JP2003509696A

JP2003509696A - 誘電体誘電率および同調性の定量結像

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Publication number: JP2003509696A
Application number: JP2001523885A
Authority: JP
Inventors: スティーブンマークアンレイジ; デイビッドイーサンスタインハウアー; コンスタンティンピー．ヴラハコス; フレデリックシー．ウェルストゥッド
Original assignee: ユニヴァーシティーオブメリーランド，カレッジパーク
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2003-03-11
Also published as: EP1212625A1; AU4070900A; WO2001020352A1

Abstract

(57)【要約】バルクおよび薄膜誘電体サンプルの誘電率および誘電同調性を、約１ミクロン以下の長さの尺度で結像する近接場走査マイクロ波顕微鏡である。顕微鏡は、線形誘電率および非線形誘電体誘電率に敏感であり、印加される電界の関数として測定することができる。汎用有限エレメント・モデルがシステムに使用されており、定量的な結果を得ることができる。技法は非破壊であり、広帯域（０．１〜５０ＧＨｚ）能力を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の背景）発明の分野本発明は一般に結像に関し、さらに詳細には近接場走査マイクロ波顕微鏡を用
いた誘電特性の測定に関する。

【０００２】関連技術誘電体薄膜の研究は、より小型、高速、かつ、より信頼性の高い電子工学に対
する要求の増加に伴い、ますます重要になっている。例えば、リークを最小化し
たより小型のコンデンサを製造するために、高誘電率薄膜の研究が進められてい
る。低誘電率材料は、線路間の不要な漂遊容量を最小化した、より小規模の回路
を可能にすることが期待されている。電界の関数である誘電体誘電率を有する非
線形誘電体が、同調可能装置に使用されており、特にマイクロ波周波数で使用さ
れている。最後に、強誘電体薄膜は、大規模不揮発メモリに対する解決策になっ
ている。

【０００３】これらの誘電体薄膜技術はすべて、高品質かつ均質な膜を必要としている。し
かし、複雑な製造プロセスを必要とするため、この目標はしばしば実現が困難で
ある。したがって、誘電率および同調性などの薄膜特性を評価するための信頼性
の高い、一連の技法を持つことが重要である。多数の異なる技法を利用すること
ができる。標準的な低周波数（≒＜１ＭＨｚ）技法の１つは、薄膜コンデンサを
使用して、誘電率テンソルの直角成分および平面内成分を測定している。別の技
法は、コルビーノ・プローブからの反射測値を使用している。さらに他の技法は
、マイクロストリップ構造を介した伝送測値を使用することにより、誘電率のマ
イクロ波測値を提供している。しかし、これらの技法は、広い面積に渡って平均
しており、また、それ自体がサンプルの特性を変化させ得る薄膜電極を付着させ
なければならない。誘電体共振器も使用されているが、やはり、空間分解能が小
さいという問題を抱えている。ごく最近、近接場顕微鏡技法により、波長よりは
るかに短い空間分解能での定量測定が可能になった。これらの技法には、小型プ
ローブを介してサンプルの局部化領域に結合された共振器が使用されており、非
破壊であるという利点を有している。しかし、定量的な結果を得、かつ、高空間
分解能を維持することは、依然として困難である。

【０００４】したがって、高空間分解能で誘電率および同調性を定量的に結像させるための
、非破壊かつ非侵襲システムおよび方法が必要である。

【０００５】（発明の概要）本発明は、バルクおよび薄膜誘電体サンプルの誘電特性を定量的に結像させる
ためのシステム、装置、および方法を提供することにより、前述の必要性に応え
るものである。誘電率および誘電同調性は、本発明によって測定することができ
る誘電特性の２つの例である。

【０００６】システムには、近接場走査マイクロ波顕微鏡（ＮＳＭＭ）が使用されている。
ＮＳＭＭは、一端がマイクロ波信号源に結合され、他端がオープンエンド同軸プ
ローブで終端している同軸伝送線路共振器を備えている。外部導体を超えて延び
る、先端の鋭い中心導体を有するプローブが固定保持され、プローブ・チップの
下でサンプルがラスタ走査される。ばね荷重カンチレバー・サンプル・ホルダが
、約５０μＮ（マイクロニュートン）の力でプローブ・チップにサンプルを軽く
押し付けている。帰還回路により、顕微鏡共振器の選択共振周波数へのマイクロ
波信号源の固定が維持される。マイクロ波信号によって生成される電界は、プロ
ーブ・チップに集中するため、共振周波数および共振器のＱ値は、プローブ・チ
ップに近いサンプル特性の関数である。プローブ・チップを介してサンプルにマ
イクロ波信号が印加されると、マイクロ波信号は、反射してシステムに戻される
。帰還回路は、反射されたマイクロ波信号を同軸伝送線路共振器から受け取り、
共振周波数偏移を計算することができる。次いで共振周波数偏移値は、コンピュ
ータに記憶される。コンピュータは、プローブの下のサンプルの走査も制御して
いる。定量的な結果を得るために、システムは、計算共振周波数偏移データ値と
サンプルの誘電特性の関係を示すための較正曲線を使用している。

【０００７】本明細書において説明する本発明は、サンプルの定量的な結果を、約１μｍ以
下の長さの尺度で提供することができる利点を有している。それにより、サンプ
ルが実際に使用される環境に比例したサンプル・サイズを測定することができる
。

【０００８】また、本発明は、鋭く突き出た中心導体が、モデル化中におけるコーンとして
表されているため、より正確な定量結果を提供する利点を有している。

【０００９】本発明の特徴および利点は、以下に示す詳細説明および添付の図から、より明
らかになるであろう。図において、同じ参照番号は、同じエレメントまたは機能
的に類似したエレメントを表している。また、参照番号の最も左側の桁は、その
参照番号が最初に出現する図面を識別したものである。

【００１０】（好適な実施形態の詳細な説明）本明細書に記載した本発明は、バルク・サンプルおよび薄膜サンプルの誘電特
性を表示するシステム、装置、および方法である。本発明は近接場走査型マイク
ロ波顕微鏡（ＮＳＭＭ）を使用している。

【００１１】本発明のシステムのための物理的デザイン本発明の一実施形態の装置が図１に示されている。システム１００は、先鋭に
突出した中央導体１８５を有する開放式同軸プローブを備えた、近接場光学光学
顕微鏡を示している。同軸伝送回線共振器１３５は、プローブ・チップ１８５と
静電カプラ１４５との間に共振を発生するために用いられる。マイクロ波信号源
１６５はマイクロ波信号を生成する役割をする。フィードバック回路１６０は同
軸伝送回線共振器１３５からの反射されたマイクロ波信号を受信する。また、フ
ィードバック回路１６０は所定の共振にマイクロ波信号源１６５を固定した状態
に保つ。このフィードバック回路１６０の別の機能は、サンプル１２５の誘電特
性によって生じる共振の変化に関する少なくとも１つのパラメータの値を算出す
る。測定された考えられる２つのパラメータは、共振周波数偏移（Δｆ）および
Ｑ（ｑｕａｌｉｔｙｆａｃｔｏｒ）である。ステージ１２０は先鋭に突出した
中央導体１８５に接触しているサンプル１２５を支持するために用いられる。選
択的には、以下でさらに詳細に説明される図２によれば、本発明のさらなる実施
形態は、先鋭に突出した中央導体１８５およびステージ１２０に関してサンプル
を支持するためにもうけられたバネ式カンチレバ・サンプル・ホルダ２１０を有
している。

【００１２】システム１００は、先鋭に突出した中央導体１８５に接しているサンプル１２
５を第１、第２または第３の方向に操作するモータ・コントローラ１１５をさら
に備えている。例えば、このサンプルはｘ、ｙおよびｚ軸に沿って移動かつ／ま
たは回転することができる。カプラ１５０はマイクロ波信号源１６５と同軸伝送
回線共振器１３５との間に取り付けられている。カプラ１５０は、指向性カプラ
、サーキュレータ、またはマイクロ波信号を指向させる当業者に周知の他の装置
であってよい。このカプラは最初にマイクロ波信号をサンプル１２５の方向に向
け、次にフィードバック回路１６０の方向に反射されたマイクロ波信号を向ける
。

【００１３】検出器１５５は、フィードバック回路１６０に向けられた反射信号を、検出電
圧を表す電圧信号に変換する役割をする。メモリおよびプロセッサの両方を備え
たコンピュータ１０５が示されている。また、コンピュータ１０５のメモリは定
量モデリングに使用される電界構成データ・ファイルを格納する。コンピュータ
１０５はまた較正サンプルの周波数偏移の値およびテストサンプルの周波数偏移
の値を格納する。コンピュータ１０５のプロセッサは、共振周波数偏移の変化に
関する少なくとも１つのパラメータとこの変化によるサンプルの既知の誘電特性
との間の関数関係を数学的に測定する。このようなパラメータの一例は相対的誘
電率（ε_ｒ）である。次に、コンピュータ１０５のプロセッサは、誘電特性が不
明のサンプルの共振周波数偏移をフィードバック回路１６０から受信し、かつモ
デル周波数偏移−誘電の特性関係に基づいて不明な誘電特性の値を測定する。表
示装置１１０は、一旦誘電特性の値がプロセッサ１０５によって測定されたら、
その値を表示するために備えられている。

【００１４】図２は本発明の選択的な一実施形態を示しており、ここでバネ式サンプル・サ
ポート２００はプローブ・チップ１８５の真下でサンプル１２５を支持するため
に用いられる。サンプル・サポート２００は、サンプル１２５を支持するための
、角度の付いた端部（ａｎｇｌｅｄｅｎｄ）および二次元平面（ｐｌａｎａｒ
ｓｕｒｆａｃｅ）を備えたカンチレバ・サンプル・ホルダ２１０を使用してい
る。第１の固定装置２３０はｘ−ｙステージに固定され、かつバネ２２０によっ
てサンプル・ホルダ２１０に結合されている。このバネ２２０は、サンプル・ホ
ルダ２１０の角度の付いた部分が、ｘ−ｙステージに取り付けられた第２の固定
装置２４０と接触するときに形成される軸点と近接するように位置決めされてい
る。このバネ式カンチレバの設計のために、プローブ・チップ１８５によって加
えられる力が走査中に実質的に一定に保ち続けることができる。また、接触モー
ドによる走査中に生じるプローブ・チップの過剰な摩耗も低減される。加えられ
る力の大きさは、適切なバネを選択し、かつカンチレバ・サンプル・ホルダ２１
０に沿ってスプリングおよび／またはサンプルの位置を調整することによって設
定することができる。一実施形態では、約５０μＮ（マイクロ・ニュートン）の
力がプローブ・チップとサンプル１２５との間に加えられる。

【００１５】またシステム１００は、図３に示した、モデル周波数偏移−誘電の特性関係を
測定する定量モデラ（ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｍｏｄｅｌｅｒ）を備えてい
る。定量モデル３００は、誘電特性が分かっている較正サンプルおよび誘電特性
が不明なテストサンプルの共振周波数偏移の値をコンピュータ１０５のメモリか
ら受信する。定量モデル３００は、モデル較正曲線発生器３１０、測定された共
振周波数偏移と特定の誘電特性との間の関係を示すデータ（表、グラフ、ファイ
ルまたは曲線等）を発生するために、プローブ較正曲線発生器３２０およびテス
トサンプル曲線発生器３３０に測定された共振周波数偏移のデータを提供する。
特に、モデル較正曲線発生器３１０は、較正基準サンプルに対して、測定された
共振周波数偏移（Δｆ）と誘電特性（例えば、誘電率ε_ｒ）との間の関係を示す
形状ディスクリプタのモデル構成曲線を異なる値で発生する。モデル較正曲線発
生器３１０のオペレーションを図１２および図１３を参照してさらに説明する。
プローブ較正曲線発生器３２０およびサンプル曲線発生器３３０は、モデル較正
曲線およびプローブ・チップ１８５の形状ディスクリプタの値から導かれた較正
曲線を発生する。この較正曲線は、走査中に測定された共振周波数偏移（Δｆ）
とイメージングに用いられる実際のＮＳＭＭの形状ディスクリプタの値における
誘電特性（例えば、誘電率ε_ｒ）との間の関係を示す。この較正曲線によって、
走査中に測定された共振周波数偏移に相当する曲線状の地点を見つけ出すことに
より誘電特性の測定が可能となる。図９、１２、１４および１７を参照して、プ
ローブ較正曲線発生器３２０およびテストサンプル曲線発生器３３０のオペレー
ションをさらに説明する。

【００１６】まず図４〜図８および図１６を参照して、本発明の定量モデリングを考察する
ことが有用である。次に、本発明のオペレーションを図９〜１５を参照してさら
に説明する。

【００１７】定量モデリングプローブ・チップ近傍の電界の計算定量結果に到達するために、本発明者らは初めに最も単純な均一のバルク・サ
ンプルの例を考慮して、本システムのための物理モデルを開発した。プローブ・
チップの長さはマイクロ波（〜４ｃｍ）の自由空間の波長に比して非常に小さい
ため、このマイクロ波電界の静的計算が実行される。円筒形の対称がこの二次元
の問題をさらに単純化する。潜在的な多層サンプルに接しているプローブ・チッ
プの形状は複雑であるため、グリッド上の有限要素モデルが用いられる。グリッ
ドにより表された領域の緩和ポテンシャルΦを用い、かつ誘電率の変化を考慮す
ることにより次式が得られる。

【００１８】

【数５】本発明者らは長方形のグリッドを用いて、このプローブ・チップを平滑断端が半
径ｒ_０の錐体として表し、表計算プログラムを用いて計算を行う。式（１）から
、Φ_ｉｊが行ｉおよび列ｊのセルのポテンシャルである場合、Φ_ｉｊは近接する
４つのセルの値の加重平均である。

【００１９】

【数６】ここで、図１６を参照するとｒは円筒形の座標軸からの半径を表し、Δｒおよび
Δｚは、それぞれｒ方向とｚ方向との間のセルの間隔を表しており、Δｒ＝Δｚ
である。式（２）は最も単純な例である。すなわち、実際この式は、誘電サンプ
ル（ε_ｒ＞１）と空気（ε_ｒ＝１）との間のインタフェースのような場合には、
より複雑である。電界が最も強力なプローブ・チップ近傍の場合、したがって最
も臨界（ｃｒｉｔｉｃａｌ）状態にある場合、グリッド間隔ΔｒおよびΔｚは小
さくかつ均一である。この箱の内側では、Δｚ＝Δｚ_ｉｎ＝０．１μｍは固定さ
れており、他方では、Δｒ＝Δｚ_ｉｎの値は均一であるが、先鋭度が異なるプロ
ーブ・チップを考慮して調整可能（０．５μｍ≒＜Δｒ_ｉｎ≒＜１．０μｍ）と
なっている。図１６では、プローブ・チップの先鋭度の形状ディスクリプタはア
スペクト比のパラメータα≡Δｚ_ｉｎ／Δｒ_ｉｎで表される。

【００２０】このグリッドの境界は、選択された境界条件がプローブ・チップ近傍の電界に
及ぼす影響を最小限に抑えるために十分離れている必要がある。これを達成する
ために、プローブ・チップに近接する領域の外部ではΔｒまたはΔｚの値はプロ
ーブ・チップからの距離とともに連続的に増大し、これによりグリッドの外部半
径は少なくとも４ｍｍになり、グリッドの高さは少なくとも２ｍｍになる。この
結果得られたグリッドは８４×１１７のセルで構成され、これは十分に小さいた
めに現代のパーソナル・コンピュータを用いた計算が容易になる。上部および外
部の境界条件はｄφ／ｄｎ＝０であり、ここでｎは端部に対して直角の座標を表
している。厚さ５００μｍのサンプルの底側面を表すグリッドの底部では、境界
条件としてφ＝０が用いられる。この条件をマッチさせるため、サンプルは走査
する金属層の上部に置かれる。すなわち、これには形作るのが難しいと思われる
サンプルの真下にあるいかなるものの影響からも、近接場走査型マイクロ波顕微
鏡を保護するというさらなる利点がある。

【００２１】このモデルに対する考えられる２つの適したパラメータとは形状ディスクリプ
タ、すなわち、アスペクト比αおよび半径ｒ_０のプローブ端部が先鋭ではないと
いうことである。本発明者らは、データによりｒ_０＝（０．６μｍ）／αに固定
することによって十分に適した値が得られることを発見した。これによりαはす
べてのプローブ・チップを表すのに適合する唯一のパラメータとなる。また、本
発明者らは、典型的には１＜α＜２であることを発見した。αが例えば１．５未
満と小さい場合、プローブ・チップは先鋭ではないと考えられる。αが例えば１
．５以上と大きい場合、プローブ・チップは先鋭であると考えられる。

【００２２】顕微鏡の周波数偏移の算出この顕微鏡の周波数偏移は、摂動論を用いて、プローブ・チップ近傍の領域の
関数として算出される。図４は非摂動状態、すなわちサンプルが存在しない場合
および摂動状態、すなわちプローブの下にサンプルが存在する場合の周波数偏移
を示している。最小値の幅はＱの変動に関して変化する。図５を参照すると、ε _ｒ１およびε_ｒ２は２つのモデル・サンプルの誘電率として定められており、下
付き文字１および２は非摂動状態および摂動状態のシステムを示している。

【００２３】

【数７】が２つのモデル・サンプル内部の算出された電界の場合

【００２４】

【数８】サンプル１からサンプル２までの顕微鏡の周波数偏移は次式で表される。

【００２５】

【数９】ここで、ε_０＝８．８５×１０^−１２Ｆ／ｍは自由空間の誘電率を表し、Ｗは共
振器に保存されたエネルギーを表し、この積分はサンプルの体積Ｖ_ｓを超える。
近似値Ｗは共振器の負荷時のＱに対する式Ｑ_Ｌ＝ω_０Ｗ／Ｐ_Ｉを用いて算出され
、ここでω_０は共振周波数を表し、Ｐ_Ｉは共振器内の電力損を表している。一実
施形態では、露出した（ｂａｒｅ）厚さ５００μｍのランタン・アルミネート（
ＬＡＯ）の基板は、その特性が十分特徴的（ｗｅｌｌ−ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚ
ｅｄ）（ε_ｒ＝２４）であるため非摂動システムとして用いられ、酸化誘電薄膜
として一般的な基板である。

【００２６】図６はバルク・サンプル６１０がプローブ・チップ１８５の下で走査されたと
きに現れる電界６０５を示している。

【００２７】誘電薄膜のモデリング図７は薄膜のモデリングを示している。薄膜のイメージを提供するために、有
限要素モデルが、モデル・サンプルと同じ厚さの誘電基板７１５の頂部上に薄膜
７１０を含んだ形で拡大されている。薄膜７１０がモデル・サンプルと同じ厚さ
の基板上にある限り、唯一の摂動はこの薄膜である（サンプルの全体の厚みの変
化は厚い基板に比して無視できる）。薄膜サンプルの電界７０５を本発明の有限
要素モデルおよび式（３）を用いて算出し、薄膜サンプルの体積を積分するだけ
でΔｆが算出される。一旦バルク・サンプルに対してプローブのαパラメータが
前述のプロセスを用いて見出されると、この薄膜モデルを用いて薄膜のΔｆとε _ｒとの間の関数関係が得られる。

【００２８】前述した定量モデルを発生するために、不明なサンプルの誘電体誘電率がその
範囲に入ると考えられる誘電率の範囲を含むようにサンプルが選択される。既知
の値ε_ｒおよびｔ（薄膜７１０の厚さ）ならびに算出された値αおよびΦは、各
サンプルそれぞれの電界構成データ・ファイルにすべて格納される。図８では例
えば、定量モデル・データは、誘電体誘電率の値が１０〜２００でプローブ・チ
ップの形状がα＝１およびα＝２のサンプルを用いて生成される。したがって、
この電界構成データ・ファイルは、不明なサンプルの誘電体誘電率が１０〜２０
０の間になると考えられる場合に使用可能である。

【００２９】以下の論文は本発明の定量モデルに関するものであり、参照として本明細書に
すべて組み入れられている。

【００３０】ＡｐｐｌｉｅｄｐｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ誌、第７５巻１１月２０日号
３１８０頁（１９９９年）のＤ．Ｅ．Ｓｔｅｉｎｈａｕｅｒ，Ｃ．Ｐ．Ｖｌａｈ
ａｃｏｓ，Ｆ．Ｃ．Ｗｅｌｌｓｔｏｄ，ＳｔｅｖｅｎＭ．Ａｎｌａｇｅ，Ｃ．
Ｃａｎｅｄｙ，Ｒ．Ｒａｍｅｓｈ，Ａ．ＳｔａｎｉｓｈｅｖｓｋｙおよびＪ．Ｍ
ｅｌｎｇａｉｌｉｓらの“Ｉｍａｇｉｎｇｏｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｐｅｒ
ｍｉｔｔｉｖｉｔｙ，ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｄａｍａｇｅｒｅｃｏ
ｖｅｒｙｉｎ（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ_３ｔｈｉｎｆｉｌｍｓ”

【００３１】ＴｈｅＡｍｅｒｉｃａｓＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＡｎａｌｙｓｉ
ｓ誌２０００年１月号、５頁のＣ．Ｐ．Ｖｌａｈａｃｏｓ，Ｄ．Ｅ．Ｓｔｅｉｎ
ｈａｕｅｒ，ＳｔｅｖｅｎＭ．Ａｎｌａｇｅ，Ｆ．Ｃ．Ｗｅｌｌｓｔｏｄ，Ｓ
ｕｄｅｅｐＫ．ＤｕｔｔａおよびＪｏｈａｎＢ．Ｆｅｅｎｓｔｒａらの“Ｎ
ｏｎ−ＣｏｎｔａｃｔＩｍａｇｉｎｇｏｆＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎ
ｓｔａｎｔｗｉｔｈａＮｅａｒ−ＦｉｅｌｄＳｃａｎｎｉｎｇＭｉｃ
ｒｏｗａｖｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”

【００３２】本発明の方法誘電体誘電率のイメージング本発明の一実施形態の方法を図９にフロー・チャート９００として示す。この
方法はステップ９０５で始まる。ステップ９１０では、システム１００は図１０
に記載のプローブ較正ルーチンに従って較正され、較正サンプルの周波数偏移の
値（Δｆ_{ｓａｍｐｌｅＣ}）、プローブ・チップの形状ディスクリプタおよびサン
プル形状が得られる。

【００３３】テストサンプルの走査ステップ９１５では、誘電特性が不明なサンプル１２５が、図１１に示したル
ーチンに従って走査され、テストサンプルの共振周波数偏移の測定値（Δｆ_ｓａ _{ｍｐｌｅＴ} ）が得られる。また、これらの測定にはＱおよび／または同調性の情
報（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を決定することを含む。
このテストサンプルが薄膜の場合は、誘電性の薄膜および基板の両方を含む。こ
こで、ステップ９１５を図１１に示したステップを参照して説明する。この方法
はステップ１１０５で始まる。ステップ１１１０では、近接場走査型マイクロ波
顕微鏡の共振周波数が選択される。ステップ１１１５では、テストサンプルが顕
微鏡ステージ上に置かれる。ステップ１１２０では、プローブ・チップがこのテ
ストサンプルに接触するように移動される。ステップ１１２５では、ラスタ走査
が開始される。ステップ１３０では、テストサンプルに接触する最初の位置に相
当する位置の値が次の走査点としてコンピュータ１０５のメモリに格納される。

【００３４】ステップ１１３５では、このプローブは所定のバックグラウンド測定地点（ｂ
ａｃｋｇｒｏｕｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎ）まで移動さ
れるが、ここでは較正サンプルはもはや共振器を摂動させることはない。例えば
、この所定のバックグラウンド測定地点は、顕微鏡の伝送回線１３５の直径の１
．５倍以上の高さであるか、少なくとも近似的には較正サンプルより上の３ミリ
メータの高さである。ステップ１１４０では、バックグラウンドの共振周波数偏
移の測定はこのバックグラウンド測定地点から行われる。ステップ１１４５では
、次の走査点でプローブ・チップはテストサンプルに接触する位置まで戻される
。ステップ１１５０では、走査点の接触共振周波数偏移が測定される。ステップ
１１５５では、この走査点の接触共振周波数偏移とバックグラウンド共振周波数
偏移との差が算出される。ステップ１１６０では、この算出された差はテストサ
ンプルの共振周波数偏移としてコンピュータ１０５のメモリに保存される。

【００３５】ステップ１１６５では、顕微鏡のプローブ・チップは次の走査点まで移動され
る。ステップ１１７０では、コンピュータ１０５が次の走査点が走査線の終点か
どうかを決定する。この走査線の終点に達していない場合、ステップ１１５０〜
１１６５までが繰り返し行われる。次にステップ１１７５では、コンピュータ１
０５は次の走査点が走査領域の終点であるかどうかを決定する。終点に達してい
ない場合、ステップ１１３５〜１１７０がスキャン領域の終点に達するまで繰り
返し行われる。ステップ９１５の終わりには、テストサンプルの共振周波数偏移
の値のセットはコンピュータ１０５のメモリに記録されているか、または格納さ
れている。

【００３６】ステップ９２０では、ステップ９１０から得られた較正サンプルの共振周波数偏
移の値を用いて、図１２に記載したルーチンに従ってプローブ較正曲線が発生さ
れる。ステップ９２５では、このテストサンプルが薄膜かどうかが決定される。
ステップ９３０では、すべての較正サンプルがテストサンプルと同じ厚さを有し
ているかどうかが測定される。次にステップ９４５では、テストサンプルが薄膜
でなく、かつすべての較正サンプルがテストサンプルと同じ厚さを有している場
合、まずステップ９１５で得られたテストサンプルの共振周波数偏移の値（Δｆ _{ｓａｍｐｌｅＴ} ）を検索し、次にステップ９２０から得られたプローブ較正曲線
上に相当するΔｆの値を位置付けることによって、サンプルの不明な誘電特性を
測定することができる。このテストサンプルの誘電特性は、ステップ９２０から
得られたプローブ較正曲線上のΔｆの値に相当する誘電特性と等しい。次にステ
ップ９３５では、テストサンプルが薄膜の場合、または唯一の較正サンプルがテ
ストサンプルと同じ厚さを有する場合、テストサンプル較正曲線が発生される。
ステップ９４０では、まずステップ９１５で得られたテストサンプルの共振周波
数偏移の値（Δｆ_{ｓａｍｐｌｅＴ}）を検索し、次にステップ９４０から得られた
テストサンプル較正曲線上に相当するΔｆの値を位置付けることによって、サン
プルの不明な誘電特性を測定することができる。このテストサンプルの誘電特性
は、テストサンプル較正曲線上のΔｆの値に相当する誘電特性と等しい。このプ
ロセスはステップ９５０で完了する。

【００３７】択一的な実施形態では、ステップ９２０はステップ９１５の前に行われてよい
。さらに別の実施形態では、ステップ９１０はステップ９１２の前ではなくステ
ップ９１５の後に行われてよい。さらに、ステップ１１３５，１１４０および１
１４５は選択的には、走査の前後にサンプル上の各点にて走査中に所望の回数実
行することもできる。

【００３８】較正誘電サンプルの不明な誘電体誘電特性（ε_ｒ）を測定するには、ＮＳＭＭが較
正されて、誘電率（ε_ｒ）および厚さ（ｔ）が分かっている少なくとも２つのサ
ンプルを用いてパラメータαが決定される。誘電性基板の上部にあるバルク誘電
テストサンプルまたは薄膜サンプルの厚さは、第１の測定厚さと呼ばれる。薄膜
の誘電テストサンプルの場合、この薄膜の厚さは第２の測定厚さと呼ばれる。

【００３９】システム１００の構成プロセスを図１０のフローチャート１０００を用いて説
明する。このプロセスはステップ１０１０から始まる。ステップ１０１５では、
誘電特性が知られている少なくとも２つの較正サンプルが選択される。この少な
くとも２つの較正サンプルは、互いに近似的に同じ厚さである。また、この較正
サンプルのうち少なくとも１つは、第１の予定の厚さを有し、かつ誘電特性が不
明なテストサンプルと近似的に同じ厚さである。このテストサンプルが薄膜を含
んでいる場合、テストサンプルの第１の所定の厚さと近似的に等しい厚さを有す
る少なくとも１つの較正サンプルが、このテストサンプルの基板と同じ誘電率を
有していることがさらに必要である。

【００４０】構成サンプルの走査ステップ１０２０では、選択された各構成サンプルは図１１に記載した走査ル
ーチンに従って走査され、誘電特性の値が分かっているサンプルの共振周波数偏
移の各セットが測定される。この方法はステップ１１０５から始まる。ステップ
１１１０では、近接場走査型マイクロ波顕微鏡の共振周波数が選択される。ステ
ップ１１１５では、較正サンプルが顕微鏡ステージ上に置かれる。ステップ１１
２０では、プローブ・チップはこの較正サンプルと接触するように移動される。
ステップ１１２５では、ラスタ走査が開始される。ステップ１１３０では、較正
サンプルに接触する最初の位置に相当する位置の値が、次の走査点としてコンピ
ュータ１０５のメモリに格納される。ステップ１１３５では、このプローブは所
定のバックグラウンド測定地点（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎ
ｔｐｏｓｉｔｉｏｎ）まで移動されるが、ここでは較正サンプルはもはや共振
器を摂動させることはない。例えば、この所定のバックグラウンド測定地点は、
顕微鏡の伝送回線１３５の直径の１．５倍以上の高さであるか、少なくとも近似
的には較正サンプルより上の３ミリメータの高さである。ステップ１１４０では
、バックグラウンドの共振周波数偏移の測定はこのバックグラウンド測定地点か
ら行われる。ステップ１１４５では、次の走査点でプローブ・チップは較正サン
プルに接触する位置まで戻される。ステップ１１５０では、走査点の接触共振周
波数偏移が測定される。ステップ１１５５では、この走査点の接触共振周波数偏
移とバックグラウンド共振周波数偏移との差が算出される。ステップ１１６０で
は、この算出された差はテストサンプルの共振周波数偏移としてコンピュータ１
０５のメモリに保存される。ステップ１１６５では、顕微鏡のプローブ・チップ
は次の走査点まで移動される。ステップ１１７０では、コンピュータ１０５が次
の走査点が走査線の終点かどうかを決定する。この走査線の終点に達していない
場合、ステップ１１５０〜１１６５までが繰り返し行われる。次にステップ１１
７５では、コンピュータ１０５は次の走査点が走査領域の終点であるかどうかを
決定する。終点に達していない場合、ステップ１１３５〜１１７０がスキャン領
域の終点に達するまで繰り返し行われる。各較正サンプルに対してステップ１０
２０が繰り返し行われる。

【００４１】ステップ１０２５では、プローブ・チップの形状ディスクリプタが決定される
。この形状ディスクリプタはユーザによって入力されるか、またはシステム１０
０によって算出される。形状ディスクリプタはプローブ・チップの形状を表す任
意のディスクリプタであってよい。したがって、本発明の一実施形態では、形状
ディスクリプタは第１のプローブ・チップの形状ディスクリプタの値および第２
のプローブ・チップの形状ディスクリプタの値と呼ばれる。別の実施形態では、
アスペクト比α＝Δｚ／Δｒが用いられるが、ここでΔｚは共振器の長さとに平
行なｚ方向に沿った距離を表し、Δｒはプローブ・チップ１８５からその最外面
まで延在している半径の距離を表している。

【００４２】ステップ１０３０では、サンプルの形状データが入力される。例えばバルク・
サンプルの場合、サンプルの形状データはサンプルの厚さを含んでいる。バルク
基板上の薄膜の場合、薄膜の厚さが同様に提供される。

【００４３】較正曲線の発生図１２は較正曲線を発生するルーチンを示している。このルーチンはステップ
１２０５から開始される。ステップ１２１０では、電界構成データは図８に示す
ように格納される。この格納されたファイルは、ステップ１０２０で走査された
較正サンプルと近似的に同じ厚さを有するモデル・サンプルのデータを含む。α
の各値に対して少なくともファイルは、ステップ１０２０で走査された較正サン
プルの１つ同じ誘電率を有している。この誘電率はΔｆ＝０の非摂動システムを
与えるために定められる。

【００４４】ステップ１２１５では、モデル較正曲線は、既に格納されている電界構成デー
タ・ファイルのうち少なくとも２つから、少なくとも２つの各プローブ・チップ
の形状ディスクリプタの値に対する電界の値および誘電率の値を読み取ることに
よって発生される。図１３はα＝１およびα＝２の場合のモデル構成曲線の一例
を示している。α＝１の場合のモデル較正曲線を発生するために、既に格納され
ている第１の電界の値（Ｅ_１）および第１の誘電率の値（ε_ｒ１）が選択されて
、ゼロ点（Δｆ＝０）が表される。次に、α＝１の場合の第２の電界構成データ
・ファイルが読み取られ、既に格納された第２の電界の値（Ｅ_２）および第２の
誘電率の値（ε_ｒ２）が得られる。続いて、第１のモデル較正曲線の一点が次式
を解くことによって発生される。

【００４５】

【数１０】第１の較正曲線上の複数の点は、ε_ｒ２およびＥ_２という異なる値に対してステ
ップ１２１５を繰り返し行うことによって発生される。α＝２の場合の電界構成
データ・ファイルが代わりに用いられる場合を除き、α＝２の場合の第２のモデ
ル較正曲線は前述したように発生される。

【００４６】ステップ１２２０では、較正曲線はステップ１２１５からのモデル較正曲線お
よびステップ１０２０からの較正サンプルの周波数偏移の値を用いて発生される
。この較正曲線上の一点は、まず較正サンプルの２つの周波数偏移の値の差を算
出することによって発生される。この計算に用いられる較正周波数偏移の値のう
ち１つは、ステップ１２１５からのゼロ点の誘電率の値に相当している必要があ
る。一旦差の値が測定されると、モデル較正曲線のΔｆ軸に関してグラフに示さ
れる。図１４はα＝１．５の場合の較正曲線を示すために、図１３のモデル較正
曲線に関して４つの較正点が示された場合の一例を示したものである。このプロ
ーブのα＝０の場合の値は、曲線Ｃ_ｍ２およびＣ_ｍ１に関連して曲線Ｃ_ｐの位置
を観察することによって決定される。

【００４７】テストサンプルの較正曲線の発生テストサンプルが薄膜サンプルの場合、または唯一の較正サンプルが最初に測
定されたテストサンプルと同じ厚さを有する場合、ステップ９３５において別の
テストサンプルの較正曲線が発生される必要がある。

【００４８】図１７にテストサンプルの較正曲線Ｃ_ｔｓの一例を示す。ステップ９１５で得
られた周波数偏移の値をテストサンプルの誘電率の値に変換するために、この曲
線Ｃ_ｔｓはステップ９４０において用いられる。この曲線Ｃ_ｔｓは２つの方法の
うち１つを用いて算出されてよい。第１の方法の場合、この計算はステップ９２
０で測定されたαの特定の値（例えば、図１７に示すようにα＝１．５）につい
て行われる。第２の方法の場合、この計算は曲線Ｃ_ｔｓ１およびＣ_ｔｓ２のよう
に図１７に示したようなαの２つまたはそれ以上の値について行われる。次に、
この曲線Ｃ_ｔｓは曲線Ｃ_ｔｓ１とＣ_ｔｓ２との間に挿入することによって、ステ
ップ９２０で測定されたαの値について算出される。この第２の方法の利点は、
曲線Ｃ_ｔｓ１およびＣ_ｔｓ２の発生はあらかじめ一回だけ行われるため、各操作
に対して必要な計算が少なくて済む点にある。

【００４９】テストサンプルがバルク・サンプルの場合、および唯一の較正サンプルがテス
トサンプルと同じ厚さを有する場合、図１７の曲線はプローブ較正曲線に関して
前述の項で実行したのと同じ方法を用いて算出される。この違いは新しいセット
のファイル（図８に示す）が用いられるということであり、このファイルはテス
トサンプルの厚さに等しいサンプルの厚さを表している。テストサンプルと同じ
厚さを有する較正サンプルに対してＮＳＭＭを用いて測定された周波数偏移（ス
テップ９１０で測定された）は、図１７のテストサンプルの較正曲線に対してΔ
＝０であると定められる。

【００５０】薄膜のテストサンプルの場合、図１７の曲線Ｃ_ｔｓ１およびＣ_ｔｓ２は図１２
に記載したルーチン従って算出される。しかしここでは、図８に示した異なるセ
ットのファイルが用いられている。この新しいセットでは、ファイルはテストサ
ンプル中の第２に測定された薄膜と等しい厚さを有する薄膜を表している。体積
Ｖ_ｓはこの薄膜の体積であり、サンプル全体の体積ではない。テストサンプルと
同じ厚さおよびテストサンプルの基板と同じサンプル誘電率を有する較正サンプ
ルに対してＮＳＭＭを用いて測定された周波数偏移は、図１７の曲線の場合はΔ
ｆ＝０と定められる。

【００５１】非線形誘電結像図１５は本発明のさらなる特徴に従って、共振器内のバイアス・ティ（ｂｉａ
ｓｔｅｅ）８０を介してプローブ・チップに電圧バイアス（Ｖ_ｂ）１５０５を
印加することによって、どのように電界依存性結像が達成されるかを示している
。薄膜１５１０の下の金属層１５２０は、接地された対極（ｃｏｕｎｔｅｒｅｌ
ｅｃｔｒｏｄｅ）として機能する。

【００５２】図１５に示すように、サンプル１２５は誘電性薄膜フィルム１５１０であって
よい。この誘電性薄膜フィルム１５１０は接地された対極１５２０上に配置され
ている。この接地された対極１５２０は、基板１５３０上に設けられている。対
極１５２０がマイクロ波測定に影響を及ぼさないように（このシステムのモデリ
ングはこれが潜在的な問題であることを示している）、本発明者らはシート抵抗
性の高い対極を用いて、マイクロ波フィールドに対して対極が見えないようにし
ている。その結果、薄膜の対極１５２０の存在が前述の有限要素モデルにおいて
安全に無視される。対極１５２０はこの誘電性薄膜の直下にあるため、誘電率の
大きい薄膜に対して水平方向にある。印加電界は主として垂直方向にあるマイク
ロ波とは異なり、また、前述したモデルと同様の有限要素モデルを用いて加えら
れた電荷をシミュレートすることによって、本発明者らはプローブ・チップ下の
印加電界は近似的に均一でありかつＥ_ｂ＝Ｖ_ｂ／ｔ_ｆであることを発見した。こ
こでｔ_ｆは誘電性薄膜の厚さを表している。

【００５３】プローブ・チップに印加されたバイアス電圧１５０５を調節することによって
、この誘電率の非線形項が抽出される。電界Ｅの力の中で電気変位Ｄを展開し、
かつ非ゼロ項のみを維持することによって次式が得られる。

【００５４】

【数１１】ここでＥ_１はｒ方向のｒｆ電界を表し、Ｅ_３＝Ｅ_ｂはｚ方向の加えられたバイア
ス電界を表している。

【００５５】低周波数の振動構成要素

【００５６】

【数１２】をバイアス電圧に加えることによって、印加電界は

【００５７】

【数１３】となる。効果的なｒｆ電界を次式に示す。

【００５８】

【数１４】 ε_ｒｆおよび２ω_ｂでの構成要素は、近似的にはそれぞれε_１１３およびε_１１ _３３に比例することに注目されたい。この顕微鏡の共振周波数をｆ_０（ε_ｒｆ＝
ε_１１）に関するテイラー系（Ｔａｙｌｏｒｓｅｒｉｅｓ）として展開するこ
とによって次式が得られる。

【００５９】

【数１５】式５を式６に代入し、かつより長い時間のみを維持することによって次式が得ら
れる。

【００６０】

【数１６】したがって、ω_ｂおよび２ω_ｂの周波数偏移の構成要素が抽出されて、非線形誘
電率の時間ε_１１３およびε_１１３３が決定される。これらの非線形時間は非線
形誘電率（ε_１１）とともに走査と同時に測定される。

【００６１】選択的な例として、電界Ｅ_ｂは誘電性薄膜上に付着された薄膜電極を用いて水
平方向に加えられる。この利点は、ε_１１１およびε_１１１１のような斜状の非
線形誘電率のテンソル時間が測定されるということである。また、この場合の不
利な点は結像が電極間の小さな間隙に限定されるという点にある。

【００６２】サンプルのトポグラフィを同時に測定する方法また、図２に示すようなバネ式サンプル・ホルダを用いればサンプルのトポグ
ラフィを測定することができる。これは走査中にサンプル・ホルダの歪み測定す
ることによって達成される。プローブ・チップは固定した状態で保持されている
ため、このサンプル・ホルダはサンプルのトポグラフィに応じて歪む。例えば、
このサンプルの上部に隆起がある場合、サンプル・ホルダは下方に歪む。この歪
みは走査中に記録することができ、かつマイクロ波画像と同じ領域に相当するト
ポグラフィ画像を得ることができる。

【００６３】このサンプル・ホルダの歪みの測定は、光センサ、容量センサ、干渉計等の多
くの技術の１つを用いて達成される。

【００６４】概要特許第５，９００，６１８号に請求されているように、マイクロ波顕微鏡はマ
イクロ波伝送回線に含まれた共振器から構成されている。この共振器の一端は開
放式同軸プローブとなっておりサンプルに近接して保持され、他端は結合コンデ
ンサを用いてマイクロ波発生源に接続されている。サンプルはこのプローブの真
下で走査される。プローブ中央導体にマイクロ波電界が集中するため、この共振
器の共振周波数およびＱは、プローブ中央導体近傍のサンプルの特性に応じて摂
動される。走査中に記録された１つの量は共振器の共振周波数偏移（Δｆ）であ
る。

【００６５】オペレーションの２つのモードは非接触モードおよび接触モードである。非接
触モードの場合、中央導体の端部が外部導体の端部と同じ平面内にあるように、
好適な実施形態ではプローブ中央導体はプローブの表面と同じ平面状になってい
る。サンプルはプローブとサンプルとの間の小さな間隙が１０〜１００μｍのプ
ローブの真下で走査される。接触モード結像では、中央導体は外部導体を越えて
延在し、かつ先鋭状である。サンプル・ホルダはこのプローブ・チップに対して
サンプルを小さな力で緩やかに押しつける。

【００６６】本発明は誘電率が分かっている誘電サンプルを用いた較正を含んでいる。非接
触モードの場合この較正データが挿入され、これにより較正サンプルと同じ厚さ
の誘電サンプルを走査し、かつ顕微鏡の周波数偏移をサンプルの局所的誘電率に
変換することが可能となる。接触モード結像の場合、物理モデルが用いられ顕微
鏡の周波数偏移とサンプルの局所的誘電率との関係が発生される。接触モード結
像のモデルを使用しているため、この場合の定量結像は較正サンプルと同じ厚さ
を有するサンプルに限定されない。接続モード結像は、バルク・サンプルと薄膜
サンプルの両方に使用できる。

【００６７】また接触モードでは、誘電率が印加電界の関数として測定されるように、低周
波数の電界がサンプルに加えられる。したがって、誘電の非線形性は線形の誘電
率と同様に測定される。

【００６８】接触モードで走査する場合、サンプルはプローブ・チップと接触した状態で走
査されるために、サンプル・ホルダの歪み、故にサンプルの歪みを測定するため
に光センサが用いられてよい。この歪みはサンプルのトポグラフィの変化と正確
に等しい。したがって、Δｆが測定されるのと同時にこの歪みを記録することに
よって、サンプルのトポグラフィが誘電率と共に同時に結像されることになる。

【００６９】非接触モード結像の一実施形態では、材料の局所的誘電率はサンプルより上の
高さの関数として顕微鏡の周波数偏移を測定することによって決定される。直径
が１００μｍと小さい領域の測定も可能である。

【００７０】サンプルより上のプローブの高さが正確に分かっている場合に限り、不明なサ
ンプルが走査され、誘電率が測定される。

【００７１】この技術はバルク誘電材料上で迅速かつ多数の地点で実行することができる。

【００７２】この技術は単に顕微鏡の他の共振モードを選択することによって、非常に広帯
域の周波数に対して行うことができる。原理上、約１００ＭＨｚ〜５０ＧＨｚの
間の測定を行うことができる。

【００７３】この技術は１．２ケルビン（Ｋ）〜室温まで、可能な場合には１０００℃もの
広範囲の温度に適用することができる。

【００７４】近接場走査型マイクロ波顕微鏡を用いた誘電率の非接触結象本発明の別の実施形態では、共振近接場走査型マイクロ波顕微鏡を用いた誘電
率を結像するための非接触技術が提供される。絶縁サンプルに対して走査中にシ
ステムの共振周波数の偏移を測定することによって、誘電の変動の定量結像を得
ることができる。一例では、本発明者らは、直径４８０μｍのプローブを高さ１
００μｍおよび９．０８ＧＨｚの周波数で用い、１〜２３０の誘電率ε_ｒで７つ
のサンプルを走査した。この技術ではε_ｒ＝２３０に対しては約２５％、ε_ｒ＝
２．１に対しては２％未満の精度が達成され、これは主にプローブ・サンプルの
分離の変化によって制限された。

【００７５】このアプローチは、すぐに利用できるマイクロ波構成要素を用いて誘電体を結
像するための迅速、簡便、かつ広帯域にわたって使用できる方法を提供するもの
である。

【００７６】一実施形態では、共振近接場走査型マイクロ波顕微鏡は長さ１ｍの同軸伝送回
線から構成されており、一端は容量的にマイクロ波発生源に接続され、かつ他端
は開放式同軸プローブに接続されている。この構成により共振回路が形成され、
この回路においてサンプルがプローブの開放端に接近したときに共振周波数ｆ_０およびＱが修正される（図１８の挿入図を参照）。周波数追従フィードバック回
路を用いることによって、本発明は顕微鏡のソースが共振に固定されるのを維持
する。プローブの下にサンプルがある状態で、このシステムの共振周波数の偏移
Δｆが走査される。Δｆの変動は、サンプルの誘電率の空間的変動に直接関連付
けられる。またしかし、トポグラフィの変化によってΔｆの変化が生じる。

【００７７】較正の例このシステムを較正するために、本発明者らは誘電率の異なる６個の材料を四
角形のプラスチックの型内に置き、かつその型に樹脂を注入することによってテ
ストサンプルを作成した。また、シリコーン製の接着剤を用いて各材料を固定す
る。樹脂が硬化した後、テストサンプルを型から外し、研磨し、ＸＹテーブルに
置いた。樹脂に生め込まれた材料は、シリコン、顕微鏡用スライド・ガラス、Ｓ
ｒＴｉＯ_３，テフロン（登録商標）樹脂、サファイアおよびランタン・アルミネ
ート（ＬａＡｌＯ_３）であった。６つのテスト片はすべて近似的には厚さ５００
μｍ、大きさは６ｍｍ×８ｍｍであった。テストサンプルの全体的厚さは６ｍｍ
であった。

【００７８】２．１〜２３０の範囲の誘電率を有する６つのテスト片を超える高さｈに対す
る周波数偏移Δｈが測定された。また、本発明者らは誘電率が不明なエポキシを
テストした。光学顕微鏡を用いて調べたところ、各テスト片はプローブと同様に
５μｍのスケール上で平坦かつ滑らかであった。このような測定を行うために、
中央導体の直径が４８０μｍでソース周波数が９．０８ＧＨｚのプローブをテス
トの一例に用いた。各走査については、まずプローブを誘電サンプルに接触させ
、高さが体系的に増大するのにしたがって周波数偏移Δｆを記録した。この結果
を図１８に示す。誘電率が最大のサンプルは予想通り最大の周波数偏移を生じた
。プローブがε_ｒ＝２３０のチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）サンプル
に接触した時、観察された最大の偏移は−２６．２ＭＨｚであった。プローブが
ε_ｒ＝２．１のテフロン樹脂サンプルに接触した時、観察された最小の偏移は−
１．２ＭＨｚでった。図１８から分かるように、この周波数偏移は１ｍｍを超え
ると本質的にはゼロになり、プローブ−サンプル間の距離が数μｍより小さい場
合には飽和状態になる。

【００７９】本発明者らは前述の情報を用いて、誘電率ε_ｒに周波数偏移を直接関連付ける
経験的較正曲線を作成した。この較正曲線を作成するために、本発明者らは２つ
の異なる高さｈ_１およびｈ_２の周波数偏移の差、すなわちｆ_ｄ＝Δｆ（ｈ_２）−
Δｆ（ｈ_１）を用いた。ここではｈ_２はかなり離れた位置にある（＞１０００μ
ｍ）。この差を用いることにより、マイクロ波発生源の周波数のドリフトの影響
は除去される。図１９に示すように、ｆ_ｄ対ε_ｒの２つの較正曲線が作成される
。すなわち、一方はｈ_１＝１０μｍおよびｈ_２＝１．１ｍｍについての曲線であ
り、他方はｈ_１＝１００μｍおよびｈ_２＝１．１μの曲線である。各較正曲線の
パラメータは経験的関数を用いて設定され（図１９の実線）、これにより測定さ
れた周波数偏移を誘電率に容易に変換することができる。このような曲線を用い
れば、低いプローブ高さを用いて、誘電率に対する感度を著しく高めることがで
きることが分かる。他方では、プローブ−サンプル間の間隔が接近すればトポグ
ラフィの特徴の影響が大きくなってしまう。

【００８０】結像の結果われわれの誘電結像の可能性を検証するために、次に本発明者らは、８×５ｍ
ｍの三角形でかつ厚さ５００μｍの単一のランタン・アルミネート（ＬａＡｌＯ _３）サンプルを走査した。本発明者らはサンプルのディレクトリを金属製の走査
テーブルに置き、この周波数偏移を位置の関数として記録した。１００μｍおよ
び１．１ｍｍの４８０μｍのプローブを用いて９．０８ＧＨｚにてデータを取っ
た。２つのデータ・セットを抽出し、１００μｍの較正曲線を用い、結果として
得られた周波数偏移の像を誘電率の像に変換した。図２０は結果として得られた
誘電率−位置の等高線上の図を示している。誘電率はサンプルに対して約２０〜
約２５を変動し、プローブがサンプルから離れたときに１と等しくなった。比較
のために、室温のランタン・アルミネート（ＬａＡｌＯ_３）に関して報告された
相対的誘電率の値は、１８ＧＨｚでε_ｒ＝２３．９である。この画像では、サン
プルに関するε_ｒが主に変動するのは、約２０μｍのサンプルの表面ではわずか
に傾きがあるためである。サンプルの端部でε_ｒの値がより小さくなるのは、プ
ローブの内部導体を平均するためである。影響を受ける領域の幅は、予想された
約５００μｍの空間分解能とよく一致している。

【００８１】次に、本発明者らは、プローブ−サンプル間の間隔が１００μｍで直径４８０
μｍのプローブを用い、６片のテストサンプルの周波数偏移の画像を９．０８Ｇ
Ｈｚにて記録した。前述のようにε_ｒ（ｆ_ｄ）の較正を用いて、周波数偏移の画
像を誘電率の画像に変換した（図２２Ａを参照）。図２２Ａの濃い色の領域は誘
電率がより高い（周波数偏移がより大きい）ことを示し、色が薄い領域は誘電率
がより小さい（周波数偏移がより小さい）ことを示している。図２２Ｂは対応す
る表面についてのグラフを示したものである。図２２Ｂのｚ軸はサンプルに現れ
る誘電率を広範囲で示すことができるように対数目盛を用いることに注意するこ
と。予想通り、誘電率が最高の材料（ＳｒＴｉＯ_３およびＬａＡｌＯ_３）は表面
が最も高く、誘電率が最小の材料（テフロン樹脂および真空状態）は表面が最も
低かった。また、テフロン樹脂のサンプルは図２２Ｂでは凹部を形成しており、
テフロン樹脂の誘電率が周囲のエポキシよりも低いことを示している。このエポ
キシの空隙部分は、このエポキシ内では不規則な形状の低誘電率の領域（図２２
Ａの白い領域）であることが容易に分かることに注意すること。図２１は６つの
テスト材料の誘電率をまとめたものであり、文献から取った比較データを提供し
ている。

【００８２】図２２Ｂからは、われわれの誘電率の画像には多少のノイズがあることは明
白である。われわれのシステムでは、ランダム誤りの所定の原因は使用した記録
用電子機器およびソース周波数の変動にある。ε_ｒが決定される精度を確立する
ために、われわれは図２０のＬａＡｌＯ_３サンプルの中央近傍の小さな領域に対
してε_ｒの標準偏差を測定した。すなわち、３０ｍｓのサンプリング時間に対し
てΔε_ｒ＝０．０６となることを発見した。同様に、図２２Ａのテフロン樹脂に
関し、３０ｍｓのサンプリング時間に対してε_ｒの標準偏差は７×１０^−４であ
った。また図２２からは、われわれの技術の絶対的精度を推定することができる
。ε_ｒ＝２３０（ＳｒＴｉＯ_３）の場合、この精度は約２５％であり、ε_ｒ＝２
．１（テフロン樹脂）の場合は２％以上である。このような誤差が生じる主な原
因はトポグラフィの変動によるものである。われわれのテストサンプルでは研磨
した後でさえ、異なる誘電率の間では約３０μｍ（例えば、図２２のＳｒＴｉＯ _３とサファイアとの間）と高さの変動は小さくなる。このような高さの変動によ
り付加的な周波数偏移が生じるため、測定される誘電率の誤差が生じる。この点
に関し、単一の平坦な誘電サンプルの誘電率を正確に測定することはきわめて容
易である。しかし、複合材料のサンプルの画像は、ε_ｒの変動を測定するための
この非接触技術の強度および感度をはっきりと示している。

【００８３】結論本発明の種々の実施形態を示してきたが、例として示しているだけであり、限
定したものでないことを理解する必要がある。関連技術の業者であれば、本発明
の精神および範囲から逸脱することなく、形式および細部について種々の変更を
行ってよいことは明らかであろう。したがって、本発明は前述の模範的実施形態
のいずれにも限定されるものではないが、以下に示す特許請求の範囲およびその
同等物に従ってのみ定められるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の一般的な構造および機能を示す図である。

【図２】本発明の実施形態による、ばね荷重カンチレバー・サンプル・サポートの使用
を示す図である。

【図３】本発明の実施形態に使用される定量モデラーの線図である。

【図４】サンプル存在時に実施された測定で検出された共振周波数偏移対サンプル不在
時に実施された測定で検出された共振周波数偏移を示す図である。

【図５】本発明の実施形態に使用される摂動公式を示す図である。

【図６】本発明の定量モデルによるバルク・サンプルの電気等ポテンシャル曲線の線図
である。

【図７】本発明の定量モデルによる薄膜サンプルの等電位電界の線図である。

【図８】本発明の実施形態における顕微鏡プローブ・チップ付近の電界のモデル化を示
す線図である。

【図９】本発明による誘電特性を決定するための方法を示す流れ図である。

【図１０】本発明の較正ルーチンの実施形態を示す流れ図である。

【図１１】本発明の走査ルーチンの実施形態を示す流れ図である。

【図１２】プローブ較正曲線生成ルーチンの実施形態を示す流れ図である。

【図１３】本発明の実施形態の中で生成される定量モデル化曲線を示す線図である。

【図１４】本発明の実施形態の中で生成される較正曲線を示す線図である。

【図１５】本発明の実施形態による、誘電非直線性を測定するための変調バイアス電圧の
使用を示す図である。

【図１６】本発明の実施形態によるプローブ・チップ幾何学記述子を示す図である。

【図１７】本発明の実施形態の中で生成される較正曲線を示す線図である。

【図１８】本発明の実施形態による、様々な高さで測定された、複数の誘電体サンプルの
周波数偏移測値を示す図である。

【図１９】本発明の実施形態による、１００μｍおよび１０μｍの高さで測定された周波
数偏移測値に対して生成された較正曲線を示す線図である。

【図２０】本発明の実施形態による、直径４８０μｍのプローブを使用して、１００μｍ
、９．０８ＧＨｚにて結像されたＬａＡｌＯ_３サンプルの誘電率を示す図である
。

【図２１】文献から得られる誘電率の値と、本発明の方法に従って測定された実験測値か
ら得られた誘電率の値を示す図である。

【図２２Ａ】本発明の実施形態による、４８０μｍのプローブを使用して、９．０８ＧＨｚ
、サンプル上１００μｍにて得られたテストサンプルの誘電率画像を示す図であ
る。

【図２２Ｂ】本発明の方法によって見出された、テストサンプルのトポロジーを示す図であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者スタインハウアーデイビッドイーサンアメリカ合衆国，メリーランド 20707，ローレル，ウェストヴューテラス 1121番地 (72)発明者ヴラハコスコンスタンティンピー．アメリカ合衆国，メリーランド 21224，ボルチモア，イーストボルチモアストリート 3014番地 (72)発明者ウェルストゥッドフレデリックシー．アメリカ合衆国，メリーランド 20706，ランハム，メインストリート 6123 番地Ｆターム(参考） 2G028 BB05 BC02 CG09 CG14 EJ01 FK03 FK07 HN14 JP04 MS02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プローブ・チップを備えた共振器を有する近接場走査マイク
ロ波顕微鏡を使用して誘電体誘電率を接触結像させるための方法であって、（ａ）プローブ・チップの幾何学記述子を決定するために、近接場走査マイクロ
波顕微鏡を較正するステップと、（ｂ）較正曲線を生成するステップと、（ｃ）走査位置でプローブ・チップに接触したテストサンプルを走査し、かつ、
走査位置毎に少なくとも１つのテストサンプル周波数偏移値を生成するステップ
と、（ｄ）生成されたそれぞれのテストサンプル周波数偏移値および生成された較正
曲線に基づいて、サンプル位置におけるテストサンプルの誘電体誘電率を決定す
るステップとを含む方法。
【請求項２】前記較正ステップ（ａ）が、（ｉ）近接場走査マイクロ波顕微鏡の共振周波数を選択するステップと、（ｉｉ）前記少なくとも２つの較正サンプルの各々を走査するステップであって
、走査毎に、最初に、プローブ・チップを前記少なくとも２つの較正サンプルに
接触させるステップと、（ｉｉｉ）顕微鏡プローブを所定のバックグラウンド測定位置に移動させるステ
ップと、（ｉｖ）前記所定のバックグラウンド測定位置でバックグラウンド共振周波数を
測定するステップと、（ｖ）走査位置において前記少なくとも２つの較正サンプルの前記１つに接触さ
せるために、プローブ・チップを移動させるステップと、（ｖｉ）前記走査位置で接触共振周波数を測定するステップと、（ｖｉｉ）前記接触共振周波数と前記バックグラウンド共振周波数の差を計算す
るステップと、（ｖｉｉｉ）前記計算された差を、較正サンプル共振周波数偏移値としてメモリ
に記憶するステップと、（ｉｘ）サンプルを次の走査位置に移動させるステップと、（ｘ）前記次の走査位置が走査線の終端であるかどうかを判定するステップと、（ｘｉ）前記走査線の終端に到達するまで、ステップ（ｖｉ）から（ｘ）を繰り
返すステップと、（ｘｉｉ）サンプルを次の走査線に移動させるステップと、（ｘｉｉｉ）前記次の走査線が走査領域の終端であるかどうかを判定するステッ
プと、（ｘｉｖ）前記走査領域の終端に到達するまで、前記少なくとも２つの較正サン
プルの各々に対して、ステップ（ｉｉｉ）から（ｘｉｉｉ）を繰り返すステップ
とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】共振器が顕微鏡伝送線路を備え、前記ステップ（ｉｉｉ）が
、顕微鏡伝送線路の直径の１．５倍の高さに顕微鏡プローブを移動させるステッ
プを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】前記ステップ（ｉｉｉ）が、較正サンプルがもはや共振器を
摂動させない高さに顕微鏡プローブを移動させるステップを含む、請求項２に記
載の方法。
【請求項５】前記ステップ（ｉｉｉ）が、較正サンプル上少なくとも大よ
そ３ミリメータの高さに顕微鏡プローブを移動させるステップを含む、請求項２
に記載の方法。
【請求項６】幾何学記述子がプローブ・チップのアスペクト比を含み、較
正ステップ（ａ）が、Δｚが共振器およびプローブ・チップの長さに平行のｚ方
向に沿った距離であり、かつ、Δｒがプローブ・チップの中心軸からその最も外
側の表面へ延びる半径距離であるΔｚ／Δｒとして、顕微鏡プローブ・チップの
アスペクト比を計算するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】走査ステップ（ｃ）が、（ｉ）近接場走査マイクロ波顕微鏡の共振周波数を選択するステップと、（ｉｉ）前記テストサンプルを顕微鏡ステージに載せるステップと、（ｉｉｉ）前記テストサンプルに接触させるためにプローブ・チップを移動させ
るステップと、（ｉｖ）前記テストサンプルに接触するポイントに対応する位置の値を記憶する
ステップと、（ｖ）プローブを所定のバックグラウンド測定位置に移動させるステップと、（ｖｉ）前記バックグラウンド測定位置でバックグラウンド共振周波数を測定す
るステップと、（ｖｉｉ）走査位置で前記テストサンプルに接触させるためにプローブ・チップ
を移動させるステップと、（ｖｉｉｉ）前記走査位置で接触共振周波数を測定するステップと、（ｉｘ）前記接触共振周波数と前記バックグラウンド共振周波数の差を計算する
ステップと、（ｘ）前記計算された差を、テストサンプル共振周波数偏移値としてメモリに記
憶するステップと、（ｘｉ）サンプルを次の走査位置に移動させるステップと、（ｘｉｉ）前記次の走査位置が走査線の終端であるかどうかを判定するステップ
と、（ｘｉｉｉ）前記走査線の終端に到達するまで、ステップ（ｖｉｉｉ）から（ｘ
ｉｉ）を繰り返すステップと、（ｘｉｖ）サンプルを次の走査線に移動させるステップと、（ｘｖ）前記次の走査線が走査領域の終端であるかどうかを判定するステップと
、（ｘｖｉ）前記走査領域の終端に到達するまで、ステップ（ｖ）から（ｘｖ）を
繰り返すステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】共振器が顕微鏡伝送線路を備え、前記ステップ（ｖ）が、顕
微鏡伝送線路の直径の少なくとも大よそ１．５倍の高さに顕微鏡プローブを移動
させるステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】前記ステップ（ｖ）が、テストサンプルがもはや共振器を摂
動させない高さにプローブを移動させるステップを含む、請求項７に記載の方法
。
【請求項１０】前記ステップ（ｖ）が、テストサンプル上少なくとも大よ
そ３ミリメータの高さにプローブを移動させるステップを含む、請求項７に記載
の方法。
【請求項１１】走査ステップ（ｃ）が、バルクテストサンプルを顕微鏡ス
テージに載せるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】較正曲線を生成するステップ（ｂ）が、（ｉ）電界構成データ・ファイルを記憶するステップであって、データが、既知
の誘電特性を有する前記少なくとも２つの較正サンプルのうちの１つと大よそ同
じ第１の厚さを有し、さらに大よそ同じ誘電率を有するモデル・サンプルに対応
し、かつ、記憶されているデータがε_ｒが誘電体誘電率値であり、αがプローブ
・チップ幾何学記述子である所定の範囲ε_ｒおよびα以上の、それぞれε_ｒおよ
びαにおける電界値を表わすステップと、（ｉｉ）前記記憶された電界構成データを使用して第１のモデル較正曲線を生成
するステップと、（ｉｉｉ）前記記憶された電界構成データを使用して第２のモデル較正曲線を生
成するステップと、（ｉｖ）前記生成された第１および第２のモデル較正曲線、および前記生成され
た較正サンプル周波数偏移値を使用してプローブ較正曲線を生成するステップと
、（ｖ）前記生成された第１および第２のモデル較正曲線に関連して生成された前
記プローブ較正曲線の位置に基づいて、テストサンプルの走査時におけるプロー
ブ・チップの幾何学記述子を決定するステップとを含む、請求項１１に記載の方
法。
【請求項１３】前記既に記憶されている電界構成データを使用して第１の
モデル較正曲線を生成するステップ（ｉｉ）が、（１）α＝第１のプローブ・チップ幾何学記述子値である第１の電界構成データ
・ファイルから、既に記憶されている第１の電界値（Ｅ_１）および第１の誘電率
値（ε_ｒ１）を読み出すステップと、（２）α＝第１のプローブ・チップ幾何学記述子値である第２の電界構成データ
・ファイルから、既に記憶されている第２の電界値（Ｅ_２）を読み出すステップ
と、（３）式【数１】を解くことにより、第１のモデル較正曲線上のポイントを計算するステップと、
（４）第１のモデル較正曲線上の所定数のポイントが生成されるまで、ステップ
（１）から（３）を繰り返すステップとを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】前記既に記憶されている電界構成データ・ファイルを使用
して第２のモデル較正曲線を生成するステップ（ｉｉｉ）が、（１）α＝第２のプローブ・チップ幾何学記述子値である、既に記憶されている
第１の電界構成データ・ファイルから、既に記憶されている第１の電界値（Ｅ_１）および第１の誘電率値（ε_ｒ１）を読み出すステップと、（２）α＝第２のプローブ・チップ幾何学記述子値である、既に記憶されている
第２の電界構成データ・ファイルから、既に記憶されている第２の電界値（Ｅ_２）および第２の誘電率値（ε_ｒ２）を読み出すステップと、（３）式【数２】を解くことにより、第２のモデル較正曲線上のポイントを計算するステップと、（４）第２のモデル較正曲線上の所定数のポイントが生成されるまで、ステップ
（１）から（３）を繰り返すステップとを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】走査ステップ（ｃ）が、前記較正サンプルの少なくとも１
つと大よそ同じ第１の所定厚さおよび同じ誘電率を有する誘電体基板の頂部上に
薄膜テストサンプルを配列し、次に前記配列したサンプルを顕微鏡ステージに載
せるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】較正曲線を生成するステップが、（ｉ）電界構成データ・ファイルを記憶するステップであって、データが、大よ
そ同じ第２の所定厚さで、かつ、既知の誘電特性を有する前記較正サンプルの少
なくとも１つと大よそ同じ第１の所定厚さおよび同じ誘電率を有する前記誘電体
基板の頂部上に配列された既知の誘電体誘電率値の薄膜を有するモデル・サンプ
ルに対応し、かつ、記憶されるデータ・ファイルが、ε_ｒがモデル・サンプル薄
膜の誘電体誘電率値であり、αがプローブ・チップ幾何学記述子を表す所定の範
囲ε_ｒおよびα以上である、それぞれε_ｒおよびαにおける電界値を表すステッ
プと、（ｉｉ）前記記憶された電界構成データ・ファイルを使用して第１のテストサン
プル較正曲線を生成するステップと、（ｉｉｉ）前記記憶された電界構成データ・ファイルを使用して第２のテストサ
ンプル較正曲線を生成するステップと、（ｉｖ）前記第１および第２のテストサンプル較正曲線、および前記生成された
テストサンプル周波数偏移値を使用して、追加テストサンプル較正曲線を生成す
るステップとを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】前記既に記憶されている電界構成データ・ファイルを使用
して第１のテストサンプル較正曲線を生成するステップ（ｉｉ）が、（１）α＝第１のプローブ・チップ幾何学記述子値である第１の電界構成データ
・ファイルから、既に記憶されている第１の電界値（Ｅ_１）、およびε_ｒ１が大
よそ同じ第２の所定厚さおよび既知の誘電体誘電率を有する前記薄膜の誘電率で
ある第１の誘電率値（ε_ｒ１）を読み出すステップと、（２）α＝第１のプローブ・チップ幾何学記述子値である第２の電界構成データ
・ファイルから、既に記憶されている第２の電界値（Ｅ_２）、およびε_ｒ２が大
よそ同じ第２の所定厚さおよび既知の誘電体誘電率を有する前記薄膜の誘電率で
ある第２の誘電率値（ε_ｒ２）を読み出すステップと、（３）式【数３】を解くことにより、第１のテストサンプル較正曲線上のポイントを計算するステ
ップと、（４）第１のテストサンプル較正曲線上の所定数のポイントが生成されるまで、
ステップ（１）から（３）を繰り返すステップとを含む、請求項１６に記載の方
法。
【請求項１８】前記既に記憶されている電界構成データ・ファイルを使用
して第２のテストサンプル較正曲線を生成するステップ（ｉｉｉ）が、（１）α＝第２のプローブ・チップ幾何学記述子値である、既に記憶されている
第１の電界構成データ・ファイルから、既に記憶されている第１の電界値（Ｅ_１）、およびε_ｒ１が大よそ同じ第２の所定厚さおよび既知の誘電体誘電率を有す
る前記薄膜の誘電率である第１の誘電率値（ε_ｒ１）を読み出すステップと、（２）α＝第２のプローブ・チップ幾何学記述子値である、既に記憶されている
第２の電界構成データ・ファイルから、既に記憶されている第２の電界値（Ｅ_２）、およびε_ｒ２が大よそ同じ第２の所定厚さおよび既知の誘電体誘電率を有す
る前記薄膜の誘電率である第２の誘電率値（ε_ｒ２）を読み出すステップと、（３）式【数４】を解くことにより、第２のテストサンプル較正曲線上のポイントを計算するステ
ップと、（４）第２のテストサンプル較正曲線上の所定数のポイントが生成されるまで、
ステップ（１）から（３）を繰り返すステップとを含む、請求項１６に記載の方
法。
【請求項１９】誘電特性を表示するための装置であって、（ａ）鋭く突き出した中心導体を備えたオープンエンド同軸プローブを有する近
接場走査マイクロ波顕微鏡と、（ｂ）共振周波数を有する同軸伝送線路共振器と、（ｃ）前記電圧を発生するために、容量結合器を介して前記同軸伝送線路共振器
に結合されたマイクロ波源と、（ｄ）前記鋭く突き出した中心導体に接触した前記サンプルを支えるためのばね
荷重カンチレバーと、（ｅ）前記同軸伝送線路共振器に結合された、前記鋭く突き出した中心導体に接
触した前記サンプルに局部電界を印加するためのバイアス・ティと、（ｆ）前記鋭く突き出した中心導体に接触した前記サンプルを、第１の方向に操
るための第１のモータ・コントローラと、（ｇ）前記鋭く突き出した中心導体に接触した前記サンプルを、第２の方向に操
るための第２のモータ・コントローラと、（ｈ）前記鋭く突き出した中心導体に接触した前記サンプルを、第３の方向に操
るための第３のモータ・コントローラと、（ｉ）前記マイクロ波源および前記同軸伝送線路共振器に結合された結合器と、（ｊ）前記結合器からのマイクロ波信号を出力信号に変換するための検出器と、（ｋ）前記検出器の出力信号を受信し、かつ、共振周波数の偏移変化を測定する
、所定の共振周波数への前記マイクロ波源の固定を維持する帰還回路と、（ｌ）前記共振周波数の変化に関連する少なくとも１つのパラメータと、前記変
化をもたらしたサンプルの既知の誘電特性値との差を決定し、さらに、前記帰還
回路から、前記サンプルの未知の誘電特性による前記共振周波数の変化に関連す
る少なくとも１つのパラメータに対する前記値を受け取り、前記未知の誘電特性
の値を決定することができるプロセッサと、（ｍ）前記プロセッサによって前記未知の誘電特性の値が決定されると、その値
を結像させるための表示装置とを備える誘電特性表示装置。
【請求項２０】誘電特性を定量的にモデル化し、かつ、結像させるための
システムであって、（ａ）（ｉ）ε_ｒが誘電体誘電率値であり、αが前記プローブ・チップ幾何学記
述子を表す所定の範囲ε_ｒおよびα以上の電界値ε_ｒおよびαのファイル（ｉｉ）較正サンプル共振周波数偏移値（ｉｉｉ）テストサンプル共振周波数偏移値を記憶するメモリ素子と、（ｂ）前記メモリ素子に記憶されているファイル使用して２つのモデル較正曲線
を生成するモデル較正曲線生成器と、（ｃ）前記生成されたモデル較正曲線および前記較正サンプル周波数偏移値を使
用してプローブ較正曲線を生成するプローブ較正曲線生成器と、（ｄ）追加モデル較正曲線および追加較正サンプル周波数偏移値を使用してテス
トサンプル較正曲線を生成するテストサンプル較正曲線生成器とを備えるシステ
ム。
【請求項２１】（ａ）サンプルを支えるための、角度が付けられた端部お
よび平らな表面を有するサンプル・サポートと、（ｂ）ピボット・ポイントを生成するための、前記サンプル・サポートの角度が
付けられた端部に接触した第１の補強装置と、（ｃ）サンプル・サポートに取り付けられたばねと、（ｄ）ばねを所定の位置に保持するための、前記ばねに接触した第２の補強装置
とを備えるばね荷重サンプル・ホルダ。
【請求項２２】プローブが固定保持され、かつ、サンプルと接触する、請
求項２１に記載の方法。
【請求項２３】サンプル・ホルダおよびサンプルが水平に走査される、請
求項２２に記載の方法。
【請求項２４】センサが、サンプル・ホルダの垂直変位を測定し、この垂
直変位がサンプルのトポロジーの関数になる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】近接場走査マイクロ波顕微鏡を使用してサンプルを結像さ
せるための装置であって、顕微鏡プローブ・チップに低周波バイアス電圧を印加するために、同軸伝送線
路共振器内にバイアス・ティを備え、低周波バイアス電圧は、マイクロ波信号に
は無関係であり、それにより、サンプルに局部電界を印加することができ、非線
形性測定および同調性測定を可能にする装置。
【請求項２６】プローブ・チップを備えた共振器を有する近接場走査マイ
クロ波顕微鏡を使用して誘電体誘電率を非接触結像させるための方法であって、
（ａ）既知の誘電特性を有する少なくとも３つの誘電体サンプルを使用して近接
場走査マイクロ波顕微鏡を較正するステップと、（ｂ）較正曲線を生成するステップと、（ｃ）プローブを用いて所定の走査高さでテストサンプルを走査し、かつ、前記
所定の走査高さにおける少なくとも１つのテストサンプル周波数偏移値を生成す
るステップと、（ｄ）生成されたテストサンプル共振周波数偏移値および生成された較正曲線に
基づいて、テストサンプルの誘電体誘電率を決定するステップとを含む方法。
【請求項２７】前記較正ステップ（ａ）が、（ｉ）近接場走査マイクロ波顕微鏡の共振周波数を選択するステップと、（ｉｉ）前記少なくとも３つの較正サンプルの１つをプローブの下に置くステッ
プと、（ｉｉｉ）プローブを第１の所定の高さに位置決めするステップと、（ｉｖ）前記第１の所定の高さにおける共振周波数を測定するステップと、（ｖ）プローブを第２の所定の高さに移動させるステップと、（ｖｉ）前記第２の所定の高さにおける共振周波数を測定するステップと、（ｖｉｉ）前記第１の所定の高さにおける前記共振周波数と、前記第２の所定の
高さにおける前記共振周波数の差を計算するステップと、（ｖｉｉｉ）前記計算された差を、較正サンプル共振周波数偏移値としてメモリ
に記憶するステップと、（ｉｘ）前記少なくとも２つの較正サンプルの各々に対して、ステップ（ｉｉ）
から（ｖｉｉｉ）を繰り返すステップとを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】前記較正曲線を生成するステップ（ｂ）が、誘電率（ε_ｒ）および周波数偏移の関数として前記較正周波数偏移値をプロットするステップ
を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】前記テストサンプルを走査するステップ（ｃ）が、（ｉ）近接場走査マイクロ波顕微鏡の共振周波数を選択するステップと、（ｉｉ）前記テストサンプルをプローブの下に置くステップと、（ｉｉｉ）プローブを第１の所定の高さに位置決めするステップと、（ｉｖ）前記第１の所定の高さにおける共振周波数を測定するステップと、（ｖ）プローブを第２の所定の高さに移動させるステップと、（ｖｉ）前記第２の所定の高さにおける共振周波数を測定するステップと、（ｖｉｉ）前記第１の所定の高さにおける前記共振周波数と、前記第２の所定の
高さにおける前記共振周波数の差を計算するステップと、（ｖｉｉｉ）前記計算された差を、テストサンプル共振周波数偏移値としてメモ
リに記憶するステップとを含む、請求項２６に記載の方法。