(57)【要約】【課題】強誘電体の分極の可視化方法とその可視化装置において、試料表面に垂直な分極と平行な分極とを同時に可視化すること。【解決手段】交流電圧VACが印加される第１の探針３と、第１の探針３から間隔をおいて設けられた第２の探針４と、第１の探針３に発生する第１の振動成分を検出する第１の検出部１３と、第２の探針４に発生する第２の振動成分を検出する第２の検出部１４と、画像化部３０とを備え、前記画像化部３０は、強誘電体試料Sの分極の向きが第１の方向D1に平行か反平行かを可視化した第１の分極像IM1を生成し、強誘電体試料Sの分極の向きが前記第２の方向D2に平行か反平行かを可視化した第２の分極像IM2を生成し、第１の分極像IM1と第２の分極像IM2とを合成した合成像IM3を生成する強誘電体の分極の可視化装置による。【選択図】図１
2012173082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体試料の複数の測定点の各々において、第１の探針と前記強誘電体試料との間に交流電圧を印加し、
前記交流電圧の印加により前記第１の探針に発生する振動のうち、前記強誘電体試料の試料表面に垂直な第１の方向への第１の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかを特定し、
第１の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかに応じ、複数の前記測定点の各々における前記強誘電体試料の分極の向きが前記第１の方向に平行か反平行かを可視化した第１の分極像を生成し、
前記強誘電体試料の複数の前記測定点の各々において、前記第１の探針から間隔をおいて設けられた第２の探針と前記強誘電体試料との間に前記交流電圧を印加し、
前記交流電圧の印加により前記第２の探針に発生する振動のうち、前記試料表面に平行な第２の方向への第２の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかを特定し、
前記第２の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかに応じ、複数の前記測定点の各々における前記強誘電体試料の分極の向きが前記第２の方向に平行か反平行かを可視化した第２の分極像を生成し、
前記第１の分極像と前記第２の分極像とを合成した合成像を生成することを特徴とする強誘電体の分極の可視化方法。
【請求項２】
強誘電体試料を載せるステージと、
前記強誘電体試料の複数の測定点の各々において、該強誘電体試料との間で交流電圧が印加される第１の探針と、
前記第１の探針から間隔をおいて設けられると共に、前記測定点の各々において、前記強誘電体試料との間で前記交流電圧が印加される第２の探針と、
前記交流電圧が印加されているときに前記第１の探針に発生する振動のうち、前記強誘電体試料の試料表面に垂直な第１の方向への第１の振動成分を検出する第１の検出部と、
前記交流電圧が印加されているときに前記第２の探針に発生する振動のうち、前記試料表面に平行な第２の方向への第２の振動成分を検出する第２の検出部と、
前記第１の振動成分と前記第２の振動成分とに基づいて前記強誘電体試料の分極の向きを可視化する画像化部とを備え、
前記画像化部は、
前記第１の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかに応じ、複数の前記測定点の各々における前記強誘電体試料の分極の向きが前記第１の方向に平行か反平行かを可視化した第１の分極像を生成し、
前記第２の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかに応じ、複数の前記測定点の各々における前記強誘電体試料の分極の向きが前記第２の方向に平行か反平行かを可視化した第２の分極像を生成し、
前記第１の分極像と前記第２の分極像とを合成した合成像を生成することを特徴とする強誘電体の分極の可視化装置。
【請求項３】
先端に前記第１の探針が固定される第１の梁と、
先端に前記第２の探針が固定される第２の梁とを更に備え、
前記第１の梁の延在方向と前記第１の探針の延在方向との間の角度、及び、前記第２の梁の延在方向と前記第２の探針の延在方向との間の角度の少なくとも一方が鈍角であることを特徴とする請求項２に記載の強誘電体の分極の可視化装置。
【請求項４】
前記第１の梁に向けて第１のレーザ光を照射する第１の光源と、
前記第２の梁に向けて第２のレーザ光を照射する第２の光源とを更に有し、
前記第１の検出部は、前記第１の梁で反射した前記第１のレーザ光を受光して前記第１の振動成分を示す第１の振動検出信号を出力する第１の多分割光検出器であり、
前記第２の検出部は、前記第２の梁で反射した前記第２のレーザ光を受光して前記第２の振動成分を示す第２の振動検出信号を出力する第２の多分割光検出器であることを特徴とする請求項３に記載の強誘電体の分極の可視化装置。
【請求項５】
前記第１の梁に、前記第１のレーザ光を反射する第１の突起が設けられ、
前記第２の梁に、前記第２のレーザ光を反射する第２の突起が設けられたことを特徴とする請求項４に記載の強誘電体の分極の可視化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電体の分極の可視化方法及びその可視化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
PZT(lead zirconate titanate)膜等の強誘電体膜はFeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)等の強誘電体デバイスに広く使用されており、強誘電体膜の分極方向は強誘電体デバイスの電気的特性に大きな影響を与える。特に、強誘電体膜の表面近傍には、他の領域とは逆向きの分極が局所的に発生することがあり、そのような領域の有無を可視化することは強誘電体デバイスの不良解析に資することになる。
【０００３】
そこで、強誘電体膜の各ドメインがどの方向に分極しているのかを可視化し、それを強誘電体デバイスの不良解析に役立てる技術が提案されている。
【０００４】
そのような技術としては、例えば、原子間力顕微鏡を利用した圧電応答顕微鏡（PFM: Piezoresponse Force Microscopy）がある。圧電応答顕微鏡では、強誘電体膜と探針との間に交流電圧を印加することで、強誘電体膜に膜厚方向の振動を生じさせる。そして、その振動が交流電圧と同位相か逆位相かを探針で検出することにより、強誘電体膜の各ドメインの分極方向を把握することができる。
【０００５】
但し、この方法では、膜厚方向に平行な分極方向しか分からず、強誘電体膜の表面に対して横向きの分極を見逃してしまう。
【０００６】
横向きの分極を検出するには、上記のように強誘電体膜と探針との間に交流電圧を印加した状態で、探針の横方向の振動を測定すればよい。
【０００７】
しかし、これでは膜厚方向を向いた分極を検出するために強誘電体膜の表面を探針で走査した後、横方向を向いた分極を検出するために再び探針を走査させる必要があり、各回の走査で同じ箇所を測定できるという確証がない。
【０００８】
更に、一回目の走査と二回目の走査との間で時間が空いて計測時間が長くなるという問題もこの方法にはある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−２８６６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
強誘電体の分極の可視化方法及びその可視化装置において、試料表面に垂直な分極と平行な分極とを同時に可視化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下の開示の一観点によれば、強誘電体試料の複数の測定点の各々において、第１の探針と前記強誘電体試料との間に交流電圧を印加し、前記交流電圧の印加により前記第１の探針に発生する振動のうち、前記強誘電体試料の試料表面に垂直な第１の方向への第１の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかを特定し、第１の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかに応じ、複数の前記測定点の各々における前記強誘電体試料の分極の向きが前記第１の方向に平行か反平行かを可視化した第１の分極像を生成し、前記強誘電体試料の複数の前記測定点の各々において、前記第１の探針から間隔をおいて設けられた第２の探針と前記強誘電体試料との間に前記交流電圧を印加し、前記交流電圧の印加により前記第２の探針に発生する振動のうち、前記試料表面に平行な第２の方向への第２の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかを特定し、前記第２の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかに応じ、複数の前記測定点の各々における前記強誘電体試料の分極の向きが前記第２の方向に平行か反平行かを可視化した第２の分極像を生成し、前記第１の分極像と前記第２の分極像とを合成した合成像を生成する強誘電体の分極の可視化方法が提供される。
【００１２】
また、その開示の他の観点によれば、強誘電体試料を載せるステージと、前記強誘電体試料の複数の測定点の各々において、該強誘電体試料との間で交流電圧が印加される第１の探針と、前記第１の探針から間隔をおいて設けられると共に、前記測定点の各々において、前記強誘電体試料との間で前記交流電圧が印加される第２の探針と、前記交流電圧が印加されているときに前記第１の探針に発生する振動のうち、前記強誘電体試料の試料表面に垂直な第１の方向への第１の振動成分を検出する第１の検出部と、前記交流電圧が印加されているときに前記第２の探針に発生する振動のうち、前記試料表面に平行な第２の方向への第２の振動成分を検出する第２の検出部と、前記第１の振動成分と前記第２の振動成分とに基づいて前記強誘電体試料の分極の向きを可視化する画像化部とを備え、前記画像化部は、前記第１の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかに応じ、複数の前記測定点の各々における前記強誘電体試料の分極の向きが前記第１の方向に平行か反平行かを可視化した第１の分極像を生成し、前記第２の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかに応じ、複数の前記測定点の各々における前記強誘電体試料の分極の向きが前記第２の方向に平行か反平行かを可視化した第２の分極像を生成し、前記第１の分極像と前記第２の分極像とを合成した合成像を生成する強誘電体の分極の可視化装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
以下の開示によれば、第１の探針と第２の探針を利用して強誘電体試料の分極の方向を特定するので、試料表面に垂直な分極と平行な分極とを同時に可視化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、第１実施形態に係る強誘電体の分極の可視化装置である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る可視化装置が備える４分割検出器の受光面の模式図である。
【図３】図３は、第１実施形態に係る強誘電体の分極の可視化方法の原理を示すも式断面図である。
【図４】図４は、第１実施形態において生成される第１の分極像の模式図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態において、試料表面に平行な方向への分極の可視化方法の原理を示す模式断面図である。
【図６】図６は、第１実施形態において生成される第２の分極像の模式図である。
【図７】図７は、第１実施形態において生成される合成像の模式図である。
【図８】図８は、第１実施形態に係る第１の探針と第２の探針の走査方法について示す模式図である。
【図９】図９は、第１実施形態に係る第１の探針と第２の探針の側面図である。
【図１０】図１０は、第１実施形態において分極を可視化する対象となる強誘電体試料の平面図である。
【図１１】図１１は、第１実施形態に係る分極の可視化方法のフローチャートである。
【図１２】図１２は、第１実施形態において実際に生成された第１の分極像である。
【図１３】図１３は、第１実施形態において実際に生成された第２の分極像である。
【図１４】図１４（ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る第１の探針の製造途中の断面図である。
【図１５】図１５は、第２実施形態で行う電解研磨について説明するための模式図である。
【図１６】図１６（ａ）は、第２実施形態で電解研磨をする前の第１の探針の断面図であり、図１６（ｂ）は電解研磨をした後の第１の探針の断面図である。
【図１７】図１７は、第２実施形態に従って製造された第１の探針の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る強誘電体の分極の可視化装置の構成図である。
【００１６】
この可視化装置１は、圧電応答顕微鏡（PFM）であって、ステージ２、第１の探針３、第２の探針４、第１のピエゾ素子１１、及び第２のピエゾ素子１２を備える。
【００１７】
このうち、ステージ２は、金属等の導電性材料を加工してなり、交流電源２６の一方の極に接続される。
【００１８】
また、ステージ２の上には分極方向の測定対象となる強誘電体試料Sが載置される。
【００１９】
強誘電体試料Sは、シリコン基板１００と、その上に順に形成された下部電極１０１及び強誘電体膜１０２を備える。このうち、下部電極１０１はプラチナ膜であり、強誘電体膜１０２はPZT膜である。
【００２０】
その下部電極１０２とシリコン基板１００の各側面には導電性ペースト２７が塗布されており、これにより下部電極１０１がステージ２と同電位にされる。
【００２１】
一方、第１の探針３と第２の探針４の各々は、タングステンワイヤを加工して形成され、それぞれ第１の梁５と第２の梁６の一方の端部に固定される。第１の探針３と第２の探針の電位は特に限定されないが、本実施形態ではこれらの探針３、４の電位を接地電位とする。
【００２２】
第１のピエゾ素子１１と第２のピエゾ素子１２は、それぞれ第１の梁５と第２の梁６の他方の端部に接続される。後述のように、第１のピエゾ素子１１は、第１の駆動電圧V1を受けて強誘電体試料Sの試料表面Mに対して垂直な第１の方向D1に駆動し、第１の探針３と試料表面Mとの間の原子間力を一定にするように機能する。
【００２３】
同様に、第２のピエゾ素子１２は、第２の駆動電圧V2を受けて第１の方向D1に駆動し、第２の探針５と試料表面Mとの間の原子間力を一定にするように機能する。
【００２４】
また、ステージ２の上方には、第１の梁５に向けて第１のレーザ光L1を照射する第１の光源１５と、第２の梁６に向けて第２のレーザ光L2を照射する第２の光源１６とが設けられる。
【００２５】
これらのレーザ光のうち、第１のレーザ光L1は第１の梁５の上面に設けられた第１の突起５ａにより反射し、第２のレーザ光L2は第２の梁６の上面に設けられた第２の突起６ａにより反射する。
【００２６】
第１の探針３と第１の探針４の各々の上方には、このように反射した各レーザ光L1、L2を受光する第１の４分割光検出器１３と第２の４分割光検出器１４が設けられる。
【００２７】
図２は、これらの４分割検出器１３、１４の受光面Rの模式図である。
【００２８】
受光面Rは概略円形であって、その中心を通る直線によって区画された第１〜第４の受光領域R1〜R4を備える。
【００２９】
第１〜第４の受光領域R1〜R4は、それぞれ独立した４つのフォトダイオードの受光面である。そして、４分割検出器１３、１４の各々からは、第１〜第４の受光領域R1〜R4の各々の受光量に応じた４つの電圧が出力電圧として出力される。
【００３０】
再び図１を参照する。
【００３１】
上記した第１の４分割光検出器１３の後段には、第１のフィードバック回路１７と第１のロックインアンプ１９が設けられる。
【００３２】
このうち、第１のロックインアンプ１９には、第１の４分割光検出器１３の出力電圧が第１の振動検出信号Sa1として入力されると共に、上記した交流電源２６の交流電圧VACが参照電圧として入力される。その第１の振動検出信号Sa1は、第１の探針３に現れる振動のうち、第１の方向D1に平行な第１の振動成分A1を示す信号である。
【００３３】
そして、第１のロックインアンプ１９から出力される第１の出力信号Sout1は直流電圧であって、第１の振動検出信号Sa1と交流電圧VACとの位相差がαのとき、第１の出力信号Sout1の電圧値はAcosα（Aは所定値）となる。このように第１の出力信号Sout1は位相差αを反映しているので、第１の出力信号Sout1に基づいて、第１の振動検出信号Sa1と交流電圧VACとが同位相であるか否かを判断することができる。
【００３４】
また、第１のフィードバック回路１７には、第１の４分割光検出器１３の出力電圧が、第１の変位信号Sb1として入力される。第１の変位信号Sb1は、第１の探針３の変位量のうち、第１の方向D1に平行な方向への第１の変位量B1を示す信号である。
【００３５】
第１のフィードバック回路１７は、上記した第１の変位信号Sb1に基づいて第１の探針３の第１の変位量B1を検出する。そして、第１のフィードバック回路１５から出力される第１の駆動電圧V1は、第１のピエゾ素子１１の変位量が第１の変位量B1を打ち消すような値とされる。これにより、第１の探針３と試料表面Mとの間隔が一定に保たれると共に、それらの間の原子間力も一定に保たれる。
【００３６】
一方、第２の４分割光検出器１４の後段には、第２のフィードバック回路１８と第２のロックインアンプ２０が設けられる。
【００３７】
このうち、第２のロックインアンプ２０には、第２の４分割光検出器１４の出力電圧が第２の振動検出信号Sa2として入力されると共に、上記の交流電源２６の交流電圧VACが参照電圧として入力される。その第２の振動検出信号Sa2は、第２の探針４に現れる振動のうち、試料表面Mに平行な第２の方向D2への第２の振動成分A2を示す信号である。
【００３８】
そして、第２のロックインアンプ２０から出力される第２の出力信号Sout2は直流電圧であって、第２の振動検出信号Sa2と交流電圧VACとの位相差がαのとき、その第２の出力信号Sout2の電圧値はAcosα（Aは所定値）となる。このように第２の出力信号Sout2は位相差αを反映しているので、第２の出力信号Sout2に基づいて、第２の振動検出信号Sa2と交流電圧VACとが同位相であるか否かを判断することができる。
【００３９】
一方、第２のフィードバック回路１８には、第２の４分割光検出器１４の出力電圧が、第２の変位信号Sb2として入力される。第２の変位信号Sb2は、第２の探針４の変位量のうち、第１の方向D1に平行な方向への第２の変位量B2を示す信号である。
【００４０】
第２のフィードバック回路１８は、上記した第２の変位信号Sb2に基づいて第２の探針４の第２の変位量B2を検出する。そして、第２のフィードバック回路１８から出力される第２の駆動電圧V2は、第２のピエゾ素子１２の変位量が第２の変位量B2を打ち消すような値とされる。これにより、第２の探針４と試料表面Mとの間隔が一定に保たれると共に、それらの間の原子間力も一定に保たれる。
【００４１】
上記した第１のロックインアンプ１９と第２のロックインアンプ２０の後段には、第１の出力信号Sout1と第２の出力信号Sout2とが入力される画像化部３０が設けられる。
【００４２】
画像化部３０は、パーソナルコンピュータ等の電子計算機であって、各出力信号Sout1、Sout2に基づいて後述のように強誘電体膜１０２の分極像を生成する。そして、その分極像は、画像化部３０に接続されたモニタ３１に表示される。
【００４３】
次に、このような可視化装置１を用いて強誘電体膜１０２の分極方向を可視化する方法について説明する。
【００４４】
図３は、その可視化方法の原理を示す模式断面図であって、試料表面Mに対して垂直な第１の方向D1の分極方向を可視化する場合を例示するものである。
【００４５】
図３に示すように、強誘電体膜１０２には、分極Pの方向が異なる複数のドメインq1、q2、…が存在する。そして、第１の探針３と下部電極１０１との間に上記の交流電圧VACを印加すると、強誘電体膜１０２の各ドメインの膜厚が減少したり増加したりする。
【００４６】
膜厚が減少するか増加するかはそのドメインにおける分極Pの方向に依存し、分極Pの方向と電界の方向とが平行であれば膜厚が増加し、反平行であれば減少する。
【００４７】
そのような膜厚の増減は、強誘電体の電界誘起歪Sとして捉えることができる。電界誘起歪Sは、強誘電体に印加する電圧をEとして、次の式（１）で表される。
【００４８】
S=dE＋Qε02εr2E2・・・（１）
なお、式（１）において、Qは強誘電体の電歪定数、dは強誘電体の圧電定数、ε0は真空の誘電率、εrは強誘電体の誘電率である。
【００４９】
ここで、本実施形態のように電圧Eが交流電圧であり、E＝VACsinωt（ωは角振動数）と表すと、式（１）は次の式（２）のように表される。
【００５０】
S＝dVACsinωt＋Qε02εr2VAC2sin2ωt
＝1/2（Qε02εr2VAC2）＋dVACsinωt＋1/2（Qε02εr2VAC2 cos2ωt）・・・（２）
式（２）の右辺第１項は、電界誘起歪Sの直流成分であって、電歪効果に起因して現れるものである。
【００５１】
また、式（２）の右辺第２項は、印加した交流電圧と同じ周波数を有しており、逆圧電効果に起因して現れるものである。
【００５２】
そして、式（２）の右辺第３項は、印加した交流電圧の２倍の周波数成分を有しており、電歪効果に起因して現れるものである。
【００５３】
本実施形態では、第１のロックインアンプ１９の第１の出力信号Sout1により第１の振動検出信号Sa1と交流電圧VACとが同位相であるか否かを判断できるので、上記した式（２）の右辺第２項が原因で強誘電体膜１０２に生じた膜厚変動を捉えることになる。
【００５４】
その膜厚変動の方向は、図３に示したように、強誘電体膜１０２の分極の方向が第１の方向D1と平行か反平行かにより逆になる。
【００５５】
よって、第１出力信号Sout1を利用して、第１の振動検出信号Sa1が交流電圧VACと同位相か逆位相であるかが分かれば、強誘電体膜１０２の分極の方向が第１の方向D1と平行か反平行かを特定できる。
【００５６】
そこで、画像化部３０は、第１の出力信号Sout1に基づいて、強誘電体膜１０２の分極方向が第１の方向D1と平行か反平行かを判断する。そのような判断は強誘電体膜１０２の各測定点で行われ、それに基づき画像化部３０は分極方向を示す第１の分極像IM1を生成する。
【００５７】
図４は、そのように生成された第１の分極像IM1の模式図である。
【００５８】
図４に示すように、この第１の分極像IM1では、分極Pの方向が第１の方向D1と平行か反平行かに応じ、ドメインq1、q3の表面が異なる色彩で現される。
【００５９】
なお、図４では、強誘電体膜１０２が立体的に描かれているが、これは分極Pの方向を説明するための便宜的なものであって、実際にモニタ３１（図１参照）に表示されるのは色分け表示された各ドメインの表面のみである。これについては、後述の図６及び図７でも同様である。
【００６０】
また、ドメインq2、q4には色彩が付されていないが、これはドメインq2、q4の分極の方向が第２の方向D2を向いているため、第１の探針３ではその分極の方向を特定できないからである。
【００６１】
分極の方向が第２の方向D2に平行か反平行かは、以下のように第２の探針４を利用して可視化し得る。
【００６２】
図５（ａ）、（ｂ）は、その可視化方法の原理を示す模式断面図であって、試料表面Mに対して平行な第２の方向D2の分極方向を可視化する場合を例示するものである。
【００６３】
図５（ａ）と図５（ｂ）とでは、強誘電体膜１０２のドメインq2における分極Pの向きが互いに反対である。
【００６４】
この場合、第２の探針４を介して強誘電体膜１０２に交流電圧VACを印加すると、ドメインq2が第２の方向D2に変形する。その変形の方向は、分極Pの向きが第２の方向D2に平行か反平行かで逆向きとなる
そして、このようなドメインq2の変形につられ、第２の探針４もドメインq2と同じ方向に移動するので、第２の探針４の第２の方向D2への振動が交流電圧VACと同位相が逆位相かを特定することで、分極Pが第２の方向D2に平行か反平行かを特定できる。
【００６５】
そこで、画像化部３０は、第２の出力信号Sout2に基づいて、強誘電体膜１０２の分極方向が第２の方向D2と平行か反平行かを判断する。そのような判断は強誘電体膜１０２の各点で行われ、それに基づき画像化部３０は分極方向を示す第２の分極像IM2を生成する。
【００６６】
図６は、そのように生成された第２の分極像IM2の模式図である。
【００６７】
図６に示すように、第２の分極像IM2では、分極Pの方向が第２の方向D2と平行か反平行かに応じ、ドメインq2、q4の表面が異なる色彩で現される。
【００６８】
これに対し、ドメインq1、q3には色彩が付されていないが、これはドメインq1、q3の分極の方向が第１の方向D1を向いているため、第２の探針４ではその分極の方向を特定できないからである。
【００６９】
このように、第１の探針３と第２の探針４は第１の分極像IM1と第２の分極像IM2を取得するのに使用されるが、各々の分極像IM1、IM2だけでは強誘電体膜１０２の全体の分極方向を把握できない。
【００７０】
そこで、図７に示すように、画像化部３０がこれら第１の分極像IM1と第２の分極像IM2とを合成してなる合成像IM3を生成する。
【００７１】
モニタ３１（図１参照）に表示された合成像IM3を見ることで、ユーザは、強誘電体膜１０２のどこに欠陥があるのかを把握することができ、FeRAM等の強誘電体デバイスの不良解析に役立てることができる。
【００７２】
更に、合成像IM3には、第１の方向D1と第２の方向D2のそれぞれの分極方向が現されるため、単一の方向の分極だけを現す場合と比較して、不良解析に役立つ多くの情報を得ることができる。
【００７３】
特に、強誘電体膜１０２の表面近傍には、他の領域とは逆向きの分極が局所的に発生することがあり、そのような領域の有無を本実施形態に従って可視化することは強誘電体デバイスの不良解析に資することになる。
【００７４】
次に、第１の探針３と第２の探針４の走査方法について説明する。
【００７５】
図８は、第１の探針３と第２の探針４の走査方法について示す模式図である。
【００７６】
第１の探針３は、不図示の駆動機構によって、水平方向に延在する走査線Kに沿って左から右へ強誘電体膜１０２を走査する。走査線Kは、互いに平行になるように複数設定され、走査線Kの本数は例えば２５６本である。更に、一つ一つの走査線Kには例えば２５６点の測定点K0があり、各測定点K0において第１の探針３により分極方向が特定される。
【００７７】
なお、第１の探針３による走査領域は、一辺の長さが約１μm程度の正方形の領域であり、隣接する測定点K0同士の間隔は約４nm程度である。
【００７８】
一方、第２の探針４は、第１の探針３との間隔Dが固定された状態で、走査線Kに沿って第１の探針３の後を追うように駆動され、第１の探針３と同一の測定点K0において分極の方向を特定する。
【００７９】
特に、本実施形態では、第１の梁５の延在方向E1と第１の探針３の延在方向E2との間の角度θ1と、第２の梁６の延在方向E3と第２の探針４の延在方向E4との間の角度θ2の各々を鈍角にする。
【００８０】
これにより、各梁５、６の先端５ｘ、６ｘ同士が衝突するのを防止しながら、各探針３、４の先端を互いに近接させることができ、上記した間隔Dを可能な限り狭くすることができる。
【００８１】
その結果、第１の探針３によって強誘電体膜１０２の分極の方向を測定した後に、長い時間間隔をおかずに同一箇所を第２の探針４で測定することができ、探針３、４による測定の間に分極方向が変化する危険性がなくなり、分極方向を正確に測定することができる。
【００８２】
なお、各探針３、４同士の間隔Dは特に限定されないが、本実施形態では間隔Dを約５０nmとする。
【００８３】
図９は、第１の探針３と第２の探針４の側面図である。
【００８４】
本実施形態では、第１の梁５に第１の突起５ａを設けると共に、第２の梁６に第２の突起６ａを設ける。
【００８５】
既述のように、第１の突起５ａは第１のレーザ光L1を反射するように機能し、第２の突起６ａは第２のレーザ光L2を反射するように機能する。
【００８６】
このように各突起５ａ、６ａで各レーザ光L1、L2を反射させることで、反射後の各レーザ光L1、L2の光路が交わるのを防止できる。そのため、反射後の第１のレーザ光L1が誤って第２の４分割光検出器１４に入ったり、反射後の第２のレーザ光L2が誤って第１の４分割光検出器１３に入ったりするのを防止でき、各４分割光検出器１３、１４で各探針３、４の変位を誤認する危険性を低減できる。
【００８７】
次に、上記の可視化装置１を用いた分極可視化方法について説明する。
【００８８】
図１０は、分極を可視化する対象となる強誘電体試料Sの平面図である。図１０に示すように、この例では、厚さが約１００nmプラチナ膜をパターニングしてなる下部電極１０１の上に、厚さが約５０nmの島状のPZT膜が強誘電体膜１０２として複数形成される。
【００８９】
図１１は、本実施形態に係る分極の可視化方法のフローチャートである。
【００９０】
最初のステップP1では、図１に示したように、交流電源２６を利用して、強誘電体試料Sと第１の探針３との間、及び、強誘電体試料Sと第２の探針４の間に交流電圧VACを印加する。
【００９１】
交流電圧VACの電圧値は、測定対象の強誘電体試料Sの抗電圧以下にするのが好ましい。本実施形態では、交流電圧VACの周波数を０．２kHzにすると共に、交流電圧VACのpeak to peakの電圧値を１Vとする。
【００９２】
次のステップP2では、不図示の駆動機構を用いて、第１の探針３と第２の探針４の各々を強誘電体試料Sの測定点K0に移動させる。なお、図８に示したように、各探針３、４の先端は間隔Dだけ隔てられているので、各探針３、４が同一の測定点K0に同時に移動するということはなく、本ステップでは同一の走査線K上の異なる測定点K0に各探針３、４が移動する。
【００９３】
次のステップP3では、交流電圧VACの印加により第１の探針３に発生する振動のうち、試料表面Mに垂直な第１の方向D1への第１の振動成分A1が交流電圧VACと同位相か逆位相であるかを特定する。
【００９４】
本ステップは、第１のロックインアンプ１９から出力される第１の出力信号Sout1に基づいて画像化部３０が行う。
【００９５】
次に、ステップP4に移り、上記した交流電圧VACの印加によって第２の探針４に発生する振動のうち、試料表面Mに平行な第２の方向D2への第２の振動成分A2が交流電圧VACと同位相か逆位相であるかを特定する。
【００９６】
本ステップは、第２のロックインアンプ２０から出力される第２の出力信号Sout2に基づいて画像化部３０が行う。
【００９７】
次に、ステップP5に移り、画像化部３０が、上記したステップP3とステップP4とを強誘電体試料Sの全ての測定点K0において行ったか否かを判断する。
【００９８】
ここで、行っていない（ＮＯ）と判断された場合には、再びステップP2に移り、未測定の測定点K0に第１の探針３と第２の探針４とを移動させる。
【００９９】
一方、ステップP5において行った（ＹＥＳ）と判断された場合には、ステップP6に移る。
【０１００】
本ステップでは、画像化部３０が、各測定点K0における第１の振動成分A1が交流電圧VACと同位相か逆位相であるかに応じ、強誘電体膜１０２の分極の向きが第１の方向D1に平行か反平行かを可視化した第１の分極像IM1を生成する。
【０１０１】
図１２は、このようにして実際に生成された第１の分極像IM1である。図１２に示すように、分極の向きが第１の方向D1に平行か反平行かに応じて各ドメインに異なる色彩が付される。
【０１０２】
次に、ステップP7に移り、画像化部３０が、各測定点K0における第２の振動成分A2が交流電圧VACと同位相か逆位相であるかに応じ、強誘電体膜１０２の分極の向きが第２の方向D2に平行か反平行かを可視化した第２の分極像IM2を生成する。
【０１０３】
図１３は、このようにして実際に生成された第２の分極像IM2であり、分極の向きが第２の方向D2に平行か反平行かに応じて各ドメインに異なる色彩が付される。
【０１０４】
次いで、ステップP8に移り、画像化部３０が、第１の分極像IM1と第２の分極像IM2とを合成してなる合成像IM3を生成する。
【０１０５】
以上により、本実施形態に係る分極可視化方法の基本ステップを終了する。
【０１０６】
上記した本実施形態では、第１の探針３と第２の探針４を利用するので、試料表面Mに対して垂直な第１の方向D1の分極だけでなく、試料表面Mに対して平行な第２の方向D2の分極をも可視化でき、ユーザの便宜に資することができる。
【０１０７】
更に、第２の探針４に第１の探針３の後を追わせるので、第１の探針３で分極方向を測定した後にすぐさま第２の探針４で分極方向を測定でき、各探針３、４による測定に過度な時間差が発生するのを防止できる。
【０１０８】
本実施形態に従うと、合成像IM3を得るのに要する時間は約５分であり、強誘電体膜１０２の分極を短時間で把握することができる。
【０１０９】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態で説明した第１の探針３の製造方法について説明する。
【０１１０】
図１４（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る第１の探針３の製造途中の断面図である。
【０１１１】
なお、第２の探針４も第１の探針３と同じ方法により製造されるので、以下では第２の探針４の製造方法については省略する。
【０１１２】
まず、図１４（ａ）に示すように、シリコンの母材をエッチングにより加工することで、ベース４０、第１の梁５、及び第１の突起５ａが一体的に形成されてなる構造体５０を作製する。
【０１１３】
そして、その構造体５０の表面に耐腐食性に優れた金メッキを施す。
【０１１４】
なお、このようにシリコンの母材から構造体５０を作製するのではなく、市販されている探針付きの梁を構造体５０として利用してもよい。そのような探針付きの梁としては、例えば、SIINT社製のSI-DF3がある。但し、市販品では、梁と探針との間の角が鋭角になっているので、Gaイオンを使用するFIB(Focused Ion Beam)で既存の探針を除去し、以下のように新たに探針を付け直すのが好ましい。
【０１１５】
次いで、図１４（ｂ）に示すように、第１の梁５の先端部分に、導電性ペーストを利用して第１の探針３を新たに付着する。付着に際しては、第１の梁５の延在方向E1と第１の探針３の延在方向E2との間の角度θ1が鈍角になるようにする。
【０１１６】
このように角度θ1を鈍角にすることで、図８を参照して説明したように、第１の探針３と第２の探針４との間隔Dを狭めることができる。
【０１１７】
なお、第１の探針３としては、例えば、先端部が円錐状に先鋭化された市販のタングステンワイヤを使用し得る。本実施形態では、多結晶タングステンを材料とする直径が０．２５mmのタングステンワイヤを使用する。そのタングステンワイヤの先端部は、機械研磨によって約１００nm程度の直径に先鋭化されている。
【０１１８】
但し、この程度の直径ではPFM用の探針としてはまだ不十分である。そこで、次の工程では、電界研磨により第１の探針３を更に先鋭化する。
【０１１９】
図１５は、その電界研磨について説明するための模式図である。
【０１２０】
電界研磨に際しては、図１５に示すように、容器４８内に溜められたKOH水溶液等の電解液４７中に、第１の探針３と金の対向電極４６とを浸漬する。そして、電源４５により第１の探針３と電極４６との間に通電を行うことで第１の探針３に対して電解研磨を行う。
【０１２１】
電解研磨の条件は特に限定されない。本実施形態では、電源４５により電圧値が１０Vで周波数が３０kHzのパルス電圧を生成し、電解液４７中への第１の探針３の浸漬時間を５秒とする。
【０１２２】
図１６（ａ）は電解研磨前の第１の探針３の断面図であり、図１６（ｂ）は電解研磨後の第１の探針３の断面図である。
【０１２３】
図１６（ａ）に示すように、電解研磨前では第１の探針３の円錐状の先端部の長さTは約１mm程度であるが、電解研磨をした後では図１６（ｂ）のように先端部の長さTが約０．５mm程度になる。
【０１２４】
また、電解研磨によって第１の探針３の先端の直径は約１０nm程度となる。
【０１２５】
その後に、不図示のモータを利用して電解液４７から第１の探針３を引き上げる。そして、純水により第１の探針３を洗浄した後、窒素ブロワーで第１の探針３を乾燥させる。
【０１２６】
以上により、本実施形態に係る第１の探針３の基本構造が完成する。
【０１２７】
図１７は、そのように製造された第１の探針３の斜視図である。
【０１２８】
この第１の探針３によれば、その延在方向E2と第１の梁５の延在方向E1との間の角度θ1が鈍角になるので、第１実施形態の図８のように第２の探針４との間隔Dを狭めることができる。
【０１２９】
そして、第１の梁５の上に第１の突起５ａを形成することで、図９のように第１の突起５ａで第１のレーザ光L1を反射させることができ、第１のレーザ光L1が誤って第２の４分割光検出器１４に入るのを防止できる。
【０１３０】
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１３１】
（付記１）  強誘電体試料の複数の測定点の各々において、第１の探針と前記強誘電体試料との間に交流電圧を印加するステップと、
前記交流電圧の印加により前記第１の探針に発生する振動のうち、前記強誘電体試料の試料表面に垂直な第１の方向への第１の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかを特定するステップと、
第１の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかに応じ、複数の前記測定点の各々における前記強誘電体試料の分極の向きが前記第１の方向に平行か反平行かを可視化した第１の分極像を生成するステップと、
前記強誘電体試料の複数の前記測定点の各々において、前記第１の探針から間隔をおいて設けられた第２の探針と前記強誘電体試料との間に前記交流電圧を印加するステップと、
前記交流電圧の印加により前記第２の探針に発生する振動のうち、前記試料表面に平行な第２の方向への第２の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかを特定するステップと、
前記第２の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかに応じ、複数の前記測定点の各々における前記強誘電体試料の分極の向きが前記第２の方向に平行か反平行かを可視化した第２の分極像を生成するステップと、
前記第１の分極像と前記第２の分極像とを合成した合成像を生成するステップと、
を有することを特徴とする強誘電体の分極の可視化方法。
【０１３２】
（付記２）  前記第１の探針と前記強誘電体試料との間に交流電圧を印加するときに、所定の走査線に沿って前記強誘電体試料上を前記第１の探針が走査し、
前記第２の探針と前記強誘電体試料との間に前記交流電圧を印加するときに、前記第２の探針が前記走査線に沿って前記第１の探針の後を追うことを特徴とする付記１に記載の強誘電体の分極の可視化方法。
【０１３３】
（付記３）  強誘電体試料を載せるステージと、
前記強誘電体試料の複数の測定点の各々において、該強誘電体試料との間で交流電圧が印加される第１の探針と、
前記第１の探針から間隔をおいて設けられると共に、前記測定点の各々において、前記強誘電体試料との間で前記交流電圧が印加される第２の探針と、
前記交流電圧が印加されているときに前記第１の探針に発生する振動のうち、前記強誘電体試料の試料表面に垂直な第１の方向への第１の振動成分を検出する第１の検出部と、
前記交流電圧が印加されているときに前記第２の探針に発生する振動のうち、前記試料表面に平行な第２の方向への第２の振動成分を検出する第２の検出部と、
前記第１の振動成分と前記第２の振動成分とに基づいて前記強誘電体試料の分極の向きを可視化する画像化部とを備え、
前記画像化部は、
前記第１の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかに応じ、複数の前記測定点の各々における前記強誘電体試料の分極の向きが前記第１の方向に平行か反平行かを可視化した第１の分極像を生成し、
前記第２の振動成分が前記交流電圧と同位相か逆位相であるかに応じ、複数の前記測定点の各々における前記強誘電体試料の分極の向きが前記第２の方向に平行か反平行かを可視化した第２の分極像を生成し、
前記第１の分極像と前記第２の分極像とを合成した合成像を生成することを特徴とする強誘電体の分極の可視化装置。
【０１３４】
（付記４）  先端に前記第１の探針が固定される第１の梁と、
先端に前記第２の探針が固定される第２の梁とを更に備え、
前記第１の梁の延在方向と前記第１の探針の延在方向との間の角度、及び、前記第２の梁の延在方向と前記第２の探針の延在方向との間の角度の少なくとも一方が鈍角であることを特徴とする付記３に記載の強誘電体の分極の可視化装置。
【０１３５】
（付記５）  前記第１の梁に向けて第１のレーザ光を照射する第１の光源と、
前記第２の梁に向けて第２のレーザ光を照射する第２の光源とを更に有し、
前記第１の検出部は、前記第１の梁で反射した前記第１のレーザ光を受光して前記第１の振動成分を示す第１の振動検出信号を出力する第１の多分割光検出器であり、
前記第２の検出部は、前記第２の梁で反射した前記第２のレーザ光を受光して前記第２の振動成分を示す第２の振動検出信号を出力する第２の多分割光検出器であることを特徴とする付記４に記載の強誘電体の分極の可視化装置。
【０１３６】
（付記６）  前記第１の梁に、前記第１のレーザ光を反射する第１の突起が設けられ、
前記第２の梁に、前記第２のレーザ光を反射する第２の突起が設けられたことを特徴とする付記５に記載の強誘電体の分極の可視化装置。
【０１３７】
（付記７）  前記第１の振動検出信号と前記交流電圧とが同位相であるか否かを示す第１の出力信号を出力する第１のロックインアンプと、
前記第２の振動検出信号と前記交流電圧とが同位相であるか否かを示す第２の出力信号を出力する第２のロックインアンプとを更に備え、
前記画像化部は、前記第１の出力信号に基づいて前記第１の振動成分と前記交流電圧とが同位相であるか否かを判断し、前記第２の出力信号に基づいて前記第２の振動成分と前記交流電圧とが同位相であるか否かを判断することを特徴とする付記５又は付記６に記載の強誘電体の分極の可視化装置。
【０１３８】
（付記８）  前記第１の検出器は、前記第１の探針の変位量のうち、前記第１の方向に平行な方向への第１の変位量を示す第１の変位信号を出力し、
前記第２の検出器は、第２の探針の変位量のうち、前記第１の方向に平行な方向への第２の変位量を示す第２の変位信号を出力して、
前記第１の探針と機械的に接続された第１のピエゾ素子と、
前記第２の探針と機械的に接続された第２のピエゾ素子と、
前記第１の変位信号に基づいて、前記第１の探針と前記試料表面との間の原子間力が一定となるような第１の駆動電圧を前記第１のピエゾ素子に対して出力する第１のフィードバック回路と、
前記第２の変位信号に基づいて、前記第２の探針と前記試料表面との間の原子間力が一定となるような第２の駆動電圧を前記第２のピエゾ素子に対して出力する第２のフィードバック回路とを更に備えたことを特徴とする付記５乃至付記７のいずれかに記載の強誘電体の分極の可視化装置。
【０１３９】
（付記９）  前記合成像における前記測定点の色彩は、前記分極の向きが前記第１の方向に平行か反平行か、若しくは前記分極の向きが前記第２の方向に平行か反平行かにより異なることを特徴とする付記３乃至付記８のいずれかに記載の強誘電体の分極の可視化装置。
【０１４０】
（付記１０）  前記第１の探針は、所定の走査線に沿って前記強誘電体試料上を走査し、
前記第２の探針は、前記走査線に沿って前記第１の探針の後を追うことを特徴とする付記１乃至付記７のいずれかに記載の強誘電体の分極の可視化装置。
【符号の説明】
【０１４１】
１…可視化装置、２…ステージ、３…第１の探針、４…第２の探針、５…第１の梁、５ａ…第１の突起、５ｘ、６ｘ…先端、６…第２の梁、６ａ…第２の突起、１１…第１のピエゾ素子、１２…第２のピエゾ素子、１３…第１の４分割光検出器、１４…第２の４分割光検出器、１５…第１の光源、１６…第２の光源、１７…第１のフィードバック回路、１８…第２のフィードバック回路、１９…第１のロックインアンプ、２０…第２のロックインアンプ、２６…交流電源、２７…導電性ペースト、３０…画像化部、３１…モニタ、１００…シリコン基板、１０１…下部電極、１０２…下部電極、S…強誘電体試料。
【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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【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】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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