自校准的悬浮固体浸没透镜端部

摘要

公开了一种用于固体浸没透镜(SIL)的光学装置。该装置使得SIL能够自由倾斜。该装置包括具有从SIL的接合表面和后表面延伸的光轴的SIL；SIL壳体，其具有配置为将SIL接收在其中，同时允许SIL在腔体内自由倾斜的腔体，其中该腔体包括定位成使得光轴从其穿过，从而允许SIL收集的光线传播至物镜的孔；以及，附接至SIL壳体并配置为防止SIL从腔体脱出的SIL保持器。

说明书

相关申请

本申请要求2014年3月11日提交的美国临时专利申请No.61/951,459的优先权权益，其所公开的全部内容以参考的形式并入本文中。

技术领域

所公开的发明涉及利用固体浸没透镜(SIL)的光学显微镜技术。

背景技术

固体浸没透镜通常用于光学显微镜中，以收集直接来自样品的光线，光线不会穿过较低折射率，即空气。在这样的光学装置中，当将SIL放置和聚焦在样品上时，期望保持SIL和物镜光轴对准。此外，为了消除SIL-样品界面处的气隙，有时会施加力或偏置以将SIL压靠在样品上。另外，液体，诸如油，可放置在样品和SIL之间。

在美国专利No.7,123,035中描述的设计中，SIL固定地附接至SIL壳体，物镜固定地附接至物镜壳体。SIL壳体和物镜壳体两者都大体上是圆柱体，SIL壳体被接收在物镜壳体内，并且方式是使得SIL壳体相对于物镜壳体能够以偏置的方式滑行运动。在物镜壳体内在它的外围设置一个或多个线性弹簧，用于偏置SIL壳体。

在美国专利No.8,072,699中描述的设计中，描述了一种固体浸没透镜光学组件。该设计允许保持样品的板片的微小倾斜校正，从而将它与SIL光轴对准。但是，不是所有的系统具有倾斜样品保持件的能力。此外，倾斜样品保持件会使系统复杂化，例如，维持连接到样品的线路的完整。而且，倾斜样品保持件可能不是补偿较小的局部表面不规则性的好的解决方案。

因此，本领域需要一种能够容易并且简单地对准SIL与样品表面的解决方案。

发明内容

本发明下面的概要是为了提供对本发明的某些方面和特征的基本理解。该概要不是对本发明的广泛的概述，因此不是为了具体地确定本发明的关键的或重要的元件或者描绘本发明的范围。它唯一的目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为下面要呈现的更加详细描述的前奏。

各种公开的实施方式允许固体浸没透镜自由倾斜以及被动地将自己定位成垂直于样品(诸如，例如晶片或者半导体芯片)的表面，不需要关于光学元件倾斜样品或者样品保持件，或者也不需要相对于样品倾斜光学元件。这样，光学系统的光轴保持与样品对准，并且仅仅倾斜SIL以与样品的局部表面匹配。

公开了一种用于固体浸没透镜(SIL)的光学装置。该装置使得SIL能够自由倾斜。该装置包括具有从SIL的接合表面和后表面延伸的光轴的SIL；SIL壳体，其具有配置为将SIL接收在其中，同时允许SIL在腔体内自由倾斜的腔体，其中该腔体包括定位以使得光轴从其穿过，从而允许SIL收集的光线传播至物镜的孔；以及，连接至SIL壳体并配置为防止SIL从腔体脱出的SIL保持器。该光学装置可进一步包括促使SIL抵靠SIL保持器的弹性元件。该弹性元件可包括，例如利用弹簧连接到SIL壳体并被弹簧促使抵靠SIL的后表面的支撑环，或者配置为将气体输送至腔体并形成气体轴承以使得SIL在腔体内没有摩擦地倾斜的气体入口。此外，可连接一个阀，以控制到达该入口的气体的流速。

SIL可以围绕垂直地通过光轴的倾斜轴自由地倾斜。在一个实施方式中，该倾斜轴可穿过由SIL的后表面的曲率半径所定义的圆形的中心。SIL可以是锥形形状，其类似冰激凌锥形筒。该光学装置可进一步包括物镜壳体，并且其中SIL壳体可滑动地连接至物镜壳体。

还公开了一种光学显微镜，包括：用于保持样品的工作台；光学装置，包括：物镜壳体；定位在物镜壳体内的物镜；具有从SIL的接合表面和后表面延伸的光轴的SIL；SIL壳体，其具有配置为将SIL接收在其中，同时允许SIL在腔体内自由倾斜的腔体，其中该腔体包括定位以使得光轴从其穿过，从而允许SIL收集的光线传播至物镜的孔；以及，连接至SIL壳体并配置为防止SIL从腔体脱出的SIL保持器。

公开了一种用于检查样品的方法，包括：将样品放置在测试台上；将光学装置放置在样品上方，该光学装置包括位于SIL壳体内的固体浸没透镜(SIL)以及位于物镜壳体内的物镜；将SIL悬浮在形成在SIL壳体中的腔体内，从而使得SIL能够自由倾斜；使该光学装置朝向样品推进，使得SIL的接合表面与样品物理接触；以及，将SIL壳体和物镜壳体相对于彼此滑动以实现聚焦。悬浮SIL的步骤可包括将气体注入腔体内。

附图说明

并入并构成本说明书的一部分的附图举例说明了本发明的实施方式，并且结合说明书用于解释和说明本发明的原理。附图的目的是以图解的方式解释示例性实施方式的主要特征。附图不是为了描绘实际的实施方式的每一个特征或者所描述的元件的相对尺寸，并且不是按比例绘制的。

图1A-1C是根据公开的实施方式，描述SIL如何围绕垂直于它的光轴的轴倾斜从而同样品的表面一致的一般原理图。

图2A是描述利用机械偏置的倾斜的SIL的一个实施方式的横截面的示意图。

图2B是描述利用机械偏置的倾斜的SIL的另一个实施方式的示意图。

图3A和3B示出其中偏置力是可变的并可被动态控制的例子。

图3C示出使用液体轴承用于倾斜SIL的实施方式的分解图。

图4是可引入所公开的倾斜SIL以及可用于检查、测试和调试半导体器件的系统的一般原理图。

本发明参考其由附图示例的特定的实施方式进行描述。但是，应该理解的是，附图中所描述的各种实施方式仅仅是示例，并不限制在附加的权利要求书中所定义的本发明。

具体实施方式

根据一个实施方式，允许SIL端部围绕它自己的中心点旋转/倾斜从而符合样品的表面。在这种设计中，SIL端部定位在环形形状的底座或者凹座中，该底座或者凹座被设计为将端部悬浮在流体(例如空气)垫或者可替换的介质垫上。此外，环形形状使得所收集的光线的全数值孔径(NA)穿过并达到后面的物镜。

当SIL的端部接近并接触样品时，它将围绕它自己的中心轴倾斜(根据一个实施方式，在空气垫上)直到端部的表面与样品浮动接触。

随着系统继续朝向样品移动物镜以获得合适的聚焦，能够维持SIL能够旋转或者将它保持在合适的位置。例如，空气压力可被控制以总是使得端部在它的底座中悬浮在它的空气垫上，由此使它能够根据需要再调节它的定向。相反地，空气压力可被控制，使得空气垫瓦解，并且端部与它的底座或凹座进行物理接触，并随后通过较大的摩擦力保持在那个位置。

图1A-1C示意性示出SIL如何围绕垂直于它的光轴的轴倾斜以符合样品的表面。在图1A中，SIL 100位于SIL壳体105的圆形腔体内。物镜120位于物镜壳体115内。穿过物镜120和SIL 100的光轴由虚线140示出。SIL100被保持在腔体内，使得它可以围绕在进入纸面的方向上垂直地通过光轴140的轴倾斜，如弯曲的双箭头所示。在一些实施方式中，还提供了小的游隙，使得SIL 100能够沿着它的光轴直线运动，如直线全双箭头所示。下面将更详细的解释使得SIL能够倾斜和直线运动的实施方式。

图1A示出其中SIL还没有接触样品150的情形。图1B示出其中SIL 100接触样品150的情形。在不同的情况下，样品的表面可以是不平坦的或者表面没有完全地垂直于SIL 100的接合表面定位。图1B和1C中通过样品150夸张地倾斜示出了这些情况。如图1B中示出，一旦接触样品150，SIL 100就会倾斜，使得它的接合表面平行于样品的表面。从某种意义上说，引用SIL的接合表面意味着该表面接触样品以及收集来自样品的光线。

图1C示出其中当SIL 100被进一步压到样品150上时的实施方式。因而，将SIL壳体105连接至物镜壳体115的弹性元件110就会收缩(参见图1C中的开双箭头)，使得从SIL到物镜的距离也会缩短以获得聚焦。在该特定的例子中，当SIL被推靠在样品150上时，它就会与腔体的后表面物理接合，使得它的位置被保持，并且SIL进一步倾斜就变得更加困难。在其它实施方式中，SIL被保持为在腔体内“悬浮”，使得它总能自由地倾斜。

图2A示出利用机械偏置倾斜的SIL的一个实施方式的横截面。图2A中与图1A-1C中的那些相似的元件采用相同的附图标记标识，除了它们是2xx系列。图2A中所示的SIL与图1A-1C中示出的稍微有些不同，不同是图2A中的SIL具有类似冰激凌锥形筒的圆锥形状。因为绘图的比例，看上去好像SIL的接合表面是个尖点，但这只是绘图的人工因素。接合表面具有接合区域，并不是尖点。SIL的后表面是光线出射表面，并且具有定义的曲率，该曲率具有定义的半径。因此，该后表面定义了具有中心的假想的圆形。在一些实施方式中，允许SIL围绕穿过该圆形的中心的轴自由地倾斜。

在图2A中，SIL 200位于支撑环202内。支撑环202允许SIL 200倾斜，如通过弯曲的箭头和以虚线表示的“影像”SIL所示。支撑环202可利用诸如弹簧204的弹性附接件附接至SIL壳体205。弹性附接件204提供偏置以驱使SIL 200靠着样品。SIL保持器206设置在SIL200之上，以便于将SIL200保持在支撑环202内。同在其它实施方式中一样，SIL壳体205可相对于物镜壳体215线性移动，如双箭头所示。

图2B示出另一个实施方式，其中，倾斜是通过机械弹性元件实现的。在图2B中，弹性元件是通过使得SIL壳体205的顶部形成对称弯曲元件形成的。这是通过在SIL壳体205的上表面上制作多个细长的切口207实现的。在该实施方式中，制成多个螺旋形切口，其中螺旋形切口是交替的，以使得顶表面能够在任何方向上弹性弯曲，如弯曲箭头所示，从而使得SIL的光轴倾斜。应该注意的是，为了清楚起见，图2B中仅示出SIL腔体201，省去了SIL本身。

在图2A和2B的实施方式中，利用弹性附接件204或者弹性壳体205机械地提供偏置。因而，根据，例如，弹簧204或者弹性壳体205的弹簧常数，量化偏置力。图3A-3C示出其中偏置力是可变的并可以被动态控制的例子。在图3中，偏置是利用液体压力控制的，利用，例如气体，空气或者液压使SIL 300悬浮。

在图3A中，SIL 300被示出位于非倾斜方位，而图3B中SIL 300则被示出位于倾斜方位。图3A和3B中与图1A-1C中的那些相似的元件由相同的附图标记表示，除了它们是3xx系列。在图3A和3B中，SIL 300被定位在空气轴承308内，空气轴承308通常是在SIL壳体305中加工的腔体。SIL保持器306确保SIL 300不会从空气轴承308中脱出。管道312设置用于将液体输送至空气轴承308。软管314连接在管道312和阀316之间，另一个软管314连接在阀316和泵318之间。阀316可以电连接至控制器以控制它的位置，从而控制空气轴承308的压力。

如图3A和3B中所示，SIL被容纳在腔体308内，腔体308被加工以同SIL 300的后表面309的半径匹配。这种装置限制SIL 300仅围绕它的半径旋转，即，围绕穿过由SIL 300的后表面309的半径定义的假想的圆形的中心的轴旋转。该轴垂直于SIL的光轴定向。光轴是由虚线示出，倾斜轴是由中间为叉的圆形示出，表明该轴是进入纸面的，但可以围绕中心点(都垂直于光轴)旋转360°。

这里提到的“空气轴承”与元件308的结构相关，与所使用的液体无关。在最简单的形式中，确实可使用空气压力；但是，在其它实施方式中，也可以使用其它的气体，例如，氩气，或者可选择地可以使用液体，例如，可以使用折射率匹配油，以形成液压轴承。使用空气轴承(或者液压轴承)使得SIL 300能够悬浮在由SIL壳体305中的腔体308和SIL保持器306所限定的空间中。因此，所公开的轴承可称之为悬浮轴承。SIL悬浮使得SIL 300非常容易相对于样品呈现一定方位，以使得SIL 300的接合表面与样品的表面在接合点处平行。

图3C示出使用用于倾斜的SIL的浮动轴承的实施方式的分解图。SIL 300位于精密加工的浮动轴承腔体308内。腔体308被加工以与SIL 300的后表面309的曲率相匹配。浮动轴承内的中心孔303使得由SIL收集的光线能够穿过物镜。保持板片306连接至SIL壳体305以将SIL 300保持在腔体308内。

因此，所公开的多种实施方式允许SIL端部符合它要接触的样品表面的倾斜或者不规则。在一些实施方式中，该机构包括用于限制端部仅仅围绕垂直穿过SIL光轴的轴旋转，以与后面的物镜保持光学对准的装置。而且，该装置使得端部的全数值孔径(NA)传播至后面的物镜并保持端部始终遵循样品。也就是说，不论样品的表面拓扑如何，SIL的端部固定遵循样品的表面。提供SIL保持器以限制端部从它被容纳的底座脱出。

根据公开的实施方式，提供一种显微镜学方法，包括步骤：使端部悬浮在浮动轴承或其它介质上，使得它几乎没有摩擦；将SIL容纳在腔体内，该腔体与SIL端部的后表面的半径匹配并限制端部仅仅围绕它的半径旋转；腔体具有圆环状，使得SIL的后部仅仅在它的外表面上被支撑并使得SIL的全NA穿过达到后面的物镜；控制空气轴承的浮力使其超过作用在SIL上的偏置/力，使得SIL的端部与样品耦合，从而允许SIL始终悬浮而且符合。可选择地，可控制浮力使其小于用于将端部耦合至样品的偏置/力，从而在使用时使得悬浮特征瓦解并使得SIL停靠在它的腔体底座内。

所公开的实施方式可以在用于观察样品中的极小特性的各种光学系统中实施。所公开的实施方式尤其适用于用在半导体器件的检查和测试中的光学系统。图4中示出了这样的系统的一般原理图，这样的系统可用于检查、测试和调试半导体器件，在本领域通常称之为待测设备(“DUT”)。图4中的所概括的系统可以是，例如，发射显微镜、激光电压探测器(LVP)、激光电压成像(LVI)、激光辅助装置改造(LADA)等。图4中的参考数字与图1A-3B中的参考数字没有相关性。在图4中，虚线箭头表示光路，而实线箭头表示电信号路径。由曲线表示的光路通常使用光纤光缆实现。

光学系统400包括激光光源(在该特定的例子中，是双激光光源)DLS 410，光具座412，以及数据获取和分析装置414。光具座412包括用于安装DUT 460的设备。常规的ATE测试器440向DUT 460提供激励信号并接收来自DUT 460的响应信号442，并且可向时间基准板455提供触发和时钟信号444。来自测试器的信号通常经由测试板、DUT板(适配器板)以及连接所有这些部件的各种光缆和界面传输至DUT。通常，ATE和光学测试系统通过不同的且不相关的公司生产和销售。因此，对发明系统的实施方式的描述的引用仅仅涉及光学测试系统，不涉及ATE。也就是说，ATE不属于光学测试系统400的一部分。

回到光学测试系统400，时间基准板455将信号获取与DUT激励和激光脉冲同步。工作站470控制和接收、处理以及显示来自信号采集板450、时间基准板455以及光具座412的数据。

现在将对光学系统400的各种元件进行详细描述。因为时间分辨率在测试DUT中非常重要，所以图4的实施方式利用脉冲激光，其中脉冲激光宽度决定系统的时间分辨率。双激光光源410包括两个激光器：用于产生10-35ps脉宽脉冲的脉冲锁模激光器MLL 404光源，以及可以外部选通以产生大约1μs脉宽脉冲的连续波激光光源CWL 406。MLL 404光源在固定频率(典型地100MHz)下运行，并且必须经由时间基准板455上的锁相回路(PLL)与提供至DUT 460的激励442以及由ATE测试器提供的触发和时钟信号444同步。使用光纤光缆415将DLS 410的输出传输至光具座412。

接下来光束由光束光学器件425控制，其引导光束以照射DUT 460的被选择的部分。光束光学器件425包括激光扫描显微镜(LSM 430)和光束控制光学器件(BMO 435)。并未示出这样的光学装置(诸如物镜等)中常见的具体元件。通常，BMO 435包括需要将光束操纵成需要的形状、焦距、偏振等的光学元件，而LSM 430则包括需要在DUT的指定区域扫描光束的元件。BMO 435的光学元件可包括由任何一个实施方式所公开的SIL装置，从而使得DUT中的非常小的特征能够成像。除了扫描光束，LSM 430具有向量指向模式，以将激光光束引导和“停放”在LSM和物镜的视场中的任何位置。X-Y-Z工作台420将光束光学器件425相对于静止的DUT 460进行移动。利用工作台420和LSM 430的向量指向模式，DUT 460上任何感兴趣的点均可被照明和探测。

为了探测DUT 460，ATE 440向DUT发送激励信号442，与提供至时间基准板455上的锁相回路的触发和时钟信号同步。锁相回路控制MLL 404以将它的输出脉冲与发送至DUT上的激励信号442同步。MLL 404发射照射DUT上的正被激励的感兴趣的特定器件的激光脉冲。来自DUT的反射光线被SIL收集，并被引导至光束光学器件425的剩余的光学元件上，并经由光纤光缆434传送至光探测器438。所反射的光束根据器件对于激励信号的反应改变特性(例如，强度)。

附带地，为了监控入射激光功率，用于补偿激光功率波动的目的，例如，光具座412提供将MLL 404入射脉冲的一部分经由光纤光缆432转移至光探测器436的装置。

光探测器436，438的输出信号被发送至信号采集板450，依次将信号发送至控制器470。通过操纵时间基准板455上的锁相回路，控制器470控制MLL 404脉冲相对于DUT 460的激励信号442的精确时间位置。通过改变这个时间位置并监控光探测器信号，控制器470可以分析DUT对于激励信号422的时间响应。分析的时间分辨率取决于MLL 404脉冲的宽度。

执行连续波LVP也是本领域熟知的，其中利用连续波激光被用于照射DUT上的器件，并收集连续反射的光线。连续反射的光线包含涉及有源器件对各种激励信号响应(即，开关)的定时信息。反射光线信号被光探测器，例如，雪崩光电二极管(APD)连续转变为电信号并被放大。定时信息包含在电信号中，并且表示器件被检测的模式，然后在时间域利用示波器显示或者在频率域利用光谱分析仪显示。

尽管已经参考本发明特定的实施方式对其进行了描述，但是，本发明并不限于那些实施方式。特别地，本领域技术人员可以对本发明进行各种改变和修改，只要没有偏离由附加的权利要求书所定义的本发明的精神和范围。此外，上面所引用的所有的现有技术参考均以参考的方式并入本文中。