JPS6337899B2

JPS6337899B2 -

Info

Publication number: JPS6337899B2
Application number: JP55038673A
Authority: JP
Inventors: Masashi Nagase
Original assignee: CHO ERU ESU AI GIJUTSU KENKYU KUMIAI
Current assignee: CHO ERU ESU AI GIJUTSU KENKYU KUMIAI
Priority date: 1980-03-26
Filing date: 1980-03-26
Publication date: 1988-07-27
Also published as: JPS56135153A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はレーザー走査形超音波顕微鏡装置に関
する。

一般にレーザー走査形超音波顕微鏡は、試料デ
バイスを超音波で励振し、その表面に生ずる弾性
振動をレーザー光線によつて検出して可視像を得
るようになつており、その原理は第１図に示され
る。第１図において、入力超音波１は平面波とし
て試料デバイス２の斜下方から入射され、デバイ
ス内部の弾性的微細構造にしたがつて散乱、吸収
されつつ表面にまで伝搬し、試料デバイス２の表
面に微小な振動ω（ダイナミツク・リツプル）を
引き起こす。そして、その表面がレーザー走査装
置３からのレーザー・ビームで走査されることに
よりレーザー・ビームが表面の微小振動で偏向さ
れる。この偏向されたレーザー・ビームの反射光
は光検出器４で検出されるのであるが、偏向され
たレーザー・ビームはナイフエツジ５を介して光
検出器４に入力される様になつているので、その
偏向は振幅変調に変換される。そして、この振幅
変調された信号に従つて、試料デバイス２の表面
上のレーザー走査に同期した２次元像を形成する
ことにより試料デバイス２表面での音響像が観測
できる。また超音波を加えない状態で測定するこ
とにより、同時に同一領域の光学像が得られる。

第２図は、従来のレーザ走査形超音波顕微鏡装
置の構成を示すブロツク図であり、試料デバイス
１１は試料台１２の上に置かれて観察される。超
音波周波数発振器１３からの電気信号がトランス
ジユーサ１４に入力されることにより、トランジ
ユーサ１４から超音波の平面波が発生される。こ
の超音波は試料台１２及び超音波結合膜（液体、
気体等）１５を経由して試料デバイス１１に斜下
方から入射される。超音波結合膜１５は試料台１
２から試料デバイス１１への音波の結合をさせる
ものであり一般には水の様な液体が使用される
が、気体でもかまわない。（参考文献Petts et
al.、“Acoustic Microscopy in Gases”、
Electronics Lett.、vol.16、pp.9−11、Jan.3、
1980等）一方、レーザー光源１６からのレーザー・ビー
ムはレーザー走査装置１７で２次元に走査させら
れた後ミラー１８で反射され続いて光学レンズ系
１９で微細ビーム径に集束される。この結果、試
料デバイス１１の表面がレーザー・ビームで照射
される。このレーザー・ビームは超音波の入射に
より試料デバイス１１の表面上に発生した微小な
振動に従つて前述の如く偏向される。この偏向さ
れたレーザー・ビームの反射光は光学レンズ系１
９及びミラー２０を経由し、更にナイフエツジ等
の復調器２１を介して光検出器２２に入力され、
振幅変調信号に変換される。この振幅変調信号は
信号処理回路２３で信号処理されてモニター用オ
シロスコープ２４上に音響像として表示される。
すなわち、レーザー・ビームの走査に同期してオ
シロスコープ２４の電子ビームが走査され、かつ
輝度変調されているので、２次元的な音響像が表
示される。また、試料デバイス１１からの反射
光、又は図示の如く透過性の試料については透過
光を、光検出器２５で検出し、信号処理回路２６
で信号処理してモニター用オシロスコープ２７上
に表示することにより、２次元的な光学像も同時
に観察できる。

なお、レーザ走査形超音波顕微鏡の原理並びに
構成等の詳細に関しては次の資料等を参照された
い。

●L.W.Kessler、D.E.Yuhas：Acostic
Microscopy−1979、Proceeding of the
IEEE、Vol.67、No.４、PP.526〜536、（1979年
４月号） ●G.G.Kino：Nondestructive Evaluation、
SCIENCE.Vol.206、No.4415、PP.173〜180、
（1979年10月号）以上の説明から明らかなように、従来のレーザ
ー走査形超音波顕微鏡装置では、試料デバイスの
内部の機械的（物理的）な構造、更にはその欠陥
等の検出しかできなかつた。このため、例えば試
料デバイスがIC（集積回路）等の半導体試料デバ
イスの場合に、その機械的な欠陥等のために電気
的特性に影響があつたとしても、その欠陥が半導
体試料デバイスの電気的特性、更には誤動作等の
電気的不良（欠陥）とどのように対応しているか
解明することができない欠点があつた。

本発明の目的は、音響像を得るために半導体試
料デバイスの表面をレーザー・ビーム照射する際
に、この照射によつて半導体試料デバイスに光吸
収電流が発生することに着目し、この光吸収電流
に伴う信号を検出して光吸収電流像をも観測でき
るようにして、結果的に半導体試料デバイスの機
械的（物理的）な欠陥がそのデバイスの電気的特
性、電気的欠陥にどのように対応しているかが解
明でき、半導体試料デバイスの試験評価及び故障
解析能力が著しく向上するレーザー走査形超音波
顕微鏡装置を提供することにある。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。第３図は本発明のレーザー走査形超音波顕
微鏡装置の構成を示すブロツク図であり、第２図
と同一部分には同一符号を付してその説明を省略
する。図中、３１は半導体試料デバイス（以下単
に試料デバイスと称す）１１の電源端子へ電源電
流i_ccを供給する電源、３２は電源３１と試料デバ
イス１１の電源端子との間に介挿される抵抗であ
る。３３は試料デバイス１１の電源端子−接地端
子間の電圧変化を増幅する増幅回路、３４は増幅
回路３３の出力およびレーザー走査装置１７より
与えられる走査信号に基づいて表示制御を行なう
コントロール部である。３５は増幅回路３３の出
力に対し輝度変調を施す輝度変調回路、３６は輝
度変調回路３５の出力がＺ信号として入力される
モニター用オシロスコープである。このオシロス
コープ３６には、コトロール部３４の制御によつ
て光吸収電流像が表示される。３７はＸ信号発生
回路、３８はＹ信号発生回路である。Ｘ信号発生
回路３７はレーザー走査装置１７より与えられる
走査信号に基づいて、オシロスコープ３６のＸ入
力に入力されるＸ信号を発生する。このＸ信号は
Ｙ信号発生回路３８にも入力され、Ｙ信号発生回
路３８はＸ信号に基づいてＹ信号を発生する。ま
た、３９は混合回路である。混合回路３９は増幅
回路３３の出力とＹ信号発生回路３８より出力さ
れるＹ信号とを混合し、その混合されたオシロス
コープ３６のＹ入力に出力する。４０は表示像切
換スイツチである。この切換スイツチ４０は固定
接点４０ａ，４０ｂと可動接点４０ｃとを有して
いる。そして可動接点４０ｃが固定接点４０ａ側
に切換えられた場合、増幅回路３３の出力は輝度
変調回路３５に入力され、可動接点４０ｃが固定
接点４０ｂ側に切換えられた場合、増幅回路３３
の出力は混合回路３９に入力される。なお、輝度
変調回路３５、Ｘ信号発生回路３７、Ｙ信号発生
回路３８、混合回路３９、および表示像切換スイ
ツチ４０はコントロール部３４に含まれている。
また、４１は試料デバイス１１に対する各種入力
条件を設定する入力信号発生回路である。この入
力信号発生回路４１から試料デバイス１１が機能
動作をするのに必要な各種入力信号が発生され
る。

次に第３図の構成の動作を説明する。レーザー
光源１６から出力されるレーザー・ビームは、レ
ーザー走査装置１７によつてＸ−Y2次元にラス
ター・スキヤンさせられた後ミラー１８で反射さ
れ、続いて光学レンズ系１９で微細ビーム径に集
束される。これによりたとえばIC（Integrated
Circuits；集積回路）などの試料デバイス１１の
表面はレーザー・ビームで照射され、２次元走査
される。このレーザー・ビームの照射によつて試
料デバイス１１には光吸収電流が発生する。即
ち、レーザー・ビームの照射により、試料デバイ
ス１１のPN接合部にキヤリアが発生し、その
PN接合部での電界に応じた光吸収電流が発生す
る。この場合、通常ではレーザー・ビームを試料
デバイス１１の回路部に直接照射することになる
が、レーザーの光の波長が比較的長い場合には深
くまで入り込むため、試料デバイス１１の回路部
を必ずしも剥出しにする必要はない。

一方、試料デバイス１１への電源電流i_ccは、電
源３１より抵抗３２を通して試料デバイス１１の
電源端子に供給されている。そして、試料デバイ
ス１１の光吸収電流を含む電源電流i_ccの変化は、
抵抗３２によつて電圧変化に変換される。すなわ
ち、試料デバイス１１に発生する光吸収電流が、
試料デバイス１１の電源端子−接地端子間の電圧
に変換されたことになる。そしてこの変換された
信号は増幅回路３３により増幅された後、コント
ロール部３４に入力される。

たとえば今、コントロール部３４内の表示像切
換スイツチ４０の可動接点４０ｃが固定接点４０
ａ側に切換えられているものとする。この場合、
コントロール部３４に入力された増幅回路３３の
出力は輝度変調回路３５で変調された後、モニタ
ー用のオシロスコープ３６にＺ信号として供給さ
れる。また、レーザー・ビームのＸ走査に同期し
た走査信号は、レーザー走査装置１７よりＸ信号
発生回路３７に供給される。これによりＸ信号発
生回路３７からＸ信号が発生され、このＸ信号は
オシロスコープ３６のＸ入力に供給されるととも
にＹ信号発生回路３８に供給される。そして、Ｙ
信号発生回路３８からＹ信号が発生され、このＹ
信号は混合回路３９に供給される。この場合、前
述の如く表示像切換スイツチ４０の可動接点４０
ｃは固定接点４０ａ側に切換えられているため、
増幅回路３３の出力は混合回路３９に供給されて
いない。このため、Ｙ信号発生回路３８にて発生
されたＹ信号が、混合回路３９を経由してオシロ
スコープ３６のＹ入力に供給される。この結果、
レーザー走査領域における試料デバイス１１から
の光吸収電流の２次元輝度変調像がオシロスコー
プ３６に表示される。

次に、表示像切換スイツチ４０の可動接点40c
が固定接点４０ｂ側に切換えられている場合につ
いて説明する。この場合、増幅回路３３の出力す
なわち試料デバイス１１より得られる光吸収電流
に伴う信号は混合回路３９に供給される。そして
この光吸収電流に伴う信号とＹ信号発生回路３８
より供給されるＹ信号は混合回路３９にて混合さ
れ、オシロスコープ３６のＹ入力に供給される。
一方、オシロスコープ３６のＸ入力にはＸ信号が
供給されており、この結果光吸収電流の３次元的
な等高線的表示像がオシロスコープ３６上に表示
される。

また、本実施例によれば、入力信号発生回路４
１にて試料デバイス１１に対する入力条件を種々
変えることにより、試料デバイス１１のそれぞれ
異なる動作状態における光吸収電流像がオシロス
コープ３６上で観察される。このため本実施例に
よれば、光吸収電流像の変調度の違いを検出する
ことによりそれぞれの入力条件におけるスタテイ
ツクな回路（動作）状態での試料デバイス１１内
部の電気的特性の測定、更には故障検出等が可能
となる。なお、オシロスコープ２４上には従来例
で説明したように音響像が表示されることは明ら
かである。したがつて、本実施例によれば音響像
の観察と同時に光吸収電流像の観察が可能とな
り、試料デバイス１１の機械的（物理的）な欠陥
の検出と同時に電気的特性の不良、故障等の検出
が可能となる。

ところで、IC等の試料デバイス１１は一般に
数多くの処理過程を経て製造されるが、その過程
において各種の機械的（物理的）な欠隔（合金ス
パイク等）が生じやすいことはよく知られてい
る。そして、上述の如き欠陥が試料デバイス１１
のある領域（クリテイカルな領域）に発生した場
合、試料デバイス１１の電気的特性に影響を及ぼ
し、ひいては電気的欠陥を生じる場合がある。こ
のような試料デバイス１１に対し、本実施例のレ
ーザー走査形超音波顕微鏡装置によれば、試料デ
バイス１１を一度設定するだけで音響像と光吸収
電流像の両方が観察できる。したがつて、例えば
公知のレーザー・プロービングの原理を利用し、
観測した光吸収電流像により、それに対応する試
料デバイス１１の回路パターンの電気的状態をイ
メージ的に解析することができる。これにより、
例えば試料デバイス１１の回路パターンの所定箇
所の電流状態が所定の回路動作により決定される
が、この回路動作における観測した前記光吸収電
流像と正常時における電流状態とを比較すること
により、その試料デバイス１１の所定箇所が電気
的に正常であるか否かを判定することができる。
このような技術については、例えば「電子通信学
会半導体・トランジスタ研究会資料SSD79−
56、９、1979年11月レーザ走査形デバイス解析シ
ステム」等の文献に記載されている。すなわち機
械的（物理的）な欠陥の検出および電気的な欠陥
の検出の両機能が発揮できるので、機械的（物理
的）な欠陥が試料デバイス１１の電気的特性に及
ぼす影響、更には機械的（物理的）な欠陥が電気
的欠陥とどのように対応しているかが点対点の対
応で明確に解明できる。即ち、レーザー・ビーム
照射位置に応じた音響像と光吸収電流像のそれぞ
れを観測できるため、両画像の点対点の対応をと
りながら、試料デバイス１１の所定箇所の欠陥を
イメージ的に解析することができる。ここでは、
前記のようなレーザー・プロービングの原理を利
用した光吸収電流像により電気的欠陥箇所を検出
し、その箇所の音響像を観測して機械的（物理
的）な欠陥を解析することを行なう。したがつ
て、試料デバイス１１の試験評価および故障解析
能力が著しく向上する。

次に第４図を用いて本発明の他の実施例を説明
する。第４図は本発明の他の実施例を示すブロツ
ク図であり、第２図および第３図と同一部分には
同一符号を付して説明を省略する。図中５１は半
透鏡でなるミラーである。ミラー１８で反射され
たレーザー・ビームは、ミラー５１を通過して光
学レンズ系１９に対し垂直に入射される。すなわ
ちレーザー・ビームは試料デバイス１１表面に対
し垂直に入射される。なお、前記実施例の如くレ
ーザー・ビームは光学レンズ系１９および試料デ
バイス１１表面に垂直でない角度でもつて入射さ
れる構成としてもよい。

本実施例の特徴は、試料デバイス１１の動作周
波数の１／Ｎ（ＮはＮ≧１を満足する整数）の周
波数の信号（サンプリング・パルスSp）に同期
して動作するサンプル・ホールド回路５２を設け
ることによつて、試料デバイス１１をダイナミツ
クに動作させながら測定をし、サンプリング・パ
ルスSpの位相を変化させることによつて種々の
位相における動作状態でのダイナミツク光吸収電
流像が観測できるようにしたことである。

すなわち、パターン発生回路５３で発生される
各種パターン信号は試料駆動回路５４に供給され
て電圧レベルおよびタイミング条件等が調整され
た後、試料デバイス１１に供給される。この結
果、試料デバイス１１は入力条件に応じてダイナ
ミツク（AC的）またはスタテイツク（DC的）に
動作される。一方、サンプレング・パルス発生回
路５５はパターン発生回路５３から供給される信
号に基づいてサンプリング・パルスSpを発生す
る。このサンプリング・パルスSpはサンプル・
ホールド回路５２へ出力される。

一般に、試料デバイス１１の電源電流i_ccは、入
力条件に従つた回路動作状態によつて変化してし
まう。このため、変化する電源電流の中から光吸
収電流分のみを抽出するには、同一回路動作状態
になる周期、すなわち試料デバイス１１の動作周
波数の１／Ｎ（Ｎは≧１を満足する整数）でサン
プル・ホールドする必要がある。そこで、本実施
例では、試料デバイス１１の光吸収電流を含む電
源電流i_ccの変化は低抗３２で電圧変化に変換さ
れ、この変換された信号から交流成分だけがカツ
プリング・コンデンサ５６によつて取り出され
る。そして、この取り出された交流成分はサンプ
ル・ホールド回路５２に入力される。サンプル・
ホールド回路５２はサンプリング・パルス発生回
路５５より出力されるサンプリング・パルスSp
に応答して動作し、これにより上記交流成分から
光吸収電流に伴う信号のみが抽出される。サンプ
ル・ホールド回路５２の出力信号すなわち光吸収
電流に伴う信号は増幅回路３３によつて増幅され
た後コントロール部３４に出力される。そして、
上記光吸収電流に伴う信号は前記実施例と同様に
コントロール部３４によつて処理され、輝度変調
または等高線的変調を施されることにより、ダイ
ナミツク光吸収電流像がオシロスコープ３６上に
表示される。本実施例において、サンプリング・
パルス発生回路５５は、サンプリング・パルス
Spの発生時期すなわちサンプリング・タイミン
グを、サンプリング・パルスSpの１周期の範囲
内で可変し得るように構成されている。したがつ
て、本実施例によればサンプリング・パルスSp
の発生時期を可変することによつて、試料デバイ
ス１１の種々の動作位相における回路動作状態で
のダイナミツク光吸収電流像が観察できることは
明らかである。

なお、第３図および第４図において、試料デバ
イス１１と試料台１２との間に介在し、試料台１
２から試料デバイス１１へ音波を結合する超音波
結合膜１５として、たとえば水の如き液体を用い
ることができる。この場合、試料デバイス１１の
リード端子の如き電気回路部分は液体から絶縁さ
れる必要がある。また、超音波結合膜１５として
液体に限らず、たとえばアルゴンガスの如き気体
を用いて音波の結合を行なつてもよい。この場
合、試料デバイス１１の外部に露出している上述
の電気回路部分を液体から絶縁する煩わしさがな
くなり便利である。しかも、ガス圧を上げること
によつてレーザー走査形超音波顕微鏡装置におけ
る音響像の分解能の向上が図れる効果を奏する。

また、レーザー光源として、He−Neレーザー
（波長6328Å）の如く可視領域のレーザー・ビー
ムを出力するものを用いるのが一般的であるが、
これに限らずいかなる発振周波数のレーザー光源
であつてもよい。そして、アルゴン紫外線レーザ
ー等により短い波長のレーザー・ビームを出力す
るレーザー光源を用いることにより、音響像およ
び光吸収電流像の分解能の向上が図れる。

なお、第３図および第４図に示される各実施例
では、オシロスコープ２４，２７，３６を設け、
音響像、光学像、および光吸収電流像がそれぞれ
独立して表示される場合について説明したが、音
響像、光学像、および光吸収電流像の任意の２種
もしくは総ての像を同一のオシロスコープ上に重
ね合わせて表示するようにしてもよい。また、音
響像、光学像、および光吸収電流像のすべてもし
くは一部をいつたんメモリ装置に記憶しておき、
しかる後オシロスコープ上に表示するようにして
もよい。更に音響像に関し、輝度変調像として表
示する以外に、音響信号に伴う信号をオシロスコ
ープのＹ信号に重畳させて３次元的な等高線的変
調像として表示してもよい。

以上詳述したように本発明のレーザー走査形超
音波顕微鏡装置によれば、音響像および光吸収電
流像の同時観察が可能となり、試料デバイスの試
験評価および故障解析能力が著しく向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のレーザー走査形超音波顕微鏡の
原理を示す図、第２図は従来のレーザー走査形超
音波顕微鏡装置の構成を示すブロツク図、第３図
は本発明の一実施例を示すブロツク図、第４図は
本発明の他の実施例を示すブロツク図である。２，１１……試料デバイス、３，１７……レー
ザー走査装置、４，２２，２５……光検出器、１
３……超音波周波数発振器、１４……トランスジ
ユーサ、１６……レーザー光源、１９……光学レ
ンズ系、２４，２７，３６……オシロスコープ、
３１……電源、３２……抵抗、３４……コントロ
ール部、４１……入力信号発生回路、５２……サ
ンプル・ホールド回路、５５……サンプリング・
パルス発生回路、５６……カツプリング・コンデ
ンサ。

Claims

【特許請求の範囲】１試料デバイスを超音波で励振し、この試料デ
バイスの表面に生ずる弾性振動をレーザー光線に
よつて検出して可視像を得るレーザー走査形超音
波顕微鏡装置において、上記試料デバイスが半導体試料デバイスの場合
に上記レーザー光線が照射されることにより上記
半導体試料デバイスに発生する光吸収電流に伴う
信号を検出する検出手段と、この検出手段により
検出される上記光吸収電流に伴う信号に基づいて
光吸収電流像を表示する表示手段とを備えたこと
を特徴とするレーザー走査形超音波顕微鏡装置。