(57)【要約】【課題】  圧電薄膜が形成されたウエハ状態で容易に圧電特性を測定することができる圧電特性測定装置及び圧電特性測定方法を提供すること。【解決手段】  圧電薄膜Ｐ上に上部電極膜２が形成されていると共に圧電薄膜と基板との間に下部電極膜が形成された測定用ウエハＷを載置して支持する一対の支持部４と、押圧部５を測定用ウエハに対して押圧可能に相対的に移動させる押圧機構と、上部電極膜と下部電極膜とに電気的に接続され押圧部を測定用ウエハに押圧させた際に圧電薄膜に発生した圧電電荷を計測する計測部とを備え、押圧部が、測定用ウエハの直径以上の長さを有して測定用ウエハの中心を通る仮想直線Ｋ上で測定用ウエハを押圧可能に配され、一対の支持部が、押圧部に平行な直線状に形成されていると共に押圧時の押圧部の両側であって互いに押圧部から等距離に離間して配され測定用ウエハをその外縁部近傍で支持する。【選択図】図１
2013210305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハ状の基板上に成膜された圧電薄膜の圧電特性を測定する装置であって、
前記圧電薄膜上に上部電極膜が形成されていると共に前記圧電薄膜と絶縁性の前記基板との間に下部電極膜が形成された測定用ウエハを載置して該測定用ウエハを下面側で支持する一対の支持部と、
前記測定用ウエハの上面側に配された押圧部を前記測定用ウエハに対して押圧可能に相対的に移動させる押圧機構と、
前記上部電極膜と前記下部電極膜とに電気的に接続され前記押圧部を前記測定用ウエハに押圧させた際に前記圧電薄膜に発生した圧電電荷を計測する計測部とを備え、
前記押圧部が、前記測定用ウエハの直径以上の長さを有して前記測定用ウエハの中心を通る仮想直線上で前記測定用ウエハを押圧可能に配され、
前記一対の支持部が、前記押圧部に平行な直線状に形成されていると共に押圧時の前記押圧部の両側であって互いに該押圧部から等距離に離間して配され前記測定用ウエハをその外縁部近傍で支持することを特徴とする圧電特性測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電特性測定装置であって、
前記押圧部及び前記支持部の先端部が、断面Ｖ字状に形成され、その稜線部分で前記測定用ウエハを押圧又は支持することを特徴とする圧電特性測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧電特性測定装置であって、
前記上部電極膜又は前記下部電極膜が、前記測定用ウエハの中心を通り前記押圧部と直交する方向に延在した帯状に設けられ、その幅が前記測定用ウエハの直径の１／１０以下であることを特徴とする圧電特性測定装置。
【請求項４】
ウエハ状の基板上に成膜された圧電薄膜の圧電特性を測定する方法であって、
前記圧電薄膜上に上部電極膜が形成されていると共に前記圧電薄膜と絶縁性の前記基板との間に下部電極膜が形成された測定用ウエハを作製するステップと、
前記測定用ウエハを一対の支持部上に載置するステップと、
前記測定用ウエハの上面側に配された押圧部を、前記測定用ウエハに対して押圧可能に相対的に移動させるステップと、
前記上部電極膜と前記下部電極膜とに電気的に接続された計測部により前記押圧部を前記測定用ウエハに押圧させた際に前記圧電薄膜に発生した圧電電荷を計測するステップとを有し、
前記押圧部が、前記測定用ウエハの直径以上の長さを有して前記測定用ウエハの中心を通る仮想直線上で前記測定用ウエハを押圧可能に配され、
前記一対の支持部が、前記押圧部に平行な直線状に形成されていると共に押圧時の前記押圧部の両側であって互いに該押圧部から等距離に離間して配され前記測定用ウエハをその外縁部近傍で支持することを特徴とする圧電特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウエハ上に成膜された圧電薄膜の圧電特性を測定する圧電特性測定装置及び圧電特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン表面に形成されたマイクロマシンデバイス用のアクチュエータ（ＭＥＭＳアクチュエータ）等に用いられる圧電薄膜について、予め圧電定数等の圧電特性を測定しておく必要がある。この圧電薄膜は、面内方向に歪みが生じると圧電薄膜の上部電極膜と下部電極膜との間に電荷が発生し、圧電定数ｄ３１が大きいほど電荷量が大きくなる圧電特性を有している。
この圧電特性の測定手法としては、従来、例えば特許文献１では、圧電薄膜を形成したサンプル基板である短冊状の試験片の一端を試験片保持部に固定し、他端に荷重針で応力を印加して圧電薄膜の圧電定数を測定する圧電定数測定装置が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２では、基板上に下部電極と圧電薄膜と上部電極とをこの順で積層した試料を試料台上に設置し、最端部にプローブを位置させ、上部電極と下部電極との間に所定の電圧を印加して圧電薄膜を変位させることで、変位に起因するプローブと上部電極との位置関係の変化を打ち消すように、試料台をプローブの変位に追従させて駆動し、この駆動量に基づいて圧電薄膜の変位量を算出して圧電薄膜の横方向圧電定数ｄ３１を算出する圧電薄膜の物性測定装置が記載されている。
【０００４】
さらに、特許文献３では、同一平面上に複数の変位素子が並設されてなる圧電アクチュエータの評価方法であって、複数の変位素子のうち特定の変位素子について所定の入力電圧に対して蓄積される電荷量を測定することにより、特定の変位素子の圧電特性を推定するとともに、複数の変位素子の圧電特性の分布を評価する方法が記載されている。
【０００５】
また、非特許文献１では、歪みゲージが接着されたＰＺＴ薄膜付きウエハを均質圧力治具で挟んで支持し、ウエハの歪み量，温度，誘起される電荷量を同時に計測する測定方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２６４３７３号公報
【特許文献２】特開２０１０−８２０７号公報
【特許文献３】特開２００６−３４３２２２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】J.F.Shepard Jr,P.J.Moses,S.Trolier-McKinstry、「The wafer flexure technique for the determination of the transverse piezoelectric coefficient(d31) of PZT thin films」、Sensor and Actuator A71(1998)133-138
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、従来の特許文献１の技術では、図５の（ａ）に示すように、短冊状の試験片Ｓの一端を試験片保持部１０１に固定し、他端に荷重針で応力を印加しているが、この構造では試験片Ｓの短冊長さＬ×応力Ｆのモーメントが試験片保持部１０１に作用するため、試験片保持部１０１は稜ではなく面で試験片Ｓをしっかりと保持する必要がある。しかしながら、図５の（ｂ）に示すように、これでは試験片保持部１０１の保持面にモーメントが作用するため、図５の（Ｃ）に示すように、試験片保持部１０１の変形（傾きや曲がり等）やがたつきが生じ易く、それが試験片Ｓの変位量の測定誤差となる。一般に片持ち梁の試験片Ｓは、最大でも数センチと小型なため、試験片保持部１０１は小さくなってしまい変形し易い。また、変形量も１ｍｍ以下と小さい。さらに、試験片Ｓは、機械加工でウエハより切り出す必要があり、手間がかかるという不都合があった。
また、特許文献２に記載の測定方法では、圧電薄膜の微小な変位量（例えば１０ｎｍ）を計測するため、装置駆動系が複雑で高価であるという問題があった。さらに、特許文献２に記載の試験片は、圧電薄膜の膜厚ｔｆと電極長さＬとが同一（ｔｆ＝Ｌ）であることが必要である。このため、例えば膜厚ｔ１μｍの圧電薄膜を評価するときは、圧電薄膜を１μｍ四方にエッチングして、その上部に１μｍ四方の上部電極を形成する必要がある。しかし、このような微小構造をエッチング処理によって、正確な形状で作製することは難しい。例えば、エッチング処理によりテーパが生じると測定誤差の原因となる。
さらに、特許文献３に記載の測定方法では、圧電特性ｄ３１（圧電歪定数）を測定直接測定する方法ではなく、圧電効果とは異なる測定パラメータ（入力電圧に対する変位素子の横方向の変位量ではなく、変位素子に蓄積される電荷量）を基に圧電特性ｄ３１を推定する方法である。このため、変位電荷量Ｑと変位との関係には相関があるために、予め校正曲線を作成しておく必要があり、ある特性仕様の圧電薄膜にしか適用できない測定方法であって、様々な膜厚その他の仕様の圧電薄膜には適用できなかった。
また、非特許文献１に記載の均質圧力治具（uniform pressure rig）を用いた方法では、ウエハ面内ＸＹ方向の歪み量を正確に計測する必要があるため、測定サンプル毎に歪ゲージをウエハ表面に接着しなければならず、歪みゲージを用意する必要があると共に歪みゲージの高精度な接着が必要であり、容易に測定することができなかった。
【０００９】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、圧電薄膜が形成されたウエハ状態で容易に圧電特性を測定することができる圧電特性測定装置及び圧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】
【００１０】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の圧電特性測定装置は、ウエハ状の基板上に成膜された圧電薄膜の圧電特性を測定する装置であって、前記圧電薄膜上に上部電極膜が形成されていると共に前記圧電薄膜と絶縁性の前記基板との間に下部電極膜が形成された測定用ウエハを載置して該測定用ウエハを下面側で支持する一対の支持部と、前記測定用ウエハの上面側に配された押圧部を前記測定用ウエハに対して押圧可能に相対的に移動させる押圧機構と、前記上部電極膜と前記下部電極膜とに電気的に接続され前記押圧部を前記測定用ウエハに押圧させた際に前記圧電薄膜に発生した圧電電荷を計測する計測部とを備え、前記押圧部が、前記測定用ウエハの直径以上の長さを有して前記測定用ウエハの中心を通る仮想直線上で前記測定用ウエハを押圧可能に配され、前記一対の支持部が、前記押圧部に平行な直線状に形成されていると共に押圧時の前記押圧部の両側であって互いに該押圧部から等距離に離間して配され前記測定用ウエハをその外縁部近傍で支持することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の圧電特性測定方法は、ウエハ状の基板上に成膜された圧電薄膜の圧電特性を測定する方法であって、前記圧電薄膜上に上部電極膜が形成されていると共に前記圧電薄膜と絶縁性の前記基板との間に下部電極膜が形成された測定用ウエハを作製するステップと、前記測定用ウエハを一対の支持部上に載置するステップと、前記測定用ウエハの上面側に配された押圧部を、前記測定用ウエハに対して押圧可能に相対的に移動させるステップと、前記上部電極膜と前記下部電極膜とに電気的に接続された計測部により前記押圧部を前記測定用ウエハに押圧させた際に前記圧電薄膜に発生した圧電電荷を計測するステップとを有し、前記押圧部が、前記測定用ウエハの直径以上の長さを有して前記測定用ウエハの中心を通る仮想直線上で前記測定用ウエハを押圧可能に配され、前記一対の支持部が、前記押圧部に平行な直線状に形成されていると共に押圧時の前記押圧部の両側であって互いに該押圧部から等距離に離間して配され前記測定用ウエハをその外縁部近傍で支持することを特徴とする。
【００１２】
これらの圧電特性測定装置及び圧電特性測定方法では、押圧部が、測定用ウエハの直径以上の長さを有して測定用ウエハの中心を通る仮想直線上で測定用ウエハを押圧可能に配され、一対の支持部が、押圧部に平行な直線状に形成されていると共に押圧時の押圧部の両側であって互いに該押圧部から等距離に離間して配され測定用ウエハをその外縁部近傍で支持するので、圧電薄膜の圧電特性をウエハ状態のまま（試験片に加工せずに）容易にかつ高精度に測定可能である。すなわち、応力を印加する押圧部の両側に一対の支持部が対称に配されて押圧部に応力によるモーメントが作用しないため、面でなく稜等の線状の当接部によって押圧部及び支持部を構成することができ、押圧部や支持部の変形やがたつきを抑制して変位量を誤差無く測定でき、高精度に圧電特性を計測することができる。また、押圧部にモーメントが作用しないため、支持部と押圧部との間隔を大きく設定することもでき、同じ応力の印加であっても測定用ウエハの変形量が大きくなり、高価な変位量測定機構が不要となる。
【００１３】
また、本発明の圧電特性測定装置は、前記押圧部及び前記支持部の先端部が、断面Ｖ字状に形成され、その稜線部分で前記測定用ウエハを押圧又は支持することを特徴とする。
すなわち、この圧電特性測定装置では、押圧部及び支持部が、断面Ｖ字状に形成され、その稜線部分で測定用ウエハを押圧又は支持するので、応力印加時に押圧部及び支持部での変形を極量低減することができる。
【００１４】
また、本発明の圧電特性測定装置は、前記上部電極膜又は前記下部電極膜が、前記測定用ウエハの中心を通り前記押圧部と直交する方向に延在した帯状に設けられ、その幅が前記測定用ウエハの直径の１／１０以下であることを特徴とする。  
すなわち、この圧電特性測定装置では、上部電極膜又は下部電極膜の幅が測定用ウエハの直径の１／１０以下であるので、円形の測定用ウエハによる円周上に生じる歪みが小さくなることで誤差が減少し、測定用ウエハを荷重・変形した際に圧電薄膜に対して支持部と押圧部とに垂直な方向以外に作用する応力の影響がほとんど無く、高精度に測定可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る圧電特性測定装置及び圧電特性測定方法によれば、押圧部が、測定用ウエハの中心を通る仮想直線上で測定用ウエハを押圧可能に配され、一対の支持部が、押圧時の押圧部の両側であって互いに該押圧部から等距離に離間して配され測定用ウエハをその外縁部近傍で支持するので、圧電薄膜の圧電特性をウエハ状態のまま容易にかつ高精度に測定可能である。したがって、試験片への加工や歪みゲージの接着等が不要になると共に、押圧部や支持部の変形やがたつきを回避でき、圧電特性の測定を容易にかつ高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る圧電特性測定装置及び圧電特性測定方法の一実施形態において、支持部上に載置した測定用ウエハと押圧部との位置関係を示す要部の平面図である。
【図２】本実施形態において、支持部上に載置した測定用ウエハと押圧部との位置関係を示す要部の正面図である。
【図３】本実施形態において、圧電特性測定装置を示す全体構成図である。
【図４】本実施形態において、測定用ウエハに応力を印加した際の状態を説明するための図である。
【図５】本発明に係る圧電特性測定装置及び圧電特性測定方法の従来例において、において、試験片に応力を印加した際の状態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る圧電特性測定装置及び圧電特性測定方法の一実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００１８】
本実施形態の圧電特性測定装置１は、図１から図３に示すように、ウエハ状の基板Ｗ０上に成膜された圧電薄膜Ｐの圧電特性を測定する装置であって、圧電薄膜Ｐ上に上部電極膜２がパターン形成されていると共に圧電薄膜Ｐと絶縁性の基板Ｗ０との間に下部電極膜３が形成された測定用ウエハＷを載置して該測定用ウエハＷを下面側で支持する一対の支持部４と、測定用ウエハＷの上面側に配された押圧部５を測定用ウエハＷに対して押圧可能に相対的に移動させる押圧機構６と、上部電極膜２と下部電極膜３とに電気的に接続され押圧部５を測定用ウエハＷに押圧させた際に圧電薄膜Ｐに発生した圧電電荷を計測する計測部７とを備えている。
【００１９】
上記押圧部５は、測定用ウエハＷの直径以上の長さを有して測定用ウエハＷの中心を通る仮想直線Ｋ上で測定用ウエハＷを押圧可能に配されている。
また、上記一対の支持部４は、押圧部５に平行な直線状に形成されていると共に押圧時の押圧部５の両側であって互いに該押圧部５から等距離に離間して配され測定用ウエハＷをその外縁部近傍で支持する。
さらに、押圧部５及び支持部４の先端部は、断面Ｖ字状に形成され、その稜線部分で測定用ウエハＷを押圧又は支持する。また、支持部４は長板状であり、押圧部５は板状となっており、いずれも測定用ウエハＷ側が先端部となっている。
【００２０】
上記基板Ｗ０は、例えばシリコン基板であり、上記圧電薄膜Ｐは、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜である。
【００２１】
上記上部電極膜２は、図１に示すように、押圧部５と直交する方向に延在した帯状に設けられ、その幅２ａが測定用ウエハＷの直径の１／１０以下とされている。また、上部電極膜２は、押圧部５が押圧する部分となる測定用ウエハＷの中央部を空けて両側に一対パターン形成されている。さらに、これら一対の上部電極膜２は、測定用ウエハＷの中心を通る直線上に形成されている。
なお、上部電極膜２の幅２ａが、測定用ウエハＷの直径の１／１０を超えると、測定用ウエハＷに荷重を加えて変形させた際に、圧電薄膜Ｐに対して押圧部５と支持部４とに垂直な方向（上部電極膜２の延在方向）以外の方向に作用する応力（歪み方向）が無視できなくなる。
【００２２】
また、一対の支持部４は、少なくとも上部電極膜２の幅２ａより長く延在して上部電極膜２の直下で支持するように配される。
なお、下部電極膜３は、基板Ｗ０の全面を覆って形成されているが、上部電極膜２の直下に同形状でパターン形成されていても構わない。また、上部電極膜２が基板Ｗ０の全面を覆って形成され、下部電極膜３が上記上部電極膜２と同様に帯状にパターン形成されていてもよい。
【００２３】
また、圧電特性測定装置１では、架台部８上に一対の支柱部９が立設されていると共に一対の支柱部９間に中間梁部１０及び上部梁部１１が架け渡されて支持されている。中間梁部１０は、支柱部９の中間部分に固定されていると共に、上部梁部１１は、支柱部９の上端に固定されている。また、上記中間梁部１０上に一対の支持部４が設けられている。
【００２４】
上記押圧機構６は、上部梁部１１に固定されていると共に押圧部５の上端部を支持して該押圧部５を上下動可能なモータ等の駆動部１２を有している。また、駆動部１２は、駆動部用制御回路１３を介して制御用のパーソナルコンピュータ１４に電気的に接続され、該パーソナルコンピュータ１４により駆動、制御される。
【００２５】
上記計測部７は、上部電極膜２と下部電極膜３とに電気的に接続されたチャージアンプ１５と、該チャージアンプ１５に電気的に接続された上記パーソナルコンピュータ１４とを備えている。すなわち、パーソナルコンピュータ１４は、チャージアンプ１５を介して上部電極膜２と下部電極膜３とに電気的に接続され、押圧時における圧電薄膜Ｐの圧電特性を測定可能となっている。
【００２６】
次に、本実施形態の圧電特性測定装置１による圧電特性測定方法について説明する。
本実施形態の圧電特性測定方法では、まず圧電薄膜Ｐ上に上部電極膜５が形成されていると共に圧電薄膜Ｐと基板Ｗ０との間に下部電極膜４が形成された測定用ウエハＷを作製する。
次に、図４の（ａ）に示すように、作製した測定用ウエハＷの外縁部近傍で支持するように一対の支持部４上に測定用ウエハＷを載置する。さらに、図４の（ｂ）に示すように、パーソナルコンピュータ１４を操作して駆動部１２により押圧部５を下方に移動させて先端を測定用ウエハＷの中心を通る仮想直線Ｋ上に当接させると共に、下方に押圧することで、測定用ウエハＷの圧電薄膜Ｐに応力を印加する。
【００２７】
このとき、押圧部５ではモーメントが作用しないと共に、一対の支持部４では押圧部５による応力（Ｆ×２）によって反作用（Ｆ）が生じる。すなわち、一対の支持部４の中間に位置する押圧部５では、モーメントが作用しないため、その形状は面にする必要が無く、稜形状でよく、押圧部５の変形が回避できる。
【００２８】
このように応力を印加した状態で、圧電薄膜Ｐに発生する圧電電荷を上部電極膜２及び下部電極膜３を介して接続されたチャージアンプ１５で増幅してパーソナルコンピュータ１４により計測する。
さらに、パーソナルコンピュータ１４によって得られた圧電電荷と測定用ウエハＷの変位量とから圧電薄膜Ｐの圧電特性ｄ３１（圧電歪定数）や圧電特性ｅ３１（圧電応力定数）を算出する。
【００２９】
このように本実施形態の圧電特性測定装置１及び圧電特性測定方法では、押圧部５が、測定用ウエハＷの直径以上の長さを有して測定用ウエハＷの中心を通る仮想直線Ｋ上で測定用ウエハＷを押圧可能に配され、一対の支持部４が、押圧部５に平行な直線状に形成されていると共に押圧時の押圧部５の両側であって互いに該押圧部５から等距離に離間して配され測定用ウエハＷをその外縁部近傍で支持するので、圧電薄膜Ｐの圧電特性をウエハ状態のまま（試験片に加工せずに）容易にかつ高精度に測定可能である。
【００３０】
すなわち、応力を印加する押圧部５の両側に一対の支持部４が対称に配されて押圧部５に応力によるモーメントが作用しないため、面でなく稜によって押圧部５及び支持部４を構成することができ、押圧部５や支持部４の変形やがたつきを抑制して変位量を誤差無く測定でき、高精度に圧電特性を計測することができる。また、押圧部５にモーメントが作用しないため、支持部４と押圧部５との間隔を大きく設定することもでき、同じ応力の印加であっても測定用ウエハＷの変形量が大きくなり、高価な変位量測定機構が不要となる。例えば、支持部４と押圧部５との間隔Ｌを１０ｃｍに設定することができる。
【００３１】
また、押圧部５及び支持部４の先端部が、断面Ｖ字状に形成され、その稜線部分で測定用ウエハＷを押圧又は支持するので、応力印加時に押圧部５及び支持部４での変形を極量低減することができる。
さらに、上部電極膜２の幅２ａが測定用ウエハＷの直径の１／１０以下であるので、円形の測定用ウエハＷによる円周上に生じる歪みが小さくなることで誤差が減少し、測定用ウエハＷを荷重・変形した際に圧電薄膜Ｐに対して支持部４と押圧部５とに垂直な方向以外に作用する応力（例えば、上部電極膜２の延在方向に対して斜め方向等に作用する応力）の影響がほとんど無く、高精度に測定可能である。
【００３２】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、押圧部を下方に移動させて測定用ウエハに押し当てているが、逆に測定用ウエハ側（支持部側）を上方に移動させて押圧部に押し当てても構わない。
【符号の説明】
【００３３】
１…圧電特性測定装置、２…上部電極膜、３…下部電極膜、４…支持部、５…押圧部、６…押圧機構、７…計測部、Ｋ…測定用ウエハの中心を通る仮想直線、Ｐ…圧電薄膜、Ｗ…測定用ウエハ、Ｗ０…基板
【図１】
2013210305.tif 000003
【図２】
2013210305.tif 000004
【図３】
2013210305.tif 000005
【図４】
2013210305.tif 000006
【図５】
2013210305.tif 000007