JP2023067013A - Resistance rate measurement system - Google Patents

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正良 山田
Masayoshi Yamada
理行 福澤
Toshiyuki Fukuzawa
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Kyoto Institute of Technology NUC
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Kyoto Institute of Technology NUC
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Abstract

To provide a resistance rate measurement system that can highly accurately and quickly measure a resistance rate of a measured object and a resistance rate distribution in the measured object by non-destruction.SOLUTION: A resistance rate measurement system comprises: a voltage generation unit that generates a voltage having a cyclical waveform between a protection electrode 23 and a substrate supporting body 31; a current voltage conversion unit that, when a voltage is applied between the protection electrode 23 and the substrate supporting body 31 in a state where a capacitance probing needle part 20 is put into close with a substrate W, and a gap G is formed between the capacitance probing needle part and the substrate, converts a current flowing to a probing needle electrode 21 to the voltage; a Fourier transformation unit that Fourier-transforms digital data obtained by converting an analog voltage to be output from the current voltage conversion unit; an amplitude phase calculation unit that calculates an amplitude component and phase component from a real number component and imaginary number component to be obtained by the Fourier transformation; and a resistance rate calculation unit that calculates a resistance rate on the basis of at least one frequency dependence of the real number component, imaginary number component, amplitude component and phase component.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、抵抗率測定システムに関するものである。 The present invention relates to resistivity measurement systems.

GaAs、InP、SiC等の化合物半導体のうち半絶縁性を有するものは集積回路やパワーデバイスを作製するための半導体基板として広く用いられている。このような半絶縁性半導体基板(以下、基板と略称することもある。)は、融液からの引き上げ法や昇華法等で結晶成長された化合物半導体のインゴットを薄く輪切りにした後、研磨することによって製造されている。基板上に形成するFETなどの電子デバイスの特性が基板の抵抗率に大きく影響されるために、その抵抗率が所定の範囲内であり、基板全体にわたる抵抗率分布が均一であることが求められている。このために、基板の抵抗率の平均値や標準偏差値、さらには、基板全面にわたる抵抗率分布を測定することが必須となっている。 Among compound semiconductors such as GaAs, InP, and SiC, those having semi-insulating properties are widely used as semiconductor substrates for producing integrated circuits and power devices. Such a semi-insulating semiconductor substrate (hereinafter sometimes abbreviated as a substrate) is prepared by slicing a compound semiconductor ingot crystal-grown by a method such as a pulling method from a melt or a sublimation method, and then polishing the substrate. It is manufactured by The characteristics of electronic devices such as FETs formed on a substrate are greatly affected by the resistivity of the substrate. ing. For this reason, it is essential to measure the average value and standard deviation value of the resistivity of the substrate, as well as the resistivity distribution over the entire surface of the substrate.

基板の抵抗率を測定する従来方法として、基板を導電性基板支持体に載置して基板表面に導電性触子を接触させた状態で、導電性触子と導電性基板支持体との間に電圧を印加したときに流れる電流を測定する方法(例えば特許文献1参照)、また、基板表面に複数のオーミック電極を形成した状態で、4端子法にて抵抗率を測定する方法(例えば特許文献2参照)、更に、基板表面に複数の導電性のプローブを接触させた状態で、プローブ間に流れる電流を測定する方法(例えば特許文献3参照)が用いられてきた。 As a conventional method for measuring the resistivity of a substrate, with the substrate placed on a conductive substrate support and the conductive probe in contact with the substrate surface, A method of measuring the current that flows when a voltage is applied to the substrate (see, for example, Patent Document 1), and a method of measuring the resistivity by a four-terminal method with a plurality of ohmic electrodes formed on the substrate surface (see, for example, Patent Document 1). Reference 2), and a method of measuring a current flowing between a plurality of conductive probes in contact with the substrate surface (see Patent Reference 3, for example) has been used.

しかし、これらの方法では、基板表面に導電性触子を接触したりオーミック電極を形成したりすることで、基板表面が損傷したり破壊したりするという課題があった。また、導電性触子と基板表面との界面における電気的な不安定性さ或いは半絶縁性半導体基板にオーミック電極を形成することの困難さ等により、抵抗率を高精度且つ安定して測定することができないという課題があった。更に、基板全面にわたる抵抗率分布を測定する場合、比較的長い時間を要するという課題もあった。 However, these methods have the problem that the substrate surface is damaged or destroyed by contacting the substrate surface with a conductive contact or forming an ohmic electrode. In addition, due to electrical instability at the interface between the conductive contact and the substrate surface or the difficulty of forming an ohmic electrode on a semi-insulating semiconductor substrate, it is difficult to measure the resistivity with high accuracy and stability. There was a problem that it was not possible to Furthermore, when measuring the resistivity distribution over the entire surface of the substrate, there is also the problem that it takes a relatively long time.

これに対して、基板の損傷や破壊をしない測定方法として、容量探針を用いる非破壊測定方法がある(例えば非特許文献1、非特許文献2参照)。これらの非破壊測定方法では、導電性の基板支持体に基板の一方の面を接触した状態で載置し、導電性の探針電極とこの探針電極の側面を絶縁して取り囲む保護電極からなる容量探針を、前述の基板の他方の面に近接させた状態で、保護電極を接地電位で維持するとともに探針電極を電荷増幅器の端子に接続して擬似接地電位として、ある特定の波形を有する電圧を基板支持体に印加した時の電荷増幅器の出力端子から出力される出力電圧を測定する。 On the other hand, as a measuring method that does not damage or destroy the substrate, there is a non-destructive measuring method using a capacitive probe (for example, see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). In these non-destructive measurement methods, one side of the substrate is placed in contact with a conductive substrate support, and the conductive probe electrode and side surfaces of the probe electrode are isolated from the protective electrodes surrounding the probe electrode. A capacitive probe of the type is brought close to the other surface of the substrate, the protective electrode is maintained at the ground potential, and the probe electrode is connected to the terminal of the charge amplifier as a pseudo-ground potential, and a certain waveform is obtained. is applied to the substrate support and the output voltage at the output terminal of the charge amplifier is measured.

特に、非特許文献1には、波形が単極性の単発階段波である電圧を基板支持体に印加すると、電荷増幅器の出力電圧を表す電荷量Q(t)について、時刻t=0における電荷量Q(0)、時刻t=∞における電荷量Q(∞)および時刻t=τにおける電荷量Q(τ)として、方程式Q(τ)=Q(∞)-(1/e)(Q(∞)-Q(0))が成立することを理論的に導き、誘電緩和時間τから抵抗率ρが求まることが開示されている。しかしながら、電荷量Q(t)の実測定においては、単発階段波の立ち上がりが瞬時ではなくある程度の時間をかけて立ち上がっており、電荷増幅器も理想的なものではなく、その利得と位相には周波数依存性があるとともに直流ドリフト等にも影響される。このため、非特許文献1に開示された非破壊測定方法には、測定精度や測定時間に課題があった。特に、抵抗率ρが大きい場合、Q(∞)の測定に比較的長い時間を要するとともに電荷増幅器の直流ドリフトの影響が大きくなりQ(∞)の測定精度が低下してしまう。一方、抵抗率ρが小さい場合、単発階段波形の立ち上り時間と電荷増幅器の利得と位相の周波数依存性との影響によりQ(0)の測定精度が低下するという課題があった。 In particular, in Non-Patent Document 1, when a voltage whose waveform is a unipolar single step wave is applied to the substrate support, the charge amount Q(t) representing the output voltage of the charge amplifier is The equation Q(τ)=Q(∞)−(1/e)(Q(∞ )-Q(0)) is theoretically established, and the resistivity ρ is obtained from the dielectric relaxation time τ. However, in the actual measurement of the charge amount Q(t), the rise of the single staircase wave was not instantaneous but took a certain amount of time. In addition to being dependent, it is also affected by DC drift and the like. Therefore, the non-destructive measurement method disclosed in Non-Patent Document 1 has problems in measurement accuracy and measurement time. In particular, when the resistivity ρ is large, it takes a relatively long time to measure Q(∞), and the influence of the DC drift of the charge amplifier increases, resulting in a decrease in the measurement accuracy of Q(∞). On the other hand, when the resistivity ρ is small, there is a problem that the measurement accuracy of Q(0) decreases due to the rise time of the single-shot staircase waveform and the frequency dependence of the gain and phase of the charge amplifier.

上述の非破壊測定方法の課題を解決するために、非特許文献2に見られるように本発明者は、基板支持体に単極性の単発階段波電圧ではなく両極性で周期的に繰り返す矩形波電圧を印加すること、さらに、電荷増幅器からの出力電圧の時間応答を解析するのではなく周波数応答を解析することを提案し、半絶縁性半導体基板の製造分野において、極めて有用な基板評価技術になることを既に示した。 In order to solve the problem of the above-mentioned non-destructive measurement method, as seen in Non-Patent Document 2, the present inventor applied a bipolar, periodically repeated square wave voltage to the substrate support instead of a unipolar single-shot staircase voltage. We propose applying a voltage and analyzing the frequency response of the output voltage from the charge amplifier instead of analyzing the time response. I have already shown that.

特開昭63-33666号公報JP-A-63-33666 特開平02-24573号公報JP-A-02-24573 特開平05-164795号公報JP-A-05-164795

R. Stibal, J. Windscheif, W. Janz, Semicond. Sci. Technol. Vol. 6, 1991,pp. 995-1001.R. Stibal, J. Windscheif, W. Janz, Semicond. Sci. Technol. Vol. 6, 1991, pp. 995-1001. M. Fukuzawa, M. Yamada, Institute of Physics, Conference Series Number174, Paper presented at 29th International Symposium Compound Semiconductors, Lausanne, Switzerland, 7-10 October 2002, pp. 85-88M. Fukuzawa, M. Yamada, Institute of Physics, Conference Series Number174, Paper presented at 29th International Symposium Compound Semiconductors, Lausanne, Switzerland, 7-10 October 2002, pp. 85-88

しかしながら、非特許文献2には、前述の課題を解決する具体的な方法や抵抗率を測定する方法、更には、抵抗率を測定するシステムの具体的な構成が開示されていない。 However, Non-Patent Document 2 does not disclose a specific method for solving the above problems, a method for measuring resistivity, or a specific configuration of a system for measuring resistivity.

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、被測定物の抵抗率および被測定物における抵抗率分布を非破壊で高精度かつ高速に測定できる抵抗率測定システムを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a resistivity measuring system capable of measuring the resistivity of an object to be measured and the resistivity distribution of the object to be measured nondestructively, accurately, and at high speed. and

上記目的を達成するため、本発明に係る抵抗率測定システムは、
被測定物を支持する導電性の基板支持体と、
柱状の探針電極と、筒状であり前記探針電極を囲繞するように配置された保護電極と、前記探針電極と前記保護電極との間に介在する筒状の絶縁体部と、を有し、前記探針電極の前記基板支持体側の端部と前記保護電極の前記基板支持体側の端部とが同一の仮想平面上に配置されている容量探針部と、
前記保護電極を接地電位とした予め設定された設定周期の周期的な波形を有する電圧を、前記保護電極と前記基板支持体との間に発生させる電圧発生部と、
前記容量探針部を前記基板支持体に支持された前記被測定物に近接させ且つ前記被測定物との間に空隙が形成された状態で、前記電圧発生部により前記保護電極と前記基板支持体との間に前記周期的な波形を有する電圧が印加され且つ前記探針電極を擬似接地電位に維持したときの前記探針電極に流れ込む電流を電圧に変換する電流電圧変換部と、
前記電流電圧変換部から出力されるアナログ電圧を、前記設定周期に同期し且つ前記設定周期の1/Nの時間間隔でサンプリングして、ディジタルデータに変換するアナログ/ディジタル変換部と、
前記アナログ/ディジタル変換部からのディジタルデータをフーリエ変換するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換により得られる実数成分と虚数成分とから、振幅成分と位相成分を算出する振幅位相算出部と、
前記実数成分、前記虚数成分、前記振幅成分および前記位相成分のうちの少なくとも1つの周波数依存性に基づいて、抵抗率を算出する抵抗率算出部と、を備える。
In order to achieve the above object, the resistivity measurement system according to the present invention comprises:
a conductive substrate support for supporting an object to be measured;
A columnar probe electrode, a cylindrical protective electrode arranged to surround the probe electrode, and a tubular insulator portion interposed between the probe electrode and the protective electrode. a capacitive probe portion having an end portion of the probe electrode on the side of the substrate support and an end portion of the protective electrode on the side of the substrate support arranged on the same virtual plane;
a voltage generating unit that generates a voltage having a periodic waveform with a preset set cycle with the protective electrode as a ground potential between the protective electrode and the substrate support;
The protective electrode and the substrate are supported by the voltage generating section in a state in which the capacitive probe portion is brought close to the object to be measured supported by the substrate support and a gap is formed between the object to be measured and the object to be measured. a current-voltage converter that converts into a voltage the current that flows into the probe electrode when the voltage having the periodic waveform is applied between the body and the probe electrode and the probe electrode is maintained at a pseudo-ground potential;
an analog/digital conversion unit that samples the analog voltage output from the current-voltage conversion unit in synchronization with the set cycle and at time intervals that are 1/N of the set cycle, and converts the analog voltage into digital data;
a Fourier transform unit for Fourier transforming the digital data from the analog/digital converter;
an amplitude/phase calculator that calculates an amplitude component and a phase component from the real number component and the imaginary number component obtained by the Fourier transform;
a resistivity calculator that calculates a resistivity based on frequency dependence of at least one of the real component, the imaginary component, the amplitude component, and the phase component.

また、本発明に係る抵抗率測定システムは、
前記抵抗率算出部が、予め設定された前記電流電圧変換部の周波数伝達関数に基づいて、前記実数成分、前記虚数成分、前記振幅成分および前記位相成分のうちの少なくとも1つの周波数依存性に基づいて、前記抵抗率を算出する、ものであってもよい。
Moreover, the resistivity measurement system according to the present invention includes:
the resistivity calculator based on a preset frequency transfer function of the current-voltage converter, based on the frequency dependence of at least one of the real component, the imaginary component, the amplitude component, and the phase component; to calculate the resistivity.

また、本発明に係る抵抗率測定システムは、
前記周波数伝達関数が、前記被測定物が前記基板支持体に支持されていない状態で、前記周期的な波形を有する電圧が前記基板支持体と前記保護電極との間に印加されたときに前記アナログ/ディジタル変換部が出力するディジタルデータをフーリエ変換して得られる実数成分と虚数成分とに基づいて求められる、ものであってもよい。
Moreover, the resistivity measurement system according to the present invention includes:
When the voltage having the periodic waveform is applied between the substrate support and the protection electrode in a state in which the object to be measured is not supported by the substrate support, the frequency transfer function is the It may be obtained based on the real number component and the imaginary number component obtained by Fourier transforming the digital data output from the analog/digital converter.

また、本発明に係る抵抗率測定システムは、
前記周期的な波形が、前記設定周期で変動する鋸波であってもよい。
Further, the resistivity measurement system according to the present invention includes:
The periodic waveform may be a sawtooth wave that fluctuates at the set period.

また、本発明に係る抵抗率測定システムは、
前記周期的な波形が、前記設定周期で変動する矩形波であってもよい。
Moreover, the resistivity measurement system according to the present invention includes:
The periodic waveform may be a rectangular wave that fluctuates at the set period.

また、本発明に係る抵抗率測定システムは、
前記周期的な波形が、前記設定周期で変動する三角波であってもよい。
Moreover, the resistivity measurement system according to the present invention includes:
The periodic waveform may be a triangular wave that fluctuates at the set period.

また、本発明に係る抵抗率測定システムは、
前記被測定物が、半絶縁性半導体基板であり、
前記設定周期が、前記被測定物の誘電緩和時間より長くてもよい。
Moreover, the resistivity measurement system according to the present invention includes:
The object to be measured is a semi-insulating semiconductor substrate,
The set period may be longer than the dielectric relaxation time of the object to be measured.

また、本発明に係る抵抗率測定システムは、
前記容量探針部と前記基板支持体とを相対的に移動させる移動機構と、
前記移動機構を制御する制御部と、を更に備え、
前記制御部は、前記被測定物の複数個所で抵抗率を測定するように前記移動機構を制御する、ものであってもよい。
Moreover, the resistivity measurement system according to the present invention includes:
a moving mechanism for relatively moving the capacitive probe portion and the substrate support;
A control unit that controls the movement mechanism,
The control section may control the moving mechanism so as to measure the resistivity at a plurality of locations on the object to be measured.

本発明によれば、容量探針部、被測定物および基板支持体が、導電性を有する探針電極、空隙、被測定物、導電性を有する基板支持体の順に並ぶように配置されるため、容量探針部が被測定物に接触しない。従って、被測定物の損傷や破壊、更に、被測定物との接触部分における電気的不安定性の影響等の課題は生じない。したがって、被測定物の抵抗率および被測定物の抵抗率分布を非破壊で且つ高精度で安定的に測定できる。 According to the present invention, the capacitive probe portion, the object to be measured, and the substrate support are arranged in order of the conductive probe electrode, the gap, the object to be measured, and the conductive substrate support. , the capacitive probe does not come into contact with the object to be measured. Therefore, problems such as damage or breakage of the object to be measured and the influence of electrical instability at the contact portion with the object to be measured do not occur. Therefore, the resistivity of the object to be measured and the resistivity distribution of the object to be measured can be stably measured non-destructively with high accuracy.

また、本発明によれば、容量探針部の保護電極を接地電位とし探針電極を電流電圧変換部の端子に接続しているので探針電極は擬似接地電位となるため、容量探針部と基板支持体との間の電界分布は、容量探針部の保護電極の外周部分では端面効果のために不均一となる。但し、探針電極部分、即ち、容量探針部が測定する対象領域での前述の電界分布は均一であり、保護電極から探針電極に流れ込む漏れ電流などの好ましくない電流の影響も受けなくなる。従って、高精度な抵抗率測定が可能になる。 Further, according to the present invention, since the protective electrode of the capacitive probe section is set to the ground potential and the probe electrode is connected to the terminal of the current-voltage converter, the probe electrode has a pseudo-ground potential. The electric field distribution between the capacitive probe portion and the substrate support becomes non-uniform due to the edge effect at the peripheral portion of the protective electrode of the capacitive probe portion. However, the above-mentioned electric field distribution in the probe electrode portion, that is, the target area measured by the capacitive probe portion is uniform, and is not affected by undesirable currents such as leakage current flowing from the protective electrode to the probe electrode. Therefore, highly accurate resistivity measurement becomes possible.

更に、本発明によれば、電圧発生部が発生する電圧の設定周期に同期して電流電圧変換部とアナログ/ディジタル変換部を動作させるので、設定周期毎にディジタルデータの加算処理を行うことにより測定時の電気的ノイズ成分を低減することができる。従って、測定時の電気的ノイズに起因した抵抗率の測定値のばらつきを抑制できる。 Furthermore, according to the present invention, the current-voltage converter and the analog/digital converter are operated in synchronization with the set cycle of the voltage generated by the voltage generator. It is possible to reduce electrical noise components during measurement. Therefore, it is possible to suppress variations in resistivity measurement values caused by electrical noise during measurement.

また、本発明によれば、電圧発生部が発生する電圧の設定周期の1/Nの時間間隔で得られたディジタルデータをフーリエ変換するので、角周波数における実数成分と虚数成分、並びに、実数成分と虚数成分とから振幅成分と位相成分とを即座に算出できる。従って、実数成分、虚数成分、振幅成分および位相成分それぞれの周波数依存性を一度で高速に算出することができるので、被測定物における直流ドリフトのような測定には好ましくない電流の発生の影響も除去できる。それ故、抵抗率測定を高速且つ高精度に行うことができる。 Further, according to the present invention, since the digital data obtained at time intervals of 1/N of the set period of the voltage generated by the voltage generator is Fourier transformed, the real number component and the imaginary number component of the angular frequency, and the real number component and the imaginary component, the amplitude component and the phase component can be immediately calculated. Therefore, the frequency dependence of each of the real number component, the imaginary number component, the amplitude component and the phase component can be calculated at once at high speed. can be removed. Therefore, resistivity measurement can be performed at high speed and with high accuracy.

実施の形態に係る抵抗率測定システムの機構系の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a mechanical system of a resistivity measurement system according to an embodiment; FIG. 実施の形態に係る容量探針部、基板、基板支持体、および絶縁支持体の配置を示す概略拡大断面図である。4 is a schematic enlarged cross-sectional view showing the arrangement of the capacitive probe portion, substrate, substrate support, and insulating support according to the embodiment; FIG. 実施の形態に係る探針電極、空隙、基板、および基板支持体が形成する電気的等価回路図である。1 is an electrical equivalent circuit diagram formed by a probe electrode, a gap, a substrate, and a substrate support according to an embodiment; FIG. 実施の形態に係る抵抗率測定システムの計測演算制御系のブロック図である。1 is a block diagram of a measurement arithmetic control system of a resistivity measurement system according to an embodiment; FIG. 実施の形態に係る電圧発生部が発生する電圧の波形の一例を示し、(A)は鋸波を示す図であり、(B)は矩形波を示す図であり、(C)は三角波を示す図である。FIG. 2 shows an example of waveforms of voltages generated by a voltage generator according to an embodiment, where (A) is a diagram showing a sawtooth wave, (B) is a diagram showing a rectangular wave, and (C) is a triangular wave. It is a diagram. 実施の形態に係る矩形波応答時のサンプリング間隔とサンプリング回数と周期との関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the sampling interval, the number of sampling times, and the period during rectangular wave response according to the embodiment;

以下、本発明を実施する場合の形態について、本発明の抵抗率測定システムの機構系と計測制御系を分けて、図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, with the mechanical system and the measurement control system of the resistivity measurement system of the present invention being separated.

図1は、本発明の抵抗率測定システムの機構系の概略図である。抵抗率測定システムの機構系は、容量探針部20と、基板Wと、基板支持体31と、絶縁支持体32と、移動機構90と、を備える。移動機構90は、X軸ステージ91とY軸ステージ92とZ軸ステージ93とを有する。Z軸ステージ93は、容量探針部20が取り付けられた移動台(図示せず)を、矢印AR13に示すようにZ軸方向に沿って昇降させる。即ち、容量探針部20は、Z軸ステージ93により上下方向に移動可能となっている。X軸ステージ91は、絶縁支持体32が取り付けられた移動台91aを矢印AR11に示すようにX軸方向に沿って移動させる。Y軸ステージ92は、X軸ステージ91が取り付けられた移動台92aを矢印AR12に示すようにY軸方向に沿って移動させる。Y軸ステージ92は、ベース(図示せず)に固定されている。 FIG. 1 is a schematic diagram of the mechanical system of the resistivity measurement system of the present invention. The mechanical system of the resistivity measurement system includes a capacitive probe section 20 , a substrate W, a substrate support 31 , an insulating support 32 and a moving mechanism 90 . The moving mechanism 90 has an X-axis stage 91 , a Y-axis stage 92 and a Z-axis stage 93 . The Z-axis stage 93 raises and lowers a moving table (not shown) on which the capacitive probe portion 20 is attached along the Z-axis direction as indicated by an arrow AR13. That is, the capacitive probe portion 20 can be vertically moved by the Z-axis stage 93 . The X-axis stage 91 moves a movable table 91a to which the insulating support 32 is attached along the X-axis direction as indicated by an arrow AR11. The Y-axis stage 92 moves a moving table 92a to which the X-axis stage 91 is attached along the Y-axis direction as indicated by an arrow AR12. Y-axis stage 92 is fixed to a base (not shown).

絶縁支持体32は、絶縁性材料から平板状に形成されたものである。基板支持体31は、導電性材料から平板状に形成されたものであり、絶縁支持体32の鉛直上方に配設されている。これにより、基板支持体31は、X軸ステージ91とY軸ステージ92とにより水平面内で移動可能となっている。そして、容量探針部20は、探針面24が基板Wの上面に対して空隙Gを保って、水平面内で移動することができる。 The insulating support 32 is formed in a flat plate shape from an insulating material. The substrate support 31 is formed of a conductive material in a flat plate shape and arranged vertically above the insulating support 32 . Thereby, the substrate support 31 can be moved in the horizontal plane by the X-axis stage 91 and the Y-axis stage 92 . The capacitive probe portion 20 can move in the horizontal plane while maintaining the gap G between the probe surface 24 and the upper surface of the substrate W.

被測定対象物である基板Wは、基板支持体31の上面に載置された状態で基板支持体31により支持される。基板Wの形状は一般的に円盤状の薄板であるが、他の形状のものであってもよい。 A substrate W, which is an object to be measured, is supported by the substrate support 31 while being placed on the upper surface of the substrate support 31 . The shape of the substrate W is generally a disk-shaped thin plate, but it may be of other shapes.

図2は、容量探針部20、基板W、基板支持体31の配置を示す概略拡大断面図である。容量探針部20は、導電性を有する円柱状の探針電極21と、円筒状であり探針電極21を囲繞するように配置された導電性を有する保護電極23と、探針電極21と保護電極23との間に介在する円筒状の絶縁体部22と、を有する。ここで、探針電極21の基板支持体31側の端部と保護電極23の基板支持体31側の端部とが同一の仮想平面VP1上に配置されている。言い換えると、容量探針部20は、導電性を有する探針電極21と導電性を有する保護電極23と探針電極21と保護電極23との間に介在して絶縁する絶縁体部22とを有する。そして、探針電極21の基板支持体31側の端面と保護電極23の基板支持体31側の端面とが同一の仮想平面VP1内に存在する探針面24になるようにして、探針電極21と絶縁体部22および保護電極23が一体に形成されている。ここで、探針電極21の中心軸と絶縁体部22の筒軸と保護電極23の筒軸とが一致している。なお、探針電極21の形状は、円柱状に限定されるものではなく、例えば角柱体或いは他の形状であってもよい。また、絶縁体部22および保護電極23の形状も、円筒状に限定されるものではなく、角筒状或いは他の形状であってもよい。探針電極21、保護電極23および基板支持体31は、それぞれ、導線を介して端子a、端子b、端子cに接続されている。 FIG. 2 is a schematic enlarged cross-sectional view showing the arrangement of the capacitive probe portion 20, the substrate W, and the substrate support 31. As shown in FIG. The capacitive probe portion 20 includes a conductive cylindrical probe electrode 21 , a cylindrical protective electrode 23 having conductivity surrounding the probe electrode 21 , and the probe electrode 21 . and a cylindrical insulator portion 22 interposed between the protective electrode 23 and the protective electrode 23 . Here, the end portion of the probe electrode 21 on the side of the substrate support 31 and the end portion of the protection electrode 23 on the side of the substrate support 31 are arranged on the same virtual plane VP1. In other words, the capacitive probe portion 20 includes a conductive probe electrode 21, a conductive protective electrode 23, and an insulator portion 22 interposed between the probe electrode 21 and the protective electrode 23 to provide insulation. have. Then, the end surface of the probe electrode 21 on the side of the substrate support 31 and the end surface of the protection electrode 23 on the side of the substrate support 31 are arranged to form the probe surface 24 existing in the same virtual plane VP1, and the probe electrode is formed. 21, insulator portion 22 and protective electrode 23 are integrally formed. Here, the central axis of the probe electrode 21, the cylindrical axis of the insulator portion 22, and the cylindrical axis of the protective electrode 23 are aligned. In addition, the shape of the probe electrode 21 is not limited to a columnar shape, and may be, for example, a prismatic shape or other shapes. Also, the shapes of the insulator portion 22 and the protective electrode 23 are not limited to a cylindrical shape, and may be a rectangular tube shape or other shapes. The probe electrode 21, the protective electrode 23, and the substrate support 31 are connected to terminals a, b, and c via conductors, respectively.

容量探針部20が有する探針電極21と保護電極23とは、後述するように、擬似的に等電位にして用いられる。したがって、保護電極23から探針電極21に、あるいは、その逆方向に伝わるリーク電流は流れ込まない。空隙Gを狭くして基板支持体31と保護電極23との間に電圧を印加した場合、容量探針部20と基板Wとの間の電気力線は図2中の矢印で示すようになる。保護電極23の外周の下方部分では端面効果のために不均一となるが、探針電極21の下方部分である測定対象領域では均一になる。 As will be described later, the probe electrode 21 and the protective electrode 23 of the capacitive probe portion 20 are used with pseudo equipotentials. Therefore, no leakage current flows from the protection electrode 23 to the probe electrode 21 or in the opposite direction. When the gap G is narrowed and a voltage is applied between the substrate support 31 and the protective electrode 23, the lines of electric force between the capacitive probe portion 20 and the substrate W are as indicated by the arrows in FIG. . Although the lower portion of the outer circumference of the protective electrode 23 is non-uniform due to the edge effect, the measurement target region, which is the lower portion of the probe electrode 21, is uniform.

測定対象領域の基板Wの上面に仮想電極があると想定して、仮想電極と基板支持体31とが基板Wを挟んで形成している容量と抵抗とを、それぞれC、Rとし、また、仮想電極と探針電極21とが空隙Gを隔てて形成している容量をCとすると、探針電極21、空隙G、基板Wおよび基板支持体31が形成する電気的等価回路図は図3に示すようになる。なお、容量探針部20の保護電極23と仮想電極或いは探針電極21との間の容量については省略している。 Assuming that there is a virtual electrode on the upper surface of the substrate W in the measurement target area, the capacitance and resistance formed by the virtual electrode and the substrate support 31 sandwiching the substrate W are C s and R s , respectively, Assuming that the capacitance formed by the virtual electrode and the probe electrode 21 with the air gap G therebetween is Ca , the electric equivalent circuit diagram formed by the probe electrode 21, the air gap G, the substrate W, and the substrate support 31 is shown in FIG. becomes as shown in FIG. Note that the capacitance between the protective electrode 23 of the capacitive probe portion 20 and the virtual electrode or the probe electrode 21 is omitted.

図2に示すように、探針面24と基板支持体31との間隔をd、基板の厚さをd、空隙Gの距離をdとしたとする。そして、半絶縁性の半導体基板の抵抗率と比誘電率とを、それぞれ、ρとε、真空の誘電率をεとし、前述の仮想電極の電極面積をAとすれば、C=εεA/d、R=ρd/Aとなる。また、誘電緩和時間をτとすると、τ=C=εερとなる。ここで、τは、電極面積或いは電極間隔などの幾何学的形状に依存しない物質固有のものである。また、容量Cは、C=εA/dとなる。以下での式の取り扱いを簡便にするためにτ=Csとする。なお、τ、τは、時間の単位を持ち、電気回路工学分野では時定数と呼ばれる。本発明の目的である抵抗率ρの測定は、比誘電率εが既知であれば誘電緩和時間τを測定することと等価になる。 As shown in FIG. 2, let the distance between the probe surface 24 and the substrate support 31 be d 0 , the thickness of the substrate be d s , and the distance of the air gap G be d a . Let ρ and ε r be the resistivity and relative permittivity of the semi-insulating semiconductor substrate, ε 0 be the permittivity of vacuum, and A be the electrode area of the virtual electrode, then C s = ε 0 ε r A/d s , R s =ρd s /A. Also, if the dielectric relaxation time is τ s , then τ s =C s R s0 ε r ρ. Here, τ s is material-specific and does not depend on geometry such as electrode area or electrode spacing. Also, the capacitance C a is C a0 A/d a . Let τ a =C a R s to simplify the handling of the equations below. Note that τ s and τ a have units of time and are called time constants in the field of electrical circuit engineering. The measurement of the resistivity ρ, which is the object of the present invention, is equivalent to the measurement of the dielectric relaxation time τ s if the dielectric constant ε r is known.

図4は、本発明の抵抗率測定システムの計測演算制御系の概略図である。抵抗率測定システムの計測演算制御系は、電圧発生部40と、電流電圧変換部50と、アナログ/ディジタル変換部60と、X軸ドライバ96、Y軸ドライバ97、および、Z軸ドライバ98と、パーソナルコンピュータ(以下、「PC」と称する。)100と、を有する。 FIG. 4 is a schematic diagram of the measurement arithmetic control system of the resistivity measurement system of the present invention. The measurement calculation control system of the resistivity measurement system includes a voltage generator 40, a current-voltage converter 50, an analog/digital converter 60, an X-axis driver 96, a Y-axis driver 97, and a Z-axis driver 98. and a personal computer (hereinafter referred to as “PC”) 100 .

電圧発生部40は、波形メモリ41と、ディジタル/アナログ変換回路42と、電力増幅回路43と、を有し、前述の保護電極23を接地電位とした予め設定された設定周期の周期的な波形を有する電圧を、保護電極23と基板支持体31との間に発生させる。電圧発生部40は、PC100の制御部95から出力される波形クロックWclkに同期して波形メモリ41に記録された波形データをディジタル/アナログ変換回路42に逐次送出し、電力増幅回路43を経て、任意波形の周期的な電圧Vin(t)を発生させる。電圧発生部40が発生する電圧は、電力増幅回路43の出力に接続された端子c’と接地電位の端子b’に供給される。端子c’と端子b’とは、それぞれ、図1に示す端子cと端子bとに接続される。電圧発生部40は、図5(A)乃至(C)に示すような鋸波、矩形波、三角波などの前述の設定周期を有する周期的な電圧を波形クロックWclkに同期して発生することができる。以後、設定周期をTとして説明する。 The voltage generation unit 40 has a waveform memory 41, a digital/analog conversion circuit 42, and a power amplifier circuit 43, and generates a periodic waveform having a preset period with the protective electrode 23 as the ground potential. is generated between the guard electrode 23 and the substrate support 31 . The voltage generator 40 sequentially sends the waveform data recorded in the waveform memory 41 to the digital/analog conversion circuit 42 in synchronization with the waveform clock W clk output from the control unit 95 of the PC 100 , and passes through the power amplifier circuit 43 . , to generate a periodic voltage V in (t) of arbitrary waveform. The voltage generated by the voltage generator 40 is supplied to the terminal c' connected to the output of the power amplifier circuit 43 and the terminal b' of ground potential. Terminal c' and terminal b' are connected to terminal c and terminal b shown in FIG. 1, respectively. The voltage generating unit 40 generates a periodic voltage having the above-described set cycle such as a sawtooth wave, a rectangular wave, or a triangular wave as shown in FIGS. 5A to 5C in synchronization with the waveform clock Wclk . can be done. In the following description, the set period is assumed to be T.

図4に戻って、電流電圧変換部50は、容量探針部20を基板支持体31に支持された基板Wに近接させ且つ基板Wとの間に空隙Gが形成された状態で、電圧発生部40により保護電極23と基板支持体31との間に周期的な波形を有する電圧が印加され且つ探針電極21を擬似接地電位に維持したときの探針電極21に流れ込む電流を電圧に変換する。電流電圧変換部50は、演算増幅器52と帰還受動素子51とを有する。電流電圧変換部50の入力端子は、端子a’と端子b’である。端子a’と端子b’とは、それぞれ、図1に示す容量探針部20の端子aと端子bとに接続される。なお、帰還受動素子51は、それが容量成分のみの場合、電荷増幅器と呼ばれ、帰還受動素子51は、それが抵抗成分のみの場合、電流増幅器と呼ばれることがある。演算増幅器52は、利得が大きく、位相遅れが少なく、入力インピーダンスが大きく且つ入力バイアス電流または入力バイアス電圧が小さいものほど好ましい。 Returning to FIG. 4, the current-voltage conversion unit 50 generates a voltage in a state in which the capacitive probe unit 20 is brought close to the substrate W supported by the substrate support 31 and a gap G is formed between the substrate W and the capacitive probe unit 20 . A voltage having a periodic waveform is applied between the protective electrode 23 and the substrate support 31 by the portion 40, and the current flowing into the probe electrode 21 when the probe electrode 21 is maintained at a pseudo-ground potential is converted into a voltage. do. The current-voltage converter 50 has an operational amplifier 52 and a feedback passive element 51 . The input terminals of the current-voltage converter 50 are the terminal a' and the terminal b'. The terminals a' and b' are connected to the terminals a and b of the capacitive probe portion 20 shown in FIG. 1, respectively. The feedback passive element 51 is sometimes called a charge amplifier when it has only a capacitive component, and the feedback passive element 51 is sometimes called a current amplifier when it has only a resistive component. The operational amplifier 52 preferably has a large gain, a small phase delay, a large input impedance, and a small input bias current or input bias voltage.

電流電圧変換部50の端子に流れ込む電流は、帰還受動素子51に流れ出す電流と演算増幅器52の負の端子に流れ込む電流の和となる。演算増幅器52の入力インピーダンスが極めて大きいために演算増幅器52の負の端子に流れ込む電流は極めて小さく、電流電圧変換部50の端子に流れ込む電流は、帰還受動素子51に流れ出す電流に等しくなる。演算増幅器52の正の端子は接地電位に保たれているので、電流電圧変換部50の端子、すなわち、演算増幅器52の負の端子は、擬似接地電位になる。演算増幅器52の利得や位相、および、帰還受動素子51のインピーダンスは一般的に周波数依存性をもっている。そして、電流電圧変換部50の周波数依存性は、実数成分と虚数成分とを有する周波数伝達関数で表される。 The current flowing into the terminals of the current-voltage converter 50 is the sum of the current flowing into the feedback passive element 51 and the current flowing into the negative terminal of the operational amplifier 52 . Since the input impedance of operational amplifier 52 is extremely large, the current flowing into the negative terminal of operational amplifier 52 is extremely small, and the current flowing into the terminal of current-voltage converter 50 is equal to the current flowing out of feedback passive element 51 . Since the positive terminal of the operational amplifier 52 is kept at the ground potential, the terminal of the current-voltage converter 50, ie the negative terminal of the operational amplifier 52, becomes the pseudo-ground potential. The gain and phase of operational amplifier 52 and the impedance of feedback passive element 51 generally have frequency dependence. The frequency dependence of the current-voltage converter 50 is represented by a frequency transfer function having real and imaginary components.

アナログ/ディジタル変換部60は、サンプリング/ホールド回路61とアナログ/ディジタル変換回路62とを有し、電流電圧変換部50から出力されるアナログ電圧を、前述の設定周期に同期し且つ設定周期の1/Nの時間間隔でサンプリングして、ディジタルデータに変換する。アナログ/ディジタル変換部60の入力は、電流電圧変換部50の電圧出力と端子gとに接続される。電流電圧変換部50の出力を切り離して端子gに外部アナログ電圧出力を接続すれば、電流電圧変換部50の出力電圧以外のアナログ電圧を測定することもできる。図6は、電圧発生部40が矩形波電圧を発生しているときに電流電圧変換部50から出力される電圧をサンプリングするタイミングを表したものである。制御部95は、図6に示すように、電圧発生部40が発生する周期的な波形の電圧の設定周期TをN分割した時間間隔Δt毎に、すなわち、時刻t=nΔt(n=1,2,3,・・・)にサンプリングクロックSclkをアナログ/ディジタル変換部60に送出する。アナログ/ディジタル変換部60は、出力されたサンプリングクロックSclkに同期して、電流電圧変換部50から出力される電圧をサンプリング/ホールド回路61によりサンプリング/ホールドした後アナログ/ディジタル変換回路62によって変換した時系列のディジタルデータD(n=1,2,3,・・・)を、PC100の後述するインタフェースへ出力する。 The analog/digital converting section 60 has a sampling/holding circuit 61 and an analog/digital converting circuit 62, and converts the analog voltage output from the current/voltage converting section 50 in synchronization with the above-described set period and in one of the set periods. It is sampled at time intervals of /N and converted into digital data. The input of the analog/digital converter 60 is connected to the voltage output of the current-voltage converter 50 and the terminal g. By disconnecting the output of the current-voltage converter 50 and connecting an external analog voltage output to the terminal g, analog voltages other than the output voltage of the current-voltage converter 50 can be measured. FIG. 6 shows the timing of sampling the voltage output from the current-voltage converter 50 while the voltage generator 40 is generating the rectangular wave voltage. As shown in FIG. 6, the control unit 95 controls, at each time interval Δt obtained by dividing the set cycle T of the voltage of the periodic waveform generated by the voltage generation unit 40 by N, that is, time t=nΔt (n=1, 2, 3, . . . ), the sampling clock S clk is sent to the analog/digital converter 60 . The analog/digital converter 60 samples/holds the voltage output from the current/voltage converter 50 by the sampling/hold circuit 61 in synchronization with the output sampling clock S clk , and then converts it by the analog/digital converter 62 . The time-series digital data D n (n=1, 2, 3, .

PC100は、汎用のPCであり、CPU(Central Processing Unit)と主記憶部と補助記憶部とインタフェースと各部を接続するバスとを有する。主記憶部は、揮発性メモリから構成され、CPUの作業領域として使用される。補助記憶部は、不揮発性メモリから構成され、CPUが実行するプログラムを記憶する。そして、CPUは、補助記憶部が記憶するプログラムを主記憶部に読み込んで実行することにより、前処理部81、フーリエ変換部70、振幅位相算出部82、抵抗率算出部83および制御部95として機能する。 The PC 100 is a general-purpose PC, and has a CPU (Central Processing Unit), a main memory section, an auxiliary memory section, an interface, and a bus connecting each section. The main memory is composed of volatile memory and used as a work area for the CPU. The auxiliary storage unit is composed of a non-volatile memory and stores programs executed by the CPU. Then, the CPU reads the program stored in the auxiliary storage unit into the main storage unit and executes it, so that the preprocessing unit 81, the Fourier transform unit 70, the amplitude phase calculation unit 82, the resistivity calculation unit 83, and the control unit 95 Function.

制御部95は、システムクロックに同期して、電圧発生部40に波形クロックWclkを、アナログ/ディジタル変換部60にサンプリングクロックSclkを送出する。また、制御部95は、X軸ドライバ96、Y軸ドライバ97、および、Z軸ドライバ98に、位置指令パルスを送出して、X軸ステージ91、Y軸ステージ92、および、Z軸ステージ93の位置決めを行う。 The control section 95 sends the waveform clock W clk to the voltage generating section 40 and the sampling clock S clk to the analog/digital converting section 60 in synchronization with the system clock. In addition, the control unit 95 sends position command pulses to the X-axis driver 96, the Y-axis driver 97, and the Z-axis driver 98, and controls the X-axis stage 91, the Y-axis stage 92, and the Z-axis stage 93. positioning.

前処理部81は、アナログ/ディジタル変換部60から入力される時系列のディジタルデータD(n=1,2,3,・・・)を1周期毎(n=1,2,3,・・・,N)に区切りM周期分の加算平均する処理を実行する。時系列のディジタルデータD(n=1,2,3,・・・)は、図3に示す電気的等価回路図で表される回路から出力される複素出力電圧をサンプリングして得られるデータである。時系列のディジタルデータD(n=1,2,3,・・・)を1周期毎(n=1,2,3,・・・,N)に区切りM周期分のディジタルデータをDn、m(n=1,2,3,・・・,N、m=1,2,3,・・・,M)、即ち、D1,1,D2,1,D3,1,・・・,DN,1、D1,2,D2,2,D3,2,・・・,DN,2、D1,3,D2,3,D3,2,・・・,DN,3、・・・D1,M,D2,M,D3,M,・・・,DN,Mとし、加重平均処理した周期的なディジタルデータをEn(n=1,2,3,・・・,N)とすれば、E1=(D1,1+D1,2+D1,3+・・・+D1,M)/M、E2=(D2,1+D2,2+D2,3+・・・+D2,M)/M、E3=(D3,1+D3,2+D3,3+・・・+D3,M)/M、・・・、EN=(DN,1+DN,2+DN,3+・・・+DN,M)/Mとなる。この前処理を多周期に渡って行えば、ディジタルデータのノイズ低減、すなわち、抵抗率測定の高精度化につながるが、測定時間が長くなる。したがって、この前処理を何周期まで行うかは、抵抗率測定の高精度化と高速化のトレードオフで決めればよい。そして、前処理部81は、前述の加重平均処理を実行することにより生成したディジタルデータEn(n=1,2,3,・・・,N)を、フーリエ変換部70に通知する。 The preprocessing unit 81 converts time-series digital data D n (n=1, 2, 3, . . . , N), and the processing of adding and averaging for M cycles is executed. The time-series digital data D n (n=1, 2, 3, . is. Time-series digital data D n (n=1, 2, 3, . . . ) is divided into cycles (n=1, 2, 3, . , m (n = 1, 2, 3, ..., N, m = 1, 2, 3, ..., M), that is, D 1,1 , D 2,1 , D 3,1 , · ..., DN ,1 , D1,2 , D2,2 , D3,2 , ..., DN,2, D1,3 , D2,3 , D3,2 , ... , D N,3 , . . . D 1,M , D 2, M , D 3,M , . , 2, 3, . . . , N) , E 1 = (D 1,1 +D 1,2 +D 1,3 + . 1 + D2,2 + D2,3 +...+D2 ,M )/M, E3 =( D3,1 + D3,2 + D3,3 +...+ D3,M )/M, . . , E N =(D N,1 +D N,2 +D N,3 + . . . +D N,M )/M. If this preprocessing is performed over multiple cycles, noise in the digital data can be reduced, that is, the accuracy of resistivity measurement can be improved, but the measurement time becomes longer. Therefore, the number of cycles to which this preprocessing is to be performed may be determined by a trade-off between high precision and high speed resistivity measurement. Then, the preprocessing unit 81 notifies the Fourier transform unit 70 of the digital data En (n=1, 2, 3, . . . , N) generated by executing the above-described weighted average processing.

フーリエ変換部70は、アナログ/ディジタル変換部60から入力されるディジタルデータをフーリエ変換する。より詳細には、フーリエ変換部70は、アナログ/ディジタル変換部60から入力され前処理部81で加重平均処理が実行されたディジタルデータをフーリエ変換する。このフーリエ変換部70は、ディジタルデータEn(n=1,2,3,・・・,N)に対して、Nが2のべき乗のときは高速フーリエ変換(FFT)のアルゴリズムを用いてフーリエ変換を実行し、Nが2のべき乗以外のときは離散フーリエ変換(DFT)のアルゴリズムを用いてフーリエ変換を実行する。なお、FFTの変換速度は、DFTの変換速度に比べて極めて速い。このフーリエ変換の結果、角周波数nω(n=1,2,3,・・・,N)に対して、複素出力電圧の実数成分Pn、虚数成分Qnを得る。 The Fourier transform unit 70 Fourier transforms the digital data input from the analog/digital converter 60 . More specifically, the Fourier transform unit 70 performs Fourier transform on the digital data input from the analog/digital converter 60 and weighted average processed by the preprocessing unit 81 . The Fourier transform unit 70 performs a Fourier transform on digital data E n (n=1, 2, 3, . . . , N) using a fast Fourier transform (FFT) algorithm when N is a power of two. Perform the transform, and perform the Fourier transform using the Discrete Fourier Transform (DFT) algorithm when N is not a power of two. Note that the conversion speed of FFT is much faster than that of DFT. As a result of this Fourier transform, a real number component P n and an imaginary number component Q n of the complex output voltage are obtained for angular frequencies nω n (n=1, 2, 3, . . . , N).

ここで、フーリエ変換部70が実行するフーリエ級数解析について詳細に説明する。電圧発生部40から出力される周期的な電圧Vin(t)は、フーリエ級数展開でき、周期をT、角周波数をωn=2πn/Tとすれば、下記式(1)のように表される。 The Fourier series analysis performed by the Fourier transform unit 70 will now be described in detail. The periodic voltage V in (t) output from the voltage generator 40 can be expanded into a Fourier series, and given the period T and the angular frequency ω n =2πn/T, it can be expressed by the following equation (1): be done.

Figure 2023067013000002

(n=1,2,3,・・・,∞)
・・・式(1)
Figure 2023067013000002

(n = 1, 2, 3, ..., ∞)
... formula (1)

また、式(1)におけるフーリエ係数aおよびbは、下記式(2)および式(3)で表される。aは電圧Vin(t)の平均値すなわち直流成分である。以下では、式の取扱いを簡便にするためにa=0として扱う。これは、Vin(t)が両極性の正負対称波形である場合に相当する。 Moreover, the Fourier coefficients a n and b n in the equation (1) are represented by the following equations (2) and (3). a 0 is the average value of the voltage V in (t), ie, the DC component. In the following, a 0 =0 is assumed to simplify the handling of the formula. This corresponds to the case where V in (t) is a bipolar positive and negative symmetrical waveform.

Figure 2023067013000003

(n=1,2,3,・・・,∞)
・・・式(2)
Figure 2023067013000003

(n = 1, 2, 3, ..., ∞)
... formula (2)

Figure 2023067013000004

(n=1,2,3,・・・,∞)
・・・式(3)
Figure 2023067013000004

(n = 1, 2, 3, ..., ∞)
... formula (3)

式(1)乃至式(3)のように正弦波と余弦波を用いたフーリエ級数は、別表現となる複素数を用いた複素フーリエ級数と複素フーリエ係数で表してもよい。ここでは、具体的な式を示すのは省略する。 A Fourier series using a sine wave and a cosine wave as in equations (1) to (3) may be represented by a complex Fourier series and complex Fourier coefficients using complex numbers, which are different expressions. Here, showing specific formulas is omitted.

電圧発生部40から実際に出力される電圧は有限の立ち上り時間と立ち下り時間を持っているので、式(1)から式(3)までは、N項までの部分和とするのが適切である。部分和とした場合、ギブスの現象といわれる不連続点近傍における振動的な現象を生じるが、これを緩和するためにハミング窓などを使って各項を重み付け、すなわち、各項の係数anとbnを補正すればよい。あるいは、後述するが、電圧発生部40から出力される電圧を実際に測定し、各項の係数anとbnを予め算出しておけばよい。 Since the voltage actually output from the voltage generator 40 has a finite rise time and fall time, it is appropriate to use partial sums up to N terms in equations (1) to (3). be. In the case of partial sums, an oscillating phenomenon called Gibbs ' phenomenon occurs in the vicinity of the point of discontinuity. b n should be corrected. Alternatively, as will be described later, the voltage output from the voltage generator 40 may be actually measured and the coefficients a n and b n of each term may be calculated in advance.

電圧発生部40から出力される電圧が、図5(A)乃至(C)に示すように、振幅が|Vin|の鋸波電圧、矩形波電圧、あるいは、三角波電圧の三種類について考察する。電圧発生部40から出力される電圧の波形が、図5(A)に示すように、鋸状波である場合、前述の式(1)は次の式(4)のようになる。 As shown in FIGS. 5(A) to 5(C), the voltage output from the voltage generator 40 is considered to be of three types: a sawtooth wave voltage, a rectangular wave voltage, or a triangular wave voltage with an amplitude of |V in |. . When the waveform of the voltage output from the voltage generator 40 is a sawtooth wave as shown in FIG. 5A, the above equation (1) becomes the following equation (4).

Figure 2023067013000005

(n=1,2,3,・・・,∞)
・・・式(4)
Figure 2023067013000005

(n = 1, 2, 3, ..., ∞)
... formula (4)

式(4)から、鋸波電圧は、正弦波電圧の和のみで構成され、その周波数は奇数波成分および偶数成分を持ち、奇数成分の振幅は正となり、偶数成分の振幅は負となり、周波数が高くなるほど振幅の絶対値は奇数倍に減少していくことが分かる。 From equation (4), the sawtooth voltage consists only of the sum of sinusoidal voltages, whose frequency has odd and even components, the amplitude of the odd component being positive, the amplitude of the even component being negative, and the frequency It can be seen that the higher the , the more the absolute value of the amplitude decreases by an odd number.

電圧発生部40から出力される電圧の波形が、図5(B)に示すように、矩形波である場合、式(1)は次の式(5)のようになる。 When the waveform of the voltage output from the voltage generator 40 is a rectangular wave as shown in FIG. 5B, Equation (1) becomes Equation (5) below.

Figure 2023067013000006

(nは正の奇数)
・・・式(5)
Figure 2023067013000006

(n is a positive odd number)
... formula (5)

式(5)から、矩形波電圧は、正弦波電圧の和のみで構成され、その周波数は奇数波成分しか持たず、周波数が高くなるほど振幅が奇数倍に減少していくことが分かる。 From equation (5), it can be seen that the square-wave voltage is composed only of the sum of sine-wave voltages, has only odd-numbered wave components in its frequency, and decreases in amplitude by odd-numbered times as the frequency increases.

電圧発生部40から出力される電圧の波形が、図5(C)に示すように、三角波である場合、式(1)は次の式(6)のようになる。 When the waveform of the voltage output from the voltage generator 40 is a triangular wave as shown in FIG. 5C, Equation (1) becomes Equation (6) below.

Figure 2023067013000007

(nは正の奇数)
・・・式(6)
Figure 2023067013000007

(n is a positive odd number)
... formula (6)

式(6)から、三角波電圧は、余弦波電圧の和のみで構成され、その周波数は奇数波成分しか持たず、周波数が高くなるほど振幅は奇数倍の2乗に減少、すなわち、高調波成分は急激に減少していくことが分かる。 From equation (6), the triangular wave voltage consists only of the sum of cosine wave voltages, its frequency has only odd wave components, and the amplitude decreases to the square of an odd multiple as the frequency increases, that is, the harmonic components are It can be seen that it decreases rapidly.

ここで、角周波数ωの複素電圧Vin (ω)を、図3に示す電気的等価回路図の端子aと端子cとの間に印加した場合について考察する。端子aと端子cとの間の複素インピーダンスをZ(ω)、虚数単位をjとすると、複素インピーダンスの逆数である複素アドミッタンスZ -1(ω)は、下記式(7)で表される。 Here, consider the case where a complex voltage V in nn ) with angular frequency ω n is applied between terminals a and c in the electrical equivalent circuit diagram shown in FIG. Let Z nn ) be the complex impedance between terminal a and c, and let j be the imaginary unit . expressed.

Figure 2023067013000008

・・・式(7)
Figure 2023067013000008

... formula (7)

そして、端子aと端子cとの間に流れる複素電流をIn(ωn)とすれば、下記式(8)の関係式が得られる。 Assuming that In(ωn) is the complex current flowing between the terminal a and the terminal c, the following relational expression (8) is obtained.

Figure 2023067013000009

・・・式(8)
Figure 2023067013000009

... formula (8)

電圧Vin(t)を複素フーリエ級数展開したときの第n項目の複素電圧をVin (ω)、電流電圧変換部50の周波数伝達関数の実数成分をG(ω)、虚数成分をF(ω)とすれば、電流電圧変換部50に複素電流I(ω)を入力したとき、電流電圧変換部50が出力する複素出力電圧V(ω)は、前述の式(8)を代入して、下記式(9)のようになる。 The complex voltage of the n-th item when the voltage Vin (t) is expanded into a complex Fourier series is Vin nn ), the real component of the frequency transfer function of the current-voltage converter 50 is G(ω n ), and the imaginary component is F(ω n ), the complex output voltage V nn ) output from the current-voltage conversion unit 50 when the complex current I nn ) is input to the current-voltage conversion unit 50 is given by By substituting the formula (8), the following formula (9) is obtained.

Figure 2023067013000010

・・・式(9)
Figure 2023067013000010

... formula (9)

また、複素出力電圧の実数成分Re[V(ω)]と虚数成分Im[V(ω)]は、それぞれ、下記式(10)および式(11)で表される。 Also, the real component Re[V nn )] and the imaginary component Im[V nn )] of the complex output voltage are expressed by the following equations (10) and (11), respectively.

Figure 2023067013000011

・・・式(10)
Figure 2023067013000011

... formula (10)

Figure 2023067013000012

・・・式(11)
Figure 2023067013000012

... formula (11)

図4に戻って、振幅位相算出部82は、フーリエ変換により得られる実数成分Pnと虚数成分Qnとから、振幅成分と位相成分を算出する。具体的には、振幅位相算出部82は、各角周波数成分に直交性があることを利用して、角周波数ωn(n=1,2,3,・・・,N)毎に算出する。振幅位相算出部82は、フーリエ変換により得られる実数成分Pnと虚数成分Qnの場合、振幅成分をSn=[Pn 2+Qn 21/2、位相成分をUn=arctan(Qn/Pn)として算出する。 Returning to FIG. 4, the amplitude/phase calculator 82 calculates the amplitude component and the phase component from the real number component P n and the imaginary number component Q n obtained by Fourier transform. Specifically, the amplitude-phase calculator 82 uses the orthogonality of each angular frequency component to calculate for each angular frequency ω n (n = 1, 2, 3, ..., N) . In the case of the real number component P n and the imaginary number component Q n obtained by the Fourier transform, the amplitude/phase calculator 82 calculates the amplitude component as Sn =[P n 2 +Q n 2 ] 1/2 and the phase component as U n =arctan( Q n /P n ).

ここで、複素出力電圧の振幅成分|V(ω)|と位相成分φ(ω)は、それぞれ、下記式(12)および式(13)で表される。 Here, the amplitude component |V nn )| and the phase component φ nn ) of the complex output voltage are expressed by the following equations (12) and (13), respectively.

Figure 2023067013000013

・・・式(12)
Figure 2023067013000013

... formula (12)

Figure 2023067013000014

・・・式(13)
Figure 2023067013000014

... formula (13)

なお、式(10)乃至式(13)において、γ=τ/τ=d/εとした。 Note that γ=τ as = dsrd a in equations (10) to (13).

次に、本実施の形態に係る抵抗率測定システム10を用いて、電圧発生部40から出力される周期的な電圧Vin(t)を複素フーリエ級数展開したときの複素電圧Vin (ω)を測定する方法について説明する。図4に示す電流電圧変換部50の出力を切り離して電圧発生部40の出力端子である端子c’をアナログ/ディジタル変換部60のサンプリング/ホールド回路61の入力端子gに接続する。電圧発生部40が出力する電圧をアナログ/ディジタル変換部60によってディジタルデータとし、そのディジタルデータをフーリエ変換部70によってフーリエ変換すれば、複素電圧Vin (ω)が得られる。 Next, using the resistivity measurement system 10 according to the present embodiment, the complex voltage V in n ( ω n ) will be described. The output of the current-voltage converter 50 shown in FIG. The analog/digital converter 60 converts the voltage output from the voltage generator 40 into digital data, and the Fourier transform 70 performs Fourier transform on the digital data to obtain a complex voltage Vin nn ).

次に、本実施の形態に係る抵抗率測定システムを用いて、電流電圧変換部50の周波数伝達関数の実数成分G(ω)と虚数成分F(ω)を測定する方法について説明する。図4に示す電圧発生部40の出力端子である端子c’を電流電圧変換部50の端子である端子a’に接続して、電圧発生部40が出力する電圧をアナログ/ディジタル変換部60によってディジタルデータとし、そのディジタルデータをフーリエ変換部70によってフーリエ変換すれば、電流電圧変換部50の周波数伝達関数の実数成分G(ω)と虚数成分F(ω)が直接得られる。 Next, a method of measuring the real number component G(ω n ) and the imaginary number component F(ω n ) of the frequency transfer function of the current-voltage converter 50 using the resistivity measurement system according to the present embodiment will be described. 4 is connected to the terminal a' of the current-voltage converter 50, and the voltage output from the voltage generator 40 is converted by the analog/digital converter 60. When the digital data is converted into digital data and Fourier-transformed by the Fourier transform unit 70, the real component G(ω n ) and the imaginary component F(ω n ) of the frequency transfer function of the current-voltage transform unit 50 are obtained directly.

また、図2と図3において基板Wを基板支持体31上に載置しない状態で、すなわち、d=0、d=dとしたときC=C=εA/d、τ→∞であり、電圧発生部40が出力する電圧をアナログ/ディジタル変換部60によってディジタルデータとし、そのディジタルデータをフーリエ変換部70によってフーリエ変換すれば、前述の式(8)および式(9)から下記式(14)が得られる。 In addition, when the substrate W is not placed on the substrate support 31 in FIGS. 2 and 3, that is, when d s =0 and d a =d 0 , C a = C 00 A/d 0 , τ s →∞, and the voltage output from the voltage generator 40 is converted into digital data by the analog/digital converter 60, and the digital data is Fourier-transformed by the Fourier transformer 70, the above-mentioned equations (8) and equations The following formula (14) is obtained from (9).

Figure 2023067013000015

(n=1,2,3,・・・,N)
・・・式(14)
Figure 2023067013000015

(n = 1, 2, 3, ..., N)
... formula (14)

従って、予めjωin (ω)が測定されていれば、式(14)から電流電圧変換部50の周波数伝達関数の実数成分G(ω)と虚数成分F(ω)とが得られる。 Therefore, if jω n C 0 V innn ) is measured in advance, the real component G(ω n ) and the imaginary component F(ω n ) of the frequency transfer function of the current-voltage converter 50 can be obtained from the equation (14). ) is obtained.

なお、本実施の形態に係る抵抗率測定システムにおいて、基板Wを基板支持体31上に載置しない状態では、d=0、d=dとしたときC=C、τ→∞となる。そして、図4に示す電圧発生部40の出力端子である端子c’をアナログ/ディジタル変換部60のサンプリング/ホールド回路61の入力側に接続して、電圧発生部40が出力する電圧をアナログ/ディジタル変換部60によってディジタルデータに変換してから、そのディジタルデータをフーリエ変換部70によってフーリエ変換することで、jωin (ω)が得られる。 In the resistivity measurement system according to the present embodiment, when the substrate W is not placed on the substrate support 31, C a =C 0 and τ s when d s =0 and d a =d 0 . → becomes ∞. 4 is connected to the input side of the sampling/hold circuit 61 of the analog/digital converter 60, and the voltage output from the voltage generator 40 is analog/digital. After being converted into digital data by the digital conversion unit 60, the digital data is Fourier transformed by the Fourier transform unit 70 to obtain jωnC0Vinn ( ωn ) .

抵抗率算出部83は、前述の複素出力電圧の実数成分、虚数成分、振幅成分および位相成分のうちの少なくとも1つの周波数依存性に基づいて、抵抗率を算出する。前述のように、容量探針部20の探針面24と基板支持体31との間隔をd、基板の厚さをd、空隙Gの距離をdとしたとする。そして、被測定物である半絶縁性の半導体基板の抵抗率と比誘電率とを、それぞれ、ρとε、真空の誘電率をεとし、前述の仮想電極の電極面積をAとすれば、C=εεA/d、R=ρd/Aとなる。そして、誘電緩和時間をτとすると、τ=C=εερとなる。そこで、抵抗率算出部83は、前述の誘電緩和時間τを算出し、算出したτからρ=εε/τの関係式を用いて抵抗率ρを算出する。 The resistivity calculator 83 calculates the resistivity based on the frequency dependence of at least one of the real component, the imaginary component, the amplitude component and the phase component of the complex output voltage. As described above, let the distance between the probe surface 24 of the capacitive probe portion 20 and the substrate support 31 be d 0 , the thickness of the substrate be ds , and the distance of the gap G be da . Let ρ and ε r be the resistivity and relative permittivity of the semi-insulating semiconductor substrate to be measured, ε 0 be the permittivity of vacuum, and A be the electrode area of the virtual electrode. For example, C s0 ε r A/d s and R s =ρd s /A. When the dielectric relaxation time is τ s , τ s =C s R s0 ε r ρ. Therefore, the resistivity calculator 83 calculates the dielectric relaxation time τ s described above, and calculates the resistivity ρ from the calculated τ s using the relational expression ρ=ε 0 ε rs .

ここで、抵抗率算出部83が、誘電緩和時間τsを算出する方法について説明する。フーリエ変換部70が、周期的なディジタルデータE(n=1,2,3,・・・,N)に対して高速フーリエ変換あるいは離散フーリエ変換を実行することにより得られる実数成分P、虚数成分Q、振幅成分S=[P +Q 1/2、位相成分U=arctan(Q/P)は、それぞれ、角周波数ω(n=1,2,3,・・・,N)毎に、式(10)、式(11)、式(12)および式(13)を満たすことになり、成分毎にN個の方程式からなる連立方程式が得られる。そして、Vin (ω)、G(ω)、F(ω)の角周波数依存性が無視できる場合、或いは、予め測定されており既知である場合、式(10)、式(11)並びに式(12)は、τ、γおよびCを未知数とした連立方程式となり、式(13)は、τとγを未知数とした連立方程式となる。そこで、抵抗率算出部83は、これらの連続方程式を用いてτを算出する。なお、抵抗率算出部83は、γを幾何学的寸法であるdとdおよび被測定物の比誘電率εとから算出し、Cを幾何学的寸法であるAおよびdと真空中の誘電率εとから算出する。また、抵抗率算出部83は、周期的なディジタルデータE(n=1,2,3,・・・,N)に対して高速フーリエ変換あるいは離散フーリエ変換を行った結果から得られた実数成分P、虚数成分Q、振幅成分S=[P +Q 1/2、位相成分U=arctan(Q/P)が、角周波数ω毎に式(10)、式(11)、式(12)或いは式(13)の全てに満たすように、τsを算出してもよい。 Here, a method for calculating the dielectric relaxation time τ s by the resistivity calculator 83 will be described. Real number components P n obtained by Fourier transform unit 70 performing fast Fourier transform or discrete Fourier transform on periodic digital data E n (n=1, 2, 3, . . . , N), The imaginary component Q n , the amplitude component Sn = [P n 2 + Q n 2 ] 1/2 , and the phase component U n = arctan(Q n /P n ) are angular frequencies ω n (n = 1, 2, 3, . . Then, when the angular frequency dependence of V in nn ), G(ω n ), and F(ω n ) can be ignored, or when it is measured in advance and known, equation (10), equation ( 11) and equation (12) are simultaneous equations with τ s , γ and Ca as unknowns, and equation (13) is a simultaneous equation with τ s and γ as unknowns. Therefore, the resistivity calculator 83 calculates τs using these continuity equations. The resistivity calculator 83 calculates γ from the geometric dimensions d s and d a and the dielectric constant ε r of the object to be measured, and calculates Ca from the geometric dimensions A and d a and dielectric constant ε 0 in vacuum. Further, the resistivity calculator 83 calculates the real number obtained from the result of performing the fast Fourier transform or the discrete Fourier transform on the periodic digital data E n (n=1, 2, 3, . . . , N). The component P n , the imaginary component Q n , the amplitude component Sn = [P n 2 + Q n 2 ] 1/2 , and the phase component U n = arctan(Q n /P n ) are expressed by Equation (10 ), τ s may be calculated so as to satisfy all of equations (11), (12), or (13).

抵抗率算出部83が、式(12)で与えられている|V(ω)|とフーリエ変換で求めた振幅成分Sとから、誘電緩和時間τを算出する。以下、|V(ω)|が依存するパラメータτ、γ、Cを含めて、|V(ω)|を|V(ω:τs,γ,C)|と表す。抵抗率算出部83は、下記式(15)に示すような、各角周波数ωにおける|V(ω:τ,γ,C)|とSとの差の二乗の平均、すなわち、分散sを表す誤差関数を用いる。 The resistivity calculator 83 calculates the dielectric relaxation time τ s from |V nn )| given by Equation (12) and the amplitude component Sn obtained by the Fourier transform. In the following, |V nn )| is represented by |V n ( ω n : τ s , γ, Ca ) | is represented as The resistivity calculator 83 calculates the mean square of the difference between |V nn : τ s , γ , Ca )| That is, we use an error function that expresses the variance s 2 .

Figure 2023067013000016

(n=1,2,3,・・・,N)
・・・式(15)
Figure 2023067013000016

(n = 1, 2, 3, ..., N)
... formula (15)

抵抗率算出部83は、式(15)の誤差関数で表される分散sが最尤推定値になるパラメータτ、γ、Cを算出する。ここで、抵抗率算出部83は、反復法であるガウス・ニュートン法、レーベンバーグ・マーカート法等の非線形最小二乗法を用いてパラメータτ、γ、Cを算出する。最小二乗法を用いて近似的に算出する場合、式(12)で与えられている|V(ω)|または振幅成分Sの中に外れ値または異常値が含まれている場合、近似の尤もらしさが極端に低下する虞がある。そこで、パラメータγとCについては、予め測定した幾何学的寸法と被測定物の比誘電率εとを用いたり、最小二乗法におけるパラメータγとCの値の探索範囲を限定したりするのが好ましい。そして、抵抗率算出部83は、算出したτからρ=εε/τの関係式を用いて抵抗率ρを算出する。 The resistivity calculator 83 calculates the parameters τ s , γ, and Ca that make the variance s 2 represented by the error function of Equation (15) the maximum likelihood estimated value. Here, the resistivity calculator 83 calculates the parameters τ s , γ, and Ca using nonlinear least-squares methods such as Gauss-Newton method and Levenberg-Marquardt method, which are iterative methods. When calculating approximately using the least squares method, if |V nn )| given by Equation (12) or the amplitude component S n includes an outlier or an abnormal value, There is a risk that the plausibility of the approximation will be extremely reduced. Therefore, for the parameters γ and Ca , the previously measured geometric dimensions and the relative permittivity εr of the object to be measured are used, or the search range for the values of the parameters γ and Ca in the least-squares method is limited. preferably. Then, the resistivity calculator 83 calculates the resistivity ρ from the calculated τ s using the relational expression ρ=ε 0 ε rs .

以上説明したように、本実施の形態に係る抵抗率測定システムによれば、容量探針部20、基板Wおよび基板支持体31が、導体(探針電極21)-絶縁体(空隙G)-半絶縁体(基板W)-導体(基板支持体31)の順に鉛直上方から下方に向かって並ぶように配置され、容量探針部20が基板Wに接触しない。従って、基板Wの損傷や破壊、更に、基板Wとの接触部分における電気的不安定性の影響等の課題が生じない。したがって、基板Wの抵抗率および基板Wの抵抗率分布を非破壊で且つ高精度で安定的に測定できる。 As described above, according to the resistivity measurement system according to the present embodiment, the capacitive probe portion 20, the substrate W, and the substrate support 31 are composed of conductor (probe electrode 21)-insulator (gap G)- The semi-insulator (substrate W) and the conductor (substrate support 31) are arranged in this order from vertically upward to downward, and the capacitive probe portion 20 does not come into contact with the substrate W. FIG. Therefore, problems such as damage or breakage of the substrate W and influence of electrical instability at the contact portion with the substrate W do not occur. Therefore, the resistivity of the substrate W and the resistivity distribution of the substrate W can be stably measured nondestructively with high accuracy.

また、本実施の形態に係る抵抗率測定システムによれば、容量探針部20の保護電極23を接地電位とし探針電極21を電流電圧変換部50の端子a’に接続しているので、探針電極21が擬似接地電位となり、容量探針部20と基板支持体31との間の電界分布は、容量探針部20の保護電極23の外周部分で端面効果のために不均一となる。但し、探針電極21部分すなわち容量探針部20が測定する対象領域では電界分布が均一になるとともに、保護電極23から探針電極21に流れ込む漏れ電流の発生のような好ましくない電流の影響を受けなくなる。従って、抵抗率の測定精度を高めることができる。 Further, according to the resistivity measuring system according to the present embodiment, since the protective electrode 23 of the capacitive probe section 20 is set to the ground potential and the probe electrode 21 is connected to the terminal a' of the current-voltage conversion section 50, The probe electrode 21 becomes a pseudo-ground potential, and the electric field distribution between the capacitive probe portion 20 and the substrate support 31 becomes nonuniform due to the edge effect at the outer peripheral portion of the protective electrode 23 of the capacitive probe portion 20 . . However, the electric field distribution is uniform in the probe electrode 21 portion, that is, the target region measured by the capacitive probe portion 20, and the influence of undesirable current such as leakage current flowing from the protective electrode 23 to the probe electrode 21 is suppressed. no longer receive. Therefore, the resistivity measurement accuracy can be improved.

更に、本実施の形態に係る抵抗率測定システムによれば、電圧発生部40が発生する電圧の設定周期に同期して電流電圧変換部50とアナログ/ディジタル変換部60を動作させるので、設定周期毎にディジタルデータを加算処理することにより測定時の電気的ノイズ成分を低減することができる。従って、測定時の電気的ノイズに起因した抵抗率の測定値のばらつきを抑制できる。 Furthermore, according to the resistivity measurement system according to the present embodiment, the current-voltage converter 50 and the analog/digital converter 60 are operated in synchronization with the set period of the voltage generated by the voltage generator 40, so that the set period The electrical noise component at the time of measurement can be reduced by adding the digital data every time. Therefore, it is possible to suppress variations in resistivity measurement values caused by electrical noise during measurement.

また、本実施の形態に係る抵抗率測定システムによれば、電圧発生部40が発生する電圧の設定周期Tの1/Nの時間間隔ΔT(=T/N)で得られたディジタルデータをフーリエ変換することにより、電圧発生部40が発生する電圧の、角周波数ω(=2πn/T、n=0,1,2,・・・,N)における実数成分と虚数成分、並びに、実数成分および虚数成分から振幅成分と位相成分とを即座に算出できる。従って、実数成分、虚数成分、振幅成分および位相成分の周波数依存性が一度で高速に得られるので、基板W中に発生する直流ドリフトのような好ましくない電流の発生の影響を除去できる。それ故、抵抗率測定を高速且つ高精度に行うことができる。 Further, according to the resistivity measurement system according to the present embodiment, the digital data obtained at the time interval ΔT (=T/N), which is 1/N of the set period T of the voltage generated by the voltage generator 40, is subjected to Fourier processing. By converting, the voltage generated by the voltage generator 40 has a real number component and an imaginary number component at the angular frequency ω n (=2πn/T, n=0, 1, 2, . . . , N), and a real number component and the imaginary component, the amplitude component and the phase component can be immediately calculated. Therefore, since the frequency dependence of the real number component, the imaginary number component, the amplitude component and the phase component can be obtained at once at high speed, the influence of undesirable current generation such as DC drift occurring in the substrate W can be eliminated. Therefore, resistivity measurement can be performed at high speed and with high accuracy.

更に、本実施の形態に係る抵抗率測定システムによれば、電流電圧変換部50の周波数伝達関数の実数成分G(ω)と虚数成分F(ω)とを予め求めておくので、電圧発生部40が発生する電圧の設定周期Tの1/Nの時間間隔ΔT(=T/N)で得られたディジタルデータのフーリエ変換で得られた実数成分と虚数成分を容易に補正できる。従って、電流電圧変換部50の利得と位相の周波数依存性の影響を除去することができるので、高精度な抵抗率測定が可能になる。 Furthermore, according to the resistivity measurement system according to the present embodiment, since the real number component G(ω n ) and the imaginary number component F(ω n ) of the frequency transfer function of the current-voltage converter 50 are obtained in advance, the voltage The real number component and the imaginary number component obtained by Fourier transform of the digital data obtained at the time interval ΔT (=T/N) which is 1/N of the set period T of the voltage generated by the generator 40 can be easily corrected. Therefore, the influence of the frequency dependence of the gain and phase of the current-voltage converter 50 can be eliminated, so that highly accurate resistivity measurement is possible.

また、本実施の形態に係る抵抗率測定システムによれば、基板Wを基板支持体31に載置しない状態で容量探針部20を基板支持体31に近接して測定したディジタルデータをフーリエ変換することにより、電流電圧変換部50の周波数伝達関数の実数成分G(ω)と虚数成分F(ω)とを求める。このため、電流電圧変換部50の周波数伝達関数の実数成分G(ω)と虚数成分F(ω)とを比較的容易に求めることができる。 Further, according to the resistivity measurement system of the present embodiment, the digital data obtained by measuring the capacitive probe portion 20 close to the substrate support 31 without placing the substrate W on the substrate support 31 is subjected to Fourier transform. By doing so, the real component G(ω n ) and the imaginary component F(ω n ) of the frequency transfer function of the current-voltage converter 50 are obtained. Therefore, the real component G(ω n ) and the imaginary component F(ω n ) of the frequency transfer function of the current-voltage converter 50 can be obtained relatively easily.

更に、本実施の形態に係る抵抗率測定システムによれば、電圧発生部40が発生する電圧の波形が、設定周期Tの鋸波、矩形波または三角波である。これにより、電圧の波形をフーリエ級数展開すれば、角周波数ω(=2πn/T、n=0,1,2,・・・,N)の正弦波または余弦波の和で表現される。即ち、電圧発生部40は、基本角周波数ωから超高角周波数ωまでの正弦波または余弦波の和で表される波形の電圧を印加することになるので、抵抗率を算出する際の処理を高速化できる。 Furthermore, according to the resistivity measurement system of the present embodiment, the waveform of the voltage generated by the voltage generator 40 is a sawtooth wave, a rectangular wave, or a triangular wave with the set period T. Accordingly, if the voltage waveform is expanded into a Fourier series, it is represented by the sum of sine waves or cosine waves of angular frequency ω n (=2πn/T, n=0, 1, 2, . . . , N). That is, the voltage generator 40 applies a voltage having a waveform represented by the sum of sine waves or cosine waves from the fundamental angular frequency ω1 to the ultra-high angular frequency ω∞ . Can speed up processing.

また、本実施の形態に係る抵抗率測定システムによれば、電圧発生部40が発生する電圧の設定周期Tが基板Wの誘電緩和時間τよりも長い。これにより、誘電緩和時間τの逆数である誘電緩和周波数ωが基本角周波数ωから超高角周波数ωまでの角周波数範囲内になるように設定することができる。従って、電圧発生部40が発生する電圧の、フーリエ変換後の実数成分、虚数成分、振幅成分、および、位相成分のうちの少なくとも1つの周波数依存性から、高精度に抵抗率を算出することができる。 Further, according to the resistivity measurement system of the present embodiment, the set period T of the voltage generated by the voltage generator 40 is longer than the dielectric relaxation time τ s of the substrate W. As shown in FIG. As a result, the dielectric relaxation frequency ωs , which is the reciprocal of the dielectric relaxation time τs , can be set within the angular frequency range from the fundamental angular frequency ω1 to the super-high angular frequency ωM . Therefore, the resistivity can be calculated with high accuracy from the frequency dependence of at least one of the real number component, the imaginary number component, the amplitude component, and the phase component after the Fourier transform of the voltage generated by the voltage generating section 40. can.

更に、本実施の形態に係る抵抗率測定システムによれば、容量探針部20と基板Wとの間に空隙Gが形成された状態で、容量探針部20を基板支持体31に対して相対的に移動させることができる。これにより、基板Wを損傷させずに基板Wにおける複数の位置で抵抗率を高速かつ高精度に測定できるので、抵抗率分布を高速かつ高精度に測定することができる。 Furthermore, according to the resistivity measurement system of the present embodiment, the capacitive probe 20 is placed against the substrate support 31 with the gap G formed between the capacitive probe 20 and the substrate W. can be moved relative to each other. As a result, the resistivity can be measured at a plurality of positions on the substrate W at high speed and with high accuracy without damaging the substrate W, so that the resistivity distribution can be measured at high speed and with high accuracy.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前述の実施の形態の構成に限
定されるものではない。例えば、抵抗率算出部83は、前述の式(10)、式(11)で表されるRe[V(ω)]と虚数成分Im[V(ω)]ならびにフーリエ変換で求めた実数成分Pと虚数成分Qとから、誘電緩和時間τを算出するものであってもよい。以下、Re[V(ω)]ならびにIm[V(ω)]を、τ、γ、Cをパラメータとした、Re[V(ω:τs,γ,C)]並びにIm[V(ω:τs,γ,C)]と表す。具体的には、抵抗率算出部83が、下記式(16)に示すような、各角周波数ωにおけるRe[V(ω:τs,γ,C)]とPとの差の二乗の平均と、Im[V(ω:τs,γ,C)]とQとの差の二乗の平均とを、それぞれ重み付けして足し合わせた分散sを表す誤差関数を用いるものであってもよい。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations of the above-described embodiments. For example, the resistivity calculator 83 calculates Re[V nn )] and Im[V nn )] represented by the above-described equations (10) and (11) and the Fourier transform. The dielectric relaxation time τs may be calculated from the real number component Pn and the imaginary number component Qn . Hereinafter, Re[V nn )] and Im[V nn ) ] are expressed as Re[V nn : τ s , γ, Ca )] and Im[V nn : τ s, γ, C a )]. Specifically, the resistivity calculator 83 calculates the relationship between Re[V nn : τ s, γ, Ca )] at each angular frequency ω n and P n as shown in the following equation (16). Error representing the variance s2 obtained by weighting and summing the mean squared difference and the mean squared difference between Im[V nn : τ s, γ, C a )] and Q n A function may be used.

Figure 2023067013000017

(n=1,2,3,・・・,N)
・・・式(16)
Figure 2023067013000017

(n = 1, 2, 3, ..., N)
... formula (16)

ここで、実数成分の重み係数と虚数成分の重み係数とを、それぞれ、wとvとしている。抵抗率算出部83は、式(16)の誤差関数で表される分散sが最尤推定値になるパラメータτ、γ、Cを最小二乗法によって算出する。 Here, the weighting factor of the real number component and the weighting factor of the imaginary number component are set to w and v, respectively. The resistivity calculator 83 calculates the parameters τ s , γ, and Ca that make the variance s 2 represented by the error function of Equation (16) the maximum likelihood estimated value, by the method of least squares.

また、抵抗率算出部83は、前述の式(13)で与えられているφ(ω)とフーリエ変換で求めた位相成分Uとから、誘電緩和時間τを算出するものであってもよい。以下、φ(ω)を、τs、γをパラメータとした、φ(ω)をφ(ω:τs,γ)と表す。具体的には、抵抗率算出部83が、下記式(17)に示すような、各角周波数ωnにおけるφ(ω:τs,γ)とUとの差の二乗の平均、即ち、分散sを表す誤差関数を用いるものであってもよい。 Further, the resistivity calculator 83 calculates the dielectric relaxation time τ s from φ nn ) given by the above equation (13) and the phase component U n obtained by Fourier transform. may Hereinafter, φ n ( ω n ) is expressed as φ nn : τ s , γ) with τ s and γ as parameters. Specifically, the resistivity calculation unit 83 calculates the mean square of the difference between φ nn : τ s, γ) and U n at each angular frequency ω n as shown in the following equation (17), That is, an error function representing the variance s2 may be used.

Figure 2023067013000018

(n=1,2,3,・・・,N)
・・・式(17)
Figure 2023067013000018

(n = 1, 2, 3, ..., N)
... formula (17)

抵抗率算出部83は、式(17)の誤差関数で表される分散sが最尤推定値になるパラメータτ、γを最小二乗法によって算出する。ここで、式(17)の誤差関数で表される分散sは、前述の式(15)または式(16)と異なり、パラメータCに依存しない。従って、抵抗率算出部83は、最小二乗法によりパラメータτs,γをより早く算出することができる。 The resistivity calculator 83 calculates the parameters τ s and γ at which the variance s 2 represented by the error function of Equation (17) becomes the maximum likelihood estimated value by the least squares method. Here, the variance s2 represented by the error function of Equation (17) does not depend on the parameter C a unlike Equation (15) or Equation (16) above. Therefore, the resistivity calculator 83 can quickly calculate the parameters τ s and γ by the method of least squares.

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。 The present invention is capable of various embodiments and modifications without departing from the broader spirit and scope of the invention. Moreover, the embodiment described above is for explaining the present invention, and does not limit the scope of the present invention. That is, the scope of the present invention is indicated by the claims rather than the embodiments. Various modifications made within the scope of the claims and within the meaning of the invention equivalent thereto are considered to be within the scope of the present invention.

本発明は、半絶縁性半導体基板の抵抗率、抵抗率分布を測定するための抵抗率測定システムとして好適である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable as a resistivity measurement system for measuring the resistivity and resistivity distribution of a semi-insulating semiconductor substrate.

20:容量探針部、21:探針電極、22:絶縁体部、23:保護電極、24:探針面、30:基板、31:基板支持体、32:絶縁支持体、40:電圧発生部、41:波形メモリ、42:ディジタル/アナログ変換回路、43:電力増幅回路、50:電流電圧変換部、51:帰還受動素子、52:演算増幅器、60:アナログ/ディジタル変換部、61:サンプリング/ホールド回路、62:アナログ/ディジタル変換回路、70:フーリエ変換部、81:前処理部、82:振幅位相算出部、83:抵抗率算出部、90:移動機構、91:X軸ステージ、91a,92a:移動台、92:Y軸ステージ、93:Z軸ステージ、95:制御部、96:X軸ドライバ、97:Y軸ドライバ、98:Z軸ドライバ、100:PC、a,a’,b,b’,c,c’,g:端子、G:空隙、VP1:仮想平面 20: capacitive probe portion, 21: probe electrode, 22: insulator portion, 23: protective electrode, 24: probe surface, 30: substrate, 31: substrate support, 32: insulating support, 40: voltage generation Section 41: Waveform Memory 42: Digital/Analog Conversion Circuit 43: Power Amplifier Circuit 50: Current Voltage Conversion Section 51: Feedback Passive Element 52: Operational Amplifier 60: Analog/Digital Conversion Section 61: Sampling /hold circuit, 62: analog/digital conversion circuit, 70: Fourier transform unit, 81: preprocessing unit, 82: amplitude phase calculation unit, 83: resistivity calculation unit, 90: moving mechanism, 91: X-axis stage, 91a , 92a: moving table, 92: Y-axis stage, 93: Z-axis stage, 95: control unit, 96: X-axis driver, 97: Y-axis driver, 98: Z-axis driver, 100: PC, a, a', b, b', c, c', g: terminal, G: gap, VP1: virtual plane

Claims (8)

被測定物を支持する導電性の基板支持体と、
柱状の探針電極と、筒状であり前記探針電極を囲繞するように配置された保護電極と、前記探針電極と前記保護電極との間に介在する筒状の絶縁体部と、を有し、前記探針電極の前記基板支持体側の端部と前記保護電極の前記基板支持体側の端部とが同一の仮想平面上に配置されている容量探針部と、
前記保護電極を接地電位とした予め設定された設定周期の周期的な波形を有する電圧を、前記保護電極と前記基板支持体との間に発生させる電圧発生部と、
前記容量探針部を前記基板支持体に支持された前記被測定物に近接させ且つ前記被測定物との間に空隙が形成された状態で、前記電圧発生部により前記保護電極と前記基板支持体との間に前記周期的な波形を有する電圧が印加され且つ前記探針電極を擬似接地電位に維持したときの前記探針電極に流れ込む電流を電圧に変換する電流電圧変換部と、
前記電流電圧変換部から出力されるアナログ電圧を、前記設定周期に同期し且つ前記設定周期の1/Nの時間間隔でサンプリングして、ディジタルデータに変換するアナログ/ディジタル変換部と、
前記アナログ/ディジタル変換部からのディジタルデータをフーリエ変換するフーリエ変換部と、
前記フーリエ変換により得られる実数成分と虚数成分とから、振幅成分と位相成分を算出する振幅位相算出部と、
前記実数成分、前記虚数成分、前記振幅成分および前記位相成分のうちの少なくとも1つの周波数依存性に基づいて、抵抗率を算出する抵抗率算出部と、を備える、
抵抗率測定システム。
a conductive substrate support for supporting an object to be measured;
A columnar probe electrode, a cylindrical protective electrode arranged to surround the probe electrode, and a tubular insulator portion interposed between the probe electrode and the protective electrode. a capacitive probe portion having an end portion of the probe electrode on the side of the substrate support and an end portion of the protective electrode on the side of the substrate support arranged on the same virtual plane;
a voltage generating unit that generates a voltage having a periodic waveform with a preset set cycle with the protective electrode as a ground potential between the protective electrode and the substrate support;
The protective electrode and the substrate are supported by the voltage generating section in a state in which the capacitive probe portion is brought close to the object to be measured supported by the substrate support and a gap is formed between the object to be measured and the object to be measured. a current-voltage converter that converts into a voltage the current that flows into the probe electrode when the voltage having the periodic waveform is applied between the body and the probe electrode and the probe electrode is maintained at a pseudo-ground potential;
an analog/digital conversion unit that samples the analog voltage output from the current-voltage conversion unit in synchronization with the set period and at time intervals that are 1/N of the set period, and converts the analog voltage into digital data;
a Fourier transform unit for Fourier transforming the digital data from the analog/digital converter;
an amplitude/phase calculator that calculates an amplitude component and a phase component from the real number component and the imaginary number component obtained by the Fourier transform;
a resistivity calculator that calculates a resistivity based on the frequency dependence of at least one of the real component, the imaginary component, the amplitude component, and the phase component;
Resistivity measurement system.
前記抵抗率算出部は、予め設定された前記電流電圧変換部の周波数伝達関数に基づいて、前記実数成分、前記虚数成分、前記振幅成分および前記位相成分のうちの少なくとも1つの周波数依存性に基づいて、前記抵抗率を算出する、
請求項1に記載の抵抗率測定システム。
The resistivity calculator calculates frequency dependence of at least one of the real component, the imaginary component, the amplitude component, and the phase component based on a preset frequency transfer function of the current-voltage converter. to calculate the resistivity;
A resistivity measurement system according to claim 1 .
前記周波数伝達関数は、前記被測定物が前記基板支持体に支持されていない状態で、前記周期的な波形を有する電圧が前記基板支持体と前記保護電極との間に印加されたときに前記アナログ/ディジタル変換部が出力するディジタルデータをフーリエ変換して得られる実数成分と虚数成分とに基づいて求められる、
請求項2に記載の抵抗率測定システム。
The frequency transfer function is obtained when the voltage having the periodic waveform is applied between the substrate support and the protection electrode while the object to be measured is not supported by the substrate support. Based on the real number component and the imaginary number component obtained by Fourier transforming the digital data output by the analog / digital conversion unit,
3. A resistivity measurement system according to claim 2.
前記周期的な波形は、前記設定周期で変動する鋸波である、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の抵抗率測定システム。
The periodic waveform is a sawtooth wave that fluctuates at the set period,
A resistivity measurement system according to any one of claims 1 to 3.
前記周期的な波形は、前記設定周期で変動する矩形波である、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の抵抗率測定システム。
The periodic waveform is a rectangular wave that fluctuates at the set period,
A resistivity measurement system according to any one of claims 1 to 3.
前記周期的な波形は、前記設定周期で変動する三角波である、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の抵抗率測定システム。
The periodic waveform is a triangular wave that fluctuates at the set period,
A resistivity measurement system according to any one of claims 1 to 3.
前記被測定物は、半絶縁性半導体基板であり、
前記設定周期は、前記被測定物の誘電緩和時間より長い、
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の抵抗率測定システム。
The object to be measured is a semi-insulating semiconductor substrate,
the set period is longer than the dielectric relaxation time of the object under test;
A resistivity measurement system according to any one of claims 1 to 6.
前記容量探針部と前記基板支持体とを相対的に移動させる移動機構と、
前記移動機構を制御する制御部と、を更に備え、
前記制御部は、前記被測定物の複数個所で抵抗率を測定するように前記移動機構を制御する、
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の抵抗率測定システム。
a moving mechanism for relatively moving the capacitive probe portion and the substrate support;
A control unit that controls the movement mechanism,
The control unit controls the moving mechanism so as to measure the resistivity at a plurality of locations on the object to be measured.
A resistivity measurement system according to any one of claims 1 to 7.
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