JP2008046090A - 誘電率測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 試料ステージに載せた誘電体試料の表面に接触させる探針と、探針の周囲に設けられた固定電位の電極と、探針が誘電体試料の表面に接触して生じるキャパシタンスが並列になるように探針および電極に接続されるLC発振回路と、LC発振回路の発振周波数を測定する周波数弁別器とを備え、LC発振回路の発振周波数から誘電体試料の探針直下の微小領域の誘電率を測定する誘電率測定装置において、探針は、LC発振回路と電気的に接続された中空円筒導体の円筒内に中心導体を挿入し、中心導体が中空円筒導体の円筒内を可動する構成であり、中空円筒導体の円筒中心軸が鉛直方向になるように中空円筒導体を保持し、中心導体の先端を誘電体試料に接触させる探針ホルダを備える。
【選択図】 図1
Description
Yasuo Cho et al.,"Quantitative Measurement of Linear and Nonlinear Dielectric Characteristics Using Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy", Jpn.J.Appl.Phys. Vol.39 (2000) pp.3086-3089 長康雄 他、"非線形誘電率分布測定用顕微鏡"、電子情報通信学会論文誌C-I Vol.J78-C-I, No.11, pp.593-598 (1995)
また、試料ステージは、誘電体試料の温度を制御する温度制御機構を含む構成としてもよい。また、探針ホルダおよび試料ステージの少なくとも一方に取り付け、試料ステージと探針との間の高さを調整する高さ調整機構を備えてもよい。また、探針ホルダおよび試料ステージの少なくとも一方に取り付け、探針と誘電体試料の水平方向の相対位置を制御する位置調整機構を備えてもよい。
図1は、本発明の誘電率測定装置の第1の実施形態を示す。図1(a) において、探針101は、試料ステージ108に載せた誘電体試料109の表面に接触する構成であり、探針101の周囲には固定電位(ここでは接地電位)を有する電極102が設けられる。探針101が誘電体試料109の表面に接触したときに、探針101の直下の誘電体試料109の微小領域にキャパシタンスCs が生じる。LC発振回路106は、発振器105に接続されるキャパシタ(キャパシタンスC0 )103およびインダクタ(インダクタンスL)104を備え、探針101が誘電体試料109に接触したときに生じるキャパシタンスCs がキャパシタ103と並列になるように、LC発振回路106と探針101および電極102が接続される。LC発振回路106には周波数弁別器107が接続され、LC発振回路106が出力する信号の周波数(発振周波数)が測定される。
fs =1/[2π(L(C0+Cs))1/2] (1)
fs =1/[2π(L(C0+CsCpipe/(Cs+Cpipe)))1/2] (2)
C0+CsCpipe/(Cs+Cpipe)
もほとんど変化しない。
図4は、本発明の誘電率測定装置の第2の実施形態を示す。図4において、本実施形態の誘電率測定装置は、図1に示す第1の実施形態の構成における試料ステージ108と電極102との間に交流信号発生器401を接続して誘電体試料109に交流電界を印加し、さらに周波数弁別器107と交流信号発生器401にロックインアンプ402を接続する構成である。周波数弁別器107はLC発振回路106の時間変化する発振周波数を計測し、ロックインアンプ402は交流信号発生器401が印加する交流電界の周波数の整数倍の周波数で同期検波することにより、探針101(中心導体202)の直下の誘電体試料109の微小領域の非線形誘電率を測定する。
Ep =E0 cos(ωpt) (3)
Δε=(1/4)ε(4)E0 2+ε(3)E0cos(ωpt)+(1/4)ε(4)E0 2cos(2ωpt)+… (4)
ここで、ε(3),ε(4),…は、電束密度Dを次式のように電界Eで展開したときの展開係数である。
D=P+ε(2)E+(1/2)ε(3)E2+(1/6)ε(4)E3+(1/24)ε(5)E4+… (5)
図5は、本発明の誘電率測定装置の第3の実施形態を示す。本実施形態は、試料ステージ108に載せた誘電体試料109の温度制御に用いる温度制御機構の一例を示す。
図6は、本発明の誘電率測定装置の第4の実施形態を示す。本実施形態は、誘電体試料109と探針101との間の高さ調整に用いる高さ調整機構、および誘電体試料109と探針101との間の相対的な位置制御に用いる位置制御機構の一例を示す。
102 電極
103 キャパシタ
104 インダクタ
105 発振器
106 LC発振回路
107 周波数弁別器
108 試料ステージ
109 誘電体試料
201 中空円筒導体
202 中心導体
203 ストッパー
301 中空円筒絶縁体
401 交流信号発生器
402 ロックインアンプ
501 試料ステージ本体
502 ペルチェ素子
503 熱浴
601 探針ホルダ
602 高さ調整機構
603 位置制御機構
Claims (6)
- 誘電体試料を載せる試料ステージと、
前記試料ステージに載せた誘電体試料の表面に接触させる探針と、
前記探針の周囲に設けられた固定電位を有する電極と、
発振器に接続されるキャパシタおよびインダクタを有し、前記探針が前記誘電体試料の表面に接触したときに生じる前記誘電体試料の前記探針直下の微小領域のキャパシタンスが該キャパシタと並列になるように、前記探針および前記電極に接続されるLC発振回路と、
前記LC発振回路に接続され、前記LC発振回路が出力する信号の周波数(発振周波数)を測定する周波数弁別器と
を備え、前記誘電体試料の表面に前記探針を接触させ、前記周波数弁別器で測定された前記LC発振回路の発振周波数から前記誘電体試料の前記探針直下の微小領域の誘電率を測定する誘電率測定装置において、
前記探針は、前記LC発振回路と電気的に接続された中空円筒導体の円筒内に中心導体を挿入し、中心導体が中空円筒導体の円筒内を可動する構成であり、
前記中空円筒導体の円筒中心軸が鉛直方向になるように前記中空円筒導体を保持し、前記中心導体の先端を前記誘電体試料に接触させる探針ホルダを備えた
ことを特徴とする誘電率測定装置。 - 誘電体試料を載せる試料ステージと、
前記試料ステージに載せた誘電体試料の表面に接触させる探針と、
前記探針の周囲に設けられた固定電位を有する電極と、
発振器に接続されるキャパシタおよびインダクタを有し、前記探針が前記誘電体試料の表面に接触したときに生じる前記誘電体試料の前記探針直下の微小領域のキャパシタンスが該キャパシタと並列になるように、前記探針および前記電極に接続されるLC発振回路と、
前記LC発振回路に接続され、前記LC発振回路が出力する信号の周波数(発振周波数)を測定する周波数弁別器と、
前記試料ステージと前記電極に接続され、前記試料ステージに所定の周波数の交流電界を印加する交流信号発生器と、
前記周波数弁別器と前記交流信号発生器に接続されたロックインアンプと
を備え、前記誘電体試料の表面に前記探針を接触させ、前記周波数弁別器で測定された前記LC発振回路の発振周波数の信号を前記ロックインアンプに入力し、前記交流信号発生器が印加する交流電界の周波数の整数倍の周波数で同期検波して前記誘電体試料の前記探針直下の微小領域の非線形誘電率を測定する誘電率測定装置において、
前記探針は、前記LC発振回路と電気的に接続された中空円筒導体の円筒内に中心導体を挿入し、中心導体が中空円筒導体の円筒内を可動する構成であり、
前記中空円筒導体の円筒中心軸が鉛直方向になるように前記中空円筒導体を保持し、前記中心導体の先端を前記誘電体試料に接触させる探針ホルダを備えた
ことを特徴とする誘電率測定装置。 - 請求項1または請求項2に記載の誘電率測定装置において、
前記探針は、前記中空円筒導体の代わりに中空円筒絶縁体を用いる構成であることを特徴とする誘電率測定装置。 - 請求項1または請求項2に記載の誘電率測定装置において、
前記試料ステージは、前記誘電体試料の温度を制御する温度制御機構を含む構成であることを特徴とする誘電率測定装置。 - 請求項1または請求項2に記載の誘電率測定装置において、
前記探針ホルダおよび前記試料ステージの少なくとも一方に取り付け、前記試料ステージと前記探針との間の高さを調整する高さ調整機構を備えたことを特徴とする誘電率測定装置。 - 請求項1または請求項2に記載の誘電率測定装置において、
前記探針ホルダおよび前記試料ステージの少なくとも一方に取り付け、前記探針と前記誘電体試料の水平方向の相対位置を制御する位置調整機構を備えたことを特徴とする誘電率測定装置。
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