JPH04317350A - 非接触型電位測定装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非接触で試料の任意の
場所の電位を測定する事が可能な電位測定装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体の高密度集積及び高速動作
化が急速に進んでいる。そうした集積回路内の状態を破
壊する事なく任意の信号線の電位を測定することが、そ
の回路の機能評価、特性評価また故障解析において必要
とされている。微細化、高速化が進むため接触型の電位
測定装置では、回路に余分な負荷がかかるため回路内部
の状態を正確に測定することが不可能なため、非接触型
の電位測定装置が要求されている。

【０００３】以下図面を参照しながら、上記した従来の
非接触型電位測定装置の一例であるＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ−Ｂｅａｍ　）テスターについて説明する。

【０００４】図４は従来のＥＢテスターの構成を示す概
略図である。図４において、試料４０５に未知の電圧４
０９が印加されている。４０１は集束された電子線、４
０２はその電子線４０１を偏向させる偏向板、４０３は
発生した２次電子を集めるための電圧４１０が印加され
た第１グリッドであり、４０４はグリッド４０３を通過
した２次電子のうちあるエネルギー以下の電子を排除す
るための電圧４１１が印加された第２グリッドである。 ４０６は２次電子の電荷量を検出するための２次電子検
出手段であり、４０７は２次電子検出手段４０６で検出
された電荷による電流を測定する電流測定手段である。

【０００５】以上のように構成されたＥＢテスターにつ
いて、以下その動作について図５を用いて説明する。

【０００６】まず電子線４０１は、偏向板４０２により
試料４０５の任意の位置に照射される。電子線を照射さ
れると、その位置の電位に固有のエネルギー分布をもつ
２次電子が生成される。この２次電子のエネルギー分布
は測定位置の電位が０Ｖの時図５ａのように数ｅＶの所
にピークをもつ分布となるが、測定位置が負の電位をも
つ場合その分布は、図５ｂのようにエネルギーの高い方
にシフトする。このシフト量は、測定位置の電位に対応
する。得られた２次電子は、数十Ｖの正の電圧４１０が
印加された第１グリッド４０３により集められる。この
うち、あるエネルギー以下のものは負の電圧４１１が印
加された第２グリッド４０４により排除される。このた
め集められる２次電子は、図５ａ，ｂの斜線の部分のエ
ネルギー領域にあるものとなる。２次電子検出手段４０
６の出力電流は、電流測定手段４０７により測定される
。ここで得られる電流は図５ａ，ｂの斜線で示した面積
に比例する。この面積は、明らかに測定位置の電位によ
り変化するため、この電流を測定することにより、測定
位置の電位を測定することが可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、試料に入射する粒子と試料から発生する
粒子が共に電子であるため、入射粒子を集束させるため
の電磁場系と２次電子を集めるための電磁場系とが干渉
しやすい。このため２次電子の捕獲率が低下して、電位
測定精度が低下するという問題点を有していた。

【０００８】また、入射粒子が電子であるためその集束
系を小型化しにくく、また、複数の入射ビームを与える
には独立した集束系が複数必要となり、装置全体が大型
化し、コストも高くなる。

【０００９】さらに、従来の２次電子検出系では、仮に
複数の入射ビームを試料の異なる位置に入射できたとし
てもそこから得られる複数の独立した２次電子を区別す
ることが困難であるため、試料の複数の位置の電位を同
時に測定することが困難であるといった問題を有してい
た。

【００１０】本発明は、上記問題点に鑑み、測定精度が
高く、また非測定物の複数の位置の電位を同時に測定す
ることが可能な非接触型電位測定装置を提供するもので
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
非接触型電位測定装置は、光子発生手段と、この光子発
生手段により発生された光子を収束させる収束手段と、
前記収束された光子を導く導波手段と、この導波手段の
出力端を試料の任意の場所に向ける駆動手段と、光電効
果により試料から発生した光電子を加速しうる電圧が印
加された第１グリッド手段と、この第１グリッド手段を
通過した光電子のうちあるエネルギー以下の光電子を通
過させないだけの電圧が印加された第２グリッド手段と
、この第２グリッド手段を通過した光電子の電荷量を検
出する為の電子検出手段と、この電子検出手段により検
出された電子による電流を測定する電流測定手段とを備
えるという構成をなすものである。

【００１２】本発明の請求項２に係る非接触型電位測定
装置は、上記構成に於て、光電子を加速するための電場
の方向と平行な向きに磁場を発生する磁場発生手段を備
えるものである。

【００１３】本発明の請求項５に係る非接触型電位測定
装置は、上記構成における電子検出手段が複数の入射電
子の入射位置と、入射電荷量を同時に検出することを特
徴とする。

【００１４】

【作用】本発明は請求項１に係る構成によって、入射粒
子に光子を用い、測定位置での光電効果による光電子の
うちあるエネルギー以上の光電子の電荷量を検出する。 この電荷による電流は、測定位置の電位に依存するため
、この電流を測定することで測定位置の電位を測定する
ことが可能である。入射粒子が光子であるため容易に複
数の異なる場所に集束させることが可能である。

【００１５】また本発明は請求項２に係る構成によって
、電場方向と平行な向きに磁場を加えることにより、発
生した光電子は螺旋運動をしながら検出器に入射するた
め、発生時に電場方向と著しく異なった方向に出た光電
子であっても検出率は低下しない。また、光電子が螺旋
運動しながら電場方向に進むことにより異なった場所か
ら発生した光電子は、その発生位置間の距離を保存した
まま検出すこる事が可能である。

【００１６】さらに本発明は請求項５に係る構成によっ
て、電子検出器として複数の電子の入射位置とその電荷
量を同時に検出可能である検出器を用いることにより、
複数の異なる測定位置の電位を同時に測定することが可
能となる。

【００１７】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の一実施例の非接触型電位測定
装置について、図面を参照しながら説明する。図１は本
発明の実施例における非接触型電位測定装置の構成図を
示すものである。

【００１８】図１において、試料１０６には未知の電圧
１０７が印加されているとする。１０１は短波長レーザ
ーを用いた光子発生手段である。１０２は光子発生手段
１０１により発生された光子を収束させるレンズ群によ
る収束手段であり、１０３は光子を導く光ファイバーか
らなる導波手段であり、１０４は導波手段１０３の出力
端を試料の任意の場所に向ける駆動手段である。１０５
は光路である。

【００１９】１０８は光電効果により発生した光電子を
加速しうる電圧１０９が印加された平板状の第１グリッ
ド手段であり、１１０は第１グリッド手段１０８を通過
した光電子のうち、あるエネルギー以下の光電子を通過
させないだけの電圧１１１が印加された平板状の第２グ
リッド手段であり、１１２は第２グリッド手段１１０を
通過した光電子を加速するための電圧１１３が印加され
た平板状の第３グリッド手段である。これら第１、第２
、第３グリッド手段１０８，１１０，１１２は互いに平
行に配置されている。１１４は第３グリッド手段１１２
により加速された光電子の電荷を検出する為の電子検出
手段である。この電子検出手段１１４には、たとえば半
導体検出器等を用いる。１１５は電子検出手段１１４に
より検出された電荷による電流を測定する電流測定手段
である。

【００２０】以上のように構成された非接触型電位測定
装置について、以下図１、図２を用いてその動作を説明
する。

【００２１】図２は、金属にあるエネルギーの光子を照
射したときの光電効果によリ放射される光電子のエネル
ギー分布を示したものである。金属にその仕事関数より
も高いエネルギーの光子を照射すると光電効果により光
電子が放射される。例えば、アルミニウムの仕事関数は
約４．４ｅＶであるため、波長が約２８０ｎｍ以下であ
る光子を用いることにより光電子を生成できる。試料で
ある金属の電位が０Ｖのときは光電子のエネルギー分布
は図２ａのように２〜３ｅＶのエネルギー領域にピーク
を持つが、試料に負の電位が与えられたときには、図２
ｂの様になる。このピークのシフト量は試料に与えられ
た電位Ｖに対応する。このとき、あるエネルギー以上の
光電子だけを集めてその電荷量を測定すると図２ａ，ｂ
のそれぞれ斜線部の面積に比例した電荷量が得られ、こ
れは測定位置の電位に依存する。したがって、この電荷
量を求めることで試料の電位を測定することが可能であ
る。　　この原理を用いて、本実施例の非接触型電位測
定装置の動作を説明すると、光子発生手段１０１により
、試料の仕事関数よりも高いエネルギーを持つ光子を発
生させる。この光子は、収束手段１０２により収束され
、導波手段１０３とその出力端を移動させる駆動手段１
０４により、試料の任意の位置に照射される。照射され
た位置での光電効果により生じた光電子は数十Ｖの電圧
が与えられた第１グリッド手段１０８により加速され、
第１グリッド手段１０８を通過した光電子は、たとえば
マイナス５Ｖの電圧が与えられた第２グリッド手段１１
０により約５ｅＶ以下の光電子は通過できない。第２グ
リッド手段１１０を通過した光電子は、数キロＶの電圧
が印加された第３グリッド手段１１２との間に生じる電
場により十分に加速された後、電子検出手段１１４によ
り検出され、その電荷による出力電流が電流測定手段１
１５により測定され、その電流値から試料の電位が測定
できる。

【００２２】以上のように本実施例によれば、入射粒子
として短波長レーザーからの光子を用い、この光子が照
射された試料での光電効果により生成された光電子のう
ち、あるエネルギー以上の光電子の電荷による電流を測
定することにより、入射粒子である光子の集束系と検出
粒子である電子の収集系が干渉する事なく試料任意の位
置の電位を非接触で測定することができる。また、入射
粒子が光子であるためその集束系には、一般的な光学系
を用いることが可能であるため容易に小型化が可能であ
り、照射位置を移動させるための光路の変形も容易であ
る。また、入射粒子集束系と検出粒子の収集系が干渉し
ないため検出粒子の収集系の電磁場回路の設計が容易で
あり、検出効率の高い系が実現可能である。このことは
、測定装置の精度が向上することを意味する。

【００２３】また、入射光子を導波手段１０３と駆動手
段１０４によって容易に試料の任意の位置に照射するこ
とができるため、試料の任意の位置の電位を容易に測定
することができる。

【００２４】（実施例２）以下本発明の第２の実施例に
ついて図面を参照しながら説明する。

【００２５】図３は本発明の第２の実施例を示す非接触
型電位測定装置の構成図である。同図において、試料１
０６には未知の電圧１０７が印加され、試料３０１には
未知の電圧３０２が印加されているとする。１０１は短
波長レーザー等を用いた光子発生手段であり、１０２は
光子発生手段１０１により発生された光子を収束させる
レンズ群による収束手段である。３０３は、ハーフミラ
ーによる光路分割手段であり、１０３は光子を導く光フ
ァイバーからなる導波手段であり、１０４は導波手段１
０３の出力端を被測定物の任意の場所に向ける駆動手段
である。１０５は光路である。１０８は光電効果により
発生した光電子を加速しうる電圧１０９が印加された平
板状の第１グリッド手段であり、１１０は第１グリッド
手段１０８を通過した光電子のうちあるエネルギー以下
の光電子を通過させないだけの電圧１１１が印加された
第２グリッド手段である。１１２は第２グリッド手段１
１０を通過した光電子を加速するための電圧１１３が印
加された平板状の第３グリッド手段である。これら第１
、第２、第３グリッド手段１０８，１１０，１１２が互
いに平行に配置されている。

【００２６】３０４は複数の入射電子の入射位置と電荷
量を同時に測定可能なＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ−Ｓｅ
ｎｓｉｔｉｖｅ−Ｄｅｔｅｃｔｅｒ、これには多チャン
ネルのマイクロ・ストリップ・シリコン検出器などを用
いる）からなる電子検出手段であり、１１５はＰＳＤ３
０４の各チャンネルに接続された電流測定手段である。 ３０５はその内部に作られる磁場の方向が第２、第３グ
リッド手段１１０，１１２により作られる電場方向に平
行になる様に設けた電流供給手段３０６を備えたソレノ
イドコイルからなる磁場発生手段である。

【００２７】以上のように構成された非接触型電位測定
装置について、以下その動作を説明する。

【００２８】光子発生手段１０１によリ発生された光子
は、収束手段１０２によリ収束される。収束された光子
は、ハーフミラー３０３により２つの光路に分割され各
々独立した導波手段１０３と駆動手段１０４により試料
１０６と、試料３０１に照射される。生成された光電子
は、第１グリッド手段１０８により吸引され、あるエネ
ルギー以上の光電子は第２グリッド手段１１０を通過し
、第３グリッド手段１１２との間に作られた電場により
加速され電子検出手段３０４に入射する。このとき、磁
場発生手段３０５により作られる電場に平行な磁場の存
在により、光電子はその進行方向に対して垂直な面内で
円運動を行う。これは、光電子が螺旋運動をしながら加
速されることを意味する。この円運動は、光電子が電場
方向に対して垂直方向の運動量を持つ場合に引き起こさ
れる。この螺旋運動のおかげで２つの試料から独立に発
生した光電子は、各々交じり合う事なく発生したときの
距離を保存したまま電子検出手段３０４に入射する。 ここで、放射される光電子は数ｅＶのエネルギーを持つ
ため、仮に電場方向に垂直なエネルギー成分が１ｅＶで
あったとすると、４テスラ程度の磁束密度を持つソレノ
イドコイルを用いることでその螺旋運動の半径は１μｍ
以下になる。このため数μｍ程度離れた位置から同時に
放射された光電子を各々分離して電子検出手段３０４に
入射させることが可能である。ＰＳＤ３０４は、異なる
入射位置の光電子の電荷量を同時にかつ独立に検出する
。各々の光電子の電荷による電流を入射位置に対応した
電流測定手段１１５により測定する。この電流値から試
料の電位が測定可能である。このようにして２つの試料
の電位が同時に測定される。

【００２９】以上のように、磁場発生手段３０５をその
内部に作られる磁場を、第２、第３グリッド手段１１０
，１１２により作られる電場と平行になる様に設けるこ
とにより、光電子を螺旋運動させる。このことは電場方
向に対して垂直方向の運動量の存在により光電子が電場
方向以外の方向へ進むことを抑制するため、電子検出手
段３０４の光電子に対する捕獲率（検出効率）を上げる
ことが可能である。

【００３０】また、光路分割手段３０３と、独立した導
波手段１０３と駆動手段１０４を設け、異なる試料の任
意の位置に光子を照射し、生成される光電子を独立かつ
同時に検出可能な電子検出手段３０４を設けることによ
り、２つの試料の任意の位置の電位を同時に測定するこ
とが可能である。電子検出手段３０４に、複数の入射電
子の入射位置と電荷量を同時に検出可能なＰＤＳを用い
ることにより、同時に複数の測定位置の電位を測定する
ことが可能である。

【００３１】なお、本実施例では磁場発生手段３０５は
ソレノイドコイルとしたが、永久磁石を用いてもよい。 また、本実施例では試料１０６と試料３０１を独立に記
載したが、試料３０１は試料１０６と同一試料内の異な
る電位測定位置としてもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明の請求項１に係る構
成によって、入射粒子である光子の集束系と検出粒子で
ある電子の収集系が干渉する事なく試料の任意の位置の
電位を非接触で測定することができる。また、入射粒子
が光子であるためその集束系には、一般的な光学系を用
いることが可能であるため容易に小型化が可能であり、
照射位置を移動させるための光路の変形も容易である。 また、入射粒子集束系と検出粒子の収集系が干渉しない
ため検出粒子の収集系の電磁場回路の設計が容易であり
、検出効率の高い系が実現可能である。このことは、測
定装置の精度が向上することを意味する。

【００３３】また本発明の請求項２に係る構成によって
、光電子を加速する電場と平行な磁場を作る磁場発生手
段を設けることにより、光電子の電場方向と垂直な方向
の運動量をキャンセルすることが可能であり、このこと
は光電子が電場方向以外へ進むことによる検出効率の低
下を無くすことができる。

【００３４】また、光路分割手段と複数の導波手段と複
数の駆動手段を設けることにより、同時に光子を異なる
測定位置に照射することが可能であり、先の磁場発生手
段により、異なる測定位置からの光電子を互いに混じり
合う事なく電子検出手段へ導くことが可能である。電子
検出手段に、複数の入射電子の入射位置と電荷量を同時
に検出可能なＰＤＳを用いることにより、同時に複数の
測定位置の電位を測定することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における非接触型電位測
定装置の構成図である。

【図２】同実施例における動作説明図である。

【図３】本発明の第２の実施例における非接触型電位測
定装置の構成図である。

【図４】従来の非接触型電位測定装置の概略図である。

【図５】従来技術における動作説明図である。

【符号の説明】

１０１　　光子発生手段 １０２　　収束手段 １０３　　導波手段 １０４　　駆動手段 １０６　　試料 １０８　　第１グリッド手段 １１０　　第２グリッド手段 １１２　　第３グリッド手段 １１４　　電子検出手段 １１５　　電流測定手段 ３０３　　光路分割手段 ３０４　　ＰＳＤ ３０５　　磁場発生手段

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光子発生手段と、この光子発生手段により
   発生された光子を収束させる収束手段と、前記収束され
   た光子を導く導波手段と、この導波手段の出力端を試料
   の任意の場所に向ける駆動手段と、光電効果により試料
   から発生した光電子を加速しうる電圧が印加された第１
   グリッド手段と、この第１グリッド手段を通過した光電
   子のうちあるエネルギー以下の光電子を通過させないだ
   けの電圧が印加された第２グリッド手段と、この第２グ
   リッド手段を通過した光電子の電荷量を検出する為の電
   子検出手段と、この電子検出手段により検出された電子
   による電流を測定する電流測定手段とを備えた非接触型
   電位測定装置。
2. 【請求項２】請求項１記載において、光電子を加速する
   ための電場の方向と平行な向きに磁場を発生する磁場発
   生手段を備えることを特徴とする非接触型電位測定装置
   。
3. 【請求項３】請求項２記載の磁場発生手段が、電場方向
   をその中心軸に平行になる様に配したソレノイドコイル
   からなることを特徴とする非接触型電位測定装置。
4. 【請求項４】請求項２記載において、複数の光路分割手
   段と、この複数の光路分割手段によリ分割された光子を
   導く複数の導波手段と、この複数の導波手段の出力端を
   被測定物の複数の任意の場所に独立に向ける駆動手段を
   備えることを特徴とする非接触型電位測定装置。
5. 【請求項５】請求項４記載において、電子検出手段が複
   数の入射電子の入射位置と、入射電荷量を同時に検出す
   ることを特徴とする非接触型電位測定装置。