(57)【要約】【課題】上部電極形成前の強誘電体又は焦電体の電気特性を、強誘電体又は焦電体に触れずに評価することができる電気特性評価装置を提供する。【解決手段】基板１１上に形成された強誘電体又は焦電体（薄膜材料１３）の電気特性を評価する電気特性評価装置であって、基板１１の温度を可変させて薄膜材料１３の温度を可変させる温度可変手段（２３）と、薄膜材料１３の温度を非接触で測定する温度計測手段（２２）と、薄膜材料１３の表面電位を非接触で測定する表面電位計測手段（２１）と、を有し、薄膜材料１３の温度を可変させ、薄膜材料１３の温度変化量と前記表面電位の変化量から、薄膜材料１３の電気特性を評価することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された強誘電体又は焦電体の電気特性を評価する電気特性評価装置であって、
前記基板の温度を可変させて前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させる温度可変手段と、
前記強誘電体又は焦電体の温度を非接触で測定する温度計測手段と、
前記強誘電体又は焦電体の表面電位を非接触で測定する表面電位計測手段と、を有し、
前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させ、前記強誘電体又は焦電体の温度変化量と前記表面電位の変化量から、前記強誘電体又は焦電体の電気特性を評価することを特徴とする電気特性評価装置。
【請求項２】
下記式（１）により前記強誘電体又は焦電体の焦電係数を求めることを特徴とする請求項１に記載の電気特性評価装置。
ΔＶ＝ｄｐΔＴ／ε  ・・・式（１）
（式（１）中、ΔＶ、ｄ、ｐ、ΔＴ、εはそれぞれ、前記強誘電体又は焦電体の表面電位の変化量、厚み、焦電係数、温度変化量、誘電率を示す。）
【請求項３】
前記基板の面方向に前記基板を移動させることが可能な前記基板の固定手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電気特性評価装置。
【請求項４】
前記温度計測手段は放出される赤外線によって温度を計測する放射温度計であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気特性評価装置。
【請求項５】
前記温度可変手段により前記強誘電体又は焦電体の温度を上昇させ、一定温度にしたときの前記表面電位の時間変化を測定することにより、前記強誘電体又は焦電体の電荷保持特性を評価することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電気特性評価装置。
【請求項６】
前記温度可変手段は前記基板を加熱するホットプレートであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電気特性評価装置。
【請求項７】
前記温度可変手段は前記強誘電体又は焦電体全体の温度を可変し、
前記表面電位計測手段はアレイ状に複数配置されており、前記強誘電体又は焦電体の複数箇所の表面電位を計測することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電気特性評価装置。
【請求項８】
前記温度可変手段は前記強誘電体又は焦電体全体の温度を可変し、
前記表面電位計測手段は前記強誘電体又は焦電体全体の表面電位を計測することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電気特性評価装置。
【請求項９】
前記温度可変手段は前記基板に対して光を照射する光照射手段であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電気特性評価装置。
【請求項１０】
前記温度可変手段は前記強誘電体又は焦電体を加熱及び冷却する手段を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電気特性評価装置。
【請求項１１】
基板上に形成された強誘電体又は焦電体の電気特性を評価する電気特性評価方法であって、
前記基板の温度を可変させて前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させる温度可変工程と、
前記強誘電体又は焦電体の温度を非接触で測定する温度計測工程と、
前記強誘電体又は焦電体の表面電位を非接触で測定する表面電位計測工程と、を有し、
前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させ、前記強誘電体又は焦電体の温度変化量と前記表面電位の変化量から、前記強誘電体又は焦電体の電気特性を評価することを特徴とする電気特性評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気特性評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、強誘電体や焦電体が有する特異な物性（圧電性、強誘電性、焦電性、光起電力、非線形光学効果）を用いたデバイスが盛んに研究開発されている。強誘電体又は焦電体（薄膜材料と称することがある）の電気特性の評価手法は、一般的に、薄膜材料を上下電極で挟んだキャパシタ構造を形成し、電気、機械、熱、光の信号の入出力によって行われている。
【０００３】
しかし、今までの評価手法では、薄膜材料を上下電極で挟んだキャパシタ構造を形成する必要があるため、その評価結果は電極材料の物性や電極形成プロセスの影響を含んでおり、強誘電体又は焦電体薄膜の製膜直後の電気特性を評価することができないという問題があった。
【０００４】
また、上下電極で挟んだキャパシタ構造で評価する場合、上下電極で挟んだ構造を形成するための工数がかかることや、強誘電体又は焦電体薄膜の製膜を外注した場合、電気特性に対して、非接触・非侵襲での受け入れ検査ができない（逆に、供給側としては出荷前検査ができない）といった問題がある。
【０００５】
素子の評価方法としては例えば特許文献１が開示されている。特許文献１では、素子評価方法に関し、強誘電体キャパシタなど、素子の製造工程中であっても、強誘電体薄膜自体の分極分布を容易に求めることができるようにし、その結果に依って良品の判別を行ったり、又、その結果を製造工程にフィードバックできるようにすることを目的として提案がなされている。その内容としては、導電性カンチレバーを備えた原子間力顕微鏡を用い強誘電体薄膜表面の非線形誘電率を測定して該表面の分極分布状態を求め、この分極分布状態を予め定めてある基準と比較して該強誘電体薄膜の良否を判定している。
【０００６】
しかしながら、特許文献１では素子の製造工程中で薄膜材料の物性を評価することを目的としているが、薄膜材料に原子間力顕微鏡のプローブが接触して薄膜材料にダメージが生じる問題は解決していない。また、原子間力顕微鏡の走査速度と走査範囲は、ウエハの検査手法として適切とは言えない。
そのため、キャパシタ構造にせず、薄膜材料に触れずに物性の評価を行うことができる技術が望まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上部電極形成前の強誘電体又は焦電体の電気特性を、強誘電体又は焦電体に触れずに評価することができる電気特性評価装置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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、基板上に形成された強誘電体又は焦電体の電気特性を評価する電気特性評価装置であって、前記基板の温度を可変させて前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させる温度可変手段と、前記強誘電体又は焦電体の温度を非接触で測定する温度計測手段と、前記強誘電体又は焦電体の表面電位を非接触で測定する表面電位計測手段と、を有し、前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させ、前記強誘電体又は焦電体の温度変化量と前記表面電位の変化量から、前記強誘電体又は焦電体の電気特性を評価することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、上部電極形成前の強誘電体又は焦電体の電気特性を、強誘電体又は焦電体に触れずに評価することができる電気特性評価装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る電気特性評価装置の一例を説明するための模式図である。
【図２】本発明に係る電気特性評価装置の他の例を説明するための模式図である。
【図３】ＰＶＤＦシート（ａ）、ＰＺＴセラミクス（ｂ）、ＰＺＴ薄膜（ｃ）の温度を変化させたときの表面電位の変化を示すグラフ（ａ）〜（ｃ）及び焦電効果による分極状態を模式的に説明する図（ｄ）である。
【図４】ＰＺＴセラミクス及びＰＺＴ薄膜を温度変化させたときの厚みで規格化した表面電位の変化を示す図である。
【図５】ＰＺＴ薄膜に対して２．０、６．５、１０、２０Ｗ／ｍｍ２のレーザを裏面から照射したときの温度変化を示す図である。
【図６】図５におけるレーザエネルギー密度と温度の関係を示す図である。
【図７】＋１Ｖの焦電応答を得るために必要な温度変化量と測定試料の厚みとの関係を示した図（ａ）及び＋１Ｖの焦電応答を得るために必要なエネルギー密度と測定試料の厚みとの関係を示した図（ｂ）である。
【図８】パイロクロア相の少ない試料に対して２０Ｗ／ｍｍ２のレーザ照射をＯＮ／ＯＦＦしたときの温度と表面電位の変化を示す図（ａ）及びパイロクロア相の多い試料に対して２０Ｗ／ｍｍ２のレーザ照射をＯＮ／ＯＦＦしたときの温度と表面電位の変化を示す図（ｂ）である。
【図９】パイロクロア相を含有するＰＺＴ薄膜の断面について得られたＳＴＥＭ−ＨＡＡＤＦ像（ａ）及びその模式図（ｂ）である。
【図１０】本発明に係る電気特性評価装置の他の例を説明するための模式図である。
【図１１】本発明に係る電気特性評価装置の他の例を説明するための模式図である。
【図１２】本発明に係る電気特性評価装置の他の例を説明するための模式図である。
【図１３】本発明に係る電気特性評価装置の他の例を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る電気特性評価装置について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【００１２】
本発明は、基板上に形成された強誘電体又は焦電体の電気特性を評価する電気特性評価装置であって、前記基板の温度を可変させて前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させる温度可変手段と、前記強誘電体又は焦電体の温度を非接触で測定する温度計測手段と、前記強誘電体又は焦電体の表面電位を非接触で測定する表面電位計測手段と、を有し、前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させ、前記強誘電体又は焦電体の温度変化量と前記表面電位の変化量から、前記強誘電体又は焦電体の電気特性を評価することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、基板上に形成された強誘電体又は焦電体の電気特性を評価する電気特性評価方法であって、前記基板の温度を可変させて前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させる温度可変工程と、前記強誘電体又は焦電体の温度を非接触で測定する温度計測工程と、前記強誘電体又は焦電体の表面電位を非接触で測定する表面電位計測工程と、を有し、前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させ、前記強誘電体又は焦電体の温度変化量と前記表面電位の変化量から、前記強誘電体又は焦電体の電気特性を評価することを特徴とする。
以下詳細を説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
本実施形態の電気特性評価装置を図１に示す。図１は本実施形態の電気特性評価装置を説明するための模式図である。
図１では、基板１１、下部電極１２、薄膜材料１３（強誘電体又は焦電体）が図示されており、さらに表面電位計２１（表面電位計測手段）、加熱光源２３（温度可変手段）、放射温度計２２（温度計測手段）が図示されている。本実施形態の基板１１はＳｉウエハとしている。また、本実施形態の電気特性評価装置はシールドボックス２０内に設置されているが、本発明はこれに限られるものではない。
なお、以下、強誘電体又は焦電体を薄膜材料１３又は試料と称することがある。
【００１５】
本実施形態において電気特性の評価対象は、基板１１（Ｓｉウエハ）上に下部電極１２、薄膜材料１３が形成されたものであり、薄膜材料１３上に上部電極は形成されていない。本実施形態では、上部電極を形成する前の段階で薄膜材料１３の製膜直後の電気特性を評価することができるため、評価結果を製造工程に反映させることができ、最終デバイスの歩留まりを向上させることができる。また、薄膜材料の作製を外注する場合、外注した薄膜材料の受け入れ検査時に良否判定ができるため、最終デバイスの歩留まりを向上させることができ、不良品を納入するリスクを低減させることができる。
【００１６】
加熱光源２３はトップハット集光により、照射位置に均一な光エネルギーを印加することができる。本実施形態では裏面（基板１１側）からレーザを照射し、光エネルギーを基板１１のＳｉに吸収させることで強誘電体又は焦電体を加熱している。加熱源を光にすることによって、強誘電体又は焦電体に接触することなく加熱できる。非接触であるため、試料の温度が変化する速度に対する加熱源の熱容量の影響が抑制される。また、光の照射スポットが加熱部分となるため、焦電応答のウエハ面内分布の測定において、照射スポットを小さくすることで空間分解能を高くすることができる。
また、光は熱容量を持たないため、光照射のＯＮ／ＯＦＦで試料の加熱や冷却を速やかに行うことができ、加熱時の表面電位と冷却時の表面電位の差から試料の分極の安定性を評価することができるという利点も得られる。
【００１７】
上述のように、加熱光源２３は基板１１の温度を可変させて強誘電体又は焦電体の温度を可変させている。本実施形態の光照射手段からの光はＳｉウエハに吸収させるため、波長は９００ｎｍ以下であることが好ましい。ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスの場合、Ｓｉウエハを使用することが多いが、Ｓｉウエハの光学特性は既知であり、安定している。一方で、強誘電体・焦電体や下部電極は材料や形態によって光学特性が異なるため、材料や形態が違う試料に対して同じように加熱するためには、Ｓｉウエハに光を吸収させる必要がある。上記光の波長が９００ｎｍ以下であれば、Ｓｉウエハに光を吸収させることができ、Ｓｉウエハを介して強誘電体・焦電体の温度を可変させることができる。
【００１８】
試料の温度は放射温度計２２を用いて測定している。放射温度計２２は、温度測定の対象となる箇所から放出される赤外線を測定することで温度を計測する。本実施形態の図１では基板１１の温度を放射温度計２２で測定しているが、薄膜材料１３は基板１１に比べて薄く、基板１１と薄膜材料１３は同じ温度になるため、基板１１の温度を測定することは薄膜材料１３の温度を測定することになる。
【００１９】
放射温度計を用いた温度測定を行う際、薄膜材料１３の放射率は未知であるため、正確な温度測定が困難であるが、Ｓｉ基板の放射率は（表面形態によるが）機知であるため、温度測定の精度を比較的高くすることができる。なお、基板１１ではなく、薄膜材料１３の温度を測定してもよい。
【００２０】
焦電効果によって生じる電位は表面電位計２１を用いて測定している。図示されるように、表面電位計２１、放射温度計２２は薄膜材料１３と非接触であり、上部電極形成前の強誘電体又は焦電体の電気特性を、強誘電体又は焦電体に触れずに評価することができる
【００２１】
本実施形態に係る電気特性評価装置の詳細を下記に示す。
表面電位計２１：TREK社製、model 323、メーカーデモ機
放射温度計２２：MICRO-EPSILON社製、CT-SF22-C3、計測器登録なし
加熱光源２３：浜松ホトニクス社製、L12333-411、波長940nm、最大出力40W、スポット径1.6mmΦ、メーカーデモ機
【００２２】
次に、本実施形態における電気特性の評価について詳細を説明する。本実施形態では焦電効果（自発分極量の温度依存性）を利用するものであり、強誘電体や焦電体を温度変化させると、分極量が変化しそれに伴って表面電位が変化することを利用する。表面電位の変化量（ΔＶ）は下記の式（１）で表される。
なお、下記式（１）は、M. J. Johnson, J. Linczer, and D. B. Go, Plasma Sources Sci. Technol. 23, 065018 (2014).に基づくものである。
【００２３】
ΔＶ＝ｄｐΔＴ／ε  ・・・式（１）
【００２４】
式（１）中、ｄ、ｐ、Ｔ、εはそれぞれ、試料（薄膜材料１３）の厚み、焦電係数、温度、誘電率である。上記式（１）を用いることで試料の焦電係数や誘電体率などの電気特性を求めることができる。
【００２５】
評価対象となる強誘電体又は焦電体としては、例えば、ＰＶＤＦシート（Poly Vinylidene Fluorideシート）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ジルコニウム酸−チタン酸鉛、ＰＺＴ）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ５、ニオブ酸ナトリウムカリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）、ビスマスフェライト（ＢｉＦｅＯ３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ３）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２）、チタン酸ビスマスナトリウム（Ｎａ０．５Ｂｉ０．５ＴｉＯ３）等が挙げられる。
【００２６】
本実施形態の電気特性評価装置によれば、Ｓｉ基板側からホットプレート、光等によって加熱することで、薄膜材料に触れずに薄膜材料の温度変化を生じさせることができる。また、発生電位は表面電位計を用いて薄膜材料に非接触で測定することができる。このように、薄膜材料の表面に測定部材が接触せずに測定することが可能であるため、薄膜材料に測定装置の部材が接触して薄膜材料にダメージが生じることを抑制することができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る電気特性評価装置の他の実施形態について説明する。上記の実施形態と同一の構成部品についての説明は省略する場合がある。本実施形態の電気特性評価装置を図２に示す。図２は本実施形態の電気特性評価装置を模式的に説明するための図である。
【００２８】
本実施形態の電気特性評価装置では、温度可変手段としてホットプレート２４を用いている。ホットプレート２４を用いることで、薄膜材料１３全体を加熱することができる。基板１１及び薄膜材料１３を全体的に温度変化させることで、薄膜材料１３の電気特性の面内平均を評価することができる。
【００２９】
また、放射温度計２２は、薄膜材料１３側から薄膜材料１３が放射する赤外線を測定することで薄膜材料１３の温度を計測している。
【００３０】
本実施形態に係る電気特性評価装置の詳細を下記に示す。
表面電位計２１：TREK社製、Model 323、メーカーデモ機
放射温度計２２：MICRO-EPSILON社製、CT-SF22-C3、S/Nなし
ホットプレート２４：AS ONE社製、HP-2SA、S/Nなし
【００３１】
このように、本実施形態の電気特性評価においても、上部電極形成前の強誘電体又は焦電体の電気特性を、強誘電体又は焦電体に触れずに評価することができる。
【００３２】
（電気特性評価の検証）
次に、本発明の電気特性評価装置について電気特性評価の検証を行う。
まず、第２の実施形態において、薄膜材料１３としてＰＶＤＦシート、ＰＺＴセラミクス、ＰＺＴ薄膜を選択し、それぞれ温度を変化させた場合について図３を用いて説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）はそれぞれＰＶＤＦシート、ＰＺＴセラミクス、ＰＺＴ薄膜の温度変化させた場合のグラフであり、横軸を時間、縦軸を表面電位及び温度としている。また、図３（ｄ）は定常状態と昇温時の分極状態を模式的に示すものである。なお、図３（ａ）〜（ｃ）における矢印は、対応する縦軸がどちらであるかを示すものである。
【００３３】
図示されるように、ＰＶＤＦシートでは、約３℃の温度変化で−１００Ｖの電位が発生し（図３（ａ））、ＰＺＴセラミクスでは、約１０℃の温度変化で−１００Ｖの電位が発生していることがわかる（図３（ｂ））。一方で、ＰＺＴ薄膜では約１０℃の温度変化で約−０．４Ｖの電位が発生していることがわかる（図３（ｃ）の０ｓ〜約６０ｓ）。
従って、これらのことから薄膜材料１３の物性及び厚みが関係する表面電位の変化（上記式（１））を評価することができる。
【００３４】
なお、図３では負の電位が発生しているが、ＰＶＤＦシート及びＰＺＴセラミクスにおいて、上下（裏表）を反転させて同じ実験をすると正の電位が発生することが確認できた。
また、図３（ｄ）に示されるように、試料の温度上昇に伴って分極量が減少するため、分極方向を試料の上方向として試料を置いた場合は、昇温前に試料の分極を補償していた負の表面電荷が負の表面電位となって現れたと考えられる。
これらのことから、本発明に係る電気特性評価装置では、分極方向に起因した極性の電位を測定することができる。
【００３５】
次に、図３（ｂ）及び図３（ｃ）のデータにおいて、電位変化量を試料（薄膜材料）の厚みで規格化し、温度変化量との関係をプロットした結果を図４に示す。図４では、横軸を温度変化、縦軸を厚みで規格化した表面電位の変化量を示す。
【００３６】
ここで、本実施形態の評価装置で得られる評価結果の定量的な妥当性を検討する。検討するにあたり、実際に得られた測定結果と文献値との比較を行う。
実際に得られた測定結果では、図４に示すように、ＰＺＴセラミクスとＰＺＴ薄膜のグラフの傾きがおおよそ一致している。焦電効果によって生じる表面電位の変化量は上記式（１）で表すことができるので、この傾きと上記式（１）から、焦電係数を算出すると、１．５×１０−４Ｃ／ｍ２℃となる。
これは、ＰＺＴセラミクス及びＰＺＴ薄膜で報告されている値（１．０〜５．３×１０−４Ｃ／ｍ２℃、下記参考文献（Ａ）〜（Ｄ））と同程度であることがわかった。従って、本発明に係る電気特性評価装置は、焦電効果の定量的な議論に対して妥当であると言える。
【００３７】
［参考文献］
（Ａ）G. Sebald, E. Lefeuvre, and D. Guyomar, IEEE transactions on ultrasonics, 55, 538 (2008)
（Ｂ）M. T. Kesim, J. Zhang, S. Trolier-McKinstry, J. V. Mantese, R. W. Whatmore and S. P. Alpay, J. Appl. Phys. 114, 204101 (2013).
（Ｃ）R. V. K. Mangalam, J. C. Agar, A. R. Damodaran, J. Karthik, and L. W. Martin, Appl. Mater. Interfaces, 5, 13235 (2013).
（Ｄ）G. Sebald, E. Lefeuvre, and D. Guyomar, IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 55, 3, (2008)
【００３８】
次に、第１の実施形態において、薄膜材料１３をＰＺＴ薄膜として、ＰＺＴ薄膜に対して２．０、６．５、１０、２０Ｗ／ｍｍ２のレーザを裏面から（基板１１側から）照射したときの温度変化を図５に示す。なお、図５の温度は、上述したように、基板１１から放出される赤外線を放射温度計２２により測定したものであるが、これは試料（薄膜材料１３）の温度に対応する。
【００３９】
図５に示されるように、レーザの照射後、試料の温度が上昇し、ある温度で飽和している。飽和したときの温度はレーザのエネルギーの増加に対応して高い温度を示し、２０Ｗ／ｍｍ２で最も大きく、２５０℃以上の温度上昇が確認できる。
【００４０】
次に、図５において、レーザのエネルギー密度と試料の温度の関係を図６に示す。図６の温度は、図５においてレーザ照射して温度上昇が飽和したときの温度を示す。図示されるように、縦軸の温度はレーザのエネルギー密度に対して線形的に増加している。レーザのエネルギー密度を調節することで温度制御を行うことができ、従って、本発明の電気特性評価装置では容易に試料の温度制御が可能であることがわかる。
【００４１】
次に、第１の実施形態において、様々な評価対象への展開を考えて、様々な強誘電体・焦電体材料に対してどれだけの温度変化及び光エネルギーが必要かを検討する。市販の表面電位計の測定感度は１０ｍＶ程度であることから、定量的に議論するには＋１Ｖ程度の焦電応答が得られることが望ましい。そこで、表１に示す材料において、＋１Ｖの焦電応答を得るために必要な温度変化量・エネルギー密度と測定試料の厚みとの関係を、上記式（１）と表１に示す物性値から算出した。その結果を図７に示す。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
なお、表１中、ｐは焦電係数を表し、εｒは比誘電率を表す。また、ＰＭＮＰＴはニオブ酸鉛マグネシウム・チタン酸鉛を表す。表１中、ＰＺＴの焦電係数は上記参考文献（Ｄ）に基づく。
【００４４】
図７（ａ）は＋１Ｖの焦電応答を得るために必要な温度変化量と測定試料の厚みとの関係を示したものであり、図７（ｂ）は＋１Ｖの焦電応答を得るために必要なエネルギー密度と測定試料の厚みとの関係を示したものである。図７の厚みについて、圧電ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）に用いられる圧電体薄膜材料の一般的な膜厚は１μｍ程度であることを考慮し、図７に示される厚み範囲について検討を行った。
【００４５】
図７（ａ）において、膜厚１μｍの場合、必要な温度変化はＬｉＴａＯ３（図中、１番下のグラフ）で１．８℃、ＰＺＴ（図中、１番上のグラフ）で１９℃と見積もることができる。
【００４６】
さらに、図６に示した温度変化量とレーザのエネルギー密度の関係から、図７（ａ）の縦軸（必要な温度変化量）を必要なレーザのエネルギー密度に計算し直し、その結果を図７（ｂ）に示す。
図７（ｂ）において、膜厚１μｍの場合、必要なエネルギー密度はＬｉＴａＯ３（図中、１番下のグラフ）で０．１３Ｗ／ｍｍ２、ＰＺＴ（図中、１番上のグラフ）で１．４Ｗ／ｍｍ２と見積もることができる。
このように、所定の厚みの試料に対して、所定の焦電応答を得るのに必要な温度変化量・エネルギー密度を見積もることができる。
【００４７】
次に、第１の実施形態において、パイロクロア相の少ない試料及びパイロクロア相の多い試料に対して２０Ｗ／ｍｍ２のレーザ照射をＯＮ／ＯＦＦしたときの温度と表面電位の変化を図８に示す。図８（ａ）はパイロクロア相の少ない試料に対するものであり、図８（ｂ）はパイロクロア相の多い試料に対するものである。なお、図８における試料は、ＰＺＴ薄膜について測定したものである。
【００４８】
パイロクロア相の少ない試料に対してレーザ照射ＯＮ／ＯＦＦした場合における図８（ａ）をみると、レーザ照射ＯＮの領域では、温度が上昇し約３００℃に近づいていくにつれて、表面電位が生じ−４Ｖに近づいていくのがわかる。そして、レーザ照射をＯＦＦにすると、時間経過とともにもとの温度（約２０℃）に近づいていき、これとともに表面電位がもとの値（約０Ｖ）に近づいていくのがわかる。
【００４９】
一方、パイロクロア相の多い試料に対してレーザ照射ＯＮ／ＯＦＦした場合における図８（ｂ）をみると、レーザ照射ＯＮの領域では、温度が上昇し約２８０℃に近づいていくにつれて、表面電位が生じ−４Ｖに近づいている。
ここで、図８（ｂ）のレーザ照射ＯＮ領域をみると、０ｓから約５０ｓまでは温度上昇に伴い表面電位が増加しているが、約５０ｓから約１２０ｓまでは表面電位が減少している（０Ｖに近づく方向に変化している）。そして、約１２０ｓ以降、レーザ照射をＯＦＦにするまで表面電位が再び増加している。レーザ照射をＯＦＦにすると、時間経過とともにもとの温度（約２０℃）に近づいていき、これとともに表面電位が減少している。
【００５０】
まず、図８の結果を用いて、測定系の妥当性について検討する。図８（ａ）及び図８（ｂ）それぞれについて、室温付近の応答（０ｓから約５０ｓ）から、試料の厚み１μｍ、温度及び表面電位の変化量、比誘電率（εｒ）１６００を上記式（１）に代入し、試料の焦電係数を算出した。その結果、両試料ともに３×１０−４Ｃ／ｍ２℃程度となり、ＰＺＴセラミクス及びＰＺＴ薄膜で報告されている値（１〜５．３×１０−４Ｃ／ｍ２℃）と同程度であることがわかった。
このことから、上記実施形態における電気特性評価装置は焦電効果の定量的な議論に対して妥当であると言える。
【００５１】
次に、図８（ｂ）の焦電応答に対するパイロクロア相の影響について検討する。焦電効果で発生する表面電荷は、焦電材料の結晶中を伝導することで、指数関数的に減少することが知られている。このことが図８（ｂ）における約５０ｓから約１２０ｓの範囲での表面電位の減少として表れている。
【００５２】
このときの緩和時間は下記式（２）で表すことができる。
【００５３】
τ＝εrε0／σ  ・・・式（２）
【００５４】
式（２）中、εrは試料の比誘電率、ε0は真空の誘電率、σは試料の電気伝導率である。
【００５５】
上記式（２）はτ＝ερ（εは試料の誘電率、ρは試料の電気抵抗率）といいかえることができ、試料の誘電率及び電気抵抗率が低いほど、焦電効果で発生する表面電荷が緩和電流として消失する時間が早くなる。
【００５６】
このように、表面電位の緩和時間の時定数は誘電率と電気抵抗率の積で表されるため、電荷保持特性から誘電率と電気抵抗率の情報を得ることができる。別の言い方をすれば、温度上昇させた後に一定温度にしたときの表面電位の時間変化を測定することで、薄膜材料の電荷保持特性を評価することができる。
【００５７】
また、一般的に、パイロクロア相の誘電率はＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３と比較して数桁低いことが知られている。
ここで、パイロクロア相を含有するＰＺＴ薄膜の断面について得られたＳＴＥＭ−ＨＡＡＤＦ像を図９（ａ）に示す。また、図９（ａ）の模式図を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）中、符号３１は電荷、符号３２はＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、符号３３はパイロクロア相、符号３４は下部電極、符号３５は密着層及び基板を示す。
【００５８】
図９（ａ）及び図９（ｂ）に示されるように、パイロクロア相は薄膜中にＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３と並列に存在していることがわかる。これらのこと、特に図９（ｂ）の検討により、パイロクロア相、又はパイロクロア相とＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３の界面に生じる格子欠陥などの微視的な領域から、焦電効果で発生した電荷が緩和電流として流れていることが示唆される。
【００５９】
以上のことを以下に簡単にまとめる。
評価結果から算出した焦電係数が文献の値と同程度であることから、本発明の電気特性評価装置は焦電効果の定量的な議論に対して妥当であると言える。また、温度上昇させた後に一定温度にしたときの、表面電位の時間変化を測定することで、薄膜材料の電荷保持特性を評価できる。また、パイロクロア相の含有量の異なるＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３薄膜において、それぞれの薄膜の電荷保持特性に明確な違いを確認することができる。
そして、以上のことから、本発明の電気特性評価装置では、上部電極のない強誘電体又は焦電体の電気特性を、強誘電体又は焦電体の表面に測定部材が接触することなく評価することできる。また、薄膜材料の作製を外注した場合でも、外注した強誘電体又は焦電体の薄膜材料の受け入れ検査において有効な評価ができる。このような評価を行うことにより、歩留まりの向上も期待できる。
【００６０】
（第３の実施形態）
次に、本発明に係る電気特性評価装置の他の実施形態について説明する。上記の実施形態と同一の構成部品についての説明は省略する場合がある。本実施形態の電気特性評価装置の模式図を図１０に示す。
【００６１】
本実施形態の電気特性評価装置は上記第１の実施形態とほぼ同じであるが、本実施形態では、基板１１の面方向に基板１１を移動させることが可能な基板１１の固定手段（ＸＹステージ２５）を有する。ＸＹステージ２５を有することにより、基板１１をＸ方向・Ｙ方向（基板１１の面方向）に移動させることができ、温度を可変する箇所や温度を測定する箇所を変えたり、薄膜材料１３の表面電位を測定する箇所を変えたりすることができる。これにより試料面内における電気特性の分布を評価することができる。
【００６２】
（第４の実施形態）
次に、本発明に係る電気特性評価装置の他の実施形態について説明する。上記の実施形態と同一の構成部品についての説明は省略する場合がある。本実施形態の電気特性評価装置の模式図を図１１に示す。
【００６３】
本実施形態の電気特性評価装置は上記第２の実施形態とほぼ同じであるが、本実施形態の表面電位計測手段はアレイ状に複数配置されており、強誘電体又は焦電体の複数箇所の表面電位を計測するものであり、図１１では表面電位計２１がアレイ状に配置されている。本実施形態では、ホットプレート２４により薄膜材料１３を全体的に加熱し、アレイ状の表面電位計２１で複数箇所の表面電位を測定することで、試料面内における電気特性の分布を短時間で評価することができる。
【００６４】
なお、図１１では放射温度計２２を１つだけ図示しているが、これに限られず、適宜変更することが可能であり、放射温度計２２が温度測定する箇所を変えられるようにしてもよいし、放射温度計２２の数を増やして複数箇所を同時に測定できるようにしてもよい。
【００６５】
（第５の実施形態）
次に、本発明に係る電気特性評価装置の他の実施形態について説明する。上記の実施形態と同一の構成部品についての説明は省略する場合がある。本実施形態の電気特性評価装置の模式図を図１２に示す。
【００６６】
本実施形態の電気特性評価装置は上記第２の実施形態とほぼ同じであるが、本実施形態の表面電位計測手段は強誘電体又は焦電体全体の表面電位を計測する。本実施形態では、ホットプレート２４により薄膜材料１３を全体的に加熱し、薄膜材料１３の表面全体を測定できる表面電位計２１で測定することで、試料の平均的な電気特性を評価することができる。
【００６７】
なお、図１２では放射温度計２２を１つだけ図示しているが、これに限られず、適宜変更することが可能であり、放射温度計２２が温度測定する箇所を変えられるようにしてもよいし、放射温度計２２の数を増やして複数箇所を同時に測定できるようにしてもよい。
【００６８】
（第６の実施形態）
次に、本発明に係る電気特性評価装置の他の実施形態について説明する。上記の実施形態と同一の構成部品についての説明は省略する場合がある。本実施形態の電気特性評価装置の模式図を図１３に示す。
【００６９】
本実施形態の電気特性評価装置は上記第２の実施形態とほぼ同じであるが、本実施形態の温度可変手段は強誘電体又は焦電体を加熱及び冷却する手段を有する。図１３では温度可変手段としてペルチェ素子２６が図示されている。ペルチェ素子２６では素子に流す電流の向きを変えることにより、加熱と冷却を切り替えることができる。
本実施形態によれば、加熱時の表面電位と冷却時の表面電位の差から試料の分極の安定性を評価することができる。
【００７０】
なお、本実施形態ではペルチェ素子に限られるものではなく、加熱及び冷却することが可能であれば適宜変更することができる。また、加熱手段と冷却手段を別個にしてもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１１  基板
１２  下部電極
１３  薄膜材料
２０  シールドボックス
２１  表面電位計
２２  放射温度計
２３  加熱光源
２４  ホットプレート
２５  ＸＹステージ
２６  ペルチェ素子
３１  電荷
３２  Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３
３３  パイロクロア相
３４  下部電極
３５  密着層及び基板
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７２】
【特許文献１】特開２００４−２２１４１１号公報
【図１】
2018018889.tif 000004
【図２】
2018018889.tif 000005
【図３】
2018018889.tif 000006
【図４】
2018018889.tif 000007
【図５】
2018018889.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2018018889.tif 000016