JPH06337273A

JPH06337273A - 電圧測定用接触型プローブ

Info

Publication number: JPH06337273A
Application number: JP5152969A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Sakai; 郁夫坂井; Satoshi Watanabe; 智渡辺
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1993-05-30
Filing date: 1993-05-30
Publication date: 1994-12-06

Abstract

(57)【要約】【目的】集積回路の内部ノードの電圧測定に際し、高
速かつ高精度の電圧波形測定を可能とする電圧測定用接
触型プローブを提供する。【構成】導電性触針１１の先端を、被測定回路９２に
軽く接触させる。被測定配線電位は、導電性触針１１を
経由して電気光学結晶１２に印加される。換言するな
ら、被測定配線９２の電位と導電性触針１１とは同電位
となり導電性触針１１から放出される電気力線が電気光
学結晶１２内を通過する。一方、この電気光学結晶１２
には、前記導電性触針１１が接合された面とは反対側の
面または側面から測定用光が入・出射されており、その
偏光面の変化を測定することによって、被測定回路９２
の電位が測定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集積回路の内部ノード
の電圧測定に際し、高速かつ高精度の電圧波形測定を可
能とする電圧測定用接触型プローブに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術およびその問題点】従来、集積回路の内部
ノードの電圧の測定に際しては、電気光学結晶プローブ
（ＥＯプローブ）、および導電性針による触針プローブ
が用いられている。ＥＯプローブは、図９に示されるよ
うに、電気光学結晶６１を配線６２に近接させ、配線６
２から放射されるフリンジ電界を、該結晶を通過（反射
面６４により入・出射）する測定用光Ｌの偏光面の変化
としてとらえることにより電圧を測定するものである
（特開平１−１１０７４３号公報、米国特許４，８９
１，５８０等参照）。

【０００３】ところが、このＥＯプローブでは、（１）
被測定回路上の配線６２の近傍に、測定対象とはなって
いない配線（図９では符号６３で示す）が存在すると、
いわゆるクロストーク（配線６３からの電気力線が電気
光学結晶に入り込むこと）が生じ、測定精度を劣化させ
る、（２）ＥＯプローブと被測定回路の離間距離により
測定感度が変化するため離間距離を高精度に制御する必
要がある、（３）フリンジ電界を測定するものであるた
め一般に感度は低い、（４）電圧絶対値の測定は難し
い、（５）光を用いるため空間分解能が低い等の種々の
不都合がある。

【０００４】また、触針プローブは、図示はしないが、
探針を被測定回路に接触させ、内部ノード電圧の絶対値
を測定するものである。この触針プローブは、被測定回
路の配線に触針先端を押接させて電圧を直接検出する構
造であるため、容量負荷による影響が大きく、この結
果、高速な波形の測定は困難である。前記容量負荷を軽
減するため、特願平５−２１８６３に開示するように、
容量結合プローブを用いる方法がある。この方法は、高
密度実装基板のインサーキット・テストにおいて、高速
信号を捕捉するために、小さな容量（１０〜１００ｆ
Ｆ）を介して信号を導入する触針プローブを備えてい
る。しかしながら、低速信号の捕捉が、波形再生回路を
用いても可及的に困難となり、直流の捕捉は原理的に不
可能である。また、この触針プローブは大型で、集積回
路の内部ノードにアクセスできる大きさではない。

【０００５】本発明は、集積回路の内部ノードの電圧測
定において、上記のような問題点を有することなく、高
速かつ高精度の電圧波形測定を可能とする電圧測定用接
触型プローブを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、集積回路
の内部ノードの電圧測定において、（１）電気光学結晶
を用いれば、電気的に高インピーダンスなプローブを実
現でき、直流はもとより高速な波形の測定が可能とな
り、（２）触針および電気光学結晶が微小であれば被測
定回路以外の配線からのクロストークを生じさせること
はなく、また触針を微小圧で被測定回路に接触させるこ
とは極めて容易であり、被測定回路あるいは触針先端を
損傷することはないし、（３）また、原子間力顕微鏡に
おける探触子等に適用される製造技術や制御技術が有効
に利用できる、との知見を得て本発明をなすに至った。

【０００７】すなわち、本発明の電圧測定用接触型プロ
ーブ（以下、単に「プローブ」と言う）は、錐体状の導
電性触針の上底面に電気光学結晶が積層形成された探針
部と、前記導電性触針の先端を被測定回路に所定の微小
圧で接触させるための押接手段とを有してなることを特
徴とする。

【０００８】また、前記押接手段が、前記探針部の側面
に突出して取り付けられた絶縁性のカンチレバー（片持
ち式レバー）により構成されてなることをも特徴とす
る。

【０００９】本発明において、導電性触針は錐体状に形
成されていれば、四角錐，円錐等その形状は問わない
し、錐体先端は必ずしも鋭利である必要はなく丸味を帯
びていてもよい。導電性触針として、タングステン等の
金属、Ｓｉ等の半導体結晶にボロン等の不純物をドーピ
ングしたもの、Ｓｉ_３Ｎ_４等の絶縁体表面に、Ａｕ等を
コーティングしたものが使用される。また、電気光学結
晶として、ＬｉＮｂＯ_３，ＧａＡｓ，ＺｎＴｅや、有機
材料等が用いられる。

【００１０】本発明においては、導電性触針の錐体先端
を被測定回路に所定の微小圧で接触させるが、この微小
圧の設定が大きすぎると被測定回路または導電性触針の
先端を擦過・損傷することになる。一方、微小圧の設定
が小さ過ぎると、被測定回路と導電性触針との接触が不
完全となる。また、上記微小圧の設定は、導電性触針の
素材，被測定回路の種類，錐体先端の形状，プローブ全
体の重量等によっても異なる。このような事情から、微
小圧の設定は一義的には定めることはできず、上記種々
の条件を勘案して適宜定めることになる。

【００１１】本発明ではこの微小圧を実現するために押
圧手段が用いられる。この押圧手段は、測定用光の電気
光学結晶への入射および該結晶からの出射を妨げない限
り種々の態様のものが採用でき、特に、探針部の側面に
突出して取り付けられた絶縁性のカンチレバーが好適に
用いられる。このカンチレバーは、電気光学結晶と導電
性触針との間に介在して設けることもできるし、電気光
学結晶の上面に設けることもできる。さらには、電気光
学結晶の側面に設けることもできる。なお、カンチレバ
ーの素材として、Ｓｉ等の半導体結晶やＳｉ_３Ｎ_４等の
絶縁体が使用される。

【００１２】導電性触針と電気光学結晶とは、溶着によ
り積層することもできるし、両者を接着剤層（特に導電
性のもの）を介して積層することもできる。接着剤を介
して接合する場合には、該接着剤層として通常導電性の
ものを用いた方が、測定感度は高い。また、この接着剤
層を反射膜として形成することもできる。

【００１３】また、測定用光の入・出射口は、電気光学
結晶の適宜か所に設けられる（ただし、前述したように
押接手段により該入・出射が妨げられないことが条件と
なる）。たとえば、前記導電性触針が接合された面とは
反対側の面に形成することもできるし、電気光学結晶の
側面に形成することもできる。

【００１４】なお、本発明のプローブでは、必要に応じ
て、前記導電性触針が接合された面とは反対側の面に透
明電極を形成することもできる。

【００１５】

【作用】本発明においては、導電性触針の先端を、被測
定回路に軽く接触させる。被測定配線電位は、導電性触
針を経由して電気光学結晶に印加される。換言するな
ら、被測定配線電位と導電性触針とは同電位となり導電
性触針から放出される電気力線が電気光学結晶内を通過
する。一方、この電気光学結晶には、前記導電性触針が
接合された面とは反対側の面または側面から測定用光が
入・出射されており、その偏光面の変化を測定すること
によって、被測定回路の電位が測定される。

【００１６】また、導電性の触針部を極力微小に構成し
ているため、被測定回路に与える負荷効果が非常に小さ
い。このため、時間分解能が高く高速な電圧波形測定が
行われる。さらに、導電性触針の先端は微細であるの
で、空間分解能は該導電性触針の大きさで決まり、また
隣接配線電位によるクロストークは基本的に存在せず、
サブミクロンの空間分解能が得られる。しかも、電圧の
絶対値測定が可能である他、導電性触針部の先端および
被測定回路を損傷することなくプローブを二次元に走査
することで回路内の配線の情報を得ることもできる。

【００１７】

【実施例】図１において、錐体状の導電性触針１１（こ
こでは、Ｓｉにボロン等の不純物を注入して、導電性を
もたせた物質の四角錐体）の上底面に光学用接着剤層１
３を介して電気光学結晶１２（ここでは、ＧａＡｓの直
方体）が積層され、これら導電性触針１１と電気光学結
晶１２により探針部１が構成される。また、同図では図
示しないが、電気光学結晶１２の上部には測定用光Ｌ
（パルス幅の狭いレーザ光）を伝搬し、さらに電気光学
結晶１２に照射し、反射光を検出器に送るための光ファ
イバーが、その端部を電気光学結晶１２の上面に向けて
配設されている。

【００１８】この探針部１の側部にはカンチレバー２
（ここでは、Ｓｉ）が、導電性触針と一体に突出して形
成されている。なお、該探針部１とカンチレバー２とに
よりプローブ０１が構成される。

【００１９】同図においては、被測定回路（すなわち集
積回路９の配線９１）上に探針部が配置された様子が示
されている。プローブ０１の走査は、該プローブ０１が
集積回路９の面に沿って相対移動（同図のｘ−ｙ方向へ
の移動）できればよく、たとえば、集積回路９側に設け
た図示しない移動機構により移動させてもよいし、プロ
ーブ０１をカンチレバー２の他端に設けた図示しない移
動機構により移動させてもよい。また、プローブ０１の
集積回路９の面に垂直な方向（同図のｚ方向）への移動
も、カンチレバー２側に設けた移動機構により行っても
よいし、集積回路９側に設けた移動機構により行っても
よい。このｚ方向への移動距離を一定の大きさとするこ
とにより、導電性触針１１先端の集積回路９の面への一
定の微小圧による接触が保証される。なお、上記の各移
動機構は、通常ピエゾ素子により構成される。

【００２０】なお、図１では導電性触針１１の四角錐高
さおよび底辺のサイズ、電気光学結晶１２の直方体各辺
のサイズは数十μｍ程度、カンチレバー２の厚味は数μ
ｍとしてある。

【００２１】図１において、導電性触針１１の電位は微
小圧で接触している配線９１の電位となり、該導電性触
針１１の上底面Ｓ_１からの電気力線は電気光学結晶１２
内を通過する。一方、測定用光Ｌは、電気光学結晶１２
の上面（Ｓ_１とは反対側の面）Ｓ_２から入射し、Ｓ_１側
の面にて反射して逆経路でＳ_２から出射する。この測定
用光Ｌは、結晶内の電場により偏光されて図示しない光
学系により偏光面の変化が測定される。この場合には、
偏光面の変化は配線電位により一義的に決まるので、測
定値を校正することによって電圧絶対値の測定が可能と
なる。

【００２２】図２は測定用光Ｌを電気光学結晶１２の側
面（同図ではカンチレバー２が設けられた側の面）から
入・出射するように構成したプローブ０２を示してい
る。このプローブ０２においては、測定用光Ｌの入・出
射面Ｓ_３と対向する面Ｓ_４には、Ａｕ等からなる反射膜
１４が形成されている。

【００２３】図３は電気光学結晶１２により構成した導
波路を、図１および図２の場合と同様に導電性触針１１
の上底面に接着して構成したプローブ０３を示してい
る。このプローブ０３においても、図２のプローブ０２
と同様、測定用光Ｌが入・出射する側とは反対側の面Ｓ
_４には、反射膜１４が形成されている。この実施例で
は、電気光学結晶１２の図示しない他端と、検出用光の
導波路（たとえば、光ファイバーの端部）とが溶着等に
よりカップリングされていてもよいし、前記図示しない
他端にプリズムカップラーを設けて、電気光学結晶１２
の図示しない他端と検出用光の導波路とがカップリング
されていてもよい。

【００２４】図４，図５および図６は、図１，図２ある
いは図３の電気光学結晶１２のＳ_２面側に接地した透明
電極１５を設けて構成したプローブ０４，０５および０
６を示している。図１〜図３のプローブ０１〜０３で
は、導電性触針１１の上面Ｓ_１からの電気力線は電気光
学結晶１２の側面から外部に漏れて、電圧測定感度が低
下する場合もあり得る。このような場合には、図４〜図
６のプローブ０４〜０６を用いることで電気力線の漏れ
を防止でき、電圧測定感度を向上させることができる。

【００２５】図７は、電気光学結晶の隣接する２側面に
反射膜を形成し、これら２つの反射膜に測定用光Ｌを反
射させるように構成したプローブ０７の平面図である。
このプローブ０７は、図２に示したプローブ０２の一部
を直角に交差する２つの垂直平面で切除した構成をなし
ており、電気光学結晶１２の切除面Ｓ_５，Ｓ_６に反射膜
１４ａ，１４ｂが形成されている。そして、測定用光Ｌ
の入射方向が振れても、反射光は常に入射光路と同一の
光路を逆進するので測定用光Ｌの光源をプローブ０７と
は離れて設けることができる。もちろん、この場合にも
電気光学結晶１２のＳ_２面側に透明電極を設けることが
できることは言うまでもない。

【００２６】なお、以上述べた実施例では、測定用光Ｌ
を電気光学結晶１２内で反射させる構成としたが、測定
用光Ｌを電気光学結晶１２の１つの面から入射させ、他
の面から出射させることで電圧測定を行うこともでき
る。

【００２７】図８（Ａ）〜（Ｆ）は、図１に示したプロ
ーブ０１の製造工程の一例を示す図である。以下、これ
らの図に沿って説明する。（ｉ）導電性触針１１とカンチレバー２との一体部材の
作成；Ｓｉ基板をエッチングして、側端から厚さ数μｍ
のカンチレバー２が突出した一辺および高さが数十μｍ
の四角錐体１１′をなすＳｉ部材Ａ_１を作り（同図
（Ａ）参照）、次に錐体１１′のみにボロン等の不純物
を高濃度でドーピングして、該錐体１１′を導電性と
し、導電性触針１１とカンチレバー２の一体部材Ａ_２を
作る（同図（Ｂ）参照）。

【００２８】（ｉｉ）電気光学結晶１２の作成；ＳｉＯ
_２基板上に電気光学結晶板１２′をエレクトロンワック
ス等を用いて接着し積層体Ｂ_１を作成し（同図（Ｃ）参
照）、この後、電気光学結晶板１２′を研磨して所望厚
（数十μｍ）とする。次いで、ダイシングソーを用い
て、上記光学結晶板１２′を、水平断面の一辺が上記導
電性触針１１の一辺とほぼ同一長となる柱状体部材Ｂ_２
を切り出す。この切り出しにより、直方体状のＳｉＯ_２
に接合された電気光学結晶１２が作成される（同図
（Ｄ））。

【００２９】（ｉｉｉ）導電性触針１１と電気光学結晶
１２との接着およびプローブ０１の完成；光学用接着剤
により、導電性触針１１と電気光学結晶１２とを接着剤
１３により接着し（同図（Ｅ）参照）、有機溶剤によ
り、直方体状のＳｉＯ_２基板と電気光学結晶１２との接
合面の接着剤を溶解することで、プローブ０１が完成さ
れる（同図（Ｆ）参照）。

【００３０】以上、図１のプローブ０１の製造方法を説
明したが、図２〜図７に示すプローブも概ね同様の方法
で製造することができる。上述の実施例に加えて、本発
明における容易な変形例には、測定用光が電気光学結晶
に入射し、かつ反射して出射されるとき、入射測定用光
と反射測定用光が平行（逆向き）となるように、反射面
をコーナーミラーとすることや、コーナーキューブ構成
を接用することが含まれる。

【００３１】

【発明の効果】本発明のプローブは、以下のような効果
を奏することができる。（１）導電性の触針部を極力小さく構成すると共に、電
気光学結晶を用いて光によりプロービングするので、被
測定回路に与える負荷効果が非常に小さい。この結果、
直流はもとより時間分解能が高く高速な電圧波形の測定
が可能となる。（２）導電性触針の大きさが小さいので空間分解能が極
めて高い。また、隣接する配線電位によるクロストーク
は基本的に存在しない。このため、高精度の電圧の測定
が可能となる。（３）電気光学信号は、配線電位により一義的に決まる
ので、測定値を校正することによって、電圧の絶対値測
定が可能である。（４）導電性触針部の先端および被測定回路を損傷する
ことなくプローブを二次元に走査することができ、これ
により回路内の配線の情報を得ることもできる。（５）プローブに（カンチレバーのレバー部分に）電気
配線を必要としないので、さらに小型の非接触型プロー
ブを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプローブの第１の実施態様を示す説明
図である。

【図２】本発明のプローブの第２の実施態様を示す説明
図である。

【図３】本発明のプローブの第３の実施態様を示す説明
図である。

【図４】図１のプローブに透明電極を設けた本発明のプ
ローブの第４の実施態様を示す説明図である。

【図５】図２のプローブに透明電極を設けた本発明のプ
ローブの第５の実施態様を示す説明図である。

【図６】図３のプローブに透明電極を設けた本発明のプ
ローブの第６の実施態様を示す説明図である。

【図７】測定用光が電気光学結晶内で２回の反射を行
う、本発明のプローブの第７の実施態様を示す説明図で
ある。

【図８】（Ａ）〜（Ｆ）は図１のプローブの製造工程を
示す説明図である。

【図９】従来の非接触型プローブを示す図である。

【符号の説明】

１電極部１１導電性触針１２電気光学結晶１３接着剤層１４，１４ａ，１４ｂ反射膜１５透明電極２カンチレバー３支持材９１基板９２被測定回路（配線）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定回路の電圧測定に用いる接触型プ
ローブであって、錐体状の導電性触針の上底面に電気光学結晶が積層形成
された探針部と、前記導電性触針の先端を被測定回路に
所定の微小圧で接触させるための押接手段とを有してな
ることを特徴とする電圧測定用接触型プローブ。
【請求項２】前記押接手段が、前記探針部の側面に突
出して取り付けられた絶縁性のカンチレバーにより構成
されてなる請求項１に記載の電圧測定用接触型プロー
ブ。