JPH04232449A - Thermal expansion displacement analyzing device for semiconductor integrated circuit board - Google Patents

Thermal expansion displacement analyzing device for semiconductor integrated circuit board

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JPH04232449A
JPH04232449A JP40880490A JP40880490A JPH04232449A JP H04232449 A JPH04232449 A JP H04232449A JP 40880490 A JP40880490 A JP 40880490A JP 40880490 A JP40880490 A JP 40880490A JP H04232449 A JPH04232449 A JP H04232449A
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JP
Japan
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semiconductor integrated
integrated circuit
displacement
circuit board
thermal expansion
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Application number
JP40880490A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuhiko Fujita
一彦 藤田
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Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a thermal expansion displacement, analyzing apparatus capable of measuring and analyzing the minute displacement resulting from the thermal expansion of a very small area of a semiconductor integrated circuit with high accuracy at high speeds. CONSTITUTION:Driving currents of a plurality of kinds of frequencies set beforehand are supplied to a plurality of different circuits within a semiconductor integrated circuit by a driving current feeding device. At this time, the local displacement due to the heat generation at the surface of the semiconductor integrated circuit, board is optically detected by a heterodyne interference displacement measuring device. Which of the plurality of kinds of the driving currents contributes to the very small displacement or in which of the circuits the influences of the current are large is judged. Accordingly, the influences of the material, circuit, shape and bonding structure of the part of the minute displacement to the heat generation or the process of the heat radiation at the measuring part can be studied.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路板表面
の微小領域における熱膨張変位を解析する装置に関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for analyzing thermal expansion displacement in a minute area on the surface of a semiconductor integrated circuit board.

【0002】0002

【従来の技術】たとえば半導体集積回路板の局所的熱膨
張に伴う急激な変位は、半導体集積回路板内部に応力を
発生させてストレスマイグレーションを発生させたり、
半導体集積回路板に設けられた微細な配線の断線や熱膨
張係数の異なる薄膜などの接合部位からの剥離などの破
壊現象や半導体自身の劣化現象の一因であると言われて
いる。このため、複雑に構成されている半導体集積回路
板の動作や故障解析などのために、半導体集積回路板の
局所的熱変形或いは熱膨張を瞬時に測定し、熱膨張変位
の形状や範囲を正確に把握して解析することにより、そ
の熱膨張変位の原因を究明することが望まれる。
2. Description of the Related Art For example, rapid displacement caused by local thermal expansion of a semiconductor integrated circuit board may generate stress within the semiconductor integrated circuit board, causing stress migration.
It is said to be one of the causes of destructive phenomena such as disconnection of fine wiring provided on semiconductor integrated circuit boards and peeling of thin films with different coefficients of thermal expansion from bonding sites, as well as deterioration of the semiconductor itself. Therefore, for operation and failure analysis of complexly structured semiconductor integrated circuit boards, local thermal deformation or thermal expansion of semiconductor integrated circuit boards can be instantaneously measured, and the shape and range of thermal expansion displacement can be accurately determined. It is desirable to understand and analyze the causes of thermal expansion displacement.

【0003】0003

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来におい
ては、半導体集積回路板の熱膨張或いは熱変形は、接触
式の変位計や非接触式の光学干渉計を用いて測定された
り、或いは放射温度計により表面温度分布を先ず測定し
、その温度分布に加えて半導体内部の温度勾配や境界条
件を設定することにより、半導体表面の各部位における
変位を間接的に算出することが行われていたので、微小
領域の微小変位を高精度に且つ高速に測定することが極
めて困難であり、解析も容易ではなかった。特に、発熱
の原因となる電流が交流電流、パルス電流、過渡電流な
どのように時間的に電流値が変動する場合には、その時
間的に変動する電流値に応答して半導体に生じる熱膨張
変位を高精度で測定することが熱拡散過程の解析や熱膨
張変位により引き起こされる熱応力の解析のために必要
とされるのである。また、たとえ、半導体に生じる熱膨
張変位が高精度で測定され得たとしても、いかなる回路
が原因で変位が生じているかを詳細に解析することはで
きなかった。
[Problems to be Solved by the Invention] Conventionally, the thermal expansion or thermal deformation of a semiconductor integrated circuit board has been measured using a contact displacement meter or a non-contact optical interferometer, or by measuring radiation temperature. The displacement at each location on the semiconductor surface was indirectly calculated by first measuring the surface temperature distribution using a meter, and then setting the temperature gradient and boundary conditions inside the semiconductor in addition to that temperature distribution. However, it has been extremely difficult to measure minute displacements in minute regions with high precision and at high speed, and analysis has also not been easy. In particular, when the current that causes heat generation fluctuates over time, such as alternating current, pulse current, or transient current, thermal expansion occurs in the semiconductor in response to the temporally fluctuating current value. Measuring displacement with high precision is required for analysis of thermal diffusion processes and thermal stress caused by thermal expansion displacement. Moreover, even if the thermal expansion displacement occurring in a semiconductor could be measured with high precision, it would not be possible to analyze in detail what kind of circuit causes the displacement.

【0004】本発明は以上の事情を背景として為された
ものであり、その目的とするところは、半導体集積回路
板の微小領域の熱膨張微小変位を高精度に且つ高速に測
定し且つ解析することができる熱膨張変位解析装置を提
供することにある。
The present invention has been made against the background of the above-mentioned circumstances, and its purpose is to measure and analyze minute thermal expansion displacements in minute areas of a semiconductor integrated circuit board with high precision and at high speed. An object of the present invention is to provide a thermal expansion displacement analysis device that can perform a thermal expansion displacement analysis.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めの本発明の要旨とするところは、半導体集積回路板の
熱膨張変位を解析するための装置であって、前記半導体
集積回路板の局所に熱膨張を発生させるために、予め定
められた複数種類の周波数の駆動電流を該半導体集積回
路板内の互いに異なる複数の回路に供給する駆動電流供
給装置と、前記半導体集積回路板の表面の発熱による局
所的変位を光学的に検出するヘテロダイン干渉変位測定
装置と、そのヘテロダイン干渉変位測定装置により検出
された前記半導体集積回路板の表面の局所的変位に基づ
いて半導体集積回路板の表面の変位の変化曲線を求め、
その変化曲線に周波数解析を施す演算手段とを、含むこ
とにある。
[Means for Solving the Problems] The gist of the present invention to achieve the above object is to provide an apparatus for analyzing thermal expansion displacement of a semiconductor integrated circuit board, the device comprising: a drive current supply device that supplies drive currents of a plurality of predetermined frequencies to a plurality of different circuits in the semiconductor integrated circuit board in order to generate thermal expansion; A heterodyne interference displacement measurement device that optically detects local displacement due to heat generation, and a displacement of the surface of the semiconductor integrated circuit board based on the local displacement of the surface of the semiconductor integrated circuit board detected by the heterodyne interference displacement measurement device. Find the change curve of
The present invention also includes calculation means for performing frequency analysis on the change curve.

【0006】[0006]

【作用】このようにすれば、半導体集積回路板の局所に
熱膨張を発生させるために駆動電流供給装置により予め
定められた複数種類の周波数の駆動電流が半導体集積回
路内の互いに異なる複数の回路に供給されると、ヘテロ
ダイン干渉変位測定装置により半導体集積回路板の表面
の発熱による局所的変位が光学的に検出されるとともに
、演算手段により、ヘテロダイン干渉変位測定装置によ
り検出された半導体集積回路板の表面の局所的変位に基
づいて半導体集積回路板の表面の変位の変化曲線が求め
られ、その変化曲線に周波数解析が施される。さらに測
定された変位量或いは変位量から解析された周波数スペ
クトルが表示装置上に3次元的に出力される。
[Operation] By doing so, drive currents of multiple types of frequencies predetermined by the drive current supply device can be applied to different circuits in the semiconductor integrated circuit in order to generate thermal expansion locally on the semiconductor integrated circuit board. , the heterodyne interference displacement measuring device optically detects the local displacement due to heat generation on the surface of the semiconductor integrated circuit board, and the computing means detects the local displacement of the semiconductor integrated circuit board detected by the heterodyne interference displacement measuring device. A change curve of the displacement of the surface of the semiconductor integrated circuit board is determined based on the local displacement of the surface of the semiconductor integrated circuit board, and a frequency analysis is performed on the change curve. Furthermore, the measured displacement amount or the frequency spectrum analyzed from the displacement amount is three-dimensionally output on a display device.

【0007】したがって、ヘテロダイン干渉変位測定装
置により半導体集積回路板の微小領域の熱膨張微小変位
が高精度且つ高い応答速度で測定されるとともに、この
ようにして得られた変位曲線に高精度に周波数解析が施
されると、前記複数種類の駆動電流のいずれが上記熱膨
張微小変位に寄与しているか、或いは、いずれの回路に
よる電流の影響が大きいのかが判定され得、上記熱膨張
微小変位部分における材質、回路形状、及び接合構造の
発熱に対する影響或いは測定部分における放熱の過程を
調べることができるのである。
Therefore, the thermal expansion minute displacement of a minute area of a semiconductor integrated circuit board can be measured with high accuracy and high response speed by the heterodyne interference displacement measuring device, and the displacement curve obtained in this way can be accurately applied to the frequency. When the analysis is performed, it can be determined which of the plurality of drive currents contributes to the thermal expansion minute displacement, or which circuit has a greater influence of the current, and the thermal expansion minute displacement portion It is possible to investigate the influence of the material, circuit shape, and bonding structure on heat generation, or the process of heat dissipation in the measurement part.

【0008】[0008]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0009】図1は、本発明の一実施例における半導体
集積回路板の熱膨張変位解析装置の概略構成を示すブロ
ック線図である。図において、ヘテロダイン干渉変位測
定装置1は半導体集積回路板2の局所的な熱膨張微小変
位を測定するためのものである。ヘテロダイン干渉変位
測定装置1から出力された基準ビート信号SfB、第1
計測ビート信号SfWA、SfWB、SfWC、SfW
D、SfWE、および第1計測ビート信号SfDは、信
号処理回路3において熱膨張微小変位を表す信号に変換
され、演算手段として機能するマイクロコンピュータ4
に供給される。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a thermal expansion displacement analysis apparatus for a semiconductor integrated circuit board according to an embodiment of the present invention. In the figure, a heterodyne interference displacement measurement device 1 is used to measure minute displacements caused by local thermal expansion of a semiconductor integrated circuit board 2 . The first reference beat signal SfB output from the heterodyne interference displacement measuring device 1
Measurement beat signals SfWA, SfWB, SfWC, SfW
D, SfWE, and the first measurement beat signal SfD are converted into a signal representing a thermal expansion minute displacement in the signal processing circuit 3, and the microcomputer 4 functions as a calculation means.
supplied to

【0010】マイクロコンピュータ4は、解析用駆動電
流発生器5から予め定められた複数種類の周波数の駆動
電流を発生させ、半導体集積回路板2の互いに異なる複
数の閉回路に供給させる。また、マイクロコンピュータ
4は、ヘテロダイン干渉変位測定装置1の対物レンズを
移動させるため、対物レンズ駆動回路134にレンズア
クチュエータ70を駆動させる。また、マイクロコンピ
ュータ4は、半導体集積回路板2の表面の微小変位検出
位置を順次移動させるため、XYZ方向駆動回路132
、133、136にXYZ方向アクチュエータ83、8
5、87を駆動させて、半導体集積回路板2を所望の位
置へ移動させる。
The microcomputer 4 generates drive currents of a plurality of predetermined frequencies from the analysis drive current generator 5, and supplies them to a plurality of different closed circuits of the semiconductor integrated circuit board 2. Furthermore, the microcomputer 4 causes the objective lens drive circuit 134 to drive the lens actuator 70 in order to move the objective lens of the heterodyne interference displacement measuring device 1 . The microcomputer 4 also uses an XYZ direction drive circuit 132 to sequentially move the minute displacement detection position on the surface of the semiconductor integrated circuit board 2.
, 133, 136, XYZ direction actuators 83, 8
5 and 87 to move the semiconductor integrated circuit board 2 to a desired position.

【0011】図2は、上記ヘテロダイン干渉変位測定装
置1の光学的構成を示している。図において、レーザ光
源10から出力された直線偏光のレーザ光は、アイソレ
ータ12を経て偏光ビームスプリッタ14へ到達し、図
2の紙面に平行な振動面を有するP偏光と図2の紙面に
直角な振動面を有するS偏光とに分割される。上記レー
ザ光の振動面は、図2の紙面に対して45度傾斜させら
れているからである。上記P偏光は、上記レーザ光と同
じ周波数f0 を有し、ミラー16に反射され且つ偏光
ビームスプリッタ18を通過させられる。また、上記S
偏光は、ミラー20により反射された後、音響光学変調
器22および24を通過させられて周波数+f1 およ
び−f2 のシフトを受けることにより周波数f0 +
f1 −f2 とされ、その後、偏光ビームスプリッタ
18に入射する。この偏光ビームスプリッタ18におい
て、上記周波数シフトを受けたS偏光の光束と上記P偏
光の光束とが重ね合わされた後、無偏光ビームスプリッ
タ26において2分される。
FIG. 2 shows the optical configuration of the heterodyne interference displacement measuring device 1. As shown in FIG. In the figure, a linearly polarized laser beam outputted from a laser light source 10 passes through an isolator 12 and reaches a polarizing beam splitter 14, and a P-polarized beam having a vibration plane parallel to the plane of FIG. It is split into S-polarized light having a vibration plane. This is because the vibration plane of the laser beam is inclined at 45 degrees with respect to the paper plane of FIG. The P-polarized light has the same frequency f0 as the laser beam, is reflected by the mirror 16, and is passed through the polarizing beam splitter 18. In addition, the above S
After being reflected by mirror 20, the polarized light is passed through acousto-optic modulators 22 and 24 and shifted by frequencies +f1 and -f2 to achieve frequency f0 +
f1 - f2, and then enters the polarizing beam splitter 18. In the polarizing beam splitter 18, the frequency-shifted S-polarized light beam and the P-polarized light beam are superimposed, and then split into two in the non-polarizing beam splitter 26.

【0012】上記無偏光ビームスプリッタ26により反
射された光は、偏光軸を45度傾斜させられた検光子2
8を通過させられることにより、P偏光およびS偏光の
相互干渉した光、すなわち基準ビート周波数fB (=
|f1 − f2|)を有する基準ビート光が基準ビー
ト光センサ30により検出される。このため、周波数f
B の基準ビート信号SfB が基準ビート光センサ3
0から出力される。
The light reflected by the non-polarizing beam splitter 26 passes through an analyzer 2 whose polarization axis is tilted at 45 degrees.
8, the P-polarized light and the S-polarized light interfere with each other, that is, the reference beat frequency fB (=
|f1 − f2|) is detected by the reference beat light sensor 30. Therefore, the frequency f
The reference beat signal SfB of B is the reference beat optical sensor 3
Output from 0.

【0013】無偏光ビームスプリッタ26を透過した光
は、無偏光ビームスプリッタ32においてさらに2分さ
れる。以下、無偏光ビームスプリッタ32を透過した光
束を第1の光束と言い、無偏光ビームスプリッタ32に
より反射された光束を第2の光束と言う。
The light transmitted through the non-polarizing beam splitter 26 is further split into two by the non-polarizing beam splitter 32. Hereinafter, the light beam transmitted through the non-polarizing beam splitter 32 will be referred to as a first light beam, and the light beam reflected by the non-polarizing beam splitter 32 will be referred to as a second light beam.

【0014】上記第1の光束は、被測定部材である半導
体集積回路板2の表面(反射面)、対物レンズ36と一
体的に配設されたミラー38、対物レンズ36の上方に
配置された偏光ビームスプリッタ40などにより構成さ
れた第1のヘテロダイン干渉光学系に入射させられる。 また、上記第2の光束は、対物レンズ36と一体的に配
設されたミラー42、位置固定のミラー44、偏光ビー
ムスプリッタ46などにより構成された第2のヘテロダ
イン干渉光学系に入射させられる。
The above-mentioned first light beam is arranged on the surface (reflection surface) of the semiconductor integrated circuit board 2 which is the member to be measured, on the mirror 38 which is disposed integrally with the objective lens 36, and on the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 which is the member to be measured. The light is made incident on a first heterodyne interference optical system constituted by a polarizing beam splitter 40 and the like. Further, the second light flux is made incident on a second heterodyne interference optical system constituted by a mirror 42 disposed integrally with the objective lens 36, a mirror 44 whose position is fixed, a polarization beam splitter 46, and the like.

【0015】上記第1のヘテロダイン干渉光学系におい
て、周波数f0 のP偏光と周波数f0 +f1 −f
2 のS偏光との合成波である第1の光束は、偏光ビー
ムスプリッタ40により先ず分割される。偏光ビームス
プリッタ40を透過したP偏光は、λ/4板50を通過
させられることにより円偏光に変換された後、対物レン
ズ36を通して半導体集積回路板2の表面に集光される
。この半導体集積回路板2の表面からの反射光は、上記
対物レンズ36を経てλ/4板50を透過させられるこ
とにより、もとのP偏光に対して振動面が90度回転し
た偏光、すなわちS偏光に変換されるので、偏光ビーム
スプリッタ40により反射され、検光子52に到達する
。上記半導体集積回路板2の表面からの反射光は、その
表面の微小な変位による位相シフトおよび散乱を受けて
いる。
In the first heterodyne interference optical system, P polarized light of frequency f0 and frequency f0 +f1 -f
The first light beam, which is a composite wave of the S-polarized light and the S-polarized light, is first split by the polarizing beam splitter 40. The P-polarized light transmitted through the polarizing beam splitter 40 is converted into circularly polarized light by passing through the λ/4 plate 50, and is then focused on the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 through the objective lens 36. The reflected light from the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 passes through the objective lens 36 and is transmitted through the λ/4 plate 50, so that it becomes polarized light whose vibration plane is rotated by 90 degrees with respect to the original P-polarized light. Since it is converted into S-polarized light, it is reflected by the polarizing beam splitter 40 and reaches the analyzer 52. The reflected light from the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 undergoes a phase shift and scattering due to minute displacements of the surface.

【0016】前記第1の光束のうち、偏光ビームスプリ
ッタ40により反射されたS偏光は、位置固定のミラー
48により反射されてλ/4板50を透過させられるこ
とにより円偏光に変換された後、集光レンズ54を通し
てミラー38の表面に集光される。このミラー38から
の反射光は、再び上記集光レンズ54を経てλ/4板5
0を透過させられることにより、もとのS偏光に対して
振動面が90度回転した偏光、すなわちP偏光に変換さ
れるので、偏光ビームスプリッタ40を透過し、検光子
52に到達する。この検光子52の偏光軸は上記S偏光
およびP偏光の振動面よりも45度傾斜させられている
から、偏光子52を透過した光にはP偏光およびS偏光
によるヘテロダイン干渉が発生し、この干渉光が第1計
測ビート光センサ56により検出される。この第1計測
ビート光センサ56の受光面には、図3に示すように、
水平方向において受光素子56A 、56C 、56E
 が順次位置し、垂直方向において受光素子56B 、
56C 、56D が順次位置するように5個の受光素
子56A 、56B 、56C 、56D 、56E 
が配列されている。このため、上記第1計測ビート光セ
ンサ56からは、周波数がfW である5種類の第1計
測ビート信号SfWA、SfWB、SfWC、SfWD
、SfWEがそれぞれ出力される。
Of the first light beam, the S-polarized light reflected by the polarizing beam splitter 40 is reflected by a fixed mirror 48 and transmitted through a λ/4 plate 50 to be converted into circularly polarized light. , the light is focused on the surface of the mirror 38 through the focusing lens 54. The reflected light from this mirror 38 passes through the condensing lens 54 again and passes through the λ/4 plate 5.
By transmitting 0, the light is converted into polarized light whose vibration plane is rotated by 90 degrees with respect to the original S-polarized light, that is, P-polarized light, which is transmitted through the polarizing beam splitter 40 and reaches the analyzer 52. Since the polarization axis of this analyzer 52 is inclined by 45 degrees from the plane of vibration of the S-polarized light and the P-polarized light, heterodyne interference between the P-polarized light and the S-polarized light occurs in the light transmitted through the polarizer 52, and this The interference light is detected by the first measurement beat optical sensor 56. As shown in FIG. 3, on the light receiving surface of the first measurement beat optical sensor 56,
In the horizontal direction, the light receiving elements 56A, 56C, 56E
are sequentially located, and in the vertical direction, the light receiving elements 56B,
Five light receiving elements 56A, 56B, 56C, 56D, 56E are arranged so that 56C, 56D are located sequentially.
are arranged. Therefore, the first measurement beat optical sensor 56 outputs five types of first measurement beat signals SfWA, SfWB, SfWC, and SfWD whose frequencies are fW.
, SfWE are output.

【0017】前記第2のヘテロダイン干渉光学系におい
て、周波数f0 のP偏光と周波数f0 +f1 −f
2 のS偏光との合成波である第2の光束は、ミラー3
3により反射された後、偏光ビームスプリッタ46によ
り先ず分割される。偏光ビームスプリッタ46を透過し
たP偏光は、λ/4板58を透過させられることにより
円偏光に変換された後、集光レンズ60を通してミラー
42の表面に集光される。このミラー42からの反射光
は、上記集光レンズ60を経てλ/4板58を再び透過
させられることにより、もとのP偏光に対して振動面が
90度回転した偏光、すなわちS偏光に変換されるので
、偏光ビームスプリッタ46により反射され、検光子6
2に到達する。
In the second heterodyne interference optical system, P polarized light of frequency f0 and frequency f0 +f1 -f
The second light beam, which is a composite wave with the S-polarized light of 2, passes through the mirror 3
3, it is first split by a polarizing beam splitter 46. The P-polarized light transmitted through the polarizing beam splitter 46 is converted into circularly polarized light by being transmitted through a λ/4 plate 58, and then condensed onto the surface of the mirror 42 through a condensing lens 60. The reflected light from the mirror 42 passes through the condenser lens 60 and passes through the λ/4 plate 58 again, thereby becoming polarized light whose vibration plane is rotated by 90 degrees with respect to the original P-polarized light, that is, S-polarized light. It is reflected by the polarizing beam splitter 46 and transmitted to the analyzer 6.
Reach 2.

【0018】偏光ビームスプリッタ46により反射され
たS偏光は、λ/4板64を透過させられることにより
円偏光に変換された後、集光レンズ66を通して位置固
定のミラー44の表面に集光される。このミラー44か
らの反射光は、再び上記集光レンズ66を経てλ/4板
64を通過させられることにより、もとのS偏光に対し
て振動面が90度回転した偏光、すなわちP偏光に変換
されるので、偏光ビームスプリッタ46を透過し、偏光
子62に到達する。この偏光子62の偏光軸は上記S偏
光およびP偏光の振動面よりも45度傾斜させられてい
るから、偏光子62を透過した光にはP偏光およびS偏
光によるヘテロダイン干渉が発生し、この干渉光が第2
計測ビート光センサ68により検出され、周波数がfD
 の第2計測ビート信号SfD が出力される。
The S-polarized light reflected by the polarizing beam splitter 46 is converted into circularly polarized light by being transmitted through a λ/4 plate 64, and then condensed onto the surface of a fixed mirror 44 through a condensing lens 66. Ru. The reflected light from the mirror 44 is passed through the condenser lens 66 and the λ/4 plate 64 again, thereby becoming polarized light whose vibration plane is rotated by 90 degrees with respect to the original S-polarized light, that is, P-polarized light. As the light is converted, it passes through the polarizing beam splitter 46 and reaches the polarizer 62. Since the polarization axis of this polarizer 62 is inclined by 45 degrees with respect to the vibration plane of the S-polarized light and the P-polarized light, heterodyne interference between the P-polarized light and the S-polarized light occurs in the light transmitted through the polarizer 62, and this The interference light is the second
Detected by the measurement beat optical sensor 68, the frequency is fD
A second measurement beat signal SfD is output.

【0019】前記対物レンズ36は、レンズアクチュエ
ータ70によって光軸方向へ位置決めされ得るようにな
っている。すなわち、位置固定の機枠72には、光束を
通過させるための貫通穴73、74、75が形成されて
おり、中央の貫通穴74と同心に円筒状のレンズアクチ
ュエータ70が吊り下げられるとともに、このレンズア
クチュエータ70の下端部に対物レンズ36を保持する
レンズ保持筒78が固定されている。レンズアクチュエ
ータ70は、本実施例では対物レンズ36と半導体集積
回路板2との相互間隔を変化させる駆動装置を構成する
ものであり、たとえば軸方向に収縮可能な圧電セラミッ
クスにより構成されており、印加電圧に対応した収縮量
に関連して対物レンズ36が位置決めされるようになっ
ている。また、前記ミラー38および42は、上記レン
ズ保持筒78に固定されており、対物レンズ36と一体
的に軸方向へ移動させられるようになっている。
The objective lens 36 can be positioned in the optical axis direction by a lens actuator 70. That is, through holes 73, 74, and 75 are formed in the machine frame 72, which is fixed in position, through which the light flux passes, and a cylindrical lens actuator 70 is suspended concentrically with the central through hole 74. A lens holding cylinder 78 that holds the objective lens 36 is fixed to the lower end of the lens actuator 70. In this embodiment, the lens actuator 70 constitutes a driving device that changes the mutual distance between the objective lens 36 and the semiconductor integrated circuit board 2, and is made of, for example, piezoelectric ceramics that can be contracted in the axial direction. The objective lens 36 is positioned in relation to the amount of contraction corresponding to the voltage. Further, the mirrors 38 and 42 are fixed to the lens holding tube 78, and can be moved in the axial direction integrally with the objective lens 36.

【0020】前記半導体集積回路板2は、対物レンズ3
6の光軸(Z)方向およびその光軸と直角な2方向(X
およびY方向)へ駆動されるようになっている。すなわ
ち、図4にも詳しく示すように、半導体集積回路板2が
載置される試料台80は、基台88上において重ねられ
た状態で配設されたY方向移動テーブル86、X方向移
動テーブル84、およびZ方向移動テーブル82により
支持されており、たとえばパルスモータ或いはピエゾア
クチュエータなどにより構成される微小駆動可能なZ方
向アクチュエータ83、X方向アクチュエータ85、Y
方向アクチュエータ87によってZ方向、X方向、およ
びY方向に位置決めされるようになっているのである。 上記X方向アクチュエータ85およびY方向アクチュエ
ータ87は、半導体集積回路板2の熱膨張変位の検出位
置を順次ずらすためのものであり、また、Z方向アクチ
ュエータ83は、前記レンズアクチュエータ70による
対物レンズ36の移動距離よりも大きい範囲で試料台8
8の高さを調整するものである。
The semiconductor integrated circuit board 2 has an objective lens 3.
6 optical axis (Z) direction and two directions perpendicular to the optical axis (X
and the Y direction). That is, as shown in detail in FIG. 4, the sample stage 80 on which the semiconductor integrated circuit board 2 is placed includes a Y-direction moving table 86 and an X-direction moving table that are arranged in an overlapping state on a base 88. 84, and a Z-direction actuator 83, an X-direction actuator 85, and a Y-direction actuator, which are supported by the Z-direction moving table 82 and can be driven minutely by, for example, a pulse motor or a piezo actuator.
The directional actuator 87 allows positioning in the Z direction, the X direction, and the Y direction. The X-direction actuator 85 and the Y-direction actuator 87 are used to sequentially shift the detection position of the thermal expansion displacement of the semiconductor integrated circuit board 2, and the Z-direction actuator 83 is used to shift the detection position of the thermal expansion displacement of the semiconductor integrated circuit board 2. Sample stage 8 within a range greater than the moving distance
This is to adjust the height of 8.

【0021】なお、上記X方向アクチュエータ85内に
は、X方向移動テーブル84の移動量を検出するための
位置検出器138が設けられ、また、上記Y方向アクチ
ュエータ87内には、Y方向移動テーブル86の移動量
を検出するための位置検出器139が設けられている。 これらの位置検出器138および139は、ロータリエ
ンコーダ、或いは一般に知られている光学式の位置検出
器または測長器などにより構成される。また、半導体集
積回路板2内の複数の閉回路には、解析用駆動電流発生
器5からの解析用駆動電流がリード線89を通して供給
されるようになっている。
A position detector 138 for detecting the amount of movement of the X-direction moving table 84 is provided in the X-direction actuator 85, and a Y-direction moving table is provided in the Y-direction actuator 87. A position detector 139 for detecting the amount of movement of 86 is provided. These position detectors 138 and 139 are constituted by rotary encoders, generally known optical position detectors or length measuring devices, or the like. Furthermore, the analysis drive current from the analysis drive current generator 5 is supplied to the plurality of closed circuits in the semiconductor integrated circuit board 2 through lead wires 89 .

【0022】前記信号処理回路3およびマイクロコンピ
ュータ4は、たとえば図5に示すように構成されている
。図において、第1計測ビート光センサ56の5個の受
光素子56A 、56B 、56C 、56D 、56
E から出力された第1計測ビート信号SfWA、Sf
WB、SfWC、SfWD、SfWEは、増幅器90A
 、90B 、90C 、90D 、90E において
信号増幅された後、波形モニタ回路92にそれぞれ供給
される。
The signal processing circuit 3 and microcomputer 4 are configured as shown in FIG. 5, for example. In the figure, five light receiving elements 56A, 56B, 56C, 56D, 56 of the first measurement beat optical sensor 56 are shown.
The first measurement beat signal SfWA, Sf output from E
WB, SfWC, SfWD, SfWE are amplifiers 90A
, 90B, 90C, 90D, and 90E, the signals are amplified and then supplied to the waveform monitor circuit 92, respectively.

【0023】波形モニタ回路92は、第1計測ビート光
センサ56へ到達している光束の状態が平面波であるか
或いは発散球面波または収束球面波であるか否かを判定
するものであり、その判定結果を表わす信号を後述のデ
ータバスライン102へ出力するとともに、第1測定ビ
ート周波数fW の信号を後述の位相差検出回路106
へ出力する。上記波形モニタ回路92はたとえば図6に
示すように構成されている。すなわち、一方のデジタル
位相差検出回路94は、垂直方向に配列されている受光
素子56B および56C からのビート信号SfWB
およびSfWCの位相差△θCB(たとえばビート信号
SfWCのピーク位置の位相角をθC とし、ビート信
号SfWBのピーク位置の位相角をθB とすると、△
θCB=θC−θB)を検出して減算器98へ出力する
一方、他方のデジタル位相差検出回路96は、垂直方向
に配列されている受光素子56D および56C から
のビート信号SfWDおよびSfWCの位相差△θDC
(たとえばビート信号SfWCのピーク位置の位相角を
θC とし、ビート信号SfWDのピーク位置の位相角
をθD とすると、△θDC=θD −θC )を検出
して減算器98へ出力する。そして、減算器98は、上
記位相差△θCBから位相差△θDCを減算し、減算値
(△θCB−△θDC)を出力する。
The waveform monitor circuit 92 determines whether the state of the light beam reaching the first measurement beat optical sensor 56 is a plane wave, a diverging spherical wave, or a converging spherical wave. A signal representing the determination result is output to the data bus line 102 (described later), and a signal of the first measurement beat frequency fW is output to the phase difference detection circuit 106 (described later).
Output to. The waveform monitor circuit 92 is configured as shown in FIG. 6, for example. That is, one digital phase difference detection circuit 94 receives the beat signal SfWB from the light receiving elements 56B and 56C arranged in the vertical direction.
and SfWC phase difference ΔθCB (for example, if the phase angle at the peak position of the beat signal SfWC is θC and the phase angle at the peak position of the beat signal SfWB is θB, then ΔθCB)
θCB = θC - θB) and outputs it to the subtracter 98, while the other digital phase difference detection circuit 96 detects the phase difference between the beat signals SfWD and SfWC from the vertically arranged light receiving elements 56D and 56C. △θDC
(For example, if the phase angle of the peak position of the beat signal SfWC is θC, and the phase angle of the peak position of the beat signal SfWD is θD, then ΔθDC=θD−θC) is detected and output to the subtracter 98. Then, the subtracter 98 subtracts the phase difference ΔθDC from the phase difference ΔθCB, and outputs a subtracted value (ΔθCB−ΔθDC).

【0024】第1計測ビート光センサ56へ到達してい
る光束が平面波であれば、図7に示すように3つの受光
素子56B 、56C 、56D の出力信号の位相が
同じとなる。また、第1計測ビート光センサ56が傾い
ていたとしても、図8に示すように、受光素子56C 
の上に位置する受光素子56B の出力信号SfWB、
および受光素子56C の下に位置する受光素子56D
 の出力信号SfWDの、中心に位置する受光素子56
C の出力信号SfWCに対する位相が、それぞれ同じ
量だけ前後方向に、すなわち、前記△θCBおよび△θ
DCが正方向にずれる。たとえば図8において、出力信
号SfWCに対する出力信号SfWBの位相のずれ△θ
CB(=θC −θB、正の値)と、出力信号SfWC
に対する出力信号SfWDの位相のずれ△θDC(=θ
D−θC、正の値)とが、互いに等しくなる(△θCB
=△θDC)。
If the light beam reaching the first measurement beat optical sensor 56 is a plane wave, the phases of the output signals of the three light receiving elements 56B, 56C, and 56D will be the same as shown in FIG. Furthermore, even if the first measurement beat optical sensor 56 is tilted, as shown in FIG.
The output signal SfWB of the light receiving element 56B located above the
and a light receiving element 56D located below the light receiving element 56C.
The light receiving element 56 located at the center of the output signal SfWD of
The phase with respect to the output signal SfWC of C is the same amount in the front and back direction, that is, the △θCB and △θ
DC shifts in the positive direction. For example, in FIG. 8, the phase shift Δθ of the output signal SfWB with respect to the output signal SfWC is
CB (=θC −θB, positive value) and output signal SfWC
Phase shift of output signal SfWD with respect to ΔθDC (=θ
D−θC, positive value) are equal to each other (ΔθCB
= ΔθDC).

【0025】しかし、第1計測ビート光センサ56へ到
達している光束が収束球面波であれば、たとえば図9に
示すように、受光素子56B および56D の出力信
号SfWBおよびSfWDの位相が、受光素子56C 
の出力信号SfWCに対して共に進むので、前記の定義
によれば、出力信号SfWCに対する出力信号SfWD
の位相のずれ△θDC(=θD −θC )が負の値と
なる。反対に、第1計測ビート光センサ56へ到達して
いる光束が発散球面波であれば、出力信号SfWBおよ
びSfWDの位相が出力信号SfWCに対して共に遅れ
るので、出力信号SfWCに対する出力信号SfWBの
位相のずれ△θCB(=θC−θB)が負の値となる。 したがって、上記出力信号SfWCに対する出力信号S
fWBの位相ずれ△θCBと出力信号SfWCに対する
出力信号SfWDの位相のずれ△θDCとの減算値(△
θCB−△θDC)は、平面波となるほど零に近い値と
なる。
However, if the light flux reaching the first measurement beat optical sensor 56 is a convergent spherical wave, as shown in FIG. Element 56C
According to the above definition, the output signal SfWD relative to the output signal SfWC proceeds together with respect to the output signal SfWC.
The phase shift ΔθDC (=θD −θC ) takes a negative value. On the other hand, if the light flux reaching the first measurement beat optical sensor 56 is a divergent spherical wave, the phases of the output signals SfWB and SfWD are delayed with respect to the output signal SfWC, so that the output signal SfWB with respect to the output signal SfWC is The phase shift ΔθCB (=θC−θB) takes a negative value. Therefore, the output signal S for the above output signal SfWC
The subtraction value (△
θCB−ΔθDC) becomes a value closer to zero as the wave becomes a plane wave.

【0026】図6の比較判定回路100は、設定器14
0において予め設定された判断基準範囲〔零を含む基準
範囲を示す上限値(正の値)および下限値(負の値)〕
と減算器98の出力信号とを比較し、減算器98の出力
値(△θCB−△θDC)が判断基準範囲内であるとき
には平面波であると判定し、減算器98の出力値が判断
基準範囲の上限値よりも大であるときには収束球面波で
あると判定し、出力値が判断基準範囲の下限値よりも小
であれば、発散球面波であると判定する。そして、比較
判定回路100は、平面波、収束球面波、発散球面波の
いずれであるか、或いはそれに加えてどの程度の曲率を
持つ球面波であるかの判断結果を表す信号をデータバス
ライン102へ出力する。なお、上記設定器140にお
いて予め設定された判断基準範囲を示す上限値および下
限値は、たとえば、半導体集積回路板2の表面が照射光
のビームウエスト位置から2分の1波長ずれたときの値
、またはそれより所定量小さい値とされている。
The comparison/judgment circuit 100 in FIG.
Judgment reference range preset at 0 [upper limit value (positive value) and lower limit value (negative value) indicating the reference range including zero]
and the output signal of the subtracter 98, and when the output value of the subtracter 98 (△θCB - △θDC) is within the judgment reference range, it is determined that it is a plane wave, and the output value of the subtracter 98 is within the judgment reference range. When the output value is larger than the upper limit value of the output value, it is determined that the wave is a convergent spherical wave, and when the output value is smaller than the lower limit value of the determination reference range, it is determined that the wave is a divergent spherical wave. Then, the comparison/determination circuit 100 sends a signal representing the determination result of whether the wave is a plane wave, a convergent spherical wave, or a diverging spherical wave, or what degree of curvature the spherical wave has to the data bus line 102. Output. Note that the upper limit value and lower limit value indicating the judgment reference range preset in the setting device 140 are, for example, values when the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 is shifted by a half wavelength from the beam waist position of the irradiated light. , or a value smaller than that by a predetermined amount.

【0027】ここで、第1計測ビート光センサ56に伝
播した光束の波面状態は、対物レンズ36の焦点位置と
半導体集積回路板2の表面との間の相対位置関係を表し
ている。すなわち、半導体集積回路板2の表面が対物レ
ンズ36により集光される光束の最もくびれた部分であ
るビームウエスト位置に位置している場合には、その表
面から反射される光束は平面波となる。しかし、半導体
集積回路板2の表面が対物レンズ36から離隔する側へ
上記光束のビームウエスト位置からずれた場合には、第
1計測ビート光センサ56に伝播した光束は収束球面波
となる。反対に、半導体集積回路板2の表面が対物レン
ズ36に接近する側へ上記光束のビームウエスト位置か
らずれた場合には、第1計測ビート光センサ56に伝播
した光束は発散球面波となる。
Here, the wavefront state of the light beam propagated to the first measurement beat optical sensor 56 represents the relative positional relationship between the focal position of the objective lens 36 and the surface of the semiconductor integrated circuit board 2. That is, when the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 is located at the beam waist position, which is the narrowest part of the light beam condensed by the objective lens 36, the light beam reflected from the surface becomes a plane wave. However, if the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 deviates from the beam waist position of the light flux to the side away from the objective lens 36, the light flux propagated to the first measurement beat optical sensor 56 becomes a convergent spherical wave. On the other hand, when the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 deviates from the beam waist position of the light flux toward the side approaching the objective lens 36, the light flux propagated to the first measurement beat optical sensor 56 becomes a diverging spherical wave.

【0028】光波干渉型変位測定装置においては、計測
ビームのビームウエスト位置に試料表面が位置していな
いと、上記ビームウエスト位置からのずれによる位相誤
差が試料の凹凸情報(位相変化)に加えられるので、対
物レンズ36の倍率を高くするほど、換言すれば微小な
凹凸を計測する高倍率の測定となるほど充分な精度を得
る上で問題となる。このことから、本実施例では、第1
計測ビート光センサ56に伝播した光束が平面波となる
ように対物レンズ36の位置を常時制御して、半導体集
積回路板2の表面の変位の測定を高精度にて実行できる
ようにする。
In a light wave interference type displacement measuring device, if the sample surface is not located at the beam waist position of the measurement beam, a phase error due to the deviation from the beam waist position will be added to the unevenness information (phase change) of the sample. Therefore, the higher the magnification of the objective lens 36 is, in other words, the higher the magnification is for measuring minute irregularities, the more difficult it becomes to obtain sufficient accuracy. For this reason, in this example, the first
The position of the objective lens 36 is constantly controlled so that the light beam propagated to the measurement beat optical sensor 56 becomes a plane wave, so that the displacement of the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 can be measured with high precision.

【0029】図5に戻って、基準ビート光センサ30の
出力信号SfB は、波形成形回路104によりパルス
波形に成形された後、位相差検出回路106へ供給され
るとともに、インバータ108を経てアンド回路110
へ供給される。上記位相差検出回路106は、受光素子
56C から出力された周波数fW の信号SfWCと
基準ビート光センサ30の出力信号SfB との位相差
Dを検出し、この位相差Dを表す信号をデータバスライ
ン102へ出力する。表面形状の測定に先立って、前記
第1計測ビート光センサ56へ到達した光束が平面波と
なるように調節することにより、対物レンズ36と半導
体集積回路板2の表面とが初期的に最適な光学位置とさ
れたときに、上記位相差検出回路106により検出され
た位相差Dは、初期位相差Di と称される。
Returning to FIG. 5, the output signal SfB of the reference beat optical sensor 30 is shaped into a pulse waveform by the waveform shaping circuit 104, and then supplied to the phase difference detection circuit 106, and then passed through the inverter 108 to the AND circuit. 110
supplied to The phase difference detection circuit 106 detects the phase difference D between the signal SfWC of the frequency fW output from the light receiving element 56C and the output signal SfB of the reference beat optical sensor 30, and sends a signal representing this phase difference D to the data bus line. Output to 102. Prior to measuring the surface shape, the light beam reaching the first measurement beat optical sensor 56 is adjusted so as to become a plane wave, so that the objective lens 36 and the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 are initially set to optimal optical conditions. The phase difference D detected by the phase difference detection circuit 106 when the position is determined is referred to as an initial phase difference Di.

【0030】第2計測ビート光センサ68の出力信号S
fD は、波形成形回路112によりパルス波形に成形
された後、上記アンド回路110へ供給される。アンド
回路110は、基準ビート光センサ30の出力信号Sf
Bのパルス波形がたとえば「0」であり且つ第2計測ビ
ート光センサ68の出力信号SfD のパルス波形がた
とえば「1」であるときには、高周波信号発生器114
から出力される一定周波数のクロック信号をカウンタ1
16へ通過させてそこで計数させる。このカウンタ11
6は、基準ビート光センサ30の出力信号SfB と第
2計測ビート光センサ68の出力信号SfD との位相
差に対応してクロック信号を計数し、位相差2πに対応
する値に満了すると、満了信号を出力するとともに再び
零から計数を開始する分周カウンタである。このカウン
タ116は2π以下の位相差φを表す計数値を所定時間
毎にラッチ回路118に一時記憶させ、ラッチ回路11
8は必要に応じて位相差を表す信号をデータバスライン
102へ出力する。また、カウンタ120は、上記カウ
ンタ116の計数値が位相差2πに相当する値となった
時に出力される満了信号を計数し、2π単位の位相差を
表す計数値Nを所定時間毎にラッチ回路122に一時的
に記憶させるとともに、ラッチ回路122は必要に応じ
て計数値Nを表す信号をデータバスライン102へ出力
する。 したがって、上記ラッチ118および122の出力信号
により、基準ビート光センサ30の出力信号SfB と
第2計測ビート光センサ68の出力信号SfD との実
際の位相差Φ(=2πN+φ)が検出されるようになっ
ている。
Output signal S of second measurement beat optical sensor 68
fD is shaped into a pulse waveform by the waveform shaping circuit 112 and then supplied to the AND circuit 110. The AND circuit 110 receives the output signal Sf of the reference beat optical sensor 30.
When the pulse waveform of B is, for example, “0” and the pulse waveform of the output signal SfD of the second measurement beat optical sensor 68 is, for example, “1”, the high-frequency signal generator 114
Counter 1 receives a constant frequency clock signal output from
16 and counted there. This counter 11
6 counts clock signals corresponding to the phase difference between the output signal SfB of the reference beat optical sensor 30 and the output signal SfD of the second measurement beat optical sensor 68, and expires when the clock signal reaches a value corresponding to the phase difference 2π. This is a frequency division counter that outputs a signal and starts counting from zero again. This counter 116 temporarily stores a count value representing a phase difference φ of 2π or less in a latch circuit 118 at predetermined time intervals.
8 outputs a signal representing a phase difference to the data bus line 102 as required. Further, the counter 120 counts the expiration signal outputted when the count value of the counter 116 becomes a value corresponding to a phase difference of 2π, and outputs the count value N representing the phase difference in units of 2π to a latch circuit at predetermined time intervals. 122, and the latch circuit 122 outputs a signal representing the count value N to the data bus line 102 as necessary. Therefore, the actual phase difference Φ (=2πN+φ) between the output signal SfB of the reference beat optical sensor 30 and the output signal SfD of the second measurement beat optical sensor 68 is detected by the output signals of the latches 118 and 122. It has become.

【0031】マイクロコンピュータ4は、CPU124
、RAM126、ROM128などから構成されている
。CPU124は、RAM126の記憶機能を利用しつ
つ予めROM128に記憶されたプログラムに従って入
力信号を処理し、半導体集積回路板2の表面を対物レン
ズ36により集光される光束のビームウエスト位置に位
置させるために、測定前および測定中には対物レンズ駆
動回路134から駆動電力をレンズアクチュエータ70
へ供給させて対物レンズ36の位置を制御する。また、
CPU124は、表面変位の測定中において、X方向駆
動回路132およびY方向駆動回路133から駆動電力
をX方向アクチュエータ85およびY方向アクチュエー
タ87へ供給させて半導体集積回路板2をその表面の測
定範囲に対応する距離だけ水平方向へ移動させる。 さらに、CPU124は、上記測定中において得られた
前記位相差Φと位相検出器138および139により検
出された半導体集積回路板2の移動距離とからその半導
体集積回路板2の表面の熱膨張変位を算出し、その微細
な熱膨張変位の断面形状または3次元形状およびそれら
の経時的変化曲線を表示器130上に画像表示させたり
、或いはその変化曲線の周波数解析曲線或いは周波数解
析値を表示させる。
The microcomputer 4 includes a CPU 124
, RAM 126, ROM 128, etc. The CPU 124 processes the input signal according to a program stored in the ROM 128 in advance while utilizing the storage function of the RAM 126, and positions the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 at the beam waist position of the light beam focused by the objective lens 36. Before and during measurement, drive power is supplied from the objective lens drive circuit 134 to the lens actuator 70.
to control the position of the objective lens 36. Also,
During surface displacement measurement, the CPU 124 causes the X-direction drive circuit 132 and the Y-direction drive circuit 133 to supply drive power to the X-direction actuator 85 and the Y-direction actuator 87 to bring the semiconductor integrated circuit board 2 into the measurement range of its surface. Move horizontally by the corresponding distance. Furthermore, the CPU 124 calculates the thermal expansion displacement of the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 from the phase difference Φ obtained during the measurement and the moving distance of the semiconductor integrated circuit board 2 detected by the phase detectors 138 and 139. The cross-sectional shape or three-dimensional shape of the fine thermal expansion displacement and its change curve over time are displayed as images on the display 130, or the frequency analysis curve or frequency analysis value of the change curve is displayed.

【0032】以下、図10のフローチャートに基づいて
上記測定制御回路の動作を説明する。  先ず、ステッ
プS1においては、試料台80上に載置された半導体集
積回路板2が所定の測定開始位置へ移動させられる。こ
の移動は、図示しない測定開始スイッチの操作に関連し
て自動的に行われる。次のステップS2においては、予
め指定された測定領域に関してX方向アクチュエータ8
5およびY方向アクチュエータ87を作動させることに
よって半導体集積回路板2の表面形状を測定し、測定さ
れたデータをRAMなどの記憶素子に記憶させる。その
後ステップS3において、再度試料台80上に載置され
た半導体集積回路板2が所定の測定開始位置へ移動させ
られる。続くステップS4においては、Z方向駆動回路
136からZ方向アクチュエータ83へ駆動信号が供給
されることによって、試料台80上に載置された半導体
集積回路板2の表面が、対物レンズ36により集光され
る光束のビームウエスト位置へ略位置させられる。次い
で、ステップS5においては、レンズアクチュエータ7
0により、上記ビームウエスト位置と半導体集積回路板
2の表面とが正確に一致するように位置制御される。上
記ステップS4およびS5では、波形モニタ回路92か
ら出力される信号に基づいて、第1計測ビート光センサ
56へ到達した光束の波面が平面となるように制御され
る。これにより、初期位置が正確に設定され、上記ステ
ップS5では位相差検出回路106により検出された位
相差Dが初期位相差Di として記憶される。
The operation of the measurement control circuit will be explained below based on the flowchart shown in FIG. First, in step S1, the semiconductor integrated circuit board 2 placed on the sample stage 80 is moved to a predetermined measurement start position. This movement is automatically performed in conjunction with the operation of a measurement start switch (not shown). In the next step S2, the X-direction actuator 8 is
5 and the Y-direction actuator 87, the surface shape of the semiconductor integrated circuit board 2 is measured, and the measured data is stored in a storage element such as a RAM. Thereafter, in step S3, the semiconductor integrated circuit board 2 placed on the sample stage 80 is moved again to a predetermined measurement start position. In the subsequent step S4, a drive signal is supplied from the Z-direction drive circuit 136 to the Z-direction actuator 83, so that the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 placed on the sample stage 80 is focused by the objective lens 36. It is positioned approximately at the beam waist position of the luminous flux. Next, in step S5, the lens actuator 7
0, the position is controlled so that the beam waist position and the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 are precisely aligned. In steps S4 and S5, control is performed based on the signal output from the waveform monitor circuit 92 so that the wavefront of the light beam reaching the first measurement beat optical sensor 56 becomes flat. As a result, the initial position is accurately set, and in step S5, the phase difference D detected by the phase difference detection circuit 106 is stored as the initial phase difference Di.

【0033】ステップS6においては、複数種類の周波
数の解析用駆動電流が解析用駆動電流発生器5から半導
体集積回路板2内に形成された所定の複数の閉回路へ連
続的に供給される。そして、ステップS7においては、
たとえば数ミリ秒程度の予め定められた一定時間毎に第
2のヘテロダイン光学系により測定された基準ビート信
号SfB と測定ビート信号SfD との位相差Φ(t
)が読み込まれるとともに、その位相差Φ(t)の変化
量に基づいて熱膨張変位Zが次式(1)に従って算出さ
れる。
In step S6, analysis drive currents of a plurality of different frequencies are continuously supplied from the analysis drive current generator 5 to a plurality of predetermined closed circuits formed within the semiconductor integrated circuit board 2. Then, in step S7,
For example, the phase difference Φ(t
) is read, and the thermal expansion displacement Z is calculated based on the amount of change in the phase difference Φ(t) according to the following equation (1).

【0034】[0034]

【数1】[Math 1]

【0035】但し、λは光の波長、Φ(t0)は時刻t
0の時の位相差、Φ(t1)は時刻t1のときの位相差
である。
[0035] However, λ is the wavelength of light, and Φ(t0) is the time t
The phase difference at time 0, Φ(t1), is the phase difference at time t1.

【0036】続いてステップS8では解析用駆動電流の
供給が停止させられた後、ステップS9において測定を
終了するか否かが判断される。この測定の終了は、測定
終了ボタンが操作されたか或いは予め設定された熱膨張
変位検査領域の測定が完了したことを以て判断される。 上記ステップS9の判断が否定された場合には、ステッ
プS10においてX方向アクチュエータ85およびY方
向アクチュエータ87を作動させることによって半導体
集積回路板2が予め定められた次の熱膨張変位測定点へ
移動させられた後、ステップS4以下が再び実行される
。そして、以上のステップが繰り返し実行されるうち、
上記ステップS9の判断が肯定されると、ステップS1
1において、それまでに得られた各測定点における熱膨
張変位が3次元的に表示されるとともに、各測定点にお
ける熱膨張変位曲線が求められ、且つその熱膨張変位曲
線に周波数解析が施されて、各測定点毎に熱解析結果が
表示される。
Subsequently, in step S8, the supply of the analysis drive current is stopped, and then, in step S9, it is determined whether or not to end the measurement. The end of this measurement is determined when the measurement end button is operated or when the measurement of the preset thermal expansion displacement inspection area is completed. If the determination in step S9 is negative, the semiconductor integrated circuit board 2 is moved to the next predetermined thermal expansion displacement measurement point by operating the X-direction actuator 85 and the Y-direction actuator 87 in step S10. After that, steps S4 and subsequent steps are executed again. Then, while the above steps are repeated,
If the judgment in step S9 is affirmed, step S1
In step 1, the thermal expansion displacement at each measurement point obtained so far is displayed three-dimensionally, a thermal expansion displacement curve at each measurement point is obtained, and a frequency analysis is performed on the thermal expansion displacement curve. The thermal analysis results are displayed for each measurement point.

【0037】ここで、上記ステップS11における熱膨
張変位曲線に対する周波数解析について説明する。一般
に、図11の印加電圧に示すように半導体集積回路板2
の所定の閉回路に対して直流の解析用駆動電流を一定時
間付与したとすると、半導体集積回路板2に形成された
極めて細い配線内は、たとえば106 A/cm2 程
度の電流密度の電流が流れることによりジュール熱が発
生するため、そのジュール熱に起因して発生する熱膨張
変位は図12に示すように変化する。同様に、図13の
印加電圧に示すように半導体集積回路板2の所定の閉回
路に対して一定の周波数のパルス状解析用駆動電流を一
定時間付与したとすると、図14に示すように、解析用
駆動電流のパルス周波数に対応した変位の脈動を有する
熱膨張変位曲線が得られる。それ故、その熱膨張変位曲
線に周波数解析を施せば、図15に示すように熱膨張変
位に寄与した駆動電流のパルス周波数f1 が容易に検
出され得る。こうした半導体集積回路板上の各位置に対
して、時系列の熱膨張変位データが得られているので、
これに対して、フーリエ解析を施すことにより熱膨張変
位の周波数スペクトルが得られる。本ステップS11で
は、はじめに通電前に測定した半導体集積回路板2の表
面形状を表示器130に3次元的に表示しておき、続い
て時刻t1 での熱膨張変位データd(xi、yi、t
1 )を表示器130に3次元的に表示してやることで
、熱変形の時刻t=t1 時の様子が3次元的に表現さ
れる。以下各時刻ti 毎の熱変位データd(xi、y
i、ti )を同様に3次元表示することで、実際に半
導体集積回路に発生している熱変形の様子が時間を追っ
て観察できる。
[0037] Here, the frequency analysis for the thermal expansion displacement curve in step S11 will be explained. Generally, as shown in the applied voltage in FIG.
If a DC analytical driving current is applied for a certain period of time to a predetermined closed circuit of As a result, Joule heat is generated, and the thermal expansion displacement caused by the Joule heat changes as shown in FIG. Similarly, if a pulsed analysis drive current of a constant frequency is applied for a certain period of time to a predetermined closed circuit of the semiconductor integrated circuit board 2 as shown in the applied voltage in FIG. 13, as shown in FIG. A thermal expansion displacement curve having displacement pulsations corresponding to the pulse frequency of the analysis drive current is obtained. Therefore, by subjecting the thermal expansion displacement curve to frequency analysis, the pulse frequency f1 of the drive current that contributed to the thermal expansion displacement can be easily detected as shown in FIG. Since time-series thermal expansion displacement data is obtained for each position on the semiconductor integrated circuit board,
On the other hand, by performing Fourier analysis, a frequency spectrum of thermal expansion displacement can be obtained. In this step S11, first, the surface shape of the semiconductor integrated circuit board 2 measured before energization is displayed three-dimensionally on the display 130, and then thermal expansion displacement data d(xi, yi, t
By displaying 1) three-dimensionally on the display 130, the state of thermal deformation at time t=t1 can be three-dimensionally expressed. Thermal displacement data d(xi, y
By displaying i, ti) in three dimensions, it is possible to observe thermal deformation actually occurring in the semiconductor integrated circuit over time.

【0038】また、各測定点毎の熱膨張変位曲線に対し
て得られた周波数スペクトルを示すデータSf(xi 
、yi )を同じく3次元的に表示器130に表示して
やることにより、半導体集積回路板上の各点での熱膨張
変位スぺクトルが観察できるので、たとえば、本実施例
のように解析用駆動電流発生器5により予め定められた
複数種類の周波数の駆動電流が半導体集積回路板2内の
互いに異なる複数の回路に供給された場合には、該ヘテ
ロダイン干渉変位測定装置1により検出された局所的変
位は、測定位置毎に異なり、熱膨張変位スペクトルには
複数種類の駆動電流のいずれが上記熱膨張微小変位に寄
与しているか、或いは、いずれの回路による電流の影響
が大きいのかという情報が、図16に示すように周波数
スペクトルの周波数の差或いはスペクトル強度の差とし
て現われるので半導体集積回路板の微小部分における材
質、回路形状、および接合構造の発熱に対する影響を詳
細に調べることができるのである。今まで述べた様な方
法を取れば、拡大鏡による目視検査によっても識別でき
ない断線を検出する場合にも有効である。すなわち、熱
膨張変位曲線の時間変化の様子が断線が生じている場合
といない場合では同曲線の形状或い変位量が異なってい
たり、また熱膨張変位スペクトルとして比較した場合に
断線が存在する場合としない場合で観測されるスペクト
ルに変化が現われるので断線などの検査にも適用するこ
とができる。
Furthermore, data Sf(xi
, yi) on the display 130 in a three-dimensional manner, the thermal expansion displacement spectrum at each point on the semiconductor integrated circuit board can be observed. When drive currents of a plurality of predetermined frequencies are supplied by the current generator 5 to a plurality of different circuits in the semiconductor integrated circuit board 2, the local The displacement differs depending on the measurement position, and the thermal expansion displacement spectrum contains information about which of the multiple types of drive current contributes to the thermal expansion minute displacement, or which circuit has the greater influence of the current. As shown in FIG. 16, this appears as a difference in frequency or a difference in spectral intensity in the frequency spectrum, so it is possible to investigate in detail the influence of the material, circuit shape, and bonding structure on heat generation in minute parts of the semiconductor integrated circuit board. The method described above is also effective in detecting wire breaks that cannot be identified even by visual inspection using a magnifying glass. In other words, the shape or amount of displacement of the thermal expansion displacement curve is different depending on whether or not there is a disconnection, or if there is a disconnection when comparing the thermal expansion displacement spectra. Since changes appear in the observed spectrum when not used, it can also be applied to inspecting disconnections, etc.

【0039】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
説明したが、本発明はその他の態様においても適用され
る。
Although one embodiment of the present invention has been described above based on the drawings, the present invention can also be applied to other aspects.

【0040】たとえば、前述の実施例において、解析用
駆動電流は、所定の周波数でオンオフするパルス状であ
ったが、交流電流であってもよい。
For example, in the above-described embodiment, the analysis drive current was in the form of a pulse that turned on and off at a predetermined frequency, but it may also be an alternating current.

【0041】また、前述の実施例のヘテロダイン干渉変
位測定装置1は、反射光を平面波とするために対物レン
ズ36と半導体集積回路板2の表面との間を一定に保持
する機構および制御手段を備えたものであったが、その
ような機構および制御手段を備えない他の形式のヘテロ
ダイン干渉変位測定装置であってもよいのである。
Further, the heterodyne interference displacement measuring device 1 of the above-described embodiment includes a mechanism and control means for maintaining a constant distance between the objective lens 36 and the surface of the semiconductor integrated circuit board 2 in order to convert the reflected light into a plane wave. However, other types of heterodyne interferometric displacement measurement devices that do not include such a mechanism and control means may be used.

【0042】なお、上述したのはあくまでも本発明の一
実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲にお
いて種々変更が加えられ得るものである。
The above-mentioned embodiment is merely one embodiment of the present invention, and various modifications may be made to the present invention without departing from the spirit thereof.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上詳述したことから明らかなように、
本発明によれば、半導体集積回路板の微小領域の熱膨張
変位を高精度に且つ高速に測定し、解析することができ
るため半導体集積回路に発生する熱膨張変位が原因とな
る熱応力や熱拡散の過程を解析する装置を提供すること
ができる。
[Effect of the invention] As is clear from the detailed description above,
According to the present invention, it is possible to measure and analyze thermal expansion displacement in a minute area of a semiconductor integrated circuit board with high precision and high speed. A device for analyzing the diffusion process can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明の一実施例の構成を示すブロック線図で
ある。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an embodiment of the present invention.

【図2】図1のヘテロダイン干渉変位測定装置の構成を
説明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the heterodyne interference displacement measurement device of FIG. 1;

【図3】図2の第1計測ビート光センサの構成を示す図
である。
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a first measurement beat optical sensor in FIG. 2;

【図4】図2の試料台を支持する各移動テーブルの構成
を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of each moving table that supports the sample stage in FIG. 2;

【図5】図1の信号処理回路およびマイクロコンピュー
タなどの構成を示すブロック線図である。
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the signal processing circuit, microcomputer, etc. in FIG. 1;

【図6】図5の波形モニタ回路の構成を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the waveform monitor circuit of FIG. 5;

【図7】第1計測ビート光センサに平面波が入射した状
態を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a state in which a plane wave is incident on the first measurement beat optical sensor.

【図8】平面波ではあるが傾斜のために位相差が発生し
ている状態を示す図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a state where a phase difference occurs due to an inclination even though the wave is a plane wave.

【図9】第1計測ビート光センサに球面波が入射した状
態を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a state in which a spherical wave is incident on the first measurement beat optical sensor.

【図10】図1のマイクロコンピュータの作動を説明す
るフローチャートである。
FIG. 10 is a flowchart illustrating the operation of the microcomputer in FIG. 1;

【図11】解析用駆動電流が直流である場合の印加電圧
を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing applied voltage when the analysis drive current is direct current.

【図12】その解析用駆動電流により発生する熱膨張変
位波形を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a thermal expansion displacement waveform generated by the analytical drive current.

【図13】解析用駆動電流がパルス状である場合の印加
電圧を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing applied voltage when the analysis drive current is pulsed.

【図14】その解析用駆動電流により発生する熱膨張変
位波形を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a thermal expansion displacement waveform generated by the analysis drive current.

【図15】その熱膨張変位波形の周波数解析結果を示す
図である。
FIG. 15 is a diagram showing a frequency analysis result of the thermal expansion displacement waveform.

【図16】異なる周波数に信号強度を持つ熱膨張変位波
形の周波数解析結果を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing frequency analysis results of thermal expansion displacement waveforms having signal intensities at different frequencies.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1  ヘテロダイン干渉変位測定装置 2  半導体集積回路板 1 Heterodyne interference displacement measuring device 2 Semiconductor integrated circuit board

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  半導体集積回路板の熱膨張変位を解析
するための装置であって、前記半導体集積回路板の局所
に熱膨張を発生させるために、予め定められた複数種類
の周波数の駆動電流を該半導体集積回路板内の互いに異
なる複数の回路に供給する駆動電流供給装置と、前記半
導体集積回路板の表面の発熱による局所的変位を光学的
に検出するヘテロダイン干渉変位測定装置と、該ヘテロ
ダイン干渉変位測定装置により検出された前記半導体集
積回路板の表面の局所的変位に基づいて該半導体集積回
路板の表面の変位の変化曲線を求め、該変化曲線に周波
数解析を施す演算手段と、を含むことを特徴とする半導
体集積回路板の熱膨張変位解析装置。
1. An apparatus for analyzing thermal expansion displacement of a semiconductor integrated circuit board, the apparatus comprising: a driving current having a plurality of predetermined frequencies to generate thermal expansion locally on the semiconductor integrated circuit board; a drive current supply device that supplies a plurality of different circuits in the semiconductor integrated circuit board; a heterodyne interference displacement measurement device that optically detects local displacement due to heat generation on the surface of the semiconductor integrated circuit board; calculation means for determining a change curve of displacement of the surface of the semiconductor integrated circuit board based on the local displacement of the surface of the semiconductor integrated circuit board detected by the interference displacement measurement device, and performing frequency analysis on the change curve; A thermal expansion displacement analysis device for a semiconductor integrated circuit board, comprising:
JP40880490A 1990-12-28 1990-12-28 Thermal expansion displacement analyzing device for semiconductor integrated circuit board Pending JPH04232449A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011080960A (en) * 2009-10-09 2011-04-21 Hamamatsu Photonics Kk Semiconductor inspection device

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