JPH01286431A - 電気導体上の電圧波形の電気―光学的測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 免■圓肢嶌勿１ 本発明は電気回路のテスト、より詳細には、この測定を
行なうための電気−光学技術に関する。

皮亙座１遣 集積回路及びデバイスの非侵入（ｎｏｎ−ｉｎｖａｓｉ
ｖｅ）テストに対する要求か益々高まっている。現在及
び将来の回路の高速化及び複雑化は既に従来の全電気的
テスト技術の能力を越えてしまっている。

近年においては、ピコ秒レーザー　システムか内部回路
ノートの所の電気的波形の測定を行なうためのさまざま
な光学を基礎とする測定技術に応用されている。但し、
幾つかの技術は特定の材料システムに応用てきるのみで
あるとか、真空状態ての動作か要求されるとかいった制
約をもつ。

外部電気−光学（ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｅｌｅｃＬｒｏ−
ｏｐｔｉｃ、ｅ−ｏ）ブローピンク技術は二次元回路か
回路の表面の上にフリンジング場（ｆｒｉｎｇｉｎｇ　
ｆｉｅｌｄｓ）を与えるオープン電極構造をもつ事実を
利用する。これに関しては、例えば、Ｊ、ニース（Ｊ、
Ｎｅｅｓ）らによってエレク　ロンレターズ（Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ　１ｅｔｔ、）、　Ｖｏｌ。

２２、Ｎｏ、１７ベージ：１８１（１９８６年）に掲載
の論文、及び１９８６年１０月２１日付けで公布された
Ｇ、モーロー（ＧＪｏｕｒｏｕ）及びＪ、Ａ、ハルトマ
ニス（Ｊ、Ａ。

Ｖａｌｄｓａｎｉｓ）　（本出願人）による合衆国特許
第４．６１８，８１９号を参照することかできる。細い
ｅ−。

結晶プローブをこれら場に突っ込と、結晶の複屈折が変
化し、これは次に光学的に、つまり、ｅ−。

結晶を通過し、回路から反射されるパルス光線によって
測定できる。この外部プローブの長所は、相互作用か電
場効果に基づくために殆んど全てタイプの回路に用いる
ことができることである。回路からチャージが除去され
ないため、プローブは回路への電気接触を行なうことを
必要としない。

今日までの全ての外部プローブはリチウム　タンタレ−
ｔ−（ｌｉＬｈｉｕ＊　ｔａｎむａｌａｔｅ）内の横力
向ｅ−。

効果に依存する。リチウム　タンタレートは比較的大き
なｅ−ｏ効果をもつか、横方向幾何内にのみこれを示す
周知のｅ−ｏ材料である。この幾何においては、ｅ−０
材料の光の軸は光線の方向を横切る方向であり、回路の
表面に対して平行になる。結果として、ｅ−０プローツ
は回路の表面に平行な場にのみ応答する。これら横方向
の場は主に回路の表面−Ｈの異なる電位の導体の間に存
在する。特定の導体上のこの信号を測定するためには、
隣接する導体にＡＣアースを与えることが必要となる。

プローブか次にこの２つの導体の中央に置かれる。

しかし、二次元回路はその全ての導体を同一平面内にも
つために１回路の表面の任意のポイントの所に多くの重
複する横方向の場か存在し、ブロービング　ポイントで
の漏話の原因となる。プローブの感度はまた導体の間隔
及びライン幅にも影響される。これはこの両者パラメー
タが横方向の場の強度に影響を与えるためである。実用
においては、これら影響は注意深い電極の配列によって
のみ回避てきる。これに加えて、フリンジング場の強度
か導体から離れると急激に低下するため、プローブと導
体の間隔を注意深く制御することか要求され、このため
横方向ｅ−０技術か多くの用途で不適当となる。

対照的に、縦方向ｅ−ｏプロービングは外部プローブに
は用いられてないが、　ＧａＡｓ基板自体が電気−光学
材料であるようなＧａＡｓ回路では実施されている。基
板がテストを受ける回路の一部であるため、この方向は
“内部”ｅ−ｏプロービングと呼ばれる。Ｊ、Ｌ、フリ
ーマン（Ｊ、Ｌ、Ｆｒｅｅ＋５ａｎ）らによってアプラ
イド　フィジクス　レターズ（Ａｐｐ　１．　Ｐｈｙｓ
　。

Ｌｃｔｔ、、）　、　Ｖｏｌ、４７．　Ｎｏ、ｌＯ、ベ
ージ１０８３　　（１９８５年）におい゛Ｃ説明される
如く、この技術は光線を基板の背面から照射し、これを
表面の導体から反射させる動作を含む。基板内に生成さ
れる電場か複屈折を誘導し、これか光線によって測定さ
れる。従って、この技術は非電気−光学基板上に形成さ
れた集積回路をテストするのに用いることはできない。

例えば１シリコン基板上の全てのクラスのシリコンＩＣ
１並びにハイブリットＩＧ、例えば、シリコン基板上の
ＧａＡｓ　ＩＧ、セラミック基板上の回路、及び印刷回
路基板等のテストに用いることはできない。

灸旦五ヱ１ 本発明によると、基板表面上に置かれた電気導体と関連
する電圧波形が電気−光学（ｅ−ｏ）結晶のチップをこ
の導体を覆うように置き、光線をこの結晶を通じて導体
に向けることによって測定される。この結晶は縦方向の
ｅ−ｏ効果を示す。つまり、光線の方向に平行の電場成
分のみがこの結晶内に複屈折を誘導する。光線は典型的
には基板表面にのみ向けられるため、導体／基板表面に
本質的に垂直な電場成分のみが検出される。光線の偏波
か結晶内に誘導された複屈折の変動によって変調され、
結果としての変調は導体と結晶の裏面との間の電場の積
分（つまり、電圧）に比例する。

好ましい実施態様においては、結晶の裏面がこのヒに置
かれた導電層によって基準電位（例えば、アース）に保
たれる。

本発明は先行技術による外部ｅ−ｏプロービング技術と
比較して幾つかの長所をもつ。つまり、導体のライン幅
及び間隔の影響が低減され、従って、テスト装置の調整
が簡単であり；導体−プローブ間隔の影響が低減され、
このためサーボ制御メカニズムの複雑さか低減され；隣
接する導体間の漏話か低減され、このため測定値のＳ／
Ｎ比が向上され；ＡＣアース基準電位の必要性が排除さ
れ、従ってテスト装置か簡素化され：更に特定の導体の
電圧を隣接する導体間のフリンジング場を測定しこれか
ら推定するのでなく直接に測定することか可能となる。

先行技術による内部ｅ−ｏプローピンク技術と比較して
、本発明に以下の長所をもつ。つまり、ＩＣをテストす
るためにｅ−ｏ基板を必要とせず、従っ゛Ｃ１商業上重
要な製品（例えば、シリコン基板上のシリコンＩＣ）を
テストすることが可能であり；光線を基板の裏面から照
射する必要がなく、従って、基板自体或はその基板の裏
面の層が光学品質をもつか、透明であるか、或はビーム
か侵入を許す特別の開口をもつかといったことに議論の
余地を残す。

本発明による方法はマイクロメートル　サイズのスポッ
トに合せられたピコ秒パルスの光学を用いることによっ
てピコ秒の時間分解能及びマイクロメートルの空間分解
能を達成可能である。

ｌ川辺１１１ 第１図の説明に入るが、その表面上に複数の導体１２を
もつ基板１０が示される。この基板及び導体は集積回路
の一部である。プローブ２０は透明の支持体２４上に搭
載された電気−光学（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ、　
ｅ−ｏ）チップ２０を含む。このチップの端面ばその電
圧波形をサンブリンクしたい導体の上に間を開けて或は
触れておかれる。サンプリングは光学的に支持体を通っ
てチップに向けられる偏波した光ビーム３０の短い継続
期間のパルスによって遂行される。ビーム３０は典型的
には導体自体から反射されるか、これはまたチップの端
面上に置かれたオプションの反射器２６によって反射さ
れることもある。後者は回路が光に弱い場合に必要とな
る。

電圧の測定を可能とするためには、チップのｅ−０結晶
は縦方向ｅ−ｏ効果を示す、つまり、ビーム３０の方向
に平行の電場成分のみに応答する電場誘導複屈折を示す
材料を用いる。ビームは導体面に対して垂直に向けられ
るため、この表面に垂直な電場成分だけが所望の複屈折
を誘導する。ここで、材料自体は固有の複屈折をもつ必
要はない。

従って、立方結晶、例えば、ＺｎＴｅを用いることかで
きる。但し、固有の複屈折をもつ結晶、例えばＫＤＰ　
　（重水素化リン酸二水素カリウム）を用いることもで
きる。

導体１２上の波形を測定するためには、第２図の装置か
用いられる。サンブリンク　パルス（例えば、１００ｆ
ｓの継続期間）かレーザー４０、好ましくは、周知のバ
ランストコライディング　パルスモード　ロック（ｂａ
ｌａｎｃｅｄ　ｃｏｌｌｉｄｉｎｇ　ｐｕｌｓｅ　ｍｏ
ｄｅ−１ｏｃｋｅｄ、　ＣＰＭ）色素レーザーによって
生成され、偏波保存シングル　モード光ファイバ（ｐｏ
ｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　　ｐｒｅｓｅｒｖｉｎｇ　　ｓ
ｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ　　ｏｐｔｉｃａｌ　　ｆｉｂｅ
ｒ）４２及び顕微鏡対物レンズ４４を介してサンプリン
グ装置に向けられる。プローブ　チップ２０か（物理的
てなく）光学的にクロスされた偏光子４６と４８の間、
そして二色性ビーム　スプリッタ５０の下に顕微鏡シス
テム５１を介して上からチップ端面か見えるような方法
て搭載される。レーザーの波長と異なる波長の光がチッ
プの下の導体か照射されるようにビーム　スプリッタ５
０を通して光源５２から注入される。この方法によって
、導体及びサンプリンタビーム　スボッ１−の両方を一
緒に見ることか可能となる。水晶補償プレート （ｑｕａｒｔｚ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇｐｌａｔｅ
ｓ）５４か偏光子の間にｅ−ｏ結晶を“ゼロ　オーダ゛
′四分の一波長ポインドにて動作するために置かれる。

つオラストンアナライザ、（ｗｏｌｌａｓＬｏｎ　ａｎ
ａｌｙｚｅｒ）である偏光子４８か直角偏波を分離して
、出力を二重差動光検出器５６及び５８に向けるために
用いられる。検出器出力が次にロック　イン増幅器／信
号平均器６０に加えられる。全サンブリンク　システム
かレーザーを除いて基板がその上に置かれる段の上の従
来のブロービング　ステーションの上に垂直に搭載され
る。プローブ　チップか次に選択された電圧波形をサン
プリングするために基板に接した或はこの上の任意の適
当なポイントまで下げられる。電圧波形か導体Ｆに電気
的に適当なく例えば、高速）電気接続８０を介して或は
光学的に基板ＩＯ上の光検出器（図示なし）に結合され
た光遅延ライン７０を介してこれに（或はこれを含む回
路に）テスト信号を結合することによって生成される。

いずれの場合も、周知のサンプリング技術を用いてこの
光パルスと測定されるべき波形が同期され、光パルスか
サンプリングされるべき波形を横断して走査される。

動作においては、偏波されたビーム３０かｅ−ｏ結晶内
に誘導された複屈折の変化を検出するために用いられる
。測定されている導体かその上にゼロ電圧をもつときは
、反射されたビームは互いに９０°Ｃ位和か外れた直角
偏波成分をもつ。これら成分はつオラストンプリズム４
８によって分離され、検出器５６及び５８からの等しい
信号（平衝出力）を生成する。しかし、導体上の電圧か
ゼロでないときは、結晶内に誘導される複屈折か変化し
、追加の位相シフトか２つの直角成分の間で生成される
。

つまり、反射されたビームか楕円形に偏波され、結果と
して、検出器５６及び５８からの非平衝出力及び導体と
の電圧に比例したロック　イン増幅器／平均器６０から
の信号か生成される。

−・例として、プローブ　チップ２２はＫＤ”Ｐ（１水
素°化リン酸二水素カリウム）のｔｏｏ　ｇ鳳厚の片か
ら成り、支持体２４はこのチップに接合された短い石英
ガラス棒である。このチップは３０℃の半角をもつ四面
ピラミッドとしてポリッシュされ、チップの端面は一片
が４０延量以下とされる。他のチップ幾何（例えば１円
ｊａ）も可能である。ＫＤ”Ｐの光軸はチップの端面に
概むね垂直である。高反射二色性コーティング２６かサ
ンプリング　ビームか光学システムに反射されるように
チップの端面に施される。顕微鏡対物レンズ６２かサン
プリング　ビームをチップの端面に集めるため及び反射
ビームを再度平行にするための両方に用いられる。

基板１０はプローブ　チップの下に標準の真空チャック
上に搭載される。基板（つまり、回路）上の導体は高速
接続８０に結合されレーザーと同期された波形シンセサ
イザ（図示なし）を介して或は遅延ライン７０からのレ
ーザー　パルスによって照射された光検出器（図示なし
）からの電気信号を介して付勢される。回路への電気接
続は従来のプローブ、プローブ　カート、或はワイヤー
　ボンデインクによって行なわれる。トリガーとサンプ
リンク時間との間の相対遅延かモータ駆動光学遅延ライ
ン７０によって導入される。これは純粋に電気的手段て
はあるか場合によってはこれも用いることかできる。こ
のタイプの装置を約１００　ｆｓの継続期間の光パルス
と共に用いると、ｌ　Ｔｌ１ｚ　（１００ＯＧＨｚ）を
超える測定ハント幅か達成てきる。

大きな抜力向ｅ−０効果をもつ適当なｅ−ｏ材料には、
ＫＤ”Ｐ、　ＫＤＰ及びＣｕ（：Ｉ　（３−）とも可視
波長具りのプローブ　ビーム波長入に対して適当）　、
　ＧａＡｓ（入＞１．０　ｇｍ　）　、ＺｎＴｃ　　（
入＞０．６　ｇｒｘ　）及びＣｄＴｅ　（入＞０．９　
ｇｌｌ）か含まれる。

これら材料ては、上に述べた如く、ｅ−ｏ効果は光学ビ
ームにモ行に向けられた電場成分に対してのみ働き、従
って、“縦方向″と呼ばれる。プローブ　チップとして
使用された場合、これら材料は、従って、導体の表面に
垂直な場、つまり、縦方向の場にのみ反応する。これら
場は導体の真上か最も強く、従って、ブローピンクも対
象とされる導体の真上或はこれと接して行なわれる。付
近の導体の位置及び電位は、これらが対称対象とされる
導体の上の縦方向の場の強さに寄％Ｌ、ないために全く
影響を与えない。

このタイプの縦方向ｅ−０プローブで測定される信号は
ｅ−０媒体内の光学ビームのラインに沿ってのｅ−ｏ電
場の積分に比例する。従って、ｅ−ｏ結晶の表面が基準
（例えば、アース或はゼロ）電位である場合、電場の積
分はチップか導体に接触する場合は導体の電位と完全に
等しく、一方、チップと導体の間に一定の間隙か保たれ
た場合は、測定電圧は実際の電圧と定数たけのみ異なる
。従って、いずれの場合もこの信号は導体の電圧に比例
する。ゼロ電位を確保するためには、チップ２２の裏面
を５例えば、第１図に示されるように、チップの表面に
位置しアースに接続された導電層２５によってアースす
べきである。

低周波数実験による結果は予期された依存関係か実際に
存在することを示す。第３図は先行技術によるリチウム
　タンタレート（ｌｉｔｈｉｕｍｔａｎｔａｌａｔｅ）
横方向プローブと対比での本発明による縦方向ＫＤ”　
Ｐプローブのライン分子ｆｌに対する測定信号の依存関
係を示す。このテスト回路は異なる量たけ分離された２
つの１０ミクロン幅のラインから成り、片方のラインは
アースされ、他方はｌボルト　ピーク　ツー　ピーク正
弦波にてｌ　ｋｌｌｚにて駆動される。この図はリチウ
ム　タンタレートプローブ信号がライン幅に強く影響さ
れる一方てにＤ”Ｐ縦方向プローツかコンスタントの縦
方向基及びコンスタントの電位を示すライン間隔に対す
る信号依存をもつことを明白に示す。

ＫＤ″Ｐチップの挙動をライン幅及び漏話の関数として
調べる他の実験もこの縦方向基メカニズムを真の“電圧
”タイプ　プローブとして支持する。

第４図はこれを示す。ここでは、リチウム　タンタレー
ト　プローブか３つの平行の導体（アース電位の２つの
外側の導体と＋Ｖの中央の導体）を横断して走査される
。測定される′電場の強度は三角波形てあり、これは明
らかに導体の間にピークをもち従って、電圧の直接的な
測定ではない。これとは対照的に、にＤ”Ｐプローブは
個々の導体の上のほぼコンスタントの電場強度を測定す
る。つまり、電圧の直接的な測定を行なう。このタイプ
のプローブは、ＫＤ”Ｐを用いるか或は他の縦方向のｅ
−０材料を用いるか無関係に、二次元デバイス及び集請
回路の高速ノート測定に吋して横方向タイプのプローブ
より明らかに優れる。

七に説明の構成は単に本発明の原理に従って実現できる
多くの可能な実施態様の一例を示すものであり、本発明
の精神及び範囲から逸脱することなくこれら原理に従っ
て数多くの他の異なる構成を設計することか可能である
。より具体的には、本発明は上に説明のような反射モー
トではなく、伝達モートで実現することもできる（例え
ば、導体かビーム圓に対して透明である或はこれをぼ通
する開口をもつ場合）。この場合は、勿論、基板１０も
同様に透明にされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１つの実施態様に従うｅ−ｏ電圧サン
ブリンク　プローブの略図を示す図：第２図は第１図の
プローブと共に用いられるＩＣ上の電圧測定を行なう装
置のための略図：第３図は本発明による実施態様（ＫＤ
″Ｐプローブ）と先行技術による横力向ｅ−ｏプロービ
ング（リチウム　タンタレート　プロー））を対比する
電場側定植のブラフを示す図；そして第４図は本発明に
よる実施７ｇ様（ＫＯ”Ｐプローブ）を用いたときとの
方か先行技術による横方向ｅ−ｏプロービング（リチウ
ム　タンタレート　プローブ）を用いたときより導体の
間隔か測定イ１に及す影響かいかに低減されるかを示す
図である。 Ｌ互狂号辺１」 ２０−−−−プローブ、 ２２−−−−プローブ　チップ、 ２４−−−一支持体。 ：１Ｏ−−−−光線、 ４０−−−−　ＣＰＭレーザ、 ４２−−−一偏波保存シンクルモート光ファイバ、４ｂ
、４８　−−−一偏光子、 ５１−−−−　ＷＪ微鏡システム。 ５２−−−一光源、 ５４°−一−−水晶補償プレート、 ５６．５８　−−−−ニル差動光検出器、６０−−−一
ロツクイン増幅器／信号乎均器、相対的な場の強度 相対的な撮幅

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電気導体上の電気信号の電圧波形を測定するための
   方法であり、該導体上に該信号を生成するステップを含
   む方法において、縦方向電気−光学効果を示す結晶（２
   ２）を該導体（１２）を覆って或はこの上に置くステッ
   プ、 偏波された光線（３０）を該結晶を通して該導体に概む
   ね垂直な方向に向けることによって該結晶内に複屈折を
   誘導し、該光線の偏波を本質的に該信号によって生成さ
   れる電場の該導体に垂直の成分のみに応答して変調させ
   るステップ、及び 該光線の変調された偏波を検出して該導体上の波形に対
   応する電圧波形を生成するステップを含むことを特徴と
   する方法。 ２、該結晶がＫＤＰ、ＫＤ＾ｘＰ、ＧａＳａ、ＺｎＴｅ
   、ＣｄＴｅ、及びＣｕＣｌから成る一群から選択される
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。 ３、該結晶が該導体を覆って或はこの上に置かれた端面
   及び基準電位に保たれた裏面をもつことを特徴とする請
   求項１記載の方法。 ４、該ビームが該導体を覆って或はこの上に置かれた結
   晶の端から反射されその後検出されることを特徴とする
   請求項３記載の方法。 ５、該光線が該導体から反射されその後検出されること
   を特徴とする請求項１記載の方法。 ６、該光線を結晶に向けるステップが該光線を約１ピコ
   秒或はこれ以下の継続期間を持つ光パルス列として生成
   するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方
   法。 ７、電気導体上の電気信号の電圧波形を測定するための
   装置であり、該導体上に該信号を生成するための手段を
   含む装置において、 縦方向電気−光学効果を示す結晶（２２）から成るプロ
   ーブ（２０）、 該結晶を該導体（１２）を覆うように或はこの上　に位
   置するための手段、 偏波された光線（３０）を該結晶を通して該導体に概む
   ね垂直な方向に向けることによって該結晶内に複屈折を
   誘導し、該光線の偏波を本質的に該信号によって生成さ
   れる電場の該導体に垂直の成分のみに応答して変調させ
   るための手段（４０、４２、４４、４６、５０、６２）
   、及び該光線の変調された偏波を検出して該導体上の波
   形に対応する電圧波形を生成するための手段（５６、５
   ８、６０）を含むことを特徴とする装置。 ８、該結晶がＫＤＰ、ＫＤ＾ｘＰ、ＧａＳａ、ＺｎＴｅ
   、ＣｄＴｃ、及びＣｕＣｌから成る一群から選択される
   ことを特徴とする請求項７記載の装置。 ９、該結晶が該導体を覆って或はこの上に置かれた端面
   及び基準電位に保たれた裏面をもつことを特徴とする請
   求項７記載の装置。 １０、該結晶の裏面上に位置する導電層が含まれること
   を特徴とする請求項９記載の装置。 １１、該結晶の端面上に位置する反射器が含まれること
   を特徴とする請求項９記載の装置。 １２、該光線を結晶に向けるための手段が該光線を約１
   ピコ秒或はこれ以下の継続期間をもつ光パルス列として
   生成するための手段を含むことを特徴とする請求項７記
   載の装置。