JP3154531B2

JP3154531B2 - 信号測定装置

Info

Publication number: JP3154531B2
Application number: JP33520491A
Authority: JP
Inventors: 利明永井; 伸一若菜
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-12-18
Filing date: 1991-12-18
Publication date: 2001-04-09
Anticipated expiration: 2016-04-09
Also published as: JPH05164788A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は信号測定装置に係り、特
に電気光学効果を利用して被測定部の電圧信号を測定す
る信号測定装置に関する。

【０００２】ＬＳＩ等の半導体素子を製造、利用する上
で、半導体素子が設計通りに論理的に作動するか否か、
また不良の有無を判定するために半導体素子内外の信号
波形を正確に測定することが必要不可欠である。

【０００３】しかしながら、近年の半導体素子の高速化
に伴い、従来のＬＳＩテスタ等を用いた電気的な信号波
形検出方式では、正確な測定が難しくなってきている。
そのため、電気的な信号波形検出方式に代わるものとし
て、電気光学効果を用いた光学式の信号波形検出方式
が、高速信号を計測できる方式として注目されるように
なった（例えば、Ｊ．Ａ．Valdmanis and Ｇ．Mourou，
“Subpicosecond electronics sampling：principles a
nd application”ＩＥＥＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＱ
ＵＡＮＴＵＭＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ．ＶＯＬ．ＱＥ
−２２．pp．６９−７８等）。

【０００４】また、本出願人は電気光学結晶の上に被検
ＬＳＩを積載し、電気光学結晶にレーザ光を入射後反射
させてその反射光の偏光状態を解析することにより、被
検ＬＳＩ入出力端子の電気信号の波形測定を行なう測定
装置を提案している（特開平１−２８５６６号公報）。

【０００５】かかる信号測定装置では電気光学結晶の複
屈折性の場所依存性や光走査系の光学特性の光走査位置
依存性、光学系の調整の不完全性などにできるだけ影響
されずに、被測定部の電圧を測定することが必要とされ
る。

【０００６】

【従来の技術】図６は上記の本出願人の提案になる信号
測定装置の一例の要部構成図を示す。同図中、１は電気
光学結晶で、例えばＧａＡｓ結晶（面方位〔１００〕、
厚さ２００μm 程度）を薄板状に形成してなる。この電
気光学結晶１の一方の面にはインジウム、スズ等の酸化
物からなる透明電極２が形成され、また電気光学結晶１
の他方の面にはアルミニウムや金等のコンタクト用電極
が形成されている。透明電極２は接地されている。

【０００７】被測定ＬＳＩ４の入出力ピン５はコンタク
ト用電極３に電気的に接続されている。この被測定ＬＳ
Ｉ４を動作状態とし、入出力ピン５から電圧が取り出さ
れてコンタクト用電極３に印加されると、電気光学結晶
１内に電界が誘起される。すると、電気光学結晶１はそ
の電界の強度に応じてポッケルス効果により軸方位によ
って屈折率が変化する複屈折性を生ずる。

【０００８】そこで、上記の本出願人の提案装置では透
明電極２側からレーザ光を透明電極２及び電気光学結晶
１を夫々通して目的の入出力ピン５に電気的に接続され
ているコンタクト用電極３に照射して反射させ、その反
射されたレーザ光を再び電気光学結晶１及び透明電極２
を通して外部へ取り出す。

【０００９】上記の反射レーザ光は目的の入出力ピン５
の電圧に応じて電気光学結晶１の屈折率が変化している
ために、その偏光状態が上記電圧に応じて変化してい
る。そこで、反射レーザ光を受光部（図示せず）で受光
して偏光状態を弁別することにより、被測定ＬＳＩの目
的の入出力ピン５の電圧を測定することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の本出
願人の提案になる信号測定装置では、光学系の調整が不
十分であると、測定点毎に僅かな光路のずれが生じ、そ
の結果検出光量にばらつきが生じる場合があり、測定精
度を高められない。また、電気光学結晶１の複数の点で
測定を行なう測定装置の場合には、結晶にかかる応力や
結晶欠陥などにより、結晶の複屈折性に不均一性が生
じ、レーザ光の偏光状態を変化させたり、また光走査系
のもつ光学特性の走査位置依存性により、測定点によっ
て、各測定点に対し同一電圧が印加されている場合であ
っても、検出された電圧が異なってしまう場合がある。

【００１１】電気光学結晶１へ印加される電圧による反
射レーザ光の偏光状態の変化は極めて微小であるため、
この変化を光検出器により電気信号に変え、それを増幅
器により大なる増幅率で増幅してＡ／Ｄ変換器に入力す
る必要がある。そのため、上記のような測定点毎の複屈
折性の不均一性が存在すると、増幅器の出力の飽和やＡ
／Ｄ変換器への入力電圧が入力レンジを越えることによ
る検出不能等の支障が生じ、また測定精度を悪化させる
原因となる。

【００１２】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
偏光解析器の入射光路上に変調器を設けるか、偏光解析
器内の所定位置に光強度変調器を設けることにより、上
記の課題を解決した信号測定装置を提供することを目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理構成
図を示す。同図に示すように、本発明は被測定部１１か
らの電圧を電気光学結晶１２の測定点に印加した状態で
電気光学結晶１２を透過又は反射往復する光ビームの偏
光状態の変化を偏光解析器１３で検出することにより、
前記被測定部１１からの電圧を測定する信号測定装置に
おいて、光変調器１４及び制御手段１５を有する構成と
したものである。

【００１４】上記の光変調器１４は偏光解析器１３の入
射光路中に設けられている。また、上記の制御手段１５
は光変調器１４を通して偏光解析器１３へ入射される光
ビームの直交成分が互いに略等しくなるように、予めま
たは測定直前に測定点毎に測定しておいた制御信号を光
変調器１４に入力する。

【００１５】また、本発明は偏光解析器１３を構成する
偏光ビームスプリッタと第１及び第２の光検出器の間の
各光路中に第１及び第２の光強度変調器と、第１及び第
２の光強度変調器を別々に透過して入射される第１及び
第２の光検出器の検出光量の測定点毎のばらつきを補正
するため、予めまたは測定直前に測定点毎に測定してお
いた制御信号を、第１及び第２の光強度変調器に夫々入
力する第１及び第２の制御手段とを有する。

【００１６】

【作用】本発明では、電気光学結晶１２から取り出され
た偏光（光ビーム）は、光変調器１４により互いに直交
する直線偏光成分が等しくなるように変調されて偏光解
析器１３に入射される。従って、電気光学結晶１２の複
数の測定点において結晶の複屈折性に不均一性が生じて
いたり、光走査系の光学特性が走査位置依存性をもって
いても、光変調器１４及びその変調特性を制御する制御
手段１５により、上記の不均一性が補正された状態で偏
光解析器１３に電気光学結晶１２からの光ビームが入射
される。

【００１７】また、前記した第１及び第２の光強度変調
器により、第１及び第２の光検出器に入射される光量が
調整されるため、光学系の調整が不十分で測定点毎に僅
かなずれが生じた場合の、検出光量のばらつきを補正す
ることができる。

【００１８】

【実施例】図２は本発明の一実施例の構成図を示す。同
図中、電気光学結晶２１は図１の電気光学結晶１２に相
当し、例えば前述したようにＧａＡｓ結晶製の薄板であ
る。この電気光学結晶２１の一の面にはアルミニウム又
は金等からなる光反射電極２２が複数設けられ、これら
が複数の測定点を構成している。また、電気光学結晶２
１の光反射電極２２が設けられた面と対向する面上に
は、ガラス板２３が形成されている。

【００１９】光反射電極２２は接触ピン２４，テストボ
ード２５を夫々介して被測定部１１である大規模半導体
集積回路（ＬＳＩ）２６の入出力ピン２７に電気的に接
触せしめられている。また光学系２８はレーザ光源２
９，コリメータ、λ／４板等の光学素子３０，ビームス
プリッタ３１，スキャナ３２，光変調器３３，偏光ビー
ムスプリッタ３４，光検出器３５及び３６よりなる。偏
光ビームスプリッタ３４，光検出器３５及び３６は前記
した偏光解析器１３を構成している。

【００２０】また、３７は差動増幅器、３８は信号処理
部、３９は制御装置、４０はタイミング発生器、４１は
ＬＳＩ駆動装置である。制御装置３９はタイミング発生
器４０より各種のタイミングパルスを発生させ、このタ
イミングパルスに同期して所要の測定動作を行なわせる
装置で、前記した制御手段１５を有している。

【００２１】かかる構成において、タイミング発生器４
０からのタイミングパルスがＬＳＩ駆動装置４１に印加
され、ＬＳＩ２６を動作状態としてその入出力ピン２７
に電圧を出力させる。また、これと同時にタイミング発
生器４０からのタイミングパルスは光学系２８内のレー
ザ光源２９に印加され、これを間欠的に駆動してレーザ
光パルスを発生させる。

【００２２】このレーザ光パルスは光学素子３０内のλ
／４板により円偏光とされてからビームスプリッタ３１
及びスキャナ３２を夫々通過し、更にガラス板２３，電
気光学結晶２１を透過して被測定ＬＳＩ２６の出力被測
定電圧が印加されている所定の光反射電極２２に入射さ
れ、ここで反射される。スキャナ３２は公知の構成で、
光走査レンズやガルバノミラーなどからなり、ガルバノ
ミラーが回動されることにより光反射電極２２に対する
入射レーザ光の走査を行なう。

【００２３】ここで、レーザ光が電気光学結晶２１内を
通過する際に、電気光学効果によりＬＳＩピン２７から
光反射電極２２に与えられている電圧に応じてレーザ光
の偏光状態が変化し、光反射電極２１で反射されたレー
ザ光（光パルス）は、楕円偏光になる。この反射レーザ
光は入射光路を逆進し、電気光学結晶２１，ガラス板２
３及びスキャナ３２を夫々通してビームスプリッタ３１
に入射され、ここで反射された後、後述の光変調器３３
を通して偏光ビームスプリッタ３４に入射される。

【００２４】偏光ビームスプリッタ３４は入射レーザ光
を互いに直交する２つの軸方位の直線偏光成分に分解
し、一方の軸方位の直線偏光成分は透過して集光レンズ
（図示せず）を介して第１の光検出器３５に入射させ、
また他方の軸方位の直線偏光成分は反射して集光レンズ
（図示せず）を通して第２の光検出器３６に入射させ
る。

【００２５】光検出器３５及び３６に入射される直線偏
光成分は、上記の如く偏光ビームスプリッタ３４の反射
と透過の光成分であるので、それらの検出信号は互いに
逆相の信号となる。一方、光量変動によるノイズは同相
となる。そこで、２個の光検出器３５及び３６の出力検
出信号の差を差動増幅器３７でとることにより、ノイズ
を低減し、信号成分のみを取り出すことができる。

【００２６】差動増幅器３７の出力信号は信号処理部３
８内の図３に示すＡ／Ｄ変換器４２に供給され、ここで
アナログ・ディジタル変換された後、ディジタル値が測
定され、これにより入出力ピン２７から測定点（光反射
電極２２）への印加電圧が測定される。

【００２７】ここで、結晶印加電圧に対する偏光状態の
変化は、１Ｖの印加電圧に対して、光強度に換算して0.
1 ％程度と極めて微小なため、Ａ／Ｄ変換器４２に入力
する前に信号を差動増幅器３７で大きく増幅している。
このため、もし電気光学結晶２１が不均一な複屈折性を
持っていると、ＬＳＩ端子電圧に拘らず戻り光の偏光状
態が円偏光からずれ、このずれが大きいと、差動増幅器
３７の出力信号が飽和を起こしたり、Ａ／Ｄ変換器４２
の入力レンジを越えたりし、測定が不能になるか測定精
度が悪化してしまう。

【００２８】そこで、本実施例では図２及び図３に夫々
示すように、偏光ビームスプリッタ３４の入射光側に光
変調器３３を設けて上記の現象を防止するものである。
光変調器３３は制御電圧により二つの直線偏光の位相差
を変えられる電気光学結晶を用いた光変調器で、その位
相差を発生する軸の設置角度を、偏光ビームスプリッタ
３４の偏光分離角度に対して４５度の角度に設置されて
いる。

【００２９】上記の制御電圧は図３に示す如く制御装置
３９内のＤ／Ａ変換器４３でディジタル・アナログ変換
して得られたアナログ電圧を、増幅器４４で増幅するこ
とにより生成される。このとき、Ｄ／Ａ変換器４３に入
力されるディジタル値は、予めＬＳＩ２６の入出力ピン
２７毎に測定及び登録しておいた値か、測定直前に測定
及び決定した値であって、偏光ビームスプリッタ３４よ
り取り出される二つの直線偏光成分の光強度を夫々一致
させる値である。

【００３０】ここで、光変調器３３により偏光ビームス
プリッタ３４より取り出される二つの直線偏光成分の光
強度を夫々一致させることができることについて詳細に
説明する。

【００３１】光変調器３３の位相差を発生する軸は、前
述したように図４に示す如く入射光及び出射光のｘ軸
（すなわち偏光ビームスプリッタ３４の偏光分離角度の
基本軸）に対して４５°の角度に配置されている。図４
に示す光学系についてジョーンズマトリックスを用いた
偏光状態の計算を行う。

【００３２】位相差を発生する方向をｘ軸から４５°傾
けた光変調器３３は次のジョーンズ行列で表される。

【００３３】

【数１】

【００３４】ただし、Ｒ（θ）は回転マトリックス、Γ
は発生位相差で光変調器３３への印加電圧の関数であ
る。

【００３５】入射光の偏光状態は任意のものとすると次
のように表される。

【００３６】

【数２】

【００３７】出射光の偏光状態は次式で与えられる。

【００３８】

【数３】

【００３９】出射光のｘ成分、ｙ成分の光強度は次式で
与えられる。

【００４０】

【数４】

【００４１】従って、変調器の発生位相差を

【００４２】

【数５】

【００４３】とすることにより、

【００４４】

【数６】

【００４５】すなわち、出射光のｘ成分とｙ成分の光強
度を等しくすることが可能である。

【００４６】このようにして、本実施例によれば、前記
数５に示した式を満足する制御電圧を発生して光変調器
３３に印加し、その複屈折性を変化させることにより、
任意の偏光状態の入射光に対しても光変調器３３よりｘ
成分とｙ成分の光強度の等しい偏光状態の偏光を取り出
すことができる。これにより、入出力ピン２７のすべて
の電圧を、差動増幅器３７の出力飽和やＡ／Ｄ変換器４
２の入力レンジ以上の過大入力を生じさせることなく測
定できるため、従来に比べて高精度の電圧測定ができ
る。

【００４７】次に本発明の要部の第２実施例の構成につ
いて図５と共に説明する。同図中、図３と同一構成部分
には同一符号を付し、その説明を省略する。本実施例は
図５に示す如く、光変調器３３を削除し、代わりに偏光
ビームスプリッタ３４と光検出器３５との間の光路に第
１の光変調器５１と第１の偏光子５２を設けると共に、
偏光ビームスプリッタ３４と光検出器３６との間の光路
に第２の光変調器５３と第２の偏光子５４を設けたもの
である。

【００４８】更に、本実施例ではＤ／Ａ変換器５５と増
幅器５６により光変調器５１の複屈折性を可変制御し、
Ｄ／Ａ変換器５７と増幅器５８により光変調器５３の複
屈折性を可変制御する。これらＤ／Ａ変換器５５，５
７，増幅器５６，５８は前記した制御装置３９内に設け
られている。光変調器５１及び５３は電気光学結晶によ
り構成されている。また、光変調器５１と偏光子５２は
第１の光強度変調器を構成しており、光変調器５３と偏
光子５４は第２の光強度変調器を構成している。

【００４９】次に本実施例の動作について説明する。偏
光ビームスプリッタ３４により反射された直線偏光成分
は光変調器５１に入射され、ここで増幅器５６よりの制
御電圧に応じた楕円偏光又は円偏光に変調された後、偏
光子５２に入射され、ここで所定の軸方位の直線偏光成
分のみ通過されて光検出器３５に入射される。

【００５０】一方、偏光ビームスプリッタ３５を透過し
た直線偏光成分は光変調器５３に入射され、ここで増幅
器５８よりの制御電圧に応じた楕円偏光又は円偏光に変
調された後、偏光子５４に入射されて所定の軸方位の直
線偏光成分のみ通過されて光検出器３６に入射される。

【００５１】従って、光検出器３５，３６に入射される
光の光強度は偏光子５２，５４を透過する直線偏光成分
により決まり、これは増幅器５６，５８より光変調器５
１，５３へ印加される制御電圧により決まる。従って、
光検出器３５，３６の入射光の光強度が夫々等しくなる
よう、予めＬＳＩ２６の入出力ピン２７毎に測定及び登
録しておいたディジタル値か、測定直前に測定及び決定
したディジタル値をＤ／Ａ変換器５５，５７に入力して
増幅器５６，５８より所定の制御電圧を取り出すことに
より、測定点毎の光路のずれに起因する二つの検出光量
のばらつきを補正することができる。

【００５２】なお、本発明は上記の実施例に限定される
ものではなく、光変調器３３は電気光学結晶２１に入射
されるレーザ光の光路に設けてもよく、また電気光学結
晶２１の入射光及び出射光の夫々の光路中に設けるよう
にしてもよく、要は偏光解析器の入射光路中に設ければ
よい。

【００５３】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、光変調器
及び制御手段により偏光解析器への入射光の二つの偏光
分離方向の光強度を、電気光学結晶の複屈折性の場所依
存性に拘らず同一とすることができるため、従来に比べ
て安定かつ高精度に電圧測定ができ、また二つの光検出
器の入射光量を二つの光強度変調器及び制御手段により
調整できるようにしたため、光学系の僅かな調整誤差に
関係なく正確な電圧測定ができ、また電気光学結晶の複
屈折性の測定点毎の不均一性や光学系の調整の不完全に
起因する測定点の特性変動による検出系にかかる負担を
軽減することができる等の特長を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構成図である。

【図２】本発明の一実施例の構成図である。

【図３】本発明の要部の第１実施例の構成図である。

【図４】図３の光変調器の動作説明図である。

【図５】本発明の要部の第２実施例の構成図である。

【図６】従来装置の一例の要部構成図である。

【符号の説明】

１１被測定部１２，２１電気光学結晶１３偏光解析器１４光変調器１５制御手段３３，５１，５３光変調器３４偏光ビームスプリッタ３５，３６光検出器３７差動増幅器５２，５４偏光子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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】被測定部（１１）からの電圧を電気光学
結晶（１２）の測定点に印加した状態で該電気光学結晶
（１２）を透過又は反射往復する光ビームの偏光状態の
変化を偏光解析器（１３）で検出することにより、前記
被測定部（１１）からの電圧を測定する信号測定装置に
おいて、前記偏光解析器（１３）の入射光路中に設けられた光変
調器（１４）と、該光変調器（１４）を通して前記偏光解析器（１３）へ
入射される光ビームの直交成分が互いに略等しくなるよ
うに、予めまたは測定直前に測定点毎に測定しておいた
制御信号を該光変調器（１４）に入力する制御手段（１
５）とを有することを特徴とする信号測定装置。
【請求項２】前記光変調器（１４）は、位相差を発生
する方向を前記偏光解析器（１３）の偏光分離軸から４
５°傾けた光変調器であることを特徴とする請求項１記
載の信号測定装置。
【請求項３】前記偏光解析器（１３）は、前記光変調
器（１４）を通過した入射光を互いに直交する二つの直
線偏光成分に分解する偏光ビームスプリッタ（３４）
と、該偏光ビームスプリッタ（３４）から取り出される
二つの直線偏光成分を夫々検出する第１及び第２の光検
出器（３５，３６）とからなることを特徴とする請求項
１記載の信号測定装置。
【請求項４】被測定部（１１）からの電圧を電気光学
結晶（１２）の測定点に印加した状態で該電気光学結晶
（１２）を透過又は反射往復する光ビームを、偏光ビー
ムスプリッタ（３４）により互いに直交する二つの直線
偏光成分に分解し、これら二つの直線偏光成分を第１及
び第２の光検出器（３５，３６）により別々に検出して
得た信号に基づいて前記電気光学結晶（１２）からの光
ビームの偏光状態の変化を検出することにより、前記被
測定部（１１）からの電圧を測定する信号測定装置にお
いて、前記偏光ビームスプリッタ（３４）と前記第１及び第２
の光検出器（３５，３６）の夫々の間の各光路中に設け
られた第１及び第２の光強度変調器（５１，５２；５
３，５４）と、該第１及び第２の光強度変調器（５１，５２；５３，５
４）を別々に透過して入射される前記第１及び第２の光
検出器（３５，３６）の検出光量の測定点毎のばらつき
を補正するため、予めまたは測定直前に測定点毎に測定
しておいた制御信号を、該第１及び第２の光強度変調器
（５１，５２；５３，５４）に夫々入力する第１及び第
２の制御手段（５５，５６；５７，５８）とを有するこ
とを特徴とする信号測定装置。
【請求項５】前記第１及び第２の光強度変調器（５１
〜５４）の各々は、前記偏光ビームスプリッタ（３４）
よりの直線偏光成分を変調する光変調器（５１，５３）
と、該光変調器（５１，５３）を透過した偏光成分を直
線偏光として透過させる偏光子（５２，５４）とよりな
ることを特徴とする請求項４記載の信号測定装置。