WO2004113888A1 - 時間分解測定装置 - Google Patents

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WO2004113888A1
WO2004113888A1 PCT/JP2004/009268 JP2004009268W WO2004113888A1 WO 2004113888 A1 WO2004113888 A1 WO 2004113888A1 JP 2004009268 W JP2004009268 W JP 2004009268W WO 2004113888 A1 WO2004113888 A1 WO 2004113888A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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time
detection
time difference
data processing
microchannel plate
Prior art date
Application number
PCT/JP2004/009268
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mitsunori Nishizawa
Nobuyuki Hirai
Original Assignee
Hamamatsu Photonics K.K.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics K.K. filed Critical Hamamatsu Photonics K.K.
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Priority to EP04746737A priority patent/EP1640711A1/en
Priority to US10/561,938 priority patent/US7425694B2/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6408—Fluorescence; Phosphorescence with measurement of decay time, time resolved fluorescence
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J43/00—Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
    • H01J43/04—Electron multipliers
    • H01J43/06—Electrode arrangements
    • H01J43/18—Electrode arrangements using essentially more than one dynode
    • H01J43/24—Dynodes having potential gradient along their surfaces
    • H01J43/246—Microchannel plates [MCP]

Definitions

  • the present invention relates to a time-resolved measurement device using a position-sensitive electron multiplier (PS-EMT).
  • PS-EMT position-sensitive electron multiplier
  • a two-dimensional time-resolved measurement apparatus for performing time-resolved measurement of a light emission phenomenon and acquiring its two-dimensional position and time is known.
  • Such an apparatus is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-266942, Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-150086, and a paper by S. Charbonneau et al. Two-dimensional time-resolved imaging with 100-ps resolution using a resistive anode photomultiplier tube ”(Rev. Sci. In strum. 6 3 (1 1 ), American, Institute of Physics, USA, January 1992, January 5, pp. 5315-5319.
  • a time-resolved measurement apparatus of the present invention acquires position information and timing information of a quantum ray emitted by excitation of a sample.
  • This time-resolved measurement device consists of a signal generator that generates a reference time pulse in synchronization with sample excitation, a quantum beam from the sample, and a position signal corresponding to the detection position and a detection timing pulse synchronized with the detection timing.
  • a position calculator that calculates a detected position using a position signal, a time difference meter that measures a time difference between a reference time pulse and a detection timing pulse, and a position calculator that calculates the position difference.
  • a data processing device for storing the detected position and the time difference measured by the time difference measuring device in association with each other.
  • the detection device has a position detection type electron multiplier.
  • This electron multiplier is A microchannel plate that generates electrons at a position corresponding to the position of incidence on the electron multiplier and multiplies the electrons while maintaining the position, and an output terminal electrically connected to the microchannel plate have.
  • the detection timing pulse is generated according to the potential change when the electron multiplied by the microchannel plate is emitted from the microchannel plate, and is sent from the microchannel plate to the time difference measuring instrument through the output terminal.
  • the data processing device corrects the time difference according to the distance between the position where the detection timing pulse is generated on the micro channel plate and the output terminal, and stores the corrected time difference in association with the detection position. Since the microchannel plate maintains the position information of the quantum beam, the detection timing pulse is generated on the microchannel plate at a position corresponding to the position of the quantum beam on the sample. Therefore, quantum rays emitted from different positions on the sample generate detection timing pulses at different positions on the microchannel plate. The time required for the generated detection timing pulse to reach the output terminal depends on the distance between the position where the detection timing pulse is generated and the output terminal.
  • the data processing device corrects the time difference according to the distance between the position where the detection timing pulse is generated and the output terminal, and eliminates the time difference error corresponding to the difference in the position where the quantum ray is generated. This increases the accuracy of time-resolved measurements.
  • Quantum rays include charged particles such as electrons, ions, rays, and rays, photons such as ultraviolet rays, X-rays, and gamma rays, and neutrons.
  • Quantum radiation is generated by the excitation of the sample when atoms and molecules move from a low energy state to a higher energy state due to external stimuli such as heat, light, and radiation, and return to the original state.
  • a phenomenon that emits the difference in energy between two states as quantum rays such as light (See Patent Document 1 and Non-patent Document 1 above).
  • the data processing device corrects the time difference by removing the time required for the detection timing pulse to reach the output terminal from the position where the detection timing pulse is generated from the time difference measured by the time difference measuring device. May be. In this case, a component depending on the distance between the position where the detection timing pulse is generated and the output terminal is removed from the time difference. As a result, the error of the time difference according to the difference in the generation position of the quantum ray is eliminated, and the accuracy of the time-resolved measurement is improved.
  • the data processing device sets a plurality of sampling points on the micro channel plate, acquires correction data for the detection timing pulse generated at each sampling point, and interpolates the data.
  • the time difference may be corrected using the data.
  • a large number of correction data can be calculated from a small number of samples by interpolation. As a result, the time required to acquire correction data can be reduced.
  • the data processing device may accumulate the detection position and the time difference over a plurality of excitations of the sample. This is useful for measuring samples with a low probability of emitting quantum radiation.
  • the data processing device may create a histogram of the time difference associated with the specific detection position using the accumulated time difference. This histogram can be used to determine the timing of quantum ray generation at a certain position. The calculated quantum-beam generation timing can be used to analyze the operation of a semiconductor device that emits quantum rays with low probability during operation.
  • the sample may include a circuit including a plurality of semiconductor devices capable of emitting a quantum ray during operation. Excitation of the sample may be to drive a circuit to sequentially operate a plurality of semiconductor devices.
  • the data processing device may specify a detection position corresponding to the position of the semiconductor device, and calculate a time difference corresponding to a peak of the histogram at the specified detection position.
  • the peak of the histogram indicates the time difference at which the occurrence of a quantum ray was detected with the highest frequency at a certain detection position. Therefore, this time difference can be treated as a timing at which quantum rays are generated from the semiconductor device corresponding to the detected position.
  • the electron multiplier may be a position detection type photomultiplier having a photocathode that converts a quantum ray into a photoelectron by a photoelectric effect.
  • the microphone channel plate is placed opposite the photocathode and receives photoelectrons from the photocathode to generate and multiply secondary electrons.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a time-resolved measurement device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an integrated circuit included in the sample.
  • FIG. 3 is a schematic plan view showing a microchannel plate.
  • FIG. 4 is a diagram showing the light emission timing of the transistor in the inverter.
  • FIG. 5 is a diagram showing an approximate curve of the line graph of FIG.
  • Figure 6 shows multiple detections on the surface of a microchannel plate. It is a schematic plan view showing an outgoing position.
  • FIG. 7 is a diagram showing a distribution of detection time delays corresponding to a plurality of detection positions.
  • FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a method of measuring correction data.
  • FIG. 9 is a diagram showing sampling points on the effective area.
  • FIG. 10 is a diagram showing a 3D display of the delay of the detection time measured at the sampling point.
  • FIG. 11 is a diagram showing a 3D display of the delay after capturing.
  • FIG. 12 shows the distribution of the detection time delays corresponding to the transistors in the inverter chain.
  • FIG. 13 is a flowchart showing an example of the procedure of the time-resolved measurement.
  • FIG. 14 is a flowchart showing another example of the procedure of the time-resolved measurement.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of the time-resolved measurement apparatus 100 according to the present embodiment.
  • the apparatus 100 detects the light 15 emitted from the sample 10 and measures the two-dimensional position and timing of the light emission.
  • the apparatus 100 includes a semiconductor tester 12, a position-sensitive photomultiplier tube (PS-PMT) 14, a position-time measuring circuit 16, and a data processing apparatus 18. .
  • PS-PMT position-sensitive photomultiplier tube
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an IC on a sample 10.
  • This IC has an inverter with 12 inverters 22 L to 2212 connected in series. Data chain 20.
  • the first-stage Inbata 2 from along the direction of the inverter 2 2 12 until the arrow 2 4 of the final stage signal you sequentially propagate.
  • the signal propagation time between two adjacent inverters is theoretically designed to be 70 ps.
  • the MOS transistor that forms the inverter may emit light during switching. Therefore, if the position and timing of light emission are measured using the device 100, it is possible to determine which transistor has performed switching and when. This enables the operation analysis of the inverter chain 20.
  • the semiconductor tester 12 is an excitation device for exciting the sample 10 to generate light emission.
  • the tester 12 is electrically connected to the impeller chain 20 on the sample 10 and applies a drive voltage.
  • the tester 12 includes a signal generator 12a that generates a time reference pulse in synchronization with the application of the drive voltage. The time reference pulse is sent to the position time measurement circuit 16.
  • the position detection type photomultiplier tube 14 converts light from the sample 10 into electrons, and amplifies the electrons while maintaining their two-dimensional position.
  • the photomultiplier tube 14 has a photo power source, a microchannel plate (MCP), and a resistive node.
  • MCP microchannel plate
  • the microchannel plate is located between the photocathode and the resistive anode.
  • the front face of the microchannel plate faces the photoforce, and the rear face faces the resistive anode.
  • FIG. 3 is a schematic plan view showing a microchannel plate.
  • the illustration of the channels of the microchannel plate is omitted in FIG.
  • a conductive material is deposited as an electrode 30a.
  • the periphery of the microchannel plate 30 is covered by an annular metal flange 32.
  • a lead terminal 34 is attached to one place of the flange 32.
  • the lead terminal 34 is electrically connected to the electrode 30a on the end face of the microchannel plate 30.
  • the lead terminal 34 is connected to the position time measuring circuit 16 by a lead wire. As described later, 4 009268
  • an electric pulse signal is generated in synchronization with the light detection timing. This pulse signal is sent to circuit 16 through lead terminals 3 4
  • the position time measurement circuit 16 is electrically connected to both the tester 12 and the photomultiplier tube 14.
  • the circuit 16 functions as a position calculator that calculates a detection position using a signal transmitted from the photomultiplier tube 14.
  • the circuit 16 also functions as a time difference measuring device that measures the time difference between the reference time pulse sent from the tester 12 and the detection timing pulse sent from the photomultiplier 14. This time difference indicates the detection time based on the reference time pulse.
  • the detection position and detection time obtained by the circuit 16 are sent to the data processing device 18.
  • the data processing device 18 receives the detection position and the detection time from the position time measurement circuit 16 and stores them in association with each other.
  • the processing device 18 is, for example, a personal computer.
  • the processing unit 18 has a CPU, a storage device, a keyboard and a mouse, and a display.
  • the storage device stores a data processing program executed by the CPU.
  • the tester 12 drives the inverter chain 20 on the sample 10
  • the plurality of inverters 22 operate sequentially at intervals of about 70 ps.
  • light 15 is emitted from the transistor in the inverter 22 with a certain probability.
  • Photomultiplier tube 14 receives light 15 at the photocathode.
  • the photoforce sword converts light 15 into photoelectrons by the photoelectric effect.
  • the photoelectrons move to the front surface of the microchannel plate, that is, the input surface, by an electric field applied between the photocathode and the microchannel plate.
  • the incident position of the photoelectrons on the microchannel plate corresponds to the incident position of the light 15 on the photo force source.
  • the microchannel plate generates one or more secondary electrons at the incident position of the photoelectrons, and multiplies the secondary electrons while maintaining the two-dimensional position.
  • the microchannel plate has a structure in which many very thin glass pipes are bundled.
  • This glass pipe is the channel.
  • the inner wall of the channel is an electrical resistor and an electron emitter.
  • Each channel functions as an independent electronic multiplier.
  • a quantum for example, photoelectrons in the present embodiment
  • enters the inner wall of one channel one or more electrons are emitted from the inner wall.
  • the emitted electrons are accelerated by an electric field applied between both end surfaces of the microchannel plate, collide again with the inner wall, and emit secondary electrons.
  • the secondary electrons travel along the channel while repeatedly hitting the inner wall, and are thereby multiplied.
  • the two-dimensional position of the secondary electrons is maintained by the channel.
  • the secondary electrons When the secondary electrons reach the rear surface of the microchannel plate, they are emitted from the rear surface of the microchannel plate, that is, the output surface, and are collected by the resistive anode by the electric field applied between the microchannel plate and the resistive anode.
  • the resistive anode is a conductor plate provided with a uniform resistance layer on one side.
  • Signal reading electrodes are provided at four locations on the periphery of the resistive anode. These electrodes are electrically connected to the measuring circuit 16.
  • these readout electrodes output charge pulses.
  • the two-dimensional position of the secondary electrons incident on the resist anode is determined based on the charge amount of these charge pulses. In this way, the resistive anode generates a signal corresponding to the detection position of the light 15 and sends it to the position time measurement circuit 16.
  • the circuit 16 receives charge pulses from the four corner electrodes of the resistive anode of the photomultiplier tube 14 and calculates the two-dimensional position of the secondary electrons on the resistive anode by detecting the center of gravity. I do. This two-dimensional position corresponds to the two-dimensional position of light emission on the sample 10. Thus, the detection position of the light 15 is obtained. This detected position is sent to the data processing device 18. [0400] Further, the photomultiplier tube 14 generates a pulse in synchronization with the detection timing of the light 15. This detection timing pulse is extracted from the microchannel plate 30. Hereinafter, generation of the detection timing pulse will be described with reference to FIG.
  • a square area indicated by reference numeral 36 can collect secondary electrons by the resistive anode in the rear surface (output surface) of the microchannel plate 30. This area is hereinafter referred to as an “effective area”.
  • an effective area When light emitted from the inverter Ichita 2 2 i to 2 2 12, photoelectrons are collected to a position 3 S i S 8 12 of the inverter 2 2 to 2 2 12 effective region 3 of 6 corresponding to.
  • the potential of the output surface of the microchannel plate 30 rises instantaneously.
  • the circuit 16 receives the reference time pulse from the tester 12 immediately after the tester 12 drives the inverter chain 20 on the sample 1 ⁇ and then detects it from the microphone channel plate 30. Receive a timing pulse.
  • the circuit 16 has a time-to-amplitude converter (T AC), and the reference time pulse and the detection timing pulse are sent to this time-to-voltage converter.
  • T AC time-to-amplitude converter
  • the time-to-voltage converter generates a voltage signal having a level corresponding to the time difference between the reference time pulse and the detection timing pulse. As described above, this time difference is equivalent to the detection time of the light 15 based on the excitation time of the sample 10.
  • this signal corresponding to the time difference is referred to as a “detection time signal”.
  • the detection time signal is sent from the circuit 16 to the data processor 18.
  • the data processing device 18 receives the detection position and the detection time signal from the circuit 16, corrects the detection time indicated by the detection time signal, and associates the detection position with the detection time. And store it in the storage device. The correction of the detection time will be described later in detail.
  • the sample 10 Since the probability that the transistor emits light when switching is very small, the sample 10 is repeatedly excited, and the detection position and the detection time are accumulated in the data processing device 18.
  • the stored data can be used in various ways. For example, the data processing device 18 counts the number of times of light emission at each detection position over a specific period of time, and generates a two-dimensional image in which luminance according to the obtained count is assigned to pixels corresponding to the detection position. Can be. Further, the data processing device 18 can create a histogram of the detection time at a specific detection position using the accumulated detection time. In this histogram, the horizontal axis is the detection time, and the vertical axis is the number of light emissions.
  • the peak of the histogram indicates the time at which light emission was detected at a specific detection position with high frequency. Therefore, the detection time corresponding to the peak can be regarded as the timing at which the transistor in the inverter 22 corresponding to the detection position switches.
  • FIG. 4 shows the case where the detection time is corrected and the case where the detection time is not corrected.
  • FIG. 4 shows the light emission timing of Inbata 2 2 i ⁇ 2 2 12 based on Oite acquired data.
  • 40 indicates the light emission timing when the detection time is not corrected
  • 42 indicates the light emission timing when the detection time is corrected.
  • FIG. 5 shows the approximate curves of these line graphs 40 and 42.
  • 50 indicates an approximate curve when the detection time is not corrected
  • 52 indicates an approximate curve when the detection time is corrected.
  • the horizontal axis in these graphs indicates the transistors included in the inverter 2 2 i ⁇ 2 2 12, the vertical axis represents the detection time.
  • each inverter 2 2 There 2 2 3, 2 2 5, 2 2 7, 2 2 9 and n included in 2 2 u — Indicates FET, 2 p, 4 p, 6 p, 8 p 10 p and 12 p are inverters 2 2 2 , 2 2 4 , 2 2 6 , 2 2 8 , 2 2 1 () and 2 respectively 2 Indicates the p-FET contained in 12
  • the detection time on the vertical axis is obtained by creating a histogram for each inverter 22 using the detection positions and detection times accumulated in the data processing device 18 and detecting the peak corresponding to the peak in the histogram. It is obtained by calculating the time.
  • the inventor of the present invention considers the switching timing unevenness observed in the measurement result to be an error caused by a variation in the propagation time of the detection timing pulse on the microchannel plate 30. Hereinafter, this point will be described.
  • the distance between the detection timing pulse generation position 38 and the lead terminal 34 differs depending on the position of the inverter 22. Because of this, The time required for the detection timing pulse generated by the light emitted from the inverter 22 to propagate from the generation position 38 to the lead terminal 34 differs. For example, as shown in FIG. 3, the distance between the detected position 3 8 lead terminals 3 4 corresponding to the emission of the inverter 2 2 i is and detects position location 3 8 6 corresponding to the light emission of the inverter 2 2 6 The distance between the lead terminal 34 and 16 is 16 .
  • the time required for the detection timing pulse to propagate from each of the detection positions 38 i and 38 6 to the lead terminal 34 has a difference of (-) / c by simply thinking. Is done.
  • c represents the speed of the electromagnetic wave.
  • the detection time is delayed from the point in time when the light 15 is actually detected, that is, the point in time when the detection timing pulse is generated, by the time required for the detection timing pulse to propagate to the position time measuring circuit 16. Since this delay (delay) is different in accordance with the detected position location 3 S i S 8 12, the time interval of the sweep rate Tsu quenching timing to be measured is considered to be non-uniform.
  • the propagation time of the detection timing pulse is complicatedly affected by various factors such as the shape of the flange 32, the structure and the material of the microchannel plate 30, and the like.
  • the number of lead terminals is not limited to one, but may be plural from the viewpoint of reducing the absolute value of the delay (reducing the distance from the detection position 38 to the lead terminal 34). It may be installed permanently. In this case, it is preferable that the plurality of lead terminals have the same length. As an example corresponding to the case where the number of lead terminals 34 is infinite, if a cone-shaped electrode is used instead of the lead terminals, the absolute value of the delay can be minimized.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing a plurality of detection positions P1 to P14 on the microchannel plate 30, and FIG. 7 shows a delay of detection time according to those positions. ing.
  • the channels of the microchannel plate 30 are not shown in FIG.
  • the delay distribution shown in FIG. 7 reflects that the detection timing signal generated at a position farther from the lead terminal 34 has a longer time to reach the lead terminal 34. In addition, it corresponds to each detection position 268
  • the calculated delay can be calculated using an electromagnetic field simulator or a high-frequency circuit simulator, or can be measured by a method described later.
  • the variation in the delay of the detection time according to the detection position does not pose a problem in applications where light emitted from one location on the sample 10 is repeatedly measured.
  • a problem arises when analyzing the continuous operation timing of a plurality of semiconductor devices arranged at different positions as in the inverter chain 20.
  • the closer the inverter 22 is to the final stage the more the detection timing pulse is generated at the detection position 38 closer to the output terminal 34. Therefore, the closer the inverter 22 to the last stage, the shorter the detection time delay.
  • Such non-uniformity of the delay causes a measurement result that the switching interval, which should be constant, is gradually reduced.
  • Figure 8 is a schematic diagram showing the measurement method. In this method, a picosecond or sub-nanosecond pulse laser light source 40 is used in place of the tester 12 in the time-resolved measurement device 100, and the distribution of delay according to the detection position of the laser light is measured. .
  • the laser light source 40 emits a pulse laser beam and outputs a time reference signal in synchronization with the emission. This time reference signal is sent to the position time measuring circuit 16.
  • An optical fiber 42 is connected to the light source 40. Pulsed laser light emitted from the light source 4 0 is propagated through the optical fiber 4 2 medium, and emits toward the lens 4 4. The laser light is focused by a lens 44 and is incident on a photoforce 50 of a photomultiplier tube 14. The photoelectrons generated by the photoelectric effect in the photoforce 50 are multiplied by the microchannel plate and emitted toward the resistive anode 52.
  • the inspection that occurs at this time The outgoing timing pulse propagates on the rear surface of the microchannel plate 30 and reaches the lead terminal 34, from which it is sent to the position time measuring circuit 16. From the resistive anode 52, a signal corresponding to the detection position of the laser pulse light is sent to the circuit 16.
  • the circuit 16 calculates the detection position based on the signal from the resistive anode, and sends it to the data processing device 18. Further, the circuit 16 generates a signal corresponding to the time difference between the time reference pulse from the light source 40 and the detection timing pulse, and sends the signal to the data processing device 18. In this method, this time difference is treated as a delay of the detection time according to the detection position.
  • the data processing device 18 stores the detected position sent from the circuit 16 in association with the delay. Using an X_Y stage (not shown), light is incident on various positions of the photocathode 50 while the output end 43 of the optical fiber is moved two-dimensionally, and the data processing device 18 is provided with the detection position. Accumulate delay.
  • the data processing device 18 allocates 51 2 x 5 12, that is, about 260,000 pixels to the active area 36 on the micro channel plate 30.
  • 51 2 x 5 12 that is, about 260,000 pixels to the active area 36 on the micro channel plate 30.
  • FIG. 10 shows a 3D display of the distribution of the delay measured at the sampling points 54.
  • the delay corresponding to the position between sampling points 54 is calculated by two-dimensional spline capture.
  • Fig. 11 shows a 3D display of the distribution of the delay obtained by capturing. Such an interpolated delay distribution is used as correction data.
  • FIG. 12 shows a delay corresponding to a transistor in the inverter chain 20 based on the correction data of FIG. As shown in Figure 12 The earlier the transistor, the larger the delay.
  • the data processing device 18 After acquiring the detection time from the circuit 16 by the time-resolved measurement of the sample 10, the data processing device 18 subtracts the correction data from the detection time. That is, the delay corresponding to the same detection position is subtracted from the detection time corresponding to each detection position. By this subtraction, the propagation time of the detection timing pulse included in the detection time is removed. This makes it possible to correct an error in the detection time due to a variation in the propagation time of the detection timing pulse. The data processing device 18 stores the thus corrected detection time in association with the detection position. Therefore, the accuracy of time-resolved measurement can be improved. In fact, as shown in the graph 5 2 graphs 4 2 and 5 of Figure 4, the detection time of the light emission from the transistor capacitor of the inverter 2 2 i to 2 2 12 in is almost equidistant by correction, design theory Will match.
  • the acquisition of the correction data may be performed before the time-resolved measurement of the sample 10 as shown in FIG. 13 or after the time-resolved measurement as shown in FIG. It may be.
  • correction data is obtained by the method described above with reference to FIG. 8 (step S130).
  • This correction data is stored in a storage device in the data processing device 18 (step S132).
  • the apparatus 100 performs time-resolved measurement of the light emission from the inverter chain 20 by the method described above with reference to FIG. 1 (step S134).
  • the data processing device 18 subtracts the correction data from the obtained measurement data, and corrects the time error included in the measurement data (Step S136).
  • the corrected measurement data is stored in the storage device and displayed on the display of the data processing device 18 in the form of a line graph as shown in FIG. 4 (step S138).
  • time-resolved measurement of the inverter chain 20 is performed using the device 100 (step S140), and the obtained measurement is performed.
  • the constant data is stored in the storage device in the data processing device 18 (step S142). So after that, the time error correction data is obtained by the method shown in FIG. 8 (step S144).
  • the data processing device 18 reads the measurement data from the storage device and subtracts the correction data therefrom to correct the time error (step S146).
  • the captured measurement data is stored in the storage device and displayed on the display (step S148).
  • correction data is obtained by the measurement shown in FIG.
  • the correction data may be obtained by calculation.
  • the above-mentioned delay distribution can be calculated using an electromagnetic field simulator or a high-frequency circuit simulator.
  • photomultiplier tube is one embodiment of “electron multiplier tube (EMT)".
  • the above embodiment uses a position detection type photomultiplier tube (PS- S).
  • PS- ⁇ position detection type electron multiplier
  • the microphone channel plate is sensitive not only to electron beams but also directly to other quantum rays such as ultraviolet rays (UV and VUV), X-rays, rays, charged particles, and neutrons. .
  • PS—PTMT or PS—EMT is appropriately selected according to the type of quantum ray emitted from the detection target.
  • the resistive node is used as the position detection type anode.
  • any other position sensitive anode such as a multi-anode, CR chain anode, cross-wire anode, or semiconductor device position sensitive device (PSD) may be used.
  • a fluorescent plate that converts secondary electrons into an optical image may be used as an anode, and the position of the secondary electrons may be measured by capturing the optical image using an image sensor.
  • the fluorescent screen and the image sensor The fiber coupling may be performed through a fiber plate.
  • the operation analysis of the semiconductor integrated circuit is taken up.
  • time-resolved detection according to the present invention can be used, and various measurement methods including TOF (Time Of Flight) application, for example, secondary ion mass spectrometry (S IMS), ion
  • S IMS secondary ion mass spectrometry
  • ISS scattering spectroscopy
  • atom probes and the like.
  • the time-resolved measurement apparatus of the present invention can eliminate errors in the detection time by correcting non-uniformity of the detection time delay according to the detection position, and can improve the accuracy of the time-resolved measurement.

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Abstract

時間分解測定装置（１００）は、光電子増倍管（１４）中のマイクロチャンネルプレート（３０）に取り付けられた出力端子（３４）から検出タイミングパルスを取得する。位置時間測定回路（１６）は、試料（１０）の励起に同期した基準時間パルスと検出タイミングパルスとの時間差を示す信号を生成し、データ処理装置（１８）に送る。データ処理装置は、この時間差を発光の検出時刻として記憶する。データ処理装置は、マイクロチャンネルプレート上における検出タイミングパルスの発生位置と出力端子との距離に応じて検出時刻を補正する。これにより、時間分解測定の精度が高まる。

Description

糸田: »
時間分解測定装置
技術分野
【0 00 1】 この発明は、位置検出型電子増倍管（Position- Sensitive Electron Multiplier Tube: P S— EMT) を利用する時間分解測定装置に関する。
背景技術
【0 00 2】 発光現象の時間分解測定を行って、 その二次元位置および時間を 取得するための二次元時間分解測定装置が知られている。 このような装置は、 特 開昭 6 1— 26 6 94 2号公報、 特開平 1 0— 1 500 8 6号公報、 およびエス .シヤーボンノー （S. Charbonneau) らによる論文 「レジスティブアノード光電 子増倍管を用いた 1 00 p s分解能での二次元時間分解撮像 （Two- dimensional time-resolved imaging with 100-ps resolution using a resistive anode photomultiplier tube)」 （Rev. Sci. In strum. 6 3 (1 1)、 米国、 アメリカン • インスティチュー卜 ■ォブ - フィジックス (American Institute of Physics) 、 1 9 9 2年 1 1月、 5 3 1 5— 5 3 1 9頁） に開示されている。
発明の開示
【000 3】 この発明は、 時間分解測定の精度を高めることを目的とする。 【0004】 この発明の時間分解測定装置は、 試料の励起によって発する量子 線の位置情報およびタイミング情報を取得する。 この時間分解測定装置は、 試料 の励起に同期して基準時間パルスを生成する信号発生器と、 試料からの量子線を 検出し、 検出位置に応じた位置信号および検出タイミングに同期した検出タイミ ングパルスを生成する検出装置と、 位置信号を用いて検出位置を算出する位置演 算器と、 基準時間パルスと検出タイミングパルスとの時間差を計測する時間差計 測器と、 位置演算器によって算出された前記検出位置と前記時間差測定器によつ て計測された時間差とを対応付けて記憶するデータ処理装置を備えている。 検出 装置は、 位置検出型電子増倍管を有している。 この電子増倍管は、 前記量子線の 前記電子増倍管への入射位置に応じた位置に電子を生成し、 その位置を維持しな がら前記電子を增倍するマイクロチャンネルプレート、 およびマイクロチャンネ ルプレートに電気的に接続された出力端子を有している。 検出タイミングパルス は、 マイクロチャンネルプレートによって増倍された電子がマイクロチャネルプ レートから放出されるときの電位変化に応じて発生し、 マイクロチャネルプレー トから出力端子を通じて時間差計測器へ送られる。 データ処理装置は、 マイクロ チャネルプレート上における検出タイミングパルスの発生位置と出力端子との距 離に応じて時間差を補正し、 補正された時間差を検出位置と対応付けて記憶する 【0 0 0 5】 マイクロチヤンネルプレートは量子線の位置情報を維持するので 、 検出タイミングパルスはマイクロチャンネルプレート上において、 試料上の量 子線の発生位置に応じた位置に発生する。 したがって、 試料上の異なる位置から 発した量子線は、 マイクロチャンネルプレート上の異なる位置に検出タイミング パルスを発生させる。 発生した検出タイミングパルスが出力端子へ到達するのに 要する時間は、 検出タイミングパルスの発生位置と出力端子との距離に依存する 。 このため、 試料上の異なる位置から同じタイミングで発した量子線が、 異なる タイミングで出力端子に到達する検出タイミングパルスを生成し、 そめ結果、 異 なる時間差を生じさせることがある。 本発明では、 データ処理装置が検出タイミ ングパルスの発生位置と出力端子との距離に応じて時間差を補正し、 量子線の発 生位置の相違に応じた時間差の誤差を解消する。 これにより、 時間分解測定の精 度が高まる。
【0 0 0 6】 量子線には、 電子、 イオン、 線、 線などの荷電粒子や、 紫外 線、 X線、 γ線などの光子、 さらには中性子などが含まれる。 試料の励起に伴う 量子線の発生は、 原子、 分子などがエネルギーの低い状態から、 熱、 光、 放射線 などの外部刺激によって、 より高いエネルギーの状態に移り、 その状態が元に戻 る際に、 2つの状態のエネルギーの差を光等の量子線として放出する現象である (上記特許文献 1および非特許文献 1を参照のこと）。半導体デバイスが自発的に
、 あるいは外部トリガ （信号パルス、 動作開始パルス等） に応答して作動すると 、 デバイス中のトランジスタのスィツチング動作に伴ってトランジェント発光が 起きることも知られている （上記特許文献 2を参照のこと）。本発明において試料 の励起に伴う量子線の発生には、 原子または分子が 2つの状態のエネルギーの差 を光等の量子線として放出する現象に加えて、 半導体デバイスの動作時に観察さ れるトランジェント発光も含まれる。
【0 0 0 7】 データ処理装置は、 検出タイミングパルスがその発生位置から出 力端子へ到達するのに要する時間を、 時間差計測器によつて計測された時間差か ら除去することによって時間差を補正してもよい。 この場合、 検出タイミングパ ルスの発生位置と出力端子との距離に依存する成分が時間差から除去される。 こ の結果、 量子線の発生位置の相違に応じた時間差の誤差が解消され、 時間分解測 定の精度が高まる。
【0 0 0 8】 データ処理装置は、 マイクロチャンネルプレート上に複数のサン プリング点を設定し、 各サンプリング点で発生する検出タイミングパルスのため の補正データを取得して補間し、 補間された補正データを用いて時間差を補正し てもよい。 補間によって少数のサンプルから多数の補正データを算出できる。 こ れにより、 補正データの取得に要する時間を短縮できる。
【0 0 0 9】 データ処理装置は、 試料の複数回の励起にわたって検出位置およ び時間差を蓄積してもよい。 これは量子線を発する確率の低い試料の測定に有益 である。
【0 0 1 0】 データ処理装置は、 蓄積された時間差を用いて、 特定の検出位置 に対応付けられた時間差のヒストグラムを作成してもよい。 このヒス トグラムは 、 ある位置での量子線発生のタイミングを求めるために使用できる。 求められた 量子線発生タイミングは、 動作時に低い確率で量子線を発する半導体デバイスの 動作解析に利用できる。 【0011】 試料は、 動作時に量子線を発しうる複数の半導体デバイスを含む 回路を有していてもよい。 試料の励起は、 回路を駆動して複数の半導体デバイス を順次に動作させることであってもよい。 データ処理装置は、 半導体デバイスの 位置に対応する検出位置を特定し、 特定された検出位置におけるヒストグラムの ピークに対応する時間差を算出してもよい。 ヒストグラムのピークは、 ある検出 位置において量子線の発生が最も高い頻度で検出された時間差を示している。 し たがって、 この時間差は、 その検出位置に対応する半導体デバイスから量子線が 発生するタイミングとして扱うことができる。 複数の半導体デバイスの量子線発 生タイミングを算出すれば、 それらの半導体デバイスを含む回路の動作を解析す ることができる。
【0012】 電子增倍管は、 量子線を光電効果によって光電子に変換するフォ トカソードを有する位置検出型光電子増倍管であってもよい。 この場合、 マイク 口チャンネルプレートはフォトカソ一ドに対向させて配置され、 フォトカソ一ド から光電子を受け取って二次電子を生成し増倍する。
【0013】 本発明の前記および他の目的と新規な特徴は、 以下の説明を添付 図面と合わせて読むことにより、 より完全に明らかになる。 ただし、 図面は単な る例示に過ぎず、 本発明の技術的範囲を限定するものではない。
図面の簡単な説明
【0014】 図 1は、 実施形態に係る時間分解測定装置の構成を示すブロック 図である。
【001 5】 図 2は、 試料に含まれる集積回路を示す概略図である。
【0016】 図 3は、 マイクロチャンネルプレートを示す概略平面図である。
【001 7】 図 4は、 インバータ中のトランジスタの発光タイミングを示す図 である。
【0018】 図 5は、 図 4の折れ線グラフの近似曲線を示す図である。
【001 9】 図 6は、 マイクロチャンネルプレートの表面上における複数の検 出位置を示す概略平面図である。
【0 0 2 0】 図 7は、 複数の検出位置に対応する検出時刻のディレイの分布を 示す図。
【0 0 2 1】 図 8は、 補正データの測定方法の説明するための概略図である。
【0 0 2 2】 図 9は、 有効領域上のサンプリング点を示す図である。
【0 0 2 3】 図 1 0は、 サンプリング点について測定した検出時刻のディレイ を 3 D表示する図である。
【0 0 2 4】 図 1 1は、 捕間後のディレイを 3 D表示する図である。
【0 0 2 5】 図 1 2は、 インバータチェーン中のトランジスタに対応した検出 時刻のディレイの分布を示している。
【0 0 2 6】 図 1 3は、 時間分解測定の手順の一例を示すフローチャートであ る。
【0 0 2 7】 図 1 4は、 時間分解測定の手順の他の例を示すフロ一チャートで ある。
発明を実施するための最良の形態
【0 0 2 8】 以下では、 添付図面を参照しながら、 本発明の好適な実施形態を 詳細に説明する。 理解の容易のため、 図面に共通の同一または等価な要素には同 様の参照番号を使用し、 重複する説明を省略する。
【0 0 2 9】 図 1は、 本実施形態に係る時間分解測定装置 1 0 0の構成を示す ブロック図である。 装置 1 0 0は、 試料 1 0から発する光 1 5を検出し、 発光の 二次元位置おょぴタイミングを測定する。 装置 1 0 0は、 半導体テスタ 1 2、 位 置検出型光電子増倍管 （Position Sensitive Photomultiplier Tube： P S— P M T ) 1 4、 位置時間測定回路 1 6、 およびデータ処理装置 1 8を有している。
【0 0 3 0】 本実施形態では、 試料 1 0の一例として、 半導体集積回路 （ I C ) を搭載するチップを用意する。 図 2は、 試料 1 0上の I Cを示す概略図である 。 この I Cは、 直列接続された 1 2個のインバータ 2 2 L〜 2 2 12を有するインバ ータチェーン 2 0である。 ィンバータチェーン 2 0では、初段のィンバータ 2 2 , から最終段のインバータ 2 2 12まで矢印 2 4の方向に沿って信号が順次に伝播す る。 隣り合う 2個のインバータ間の信号伝播時間は理論上 7 0 p sに設計されて いる。 インバータを構成する MO S トランジスタはスイッチング時に発光するこ とがある。 したがって、 装置 1 0 0を用いて発光の位置とタイミングを計測すれ ば、 どのトランジスタがいつスィツチングを行つたかを判別できる。 これはイン バータチェーン 2 0の動作解析を可能にする。
【0 0 3 1】 半導体テスタ 1 2は、 試料 1 0を励起して発光を生じさせるため の励起装置である。 テスタ 1 2は、 試料 1 0上のインパータチェーン 2 0に電気 的に接続され、 駆動電圧を印加する。 また、 テスタ 1 2は、 駆動電圧の印加に同 期して時間基準パルスを生成する信号発生器 1 2 aを含んでいる。 時間基準パル スは位置時間測定回路 1 6へ送られる。
【0 0 3 2】 位置検出型光電子増倍管 1 4は、 試料 1 0からの光を電子に変換 し、 その電子をその二次元位置を維持しながら増幅する。 光電子増倍管 1 4は、 フォト力ソー ド、 マイクロチャンネノレプレート (M C P ) およびレジスティブァ ノードを有している。 マイクロチャンネノレプレートは、 フォトカソ一ドとレジス ティブアノードの間に配置されている。 マイクロチャンネルプレートの前面はフ オト力ソードと対向し、 後面はレジスティブアノードと対向している。
【0 0 3 3】 図 3はマイクロチャンネルプレートを示す概略平面図である。 図 面の簡単のため、 図 3ではマイクロチャンネルプレートのチャンネルの図示は省 略されている。 マイクロチャンネノレプレート 3 0の両端面には、 電極 3 0 aとし て導電性材料が蒸着されている。 マイクロチャンネルプレート 3 0の周縁は、 円 環状の金属フランジ 3 2によって覆われている。 フランジ 3 2の一箇所にリード 端子 3 4が取り付けられている。 リード端子 3 4は、 マイクロチャンネルプレー ト 3 0の端面上の電極 3 0 aと電気的に導通している。 リード端子 3 4はリード 線によって位置時間測定回路 1 6に接続されている。 後述するように、 マイクロ 4 009268
チャンネルプレート 3 0では、 光の検出タイミングに同期して電気的なパルス信 号が生成される。 このパルス信号はリード端子 3 4を通じて回路 1 6に送られる
【0 0 3 4】 位置時間測定回路 1 6は、 テスタ 1 2および光電子増倍管 1 4の 双方に電気的に接続されている。 回路 1 6は、 光電子增倍管 1 4から送られる信 号を用いて検出位置を算出する位置演算器として機能する。 また、 回路 1 6は、 テスタ 1 2から送られる基準時間パルスと光電子増倍管 1 4から送られる検出タ ィミングパルスとの時間差を計測する時間差計測器としても機能する。 この時間 差は、 基準時間パルスを基準とした検出時刻を示す。 回路 1 6によって求められ た検出位置および検出時刻はデータ処理装置 1 8に送られる。
【0 0 3 5】 データ処理装置 1 8は、 位置時間測定回路 1 6から検出位置およ ぴ検出時刻を受け取り、 これらを互いに対応付けて記憶する。 処理装置 1 8は、 例えばパーソナルコンピュータである。 処理装置 1 8は、 C P U、 記憶装置、 キ 一ボードおよびマウス、 ならびにディスプレイを有している。 記憶装置には、 C P Uによって実行されるデータ処理プログラムが格納されている。
【0 0 3 6】 以下では、 時間分解測定装置 1 0 0の動作を説明する。 テスタ 1 2が試料 1 0上のインバータチェーン 2 0を駆動すると、 複数のィンバータ 2 2 が約 7 0 p sの間隔で順次に動作する。 このとき、 ある確率でィンバータ 2 2中 のトランジスタから光 1 5が発する。 光電子増倍管 1 4は光 1 5をフォトカソ一 ドにて受け取る。 フォト力ソードは、 光電効果によって光 1 5を光電子に変換す る。 この光電子は、 フォトカソードおよびマイクロチャンネルプレート間に印加 された電界によってマイクロチャンネルプレートの前面、 すなわち入力面に移動 する。 光電子のマイクロチャンネルプレートへの入射位置は、 光 1 5のフォト力 ソードへの入射位置に対応している。
【0 0 3 7】 マイクロチャンネルプレートは、 光電子の入射位置に一つ以上の 二次電子を生成し、 その二次電子をその二次元位置を維持しながら増倍する。 よ 2004/009268
り具体的には、 マイクロチャンネルプレートは、 非常に細いガラスパイプを多数 束ねた構造を有している。 このガラスパイプがチャンネルである。 チャンネ /レの 内壁は、 電気抵抗体であり、 電子放出体でもある。 それぞれのチャンネルは独立 した電子增倍器として機能する。 マイクロチャンネルプレートが感応する量子 （ 例えば、 本実施形態における光電子） が一つのチャンネルの内壁に入射すると、 その内壁から一つ以上の電子が放出される。 放出された電子は、 マイクロチャン ネルプレートの両端面間に印加された電界によって加速され、 再び内壁に衝突し 、 二次電子を放出させる。 二次電子は内壁への衝突を繰り返しながらチャンネル に沿って進行し、 それによつて増倍される。 二次電子の二次元位置は、 チャンネ ルによって維持される。 二次電子は、 マイクロチャンネルプレートの後面に到達 すると、 マイクロチャンネルプレートおよびレジスティブアノード間に印加され た電界によって、 マイクロチャンネルプレートの後面、 すなわち出力面から放出 され、 レジスティブアノードに集められる。
【0 0 3 8】 レジスティブアノードは、 片面に均一な抵抗層が設けられた導体 板である。 レジスティブアノードの周彖部の四箇所には、 信号読み出し用の電極 が設けられている。 これらの電極は、 位匱時間測定回路 1 6に電気的に接続され ている。 レジスティブアノードに二次電子が入射すると、 これらの読み出し電極 は電荷パルスを出力する。 レジスティプアノ一ドに入射した二次電子の二次元位 置は、 これらの電荷パルスが有する電荷量に基づいて求められる。 このようにレ ジスティブアノードは、 光 1 5の検出位置に応じた信号を生成し、 位置時間測定 回路 1 6に送る。
【0 0 3 9】 回路 1 6は、 光電子増倍管 1 4のレジスティブアノードの四隅の 電極から電荷パルスを受け取り、 重心検出によってレジスティブアノード上にお ける二次電子の二次元位置を算出する。 この二次元位置は、 試料 1 0上における 発光の二次元位置と対応している。 このようにして光 1 5の検出位置が求められ る。 この検出位置はデータ処理装置 1 8に送られる。 【0 0 4 0】 さらに、 光電子増倍管 1 4は、 光 1 5の検出タイミングに同期し てパルスを生成する。 この検出タイミングパルスはマイクロチャンネルプレート 3 0力、ら取り出される。 以下では、 図 3を参照しながら、 検出タイミングパルス の生成について説明する。
【0 0 4 1】 マイクロチャンネルプレート 3 0の後面 （出力面） のうちレジス ティブアノードによって二次電子を収集できるのは、 符号 3 6で示される正方形 の領域である。 この領域を以下では 「有効領域」 と呼ぶ。 インバ一タ 2 2 i〜 2 2 12から光が発すると、インバータ 2 2 〜 2 212に対応した有効領域 3 6中の位置 3 S i S 8 12に光電子が収集される。 これらの位置 3 8からレジスティプアノード へ二次電子が放出されると、 マイクロチャンネルプレート 3 0の出力面の電位が 瞬間的に上昇する。 続いて、 マイクロチャンネルプレート 3 0に接続された電気 回路から位置 3 8 へ電子が流入し、 出力面の電位がすぐに所定の定常電位に戻さ れる。 この電子の流れが、 上述した検出タイミングパルスである。 このパルスは マイクロチャンネルプレート 3 0の出力面上を伝播し、 フランジ 3 2、 リード端 子 3 4および上記の電気回路、 すなわちパルス読み出し回路を通って、 位置時間 測定回路 1 6に到達する。
【0 0 4 2】 回路 1 6は、 テスタ 1 2が試料 1◦上のインバータチェーン 2 0 を駆動させた直後に基準時間パルスをテスタ 1 2から受け取り、 その後、 マイク 口チャンネルプレート 3 0から検出タイミングパルスを受け取る。 回路 1 6は、 時間電圧変換器 （Time- to- Amplitude Converter： T A C ) を有しており、 基準時 間パルスおよび検出タイミングパルスはこの時間電圧変換器に送られる。 時間電 圧変換器は、 基準時間パルスと検出タイミングパルスとの時間差に応じたレベル の電圧信号を生成する。 上述のように、 この時間差は、 試料 1 0の励起時点を基 準とする光 1 5の検出時刻と等価である。 以下では、 時間差に応じたこの信号を 「検出時刻信号」 と呼ぶ。 検出時刻信号は回路 1 6からデータ処理装置 1 8に送 ら る。
9 9268
【0 0 4 3】 データ処理装置 1 8は、 回路 1 6から検出位置おょぴ検出時刻信 号を受け取り、 検出時刻信号が示す検出時刻を補正した後、 検出位置と検出時刻 とを対応付けて記憶装置に格納する。 検出時刻の補正については後で詳細に説明 する。
【0 0 4 4】 トランジスタがスイッチングの際に発光する確率は非常に小さい ので、 試料 1 0は繰り返し励起され、 検出位置および検出時刻がデータ処理装置 1 8に蓄積される。 蓄積されたデータはさまざまに利用することができる。 たと えば、 データ処理装置 1 8は、 特定の時間にわたって検出位置ごとに発光回数を 計数し、 得られたカウント数に応じた輝度を検出位置に対応する画素に割り当て た二次元画像を生成することができる。 また、 データ処理装置 1 8は、 蓄積され た検出時刻を用いて、 特定の検出位置における検出時刻のヒストグラムを作成す ることができる。 このヒストグラムでは、 横軸が検出時刻であり、 縦軸が発光回 数である。 ヒストグラムのピークは、 特定の検出位置において発光が高い頻度で 検出された時刻を示している。 したがって、 ピークに対応する検出時刻は、 その 検出位置に対応するインバータ 2 2中のトランジスタがスイッチングを行うタイ ミングとみなすことができる。 各インバータ 2 2に対応する検出位置についてヒ ストグラムのピークに対応する検出時刻を算出すれば、 一連のインバータ 2 2の 動作タイミングを把握することができる。 これにより、 インバータチェーン 2 0 の動作解析が可能である。
【0 0 4 5】 以下では、 データ処理装置 1 8において検出時刻が補正される理 由を説明し、 その後、 補正処理を具体的に説明する。 本発明者は、 当初、 データ 処理装置 1 8に時間差を補正させることなく検出位置および検出時刻を記憶させ ていた。 しかし、 これはインバータ 2 2 〜 2 2 12のような複数の半導体デバイス の連続的な動作タイミングを解析する場合には好ましくないことに気づいた。 図 4および図 5を参照しながら、 この点について説明する。
【0 0 4 6】 図 4は、 検出時刻を補正した場合と補正しなかった場合の双方に 268
おいて取得されたデータに基づくィンバータ 2 2 i〜2 2 12の発光タイミングを示 している。 図 4において、 4 0は検出時刻を補正しない場合の発光タイミングを 示し、 4 2は検出時刻を補正した場合の発光タイミングを示している。 図 5はこ れらの折れ線グラフ 4 0および 4 2の近似曲線を示している。 図 5において、 5 0は検出時刻を補正しない場合の近似曲線を示し、 5 2は検出時刻を補正した場 合の近似曲線を示している。 これらのグラフにおいて横軸はインバータ 2 2 i〜2 2 12に含まれる トランジスタを示し、 縦軸は検出時刻を示す。 横軸において I n 、 3 n、 5 n、 7 n、 9 nおよび 1 1 nはそれぞれインバータ 2 2い 2 2 3、 2 25、 2 27、 2 29および 2 2 uに含まれる n— F E Tを示し、 2 p、 4 p、 6 p、 8 p 1 0 pおよび 1 2 pは、 それぞれインバータ 2 22、 2 2 4、 2 26、 2 2 8 、 2 2 1()および 2 2 12に含まれる p— F E Tを示している。 縦軸の検出時刻は、 上 述のように、 データ処理装置 1 8に蓄積された検出位置および検出時刻を用いて 各インバータ 2 2についてヒストグラムを作成し、 ヒストグラム中のピークに対- 応する検出時刻を算出することにより取得される。
[ 0 0 4 7 ] 上述のように、 ィンバータチェーン 2 0は、 ィンバ一タ 2 2 〜2 2 12中のトランジスタが一定の時間間隔で順次にスィツチングを行うように設計 されている。 したがって、 測定が正確であれば、 グラフ 5 0の傾きは一定のはず である。 し力 し、 実際には、 グラフ 5 0の傾きはトランジスタがリード端子 3 4 に近くなるにつれて低下する。 これは、 測定結果においてスイッチングの時間間 隔が徐々に短くなることを意味する。
【0 0 4 8】 本発明者は、 測定結果に見られるスィツチングタイミングの不均 —を、 マイクロチャンネルプレート 3 0上における検出タイミングパルスの伝播 時間のばらつきに起因する誤差と考えている。 以下では、 この点について説明す る。
【0 0 4 9】 図 3に示されるように、 検出タイミングパルスの発生位置 3 8と リード端子 3 4との距離はインバータ 2 2の位置に応じて異なる。 このため、 異 なるインバータ 2 2から発した光によって生成された検出タイミングパルスは、 その発生位置 3 8からリード端子 3 4へ伝播するのに要する時間が異なる。 例え ば、 図 3に示されるように、 インバータ 2 2 iの発光に対応する検出位置 3 8 リード端子 3 4との距離は であり、 インバータ 2 26の発光に対応する検出位 置 3 8 6とリード端子 3 4との距離は 1 6である。 したがって、 検出タイミングパ ルスが検出位置 3 8 iおよび 3 8 6の各々からリード端子 3 4へ伝播するのに要す る時間には、 単純に考えて （ ー ） / cの違いがあると推定される。 ここで 、 cは電磁波の速度を表す。 検出時刻は、 光 1 5が実際に検出された時点、 すな わち検出タイミングパルスの発生時点から、 検出タイミングパルスの位置時間測 定回路 1 6への伝播に要する時間だけ遅延する。 この遅延 （ディレイ） が検出位 置 3 S i S 8 12に応じて異なるため、 測定されるスィツチングタイミングの時間 間隔が不均一になると考えられる。 なお、 検出タイミングパルスの伝播時間は、 フランジ 3 2の形状や、 マイクロチャンネルプレート 3 0の構造および材質など 、 さまざまな要因によって複雑に影響される。
【0 0 5 0】 なお、 リ一ド端子の数は 1本に限定されず、 ディレイの絶対値を 減少させる （検出位置 3 8からリード端子 3 4までの距離を減少させる） 観点か ら複数本設置してもよい。 その際、 複数のリード端子は同じ長さであることが好 ましい。 リード端子 3 4の数が無限大の場合に相当する例として、 リード端子の 代わりにコーン状の電極を使用すれば、 ディレイの絶対値を最小限に抑えること ができる。
【0 0 5 1】 図 6はマイクロチャンネルプレート 3 0上における複数の検出位 置 P 1〜 P 1 4を示す概略平面図であり、 図 7はそれらの位置に応じた検出時刻 のディレイを示している。 図面の簡単のため、 図 6ではマイクロチャンネルプレ ート 3 0のチャンネルの図示は省略されている。 図 7に示されるディレイの分布 は、 リード端子 3 4から遠い位置で発生した検出タイミング信号ほどリード端子 3 4に到達するまでの時間が長いことを反映している。 なお、 各検出位置に対応 268
したディレイは、 電磁界シミュレータまたは高周波回路シミュレータを用いて計 算するか、 あるいは後述するような方法によって測定することができる。
【0 0 5 2】 検出位置に応じた検出時刻のディレイのばらつきは、 試料 1 0上 の一箇所から発する光を繰り返し測定する用途では問題とならない。 し力 し、 ィ ンバータチェーン 2 0のように、 異なる位置に配置された複数の半導体デバイス の連続的な動作タイミングを解析する場合には問題が生じる。 図 3に示されるよ うに、 最終段に近いィンバータ 2 2ほど、 出力端子 3 4に近い検出位置 3 8で検 出タイミングパルスを発生させる。 したがって、 最終段に近いインバータ 2 2ほ ど検出時刻のディレイが短い。 このようなディレイの不均一が、 一定であるはず のスィツチング間隔が徐々に短縮するという測定結果を生じさせる。
【0 0 5 3】 そこで、 本発明者は、 検出位置に応じたディレイのばらつきをデ ータ処理装置 1 8に補正させることにした。 この補正処理は、 マイクロチャンネ ルプレート 3 0上におけるディレイの分布を反映した補正データを使用して行わ れる。 この補正データは実験によって取得することもできるし、 電磁界シミュレ ータまたは高周波回路シミュレータを用いた計算により取得することもできる。 【0 0 5 4】 以下では、 補正データの測定方法の一例を説明する。 図 8は測定 方法を示す概略図である。 この方法では、 時間分解測定装置 1 0 0におけるテス タ 1 2の代わりにピコ秒またはサブナノ秒のパルスレーザ光源 4 0を使用し、 レ 一ザ光の検出位置に応じたディレイの分布を測定する。 レーザ光源 4 0は、 パル スレーザ光を放出するとともに、 その放出に同期して時間基準信号を出力する。 この時間基準信号は位置時間測定回路 1 6へ送られる。 光源 4 0には光ファイバ 4 2が接続されている。 光源 4 0から発したパルスレーザ光は光ファイバ4 2中 を伝搬し、 レンズ 4 4に向かって出射する。 レーザ光はレンズ 4 4によって集束 され、 光電子増倍管 1 4のフォ ト力ソード 5 0に入射する。 フォト力ソード 5 0 での光電効果によって発生した光電子はマイクロチャンネルプレートによって増 倍され、 レジスティブアノード 5 2に向けて放出される。 このときに発生する検 出タイミングパルスは、 マイクロチャンネルプレート 3 0の後面上を伝播してリ ード端子 3 4に到達し、 そこから位置時間測定回路 1 6へ送られる。 レジスティ プアノード 5 2からは、 レーザパルス光の検出位置に応じた信号が回路 1 6に送 られる。 回路 1 6はレジスティブアノードからの信号に基づいて検出位置を算出 し、 データ処理装置 1 8に送る。 また、 回路 1 6は、 光源 4 0からの時間基準パ ルスと検出タイミングパルスとの時間差に応じた信号を生成し、 データ処理装置 1 8に送る。 この方法では、 この時間差を、 検出位置に応じた検出時刻のディレ ィとして扱う。 データ処理装置 1 8は、 回路 1 6から送られた検出位置とディレ ィとを対応付けて記憶する。 X _ Yステージ （図示せず） を用いて光ファイバの 出力端 4 3を二次元的に移動させながらフォトカソード 5 0の様々な位置に光を 入射させ、 データ処理装置 1 8に検出位置とディレイを蓄積する。
【0 0 5 5】 データ処理装置 1 8は、 マイクロチャンネルプレート 3 0上の有 効領域 3 6に 5 1 2 x 5 1 2、 すなわち約 2 6万個の画素を割り当てる。 これら の画素の一つ一つに光を入射させてディレイを測定する場合、 一画素あたりの測 定時間を 1 0秒程度に設定しても極めて膨大な時間が必要となり、 現実的でない 。 そこで、 数 1 0個の画素についてだけディレイを測定し、 他の画素については 補間法によってディレイを算出することが効率的である。
【0 0 5 6】 具体的には、 図 9に示されるように、 有効領域 3 6を仮想のメッ シュ 5 3によって分割し、 メッシュ 5 3中の 2 5個の交点 5 4のみについてディ レイを測定する。 つまり、 これらの交点 5 4はサンプリング点である。 図 1 0は 、 サンプリング点 5 4について測定したディレイの分布を 3 D表示している。 サ ンプリング点 5 4の間の位置に対応したディレイは二次元スプライン捕間によつ て算出する。 図 1 1は、 捕間によつて得られたディレイの分布を 3 D表示してい る。 このような補間されたディレイ分布が補正データとして使用される。
【0 0 5 7】 図 1 2は、 図 1 1の補正データに基づくインパータチェーン 2 0 中のトランジスタに対応したディレイを示している。 図 1 2に示されるように、 前段のトランジスタほどディレイが大きい。
【0 0 5 8】 データ処理装置 1 8は、 試料 1 0の時間分解測定によって回路 1 6から検出時刻を取得した後、 その検出時刻から補正データを減算する。 すなわ ち、 各検出位置に対応する検出時刻から同じ検出位置に対応するディレイが減算 される。 この減算により、 検出時刻に含まれる検出タイミングパルスの伝播時間 が除去される。 これにより、 検出タイミングパルスの伝播時間のばらつきに起因 する検出時刻の誤差を補正することができる。 データ処理装置 1 8は、 こうして 補正された検出時刻を検出位置に対応付けて記憶する。 したがって、 時間分解測 定の精度を高めることができる。 実際、 図 4のグラフ4 2および図 5のグラフ 5 2に示されるように、 この補正によってインバータ 2 2 i〜 2 2 12中のトランジス タからの発光の検出時刻がほぼ等間隔となり、 設計理論と合致するようになる。
【0 0 5 9】 補正データの取得は、 図 1 3に示されるように試料 1 0の時間分 解測定の前であってもよいし、 図 1 4に示されるように時間分解測定の後であつ てもよい。
【0 0 6 0】 図 1 3に示される手順では、 まず、 図 8を参照して上述した方法 によって補正データを取得する （ステップ S 1 3 0 )。 この補正データはデータ処 理装置 1 8内の記憶装置に格納される （ステップ S 1 3 2 )。 その後、装置 1 0 0 は、 図 1を参照して上述した方法によって、 インバータチェーン 2 0からの発光 の時間分解測定を実行する （ステップ S 1 3 4 )。データ処理装置 1 8は、得られ た測定データから補正データを減算し、 測定データに含まれる時間誤差を補正す る （ステップ S 1 3 6 )。補正後の測定データは、記憶装置に格納されるとともに 、 図 4に示されるような折れ線グラフの形でデータ処理装置 1 8のディスプレイ 上に表示される （ステップ S 1 3 8 )。
【0 0 6 1】 一方、 図 1 4に示される手順では、 まず、 装置 1 0 0を用いてィ ンバータチェーン 2 0の時間分解測定を実行し（ステップ S 1 4 0 )、得られた測 定データをデータ処理装置 1 8内の記憶装置に格納する (ステップ S 1 4 2 )。そ の後、 図 8に示される方法によって時間誤差の補正データを取得する （ステップ S 1 4 4 )。データ処理装置 1 8は、記憶装置から測定データを読み出し、 そこか ら補正データを減算して時間誤差を補正する （ステップ S 1 4 6 )。捕正された測 定データは記憶装置に格納されるとともに、 ディスプレイ上に表示される （ステ ップ S 1 4 8 )。
【0 0 6 2】 以上、 本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。 しかし 、 本発明は上記実施形態に限定されるものではない。 本発明は、 その要旨を逸脱 しない範囲で様々な変形が可能である。
【0 0 6 3】 上記実施形態では、 図 8に示される測定によって補正データを取 得する。 し力 し、 計算によって補正データを取得してもよい。 例えば、 上記のデ ィレイ分布は、 電磁界シミュレータまたは高周波回路シミュレータを用いて算出 することができる。
【0 0 6 4】 本明細書では、 「光電子増倍管 （PMT)」 は 「電子増倍管 （E M T)」 の一態様である。 上記実施形態は、位置検出型光電子增倍管 （P S— Ρ ΜΤ ) を使用する。 しカゝし、 本発明では、 試料から発する量子線の種類に応じて他の 任意の位置検出型電子増倍管 （P S— ΕΜΤ ) を使用することができる。 マイク 口チャンネルプレートが電子線のみならず、 紫外線 （U Vおよび VU V)、 X線、 線、 荷電粒子、 中性子など、 他の量子線に対して直接、 感度を有することはよ く知られている。 P S— P MTを用いるか P S— EMTを用いるかは、 検出対象 物から発する量子線の種類に応じて適宜選択される。
【0 0 6 5】 上記実施形態では、 位置検出型のアノードとしてレジスティブァ ノードが使用されている。 このほかに、 他の任意の位置検出型アノード、 例えば マルチアノード、 C Rチェーンアノード、 クロスワイヤアノード、 または半導体 素子位置検出素子 （P S D ) を使用してもよい。 また、 二次電子を光学像に変換 する蛍光板をアノードとして使用し、 その光学像をイメージセンサを用いて撮像 することにより二次電子の位置を測定してもよい。 また、 蛍光板とイメージセン サとをファイバプレートを介してファイバカツプリングしてもよい。 これらの位 置検出は、 一次元であっても二次元であってもよい。
【0066】 上記実施形態では、 半導体集積回路の動作解析を取り上げている 。 しカゝし、 本発明に係る時間分解型検出を利用可能なアプリケーションは幅広く 、 TOF (Time Of Flight) 応用をはじめとした様々な計測手法、 例えば、 二次 イオン質量分析 （S IMS)、 イオン散乱分光 （I S S)、 アトムプローブなどに 本発明を適用することができる。
産業上の利用可能个生
【0067】 本発明の時間分解測定装置は、 検出位置に応じた検出時刻ディレ ィの不均一を補正することにより、 検出時刻の誤差を解消し、 時間分解測定の精 度を高めることができる。

Claims

請求の範囲
1 . 試料の励起によって発する量子線の位置情報およびタイミング情報 を取得する時間分解測定装置であって、
前記試料の励起に同期して基準時間パルスを生成する信号発生器と、 前記量子線を検出し、 検出位置に応じた位置信号および検出タイミングに同期 した検出タイミングパルスを生成する検出装置と、
前記位置信号を用いて前記検出位置を算出する位置演算器と、
前記基準時間パルスと前記検出タイミングパルスとの時間差を計測する時間差 計測器と、
前記位置演算器によって算出された前記検出位置と、 前記時間差測定器によつ て計測された前記時間差とを対応付けて記憶するデータ処理装置と、
を備え、
前記検出装置は、 位置検出型電子増倍管を有しており、
前記電子増倍管は、 前記量子線の前記電子増倍管への入射位置に応じた位置に 電子を生成し、 その位置を維持しながら前記電子を增倍するマイクロチャンネル プレート、 および前記マイクロチャンネルプレートに電気的に接続された出力端 子を有しており、
前記検出タイミングパルスは、 前記マイクロチャンネルプレートによって增倍 された電子が前記マイクロチャネルプレートから放出されるときの電位変化に応 じて発生し、 前記マイクロチャネルプレートから前記出力端子を通じて前記時間 差計測器へ送られ、
前記データ処理装置は、 前記マイクロチャネルプレート上における前記検出タ ィミングパルスの発生位置と前記出力端子との距離に応じて前記時間差を補正し 、 捕正された時間差を前記検出位置と対応付けて記憶する、
時間分解測定装置。
2 . 前記データ処理装置は、前記検出タイミングパルスが前記発生位置 力 前記出力端子へ到達するのに要する時間を、 前記時間差計測器によつて計測 された時間差から除去することによって前記時間差を補正する、 請求の範囲第 1 項に記載の時間分解測定装置。
3 . 前記データ処理装置は、前記マイクロチャンネルプレート上に複数 のサンプリング点を設定し、 各サンプリング点で発生する前記検出タイミングパ ルスのための補正データを取得して補間し、 補間された補正データを用いて前記 時間差を補正する、 請求の範囲第 1項または第 2項に記載の時間分解測定装置。
4 . 前記データ処理装置は、前記試料の複数回の励起にわたって前記検 出位置および前記時間差を蓄積する、 請求の範囲第 1項〜第 3項のいずれかに記 載の時間分解測定装置。
5 . 前記データ処理装置は、蓄積された前記時間差を用いて、特定の前 記検出位置に対応付けられた前記時間差のヒストグラムを作成する、 請求の範囲 第 4項に記載の時間分解測定装置。
6 . 前記試料は、動作時に光を発しうる複数の半導体デバイスを含む回 路を有しており、
前記試料の励起は、 前記回路を駆動して前記複数の半導体デバイスを順次に動 作させ、
前記データ処理装置は、 前記半導体デバイスの位置に対応する前記検出位置を 特定し、 特定された前記検出位置における前記ヒストグラムのピークに対応する 前記時間差を算出する、
請求の範囲第 5項に記載の時間分解測定装置。
7 . 前記位置検出型電子増倍管は、前記量子線を光電効果によって光電 子に変換するフォトカソ一ドを有する位置検出型光電子増倍管であり、
前記マイクロチャンネルプレートは、 前記フォトカソードに対向させて配置さ れ、 前記フォト力ソードから前記光電子を受け取って二次電子を生成し増倍する 求の範囲第 1項〜第 6項のいずれかに記載の時間分解測定装置。
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