(57)【要約】【課題】測定のために十分な強度の近接場を維持しつつ高分解能を得ることができる近接場プローブ、このプローブを備えた高周波誘電率測定装置及び前記近接場プローブの交換部品を提供することを課題とする。【解決手段】本発明は、微細軸部１２１が内導体２０よりも直径の小さい外周面２１ａを有すると共に、当該内導体２０の先端に中心軸Ｃに沿って内導体本体２２から突出するように設けられ、外導体３０の先端側に中心軸Ｃに沿って内部空間Ｓと外部とを連通し、微細軸部１２１が挿通可能で且つ共振の共振周波数の波長よりも小さい直径の微細開孔３５が設けられ、微細軸部１２１が外導体３０と接することなく微細開孔３５内に挿通されてその先端が外導体３０の外面と同一又は外面より僅かに外へ突出するように微細軸部１２１と微細開孔３５との相対位置が決められることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波を同軸共振器に導入して共振させることで形成された近接場を被測定物に浸透させて当該被測定物の電気的特性を測定するための近接場プローブであって、
一方向に延びる内部空間を囲む外導体と、この内部空間内で当該内部空間の中心軸に沿って延び、先端が前記外導体の内面近傍に位置すると共に後端が前記外導体に接続された内導体と、を有する同軸共振器と、
この同軸共振器にそれぞれ接続されて高周波を当該同軸共振器に導入するための導入端子及び当該同軸共振器から導出するための導出端子と、を備え、
前記内導体は、内導体本体と前記内導体本体の先端に設けられ且つ微細軸部を含む内導体先端部とで構成され、
前記微細軸部は、前記内導体の直径よりも当該微細軸部の直径が小さくなるような外周面を有すると共に、当該内導体の先端に前記中心軸に沿って前記内導体本体から突出するように設けられ、
前記外導体の前記先端側に前記中心軸を含み前記内部空間と外部とを連通し、前記微細軸部が挿通可能な微細開孔が設けられ、
前記微細軸部が前記外導体と接することなく前記微細開孔内に挿通されてその先端が前記外導体の外面と同一又は前記外面より僅かに外側へ突出するように前記微細軸部と微細開孔との相対位置が決められていることを特徴とする近接場プローブ。
【請求項２】
請求項１に記載の近接場プローブにおいて、
前記内導体本体は、前記中心軸と同軸の円柱面を有する本体同径部と、その先端に設けられ先端に向かって直径が一定の割合で減少する本体縮径部とを有し、
前記外導体は、前記先端側に向かって前記内導体の本体縮径部と徐々に接近するような内面を有する内面縮径部と、前記内導体の本体同径部と平行な内面を有する内面同径部とで構成されることを特徴とする近接場プローブ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の近接場プローブにおいて、
前記内導体における微細軸部の先端部が先端に向かって縮径していることを特徴とする近接場プローブ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の近接場プローブにおいて、
前記内導体の微細軸部先端が前記外導体の微細開孔から当該外導体の外面よりも外側へ突出する寸法が当該微細軸部の半径寸法と同程度となるように前記微細軸部と微細開孔との相対位置が決められていることを特徴とする近接場プローブ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の近接場プローブにおいて、
前記微細開孔を規定する内周面とこの微細開孔を挿通する前記微細軸部の外周面との間に全周に亘って間隔が形成されるように前記微細開孔と微細軸部との相対位置が決められていることを特徴とする近接場プローブ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の近接場プローブにおいて、
前記内導体は、前記内導体本体と前記微細軸部を含む内導体先端部とが分離可能に構成され、
前記外導体は、前記微細開孔の周縁部を含み且つ当該外導体における先端側の一部である交換部と当該外導体の交換部を除く部位である外導体本体とが分離可能に構成され、
前記微細軸部の先端が前記外導体の外面と同一又は前記外面より僅かに外側へ突出するように前記微細軸部が前記微細開孔内に挿通され、且つ前記交換部が前記外導体本体に接続されたときに前記内導体先端部の後端側が前記内導体本体と接して電気的に接続するように前記内導体先端部が絶縁支持体を介して前記交換部に支持されていることを特徴とする近接場プローブ。
【請求項７】
請求項６に記載の近接場プローブにおいて、
前記交換部は、絶縁体で構成される絶縁本体部と、少なくとも前記外導体の内部空間側の面及び前記微細開孔を規定する内周面を構成する導体膜層とを有することを特徴とする近接場プローブ。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の近接場プローブにおいて、
前記絶縁支持体は、前記交換部における前記微細開孔を含む前記内面側の面に沿った形状を有し、前記微細開孔の中心軸を含む位置に孔が設けられ、
前記内導体先端部は、前記孔に前記微細軸部を挿通した状態で当該絶縁支持体に支持されることを特徴とする近接場プローブ。
【請求項９】
請求項８に記載の近接場プローブにおいて、
前記内導体先端部は、前記絶縁支持体よりも後端側に、前記微細軸部よりも大きな外径を有する接続ボス部が設けられ、
前記接続ボス部は、前記交換部が前記外導体本体に接続されたときに前記絶縁支持体と内導体本体との間に挟持され且つ当該接続ボス部の後端が前記内導体本体に面接触するように形成されることを特徴とする近接場プローブ。
【請求項１０】
請求項９に記載の近接場プローブにおいて、
前記接続ボス部は、前記中心軸方向に沿って弾性変形可能な導体で構成され、前記交換部を前記外導体本体に接続したときに、前記絶縁支持体と内導体本体における前記絶縁支持体に対向する部位との間の寸法より当該接続ボス部の前記中心軸方向における寸法が僅かに長い寸法を有することを特徴とする近接場プローブ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０に記載の近接場プローブと、
この近接場プローブに高周波を供給する高周波供給手段と、
被測定物の測定前と測定中との前記高周波が供給された近接場プローブの同軸共振器で生じる共振の共振周波数を比較する比較手段と、を備えた高周波誘電率測定装置。
【請求項１２】
請求項６乃至１０のいずれか一項に記載の近接場プローブの交換部品であって、
前記微細開孔の周縁部を含み且つ前記外導体における先端側の一部であり、前記外導体本体に着脱可能な交換部と、
前記交換部における前記微細開孔を含む前記内部空間側の面に沿って設けられ、前記微細開孔の中心軸を含む位置に孔が設けられた板状体又は膜によって構成される前記絶縁支持体と、
前記微細軸部を含みこの微細軸部が前記微細開孔内に挿通されて当該微細軸部の先端が前記外導体の外面と同一又は前記外面より僅かに外側へ突出するように前記絶縁支持体を介して前記交換部に支持される前記内導体先端部と、を備え、
前記交換部が前記外導体本体に接続されたときに、この交換部と外導体本体とが電気的に接続されて前記外導体を構成すると共に、前記内導体先端部の後端が前記内導体本体に接することで前記内導体先端部と内導体本体とが電気的に接続されて前記内導体を構成することを特徴とする近接場プローブの交換部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場を半導体ウエハ等の被測定物に浸透させて、その表面付近の構造や材質により定まる電気的特性を測定する際に用いられるプローブ、このプローブを備えた高周波誘電率測定装置及び前記プローブの交換部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、近接場を用いて被測定物の誘電率等の電気的特性を測定する際に用いられる近接場プローブとしては、同軸共振器を用いたプローブが知られている。具体的には、図８に示されるように、この同軸共振器２１０は、筒状の外導体２３０と、外導体２３０の中心軸ｃに沿って延びる内導体２２０と、を備える（特許文献１参照）。この同軸共振器２１０は、先端側が開放端で後端側が短絡端であり、高周波が導入されることで先端近傍に近接場（電場が支配的な近接場電磁場）が形成される。
【０００３】
詳細には、同軸共振器２１０の内導体２２０は、中心軸ｃに沿って同径の円柱形で、その先端部が先端に向かって縮径する円錐台形状に形成されている。また、外導体２３０は、内導体２２０と同軸の円筒形で、その先端部が内導体２２０の先端部の形状に対応して先端に向かって縮径した円筒状に形成されている。この円筒形に形成された外導体２３０先端の開孔径は、同軸共振器２１０で生じる共振の共振周波数よりも十分小さくなるように形成されている。そして、内導体２２０先端と外導体２３０先端とは、被測定物ｔの測定面に垂直に同軸共振器２１０先端を当接した際、内導体２２０先端と外導体２３０先端とが共に前記測定面に当接するように形成されている。
【０００４】
このようなプローブに高周波が導入されると同軸共振器２１０で共振する。このとき、前記外導体２３０先端の開孔径がこの共振周波数の波長よりも十分小さいため、この開孔からは近接場が放射される。
【０００５】
そして、プローブ先端、即ち、同軸共振器２１０の先端が垂直方向から被測定物ｔに当接され、上記のようにして開放端近傍に形成された近接場を被測定物ｔに浸透させる。この浸透させた近接場の反射度合いが同軸共振器２１０の共振周波数変化として観測されることにより、間接的に被測定物（誘電体）ｔの誘電率が測定される。
【特許文献１】特開２００５−１２１４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように構成されるプローブでは、同軸共振器２１０の外導体２３０先端の開孔径が小さくなることに伴って分解能が向上する。そのため、被測定物ｔの電気的特性をより微細に測定するためには、外導体２３０先端の開孔径を小さくしてプローブの分解能を向上させることが有効である。
【０００７】
しかし、外導体２３０先端の開孔径が小さくなると、開孔（同軸共振器２１０先端）近傍に形成される近接場の強度が低下し、これに伴ってプローブの感度も低下する。特に、被測定物ｔの内部領域を測定する際に、前記内部（表面からの深さ方向）へ浸透した近接場の強度が低下するために、精度のよい測定ができないといった問題が生じる。
【０００８】
即ち、上記のように構成されるプローブによって形成される近接場は、被測定物（誘電体）ｔの表面から約１００μｍ付近までの深さに浸透する。そして、この領域の誘電率分布の変化を１μｍ程度の分解能（空間分解能）で測定することができる。しかし、同軸共振器２１０の外導体２３０の開孔径が小さくなることで、前記分解能が向上する反面、近接場の強度が小さくなる。その結果、プローブ先端に形成された近接場は、前記深さまで被測定物の内部に浸透し難くなり、この領域での誘電率分布の変化が測定し難くなる。
【０００９】
そこで、本発明は、測定のために十分な強度の近接場を維持しつつ高分解能を得ることができる近接場プローブ、このプローブを備えた高周波誘電率測定装置及び前記近接場プローブの交換部品を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、上記課題を解消すべく、本発明に係る近接場プローブは、高周波を同軸共振器に導入して共振させることで形成された近接場を被測定物に浸透させて当該被測定物の電気的特性を測定するための近接場プローブであって、一方向に延びる内部空間を囲む外導体と、この内部空間内で当該内部空間の中心軸に沿って延び、先端が前記外導体の内面近傍に位置すると共に後端が前記外導体に接続された内導体と、を有する同軸共振器と、この同軸共振器にそれぞれ接続されて高周波を当該同軸共振器に導入するための導入端子及び当該同軸共振器から導出するための導出端子と、を備え、前記内導体は、内導体本体と前記内導体本体の先端に設けられ且つ微細軸部を含む内導体先端部とで構成され、前記微細軸部は、前記内導体の直径よりも当該微細軸部の直径が小さくなるような外周面を有すると共に、当該内導体の先端に前記中心軸に沿って前記内導体本体から突出するように設けられ、前記外導体の前記先端側に前記中心軸を含み前記内部空間と外部とを連通し、前記微細軸部が挿通可能な微細開孔が設けられ、前記微細軸部が前記外導体と接することなく前記微細開孔内に挿通されてその先端が前記外導体の外面と同一又は前記外面より僅かに外側へ突出するように前記微細軸部と微細開孔との相対位置が決められていることを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、導入端子から高周波が導入されると同軸共振器内で共振する。このとき、外導体の微細開孔の径が小さいことから、前記微細開孔からは近接場が放射される。
【００１２】
さらに、内導体の微細軸部が外導体と接することなく微細開孔内に挿通されてその先端が外部へ突出していることで、測定のために十分な強度の近接場が維持されつつ高分解能が得られる。
【００１３】
しかも、近接場の強度が強くなることで、被測定物と近接場プローブ先端とが非接触であっても測定することが可能となる。そのため、非接触で測定する場合には、近接場プローブ先端の磨耗や被測定物への接触等での変形による分解能の低下が抑制される。
【００１４】
このような近接場を被測定物に浸透させ、その反射によって共振周波数の変わった高周波が導出端子から導出されて測定機器等に送られて測定前の共振周波数と比較されることで被測定物の電気的特性が得られる。
【００１５】
本発明に係る近接場プローブにおいては、前記内導体本体は、前記中心軸と同軸の円柱面を有する本体同径部と、その先端に設けられ先端に向かって直径が一定の割合で減少する本体縮径部とを有し、前記外導体は、前記先端側に向かって前記内導体の本体縮径部と徐々に接近するような内面を有する内面縮径部と、前記内導体の本体同径部と平行な内面を有する内面同径部とで構成されてもよい。
【００１６】
かかる構成によれば、外導体における内部空間を規定する円柱面（内周面）と内導体における円柱面（外周面）とが同軸構造を有している。そのため、当該同軸共振器内部に電磁波を閉じ込めたときに内部の電磁波分布（モード）が一意（ＴＥＭ波）に決まり、当該近接場プローブからの測定データを解析する際に解析し易くなる。さらに、構造が簡単であることから電磁場解析の結果ともよく一致するため前記解析の際に解析し易い。
【００１７】
また、前記内導体における微細軸部の先端部が先端に向かって縮径していてもよい。
【００１８】
このように微細軸部が形成されることで、微細軸部先端に近接場が集中して、径の小さくなった微細軸部先端に近接場を局在させることができる。その結果、近接場の強度が強くなり、分解能が向上する。
【００１９】
また、前記内導体の微細軸部先端が前記外導体の微細開孔から当該外導体の外面よりも外側へ突出する寸法が当該微細軸部の半径寸法と同程度となるように前記微細軸部と微細開孔との相対位置が決められていてもよい。
【００２０】
このような位置関係となることで、微細軸部先端に近接場が集中して、微細軸部の直径程度に近接場を局在させることができる。そのため、近接場の強度が強くなると共に分解能も向上する。
【００２１】
また、前記微細開孔を規定する内周面とこの微細開孔を挿通する前記微細軸部の外周面との間に全周に亘って間隔が形成されるように前記微細開孔と微細軸部との相対位置が決められていてもよい。
【００２２】
このような位置関係となることで、微小開孔を規定する内周面と微細軸部の外周面との間に円筒状の絶縁層が形成される。そのため、形成される近接場が微小開孔の直径よりも小さな微細軸部先端に局在する。その結果、分解能が向上する。
【００２３】
前記内導体は、前記内導体本体と前記微細軸部を含む内導体先端部とが分離可能に構成され、前記外導体は、前記微細開孔の周縁部を含み且つ当該外導体における先端側の一部である交換部と当該外導体の交換部を除く部位である外導体本体とが分離可能に構成され、前記微細軸部の先端が前記外導体の外面と同一又は前記外面より僅かに外側へ突出するように前記微細軸部が前記微細開孔内に挿通され、且つ前記交換部が前記外導体本体に接続されたときに前記内導体先端部の後端側が前記内導体本体と接して電気的に接続するように前記内導体先端部が絶縁支持体を介して前記交換部に支持されている構成であってもよい。
【００２４】
かかる構成によれば、交換部が外導体本体から分離されることで内導体先端部も内導体本体から分離される。そのため、微細開孔の周縁部や微細軸部先端が磨耗や損傷等した場合、外導体本体及び内導体本体を残して交換部のみを交換することでこの交換部と共に微細軸部を含む内導体先端部も交換される。即ち、近接場プローブ全体又は同軸共振器全体を交換する必要がなくなる。その結果、コスト削減が図られ、交換作業も容易になる。
【００２５】
しかも、このような交換部及び内導体先端部が交換可能な構成であっても、前記同様、測定のために十分な強度の近接場が維持されつつ高分解能が得られる。
【００２６】
また、前記交換部は、絶縁体で構成される絶縁本体部と、少なくとも前記外導体の内部空間側の面及び前記微細開孔を規定する内周面を構成する導体膜層とを有するように構成されてもよい。
【００２７】
かかる構成によれば、交換部の材料の選択の自由度が多くなる。そのため、外導体本体を構成する導体よりも安価な材料や加工し易い素材を選択した場合、この素材を用いて絶縁本体部を形成し、その一部に導体膜を被覆することでコスト削減が図られる。
【００２８】
また、前記絶縁支持体は、前記交換部における前記微細開孔を含む前記内面側の面に沿った形状を有し、前記微細開孔の中心軸を含む位置に孔が設けられ、前記内導体先端部は、前記孔に前記微細軸部を挿通した状態で当該絶縁支持体に支持されてもよい。
【００２９】
かかる構成によれば、微細開孔中心部への微細軸部の位置合わせが容易になる。即ち、絶縁支持体に設けられた孔に微細軸部を挿通することで、この微細軸部は微細開孔の中心部を通るように微細開孔内に挿通される。また、絶縁支持体の形状も簡単な形状である。そのため、製造コストの削減及び製造時間の短縮が図られる。
【００３０】
また、前記内導体先端部は、前記絶縁支持体よりも後端側に、前記微細軸部よりも大きな外径を有する接続ボス部が設けられ、前記接続ボス部は、前記交換部が前記外導体本体に接続されたときに前記絶縁支持体と内導体本体との間に挟持され且つ当該接続ボス部の後端が前記内導体本体に面接触するように形成されてもよい。
【００３１】
このように形成されることで、交換部を外導体本体に接続する際、接続ボス部の後端が内導体本体と面接触するため、確実に内導体先端部と内導体本体とが電気的に接続されて内導体が構成される。
【００３２】
また、前記接続ボス部は、前記中心軸方向に沿って弾性変形可能な導体で構成され、前記交換部を前記外導体本体に接続したときに、前記絶縁支持体と内導体本体における前記絶縁支持体に対向する部位との間の寸法より当該接続ボス部の前記中心軸方向における寸法が僅かに長い寸法を有するように構成されてもよい。
【００３３】
このように形成されることで、交換部を外導体本体に接続する際、接続ボス部が絶縁支持体と内導体との間隔よりも長いため、交換部の外導体本体への接続が完了するよりも前に、ボス部後端と内導体本体とが接触する。その結果、より確実に内導体先端部と内導体本体とが電気的に接続される。このとき、接続ボス部は弾性変形可能であるため、前記電気的な接続を保持すると共に交換部と外導体本体との接続も妨げない。
【００３４】
また、上記いずれかの近接場プローブと、この近接場プローブに高周波を供給する高周波供給手段と、被測定物の測定前と測定中との前記高周波が供給された近接場プローブの同軸共振器で生じる共振の共振周波数を比較する比較手段と、を備えた高周波誘電率測定装置においては、当該近接場プローブは、測定のために十分な強度の近接場が維持されつつ高分解能が得られる。
【００３５】
そのため、当該高周波誘電率測定装置では、測定前に近接場プローブから比較手段に送られてくる同軸共振器での共振周波数と、測定中に前記比較手段に送られてくる共振周波数とを比較することで、より微細な被測定物の電気的特性の測定、又はより深い領域の電気的特性が測定できるようになる。
【００３６】
また、交換部を有する上記いずれかの近接場プローブの交換部品であって、前記微細開孔の周縁部を含み且つ前記外導体における先端側の一部であり、前記外導体本体に着脱可能な交換部と、前記交換部における前記微細開孔を含む前記内部空間側の面に沿って設けられ、前記微細開孔の中心軸を含む位置に孔が設けられた板状体又は膜によって構成される前記絶縁支持体と、前記微細軸部を含みこの微細軸部が前記微細開孔内に挿通されて当該微細軸部の先端が前記外導体の外面と同一又は前記外面より僅かに外側へ突出するように前記絶縁支持体を介して前記交換部に支持される前記内導体先端部と、を備え、前記交換部が前記外導体本体に接続されたときに、この交換部と外導体本体とが電気的に接続されて前記外導体を構成すると共に、前記内導体先端部の後端が前記内導体本体に接することで前記内導体先端部と内導体本体とが電気的に接続されて前記内導体を構成する近接場プローブの交換部品においては、コスト削減が図られる。
【００３７】
即ち、近接場プローブにおける外導体の微細開孔の周縁部や内導体の微細軸部先端が磨耗や損傷した場合でも、外導体本体及び内導体本体を残して当該交換部品のみを交換すればよい。即ち、近接場プローブ全体又は同軸共振器全体を交換する必要がなくなる。その結果、コスト削減が図られる。
【００３８】
さらに、交換部品とすることで、交換作業が容易になり交換作業での時間短縮が図られる。
【発明の効果】
【００３９】
以上より、本発明によれば、測定のために十分な強度の近接場を維持しつつ高分解能を得ることができる近接場プローブ、このプローブを備えた高周波誘電率測定装置及び前記近接場プローブの交換部品を提供することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の第一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
【００４１】
図１に示されるように、本実施形態に係る高周波誘電率測定装置１００は、被測定物から情報を採取する近接場プローブ１０と、この近接場プローブ１０が接続された高周波ネットワークアナライザーＮと、を備える。
【００４２】
近接場プローブ１０は、高周波を導入されることで近接場を形成し、この近接場を被測定物に浸透させて当該被測定物の電気的特性を測定するためのものである。具体的には、図２（ａ）及び図２（ｂ）にも示されるように、この近接場プローブ１０は、高周波が導入されることで後述する外導体における微細開孔３５の先端側に近接場を形成する同軸共振器１１と、この同軸共振器１１に高周波を導入するための導入端子４０及び高周波を導出するための導出端子４１と、を有する。
【００４３】
同軸共振器１１は、一方向に延びる内部空間Ｓを囲む外導体３０と、この内部空間Ｓ内で当該内部空間Ｓの中心軸Ｃに沿って延びる内導体２０と、で構成されている。これら両導体（内導体２０及び外導体３０）は電気が流れる素材（導体）で形成されており、本実施形態においては、銅（純度が高いものほど好適である）で形成されている。尚、本実施形態においては、両導体２０，３０が同じ素材で形成されているが、導体で形成されていればそれぞれ異なる素材で形成されていてもよい。また、銅で形成される必要はなく、アルミニウム等であってもよい。
【００４４】
内部導体２０は、外導体３０の内部空間Ｓを規定する当該外導体３０の内面近傍に先端を位置させ、後端を外導体３０に接続している。具体的には、内導体２０は、中心軸Ｃに沿って先端から順に、内導体先端部２１と内導体本体２２とで構成されている。さらに、内導体本体２２は、前記同様先端から順に、本体縮径部２２ａと本体同径部２２ｂとで構成されている。そして、これら本体縮径部２２ａ及び本体同径部２２ｂとは一体成形されており、内導体先端部２１は、内導体本体２２に固着されている。また、前記内面近傍に先端を位置させとは、後述する微細開孔３５に内導体先端部２１を挿入できるような位置である。
【００４５】
内導体先端部２１は、内導体２０の先端に中心軸Ｃに沿って延び内導体本体２２から突出するように形成された微細軸部１２１で構成されている。この内導体先端部２１は、内導体本体２２、詳細には、内導体本体２２の本体同径部２２ｂの直径よりもその直径が小さくなるような外周面を有する。そして、内導体先端部２１の先端部は、先端に向かって縮径するように形成されている。こうすることで、微細開孔３５の先端側に形成される近接場が内導体先端部２１先端に集中して、径の小さくなった内導体先端部２１先端に前記近接場を局在させることができる。
【００４６】
具体的には、内導体先端部２１は、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の細くて硬い金属細線で構成された直径３０μｍ、長さ０．３ｍｍ（代表値）の細線である。そして、その先端部は、先端側に向かって縮径している。本実施形態においては、前記先端部は、先端側に向かって膨出する半球状に形成されている（図２（ｂ）参照）。
【００４７】
このように形成される内導体先端部２１は、外導体３０先端に設けられた微細開孔３５内に挿通されている。この微細開孔３５は、外導体３０の先端側、即ち、後述する内面縮径部３１の先端面３１ａ中央に設けられた貫通孔で、中心軸Ｃに沿って内部空間Ｓと外導体３０の外部とを連通する。この微細開孔３５は、内導体先端部２１が接触することなく挿通可能な内径を有する。即ち、微細開孔３５は、内導体先端部２１と同軸若しくは略同軸で、当該内導体先端部２１の直径よりも大きな内径を有し且つ中心軸Ｃに沿って一定の内径を有する円筒状の内周面３５ａによって規定された開孔である。
【００４８】
また、微細開孔３５は、同軸共振器１１で生じる共振の共振周波数の波長よりも小さい直径を有する。具体的には、直径５０μｍ、深さ（中心軸方向の長さ）が０．２ｍｍの開孔である。このような大きさとすることで、同軸共振器１１で共振が生じたときに、微細開孔３５から外部に向かって近接場（エバネセント波）が放射（形成）される。この放射される近接場は、本実施形態においては電場が支配的な近接場電磁場である。
【００４９】
このような微細開孔３５に挿入される内導体先端部２１は、当該微細開孔３５を規定する内周面３５ａ（外導体３０）と接することがないように、即ち、微細開孔３５を規定する内周面３５ａとこの微細開孔３５を挿通する内導体先端部２１の外周面２１ａとの間に全周に亘って間隔が形成されるように前記相対位置が決められている。このように位置決め（配置）されることで、微小開孔３５を規定する内周面３５ａと内導体先端部２１の外周面２１ａとの間に円筒状の絶縁層が形成される。そのため、微細開孔３５の先端側に形成される近接場が当該微小開孔３５の直径よりも小さな内導体先端部２１先端に局在し、近接場プローブ１０の分解能が向上する。
【００５０】
また、内導体先端部２１の先端が外導体３０の先端面（外面）３２より外部へ僅かに突出するように微細開孔３５と内導体先端部２１との相対位置が決められている。この突出寸法は、内導体先端部２１の半径寸法と同程度、本実施形態においては、２５μｍ程度となるように前記相対位置が決められている。このように位置決めされることによっても内導体先端部２１先端に近接場が集中して、内導体先端部２１の直径程度に近接場を局在させることができる。
【００５１】
尚、本実施形態においては、前記のように内導体先端部２１先端が微細開孔３５から僅かに（内導体先端部２１の半径程度）突出しているが、中心軸Ｃ方向において、微細開孔３５先端側端部と同一であってもよい。換言すると、外導体３０の先端面３１ａと内導体先端部２１先端とが共通の平面上に位置していてもよい。即ち、内導体先端部２１先端の前記突出寸法は、当該内導体先端部２１の直径の８３％〜０％までであればよい。
【００５２】
本体同径部２２ｂは、中心軸Ｃ方向において直径が一定の円柱面を有する、詳細には、円柱面によって構成される外周面を有する。本体縮径部２２ａの直径は、本体同径部２２ｂと同じ直径から先端に向かって一定の割合で減少している。即ち、外観が円柱状の本体同径部２２ｂの先端に円錐状の本体縮径部２２ａが連接されることで、内導体本体２２が構成されている。この内導体本体２２は、本実施形態においては中実構造であるが、中空構造であってもよい。このように構成される内導体本体２２の先端、即ち、円錐状の本体縮径部２２ａの先端に微細軸部２１が同軸に（中心軸Ｃに沿って）設けられることで内導体２０が構成されている。
【００５３】
具体的には、本体同径部２２ｂは、直径１４ｍｍ、長さ（中心軸Ｃ方向の距離）７８ｍｍの円柱状で、本体体縮径部２２ａは、底面の直径０．５ｍｍ、高さ（中心軸Ｃ方向の距離）６．７ｍｍ、円錐頂角９０°の円錐状となるように形成されている。
【００５４】
外導体３０は、中心軸Ｃに沿って直径が一定の円柱状の外面を有し、先端部（先端面３２中央）には上述の微細開孔３５が設けられ、後端部に導入端子４０及び導出端子４１が設けられている。この外導体３０は、中心軸Ｃに沿って先端から順に、内面縮径部３１と内面同径部３２と短絡部３３とで構成されている。これら内面縮径部３１と内面同径部３２とは一体成形されており、短絡部３３は、内面同径部３２の後端に固着されている。
【００５５】
内面縮径部３１は、内導体２０の本体縮径部２２ａ及び内導体先端部（微細軸部）２１に対応する部位であり、先端側に向かって内導体２０の本体縮径部２２ａと徐々に接近するような内面３１ｂを有する。即ち、この内面縮径部３１の内面３１ｂは、本体縮径部２２ａの外面（円錐面）よりも円錐頂角が大きな円錐状に先端側へ向かって凹んだ面３１ｂで構成されている。詳細には、この凹部は、円錐の先端部（最も深く凹んだ位置）が平らになった円錐台状に凹んでいる。このように円錐台形状に凹むことで、内面縮径部３１（外導体３０）における微細開孔３５の周縁部は、一定の厚さとなる。この凹部の最も深く凹んだ位置、且つ中心軸Ｃに沿った位置に微細開孔３５が設けられている。
【００５６】
内面同径部３２は、内導体２０の本体同径部２２ｂに対応する部位であり、本体同径部２２ｂ外周面と平行な内面を有する。即ち、内面同径部３２は、中心軸Ｃに沿って外径及び内径が一定の円筒状に形成されている。
【００５７】
短絡部３３は、円筒状の内面同径部３２の後端側開孔を塞ぐように設けられた円盤状の部位である。この短絡部３３は、その中心部に内導体２０の後端が接続され、外導体３０と内導体２０とを短絡している。この短絡部３３には、同心円上で且つ中心軸Ｃを挟んで対称な位置に当該中心軸Ｃと平行な一対のポート孔３４ａ，３４ｂが設けられている。このポート孔には、ループアンテナ４０，４１がそれぞれ挿入されており、一方が高周波を同軸共振器１１に導入するための導入端子４０として使用され、他方が高周波を同軸共振器１１から導出するための導出端子４１として使用される。
【００５８】
具体的には、外導体３０の外面が直径３４ｍｍ、長さ７８ｍｍの円柱状となるように形成されている。そして、内面縮径部３１の内面は、底面の直径２４ｍｍ、高さ（中心軸Ｃ方向の距離）７．０ｍｍ、頂面（先端側の面）の直径１ｍｍの円錐台状に形成され、内面同径部３２の内面は、直径２４ｍｍ、長さ（中心軸Ｃ方向の距離）７８ｍｍの円筒状に形成されている。
【００５９】
以上のように構成される外導体３０と内導体２０とによって、中心軸Ｃに対して回転対称な同軸共振器１１が形成される。このように構成される同軸共振器１１は、外導体３０における内部空間Ｓを規定する円筒状の内面（内周面）と内導体２０における円筒状の外周面とが同軸構造を有しているため、同軸共振器１１内部に電磁波を閉じ込めたときに内部の電磁波分布（モード）が一意（ＴＥＭ波）に決まり、近接場プローブ１０からの測定データを解析する際に解析し易くなる。さらに、構造が簡単であることから電磁場解析の結果ともよく一致するため前記解析の際に解析し易い。具体的には、この同軸共振器１１では、各部位の寸法が上述の寸法で形成されることで基本周波数が７５０ＭＨｚ付近となり、基本共振周波数の波長をλとすると、λ／４の奇数倍に高次共振モードが現れる。この場合、３λ／４モードで２２５０ＭＨｚ、５λ／４モードで３７５０ＭＨｚとなり、汎用の高周波測定器で容易に観測できる。
【００６０】
高周波ネットワークアナライザーＮは、同軸ケーブルＫを通じて近接場プローブ１０に高周波を供給する高周波供給手段と、被測定物の測定前と測定中との前記高周波が供給された近接場プローブ１０の同軸共振器１１で生じる共振の共振周波数を比較する比較手段とを有し、高周波特性を測定・表示する高周波測定器である。この高周波ネットワークアナライザーＮでは、近接場プローブ１０（同軸共振器１１）に高周波信号を入力したときの入力信号と、近接場プローブ１０からの反射信号とを測定することにより、測定物の高周波特性が得られる。
【００６１】
本実施形態に係る高周波誘電率測定装置１００は、以上の構成からなり、次に、この高周波誘電率測定装置１００の作用について説明する。
【００６２】
高周波ネットワークアナライザーＮから同軸ケーブルＫを通じて近接場プローブ１０の導入端子４０に周波数掃引された高周波信号が送り出される。この高周波信号が導入端子４０を通じて同軸共振器１１に導入される。そうすると、導入された高周波のうち、同軸共振器１１の共振周波数と一致する周波数信号が導出端子４１から強く出力（導出）され、同軸ケーブルＫを通じて高周波ネットワークアナライザーＮが受信する。そうすると、近接場プローブ共振特性がグラフのピークとして表示される（図３参照）。
【００６３】
このとき、同軸共振器１１先端の微細開孔３５から近接場が放射される。このとき、内導体２０の内導体先端部２１が外導体３０と接することなく微細開孔３５内に挿通されてその先端が外部へ突出していることで、近接場は、内導体先端部２１先端部に集中するため、内導体先端部２１の直径程度に局在する。そのため、測定のために十分な強度の近接場が維持されつつ高分解能が得られる。
【００６４】
この微細開孔３５から近接場が放射された状態で、例えば、内導体先端部２１に金属片（被測定物）を近づけると、高周波ネットワークアナライザーＮには、微細開孔３５から放射される電場の分布が変化し、即ち、同軸共振器１１の見かけの体積が変化したのと同等に共振周波数の変化として表示される（図４（ａ）参照）。この共振周波数の変化を解析することで、この金属片の位置情報が得られる。
【００６５】
また、前記微細開孔３５から近接場が放射された状態で、内導体先端部２１に誘電体で構成される試料（被測定物）を近づけ、前記近接場を前記試料に浸透させる。そうすると、近接場の反射度合いが共振周波数の変化として高周波ネットワークアナライザーＮ上に現れる。この共振周波数の変化から間接的に前記試料の誘電率等の電気的特性を決定することもできる。
【００６６】
具体的には、被測定物の誘電率に近い物質で、その誘電率が既知である誘電体の共振周波数変化をグラフ化しておき、そのグラフ上のどこに被測定物の共振周波数がプロットされるかにより誘電率を決定することが可能となる。
【００６７】
次に、従来の内導体先端部２１を有しない近接場プローブと本実施形態における近接場プローブ１０とで上記同様の測定を行い、その結果を図４（ｂ）に示す。この図から分かるように、本実施形態に係る近接場プローブ１０で測定することで、表示される山の幅が狭くなった分、検出分解能が向上しており、且つ高くなっている分、検出感度が向上している。
【００６８】
次に、本発明の第二実施形態について図５（ａ）乃至図６（ｂ）を参照しつつ説明するが、上記第一実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成についてのみ詳細に説明する。尚、本実施形態においては、内面縮径部を第一交換部６１と称し、内面同径部及び短絡部を合わせて第一外導体本体６２と称する。
【００６９】
本実施形態に係る近接場プローブ１０ａは、微細開孔３５の周縁部や内導体先端部１２１先端が磨耗や損傷した場合、これら近接場プローブ１０ａの先端部だけを交換できるよう、第一交換部品１６１を有する。
【００７０】
具体的には、外導体３０が第一交換部６１と第一外導体本体６２とに分離可能に構成され、また、内導体２０が内導体本体２２と内導体先端部１２１とに分離可能に構成されている。そして、分離された第一交換部６１に内導体先端部１２１を取り付けて前記第一交換部品１６１が構成されている。このように第一交換部品１６１が構成されることで、近接場プローブ１０ａにおいて前記先端部の損傷等が発生した場合、第一外導体本体６２及び内導体本体２２を残して第一交換部品１６１のみを交換すればよい。即ち、近接場プローブ１０ａ全体又は同軸共振器１１全体を交換する必要がなくなり、コスト削減が図られる。
【００７１】
以下、詳細に説明する。第一交換部６１の先端面外周部には後端側に向けてザグリ孔ｈが複数設けられている。第一外導体本体６２の先端面には、このザグリ孔ｈに対応した位置に、同方向のネジ穴ｎが設けられている。この第一交換部６１のザグリ孔ｈを介して第一外導体本体６２のネジ穴ｎにネジＮが螺合されることで、第一交換部６１と第一外導体本体６２とは着脱可能に連結される（図６（ａ）参照）。
【００７２】
この第一交換部６１の微細開孔３５周縁部の内面、詳細には、微細開孔３５を含む中心軸に直交する平面で構成される内面６１ｂには、当該内面６１ｂに沿って絶縁物支持体７０が設けられている。この絶縁物支持体７０は、本実施形態においては、テフロン（登録商標）製の薄膜（テフロン（登録商標）膜）で構成されている。この薄膜７０の微細開孔３５中心部に対応する位置（中心軸Ｃ上）には、孔７１が設けられている。尚、薄膜７０は、テフロン（登録商標）膜に限定される必要はなく、雲母膜、マイラ等の絶縁体で形成された薄膜であればよい。また、絶縁物で構成される板状体（薄膜よりも厚みのある部材）であってもよい。
【００７３】
内導体先端部１２１は、微細軸部１２１ａと、この微細軸部１２１ａの後端に設けられた接続ボス部１２１ｂと、を有する。微細軸部１２１ａは、第一実施形態同様の中心軸Ｃに沿って延びる細線で構成されている。接続ボス部１２１ｂは、微細軸部１２１ａの外径よりも大きな外径（中心軸Ｃと直交する方向の外径）を有している。また、接続ボス部１２１ｂは、第一交換部６１を第一外導体本体６２に接続したときに、薄膜７０と内導体本体２２における薄膜７０に対向する部位、即ち、内導体本体２２先端との間の寸法（本実施形態においては、０．０５ｍｍ）より当該接続ボス部１２１ｂの中心軸Ｃ方向における寸法が僅かに長い寸法を有する。さらに、接続ボス部１２１ｂは、中心軸Ｃに沿って弾性変形可能な導体で構成されている。尚、内導体本体２２先端には、中心軸Ｃと直交し且つ接続ボス部１２１ｂの外径よりも大きな平面である内導体先端面２３が形成されている（図６（ｂ）参照）。また、接続ボス部１２１ｂの前記中心軸Ｃ方向における寸法は、当該接続ボス部１２１ｂを構成する材質によって異なるが、第一交換部６１を第一外導体本体６２に接続したときに、薄膜７０と内導体本体２２先端との間の寸法まで弾性変形可能な寸法である。
【００７４】
具体的には、微細軸部１２１ａは、直径２５μｍ、長さ０．２ｍｍ強の金線であり、接続ボス部１２１ｂは、外径が０．３ｍｍ、長さ０．１ｍｍの円柱状のハンダで構成されている。尚、微細軸部２１ｂは、上記金線に限定される必要はなく、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等で形成されていてもよい。また、接続ボス部１２１ｂは、ハンダ以外に、インジウム（Ｉｎ）、金（Ａｕ）、銅（但し、弾性変形可能な軟らかさを有する無酸素銅）等であってもよい。また、形状は円柱状に限定される必要はなく、ハンダ粒のような粒状であってもよい。即ち、中心軸方向Ｃに沿って弾性変形可能な導体及び形状で構成されていればよい。
【００７５】
接続ボス部１２１ｂがこのような寸法を有することで、第一交換部品１６１（第一交換部６１）を第一外導体本体６２に接続する際、第一交換部品１６１の第一外導体本体６２への接続が完了するよりも前に接続ボス部１２１ｂ後端と内導体本体２２（内導体先端面２３）とが接触する。そして、さらに第一交換部品１６１がネジＮで第一外導体本体６２に締め付けられることで薄膜７０と内導体先端面２３との間隔が小さくなるが、接続ボス部１２１ｂは、弾性変形可能であるため前記間隔が狭まる方向（中心軸Ｃ方向）に弾性変形することで第一交換部品１６１と第一外導体本体６２との接続も妨げない。しかも、弾性変形することで接続ボス部１２１ｂの後端と内導体先端面２３との面接触が大きくなるため、確実に内導体先端部１２１と内導体本体２２とが電気的に接続される。
【００７６】
この内導体先端部１２１は、薄膜７０の孔７１に微細軸部１２１ａを挿通した状態で薄膜７０に支持される。このとき、薄膜７０に設けられた孔７１に微細軸部１２１ａを挿通することで、微細軸部１２１ａが微細開孔３５を規定する内周面３５ａと接することがないよう、微細開孔３５の中心部を通るように微細開孔３５内に挿通される。即ち、微細開孔３５中心部への微細軸部１２１ａの位置合わせが容易になる。
【００７７】
さらに、微細軸部１２１ａの先端が第一交換部品１６１の外面（外導体に取り付けた際に外側になる面）３１ａより僅かに外へ突出するように微細軸部１２１ａが微細開孔３５内に挿通された状態で内導体先端部５２ａが第一交換部６１に取り付けられる。このように、微細軸部１２１ａが外導体３０と接することなく微細開孔３５内に挿通されてその先端が外部へ突出していることで、当該第一交換部品１６１が近接場プローブ１０ａに取り付けられて被測定物を測定する際に、当該近接場プローブ１０ａは、十分な強度の近接場が維持されつつ高分解能が得られる。
【００７８】
このように第一交換部１６１に薄膜７０を介して内導体先端部２１が支持されることで、近接場プローブ１０ａ先端部の第一交換部品１６１が構成される。そのため、前記損傷等が生じた場合に、第一交換部品１６１を交換するだけでよいためコスト削減が図られる。また、ネジＮを締め付け又は開放することせ第一交換部品１６１を第一外導体本体６２に接続又は開放することができるため、交換作業が容易となり交換作業における時間短縮も図られる。
【００７９】
しかも、第一交換部品１６１が第一外導体本体６２に接続されると、第一交換部６１と第一外導体本体６２とが電気的に接続されて外導体３０を構成すると共に、内導体先端部２１の後端（接続ボス部１２１ｂ後端）が内導体本体２２（内導体先端面２３）に接することで内導体先端部２１と内導体本体２２とが電気的に接続されて内導体２０を構成する。従って、第一実施形態同様の同軸共振器１１が構成され、このように第一交換部品１６１が交換可能な構成であっても、第一実施形態同様、測定のために十分な強度の近接場が維持されつつ高分解能が得られる。
【００８０】
次に、本発明の第三実施形態について図７を参照しつつ説明するが、上記第一実施形態又は第二実施形態と同様の構成には同一符号を用いると共に詳細な説明を省略し、異なる構成についてのみ詳細に説明する。
【００８１】
本実施形態に係る近接場プローブ１０ｂは、外導体３０先端部の微細開孔３５の周縁部が外導体３０の他の部位から分離可能に構成されている。本実施形態においては、この微細開孔周縁部を第二交換部８１と称し、外導体３０の他の部位を第二外導体本体８２と称する。また、この第二交換部８１に絶縁物支持体７０ａを介して内導体先端部２１が支持されたものを第二交換部品１８１と称する。
【００８２】
第二交換部８１は、絶縁体で構成される絶縁本体部８１ａと、第二交換部８１における外導体３０の内部空間Ｓを規定する内面側の面及び微細開孔３５を規定する内周面３５ａを構成する導体膜層８１ｂとを有する。この導体膜層８１ｂは、第二交換部８１が第二交換部品１８１として第二外導体本体８２に接続される際に、第二外導体本体８２内面とハンダ付けされることで電気的に接続される。
【００８３】
絶縁本体部８１ａは、本実施形態においては、ガラスエポキシ基板で形成されているが、これに限定される必要はなく、テフロン（登録商標）、ベークライトやエポキシ樹脂等でもよい。
【００８４】
また、導体膜層８１ｂは、本実施形態においては、銅箔によって構成されているが、これに限定される必要はなく、金メッキやアルミニウムのメッキ等で構成されてもよい。また、導体膜層８１ｂは、第二交換部８１の外導体先端面側に設けられてもよい。このようにすることで、第二交換部８１が第二交換部品１８１として第二外導体本体８２に接続される際に、当該先端面側の導体薄膜と第二外導体本体８２とがハンダ付けされることで、より強固に第二交換部品１８１が第二外導体本体８２に接続できる。
【００８５】
絶縁物支持体７０ａは、ガラスエポキシ基板で構成されている。この絶縁物支持体７０ａは、第二交換部８１の微細開孔３５を含む内面に沿って、且つ接続ボス部１２１ｂが第二交換部８１の導体膜層８１ｂに接しないような大きさに形成されている。この絶縁物支持体７０ａの微細開孔３５に対応する位置には、孔７１ａが形成されている。
【００８６】
このように構成されることで、第二交換部８１の材料の選択の自由度が多くなる。そのため、本実施形態のように絶縁本体部８１ａをガラスエポキシ基板といった第二外導体本体８２を構成する導体よりも安価な材料や加工し易い素材を選択した場合、その一部に導体膜層８１ｂを被覆することでコスト削減が図られる。
【００８７】
尚、近接場プローブは、上記第一乃至第三実施形態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内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００８８】
例えば、第一乃至第三実施形態に係る同軸共振器は、外導体内面と内導体外面との間に円筒状の空間が形成された同軸空洞共振器であるが、これに限定される必要はなく、この円筒状の空間には、低損失の誘電体が充填されていてもよい。このように誘電体が充填されても、内導体の微細軸部が外導体と接することなく微細開孔内に挿通されてその先端が外部へ突出していることで、測定のために十分な強度の近接場が維持されつつ高分解能が得られる。
【００８９】
また、第二又は第三実施形態に係る交換部品のように、微細軸部外周面と微細開孔を規定する内周面との間には円筒状の空気層が形成されている必要はなく、微細軸部を固定するために接着剤等の絶縁体が注入されていてもよい。このようにすることで、微細軸部と微細開孔との相対位置を固定し易くなり、交換部品の製造が容易になる。
【００９０】
また、第二又は第三実施形態係る交換部品における交換部のように、外導体の内面縮径部や微細開孔周縁部に相当する部位のみである必要はなく、さらに外導体の広い範囲であってもよく、狭い範囲であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本実施形態に係る高周波誘電率測定装置の概略構成図を示す。
【図２】同実施形態に係る近接場プローブにおける（ａ）は概略縦断面図を示し、（ｂ）はその先端部の拡大図を示す。
【図３】同実施形態に係る高周波誘電率測定装置における近接場プローブ共振特性の表示を示す図である。
【図４】同実施形態に係る高周波誘電率測定装置における（ａ）は近接場プローブで金属片を検出した際の表示を示す図であり、（ｂ）は近接プローブで金属辺を検出した際の微細軸部の有無による比較表示を示す図である。
【図５】第二実施形態に係る近接場プローブにおける（ａ）は交換部品を外した状態の先端部側の概略縦断面図を示し、（ｂ）はその先端部の拡大図を示す。
【図６】第二実施形態に係る近接場プローブにおける（ａ）は交換部品を接続した状態の先端部側の概略縦断面図を示し、（ｂ）はその先端部の拡大図を示す。
【図７】第三実施形態に係る近接場プローブの先端部の概略拡大縦断面図を示す。
【図８】従来の近接場プローブの先端部の概略構成図を示す。
【符号の説明】
【００９２】
１０   近接場プローブ
１１   同軸共振器
２０   内導体
２１   内導体先端部
２１ａ 外周面
２２   内導体本体
３０   外導体
３５   微細開孔
４０   導入端子
４１   導出端子
１２１ 微細軸部
Ｃ     中心軸
Ｓ     内部空間
【図１】
2009109289.tif 000003
【図２】
2009109289.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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