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

顯微鏡一般是先通過低倍顯微鏡觀察整體形貌和缺陷，然后用高倍顯微鏡進一步確認缺陷，比如裂紋，斷裂，沾污，變形等異常，常用的顯微鏡觀測方式有明場，暗場，干涉照明，偏振光，熒光顯微鏡等。

光學顯微鏡明場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入物鏡，大部分的反射光線會返回，因而照明強度大，適用于表面平整的樣品，明場觀測到的發(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，因而可以觀測到明場看不到的一些微觀形貌，能得到比較理想的圖像，即暗場照明是通過接收傾斜光和阻隔入射光來提供反差，對一些精細特征如空洞，裂縫和分層等進行檢查時比較有效。

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構反差。另外在失效分析中用的較多的是液晶熱點探測（LCT）, 起偏器濾掉沒有J化的入射光，把J化的偏振光入射到樣品表面，將檢偏器進行轉(zhuǎn)動直到達到理想的對比度，找到液晶溫度異常點，即發(fā)暗的區(qū)域。

微分干涉照明（DIC）：微分干涉相襯顯微術，原理是將來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，這個過程對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微的細節(jié)變得非常明顯，很多明場無法觀測到的細節(jié)得以觀測，比如存在凸凹結構的表面，利用差動干涉成像很有效。

熒光顯微鏡：紫外熒光顯微鏡是用短波長的紫外光激發(fā)出熒光來進行觀察的顯微鏡。某些標本在可見光中覺察不到結構細節(jié)，但樣品經(jīng)過熒光染料染色處理，以汞燈光源照射，熒光物質(zhì)當被短光波的紫外線照射時則發(fā)出可見光線，形成可見的圖像，有機材料一般激發(fā)出綠色光，可以對樣品表面的污染物進行檢測。在塑封半導體器件的分析中，常用于檢查水汽通過封裝材料二進入內(nèi)部的滲入路徑，方法是先進行熒光劑的灌封，之后進行斷面拋光，然后放在熒光顯微鏡下進行觀察，染料進入的區(qū)域即存在分層，開裂，空洞等缺陷。