JP5159468B2 - 圧電薄膜の物性測定方法及び圧電薄膜の物性測定装置 - Google Patents
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Description
走査型プローブ顕微鏡を用いた圧電薄膜の物性測定方法であって、
基板上に、下部電極と、厚さtの圧電体である圧電薄膜と、をこの順に積層し、且つ前記圧電薄膜上に、長さtの互いに対向する少なくとも一組の辺を有する長方形状又は正方形状の上部電極を形成する試料作成ステップと、
前記試料作成ステップにおいて作成した試料を、前記上部電極の長さtの辺が第1の方向に一致するように、試料台上に設置するステップと、
プローブを前記上部電極に接触させて前記上部電極の表面の3次元形状を測定し、該測定により前記上部電極の前記第1の方向における最端部の位置を検出する最端部位置検出ステップと、
前記最端部位置検出ステップにおいて検出した前記最端部に、前記プローブを位置させるプローブ位置設定ステップと、
前記プローブによって、前記上部電極と前記下部電極との間に、所定の電圧Vを印加して前記圧電薄膜を分極及び変位させる電圧印加ステップと、
前記電圧印加ステップにおいて生じた前記プローブの変位を検出し、該検出した変位に起因する前記プローブと前記上部電極との位置関係の変化を打ち消すように、前記試料台を、前記プローブの変位に追従させて前記第1の方向に駆動するフィードバック制御ステップと、
前記フィードバック制御ステップにおける前記試料台の駆動量に基づいて、前記電圧印加ステップにおいて生じた前記圧電薄膜の前記第1の方向における変位量ΔSを算出する変位量算出ステップと、
前記変位量算出ステップにおいて算出した前記変位量ΔSの値に基づいて、前記圧電薄膜の横方向圧電定数d31を算出する横方向圧電定数d31算出ステップと、
を有することを特徴とする。
基板上に下部電極と圧電薄膜と上部電極とがこの順に積層された試料における前記圧電薄膜の物性測定装置であって、
第1の方向に駆動可能なアクチュエータを有する試料台と、
前記上部電極の前記第1の方向における最端部を検出し、且つ該最端部を介して前記上部電極と前記下部電極との間に所定の電圧を印加する為のプローブと、
前記プローブに所定の電位を与える電圧源と、
前記上部電極と前記下部電極との間に所定の電圧が印加された際に、前記圧電薄膜に生じる変位に起因する前記プローブの変位量を検出する為のプローブ変位検出手段と、
前記上部電極と前記プローブとの相対的位置関係が、前記プローブの変位によって変化しないように、前記プローブ変位検出手段によって検出された前記プローブの変位量に基づいて、前記試料台を前記第1の方向に駆動制御するフィードバック制御手段と、
前記フィードバック制御手段によって前記第1の方向に駆動された前記試料台の移動量に基づいて、前記圧電薄膜の変位量ΔSを算出し、該ΔSの値と、前記圧電薄膜の厚さtの値と、前記上部電極と前記下部電極との間に印加する所定の電圧Vの値と、を
d31=(ΔS/t)×(t/V)
に代入して、前記圧電薄膜の横方向圧電定数d31を算出する横方向圧電定数d31演算手段と、
を具備し、
前記試料は、基板上に、下部電極と、厚さtの圧電体である圧電薄膜と、がこの順に積層され、前記圧電薄膜上に、長さtの互いに対向する少なくとも一組の辺を有する長方形状又は正方形状の上部電極が形成されていることを特徴とする。
ΔS=−d31(V/tf)L ・・・(式1)
と表すことができる。
横方向圧電定数d31は、
d31=(ΔS/L)×(tf/V) ・・・(式2)
と表すことができる。
d31=(1.0×10−8/1.0×10−6)×(1.0×10−6/2.5×102)
d31=40pm/V
と算出される。
=1/4Lの条件を満たす場合には、前記所定の換算係数の値は“1.3”である。また、L=1/4Wの条件を満たす場合には、前記所定の換算係数の値は“1.8”である。さらには、上部電極13の形状が正方形状(W=L)である場合には、前記所定の換算係数の値は“1.5”である。なお、上部電極13の形状がその他の形状を採る場合における前記所定の換算係数の値も、前記膨大なシミュレーション結果から算出できる。
Claims (6)
- 走査型プローブ顕微鏡を用いた圧電薄膜の物性測定方法であって、
基板上に、下部電極と、厚さtの圧電体である圧電薄膜と、をこの順に積層し、且つ前記圧電薄膜上に、長さtの互いに対向する少なくとも一組の辺を有する長方形状又は正方形状の上部電極を形成する試料作成ステップと、
前記試料作成ステップにおいて作成した試料を、前記上部電極の長さtの辺が第1の方向に一致するように、試料台上に設置するステップと、
プローブを前記上部電極に接触させて前記上部電極の表面の3次元形状を測定し、該測定により前記上部電極の前記第1の方向における最端部の位置を検出する最端部位置検出ステップと、
前記最端部位置検出ステップにおいて検出した前記最端部に、前記プローブを位置させるプローブ位置設定ステップと、
前記プローブによって、前記上部電極と前記下部電極との間に、所定の電圧Vを印加して前記圧電薄膜を分極及び変位させる電圧印加ステップと、
前記電圧印加ステップにおいて生じた前記プローブの変位を検出し、該検出した変位に起因する前記プローブと前記上部電極との位置関係の変化を打ち消すように、前記試料台を、前記プローブの変位に追従させて前記第1の方向に駆動するフィードバック制御ステップと、
前記フィードバック制御ステップにおける前記試料台の駆動量に基づいて、前記電圧印加ステップにおいて生じた前記圧電薄膜の前記第1の方向における変位量ΔSを算出する変位量算出ステップと、
前記変位量算出ステップにおいて算出した前記変位量ΔSの値に基づいて、前記圧電薄膜の横方向圧電定数d31を算出する横方向圧電定数d31算出ステップと、
を有することを特徴とする圧電薄膜の物性測定方法。 - 前記横方向圧電定数d31算出ステップにおいては、
前記変位量算出ステップにおいて算出した前記変位量ΔSの値と、前記tの値と、前記Vの値と、を
d31=(ΔS/t)×(t/V)
に代入して、前記圧電薄膜の横方向圧電定数d31を算出することを特徴とする請求項1に記載の圧電薄膜の物性測定方法。 - 前記走査型プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡であることを特徴とする請求項1に記載の圧電薄膜の物性測定方法。
- 前記フィードバック制御ステップにおいては、
前記試料台を前記第1の方向に駆動する際に、該駆動の為のアクチュエータに設けられた高分解能且つ低ノイズの位置センサの出力に基づいて、前記試料台を前記第1の方向に駆動することを特徴とする請求項1に記載の圧電薄膜物性測定方法。 - 基板上に下部電極と圧電薄膜と上部電極とがこの順に積層された試料における前記圧電薄膜の物性測定装置であって、
第1の方向に駆動可能なアクチュエータを有する試料台と、
前記上部電極の前記第1の方向における最端部を検出し、且つ該最端部を介して前記上部電極と前記下部電極との間に所定の電圧を印加する為のプローブと、
前記プローブに所定の電位を与える電圧源と、
前記上部電極と前記下部電極との間に所定の電圧が印加された際に、前記圧電薄膜に生じる変位に起因する前記プローブの変位量を検出する為のプローブ変位検出手段と、
前記上部電極と前記プローブとの相対的位置関係が、前記プローブの変位によって変化しないように、前記プローブ変位検出手段によって検出された前記プローブの変位量に基づいて、前記試料台を前記第1の方向に駆動制御するフィードバック制御手段と、
前記フィードバック制御手段によって前記第1の方向に駆動された前記試料台の移動量に基づいて、前記圧電薄膜の変位量ΔSを算出し、該ΔSの値と、前記圧電薄膜の厚さtの値と、前記上部電極と前記下部電極との間に印加する所定の電圧Vの値と、を
d31=(ΔS/t)×(t/V)
に代入して、前記圧電薄膜の横方向圧電定数d31を算出する横方向圧電定数d31演算手段と、
を具備し、
前記試料は、基板上に、下部電極と、厚さtの圧電体である圧電薄膜と、がこの順に積層され、前記圧電薄膜上に、長さtの互いに対向する少なくとも一組の辺を有する長方形状又は正方形状の上部電極が形成されていることを特徴とする圧電薄膜の物性測定装置。 - 前記アクチュエータは、高分解能且つ低ノイズの位置センサを有することを特徴とする請求項5に記載の圧電薄膜の物性測定装置。
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