失效分析過(guò)程中，樣品形貌主要通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察和記錄，光學(xué)顯微鏡可以提供幾倍到上千倍的放大倍數(shù)，另外光學(xué)顯微鏡對(duì)半導(dǎo)體的某些多層結(jié)構(gòu)具有透明性，比如二氧化硅鈍化層。光學(xué)顯微鏡要求樣品是固體，在高倍觀測(cè)時(shí)由于景深的限制，要求樣品表面要平坦。

使用顯微鏡一般是先通過(guò)低倍顯微鏡觀察整體形貌和缺陷，然后用高倍顯微鏡進(jìn)一步確認(rèn)缺陷，比如裂紋，斷裂，沾污，變形等異常，常用的顯微鏡觀測(cè)方式有明場(chǎng)，暗場(chǎng)，干涉照明，偏振光，熒光顯微鏡等。

光學(xué)顯微鏡明場(chǎng)照明的圖像是由反射光形成的，光源的入射光垂直射向樣品表面，從樣品表面反射后重新進(jìn)入物鏡，大部分的反射光線會(huì)返回，因而照明強(qiáng)度大，適用于表面平整的樣品，明場(chǎng)觀測(cè)到的發(fā)暗的或者不清晰的區(qū)域可能是由于表面不平所致。

暗場(chǎng)照入射光是以一定的角度發(fā)出的，這樣就可以使一些從側(cè)面或者不平的表面反射的光被光路系統(tǒng)接收，因而可以觀測(cè)到明場(chǎng)看不到的一些微觀形貌，能得到比較理想的圖像，即暗場(chǎng)照明是通過(guò)接收傾斜光和阻隔入射光來(lái)提供反差，對(duì)一些精細(xì)特征如空洞，裂縫和分層等進(jìn)行檢查時(shí)比較有效。

偏振光：偏振光照明是利用偏振器將入射光變?yōu)槠矫嫫窆馓峁┓床?，偏振光將所有與分析儀不平行的光濾掉，此方法能提供各相異性金屬和相位的微觀結(jié)構(gòu)反差。另外在失效分析中用的較多的是液晶熱點(diǎn)探測(cè), 起偏器濾掉沒(méi)有級(jí)化的入射光，把級(jí)化的偏振光入射到樣品表面，將檢偏器進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)直到達(dá)到理想的對(duì)比度，找到液晶溫度異常點(diǎn)，即發(fā)暗的區(qū)域。

微分干涉照明：微分干涉相襯顯微術(shù)，原理是將來(lái)自均勻的光源的光束分裂，一束光用作參考，另一束光則由樣品改變，然后組合成樣品的完整圖形，這個(gè)過(guò)程對(duì)圖形的微小變化及其敏感，尤其在較高的放大倍數(shù)下更明顯，它可以使樣品表面很細(xì)微的細(xì)節(jié)變得非常明顯，很多明場(chǎng)無(wú)法觀測(cè)到的細(xì)節(jié)得以觀測(cè)，比如存在凸凹結(jié)構(gòu)的表面，利用差動(dòng)干涉成像很有效。

熒光顯微鏡：紫外熒光顯微鏡是用短波長(zhǎng)的紫外光激發(fā)出熒光來(lái)進(jìn)行觀察的顯微鏡。某些標(biāo)本在可見(jiàn)光中覺(jué)察不到結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，但樣品經(jīng)過(guò)熒光染料染色處理，以汞燈光源照射，熒光物質(zhì)當(dāng)被短光波的紫外線照射時(shí)則發(fā)出可見(jiàn)光線，形成可見(jiàn)的圖像，有機(jī)材料一般激發(fā)出綠色光，可以對(duì)樣品表面的污染物進(jìn)行檢測(cè)。在塑封半導(dǎo)體器件的分析中，常用于檢查水汽通過(guò)封裝材料二進(jìn)入內(nèi)部的滲入路徑，方法是先進(jìn)行熒光劑的灌封，之后進(jìn)行斷面拋光，然后放在熒光顯微鏡下進(jìn)行觀察，染料進(jìn)入的區(qū)域即存在分層，開(kāi)裂，空洞等缺陷。