(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体薄膜と電極により形成され、前記誘電体薄膜の厚さのみが異なる２種類の薄膜コンデンサを準備し、該２種類の薄膜コンデンサのインピーダンスをそれぞれ測定し、該２種類の薄膜コンデンサのインピーダンスを減算して、前記電極のインダクタンスと電気抵抗によるインピーダンス効果を消去し、前記誘電体薄膜の比誘電率及び／又は誘電正接を求めることを特徴とする高周波特性測定法。
【請求項２】
誘電体薄膜と電極により形成され、前記誘電体薄膜の厚さのみが異なる２種類の薄膜コンデンサを準備し、該２種類の薄膜コンデンサのインピーダンスをそれぞれ測定し、該２種類の薄膜コンデンサのインピーダンスにそれぞれ異なる前記薄膜コンデンサの誘電体薄膜の厚みを乗じて減算し、前記誘電体薄膜の特性により決定される電気抵抗と容量によるインピーダンス効果を消去し、前記電極のインダクタンス及び／又は電気抵抗を求めることを特徴とする高周波特性測定法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体薄膜の比誘電率、誘電正接を求めたり、電極のインダクタンス、電気抵抗を求めたりするための高周波特性測定法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年においては、マイクロ波の非線形デバイスに高誘電率薄膜を応用する研究が盛んに行われており、その誘電特性の測定法が求められている。高誘電率薄膜の誘電特性は、従来から、高誘電率薄膜と電極から構成されたストリップラインやマイクロストリップライン等の伝送特性、或いはコンデンサのインピーダンスから求められてきた。
【０００３】
又、高誘電率薄膜をデバイスとして使用する場合、チューナブルコンデンサとして使用する場合が最も一般的であるので、この時に導体薄膜等で形成される電極のインダクタンスや抵抗の測定法が求められている。チューナブルコンデンサにおいて導体薄膜等で形成される電極のインダクタンスや抵抗の測定法は、従来から、誘電体基板の上に、同形状、同材料からなる電極を形成して、そのインピーダンスより求められてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年においてはより高周波領域で、例えば数十ＭＨｚ〜数ＧＨｚにおいて正確な高誘電率薄膜の誘電特性が要求されるようになっているが、高誘電率薄膜の誘電特性をストリップラインやマイクロストリップライン等の伝送特性から求める場合には、上記したような高周波領域では線路を構成する導体のロスを完全に分離、除去して誘電体だけの特性を得ることが困難であるため、純粋な誘電体薄膜の評価になっていないことが懸案であった。
【０００５】
又、高誘電率薄膜の誘電特性をコンデンサのインピーダンスから求める場合には、電極のロスの影響の他に、電極のインダクタンスによるＬＣ共振の効果を補正することが困難であるため、測定精度が低いと言う問題があった。これを解決するために独自のオープン補正用の補正用素子とショート補正用の補正用素子を用い、電極のロスとインダクタンスを補正して、高誘電率薄膜の誘電特性を測定する方法が特開平８―２２６９４１号公報で開示されているが、補正用素子と測定用素子の構造が複雑で作製が困難であるという課題があった。
【０００６】
従って、本発明は上述の技術的課題を解決し、誘電体薄膜の比誘電率、誘電正接、又は薄膜導体からなる電極のインダクタンス、抵抗を高精度に測定することができる高周波特性測定法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の高周波特性測定法は、誘電体薄膜と電極により形成され、前記誘電体薄膜の厚さのみが異なる２種類の薄膜コンデンサを準備し、該２種類の薄膜コンデンサのインピーダンスをそれぞれ測定し、該２種類の薄膜コンデンサのインピーダンスを減算して、前記電極のインダクタンスと電気抵抗によるインピーダンス効果を消去し、前記誘電体薄膜の比誘電率及び／又は誘電正接を求めることを特徴とする。
【０００８】
このような高周波特性測定法によれば、従来測定が困難であった薄膜コンデンサを構成する誘電体薄膜の比誘電率、誘電正接を、ＭＨｚからＧＨｚまでの広い周波数領域において、電極による影響を除去して求めることができ、純粋な誘電体薄膜の比誘電率、誘電正接を評価することができるとともに、従来のような補正用素子を用いることなく、容易に誘電体薄膜の比誘電率、誘電正接を求めることができる。
【０００９】
また、本発明の高周波特性測定法は、誘電体薄膜と電極により形成され、前記誘電体薄膜の厚さのみが異なる２種類の薄膜コンデンサを準備し、該２種類の薄膜コンデンサのインピーダンスをそれぞれ測定し、該２種類の薄膜コンデンサのインピーダンスにそれぞれ異なる前記薄膜コンデンサの誘電体薄膜の厚みを乗じて減算し、前記誘電体薄膜の特性により決定される電気抵抗と容量によるインピーダンス効果を消去し、前記電極のインダクタンス及び／又は電気抵抗を求めることを特徴とする。
【００１０】
このような高周波特性測定法によれば、従来測定が困難であった薄膜コンデンサを構成する薄膜からなる電極のインダクタンス、電気抵抗を、ＭＨｚからＧＨｚまでの広い周波数領域において、誘電体薄膜による影響を除去して求めることができ、純粋な電極のインダクタンス、電気抵抗を評価することができるとともに、従来のような補正用素子を用いることなく、容易に電極のインダクタンス、電気抵抗を求めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波特性測定法においては、図１に示すように、先ず、２種類の薄膜コンデンサ１、２を準備する。薄膜コンデンサ１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、誘電体薄膜１１と、この誘電体薄膜１１の両側に形成された電極１２、１３と、支持基板１４により構成されており、薄膜コンデンサ２は、図１（ｄ）、（ｅ）に示すように、誘電体薄膜２１と、この誘電体薄膜２１の両側に形成された電極２２、２３と、支持基板２４により構成されている。
【００１２】
下側の電極１３、２３、および誘電体薄膜１１、２１は、四角形状に形成され、上側の電極１２、２２は、誘電体薄膜１１、２１の中央部に円形状に形成されている。
【００１３】
そして、薄膜コンデンサ１、２では、誘電体薄膜２１の厚みｔ2が誘電体薄膜１１の厚みｔ1と異なるように作製される。即ち、支持基板１４、２４、電極１３、２３、電極１２、２２は材料、寸法等が全く同一であり、誘電体薄膜１１、２１においては、材料等は同一であるが、その厚みのみが異なるように形成されている。
【００１４】
薄膜コンデンサ１の複素インピーダンスＺ1は、図１（ｃ）に示すように、薄膜コンデンサ１により形成されるキャパシタンスＣ1と、誘電体薄膜１１の誘電損失による電気抵抗Ｒd1及び、一対の電極１２、１３により形成されるインダクタンスＬと、該電極１２、１３により形成される電気抵抗Ｒeの直列等価回路として表すことができる。ここで、キャパシタンスＣ1、電気抵抗Ｒd1は誘電体薄膜の特性に起因する特性であり、インダクタンスＬ、電気抵抗Ｒeは電極１２、１３の特性に起因する特性である。
【００１５】
同じように、薄膜コンデンサ２の複素インピーダンスＺ2は、図１（ｆ）に示すように、薄膜コンデンサ２により形成されるキャパシタンスＣ2と、誘電体薄膜２１の誘電損失による電気抵抗Ｒd2及び、一対の電極２２、２３により形成されるインダクタンスＬと、該電極２２、２３により形成される電気抵抗Ｒeの直列等価回路として表すことができる。ここで、キャパシタンスＣ2、電気抵抗Ｒd2は誘電体薄膜の特性に起因する特性であり、インダクタンスＬ、電気抵抗Ｒeは電極２２、２３の特性に起因する特性である。
【００１６】
従って複素インピーダンスＺ1、Ｚ2は、ｊを虚数単位、ωを角周波数として
【００１７】
【数１】
0004454172.tif 000002
【００１８】
【数２】
0004454172.tif 000003
【００１９】
のように表すことができる。ここで薄膜コンデンサ１、２の電極１２、１３、２２、２３は同形状、同寸法、同厚み、同材料であるので、それらのインダクタンスＬと電気抵抗Ｒeは同一となる。従って複素インピーダンスＺ1、Ｚ2の減算によって、インダクタンスＬと電気抵抗Ｒeを、次のように、消去することができる。
【００２０】
【数３】
0004454172.tif 000004
【００２１】
キャパシタンスＣ1、Ｃ2は、上部電極面積Ｓが誘電体薄膜の厚みｔ1、ｔ2に比べて極めて大きいことを考慮すれば、比誘電率ε’、真空の誘電率ε0により、Ｃ1＝ε0ε’Ｓ／ｔ1、Ｃ2＝ε0ε’Ｓ／ｔ2と表せるので、これらを（３）式の虚部に代入すると、
【００２２】
【数４】
0004454172.tif 000005
【００２３】
を得る。（４）式により、Ｘ1―2の測定値、薄膜コンデンサ１、２の誘電体薄膜１１、２１の厚みｔ1、ｔ2、角周波数ω、真空の誘電率ε0、上部の電極１２、２２の面積Ｓを代入することにより、誘電体薄膜１１、２１の比誘電率ε’を、電極１２、１３、２２、２３によるインダクタンスの影響を受けずに得ることができる。
【００２４】
又、誘電体薄膜１１、２１の誘電正接ｔａｎδは（３）式の実部と虚部の比
【００２５】
【数５】
0004454172.tif 000006
【００２６】
より求めることができる。
【００２７】
次に、本発明の電極のインダクタンス及び／又は電気抵抗の測定法について詳細に説明する。上記した（１）、（２）式より、誘電体薄膜の特性により決まる電気抵抗Ｒd1、Ｒd2、Ｃ1、Ｃ2を消去するため、（１）式の両辺にｔ2を、（２）式の両辺にｔ1をかける。即ち、
【００２８】
【数６】
0004454172.tif 000007
【００２９】
【数７】
0004454172.tif 000008
【００３０】
ここで平板コンデンサのキャパシタンスが、誘電体薄膜１１、２１の厚みｔ1、ｔ2に逆比例するので、ｔ2／Ｃ1＝ｔ1／Ｃ2となる。又、Ｒd1＝ｔａｎδ／ωＣ1及びＲｄ2＝ｔａｎδ／ωＣ2であることより、ｔ2Ｒd1＝ｔ1Ｒd2となる。従って、（６）―（７）より
【００３１】
【数８】
0004454172.tif 000009
【００３２】
を得る。Ｚ1＝Ｒ1＋ｊＸ1、Ｚ2＝Ｒ2＋ｊＸ2として（８）式の実部を整理すると、
【００３３】
【数９】
0004454172.tif 000010
【００３４】
を得る。（９）式により、Ｒ1、Ｒ2の測定結果、及び誘電体薄膜１１、２１の厚みｔ1、ｔ2を代入することにより、誘電体薄膜１１、２１の影響を受けずに、電極の電気抵抗Ｒeを求められる。同じように（８）式の虚部を整理すると、
【００３５】
【数１０】
0004454172.tif 000011
【００３６】
を得る。（９）式により、Ｘ1、Ｘ2の測定結果から、誘電体薄膜の影響を受けずに、電極１２、１３、２２、２３のインダクタンスＬを求めることができる。
【００３７】
本発明の測定法では、周波数が１Ｍ〜１０ＧＨｚの高周波領域での測定に適しており、特には１Ｍ〜２ＧＨｚでの測定に適している。
【００３８】
本測定法で使用する測定装置は、１ＭＨｚ〜数ＧＨｚにおけるインピーダンスを測定する必要があることから、インピーダンスアナライザーやネットワークアナライザーが適当である。
【００３９】
本測定法によれば、インピーダンスの測定精度を確保するために、インピーダンスが５０オームに近くなるように、測定用の薄膜コンデンサの誘電体薄膜や電極厚み、電極面積を設計、作製することが望ましい。これにより、インピーダンスの測定誤差を小さくすることができる。又、電極の縁端における電界の回り込み効果、即ち縁端効果を無視できるようにするため、電極の直径或いは一片の長さは誘電体薄膜の厚さの１００倍以上であることが望ましい。
【００４０】
【実施例】
本発明の測定法に使用した薄膜コンデンサを図２に示す。この薄膜コンデンサ３は、サファイア基板３５の上にＡｕ電極３３を形成し、その上に（Ｂａ1/2Ｓｒ1/2）ＴｉＯ3誘電体薄膜３１（以後ＢＳＴ薄膜とする）を形成し、さらにその上部に２個の金電極３２、３４を形成することにより構成した。これにより、市販の測定プローバーの２端子を上部から電極３２、３４に接触させて、インピーダンスをより簡便に測定できるようにしている。
【００４１】
誘電体薄膜３１の厚みが０．１４μｍ、０．３０μｍの図２で示した薄膜コンデンサ３を２種類作製し、これらの２種の薄膜コンデンサのインピーダンスから、電極３２、３３、３４のインダクタンスの効果を無視して計算した比誘電率と、それらの２種類の薄膜コンデンサのインピーダンスから、本発明の測定法により電極３２、３３、３４のインダクタンスを補正して求めた比誘電率を図３に示した。
【００４２】
この図３から、電極３２、３３、３４のインダクタンスの効果を補正しない従来の比誘電率の求め方では、５００ＭＨｚ以上で、比誘電率は見かけ上、周波数とともに増加している。これはＬＣ共振の効果である。特に０．１４μｍ厚みの薄膜コンデンサでは、このＬＣ共振の効果がより顕著であることが判る。
【００４３】
これに対し、本発明の測定法により電極３２、３３、３４のインダクタンスを補正して求めた比誘電率は、周波数に対して平坦か、もしくは僅かに減少する傾向を示している。これは比誘電率の周波数特性として妥当な傾向であり、本発明の測定法により電極３２、３３、３４のインダクタンスの効果を補正できていることを示している。
【００４４】
図４では、誘電体薄膜の厚みが０．１４μｍ、０．３０μｍの薄膜コンデンサのインピーダンスから、電極３２、３３、３４の抵抗とインダクタンスの効果を無視して計算した誘電正接と、それらの２種類の薄膜コンデンサのインピーダンスから、本発明の測定法により電極３２、３３、３４の抵抗とインダクタンスを補正して求めた誘電正接を比較している。
【００４５】
この図４から、電極３２、３３、３４の抵抗とインダクタンスの効果を補正しない従来の誘電正接の求め方では、誘電正接は真の値よりも大きく測定されている。特に０．１４μｍ厚みの薄膜コンデンサでは、この効果がより顕著である。
【００４６】
これに対し、本発明の測定法により電極３２、３３、３４の抵抗とインダクタンスを補正して求めた誘電正接は、周波数に対して、よりなだらかに増加する特性を示している。これは誘電体の誘電正接の周波数特性としてより妥当な傾向を示しており、本発明の測定法により電極３２、３３、３４の抵抗とインダクタンスの効果を補正して誘電正接が測定できていることを示している。
【００４７】
図５では、本発明の測定法により、誘電体薄膜の厚みが０．１４μｍ、０．３０μｍの薄膜コンデンサのインピーダンスから、誘電体薄膜によるキャパシタンスと誘電正接の効果を除去して、電極３２、３３、３４の抵抗とインダクタンスを求めた結果を示した。薄膜コンデンサの電極３２、３３、３４のインダクタンスや抵抗を、薄膜コンデンサの特性から直接求めることは従来においては不可能であったが、本発明では、図５から、薄膜コンデンサ電極の微小なインダクタンスや抵抗が測定できることが判る。
【００４８】
【発明の効果】
以上、詳述した通り、本発明の高周波特性測定法によれば、従来測定が困難であった薄膜コンデンサを構成する誘電体薄膜の比誘電率、誘電正接、及び電極のインダクタンス、抵抗をＭＨｚからＧＨｚまでの広い周波数領域で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波特性測定法の測定原理を説明するもので、（ａ）は薄膜コンデンサ１の平面図、（ｂ）は（ａ）の縦断面図、（ｃ）は薄膜コンデンサ１の等価回路、（ｄ）は薄膜コンデンサ２の平面図、（ｅ）は（ｄ）の縦断面図、（ｆ）は薄膜コンデンサ２の等価回路を示す図である。
【図２】本発明の測定法の実施例に使用した薄膜コンデンサを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の縦断面図である。
【図３】薄膜コンデンサを構成する誘電体薄膜の比誘電率の測定結果を示す図である。
【図４】薄膜コンデンサを構成する誘電体薄膜の誘電正接の測定結果を示す図である。
【図５】薄膜コンデンサを構成する電極のインダクタンスと抵抗の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
１、２、３・・・薄膜コンデンサ
１１、２１、３１・・・誘電体薄膜
１２、１３、２２、２３、３２、３３、３４・・・電極
【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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