JP4268461B2 - 時間分解測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、位置検出型電子増倍管（Position-Sensitive Electron Multiplier Tube: ＰＳ−ＥＭＴ）を利用する時間分解測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光現象の時間分解測定を行って、その二次元位置および時間を取得するための二次元時間分解測定装置が知られている（例えば、特許文献１および２ならびに非特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１−２６６９４２号公報
【特許文献２】
特開平１０−１５００８６号公報
【非特許文献１】
エス・シャーボンノー（S. Charbonneau）、ほか４名、「レジスティブアノード光電子増倍管を用いた１００ｐｓ分解能での二次元時間分解撮像（Two-dimensional time-resolved imaging with 100-ps resolution using a resistive anode photomultiplier tube）」、Rev. Sci. Instrum. ６３（１１）, （米国）、アメリカン・インスティチュート・オブ・フィジックス（American Institute of Physics）、１９９２年１１月、５３１５−５３１９頁
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、時間分解測定の精度を高めることを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の時間分解測定装置は、試料の励起によって発する量子線の位置情報およびタイミング情報を取得する。この時間分解測定装置は、試料の励起に同期して基準時間パルスを生成する信号発生器と、試料からの量子線を検出し、検出位置に応じた位置信号および検出タイミングに同期した検出タイミングパルスを生成する検出装置と、位置信号を用いて検出位置を算出する位置演算器と、基準時間パルスと検出タイミングパルスとの時間差を計測する時間差計測器と、位置演算器によって算出された前記検出位置と前記時間差測定器によって計測された時間差とを対応付けて記憶するデータ処理装置を備えている。検出装置は、位置検出型電子増倍管を有している。この電子増倍管は、前記量子線の前記電子増倍管への入射位置に応じた位置に電子を生成し、その位置を維持しながら前記電子を増倍するマイクロチャンネルプレート、およびマイクロチャンネルプレートに電気的に接続された出力端子を有している。検出タイミングパルスは、マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子がマイクロチャネルプレートから放出されるときの電位変化に応じて発生し、マイクロチャネルプレートから出力端子を通じて時間差計測器へ送られる。データ処理装置は、マイクロチャネルプレート上における検出タイミングパルスの発生位置と出力端子との距離に応じて時間差を補正し、補正された時間差を検出位置と対応付けて記憶する。
【０００６】
マイクロチャンネルプレートは量子線の位置情報を維持するので、検出タイミングパルスはマイクロチャンネルプレート上において、試料上の量子線の発生位置に応じた位置に発生する。したがって、試料上の異なる位置から発した量子線は、マイクロチャンネルプレート上の異なる位置に検出タイミングパルスを発生させる。発生した検出タイミングパルスが出力端子へ到達するのに要する時間は、検出タイミングパルスの発生位置と出力端子との距離に依存する。このため、試料上の異なる位置から同じタイミングで発した量子線が、異なるタイミングで出力端子に到達する検出タイミングパルスを生成し、その結果、異なる時間差を生じさせることがある。本発明では、データ処理装置が検出タイミングパルスの発生位置と出力端子との距離に応じて時間差を補正し、量子線の発生位置の相違に応じた時間差の誤差を解消する。これにより、時間分解測定の精度が高まる。
【０００７】
量子線には、電子、イオン、α線、β線などの荷電粒子や、紫外線、Ｘ線、γ線などの光子、さらには中性子などが含まれる。試料の励起に伴う量子線の発生は、原子、分子などがエネルギーの低い状態から、熱、光、放射線などの外部刺激によって、より高いエネルギーの状態に移り、その状態が元に戻る際に、２つの状態のエネルギーの差を光等の量子線として放出する現象である（上記特許文献１および非特許文献１を参照のこと）。半導体デバイスが自発的に、あるいは外部トリガ（信号パルス、動作開始パルス等）に応答して作動すると、デバイス中のトランジスタのスイッチング動作に伴ってトランジェント発光が起きることも知られている（上記特許文献２を参照のこと）。本発明において試料の励起に伴う量子線の発生には、原子または分子が２つの状態のエネルギーの差を光等の量子線として放出する現象に加えて、半導体デバイスの動作時に観察されるトランジェント発光も含まれる。
【０００８】
データ処理装置は、検出タイミングパルスがその発生位置から出力端子へ到達するのに要する時間を、時間差計測器によって計測された時間差から除去することによって時間差を補正してもよい。この場合、検出タイミングパルスの発生位置と出力端子との距離に依存する成分が時間差から除去される。この結果、量子線の発生位置の相違に応じた時間差の誤差が解消され、時間分解測定の精度が高まる。
【０００９】
データ処理装置は、マイクロチャンネルプレート上に複数のサンプリング点を設定し、各サンプリング点で発生する検出タイミングパルス用の補正データを取得して補間し、補間された補正データを用いて時間差を補正してもよい。補間によって少数のサンプルから多数の補正データを算出できる。これにより、補正データの取得に要する時間を短縮できる。
【００１０】
データ処理装置は、試料の複数回の励起にわたって検出位置および時間差を蓄積してもよい。これは量子線を発する確率の低い試料の測定に有益である。
【００１１】
データ処理装置は、蓄積された時間差を用いて、特定の検出位置に対応付けられた時間差のヒストグラムを作成してもよい。このヒストグラムは、ある位置での量子線発生のタイミングを求めるために使用できる。求められた量子線発生タイミングは、動作時に低い確率で量子線を発する半導体デバイスの動作解析に利用できる。
【００１２】
試料は、動作時に量子線を発しうる複数の半導体デバイスを含む回路を有していてもよい。試料の励起は、回路を駆動して複数の半導体デバイスを順次に動作させることであってもよい。データ処理装置は、半導体デバイスの位置に対応する検出位置を特定し、特定された検出位置におけるヒストグラムのピークに対応する時間差を算出してもよい。ヒストグラムのピークは、ある検出位置において量子線の発生が最も高い頻度で検出された時間差を示している。したがって、この時間差は、その検出位置に対応する半導体デバイスから量子線が発生するタイミングとして扱うことができる。複数の半導体デバイスの量子線発生タイミングを算出すれば、それらの半導体デバイスを含む回路の動作を解析することができる。
【００１３】
電子増倍管は、量子線を光電効果によって光電子に変換するフォトカソードを有する位置検出型光電子増倍管であってもよい。この場合、マイクロチャンネルプレートはフォトカソードに対向させて配置され、フォトカソードから光電子を受け取って二次電子を生成し増倍する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る時間分解測定装置１００の構成を示すブロック図である。装置１００は、試料１０から発する光１５を検出し、発光の二次元位置およびタイミングを測定する。装置１００は、半導体テスタ１２、位置検出型光電子増倍管（Position Sensitive Photomultiplier Tube：ＰＳ−ＰＭＴ）１４、位置時間測定回路１６、およびデータ処理装置１８を有している。
【００１６】
本実施形態では、試料１０の一例として、半導体集積回路（ＩＣ）を搭載するチップを用意する。図２は、試料１０上のＩＣを示す概略図である。このＩＣは、直列接続された１２個のインバータ２２1〜２２12を有するインバータチェーン２０である。インバータチェーン２０では、初段のインバータ２２1から最終段のインバータ２２12まで矢印２４の方向に沿って信号が順次に伝播する。隣り合う２個のインバータ間の信号伝播時間は理論上７０ｐｓに設計されている。インバータを構成するＭＯＳトランジスタはスイッチング時に発光することがある。したがって、装置１００を用いて発光の位置とタイミングを計測すれば、どのトランジスタがいつスイッチングを行ったかを判別できる。これはインバータチェーン２０の動作解析を可能にする。
【００１７】
半導体テスタ１２は、試料１０を励起して発光を生じさせるための励起装置である。テスタ１２は、インバータチェーン２０に電気的に接続され、駆動電圧を供給する。また、テスタ１２は、駆動電圧の供給に同期して時間基準パルスを生成する信号発生器を含んでいる。時間基準パルスは位置時間測定回路１６へ送られる。
【００１８】
位置検出型光電子増倍管１４は、試料１０からの光を電子に変換し、その電子をその二次元位置を保持しながら増幅する。光電子増倍管１４は、フォトカソード、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）およびレジスティブアノードを有している。マイクロチャンネルプレートは、フォトカソードとレジスティブアノードの間に配置されている。マイクロチャンネルプレートの前面はフォトカソードと対向し、後面はレジスティブアノードと対向している。
【００１９】
図３はマイクロチャンネルプレートを示す概略平面図である。マイクロチャンネルプレート３０の端面には、電極として導電性材料が蒸着されている。マイクロチャンネルプレート３０の周縁は、円環状の金属フランジ３２によって覆われている。フランジ３２の一箇所にリード端子３４が取り付けられている。リード端子３４は、マイクロチャンネルプレート３０の端面上の電極と電気的に導通している。リード端子３４はリード線によって位置時間測定回路１６に接続されている。後述するように、マイクロチャンネルプレート３０では、光の検出タイミングに同期してパルスが生成される。このパルスはリード端子３４を通じて回路１６に送られる。
【００２０】
位置時間測定回路１６は、テスタ１２および光電子増倍管１４の双方に電気的に接続されている。回路１６は、光電子増倍管１４から送られる信号を用いて検出位置を算出する位置演算器として機能する。また、回路１６は、テスタ１２から送られる基準時間パルスと光電子増倍管１４から送られる検出タイミングパルスとの時間差を計測する時間差計測器としても機能する。この時間差は、基準時間パルスを基準とした検出時刻を示す。回路１６によって求められた検出位置および検出時刻はデータ処理装置１８に送られる。
【００２１】
データ処理装置１８は、位置時間測定回路１６から検出位置および検出時刻を受け取り、これらを互いに対応付けて記憶する。処理装置１８は、例えばパーソナルコンピュータである。処理装置１８は、ＣＰＵ、記憶装置、キーボードおよびマウス、ならびにディスプレイを有している。記憶装置には、ＣＰＵによって実行されるデータ処理プログラムが格納されている。
【００２２】
以下では、時間分解測定装置１００の動作を説明する。テスタ１２が試料１０上のインバータチェーン２０を駆動すると、複数のインバータ２２が約７０ｐｓの間隔で順次に動作する。このとき、ある確率でインバータ２２中のトランジスタから光１５が発する。光電子増倍管１４は光１５をフォトカソードにて受け取る。フォトカソードは、光電効果によって光１５を光電子に変換する。この光電子は、フォトカソードおよびマイクロチャンネルプレート間に印加された電界によってマイクロチャンネルプレートの前面、すなわち入力面に移動する。光電子のマイクロチャンネルプレートへの入射位置は、光１５のフォトカソードへの入射位置に対応している。マイクロチャンネルプレートは、光電子の入射位置に二次電子を生成し、その二次電子をその二次元位置を保持しながら増倍する。マイクロチャンネルプレートによって増倍された二次電子は、マイクロチャンネルプレートの後面に到達すると、マイクロチャンネルプレートおよびレジスティブアノード間に印加された電界によって、マイクロチャンネルプレートの後面、すなわち出力面から放出され、レジスティブアノードに集められる。
【００２３】
レジスティブアノードは、片面に均一な抵抗層が設けられた導体板である。レジスティブアノードの四隅には、信号読み出し用の電極が設けられている。これらの電極は、位置時間測定回路１６に電気的に接続されている。レジスティブアノードに二次電子が入射すると、これらの読み出し電極は電荷パルスを出力する。レジスティブアノードに入射した二次電子の二次元位置は、これらの電荷パルスが有する電荷量に基づいて求められる。このようにレジスティブアノードは、光１５の検出位置に応じた信号を生成し、位置時間測定回路１６に送る。
【００２４】
回路１６は、光電子増倍管１４のレジスティブアノードの四隅の電極から電荷パルスを受け取り、重心検出によってレジスティブアノード上における二次電子の二次元位置を算出する。この二次元位置は、試料１０上における発光の二次元位置と対応している。このようにして光１５の検出位置が求められる。この検出位置はデータ処理装置１８に送られる。
【００２５】
さらに、光電子増倍管１４は、光１５の検出タイミングに同期してパルスを生成する。この検出タイミングパルスはマイクロチャンネルプレート３０から取り出される。以下では、図３を参照しながら、検出タイミングパルスの生成について説明する。
【００２６】
マイクロチャンネルプレート３０の後面（出力面）のうちレジスティブアノードによって二次電子を収集できるのは、符号３６で示される正方形の領域である。この領域を以下では「有効領域」と呼ぶ。インバータ２２1〜２２12から光が発すると、インバータ２２1〜２２12に対応した有効領域３６中の位置３８1〜３８12に光電子が収集される。位置３８からレジスティブアノードへ二次電子が放出されると、マイクロチャンネルプレート３０の出力面の電位が瞬間的に上昇する。続いて、マイクロチャンネルプレート３０に接続された電気回路から位置３８へ電子が流入し、出力面の電位がすぐに所定の定常電位に戻される。この電子の流れが上述した検出タイミングパルスである。このパルスはマイクロチャンネルプレート３０の出力面上を伝播し、フランジ３２、リード端子３４および上記の電気回路、すなわちパルス読み出し回路を通って、位置時間測定回路１６に到達する。
【００２７】
回路１６は、テスタ１２が試料１０上のインバータチェーン２０を駆動させた直後に基準時間パルスをテスタ１２から受け取り、その後、マイクロチャンネルプレート３０から検出タイミングパルスを受け取る。回路１６は、時間電圧変換器（Time-to-Amplitude Converter：ＴＡＣ）を有しており、基準時間パルスおよび検出タイミングパルスはこの時間電圧変換器に送られる。時間電圧変換器は、基準時間パルスと検出タイミングパルスとの時間差に応じたレベルの電圧信号を生成する。上述のように、この時間差は、試料１０の励起時点を基準とする光１５の検出時刻と等価である。以下では、時間差に応じたこの信号を「検出時刻信号」と呼ぶ。検出時刻信号は回路１６からデータ処理装置１８に送られる。
【００２８】
データ処理装置１８は、回路１６から検出位置および検出時刻信号を受け取り、検出時刻信号が示す検出時刻を補正した後、検出位置と検出時刻とを対応付けて記憶装置に格納する。検出時刻の補正については後で詳細に説明する。
【００２９】
トランジスタがスイッチングの際に発光する確率は非常に小さいので、試料１０は繰り返し励起され、検出位置および検出時刻がデータ処理装置１８に蓄積される。蓄積されたデータはさまざまに利用することができる。たとえば、データ処理装置１８は、特定の時間にわたって検出位置ごとに発光回数を計数し、得られたカウント数に応じた輝度を検出位置に対応する画素に割り当てた二次元画像を生成することができる。また、データ処理装置１８は、蓄積された検出時刻を用いて、特定の検出位置における検出時刻のヒストグラムを作成することができる。このヒストグラムでは、横軸が検出時刻であり、縦軸が発光回数である。ヒストグラムのピークは、特定の検出位置において発光が高い頻度で検出された時刻を示している。したがって、ピークに対応する検出時刻は、その検出位置に対応するインバータ２２中のトランジスタがスイッチングを行うタイミングとみなすことができる。各インバータ２２に対応する検出位置についてヒストグラムのピークに対応する検出時刻を算出すれば、一連のインバータ２２の動作タイミングを把握することができる。これにより、インバータチェーン２０の動作解析が可能である。
【００３０】
以下では、データ処理装置１８において検出時刻が補正される理由を説明し、その後、補正処理を具体的に説明する。本発明者は、当初、データ処理装置１８に時間差を補正させることなく検出位置および検出時刻を記憶させていた。しかし、これはインバータ２２1〜２２12のような複数の半導体デバイスの連続的な動作タイミングを解析する場合には好ましくないことに気づいた。図４および図５を参照しながら、この点について説明する。
【００３１】
図４は、検出時刻を補正した場合と補正しなかった場合の双方において取得されたデータに基づくインバータ２２1〜２２12の発光タイミングを示している。図４において、４０は検出時刻を補正しない場合の発光タイミングを示し、４２は検出時刻を補正した場合の発光タイミングを示している。図５はこれらの折れ線グラフ４０および４２の近似曲線を示している。図５において、５０は検出時刻を補正しない場合の近似曲線を示し、５２は検出時刻を補正した場合の近似曲線を示している。これらのグラフにおいて横軸はインバータ２２1〜２２12に含まれるトランジスタを示し、縦軸は検出時刻を示す。横軸において１ｎ、３ｎ、５ｎ、７ｎ、９ｎおよび１１ｎはそれぞれインバータ２２1、２２3、２２5、２２7、２２9および２２11に含まれるｎ−ＦＥＴを示し、２ｐ、４ｐ、６ｐ、８ｐ、１０ｐおよび１２ｐは、それぞれインバータ２２2、２２4、２２6、２２8、２２10および２２12に含まれるｐ−ＦＥＴを示している。縦軸の検出時刻は、上述のように、データ処理装置１８に蓄積された検出位置および検出時刻を用いて各インバータ２２についてヒストグラムを作成し、ヒストグラム中のピークに対応する検出時刻を算出することにより取得される。
【００３２】
上述のように、インバータチェーン２０は、インバータ２２1〜２２12中のトランジスタが一定の時間間隔で順次にスイッチングを行うように設計されている。したがって、測定が正確であれば、グラフ５０の傾きは一定のはずである。しかし、実際には、グラフ５０の傾きはトランジスタがリード端子３４に近くなるにつれて低下する。これは、測定結果においてスイッチングの時間間隔が徐々に短くなることを意味する。
【００３３】
本発明者は、測定結果に見られるスイッチングタイミングの不均一を、マイクロチャンネルプレート３０上における検出タイミングパルスの伝播時間のばらつきに起因する誤差と考えている。以下では、この点について説明する。
【００３４】
図３に示されるように、検出タイミングパルスの発生位置３８とリード端子３４との距離はインバータ２２２３の位置に応じて異なる。このため、異なるインバータ２２から発した光によって生成された検出タイミングパルスは、その発生位置３８からリード端子３４へ伝播するのに要する時間が異なる。例えば、図３に示されるように、インバータ２２1の発光に対応する検出位置３８1とリード端子３４との距離はｌ1であり、インバータ２２6の発光に対応する検出位置３８6とリード端子３４との距離はｌ6である。したがって、検出タイミングパルスが検出位置３８1および３８6の各々からリード端子３４へ伝播するのに要する時間には、単純に考えて（ｌ1−ｌ6）／ｃの違いがあると推定される。検出時刻は、光１５が実際に検出された時点、すなわち検出タイミングパルスの発生時点から、検出タイミングパルスの位置時間測定回路１６への伝播に要する時間だけ遅延する。この遅延（ディレイ）が検出位置３８1〜３８12に応じて異なるため、測定されるスイッチングタイミングの時間間隔が不均一になると考えられる。なお、検出タイミングパルスの伝播時間は、フランジ３２の形状や、マイクロチャンネルプレート３０の構造および材質など、さまざまな要因によって複雑に影響される。
【００３５】
なお、リード端子の数は１本に限定されず、ディレイの絶対値を減少させる（検出位置３８からリード端子３４までの距離を減少させる）観点から複数本設置してもよい。その際、複数のリード端子は同じ長さであることが好ましい。リード端子３４の数が無限大の場合に相当する例として、リード端子の代わりにコーン状の電極を使用すれば、ディレイの絶対値を最小限に抑えることができる。
【００３６】
図６はマイクロチャンネルプレート３０上における複数の検出位置Ｐ１〜Ｐ１４を示す概略平面図であり、図７はそれらの位置に応じた検出時刻のディレイを示している。図７に示されるディレイの分布は、リード端子３４から遠い位置で発生した検出タイミング信号ほどリード端子３４に到達するまでの時間が長いことを反映している。なお、各検出位置に対応したディレイは、電磁界シミュレータまたは高周波回路シミュレータを用いて計算するか、あるいは後述するような方法によって測定することができる。
【００３７】
検出位置に応じた検出時刻のディレイのばらつきは、試料１０上の一箇所から発する光を繰り返し測定する用途では問題とならない。しかし、インバータチェーン２０のように、異なる位置に配置された複数の半導体デバイスの連続的な動作タイミングを解析する場合には問題が生じる。図３に示されるように、最終段に近いインバータ２２ほど、出力端子３４に近い検出位置３８で検出タイミングパルスを発生させる。したがって、最終段に近いインバータ２２ほど検出時刻のディレイが短い。このようなディレイの不均一が、一定であるはずのスイッチング間隔が徐々に短縮するという測定結果を生じさせる。
【００３８】
そこで、本発明者は、検出位置に応じたディレイのばらつきをデータ処理装置１８に補正させることにした。この補正処理は、マイクロチャンネルプレート３０上におけるディレイの分布を反映した補正データを使用して行われる。この補正データは実験によって取得することもできるし、電磁界シミュレータまたは高周波回路シミュレータを用いた計算により取得することもできる。
【００３９】
以下では、補正データの測定方法の一例を説明する。図８は測定方法を示す概略図である。この方法では、時間分解測定装置１００におけるテスタ１２の代わりにピコ秒またはサブナノ秒のパルスレーザ光源４０を使用し、レーザ光の検出位置に応じたディレイの分布を測定する。レーザ光源４０は、パルスレーザ光の放出に同期して時間基準信号を出力する。この時間基準信号は位置時間測定回路１６へ送られる。光源４０には光ファイバ４２が接続されている。光源４０から発したパルスレーザ光は光ファイバ４２中を伝搬し、レンズ４４に向かって出射する。レーザ光はレンズ４４によって集束され、光電子増倍管１４のフォトカソード５０に入射する。フォトカソード５０での光電効果によって発生した光電子はマイクロチャンネルプレートによって増倍され、レジスティブアノード５２に向けて放出される。このときに発生する検出タイミングパルスは、マイクロチャンネルプレート３０の表面上を伝播してリード端子３４に到達し、そこから位置時間測定回路１６へ送られる。レジスティブアノード５２からは、レーザパルス光の検出位置に応じた信号が回路１６に送られる。回路１６はレジスティブアノードからの信号に基づいて検出位置を算出し、データ処理装置１８に送る。また、回路１６は、光源４０からの時間基準パルスと検出タイミングパルスとの時間差に応じた信号を生成し、データ処理装置１８に送る。この方法では、この時間差を、検出位置に応じた検出時刻のディレイとして扱う。データ処理装置１８は、回路１６から送られた検出位置とディレイとを対応付けて記憶する。Ｘ−Ｙステージ（図示せず）を用いて光ファイバの出力端４３を二次元的に移動させながらフォトカソード５０の様々な位置に光を入射させ、データ処理装置１８に検出位置とディレイを蓄積する。
【００４０】
データ処理装置１８は、マイクロチャンネルプレート３０上の有効領域３６に５１２×５１２、すなわち約２６万個の画素を割り当てる。これらの画素の一つ一つに光を入射させてディレイを測定する場合、一画素あたりの測定時間を１０秒程度に設定しても極めて膨大な時間が必要となり、現実的でない。そこで、数１０個の画素についてだけディレイを測定し、他の画素については補間法によってディレイを算出することが効率的である。
【００４１】
具体的には、図９に示されるように、有効領域３６を仮想のメッシュによって分割し、メッシュ中の２５個の交点５４のみについてディレイを測定する。つまり、これらの交点５４はサンプリング点である。図１０は、サンプリング点５４について測定したディレイの分布を３Ｄ表示している。サンプリング点５４の間の位置に対応したディレイは二次元スプライン補間によって算出する。図１１は、補間によって得られたディレイの分布を３Ｄ表示している。このような補間されたディレイ分布が補正データとして使用される。
【００４２】
図１２は、図１１の補正データに基づくインバータチェーン２０中のトランジスタに対応したディレイを示している。図１２に示されるように、前段のトランジスタほどディレイが大きい。
【００４３】
データ処理装置１８は、試料１０の時間分解測定によって回路１６から検出時刻を取得した後、その検出時刻から補正データを減算する。すなわち、各検出位置に対応する検出時刻から同じ検出位置に対応するディレイが減算される。この減算により、検出時刻に含まれる検出タイミングパルスの伝播時間が除去される。これにより、検出タイミングパルスの伝播時間のばらつきに起因する検出時刻の誤差を補正することができる。データ処理装置１８は、こうして補正された検出時刻を検出位置に対応付けて記憶する。したがって、時間分解測定の精度を高めることができる。実際、図４のグラフ４２および図５のグラフ５２に示されるように、この補正によってインバータ２２1〜２２12中のトランジスタからの発光の検出時刻がほぼ等間隔となり、設計理論と合致するようになる。
【００４４】
補正データの取得は、図１３に示されるように試料１０の時間分解測定の前であってもよいし、図１４に示されるように時間分解測定の後であってもよい。
【００４５】
図１３に示される手順では、まず、図８を参照して上述した方法によって補正データを取得する（ステップＳ１３０）。この補正データはデータ処理装置１８内の記憶装置に格納される（ステップＳ１３２）。その後、装置１００は、図１を参照して上述した方法によって、インバータチェーン２０からの発光の時間分解測定を実行する（ステップＳ１３４）。データ処理装置１８は、得られた測定データから補正データを減算し、測定データに含まれる時間誤差を補正する（ステップＳ１３６）。補正後の測定データは、記憶装置に格納されるとともに、図４に示されるような折れ線グラフの形でデータ処理装置１８のディスプレイ上に表示される（ステップＳ１３８）。
【００４６】
一方、図１４に示される手順では、まず、装置１００を用いてインバータチェーン２０の時間分解測定を実行し（ステップＳ１４０）、得られた測定データをデータ処理装置１８内の記憶装置に格納する（ステップＳ１４２）。その後、図８に示される方法によって時間誤差の補正データを取得する（ステップＳ１４４）。データ処理装置１８は、記憶装置から測定データを読み出し、そこから補正データを減算して時間誤差を補正する（ステップＳ１４６）。補正された測定データは記憶装置に格納されるとともに、ディスプレイ上に表示される（ステップＳ１４８）。
【００４７】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００４８】
上記実施形態では、図８に示される測定によって補正データを取得する。しかし、計算によって補正データを取得してもよい。例えば、ディレイ分布は、電磁界シミュレータまたは高周波回路シミュレータを用いて算出することができる。
【００４９】
上記実施形態は、位置検出型光電子増倍管（ＰＳ−ＰＭＴ）を使用する。しかし、本発明では、試料から発する量子線の種類に応じて他の任意の位置検出型電子増倍管（ＰＳ−ＥＭＴ）を使用することができる。マイクロチャンネルプレートが電子線のみならず、紫外線（ＵＶおよびＶＵＶ）、Ｘ線、α線、荷電粒子、中性子などに直接感度を示すことはよく知られている。ＰＳ−ＰＭＴを用いるかＰＳ−ＥＭＴを用いるかは、検出対象物からの量子線の種類に応じて適宜選択される。
【００５０】
上記実施形態では、位置検出型のアノードとしてレジスティブアノードが使用されている。このほかに、他の任意の位置検出型アノード、例えばマルチアノード、ＣＲチェーンアノード、クロスワイヤアノード、または半導体素子位置検出素子（ＰＳＤ）を使用してもよい。また、二次電子を光学像に変換する蛍光板をアノードとして使用し、その光学像をイメージセンサを用いて撮像することにより二次電子の位置を測定してもよい。また、蛍光板とイメージセンサとをファイバプレートを介してファイバカップリングしてもよい。これらの位置検出は、一次元であっても二次元であってもよい。
【００５１】
上記実施形態では、半導体集積回路の動作解析を取り上げている。しかし、本発明に係る時間分解型検出の利用可能なアプリケーションは幅広く、ＴＯＦ（Time Of Flight）応用をはじめとした様々な計測手法、例えば、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）、イオン散乱分光（ＩＳＳ）、アトムプローブなどに本発明を適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の時間分解測定装置は、検出位置に応じた検出時刻ディレイの不均一を補正することにより、検出時刻の誤差を解消して時間分解測定の精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る時間分解測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】試料に含まれる集積回路を示す概略図である。
【図３】マイクロチャンネルプレートを示す概略平面図である。
【図４】インバータ中のトランジスタの発光タイミングを示す図である。
【図５】図４の折れ線グラフの近似曲線を示す図である。
【図６】マイクロチャンネルプレートの表面上における複数の検出位置を示す概略平面図。
【図７】複数の検出位置に対応する検出時刻のディレイの分布を示す図。
【図８】補正データの測定方法の説明するための概略図である。
【図９】有効領域上のサンプリング点を示す図である。
【図１０】サンプリング点について測定した検出時刻のディレイを３Ｄ表示する図である。
【図１１】補間後のディレイを３Ｄ表示する図である。
【図１２】インバータチェーン中のトランジスタに対応した検出時刻のディレイの分布を示している。
【図１３】時間分解測定の手順の一例を示すフローチャートである。
【図１４】時間分解測定の手順の他の例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…試料、１２…テスタ、１４…位置検出型光電子増倍管、１５…光、１６…位置時間測定回路、１８…データ処理装置、２０…インバータチェーン、２２…インバータ、３０…マイクロチャンネルプレート、３２…金属フランジ、３４…リード端子、３８…光電子、１００…時間分解測定装置。
【発明の属する技術分野】
この発明は、位置検出型電子増倍管（Position-Sensitive Electron Multiplier Tube: ＰＳ−ＥＭＴ）を利用する時間分解測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光現象の時間分解測定を行って、その二次元位置および時間を取得するための二次元時間分解測定装置が知られている（例えば、特許文献１および２ならびに非特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１−２６６９４２号公報
【特許文献２】
特開平１０−１５００８６号公報
【非特許文献１】
エス・シャーボンノー（S. Charbonneau）、ほか４名、「レジスティブアノード光電子増倍管を用いた１００ｐｓ分解能での二次元時間分解撮像（Two-dimensional time-resolved imaging with 100-ps resolution using a resistive anode photomultiplier tube）」、Rev. Sci. Instrum. ６３（１１）, （米国）、アメリカン・インスティチュート・オブ・フィジックス（American Institute of Physics）、１９９２年１１月、５３１５−５３１９頁
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、時間分解測定の精度を高めることを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の時間分解測定装置は、試料の励起によって発する量子線の位置情報およびタイミング情報を取得する。この時間分解測定装置は、試料の励起に同期して基準時間パルスを生成する信号発生器と、試料からの量子線を検出し、検出位置に応じた位置信号および検出タイミングに同期した検出タイミングパルスを生成する検出装置と、位置信号を用いて検出位置を算出する位置演算器と、基準時間パルスと検出タイミングパルスとの時間差を計測する時間差計測器と、位置演算器によって算出された前記検出位置と前記時間差測定器によって計測された時間差とを対応付けて記憶するデータ処理装置を備えている。検出装置は、位置検出型電子増倍管を有している。この電子増倍管は、前記量子線の前記電子増倍管への入射位置に応じた位置に電子を生成し、その位置を維持しながら前記電子を増倍するマイクロチャンネルプレート、およびマイクロチャンネルプレートに電気的に接続された出力端子を有している。検出タイミングパルスは、マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子がマイクロチャネルプレートから放出されるときの電位変化に応じて発生し、マイクロチャネルプレートから出力端子を通じて時間差計測器へ送られる。データ処理装置は、マイクロチャネルプレート上における検出タイミングパルスの発生位置と出力端子との距離に応じて時間差を補正し、補正された時間差を検出位置と対応付けて記憶する。
【０００６】
マイクロチャンネルプレートは量子線の位置情報を維持するので、検出タイミングパルスはマイクロチャンネルプレート上において、試料上の量子線の発生位置に応じた位置に発生する。したがって、試料上の異なる位置から発した量子線は、マイクロチャンネルプレート上の異なる位置に検出タイミングパルスを発生させる。発生した検出タイミングパルスが出力端子へ到達するのに要する時間は、検出タイミングパルスの発生位置と出力端子との距離に依存する。このため、試料上の異なる位置から同じタイミングで発した量子線が、異なるタイミングで出力端子に到達する検出タイミングパルスを生成し、その結果、異なる時間差を生じさせることがある。本発明では、データ処理装置が検出タイミングパルスの発生位置と出力端子との距離に応じて時間差を補正し、量子線の発生位置の相違に応じた時間差の誤差を解消する。これにより、時間分解測定の精度が高まる。
【０００７】
量子線には、電子、イオン、α線、β線などの荷電粒子や、紫外線、Ｘ線、γ線などの光子、さらには中性子などが含まれる。試料の励起に伴う量子線の発生は、原子、分子などがエネルギーの低い状態から、熱、光、放射線などの外部刺激によって、より高いエネルギーの状態に移り、その状態が元に戻る際に、２つの状態のエネルギーの差を光等の量子線として放出する現象である（上記特許文献１および非特許文献１を参照のこと）。半導体デバイスが自発的に、あるいは外部トリガ（信号パルス、動作開始パルス等）に応答して作動すると、デバイス中のトランジスタのスイッチング動作に伴ってトランジェント発光が起きることも知られている（上記特許文献２を参照のこと）。本発明において試料の励起に伴う量子線の発生には、原子または分子が２つの状態のエネルギーの差を光等の量子線として放出する現象に加えて、半導体デバイスの動作時に観察されるトランジェント発光も含まれる。
【０００８】
データ処理装置は、検出タイミングパルスがその発生位置から出力端子へ到達するのに要する時間を、時間差計測器によって計測された時間差から除去することによって時間差を補正してもよい。この場合、検出タイミングパルスの発生位置と出力端子との距離に依存する成分が時間差から除去される。この結果、量子線の発生位置の相違に応じた時間差の誤差が解消され、時間分解測定の精度が高まる。
【０００９】
データ処理装置は、マイクロチャンネルプレート上に複数のサンプリング点を設定し、各サンプリング点で発生する検出タイミングパルス用の補正データを取得して補間し、補間された補正データを用いて時間差を補正してもよい。補間によって少数のサンプルから多数の補正データを算出できる。これにより、補正データの取得に要する時間を短縮できる。
【００１０】
データ処理装置は、試料の複数回の励起にわたって検出位置および時間差を蓄積してもよい。これは量子線を発する確率の低い試料の測定に有益である。
【００１１】
データ処理装置は、蓄積された時間差を用いて、特定の検出位置に対応付けられた時間差のヒストグラムを作成してもよい。このヒストグラムは、ある位置での量子線発生のタイミングを求めるために使用できる。求められた量子線発生タイミングは、動作時に低い確率で量子線を発する半導体デバイスの動作解析に利用できる。
【００１２】
試料は、動作時に量子線を発しうる複数の半導体デバイスを含む回路を有していてもよい。試料の励起は、回路を駆動して複数の半導体デバイスを順次に動作させることであってもよい。データ処理装置は、半導体デバイスの位置に対応する検出位置を特定し、特定された検出位置におけるヒストグラムのピークに対応する時間差を算出してもよい。ヒストグラムのピークは、ある検出位置において量子線の発生が最も高い頻度で検出された時間差を示している。したがって、この時間差は、その検出位置に対応する半導体デバイスから量子線が発生するタイミングとして扱うことができる。複数の半導体デバイスの量子線発生タイミングを算出すれば、それらの半導体デバイスを含む回路の動作を解析することができる。
【００１３】
電子増倍管は、量子線を光電効果によって光電子に変換するフォトカソードを有する位置検出型光電子増倍管であってもよい。この場合、マイクロチャンネルプレートはフォトカソードに対向させて配置され、フォトカソードから光電子を受け取って二次電子を生成し増倍する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る時間分解測定装置１００の構成を示すブロック図である。装置１００は、試料１０から発する光１５を検出し、発光の二次元位置およびタイミングを測定する。装置１００は、半導体テスタ１２、位置検出型光電子増倍管（Position Sensitive Photomultiplier Tube：ＰＳ−ＰＭＴ）１４、位置時間測定回路１６、およびデータ処理装置１８を有している。
【００１６】
本実施形態では、試料１０の一例として、半導体集積回路（ＩＣ）を搭載するチップを用意する。図２は、試料１０上のＩＣを示す概略図である。このＩＣは、直列接続された１２個のインバータ２２1〜２２12を有するインバータチェーン２０である。インバータチェーン２０では、初段のインバータ２２1から最終段のインバータ２２12まで矢印２４の方向に沿って信号が順次に伝播する。隣り合う２個のインバータ間の信号伝播時間は理論上７０ｐｓに設計されている。インバータを構成するＭＯＳトランジスタはスイッチング時に発光することがある。したがって、装置１００を用いて発光の位置とタイミングを計測すれば、どのトランジスタがいつスイッチングを行ったかを判別できる。これはインバータチェーン２０の動作解析を可能にする。
【００１７】
半導体テスタ１２は、試料１０を励起して発光を生じさせるための励起装置である。テスタ１２は、インバータチェーン２０に電気的に接続され、駆動電圧を供給する。また、テスタ１２は、駆動電圧の供給に同期して時間基準パルスを生成する信号発生器を含んでいる。時間基準パルスは位置時間測定回路１６へ送られる。
【００１８】
位置検出型光電子増倍管１４は、試料１０からの光を電子に変換し、その電子をその二次元位置を保持しながら増幅する。光電子増倍管１４は、フォトカソード、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）およびレジスティブアノードを有している。マイクロチャンネルプレートは、フォトカソードとレジスティブアノードの間に配置されている。マイクロチャンネルプレートの前面はフォトカソードと対向し、後面はレジスティブアノードと対向している。
【００１９】
図３はマイクロチャンネルプレートを示す概略平面図である。マイクロチャンネルプレート３０の端面には、電極として導電性材料が蒸着されている。マイクロチャンネルプレート３０の周縁は、円環状の金属フランジ３２によって覆われている。フランジ３２の一箇所にリード端子３４が取り付けられている。リード端子３４は、マイクロチャンネルプレート３０の端面上の電極と電気的に導通している。リード端子３４はリード線によって位置時間測定回路１６に接続されている。後述するように、マイクロチャンネルプレート３０では、光の検出タイミングに同期してパルスが生成される。このパルスはリード端子３４を通じて回路１６に送られる。
【００２０】
位置時間測定回路１６は、テスタ１２および光電子増倍管１４の双方に電気的に接続されている。回路１６は、光電子増倍管１４から送られる信号を用いて検出位置を算出する位置演算器として機能する。また、回路１６は、テスタ１２から送られる基準時間パルスと光電子増倍管１４から送られる検出タイミングパルスとの時間差を計測する時間差計測器としても機能する。この時間差は、基準時間パルスを基準とした検出時刻を示す。回路１６によって求められた検出位置および検出時刻はデータ処理装置１８に送られる。
【００２１】
データ処理装置１８は、位置時間測定回路１６から検出位置および検出時刻を受け取り、これらを互いに対応付けて記憶する。処理装置１８は、例えばパーソナルコンピュータである。処理装置１８は、ＣＰＵ、記憶装置、キーボードおよびマウス、ならびにディスプレイを有している。記憶装置には、ＣＰＵによって実行されるデータ処理プログラムが格納されている。
【００２２】
以下では、時間分解測定装置１００の動作を説明する。テスタ１２が試料１０上のインバータチェーン２０を駆動すると、複数のインバータ２２が約７０ｐｓの間隔で順次に動作する。このとき、ある確率でインバータ２２中のトランジスタから光１５が発する。光電子増倍管１４は光１５をフォトカソードにて受け取る。フォトカソードは、光電効果によって光１５を光電子に変換する。この光電子は、フォトカソードおよびマイクロチャンネルプレート間に印加された電界によってマイクロチャンネルプレートの前面、すなわち入力面に移動する。光電子のマイクロチャンネルプレートへの入射位置は、光１５のフォトカソードへの入射位置に対応している。マイクロチャンネルプレートは、光電子の入射位置に二次電子を生成し、その二次電子をその二次元位置を保持しながら増倍する。マイクロチャンネルプレートによって増倍された二次電子は、マイクロチャンネルプレートの後面に到達すると、マイクロチャンネルプレートおよびレジスティブアノード間に印加された電界によって、マイクロチャンネルプレートの後面、すなわち出力面から放出され、レジスティブアノードに集められる。
【００２３】
レジスティブアノードは、片面に均一な抵抗層が設けられた導体板である。レジスティブアノードの四隅には、信号読み出し用の電極が設けられている。これらの電極は、位置時間測定回路１６に電気的に接続されている。レジスティブアノードに二次電子が入射すると、これらの読み出し電極は電荷パルスを出力する。レジスティブアノードに入射した二次電子の二次元位置は、これらの電荷パルスが有する電荷量に基づいて求められる。このようにレジスティブアノードは、光１５の検出位置に応じた信号を生成し、位置時間測定回路１６に送る。
【００２４】
回路１６は、光電子増倍管１４のレジスティブアノードの四隅の電極から電荷パルスを受け取り、重心検出によってレジスティブアノード上における二次電子の二次元位置を算出する。この二次元位置は、試料１０上における発光の二次元位置と対応している。このようにして光１５の検出位置が求められる。この検出位置はデータ処理装置１８に送られる。
【００２５】
さらに、光電子増倍管１４は、光１５の検出タイミングに同期してパルスを生成する。この検出タイミングパルスはマイクロチャンネルプレート３０から取り出される。以下では、図３を参照しながら、検出タイミングパルスの生成について説明する。
【００２６】
マイクロチャンネルプレート３０の後面（出力面）のうちレジスティブアノードによって二次電子を収集できるのは、符号３６で示される正方形の領域である。この領域を以下では「有効領域」と呼ぶ。インバータ２２1〜２２12から光が発すると、インバータ２２1〜２２12に対応した有効領域３６中の位置３８1〜３８12に光電子が収集される。位置３８からレジスティブアノードへ二次電子が放出されると、マイクロチャンネルプレート３０の出力面の電位が瞬間的に上昇する。続いて、マイクロチャンネルプレート３０に接続された電気回路から位置３８へ電子が流入し、出力面の電位がすぐに所定の定常電位に戻される。この電子の流れが上述した検出タイミングパルスである。このパルスはマイクロチャンネルプレート３０の出力面上を伝播し、フランジ３２、リード端子３４および上記の電気回路、すなわちパルス読み出し回路を通って、位置時間測定回路１６に到達する。
【００２７】
回路１６は、テスタ１２が試料１０上のインバータチェーン２０を駆動させた直後に基準時間パルスをテスタ１２から受け取り、その後、マイクロチャンネルプレート３０から検出タイミングパルスを受け取る。回路１６は、時間電圧変換器（Time-to-Amplitude Converter：ＴＡＣ）を有しており、基準時間パルスおよび検出タイミングパルスはこの時間電圧変換器に送られる。時間電圧変換器は、基準時間パルスと検出タイミングパルスとの時間差に応じたレベルの電圧信号を生成する。上述のように、この時間差は、試料１０の励起時点を基準とする光１５の検出時刻と等価である。以下では、時間差に応じたこの信号を「検出時刻信号」と呼ぶ。検出時刻信号は回路１６からデータ処理装置１８に送られる。
【００２８】
データ処理装置１８は、回路１６から検出位置および検出時刻信号を受け取り、検出時刻信号が示す検出時刻を補正した後、検出位置と検出時刻とを対応付けて記憶装置に格納する。検出時刻の補正については後で詳細に説明する。
【００２９】
トランジスタがスイッチングの際に発光する確率は非常に小さいので、試料１０は繰り返し励起され、検出位置および検出時刻がデータ処理装置１８に蓄積される。蓄積されたデータはさまざまに利用することができる。たとえば、データ処理装置１８は、特定の時間にわたって検出位置ごとに発光回数を計数し、得られたカウント数に応じた輝度を検出位置に対応する画素に割り当てた二次元画像を生成することができる。また、データ処理装置１８は、蓄積された検出時刻を用いて、特定の検出位置における検出時刻のヒストグラムを作成することができる。このヒストグラムでは、横軸が検出時刻であり、縦軸が発光回数である。ヒストグラムのピークは、特定の検出位置において発光が高い頻度で検出された時刻を示している。したがって、ピークに対応する検出時刻は、その検出位置に対応するインバータ２２中のトランジスタがスイッチングを行うタイミングとみなすことができる。各インバータ２２に対応する検出位置についてヒストグラムのピークに対応する検出時刻を算出すれば、一連のインバータ２２の動作タイミングを把握することができる。これにより、インバータチェーン２０の動作解析が可能である。
【００３０】
以下では、データ処理装置１８において検出時刻が補正される理由を説明し、その後、補正処理を具体的に説明する。本発明者は、当初、データ処理装置１８に時間差を補正させることなく検出位置および検出時刻を記憶させていた。しかし、これはインバータ２２1〜２２12のような複数の半導体デバイスの連続的な動作タイミングを解析する場合には好ましくないことに気づいた。図４および図５を参照しながら、この点について説明する。
【００３１】
図４は、検出時刻を補正した場合と補正しなかった場合の双方において取得されたデータに基づくインバータ２２1〜２２12の発光タイミングを示している。図４において、４０は検出時刻を補正しない場合の発光タイミングを示し、４２は検出時刻を補正した場合の発光タイミングを示している。図５はこれらの折れ線グラフ４０および４２の近似曲線を示している。図５において、５０は検出時刻を補正しない場合の近似曲線を示し、５２は検出時刻を補正した場合の近似曲線を示している。これらのグラフにおいて横軸はインバータ２２1〜２２12に含まれるトランジスタを示し、縦軸は検出時刻を示す。横軸において１ｎ、３ｎ、５ｎ、７ｎ、９ｎおよび１１ｎはそれぞれインバータ２２1、２２3、２２5、２２7、２２9および２２11に含まれるｎ−ＦＥＴを示し、２ｐ、４ｐ、６ｐ、８ｐ、１０ｐおよび１２ｐは、それぞれインバータ２２2、２２4、２２6、２２8、２２10および２２12に含まれるｐ−ＦＥＴを示している。縦軸の検出時刻は、上述のように、データ処理装置１８に蓄積された検出位置および検出時刻を用いて各インバータ２２についてヒストグラムを作成し、ヒストグラム中のピークに対応する検出時刻を算出することにより取得される。
【００３２】
上述のように、インバータチェーン２０は、インバータ２２1〜２２12中のトランジスタが一定の時間間隔で順次にスイッチングを行うように設計されている。したがって、測定が正確であれば、グラフ５０の傾きは一定のはずである。しかし、実際には、グラフ５０の傾きはトランジスタがリード端子３４に近くなるにつれて低下する。これは、測定結果においてスイッチングの時間間隔が徐々に短くなることを意味する。
【００３３】
本発明者は、測定結果に見られるスイッチングタイミングの不均一を、マイクロチャンネルプレート３０上における検出タイミングパルスの伝播時間のばらつきに起因する誤差と考えている。以下では、この点について説明する。
【００３４】
図３に示されるように、検出タイミングパルスの発生位置３８とリード端子３４との距離はインバータ２２２３の位置に応じて異なる。このため、異なるインバータ２２から発した光によって生成された検出タイミングパルスは、その発生位置３８からリード端子３４へ伝播するのに要する時間が異なる。例えば、図３に示されるように、インバータ２２1の発光に対応する検出位置３８1とリード端子３４との距離はｌ1であり、インバータ２２6の発光に対応する検出位置３８6とリード端子３４との距離はｌ6である。したがって、検出タイミングパルスが検出位置３８1および３８6の各々からリード端子３４へ伝播するのに要する時間には、単純に考えて（ｌ1−ｌ6）／ｃの違いがあると推定される。検出時刻は、光１５が実際に検出された時点、すなわち検出タイミングパルスの発生時点から、検出タイミングパルスの位置時間測定回路１６への伝播に要する時間だけ遅延する。この遅延（ディレイ）が検出位置３８1〜３８12に応じて異なるため、測定されるスイッチングタイミングの時間間隔が不均一になると考えられる。なお、検出タイミングパルスの伝播時間は、フランジ３２の形状や、マイクロチャンネルプレート３０の構造および材質など、さまざまな要因によって複雑に影響される。
【００３５】
なお、リード端子の数は１本に限定されず、ディレイの絶対値を減少させる（検出位置３８からリード端子３４までの距離を減少させる）観点から複数本設置してもよい。その際、複数のリード端子は同じ長さであることが好ましい。リード端子３４の数が無限大の場合に相当する例として、リード端子の代わりにコーン状の電極を使用すれば、ディレイの絶対値を最小限に抑えることができる。
【００３６】
図６はマイクロチャンネルプレート３０上における複数の検出位置Ｐ１〜Ｐ１４を示す概略平面図であり、図７はそれらの位置に応じた検出時刻のディレイを示している。図７に示されるディレイの分布は、リード端子３４から遠い位置で発生した検出タイミング信号ほどリード端子３４に到達するまでの時間が長いことを反映している。なお、各検出位置に対応したディレイは、電磁界シミュレータまたは高周波回路シミュレータを用いて計算するか、あるいは後述するような方法によって測定することができる。
【００３７】
検出位置に応じた検出時刻のディレイのばらつきは、試料１０上の一箇所から発する光を繰り返し測定する用途では問題とならない。しかし、インバータチェーン２０のように、異なる位置に配置された複数の半導体デバイスの連続的な動作タイミングを解析する場合には問題が生じる。図３に示されるように、最終段に近いインバータ２２ほど、出力端子３４に近い検出位置３８で検出タイミングパルスを発生させる。したがって、最終段に近いインバータ２２ほど検出時刻のディレイが短い。このようなディレイの不均一が、一定であるはずのスイッチング間隔が徐々に短縮するという測定結果を生じさせる。
【００３８】
そこで、本発明者は、検出位置に応じたディレイのばらつきをデータ処理装置１８に補正させることにした。この補正処理は、マイクロチャンネルプレート３０上におけるディレイの分布を反映した補正データを使用して行われる。この補正データは実験によって取得することもできるし、電磁界シミュレータまたは高周波回路シミュレータを用いた計算により取得することもできる。
【００３９】
以下では、補正データの測定方法の一例を説明する。図８は測定方法を示す概略図である。この方法では、時間分解測定装置１００におけるテスタ１２の代わりにピコ秒またはサブナノ秒のパルスレーザ光源４０を使用し、レーザ光の検出位置に応じたディレイの分布を測定する。レーザ光源４０は、パルスレーザ光の放出に同期して時間基準信号を出力する。この時間基準信号は位置時間測定回路１６へ送られる。光源４０には光ファイバ４２が接続されている。光源４０から発したパルスレーザ光は光ファイバ４２中を伝搬し、レンズ４４に向かって出射する。レーザ光はレンズ４４によって集束され、光電子増倍管１４のフォトカソード５０に入射する。フォトカソード５０での光電効果によって発生した光電子はマイクロチャンネルプレートによって増倍され、レジスティブアノード５２に向けて放出される。このときに発生する検出タイミングパルスは、マイクロチャンネルプレート３０の表面上を伝播してリード端子３４に到達し、そこから位置時間測定回路１６へ送られる。レジスティブアノード５２からは、レーザパルス光の検出位置に応じた信号が回路１６に送られる。回路１６はレジスティブアノードからの信号に基づいて検出位置を算出し、データ処理装置１８に送る。また、回路１６は、光源４０からの時間基準パルスと検出タイミングパルスとの時間差に応じた信号を生成し、データ処理装置１８に送る。この方法では、この時間差を、検出位置に応じた検出時刻のディレイとして扱う。データ処理装置１８は、回路１６から送られた検出位置とディレイとを対応付けて記憶する。Ｘ−Ｙステージ（図示せず）を用いて光ファイバの出力端４３を二次元的に移動させながらフォトカソード５０の様々な位置に光を入射させ、データ処理装置１８に検出位置とディレイを蓄積する。
【００４０】
データ処理装置１８は、マイクロチャンネルプレート３０上の有効領域３６に５１２×５１２、すなわち約２６万個の画素を割り当てる。これらの画素の一つ一つに光を入射させてディレイを測定する場合、一画素あたりの測定時間を１０秒程度に設定しても極めて膨大な時間が必要となり、現実的でない。そこで、数１０個の画素についてだけディレイを測定し、他の画素については補間法によってディレイを算出することが効率的である。
【００４１】
具体的には、図９に示されるように、有効領域３６を仮想のメッシュによって分割し、メッシュ中の２５個の交点５４のみについてディレイを測定する。つまり、これらの交点５４はサンプリング点である。図１０は、サンプリング点５４について測定したディレイの分布を３Ｄ表示している。サンプリング点５４の間の位置に対応したディレイは二次元スプライン補間によって算出する。図１１は、補間によって得られたディレイの分布を３Ｄ表示している。このような補間されたディレイ分布が補正データとして使用される。
【００４２】
図１２は、図１１の補正データに基づくインバータチェーン２０中のトランジスタに対応したディレイを示している。図１２に示されるように、前段のトランジスタほどディレイが大きい。
【００４３】
データ処理装置１８は、試料１０の時間分解測定によって回路１６から検出時刻を取得した後、その検出時刻から補正データを減算する。すなわち、各検出位置に対応する検出時刻から同じ検出位置に対応するディレイが減算される。この減算により、検出時刻に含まれる検出タイミングパルスの伝播時間が除去される。これにより、検出タイミングパルスの伝播時間のばらつきに起因する検出時刻の誤差を補正することができる。データ処理装置１８は、こうして補正された検出時刻を検出位置に対応付けて記憶する。したがって、時間分解測定の精度を高めることができる。実際、図４のグラフ４２および図５のグラフ５２に示されるように、この補正によってインバータ２２1〜２２12中のトランジスタからの発光の検出時刻がほぼ等間隔となり、設計理論と合致するようになる。
【００４４】
補正データの取得は、図１３に示されるように試料１０の時間分解測定の前であってもよいし、図１４に示されるように時間分解測定の後であってもよい。
【００４５】
図１３に示される手順では、まず、図８を参照して上述した方法によって補正データを取得する（ステップＳ１３０）。この補正データはデータ処理装置１８内の記憶装置に格納される（ステップＳ１３２）。その後、装置１００は、図１を参照して上述した方法によって、インバータチェーン２０からの発光の時間分解測定を実行する（ステップＳ１３４）。データ処理装置１８は、得られた測定データから補正データを減算し、測定データに含まれる時間誤差を補正する（ステップＳ１３６）。補正後の測定データは、記憶装置に格納されるとともに、図４に示されるような折れ線グラフの形でデータ処理装置１８のディスプレイ上に表示される（ステップＳ１３８）。
【００４６】
一方、図１４に示される手順では、まず、装置１００を用いてインバータチェーン２０の時間分解測定を実行し（ステップＳ１４０）、得られた測定データをデータ処理装置１８内の記憶装置に格納する（ステップＳ１４２）。その後、図８に示される方法によって時間誤差の補正データを取得する（ステップＳ１４４）。データ処理装置１８は、記憶装置から測定データを読み出し、そこから補正データを減算して時間誤差を補正する（ステップＳ１４６）。補正された測定データは記憶装置に格納されるとともに、ディスプレイ上に表示される（ステップＳ１４８）。
【００４７】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００４８】
上記実施形態では、図８に示される測定によって補正データを取得する。しかし、計算によって補正データを取得してもよい。例えば、ディレイ分布は、電磁界シミュレータまたは高周波回路シミュレータを用いて算出することができる。
【００４９】
上記実施形態は、位置検出型光電子増倍管（ＰＳ−ＰＭＴ）を使用する。しかし、本発明では、試料から発する量子線の種類に応じて他の任意の位置検出型電子増倍管（ＰＳ−ＥＭＴ）を使用することができる。マイクロチャンネルプレートが電子線のみならず、紫外線（ＵＶおよびＶＵＶ）、Ｘ線、α線、荷電粒子、中性子などに直接感度を示すことはよく知られている。ＰＳ−ＰＭＴを用いるかＰＳ−ＥＭＴを用いるかは、検出対象物からの量子線の種類に応じて適宜選択される。
【００５０】
上記実施形態では、位置検出型のアノードとしてレジスティブアノードが使用されている。このほかに、他の任意の位置検出型アノード、例えばマルチアノード、ＣＲチェーンアノード、クロスワイヤアノード、または半導体素子位置検出素子（ＰＳＤ）を使用してもよい。また、二次電子を光学像に変換する蛍光板をアノードとして使用し、その光学像をイメージセンサを用いて撮像することにより二次電子の位置を測定してもよい。また、蛍光板とイメージセンサとをファイバプレートを介してファイバカップリングしてもよい。これらの位置検出は、一次元であっても二次元であってもよい。
【００５１】
上記実施形態では、半導体集積回路の動作解析を取り上げている。しかし、本発明に係る時間分解型検出の利用可能なアプリケーションは幅広く、ＴＯＦ（Time Of Flight）応用をはじめとした様々な計測手法、例えば、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）、イオン散乱分光（ＩＳＳ）、アトムプローブなどに本発明を適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の時間分解測定装置は、検出位置に応じた検出時刻ディレイの不均一を補正することにより、検出時刻の誤差を解消して時間分解測定の精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る時間分解測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】試料に含まれる集積回路を示す概略図である。
【図３】マイクロチャンネルプレートを示す概略平面図である。
【図４】インバータ中のトランジスタの発光タイミングを示す図である。
【図５】図４の折れ線グラフの近似曲線を示す図である。
【図６】マイクロチャンネルプレートの表面上における複数の検出位置を示す概略平面図。
【図７】複数の検出位置に対応する検出時刻のディレイの分布を示す図。
【図８】補正データの測定方法の説明するための概略図である。
【図９】有効領域上のサンプリング点を示す図である。
【図１０】サンプリング点について測定した検出時刻のディレイを３Ｄ表示する図である。
【図１１】補間後のディレイを３Ｄ表示する図である。
【図１２】インバータチェーン中のトランジスタに対応した検出時刻のディレイの分布を示している。
【図１３】時間分解測定の手順の一例を示すフローチャートである。
【図１４】時間分解測定の手順の他の例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…試料、１２…テスタ、１４…位置検出型光電子増倍管、１５…光、１６…位置時間測定回路、１８…データ処理装置、２０…インバータチェーン、２２…インバータ、３０…マイクロチャンネルプレート、３２…金属フランジ、３４…リード端子、３８…光電子、１００…時間分解測定装置。
Claims (7)
- 試料の励起によって発する量子線の位置情報およびタイミング情報を取得する時間分解測定装置であって、
前記試料の励起に同期して基準時間パルスを生成する信号発生器と、
前記量子線を検出し、検出位置に応じた位置信号および検出タイミングに同期した検出タイミングパルスを生成する検出装置と、
前記位置信号を用いて前記検出位置を算出する位置演算器と、
前記基準時間パルスと前記検出タイミングパルスとの時間差を計測する時間差計測器と、
前記位置演算器によって算出された前記検出位置と、前記時間差測定器によって計測された前記時間差とを対応付けて記憶するデータ処理装置と、
を備え、
前記検出装置は、位置検出型電子増倍管を有しており、
前記電子増倍管は、前記量子線の前記電子増倍管への入射位置に応じた位置に電子を生成し、その位置を維持しながら前記電子を増倍するマイクロチャンネルプレート、および前記マイクロチャンネルプレートに電気的に接続された出力端子を有しており、
前記検出タイミングパルスは、前記マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子が前記マイクロチャネルプレートから放出されるときの電位変化に応じて発生し、前記マイクロチャネルプレートから前記出力端子を通じて前記時間差計測器へ送られ、
前記データ処理装置は、前記マイクロチャネルプレート上における前記検出タイミングパルスの発生位置と前記出力端子との距離に応じて前記時間差を補正し、補正された時間差を前記検出位置と対応付けて記憶する、
時間分解測定装置。 - 前記データ処理装置は、前記検出タイミングパルスが前記発生位置から前記出力端子へ到達するのに要する時間を、前記時間差計測器によって計測された時間差から除去することによって前記時間差を補正する、請求項１に記載の時間分解測定装置。
- 前記データ処理装置は、前記マイクロチャンネルプレート上に複数のサンプリング点を設定し、各サンプリング点で発生する前記検出タイミングパルス用の補正データを取得して補間し、補間された補正データを用いて前記時間差を補正する、請求項１または２に記載の時間分解測定装置。
- 前記データ処理装置は、前記試料の複数回の励起にわたって前記検出位置および前記時間差を蓄積する、請求項１〜３のいずれかに記載の時間分解測定装置。
- 前記データ処理装置は、蓄積された前記時間差を用いて、特定の前記検出位置に対応付けられた前記時間差のヒストグラムを作成する、請求項４に記載の時間分解測定装置。
- 前記試料は、動作時に光を発しうる複数の半導体デバイスを含む回路を有しており、
前記試料の励起は、前記回路を駆動して前記複数の半導体デバイスを順次に動作させ、
前記データ処理装置は、前記半導体デバイスの位置に対応する前記検出位置を特定し、特定された前記検出位置における前記ヒストグラムのピークに対応する前記時間差を算出する、
請求項５に記載の時間分解測定装置。 - 前記位置検出型電子増倍管は、前記量子線を光電効果によって光電子に変換するフォトカソードを有する位置検出型光電子増倍管であり、
前記マイクロチャンネルプレートは、前記フォトカソードに対向させて配置され、前記フォトカソードから前記光電子を受け取って二次電子を生成し増倍する、
請求項１〜６のいずれかに記載の時間分解測定装置。
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