JP2768744B2 - 電気光学信号の測定 - Google Patents
電気光学信号の測定Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
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- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
- G01R15/241—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
- G01R1/02—General constructional details
- G01R1/06—Measuring leads; Measuring probes
- G01R1/067—Measuring probes
- G01R1/07—Non contact-making probes
- G01R1/071—Non contact-making probes containing electro-optic elements
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- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、電気光学測定に関し、更に詳しくは、電気
信号を伝送する導体（電極、ラインおよび他の要素も意
味する）上の電気信号を非接触で光学的に測定する方法
および装置に関する。
信号を伝送する導体（電極、ラインおよび他の要素も意
味する）上の電気信号を非接触で光学的に測定する方法
および装置に関する。
本発明は、ミクロン範囲の空間分解能およびピコセコ
ンドおよびサブピコセコンドの分解能を有する信号測定
が要望されている集積回路のようなサブミクロン装置お
よび構造からの電気信号を測定するのに特に適してい
る。
ンドおよびサブピコセコンドの分解能を有する信号測定
が要望されている集積回路のようなサブミクロン装置お
よび構造からの電気信号を測定するのに特に適してい
る。
電気信号の電気光学的測定は、測定される電界の強さ
に従って屈折率が変化する電気光学（Ｅ−Ｏ）水晶を使
用して行われていた。この信号は導体に沿って伝播する
ことができる。サンプリング用のレーザービームは周辺
電界の領域内において水晶内で焦点を合わせられてい
る。電気光学サンプリングによって、信号はピコセコン
ドおよびサブピコセコンドの分解能をもって抽出され表
示される。空間分解能は水晶がこのように使用された場
合電気光学水晶または電気光学基板におけるビームの断
面（レーザスポット）の大きさによって決定される。上
述した電気光学測定方法に関する他の情報については次
の特許およびここに参照する文献を参照されたい。すな
わち、モローおよびバルドマニス（MourouおよびValdma
nis）の第4,446,426号（1984年５月）および第4,618,81
9号（1986年10月）、およびモローおよびメイヤー（Mou
rouおよびMayer）の第4,603,293号（1986年７月）。ま
た、1987年７月に発行された他の特許第4,618,449号も
上述したモロー等の特許の技術およびシステムについて
記載している。
に従って屈折率が変化する電気光学（Ｅ−Ｏ）水晶を使
用して行われていた。この信号は導体に沿って伝播する
ことができる。サンプリング用のレーザービームは周辺
電界の領域内において水晶内で焦点を合わせられてい
る。電気光学サンプリングによって、信号はピコセコン
ドおよびサブピコセコンドの分解能をもって抽出され表
示される。空間分解能は水晶がこのように使用された場
合電気光学水晶または電気光学基板におけるビームの断
面（レーザスポット）の大きさによって決定される。上
述した電気光学測定方法に関する他の情報については次
の特許およびここに参照する文献を参照されたい。すな
わち、モローおよびバルドマニス（MourouおよびValdma
nis）の第4,446,426号（1984年５月）および第4,618,81
9号（1986年10月）、およびモローおよびメイヤー（Mou
rouおよびMayer）の第4,603,293号（1986年７月）。ま
た、1987年７月に発行された他の特許第4,618,449号も
上述したモロー等の特許の技術およびシステムについて
記載している。
多重量子井戸（MQW）装置における最近の研究は電界
を印加された場合における光学的吸収（電子吸収）にお
いて重要な変化を観察した。これらの研究は次の文献に
記載されている。T.P.バンエック等（T.P.Van Eck.et a
l）によるAppl.Phys.Lett.の49（３）、1986年７月21
日、135およびD.S.チェムラ等（D.S.Chemla et al）に
よるセミコンダクターズ・アンド・セミメタルズ、第24
巻、著作権1987年ベル電話研究所（Bell Telephone Lab
oratories Incorporated）の第５章、ページ279〜318。
を印加された場合における光学的吸収（電子吸収）にお
いて重要な変化を観察した。これらの研究は次の文献に
記載されている。T.P.バンエック等（T.P.Van Eck.et a
l）によるAppl.Phys.Lett.の49（３）、1986年７月21
日、135およびD.S.チェムラ等（D.S.Chemla et al）に
よるセミコンダクターズ・アンド・セミメタルズ、第24
巻、著作権1987年ベル電話研究所（Bell Telephone Lab
oratories Incorporated）の第５章、ページ279〜318。
Ｅ−Ｏ水晶と異なって、MQW装置は吸収における変化
によって電界に応答する。更に、MQW装置は極性に敏感
でなく、実際には整流している。従って、電界の極性は
MQW装置によって直接測定することはできない。更に、
近隣の電界発生要素がある場合には、測定はこのような
近隣の導体からの電界による誤った信号を受け易い。こ
の問題は導体の間隔がサブミクロンの集積回路（IC）構
造のように極端に近接するに従って悪化する。
によって電界に応答する。更に、MQW装置は極性に敏感
でなく、実際には整流している。従って、電界の極性は
MQW装置によって直接測定することはできない。更に、
近隣の電界発生要素がある場合には、測定はこのような
近隣の導体からの電界による誤った信号を受け易い。こ
の問題は導体の間隔がサブミクロンの集積回路（IC）構
造のように極端に近接するに従って悪化する。
測定される信号の厳しい空間分解能を可能にする領域
内にほぼ全ての吸収が発生するMQW装置（MQW変調器とし
ても知られている）を設けることができることが本発明
によって見つけ出された。即ち、本発明によれば、導体
に接触することなく、ミクロン（またはサブミクロン）
範囲の導体の領域から信号を抽出することができる。特
に、所望の導体または導体の部分は導体の構造に関係な
くプローブで探査することができる。また、極性に感じ
ない電気光学効果（電子吸収）を使用して絶対的な二極
測定が得られる。これは電子ビームの衝撃による二次電
子が導体上の電界によって静電的にフィルタされる電子
顕微鏡の電圧コントラスト測定の複雑さがなく前記測定
を行うことができる。また、本発明は電気光学水晶（ポ
ッケルスセル）の電気光学測定システムにも使用するこ
とができる。この場合、縦方向の動作モードが重要であ
る。前述した特許第4,446,426号に記載されているシス
テムにおいては、このモードは使用されていない。
内にほぼ全ての吸収が発生するMQW装置（MQW変調器とし
ても知られている）を設けることができることが本発明
によって見つけ出された。即ち、本発明によれば、導体
に接触することなく、ミクロン（またはサブミクロン）
範囲の導体の領域から信号を抽出することができる。特
に、所望の導体または導体の部分は導体の構造に関係な
くプローブで探査することができる。また、極性に感じ
ない電気光学効果（電子吸収）を使用して絶対的な二極
測定が得られる。これは電子ビームの衝撃による二次電
子が導体上の電界によって静電的にフィルタされる電子
顕微鏡の電圧コントラスト測定の複雑さがなく前記測定
を行うことができる。また、本発明は電気光学水晶（ポ
ッケルスセル）の電気光学測定システムにも使用するこ
とができる。この場合、縦方向の動作モードが重要であ
る。前述した特許第4,446,426号に記載されているシス
テムにおいては、このモードは使用されていない。
従って、本発明の主目的は、ミクロンの範囲の空間分
解能で、原則的にはサブミクロン範囲の空間分解能を可
能とし、ピコセコンドの時間分解能をもって導体に現れ
る電気信号を測定する改良されたシステム（方法および
装置）および装置を提供することにある。
解能で、原則的にはサブミクロン範囲の空間分解能を可
能とし、ピコセコンドの時間分解能をもって導体に現れ
る電気信号を測定する改良されたシステム（方法および
装置）および装置を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、導体がミクロンの単位で離
れている場合においても、信号が現れる導体に接触する
ことなく、集積回路のようなサブミクロン構造の導電要
素上の信号を測定するシステムおよび装置を提供するこ
とにある。
れている場合においても、信号が現れる導体に接触する
ことなく、集積回路のようなサブミクロン構造の導電要
素上の信号を測定するシステムおよび装置を提供するこ
とにある。
本発明の更に他の目的は、MQW構造を有するような極
性に反応しない電気光学装置を使用するにも関わらずミ
クロン単位の空間分解能をもって導体上の電圧の絶対的
測定を行うことができるシステムおよび装置を提供する
ことにある。
性に反応しない電気光学装置を使用するにも関わらずミ
クロン単位の空間分解能をもって導体上の電圧の絶対的
測定を行うことができるシステムおよび装置を提供する
ことにある。
本発明の更に他の目的は、近隣の導体からの電界によ
る（ノイズまたはクロストークを発生するように誤った
信号による）測定誤差を低減するように信号から生ずる
電界に電気光学的に応答することによって信号を測定す
る改良されたシステムを提供することにある。
る（ノイズまたはクロストークを発生するように誤った
信号による）測定誤差を低減するように信号から生ずる
電界に電気光学的に応答することによって信号を測定す
る改良されたシステムを提供することにある。
簡単に説明すると、導体の空間的な所定位置において
導体上の電気信号を測定するシステム（方法および装
置）は、電気光学的材料からなるプローブを使用してお
り、このプローブは対象位置における導体からの周囲電
界内に設けられている。プローブは好ましくはMQW構造
を画定する多数の相が配設されている表面を有する透明
で、好ましくは高い固有抵抗を有する半導体材料からな
る本体（基板）である。この構造は測定される信号の周
囲電界の領域内にMQWプローブを配置することを可能に
するように配設される基板の表面の縁部まで延出するこ
とができる。この領域は境界としてMQW面上に堆積され
ている導電材料からなる電極を有し、電界領域内に延出
している。電極は基準面として作用するのみならず、光
ビーム（これはサンプリング技術が信号測定および表示
用に使用される場合パルスビームである）を反射するミ
ラーとしても作用する。プローブのビームは対象の領域
内に焦点を合わせられ、電気信号に変換される検出器に
反射される。この電気信号はコンピュータに入力される
前に（ロックイン増幅器を使用することによって）フィ
ルタされ増幅される。コンピュータの機能はこのロック
イン信号を読み出し、基準面に供給される電圧振幅およ
び極性を調整することによって該信号をゼロに低減する
ことである。この信号は基準面に供給され、基準または
フィードバック信号と称する。この基準信号は測定され
る信号に対応する極性および振幅を有する。従って、こ
のフィードバック信号を測定することによって対象の信
号を測定することになる。また、基準電圧はプローブの
後側の近隣の要素によって生ずる好ましくない電界から
電気光学プローブを遮閉するように動作する。このよう
なクロストーク発生電界に応答するようにプローブを設
けることによって、これらの電界を測定し、対象とする
信号の測定から差し引き、クロストークの影響を低減す
ることができる。
導体上の電気信号を測定するシステム（方法および装
置）は、電気光学的材料からなるプローブを使用してお
り、このプローブは対象位置における導体からの周囲電
界内に設けられている。プローブは好ましくはMQW構造
を画定する多数の相が配設されている表面を有する透明
で、好ましくは高い固有抵抗を有する半導体材料からな
る本体（基板）である。この構造は測定される信号の周
囲電界の領域内にMQWプローブを配置することを可能に
するように配設される基板の表面の縁部まで延出するこ
とができる。この領域は境界としてMQW面上に堆積され
ている導電材料からなる電極を有し、電界領域内に延出
している。電極は基準面として作用するのみならず、光
ビーム（これはサンプリング技術が信号測定および表示
用に使用される場合パルスビームである）を反射するミ
ラーとしても作用する。プローブのビームは対象の領域
内に焦点を合わせられ、電気信号に変換される検出器に
反射される。この電気信号はコンピュータに入力される
前に（ロックイン増幅器を使用することによって）フィ
ルタされ増幅される。コンピュータの機能はこのロック
イン信号を読み出し、基準面に供給される電圧振幅およ
び極性を調整することによって該信号をゼロに低減する
ことである。この信号は基準面に供給され、基準または
フィードバック信号と称する。この基準信号は測定され
る信号に対応する極性および振幅を有する。従って、こ
のフィードバック信号を測定することによって対象の信
号を測定することになる。また、基準電圧はプローブの
後側の近隣の要素によって生ずる好ましくない電界から
電気光学プローブを遮閉するように動作する。このよう
なクロストーク発生電界に応答するようにプローブを設
けることによって、これらの電界を測定し、対象とする
信号の測定から差し引き、クロストークの影響を低減す
ることができる。
多くの集積回路（ICS）は成長面を有していないと考
えられる。通常のＥ−Ｏサンプリングは高かったりまた
は低い隣接電極間の電界または間の何かを測定し、絶対
電圧の測定は行わない。本発明はアース面がない場合で
さえも絶対電圧を測定できるものである。
えられる。通常のＥ−Ｏサンプリングは高かったりまた
は低い隣接電極間の電界または間の何かを測定し、絶対
電圧の測定は行わない。本発明はアース面がない場合で
さえも絶対電圧を測定できるものである。
また、多くのICは全回路を覆うSiO2表面処理層を有し
ている。通常のＥ−Ｏサンプリングにおけるように周辺
電界にのみ頼っていると、測定に悪影響を与える（信号
／雑音を低減する）Ｅ−Ｏ媒体内に電界ラインがほとん
ど現れないことになる。本発明によると、ICの面に近接
している基準電極の結果、周辺電界がICの表面およびＥ
−Ｏ媒体内に形成される。また、本発明のプローブは対
象とする点の周りの全ての周囲の領域に低い容量性負荷
を形成している。
ている。通常のＥ−Ｏサンプリングにおけるように周辺
電界にのみ頼っていると、測定に悪影響を与える（信号
／雑音を低減する）Ｅ−Ｏ媒体内に電界ラインがほとん
ど現れないことになる。本発明によると、ICの面に近接
している基準電極の結果、周辺電界がICの表面およびＥ
−Ｏ媒体内に形成される。また、本発明のプローブは対
象とする点の周りの全ての周囲の領域に低い容量性負荷
を形成している。
本発明の上述したおよび他の目的、特徴および利点は
添付図面に関連する次の詳細な説明を閲読することによ
り更に明らかになるであろう。
添付図面に関連する次の詳細な説明を閲読することによ
り更に明らかになるであろう。
第１図および第２図を更に詳細に参照すると、電極12
および14が設けられている基板10が示されている。これ
らの電極は集積回路の導体配列のうちの典型的な導体で
ある。これらは非常に近接して、例えば１ミクロン離れ
て配設されている。このような電極構造からの周辺電界
を探針するために、探針システム16が使用されている。
この探針システムにおいては、MQW構造18が半導体基板2
0と上層22との間に配設されている。基板および上層は
光学的結合によってガラスプリズム24および26に結合さ
れている。MQW構造用の吸収限界（励過ピーク）に同調
した波長を有するレーザからの光ビームはレンズ28によ
って焦点を合わせられて、ビーム30になる。このビーム
の直径は適切にはミクロン領域のものである。このビー
ムは基板20、上層22およびMQW構造18の端面30によって
全反射される。これらはプリズムが接合された後、磨き
を欠けられているが、滑らかな光学反射面を形成してい
る。出力ビーム32はレンズ34によって光検出器上に焦点
を合わされ、電気信号に変換される。導体内の信号によ
る電界は電界の強度によって光学ビームを変調し、光学
信号の振幅の尺度である出力信号を発生する。
および14が設けられている基板10が示されている。これ
らの電極は集積回路の導体配列のうちの典型的な導体で
ある。これらは非常に近接して、例えば１ミクロン離れ
て配設されている。このような電極構造からの周辺電界
を探針するために、探針システム16が使用されている。
この探針システムにおいては、MQW構造18が半導体基板2
0と上層22との間に配設されている。基板および上層は
光学的結合によってガラスプリズム24および26に結合さ
れている。MQW構造用の吸収限界（励過ピーク）に同調
した波長を有するレーザからの光ビームはレンズ28によ
って焦点を合わせられて、ビーム30になる。このビーム
の直径は適切にはミクロン領域のものである。このビー
ムは基板20、上層22およびMQW構造18の端面30によって
全反射される。これらはプリズムが接合された後、磨き
を欠けられているが、滑らかな光学反射面を形成してい
る。出力ビーム32はレンズ34によって光検出器上に焦点
を合わされ、電気信号に変換される。導体内の信号によ
る電界は電界の強度によって光学ビームを変調し、光学
信号の振幅の尺度である出力信号を発生する。
基板および上層は光ビーム30および32に対して透明な
AlGaAsである。MQW構造は基板20の先端に成長する層に
よって形成され、完全な単結晶品質が単一の単分子膜の
正確さで保存される。この層は挿入状態で詳細に示され
ている（第２図）。MQW組立体は必要は最終空間分解能
によって500オングストロームの薄さに（２対の井戸）
または数ミクロンの厚さに（数百対の井戸）成長され
る。上述した文献に記載されているように、分子線エピ
タクシまたは金属有機化学蒸着法を使用して、MQW構造
を形成する。異なる継続期間分子線エピタクシを使用し
てMQWの厚さを制御する。また、AlGaAsから成る上層がM
QW構造の先端に成長させられている。光学ビームおよび
周辺電界が相互作用する領域40がこの構造の随意の能動
領域である。この領域は非常に小さく、導体間に設けら
れている。また、この領域が小さいので、導体のどの位
置においても周辺電界、従って信号を探針することがで
き、従って高い空間分解能を有することができる。第２
図においてギャップ36で示すように、探針は導体に接触
していない。
AlGaAsである。MQW構造は基板20の先端に成長する層に
よって形成され、完全な単結晶品質が単一の単分子膜の
正確さで保存される。この層は挿入状態で詳細に示され
ている（第２図）。MQW組立体は必要は最終空間分解能
によって500オングストロームの薄さに（２対の井戸）
または数ミクロンの厚さに（数百対の井戸）成長され
る。上述した文献に記載されているように、分子線エピ
タクシまたは金属有機化学蒸着法を使用して、MQW構造
を形成する。異なる継続期間分子線エピタクシを使用し
てMQWの厚さを制御する。また、AlGaAsから成る上層がM
QW構造の先端に成長させられている。光学ビームおよび
周辺電界が相互作用する領域40がこの構造の随意の能動
領域である。この領域は非常に小さく、導体間に設けら
れている。また、この領域が小さいので、導体のどの位
置においても周辺電界、従って信号を探針することがで
き、従って高い空間分解能を有することができる。第２
図においてギャップ36で示すように、探針は導体に接触
していない。
高い光強度または温度上昇はMQW構造の急峻な吸収限
界、従って変調器として感度を発生する励起子をイオン
化することができるので、温度を350゜K以下に維持する
ことが好ましい。これはヒートポンプ38によって達成さ
れる。このヒートポンプ38はペルチエ接合素子であり、
ビームおよび電界が相互作用する領域40の上に間隔を開
けて設けられている。
界、従って変調器として感度を発生する励起子をイオン
化することができるので、温度を350゜K以下に維持する
ことが好ましい。これはヒートポンプ38によって達成さ
れる。このヒートポンプ38はペルチエ接合素子であり、
ビームおよび電界が相互作用する領域40の上に間隔を開
けて設けられている。
プリズムおよび基板20はビームが量子井戸を構成する
層に対してほぼ直角に入射することを確実にしている。
また、電界のラインは量子井戸の面に直角である。直角
入射からかなりずれている（例えば20゜以上）ビーム通
路が使用される場合には、光のＥベクトルがMQW面に平
行な偏光を使用することが好ましい。
層に対してほぼ直角に入射することを確実にしている。
また、電界のラインは量子井戸の面に直角である。直角
入射からかなりずれている（例えば20゜以上）ビーム通
路が使用される場合には、光のＥベクトルがMQW面に平
行な偏光を使用することが好ましい。
ミクロンの空間分解能はレーザスポットの大きさによ
るよりもむしろMQW構造の幅によって決定される。しか
しながら、レーザビームの大部分が周辺電界と相互作用
し、これによってSN比を最大にするように直径の狭いレ
ーザスポットを使用することが有利である。短いパルス
レーザのスポットの大きさがミクロン範囲であるので、
ピコセコンドまたはサブピコセコンドの時間分解能が達
成される。例えば、ピコセコンド当り30ミクロンの最大
伝播速度で導体に沿って伝播する電気信号の場合、５ミ
クロンのスポットの大きさでは、時間分解能はサブピコ
セコンドの範囲になる。
るよりもむしろMQW構造の幅によって決定される。しか
しながら、レーザビームの大部分が周辺電界と相互作用
し、これによってSN比を最大にするように直径の狭いレ
ーザスポットを使用することが有利である。短いパルス
レーザのスポットの大きさがミクロン範囲であるので、
ピコセコンドまたはサブピコセコンドの時間分解能が達
成される。例えば、ピコセコンド当り30ミクロンの最大
伝播速度で導体に沿って伝播する電気信号の場合、５ミ
クロンのスポットの大きさでは、時間分解能はサブピコ
セコンドの範囲になる。
本システムの他の利点は、導体12および14を有する回
路に対する容量性負荷を最小にする高い固有抵抗を有す
る半導体材料を使用することである。
路に対する容量性負荷を最小にする高い固有抵抗を有す
る半導体材料を使用することである。
第３図、第４図および第５図を参照すると、電気光学
プローブの透明なガラス支持体44が示されている。この
支持構造44は基板46に接合され、この基板46は外面上に
MQW構造48が成長させられている。この構造は基板46の
下端部50まで延出している。この下面50はMQW構造48の
端部を含んでいる。第３図に示す形式のAlGaAsおよびAl
GaAs−GaAs MQW構造はまたMQW構造48用に使用すること
ができる。
プローブの透明なガラス支持体44が示されている。この
支持構造44は基板46に接合され、この基板46は外面上に
MQW構造48が成長させられている。この構造は基板46の
下端部50まで延出している。この下面50はMQW構造48の
端部を含んでいる。第３図に示す形式のAlGaAsおよびAl
GaAs−GaAs MQW構造はまたMQW構造48用に使用すること
ができる。
反射する、好ましくは金の基準電極52（約1000オング
ストロームの厚さを有する）がMQW構造の外側面上に堆
積されている。この電極は能動領域54の所で細くなって
おり、これは面52の縁部56に沿った幅において約10ミク
ロンである。
ストロームの厚さを有する）がMQW構造の外側面上に堆
積されている。この電極は能動領域54の所で細くなって
おり、これは面52の縁部56に沿った幅において約10ミク
ロンである。
光学ビームはレンズ58によってこの能動領域54上に焦
点を合わせられている。ビームは本質的にはMQW面に直
角である。電極52が堆積している面における僅かな入射
角のために、反射ビームはレンズ60に向かう別の通路を
とる。MQW構造48を形成する層の厚さは導体12および14
の間の間隔よりもかなり小さいことに注意されたい。プ
ローブは導体の上方に置かれているが接触していない。
これは、導体12および14が配設されている装置10を動か
し、プローブおよびレーザを固定しながら装置10を移動
したり、上昇したり、回転したり、または動かすことに
よって達成されることが好ましい。
点を合わせられている。ビームは本質的にはMQW面に直
角である。電極52が堆積している面における僅かな入射
角のために、反射ビームはレンズ60に向かう別の通路を
とる。MQW構造48を形成する層の厚さは導体12および14
の間の間隔よりもかなり小さいことに注意されたい。プ
ローブは導体の上方に置かれているが接触していない。
これは、導体12および14が配設されている装置10を動か
し、プローブおよびレーザを固定しながら装置10を移動
したり、上昇したり、回転したり、または動かすことに
よって達成されることが好ましい。
基準電極52はシールドとして作用し、導体12からの電
界をMQW構造から遮閉する。遮閉電極52の左側の他の全
ての導体は、電極52によって遮閉されるので測定を行わ
ない。対象の信号は基準電極によって終端する電界を発
生する。また、基準電極は電気光学材料の領域内に電界
ラインを引き上げるように作用する。これはサブミクロ
ン電極が約１ミクロンのスポットの大きさを有するレー
ザプローブで問い合わせられる場合重要である。しばし
ば、SiO2からなる１ミクロンの表面処理層が回路の上部
に成長させられる。この状態において基準電極は電界ラ
インをSiO2から引出し、Ｅ−Ｏ領域に引き入れることが
できる。
界をMQW構造から遮閉する。遮閉電極52の左側の他の全
ての導体は、電極52によって遮閉されるので測定を行わ
ない。対象の信号は基準電極によって終端する電界を発
生する。また、基準電極は電気光学材料の領域内に電界
ラインを引き上げるように作用する。これはサブミクロ
ン電極が約１ミクロンのスポットの大きさを有するレー
ザプローブで問い合わせられる場合重要である。しばし
ば、SiO2からなる１ミクロンの表面処理層が回路の上部
に成長させられる。この状態において基準電極は電界ラ
インをSiO2から引出し、Ｅ−Ｏ領域に引き入れることが
できる。
基準電極は電界を打ち消す電位に維持され、これによ
り以下に詳細に説明するように極性感知測定が得られ
る。いずれにしても、レーザビームは非常に小さな大き
さのスポットに、例えば１ミクロンの直径に集められ、
第３図に示すように入力ビームから僅かな角度で基準電
極12から離れて反射する。
り以下に詳細に説明するように極性感知測定が得られ
る。いずれにしても、レーザビームは非常に小さな大き
さのスポットに、例えば１ミクロンの直径に集められ、
第３図に示すように入力ビームから僅かな角度で基準電
極12から離れて反射する。
第６図を参照すると、導体の長さ方向に沿った所定の
点における導体12上の信号を測定し、また信号が導体に
沿って伝播する場合の信号を表示するように電気光学的
にサンプリングするMQW構造48を有する第３図のプロー
ブを使用したシステムを示している。
点における導体12上の信号を測定し、また信号が導体に
沿って伝播する場合の信号を表示するように電気光学的
にサンプリングするMQW構造48を有する第３図のプロー
ブを使用したシステムを示している。
第６図に示すMQW構造43は第３図ないし第５図に示す
装置と同じである。光学ビームはレーザダイオード60か
ら発生する。無線周波（適切には約100MHz）発生器62は
ステップリカバリダイオード64を駆動し、このダイオー
ド64はレーザダイオード60を作動するパルスを発生す
る。駆動信号が約100MHzである図示の場合は、100MHzの
速度の約100psのパルスダイオード64から出力され、レ
ーザダイオードによって光学パルスに変換される。これ
らの光学パルスは顕微鏡の対物レンズである入力レンズ
58を介して基準電極がMQW構造の縁部56のところで細く
なっている能動領域54に放出される。MQW構造から反射
された光は出力レンズ60（第３図参照）を通過してPIN
ホトダイオード66の形式のホトセンサにあたり、ここで
光学信号は対応する電気信号に変換され、ロックイン増
幅器68に供給される。この増幅器はロックイン基準信
号、例えば1KHzの繰り返し速度のパルス列を発生する発
振器を有している。ロックイン増幅器システムに関する
より多くの情報については、前述したモロー等の特許を
参照されたい。ロックイン増幅器はロックイン信号V2を
発生し、このロックイン信号は制御信号としてフィード
バックコンピュータ70に供給される。コンピュータはロ
ックイン信号が供給されるのでロックイン信号速度で動
作する。コンピュータは振幅V1のパルス形式の出力信号
を発生する。これらの信号はディスプレイ78、適切には
陰極線オシロスコープ（CRO）および基準電極52に供給
され、ここでこれらの信号は導体12上の電界に対抗する
電界を発生する。
装置と同じである。光学ビームはレーザダイオード60か
ら発生する。無線周波（適切には約100MHz）発生器62は
ステップリカバリダイオード64を駆動し、このダイオー
ド64はレーザダイオード60を作動するパルスを発生す
る。駆動信号が約100MHzである図示の場合は、100MHzの
速度の約100psのパルスダイオード64から出力され、レ
ーザダイオードによって光学パルスに変換される。これ
らの光学パルスは顕微鏡の対物レンズである入力レンズ
58を介して基準電極がMQW構造の縁部56のところで細く
なっている能動領域54に放出される。MQW構造から反射
された光は出力レンズ60（第３図参照）を通過してPIN
ホトダイオード66の形式のホトセンサにあたり、ここで
光学信号は対応する電気信号に変換され、ロックイン増
幅器68に供給される。この増幅器はロックイン基準信
号、例えば1KHzの繰り返し速度のパルス列を発生する発
振器を有している。ロックイン増幅器システムに関する
より多くの情報については、前述したモロー等の特許を
参照されたい。ロックイン増幅器はロックイン信号V2を
発生し、このロックイン信号は制御信号としてフィード
バックコンピュータ70に供給される。コンピュータはロ
ックイン信号が供給されるのでロックイン信号速度で動
作する。コンピュータは振幅V1のパルス形式の出力信号
を発生する。これらの信号はディスプレイ78、適切には
陰極線オシロスコープ（CRO）および基準電極52に供給
され、ここでこれらの信号は導体12上の電界に対抗する
電界を発生する。
RF発生器62からの駆動信号は移相器72を介してパルサ
74に供給される。パルサ74はロックイン周波数でバース
ト状の100MHzのパルスを導体12に供給する。これらの10
0MHzのパルスは導体12に沿って伝播する。プローブの位
置はマイクロマニュピュレータ76によって設定される。
74に供給される。パルサ74はロックイン周波数でバース
ト状の100MHzのパルスを導体12に供給する。これらの10
0MHzのパルスは導体12に沿って伝播する。プローブの位
置はマイクロマニュピュレータ76によって設定される。
パルス列は導体12に沿って伝播しながら、信号強度に
比例した電界を発生し、この電界はMQW構造48の能動領
域を通過する。他の導体14は基準電極52によって遮閉さ
れ、測定されない。MQWの能動領域を通る電子吸収は電
界強度に従って変化し、光学ビームの強度はそれに応じ
て変化する。それから、ホトセンサ66はパルス時に導体
に沿って伝播する電気信号に対応する信号を発生する。
ロックイン増幅器は、その結果コンピュータ70に直流信
号V2を供給する。コンピュータは動作し、導体12上の信
号による電界に対抗する電界を発生するように振幅が変
化するパルスを発生する。信号V2が単極性であるにも関
わらず、この対抗電圧は両極性である。
比例した電界を発生し、この電界はMQW構造48の能動領
域を通過する。他の導体14は基準電極52によって遮閉さ
れ、測定されない。MQWの能動領域を通る電子吸収は電
界強度に従って変化し、光学ビームの強度はそれに応じ
て変化する。それから、ホトセンサ66はパルス時に導体
に沿って伝播する電気信号に対応する信号を発生する。
ロックイン増幅器は、その結果コンピュータ70に直流信
号V2を供給する。コンピュータは動作し、導体12上の信
号による電界に対抗する電界を発生するように振幅が変
化するパルスを発生する。信号V2が単極性であるにも関
わらず、この対抗電圧は両極性である。
電界強度の関数としての電子吸収特性は第７図に示さ
れている。目的は特性の先端における透過を発生する対
抗電界を発生することである（電界＝０）。コンピュー
タは次のアルゴリズムに従って動作する。C/パスカル表
示に従って、V2の絶対値が第７図の先頭における透過に
対応する小さな値ｙより大きい場合には、V1を出力す
る。それから、V1を低減するとともに、V2の絶対値を低
減する。そうでない場合には、V1を増大するとともに、
V2の絶対値を低減する。特別な例の場合には、対抗電圧
V1は０で開始すると仮定し、プローブ43によって抽出さ
れた電界は＋３である。それから、コンピュータはアル
ゴリズムに従って、V1を例えば−１に低減する。これは
−４の正味の電界を発生する。この電界に応答して信号
V2は低減するよりもむしろ増大する。従って、次の繰り
返しでV1は増大する。V1における０に戻る増大はV2にお
ける低減となる。次の繰り返しで、V1は再び増大し、例
えば＋１になり、V2は再び低減する。続く繰り返しで
は、V1の値は−３に低減し、この時、V2はｙを超えず、
電圧V1は維持される。
れている。目的は特性の先端における透過を発生する対
抗電界を発生することである（電界＝０）。コンピュー
タは次のアルゴリズムに従って動作する。C/パスカル表
示に従って、V2の絶対値が第７図の先頭における透過に
対応する小さな値ｙより大きい場合には、V1を出力す
る。それから、V1を低減するとともに、V2の絶対値を低
減する。そうでない場合には、V1を増大するとともに、
V2の絶対値を低減する。特別な例の場合には、対抗電圧
V1は０で開始すると仮定し、プローブ43によって抽出さ
れた電界は＋３である。それから、コンピュータはアル
ゴリズムに従って、V1を例えば−１に低減する。これは
−４の正味の電界を発生する。この電界に応答して信号
V2は低減するよりもむしろ増大する。従って、次の繰り
返しでV1は増大する。V1における０に戻る増大はV2にお
ける低減となる。次の繰り返しで、V1は再び増大し、例
えば＋１になり、V2は再び低減する。続く繰り返しで
は、V1の値は−３に低減し、この時、V2はｙを超えず、
電圧V1は維持される。
V1はCROディスプレイ78に表示される。それから、導
体12に沿って伝播するパルスの移相は移相器72を使用し
て変更される。次の測定は僅かに遅延した時間における
信号を示し、他のサンプルがCROに表示される。連続的
に時間を遅らせて移相器を連続的にシフトすることによ
って、全信号がサンプルされ、CROディスプレイ78に表
示される。移相器78を使用する代わりに、前述したモロ
ー等の特許に記載されているように光学ビーム路に光学
遅延手段を使用してもよい。
体12に沿って伝播するパルスの移相は移相器72を使用し
て変更される。次の測定は僅かに遅延した時間における
信号を示し、他のサンプルがCROに表示される。連続的
に時間を遅らせて移相器を連続的にシフトすることによ
って、全信号がサンプルされ、CROディスプレイ78に表
示される。移相器78を使用する代わりに、前述したモロ
ー等の特許に記載されているように光学ビーム路に光学
遅延手段を使用してもよい。
導体から導体12の右側へのクロストークのような雑音
を軽減したい場合には、上述した測定において電極52が
導体12の右側になるようにプローブ43を位置付けてもよ
い。この測定結果は影雑音信号に対応し初期のプローブ
位置から得られる信号から差し引かれる。プローブの正
確な位置は、左側の近隣の電極（導体14）が遮閉されて
いる場合重要ではない。プローブが電極から引き離され
ると、得られた波形に対するS/N比が低下する。
を軽減したい場合には、上述した測定において電極52が
導体12の右側になるようにプローブ43を位置付けてもよ
い。この測定結果は影雑音信号に対応し初期のプローブ
位置から得られる信号から差し引かれる。プローブの正
確な位置は、左側の近隣の電極（導体14）が遮閉されて
いる場合重要ではない。プローブが電極から引き離され
ると、得られた波形に対するS/N比が低下する。
第８図を参照すると、前記プローブ43に類似したプロ
ーブが示されており、このプローブはAlGaAs基板46を使
用し、この上にMQW構造48が設けられている。また、電
極52がMQW構造の外側面上に使用されている。電極はMQW
構造におけるプローブの能動領域を定めている。光学ビ
ームを能動領域54に供給するために、被覆物およびコア
82を有する光学ファイバ80が使用されプローブを維持し
ている。ファイバコアは基板46内に成長させられた導波
管トンネル84と光学的に連通するように配列されてい
る。ファイバコアおよびトンネルはプローブ43の能動領
域54へのビームを制限するように直径が１ないし５ミク
ロンである。
ーブが示されており、このプローブはAlGaAs基板46を使
用し、この上にMQW構造48が設けられている。また、電
極52がMQW構造の外側面上に使用されている。電極はMQW
構造におけるプローブの能動領域を定めている。光学ビ
ームを能動領域54に供給するために、被覆物およびコア
82を有する光学ファイバ80が使用されプローブを維持し
ている。ファイバコアは基板46内に成長させられた導波
管トンネル84と光学的に連通するように配列されてい
る。ファイバコアおよびトンネルはプローブ43の能動領
域54へのビームを制限するように直径が１ないし５ミク
ロンである。
上述した脱明から、改良された電気光学非接触信号測
定システム（方法および装置）およびこの装置に使用す
る改良されたプローブが提供されていることが明らかで
あろう。本発明の範囲内における方法および装置を含む
ここに記載したシステムの変更および変形は本技術分野
に専門知識を有する者によって疑いもなく考えられるこ
とであろう。例えば、本発明は縦動作モードを使用して
ポッケルス効果のＥ−Ｏ結晶を使用して実施することが
できる。この用途の材料はGaAsおよびAlGaAsを含むエピ
タキシャル成長Ｅ−Ｏ感知媒体を含む。両者は全ての重
要なＥ−Ｏ効果を維持しながら導電性を禁止するように
衝突する軽いイオンである。従って、上述した説明は例
示であって限定の意味にとられるものではない。
定システム（方法および装置）およびこの装置に使用す
る改良されたプローブが提供されていることが明らかで
あろう。本発明の範囲内における方法および装置を含む
ここに記載したシステムの変更および変形は本技術分野
に専門知識を有する者によって疑いもなく考えられるこ
とであろう。例えば、本発明は縦動作モードを使用して
ポッケルス効果のＥ−Ｏ結晶を使用して実施することが
できる。この用途の材料はGaAsおよびAlGaAsを含むエピ
タキシャル成長Ｅ−Ｏ感知媒体を含む。両者は全ての重
要なＥ−Ｏ効果を維持しながら導電性を禁止するように
衝突する軽いイオンである。従って、上述した説明は例
示であって限定の意味にとられるものではない。
第１図は本発明による導体上の電気信号を測定するプロ
ーブの斜視図である。 第２図は対象の信号を発生する導体の電極構造にすぐに
隣接しているプローブの一部を示す部分断面図である。
第2A図はMQW構造を示す拡大図である。 第３図は本発明の他の実施例によるプローブの部分斜視
図である。 第４図は第３図の線４−４に沿ってとった部分断面図で
ある。 第５図は第４図に示すプローブの部分端面図である。 第６図は第３図ないし第５図に示すプローブを使用した
電気光学サンプリング測定を行うシステムを示す構成図
である。 第７図はMQWプローブの応答特性を示す曲線である。 第８図は本発明の更に他の実施例によるプローブの部分
断面図である。 10……基板、12,14……電極、16……プローブシステ
ム、18……MQW構造、20……半導体基板、22……上層、2
4,26……プリズム、28……レンズ、30……ビーム、32…
…出力ビーム、34……レンズ、43……MQW装置、60……
レーザダイオード、62……RF発生器、66……ホトセン
サ、68……ロックイン増幅器、70……コンピュータ、72
……移相器、74……パルサ、78……CROディスプレイ。
ーブの斜視図である。 第２図は対象の信号を発生する導体の電極構造にすぐに
隣接しているプローブの一部を示す部分断面図である。
第2A図はMQW構造を示す拡大図である。 第３図は本発明の他の実施例によるプローブの部分斜視
図である。 第４図は第３図の線４−４に沿ってとった部分断面図で
ある。 第５図は第４図に示すプローブの部分端面図である。 第６図は第３図ないし第５図に示すプローブを使用した
電気光学サンプリング測定を行うシステムを示す構成図
である。 第７図はMQWプローブの応答特性を示す曲線である。 第８図は本発明の更に他の実施例によるプローブの部分
断面図である。 10……基板、12,14……電極、16……プローブシステ
ム、18……MQW構造、20……半導体基板、22……上層、2
4,26……プリズム、28……レンズ、30……ビーム、32…
…出力ビーム、34……レンズ、43……MQW装置、60……
レーザダイオード、62……RF発生器、66……ホトセン
サ、68……ロックイン増幅器、70……コンピュータ、72
……移相器、74……パルサ、78……CROディスプレイ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01R 31/308 G01R 15/07
Claims (26)
- 【請求項１】導体の空間的な所定の位置における導体上
の電気信号を測定する方法であって、前記位置において
前記導体からの周辺電界内に電気光学材料からなるプロ
ーブを設定し、前記プローブに光ビームを通過させ、前
記プローブを通過した後の前記ビームを第２の電気信号
に変換し、前記第２の電気信号に応答して前記周辺電界
を打ち消す電界を、前記最初に記載した信号を測定する
第３の電気信号によって前記プローブに発生させるステ
ップを有する前記方法。 - 【請求項２】前記電界発生ステップは、前記電界と交差
するように前記プローブの前記導体と対向する側に基準
電極を設定し、前記第３の信号を前記基準電極に供給す
るステップを有する請求項１記載の方法。 - 【請求項３】前記導体は本体上の複数の導体のうちの１
本であり、更に、前記１本の導体の一方の側と該一方の
側の複数の導体のうちの他の導体との間の前記電極を有
する前記１本の導体の一方の側に配設された複数の導体
のうちの他の導体と前記１本の導体との間にプローブを
設定し、前記ビームの通過、変換および発生ステップを
実行して、前記複数の導体のうちの前記他の導体の前記
第３の信号に寄与する測定用の信号成分を発生し、前記
対向する側と前記基準電極との間の前記プローブを有す
る前記一方の側に対向する前記導体の側に前記プローブ
を設定し、前記ビームの通過、変換および発生ステップ
を実行して、前記第３の信号を発生し、前記第３の信号
から前記信号成分を差し引いて前記第１の信号を測定す
る請求項２記載の前記方法。 - 【請求項４】前記通過手段は前記基準電極において前記
ビームを反射させることによって実行され、前記変換ス
テップは前記反射されたビームを光検出するステップを
有する請求項２記載の前記方法。 - 【請求項５】前記導体は基板上に互いに間隔を開けて配
設されている複数の導体のうちの１本であり、前記プロ
ーブは前記導体間の間隔よりも小さな対向する側部間を
有するMQW構造を有し、前記設定手段は前記MQW構造を前
記導体間に設定することによって実行される請求項１記
載の方法。 - 【請求項６】前記位置はミクロン範囲の寸法であり、更
に前記MQW構造の対向する側部の一方上にミクロン範囲
の領域を有する導電性材料からなる層形状の基準電極を
堆積させるステップを有し、前記設定手段は前記１つの
導体からの電界内に前記導体間の前記領域を設けるよう
に実行される請求項５記載の方法。 - 【請求項７】前記ビーム通過ステップは前記ビームが前
記MQW構造を通過し、前記領域において前記電極で反射
され、前記MQW構造を再び通過するように前記ビームの
焦点を前記領域上に合わせることによって達成され、前
記変換手段はビームが前記領域を再び通過した後のビー
ムに対して実行される請求項６記載の前記方法。 - 【請求項８】前記導体に沿って前記第１の信号を伝播
し、前記ビームをパルス状で発生するステップを更に有
する請求項１記載の方法。 - 【請求項９】前記導体上の前記信号および前記ビームの
パルスの１つを互いに同相で相対的に遅延させ、前記各
パルスの発生時サンプルを測定し、前記サンプルから前
記第３の信号を表示するステップを更に有する請求項８
記載の方法。 - 【請求項１０】サブミクロンの電気光学電界プローブで
あって、側面および縁部を有する端面を有する基板と、
前記側面に平行に前記縁部に延出している複数の層を有
する前記側面上の多重量子井戸（MQW）構造であって、
該構造は前記プローブの端面を画定するように約１ミク
ロンを超えない幅を有し、前記プローブを通って前記電
界が前記MQW構造の領域内に入るようになっている前記
多重量子井戸（MQW）構造と、光ビームを前記領域に限
定された前記MQW構造を通過させる手段とを有するサブ
ミクロンの電気光学電界プローブ。 - 【請求項１１】前記MQW構造上に配設された上層（super
strate）を更に有し、この上層は前記MQW構造が上側に
配設されている側面および前記プローブの端面を画定す
る端面を有している請求項10記載のプローブ。 - 【請求項１２】前記MQW構造と熱的に連結された温度制
御手段を更に有する請求項10記載のプローブ。 - 【請求項１３】前記基板が上側に配設された透明部材を
更に有する請求項10記載のプローブ。 - 【請求項１４】前記端面にほぼ平行な通路に沿って前記
領域を通る前記ビームを屈折する面を有する前記透明部
材上に設けられたプリズムを更に有する請求項13記載の
プローブ。 - 【請求項１５】前記基板に対向し、前記端面に延出する
前記MQW構造の側部に配設された導電材料からなる層を
更に有する請求項10記載のプローブ。 - 【請求項１６】前記領域は前記縁部に沿って配設され、
前記導電性材料の層は前記領域の面積にほぼ等しい面積
に前記端面に向かって狭くなり、前記ビーム通過手段は
前記ビームが反射される前記導電材料の層の前記領域に
前記ビームを向ける手段を有する請求項15記載のプロー
ブ。 - 【請求項１７】前記ビームを向ける手段は前記端面に沿
った前記基板を通って前記MQW構造の前記領域に延出す
る光学導波管を有する請求項16記載のプローブ。 - 【請求項１８】前記ビームが伝播する光学ファイバを更
に有し、前記導波管およびファイバは互いに光学的に連
通するように接続されている請求項17記載のプローブ。 - 【請求項１９】導体の空間的な所定の位置における導体
上の電気信号を測定するシステムであって、前記位置に
おいて前記導体からの周辺電界内に設けられている電気
光学材料からなるプローブと、前記プローブに光ビーム
を通過させる手段と、前記プローブを通過した後の前記
ビームを第２の電気信号に変換する手段と、前記第２の
電気信号に応答して前記周辺電界を打ち消す前記プロー
ブにおける電界を第３の電気信号で発生する手段と、前
記第３の信号から前記最初に記載した信号を測定する手
段とを有する前記システム。 - 【請求項２０】前記電界発生手段は前記電界と交差する
ように前記導体に対向する前記プローブの側部に設けら
れた基準電極および前記第３の信号を前記基準電極に供
給する手段を有する請求項19記載のシステム。 - 【請求項２１】前記基準電極において前記ビームを反射
する手段が設けられ、前記変換手段は前記反射されたビ
ームに応答するようになっている請求項20記載のシステ
ム。 - 【請求項２２】前記プローブは約１ミクロンより小さい
対向側部間の幅を有する多重量子井戸（MQW）構造を有
する請求項21記載のシステム。 - 【請求項２３】前記位置はマイクロ範囲の寸法を有し、
前記MQW構造の対向側部の一方上にミクロン範囲の面積
を有する導電性材料から成る層形状の基準電極およびシ
ールドを有し、前記シールドは前記導体からの電界以外
の電界から前記MQW構造を遮閉するように配設されてい
る請求項22記載のシステム。 - 【請求項２４】前記ビームが前記MQW構造を通過し、前
記領域において前記電極によって反射され、前記MQW構
造を再び通過するように前記ビームの焦点を前記領域上
に合わせる手段を更に有し、前記変換手段は前記MQW構
造を通過した後の前記反射されたビームに応答するよう
になっている請求項23記載のシステム。 - 【請求項２５】前記第１の信号を前記導体に沿って伝播
する手段及び前記光学ビームをパルス状に発生する手段
を更に有する請求項19記載のシステム。 - 【請求項２６】互いに同相で前記導体に供給される前記
信号および前記ビームのパルスの１つを遅延させる手段
および前記各パルスを発生時にサンプルを測定し、前記
サンプルから前記第３の信号を表示する手段を更に有す
る請求項25記載のシステム。
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