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JP2011069630A - Permittivity measuring method and measuring apparatus - Google Patents

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JP2011069630A
JP2011069630A JP2009218669A JP2009218669A JP2011069630A JP 2011069630 A JP2011069630 A JP 2011069630A JP 2009218669 A JP2009218669 A JP 2009218669A JP 2009218669 A JP2009218669 A JP 2009218669A JP 2011069630 A JP2011069630 A JP 2011069630A
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JP
Japan
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sample
dielectric constant
radiation
probe resonator
resonance frequency
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Application number
JP2009218669A
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Japanese (ja)
Inventor
Koji Inoue
浩司 井上
Hiroyuki Takamatsu
弘行 高松
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
Application filed by Kobe Steel Ltd filed Critical Kobe Steel Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a permittivity measuring method and measuring apparatus which can improve the resolution of the permittivity of a sample by increasing the detection value of the resonance frequency of a near-field electromagnetic wave. <P>SOLUTION: The permittivity measuring method includes: the process for bringing an electrically conductive board having higher conductivity than the sample 14 into intimate contact with one surface of the sample 14; the process for bringing the other surface of the sample 14 into intimate contact with a radiation surface 11b of a probe resonator 3; the process for radiating the near-field electromagnetic wave from the radiation surface 11b of the probe resonator 3; the process for detecting the resonance frequency of the near-field electromagnetic wave; and the process for determining the permittivity of the sample 14 on the basis of the resonance frequency. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、被検体の誘電率を測定する方法に関し、より具体的には、近接場電磁波を照射するプローブ共振器を用いた誘電率の測定方法、及び誘電率の測定装置に関するものである。   The present invention relates to a method for measuring the dielectric constant of an object, and more specifically to a dielectric constant measurement method using a probe resonator that irradiates near-field electromagnetic waves, and a dielectric constant measurement apparatus.

近年では、電子機器の高速化やワイヤレス化に伴い、高周波の電磁波に関わる製品開発において、材料の持つ誘電率特性、特に誘電率及び誘電正接(tanδ)が重要な設計情報となっている。このような誘電率特性の目安として材料メーカが提供する物性値を参考にすることもあるが、実際に使用される周波数についての誘電率のデータを入手することは困難であり、実際の周波数よりも低い周波数についてのデータから推定せざるを得ない場合もある。そこで、材料の持つ誘電率を測定するための技術が求められている。   In recent years, with the speeding up of electronic devices and the trend toward wireless, in the development of products related to high-frequency electromagnetic waves, the dielectric constant characteristics of materials, especially the dielectric constant and dielectric loss tangent (tan δ) have become important design information. Although the physical property values provided by material manufacturers may be used as a guideline for such dielectric constant characteristics, it is difficult to obtain dielectric constant data for the frequencies actually used. In some cases, it may be necessary to estimate from data on low frequencies. Therefore, a technique for measuring the dielectric constant of the material is required.

従来から、誘電率を測定する方法としては、マイクロ波共振器を用いた方法が知られている。具体的には、プローブ共振器を用いて近接場電磁波を被検体に照射して、当該被検体の誘電率を測定する方法がある。ここで、近接場電磁波とは、電磁波を、その波長と比べて十分に小さな穴に放射したときに当該穴の周囲に漏れ出しその場に止まる電磁波のことである。このような近接場電磁波を誘電体に照射した場合、当該誘電体の持つ誘電率に応じて近接場電磁波の共振周波数が変動するため、この共振周波数の変動に基いて誘電率の測定を行うことができる。   Conventionally, a method using a microwave resonator is known as a method for measuring a dielectric constant. Specifically, there is a method of irradiating a subject with near-field electromagnetic waves using a probe resonator and measuring the dielectric constant of the subject. Here, the near-field electromagnetic wave is an electromagnetic wave that leaks out around the hole and stops at that position when the electromagnetic wave is radiated into a hole that is sufficiently smaller than its wavelength. When such a near-field electromagnetic wave is irradiated to a dielectric, the resonant frequency of the near-field electromagnetic wave varies depending on the dielectric constant of the dielectric, so the dielectric constant should be measured based on the variation in the resonant frequency. Can do.

例えば、特許文献1は、高周波マイクロ波を照射するためのプローブの端面に試料を接触させ、当該試料からの反射波の電圧を検出し、これをフーリエ変換して共振周波数の変動に相当する値を算出することにより、試料の誘電率を測定する方法を開示している。   For example, in Patent Document 1, a sample is brought into contact with the end face of a probe for irradiating a high-frequency microwave, a voltage of a reflected wave from the sample is detected, and a value corresponding to a change in resonance frequency is obtained by Fourier transform. Discloses a method of measuring the dielectric constant of a sample by calculating.

特開2005−121422号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-121422

しかしながら、特許文献1の測定方法のように、単にプローブの先端面を試料に接触させる場合、試料の比誘電率が低いと(例えば、比誘電率が4よりも小さいと)、当該試料の誘電率(静電容量)に比例する近接場電磁波の共振周波数の検出値も小さくなるため、測定の分解能を高めることが難しかった。   However, when the tip surface of the probe is simply brought into contact with the sample as in the measurement method of Patent Document 1, when the relative dielectric constant of the sample is low (for example, when the relative dielectric constant is smaller than 4), the dielectric of the sample Since the detected value of the resonance frequency of the near-field electromagnetic wave proportional to the rate (capacitance) is also small, it is difficult to increase the measurement resolution.

特に、近年では半導体デバイス等に用いられるミクロンオーダーの薄膜(例えば、半導体配線の絶縁体部分として利用される薄膜)についても誘電率の測定が望まれているが、このような薄膜は、膜厚が薄いことに起因して誘電率が低いため、高精度の誘電率測定が非常に困難であった。   In particular, in recent years, it has been desired to measure the dielectric constant of a micron-order thin film (for example, a thin film used as an insulator portion of a semiconductor wiring) used in a semiconductor device or the like. Since the dielectric constant is low due to its thinness, it is very difficult to measure the dielectric constant with high accuracy.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、近接場電磁波を用いて試料の誘電率を測定する場合において、試料の誘電率が小さくても当該試料の誘電率を高精度に測定することができる誘電率の測定方法及び誘電率の測定装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above problems, and when measuring the dielectric constant of a sample using near-field electromagnetic waves, the dielectric constant of the sample is measured with high accuracy even if the dielectric constant of the sample is small. It is an object of the present invention to provide a dielectric constant measuring method and a dielectric constant measuring apparatus capable of performing the above.

上記課題を解決するために、本発明は、近接場電磁波を放射可能な放射面を有するプローブ共振器を用いて試料の誘電率を測定するための方法であって、前記試料よりも高い導電性を有する導電性部材と、前記プローブ共振器の放射面とを前記試料に対して相対向する方向から密着させることにより、当該導電性部材とプローブ共振器との間に静電容量を形成する形成工程と、前記形成工程を行っている状態で前記プローブ共振器の放射面から近接場電磁波を放射させる放射工程と、前記放射工程を行っている間に前記近接場電磁波の共振周波数を検出する本検出工程と、前記本検出工程により検出された共振周波数に基いて前記試料の誘電率を特定する特定工程とを含むことを特徴とする誘電率の測定方法を提供する。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method for measuring a dielectric constant of a sample using a probe resonator having a radiation surface capable of emitting near-field electromagnetic waves, and having a conductivity higher than that of the sample. Forming a capacitance between the conductive member and the probe resonator by bringing the conductive member having a contact surface and the radiation surface of the probe resonator into close contact with the sample in a direction opposite to each other. A step of radiating near-field electromagnetic waves from the radiation surface of the probe resonator while performing the forming step, and a book for detecting the resonance frequency of the near-field electromagnetic waves while performing the radiating step There is provided a method for measuring a dielectric constant, comprising: a detecting step; and a specifying step of specifying a dielectric constant of the sample based on a resonance frequency detected by the main detecting step.

本発明によれば、試料を導電性部材とプローブ共振器の放射面との間に挟んだ状態で近接場電磁波を放射するため、当該近接場電磁波の共振周波数の検出値を大きくすることができる。具体的に、近接場電磁波の共振周波数は、密着された試料の誘電率に応じて変動するプローブ共振器の静電容量に比例する値となるが、本発明のように、試料を導電性を有する導電性部材と導電性を有するプローブ共振器との間に配置することにより、これら導電性部材とプローブ共振器との間における静電容量(以下、外部静電容量と称す)が上記プローブ共振器の静電容量の一部として加えられることになる。つまり、本発明では、共振周波数を決めるプローブ共振器の静電容量に外部静電容量が見かけ上加えられるため、前記外部静電容量の分だけ近接場電磁波の共振周波数の値を大きくすることができる。   According to the present invention, since the near-field electromagnetic wave is radiated in a state where the sample is sandwiched between the conductive member and the radiation surface of the probe resonator, the detected value of the resonance frequency of the near-field electromagnetic wave can be increased. . Specifically, the resonance frequency of the near-field electromagnetic wave is a value proportional to the capacitance of the probe resonator that varies according to the dielectric constant of the closely contacted sample. By disposing the conductive member between the conductive member and the probe resonator having conductivity, the capacitance between the conductive member and the probe resonator (hereinafter referred to as external capacitance) is the probe resonance. Will be added as part of the capacitance of the vessel. That is, in the present invention, since the external capacitance is apparently added to the capacitance of the probe resonator that determines the resonance frequency, the value of the resonance frequency of the near-field electromagnetic wave can be increased by the amount of the external capacitance. it can.

したがって、本発明によれば、近接場電磁波の共振周波数の値を大きくすることにより、試料の誘電率を高精度に測定することが可能となる。   Therefore, according to the present invention, the dielectric constant of the sample can be measured with high accuracy by increasing the value of the resonance frequency of the near-field electromagnetic wave.

前記誘電率の測定方法において、前記形成工程では、前記導電性部材としての導電性基板上に前記試料の薄膜を形成することにより、前記導電性基板と前記試料とを密着させることが好ましい。   In the dielectric constant measurement method, in the forming step, it is preferable that the conductive substrate and the sample are brought into close contact with each other by forming a thin film of the sample on a conductive substrate as the conductive member.

この測定方法によれば、導電性基板上に形成された薄膜(例えば、回路基板上の絶縁体)について誘電率を測定することができる。   According to this measurement method, it is possible to measure the dielectric constant of a thin film (for example, an insulator on a circuit board) formed on a conductive substrate.

前記誘電率の測定方法において、前記プローブ共振器の放射面、及び、この放射面に密着される前記試料の密着面は、それぞれ平坦な面とされ、前記プローブ共振器の放射面と同一平面上に位置するように配置された平坦面を有する位置決め部材が設けられており、前記形成工程では、前記位置決め部材の平坦面に対し、前記試料の密着面を密着させるようにして位置決めしつつ、当該試料の密着面を前記放射面に密着させることにより、前記試料とプローブ共振器とを密着させることが好ましい。   In the dielectric constant measurement method, the radiation surface of the probe resonator and the contact surface of the sample that is in close contact with the radiation surface are flat surfaces, and are flush with the radiation surface of the probe resonator. A positioning member having a flat surface disposed so as to be positioned at the position, and in the forming step, the positioning member is positioned so that the contact surface of the sample is in close contact with the flat surface of the positioning member. The sample and the probe resonator are preferably brought into close contact with each other by bringing the close contact surface of the sample into close contact with the radiation surface.

この測定方法によれば、プローブ共振器の放射面と位置決め部材の平坦面とが同一平面上に位置しているため、放射面よりも大きな密着面を持つ試料であっても、当該試料のうちの放射面の外側にはみ出す部分を平坦面に密着させて位置決めしつつ密着面を放射面に密着させることができる。   According to this measurement method, since the radiation surface of the probe resonator and the flat surface of the positioning member are located on the same plane, even a sample having a contact surface larger than the radiation surface can be used. It is possible to bring the contact surface into close contact with the radiation surface while positioning the portion that protrudes outside the radiation surface in close contact with the flat surface.

前記誘電率の測定方法において、前記プローブ共振器の放射面には、前記近接場電磁波を放射する放射位置が予め設定されており、前記形成工程では、前記放射位置に重なる部分を含む前記導電性部材の少なくとも一部に対し、前記プローブ共振器に向かう所定の荷重を与えることが好ましい。   In the method for measuring a dielectric constant, a radiation position for radiating the near-field electromagnetic wave is set in advance on a radiation surface of the probe resonator, and in the forming step, the conductive material includes a portion overlapping the radiation position. It is preferable to apply a predetermined load toward the probe resonator to at least a part of the member.

この測定方法によれば、放射面よりも大きな密着面をもつ試料をプローブ共振器に密着させる場合、つまり、試料が放射面及び平坦面の広範囲に密着している場合に、当該試料のうち、近接場電磁波の放射対象位置が放射面から浮いてしまうのを抑制することができる。したがって、前記方法によれば、大きな試料の密着作業を容易にしながら、当該試料と放射面との密着を確実に行うことにより共振周波数の測定精度の向上を図ることもできる。   According to this measurement method, when a sample having a contact surface larger than the radiation surface is adhered to the probe resonator, that is, when the sample is adhered to a wide range of the radiation surface and the flat surface, It is possible to suppress the near-field electromagnetic wave radiation target position from floating from the radiation surface. Therefore, according to the above method, it is possible to improve the measurement accuracy of the resonance frequency by facilitating the close contact between the sample and the radiation surface while facilitating the close contact of the large sample.

前記誘電率の測定方法において、前記プローブ共振器の放射面及び平坦面は、それぞれ上向きに配置されており、前記形成工程では、上向きに配置された前記放射面及び前記平坦面に対し、前記密着面を下に向けた前記試料を載置しつつ、前記密着面を放射面に密着させることが好ましい。   In the dielectric constant measurement method, the radiation surface and the flat surface of the probe resonator are respectively arranged upward, and in the forming step, the contact is made to the radiation surface and the flat surface arranged upward. It is preferable that the contact surface is in close contact with the radiation surface while the sample is placed with the surface facing downward.

この測定方法によれば、上向きに配置された放射面及び平坦面上に試料を載置した状態で、試料の密着面のうちの測定対象箇所と近接場電磁波の放射位置とを容易に位置合わせすることができる。   According to this measurement method, with the sample placed on the radiation surface and flat surface arranged upward, the measurement target portion of the sample contact surface and the radiation position of the near-field electromagnetic wave can be easily aligned. can do.

前記誘電率の測定方法において、既知の誘電率を有する試料について共振周波数を検出する予備検出工程をさらに含み、前記特定工程では、前記予備検出工程において検出された共振周波数と、前記本検出工程において検出された共振周波数とを比較することにより、当該未知の誘電率を特定することが好ましい。   The dielectric constant measurement method further includes a preliminary detection step of detecting a resonance frequency for a sample having a known dielectric constant. In the specific step, the resonance frequency detected in the preliminary detection step and the main detection step It is preferable to identify the unknown dielectric constant by comparing it with the detected resonance frequency.

この測定方法によれば、予備検出工程により誘電率の異なる多数の試料について共振周波数を予め検出しておくことにより、誘電率の測定の精度をより高めることができる。   According to this measurement method, the accuracy of dielectric constant measurement can be further improved by detecting the resonance frequency in advance for a large number of samples having different dielectric constants in the preliminary detection step.

また、本発明は、試料の誘電率を測定するための装置であって、近接場電磁波を放射可能な放射面を有するプローブ共振器と、前記プローブ共振器の放射面と同一平面上に配置された平坦面を有する位置決め部材とを備え、前記プローブ共振器の放射面は、平坦な面であり、前記プローブ共振器及び位置決め部材は、前記放射面及び平坦面が上向きとなるように配設されていることを特徴とする誘電率の測定装置を提供する。   Further, the present invention is an apparatus for measuring the dielectric constant of a sample, and is disposed on the same plane as a probe resonator having a radiation surface capable of emitting near-field electromagnetic waves, and the radiation surface of the probe resonator. A positioning member having a flat surface, and a radiation surface of the probe resonator is a flat surface, and the probe resonator and the positioning member are disposed such that the radiation surface and the flat surface are upward. An apparatus for measuring a dielectric constant is provided.

本発明によれば、プローブ共振器の放射面に試料を密着させるとともに、この試料に対して前記放射面と反対側から導電性部材を密着させる上述した測定方法を採用することができる測定装置を得ることができる。   According to the present invention, there is provided a measuring apparatus capable of adopting the above-described measuring method in which a sample is brought into close contact with the radiation surface of the probe resonator and a conductive member is brought into close contact with the sample from the side opposite to the radiation surface. Obtainable.

具体的に、本発明に係る測定装置によれば、プローブ共振器の放射面と位置決め部材の平坦面とが同一平面上に位置しているため、放射面よりも大きな試料であっても、当該試料のうちの放射面からはみ出す部分を平坦面に密着させて位置決めしつつ当該試料を放射面に密着させることができる。   Specifically, according to the measuring apparatus according to the present invention, since the radiation surface of the probe resonator and the flat surface of the positioning member are located on the same plane, even if the sample is larger than the radiation surface, The portion of the sample that protrudes from the radiation surface can be brought into close contact with the flat surface, and the sample can be brought into close contact with the radiation surface.

前記測定装置において、前記基台に設けられ、前記放射面上に載置された試料に対して前記放射面側に向かう所定の荷重を与える荷重付加手段をさらに備えていることが好ましい。   The measurement apparatus preferably further includes a load addition unit that is provided on the base and applies a predetermined load toward the radiation surface side with respect to the sample placed on the radiation surface.

この構成によれば、放射面よりも大きな試料をプローブ共振器に密着させる場合、つまり、試料が放射面及び平坦面の広範囲に密着している場合に、試料のうち、近接場電磁波の放射位置の部分が放射面から浮いてしまうのを抑制することができる。したがって、前記方法によれば、大きな試料の密着作業を容易にしながら、当該試料と放射面との密着を確実に行うことにより共振周波数の測定精度の向上を図ることもできる。   According to this configuration, when a sample larger than the radiation surface is in close contact with the probe resonator, that is, when the sample is in close contact with a wide range of the radiation surface and the flat surface, the radiation position of the near-field electromagnetic wave in the sample Can be prevented from floating from the radiation surface. Therefore, according to the above method, it is possible to improve the measurement accuracy of the resonance frequency by facilitating the close contact between the sample and the radiation surface while facilitating the close contact of the large sample.

本発明によれば、試料の誘電率が小さくても当該試料の誘電率を高精度に測定することができる。   According to the present invention, even if the dielectric constant of a sample is small, the dielectric constant of the sample can be measured with high accuracy.

本発明の実施形態に係る誘電率の測定装置1を示す概略図である。It is the schematic which shows the measuring apparatus 1 of the dielectric constant which concerns on embodiment of this invention. 図1のプローブ共振器3の側面断面図である。It is side surface sectional drawing of the probe resonator 3 of FIG. 図2の一部を拡大して示す断面図であり、試料を装着する前を示すものである。It is sectional drawing which expands and shows a part of FIG. 2, and shows before mounting | wearing with a sample. 図2の一部を拡大して示す断面図であり、試料を装着した状態を示すものである。It is sectional drawing which expands and shows a part of FIG. 2, and shows the state which mounted | wore the sample. 試料の誘電率と共振周波数の偏移との関係を示すグラフであり、試料に密着する基板としてシリコン基板(ドーパント無し)を採用した場合を示すものである。It is a graph which shows the relationship between the dielectric constant of a sample, and the shift | offset | difference of a resonant frequency, and shows the case where a silicon substrate (no dopant) is employ | adopted as a board | substrate which adhere | attaches a sample. 試料の誘電率と共振周波数の偏移との関係を示すグラフであり、導電性基板としてアルミ基板を採用した場合を示すものである。It is a graph which shows the relationship between the dielectric constant of a sample, and the shift | offset | difference of a resonant frequency, and shows the case where an aluminum substrate is employ | adopted as a conductive substrate.

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態に係る誘電率の測定装置1を示す概略図である。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a dielectric constant measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.

図1を参照して、測定装置1は、近接場電磁波を放射するプローブ共振器3と、このプローブ共振器3を保持する基台と、前記プローブ共振器3に高周波電力を供給する発振器4と、前記プローブ共振器3から取り出された電気信号を分析する分析器5と、前記発振器4及び分析器5と電気的に接続された制御装置6とを備えている。   Referring to FIG. 1, a measuring apparatus 1 includes a probe resonator 3 that emits near-field electromagnetic waves, a base that holds the probe resonator 3, and an oscillator 4 that supplies high-frequency power to the probe resonator 3. , An analyzer 5 for analyzing an electrical signal taken out from the probe resonator 3, and a control device 6 electrically connected to the oscillator 4 and the analyzer 5.

図2は、図1のプローブ共振器3の側面断面図である。   FIG. 2 is a side sectional view of the probe resonator 3 of FIG.

図1及び図2を参照して、プローブ共振器3は、外部導体7と、この外部導体7の内部に設けられた内部導体8とを備えている。このプローブ共振器3は、前記外部導体7と内部導体8とが同軸に設けられているとともに両導体7、8が下端側で短絡していることにより、両導体7、8が同軸に配置されている長さに応じた共振現象を生じさせる共振器である。   With reference to FIGS. 1 and 2, the probe resonator 3 includes an outer conductor 7 and an inner conductor 8 provided inside the outer conductor 7. In the probe resonator 3, the outer conductor 7 and the inner conductor 8 are provided coaxially, and both the conductors 7, 8 are short-circuited on the lower end side, so that both the conductors 7, 8 are arranged coaxially. It is a resonator that generates a resonance phenomenon corresponding to the length of the current.

外部導体7は、円筒部9と、この円筒部9の上下の開口部を塞ぐように当該円筒部9に固定された下部蓋体10及び上部蓋体11とを備えている。円筒部9は、円筒状に形成された金属部材である。下部蓋体10は、前記円筒部9の下部の開口を塞ぐように当該円筒部9の下端面に固定された円盤状の金属部材である。この下部蓋体10の略中心位置には、ボルトB2によって内部導体8の下端部が固定されている。また、下部蓋体10には、前記発振器4から高周波電力の供給を受ける信号導入部12Aと、前記分析器5に信号を出力する信号取出部12Bとが設けられている。これら信号導入部12A及び信号取出部12Bは、それぞれ同軸ケーブルと接続するためのものであり、円筒状の外側導体12aとこの外側導体12aの内側に設けられた内側導体12bとを備えている。外側導体12aは、前記下部蓋体10の下面に固定されているとともに下部蓋体10と電気的に接続されている。内側導体12bは、外側導体12aの内側及び下部蓋体10を上下に貫く孔を通って円筒部9内まで延びるとともに、Uターンして下部蓋体10に電気的に接続されている。この内側導体12bのUターン部分は、ループアンテナとして機能する。上部蓋体11は、前記円筒部9の上部の開口を塞ぐように、当該円筒部9の上端面にボルトB1によって固定された円盤状の金属部材である。この上部蓋体11の略中央位置には、上下に貫通する孔11aが形成されている。この孔11aの直径寸法は、プローブ共振器3内で生じる電磁波の波長よりも小さく設定されているため、この孔11aを通り抜けることができない電磁波の一部が近接場電磁波として孔11aの付近に発生することになる。本実施形態では、前記孔11aが設けられている上部蓋体11の上面11bが近接場電磁波を放射する放射面を構成する。一方、上部蓋体11の下面には、前記孔11aから下に進行するに従い広がるテーパ状の凹部が形成されている。なお、本実施形態では、外部導体7の全体が金属により形成されているものを例示したが、外部導体7は、その表面(内側面も含む)のみが導電性の大きな材料(例えば、金属)からなり、内部が導電性の小さい材料(例えば、合成樹脂)からなる構成とすることもできる。   The outer conductor 7 includes a cylindrical portion 9 and a lower lid body 10 and an upper lid body 11 fixed to the cylindrical portion 9 so as to close the upper and lower openings of the cylindrical portion 9. The cylindrical portion 9 is a metal member formed in a cylindrical shape. The lower lid body 10 is a disk-shaped metal member fixed to the lower end surface of the cylindrical portion 9 so as to close the lower opening of the cylindrical portion 9. The lower end portion of the inner conductor 8 is fixed to the substantially center position of the lower lid body 10 by a bolt B2. Further, the lower lid 10 is provided with a signal introducing unit 12A that receives supply of high-frequency power from the oscillator 4 and a signal extraction unit 12B that outputs a signal to the analyzer 5. Each of the signal introduction part 12A and the signal extraction part 12B is for connection with a coaxial cable, and includes a cylindrical outer conductor 12a and an inner conductor 12b provided inside the outer conductor 12a. The outer conductor 12 a is fixed to the lower surface of the lower lid 10 and is electrically connected to the lower lid 10. The inner conductor 12b extends to the inside of the cylindrical portion 9 through a hole penetrating the inner side of the outer conductor 12a and the lower lid 10, and is electrically connected to the lower lid 10 by making a U-turn. The U-turn portion of the inner conductor 12b functions as a loop antenna. The upper lid body 11 is a disk-shaped metal member fixed to the upper end surface of the cylindrical portion 9 with a bolt B1 so as to close the upper opening of the cylindrical portion 9. A hole 11 a penetrating vertically is formed at a substantially central position of the upper lid body 11. Since the diameter of the hole 11a is set to be smaller than the wavelength of the electromagnetic wave generated in the probe resonator 3, a part of the electromagnetic wave that cannot pass through the hole 11a is generated in the vicinity of the hole 11a as a near-field electromagnetic wave. Will do. In the present embodiment, the upper surface 11b of the upper lid body 11 provided with the hole 11a constitutes a radiation surface that radiates near-field electromagnetic waves. On the other hand, on the lower surface of the upper lid 11, a tapered concave portion is formed which expands as it proceeds downward from the hole 11a. In the present embodiment, the outer conductor 7 is entirely formed of metal. However, the outer conductor 7 is a material having a high conductivity only on the surface (including the inner surface) (for example, metal). It can also be set as the structure which consists of material (for example, synthetic resin) with small electroconductivity inside.

前記内部導体8は、前記外部導体7の円筒部9と同軸に設けられた棒状の金属部材である。具体的に、内部導体8は、前記外部導体7の下部蓋体10の略中央位置に立設されている。この内部導体8の先端部は、上に進行するに従い細くなるテーパ形状とされ、前記上部蓋体11の孔11a内に配置されている。ここで、内部導体8の先端部は、前記上部蓋体11の上面(放射面)11bよりも上に突出していてもよいが、後述するように放射面11bには試料14(図3参照)が密着するため、当該試料14との接触を避ける観点からは放射面11bよりも下に配設することが好ましいものの、内部導体8の先端部と試料14との距離が近い方が近接場電磁波の検出精度が上がるため、この観点から放射面11bと同じ高さに配置することが最も好ましい。   The inner conductor 8 is a rod-shaped metal member provided coaxially with the cylindrical portion 9 of the outer conductor 7. Specifically, the inner conductor 8 is erected at a substantially central position of the lower lid body 10 of the outer conductor 7. The tip of the inner conductor 8 has a tapered shape that becomes thinner as it travels upward, and is disposed in the hole 11 a of the upper lid 11. Here, the tip of the inner conductor 8 may protrude above the upper surface (radiation surface) 11b of the upper lid 11, but the sample 14 (see FIG. 3) is disposed on the radiation surface 11b as will be described later. However, from the viewpoint of avoiding contact with the sample 14, it is preferably disposed below the radiation surface 11 b, but the near-field electromagnetic wave is closer to the sample 14 than the tip of the inner conductor 8. From this point of view, it is most preferable to arrange at the same height as the radiation surface 11b.

前記プローブ共振器3を保持するための基台は、前記プローブ共振器3の放射面11bを上に向けた状態で保持する位置決めテーブル(位置決め部材)2と、この位置決めテーブル2を支持する脚部(支持部:図示せず)とを備えている。位置決めテーブル2は、前記プローブ共振器3の放射面11bと同一平面上に配置された平坦面2aを有する。換言すると、位置決めテーブル2は、その平坦面2aと前記プローブ共振器の放射面11bとが同一平面上に位置するように、前記プローブ共振器を保持する。   The base for holding the probe resonator 3 includes a positioning table (positioning member) 2 that holds the probe resonator 3 with the radiation surface 11b facing upward, and a leg portion that supports the positioning table 2. (Support part: not shown). The positioning table 2 has a flat surface 2a disposed on the same plane as the radiation surface 11b of the probe resonator 3. In other words, the positioning table 2 holds the probe resonator so that the flat surface 2a and the radiation surface 11b of the probe resonator are located on the same plane.

発振器4は、前記プローブ共振器3の信号導入部12Aと同軸ケーブルを介して接続された高周波電源である。   The oscillator 4 is a high frequency power source connected to the signal introducing portion 12A of the probe resonator 3 via a coaxial cable.

分析器5は、前記プローブ共振器3の信号取出部12Bと同軸ケーブルを介して接続され、前記プローブ共振器3から得られた信号に基づいて、周波数掃引信号の透過減衰を観測することにより共振周波数を検出するようになっている。   The analyzer 5 is connected to the signal extraction portion 12B of the probe resonator 3 via a coaxial cable, and resonates by observing the transmission attenuation of the frequency sweep signal based on the signal obtained from the probe resonator 3. The frequency is detected.

制御装置6は、前記発振器4によるプローブ共振器3に対する供給電力を調整するとともに、前記分析器5との間で電気信号のやりとりが可能とされている。具体的に、制御装置6は、既知の誘電率を有する試料について前記分析器5を用いて予め測定された共振周波数の偏移に関するデータ(図6参照)を予め記憶しており、このデータと、未知の誘電率を有する試料について分析器5を用いて測定された共振周波数とに基いて当該試料の誘電率を特定するようになっている。このように制御装置6により特定された試料の誘電率は、図外の表示装置等によって使用者に示される。   The control device 6 adjusts the power supplied to the probe resonator 3 by the oscillator 4 and can exchange electric signals with the analyzer 5. Specifically, the control device 6 stores in advance data (see FIG. 6) relating to the shift of the resonance frequency measured in advance using the analyzer 5 for a sample having a known dielectric constant. The dielectric constant of the sample is specified based on the resonance frequency measured using the analyzer 5 for the sample having an unknown dielectric constant. Thus, the dielectric constant of the sample specified by the control device 6 is shown to the user by a display device or the like not shown.

以下、前記測定装置1を用いた試料14の誘電率の測定方法について説明する。   Hereinafter, a method for measuring the dielectric constant of the sample 14 using the measurement apparatus 1 will be described.

図3は、図2の一部を拡大して示す断面図であり、試料14を装着する前を示すものである。図4は、図2の一部を拡大して示す断面図であり、試料14を装着した状態を示すものである。   FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a part of FIG. 2 and shows a state before the sample 14 is mounted. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a part of FIG. 2, and shows a state in which the sample 14 is mounted.

図2〜図4を参照して、まず、誘電率を測定の対象となる被検体について説明する。本実施形態では、導電性基板15上に試料14の薄膜が形成されたものを被検体として採用している。導電性基板15は、50Ω×cm以下の抵抗値を有する導電性基板(低抵抗基板)である。本実施形態では、導電性基板15として金属基板を採用しているが、これに限定されることはなく、抵抗値の小さい(50Ω×cm以下)他の基板(例えば、シリコン基板にドーパントを添加したもの)を採用することもできる。試料14は、導電性基板15よりも低い導電性を持つ材質からなる薄膜である。本実施形態では、この試料14が誘電率の測定対象となる。   With reference to FIGS. 2 to 4, first, a subject whose dielectric constant is to be measured will be described. In the present embodiment, a sample in which a thin film of the sample 14 is formed on the conductive substrate 15 is employed as the subject. The conductive substrate 15 is a conductive substrate (low resistance substrate) having a resistance value of 50 Ω × cm or less. In this embodiment, a metal substrate is used as the conductive substrate 15, but the present invention is not limited to this, and other substrates having a low resistance value (50Ω × cm or less) (for example, adding a dopant to a silicon substrate) Can also be adopted. The sample 14 is a thin film made of a material having lower conductivity than the conductive substrate 15. In the present embodiment, this sample 14 is a dielectric constant measurement target.

試料14の誘電率を測定する場合には、まず、前記試料14よりも高い導電性を有する導電性基板15と、プローブ共振器3の放射面11bとを試料14に対して相対向する方向から密着させることにより、当該導電性基板15とプローブ共振器3との間に静電容量を形成する(形成工程)。具体的に、この形成工程は、以下説明する第1密着工程と、第2密着工程とを含む。   When measuring the dielectric constant of the sample 14, first, the conductive substrate 15 having higher conductivity than the sample 14 and the radiation surface 11 b of the probe resonator 3 are opposed to the sample 14 from the opposite direction. By bringing them into close contact, a capacitance is formed between the conductive substrate 15 and the probe resonator 3 (forming step). Specifically, this formation process includes a first contact process and a second contact process described below.

第1密着工程は、導電性基板15に対して試料14の薄膜を形成して、前記被検体を作成する。つまり、この第1密着工程では、導電性基板15と試料14とが互いに密着した被検体を作成する。この第1密着工程は、前記保持工程及び取付工程よりも前に行ってもよい。   In the first adhesion step, a thin film of the sample 14 is formed on the conductive substrate 15 to create the subject. That is, in the first contact process, a test object in which the conductive substrate 15 and the sample 14 are in close contact with each other is created. This first adhesion step may be performed before the holding step and the attaching step.

第2密着工程は、前記導電性基板15と反対側の試料14の表面(図4の下面:密着面)を、位置決めテーブル2の平坦面2aに密着させるように位置決めしつつ、当該試料14の表面を放射面11bに密着させる(第2密着工程)。この第2密着工程では、さらに、前記プローブ共振器3の上部蓋体11の孔11a、つまり、近接場電磁波の放射位置に重なる部分について、導電性基板15の上に下敷16を載置し、この下敷16の上に錘17を乗せる。このように下敷16を敷くことにより、試料14の歪みを抑制しつつ錘17による荷重を与えることができるので、試料14の下面を放射面11bに対してより確実に密着させることができる。下敷16は、平滑な面と歪みが生じない程度の硬度とを有していることを条件として、図3に示す板状のものに限定されず、ブロック状のものを採用することもできる。具体的には、セラミックス製のゲージブロックを下敷16として採用することができる。   In the second contact step, the surface of the sample 14 opposite to the conductive substrate 15 (the lower surface in FIG. 4: the contact surface) is positioned so as to be in close contact with the flat surface 2a of the positioning table 2, and the sample 14 The surface is brought into close contact with the radiation surface 11b (second contact step). In this second contact step, an underlay 16 is further placed on the conductive substrate 15 for the hole 11a of the upper lid 11 of the probe resonator 3, that is, the portion overlapping the radiation position of the near-field electromagnetic wave, A weight 17 is placed on the underlay 16. By laying the underlay 16 in this manner, it is possible to apply a load by the weight 17 while suppressing distortion of the sample 14, so that the lower surface of the sample 14 can be more closely attached to the radiation surface 11b. The underlay 16 is not limited to the plate-like one shown in FIG. 3 on the condition that it has a smooth surface and a hardness that does not cause distortion, and a block-like one can also be adopted. Specifically, a ceramic gauge block can be employed as the underlay 16.

次に、前記発振器4(図1参照)からプローブ共振器3に対して高周波電力を供給することにより、前記プローブ共振器3の放射面11bから近接場電磁波を放射させる(放射工程)。具体的に、高周波電力の供給によりプローブ共振器3内では共振現象が生じることになるが、この共振する電磁波の波長に対してプローブ共振器3の孔11aの大きさが極端に小さくされているため、当該電磁波は孔11aを通過することができず、当該孔11aを通って電界が僅かに漏れ出しその場に止まる、いわゆる近接場電磁波が生じることになる。   Next, high-frequency power is supplied from the oscillator 4 (see FIG. 1) to the probe resonator 3 to radiate near-field electromagnetic waves from the radiation surface 11b of the probe resonator 3 (radiation process). Specifically, a resonance phenomenon occurs in the probe resonator 3 due to the supply of high-frequency power, but the size of the hole 11a of the probe resonator 3 is extremely small with respect to the wavelength of the resonating electromagnetic wave. Therefore, the electromagnetic wave cannot pass through the hole 11a, and a so-called near-field electromagnetic wave is generated in which the electric field slightly leaks through the hole 11a and stops there.

次に、近接場電磁波の共振周波数を前記分析器5(図1参照)により検出する(本検出工程)。近接場電磁波の共振周波数は、プローブ共振器3に密着させた試料14の誘電率に応じて変動するため、この共振周波数に基づいて試料14の誘電率を測定することができるためである。   Next, the resonance frequency of the near-field electromagnetic wave is detected by the analyzer 5 (see FIG. 1) (this detection step). This is because the resonance frequency of the near-field electromagnetic wave varies depending on the dielectric constant of the sample 14 that is in close contact with the probe resonator 3, and therefore the dielectric constant of the sample 14 can be measured based on this resonance frequency.

本実施形態では、前記検出工程の前に試料14を、それぞれ導電性を有するプローブ共振器3の上部蓋体11及び導電性基板15に対して密着させている、つまり、試料14が上部蓋体11と導電性基板15との間に挟持されている。そのため、本実施形態では、試料14のみをプローブ共振器3に密着させる場合と比較して、共振周波数の検出値(信号の強度)を強くすることができる。その理由は、以下の通りである。   In the present embodiment, the sample 14 is in close contact with the upper lid body 11 and the conductive substrate 15 of the probe resonator 3 having conductivity before the detection step, that is, the sample 14 is the upper lid body. 11 and the conductive substrate 15. Therefore, in this embodiment, compared with the case where only the sample 14 is brought into close contact with the probe resonator 3, the detection value (signal strength) of the resonance frequency can be increased. The reason is as follows.

具体的に、近接場電磁波の共振周波数fは、以下の式(1)のように、プローブ共振器3のキャパシタンス(静電容量)に比例する。   Specifically, the resonance frequency f of the near-field electromagnetic wave is proportional to the capacitance (capacitance) of the probe resonator 3 as shown in the following formula (1).

f=2π×L×(C+Ct)×K・・・(1)
ここで、Lはプローブ共振器3のインダクタンス、Kは比例定数である。また、Cはプローブ共振器3に密着した試料14に近接場電磁波が浸透することにより変動するプローブ共振器3のキャパシタンスである。Ctは導電性基板15とプローブ共振器3との間に挟むことによりプローブ共振器3のキャパシタンスとして見かけ上加えられるキャパシタンスであり、プローブ共振器3との間で試料14を挟む部材(導電性基板15)の導電性の大きくなるほど大きな値として得られるものである。つまり、キャパシタンスCtは、導電性基板15が存在しない(試料14のみをプローブ共振器3に密着させた)場合には0となるものである。したがって、試料14のみをプローブ共振器3に密着させた場合に得られる共振周波数[2π×L×C×K]に比べて、試料14をプローブ共振器3と導電性基板15との間で挟んだ場合に得られる共振周波数[2π×L×(C+Ct)×K]は、見かけ上のキャパシタンスCtの分だけ大きくなる。また、試料14に密着する基板(本実施形態では導電性基板15)の導電性が大きい程、共振周波数の検出値は、大きくなる。この点につき、以下、図5及び図6を参照して説明する。
f = 2π × L × (C + Ct) × K (1)
Here, L is the inductance of the probe resonator 3, and K is a proportionality constant. Further, C is the capacitance of the probe resonator 3 that varies as the near-field electromagnetic wave penetrates into the sample 14 that is in close contact with the probe resonator 3. Ct is a capacitance that is apparently added as a capacitance of the probe resonator 3 by being sandwiched between the conductive substrate 15 and the probe resonator 3, and a member (conductive substrate) that sandwiches the sample 14 with the probe resonator 3. The larger the conductivity of 15), the larger the value obtained. That is, the capacitance Ct becomes 0 when the conductive substrate 15 does not exist (only the sample 14 is brought into close contact with the probe resonator 3). Therefore, the sample 14 is sandwiched between the probe resonator 3 and the conductive substrate 15 as compared with the resonance frequency [2π × L × C × K] obtained when only the sample 14 is brought into close contact with the probe resonator 3. In this case, the resonance frequency [2π × L × (C + Ct) × K] obtained is increased by the apparent capacitance Ct. In addition, the detected value of the resonance frequency increases as the conductivity of the substrate (conductive substrate 15 in the present embodiment) in close contact with the sample 14 increases. This point will be described below with reference to FIGS.

図5は、試料14の誘電率と共振周波数の偏移との関係を示すグラフであり、試料14に密着する基板としてシリコン基板(ドーパント無し)を採用した場合を示すものである。図6は、試料14の誘電率と共振周波数の偏移との関係を示すグラフであり、導電性基板15としてアルミ基板を採用した場合を示すものである。なお、図5及び図6は、それぞれ同材質からなる試料14の1μmの薄膜が基板上に形成された被検体について測定されたものである。アルミ基板の導電率[37.7×10(m−1×Ω−1)]は、シリコン基板(ドーパント無し)の導電率[2.52×10−4(m−1×Ω−1)]と比較して1桁以上大きいところ、この大小関係に対応して、図6のアルミ基板の共振周波数は、図5のシリコン基板(ドーパント無し)の共振周波数と比較して1桁以上大きい値となる。具体的に、誘電率2付近における共振周波数について比較すると、図6が約12MHzであり、図5が約400kHz(0.4MHz)であるため、共振周波数の検出値が約30倍にされている。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the dielectric constant of the sample 14 and the shift of the resonance frequency, and shows a case where a silicon substrate (without dopant) is employed as the substrate that is in close contact with the sample 14. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the dielectric constant of the sample 14 and the shift of the resonance frequency, and shows a case where an aluminum substrate is employed as the conductive substrate 15. 5 and 6 were measured on a specimen in which a 1 μm thin film of the sample 14 made of the same material was formed on the substrate. The conductivity [37.7 × 10 6 (m −1 × Ω −1 )] of the aluminum substrate is the conductivity [2.52 × 10 −4 (m −1 × Ω −1 ) of the silicon substrate (no dopant). ], The resonance frequency of the aluminum substrate of FIG. 6 is one digit or more larger than the resonance frequency of the silicon substrate (without dopant) of FIG. It becomes. Specifically, when the resonance frequency in the vicinity of the dielectric constant 2 is compared, FIG. 6 is about 12 MHz and FIG. 5 is about 400 kHz (0.4 MHz), so the detected value of the resonance frequency is about 30 times. .

さらに、前記見かけ上のキャパシタンスCtは、試料14が薄くなるほど大きくなるため、試料14が薄いほど共振周波数の値が大きくなる。具体的に、見かけ上のキャパシタンスCtは、以下式(2)に示すように、試料14の厚み寸法に反比例する。   Furthermore, since the apparent capacitance Ct increases as the sample 14 becomes thinner, the value of the resonance frequency increases as the sample 14 becomes thinner. Specifically, the apparent capacitance Ct is inversely proportional to the thickness dimension of the sample 14 as shown in the following formula (2).

Ct=σ×A÷T・・・(2)
ここで、σは誘電率であり、Aはプローブ共振器3と導電性基板15との対向面積であり、Tは試料14の厚み寸法である。このように見かけ上のキャパシタンスCtは試料14の厚み寸法に反比例するため、試料14が薄くなるほど共振周波数の検出値(検出信号)が大きくなり、誘電率の分解能が向上する。したがって、例えば、トランジスタのゲート絶縁膜として利用されるhigh−k膜のような薄膜について誘電率を有効に測定することが可能となる。
Ct = σ × A ÷ T (2)
Here, σ is a dielectric constant, A is an opposing area between the probe resonator 3 and the conductive substrate 15, and T is a thickness dimension of the sample 14. Since the apparent capacitance Ct is inversely proportional to the thickness dimension of the sample 14 as described above, the detection value (detection signal) of the resonance frequency increases as the sample 14 becomes thinner, and the resolution of the dielectric constant improves. Therefore, for example, it is possible to effectively measure the dielectric constant of a thin film such as a high-k film used as a gate insulating film of a transistor.

そして、前記本検出工程により検出された共振周波数と、誘電率と共振周波数との関係を示すデータとして予め準備されたもの(図6のデータ)とに基づいて、試料14の誘電率を特定する(特定工程)。つまり、前記特定工程に先立って、既知の誘電率を有する試料14が導電性基板15に形成された被検体について、上述した方法により共振周波数を予め検出しておき(予備検出工程)、このデータ(図6のデータ)に基づいて、本検出工程で検出された共振周波数に対応する共振周波数を特定する。   Then, the dielectric constant of the sample 14 is specified based on the resonance frequency detected in the main detection step and data prepared in advance as data indicating the relationship between the dielectric constant and the resonance frequency (data in FIG. 6). (Specific process). That is, prior to the specific step, the resonance frequency is detected in advance by the above-described method for the specimen in which the sample 14 having a known dielectric constant is formed on the conductive substrate 15 (preliminary detection step), and this data Based on (data in FIG. 6), the resonance frequency corresponding to the resonance frequency detected in the present detection step is specified.

以上説明したように、本実施形態によれば、試料14を導電性基板15とプローブ共振器3の放射面11bとの間に挟んだ状態で近接場電磁波を放射するため、当該近接場電磁波の共振周波数の検出値を大きくすることができる。具体的に、近接場電磁波の共振周波数は、密着された試料14の誘電率に応じて変動するプローブ共振器3のキャパシタンスに比例する値となるが、本実施形態のように、試料14を導電性基板15とプローブ共振器3との間に配置することにより、これら導電性基板15とプローブ共振器3との間におけるキャパシタンスCtも上記プローブ共振器3のキャパシタンスの一部として加えられることになる。つまり、本実施形態では、共振周波数を決めるプローブ共振器のキャパシタンスの一部としてキャパシタンスCにキャパシタンスCtが見かけ上加えられるため、キャパシタンスCtの分だけ近接場電磁波の共振周波数の値を大きくすることができる。   As described above, according to the present embodiment, since the near field electromagnetic wave is radiated in a state where the sample 14 is sandwiched between the conductive substrate 15 and the radiation surface 11b of the probe resonator 3, the near field electromagnetic wave The detected value of the resonance frequency can be increased. Specifically, the resonance frequency of the near-field electromagnetic wave is a value proportional to the capacitance of the probe resonator 3 that fluctuates according to the dielectric constant of the closely contacted sample 14, but the sample 14 is electrically conductive as in this embodiment. By arranging between the conductive substrate 15 and the probe resonator 3, the capacitance Ct between the conductive substrate 15 and the probe resonator 3 is also added as a part of the capacitance of the probe resonator 3. . That is, in this embodiment, since the capacitance Ct is apparently added to the capacitance C as a part of the capacitance of the probe resonator that determines the resonance frequency, the value of the resonance frequency of the near-field electromagnetic wave can be increased by the amount of the capacitance Ct. it can.

したがって、本実施形態によれば、近接場電磁波の共振周波数の値を大きくすることにより、試料14の誘電率を高精度に測定することができる。   Therefore, according to the present embodiment, the dielectric constant of the sample 14 can be measured with high accuracy by increasing the value of the resonance frequency of the near-field electromagnetic wave.

前記実施形態のように、第1密着工程(形成工程)として導電性基板15上に試料14の薄膜を形成することとすれば、導電性基板15に形成された薄膜について誘電率を測定することができる。なお、前記実施形態では、第1密着工程において導電性基板15上に試料14の薄膜を形成することとしているが、これに限定されず、第1密着工程では、少なくとも導電性基板15と試料14とを密着させればよい。   If the thin film of the sample 14 is formed on the conductive substrate 15 as the first adhesion process (formation process) as in the embodiment, the dielectric constant of the thin film formed on the conductive substrate 15 is measured. Can do. In the first embodiment, the thin film of the sample 14 is formed on the conductive substrate 15 in the first adhesion process. However, the present invention is not limited to this, and in the first adhesion process, at least the conductive substrate 15 and the sample 14 are formed. Can be brought into close contact with each other.

前記実施形態のように、第2密着工程(形成工程)において放射面11bと同一平面上に位置するように取り付けられた位置決めテーブル2の平坦面2aに対して試料14の下面を密着させることとすれば、放射面11bよりも大きな試料14であっても、当該試料14のうちの放射面11bの外側にはみ出す部分を平坦面2aに密着させて位置決めしつつ測定対象箇所を放射面11bに密着させることができる。   As in the above-described embodiment, the lower surface of the sample 14 is brought into close contact with the flat surface 2a of the positioning table 2 attached so as to be positioned on the same plane as the radiation surface 11b in the second contact step (formation step). Then, even if the sample 14 is larger than the radiating surface 11b, the portion of the sample 14 that protrudes outside the radiating surface 11b is positioned in close contact with the flat surface 2a, and the measurement target is in close contact with the radiating surface 11b. Can be made.

前記実施形態のように、第2密着工程(形成工程)において導電性基板15に対して所定の荷重を与えることとすれば、放射面よりも大きな試料14をプローブ共振器3に密着させる場合であっても、試料14のうち、プローブ共振器3の孔11aと重なる部分が放射面11bから浮いてしまうのを抑制することができる。したがって、この方法によれば、大きな試料14の密着作業を容易にしながら、当該試料14と放射面11bとの密着を確実に行うことにより共振周波数の測定精度の向上を図ることができる。   If a predetermined load is applied to the conductive substrate 15 in the second contact step (formation step) as in the above embodiment, the sample 14 larger than the radiation surface is brought into close contact with the probe resonator 3. Even if it exists, it can suppress that the part which overlaps with the hole 11a of the probe resonator 3 among the samples 14 floats from the radiation | emission surface 11b. Therefore, according to this method, it is possible to improve the measurement accuracy of the resonance frequency by ensuring the close contact between the sample 14 and the radiation surface 11b while facilitating the close work of the large sample 14.

なお、本実施形態では、下敷16及び錘17を載せて導電性基板15に荷重を与えることしているが、図4に示すように、プローブ共振器3に対して上下動可能なヘッド18を有するプレス機(荷重付加手段)を設け、このヘッド18を下降させることにより導電性基板15に対して荷重を与えるようにしてもよい。この場合、前記プレス機は、前記制御装置6により制御可能な構成とすることが好ましい。   In this embodiment, an underlay 16 and a weight 17 are placed to apply a load to the conductive substrate 15, but as shown in FIG. 4, a head 18 that can move up and down with respect to the probe resonator 3 is provided. A press machine (load adding means) may be provided, and the load may be applied to the conductive substrate 15 by lowering the head 18. In this case, the press machine is preferably configured to be controllable by the control device 6.

前記実施形態のように、第2密着工程(形成工程)において上向きに配置された放射面11b及び平坦面2a上に試料14を密着させることとすれば、上向きに配置された放射面11b及び平坦面2a上に試料14を載置した状態で、試料14の測定対象箇所と近接場電磁波の放射位置とを容易に位置合わせすることができる。   If the sample 14 is brought into close contact with the radiation surface 11b and the flat surface 2a arranged upward in the second adhesion step (formation step) as in the above-described embodiment, the radiation surface 11b and the flat surface arranged upward are arranged. With the sample 14 placed on the surface 2a, it is possible to easily align the measurement target portion of the sample 14 with the radiation position of the near-field electromagnetic wave.

前記実施形態のように、予備検出工程において既知の誘電率を有する試料について予め検出された共振周波数と、本検出工程で検出された共振周波数とに基づいて試料14の誘電率を特定することとすれば、予備検出工程により誘電率の異なる多数の試料について共振周波数を予め検出しておくことにより、誘電率の測定の精度をより高めることができる。   As in the embodiment, specifying the dielectric constant of the sample 14 based on the resonance frequency detected in advance for the sample having a known dielectric constant in the preliminary detection step and the resonance frequency detected in the main detection step; In this case, the accuracy of dielectric constant measurement can be further improved by detecting the resonance frequency in advance for a large number of samples having different dielectric constants in the preliminary detection step.

前記導電性基板15としてアルミ基板(鏡面仕上げ)を採用するとともに、前記試料14として前記アルミ基板上に成膜されたSiO薄膜(比誘電率約3)を採用した被検体1について前記プローブ共振器3を密着させて共振周波数を測定した。なお、前記SiO薄膜の膜厚は、11508×10−10mである。 The probe resonance is applied to the subject 1 that employs an aluminum substrate (mirror finish) as the conductive substrate 15 and an SiO 2 thin film (relative dielectric constant of about 3) formed on the aluminum substrate as the sample 14. The vessel 3 was brought into close contact with the resonance frequency. Incidentally, the SiO 2 thin film having a thickness is 11508 × 10 -10 m.

また、前記SiO薄膜が形成されていないアルミ基板(鏡面仕上げ)である比較検体2に対して前記プローブ共振器3を密着させて共振周波数を検出した。 Further, the resonance frequency was detected by bringing the probe resonator 3 into close contact with the comparative sample 2 which is an aluminum substrate (mirror finish) on which the SiO 2 thin film is not formed.

790MHzの電力を与えたプローブ共振器3により、被検体1及び比較検体2のそれぞれについて7回ずつ測定した結果、被検体1の共振周波数は、比較検体2の共振周波数よりも平均447kHz低い値となった。   As a result of measuring seven times for each of the subject 1 and the comparative sample 2 by the probe resonator 3 to which power of 790 MHz was applied, the resonance frequency of the subject 1 is lower than the resonance frequency of the comparative sample 2 by an average of 447 kHz. became.

本来、プローブ共振器3とアルミ基板との間の距離が大きくなるほど、共振周波数は、大きくなるはずであるが、この実施例1では、プローブ共振器3とアルミ基板との間の距離が大きくなるほど(SiO薄膜の膜厚が大きくなるほど)、共振周波数が小さくなっている。この結果から、SiO薄膜の誘電率に応じて共振周波数が偏移することが確認された。 Originally, the greater the distance between the probe resonator 3 and the aluminum substrate, the greater the resonance frequency should be. In the first embodiment, the greater the distance between the probe resonator 3 and the aluminum substrate. The resonance frequency decreases as the thickness of the SiO 2 thin film increases. From this result, it was confirmed that the resonance frequency shifted according to the dielectric constant of the SiO 2 thin film.

前記導電性基板15として10Ω×cmの抵抗値を有するシリコンウェハを採用するとともに、前記試料14として前記シリコンウェハ上にCVD成膜されたSiO薄膜を採用した被検体3について前記プローブ共振器3を密着させて共振周波数を測定した。 As the conductive substrate 15, a silicon wafer having a resistance value of 10 Ω × cm is employed, and the probe resonator 3 is used for the subject 3 employing a SiO 2 thin film formed by CVD on the silicon wafer as the sample 14. Was closely attached to measure the resonance frequency.

また、前記SiO薄膜が形成されていないアルミ基板(鏡面仕上げ)である比較検体4に対して前記プローブ共振器3を密着させて共振周波数を検出した。 Further, the resonance frequency was detected by bringing the probe resonator 3 into close contact with the comparative specimen 4 which is an aluminum substrate (mirror finish) on which the SiO 2 thin film is not formed.

790MHzの電力を与えたプローブ共振器3により、被検体3及び比較検体4のそれぞれについて7回ずつ測定した結果、以下の結果1〜結果3が得られた。   As a result of measuring seven times for each of the subject 3 and the comparative sample 4 with the probe resonator 3 to which 790 MHz power was applied, the following results 1 to 3 were obtained.

<結果1>
SiO薄膜が2893×10−10mの被検体3の共振周波数は、比較検体4よりも平均680kHz低い値となった。
<Result 1>
The resonance frequency of the subject 3 having a SiO 2 thin film of 2893 × 10 −10 m was lower than the comparative sample 4 on average by 680 kHz.

<結果2>
SiO薄膜が10739×10−10mの被検体3の共振周波数は、比較検体4よりも平均1500kHz低い値となった。
<Result 2>
The resonance frequency of the subject 3 having a SiO 2 thin film of 10739 × 10 −10 m was lower than that of the comparative sample 4 by an average of 1500 kHz.

<結果3>
SiO薄膜が13518×10−10mの被検体3の共振周波数は、比較検体4よりも平均1720kHz低い値となった。
<Result 3>
The resonance frequency of the subject 3 having the SiO 2 thin film of 13518 × 10 −10 m was 1720 kHz lower than the comparative sample 4 on average.

本来、SiO薄膜の厚みが増すと、プローブ共振器3がアルミ基板から離れることにより、共振周波数が高くなる方向に偏移する(オープンエアに戻る)はずであるが、結果1〜3では全て低くなる方向に偏移している。これらの結果1〜3から、SiO薄膜の誘電率に応じて共振周波数が偏移することが確認された。 Originally, when the thickness of the SiO 2 thin film increases, the probe resonator 3 should shift from the aluminum substrate to increase the resonance frequency (return to open air). It shifts in the direction of lowering. From these results 1 to 3, it was confirmed that the resonance frequency shifted according to the dielectric constant of the SiO 2 thin film.

1 測定装置
2 位置決めテーブル
2a 平坦面
3 プローブ共振器
5 分析器
7 外部導体
8 内部導体
14 試料
15 導電性基板
16 下敷
17 錘
18 ヘッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Measuring apparatus 2 Positioning table 2a Flat surface 3 Probe resonator 5 Analyzer 7 Outer conductor 8 Inner conductor 14 Sample 15 Conductive substrate 16 Underlay 17 Weight 18 Head

Claims (8)

近接場電磁波を放射可能な放射面を有するプローブ共振器を用いて試料の誘電率を測定するための方法であって、
前記試料よりも高い導電性を有する導電性部材と、前記プローブ共振器の放射面とを前記試料に対して相対向する方向から密着させることにより、当該導電性部材とプローブ共振器との間に静電容量を形成する形成工程と、
前記形成工程を行っている状態で前記プローブ共振器の放射面から近接場電磁波を放射させる放射工程と、
前記放射工程を行っている間に前記近接場電磁波の共振周波数を検出する本検出工程と、
前記本検出工程により検出された共振周波数に基いて前記試料の誘電率を特定する特定工程とを含むことを特徴とする誘電率の測定方法。
A method for measuring the dielectric constant of a sample using a probe resonator having a radiation surface capable of emitting near-field electromagnetic waves,
A conductive member having higher conductivity than the sample and the radiation surface of the probe resonator are brought into close contact with the sample from a direction opposite to each other, whereby the conductive member and the probe resonator are interposed between each other. Forming step of forming capacitance;
A radiation step of radiating near-field electromagnetic waves from the radiation surface of the probe resonator in the state of performing the formation step;
A main detection step of detecting a resonance frequency of the near-field electromagnetic wave while performing the radiation step;
And a specifying step of specifying the dielectric constant of the sample based on the resonance frequency detected by the main detection step.
前記形成工程では、前記導電性部材としての導電性基板上に前記試料の薄膜を形成することにより、前記導電性基板と前記試料とを密着させることを特徴とする請求項1に記載の誘電率の測定方法。   2. The dielectric constant according to claim 1, wherein in the forming step, the conductive substrate and the sample are brought into close contact with each other by forming a thin film of the sample on a conductive substrate as the conductive member. Measuring method. 前記プローブ共振器の放射面、及び、この放射面に密着される前記試料の密着面は、それぞれ平坦な面とされ、
前記プローブ共振器の放射面と同一平面上に位置するように配置された平坦面を有する位置決め部材が設けられており、
前記形成工程では、前記位置決め部材の平坦面に対し、前記試料の密着面を密着させるようにして位置決めしつつ、当該試料の密着面を前記放射面に密着させることにより、前記試料とプローブ共振器とを密着させることを特徴とする請求項1又は2に記載の誘電率の測定方法。
The radiation surface of the probe resonator and the contact surface of the sample that is in close contact with the radiation surface are flat surfaces, respectively.
A positioning member having a flat surface disposed so as to be located on the same plane as the radiation surface of the probe resonator is provided;
In the forming step, the sample and the probe resonator are positioned by bringing the contact surface of the sample into close contact with the radiation surface while positioning the contact surface of the sample with the flat surface of the positioning member. The method of measuring a dielectric constant according to claim 1 or 2, wherein:
前記プローブ共振器の放射面には、前記近接場電磁波を放射する放射位置が予め設定されており、
前記形成工程では、前記放射位置に重なる部分を含む前記導電性部材の少なくとも一部に対し、前記プローブ共振器に向かう所定の荷重を与えることを特徴とする請求項3に記載の誘電率の測定方法。
On the radiation surface of the probe resonator, a radiation position for radiating the near-field electromagnetic wave is set in advance,
The dielectric constant measurement according to claim 3, wherein in the forming step, a predetermined load toward the probe resonator is applied to at least a part of the conductive member including a portion overlapping the radiation position. Method.
前記プローブ共振器の放射面及び平坦面は、それぞれ上向きに配置されており、
前記形成工程では、上向きに配置された前記放射面及び前記平坦面に対し、前記密着面を下に向けた前記試料を載置しつつ、前記密着面を放射面に密着させることを特徴とする請求項3又は4に記載の誘電率の測定方法。
The radiation surface and the flat surface of the probe resonator are respectively arranged upward,
In the forming step, the contact surface is brought into close contact with the radiation surface while the sample with the contact surface facing downward is placed on the radiation surface and the flat surface arranged upward. The dielectric constant measuring method according to claim 3 or 4.
既知の誘電率を有する試料について共振周波数を検出する予備検出工程をさらに含み、
前記特定工程では、前記予備検出工程において検出された共振周波数と、前記本検出工程において検出された共振周波数とを比較することにより、当該未知の誘電率を特定することを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の誘電率の測定方法。
Further comprising a preliminary detection step of detecting a resonance frequency for a sample having a known dielectric constant;
The unknown dielectric constant is specified in the specifying step by comparing the resonance frequency detected in the preliminary detection step with the resonance frequency detected in the main detection step. The dielectric constant measuring method according to any one of?
試料の誘電率を測定するための装置であって、
近接場電磁波を放射可能な放射面を有するプローブ共振器と、
前記プローブ共振器の放射面と同一平面上に配置された平坦面を有する位置決め部材とを備え、
前記プローブ共振器の放射面は、平坦な面であり、
前記プローブ共振器及び位置決め部材は、前記放射面及び平坦面が上向きとなるように配設されていることを特徴とする誘電率の測定装置。
An apparatus for measuring a dielectric constant of a sample,
A probe resonator having a radiation surface capable of emitting near-field electromagnetic waves;
A positioning member having a flat surface disposed on the same plane as the radiation surface of the probe resonator,
The radiation surface of the probe resonator is a flat surface,
2. The dielectric constant measuring apparatus according to claim 1, wherein the probe resonator and the positioning member are disposed such that the radiation surface and the flat surface are directed upward.
前記基台に設けられ、前記放射面上に載置された試料に対して前記放射面側に向かう所定の荷重を与える荷重付加手段をさらに備えていることを特徴とする請求項7に記載の誘電率の測定装置。   The load adding means which provides the predetermined load which is provided in the said base and is mounted on the said radiation | emission surface and goes to the said radiation | emission surface side is further provided. Dielectric constant measuring device.
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