏輯LSI藉由MOS(Metal-Oxide-Semiconductor：金屬氧化物半導體)構造之電晶體、雙極構造之電晶體等構成。半導體器件S亦可為包含半導體器件之封裝、複合基板等。
作為檢查對象之內部資訊包含關於半導體器件S之電路圖案之資訊、關於來自半導體器件S之微弱發光(因半導體器件S之缺陷引起之發光、伴隨半導體器件S內之電晶體之開關動作之瞬間發光等)之資訊、關於因半導體器件之缺陷引起之發熱之資訊等。如圖2所示，半導體器件S亦可為例如以露出表面Sa之方式藉由樹脂M塑模之塑模型半導體器件。表面Sa為半導體器件S中形成有器件(積體電路等)之表面之相反側的表面。
如圖1所示，半導體檢查裝置100具備觀察部110、控制部120、解析部130、及顯示裝置140。觀察部110進行半導體器件S之觀察。控制部120控制觀察部110之動作。解析部130進行半導體器件S之檢查所需之處理、指示等。顯示裝置140與解析部130電性連接，顯示藉由解析部130取得或解析之圖像、資料等。顯示裝置140為例如顯示器。
觀察部110具有載台111、光學系統112、二維相機(光檢測器)113、移動機構114、及LSM(Laser Scanning Microscope：雷射掃描顯微鏡)單元115。於載台111，以表面Sa朝向光學系統112側之狀態載置半導 體器件S。移動機構114使光學系統112、二維相機113及LSM單元115移動。
光學系統112具有複數個物鏡150、相機用光學系統112a、及LSM單元用光學系統112b。複數個物鏡150之倍率彼此不同。將自複數個物鏡150選出之一個物鏡150，配置為與載置於載台111之半導體器件S之表面Sa相向。
如圖1所示，相機用光學系統112a將來自半導體器件S之光導入二維相機113。二維相機113檢測藉由相機用光學系統112a導入之光(通過光學系統112之光)。二維相機113可輸出用於作成半導體器件S之電路圖案等之圖像之圖像資料。於二維相機113，例如搭載有CCD(Charge Couple Device：電荷耦合裝置)區域影像感測器、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor：互補金屬氧化物半導體)區域影像感測器等。二維相機113例如亦可為InGaAs相機、InSb相機、MCT相機等。
LSM單元用光學系統112b將自LSM單元115出射之雷射光導入半導體器件S，且將半導體器件S所反射之雷射光導入LSM單元115。LSM單元用光學系統112b具有檢流鏡、多面鏡、MEMS(Micro Electro-Mechanical System：微機電系統)鏡等光掃描部，對半導體器件S掃描雷射光。
LSM單元115出射由光源產生之雷射光，且以光檢測器115a檢測半導體器件S所反射之雷射光。光源例如亦可產生照射半導體器件S之CW(Continuous Wave：連續波)光或脈衝光。光源所產生之光除雷射光般之同調光外，亦可為非同調(非相干)之光。作為輸出同調光之光源，可使用固體雷射光源、半導體雷射光源等。作為輸出非同調光之光 源，可使用SLD(Super Luminescent Diode：超光二極體)、ASE(Amplified Spontaneous Emission：放大自發放射)、LED(Light Emitting Diode：發光二極體)等。
光檢測器115a例如為雪崩光二極體、光電二極體、光電子倍增管、超導單一光子檢測器等。光檢測器115a所檢測之雷射光之強度為反映半導體器件S之電路圖案者。因此，光檢測器115a可輸出用以作成半導體器件S之電路圖案等之圖像之圖像資料。
控制部120具有相機控制器121、LSM控制器122、及外圍控制器123。相機控制器121與二維相機113電性連接。LSM控制器122與LSM單元115電性連接。相機控制器121及LSM控制器122藉由分別控制二維相機113及LSM單元115之動作，而對執行半導體器件S之觀察(圖像之取得)、設定半導體器件S之觀察條件等加以控制。
外圍控制器123與移動機構114電性連接。外圍控制器123藉由控制移動機構114之動作，而進行光學系統112、二維相機113及LSM單元115之移動、對位等。
解析部130具有圖像解析部131、及指示部132。解析部130例如藉由包含處理器(CPU：Central Processing Unit：中央處理單元)、記錄媒體即RAM(Random Access Memory：隨機存取記憶體)及ROM(Read-Only Memory：唯讀記憶體)之電腦而構成。解析部130與相機控制器121、LSM控制器122、及外圍控制器123之各者電性連接。圖像解析部131基於自相機控制器121及LSM控制器122之各者輸出之圖像資料作成圖像，並執行解析處理等。
指示部132參照操作者之輸入內容、圖像解析部131之解析 內容等，對控制部120，進行觀察部110中之半導體器件S之檢查之執行相關之指示。於解析部130，電性連接有操作部(未圖示)。使用者操作操作部而操作半導體檢查裝置100。操作部例如為滑鼠、鍵盤等。操作部例如亦可為內置於顯示裝置140之觸控面板。
[固態浸沒式透鏡單元之構成]
光學系統112除上述物鏡150等外，進而具有固態浸沒式透鏡單元1。如圖2所示，固態浸沒式透鏡單元1具備固態浸沒式透鏡2、固持件3、及光學元件4。以下說明中，於載置於載台111之半導體器件S之表面Sa與物鏡150相向之狀態下，將相對於半導體器件S，物鏡150所在之側設為上側，將相對於物鏡150，半導體器件S所在之側設為下側。
如圖3所示，固態浸沒式透鏡2具有抵接面2a、球面2b、錐形面2c、及周面2d。抵接面2a為平坦面，抵接於半導體器件S之表面Sa。球面2b為朝向上側凸起之半球形狀之面，與物鏡150相向。錐形面2c為朝向上側變廣之圓錐台形狀之面，自抵接面2a之外緣朝上側延伸。周面2d為圓柱形狀之面，連接於球面2b之外緣與錐形面2c之外緣。包含錐形面2c之虛設圓錐之頂點與固態浸沒式透鏡2之球心C(球面2b之曲率中心)一致，於抵接面2a之下側位於光軸L上。球心C與固態浸沒式透鏡2之焦點一致。
固態浸沒式透鏡2例如包含GaAs、GaP、SiC、金剛石等與矽不同之材料。於固態浸沒式透鏡2包含GaAs之情形時，使900nm以上2μm以下程度之範圍之光透射。於固態浸沒式透鏡2包含GaP之情形時，使550nm以上2μm以下程度之範圍之光透射。於固態浸沒式透鏡2包含SiC之情形時，使400nm以上2μm以下程度之範圍之光透射。於固態浸沒式透鏡2包含金剛石之情形時，使200nm以上2μm以下程度之範圍之光透 射。即，於固態浸沒式透鏡2包含GaAs、GaP及金剛石之任一者之情形時，亦使具有200nm以上1100nm以下之範圍之至少一部分之波長之光透射。
如圖2及圖3所示，固態浸沒式透鏡2以位於物鏡150與半導體器件S之間之方式藉由固持件3保持。固持件3具有側壁部31、底壁部32、及安裝部33。固持件3藉由非磁性材料(例如鋁、鋁合金、非磁性不鏽鋼等)形成為蓋狀。側壁部31形成為筒形狀。底壁部32以封塞側壁部31之下側開口之方式與側壁部31一體形成。
如圖3所示，於底壁部32，形成有配置固態浸沒式透鏡2之開口32a。開口32a配置於光軸L上，於上側及下側開口。開口32a之內表面包含劃定上緣之第1面32b、及劃定下緣之第2面32c。開口32a之上緣及下緣分別形成為以光軸L為中心之圓形狀，上緣劃定之圓之半徑較下緣劃定之圓之半徑小。於第1面32b與第2面32c之間形成有階差部32d。
固態浸沒式透鏡2係以抵接面2a及錐形面2c自開口32a之下緣朝下側突出，且球面2b之一部分自開口32a之上緣朝上側突出之方式，配置於開口32a。固態浸沒式透鏡2例如藉由周面2d接著於開口32a之第2面32c而固定於固持件3。於該固定狀態下，階差部32d抵接於球面2b。
光學元件4例如為包含玻璃之凹凸透鏡。光學元件4具有第1表面4a、及第1表面4a之相反側之第2表面4b。第1表面4a朝向第2表面4b側彎曲成凹狀。第2表面4b朝向第1表面4a之相反側彎曲成凸狀。即，光學元件4具有彼此對向之凹面及凸面。光學元件4例如於自第1表面4a及第2表面4b對向之方向觀察時，形成為圓形狀。
光學元件4以位於物鏡150與固態浸沒式透鏡2之間之方 式，藉由固持件3保持。更具體而言，於固持件3設置有用以保持光學元件4之保持部34，光學元件4保持於保持部34。保持部34例如藉由以包圍開口32a之方式延伸之階差部而構成。光學元件4例如藉由接著於構成階差部之表面34a及表面34b而固定於固持件3。於該固定狀態下，自平行於光軸L之方向觀察時，光學元件4之中心位於光軸L上。又，光學元件4之第1表面4a隔開特定間隔與固態浸沒式透鏡2之球面2b相向，且沿固態浸沒式透鏡2之球面2b延伸。
光學元件4為了修正因固態浸沒式透鏡2、與構成半導體器件S之矽基板之間之折射率差引起之像差而配置。光學元件4之材質、形狀及配置例如以實質性消除該像差之方式而決定。
安裝部33例如設置於側壁部31之上端部。安裝部33相對於物鏡150之鏡筒151之下端部151a裝卸自由地構成。藉此，固持件3相對於物鏡150而裝卸自由。安裝部33只要相對於物鏡150裝卸自由即可，可為任意構成。例如，亦可以螺絲插通形成於安裝部33之螺孔，且使該螺絲螺合於物鏡150之鏡筒151。或可於安裝部33配置磁鐵，藉由該磁鐵之磁力，將安裝部33安裝於物鏡150。
[半導體檢查裝置中之圖像取得方法之一例]
半導體檢查裝置100中，使用未安裝固態浸沒式透鏡單元1之物鏡150，實施半導體器件S之觀察部分之特定。該觀察部分之特定藉由指示部132對外圍控制器123之指示、及外圍控制器123對移動機構114之驅動之控制而實施。
繼而，切換成安裝有固態浸沒式透鏡1之物鏡150，使固態浸沒式透鏡2之抵接面2a(參照圖3)密接於半導體器件S之表面Sa。該固態 浸沒式透鏡2之抵接面2a之密接藉由指示部132對外圍控制器123之指示、及外圍控制器123對移動機構114之驅動之控制而實施。
繼而，實施安裝有固態浸沒式透鏡單元1之物鏡150之調焦。該物鏡150之調焦藉由指示部132對外圍控制器123之指示、及外圍控制器123對移動機構114之驅動之控制而實施。
繼而，實施半導體器件S之觀察部分之觀察。該觀察部分之觀察藉由指示部132對相機控制器121及LSM控制器122之各者之指示、以及二維相機113及LSM單元115之各者之動作之控制而實施。觀察時，來自半導體器件S之光經由固態浸沒式透鏡2、光學元件4及物鏡150，由二維相機113檢測。半導體檢查裝置100例如可應用於EOP(Electro Optical Probing：電光探測)、EOFM(Electro Optical Frequency Mapping：電光頻率映射)等解析技術。於該等解析技術中，基於來自驅動中之邏輯器件之光之強度調變，進行該器件之故障解析。
[作用及效果]
如上說明，於固態浸沒式透鏡單元1中，固態浸沒式透鏡2使具有200nm以上1100nm以下範圍內之至少一部分之波長之光透射。藉此，觀察中可使用較矽之透射波長區域更短之波長之光，且可實現高解析度之觀察。另一方面，於使用此種固態浸沒式透鏡2之情形時，有因固態浸沒式透鏡2、與構成半導體器件S之矽基板之間之折射率差產生像差的擔憂。對於該點，於固態浸沒式透鏡單元1中，藉由以位於物鏡150與固態浸沒式透鏡2之間之方式利用固持件3保持之光學元件4修正該像差。藉此，利用固態浸沒式透鏡單元1，可實現高解析度且鮮明之觀察。另，於上述之例中，構成半導體器件S之矽基板以可透射200nm以上1100nm以 下之波長範圍之光之方式形成得足夠薄。
於具備固態浸沒式透鏡單元1之半導體檢查裝置100中，因藉由光學元件4修正像差，故不必將用以修正像差之修正環設置於物鏡150，可削減零件個數。又，根據固態浸沒式透鏡單元1，與藉由修正環修正像差之情形相比，可提高觀察之精度。即，修正環一般沿平行於光軸L之方向可滑動地構成。該情形時，因滑動機構無法避免垂直於光軸L之方向之間隙之形成，故有於修正環之位置產生該間隙量之偏差之虞。與此相對，於具備固態浸沒式透鏡單元1之半導體檢查裝置100中，因不必將修正環設置於物鏡150，故可提高觀察之精度。
於固態浸沒式透鏡單元1中，固態浸沒式透鏡2包含GaAs、GaP、SiC或金剛石。藉此，可將固態浸沒式透鏡2之透射波長區域設得較矽之透射波長區域更短。
於固態浸沒式透鏡單元1中，固持件3具有相對於物鏡150裝卸自由之安裝部33。藉此，可容易地更換固態浸沒式透鏡單元1。
於固態浸沒式透鏡單元1中，光學元件4包含玻璃。藉此，可較佳地修正因固態浸沒式透鏡2與矽基板之間之折射率差引起之像差。
於固態浸沒式透鏡單元1中，光學元件4為凹凸透鏡。藉此，可更佳地修正因固態浸沒式透鏡2與矽基板之間之折射率差引起之像差。
[變化例]
以上，雖對本揭示之一實施形態進行了說明，但本揭示並未限定於上述實施形態。例如，對於各構成之材料及形狀，並未限定於上述材料及形狀，可採用各種材料及形狀。
光學元件4只要可修正因固態浸沒式透鏡2、與構成半導體器件S之矽基板之間之折射率差引起之像差即可，材料及形狀未限定於上述之例。光學元件4亦可藉由複數片元件而構成。構成光學元件4之凹面及凸面亦可包含球面狀之表面，又可包含如構成施密特(Schmidt)板之表面般之非球面狀之表面。
於物鏡150，亦可安裝有用以修正像差之修正環、及用以調整修正環之馬達。該情形時，藉由使該馬達驅動而調整修正環，可使物鏡150之焦點確實地對準觀察之位置。
半導體檢查裝置100亦可具備複數個固態浸沒式透鏡單元1。複數個固態浸沒式透鏡單元1分別以對應不同之觀察深度之方式構成。觀察深度意指自半導體器件S中之表面Sa至欲觀察之位置之距離(矽基板之厚度)。於各固態浸沒式透鏡單元1中，例如以所欲之觀察深度處無實質性像差之方式，決定固態浸沒透鏡2及光學元件4之材質、形狀及配置。例如，於觀察時，自該等固態浸沒式透鏡單元1中選擇之任一個固態浸沒式透鏡單元1安裝於物鏡150。根據此種半導體檢查裝置100，可根據觀察深度選擇固態浸沒式透鏡單元1，且可實現與矽基板之厚度相應之觀察。另，為了可容易地選擇適當之固態浸沒式透鏡單元1，亦可於固持件3之表面記載有對應之觀察深度。於複數個固態浸沒式透鏡單元1中，固持件3之形狀亦可彼此不同。該情形時，能夠以回避固持件3與半導體器件S之周邊之零件之干涉之方式選擇固態浸沒式透鏡單元1。
於上述實施形態中，固態浸沒式透鏡2固定於固持件3，但固態浸沒式透鏡2亦可藉由固持件3可搖動地保持。例如，固持件3具有較固態浸沒式透鏡2更大之收納空間，亦可於該收納空間內收納有固態浸沒 式透鏡2。該情形時，使固態浸沒式透鏡2之抵接面2a抵接並密接於半導體器件S之表面Sa時，因收納空間內固態浸沒式透鏡2搖動且抵接面2a跟隨表面Sa而密接，故可實現固態浸沒式透鏡2與半導體器件S之良好之密接。固態浸沒式透鏡2之抵接面2a未必為平坦面，亦可為例如凸面。
2:固態浸沒式透鏡
2a:抵接面
2b:球面
2c:錐形面
2d:周面
4:光學元件
4a:第1表面
4b:第2表面
32:底壁部
32a:開口
32b:第1面
32c:第2面
32d:階差部
34:保持部
34a:表面
34b:表面
C:球心
L:光軸

Claims (4)

  1. 一種半導體檢查裝置，其包含：載台，其載置半導體器件；物鏡，其以與上述載台上之上述半導體器件相向之方式配置；固態浸沒式透鏡單元，其包含：固態浸沒式透鏡，其具有用於抵接於包含矽基板之上述半導體器件之抵接面、及配置為與上述物鏡相向之球面，且使具有200nm以上1100nm以下範圍內之至少一部分之波長之光透射；固持件，其保持上述固態浸沒式透鏡；及光學元件，其以位於上述物鏡與上述固態浸沒式透鏡之間之方式藉由上述固持件保持，並修正因上述矽基板與上述固態浸沒式透鏡之間之折射率差所引起之像差，上述固態浸沒式透鏡單元於上述物鏡與上述半導體器件之間保持上述固態浸沒式透鏡；及光檢測器，其經由上述固態浸沒式透鏡及上述物鏡，檢測來自上述半導體器件之光；其中上述固態浸沒式透鏡包含GaAs、GaP、SiC或金剛石，上述光學元件包含玻璃；且於上述物鏡未設置用於像差修正之修正環。
  2. 如請求項1之半導體檢查裝置，其中上述固持件具有相對於上述物鏡裝卸自由之安裝部。
  3. 如請求項1之半導體檢查裝置，其中上述光學元件為凹凸透鏡。
  4. 如請求項1至3之任一項之半導體檢查裝置，其包含複數個上述固態浸沒式透鏡單元，且上述複數個固態浸沒式透鏡單元係分別以對應不同之觀察深度之方式構成。
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