(57)【要約】【課題】近接場電磁波の共振周波数の検出値を大きくすることにより、試料の誘電率の分解能を向上することができる誘電率の測定方法及び誘電率の測定装置を提供すること。【解決手段】試料１４よりも高い導電性を有する導電性基板を試料１４の一方の面に密着させる工程と、試料１４の他方の面をプローブ共振器３の放射面１１ｂに密着させる工程と、プローブ共振器３の放射面１１ｂから近接場電磁波を放射させる工程と、近接場電磁波の共振周波数を検出する工程と、この共振周波数に基づいて試料１４の誘電率を特定する工程とを含む。【選択図】図４
2011069630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
近接場電磁波を放射可能な放射面を有するプローブ共振器を用いて試料の誘電率を測定するための方法であって、
前記試料よりも高い導電性を有する導電性部材と、前記プローブ共振器の放射面とを前記試料に対して相対向する方向から密着させることにより、当該導電性部材とプローブ共振器との間に静電容量を形成する形成工程と、
前記形成工程を行っている状態で前記プローブ共振器の放射面から近接場電磁波を放射させる放射工程と、
前記放射工程を行っている間に前記近接場電磁波の共振周波数を検出する本検出工程と、
前記本検出工程により検出された共振周波数に基いて前記試料の誘電率を特定する特定工程とを含むことを特徴とする誘電率の測定方法。
【請求項２】
前記形成工程では、前記導電性部材としての導電性基板上に前記試料の薄膜を形成することにより、前記導電性基板と前記試料とを密着させることを特徴とする請求項１に記載の誘電率の測定方法。
【請求項３】
前記プローブ共振器の放射面、及び、この放射面に密着される前記試料の密着面は、それぞれ平坦な面とされ、
前記プローブ共振器の放射面と同一平面上に位置するように配置された平坦面を有する位置決め部材が設けられており、
前記形成工程では、前記位置決め部材の平坦面に対し、前記試料の密着面を密着させるようにして位置決めしつつ、当該試料の密着面を前記放射面に密着させることにより、前記試料とプローブ共振器とを密着させることを特徴とする請求項１又は２に記載の誘電率の測定方法。
【請求項４】
前記プローブ共振器の放射面には、前記近接場電磁波を放射する放射位置が予め設定されており、
前記形成工程では、前記放射位置に重なる部分を含む前記導電性部材の少なくとも一部に対し、前記プローブ共振器に向かう所定の荷重を与えることを特徴とする請求項３に記載の誘電率の測定方法。
【請求項５】
前記プローブ共振器の放射面及び平坦面は、それぞれ上向きに配置されており、
前記形成工程では、上向きに配置された前記放射面及び前記平坦面に対し、前記密着面を下に向けた前記試料を載置しつつ、前記密着面を放射面に密着させることを特徴とする請求項３又は４に記載の誘電率の測定方法。
【請求項６】
既知の誘電率を有する試料について共振周波数を検出する予備検出工程をさらに含み、
前記特定工程では、前記予備検出工程において検出された共振周波数と、前記本検出工程において検出された共振周波数とを比較することにより、当該未知の誘電率を特定することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の誘電率の測定方法。
【請求項７】
試料の誘電率を測定するための装置であって、
近接場電磁波を放射可能な放射面を有するプローブ共振器と、
前記プローブ共振器の放射面と同一平面上に配置された平坦面を有する位置決め部材とを備え、
前記プローブ共振器の放射面は、平坦な面であり、
前記プローブ共振器及び位置決め部材は、前記放射面及び平坦面が上向きとなるように配設されていることを特徴とする誘電率の測定装置。
【請求項８】
前記基台に設けられ、前記放射面上に載置された試料に対して前記放射面側に向かう所定の荷重を与える荷重付加手段をさらに備えていることを特徴とする請求項７に記載の誘電率の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検体の誘電率を測定する方法に関し、より具体的には、近接場電磁波を照射するプローブ共振器を用いた誘電率の測定方法、及び誘電率の測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年では、電子機器の高速化やワイヤレス化に伴い、高周波の電磁波に関わる製品開発において、材料の持つ誘電率特性、特に誘電率及び誘電正接（ｔａｎδ）が重要な設計情報となっている。このような誘電率特性の目安として材料メーカが提供する物性値を参考にすることもあるが、実際に使用される周波数についての誘電率のデータを入手することは困難であり、実際の周波数よりも低い周波数についてのデータから推定せざるを得ない場合もある。そこで、材料の持つ誘電率を測定するための技術が求められている。
【０００３】
従来から、誘電率を測定する方法としては、マイクロ波共振器を用いた方法が知られている。具体的には、プローブ共振器を用いて近接場電磁波を被検体に照射して、当該被検体の誘電率を測定する方法がある。ここで、近接場電磁波とは、電磁波を、その波長と比べて十分に小さな穴に放射したときに当該穴の周囲に漏れ出しその場に止まる電磁波のことである。このような近接場電磁波を誘電体に照射した場合、当該誘電体の持つ誘電率に応じて近接場電磁波の共振周波数が変動するため、この共振周波数の変動に基いて誘電率の測定を行うことができる。
【０００４】
例えば、特許文献１は、高周波マイクロ波を照射するためのプローブの端面に試料を接触させ、当該試料からの反射波の電圧を検出し、これをフーリエ変換して共振周波数の変動に相当する値を算出することにより、試料の誘電率を測定する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１２１４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の測定方法のように、単にプローブの先端面を試料に接触させる場合、試料の比誘電率が低いと（例えば、比誘電率が４よりも小さいと）、当該試料の誘電率（静電容量）に比例する近接場電磁波の共振周波数の検出値も小さくなるため、測定の分解能を高めることが難しかった。
【０００７】
特に、近年では半導体デバイス等に用いられるミクロンオーダーの薄膜（例えば、半導体配線の絶縁体部分として利用される薄膜）についても誘電率の測定が望まれているが、このような薄膜は、膜厚が薄いことに起因して誘電率が低いため、高精度の誘電率測定が非常に困難であった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、近接場電磁波を用いて試料の誘電率を測定する場合において、試料の誘電率が小さくても当該試料の誘電率を高精度に測定することができる誘電率の測定方法及び誘電率の測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、近接場電磁波を放射可能な放射面を有するプローブ共振器を用いて試料の誘電率を測定するための方法であって、前記試料よりも高い導電性を有する導電性部材と、前記プローブ共振器の放射面とを前記試料に対して相対向する方向から密着させることにより、当該導電性部材とプローブ共振器との間に静電容量を形成する形成工程と、前記形成工程を行っている状態で前記プローブ共振器の放射面から近接場電磁波を放射させる放射工程と、前記放射工程を行っている間に前記近接場電磁波の共振周波数を検出する本検出工程と、前記本検出工程により検出された共振周波数に基いて前記試料の誘電率を特定する特定工程とを含むことを特徴とする誘電率の測定方法を提供する。
【００１０】
本発明によれば、試料を導電性部材とプローブ共振器の放射面との間に挟んだ状態で近接場電磁波を放射するため、当該近接場電磁波の共振周波数の検出値を大きくすることができる。具体的に、近接場電磁波の共振周波数は、密着された試料の誘電率に応じて変動するプローブ共振器の静電容量に比例する値となるが、本発明のように、試料を導電性を有する導電性部材と導電性を有するプローブ共振器との間に配置することにより、これら導電性部材とプローブ共振器との間における静電容量（以下、外部静電容量と称す）が上記プローブ共振器の静電容量の一部として加えられることになる。つまり、本発明では、共振周波数を決めるプローブ共振器の静電容量に外部静電容量が見かけ上加えられるため、前記外部静電容量の分だけ近接場電磁波の共振周波数の値を大きくすることができる。
【００１１】
したがって、本発明によれば、近接場電磁波の共振周波数の値を大きくすることにより、試料の誘電率を高精度に測定することが可能となる。
【００１２】
前記誘電率の測定方法において、前記形成工程では、前記導電性部材としての導電性基板上に前記試料の薄膜を形成することにより、前記導電性基板と前記試料とを密着させることが好ましい。
【００１３】
この測定方法によれば、導電性基板上に形成された薄膜（例えば、回路基板上の絶縁体）について誘電率を測定することができる。
【００１４】
前記誘電率の測定方法において、前記プローブ共振器の放射面、及び、この放射面に密着される前記試料の密着面は、それぞれ平坦な面とされ、前記プローブ共振器の放射面と同一平面上に位置するように配置された平坦面を有する位置決め部材が設けられており、前記形成工程では、前記位置決め部材の平坦面に対し、前記試料の密着面を密着させるようにして位置決めしつつ、当該試料の密着面を前記放射面に密着させることにより、前記試料とプローブ共振器とを密着させることが好ましい。
【００１５】
この測定方法によれば、プローブ共振器の放射面と位置決め部材の平坦面とが同一平面上に位置しているため、放射面よりも大きな密着面を持つ試料であっても、当該試料のうちの放射面の外側にはみ出す部分を平坦面に密着させて位置決めしつつ密着面を放射面に密着させることができる。
【００１６】
前記誘電率の測定方法において、前記プローブ共振器の放射面には、前記近接場電磁波を放射する放射位置が予め設定されており、前記形成工程では、前記放射位置に重なる部分を含む前記導電性部材の少なくとも一部に対し、前記プローブ共振器に向かう所定の荷重を与えることが好ましい。
【００１７】
この測定方法によれば、放射面よりも大きな密着面をもつ試料をプローブ共振器に密着させる場合、つまり、試料が放射面及び平坦面の広範囲に密着している場合に、当該試料のうち、近接場電磁波の放射対象位置が放射面から浮いてしまうのを抑制することができる。したがって、前記方法によれば、大きな試料の密着作業を容易にしながら、当該試料と放射面との密着を確実に行うことにより共振周波数の測定精度の向上を図ることもできる。
【００１８】
前記誘電率の測定方法において、前記プローブ共振器の放射面及び平坦面は、それぞれ上向きに配置されており、前記形成工程では、上向きに配置された前記放射面及び前記平坦面に対し、前記密着面を下に向けた前記試料を載置しつつ、前記密着面を放射面に密着させることが好ましい。
【００１９】
この測定方法によれば、上向きに配置された放射面及び平坦面上に試料を載置した状態で、試料の密着面のうちの測定対象箇所と近接場電磁波の放射位置とを容易に位置合わせすることができる。
【００２０】
前記誘電率の測定方法において、既知の誘電率を有する試料について共振周波数を検出する予備検出工程をさらに含み、前記特定工程では、前記予備検出工程において検出された共振周波数と、前記本検出工程において検出された共振周波数とを比較することにより、当該未知の誘電率を特定することが好ましい。
【００２１】
この測定方法によれば、予備検出工程により誘電率の異なる多数の試料について共振周波数を予め検出しておくことにより、誘電率の測定の精度をより高めることができる。
【００２２】
また、本発明は、試料の誘電率を測定するための装置であって、近接場電磁波を放射可能な放射面を有するプローブ共振器と、前記プローブ共振器の放射面と同一平面上に配置された平坦面を有する位置決め部材とを備え、前記プローブ共振器の放射面は、平坦な面であり、前記プローブ共振器及び位置決め部材は、前記放射面及び平坦面が上向きとなるように配設されていることを特徴とする誘電率の測定装置を提供する。
【００２３】
本発明によれば、プローブ共振器の放射面に試料を密着させるとともに、この試料に対して前記放射面と反対側から導電性部材を密着させる上述した測定方法を採用することができる測定装置を得ることができる。
【００２４】
具体的に、本発明に係る測定装置によれば、プローブ共振器の放射面と位置決め部材の平坦面とが同一平面上に位置しているため、放射面よりも大きな試料であっても、当該試料のうちの放射面からはみ出す部分を平坦面に密着させて位置決めしつつ当該試料を放射面に密着させることができる。
【００２５】
前記測定装置において、前記基台に設けられ、前記放射面上に載置された試料に対して前記放射面側に向かう所定の荷重を与える荷重付加手段をさらに備えていることが好ましい。
【００２６】
この構成によれば、放射面よりも大きな試料をプローブ共振器に密着させる場合、つまり、試料が放射面及び平坦面の広範囲に密着している場合に、試料のうち、近接場電磁波の放射位置の部分が放射面から浮いてしまうのを抑制することができる。したがって、前記方法によれば、大きな試料の密着作業を容易にしながら、当該試料と放射面との密着を確実に行うことにより共振周波数の測定精度の向上を図ることもできる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、試料の誘電率が小さくても当該試料の誘電率を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態に係る誘電率の測定装置１を示す概略図である。
【図２】図１のプローブ共振器３の側面断面図である。
【図３】図２の一部を拡大して示す断面図であり、試料を装着する前を示すものである。
【図４】図２の一部を拡大して示す断面図であり、試料を装着した状態を示すものである。
【図５】試料の誘電率と共振周波数の偏移との関係を示すグラフであり、試料に密着する基板としてシリコン基板（ドーパント無し）を採用した場合を示すものである。
【図６】試料の誘電率と共振周波数の偏移との関係を示すグラフであり、導電性基板としてアルミ基板を採用した場合を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る誘電率の測定装置１を示す概略図である。
【００３０】
図１を参照して、測定装置１は、近接場電磁波を放射するプローブ共振器３と、このプローブ共振器３を保持する基台と、前記プローブ共振器３に高周波電力を供給する発振器４と、前記プローブ共振器３から取り出された電気信号を分析する分析器５と、前記発振器４及び分析器５と電気的に接続された制御装置６とを備えている。
【００３１】
図２は、図１のプローブ共振器３の側面断面図である。
【００３２】
図１及び図２を参照して、プローブ共振器３は、外部導体７と、この外部導体７の内部に設けられた内部導体８とを備えている。このプローブ共振器３は、前記外部導体７と内部導体８とが同軸に設けられているとともに両導体７、８が下端側で短絡していることにより、両導体７、８が同軸に配置されている長さに応じた共振現象を生じさせる共振器である。
【００３３】
外部導体７は、円筒部９と、この円筒部９の上下の開口部を塞ぐように当該円筒部９に固定された下部蓋体１０及び上部蓋体１１とを備えている。円筒部９は、円筒状に形成された金属部材である。下部蓋体１０は、前記円筒部９の下部の開口を塞ぐように当該円筒部９の下端面に固定された円盤状の金属部材である。この下部蓋体１０の略中心位置には、ボルトＢ２によって内部導体８の下端部が固定されている。また、下部蓋体１０には、前記発振器４から高周波電力の供給を受ける信号導入部１２Ａと、前記分析器５に信号を出力する信号取出部１２Ｂとが設けられている。これら信号導入部１２Ａ及び信号取出部１２Ｂは、それぞれ同軸ケーブルと接続するためのものであり、円筒状の外側導体１２ａとこの外側導体１２ａの内側に設けられた内側導体１２ｂとを備えている。外側導体１２ａは、前記下部蓋体１０の下面に固定されているとともに下部蓋体１０と電気的に接続されている。内側導体１２ｂは、外側導体１２ａの内側及び下部蓋体１０を上下に貫く孔を通って円筒部９内まで延びるとともに、Ｕターンして下部蓋体１０に電気的に接続されている。この内側導体１２ｂのＵターン部分は、ループアンテナとして機能する。上部蓋体１１は、前記円筒部９の上部の開口を塞ぐように、当該円筒部９の上端面にボルトＢ１によって固定された円盤状の金属部材である。この上部蓋体１１の略中央位置には、上下に貫通する孔１１ａが形成されている。この孔１１ａの直径寸法は、プローブ共振器３内で生じる電磁波の波長よりも小さく設定されているため、この孔１１ａを通り抜けることができない電磁波の一部が近接場電磁波として孔１１ａの付近に発生することになる。本実施形態では、前記孔１１ａが設けられている上部蓋体１１の上面１１ｂが近接場電磁波を放射する放射面を構成する。一方、上部蓋体１１の下面には、前記孔１１ａから下に進行するに従い広がるテーパ状の凹部が形成されている。なお、本実施形態では、外部導体７の全体が金属により形成されているものを例示したが、外部導体７は、その表面（内側面も含む）のみが導電性の大きな材料（例えば、金属）からなり、内部が導電性の小さい材料（例えば、合成樹脂）からなる構成とすることもできる。
【００３４】
前記内部導体８は、前記外部導体７の円筒部９と同軸に設けられた棒状の金属部材である。具体的に、内部導体８は、前記外部導体７の下部蓋体１０の略中央位置に立設されている。この内部導体８の先端部は、上に進行するに従い細くなるテーパ形状とされ、前記上部蓋体１１の孔１１ａ内に配置されている。ここで、内部導体８の先端部は、前記上部蓋体１１の上面（放射面）１１ｂよりも上に突出していてもよいが、後述するように放射面１１ｂには試料１４（図３参照）が密着するため、当該試料１４との接触を避ける観点からは放射面１１ｂよりも下に配設することが好ましいものの、内部導体８の先端部と試料１４との距離が近い方が近接場電磁波の検出精度が上がるため、この観点から放射面１１ｂと同じ高さに配置することが最も好ましい。
【００３５】
前記プローブ共振器３を保持するための基台は、前記プローブ共振器３の放射面１１ｂを上に向けた状態で保持する位置決めテーブル（位置決め部材）２と、この位置決めテーブル２を支持する脚部（支持部：図示せず）とを備えている。位置決めテーブル２は、前記プローブ共振器３の放射面１１ｂと同一平面上に配置された平坦面２ａを有する。換言すると、位置決めテーブル２は、その平坦面２ａと前記プローブ共振器の放射面１１ｂとが同一平面上に位置するように、前記プローブ共振器を保持する。
【００３６】
発振器４は、前記プローブ共振器３の信号導入部１２Ａと同軸ケーブルを介して接続された高周波電源である。
【００３７】
分析器５は、前記プローブ共振器３の信号取出部１２Ｂと同軸ケーブルを介して接続され、前記プローブ共振器３から得られた信号に基づいて、周波数掃引信号の透過減衰を観測することにより共振周波数を検出するようになっている。
【００３８】
制御装置６は、前記発振器４によるプローブ共振器３に対する供給電力を調整するとともに、前記分析器５との間で電気信号のやりとりが可能とされている。具体的に、制御装置６は、既知の誘電率を有する試料について前記分析器５を用いて予め測定された共振周波数の偏移に関するデータ（図６参照）を予め記憶しており、このデータと、未知の誘電率を有する試料について分析器５を用いて測定された共振周波数とに基いて当該試料の誘電率を特定するようになっている。このように制御装置６により特定された試料の誘電率は、図外の表示装置等によって使用者に示される。
【００３９】
以下、前記測定装置１を用いた試料１４の誘電率の測定方法について説明する。
【００４０】
図３は、図２の一部を拡大して示す断面図であり、試料１４を装着する前を示すものである。図４は、図２の一部を拡大して示す断面図であり、試料１４を装着した状態を示すものである。
【００４１】
図２〜図４を参照して、まず、誘電率を測定の対象となる被検体について説明する。本実施形態では、導電性基板１５上に試料１４の薄膜が形成されたものを被検体として採用している。導電性基板１５は、５０Ω×ｃｍ以下の抵抗値を有する導電性基板（低抵抗基板）である。本実施形態では、導電性基板１５として金属基板を採用しているが、これに限定されることはなく、抵抗値の小さい（５０Ω×ｃｍ以下）他の基板（例えば、シリコン基板にドーパントを添加したもの）を採用することもできる。試料１４は、導電性基板１５よりも低い導電性を持つ材質からなる薄膜である。本実施形態では、この試料１４が誘電率の測定対象となる。
【００４２】
試料１４の誘電率を測定する場合には、まず、前記試料１４よりも高い導電性を有する導電性基板１５と、プローブ共振器３の放射面１１ｂとを試料１４に対して相対向する方向から密着させることにより、当該導電性基板１５とプローブ共振器３との間に静電容量を形成する（形成工程）。具体的に、この形成工程は、以下説明する第１密着工程と、第２密着工程とを含む。
【００４３】
第１密着工程は、導電性基板１５に対して試料１４の薄膜を形成して、前記被検体を作成する。つまり、この第１密着工程では、導電性基板１５と試料１４とが互いに密着した被検体を作成する。この第１密着工程は、前記保持工程及び取付工程よりも前に行ってもよい。
【００４４】
第２密着工程は、前記導電性基板１５と反対側の試料１４の表面（図４の下面：密着面）を、位置決めテーブル２の平坦面２ａに密着させるように位置決めしつつ、当該試料１４の表面を放射面１１ｂに密着させる（第２密着工程）。この第２密着工程では、さらに、前記プローブ共振器３の上部蓋体１１の孔１１ａ、つまり、近接場電磁波の放射位置に重なる部分について、導電性基板１５の上に下敷１６を載置し、この下敷１６の上に錘１７を乗せる。このように下敷１６を敷くことにより、試料１４の歪みを抑制しつつ錘１７による荷重を与えることができるので、試料１４の下面を放射面１１ｂに対してより確実に密着させることができる。下敷１６は、平滑な面と歪みが生じない程度の硬度とを有していることを条件として、図３に示す板状のものに限定されず、ブロック状のものを採用することもできる。具体的には、セラミックス製のゲージブロックを下敷１６として採用することができる。
【００４５】
次に、前記発振器４（図１参照）からプローブ共振器３に対して高周波電力を供給することにより、前記プローブ共振器３の放射面１１ｂから近接場電磁波を放射させる（放射工程）。具体的に、高周波電力の供給によりプローブ共振器３内では共振現象が生じることになるが、この共振する電磁波の波長に対してプローブ共振器３の孔１１ａの大きさが極端に小さくされているため、当該電磁波は孔１１ａを通過することができず、当該孔１１ａを通って電界が僅かに漏れ出しその場に止まる、いわゆる近接場電磁波が生じることになる。
【００４６】
次に、近接場電磁波の共振周波数を前記分析器５（図１参照）により検出する（本検出工程）。近接場電磁波の共振周波数は、プローブ共振器３に密着させた試料１４の誘電率に応じて変動するため、この共振周波数に基づいて試料１４の誘電率を測定することができるためである。
【００４７】
本実施形態では、前記検出工程の前に試料１４を、それぞれ導電性を有するプローブ共振器３の上部蓋体１１及び導電性基板１５に対して密着させている、つまり、試料１４が上部蓋体１１と導電性基板１５との間に挟持されている。そのため、本実施形態では、試料１４のみをプローブ共振器３に密着させる場合と比較して、共振周波数の検出値（信号の強度）を強くすることができる。その理由は、以下の通りである。
【００４８】
具体的に、近接場電磁波の共振周波数ｆは、以下の式（１）のように、プローブ共振器３のキャパシタンス（静電容量）に比例する。
【００４９】
ｆ＝２π×Ｌ×（Ｃ＋Ｃｔ）×Ｋ・・・（１）
ここで、Ｌはプローブ共振器３のインダクタンス、Ｋは比例定数である。また、Ｃはプローブ共振器３に密着した試料１４に近接場電磁波が浸透することにより変動するプローブ共振器３のキャパシタンスである。Ｃｔは導電性基板１５とプローブ共振器３との間に挟むことによりプローブ共振器３のキャパシタンスとして見かけ上加えられるキャパシタンスであり、プローブ共振器３との間で試料１４を挟む部材（導電性基板１５）の導電性の大きくなるほど大きな値として得られるものである。つまり、キャパシタンスＣｔは、導電性基板１５が存在しない（試料１４のみをプローブ共振器３に密着させた）場合には０となるものである。したがって、試料１４のみをプローブ共振器３に密着させた場合に得られる共振周波数［２π×Ｌ×Ｃ×Ｋ］に比べて、試料１４をプローブ共振器３と導電性基板１５との間で挟んだ場合に得られる共振周波数［２π×Ｌ×（Ｃ＋Ｃｔ）×Ｋ］は、見かけ上のキャパシタンスＣｔの分だけ大きくなる。また、試料１４に密着する基板（本実施形態では導電性基板１５）の導電性が大きい程、共振周波数の検出値は、大きくなる。この点につき、以下、図５及び図６を参照して説明する。
【００５０】
図５は、試料１４の誘電率と共振周波数の偏移との関係を示すグラフであり、試料１４に密着する基板としてシリコン基板（ドーパント無し）を採用した場合を示すものである。図６は、試料１４の誘電率と共振周波数の偏移との関係を示すグラフであり、導電性基板１５としてアルミ基板を採用した場合を示すものである。なお、図５及び図６は、それぞれ同材質からなる試料１４の１μｍの薄膜が基板上に形成された被検体について測定されたものである。アルミ基板の導電率［３７．７×１０６（ｍ−１×Ω−１）］は、シリコン基板（ドーパント無し）の導電率［２．５２×１０−４（ｍ−１×Ω−１）］と比較して１桁以上大きいところ、この大小関係に対応して、図６のアルミ基板の共振周波数は、図５のシリコン基板（ドーパント無し）の共振周波数と比較して１桁以上大きい値となる。具体的に、誘電率２付近における共振周波数について比較すると、図６が約１２ＭＨｚであり、図５が約４００ｋＨｚ（０．４ＭＨｚ）であるため、共振周波数の検出値が約３０倍にされている。
【００５１】
さらに、前記見かけ上のキャパシタンスＣｔは、試料１４が薄くなるほど大きくなるため、試料１４が薄いほど共振周波数の値が大きくなる。具体的に、見かけ上のキャパシタンスＣｔは、以下式（２）に示すように、試料１４の厚み寸法に反比例する。
【００５２】
Ｃｔ＝σ×Ａ÷Ｔ・・・（２）
ここで、σは誘電率であり、Ａはプローブ共振器３と導電性基板１５との対向面積であり、Ｔは試料１４の厚み寸法である。このように見かけ上のキャパシタンスＣｔは試料１４の厚み寸法に反比例するため、試料１４が薄くなるほど共振周波数の検出値（検出信号）が大きくなり、誘電率の分解能が向上する。したがって、例えば、トランジスタのゲート絶縁膜として利用されるｈｉｇｈ−ｋ膜のような薄膜について誘電率を有効に測定することが可能となる。
【００５３】
そして、前記本検出工程により検出された共振周波数と、誘電率と共振周波数との関係を示すデータとして予め準備されたもの（図６のデータ）とに基づいて、試料１４の誘電率を特定する（特定工程）。つまり、前記特定工程に先立って、既知の誘電率を有する試料１４が導電性基板１５に形成された被検体について、上述した方法により共振周波数を予め検出しておき（予備検出工程）、このデータ（図６のデータ）に基づいて、本検出工程で検出された共振周波数に対応する共振周波数を特定する。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態によれば、試料１４を導電性基板１５とプローブ共振器３の放射面１１ｂとの間に挟んだ状態で近接場電磁波を放射するため、当該近接場電磁波の共振周波数の検出値を大きくすることができる。具体的に、近接場電磁波の共振周波数は、密着された試料１４の誘電率に応じて変動するプローブ共振器３のキャパシタンスに比例する値となるが、本実施形態のように、試料１４を導電性基板１５とプローブ共振器３との間に配置することにより、これら導電性基板１５とプローブ共振器３との間におけるキャパシタンスＣｔも上記プローブ共振器３のキャパシタンスの一部として加えられることになる。つまり、本実施形態では、共振周波数を決めるプローブ共振器のキャパシタンスの一部としてキャパシタンスＣにキャパシタンスＣｔが見かけ上加えられるため、キャパシタンスＣｔの分だけ近接場電磁波の共振周波数の値を大きくすることができる。
【００５５】
したがって、本実施形態によれば、近接場電磁波の共振周波数の値を大きくすることにより、試料１４の誘電率を高精度に測定することができる。
【００５６】
前記実施形態のように、第１密着工程（形成工程）として導電性基板１５上に試料１４の薄膜を形成することとすれば、導電性基板１５に形成された薄膜について誘電率を測定することができる。なお、前記実施形態では、第１密着工程において導電性基板１５上に試料１４の薄膜を形成することとしているが、これに限定されず、第１密着工程では、少なくとも導電性基板１５と試料１４とを密着させればよい。
【００５７】
前記実施形態のように、第２密着工程（形成工程）において放射面１１ｂと同一平面上に位置するように取り付けられた位置決めテーブル２の平坦面２ａに対して試料１４の下面を密着させることとすれば、放射面１１ｂよりも大きな試料１４であっても、当該試料１４のうちの放射面１１ｂの外側にはみ出す部分を平坦面２ａに密着させて位置決めしつつ測定対象箇所を放射面１１ｂに密着させることができる。
【００５８】
前記実施形態のように、第２密着工程（形成工程）において導電性基板１５に対して所定の荷重を与えることとすれば、放射面よりも大きな試料１４をプローブ共振器３に密着させる場合であっても、試料１４のうち、プローブ共振器３の孔１１ａと重なる部分が放射面１１ｂから浮いてしまうのを抑制することができる。したがって、この方法によれば、大きな試料１４の密着作業を容易にしながら、当該試料１４と放射面１１ｂとの密着を確実に行うことにより共振周波数の測定精度の向上を図ることができる。
【００５９】
なお、本実施形態では、下敷１６及び錘１７を載せて導電性基板１５に荷重を与えることしているが、図４に示すように、プローブ共振器３に対して上下動可能なヘッド１８を有するプレス機（荷重付加手段）を設け、このヘッド１８を下降させることにより導電性基板１５に対して荷重を与えるようにしてもよい。この場合、前記プレス機は、前記制御装置６により制御可能な構成とすることが好ましい。
【００６０】
前記実施形態のように、第２密着工程（形成工程）において上向きに配置された放射面１１ｂ及び平坦面２ａ上に試料１４を密着させることとすれば、上向きに配置された放射面１１ｂ及び平坦面２ａ上に試料１４を載置した状態で、試料１４の測定対象箇所と近接場電磁波の放射位置とを容易に位置合わせすることができる。
【００６１】
前記実施形態のように、予備検出工程において既知の誘電率を有する試料について予め検出された共振周波数と、本検出工程で検出された共振周波数とに基づいて試料１４の誘電率を特定することとすれば、予備検出工程により誘電率の異なる多数の試料について共振周波数を予め検出しておくことにより、誘電率の測定の精度をより高めることができる。
【実施例１】
【００６２】
前記導電性基板１５としてアルミ基板（鏡面仕上げ）を採用するとともに、前記試料１４として前記アルミ基板上に成膜されたＳｉＯ２薄膜（比誘電率約３）を採用した被検体１について前記プローブ共振器３を密着させて共振周波数を測定した。なお、前記ＳｉＯ２薄膜の膜厚は、１１５０８×１０−１０ｍである。
【００６３】
また、前記ＳｉＯ２薄膜が形成されていないアルミ基板（鏡面仕上げ）である比較検体２に対して前記プローブ共振器３を密着させて共振周波数を検出した。
【００６４】
７９０ＭＨｚの電力を与えたプローブ共振器３により、被検体１及び比較検体２のそれぞれについて７回ずつ測定した結果、被検体１の共振周波数は、比較検体２の共振周波数よりも平均４４７ｋＨｚ低い値となった。
【００６５】
本来、プローブ共振器３とアルミ基板との間の距離が大きくなるほど、共振周波数は、大きくなるはずであるが、この実施例１では、プローブ共振器３とアルミ基板との間の距離が大きくなるほど（ＳｉＯ２薄膜の膜厚が大きくなるほど）、共振周波数が小さくなっている。この結果から、ＳｉＯ２薄膜の誘電率に応じて共振周波数が偏移することが確認された。
【実施例２】
【００６６】
前記導電性基板１５として１０Ω×ｃｍの抵抗値を有するシリコンウェハを採用するとともに、前記試料１４として前記シリコンウェハ上にＣＶＤ成膜されたＳｉＯ２薄膜を採用した被検体３について前記プローブ共振器３を密着させて共振周波数を測定した。
【００６７】
また、前記ＳｉＯ２薄膜が形成されていないアルミ基板（鏡面仕上げ）である比較検体４に対して前記プローブ共振器３を密着させて共振周波数を検出した。
【００６８】
７９０ＭＨｚの電力を与えたプローブ共振器３により、被検体３及び比較検体４のそれぞれについて７回ずつ測定した結果、以下の結果１〜結果３が得られた。
【００６９】
＜結果１＞
ＳｉＯ２薄膜が２８９３×１０−１０ｍの被検体３の共振周波数は、比較検体４よりも平均６８０ｋＨｚ低い値となった。
【００７０】
＜結果２＞
ＳｉＯ２薄膜が１０７３９×１０−１０ｍの被検体３の共振周波数は、比較検体４よりも平均１５００ｋＨｚ低い値となった。
【００７１】
＜結果３＞
ＳｉＯ２薄膜が１３５１８×１０−１０ｍの被検体３の共振周波数は、比較検体４よりも平均１７２０ｋＨｚ低い値となった。
【００７２】
本来、ＳｉＯ２薄膜の厚みが増すと、プローブ共振器３がアルミ基板から離れることにより、共振周波数が高くなる方向に偏移する（オープンエアに戻る）はずであるが、結果１〜３では全て低くなる方向に偏移している。これらの結果１〜３から、ＳｉＯ２薄膜の誘電率に応じて共振周波数が偏移することが確認された。
【符号の説明】
【００７３】
１    測定装置
２    位置決めテーブル
２ａ    平坦面
３    プローブ共振器
５    分析器
７    外部導体
８    内部導体
１４    試料
１５    導電性基板
１６    下敷
１７    錘
１８    ヘッド
【図１】
2011069630.tif 000003
【図２】
2011069630.tif 000004
【図３】
2011069630.tif 000005
【図４】
2011069630.tif 000006
【図５】
2011069630.tif 000007
【図６】
2011069630.tif 000008