半導体検査装置
【課題】高い空間解像度を有しており、検査に要する時間を短くでき、簡易な構成によって半導体デバイスの異常箇所を特定可能な半導体検査装置を提供する。
【解決手段】半導体検査装置１Ａは、ＤＵＴ１７の端子電極にストレス電圧Ｖｓを印加するストレス印加装置２２と、シリコン基板１７ａを透過する波長の光を発生する光源１１と、光源１１から提供された光をシリコン基板１７ａに照射し、シリコン基板１７ａを透過した光に関する干渉像を生成する干渉光学系と、干渉像を撮像して撮像データを生成するＩＲカメラ１９と、撮像データに基づいて、異常発生箇所としてのＤＵＴ１７の発熱箇所を特定するための情報を演算する演算部２１とを備える。ストレス電圧Ｖｓの時間波形は、一定周期の繰り返し波形であって、ＤＵＴ１７の発熱によるシリコン基板１７ａ内部の光学的距離の時間変化を正弦波状とする時間波形である。
【解決手段】半導体検査装置１Ａは、ＤＵＴ１７の端子電極にストレス電圧Ｖｓを印加するストレス印加装置２２と、シリコン基板１７ａを透過する波長の光を発生する光源１１と、光源１１から提供された光をシリコン基板１７ａに照射し、シリコン基板１７ａを透過した光に関する干渉像を生成する干渉光学系と、干渉像を撮像して撮像データを生成するＩＲカメラ１９と、撮像データに基づいて、異常発生箇所としてのＤＵＴ１７の発熱箇所を特定するための情報を演算する演算部２１とを備える。ストレス電圧Ｖｓの時間波形は、一定周期の繰り返し波形であって、ＤＵＴ１７の発熱によるシリコン基板１７ａ内部の光学的距離の時間変化を正弦波状とする時間波形である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体検査装置には、被検査デバイス（ＤＵＴ：Device Under Test）における数マイクロメートルやサブミクロンといった極めて小さな異常発生箇所を短時間で特定することが求められる。ＤＵＴの異常発生箇所を特定する一つの方法として、サーマルロックイン計測法がある。この方法では、ＤＵＴの異常に伴う電流集中による発熱から生じる輻射熱を、赤外線カメラ（例えばＩｎＳｂカメラなど）によって撮影する。しかし、このような輻射熱の波長は３．５［μｍ］〜５．２［μｍ］と長く、近年の半導体デバイスの微細化に伴って高い空間解像度が要求されるなか、サーマルロックイン計測法の空間解像度は輻射熱の波長の半分程度（１［μｍ］〜２［μｍ］）に抑えられてしまう。
【０００３】
一方、基板の材料（例えばシリコン）を透過する波長の光（例えば波長１．３［μｍ］の光）をＤＵＴに照射すると、異常発生箇所の発熱に伴う基板の膨張や屈折率変化等といった光学的距離の変化により、異常発生箇所からの反射光は正常箇所からの反射光に対し位相遅れを生じる。この位相遅れを光干渉計測技術を使用して高精度で計測することにより、発熱箇所（異常発生箇所）の特定だけでなく、その現象をリアルタイムで観察できる。
【０００４】
しかし、基板における光学的距離の変化を光干渉計を用いて計測する方式では、光干渉計における参照光及びサンプル光の位相差と、ＤＵＴに印加される電圧波形に対する熱膨張波形の位相遅れとが混信することが問題となる。この混信を回避する方法として、非特許文献１では、０次元計測（ポイントセンシング）において参照光及びサンプル光の光路長差または電気信号の位相を予め調節して、光位相差をゼロまたはπ／２とする方式を採用している。
【０００５】
また、ＤＵＴの異常発生箇所を特定するためには、ＤＵＴをワンポイントではなく二次元的に検査する必要がある。非特許文献２では、非特許文献１に示されたワンポイントセンシングの機構において、ＤＵＴをＸＹステージ上に載置し、二次元的に光を走査する方法が提案されている。
【０００６】
また、特許文献１には、光エネルギーが熱エネルギーに変換される光熱変位効果を利用して、正弦波状に強度変調された光をＤＵＴの測定しようとする箇所に照射して当該箇所の温度を上昇させ、そのときの熱膨張波形の振幅及び位相を、光干渉計にて同期検波して求める方法が述べられている。
【０００７】
また、特許文献２に記載された方法は、マイケルソン型干渉顕微鏡を用い、１０ナノ秒ないし５００ナノ秒、或いはそれ以上の長いストレスパルスをＤＵＴに与え、ストレスパルス印加時及びストレスパルス印加後といった二つの異なる状態での干渉像を取得し、差分画像を作成することで、発熱箇所を特定しようとするものである。
【０００８】
また、非特許文献３に記載された方法は、特許文献２に記載された方法を改良したものであり、音響光学素子（ＡＯＭ：Acoustic-Optical Modulator）を用いて光をパルス状に変調し、光位相を近似にて推定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３２０３９３６号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／００３６１５１号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】M.Goldstein, “Heterodyn interferometer for the detection of electricand thermal signals in integrated circuits through the substrate”, Review ofScientific Instruments, American Institute of Physics, 64(10), pp.3009-3013(1993)
【非特許文献２】C. Furbock, “Thermal and free carrier concentration mapping during ESDevent in Smart Power ESD protection devices using an inproved laserinterferometric technique”, Microelectronics Reliability, elsevier, 40,pp.1365-1370 (2000)
【非特許文献３】V.Dubec, “Backside interferometric methods for localization ofESD-induced leakage current and metal shorts”, Microelectronics Reliability,elsevier, 47, pp.1549-1554 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、非特許文献１に記載された方法はワンポイントセンシングに限られ、半導体デバイスの異常検出といった或る領域内での二次元計測には適用し難い。非特許文献２に記載された方式を用いれば非特許文献１に記載された方法を二次元計測に応用できるが、光位相φを０またはπ／２に保持する為に、ＤＵＴ自身をＸＹステージに乗せ走査するため測定時間が長くなり、装置構成も複雑になってしまう。また、照射光を走査する方法としてガルバノミラー等の走査機構を設ける方法が考えられるが、光干渉計における参照光及びサンプル光の位相差と、ＤＵＴに印加される電圧波形に対する熱膨張波形の位相遅れとの混信を防ぐために、予め、全ての測定領域における位相差を予め測定しておくか、或いは所定の値に調整しておく必要がある。したがって、半導体デバイスの異常検出に手間と時間とを要してしまう。
【００１２】
また、特許文献１には、正弦波状に強度変調された光をＤＵＴに照射し、ＤＵＴにおける熱膨張もこの光と等しい周波数にて正弦波変調されるので、ロックインアンプを用いて上記周波数にて同期検波することにより、干渉像から熱膨張波形の振幅Ａと位相遅れΦを直接計測できることが開示されている。しかし、ＤＵＴへの照射光に加えて励起光を必要とするため、構造が複雑となる。また、試料の光学的距離変化と比べ、温度に対する感度が小さい熱伝導率及び線膨張係数の温度変化を熱膨張変位量として検出しているため、検出される温度変化の精度が±１０℃とあまり高くなく、半導体デバイスの異常箇所を特定することは難しいと考えられる。
【００１３】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、高い空間解像度を有しており、検査に要する時間を短くでき、且つ簡易な構成によって半導体デバイスの異常箇所を特定可能な半導体検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記した課題を解決するために、本発明による半導体検査装置は、基板を有する被検査デバイスの異常発生箇所を特定するための半導体検査装置であって、被検査デバイスの端子電極にストレス電圧を印加するストレス印加手段と、基板を透過する波長の光を発生する光源と、光源から提供された光を基板に照射し、基板を透過した光に関する干渉像を生成する干渉光学系と、干渉像を撮像して撮像データを生成する撮像手段と、撮像データに基づいて、異常発生箇所としての被検査デバイスの発熱箇所を特定するための情報を演算する演算手段とを備える。この半導体検査装置は、ストレス電圧の時間波形が、一定周期の繰り返し波形であって、被検査デバイスの発熱による基板内部の光学的距離の時間変化を正弦波状とする時間波形であることを特徴とする。
【００１５】
また、半導体検査装置は、演算手段が、干渉像に含まれる基板を透過した光の位相遅れの分布を、被検査デバイスの発熱箇所を特定するための情報として算出することを特徴としてもよい。
【００１６】
また、半導体検査装置は、ストレス電圧の時間波形が正弦波状であることを特徴としてもよい。
【００１７】
また、半導体検査装置は、ストレス電圧の時間波形が、一定周期の基本波に高調波が重畳された波形であることを特徴としてもよい。この場合、ストレス電圧の時間波形は、一定周期で繰り返される矩形波であってもよい。
【００１８】
また、半導体検査装置は、被検査デバイスの端子電極が電源端子であることを特徴としてもよい。この場合、ストレス印加手段は、被検査デバイスの信号端子に通常動作時の信号を入力してもよい。
【００１９】
また、半導体検査装置は、被検査デバイスの端子電極が信号端子であることを特徴としてもよい。この場合、ストレス印加手段は、被検査デバイスの電源端子に通常動作時の電源電圧を供給してもよい。
【００２０】
また、半導体検査装置は、視野を移動させながら複数回の撮像を行うための機構を更に備え、演算手段は、複数回の撮像により得られた複数の撮像データを相互に繋ぎ合わせて演算を行うことを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高い空間解像度を有しており、検査に要する時間を短縮でき、簡易な構成によって半導体デバイスの異常箇所を特定可能な半導体検査装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体検査装置１Ａの構成を示す図である。
【図２】半導体検査装置１Ａの被検査デバイス（ＤＵＴ）１７付近の構造を拡大して示す断面図である。
【図３】半導体検査装置１ＡがＤＵＴ１７の微細な発熱箇所を検知する際の原理を説明するための図である。
【図４】ビームスプリッタＢＳ、ミラーＭ、およびカメラＣからなる干渉計を示す図である。
【図５】図４のカメラＣにおける撮像データの一例である。
【図６】シリコン厚さｄが４００［μｍ］である場合における、発熱点直下での熱周波数応答曲線である。
【図７】基準信号ＳＰ１（図７（ａ））、ＩＲカメラ１９のトリガ信号（図７（ｂ））、ストレス印加装置２２のトリガ信号（図７（ｃ））、およびシリコン基板１７ａの熱膨張波形（図７（ｄ））の関係を示すタイミングチャートである。
【図８】基本波のフーリエ係数ａ１の分布の例を示す図であり、式（７）の演算結果を示している。
【図９】基本波のフーリエ係数ｂ１の分布の例を示す図であり、式（８）の演算結果を示している。
【図１０】（ａ）フーリエ係数ａ１，ｂ１から算出された熱位相Φの分布の例を示す図であり、式（９）の演算結果を示している。（ｂ）（ａ）の一部を拡大した図である。
【図１１】図８、図９、および図１０に示した実施例において、式（１４）によって求めた熱振幅Ａの分布の例を示す図である。
【図１２】従来のワンポイント計測法（光ヘテロダイン干渉法）や位相シフト法を用いた半導体検査装置１００の構成例を示すブロック図である。
【図１３】半導体検査装置１Ａの構成を簡略的に示すブロック図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る半導体検査装置１Ｂの構成を示す図である。
【図１５】本発明の第３実施形態に係る半導体検査装置１Ｃの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体検査装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体検査装置１Ａの構成を示す図である。また、図２は、半導体検査装置１ＡのＤＵＴ１７付近の構造を拡大して示す断面図である。本実施形態の半導体検査装置１Ａは、検査対象であるＤＵＴ１７の微細な発熱箇所を検知することにより、ＤＵＴ１７の異常発生箇所を特定するための装置である。
【００２５】
ＤＵＴ１７は、図２に示すように、シリコン基板１７ａと、シリコン基板１７ａの下面に設けられた回路層１７ｂと、シリコン基板１７ａ及び回路層１７ｂを覆う樹脂モールド１７ｃとを備える。本来、シリコン基板１７ａ及び回路層１７ｂは樹脂モールド１７ｃによって完全に覆われているが、このＤＵＴ１７では、検査のためシリコン基板１７ａの上面が露出するように樹脂モールド１７ｃの一部が除去されている。尚、回路層１７ｂは、半導体回路が形成されていてシリコン基板１７ａに温度変化を与えるものである。
【００２６】
ここで、図３は、半導体検査装置１ＡがＤＵＴ１７の微細な発熱箇所を検知する際の原理を説明するための図である。図３（ａ）に示すように、ＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａの光学的厚さは、基板厚さをＬ、屈折率ｎを用いてｎＬと表される。なお、シリコンの屈折率ｎは３．５である。このシリコン基板１７ａの温度がＴ［Ｋ］上昇した場合、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１７ａの光学的厚さは（ｎＬ＋ΔｎＴＬ＋αＬＴｎ）に変化する。Δｎは温度変化に対する屈折率変化係数であり、シリコンの場合５×１０−５［Ｋ−１］である。αは温度変化による線膨張率であり、シリコンの場合３．５×１０−６［Ｋ−１］である。
【００２７】
そこで、シリコン基板１７ａを透過する波長の光（例えば波長１．３［μｍ］の光）をＤＵＴ１７に照射すると、発熱に伴うシリコン基板１７ａの膨張や屈折率変化等により、発熱箇所からの反射光は正常箇所または発熱現象が起こる前の状態からの反射光に対し位相遅れを生じる。したがって、図４に示すように、ビームスプリッタＢＳ、ミラーＭ、およびカメラＣからなる干渉計を構成し、シリコン基板１７ａを透過する波長の光Ｌａをこの干渉計に入射すると、この位相遅れに起因する干渉縞変化を観察することができる。図５はカメラＣにおける撮像データの一例であり、干渉縞の位相が本来の位相（図中のラインＰＨ１）から部分的に遅れていることがわかる（図中のラインＰＨ２）。なお、シリコン基板１７ａの厚さが４００［μｍ］である場合、温度変化１［Ｋ］あたりのシリコン基板１７ａ光学的厚さの変化量は７５［ｎｍ／Ｋ］であり、したがって、反射光同士の干渉を計測する図４に示す干渉計では、往復光路分の１５０［ｎｍ／Ｋ］となる。光の波長が１．３［μｍ］である場合、干渉縞の明から明の間隔の１／９、すなわち４０°の位相遅れを生じる。
【００２８】
半導体検査装置１Ａは、シリコン基板１７ａを透過する波長の光をＤＵＴ１７に照射し、この位相遅れを光干渉計測技術を使用して高精度で計測することにより、発熱に伴うシリコン基板１７ａの膨張や屈折率変化等を検知して、発熱箇所を特定する。
【００２９】
上述した発熱箇所の検知を正確に行う為に、本実施形態の半導体検査装置１Ａは、マイケルソン干渉計において分岐された二つの光路の双方に対物レンズを配置した、リニック（Ｌｉｎｎｉｋ）型干渉計を基本にした装置構成となっている。図１に示すように、半導体検査装置１Ａは、低コヒーレンス光源１１、レンズ１２ａ及び１２ｂ、ビームスプリッタ１３、対物レンズ１４、ミラー１５、対物レンズ１６、ＩＲカメラ１９、及びフレームメモリ２０を備える。
【００３０】
低コヒーレンス光源１１は、いわゆるスーパールミネッセンス・ダイオード（ＳＬＤ）を含んで構成されており、ＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａを透過する波長を含む光、例えば中心波長１．３［μｍ］、波長幅２０［ｎｍ］の光束Ｌ１を出力する。低コヒーレンス光源１１としては、例えばファイバーラボ（ＦｉｂｅｒＬａｂ）社製型番ＳＬＤ−１３１−０４（中心波長１．３［μｍ］、波長半値幅２０［ｎｍ］、最大パワー４［ｍＷ］）といったファイバ出力タイプの光源を使用することができる。光源としてＳＬＤを使用する理由は、その可干渉距離を利用して、シリコン基板１７ａの上面からの反射光と、シリコン基板１７ａの内部を通って下面において反射した光とを好適に区別することができるからである。
【００３１】
レンズ１２ａ及び１２ｂ、ビームスプリッタ１３、対物レンズ１４、ミラー１５、及び対物レンズ１６は、低コヒーレンス光源１１から提供された光束Ｌ１をシリコン基板１７ａに照射し、シリコン基板１７ａを透過した光に関する干渉像を生成するための干渉光学系を構成する。
【００３２】
レンズ１２ａは、低コヒーレンス光源１１と光学的に結合されており、低コヒーレンス光源１１の光ファイバ出力端から出射された光束Ｌ１をコリメートする。レンズ１２ｂは、レンズ１２ａを通過した光束Ｌ１を集光する。ビームスプリッタ１３は、レンズ１２ａ及び１２ｂを介して低コヒーレンス光源１１と光学的に結合されており、レンズ１２ａ，１２ｂを通過した光束Ｌ１を二つの光束Ｌ２（参照光）及びＬ３（サンプル光）に分岐する。対物レンズ１４は、ビームスプリッタ１３の一方の反射面とミラー１５との間に配置されており、ビームスプリッタ１３から分岐された一方の光束Ｌ２（参照光）の焦点をミラー１５の表面に合わせる。対物レンズ１４の拡大倍率は、例えば５倍である。ミラー１５は、光束Ｌ２（参照光）を反射して再びビームスプリッタ１３へ戻す。
【００３３】
対物レンズ１６は、ビームスプリッタ１３の他方の反射面とＤＵＴ１７との間に配置されており、ビームスプリッタ１３から分岐された他方の光束Ｌ３（サンプル光）の焦点をＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａと回路層１７ｂとの界面に合わせる。対物レンズ１６の拡大倍率は例えば５倍であり、対物レンズ１４の拡大倍率と等しい。ＤＵＴ１７に達した光束Ｌ３は、シリコン基板１７ａを透過し、シリコン基板１７ａと回路層１７ｂとの界面にて反射したのち、再びビームスプリッタ１３へ戻り、光束Ｌ２の戻り光と合波されて干渉像を構成する。
【００３４】
ＩＲカメラ１９は、本実施形態における撮像手段であり、低コヒーレンス光源１１の出力波長である１．３［μｍ］付近の波長域に感度を有する撮像素子を内蔵している。ＩＲカメラ１９は、レンズ１８を介してビームスプリッタ１３と光学的に結合されており、光束Ｌ２の戻り光と光束Ｌ３の戻り光とが合波されてなる合波光Ｌ４を撮像する。レンズ１８は、ＩＲカメラ１９の撮像素子面に合波光Ｌ４（干渉像）を結像する。すなわち、レンズ１８は、光束Ｌ３の戻り光に含まれる回路層１７ｂのパターン像と、光束Ｌ２の戻り光に含まれるミラー１５の像とを、ＩＲカメラ１９の撮像素子面に結像する。これにより、必然的に、回路層１７ｂにおいて反射された光束Ｌ３（サンプル光）と、ミラー１５において反射された光束Ｌ２（参照光）とにより形成される、合波光Ｌ４（干渉像）の干渉縞のコントラストが最大となる。
【００３５】
フレームメモリ２０は、ＩＲカメラ１９によって撮影された合波光Ｌ４（干渉像）の撮像データを記憶する。演算部２１は、本実施形態における演算手段である。演算部２１は、フレームメモリ２０に蓄えられた撮像データに基づいて所定の解析演算を行い、ＤＵＴ１７の発熱箇所（すなわち異常発生箇所）を特定するための情報を出力する。演算部２１は、例えばＣＰＵ及びメモリ等を含んで構成される情報処理装置により実現される。
【００３６】
また、半導体検査装置１Ａは、ストレス印加装置２２と、ペルチェ素子２３と、温度制御コントローラ２４とを更に備える。ストレス印加装置２２は、ＤＵＴ１７に対してストレスを印加するためのストレス印加手段であり、具体的には、ＤＵＴ１７の端子電極（電源端子または信号端子）に所定のストレス電圧Ｖｓを印加することにより、ＤＵＴ１７の回路層１７ｂに電流を流す。なお、ＤＵＴ１７の電源端子にストレス電圧Ｖｓを印加する場合、ストレス印加装置２２は、信号端子に通常動作時の信号を入力することが好ましい。また、ＤＵＴ１７の信号端子にストレス電圧Ｖｓを印加する場合、ストレス印加装置２２は、電源端子に通常動作時の電源電圧を入力することが好ましい。
【００３７】
ストレス電圧Ｖｓは、一定周期の繰り返し波形であって、ＤＵＴ１７の発熱によるシリコン基板１７ａ内部の光学的距離の時間変化を、正弦波状のなめらかな変化とするような時間波形を有する。ストレス電圧Ｖｓは、例えば周期的な正弦波状の時間波形となる電圧波形を有する。或いは、ストレス電圧Ｖｓは、一定周期の基本波に高調波が重畳された波形、典型的には周期的な矩形波状の時間波形となる電圧波形を有しても良い。一実施例では、ＤＵＴ１７の正常動作電圧が５［Ｖ］である場合、ストレス電圧Ｖｓの電圧波形は、５［Ｖ］のオン電圧及び０［Ｖ］のオフ電圧を一定周期で繰り返す波形であり、デューティ比は例えば５０％である。ＤＵＴ１７では、このようなストレス電圧Ｖｓの印加によって、断線といった異常発生箇所ではストレス電圧Ｖｓの電力Ｐ（＝Ｖｓ２／Ｒ、Ｒは異常発生箇所の抵抗値）に比例する熱が発生し、当該箇所のシリコン基板１７ａが膨張する。
【００３８】
また、ストレス電圧Ｖｓの繰り返し周波数は、次のように決定される。シリコン基板１７ａを厚さ方向に光が透過する場合、その光学的距離はシリコンの熱膨張により変化する。また、シリコンの熱膨張反応は、断線等の異常発生箇所からの発熱に対して或る時定数をもって生じる。すなわち、ストレス電圧Ｖｓの繰り返し周期がシリコン基板１７ａ側の熱膨張反応の応答速度に対して比較的短い場合、シリコン基板１７ａ内の光学的距離の変化は、ストレス電圧Ｖｓの変化に遅れて追従すると共に、その熱振幅も減衰することとなる。したがって、ストレス電圧Ｖｓの繰り返し周期が適切に決定された場合、シリコン基板１７ａ内の光学的距離の変化が、基本周波数のみを含む時間関数（すなわち正弦波）となる。本実施形態において、ストレス電圧Ｖｓの繰り返し周波数は、このようにシリコン基板１７ａ内の光学的距離の変化が正弦波状の時間関数となるように決定される。
【００３９】
ストレス印加装置２２によって一定周期のストレス電圧Ｖｓが印加されると、ＤＵＴ１７全体に熱が蓄積される。ペルチェ素子２３は、その一方の面（吸熱面）上にＤＵＴ１７を載置しており、他方の面（放熱面）が放熱部材（不図示）と接している。ペルチェ素子２３は、ＤＵＴ１７に蓄積された熱を吸熱面から吸収し、放熱面から放出する。温度制御コントローラ２４は、ペルチェ素子２３に駆動電流Ｉｄを与える電気回路であり、ＤＵＴ１７が一定温度になるように駆動電流Ｉｄを生成する。ペルチェ素子２３及び温度制御コントローラ２４は、ＤＵＴ１７の熱的な平衡状態を短時間で実現する。なお、ＤＵＴ１７の設定温度は、例えば２５℃である。
【００４０】
ここで、ストレス電圧Ｖｓの繰り返し周波数の決定方法について更に説明する。シリコン基板１７ａを構成するシリコンの熱伝導率κ、比熱ｃおよび密度ρから、シリコン基板１７ａの熱抵抗Ｒｈおよび熱容量Ｃｈは次式（１）および（２）によって算出される。
【数１】
【数２】
【００４１】
こうして求められるシリコン基板１７ａの熱抵抗Ｒｈおよび熱容量Ｃｈから、熱入力に対するシリコン基板１７ａの膨張反応の時定数τ（＝Ｃｈ・Ｒｈ）を求めると、
【数３】
となる。ここで、ｄ［ｃｍ］はシリコンの厚みである。よって熱的なカットオフ周波数ｆｃは、次式（４）で与えられる。
【数４】
【００４２】
ここで、ｄは熱拡散長とも呼ばれ、ＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａの厚さに相当する。熱的なカットオフ周波数ｆｃは、例えばシリコン厚さｄが４００［μｍ］である場合、上式（４）により約１８０［Ｈｚ］となる。なお、図６は、シリコン厚さｄが４００［μｍ］である場合における、発熱点直下での熱周波数応答曲線である。ここで、矩形波状のストレス電圧ＶｓをＤＵＴ１７に入力した場合を考える。ストレス電圧Ｖｓの矩形波には、基本波（周波数Ω）の他に、基本周波数Ωの奇数倍の周波数（３Ω、５Ω、７Ω、・・・）を有する高調波成分が含まれるので、例えば基本波の周波数Ωを１８０［Ｈｚ］に設定すれば、３倍波（３Ω＝５４０［Ｈｚ］）の成分の熱振幅は、基本波の熱振幅の約３分の１にまで減衰する。ストレス電圧Ｖｓの矩形波に含まれる３倍波の割合が基本波の３分の１であることを加味すれば、３倍波成分の熱振幅の大きさは、基本波の振幅の９分の１である約１１％となる。このように、ストレス電圧Ｖｓとして高調波を含む波形（例えば矩形波）を入力した場合であっても、シリコン基板１７ａにおける熱的な周波数応答によって、基本波より周波数が高い成分（高調波成分）は大きく減衰を受ける。その結果、シリコン基板１７ａの光学的厚さは、基本波の周波数Ωと同じ周波数を有する正弦波形でもって変調される。
【００４３】
同様に与えるストレス電圧Ｖｓを正弦波としてＤＵＴ１７に入力した場合を考える。ストレス電圧Ｖｓの正弦波を端子電極に加えると熱抵抗によりその２乗にて熱が発生する。すなわちＶｓを式（４ａ）とした場合、
【数５】
熱源での発熱量は式（４ｂ）で表せる。すなわち基本波Ωに加えてその２倍波の周波数成分がＤＵＴ１７に熱として拡散する。
【数６】
この場合、基本波と２倍波の比はｍ／４となる。たとえば変調度ｍを０．２５にとれば、２倍波は基本波の熱振幅の１６分の１にまで減衰する。このように、ストレス電圧Ｖｓとして正弦波を入力した場合であっても、シリコン基板１７ａにおける熱的な周波数応答によって、２倍波は大きく減衰を受ける。その結果、シリコン基板１７ａの光学的厚さは、基本波の周波数Ωと同じ周波数を有する正弦波形でもって変調される。
【００４４】
厳密には、シリコン基板１７ａの厚さｄはＤＵＴ１７の内部構造などに依存するので、上述した理論的な熱的カットオフ周波数ｆｃを得ることはできない。本発明者が実測したところ、ストレス電圧Ｖｓの繰り返し周波数を数ヘルツないし数十ヘルツ程度とすることにより、シリコン基板１７ａ内の光学的距離の変化が正弦波状の時間関数となる良好な結果が得られている。
【００４５】
なお、以下の表１は、シリコンの熱伝導率κ、比熱ｃ、および密度ρといった物性値を示している。
【表１】
【００４６】
そして、上述したような繰り返し周波数を有するストレス電圧ＶｓをＤＵＴ１７に印加することによって、ＩＲカメラ１９に入射する合波光Ｌ４（干渉像）は、以下の式（５）に示される干渉強度Ｉ（ｔ，ｘ，ｙ）を有することとなる。なお、式（５）において、Ｉｒは光束Ｌ２（参照光）の光強度、Ｉｓは光束Ｌ３（サンプル光）の光強度、φは光位相差、ｍは変調度、Ωはストレス電圧Ｖｓの基本周波数、Φはストレス電圧Ｖｓの初期位相である。
【数７】
【００４７】
また、ストレス電圧Ｖｓは、以下の式（６）で表される正弦波の平方根といった電圧波形を有していてもよい。但し、Ｖ０は任意の係数である。
【数８】
ストレス電圧Ｖｓの電力エネルギー（すなわち発熱量）がＶｓの２乗に比例することから、上式（６）で表されるストレス電圧ＶｓをＤＵＴ１７に印加することによって、異常発生箇所では｛１＋ｓｉｎ（Ωｔ）｝に比例した熱が発生することとなる。したがって、式（５）に示したような干渉像、すなわち光学距離が正弦波状に変調された干渉像を好適に得ることができる。
【００４８】
なお、ＩＲカメラ１９は、ＤＵＴ１７に印加されるストレス電圧Ｖｓの基本周波数Ωに対応する周期（２π／Ω）内に少なくとも２回の撮像を行うことが好ましい。
【００４９】
半導体検査装置１Ａは、干渉計の位相ノイズを低減するためのフィードバック機構を更に備えることが好ましい。本実施形態の半導体検査装置１Ａは、このようなフィードバック機構として、光源３２、ダイクロイックミラー３３及び３４、圧電素子３６、変調器３７、フォトダイオード３８、乗算器３９、およびフィードバック回路４０を備える。
【００５０】
光源３２は、光束Ｌ１とは波長が異なる光束Ｌ５を出力する。光束Ｌ５の波長は、ＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａを透過しない波長であり、シリコン基板１７ａの上面（露出面）と空気との界面で反射する波長（例えば６３３［ｎｍ］）である。光源３２から出力された光束Ｌ５は、レンズ１２ｃによってコリメートされる。
【００５１】
ダイクロイックミラー３３は、光源３２から出射された光束Ｌ５と、低コヒーレンス光源１１から出射された光束Ｌ１とを同軸上で合波するための光学部品である。本実施形態のダイクロイックミラー３３は、光束Ｌ１を含む波長域の光を透過し、光束Ｌ５を含む波長域の光を反射する。このダイクロイックミラー３３は、レンズ１２ａから一方の面に入射した光束Ｌ１をレンズ１２ｂへ向けて透過し、レンズ１２ｃから他方の面に入射した光束Ｌ５を、光束Ｌ１と同じ光軸でもってレンズ１２ｂへ向けて反射する。光束Ｌ５は、光束Ｌ１とともにビームスプリッタ１３に入射し、光束Ｌ１と同様に、２本の光束Ｌ６及びＬ７に分岐される。光束Ｌ６は、光束Ｌ２（参照光）とともに対物レンズ１４を通過してミラー１５に到達し、ミラー１５において反射する。光束Ｌ７は、光束Ｌ３（サンプル光）とともに対物レンズ１６を通過してＤＵＴ１７に到達し、シリコン基板１７ａの上面（露出面）で反射する。
【００５２】
これら光束Ｌ６及びＬ７の各反射光は、ビームスプリッタ１３において合波され、合波光Ｌ８となってレンズ１８を通過する。ここで、ダイクロイックミラー３４がレンズ１８とＩＲカメラ１９との間に設けられている。ダイクロイックミラー３４は、合波光Ｌ４とは波長が異なる合波光Ｌ８を合波光Ｌ４から分離するための光学部品である。本実施形態のダイクロイックミラー３４は、合波光Ｌ４を含む波長域の光を透過し、合波光Ｌ８を含む波長域の光を反射する。このダイクロイックミラー３４は、レンズ１８から一方の面に入射した合波光Ｌ４をＩＲカメラ１９へ向けて透過し、同じくレンズ１８から一方の面に入射した合波光Ｌ８を、該一方の面に光結合されたフォトダイオード３８の受光面へ向けて反射する。
【００５３】
フォトダイオード３８では、合波光Ｌ８の光強度に応じた電気信号Ｓ１が生成される。電気信号Ｓ１は、フォトダイオード３８から乗算器３９へ送られる。また、乗算器３９には、変調器３７から出力された正弦波状の電気信号（周波数ω）Ｓ２が更に入力される。乗算器３９は、電気信号Ｓ１，Ｓ２が乗算されて成る電気信号Ｓ３をフィードバック回路４０へ提供する。
【００５４】
フィードバック回路４０は、ミラー１５に固定された圧電素子３６を駆動するための回路である。フィードバック回路４０は、乗算器３９から提供された電気信号Ｓ３と、変調器３７から提供された電気信号Ｓ２とに基づいて、ビームスプリッタ１３とシリコン基板１７ａの上面（露出面）との距離Ｌｓと、ビームスプリッタ１３とミラー１５との距離Ｌｒとの差（Ｌｓ−Ｌｒ）が一定に保持されるように、圧電素子３６を駆動する。
【００５５】
なお、干渉計の位相ノイズを低減するフィードバック方式については、上述したものに限られず、他の様々な方式を適用できる。
【００５６】
続いて、ＩＲカメラ１９における撮影タイミングと、ストレス電圧Ｖｓとの関係について説明する。本実施形態の半導体検査装置１Ａは、ＩＲカメラ１９における撮影タイミングと、ストレス電圧Ｖｓの位相とを適切に調整する為に、基準信号発生装置５４および分周器５５を更に備える。
【００５７】
基準信号発生装置５４は、周期的なパルス信号である基準信号ＳＰ１を発生する装置である。基準信号ＳＰ１は、ＩＲカメラ１９の撮影タイミングを示すトリガ信号の基準としてＩＲカメラ１９へ提供されるとともに、分周器５５にも提供される。分周器５５は、基準信号ＳＰ１を少なくとも２分周以上に分周する。分周された信号ＳＰ２は、分周器５５からストレス印加装置２２へ提供される。ストレス印加装置２２は、信号ＳＰ２の周波数を基本周波数Ωとして、ストレス電圧Ｖｓを生成する。
【００５８】
図７（ａ）〜図７（ｄ）は、基準信号ＳＰ１（図７（ａ））、ＩＲカメラ１９のトリガ信号（図７（ｂ））、ストレス印加装置２２のトリガ信号（すなわち信号ＳＰ２、図７（ｃ））、およびシリコン基板１７ａの熱膨張波形（図７（ｄ））の関係を示すタイミングチャートである。なお、ＩＲカメラ１９のトリガ信号は、ＩＲカメラ１９の露光タイミングおよび露光時間の双方を示している。ＩＲカメラ１９の露光時間は、合波光Ｌ４（干渉像）の変調を損ねない程度の時間に設定されることが好ましい。
【００５９】
基準信号ＳＰ１に示されるタイミングでＩＲカメラ１９により撮影・生成された撮像データは、フレームメモリ２０に蓄積される。演算部２１は、この撮像データを取り出し、以下に述べる方法により解析して、異常発生箇所を特定するための情報としての熱膨張波形の位相遅れ（以下、熱位相という）および熱膨張波形の振幅（以下、熱振幅という）を算出する。
【００６０】
演算部２１では、上式（５）に示した干渉光強度Ｉ（ｔ，ｘ，ｙ）が、ＩＲカメラ１９の各画素毎に時系列データとして得られる。演算部２１は、各画素の時系列データに対して、以下の式（７）及び（８）に示されるフーリエ分析を行うことにより、基本波（周波数Ω）に対するフーリエ係数ａ１及びｂ１を算出する。記号Ａは式（５）中の２√（ＩｓＩｒ）を表す。Ｊ１（ｍ）は変調度ｍに対する１次の第１種ベッセル関数である。
【数９】
【数１０】
【００６１】
そして、演算部２１は、各画素における熱位相Φを、上記基本波のフーリエ係数ａ１及びｂ１を用いて以下の式（９）により求める。
【数１１】
【００６２】
図８は、基本波のフーリエ係数ａ１の分布の例を示す図であり、上式（７）の演算結果を示している。また、図９は、基本波のフーリエ係数ｂ１の分布の例を示す図であり、上式（８）の演算結果を示している。また、図１０（ａ）は、これらのフーリエ係数ａ１，ｂ１から算出された熱位相Φの分布の例であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の一部を拡大した図である。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、上式（９）の演算結果を示している。なお、図８、図９、および図１０において、縦軸および横軸はそれぞれ縦方向および横方向の画素番号を示しており、全視野の実寸法は３［ｍｍ］×２．５［ｍｍ］である。また、図１０において、熱位相Φの単位はラジアンである。
【００６３】
図８、図９、および図１０に示す実施例では、シリコン基板１７ａの厚さが４００［μｍ］であるＤＵＴ１７の電源電圧端子に、ストレス電圧Ｖｓとしてオン電圧５［Ｖ］、オフ電圧０［Ｖ］、デューティ比５０％の矩形波を印加した。また、対物レンズ１４，１６として拡大倍率が５倍のものを使用した。
【００６４】
図１０（ａ）を参照すると、画像の中心から右上の領域に、熱位相Φが比較的小さい領域が存在している。すなわち、この領域において発熱が生じていることを示しており、この領域をＤＵＴ１７における異常発生箇所と特定することができる。なお、図１０（ｂ）はこの領域を拡大して示しており、熱位相Φの表示範囲を狭めてコントラストを高めている。演算部２１は、このような熱位相Φの分布データ又は分布画像を、ＤＵＴ１７の発熱箇所を特定するための情報として算出し、出力する。
【００６５】
熱位相Φは、次に示す関係式（１０）により時間に変換できる。
【数１２】
また、一周期（２π／Ω）内にサンプリング数（すなわちＩＲカメラ１９の撮像回数）が４以上であれば、２倍波に相当するフーリエ係数ａ２及びｂ２を、式（１１）及び（１２）に従い求めることができる。
【数１３】
【数１４】
【００６６】
撮像データの各画素における熱位相Φは、式（１１）及び（１２）によって求められた２倍波のフーリエ係数ａ２及びｂ２を用いて、次の式（１３）のように表される。
【数１５】
【００６７】
演算部２１は、各画素における熱振幅Ａを、基本波のフーリエ係数ａ１及びｂ１、並びに２倍波のフーリエ係数ａ２及びｂ２に基づいて、次の式（１４）によって求める。
【数１６】
ここで、式（１４）におけるＪ１およびＪ２は、変調度ｍに対する第１種ベッセル関数である。実用上、Ｊ２はＪ１の１０分の１程度であるため、２倍波でのＳ／Ｎが低い場合には、光の位相を９０度ずらして同様の計測を行い、位相差ゼロでの基本波のフーリエ係数ａ１（０），ｂ１（０）と、位相差９０°での基本波のフーリエ係数ａ１（π／２），ｂ２（π／２）とを用いて熱位相Φを求めてもよい。
【００６８】
図１１は、図８、図９、および図１０に示した実施例において、式（１４）によって求めた熱振幅Ａの分布の例を示す図である。なお、図１１において、縦軸および横軸はそれぞれ縦方向および横方向の画素番号を示しており、全視野の実寸法は３［ｍｍ］×２．５［ｍｍ］である。また、図１１において、熱振幅Ａの単位は任意単位である。図１１では、段落［００６７］に記載の２倍波でのＳ／Ｎが低い場合の方法は使用していない。
【００６９】
図１１を参照すると、発熱箇所（図中の点Ｐ）から遠い画素ほど、熱振幅Ａが小さくなることがわかる。これは、図６に示したシリコンの熱周波数特性に起因する。したがって、熱振幅Ａが大きい箇所を、ＤＵＴ１７における異常発生箇所と特定することができる。この実施例では、図１１に示す熱振幅Ａの画像により特定された異常発生箇所は、図１０（ａ）に示した熱位相Φの画像により特定された異常発生箇所と一致した。
【００７０】
なお、Ｓ／Ｎが十分に確保される場合、式（５）から示唆されるように、高調波成分を多数含むため、高調波周波数ｍΩおよびｎΩに対して、撮像データの各画素における熱位相Φおよび熱振幅Ａは、以下の式（１５）及び（１６）によっても表される。ただし、式（１５），（１６）においてｉ，ｊは整数である。
【数１７】
【数１８】
また、次数ｉとｊのベッセル関数の比（Ｊｊ／Ｊｉ）は、下記の式（１７）によって算出される。
【数１９】
【００７１】
以上に説明した、本実施形態による半導体検査装置１Ａが奏する作用効果について説明する。
【００７２】
前述したように、基板の材料（例えばシリコン）を透過する波長の光をＤＵＴに照射すると、異常発生箇所の発熱に伴う基板の膨張や屈折率変化等により、異常発生箇所からの反射光は正常箇所からの反射光に対し位相遅れφを生じる。この位相遅れφを光干渉計測技術を使用して高精度で計測することにより、発熱箇所（異常発生箇所）の特定だけでなく、その現象をリアルタイムで観察できる。しかしながら、ＤＵＴの数百ミリメートル四方の領域から数マイクロメートルの異常発生箇所を特定する場合（面積換算では６桁落ち程度）、必ずしも異常発生に関わる現象をリアルタイムで観察する必要はない。
【００７３】
そこで、本実施形態の半導体検査装置１Ａでは、ＤＵＴ１７の発熱によるシリコン基板１７ａ内部の光学的距離の変化が正弦波状となるように一定周期のストレス電圧Ｖｓを印加しておき、シリコン基板１７ａを透過した光の位相の変化に伴う干渉光強度を観察して、シリコン基板１７ａ内部の光学的距離の変化の位相遅れおよび減衰を検出することにより、ＤＵＴ１７の異常発生箇所を特定している。これにより、従来のサーマルロックイン計測法と比較して、空間分解能を向上することができる。
【００７４】
更に詳しく説明すると、従来のサーマルロックイン計測法では、矩形波等の時間波形を有するストレス電圧をＤＵＴに印加し、異常発生箇所からの発熱に伴う輻射熱をＩｎＳｂカメラで撮影する。その際、ストレス電圧の周波数の少なくとも２倍以上の周波数でもって撮影を行う。その後、時系列データとして取得された撮像データの各画素に対してフーリエ解析を行い、輻射熱の振幅および位相特性から発熱箇所（異常発生箇所）を特定する。すなわち、サーマルロックイン計測法では、以下の手順に従って計測が行われる。
（１）ＤＵＴに一定周波数のストレス電圧を印加する。
（２）ストレス電圧の変調周波数に応じた発熱変化が生じる。
（３）ストレス電圧の変調周波数より高いサンプリング周波数で連続的な撮像を行う。
（４）撮像データに基づいて、振幅および位相成分を取得する。
【００７５】
しかし、このようなサーマルロックイン計測法の手順を、基板の透過光による干渉像（図１に示した合波光Ｌ４）に適用することは困難である。なぜなら、干渉像の光強度と、ＤＵＴの発熱等に伴う透過光の位相の変化とが互いに非線形だからである。このため、干渉像の光強度と位相差とが互いに非線形であることを考慮した上で、干渉像の光強度から位相差を抽出する方法（位相の復調という）が、種々検討されている。
【００７６】
例えば、局所的な部位（ワンポイント）を計測する方法として、光ヘテロダイン法がある。光ヘテロダイン法では、原理上、光の位相φと、光を変調するための変調波の位相φｍとの和（φ＋φｍ）が得られる。このようなワンポイント計測では、時刻０を基準として、すなわち（φ０＋φｍ）を初期位相φ０として、局所部位での光位相φの時間変化を測定する。したがって、時刻０の時点における初期位相φ０を全く考慮する必要はない。この初期位相φ０は、ＤＵＴ上面の面精度（平坦度）に依存するが、多くの場合、ＤＵＴ上面にはナノメートルのオーダーで凹凸が存在するので、初期位相φ０はＤＵＴの面内において均一ではない。
【００７７】
半導体検査装置に求められていることは、半導体装置の異常発生箇所を特定することであるから、正常な他のポイントとの関係が重要である。すなわち、ＤＵＴの面内において初期位相φ０が不均一であることは、各ポイントにおいてオフセットが存在することを意味する。このようなオフセットを含んだ状態で、正常な他のポイントとの比較により発熱箇所（異常発生箇所）を特定することは困難である。このため、光ヘテロダイン法等のワンポイント計測による方法では、異常発生箇所を正確に特定するために初期位相φ０の分布を何らかの手段を用いて予め測定しておく必要がある。したがって、ワンポイント計測技術を、ＤＵＴの面内（すなわち二次元）における計測に応用して半導体装置の異常発生箇所を特定することは困難である。
【００７８】
また、二次元で得られた光干渉像から光位相φを復調する方法として、フーリエ変換法や位相シフト法がある。これらの方法を用いて二次元干渉像から光位相φ（ｔ，ｘ，ｙ）を求め、得られた光位相φ（ｔ，ｘ，ｙ）についてサーマルロックイン計測法と同様の手順を用いれば、熱位相Φや熱振幅Ａを算出することができる。これは、光位相φと熱膨張とが互いに線形の関係にあるからである。しかし、フーリエ変換法では、干渉像内に空間的に縞を多数作成することによってキャリア信号を生成する。このため、フーリエ変換法を用いる場合、例えば本実施形態のフィードバック機構（光源３２、ダイクロイックミラー３３及び３４、圧電素子３６、変調器３７、フォトダイオード３８、乗算器３９、およびフィードバック回路４０）のような機構を設けることは困難であり、干渉計のノイズを除去することが難しい。または観察視野内に、熱的膨張がないとわかっている箇所があれば、それを基準点として位相ノイズをキャンセル方法があるが、発熱箇所が未知のサンプルを計測する場合、その基準点を設けることは困難である。また、位相シフト法では、本実施形態のフィードバック機構のようなものを設けることは可能であるが、光位相φが互いに異なり且つ光位相φが既知である少なくとも３枚の干渉像が必要なので、測定時間が長くなるという問題がある。また、ナノメートルオーダーで参照用ミラーを断続的に制御する必要があるので、装置構成が複雑になるという問題もある。
【００７９】
これに対し、本実施形態の半導体検査装置１Ａにおいては、光干渉像に基づいて光位相φを復調するのではなく、ＤＵＴ１７の発熱によるシリコン基板１７ａ内部の光学的距離の時間変化が正弦波状となるように一定周期のストレス電圧Ｖｓを印加しておくことによって、光干渉像（合波光Ｌ４）から、直接的に熱位相Φおよび熱振幅Ａを求めることができる。したがって、フーリエ変換法を用いた従来装置と比較して、フィードバック機構を設けて干渉計のノイズを除去することができ、より正確に異常発生箇所を特定することができる。すなわち、半導体検査装置１Ａではフーリエ変換法を用いないため、光源３２からの光束Ｌ５を、低コヒーレンス光源１１からの光束Ｌ１と同軸の光路上に導波させて、干渉計内の位相ノイズを相殺するフォードバック機構の導入を容易にできる。
【００８０】
また、半導体検査装置１Ａによれば、位相シフト法を用いた従来装置と比較して、測定時間を短くでき（例えばπ／２位相シフト法を用いる場合と比較して３分の１以下の時間で計測できる）、また、参照ミラーを変調するための機構が不要になり、装置構成を簡易にできる。
【００８１】
また、本実施形態の半導体検査装置１Ａによれば、光干渉像（合波光Ｌ４）から光位相φを定量することなく、熱拡散による熱振幅Ａの減衰や、熱位相Φの遅れの様子を定量的情報として得ることができるので、機構を単純化させることができる。なお熱振幅の減衰量は温度差（℃）を表し、熱位相Φは熱伝導の時間遅れを表す。
【００８２】
なお、本実施形態ではＤＵＴ１７の発熱箇所を二次元で計測する例を示したが、半導体検査装置１Ａの構成はワンポイント計測にも適用可能である。
【００８３】
本実施形態の半導体検査装置１Ａの構成と、従来のワンポイント計測や位相シフト法を用いた半導体検査装置の構成との違いを図示して説明する。図１２は、従来のワンポイント計測や位相シフト法を用いた半導体検査装置１００の構成例を示すブロック図である。また、図１３は、本実施形態の半導体検査装置１Ａの構成を簡略的に示すブロック図である。図１２に示すように、従来の半導体検査装置１００では、信号発生器１０１によって変調器１０２を制御して参照光ＬＲを変調し、一方でＤＵＴ１０３にストレス印加装置１０４からストレス電圧を印加する。そして、ＤＵＴ１０３を透過したサンプル光ＬＳと、参照光ＬＲとを合波して干渉像とし、この干渉像をカメラ１０５によって撮像する。その後、同期検波を行い、ワンポイント計測や位相シフト法により光位相及び光振幅を復調したのち、光位相及び光振幅に基づいて熱位相Φ及び熱振幅Ａを算出する。
【００８４】
一方、図１３に示すように、本実施形態の半導体検査装置１Ａでは、カメラ１９によって取得された撮像データ（干渉像）から直接、熱位相Φ及び熱振幅Ａを算出する。なお、このように熱位相Φ及び熱振幅Ａを直接求める方法については、前述した非特許文献１および特許文献１に記載があるが、非特許文献１および特許文献１ではワンポイント計測について述べているだけであり、二次元計測へ単純に拡張できるものではない。
【００８５】
（第２の実施の形態）
図１４は、本発明の第２実施形態に係る半導体検査装置１Ｂの構成を示す図である。半導体検査装置１Ｂは、上述した第１実施形態の半導体検査装置１Ａと同様に、シリコン基板１７ａ（図２を参照）を透過する波長の光をＤＵＴ１７に照射し、この位相遅れを光干渉計測技術を使用して高精度で計測することにより、発熱に伴うシリコン基板１７ａの膨張や屈折率変化等を検知して、発熱箇所を特定する。
【００８６】
本実施形態の半導体検査装置１Ｂは、干渉計内の位相安定化を不要とする為に、同軸光路タイプの干渉計（ミラウ型干渉計）を基本にした装置構成を有する。図１４に示すように、半導体検査装置１Ｂは、ハロゲン光源２５、フィルタ２６、レンズ２７、ハーフミラー２８、及び対物レンズ２９を備える。これらは、シリコン基板１７ａを透過した光に関する干渉像を生成するための本実施形態における干渉光学系を構成する。また、半導体検査装置１Ｂは、第１実施形態と同様に、レンズ１８、ＩＲカメラ１９、フレームメモリ２０、演算部２１、ストレス印加装置２２、ペルチェ素子２３、温度制御コントローラ２４、基準信号発生装置５４、および分周器５５を備えるが、これらの構成および機能（作用）は第１実施形態と同じであるため、詳細な説明を省略する。
【００８７】
ハロゲン光源２５から出力された広帯域光は、フィルタ２６を通過する。その際、ＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａを透過する波長を含む光束Ｌ１１のみがフィルタ２６を透過する。光束Ｌ１１はレンズ２７によって、サンプル面にていわゆるケラー照明を実現する。その後、光束Ｌ１１はハーフミラー２８によって反射される。対物レンズ２９はいわゆるミラウ型の対物レンズであり、光束Ｌ１１は対物レンズ２９を通過してＤＵＴ１７に達する。ＤＵＴ１７に達した光束Ｌ１１は、シリコン基板１７ａを透過し、シリコン基板１７ａと回路層１７ｂとの界面にて反射したのち、再び対物レンズ２９へ戻る。そして、対物レンズ２９において干渉像が生成され、該干渉像を含む光束Ｌ１２がハーフミラー２８およびレンズ１８を通過してＩＲカメラ１９へ入射する。
【００８８】
本発明に係る半導体検査装置は、半導体検査装置１Ｂのような光学系を有してもよく、第１実施形態の半導体検査装置１Ａと同様の作用効果を奏することができる。すなわち、半導体検査装置１Ｂによれば、位相ノイズがより少ないミラウ型の干渉顕微鏡を使用することにより、参照ミラーを変調するための機構が不要になり、装置構成を簡易にできる。
【００８９】
また、半導体検査装置１Ｂによれば、光干渉像から光位相φを定量することなく、熱拡散による熱振幅Ａの減衰や、熱位相Φの様子を定量的情報として得ることができるので、機構を単純化させることができる。
【００９０】
（第３の実施の形態）
図１５は、本発明の第３実施形態に係る半導体検査装置１Ｃの構成を示す図である。半導体検査装置１Ｃは、上述した第１実施形態の半導体検査装置１Ａと同様に、シリコン基板１７ａ（図２を参照）を透過する波長の光をＤＵＴ１７に照射し、この位相遅れを光干渉計測技術を使用して高精度で計測することにより、発熱に伴うシリコン基板１７ａの膨張や屈折率変化等を検知して、発熱箇所を特定する。
【００９１】
本実施形態の半導体検査装置１Ｃでは、シリコン基板１７ａの上面（光入射面）からの反射光と、下面（回路層１７ｂとの界面）からの反射光とを相互に干渉させることによって、同軸の光路を有する干渉計を実現している。
【００９２】
具体的には、半導体検査装置１Ｃは、図１５に示すように、第１実施形態と同様の機能を有するＩＲカメラ１９、フレームメモリ２０、及び演算部２１を備える。また、半導体検査装置１Ｃは、照明光源６１、レーザ光源６２、ビームスプリッタ６３〜６５、対物レンズ６６、可動ミラー６７、ミラー６８、光路長補正部材６９及び７０、フォトダイオード７１、結像レンズ７２、並びにフィルタ７３を備える。これらの光学部材のうち、ビームスプリッタ６３〜６５、対物レンズ６６、可動ミラー６７、固定ミラー６８、光路長補正部材６９及び７０、フォトダイオード７１、結像レンズ７２、並びにフィルタ７３は、シリコン基板１７ａを透過した光に関する干渉像を生成するための本実施形態における干渉光学系を構成する。
【００９３】
照明光源６１から出力された光束Ｌ２１は、ＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａを透過する波長を含む。光束Ｌ２１は、ビームスプリッタ６３によって反射され、対物レンズ６６を通過してＤＵＴ１７に達する。ＤＵＴ１７に達した光束Ｌ２１の一部はシリコン基板１７ａ（図２を参照）において反射され、他の一部はシリコン基板１７ａと回路層１７ｂとの境界面において反射される。そして、これらの反射光を含む光束Ｌ２２が、対物レンズ６６及びビームスプリッタ６３を通過してビームスプリッタ６４に達する。
【００９４】
ビームスプリッタ６４では、光束Ｌ２２が二つの光束Ｌ２３，Ｌ２４に分岐される。一方の光束Ｌ２３は、可動ミラー６７において反射したのち光路長補正部材６９を透過する。他方の光束Ｌ２４は、光路長補正部材７０を透過したのちミラー６８において反射する。これらの光学部材（可動ミラー６７、ミラー６８、光路長補正部材６９及び７０）は、シリコン基板１７ａの上面からの反射光と下面からの反射光との光路差を調整して好適に干渉させるための光学的遅延回路を構成している。光束Ｌ２３及びＬ２４はビームスプリッタ６５において再び合波され、結像レンズ７２及びフィルタ７３を通過してＩＲカメラ１９へ入射する。
【００９５】
また、レーザ光源６２から出射されたレーザ光Ｌ２５は、ビームスプリッタ６４へ入射する。レーザ光Ｌ２５は、ビームスプリッタ６４によって二つのレーザ光Ｌ２６，Ｌ２７に分岐される。一方のレーザ光Ｌ２６は、光束Ｌ２３と同じ光軸でもってビームスプリッタ６５に達する。他方のレーザ光Ｌ２７は、光束Ｌ２４と同じ光軸でもってビームスプリッタ６５に達する。レーザ光Ｌ２６及びＬ２７はビームスプリッタ６５において合波され、フォトダイオード７１によってその光強度が検出される。フォトダイオード７１における検出信号は、光学的遅延回路内の位相ノイズをキャンセルするために、圧電素子６８ａへフィードバックされる。なお、ミラー６８は、ミラー６８に固定された圧電素子６８ａによって、ビームスプリッタ６４からビームスプリッタ６５へ向かう２つの光Ｌ２６，Ｌ２７の光路長の差が一定に保持されるように駆動される。
【００９６】
なお、本実施形態においても、ＩＲカメラ１９、フレームメモリ２０、及び演算部２１の構成および機能は第１実施形態と同様である。
【００９７】
本発明に係る半導体検査装置は、半導体検査装置１Ｃのような光学系を有してもよく、第１実施形態の半導体検査装置１Ａと同様の作用効果を奏することができる。すなわち、半導体検査装置１Ｃによれば、測定時間を短くでき、また、参照ミラーを変調するための機構が不要になり、装置構成を簡易にできる。
【００９８】
また、半導体検査装置１Ｃによれば、光干渉像から光位相φを定量することなく、熱拡散による熱振幅Ａの減衰や、熱位相Φの様子を定量的情報として得ることができるので、機構を単純化させることができる。
【００９９】
本発明による半導体検査装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではＤＵＴが有する基板としてシリコン基板を例示したが、本発明による半導体検査装置は、これに限らず種々の材料からなる基板を有するＤＵＴを検査できる。
【０１００】
また、本発明による半導体検査装置は、視野を移動させながら複数回の撮像を行うための機構を更に備えてもよい。この場合、演算手段（演算部２１）は、複数回の撮像により得られた複数の撮像データを相互に繋ぎ合わせて演算を行うことが好ましい。
【符号の説明】
【０１０１】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…半導体検査装置、１１…低コヒーレンス光源、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１８，２７…レンズ、１３…ビームスプリッタ、１４，１６，２９，６６…対物レンズ、１５…ミラー、１７…被検査デバイス（ＤＵＴ）、１７ａ…シリコン基板、１７ｂ…回路層、１７ｃ…樹脂モールド、１９…カメラ、２０…フレームメモリ、２１…演算部、２２…ストレス印加装置、２３…ペルチェ素子、２４…温度制御コントローラ、２５…ハロゲン光源、２６，７３…フィルタ、２８…ハーフミラー、３２…光源、３３，３４…ダイクロイックミラー、３６…圧電素子、３７…変調器、３８，７１…フォトダイオード、３９…乗算器、４０…フィードバック回路、５４…基準信号発生装置、５５…分周器、６１…照明光源、６２…レーザ光源、６３〜６５…ビームスプリッタ、６７…可動ミラー、６８…固定ミラー、６８ａ…圧電素子、６９，７０…光路長補正部材、７２…結像レンズ、Ｖｓ…ストレス電圧。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体検査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体検査装置には、被検査デバイス（ＤＵＴ：Device Under Test）における数マイクロメートルやサブミクロンといった極めて小さな異常発生箇所を短時間で特定することが求められる。ＤＵＴの異常発生箇所を特定する一つの方法として、サーマルロックイン計測法がある。この方法では、ＤＵＴの異常に伴う電流集中による発熱から生じる輻射熱を、赤外線カメラ（例えばＩｎＳｂカメラなど）によって撮影する。しかし、このような輻射熱の波長は３．５［μｍ］〜５．２［μｍ］と長く、近年の半導体デバイスの微細化に伴って高い空間解像度が要求されるなか、サーマルロックイン計測法の空間解像度は輻射熱の波長の半分程度（１［μｍ］〜２［μｍ］）に抑えられてしまう。
【０００３】
一方、基板の材料（例えばシリコン）を透過する波長の光（例えば波長１．３［μｍ］の光）をＤＵＴに照射すると、異常発生箇所の発熱に伴う基板の膨張や屈折率変化等といった光学的距離の変化により、異常発生箇所からの反射光は正常箇所からの反射光に対し位相遅れを生じる。この位相遅れを光干渉計測技術を使用して高精度で計測することにより、発熱箇所（異常発生箇所）の特定だけでなく、その現象をリアルタイムで観察できる。
【０００４】
しかし、基板における光学的距離の変化を光干渉計を用いて計測する方式では、光干渉計における参照光及びサンプル光の位相差と、ＤＵＴに印加される電圧波形に対する熱膨張波形の位相遅れとが混信することが問題となる。この混信を回避する方法として、非特許文献１では、０次元計測（ポイントセンシング）において参照光及びサンプル光の光路長差または電気信号の位相を予め調節して、光位相差をゼロまたはπ／２とする方式を採用している。
【０００５】
また、ＤＵＴの異常発生箇所を特定するためには、ＤＵＴをワンポイントではなく二次元的に検査する必要がある。非特許文献２では、非特許文献１に示されたワンポイントセンシングの機構において、ＤＵＴをＸＹステージ上に載置し、二次元的に光を走査する方法が提案されている。
【０００６】
また、特許文献１には、光エネルギーが熱エネルギーに変換される光熱変位効果を利用して、正弦波状に強度変調された光をＤＵＴの測定しようとする箇所に照射して当該箇所の温度を上昇させ、そのときの熱膨張波形の振幅及び位相を、光干渉計にて同期検波して求める方法が述べられている。
【０００７】
また、特許文献２に記載された方法は、マイケルソン型干渉顕微鏡を用い、１０ナノ秒ないし５００ナノ秒、或いはそれ以上の長いストレスパルスをＤＵＴに与え、ストレスパルス印加時及びストレスパルス印加後といった二つの異なる状態での干渉像を取得し、差分画像を作成することで、発熱箇所を特定しようとするものである。
【０００８】
また、非特許文献３に記載された方法は、特許文献２に記載された方法を改良したものであり、音響光学素子（ＡＯＭ：Acoustic-Optical Modulator）を用いて光をパルス状に変調し、光位相を近似にて推定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３２０３９３６号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／００３６１５１号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】M.Goldstein, “Heterodyn interferometer for the detection of electricand thermal signals in integrated circuits through the substrate”, Review ofScientific Instruments, American Institute of Physics, 64(10), pp.3009-3013(1993)
【非特許文献２】C. Furbock, “Thermal and free carrier concentration mapping during ESDevent in Smart Power ESD protection devices using an inproved laserinterferometric technique”, Microelectronics Reliability, elsevier, 40,pp.1365-1370 (2000)
【非特許文献３】V.Dubec, “Backside interferometric methods for localization ofESD-induced leakage current and metal shorts”, Microelectronics Reliability,elsevier, 47, pp.1549-1554 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、非特許文献１に記載された方法はワンポイントセンシングに限られ、半導体デバイスの異常検出といった或る領域内での二次元計測には適用し難い。非特許文献２に記載された方式を用いれば非特許文献１に記載された方法を二次元計測に応用できるが、光位相φを０またはπ／２に保持する為に、ＤＵＴ自身をＸＹステージに乗せ走査するため測定時間が長くなり、装置構成も複雑になってしまう。また、照射光を走査する方法としてガルバノミラー等の走査機構を設ける方法が考えられるが、光干渉計における参照光及びサンプル光の位相差と、ＤＵＴに印加される電圧波形に対する熱膨張波形の位相遅れとの混信を防ぐために、予め、全ての測定領域における位相差を予め測定しておくか、或いは所定の値に調整しておく必要がある。したがって、半導体デバイスの異常検出に手間と時間とを要してしまう。
【００１２】
また、特許文献１には、正弦波状に強度変調された光をＤＵＴに照射し、ＤＵＴにおける熱膨張もこの光と等しい周波数にて正弦波変調されるので、ロックインアンプを用いて上記周波数にて同期検波することにより、干渉像から熱膨張波形の振幅Ａと位相遅れΦを直接計測できることが開示されている。しかし、ＤＵＴへの照射光に加えて励起光を必要とするため、構造が複雑となる。また、試料の光学的距離変化と比べ、温度に対する感度が小さい熱伝導率及び線膨張係数の温度変化を熱膨張変位量として検出しているため、検出される温度変化の精度が±１０℃とあまり高くなく、半導体デバイスの異常箇所を特定することは難しいと考えられる。
【００１３】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、高い空間解像度を有しており、検査に要する時間を短くでき、且つ簡易な構成によって半導体デバイスの異常箇所を特定可能な半導体検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記した課題を解決するために、本発明による半導体検査装置は、基板を有する被検査デバイスの異常発生箇所を特定するための半導体検査装置であって、被検査デバイスの端子電極にストレス電圧を印加するストレス印加手段と、基板を透過する波長の光を発生する光源と、光源から提供された光を基板に照射し、基板を透過した光に関する干渉像を生成する干渉光学系と、干渉像を撮像して撮像データを生成する撮像手段と、撮像データに基づいて、異常発生箇所としての被検査デバイスの発熱箇所を特定するための情報を演算する演算手段とを備える。この半導体検査装置は、ストレス電圧の時間波形が、一定周期の繰り返し波形であって、被検査デバイスの発熱による基板内部の光学的距離の時間変化を正弦波状とする時間波形であることを特徴とする。
【００１５】
また、半導体検査装置は、演算手段が、干渉像に含まれる基板を透過した光の位相遅れの分布を、被検査デバイスの発熱箇所を特定するための情報として算出することを特徴としてもよい。
【００１６】
また、半導体検査装置は、ストレス電圧の時間波形が正弦波状であることを特徴としてもよい。
【００１７】
また、半導体検査装置は、ストレス電圧の時間波形が、一定周期の基本波に高調波が重畳された波形であることを特徴としてもよい。この場合、ストレス電圧の時間波形は、一定周期で繰り返される矩形波であってもよい。
【００１８】
また、半導体検査装置は、被検査デバイスの端子電極が電源端子であることを特徴としてもよい。この場合、ストレス印加手段は、被検査デバイスの信号端子に通常動作時の信号を入力してもよい。
【００１９】
また、半導体検査装置は、被検査デバイスの端子電極が信号端子であることを特徴としてもよい。この場合、ストレス印加手段は、被検査デバイスの電源端子に通常動作時の電源電圧を供給してもよい。
【００２０】
また、半導体検査装置は、視野を移動させながら複数回の撮像を行うための機構を更に備え、演算手段は、複数回の撮像により得られた複数の撮像データを相互に繋ぎ合わせて演算を行うことを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高い空間解像度を有しており、検査に要する時間を短縮でき、簡易な構成によって半導体デバイスの異常箇所を特定可能な半導体検査装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体検査装置１Ａの構成を示す図である。
【図２】半導体検査装置１Ａの被検査デバイス（ＤＵＴ）１７付近の構造を拡大して示す断面図である。
【図３】半導体検査装置１ＡがＤＵＴ１７の微細な発熱箇所を検知する際の原理を説明するための図である。
【図４】ビームスプリッタＢＳ、ミラーＭ、およびカメラＣからなる干渉計を示す図である。
【図５】図４のカメラＣにおける撮像データの一例である。
【図６】シリコン厚さｄが４００［μｍ］である場合における、発熱点直下での熱周波数応答曲線である。
【図７】基準信号ＳＰ１（図７（ａ））、ＩＲカメラ１９のトリガ信号（図７（ｂ））、ストレス印加装置２２のトリガ信号（図７（ｃ））、およびシリコン基板１７ａの熱膨張波形（図７（ｄ））の関係を示すタイミングチャートである。
【図８】基本波のフーリエ係数ａ１の分布の例を示す図であり、式（７）の演算結果を示している。
【図９】基本波のフーリエ係数ｂ１の分布の例を示す図であり、式（８）の演算結果を示している。
【図１０】（ａ）フーリエ係数ａ１，ｂ１から算出された熱位相Φの分布の例を示す図であり、式（９）の演算結果を示している。（ｂ）（ａ）の一部を拡大した図である。
【図１１】図８、図９、および図１０に示した実施例において、式（１４）によって求めた熱振幅Ａの分布の例を示す図である。
【図１２】従来のワンポイント計測法（光ヘテロダイン干渉法）や位相シフト法を用いた半導体検査装置１００の構成例を示すブロック図である。
【図１３】半導体検査装置１Ａの構成を簡略的に示すブロック図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る半導体検査装置１Ｂの構成を示す図である。
【図１５】本発明の第３実施形態に係る半導体検査装置１Ｃの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体検査装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体検査装置１Ａの構成を示す図である。また、図２は、半導体検査装置１ＡのＤＵＴ１７付近の構造を拡大して示す断面図である。本実施形態の半導体検査装置１Ａは、検査対象であるＤＵＴ１７の微細な発熱箇所を検知することにより、ＤＵＴ１７の異常発生箇所を特定するための装置である。
【００２５】
ＤＵＴ１７は、図２に示すように、シリコン基板１７ａと、シリコン基板１７ａの下面に設けられた回路層１７ｂと、シリコン基板１７ａ及び回路層１７ｂを覆う樹脂モールド１７ｃとを備える。本来、シリコン基板１７ａ及び回路層１７ｂは樹脂モールド１７ｃによって完全に覆われているが、このＤＵＴ１７では、検査のためシリコン基板１７ａの上面が露出するように樹脂モールド１７ｃの一部が除去されている。尚、回路層１７ｂは、半導体回路が形成されていてシリコン基板１７ａに温度変化を与えるものである。
【００２６】
ここで、図３は、半導体検査装置１ＡがＤＵＴ１７の微細な発熱箇所を検知する際の原理を説明するための図である。図３（ａ）に示すように、ＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａの光学的厚さは、基板厚さをＬ、屈折率ｎを用いてｎＬと表される。なお、シリコンの屈折率ｎは３．５である。このシリコン基板１７ａの温度がＴ［Ｋ］上昇した場合、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板１７ａの光学的厚さは（ｎＬ＋ΔｎＴＬ＋αＬＴｎ）に変化する。Δｎは温度変化に対する屈折率変化係数であり、シリコンの場合５×１０−５［Ｋ−１］である。αは温度変化による線膨張率であり、シリコンの場合３．５×１０−６［Ｋ−１］である。
【００２７】
そこで、シリコン基板１７ａを透過する波長の光（例えば波長１．３［μｍ］の光）をＤＵＴ１７に照射すると、発熱に伴うシリコン基板１７ａの膨張や屈折率変化等により、発熱箇所からの反射光は正常箇所または発熱現象が起こる前の状態からの反射光に対し位相遅れを生じる。したがって、図４に示すように、ビームスプリッタＢＳ、ミラーＭ、およびカメラＣからなる干渉計を構成し、シリコン基板１７ａを透過する波長の光Ｌａをこの干渉計に入射すると、この位相遅れに起因する干渉縞変化を観察することができる。図５はカメラＣにおける撮像データの一例であり、干渉縞の位相が本来の位相（図中のラインＰＨ１）から部分的に遅れていることがわかる（図中のラインＰＨ２）。なお、シリコン基板１７ａの厚さが４００［μｍ］である場合、温度変化１［Ｋ］あたりのシリコン基板１７ａ光学的厚さの変化量は７５［ｎｍ／Ｋ］であり、したがって、反射光同士の干渉を計測する図４に示す干渉計では、往復光路分の１５０［ｎｍ／Ｋ］となる。光の波長が１．３［μｍ］である場合、干渉縞の明から明の間隔の１／９、すなわち４０°の位相遅れを生じる。
【００２８】
半導体検査装置１Ａは、シリコン基板１７ａを透過する波長の光をＤＵＴ１７に照射し、この位相遅れを光干渉計測技術を使用して高精度で計測することにより、発熱に伴うシリコン基板１７ａの膨張や屈折率変化等を検知して、発熱箇所を特定する。
【００２９】
上述した発熱箇所の検知を正確に行う為に、本実施形態の半導体検査装置１Ａは、マイケルソン干渉計において分岐された二つの光路の双方に対物レンズを配置した、リニック（Ｌｉｎｎｉｋ）型干渉計を基本にした装置構成となっている。図１に示すように、半導体検査装置１Ａは、低コヒーレンス光源１１、レンズ１２ａ及び１２ｂ、ビームスプリッタ１３、対物レンズ１４、ミラー１５、対物レンズ１６、ＩＲカメラ１９、及びフレームメモリ２０を備える。
【００３０】
低コヒーレンス光源１１は、いわゆるスーパールミネッセンス・ダイオード（ＳＬＤ）を含んで構成されており、ＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａを透過する波長を含む光、例えば中心波長１．３［μｍ］、波長幅２０［ｎｍ］の光束Ｌ１を出力する。低コヒーレンス光源１１としては、例えばファイバーラボ（ＦｉｂｅｒＬａｂ）社製型番ＳＬＤ−１３１−０４（中心波長１．３［μｍ］、波長半値幅２０［ｎｍ］、最大パワー４［ｍＷ］）といったファイバ出力タイプの光源を使用することができる。光源としてＳＬＤを使用する理由は、その可干渉距離を利用して、シリコン基板１７ａの上面からの反射光と、シリコン基板１７ａの内部を通って下面において反射した光とを好適に区別することができるからである。
【００３１】
レンズ１２ａ及び１２ｂ、ビームスプリッタ１３、対物レンズ１４、ミラー１５、及び対物レンズ１６は、低コヒーレンス光源１１から提供された光束Ｌ１をシリコン基板１７ａに照射し、シリコン基板１７ａを透過した光に関する干渉像を生成するための干渉光学系を構成する。
【００３２】
レンズ１２ａは、低コヒーレンス光源１１と光学的に結合されており、低コヒーレンス光源１１の光ファイバ出力端から出射された光束Ｌ１をコリメートする。レンズ１２ｂは、レンズ１２ａを通過した光束Ｌ１を集光する。ビームスプリッタ１３は、レンズ１２ａ及び１２ｂを介して低コヒーレンス光源１１と光学的に結合されており、レンズ１２ａ，１２ｂを通過した光束Ｌ１を二つの光束Ｌ２（参照光）及びＬ３（サンプル光）に分岐する。対物レンズ１４は、ビームスプリッタ１３の一方の反射面とミラー１５との間に配置されており、ビームスプリッタ１３から分岐された一方の光束Ｌ２（参照光）の焦点をミラー１５の表面に合わせる。対物レンズ１４の拡大倍率は、例えば５倍である。ミラー１５は、光束Ｌ２（参照光）を反射して再びビームスプリッタ１３へ戻す。
【００３３】
対物レンズ１６は、ビームスプリッタ１３の他方の反射面とＤＵＴ１７との間に配置されており、ビームスプリッタ１３から分岐された他方の光束Ｌ３（サンプル光）の焦点をＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａと回路層１７ｂとの界面に合わせる。対物レンズ１６の拡大倍率は例えば５倍であり、対物レンズ１４の拡大倍率と等しい。ＤＵＴ１７に達した光束Ｌ３は、シリコン基板１７ａを透過し、シリコン基板１７ａと回路層１７ｂとの界面にて反射したのち、再びビームスプリッタ１３へ戻り、光束Ｌ２の戻り光と合波されて干渉像を構成する。
【００３４】
ＩＲカメラ１９は、本実施形態における撮像手段であり、低コヒーレンス光源１１の出力波長である１．３［μｍ］付近の波長域に感度を有する撮像素子を内蔵している。ＩＲカメラ１９は、レンズ１８を介してビームスプリッタ１３と光学的に結合されており、光束Ｌ２の戻り光と光束Ｌ３の戻り光とが合波されてなる合波光Ｌ４を撮像する。レンズ１８は、ＩＲカメラ１９の撮像素子面に合波光Ｌ４（干渉像）を結像する。すなわち、レンズ１８は、光束Ｌ３の戻り光に含まれる回路層１７ｂのパターン像と、光束Ｌ２の戻り光に含まれるミラー１５の像とを、ＩＲカメラ１９の撮像素子面に結像する。これにより、必然的に、回路層１７ｂにおいて反射された光束Ｌ３（サンプル光）と、ミラー１５において反射された光束Ｌ２（参照光）とにより形成される、合波光Ｌ４（干渉像）の干渉縞のコントラストが最大となる。
【００３５】
フレームメモリ２０は、ＩＲカメラ１９によって撮影された合波光Ｌ４（干渉像）の撮像データを記憶する。演算部２１は、本実施形態における演算手段である。演算部２１は、フレームメモリ２０に蓄えられた撮像データに基づいて所定の解析演算を行い、ＤＵＴ１７の発熱箇所（すなわち異常発生箇所）を特定するための情報を出力する。演算部２１は、例えばＣＰＵ及びメモリ等を含んで構成される情報処理装置により実現される。
【００３６】
また、半導体検査装置１Ａは、ストレス印加装置２２と、ペルチェ素子２３と、温度制御コントローラ２４とを更に備える。ストレス印加装置２２は、ＤＵＴ１７に対してストレスを印加するためのストレス印加手段であり、具体的には、ＤＵＴ１７の端子電極（電源端子または信号端子）に所定のストレス電圧Ｖｓを印加することにより、ＤＵＴ１７の回路層１７ｂに電流を流す。なお、ＤＵＴ１７の電源端子にストレス電圧Ｖｓを印加する場合、ストレス印加装置２２は、信号端子に通常動作時の信号を入力することが好ましい。また、ＤＵＴ１７の信号端子にストレス電圧Ｖｓを印加する場合、ストレス印加装置２２は、電源端子に通常動作時の電源電圧を入力することが好ましい。
【００３７】
ストレス電圧Ｖｓは、一定周期の繰り返し波形であって、ＤＵＴ１７の発熱によるシリコン基板１７ａ内部の光学的距離の時間変化を、正弦波状のなめらかな変化とするような時間波形を有する。ストレス電圧Ｖｓは、例えば周期的な正弦波状の時間波形となる電圧波形を有する。或いは、ストレス電圧Ｖｓは、一定周期の基本波に高調波が重畳された波形、典型的には周期的な矩形波状の時間波形となる電圧波形を有しても良い。一実施例では、ＤＵＴ１７の正常動作電圧が５［Ｖ］である場合、ストレス電圧Ｖｓの電圧波形は、５［Ｖ］のオン電圧及び０［Ｖ］のオフ電圧を一定周期で繰り返す波形であり、デューティ比は例えば５０％である。ＤＵＴ１７では、このようなストレス電圧Ｖｓの印加によって、断線といった異常発生箇所ではストレス電圧Ｖｓの電力Ｐ（＝Ｖｓ２／Ｒ、Ｒは異常発生箇所の抵抗値）に比例する熱が発生し、当該箇所のシリコン基板１７ａが膨張する。
【００３８】
また、ストレス電圧Ｖｓの繰り返し周波数は、次のように決定される。シリコン基板１７ａを厚さ方向に光が透過する場合、その光学的距離はシリコンの熱膨張により変化する。また、シリコンの熱膨張反応は、断線等の異常発生箇所からの発熱に対して或る時定数をもって生じる。すなわち、ストレス電圧Ｖｓの繰り返し周期がシリコン基板１７ａ側の熱膨張反応の応答速度に対して比較的短い場合、シリコン基板１７ａ内の光学的距離の変化は、ストレス電圧Ｖｓの変化に遅れて追従すると共に、その熱振幅も減衰することとなる。したがって、ストレス電圧Ｖｓの繰り返し周期が適切に決定された場合、シリコン基板１７ａ内の光学的距離の変化が、基本周波数のみを含む時間関数（すなわち正弦波）となる。本実施形態において、ストレス電圧Ｖｓの繰り返し周波数は、このようにシリコン基板１７ａ内の光学的距離の変化が正弦波状の時間関数となるように決定される。
【００３９】
ストレス印加装置２２によって一定周期のストレス電圧Ｖｓが印加されると、ＤＵＴ１７全体に熱が蓄積される。ペルチェ素子２３は、その一方の面（吸熱面）上にＤＵＴ１７を載置しており、他方の面（放熱面）が放熱部材（不図示）と接している。ペルチェ素子２３は、ＤＵＴ１７に蓄積された熱を吸熱面から吸収し、放熱面から放出する。温度制御コントローラ２４は、ペルチェ素子２３に駆動電流Ｉｄを与える電気回路であり、ＤＵＴ１７が一定温度になるように駆動電流Ｉｄを生成する。ペルチェ素子２３及び温度制御コントローラ２４は、ＤＵＴ１７の熱的な平衡状態を短時間で実現する。なお、ＤＵＴ１７の設定温度は、例えば２５℃である。
【００４０】
ここで、ストレス電圧Ｖｓの繰り返し周波数の決定方法について更に説明する。シリコン基板１７ａを構成するシリコンの熱伝導率κ、比熱ｃおよび密度ρから、シリコン基板１７ａの熱抵抗Ｒｈおよび熱容量Ｃｈは次式（１）および（２）によって算出される。
【数１】
【数２】
【００４１】
こうして求められるシリコン基板１７ａの熱抵抗Ｒｈおよび熱容量Ｃｈから、熱入力に対するシリコン基板１７ａの膨張反応の時定数τ（＝Ｃｈ・Ｒｈ）を求めると、
【数３】
となる。ここで、ｄ［ｃｍ］はシリコンの厚みである。よって熱的なカットオフ周波数ｆｃは、次式（４）で与えられる。
【数４】
【００４２】
ここで、ｄは熱拡散長とも呼ばれ、ＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａの厚さに相当する。熱的なカットオフ周波数ｆｃは、例えばシリコン厚さｄが４００［μｍ］である場合、上式（４）により約１８０［Ｈｚ］となる。なお、図６は、シリコン厚さｄが４００［μｍ］である場合における、発熱点直下での熱周波数応答曲線である。ここで、矩形波状のストレス電圧ＶｓをＤＵＴ１７に入力した場合を考える。ストレス電圧Ｖｓの矩形波には、基本波（周波数Ω）の他に、基本周波数Ωの奇数倍の周波数（３Ω、５Ω、７Ω、・・・）を有する高調波成分が含まれるので、例えば基本波の周波数Ωを１８０［Ｈｚ］に設定すれば、３倍波（３Ω＝５４０［Ｈｚ］）の成分の熱振幅は、基本波の熱振幅の約３分の１にまで減衰する。ストレス電圧Ｖｓの矩形波に含まれる３倍波の割合が基本波の３分の１であることを加味すれば、３倍波成分の熱振幅の大きさは、基本波の振幅の９分の１である約１１％となる。このように、ストレス電圧Ｖｓとして高調波を含む波形（例えば矩形波）を入力した場合であっても、シリコン基板１７ａにおける熱的な周波数応答によって、基本波より周波数が高い成分（高調波成分）は大きく減衰を受ける。その結果、シリコン基板１７ａの光学的厚さは、基本波の周波数Ωと同じ周波数を有する正弦波形でもって変調される。
【００４３】
同様に与えるストレス電圧Ｖｓを正弦波としてＤＵＴ１７に入力した場合を考える。ストレス電圧Ｖｓの正弦波を端子電極に加えると熱抵抗によりその２乗にて熱が発生する。すなわちＶｓを式（４ａ）とした場合、
【数５】
熱源での発熱量は式（４ｂ）で表せる。すなわち基本波Ωに加えてその２倍波の周波数成分がＤＵＴ１７に熱として拡散する。
【数６】
この場合、基本波と２倍波の比はｍ／４となる。たとえば変調度ｍを０．２５にとれば、２倍波は基本波の熱振幅の１６分の１にまで減衰する。このように、ストレス電圧Ｖｓとして正弦波を入力した場合であっても、シリコン基板１７ａにおける熱的な周波数応答によって、２倍波は大きく減衰を受ける。その結果、シリコン基板１７ａの光学的厚さは、基本波の周波数Ωと同じ周波数を有する正弦波形でもって変調される。
【００４４】
厳密には、シリコン基板１７ａの厚さｄはＤＵＴ１７の内部構造などに依存するので、上述した理論的な熱的カットオフ周波数ｆｃを得ることはできない。本発明者が実測したところ、ストレス電圧Ｖｓの繰り返し周波数を数ヘルツないし数十ヘルツ程度とすることにより、シリコン基板１７ａ内の光学的距離の変化が正弦波状の時間関数となる良好な結果が得られている。
【００４５】
なお、以下の表１は、シリコンの熱伝導率κ、比熱ｃ、および密度ρといった物性値を示している。
【表１】
【００４６】
そして、上述したような繰り返し周波数を有するストレス電圧ＶｓをＤＵＴ１７に印加することによって、ＩＲカメラ１９に入射する合波光Ｌ４（干渉像）は、以下の式（５）に示される干渉強度Ｉ（ｔ，ｘ，ｙ）を有することとなる。なお、式（５）において、Ｉｒは光束Ｌ２（参照光）の光強度、Ｉｓは光束Ｌ３（サンプル光）の光強度、φは光位相差、ｍは変調度、Ωはストレス電圧Ｖｓの基本周波数、Φはストレス電圧Ｖｓの初期位相である。
【数７】
【００４７】
また、ストレス電圧Ｖｓは、以下の式（６）で表される正弦波の平方根といった電圧波形を有していてもよい。但し、Ｖ０は任意の係数である。
【数８】
ストレス電圧Ｖｓの電力エネルギー（すなわち発熱量）がＶｓの２乗に比例することから、上式（６）で表されるストレス電圧ＶｓをＤＵＴ１７に印加することによって、異常発生箇所では｛１＋ｓｉｎ（Ωｔ）｝に比例した熱が発生することとなる。したがって、式（５）に示したような干渉像、すなわち光学距離が正弦波状に変調された干渉像を好適に得ることができる。
【００４８】
なお、ＩＲカメラ１９は、ＤＵＴ１７に印加されるストレス電圧Ｖｓの基本周波数Ωに対応する周期（２π／Ω）内に少なくとも２回の撮像を行うことが好ましい。
【００４９】
半導体検査装置１Ａは、干渉計の位相ノイズを低減するためのフィードバック機構を更に備えることが好ましい。本実施形態の半導体検査装置１Ａは、このようなフィードバック機構として、光源３２、ダイクロイックミラー３３及び３４、圧電素子３６、変調器３７、フォトダイオード３８、乗算器３９、およびフィードバック回路４０を備える。
【００５０】
光源３２は、光束Ｌ１とは波長が異なる光束Ｌ５を出力する。光束Ｌ５の波長は、ＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａを透過しない波長であり、シリコン基板１７ａの上面（露出面）と空気との界面で反射する波長（例えば６３３［ｎｍ］）である。光源３２から出力された光束Ｌ５は、レンズ１２ｃによってコリメートされる。
【００５１】
ダイクロイックミラー３３は、光源３２から出射された光束Ｌ５と、低コヒーレンス光源１１から出射された光束Ｌ１とを同軸上で合波するための光学部品である。本実施形態のダイクロイックミラー３３は、光束Ｌ１を含む波長域の光を透過し、光束Ｌ５を含む波長域の光を反射する。このダイクロイックミラー３３は、レンズ１２ａから一方の面に入射した光束Ｌ１をレンズ１２ｂへ向けて透過し、レンズ１２ｃから他方の面に入射した光束Ｌ５を、光束Ｌ１と同じ光軸でもってレンズ１２ｂへ向けて反射する。光束Ｌ５は、光束Ｌ１とともにビームスプリッタ１３に入射し、光束Ｌ１と同様に、２本の光束Ｌ６及びＬ７に分岐される。光束Ｌ６は、光束Ｌ２（参照光）とともに対物レンズ１４を通過してミラー１５に到達し、ミラー１５において反射する。光束Ｌ７は、光束Ｌ３（サンプル光）とともに対物レンズ１６を通過してＤＵＴ１７に到達し、シリコン基板１７ａの上面（露出面）で反射する。
【００５２】
これら光束Ｌ６及びＬ７の各反射光は、ビームスプリッタ１３において合波され、合波光Ｌ８となってレンズ１８を通過する。ここで、ダイクロイックミラー３４がレンズ１８とＩＲカメラ１９との間に設けられている。ダイクロイックミラー３４は、合波光Ｌ４とは波長が異なる合波光Ｌ８を合波光Ｌ４から分離するための光学部品である。本実施形態のダイクロイックミラー３４は、合波光Ｌ４を含む波長域の光を透過し、合波光Ｌ８を含む波長域の光を反射する。このダイクロイックミラー３４は、レンズ１８から一方の面に入射した合波光Ｌ４をＩＲカメラ１９へ向けて透過し、同じくレンズ１８から一方の面に入射した合波光Ｌ８を、該一方の面に光結合されたフォトダイオード３８の受光面へ向けて反射する。
【００５３】
フォトダイオード３８では、合波光Ｌ８の光強度に応じた電気信号Ｓ１が生成される。電気信号Ｓ１は、フォトダイオード３８から乗算器３９へ送られる。また、乗算器３９には、変調器３７から出力された正弦波状の電気信号（周波数ω）Ｓ２が更に入力される。乗算器３９は、電気信号Ｓ１，Ｓ２が乗算されて成る電気信号Ｓ３をフィードバック回路４０へ提供する。
【００５４】
フィードバック回路４０は、ミラー１５に固定された圧電素子３６を駆動するための回路である。フィードバック回路４０は、乗算器３９から提供された電気信号Ｓ３と、変調器３７から提供された電気信号Ｓ２とに基づいて、ビームスプリッタ１３とシリコン基板１７ａの上面（露出面）との距離Ｌｓと、ビームスプリッタ１３とミラー１５との距離Ｌｒとの差（Ｌｓ−Ｌｒ）が一定に保持されるように、圧電素子３６を駆動する。
【００５５】
なお、干渉計の位相ノイズを低減するフィードバック方式については、上述したものに限られず、他の様々な方式を適用できる。
【００５６】
続いて、ＩＲカメラ１９における撮影タイミングと、ストレス電圧Ｖｓとの関係について説明する。本実施形態の半導体検査装置１Ａは、ＩＲカメラ１９における撮影タイミングと、ストレス電圧Ｖｓの位相とを適切に調整する為に、基準信号発生装置５４および分周器５５を更に備える。
【００５７】
基準信号発生装置５４は、周期的なパルス信号である基準信号ＳＰ１を発生する装置である。基準信号ＳＰ１は、ＩＲカメラ１９の撮影タイミングを示すトリガ信号の基準としてＩＲカメラ１９へ提供されるとともに、分周器５５にも提供される。分周器５５は、基準信号ＳＰ１を少なくとも２分周以上に分周する。分周された信号ＳＰ２は、分周器５５からストレス印加装置２２へ提供される。ストレス印加装置２２は、信号ＳＰ２の周波数を基本周波数Ωとして、ストレス電圧Ｖｓを生成する。
【００５８】
図７（ａ）〜図７（ｄ）は、基準信号ＳＰ１（図７（ａ））、ＩＲカメラ１９のトリガ信号（図７（ｂ））、ストレス印加装置２２のトリガ信号（すなわち信号ＳＰ２、図７（ｃ））、およびシリコン基板１７ａの熱膨張波形（図７（ｄ））の関係を示すタイミングチャートである。なお、ＩＲカメラ１９のトリガ信号は、ＩＲカメラ１９の露光タイミングおよび露光時間の双方を示している。ＩＲカメラ１９の露光時間は、合波光Ｌ４（干渉像）の変調を損ねない程度の時間に設定されることが好ましい。
【００５９】
基準信号ＳＰ１に示されるタイミングでＩＲカメラ１９により撮影・生成された撮像データは、フレームメモリ２０に蓄積される。演算部２１は、この撮像データを取り出し、以下に述べる方法により解析して、異常発生箇所を特定するための情報としての熱膨張波形の位相遅れ（以下、熱位相という）および熱膨張波形の振幅（以下、熱振幅という）を算出する。
【００６０】
演算部２１では、上式（５）に示した干渉光強度Ｉ（ｔ，ｘ，ｙ）が、ＩＲカメラ１９の各画素毎に時系列データとして得られる。演算部２１は、各画素の時系列データに対して、以下の式（７）及び（８）に示されるフーリエ分析を行うことにより、基本波（周波数Ω）に対するフーリエ係数ａ１及びｂ１を算出する。記号Ａは式（５）中の２√（ＩｓＩｒ）を表す。Ｊ１（ｍ）は変調度ｍに対する１次の第１種ベッセル関数である。
【数９】
【数１０】
【００６１】
そして、演算部２１は、各画素における熱位相Φを、上記基本波のフーリエ係数ａ１及びｂ１を用いて以下の式（９）により求める。
【数１１】
【００６２】
図８は、基本波のフーリエ係数ａ１の分布の例を示す図であり、上式（７）の演算結果を示している。また、図９は、基本波のフーリエ係数ｂ１の分布の例を示す図であり、上式（８）の演算結果を示している。また、図１０（ａ）は、これらのフーリエ係数ａ１，ｂ１から算出された熱位相Φの分布の例であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の一部を拡大した図である。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、上式（９）の演算結果を示している。なお、図８、図９、および図１０において、縦軸および横軸はそれぞれ縦方向および横方向の画素番号を示しており、全視野の実寸法は３［ｍｍ］×２．５［ｍｍ］である。また、図１０において、熱位相Φの単位はラジアンである。
【００６３】
図８、図９、および図１０に示す実施例では、シリコン基板１７ａの厚さが４００［μｍ］であるＤＵＴ１７の電源電圧端子に、ストレス電圧Ｖｓとしてオン電圧５［Ｖ］、オフ電圧０［Ｖ］、デューティ比５０％の矩形波を印加した。また、対物レンズ１４，１６として拡大倍率が５倍のものを使用した。
【００６４】
図１０（ａ）を参照すると、画像の中心から右上の領域に、熱位相Φが比較的小さい領域が存在している。すなわち、この領域において発熱が生じていることを示しており、この領域をＤＵＴ１７における異常発生箇所と特定することができる。なお、図１０（ｂ）はこの領域を拡大して示しており、熱位相Φの表示範囲を狭めてコントラストを高めている。演算部２１は、このような熱位相Φの分布データ又は分布画像を、ＤＵＴ１７の発熱箇所を特定するための情報として算出し、出力する。
【００６５】
熱位相Φは、次に示す関係式（１０）により時間に変換できる。
【数１２】
また、一周期（２π／Ω）内にサンプリング数（すなわちＩＲカメラ１９の撮像回数）が４以上であれば、２倍波に相当するフーリエ係数ａ２及びｂ２を、式（１１）及び（１２）に従い求めることができる。
【数１３】
【数１４】
【００６６】
撮像データの各画素における熱位相Φは、式（１１）及び（１２）によって求められた２倍波のフーリエ係数ａ２及びｂ２を用いて、次の式（１３）のように表される。
【数１５】
【００６７】
演算部２１は、各画素における熱振幅Ａを、基本波のフーリエ係数ａ１及びｂ１、並びに２倍波のフーリエ係数ａ２及びｂ２に基づいて、次の式（１４）によって求める。
【数１６】
ここで、式（１４）におけるＪ１およびＪ２は、変調度ｍに対する第１種ベッセル関数である。実用上、Ｊ２はＪ１の１０分の１程度であるため、２倍波でのＳ／Ｎが低い場合には、光の位相を９０度ずらして同様の計測を行い、位相差ゼロでの基本波のフーリエ係数ａ１（０），ｂ１（０）と、位相差９０°での基本波のフーリエ係数ａ１（π／２），ｂ２（π／２）とを用いて熱位相Φを求めてもよい。
【００６８】
図１１は、図８、図９、および図１０に示した実施例において、式（１４）によって求めた熱振幅Ａの分布の例を示す図である。なお、図１１において、縦軸および横軸はそれぞれ縦方向および横方向の画素番号を示しており、全視野の実寸法は３［ｍｍ］×２．５［ｍｍ］である。また、図１１において、熱振幅Ａの単位は任意単位である。図１１では、段落［００６７］に記載の２倍波でのＳ／Ｎが低い場合の方法は使用していない。
【００６９】
図１１を参照すると、発熱箇所（図中の点Ｐ）から遠い画素ほど、熱振幅Ａが小さくなることがわかる。これは、図６に示したシリコンの熱周波数特性に起因する。したがって、熱振幅Ａが大きい箇所を、ＤＵＴ１７における異常発生箇所と特定することができる。この実施例では、図１１に示す熱振幅Ａの画像により特定された異常発生箇所は、図１０（ａ）に示した熱位相Φの画像により特定された異常発生箇所と一致した。
【００７０】
なお、Ｓ／Ｎが十分に確保される場合、式（５）から示唆されるように、高調波成分を多数含むため、高調波周波数ｍΩおよびｎΩに対して、撮像データの各画素における熱位相Φおよび熱振幅Ａは、以下の式（１５）及び（１６）によっても表される。ただし、式（１５），（１６）においてｉ，ｊは整数である。
【数１７】
【数１８】
また、次数ｉとｊのベッセル関数の比（Ｊｊ／Ｊｉ）は、下記の式（１７）によって算出される。
【数１９】
【００７１】
以上に説明した、本実施形態による半導体検査装置１Ａが奏する作用効果について説明する。
【００７２】
前述したように、基板の材料（例えばシリコン）を透過する波長の光をＤＵＴに照射すると、異常発生箇所の発熱に伴う基板の膨張や屈折率変化等により、異常発生箇所からの反射光は正常箇所からの反射光に対し位相遅れφを生じる。この位相遅れφを光干渉計測技術を使用して高精度で計測することにより、発熱箇所（異常発生箇所）の特定だけでなく、その現象をリアルタイムで観察できる。しかしながら、ＤＵＴの数百ミリメートル四方の領域から数マイクロメートルの異常発生箇所を特定する場合（面積換算では６桁落ち程度）、必ずしも異常発生に関わる現象をリアルタイムで観察する必要はない。
【００７３】
そこで、本実施形態の半導体検査装置１Ａでは、ＤＵＴ１７の発熱によるシリコン基板１７ａ内部の光学的距離の変化が正弦波状となるように一定周期のストレス電圧Ｖｓを印加しておき、シリコン基板１７ａを透過した光の位相の変化に伴う干渉光強度を観察して、シリコン基板１７ａ内部の光学的距離の変化の位相遅れおよび減衰を検出することにより、ＤＵＴ１７の異常発生箇所を特定している。これにより、従来のサーマルロックイン計測法と比較して、空間分解能を向上することができる。
【００７４】
更に詳しく説明すると、従来のサーマルロックイン計測法では、矩形波等の時間波形を有するストレス電圧をＤＵＴに印加し、異常発生箇所からの発熱に伴う輻射熱をＩｎＳｂカメラで撮影する。その際、ストレス電圧の周波数の少なくとも２倍以上の周波数でもって撮影を行う。その後、時系列データとして取得された撮像データの各画素に対してフーリエ解析を行い、輻射熱の振幅および位相特性から発熱箇所（異常発生箇所）を特定する。すなわち、サーマルロックイン計測法では、以下の手順に従って計測が行われる。
（１）ＤＵＴに一定周波数のストレス電圧を印加する。
（２）ストレス電圧の変調周波数に応じた発熱変化が生じる。
（３）ストレス電圧の変調周波数より高いサンプリング周波数で連続的な撮像を行う。
（４）撮像データに基づいて、振幅および位相成分を取得する。
【００７５】
しかし、このようなサーマルロックイン計測法の手順を、基板の透過光による干渉像（図１に示した合波光Ｌ４）に適用することは困難である。なぜなら、干渉像の光強度と、ＤＵＴの発熱等に伴う透過光の位相の変化とが互いに非線形だからである。このため、干渉像の光強度と位相差とが互いに非線形であることを考慮した上で、干渉像の光強度から位相差を抽出する方法（位相の復調という）が、種々検討されている。
【００７６】
例えば、局所的な部位（ワンポイント）を計測する方法として、光ヘテロダイン法がある。光ヘテロダイン法では、原理上、光の位相φと、光を変調するための変調波の位相φｍとの和（φ＋φｍ）が得られる。このようなワンポイント計測では、時刻０を基準として、すなわち（φ０＋φｍ）を初期位相φ０として、局所部位での光位相φの時間変化を測定する。したがって、時刻０の時点における初期位相φ０を全く考慮する必要はない。この初期位相φ０は、ＤＵＴ上面の面精度（平坦度）に依存するが、多くの場合、ＤＵＴ上面にはナノメートルのオーダーで凹凸が存在するので、初期位相φ０はＤＵＴの面内において均一ではない。
【００７７】
半導体検査装置に求められていることは、半導体装置の異常発生箇所を特定することであるから、正常な他のポイントとの関係が重要である。すなわち、ＤＵＴの面内において初期位相φ０が不均一であることは、各ポイントにおいてオフセットが存在することを意味する。このようなオフセットを含んだ状態で、正常な他のポイントとの比較により発熱箇所（異常発生箇所）を特定することは困難である。このため、光ヘテロダイン法等のワンポイント計測による方法では、異常発生箇所を正確に特定するために初期位相φ０の分布を何らかの手段を用いて予め測定しておく必要がある。したがって、ワンポイント計測技術を、ＤＵＴの面内（すなわち二次元）における計測に応用して半導体装置の異常発生箇所を特定することは困難である。
【００７８】
また、二次元で得られた光干渉像から光位相φを復調する方法として、フーリエ変換法や位相シフト法がある。これらの方法を用いて二次元干渉像から光位相φ（ｔ，ｘ，ｙ）を求め、得られた光位相φ（ｔ，ｘ，ｙ）についてサーマルロックイン計測法と同様の手順を用いれば、熱位相Φや熱振幅Ａを算出することができる。これは、光位相φと熱膨張とが互いに線形の関係にあるからである。しかし、フーリエ変換法では、干渉像内に空間的に縞を多数作成することによってキャリア信号を生成する。このため、フーリエ変換法を用いる場合、例えば本実施形態のフィードバック機構（光源３２、ダイクロイックミラー３３及び３４、圧電素子３６、変調器３７、フォトダイオード３８、乗算器３９、およびフィードバック回路４０）のような機構を設けることは困難であり、干渉計のノイズを除去することが難しい。または観察視野内に、熱的膨張がないとわかっている箇所があれば、それを基準点として位相ノイズをキャンセル方法があるが、発熱箇所が未知のサンプルを計測する場合、その基準点を設けることは困難である。また、位相シフト法では、本実施形態のフィードバック機構のようなものを設けることは可能であるが、光位相φが互いに異なり且つ光位相φが既知である少なくとも３枚の干渉像が必要なので、測定時間が長くなるという問題がある。また、ナノメートルオーダーで参照用ミラーを断続的に制御する必要があるので、装置構成が複雑になるという問題もある。
【００７９】
これに対し、本実施形態の半導体検査装置１Ａにおいては、光干渉像に基づいて光位相φを復調するのではなく、ＤＵＴ１７の発熱によるシリコン基板１７ａ内部の光学的距離の時間変化が正弦波状となるように一定周期のストレス電圧Ｖｓを印加しておくことによって、光干渉像（合波光Ｌ４）から、直接的に熱位相Φおよび熱振幅Ａを求めることができる。したがって、フーリエ変換法を用いた従来装置と比較して、フィードバック機構を設けて干渉計のノイズを除去することができ、より正確に異常発生箇所を特定することができる。すなわち、半導体検査装置１Ａではフーリエ変換法を用いないため、光源３２からの光束Ｌ５を、低コヒーレンス光源１１からの光束Ｌ１と同軸の光路上に導波させて、干渉計内の位相ノイズを相殺するフォードバック機構の導入を容易にできる。
【００８０】
また、半導体検査装置１Ａによれば、位相シフト法を用いた従来装置と比較して、測定時間を短くでき（例えばπ／２位相シフト法を用いる場合と比較して３分の１以下の時間で計測できる）、また、参照ミラーを変調するための機構が不要になり、装置構成を簡易にできる。
【００８１】
また、本実施形態の半導体検査装置１Ａによれば、光干渉像（合波光Ｌ４）から光位相φを定量することなく、熱拡散による熱振幅Ａの減衰や、熱位相Φの遅れの様子を定量的情報として得ることができるので、機構を単純化させることができる。なお熱振幅の減衰量は温度差（℃）を表し、熱位相Φは熱伝導の時間遅れを表す。
【００８２】
なお、本実施形態ではＤＵＴ１７の発熱箇所を二次元で計測する例を示したが、半導体検査装置１Ａの構成はワンポイント計測にも適用可能である。
【００８３】
本実施形態の半導体検査装置１Ａの構成と、従来のワンポイント計測や位相シフト法を用いた半導体検査装置の構成との違いを図示して説明する。図１２は、従来のワンポイント計測や位相シフト法を用いた半導体検査装置１００の構成例を示すブロック図である。また、図１３は、本実施形態の半導体検査装置１Ａの構成を簡略的に示すブロック図である。図１２に示すように、従来の半導体検査装置１００では、信号発生器１０１によって変調器１０２を制御して参照光ＬＲを変調し、一方でＤＵＴ１０３にストレス印加装置１０４からストレス電圧を印加する。そして、ＤＵＴ１０３を透過したサンプル光ＬＳと、参照光ＬＲとを合波して干渉像とし、この干渉像をカメラ１０５によって撮像する。その後、同期検波を行い、ワンポイント計測や位相シフト法により光位相及び光振幅を復調したのち、光位相及び光振幅に基づいて熱位相Φ及び熱振幅Ａを算出する。
【００８４】
一方、図１３に示すように、本実施形態の半導体検査装置１Ａでは、カメラ１９によって取得された撮像データ（干渉像）から直接、熱位相Φ及び熱振幅Ａを算出する。なお、このように熱位相Φ及び熱振幅Ａを直接求める方法については、前述した非特許文献１および特許文献１に記載があるが、非特許文献１および特許文献１ではワンポイント計測について述べているだけであり、二次元計測へ単純に拡張できるものではない。
【００８５】
（第２の実施の形態）
図１４は、本発明の第２実施形態に係る半導体検査装置１Ｂの構成を示す図である。半導体検査装置１Ｂは、上述した第１実施形態の半導体検査装置１Ａと同様に、シリコン基板１７ａ（図２を参照）を透過する波長の光をＤＵＴ１７に照射し、この位相遅れを光干渉計測技術を使用して高精度で計測することにより、発熱に伴うシリコン基板１７ａの膨張や屈折率変化等を検知して、発熱箇所を特定する。
【００８６】
本実施形態の半導体検査装置１Ｂは、干渉計内の位相安定化を不要とする為に、同軸光路タイプの干渉計（ミラウ型干渉計）を基本にした装置構成を有する。図１４に示すように、半導体検査装置１Ｂは、ハロゲン光源２５、フィルタ２６、レンズ２７、ハーフミラー２８、及び対物レンズ２９を備える。これらは、シリコン基板１７ａを透過した光に関する干渉像を生成するための本実施形態における干渉光学系を構成する。また、半導体検査装置１Ｂは、第１実施形態と同様に、レンズ１８、ＩＲカメラ１９、フレームメモリ２０、演算部２１、ストレス印加装置２２、ペルチェ素子２３、温度制御コントローラ２４、基準信号発生装置５４、および分周器５５を備えるが、これらの構成および機能（作用）は第１実施形態と同じであるため、詳細な説明を省略する。
【００８７】
ハロゲン光源２５から出力された広帯域光は、フィルタ２６を通過する。その際、ＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａを透過する波長を含む光束Ｌ１１のみがフィルタ２６を透過する。光束Ｌ１１はレンズ２７によって、サンプル面にていわゆるケラー照明を実現する。その後、光束Ｌ１１はハーフミラー２８によって反射される。対物レンズ２９はいわゆるミラウ型の対物レンズであり、光束Ｌ１１は対物レンズ２９を通過してＤＵＴ１７に達する。ＤＵＴ１７に達した光束Ｌ１１は、シリコン基板１７ａを透過し、シリコン基板１７ａと回路層１７ｂとの界面にて反射したのち、再び対物レンズ２９へ戻る。そして、対物レンズ２９において干渉像が生成され、該干渉像を含む光束Ｌ１２がハーフミラー２８およびレンズ１８を通過してＩＲカメラ１９へ入射する。
【００８８】
本発明に係る半導体検査装置は、半導体検査装置１Ｂのような光学系を有してもよく、第１実施形態の半導体検査装置１Ａと同様の作用効果を奏することができる。すなわち、半導体検査装置１Ｂによれば、位相ノイズがより少ないミラウ型の干渉顕微鏡を使用することにより、参照ミラーを変調するための機構が不要になり、装置構成を簡易にできる。
【００８９】
また、半導体検査装置１Ｂによれば、光干渉像から光位相φを定量することなく、熱拡散による熱振幅Ａの減衰や、熱位相Φの様子を定量的情報として得ることができるので、機構を単純化させることができる。
【００９０】
（第３の実施の形態）
図１５は、本発明の第３実施形態に係る半導体検査装置１Ｃの構成を示す図である。半導体検査装置１Ｃは、上述した第１実施形態の半導体検査装置１Ａと同様に、シリコン基板１７ａ（図２を参照）を透過する波長の光をＤＵＴ１７に照射し、この位相遅れを光干渉計測技術を使用して高精度で計測することにより、発熱に伴うシリコン基板１７ａの膨張や屈折率変化等を検知して、発熱箇所を特定する。
【００９１】
本実施形態の半導体検査装置１Ｃでは、シリコン基板１７ａの上面（光入射面）からの反射光と、下面（回路層１７ｂとの界面）からの反射光とを相互に干渉させることによって、同軸の光路を有する干渉計を実現している。
【００９２】
具体的には、半導体検査装置１Ｃは、図１５に示すように、第１実施形態と同様の機能を有するＩＲカメラ１９、フレームメモリ２０、及び演算部２１を備える。また、半導体検査装置１Ｃは、照明光源６１、レーザ光源６２、ビームスプリッタ６３〜６５、対物レンズ６６、可動ミラー６７、ミラー６８、光路長補正部材６９及び７０、フォトダイオード７１、結像レンズ７２、並びにフィルタ７３を備える。これらの光学部材のうち、ビームスプリッタ６３〜６５、対物レンズ６６、可動ミラー６７、固定ミラー６８、光路長補正部材６９及び７０、フォトダイオード７１、結像レンズ７２、並びにフィルタ７３は、シリコン基板１７ａを透過した光に関する干渉像を生成するための本実施形態における干渉光学系を構成する。
【００９３】
照明光源６１から出力された光束Ｌ２１は、ＤＵＴ１７のシリコン基板１７ａを透過する波長を含む。光束Ｌ２１は、ビームスプリッタ６３によって反射され、対物レンズ６６を通過してＤＵＴ１７に達する。ＤＵＴ１７に達した光束Ｌ２１の一部はシリコン基板１７ａ（図２を参照）において反射され、他の一部はシリコン基板１７ａと回路層１７ｂとの境界面において反射される。そして、これらの反射光を含む光束Ｌ２２が、対物レンズ６６及びビームスプリッタ６３を通過してビームスプリッタ６４に達する。
【００９４】
ビームスプリッタ６４では、光束Ｌ２２が二つの光束Ｌ２３，Ｌ２４に分岐される。一方の光束Ｌ２３は、可動ミラー６７において反射したのち光路長補正部材６９を透過する。他方の光束Ｌ２４は、光路長補正部材７０を透過したのちミラー６８において反射する。これらの光学部材（可動ミラー６７、ミラー６８、光路長補正部材６９及び７０）は、シリコン基板１７ａの上面からの反射光と下面からの反射光との光路差を調整して好適に干渉させるための光学的遅延回路を構成している。光束Ｌ２３及びＬ２４はビームスプリッタ６５において再び合波され、結像レンズ７２及びフィルタ７３を通過してＩＲカメラ１９へ入射する。
【００９５】
また、レーザ光源６２から出射されたレーザ光Ｌ２５は、ビームスプリッタ６４へ入射する。レーザ光Ｌ２５は、ビームスプリッタ６４によって二つのレーザ光Ｌ２６，Ｌ２７に分岐される。一方のレーザ光Ｌ２６は、光束Ｌ２３と同じ光軸でもってビームスプリッタ６５に達する。他方のレーザ光Ｌ２７は、光束Ｌ２４と同じ光軸でもってビームスプリッタ６５に達する。レーザ光Ｌ２６及びＬ２７はビームスプリッタ６５において合波され、フォトダイオード７１によってその光強度が検出される。フォトダイオード７１における検出信号は、光学的遅延回路内の位相ノイズをキャンセルするために、圧電素子６８ａへフィードバックされる。なお、ミラー６８は、ミラー６８に固定された圧電素子６８ａによって、ビームスプリッタ６４からビームスプリッタ６５へ向かう２つの光Ｌ２６，Ｌ２７の光路長の差が一定に保持されるように駆動される。
【００９６】
なお、本実施形態においても、ＩＲカメラ１９、フレームメモリ２０、及び演算部２１の構成および機能は第１実施形態と同様である。
【００９７】
本発明に係る半導体検査装置は、半導体検査装置１Ｃのような光学系を有してもよく、第１実施形態の半導体検査装置１Ａと同様の作用効果を奏することができる。すなわち、半導体検査装置１Ｃによれば、測定時間を短くでき、また、参照ミラーを変調するための機構が不要になり、装置構成を簡易にできる。
【００９８】
また、半導体検査装置１Ｃによれば、光干渉像から光位相φを定量することなく、熱拡散による熱振幅Ａの減衰や、熱位相Φの様子を定量的情報として得ることができるので、機構を単純化させることができる。
【００９９】
本発明による半導体検査装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではＤＵＴが有する基板としてシリコン基板を例示したが、本発明による半導体検査装置は、これに限らず種々の材料からなる基板を有するＤＵＴを検査できる。
【０１００】
また、本発明による半導体検査装置は、視野を移動させながら複数回の撮像を行うための機構を更に備えてもよい。この場合、演算手段（演算部２１）は、複数回の撮像により得られた複数の撮像データを相互に繋ぎ合わせて演算を行うことが好ましい。
【符号の説明】
【０１０１】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…半導体検査装置、１１…低コヒーレンス光源、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１８，２７…レンズ、１３…ビームスプリッタ、１４，１６，２９，６６…対物レンズ、１５…ミラー、１７…被検査デバイス（ＤＵＴ）、１７ａ…シリコン基板、１７ｂ…回路層、１７ｃ…樹脂モールド、１９…カメラ、２０…フレームメモリ、２１…演算部、２２…ストレス印加装置、２３…ペルチェ素子、２４…温度制御コントローラ、２５…ハロゲン光源、２６，７３…フィルタ、２８…ハーフミラー、３２…光源、３３，３４…ダイクロイックミラー、３６…圧電素子、３７…変調器、３８，７１…フォトダイオード、３９…乗算器、４０…フィードバック回路、５４…基準信号発生装置、５５…分周器、６１…照明光源、６２…レーザ光源、６３〜６５…ビームスプリッタ、６７…可動ミラー、６８…固定ミラー、６８ａ…圧電素子、６９，７０…光路長補正部材、７２…結像レンズ、Ｖｓ…ストレス電圧。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を有する被検査デバイスの異常発生箇所を特定するための半導体検査装置であって、
被検査デバイスの端子電極にストレス電圧を印加するストレス印加手段と、
基板を透過する波長の光を発生する光源と、
光源から提供された光を基板に照射し、基板を透過した光に関する干渉像を生成する干渉光学系と、
干渉像を撮像して撮像データを生成する撮像手段と、
撮像データに基づいて、異常発生箇所としての被検査デバイスの発熱箇所を特定するための情報を演算する演算手段と
を備え、
ストレス電圧の時間波形が、一定周期の繰り返し波形であって、被検査デバイスの発熱による基板内部の光学的距離の時間変化を正弦波状とする時間波形であることを特徴とする、半導体検査装置。
【請求項２】
演算手段は、干渉像に含まれる基板を透過した光の位相遅れの分布を、被検査デバイスの発熱箇所を特定するための情報として算出することを特徴とする、請求項１に記載の半導体検査装置。
【請求項３】
ストレス電圧の時間波形が正弦波状であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体検査装置。
【請求項４】
ストレス電圧の時間波形が、一定周期の基本波に高調波が重畳された波形であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体検査装置。
【請求項５】
ストレス電圧の時間波形が、一定周期で繰り返される矩形波であることを特徴とする、請求項４に記載の半導体検査装置。
【請求項６】
被検査デバイスの端子電極が電源端子であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体検査装置。
【請求項７】
ストレス印加手段が、被検査デバイスの信号端子に通常動作時の信号を入力することを特徴とする、請求項６に記載の半導体検査装置。
【請求項８】
被検査デバイスの端子電極が信号端子であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体検査装置。
【請求項９】
ストレス印加手段が、被検査デバイスの電源端子に通常動作時の電源電圧を供給することを特徴とする、請求項８に記載の半導体検査装置。
【請求項１０】
視野を移動させながら複数回の撮像を行うための機構を更に備え、
前記演算手段は、複数回の撮像により得られた複数の撮像データを相互に繋ぎ合わせて演算を行うことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体検査装置。
【請求項１】
基板を有する被検査デバイスの異常発生箇所を特定するための半導体検査装置であって、
被検査デバイスの端子電極にストレス電圧を印加するストレス印加手段と、
基板を透過する波長の光を発生する光源と、
光源から提供された光を基板に照射し、基板を透過した光に関する干渉像を生成する干渉光学系と、
干渉像を撮像して撮像データを生成する撮像手段と、
撮像データに基づいて、異常発生箇所としての被検査デバイスの発熱箇所を特定するための情報を演算する演算手段と
を備え、
ストレス電圧の時間波形が、一定周期の繰り返し波形であって、被検査デバイスの発熱による基板内部の光学的距離の時間変化を正弦波状とする時間波形であることを特徴とする、半導体検査装置。
【請求項２】
演算手段は、干渉像に含まれる基板を透過した光の位相遅れの分布を、被検査デバイスの発熱箇所を特定するための情報として算出することを特徴とする、請求項１に記載の半導体検査装置。
【請求項３】
ストレス電圧の時間波形が正弦波状であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体検査装置。
【請求項４】
ストレス電圧の時間波形が、一定周期の基本波に高調波が重畳された波形であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体検査装置。
【請求項５】
ストレス電圧の時間波形が、一定周期で繰り返される矩形波であることを特徴とする、請求項４に記載の半導体検査装置。
【請求項６】
被検査デバイスの端子電極が電源端子であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体検査装置。
【請求項７】
ストレス印加手段が、被検査デバイスの信号端子に通常動作時の信号を入力することを特徴とする、請求項６に記載の半導体検査装置。
【請求項８】
被検査デバイスの端子電極が信号端子であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体検査装置。
【請求項９】
ストレス印加手段が、被検査デバイスの電源端子に通常動作時の電源電圧を供給することを特徴とする、請求項８に記載の半導体検査装置。
【請求項１０】
視野を移動させながら複数回の撮像を行うための機構を更に備え、
前記演算手段は、複数回の撮像により得られた複数の撮像データを相互に繋ぎ合わせて演算を行うことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−８０９６０（Ｐ２０１１−８０９６０Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３５５４８（Ｐ２００９−２３５５４８）
【出願日】平成２１年１０月９日（２００９．１０．９）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月９日（２００９．１０．９）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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