JP3295592B2 - 電気波形測定探針 - Google Patents

電気波形測定探針

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JP3295592B2
JP3295592B2 JP02141196A JP2141196A JP3295592B2 JP 3295592 B2 JP3295592 B2 JP 3295592B2 JP 02141196 A JP02141196 A JP 02141196A JP 2141196 A JP2141196 A JP 2141196A JP 3295592 B2 JP3295592 B2 JP 3295592B2
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恒一郎 竹内
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株式会社テラテック
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体素子の測定に利用
する。特に、微細な構造をもつ高速半導体電子回路を動
作させた状態で、その電気波形を高時間分解能かつ高空
間分解能で測定する装置の探針に関する。
【0002】
【従来の技術】近年のエレクトロニクスの分野において
扱われる信号の周波数は250GHzにおよび、これら
の高速電気波形を観測する手段が技術の進歩に追いつか
ないというのが現在の高速電気波形測定技術の現状であ
る。さらに、素子の微細化が進み、時間分解能のみなら
ず、電気波形測定装置の空間分解能も現在の技術の進歩
に追いつかないのが現状である。
【0003】微小素子の高速動作状態など高速現象を観
測するには、従来からその代表的なものとして、サンプ
リング・オシロスコープが知られている。しかし、サン
プリングのための電気パルスの幅や測定系のもつ電気抵
抗と静電容量で決まる時定数によって測定可能な速度に
限界があり、時間分解能が制限されている。また、被測
定信号をケーブルあるいは導波路によって測定点から外
へ取り出すため、被測定信号を乱し、その信頼性にも問
題があった。
【0004】このような問題を解決する技術として、光
学結晶の電気光学効果を利用したE−Oサンプリング法
が、近年になって研究されている(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p30、1992)。レーザの
分野ではサブピコ秒領域の光パルスが比較的容易に得ら
れるようになってきたことから、このレーザパルスを電
気信号のサンプリングに用いようとするのが、光サンプ
リング法である。この方法により、従来の電子計測より
も高速で、しかも信号を外に引き出すことなく、測定し
たい点の電位を被測定回路に非接触で直接測定すること
が可能である。この方法は、サンプリング・オシロスコ
ープにおけるサンプリング用の電気パルスを光パルスに
置き換えたものといえる。しかし、このE−Oサンプリ
ング法は、信号の絶対値を測定することが困難であり、
さらに、プローブの位置を高い空間分解能で監視および
制御することについて実用上問題がある。
【0005】測定したい点の電位を高空間分解能で直接
測定する他の方法としては、電子ビームテスタがある
(G.Plows "Electron-Beam Probing" Semiconductor an
d Semimetals Vol.28 (Measurement of High-Speed Sig
nals in Solid State Devices)Chap.6, p.336, Edited
by R.K.Willardson and Albert C.Beer, Academic Pres
s, 1990) 。電子ビームテスタは、ICの動作診断、解
析技術において、IC内部の電気信号を観測する有力な
手段である。しかし、時間分解能は低く、高速なトラン
ジスタを用いたICの測定には利用することができな
い。また、測定環境として高真空が要求されるという不
便さがある。
【0006】高時間分解能かつ高空間分解能で電気波形
を測定する技術として、走査型トンネル顕微鏡(ST
M)あるいは走査型原子間力顕微鏡(SFM)を利用し
たものも知られている(特開平7−35826号公
報)。STMやSFMは、高い空間分解能で被測定物の
表面形状を観察する装置であり、最近急速に発展普及し
ている。これらの装置は、原子レベルの超高空間分解能
で3次元的な画像を得ることができるため、半導体集積
回路等の表面形状の観察には非常に適している。このよ
うな装置の探針に光導電性スイッチを組み込み、光パル
スを照射することによってオン、オフする。これによ
り、STMあるいはSFMによるサブミクロンの空間分
解能と、光サンプリングによるサブピコ秒の時間分解能
とで、被測定物の任意の点の電気波形を測定することが
できる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】STMあるいはSFM
を利用した電気波形測定装置では、測定探針として、被
測定物に近接させる先の尖った端子と、この端子と被測
定物との間の電流をサンプリングするために光照射によ
り導通状態となる光導電性スイッチをカンチレバー上に
形成したものを用いる。装置の性能向上のためには、端
子の先端が可能な限り鋭く、光導電性スイッチが可能な
限り端子の近傍に配置されることが重要である。また、
光導電性スイッチには、不要なキャリアが光励起される
ことのないような構造が要求される。
【0008】本発明は、光導電性スイッチでの不要なキ
ャリアの発生を抑制し、信頼性の高い測定が可能な電気
波形測定探針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】本発明の電気波形測定探
針は、被測定物に近接させる先の尖った端子と、この端
子と被測定物との間の電流をサンプリングするために光
照射により導通状態となる光導電性スイッチと、端子お
よび光導電性スイッチを支持するカンチレバーとを備え
た電気波形測定探針において、光導電性スイッチの受光
部の周囲に、不要なキャリアの光励起ならびに走行を防
止する切り欠き部が設けられたことを特徴とする。
【0010】本発明は特に、カンチレバーを光導電性材
料により形成してその一部を光導電性スイッチとした構
造の電気波形測定探針での利用に適する。カンチレバー
を光導電性材料により形成した構造は、探針上への光導
電性スイッチの形成を容易にし、同時に多数の探針を簡
単に製造することができ、安価で信頼性の高い探針を安
定に供給することが可能となる。しかし、このような構
造では、探針の構造体そのものが光導電性材料であるた
め、光学系あるいは探針そのものに何らかの位置変動が
あった場合には、光照射点が変動して不要なキャリアが
光励起され、測定精度に影響を及ぼす可能性がある。ま
た、光ビームのスポット・サイズが光導電性スイッチの
受光部分よりも大きい場合にも同様の影響を及ぼす可能
性がある。本発明によれば、このような不要キャリアの
光励起の可能性を削減することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は本発明の実施形態を説明す
る図であり、電気波形測定探針(以下単に「探針」とい
う)の構造および利用方法を示す。この探針1は、ST
MあるいはSFMを利用した電気波形測定装置の探針ホ
ルダ2に取り付けられ、高速半導体電子回路などの被測
定物3の電気波形を測定するために用いられる。探針1
には、被測定物3に近接させる先の尖った端子11と、
この端子11と被測定物3との間の電流被測定物との間
の電流をサンプリングするために光照射により導通状態
となる光導電性スイッチ12と、端子11および光導電
性スイッチ12を支持するカンチレバー13とを備え、
端子11の先端部表面が化学的に安定な金属で被覆され
ている。また、端子11からの信号を光導電性スイッチ
12を経由して電気波形測定装置に取り出すための電極
14を備える。
【0012】この探針1を用いた測定は、端子11を被
測定物3に接触あるいは原子間隔程度の微小距離隔てて
配置した状態で、光導電性スイッチ12に光パルスを照
射することにより行われる。すなわち、光パルスの照射
により、端子11と被測定物3との間に生じる電流をサ
ンプリングする。これにより、被測定物3の各点の電位
を求めることができ、被測定物3の動作状態あるいは電
界分布を求めることができる。
【0013】照射する光パルスとしては、短パルスのレ
ーザ光を用いる。この光パルスの繰り返し周波数を被測
定物3の電気信号の周波数からわずかにずれた周波数に
設定し、このときに流れる電流を測定することにより、
サンプリングを行う。このとき、被測定物3の電気信号
が、光パルスの繰り返し周波数と電気信号の周波数との
差の周波数の信号、すなわちビート成分として、オシロ
スコープその他のよく知られた測定装置で測定される。
また、光パルスの繰り返し周波数を被測定物3の電気信
号の周波数に同期させ、照射する光パルスの光路長を変
化させてもよい。また、光パルスの繰り返し周波数を被
測定物3の電気信号の周波数に同期させ、電気信号の位
相を変化させても光パルスの光路長を変化させたのと同
様の効果が得られる。
【0014】端子11を被測定物3の表面に垂直に配置
する必要があるが、そのための制御は、STMあるいは
SFMとしての機能を利用する。すなわち、STMの機
能を利用して平均電流が一定となるフィードバック制御
を行うか、または、SFMの機能を利用して、カンチレ
バー13で反射された光ビームのスポット位置を検出し
てその位置が一定となるようにフィードバック制御を行
う。被測定物3の表面に垂直な方向の位置を保持したま
ま被測定物3の面内方向に端子11を走査することによ
り、通常のSTMやSFMと同様に、被測定物3の表面
形状をサブミクロンの空間分解能で観察することができ
る。
【0015】このような探針を製造するには、端子11
の少なくとも一部、光導電性スイッチ12およびカンチ
レバー13を同一の材料により形成することがよい。す
なわち、カンチレバー13、端子11および光導電性ス
イッチ12のいずれとも異なる材料を基板とし、この基
板の一部に凸部または凹部を形成し、この凸部または凹
部を端子の鋳型として基板上に端子および光導電性スイ
ッチを含む構造を形成し、この構造がカンチレバーとし
て動作するように、基板の少なくとも一部を除去する。
したがって、光導電性スイッチ12は特別に形成される
ものではなく、信号を取り出すための電極14を形成し
たときに、その電極14と端子11との間の隙間の領域
が光導電性スイッチ12となる。光導電性スイッチ12
の受光部は、カンチレバー13の、端子11が設けられ
た側とは反対側の面に形成される。受光部の周囲には、
不要なキャリアの光励起ならびに走行を防止する切り欠
き部が設けられる。
【0016】探針構造材自体に光導電性材料を使用する
ことで、探針上への光導電性スイッチ12の形成が容易
になる。基板として半導体材料を用い、凸部または凹部
の形成は異方性エッチングにより行うことがよい。特
に、基板としてSi基板を用い、このSi基板の(11
1)面により形成される構造を凸部または凹部とするこ
とがよい。このような構造を利用することで、鋭い端子
を形成することができる。また、半導体の異方性エッチ
ングにより半導体プロセス技術を応用することで、同時
に多数の探針を簡単に製造することができ、安価で信頼
性の高い探針を安定に供給することができる。
【0017】カンチレバー13、端子11および光導電
性スイッチ12の材料としては、Si等の IV族半導
体、GaAsなどのIII −V系半導体、ZnSeなどの
II−VI 系半導体などを用いることができ、基板として
Si基板を用いる場合にはIII−V系半導体あるいはII
−VI 系半導体を用いることがよい。特に、光導電性ス
イッチ12の応答を高速化するためには、GaAsを3
00℃以下の温度で成長させることがよい。通常の温度
で成長させたGaAsにイオン注入を行って格子欠陥や
不純物を導入することによっても、光導電性スイッチ1
2の応答を高速化することができる。
【0018】端子11の先端部表面には、化学的に安定
な金属を被覆することがよい。このような金属として
は、金Au、白金PtあるいはイリジウムIrを用いる
ことがよい。
【0019】電極14は端子11と同じ側の面と反対側
の面とのいずれに設けてもよい。端子11と同じ側の面
に設けた場合には、光パルスが電極14の設けられてい
る面とは反対側から入射することになるが、カンチレバ
ー13の厚さが十分に薄ければ問題となることはない。
また、端子の先端部表面に金属の被覆を設ける場合に
は、それと同じ金属により形成することが製造上便利で
ある。電極14を端子11と反対側の面に設けた場合に
は、光励起されたキャリアがカンチレバー13を貫通す
るように流れ、その領域が光導電性スイッチ12として
動作する。一般に光導電性スイッチの応答速度は金属電
極間の隙間が狭いほど高速となるが、パターニングによ
る方法で均一性よく1ミクロン以下の隙間を形成するこ
とは困難である。これに対し電極14と端子11とをカ
ンチレバー13の反対側の面に形成する場合には、カン
チレバー13の膜厚を均一性よく1ミクロ以下に形成す
ることが比較的容易であり、光導電性スイッチの応答速
度を高速化でき、ひいては、これを用いた電気波形測定
装置の時間分解能を高めることができる。
【0020】
【実施例】次に本発明の具体的な実施例について説明す
る。図2ないし図4は本発明実施例の探針の構造を示す
図であり、図2は探針の先端部を端子側から見た平面
図、図3は端子の先端部を通過する長さ方向の断面図、
図4は端子の先端部からずれた位置における長さ方向の
断面図である。なお、図2には、切り欠き部を明確にす
るためそれ以外の部分にハッチングを施して示す。
【0021】この実施例では、端子21の本体、光導電
性スイッチ22およびカンチレバー23が、同一の材料
により形成される。また、この探針は、端子21からの
信号を光導電性スイッチ22を経由して電気波形測定装
置に取り出すための電極24を備え、端子21の先端部
表面にはPt被覆25を備える。光導電性スイッチ22
の受光部の周囲には、不要なキャリアの光励起ならびに
走行を防止する切り欠き部26が設けられる。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
特に探針構造材自体を光導電性材料で形成した場合に、
不要なキャリアが光励起されて走行することを防止する
ことができる。また、他の探針構造でも、光導電性スイ
ッチによる不要なキャリアの発生を抑制することがで
き、信頼性の高い測定を可能とする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を説明する図。
【図2】本発明第一実施例の探針の先端部分の構造を示
す平面図。
【図3】第一実施例の探針の探針の先端部分の構造を示
す断面図。
【図4】第一実施例の探針の探針の先端部分近傍の構造
を示す断面図。
【符号の説明】
1 探針 2 探針ホルダ 3 被測定物 11、21 端子 12、22 光導電性スイッチ 13、23 カンチレバー 14、24 電極 25 Pt被覆 26 切り欠き部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 31/28 - 31/3193 G01R 1/06 - 1/073 G01R 19/00 G01N 13/12 G01N 13/16 G01N 37/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被測定物に近接させる先の尖った端子
    と、 この端子と被測定物との間の電流をサンプリングするた
    めに光照射により導通状態となる光導電性スイッチと、 前記端子および前記光導電性スイッチを支持するカンチ
    レバーとを備えた電気波形測定探針において、 前記光導電性スイッチの受光部の周囲に、不要なキャリ
    アの光励起ならびに走行を防止する切り欠き部が設けら
    れたことを特徴とする電気波形測定探針。
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