JPH08201463A - 表面電荷測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、上記問題点を解決し、試料材質に
影響されることなく高分解能かつ高精度に試料の表面電
荷量を測定できる表面電荷測定器を提供する。 【構成】 本発明は、片持ち支持された弾性片に取り付
けた導電性を有する探針２と、前記探針２の変位量を検
出する変位センサ４とを有し、前記探針２で試料表面を
探査し表面電荷量を測定する表面電荷測定器において、
前記弾性片を高さ方向に微動する微動機構５と、前記変
位センサ４により検出した変位量を記憶する記憶部２１
と、前記変位センサ４により検出した変位量に基づき試
料表面の高さを演算する演算部６と、この演算部６の演
算結果に基づき前記記憶部２１より試料表面１の高さに
応じた変位量を読み出し表示部１４の表示に供する制御
部２０とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種試料の表面電荷を
測定する表面電荷測定器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の表面電荷測定器として
は、特開平５−２７３２７７６号公報に開示されたもの
が知られている。

【０００３】同公報に開示された表面電荷測定器は、図
６に示すように、ホルダ１１１に片持ち支持されたカン
チレバー１０２の先端において試料１００の被測定表面
１００ａに向けて取り付けたプローブ１０１と、このプ
ローブ１０１に対して被測定表面１００ａを両者間のＺ
軸方向の距離が原子間力の作用範囲よりも大きく、か
つ、クーロン力の範囲にあるように移動可能に支持する
ピエゾステージ１１２と、前記プローブ１０１に作用す
るクーロン力に基づくカンチレバー１０２の撓み量を検
出する撓み量検出手段１０４と、被測定表面１００ａの
凹凸を非接触で測定する非接触光変位測定系（光セン
サ）１０３と、非接触光変位測定系１０３の測定結果を
基準とし、撓み量検出手段１０４により検出した撓み量
を基に試料１００の被測定表面１００ａの電荷量を測定
する電荷検出手段１１３とを具備している。

【０００４】前記撓み量検出手段１０４は、レーザ電源
１２１、レーザダイオード（ＬＤ）１２２、ビームスプ
リッタ１２３、集光レンズ１２４、光検出器１２５、１
２６、絞り１２７等を具備している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、試料１００
の表面電荷量の測定は、被測定表面１００ａから一定の
高さで測定する必要がある。しかし、上述した従来の表
面電荷測定器の場合には、非接触光変位測定系１０３に
より被測定表面１００ａの高さを測定している為、セレ
ン系帯電体等のように光に感応する試料１００の場合、
この試料１００に光を照射すると表面電荷量が変化して
しまい正確な測定ができないという問題がある。

【０００６】また、この種の表面電荷測定器においてい
は、被測定表面１００ａに対してμｍ以下の空間分解能
が要求されるにも拘らず、図５に示す従来の表面電荷測
定器の場合、非接触光変位測定系１０３の空間分解能は
数μｍ程度であり、空間分解能が不十分であるという問
題がある。

【０００７】さらに、従来の表面電荷測定器の場合、撓
み量検出手段１０４と非接触光変位測定系１０３とが分
離した構成であるため、これら双方の測定部位の位置の
補正を行う必要が有り、測定部位の位置ずれによる測定
誤差が生じ易いという問題がある。

【０００８】本発明は、上記問題点を解決し、試料材質
に影響されることなく高分解能かつ高精度に試料の表面
電荷量を測定できる表面電荷測定器を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
片持ち支持された弾性片に取り付けた導電性を有する探
針と、前記探針の変位量を検出する変位センサとを有
し、前記探針で試料表面を探査し表面電荷量を測定する
表面電荷測定器において、前記弾性片を高さ方向に微動
する微動機構と、前記変位センサにより検出した変位量
を記憶する記憶部と、前記変位センサにより検出した変
位量に基づき試料表面の高さを演算する演算部と、この
演算部の演算結果に基づき前記記憶部より試料表面の高
さに応じた変位量を読み出し表示部の表示に供する制御
部とを有することを特徴とするものである。

【００１０】請求項２記載の発明は、片持ち支持された
弾性片に取り付けた導電性を有する探針と、前記探針の
変位量を検出する変位センサとを有し、前記探針で試料
表面を探査し表面電荷量を測定する表面電荷測定器にお
いて、前記弾性片を高さ方向に微動する微動機構と、こ
の微動機構による前記弾性片の微動を最小に設定する設
定部と、この設定部による設定に基づく微動機構の最小
の微動に伴って前記変位センサにより検出される変位量
を記憶する記憶部と、前記変位センサにより検出した変
位量に基づき試料表面の高さを演算する演算部と、この
演算部の演算結果に基づき前記記憶部より試料表面の高
さに応じた変位量を読み出し表示部の表示に供する制御
部とを有することを特徴とするものである。

【００１１】請求項３記載の発明は、片持ち支持された
弾性片に取り付けた導電性を有する探針と、前記探針の
変位量を検出する変位センサとを有し、前記探針で試料
表面を探査し表面電荷量を測定する表面電荷測定器にお
いて、前記弾性片を高さ方向に微動する微動機構と、こ
の微動機構による前記弾性片の微動を最小に設定する設
定部と、前記試料表面と前記探針との間に電位差を付与
するバイアス回路と、前記設定部による設定に基づく微
動機構の最小の微動に伴って前記変位センサにより検出
される変位量を記憶する記憶部と、前記変位センサによ
り検出した変位量と前記バイアス回路による電位差とを
基に試料表面の高さを演算する演算部と、この演算部の
演算結果に基づき前記記憶部より試料表面の高さに応じ
た変位量を読み出し表示部の表示に供する制御部とを有
することを特徴とするものである。

【００１２】

【作用】請求項１記載の表面電荷測定器における微動機
構は、前記弾性片を高さ方向に微動させ探針を変位させ
てこの探針により試料表面を探査させる。変位センサ
は、前記探針の高さ方向の変位量を検出する。前記記憶
部は、変位センサにより検出した変位量を記憶し、ま
た、前記演算部は、前記変位センサにより検出した変位
量に基づき試料表面の高さを演算する。前記制御部は、
演算部の演算結果に基づき前記記憶部より試料表面の高
さに応じた変位量を読み出し表示部の表示に供する。こ
のような動作により、試料材質に影響されることなく高
分解能かつ高精度にこの試料の表面電荷量を測定でき
る。

【００１３】請求項２記載の表面電荷測定器によれば、
請求項１記載の表面電荷測定器と同様な作用を発揮する
とともに、前記設定部により前記微動機構の動作を最小
に設定することにより、試料の表面電荷量の測定の際の
探針の位置をクーロン力の影響しない位置とすることが
でき、試料の表面電荷量の測定速度が高速になる。

【００１４】請求項３記載の表面電荷測定器によれば、
請求項２記載の表面電荷測定器と同様な作用を発揮する
とともに、前記試料表面と前記探針との間に電位差を付
与するバイアス回路を設けたので、試料表面よりバイア
ス回路による電位差に相当する分だけ高い位置で試料の
表面電荷量を測定でき、より安定した測定が可能とな
る。

【００１５】以下本発明をさらに詳述する。本発明の表
面電荷測定器は、図１に示すように、弾性片であるバネ
部材３の一端を微動機構５により保持し、このバネ部材
３の他端により導電性を有する探針２を支持する。試料
１は、表面を探針２に対向配置するとともに裏面側を接
地する。試料１からの静電力は、バネ部材３の撓み量に
変換され、変位センサ４は、この撓み量を検出し、これ
を演算部６及び記憶部２１に送出する。

【００１６】また、制御部２０は、微動機構５を駆動制
御し、探針２と試料１との間隔を変化させるとともに、
演算部６の出力の変化を検出し、この時の微動機構５の
制御量と変位センサ４からの出力に基づき記憶部２１か
ら撓み量を読み出し表示部１４に表示する。前記演算部
６は、簡単な微分回路及び比較器で構成し、前記変位セ
ンサ４の出力の変化量を逐次検出し制御部２０に出力す
る。

【００１７】試料１の表面の電荷量の測定は、試料１の
表面からの高さＬに影響される為、表面の高さＬを正確
に検出し一定の高さＬで測定する必要がある。この為、
制御部２０により微動機構５を動作させ、バネ部材３に
保持された探針２を試料１の表面に接近させる。この
時、探針２と試料１の間にはクーロン力が働き、バネ部
材３を撓ませる。この撓み量の変位は、変位センサ４で
検出される。図２は、試料１の表面に探針２を接近させ
た時の微動量と、この時のバネ部材３の撓み量との関係
を示す変位曲線を示したもので、探針２を試料１の表面
に接近させることにより探針２と試料１との間隔は狭く
なり、従ってクーロン力が増加し撓み量は大きくなる。
さらに接近させると、試料１の表面の位置で試料１に衝
突し、これ以降は表面から生ずる斥力により変位する。

【００１８】前記記憶部２１により、この一連の動作を
微動機構５の制御量と撓み量とを対応させて記憶し、さ
らに制御部２０により、前記試料１の表面との衝突位置
における微動機構５の制御量と衝突位置における撓み量
とを読み取り、これらにより測定点を求め、この測定点
の高さＬに対応した撓み量を前記記憶部２１から読み出
し表示部１４に表示することにより、試料１の表面の電
荷量を測定できる。前記演算部６は、前記衝突位置を検
出する作用をする。

【００１９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。

【００２０】［第１実施例］ （構成）図３に本発明の第１実施例の表面電荷測定器を
示す。この表面電荷測定器は、略コ字状に形成した基部
７を備え、基部７の上側に変位センサ４、微動機構５
を、基部７の下側にＺステージ９を配置する構造となっ
ている。Ｚステージ９は、クロスローラステージで構成
し、ＸＹステージ８と試料１とを変位センサ４に対峙さ
せつつＺ方向に微動させるようになっている。

【００２１】前記ＸＹステージ８は、圧電素子を材料に
したチューブスキャナやトライポッド形状に構成した積
層ＰＺＴで構成され、試料１を上面に保持してこの試料
１をＸ方向及びＹ方向に微動可能としている。

【００２２】前記バネ部材３の一端は微動機構５により
保持され、他端側を前記試料１の上方に臨ませるととも
に、このバネ部材３の他端側に探針２を保持するように
なっている。

【００２３】前記バネ部材３は、数μｍ乃至数百μｍ厚
の薄い燐青銅の薄片等の導電性を有する弾性材料で構成
し、また、探針２は、ダイヤモンドの先端を加工先鋭化
して構成し、さらに導電性を持たせるためイオン交換法
でイオン注入処理したものをバネ部材３に接着材等で固
定する。

【００２４】また、前記探針２とバネ部材３とを半導体
製作プロセスにより形成し、さらに導電性を持たせる
為、表面に金を蒸着したものを使用することもできる。

【００２５】前記微動機構５は、微動可能な圧電素子で
構成する。前記変位センサ４は、市販の光変位センサ又
は静電容量変位センサ等を用い、探針２の変位を測定で
きる位置、即ち、探針２の上部に配置する。また、前記
変位センサ４に接続した微分回路１２は、この変位セン
サ４からの信号を微分する微分回路又は差分回路等で構
成する。前記ＸＹステージ８を駆動する駆動回路１１及
び前記微動機構５を駆動する駆動回路１３は、簡略な増
幅回路で構成でき、制御手段１０からの指令によりＸＹ
ステージ８及び微動機構５を各々動作させるようになっ
ている。

【００２６】制御手段１０は、図１の制御部２０に相当
するＣＰＵにより駆動回路１１及び駆動回路１３を動作
させるとともに、変位センサ４の出力をこの制御手段１
０に搭載した図１に示す記憶部２１に相当するメモリに
記憶させ、また、前記微分回路１２の出力信号を図１に
示す演算部２１に相当する演算回路に取り込み、演算回
路の演算結果を基にメモリの記憶データを表示部１４に
出力して表示するようになっている。

【００２７】（作用）試料１表面の電荷を測定する為、
制御手段１０の指令によりＺステージ９を動作させ探針
２を試料１に接近させ、探針２と試料１とのクーロン力
によるバネ部材３の撓み量を制御手段１０のメモリに記
憶する。この撓み量は、試料表面の電荷量の影響だけで
なく、探針２と試料表面との距離にも依存する為、試料
表面の位置を正確に検出する必要がある。この為探針２
と試料１との衝突位置を変位センサ４と微分回路１２に
より検出し、この時のバネ部材３の撓み量と微動機構５
の制御量を加算する事により、正確に試料表面の位置を
検出する。微分回路１２は、試料表面と探針２が衝突す
ることによる変位センサ４の出力変化を検出する作用を
し、衝突点では、変位センサ４の出力の微分値がマイナ
スからプラスに変化することを利用している。制御手段
１０に搭載した演算回路は、探針２の衝突位置より正確
な試料表面位置を演算し、制御部はこの演算結果に対応
してメモリより先に記憶した撓み量のデータを読み出
し、これを表示部１４に表示する。試料１の表面電荷分
布を測定するには、試料１をＸ方向とＹ方向に順次移動
させながら電荷量を検出する必要がある。この為ＸＹス
テージ８を順次移動させ電荷検出を順次行い、この検出
結果を表示部１４に２次元表示する。

【００２８】（効果）本実施例の表面電荷測定器によれ
ば、試料１の衝突位置より正確な試料表面位置を検出で
きるため、試料表面の電荷量の分布を高精度に測定でき
る。

【００２９】［第２実施例］ （構成）本発明の第２実施例の表面電荷測定器は、図４
に示すように、図３に示す第１実施例の表面電荷測定器
の構成に加えて、キースイッチ又は可変抵抗体により構
成した設定部１５を制御手段１０に接続したことが特徴
である。

【００３０】（作用）試料表面の電荷分布測定のように
微動機構５の動作を多数回実行し電荷測定を行う場合
は、測定毎に探針２をクーロン力が影響しない位置まで
引き上げなければならず、測定スピードが遅くなる。こ
の為、第２実施例の表面電荷測定器においては、前記設
定部１５により、微動機構５の動作を最小にするように
電荷測定時に検出される試料表面との衝突位置を基準と
して探針２の引き上げ量を設定し、微動機構５を制御す
る。この場合、前記設定部１５により、探針２の引き上
げ量を前記電荷測定点以上に引き上げるよう設定する。
この他の作用は、第１実施例の場合と同様である。

【００３１】（効果）本実施例の表面電荷測定器によれ
ば、微動機構５の動作が最小の動きをするため、試料表
面の電荷分布測定の測定速度が高速になる利点がある。

【００３２】［第３実施例］ （構成）図５に本発明の第３実施例の表面電荷測定器の
構成を示す。第３実施例の表面電荷測定器は、図４に示
す第２実施例の表面電荷測定器と略同様な構成である
が、定電圧源回路で構成したバイアス回路１７を付加し
たこと、変位センサ４の出力を演算部６及び制御手段１
０Ａに送出するようにしたこと、制御手段１０Ａにメモ
リを搭載したことが特徴である。

【００３３】前記バイアス回路１７は、一方の電極を試
料１の底部に接続し、他方の電極をを導電性を有するバ
ネ部材３を介し探針２に接続している。演算部６は、比
較器等で構成でき、バイアス回路１７の出力電位と、変
位センサ４の出力とを比較演算しその結果を制御手段１
０Ａに送出するようになっている。この他の構成は第２
実施例と同様である。

【００３４】（作用）第３実施例の表面電荷測定器にお
いては、試料１と探針２の衝突を避けるため、バイアス
回路１７によりこの両者間に電位差を与える。この電位
差は、試料１と探針２との間に働くクーロン力となり、
探針２の実際の衝突位置は、電位差を与えない時の衝突
位置より下方となりうる。従ってバイアス回路１７によ
り試料１と探針２との間に電位差を与え、微動機構５で
探針２を微動させ、変位センサ４で探針２の変位を検出
し、探針２の変位量と前記バイアス回路１７による電位
差を演算部６で比較することにより、試料表面より電位
差だけ高い位置で試料の表面の高さＬを検出できる。こ
の作用により実際の衝突位置まで探針を下げること無く
試料表面位置を見かけ上検出し、この位置を基準とし測
定点を定め試料表面の電荷量の測定を行うことができ
る。

【００３５】（効果）第３実施例の表面電荷測定器によ
れれば、試料１と探針２とが衝突せず電荷量を測定でき
る為、試料表面にダメージを与えず、また、衝突による
電荷の放電が無いため試料表面の電荷量を安定した状態
で何度でも測定できる。

【００３６】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、試料材質
に影響されることなく高分解能かつ高精度にこの試料の
表面電荷量を測定できる表面電荷測定器を提供すること
ができる。

【００３７】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の効果に加えて、試料の表面電荷量の測定速度
の高速化を図ることができる表面電荷測定器を提供する
ことができる。

【００３８】請求項３記載の発明によれば、請求項２記
載の発明の効果に加えて、より安定した測定が可能な表
面電荷測定器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表面電荷測定器の構成を示すブロック
図である。

【図２】本発明の表面電荷測定器における微動機構によ
る微動量と、バネ部材の撓み量との関係を示す変位曲線
を示すグラフである。

【図３】本発明の表面電荷測定器の第１実施例の構成を
示すブロック図である。

【図４】本発明の表面電荷測定器の第２実施例の構成を
示すブロック図である。

【図５】本発明の表面電荷測定器の第３実施例の構成を
示すブロック図である。

【図６】従来例の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 試料 ２ 探針 ３ バネ部材 ４ 変位センサ ５ 微動機構 ６ 演算部 １０ 制御手段 １４ 表示部 １５ 設定部 １７ バイアス回路 ２０ 制御部 ２１ 記憶部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 片持ち支持された弾性片に取り付けた導
   電性を有する探針と、前記探針の変位量を検出する変位
   センサとを有し、前記探針で試料表面を探査し表面電荷
   量を測定する表面電荷測定器において、前記弾性片を高
   さ方向に微動する微動機構と、前記変位センサにより検
   出した変位量を記憶する記憶部と、前記変位センサによ
   り検出した変位量に基づき試料表面の高さを演算する演
   算部と、この演算部の演算結果に基づき前記記憶部より
   試料表面の高さに応じた変位量を読み出し表示部の表示
   に供する制御部とを有することを特徴とする表面電荷測
   定器。
2. 【請求項２】 片持ち支持された弾性片に取り付けた導
   電性を有する探針と、前記探針の変位量を検出する変位
   センサとを有し、前記探針で試料表面を探査し表面電荷
   量を測定する表面電荷測定器において、前記弾性片を高
   さ方向に微動する微動機構と、この微動機構による前記
   弾性片の微動を最小に設定する設定部と、この設定部に
   よる設定に基づく微動機構の最小の微動に伴って前記変
   位センサにより検出される変位量を記憶する記憶部と、
   前記変位センサにより検出した変位量に基づき試料表面
   の高さを演算する演算部と、この演算部の演算結果に基
   づき前記記憶部より試料表面の高さに応じた変位量を読
   み出し表示部の表示に供する制御部とを有することを特
   徴とする表面電荷測定器。
3. 【請求項３】 片持ち支持された弾性片に取り付けた導
   電性を有する探針と、前記探針の変位量を検出する変位
   センサとを有し、前記探針で試料表面を探査し表面電荷
   量を測定する表面電荷測定器において、前記弾性片を高
   さ方向に微動する微動機構と、この微動機構による前記
   弾性片の微動を最小に設定する設定部と、前記試料表面
   と前記探針との間に電位差を付与するバイアス回路と、
   前記設定部による設定に基づく微動機構の最小の微動に
   伴って前記変位センサにより検出される変位量を記憶す
   る記憶部と、前記変位センサにより検出した変位量と前
   記バイアス回路による電位差とを基に試料表面の高さを
   演算する演算部と、この演算部の演算結果に基づき前記
   記憶部より試料表面の高さに応じた変位量を読み出し表
   示部の表示に供する制御部とを有することを特徴とする
   表面電荷測定器。