(57)【要約】【課題】３０ＧＨｚ以上のミリ波帯で精度よく測定できる誘電体薄膜の誘電特性測定方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、主面に誘電体薄膜１を形成してなる誘電体基板２を前記誘電体薄膜１が上側を向くように導体板６の上に載置し、開口部３１を有する有底筒状導体３を前記誘電体薄膜１に前記開口部３１が当接するように配置して空洞共振器を構成した後、該空洞共振器のＴＥモードの共振周波数および無負荷Ｑを測定し、前記共振周波数および前記無負荷Ｑから前記誘電体薄膜１の誘電特性を求める工程を含むことを特徴とする誘電体薄膜の誘電特性測定方法である。【選択図】図１
2006300856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面に誘電体薄膜を形成してなる誘電体基板を前記誘電体薄膜が上側を向くように導体板の上に載置し、開口部を有する有底筒状導体を前記誘電体薄膜に前記開口部が当接するように配置して空洞共振器を構成した後、該空洞共振器のＴＥモードの共振周波数および無負荷Ｑを測定し、前記共振周波数および前記無負荷Ｑから前記誘電体薄膜の誘電特性を求める工程を含むことを特徴とする誘電体薄膜の誘電特性測定方法。
【請求項２】
前記導体板の上に第２の誘電体基板を載置するとともに、前記開口部が前記第２の誘電体基板に当接するように前記有底筒状導体を配置して空洞共振器を構成し、該空洞共振器のＴＥモードの共振周波数および無負荷Ｑを測定し、前記共振周波数および前記無負荷Ｑから前記第２の誘電体基板の誘電特性を求める工程を含むことを特徴とする請求項１記載の誘電体薄膜の誘電特性測定方法。
【請求項３】
前記誘電体基板を前記誘電体薄膜が下側を向くように前記導体板の上に載置し、前記有底筒状導体の前記開口部が前記誘電体基板に当接するように配置して空洞共振器を構成した後、該空洞共振器のＴＥモードの共振周波数および無負荷Ｑを測定し、前記共振周波数および前記無負荷Ｑから前記誘電体基板の誘電特性を求める工程を含む請求項１に記載の誘電体薄膜の誘電特性測定方法。
【請求項４】
前記誘電体薄膜の比誘電率が前記誘電体基板の比誘電率よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の誘電体薄膜の誘電特性測定方法。
【請求項５】
前記誘電体薄膜の厚さが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の誘電体薄膜の誘電特性測定方法。
【請求項６】
前記ＴＥモードがＴＥ０１１モードであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の誘電体薄膜の誘電特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は誘電体薄膜試料の誘電特性測定法に関するもので、特に３０ＧＨｚ以上のミリ波領域で電子部品として使用する誘電体薄膜の誘電特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年においては、移動体通信技術の発展、普及に伴い、高転送を目的としてミリ波帯におけるシステムが開発されている。ミリ波帯において誘電体薄膜を用いたＶＣＯやチューナブルフィルタの研究も行われており、その誘電体薄膜の設計開発をするためには、誘電体薄膜の物性値を測定することが重要な課題である。
【０００３】
ここで、マイクロ波帯における誘電体薄膜の誘電特性は、例えば図４に示すような空洞共振器を利用して高精度に測定することができることが知られている（特許文献１参照）。即ち、誘電体薄膜１を表面に設けた誘電体基板２を、フランジを有する一対の有底筒状導体３で挟持して空洞共振器を形成し、一方の有底筒状導体３の側面の２箇所に孔を開け、それぞれの孔から同軸ケーブル４ａ、４ｂの先端に設けられた微小ループアンテナ５ａ、５ｂを挿入することにより、空洞共振器の励振および検波を行うことができる。そして、この空洞共振器の共振周波数および無負荷Ｑを測定し、共振周波数および無負荷Ｑから誘電体薄膜の誘電特性（比誘電率、誘電正接）が求められる。
【０００４】
具体的には、まず誘電体薄膜１および誘電体基板２を挿入していない状態、すなわち一対の有底筒状導体３をそれぞれの開口部を接合するようにして空洞共振器を構成し、該空洞共振器の共振周波数および無負荷Ｑを測定し、空洞共振器の寸法や導電率を求める必要がある。次に、一対の有底筒状導体３に、上側に誘電体薄膜１の形成された誘電体基板２（誘電体薄膜１および誘電体基板２からなる積層構造体）を挟持させて、同様に空洞共振器の共振周波数および無負荷Ｑを測定して、誘電体薄膜１の誘電特性（比誘電率、誘電正接）を求めることができる。
【特許文献１】特開２００２−２２８６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記構造の空洞共振器を用いた共振器法による誘電体薄膜の誘電特性測定が確立されているのはマイクロ波帯まであって、ミリ波帯（３０ＧＨｚ）においては上記共振器法を用いた誘電体薄膜の高精度な誘電特性測定は確立されていないのが現状である。
【０００６】
上記空洞共振器に生じるＴＥ０１１モードの電界強度は、空洞共振器の高さ方向の中心面で最大になり、両端でゼロになる。そこで、１０ＧＨｚ前後で誘電体薄膜の誘電特性を測定する場合は、上面に誘電体薄膜の形成された誘電体基板を、空洞共振器内の電界が最大の場所（空洞共振器の高さ方向の中心面）に配置することで、誘電体薄膜１および誘電体基板２に電界を集中させることができるため、高精度な測定が可能である。
【０００７】
一方、この周波数を３０ＧＨｚ以上のミリ波帯域に拡張しようとすると、１０ＧＨｚのときよりも空洞寸法を小さくするとともに、誘電体薄膜１および誘電体基板２の厚みを薄くする必要があるが、誘電体基板を薄くするのには限界があり、空洞寸法と誘電体基板の比率が異なってしまうようになる。そうすると、基板を挿入していない状態の空洞共振器のＴＥ０１１モードの共振周波数に対して、誘電体基板を挿入した場合の測定周波数が大きく低下し、測定できなくなってしまうという課題がある。
【０００８】
本発明は、３０ＧＨｚ以上のミリ波帯で精度よく測定できる誘電体薄膜の誘電特性測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、検討を重ねた結果、上面に誘電体薄膜を形成してなる誘電体基板を導体板上に載置し、さらにこの上に開口部を有する有底筒状導体を開口部が誘電体薄膜に当接するように配置して空洞共振器を構成し、この空洞共振器のＴＥモードの共振周波数および無負荷Ｑを測定し、この共振周波数および無負荷Ｑから誘電体薄膜の誘電特性を求めることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
【００１０】
すなわち本発明は、主面に誘電体薄膜を形成してなる誘電体基板を前記誘電体薄膜が上側を向くように導体板の上に載置し、開口部を有する有底筒状導体を前記誘電体薄膜に前記開口部が当接するように配置して空洞共振器を構成した後、該空洞共振器のＴＥモードの共振周波数および無負荷Ｑを測定し、前記共振周波数および前記無負荷Ｑから前記誘電体薄膜の誘電特性を求める工程を含むことを特徴とする誘電体薄膜の誘電特性測定方法である。
【００１１】
また本発明は、前記導体板の上に第２の誘電体基板を載置するとともに、前記開口部が前記第２の誘電体基板に当接するように前記有底筒状導体を配置して空洞共振器を構成し、該空洞共振器のＴＥモードの共振周波数および無負荷Ｑを測定し、前記共振周波数および前記無負荷Ｑから前記第２の誘電体基板の誘電特性を求める工程を含むか、または、前記誘電体基板を前記誘電体薄膜が下側を向くように前記導体板の上に載置し、前記有底筒状導体の前記開口部が前記誘電体基板に当接するように配置して空洞共振器を構成した後、該空洞共振器のＴＥモードの共振周波数および無負荷Ｑを測定し、前記共振周波数および前記無負荷Ｑから前記誘電体基板の誘電特性を求める工程を含む誘電体薄膜の誘電特性測定方法である。
【００１２】
ここで、前記誘電体薄膜の比誘電率が前記誘電体基板の比誘電率よりも大きいのが好ましい。このようにすることにより、全蓄積エネルギーに対する誘電体薄膜の蓄積エネルギーの割合を大きくすることができ、測定精度の向上が図れるからである。
【００１３】
なお、前記誘電体薄膜としては１０μｍ以下のものであり、前記ＴＥモードがＴＥ０１１モードであるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、誘電体基板を端面の導体板に接して配置することで、空洞共振器本来のＴＥ０１１モード電界強度の小さな位置に誘電体基板を配置することとなるため、誘電体基板の中に蓄積される電界エネルギーが制限され、ＴＥモード（ＴＥ０１１モード）の共振周波数の低下、即ち誘電定数の測定周波数の低下が緩和される。この状態で誘電体薄膜を誘電体基板上に作成すると、ミリ波帯において容易に測定することが可能となる。したがって、本発明はミリ波帯において有効であり、特に共振周波数が３０ＧＨｚ以上である場合に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の誘電特性測定方法を、図面に基づいて説明する。    
図１は上面に測定試料である誘電体薄膜を形成した誘電体基板を空洞共振器に配置した状態を示す縦断面図である。具体的には、上面に測定試料となる誘電体薄膜１を形成してなる誘電体基板２を導体板６上に載置し、開口部３１を有する有底筒状導体３を前記誘電体基板２上の前記誘電体薄膜１に前記開口部３１が当接するように配置して空洞共振器が構成されている。本発明の誘電特性測定方法は、このような構造の空洞共振器のＴＥモード（好ましくはＴＥ０１１モード）の共振周波数および無負荷Ｑを測定し、この共振周波数および無負荷Ｑから誘電体薄膜１の誘電特性を求めることを特徴とするものである。
【００１６】
また、図１に示すように、有底筒状導体３の側壁には貫通孔が形成され、外部から内部に向けて同軸ケーブル４ａ、４ｂが挿通され、その内部側の先端にはループアンテナ５ａ、５ｂが形成されている。ここで、ループアンテナ５ａ、５ｂの空洞共振器への挿入深さはＴＥモード（好ましくはＴＥ０１１モード）の共振周波数における挿入損失が３０dB程度となるように調整される。そして、例えばシンセサイズドスイーパー等の発信器から周波数が掃引された信号を片方の同軸ケーブル４ａからループアンテナ５ａを通して空洞共振器に注入することで、ＴＥモード（好ましくはＴＥ０１１モード）の共振電磁界が励振される。また、他方のループアンテナ５ｂから同軸ケーブル４ｂを通して、空洞共振器の透過信号がネットワークアナライザー等の測定機器に入力され、測定試料（誘電体薄膜１）が設置された空洞共振器の共振周波数、無負荷Ｑが測定され、計算により誘電特性、つまり、比誘電率や誘電正接が求まることとなる。
【００１７】
誘電体薄膜の比誘電率ε’や誘電正接tanδは、有限要素法、ＦＤＴＤ法やモード整合法の数値解析で求めることができる。例えば、モード整合法で解析を行った場合、比誘電率ε’は、空洞共振器の半径Ｒ、高さＨ、共振周波数ｆ０、誘電体基板の厚みｔ1、半径ａ、誘電体薄膜の厚みｔ２より次式を用いて計算される。
【数１】
2006300856.tif 000003
【００１８】
ただしdetＭは、ＴＥ０１１モードの電磁場の境界条件から導き出される行列Ｍの行列式である。
【００１９】
また、誘電正接tanδは、空洞共振器の無負荷Ｑ（Ｑｕ）の測定値より次式を用いて計算される。
【数２】
2006300856.tif 000004
【００２０】
ただし、Ｑdは、誘電損失によるＱであり、Ｑｃは、導体損によるＱである。測定試料（誘電体薄膜）以外の空洞共振器の導体損や誘電体基板の誘電正接をあらかじめ測定しておくことで、誘電体薄膜の誘電正接を計算することができる。
【００２１】
このような測定のために、具体的には、まず最初に、誘電体基板を挿入していない状態、即ち開口部３１を有する有底筒状導体３を導体板６上に載置して構成される空洞共振器の共振周波数および無負荷Ｑの測定を行い、空洞共振器の寸法および導電率を測定しておく必要がある。この方法は、JIS  R  1641：2002に規定されている。次に、第２の誘電体基板を有底筒状導体３と導体板６の間に挿入し、第２の誘電体基板に対する共振周波数および無負荷Ｑの測定を行い、誘電体基板２の比誘電率および誘電正接を測定する必要がある。いわゆる補正である。この後、誘電体基板２にスパッタや蒸着などにより誘電体薄膜１を形成して、本発明の測定方法により誘電特性（比誘電率および誘電正接）を求めることができる。なお、第２の誘電体基板としては、これに誘電体薄膜１が形成されて誘電体基板１となってもよく、第２の誘電体基板と誘電体薄膜１が形成された誘電体基板１とは材質が同じ別のものであってもよい。
【００２２】
このように、誘電体基板２の上面に誘電体薄膜１が予め形成されていない場合は、上述の流れで誘電体薄膜１の誘電特性を求めることができるが、すでに誘電体基板２の一方の面（上面または下面）に誘電体薄膜１が形成されている場合は、誘電体基板２を上下逆にして測定することができる。
【００２３】
すなわち、まず、図２に示すように、主面に測定試料となる誘電体薄膜１を形成してなる誘電体基板２を、誘電体薄膜１が下側を向くように導体板６上に載置し、開口部３１を有する有底筒状導体３を誘電体基板２に開口部３１が当接するように誘電体基板２上に配置して空洞共振器を構成し、この空洞共振器のＴＥモードの共振周波数および無負荷Ｑを測定し、共振周波数および無負荷Ｑから誘電体基板２の誘電特性を求める。このとき、誘電体薄膜１に生じる電界はほぼ零となり、誘電体薄膜１の影響を無視でき、誘電体基板２のみの比誘電率および誘電正接を測定する可能である。
【００２４】
その後、この誘電体基板２を上下逆にして、図１に示すように、誘電体薄膜１が上側を向くように導体板６上に載置し、開口部３１を有する有底筒状導体３を誘電体基板２上の誘電体薄膜１に開口部３１が面するように配置して空洞共振器を構成し、この空洞共振器のＴＥモードの共振周波数および無負荷Ｑを測定し、共振周波数および無負荷Ｑから誘電体薄膜１の誘電特性（比誘電率および誘電正接）を求めればよい。
【００２５】
なお、本発明においては上下逆さに配置してもよい。また、誘電体薄膜の誘電特性の絶対値を求めるのではなく、例えば２種類の誘電体薄膜の誘電特性を相対的に評価する場合は、誘電体基板を挿入していない状態および誘電体薄膜の形成されていない誘電体基板を挿入して共振周波数および無負荷Ｑの測定工程はなくてもよい。
【００２６】
本発明の誘電体薄膜の誘電特性測定方法における空洞共振器の構造としては、例えば、共振周波数が３５ＧＨｚにおいて測定を行う場合、空洞共振器の直径は、１０ｍｍから１３ｍｍ程度であり、高さは５ｍｍから１０ｍｍ程度のものが使用される。なお、図１に示すように、有底筒状導体はフランジを有するのが好ましい。
【００２７】
誘電体基板の材質としては、サファイア、ＭｇＯ、Ｓｉ等が使用される。また、誘電体基板の厚みは、その比誘電率と測定周波数により決定され、その直径は、空洞の直径よりも１．５倍程度以上に大きく形成される。例えば、誘電体基板としてサファイアを用いた場合、共振周波数が３５ＧＨｚにおいて厚みは、０．５ｍｍから１．０ｍｍ程度が必要となる。
【００２８】
また、誘電特性を測定される誘電体薄膜としては、例えば（ＢａＳｒ）ＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３等が挙げられ、この誘電体薄膜の厚みは、０．０１μｍから１０μｍ程度のものが対象となる。なお、前記誘電体薄膜の比誘電率が前記誘電体基板の比誘電率よりも大きいのが好ましい。このようにすることにより、全蓄積エネルギーに対する誘電体薄膜の蓄積エネルギーの割合を大きくすることができ、測定精度の向上が図れるからである。
【００２９】
本発明の誘電体薄膜の誘電特性測定方法においては、空洞共振器の温度を変化させながら行うことで、共振周波数および無負荷Ｑの温度依存性を測定し、誘電体薄膜の誘電特性の温度依存性を求めることもできる。
【実施例】
【００３０】
図１に示すような空洞共振器として設計した空洞共振器（直径１１．８７６ｍｍ、高さ６．５６ｍｍ）の共振周波数の計算結果は、基板を挿入していない状態で、３８．３８ＧＨｚである。この空洞共振器に設置されたサファイア基板（厚み０．７ｍｍ、比誘電率９．４）上に蒸着された１μｍの誘電体薄膜の比誘電率を測定する場合を想定したチャートをモード整合法により計算した。この結果を図３に示す。
【００３１】
図３には、周波数と比誘電率は一対一の対応となっており、周波数を測定することで比誘電率が求まることが示されている。また、比誘電率の変化に対する周波数の変化は十分大きいため、比誘電率の高精度な測定が可能であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の誘電特性測定方法の一例として用いられる空洞共振器の縦断面図である。
【図２】本発明の誘電特性測定方法の他の例の説明図である。
【図３】本発明の空洞共振器構造による共振周波数に対する誘電体薄膜の比誘電率の計算結果の一例である。
【図４】従来の上面に誘電体薄膜を形成した誘電体基板を中央に配置した空洞共振器の縦断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・誘電体薄膜
２・・・誘電体基板
３・・・有底筒状導体
３１・・・開口部
４ａ、４ｂ・・・同軸ケーブル
５ａ、５ｂ・・・ループアンテナ
６・・・導体板
【図１】
2006300856.tif 000005
【図２】
2006300856.tif 000006
【図３】
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【図４】
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