JP3278460B2 - 電子部品内の電気信号測定用電気光学測定装置 - Google Patents

電子部品内の電気信号測定用電気光学測定装置

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JP3278460B2 JP20810392A JP20810392A JP3278460B2 JP 3278460 B2 JP3278460 B2 JP 3278460B2 JP 20810392 A JP20810392 A JP 20810392A JP 20810392 A JP20810392 A JP 20810392A JP 3278460 B2 JP3278460 B2 JP 3278460B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子部品内の電気信号
を光学的に測定するために、パルス状光ビームを発生す
る光源と、電気光学結晶を具えるセンサと、前記光源と
前記結晶との間に配置され光ビームを測定すべき部品に
対面する前記結晶の第１表面上に光スポットに集束させ
る光学系と、前記電気光学結晶内に誘起された複屈折に
より前記結晶内で光ビームに発生した位相変化を電気信
号に変換する検出システムとを具え、前記結晶は透明支
持体手段に装着されている電気光学測定装置に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】上述の電気光学測定装置はエス・アオシ
マ等の論文「Non-contact picosecondelectro-optic sa
mpling utilizing semiconductor laser pulses」, SPI
E, Vol. 1155, Ultrahigh Speed and High Speed Photo
graphy, Photonicsand Videography '89, pp.499〜510,
から既知である。これに記載された測定装置は電気光学
結晶の形態のセンサを用い、これを電子部品から発する
測定すべき電気信号の近くに配置する。この電気光学結
晶は透明基板上に取り付ける。信号により発生される電
界がこの結晶の複屈折を変化する。その結果、この結晶
に供給された、例えばレーザからの光ビームが位相の変
化を生ずる。従って、前記複屈折及び従ってこの複屈折
を生じさせた電気信号をこの位相変化の測定により測定
することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この装置の感度は電気
光学結晶と測定すべき部品との間の距離に大きく依存す
る。この距離は、測定すべき部品の各点における信号に
より発生される電界が電気光学結晶の区域でできるだけ
大きくなるように、できるだけ小さくする必要がある。
しかし、測定すべき部品はその高さが不規則変化を示す
ため、前記距離を任意に小さくすることはできない。前
記引用文献「SPIE, Vol. 1155, UltrahighSpeed and Hi
gh Speed Photography, Photonics and Videography 1
989, pp.499-504 」において、電気光学結晶と測定すべ
き部品との間に比較的高い誘電率を有する媒質、好まし
くは液体媒質を介挿することにより結晶内の電界を増大
させることが提案されている。しかし、この文献では、
高い信号周波数の場合にはこの媒質の効果が不十分にな
ることを既に認識している。更に、この既知の装置で
は、特に幾何学距離又は誘電体媒質により減少される実
効距離を小さくしすぎると、測定すべき部品上の測定点
の近くの点の信号から発生する電界が電気光学結晶まで
到達してこれら漂遊電界が結晶の複屈折に影響を与え、
クロストークが発生し得る。このクロストークは特に単
位表面積当たり多数の部品を具える集積回路の測定中に
発生する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、電気光学結晶
と測定すべき部品との間の距離を小さくする必要がな
く、クロストークを殆ど示さない電気光学測定装置を提
供する。この目的のために、本発明電気光学測定装置に
おいては、前記電気光学結晶の第１表面上に導電性の尖
端素子を設けたことを特徴とする。
【０００５】この尖端素子の本質的利点は、これを測定
すべき電気信号が存在するトラック又は導体と接触させ
ると、そのトラック又は導体に存在する電圧を殆ど減衰
することなく結晶の下面に転送する点にある。更に、該
当するトラックの電圧のみを転送するため、結晶の複屈
折がこのトラックの信号のみによってほぼ決まる。この
結果、隣接するトラック上の信号間のクロストークの惧
れがほぼ除去される。結晶の下面の電圧が測定点の電圧
に等しくなるため、後述する特定の実施例により校正さ
れた測定を実行することができる。
【０００６】尖端素子に対し種々の導電材料、例えばド
ープシリコン、タングステン又は金属を選択することが
できる。金属尖端素子は小寸法の反射器としても作用す
るため、検出システムが受光する光が結晶の第１表面上
の小さな光スポットから発したものとなる利点をもたら
す。この結果、与えられた環境においてこの新規な測定
装置の既に高い分解能を更に向上させることができ、或
いは光学系に課される要件を下げることができる。
【０００７】尖端素子は導電ワイヤで終端するものとす
ることができる。この構成は、電気光学結晶と電子部品
上の測定すべき点との間の距離が大きくなり、クロスト
ークの惧れが更に小さくなる利点を有する。
【０００８】本発明電気光学装置においては、前記支持
体手段の前記結晶に対面する部分に、前記結晶に基準電
圧を供給するための電極を設けるのが好ましい。この電
極により、前記文献「SPIE Vol. 1155, Ultrahigh Spee
d and High Speed Photography Photomics and Videogr
aphy, 1989」に開示されている特別の実施例のように、
絶対電圧測定を実行することができる。本発明装置では
この電極と導電性尖端素子との組合せにより校正された
測定を実行することができる。
【０００９】この電極は支持体手段と電気光学結晶との
間に配置して結晶の上面の電圧が基準電圧に等しくなる
ようにすることができる。この場合にはこの電極を透明
にする必要がある。しかし、この電極は支持体手段の外
周面上に設け、電気光学結晶の一部分上にも延在させる
ことができる。この場合にも結晶の上面の電圧は基準電
圧によりかなり良好に決まる。
【００１０】本発明電気光学測定装置の他の実施例で
は、前記基準電圧を前記検出システムの出力信号を処理
する電子処理回路の出力電圧にする。
【００１１】このようにすると自動帰還が達成され、零
点測定を達成することができる。この場合には前記電極
の電圧が常に測定信号に等しくなる。このような零点測
定は測定誤りの惧れが減少する利点をもたらす。
【００１２】光ビームは対物レンズ系により電気光学結
晶の下面上に最小寸法の光スポットを形成するよう集束
し、透明支持体を通過するビームが集中ビームになるよ
うにするのが好ましい。この支持体の上面が既知の装置
のように平坦である場合、この上面において追加の屈折
が生じるため、前記光スポットが大きくなり、光が金属
尖端素子の外部にも入射し、従って測定光の損失を生ず
る。これを阻止するために、本発明装置では、前記支持
体手段を、曲率中心が光ビームの主光線と結晶の第１表
面との交点に位置する球の扇形部分の形に形成した透明
材料の扇形素子で構成する。このような扇形素子を使用
するとアーチファクト像の形成が阻止されるため、光ス
ポットの大きさは前記光学系の光学的品質によってのみ
決まる。
【００１３】光学系が対物レンズ系を具えている本発明
測定装置の他の実施例では、前記支持体手段を対物レン
ズ系に固着する。このようにするとコンパクトな測定装
置が得られる。
【００１４】本発明測定装置の変形例では、前記支持体
手段を前記光源に対面する入射面を有すると共に前記電
気光学結晶に接続された射出面を有する光ファイバで構
成する。
【００１５】この光ファイバは測定光を導き、測定光を
周囲の影響から保護する。複屈折による測定ビームの偏
光変化を測定する場合には、このファイバは偏光維持フ
ァイバとするのが好ましい。
【００１６】本発明測定装置の更に他の実施例では、前
記支持体手段をｘｙｚマニピュレータに固着する。この
場合、結晶を部品上の測定すべきトラックに精密に整列
させることができる。
【００１７】本発明装置の更に他の実施例では、前記光
源と前記センサとの間のビーム通路内に部分透明素子を
配置し、これにより前記光源からのビームを前記電気光
学結晶に向かう測定ビームと基準反射器に向かう参照ビ
ームとに分離すると共に反射後の参照ビームと測定ビー
ムとを合成するようにする。この場合、測定ビームに生
じた位相シフトを干渉計により測定することができる。
【００１８】本発明測定装置の更に他の実施例では、前
記部分透明素子と前記電気光学結晶との間のビーム通路
及び前記部分透明素子と前記参照反射器との間のビーム
通路の少なくとも一方に光ファイバを配置する。このよ
うにすると、ビームが周囲の影響を殆ど受けない。更
に、参照ビームが伝搬する光ファイバの長さと測定ビー
ムが伝搬する光ファイバの長さを等しくすると、これら
光ファイバが光ビームに与える影響も除去される。パル
ス状光ビームを使用する場合には、これらファイバの長
さを数ミリメートル以内で等しくして、測定パルスと参
照パルスが検出システムに同時に、又はほぼ同時に到達
するようにする必要がある。このようなファイバの使用
は測定装置の設計に大きな自由度を与える。
【００１９】測定装置で利用する電気光学効果は極めて
小さい効果であるため、比較的高い信号レベルを有する
信号の小さな変化を測定する必要がある。これがため、
この装置では測定信号をテスト信号の周波数から十分に
離れた固定周波数で変調するのが好ましい。簡単である
ために魅力的な変調方法を実行する本発明装置の実施例
では、回転可能なλ／２板を前記電気光学結晶へ入射す
るビームの通路内に配置する。ここでλは光ビームの波
長である。
【００２０】結晶に入射するビームの偏光方向がこのλ
／２板の回転により回転されるため、ダイナミック測定
が得られる。λ／２板は偏光方向を角周波数の２倍で回
転させ、この板が順方向測定ビームの通路のみならず反
射測定ビームの通路にも配置されている場合には角周波
数の４倍で偏光方向の回転が生じるため、変調周波数は
λ／２板の回転周波数の４倍になる。この結果、この方
法は角速度に等しい周波数又は角速度の２倍に等しい周
波数の妨害を受けなくなる。
【００２１】電子部品に供給する周期的テスト信号の周
期より数桁短いパルス持続時間のパルスレーザビームを
用いると共に、順次のレーザパルスの発生瞬時をテスト
信号の周期に対し少しづつずらせることにより、部品上
の該当する位置における信号の時間的変化、換言すれば
波形を決定することができる。この方法はサンプリング
法として知られており、前記文献「SPIE, Vol. 1155, U
ltrahigh Speed and High Speed Photography, Photoni
cs and Videography '89, pp.499〜510 」に開示されて
いる。
【００２２】この既知のサンプリング法では、各レーザ
パルス中に測定された電子部品の一点における、信号の
値を零値、即ちレーザパルスが存在しないタイムインタ
ーバル中の検出信号の値と比較する。従って、一種のＤ
Ｃ測定を行っている。この方法は、測定信号が測定シス
テムのドリフトに影響され易い欠点を有する。このドリ
フトは電子処理回路のセッティングにおけるドリフト及
び特に電気光学測定装置の場合には光学部品又は電気光
学結晶の光学特性の、例えば温度変化による変化により
発生し得る。
【００２３】本発明は、最適な測定結果を得るために、
上述した電気光学測定装置において、更に、測定すべき
部品に周期的に変化する入力信号（ＳＩ）を供給する信
号発生器（ＤＣ）と、前記信号発生器の出力端子に接続
されトリガパルスを発生するプログラマブル遅延発生器
（ＤＧ）と、該遅延発生器に接続され且つ変調信号源
（ＦＧ）からの、周期的入力信号（ＳＩ）の周波数より
低い周波数を有する周期的変調信号により駆動される遅
延変調器（ＤＭ）と、該遅延変調器に接続された放射源
駆動回路（ＬＤ）とを具え、該駆動回路に周期的変調信
号の各周期ごとに、周期的変調信号の第１の半周期中及
び第２の半周期中において周期的入力信号に対しそれぞ
れ第１及び第２の位相関係を示す複数のパルスを供給
し、前記変調信号源を検出信号を処理する回路（ＡＭ，
ＩＭ）にも接続した構成にする。
【００２４】この場合には、前記放射源が複数の放射パ
ルス系列を連続的に出力するよう制御され、各パルス系
列が２つのサブ系列から成り、その第１サブ系列のパル
スが周期的テスト信号に対し一定の位相関係を示すと共
にその第２サブ系列のパルスがその第１サブ系列のパル
スに対し一定の位相シフトを示し、且つ順次の各パルス
系列の第２サブ系列のパルスがその前のパルス系列の第
２サブ系列のパルスに対し位相シフトを示すものとなる
ようにし、各パルス系列に対しその第１及び第２パルス
系列のパルス中に得られた検出信号が互いに比較されて
各パルス系列に対し一つの測定信号値が得られるように
する。
【００２５】この構成によれば、サンプリングパルスが
測定すべき信号の周波数より数桁低い周波数で追加の変
調を受ける。周期的テスト信号に対し可変の位相関係を
示すサンプリングパルス中に測定された測定信号の値が
周期的テスト信号に対し固定の位相関係を示すサンプリ
ングパルス中に測定された信号値（基準として作用す
る）と比較される。多数の測定を測定信号の周期中に実
行し、平均値を決定すれば、極めて高信頼度の測定信号
が得られる。
【００２６】
【実施例】図面を参照して本発明を実施例につき詳細に
説明する。図１に示す電子−光学測定装置１は本発明の
一実施例であって、電気光学結晶３の形態のセンサを具
える。このような結晶の複屈折は結晶に加わる電界によ
り変化する。結晶３は検査又は測定すべき物体にできる
だけ近づけて位置させる。この物体は多数の導体７を有
する半導体体（ＩＣ）５又はプリント回路板（ＰＣＢ）
とすることができる。この場合、導体又はトラックを伝
搬する電気信号は結晶を横切る局部的電界を発生し、従
って結晶の複屈折を変化させる。従って、この電気信号
を、この電気信号の値に直線的に依存する屈折率の変化
に基づいて測定することができる。
【００２７】複屈折の変化は、結晶に供給した光ビーム
の位相の変化の測定により測定することができる。光源
９から発するこの光ビームは例えば直線偏光ビームとす
ることができる。前記位相変化は種々の方法で測定する
ことができる。第１の方法は、結晶内に２つの伝播モー
ドが生じ、両モードに従って伝搬する２つのビーム成分
間に位相差が生ずる事実を利用する。第２の方法は一方
のモードに従って伝搬する測定ビームと結晶外を伝搬す
る参照ビームとの位相差を測定するものである。
【００２８】図１に示す装置では、光源９により供給さ
れる発散ビームをコリメータレンズ６０により平行ビー
ムに変換する。このビームは偏光子６１に入射し、この
偏光子は電界内に位置する電気光学結晶３の主軸に対し
４５゜の角度をなす偏光方向を有する直線偏光ビーム成
分１１を透過する。ビーム１１の偏光方向は矢印１１′
で示し、結晶３の主軸の方向は矢印６′で示してある。
ビーム１１の偏光方向を結晶３に合わせるためにビーム
１１の光路内にλ／２波長板１０を選択的に配置するこ
とができる（ここでλは光の波長である）。
【００２９】次にビーム１１は偏光−ニュートラルビー
ムスプリッタ２１を経て鏡１２に到達し、次いで対物レ
ンズ系１３（単レンズ素子で略図示してある）に到達す
る。対物レンズ系１３はビーム１１を結晶３の下面上に
光スポット１５に集束する。0.6 の開口数を有する５０
ｘの対物レンズを使用すると、スポット１５は１〜２μ
m の直径になる。結晶３の屈折率と周囲の空気の屈折率
との差のためにビーム１１はこの区域で少なくとも部分
的に反射する。この反射は、例えば前記引用文献に記載
されているように、表面１７上に反射層１７′を設ける
ことにより増強することができる。反射されたビーム１
９は再び結晶３及び対物レンズ系１３を通り、鏡１２で
再び反射され、次いでビームスプリッタ２１（例えば半
透鏡）を経て光感知検出システム２３に到達する。
【００３０】電気信号の測定と同時に部品５の観察を行
い得るようにするのが望ましい場合には、測定装置１を
可視観察システム２に接続することができる。この場合
には部品５の照明に必要な可視光源６５から発する光ビ
ーム２ａをビーム分離素子２１′、例えば半透鏡を経て
部品５の方向に送出する。この場合、鏡１２は波長選択
素子と置き替えて、光ビーム２ａは部品５へ透過し、反
射後に観察システム２に戻り、結晶３で反射されたビー
ム１９は検出システム２３の方向にほぼ完全に伝搬する
ようにする。対物系１３は光源６５をレーザ光の測定点
の区域に光スポットに結像する。この測定点及びその周
囲を観察者が接眼鏡６７により観察することができる。
【００３１】結晶３は複屈折のために２つの伝搬モード
を有し、この結晶に入射するビームはそれぞれのモード
と関連する成分に分かれる。これらの成分は結晶中を異
なる光学距離進むため、出射ビーム１９の成分は位相差
を示す。測定すべき電気信号に依存するこの位相差を決
定する一つの方法は「Integrated Circuit Diagnostic
Tools: Underlying Physics and Applications」, Phli
ps Journal Reserch,Vol. 44, No. 213, 1989, pp 295-
327、特にセクション2.4: “Electro-opticSampling"
に記載されている。
【００３２】検出システム２３は、図２ａに示すように
λ／４板１４、ウォラストンプリズム１６、２個の光感
知検出器１８ａ，１８ｂ及び差動増幅器３０で構成する
ことができる。λ／４板１４のｃ軸を結晶３の主軸に平
行に延在させて、両成分の位相差を一定の量λ／２だけ
増大させるのが好ましい。このようにすると、測定の零
点が位相差の関数である強度差を表わす曲線に沿ってシ
フトしてこの零点がこの曲線の最大勾配のスロープの中
間に位置するようになる。この結果として、小さな位相
差が検出器の検出強度に比較的大きな差を生じ、装置の
感度が最大になる。
【００３３】ウォラストンプリズム１６はビーム１９′
を互いに直交する偏光方向を有する２つのサブビーム１
９ａ，１９ｂに分割し、両サブビーム間の強度分布はビ
ーム１９′の偏光状態により決まる。サブビーム１９ａ
及び１９ｂは別々の検出器１８ａ及び１８ｂにより受光
される。サブビーム１９ａ及びサブビーム１９ｂの強度
にそれぞれ比例する検出器１８ａ及び１８ｂの出力信号
Ｓａ及びＳｂは差動増幅器３０の入力端子に供給され、
この増幅器の出力信号Ｓ30は部品５の導体７の一つを流
れる測定すべき電気信号に比例するものとなる。この導
体が信号を流さない場合には出力信号Ｓ30は零になる。
【００３４】検出システム内のλ／４板１４は偏向子６
１とビームスプリッタ２１との間のλ／４板６２と置き
替えることもできる。この場合、電気光学結晶３に入射
するビームは円偏光になり、結晶の向きに影響されなく
なる。ビーム成分間の上述したπ／２の一定の位相シフ
トを達成するためには、ウォラストンプリズム１６を検
出器１８ａ及び１８ｂと一緒に図１のオリジナル配置に
対し回転させるのが好ましい。
【００３５】測定すべき部品及び結晶を相対的に移動さ
せると、測定を部品の任意所望の点で行うことができ、
部品５の局部的動作特性及び欠陥を検出することがで
き、この目的のために部品５を例えば２方向に移動し得
るテーブル上に配置することができる。
【００３６】図２ｂは検出システム２３の他の実施例を
示す。本例ではウォラストンプリズム１６を、分析すべ
きビームを２つのサブビームに分割する偏光ビームスプ
リッタ２０と置き替え、各サブビームを検出器２２ａ，
２２ｂにより受光させる。両検出器の信号を差動増幅器
３０に供給する。
【００３７】検出システム２３には破線で示す補正板４
０（図２ａ）も含めて電気光学結晶の固有の複屈折、即
ち無電界状態でこの結晶が示す複屈折を補正することも
できる。このような補正板４０は、結晶３が例えばLiTa
O3結晶である場合には、ビーム１９の成分間に、この結
晶の固有の複屈折により生ずる位相差に等しいが反対極
性の位相差を導入する複屈折素子で形成することができ
る。
【００３８】電気光学結晶に誘起される複屈折の大きさ
は主として結晶材料の選択により決まる。前記引用文献
「Phlips Journal Reserch Vol.44, 1989 」第295 〜32
7 から既知のように、ここに記載する測定には２種類の
電気光学結晶、即ちいわゆる縦幾何形状を有する結晶及
びいわゆる横幾何形状を有する結晶を用いることができ
る。縦幾何形状を有する結晶では、結晶３に入射する光
ビームの伝搬方向に平行な電界成分のみが結晶３の光学
特性に影響を及ぼす。適度の効果を得るためには、電界
の印加時に複屈折性になる電気光学材料を選択する必要
があり、この結晶は光ビームに平行に延在しない光軸を
有する。この条件のために縦幾何形状の実現可能な結晶
の数は制限されるが、立方対称性を示す材料、例えばGa
As及びBi12SiO20(BSO)が特に好適である。これらの結晶
のいくつか、例えばBSO では電気光学効果が弱いにもか
かわらず、このような立方対称材料は、固有の複屈折を
生ぜず、従って温度変化による複屈折の変化も生じない
利点をもたらす。従ってこれらの現象の補正の必要がな
くなり、検出システム２３内の補正板４０を省略するこ
とができる。横幾何形状を有する結晶では光ビーム１１
に垂直に延在する電界効果成分が作用する。この場合に
は結晶の光軸を光ビーム１１に垂直な平面内に位置させ
る必要がある。この結晶の一例はLiTaO3である。この結
晶は無電界時に一軸性であり、その光学特性は光軸に沿
う電界成分により主として決まる。ここに記載する種々
の用途に対しては、縦幾何形状を有する結晶の方が好ま
しい。これは、横幾何形状の場合には隣接トラック７間
のクロストークの問題が一層顕著になるためである。こ
れに対し、縦幾何形状の場合には主として該当するトラ
ック上方の電界が測定されるためクロストークが少なく
なる。
【００３９】光源９としては前述したようにレーザを使
用することができる。一例では前記のエス・アオシマ等
の文献からも既知のように半導体レーザを用いることが
でき、これはコンパクトである利点をもたらす。他の例
では、気体レーザ、液体レーザ又は固体レーザを用いる
ことができる。使用するレーザの波長は使用する電気光
学結晶３の波長透過範囲により決める。
【００４０】本発明による新規な測定プローブを使用す
れば測定の質を多くの点で改善し得ると共に新しい測定
方法の使用が可能になる。図３ａ及び３ｂは本発明測定
プローブの２つの実施例を示す。既知の測定プローブと
同様に、透明な導電層２７を電気光学結晶３の上面２５
上に設けることができる。導電層２７は支持体手段２９
の外周面上の導電層２７′に電気的に接続する。電極と
して作用するこの層２７は例えば酸化インジウム錫で形
成することができ、透明支持体手段２９の下面にスパッ
タリングにより設けることができる。電極２７′には基
準電圧Ｖref を与える。この基準電圧は零ボルトにする
ことができ、即ちこの電極を接地することができる。こ
の場合、結晶３間の電界は測定すべき電気信号により発
生される電界により決まる。電極２７′を電圧源３１に
接続して検出すべき信号を固定の基準電圧に対し測定す
ることもできる。
【００４１】図３ｂは透明電極２７のない測定プローブ
の例を示す。測定プローブの慣例の寸法では外周面電極
２７′のみを用いて電気光学結晶３の上面２５上の電位
を基準電圧Ｖref に十分に規定することができ、これは
電極２７′を図３ｂに示すように結晶の外周面の一部分
上にも延在させる場合に確実になる。
【００４２】電圧源３１は矢印３２で示すように可調整
にするのが好ましい。本発明では、基準電圧を測定され
た検出信号に基づいて調整することができ、換言すれば
帰還制御を適用し得る。この場合には、信号Ｓ30（図
２）が零になるように可制御基準電圧Ｖref,c を電極２
７に供給することができる。この場合には最早結晶３間
に電界が存在しなくなり、結晶３の下面１７の電圧がそ
の上面２５の基準電圧に等しくなる。Ｖref,c の値は計
器２８により測定でき、この値が測定すべき信号の値の
測定値になる。
【００４３】測定装置１の分解能は光学的分解能によっ
て制限されるのみならず、導体７の電気信号により発生
される電界の広がりによっても制限される。結晶３の複
屈折は所定の瞬時における測定点の信号の電界のみなら
ず、隣接導体又は測定点における信号の電界により影響
され得るので、信号間のクロストークを発生し得る。こ
の影響は、部品５の表面が不規則で、結晶の下面と部品
との間の距離が変化する場合に一層大きくなる。
【００４４】「Electro-optic sampling using an exte
rnal GaAs probe tip 」エム・シナガワ及びティー・ナ
ガツマ著、Electronics Letters, August 1990, Vol. 2
6,No. 17, pp 1341-1343から既知のように、結晶３を円
錐形にすることにより、クロストークの惧れを低減し得
るのみならず、高さ変化を示す部品又は回路上の種々の
点に適切にアクセスすることができるようになる。更
に、センサの重量も減少するため、回路の機械的負荷も
減少する。この引用文献では１００μm の尖端径を用い
ている。改善した成形技術を用いることにより、本発明
装置では円錐センサの頂点の直径を２５μm にすること
ができる。
【００４５】校正済み振幅測定を実行するのに好適であ
って、従ってクロストークの惧れが著しく小さい本発明
による測定装置では、電気光学結晶３（円錐形であって
もなくてもよい）の下面１７に、図３ａ及び３ｂに３７
で示す導電性尖端素子を設ける。この尖端素子３７を測
定すべき導体７に接触させると、結晶３の下面１７の電
圧はこの導体７の電気信号により直接決まるため、隣接
導体の信号の影響は強く低減される。更に、この場合に
は測定される信号Ｓ30は測定すべき信号と直接関連する
ため校正が不要になる。
【００４６】集積回路５の上面に存在する絶縁層のため
に導電性尖端素子３７を測定すべき導体７に接触させる
ことができない場合には、尖端素子３７と導体７との距
離をこの導体と隣接導体との距離より小さくすることに
より十分なクロストークの低減を達成することができ
る。
【００４７】尖端素子はドープシリコン、タングステン
又は金属のような種々の導電材料で形成することができ
る。タングステンの利点は機械的強度が高い点にある。
タングステンは反射性でないため、タングステン尖端素
子を用いるときは結晶３の下面上に反射膜を設けるべき
である。
【００４８】金属尖端素子３７の大きな利点は、尖端素
子自体が反射性であるため結晶３の下面上に反射層１
７′を設ける必要がない点にある。更に、この場合には
金属尖端素子３７のみがビームを反射するため、反射ビ
ーム１９が発する光スポットの有効サイズが金属尖端素
子３７の底面の直径（例えば２μm ）により決り、原則
として光学結像系に課される要件が緩和される。
【００４９】しかし、有効な光をできるだけ効率良く使
用するために、本発明においては光スポット１５をでき
るだけ小さくする。光ビーム１１を適切な対物レンズ系
１３により小さな光スポット、好ましくは１μm 程度の
直径を有する回折限界光スポットに集束させることがで
きても、慣例の支持体手段２９（図１）を使用する場合
には支持体の入射面において追加の屈折が生じ、この屈
折が測定ビーム１１に収差を与え、光スポット１５を拡
大する。本発明ではこのスポットの拡大を、図３ａに示
すように支持体手段２９に特別の形状を与えることによ
り阻止する。このために支持体手段２９は、測定ビーム
１１の主光線が射突する結晶３の下面１７の位置を曲率
中心とする球の扇形部分として形成する。この形状の結
果としてビーム１１の全光線が支持体手段２９の入射面
３６で屈折することなく入射し、この表面からの反射が
最少になる。支持体手段の材料（例えばガラス）、電極
２７及び電気光学結晶３の屈折率を合致させることによ
りこれらの３つの素子間の界面で生ずる反射を最少にす
ることができる。
【００５０】扇形支持体手段２９は対物レンズ系１３に
装着することができる。図３ｃは電気光学結晶３の光導
性支持体手段２９の第２の実施例を示し、これによれば
最小寸法の光スポット１５を得ることができると共に測
定光を周囲の影響から保護することができる。この手段
２９はコア３２と円錐状のシース３２′を有する光ファ
イバから成り、光源（図示せず）からの光を既知のよう
に入結合光学系（図示せず）を経てこのファイバに供給
する。結晶３の複屈折をこれによる直線偏光ビームの偏
光変化に基づいて決定する場合には、偏光状態を維持す
るファイバを用いてファイバ２９内を伝搬する光の偏光
状態の影響を除去するのが好ましい。電気光学結晶３が
円錐形である場合には、ファイバ２９から出るビーム１
１が電気光学材料と周囲媒体（例えば空気）との境界で
の全反射のために尖端素子３７に集中される。必要に応
じ、ファイバ２９を電極２７と連続する金属層３５によ
り完全に又は部分的に被覆し、これに基準電圧を供給す
ることができる。
【００５１】図３ａに示す扇形支持体手段２９並びに図
３ｃに示すファイバ形支持体手段２９は、図４にキャリ
ア手段２９につき示すように、Ｘ，Ｙ，Ｚマニピュレー
タ５９に装着することができる。このマニピュレータに
よりセンサを３方向に微調整することができる。
【００５２】結晶の複屈折を決定する他の可能な方法
は、電気光学結晶と関連する２つの伝搬モードの一方に
従って伝搬する測定ビームに生ずるこの結晶による位相
シフトを測定するものである。この位相シフトは干渉計
により測定することができる。図５はこの測定方法を用
いる装置の第１の実施例を示す。レーザ源９により供給
されるビームｂをビームスプリッタ１２により測定ビー
ムｂm と参照ビームｂrとに分割する。測定ビームｂm
を鏡２１及び対物レンズ系１３を経て電気光学結晶３の
下面に集束させる。反射測定ビームは同一通路を逆方向
に進み、測定ビームの一部分がスプリッタ１２を経て検
出器２３に到達し、レンズ６３により検出器２３上に集
束される。
【００５３】ビームスプリッタ１２により分割された参
照ビームｂr は、例えばレンズ４２とその焦点に配置さ
れた鏡４９から成るキャッツアイとして構成した反射器
４１に入射させる。鏡４９で反射されたビームをビーム
スプリッタ１２により反射測定ビームと合成し、一緒に
検出器２３に供給し、ここで測定ビームと参照ビームと
を干渉させる。電気光学結晶に電界が印加されていない
場合に、測定ビームと参照ビームの光路長、即ち各ビー
ムが伝搬する媒質の幾何寸法長とその屈折率との積がλ
／４＋ｎ・λ／２だけ相違し（ｎは整数）、両ビーム間
の位相差がπ／２ラジアンに等しくなるようにする。こ
のようにすると、図１につき述べたように、この測定装
置の感度も最大になる。
【００５４】電気光学結晶の屈折率が変化すると、測定
ビームの位相が参照ビームの位相に対しシフトし、検出
器２３上の光強度が両ビームの干渉により変化する。
【００５５】図５に示す測定装置１の原理は図６に示す
ように光ファイバにより実現するのが好ましい。測定ビ
ームｂm を支持体手段２９（本例では測定ファイバ）に
より導き、参照ビームｂr を参照ファイバ３１により導
く。レンズ４５及び４６によりできるだけ多量の光をフ
ァイバ２９及び３１に結合させる。測定ビームと参照ビ
ームはそれぞれファイバ２９及び３１に供給されるため
これらビームは周囲の影響を殆ど受けない。ファイバの
使用により測定装置の設計に大きな自由度が与えられる
利点も得られる。
【００５６】上述した種類の測定装置は、例えばトラン
ジスタ又は集積回路又はＰＣＢが所望の動作を示すか否
かをステトするのに用いることができる。更に、このよ
うな装置は回路における不所望な遅延をトレースするの
に使用できると共に回路を流れる信号の行動を分析する
のに使用することもできる。
【００５７】電気光学結晶に生ずる効果の大きさは通常
小さいため、いわゆるダイナミック検出方法を使用する
のが好ましい。これは、測定すべき信号と無関係の追加
の変調を測定信号に与えるものである。このようなダイ
ナミック検出は、測定結果が、例えば温度変化による電
子処理回路のドリフト、レーサドリフト又は光学素子の
特性の変化にほぼ影響されなくなる利点をもたらす。
【００５８】ダイナミック検出は種々の方法、例えば測
定すべき部品に供給するテスト信号を変調し、検出信号
とテスト信号を同期検波することにより実現することが
できる。
【００５９】本発明では、ダイナミック検出を結晶に入
射するビームの偏光状態を変調することにより達成する
ことができる。これは、このビームの通路内に配置した
回転λ／２板により達成することができる。板１４′の
連続回転はこの板から出るビームの偏光方向を固定の周
波数、即ちこの板の回転周波数の２倍の周波数で回転さ
せる。従って、サブビーム１９ａ及び１９ｂ間の強度分
布及び従って差動増幅器３０の出力信号Ｓ30も周期的に
変化する。
【００６０】回転λ／２板は単にビーム１１の通路内に
配置することができる（図１）。しかし、この板６３
は、ビーム１１の偏光方向を結晶３に整合させるための
前述のλ／２板１０の位置に配置するのが好ましい。こ
の場合検出測定ビームの偏光方向は板６３の角度周波数
の４倍で回転される。図１にこの回転方向を矢印６４で
示してある。ビーム１１の偏光方向を板６３の零位置の
調整により結晶に整合させてこの板が板１０の機能もな
すようにすることができる。
【００６１】図７に示すように、検出信号Ｓ30を同期検
波回路４３に供給する。この検波回路は位置検出システ
ム４５からの信号Ｓ45も受信し、信号Ｓ30を信号Ｓ45を
用いて復調し、物体の測定点の信号のみに依存する値を
有する信号Ｓ30を形成する。位置検出システム４５は板
１４の回転周波数の２倍に等しい周波数を有する周期信
号を出力し、この信号は板１４を回転するモータ（図示
せず）を駆動する制御信号から取り出すことができる。
この位置検出システム４５は、例えば図７に示すよう
に、補助ビーム５１を発生する補助光源５０と、この光
源からのビームの直線偏光成分を通す偏光子５２と、フ
ォトダイオードが好ましい補助検出器５３とで構成する
ことができる。ビーム５１は光源（図１）から取り出す
こともできる。λ／２板の回転時に、この検出器は周期
的正弦波信号Ｓ45を出力する。光学的位置検出システム
の代わりに、誘導性又は容量性位置位置検出シテスムを
用いることもできる。
【００６２】測定すべき部品の一点における電気信号の
時間的変化、即ち波形を決定するにはサンプリング測定
を実行する必要がある。この目的のためには、パルス状
測定ビームを用いるのが好ましい。上述した電気光学測
定装置においては、この目的のために光源９をパルスレ
ーザとし、パルスの持続時間はテスト信号の周期より相
当短くし、順次のパルスの開始瞬時がテスト信号の関連
する周期に対し増大する遅延を示すようにする。パルス
持続時間が電気光学結晶の応答時間より大きい場合に
は、パルス持続時間により時間分解能が決まる。パルス
持続時間は数１０マイクロ秒程度にすることができる。
このようなサンプリング方法は前記の引用文献「Integr
ated Circuit Diagnostic Tools 」, Philips J. Res.
41(1989),pp307-312に開示されている。
【００６３】サンプリング方法として時間遅延変調を用
いることにより上述した電気光学装置により最適な測定
結果を得ることができる。図８は時間遅延変調方法を使
用し得る本発明による装置の一実施例を示し、図９ａ，
９ｂ及び９ｃはこの新規な方法の原理を使用する信号に
基づいて説明するものである。本装置は測定すべき電子
部品５に入力又はテスト信号ＳＩ、例えば１０ＭＨｚの
周波数を有する矩形波信号を供給する駆動回路ＤＣを具
える。この駆動回路ＤＣはプログラマブル遅延発生器Ｄ
ＧにトリガパルスＴＰも供給する。この発生器の後段に
遅延変調器ＤＭを接続する。この遅延変調器は周波数発
生器ＦＧの例えば２〜２０ＫＨｚの範囲内の固定の周波
数ｆ1 で動作する。この遅延変調器への変調信号ＭＳを
図９ｂに示し、図９ａは入力信号ＳＩを示す。遅延発生
器ＤＧは遅延したトリガパルスＴＰd 及び遅延してない
トリガ信号ＴＰn をそれぞれ出力する第１及び第２出力
端子を有する。遅延変調器ＤＭは変調信号ＭＳの第１の
半周器ＭＳ1 中に瞬時Ｔ0 にある非遅延トリガパルスＴ
Ｐn を通し、第２の半周器ＭＳ2 中に瞬時Ｔ1 にある遅
延トリガパルスＴＰd を通す。図９ｂは変調信号ＭＳの
一周期の一部分を示すだけである点に注意されたい。
【００６４】光源９は、遅延変調器ＤＭの出力端子に接
続されたレーザ駆動回路ＬＤを経て、例えば１０ＭＨｚ
の周波数を有する外部信号により制御し得るダイオード
レーザとすることができる。この場合、信号ＳＩの周期
ごとにダイオードレーザは１つのレーザパルスＬＰ（図
９ｃ）を出力し、このレーザパルスＬＰは変調信号ＭＳ
の第１半周期中は固定瞬時Ｔ0 に発生し、第２半周期中
は遅延発生器ＤＧにより調整し得る瞬時Ｔ1 に発生す
る。
【００６５】レーザパルスは、図８にブロック８０で略
図示しその詳細は図１に示す電気光学測定装置内を進行
する。検出システムの出力信号をいわゆるロックイン増
幅器ＡＭに供給し、２つの検出器１８ａ及び１８ｂを用
いるときは、差動入力端子を有するロックイン増幅器を
用い、これに変調信号ＭＳを供給すると共にその出力端
子を回路Ｉ−Ｍの入力端子に接続する。
【００６６】この回路Ｉ−Ｍにおいて検出信号を積分す
る。好適な帰還測定法又は零点測定法ではこの回路Ｉ−
Ｍの出力信号を電極２７に帰還して基準電圧として使用
する。回路Ｉ−Ｍにおいて、検出信号を更に信号ＭＳの
変調周波数を用いて零レベルと測定レベルとの間で変調
する。検出器１８ａ及び１８ｂの信号が等しいとき、作
動増幅器ＡＭの出力信号は零であり、積分器の出力信号
は一定になる。信号ＳＩが瞬時Ｔ0 において零の場合に
は積分器の出力電圧が瞬時Ｔ1 における信号ＳＩの目安
となる。信号ＳＩが瞬時Ｔ0 において零と異なる値を有
する場合には、積分器の出力信号の零レベルがシフトす
る。この信号の振幅は、零点測定方法を使用するために
依然として校正されたままになる。
【００６７】瞬時Ｔ1 における信号の測定は変調信号Ｍ
Ｓの半周期ＳＭ2 内の多数のレーザパルスにより多数回
実行される。このパルス数は、例えば信号ＳＩの周波数
が１０ＭＨｚであり且つ変調信号ＭＳの周波数が１０Ｋ
Ｈｚである場合には１０００になる。このような多数の
測定値を平均すると高信頼度の測定信号が瞬時Ｔ1 に得
られる。この測定信号を瞬時Ｔ0 における周波数の測定
値の平均信号と比較する。
【００６８】このようにして第１の瞬時Ｔ1 における第
１の平均値測定の実行後に、遅延発生器ＤＧの遅延が僅
かに、例えば２００ピコ秒変化し、第２の瞬時Ｔ1 にお
いて第２の平均値測定が実行される。従って、例えば５
０ピコ秒の短持続時間のレーザパルスを用いることによ
り電子部品５の一測定点における周期信号の一周期をサ
ンプルすることができる。
【００６９】図１０は８μm の幅を有するトラックに対
する斯る測定の結果を示すものである。この図では遅延
Ｔｄを水平方向にナノ秒単位でプロットし、測定信号Ｓ
30を垂直方向にプロットしてある。曲線Ｃ1, Ｃ2 及び
Ｃ3 はそれぞれ５Ｖ，２Ｖ及び１Ｖの信号ＳＩの振幅と
関連するものであり、レーザパルスのくり返し周波数は
１０ＭＨｚである。
【００７０】図８に示す装置は遅延発生器ＤＧの遅延Ｔ
ｄをプログラムすると共に、積分器の出力信号を測定し
記憶し且つ波形表示用表示装置ＭＯを制御するコンピュ
ータＣＯも具えている。
【００７１】図８に示す装置では、電極２７の電圧が時
間遅延変調と同期して変調される。これは、入力信号Ｓ
Ｉが変調される場合にも成立する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明電気光学測定装置の一実施例を示す図
である。
【図２】 ａは図１に示す測定装置に用いるのに好適な
検出システムの一実施例を示す図であり、ｂはａに示す
検出システムの変形例を示す図である。
【図３】 ａ，ｂ及びｃは本発明測定装置に使用するの
に好適な測定プローブの第１，第２及び第３の実施例を
示す図である。
【図４】 図３ａに示す測定プローブをｘ，ｙ，ｚマニ
ピュレータに固定した実施例を示す図である。
【図５】 位相変化を干渉計により測定するようにした
本発明測定装置の第１の実施例を示す図である。
【図６】 位相変化を干渉計により測定するようにした
本発明測定装置の第２の実施例を示す図である。
【図７】 ダイナミック検出を実行するようにした測定
装置の一実施例に用いるのに好適な位置検出システムの
一実施例を示す図である。
【図８】 サンプリング法を用いる本発明測定装置の一
実施例を示す図である。
【図９】 図８に示す測定装置の動作説明用波形図であ
る。
【図１０】 図８に示す測定装置による測定結果を示す
図である。
【符号の説明】
１ 電気光学測定装置 ３ 電気光学結晶 ５ 測定すべき電子部品 ７ 電気導体又はトラック ８ センサ ９ 光源 １１ 光ビーム １５ 光スポット １９ 反射光ビーム ２３ 光感知検出システム １６ ウォラストンプリズム １８ａ，１８ｂ 光検出器 ２０ 偏光ビームスプリッタ ２２ａ，２２ｂ 光検出器 ２９ 透明支持体手段 ２７ 透明電極 ２７′ 電極 ３０ 差動増幅器 ３１ 電圧源 ３２，３２′ 光ファイバ ３７ 導電性尖端素子 ４１ 反射器 ｂm 測定ビーム ｂr 参照ビーム ４３ 同期検出回路 ４５ 位置検出システム ＤＣ テスト信号発生駆動回路 ＤＧ プログラマブル遅延発生器 ＤＭ 遅延変調器 ｆ1 周波数発生器 ＬＤ レーザ駆動回路 ＡＭ ロックイン増幅器 Ｉ−Ｍ 積分−変調回路 ＣＤ コンピュータ ＭＯ 表示装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 590000248 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １, 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔ ｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ (72)発明者 ヨリス ヤン フレヘン オランダ国 5621 ベーアー アインド ーフェン フルーネヴァウツウェッハ １ (72)発明者 フェルト ウィム ホーフト オランダ国 5621 ベーアー アインド ーフェン フルーネヴァウツウェッハ １ (56)参考文献 特開 昭63−196863（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−315961（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−259472（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−110743（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−238376（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−305258（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−186282（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−138886（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 31/302 H01L 21/66

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電子部品内の電気信号を光学的に測定す
    るために、光ビームを発生する光源と、電気光学結晶を
    具えるセンサと、前記光源と前記結晶との間に配置され
    光ビームを測定すべき電子部品に対面する前記結晶の第
    １表面上に光スポットに集束させる光学系と、前記電気
    光学結晶内に誘起された複屈折により前記結晶内で光ビ
    ームに発生した位相変化を電気信号に変換する検出シス
    テムとを具え、前記結晶は透明支持体手段に装着され、
    該透明支持手段が前記電気光学結晶への光ビーム及び前
    記光学結晶からの光ビームを案内するよう構成されてい
    る電気光学測定装置において、底面の反対側に尖端を有
    する導電性の円錐形素子がその底面で前記電気光学結晶
    の第１表面上に配置され、該円錐形素子の光ビームの伝
    播方向の寸法が前記電気光学結晶の同寸法以下であるこ
    とを特徴とする電気光学測定装置。
  2. 【請求項２】 前記支持体手段の前記結晶に対面する部
    分に、前記結晶に基準電圧を供給するための電極を設け
    たことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記基準電圧が前記検出システムの出力
    信号を処理する電子処理回路の出力電圧であることを特
    徴とする請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記支持体手段を、曲率中心が光ビーム
    の主光線と結晶の第１表面との交点に位置する球の扇形
    部分の形に形成した透明材料の扇形素子で構成したこと
    を特徴とする請求項１又は２記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記光学系が対物レンズ系を含み、前記
    支持体手段をこの対物レンズ系に固定したことを特徴と
    する請求項１，２又は４記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記支持体手段を前記光源に対面する入
    射面を有すると共に前記電気光学結晶に接続された射出
    面を有する光ファイバで構成したことを特徴とする請求
    項１又は２記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記支持体手段をｘｙｚマニピュレータ
    に固定したことを特徴とする請求項４又は６記載の装
    置。
  8. 【請求項８】 前記光源と前記センサとの間のビーム通
    路内に部分透明素子を配置し、これにより前記光源から
    のビームを前記電気光学結晶に向かう測定ビームと基準
    反射器に向かう参照ビームとに分離すると共に反射後の
    参照ビームと測定ビームとを合成するようにしたことを
    特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記部分透明素子と前記電気光学結晶と
    の間のビーム通路及び前記部分透明素子と前記参照反射
    器との間のビーム通路の少なくとも一方に光ファイバを
    配置したことを特徴とする請求項８記載の装置。
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