TWI419195B

TWI419195B - 顯微鏡及具有噴灑冷卻之可變放大倍率光學系統

Info

Publication number: TWI419195B
Application number: TW098137377A
Authority: TW
Inventors: Israel Niv; Prasad Sabbineni; Thomas Kujawa
Original assignee: Dcg Systems Inc
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2013-12-11
Also published as: TW201018893A; US20100110540A1; DE102009044413A1; US8553322B2; JP2010113355A

Description

顯微鏡及具有噴灑冷卻之可變放大倍率光學系統

相關申請案之說明

本案主張美國申請案第美國61/111,302號(申請日2008年11月4日)及第12/610,235號(申請日2009年10月30日)之優先權。上開申請案之說明書記載全部作為本案之參考。

本發明是關於檢驗樣本之光學系統，特別是關於一種需要冷卻樣本，例如半導體晶片的系統。

有多種光學系統使用物鏡來觀察樣本。該物鏡可以設計成能夠提供一種特定的放大倍率以及視野。通常而言，放大倍率較小時其視野較廣。因此，在一些應用場合，會將數個物鏡設置在一轉台(turret)上，以供使用者選用不同的放大倍率。例如，使用者可以先選用較低的放大倍率，獲得較廣的視野，以在該樣本上將所要的特徵定位。其後再選擇放大倍率較高的鏡片，以精確檢視該特徵。為要提高其數值孔徑(numerical aperture)，已知的方法乃是使用一固態浸入透鏡(solid immersion lens,SIL)與該物鏡結合。該物鏡與一SIL的結合可以稱為一集合鏡片。這種集合鏡片特別適合用在高放大倍率下觀察樣本，例如用在檢視及測試半導體晶片，依如美國專利第6,594,086號、6,621,275號及6,828,811號瑣事。使用這種鏡片的商業化應用，則包括雷射電壓探針技術(laser voltage probing,LVP)，例如Ruby ®，以及微光顯微鏡(emission microscope)，例如EmiScope ®以及Medidian ®，兩者皆由美國加州Fremont的DCG Systems公司所提供。

當使用這種光學元件檢驗晶片時，是先將該晶片的封裝移除，再將晶片的基板磨薄，有時達到約100微米的程度。該晶片也可以使用測試向量，例如使用一傳統自動化測試儀(Automated Testing Equipment,ATE)加以激發。在這種條件下，會使該晶片發生過熱，或至少在其正常操作溫度以上之溫度範圍工作。因此，業者建議使用流體噴灑方式以使該晶片降溫。該降溫方法揭示於例如美國專利第6,621,275號、第6,836,131號以及第7,102,374號等。

不過，在上述降溫方式下，會產生難題。因為有時在測試該晶片時必須要改變放大倍率，但由於該晶片須接受測試向量，因而會發熱，而必須不停的降溫。在此情形下，如果驟然停止降溫以轉換放大倍率，則也必須中斷測試，否則該晶片將發生過熱的現象。在上述降溫技術下，必須提供一種集合型光學元件，具有可變的放大倍率，而可以在不須停止該流體冷卻程序，即可轉換物鏡。

以下之發明簡述係供作為對本發明數種面向及技術特徵之基本理解。發明之簡述並非對本發明之嚴密介紹，也因此並非用來特別指出本發明之關鍵性或重要元件，也非用以介定本發明之範圍。其唯一之目的僅在以簡單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。

本發明揭示一種集合型光學元件，具有可變的放大倍率，並可有效的結合噴灑冷卻裝置。在一實施例中，該集合型光學元件包括一轉台，該轉台具有數個物鏡。一流體冷卻裝置具有一外罩，在進行測試時可圍繞該晶片。該外罩具有一對接埠，一次可供該物鏡之一者對接在其上。當須使用另一不同物鏡時，即將該第一物鏡從該冷卻外罩解除對接，而以第二物鏡對接，加以取代。在上述轉換過程中，該冷卻及測試程序仍可不中斷的繼續進行。在一實施例中，該冷卻外罩包含一透明窗，例如為一鑽石窗，而在其他實施例，該冷卻外罩包含一SIL。

所附之圖式構成本專利說明書之一部份，係用以例示說明本發明之實施例，而與專利說明書共同說明及展示本發明之主要部份。圖式之目的僅在以圖形展示例示用實施例之主要特徵。圖式絕非用以顯示實際實施例之所有特徵，也非用以標示各元件之尺寸，以及其比例。

根據本發明之實施例，本發明提出一種集合型鏡片，可以在測試時改變其放大倍率，而不需中斷噴灑冷卻。在數種實施例中，該可變的放大倍率是由一轉台提供，該轉台載放數個具有不同放大倍率的物鏡。不過，必須了解，任何其他用來在不同物鏡間進行轉換的方式，例如一直線滑片，其上設有數個放大倍率不同的物鏡，也可使用在本發明。本發明的系統可以進行空間的移動及上下移動。該空間的移動，亦即X-Y軸方向移動可使該物鏡指向該樣本之一所需位置。而該上下移動，亦即Z軸方向移動則可使該物鏡對接到該流體噴灑冷卻系統。本發明也提供一框架，環繞該樣本，以罩蓋該噴灑流體，並使該等物鏡可以對接。透過該轉台的轉動及上下位置的變化，可以將該轉台上的不同物鏡「對接」到該框架。在本發明一些實施例中，該框架包括一透明窗，例如為鑽石窗。而在其他實施例中，該框架包括一SIL。該冷卻系統可為例如一噴灑冷卻系統，用來將流體噴灑到測試中的裝置(device in test,DUT)。

第1圖表示根據本發明一實施例之具有可變放大倍率之集合型光學元件一實例外觀示意圖。在第1圖的實例中，有一轉台100載置三個物鏡外罩105A、105B、105C，各自罩蓋放大倍率不同之一物鏡。該轉台係製造成可以轉動，如圖中的曲線箭頭A所示，並可以上下作直線運動，如圖中箭頭B所示。該轉動只要使用一步進馬達等裝置即可達成，而該直線運動則可利用例如齒條與齒輪裝置130或其他已知方法加以達成。

有一支撐框110設置在該轉台之上，並與轉台對位。在應用時該支撐框是環繞該DUT並提供流體冷卻。在該支撐框中提供噴嘴或開口135。從冷卻器146提供冷卻用流體，經過外罩或管線145提供到該噴嘴或開口135。該流體可為冷卻氣體或液體。該支撐框110支撐一對接埠120，該對接埠120具有視窗125，該視窗125可以固定在支撐框110或可動的裝置在該支撐框110，例如以彈簧115作可動的裝置。該視窗125可以例如為一鑽石窗，而可幫助從該樣本除熱。另一種方式則是使用一SIL，而可提供更大的數值孔徑(numerical aperture)。在這種設計下，該對接埠也可以作為(而可以稱為)一固體浸入透鏡護罩。該支撐框110與該轉台100對位，以在該物鏡外罩105A-105C中之一者位於該正上方位置時，該支撐框110與該對接埠120對準。在此設計下，當該物鏡外罩105A-105C中之一者位於該正上方位置時，該對接埠120可以向上移動，而將該物鏡外罩「對接」到該對接埠120。同時，為使該物鏡與該樣本上之所需特徵能夠對準，該整體之轉台-支撐框組成可以固定到一習知之X-Y平台上，即如該X-Y平台140所示之機構。反之，該轉台-支撐框組成可以在X-Y方向固定，而該樣本載具則可在X-Y方向移動，以進行對準。

第2A及2B圖表示本發明一實施例，例如第1圖所示實施例之截面圖。其中，第2A圖顯示該轉台200位在其降下位置時之部分視圖。而第2B圖則顯示該轉台200位在其上升位置時之情形。圖中顯示該物鏡外罩205用來罩蓋物鏡203，是位於一正上方位置，並與該SIL外罩220。該對接埠220是使用裝有彈簧的外套215，可動的裝置在支撐框210。該整體組成設置於該樣本255(例如DUT)下方，該樣本225則載置於一樣本載具250上。為能觀察到該樣本，可以將該轉台上移，如圖中箭頭B所示，即可將該物鏡外罩205對接到該對接埠220上。該對接位置即如第2B圖所示。當該支撐框-轉台組成固定到一X-Y軸位置時，該物鏡外罩205即對接到該對接埠220，並可一起在X-Y方向上移動，以對準到該樣本255上的所需特徵。

如在第1圖的實施例已經說明，該對接埠220可以具有一透明窗或一SIL。在使用一SIL的實施例中，有一項重要的優點，就是該對接埠220是使用利如裝設有彈簧的外套215，而可移動的固定到該支撐框210，因此在將該物鏡外罩205對接到該對接埠220後，如果該轉台200上下移動一小距離，該對接埠220即會與該物鏡205一起移動。這種設計可以控制該SIL 225「降落」到該樣本的操作。換言之，在應用時有時候可能需要使該SIL 225位在極為接近該樣本的位置，但有時候則可能需要使該SIL 225事實上接觸，或甚至壓下該樣本255。將該對接埠220設計成可動的裝置在該支撐框210上，只要將該轉台向Z方向，亦即上下移動，即可使該SIL 225能夠位於離該樣本不同距離的位置，也可接觸並壓下該樣本的位置，一如第2B圖所示。在觀察完成之後，可以將該轉台向下移動，以將該物鏡外罩205從該對接埠220解除對接，此時，由於該裝設有彈簧的外套215或其他可動手段的作用，可使該對接埠220回到其原來位置，一如第2A圖所示。因此，本實施例的優點即使在未使用或未裝置噴灑冷卻裝置時，仍然可以發揮出來。

如該樣本225必須以不同放大倍率及/或不同視野加以觀察，則可轉動該轉台200，以使適當的物鏡能位在該正上方位置，而與該對接埠220對準。其後將該轉台200向上移動，以將該新的物鏡外罩對接到該對接埠220。利用這種方式可以使用單一的SIL，而達成在數種不同物鏡，或者不同放大倍率與視野的應用。這種特點特別是在觀察各種微小物件，例如一片晶片的電晶體時，顯得相當重要。只要使用第1圖與第2圖所示的實施例，使用者即可將放大倍率最小的物鏡先對接到對接埠，以得到最大的視野。在這種情形下可以輕易的在受測物表面巡視，找到所要的位置。完成將該光學鏡片在X-Y方向對位到該樣本的所需位置後，使用者即可將該轉台下降，以解除該最小放大倍率物鏡的對接，轉動該轉台，以將一放大倍率較大的物鏡對準該對接埠，然後將該轉台上升，以將新的物鏡對接到該對接埠。由於該對接埠已經與該所需位置對準，該新對接的物鏡也已經與該相同位置對準。當然，如果該轉台上設置超過2個物鏡，則使用者可以使用一中介步驟，就是使用放大倍率最小的物鏡將光學系統定位到該樣本的所需區域，再使用放大倍率居中的物鏡來精確化將該光學系統在該所需位置之定位，最後再以放大倍率最大的物鏡，對該樣本上的所需位置做實際上的觀察。

第3圖表示本發明另一實施例之截面圖。為明確起見，在第3圖中並不顯示該轉台。但應理解，該物鏡外罩305A與305B是裝置在該轉台，與此前的實施例同。在第3圖中顯示物鏡外罩305A是對接到對接埠320。該對接埠320是可動的裝置在該支撐框310，其方式是例如使用設有彈簧的外套315。在本實施例中增加一噴灑冷卻裝置。用以在觀察過程中使該樣本降溫。因此，該外套315也同時做為該支撐框310與該對接埠320之間的延伸密封件。在第3圖中，有2個冷卻方塊360設置在該支撐框310上。各冷卻方塊360都有噴射孔或噴嘴365，用以噴灑冷媒，例如冷卻氣體或液體到該樣本。該冷煤是由一儲存槽370提供，經由管線375供應到該冷卻方塊。

第4A圖顯示一物鏡在一對接位置時之截面圖，而第4B圖則顯示該物鏡在一非對接位置時之情形。在第4A圖中，該轉台上升，以將該物鏡外罩對接到該SIL外罩。冷卻用流體噴灑到該樣本上，用以在觀察當中將該樣本降溫。第4B圖顯示該物鏡在一非對接位置，在此該物鏡與該對接埠解除對接。在該位置該裝設彈簧的外套將該對接埠回復到其自由位置，對準該轉台的正上方位置。如果有必要，可在此時將該轉台轉動，以將另一物鏡，例如405B帶到該正上方位置。其後將該轉台上升，以將該新物鏡外罩對接到該對接埠。

第5圖表示根據本發明之系統一實施例之示意圖。在第5圖中，該DUT 555是裝置到一支架或轉接器550上。支撐框510環繞該DUT 555。可以在該支撐框510與該轉接器550之間提供一選用的密封件或有孔密封件552。一對接埠520利用密封外套515可動的裝置到該支撐框510。在該對接埠520上提供一透明窗525，該視窗525可以使用藍寶石、鑽石等材料製作，在該視窗與該DUT 555形成接觸時，可以幫助將熱從該DUT移除。同時也可以防止冷卻用流體在該物鏡外罩對接到該對接埠520時，進入該物鏡外罩裡面。

第6圖表示本發明另一實施例之示意圖。在第6圖中，該DUT 655是裝置到一支架或轉接器650上。支撐框610環繞該DUT 655。可以在該支撐框610與該轉接器650之間提供一選用的密封件或有孔密封件652。一對接埠620利用密封外套615可動的裝置到該支撐框610。在該對接埠620上提供一護板622，用以防止噴灑的流體進入該護板622內之區域。該護板622可以使用例如O型環等製作，以在其與該DUT 655形成接觸時，可以防止冷卻用流體達到該護板622所規範的該DUT區域。同時也可以防止該冷卻用流體在該物鏡外罩對接到該對接埠620時，進入該物鏡外罩裡面。

第7圖表示本發明又一實施例之示意圖。在第7圖中，該DUT 755是裝置到一支架或轉接器750上。支撐框710環繞該DUT 755。可以在該支撐框710與該轉接器750之間提供一選用的密封件或有孔密封件752。一對接埠720利用密封外套715可動的裝置到該支撐框710。支架723支撐一環721，該環721上設置一SIL 725。該支架723可裝置或不裝置到該支撐框710上。該環721與該支架723可以設計成與美國專利公開案號2005/0094258所示者相似。在該對接埠720上提供一透明窗724，用來防止冷卻用流體在該物鏡外罩對接到該對接埠720時，進入該物鏡外罩裡面。

第8圖表示本發明再一實施例之示意圖。在第8圖中，該DUT 855是裝置到一支架或轉接器850上。支撐框810環繞該DUT 855。可以在該支撐框810與該轉接器850之間提供一選用的密封件或有孔密封件852。調整桿823上設置一環821，該環821上設置一SIL 825。該調整桿823是用來將該SIL 825定位到該DUT 855上的所需位置。該物鏡光學對準於該SIL，也可只將該物鏡設置在該外套815上。藉此，在本實施例中，不需使用對接埠，而是以光學方式將該物鏡對準到該SIL 825。

第9圖表示根據本發明之系統一實施例之示意圖。在第9圖中顯示DUT 960正在進行測試，例如正在從測試儀940，例如為一ATE(自動化測試儀或自動化測試及驗證)接收測試向量942。另一種作法則是對該DUT 960提供簡單的power-on信號或簡單的時鐘週期信號。該DUT 960可以裝置到光學測試儀900上。該光學測試儀900可為例如一微光顯微鏡(emission microscope，例如Meridian ®顯微鏡)、時差式微光顯微鏡(time resolved emission microscope，例如EmiScope ®顯微鏡)或雷射電壓探測器(laser voltage prober，例如Ruby TM顯微鏡)，以上均由美國加州Fremont的DCG Systems公司所供應。通常而言，該光學測試儀900會包括一X-Y平台920，用以在該DUT 960上作搜尋。也會包括一光束規制光學元件(BMO)935，由數種光學元件所組成，例如透鏡及/或反射鏡，用以使光束成形及/或規制光束。也會包括一掃描機構，例如一雷射掃瞄顯微鏡930。這些元件都是公知的技術，不會影響本發明實施例的構成。使用上述的測試元件時，反射光或者光子散射會從該DUT的不同區域，以例如光纖934收集，並由光子感測器936，例如雪崩光電二極體(avalanche photodiode,APD)偵測到。當然，其他元件或裝置也可以用來收集該反射光或光漫射。一信號取得板950可以耦合到該感測器，以接受並規制該感測器936之信號。該信號其後供給到一處理器970，例如為一特別程式規劃的個人電腦。如圖中所示，該處理器970也可以用來控制該光學測試儀900的各個元件。除此之外，觸發信號及時鐘信號也可由該測試儀940供應到該信號取得板950 及/或該處理器970。

為要收集該DUT發出的反射光或漫射光，收集光學元件980依照第1-8圖所示的實施例設置。如此一來，可以使用該轉台來選用一較小的放大倍率，獲得對該DUT較廣的物件視野，以在該DUT上進行搜尋，以找到一所需之特徵。其後將該轉台下降，以將該較小放大倍率的物鏡卸下。轉動該轉台以對準一較高放大倍率的物鏡，並將該轉台上升，以對接該較大放大倍率的物鏡。接著開始測試該DUT，此時該較高放大倍率的物鏡已經對準該所需特徵，因為該物鏡已經對接到該SIL外罩，而該SIL外罩已經使用該放大倍率較小的物鏡對準到該所需特徵。

本發明既已利用實施例說明如上，上述之說明目的僅在例示本發明，而非用以限制其範圍。於此行業具有普通知識、技術之人士，不難由以上之說明，了解將功能元件以不同方式加以結合，都可用來實施本發明。此外，本發明可能有更多的實施方式，都可由精於此藝之人士藉由閱讀本案說明書及實驗加以達成。在所述的實施例中，個別的面向及/或元件都可單獨或與相關技藝做任何結合使用。因此，本說明書及其實例只能作為例示之用，本發明之範圍及精神乃是由以下申請專利範圍所界定。

100．．．轉台

105A、105B、105C．．．物鏡外罩

110．．．支撐框

115．．．彈簧

120．．．對接埠

125．．．視窗

130．．．齒條與齒輪裝置

135．．．噴嘴或開口

145．．．外罩或管線

146．．．冷卻器

200．．．轉台

203．．．物鏡

205．．．物鏡外罩

210．．．支撐框

215．．．外套

220．．．對接埠

225．．．SIL

250．．．樣本載具

255．．．樣本

305A、305B．．．物鏡外罩

310．．．支撐框

315．．．外套

320．．．對接埠

360．．．冷卻方塊

365．．．噴射孔或噴嘴

370．．．儲存槽

375．．．管線

510．．．支撐框

515．．．密封外套

520．．．對接埠

525．．．視窗

550．．．轉接器

552．．．有孔密封件

555．．．DUT

610．．．支撐框

615．．．密封外套

620．．．對接埠

622．．．護板

650．．．支架或轉接器

652．．．有孔密封件

655．．．DUT

710．．．支撐框

715．．．密封外套

720．．．對接埠

721．．．環

723．．．支架

724．．．透明窗

725．．．SIL

750．．．支架或轉接器

752．．．有孔密封件

755．．．DUT

810．．．支撐框

821．．．環

823．．．調整桿

850．．．支架或轉接器

852．．．有孔密封件

855．．．DUT

900．．．光學測試儀

920．．．X-Y平台

930．．．雷射掃瞄顯微鏡

934．．．光纖

935．．．光束規制光學元件

936．．．光子感測器

940．．．測試儀

942．．．向量

950．．．信號取得板

960．．．DUT

970．．．處理器

980．．．光學元件

第1圖表示根據本發明一實施例之具有可變放大倍率之集合型光學元件一實例外觀示意圖。

第2A及2B圖表示本發明一實施例，例如第1圖所示實施例之截面圖。

第3圖表示本發明另一實施例之截面圖。

第4A圖顯示一物鏡在一對接位置時之截面圖，而第4B圖則顯示該物鏡在一非對接位置時之情形。

第5圖表示根據本發明之系統一實施例之示意圖。

第6圖表示本發明另一實施例之示意圖。

第7圖表示本發明又一實施例之示意圖。

第8圖表示本發明再一實施例之示意圖。

第9圖表示根據本發明之系統一實施例之示意圖。

200‧‧‧轉台

203‧‧‧物鏡

205‧‧‧物鏡外罩

210‧‧‧支撐框

215‧‧‧外套

220‧‧‧對接埠

225‧‧‧SIL

250‧‧‧樣本載具

255‧‧‧樣本

Claims

一種集合型光學系統，包括：一轉台，具有多數物鏡外罩裝置在其上；一框，位於與該轉台對位之位置；對接埠，裝置在該框上；一垂直移動機構，以提供該轉台做垂直移動；其中該垂直移動機構將該轉台上升時，可將該物鏡外罩之一對接到該對接埠，而在將該轉台下降時，可將一物鏡外罩與該對接埠解除對接；一轉台轉動機構，設置成可轉動該轉台，以在須使用一不同物鏡時，即將該物鏡從該對接埠解除對接，轉動該轉台，而以另一物鏡對接至對接埠，加以取代；及另包括一噴灑冷卻機構，設置成可噴灑冷卻流體到一樣本上，用以在觀察當中將該樣本降溫。
如申請專利範圍第1項之集合型光學系統，其中該對接埠係可動的裝置在該框上。
如申請專利範圍第1項之集合型光學系統，其中該框與該轉台固定至一X-Y平台。
如申請專利範圍第1項之集合型光學系統，其中該噴灑冷卻機構包括一噴灑冷卻方塊，裝置在該框上。
如申請專利範圍第4項之集合型光學系統，其中該噴灑冷卻機構包括多數流體噴射器。
如申請專利範圍第1項之集合型光學系統，另包括一透明窗，裝置在該對接埠。
如申請專利範圍第6項之集合型光學系統，其中該透明窗包括一藍寶石窗或鑽石窗。
如申請專利範圍第1項之集合型光學系統，另包括一固態浸入透鏡(solid immersion lens)，裝置在該對接埠。
如申請專利範圍第1項之集合型光學系統，另包括一固態浸入透鏡，位在該框之內。
如申請專利範圍第9項之集合型光學系統，另包括一環，用以支撐該固態浸入透鏡在該框之內。
如申請專利範圍第1項之集合型光學系統，另包括一護板，裝置在該對接埠，用以防止噴灑的流體進入該護板內之區域。
如申請專利範圍第1項之集合型光學系統，另包括一密封外套，以將該對接埠裝置到該框。
一種測試半導體晶片用之顯微鏡，包括：一轉接器，用以載置該晶片在其上；一框，設置成位於該轉接器下方並圍繞該晶片；流體噴灑系統，設置在該框內，該流體噴灑系統形成一噴灑冷卻裝置，設置成可噴灑冷卻流體到一樣本上，用以在觀察當中將該樣本降溫；一固態浸入透鏡外罩；一密封外套，裝置於該固態浸入透鏡外罩與該框之間；一轉台，具有多數物鏡外罩裝置在其上，各具有一物鏡收容在其中，該轉台之位置可將該物鏡外罩之一者與該固態浸入透鏡外罩對準。
如申請專利範圍第13項之顯微鏡，其中該固態浸入透鏡外罩包括一環。
如申請專利範圍第13項之顯微鏡，其中該固態浸入透鏡外罩包括一對接埠，可使該物鏡外罩對接埠在其上。
如申請專利範圍第15項之顯微鏡，另包括一密封件，設置在該框與該轉接器之間，而使該噴灑的流體限定在該轉接器、該晶片、該密封件、該框與該密封外套所規範之區域。
如申請專利範圍第13項之顯微鏡，其中該密封外套形成一介於該固態浸入透鏡外罩與該框間之可動裝置。
如申請專利範圍第13項之顯微鏡，其中該框與該轉台固定至一X-Y平台。
如申請專利範圍第13項之顯微鏡，其中該噴灑冷卻機構包括一噴灑冷卻方塊，裝置在該框上，以及一冷卻器，提供冷卻流體至該噴灑冷卻方塊。