JP2015114158A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度に応じて変化する被測定対象の電気的特性を高精度に測定し得る測定装置を提供する。
【解決手段】測定用動作時における温度検出部１２の検出結果からＤＵＴ１の温度変化が調整基準温度変化として温度波形モニタ部１３により取得されると、この調整基準温度変化がメモリ１３ａに記憶される。そして、発熱制御回路１６により、メモリ１３ａに調整基準温度変化が記憶された測定用動作の後になされる同じ測定用動作時に、上記調整基準温度変化に基づいて、ＤＵＴ１の温度変化を抑制するように発熱部１４が制御される。
【選択図】図４

Description

本発明は、温度に応じて変化する被測定対象の電気的特性を測定する測定装置に関するものである。

半導体装置のような被測定対象の電気的特性を測定する際、その電気的特性が温度によって変化する場合がある。このため、発熱素子等を有する被測定対象では、その発熱素子等の発熱や周囲の温度によって電気的特性がばらついてしまい、高精度な電気的特性の測定の阻害要因となる。

測定時における被測定対象の温度に起因する電気的特性のばらつきを抑制する技術として、例えば、下記特許文献１に開示される半導体装置の高温検査方法が知られている。この高温検査方法では、半導体素子に保護ダイオードが設けられる半導体装置が検査対象であり、検査装置は、測定した保護ダイオードの順方向電圧から設定温度と半導体装置の温度との温度差を算出し、この温度差が０になるように保護ダイオードに順方向電流を通電して半導体素子を自己発熱させる。この半導体素子の自己発熱により、半導体装置を所望の高温状態に維持することで、検査時における半導体装置の電気的特性のばらつきを抑制する。

特開２００６−１３８７１１号公報

近年、さらなる高機能化・高性能化を図る製品開発のため、開発時に評価される被測定対象の電気的特性をより高精度に測定したいという要望がある。しかしながら、上述のように被測定対象の温度を測定してこの温度と設定温度との温度差が０になるように発熱手段を発熱させる温度制御をフィードバックで行う構成では、被測定対象の温度が急変する場合などには、温度制御に遅れが生じてしまい被測定対象の温度がばらついてしまう。このように被測定対象の温度がばらつくと、その電気的特性もばらついてしまうため、高精度な電気的特性の測定が困難になるという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、温度に応じて変化する被測定対象の電気的特性を高精度に測定し得る測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明は、温度に応じて変化する被測定対象（１，１ａ，１ｂ）の測定用動作時における電気的特性を測定するための測定装置（１０）であって、前記被測定対象の温度（Ｔａ，Ｔｂ）を検出する温度検出手段（１２）と、前記測定用動作時における前記温度検出手段の検出結果から前記被測定対象の温度変化を調整基準温度変化として取得する取得手段（１３）と、前記取得手段により取得された前記調整基準温度変化が記憶される記憶手段（１３ａ）と、前記被測定対象の温度を調整する温度調整手段（１４）と、前記温度調整手段を制御する制御手段（１５，１６）と、を備え、前記制御手段は、前記記憶手段に前記調整基準温度変化が記憶された前記測定用動作の後になされる同じ測定用動作時に前記調整基準温度変化に基づいて前記被測定対象の温度変化を抑制するように前記温度調整手段を制御することを特徴とする。
なお、特許請求の範囲および上記手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

請求項１の発明では、測定用動作時における温度検出手段の検出結果から被測定対象の温度変化が調整基準温度変化として取得手段により取得されると、この調整基準温度変化が記憶手段に記憶される。そして、制御手段により、記憶手段に調整基準温度変化が記憶された測定用動作の後になされる同じ測定用動作時に、上記調整基準温度変化に基づいて、被測定対象の温度変化を抑制するように温度調整手段が制御される。

これにより、調整基準温度変化が取得される際の測定用動作時に被測定対象の温度が変化する場合でも、その後の同じ測定用動作時には、前回測定された被測定対象の温度変化に基づきその温度変化を小さくするように温度調整手段を制御することで、被測定対象の温度変化を抑制することができる。特に、測定用動作時に検出された温度変化を調整基準とすることから被測定対象の温度の急変等も考慮されるため、温度制御をフィードバック等で行う場合と比較して、被測定対象の温度変化が確実に抑制されるので、被測定対象の電気的特性を高精度に測定することができる。

本実施形態に係る測定装置の概略構成を示すブロック図である。 ＤＵＴとして採用されるＮＭＯＳトランジスタの基本構成を示す説明図である。 ＤＵＴの電気的特性測定時の流れを例示するフローチャートである。 発熱制御によるＮＭＯＳトランジスタの特性変化を示すタイムチャートである。 ＤＵＴとして採用される基準電圧発生回路および他の回路を示す説明図である。 発熱制御による基準電圧発生回路の特性変化を示すタイムチャートである。

以下、本発明に係る測定装置を具現化した一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示す測定装置１０は、温度に応じて変化する被測定対象（Device Under Test：以下、ＤＵＴ１ともいう）の電気的特性を高精度に測定するための装置である。この測定装置１０は、測定回路１１と、温度検出部１２と、温度波形モニタ部１３と、発熱部１４と、変換回路１５と、発熱制御回路１６とを備えている。

測定回路１１は、ＤＵＴ１に対して所定の制御信号を出力することで当該ＤＵＴ１に所定の測定用動作を実施させるとともに、この測定用動作時にＤＵＴ１から出力される特性信号を取得することで当該ＤＵＴ１の電気的特性を高精度に測定するための回路として構成されている。

温度検出部１２は、ＤＵＴ１の温度を検出する温度検出手段として機能するもので、ＤＵＴ１の近傍に配置されて、ＤＵＴ１の温度に応じた温度信号を温度波形モニタ部１３に出力するように構成されている。

温度波形モニタ部１３は、ＤＵＴ１の温度変化を取得する取得手段として機能するもので、測定回路１１から制御信号が入力される測定用動作時に、温度検出部１２により検出されるＤＵＴ１の温度変化を、調整基準温度変化として取得するように構成されている。この温度波形モニタ部１３はメモリ１３ａを備えており、このメモリ１３ａには、上述のように取得された調整基準温度変化に関するデータが記憶されるように構成されている。なお、メモリ１３ａは、「記憶手段」の一例に相当し得る。

発熱部１４は、その発熱に応じてＤＵＴ１の温度を調整する温度調整手段として機能するものある。本実施形態では、発熱部１４は、例えば、スイッチング素子により構成されており、スイッチング素子に入力される駆動信号のデューティ比を制御することで、その発熱量が調整される。具体的には、デューティ比を高くすることでスイッチング素子による発熱量が高められ、デューティ比を低くすることでスイッチング素子による発熱量が低められる。

変換回路１５は、メモリ１３ａに記憶される調整基準温度変化に関するデータに基づいて、この調整基準温度変化を抑制するために発熱部１４を発熱させる際に当該発熱部１４に入力する駆動信号を作成する回路として構成されている。また、発熱制御回路１６は、変換回路１５にて作成された駆動信号に基づいて発熱部１４の発熱を制御する回路として構成されている。なお、変換回路１５および発熱制御回路１６は、「制御手段」の一例に相当し得る。

次に、上述のように構成される測定装置１０を用いて、ＤＵＴ１としてＮＭＯＳトランジスタ１ａの電気的特性を測定する場合について、図２〜図４を参照して説明する。図２は、ＤＵＴ１として採用されるＮＭＯＳトランジスタ１ａの基本構成を示す説明図である。図３は、ＤＵＴ１の電気的特性測定時の流れを例示するフローチャートである。図４は、発熱制御によるＮＭＯＳトランジスタ１ａの特性変化を示すタイムチャートである。なお、図４では、発熱部１４を用いた発熱制御がなされない状態を破線にて示す。

図２に示すＮＭＯＳトランジスタ１ａは、ゲート制御により負荷電流Ｉｄが制御され、その温度に応じて電流能力（Ｉｄ）が特性変動しやすい。すなわち、例えば、ＮＭＯＳトランジスタ１ａの温度Ｔａが上昇すると、負荷電流Ｉｄが低下するという特性を有する。このため、ＮＭＯＳトランジスタ１ａの電気的特性を高精度に測定するためには、測定用動作時におけるＮＭＯＳトランジスタ１ａの温度変動をなくすように温度Ｔａを一定に保つ必要がある。

そこで、本実施形態では、ＮＭＯＳトランジスタ１ａを組み込んだ測定装置１０を用いることで、所定の測定用動作を実施させるための所定の制御信号としてパルス状のゲート電圧ｖｇが印加されるときのＮＭＯＳトランジスタ１ａの温度Ｔａを一定に保ち、この温度一定の状態でＮＭＯＳトランジスタ１ａの電気的特性を測定する。

以下、具体的なＮＭＯＳトランジスタ１ａの電気的特性の測定処理方法について、図面を参照して説明する。
まず、被測定対象であるＮＭＯＳトランジスタ１ａを、図１に示すＤＵＴ１として組み込んだ測定装置１０を用意する。そして、測定回路１１によりゲート電圧ｖｇが印加されることでＮＭＯＳトランジスタ１ａにて所定の測定用動作が開始されると（図３のＳ１０１でＹｅｓ：図４のｔ０）、温度検出部１２の検出結果に基づいて、測定用動作時を含めた１ターン分（ｔ０−ｔ１間）のＮＭＯＳトランジスタ１ａの温度Ｔａの変化が調整基準温度変化として取得される（Ｓ１０３）。そして、この調整基準温度変化に関するデータがメモリ１３ａに記憶される（Ｓ１０５）。

また、調整基準温度変化が取得されると、変換回路１５により、この調整基準温度変化を抑制するために発熱部１４を発熱させる際に当該発熱部１４に入力するための駆動信号が作成される（Ｓ１０７）。

そして、ゲート電圧ｖｇが再度印加されることでＮＭＯＳトランジスタ１ａにて次のターンの測定用動作が開始されると（Ｓ１０９でＹｅｓ：図４のｔ１）、変換回路１５にて作成された駆動信号に基づく発熱制御回路１６による制御により、発熱部１４が上記調整基準温度変化を抑制するようにその発熱量を変化させるように発熱する（Ｓ１１１）。

この発熱部１４の発熱量は、上述したようにデューティ比の制御によりなされるもので、ゲート電圧ｖｇが印加されないためにＮＭＯＳトランジスタ１ａ自体の発熱量が低くなっている期間に、高くなるように発熱制御される。これにより、測定用動作時を含めた１ターン分（図４のｔ１−ｔ２間）にてＮＭＯＳトランジスタ１ａ自体の発熱量が低い期間での温度Ｔａが底上げされ、その温度Ｔａの変化が小さくなる。その結果、測定回路１１にて測定されるＮＭＯＳトランジスタ１ａの電流能力（Ｉｄ）に関する特性変動が抑制されることとなる。

この発熱制御された１ターン分（図４のｔ１−ｔ２間）においてもＮＭＯＳトランジスタ１ａの温度Ｔａの変化が調整基準温度変化として取得され（Ｓ１１３）、この調整基準温度変化に関するデータがメモリ１３ａに上書きされて記憶される（Ｓ１１５）。そして、変換回路１５により、この最新の調整基準温度変化を抑制するために発熱部１４を発熱させる際に当該発熱部１４に入力するための駆動信号が作成される（Ｓ１１７）。

そして、測定処理が終了していないことから（Ｓ１１９でＮｏ）、ゲート電圧ｖｇが再度印加されることでＮＭＯＳトランジスタ１ａにて次のターンの測定用動作が開始されると（Ｓ１０９でＹｅｓ：図４のｔ２）、変換回路１５にて作成された駆動信号に基づく発熱制御回路１６による制御により、発熱部１４が上記調整基準温度変化を抑制するようにその発熱量を変化させて発熱する（Ｓ１１１）。

このため、ＮＭＯＳトランジスタ１ａの温度変化がより小さくなり（図４のｔ２−ｔ３間）、測定回路１１にて測定されるＮＭＯＳトランジスタ１ａの電流能力（Ｉｄ）に関する特性変動がさらに抑制されることとなる。このような処理を繰り返すことで、ＮＭＯＳトランジスタ１ａの温度変化が徐々に小さくなり（図４のｔ３−ｔ４間）、測定回路１１にて測定されるＮＭＯＳトランジスタ１ａの電流能力（Ｉｄ）に関する特性変動がさらに抑制されることとなる。これにより、その温度Ｔａに応じて電流能力（Ｉｄ）が特性変動しやすいＮＭＯＳトランジスタ１ａであっても、その電気的特性を高精度に測定することができる。

次に、上述のように構成される測定装置１０を用いて、ＤＵＴ１として基準電圧発生回路１ｂの電気的特性を測定する場合について、図５および図６を参照して説明する。図５は、ＤＵＴ１として採用される基準電圧発生回路１ｂおよび他の回路Ｂを示す説明図である。図６は、発熱制御による基準電圧発生回路１ｂの特性変化を示すタイムチャートである。なお、図６では、発熱部１４を用いた発熱制御がなされない状態を破線にて示す。

図５に示す基準電圧発生回路１ｂは、一定値となる電圧Ｖｂｇを出力するための回路であって、その温度に応じて特性変動しやすい。すなわち、例えば、基準電圧発生回路１ｂの温度Ｔｂが上昇すると、電圧Ｖｂｇが上昇するという特性を有する。一方で、この基準電圧発生回路１ｂには、ＳＷ回路や発振回路、出力バッファ等の他の回路Ｂを隣接配置する必要がある。この他の回路Ｂは、一般にその動作状態に応じて発熱しやすいため、基準電圧発生回路１ｂの温度Ｔｂを変動させる要因となる。

そこで、本実施形態では、基準電圧発生回路１ｂおよび他の回路Ｂを組み込んだ測定装置１０を用いることで、他の回路Ｂの発熱状態にかかわらず基準電圧発生回路１ｂの温度Ｔｂを一定に保ち、この温度一定の状態で基準電圧発生回路１ｂの電気的特性を測定する。

以下、具体的な基準電圧発生回路１ｂの電気的特性の測定処理方法について、図面を参照して説明する。
まず、被測定対象である基準電圧発生回路１ｂおよび他の回路Ｂを、図１に示すＤＵＴ１として組み込んだ測定装置１０を用意する。そして、測定回路１１からの制御信号に応じて、基準電圧発生回路１ｂにて所定の測定用動作として電圧Ｖｂｇの出力が開始されるととともに（図６のｔ０）、この測定用動作とともに他の回路Ｂが動作しこの動作に伴う発熱が生じる。この際、温度検出部１２の検出結果に基づいて、この他の回路Ｂが発熱している期間と発熱していない期間とを含めた１ターン分（図６のｔ０−ｔ１間）の基準電圧発生回路１ｂの温度Ｔｂの変化が調整基準温度変化として取得されて、メモリ１３ａに記憶される。また、変換回路１５により、この調整基準温度変化を抑制するために発熱部１４を発熱させる際に当該発熱部１４に入力するための駆動信号が作成される。

そして、他の回路Ｂが再び発熱状態になると（図６のｔ１）、変換回路１５にて作成された駆動信号に基づく発熱制御回路１６による制御により、発熱部１４が上記調整基準温度変化を抑制するようにその発熱量を変化させるように発熱する。これにより、上記１ターン分（図６のｔ１−ｔ２間）にて他の回路Ｂの発熱量が低い期間での温度Ｔｂが底上げされ、その温度Ｔｂの変化が小さくなる。その結果、測定回路１１にて測定される基準電圧発生回路１ｂから出力される電圧Ｖｂｇの特性変動が抑制されることとなる。

この発熱制御された１ターン分（図６のｔ１−ｔ２間）においても基準電圧発生回路１ｂの温度Ｔｂの変化が調整基準温度変化として取得され、この調整基準温度変化に関するデータがメモリ１３ａに上書きされて記憶される。そして、変換回路１５により、この最新の調整基準温度変化を抑制するために発熱部１４を発熱させる際に当該発熱部１４に入力するための駆動信号が作成される。

そして、再び他の回路Ｂが発熱状態となると（図６のｔ２）、変換回路１５にて作成された駆動信号に基づく発熱制御回路１６による制御により、発熱部１４が上記調整基準温度変化を抑制するようにその発熱量を変化させて発熱する。

このため、基準電圧発生回路１ｂの温度変化がより小さくなり（図６のｔ２−ｔ３間）、測定回路１１にて測定される基準電圧発生回路１ｂの電圧Ｖｂｇに関する特性変動がさらに抑制されることとなる。このような処理を繰り返すことで、基準電圧発生回路１ｂの温度変化が徐々に小さくなり（図６のｔ３−ｔ４間）、測定回路１１にて測定される基準電圧発生回路１ｂの電圧Ｖｂｇに関する特性変動がさらに抑制されることとなる。これにより、その温度Ｔｂに応じて電圧Ｖｂｇが変動してしまう基準電圧発生回路１ｂであっても、その電気的特性を高精度に測定することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る測定装置１０では、測定用動作時における温度検出部１２の検出結果からＤＵＴ１の温度変化が調整基準温度変化として温度波形モニタ部１３により取得されると、この調整基準温度変化がメモリ１３ａに記憶される。そして、発熱制御回路１６により、メモリ１３ａに調整基準温度変化が記憶された測定用動作の後になされる同じ測定用動作時に、上記調整基準温度変化に基づいて、ＤＵＴ１の温度変化を抑制するように発熱部１４が制御される。

これにより、調整基準温度変化が取得される際の測定用動作時にＤＵＴ１の温度が変化する場合でも、その後の同じ測定用動作時には、前回測定されたＤＵＴ１の温度変化に基づきその温度変化を小さくするように発熱部１４を制御することで、ＤＵＴ１の温度変化を抑制することができる。特に、測定用動作時に検出された温度変化を調整基準とすることからＤＵＴ１の温度の急変等も考慮されるため、温度制御をフィードバック等で行う場合と比較して、ＤＵＴ１の温度変化が確実に抑制されるので、ＤＵＴ１の電気的特性を高精度に測定することができる。

特に、発熱部１４による温度調整状態でなされた測定用動作時に温度波形モニタ部１３にて取得された調整基準温度変化が、メモリ１３ａに上書きされて記憶されるため、この繰り返し処理によりＤＵＴ１の温度変化が徐々に小さくなる。これにより、測定回路１１にて測定されるＤＵＴ１の電気的特性をさらに抑制することができる。

また、発熱制御回路１６により、発熱部１４として構成されるスイッチング素子に入力される駆動信号のデューティ比が制御されることで当該発熱部１４の温度が調整される。これにより、細やかで広範囲な発熱制御が可能となるだけでなく、デューティ比と発熱量との関係が簡易であるため、ＤＵＴ１の温度を容易に制御することができる。

上記実施形態の変形例として、発熱部１４による発熱制御は、スイッチング素子に入力される駆動信号のデューティ比を制御することで、その発熱量が調整されることに限らず、例えば、発熱部１４として、パワーＭＯＳトランジスタ等のパワー素子を採用し、このパワー素子に印加するゲート電圧値を発熱制御回路１６により制御することで当該発熱部１４の温度を調整してもよい。この構成では、回路規模を小さくできるだけでなく、ゲート電圧値を一定として発熱制御する場合と比較して、その発熱に関する高温域を広範囲に制御できるという特有の効果を奏する。

また、発熱部１４としてパワー素子を採用する場合には、このパワー素子に印加するゲート電圧の立ち上がりおよび立ち下がりの少なくともいずれか一方を発熱制御回路１６等により制御することで当該発熱部１４の温度を調整してもよい。ゲート電圧の立ち上がり（立ち下がり）の傾きが小さくなるほど（なだらかになるほど）パワー素子の発熱量が高くなるため、発熱量を高くする場合にはゲート電圧の立ち上がり（立ち下がり）の傾きを小さくし、発熱量を低くする場合にはゲート電圧の立ち上がり（立ち下がり）の傾きを大きくする。この構成では、発熱部１４の温度特性が比較的小さくなるだけでなく、より細やかで広範囲な発熱制御を実施できるという特有の効果を奏する。

なお、本発明は上記実施形態および変形例に限定されるものではなく、例えば、以下のように具体化してもよい。
（１）測定装置１０にて電気的特性が測定されるＤＵＴ１として、上述したＮＭＯＳトランジスタ１ａや基準電圧発生回路１ｂが採用されることに限らず、温度に応じて電気的特性が変化する素子や回路などの被測定対象を採用することができる。

（２）本発明に係る測定装置１０は、被測定対象の開発時の電気的特性を高精度に測定するための装置として用いられることに限らず、被測定対象とともに出荷製品に組み込まれて、被測定対象の電気的特性の温度依存性を抑制するための装置として用いられてもよい。

（３）発熱部１４に代えて、ＤＵＴ１を加熱または冷却可能な温度調整手段を採用してもよい。

１…ＤＵＴ（被測定対象）
１０…測定装置
１１…測定回路
１２…温度検出部（温度検出手段）
１３…温度波形モニタ部（取得手段）
１３ａ…メモリ（記憶手段）
１４…発熱部（温度調整手段）
１５…変換回路（制御手段）
１６…発熱制御回路（制御手段）

Claims (5)

1. 温度に応じて変化する被測定対象（１，１ａ，１ｂ）の測定用動作時における電気的特性を測定するための測定装置（１０）であって、
   前記被測定対象の温度（Ｔａ，Ｔｂ）を検出する温度検出手段（１２）と、
   前記測定用動作時における前記温度検出手段の検出結果から前記被測定対象の温度変化を調整基準温度変化として取得する取得手段（１３）と、
   前記取得手段により取得された前記調整基準温度変化が記憶される記憶手段（１３ａ）と、
   前記被測定対象の温度を調整する温度調整手段（１４）と、
   前記温度調整手段を制御する制御手段（１５，１６）と、を備え、
   前記制御手段は、前記記憶手段に前記調整基準温度変化が記憶された前記測定用動作の後になされる同じ測定用動作時に前記調整基準温度変化に基づいて前記被測定対象の温度変化を抑制するように前記温度調整手段を制御することを特徴とする測定装置。
2. 前記温度調整手段による温度調整状態でなされた前記測定用動作時に前記取得手段にて取得された前記調整基準温度変化が、前記記憶手段に上書きされて記憶されることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記温度調整手段は、スイッチング素子であって、
   前記制御手段は、前記スイッチング素子に入力される駆動信号のデューティ比を制御することで前記温度調整手段の温度を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
4. 前記温度調整手段は、パワー素子であって、
   前記制御手段は、前記パワー素子に印加するゲート電圧値を制御することで前記温度調整手段の温度を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
5. 前記温度調整手段は、パワー素子であって、
   前記制御手段は、前記パワー素子に対する印加するゲート電圧の立ち上がりおよび立ち下がりの少なくともいずれか一方を制御することで前記温度調整手段の温度を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。

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