(57)【要約】【課題】測定対象の表面電位を測定する表面電位測定装置に関し、小さい表面電位までも測定できる表面測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、測定対象の表面電位を測定する表面電位測定装置において、測定対象に対向して設けられる測定電極と、測定対象と前記測定電極との距離を変位させる駆動部と、測定電極に発生する電圧に基づいて測定対象の表面電位を測定する測定部とを有し、駆動部は、ピエゾアクチュエータにより測定電極を変位させる構成とされていることを特徴とする。【選択図】図１
2007327919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の表面電位を測定する表面電位測定装置において、
前記測定対象に対向して設けられる測定電極と、
前記測定対象と前記測定電極との距離を変位させる駆動部と、
前記測定電極に発生する電圧に基づいて前記測定対象の表面電位を測定する測定部とを有し、
前記駆動部は、ピエゾアクチュエータにより前記測定電極を変位させる構成とされていることを特徴とする表面電位測定装置。
【請求項２】
前記駆動部は、前記ピエゾアクチュエータを駆動する駆動回路を有し、
前記測定部は、前記測定電極部の電位を増幅する増幅回路と、
前記駆動回路から前記ピエゾアクチュエータの駆動信号に同期した同期信号が供給されており、前記同期信号と前記増幅回路の出力信号との位相差を検出する位相検波器と、
前記位相検波器の出力信号に基づいて前記測定対象の表面電位に応じた信号を出力する出力回路とを有することを特徴とする請求項１記載の表面電位測定装置。
【請求項３】
前記測定部は、前記出力回路の出力信号に応じた帰還電圧を前記測定電極に帰還する帰還回路を有することを特徴とする請求項１又は２記載の表面電位測定装置。
【請求項４】
測定対象の表面電位を測定する表面電位測定装置において、
前記測定対象に対向して設けられ、一定電位が印加される測定電極と、
前記測定対象と前記測定電極との距離を変位させる駆動部と、
前記測定対象に接触する固定電極とを有し、
前記測定対象に発生する電圧に基づいて前記測定対象の表面電位を測定する測定部とを有し、
前記駆動部は、ピエゾアクチュエータにより前記測定電極を変位させる構成とされていることを特徴とする表面電位測定装置。
【請求項５】
前記駆動部は、前記ピエゾアクチュエータを駆動する駆動回路を有し、
前記測定部は、前記測定電極部の電位を増幅する増幅回路と、
前記駆動回路から前記ピエゾアクチュエータの駆動信号に同期した同期信号が供給されており、前記同期信号と前記増幅回路の出力信号との位相差を検出する位相検波器と、
前記位相検波器の出力信号に基づいて前記測定対象の表面電位に応じた信号を出力する出力回路とを有することを特徴とする請求項４記載の表面電位測定装置。
【請求項６】
前記測定部は、前記出力回路の出力信号に応じた帰還電圧を前記固定電極に帰還する帰還回路を有することを特徴とする請求項１又は２記載の表面電位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面電位計測装置に係り、特に、測定対象の表面電位を測定する表面電位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体や絶縁体等の表面の静電気を測定するための装置として表面電位測定装置が開発されている。測定対象の表面電位を測定する際に、一般のテスター、電圧計など測定対象にプローブを接触させて測定を行う接触型の電位計を用いると、測定対象に帯電した電荷が電位計側に放電してしまい、測定対象に電荷が帯電した状態での表面電位の測定は行えなかった。このため、非接触型の表面電位測定装置が開発されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
図５は非接触型表面電位測定装置の原理ブロック構成図を示す。
【０００４】
非接触型の表面電位測定装置１０は、測定対象１１に非接触状態で、測定電極１２を対向させ、測定電極１２を矢印Ｚ方向に変位させることによって、測定電極１２と測定対象１１との間の距離Ｌを変位させる。測定電極１２と測定対象１１との間の距離Ｌを変位させることによって、測定電極１２と測定対象１１との間の静電容量が変化し、これによって、負荷ＲＬに交流電流が流れる。
【０００５】
これによって、非接触で測定対象１１に直流的に帯電している電荷を測定することが可能となる。このとき、従来の表面電位測定装置１０では、測定電極１２の変位方式として電磁振動方式及び音叉振動方式が用いられていた。電磁振動方式及び音叉振動方式では、測定電極１２の測定対象１１に対する変位の周波数、すなわち、振動の周波数が２００Ｈｚ程度であった。
【特許文献１】特開平０７−２４４１０３号公報
【特許文献２】特開２０００−６５８７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかるに、従来の表面電位測定装置は、電磁振動方式及び音叉振動方式が用いられていたため、測定電極１２の振動、すなわち、測定対象１１に対する変位の周波数が２００Ｈｚであった。
【０００７】
測定対象１１と測定電極１２との静電容量をＣは、
Ｃ＝εＳ／ｄ〔Ｆ〕      ・・・（１）
ε：誘電率
ｄ：測定電極と測定対象との距離
で表せる。
【０００８】
ここで、測定電極１２を正弦波sinωtで交流振動させると、静電容量Ｃは、
Ｃ＝Ｃｍ・sinωt〔ｆ〕      ・・・（２）
Ｃｍ：測定電極１２が最も近接したときの静電容量
で表せる。
【０００９】
一方、負荷ＲＬに流れる電流ｉは、
ｉ＝dＱ／dｔ＝（dｖ／dｔ）・Ｃ＋（dＣ／dｔ）・Ｅ      ・・・（３）
で表せる。
【００１０】
ここで、
（dｖ／dｔ）・Ｃ＝０
とすると、式（３）は
ｉ＝（dＣ／dｔ）・Ｅ      ・・・（４）
と表すことができる。
【００１１】
ここで、式（４）の静電容量Ｃは式（２）であるとすると、式（４）は、
ｉ＝ωＣｍ・cosωt・Ｅ      ・・・（５）
で表せる。
【００１２】
ここで、信号の振幅だけを考慮すると、
ｉ＝ωＣｍ・Ｅ      ・・・（６）
で表せる。このため、式（６）から検出可能な表面電位は、ω、すなわち、振動周波数により決定されている。
【００１３】
従来の電磁振動方式及び音叉振動方式を用いた表面電位測定装置では、振動周波数が２００Ｈｚであり、数百Ｖ程度の表面電位を測定可能とされていた。
【００１４】
一方、半導体ウェハなどでは、その製造工程によって発生する数ｍＶ〜数Ｖの表面電位を測定することが要求されており、従来の表面電位測定装置では対応できなかった。
【００１５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、小さい表面電位までも測定できる表面測定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】
【００１６】
本発明は、測定対象の表面電位を測定する表面電位測定装置において、測定対象に対向して設けられる測定電極と、測定対象と測定電極との距離を変位させる駆動部と、測定電極に発生する電圧に基づいて測定対象の表面電位を測定する測定部とを有し、駆動部は、ピエゾアクチュエータにより測定電極を変位させる構成とされていることを特徴とする。
【００１７】
駆動部はピエゾアクチュエータを駆動する駆動回路を有し、測定部は測定電極の電位を増幅する増幅回路と、駆動回路からピエゾアクチュエータの駆動信号に同期した同期信号が供給されており、同期信号と増幅回路の出力信号との位相差を検出する位相検波器と、位相検波器の出力信号に基づいて測定対象の表面電位に応じた信号を出力する出力回路とを有することを特徴とする。測定部は出力回路の出力信号に応じた帰還電圧を測定電極に帰還する帰還回路を有することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、測定対象の表面電位を測定する表面電位測定装置において、測定対象に対向して設けられ、一定電位が印加される測定電極と、測定対象と前記測定電極との距離を変位させる駆動部と、測定対象に接触する固定電極とを有し、測定対象に発生する電圧に基づいて測定対象の表面電位を測定する測定部とを有し、駆動部はピエゾアクチュエータにより測定電極を変位させる構成とされていることを特徴とする。
【００１９】
駆動部はピエゾアクチュエータを駆動する駆動回路を有し、測定部は測定電極部の電位を増幅する増幅回路と、駆動回路からピエゾアクチュエータの駆動信号に同期した同期信号が供給されており、同期信号と増幅回路の出力信号との位相差を検出する位相検波器と、位相検波器の出力信号に基づいて測定対象の表面電位に応じた信号を出力する出力回路とを有することを特徴とする。測定部は、出力回路の出力信号に応じた帰還電圧を固定電極に帰還する帰還回路を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、駆動部により測定対象に対向して設けられる測定電極と測定電極と測定対象との距離を変位させ、測定電極に発生する電圧に基づいて測定対象の表面電位を測定する表面電位測定装置において、駆動部をピエゾアクチュエータにより構成することにより、測定電極を高周波数で変位させることができるため、出力レベルを上昇させることができ、これによって、測定感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は本発明の一実施例のブロック構成図、図２は本発明の一実施例の駆動部の断面図を示す。
【００２２】
本実施例の表面電位測定装置１００は、測定対象の表面電位を測定する装置であり、測定電極１１１、駆動部１１２、測定部１１３から構成されている。測定電極１１１は、測定対象１０１に対向して設けられており、駆動部１１２によって測定対象１０１との距離Ｌが変位可能とされている。
【００２３】
駆動部１１２は、ピエゾアクチュエータ１２１、ドライバ１２２、発振回路１２３を含む構成とされている。
【００２４】
ピエゾアクチュエータ１２１は、図２に示すようにピエゾ素子１５１、揺動部材１５２、弾性部材１５３、ケース１５４を含む構成とされている。
【００２５】
ピエゾ素子１５１は、チタン酸・ジルコン酸・鉛（Pb(Zr,Ti)O3）等のエレクトロストリクティブ (電歪)セラミックなどからなり、電極を挟んで積層した構成とされている。この圧電材料に、電圧を印加することにより、逆ピエゾ圧電効果により、圧電材料が矢印Ｚ１、Ｚ２方向に伸張する。ピエゾ素子１５１には、ドライバ１２２から駆動信号が供給され、駆動される。
【００２６】
ピエゾ素子１５１の一端は、ケース１５４に固定され、他端は揺動部材１５２が取り付けられている。ケース１５４は、固定用アーム１６１に固定されている。ピエゾ素子１５１には、ドライバ１２２から駆動信号が供給される。ピエゾ素子１５１は、ドライバ１２２から供給される駆動信号により駆動され、矢印Ｚ１、Ｚ２方向に伸張する。
【００２７】
ピエゾ素子１５１が矢印Ｚ１、Ｚ２方向に伸張することによって揺動部材１５２は矢印Ｚ１方向に変位する。揺動部材１５２は、弾性部材１５３により矢印Ｚ２方向の弾性的に押圧されており、ピエゾ素子１５１が元の状態に復帰すると、矢印Ｚ２方向に復帰する。
【００２８】
弾性部材１５３は、例えば、皿バネから構成されており、揺動部材１５２を矢印Ｚ２方向に揺動部材１５２に弾性的に押圧する。揺動部１５２の先端には、電極部１４１が固定されている。
【００２９】
ドライバ１２２は、発振回路１２３から供給される発振信号を所望の周波数に分周し、分周した周波数に応じた駆動信号を生成し、ピエゾアクチュエータ１２１に供給する。このとき、ドライバ１２２は、ピエゾアクチュエータ１２１の印加電圧によって、ピエゾアクチュエータ１２１の振幅を検出し、ピエゾアクチュエータ１２１が所望の振幅で変位するように制御する。また、ドライバ１２２は、ピエゾアクチュエータ１２１の変位に同期した同期信号を測定回路１１３に供給している。
【００３０】
電極部１４１は絶縁材から構成されており、先端に測定電極１１１が取り付けられている。電極部１４１の周囲には、シールドカバー１４２が取り付けられている。シールドカバー１４２は、接地されており、測定電極１１１にノイズなどが混入することを防止する。電極部１４１は、測定回路１１３に接続されている。
【００３１】
電極部１４１に対向して測定対象１０１が配置されている。測定対象１０１は、例えば、半導体や絶縁体など電荷が表面に帯電する材料から構成されている物体であり、固定電極１１４に載置されて、その表面電位が測定される。固定電極１１４は、金属材などから構成されており、接地電位とされている。これによって測定対象１０１の表面が接地電位を基準とした電位となる。
【００３２】
測定回路１１３は、コンデンサＣ、プリアンプ１３１、メインアンプ１３２、位相検波器１３３、直流増幅器１３４、表示器１３５、出力回路１３６、帰還回路部１３７から構成されている。
【００３３】
測定電極１１１は、コンデンサＣを介してプリアンプ１３１に接続されている。コンデンサＣは、測定電極１１１の直流成分をカットした信号を検出信号としてプリアンプ１３１に供給する。プリアンプ１３１は、検出信号を増幅する。プリアンプ１３１で増幅された検出信号は、メインアンプ１３２に供給される。
【００３４】
メインアンプ１３２は、プリアンプ１３１で増幅された検出信号を更に増幅する。メインアンプ１３２で増幅された検出信号は、位相検波器１３３に供給される。
【００３５】
位相検波器１３３には、ドライバ１２２からピエゾアクチュエータ１２１の駆動に同期した同期信号が供給されており、検出信号と同期信号との位相差に応じた直流信号を出力する。位相検波器１３３で検波された直流信号は、測定対象１０１の表面電位に応じた信号であり、直流増幅器１３４に供給される。直流増幅器１３４は、位相検波器１３３から供給された直流信号を直流増幅する。
【００３６】
直流増幅器１３４で増幅された信号が出力信号として、表示器１３５及び出力回路１３６並びに帰還回路部１３７に供給される。表示器１３５は、例えば、ＬＣＤなどのディジタル表示パネルから構成されており、直流増幅器１３４の出力信号に基づいて測定対象１０１の表面電位を数値化して、表示器１３５に表示する。
【００３７】
出力回路１３６は、直流増幅器１３４で増幅された信号を出力信号として出力端子Ｔout+から出力する。
【００３８】
〔帰還回路部１３７〕
図３は帰還回路部１３７のブロック構成図を示す。
【００３９】
帰還回路部１３７は、高電圧発生器１６１、抵抗Ｒ１〜Ｒ３から構成されている。
【００４０】
高電圧発生器１６１には、直流増幅器１３４で増幅された出力信号が供給されており、直流増幅器１３４からの出力信号に応じた高電圧を発生する。高電圧発生器１６１で発生された高電圧は、抵抗Ｒ１、Ｒ２によって分圧されて、抵抗Ｒ３を通して帰還信号として測定電極１１１に印加される。帰還回路部１３７からの帰還信号により測定電極１１１の電位が一定に保たれ、検出信号が安定し、これによって測定動作が安定化する。
【００４１】
〔効果〕
本実施例によれば、測定電極１１１を測定対象１０１に対して変位させる駆動部１１２のアクチュエータとしてピエゾアクチュエータ１２１を用いることにより高周波数で測定対象１０１を駆動することができる。これによって測定電極１１１を測定対象１０１に対して高速に変位させることができるため、検出信号を大きく取ることができ、これによって微小な電位も検出できるようになる。
【００４２】
例えば、測定電極１１１の変位の周波数を１ｋＨｚとしたとき、１ｍＶ〜１Ｖ程度の表面電位の検出が可能となる。
【００４３】
このように、本実施例によれば、従来の測定可能であった１００〜６００Ｖ程度の表面電位を１ｍＶ〜１Ｖ程度とすることができ、これによって低い表面電位を高精度に測定できるようになった。本実施例の表面電位測定装置１００を用いることにより、例えば、半導体ウェアなど数ｍＶ〜数Ｖ程度の小さい表面電位までも測定可能となり、種々の分野に適用可能となる。
【００４４】
〔他の実施例〕
図４は本発明の他の実施例のブロック構成図を示す。図中、図１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００４５】
本実施例の表面電位測定装置２００は、直流電源２１１により測定電極１１１を一定電位に固定し、固定電極１１４を測定回路２１２に接続して、固定電極１１４の電位に応じて測定対象１０１の表面電位を測定する。これによって、検出信号が固定電極１１４から取得できるため、検出信号が振動の影響を受けることがなく、振動に強い表面電位の測定が可能となる。よって、高精度に表面電位を測定できるようになる。
【００４６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形例が実現できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施例のブロック構成図である。
【図２】本発明の一実施例の駆動部の断面図である。
【図３】帰還回路部１３７のブロック構成図である。
【図４】本発明の他の実施例のブロック構成図である。
【図５】非接触型表面電位測定装置の原理ブロック構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１００、２００  表面電位測定装置
１１１  測定電極、１１２  駆動部、１１３  測定部、１１４  固定電極
１２１  ピエゾアクチュエータ、１２２  ドライバ、１２３  発振回路
１３１  プリアンプ、１３２  メインアンプ、１３３  位相検波器
１３４  直流増幅器、１３５  表示器、１３６  出力回路、１３７  帰還回路部
１４１  電極部、１４２  シールドカバー
１５１  ピエゾ素子、１５２  揺動部材、１５３  弾性部材、１５４  ケース
【図１】
2007327919.tif 000003
【図２】
2007327919.tif 000004
【図３】
2007327919.tif 000005
【図４】
2007327919.tif 000006
【図５】
2007327919.tif 000007