JPH06242152A - 集積回路の試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 測定対象の集積回路に近接して非線形光学素
子を配置し、その集積回路の動作電界による非線形光学
素子の光学特性の変化をプローブ光により測定してその
集積回路の動作を試験する装置において、測定を容易に
する。 【構成】 光学特性を測定するためのプローブ光の一部
を利用して回路パターンを測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はチップ上に集積された電
子回路の試験に利用する。特に、光サンプリングオシロ
スコープを用いてＬＳＩ内部の超高速現象および動作中
の各種の特性を測定する試験装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】チップ上に集積された電子回路を非破壊
で測定するひとつの方法として、光サンプリングオシロ
スコープを利用することが提案されている。この方法で
は、電界によって複屈折率が変化する非線形光学素子、
例えばＫＴＰなどの電気光学結晶を測定対象の電子回路
の近傍に配置し、サンプリングのためのレーザ光（「プ
ローブ光」ともいう）を照射して、その反射光の偏波面
の変化を波形として測定する。すなわち、反射光の偏波
面を測定することで、測定対象の電子回路の電界波形、
さらにはその動作状態を知ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、光サンプリン
グオシロスコープを利用した測定技術はまだ開発段階で
あり、簡単な回路についての測定例は報告されている
が、チップ上の電子回路、特にＬＳＩを全体的に試験す
るようなものは現在のところ知られていない。

【０００４】本発明は、光サンプリングオシロスコープ
を利用してＬＳＩ全体を試験できるような技術を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の集積回路の試験
装置は、測定対象の集積回路に近接して配置され、その
集積回路の動作時の電界によって光学特性、例えば複屈
折率、が変化する非線形光学素子と、この非線形光学素
子にレーザ光によるプローブ光を照射する第一の光学手
段と、この非線形光学素子の光学特性の変化によって生
じる反射光の変化、例えば偏波面の回転、を検出する第
二の光学手段と、この第二の光学手段により検出された
反射光の変化から集積回路の電気的特性を求める第一の
処理手段とを備えた集積回路の試験装置において、非線
形光学素子を透過して集積回路により反射された光を検
出する第三の光学手段と、この第三の光学手段の検出出
力から集積回路の回路パターンを求める第二の処理手段
とを備えたことを特徴とする。

【０００６】プローブ光の集光の深さを非線形光学素子
内と集積回路の表面とで切り替える集光調整手段を備え
ることがよい。

【０００７】第一の光学手段はプローブ光として非線形
光学素子内またはその端面で反射される波長と透過する
波長とを時分割で発生する光源装置を含み、この光源装
置の波長切替えに同期して集光調整手段を動作させるこ
とが望ましい。この場合、光源装置として波長可変の半
導体レーザ光源を用いてもよく、二つのレーザ光源を用
いてもよい。また、これに対応して、第二の光学手段と
第三の光学手段とが同一の光学系を時分割で用いる構成
とすることもでき、第二の光学手段に入射する光波長と
第三の光学手段に入射する光波長とを分離する構成とす
ることもできる。

【０００８】また、これとは別に、第一の光学手段はプ
ローブ光として非線形光学素子内またはその端面で反射
される波長と透過する波長とを同時に発生する光源装置
を含んでもよい。この場合には、第二の光学手段に入射
する光波長と第三の光学手段に入射する光波長とを分離
する波長分離手段を備えることが必要である。

【０００９】測定対象の集積回路による反射光から回路
パターンを求める代わりに、またはそれに組み合わせ
て、その集積回路の回路パターンに関する情報を外部の
設計支援装置から取り込む手段を備えることもできる。

【００１０】

【作用】プローブ光により集積回路の電界波形を測定す
るとともに、そのプローブ光の一部を回路パターンの読
み取りに利用する。これにより、回路パターンとその電
界波形とを組み合わせて検査でき、解析が容易になる。
また、読み取った回路パターンに沿って測定位置を変え
ることにより、その回路の動作状態および各種の特性を
自動的に検査することができる。

【００１１】さらに、外部の設計支援装置（ＣＡＤ）か
らその集積回路の回路パターンに関する情報、例えば設
計時のマスクデータや回路設計データを取り込むことに
より、検査基板の自動位置決め、配線パターンの検査、
さらには回路の特性試験を自動的に行えるようになる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の実施例を示すブロック構成図
であり、光サンプリングオシロスコープを利用した電子
回路の試験装置の全体構成を示す。図２はその一部を詳
しく示す。

【００１３】測定対象のＬＳＩは基板ステージ１上に載
置され、その近傍には電気光学サンプリングヘッド顕微
鏡２が配置される。電気光学サンプリングヘッド顕微鏡
２にはモニタＣＲＴ３が接続される。電気光学サンプリ
ングヘッド顕微鏡２、測定対象のＬＳＩ、基板ステージ
１はそれぞれ、サンプリングヘッド制御部４、ＬＳＩ駆
動回路５、ステージ駆動制御部６により制御される。Ｌ
ＳＩ駆動回路５はサンプリングヘッド制御部４により制
御される。サンプリングヘッド制御部４およびステージ
駆動制御部６は演算装置７に接続される。演算装置７に
は、計測データメモリ８、制御コンソール９、表示装置
１０、外部記憶装置１１およびマスク設計データメモリ
１２が接続される。

【００１４】基板ステージ１は、測定対象のＬＳＩウェ
ハを保持し、任意の測定的に移動させる。

【００１５】電気光学サンプリングヘッド顕微鏡２は、
図２に示すように、パルス幅がピコ秒オーダ以下の超短
パルス光を発生するパルスレーザ２１と、非線形光学素
子として電気光学結晶が設けられたサンプリングヘッド
２２とを備え、さらに、パルスレーザ２１からの超短パ
ルス光をサンプリングヘッド２２内に集光させるレンズ
光学系（図示せず）を備える。サンプリングヘッド２２
は測定対象のＬＳＩに近接して配置され、その電気光学
結晶の複屈折率がＬＳＩの動作時の電界によって変化す
る。

【００１６】電気光学サンプリングヘッド顕微鏡２はま
た、電気光学結晶の光学的特性の変化によって生じる反
射光の変化を検出するため、フォトダイオード２３１お
よびロックインアンプ２３２からなる信号検出装置２３
と、パルスレーザ２１の出力光をサンプリングヘッド２
２に導くとともにその反射光を信号検出装置２３に導く
光学系２４とを備える。図２には、光学系２４に偏光子
２４１および波長板２４２を用い、サンプリングヘッド
２２への入射光と反射光とを偏光により分離する場合を
示した。

【００１７】電気光学サンプリングヘッド顕微鏡２はさ
らに、電気光学結晶を透過して集積回路により反射され
た光を検出する光学手段を備える。この詳細については
後述する。

【００１８】モニタＣＲＴ３は、電気光学サンプリング
ヘッド顕微鏡２により実際に測定されている波形、もし
くは集積回路により反射された光による集積回路パター
ン像を随時表示する。

【００１９】サンプリングヘッド制御部４は、シンセサ
イザ４１およびデジタルオシロスコープ４２を備える。
シンセサイザ４１は、測定対象のＬＳＩを試験するため
の信号パターンを生成するとともに、それに同期してパ
ルスレーザ２１を動作させ、超高速現象を測定できるよ
うにする。デジタルオシロスコープ４２は、ＬＳＩを動
作させている信号パターンと、ロックインアンプ２３２
の出力波形とを同時または選択的に表示する。測定され
た波形はまた、計測データメモリ８に直接蓄えられる。
サンプリングヘッド制御部４はまた、測定対象の集積回
路により反射された光の検出出力を取り込んでその集積
回路の回路パターンを求め、演算装置７に出力する。

【００２０】ＬＳＩ駆動回路５はシンセサイザ４１から
の信号パターンにより測定対象のＬＳＩを動作させ、ス
テージ駆動制御部６は基板ステージ１に対して駆動用の
信号を出力する。

【００２１】演算装置７は、制御コンソール９から手動
により入力されたステージ位置、移動方向、サンプリン
グ条件、計算データの処理方法などのデータを取り込
み、計測データメモリ８に蓄えられたデータの処理、表
示装置１０（プリンタおよびまたはＣＲＴ）への表示、
外部記憶装置１１とのデータ授受、サンプリングヘッド
制御部４およびステージ駆動制御部６の制御などの処理
を行う。

【００２２】サンプリングヘッド制御部４から計測デー
タメモリ８に蓄えられるデータは、そのままの形では後
で人間が処理しなければ必要な情報が得られない。演算
装置７は、そのような情報を得るための手助けをし、反
射光の変化からＬＳＩの電気的特性を求める。

【００２３】図１に示した試験装置はまた、マスク設計
データメモリ１２を備える。このマスク設計データメモ
リ１２は、磁気記憶テープまたはオンラインにより、設
計支援装置からのマスクデータや回路データを取り込ん
で蓄える。演算装置７は、このマスク設計データメモリ
１２に蓄えられたデータから回路特性予測値を求め、計
測データと比較することができる。また、マスクデータ
との比較により、パターン断線などの外観点検、マスク
データに従った基板ステージ１の駆動、自動位置決めを
行うことができる。

【００２４】自動位置決めを行うには、マスクデータか
ら位置の基準となる点、例えばマスクの位置決め用のマ
ークの場所を探して起点を設定し、その後は、マスクデ
ータに従って任意の位置まで基板ステージ１を移動させ
ればよい。

【００２５】ここで本発明は、電気光学サンプリングヘ
ッド顕微鏡２の構成およびその出力信号の処理に関する
ものである。すなわち、従来の試験装置ではＬＳＩの電
気的な特性のみを測定していたのに対し、本発明では、
電気的な特性の測定と同時または時分割で連続的に、同
一の光学系を利用して回路パターンを読み取る。この構
成について以下に詳しく説明する。

【００２６】図３は本発明の測定原理を示す図である。

【００２７】電気光学サンプリングヘッド顕微鏡２内に
はレンズ光学系２７が設けられ、パルスレーザからのプ
ローブ光を集光してサンプリングヘッド２２に入射す
る。サンプリングヘッド２２内には電気光学結晶２２１
が設けられ、その電気光学結晶２２１にプローブ光を集
光させることにより、その電気光学結晶２２１に近接し
ているＬＳＩの電気的特性を測定できる。本発明ではさ
らに、レンズ光学系２７を移動させてプローブ光を基板
の表面に集光させ、その反射光により回路パターンのイ
メージを得る。

【００２８】プローブ光としては、電気光学結晶２２１
で反射される波長のものと、電気光学結晶２２１を透過
する波長のものとの二つを使用することがよい。電気的
特性の測定効率を高めるために電気光学結晶２２１の端
面に高反射ミラーが設けることがあるが、その場合に
は、波長を変えることによりそのミラーを透過させるこ
とができ、配線パターンの読み取りに利用できる。

【００２９】二つの波長は、時分割で切り替えてもよ
く、二つを合波して用いてもよい。時分割で切り替える
場合には、それぞれの波長に対応して別個の受光系（波
長選択手段および受光素子）を設けてもよいが、同一の
受光系を波長の切り替えに同期して利用することもでき
る。二つの波長を時分割で切り替える場合には、これに
同期してレンズ光学系２７を移動させるとよい。合波し
て用いる場合には波長を分離する必要があり、それぞれ
の波長に対して別個の受光系を設けることがよい。ただ
し、電気的特性の測定と回路パターンの測定とは時分割
で行う。

【００３０】二つの波長を合波して用いる場合には、レ
ンズ光学系２７の波長収差を利用して、電気的特性測定
用の波長を電気光学結晶に集光させ、同時に回路パター
ン測定用の波長の回路パターン上に集光させることも不
可能ではない。ただし、レンズ光学系２７の構成が複雑
になり、しかも、電気光学結晶と測定対象のＬＳＩとの
距離などの測定条件が厳密となり、実用的ではない。

【００３１】電気的特性の測定と回路パターンの測定と
でプローブ光の偏波面を変えることもできる。ただし、
その場合には、偏波面の変化による電気的特性の測定に
影響しないようにする必要がある。単純には、電気的特
性の測定と回路パターンの測定とを時分割で行えばよ
い。

【００３２】図４は電気的な特性の測定と回路パターン
の測定とを行う具体的な構成例を示すブロック図であ
り、図１における電気光学サンプリングヘッド顕微鏡２
の詳しい構成を示す。

【００３３】サンプリングヘッド２２の先端には、測定
対象のＬＳＩに近接して、そのＬＳＩの動作時の電界に
よって光学特性が変化する電気光学結晶２２１、例えば
ＫＴＰ結晶を備える。この実施例はまた、電気光学結晶
２２１にレーザ光によるプローブ光を照射する第一の光
学手段として電気特性計測用半導体レーザ光源２１１、
回路パターン計測用半導体レーザ光源２１２、二光波合
成ミラー２１３、偏光子および波長板（図示せず）から
なる光学系２４を備え、電気光学結晶２２１の光学特性
の変化によって生じる反射光の変化を検出する第二の光
学手段として信号検出装置２３を備える。これに対応し
て図１に示したサンプリングヘッド制御部４および演算
装置７には、信号検出装置２３により検出された反射光
の変化から集積回路の電気的特性を求める第一の処理手
段が設けられる。

【００３４】ここでこの例の特徴とするところは、電気
光学結晶２２１を透過して測定対象のＬＳＩにより反射
された光を検出する第三の光学手段として信号検出装置
２３が時分割で利用され、この第三の光学手段の検出出
力から集積回路の回路パターンを求める第二の処理手段
がサンプリングヘッド制御部４および演算装置７に設け
られたことにある。本実施例はさらに、プローブ光の集
光深さを電気光学結晶２２１内と測定対象のＬＳＩの表
面とで切り替える集光調整手段としてレンズ光学系制御
装置２８を備え、信号検出装置２３、レンズ光学系制御
装置２８、回路パターン計測用半導体レーザ光源２１１
および電気特性計測用半導体レーザ光源２１２を動作を
同期させる制御装置２９を備える。

【００３５】この例では、２波長を交互に照射して電気
的特性と回路パターンとの読み取りを行う。すなわち、
半導体レーザ光源２１１、２１２を制御装置２９により
交互に動作させ、それを二光波合成ミラー２１３で合波
してサンプリングヘッド２２に導く。また、二つの半導
体レーザ光源２１１、２１２の動作に同期してレンズ光
学系制御装置２８によりレンズ光学系２７を調整し、半
導体レーザ光源２１１からのプローブ光（以下「第一の
プローブ光」という）を電気光学結晶２２１に集光さ
せ、半導体レーザ光源２１２からのプローブ光（以下
「第二のプローブ光」という）をＬＳＩ表面に集光させ
る。電気光学結晶２２１の端面には、第一のプローブ光
を反射して第二のプローブ光を透過するダイクロイック
ミラー２２２が設けられる。

【００３６】レンズ光学系制御装置２８はまた、電気的
特性および回路パターンを二次元的に計測できるよう
に、第一のプローブ光および第二のプローブ光をサンプ
リングヘッド２２内で走査させることができる。

【００３７】この構成において、第一のプローブ光は、
電気光学結晶２２１により測定対象ＬＳＩの電界に応じ
て偏波面の変化を受け、ダイクロイックミラー２２２で
反射され、信号検出装置２３に入射する。信号検出装置
２３の検出出力は、図１に示したサンプリングヘッド制
御部４により処理され、電気的特性のデータとして計測
データメモリ８に蓄えられる。また、第二のプローブ光
は、測定対象のＬＳＩ表面で反射し、第一のプローブ光
と同様に信号検出装置２３に入射する。信号検出装置２
３の検出出力はサンプリングヘッド制御部４により処理
され、回路パターンが求められる。

【００３８】第一のプローブ光および第二のプローブ光
のそれぞれの光源としては、例えば７８０ｎｍ、８３０
ｎｍの二つの半導体レーザ光源を用いる。この場合、ダ
イクロイックミラー２２２としては、７８０ｎｍの波長
で高反射、８３０ｎｍの波長で透過するようなものを用
いる。

【００３９】また、二つの半導体レーザ光源２１１、２
１２に代えて、一個の周波数可変半導体レーザ光源で交
互に二つの波長のプローブ光を発生することもできる。

【００４０】図５は電気光学サンプリングヘッド顕微鏡
の別の構成例を示す。この例は、二つの半導体レーザ光
源２１１、２１２を交互ではなく同時に動作させること
が図４の構成と異なる。

【００４１】すなわち、電気光学結晶２２１内またはそ
の端面で反射される波長と透過する波長とを同時に発生
する光源装置として、二つの半導体レーザ光源２１１、
２１２を備え、これに対応して受光側には、二つの光波
長を分離するダイクロイックミラー２３３と、電気光学
結晶２２１の光学特性の変化によって生じる反射光の変
化を検出する信号検出装置２３と、電気光学結晶２２１
を透過してＬＳＩにより反射された光を検出する回路パ
ターン計測装置２３４とを備える。その他の動作は図４
に示した構成例と同等である。

【００４２】以上の実施例では光源装置として一以上の
半導体レーザ光源を用いた例を示したが、色素レーザを
用いても同様に本発明を実施できる。また、ＹＡＧレー
ザなどの単一波長のレーザ光とその高調波とを利用する
こともできる。プローブ光の波長間隔としてはダイクロ
イックミラーにより分離可能であればどのような波長で
もよい。公知のダイクロイックミラーによる分離可能な
波長間隔は１０ｎｍ程度である。

【００４３】ここで、レンズによる色収差の影響につい
て、ＢＫ７とフューズドシリカの場合について説明す
る。これらの材料の屈折率および両凸レンズの焦点距離
は次のように表され、そのグラフを図６に示す。

【００４４】

【数１】 ｆ₀ ＝５０ｎｍのレンズの場合、波長が８３０ｎｍと７
８０ｎｍのときには、焦点距離の差はそれぞれ９８．８
μｍ、９７、０μｍとなる。色収差の小さな市販のアク
ロマテックレンズレンズを用いた場合には、焦点距離の
差は約４０μｍである。プローブヘッドと基板正面との
距離は感度の点で数μｍ以内が望ましいので、市販のレ
ンズをそのまま使用する場合には波長に合わせて若干の
微調整が必要である。アクロマティックレンズを専用に
設計することにより、この色収差を数μｍにすることが
できる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の集積回路
の試験装置は、測定対象のＬＳＩの電気的特性とともに
回路パターンを読み取ることができるので、そのＬＳＩ
の特性の解析に効果がある。

【００４６】また、外部の設計支援装置からその集積回
路の設計時のマスクデータや回路設計データを取り込む
場合には、そのデータと計測データとを用いて、検査基
板の自動位置決め、配線パターンの検査、さらには回路
の特性試験を自動的に行えるようになる。すなわち、そ
のデータから各回路点での応答特性を演算により予測で
き、それに対応した点での測定データから回路設計の良
否および製造時の良、不良を判定できるようになる。ま
た、その試験データを設計にフィードバックすれば、素
子の物理的な理解を深める助けにもなり、ＬＳＩの開発
効率が飛躍的に向上し、新たな物理現象の発見や新素子
の開発にも役立つ可能性がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例を示すブロック構成図であり、光サンプ
リングオシロスコープを利用した電子回路の試験装置の
全体構成を示す図。

【図２】その一部を詳しく示す図。

【図３】測定原理を示す図。

【図４】電気的な特性の測定と回路パターンの測定とを
行う具体的な構成例を示すブロック図。

【図５】別の構成例を示す図。

【図６】焦点距離の波長分散を表すグラフ。

【符号の説明】

１ 基板ステージ ２ 電気光学サンプリングヘッド顕微鏡 ３ モニタＣＲＴ ４ サンプリングヘッド制御部 ５ ＬＳＩ駆動回路 ６ ステージ駆動制御部 ７ 演算装置 ８ 計測データメモリ ９ 制御コンソール １０ 表示装置 １１ 外部記憶装置 １２ マスク設計データメモリ ２１ パルスレーザ ２２ サンプリングヘッド ２３ 信号検出装置 ２４ 光学系 ２７ レンズ光学系 ４１ シンセサイザ ４２ デジタルオシロスコープ ２１１、２１２ 半導体レーザ光源 ２２１ 電気光学結晶 ２３１ フォトダイオード ２３２ ロックインアンプ ２３３ ダイクロイックミラー ２３４ 回路パターン計測装置 ２４１ 偏光子 ２４２ 波長板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象の集積回路に近接して配置さ
   れ、その集積回路の動作時の電界によって光学特性が変
   化する光学素子と、 この光学素子にプローブ光を照射する第一の光学手段
   と、 この光学素子の光学特性の変化によって生じるプローブ
   光の変化を検出する第二の光学手段と、 この第二の光学手段により検出されたプローブ光の変化
   から前記集積回路の電気的特性を求める第一の処理手段
   とを備えた集積回路の試験装置において、 前記光学素子を透過して集積回路により反射または散乱
   された光を検出する第三の光学手段と、 この第三の光学手段の検出出力から前記集積回路の回路
   パターンを求める第二の処理手段とを備えたことを特徴
   とする集積回路の試験装置。
2. 【請求項２】 プローブ光の集光の深さを前記光学素子
   内またはその端面と前記集積回路の表面とで切り替える
   集光調節手段を備えた請求項１記載の集積回路の試験装
   置。
3. 【請求項３】 前記第一の光学手段はプローブ光として
   前記非線形光学素子内またはその端面で反射される波長
   と透過する波長とを時分割で発生する光源装置を含み、 前記集光調節手段はこの光源装置の波長の切り替えに同
   期して動作する構成である請求項２記載の集積回路の試
   験装置。
4. 【請求項４】 前記第一の光学手段はプローブ光として
   前記光学素子内またはその端面で反射される波長と透過
   する波長とを同時に発生する光源装置を含み、 前記第二の光学手段に入射する光波長と第三の光学手段
   に入射する光波長とを分離する波長分離手段を備えた請
   求項１または２記載の集積回路の試験装置。
5. 【請求項５】 測定対象の集積回路に近接して配置さ
   れ、その集積回路の動作時の電界によって光学特性が変
   化する光学素子と、 この光学素子にプローブ光を照射する第一の光学手段
   と、 この光学素子の光学特性の変化によって生じる反射光の
   変化を検出する第二の光学手段と、 この第二の光学手段により検出された反射光の変化から
   前記集積回路の電気的特性を求める処理手段とを備えた
   集積回路の試験装置において、 前記集積回路の回路パターンに関する情報を外部の設計
   支援装置から取り込む手段を備えたことを特徴とする集
   積回路の試験装置。