(57)【要約】【課題】表面に絶縁膜が形成された半導体基板の測定領域の表面電位を高精度に測定する。【解決手段】表面電位計１では、表面に絶縁膜が形成された半導体基板である基板９上において、測定領域に対して光の照射が行われつつ測定領域の表面電位が測定される。これにより、測定領域に過剰な電子−正孔対が生成され、絶縁膜表面の帯電電荷により基板９の基板本体に誘起される正孔または電子による電位が打ち消される。その結果、基板９の絶縁膜表面に帯電した電荷による測定領域の表面電位を高精度に測定することができる。また、電極１２への電極電位の付与に利用される電極配線１６４を、電極１２から基板９および基板保持部１１とは反対側に向かって振動方向に沿って配置することにより、電極１２の振動時に、電極配線１６４の振動により生じるノイズ等の影響を防止することができるため、測定領域の表面電位をより高精度に測定することができる。【選択図】図１
2008241642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に絶縁膜が形成された半導体基板の表面電位を測定する表面電位計であって、
半導体基板を保持する基板保持部と、
非接触にて前記半導体基板上の測定領域に対向するとともに光を透過する電極と、
前記基板保持部に対して相対位置が固定された光源と、
前記光源からの光を反射して前記電極を介して前記測定領域を含む照射領域へと導く反射部と、
前記電極を前記反射部と共に前記測定領域に向かう振動方向に振動させる振動部と、
前記電極に電気的に接続され、前記電極から前記半導体基板とは反対側に伸びる電極配線と、
前記電極を振動させた際に前記電極配線を介して前記電極に付与される電極電位と前記基板保持部からの変位電流または前記電極配線を介して取得される前記電極からの変位電流とに基づいて前記測定領域の表面電位を求める演算部と、
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、
前記反射部が、プリズムであることを特徴とする表面電位計。
【請求項３】
請求項１または２に記載の表面電位計であって、
前記振動方向に伸びる柱状であり、前記反射部と前記電極とを接続するとともに前記反射部からの反射光を前記電極へと導く導光部材をさらに備え、
前記電極配線が、前記導光部材の外周面に設けられた金属膜であ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、
前記電極配線が、前記導光部材の前記外周面全体を覆うことを特徴とする表面電位計。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の表面電位計であって、
前記照射領域が、前記測定領域よりも大きいことを特徴とする表面電位計。
【請求項６】
請求項５に記載の表面電位計であって、
前記照射領域の外周縁と前記測定領域の外周縁との間の距離が５０μｍ以上であることを特徴とする表面電位計。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の表面電位計であって、
前記電極と前記半導体基板の前記測定領域との間の前記振動方向の距離が、５０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする表面電位計。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の表面電位計であって、
前記光源からの光の波長が、２３０ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることを特徴とする表面電位計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の表面電位を測定する表面電位計に関する。
【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いる。特許文献１では、帯電した感光体等の光減衰特性を測定する直流型の表面電位計用のプローブが開示されており、当該プローブでは、表面に透明な導電被膜が形成された光ファイバを検出電極とすることにより、微小距離にて検出電極と近接する微小な測定領域に光を照射することを可能としている。
【０００３】
また、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、所定の振幅にて振動する電極を試料に近接させ、電極と試料との間の静電容量の変化に起因する電極からの変位電流に基づいて表面電位が求められる。特許文献１では、上記プローブは、交流法による表面電位の測定にも利用されてよいと記載されている。
【特許文献１】特開平６−８８８４６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、交流型の表面電位計は近年、酸化膜等の絶縁膜が形成された半導体基板において、絶縁膜表面に帯電した電荷量の測定等にも利用されている。しかしながら、通常の表面電位計により測定される表面電位は、絶縁膜表面の帯電電荷による電位のみならず、当該帯電電荷により半導体基板の基板本体の絶縁膜との境界近傍に誘起される正孔または電子による電位（以下、「誘起電位」という。）も合わせて測定したものとなっている。そこで、絶縁膜表面の帯電電荷による電位のみを正確に測定するために、半導体の禁制帯幅以上のエネルギーを有する光を半導体基板に照射し、照射領域に過剰な電子−正孔対を生成して上記誘起電位をほぼ０とした上で表面電位を測定することが考えられる。
【０００５】
半導体基板の表面電位の測定では、測定精度を向上するために電極と半導体基板とが非常に近接して配置されるため、電極の側方に光源を配置して電極と半導体基板の隙間から測定領域に光を照射することは困難である。ここで、仮に、特許文献１の表面電位計を半導体基板の表面電位の測定に応用したとすると、測定領域に光を照射することは可能となるが、上述のように当該表面電位計は感光体等の光減衰特性を測定対象とするものであるため、高い測定精度を得ることが困難であると予想される。また、複数の光ファイバおよびその周囲に設けられた絶縁材やガード電極等を一体的に振動させる必要があるため、振動時における振動部に対する負荷が大きくなってしまう。
【０００６】
また、基板上に光を照射しつつ測定を行う表面電位計として、半導体基板と対向する透明電極の上方に光源を配置し、透明電極の上面を透明電極の側方から保持する電磁音叉式振動部を備える構造のものも知られている。当該表面電位計では通常、振動部の下側（すなわち、半導体基板側）がカバーに覆われており、透明電極からの変位電流が流れる電極配線が、振動部とカバーとの間にて水平方向に伸びている。
【０００７】
しかしながら、このような表面電位計では、振動部による透明電極の振動の際に、電極と共に振動する電極配線とカバーとの間の浮遊容量や振動部とカバーとの間の浮遊容量によるノイズ成分が発生してしまうため、半導体基板の評価に必要な高精度な表面電位の測定は困難である。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、表面に絶縁膜が形成された半導体基板の測定領域の表面電位を高精度に測定することを主な目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、表面に絶縁膜が形成された半導体基板の表面電位を測定する表面電位計であって、半導体基板を保持する基板保持部と、非接触にて前記半導体基板上の測定領域に対向するとともに光を透過する電極と、前記基板保持部に対して相対位置が固定された光源と、前記光源からの光を反射して前記電極を介して前記測定領域を含む照射領域へと導く反射部と、前記電極を前記反射部と共に前記測定領域に向かう振動方向に振動させる振動部と、前記電極に電気的に接続され、前記電極から前記半導体基板とは反対側に伸びる電極配線と、前記電極を振動させた際に前記電極配線を介して前記電極に付与される電極電位と前記基板保持部からの変位電流または前記電極配線を介して取得される前記電極からの変位電流とに基づいて前記測定領域の表面電位を求める演算部とを備える。
【００１０】
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、前記反射部が、プリズムである。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の表面電位計であって、前記振動方向に伸びる柱状であり、前記反射部と前記電極とを接続するとともに前記反射部からの反射光を前記電極へと導く導光部材をさらに備え、前記電極配線が、前記導光部材の外周面に設けられた金属膜である。
【００１２】
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、前記電極配線が、前記導光部材の前記外周面全体を覆う。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の表面電位計であって、前記照射領域が、前記測定領域よりも大きい。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の表面電位計であって、前記照射領域の外周縁と前記測定領域の外周縁との間の距離が５０μｍ以上である。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の表面電位計であって、前記電極と前記半導体基板の前記測定領域との間の前記振動方向の距離が、５０μｍ以上５００μｍ以下である。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の表面電位計であって、前記光源からの光の波長が、２３０ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、表面に絶縁膜が形成された半導体基板の測定領域の表面電位を高精度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】
【００１８】
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、表面に酸化膜等の絶縁膜が形成された半導体基板９（本実施の形態では、シリコン（Ｓｉ）により形成された基板であり、以下、単に「基板９」という。）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、基板９が載置されて保持される基板保持部１１、非接触にて基板９の表面上の測定領域に対向するとともに光を透過する電極１２、圧電素子（すなわち、ピエゾアクチュエータ）を有するとともに電極１２の基板保持部１１とは反対側に配置される振動部１３、および、電極１２を昇降する昇降機構１４を備える。
【００１９】
振動部１３の下側（すなわち、電極１２側）には、内部に直角プリズム１６２を収容するプリズム収容部１６２１が固定されており、直角プリズム１６２の下面には、図１中の上下方向に伸びる円柱状のガラスロッド１６３が光学接着剤により接合されている。ガラスロッド１６３の上端面は直角プリズム１６２の下面よりも小さく、また、ガラスロッド１６３の下端面には電極１２が形成されている。換言すれば、ガラスロッド１６３により、直角プリズム１６２と電極１２とが接続されている。
【００２０】
また、ガラスロッド１６３の外周面には、電極１２に電気的に接続されるとともに電極１２から基板９および基板保持部１１とは反対側に伸びる電極配線１６４が設けられている。電極配線１６４は、ガラスロッド１６３の外周面に真空蒸着等により形成されて当該外周面全体を覆う金属膜であり、本実施の形態では、ガラスロッド１６３の外周面に真空蒸着された厚さ２ｎｍのクロム（Ｃｒ）層、および、クロム層上に形成された厚さ約１μｍの金（Ａｕ）層を有する。金層は、例えば、クロム層上に厚さ３００ｎｍの金層を真空蒸着により形成した後、メッキ処理を施すことにより金層の厚さを１μｍとすることにより形成される。
【００２１】
基板保持部１１は、基板９の裏面に当接する導電面１１１を有し、導電面１１１の面積は電極１２の先端の面積よりも十分に大きくされる。基板保持部１１はＸＹステージとなっており、基板９を水平方向に移動して基板９の所望の部位を電極１２に対向させる。振動部１３は、電極１２を直角プリズム１６２、プリズム収容部１６２１およびガラスロッド１６３と共に基板９上の測定領域に向かう振動方向（すなわち、図１中の上下方向）に振動させる。振動部１３は昇降機構１４に接続され、昇降機構１４が駆動されることにより、電極１２と基板９との間の振動方向の距離が変更される。本実施の形態では、振動部１３による電極１２の振動の振幅は、２０μｍ〜３０μｍとされる。
【００２２】
表面電位計１では、電極１２、ガラスロッド１６３および電極配線１６４、直角プリズム１６２およびプリズム収容部１６２１、振動部１３、基板９並びに基板保持部１１がカバー１５１により覆われており、カバー１５１および基板保持部１１は、防振部材１５２を介してフレーム１０により支持される。
【００２３】
表面電位計１は、また、直角プリズム１６２の側方においてカバー１５１の外側に配置されるとともに直角プリズム１６２に向けて光を出射する光源１６１を備え、光源１６１はフレーム１０に固定される。換言すれば、光源１６１は、電極１２や直角プリズム１６２、振動部１３等とは独立して配置されており、基板保持部１１に対して相対位置が固定されている。
【００２４】
光源１６１からの光は、カバー１５１に形成された窓部１５３、および、プリズム収容部１６２１に形成された開口１６２２を介して直角プリズム１６２に入射し、直角プリズム１６２にて反射されてガラスロッド１６３および電極１２を介して基板９の表面に照射される。本実施の形態では、電極１２としてＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウムスズ酸化物）電極等の透明電極が利用され、光源１６１として、波長が２３０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の光を出射するＬＥＤ（Light Emitting Diode）が利用される。
【００２５】
図２は、電極１２および光源１６１近傍を拡大して示す図である。図２では、図の理解を容易にするために、ガラスロッド１６３、電極配線１６４および電極１２を断面にて描いており、電極配線１６４および電極１２の厚さを実際よりも厚く描いている。また、光源１６１からの光の光路の中心線および輪郭を、それぞれ一点鎖線１６１１および実線１６１２にて描いている。なお、図２では、カバー１５１およびプリズム収容部１６２１の図示を省略している。
【００２６】
図２に示すように、光源１６１から出射された光は、直角プリズム１６２の垂直側面１６２３から入射して傾斜面１６２４にて全反射されて効率良く直角プリズム１６２の下面１６２５へと向かい、反射光の一部が、下面１６２５を介してガラスロッド１６３へと入射する。ガラスロッド１６３に入射した光は、電極１２へと導かれ、電極１２から基板９に向けて出射される。また、直角プリズム１６２の傾斜面１６２４にて反射された反射光のうち、ガラスロッド１６３に入射しなかった光は、直角プリズム１６２の下面１６２５のガラスロッド１６３との接合部の周囲から基板９に向けて出射される。
【００２７】
表面電位計１では、直角プリズム１６２が、光源１６１からの光を反射してガラスロッド１６３および電極１２を介して基板９上の照射領域へと導く反射部となっており、また、ガラスロッド１６３が、当該反射部からの反射光を電極１２へと導く導光部材となっている。
【００２８】
図３は、電極１２および直角プリズム１６２からの光が照射される基板９（図２参照）上の照射領域９１を拡大して示す平面図である。図３では、図の理解を容易にするために、照射領域９１に平行斜線を付す。また、図３では、平面視において電極１２と重なる（すなわち、電極１２に対向する）領域９２を破線にて囲んで示す。領域９２は、表面電位計１による表面電位の測定対象となる領域であり、以下の説明では、「測定領域９２」という。図３に示すように、照射領域９１は測定領域９２よりも大きく、測定領域９２は照射領域９１に含まれている。また、照射領域９１の外周縁と測定領域９２の外周縁とは同心円状となっており、照射領域９１の外周縁と測定領域９２の外周縁との間の距離は、５０μｍ以上２ｍｍ以下（本実施の形態では、約１ｍｍ）とされる。
【００２９】
図１に示す表面電位計１は、また、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処理部２、および、演算部であるコンピュータ３を備える。処理部２は、基板保持部１１の導電面１１１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。導電面１１１からの電流は、電極１２の振動により、電極１２と基板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。
【００３０】
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、電極配線１６４を介して電極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。
【００３１】
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が電極配線１６４を介して電極１２に電位を付与する。すなわち、処理部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、導電面１１１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。制御回路２５により決定された電位はコンピュータ３により直接的に取得される。
【００３２】
図４は基板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、基板保持部１１の導電面１１１と基板９の裏面とが接触するようにして基板９が導電面１１１上に載置され（ステップＳ１１）、電極１２が非接触にて基板９の表面および導電面１１１に対向する。続いて、昇降機構１４により電極１２と基板９の表面（または、導電面１１１）との間の距離が所定値に設定される。このとき、電極１２と基板９の測定領域９２（図３参照）との間の振動方向の距離は、５０μｍ以上５００μｍ以下とされる。本実施の形態では、当該距離は２５０μｍとされる。そして、光源１６１からの光の出射が開始され、基板９の測定領域９２を含む照射領域９１に光が照射される（ステップＳ１２）。
【００３３】
その後、振動部１３により基板９に向かう振動方向に電極１２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、基板保持部１１の導電面１１１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）。
【００３４】
電極電位の取得が完了するとステップＳ１３へと戻り（ステップＳ１５）、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Ｓ１３，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Ｓ１３〜Ｓ１５）、これにより、電極１２を振動させた際の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。
【００３５】
電極１２と基板９との間の距離が一定に維持された状態で処理部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と基板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Ｓ１２〜Ｓ１５）。そして、電極１２と基板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）。
【００３６】
図５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示す図である。四角のドットは、電極１２と基板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た直線であり、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と基板９の表面との間の距離を小さくして得られた測定結果を示し、丸のドットは電極１２と基板９の表面との間の距離をさらに小さくして得られた測定結果を示す。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。
【００３７】
図５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と基板９の表面との間の距離が大きいほど傾きが大きくなる。そして、これらの直線８１１〜８１３は１つの点８１４で交わる。なお、電極１２と基板９の表面との間の距離をさらに変化させて他の直線をさらに求めても、この直線が点８１４を通ることが確認されている。点８１４は電極１２と基板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と基板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。）と基板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の形状等の様々な要因により点８１４において変位電流の測定値は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て基準電位Ｖｓを求めることが実現される。
【００３８】
以上に説明した手法に従って、コンピュータ３では、処理部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に基づいて、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が基板９の測定領域９２における表面電位として求められる（ステップＳ１８）。
【００３９】
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基板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、電極電位と表面電位との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。
【００４０】
また、表面電位計１では処理部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、基板９の表面電位の測定精度を向上することができる。
【００４１】
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基板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、基板保持部１１の導電面１１１の状態、電極１２や基板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。
【００４２】
校正作業では、基板保持部１１に基板９が載置されない状態で、図４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、基板９が基板保持部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。これにより、基板９の表面電位を高精度に求めることができる。
【００４３】
図６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６中の直線８２１，８２２，８２３は、図５の場合と同様に、電極１２と基板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６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、基準電位Ｖｓ（および表面電位）が測定時の電極電位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。
【００４４】
また、表面電位計１ではこのような測定が可能であることから、制御回路が複雑化する高電圧発生器を設けることなくオペアンプ２５１が発生可能な電位の範囲内で測定を行うことができ、表面電位計１の構造の簡素化および製造コストの削減も図ることができる。さらに、高電圧を電極１２に与えないことにより、表面電位計１の取り扱いも容易となる。
【００４５】
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、基板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。
【００４６】
簡易測定では、図４に示すステップＳ１２における電極１２と基板９との間の距離の設定、および、Ｓ１５〜Ｓ１７の動作が省略される。具体的には、電極１２と基板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。基板保持部１１に基板９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が配置されて測定領域９２を含む照射領域９１に光が照射され（ステップＳ１２）、振動部１３により電極１２が振動されるとともに電流指定電圧が制御回路２５に入力される（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３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。
【００４７】
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基板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、基板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。
【００４８】
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。
【００４９】
次に、基板上の測定領域に対する光の照射が行われない表面電位計との比較を行う。図７．Ａは、比較例の表面電位計により測定される基板の測定領域におけるエネルギーバンド図であり、図７．Ａでは、測定される表面電位も併せて描いている。また、図７．Ｂは、本実施の形態に係る表面電位計１により測定される基板の測定領域におけるエネルギーバンド図であり、図７．Ａと同様に、測定される表面電位も併せて描いている。図７．Ａおよび図７．Ｂでは、基板上の絶縁膜ＳｉＯ２の表面にマイナスの電荷が存在するものとして説明する。
【００５０】
比較例の表面電位計では、図７．Ａに示すように、絶縁膜ＳｉＯ２の表面の帯電電荷（すなわち、電子９０１）による電位Ｖｉ、および、当該帯電電荷により基板本体Ｓｉの絶縁膜ＳｉＯ２との境界近傍に誘起される正孔９０２による電位Ψｓ（以下、「誘起電位Ψｓ」という。）の合計が測定される。このため、絶縁膜表面の帯電電荷のみによる電位を正確に測定することができない。
【００５１】
これに対し、本実施の形態に係る表面電位計１では、表面に絶縁膜が形成された半導体基板である基板９上において、測定領域９２を含む照射領域９１に対して光の照射が行われつつ測定領域９２の表面電位が測定される。このとき、図７．Ｂに示すように、照射領域９１に照射される光９０３は、基板９の禁制帯幅以上のエネルギーを有する光とされ、測定領域９２には過剰な（例えば、図７．Ａに示す正孔９０２の数千倍の）電子９０１−正孔９０２対が生成される。これにより、絶縁膜ＳｉＯ２の表面の帯電電荷（すなわち、電子９０１）により基板９の基板本体Ｓｉに誘起される誘起電位が打ち消されてほぼ０とされ、この状態で表面電位の測定が行われることにより、基板９の絶縁膜表面に帯電した電荷のみによる測定領域９２の表面電位Ｖｉを高精度に測定することができる。
【００５２】
また、上記実施の形態に係る表面電位計１では、電極１２への電極電位の付与に利用される電極配線１６４を、電極１２から基板９および基板保持部１１とは反対側に向かって振動方向に沿って配置することにより、電極１２の振動時に、電極配線１６４の振動により生じるノイズ等の影響（例えば、電極配線１６４とカバー１５１との間の振動方向における静電容量の変化による影響）を防止することができるため、測定領域９２の表面電位をより高精度に測定することができる。
【００５３】
ところで、基板９上の照射領域９１では、光源１６１からの光の照射により生成された電子−正孔対は、照射領域９１の外周縁から当該外周縁の外側の非照射領域へと移動（すなわち、ドリフト）する。したがって、照射領域９１の外周縁近傍の部位では、光の照射による電子−正孔対の量が、当該部位よりも内側（すなわち、中心側）の部位に比べて少なくなるため、誘起電位が少し残ってしまう。表面電位計１では、照射領域９１を測定領域９２よりも大きく、かつ、測定領域９２を含むように設定することにより、測定領域９２内において誘起電位が均等に打ち消されてほぼ０とされる。その結果、測定領域９２の表面電位をさらに高精度に測定することができる。
【００５４】
特に、照射領域９１の外周縁と測定領域９２の外周縁との間の距離が５０μｍ以上とされることにより、照射領域９１内において誘起電位が残る領域が測定領域９２に含まれることをより確実に防止することができるため、測定領域９２の表面電位の高精度な測定を確実に実現することができる。また、照射領域９１の外周縁と測定領域９２の外周縁との間の距離が２ｍｍ以下とされることにより、照射領域９１が測定領域９２に比べて過剰に大きくなることを防止することができる。すなわち、光源１６１からの光を基板９に向けて反射する直角プリズム１６２が過剰に大型化することを防止することができ、その結果、振動時に振動部１３に加わる荷重を軽減することができる。
【００５５】
表面電位計１では、光源１６１が、電極１２や直角プリズム１６２等の振動部１３により振動する構成とは独立して電極１２や直角プリズム１６２等の側方に配置され、基板保持部１１に対して相対位置が固定されている。このように、電極１２等の振動時に光源１６１が振動しない構造とされることにより、振動時に振動部１３に加わる荷重をより軽減することができる。また、光源１６１を電極１２や直角プリズム１６２等の側方に配置することにより、圧電素子を有する振動部１３を電極１２の基板９とは反対側に容易に配置することができ、表面電位計１の構造を簡素化することができる。さらには、光源１６１からの光を基板９に向けて反射する反射部として直角プリズム１６２を採用することにより、振動部１３に接続される構造を軽量化することができ、振動時に振動部１３に加わる荷重をさらに軽減することができる。
【００５６】
表面電位計１では、直角プリズム１６２からの反射光を電極１２へと導くガラスロッド１６３が設けられることにより、表面電位計１の構造を簡素化しつつ光源１６１からの光を電極１２へと確実に導くことができ、電極１２を介して測定領域９２へと確実に照射することができる。また、電極１２から基板９とは反対側に伸びる電極配線１６４を、ガラスロッド１６３の外周面に設けられた金属膜とすることにより、表面電位計１の構造をより簡素化することができる。さらには、電極配線１６４によりガラスロッド１６３の外周面全体を隙間なく覆うことにより、ガラスロッド１６３の外周面が帯電してしまうことが防止され、測定領域９２の表面電位をより高精度に測定することができる。
【００５７】
光源１６１では、出射される光の波長が８００ｎｍ以下とされることにより、基板９の照射領域９１において電子−正孔対をより確実に生成することができ、測定領域９２の表面電位の高精度な測定を確実に実現することができる。また、光源１６１からの光の波長が２３０ｎｍ以上とされることにより、基板９が光の照射によりダメージを受けることを防止することができる。
【００５８】
表面電位計１では、また、電極１２と基板９の測定領域９２との間の振動方向の距離が５０μｍ以上とされることにより、電極１２の振動時に基板９と電極１２とが接触してしまうことを防止することができ、電極１２や基板９の損傷を防止することができる。また、電極１２と測定領域９２との間の距離が５００μｍ以下とされることにより、測定領域９２の表面電位の測定精度を向上することができる。
【００５９】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る表面電位計について説明する。図８は、第２の実施の形態に係る表面電位計１ａの構成を示す図である。表面電位計１ａでは、図１に示す表面電位計１から電極１２を昇降する昇降機構１４が省略され、また、処理部２の発振器２３に振幅変更回路２３１が設けられる。その他の構成は、図１に示す表面電位計１と同様であり、以下の説明において同符号を付す。
【００６０】
表面電位計１ａによる表面電位の測定では、図４のステップＳ１２、Ｓ１６における電極１２と基板９との間の距離の変更に代えて、振幅変更回路２３１により電極１２の振幅が変更される。その他の動作は図４と同様である。
【００６１】
図９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示す図である。図９において丸のドットは、電極１２と基板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は丸のドットから最小二乗法にて求められた直線であり、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と基板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電極１２の振幅を小さくして得られた測定結果を示し、四角のドットは電極１２の振幅をさらに小さくして得られた測定結果を示す。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。
【００６２】
図９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、電極１２の振幅が大きいほど傾きが小さくなる。そして、これらの直線８３１〜８３３は１つの点８３４で交わる。点８３４は電極１２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と基板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、基板９の表面電位に等しいと推定することができる。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、基板９が載置されない状態で基準電位を取得してコンピュータ３のメモリ３１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く、また、複数の測定条件における電極電位の範囲外の基準電位Ｖｓが表面電位として求められてもよい。
【００６３】
第２の実施の形態に係る表面電位計１ａでは、第１の実施の形態と同様に、測定領域９２を含む照射領域９１（図３参照）に対して光の照射が行われつつ測定領域９２の表面電位が測定されることにより、基板９の絶縁膜表面に帯電した電荷による測定領域９２の表面電位を高精度に測定することができる。また、電極配線１６４を、電極１２から基板９および基板保持部１１とは反対側に向かって振動方向に沿って配置することにより、電極配線１６４の振動により生じるノイズ等の影響を防止することができるため、測定領域９２の表面電位をより高精度に測定することができる。さらには、照射領域９１を測定領域９２よりも大きく、かつ、測定領域９２を含むように設定することにより、測定領域９２の表面電位をさらに高精度に測定することができる。
【００６４】
なお、表面電位計１ａでは、発振器２３に振動周波数変更回路を設けて電極１２の振動周波数を変更し、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し、さらに、これらの関係に基づいて、上記と同様の処理により基板９の表面電位が求められてもよい。
【００６５】
次に、本発明の第３の実施の形態に係る表面電位計について説明する。図１０は、第３の実施の形態に係る表面電位計１ｂの構成を示す図である。表面電位計１ｂでは、処理部２のプリアンプ２１が、ガラスロッド１６３の外周面上の電極配線１６４に電気的に接続されている。その他の構成は、図１に示す表面電位計１と同様であり、以下の説明において同符号を付す。
【００６６】
表面電位計１ｂでは、電極１２の振動時に、電極１２からの変位電流が電極配線１６４を介して処理部２により取得される。表面電位計１ｂによる表面電位の測定動作は、第１の実施の形態に係る測定動作（図４参照）と同様である。
【００６７】
第３の実施の形態に係る表面電位計１ｂでも、第１の実施の形態と同様に、測定領域９２を含む照射領域９１（図３参照）に対して光の照射が行われつつ測定領域９２の表面電位が測定されることにより、測定領域９２の表面電位を高精度に測定することができる。また、電極配線１６４を、電極１２から基板９とは反対側に向かって振動方向に沿って配置することにより、測定領域９２の表面電位をより高精度に測定することができる。さらには、照射領域９１を測定領域９２よりも大きく、かつ、測定領域９２を含むように設定することにより、測定領域９２の表面電位をさらに高精度に測定することができる。
【００６８】
なお、表面電位計１ｂにおいても、第２の実施の形態と同様に、電極１２と基板９との間の距離に代えて、電極１２の振幅または振動周波数を変更しつつ変位電流と電極電位との複数の関係が取得されてもよい。
【００６９】
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、様々な変更が可能である。
【００７０】
例えば、電極１２は、光を透過するものであれば、必ずしもＩＴＯ電極等の透明電極とされる必要はなく、金属により形成された薄膜が、電極１２としてガラスロッド１６３の下端面に設けられてもよい。例えば、厚さ１０ｎｍの金層と厚さ２ｎｍのクロム層との２層構造の薄膜金属を電極１２とし、光源１６１からの光の波長を７８０ｎｍとすることにより、電極１２における光の透過率を約５０％とすることができる。また、光源１６１は、必ずしもＬＥＤとされる必要はなく、他の様々な種類の光源が利用されてよい。
【００７１】
ガラスロッド１６３は、振動方向に伸びる柱状とされるのであれば、その断面（すなわち、振動方向に垂直な断面）は必ずしも円形とされる必要はなく、例えば、多角形とされてもよい。また、ガラスロッド１６３に代えて、他の柱状の導光部材（例えば、プラスチックにより形成された導光ロッド）が設けられてもよい。さらには、ガラスロッド１６３に代えて、内側の空間を直角プリズム１６２からの反射光が通過する円筒部材により直角プリズム１６２と電極１２とが接続されてもよく、ガラスロッド１６３よりも細い非透光性の棒状部材により直角プリズム１６２と電極１２とが接続されてもよい。
【００７２】
上記実施の形態に係る表面電位計では、光源１６１からの光を反射して基板９上の照射領域９１へと導く反射部として、例えば、反射ミラーが直角プリズム１６２に代えて利用されてもよい。照射領域９１は、測定領域９２を含んでいれば、必ずしも測定領域９２よりも大きくされる必要はなく、照射領域９１の外周縁近傍におけるドリフトが表面電位の測定精度に影響しない範囲内であれば、照射領域９１が測定領域９２と同じ大きさとされてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【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】電極および光源近傍を拡大して示す図である。
【図３】照射領域を拡大して示す平面図である。
【図４】表面電位計による表面電位の測定の流れを示す図である。
【図５】電流指定電圧と電極電位との関係を示す図である。
【図６】基準電位を求める処理の他の例を示す図である。
【図７．Ａ】比較例の表面電位計により測定される基板の測定領域におけるエネルギーバンド図である。
【図７．Ｂ】第１の実施の形態に係る表面電位計により測定される基板の測定領域におけるエネルギーバンド図である。
【図８】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９】電流指定電圧と電極電位との関係を示す図である。
【図１０】第３の実施の形態に係る表面電位計の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１，１ａ，１ｂ    表面電位計
３    コンピュータ
９    基板
１１    基板保持部
１２    電極
１３    振動部
９１    照射領域
９２    測定領域
１６１    光源
１６２    直角プリズム
１６３    ガラスロッド
１６４    電極配線
Ｓ１１〜Ｓ１８    ステップ
【図１】
2008241642.tif 000003
【図２】
2008241642.tif 000004
【図３】
2008241642.tif 000005
【図４】
2008241642.tif 000006
【図５】
2008241642.tif 000007
【図６】
2008241642.tif 000008
【図７．Ａ】
2008241642.tif 000009
【図７．Ｂ】
2008241642.tif 000010
【図８】
2008241642.tif 000011
【図９】
2008241642.tif 000012
【図１０】
2008241642.tif 000013