JP6283501B2 - 周波数解析装置及び周波数解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、周波数解析装置及び周波数解析方法に関する。

集積回路を検査する技術として、ＥＯＰ（Electro Optical Probing）やＥＯＦＭ（Electro-Optical Frequency Mapping）と称される光プロービング技術が知られている。光プロービング技術では、光源から出射された光を集積回路に照射し、集積回路で反射された反射光を光センサで検出して、検出信号を取得する。そして、取得した検出信号において、目的とする周波数を選び出し、その振幅エネルギーを時間的な経過として表示したり、２次元のマッピングとして表示したりする。これにより、目的とした周波数で動作している回路の位置を特定することができる。

特開２００７−６４９７５号公報 特開２０１０−２７１３０７号公報

上述したような光プロービング技術は、集積回路等の半導体デバイスにおける故障個所及び故障原因などを特定し得ることから、極めて有効な技術である。ここで、光プロービング技術等の、所定の周波数の計測を行う技術においては、高帯域周波数の検出信号を計測することが求められている。

そこで、本発明は、高帯域周波数の検出信号を計測することができる周波数解析装置及び周波数解析方法を提供することを目的とする。

本発明の周波数解析装置は、計測対象物に入力する動作パルス信号を発生させる動作パルス信号発生部と、動作パルス信号に応答した検出信号を出力する検出部と、動作パルス信号発生部が発生させた動作パルス信号に対する複数の高調波を含むリファレンス信号を、動作パルス信号と同期して発生させるリファレンス信号発生部と、検出部が出力した検出信号が入力され、検出周波数における検出信号の位相及び振幅を取得する第１の電気計測部と、リファレンス信号発生部が発生させたリファレンス信号が入力され、検出周波数におけるリファレンス信号の位相を取得する第２の電気計測部と、第１の電気計測部が取得した検出信号の位相及び振幅、並びに、第２の電気計測部が取得したリファレンス信号の位相に基づいて、検出信号の時間波形を取得する解析部と、を備える。

この周波数解析装置では、リファレンス信号発生部が、計測対象物に入力される動作パルス信号に対する複数の高調波を含むリファレンス信号を、動作パルス信号と同期して発生させている。そして、第１の電気計測部では検出周波数における検出信号の位相及び振幅が取得され、第２の電気計測部では同一の検出周波数におけるリファレンス信号の位相が取得されている。リファレンス信号には複数の高調波が含まれているため、検出周波数を高帯域の周波数とすることにより、高帯域におけるリファレンス信号に対する検出信号の位相差と、高帯域における検出信号の振幅とを求めることができる。以上より、本周波数解析装置によれば、高帯域周波数の検出信号を計測することができる。

また、本発明の周波数解析装置では、計測対象物に照射される光である照射光を発生させる光発生部と、照射光を計測対象物に照射し、その反射光を導光する光学系と、を更に備え、検出部は、反射光を検出することにより、計測対象物に入力された動作パルス信号に応答した検出信号を出力する光センサであってもよい。この構成では、光センサである検出部が反射光を検出することによって検出信号が取得されているため、動作パルス信号に応答した検出信号の取得が簡易且つ確実に実施される。このことで、高帯域における検出信号の計測を簡易化するとともに、計測精度を高めることができる。

また、本発明の周波数解析装置では、検出周波数を、リファレンス信号に同期して変更する変更部を更に備えていてもよい。この構成によれば、複数の帯域における検出信号の計測を確実且つ高精度に行うことができる。

また、本発明の周波数解析装置では、第１の電気計測部に、検出信号又はリファレンス信号が入力されるように切り替える切替部を更に備えていてもよい。この構成によれば、第１の電気計測部に対する入力を、検出信号に替えてリファレンス信号とできる。このため、必要に応じて、第１の電気計測部及び第２の電気計測部の双方にリファレンス信号を入力することが可能となる。

また、本発明の周波数解析装置では、切替部が、第１の電気計測部にリファレンス信号が入力されるように切り替え、第１の電気計測部が、検出周波数におけるリファレンス信号の位相を取得し、解析部が、第１の電気計測部及び第２の電気計測部が取得したリファレンス信号の位相に基づいて、第１の電気計測部及び第２の電気計測部の位相誤差を取得してもよい。第１の電気計測部及び第２の電気計測部の位相誤差が取得されることにより、第１の電気計測部に検出信号を入力した際、第１の電気計測部と第２の電気計測部との位相誤差を考慮して検出信号を計測することができ、高帯域における検出信号の計測精度がより向上する。

また、本発明の周波数解析装置では、リファレンス信号発生部が、動作パルス信号に対する基本高調波から少なくとも１０次高調波までを含むリファレンス信号を発生させてもよい。検出周波数を１０次高調波等の高帯域の周波数とすることによって、高帯域周波数の検出信号を計測することができる。

また、本発明の周波数解析装置では、リファレンス信号発生部が、パルス発生器であり、動作パルス信号の繰り返し周期よりも短いパルス幅のパルス信号をリファレンス信号として発生させてもよい。この構成によれば、動作パルス信号のパルス間において検出周波数を変更することができる。このことで、複数の帯域における検出信号の計測を確実且つ高精度に行うことができる。

また、本発明の周波数解析装置では、リファレンス信号発生部が、周波数の異なる信号を連続的にリファレンス信号として発生させてもよい。この構成によれば、例えば、リファレンス信号の正弦波の周波数が変わる期間において検出周波数を変更することができる。このことで、複数の高帯域における検出信号の計測を確実且つ高精度に行うことができる。

また、本発明の周波数解析装置では、第１の電気計測部及び第２の電気計測部が、スペクトラムアナライザであってもよい。スペクトラアナライザを用いることにより、位相等を確実に取得することができる。

本発明の周波数解析方法は、計測対象物に入力する動作パルス信号を発生させる動作パルス信号発生工程と、動作パルス信号に応答した検出信号を出力する検出工程と、動作パルス信号に対する複数の高調波を含むリファレンス信号を、動作パルス信号と同期して発生させるリファレンス信号発生工程と、検出信号に基づいて、検出周波数における検出信号の位相及び振幅を取得する第１の電気計測工程と、リファレンス信号に基づいて、検出周波数におけるリファレンス信号の位相を取得する第２の電気計測工程と、検出信号の位相及び振幅、並びに、リファレンス信号の位相に基づいて、検出信号の時間波形を取得する解析工程と、を含む。

本発明によれば、高帯域周波数の検出信号を計測することができる周波数解析装置及び周波数解析方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態の半導体デバイス検査装置の構成図である。 図１の半導体デバイス検査装置における動作パルス信号及びリファレンス信号の例を示すグラフである。 スイッチの接続例を示す図である。 スペクトラムアナライザの位相誤差計測処理を示すフロー図である。 スイッチの接続例を示す図である。 リファレンス信号に対する検出信号の位相差取得処理を示すフロー図である。 本発明の第２実施形態の半導体デバイス検査装置の構成図である。 図７の半導体デバイス検査装置における動作パルス信号及びリファレンス信号の例を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

[第１実施形態]
図１に示すように、第１実施形態に係る半導体デバイス検査装置１Ａは、被検査デバイス（ＤＵＴ：Device Under Test）である半導体デバイス８において異常発生箇所を特定するなど、半導体デバイス８を検査するための装置である。具体的には、半導体デバイス検査装置１Ａは、半導体デバイス８を計測対象物として、半導体デバイス８の動作信号に対する応答の周波数解析を行う周波数解析装置である。

半導体デバイス８としては、トランジスタ等のＰＮジャンクションを有する集積回路（例えば、小規模集積回路（ＳＳＩ：Small Scale Integration）、中規模集積回路（ＭＳＩ：Medium Scale Integration）、大規模集積回路（ＬＳＩ：Large Scale Integration）、超大規模集積回路（ＶＬＳＩ：Very Large Scale Integration）、超々大規模集積回路（ＵＬＳＩ：Ultra Large Scale Integration）、ギガ・スケール集積回路（ＧＳＩ：Giga Scale Integration））、大電流用／高圧用ＭＯＳトランジスタ及びバイポーラトランジスタ等がある。また、半導体デバイス８は、熱による変調を基板にかけられる半導体デバイスであってもよい。

半導体デバイス８は、テスタユニット１６により入力された所定の動作パルス信号によって駆動する。従って、テストしたい駆動に対応した動作パルス信号（テストパターン）を半導体デバイス８に入力することにより半導体デバイス８の所望の動作状態における検査を実施できる。テスタユニット１６は、半導体デバイス８に入力される動作パルス信号を発生させる動作パルス信号発生部である。具体的には、テスタユニット１６は、半導体デバイス８を動作させるための動作パルス信号を発生させるパルスジェネレータと、動作パルス信号を半導体デバイス８に入力するテスタと、電源とを有している。動作パルス信号（テストパターン）は、テスタユニット１６のパルスジェネレータの基準クロックに基づいて生成される。また、テスタユニット１６は、半導体デバイス８への入力と同時に、パルス発生器１７に対して、動作パルス信号に関する情報（動作パルス信号もしくは動作パルス信号の基本周波数や基本周期または、テスタユニット１６のパルスジェネレータの基準クロック、基準クロックの周波数や周期など）を入力する。

半導体デバイス検査装置１Ａは、レーザー光源２を備えている。レーザー光源２は、半導体デバイス８に照射されるコヒーレントな光（レーザー光）である照射光を発生させる光発生部である。レーザー光源２から出射された光は、プローブ光用の偏光保存シングルモード光ファイバ３を介して、スキャン光学系（光学系）５に導光される。スキャン光学系５は、スキャンヘッド６及びレンズ系７を有している。これにより、スキャン光学系５に導光された光は、半導体デバイス８の所定位置に照射され、当該光の照射領域は、半導体デバイス８に対して２次元的に走査される。また、スキャン光学系５は、半導体デバイス８に照射された照射光の反射光を導光する。当該反射光は、戻り光用の光ファイバ９を介して、光センサ（光検出部）１０に導光される。なお、スキャン光学系５及び半導体デバイス８は、暗箱４内に配置されている。

光センサ１０は、スキャン光学系５により導光された反射光を検出し検出信号を出力する。光センサ１０は、アバランシェフォトダイオードやフォトダイオードなどである。この反射光は、半導体デバイス８に入力される動作パルス信号に応じて変調されるため、光センサ１０は、動作パルス信号に基づいて動作している半導体デバイス８からの信号を検出することに相当し、半導体デバイス８に入力された動作パルス信号に応答した検出信号を出力することが可能となる。当該検出信号は、アンプ１１に入力される。アンプ１１は、光センサ１０からの検出信号を増幅し、増幅後の検出信号を信号切替スイッチ（切替部）１２に入力する。

パルス発生器１７は、テスタユニット１６によって入力された動作パルス信号に関する情報に基づいて、動作パルス信号に対する複数の高調波を含むリファレンス信号を発生させるリファレンス信号発生部である。ここで、高調波は、動作パルス信号に対する基本高調波（１次高調波）も含み、動作パルス信号に対するｎ次高調波（ｎは正の整数）は、動作パルス信号の周波数のｎ倍の周波数をもつ信号（動作パルス信号の周期の１/ｎ倍の周期を持つ信号と同義である）を差す。リファレンス信号は、動作パルス信号よりもパルス幅が短いパルス信号である（図２参照）。リファレンス信号に含まれる、動作パルス信号に対する複数の高調波は、互いにパワーが等しい。パルス発生器１７は、周期Ｔの動作パルス信号と同期させるようにしてリファレンス信号を発生させ（図２参照）、当該リファレンス信号を信号切替スイッチ１２に入力する。パルス発生器１７としては、例えばパルスジェネレータやコムジェネレータなどのパルス信号を発生させるデバイスを用いることができる。

パルス発生器１７は、以下のようにしてリファレンス信号を発生させる。例えば、動作パルス信号に同期したデューティー比５０の信号が存在した場合、これを２分岐し、一方をＮＯＴ回路に入力し反転する。そして、反転した信号と反転していない信号とをＡＮＤ回路に数１０ｐｓの時間差で入力する。すると、ＡＮＤ回路からは、動作パルス信号に同期した数１０ｐｓの幅のパルス信号が得られる。パルス発生器１７は、このパルス信号をリファレンス信号として出力する。なお、リファレンス信号のパルス幅は、得たい周波数の周期の上限に相当する高調波の周期よりも短くする必要がある。より具体的には、ｎ次高調波までの検出周波数を得たい場合には、動作パルス信号の繰り返し周期の１／２ｎ倍（ｎは正の整数）より短いパルス幅のパルス信号をリファレンス信号とすればよい。すなわち、例えば、１００次高調波までの検出周波数を得たい場合には、動作パルス信号の１／２００倍未満のパルス幅のパルス信号をリファレンス信号とすればよい。動作パルス信号の繰り返し周期（基本周期）の１／２ｎ倍未満のパルス幅のパルス信号をリファレンス信号とすることで、動作パルス信号に対する１次高調波（基本高調波）からｎ次高調波までを含む信号をリファレンス信号とすることができる。リファレンス信号は、動作パルス信号に対する１次高調波（基本高調波）から少なくとも１０次高調波までを含み、好ましくは１００次高調波までを含む信号であればよい。動作パルス信号に対する動作パルス信号に対する１次高調波（基本高調波）から少なくとも１０次高調波までを含む信号の場合（つまり、ｎ＝１０）、リファレンス信号として動作パルス信号の繰り返し周期（基本周期）の１／２０倍未満のパルス幅のパルス信号を出力すればよい。

信号切替スイッチ１２は、検出信号又はリファレンス信号を、スペクトラムアナライザ（第１の電気計測部）１３、又は、スペクトラムアナライザ（第２の電気計測部）１４に入力する。具体的には、信号切替スイッチ１２は、スペクトラムアナライザ１３に、検出信号又はリファレンス信号が入力されるよう、双方の信号を切り替えて入力する。また、信号切替スイッチ１２は、スペクトラムアナライザ１４に、リファレンス信号を入力する。

スペクトラムアナライザ（第１のスペクトラムアナライザ）１３は、検出信号又はリファレンス信号のいずれか一方が入力され、検出周波数における、入力された信号の位相及び振幅を取得する。スペクトラムアナライザ１３は、取得した位相及び振幅を解析制御部１８に入力する。また、スペクトラムアナライザ１４（第２のスペクトラムアナライザ）は、リファレンス信号が入力され、検出周波数におけるリファレンス信号の位相を取得する。スペクトラムアナライザ１４は、取得した位相を解析制御部１８に入力する。なお、スペクトラムアナライザ１４は、リファレンス信号の振幅についても取得することとしてもよい。

ここで、検出周波数とは、スペクトラムアナライザ１３，１４において、入力された信号の位相等を取得する周波数である。スペクトラムアナライザ１３，１４は、それぞれシンセサイザを有しており、当該シンセサイザの周波数が検出周波数になるように制御される。スペクトラムアナライザ１３，１４は、信号同期部１５を介して互いに電気的に接続されている。

信号同期部１５は、スペクトラムアナライザ１３とスペクトラムアナライザ１４とを同期させる。具体的には、信号同期部１５は、スペクトラムアナライザ１３，１４を動作させる基準信号（タイムベースとなる信号）の周波数及び位相を同期させる。これにより、スペクトラムアナライザ１３，１４は、互いに同じ検出周波数で、入力された信号の位相等を取得することができる。信号同期部１５は、例えばタイムベースとなる信号を出力する手段であり、該タイムベースとなる信号をスペクトラムアナライザ１３，１４に入力することによりスペクトラムアナライザ１３，１４を同期させる。なお、スペクトラムアナライザ１３，１４を同期させる手段として、必ずしも信号同期部１５が用いられなくてもよく、例えば、どちらか一方のスペクトラムアナライザの信号をもう一方のスペクトラムアナライザに入力することにより同期が図られていてもよい。また、スペクトラムアナライザ１３，１４と信号同期部１５とは一体となっていてもよい。

また、信号同期部１５は、スペクトラムアナライザ１３，１４とテスタユニット１６のパルスジェネレータ（又はパルス発生器１７）とを同期させる。これにより、テスタユニット１６のパルスジェネレータから発生している動作パルス信号、及び、パルス発生器１７から発生しているリファレンス信号と同期させるようにして、スペクトラムアナライザ１３，１４の検出周波数を変更することができる（変更部）。具体的には、信号同期部１５は、スペクトラムアナライザ１３，１４とテスタユニット１６のパルスジェネレータ（又はパルス発生器１７）とを同期させることによって、例えば、図２に示すように、動作パルス信号のパルス間Ｃ１においてスペクトラムアナライザ１３，１４の検出周波数を変更することが可能となっている。

解析制御部１８は、複数の検出周波数におけるスペクトラムアナライザ１３，１４から入力された位相等の情報に基づいて、所定の解析を行う解析部である。具体的には、解析制御部１８は、スペクトラムアナライザ１３から入力された検出信号の位相及び振幅、並びに、スペクトラムアナライザ１４から入力されたリファレンス信号の位相に基づき、逆離散フーリエ変換を用いて、検出信号（動作パルス信号に対する半導体デバイス８の応答）の時間波形を取得する。解析制御部１８は、スペクトラムアナライザ１３，１４から入力された位相等の情報に加えて、取得した検出信号の時間波形を表示入力部１９に入力する。また、解析制御部１８は、スペクトラムアナライザ１３，１４から入力されたリファレンス信号の位相に基づいて、スペクトラムアナライザ１３及びスペクトラムアナライザ１４の位相誤差を取得する。当該位相誤差は、上述した検出信号の時間波形を取得する際に用いられる情報である。詳細は後述する。

また、解析制御部１８は、レーザー光源２、スキャン光学系５、スペクトラムアナライザ１３，１４、信号同期部１５、パルス発生器１７、及び信号切替スイッチ１２と電気的に接続されており、これらの機器を制御する制御手段である。具体的には、解析制御部１８は、信号同期部１５に対して検出周波数の変更を指示する。

表示入力部１９は、スペクトラムアナライザ１３，１４で取得された位相及び振幅等の情報、及び、解析制御部１８で取得された検出信号の時間波形等の情報を表示する。また、表示入力部１９は、ユーザとのインターフェースであり、ユーザから、動作パルス信号や所望の検出周波数等の入力を受け付ける。

次に、半導体デバイス検査装置１Ａによる測定の流れについて説明する。半導体デバイス検査装置１Ａによる測定は、最初に、２つのスペクトラムアナライザ１３，１４間の位相誤差の取得に関する処理が行われた後に、スペクトラムアナライザ１３に入力された検出信号の時間波形を取得する処理が行われる。

２つのスペクトラムアナライザ１３，１４間の位相誤差の取得に関する処理について、図３及び図４を参照して説明する。スペクトラムアナライザ１３，１４間の位相誤差を取得する際には、スペクトラムアナライザ１３，１４の双方に、パルス発生器１７が発生させたリファレンス信号が入力される。図３に示すように、信号切替スイッチ１２は、アンプ１１により入力された検出信号を分岐するアイソレーション式信号分岐２１、及び、パルス発生器１７により入力されたリファレンス信号を分岐する５０Ω分岐２２を有している。なお、アイソレーション式信号分岐とは、出力間及び入出力間のアイソレーションを高く保つための機能を備えた分岐であり、方向性結合器、アンプ、減衰器などの組合せによって構成された分岐である。また、信号切替スイッチ１２は、スペクトラムアナライザ１３と電気的に接続された端子１３ａ、スペクトラムアナライザ１４と電気的に接続された端子１４ａを有しており、端子１３ａには他の端子と接続が可能な接続部１３ｂが、端子１４ａには他の端子と接続が可能な接続部１４ｂが、それぞれ接続されている。また、信号切替スイッチ１２は、リファレンス信号を終端する５０Ω終端３１，４１，３２，４２を有しており、５０Ω終端３１には他の端子と接続が可能な接続部３１ａが、５０Ω終端４１には他の端子と接続が可能な接続部４１ａが、５０Ω終端３２には他の端子と接続が可能な接続部３２ａが、５０Ω終端４２には他の端子と接続が可能な接続部４２ａが、それぞれ接続されている。そして、アイソレーション式信号分岐２１の分岐先の端子のうち一方の端子である第１端子２１ａは接続部１３ｂ及び接続部３２ａと接続が可能となっており、他方の端子である第２端子２１ｂは接続部１４ｂ及び接続部４２ａと接続が可能になっている。また、５０Ω分岐２２の分岐先の端子のうち一方の端子である第１端子２２ａは接続部１３ｂ及び接続部３１ａと接続が可能となっており、他方の端子である第２端子２２ｂは接続部１４ｂ及び接続部４１ａと接続が可能となっている。

図３に示す例では、リファレンス信号を分岐する５０Ω分岐２２の第１端子２２ａが接続部１３ｂと接続されており、また、５０Ω分岐２２の第２端子２２ｂが接続部１４ｂと接続されている。また、アイソレーション式信号分岐２１の第１端子２１ａ、第２端子２１ｂは、５０Ω終端３２の接続部３２ａ、５０Ω終端４２の接続部４２ａとそれぞれ接続されている。これにより、スペクトラムアナライザ１３，１４の双方にリファレンス信号が入力される。

つづいて、スペクトラムアナライザ１３，１４間の位相誤差の取得に関する具体的な処理について説明する。当該処理の前提として、信号切替スイッチ１２の接続状況が上述した図３に示す例と同様になっている必要がある。図４に示すように、まず、テスタユニット１６のパルスジェネレータによって、動作パルス信号に関する情報（動作パルス信号もしくは動作パルス信号の基本周波数や基本周期または、テスタユニット１６のパルスジェネレータの基準クロック、基準クロックの周波数や周期など）がパルス発生器１７に入力される（ステップＳ１）。つづいて、パルス発生器１７により、動作パルス信号と同期したリファレンス信号が発生され、信号切替スイッチ１２に入力される。いま、信号切替スイッチ１２の接続状況が図３に示すようになっているため、スペクトラムアナライザ１３，１４には、リファレンス信号が入力される（ステップＳ２）。

つづいて、スペクトラムアナライザ１３，１４それぞれにおいて、所定の検出周波数におけるリファレンス信号の位相が計測される（ステップＳ３）。そして、スペクトラムアナライザ１３，１４（又は信号同期部１５）において、予めユーザが設定した、必要な検出周波数全てで計測が行われたか否かが判断され（ステップＳ４）、計測が行われていない検出周波数がある場合には、信号同期部１５により検出周波数が変更され（ステップＳ５）、上述したステップＳ２〜Ｓ４の処理が再度行われる。一方、必要な検出周波数全てで計測が行われている場合には、解析制御部１８により、各検出周波数におけるスペクトラムアナライザ１３，１４の位相の差分に基づいて、スペクトラムアナライザ１３とスペクトラムアナライザ１４との位相誤差が取得される（ステップＳ６）。なお、所定の検出周波数は、動作パルス信号の繰り返し周波数のｎ倍（ｎは正の整数）の周波数であることが好ましい。この場合、効率よく位相誤差を取得することができる。当該位相誤差は検出信号の時間波形を取得する際に用いられる情報である。以上が、スペクトラムアナライザ１３，１４間の位相誤差の取得に関する具体的な処理である。

スペクトラムアナライザ１３に入力された検出信号の時間波形を取得する処理について、図５及び図６を参照して説明する。検出信号の時間波形を取得する際には、スペクトラムアナライザ１３に検出信号が入力されるとともに、スペクトラムアナライザ１４にリファレンス信号が入力される。この場合信号切替スイッチ１２では、図５に示すように、検出信号を分岐するアイソレーション式信号分岐２１の第１端子２１ａが接続部１３ｂと接続されており、また、５０Ω分岐２２の第２端子２２ｂが接続部１４ｂと接続されている。これにより、スペクトラムアナライザ１３に検出信号が入力されるとともに、スペクトラムアナライザ１４にリファレンス信号が入力される。なお、ノイズの発生を抑えるために、５０Ω分岐２２の第１端子２２ａは、５０Ω終端３１の接続部３１ａと接続され、アイソレーション式信号分岐２１の第２端子２１ｂは、５０Ω終端４２の接続部４２ａと接続される。

つづいて、スペクトラムアナライザ１３に入力された検出信号の時間波形取得に関する具体的な処理について説明する。当該処理の前提として、上述したスペクトラムアナライザ１３，１４間の位相誤差が取得されているとともに、信号切替スイッチ１２の接続状況が上述した図５に示す例と同様になっている必要がある。

図６に示すように、まず、テスタユニット１６のパルスジェネレータによって、計測対象物である半導体デバイス８に動作パルス信号が入力される（Ｓ１１）。当該動作パルス信号により、半導体デバイス８は駆動する。また、テスタユニット１６は、半導体デバイス８への入力と同時に、パルス発生器１７に対して、動作パルス信号に関する情報（動作パルス信号もしくは動作パルス信号の基本周波数や基本周期または、テスタユニット１６のパルスジェネレータの基準クロック、基準クロックの周波数や周期など）を入力する。

半導体デバイス８に入力された動作パルス信号に応答した検出信号は、光センサ１０により出力され、アンプ１１及び信号切替スイッチ１２を介して、スペクトラムアナライザ１３に入力される（ステップＳ１２）。スペクトラムアナライザ１３では、所定の検出周波数における検出信号の位相及び振幅が計測される（ステップＳ１３）。

一方、パルス発生器１７では、動作パルス信号と同期したリファレンス信号が発生される。当該リファレンス信号は、信号切替スイッチ１２を介して、スペクトラムアナライザ１４に入力される（ステップＳ１４）。スペクトラムアナライザ１４では、所定の検出周波数におけるリファレンス信号の位相が計測される（ステップＳ１５）。

ステップＳ１３及びステップＳ１５の処理が完了すると、スペクトラムアナライザ１３，１４（又は信号同期部１５）において、予めユーザが設定した、必要な検出周波数全てで計測が行われたか否かが判断される（ステップＳ１６）。計測が行われていない検出周波数がある場合には、信号同期部１５により検出周波数が変更され（ステップＳ１７）、上述したＳ１２〜Ｓ１６の処理が再度行われる。一方、必要な検出周波数全てで計測が行われている場合には、解析制御部１８により、各検出周波数におけるスペクトラムアナライザ１３の位相とスペクトラムアナライザ１４の位相との差分が取得され、リファレンス信号に対する検出信号の位相差が取得される（ステップＳ１８）。なお、検出周波数は、動作パルス信号の繰り返し周波数のｎ倍（ｎは正の整数）の周波数であることが好ましい。

そして、解析制御部１８では、各検出周波数におけるリファレンス信号に対する検出信号の位相差、各検出周波数における検出信号の振幅、及び、上述したスペクトラムアナライザ１３，１４間の位相誤差に基づいて、逆離散フーリエ変換によって、検出信号の時間波形が取得（再構成）される。取得された検出信号の時間波形は、表示入力部１９によって表示される。以上が、スペクトラムアナライザ１３に入力された検出信号の時間波形取得に関する具体的な処理である。

以上説明したように、半導体デバイス検査装置１Ａでは、パルス発生器１７が、半導体デバイス８に入力される動作パルス信号に対する複数の高調波を含むリファレンス信号を、動作パルス信号と同期して発生させている。そして、スペクトラムアナライザ１３では検出周波数における検出信号の位相及び振幅が取得され、スペクトラムアナライザ１４では同一の検出周波数におけるリファレンス信号の位相が取得されている。リファレンス信号には複数の高調波が含まれているため、検出周波数を高帯域の周波数とすることにより、高帯域におけるリファレンス信号に対する検出信号の位相差と、高帯域における検出信号の振幅とを求めることができる。このことにより、高帯域における検出信号の時間波形を取得でき、従来困難であった高帯域周波数の検出信号の計測が可能となる。

例えば、高帯域における検出信号の計測方法として、従来より、オシロスコープを用いた計測方法がある。オシロスコープはあらゆる帯域の信号を同時に計測するところ、その際のノイズは、計測帯域を基準にして、周波数帯域の平方根（√Ｈｚ）となる。よって、例えば１０ＧＨｚの信号を計測する際には、１Ｈｚの信号を計測する場合と比較して相対的に１０万倍程度のノイズを計測してしまうことになる。

この点、本実施形態に係る半導体デバイス検査装置１Ａでは、計測対象の周波数が十分安定していれば、信号の計測帯域を極めて小さくすることができ、その分、ノイズを減少させることができる。例えば、１００ＭＨｚの信号を計測する際、１００次（１０ＧＨｚ）までの高調波を計測する場合には、１０ｋＨｚ分程度のノイズしか発生しないため、１Ｈｚの信号を計測する場合と比較して相対的に１００倍程度のノイズに抑えることができる。よって、上述したオシロスコープを用いた場合と比較して、ノイズが１／１０００になり、１０００倍のＳＮ比を実現することができる。ただし、半導体デバイス検査装置１Ａでは１００次まで計測するため、あらゆる帯域の信号を同時に計測するオシロスコープと比較して計測時間が１００倍必要となる。そのため、計測時間を考慮すると、実際には、オシロスコープを用いた場合と比較して１００倍程度のＳＮ比となる。なお、一般的に、スペクトラムアナライザはオシロスコープやデジタイザと比較して遥かに安価で入手することができる。以上より、半導体デバイス検査装置１Ａによれば、高帯域における検出信号の時間波形の取得を、高いＳＮ比で行うことができるとともに安価に行うことができる。

また、半導体デバイス８に照射される光である照射光を発生させるレーザー光源２と、照射光を半導体デバイス８に照射し、その反射光を導光するスキャン光学系５と、を更に備え、光センサ１０が、反射光を検出することにより半導体デバイス８に入力された動作パルス信号に応答した検出信号を出力することによって、動作パルス信号に応答した検出信号の取得が簡易且つ確実に実施される。このことで、高帯域における検出信号の計測を簡易化するとともに、計測精度を高めることができる。

また、信号同期部１５は、検出周波数をリファレンス信号に同期して変更する変更部として機能する。具体的には、信号同期部１５は、スペクトラムアナライザ１３，１４とテスタユニット１６のパルスジェネレータ（又はパルス発生器１７）とを同期させることによって、パルス同期信号のパルス間Ｃ１（図２）においてスペクトラムアナライザ１３，１４の検出周波数を変更することにより、複数の帯域における検出信号の計測を確実且つ高精度に行うことができる。

また、スペクトラムアナライザ１３に、検出信号又はリファレンス信号が入力されるよう、双方の信号を切り替えて入力する信号切替スイッチ１２を備えていることにより、必要に応じて、スペクトラムアナライザ１３及びスペクトラムアナライザ１４の双方にリファレンス信号を入力することが可能となる。

また、信号切替スイッチ１２が、スペクトラムアナライザ１３にリファレンス信号が入力されるように切り替え、スペクトラムアナライザ１３，１４が、検出周波数におけるリファレンス信号の位相を取得し、解析制御部１８が、スペクトラムアナライザ１３，１４によって取得されたリファレンス信号の位相に基づいて、スペクトラムアナライザ１３及びスペクトラムアナライザ１４の位相誤差を取得することにより、後にスペクトラムアナライザ１３に検出信号を入力した際、スペクトラムアナライザ１３及びスペクトラムアナライザ１４の位相誤差を考慮して検出信号を計測することができ、高帯域における検出信号の計測精度がより向上する。

また、パルス発生器１７は、動作パルス信号に対する１次高調波（基本高調波）から少なくとも１０次高調波までを含むリファレンス信号を発生させることにより、高帯域周波数の検出信号を計測することができる。

また、パルス発生器１７は、動作パルス信号よりもパルス幅が短いパルス信号をリファレンス信号として発生させることにより、動作パルス信号のパルス間において検出周波数を変更することができる。このことで、複数の帯域における検出信号の計測を確実且つ高精度に行うことができる。

[第２実施形態]
次に、図７及び図８を参照して、第２実施形態に係る半導体デバイス検査装置について詳細に説明する。なお、本実施形態の説明では、上記実施形態と異なる点について主に説明する。

図７に示されるように、本実施形態に係る半導体デバイス検査装置１Ｂでは、リファレンス信号発生部として、シンセサイザ２０を用いている。シンセサイザ２０は、周期Ｔの動作パルス信号に同期した周波数の異なる正弦波を、リファレンス信号として連続的に発生させる（図８参照）。すなわち、シンセサイザ２０は、動作パルス信号の基本波に相当する正弦波、２次高調波に相当する正弦波、３次高調波に相当する正弦波、…と、動作パルス信号に同期した正弦波を連続的に出力する。信号同期部１５は、シンセサイザ２０が出力するｎ次高調波に相当する正弦波の周波数と同じ周波数になるように、スペクトラムアナライザ１３，１４の検出周波数を変更する。このような信号同期部１５による検出周波数の変更は、シンセサイザ２０から連続的に出力される正弦波の切り替え時に行われる。

すなわち、図８に示されるように、ある正弦波Ｓ１から次の正弦波Ｓ２に切り替わる期間である切替期間Ｃ２において、信号同期部１５によりスペクトラムアナライザ１３，１４の検出周波数が正弦波Ｓ２と同じ周波数に変更される。また、ある正弦波Ｓ２から次の正弦波Ｓ３に切り替わる期間である切替期間Ｃ２において、信号同期部１５によりスペクトラムアナライザ１３，１４の検出周波数が正弦波Ｓ３と同じ周波数に変更される。

このように、正弦波の周波数が切り替わる期間においてスペクトラムアナライザ１３，１４の検出周波数が変更されることにより、複数の帯域における検出信号の計測を確実且つ高精度に行うことができる。なお、各高調波に相当する正弦波に替えて余弦波を用いても良い。また、シンセサイザ２０の代わりに、リファレンス信号発生部として、周期Ｔの動作パルス信号に同期した周波数の異なるパルス信号を、リファレンス信号として連続的に発生させるパルス発生器を用いてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、半導体デバイス８に照射される光を発生する光発生部はレーザー光源２に限られず、レーザー光以外のコヒーレントな光を発生させる光源であってもよいし、ＳＬＤ（スパールミネッセントダイオード）等を用いた非コヒーレントな光を発生させる光源であってもよい。ＳＬＤを用いた光源では、非コヒーレントな光が半導体デバイスに照射されるため、干渉ノイズを低減することができる。また、半導体デバイス８に対して電気信号に替えて熱を印加してもよい。

また、第１の電気計測部及び第２の電気計測部としては、スペクラムアナライザなどのスペクトル分析器に限らず、ロックインアンプやオシロスコープなどさまざまな電気計測機器（又はそれらの機能を有する装置）でもよい。また、それらの電気計測機器を組み合わせてもよく、例えば、第１の電気計測部としてスペクトラムアナライザを、第２の電気計測部としてロックインアンプを採用してもよい。さらに、複数のスペクトル分析部を備えるスペクトラムアナライザを用いても良い。

また、本発明に係る周波数解析装置は、半導体デバイス検査装置１Ａ，１Ｂ以外の、高帯域における検出信号を計測する各種装置にも応用することが可能である。また、本発明に係る周波数解析装置は、高帯域における検出信号の計測で効果を発揮するが、低帯域など他の帯域で用いることもできる。

１Ａ，１Ｂ…半導体デバイス検査装置、２…レーザー光源、８…半導体デバイス、１０…光センサ、１２…信号切替スイッチ、１３，１４…スペクトラムアナライザ、１５…信号同期部、１６…テスタユニット、１７…パルス発生器、１８…解析制御部、２０…シンセサイザ。

Claims (10)

1. 計測対象物に入力する動作パルス信号を発生させる動作パルス信号発生部と、
   前記動作パルス信号に応答した検出信号を出力する検出部と、
   前記動作パルス信号に対する複数の高調波を含むリファレンス信号を、前記動作パルス信号と同期して発生させるリファレンス信号発生部と、
   前記検出信号が入力され、検出周波数における、第１の電気計測部を動作させる基準信号に対する前記検出信号の位相及び振幅を取得する第１の電気計測部と、
   前記リファレンス信号が入力され、前記検出周波数における、第２の電気計測部を動作させる基準信号に対する前記リファレンス信号の位相を取得する第２の電気計測部と、
   前記検出信号の前記位相及び前記振幅、並びに、前記リファレンス信号の前記位相に基づいて、前記検出信号の時間波形を取得する解析部と、を備える周波数解析装置。
2. 前記計測対象物に照射される光である照射光を発生させる光発生部と、
   前記照射光を前記計測対象物に照射し、その反射光を導光する光学系と、を更に備え、
   前記検出部は、前記反射光を検出することにより、前記計測対象物に入力された前記動作パルス信号に応答した前記検出信号を出力する光センサである、請求項１記載の周波数解析装置。
3. 前記検出周波数を、前記リファレンス信号に同期して変更する変更部を更に備える、請求項１又は２記載の周波数解析装置。
4. 前記第１の電気計測部に、前記検出信号又は前記リファレンス信号が入力されるように切り替える切替部を更に備える、請求項１〜３のいずれか一項記載の周波数解析装置。
5. 前記切替部は、前記第１の電気計測部に前記リファレンス信号が入力されるように切り替え、
   前記第１の電気計測部は、前記検出周波数における前記リファレンス信号の位相を取得し、
   前記解析部は、前記第１の電気計測部及び前記第２の電気計測部が取得した前記リファレンス信号の位相に基づいて、前記第１の電気計測部及び前記第２の電気計測部の位相誤差を取得する、請求項４記載の周波数解析装置。
6. 前記リファレンス信号発生部は、前記動作パルス信号に対する基本高調波から少なくとも１０次高調波までを含む前記リファレンス信号を発生させる、請求項１〜５のいずれか一項記載の周波数解析装置。
7. 前記リファレンス信号発生部は、パルス発生器であり、前記動作パルス信号の繰り返し周期よりも短いパルス幅のパルス信号を前記リファレンス信号として発生させる、請求項１〜６のいずれか一項記載の周波数解析装置。
8. 前記リファレンス信号発生部は、周波数の異なる信号を連続的にリファレンス信号として発生させる、請求項１〜６のいずれか一項記載の周波数解析装置。
9. 前記第１の電気計測部は第１のスペクトラムアナライザであり、前記第２の電気計測部は第２のスペクトラムアナライザであり、前記第１のスペクトラムアナライザと前記第２のスペクトラムアナライザとは互いに同期されている、請求項１〜８のいずれか一項記載の周波数解析装置。
10. 計測対象物に入力する動作パルス信号を発生させる動作パルス信号発生工程と、
    前記動作パルス信号に応答した検出信号を出力する検出工程と、
    前記動作パルス信号に対する複数の高調波を含むリファレンス信号を、前記動作パルス信号と同期して発生させるリファレンス信号発生工程と、
    前記検出信号に基づいて、検出周波数における、第１の電気計測部を動作させる基準信号に対する前記検出信号の位相及び振幅を取得する第１の電気計測工程と、
    前記リファレンス信号に基づいて、前記検出周波数における、第２の電気計測部を動作させる基準信号に対する前記リファレンス信号の位相を取得する第２の電気計測工程と、
    前記検出信号の前記位相及び前記振幅、並びに、前記リファレンス信号の前記位相に基づいて、前記検出信号の時間波形を取得する解析工程と、を含む周波数解析方法。

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