(57)【要約】【課題】試料の表面電位を非接触にて測定する表面電位計において、電極と試料との間の距離を容易に電位測定時の範囲内とする。【解決手段】表面電位計１では、振動電極１２と試料９の表面９１との間の２つの距離において、振動電極１２を振動させた状態で電極電位を変更して電極電位と試料保持部１１からの変位電流との関係が取得され、電極電位−変位電流特性の傾きが求められる。そして、２つの傾きに基づいて振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が演算により求められる。表面電位計１では、試料９の表面電位の測定に用いられる構成を利用して振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が求められるため、表面電位計１の構造を複雑化したり大型化することなく、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離を容易に求めることができ、これにより、当該距離を容易に測定時の範囲内とすることができる。【選択図】図１
2009192497.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測定方法であって、
ａ）試料を試料保持部に保持する工程と、
ｂ）前記試料の表面に電極を非接触にて対向させる工程と、
ｃ）前記電極または前記試料保持部の一方に接続された振動部の圧電素子に交流の駆動電圧を付与して前記電極から前記試料保持部に向かう振動方向に前記電極を前記試料に対して相対的に振動させ、前記電極の電極電位を変更しつつ前記電極電位と前記電極または前記試料保持部からの変位電流との複数の組み合わせを取得する工程と、
ｄ）前記ｃ）工程にて取得された電極電位と変位電流との前記複数の組み合わせに基づいて電極電位の変化に対する変位電流の変化の割合を示す電極電位−変位電流特性の傾きを求める工程と、
ｅ）前記電極と前記試料の前記表面との間の距離を所定の変更量だけ変更して前記ｃ）工程および前記ｄ）工程を行う工程と、
ｆ）前記距離の変更前後においてそれぞれ求められた電極電位−変位電流特性の傾きに基づいて前記距離をギャップ測定値として演算により求める工程と、
ｇ）前記ギャップ測定値に基づいて前記電極の移動距離を決定し、前記移動距離だけ前記電極を前記試料に相対的に近づける工程と、
ｈ）前記電極を前記試料に対して相対的に振動させつつ前記電極電位と前記変位電流とを取得し、前記電極電位および前記変位電流に基づいて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２】
請求項１に記載の表面電位測定方法であって、
前記ｇ）工程と前記ｈ）工程との間に、
ｉ）前記ギャップ測定値および前記移動距離に基づいて、前記距離が前記試料の表面電位の測定が行われる範囲よりも大きいか否かを判断し、前記距離が前記測定が行われる範囲よりも大きい場合に、前記ｃ）工程ないし前記ｇ）工程を繰り返す工程をさらに備えることを特徴とする表面電位測定方法。
【請求項３】
請求項２に記載の表面電位測定方法であって、
前記ｇ）工程において、前記試料の表面電位の測定時の前記距離として予め定められている指示値と前記ギャップ測定値との差が所定の値よりも大きい場合に、前記移動距離が前記差よりも小さい距離に決定され、前記差が前記所定の値以下の場合に、前記移動距離が前記差に等しい距離または前記差よりも僅かに小さい距離に決定されることを特徴とする表面電位測定方法。
【請求項４】
請求項１に記載の表面電位測定方法であって、
前記ｇ）工程と前記ｈ）工程との間に、前記ｃ）工程に戻る工程をさらに備え、
前記ｆ）工程と前記ｇ）工程との間に、前記ギャップ測定値に基づいて、前記距離が前記試料の表面電位の測定が行われる範囲よりも大きいか否かを判断し、前記距離が前記測定が行われる範囲内の場合に、前記ｈ）工程へと移行する工程をさらに備えることを特徴とする表面電位測定方法。
【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測定方法であって、
前記ｃ）工程および前記ｈ）工程において前記変位電流が前記試料保持部から取得されることを特徴とする表面電位測定方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の表面電位測定方法であって、
前記ｈ）工程が、
ｈ１）前記電極を振動させた際の電極電位と変位電流との関係を取得する工程と、
ｈ２）電極電位と変位電流との関係を変化させる測定条件である前記電極と前記試料の前記表面との間の前記距離を変更して前記ｈ１）工程を繰り返す工程と、
ｈ３）前記ｈ１）工程および前記ｈ２）工程により取得された、前記距離の複数の値に対応する電極電位と変位電流との複数の関係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７】
請求項６に記載の表面電位測定方法であって、
前記ｈ３）工程において、前記距離の前記複数の値に対応する電極電位と変位電流との前記複数の関係から、前記距離に依存しない前記電極の基準電位が求められ、前記基準電位に基づいて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。
【請求項８】
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、
前記試料の表面に非接触にて対向する電極と、
圧電素子を有し、前記圧電素子に交流の駆動電圧が付与されることにより、前記電極から前記試料保持部に向かう振動方向に前記電極を前記試料に対して相対的に振動させる振動部と、
前記電極を相対的に振動させた際の前記電極の電極電位と前記電極または前記試料保持部からの変位電流とを取得する処理部と、
前記電極電位および前記変位電流に基づいて前記試料の表面電位を求める表面電位演算部と、
前記電極を前記試料に対して前記振動方向に相対的に移動することにより、前記電極と前記試料の前記表面との間の距離を変更する距離変更機構と、
前記表面電位の測定前に、前記振動部、前記処理部および前記距離変更機構を制御することにより、前記距離を演算により求めて前記電極を前記試料に相対的に近づける制御部と、
を備え、
前記制御部が、
ａ）前記電極を相対的に振動させた状態で前記電極電位を変更しつつ前記電極電位と前記変位電流との複数の組み合わせを取得する工程と、
ｂ）前記ａ）工程にて取得された電極電位と変位電流との前記複数の組み合わせに基づいて電極電位の変化に対する変位電流の変化の割合を示す電極電位−変位電流特性の傾きを求める工程と、
ｃ）前記電極と前記試料の前記表面との間の前記距離を所定の変更量だけ変更して前記ａ）工程および前記ｂ）工程を行う工程と、
ｄ）前記距離の変更前後においてそれぞれ求められた電極電位−変位電流特性の傾きに基づいて前記距離をギャップ測定値として演算により求める工程と、
ｅ）前記ギャップ測定値に基づいて前記電極の移動距離を決定し、前記移動距離だけ前記電極を前記試料に相対的に近づける工程と、
を実行す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、試料の表面電位を測定する表面電位測定方法および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おり、また、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非接触式の表面電位計が利用されている。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、振動する測定電極を試料に近接させ、測定電極と試料との間の静電容量の変化に起因する測定電極からの電流が０となるときの測定電極の電位に基づいて表面電位が求められる。
【０００３】
ところで、表面電位計では、測定電極と測定対象である試料との間の距離が異なると、測定電極からの電流や測定電極と周囲の構造との間の浮遊容量等が変化するため、測定結果が異なるものとなってしまう。そこで、測定電極と試料との間の距離を一定にして表面電位の測定精度を向上するための様々な技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１の表面電位測定装置では、被測定物に対して放射された超音波の反射波を受信することにより被測定物と電位センサとの間の距離が取得され、被測定物と電位センサとの間の距離が所定の大きさとされた後に表面電位の測定が行われる。また、特許文献２および特許文献３の表面電位測定装置では、試料の測定面に対して照射されたビーム光を位置センサにて受光することにより、振動型プローブと試料の測定面との間の距離の測定が行われる。
【０００５】
特許文献４の電位検出装置では、センサ電極の電位を変化させた際のセンサ電極からの電流の変化を検出することによりセンサ電極と被測定物との間の距離を推測し、センサ電極からの電流が０となるときのセンサ電極の電位を、推測した距離に基づいて補正することにより被測定物の表面電位が求められる。
【０００６】
なお、表面電位計ではないが、特許文献５では、被測定体に電圧を印加した状態で被測定体に非接触にて対向する測定電極を振動させ、被測定体に対する印加電圧や測定電極の電位等に基づいて被測定体と測定電極との間の距離を求める装置が開示されている。
【０００７】
一方、特許文献６の表面電位計では、測定電極の振動による変位電流と測定電極の電極電位との関係が、測定電極と試料との間の複数の距離についてそれぞれ求められ、測定電極と試料との間の距離に依存しない測定電極の基準電位が取得され、当該基準電位に基づいて試料の表面電位が求められる。
【特許文献１】特開平３−２９５４７５号公報
【特許文献２】特許第３１６９９５０号公報
【特許文献３】特許第３１５５３２６号公報
【特許文献４】特開平９−２１１０４６号公報
【特許文献５】特開平８−２１９７０６号公報
【特許文献６】特開２００７−２４０３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献１ないし特許文献３の表面電位測定装置では、測定電極と試料との間の距離の測定に係る構成が高価であり、また、このような構成により装置が大型化および複雑化してしまう。特許文献４および特許文献５では、測定電極の振幅が既知であるものとして測定電極と試料との間の距離が演算により求められているが、測定電極の振幅は微小であるため、正確な振幅を知ることは困難であり、また、演算に用いる振幅の値に含まれる誤差が僅かなものであっても、演算結果に与える影響が大きくなってしまう。
【０００９】
一方、特許文献６の表面電位計では、測定電極と試料との間の距離に依存することなく表面電位を精度良く測定することができる。しかしながら、当該表面電位計であっても、測定電極と試料との間の距離がある程度以上大きくなると、装置のフレームの振動等に起因するノイズによりＳＮ比が小さくなってしまい、表面電位の測定精度が低下してしまう。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、試料の表面電位を測定する表面電位計において、電極と試料との間の距離を容易に電位測定時の範囲内とすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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測定方法であって、ａ）試料を試料保持部に保持する工程と、ｂ）前記試料の表面に電極を非接触にて対向させる工程と、ｃ）前記電極または前記試料保持部の一方に接続された振動部の圧電素子に交流の駆動電圧を付与して前記電極から前記試料保持部に向かう振動方向に前記電極を前記試料に対して相対的に振動させ、前記電極の電極電位を変更しつつ前記電極電位と前記電極または前記試料保持部からの変位電流との複数の組み合わせを取得する工程と、ｄ）前記ｃ）工程にて取得された電極電位と変位電流との前記複数の組み合わせに基づいて電極電位の変化に対する変位電流の変化の割合を示す電極電位−変位電流特性の傾きを求める工程と、ｅ）前記電極と前記試料の前記表面との間の距離を所定の変更量だけ変更して前記ｃ）工程および前記ｄ）工程を行う工程と、ｆ）前記距離の変更前後においてそれぞれ求められた電極電位−変位電流特性の傾きに基づいて前記距離をギャップ測定値として演算により求める工程と、ｇ）前記ギャップ測定値に基づいて前記電極の移動距離を決定し、前記移動距離だけ前記電極を前記試料に相対的に近づける工程と、ｈ）前記電極を前記試料に対して相対的に振動させつつ前記電極電位と前記変位電流とを取得し、前記電極電位および前記変位電流に基づいて前記試料の表面電位を求める工程とを備える。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の表面電位測定方法であって、前記ｇ）工程と前記ｈ）工程との間に、ｉ）前記ギャップ測定値および前記移動距離に基づいて、前記距離が前記試料の表面電位の測定が行われる範囲よりも大きいか否かを判断し、前記距離が前記測定が行われる範囲よりも大きい場合に、前記ｃ）工程ないし前記ｇ）工程を繰り返す工程をさらに備える。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の表面電位測定方法であって、前記ｇ）工程において、前記試料の表面電位の測定時の前記距離として予め定められている指示値と前記ギャップ測定値との差が所定の値よりも大きい場合に、前記移動距離が前記差よりも小さい距離に決定され、前記差が前記所定の値以下の場合に、前記移動距離が前記差に等しい距離または前記差よりも僅かに小さい距離に決定される。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の表面電位測定方法であって、前記ｇ）工程と前記ｈ）工程との間に、前記ｃ）工程に戻る工程をさらに備え、前記ｆ）工程と前記ｇ）工程との間に、前記ギャップ測定値に基づいて、前記距離が前記試料の表面電位の測定が行われる範囲よりも大きいか否かを判断し、前記距離が前記測定が行われる範囲内の場合に、前記ｈ）工程へと移行する工程をさらに備える。
【００１５】
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測定方法であって、前記ｃ）工程および前記ｈ）工程において前記変位電流が前記試料保持部から取得される。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の表面電位測定方法であって、前記ｈ）工程が、ｈ１）前記電極を振動させた際の電極電位と変位電流との関係を取得する工程と、ｈ２）電極電位と変位電流との関係を変化させる測定条件である前記電極と前記試料の前記表面との間の前記距離を変更して前記ｈ１）工程を繰り返す工程と、ｈ３）前記ｈ１）工程および前記ｈ２）工程により取得された、前記距離の複数の値に対応する電極電位と変位電流との複数の関係から前記試料の表面電位を求める工程とを備える。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の表面電位測定方法であって、前記ｈ３）工程において、前記距離の前記複数の値に対応する電極電位と変位電流との前記複数の関係から、前記距離に依存しない前記電極の基準電位が求められ、前記基準電位に基づいて前記試料の表面電位が求められる。
【００１８】
請求項８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、前記試料の表面に非接触にて対向する電極と、圧電素子を有し、前記圧電素子に交流の駆動電圧が付与されることにより、前記電極から前記試料保持部に向かう振動方向に前記電極を前記試料に対して相対的に振動させる振動部と、前記電極を相対的に振動させた際の前記電極の電極電位と前記電極または前記試料保持部からの変位電流とを取得する処理部と、前記電極電位および前記変位電流に基づいて前記試料の表面電位を求める表面電位演算部と、前記電極を前記試料に対して前記振動方向に相対的に移動することにより、前記電極と前記試料の前記表面との間の距離を変更する距離変更機構と、前記表面電位の測定前に、前記振動部、前記処理部および前記距離変更機構を制御することにより、前記距離を演算により求めて前記電極を前記試料に相対的に近づける制御部とを備え、前記制御部が、ａ）前記電極を相対的に振動させた状態で前記電極電位を変更しつつ前記電極電位と前記変位電流との複数の組み合わせを取得する工程と、ｂ）前記ａ）工程にて取得された電極電位と変位電流との前記複数の組み合わせに基づいて電極電位の変化に対する変位電流の変化の割合を示す電極電位−変位電流特性の傾きを求める工程と、ｃ）前記電極と前記試料の前記表面との間の前記距離を所定の変更量だけ変更して前記ａ）工程および前記ｂ）工程を行う工程と、ｄ）前記距離の変更前後においてそれぞれ求められた電極電位−変位電流特性の傾きに基づいて前記距離をギャップ測定値として演算により求める工程と、ｅ）前記ギャップ測定値に基づいて前記電極の移動距離を決定し、前記移動距離だけ前記電極を前記試料に相対的に近づける工程とを実行する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、電極と試料との間の距離を容易に電位測定時の範囲内とすることができる。請求項５の発明では、浮遊容量の影響を防止して高精度な表面電位測定を行うことができる。請求項６の発明では、表面電位の測定に係る手順を簡素化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の一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。図１に示すように、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を吸着保持する試料保持部１１、試料保持部１１の上方に位置するとともに非接触にて試料９の表面９１に対向する振動電極１２、圧電素子（すなわち、ピエゾアクチュエータ）を有するとともに振動電極１２の試料保持部１１とは反対側に取り付けられる振動部１３、振動電極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処理部２、試料９の表面電位を求める表面電位演算部であるコンピュータ３、並びに、振動部１３、処理部２および昇降機構１４を制御する制御部４を備える。本実施の形態では、昇降機構１４としてパルスモータが利用される。
【００２１】
試料保持部１１は、試料９の裏面が接触するようにして試料９が載置される導電面１１１を有し、振動電極１２は、非接触にて試料９の表面９１および導電面１１１に対向する。導電面１１１の面積は振動電極１２の先端の面積よりも十分に大きい。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の表面９１上の所望の部位を振動電極１２に対向させる。
【００２２】
振動電極１２は絶縁部１３１を介してピエゾアクチュエータ（圧電素子）を有する振動部１３に接続され、振動部１３のピエゾアクチュエータに交流の駆動電圧が付与されることにより、振動電極１２から試料９および試料保持部１１に向かう振動方向に振動電極１２が振動する。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振動部１３が昇降されて振動電極１２と試料９の表面９１との間の振動方向の距離が変更される。換言すれば、昇降機構１４は、振動電極１２を試料９に対して振動方向に相対的に移動することにより、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離を変更する距離変更機構である。振動電極１２の周囲および試料保持部１１の周囲はカバー１５１で覆われており、カバー１５１および試料保持部１１は、防振部材１５２により支持される。
【００２３】
処理部２は、試料保持部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、振動電極１２の振動により、振動電極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。
【００２４】
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からの電位は振動電極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。
【００２５】
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が振動電極１２に電位を与える。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電位が取得される。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。
【００２６】
次に、表面電位計１による試料９の表面電位の測定について説明する。図２．Ａおよび図２．Ｂは、表面電位の測定の流れを示す図である。試料９の表面電位が測定される際には、まず、試料９が、裏面を試料保持部１１に接触させつつ試料保持部１１により保持され、振動電極１２が非接触にて試料９の表面９１および試料保持部１１に対向する（ステップＳ１１）。続いて、昇降機構１４により振動電極１２が下降することにより、試料９に対して相対的に近づけられる。このとき、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離は、作業者の目視により振動電極１２と試料９の表面９１とが接触していないことが確認できる程度に近接した範囲（例えば、１ｍｍ前後の範囲であり、以下、「初期範囲」という。）内に設定される（ステップＳ１２）。
【００２７】
次に、実際に表面電位の測定が開始される前に、制御部４により振動部１３、処理部２および昇降機構１４が制御されることにより、振動電極１２を振動方向に振動させつつ振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が演算により求められ、算出された距離に基づいて振動電極１２が下降して試料９に相対的に近づけられる。そして、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が、表面電位の測定が行われる所定の範囲（以下、「測定時範囲」という。）内となるように調整される（ステップＳ１３）。ステップＳ１３における距離の調整の詳細については後述する。また、測定時範囲とは、表面電位の測定結果を高精度に取得することができることが予め確認されている振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の範囲であり、例えば、１００μｍ以上３００μｍ以下の範囲とされる。
【００２８】
振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の調整が終了すると、振動電極１２の振動が継続されている状態で、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Ｓ１４）。これにより、試料保持部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、この電極電位がコンピュータ３に入力される。換言すれば、振動電極１２を試料９に対して相対的に振動させた際の振動電極１２の電極電位と試料保持部１１の導電面１１１からの変位電流との組み合わせが１つ取得される（ステップＳ１５）。
【００２９】
電極電位と変位電流の組み合わせが取得されると、ステップＳ１４へと戻り（ステップＳ１６）、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，Ｓ１５）。表面電位計１では、電流指定電圧の変更および電極電位の取得が複数回（本実施の形態では、９回）行われ、これにより、電極電位と変位電流との関係（すなわち、電極電位と変位電流との複数の組み合わせ）が取得される（ステップＳ１４〜Ｓ１６）。
【００３０】
振動電極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）により電極電位と変位電流との関係が取得されると、昇降機構１４により振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が所定の大きさだけ変更された後（例えば、５０μｍだけ小さくされた後）（ステップＳ１７，Ｓ１７１）、ステップＳ１４へと戻り、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電極電位と変位電流との関係が再度取得される（ステップＳ１４〜Ｓ１６）。そして、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の変更、および、電極電位と変位電流との関係の取得が所定回数繰り返されることにより、電極電位と変位電流との複数の関係が取得される（ステップＳ１４〜Ｓ１７）。
【００３１】
図３は電極電位と電流指定電圧との関係（すなわち、電極電位と変位電流との関係）を例示する図である。四角のドットは、振動電極１２と試料９の表面９１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、電極電位と変位電流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振動電極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、丸のドットは振動電極１２と試料９の表面９１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。すなわち、直線８１１〜８１３は、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の３つの値に対応する電極電位と変位電流との３つの関係を示す。
【００３２】
図３の各直線８１１〜８１３が示すように、電極電位と変位電流との関係は線形であり、振動電極１２と試料９の表面９１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、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離は、電極電位と変位電流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機構となっている。これらの直線８１１〜８１３は１つの点８１４で交わり、振動電極１２と試料９の表面９１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は振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離に依存しないことから、点８１４では振動電極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。）と振動電極１２に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、振動電極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振動電極１２と試料９の表面９１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、処理部２の制御により取得された電極電位と変位電流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Ｓ１８）、さらに、複数の直線８１１〜８１３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Ｓ１９）。
【００３４】
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電極電位と変位電流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と振動電極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。
【００３５】
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、試料９の表面電位の測定精度を向上することができる。
【００３６】
図４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４中の直線８２１，８２２，８２３は、図３の場合と同様に、振動電極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４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、振動電極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。
【００３７】
次に、上述のステップＳ１３における振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の調整について説明する。図５．Ａおよび図５．Ｂは、表面電位計１による距離調整の流れを示す図である。表面電位計１では、まず、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が初期範囲内となるように設定された状態で、制御部４による制御により、振動部１３の圧電素子に駆動電圧が付与されて振動電極１２の振動方向における振動が開始される（ステップＳ１３１）。このときの振動電極１２の位置（以下、「初期位置」という。）は、制御部４により記憶される。
【００３８】
続いて、図２．Ａ中のステップＳ１４，Ｓ１５と同様に、電流指定電圧が制御回路２５に入力され、試料保持部１１の導電面１１１からの変位電流の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ことにより、電極電位と変位電流との組み合わせが１つ取得される（ステップＳ１３２，Ｓ１３３）。
【００３９】
電極電位と変位電流の組み合わせが取得されると、ステップＳ１３２へと戻り（ステップＳ１３４）、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Ｓ１３２，Ｓ１３３）。表面電位計１では、電流指定電圧の入力（すなわち、電流指定電圧の変更）および電極電位の取得が複数回（本実施の形態では、２回）行われ、これにより、電極電位と変位電流との関係が取得される（ステップＳ１３４）。
【００４０】
そして、電極電位と変位電流との関係（すなわち、電極電位と変位電流との複数の組み合わせ）に基づいて、電極電位の変化に対する変位電流の変化の割合である電極電位−変位電流特性の傾きｋ１が求められる（ステップＳ１３５）。図６は、電極電位と変位電流との関係を示す図であり、図中の四角のドットが電極電位と変位電流との組み合わせ（離散的な関係）を示す。実線の線８３１は２つの四角のドットを通る直線であり、直線８３１の傾きが、上述の電極電位−変位電流特性の傾きｋ１となる。
【００４１】
次に、昇降機構１４により振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が所定の大きさだけ変更され（本実施の形態では、５０μｍだけ大きくされ）（ステップＳ１３６，Ｓ１３６１）、ステップＳ１３２へと戻る。続いて、電流指定電圧の変更および電極電位の取得が複数回（本実施の形態では、２回）繰り返されて電極電位と変位電流との関係が再度取得され、電極電位−変位電流特性の傾きｋ２が求められる（ステップＳ１３２〜Ｓ１３５）。図６中では、三角のドットが上述の電極電位と変位電流との組み合わせ（離散的な関係）を示し、三角のドットを結ぶ破線の直線８３２の傾きが、電極電位−変位電流特性の傾きｋ２となる。
【００４２】
電極電位−変位電流特性の傾きが２回取得されると（ステップＳ１３６）、振動電極１２が初期位置に位置する場合の電極電位−変位電流特性の傾きｋ１、および、振動電極１２が所定の距離だけ振動方向に移動した後の電極電位−変位電流特性の傾きｋ２に基づいて（すなわち、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の変更前後においてそれぞれ求められた電極電位−変位電流特性の傾きｋ１，ｋ２に基づいて）、初期位置における振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離ｄ０が演算により求められる（ステップＳ１３７）。
【００４３】
ここで、傾きｋ１，ｋ２から距離ｄ０を求める原理について説明する。表面電位計１では、振動電極１２と試料９との間の静電容量Ｃ（ｔ）は、振動電極１２と試料９との間の誘電率ε、振動電極１２の振動方向に垂直な先端面積Ａ、および、振動電極１２と試料９との間の距離ｄ（ｔ）を用いて数１にて表され、距離ｄ（ｔ）は、振動電極１２の周期的な振動を考慮して数２により求められる。
【００４４】
【数１】
2009192497.tif 000003
【００４５】
【数２】
2009192497.tif 000004
【００４６】
数２中のｄａは振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の平均値を表し、ａ，ω，φはそれぞれ、振動電極１２の振動の振幅、周波数および位相を表す。数３は、数１に数２を代入して変形したものであり、振動電極１２の振幅ａが振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の平均値ｄａに比べて非常に小さいことを考慮すると、静電容量Ｃ（ｔ）は、数４にて表される。
【００４７】
【数３】
2009192497.tif 000005
【００４８】
【数４】
2009192497.tif 000006
【００４９】
数３および数４中のＣａは、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離がｄａとなるときの静電容量を示す。静電容量Ｃ（ｔ）により生じる変位電流Ｉ（ｔ）は、数４および振動電極１２の電極電位と試料９の表面電位との差Ｖを用いて数５にて表される。
【００５０】
【数５】
2009192497.tif 000007
【００５１】
数５に示すように、電極電位の変化に対する変位電流の変化の割合（すなわち、電極電位−変位電流特性の傾き）は、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の二乗に反比例する。従って、ステップＳ１２にて設定された初期位置における振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離をｄ０とし、ステップＳ１３６１における当該距離の変更量（すなわち、振動電極１２の移動量であり、本実施の形態では＋５０μｍ）をΔｄとすると、ステップＳ１３５にて取得された電極電位−変位電流特性の傾きｋ１，ｋ２の比は、数６により表される。
【００５２】
【数６】
2009192497.tif 000008
【００５３】
そして、傾きｋ１，ｋ２および距離の変更量Δｄに基づいて、初期位置における振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が、数６を変形した数７を満たすｄ０として求められ、距離ｄ０がギャップ測定値として制御部４に記憶される。
【００５４】
【数７】
2009192497.tif 000009
【００５５】
表面電位計１では、振動電極１２の微小な振幅を用いることなく、正確に知ることができる振動電極１２の移動量であるΔｄ等を利用してギャップ測定値ｄ０が高精度に求められる。
【００５６】
ギャップ測定値ｄ０が求められると、試料９の表面電位の測定時における振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離として測定時範囲内において予め定められている指示値ｄｉとギャップ測定値ｄ０との差が、振動電極１２の移動距離（すなわち、移動すべき距離）と決定される（ステップＳ１３８）。その後、昇降機構１４が制御部４により制御され、当該移動距離だけ振動電極１２が下降して試料９に対して相対的に近づけられることにより、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の調整が終了する（ステップＳ１３９）。
【００５７】
なお、処理部２においてオペアンプ２５１に入力される電流指定電圧は、当該電流指定電圧が指示する変位電流に比例するため、上記ステップＳ１３５において、電極電位の変化に対する電流指定電圧の変化の割合を示す電極電位−変位電流特性の傾きｋ１，ｋ２として、電極電位の変化に対する電流指定電圧の変化の割合が取得されてもよい。
【００５８】
以上に説明したように、表面電位計１では、振動電極１２の電極電位と振動電極１２の振動による変位電流との関係が、振動電極１２と試料９の表面９１との間の複数の距離についてそれぞれ取得され、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離に依存しない基準電位Ｖｓが求められて試料９の表面電位とされる。これにより、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離を高精度に設定することなく、試料９の表面電位を精度良く求めることができる。
【００５９】
ただし、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離がある程度大きくなると、表面電位計１のフレームの振動等に起因するノイズ等の影響により、処理部２にて取得される変位電流等の信号のＳＮ比が小さくなってしまい、表面電位の測定精度が低下してしまう。そこで、上述のように、実際の表面電位の測定よりも前に振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の調整が行われ、当該距離が測定時範囲内とされることにより、高精度な表面電位の測定が実現される。
【００６０】
このとき、表面電位計１では、振動電極と試料の表面との間の距離を測定するための他の構成（例えば、超音波や光を利用した距離測定機構）を設けることなく、試料９の表面電位の測定に用いられる構成（試料保持部１１、振動電極１２、振動部１３、昇降機構１４、処理部２およびコンピュータ３等）を利用して振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が求められる。このため、表面電位計１の構造を複雑化したり大型化することなく、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離を容易に求め、当該距離を容易に測定時範囲内とすることができる。
【００６１】
また、上述のように、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の取得が、表面電位の測定と同様の手順にて行われる（すなわち、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の複数の値に対応する電極電位と変位電流との複数の関係に基づいて行われる）ことにより、試料９の表面電位の測定に係る手順を簡素化することができる。
【００６２】
表面電位計１では、試料９の表面９１に対向する振動電極１２を振動させ、試料９を保持する試料保持部１１の導電面１１１からの変位電流および振動電極１２の電極電位に基づいて表面電位が求められる。これにより、振動電極１２とその周囲のカバー１５１等の構造との間の浮遊容量の影響（すなわち、浮遊容量によるノイズ成分）を抑制して高精度な表面電位の測定を行うことができる。
【００６３】
表面電位計１では、通常、複数の試料９に対する表面電位の測定が連続して行われ、この場合、振動電極１２が初期位置へと戻された状態で試料９の搬出入が行われる。２番目以降の試料９の測定が行われる際にも、表面電位の測定前に振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の調整が行われることが好ましい。これにより、厚さが異なる試料が搬入された場合であっても、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離を他の試料９の測定時と同じ大きさとして表面電位の測定が行われるため、他の試料の測定結果との比較を精度良く行うことができる。なお、測定対象である複数の試料９の厚さがほぼ同一である場合、２番目以降の試料９の測定の際には振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の測定を省略し、最初の試料９の測定前に求められた移動距離だけ振動電極１２が初期位置から移動されて測定が行われてもよい。
【００６４】
ところで、表面電位計１では、上述のように、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離がある程度大きくなると、ノイズ等の影響によりＳＮ比が小さくなって測定精度が徐々に低下する。このため、図７に示すように、制御部４により演算にて求められた振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離（すなわち、ギャップ測定値）が、実際の振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離（以下、「実ギャップ値」という。）よりも大きくなる場合がある。
【００６５】
図７では、横軸が実ギャップ値を示し、縦軸がギャップ測定値を示す。また、実線の線８４１は、実ギャップ値とギャップ測定値との関係を示し、破線の直線８４２は、実ギャップ値とギャップ測定値とが等しい場合の実ギャップ値とギャップ測定値との関係を示す。図７に示すように、実ギャップ値が大きくなるに従ってギャップ測定値と実ギャップ値との差も漸次大きくなる。
【００６６】
このようにギャップ測定値と実ギャップ値との間に差がある場合、ステップＳ１３８，Ｓ１３９において、振動電極１２が初期位置に位置する状態におけるギャップ測定値ｄ０と指示値ｄｉとの差を移動距離として決定し、当該移動距離だけ振動電極１２を試料９に近づけると、移動後の振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離は指示値ｄｉよりも小さくなる。例えば、振動電極１２が初期位置に位置する状態におけるギャップ測定値ｄ０が１０００μｍであり、このときの実ギャップ値が９００μｍであり、指示値ｄｉが２００μｍであったとすると、移動距離は８００μｍと決定されるため、距離調整後の実ギャップ値は１００μｍとなる。
【００６７】
表面電位計１では、実ギャップ値が測定時範囲（本実施の形態では、１００μｍ以上３００μｍ以下）内であれば、上記のように指示値ｄｉと異なっていても、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離に依存することなく試料９の表面電位を高精度に測定することができる。しかしながら、仮に、振動電極１２が初期位置に位置する状態におけるギャップ測定値と実ギャップ値との差が指示値ｄｉと同程度まで大きいとすると、距離調整後の実ギャップ値がほぼ０となって過剰に小さくなってしまう。
【００６８】
そこで、表面電位計１では、必要に応じて、以下のようなより高精度な距離調整が行われる。図８は、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離のより高精度な調整の流れの一部を示す図である。表面電位計１では、図５．Ａおよび図５．Ｂに示すように、初期位置（本実施の形態では、実ギャップ値が９００μｍとなる位置）に位置する振動電極１２の振動が開始され、電流指定電圧の入力（すなわち、変更）および電極電位の取得が２回行われて電極電位と変位電流との関係が取得される（ステップＳ１３１〜Ｓ１３４）。そして、電極電位と変位電流との関係に基づいて電極電位−変位電流特性の傾きｋ１が求められる（ステップＳ１３５）。
【００６９】
続いて、昇降機構１４により振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が５０μｍだけ大きくされ（ステップＳ１３６，Ｓ１３６１）、電流指定電圧の変更および電極電位の取得が２回行われて電極電位と変位電流との関係が再度取得され、電極電位−変位電流特性の傾きｋ２が求められる（ステップＳ１３２〜Ｓ１３５）。電極電位−変位電流特性の傾きが２回取得されると（ステップＳ１３６）、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の変更前後においてそれぞれ求められた電極電位−変位電流特性の傾きｋ１，ｋ２に基づいて、振動電極１２が初期位置に位置する状態におけるギャップ測定値ｄ０が演算により求められる（ステップＳ１３７）。本実施の形態では、ギャップ測定値ｄ０は１０００μｍであるものとする。表面電位計１による振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の測定は高い再現性を有し、以下の説明では、測定結果にずれがないものとして（すなわち、測定を複数回繰り返した場合、全ての測定結果が等しくなるものとして）説明する。
【００７０】
次に、図８に示すように、ギャップ測定値ｄ０と表面電位測定時の振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離として予め定められている指示値ｄｉ（２００μｍ）との差が、所定の値（すなわち、移動距離の決定に利用される閾値であり、本実施の形態では、指示値ｄｉと同じ大きさである２００μｍとされる。）よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ２１）。ここでは、ギャップ測定値ｄ０と指示値ｄｉとの差（８００μｍ）が閾値（２００μｍ）よりも大きいため、移動距離が、ギャップ測定値ｄ０と指示値ｄｉとの差の半分の距離である４００μｍに決定され、昇降機構１４により振動電極１２が４００μｍだけ試料９に近づけられる（ステップＳ２２，Ｓ２３）。移動後の振動電極１２の位置を第１位置と呼ぶと、第１位置における実ギャップ値は、初期位置における実ギャップ値および移動距離がそれぞれ９００μｍおよび４００μｍであるため、５００μｍとなる。
【００７１】
振動電極１２が第１位置に位置すると、ギャップ測定値ｄ０（１０００μｍ）およびステップＳ２２にて決定された移動距離（４００μｍ）に基づいて、ステップＳ２３における移動後の振動電極１２（すなわち、第１位置における振動電極１２）と試料９の表面９１との間の距離が、測定時範囲（１００μｍ〜３００μｍ）よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ２４）。具体的には、ギャップ測定値ｄ０から移動距離を減算した値と、測定時範囲の最大値とが比較される。なお、ギャップ測定値ｄ０から移動距離を減算した値は、後述する第１位置におけるギャップ測定値ｄ１とは異なる。
【００７２】
この場合、ギャップ測定値ｄ０から移動距離を減算した値（６００μｍ）が測定時範囲の最大値（３００μｍ）よりも大きいため、ステップＳ１３２に戻り、ステップＳ１３２〜Ｓ１３７が繰り返されることにより、第１位置における振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離ｄ１が演算により求められてギャップ測定値とされる。第１位置では、初期位置に比べて振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が小さくなっているため、ギャップ測定値ｄ１と実ギャップ値との差は、ギャップ測定値ｄ０と実ギャップ値との差よりも小さくなる。したがって、ギャップ測定値ｄ１は、ギャップ測定値ｄ０から移動距離を減算した値（６００μｍ）よりも小さくなり、本実施の形態では５３６μｍとなる。このように、実ギャップ値が小さくなるとギャップ測定値と実ギャップ値との差も小さくなり、初期位置において１００μｍであった差が、第１位置では図７に示すように３６μｍまで減少している。
【００７３】
ギャップ測定値ｄ１が求められると、ギャップ測定値ｄ１（５３６μｍ）と指示値ｄｉ（２００μｍ）との差（３３６μｍ）が所定の閾値（２００μｍ）よりも大きいことが確認され、移動距離が、ギャップ測定値ｄ１と指示値ｄｉとの差の半分の距離である１６８μｍに決定されて振動電極１２が１６８μｍだけ試料９に近づけられる（ステップＳ２１〜Ｓ２３）。移動後の振動電極１２の位置を第２位置と呼ぶと、第２位置における実ギャップ値は３３２μｍとなる。
【００７４】
振動電極１２が第２位置に位置すると、ギャップ測定値ｄ１（５３６μｍ）および上記移動距離（１６８μｍ）に基づいて、第２位置における振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が、測定時範囲（１００μｍ〜３００μｍ）よりも大きいか否かが判断される（ステップＳ２４）。この場合、ギャップ測定値ｄ１から移動距離を減算した値（３６８μｍ）が測定時範囲の最大値（３００μｍ）よりも大きいため、ステップＳ１３２に戻り、ステップＳ１３２〜Ｓ１３７が繰り返されることにより、第２位置における振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離ｄ２が演算により求められてギャップ測定値とされる。本実施の形態では、ギャップ測定値ｄ２は３３８μｍとなり、実ギャップ値（３３２μｍ）との差は６μｍとなる。
【００７５】
ギャップ測定値ｄ２が求められると、ギャップ測定値ｄ２（３３８μｍ）と指示値ｄｉ（２００μｍ）との差（１３８μｍ）が所定の閾値（２００μｍ）以下であることが確認される（ステップＳ２１）。そして、移動距離が、ギャップ測定値ｄ２と指示値ｄｉとの差に等しい距離である１３８μｍに決定され（ステップＳ２２１）、振動電極１２が１３８μｍだけ試料９に近づけられて最終位置に位置する（ステップＳ２３）。その後、上記ギャップ測定値ｄ２（３３８μｍ）と移動距離（１３８μｍ）とに基づいて、最終位置における振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が測定時範囲（１００μｍ〜３００μｍ）以下である確認されて距離調整が終了する（ステップＳ２４）。最終位置における実ギャップ値は１９４μｍとなり、測定時範囲（１００μｍ〜３００μｍ）内であって、かつ、指示値ｄｉ（２００μｍ）に近い値となる。
【００７６】
なお、表面電位計１では、上述のステップＳ２２１が行われる前の段階において、ギャップ測定値と指示値ｄｉとの差が常に実ギャップ値と指示値ｄｉとの差以上であることを考慮して、ステップＳ２２１において、移動距離が、ギャップ測定値ｄ２と指示値ｄｉとの差（１３８μｍ）よりも僅かに小さい距離に決定されてもよい。例えば、ギャップ測定値ｄ２と指示値ｄｉとの差（１３８μｍ）の１の位を切り捨てた１３０μｍが移動距離とされると、最終位置における実ギャップ値は、指示値ｄｉ（２００μｍ）により近い２０２μｍとなる。
【００７７】
このように、表面電位計１では、振動電極１２を振動方向に移動して試料９に相対的に近づける工程（ステップＳ２３）と試料９の表面電位の測定工程（ステップＳ１４〜Ｓ１９）との間にて、振動電極１２の移動前におけるギャップ測定値および移動距離に基づいて、ギャップ測定値から移動距離を減算して求められる値（すなわち、移動後における振動電極１２と試料９の表面９１との間の計算上の距離）が測定時範囲よりも大きいか否かが判断され（ステップＳ２４）、当該距離が測定時範囲よりも大きい場合にステップＳ１３２〜Ｓ１３７，Ｓ２１〜Ｓ２３が繰り返される。これにより、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離を高精度に調整して測定時範囲内とすることができる。
【００７８】
また、表面電位計１では、ギャップ測定値と指示値ｄｉとの差が所定の閾値よりも大きい場合に、振動電極１２の移動距離がギャップ測定値と指示値ｄｉとの差よりも小さい距離に決定され、ギャップ測定値と指示値ｄｉとの差が所定の閾値以下の場合に、振動電極１２の移動距離がギャップ測定値と指示値ｄｉとの差に等しい距離または当該差よりも僅かに小さい距離に決定される。
【００７９】
これにより、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の演算値であるギャップ測定値が、振動電極１２と試料９の表面９１との間の実際の距離である実ギャップ値よりも大きくなる場合であっても、振動電極１２が試料９の表面９１に過剰に近づくことが防止される。そして、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離を高精度に調整して測定時範囲内とし、また、当該距離を指示値ｄｉに高精度に近づけることができる。
【００８０】
上述の高精度な距離調整では、ステップＳ２１において、ギャップ測定値と指示値ｄｉとの差が所定の閾値よりも大きいと確認された場合、ステップＳ２２における振動電極１２の移動距離の決定では、移動距離は、必ずしもギャップ測定値と指示値ｄｉとの差の半分の距離に決定される必要はなく、ギャップ測定値と指示値ｄｉとの差よりも小さい距離に決定されていればよい。例えば、移動距離が、ギャップ測定値と指示値ｄｉとの差の８０％に等しい距離とされてもよい。
【００８１】
この場合、初期位置におけるギャップ測定値ｄ０（１０００μｍ）と指示値ｄｉ（２００μｍ）との差に基づいて、移動距離が６４０μｍに決定されて振動電極１２の移動が行われる（ステップＳ２１〜Ｓ２３）。そして、ギャップ測定値ｄ０から移動距離を減算した値（３６０μｍ）が測定時範囲よりも大きいため（ステップＳ２４）、ステップＳ１３２に戻り、移動後の振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が演算により求められてギャップ測定値ｄ１とされる（ステップＳ１３２〜Ｓ１３７）。移動後の振動電極１２と試料９の表面９１との間の実際の距離である実ギャップ値は２６０μｍとなっており、図７に示すように、ギャップ測定値ｄ１も実ギャップ値とほぼ等しい値となり測定時範囲内となる。このような場合、表面電位計１では、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の調整が終了されて表面電位の測定工程（ステップＳ１４〜Ｓ１９）が行われてもよい。
【００８２】
すなわち、表面電位計１では、振動電極１２を振動方向に移動して試料９に相対的に近づける工程（ステップＳ２３）と試料９の表面電位の測定工程（ステップＳ１４〜Ｓ１９）との間に、ギャップ測定値が取得され、ギャップ測定値が測定時範囲内か否かが判断され、ギャップ測定値が測定時範囲内の場合に、ステップＳ１４へと移行する工程が実施されてもよい。換言すれば、ギャップ測定値に基づいて振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離が測定時範囲よりも大きいか否かが判断され、当該距離が測定時範囲である場合にステップＳ１４への移行が行われてもよい。
【００８３】
また、ステップＳ２２にて求められる初期位置から第１位置への移動距離と第１位置から第２位置への移動距離とは、異なる方法で算出されてもよい。例えば、初期位置から第１位置への移動距離Ｌ１は、上記と同様に、ギャップ測定値ｄ０（１０００μｍ）と指示値ｄｉ（２００μｍ）との差の半分の距離（４００μｍ）とされ、第１位置から第２位置への移動距離Ｌ２は、初期位置におけるギャップ測定値ｄ０、第１位置におけるギャップ測定値ｄ１（５３６μｍ）、指示値ｄｉ、および、初期位置から第１位置への移動距離Ｌ１を用いて、数８により求められてもよい。
【００８４】
【数８】
2009192497.tif 000010
【００８５】
この場合、第１位置から第２位置への移動距離Ｌ２は２９０μｍとなり、初期位置および第１位置における実ギャップ値はそれぞれ、上述のように、９００μｍおよび５００μｍであるため、第２位置における実ギャップ値は２１０μｍとなる。また、ギャップ測定値ｄ１と移動距離Ｌ２との差は２３６μｍであり、測定時範囲内となるため、振動電極１２の移動後に距離調整工程が終了する（ステップＳ２３，Ｓ２４）。表面電位計１では、ステップＳ２２１が行われるまでは距離調整工程を終了しないように制御が行われてもよく、この場合、第２位置におけるギャップ測定値ｄ２が求められ（ギャップ測定値ｄ２は、実ギャップ値である２１０μｍとほぼ等しい大きさとなる。）、ギャップ測定値ｄ２と指示値ｄｉとの差に等しい距離（１０μｍ）が移動距離として決定された後（ステップＳ２２１）、振動電極１２の移動が行われて距離調整工程が終了する。
【００８６】
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。
【００８７】
表面電位計１では、振動電極１２が処理部２のプリアンプ２１およびアンプ２２に接続されることにより、振動電極１２を振動させた際の振動電極１２からの変位電流と電極電位が処理部２により取得され、当該変位電流と電極電位とに基づいて振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の調整、および、試料９の表面電位の測定が行われてもよい。
【００８８】
また、表面電位計１では、振動電極１２は試料保持部１１に対して相対的に振動すればよく、例えば、圧電素子を有する振動部が試料保持部１１の下側（すなわち、導電面１１１とは反対側）に接続され、振動電極１２が固定された状態で試料保持部１１が振動してもよい。すなわち、振動部１３は振動電極１２または試料保持部１１の一方に接続されていればよい。
【００８９】
振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の調整では、１つの距離に対応する電極電位−変位電流特性の傾きは、電極電位と変位電流との３つ以上の組み合わせに基づいて最小二乗法等により求められてもよい。
【００９０】
表面電位の測定では、振動電極１２と試料９の表面９１との間の１つの距離に対応する電極電位と変位電流との組み合わせが２つ以上測定されていればよい。これにより、電極電位と変位電流との関係が求められる。また、電極電位と変位電流との関係は、振動電極１２と試料９の表面９１との間の２つ以上の距離に対応するものが求められていればよい。これにより、基準電位Ｖｓが求められる。
【００９１】
表面電位計１における表面電位の測定は、必ずしも上述の方法による必要はなく、振動電極１２の移動を行わない方法により試料９の表面電位が測定されてもよい。例えば、振動電極１２と試料９の表面９１との間の距離の調整が行われた後、振動部１３により振動電極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、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て得られた電極電位が表面電位とされてもよい。
【００９２】
上記実施の形態に係る表面電位計１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】
【００９３】
【図１】表面電位計の構成を示す図である。
【図２．Ａ】表面電位の測定の流れを示す図である。
【図２．Ｂ】表面電位の測定の流れを示す図である。
【図３】電極電位と電流指定電圧との関係を示す図である。
【図４】電極電位と電流指定電圧との関係を示す図である。
【図５．Ａ】距離調整の流れを示す図である。
【図５．Ｂ】距離調整の流れを示す図である。
【図６】電極電位と変位電流との関係を示す図である。
【図７】実ギャップ値とギャップ測定値との関係を示す図である。
【図８】距離調整の流れを示す図である。
【符号の説明】
【００９４】
１    表面電位計
２    処理部
３    コンピュータ
４    制御部
９    試料
１１    試料保持部
１２    振動電極
１３    振動部
１４    昇降機構
９１    表面
Ｓ１１〜Ｓ１９，Ｓ２１〜Ｓ２３，Ｓ１３１〜Ｓ１３９，Ｓ２１〜Ｓ２３，Ｓ１７１，Ｓ２２１，Ｓ１３６１    ステップ
【図１】
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【図２．Ａ】
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【図２．Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５．Ａ】
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【図５．Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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