JPH05335392A - 半導体ウエハの非接触電気測定用センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非接触で行なう半導体の電気測定に適した製
作の容易なセンサを提供する 【構成】 センサヘッドに用いる電極形成部６４は、コ
ーンガラス６６の底面６６ａに電極パターン２００を形
成している。底面６６ａの中央はレーザ光を反射する反
射面６６ｃとなっており、反射面６６ｃの周囲には、電
気測定用電極２０１と３つの平行度調整用電極１１１〜
１１３とが形成されている。また、これらの電極の間に
は、ガードリング１２０も形成されている。コーンガラ
ス６６の側斜面６６ｂには配線が形成されており、この
配線の端部付近において外部のリード線と接続される。
コーンガラス６６は互いに平行な２つの底面を有するの
で、フォトリソグラフィで底面６６ａ上に電極パターン
を容易に形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、Ｃ−Ｖ曲線などの半
導体ウエハの電気特性の測定を行なう電気測定装置、お
よび、その装置に利用される平行度調整装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＭＩＳ構造の半導体のプロセスを評価す
る方法の１つとして、Ｃ−Ｖ測定による評価方法が用い
られている。従来のＣ−Ｖ測定では、半導体基板上の酸
化膜の表面上に電気測定用の電極を形成する必要があっ
たが、電極形成のプロセスは、半導体ウエハの電気特性
自体に影響を与えるばかりでなく。電極形成そのものに
手間と時間がかかるという問題があった。そこで、本出
願人は、半導体ウエハの表面上に電極を形成することな
く、Ｃ−Ｖ測定やＣ−ｔ法などの電気特性評価を行なう
ことのできる半導体ウエハの電気測定装置を開発した。
図１は、本出願人が開発した半導体の電気測定装置の概
要を示す概念図である。図１（ａ）において、半導体基
板１０１の表面上には酸化膜１０２が形成されており、
裏面上には電極２０２が形成されている。酸化膜１０２
の上方には、ギャップＧｅを隔てて測定用電極２０１が
電極保持ユニット３００によって保持されている。酸化
膜１０２と測定用電極２０１とのギャップＧｅは、約１
μｍ以下になるように電極保持ユニット３００によって
制御されている。

【０００３】２つの電極２０１、２０２の間の静電容量
Ｃｔは、図１の（ｂ）に示すように、半導体基板１０１
の静電容量Ｃｓと、酸化膜１０２の静電容量Ｃｉと、ギ
ャップＧｅの静電容量Ｃｇとの直列接続で表わされる。
Ｃ−Ｖ曲線は、半導体基板１０１の容量Ｃｓと、酸化膜
１０２の容量Ｃｉとの合成容量Ｃｔａの電圧依存性であ
る。ギャップＧｅの値は、電極保持ユニット３００によ
って正確に測定され、このギャップＧｅの値に基づいて
ギャップの静電容量Ｃｇが計算により求められる。合成
容量Ｃｔは測定部４００で測定され、この合成容量Ｃｔ
からギャップの静電容量Ｃｇを減算して容量Ｃｔａを求
めることによりＣ−Ｖ曲線が決定される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体と測
定用電極２０１との間のギャップの測定精度や、電気測
定の精度は、測定用電極２０１を含むセンサの構造に依
存する。従来は、上述のように非接触で半導体の電気測
定を行なう装置が知られておらず、特に、この装置に適
したセンサ部の構造が知られていなかった。また、セン
サの先端には微細な電極パターンを形成するので、製造
が容易なセンサ構造とする必要がある。

【０００５】この発明は、上述の課題を解決するために
なされたものであり、非接触で行なう半導体の電気特性
の測定に適した製作の容易なセンサを提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】上述の課題を
解決するため、この発明による非接触電気測定用センサ
は、半導体ウエハの表面との間にギャップを隔ててほぼ
平行に保持される反射面を有し、該反射面で反射される
レーザ光の強度に基づいて前記ギャップを測定するとと
もに、前記半導体ウエハの電気特性の測定を行なう非接
触電気測定用センサであって、前記反射面を含む第１の
表面と、前記第１の表面とほぼ平行な第２の表面とを有
する透光性部材と、前記第１の表面に形成された電気測
定用電極と、を備える。このように、互いにほぼ平行な
第１と第２の表面を有する透光性部材を用いると、フォ
トリソグラフィによって第１の表面上に電極を容易に形
成することができる。

【０００７】前記透光性部材は、前記第１の表面から前
記第２の表面側に向けて錘状に広がる錘状部を有し、該
錘状部の側面に、前記電気測定用電極と接続された電気
配線が形成されていることが好ましい。こうすれば、外
部のリード線と電気配線を錘状部で接続することができ
る。すなわち、レーザ光の反射面よりも半導体ウエハか
ら遠い位置で外部のリード線とセンサの電気配線とを接
続することができる。従って、例えば銀ペーストで接続
する場合にも、接続部の盛り上がりが反射面と半導体ウ
エハとのギャップに挟まれる心配がない。

【０００８】また、前記第１の表面において、前記電気
測定用電極に対して互いに対称な位置に設けられた互い
に等しい形状のＮ個（Ｎは３以上の整数）の平行度調整
用電極を備えていてもよい。Ｎ個の平行度調整用電極の
容量が互いに等しくなるようにセンサの第１の表面の傾
きを調整すれば、第１の表面と半導体ウエハの平行度を
調整することができる。

【０００９】前記透光性部材は、前記第１の表面と前記
錘状部の側面との間に、前記第１の表面とほぼ平行で前
記第１の表面よりも前記第２の表面に近い位置に形成さ
れた配線形成面を備え、該配線形成面に前記電気測定用
電極と接続された電気配線が形成されているのが好まし
い。こうすれば、配線形成面と半導体ウエハとの間に発
生する寄生容量を小さくできるので、電気測定の精度を
向上させることができる。

【００１０】前記電気測定用電極は、前記第１の表面に
設けられた電極用溝に配置されていてもよい。こうすれ
ば、透光性部材の反射面と半導体ウエハとの間のギャッ
プをより小さくすることができるので、ギャップ測定の
精度を向上させることができる。

【００１１】さらに、前記レーザ光を前記透光性部材に
導入するとともに、前記反射面で反射された前記レーザ
光を前記透光性部材の外部に出射する光導波手段を備え
るのが好ましい。光導波手段は、透光性部材に接着され
たプリズムのような光学素子でもよく、また、透光性部
材の一部を加工してレーザ光の入射面と出射面とを形成
し、これを光導波手段として利用してもよい。

【００１２】前記電気測定用電極と前記平行度調整用電
極との間に、所定の電位が与えられるガードリング電極
が形成されていてもよい。ガードリング電極を設けるこ
とにより、複数の電極の相互の干渉を低減することがで
き、これによって平行度調整や電気測定の精度を向上さ
せることができる。

【００１３】

【実施例】Ａ．装置の構成 図２は、この発明の実施例としてのセンサを含む電気測
定装置ＭＤの構成を示す概念図である。この電気測定装
置ＭＤは、半導体ウエハ１００を収納する測定部２０
と、光量測定器２２と、インピーダンスメータ２４と、
位置制御装置２６と、ホストコントローラ２８とを備え
ている。光量測定器２２とインピーダンスメータ２４と
位置制御装置２６とは、ホストコントローラ２８に接続
されており、このホストコントローラ２８によって測定
装置全体の制御や、得られたデータの処理が行なわれ
る。なお、ホストコントローラ２８としては、例えばパ
ーソナルコンピュータが用いられる。

【００１４】測定部２０は、ベース３２と、ベース３２
上に設けられた駆動装置３４と、駆動装置のボールネジ
部３４ａに連結された架台３６と、架台３６の上に載置
され試料テーブル３８とを備えている。試料テーブル３
８は、供試体としての半導体ウエハ１００を載置するテ
ーブルであり、図示しないモータに駆動されてＸ−Ｙ平
面内で回転する。

【００１５】測定部２０の筺体４０の上部の開口にはフ
ランジ４２がボルトで固定されており、フランジ４２か
ら下方にはピエゾ素子を利用した３つの圧電アクチュエ
ータ部４４、４５、４６が設けられている。さらに、圧
電アクチュエータ部４４、４５、４６の下方には支持板
４８が設けられ、さらに、支持板４８の下側に伸びる支
持筒５０の先にはセンサヘッド６０が固定されている。
支持板４８は、図示しない複数のスプリングでフランジ
４２に連結されており、圧電アクチュエータ部４４、４
５、４６をフランジ４２側に押上げている。センサヘッ
ド６０は、レーザ光導入用の直角プリズム６２と、直角
プリズム６２の底面に光学接着剤によって接着された透
光性の電極形成部６４とで構成されている。

【００１６】支持筒５０にはＧａＡｌＡｓレーザなどの
レーザ発振器７０とフォトダイオードなどの受光センサ
７２とが固定されている。レーザ発振器７０から出射さ
れたレーザ光は直角プリズム６２を通って電極形成部６
４に導入され、電極形成部６４の底面において幾何光学
的な全反射条件で反射される。そして、反射したレーザ
光は直角プリズム６２から出射されて受光センサ７２で
受光される。

【００１７】半導体ウエハ１００の電気測定を行なう際
には、センサヘッド６０の底面と半導体ウエハ１００の
表面とのギャップが約１μｍ以下に保たれる。レーザ発
振器７０とセンサヘッド６０と受光センサ７２とで構成
される光学系は、このギャップを精密に測定するための
光学測定系である。この光学測定系は、レーザ発振器７
０から発振されたレーザ光がセンサヘッド６０の底面で
幾何学的な全反射条件で反射する際の、レーザ光のトン
ネリング現象を利用しており、受光センサ７２と光量測
定器２２で測定される光量に基づいてギャップの値を測
定している。このギャップの測定方法については、本出
願人により開示された特開平４−３２７０４号公報に詳
述されているので、ここではその詳細は省略する。

【００１８】圧電アクチュエータ部４４、４６、４８は
位置制御装置２６と電気的に接続されており、また、受
光センサ７２は光量測定器２２と接続され、センサヘッ
ド６０の底面に形成された電極と金属製の試料テーブル
３８にはインピーダンスメータ２４が接続されている。
インピーダンスメータ２４は、各電極と試料テーブル３
８との間の容量やコンダクタンスを測定する機器であ
る。

【００１９】Ｂ．電極形成部の基本構成 図３（Ａ）は電極形成部６４の底面図、図３（Ｂ）はそ
のＢ−Ｂ断面図である。電極形成部６４は、光学ガラス
で形成されたコーンガラス６６と、コーンガラス６６の
底面６６ａ上に形成された電極パターン２００とで構成
されている。電極パターン２００は、電気測定用電極２
０１と、３つの平行度調整用電極１１１〜１１３と、ガ
ードリング１２０とを含んでおり、また、電極２０１、
１１１〜１１３、１２０にそれぞれ接続された配線２０
１ａ、１１１ａ〜１１３ａ、１２０ａを含んでいる。こ
れらの配線は、コーンガラス６６の底面６６ａから側斜
面６６ｂに渡って形成されている。コーンガラス６６
は、後述するように、円盤状のガラスを研磨して側面を
テーパ状に削ったものである。コーンガラス６６の２つ
の底面は互いに平行なので、フォトリソグラフィによっ
て電極パターン２００を容易に形成することができる。

【００２０】電気測定用電極２０１はリング状の電極で
あり、その中央部に露出するコーンガラス表面は、レー
ザ光Ｌが幾何学的に全反射する反射面６６ｃとなってい
る。この実施例において、電気測定用電極２０１の内径
は０．５ｍｍφ、外径は１．０ｍｍφである。

【００２１】３つの平行度調整用電極１１１〜１１３
は、３つに等分割されたリング状の形状をそれぞれ有し
ている。この実施例において、平行度調整用電極１１１
〜１１３のリングの内径は１．６ｍｍφ、外径は２．４
ｍｍφである。また、各電極１１１〜１１３の間隔は
０．７ｍｍである。これらの電極の形状は、それぞれ円
形としてもよいが、図３（Ａ）のような分割したリング
状にすれば、より小さな領域内に、より面積の大きな電
極を形成することができるという利点がある。平行度調
整用電極１１１〜１１３は、コーンガラス６６の底面６
６ａと半導体ウエハ１００の表面との平行度を調整する
際に利用される電極である。すなわち、圧電アクチュエ
ータ部４４、４５、４６のピエゾ素子の伸び量を調整し
てコーンガラス６６の底面６６ａの傾きを調整し、各電
極１１１〜１１３の容量値を互いに等しくするようにす
れば、コーンガラス６６の底面６６ａと半導体ウエハ１
００の表面とを平行にすることができる。この平行度調
整の詳細についてはさらに後述する。

【００２２】ガードリング１２０は、電気測定用電極２
０１と平行度調整用電極１１１〜１１３との間に設けら
れたリング状の電極であり、その内径は１．２ｍｍφ、
外径は１．４ｍｍφである。ガードリング１２０は所定
の電位（例えば接地電位）に保たれており、４つの電極
２０１、１１１〜１１３の間の相互作用を防止する役割
を有する。このようなガードリング１２０を設けること
によって、平行度調整用電極１１１〜１１３からの影響
を受けずに電気測定用電極２０１の容量値を測定できる
ので、電気測定の測定精度を向上させることができると
いう利点がある。また、３つの平行度調整用電極１１１
〜１１３の容量値も互いに影響されずに測定できるの
で、コーンガラス６６の底面６６ａと半導体ウエハ１０
０の表面との間の平行度をより高精度で調整できるとい
う利点がある。なお、各電極２０１、１１１〜１１３、
１２０の間のギャップは０．１ｍｍに設定されており、
また、底面６６ａ上における配線２０１ａ、１１１ａ〜
１１３ａの幅は０．１ｍｍに設定されている。

【００２３】図４はセンサヘッド６０の配線の接続状態
を示す正面図である。コーンガラス６６上の配線１１１
ａ〜１１３ａ、１２０ａ、２０１ａは、コーンガラス６
６の側斜面の端部において、外部のリード線１１６と接
続されている。配線の接続はワイヤボンディングや硬化
性の銀ペーストで行なわれ、その接続部は数百μｍ盛り
上がることもある。コーンガラス６６の底面６６ａから
上方に離れた位置において配線を接続するようにしたの
は、コーンガラス６６の底面６６ａと半導体ウエハ１０
０の表面との間に接続部の盛り上がりが挟まれないよう
にするためである。電気測定時には、底面６６ａと半導
体ウエハ１００の表面とのギャップが約１μｍ以下に設
定されるので、数百μｍ程度の配線の接続部の盛り上が
りが底面６６ａ近くにあると、接続部の盛り上がりが半
導体ウエハ１００と接触してしまうという問題を生じ
る。円錐台状のコーンガラス６６を用いた理由の１つ
は、このように、底面６６ａから離れたところで電極形
成部６４上の配線と外部のリード線とを接続できるよう
にするためである。

【００２４】Ｃ．配線部の寄生容量の低減化構造 半導体ウエハのＣ−Ｖ特性やＣ−ｔ特性の測定では、電
気測定用電極２０１と半導体ウエハ１００との間の容量
が測定される。ところで、図３に示す電極形成部６４に
は、コーンガラス６６の底面６６ａに電気測定用電極２
０１とその配線２０１ａとが形成されているので、イン
ピーダンスメータ２４で測定される容量Ｃｍは次式で与
えられる。 Ｃｍ＝Ｃｇ＋Ｃｐ ここで、Ｃｇは電気測定用電極２０１と半導体ウエハ１
００との間の容量（被測定容量）でありＣｐは配線２０
１ａと半導体ウエハ１００との間の容量（寄生容量）で
ある。図５は、電極形成部６４の断面と測定される容量
Ｃｍを模式的に示した図である。

【００２５】被測定容量Ｃｇと寄生容量Ｃｐはそれぞれ
次式で表わされる。 Ｃｇ＝Ｓｇ・ε／Ｇｅ Ｃｐ＝Ｓｐ・ε／Ｇｅ ここで、Ｓｇは電極２０１の面積、εは空気の誘電率、
Ｇｅは電極２０１と半導体ウエハ１００表面とのギャッ
プ、Ｓｐは配線２０１ａの面積である。寄生容量Ｃｐは
配線２０１ａと半導体ウエハ表面との間のギャップＧｅ
に反比例するので、ギャップＧｅの測定値に基づいて寄
生容量Ｃｐの値を求めることもできる。しかし、測定す
べき容量Ｃｇと寄生容量Ｃｐが同程度の値になると、被
測定容量Ｃｇの測定精度が低下する可能性があるので寄
生容量Ｃｐはなるべく小さいことが好ましい。

【００２６】上記の寄生容量Ｃｐの式から解るように、
寄生容量Ｃｐを低減するには、面積Ｓを低減し、ギャッ
プＧｅを増大させる対策が有効である。この実施例で
は、図３（Ａ）に示すように、コーンガラス６６の底面
６６ａ上における配線２０１ａの幅を細くしてその面積
Ｓｐを減少させている。底面６６ａにおいて、電気測定
用電極２０１と配線２０１ａの面積比は約１０：１であ
り、これによって寄生容量Ｃｐを被測定容量Ｃｇの約１
／１０にしている。

【００２７】寄生容量Ｃｐを低減するもう１つの対策
は、図６に示すように、配線２０１ａを形成する部分に
段差を設け、配線２０１ａと半導体ウエハ１００との間
のギャップを増大することである。図６の場合の被測定
容量Ｃｇと寄生容量Ｃｐはそれぞれ次式で表わされる。 Ｃｇ＝Ｓｇ・ε／Ｇｅ Ｃｐ＝Ｓｐ・ε／（Ｇｅ＋△Ｇｅ） 段差△Ｇｅをどの程度の値にすればよいかは、電気測定
時のギャップＧｅの値に依存する。図７は、受光センサ
７２（図２）によるレーザ光の検出精度を考慮して求め
たギャップ測定の分解能を示すグラフである。図７によ
れば、ギャップＧｅが０．２〜０．３μｍの範囲におい
て最良の分解能が得られる。Ｃ−Ｖ測定の精度は、ギャ
ップＧｅの測定精度に依存するので、測定時におけるギ
ャップＧｅは０．２〜０．３μｍ程度の値が最適であ
る。

【００２８】仮に、ギャップＧｅを０．２μｍとし、段
差△Ｇｅを２μｍとすると、配線２０１ａと半導体ウエ
ハ１００との間のギャップ（Ｇｅ＋△Ｇｅ）は２．２μ
ｍとなり、ギャップＧｅの１１倍になる。この段差△Ｇ
ｅの効果により、寄生容量Ｃｐは被測定容量Ｃｇの１／
１１となる。さらに、上述した電極２０１と配線２０１
ａの面積比を考慮すると、被測定容量Ｃｇと寄生容量Ｃ
ｐとの比は約１００：１となるので、Ｃ−Ｖ測定に対す
る寄生容量Ｃｐの影響をかなり小さく抑えることができ
る。

【００２９】図８は、電極２０１と配線２０１ａとの境
界に段差を設けたタイプの電極形成部５００を示す断面
図であり、図３（Ｂ）に対応する図である。図８の例で
は、３つの平行度調整用電極１１１〜１１３の外周に相
当する外径２．４ｍｍφの円の周辺部分に、高さ２μｍ
のリング状の段差が設けられている。なお、図示の便宜
上、２μｍの段差は誇張して描かれている。

【００３０】図９は、図８の電極形成部５００にさらに
改良を加えた電極形成部５１０を示す断面図である。こ
の電極形成部５１０では、電極パターン２００がコーン
ガラス５１２の底面５１２ａ内に埋め込まれている。コ
ーンガラス５１２の反射面５１２ｃと電極パターン２０
０の表面とを一致させれば、電気測定時に反射面５１２
ｃと電極表面との段差を考慮する必要がないという利点
がある。

【００３１】図１０は、電極パターン２００をコーンガ
ラス５２２の反射面５２２ｃよりも深く埋め込んだ構造
を有する電極形成部５２０を示す断面図である。この電
極形成部５２０では、コーンガラス５２２の底面に形成
された電極パターン２００が半導体ウエハ１００に接触
することがないので、電極パターン２００の断線を防止
することができるという利点がある。電極パターン２０
０の断線は、センサヘッドの寿命を決定する主要な要因
の１つなので、図１０のような構造をとることによっ
て、センサヘッドの寿命を伸ばすことが可能である。な
お、コーンガラス５２２の反射面５２２ｃと電極パター
ン２００の表面との段差は干渉顕微鏡で予め精密に測定
しておくことができる。

【００３２】Ｄ．電極形成部の製造工程 図１１は図１０のコーンガラス５２２の製造工程を示す
断面図である。図１１（ａ）は、コーンガラスの材料と
して用いる円盤状ガラス５２１の断面を示している。ガ
ラスの材質は、ＢＫ７などの光学ガラスである。円盤状
ガラス５２１の上面の周囲を円錐状に研磨すると、図１
１（ｂ）に示すコーンガラス５２２が得られる。このコ
ーンガラス５２２の小さな方の底面５２２ａが電極を形
成する面となる。コーンガラス５２２の２つの底面は互
いに平行なので、半導体ウエハのための処理装置を利用
して後述するフォトリソグラフィ工程を実行することが
できる。

【００３３】底面５２２ａの周縁部は角が落とされてエ
ッジが丸くなっており、底面５２２ａから側斜面５２２
ｂにかけて、なだらかな曲面になるように成形されてい
る。底面５２２ａの周縁部のエッジを丸くするのは、電
極パターンを形成する際に断線を生じさせないためであ
る。すなわち、底面５２２ａの周縁部に鋭いエッジ（角
部）があると、レジストパターンがそのエッジ部分で厚
くなってしまい、細い配線パターンの部分に余分なレジ
ストが残されることがある。こうなると、余分なレジス
トの部分で配線パターンが切れてしまうという不具合を
生じる。そこで、底面５２２ａの周縁部のエッジを丸め
ることによって、余分なレジストがエッジに残らないよ
うに工夫し、断線を防止しているのである。なお、図３
のコーンガラス６６は、図１１（ｂ）までの工程で製作
される。

【００３４】次に、図１１（ｃ）に示すように、コーン
ガラス５２２の底面５２２ａ上にレジスト７０２を塗布
し、２．４ｍｍφの円形のレジストパターンを成形す
る。さらに、フッ酸系のエッチング溶液を用いてコーン
ガラス５２２の底面５２２ａの周縁部と側斜面５２２ｂ
の部分を所定の深さ（ここでは約２μｍ）までエッチン
グする。この結果、図１１（ｄ）に示すように、上底面
の周縁部に段差が形成されたコーンガラス５２２が得ら
れる。この段差は、前述したように、配線部の容量を低
減するためのものである。図１１（ｅ）はレジスト７０
２を除去したコーンガラス５２２を示している。図９の
コーンガラス５１２は図１１（ｅ）までの工程で製作さ
れる。

【００３５】図１２は、図１１（ｅ）のコーンガラス５
２２の底面５２２ａに電極パターン２００を形成する主
要な工程を示す断面図である。まず、図１２（ａ）に示
すように、底面５２２ａの上にレジストパターン７０４
を形成する。図１３は、このレジストパターン７０４を
示す平面図である。図１３から解るように、このレジス
トパターン７０４は電極パターン２００（図３参照）を
反転させたパターンである。

【００３６】この状態でエッチングを行なうことによっ
て電極パターンの部分に溝が形成され、図１２（ｂ）の
構造のコーンガラス５２２が得られる。電極パターンの
溝の深さは約０．１μｍである。つぎに、図１２（ｃ）
に示すように金属７０６を蒸着し、リフトオフを行なう
ことによって図１２（ｄ）に示す構造が得られる。図１
２（ｄ）において溝内に残っている金属によって、図３
（Ａ）に示す電極パターン２００が構成されている。蒸
着する金属としては金やタングステンなどの種々のもの
が利用できるが、ここではクロム（Ｃｒ）を使用してい
る。クロムは比較的安価であり、また、硬度が高く断線
しにくいためである。

【００３７】金属蒸着の際に、蒸着する金属の厚みをコ
ーンガラス５２２の溝の深さよりも小さくすると、図１
２（ｄ）および図１０に示すように、電極パターン２０
０がコーンガラス５２２の反射面５２２ｃよりもガラス
内部側に後退した構造が得られる。一方、蒸着する金属
の厚みとコーンガラス５２２の溝の深さとを等しくする
と、図９に示すように、電極パターンの表面とコーンガ
ラスの反射面とが一致する構造が得られる。

【００３８】以上のように、互いに平行な２つの底面を
有するコーンガラスを利用すれば、フォトリソグラフィ
によってコーンガラス上に電極パターンを容易に形成す
ることができるという利点がある。

【００３９】Ｅ．センサヘッドの他の構成 図１４（ａ）はセンサヘッドの他の構成を示す断面図で
ある。このセンサヘッド５３０は、直角プリズム５３２
の端部を削って側斜面５３２ｂを作成し、この側斜面５
３２ｂと底面５３２ａとにわたって電極パターン２００
を形成することによって製作されたものである。底面５
３２ａ上の電極パターン２００は、図３（Ａ）に示すも
のと同じである。また、底面５３２ａの中央部はレーザ
光の反射面５３２ｃとなっている。すなわち、直角プリ
ズム５３２は、図４の直角プリズム６２と電極形成部６
４の両方の役割を果たしている。外部のリード線１１６
は、側斜面５３２上に形成されている配線と接続されて
いる。こうすれば、コーンガラスを用いたセンサヘッド
と同様に、接続部の盛り上がりがセンサヘッドと半導体
ウエハとのギャップに挟まれることがない。図１４
（ｂ）は、プリズム５３２の平面図を示しており、図示
の便宜上、配線パターンやリード線は省略している。

【００４０】図１４（ｃ）は、フォトリソグラフィ工程
において、直角プリズム５３２が保持具５３４の上に載
置されている状態を示す断面図である。この状態では、
保持具５３４の下部底面と直角プリズム５３２の底面５
３２ａとが互いに平行になるので、フォトリソグラフィ
を容易に行なうことができる。ただし、コーンガラスを
用いたセンサヘッドでは、このような保持具が不要なの
で、取扱いがより容易である。

【００４１】図１５（ａ）は、センサヘッドのさらに他
の構成を示す断面図である。このセンサヘッド５４０
は、直角プリズム５４２と、直角プリズム５４２の底面
に光学接着材で接着された電極形成部５４４で構成され
ている。図１５（ｂ）は、センサヘッド５４０の平面図
である。電極形成部５４４は円盤状の光学ガラスの底面
に電極パターン２００が形成されたものである。円盤状
の光学ガラスを使用すれば、フォトリソグラフィによっ
て電極パターン２００を容易に形成することができる。

【００４２】図１６（ａ）は、センサヘッドの他の構成
を示す断面図である。このセンサヘッド５５０は、図１
５のセンサヘッド５４０と同様に、直角プリズム５５２
と円盤状の電極形成部５５４から構成されている。ただ
し、図１６（ａ）のセンサヘッド５５０では、直角プリ
ズム５５２と電極形成部５５４とを貫通する貫通孔５５
６を数ヶ所に設け、この貫通孔５５６内に、電極パター
ン２００と外部のリード線１１６とを接続するための配
線を設けている。こうすれば、センサヘッドの電極パタ
ーン２００とリード線１１６とを接続する接続部が、電
極形成部５５４の底面５５４ａから離れた位置に（すな
わち、直角プリズム５５２のプリズム面に）形成される
ので、接続部の盛り上がりが底面５５４ａと半導体ウエ
ハとのギャップに挟まれることがない。

【００４３】図１６（ｂ）は、図１６（ａ）と同様なセ
ンサヘッドの他の構成を示す断面図である。このセンサ
ヘッド５６０も、円盤状の電極形成部５６４に複数の貫
通孔５６６を設けているが、さらに、電極形成部５６４
と直角プリズム５６２との境界面に配線を敷設するため
の溝を設けている。すなわち、電極パターン２００と外
部のリード線１１６とを接続する配線は、貫通孔５６６
を通り、電極形成部５６４と直角プリズム５６２との境
界面に設けられた溝を通っている。こうすれば、直角プ
リズム５６２に貫通孔を設ける必要がないので、図１６
（ａ）のセンサヘッドよりも加工が容易である。

【００４４】なお、図１４ないし図１６に示すセンサヘ
ッドにおいて、図８に示すように、電極２０１と配線２
０１ａとの境界に段差を設けるようにしてもよい。ま
た、図９および図１０に示すように、電極パターンをセ
ンサヘッドの底面内に埋め込むようにしてもよい。上記
のセンサヘッドでは、レーザ光を電極形成部に導入する
手段とし直角プリズムを用いたが、プリズム角が９０度
でない他のプリズムを使用することもできる。また、光
ファイバなどのプリズム以外の光学素子を用いてもよ
い。

【００４５】円錐台状のコーンガラスの変わりに角錘台
状の透光性部材を用いてもよい。一般に、互いに平行な
２つの底面と錘状部とを有する透光性部材を利用すれ
ば、フォトリソグラフィで電極パターンを形成するのが
容易で、かつ、外部のリード線との接続も容易なセンサ
ヘッドとすることできる。

【００４６】外部のリード線としては、ワイヤ状の配線
でなく、図１７（ａ）に示すような金属製の複数のツメ
状部材６０２を有するコネクタ６００を用い、ツメ状部
材６０２を電極形成部の配線に機械的に接触させること
によって電気的に接続するようにしてもよい。図１７
（ｂ）は、コネクタ６００にセンサヘッド６０を固定し
た状態を示す断面図である。コーンガラスは接続部がレ
ーザ光の反射面から離れているので、このようにセンサ
ヘッド６０をツメ状部材６０２に機械的に固定すること
ができる。

【００４７】Ｆ．容量測定方法 図１８は、平行度調整用電極１１１〜１１３と、測定用
電極２０１と、半導体ウエハ１００とを含む等価回路を
示す模式図である。図１８の（ａ）は、平行度調整用電
極１１１〜１１３（図中、Ｓ、Ｔ、Ｕの文字をそれぞれ
記している。）と半導体ウエハ１００（図中、Ｗの文字
を記している。）との間の等価回路を示す。平行度調整
用電極１１１〜１１３と半導体ウエハ１００との距離は
非常に短くなるように（約１μｍ以下に）調整されるの
で、各電極１１１〜１１３と半導体ウエハ１００とはそ
れぞれコンダクタンスＧとキャパシタンスＣとで結合さ
れていると見なすことができる。

【００４８】同様に、図１８の（ｂ）に示すように、測
定用電極２０１（図中、Ｍの文字を記している。）と半
導体ウエハ１００との間もコンダクタンスＧとキャパシ
タンスＣとで結合されていると見なすことができる。し
たがって、測定用電極２０１と平行度調整用電極１１１
〜１１３との間の等価回路は、（ａ）の等価回路と
（ｂ）の等価回路を半導体ウエハ１００の部分で直列に
接続した回路となる。図１８の（ｃ）は、測定用電極２
０１と平行度調整用電極１１１〜１１３との間の等価回
路を示している。すなわち、測定用電極２０１と平行度
調整用電極１１１〜１１３は、測定用電極２０１を中心
として、コンダクタンスＧとキャパシタンスＣとで結合
されたＹ形結線の対称負荷を構成している。

【００４９】なお、各電極１１１、１１２、１１３、２
０１の間の距離は例えば約０．１ｍｍに設定されている
ので、これらの電極は直接的にも（すなわち、半導体ウ
エハを介さずに）電気的に結合されているが、これらの
電気的結合も図１８（ｃ）の等価回路で表わすことがで
きる。

【００５０】ところで、半導体ウエハのＣ−Ｖ測定に際
しては、平行度調整用電極１１１〜１１３の容量をイン
ピーダンスメータ２４で測定し、それらの値が一致する
ように圧電アクチュエータ部４４〜４６を制御すること
によって、半導体ウエハ１００と測定用電極２０１との
平行度が保たれる。そして、測定用電極２０１を用いて
Ｃ−Ｖ曲線を測定する。

【００５１】平行度調整のための容量測定とＣ−Ｖ曲線
を得るための容量測定とは、どちらも交流印加信号に対
する静電容量の特性を利用した測定である。したがっ
て、平行度調整用電極１１１〜１１３で容量を測定して
平行度を保ちつつ、測定用電極２０１でＣ−Ｖ曲線を測
定しようとすると、通常は平行度調整用電極１１１〜１
１３に印加した交流信号が、上述のコンダクタンスＧと
キャパシタンスＣとを介して測定用電極２０１に外乱と
して加えられてしまう。したがって、正確なＣ−Ｖ測定
を行なうのは困難である。

【００５２】一方、Ｃ−Ｖ測定の間に平行度の調整を行
なわないようにすれば、上述のような問題は生じない。
ところが、圧電アクチュエータ部４４〜４６としてピエ
ゾ素子のように印加電圧に応じた伸縮特性を有する素子
を用いる場合には、Ｃ−Ｖ測定の間も平行度の調整を続
けている必要がある。これは、ピエゾ素子では過渡現象
が無視できないため、印加電圧を一定にしてもサブミク
ロン単位で素子が伸縮してしまうことがあるからであ
る。

【００５３】この実施例は、上述のような点を考慮し、
平行度調整用電極１１１〜１１３に交流信号を印加して
も測定用電極２０１に対する外乱とならないように工夫
したものである。図１９に平行度調整用電極１１１〜１
１３と交流電源１３０の基本的接続関係を示している。
交流電源１３０は、いわゆるＹ形結線の３相交流を発生
する電源であり、等しい線間電圧を有し、かつ、それぞ
れの位相が１２０゜ずつ異なる３つの交流信号を出力す
る。平行度調整用電極１１１〜１１３と測定用電極２０
１も、図１８の（ｃ）に示すようにＹ形結線の負荷とし
て表わされる。そして、図１９に示すように、交流電源
１３０の各出力線が各平行度調整用電極１１１〜１１３
に接続される。

【００５４】平行度調整用電極１１１〜１１３は同じ形
状を有しているので、平行度が保たれている場合には測
定用電極２０１と各平行度調整用電極１１１〜１１３と
の間のインピーダンスは等しくなり、これらの等価回路
は対称Ｙ形負荷となる。したがって、図１９のように結
線すれば、平行度が保たれている時には測定用電極２０
１の電位は交流電源１３０の中性点ＮＰと同電位とな
る。この結果、平行度調整用電極１１１〜１１３に印加
される交流信号が測定用電極２０１に外乱として加えら
れることが無い。

【００５５】図２０は、平行度調整用電極１１１〜１１
３と交流電源１３０の実際の接続関係を示す図である。
３相交流電源１３０の３つの送電線１３０ａ〜１３０ｃ
はそれぞれ抵抗Ｒを介して平行度調整用電極１１１〜１
１３に接続されている。また、３相交流電源１３０の中
性点ＮＰと、半導体ウエハの裏面の電極２０２（図１参
照）とは接地されている。

【００５６】各平行度調整用電極１１１〜１１３に現わ
れる信号Ｓｍ１〜Ｓｍ３は、測定信号としてそれぞれ容
量メータ１３１〜１３３に与えられる。また、各送電線
１３０ａ〜１３０ｃの信号Ｓａ１〜Ｓａ３も、印加信号
としてそれぞれ容量メータ１３１〜１３３に与えられ
る。容量メータ１３１〜１３３は、これらの測定信号と
印加信号とに基づいて、各平行度調整用電極１１１〜１
１３と半導体ウエハとの間の容量をそれぞれ測定する。
なお、各平行度調整用電極１１１〜１１３に接続されて
いる抵抗Ｒは、容量メータ１３１〜１３３の構成要素の
一部であるが、図１９との対応関係を明確にするために
容量メータとは別に描いている。また、３相交流電源１
３０と容量メータ１３１〜１３３は、図２に示すインピ
ーダンスメータ２４の構成要素の一部である。

【００５７】図２１は、容量メータ１３１〜１３３にお
ける容量の測定方法を説明するための概念図である。図
２１の（ａ）は、１つの平行度調整用電極１１１と半導
体ウエハとを示す断面図である。前述したように、平行
度調整用電極１１１と半導体ウエハの裏面の電極２０２
との間の等価回路は（すなわち平行度調整用電極１１１
−エアギャップ−酸化膜１０２−空乏層１０３−基板１
０１−電極２０２の間の等価回路は）、図の（ｂ）に示
すように、平行度調整用電極１１１と電極２０２との間
に並列に接続されたキャパシタンスＣとコンダクタンス
Ｇとによって表わすことができる。

【００５８】なお、図２０では電極２０２と測定用電極
２０１との間に容量Ｃｔが描かれているが、前述したよ
うに、測定用電極２０１の電位は交流電源１３０の中性
点ＮＰと等しい接地電位となっているので、この容量Ｃ
ｔは無視することができる。したがって、図２０におけ
る電極１１１と電極２０２との間の回路と、図２１
（ｂ）の回路とは等価である。図２１（ｂ）の回路のア
ドミッタンスＹは次の数式１で表わされる。

【数１】 また、この回路のインピーダンスＺは次の数式２で表わ
される。

【数２】

【００５９】図２１（ｃ）は、平行度調整用電極１１１
と電極２０２と交流電源１３０とを含む回路部分を示す
回路図である。平行度調整用電極１１１に現われる測定
信号Ｓｍ１は、次の数式３で表わされる。

【数３】 また、印加信号Ｓａ１は測定信号Ｓｍ１によって次の数
式４で表わされる。

【数４】 すなわち、印加信号Ｓａ１は測定信号Ｓｍ１よりも位相
が進む。この位相角をψとすると、次の数式５が成立す
る。

【数５】

【００６０】数式５において、ωＣＲとＲＧが十分小さ
ければＫの値は１でほぼ一定である。この場合、ｓｉｎ
ψはＣに比例し、ｃｏｓψは（１＋ＲＧ）に比例する。
例えば、印加信号Ｓａ１の周波数が１００ｋＨｚ、Ｃ＝
１００ｐＦ、Ｒ＝１０ｋΩ、とすると、（ωＣＲ）の２
乗は約０．００４となり、また、Ｇ＝０．１μＳ（＝
０．１μ／Ω）とするとＲＧの値は０．００４以下なの
で、Ｋ＝１と見なすことができる。

【００６１】Ｋの値がほぼ一定であれば、ｓｉｎψはＣ
に比例するので、ｓｉｎψを求めればキャパシタンスＣ
に依存する測定値を求めることができる。ｓｉｎψは、
以下のようにして求めることができる。まず、測定信号
Ｓｍ１を次の数式６のようにＳｍ０・ｓｉｎ（ωｔ）で
表わすと、印加信号Ｓａ１は位相角ψを用いて数式７の
ように表わされる。ここで、Ｓｍ０、Ｓａ０は定数であ
る。

【数６】

【数７】

【００６２】ここで、ｓｉｎ（ωｔ＋ψ）の項を（ω
ｔ）でπ／２から３π／２まで積分すると、数式８に示
すようにｓｉｎψに比例する値を算出することができ
る。

【数８】 一般には、次のように測定信号Ｓｍ１の２つの位相区間
のそれぞれにおいて、印加信号Ｓａ１を積分することに
よってｓｉｎψに比例した積分値Ｉｎを求めることがで
きる。 ａ．測定信号Ｓｍ１の第１の位相区間［（π／２＋２ｎ
π）〜（３π／２＋２ｎπ）］：印加信号Ｓａ１をで積
分（数式９）して積分値Ｉｎを求める。

【数９】 ｂ．測定信号Ｓｍ１の第２の位相区間［（３π／２＋２
ｎπ）〜（５π／２＋２ｎπ）］：印加信号Ｓａ１を反
転した信号−Ｓａ１を積分（数式１０）して積分値Ｉｎ
を求める。

【数１０】

【００６３】このように、測定信号Ｓｍ１を基準とした
２つの位相区間のそれぞれにおいて、印加信号Ｓａ１を
積分すれば、それぞれの位相区間において位相角ψの正
弦ｓｉｎψに比例した積分値Ｉｎを求めることができ
る。この積分値Ｉｎはｓｉｎψに比例するので、３つの
平行度調整用電極１１１〜１１３について積分値Ｉｎの
値が互いに等しければ、各平行度調整用電極に関するｓ
ｉｎψの値も互いに等しい。また、ｓｉｎψの値は、上
記数式５で説明したように、キャパシタンスＣに比例す
るので、各平行度調整用電極に関するｓｉｎψの値が互
いに等しければ、各平行度調整用電極と半導体ウエハと
の間のギャップの容量が互いに等しい。ギャップの容量
はギャップの大きさに反比例するので、容量が互いに等
しければギャップの大きさも互いに等しいといえる。従
って、３つの平行度調整用電極１１１〜１１３について
積分値Ｉｎの値を互いに等しくするように圧電アクチュ
エータ部４４〜４６を調整すれば、センサヘッド６０の
電極形成部６４の底面６６ａと半導体ウエハとの間の平
行度を調整することができる。

【００６４】なお、実際には数式５のＫの値は一定では
なく、キャパシタンスＣにも依存する。したがって、積
分値ＩｎとキャパシタンスＣとの関係は、図２２に実線
で示すように直線的な比例関係からずれている。しか
し、平行度の調整のためにはキャパシタンスＣの値を正
確に測定する必要はなく、キャパシタンスＣの単調関数
となっている値を測定できれば、各平行度調整用電極に
おける測定値を互いに等しくすることによって、平行度
を調整することができる。従って平行度調整用の容量メ
ータとしては、上述の積分値Ｉｎを求めることのできる
装置を用いれば十分である。

【００６５】図２３は、図２０に示す容量メータ１３１
の内部構成を示すブロック図である。また、図２４は図
２３の回路における主要な信号を示すタイミングチャー
トである。前述した図２０において送電線１３０ａと平
行度調整用電極１１１との間に介挿されていた抵抗Ｒ
は、前述したように容量メータ１３１の内部回路であ
り、図２３では２つの入力端子Ｔ１、Ｔ２の間に介挿さ
れている。この抵抗Ｒは、前記数式５からも分かるよう
に、第１の入力端子Ｔ１に現われる測定信号Ｓｍ１の位
相を印加信号Ｓａ１の位相から遅らせる役割を有してい
る。なお、第１の入力端子Ｔ１は平行度調整用電極１１
１と接続され、第２の入力端子Ｔ２は送電線１３０ａと
接続されている。

【００６６】この容量メータ１３１は、この抵抗Ｒのほ
かに、第１のバッファアンプ１５１と、検波部１５２
と、積分器１５３と、第２のバッファアンプ１５４と、
電圧計１５５とを備えている。なお、他の平行度調整用
電極１１２、１１３のための容量メータ１３２、１３３
も図２３の容量メータ１３１と等しい構成を有してい
る。

【００６７】第２の入力端子Ｔ２に現われる印加信号Ｓ
ａ１は、図２４の最上部に示すようにきれいな正弦波で
ある。印加信号Ｓａ１は、この発明における電源信号に
相当する。第１の入力端子Ｔ１に現われる測定信号Ｓｍ
１はバッファアンプ１５１で増幅されてα倍され、図２
４に示す信号α・Ｓｍ１となる。この信号は、ノイズ成
分を含む正弦波となっており、また、その位相は印加信
号Ｓａ１から上記の位相角ψだけ遅れている。

【００６８】バッファアンプ１５１から出力された信号
α・Ｓｍ１は、第２の入力端子に印加された印加信号Ｓ
ａ１とともに検波部１５２に入力される。検波部１５２
は、上述の数式９および１０の積分を積分器１５３で行
なえるようにするために、（ａ）測定信号Ｓｍ１の２つ
の位相区間を検出し、（ｂ）２つの位相区間のそれぞれ
に対応した印加信号Ｓａ１、−Ｓａ１の波形を抽出し、
（ｃ）この波形を有する信号ＳＭを出力する。検波部１
５２は、９０°移相器１５２ａと、切換信号発生器１５
２ｂと、切換器１５２ｃと、１８０°移相器１５２ｄ
と、を有している。９０°移相器１５２ａは、バッファ
アンプ１５１から与えられた信号α・Ｓｍ１の位相を９
０°遅らせることにより、図２４に示す信号Ｓｍｓを生
成する。

【００６９】この信号Ｓｍｓは切換信号発生器１５２ｂ
に与えられ、切換信号発生器１５２ｂは、信号Ｓｍｓに
基づいて２つの切換信号ＳＳ１、ＳＳ２を発生する。第
１の切換信号ＳＳ１は、信号Ｓｍｓの値が正のときにＨ
レベルとなり、負のときにＬレベルとなる信号である。
一方、第２の切換信号ＳＳ２はこれと逆に、信号Ｓｍｓ
の値が正のときにＬレベルとなり、負のときにＨレベル
となる信号である。信号Ｓｍｓの位相は測定信号Ｓｍ１
の位相から９０°（＝π／２）遅れているので、図２４
に示すように、第１の切換信号ＳＳ１は信号Ｓｍｓの第
１の位相区間［（π／２＋２ｎπ）〜（３π／２＋２ｎ
π）］でＨレベルとなり、第２の切換信号ＳＳ２は信号
Ｓｍｓの第２の位相区間［（３π／２＋２ｎπ）〜（５
π／２＋２ｎπ）］でＨレベルとなる。これらの切換信
号ＳＳ１、ＳＳ２は切換器１５２ｃに与えられる。

【００７０】なお、上述のように信号Ｓｍｓのゼロクロ
スポイントで切換信号ＳＳ１、ＳＳ２のレベルを切り換
えた結果、これらのＨレベルとＬレベルの期間が等しく
ならない場合がある。この場合には、切換信号発生器１
５２ｂにおいて切換えを行なう信号レベル（スライスレ
ベル）を調整することによって、ＨレベルとＬレベルの
期間が等しくなるように（すなわちデューティが５０％
になるように）すればよい。

【００７１】切換器１５２ｃには、これらの切換信号Ｓ
Ｓ１、ＳＳ２とともに、印加信号Ｓａ１とその反転信号
−Ｓａ１（図２４の最上部に破線で示す。）とが入力さ
れる。反転信号−Ｓａ１は１８０°位相器１５２ｄによ
って印加信号Ｓａ１の位相を１８０°遅らせることによ
って生成される。切換器１５２ｃは、第１の切換信号Ｓ
Ｓ１がＨレベルになっている期間において印加信号Ｓａ
１を検波部１５２の出力信号ＳＭとして出力し、また、
第２の切換信号ＳＳ２がＨレベルになっている期間にお
いて反転信号−Ｓａ１を検波部１５２の出力信号ＳＭと
して出力する。この結果、出力信号ＳＭは図２４に示す
ように、測定信号Ｓｍ１の２つの位相区間［（π／２＋
２ｎπ）〜（３π／２＋２ｎπ）］、［（３π／２＋２
ｎπ）〜（５π／２＋２ｎπ）］で互いに等しい波形の
信号となる。

【００７２】積分器１５３は、検波部１５２の出力信号
ＳＭを各位相区間［（π／２＋２ｎπ）〜（３π／２＋
２ｎπ）］、［（３π／２＋２ｎπ）〜（５π／２＋２
ｎπ）］ごとに積分して積分信号ＳＩを生成する。この
積分信号ＳＩはバッファアンプ１５４でβ倍され、β倍
された信号β・ＳＩが電圧計１５５に与えられる。な
お、電圧計１５５の他の端子は接地されている。積分信
号ＳＩのレベルは、数式９および数式１０で与えられる
積分値Ｉｎに等しいので、電圧計１５５で測定される電
圧値は平行度調整用電極１１１と半導体ウエハとの間の
キャパシタンスＣの単調関数で表わされる値になってい
る。

【００７３】こうして電圧計１５５での測定値を示す信
号Ｓｃ１は、位置制御装置２６（図２参照）に与えら
れ、他の容量メータ１３２、１３３の測定値と比較され
ることによって、センサヘッドの底面と半導体ウエハ１
００との間の平行度が調整される。

【００７４】上述のように、この実施例の容量メータ１
３１は測定信号Ｓｍ１の所定の位相区間を基準にして印
加信号Ｓａ１を積分することによってキャパシタンスＣ
に比例した値を求めている。図２４にも示したように、
電源信号である印加信号Ｓａ１はきれいな正弦波である
のに対して、測定信号Ｓｍ１はノイズ成分を含む歪んだ
波形を有している。上記実施例とは逆に、印加信号Ｓａ
１の位相区間を基準として測定信号Ｓｍ１を積分する方
法もあるが、この方法では積分値が測定信号Ｓｍ１のノ
イズ成分の影響をうけ易い。これに対して、上記実施例
ではきれいな正弦波の印加信号Ｓａ１を積分しているの
で、その積分値Ｉｎが測定信号Ｓｍ１のノイズの影響を
受けにくいという利点がある。

【００７５】また、上述の容量メータでは、被測定容量
の一方の電極としての電極２０２を接地し、他方の電極
としての平行度調整用電極に抵抗Ｒを介して印加信号を
印加する。すなわち、この容量メータを用いればシング
ルエンドモードで被測定容量の容量値に依存する測定値
を求めることができるので、複数の容量値に依存する測
定値を、互いの測定値に影響を与えること無く同時に測
定できるという利点がある。

【００７６】図２５は、センサヘッドの底面の傾きと各
平行度調整用電極１１１〜１１３の容量Ｃｅとの関係を
示すグラフである。図の（ａ）に示す平行度調整用電極
１１１〜１１３の寸法は、以下の通りである。 内径ｒ０＝０．０８ｃｍ 外径ｒ１＝０．１２ｃｍ 電極間の隙間△ｇ＝０．０７ｃｍ

【００７７】図２５（ｂ）の結果は、図の（ａ）および
（ｃ）に示すように、軸αを中心にしてセンサヘッドの
底面を傾けた条件で各電極の容量を算出したものであ
る。軸αは、電極１１２と１１３との鏡面対称の軸であ
る。センサヘッドの底面が角度θだけ傾いているとき、
図の（ｃ）に示すように、電極１１１〜１１３の表面が
半導体ウエハ１００の表面と平行になる位置（図中の破
線の位置）からはずれる。この時、電極１１１〜１１３
の端部がその平行位置からずれる距離△ｄを図２５の
（ｃ）の横軸としている。

【００７８】平行度調整用電極１１１〜１１３の容量Ｃ
ｅは、上述のように、インピーダンスメータ２４の容量
メータ１３１〜１３３を用いて測定する。インピーダン
スメータ２４やホストコントローラ２８を含めた容量測
定系の精度を０．１ｐＦ程度にすることは、比較的容易
である。容量測定系の精度を０．１ｐＦとすると、図２
５（ｂ）から、距離△ｄが０．０１μｍ以下となるよう
に平行度を調節できることがわかる。なお、距離△ｄが
０．０１μｍの時、センサヘッドの底面の傾き角θは約
０．０００５゜であり、無視できる程度である。

【００７９】図２６は、軸αと直角な軸βを中心にして
センサヘッドが傾いている場合における距離△ｄと各平
行度調整用電極の容量Ｃｅとの関係を示すグラフであ
る。この場合にも、図２５の場合と同様に、容量測定系
の精度を０．１ｐＦとすれば、距離△ｄが０．０１μｍ
以下となるように平行度を調節することができる。

【００８０】このように、センサヘッドの底面に平行度
調整用の電極を３つ設けて、それらに３相交流信号を印
加して容量を測定し、それらの容量値が互いにほぼ等し
くなるように３台の圧電アクチュエータ部４４〜４６を
駆動すれば、センサヘッドの底面（すなわち、測定用電
極２０１の表面）と半導体ウエハ１００の表面との平行
度を精度よく調節することが可能である。なお、このと
き各平行度調整用電極の容量値を正確に求める必要はな
く、それらの値が互いに等しくなるように圧電アクチュ
エータ部を制御すればよい。

【００８１】このように、平行度調整用電極１１１〜１
１３に３相交流信号を印加すれば、測定用電極２０１の
電位が３相交流電源の中性点ＮＰと等しい電位に保たれ
るので、平行度調整用電極に印加する交流信号が測定用
電極に対する外乱になることがない。したがって、平行
度を調整しつつ、Ｃ−Ｖ測定などの電気測定を正確に行
なうことができるという利点がある。

【００８２】また、上記実施例では３相交流電源の中性
点ＮＰも半導体ウエハの裏面の電極２０２も共に接地さ
れているので、平行度が保たれていれば、電極２０２と
測定用電極２０１との間を（すなわち、半導体ウエハの
中を）電流が流れることがない。この点も、測定用電極
を用いた電気測定を正確に行なう上の利点となってい
る。

【００８３】さらに、電極２０２と測定用電極２０１と
の間を電流が流れることがないので、導電性の試料テー
ブル３８を電極２０２として用いる場合に、半導体ウエ
ハ１００の裏面と試料テーブル３８との間のインピーダ
ンスを小さくしなくても平行度を正確に調整できる。す
なわち、半導体ウエハ１００と試料テーブル３８との密
着性にあまり注意することなく導電性の試料テーブル３
８を電極２０２として用いることができるという利点が
ある。

【００８４】また、容量メータ１３１〜１３３は、ブリ
ッジを用いずにシングルエンドモードで測定できるの
で、複数の平行度調整用電極の容量値に依存する測定値
を、互いの測定値に影響されること無く測定できるとい
う利点がある。さらに、測定信号Ｓｍ１〜Ｓｍ３の所定
の位相区間において印加信号Ｓａ１〜Ｓａ３を積分する
ことによって容量値に応じた測定値を求めるので、測定
信号Ｓｍ１〜Ｓｍ３のノイズ成分に影響されること無く
測定値を求めることができるという利点もある。

【００８５】なお、平行度調整用電極としては、一般
に、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の互いに等しい形状の電
極を、測定用電極に対して互いに対称な位置に設ければ
よい。この場合に、各電極に印加される交流印加信号
は、周波数と起電力とが互いに等しく位相が２π／Ｎず
つ異なる対称Ｎ相信号とする。

【００８６】電気測定を行なっている間に平行度が崩れ
る心配が無い場合には、位相差の無い（すなわち同位相
の）Ｎ個の交流信号をＮ個の平行度調整用電極に印加し
てもよい。この場合には、まず平行度調整用電極を用い
て平行度を調整し、その平行度を保持したまま、平行度
調整用電極に信号を印加することなく測定用電極を用い
て電気測定を行なう。ただし、上述のように対称Ｎ相信
号を用いるようにすれば、測定用電極に外乱を与えるこ
とがなく、かつ、半導体ウエハに平行度調整の印加信号
に起因する電流が流れないので、平行度を調整しつつ電
気測定を高精度で行なうことができるという利点があ
る。

【００８７】なお、同位相の交流信号を平行度調整用電
極に印加する場合には、測定用電極の形状と平行度調整
用電極の形状とを等しくすれば、平行度調整用電極を測
定用電極としても利用できるので、Ｎ個の平行度調整用
電極の内の１つを測定用電極として利用することもでき
る。

【００８８】なお、この発明は上記実施例に限られるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の
態様において実施することが可能であり、例えば次のよ
うな変形も可能である。この発明は、Ｃ−Ｖ測定装置用
のセンサヘッドに限らず、一般に、測定用電極と半導体
基板との間の電気特性を非接触で測定する装置に利用さ
れるセンサヘッドに適用できる。他の電気測定として
は、例えば、ゼルブスト法によって合成容量Ｃｔａの時
間依存性を調べることにより、半導体表面近傍の特性を
評価するものなどがある。また、インピーダンスメータ
２４によってコンダクタンスを測定すれば、半導体基板
１０１と酸化膜１０２との界面における界面準位などを
評価することも可能である。さらに、半導体基板の洗浄
処理、熱酸化処理、酸化膜の安定化熱処理等の各処理の
間に、半導体ウエハに酸化膜が形成されていない状態で
Ｃ−Ｖ測定を実行すれば、これらの各処理の良否を判定
することができる。

【００８９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の非接触電
気測定用センサによれば、互いにほぼ平行な第１と第２
の表面を有する透光性部材を用いているので、フォトリ
ソグラフィによって第１の表面上に電極を容易に形成す
ることができる。従って、非接触電気測定に適したセン
サを容易に製作できるという効果がある。

【００９０】透光性部材に錘状部を設け、この錘状部に
電気配線を形成するようにすれば、レーザ光の反射面よ
りも半導体ウエハから遠い位置で外部のリード線とセン
サの電気配線とを接続することができる。従って、例え
ば銀ペーストで接続する場合にも、接続部の盛り上がり
が反射面と半導体ウエハとのギャップに挟まれる心配が
ないという効果がある。

【００９１】また、前記第１の表面において、前記電気
測定用電極に対して互いに対称な位置に設けられた互い
に等しい形状のＮ個（Ｎは３以上の整数）の平行度調整
用電極を備えるようにすれば、Ｎ個の平行度調整用電極
の容量が互いに等しくなるようにセンサの第１の表面の
傾きを調整することによって、第１の表面と半導体ウエ
ハの平行度を調整することができるという効果がある。

【００９２】前記第１の表面と前記錘状部の側面との間
に、前記第１の表面とほぼ平行で前記第１の表面よりも
前記第２の表面に近い位置に形成された配線形成面を備
えるようにし、該配線形成面に前記電気測定用電極と接
続された電気配線を形成すれば、配線形成面と半導体ウ
エハとの間に発生する寄生容量の値を小さくできるの
で、電気測定の精度を向上させることができるという効
果がある。

【００９３】また、前記電気測定用電極を、前記第１の
表面に設けられた電極用溝に配置するようにすれば、透
光性部材の反射面と半導体ウエハとの間のギャップをよ
り小さくすることができるので、ギャップ測定の精度を
向上させることができるという効果がある。

【００９４】さらに、前記レーザ光を前記透光性部材に
導入するとともに、前記反射面で反射された前記レーザ
光を前記透光性部材の外部に出射する光導波手段を備え
るようにすれば、レーザ光を透光性部材に容易に導入す
ることができるという効果がある。

【００９５】前記電気測定用電極と前記平行度調整用電
極との間に、所定の電位が与えられるガードリング電極
を形成するようにすれば、複数の電極の相互の干渉を低
減することができ、これによって平行度調整や電気測定
の精度を向上させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体の電気測定方法の概要を示す概念図。

【図２】この発明の一実施例としての電気測定装置の構
成を示す図。

【図３】電極形成部の底面とそのＢ−Ｂ断面を示す図。

【図４】センサヘッドの配線の接続状態を示す正面図。

【図５】平坦な底面を有する電極形成部の形状と、非測
定容量および寄生容量を模式的に示す説明図。

【図６】段差のある底面を有する電極形成部の形状と、
非測定容量および寄生容量を模式的に示す説明図。

【図７】ギャップ測定の分解能を示すグラフ。

【図８】段差のある底面を有する電極形成部を示す断面
図。

【図９】底面に電極パターンを埋め込んだ構造を有する
電極形成部を示す断面図。

【図１０】電極パターンを反射面よりも深く埋め込んだ
構造を有する電極形成部を示す断面図。

【図１１】コーンガラスの製造工程を示す断面図。

【図１２】コーンガラスの底面に電極パターンを形成す
る主要な工程を示す断面図。

【図１３】電極パターンの形成に用いられるレジストパ
ターン７０４を示す平面図。

【図１４】センサヘッドの他の構成を示す断面図。

【図１５】センサヘッドのさらに他の構成を示す断面
図。

【図１６】センサヘッドの他の構成を示す断面図。

【図１７】センサヘッドのコネクタ構成を示す図。

【図１８】電極間の等価回路を示す説明図。

【図１９】交流電源と平行度調整用電極の基本的接続関
係を示す図。

【図２０】交流電源と平行度調整用電極と容量メータと
の接続関係を示す図。

【図２１】交流電源と抵抗と平行度調整用電極と半導体
ウエハの電極との間の等価回路を示す説明図。

【図２２】容量メータにおける積分値と被測定容量との
関係を示すグラフ。

【図２３】容量メータの内部構成を示すブロック図。

【図２４】容量メータ内の主要な信号を示すタイミング
チャート。

【図２５】プリズムの底面の傾きと平行度調整用電極の
容量との関係を示すグラフ。

【図２６】プリズムの傾きと各平行度調整用電極の容量
との関係を示すグラフ。

【符号の説明】

２０ 測定部 ２２ 光量測定器 ２４ インピーダンスメータ ２６ 位置制御装置 ２８ ホストコントローラ ３２ ベース ３４ 駆動装置 ３４ａ ボールネジ部 ３６ 架台 ３８ 試料テーブル ４０ 筺体 ４２ フランジ ４４〜４６ 圧電アクチュエータ部 ５０ 支持板 ６０ センサヘッド ６２ 直角プリズム ６４ 電極形成部 ６６ コーンガラス ６６ａ 底面 ６６ｂ 側斜面 ６６ｃ 反射面 ７０ レーザ発振器 ７２ 受光センサ １００ 半導体ウエハ １０１ 半導体基板 １０２ 酸化膜 １０３ 空乏層 １１１〜１１３ 平行度調整用電極 １１６ リード線 １２０ ガードリング １３０ 交流電源 １３１〜１３３ 容量メータ １５１ バッファアンプ １５２ 検波部 １５３ 積分器 １５４ バッファアンプ １５５ 電圧計 ２００ 電極パターン ２０１ 電気測定用電極 ２０２ 電極 ３００ 電極保持ユニット ４００ 測定部 ５００ 電極形成部 ５０２ コーンガラス ５１０ 電極形成部 ５１２ コーンガラス ５２０ 電極形成部 ５２１ 円盤状ガラス ５２２ コーンガラス ５３０ センサヘッド ５３２ 直角プリズム ５３４ 保持具 ５４０ センサヘッド ５４２ 直角プリズム ５４４ 電極形成部 ５５０ センサヘッド ５５２ 直角プリズム ５５４ 電極形成部 ５５６ 貫通孔 ５６０ センサヘッド ５６２ 直角プリズム ５６４ 電極形成部 ５６６ 貫通孔 ７０２ レジスト ７０４ レジストパターン ７０６ 金属 Ｃｇ 被測定容量 Ｃｐ 寄生容量 Ｇｅ ギャップ Ｌ レーザ光 ＭＤ 電気測定装置

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハの表面との間にギャップを
   隔ててほぼ平行に保持される反射面を有し、該反射面で
   反射されるレーザ光の強度に基づいて前記ギャップを測
   定するとともに、前記半導体ウエハの電気特性の測定を
   行なう非接触電気測定用センサであって、 前記反射面を含む第１の表面と、前記第１の表面とほぼ
   平行な第２の表面とを有する透光性部材と、 前記第１の表面に形成された電気測定用電極と、 を備えることを特徴とする非接触電気測定用センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の非接触電気測定用センサ
   であって、 前記透光性部材は、前記第１の表面から前記第２の表面
   側に向けて錘状に広がる錘状部を有し、 該錘状部の側面に、前記電気測定用電極と接続された電
   気配線が形成されている非接触電気測定用センサ。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の非接触電気測
   定用センサであって、 前記第１の表面において、前記電気測定用電極に対して
   互いに対称な位置に設けられた互いに等しい形状のＮ個
   （Ｎは３以上の整数）の平行度調整用電極を備える非接
   触電気測定用センサ。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の非
   接触電気測定用センサであって、 前記透光性部材は、前記第１の表面と前記錘状部の側面
   との間に、前記第１の表面とほぼ平行で前記第１の表面
   よりも前記第２の表面に近い位置に形成された配線形成
   面を備え、該配線形成面に前記電気測定用電極と接続さ
   れた電気配線が形成されている非接触電気測定用セン
   サ。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の非
   接触電気測定用センサであって、 前記電気測定用電極は、前記第１の表面に設けられた電
   極用溝に配置されている非接触用電気測定用センサ。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかに記載の非
   接触電気測定用センサであって、さらに、 前記レーザ光を前記透光性部材に導入するとともに、前
   記反射面で反射された前記レーザ光を前記透光性部材の
   外部に出射する光導波手段を備える非接触用電気測定用
   センサ。
7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれかに記載の非
   接触電気測定用センサであって、さらに、 前記電気測定用電極と前記平行度調整用電極との間に、
   所定の電位が与えられるカードリング電極が形成されて
   いる非接触電気測定用センサ。