集成电路的光学纳米探测的制作方法

本申请要求享有于2015年06月25日提交的、序列号为62/184,822的美国临时专利申请的优先权权益，通过引用将该美国临时专利申请的整体内容并入本文中。

技术领域

本发明处于使用扫描或/和步进(接触)纳米探测(nanoprobing)系统的集成电路的光电子表征的领域中。

背景技术：

纳米探测覆盖了包括纳米物体的各种类型的空间的、电气的、机械的、合成的和化学物理表征的分析科学的广泛领域。纳米电子设备，例如先进(＜130nm)IC，是这种物体的示例。

使用1000-1500nm的激光的常规远场光学探测超出了分辨率。目前，即使是最复杂的光子运送和采集光学(固体浸没透镜，SIL)提供约200nm的横向分辨率且在进行一些更大的努力来提供约100nm的分辨率。需要的光学空间分辨率大约是最小栅(或接触水平)间距的两倍。技术节点处的晶体管的间距尺寸对于20nm的节点是大约140nm，对于14nm的节点是大约100nm，对于10nm的节点是大约70nm，以及对于7nm的节点是大约50nm；这些尺寸也是晶体管的光学探测的分辨率所需要的。因此，必须要提高光学商用/工业探测器的分辨率以遵循摩尔定律——行业趋势。

近场扫描光学显微术(NSOM)是提高超出衍射极限的光学分辨率的已知方法。该方案具有严格的限制，该限制与光子采集效率对孔直径和波长的比值的强烈相关性(Bethe理论的四次方相关性)有关。对于1250nm的非偏振的光子(目前光路分析所用的1000nm至1500nm范围的中间值)以及200nm的孔直径，效率接近1.5％，对于50nm的孔仅为0.006％或者可能最佳为0.8％。样本发射的17,000个光子中最多仅一个光子被采集到。对于实际应用，光子采集效率是不够的。

为了克服光学显微术分辨率的衍射极限，在过去使用了各自近场渐逝(evanescence)辐射方法。例如：使用具有小于衍射极限的尺寸的光纤开口的NSOM。在近场情况下，系统的分辨率由光学探针(光纤、针孔等等)的孔径限定。伴随着任意近场渐逝方法的问题是其很差的光子运送和采集效率。具有光纤探针的NSOM的采集效率随着光纤孔径或者随着其作为D³(实验)或甚至D⁴(理论)的函数的空间分辨率而下降。对于1250nm光，100nm针孔的期望透射率约为0.0001，而对于50nm的分辨率，应该预期0.00006的透射率。这甚至进一步减少了该方法的处理量，并且使得基于光纤NSOM的高分辨率OCA完全无法实践。

目标是采集与目标晶体管/二极管相互作用或由目标晶体管/二极管发射的每个可能的光子，但是仍保留所需的空间分辨率。近场转换器(NFT)或/和光学纳米天线已经被用于将光能量集中于尺寸小于衍射极限的光斑中。目前该NFT开发由数据存储公司支持，因为热辅助磁记录(HAMR)技术有希望获得更高的数据存储密度。今天可以使用在800nm波长(或与磁性介质效率耦合)处具有从少许到百分之几十的透射率的各种NFT来获得近场中的～20nm的分辨率。注意NSOM需要的用于光学探测的波长可以比远场探测所需要的短，远场探测可以对大于10μm的硅厚度起作用，然而，NSOM必须对小于250nm的硅厚度起作用。这些数值应该是与直径为20nm的简单的金属孔的透射率(约0.0002％)相比较的。因此，NFT显著提高了近场光学的效率(透射率、耦合效率)。

用于从具有激光扫描系统的感兴趣区域(ROI)的多点采集光子的成像远场光学系统的空间分辨率根本上被由Ernest Abbe定义的所谓的衍射极限限制。该空间分辨率取决于波长、数值孔径以及光学系统的质量和样本的发射、反射或吸收特性。该相同的衍射极限限制了某个尺寸以下的激光探针的减少。该极限再次由波长、数值孔径和聚焦光学器件的质量限定。已知少数技术有助于克服光学系统的分辨率的衍射极限。它们中的一个是扫描或定位ROI的近场中的纳米级光子传感器/源。可以使用NSOM，在NSOM中，涂覆有导体的光纤的孔径限定了“传感器/源”的尺寸。尽管细光纤的透射率很差，该类型的NSOM有时被用于向具有纳米级分辨率的ROI运送光子(源激光的高功率有帮助)。然而，使用NSOM来采集发射的或反射的光子受到限制。亚波长孔的理论光子采集效率随着直径的四次方与波长的比值而下降。一些实验数据表明了蚀刻和金属涂覆的光纤透射率的较不急剧的衰减——随着直径的三次方与波长的比值。即使在该三次方的情况下，从远场光学器件提供的250nm分辨率到NSOM的50nm分辨率，将导致信号减少超过2个量级(1/125或0.008)。考虑到NSOM的连续数据采集算法，会面对从具有250nm分辨率的并行成像到具有50nm分辨率的连续扫描显微术的处理量的显著损失(仅额外的数据采集时间能够提高信噪比，SNR)。为了使该方法被工业应用所接受，纳米级的、亚波长光学器件的光子采集效率(或透射率)必须被显著提高。

因此，在该领域需要实现对未来设计节点处的IC的探测，由于没有足够的分辨率和/或光子采集效率，使用目前的技术不能探测该节点处的IC。本公开内容描述了用于进行这种探测的系统和方法。

技术实现要素：

包括以下发明内容是为了提供对本发明一些方面和特征的基本理解。本发明内容不是本发明的全面综述，并且因此并非意在具体地标识本发明的关键或重要元件或叙述本发明的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本发明的一些概念，作为下文要呈现的更具体的描述的引言。

公开的实施例通过利用与扫描或步进纳米探测系统结合的NFT获得了光学探测的纳米级空间分辨率。该(机械的)扫描光学系统的空间分辨率是由近场扫描光学显微镜(NSOM)中的光学探针的尺寸限定的。

根据所公开的实施例，为热辅助磁记录(HARM)开发的近场转换器技术可被应用于基于工作IC的元件的局部变热/辐射的光路分析(OCA)技术。例如，其中波长必须高于1250nm的动态热激光激励(stimulation)和静态热激光激励可以使用这些实施例来实现。在公开的实施例中，HAMR NFT被设计为放置于与要进行适当操作的目标相距几十纳米(15至25nm)的距离处——比典型的NSOM的距离减少了很多。

本发明的一些方面包括但不限于具有用于向通电的IC运送或从该IC采集光子的纳米尺寸光学探针的扫描或步进探测器，其具有纳米级空间分辨率(被用于高效光子采集和运送的单个NFT或多于一个NFT的组合)。显微镜(光学或扫描电子或扫描离子或任何其它显微镜)可以用于在样本上向ROI导航。本发明的集成纳米传感器组合了NFT和光子传感器，或者使用光纤光学器件或远场光学器件(透镜)来耦合NFT和光子传感器。替代地，集成纳米源将NFT和光子源直接组合，或者使用光纤光学器件或远场光学器件(透镜)来耦合NFT和光子源。纳米传感器或纳米源可被胶合到压电管上，压电管被用于保持NFT与样本表面之间的特定的角度和距离。振荡的压电管也被用于在探针着靶(1anding)期间检测表面接触和/或接近。这是通过对探针振荡(振幅和/或相位)的减弱的监测完成的。在一些实施例中，向样本运送或从样本采集光子是使用聚焦在ROI上的远场光学器件完成的，分别与用于采集或运送光子的近场光学器件同步。

根据其它方面，使能了以超出光学衍射极限的分辨率执行电子和光学样本纳米探测的方法，该方法包括以下步骤：对IC进行减薄或减层以将探测元件带到接近NFT(例如，小于1/10波长)的近场；使用显微镜(光学或扫描电子或扫描离子或任何其它显微镜)导航至ROI；对测试中的通电电路进行扫描/步进光学纳米级检查(光子发射/散射)或使用纳米级光子源来扰动测试中的电路(SLS：OBIRCH，TIVA，OBIC，LIVA，Seeback效应，等等)；使用功能测试器或电气探针来实施后侧和前侧光学探测，以从前侧对IC通电；使用时间分辨电光方法(脉冲)以检测并表征软故障(SDL、LADA、CPA、SIFT)；定位并表征IC的软和硬故障元件。

本发明的方面还包括下面的特征：在具有低于衍射极限的分辨率的OCA中使用高透射率NFT(单个NFT或超过一个NFT的组合)；使用3D纳米运动转换器(例如：压电管)以通过优化NFT与样本表面之间的角度和距离来提高NFT的采集效率；以及，采用高效NFT来加快前侧和后侧纳米探测中的设备和电路的高分辨率分析。

根据公开的实施例，提供了使用集成有纳米探测器的近场转换器(NFT)来对探测系统中的样本进行探测的方法，包括：将样本固定到台上；将具有形成于其取样尖部处的NFT的单模光纤光学器件固定到压电管上，其中，压电管附接到纳米探测器的叉；使用台将样本的感兴趣的区域(ROI)配准到探测系统的坐标；对纳米探测器的定位器通电，以将NFT带到距ROI的顶部表面规定的距离内，其中，规定的距离包括近场接近度，近场接近度是在探测期间所用的波长的分数，例如，十分之一；通过对压电管的减弱的监测来确定NFT到顶部表面的接近度；在ROI的顶部表面扫描NFT。

根据本发明的方面，提供了制造用于在预选的波长处操作的近场转换器的方法，包括：提供直径大于波长的单模光纤；在单模光纤的一端形成减薄的部分，其中，减薄的部分终止于直径小于波长的平坦底部处；以不透明的层涂覆平坦底部；在不透明的层中切出孔，该孔具有针对预选的波长进行优化、且小于预选的波长的直径；在孔附近的不透明层上生长金属尖部；以及，在不透明层的外周上形成对准标记。不透明层可以由诸如金等金属制成。孔可以被形成为具有C形，且金属尖部可以形成在C形孔的中心。尖部可以被生长为具有从50至100nm的高度，并且可以使用聚焦离子束辅助化学气相沉积进行生长。对准标记可以是使用聚焦离子束生长的金属凸块，或者使用聚焦离子束被蚀刻到不透明层上。

本发明的方面提供了集成了近场转换器的探测器，包括：探针空间定位器；附接到定位器的叉；附接到叉的自由端的振荡压电管；附接到振荡压电管的电导线；光纤，具有形成于其端部的近场转换器，光纤附接到振荡压电管，使得近场转换器在振荡压电管的下面延伸；其中，近场转换器包括形成在光纤的所述端部的锥形部分，形成在锥形部分的尖部处的金属涂层，和形成在金属涂层中的孔，以便暴露出穿过金属涂层的锥形部分的尖部。近场转换器还可以包括从金属涂层延伸出的金属尖部，延伸至从50nm到100nm的高度，且具有直径为从20nm到30nm的尖部顶点。

本发明的方面还提供了用于以超出光学衍射极限的分辨率执行电子和光学样本纳米探测的设备，包括：样本保持器；被配置用于跨样本导航至感兴趣的区域(ROI)的导航显微镜；探针空间定位器；附接到定位器的叉；振荡压电管，附接到叉的自由端并提供指示到样本的距离的输出；附接到振荡压电管的电导线；单模光纤，具有形成于其端部处的近场转换器，光纤附接到振荡压电管，使得近场转换器在振荡压电管的下面向着样本延伸；光电检测器；其中，近场转换器包括形成在单模光纤的端部的锥形部分，形成在锥形部分的尖部处的金属涂层，以及形成在金属涂层中的孔，以便暴露出穿过金属涂层的锥形部分的尖部。该设备还可以包括：被安置成向单模光纤中提供激光束的激光器；被安置成采集从样本反射的光并将反射光引导到光电检测器上的采集物镜；以及安置在采集物镜与光电检测器之间的偏振器。该设备还可以包括：被安置成向样本提供激光束的激光器；被安置成将来自激光源的激光束聚焦到ROI上的物镜；安置在单模光纤的出射侧的偏振器；其中，光电检测器安置在偏振器后方并接收穿过偏振器的光。该设备还可以包括多个导电纳米探针，附接到定位器并与信号源电耦合。

根据本发明的方面，可以使用单个或多于一个的近场纳米传感器以高空间分辨率来表征许多被同时通电的设备、甚至于大电路。

根据另一个方面，使能了以高空间分辨率将光子运送到通电电路的能力。

附图说明

根据参照以下附图给出的具体实施方式，本发明的其它方面和特征将变得显而易见。值得一提的是，具体实施方式和附图提供了本发明的各种实施例的各种非限制性示例，它们由所附的权利要求限定。

并入此说明书中并构成说明书的一部分的附图例示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释并示出本发明的原理。附图意在以图解的方式示出示例性实施例的主要特征。附图并非意在描绘实际实施例的每个特征也不是要描绘所描绘的元件的相对尺寸，并且不是按照比例绘制的。

图1是根据一个实施例的使用NFT的光的亚波长聚焦的图示。

图2是根据一个实施例的从使用NFT的光的亚波长源采集光子的图示。

图3是针对空气中和水中的金尖部的离散电场或作为尖部半径的函数的(电场)⁴的半峰值全宽度的横向分辨率的曲线图。

图4A和4B示出了根据公开的实施例的利用银纳米颗粒天线的单分子的辐射率的增强。

图5A是CAN-尖部的示意图，而图5B是在6nm处针对980nm的光从CAN-尖部的尖部计算的近场轮廓的曲线图。

图6A和6B对比具有特征尺寸a＝100nm的C-孔与100nm尺寸的方形孔的透射率和峰值光强。

图7是NFT和光传感器的集成的实施例的示意图。

图8示出了根据一个实施例的NFT和光子源的集成。

图9示出了根据一个实施例的NFT与光纤的集成的实施例。

图9A-9E示出了用于光纤的NFT腔的各种实施例。

图10是根据一个实施例的光纤和NFT与现代纳米探测系统的探针定位器的集成的示意图。

图11示出了根据公开的实施例的用于电活性IC的后侧光学纳米探测的装置。

图12示出了根据公开的实施例的用于电活性IC的后侧光学纳米探测的装置。

图13示出了根据公开的实施例的用于电活性IC的前侧光学纳米探测的装置。

图14示出了根据公开的实施例的用于电活性IC的前侧光学纳米探测的装置。

具体实施方式

对使用NFT的光子采集的了解相对少。图1和2呈现了两个过程的主要的图示：光子运送至样本以及对样本发射的光子的采集，如公开的实施例中实现的。

图1是使用NFT的光的亚波长聚焦的图示。聚焦的或平面波(左边示出的)在具有几百纳米的有效横截面的等离激元(plasmonic)NFT 100上发生衍射。加强的光通过NFT的孔105穿透到右半空间，孔105在近场中限定了聚焦光束的尺寸，其中，孔直径远小于照明波长，且要成像的对象位于与孔相距亚波长的距离处(h＜＜λ)。可以利用NFT获得百分之几十的耦合效率或透射率。聚焦光束的光强可明显(大于100x)超过入射光强。

图2是从使用NFT的光的亚波长源采集光子的图示。由亚波长源(右侧)发射的光子被具有几百纳米的有效横截面的等离激元NFT 200采集。预期的是百分之几十的NFT的最大采集效率。在孔-源未对准时采集效率迅速下降。那提供了基于NFT的光子采集系统的高的、纳米的空间分辨率。为了获得高分辨率和采集效率，光源必须被放置在NFT的近场距离(h＜＜λ)处。远场或近场检测器可以用于对传输到左半空间的光子进行计数。

如下根据图1和图2，NFT提高了常规光路分析的空间分辨率以及灵敏度或信噪比，由于电磁场(EM)通过接近NFT的光子的再分布而被增强。类似“漏斗”或“天线”的转换器可以用于理解该再分布如何工作。入射光子的EM场和密度在NFT与样本之间的缝隙中被放大了超过两个数量级(图1)。对于使用NFT采集的发射或/和散射光子(图2)，必须考虑反向路径。光子的采集几率(NFT的光子传递函数)在NFT至光子源的纳米级接近度内更高(可以高达百分之几十)。因此，一旦NFT被放置于目标发射/散射活性元件之上，信号增大，以NFT的空间分辨率指示其在(X，Y)处的原点。即，使用NFT的放置的可用准确度，可以使用由于NFT与目标未对准而导致的采集效率的猛烈下降来准确地确定发射元件的空间位置。将该过程与使用光纤NSOM探针的光子采集对比，其中发射的光子大部分被光纤尖部散射/反射回来，并且仅它们中的少数通过亚波长孔进入光纤。

在这一点，没有考虑利用非线性处理来增强光学探测的横向分辨率。然而，由于产生的二次谐波或拉曼或荧光光子的强度与入射光子的电场的四次方成比例，可以使用SHSG(二次谐波表面发生)、拉曼散射和荧光散射来进一步提高横向分辨率。假设NFT的孔附近的电场增强～10²，可以预期SHSG或拉曼产量(yield)增强～10⁸。该效应被用于所谓的尖部增强拉曼光谱(TERS)。

对隔离的金尖部周围1nm半径的电场(E)执行模拟。周围的介质是空气，并且该尖部被886nm波长的p偏振光以45度进行照明。针对各种半径的金尖部绘示了尖部顶点处的电场E的增强的光谱相关性。还绘示了散射电场的值。散射电场的整体光学增强被示为高达约108，即足够近场信号影响远场信号。在靠近金属或电介质样本的纳米尺寸金属尖部下，模拟预测了显著的(～10²)EM场增强。在该情况下，金属纳米颗粒(尖部顶点)被用作NFT。EM增强应导致散射光子(拉曼，荧光，二次谐波，等等)的产量中的10⁸的增益，以及光谱和SHSG的横向分辨率的显著提高。

图3是针对空气中和水中的金尖部的离散电场或作为尖部半径的函数的(电场)⁴的半峰值全宽度的横向分辨率的曲线图。斜率是0.75，意味着分辨率为尖部半径的约0.75。

该工作显示了可以预期使用非常简单的NFT(例如，附接到AFM探针上的金属纳米颗粒)来显著提高横向分辨率(LR)。还应预期TE光谱的信噪比的提高，因为该情况下的噪声是从大幅减少的样本面积采集的(相同的信号但是与SIL约200nm和TE约20nm的情况相比噪声减少约100)。

在这些模拟中，感兴趣的对象被放置在NFT的纳米接近度内的右下方。在光路分析的情况中，这种实验装置可能难以实现，其中IC应从顶部被供电，而光子采集应从后侧进行的，或者在另一个实施例中，电气探针从前侧将功率运送到电路并且发射的光子也将在前侧被采集。在两种情况下，光子行进穿过晶体硅(c-Si)或二氧化硅薄膜(前金属(pre-metal)电介质)并被其散射。这可能导致LR和光子采集效率的减少。近来，已经证明对功能性IC的后侧c-Si抛光降至70nm的保留厚度。现今纳米探测中使用具有20nm至50nm厚前金属电介质的样本。用于那些样本的最优NFT LR应当在30-50nm范围内。因为其符合图3中呈现的数据，可以获得30nm的LR。

下一个示例论证了利用80nm银颗粒来增强放置在玻璃表面上的染料分子的荧光，如图4A和4B所示。图4A示出了作为天线-分子间距的函数的归一化荧光速率(rate)。点是数据，而曲线是理论计算的结果。插图是纳米颗粒天线的扫描电子显微镜图像。颗粒由电介质尖部保持，波长λ＝488nm。图4B示出了通过样本的光栅扫描所记录的荧光速率图像，该样本具有在纳米颗粒天线下方z≈5nm的平面内的分散的染料分子。不同的荧光图像是由于分子跃迁偶极轴的不同的取向。

实验证实了TE拉曼光谱(TERS)对单分子的灵敏度以及基于银纳米颗粒的成像系统的高空间分辨率。该数据证实了模拟。重要的是，仅在NFT(Ag颗粒)与样本(染料分子)之间的距离小于10nm时，TERS显示出显而易见的增强。对于Z＝50nm，没有观察到增强。应预期对于穿过50nm厚的c-Si(后侧)或前金属电介质(前侧)进行成像同样会有极少的增强。

根据另一个示例，C形孔与纳米尖部(此处被称为c-孔纳米尖部，或CAN-尖部)NFT集成。该NFT使用C形孔谐振和尖部天线谐振，其可被独立调节。有限差时域模拟预测CAN-尖部提供高强度(650x)、高光学分辨率(-λ/60)、以及在980nm波长处的无背景近场照明。通过采用CAN-尖部作为NSOM探针已经实验证明了16.1nm的近场光学分辨率。

图5A是CAN-尖部的示意图，而图5B是在6nm处针对980nm的光从CAN-尖部的尖部计算的近场轮廓的曲线图。FWHM近场光斑尺寸是18.36nm×18.36nm。灰度等级条显示了归一化强度。白线描绘了每幅图中的孔的相对位置。C-孔的特征尺寸是40nm，并且尖部处的曲率半径是10nm。

图6A和6B对具有特征尺寸a＝100nm的C-孔与100nm尺寸的方形孔的透射率和峰值光强进行比较。两种结构具有可比拟的光斑尺寸。比较是针对980nm的光。两种结构具有可比拟的横向分辨率。对于C-孔和方形孔，光斑尺寸分别为128nm×136nm和140nm×80nm。C-孔具有高600x的功率处理量和高2000x的峰值光强。C-孔和方形孔分别具有88％和0.2％的透射率。将该C-孔与尖部结合创造了新的NFT，其具有非常高的透射率(由孔尺寸限定)和横向分辨率(由探针顶点直径限定)。CAN-尖部是新的并且非常有前途的类型的NFT。像所有基于尖部的转换器一样，该NFT也被设计成在非常接近样本的范围(～10nm)内进行操作。

在光子运送和光子采集方案中的NFT的集成

图7和图8显示用于高分辨率光子采集(图7)和光子运送(图8)的NFT集成方案的示例。在两种情况中，NFT用于低于衍射极限的高透射率光子聚焦。当硅并不是很薄时，在移动设备的低Vdd操作电压下，预期的由p/n结发射的光子的波长在1000nm至2000nm的范围内。当硅确实薄时，可以捕获更短波长的光子。但总是有更多的较长波长的光子。因此，在采集方案(图7)中使用的NFT的光子采集效率应在1500nm附近是最优化的。理想地，NFT应具有高达100nm的焦点深度，且NFT透射率应在50nm左右的深度是最优化的。NFT与样本之间较厚的膜降低了空间分辨率。通常，较短的NFT焦点深度提供更好的空间分辨率和更高的透射率。活性硅的厚度随着工艺节点减少的事实趋于衡量使IC能工作的保留的硅厚度与必要的分辨率。可以采用多种方式完成光子传感器和NFT的耦合，包括使用光纤或/和简单光学器件(透镜)将传感器直接附接至NTF(图7)。

图7的实施例证实了光子采集方案中的NFT与光传感器的集成。NFT700具有纳米级孔705，其直径远小于所采集的光子的波长。孔可以具有各种形状，例如，圆形、领结形、c形等。NFT 700被配置为放置于距样本距离h处，其中h远小于所采集的光子的波长。例如，传感器710可以是纳米电机系统或NEMS构建的纳米级热电耦或热电阻。光电传感器710直接附接到NFT，位于孔705后面。该方案保证了具有约30×30nm2的空间分辨率的百分之几十的光子采集效率。

图8示出了在光子运送方案中的NFT 800和光子源815的集成。例如，光子源815可以是具有1000nm以上波长的微米尺寸的LED。作为一个选项，光纤或简单的光学器件(聚焦透镜)可以插入在LED与NFT之间。NFT提供了低于衍射极限的高透射率的光聚焦。

LED 815和NFT 800的耦合可以以不同的方式进行，包括将LED 815直接附接到NFT 800，使用光纤或/和简单的光学器件(透镜)。由于这将减少LED对纳米定位器和样本的热影响，LED 815的远端位置(光纤的选项)可以受益。热系统漂移的减少对于一些应用可能是关键的。取决于应用，应该优化LED的光子能量。在大部分情况下，低于约1060nm(c-Si的能隙的尺寸)的波长应该适合于将光子能量运送到IC的元件。在50nm厚的c-Si层(后侧探测)中的光子的吸收应该足够高以提供IC的元件的局部加热或光致激发。脉冲调制和锁相放大的使用应该提高探测的信噪比。

图9示出了NFT 900与单模光纤920的集成的实施例。CAN-尖部925是两个不同的NFT的良好的组合，其提供了对特定波长透射率的优化并且还运送了可控的(由尖部顶点的尺寸限定)空间分辨率。商业上可获得的单模光纤的直径在8μm至10.5μm的范围内。甚至8μm直径的光纤会阻塞IC的重要区域，使光学探针(NFT)到ROI的导航复杂化。因此，光纤的至亚波长直径的额外窄化是被强烈推荐的，如图9中的锥形部分930所示。在这方面，单模光纤(SMF)是被设计为仅沿着光纤直接向下运载光的光纤，其也被称作横模，因此它与光纤的长度垂直(横截)地发生电磁振动。

为了制造图9的实施例的设备，将单模光纤920减薄(930)至亚波长直径935。在图9的示例中，尖部被配置用于1060nm的波长，因此光纤的尖部被减薄至低于波长的直径，在该示例中是700nm。光纤的减薄的底端随后被覆盖有约150nm厚的膜，该膜具有金属层涂层940，例如，金或银层。FIB用于在、金层940中切出C-孔945，具有针对特定波长而优化的尺寸。随后使用FIB辅助化学气相沉积(CVD)工艺将约50至100nm高的金属尖部950生长在C-孔的中心。FIB还用于将尖部顶点955磨尖至20至30nm的直径。FIB辅助CVD随后用于在光纤外周上生长20至30nm金属对准标记955。代替生长，FIB还可以用于蚀刻对准标记。利用自顶向下的SEM，这些标记是可见的，并且这些标记可以用于简化光学探针到ROI的导航。替代地，该标记可以利用电子束来沉积。

图9A-9E示出了穿过光纤的尖部的金属层涂层940制得的孔的各实施例。图9A示出了由同心槽围绕的圆孔，图9B示出了图9的实施例的C-孔，图9C示出了三角孔，图9D示出了L形孔，并且图9E示出了领结状孔。如从图9A-9E可以看到的，C形孔最适合用于金属尖部950。

根据本文所公开的不同的实施例，光学或/和扫描电子显微镜用于将光学和电子探针导航至ROI。首先，使用样本台运动将ROI带到预设的位置，例如，工具坐标系统的原点。随后，当ROI被定位于探针之下时，使用探针定位器跨ROI进行光学近场和电子探针的扫描或步进，预先利用工具坐标系统对探针定位器进行了配准。在描述NFT与测试系统的集成之前，提供对光纤NFT与纳米探测器的集成的描述。图10示出了光纤和NFT与现代纳米探测系统的探针定位器的集成的示例。

图10是根据一个实施例的在其尖部具有NFT的光纤与现代纳米探测系统的探针定位器的集成的图示。图10的插图编号内部的图示出了该实施例的元件，这些元件安装在标准探针定位器102上。将在本文中解释插图编号内部的这些元件，尽管标准探针定位器102的元件不必被论述，因为可以使用任何标准探针定位器。

参见图10，精细定位器101控制叉103的精细运动。振荡压电管104固定到叉103的端部并耦合至四个同轴线106。在探针着靶到样本期间，振荡压电管104用于检测样本表面接触和/或接近。这是通过对探针的振荡(振幅和/或相位)的减弱的监控来完成的。根据本文所述的任一个实施例的形成在转换器中的光纤120附接到压电管104，从而保持光纤120的尖部处的NFT(太小以至于不能显示)与样本的表面之间的特定的角度和距离。根据一个实施例，光纤120被胶合至压电管104。通常在使用期间，样本与光纤120的尖部处的NFT之间的距离在几nm至10nm之间变化。

根据所公开的实施例中的任一个的光学近场探针可以用于各种装置中。近场传感器可以用于向样本运送光子(图11、14)，和从样本的ROI采集光子(图12、13)。远场光学器件可以与近场光学器件结合使用(图11、12)。光学探针可以与晶片电子测试器一起用于后侧OCA(图11、12)或/和连同电气纳米探针一起用于前侧OCA(图13、14)。将在下面的实施例中证实这些布置中的一些。

图11示出了用于电活性IC的后侧光学纳米探测的装置。图11中所示的实施例可以用于光路分析的静态激光激励(SLS)和动态激光激励(DLS)方案中。样本111(在该示例中，减薄的集成电路芯片)放置在样本定位器113上。样本定位器113可以是x-y-z台，其中，x-y-z台可以用于将样本配准到系统的坐标，以简化到感兴趣的区域(ROI)的导航。导航显微镜114随后可以用于将ROI放置在纳米探测器定位器10I的扫描范围之下或内。导航显微镜可以是光子、电子或离子显微镜。电子显微镜可以提供有益的精度，但是可能会由于真空要求而包含更高的成本。

纳米探针定位器随后将形成于光纤120的尖部处的NFT放置在距ROI的上表面规定的距离处，其中，规定的距离包括近场接近度，近场接近度为在探测期间所用的波长的分数，例如，十分之一。在图11的示例中，波长是激光源107的波长。为了准确地将NFT放置接近在ROI的上表面的近场处，对压电管104的减弱进行监测。可以通过感测耦合到叉103的压电管104的振荡的振幅、相位或振幅和相位来监测所述减弱。

对于特定的探测，可以利用测试信号为样本113通电，测试信号有时被称为测试矢量，由例如常规的自动测试设备(ATE)来施加，该设备未在该图示中示出。ATE是公知的，并且用于将测试矢量发送到IC中并感测IC对测试矢量的电气响应。

在图11的实施例中，当测试矢量被施加到IC上时，激光器107产生激光束，其被耦合到光纤120中。在光纤的出口尖部处的NFT用于将光子从激光束运送到ROI。由于激光束以单模形式穿过光纤并经由NFT退出尖部，光子被聚焦到ROI上的非常小的空间分布中。即，光子运送可以达到纳米级准确度，从而以IC内的特定的设备或特定的节点作为目标。随后使用远场光学器件106采集散射光，并且将散射光直接导向光电检测器109。在该实施例中，偏振器108用于增强信噪比。此外，光纤可以用于向ROI运送激光束和从ROI采集反射的光子二者。例如，激光束可以是脉冲的，使得在脉冲被运送到ROI之后，光纤可以用于采集反射的光子。对于这样的实施例，任选的偏转光学器件116(例如，半反射镜)可以用于将所采集的光子偏转到光电检测器109’上。

图12示出了用于电活性IC的后侧光学纳米探测的装置。图12的许多元件类似于图11中所示的元件，因此以相同的附图标记来表示。在该实施例中，远场聚焦光学器件106用于将来自激光源107的激光束聚焦到ROI上。单模光纤120的尖部处的NFT采集从由NFT的采集分辨率所限定的空间区域反射或散射的光子。在该实施例中，在使用诸如ATE的测试器电激活去封装(depackaged)且减薄的样本111时，可以执行照明和采集。在一个示例中，远场光学器件106用于将偏振激光束运送到ROI。位于光纤120的端部的偏振器108可以用于增强信噪比。像图11的示例中一样，该装置可以用于OCA的SLS和DLS方案中。

在替代的实施例中，光电检测器109是超导纳米线单光子检测器(SNSPD)。这样的实施例可以用于检测从IC内的活性设备发出的单光子，而不用来自激光器107的照明。为了有效的SNSPD发射检测，透镜可以放置在偏振器108的位置处，即，在光纤光学器件120的出口尖部与光电检测器109之间。使用该装置，系统形成了发射显微镜，其具有将发射分解成纳米级的空间分辨率的能力。此外，通过将SNSPD的信号与ATE的时钟同步，该系统可以形成时间分解的发射显微镜，其具有将发射分解成纳米级空间分辨率的能力。在任一情况下，系统能够以比现今用固体浸没透镜(SIL)可能得到的分辨率更高的分辨率分解发射。

图13示出了用于电活性IC的前侧光学纳米探测的装置。图13的许多元件类似于图11中所示的元件，因此以相同的附图标记来表示。在该实施例中，形成在光纤120的尖部处的NFT用于采集由去封装且去层的IC 111的设备发射的光子。使用纳米探针117(示出了4个探针)电激活IC 111。纳米探针117为导电纳米探针，其被定位器驱动以准确地放置在ROI内选定的导电元件上。纳米探针117可以用于将测试矢量直接运送到ROI内的选定的导电元件。当测试矢量使晶体管切换状态时，晶体管发射光子。在NFT的采集半径内发射的光子通过光纤120朝向光纤120的出口尖部传输。偏振器108可以放置在光纤120的出口尖部处，并且用于增强信噪比。随后光电检测器109检测到光子。该装置可以用于OCA的静态和动态激励方案中。

图14示出了用于电活性IC的前侧光学纳米探测的装置。图14的许多元件类似于图13中所示的元件，因此以相同的附图标记来表示。在该实施例中，位于光纤120的尖部处的NFT用于将光子运送到去封装且去层的IC 111的设备。使用纳米探针117(示出了4个探针)电激活IC 111。该装置可以用于OCA的SLS和DLS方案。例如，可以经由纳米探针117将测试信号施加到IC，并且可以使用纳米探针117来检测IC中的各设备的电气响应。随后，激光源107被激活并且激光束耦合到光纤光学器件120中，以将光束聚焦到ROI内的特定位置上，从而加热那个位置。测试信号随后再次经由纳米探针117被施加到IC，并使用纳米探针117来检测加热条件下的IC内的各设备的电气响应。这可以用于检测在特定操作条件下遇到失败的设备。

出于解释的目的，已经参考具体实施例描述了前面的说明书。然而，上述说明性论述并非旨在穷举或限制于所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。实施例被选择并描述以最佳地解释所述方面的原理及其实际应用，从而使本领域技术人员利用适合于预期的特定用途的各种修改来最佳地利用所述方面和各实施例。