JPH07146316A - 電圧・変位検出プローブ及びこれを用いた電圧・変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】試料上のボンディングワイヤ等と干渉すること
なく測定することができ、かつ、該装置の構成及び操作
を簡単化する。 【構成】電気光学結晶３２ａと、電気光学結晶３２ａの
一対の対向面に被着された透明導電膜３２ｂ及び３２ｃ
と、フレーム３３ａと、周部がフレーム３３ａに固定さ
れた透明弾性薄膜３３ｂと、弾性薄膜３３ｂ上中央部に
反射面である底面が接着された導電性探針３４と、電気
光学結晶３２ａ及びフレーム３３ａを同心にした状態で
保持するホルダ３１と、接地用リード３２ｄと、透明導
電膜３２ｃと弾性薄膜３３ｂとを導通させる導電膜３２
ｅ及び３３ｃとを有し、入射光が電気光学結晶３２ａを
通り反射面３４ａで反射されて逆行する光路の長さの変
化に基づいて探針３４の変位を検出し、かつ、該光路を
通ることによる直線偏光成分間の位相差に基づいて探針
接触点の電圧を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体チップ上の配線
の位置及び電圧を測定する装置に用いられる電圧・変位
検出プローブ及びこれを用いた電圧・変位測定装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路上の微細配線の電圧測定
には、電子ビームテスタや光ビームテスタが用いられて
いる。電子ビームテスタは、測定しようとする微細配線
（測定点）に電子ビームを照射し、その測定点から放出
される２次電子量を検出し、これに基づいて電圧を測定
する。

【０００３】一方、光ビームテスタは、結晶の電気光学
効果を利用したものであり、測定点の近傍に配置した電
気光学結晶に光ビームを当てながらその結晶を透過し又
は結晶から反射された光ビームの偏光量を検出し、これ
に基づいて電圧を測定する。立ち上がり又は立ち下がり
の時間が例えば１ｎｓ以下のように短い電圧パルスの該
立ち上がり又は立ち下がりの波形を電子ビームテスタ又
は光ビームテスタで測定する場合、パルス化したビーム
を用い、各ビーム照射時点での電圧をサンプリングする
方法が用いられている。

【０００４】電子ビームテスタでは、一方では、測定点
の配線幅に合わせて電子ビームを細く絞ることにより空
間分解能を高くする必要があり、他方では、測定波形の
急峻な変化に合わせて電子ビームのパルス幅を狭くする
ことにより時間分解能を高くする必要がある。このた
め、パルスビーム中の電子数が減少し、これに応じてビ
ーム照射点からの２次電子数も減少するので、ＳＮ比が
悪化（電圧分解能が低下）する。そこで、測定対象の半
導体集積回路に周期的なテスト信号を供給し、各周期の
同一位相でパルスビームを照射し、検出信号を平均値を
用いて、ＳＮ比を向上させている。しかし、測定に要す
る時間が長くなる。

【０００５】電子ビームのパルス幅を狭くすることによ
りＳＮ比が低下することと、各２次電子の走行時間に差
があることにより、２次電子検出信号が時間方向に広が
るという現象とから、現在では５ｐｓ程度が時間分解能
の上限であり、これよりも高い時間分解能の実現は、原
理上困難である。一方、光ビームテスタでは、例えば
０．５ｐｓを越える極めて高い時間分解能が実現されて
おり、また、ＳＮ比に相当する電圧分解能も電子ビーム
テスタに比し優れている。しかし、空間分解能が光の波
長で決まるために、微細配線の電圧測定が困難である。
具体的には、現在では、幅が１μｍ程度までの配線に対
して電圧測定が可能であるが、それ以下の配線に対して
は電圧測定が困難である。

【０００６】このように、電子ビームテスタでは空間分
解能が良いものの測定時間や時間分解能の点で不充分で
あり、光ビームテスタでは逆に、測定時間や時間分解能
の点で優れているものの、空間分解能の点で不充分であ
り、両者は相反する利点および欠点を有する。さらに、
光ビームテスタでは、光の波長に比し狭いサブミクロン
オーダーの配線をプロービングする場合、配線への電気
的な接触が不充分となる。

【０００７】上述の問題点に対し、空間分解能と時間分
解能を共に高めた電圧測定を実現することが可能な電圧
・変位測定装置として、 図１９に概略構成が示される
構成が考えられる。試料としての半導体チップ１０は、
その表面上のパッドと不図示のインナリードとの間がボ
ンディングワイヤ１１、１２で接続されている。

【０００８】プローブ２０は、基板２１の下端にカンチ
レバー（片持ち梁）２２の上端が固定され、カンチレバ
ー２２の下端に導電性の探針２３が接着されている。カ
ンチレバー２２及び探針２３は、原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）に用いられるものであり、カンチレバー２２はばね
定数が１〜１００Ｎ／ｍ程度と非常に柔らかく、また、
探針２３の先端直径は５０ｎｍ以下と非常に小さい。探
針２３を半導体チップ１０上にナノメータオーダで近接
させ又は接触させたとき、カンチレバー２２に変位が生
じる。探針２３の高さ方向変位は、カンチレバー２２の
下端上面にレーザ２４からレーザビームを照射し、その
反射光をＰＳＤ２５で検出することにより測定される。
この変位を測定しながら、探針２３を半導体チップ１０
に対して、例えば圧電素子を用いてＸ−Ｙ走査を行う。
カンチレバー２２の変位が一定になるようにＸ−Ｙ走査
を行うと、圧電素子の変位量に基づいて試料上の凹凸像
を得ることができる。このような凹凸像はナノメータオ
ーダの空間分解能で観察することが可能であり、この凹
凸像を基に探針２３を測定したい配線上へナノメータオ
ーダの精度で位置決めできる。

【０００９】一方、この測定点の電位を検出するため
に、基板２１上に電気光学結晶２６が接着されている。
電気光学結晶２６の下面は導電膜を介し探針２３と電気
的に接続され、電気光学結晶２６の上面に被着された透
明導電膜は接地されている。探針２３を配線上の測定点
に接触させ又はナノメータオーダーで近接させると、配
線電圧による電界が電気光学結晶２６に印加される。ミ
ラー２７で反射されたレーザ２８からのレーザビーム
は、この電気光学結晶２６に入射され、電気光学結晶２
６からの反射光が不図示の偏光ビームスプリッタを介し
て光検出器で検出され、これに基づいて測定点の電位が
測定される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、探針２３の先
端を半導体チップ１０上に接触させ又は近接させなけれ
ばならないので、半導体チップ１０に対する基板２１の
傾斜角には限度があり、このため、ボンディングワイヤ
１１及び１２が基板２１と干渉しないように探針２３を
半導体チップ１０上で走査させることを考えると、図１
９中に示す範囲Ｒで探針２３を走査させることができ
ず、測定不可能な領域が生ずることになる。

【００１１】また、プローブ２０が試料上のボンディン
グワイヤ等と干渉しないようにプローブ２０又は試料
を、プローブ２０の試料上の位置に応じて回転させる機
構が必要であるので、構成及びその操作が複雑になる。
さらに、互いに独立な変位測定用光学系と電圧測定用光
学系とを必要とするため、構成及びその調整が複雑とな
る。

【００１２】本発明の目的は、このような問題点に鑑
み、電圧・変位測定装置に用いた場合に、試料上のボン
ディングワイヤ等と干渉することなく測定することがで
き、かつ、該装置の構成及び操作を簡単化することが可
能な電圧・変位検出プローブ及びこれを用いた電圧・変
位測定装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段及びその作用】本発明に係
る電圧・変位検出プローブ及びこれを用いた電圧・変位
測定装置を、実施例図中の対応する構成要素の符号を引
用して説明する。第１発明に係る電圧・変位検出プロー
ブは、例えば図１に示す如く、対向する第１面及び第２
面を有し、該第１面に光が入射され、該光に応答して、
与えられた基準電位に対する該第１面の電圧情報を光又
は電気信号の形で出力する電圧情報発生素子３２と、該
第２面と導通された導電性探針３４と、探針３４の底面
が中央部に直接又は間接的に取り付けられた、導電性
の、連続又は不連続の回転対称形である面状又は線状の
弾性部材３３ｂと、弾性部材３３ｂの外端が固着され、
電圧情報発生素子３２を探針３４の上方に配置し、該第
１面を該第２面の上方にして、電圧情報発生素子３２と
探針３４とを同心に保持するホルダ３１と、を有する。

【００１４】ここに、連続回転対称形とは、軸線の回り
に連続回転させて得られる通常の回転対称形であり、不
連続回転対称形とは、例えば図９（Ｃ）に示す如く、帯
状部８１１と、帯状部８１１を軸線の回りに９０゜、１
８０゜及び２７０゜回転して得られる帯状部８１２、８
１３及び８１４とからなる面対称形８１である。本第１
発明によれば、探針３４を試料に対し相対的に近接又は
接触させることによって弾性部材３３ｂを介し生ずる探
針３４のホルダ３１に対する変位を測定可能であり、電
圧情報発生素子３２の出力に基づいて探針３４の基準電
位に対する電圧を測定可能である。

【００１５】また、例えば図３に示す如く、プローブの
軸線上に探針が位置し、プローブの軸線を試料面に垂直
にすることができるので、プローブが試料上のボンディ
ングワイヤ等と干渉することなく測定することができ
る。さらに、図１９に示すカンチレバー型のプローブの
場合にはプローブが試料上のボンディングワイヤ等と干
渉しないようにプローブ又は試料を回転させる機構が必
要であるが、本第１発明ではこのような機構が不要とな
るので、このプローブを用いた電圧・変位測定装置の構
成及びその操作を簡単にすることができる。

【００１６】第１発明の第１態様では、例えば図１に示
す如く、電圧情報発生素子３２は、平行に対向する上記
第１面及び上記第２面を有し該第１面と該第２面との間
に印加された電圧に応じて、該第１面に入射する光の電
気ベクトル振動方向が互いに直角な直線偏光成分間に位
相差を与える電気光学結晶３２ａと、該第１面上に接着
された第１電極３２ｂと、該第２面上に接着された透明
膜の第２電極３２ｃと、を有する電圧／位相差変換素子
３２であり、さらに、第２電極３２ｂ側に配置され、電
気光学結晶３２ａを通った該光を反射させて逆進させる
反射面３４ａと、第１電極３２ｂへ基準電位を伝達する
ための第１リード３２ｄとを有する。

【００１７】この第１態様によれば、入射光が電気光学
結晶３２ａ内を通り該反射面で反射されて電気光学結晶
３２ａ内を往復することによる該位相差に基づいて、第
１電極３２ｂと第２電極３２ｃとの間の電圧が検出可能
である。第１発明の第２態様では、上記第１態様におい
て、例えば図１に示す如く、第２電極３２ｃは透明膜で
あり、弾性部材３３ｂは透明の弾性膜であり、探針３４
はその底面が弾性部材３３ｂ上中央部に取り付けられ、
反射面３４ａは、探針３４の底面又は弾性膜３３ｂの探
針底面に対応した部分に形成され、電圧／位相差変換素
子３２はホルダ３１に固定され、さらに、第２電極３２
ｃと弾性膜３３とを導通させる第２リード３２ｅ、３３
ａを有し、該電圧／位相差変換素子は前記変位検出手段
を兼ねている。

【００１８】この第２態様によれば、反射面３４ａを光
が固定点から電圧／位相差変換素子３２を通って該反射
面で反射され電圧／位相差変換素子３２を再度通り該固
定点に至る光路の長さの変化に基づいて、探針３４の変
位が検出可能である。したがって、変位測定と電圧測定
の光学系を共通にすることが可能となり、これにより、
構成が簡単になり、かつ、調整が簡単になる。なお、後
述のように、歪みゲージを使いその抵抗値変化を利用し
て変位を検出したり、容量を検出することによって変位
を検出したりすることによっても、光学系を１つ省略す
ることが可能となり、調整が簡単になる。

【００１９】また、プローブ３０の概略位置決めのため
に、試料からの反射光を、透明の弾性膜３３ｂを通して
光学顕微鏡で試料を観察可能である。第１発明の第３態
様では、上記第１態様において、例えば図４に示す如
く、弾性部材３３ｂは透明の弾性膜であり、電気光学結
晶３２ａの第１面が弾性膜３３ｂの中央部に固着され、
第１電極は弾性膜３３ｂであり、探針３４はその底面３
４ａが電気光学結晶３２ａの第２面に取り付けられ、反
射面３４ａは、探針３４の底面又は電気光学結晶３２ａ
の第２面に形成され、前記電圧／位相差変換素子は前記
変位検出手段を兼ねている。

【００２０】この第３態様によっても、第２態様と同じ
効果が得られる。第１発明の第４態様では、上記第１態
様において、例えば図９に示す如く、第２電極３２ｆは
反射膜であり、上記反射面は反射膜３２ｆの面であり、
探針３４Ａはその底面が反射膜３２ｆに取り付けられ、
弾性部材８１は、中央部に、孔８１ａ又は透明部材であ
る光透過部が形成され、該中央部から外側へ放射状に延
びた不連続回転対称形の弾性膜であり、第１リード８０
ｂは、第１電極３２ｂと弾性膜８１とを導通させる部分
を有し、さらに、上端部が弾性膜８１の中央部に固着さ
れて垂下され、探針３４Ａの先端を下方に向けた状態で
下端部に電圧／位相差変換素子３２Ａが固定された、中
空又は中実透明のロッド８０と、を有する。

【００２１】この第４態様では、光が固定点からロッド
８０及び電圧／位相差変換素子３２Ａを通って反射面３
２ｆで反射され再度電圧／位相差変換素子３２Ａ及びロ
ッド８０を通って該固定点へ戻るまでの光路の長さの変
化に基づいて、探針３４Ａの変位を検出可能である。こ
の第４態様によっても、第２態様と同じ効果が得られ
る。弾性膜８１は、例えば不透明膜であってもよく、プ
ローブ３０の概略位置決めのために、試料からの反射光
を、弾性膜８１の隣合う放射状部間を通して光学顕微鏡
で試料を観察可能である。

【００２２】第１発明の第５態様では、上記第４態様に
おいて、例えば図１０に示す如く、上記変位検出手段
は、弾性膜８１の放射状外端部とホルダ８２との間を連
結する歪みゲージ８３１〜８３４である。この第４態様
では、歪みゲージ８３１〜８３４の抵抗値の変化に基づ
いて、探針３４の変位を検出可能である。

【００２３】第１発明の第６態様では、上記第１態様に
おいて、例えば図１７に示す如く、第２電極は反射膜で
あり、上記反射面は該反射膜の面であり、探針３４はそ
の底面が該反射膜に取り付けられ、弾性部材は、中央部
に、孔又は透明部材である光透過部が形成され、該中央
部から外側へ放射状に延びた不連続回転対称形の第１弾
性膜８１Ａと、第１弾性膜８１Ａの下方に配置され、中
央部に孔が形成され、該中央部から外側へ放射状に延び
た不連続回転対称形の第２弾性膜８１Ｂとを有し、第１
リードは、第１電極と第１又は第２の弾性膜８１Ａ、８
１Ｂとを導通させる部分を有し、さらに、該第１弾性膜
８１Ａの該中央部と該第２弾性膜８１Ｂの内端に固着さ
れて支持され、探針３４の先端を下方に向けた状態で下
端部に電圧／位相差変換素子が固定された、中空又は中
実透明のロッド８０Ａを有し、上記変位検出手段は、第
１弾性膜８１Ａと第２弾性膜８１Ｂとの間に配置され、
内端がロッド８０Ａの外周部に固着され外端が自由端に
された第１導電性板９７と、第１弾性膜８１Ａと第２弾
性膜８１Ｂとの間に配置され、外端がホルダ８２Ａに固
着され、内端が自由端にされた第２導電性板９８、９９
と、を有する。

【００２４】この第６態様によれば、第１導電性板９７
と第２導電性板９８、９９との間に生じる容量の変化に
基づいて探針３４の変位を検出可能である。第１発明の
第７態様では、例えば図１６に示す如く、電圧情報発生
素子３２は、探針３４と導通した光導電性膜１１１と、
光導電性膜１１１に接合された第３電極３２ｃと、一端
部が第３電極３２ｃに接続され、他端部に基準電位が印
加される第３リード８５と、を有する光導電ゲートであ
る。

【００２５】この第７態様によれば、探針３４を試料上
の測定点に近接又は接触させ、かつ、該光導性膜に光を
照射したときに第３リード８５に流れる電流に基づいて
該測定点の電圧を検出可能である。第１発明の第８態様
では、上記第７態様において、例えば図１６に示す如
く、光導電ゲートは、さらに透明基板１１０を有し、第
３電極３２ｃは、透明基板１１０の下面に被着された透
明導電膜であり、光導電性膜１１１は該透明導電膜上に
被着され、探針３４は、その底面が光導電性膜１１１上
に取り付けられている。

【００２６】第１発明の第９態様では、上記第８態様に
おいて、例えば図１０及び図１６に示す如く、弾性部材
８１は、中央部に、孔８１ａ又は透明部材である光透過
部が形成され、該中央部から外側へ放射状に延びた不連
続回転対称形の弾性膜であり、変位検出手段は、弾性膜
８１の放射状外端部とホルダ８２との間を連結する歪み
ゲージ８３１〜８３４であり、さらに、上端部が弾性膜
８１の該中央部に固着されて垂下され、探針の先端を下
方に向けた状態で下端部に上記光導電ゲートが固定され
た、中空又は中実透明のロッド８０Ｂを有する。

【００２７】この第９態様によれば、歪みゲージ８３１
〜８３４の抵抗値の変化に基づいて、探針３４の変位を
検出可能である。第１発明の第１０態様では、上記第８
態様において、例えば図１７に示す如く、弾性部材３３
ｂは、中央部に、孔又は透明部材である光透過部が形成
され、該中央部から外側へ放射状に延びた不連続回転対
称形の第１弾性膜８１Ａと、第１弾性膜８１Ａの下方に
配置され、中央部に孔が形成され、該中央部から外側へ
放射状に延びた不連続回転対称形の第２弾性膜８１Ｂと
を有し、さらに、第１弾性膜８１Ａの中央部と第２弾性
膜８１Ｂの内端に固着されて支持され、探針３４先端を
下方に向けた状態で下端部に上記光導電ゲートが固定さ
れた、中空又は中実透明のロッド８０Ａを有し、変位検
出手段は、第１弾性膜８１Ａと第２弾性膜８１Ｂとの間
に配置され、内端がロッド８０Ａの外周部に固着され外
端が自由端にされた第１導電性板９７と、第１弾性膜８
１Ａと第２弾性膜８１Ｂとの間に配置され、外端がホル
ダ８２Ａに固着され、内端が自由端にされた第２導電性
板９８、９９と、を有する。

【００２８】この第１０態様によれば、第１導電性板９
７と第２導電性板９８、９８との間に生じる容量の変化
に基づいて探針３４の変位が検出される。第１発明の第
１１態様では、例えば図１６に示す如く、探針３４Ｂの
取り付け位置の周囲部に第１磁性体８６が固定されてお
り、探針３４は、少なくとも底部が第２磁性体８７であ
り、第１磁性体８６を磁化させることにより第２磁性体
８７を吸引して探針３４Ｂの底面を該探針取り付け位置
に磁着させ、第１磁性体８６の残留磁化により探針３４
Ｂの磁着を維持させ、かつ、第１磁性体８６を消磁する
ことにより探針３４Ｂを落下させることを可能にしてい
る。

【００２９】この第１１態様によれば、第１磁性体の残
留磁化による探針の保持と、第１磁性体の消磁による探
針の落下が可能となるので、探針の先端が消耗した場合
に、プローブ全体を交換する必要がなく、該探針のみを
新しいものに交換すればよいので、ランニングコストを
低減できるという効果を奏する。また、探針交換の自動
化が可能となるので、微細な探針の取扱が容易となる。

【００３０】第２発明の電圧・変位測定装置では、上記
いずれか１つの電圧・変位検出プローブと、上記探針を
試料に対し相対的に近接又は接触させることによって生
ずる該探針の上記ホルダに対する変位を測定する変位測
定手段と、上記電圧情報発生素子の出力に基づいて該探
針の基準電位に対する電圧を測定する電圧測定手段と、
を有する。

【００３１】本第２発明によれば、上記第１発明のプロ
ーブを用いているので、上記効果が得られる。第２発明
の第１態様では、電圧測定手段は、入射光が上記電気光
学結晶内を通り上記反射面で反射されて該電気光学結晶
内を往復することによる上記位相差に基づいて、上記第
１電極と上記第２電極との間の電圧を測定する。

【００３２】第２発明の第２態様では、電圧測定手段
は、上記探針を試料上の測定点に近接又は接触させ、か
つ、上記光導性膜に光を照射したときに上記第３リード
に流れる電流に基づいて該測定点の電圧を測定する。第
２発明の第３態様では、変位測定手段は、光が固定点か
ら上記電圧／位相差変換素子（３２）を通って上記反射
面で反射され該電圧／位相差変換素子を再度通り該固定
点に至る光路の長さの変化に基づいて、該探針の変位を
測定する。

【００３３】第２発明の第４態様では、変位測定手段
は、上記歪みゲージの抵抗値の変化に基づいて、上記探
針の変位を測定する。第２発明の第５態様では、変位測
定手段は、上記第１導電性板と上記第２導電性板との間
に生じる容量の変化に基づいて上記探針の変位を測定す
る。第２発明の第６態様では、例えば図６に示す如く、
レーザ２８と、レーザ２８からの光が入射され、該光を
透過光と反射光とに分割し、該透過光と該反射光のうち
一方を該プローブに入射させるビームスプリッタ５１
と、該透過光と該反射光のうち他方を反射して逆行さ
せ、ビームスプリッタ５１に入射させる反射器５３と、
反射器５３からビームスプリッタ５１へ入射した光のう
ちビームスプリッタ５１を透過し又はビームスプリッタ
５１で反射した光と、該プローブからビームスプリッタ
５１へ入射した光のうちビームスプリッタ５１で反射さ
れ又はビームスプリッタ５１を透過した光との干渉光が
入射される偏光ビームスプリッタ６２と、偏光ビームス
プリッタ６２からの透過光を検出する第１光検出器５４
Ａと、偏光ビームスプリッタ６２からの反射光を検出す
る第２光検出器５４Ｂと、第１光検出器５４Ａからの第
１出力信号と第２光検出器５４Ｂからの第２出力信号と
の和に基づいて、探針３４の変位を検出し、かつ、該第
１出力信号と該第２出力信号の差に基づいて、上記基準
電位に対する探針３４の試料上の測定点の電圧を検出す
る信号処理装置７０と、を有する。

【００３４】第２発明の第７態様では、例えば図１４に
示す如く、電圧・変位検出プローブ３０Ｄの下端部が挿
脱されるコイル９１と、コイル９１の下方に配置された
移動ステージ９２と、移動ステージ９２に搭載され、探
針３４Ｂが挿入され探針３４Ｂを略垂直に保持するため
の孔が複数形成されたトレイ９３と、探針３４Ｂを交換
する場合に、トレイ９３上の空いた孔がコイル９１と同
心になるように移動ステージ９２を駆動させ、該プロー
ブの下端部がコイル９１に挿入された状態で、コイル９
１に電流を供給して第１磁性体を消磁することにより、
探針３４Ｂを該プローブから落下させ、トレイ９３上の
探針３４Ｂがコイル９１と同心になるように移動ステー
ジ９２を駆動させ、コイル９１に電流を供給して第１磁
性体を励磁させることにより、探針３４Ｂを該プローブ
に磁着させる制御回路７５Ｂと、を有する。

【００３５】この第７態様によれば、消耗品である探針
を新しいものと取り換えることが自動的にでき、微細な
探針の取扱いが容易となる。

【００３６】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明
する。 ［第１実施例］図１は、第１実施例の電圧・変位検出プ
ローブ３０の軸線を通る断面を示す。この電圧・変位検
出プローブ３０は、軸線を中心として回転対称形であ
る。

【００３７】ホルダ３１は、下端から上端へ向けて直径
が大きくなっている筒３１ａと、筒３１ａの上端から半
径方向外側へ突出しているフランジ３１ｂとからなる。
ホルダ３１内には、電圧／位相差変換素子３２が嵌合さ
れている。電圧／位相差変換素子３２は、上面及び下面
が互いに平行な電気光学結晶３２ａと、この上面に被着
された透明導電膜３２ｂと、この下面に被着された透明
導電膜３２ｃとからなる。電気光学結晶３２ａは、その
上面に垂直入射する光の電気ベクトル振動方向が互いに
直角な直線偏光成分間に、透明導電膜３２ｂと透明導電
膜３２ｃとの間の電圧に応じた位相差を与える。電気光
学結晶３２ａのサイズは、例えば、直径１ｍｍ、高さ１
ｍｍである。

【００３８】透明導電膜３２ｂに基準電位としてのグラ
ンド電位を外部から与えるために、ホルダ３１の内面に
透明導電膜３２ｄが被着され、透明導電膜３２ｄの下端
が透明導電膜３２ｂの周端と連続している。透明導電膜
３２ｂ及び３２ｄは、ホルダ３１内に電気光学結晶３２
ａを嵌合させた状態で例えばＩＴＯをスパッタリングで
蒸着させることにより形成される。

【００３９】ホルダ３１の下端内部には、探針サポータ
３３が嵌合されている。探針サポータ３３は、フレーム
３３ａと、緊張した状態で周端がフレーム３３ａに固定
された透明導電膜３３ｂと、透明導電膜３３ｂと連続し
た透明導電膜３３ｃとからなる。透明導電膜３３ｂのサ
イズは、例えば、直径１ｍｍ、厚さ０．５μｍである。

【００４０】透明導電膜３３ｃを透明導電膜３２ｃと導
通させるために、ホルダ３１の下端内面に透明導電膜３
２ｅが被着され、透明導電膜３２ｅの上端が透明導電膜
３２ｃの周端と連続している。透明導電膜３２ｃ及び３
２ｅは、ホルダ３１内に電気光学結晶３２ａを嵌合させ
た状態で例えばＩＴＯをスパッタリングで蒸着させるこ
とにより形成される。

【００４１】探針サポータ３３の制作工程の一例を図２
（Ａ）〜（Ｃ）に示す。最初、図２（Ａ）に示す如く、
基板４０上に透明導電膜４１をスパッタリングで被着さ
せる。次に、図２（Ｂ）に示す如く、ホトエッチング技
術により開口４２を形成する。次に、図２（Ｃ）に示す
如く、フレーム３３ａ及び透明導電膜４１に対し、透明
導電膜４１と反対側からＩＴＯをスパッタリングで被着
させる。

【００４２】図１において、透明導電膜３３ｂの下面中
央部には、探針３４の底面が接着されている。探針３４
のサイズは、例えば、底面直径１０μｍ、高さ１０μｍ
である。探針３４は、透明導電膜３３ｂ、３３ｃ及び透
明導電膜３２ｅを通って透明導電膜３２ｃと導通されて
いる。したがって、探針３４の先端を試料上に接触又は
近接させると、その先端の電位が透明導電膜３２ｃに印
加される。この電位は、探針３４の先端を試料表面に近
接させた場合、試料−探針間に生じる容量と測定点の電
位とに応じた値になる。

【００４３】探針３４の底面は反射面３４ａとなってお
り、電圧・変位検出プローブ３０の軸線に沿って透過光
ビームＬ１を入射させると、電圧／位相差変換素子３２
及び透明導電膜３３ｂを通って反射面３４ａで反射さ
れ、再度透明導電膜３３ｂ及び電圧／位相差変換素子３
２を通って戻される。この光路の長さの変化を検出する
ことにより、ホルダ３１に対する探針３４の変位、すな
わち基準位置からの試料上接触点の高さを検出すること
ができる。

【００４４】電圧・変位検出プローブ３０を用いた変位
測定原理を図４に示す。図４では、探針３４の先端が半
導体チップ１０上の配線１３に接触している状態を示し
ている。マイケルソン干渉計５０は、直線偏光ビームＬ
を透過光ビームＬ１と反射光ビームＬ２とに分割するビ
ームスプリッタ５１と、透過光ビームＬ１を探針３４の
底面に集光させるための集光レンズ５２と、反射光ビー
ムＬ２を反射させて逆行させるためのミラー５３と、光
検出器５４とからなり、光検出器５４は、ミラー５３か
らの反射光のうちビームスプリッタ５１を透過したもの
と、探針３４からの反射光のうちビームスプリッタ５１
で反射されたものとの干渉光ビームＬ３を検出する。光
検出器５４の出力をオシロスコープ５５に供給すると、
電圧・変位検出プローブ３０を下降させて探針３４を配
線１３に接触又は近接させる過程では、図示のようなサ
インカーブがオシロスコープ５５の表示画面に得られ
る。このサインカーブの波数を計数することにより、探
針３４の変位を半波長程度の精度で検出することがで
き、さらに、波形の位相を検出することにより該変位を
より高精度で検出することができる。

【００４５】一方、図１において、透過光ビームＬ１が
電気光学結晶３２ａを２回通過することにより、電気ベ
クトル振動方向が互いに直角な直線偏向成分間に生じた
位相差を検出することで、探針３４の先端の電圧を測定
することができる。この測定原理を図５に示す。位相差
検出装置６０は、直線偏光ビームＬを円偏光ビームＬ０
に変換する１／４波長板６１と、円偏光ビームＬ０が入
射されるビームスプリッタ５１と、ビームスプリッタ５
１からの透過光ビームＬ１を探針３４の底面に集光させ
るための集光レンズ５２と、探針３４からの反射光がビ
ームスプリッタ５１で反射された光ビームＬ４が入射さ
れる偏光ビームスプリッタ６２と、偏光ビームスプリッ
タ６２で２分割された透過光ビームＬ５及び反射光ビー
ムＬ６をそれぞれ検出する光検出器５４Ａ及び５４Ｂ
と、光検出器５４Ａの出力と光検出器５４Ｂの出力との
差を増幅する差動増幅器６３とからなる。探針３４が接
触した配線１３に交流電圧源６４の出力を印加し、交流
電圧源６４及び差動増幅器６３の出力をオシロスコープ
５５に供給すると、オシロスコープ５５の表示画面には
図示のような交流電圧源６４及び差動増幅器６３の電圧
出力波形が得られる。両波形の関係から、配線１３の電
圧を測定することができる。

【００４６】図１において、電圧・変位検出プローブ３
０を光学顕微鏡の対物レンズの試料側に配置し、電圧／
位相差変換素子３２及び透明導電膜３３ｂを通して半導
体チップ１０上を光学顕微鏡で観察することにより、半
導体チップ１０上の配線の概略位置を知ることができ
る。電圧・変位検出プローブ３０並びに図４及び図５に
示す測定原理を用いた装置を、光学顕微鏡に組み込んだ
構成を、図６に示す。

【００４７】半導体チップ１０は、パッケージ１４を介
してテスト用プリント基板１５に装着されている。半導
体チップ１０には、信号処理装置７０からプリント基板
１５及びパッケージ１４を介してテスト信号が供給され
る。電圧・変位検出プローブ３０は、その光軸が対物レ
ンズ５２Ａの光軸と一致するようにプローブホルダ７１
に保持され、プローブホルダ７１は、顕微鏡筒に固定さ
れている。顕微鏡筒は、微動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７２を
介して粗動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７３に支持されている。
微動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７２は、圧電素子で構成されて
おり、１／１００〜１／１０００の精度で位置決め可能
であり、かつ、一方向へ数十μｍの範囲で走査可能であ
るので、微動Ｘ−Ｙステージ７２ｃ及び微動Ｚステージ
７２ｄのみで半導体チップ１０上の幅及び厚さが共に１
μｍ程度の配線パターンを細かく且つ充分な範囲で走査
することができる。微動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７２で電圧
・変位検出プローブ３０Ｃを微小範囲内で走査中には、
粗動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７３を停止させておく。

【００４８】ミラー５３は、その反射光ビームＬ２の方
向の位置を微調整可能な微動Ｘステージ７４の一端に固
着され、微動Ｘステージ７４の他端は、顕微鏡筒と一体
になった面に固定されている。微動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ
７２、粗動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７３及び微動Ｘステージ
７４の位置信号は、信号処理装置７０に供給される。コ
ントローラ７５は、これらの位置信号をフィードバック
信号として、微動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７２、粗動Ｘ−Ｙ
−Ｚステージ７３及び微動Ｘステージ７４を駆動する。

【００４９】対物レンズ５２Ａで結像された像は、撮像
レンズ７６でＣＣＤ撮像素子７７上に結像され、その画
像がモニタＴＶ７８に表示される。対物レンズ５２Ａ
は、図４及び図５の集光レンズ５２の機能も果たしてい
る。レーザ２８から射出された直線偏光は、コリメート
レンズ７９で平行化され、ミラー２７で反射され、１／
４波長板６１に入射される。１／４波長板６１、ビーム
スプリッタ５１、偏光ビームスプリッタ６２、光検出器
５４Ａ及び５４Ｂは、図５に示すものと同一であり、ま
た、ミラー５３は、図４に示すものと同一である。

【００５０】高さ方向の変位の測定に関しては、図４の
構成と比較すれば明らかなように、光検出器５４Ａの出
力ＳＡと光検出器５４Ｂの出力ＳＢとの和ＳＰが図４の
光検出器５４の出力に対応しいる。信号処理装置７０
は、この和ＳＰに基づいて、探針３４の高さ方向の変位
を測定する。微動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７２及び粗動Ｘ−
Ｙ−Ｚステージ７３からの位置信号と、和ＳＰに基づい
て得られた探針３４の変位とから、半導体チップ１０上
の凹凸パターンの詳細を知得することができる。

【００５１】電圧測定に関しては、干渉光ビームＬ４Ａ
にミラー５３からの反射光が含まれる点で、図５の場合
と異なる。しかし、ミラー５３からの反射光は円偏向で
あり、これを偏光ビームスプリッタ６２で２分割する
と、両分割光の強度は互いに等しくなるので、光検出器
５４Ａの出力ＳＡと光検出器５４Ｂの出力ＳＢとの差Ｓ
Ｍには影響がない。信号処理装置７０は、この差ＳＭに
基づいて、探針３４の先端の電圧を検出する。

【００５２】微動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７２を駆動して電
圧・変位測定プローブ３０を、半導体チップ１０上の電
位測定対象である配線の上方から下降させ、和ＳＰの変
化を検出した後、すなわち、探針３４が半導体チップ１
０上の配線に接触し又は非常に近接した後、和ＳＰが例
えば１０サイクル変化した時点で、微動Ｘ−Ｙ−Ｚステ
ージ７２の下降駆動を停止する。これにより、半導体チ
ップ１０に対する探針３４の接触が確実となる。次に、
微動Ｘステージ７４を駆動し、和ＳＰの出力値が最大値
と最小値の中間値になる時点で、微動Ｘステージ７４の
駆動を停止する。これにより、電圧検出感度が最大とな
る。

【００５３】なお、電圧・変位検出プローブ３０をＸ−
Ｙ面内で走査させることにより探針３４が半導体チップ
１０上を傷付けるのを防止するために、次のようにして
もよい。すなわち、探針３４の先端の高さを検出し、電
圧・変位検出プローブ３０を、＋Ｚ方向へ一定距離ｄだ
け駆動し、次にＸ−Ｙ面内で駆動し、次に−Ｚ方向へ一
定距離ｄだけ駆動するという一連の動作を、繰り返し行
うことにより、半導体チップ１０上を走査してもよい。

【００５４】上記走査により、テスト対象の配線位置を
正確に知得することができ、この位置で、テスト信号を
半導体チップ１０に供給して電圧測定を行う。上記の如
く構成された電圧・変位測定装置によれば、１つのレー
ザ２８を用いた１組の光学系で、電圧及び変位を測定す
ることができ、構成及びその調整が従来よりも簡単とな
る。

【００５５】図３は、半導体チップ１０に対する電圧・
変位検出プローブ３０の使用状態を示す。この図から明
らかなように、本第１実施例の電圧・変位検出プローブ
３０によれば、ボンディングワイヤ１１及び１２との干
渉を避けて半導体チップ１０上を走査することができ
る。図７は、他の構成の光学顕微鏡に組み込まれた電圧
・変位測定装置を示す。この装置では、光学顕微鏡を移
動させる代わりに、半導体チップ１０を移動させる構成
となっている。すなわち、粗動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７３
上に微動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７２Ａを介してプリント基
板１５が搭載されている。他の点は、図６の場合と同一
である。

【００５６】この構成によれば、光学顕微鏡に比し慣性
が小さい試料を高速駆動することができるので、測定に
要する時間を短縮することができる。 ［第２実施例］図８は、第２実施例の電圧・変位検出プ
ローブ３０Ａの軸線を通る断面を示す。この電圧・変位
検出プローブ３０Ａは、軸線を中心として回転対称形で
ある。

【００５７】電気光学結晶３２ａは、その上面がフレー
ム３３ａの透明導電膜３３ｂの下面中央部に接着され、
下面に、探針３４の底面が接着されている。電気光学結
晶３２ａのサイズは、探針３４のサイズとの関係で、例
えば、直径１０μｍ、高さ１０μｍである。透明導電膜
３３ｂ及び探針３４の底面が電気光学結晶３２ａに対す
る一対の電極を兼ねており、また、ホルダ３１Ａを導電
性材料で構成し、かつ、透明導電膜３３ｂとホルダ３１
Ａとを導通させているので、電圧・変位検出プローブ３
０Ａは、図１に示す電圧・変位検出プローブ３０よりも
構成が簡単となっている。

【００５８】他の点は上記第１実施例と同一である。 ［第３実施例］図９は、第３実施例の電圧・変位検出プ
ローブ３０Ｂの軸線を通る一部破断面を示す。この電圧
・変位検出プローブ３０Ｂは、十字形梁８１を除き、軸
線を中心として回転対称形である。十字形梁８１、この
軸線を通る対称面を有する。

【００５９】ロッド８０は、中実透明のガラス棒８０ａ
の側面及び底面にそれぞれ透明導電膜８０ｂ及び透明導
電膜３２ｂが被着されている。ロッド８０の上面には、
反射防止膜８０ｃが被着されている。ロッド８０のサイ
ズは、例えば、直径０．４ｍｍ、長さ５ｍｍである。ロ
ッド８０の下面には、電気光学結晶３２ａの上面が接着
されている。電気光学結晶３２ａの下面には、反射膜３
２ｆが被着され、さらに探針３４Ａの底面が接着されて
いる。

【００６０】ロッド８０の上端は、十字形梁８１の中央
部８１０に接着されている。この中央部８１０には、ロ
ッド８０と同心の孔８１ａが形成されている。十字形梁
８１は、中央部８１０から四方へ放射状に帯状部８１１
〜８１４が延びており、帯状部８１１〜８１４の先端が
ホルダ８２の底面に接着されている。光学顕微鏡による
観察は、ホルダ８２の内側の帯状部８１１〜８１４の間
を通って行われる。

【００６１】十字形梁８１は、導電性及び弾性を有し、
例えば、アルミニウムで形成され、そのサイズは厚さ２
０μｍ、直径方向の長さ３ｍｍ、各帯状部８１１〜８１
４の幅０．４ｍｍである。探針３４Ａは、例えば、上部
直径５０μｍ、高さ４００μｍである。透明導電膜３２
ｂは、透明導電膜８０ｂ及び導電性の十字形梁８１を介
して導電性のホルダ８２に導通されている。

【００６２】ロッド８０の上端中央部に垂直に入射した
光ビームＬ１は、ロッド８０及び電気光学結晶３２ａを
通って反射膜３２ｆで反射され、逆行する。他の点は上
記第１実施例と同一である。 ［第４実施例］図１０は、第４実施例の電圧・変位検出
プローブ３０Ｃの軸線を通る一部破断面を示す。この電
圧・変位検出プローブ３０Ｃは、十字形梁８１及び歪み
ゲージ８３１〜８２４を除き、軸線を中心として回転対
称形である。十字形梁８１及び歪みゲージ８３１〜８２
４は、この軸線を通る対称面を有する。

【００６３】ロッド８０Ａは、中空である。また、十字
形梁８１の帯状部８１１〜８１４の先端は、歪みゲージ
８３１〜８２４を介してホルダ８２の底面に接着されて
いる。透明導電膜３２ｂは、導電性のロッド８０Ａ及び
十字形梁８１を通ってホルダ８２に導通されている。図
１１は、周知の歪み／電圧変換回路（ホイーストンブリ
ッジ回路）の原理構成を示しており、この回路は、歪み
ゲージ８３１の歪みによる抵抗の変化を不平衡電圧ΔＶ
に変換し、差動アンプ８４でこれを増幅する。

【００６４】十字形梁８１が上記具体例の場合、その中
央部８１０が高さ方向へ１０ｎｍ変位すると、歪みゲー
ジ８３１〜８３４の位置での歪みは約０．２×１０^-6と
なる。一方、半導体歪みゲージはゲージ率が約１００で
あり、ブリッジ印加電圧を１０Ｖとすると、不平衡電圧
の変化は０．１ｍＶとなる。電圧は１０μＶ程度の分解
能で測定できるので、充分な精度で探針３４Ａの高さ変
位を測定することができる。

【００６５】図１０に示す電圧・変位検出プローブ３０
Ｃ、並びに、図５及び図１１に示す測定原理を用いた装
置を光学顕微鏡に組み込んだ構成を、図１２に示す。図
６及び図７に示すミラー５３及び微動Ｘステージ７４を
用いておらず、その代わりに、歪み／電圧変換回路を信
号処理装置７０Ａに内蔵して、探針３４Ａの先端の高さ
方向変位を測定している。

【００６６】また、プローブホルダ７１Ｂは、光学顕微
鏡と独立に微動可能となっている。すなわち、顕微鏡筒
は、微動Ｘ−Ｙステージ７２ａ及び微動Ｚステージ７２
ｂを介して粗動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７３に取り付けら
れ、同様に、プローブホルダ７１Ｂは、微動Ｘ−Ｙステ
ージ７２ｃ及び微動Ｚステージ７２ｄを介して粗動Ｘ−
Ｙ−Ｚステージ７３に取り付けられている。

【００６７】プローブホルダ７１Ｂと電圧・変位検出プ
ローブ３０Ｃとの合計質量は、光学顕微鏡の質量に比し
充分小さいので、試料を高速駆動することができ、これ
により、測定に要する時間を短縮することができる。他
の点は、上記第１実施例と同一である。 ［第５実施例］図１３は、第５実施例の電圧・変位検出
プローブ３０Ｄの軸線を通る下部断面を示す。この下部
は、リード線８５を除き軸線を中心として回転対称形で
ある。

【００６８】ロッド８０Ｂは、その下端部が磁性筒８６
となっており、この磁性筒８６内に電気光学結晶３２ａ
が嵌合されている。磁性筒８６は、例えば、フェライト
で形成され、そのサイズは、外径１．５ｍｍ、内径１ｍ
ｍ、高さ１．５ｍｍである。ロッド８０Ｂは、絶縁性で
あり、その内壁にリード線８５が形成され、リード線８
５は、透明導電膜３２ｂと図１０に示す十字形梁８１と
の間を導通させている。

【００６９】電気光学結晶３２ａの底面中央部には反射
膜３２ｇが被着され、反射膜３２ｇは、探針３４Ｂと別
体となっている。探針３４Ｂは、その底面に磁性膜８
７、例えばフェライト膜が被着されている。電圧・変位
検出プローブ３０Ｄの他の構成は、図１０と同一であ
る。電圧・変位検出プローブ３０Ｄを用いた電圧・変位
測定装置の構成を図１４に示す。

【００７０】電圧・変位検出プローブ３０Ｄは、プロー
ブホルダ７１Ｃに装着され、図１２と同様に微動Ｘ−Ｙ
ステージ７２ｃ及び微動Ｚステージ７２ｄを介して粗動
Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７３に支持されている。一方、電圧
・変位検出プローブ３０Ｄに対し光路の外側に、探針交
換装置９０が配置されている。探針交換装置９０は、コ
イル９１がその軸線を垂直にして配置されている。コイ
ル９１の直径は、ロッド８０Ｂの直径より大きい。コイ
ル９１の下方には移動ステージ９２が配置され、移動ス
テージ９２上にトレイ９３が載置されている。トレイ９
３には垂直方向に孔が複数個形成され、これらの孔に探
針３４Ｂの先端部が挿入されて、探針３４Ｂが保持され
ている。トレイ９３とコイル９１との間には、探針３４
Ｂの落下及び磁着を検出するための投光器９４及び受光
器９５が対向して配置されている。コイル９１は、コン
トローラ７５Ｂによりドライバ９６を介してオン／オフ
され、移動ステージ９２は、コントローラ７５Ｂにより
駆動され、受光器９５の検出信号は、コントローラ７５
Ｂへ供給される。

【００７１】次に、探針３４Ｂの交換手順を、図１５に
基づいて説明する。以下、括弧内の数値は図１５中のス
テップ識別番号を表す。 （１００）粗動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７３を駆動して、電
圧・変位検出プローブ３０Ｄの光軸をコイル９１の軸線
に一致させ、次いで電圧・変位検出プローブ３０Ｄの下
端部をコイル９１内に挿入させる。

【００７２】（１０１）移動ステージ９２を駆動して、
トレイ９３上の空孔をコイル９１の軸線上の位置に一致
させる。 （１０２）コイル９１に電流を流して磁性筒８６を消磁
させ、受光器９５で探針３４Ｂの落下を検出する。この
落下により、探針３４Ｂがトレイ９３の空孔に保持され
る。

【００７３】（１０３）トレイ９３上の、交換用の探針
３４Ｂが入っている孔の位置を、コイル９１の軸線上に
一致させる。 （１０４）コイル９１に電流を流して磁性筒８６を磁化
させ、探針３４Ｂの磁性膜８７を反射膜３２ｇに接着さ
せ、これを受光器９５で検出した後、コイル９１への電
流をオフにする。このオフによっても、磁性筒８６の残
留磁化により、探針３４Ｂは反射膜３２ｇに接着された
ままとなる。

【００７４】（１０５）粗動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７３を
駆動して電圧・変位検出プローブ３０Ｄを元の位置へ移
動させる。以上のようにして、探針３４Ｂの交換を自動
的に行うことができる。操作者は、使用済みの探針３４
Ｂの先端部形状を観察し、この形状を使用の程度と関係
付ける。

【００７５】なお、反射膜３２ｇに磁性膜を被着しても
よい。また、探針３４Ｂは、上記第３実施例（図９
（Ｂ））で述べた程度のサイズであってもよい。 ［第６実施例］図１６は、第６実施例の電圧・変位検出
プローブ３０Ｅの軸線を通る下部断面を示す。この下部
は、光導電ゲートを用いており、また、リード線８５を
除き軸線を中心として回転対称形である。

【００７６】透明基板１１０の下面に透明導電膜３２ｃ
を介して光導電性膜１１１が被着され、透明基板１１０
が、磁性筒８６内に嵌合されている。透明導電膜３２ｃ
は、ロッド８０Ｂの内壁に沿ったリード線８５、図１０
の十字形梁８１、ホルダ８２及び図１６の電流検出回路
１１２を介して接地されている。電流検出回路１１２
は、リード線８５に流れる電流を検出し、これを電圧に
変換し、増幅して出力する。

【００７７】上記構成において、光ビームＬ１をロッド
８０Ｂ内に入射させると、透明基板１１０及び透明導電
膜３２ｃを通って光導電性膜１１１に照射され、照射点
の抵抗率が低下し、探針３４Ｂと透明導電膜３２ｃとの
間の電圧に応じた電流がリード線８５に流れ、これが電
流検出回路１１２で検出される。本第６実施例では、図
５の装置の代わりに電流検出回路１１２が用いられ、光
学系は、レーザとレーザビームを反射してロッド８０Ｂ
内に入射させるミラーのみでよく、光学系が特に簡単と
なる。他は、上記第５実施例と同様である。

【００７８】［第７実施例］図１７は、第７実施例の電
圧・変位検出プローブ３０Ｆの軸線を通る部分断面を示
す。この電圧・変位検出プローブ３０Ｆは、十字形梁８
１Ａ、８１Ｂ及び導電板９７〜９９を除き、軸線を中心
として回転対称形である。十字形梁８１Ａ、８１Ｂ及び
導電板９７〜９９は、この軸線を通る対称面を有する。

【００７９】ロッド８０Ｂ及びその下端に取り付けられ
た部分は、図１０と同一構成である。ホルダ８２Ａは、
図１０のホルダ８２に対応しており、その内周面の上部
及び下部にそれぞれ図１０の十字形梁８１と同一形状の
十字形梁８１Ａ及び８１Ｂの外端が固着され、十字形梁
８１Ａ及び８１Ｂの内端がロッド８０Ａの外周面に固着
されている。十字形梁８１Ａと十字形梁８１Ｂとの間に
は、ロッド８０Ａの軸方向変位を静電容量の変化として
検出するために、ロッド８０Ａの外周面に垂直に導電板
９７の内端が固着され、導電板９７と離間して導電板９
７を上下から挟むように導電板９８及び９９の外端がホ
ルダ８２Ａの内周面に垂直に固着されている。光学顕微
鏡で十字形梁８１Ａの内側を通して試料を覗くことがで
きるようにするため、導電板９７、９８及び９９は、例
えば十字形梁８１Ａ及び８１Ｂと類似の十字形である。
導電板９７、９８及び９９に不図示のリード線を介して
接続される静電容量検出回路は、周知のホイーストンブ
リッジ回路を用いることができる。

【００８０】他の点は上記第４実施例と同一である。 ［第８実施例］図１８は、第８実施例の電圧・変位検出
プローブ３０Ｇの軸線を通る下部断面を示す。この下部
は、図１７のロッド８０Ａ及びその下端に取り付けられ
たものの代わりに用いられ、リード線８５を除き軸線を
中心として回転対称形である。

【００８１】ロッド８０の下端には、図１６と類似の構
成の光導電ゲートが取り付けられている。すなわち、ロ
ッド８０の下端に透明基板１１０、透明導電膜３２ｃ及
び光導電性膜１１１を介して探針３４が固着されてい
る。透明導電膜３２ｃは、透明基板１１０及びロッド８
０の外周面上に軸方向へ延びたリード線８５の下端に接
続されている。

【００８２】

【発明の効果】以上説明した如く、第１発明に係る電圧
・変位検出プローブ（請求項１）によれば、プローブの
軸線上に探針が位置し、プローブの軸線を試料面に垂直
にすることができるので、プローブが試料上のボンディ
ングワイヤ等と干渉することなく測定することができ、
また、プローブが試料上のボンディングワイヤ等と干渉
しないようにプローブ又は試料を回転させる機構が不要
となるので、第１発明のプローブを用いた電圧・変位測
定装置の構成及びその操作を簡単にすることができると
いう優れた効果を奏する。

【００８３】第１発明において、電圧情報発生素子とし
て電圧／位相差変換素子を用いれば、変位測定と電圧測
定の光学系を共通にすることが可能となり、これによ
り、構成が簡単になり、かつ、調整が簡単になるという
効果を奏する（請求項２〜５）。第１発明において、弾
性部材の外端とホルダとの間に歪みゲージを介装し、そ
の抵抗値変化に基づき探針の変位を検出したり（請求項
６、１０）、ロッドとホルダに互いに対向する導電板を
固着し、導電板間の容量変化に基づいて探針の変位を検
出することによっても（請求項７、１１）、光学系を１
つにすることが可能となり、その調整が簡単になるとい
う効果を奏する。

【００８４】第１発明において、電圧情報発生素子とし
て光導電ゲートを用いれば、光が光導電膜に当たった時
に生じた電流に基づいて電圧測定が可能となるため、光
学系がレーザとミラーのみでよく、構成を簡単化できる
という効果を奏する（請求項８〜１０）。第１発明にお
いて、第１磁性体の残留磁化により探針をその取り付け
位置に保持し、第１磁性体の消磁により探針を該取り付
け位置から落下させるようにすれば、探針の先端が消耗
した場合に、プローブ全体を交換する必要がなく、探針
のみを新しいものに交換すればよいので、ランニングコ
ストを低減できるという効果を奏する（請求項１２）。

【００８５】第２発明に係る電圧・変位測定装置（請求
項１３）及びその各種実施態様（請求項１４〜１９）に
よれば、電圧・変位検出プローブを用いているので、上
記効果が得られる。第２発明において、請求項２０の構
成によれば、探針交換を自動化できるため、微細な探針
の取扱が容易となるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の電圧・変位検出プローブ
の縦断面図である。

【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は図１に示す探針サポータの制
作工程図である。

【図３】図１の電圧・変位検出プローブの使用状態を示
す図である。

【図４】図１の電圧・変位検出プローブを用いた変位測
定原理を示す図である。

【図５】図１の電圧・変位検出プローブを用いた電圧測
定原理を示す図である。

【図６】光学顕微鏡に組み込まれた電圧・変位測定装置
を示す図である。

【図７】他の光学顕微鏡に組み込まれた電圧・変位測定
装置を示す図である。

【図８】本発明の第２実施例の電圧・変位検出プローブ
を示す縦断面図である。

【図９】（Ａ）は第３実施例の電圧・変位検出プローブ
の一部破断図であり、（Ｂ）は（Ａ）の下部縦断面拡大
図であり、（Ｃ）は（Ａ）の十字形梁８１及びロッド８
０の上部の斜視図である。

【図１０】（Ａ）は第４実施例の電圧・変位検出プロー
ブの一部破断図であり、（Ｂ）は（Ａ）の下部縦断面拡
大図であり、（Ｃ）は（Ａ）の十字形梁８１及びロッド
８０の上部の斜視図である。

【図１１】歪み／電圧変換回路図である。

【図１２】本発明の第４実施例の、光学顕微鏡に組み込
まれた電圧・変位測定装置を示す図である。

【図１３】本発明の第５実施例の電圧・変位検出プロー
ブの要部縦断面図である。

【図１４】図１３のプローブを用いた電圧・変位測定装
置を示す図である。

【図１５】探針交換手順を示すフローチャートである。

【図１６】本発明の第６実施例の電圧・変位検出プロー
ブの要部縦断面図である。

【図１７】本発明の第７実施例の電圧・変位検出プロー
ブの部分縦断面図である。

【図１８】本発明の第８実施例の電圧・変位検出プロー
ブの要部縦断面図である。

【図１９】本発明と対比して考えられる電圧・変位測定
装置を示す概略図である。

【符号の説明】

１０ 半導体チップ ２８ レーザ ３０、３０Ａ〜３０Ｇ 電圧・変位検出プローブ ３１、８２、８２Ａ ホルダ ３２ａ 電気光学結晶 ３２ｂ〜３２ｅ、３３ｂ、３３ｃ、４１、４３、８０ｂ
透明導電膜 ３２ｆ、３２ｇ 反射膜 ３３ａ フレーム ３４、３４Ａ、３４Ｂ 探針 ３４ａ 反射面 ５０ マイケルソン干渉計 ５１ ビームスプリッタ ５２Ａ 対物レンズ ５４、５４Ａ、５４Ｂ 光検出器 ６０ 位相差検出装置 ６１ １／４波長板 ６２ 偏光ビームスプリッタ ７１、７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃ プローブホルダ ７２、７２Ａ 微動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ ７２ａ、７２ｃ 微動Ｘ−Ｙステージ ７２ｂ、７２ｄ 微動Ｚステージ ７３、７３Ａ 粗動Ｘ−Ｙ−Ｚステージ ７４ 微動Ｘステージ ７６ 撮像レンズ ７９ コリメートレンズ ８０、８０Ａ、８０Ｂ ロッド ８１、８１Ａ、８１Ｂ 十字形梁 ８３１〜８３３ 歪みゲージ ８５ リード線 ８６ 磁性筒 ８７ 磁性膜 ９０ 探針交換装置 ９１ コイル ９２ 移動ステージ ９３ トレイ ９４ 投光器 ９５ 受光器 ９７〜９９ 導電板 １１０ 透明基板 １１１ 光導電性膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０１Ｒ 31/302 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｂ 7630−4Ｍ (72)発明者 浜 壮一 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 尾崎 一幸 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 後藤 善朗 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 梅原 康敏 北海道小樽市星野町250番地１ 株式会社 アドバンテスト研究所内 (72)発明者 小木曽 祥明 北海道小樽市星野町250番地１ 株式会社 アドバンテスト研究所内

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向する第１面及び第２面を有し、該第
   １面に光が入射され、該光に応答して、与えられた基準
   電位に対する該第１面の電圧情報を光又は電気信号の形
   で出力する電圧情報発生素子（３２）と、 該第２面と導通された導電性探針（３４）と、 該探針の底面が中央部に直接又は間接的に取り付けられ
   た、導電性の、連続又は不連続の回転対称形である面状
   又は線状の弾性部材（３３ｂ）と、 該弾性部材の外端が固着され、該電圧情報発生素子を該
   探針の上方に配置し、該第１面を該第２面の上方にし
   て、該電圧情報発生素子と該探針とを同心に保持するホ
   ルダ（３１）と、 該探針の該ホルダに対する変位を検出する変位検出手段
   （３２）と、 を有することを特徴とする電圧・変位検出プローブ。
2. 【請求項２】 前記電圧情報発生素子（３２）は、 平行に対向する前記第１面及び前記第２面を有し該第１
   面と該第２面との間に印加された電圧に応じて、該第１
   面に入射する光の電気ベクトル振動方向が互いに直角な
   直線偏光成分間に位相差を与える電気光学結晶（３２
   ａ）と、 該第１面上に接着された第１電極（３２ｂ）と、 該第２面上に接着された透明膜の第２電極（３２ｃ）
   と、 を有する電圧／位相差変換素子（３２）であり、 さらに、 該第２電極側に配置され、該電気光学結晶を通った該光
   を反射させて逆進させる反射面（３４ａ）と、 該第１電極へ基準電位を伝達するための第１リード（３
   ２ｄ）を有し、 該入射光が該電気光学結晶内を通り該反射面で反射され
   て該電気光学結晶内を往復することによる該位相差に基
   づいて、該第１電極と該第２電極との間の電圧が検出さ
   れることを特徴とする請求項１記載の電圧・変位検出プ
   ローブ。
3. 【請求項３】 前記第２電極（３２ｃ）は透明膜であ
   り、 前記弾性部材（３３ｂ）は透明の弾性膜であり、 前記探針（３４）はその底面が該弾性部材上中央部に取
   り付けられ、 前記反射面は、該探針の底面又は該弾性膜の該探針底面
   に対応した部分に形成され、 前記電圧／位相差変換素子は前記ホルダ（３１）に固定
   され、 さらに、該第２電極と該弾性膜とを導通させる第２リー
   ド（３２ｅ、３３ａ）を有し、 該電圧／位相差変換素子は前記変位検出手段を兼ねてお
   り、光が固定点から該電圧／位相差変換素子を通って該
   反射面で反射され該電圧／位相差変換素子を再度通り該
   固定点に至る光路の長さの変化に基づいて、該探針の変
   位が検出されることを特徴とする請求項２記載の電圧・
   変位検出プローブ。
4. 【請求項４】 前記弾性部材（３３ｂ）は透明の弾性膜
   であり、 前記電気光学結晶（３２ａ）の前記第１面が該弾性膜の
   中央部に固着され、 前記第１電極は該弾性膜であり、 前記探針（３４）はその底面が該電気光学結晶の前記第
   ２面に取り付けられ、 前記反射面（３４ａ）は、該探針の底面又は該電気光学
   結晶の該第２面に形成され、 前記電圧／位相差変換素子は前記変位検出手段を兼ねて
   おり、光が固定点から前記電圧／位相差変換素子を通っ
   て該反射面で反射され該電圧／位相差変換素子を再度通
   り該固定点に至る光路の長さの変化に基づいて、該探針
   の変位が検出されることを特徴とする請求項２記載の電
   圧・変位検出プローブ。
5. 【請求項５】 前記第２電極（３２ｆ）は反射膜であ
   り、 前記反射面は該反射膜の面であり、 前記探針（３４Ａ）はその底面が該反射膜に取り付けら
   れ、 前記弾性部材（８１）は、中央部に、孔（８１ａ）又は
   透明部材である光透過部が形成され、該中央部から外側
   へ放射状に延びた不連続回転対称形の弾性膜であり、 前記第１リード（８０ｂ）は、前記第１電極（３２ｂ）
   と該弾性膜とを導通させる部分を有し、 さらに、 上端部が該弾性膜の該中央部に固着されて垂下され、該
   探針先端を下方に向けた状態で下端部に前記電圧／位相
   差変換素子（３２Ａ）が固定された、中空又は中実透明
   のロッド（８０）と、 を有することを特徴とする請求項２記載の電圧・変位検
   出プローブ。
6. 【請求項６】 前記変位検出手段は、前記弾性膜（８
   １）の放射状外端部と前記ホルダ（８２）との間を連結
   する歪みゲージ（８３１〜８３４）であり、 該歪みゲージの抵抗値の変化に基づいて、該探針（３４
   Ａ）の変位が検出されることを特徴とする請求項５記載
   の電圧・変位検出プローブ。
7. 【請求項７】 前記第２電極（３２ｆ）は反射膜であ
   り、 前記反射面は該反射膜の面であり、 前記探針（３４）はその底面が該反射膜に取り付けら
   れ、 前記弾性部材は、中央部に、孔又は透明部材である光透
   過部が形成され、該中央部から外側へ放射状に延びた不
   連続回転対称形の第１弾性膜（８１Ａ）と、第１弾性膜
   の下方に配置され、中央部に、孔が形成され、該中央部
   から外側へ放射状に延びた不連続回転対称形の第２弾性
   膜（８１Ｂ）とを有し、 前記第１リードは、前記第１電極と該第１又は第２の弾
   性膜とを導通させる部分を有し、 さらに、該第１弾性膜の該中央部と該第２弾性膜の内端
   に固着されて支持され、該探針先端を下方に向けた状態
   で下端部に前記電圧／位相差変換素子が固定された、中
   空又は中実透明のロッド（８０Ａ）を有し、 前記変位検出手段は、 該第１弾性膜と該第２弾性膜との間に配置され、内端が
   該ロッドの外周部に固着され外端が自由端にされた第１
   導電性板（９７）と、 該第１弾性膜と該第２弾性膜との間に配置され、外端が
   前記ホルダ（８２Ａ）に固着され、内端が自由端にされ
   た第２導電性板（９８、９９）と、 を有し、該第１導電性板と該第２導電性板との間に生じ
   る容量の変化に基づいて該探針の変位が検出されること
   を特徴とする請求項２記載の電圧・変位検出プローブ。
8. 【請求項８】 前記電圧情報発生素子は、 前記探針（３４Ｂ）と導通した光導電性膜（１１１）
   と、 該光導電性膜に接合された第３電極（３２ｃ）と、 一端部が該第３電極に接続され、他端部に基準電位が印
   加される第３リード（８５）と、 を有する光導電ゲートであり、 該探針を試料上の測定点に近接又は接触させ、かつ、該
   光導性膜に光を照射したときに該第３リードに流れる電
   流に基づいて該測定点の電圧が検出されることを特徴と
   する請求項１記載の電圧・変位検出プローブ。
9. 【請求項９】 前記光導電ゲートは、さらに透明基板
   （１１０）を有し、前記第３電極（３２ｃ）は、該透明
   基板の下面に被着された透明導電膜であり、前記光導電
   性膜（１１１）は該透明導電膜上に被着され、 前記探針（３４）は、その底面が該光導電性膜上に取り
   付けられている、 ことを特徴とする請求項８記載の電圧・変位検出プロー
   ブ。
10. 【請求項１０】 前記弾性部材（８１）は、中央部に、
    孔（８１ａ）又は透明部材である光透過部が形成され、
    該中央部から外側へ放射状に延びた不連続回転対称形の
    弾性膜であり、 前記変位検出手段は、前記弾性膜（８１）の放射状外端
    部と前記ホルダ（８２）との間を連結する歪みゲージ
    （８３１〜８３４）であり、 さらに、上端部が該弾性膜の該中央部に固着されて垂下
    され、前記探針先端を下方に向けた状態で下端部に前記
    光導電ゲートが固定された、中空又は中実透明のロッド
    （８０Ａ）を有し、 歪みゲージの抵抗値の変化に基づいて、該探針の変位が
    検出されることを特徴とする請求項９記載の電圧・変位
    検出プローブ。
11. 【請求項１１】 前記弾性部材は、中央部に、孔又は透
    明部材である光透過部が形成され、該中央部から外側へ
    放射状に延びた不連続回転対称形の第１弾性膜（８１
    Ａ）と、第１弾性膜の下方に配置され、中央部に、孔が
    形成され、該中央部から外側へ放射状に延びた不連続回
    転対称形の第２弾性膜（８１Ｂ）とを有し、 さらに、該第１弾性膜の該中央部と該第２弾性膜の内端
    に固着されて支持され、該探針（３４）先端を下方に向
    けた状態で下端部に前記光導電ゲートが固定された、中
    空又は中実透明のロッド（８０Ａ）を有し、 前記変位検出手段は、 該第１弾性膜と該第２弾性膜との間に配置され、内端が
    該ロッドの外周部に固着され外端が自由端にされた第１
    導電性板（９７）と、 該第１弾性膜と該第２弾性膜との間に配置され、外端が
    前記ホルダ（８２Ａ）に固着され、内端が自由端にされ
    た第２導電性板（９８、９９）と、 を有し、該第１導電性板と該第２導電性板との間に生じ
    る容量の変化に基づいて該探針の変位が検出されること
    を特徴とする請求項９記載の電圧・変位検出プローブ。
12. 【請求項１２】 前記探針（３４Ｂ）の取り付け位置の
    周囲部に第１磁性体（３４Ｂ）が固定されており、 前記探針は、少なくとも底部が第２磁性体（８７）であ
    り、 該第１磁性体を磁化させることにより該第２磁性体を吸
    引して該探針の底面を該探針取り付け位置に磁着させ、
    該第１磁性体の残留磁化により該探針の磁着を維持さ
    せ、かつ、該第１磁性体を消磁することにより該探針を
    落下させることを可能にすることを特徴とする請求項１
    乃至１１のいずれか１つに記載の電圧・変位検出プロー
    ブ。
13. 【請求項１３】 請求項１〜１２のいずれか１つに記載
    の電圧・変位検出プローブと、 前記探針（３４）を試料に対し相対的に近接又は接触さ
    せることによって生ずる前記探針の前記ホルダ（３１）
    に対する変位を測定する変位測定手段と、 前記電圧情報発生素子（３２）の出力に基づいて該探針
    の基準電位に対する電圧を測定する電圧測定手段と、 を有することを特徴とする電圧・変位検出装置。
14. 【請求項１４】 前記電圧測定手段は、前記入射光が前
    記電気光学結晶（３２ａ）内を通り前記反射面で反射さ
    れて該電気光学結晶内を往復することによる前記位相差
    に基づいて、前記第１電極（３２ｂ）と前記第２電極
    （３２ｃ）との間の電圧を測定することを特徴とする請
    求項１３記載の電圧・変位測定装置。
15. 【請求項１５】 前記電圧測定手段は、前記探針を試料
    上の測定点に近接又は接触させ、かつ、前記光導性膜に
    光を照射したときに前記第３リード（８５）に流れる電
    流に基づいて該測定点の電圧を測定することを特徴とす
    る請求項１３記載の電圧・変位測定装置。
16. 【請求項１６】 前記変位測定手段は、光が固定点から
    前記電圧／位相差変換素子（３２）を通って前記反射面
    で反射され該電圧／位相差変換素子を再度通り該固定点
    に至る光路の長さの変化に基づいて、前記探針（３４）
    の変位を測定することを特徴とする請求項１３記載の電
    圧・変位測定装置。
17. 【請求項１７】 前記変位測定手段は、前記歪みゲージ
    （８３１〜８３４）の抵抗値の変化に基づいて、前記探
    針（３４Ａ）の変位を測定することを特徴とする請求項
    １３記載の電圧・変位測定装置。
18. 【請求項１８】 前記変位測定手段は、前記第１導電性
    板（９７）と前記第２導電性板（９８、９９）との間に
    生じる容量の変化に基づいて前記探針（３４）の変位を
    測定することを特徴とする請求項１３記載の電圧・変位
    測定装置。
19. 【請求項１９】 レーザ（２８）と、 該レーザからの光が入射され、該光を透過光と反射光と
    に分割し、該透過光と該反射光のうち一方を該プローブ
    に入射させるビームスプリッタ（５１）と、 該透過光と該反射光のうち他方を反射して逆行させ、該
    ビームスプリッタに入射させる反射器（５３）と、 該反射器から該ビームスプリッタへ入射した光のうち該
    ビームスプリッタを透過し又は該ビームスプリッタで反
    射した光と、該プローブから該ビームスプリッタへ入射
    した光のうち該ビームスプリッタで反射され又は該ビー
    ムスプリッタを透過した光との干渉光が入射される偏光
    ビームスプリッタ（６２）と、 該偏光ビームスプリッタからの透過光を検出する第１光
    検出器（５４Ａ）と、 該偏光ビームスプリッタからの反射光を検出する第２光
    検出器（５４Ｂ）と、 該第１光検出器からの第１出力信号と該第２光検出器か
    らの第２出力信号との和に基づいて、該探針（３４）の
    変位を検出し、かつ、該第１出力信号と該第２出力信号
    の差に基づいて、前記基準電位に対する該探針の試料上
    の測定点の電圧を検出する信号処理装置（７０）と、 を有することを特徴とする請求項１３記載の電圧・変位
    検出装置。
20. 【請求項２０】 前記電圧・変位検出プローブ（３０
    Ｄ）の下端部が挿脱されるコイル（９１）と、 該コイルの下方に配置された移動ステージ（９２）と、 該移動ステージに搭載され、前記探針（３４）が挿入さ
    れ該探針を略垂直に保持するための孔（８１ａ）が複数
    形成されたトレイ（９３）と、 該探針を交換する場合に、該トレイ上の空いた該孔が該
    コイルと同心になるように該移動ステージを駆動させ、
    該プローブの下端部が該コイルに挿入された状態で、該
    コイルに電流を供給して前記第１磁性体（８６）を消磁
    することにより、該探針を該プローブから落下させ、該
    トレイ上の該探針が該コイルと同心になるように該移動
    ステージを駆動させ、該コイルに電流を供給して該第１
    磁性体を励磁させることにより、該探針を該プローブに
    磁着させる制御回路（７５Ｂ）と、 を有することを特徴とする請求項１３乃至１９のいずれ
    か１つに記載の電圧・変位測定装置。