JPH02254302A - 容量形測定装置及び方法 - Google Patents

容量形測定装置及び方法

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JPH02254302A JP89324183A JP32418389A JPH02254302A JP H02254302 A JPH02254302 A JP H02254302A JP 89324183 A JP89324183 A JP 89324183A JP 32418389 A JP32418389 A JP 32418389A JP H02254302 A JPH02254302 A JP H02254302A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は容量形測定装置及び方法に関し、特に迷走キ
ャパシタンス（Ｓｔｒａｙ　Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）
及びフリンジキャパシタンス（Ｆｒｉｎｇｅ　Ｃａｐａ
ｃｉｔａｎｃｅ）或は非理想効果による回路的な限界か
ら自由な装置及び方法に関するものである。
〈従来の技術及びその問題点〉 容量形プローブを利用してプローブと被測定対象物との
近接距離を測定する種々のシステムが提供されている。
これらのシステムにおいては、容量形プローブに生ずる
測定電圧と対象物との距離との関係により所望の近接の
測定が行われる。この関係は理想的には、測定電圧の変
化がプローブと対象物の表面との物理的な距離の単純な
数学的な関係の変化を表わすような関係である。しかし
。
実際の容量形測定システムにおいては、迷走キャパシタ
ンスやフリンジキャパシタンス或は非理想回路により単
純な関係からの事前が生じ、得られるデータの精度に悪
影響を与える問題があった。
〈発明の概要〉 本発明は上記した従来の問題点を改善するためになされ
たもので、迷走キャパシタンスやフリンジキャパシタン
ス或は非理想回路に影響されることなく、近接距離に比
例した出力を得ることのできるＡＣ容斌形測定装置を提
供することを目的とするものである。
本発明は回路の非理想性や容量形プローブ内に発生する
迷走キャパシタンスもフリンジキャパシタンスも共に距
離と出力電圧の理想関係に対する付加的な要因として存
在するという認識に基づくものである。このため本発明
ではこの付加的要因と精密に等しい補償信号をプローブ
信号からリアルタイムで差し引くための回路手段を備え
ている。
これにより距離と出力電圧の理想関係が実現され。
データ精度の向上が図れる。
本発明の好ましい実施例においては、オペアンプが前記
連送キャパシタンス、フリンジキャパシタンス或は回路
の非理想性に起因する付加的な要因を高精度にキャンセ
ルする負帰還信号を提供する。
本発明の容量形プローブはＡＣで動作し、＃ｉ流及び位
相の両方において比較的制御が容易である。
このプローブは回りに同心ガードを備えた中央容量セン
サエレメントを有するのが好ましい。該ガードと容量セ
ンサエレメントはＡＣ同電圧、同位相で回路の異なる位
置から駆動される。出力は典型的にはガード電圧におい
て得られる。
〈実施例〉 上記した又はその他の本発明の目的や概略及び利点は、
下記説明のためにのみ用いられる詳細な説明及び図面を
参照して本発明を理解することにより明らかになる。
第１図において１０は本発明のＡＣ容量形プローブシス
テムを示している。このシステム１ｏはＶＩＮで示され
るＡＣドライバ１２を有しており、このＡＣドライバ１
２はトランス１４の１次コイルに結合されている。トラ
ンス１４の２次コイルは３プレート入力のプレート１１
と帰還キャパシタを駆動し、またプレート１１とプレー
ト１５から形成されるＣＦで示すキャパシタを通して入
力を供給する。
オペアンプ１６はキャパシタＣＦのプレート１５に接続
するＡで示す反転入力を有している。容量的に測定され
るべきエレメント１７はグラウンドに、即ちオペアンプ
１６の出力に接続されている。１８で総括的に示す容量
形プローブはオペアンプ１６の反転入力に接続する中央
容量プレート２０を有している。ガードプレート２２は
オペアンプ１６の非反転入力に接続されている。該非反
転入力は事実上反転入力と同一電圧になっている。
容量形プローブ１８は第２図に示すようにエレメント１
７に近接される。このエレメント１７は典型的には半導
体ウェファである。容量形プローブ１８はこの実施例に
おいては第３図に示すように中央容量プレート２０とこ
れを同心に取り囲むガードプレート２２とを有している
。中央容量プレート２０は適用箇所に応じて所望するど
のような形状に形成してもよく、例えば正方形や長方形
等とすることができる。同心に取り囲むガードプレート
２２は中央容量プレート２０におけるフィールドライン
（ｆｉｅｌｄ　１ｉｎｓ）を形成し、フリンジキャパシ
タンスを最小化する。中央容量プレート２０とエレメン
ト１７との測定されるべき距離と間隔によりＯ８で示す
キャパシタンスが形成される。これらはプリント基板に
形成してもよく、或はプローブハウジング内の部材とし
て構成してもよい。
負帰還抵抗３０を有するオペアンプ２４は第１のオペア
ンプ１６と可変抵抗３２を介して接地する回路に接続す
る反転入力を有する。またオペアンプ２４の出力はオペ
アンプ１６の反転入力にキャパシタＣＣを介して帰還し
ている。このキャパシタＣＣは３プレートキヤパシタの
プレート１３とプレート１５から構成されている。
適正な動作を確実にするために、第４図に示すようにキ
ャパシタＣＦとＣＣをクォーツやプラスティックのよう
なモノリシック誘電体２６に形成することも可能である
。この誘電体２６の表面には金属性の電極が配設されプ
レート１１とプレート１３及びプレート１５を形成して
いる。
このシステムの出力はオペアンプ１６の非反転入力とグ
ランドとの間から得られる。
次に動作を説明する。
入力電圧ＶＩＮとキャパシタンスＣＦとの積は出力電圧
ＶＯＵＴ　（オペアンプ１６の非反転入力における）と
キャパシタンスＣ８との積から該出力とオペアンプ２４
のゲインＧ及び帰還キャパシタンスＣＣとの積を引いた
ものに等しい、これを式で表わせば次の通りである。
しい、このＣＯはオペアンプ１６の無限ゲインの理想値
からのズレ及び迷走キャパシタンスとフリンジキャパシ
タンスを表わす値である。従って、Ｃ８は Ｃ３＝Ｓｃｏ／ｄ　　　＋　　　Ｃ。
で表わされる。
そして、上式を代入してＶ　ＯＵＴについて整理すると
、 ＶＯＵＴ＝　　（ＶＩＮ　　ＣＦ）／　　（（ｇｏｓ　
　／　ｄ　）＋Ｃ。
（Ｇ）（ＣＧ）） ＶＩＮ　　ＣＦ＝ＶＯＵＴＣ８−ＶＯＵＴ（Ｇ）（ＣＣ
）ここでプローブのキャパシタンスＣ８は中央容量プレ
ート２０の面積Ｓと定数６０をプレート間の距離ｄで割
ったものからｃｏを足したものに等となる。
可変抵抗３２により負帰還信号（Ｇ）（ＣＧ）を００項
に丁度等しくなるように設定すれば、距離関係により精
密に比例する電圧がリアルタイムに得られ、データの精
度が向上する。キャバシタンスＣＣとゲインＧの積とＣ
Ｏを等しくするために。
最前のエラーキャンセルが生じるまで、可変抵抗３２を
変化させる。これは一般的な較正技術と１または１以上
のリファレンスを用いて行われる。
次に他の実施例を第５図に示す。
この実施例では入力と予めトランスと３プレートキヤパ
シタにより得られた帰還とを合計するためのオペアンプ
が用いられている。この第５図の回路によっても実際の
部品から生じる誤差成分の補償が得られる。
この測定プローブ５０はガードプレート５２を有し、ま
たオペアンプ５４の出力側に接続している。測定プロー
ブ５０の中央電極５６はオペアンプ５４の反転入力に接
続し、またガード電極５８は非反転入力に接続している
。
ＡＣ励振の電源６０は抵抗６４を介してグラウンドとオ
ペアンプ６２の反転入力の間に接続されている。オペア
ンプ６２は負帰還抵抗６６をその出力と反転入力の間に
有している。オペアンプ６２の出力はレファレンスキャ
パシタ６８を通してオペアンプ５４の反転入力に結合し
ている。オペアンプ６２の非反転入力は抵抗７０を介し
てグラウンドに接続し、また可変抵抗７２を介してオペ
アンプ５４の非反転入力に接続している。
上記した数式は第５図の回路にも適用でき、可変抵抗７
２を調整することにより誤差成分を補償する。
この発明の他の変形例は当業者にとって本発明の要旨か
ら逸脱することなく明らかである。
〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、実際の回路の誤差
や測定プローブの迷走キャパシタンス或はフリンジキャ
パシタンス等の誤差成分を効果的に補償し、精度の高い
測定が可能になる等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示す回路図、第２図は半導
体ウェファ等の被測定対象物とプローブを示す概略図、
第３図は第２図における３−３線に沿う平面図、第４図
は入力及び帰還カップリングキャパシタの斜視図、第５
図は他の実施例の回路図である。 １１ニブレート、１２：ＡＣドライバ、１３ニブレート
、１４ニドランス、１５ニブレート、１６：オペアンプ
、１７：エレメント、１８：容量形プローブ、２０：中
央容景プレート、２２ニガードブレート、２４：オペア
ンプ、３０：負帰還抵抗、３２：可変抵抗、５０：測定
プローブ、５２ニガードブレート、５４；オペアンプ、
５６：中央＊極、５８：ガード電極、６０：電源、６２
：オペアンプ、６４：抵抗、６６：抵抗、６８：レファ
レンスキャパシタ、７０：抵抗、７２：可変抵抗。 特許出願人　　ニーデイ−イー　コーオ・ルーシ３ン代
理人　　　　弁理士　高　橋　清

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）オペアンプと； 測定プレートを有し、容量的に測定されるべき対象物と
    共に前記オペアンプの出力と入力との間の帰還通路を形
    成するプローブと； 前記測定プレートがガードプレートを有し；前記ガード
    プレートを前記オペアンプによる前記測定プレートの電
    圧に維持された電圧で駆動するための第１の手段と； 前記オペアンプをその反転入力において入力信号で駆動
    するための第２の手段と； 測定プレートの迷走キャパシタンスとオペアンプの数学
    的な理想状態からの乖離の両方を補償する前記ガードプ
    レートにおける信号の一部を、前記入力信号に受動的に
    結合するための手段と；を有することを特徴とする容量
    形測定装置。
  2. （２）前記入力信号を前記オペアンプに導通的に結合す
    る手段を含む請求項第１項の容量形測定装置。
  3. （３）前記結合する手段と第２の駆動手段が３プレート
    結合キャパシタの複数の分離プレートを含む請求項第１
    項の容量形測定装置。
  4. （４）前記プローブがユニタリエレメントを含む請求項
    第１項の容量形測定装置。
  5. （５）オペアンプと； 測定プレートを有し、容量的に測定されるべき対象物と
    共に前記オペアンプの出力と入力との間の帰還通路を形
    成するプローブと； 前記測定プレートがガードプレートを有し；前記ガード
    プレートを前記オペアンプによる前記測定プレートの電
    圧に維持された電圧で駆動するための第１の手段と； 前記オペアンプをその反転入力において入力信号で駆動
    するための第２の手段と； 測定プレートの迷走キャパシタンスとオペアンプの数学
    的な理想状態からの乖離の両方を補償する前記ガードプ
    レートにおける信号の一部分を、前記入力信号に能動的
    に結合するための手段と；を有することを特徴とする容
    量形測定装置。
  6. （６）前記入力信号を前記オペアンプに能動的にに結合
    する手段を含む請求項第５項の容量形測定装置。
  7. （７）前記結合する手段と第２の駆動手段がオペアンプ
    の分離入力を含む請求項第５項の容量形測定装置。
  8. （８）前記プローブがユニタリエレメントを含む特許請
    求の範囲第５項の容量形測定装置。
  9. （９）第１の電極と半導体ウエフアの間に第１の信号を
    容量的に結合し； ガード電極を前記第１の電極の周囲に配置し；前記ガー
    ド電極と前記半導体ウエフアの間に第２の信号を結合し
    ； 前記第１の電極とガード電極とを夫々オペアンプの反転
    入力と非反転入力に接続し、前記半導体ウエファを該オ
    ペアンプの出力に接続し、これにより前記第２の信号を
    第１の信号と実質的同一しかし厳密には非同一とし； 前記オペアンプの非理想状態を補償するために前記非反
    転入力における信号の一部を前記反転入力に結合する； ことを特徴とする測定方法。
JP1324183A 1989-03-07 1989-12-15 容量形測定装置及び方法 Expired - Lifetime JPH0794964B2 (ja)

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