JP3130187B2

JP3130187B2 - 電界検出装置

Info

Publication number: JP3130187B2
Application number: JP05214269A
Authority: JP
Inventors: 淑也水田; 裕之松浦; 直杉山
Original assignee: 株式会社テラテック
Priority date: 1993-08-30
Filing date: 1993-08-30
Publication date: 2001-01-31
Anticipated expiration: 2016-01-31
Also published as: JPH0763795A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は集積回路の検査に利用す
る。特に、集積回路基板に近接して電気光学素子を配置
し、その集積回路の電極からの電界によってその素子に
生じる物理的状態の変化を光学的に測定する電界検出プ
ローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は従来の電界検出プローブの構成例
およびその測定方法を示す図である。測定時には、電気
光学結晶１を被測定回路基板２に近接して配置し、この
電気光学結晶１に光ビーム１００を入射する。被測定回
路基板２に形成された被測定電極３間に電界３００が発
生すると、この電界３００により電気光学結晶１に物理
的状態の変化が生じ、光ビーム１００の偏波面が変化す
る。この偏波面の変化を測定することにより、被測定電
極３間の電界を検出できる。電気光学結晶１としてどの
ような材料（結晶）を用いるかにより、被測定回路基板
２に垂直、すなわち光ビーム１００の光軸に平行な電界
を検出するものと、被測定回路基板２に平行な電界を検
出するものとがある。図９では被測定回路基板２に垂直
な電界を検出する例を示す。

【０００３】電界検出プローブの詳細については、たと
えば、永妻忠夫、「電気光学結晶を用いた外部ＥＯサンプ
リング」、電子情報通信学会誌、Ｖｏｌ．７５、Ｎｏ．
６、ｐｐ．６０１−６０５、１９９２年６月、神谷武志、高橋亮、「半導体レーザを光源とする電
気光学サンプリング」、応用物理第６１巻第１号ｐｐ．
３０−３７、１９９２年に詳しく説明されている。

【０００４】しかし、このような従来例構造では、被測
定回路基板２からの漏れ電界の一部しか電気光学結晶１
に印加されないため感度が低く、被測定電極３の幾何学
的配置により感度が変化し、また、絶対電圧の測定が不
可能であるという問題がある。

【０００５】この問題を解決したひとつの従来例を図１
０および図１１に示す。この従来例は特開平２−９８６
７１号公報（以下「先願公報」という）に開示されたも
のであり、上述の神谷の文献でも引用されている。この
電圧測定装置は、電気光学結晶１の上面に補助電極とし
て導電性透明電極４を備え、この導電性透明電極４に可
変電圧を印加する。この印加電圧が零であり被測定電極
３に電圧Ｖ₀が印加されているときには、図１０に示す
ように被測定回路基板２に垂直な方向の電界が生じ、光
ビーム１００に偏波面変化が生じる。ここで、この偏波
面変化がなくなるように、すなわち電気光学結晶１内の
電界がなくなるように、導電性透明電極４に電圧Ｖ_Sを
印加する。この状態を図１１に示す。電気光学結晶１内
の電界がないのであるから、導電性透明電極４に印加し
た電圧Ｖ_Sが被測定電極３の電圧Ｖ₀と等しいはずであ
り、被測定電極３の絶対電圧の測定が可能となる。

【０００６】先願公報にはさらに、補助電極を電気光学
結晶１の側面に設けた例、絶対電圧を測定するための他
の電圧印加方法などが示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、先願公報に開
示された技術でも、絶対電圧を測定するためには、必ず
そのつど校正を行う必要があり、測定を自動化する上で
問題があった。

【０００８】本発明は、このような課題を解決し、校正
を行うことなく絶対電圧の測定が可能な電界検出装置を
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の電界検出装置
は、被測定回路基板に近接して配置可能な形状であっ
て、その被測定回路基板に設けられた被測定電極からの
電界により光学特性が変化する素子と、この素子を通過
した光の物理的状態の変化を検出する検出手段と、この
素子の少なくともひとつの面に設けられた補助電極と、
この補助電極に電圧を印加する手段とを備えた電界検出
装置において、検出手段の出力に応じて補助電極に印加
される電圧を制御する帰還手段を備えたことを特徴とす
る。

【００１０】電界により光学特性が変化する素子として
は、電気光学結晶の他に、電界強度により光の吸収量が
変化するＧａＡｓ結晶や、量子井戸構造半導体などを用
いることができる。

【００１１】制御手段は補助電極に印加する電圧をその
電圧印加により検出手段で検出される光の物理的状態の
変化がなくなるように制御する手段を含むことが望まし
い。

【００１２】電界により光学特性が変化する素子として
被測定回路基板に垂直な電界に対して感度をもつ素子を
用い、補助電極をこの素子の被測定回路基板に向き合う
面とは逆側の面に設けることが望ましい。

【００１３】補助電極に印加される電圧を変調する手段
をさらに備え、検出手段は光の物理的状態の変化を変調
する手段の変調周波数を用いて同期検波する手段を含む
ことができる。

【００１４】補助電極への印加電圧とは別に、素子に入
射する光を変調し、その変調周波数を用いて同期検波す
ることもできる。

【００１５】素子に入射する光としてパルス光を用い、
光の物理的状態の変化をサンプリングすることもでき
る。

【００１６】

【作用】電界により光学特性が変化する素子の少なくと
もひとつの面、望ましくは上面に補助電極を取り付け、
この素子に光を入射して検出された物理状態の変化に応
じてその電極に電圧を印加する。特に、光の物理的状態
の変化が検出されなくなるように電圧を印加する。光の
物理的状態の変化が検出されないということは、その素
子に電圧が印加されていないということであり、補助電
極の電位が被測定電極の電位と等しくなっていることを
意味する。したがって、その電圧が被測定電極の電圧に
等しく、校正の必要なしに被測定電極の絶対電圧を測定
することができる。また、常にほぼ一定の電界、通常は
零電界が電界検出用の素子に印加されるため、その素子
の直線性には無関係に直線性のよい出力信号が得られ
る。

【００１７】また、電界による光学特性が変化する素子
として電界のうち被測定回路基板に垂直な電界を検出す
るものを用い、その素子の上面に電極を設けた場合に
は、被測定電極の幾何学的配置によらずにその電極の絶
対電圧を測定できる。

【００１８】素子に印加する電圧を変調して同期検波す
る場合には、非同期雑音を除去できるので信号対雑音比
が良くなり、高感度になる。また、光源のパワー変動に
よらず制御が可能となるので、正確な絶対電圧を測定で
きる。

【００１９】素子に入射する光を変調すると、光源のＡ
Ｍノイズの影響を避けて信号対雑音比を向上させること
ができる。

【００２０】さらに、パルス光を用い、サンプリングに
より被測定電極の信号を測定すると、測定手段や制御手
段に要求される帯域がサンプリング後の信号の帯域で十
分なので、被測定信号の帯域に無関係に低くでき、簡単
な回路で容易に測定できる。また、補助電極と制御手段
との接続も簡単になる。さらに、雑音帯域幅を狭くでき
るので信号対雑音比が良くなり、高感度になる。また、
同じ測定手段および制御手段を用いた場合に、連続光を
用いた場合に比べて電界検出装置の帯域を高くすること
ができる。

【００２１】

【実施例】図１は本発明第一実施例の電界検出装置の構
成を示す。ここでは、電界により光学特性が変化する素
子として、縦型電界検出用結晶、すなわち被測定回路基
板２に垂直な電界を検出する素子を用いた例について説
明する。

【００２２】この実施例装置は、被測定回路基板２に近
接して配置可能な形状であって、その被測定回路基板２
に設けられた被測定電極３からの電界により光学特性が
変化する素子として電気光学結晶１を備え、この電気光
学結晶１を通過した光の物理的状態の変化を検出する検
出手段として光源５、偏光子６、波長板７および光検出
器８を備え、電気光学結晶１の少なくともひとつの面に
設けられた補助電極として導電性透明電極４を備え、こ
の補助電極４に電圧を印加できる構造となっている。こ
こで本実施例の特徴とするところは、光検出器８の出力
に応じて導電性透明電極４に印加される電圧を制御する
制御手段として、基準信号発生器９、減算器１０および
制御回路１１を備えたことにある。

【００２３】電気光学結晶１は、被測定回路基板２に垂
直な方向の電界に対して感度をもち、この電界方向と平
行に伝搬する光の偏波面に変化を与える。光源５から出
力された光ビーム１００は、偏光子６、波長板７および
導電性透明電極４を通過して電気光学結晶１に入射し、
電気光学結晶１の底面で反射して、再び導電性透明電極
４および波長板７を通過して偏光子６に入射する。この
とき、被測定電極３と導電性透明電極４との間の電圧に
応じて、光ビーム１００の偏波面が変化する。偏光子６
は電気光学結晶１からの反射光のうち特定の偏波成分を
反射するので、光ビーム１００の偏波面変化に応じて光
検出器８に入射する光の量が変化する。すなわち、光検
出器８の出力は、被測定電極３と導電性透明電極４との
間の電圧に対応して変化する。波長板７は光検出器８に
入射する光のオフセット量を調整するために設けられて
おり、被測定電極３と導電性透明電極４との間の電圧が
零のときでも光検出器８に一定量の光を入射する。

【００２４】光検出器８の出力は減算器１０に入力され
る。減算器１０は光検出器８の出力と基準信号発生器９
の出力との差を出力する。制御回路１１はこの減算器１
０の出力に応じて導電性透明電極４に電圧を印加する。
このとき、減算器１０の出力が零となるように導電性透
明電極４の電圧を制御する。基準信号発生器９の出力を
被測定電極３と導電性透明電極４との間の電圧が零のと
きの光検出器８の出力と等しくしておけば、常に被測定
電極３と導電性透明電極４との間の電圧を零、すなわち
被測定電極３と導電性透明電極４とを同電位にすること
ができる。したがって、導電性透明電極４に印加する電
圧を出力信号２００として取り出せば、その電圧が被測
定電極３の電圧と等しくなる。

【００２５】図２は本発明第二実施例の電界検出装置の
構成を示す。この実施例は、導電性透明電極４に印加さ
れる電圧を変調する手段として発振器１２および加算器
１３を備え、制御回路１１の前段には、光検出器８の出
力を発振器１２からの変調周波数を用いて同期検波する
手段としてロックインアンプ１４を備えたことが第一実
施例と異なる。

【００２６】図３は第二実施例の動作を説明する図であ
り、（ａ）は電気光学結晶１に印加される電圧に対する
光検出器８の入射光量、（ｂ）は時間を横軸にとった発
振器１２の出力波形、（ｃ）は時間に対する光検出器８
の出力波形、（ｄ）は時間を横軸にとったロックインア
ンプの出力波形、（ｅ）は電気光学結晶１に印加される
電圧に対するロックインアンプ１４の出力波形を示す。

【００２７】光検出器８に入射する光の量および光検出
器８の出力は、図３（ａ）に示すように、電気光学結晶
１に印加される電圧により変化する。ここで、波長板７
を調整し、電気光学結晶１に印加される電圧が零のとき
光検出器８に入射する光の量が零となるように、すなわ
ち図３（ａ）におけるＡ点となるようにバイアスする。
発振器１２では、図３（ｂ）に示すように、±ΔＶで変
調を加える。この電圧が＋ΔＶのときには、光検出器８
に入射する光の量は図３（ａ）のＢ点となり、−ΔＶの
ときにはＣ点となる。この特性はＡ点に対して対称であ
るから、Ｂ点とＣ点における光検出器８に入射する光の
量は等しくなる。したがって、ロックインアンプ１４の
出力は図５（ｄ）に示すように零となる。

【００２８】電気光学結晶１への印加電圧が正のときに
は、その電圧の増加により光検出器８に入射する光の量
が増加し、電圧の減少により光の量が減少するようにな
る。すなわち、動作点が図３（ａ）のＡ′点となる。し
たがって、光検出器８の出力は、図３（ｃ）の中央部に
示すように、発振器１２の出力と同相の成分を含むよう
になる。このとき、ロックインアンプ１４の出力は、図
３（ｄ）の中央部に示すように、正の電圧を出力する。

【００２９】これに対し、電気光学結晶１への印加電圧
が負の場合には、動作点が図３（ａ）のＡ″点となり、
その電圧の増加により光検出器８に入射する光の量が減
少するようになる。したがって、光検出器８の出力は、
図３（ｃ）の右側に示すように、発振器１２の出力の逆
相の成分を含むようになる。このとき、ロックインアン
プ１４の出力は、図３（ｄ）の右側に示すように、負の
電圧を出力する。

【００３０】このように、ロックインアンプ１４の出力
は、電気光学結晶１の印加電圧に対して図３（ｅ）のよ
うに変化し、電気光学結晶１の印加電圧が零でないとき
正負の誤差信号となる。この誤差信号に基づき、制御回
路１１で誤差信号が零となるように制御する。すなわ
ち、電気光学結晶１への印加電圧が零となるように、導
電性透明電極４に印加する電圧を制御する。この制御に
より、被測定電極３と導電性透明電極４との電位差は零
となる。このようにして、出力信号２００には、被測定
電極３と同じ電圧を得ることができる。

【００３１】第一実施例のように基準に直流信号を使用
する場合には、正負の誤差信号を得るためには光検出器
８に入射する光を零となるような点に制御することはで
きないので、光源５のパワー変動が導電性透明電極４に
印加される電圧のオフセット誤差となってしまう。これ
に対し第二実施例では、常に光検出器８に入射する光が
零となる点Ａを中心に制御するので、光源のパワー変動
による誤差を除去できる。また、同期検波しているの
で、非同期ノイズが除去されて信号対雑音比が良くな
り、感度が向上する。

【００３２】図３では導電性透明電極４に加える変調電
圧を光量最小の半値幅電圧よりも小さくしているが、こ
れに限定される必要はなく、変調電圧は任意に選択でき
る。図４に変調電圧のピーク値を半値幅電圧の１／２と
したときの波形例を示す。図４において、（ａ）は電気
光学結晶１に印加される電圧に対する光検出器８の入射
光量を示し、（ｂ）は電気光学結晶１に印加される電圧
に対するロックインアンプ１４の出力波形を示す。

【００３３】ここでは発振器１２の出力信号を矩形波と
したが、正弦波、三角波など、周期波形であればどのよ
うな信号を用いてもよい。

【００３４】図５は本発明第三実施例の電界検出装置の
構成を示す。この実施例は、発振器１２の出力信号を正
弦波とし、ロックインアンプ１４の参照信号として変調
信号の二次高調波を用いるものである。すなわち、発振
器１２の出力が周波数２てい倍器１５に入力され、２倍
の周波数の正弦波がロックインアンプ１４に入力され
る。ロックインアンプ１４は、周波数２てい倍器１５の
出力を参照信号として光検出器８の出力信号を同期検波
する。

【００３５】図６は第三実施例における光検出器８の出
力とロックインアンプ１４の出力とを示す。横軸は共に
電気光学結晶１に印加される電圧である。ロックインア
ンプの出力信号は、図６（ｂ）に示すように、同図
（ａ）に示す光検出器８の出力信号の二次微分波形とな
る。したがって、ロックインアンプ１４の出力が零とな
るように制御すれば、電気光学結晶１に印加する電圧に
対して光検出器８の出力の傾きが最大となるように（図
６における点Ｐが動作点となるように）制御される。し
たがって、光源のパワー変動による制御点の変化を除去
できる。

【００３６】図７は本発明第四実施例の電界検出装置の
構成を示す。この実施例は、光源５のＡＭノイズ（主に
１／ｆノイズ）の影響を避けて信号対雑音比を向上させ
るために、偏波面変調器１６を用いて光を変調し、ロッ
クインアンプ１４により同期検波する。この実施例では
電気光学結晶１の入射光と反射光との双方を変調してい
るが、入射光だけを変調する構成とすることもできる。

【００３７】図８は本発明第五実施例の電界検出装置の
構成を示す。この実施例は、被測定回路基板２に平行な
電界を検出するためのものであり、電気光学結晶１とし
て横型電界検出結晶を用いたことが第一実施例と異な
る。電気光学結晶１は、第一実施例のものとは異なり、
電界方向と垂直に伝搬する光の偏波面に変化を与える。
電気光学結晶１に垂直に入射した光は、結晶の側面で横
方向に反射し、さらに別の側面で入射方向と逆方向に反
射する。したがって、入射光軸に垂直な電界を検出でき
る。ここでは第一実施例と同等の構成について説明した
が、同様の修正を施すことにより、第二実施例ないし第
四実施例のいずれでも横型電界検出結晶を用いることも
できる。

【００３８】以上の実施例において、光源５としてパル
ス光源を用いることもできる。この場合、被測定回路の
信号をサンプリング手法により測定できるので、被測定
回路信号の帯域に無関係に光検出器８、制御回路１１な
どの帯域を低くでき、構成が簡単でその実施が容易にな
る。また、雑音帯域幅を制限できるので、信号対雑音比
が良くなり、感度が良くなる。さらに、同一の光検出器
８および制御回路１１を用いた場合に、連続光を用いた
場合に比べて電界検出装置の帯域を高くすることができ
る。

【００３９】以上の実施例ではオフセット調整用に波長
板７を用いたが、これは必須というわけではない。ま
た、補助電極として導電性透明電極を用いたが、光が透
過する部分に開口を設けた金属電極を用いることもでき
る。電界により光学特性が変化する素子としては、電気
光学結晶の他に、電界強度により光の吸収量が変化する
ＧａＡｓ結晶や、量子井戸構造半導体など、電界により
光の物理的状態を変化させる物質であれば何を用いても
本発明を同様に実施できる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電界検出
装置は、電界により光学特性が変化する素子の一面に電
極を設け、この電極を被測定電極と同電位となるように
制御する構成としたために、被測定電極と等しい電圧を
得ることができ、校正の必要なしに被測定電極の絶対電
圧を測定することができる効果がある。また、常にほぼ
一定の電圧が電界検出用の素子に印加されるため、その
素子の直線性には無関係に直線性のよい出力信号が得ら
れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第一実施例の電界検出装置の構成を示す
図。

【図２】本発明第二実施例の電界検出装置の構成を示す
図。

【図３】第二実施例の動作を説明する図であり、（ａ）
は電気光学結晶に印加される電圧に対する光検出器の入
射光量、（ｂ）は時間を横軸にとった発振器の出力波
形、（ｃ）は時間に対する光検出器の出力波形、（ｄ）
は時間を横軸にとったロックインアンプの出力波形、
（ｅ）は電気光学結晶に印加される電圧に対するロック
インアンプの出力波形。

【図４】変調電圧のピーク値を大きくしたときの波形例
を示す図であり、（ａ）は電気光学結晶に印加される電
圧に対する光検出器の入射光量、（ｂ）は電気光学結晶
に印加される電圧に対するロックインアンプの出力波
形。

【図５】本発明第三実施例の電界検出装置の構成を示す
図。

【図６】第三実施例における波形例を示す図であり、
（ａ）は電気光学結晶に印加される電圧に対する光検出
器の入射光量、（ｂ）は電気光学結晶に印加される電圧
に対するロックインアンプの出力波形。

【図７】本発明第三実施例の電界検出装置の構成を示す
図。

【図８】本発明第四実施例の電界検出装置の構成を示す
図。

【図９】従来の電界検出プローブの構成例およびその測
定方法を示す図。

【図１０】先願公報に開示された電圧測定装置の構成お
よび動作を示す図であり、導電性透明電極を接地した状
態を示す図。

【図１１】先願公報に開示された電圧測定装置の構成お
よび動作を示す図であり、導電性透明電極に電圧を印加
した状態を示す図。

【符号の説明】

１電気光学結晶２被測定回路基板３被測定電極４導電性透明電極５光源６偏光子７波長板８光検出器９基準信号発生器１０減算器１１制御回路１２発振器１３加算器１４ロックインアンプ１５周波数２てい倍器１６偏波面変調器１００光ビーム２００出力信号３００電界

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−98671（ＪＰ，Ａ) 特開平４−148872（ＪＰ，Ａ) 特開平５−240884（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 19/00 - 19/32 G01R 31/28 - 31/3193 G01R 15/24 G01R 29/12 H01L 21/66

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定回路基板に近接して配置可能な形
状であって、その被測定回路基板に設けられた被測定電
極からの電界により光学特性が変化する素子と、この素子を通過した光の物理的状態の変化を検出する検
出手段と、上記素子の少なくともひとつの面に設けられた補助電極
と、この補助電極に電圧を印加する手段とを備えた電界検出
装置において、上記補助電極に印加される電圧を変調する手段と、上記検出手段の出力を上記変調する手段の変調周波数を
用いて同期検波する手段と、この同期検波する手段の検波出力に応じて上記補助電極
に印加される電圧を制御する制御手段とを備えたことを
特徴とする電界検出装置。