(57)【要約】【課題】表面電位計の測定精度を向上する。【解決手段】表面電位計１は、試料９を保持する試料保持部１１、試料９の表面に対向する電極１２、試料保持部１１を振動させる振動部１３、および、電極１２を昇降する昇降機構１４を備え、制御部２により、振動部１３が試料保持部１１を振動させた際の電極１２からの変位電流と電極電位との関係が取得される。制御部２による変位電流と電極電位との関係の取得は電極１２と試料９との間の距離を変更しつつ複数回行われ、コンピュータ３により電極１２と試料９との間の距離に依存しない基準電位が求められた後、試料９の表面電位が求められる。表面電位計１では、電極１２が振動しないため、電極１２とその周囲の構造との間の浮遊容量の影響を測定から取り除くことができ、測定精度を向上することができる。【選択図】図１
2008116328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面電位を測定する表面電位計であって、
試料を保持する試料保持部と、
非接触にて前記試料の表面に対向する電極と、
前記電極に向かう方向に前記試料保持部を振動させる振動部と、
前記試料保持部を振動させた際の前記電極からの変位電流と前記電極の電極電位とを取得する制御部と、
前記変位電流および前記電極電位から前記試料の表面電位を取得する演算部と、
を備えることを特徴とする表面電位計。
【請求項２】
請求項１に記載の表面電位計であって、
変位電流と電極電位との関係を変化させる測定条件を変更する測定条件変更手段をさらに備え、
前記制御部により、前記試料保持部を振動させた際の前記電極からの変位電流と前記電極の電極電位との関係が取得され、
前記演算部により、複数の測定条件に対応する変位電流と電極電位との複数の関係から前記試料の表面電位が求められることを特徴とする表面電位計。
【請求項３】
請求項２に記載の表面電位計であって、
前記制御部が、フィードバック制御により、変位電流の値を指定電流値とする電極電位を取得することを特徴とする表面電位計。
【請求項４】
請求項３に記載の表面電位計であって、
変位電流と電極電位との関係が取得される際に、電極電位が直接的に取得されることを特徴とする表面電位計。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかに記載の表面電位計であって、
前記測定条件変更手段が、前記電極と前記試料の表面との間の距離を変更する機構であることを特徴とする表面電位計。
【請求項６】
請求項２ないし４のいずれかに記載の表面電位計であって、
前記測定条件変更手段が、前記振動部の振幅を変更する回路であることを特徴とする表面電位計。
【請求項７】
請求項２ないし６のいずれかに記載の表面電位計であって、
前記演算部が、前記複数の測定条件に対応する変位電流と電極電位との前記複数の関係から、前記複数の測定条件に依存しない前記電極の基準電位を求め、前記基準電位に基づいて前記試料の表面電位を求めることを特徴とする表面電位計。
【請求項８】
請求項７に記載の表面電位計であって、
予め設定された値を記憶するメモリをさらに備え、
前記演算部が、前記基準電位に対して前記予め設定された値を加算または減算することにより前記試料の表面電位を求めることを特徴とする表面電位計。
【請求項９】
請求項７または８に記載の表面電位計であって、
前記基準電位が、前記複数の測定条件における電極電位の範囲外であることを特徴とする表面電位計。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載の表面電位計であって、
非接触にて前記試料の表面に対向する複数の電極を備え、
前記制御部が、前記試料保持部を振動させた際の前記複数の電極からの変位電流と前記複数の電極の電極電位を取得し、
前記演算部が、前記変位電流と前記電極電位とから前記複数の電極に対向する位置における前記試料の表面電位を求めることを特徴とする表面電位計。
【請求項１１】
請求項１０に記載の表面電位計であって、
前記複数の電極を前記試料の表面に対して平行かつ相対的に移動する電極移動機構をさらに備えることを特徴とする表面電位計。
【請求項１２】
試料の表面電位を測定する表面電位測定方法であって、
ａ）試料保持部に試料を保持し、電極を非接触にて前記試料の表面に対向させる工程と、
ｂ）前記試料に向かう方向に前記試料保持部を振動する工程と、
ｃ）前記試料保持部を振動させた際の前記電極からの変位電流と前記電極の電極電位とを取得する工程と、
ｄ）前記変位電流および前記電極電位から前記試料の表面電位を求める工程と、
を備えることを特徴とする表面電位測定方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の表面電位測定方法であって、
前記ｃ）工程において、前記電極からの変位電流と前記電極の電極電位との関係が取得され、
前記ｃ）工程が、変位電流と電極電位との関係を変化させる測定条件を変更しつつ繰り返し実行され、
前記ｄ）工程において、複数の測定条件に対応する変位電流と電極電位との複数の関係から前記試料の表面電位が求められることを特徴とする表面電位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面電位を測定する表面電位計および表面電位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、複写機の感光ドラムやＩＣを実装した基板の表面電位を測定するために非接触式の表面電位計が使用されており、このような表面電位計の１つとして、交流法と呼ばれる方式のものがある。交流法では、振動する電極を試料に近接させ、振動電極と試料との間の静電容量の変化に起因する振動電極からの電流に基づいて表面電位が求められる。例えば、特許文献１では、振動電極の電位を変化させた際の振動電極からの電流の変化を検出することにより振動電極と試料との間の距離を推測し、振動電極からの電流が０となるときの振動電極の電位を、推測した距離に基づいて補正することにより試料の表面電位が求められる。
【０００３】
なお、特許文献２では、帯電した半導体基板からの電界で電荷が誘導される複数のセンサ電極を配置し、各センサ電極の電位をコンデンサに保持して所定の順序で検出することにより、基板上の電荷量の二次元分布を測定する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平９−２１１０４６号公報
【特許文献２】特開平２００４−２３９８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載の表面電位計では振動電極から電極の変位に起因する電流が検出されるが、振動電極の振動により、試料と振動電極との間の静電容量のみならず周辺部品と振動電極との間の浮遊容量も変化するため、測定精度の向上が困難となる。さらに、振動電極と試料との間の距離の変化に応じて測定結果の誤差の程度も大きく変化することから、測定値の校正に煩雑な作業も必要となる。交流法は非接触にて簡便に測定ができるという特徴を有しているが、上記の表面電位計は、例えば、半導体の絶縁膜上の帯電電荷の測定のような微小表面電位の測定には適していない。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、表面電位の測定において、容易に測定精度を向上することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、試料の表面電位を測定する表面電位計であって、試料を保持する試料保持部と、非接触にて前記試料の表面に対向する電極と、前記電極に向かう方向に前記試料保持部を振動させる振動部と、前記試料保持部を振動させた際の前記電極からの変位電流と前記電極の電極電位とを取得する制御部と、前記変位電流および前記電極電位から前記試料の表面電位を取得する演算部とを備える。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の表面電位計であって、変位電流と電極電位との関係を変化させる測定条件を変更する測定条件変更手段をさらに備え、前記制御部により、前記試料保持部を振動させた際の前記電極からの変位電流と前記電極の電極電位との関係が取得され、前記演算部により、複数の測定条件に対応する変位電流と電極電位との複数の関係から前記試料の表面電位が求められる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の表面電位計であって、前記制御部が、フィードバック制御により、変位電流の値を指定電流値とする電極電位を取得する。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の表面電位計であって、変位電流と電極電位との関係が取得される際に、電極電位が直接的に取得される。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項２ないし４のいずれかに記載の表面電位計であって、前記測定条件変更手段が、前記電極と前記試料の表面との間の距離を変更する機構である。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項２ないし４のいずれかに記載の表面電位計であって、前記測定条件変更手段が、前記振動部の振幅を変更する回路である。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、請求項２ないし６のいずれかに記載の表面電位計であって、前記演算部が、前記複数の測定条件に対応する変位電流と電極電位との前記複数の関係から、前記複数の測定条件に依存しない前記電極の基準電位を求め、前記基準電位に基づいて前記試料の表面電位を求める。
【００１３】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の表面電位計であって、予め設定された値を記憶するメモリをさらに備え、前記演算部が、前記基準電位に対して前記予め設定された値を加算または減算することにより前記試料の表面電位を求める。
【００１４】
請求項９に記載の発明は、請求項７または８に記載の表面電位計であって、前記基準電位が、前記複数の測定条件における電極電位の範囲外である。
【００１５】
請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし９のいずれかに記載の表面電位計であって、非接触にて前記試料の表面に対向する複数の電極を備え、前記制御部が、前記試料保持部を振動させた際の前記複数の電極からの変位電流と前記複数の電極の電極電位を取得し、前記演算部が、前記変位電流と前記電極電位とから前記複数の電極に対向する位置における前記試料の表面電位を求める。
【００１６】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の表面電位計であって、前記複数の電極を前記試料の表面に対して平行かつ相対的に移動する電極移動機構をさらに備える。
【００１７】
請求項１２に記載の発明は、試料の表面電位を測定する表面電位測定方法であって、ａ）試料保持部に試料を保持し、電極を非接触にて前記試料の表面に対向させる工程と、ｂ）前記試料に向かう方向に前記試料保持部を振動する工程と、ｃ）前記試料保持部を振動させた際の前記電極からの変位電流と前記電極の電極電位とを取得する工程と、ｄ）前記変位電流および前記電極電位から前記試料の表面電位を求める工程とを備える。
【００１８】
請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の表面電位測定方法であって、前記ｃ）工程において、前記電極からの変位電流と前記電極の電極電位との関係が取得され、前記ｃ）工程が、変位電流と電極電位との関係を変化させる測定条件を変更しつつ繰り返し実行され、前記ｄ）工程において、複数の測定条件に対応する変位電流と電極電位との複数の関係から前記試料の表面電位が求められる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、電極と周囲の構造物との間の浮遊容量を一定とすることができ、容易に測定精度を向上することができる。請求項３の発明では、試料と電極との間の電位差をおよそ所望の大きさとすることができ、測定結果を安定して得ることができる。請求項４の発明では、電極電位を直接的に取得することにより、測定度を向上することができる。
【００２０】
請求項５および６の発明では、変位電流と電極電位との関係を変化させる測定条件を容易に変更することができる。
【００２１】
請求項１０の発明では、１つの振動部を利用する簡単な構造で試料表面の複数の位置における表面電位を同時に測定することができ、請求項１１の発明では、試料表面の多数の位置における表面電位を速やかに測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る表面電位計１の構成を示す図である。表面電位計１は、半導体基板である板状の試料９の表面電位を交流法の１つである振動容量法にて測定する装置であり、試料９が載置されて保持される試料保持部１１、非接触にて試料９の表面に対向する電極１２、試料保持部１１を振動させる振動部１３、電極１２を昇降する昇降機構１４、様々な電気的信号を処理する回路やデバイスの集合である制御部２、および、演算部であるコンピュータ３を備える。
【００２３】
試料保持部１１は板状の試料９を吸着保持し、振動部１３は試料保持部１１の下部に接続される。振動部１３はピエゾアクチュエータ（圧電素子）を有し、試料保持部１１を電極１２に向かう方向に周期的に振動させる。試料保持部１１の面積は電極１２の先端の面積よりも十分に大きく、試料保持部１１はＸＹステージとなっており、試料９を水平方向に移動し、試料９の所望の部位を電極１２に対向させる。電極１２は絶縁体を介して昇降機構１４に接続されており、昇降機構１４により電極１２と試料９の表面との間の距離が変更される。電極１２の周囲は保護カバー１５１で覆われており、試料保持部１１の周囲もカバー１５２で覆われる。また、試料保持部１１および振動部１３はカバー１５２内の支持部１５３上に設置される。
【００２４】
制御部２は、電極１２からの微少な電流を電圧に変換するとともに増幅するプリアンプ２１、プリアンプ２１からの信号をさらに増幅するアンプ２２、振動部１３に振動用の信号を与える発振器２３、発振器２３およびアンプ２２からの信号が入力される同期検波回路２４、並びに、オペアンプ２５１を含む制御回路２５を備える。電極１２からの電流は、試料保持部１１の振動により電極１２と試料９との間の静電容量が変化することに起因して発生する交流電流であるため、以下の説明では「変位電流」と呼ぶ。
【００２５】
プリアンプ２１では電流値を変換した電圧が約１０の１０乗倍に増幅され、アンプ２２にてさらに約１０の２乗倍に増幅される。これにより、例えば、１０ｆＡ（フェムトアンペア）の電流が約１ｍＶの電圧としてオペアンプ２５１に導かれる。制御回路２５からの電位は電極１２に付与される。同期検波回路２４にはアンプ２２からの変位電流を示す電圧および発振器２３からの信号が入力され、変位電流の振幅が変位電流の大きさとして同期検波回路２４から出力され、制御回路２５のオペアンプ２５１の反転入力端子（−）に入力される。
【００２６】
オペアンプ２５１の非反転入力端子（＋）には、コンピュータ３から変位電流の大きさを指定する電流指定電圧が入力され、これにより、同期検波回路２４からの入力電圧が電流指定電圧に等しくなるようにオペアンプ２５１が電極１２に電位を与える。すなわち、制御部２によりオペアンプ２５１を利用したフィードバック制御が行われ、電極１２からの変位電流の値を指定電流値とする電極１２の電位（以下、「電極電位」という。）が取得される。なお、正確には電極電位の取得は制御回路２５からコンピュータ３への入力として行われ、このとき、電極電位は直接的に（すなわち、電極電位以外の値から求められるものではなく電極電位そのものまたは電極電位を変換したものが）コンピュータ３に入力される。以上の制御部２の動作により、試料保持部１１を振動させた際の電極１２からの変位電流と電極電位とが取得される。
【００２７】
図２は試料９の表面電位が測定される際の表面電位計１の動作の流れを示す図である。まず、試料保持部１１に試料９の裏面が接触するようにして試料９が載置されて保持され（ステップＳ１１）、電極１２が非接触にて試料９の表面に対向する。そして、昇降機構１４により電極１２と試料９の表面との間の距離が所定値に設定される（ステップＳ１２）。
【００２８】
その後、振動部１３により試料９に向かう方向に試料保持部１１の振動が開始されるとともに予め設定されている電流指定電圧がコンピュータ３から制御回路２５に入力される（ステップＳ１３）。これにより、電極１２からの変位電流の値（すなわち、電流の絶対値の最大値）が電流指定電圧が示す値となるように電極電位がフィードバック制御される。そして、この電極電位がコンピュータ３に入力される（ステップＳ１４）。
【００２９】
電極電位の取得が完了するとステップＳ１３へと戻り、電流指定電圧が変更されて再度電極電位の取得が行われる（ステップＳ１４）。さらに、電流指定電圧の変更および電極電位の取得が複数回繰り返され（ステップＳ１４，Ｓ１５）、これにより、変位電流と電極電位との関係（すなわち、複数の組み合わせ）が取得される。
【００３０】
電極１２と試料９との間の距離が一定に維持された状態で制御部２の動作（およびコンピュータ３からの指示）により変位電流と電極電位との関係が取得されると、ステップＳ１２へと戻り（ステップＳ１６）、昇降機構１４により電極１２と試料９の表面との間の距離が変更され、電流指定電圧の変更および電極電位の取得が複数回繰り返されて変位電流と電極電位との関係が再度取得される（ステップＳ１３〜Ｓ１５）。そして、電極１２と試料９の表面との間の距離の変更、および、変位電流と電極電位との関係の取得が所定回数繰り返されることにより、変位電流と電極電位との複数の関係が取得される（ステップＳ１２〜Ｓ１６）。
【００３１】
図３は電流指定電圧（すなわち、変位電流）と電極電位との関係を例示する図である。四角のドットは、電極１２と試料９の表面との間の距離を一定に保って取得された電流指定電圧と電極電位との組み合わせ（離散的な関係）を示し、実線の線８１１は四角のドットから最小二乗法にて求められる直線であり、変位電流と電極電位との連続的な線形の関係を示す。また、三角のドットは、四角のドットの場合よりも電極１２と試料９の表面との間の距離を小さくした場合の電流指定電圧と電極電位との組み合わせを示し、丸のドットは電極１２と試料９の表面との間の距離をさらに小さくした場合の電流指定電圧と電極電位との組み合わせを示す。破線８１２は三角のドットから導かれる直線であり、一点鎖線８１３は丸のドットから導かれる直線である。
【００３２】
図３の各直線８１１〜８１３が示すように、変位電流と電極電位との関係は線形であり、電極１２と試料９の表面との間の距離が大きいほど傾きが大きくなる。このように、電極１２と試料９の表面との間の距離は、変位電流と電極電位との関係を変化させる測定条件となっており、昇降機構１４がこの測定条件を変更する手段となっている。これらの直線８１１〜８１３は１つの点８１４で交わり、電極１２と試料９の表面との間の距離をさらに変化させた場合の他の直線も点８１４を通る。点８１４は電極１２と試料９の表面との間の距離に依存しないことから、点８１４では電極１２と試料９との間の静電容量の変化により変位電流が実際には生じていないと考えられ、点８１４において原則、電極電位（以下、「基準電位Ｖｓ」という。）と電極１２と対向する位置での試料９の表面電位とが等しいと推定することができる。換言すれば、電極１２の形状、回路にて生じるノイズ等の様々な要因により点８１４において変位電流は０とはならないが、点８１４を求めることにより、変位電流の０からのずれを掃引した電極１２と試料９の表面との間の距離に依存しない基準電位Ｖｓを求めることが実現される。
【００３３】
以上に説明した手法に従って、コンピュータ３では、制御部２の制御により取得された変位電流と電極電位との複数の離散的な関係から、複数の連続的な関係を示す上述の複数の直線８１１〜８１３が求められ（ステップＳ１７）、さらに、複数の直線の交点８１４が求められることにより、基準電位Ｖｓが試料９の表面電位として求められる（ステップＳ１８）。
【００３４】
次に、表面電位計１による測定により精度の高い測定が実現される原理について説明する。通常、振動部１３の角周波数をω、電極１２の先端の面積をＳ、電極１２と試料９の表面との間の距離をｄ、電極１２の振幅幅をΔｄ、空気の誘電率をεとすると、電極１２と試料９との間の静電容量Ｃは、数１にて表される。
【００３５】
【数１】
2008116328.tif 000003
【００３６】
ここで、電極電位が０である場合の試料９の表面電位をＶとすると、変位電流ｉは数２にて表される。ただし、数２中のＣ０は、数３にて表される。
【００３７】
【数２】
2008116328.tif 000004
【００３８】
【数３】
2008116328.tif 000005
【００３９】
数２に示すように、変位電流ｉは試料９の表面電位Ｖに比例し、距離ｄにも依存する。測定に際しては、変数となる距離ｄを測定することで理論上、表面電位Ｖを求めることができるが、実際には、様々な誤差要因により上記演算では正確な測定結果を得ることができない。
【００４０】
図４は図１に示す表面電位計１を簡略化して示す図であり、図５は試料保持部１１ではなく電極１２に振動部１３ａが設けられる（すなわち、電極１２側が振動する）比較例に係る表面電位計１００を示す図である。表面電位計１，１００の電極１２の大部分は接地されたカバー内に納められるため、電極１２の周囲では、電極１２と試料９との間の静電容量Ｃの他に、電極１２とカバーや他の周囲の構造物との間の様々な浮遊容量Ｃｐが生じている。
【００４１】
図６および図７は、図４および図５の静電容量Ｃおよび浮遊容量Ｃｐと制御部２に対応する電流計との関係を簡略化して示す回路図である。電極１２が振動する際には、図５および図７に示すように、電極１２と試料９との間の静電容量Ｃが変動するのみならず、浮遊容量Ｃｐも変動する。したがって、変位電流には静電容量Ｃおよび浮遊容量Ｃｐの双方の変動に起因する電流が含まれることとなり、数十ｍＶ程度の精度が限界となる。これに対し、図４に示すように、試料９側に振動部１３を設けて電極１２を振動することなく変位電流を得ることにより、浮遊容量Ｃｐを一定とすることができ、図６に示すように変位電流は静電容量Ｃの変動にのみ起因するものとなる。その結果、変位電流から浮遊容量Ｃｐに起因する誤差を取り除くことができ、容易に測定精度を向上することが実現される。
【００４２】
なお、表面電位計１では、電極電位を指定して変位電流の値を検出することにより変位電流と電極電位との関係を取得することも可能であるが、この場合、指定した電極電位が試料９の表面電位と大きく異なって測定誤差が大きくなるおそれがある。しかし、表面電位計１では変位電流の値としてある程度小さい値を指定することにより、試料９と電極１２との間の電位差をおよそ所望の大きさとすることができ、測定結果を安定して得ることができる。
【００４３】
また、表面電位計１では制御部２にて正確な電極電位が直接的に取得されてコンピュータ３へと送られるため、求められる基準電位の精度、および、試料９の表面電位の測定精度を向上することができる。
【００４４】
次に、表面電位計１にて校正作業（いわゆる、ゼロ校正）が行われる場合の表面電位計１の動作について説明する。既述のように、コンピュータ３にて求められる基準電位は原則として試料９の表面電位に等しいが、測定誤差の許容値が小さい場合、電極１２や試料９の材料や表面状態等により測定結果が許容値以上の誤差を含む場合がある。このような場合は、予め表面電位計１にて校正作業が行われる。
【００４５】
校正作業では、試料保持部１１に試料９が載置されない状態で、図２のステップＳ１２〜Ｓ１８が実行される。この作業により求められる表面電位は、表面電位計１自体が有する誤差となる。そこで、この表面電位が図１に示すコンピュータ３に設定されてメモリ３１に記憶される。その後、試料９が試料保持部１１に載置されて既述の測定動作が行われ、電極１２の基準電位Ｖｓが求められる。さらに、基準電位Ｖｓからメモリ３１に記憶されている値が減算され（メモリ３１に正負を反転した値を記憶しておいてその値と加算されてもよい。）、最終的な表面電位が求められる。
【００４６】
従来の表面電位計では、振動電極と試料との間の距離が測定誤差に複雑に影響を与えるため、電極と試料との間の距離を変更する毎に校正を行う煩雑な作業が必要であったが、表面電位計１では浮遊容量の影響を取り除くことができ、かつ、電極１２と試料９の表面との間の距離を精密に測定する作業も不要となり、簡単な校正作業で精度の高い測定を行うことが実現される。
【００４７】
図８は、コンピュータ３にて基準電位を求める処理の他の例を示す図であり、図１に示すオペアンプ２５１からの出力電位の範囲外の表面電位を測定する例を示している。図８中の直線８２１，８２２，８２３は、図３の場合と同様に、電極１２と試料９との間の距離を変更して求められた変位電流と電極電位との複数の連続的な関係を示すものであり、これらの直線は点８２４にて交差する。表面電位の絶対値が大きい場合であっても、図８に示すように複数の直線の交点を求めることが可能であれば、電極１２と試料９との間の距離を様々に変更して行われる測定において、基準電位Ｖｓ（および表面電位）が電極電位の変化の範囲外であっても表面電位を求めることが実現される。
【００４８】
以上、表面電位計１の構成および動作について説明したが、表面電位計１は、試料表面が予測される表面電位に対して大幅に異なっているか否かを簡易に確認する簡易測定に利用することもできる。このような簡易測定は、例えば、量産される半導体基板の中から異常帯電したものを発見する際に利用される。
【００４９】
簡易測定では、図２に示すステップＳ１２，Ｓ１５〜Ｓ１７が省略された動作が行われる。具体的には、電極１２と試料９との間の距離が予め設定されており、電流指定電圧も変位電流が０となるように設定される。試料保持部１１に試料が載置されて保持されると（ステップＳ１１）、所定の位置に電極１２が配置され、振動部１３により試料保持部１１が加振されるとともに電流指定電圧が制御回路２５に入力れる（ステップＳ１３）。これにより、変位電流が指定値である０になるようにフィードバック制御が行われ、電極電位がコンピュータ５に取り込まれ、所定の演算処理により電極電位を示す数値へと変換される（ステップＳ１４）。すなわち、０である変位電流と電極電位との１つの組み合わせが取得され、これにより簡易測定が完了する。
【００５０】
簡易測定では変位電流が０に指定されるため、電極電位は表面電位に近い値となり、誤差は表面電位計１が有する固有の誤差程度となる。換言すれば、０である変位電流および電極電位から試料９の表面電位がコンピュータ３により取得される。したがって、簡易測定であっても、例えば、試料９の表面に数百Ｖを超えるような異常帯電が生じているか否かを確認することができる。また、既述のように表面電位計１では電極１２が振動しないことから電極１２と周囲の構造物との間の浮遊容量が一定であり、装置固有の誤差の変動が小さいため、簡易測定におけるおよその誤差を予め取得して測定結果に反映することにより、簡易測定であってもある程度精度のよい測定を行うことも可能である。
【００５１】
なお、上記動作では変位電流の指定値は０とされ、変位電流を意識することなく電極電位から表面電位が取得されるが、変位電流の指定値は０以外であってもよく、この場合、変位電流の指定値に応じて電極電位から表面電位を求める変換式あるいはオフセット値が設定され、変換式やオフセット値に基づいて表面電位が簡易に求められる。
【００５２】
図９は本発明の第２の実施の形態に係る表面電位計１ａを示す図である。表面電位計１ａは図１に示すものから、電極１２用の昇降機構１４が省かれ、発振器２３に振幅変更回路２３１が設けられる点で相違する。他の構成は図１と同様であり、図９では制御部２の一部およびコンピュータ３の図示を省略している。
【００５３】
表面電位計１ａの動作は、図２のステップＳ１２における電極１２と試料９の表面との間の距離の変更に代えて、振幅変更回路２３１により試料保持部１１の振動の振幅が変更されるという点で相違し、他の動作は図２と同様である。図１０は表面電位計１ａにて取得される電流指定電圧（変位電流）と電極電位との関係を例示する図である。図１０において丸のドットは、電極１２と試料９の表面との間の距離を一定に保って取得された電流指定電圧と電極電位との組み合わせ（離散的な関係）を示し、実線の線８３１は丸のドットから導かれる直線であり、変位電流と電極電位との連続的な線形の関係を示す。また、三角のドットは、電極１２と試料９の表面との間の距離を一定に保ったまま丸のドットの場合よりも振幅を小さくした場合の関係を示し、四角のドットは振幅をさらに小さくした場合の関係を示す。破線８３２は三角のドットから導かれる直線であり、一点鎖線８３３は四角のドットから導かれる直線である。
【００５４】
図１０の直線８３１〜８３３が示すように、変位電流と電極電位との関係は線形であり、振幅が大きいほど傾きが小さくなる。このように、振動部１３の振幅は、変位電流と電極電位との関係を変化させる測定条件となっており、振幅変更回路２３１がこの測定条件を変更する手段となっている。これらの直線８３１〜８３３は１つの点８３４で交わる。点８３４は試料保持部１１の振幅に依存しないことから、第１の実施の形態と同様に、点８３４では電極１２と試料９との間の静電容量の変化により変位電流が実際には生じていないと考えられ、点８３４の位置における基準電位Ｖｓは、原則、試料９の表面電位に等しいと推定することができる。また、第１の実施の形態と同様に、変位電流から浮遊容量の影響を取り除くことができ、容易に精度の高い測定を行うことができる。さらに、振幅の変更を利用する表面電位計１ａでは、電気的な制御のみで表面電位を測定するとができ、装置構造を簡素化することができる。なお、第１の実施の形態と同様に、試料９が載置されない状態で基準電位を取得してメモリに保存しておき、実際の測定に対する校正が行われてもよい。
【００５５】
以上のように、電極１２と試料９の表面との間の距離の変更に代えて、電極１２の振幅の変更が行われてもよく、さらには、電極１２からの変位電流と電極電位との関係を変化させる測定条件が変更されるのであれば、昇降機構１４や振幅変更回路２３１以外の機構や電気的回路により測定条件が変更されてもよい。変位電流と電極電位との関係を変化させる測定条件を変更しつつ複数の測定条件に対応する変位電流と電極電位との複数の関係を取得することにより、演算部であるコンピュータ３により複数の測定条件に依存しない基準電位Ｖｓを求め、基準電位Ｖｓに基づいて試料９の表面電位を求めることができる。
【００５６】
例えば、発振器２３に振動周波数変更回路を設けることによっても、複数の振動周波数における変位電流と電極電位との複数の関係を取得することができ、同様の処理により試料９の表面電位を求めることができる。図１０の場合においても図８の場合と同様に、基準電位Ｖｓが、複数の測定条件における電極電位の範囲外とされてもよい。
【００５７】
なお、第１の実施の形態では変位電流と電極電位との関係を変化させる測定条件の１つである電極１２と試料９の表面との間の距離を機械的に容易に変更することができ、第２の実施の形態では測定条件の１つである振動部１３の振幅を電気的に容易に変更することができるが、このとき、電極１２と試料９の表面との間の距離や電極１２の振幅の高精度な測定が不要であることから、表面電位の測定作業および校正作業を極めて容易に行うことができる。
【００５８】
図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る表面電位計１ｂの一部を拡大して示す正面図である。表面電位計１ｂは、第１の実施の形態の電極１２と同様の非接触にて試料９の表面に対向する複数の電極１２を備えるという点で第１の実施の形態に係る表面電位計１と相違し、昇降機構により複数の電極１２が一括して試料９に対して昇降する。また、複数の電極１２からの変位電流を指定値に制御するとともに電極電位を個別に取得するために、制御部２では複数の電極１２に対応して、図１のプリアンプ２１、アンプ２２、同期検波回路２４および制御回路２５が複数組設けられる。他の構造は、第１の実施の形態と同様であり、以下、同符号を付して説明する。
【００５９】
図１２は、試料９に対する複数の電極１２の配置を示す平面図である。表面電位計１ｂでは、４つの電極１２が円形状の試料９の外縁部に沿って等間隔に配置され、残りの１つの電極１２は試料９の中央に対向して配置され、図１１に示すように全ての電極１２と試料９との間の距離は等しくされる。
【００６０】
表面電位計１ｂにおける測定動作は、複数の電極１２を用いて一括して測定が行われるという点を除いて図２に示す動作と同様である。すなわち、試料９が試料保持部１１に載置されて複数の電極１２と試料９との間の距離が設定されると（ステップＳ１１，Ｓ１２）、試料９の振動が開始される。これにより、複数の電極１２と試料９との間の距離が微小に同時に変動することとなる。そして、電流指定電圧が各電極１２に接続された制御回路２５に入力され（ステップＳ１３）、試料保持部１１を振動させた際の複数の電極１２からの変位電流と電極電位とが取得される（ステップＳ１４）。
【００６１】
上記動作が電流指定電圧を変更しつつ繰り返されることにより、各電極１２での変位電流と電極電位との離散的な関係が取得され（ステップＳ１５）、さらに、複数の電極１２と試料９との間の距離の一括変更と、各電極１２の変位電流と電極電位との離散的な関係の取得とが繰り返されることにより（ステップＳ１６）、各電極１２における変位電流と電極電位との複数通りの連続的な関係が求められる（ステップＳ１７）。その後、演算部であるコンピュータ３により、図３を参照して説明した手法により各電極１２に関する基準電位が求められ、複数の電極１２に対向する複数の位置における試料９の表面電位が求められる。
【００６２】
以上のように、表面電位計１ｂでは、第１の実施の形態と同様に容易に精度の高い測定を行うことが実現されるとともに、１つの振動部１３を利用して複数の電極１２と試料９との間の距離を一括して振動させることができるため、簡単な構造で複数の位置での試料９の表面電位を同時に測定することができる（いわゆる、「サンプル面内の同時マップ測定」が可能となる。）。また、振動部１３が試料９の下方に位置するため、例えば、複数の電極１２に振動部を設ける場合に比べて装置設計を容易に行うことができる。その結果、装置の製造コストも削減される。
【００６３】
図１３は第４の実施の形態に係る表面電位計１ｃの一部を拡大して示す正面図であり、図１４はその平面図である。表面電位計１ｃは、第３の実施の形態と同様に複数の電極１２を備え、複数の電極１２は試料９の径方向に等ピッチにて配列され、試料９からの距離が等しくなるように電極移動機構１７（図１４では破線して示している。）に取り付けられる。電極１２は電極移動機構１７によりその配列方向に試料９の表面に平行に移動可能とされる。また、図１３に示すように、振動部１３の下側には回転機構１８がさらに設けられ、回転機構１８により図１４中の矢印７にて示すように、試料保持部１１が試料９の主面に垂直な中心軸を中心に回転する。回転機構１８も複数の電極１２を試料９の表面に対して相対的に平行に移動する電極移動機構としての役割を果たす。表面電位計１ｃの他の構成は第３の実施の形態と同様である。
【００６４】
図１３および図１４に示すように、電極移動機構１７は、複数の電極１２を支持する電極支持部１７１、電極支持部１７１の直線移動を案内するガイド部１７２、並びに、電極支持部１７１を移動させるボールねじ機構およびモータ（図示省略）を備える。また、図示省略の昇降機構により、電極移動機構１７および複数の電極１２は試料９に対して昇降可能とされる。
【００６５】
表面電位計１ｃによる測定では、複数の電極１２が試料９に対して移動することにより、試料９の表面全体の電位が測定される。測定動作は基本的には図２と同様であるが、ステップＳ１４が図１５に示すステップＳ１４１〜Ｓ１４４に置き換えられる点で相違する。
【００６６】
具体的には、試料保持部１１に試料９が載置されて電極１２と試料９との間の距離が設定され、振動部１３を振動させるとともに電流指定電圧が制御部２に入力された後（図２：ステップＳ１１〜Ｓ１３）、電極１２の位置および試料９の回転位置が所定の初期位置に設定される。そして、電極１２の水平移動および試料９の回転が開始され（図１５：ステップＳ１４１）、所定のタイミングで、第３の実施の形態と同様に複数の電極１２の電極電位が並行して取得される（ステップＳ１４２）。
【００６７】
その後、電極１２の相対移動を継続しつつ電極電位の取得が予め定められたタイミングで繰り返され、試料９の表面の多数の位置（以下、「測定位置」という。）に対応する電極電位が取得される（ステップＳ１４３）。多数の電極電位が取得される間に、試料９が回転するとともに複数の電極１２がそのピッチだけ低速にて直線移動し、複数の電極１２が試料９の表面全体を通過する。全ての測定位置に対応する電極電位が取得されると、電極支持部１７１の移動および試料９の回転が停止され、試料９に対する電極１２の相対移動が終了する（ステップＳ１４４）。上記一連の動作が完了すると、電極１２の位置および試料９の回転位置が所定の初期位置に戻され、電極１２と試料９との間の距離を維持したまま電流指定電圧を変更して再びステップＳ１４１〜Ｓ１４４が実行され（図２：ステップＳ１５）、試料９上の多数の測定位置に対応する電極電位が取得される。
【００６８】
電流指定電圧を変更しつつステップＳ１３並びにステップＳ１４１〜Ｓ１４４が必要回数繰り返され（ステップＳ１５）、これにより、各測定位置における変位電流と電極電位との複数の組み合わせが取得される。次に、電極１２と試料９との間の距離が変更され（ステップＳ１６，Ｓ１２）、再度、ステップＳ１３、ステップＳ１４１〜１４４並びにステップＳ１５が実行される。その結果、電極１２と試料９との間の距離を変更した場合の各測定位置における変位電流と電極電位との複数の組み合わせが取得される。そして、必要に応じてステップＳ１２、ステップＳ１３、ステップＳ１４１〜１４４並びにステップＳ１５がさらに繰り返される。
【００６９】
以上の動作により、各測定位置において図３に例示する情報が取得され、電極１２と試料９との各距離における変位電流と電極電位との複数の連続的な関係がコンピュータ３により求められ（ステップＳ１７）、さらに、複数の連続的な関係から基準電位Ｖｓが求められて適宜修正が加えられることにより、各測定位置における最終的な試料９の表面電位が求められる（ステップＳ１８）。
【００７０】
以上に説明したように、表面電位計１ｃでは、複数の電極１２を試料９に対して相対的に移動することにより、試料９の表面上の多数の位置において表面電位を速やかに測定することができ、試料９の表面の電位分布（いわゆる、電位マップ）を取得することができる。また、第３の実施の形態と同様に、複数の電極１２を設けるとともに試料９を振動させることにより、簡易な構造にて速やかに精度のよい測定を行うことができる。
【００７１】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００７２】
上記実施の形態では、振動部１３はピエゾアクチュエータを有しているが、サーボモータや回転するカムにより試料保持部１１が振動されてもよい。また、試料保持部１１の下側に、楔状の部材を設け、この部材を水平方向に振動することにより試料保持部１１が上下に振動してもよい。さらに、測定される試料９が大きな部材である場合、複数のピエゾアクチュエータを配置することにより試料保持部１１が振動されてもよい。試料保持部１１では試料９は様々な方法で保持されてよく、例えば、単に載置されるのみでもよいし、試料９の周囲のみが保持されてもよい。
【００７３】
上記実施の形態では、電流指定電圧により変位電流（の大きさ）が指定され、フィードバック制御により指定された変位電流となるように電極電位が制御されるが、電極電位が指定されてそのときの変位電流が取得されてもよい。
【００７４】
基準電位の算出に利用される変位電流と電極電位との関係を示す複数の直線の数は多い方が好ましいが、測定原理上、２つの測定条件下の２つの直線を求めるのみで試料９の表面電位を求めることができる。また、表面電位計１〜１ｃにより測定される試料９の表面電位の測定範囲は、図３や図８に示す範囲には限定されず、例えば、数ｋＶの表面電位の測定に表面電位計１〜１ｃが利用されてもよい。
【００７５】
上記実施の形態では、第３および第４の実施の形態に係る表面電位計１ｂ，１ｃに備えられる複数の電極１２の数は５であるとして説明したが電極数は、試料の大きさ、測定点の数等により適宜変更される。第４の実施の形態における電極１２の移動は他の方式であってもよい。例えば、複数の電極１２が直線状に配列され、配列方向に垂直な、あるいは、交差する方向に移動することにより、複数の電極１２が試料９の表面全体を横切るように移動されてもよい。
【００７６】
第３および第４の実施の形態に係る表面電位計１ｂ，１ｃでは、第２の実施の形態に係る表面電位計１ａと同様に、試料保持部１１の振動の振幅を変更することにより表面電位が測定されてもよい。
【００７７】
上記実施の形態に係る表面電位計は測定精度が高いため、微小な表面電位の測定が求められる半導体基板の測定に適しているが、測定対象である試料９は半導体基板には限定されず、絶縁物や表面に絶縁膜が形成された導電体であってもよく、板状にも限定されない。例えば、ＩＣが実装された回路基板や印刷用の感光ドラム等の他の電位測定に上記表面電位計が利用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】第１の実施の形態に係る表面電位計の構成を示す図である。
【図２】表面電位計の動作の流れを示す図である。
【図３】電流指定電圧と電極電位との関係を示す図である。
【図４】第１の実施の形態に係る表面電位計を簡略化して示す図である。
【図５】比較例に係る表面電位計を簡略化して示す図である。
【図６】静電容量および浮遊容量と電流計との接続関係を示す回路図である。
【図７】比較例における静電容量および浮遊容量と電流計との接続関係を示す回路図である。
【図８】基準電位を求める処理の他の例を示す図である。
【図９】第２の実施の形態に係る表面電位計の構成を示す図である。
【図１０】電流指定電圧と電極電位との関係を示す図である。
【図１１】第３の実施の形態に係る表面電位計の構成の一部を示す正面図である。
【図１２】試料に対する複数の電極の配置を示す図である。
【図１３】第４の実施の形態に係る表面電位計の正面図である。
【図１４】第４の実施の形態に係る表面電位計の平面図である。
【図１５】第４の実施の形態に係る表面電位計の動作の流れの一部を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ    表面電位計
２    制御部
３    コンピュータ
９    試料
１１    試料保持部
１２    電極
１３    振動部
１４    昇降機構
１７    電極移動機構
１８    回転機構
３１    メモリ
２３１    振幅変更回路
Ｓ１１〜Ｓ１８、Ｓ１４１〜Ｓ１４４    ステップ
【図１】
2008116328.tif 000006
【図２】
2008116328.tif 000007
【図３】
2008116328.tif 000008
【図４】
2008116328.tif 000009
【図５】
2008116328.tif 000010
【図６】
2008116328.tif 000011
【図７】
2008116328.tif 000012
【図８】
2008116328.tif 000013
【図９】
2008116328.tif 000014
【図１０】
2008116328.tif 000015
【図１１】
2008116328.tif 000016
【図１２】
2008116328.tif 000017
【図１３】
2008116328.tif 000018
【図１４】
2008116328.tif 000019
【図１５】
2008116328.tif 000020