JPH03211449A - 半導体集積回路の熱膨脹量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｃ産業上の利用分野コ 本発明は、半導体集積回路等の通電動作時に発熱により
生ずる熱膨脹、そり等の熱変形等を測定する熱膨張測定
装置に関するものである。

［従来技術］ 従来、半導体集積回路（ＬＳＩ）の通電時にどれだけ熱
膨脹が生じ゛ているか、どれだけの熱変形が生じている
かを高速に簡便に測定する良い方法はなく、例えば接触
式の変位計で直接測定するか、発熱量を放射温度計で温
度を測定し、半導体集積回路の内部の温度勾配を仮定し
、また半導体集積回路の形状から境界条件を設定するこ
とにより、各部位での変位を計算により求める等の間接
的な方法しか存在しなかった。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の変位計等で半導体集積回路の熱膨
脹を測定することは、半導体集積回路上の微小な領域を
指定することが困難であるため、精密には不可能であっ
た。

また、放射温度計により半導体集積回路に存在している
温度分布を測定することによって発熱量を求め、熱伝導
方程式を作り、そこから、熱流を計算し、熱膨脹による
熱変形を推定する方法は、直接変位量を測定しているわ
けではないので、熱膨張量の正しい値を与えているとは
言えなかった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、半導体集積回路上に発生する通電時における
熱膨脹或いは熱収縮により生ずるそり、歪み等の変位量
或いは半導体集積回路に発生している変形の様子等を迅
速に且つ精密に測定する装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の半導体集積回路の熱
膨張量測定装置は、対物レンズを通して半導体集積回路
上の微小領域に光を集光させ、その領域表面からの反射
光を利用して、半導体集積回路の通電動作時において生
ずる熱膨脹量或いは熱収縮量を測定する装置において、 ａ）前記対物レンズ及び測定用の半導体集積回路の少な
くとも一方を光軸方向において駆動することにより、対
物レンズと半導体集積回路との相互間隔を変化させ得る
駆動手段と、 ｂ）前記半導体集積回路が載置されている部分を光軸に
対して垂直な方向において駆動することにより、半導体
集積回路上の任意の位置での熱膨張を測定可能ならしめ
る位置駆動手段と、 Ｃ）前記半導体集積回路に通電し、各種の電気信号を入
力し、半導体集積回路を電気的に動作させることにより
、半導体集積回路上に熱膨張を発生させる半導体集積回
路用の駆動制御手段と、 ｄ）前記半導体集積回路上に発生する熱膨張による変位
を測定するためのヘテロダイン干渉測定手段 とを備えている。

［作用］ 上記の構成を有する本発明の熱膨張ｉｋｍＪ定装置によ
れば、光軸方向駆動手段により、半導体集積回路表面か
らの反射光が平面波となるように対物レンズと半導体集
積回路との相互間隔が変化させられるので、半導体集積
回路の表面は、上記対物レンズの焦点位置即ち、ビーム
ウェスト内に位置させられる。

光軸に垂直な平面方向の位置駆動手段は、光軸方向駆動
手段及び半導体集積回路を固定するための部材が載置さ
れたまま、平面上の任意の位置へ移動し、測定光を半導
体集積回路上の任意の位置へ照射する作用をする。

半導体集積回路用の駆動制御手段は、上記位置移動手段
により測定位置が決定後、半導体集積回路に電源を供給
し、入力信号を与えることで、半導体集積回路上の特定
の位置に熱膨張を起こさせる作用をし、ヘテロダイン干
渉光学手段は、上記手段により生じている半導体集積回
路上の熱膨張による変位を極めて高精度で測定する。

［実施例］ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。

第１図には基本的な機能ブロック図を示す。以下、第１
図の説明をする。

測定用の半導体集積回路が、電気的接触機能をもったソ
ケット等の固定台に取り付けられ、これらはコンピュー
タから制御された半導体試料用の電源及び各種信号制御
回路により電気的に制御されるようになっている。更に
該半導体集積回路固定部は、ｘ、　ｙ、　　ｚ軸の位置
移動制御用のテーブル等の移動手段により、自由に移動
できるようになっている。

また、これらの位置移動手段は、コンピュータから位置
制御されている。半導体集積回路は、第２図に示すよう
な光学系によって、変位或いは表面上の凹凸等の表面情
報をレーザ光を用いることで測定される。測定は、光信
号を電気信号に変換し、信号処理回路を通じてコンピュ
ータへ入力され、コンピュータは、付属のＲＯＭ、ＲＡ
Ｍを用いて測定データを処理し、最終的にＣＲＴ等のデ
ータ表示部に出力するようになっている。以上が第１図
におけるブロック図の概略である。

次に光学系の部分について第２図を中心に述べる。

第２図において、レーザ光源（１０）から出力された直
線偏光のレーザ光には、アイソレータ（１２）を経て偏
光ビームスプリッタ（１４）へ到達し、第２図の紙面に
平行な振動面を有するＰ偏光と第２図の紙面に直角な振
動面を有するＳ偏光とに分割される。この時上記レーザ
光の振動面は、第１図の紙面に対して４５″傾斜させら
れる。

上記Ｐ偏光は、上記レーザ光と同じ周波数ｆ。

を有し、ミラー１６に反射され且つ偏光ビームスプリッ
タ（１８）を通過させられる。また上記Ｓ偏光は、ミラ
ー（２０）により反射された後、音響光学変調器（２２
）及び（２４）を通過させられて周波数＋ｆ１及び−ｆ
２のシフトを受けることにより周波数ｆｏ＋ｆ、−ｆ、
とされ、その後、偏光ビームスプリッタ（１８）に入射
する。この偏光ビームスプリッタ（１８）において、上
記周波数シフトを受けたＳ偏光の光束と上記Ｐ偏光の光
束とが重ね合わされた後、無偏光ビームスプリッタ（２
６）において２分される。

上記無偏光ビームスプリッタ（２６）により反射された
光は、偏光軸を４５′傾斜させて配設された偏光子（２
８）を通過させられることにより、Ｐ偏光及びＳ偏光の
相互干渉した光、即ち基準ビート周波数ｆＢ　”　（−
１ｆｔ　　ｆｔ　　ｌ）を有する基準ビート光が基準ビ
ート光センサ（３ｏ）により検出される。このため、周
波数ｆＢの基準ヒート信号ＳｆＢが基準ビート光センサ
（３ｏ）がら出力される。無偏光ビームスプリッタ（２
６）を透過した光は、無偏光ビームスプリッタ（３２）
において更に２分される。以下、無偏光ビームスプリッ
タ（３２）を透過した光束を第１の光束と言い、無偏光
ビームスプリッタ（３２）により反射された光束を第２
の光束と言う。

上記第１の光束は、半導体集積回路（３４）の表面（反
射面）、対物レンズ（３６）と一体的に配設されたミラ
ー（３８）　、対物レンズ（３６）の上方に配置された
偏光ビームスプリッタ（４ｏ）等により構成された第１
のヘテロダイン干渉系に入射させられる。

また、上記第２の光束は、対物レンズ（３６）と一体的
に配設されたミラー（４２）、位置固定のミラー（４４
）、偏光ビームスプリッタ（４６）などにより構成され
た第２のヘテロダイン干渉光学系に入射させられる。

上記第１のヘテロダイン干渉光学系において、周波数ｆ
。のＰ偏光と周波数ｆＯ＋ｆ、−ｆ２のＳ偏光との合成
波である第１の光束は、偏光ビームスプリッタ（４０）
により先ず分割される。偏光ビームスプリッタ（４０）
を透過したＰ偏光は、λ／４板（５０）を通過させられ
ることにより円偏光に変換された後、対物レンズ（３６
）を通して半導体集積回路の表面に集光される。この半
導体集積回路（３４）の表面からの反射光は、上記対物
レンズ（３６）を経てλ／４板（５０）を通過させられ
ることにより、もとのＰ偏光に対して振動面が９０°回
転した偏光、即ち、Ｓ偏光に変換されるので、偏光ビー
ムスプリッタ（４０）により反射され、偏光子（５２）
に到達する。上記半導体集積回路（３４）の表面からの
反射光は、該表面上のＡｌ細線や保護膜などの凹凸によ
る位相シフト及び散乱を受けている。

前記第１の高速のうち、偏光ビームスプリッタ（４０）
により反射されたＳ偏光は、位置固定のミラー（４８）
により反射されてλ／４板（５０）を通過させられるこ
とにより円偏光に変換された後、集光レンズ（５４）を
通してミラー（３８）の表面に集光される。このミラー
（３８）からの反射光は、再び上記集光レンズ（５４）
を経てλ／４板（５０）を通過させられることにより、
もとのＳ偏光に対して振動面が９０＠回転した偏光、即
ち、Ｐ偏光に変換されるので、偏光ビームスプリッタ（
４０）を透過し、偏光子（５２）に到達する。この偏光
子（５２）の偏光軸は上記Ｓ偏光及びＰ偏光の振動面よ
りも４５″傾斜させられているから、偏光子（５２）を
透過した光にはＰ偏光及びＳ偏光によるヘテロダイン干
渉が発生し、この干渉光が第１計測ビート光センサ（５
６）により検出される。この第１計測ビート光センサ（
５６）は、複数個からなり、それぞれの位置から周波数
がｆ、であって、わずかにそれらの信号間に位相差が生
じている信号５ｆＷＡ、５ｆｖＢ。

Ｓｆｗｃ、ＳｆｗＤ、Ｓｆ、Ｅが出力される。これらの
信号は、半導体集積回路の表面から反射された反射光の
波面を測定するのに用いられる。

前記第２のヘテロダイン干渉光学系において、周波数ｆ
ｏのＰ偏光と周波数ｆ、＋ｆ、−ｆ２のＳ偏光との合成
波である第２の光束は、ミラー（３３）により反射され
た後、偏光ビームスプリッタ（４６）により先ず分割さ
れる。偏光ビームスプリッタ（４６）を透過したＰ偏光
は、λ／４板（５８）を通過させられることにより円偏
光に変換された後、集光レンズ（６０）を通してミラー
（４２）の表面に集光される。このミラー（４２）から
の反射光は、上記集光レンズ（６０）を経てλ／４板（
５８）を再び通過させられることにより、もとのＰ偏光
に対して振動面が９０°回転した偏光、即ち、Ｓ偏光に
変換されるので、偏光ビームスプリッタ（４６）により
反射され、偏光子（６２）に到達する。

一方、偏光ビームスプリッタ（４６）により反射された
Ｓ偏光は、λ／４板（６４）を通過させられることによ
り円偏光に変換された後、集光レンズ（６６）を通して
位置固定のミラー（４４）の表面に集光される。このミ
ラー（４４）からの反射光は、再び上記集光レンズ（６
６）により、もとのＳ偏光に対して振動面が９０＠回転
した偏光、即ち、Ｐ偏光に変換されるので、偏光ビーム
スプリッタ（４６）を透過し、偏光子（６２）に到達す
る。この偏光子（６２）の偏光軸は上記Ｓ偏光及びＰ偏
光の振動面よりも４５°傾斜させられているから、偏光
子（６２）を透過した光にはＰ偏光及びＳ偏光によるヘ
テロダイン干渉が発生し、この干渉光が第２計測ビート
光センサ（６８）により検出され、周波数がｆＤの第２
計測ビート信号ＳｆＤが出力される。

前記対物レンズ（３６）は、レンズアクチュエータ（７
０）によって光軸方向へ位置決めされ得るようになって
いる。即ち、位置固定の機枠（７２）には、光束を通過
させるための貫通穴（７３）（７４）、　　（７５）が
形成されており、中央の貫通穴（７４）と同心に円筒状
のレンズアクチュエータ（７０）が吊り下げられるとと
もに、このレンズアクチュエータ（７０）の下端部に対
物レンズ（３６）を保持するレンズ保持筒（７８）が固
定されている。レンズアクチュエータ（７０）は、本実
施例では対物レンズ（３６）と半導体集積回路試料（３
４）との相互間隔を変化させる駆動装置を構成するもの
であり、例えば軸方向に収縮可能な圧電セラミックによ
り構成されており、印加電圧に対応した収縮量に関連し
て対物レンズ（３６）が位置決めされるようになってい
る。また、前記ミラー（３８）及び（４２）は、上記レ
ンズ保持筒（７８）に固定されており、対物レンズ（３
６）と一体的に軸方向へ移動させられるようになってい
る。

前記測定用半導体集積回路（３４）は、対物レンズ（３
６）の光軸方向及びその光軸と直角な方向へ駆動される
ようになっている。即ち、防振台等の基台（８８）上に
おいて、第３図に示す案内装置により水平方向（Ｘ方向
）へ案内される水平方向移動テーブル（８４）は、例え
ば、パルスモータ或いはピエゾアクチュエータ等により
構成される微小駆動可能な水平方向駆動装置（８５）に
より水平方向に位置決めされるようになっており、その
水平方向移動テーブル（８４）上には、垂直方向（２方
向）へ案内される電気接触部材（８０）が垂直方向駆動
テーブル（８２）によって垂直方向に位置決めされるよ
うにな−ている。また、上記垂直方向駆動装置（８３）
は、例えばパルスモータ等を含むものであり、前記レン
ズアクチュエータ（７０）による対物レンズ（３６）の
移動距離よりも大きい距離で電気的接触部材（８０）を
駆動することができるようになっている。更に前述した
水平方向駆動テーブル（８４）及び垂直方向駆動テーブ
ル（８２）は、水平方向（Ｘ方向）面内でＸ方向に垂直
な方向（Ｙ方向）に移動するための水平方向（Ｙ方向）
移動テーブル（８６）上に載置されており、水平Ｙ方向
移動テーブル（８６）は、例えばパルスモータ或いはピ
エゾアクチュエータ等により構成される微小駆動可能な
水平方向（Ｙ方向）駆動装置（８７）により、水平方向
（Ｙ方向）に位置決めされるようになっている。尚、上
記水平方向（Ｘ方向）駆動装置（８５）、及び水平方向
（Ｙ方向）駆動装置（８７）には、図示しないが、Ｘ方
向、Ｙ方向の移動量を検出するための位置検出器がそれ
ぞれ設けられている。この位置検出装置は、ロータリエ
ンコーダ、或いは一般に知られている光学式の位置検出
器または測長器等により構成される。

上記のように光学的に構成された光波干渉型の半導体熱
膨脂量測定装置には、例えば第４図に示す測定制御回路
が設けられている。光センサ−（５６）は第５図に示す
ような５個の受光素子５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃ，５６Ｄ
、５６Ｅから構成されており、その各々のセンサーから
出力された第１計測ビート信号ＳｆｗＡ、５ｆＷＢ、Ｓ
ｆｗＣ，５ｆＷＤ、５ｆＷＥは、第４図に示す増幅器９
０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ，９０Ｄ、９０Ｅにおいて信号増
幅された後、波形モニタ回路（９２）へそれぞれ供給さ
れる。

波形モニタ回路（９２）は、第１計測ビート光センサ（
５６）へ到達している光束の状態から平面波であるか或
いは発散球面波または収束球面波であるか否かを判定す
るものであり、その判定結果を表す信号を後述のデータ
バスライン（１０２）へ出力するとともに、第１測定ビ
ート周波数ｆｗの信号を位相差検出回路（１０６）へ出
力する。

以下、波形モニタ回路について詳しく述べることにする
。

波形モニタ回路９２は例えば第６図に示すように構成さ
れている。即ち、一方のデジタル位相差検出回路９４は
、垂直方向に配列されている受光素子５６Ｂ及び５６Ｃ
からのビート信号ＳｆｗＢ及びＳｆｗｃの位相差△θＣ
Ｂ　　（例えばビート信号５ｆＷｃのピーク位置の位相
角をθＣとし、ビート信号Ｓｆ、Ｂのピーク位置の位相
角をθＢとすると、△θＣＢ−θＣ−θＢ）を検出して
減算器９８へ出力する一方、他方のデジタル位相差検出
回路９６は、垂直方向に配列されている受光素子５６Ｄ
及び５６Ｃからのビート信号ＳｆｗＤ及びＳｆｗｃの位
相差ΔθＤＣ（例えばビート信号５ｆＷｃのピーク位置
の位相角をθＣとし、ビート信号５ｆＷＤのピーク位置
の位相角をθＤとすると、△θＤＣ−θｐ−θＣ）を検
出して減算器９８へ出力する。そして、減算器９８は、
上記位相差△θＣＢから位相差ΔθＤＣを減算し、減算
値（へ〇〇Ｂ−へ〇ＤＣ）を出力する。

第１計測ビート光センサ５６へ到達している光束が平面
波であれば、第７図に示すように３つの受光素子５６Ｂ
、５６Ｃ，５６Ｄの出力信号の位相か同じとなる。また
、第１計測ビート光センサ５６が傾いていたとしても、
第８図に示すように、受光素子５６Ｇの上に位置する受
光素子５６Ｂの出力信号Ｓ　ｆ　Ｗ　Ｂ　ｓ及び受光素
子５６Ｃの下に位置する受光素子５６Ｄの出力信号５ｆ
ＷＤの、中心に位置する受光素子５６Ｃの出力信号Ｓｆ
Ｗ。

に対する位相が、それぞれ同じ量だけ前後方向、即ち前
記△θＣＢ及びΔθＤＣが正方向にずれる。

例えば第８図において、出力信号ｓｔｗａに対する出力
信号５ｆＷＢの位相のずれ△θＣＢ　　（−θＣ−θＢ
、正の値）と、出力信号５ｆＷＣに対する出力信号Ｓｆ
ｗＤの位相のずれΔθＤＣ（−〇〇−θＣ１正の値）と
が、互いに等しくなる（ΔθＣＢ−ΔθＤｃ）。しかし
、第１計測ビート光センサ５６へ到達している光束が収
束球面波であれば、例えば第９図に示すように、受光素
子５６Ｂ及び５６Ｄの出力信号５ｆＷＢ及び５ｆＷＤの
位相が、受光素子５６Ｃの出力信号Ｓｆｗｃに対する出
力信号Ｓｆｗｏの位相のずれ△θＤＣ（−θＤ−θＣ）
が負の値となる。反対に、第１計測ビート光センサ５６
へ到達している光束が発散球面波であれば、出力信号Ｓ
ｆｗＢ及び５ｆＷＤの位相が出力信号Ｓｆｗｃに対して
共に遅れるので、出力信号５ｆＷＣに対する出力信号５
ｆＷＢの位相のずれΔθｃＢ　（−θＣ−θＢ）が負の
値となる。従って、上記出力信号ＳｆＷ、に対する出力
信号５ｆＷＢの位相ずれ△θＣＢと出力信号Ｓｆｗｃに
対する出力信号５ｆＷＤの位相のずれ△θＤＣとの減算
値（△θＣＢ−△θＤＣ）は、平面波となるほど零に近
い値となる。

第６図の比較判定回路１００は、設定器１４０において
予め設定された判断基準範囲〔零を含む基準範囲を示す
上限値（正の値）及び下限値（負の値）〕と減算器９８
の出力信号と比較し、減算器９８の出力値（△θＣＢ−
八〇ＤＣへが判断基準範囲内であるときには平面波であ
ると判定し、減算器９８の出力値が判断基準範囲の上限
値よりも大であるときには収束球面波であると判定し、
出力値が判断基準範囲の下限値よりも小であれば、発散
球面波であると判定する。そして、比較判定回路１００
は、平面波、収束球面波、発散球面波のいずれであるか
、或いはそれに加えてどの程度の曲率をもつ球面波であ
るかの判断結果を表す信号をデータバスライン１０２へ
出力する。尚、上記設定器１４０において予め設定され
た判断基準範囲を示す上限値及び下限値は、例えば、半
導体集積回路３４の表面がビームウェスト位置ＢＷから
２分の１波長ずれたときの値、またはそれより所定量小
さい値とされている。

ここで、第１計測ビート光センサ５６に伝播した光束の
波面状態は、対物レンズ３６の焦点位置と被測定部材３
４の表面との間の相対位置関係を表している。即ち、第
８図に示すように、半導体集積回路３４の表面が対物レ
ンズ３６により集光される光束の最もくびれた部分、換
言すれば光束のビームウェスト位置ＢＷに位置している
場合には、その表面から反射される光束は、平面波とな
る。しかし、半導体集積回路３４の表面が対物レンズ３
６から離隔する側へ上記光束のビームウェスト位置ＢＷ
からずれた場合には、第１計測ビーと光センサ５６に伝
播した光束は収束球面波となる。反対に、半導体集積回
路３４の表面が対物レンズ３６に接近する側へ上記光束
のビームウェスト位置ＢＷからずれた場合には、第１計
測ビート光センサ５６に伝播した光束は発散球面波とな
る。

そこで、こうした波面状態の変化を位相差検出回路（９
４）、　　（９６）を用い検出することで、常に半導体
集積回路（３４）と対物レンズ（３６）の相対距離が一
定になるように測定条件を制御する。その上で半導体集
積回路に通電し、熱膨脹を発生させ、その微小変位を実
時間で第２のヘテロダイン干渉光学系により測定するの
である。

即ち、第１のヘテロダイン光学系において、半導体集積
回路（３４）により反射され、且つ複数の検出器である
第１計測ビート光センサ（５６）に到達した光束が平面
波となるように初期位相差Ｄｉを決定し、この初期位相
差Ｄｉが維持されるように、レンズアクチュエータ（７
０）によって対物レンズ（３６）との距離が制御され、
対物レンズ（３６）により集光される光束のビームウェ
スト位置ＢＷに半導体集積回路試料（３４）の表面が常
時一致するように制御される。このように対物レンズ（
３６）のビームウェスト位置ＢＷと半導体集積回路（３
４）の表面とが常時一致させられるという最適な光学的
相互位置状態となるように、対物レンズ（３６）の位置
決めが高精度に行われた後、レンズ保持筒（７８）の変
位Ｚが第２のヘテロダイン光学系によって検出される。

これは測定ビート光センサ（６８）で検出された信号Ｓ
ｆｄは、基準ビート信号ＳｆＢに対して位相のずれた信
号となって観測できるからである。この両信号の位相差
は、測定している半導体集積回路の特定の領域において
通電したことにより生じた熱膨脹による変位により生じ
たものである。この時、実際の変位と観測された位相差
には次の関係がある。

ｚ＝　ＵｃΦ（ｔ、）−Φ（ｔｏ）１ ７Ｃ 即ち、時刻ｔｍｔ、とｔ−ｔＱの時点でのそれぞれの基
準ビート信号ＳｆＢと測定ビート信号Ｓｆａの間に観測
された位相差Φ（１＋）とΦ（ｔｏ）の差が、ｔｍｔｏ
から１−１．までに変位した量になる。

従って、半導体集積回路が通電による発熱のために熱膨
脹をし続ければ、それに応じて測定ビート光信号Ｓｆｄ
と基準ビート光信号間に存在する位相は変化していくこ
とになるので、その位相を第４図に示す信号処理回路を
用いて測定する。基準ビート光信号ＳｆＢは、波形成形
回路１０４によりパルス波形に成形された後、位相差検
出回路１０６へ供給されるとともに、インバータ（１０
８）を経てアンド回路１１０へ供給される。上記位相差
検出回路１０６は、受光素子５６ｃから出力された周波
数ｆＷの信号Ｓｆｗｃと基準ビート光センサ（３０）の
出力信号ＳｆＢとの位相差Ｄを検出し、この位相差りを
表す信号をデータバスライン１０２へ出力する。半導体
集積回路の表面上の膨張により、前記第１計測ビート光
センサ（５６）へ到達した光束が平面波となるように調
節することにより、対物レンズ（３６）と半導体集積回
路（３４）の表面とが初期的に最適な光学位置とされた
ときに、上記位相差検出回路（１０６）により検出され
た位相差りは、初期位相差Ｄｉと称される。

第２計測ビート光センサ（６８）の出力信号Ｓｆｄは、
波形成形回路（１１２）によりパルス波形に成形された
後、上記アンド回路（１１０）へ供給される。アンド回
路（１１０）は、基準ビート光センサ（３０）の出力信
号ＳｆＢのパルス波形が例えば「０」であり且つ第２計
測ビート光センサ（６８）の出力信号Ｓｆｄのパルス波
形が例えば「１」であるときには、高周波信号発生器（
１１４）から出力される一定周波数のクロック信号をカ
ウンタ（１１６）へ通過させて、そこで計数させる。こ
のカウンタ（１１６）は、基準ビート光センサ（３０）
の出力信号ＳｆＢと第２計測ビート光センサ（６８）の
出力信号（Ｓｆｄ）との位相差に対応してクロック信号
を計数し、位相差２πに対応する値に満了すると、満了
信号を出力するとともに再び零から計数を開始する分周
カウンタである。二〇カウンタ（１１６）は２π以下の
位相差φを表す計数値を所定時間毎にラッチ回路（１１
８）に−時記憶させ、ラッチ回路（１１８）は必要に応
じて位相差を表す信号をデータバスライン（１０２）へ
出力する。またカウンタ（１２０）は、上記カウンタ（
１１６）の計数値が位相差２πに相当する値となったと
きに出力される満了信号を計数し、２π単位の位相差を
表す計数値Ｎを所定時間毎にラッチ回路（１２２）に−
時記憶させるとともに、ラッチ回路（１２２）は必要に
応じて計数値Ｎを表す信号をデータバスライン（１０２
）へ出力する。従って、上記ラッチ（１１８）及び（１
２２）の出力信号により、基準ビート光センサ（３０）
の出力信号ＳｆＢと第２計測ビート光センサ（６８）の
出力信号Ｓｆｐとの実際の位相差Φ（−２πＮ＋φ）が
検出されるようになっている。

こうして第２のヘテロダイン光学系により得られた位相
の変化は、半導体集積回路上の特定の場所で通電による
発熱により生じた変位を正確に測定したものになってい
る。

以上述べてきたヘテロダイン干渉光学系を熱変位測定用
の先プローブとして半導体集積回路に生じている熱膨張
量や熱変形について測定する方法について述べる。

第５図に示すフローチャートに基づいて説明すると、最
初にＸ軸方向移動テーブル（８４）及びＹ軸方向移動テ
ーブル（８６）を移動させ、半導体集積回路上の測定す
べき位置を決定し、垂直方向移動ステージ（８２）を移
動させて、半導体集積回路表面（３４）が対物レンズ（
３６）の焦点位置（ＢＷ）へ位置するように粗動調整す
る。次に波形モニタ回路によって半導体集積回路からの
反射光が平面波となるように、ピエゾ駆動アクチュエー
タ（７０）を駆動する。半導体集積回路表面からの反射
光が平面波になれば、対物レンズの焦点面位置に半導体
集積回路が設置されたことになるので、この時に、第２
のヘテロダイン光学系で初期位相値を決める。

次に半導体集積回路用駆動制御装置を動作させる。該半
導体集積回路用駆動制御装置は、測定用の半導体集積回
路に電源電圧を供給し、必要な信号を半導体集積回路に
送信したり、特定の信号を読み取ったりする作用をし、
これは、コンピュータから予め決められたプログラムで
行うことができる制御装置である。該装置を動作させる
と、試料用の半導体集積回路は、内部で発生する熱によ
り熱膨張が起こり、測定光の反射される位置が変化して
くる。そこで、この半導体集積回路の反射面からの反射
光を常に受光し、第１のヘテロダイン干渉系で常に一定
の平面波になるようにピエゾ駆動支持筒を移動させる。

こうした状態を常に維持するようにフィードバックをか
けて、第２のヘテロダイン干渉光学系によりピエゾ駆動
支持筒の動きを測定し、最終的に半導体集積回路上に生
ずる熱膨張量を測定することができる。測定は一定時間
ごとに第２のヘテロダイン光学系で検出される位相差を
高周波クロックで測定し、ＣＲＴ等の表示装置に表示す
ることで、半導体集積回路上に生じている熱膨脹による
変位の時間変化を測定することができる。

この第１の測定法を用いると、半導体集積回路上の特定
の部位における熱膨脹による変位を瞬時に測定すること
ができるので、半導体集積回路上のある領域でＡＡ細線
の断線が生じていたりする場合には、その位置で観測さ
れる熱変位量が非常に小さいか或いはまったく観測され
ないなどの測定結果が得られる。従って、この第１の方
法は、半導体集積回路の故障解析に用いることができる
。

第２の実施例は、第１の実施例を応用し、半導体集積回
路前面に生じている熱膨脹による熱変形を測定し表示す
る方法である。

この方法では必要に応じて、半導体集積回路前面の凹凸
形状を通電以前に測定し、ＲＡＭ上に記憶しておく。以
下測定開始位置に半導体集積回路試料を位置させ、第１
の熱膨脹測定法により熱変位を測定し、測定データをＲ
ＡＭ上に記憶し、その後、半導体集積回路用駆動制御装
置を停止し、一定時間経過後、予めプログラムされた測
定位置へＸ軸テーブル、Ｙ軸テーブルを移動させて、次
の測定に入る。こうした方法を繰り返すことで、半導体
集積回路全体における熱膨脹による時間変化を測定する
ことができるので、全測定が終了後、任意の時間のＲＡ
Ｍ上に記憶したデータをＣＲＴ上に三次元的な情報を含
めて表示することで、半導体集積回路全体に発生してい
る熱膨脹により生じているそりや歪み等の変形量を測定
することができる。この第２の方法を用いることで、半
導体集積回路全体に発生している熱変形を測定できるの
で、半導体集積回路を接着しているパッケージにどれほ
どの応力が発生しているか等の情報が得られることにな
り、今後大型化し高集積化する半導体集積回路の熱によ
る変形等の影響を詳細に調べることが可能な測定法とい
える。

次に第２の実施例の変形例について述べる。まず、半導
体集積回路に通電する以前に、半導体集積回路の全面或
いは測定したい特定の領域の表面形状を測定し、ＲＡＭ
に記憶しておく。その後、半導体集積回路用駆動制御装
置から半導体集積回路に通電し、必要な信号を出力した
後、一定時間待つ。これは半導体集積回路が通電後熱的
に平衡状態に達して安定するまで待つ必要があるためで
ある。一定時間経過後、以前に測定した領域に関して表
面形状を測定し、測定したデータをＲＡＭ上に記憶する
と同時にＣＲＴ等の表示装置に三次元的に出力する。通
電以前の半導体集積回路の三次元像に通電後の三次元像
を色を変えて重ねて出力することで、半導体集積回路の
通電時の発熱により生じた熱膨脹による変形が発生して
いれば、その変形の様子が三次元像から読み取ることが
可能となる。こうした方法によって半導体集積回路上に
発生している熱膨脹が詳しく測定できるので、半導体集
積回路上に生じている変形量から、各部分に発生してい
る応力の分布を推定することが可能である。

また本実施例の別の応用例として、半導体集積回路の特
定の部分に電気信号を送り、その部分の熱膨脹による熱
変位量の時間変化の違いから、細線パターンに存在して
いる接合面での欠陥不良等の場所を発見したり、断線が
生じている場所を発見したり、測定場所における接合点
の電気的な寿命の長短を推定したりするのに用いること
も可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、被測定用の半導体集積回路上に測定光を集光し、該表
面からの反射光をヘテロダイン干渉光学系に入射させ、
測定光の波面をモニターし、常に一定の波面状態になる
ように、対物レンズと半導体集積回路表面の相互間隔を
変化させることにより、半導体集積回路上に生ずる変位
を測定する半導体集積回路用駆動制御装置により、測定
用の半導体集積回路に電源電圧及び各種信号を入力する
ことで、半導体集積回路上に熱が発生する現象を利用し
て、半導体集積回路に生じている熱膨脹による熱変位を
非接触でかつ高速に測定できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図から第６図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図はブロックダイアグラムを示す図、第
２図はヘテロダイン干渉光学系の構成図、第３図はＸＹ
ｚ軸（三軸）移動テーブルの概略構成図、第４図は測定
制御回路を示すブロック図、第５図は多分割光センサの
概略構成図、第６図は位相差検出回路のブロック図、第
７図から第９図までは、多分割光センサからの出力信号
を説明する図、第１０図は第１の実施例のフローチャー
ト図、第１１図は第２の実施例のフローチャート図であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体集積回路の各通電線に対して信号電流を流す
   電気的接触手段と、 同半導体集積回路を電気的に動作させ、上記電気的接触
   手段を通して信号電流を制御する駆動制御手段と、 上記電流により生ずる半導体集積回路上の熱膨脹による
   変位を測定するヘテロダイン測定手段と、を備えている
   ことを特徴とする半導体集積回路の熱膨脹量測定装置。