JPH0455767A - 静電気測定器 - Google Patents

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 本発明は、静電気を帯びた半導体基板表面などの電位を
測定する静電気測定器に関するものである。

従来の技術 近年の微細加工技術の進歩により、半導体装置はますま
す高集積化の一途をたどっている。これにともない半導
体装置を構成する絶縁膜の厚みも１０ｎｍを切るものも
あられれており、この薄い絶縁膜を、静電気などによる
絶縁破壊から守ることが、高い製造歩留まりを保つ上で
大きな鍵となっている。そのためには、まず、ドライプ
ロセスやウェットプロセスなどの製造工程における半導
体基板の帯電状態を正確に評価する技術が必須である。

以下、従来の静電気測定器について述べる。

第２図は、従来の静電気測定器の構成図である。第２図
において、１は被加工物、２はチョッパー　３は電極、
４は電流検出手段である電流計、５はモーター　６はス
テージである。

以上のように構成された、静電気測定器について、以下
その動作について説明する。

従来の方法では、電気的に接地されたステージ６上に置
いた被測定物１と、電極３の間隔を定められた距離りに
固定し、電気的に接地されたチョッパー２をモーター５
で回転させることによって、電極３に脈流の変位電流を
誘起し、この電流を電流検出手段４で検出することによ
って、被測定物１の電位を測定する。

今、被測定物１の電位をＶ（Ｖ）、被測定物１と電極３
の間の静電容量をＣ（Ｆ）、電極３の有効面積をＳ　（
Ｈｉ）、被測定物１と電極３との平均距離をＤ　（ｍ）
、誘電率をε（Ｆ／ｍ）とすると、電流検出手段４の検
出する電流１（Ａ）は、次式で表すこ七ができる。

■＝ユ＝旦・　　丈Σ・土・■（１） ■＝ ｄｔ　　ｄｔ　　　　　ｄｔ　　Ｄ このように電流Ｉは、チョッパー２によって電極３の有
効面積Ｓが変化するために生じる。これはチョッパー２
が図示しであるような回転式のものである場合は、チョ
ッパー２の分割数やモーター５の回転速度に依存する。

測定の条件を適当に定めれば、ｆｉ１式右辺のＶ以外は
既知の量となるので電流■を検出することによって被測
定物の電位Ｖの値を測定することが可能となる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記従来の構成では、以下に述べる問題点
があった。

まず、回転式チョッパーを用いる場合は、これを駆動す
るための機械部分が存在し、微小なゴミを多数発生する
。従って、ゴミの発生が製品の製造歩留に悪影響を及ぼ
す半導体装置の検査などの用途には適さない。

また、測定値が距離りやチョッパーの回転数などによっ
て変動するため、測定精度は通常の電圧測定と比較する
と大幅に低い。通常は、数Ｖ程度の精度となる。ただし
、回転数制御はクォーツロック方式などを利用すれば、
ｐｐｍオーダーの制御も可能であるが、装置が高価で複
雑なものになってしまう。

本発明の目的は上記従来方法のもつ問題点を解決するも
ので、経済性を損なうことなく、ゴミの発生がきわめて
少なくかつ、高精度で信頼性の高い静電気測定器を提供
するものである。

課題を解決するための手段 これらの目的を達成するために、本発明は、被測定物の
表面に近接する駆動機構を有する電極と、この電極に流
れる変位電流を検出する電流検出手段を備えている。

また、被測定物の表面に近接する駆動機構を有する電極
と、この電極に可変の電位を与える電源と、この電極に
流れる変位電流を検出する電流検出手段を備えている。

また、被測定物の表面に近接する電極と、この電極を流
れる変位電流を検出する電流検出手段と、被測定物と電
極との間を気密に保つ遮蔽板を備えている。

作用 これらの構成によって本発明の目的が達成される過程を
、以下に順を追って説明する。

被測定物と電極との間の距離を周期的に変化させること
により被測定物と電極間の静電容量が周期的に変化し、
被測定物と電極との間に電位差があれば、電極に変位電
流が流れる。この変位電流と被測定物の電位の関係は、
静電容量の変化量によって一義的に決まるので、変位電
流から被測定物の電位が測定できる。

容量の変化は電極と被測定物の間の距離の逆数の変化率
に比例するので、平均距離を小さく取れば、距離の変化
分が小さくても充分な容量変化率かえられる。従って、
駆動機構も、ボイスコイルや電圧素子を利用することが
でき、機械部分を著しく簡素化できる。従って、回転式
のチョッパーを用いる場合などと比較してゴミの発生が
著しく低減される。

また、測定精度は、おちにＤの制御精度に依存するが、
ボイスコイルや、電圧素子を利用できるので、電極の振
動振幅の制御も容易であり、容易に高い測定精度が得ら
れる。また、構造が単純であるので信頼性が高い。

電極に流れる変位電流は、被測定物と電源出力の電位差
と、被測定物と電極との静電容量の変化率との積に比例
する。まず、被測定物と電極との間の距離を周期的に変
化させることにより被測定物と電極間の静電容量が周期
的に変化するようにした上で、電極に印加する電位を変
化させて、変位電流がＯとなる電圧を調べる。変位電流
が０の時、電極と被測定物が互いに等電位となっている
ので、この時の電源電圧を読みとることにより、被測定
物の電位Ｖを測定することができる。

ここで、ゴミの発生が抑えられることや信頼性が高いこ
とは第１の発明と同様であるが、さらに、被測定物の電
位の測定に、容量や距離の絶対値を必要としないという
特徴が加わる。この場合、測定精度は主に電流が０の条
件を決めるための電流の検出感度に依存する。すなわち
、容量変化が大きく、電流検出手段である電流計の感度
が高いほどよいわけであるが、通常これらの値は十分高
い値を得ることができるので、従来のチョッパ一方式と
比較してコストをさほど上げることなく、高い測定精度
を得ることができる。

電極と被測定物との間が気密に保たれており、電極の振
動によりゴミが発生することが多少あっても、被測定物
に達することがなくきわめて正常な測定が可能となる。

また、気密に保った部分を減圧状態にすることも可能で
あり、振動が音波として伝搬してゴミの発生につながる
ことを防ぐこともできる。

実施例 以下第１の発明、第２の発明、第３の発明の実施例を、
それぞれ図面を参照しながら説明する。

第１図（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、第１の発明の実施
例、第２の発明の実施例、第３の発明の実施例に於ける
静電気測定器の構成図である。

第１図（Ａ）〜（Ｃ）において、１１は被測定物である
半導体基板、１２は駆動機構である圧電素子、１３は電
極、１４は電流検出手段である電流計、１５は接地され
たステージ、１６は静電遮蔽、１７は電源、１８は遮蔽
板である誘電体膜である。

第１の発明の実施例である第１図（Ａ）の装置について
、以下その動作を説明する。

被測定物である半導体基板１１は、ステージ１５の上に
固定され、その裏面がステージ１５を介して電気的に接
地されている。電極１３が駆動機構である圧電素子１２
によって上下に振動し、電極１３と被測定物１１との距
離が周期的に変化する。この圧電素子１２と電極１３と
の間は、適当な長さのアームによって接続されており、
てこの原理で圧電素子の振動が拡大されるようになって
いる。これにより電極１３と被測定物１１との間の静電
容量が変化し、被測定物１１の表面が帯電している場合
、電極１３に変位電流が流れる。これを電流検出手段１
４によって検出する。検出される電流１（Ａ）は、被測
定物１１の電位をＶ（Ｖ）、被測定物１１と電極１３と
の間の距離をＤ（ｍ）、静電容量Ｃ（Ｆ）、電極１３の
有効面積をｓ　ｃｒｒｔ＞とじて次式で表される。

Ｉ＝ｄＱ＝ｄＣ，ｖ−ｄ（１／Ｄ）、εｓ■　（２゜ｄ
ｔ　　ｄｔ　　　　　　ｄｉ ここで、（２）式右辺において■以外は既知とできるの
で、電流■から被測定物１１の電位Ｖが測定できる。

この方法では、容量Ｃの変化は電極１３と被測定物１１
の間の距離りの逆数の変化率に比例している。いま、距
離りの平均量を１（Ｉ）前後と充分小さく取ることによ
って、距離の変化量は、例えば０．５（＋ｏｎ）と小さ
くて済んでいる。本実施例のように電極１３を駆動機構
である圧電素子１２によって、てこの原理で駆動すれば
十分なストロークを得ることができることになり、機械
部分が著しく簡素化される。従って、経済的である上に
ゴミの発生が著しく低減されている。

また、測定の精度は、Ｄの制御精度に主に依存すること
になるが、圧電素子１２を利用しているので、電極１３
の振動振幅の制御も容易であり、高い測定精度が得られ
る。また、導電体でつくられた静電遮蔽１６は電極１３
に被測定物１１以外との間に変位電流が流れることを防
ぎ、測定精度の低下を防いでいる。この実施例では、１
７以上の測定精度を得ており、従来のチョッパ一方式と
比較して同一コストで約１桁の精度向上が図れた。この
ように構造がきわめて単純であるので信頼性も高い。

なお、本実施例では距離りの平均値を１（ｎ＋ｎ）前後
、距離の変化量を０．５（ｒａｎ）などとしたが、これ
は、実現できる機械的精度や、あるいは、測定に必要な
精度に応じて変更しても何等差し支えない。

第２の発明の実施例である第１図（Ｂ）の装置について
、以下その動作を説明する。

第２の実施例では第１の実施例に、電極１３の電位を可
変にする電源１７を備えた構成となっており、これによ
って、電極１３に流れる電流１（Ａ）は、被測定物１１
の電位をＶ（Ｖ）、電源１７により電極１３に与える電
位をｖ’　（ｖ）、被測定物１１と電極１３との間の距
離をＤ　（ｍ）、静電容量Ｃ（Ｆ）、電極１３の有効面
積をＳ　（ｎｆ）として次式で表される。

従って、電位Ｖ′を変化させ、電流Ｉが０（Ａ）となる
電圧では、ｖ＝ｖ’の関係が成り立っており、この時の
電源電圧から被測定物１１の電位Ｖを測定することがで
きる。

第２の実施例で、ゴミの発生が抑えられることや信頼性
が高いことは第１の実施例と同様であるが、さらに（３
）式より分かるように、被測定物１１の電位■の測定に
、容量Ｃや距離りや有効面８ＩＳ等の絶対値を必要とし
ないという新たな特徴が加わる。

測定精度は電流が０となる電源１７の電圧を決めるため
の検出感度に依存する。すなわち、容量Ｃの変化が大き
く、電流検出手段１４の感度が高いほどよいわけである
が、通常これらの値は十分高い値を得ることができるの
で、容易に高い測定精度を得ることができるという新た
な効果が生まれる。例えば、約Ｉ　ＱｍＶの精度を持つ
電源と約１ｎＡの測定精度を持つ交流電流計を使用し、
容量の変化量を１ｐＦ、変化の周期を１ｋＨｚとして、
約１０　ＱｍＶの測定精度を得ることができる。このよ
うに、従来のチョッパ一方式と比較して同一コストでお
よそ２桁の精度向上が図れる。

なお、電極１３の電位を電源１７によって接地電位から
変化させているが、これの代わりにステージ１５の電位
を変化させても良いことは言うまでもない。

第３の発明の実施例である第１図（Ｃ）の装置について
、以下その動作を説明する。

第３の実施例では、第２の実施例に、電極１３及び、そ
の駆動機構１２の周囲を石英製の遮蔽板１８と導電体で
つくられた静電遮蔽１６とによって被測定物１１に対し
気密に保つ機能が新たに加わる。これによって電極１３
あるいは駆動機構１２によって発生したゴミが、被測定
物１１に達することがないという特徴が生まれる。さら
に、本実施例では遮蔽板１８と静電遮蔽１６によって囲
まれた内部は減圧状態であり、音波の伝播により振動が
伝わることが抑制されるためゴミの発生が極めて少ない
。さらに、遮蔽板１８に高誘電率の誘電体を使用するこ
とにより、電極１３と被測定物１１との間の静電容量が
増加し、感度が向上するという効果も生まれる。

なお、本実施例では、電極１１の周囲を減圧としたが常
圧としてもよいことは言うまでもない。

また、遮蔽板１８の材質を石英としたが、これを各種の
樹脂あるいは、無機材料としてよいことは言うまでもな
い。また、ゴミの拡散が遮蔽板１１で遮断されているの
で、回転式の駆動機構や、従来例で述べたチョッパ一方
式などを採用しても良いことは言うまでもない。

なお、以上第１の発明、第２の発明、第３の発明におい
て、いずれも電極１３を振動させる駆動機構１２として
圧電素子を用いているが、これをボイスコイルなどとし
ても良いことは言うまでもない。

また、以上第１の発明、第２の発明、第３の発明におい
て、被測定物１１がステージによって上向きに固定され
ている場合を示したが、ゴミの落下を軽減するためにこ
れを任意の方向に変えて良いことは言うまでもない。

また、以上第１の発明、第２の発明、第３の発明におい
て、被測定物１１は半導体基板としたが、これを半導体
以外のものとしても良いことは言うまでもない。

発明の効果 このように本発明は、ゴミの発生がきわめて少なくかつ
高精度で信頼性の高い静電気測定器を提供するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の一実施例にお
ける静電気測定器の構成図、第２図は従来の静電気測定
器の構成図である。 １１・・・・・・被測定物、１２・・・・・・駆動機構
、１３・・・・・・電極、１４・・・・・・電流検出手
段、１７・・・・・・電源、１８・・・・・・遮蔽板。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名！！・・・
１語 ｙｚ・・真直板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物の表面に近接する駆動機構を有する電極
   と、前記電極に流れる変位電流を検出する電流検出手段
   とから構成される静電気測定器。
2. （２）被測定物の表面に近接する駆動機構を有する電極
   と、前記電極に可変の電位を与える電源と、前記電極を
   流れる変位電流を検出する電流検出手段とから構成され
   る静電気測定器。
3. （３）被測定物と電極との間を気密に保つ遮蔽板を有す
   る請求項２記載の静電気測定器。