JPWO2016194556A1 - 光源装置及び検査装置 - Google Patents

Abstract

光源装置は、インコヒーレントな光を発生する光源と、波長毎のゲインを示すゲイン特性を有し、光源によって出力されたインコヒーレントな光が入力光として入力され、当該入力光を増幅した増幅光を出力する光増幅器と、を備え、入力光の波長毎の強度を示す強度分布の中心波長は、光増幅器の波長毎のゲインを示すゲイン特性の中心波長よりも長波長である。

Description

本発明の一態様は、光源装置及び検査装置に関する。

従来、半導体の故障解析等に関するＥＯＰ（Electoro-Optical Probing）装置、ＥＯＦＭ（Electro-Optical Frequency Mapping）装置、及びＭＯＦＭ（Magneto-Optical Frequency Mapping）装置の光源として、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）等のインコヒーレントな光を出力する光源（以下、インコヒーレントな光源という場合もある。）が用いられている（例えば特許文献１参照）。このようなインコヒーレントな光は、レーザ光と比べて干渉縞が発生しにくいというメリットがある。一方で、一般的にインコヒーレントな光源は、ＳＮ比の点においてはレーザ光源と比べて劣っているとされる。

例えば非特許文献１には、インコヒーレントな光源であるＳＬＤと、光増幅器である半導体光増幅器（ＳＯＡ：semiconductor optical amplifier）とを組み合わせた光源装置が開示されている。半導体光増幅器は、入力光のパワーが大きくなると活性層中に蓄えられたキャリアが入力光を増幅するために消費され、ゲインが減少する。ゲインが減少した状態（ゲイン飽和）においては、半導体光増幅器の光増幅特性が非線形となる。このような増幅特性が非線形となった領域において入力光を増幅することにより、入力光の強度雑音を抑制することができる。

特開２０１２−２４７３９７号公報

Noise Suppression of Spectrum -Sliced Light Using Semiconductor Optical Amplifiers（Electronics and Communications in Japan, Part 2, Vol. 86, No. 2, 2003 pp.28-35 (Translated from Denshi Joho Tsushin Gakkai Ronbunshi, Vol. J85-C, No. 6, June 2002, pp.417-423), Takeshi Yamatoya、Fumio Koyama）

非特許文献１に開示された光源装置のように、ＳＬＤと半導体光増幅器とを組み合わせることにより、光を発生するＳＬＤに由来したノイズ（例えば、強度の時間的なゆらぎ）を低減することができる。しかしながら、当該光源装置では、光を増幅する半導体光増幅器に関するノイズが発生するため、光源装置全体としては、十分にノイズの低減が図られていない。

本発明の一態様は上記実情に鑑みてなされたものであり、インコヒーレントな光源を用いた光源装置及び検査装置において、ノイズを低減することを目的とする。

本発明の一態様に係る光源装置は、インコヒーレントな光を発生する光源と、波長毎のゲインを示すゲイン特性を有し、インコヒーレントな光が入力光として入力され、入力光の強度を増幅した増幅光を出力する光増幅器と、を備える。当該光源装置において、入力光の波長毎の強度を示す強度分布の中心波長は、ゲイン特性の中心波長よりも長波長である。

光増幅器内における、光の増幅に寄与しない励起電荷は、自然放出光としてエネルギーを放出する。このような自然放出光によってノイズが発生していることが推定される。このため、当該自然放出光となる電荷を減らすことによって、自然放出光によって生じるノイズを低減することができると考えられる。この光源装置では、光増幅器の入力光の強度分布の中心波長が、光増幅器のゲイン特性の中心波長よりも長波長である。光増幅器では、入力光の増幅に寄与しない、エネルギーの低い電荷が自然放出光となることによってノイズが発生すると考えられる。すなわち、入力光の増幅に寄与しない長波長側のエネルギーの低い電荷が多いほど、入力光のノイズが増加すると推定される。この点、この光源装置では、光増幅器の入力光の強度分布の中心波長がゲイン特性の中心波長よりも長波長である。通常、光増幅器の入力光の中心波長はゲイン特性の中心波長に合わせて設定されるが、このように、入力光の中心波長が長波長側にずれて設定されることにより、中心波長が合わせて設定されている場合と比較して、光増幅器における長波長側のエネルギーの低い電荷が増幅に用いられ易くなる。このことで、入力光の増幅に寄与しない長波長側の電荷を少なくすることができ、光増幅器から出力される増幅光のノイズを低減することができる。

また、増幅光は、光増幅器による増幅が飽和した状態の強度を有する飽和波長域を含んでいてもよい。この光源装置では、入力光にある強度以上の光が含まれていると、光増幅器のゲインが減少して増幅特性が非線形となり、入力光に含まれるノイズ（例えば、強度の時間的なゆらぎ）が抑制される。この場合、光増幅器から出力される増幅光は、光増幅器による増幅が飽和した状態の強度を有する飽和波長域を含むことになる。従って、これにより、増幅光におけるノイズを相対的に小さくすることができる。

また、入力光の強度分布のＮ値（０＜Ｎ＜１）の長波長側の波長は、ゲイン特性のＮ値の長波長側の波長よりも長波長であってもよい。これにより、入力光の波長が、ゲイン特性の長波長側によりずれて設定されることとなるので、増幅光のノイズをより低減することができる。

また、増幅光における、飽和波長域は、飽和波長域ではない波長域よりも広域であってもよい。この状態の増幅光は、飽和状態となっている波長域が広く、光増幅器における増幅に寄与しない電荷が少ない増幅光である。したがって、増幅光のノイズをより低減することができる。

また、光源から出力されたインコヒーレントな光を受け、光源から出力されたインコヒーレントな光の波長に対する強度分布のピーク値を低減させるフィルタを更に備えてもよい。これにより、強度分布のピークが抑制され、波長幅が広がったインコヒーレント光を光増幅器の入力光とすることができ、ゲイン特性の長波長側のエネルギーの低い電荷が増幅に寄与し易くなる。

また、光増幅器から出力された増幅光の強度を調整する光調整手段を更に備えてもよい。これにより、増幅後において、光調整手段により増幅光の強度を調整し、所望の強度の光を得ることができる。

また、光増幅器は、半導体光増幅器であってもよい。半導体光増幅器を用いることにより、増幅光のノイズをより低減することができる。

本発明の一態様に係る検査装置は、光プロービングを用いて半導体デバイスを検査する検査装置であって、上述の光源装置と、光源装置から出力された増幅光を受けて、増幅光を半導体デバイス上の選択領域に照射する光学系と、半導体デバイスから反射された前記増幅光を受光して、検出信号を出力する光検出部と、を備える。これにより、上述した光源装置を光プロービングにより半導体デバイスを検査する検査装置に応用することができ、光のノイズが低減することによって検査の精度を向上させることができる。

本発明の一態様に係る検査装置は、光磁気プロービングを用いて半導体デバイスを検査する検査装置であって、半導体デバイスに対向して配置される磁気光学結晶と、上述の光源装置と、光源装置から出力された増幅光を受けて、増幅光を磁気光学結晶の選択領域に照射する光学系と、磁気光学結晶から反射された光を検出する光検出部と、を備える。これにより、上述した光源装置を光磁気プロービングにより半導体デバイスを検査する検査装置に応用することができ、光のノイズが低減することによって検査の精度を向上させることができる。

また、半導体デバイスにテスト信号を印加する信号印加部と、検出信号を受けて、検出信号を解析する解析部と、を更に備えてもよい。これにより、駆動した状態における半導体デバイスの検査を行うことができる。

本発明の一態様によれば、インコヒーレントな光源を用いた光源装置及び検査装置において、ノイズを低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る検査装置の構成図である。 図１の検査装置に含まれる光源装置の構成図である。 半導体光増幅器におけるノイズ発生メカニズムを説明するための図である。 ゲイン特性及び波長毎の入力光の強度を示す図である。 ゲイン特性に応じた入力光の波長選択を説明するための図である。 ゲイン特性及び波長毎の入力光の強度を示す図である。 ゲイン特性及び波長毎の入力光の強度を示す図である。 ゲイン特性及び波長毎の入力光の強度を示す図である。 半導体光増幅器の入出力特性を示す図である。 Ｓ／Ｎ改善効果を示す図である。 比較例に係る解析画像を示す図である。 本実施形態に係る解析画像を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る検査装置の構成図である。 変形例に係る光源装置の構成図である。 図１４に示した光源装置における、ゲイン特性及び入力光の波長を示す図である。 変形例に係る光源装置の構成図である。 図１６に示した光源装置から出力される光を説明するための図である。 図１６に示した光源装置における、ゲイン特性及び波長毎の入力光の強度を示す図である。 変形例に係る光源装置の構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

[第１実施形態]
図１に示されるように、第１実施形態に係る検査装置１（半導体検査装置）は、計測対象物であって被検査デバイス（ＤＵＴ：Device Under Test）である半導体デバイスＤにおいて異常発生箇所を特定する等、半導体デバイスＤを検査するための装置である。より詳細には、検査装置１は、ＥＯＰ又はＥＯＦＭと称される光プロービング技術により故障位置を特定する。半導体デバイスＤとしては、トランジスタ等のＰＮジャンクションを有する集積回路（例えば、小規模集積回路（ＳＳＩ：Small Scale Integration）、中規模集積回路（ＭＳＩ：Medium Scale Integration）、大規模集積回路（ＬＳＩ：Large Scale Integration）、超大規模集積回路（ＶＬＳＩ：Very Large Scale Integration）、超々大規模集積回路（ＵＬＳＩ：Ultra Large Scale Integration）、ギガ・スケール集積回路（ＧＳＩ：Giga Scale Integration））、大電流用／高圧用ＭＯＳトランジスタ、バイポーラトランジスタ及び電力用半導体素子（パワーデバイス）等がある。また、計測対象物は半導体デバイスＤだけでなく、例えばガラス面上に形成されたアモルファストランジスタ、ポリシリコントランジスタ、有機トランジスタ等のような薄膜トランジスタ（ＴＦＴ:Thin Film Transistor）や、半導体デバイスを含むパッケージ、更には複合基板であってもよい。

半導体デバイスＤには、デバイス制御ケーブルを介してテスタ１１（信号印加部）が電気的に接続されている。テスタ１１は、電源（図示せず）によって動作させられ、半導体デバイスＤに所定のテスト信号（駆動信号）を繰り返し印加する。テスト信号は、例えば変調電流信号である。なお、テスタ１１は、必ずしも変調電流信号を印加するものでなくてもよく、検出周波数に応じたパルス光を発生させるＣＷ（continuous wave）電流信号を印加するものであってもよい。なお、テスト信号として変調電圧信号等を印加してもよい。テスタ１１は、タイミング信号ケーブルにより周波数解析部１２に電気的に接続されている。

検査装置１は、光源装置１３を備えている。光源装置１３は、電源（図示せず）によって動作させられ、半導体デバイスＤに照射されるインコヒーレントな光を出力する。当該インコヒーレントな光の波長は、５３０ｎｍ以上であり、例えば１０６４ｎｍ以上である。光源装置１３から出力された光は、偏向保存シングルモード光カプラ（図示せず）、及び、プローブ光用の偏光保存シングルモード光ファイバを介して、光分割光学系２７に導かれる。光源装置１３と光分割光学系２７は光学的に結合されている。光源装置１３の詳細については後述する。

光分割光学系２７は、コリメータ１６，１９と、偏向ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳ：Polarization Beam Splitterと記載）１７と、λ／４波長板１８と、を含んで構成されている。これらは光学的に結合されている。光源装置１３からの光が光スキャナ１４（後述）を介して半導体デバイスＤに照射される際には、まず、光源装置１３からの光がコリメータ１６を介してＰＢＳ１７に入力される。ＰＢＳ１７は、偏向成分が０度の光を透過し９０度の光を反射するように設定されている。また、ＰＢＳ１７は、コリメータ１６からの光の偏光に合わせて設定されている。そのため、ＰＢＳ１７はコリメータ１６からの光を透過する。ＰＢＳ１７を透過した偏向成分が０度の光は、λ／４波長板１８を透過して光スキャナ１４に入力される。当該光は、対物レンズ１５（後述）を介して半導体デバイスＤに照射される。光分割光学系２７は光スキャナ１４及び対物レンズ１５とも光学的に結合されている。

半導体デバイスＤからの反射光（戻り光）は、対物レンズ１５及び光スキャナ１４を介してλ／４波長板１８に入力される。当該反射光（戻り光）はλ／４波長板１８を透過することによって円偏光となり偏向成分が９０度傾いている。当該偏向成分が９０度の反射光はＰＢＳ１７によって反射されコリメータ１９を介して光センサ２０に入力される。

光スキャナ１４は、例えばガルバノミラーやＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）ミラー等の光走査素子によって構成される。また、対物レンズ１５は、光スキャナ１４によって導かれた光を半導体デバイスＤに集光する。光スキャナ１４及び対物レンズ１５は、光源装置１３から出力された光（増幅光）を半導体デバイスＤ上の選択領域に照射（走査）する照射光学系（光学系）である。当該選択領域は、ユーザにより選択されたスポットもしくはエリアである。ユーザにより選択領域としてエリアが選択された場合、コンピュータ２３の指示を受けた制御装置２２によって制御された光スキャナ１４により、当該エリアが２次元的に走査される。また、ユーザにより選択領域としてスポットが選択された場合、コンピュータ２３の指示を受けた制御装置２２によって当該スポットに光が照射されるように制御される。対物レンズ１５は、ターレット（不図示）等により、低倍率対物レンズ（例えば５倍）と高倍率対物レンズ（例えば５０倍）とを切替可能に構成されている。

光センサ２０は、例えば、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管、又はエリアイメージセンサ等である。光センサ２０は、半導体デバイスＤからの反射光を受光し、検出信号を出力する。すなわち、光センサ２０は、テスト信号が印加された半導体デバイスＤが光スキャナ１４から照射された光に応じて反射した光を検出する光検出部（光検出器）である。光センサ２０から出力された検出信号は、アンプ２１によって増幅され増幅信号として周波数解析部１２に入力される。周波数解析部１２は、検出信号を受けて、検出信号を解析する解析部（解析器）である。詳細すると、周波数解析部１２は、増幅信号における計測周波数成分を抽出し、当該抽出した信号を解析信号として出力する。計測周波数は、例えば半導体デバイスＤに印加される変調電流信号の変調周波数に基づいて設定される。周波数解析部１２としては、ロックインアンプやスペクトラムアナライザ、デジタイザ、クロス・ドメイン・アナライザ（登録商標）等が用いられる。

周波数解析部１２により出力された解析信号は、コンピュータ２３に入力される。コンピュータ２３は例えばＰＣ等である。コンピュータ２３には、ユーザから計測条件等が入力されるキーボードやマウス等の入力装置２４と、ユーザに計測結果等を示すためのモニタ等の表示装置２５とが接続されている。コンピュータ２３は、プロセッサを含む。コンピュータ２３は、プロセッサにより、光源装置１３、制御装置２２、テスタ１１、光センサ２０、及び周波数解析部１２等を制御する機能と、周波数解析部１２からの解析信号に基づく波形（解析画像）を作成する機能と、を実行する。ユーザは、当該解析画像から故障個所を探すことができる。

次に、図２〜図８を参照して、光源装置１３の詳細について説明する。図２に示されるように、光源装置１３は、光源１３１と、光増幅器１３２と、可変アッテネータ１３３（光変調手段）と、制御装置１３４とを備えている。光源１３１と、光増幅器１３２及び可変アッテネータ１３３とは、光ファイバケーブル１３５によって光学的に結合されており、可変アッテネータ１３３と制御装置１３４はケーブルを介して電気的に接続されている。

光源１３１は、インコヒーレントな光を発生させて出力する。光源１３１としては、インコヒーレントな光を発生する光源であればよく、例えば、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）やＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等を用いることができる。光増幅器１３２は、波長毎のゲイン（増幅率、利得）を示すゲイン特性を有する。光増幅器１３２は、光源１３１によって出力されたインコヒーレントな光が入力光として入力され、当該入力光の強度を増幅して、増幅光を出力する光増幅器である。なお、光増幅器１３２は、例えば半導体光増幅器、光ファイバアンプ、又はブースタ光増幅器である。可変アッテネータ１３３は、光増幅器１３２から出力された光の強度を調整する光調整手段である。当該可変アッテネータ１３３による光の強度調整は、コンピュータ２３の指示を受けた制御装置１３４によって制御される。可変アッテネータ１３３は、強度調整後の光を、光分割光学系２７のコリメータ１６へ出力する。

光増幅器１３２に入力される入力光には、光増幅器１３２がゲイン飽和となる強度の光が含まれている。光増幅器１３２のゲインは、素子（光増幅器）の特性に応じて、波長毎に特定の値が定まっている。一方で、光増幅器１３２から出力可能な光の強度の上限も定まっている。そのため、光増幅器１３２は、入力される入力光の強度がある値よりも大きくなると光増幅が抑制され、定められたゲインに応じて光を増幅することができなくなる。この場合、光増幅器１３２の入力光の強度が大きくなっても増幅光の強度は一定となり、光増幅器１３２の光増幅特性が非線形となる。このように光増幅器１３２の光増幅特性が非線形となっている状態が、上述した光増幅器１３２がゲイン飽和となっている状態である。光増幅器１３２がある波長においてゲイン飽和となっているとは、すなわち、当該ある波長において光の増幅に寄与することが可能な電荷が全て使い切られ、光増幅が抑制されている状態をいう。

光の増幅に寄与する電荷についてより詳細に説明をする。図３は、光増幅器１３２の一例である半導体光増幅器における３つのエネルギー帯の電子、すなわち、励起光（入力光）よりも高いエネルギー帯の電子、入力光と同じエネルギー帯の電子、及び入力光よりも低いエネルギー帯の電子を示している。図３の縦方向はエネルギーの高さであり、また横方向は半導体光増幅器の内部の空間方向を示し、左から右に向かって光が半導体増幅器を通過する。光が入力されると、入力光と同じエネルギー帯の電子が誘導放出し、入力光を増幅する。入力光と同じエネルギー帯の電子が誘導放出に用いられると、入力光よりも高いエネルギー帯の電子のエネルギーが低下し、当該電子が入力光と同じエネルギー帯の電子となる。このため、当該エネルギーが低下した電子も誘導放出し、入力光の増幅に用いられる。一方で、入力光よりも低いエネルギー帯の電子、すなわち入力光よりも長波長側の電子は、誘導放出することができず入力光の増幅に用いられない。このような電子は自ら発光し自然放出光となると推定される。当該自然放出光は、光の増幅とは関係のない光であり、光増幅器１３２におけるノイズとなり得る。なお、電子の誘電放出ではなく、正孔（ホール）の誘電放出を用いる半導体光増幅器もある。また、半導体光増幅器以外の光増幅器にも同様の現象でノイズが発生しうる。

上記に鑑み、光源１３１は、光増幅器１３２の波長毎のゲインを示すゲイン特性の中心波長よりも、光増幅器１３２に入力される入力光の波長毎の強度分布の中心波長が長くなるように、インコヒーレントな光を発生させる。すなわち、入力光よりも長波長側の電荷が自然放出光となることが光増幅器１３２におけるノイズ発生の一因であるとの前提に立ち、光増幅器１３２に入力される入力光の強度分布の中心波長をゲイン特性の長波長側にずらして設定している。ここで、中心波長とは、強度分布やゲイン特性の半値全幅の中心値における波長のことを言う。

より詳細には、光源１３１は、入力光の強度分布のＮ値（０＜Ｎ＜１）の長波長側の波長が、ゲイン特性のＮ値の長波長側の波長よりも長くなるように、インコヒーレントな光を発生させる。上記Ｎは、例えば１／２とされる。この場合、図４に示されるように、入力光の振幅（強度）が１／２値（半値）となる波長のうち長波長側の波長は、ゲイン特性におけるゲインが半値となる波長のうち長波長側の波長よりも長波長である。なお、光源１３１は、図６に示されるように、入力光の強度の１／１０値の長波長側の波長が、ゲイン特性におけるゲインの１／１０値の長波長側の波長よりも長くなるように、インコヒーレントな光を発生させてもよい。

具体的に、ゲイン特性に応じた入力光の波長選択について、図５を参照して説明する。図５（ａ）は、ゲイン特性及び入力光の強度が１／２値となる波長幅（半値幅）を示している。また、図５（ｂ）は、光増幅器１３２の入力光の波長毎の強度（振幅）を正規化した図であり、振幅の最大値が１．０として示された図である。図５（ａ）では、ゲイン特性が実線で示されており、ゲイン特性の半値幅が点線で示されており、ゲイン特性と中心波長が同じである入力光の半値幅が破線で示されており、半値の長波長側の波長がゲイン特性における半値の長波長側の波長よりも長波長である入力光の波長毎の強度分布が一点鎖線で示されており、当該一点鎖線で示された入力光の半値幅が二点鎖線で示されている。

図５（ａ）に示さるように、ゲイン特性と中心波長が同じである入力光が光増幅器１３２に入力された場合には、半値幅で見ると、ゲイン特性は入力光より長波長側の部分を有している。この場合、光増幅器１３２において入力光よりも長波長側のエネルギーの低い電荷が自然放出光となり、光増幅器１３２から出力される光のノイズ要因になると推定される。一方で、半値の長波長側の波長がゲイン特性における半値の長波長側の波長よりも長波長である入力光が光増幅器１３２に入力された場合には、半値幅で見ると、ゲイン特性は入力光より長波長側の部分を有していない。このように光増幅器１３２の長波長側の電荷を全て使うように励起光（入力光）の波長を選択することにより、自然放出光の発生が抑制される。その結果、光増幅器１３２から出力される増幅光のノイズを抑制することができる。例えば、図５（ａ）では、ゲイン特性の半値幅は、１２４５ｎｍ〜１３２５ｎｍの間の約８０ｎｍとされている。この場合、図５（ａ）（ｂ）に示すように、例えば入力光の半値幅を１２６０ｎｍ〜１３７５ｎｍの約１１５ｎｍとすれば、入力光の振幅の半値の長波長側の波長を、ゲイン特性のゲインの半値の長波長側の波長よりも長くすることができる。

なお、図５に示される例では、光源１３１は、入力光の波長幅をゲイン特性の波長幅よりも広くしているがこれに限定されない。例えば、図７に示されるように、光源１３１は、入力光の強度分布の中心波長がゲイン特性の中心波長よりも長く、且つ、入力光の波長幅（例えば、半値全幅）がゲイン特性の波長幅よりも狭くなるように、インコヒーレントな光を発生させてもよい。

また、増幅光における、飽和波長域は、飽和波長域ではない波長域よりも広域であってもよい。この場合、光増幅器による光増幅が飽和していない状態の強度を有する非飽和波長域に比べ、光増幅器による光増幅が飽和した状態の強度を有する飽和波長域が広域であるため、相対的に増幅光のノイズが低減された状態となる。言い換えると、光増幅器１３２における飽和している光の量（図８の横線）が、飽和していない光の量（図８の斜線）よりも多い状態となる。当該光の量の比は、飽和波長域の光量と非飽和波長域の光量の比が２０ｄＢ以上であればよい。

次に本実施形態に係る光源装置１３及び検査装置１の作用効果について説明する。

この光源装置１３では、入力光に、光増幅器１３２がゲイン飽和となる強度の光が含まれている。図９は光増幅器１３２の入出力特性を示す図である。図９に示されるように、光増幅器１３２がゲイン飽和となる状態においては、光増幅器１３２の増幅特性が非線形となる。このため、ゲイン飽和とならない状態においては、入力変化に対応したノイズを含む出力の変化量が大きい。これに対し、ゲイン飽和となる状態においては、入力変化に対応したノイズを含む出力の変化量が小さくなる。これによって、入力光に含まれるノイズを低減することができる。

さらに、光源装置１３では、光増幅器１３２の入力光の波長毎の強度分布の中心波長が、光増幅器１３２の波長毎のゲインを示すゲイン特性の中心波長よりも長波長である。光増幅器１３２では、入力光の増幅に寄与しない、エネルギーの低い電荷が自然放出光となることによってノイズが発生する。すなわち、入力光の増幅に寄与しない長波長側のエネルギーの低い電荷が多いほど、光増幅器１３２からの増幅光のノイズが増加してしまう。この点、この光源装置１３では、光増幅器１３２の入力光の強度分布の中心波長がゲイン特性の中心波長よりも長波長である。つまり、この光源装置１３では、光増幅器１３２の入力光の強度分布の中心波長がゲイン特性の中心波長よりも長い（大きい）。通常、光増幅器１３２の入力光の強度分布の中心波長はゲイン特性の中心波長に合わせて設定される。しかし、このように、入力光の強度分布の中心波長が長波長側にずれて設定されることにより、中心波長が合わせて設定されている場合と比較して、光増幅器１３２における長波長側のエネルギーの低い電荷が増幅に用いられ易くなる。このことで、入力光の増幅に寄与しない長波長側の電荷を少なくすることができ、光増幅器１３２からの出力光のノイズを低減することができる。

図１０は、本実施形態に係る光源装置１３によるＳ／Ｎ改善効果を示す図であり、周波数に対する比較例に係るＲＩＮ（Relative Intensity Noise:相対強度雑音）を示す。ＲＩＮは単位周波数あたりの光強度のゆらぎを平均光強度で割った、光強度の時間的なゆらぎを表すパラメータである。図１０におけるＮ１はＳＬＤのみからなる光源装置のＲＩＮを、Ｎ２はＳＬＤ及び半導体光増幅器を含んだ光源装置であって入力光の強度分布の中心波長の調整を行っていない光源装置のＲＩＮを、それぞれ示している。すなわち、入力光の強度分布の中心波長とゲイン特性の中心波長とがほぼ同じである光源装置のＲＩＮを、それぞれ示している。また、Ｎ４は、ＳＬＤ及び半導体光増幅器を含んだ光源装置のＲＩＮの計測限界を示している。そして、Ｎ３は、ＳＬＤ及び半導体光増幅器を含んだ光源装置であって入力光の強度分布の中心波長をゲイン特性の中心波長より長くした光源装置のＲＩＮを示している。Ｎ３は、Ｎ１と比べて５ｄＢ程度ＲＩＮを低減しており、ＲＩＮの計測限界であるＮ４に近接する程度までＲＩＮを低くすることができている。

また、入力光の強度分布のＮ値（０＜Ｎ＜１）の長波長側の波長は、ゲイン特性のＮ値の長波長側の波長よりも長波長である。これにより、入力光の波長域が、ゲイン特性の長波長側に、よりずれて設定されることとなるので、増幅光のノイズをより低減することができる。Ｎ値は、例えば１／２値（半値）或いは１／１０値とされる。なお、一般的に、光の強度分布又はゲイン特性の１／２値における波長域の幅を半値全幅という。

また、増幅光における、光増幅器１３２による増幅が飽和した状態の強度を有する飽和波長域は、飽和波長域ではない波長域よりも広域である（図８参照）。これにより、光増幅器１３２における増幅に寄与しない電荷を少なくし、増幅光のノイズをより低減することができる。

また、光源装置１３は光増幅器１３２から出力された増幅光の強度を調整する可変アッテネータ１３３（光調整手段）を備えている。これにより、光増幅器１３２で増幅された増幅光を、可変アッテネータ１３３により光の強度を自在に調整し所望の強度の光を得ることができる。

また、光増幅器１３２は、半導体光増幅器である。半導体光増幅器を用いることにより、確実に、入力光の強度分布の中心波長を光増幅器のゲイン特性の中心波長よりも長くすることができる。

本実施形態の検査装置１は、上述した光源装置１３と、光源装置１３から出力された光を半導体デバイスＤ上の選択領域に照射する光スキャナ１４と、半導体デバイスＤにテスト信号を印加するテスタ１１と、テスト信号が印加された半導体デバイスＤが光スキャナ１４から照射された光に応じて反射した光を検出する光センサ２０と、を備えている。これにより、上述した光源装置１３を光プロービングにより半導体デバイスＤを検査する半導体検査装置に応用することができ、プローブ光のノイズが低減することによって半導体検査の精度を向上させることができる。

図１１は比較例に係る検査装置の解析画像を示す図である。比較例に係る検査装置は、ＳＬＤのみを含んだ光源装置を有している。図１２は、光源装置１３を含んだ検査装置１の解析画像を示す図である。図１１及び１２から明らかなように、光源装置１３を含み、光源装置１３から出力される増幅光のノイズを大きく低減している検査装置１では、解析画像が鮮明になり、故障解析等の精度が大きく向上する。

[第２実施形態]
次に、図１３を参照して、第２実施形態に係る検査装置について説明する。なお、第２実施形態に係る説明では、上述した第１実施形態と異なる点について主に説明する。

第２実施形態に係る検査装置１Ａは、光磁気プロービング技術により故障位置を特定する。図１３に示されるように、検査装置１Ａは、磁気光学結晶５０を備え、また、光分割光学系２７Ａ、光センサ２０ａ，２０ｂ、及び差動検出器５２を備えている点で、第１実施形態に係る検査装置１と異なる。

磁気光学結晶５０は、磁気光学効果により、半導体デバイスＤで発生した磁界に応じて、入力された光の偏光状態を変化させる。これにより、例えば半導体デバイスＤにおいて故障が発生している際に、当該故障に起因した通常とは異なる磁界の変化を、光の偏光状態として出力することができる。当該光の偏光状態は、光センサ２０ａ，２０ｂ（後述）によって光の強度として取得される。磁気光学結晶５０は、半導体デバイスＤに対向して配置されており、例えば当接して配置される。光源装置１３から出力された光は、光分割光学系２７Ａ、光スキャナ１４、及び対物レンズ１５を介して磁気光学結晶５０の任意の箇所に照射される。また、磁気光学結晶５０が反射した光は、光分割光学系２７Ａ等を介して光センサ２０ａ，２０ｂによって検出される。光センサ２０ａ，２０ｂはそれぞれ磁気光学結晶５０からの光を検出し、当該検出した光の強度を差動検出器５２に出力する。差動検出器５２は、入力された光の差動を検出することにより反射光の強度を検出し、検出信号としてアンプ２１に出力する。

光分割光学系２７Ａは、コリメータ１６，１９ａ，１９ｂと、ＰＢＳ１７ａ，１７ｂと、偏向回転素子５１ａ，５１ｂと、を含んで構成されている。光源装置１３からの光が光スキャナ１４を介して磁気光学結晶５０に照射される際には、まず、光源装置１３からの光がコリメータ１６を介してＰＢＳ１７ｂに入力される。ＰＢＳ１７ｂは、偏向成分が０度の光を透過し９０度の光を反射するように設定されている。また、ＰＢＳ１７ｂは、コリメータ１６からの光の偏光に合わせて設定されている。そのため、ＰＢＳ１７ｂはコリメータ１６からの光を透過する。ＰＢＳ１７ｂを透過した偏光成分が０度の光は、入力光の偏光面を４５度傾ける（回転させる）偏向回転素子５１ｂに入力され、その偏光成分が４５度となる。

偏向回転素子５１ｂを透過した光は、ＰＢＳ１７ａに入力される。ＰＢＳ１７ａは、偏向成分が４５度の光を透過し１３５度の光を反射するように設定されている。よって、偏向回転素子５１を透過した光はＰＢＳ１７ａを透過する。ＰＢＳ１７ａを透過した偏向成分が４５度の光は、入力光の偏光面を２２．５度傾ける（回転させる）偏向回転素子５１ａを透過して、その偏光成分が６７．５度となり、光スキャナ１４に入力される。当該光は、対物レンズ１５を介して磁気光学結晶５０に照射される。

磁気光学結晶５０からの反射光（戻り光）は、対物レンズ１５及び光スキャナ１４を介して偏向回転素子５１ａに入力される。当該反射光（戻り光）は偏向回転素子５１ａをもう一度透過することによって偏向成分が２２．５度傾き、９０度となる。当該偏向成分が９０度の反射光はＰＢＳ１７ａによって偏向成分が４５度の光及び１３５度の光に分割される。偏向成分が１３５度の光は、ＰＢＳ１７ａにて反射しコリメータ１９ａを介して光センサ２０ａに入力される。当該光からは、「戻り光（反射光）量の半分＋カー効果に応じた光量」の信号を検出することができる。一方、偏向成分が４５度の光は、ＰＢＳ１７ａを透過し、偏向回転素子５１によって偏光面を４５度傾けられて偏光成分が９０度の光となりＰＢＳ１７ｂに入力される。当該偏向成分が９０度の光は、ＰＢＳ１７ｂにて反射しコリメータ１９ｂを介して光センサ２０ｂに入力される。当該光からは、「戻り光（反射光）量の半分−カー効果に応じた光量」の信号を検出することができる。そして、光センサ２０ａ，２０ｂが検出した光の差動が差動検出器５２によって検出され、反射光の強度を示す検出信号がアンプ２１に出力される。これにより、カー効果（偏光の回転量）に応じた光信号を検出することができる。このことで、半導体デバイスＤで発生している磁界（磁場強度）の変化を推定することができ、例えば、故障に起因した、通常とは異なる磁界の変化を検出することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、光源及び光増幅器がそれぞれ１つである例を説明したがこれに限定されず、光源（例えばＳＬＤ）が２つ設けられた構成であってもよい。すなわち、図１４に示されるように、光源１３１ａ及び光源１３１ｂがそれぞれ光カプラ１３８に光学的に結合され、当該光カプラ１３８が光増幅器１３２に光学的に結合された構成であってもよい。この場合、図１５に示されるように、例えば光源１３１ｂから出力されて光カプラ１３８に入力される入力光の強度分布の中心波長は光増幅器１３２のゲイン特性の中心波長と同じとされるのに対し、光源１３１ａから出力されて光カプラ１３８に入力される入力光の強度分布の中心波長は、光増幅器１３２のゲイン特性の中心波長よりも長くされる。そして、光源１３１ａから出力された光と、光源１３１ｂから出力された光とを合わせた光が入力光として光増幅器１３２に入力される。

また、ＳＬＤ等の光源及び光増幅器に加えて、光源装置がＢＥＦ（Band Eliminator Filter）を備えていてもよい。ＢＥＦはＳＬＤ等の光源と光学的に接続されており、光出力のピーク波長の強度を抑制して半値幅（半値全幅）を広げることで、相対的に波長幅を広げるフィルタである。すなわち、ＢＥＦは選択した波長域の光を減衰させる効果を持つ。図１６（ａ）に示されるように、ＢＥＦ１８０には、例えば、光増幅器１３２によって増幅された増幅光が入力される。或いは、図１６（ｂ）に示されるように、ＢＥＦ１８０には光源１３１から出力された光が入力され、ＢＥＦ１８０は光増幅器１３２に向けて減衰後の光を出力する。或いは、図１６（ｃ）に示されるように、ＢＥＦ１８０はＢＥＦ１８０ａ，１８０ｂを含んで構成されており、ＢＥＦ１８０ａに光源１３１から出力された光が入力され、ＢＥＦ１８０ｂに光増幅器によって増幅された増幅光が入力される。

図１７は、図１６（ｂ）に示した光源装置から出力される光を説明するための図である。図１７（ａ）は光源１３１から出力される光の、規格化波長毎の強度を示している。図１７（ｂ）は、光源１３１から出力された光が入力されるＢＥＦ１８０の特性を示しており、入力された光の各規格化波長についての強度の低減量を示している。図１７（ｂ）に示されるように、ＢＥＦ１８０は、光源１３１から出力された光の波長に対する強度分布のピーク値を低減させるように設定されている。図１７（ｃ）は、ＢＥＦ１８０によって強度分布のピーク値が低減された光（強度分布のピークが抑制された光）であって光増幅器１３２に入力される入力光を示している。ＢＥＦ１８０によるピーク値の低減が行われることにより、図１７（ａ）に示された光源１３１から出力された光では強度分布の半値全幅が０．０４であったが、図１７（ｃ）に示された光増幅器１３２に入力される光では強度分布の半値全幅が０．０８となっている。図１８に示されるように、入力光の波長幅が広がることにより、光増幅器１３２のゲイン特性の長波長側のエネルギーの低い電子が増幅に寄与し易くなる。

また、上記実施形態では、入力光の波長毎の強度を示す強度分布の中心波長を光増幅器１３２の波長毎のゲインを示すゲイン特性の中心波長よりも長波長とするために、光源１３１が発生する光の波長を調整したり、光源１３１から出力された光をＢＥＦ１８０を用いて調整したりしたが、これに限らず、光増幅器１３２に印加する電流または電圧などの制御信号を調整することで、光増幅器１３２のゲイン特性を調整し、入力光の波長毎の強度を示す強度分布の中心波長を光増幅器１３２の波長毎のゲインを示すゲイン特性の中心波長よりも長波長としてもよい。また、光増幅器１３２はその温度によってもゲイン特性を調整できるため、光増幅器１３２の温度を調整することで、入力光の波長毎の強度を示す強度分布の中心波長を光増幅器１３２の波長毎のゲインを示すゲイン特性の中心波長よりも長波長としてもよい。

また、光増幅器１３２は、低温状態にて入力された入力光を増幅すると、増幅光におけるノイズの発生を抑制できる。従って、入力光の波長毎の強度を示す強度分布の中心波長を光増幅器１３２の波長毎のゲインを示すゲイン特性の中心波長よりも長波長とした上で、光増幅器１３２を低温状態とすると、よりノイズを抑制することができる。なお、低温状態とは、光増幅器１３２を０℃（３２°Ｆ）以下とすることをいう。また、光増幅器１３２は、その種類や個体によっては上述のように低温状態とするだけでなく、ある一定の温度状態となるように調整することであっても、同様に増幅光におけるノイズの発生を抑制できる。光増幅器の駆動電流による発熱分を抑制するだけでもノイズを抑制する効果がある。一定の温度とは、例えば常温（２０℃〜２５℃（６８°Ｆ〜７７°Ｆ））であるが、他にも使用する光増幅器の種類や個体ごとの特性に好適な温度を一定の温度状態として適宜採用してもよい。

光源装置は温度調整部（不図示）を有することで、光増幅器の温度を調整する。例えば温度調整部として温度センサ（サーミスタ等）や温度調整素子（ペルチェ素子等）を有する光増幅器を用いることで温度を調整することができる。このような光増幅器を用いると、サーミスタからコンピュータ２３へ光増幅器の温度が出力され、その温度が所望の温度となるようにペルチェ素子に電流や電圧を掛けることで、光増幅器の温度を調整することができる。なお、温度調整素子はペルチェ素子以外でもよく、水冷循環器やヒーター等を用いて構成されていてもよい。また、温度調整部は一部が光増幅器と別体となって構成されていてもよい。

また、本発明における光源装置は、複数の光増幅器を有して構成されていてもよく、複数の光調整手段（可変アッテネータ）を有して構成されていてもよい。例えば図１９（ａ）に示される光源装置の構成のように、光源１３１から出力された光を２つの光増幅器１３２ａ及び光増幅器１３２ｂで増幅するように配置することで、光源装置から最終的に出力される光の高周波側のノイズをより低減することができる。また、図１９（ａ）に示されるように、光増幅器１３２ａ及び光増幅器１３２ｂの間に可変アッテネータ１３３ａを配置することで、光増幅器１３２ａから出力された光を、光増幅器１３２ｂにおいてノイズを低減するための最適な光強度に調整して、光増幅器１３２ｂに入力することができる。そして、光増幅器１３２ｂから出力された光は、可変アッテネータ１３３ｂに入力される。図１９（ａ）は光増幅器と可変アッテネータをそれぞれ２つずつ用いた光源装置を示しているが、図１９（ｂ）のようにそれぞれ３つずつ用いて光源装置を構成してもよい。すなわち、光増幅器１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃを備える構成とし、光増幅器１３２ａ及び光増幅器１３２ｂの間に可変アッテネータ１３３ａを配置し、光増幅器１３２ｂ及び光増幅器１３２ｃの間に可変アッテネータ１３３ｂを配置し、光増幅器１３２ｃから出力された光が可変アッテネータ１３３ｃに入力される構成としてもよい。

さらに、本発明の一態様に係る光源装置１３は、半導体デバイスを検査する検査装置に限らず、生体試料や工業製品を観察する顕微鏡装置など他の用途へ応用してもよい。

１，１Ａ…検査装置、１１…テスタ（信号印加部）、１３…光源装置、１４…光スキャナ（照射光学系）、２０，２０ａ，２０ｂ…光センサ（光検出部）、５０…磁気光学結晶、１３１，１３１ａ，１３１ｂ…光源、１３２，１３２ａ，１３２ｂ，１３２ｃ…光増幅器、１３３，１３３ａ，１３３ｂ，１３３ｃ…可変アッテネータ（光調整手段）、１８０…ＢＥＦ（フィルタ）、Ｄ…半導体デバイス。

Claims (12)

1. インコヒーレントな光を発生する光源と、
   波長毎のゲインを示すゲイン特性を有し、前記インコヒーレントな光が入力光として入力され、前記入力光の強度を増幅した増幅光を出力する光増幅器と、を備え、
   前記入力光の波長毎の強度を示す強度分布の中心波長は、前記ゲイン特性の中心波長よりも長波長である、光源装置。
2. 前記増幅光は、前記光増幅器による光増幅が飽和した状態の強度を有する飽和波長域を含む、請求項１記載の光源装置。
3. 前記強度分布のＮ値（０＜Ｎ＜１）の長波長側の波長は、前記ゲイン特性の前記Ｎ値の長波長側の波長よりも長波長である、請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記増幅光における、飽和波長域は、飽和波長域ではない波長域よりも広域である、請求項２記載の光源装置。
5. 前記光源から出力された前記インコヒーレントな光を受け、前記光源から出力された前記インコヒーレントな光の波長に対する強度分布のピーク値を低減させるフィルタを更に備える、請求項１〜４のいずれか一項記載の光源装置。
6. 前記増幅光の強度を調整する光調整手段を更に備える、請求項１〜５のいずれか一項記載の光源装置。
7. 前記光増幅器は、半導体光増幅器である、請求項１〜６のいずれか一項記載の光源装置。
8. 複数の前記光増幅器を有する、請求項１〜７のいずれか一項記載の光源装置。
9. 前記光増幅器の温度を調整する温度調整部を更に備える、請求項１〜８のいずれか一項記載の光源装置。
10. 光プロービングを用いて半導体デバイスを検査する検査装置において、
    請求項１〜９のいずれか一項記載の光源装置と、
    前記光源装置から出力された前記増幅光を受けて、前記増幅光を前記半導体デバイス上の選択領域に照射する光学系と、
    前記半導体デバイスから反射された前記増幅光を受け、検出信号を出力する光検出部と、を備える、検査装置。
11. 光磁気プロービングを用いて半導体デバイスを検査する検査装置において、
    前記半導体デバイスに対向して配置される磁気光学結晶と、
    請求項１〜９のいずれか一項記載の光源装置と、
    前記光源装置から出力された前記増幅光を受けて、前記増幅光を前記磁気光学結晶上の選択領域に照射する光学系と、
    前記磁気光学結晶から反射された前記増幅光を受け、検出信号を出力する光検出部と、を備える、検査装置。
12. 前記半導体デバイスにテスト信号を印加する信号印加部と、
    前記検出信号を受けて、前記検出信号を解析する解析部と、を更に備える、請求項１０又は１１記載の検査装置。