JP2000275277A - 電気光学サンプリングプローバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フォトダイオードへのノイズの伝達を防止し
て、測定精度の向上を図る。 【解決手段】 フォトダイオード４８を、ＥＯＳ光学系
の本体フレーム側から、セラミクス（絶縁体）によって
形成されたＰＤステージ取付板５２およびＰＤホルダ５
４を介して保持するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定信号によっ
て発生する電界を電気光学結晶に結合させ、タイミング
信号に基づき生成された光パルスをこの電気光学結晶に
入射し、入射した光パルスの偏光状態により、被測定信
号の波形を観測する電気光学サンプリングプローバに関
し、特に、プローバのＳ／Ｎ比を向上させるための改良
に関する。

【０００２】

【従来の技術】被測定信号によって発生する電界を電気
光学結晶に結合させ、この電気光学結晶にレーザ光を入
射し、レーザ光の偏光状態により被測定信号の波形を観
測することができる。ここでレーザ光をパルス状にし、
被測定信号をサンプリングすると非常に高い時間分解能
で測定することができる。この現象を利用した電気光学
プローバを用いたのが電気光学サンプリングプローバで
ある。

【０００３】この電気光学サンプリング（Electro−Opt
ic Sampling）プローバ（以下「ＥＯＳプローバ」と略
記する）は、電気式プローブを用いた従来のプローバと
比較して、 １）信号を測定する際に、グランド線を必要としないた
め、測定が容易 ２）電気光学プローバの先端が回路系から絶縁されてい
るので高入力インピーダンスを実現でき、その結果被測
定点の状態をほとんど乱すことがない ３）光パルスを利用することからＧＨｚオーダーの広帯
域測定が可能 ４）電気光学結晶をＩＣなどのウエハに接触させ、ＩＣ
ウエハ上の配線にレーザ光を集光することによって、金
属ピンを物理的に接触させることができない細い配線で
も測定が可能といった特徴があり注目を集めている。

【０００４】以下の説明において、光の波長の単位は
［ｎｍ］を用いる。従来技術におけるＥＯＳプローバの
構成を図１１により説明する。図１１において、符号１
は、ＩＣウエハであり、外部と電源線、信号線によって
接続されている。符号２は、電気光学結晶でできた電気
光学素子である。符号３は、対物レンズであり、電気光
学素子２へ入射する光を集光するためのものである。符
号４は、ダイクロイックミラー４ａ、ハーフミラー４
ｂ、反射鏡４ｃを備えたプローバ本体である。符号６
は、フォトダイオードと偏光ビームスプリッタと波長板
などからなるＥＯＳ光学系モジュール（以下、ＥＯＳ光
学系と称する）である。

【０００５】符号７は、端部にファイバコリメータ７ａ
を備えた光ファイバであり、符号８は、ＥＯＳ光学系に
光を供給するレーザ光源であり、出射する光の最大強度
の波長は１５５０［ｎｍ］である。符号９は、測定する
ＩＣウエハ１を照明するためのハロゲンランプである。
このハロゲンランプ９は、必ずハロゲンランプである必
要はなく、キセノンランプやタングステンランプ等であ
ってもよい。

【０００６】符号１０は、ＩＣウエハ１上の配線に光を
集光させる位置決めの確認を行う赤外線カメラ（以下Ｉ
Ｒカメラと称する）であり、撮像された映像はモニタ１
０ａに表示される。このＩＲカメラ１０は、５００〜１
８００［ｎｍ］の波長域において受光感度を有してい
る。符号１１は、ＩＣウエハ１を吸着して固定する吸着
ステージであり、直交したｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の方向に微
動が可能である。

【０００７】また、図１２は、ＥＯＳ光学系６の構成を
模式的に示す図である。ＥＯＳ光学系６の基本要素は偏
光ビームスプリッタと波長板とフォトダイオードである
が、雑音を低減し、感度を増加することのできる図１２
に示す構成の光学系が実用的である。図１２に示すよう
に、ＥＯＳ光学系６は、本体フレーム１２の内部に光路
１３が形成された構成となっており、光路１３上に、1/
2波長板１４，１５、1/4波長板１６、偏光ビームスプリ
ッタ１７，１８、および、ファラディー素子１９が配列
された構成となっている。

【０００８】また、光路１３の側方の偏光ビームスプリ
ッタ１７，１８に対向する位置には、フォトダイオード
２２，２３が配置されている。これらフォトダイオード
２２，２３は、本体フレーム１２側から保持されてい
る。

【０００９】次に、図１１を参照して、レーザ光源８か
ら発せられたレーザ光の光路について説明する。図１１
において、プローバ本体４内のレーザ光の光路を符号
Ａ、Ｂ、Ｃで表す。

【００１０】先ず、レーザ光源８から出射したレーザ光
は光ファイバ７を通り、ファイバコリメータ７ａによっ
て平行光に変換される。この平行光は、さらにＥＯＳ光
学系６内の光路１３（図１２参照）を通り、プローバ本
体４内に入射し（図１１に示す光路Ａ）、反射鏡４ｃに
よって９０度折り返される（図１１に示す光路Ｂ）。こ
こで用いられる反射鏡４ｃは、ガラスの表面にアルミ等
を蒸着した全反射の表面ミラーである。

【００１１】次に、反射鏡４ｃによって折り返されたレ
ーザ光は、ダイクロイックミラー４ａによってさらに９
０度折り返されて（図１１に示す光路Ｃ）、対物レンズ
３によってＩＣウエハ１の配線上に配置された電気光学
素子２のＩＣウエハ１と対向する側の面に集光される。
ここで用いられるダイクロイックミラー４ａの特性を図
１３に示す。図１３において、ｘ軸は波長、ｙ軸は透過
率を表している。図１３に示すように波長１５５０［ｎ
ｍ］の光を５％透過し、９５％反射する特性を有してい
る。したがって、レーザ光源から発せられた光の９５％
は反射して９０度折り返される。

【００１２】電気光学素子２のＩＣウエハ１と対向する
側の表面には誘電体ミラー（反射膜）２ａが蒸着されて
おり、そこで反射したレーザ光は、対物レンズ３によっ
て再び平行光にされて、光路Ｃ、Ｂ、Ａの順でＥＯＳ光
学系６へ戻る。さらにこの反射光は、光アイソレータ２
０により分離されて、フォトダイオード２２，２３に入
射し、電気信号に変換される。

【００１３】このような構成のＥＯＳプローバを用い
て、被測定信号を測定する動作は、以下のようになる。
ＩＣウエハ１上の配線に電圧を加えると、電気光学素子
２では、その電界が電気光学素子２へ加わり、ポッケル
ス効果により屈折率が変化する現象が起きる。これによ
り、レーザ光源８から発せられたレーザ光が電気光学素
子２へ入射し、誘電体ミラー２ａにおいて反射され、再
び同じ経路を戻り、電気光学素子２から出射するときに
光の偏光状態が変化する。そして、この偏光状態が変化
したレーザ光は、光路Ｃ、Ｂ、Ａを通ってＥＯＳ光学系
６に入射する。

【００１４】ＥＯＳ光学系６へ入射した光は、ＥＯＳ光
学系６内において、上記偏光状態の変化が光強度の変化
に変換される。この光強度変化をフォトダイオード２
２，２３によって受光して電気信号に変換するととも
に、この電気信号を信号処理部（図示せず）において信
号処理することによって、ＩＣウエハ１上の配線に加わ
る電気信号を測定することができる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ＥＯＳプローバにおいては、光強度変化を電気信号とし
て検出するフォトダイオード２２，２３が、ＥＯＳ光学
系６の本体フレーム１２により保持された構成となって
いるために、ＩＣウエハ１における電磁界の変化、ある
いは、ＥＯＳプローバの周囲の電磁界の変化等が、本体
フレーム１２を介してフォトダイオード２２，２３に伝
達して、ノイズとして検出されてしまい、Ｓ／Ｎ比の低
下が生ずるという問題点があった。

【００１６】このような問題点に鑑み、本発明において
は、フォトダイオードへのノイズの伝達を防止して、測
定精度の向上を図ること課題とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明においては以下の手段を採用した。すなわち、
請求項１記載の電気光学サンプリングプローバは、電気
光学サンプリングプローバ本体の制御信号に基づいてレ
ーザ光を発するレーザ光源と、測定対象のＩＣウエハ上
の配線に接した状態で配置されて、前記配線に印加され
る電圧の変化に伴い発生した電界の変化に対応して、そ
の光学特性が変化する電気光学素子とを備え、前記電気
光学素子における前記配線に対向する表面には、反射膜
が形成され、前記レーザ光源から前記電気光学素子に照
射されたレーザ光が、前記電気光学素子内を透過すると
ともに、前記反射膜において反射され、さらに、この反
射光が光学系モジュールにおいて分離されて電気信号に
変換される構成の電気光学サンプリングプローバにおい
て、前記光学系モジュールは、本体フレーム内に前記反
射光が通過する光路が形成されるとともに、前記光路上
に波長板および偏光ビームスプリッタが配列された構成
とされ、前記光路の側方の前記偏光ビームスプリッタに
対向する位置にフォトダイオードが配置され、前記フォ
トダイオードは、前記本体フレーム側から絶縁体を介し
て保持されていることを特徴としている。

【００１８】また、請求項２記載の電気光学サンプリン
グプローバは、請求項１記載の電気光学サンプリングプ
ローバであって、前記フォトダイオードのリード端子が
保持される配線部および前記リード端子が接続されたコ
ネクタが、前記本体フレーム側から絶縁されていること
を特徴としている。

【００１９】このような構成としたために、これらの電
気光学サンプリングプローバにおいては、フォトダイオ
ードあるいは、フォトダイオードのリード端子やコネク
タに、ＩＣウエハやＥＯＳプローバの周囲の電磁界の変
化の影響がおよぶことを防止することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照して説明する。なお、この実施の形態における
ＥＯＳプローバの基本的構成は、上述の従来のＥＯＳプ
ローバと同一であるために、ここでは、これらの相違点
を中心に説明するとともに、上記従来の技術と共通する
構成については、同一符号を付し、説明を省略する。

【００２１】図２に示すように、本実施の形態における
ＥＯＳプローバ３１は、レーザ光源８と、測定対象のＩ
Ｃウエハ１上の配線に接した状態で配置されて、この配
線に印加される電圧の変化に伴い発生した電界の変化に
対応して、その光学特性が変化する電気光学素子２とを
備えた構成となっている。

【００２２】また、電気光学素子２における前記配線に
対向する表面には、誘電体ミラー（反射膜）２ａが形成
されており、レーザ光源８から電気光学素子２に照射さ
れたレーザ光が、電気光学素子２内を透過するととも
に、誘電体ミラー２ａにおいて反射され、さらに、この
反射光がＥＯＳ光学系３２において分離されて電気信号
に変換される構成となっている。

【００２３】図３，４，５は、ＥＯＳ光学系３２の構成
の詳細を示す立断面図、側断面図、および、平面図であ
る。このＥＯＳ光学系３２は、本体フレーム３３内に、
レーザ光源８からの入射光および電気光学素子２からの
反射光が通過する光路３４が形成された構成となってお
り、この光路３４上に、1/2波長板３５，３６、1/4波長
板３７、偏光ビームスプリッタ３８，３９、および、フ
ァラディー素子４０が配列されて、これらにより、光ア
イソレータ４１が形成された構成となっている。

【００２４】また、図中に示すように、光路３４の側方
の偏光ビームスプリッタ３８，３９に対向する位置に
は、フォトダイオード保持部４３，４４が形成されてい
る。これらフォトダイオード保持部４３，４４は、ＥＯ
Ｓ光学系３２の本体フレーム３３に対して固定されてお
り、Ｘ軸ステージ４５，Ｙ軸ステージ４６，ＰＤステー
ジ取付部４７，および、フォトダイオード４８を備えて
構成されている。

【００２５】Ｘ軸ステージ４５およびＹ軸ステージ４６
は調整ネジ５０，５１を回転させることにより、偏光ビ
ームスプリッタ３８，３９からフォトダイオード４８，
４８に至る方向をＺ軸とした場合に、Ｘ軸およびＹ軸方
向のＰＤステージ取付部４７の位置を微調整させる構成
となっている。

【００２６】また図１に、ＰＤステージ取付部４７の構
成を示す。図中に示すように、ＰＤステージ取付部４７
は、Ｘ軸ステージ４５に取り付けられたＰＤステージ取
付板５２と、ＰＤステージ取付板５２に取り付けられた
レンズ５３と、レンズ５３に対応した位置にフォトダイ
オード４８を取り付けるためのＰＤホルダ５４とを備え
て構成されている。

【００２７】ＰＤステージ取付板５２は、図６，７，８
に示すような断面視コ字状の部材であり、偏光ビームス
プリッタ３８，３９（図１参照）に対向する位置に、レ
ンズ取付孔５５が形成され、このレンズ取付孔５５に、
レンズ５３が取り付けられるようになっている。また、
ＰＤホルダ５４は、図１に示すように、レンズ５３の偏
光ビームスプリッタ３８，３９（図１参照）と反対側の
位置に取り付けられるとともに、図９，１０に示すよう
に、円筒状に形成され、その内部にフォトダイオード４
８を保持することが可能な構成となっている。さらに、
これらＰＤステージ取付板５２およびＰＤホルダ５４
は、絶縁体であるセラミクスにより形成されている。

【００２８】また、図４に示すように、フォトダイオー
ド４８から延出する同軸ケーブル５６には、リード端子
５７が接続されており、これらリード端子５７は、配線
部５８により保持されるとともに、コネクタ部５９に接
続されている。配線部５８は、本体フレーム３３に取り
付けられたガラスエポキシ、セラミック等よりなる絶縁
板６０により構成されている。また、コネクタ部５９
は、その中心に図示しないコネクタを保持するものであ
り、セラミック、プラスチック等よりなる絶縁体により
形成されている。これにより、これら配線部５８および
コネクタについても、本体フレーム３３側から絶縁され
ることとなる。

【００２９】次に、ＩＣウエハ１上の被測定信号を測定
する動作について説明する。先ず、レーザ光源８から出
射したレーザ光は、光ファイバ７を通り、ファイバコリ
メータ７ａによって平行に変換され、さらに、光アイソ
レータ４１を直進して、ＥＯＳ光学系３２より出射し、
プローバ本体４内に入射する。

【００３０】プローブ本体４内に入射したレーザ光は、
反射鏡４ｃによって９０度折り返され、さらにダイクロ
イックミラー４ａによって９０度折り返されて、対物レ
ンズ３によってＩＣウエハ１上の配線の表面に集光され
て入射する。

【００３１】このとき配線に加わる電圧によって、その
電界が電気光学素子２へ加わり、電気光学素子２では、
ポッケルス効果により屈折率が変化する現象が起きる。
これにより、電気光学素子２へ入射したレーザ光が電気
光学素子２を伝搬するときに光の偏光状態が変化する。
そして、この偏光状態が変化したレーザ光は、ＩＣウエ
ハ１の配線上の電気光学素子２の表面の反射膜２ａによ
って反射され、電気光学素子２へ入射したときと同じ光
路を逆に進み、ＥＯＳ光学系３２へ入射する。この入射
されたレーザ光は、光アイソレータ４１によって分離さ
れ、レンズ５３，５３を通過して、フォトダイオード４
８，４８へ入射し、フォトダイオード４８，４８におい
て電気信号に変換されるとともに、同軸ケーブル５６，
リード端子５７，コネクタ部５９に保持された図示略の
コネクタを通じて図示略の信号処理部に出力される。

【００３２】測定点（ＩＣウエハ１上の配線）の電圧の
変化にともなって、電気光学素子２による偏光状態の変
化がフォトダイオード４８，４８間の出力差として検出
され、これにより、ＩＣウエハ１上の配線に伝わる電気
信号を測定することができる。

【００３３】この場合、上述のように、フォトダイオー
ド４８およびレンズ５３を保持するＰＤステージ取付板
５２およびＰＤホルダ５４をセラミクスにより形成した
ため、ＩＣウエハ１における電磁界の変化やＥＯＳプロ
ーバ３１周囲の電磁界の変化がＥＯＳ光学系３２の本体
フレーム３３を介してフォトダイオード４８に伝達して
ノイズとして検出されることを防止することができる。
これにより、測定精度の向上を図ることができる。

【００３４】また、配線部５８およびコネクタ部５９に
ついても、絶縁材が用いられることにより、本体フレー
ム３３を介したリード端子５７およびコネクタへの電磁
界の変化の伝達が遮断されることとなり、フォトダイオ
ード４８からの測定結果にノイズが混入することを防止
することができ、これにより、より一層の測定精度の向
上を図ることができる。

【００３５】なお、上記実施の形態において、本発明の
趣旨を逸脱しない範囲内で他の構成を採用してもよい。
例えば、上記実施の形態において、フォトダイオード４
８およびレンズ５３を保持するためのＰＤホルダ５４お
よびＰＤステージ取付板５２は、セラミクスにより形成
されていたが、これに代えて、フェノール樹脂、ポリア
セタール樹脂等の樹脂材を用いるようにしても良い。こ
れにより、ＰＤホルダ５４およびＰＤステージ取付板５
２の加工の容易化を図ることができる。また、この他に
も、ＰＤホルダ５４およびＰＤステージ取付板５２に他
の絶縁体を使用するようにしても構わない。さらに、配
線部５８を構成する絶縁板６０およびコネクタ部５９の
材料に他の絶縁材を使用するようにしても構わない。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、フォトダイオードを光学系モジュールを構成する本
体フレーム側から絶縁体を介して保持するようにしたた
め、ＩＣウエハにおける電磁界の変化や電気光学サンプ
リングプローバ周囲の電磁界の変化がフォトダイオード
に伝達してノイズとして検出されることを防止すること
ができ、これにより、従来に比較して、測定精度の向上
を図ることができる。また、フォトダイオードのリード
端子の配線部およびリード端子に接続されたコネクタに
ついても、本体側から絶縁されているために、この部分
への電磁界の変化を防止して、測定精度のより一層の向
上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態を模式的に示す図であ
って、ＥＯＳプローバのＥＯＳ光学系におけるＰＤステ
ージ取付部の拡大立断面図である。

【図２】 本発明の一実施の形態であるＥＯＳプローバ
の概略構成図である。

【図３】 図２に示したＥＯＳプローバにおけるＥＯＳ
光学系の平面図である。

【図４】 同、立断面図である。

【図５】 同、側断面図である。

【図６】 図１に示したＰＤステージ取付部におけるＰ
Ｄステージ取付板の側面図である。

【図７】 同、立断面図である。

【図８】 同、図６と反対方向から見た際の側面図であ
る。

【図９】 図１に示したＰＤステージ取付部におけるＰ
Ｄホルダの立断面図である。

【図１０】 同、図９中Ｓ方向から見た際の側面図であ
る。

【図１１】 本発明の従来の技術を示すＥＯＳプローバ
の概略構成図である。

【図１２】 図１１に示したＥＯＳプローバにおけるＥ
ＯＳ光学系の概略構成図である。

【図１３】 図１１に示したＥＯＳプローバにおいて用
いられるダイクロイックミラーにおける入射光の波長
（ｘ軸）−透過率（ｙ軸）の関係を示す特性曲線図であ
る。

【符号の説明】

１ ＩＣウエハ ２ 電気光学素子 ２ａ 反射膜 ３１ ＥＯＳプローバ（電気光学サンプリングプロー
バ） ３２ ＥＯＳ光学系（光学系モジュール） ３３ 本体フレーム ３４ 光路 ３５，３６ 1/2波長板 ３７ 1/4波長板 ３８，３９ 偏光ビームスプリッタ ４３，４４ フォトダイオード保持部 ４７ ＰＤステージ取付部 ４８ フォトダイオード ５２ ＰＤステージ取付板 ５４ ＰＤホルダ ５７ リード端子 ５８ 配線部 ５９ コネクタ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 克志 東京都大田区蒲田４丁目19番７号 安藤電 気株式会社内 (72)発明者 永妻 忠夫 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 品川 満 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 山田 順三 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気光学サンプリングプローバ本体の制
   御信号に基づいてレーザ光を発するレーザ光源と、 測定対象のＩＣウエハ上の配線に接した状態で配置され
   て、前記配線に印加される電圧の変化に伴い発生した電
   界の変化に対応して、その光学特性が変化する電気光学
   素子とを備え、 前記電気光学素子における前記配線に対向する表面に
   は、反射膜が形成され、 前記レーザ光源から前記電気光学素子に照射されたレー
   ザ光が、前記電気光学素子内を透過するとともに、前記
   反射膜において反射され、さらに、この反射光が光学系
   モジュールにおいて分離されて電気信号に変換される構
   成の電気光学サンプリングプローバにおいて、 前記光学系モジュールは、本体フレーム内に前記反射光
   が通過する光路が形成されるとともに、前記光路上に波
   長板および偏光ビームスプリッタが配列された構成とさ
   れ、 前記光路の側方の前記偏光ビームスプリッタに対向する
   位置にフォトダイオードが配置され、 前記フォトダイオードは、前記本体フレーム側から絶縁
   体を介して保持されていることを特徴とする電気光学サ
   ンプリングプローバ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電気光学サンプリングプ
   ローバであって、 前記フォトダイオードのリード端子が保持される配線部
   および前記リード端子が接続されたコネクタが、前記本
   体フレーム側から絶縁されていることを特徴とする電気
   光学サンプリングプローバ。