(57)【要約】【課題】センサ用の音叉に用いられる圧電体に関し、ウエハ状態で特性を評価することができないという課題を解決し、ウエハ状態で特性を評価することが可能な圧電薄膜の伝達インピーダンス評価方法を提供することを目的とする。【解決手段】圧電薄膜の電気特性であるＰ（分極）−Ｅ（電界）ヒステリシス特性を測定し、このＰ−Ｅヒステリシス特性から比誘電率および残留分極量を算出することにより被測定体の伝達インピーダンスを求める方法により、ウエハ状態で圧電薄膜の伝達インピーダンスを評価することができるようになるため、生産効率の向上とトータルコストダウンの低減を図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電薄膜の電気特性であるＰ（分極）−Ｅ（電界）ヒステリシス特性を測定し、このＰ−Ｅヒステリシス特性から比誘電率および残留分極量を求め、これにより被測定体の特性インピーダンスを算出するようにした圧電薄膜の伝達インピーダンス評価方法。
【請求項２】
ウエハ状態でＰ−Ｅヒステリシス特性を測定する請求項１に記載の圧電薄膜の伝達インピーダンス評価方法。
【請求項３】
Ｐ−Ｅヒステリシス特性測定専用パターンを作成し、これによりＰ−Ｅヒステリシス特性を測定する請求項２に記載の圧電薄膜の伝達インピーダンス評価方法。
【請求項４】
成膜を終えた段階でＰ−Ｅヒステリシス特性を測定する請求項２に記載の圧電薄膜の伝達インピーダンス評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセンサ用の音叉やアクチュエータ等に使用される強誘電体を用いた圧電薄膜の特性インピーダンス評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコン基板上に圧電材料等の薄膜を積層形成して構成した圧電体は、圧電体に電圧を印加することにより僅かに伸びたり縮んだりし、また逆に、圧電体に応力が加わることにより電圧を生じるという圧電特性を有している。従って、このような圧電特性を効率良く発生させるためには、作製された圧電薄膜の特性インピーダンスをより早い時点で、かつ、正確に把握することが重要であり、以下にこの種の従来の圧電薄膜の伝達インピーダンス評価方法について図面を用いて説明する。
【０００３】
図７はこの種の従来の圧電薄膜の伝達インピーダンスを測定する評価装置の構成を示した断面図、図８は同測定原理を示したブロック図であり、図７、図８において、１１は伝達インピーダンス被測定体である圧電体、１２と１３はこの圧電体１１の表面に設けられた電極である。１４は正弦波電圧発生器であり、一端が上記一方の電極１２に接続され、他端が上記他方の電極１３に接続された構成になっているものである。
【０００４】
このように構成された圧電薄膜の伝達インピーダンス評価装置を用いて、正弦波電圧発生器１４から正弦波を出力し、電極１２に電圧（ドライブ電圧Ｖｄ）を印加する。この時、電極１３には圧電体１１の圧電特性により電圧（モニタ電圧Ｖｍ）が生じる。この時、モニタ電圧Ｖｍが一定電圧になるように正弦波電圧発生器１４の出力電圧であるドライブ電圧Ｖｄをコントロールする。この時のドライブ電圧Ｖｄとモニタ電圧Ｖｍの比を伝達インピーダンスＺｔとし、次式で表す。
【０００５】
Ｚｔ＝κ（Ｖｄ／Ｖｍ）
ただし、κは定数。
【０００６】
従って、従来の圧電薄膜の伝達インピーダンス評価装置においては、測定部１５に保持させた伝達インピーダンス被測定体である圧電体１１に正弦波電圧発生器１４から電圧を印加することによって圧電体１１に微小変位を起こさせて変形させ、この圧電体１１の表面の微小変位をレーザ変位計１６を用いて測定することによって圧電特性である圧電定数を求め、この圧電定数により圧電薄膜の伝達インピーダンスを算出するようにしていたものであった。
【０００７】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開平０９−３２５１６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら上記従来の圧電薄膜の伝達インピーダンス評価方法では、特性インピーダンス被測定体である圧電体１１を測定装置に保持させるために所定の寸法に加工しなければならないため、ウエハ状態で測定することができないという課題があった。従って、測定装置が複雑で高価になるばかりでなく、この圧電体１１を用いたセンサ用の音叉の作製を終えてからでないと測定ができないため、製造工程の途中で何らかの要因で不良が発生した場合には、そのロット全てが不良品になるという大きなリスクを常に抱えており、極めて生産効率の悪いものであった。
【０００９】
本発明はこのような従来の課題を解決し、ウエハ状態で圧電薄膜の伝達インピーダンスを評価することにより生産効率を大きく向上させることが可能な、圧電薄膜の伝達インピーダンス評価方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明は、圧電薄膜の電気特性であるＰ（分極）−Ｅ（電界）ヒステリシス特性を測定し、このＰ−Ｅヒステリシス特性から比誘電率および残留分極量を求め、これにより被測定体の伝達インピーダンスを算出する方法にしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように本発明によれば、ウエハ状態で圧電薄膜の伝達インピーダンスを評価することができるようになるため、生産効率の向上とトータルコストダウンの低減を図ることができるという効果が得られるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施の形態）
以下、実施の形態を用いて、本発明の特に全請求項に記載の発明について説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施の形態による圧電薄膜の伝達インピーダンス評価方法に用いる圧電体の構成を示した断面図であり、図１において、１はシリコン基板、２はこのシリコン基板１上に形成された白金等の導電性部材からなる下部電極であり、スパッタ法等によって形成されるものである。３は上記下部電極２上に形成された圧電特性を示す強誘電体材料（圧電材料）であり、スパッタ法等によって形成されるものである。４は上記強誘電体材料３上に形成された白金等の導電性部材からなる上部電極であり、スパッタ法等によって形成されるものである。そして、これにより、下部電極２と上部電極４間に強誘電体材料３が挟まれた構造の圧電薄膜がシリコン基板１上に形成されたウエハが構成され、このウエハは上部電極４及び下部電極２を夫々一端とする強誘電体キャパシタ５を構成しているものである。
【００１４】
図２は圧電材料の電気特性であるＰ（分極）−Ｅ（電界）ヒステリシス特性を測定した特性図、図３は同Ｐ−Ｅヒステリシス特性の測定原理を示した回路図であり、ソーヤタワ回路と呼ばれているものである。
【００１５】
この図３に示すソーヤタワ回路は、電圧波形発生器６の一端（電圧出力端子）を被測定物である強誘電体キャパシタ５の上部電極４に接続し、強誘電体キャパシタ５の下部電極２は基準キャパシタ７の一端に接続し、他端は電圧波形発生器６の他端（ＧＮＤ端子）と共に接地する。この時、強誘電体キャパシタ５と基準キャパシタ７が直列に接続され、この直列接続された端子間に電圧波形発生器６から印加電圧Ｖｉｎが印加される。この時、印加電圧Ｖｉｎは図４に示すような三角波電圧を印加するものとし、この三角波電圧の最大値は強誘電体３の分極が十分に飽和する電圧とする。ここで、強誘電体キャパシタ５と基準キャパシタ７が直列接続された端子間の電圧Ｖｉｎと、基準キャパシタ７の両端の電圧Ｖｃをオシロスコープ８で測定する。
【００１６】
この時、強誘電体キャパシタ５の電極面積をＳとすると強誘電体キャパシタ５に蓄積される電荷は、
（Ｐ＋ε0Ｅ）Ｓ＝ＤＳ
で表される。ここで、Ｐは強誘電体キャパシタ５の電荷量、Ｅは強誘電体キャパシタ５の上部電極４と下部電極２間の電界であり、強誘電体３の厚みをｔとすると、
Ｅ＝（Ｖｉｎ−Ｖｃ）／ｔ
となる。また、ε0は強誘電体キャパシタ５の比誘電率である。さらに、基準キャパシタ７の容量をＣｓとすると、基準キャパシタ７に蓄積される電荷は、
Ｃｓ・Ｖｃ
で表される。いま、強誘電体キャパシタ５に蓄積される電荷と基準キャパシタ７に蓄積される電荷は等しくなることから、Ｄ・Ｓ＝Ｃｓ・Ｖｓとなり、オシロスコープ８では、
Ｖｃ＝Ｄ・Ｓ／Ｃｓ
が測定される。
【００１７】
次に、図２において、電圧印加を行い、分極Ｐが十分に飽和した後、電圧を０にする。この時、電界Ｅ＝０になっても、分極がＰｒだけ残り、これを残留分極と呼ぶ。この残留分極Ｐｒを通る接線の傾きεｒは、
εｒ＝１＋１／ε0・ｄＰ／ｄＥ
で表される。さらにこの時のインピーダンスＺｔは、
Ｚｔ＝ｋ・εｒ
ただし、ｋ＝ｔ／Ｐｒ
で計算できるものである。
【００１８】
このように、本実施の形態によれば、強誘電体キャパシタのＰ−Ｅヒステリシス特性を測定することによって圧電薄膜の伝達インピーダンスを算出することができるようになるものであり、このＰ−Ｅヒステリシス特性を精度良く測定するためには、例えば円形の専用パターンを作成して測定することにより、パターンの周囲長が短いために安定したＰ−Ｅヒステリシス特性を得ることができるものである。
【００１９】
また、このような強誘電体キャパシタのＰ−Ｅヒステリシス特性の測定は、成膜を終えた時点で行うことが可能であり、このように早い時点で圧電薄膜の伝達インピーダンスを把握することによって、より優れた特性の製品を安定して製造することができるようになり、生産効率の向上とトータルコストダウンに繋がるものである。
【００２０】
図５は、このようにして圧電薄膜の伝達インピーダンスを求める過程の主要特性を示した特性図、図６はこれにより求めた圧電薄膜の伝達インピーダンスを示した特性図であり、図６から明らかなように、本実施の形態による圧電薄膜の伝達インピーダンス評価方法は、比誘電率εｒが約４００Ｆ／ｍのとき、伝達インピーダンスＺｔは２００ｋｏｈｍと推測することができ、精度の高い評価を行うことができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明による圧電薄膜の伝達インピーダンス評価方法は、ウエハ状態で圧電薄膜の伝達インピーダンスを評価することができるようになるため、生産効率の向上とトータルコストダウンの低減を図ることができるという効果を有し、強誘電体を用いたセンサ用の音叉を製造する際等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態による圧電薄膜の伝達インピーダンス評価方法に用いる圧電体の構成を示した断面図
【図２】同圧電薄膜のＰ−Ｅヒステリシス特性を測定した特性図
【図３】同Ｐ−Ｅヒステリシス特性の測定原理を示した回路図
【図４】同Ｐ−Ｅヒステリシス特性測定時に印加する電圧波形図
【図５】同実施の形態により圧電薄膜の伝達インピーダンスを求める過程の主要特性を示した特性図
【図６】同実施の形態により求めた圧電薄膜の伝達インピーダンスを示した特性図
【図７】従来の圧電薄膜の伝達インピーダンス測定装置の構成を示した断面図
【図８】同測定原理を示したブロック図
【符号の説明】
【００２３】
１  シリコン基板
２  下部電極
３  強誘電体材料
４  上部電極
５  強誘電体キャパシタ
６  電圧波形発生器
７  基準キャパシタ
８  オシロスコープ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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