(57)【要約】【課題】強誘電体等の高誘電率で高損失な誘電体材料や半導体材料のマイクロ波における電気的物性値測定法を提供する。【解決手段】誘電体円柱１の両端に導体板２ａ、２ｂをそれぞれ設けるとともに、誘電体円柱１と導体板２ａ、２ｂの間に測定試料４を挿入してなる誘電体円柱共振器１を用いて、この誘電体円柱共振器１のＴＥ共振モードの共振周波数と無負荷Ｑを測定し、該共振周波数と無負荷Ｑから測定試料４の誘電定数や抵抗率を求める。【選択図】図１
2004226379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体の両端に導体板をそれぞれ設けるとともに、前記誘電体と前記導体板の間に測定試料を挿入してなることを特徴とする誘電体共振器。
【請求項２】
請求項１に記載された誘電体共振器のＴＥ共振モードの共振周波数と無負荷Ｑを測定し、該共振周波数と無負荷Ｑから測定試料の電気的物性値を求めることを特徴とする電気的物性値測定法。
【請求項３】
誘電体共振器の温度を変化させ、該誘電体共振器のＴＥ共振モードの共振周波数と無負荷Ｑの温度依存性を測定し、該共振周波数と無負荷Ｑの温度依存性から前記測定試料の電気的物性値の温度依存性を求めることを特徴とする請求項２記載の電気的物性値測定法。
【請求項４】
測定試料は平板状の誘電体あるいは半導体からなることを特徴とする請求項２又は３記載の電気的物性値測定法。
【請求項５】
測定試料の厚さが誘電体の厚さの２０％以下であることを特徴とする請求項４記載の電気的物性値測定法。
【請求項６】
測定試料は、誘電体薄膜あるいは半導体薄膜を形成した誘電体基板であり、前記誘電体薄膜あるいは前記半導体薄膜の電気的物性値を求めることを特徴とする請求項２又は３記載の電気的物性値測定法。
【請求項７】
誘電体薄膜あるいは半導体薄膜の厚さは１０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項６記載の電気的物性値測定法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は誘電体共振器及び電気的物性値測定法に関するものであり、特にコンデンサ等の材料として使用される強誘電体材料や、電子部品等として使用する高誘電率の誘電体薄膜の誘電定数、及び半導体素子に使用される半導体薄膜の抵抗率等を求めるための誘電体共振器及び電気的物性値測定法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
コンデンサ等に使用される強誘電体材料は、通常１ＫＨｚから１ＭＨｚの比較的低い周波数で、コンデンサのキャパシタンスから誘電定数が求められている。
【０００３】
また、従来、電子部品等として使用する誘電体薄膜の誘電定数をマイクロ波で測定する方法として、空洞共振器を利用した測定法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、半導体薄膜の抵抗率測定法としては、従来、直流での４端子法が一般的である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２２８６００号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年においては、電子回路の高周波数化に伴ない、コンデンサ等に使用される強誘電体材料においても高周波での誘電定数を測定する必要性が生じている。
【０００７】
しかしながら、コンデンサ等に使用される強誘電体材料は一般に高損失であるため、マイクロ波領域で高精度に測定できる共振器法によって、誘電定数を測定しようとすると、高損失である強誘電体材料による共振電磁界の減衰が大きすぎて、共振周波数や無負荷Ｑを測定することができないため、誘電定数を決定することができない。また、高損失材料のマイクロ波測定に適したＳパラメーター法によっても、強誘電体材料は比誘電率が高いために測定することはできない。
【０００８】
さらに、電子部品として使用する誘電体薄膜のマイクロ波誘電定数測定においても、高損失な誘電体薄膜の場合には、特許文献１のような空洞共振器を利用した測定法を適用すると、共振電磁界の減衰が大きすぎて、共振周波数や無負荷Ｑを測定することができないため、誘電定数を決定することができない。
【０００９】
一方、マイクロ波やミリ波用途の半導体薄膜の抵抗率はマイクロ波やミリ波で測定されることが望ましいが、マイクロ波やミリ波における半導体薄膜の抵抗率を測定する技術は報告されていない。
【００１０】
本発明は、強誘電体等の高誘電率で高損失な誘電体材料や半導体材料のマイクロ波における電気的物性値測定法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の誘電体共振器は、誘電体の両端に導体板をそれぞれ設けるとともに、前記誘電体と前記導体板の間に測定試料を挿入してなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の電気的物性値測定法は、上記誘電体共振器のＴＥ共振モードの共振周波数と無負荷Ｑを測定し、該共振周波数と無負荷Ｑから測定試料の電気的物性値を求めることを特徴とする。
【００１３】
通常、高損失誘電体平板や高損失誘電体薄膜の誘電定数、あるいは半導体平板や半導体薄膜の抵抗率を電磁界共振器によって求めようとすると、高損失性のために共振電磁界の減衰が大きすぎて、共振周波数や無負荷Ｑを測定することができないため、誘電定数を求めることができないが、本発明の電気的物性値測定法では、誘電体共振器の電界が最も小さいところに測定試料、例えば高損失誘電体平板や高損失誘電体薄膜、あるいは高損失半導体平板や高損失半導体薄膜が配置されているので、共振電磁界の減衰が制限され、共振周波数や無負荷Ｑを測定することができ、誘電体の誘電定数や半導体の抵抗率を求めることができる。
【００１４】
また、本発明の電気的物性値測定法は、誘電体共振器の温度を変化させ、該誘電体共振器のＴＥ共振モードの共振周波数と無負荷Ｑの温度依存性を測定し、該共振周波数と無負荷Ｑの温度依存性から前記測定試料の電気的物性値の温度依存性を求めることを特徴とする。
【００１５】
このような測定法では、誘電体共振器の温度を変化させ、該誘電体共振器のＴＥ共振モードの共振周波数と無負荷Ｑの温度依存性を測定し、共振周波数と無負荷Ｑの温度依存性から、例えば平板状や薄膜状の誘電体および半導体の誘電定数あるいは抵抗率の温度依存性を容易に求めることができる。
【００１６】
さらに、本発明の電気的物性値測定法は、測定試料は平板状の誘電体あるいは半導体からなることを特徴とする。このような測定試料の厚さは誘電体の厚さの２０％以下であることを特徴とする。これにより、共振電磁界の減衰を小さくでき、容易に測定できるとともに測定精度を向上できる。
【００１７】
また、本発明の測定法では、測定試料は、誘電体薄膜あるいは半導体薄膜を形成した誘電体基板であり、前記誘電体薄膜あるいは前記半導体薄膜の電気的物性値を求めることを特徴とする。このような測定法では、一定の大きさであれば任意形状の誘電体基板に誘電体薄膜あるいは半導体薄膜を形成するため、容易に薄膜を形成できるため測定試料の作製が容易であり、しかもこの薄膜の誘電定数や抵抗率等の電気的物性値を求めることができる。
【００１８】
さらに、本発明の測定法は、測定試料が誘電体薄膜あるいは半導体薄膜が形成された誘電体基板である場合、誘電体薄膜あるいは半導体薄膜の厚さが１０ｎｍ以上であることを特徴とする。このような測定法では、薄膜の厚さが１０ｎｍ以上であるため、薄膜の誘電定数や抵抗率等の測定精度を向上できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の電気的物性値測定法に用いる誘電体円柱共振器の構造を示すもので、図１では、測定試料が平板状の誘電体あるいは半導体である場合の誘電体円柱共振器１を示す。
【００２０】
この誘電体円柱共振器１は、誘電体円柱３の両端面に導体板２ａ、２ｂが設置され、誘電体円柱３と下側導体板２ｂの間には測定試料４が介装され、全体として両端短絡形の誘電体円柱共振器１が構成されている。
【００２１】
この測定試料４は円盤状であり、平板状の誘電体あるいは半導体から構成されており、平板状の誘電体としては、例えば、コンデンサ等の材料として使用されるチタン酸バリウム系材料等の強誘電体材料とされており、誘電損失が０．０１以上の高損失で、比誘電率が１０以上の高誘電率とされている。また、平板状の半導体としては、半導体素子に使用される、例えば、Ｓｉ等の半導体とされている。
【００２２】
尚、測定試料４は平面形状が円形状、矩形状、三角形状等どのような形状であっても良いが、測定試料４の外周は、誘電体円柱３の中心から、誘電体円柱３の直径の３倍以上の距離とされている。具体的には、測定試料４の平面形状が円形状の場合には、その直径が誘電体円柱３の直径の３倍以上とされている。
【００２３】
平板状である誘電体及び半導体からなる測定試料４の厚さは誘電体円柱３の厚さの２０％以下であることが望ましい。これにより、共振電磁界の減衰を小さくでき、容易に測定できる。特には、測定精度を高めるという点から、１０％以下であることが望ましい。
【００２４】
また、導体板２ａ、２ｂは円盤状であり、低損失という点から銅、銀等が用いられている。
【００２５】
尚、図１では、誘電体円柱３と下側導体板２ｂの間に測定試料４を介装したが、誘電体円柱３と上側導体板２ａの間に測定試料４を介装しても良く、また、誘電体円柱３と上下の導体板２ａ、２ｂの間の両方に介装してもよい。介装が容易という点から、誘電体円柱３と下側導体板２ｂの間に測定試料４を介装することが望ましく、測定精度を高めるという点からは、両方に介装する方が望ましい。
【００２６】
また、誘電体円柱３は低損失材料とされており、誘電正接が０．０００１以下の誘電体からなることが望ましい。
【００２７】
次に、本発明の測定法を説明する。先ず、同軸ケーブル７ａ、７ｂの先端に形成されたループアンテナ８ａ、８ｂを、誘電体円柱共振器１の導体板２ａ、２ｂ間に左右から挿入し、誘電体円柱共振器１の励振を同軸ケーブル７ａ、７ｂの片方から行い、検波を他方から行う。励振用の同軸ケーブルはシンセサイズドスイーパー等の高周波信号発生器に接続され、検波用の同軸ケーブルはネットワークアナライザー等の測定装置に接続される。
【００２８】
さらに誘電体円柱共振器１の挿入損失を２０〜４０ｄＢ程度にするため、誘電体円柱３とループアンテナ８ａ、８ｂの間隔を調整する。その後、共振周波数と無負荷Ｑがネットワークアナライザーにより測定されることになる。
【００２９】
尚、励振と検波を同軸ケーブル７ａ、７ｂの先端に形成されたループアンテナ８ａ、８ｂで行ったが、他の励振検波装置で行っても良いことは勿論である。
【００３０】
本発明の測定法を具体的に説明する。同軸ケーブル７ａ、７ｂの片方から励振させると、誘電体円柱共振器の垂直方向（Ｚ軸方向）のＴＥ０ｍ１（ｍ＝１、２、３・・・）モードの電界強度分布は、図２に示すように誘電体円柱３の中心付近で最大になり、導体板２ａ、２ｂの内側表面でゼロになる。ＴＥ０ｍｎ（ｎ＝２、３・・・）モードでは電界強度の最大位置は誘電体円柱３の中心付近ではなくなるが、やはり導体板２ａ、２ｂの内側表面で電界強度がゼロになる。従って、ＴＥ共振モードを使用すれば、測定試料４内の電界強度は共振器全体の電界強度に比べて小さくなり、高損失誘電体平板や半導体平板を挿入しても、共振電磁界の減衰が制限され、誘電定数や抵抗率等の電気的物性値の測定が可能になる。
【００３１】
また本発明で使用する誘電体共振器の温度を変化させれば、高損失な誘電体の誘電定数や半導体の抵抗率の温度依存性を測定できる。
【００３２】
本発明の電気的物性値測定法により、薄膜状の高損失誘電体薄膜の誘電定数や半導体薄膜の抵抗率を測定する場合、図３に示すように、誘電体円柱３の両端に導体板２ａ、２ｂが設置され、誘電体円柱３と下側導体板２ｂの間に測定試料４が介装されている。この測定試料４は、誘電体基板５に誘電体あるいは半導体からなる薄膜６を形成して構成されており、測定試料４を介装することにより、全体として両端短絡形の誘電体円柱共振器１が構成されている。
【００３３】
誘電体からなる薄膜６は、電子部品等として使用する、例えば、Ｐｂ（ＭｇＮｂ）Ｏ３等の誘電体薄膜とされており、半導体からなる薄膜６は、半導体素子に使用される、例えばＧａＮ等の半導体薄膜とされている。
【００３４】
尚、図３に示す場合も、上記図１の場合と同様にして測定される。また、図１、３において誘電体円柱共振器１の横方向への電磁界の放射を無くすため、導体板２ａ、２ｂは、図１、図３に示す測定試料４と同様、平面形状が円形状、矩形状、三角形状等どのような形状であっても良いが、導体板２ａ、２ｂの外周は、誘電体円柱３の中心から、誘電体円柱３の直径の３倍以上の距離とされている。
【００３５】
次に、比誘電率と誘電正接の計算法について述べる。図１、３で示される誘電体円柱共振器１の共振周波数と無負荷Ｑから、平板状の誘電体からなる測定試料４あるいは誘電体薄膜６の比誘電率及び誘電正接を計算するためには、有限要素法やモードマッチング法などの数値解析手法を使用する必要がある。
【００３６】
ここでは有限要素法を用いる場合について述べる。図１、２で示される誘電体円柱共振器１の共振周波数は、平板状の誘電体からなる測定試料４あるいは誘電体薄膜６の比誘電率の関数となっているので、予想される比誘電率の範囲で、測定試料４あるいは誘電体薄膜６の比誘電率を数点設定し、対応するＴＥモードの共振周波数を有限要素法で計算する。これらの計算結果から、共振周波数と比誘電率の関係を適当な関数で近似し、この近似式とＴＥモードの共振周波数の測定値から、誘電体円柱共振器１の比誘電率を計算する。
【００３７】
また図１の平板状の誘電体からなる測定試料４の誘電正接ｔａｎδｐは、誘電体円柱共振器１の無負荷Ｑ（Ｑｕ）から次式
【００３８】
【数１】
2004226379.tif 000003
を用いて計算できる。ただしＰｅ，ｐは誘電体平板内の電界エネルギーの集中率、Ｐｅ，ｒｏｄは誘電体円柱３内の電界エネルギーの集中率，Ｒｓは導体板の表皮抵抗、Ｇは共振器の形状ファクターであり、それぞれ
【００３９】
【数２】
2004226379.tif 000004
【００４０】
【数３】
2004226379.tif 000005
【００４１】
【数４】
2004226379.tif 000006
【００４２】
【数５】
2004226379.tif 000007
【００４３】
の式で表される。ここで、ε’ｐ、Ｖｐは平板状の誘電体からなる測定試料４の比誘電率、体積であり、ε’ｒｏｄ、Ｖｒｏｄは誘電体円柱３の比誘電率、体積、ε’（ｖ）は共振器内の比誘電率分布である。Ｅ、Ｈ、Ｈｔは電界、磁界、導体表面での磁界である。Ｖｔは共振器全体の体積、Ｓは導体板２ａ、２ｂの誘電体円柱３、測定試料（誘電体平板）４と対向する側の面積である。μは導体板２ａ、２ｂの透磁率、μ０は真空の透磁率、ω＝２πｆ０は共振角周波数、ｆ０は共振周波数である。σは導体板２ａ、２ｂの実効導電率である。
【００４４】
又、図３の誘電体薄膜６の誘電正接ｔａｎδｆは、誘電体円柱共振器１の無負荷Ｑ（Ｑｕ）から次式
【００４５】
【数６】
2004226379.tif 000008
【００４６】
を用いて計算できる。ただしＰｅ，ｆは誘電体薄膜６内の電界エネルギーの集中率、Ｐｅ，ｓｕｂは誘電体基板５内の電界エネルギーの集中率、Ｐｅ，ｒｏｄは誘電体円柱３内の電界エネルギーの集中率，Ｒｓは導体板の表皮抵抗、Ｇは共振器の形状ファクターであり、Ｐｅ，ｆ、Ｐｅ，ｓｕｂはそれぞれ
【００４７】
【数７】
2004226379.tif 000009
【００４８】
【数８】
2004226379.tif 000010
【００４９】
の式で表される。尚、Ｐｅ，ｒｏｄ、Ｒｓ、Ｇは数式（３）、（４）、（５）と同様であるが、数式（５）の中のＳは導体板２ａ、２ｂの誘電体円柱３、誘電体薄膜６と対向する側の面積である。ここでε’ｆ、Ｖｆは誘電体薄膜６の比誘電率、体積であり、ε’ｓｕｂ、Ｖｓｕｂは誘電体基板５の比誘電率、体積である。
【００５０】
次に平板状の半導体からなる測定試料４の抵抗率ρｓｐの計算法について述べる。まず平板状の半導体からなる測定試料４の比誘電率ε’ｓｐを誘電体からなる測定試料４の比誘電率ε’ｐと同様に共振周波数の測定値から求める。次に半導体からなる測定試料４の誘電正接ｔａｎδｓｐを誘電体からなる測定試料４の誘電正接ｔａｎδｐと同様に、無負荷Ｑ（Ｑｕ）の測定値から数式（１）により計算する。さらに比誘電率ε’ｓｐ、誘電正接ｔａｎδｓｐ、抵抗率ρｓｐの関係式
【００５１】
【数９】
2004226379.tif 000011
【００５２】
から抵抗率ρｓｐを計算する。ただし、ε０は真空の誘電率である。
【００５３】
最後に半導体薄膜６の抵抗率ρｓｆの計算法について述べる。まず半導体薄膜６の比誘電率ε’ｓｆを誘電体薄膜６の比誘電率ε’ｆと同様に共振周波数の測定値から求める。次に半導体薄膜６の誘電正接ｔａｎδｓｆを誘電体薄膜６の誘電正接ｔａｎδｆと同様に、無負荷Ｑ（Ｑｕ）の測定値から数式（６）により計算する。さらに比誘電率ε’ｓｆ、誘電正接ｔａｎδｓｆ、抵抗率ρｓｆの関係式
【００５４】
【数１０】
2004226379.tif 000012
【００５５】
から抵抗率ρｓｆを計算する。
【００５６】
【実施例】
図１に示す誘電体円柱共振器１を用いて、本発明の測定法により強誘電体セラミックスＢａＴｉＯ３の未焼結テープの誘電定数を測定した。誘電体円柱３として直径７．０２５ｍｍ、高さ４．１６０ｍｍ、比誘電率９．４２４（Ｃ軸垂直方向）、誘電正接０．００００３４（ａｔ２８ＧＨｚ）のサファイアＣ面円柱を用い、導体板２ａ、２ｂとして厚み２ｍｍ、直径４０ｍｍ、比導電率８７％の銅板を用いた。
【００５７】
同軸ケーブル７ａ、７ｂの先端に形成されたループアンテナ８ａ、８ｂを、誘電体円柱共振器１の導体板２ａ、２ｂ間に左右から挿入し、誘電体円柱共振器１の励振を同軸ケーブル７ａ、７ｂの片方から行い、検波を他方から行った。結果を表１に示す。
【００５８】
【表１】
2004226379.tif 000013
【００５９】
表１中のＢａＴｉＯ３テープＡ、Ｂは厚さの異なる同種のテープである。比誘電率、誘電正接とも両試料の値は良く一致している。又、誘電正接は通常の共振器法では測定できない範囲の大きな値を示しているが、本発明の誘電定数測定法により、測定が可能であることが実証された。
【００６０】
次に、図３の誘電体円柱共振器１を用いて、本発明の測定法により、０．３４８ｍｍ厚、５０ｍｍ径、比誘電率９．４（Ｃ軸垂直方向）、誘電正接０．００００１１（ａｔ１１ＧＨｚ）のサファイアＣ面誘電体基板上に形成されたＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３系薄膜の誘電定数を測定した。誘電体円柱３として直径１１．８１４ｍｍ、高さ５．６３９ｍｍ、比誘電率９．４１５８、誘電正接０．００００１１（ａｔ１１ＧＨｚ）のサファイアＣ面円柱、導体板２ａ、２ｂとして厚み２ｍｍ、直径４０ｍｍ、比導電率８７％の銅板を用いた。結果を表２に示す。
【００６１】
【表２】
2004226379.tif 000014
【００６２】
表２から、誘電正接は通常の共振器法では測定できない範囲の大きな値を示しているが、本発明の測定法により測定が可能であることが実証された。
【００６３】
【発明の効果】
以上、詳述した通り、本発明の電気的物性値測定法によれば、従来はマイクロ波において測定が困難であった高誘電率、高損失な誘電体材料や高誘電率、高損失な誘電体薄膜の誘電定数をマイクロ波において測定できる。さらに、本発明の電気的物性値測定法によれば、従来はマイクロ波において測定が困難であった半導体平板や半導体薄膜の抵抗率をマイクロ波において測定できる。これにより、これらの材料の開発や、これらの材料を用いたマイクロ波電子部品の設計が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電気的物性値測定法に用いられる誘電体円柱共振器の一例を示す縦断面図である。
【図２】図１の誘電体円柱共振器におけるＴＥ０ｍ０モードの電界強度分布図である。
【図３】本発明の電気的物性値測定法に用いられる誘電体円柱共振器の他の一例を示す縦断面図である。
【図４】図３の誘電体円柱共振器におけるＴＥ０ｍ０モードの電界強度分布図である。
【符号の説明】
１・・・誘電体円柱共振器
２ａ、２ｂ・・・導体板
３・・・誘電体円柱
４・・・測定試料
５・・・誘電体基板
６・・・薄膜
７ａ、７ｂ・・・同軸ケーブル
８ａ、８ｂ・・・ループアンテナ
【図１】
2004226379.tif 000015
【図２】
2004226379.tif 000016
【図３】
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【図４】
2004226379.tif 000018