JPH0972946A - 電界検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＥＯプローブを梁あるいは天秤構造のアームの
先端に取り付けた構造とすると共に、ＥＯプローブから
の反射光を信号検出と位置検出に同時に使用する。 【解決手段】集積回路基板に近接してその集積回路の電
極からの電界により物理的状態が変化するＥＯプローブ
を用い、その物理的状態の変化を光学的に測定する電界
検出装置において、ＥＯプローブで反射した光を分割す
る偏光ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリッタ
で分岐した一方の光を分割フォトダイオードで受けＥＯ
プローブの傾きに応じた信号を得てＥＯプローブの集積
回路表面への接触を検知する位置検出用の手段と、前記
偏光ビームスプリッタで分岐した他方の光と前記分割フ
ォトダイオードの出力とから前記集積回路の電極からの
電界を検出する信号検出用の手段を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気光学結晶の電気光
学効果を利用して集積回路の電極からの電界を検出する
電界検出装置に関し、詳しくは電気光学結晶を含む電気
光学プローブ（以下ＥＯプローブという）部の位置決め
方式に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、集積回路基板に近接して、そ
の集積回路の電極からの電界により物理的状態が変化す
る素子（電気光学結晶）を配置し、その物理的状態の変
化を光学的に測定する電界検出装置はよく知られてい
る。

【０００３】図５にこの種の装置の要部構成の一例を示
す。図において、１はシリンダで、その下端部にはＥＯ
プローブ２が取り付けられたプローブホルダ３が固着さ
れている。４はシリンダ１が内挿される円筒状のエアガ
イドで、シリンダ１とエアガイド４の間に空気を流すこ
とによりシリンダ１を摩擦なく上下に移動させることが
できるようになっている。５は天秤機構で、秤の一端が
シリンダ１に係合し、ＥＯプローブ２とプローブホルダ
３を含むシリンダ１の実効重量を小さく（例えば０．１
ｇ）している。

【０００４】６はシリンダ１を上下微動させるリニアア
クチュエータで、そのシリンダ１の微動変位は光学式ポ
ジションスケール等（図示せず）で読み取るようにして
ある。８は対物レンズで、上方からのレーザ光および照
明光を集束すると共に下方からの反射光を平行光にす
る。

【０００５】ＥＯプローブ２の先端部分は図６に示すよ
うにＥＯ結晶９の底端面に誘電体多層膜１０が取り付け
られている。レーザ光はこの誘電体多層膜１０で全反射
し、位置合わせ用の照明光はＥＯ結晶９と誘電体多層膜
１０を通過してウエハ７の表面で反射する。信号検出の
レーザ光はＥＯ結晶９内から出てきたとき集積回路によ
る電界強度に対応して偏光面が回転しており、その回転
角度を検出することにより電界強度を知ることができ
る。

【０００６】このような構成において電気光学サンプリ
ング測定を行う場合はＥＯプローブ２とウエハ７との接
触点を基準に間隙（ギャップ）を定める。その場合ウエ
ハ側は動かさずＥＯプローブ２をウエハ７の表面に接触
させた後所定のギャップ分（指定量）だけ上方に移動さ
せることにより位置決めを行っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の装置では、シリンダの摩擦によるヒステリシ
ス等を軽減するために空気軸受けと天秤機構を導入して
おり、また変位は光学式ポジションスケール等で読み取
る構造となっており、装置の構成が複雑であるという欠
点がある。また、構造上シリンダ部分の固有振動数が低
くなるため、外部振動の影響を受けないようにカットオ
フ周波数がシリンダ部の固有振動数に比べて十分に低
い、高級な防振台を使用する必要があった。

【０００８】本発明の目的は、このような欠点を解消す
るもので、ＥＯプローブを梁あるいは天秤構造のアーム
の先端に取り付けた構造とすると共に、ＥＯプローブか
らの反射光を信号検出と位置検出に同時に使用するよう
にした電界検出装置を提供することにある。また本発明
の他の目的は、信号検出と位置検出とを１つの光学系で
行ない、装置の簡素化を図り得る電圧測定装置を実現す
ることにある。さらに本発明の他の目的は、信号検出用
と位置検出用に波長の異なる２つの光を用いるようにし
た電界検出装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、第１の発明では、集積回路基板に近接してそ
の集積回路の電極からの電界により物理的状態が変化す
るＥＯプローブを用い、その物理的状態の変化を光学的
に測定する電界検出装置において、前記ＥＯプローブで
反射した光を分割する偏光ビームスプリッタと、この偏
光ビームスプリッタで分岐した一方の光を受けＥＯプロ
ーブの傾きに応じた信号を得ることのできる分割フォト
ダイオードを備え、この分割フォトダイオードの出力か
らＥＯプローブの集積回路表面への接触を検知する位置
検出用の手段と、前記偏光ビームスプリッタで分岐した
他方の光と前記分割フォトダイオードの出力とから前記
集積回路の電極からの電界を検出する信号検出用の手段
を備えたことを特徴とする。

【００１０】また、第２の発明では、集積回路基板に近
接してその集積回路の電極からの電界により物理的状態
が変化するＥＯプローブを用い、その物理的状態の変化
を光学的に測定する電界検出装置において、波長の異な
る２つの光を前記ＥＯプローブに入射する手段と、前記
ＥＯプローブで反射した２つの光を分離する波長分離素
子と、この波長分離素子により分離された一方の光を受
けＥＯプローブの傾きに応じた信号を得ることのできる
分割フォトダイオードを備え、この分割フォトダイオー
ドの出力からＥＯプローブの集積回路表面への接触を検
知する位置検出用の手段と、前記波長分離素子により分
離された他方の光から前記集積回路の電極からの電界を
検出する信号検出用の手段を備えたことを特徴とする。

【００１１】

【作用】第１の発明においては、ＥＯプローブの反射光
を偏光ビームスプリッタで分割し、一方の光を分割フォ
トダイオードで受光する。ＥＯプローブの反射光の偏光
面の回転角度は、前記分割フォトダイオードの出力の総
和と、偏光ビームスプリッタで分割された他方の光をフ
ォトダイオードで変換した出力の差をとることによって
求められる。ＥＯプローブの傾きは、前記分割フォトダ
イオードへ入射する光スポット位置の移動により分割フ
ォトダイオードの出力に差が生じることから検出され
る。このような構成により、ＥＯプローブからの１つの
反射光を、偏光面の回転角度の検出とＥＯプローブの傾
きの検出、すなわち信号検出と位置検出に同時に使用で
きる。

【００１２】第２の発明においては、波長の異なる２つ
の光を用い、ＥＯプローブにこの２つの光を入射し、Ｅ
Ｏプローブより反射した光を波長分離素子に入力して２
つの光を分離する。分離された一方の光は分割フォトダ
イオードに導きＥＯプローブの傾き検出に使用される。
分離された他方の光は偏光面の回転角度検出に使用され
る。このような構成により、２つの光を用いながらも１
つの光学系で位置検出と信号検出を行うことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下図面を用いて本発明を詳しく
説明する。図１は本発明に係る電圧測定装置の一実施例
を示す構成図である。図において、１１はレーザ光、１
２は対物レンズ、１３はＥＯプローブ、１４は集積回路
表面、１５はプリズム、１６は偏光ビームスプリッタ、
１７は集光レンズ、１８はフォトダイオード、１９は分
割フォトダイオード、２０は加算器、２１および２２は
減算器である。

【００１４】対物レンズ１２、ＥＯプローブ１３、プリ
ズム１５、偏光ビームスプリッタ１６、レンズ１７、フ
ォトダイオード１８と１９は光学的に固定配置されてい
る。

【００１５】対物レンズ１２は、レーザ光を集光すると
共に、ＥＯプローブ１３の下端面で反射した光を平行光
にする。ＥＯプローブ１１は、片持ち梁あるいは天秤構
造のアーム部（通常その先端部）に取り付けられてい
て、その下端面が集積回路表面１４に当たると傾くよう
になっている。なお、このように構成のＥＯプローブは
固有振動数が高く、慣性が小さく設計できることから、
外部振動により集積回路表面に接触したとしても、集積
回路表面に加わる力は梁部や回転梁部のねじり剛性のみ
であり、小さな接触圧でしかない。そのため、ＥＯプロ
ーブの接触による摩耗などは極めて小さい。

【００１６】プリズム１５はＥＯプローブ１３からの反
射光の向きを変えるためのものである。偏光ビームスプ
リッタ１６はプリズム１５からの入射光を分岐する。偏
光ビームスプリッタ１６を通過した光はレンズ１７で集
光されフォトダイオード１８に入射し、分岐した光は分
割フォトダイオード１９に入射する。

【００１７】分割フォトダイオード１９は４分割され、
偏光ビームスプリッタ１６からの光ビームが照射され
る。ＥＯプローブ１３が傾いていない場合は、光ビーム
のスポットの中心と４分割フォトダイオードの中心とが
一致する（４分割フォトダイオードの入射光量が均等に
なる）ように調整されていて、ＥＯプローブ１３が傾く
と、スポットの位置がずれ４分割フォトダイオードのそ
れぞれの入射光量に差が生じる。

【００１８】加算器２０は４分割フォトダイオード１９
の出力を加算する。減算器２１は４分割フォトダイオー
ド１９の出力の差（ここでは右と左の分割フォトダイオ
ードの出力の差）を求める。この差の信号はＥＯプロー
ブ１３の傾きに対応しており、したがって減算器２１の
出力によりＥＯプローブ１３が集積回路表面１４に接触
したか否かを判別することができる。

【００１９】減算器２１はフォトダイオード１８の出力
（入射光強度に対応した電気信号）と加算器２０の出力
の差を求める。この差の信号はＥＯプーロブ１３におい
て電気光学効果により変化した偏光面の回転角度（換言
すればＥＯプローブ下端部の電界強度）に対応する。

【００２０】このような構成における動作を次に説明す
る。ＥＯプローブの位置検出には２つの回転方向すなわ
ち図１においては紙面内の回転と紙面に垂直方向の回転
がある。実施例では、図１に実線と点線で示すように紙
面内の回転方向のみについて説明する。

【００２１】図２は図１における０点（集積回路表面１
４の位置）検出部分の要部のみ示した原理構成図であ
る。まず位置検出の動作について説明する。ＥＯプロー
ブ１３の角度がθずれると、検出光学系に戻る光は ｆ・ｓｉｎ（２δθ） ここに、ｆは対物レンズ１２の焦点距離だけ平行移動す
る。この変位（ｘ）を４分割フォトダイオード１９で検
出する。４分割フォトダイオード１９は、図３に示すよ
うに例えば５〜８ｍｍ角の受光面が４等分（１９₁〜１
９₄ ）に分割されたものであり、ＥＯプローブ１３が傾
くと４等分のフォトダイオードに均等に当たっていたス
ポットが矢印方向に移動する。

【００２２】減算器２１は、フォトダイオード１９₁ と
１９₃ の出力を受け、その差を求める。なお、減算器２
１へは、フォトダイオード１９₂ と１９₄ の２つの出
力、あるいは左側フォトダイオード１９₁ と１９₂ の加
算出力と右側フォトダイオード１９₃ と１９₄ の加算出
力の２つの出力を入力するようにしてもよい。いずれの
入力によっても、減算器２１からはＥＯプローブ１３の
傾きに応じた大きさの信号が得られ、この信号をもとに
ＥＯプローブ１３の下端面の集積回路表面１４への接触
（零点位置）を検出することができる。

【００２３】次に信号検出の動作について説明する。４
分割フォトダイオード１９は信号検出用と兼用となって
いる。４分割フォトダイオードのすべての出力を加算器
２０で加算し、偏光ビームスプリッタ１６で分岐した光
の強度に応じた信号を得る。この加算器２０の出力とフ
ォトダイオード１８の出力との差を減算器２１で求め
る。減算器２１の出力はＥＯプローブ１３において変化
したレーザ光の偏光面の回転角度に対応する。したがっ
て減算器２１の出力から集積回路内の電極により生じた
電界の強度を知ることができる。

【００２４】このように１つの光で位置検出と信号検出
とを行うことができ、光の損失がなく、光のパワーが弱
い場合に有効である。

【００２５】図４は波長の異なる２つの光を用い、一方
を信号検出用に、他方を位置検出用に用いる例である。
図４において図１と同等部分には同一符号を付けてあ
る。２３は位置検出専用の光（波長λ２）、２４はハー
フミラー、２５は波長分離素子、２６は集光レンズ、２
７はフォトダイオードである。

【００２６】ハーフミラー２４は一方の光（ここでは信
号検出用の光）を通過させ、他方の光（ここでは位置検
出用の光）を反射する。波長分離素子２５は信号検出用
の波長λ１の光と位置検出用の波長λ２の光とを分離す
るもので、ここでは波長λ１の光は通過させ、波長λ２
の光を反射して９０度方向変換する。集光レンズ２６と
フォトダイオード２７は偏光ビームスプリッタ１６から
分岐した光を集光し、その光強度を検出する。フォトダ
イオード２７の出力は信号検出用の信号として減算器２
２に導かれる。

【００２７】このような構成において、信号検出用の光
（波長λ１）１１はハーフミラー２４を通過し、位置検
出用の光（波長λ２）はハーフミラー２４で反射し、そ
れぞれ同一光路をたどって対物レンズ１２に入射する。
対物レンズ１２を通った光はＥＯプローブ１３で反射さ
れ、再び対物レンズ１２を通ってプリズム１５に入り方
向転換して波長分離素子２５に入射する。

【００２８】位置検出用の光（波長λ２）は波長分離素
子２５で分岐され４分割フォトダイオード１９に入射す
る。４分割フォトダイオード１９の出力を図１の実施例
と同様に減算器２１に導きＥＯプローブ１３の零点位置
を検出することができる。

【００２９】他方、信号検出用の光（波長λ１）は波長
分離素子２５を通過して偏光ビームスプリッタ１６に入
り分岐する。分岐した光はそれぞれフォトダイオード１
８と２７で電気信号に変換され、減算器２２にてその差
を求めることにより図１と同様の原理で集積回路により
発生する電界強度を検出することができる。

【００３０】以上のように１つの光学系を信号検出と位
置検出に共用でき、光学系の構成を単純にすることがで
きる。なお、本発明は、実施例に限定されることなく多
くの変更や変形をなし得るものである。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、集
積回路表面に大きな力を加えることなく接触を高感度に
検知することができる。また、かりにＥＯプローブが外
部振動により集積回路表面に接触したとしても、ＥＯプ
ローブ部が固有振動数の高い、慣性の小さいものに設計
できることから、集積回路表面あるいはＥＯプローブに
加わる力は梁部や回転梁部のねじり剛性のみであり、小
さな接触圧となり、ＥＯプローブの接触による摩耗など
による損傷は小さく、信頼性の高い電界検出装置を実現
することができる。また、従来に比べてより簡単な構成
で信号検出と位置検出を行うことができると共に、信号
検出と位置検出とを１つの光学系で行うことができ装置
の簡素化が図れ、実用に供してその効果は大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る電界検出装置の構
成図

【図２】零点検出の原理を説明するための原理構成図

【図３】分割フォトダイオードの受光面と光スポットの
関係を示す図

【図４】本発明の第２の実施例に係る電界検出装置の構
成図

【図５】従来の電界検出装置の一例を示す構成図

【図６】ＥＯプローブ先端部の構成図である。

【符号の説明】

１１ レーザ光 １２ 対物レンズ １３ ＥＯプローブ １４ 集積回路表面 １５ プリズム １６ 偏光ビームスプリッタ １７，２６ 集光レンズ １８，２７ フォトダイオード １９ 分割フォトダイオード ２０ 加算器 ２１，２２ 減算器 ２４ ハーフミラー ２５ 波長分離素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 清明 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 山崎 勉 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 箕作 次郎 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 鈴木 満弘 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 (72)発明者 林 尚典 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】集積回路基板に近接してその集積回路の電
   極からの電界により物理的状態が変化するＥＯプローブ
   を用い、その物理的状態の変化を光学的に測定する電界
   検出装置において、 前記ＥＯプローブで反射した光を分割する偏光ビームス
   プリッタと、 この偏光ビームスプリッタで分岐した一方の光を受けＥ
   Ｏプローブの傾きに応じた信号を得ることのできる分割
   フォトダイオードを備え、この分割フォトダイオードの
   出力からＥＯプローブの集積回路表面への接触を検知す
   る位置検出用の手段と、 前記偏光ビームスプリッタで分岐した他方の光と前記分
   割フォトダイオードの出力とから前記集積回路の電極か
   らの電界を検出する信号検出用の手段を備え、１つの光
   学系を通して得られる前記ＥＯプローブからの反射光を
   前記位置検出用と信号検出用に用いるように構成したこ
   とを特徴とする電界検出装置。
2. 【請求項２】集積回路基板に近接してその集積回路の電
   極からの電界により物理的状態が変化するＥＯプローブ
   を用い、その物理的状態の変化を光学的に測定する電界
   検出装置において、 波長の異なる２つの光を前記ＥＯプローブに入射する手
   段と、 前記ＥＯプローブで反射した２つの光を分離する波長分
   離素子と、 この波長分離素子により分離された一方の光を受けＥＯ
   プローブの傾きに応じた信号を得ることのできる分割フ
   ォトダイオードを備え、この分割フォトダイオードの出
   力からＥＯプローブの集積回路表面への接触を検知する
   位置検出用の手段と、 前記波長分離素子により分離された他方の光から前記集
   積回路の電極からの電界を検出する信号検出用の手段を
   備えたことを特徴とする電界検出装置。