KR20060024368A - 시간 분해 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

시간 분해 측정 장치(100)는, 광전자 증배관(14) 중의 마이크로 채널 플레이트(30)에 장착된 출력 단자(34)로부터 검출 타이밍 펄스를 취득한다. 위치 시간 측정 회로(16)는 시료(10)의 여기에 동기하여 기준 시간 펄스와 검출 타이밍 펄스의 시간차를 나타내는 신호를 생성하고, 데이터 처리 장치(18)에 보낸다. 데이터 처리 장치는, 이 시간차를 발광의 검출 시각으로서 기억한다. 데이터 처리 장치는, 마이크로 채널 플레이트 상에 있어서의 검출 타이밍 펄스의 발생 위치와 출력 단자와의 거리에 따라 검출 시각을 보정한다. 이에 의해 시간 분해 측정의 정밀도가 높아진다.
시간 분해, 광전자, 증배관, 플레이트, 검출, 타이밍, 펄스, 위치, 시료, 여기, 동기

Description

시간 분해 측정 장치{TIME-RESOLVED MEASUREMENT APPARATUS}
이 발명은 위치 검출형 전자 증배관(Position-Sensitive Electron Multiplier Tube:PS-EMT)을 이용하는 시간 분해 측정 장치에 관한 것이다.
발광 현상의 시간 분해 측정을 행하여 그 2차원 위치 및 시간을 취득하기 위한 2차원 시간 분해 측정 장치가 알려져 있다. 이러한 장치는, 특개소 61-266942호 공보, 특개평 10-150086호 공보, 및 에스 샤본노(S. Charbonneau)들에 의한 논문 「레지스티브 에노드 광전자 증배관을 이용한 100ps 분해능에서의 2차원 시간 분해 촬상(Two-dimensional time-resolved imaging with 100-ps resolution using a resistive anode photomultiplier tube)」(Rev. Sci. Instrum. 63(11), American Institute of Physics), 1992년 11월, 5315-5319페이지)에 개시되어 있다.
이 발명은 시간 분해 측정의 정밀도를 높이는 것을 목적으로 한다.
이 발명의 시간 분해 측정 장치는 시료의 여기에 의해 발생하는 양자선의 위치 정보 및 타이밍 정보를 취득한다. 이 시간 분해 측정 장치는 시료의 여기에 동기하여 기준 시간 펄스를 생성하는 신호 발생기와, 시료로부터의 양자선을 검출하고 검출 위치에 따른 위치 신호 및 검출 타이밍에 동기하여 검출 타이밍 펄스를 생성하는 검출 장치와, 위치 신호를 이용하여 검출 위치를 산출하는 위치 연산기와, 기준 시간 펄스와 검출 타이밍 펄스의 시간차를 계측하는 시간차 계측기와, 위치 연산기에 의해 산출된 상기 검출 위치와 상기 시간차 측정기에 의해 계측된 시간차를 대응시켜 기억하는 데이터 처리 장치를 구비하고 있다. 검출 장치는, 위치 검출형 전자 증배관을 가지고 있다. 이 전자 증배관은, 상기 양자선의 상기 전자 증배관으로의 입사 위치에 따른 위치에 전자를 생성하고 그 위치를 유지하면서 상기 전자를 증배하는 마이크로 채널 플레이트, 및 마이크로 채널 플레이트에 전기적으로 접속된 출력 단자를 가지고 있다. 검출 타이밍 펄스는, 마이크로 채널 플레이트에 의해 증배된 전자가 마이크로 채널 플레이트로부터 방출될 때의 전위 변화에 따라 발생하고, 마이크로 채널 플레이트로부터 출력 단자를 통해서 시간차 계측기에 보내어진다. 데이터 처리 장치는, 마이크로 채널 플레이트 상에 있어서의 검출 타이밍 펄스의 발생 위치와 출력 단자와의 거리에 따라 시간차를 보정하고, 보정된 시간차를 검출 위치와 대응시켜 기억한다.
마이크로 채널 플레이트는 양자선의 위치 정보를 유지하므로, 검출 타이밍 펄스는 마이크로 채널 플레이트 상에 있어서, 시료상의 양자선의 발생 위치에 따른 위치에 발생한다. 따라서, 시료 상의 다른 위치로부터 발생한 양자선은 마이크로 채널 플레이트 상의 다른 위치에 검출 타이밍 펄스를 발생시킨다. 발생한 검출 타이밍 펄스가 출력 단자에 도달하는데 필요한 시간은 검출 타이밍 펄스의 발생 위치와 출력 단자와의 거리에 의존한다. 이 때문에 시료 상의 다른 위치로부터 같은 타이밍에 발생한 양자선이, 다른 타이밍으로 출력 단자에 도달하는 검출 타이밍 펄스를 생성하고, 그 결과, 다른 시간차를 생기게 하는 것이 있다. 본 발명에서는, 데이터 처리 장치가 검출 타이밍 펄스의 발생 위치와 출력 단자와의 거리에 따라 시간차를 보정하고, 양자선의 발생 위치의 상위에 따른 시간차의 오차를 해소한다. 이에 의해 시간 분해 측정의 정밀도가 높아진다.
양자선에는 전자, 이온, 알파선, 베타선 등의 하전 입자나, 자외선, X선, 감마선 등의 광자, 또 중성자 등이 포함된다. 시료의 여기에 수반하는 양자선의 발생은, 원자, 분자 등이 에너지가 낮은 상태로부터, 열, 광, 방사선 등의 외부 자극에 의해, 보다 높은 에너지의 상태로 옮겨가고, 그 상태가 원래대로 돌아갈 때에, 2개의 상태의 에너지의 차를 광 등의 양자선으로서 방출하는 현상이다(상기 특허문헌 1 및 비특허문헌 1을 참조할 것). 반도체 소자가 자발적으로, 혹은 외부 트리거(trigger)(신호 펄스, 동작 개시 펄스 등)에 응답하여 작동하면, 소자 중의 트랜지스터의 스위칭 동작에 수반하여 천이(transient) 발광이 일어나는 것도 알려져 있다(상기 특허문헌 2를 참조할 것). 본 발명에 있어서 시료의 여기에 수반하는 양자선의 발생에는, 원자 또는 분자가 2개의 상태의 에너지의 차를 광 등의 양자선으로서 방출하는 현상에 더하여 반도체 소자의 동작시에 관찰되는 천이(transient) 발광도 포함된다.
데이터 처리 장치는, 검출 타이밍 펄스가 그 발생 위치로부터 출력 단자에 도달하는데 필요한 시간을 시간차 계측기에 의해 계측된 시간차로부터 제거함으로써 시간차를 보정하여도 좋다. 이 경우, 검출 타이밍 펄스의 발생 위치와 출력 단자와의 거리에 의존하는 성분이 시간차로부터 제거된다. 이 결과, 양자선의 발생 위치의 상위에 따른 시간차의 오차가 해소되어 시간 분해 측정의 정밀도가 높아진다.
데이터 처리 장치는, 마이크로 채널 플레이트 상에 복수의 샘플링 점을 설정하고, 각 샘플링 점에서 발생하는 검출 타이밍 펄스를 위한 보정 데이터를 취득하여 보간하고, 보간된 보정 데이터를 이용하여 시간차를 보정하여도 좋다. 보간에 의해 소수의 샘플로부터 다수의 보정 데이터를 산출할 수 있다. 이에 의해 보정 데이터의 취득에 필요할 시간을 단축할 수 있다.
데이터 처리 장치는 시료의 여러 차례의 여기에 걸쳐서 검출 위치 및 시간차를 축적하여도 좋다. 이것은 양자선을 발생하는 확률이 낮은 시료의 측정에 유익하다.
데이터 처리 장치는, 축적된 시간차를 이용하고, 특정의 검출 위치에 대응시켜진 시간차의 막대그래프를 작성하여도 좋다. 이 막대그래프는, 있는 위치에서의 양자선 발생의 타이밍을 구하기 위해서 사용할 수 있다. 구해진 양자선 발생 타이밍은 동작시에 낮은 확률로 양자선을 발생하는 반도체 소자의 동작 해석에 이용할 수 있다.
시료는 동작시에 양자선을 발생할 수 있다 복수의 반도체 소자를 포함하는 회로를 가지고 있어도 좋다. 시료의 여기는 회로를 구동하여 복수의 반도체 소자를 순차 동작시키는 것이어도 좋다. 데이터 처리 장치는 반도체 소자의 위치에 대응하는 검출 위치를 특정하고, 특정된 검출 위치에 있어서의 막대그래프의 피크로 대응할 시간차를 산출하여도 좋다. 막대그래프의 피크는, 있는 검출 위치에 있어 양자선의 발생이 가장 높은 빈도로 검출된 시간차를 나타내고 있다. 따라서, 이 시간차는 그 검출 위치에 대응하는 반도체 소자로부터 양자선이 발생하는 타이밍으로서 취급할 수가 있다. 복수의 반도체 소자의 양자선 발생 타이밍을 산출하면, 그러한 반도체 소자를 포함하는 회로의 동작을 해석할 수가 있다.
전자 증배관은 양자선을 광전 효과에 의해 광전자로 변환하는 포토 케소드를 가지는 위치 검출형 광전자 증배관이어도 좋다. 이 경우, 마이크로 채널 플레이트는 포토(photo) 케소드(cathode)에 대향시켜 배치되고, 포토 케소드로부터 광전자를 받아 2차 전자를 생성하고 증배한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 신규 특징은 이하의 설명을 첨부 도면과 함께 읽음으로써 보다 완전하게 밝혀진다. 다만, 도면은 단순한 예시에 지나지 않고 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
도 1은 실시 형태와 관련되는 시간 분해 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 시료에 포함되는 집적회로를 나타내는 개략도이다.
도 3은 마이크로 채널 플레이트를 나타내는 개략 평면도이다.
도 4는 인버터 중의 트랜지스터의 발광 타이밍을 나타내는 도이다.
도 5는 도 4의 꺾인 선 그래프의 근사 곡선을 나타내는 도이다.
도 6은 마이크로 채널 플레이트의 표면 상에 있어서의 복수의 검출 위치를 나타내는 개략 평면도이다.
도 7은 복수의 검출 위치에 대응하는 검출 시각의 지연의 분포를 나타내는 도이다.
도 8은 보정 데이터의 측정 방법의 설명하기 위한 개략도이다.
도 9는 유효 영역 상의 샘플링 점을 나타내는 도이다.
도 10은 샘플링(sampling) 점에 대해서 측정한 검출 시각의 지연을 3D(3 dimension) 표시하는 도이다.
도 11은 보간 후의 지연을 3D(3 dimension) 표시하는 도이다.
도 12는 인버터(inverter) 체인(chain) 중의 트랜지스터에 대응한 검출 시각의 지연의 분포를 나타내고 있다.
도 13은 시간 분해 측정의 순서의 일례를 나타내는 플로차트이다.
도 14는 시간 분해 측정의 순서의 다른 예를 나타내는 플로차트이다.
이하에서는, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 매우 적합한 실시 형태를 상세하게 설명한다. 이해의 용이를 위해 도면에 공통이며 동일 또는 등가인 요소에는 같은 참조 번호를 사용하고 중복하는 설명을 생략한다.
도 1은 본 실시 형태와 관련되는 시간 분해 측정 장치(100)의 구성을 나타내는 블록도이다. 장치(100)는 시료(10)로부터 발생하는 광(15)을 검출하고, 발광의 2차원 위치 및 타이밍을 측정한다. 장치(100)는, 반도체 테스터(tester)(12), 위치 검출형 광전자 증배관(Position Sensitive Photomultiplier Tube：PS-PMT)(14), 위 치 시간 측정 회로(16), 및 데이터 처리 장치(18)를 가지고 있다.
본 실시 형태에서는 시료(10)의 일례로서 반도체 집적회로(IC)를 탑재하는 칩을 준비한다. 도 2는 시료(10) 상의 IC를 나타내는 개략도이다. 이 IC는 직렬 접속된 12개의 인버터(221∼2212)를 가지는 인버터 체인(20)이다. 인버터 체인(20)에서는 초단의 인버터(221)로부터 최종단의 인버터(2212)까지 화살표(24)의 방향을 따라 신호가 순차 전파한다. 서로 이웃이 되는 2개의 인버터간의 신호 전파 시간은 이론상 70ps(picosecond)로 설계되어 있다. 인버터를 구성하는 MOS 트랜지스터는 스위칭시에 발광하는 것이 있다. 따라서, 장치(100)를 이용하여 발광의 위치와 타이밍을 계측하면, 어느 트랜지스터가 언제 스위칭(switching)을 했는지를 판별할 수 있다. 이것은 인버터 체인(20)의 동작 해석을 가능하게 한다.
반도체 테스터(12)는 시료(10)를 여기하여 발광을 생기게 하기 위한 여기 장치이다. 테스터(12)는 시료(10) 상의 인버터 체인(20)에 전기적으로 접속되어 구동 전압을 인가한다. 또, 테스터(12)는 구동 전압의 인가에 동기하여 시간 기준 펄스를 생성하는 신호 발생기(12a)를 포함하고 있다. 시간 기준 펄스는 위치 시간 측정 회로(16)에 보내어진다.
위치 검출형 광전자 증배관(14)은 시료(10)로부터의 광을 전자로 변환하고, 그 전자를 그 2차원 위치를 유지하면서 증폭한다. 광전자 증배관(14)은, 포토 케소드, 마이크로 채널 플레이트(MCP) 및 레지스티브 에노드(anode)를 가지고 있다. 마이크로 채널 플레이트는, 포토(photo) 케소드(cathode)와 레지스티브 에노드의 사 이에 배치되어 있다. 마이크로 채널 플레이트의 전면은 포토 케소드와 대향하고, 후면은 레지스티브 에노드와 대향하고 있다.
도 3은 마이크로 채널 플레이트를 나타내는 개략 평면도이다. 도면의 간단화를 위해 도 3에서는 마이크로 채널 플레이트의 채널의 도시는 생략 되어 있다. 마이크로 채널 플레이트(30)의 양단면에는 전극(30a)으로서 도전성 재료가 증착되어 있다. 마이크로 채널 플레이트(30)의 둘레 가장자리는 링 모양의 금속 플랜지(32)에 의해 덮혀 있다. 플랜지(32)의 1개소에 리드 단자(34)가 장착되어 있다. 리드 단자(34)는 마이크로 채널 플레이트(30)의 단면상의 전극(30a)과 전기적으로 도통하고 있다. 리드 단자(34)는 리드 선에 의해 위치 시간 측정 회로(16)에 접속되어 있다. 후술하듯이 마이크로 채널 플레이트(30)에서는, 광의 검출 타이밍에 동기하여 전기적인 펄스 신호가 생성된다. 이 펄스 신호는 리드 단자(34)를 통해서 회로(16)에 보내어진다.
위치 시간 측정 회로(16)는 테스터(12) 및 광전자 증배관(14)의 쌍방에 전기적으로 접속되어 있다. 회로(16)는 광전자 증배관(14)으로부터 보내어지는 신호를 이용하여 검출 위치를 산출하는 위치 연산기로서 기능한다. 또, 회로(16)는 테스터(12)로부터 보내어지는 기준 시간 펄스와 광전자 증배관(14)으로부터 보내어지는 검출 타이밍 펄스의 시간차를 계측하는 시간차 계측기로도 기능한다. 이 시간차는 기준 시간 펄스를 기준으로 한 검출 시각을 나타낸다. 회로(16)에 의해 구해진 검출 위치 및 검출 시각은 데이터 처리 장치(18)에 보내어진다.
데이터 처리 장치(18)는 위치 시간 측정 회로(16)로부터 검출 위치 및 검출 시각을 받아, 이것들을 서로 대응시켜 기억한다. 처리 장치(18)는 예를 들면 퍼스널 컴퓨터이다. 처리 장치(18)는 CPU, 기억 장치, 키보드 및 마우스, 및 디스플레이를 가지고 있다. 기억 장치에는 CPU에 의해 실행되는 데이터 처리 프로그램이 저장되어 있다.
이하에서는 시간 분해 측정 장치(100)의 동작을 설명한다. 테스터(12)가 시료(10) 상의 인버터 체인(20)을 구동하면, 복수의 인버터(22)가 약 70ps의 간격으로 순차 동작한다. 이때 있는 확률로 인버터(22) 중의 트랜지스터로부터 광(15)이 발생한다. 광전자 증배관(14)은 광(15)을 포토 케소드에서 받는다. 포토 케소드는 광전 효과에 의해 광(15)을 광전자로 변환한다. 이 광전자는 포토 케소드 및 마이크로 채널 플레이트 사이에 인가된 전계에 의해 마이크로 채널 플레이트의 전면, 즉 입력면으로 이동한다. 광전자의 마이크로 채널 플레이트에의 입사 위치는 광(15)의 포토 케소드로의 입사 위치에 대응하고 있다.
마이크로 채널 플레이트는 광전자의 입사 위치에 하나 이상의 2차 전자를 생성하고, 그 2차 전자를 그 2차원 위치를 유지하면서 증배한다. 보다 구체적으로는, 마이크로 채널 플레이트는 매우 가는 유리 파이프를 다수 묶은 구조를 가지고 있다. 이 유리 파이프가 채널이다. 채널의 내벽은 전기 저항체이고 전자 방출체이기도 하다. 각각의 채널은 독립한 전자 증배기로서 기능한다. 마이크로 채널 플레이트가 감응하는 양자(예를 들면, 본 실시 형태에 있어서의 광전자)가 하나의 채널의 내벽에 입사하면 그 내벽으로부터 하나 이상의 전자가 방출된다. 방출된 전자는 마이크로 채널 플레이트의 양단면간에 인가된 전계에 의해 가속되어 다시 내벽에 충 돌하여 2차 전자를 방출시킨다. 2차 전자는 내벽에의 충돌을 반복하면서 채널을 따라 진행하고 그에 따라 증배된다. 2차 전자의 2차원 위치는 채널에 의해 유지된다. 2차 전자는 마이크로 채널 플레이트의 후면에 도달하면, 마이크로 채널 플레이트 및 레지스티브 에노드 사이에 인가된 전계에 의해 마이크로 채널 플레이트의 후면, 즉 출력면으로부터 방출되고 레지스티브 에노드에 수집된다.
레지스티브 에노드는 한쪽 면에 균일한 저항층이 설치된 도체판이다. 레지스티브 에노드의 주연부의 4개소에는 신호 독출용의 전극이 설치되어 있다. 이러한 전극은 위치 시간 측정 회로(16)에 전기적으로 접속되어 있다. 레지스티브 에노드에 2차 전자가 입사하면 이러한 독출 전극은 전하 펄스를 출력한다. 레지스티브 에노드에 입사한 2차 전자의 2차원 위치는 이러한 전하 펄스가 가지는 전하량에 기초하여 구해진다. 이와 같이 레지스티브 에노드는 광(15)의 검출 위치에 따른 신호를 생성하고, 위치 시간 측정 회로(16)에 보낸다.
회로(16)는 광전자 증배관(14)의 레지스티브 에노드의 4모서리의 전극으로부터 전하 펄스를 받고, 중심 검출에 의해 레지스티브 에노드 상에 있어서의 2차 전자의 2차원 위치를 산출한다. 이 2차원 위치는 시료(10) 상에 있어서의 발광의 2차원 위치와 대응하고 있다. 이와 같이 하여 광(15)의 검출 위치가 구해진다. 이 검출 위치는 데이터 처리 장치(18)에 보내어진다.
또한, 광전자 증배관(14)은 광(15)의 검출 타이밍에 동기하여 펄스를 생성한다. 이 검출 타이밍 펄스는 마이크로 채널 플레이트(30)로부터 취출된다. 이하에서는 도 3을 참조하면서, 검출 타이밍 펄스의 생성에 대해서 설명한다.
마이크로 채널 플레이트(30)의 후면(출력면) 중 레지스티브 에노드에 의해 2차 전자를 수집할 수 있는 것은 부호 (36)으로 나타나는 정방형의 영역이다. 이 영역을 이하에서는 「유효 영역」이라고 부른다. 인버터(221∼2212)로부터 광이 발생하면, 인버터(221∼2212)에 대응한 유효 영역(36) 중의 위치(381∼3812)에 광전자가 수집된다. 이러한 위치(38)로부터 레지스티브 에노드에 2차 전자가 방출되면 마이크로 채널 플레이트(30)의 출력면의 전위가 순간적으로 상승한다. 이어서, 마이크로 채널 플레이트(30)에 접속된 전기 회로로부터 위치(38)로 전자가 유입하고, 출력면의 전위가 곧바로 소정의 정상 전위로 돌려진다. 이 전자의 흐름이 상술한 검출 타이밍 펄스이다. 이 펄스는 마이크로 채널 플레이트(30)의 출력면 상을 전파하고, 플랜지(32), 리드 단자(34) 및 상기의 전기 회로, 즉 펄스 독출 회로를 거쳐 위치 시간 측정 회로(16)로 도달한다.
회로(16)는 테스터(12)가 시료(10) 상의 인버터 체인(20)을 구동시킨 직후에 기준 시간 펄스를 테스터(12)로부터 받고, 그 후, 마이크로 채널 플레이트(30)로부터 검출 타이밍 펄스를 받는다. 회로(16)는 시간 전압 변환기(Time-to-Amplitude Converter：TAC)를 가지고 있고, 기준 시간 펄스 및 검출 타이밍 펄스는 이 시간 전압 변환기에 보내어진다. 시간 전압 변환기는, 기준 시간 펄스와 검출 타이밍 펄스의 시간차에 따른 레벨의 전압 신호를 생성한다. 위에서 설명한 바와 같이, 이 시간차는 시료(10)의 여기 시점을 기준으로 하는 광(15)의 검출 시각과 등가이다. 이하에서는 시간차에 따른 이 신호를 「검출 시각 신호」라고 부른다. 검출 시각 신호는 회로(16)로부터 데이터 처리 장치(18)에 보내어진다.
데이터 처리 장치(18)는 회로(16)로부터 검출 위치 및 검출 시각 신호를 받아 검출 시각 신호가 나타내는 검출 시각을 보정한 후, 검출 위치와 검출 시각을 대응시켜 기억 장치에 저장한다. 검출 시각의 보정에 대해서는 다음에 상세하게 설명한다.
트랜지스터가 스위칭 시에 발광하는 확률은 매우 작기 때문에, 시료(10)는 반복하여 여기되어 검출 위치 및 검출 시각이 데이터 처리 장치(18)에 축적된다. 축적된 데이터는 여러 가지로 이용할 수가 있다. 예를 들어, 데이터 처리 장치(18)는 특정의 시간에 걸쳐서 검출 위치마다 발광 회수를 카운트 하고, 얻어진 카운트 수에 따른 휘도를 검출 위치에 대응하는 화소에 할당한 2차원 화상을 생성할 수가 있다. 또, 데이터 처리 장치(18)는 축적된 검출 시각을 이용하여 특정의 검출 위치에 있어서의 검출 시각의 막대그래프를 작성할 수가 있다. 이 막대그래프에서는 횡축이 검출 시각이고 종축이 발광 회수이다. 막대그래프의 피크(peak)는 특정의 검출 위치에 있어서 발광이 높은 빈도로 검출되었을 시각을 나타내고 있다. 따라서, 피크에 대응하는 검출 시각은 그 검출 위치에 대응하는 인버터(22) 중의 트랜지스터가 스위칭을 하는 타이밍으로 간주할 수가 있다. 각 인버터(22)로 대응하는 검출 위치에 대해서 막대그래프의 피크에 대응하는 검출 시각을 산출하면, 일련의 인버터(22)의 동작 타이밍을 파악할 수가 있다. 이에 의해 인버터 체인(20)의 동작 해석이 가능하다.
이하에서는, 데이터 처리 장치(18)에 있어서 검출 시각이 보정되는 이유를 설명하고, 그 후, 보정 처리를 구체적으로 설명한다. 본 발명자는 당초 데이터 처리 장치(18)로 시간차를 보정시키는 일 없이 검출 위치 및 검출 시각을 기억시키고 있다. 그러나, 이것은 인버터(221∼2212)와 같은 복수의 반도체 소자의 연속적인 동작 타이밍을 해석하는 경우에는 바람직하지 않은 것을 알았다. 도 4 및 도 5를 참조하면서 이 점에 대해서 설명한다.
도 4는 검출 시각을 보정하는 경우와 보정하지 않았던 경우의 쌍방에 있어서 취득된 데이터에 기초하는 인버터(221∼2212)의 발광 타이밍을 나타내고 있다. 도 4에 있어서 (40)는 검출 시각을 보정하지 않는 경우의 발광 타이밍을 나타내고, (42)는 검출 시각을 보정하는 경우의 발광 타이밍을 나타내고 있다. 도 5는 이러한 꺾인 선 그래프(40 및 42)의 근사 곡선을 나타내고 있다. 도 5에 있어서 (50)는 검출 시각을 보정하지 않는 경우의 근사 곡선을 나타내고, (52)는 검출 시각을 보정하는 경우의 근사 곡선을 나타내고 있다. 이러한 그래프에 있어서 횡축은 인버터(221∼2212)에 포함되는 트랜지스터를 나타내고, 종축은 검출 시각을 나타낸다. 횡축에 있어서 (1n, 3n, 5n, 7n, 9n 및 11n)는 각각 인버터(221, 223, 225, 227, 229 및 2211)에 포함되는 n-FET를 나타내고, (2p, 4p, 6p, 8p, 10p 및 12p)는 각각 인버터(222, 224, 226, 228, 2210 및 2212)에 포함되는 p-FET를 나타내고 있다. 종축의 검출 시각은, 위에서 설명한 바와 같이, 데이터 처리 장치(18)에 축적된 검출 위치 및 검출 시각을 이용하여 각 인버터(22)에 대해서 막대그래프를 작성하고, 막대그 래프 중의 피크에 대응하는 검출 시각을 산출함으로써 취득된다.
위에서 설명한 바와 같이, 인버터 체인(20)은 인버터(221∼2212) 중의 트랜지스터가 일정한 시간 간격으로 순차 스위칭을 하도록 설계되어 있다. 따라서, 측정이 정확하다면 그래프 (50)의 기울기는 일정할 것이다. 그러나, 실제로는 그래프 (50)의 기울기는 트랜지스터가 리드 단자(34)에 까깝게 됨에 따라 저하한다. 이것은 측정 결과에 있어서 스위칭의 시간 간격이 서서히 짧아지는 것을 의미한다.
본 발명자는, 측정 결과로 보여지는 스위칭 타이밍의 불균일을 마이크로 채널 플레이트(30) 상에 있어서의 검출 타이밍 펄스의 전파 시간의 분산에 기인하는 오차로 생각하고 있다. 이하에서는, 이 점에 대해서 설명한다.
도 3에 나타나듯이, 검출 타이밍 펄스의 발생 위치(38)와 리드 단자(34)와의 거리는 인버터(22)의 위치에 따라 상이하다. 이 때문에 다른 인버터(22)로부터 발생한 광에 의해 생성된 검출 타이밍 펄스는, 그 발생 위치(38)로부터 리드 단자(34)로 전파하는데 필요할 시간이 상이하다. 예를 들면, 도 3에 나타나듯이, 인버터(221)의 발광에 대응하는 검출 위치(381)와 리드 단자(34)와의 거리는 (l1)이고, 인버터(226)의 발광에 대응하는 검출 위치(386)와 리드 단자(34)와의 거리는 (l6)이다. 따라서, 검출 타이밍 펄스가 검출 위치(381 및 386)의 각각으로부터 리드 단자(34)로 전파하는데 필요한 시간에는, 단순하게 생각하여 (l1-l6)/c의 차가 있는 것으로 추정된다. 여기서, c는 전자파의 속도를 표현한다. 검출 시각은 광(15)이 실 제로 검출된 시점, 즉 검출 타이밍 펄스의 발생시점으로부터 검출 타이밍 펄스의 위치 시간 측정 회로(16)로의 전파에 필요할 시간만 지연한다. 이 지연(delay)이 검출 위치(381∼3812)에 따라 다르기 때문에 측정되는 스위칭 타이밍의 시간 간격이 불균일하게 된다고 생각된다. 또, 검출 타이밍 펄스의 전파 시간은 플랜지(32)의 형상이나, 마이크로 채널 플레이트(30)의 구조 및 재질 등 다양한 요인에 의해 복잡하게 영향을 받는다.
또, 리드 단자의 수는 1개에 한정되지 않고 지연의 절대치를 감소시키는(검출 위치(38)로부터 리드 단자(34)까지의 거리를 감소시킨다) 관점으로부터 복수 라인 설치하여도 좋다. 이때 복수의 리드 단자는 동일한 길이인 것이 바람직하다. 리드 단자(34)의 수가 무한대의 경우에 상당하는 예로서 리드 단자 대신에 콘형상(cone shape)의 전극을 사용하면, 지연의 절대치를 최소한으로 억제할 수가 있다.
도 6은 마이크로 채널 플레이트(30) 상에 있어서의 복수의 검출 위치 P1∼P14를 나타내는 개략 평면도이고, 도 7은 그러한 위치에 따른 검출 시각의 지연을 나타내고 있다. 도면의 간단화를 위해 도 6에서는 마이크로 채널 플레이트(30)의 채널의 도시는 생략되어 있다. 도 7에 나타나는 지연의 분포는 리드 단자(34)로부터 먼 위치에서 발생한 검출 타이밍 신호일수록 리드 단자(34)로 도달할 때까지의 시간이 긴 것을 반영하고 있다. 또, 각 검출 위치에 대응한 지연은 전자계 시뮬레이터 또는 고주파 회로 시뮬레이터를 이용하여 계산하든지, 혹은 후술하는 것 같은 방법에 의해 측정할 수가 있다.
검출 위치에 따른 검출 시각의 지연의 분산은 시료(10) 상의 1개소로부터 발생하는 광을 반복하여 측정하는 용도에서는 문제가 되지 않는다. 그러나, 인버터 체인(20)과 같이 다른 위치에 배치된 복수의 반도체 소자의 연속적인 동작 타이밍을 해석하는 경우에는 문제가 생긴다. 도 3에 나타나듯이, 최종단에 가까운 인버터(22)일수록, 출력 단자(34)로 가까운 검출 위치(38)에서 검출 타이밍 펄스를 발생시킨다. 따라서, 최종단에 가까운 인버터(22)일수록 검출 시각의 지연이 짧다. 이러한 지연의 불균일이 일정해야할 스위칭 간격이 서서히 단축한다고 하는 측정 결과를 생기게 한다.
그래서, 본 발명자는 검출 위치에 따른 지연의 분산을 데이터 처리 장치(18)로 보정시키기로 하였다. 이 보정 처리는 마이크로 채널 플레이트(30) 상에 있어서의 지연의 분포를 반영한 보정 데이터를 사용하여 행해진다. 이 보정 데이터는 실험에 의해 취득하는 것도 할 수 있고, 전자계 시뮬레이터 또는 고주파 회로 시뮬레이터를 이용한 계산에 의해 취득하는 것도 할 수 있다.
이하에서는, 보정 데이터의 측정 방법의 일례를 설명한다. 도 8은 측정 방법을 나타내는 개략도이다. 이 방법에서는 시간 분해 측정 장치(100)에 있어서의 테스터(12) 대신에 피코초(picosecond) 또는 서브나노초(sub-nanosecond)의 펄스 레이저 광원(40)을 사용하고, 레이저 광의 검출 위치에 따른 지연의 분포를 측정한다. 레이저 광원(40)은 펄스 레이저 광을 방출함과 함께 그 방출에 동기하여 시간 기준 신호를 출력한다. 이 시간 기준 신호는 위치 시간 측정 회로(16)에 보내어진다. 광원(40)에는 광 파이버(fiber)(42)가 접속되어 있다. 광원(40)으로부터 발생 한 펄스 레이저 광은 광 파이버(fiber)(42) 내를 전반하여 렌즈(44)를 향해 출사한다. 레이저 광은 렌즈(44)에 의해 수렴되어 광전자 증배관(14)의 포토 케소드(50)에 입사한다. 포토 케소드(50)에서의 광전 효과에 의해 발생한 광전자는 마이크로 채널 플레이트에 의해 증배되어 레지스티브 에노드(52)를 향해 방출된다. 이때 발생하는 검출 타이밍 펄스는 마이크로 채널 플레이트(30)의 후면 상을 전파하여 리드 단자(34)에 도달하고, 그곳에서 위치 시간 측정 회로(16)에 보내어진다. 레지스티브 에노드(52)로부터는 레이저 펄스 광의 검출 위치에 따른 신호가 회로(16)에 보내어진다. 회로(16)는 레지스티브 에노드로부터의 신호에 기초하여 검출 위치를 산출하여 데이터 처리 장치(18)에 보낸다. 또, 회로(16)는 광원(40)으로부터의 시간 기준 펄스와 검출 타이밍 펄스의 시간차에 따른 신호를 생성하고, 데이터 처리 장치(18)에 보낸다. 이 방법에서는, 이 시간차를 검출 위치에 따른 검출 시각의 지연으로서 취급한다. 데이터 처리 장치(18)는 회로(16)로부터 보내어진 검출 위치와 지연을 대응시켜 기억한다. X-Y스테이지(도시하지 않음)를 이용하여 광 파이버(fiber)의 출력단(43)을 2차원적으로 이동시키면서 포토 케소드(50)의 여러 가지 위치에 광을 입사시키고, 데이터 처리 장치(18)로 검출 위치와 지연을 축적한다.
데이터 처리 장치(18)는 마이크로 채널 플레이트(30) 상의 유효 영역(36)에 512×512, 즉 약 26만개의 화소를 할당한다. 이러한 화소의 하나하나에 광을 입사시켜 지연을 측정하는 경우, 1화소 근처의 측정 시간을 10초 정도로 설정하여도 지극히 방대한 시간이 필요하여 현실적이 못하다. 그래서, 수 10개의 화소에 관해서만 지연을 측정하고 다른 화소에 대해서는 보간법에 의해 지연을 산출하는 것이 효 율적이다.
구체적으로는 도 9에 나타나듯이, 유효 영역(36)을 가상의 메쉬(53)에 의해 분할하고, 메쉬(53) 중의 25개의 교점(54)에만 대해 지연을 측정한다. 즉, 이러한 교점(54)은 샘플링(sampling) 점이다. 도 10은 샘플링 점(54)에 대해서 측정한 지연의 분포를 3D(3 dimension) 표시하고 있다. 샘플링 점(54)의 사이의 위치에 대응한 지연은 2차원 스프라인(spline) 보간에 의해 산출한다. 도 11은 보간에 의해 얻어진 지연의 분포를 3D 표시하고 있다. 이러한 보간된 지연 분포가 보정 데이터로서 사용된다.
도 12는 도 11의 보정 데이터에 기초하는 인버터 체인(20) 중의 트랜지스터에 대응한 지연을 나타내고 있다. 도 12에 나타나듯이 전단의 트랜지스터일수록 지연이 크다.
데이터 처리 장치(18)는 시료(10)의 시간 분해 측정에 의해 회로(16)로부터 검출 시각을 취득한 후 그 검출 시각부터 보정 데이터를 감산한다. 즉, 각 검출 위치에 대응하는 검출 시각부터 같은 검출 위치에 대응하는 지연이 감산된다. 이 감산에 의해 검출 시각에 포함되는 검출 타이밍 펄스의 전파 시간이 제거된다. 이에 의해 검출 타이밍 펄스의 전파 시간의 분산에 기인하는 검출 시각의 오차를 보정할 수가 있다. 데이터 처리 장치(18)는 이렇게 해서 보정된 검출 시각을 검출 위치에 대응시켜 기억한다. 따라서, 시간 분해 측정의 정밀도를 높일 수가 있다. 실제, 도 4의 그래프 (42) 및 도 5의 그래프 (52)에 나타나듯이, 이 보정에 의해 인버터(221 ∼2212) 중의 트랜지스터로부터의 발광의 검출 시각이 거의 등간격으로 되어 설계 이론과 합치하도록 된다.
보정 데이터의 취득은, 도 13에 나타나듯이 시료(10)의 시간 분해 측정의 이전이어도 좋고, 도 14에 나타나듯이 시간 분해 측정의 이후이어도 좋다.
도 13에 나타나는 순서에서는, 우선 도 8을 참조하여 상술한 방법에 의해 보정 데이터를 취득한다(스텝 S130). 이 보정 데이터는 데이터 처리 장치(18) 내의 기억 장치에 저장된다(스텝 S132). 그 후, 장치(100)는 도 1을 참조하여 상술한 방법에 의해 인버터 체인(20)으로부터의 발광의 시간 분해 측정을 실행한다(스텝 S134). 데이터 처리 장치(18)는 얻어진 측정 데이터로부터 보정 데이터를 감산하고, 측정 데이터에 포함되는 시간 오차를 보정한다(스텝 S136). 보정 후의 측정 데이터는 기억 장치에 저장됨과 동시에, 도 4에 나타나는 것 같은 꺾인 선 그래프의 형태로 데이터 처리 장치(18)의 디스플레이 상에 표시된다(스텝 S138).
한편, 도 14에 나타나는 순서에서는, 우선, 장치(100)를 이용하여 인버터 체인(20)의 시간 분해 측정을 실행하고(스텝 S140), 얻어진 측정 데이터를 데이터 처리 장치(18) 내의 기억 장치에 저장한다(스텝 S142). 그 후, 도 8에 나타나는 방법에 의해 시간 오차의 보정 데이터를 취득한다(스텝 S144). 데이터 처리 장치(18)는 기억 장치로부터 측정 데이터를 독출하고 그로부터 보정 데이터를 감산하여 시간 오차를 보정한다(스텝 S146). 보정된 측정 데이터는 기억 장치에 저장됨과 동시에 디스플레이 상에 표시된다(스텝 S148).
이상, 본 발명을 그 실시 형태에 기초하여 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 범위로 여러 가지 변형이 가능하다.
상기 실시 형태에서는 도 8에 나타나는 측정에 의해 보정 데이터를 취득한다. 그러나, 계산에 의해 보정 데이터를 취득하여도 좋다. 예를 들면, 상기의 지연 분포는 전자계 시뮬레이터 또는 고주파 회로 시뮬레이터를 이용하여 산출할 수가 있다.
본 명세서에서는, 「광전자 증배관(PMT)」는 「전자 증배관(EMT)」의 한 종류이다. 상기 실시 형태는, 위치 검출형 광전자 증배관(PS-PMT)을 사용한다. 그러나, 본 발명에서는 시료로부터 발생하는 양자선의 종류에 따라 다른 임의의 위치 검출형 전자 증배관(PS-EMT)을 사용할 수가 있다. 마이크로 채널 플레이트가 전자선만 아니고, 자외선(UV 및 VUV), X선, 알파선, 하전 입자, 중성자 등, 다른 양자선에 대해서 직접 감도를 가지는 것은 잘 알려져 있다. PS-PMT를 이용할지 PS-EMT를 이용할지는 검출 대상물로부터 발생하는 양자선의 종류에 따라 적당히 선택된다.
상기 실시 형태에서는, 위치 검출형의 에노드로서 레지스티브 에노드가 사용되어 있다. 이 외에 다른 임의의 위치 검출형 에노드, 예를 들면 멀티 에노드, CR체인 에노드, 크로스 와이어 에노드, 또는 반도체 소자 위치 검출 소자(PSD)를 사용하여도 좋다. 또, 2차 전자를 광학상으로 변환하는 형광판을 에노드로서 사용하고, 그 광학상을 이미지 센서를 이용하여 촬상함으로써 2차 전자의 위치를 측정하 여도 좋다. 또, 형광판과 이미지 센서를 파이버 플레이트를 개재하여 파이버 커플링(coupling) 하여도 좋다. 이러한 위치 검출은 1차원이어도 2차원이어도 좋다.
상기 실시 형태에서는, 반도체 집적회로의 동작 해석을 채택하고 있다. 그러나, 본 발명과 관련될 시간 분해형 검출을 이용 가능한 응용은 폭널리 TOF(Time Of Flight) 응용을 시작으로 한 여러 가지 계측 수법, 예를 들면, 2차 이온 질량 분석(SIMS), 이온 산란 분광(ISS), 원자 탐침(probe) 등에 본 발명을 적용할 수가 있다.
본 발명의 시간 분해 측정 장치는 검출 위치에 따른 검출 시각 지연의 불균일을 보정함으로써 검출 시각의 오차를 해소하고, 시간 분해 측정의 정밀도를 높일 수가 있다.

Claims (7)

  1. 시료의 여기에 의해 발생하는 양자선의 위치 정보 및 타이밍 정보를 취득하는 시간 분해 측정 장치로서,
    상기 시료의 여기에 동기하여 기준 시간 펄스를 생성하는 신호 발생기와,
    상기 양자선을 검출하고 검출 위치에 따른 위치 신호 및 검출 타이밍에 동기하여 검출 타이밍 펄스를 생성하는 검출 장치와,
    상기 위치 신호를 이용하여 상기 검출 위치를 산출하는 위치 연산기와,
    상기 기준 시간 펄스와 상기 검출 타이밍 펄스의 시간차를 계측하는 시간차 계측기와,
    상기 위치 연산기에 의해 산출된 상기 검출 위치와 상기 시간차 측정기에 의해 계측된 상기 시간차를 대응시켜 기억하는 데이터 처리 장치를 구비하고,
    상기 검출 장치는, 위치 검출형 전자 증배관을 가지고 있고,
    상기 전자 증배관은, 상기 양자선의 상기 전자 증배관으로의 입사 위치에 따른 위치에 전자를 생성하고 그 위치를 유지하면서 상기 전자를 증배하는 마이크로 채널 플레이트, 및 상기 마이크로 채널 플레이트에 전기적으로 접속된 출력 단자를 가지고 있고,
    상기 검출 타이밍 펄스는, 상기 마이크로 채널 플레이트에 의해 증배된 전자가 상기 마이크로 채널 플레이트로부터 방출될 때의 전위 변화에 따라 발생하고, 상기 마이크로 채널 플레이트로부터 상기 출력 단자를 통해서 상기 시간차 계측기 에 보내어지고,
    상기 데이터 처리 장치는, 상기 마이크로 채널 플레이트 상에 있어서의 상기 검출 타이밍 펄스의 발생 위치와 상기 출력 단자와의 거리에 따라 상기 시간차를 보정하고, 보정된 시간차를 상기 검출 위치와 대응시켜 기억하는 시간 분해 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 처리 장치는, 상기 검출 타이밍 펄스가 상기 발생 위치로부터 상기 출력 단자에 도달하는데 필요한 시간을 상기 시간차 계측기에 의해 계측된 시간차로부터 제거함으로써 상기 시간차를 보정하는 시간 분해 측정 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 데이터 처리 장치는, 상기 마이크로 채널 플레이트 상에 복수의 샘플링 점을 설정하고, 각 샘플링 점에서 발생하는 상기 검출 타이밍 펄스를 위한 보정 데이터를 취득하여 보간하고, 보간된 보정 데이터를 이용하여 상기 시간차를 보정하는 시간 분해 측정 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터 처리 장치는, 상기 시료의 여러 차례의 여기에 걸쳐서 상기 검출 위치 및 상기 시간차를 축적하는 시간 분해 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 데이터 처리 장치는, 축적된 상기 시간차를 이용하고, 특정의 상기 검출 위치에 대응되어진 상기 시간차의 막대그래프를 작성하는 시간 분해 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 시료는, 동작시에 광을 발생시킬 수 있는 복수의 반도체 소자를 포함하는 회로를 가지고 있고,
    상기 시료의 여기는, 상기 회로를 구동하여 상기 복수의 반도체 소자를 순차 동작시키고,
    상기 데이터 처리 장치는, 상기 반도체 소자의 위치에 대응하는 상기 검출 위치를 특정하고, 특정된 상기 검출 위치에 있어서의 상기 막대그래프의 피크에 대응하는 상기 시간차를 산출하는 시간 분해 측정 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 검출형 전자 증배관은, 상기 양자선을 광전 효과에 의해 광전자로 변환하는 포토 케소드를 가지는 위치 검출형 광전자 증배관이고,
    상기 마이크로 채널 플레이트는, 상기 포토 케소드에 대향시켜 배치되고, 상기 포토 케소드로부터 상기 광전자를 받아 2차 전자를 생성하고 증배하는 시간 분해 측정 장치.
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