JP2018018889A - Electric characteristic evaluation device - Google Patents

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勝也 氏本
Katsuya Ujimoto
勝也 氏本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electric characteristic evaluation device capable of evaluating the electric characteristic of a ferroelectric or a pyroelectric before formation of upper electrode, without touching the ferroelectric or pyroelectric.SOLUTION: An electric characteristic evaluation device for evaluating the electric characteristic of a ferroelectric or pyroelectric (thin film material 13) formed on a substrate 11, has temperature variable means (23) for varying the temperature of the substrate 11 to vary the temperature of the thin film material 13, temperature measurement means (22) for measuring the temperature of the thin film material 13 in non-contact, and surface potential measurement means (21) for measuring the surface potential of the thin film material 13 in non-contact. The electric characteristic evaluation device varies the temperature of the thin film material 13, and evaluates the electric characteristic of the thin film material 13, from temperature variation of the thin film material 13 and variation of the surface potential.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電気特性評価装置に関する。   The present invention relates to an electrical property evaluation apparatus.

従来から、強誘電体や焦電体が有する特異な物性(圧電性、強誘電性、焦電性、光起電力、非線形光学効果)を用いたデバイスが盛んに研究開発されている。強誘電体又は焦電体(薄膜材料と称することがある)の電気特性の評価手法は、一般的に、薄膜材料を上下電極で挟んだキャパシタ構造を形成し、電気、機械、熱、光の信号の入出力によって行われている。   Conventionally, devices using unique physical properties (piezoelectricity, ferroelectricity, pyroelectricity, photovoltaic power, nonlinear optical effect) possessed by ferroelectrics and pyroelectrics have been actively researched and developed. A method for evaluating the electrical properties of a ferroelectric or pyroelectric material (sometimes called a thin film material) generally forms a capacitor structure in which a thin film material is sandwiched between upper and lower electrodes, and is used for electrical, mechanical, thermal, and optical This is done by signal input and output.

しかし、今までの評価手法では、薄膜材料を上下電極で挟んだキャパシタ構造を形成する必要があるため、その評価結果は電極材料の物性や電極形成プロセスの影響を含んでおり、強誘電体又は焦電体薄膜の製膜直後の電気特性を評価することができないという問題があった。   However, in the conventional evaluation methods, it is necessary to form a capacitor structure in which a thin film material is sandwiched between upper and lower electrodes. Therefore, the evaluation results include the physical properties of the electrode material and the influence of the electrode formation process. There has been a problem that the electrical characteristics of the pyroelectric thin film immediately after deposition cannot be evaluated.

また、上下電極で挟んだキャパシタ構造で評価する場合、上下電極で挟んだ構造を形成するための工数がかかることや、強誘電体又は焦電体薄膜の製膜を外注した場合、電気特性に対して、非接触・非侵襲での受け入れ検査ができない(逆に、供給側としては出荷前検査ができない)といった問題がある。   Also, when evaluating with a capacitor structure sandwiched between upper and lower electrodes, it takes man-hours to form a structure sandwiched between upper and lower electrodes, or when outsourcing a ferroelectric or pyroelectric thin film, On the other hand, there is a problem that non-contact and non-invasive acceptance inspection cannot be performed (in contrast, the pre-shipment inspection cannot be performed on the supply side).

素子の評価方法としては例えば特許文献1が開示されている。特許文献1では、素子評価方法に関し、強誘電体キャパシタなど、素子の製造工程中であっても、強誘電体薄膜自体の分極分布を容易に求めることができるようにし、その結果に依って良品の判別を行ったり、又、その結果を製造工程にフィードバックできるようにすることを目的として提案がなされている。その内容としては、導電性カンチレバーを備えた原子間力顕微鏡を用い強誘電体薄膜表面の非線形誘電率を測定して該表面の分極分布状態を求め、この分極分布状態を予め定めてある基準と比較して該強誘電体薄膜の良否を判定している。   For example, Patent Document 1 is disclosed as an element evaluation method. Patent Document 1 relates to an element evaluation method, and allows the polarization distribution of a ferroelectric thin film itself to be easily obtained even during the manufacturing process of an element such as a ferroelectric capacitor. Proposals have been made for the purpose of making these determinations and enabling the results to be fed back to the manufacturing process. As its contents, an atomic force microscope equipped with a conductive cantilever is used to measure the nonlinear dielectric constant of the surface of the ferroelectric thin film to obtain the polarization distribution state of the surface, and this polarization distribution state is determined according to a predetermined standard. In comparison, the quality of the ferroelectric thin film is judged.

しかしながら、特許文献1では素子の製造工程中で薄膜材料の物性を評価することを目的としているが、薄膜材料に原子間力顕微鏡のプローブが接触して薄膜材料にダメージが生じる問題は解決していない。また、原子間力顕微鏡の走査速度と走査範囲は、ウエハの検査手法として適切とは言えない。
そのため、キャパシタ構造にせず、薄膜材料に触れずに物性の評価を行うことができる技術が望まれている。
However, although Patent Document 1 aims to evaluate the physical properties of the thin film material during the manufacturing process of the element, the problem that the thin film material is damaged by the contact of the probe of the atomic force microscope with the thin film material has been solved. Absent. Further, the scanning speed and scanning range of the atomic force microscope are not appropriate as a wafer inspection method.
Therefore, there is a demand for a technique capable of evaluating physical properties without using a capacitor structure and without touching a thin film material.

本発明は、上部電極形成前の強誘電体又は焦電体の電気特性を、強誘電体又は焦電体に触れずに評価することができる電気特性評価装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an electrical property evaluation apparatus that can evaluate electrical properties of a ferroelectric or pyroelectric material before forming an upper electrode without touching the ferroelectric or pyroelectric material.

上記課題を解決するために、本発明は、基板上に形成された強誘電体又は焦電体の電気特性を評価する電気特性評価装置であって、前記基板の温度を可変させて前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させる温度可変手段と、前記強誘電体又は焦電体の温度を非接触で測定する温度計測手段と、前記強誘電体又は焦電体の表面電位を非接触で測定する表面電位計測手段と、を有し、前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させ、前記強誘電体又は焦電体の温度変化量と前記表面電位の変化量から、前記強誘電体又は焦電体の電気特性を評価することを特徴とする。   In order to solve the above problems, the present invention provides an electrical property evaluation apparatus for evaluating electrical properties of a ferroelectric material or pyroelectric material formed on a substrate, wherein the ferroelectric material is made variable by changing the temperature of the substrate. Temperature varying means for varying the temperature of the body or pyroelectric material, temperature measuring means for measuring the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material in a non-contact manner, and the surface potential of the ferroelectric or pyroelectric material in a non-contact manner A surface potential measuring means for measuring the ferroelectric or pyroelectric material, and varying the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material and the amount of change in the surface potential from the amount of change in the surface potential. The electrical characteristics of the dielectric or pyroelectric material are evaluated.

本発明によれば、上部電極形成前の強誘電体又は焦電体の電気特性を、強誘電体又は焦電体に触れずに評価することができる電気特性評価装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrical property evaluation apparatus which can evaluate the electrical property of the ferroelectric or pyroelectric body before upper electrode formation without touching a ferroelectric or pyroelectric material can be provided.

本発明に係る電気特性評価装置の一例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating an example of the electrical property evaluation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る電気特性評価装置の他の例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the other example of the electrical property evaluation apparatus which concerns on this invention. PVDFシート(a)、PZTセラミクス(b)、PZT薄膜(c)の温度を変化させたときの表面電位の変化を示すグラフ(a)〜(c)及び焦電効果による分極状態を模式的に説明する図(d)である。Graphs (a) to (c) showing changes in surface potential when the temperature of the PVDF sheet (a), PZT ceramics (b), and PZT thin film (c) is changed, and the polarization state due to the pyroelectric effect are schematically shown. It is figure (d) to explain. PZTセラミクス及びPZT薄膜を温度変化させたときの厚みで規格化した表面電位の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the surface potential normalized by the thickness when PZT ceramics and a PZT thin film are temperature-changed. PZT薄膜に対して2.0、6.5、10、20W/mmのレーザを裏面から照射したときの温度変化を示す図である。It is a figure which shows a temperature change when a 2.0, 6.5, 10, 20 W / mm < 2 > laser is irradiated from the back surface with respect to a PZT thin film. 図5におけるレーザエネルギー密度と温度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the laser energy density in FIG. 5, and temperature. +1Vの焦電応答を得るために必要な温度変化量と測定試料の厚みとの関係を示した図(a)及び+1Vの焦電応答を得るために必要なエネルギー密度と測定試料の厚みとの関係を示した図(b)である。The figure (a) which showed the relationship between the temperature change amount required in order to obtain the pyroelectric response of + 1V, and the thickness of a measurement sample, and the energy density required in order to obtain the pyroelectric response of + 1V, and the thickness of a measurement sample It is the figure (b) which showed the relationship. パイロクロア相の少ない試料に対して20W/mmのレーザ照射をON/OFFしたときの温度と表面電位の変化を示す図(a)及びパイロクロア相の多い試料に対して20W/mmのレーザ照射をON/OFFしたときの温度と表面電位の変化を示す図(b)である。Diagram showing changes in temperature and surface potential when the ON / OFF the laser irradiation of 20W / mm 2 with respect to small sample pyrochlore phase (a) and the laser irradiation of 20W / mm 2 with respect to many samples pyrochlore phase It is a figure (b) which shows change of temperature and surface potential when turning on / off. パイロクロア相を含有するPZT薄膜の断面について得られたSTEM−HAADF像(a)及びその模式図(b)である。It is the STEM-HAADF image (a) obtained about the cross section of the PZT thin film containing a pyrochlore phase, and its schematic diagram (b). 本発明に係る電気特性評価装置の他の例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the other example of the electrical property evaluation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る電気特性評価装置の他の例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the other example of the electrical property evaluation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る電気特性評価装置の他の例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the other example of the electrical property evaluation apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る電気特性評価装置の他の例を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the other example of the electrical property evaluation apparatus which concerns on this invention.

以下、本発明に係る電気特性評価装置について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。   Hereinafter, an electrical property evaluation apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below, and other embodiments, additions, modifications, deletions, and the like can be changed within a range that can be conceived by those skilled in the art, and any aspect is possible. As long as the functions and effects of the present invention are exhibited, the scope of the present invention is included.

本発明は、基板上に形成された強誘電体又は焦電体の電気特性を評価する電気特性評価装置であって、前記基板の温度を可変させて前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させる温度可変手段と、前記強誘電体又は焦電体の温度を非接触で測定する温度計測手段と、前記強誘電体又は焦電体の表面電位を非接触で測定する表面電位計測手段と、を有し、前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させ、前記強誘電体又は焦電体の温度変化量と前記表面電位の変化量から、前記強誘電体又は焦電体の電気特性を評価することを特徴とする。   The present invention relates to an electrical property evaluation apparatus for evaluating electrical properties of a ferroelectric or pyroelectric material formed on a substrate, wherein the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material is varied by varying the temperature of the substrate. Variable temperature means, variable temperature measuring means for measuring the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material in a non-contact manner, and surface potential measuring means for measuring the surface potential of the ferroelectric or pyroelectric material in a non-contact manner; The temperature of the ferroelectric material or pyroelectric material is varied, and the temperature of the ferroelectric material or pyroelectric material and the amount of change in the surface potential are used to determine the electrical properties of the ferroelectric material or pyroelectric material. It is characterized by evaluating characteristics.

また、本発明は、基板上に形成された強誘電体又は焦電体の電気特性を評価する電気特性評価方法であって、前記基板の温度を可変させて前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させる温度可変工程と、前記強誘電体又は焦電体の温度を非接触で測定する温度計測工程と、前記強誘電体又は焦電体の表面電位を非接触で測定する表面電位計測工程と、を有し、前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させ、前記強誘電体又は焦電体の温度変化量と前記表面電位の変化量から、前記強誘電体又は焦電体の電気特性を評価することを特徴とする。
以下詳細を説明する。
The present invention also relates to an electrical property evaluation method for evaluating electrical properties of a ferroelectric or pyroelectric material formed on a substrate, wherein the temperature of the substrate is changed to change the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material. A temperature variable step for varying the temperature, a temperature measurement step for measuring the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material in a non-contact manner, and a surface potential measurement for measuring the surface potential of the ferroelectric or pyroelectric material in a non-contact manner. A step of varying the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material from the amount of change in temperature of the ferroelectric or pyroelectric material and the amount of change in the surface potential. It is characterized by evaluating the electrical characteristics of.
Details will be described below.

(第1の実施形態)
本実施形態の電気特性評価装置を図1に示す。図1は本実施形態の電気特性評価装置を説明するための模式図である。
図1では、基板11、下部電極12、薄膜材料13(強誘電体又は焦電体)が図示されており、さらに表面電位計21(表面電位計測手段)、加熱光源23(温度可変手段)、放射温度計22(温度計測手段)が図示されている。本実施形態の基板11はSiウエハとしている。また、本実施形態の電気特性評価装置はシールドボックス20内に設置されているが、本発明はこれに限られるものではない。
なお、以下、強誘電体又は焦電体を薄膜材料13又は試料と称することがある。
(First embodiment)
The electrical property evaluation apparatus of this embodiment is shown in FIG. FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the electrical property evaluation apparatus of the present embodiment.
In FIG. 1, a substrate 11, a lower electrode 12, a thin film material 13 (ferroelectric material or pyroelectric material) are illustrated, a surface potential meter 21 (surface potential measuring means), a heating light source 23 (temperature variable means), A radiation thermometer 22 (temperature measuring means) is shown. The substrate 11 of this embodiment is a Si wafer. Moreover, although the electrical property evaluation apparatus of this embodiment is installed in the shield box 20, the present invention is not limited to this.
Hereinafter, the ferroelectric or pyroelectric material may be referred to as the thin film material 13 or the sample.

本実施形態において電気特性の評価対象は、基板11(Siウエハ)上に下部電極12、薄膜材料13が形成されたものであり、薄膜材料13上に上部電極は形成されていない。本実施形態では、上部電極を形成する前の段階で薄膜材料13の製膜直後の電気特性を評価することができるため、評価結果を製造工程に反映させることができ、最終デバイスの歩留まりを向上させることができる。また、薄膜材料の作製を外注する場合、外注した薄膜材料の受け入れ検査時に良否判定ができるため、最終デバイスの歩留まりを向上させることができ、不良品を納入するリスクを低減させることができる。   In this embodiment, the evaluation target of the electrical characteristics is that the lower electrode 12 and the thin film material 13 are formed on the substrate 11 (Si wafer), and the upper electrode is not formed on the thin film material 13. In this embodiment, since the electrical characteristics immediately after the thin film material 13 is formed can be evaluated at the stage before the upper electrode is formed, the evaluation result can be reflected in the manufacturing process, and the yield of the final device is improved. Can be made. In addition, when the production of the thin film material is outsourced, it is possible to make a pass / fail determination at the time of the acceptance inspection of the outsourced thin film material, so that the yield of the final device can be improved and the risk of delivering defective products can be reduced.

加熱光源23はトップハット集光により、照射位置に均一な光エネルギーを印加することができる。本実施形態では裏面(基板11側)からレーザを照射し、光エネルギーを基板11のSiに吸収させることで強誘電体又は焦電体を加熱している。加熱源を光にすることによって、強誘電体又は焦電体に接触することなく加熱できる。非接触であるため、試料の温度が変化する速度に対する加熱源の熱容量の影響が抑制される。また、光の照射スポットが加熱部分となるため、焦電応答のウエハ面内分布の測定において、照射スポットを小さくすることで空間分解能を高くすることができる。
また、光は熱容量を持たないため、光照射のON/OFFで試料の加熱や冷却を速やかに行うことができ、加熱時の表面電位と冷却時の表面電位の差から試料の分極の安定性を評価することができるという利点も得られる。
The heating light source 23 can apply uniform light energy to the irradiation position by top-hat condensing. In this embodiment, the ferroelectric or pyroelectric material is heated by irradiating a laser from the back surface (substrate 11 side) and absorbing light energy by Si of the substrate 11. By making the heating source light, heating can be performed without contacting the ferroelectric or pyroelectric material. Since it is non-contact, the influence of the heat capacity of the heating source on the rate at which the temperature of the sample changes is suppressed. Further, since the light irradiation spot becomes a heated portion, the spatial resolution can be increased by reducing the irradiation spot in the measurement of the in-wafer distribution of the pyroelectric response.
In addition, since light has no heat capacity, it is possible to quickly heat and cool the sample by turning on and off the light irradiation, and the stability of the polarization of the sample from the difference between the surface potential during heating and the surface potential during cooling The advantage that can be evaluated is also obtained.

上述のように、加熱光源23は基板11の温度を可変させて強誘電体又は焦電体の温度を可変させている。本実施形態の光照射手段からの光はSiウエハに吸収させるため、波長は900nm以下であることが好ましい。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスの場合、Siウエハを使用することが多いが、Siウエハの光学特性は既知であり、安定している。一方で、強誘電体・焦電体や下部電極は材料や形態によって光学特性が異なるため、材料や形態が違う試料に対して同じように加熱するためには、Siウエハに光を吸収させる必要がある。上記光の波長が900nm以下であれば、Siウエハに光を吸収させることができ、Siウエハを介して強誘電体・焦電体の温度を可変させることができる。   As described above, the heating light source 23 varies the temperature of the ferroelectric material or pyroelectric material by varying the temperature of the substrate 11. Since the light from the light irradiation means of this embodiment is absorbed by the Si wafer, the wavelength is preferably 900 nm or less. In the case of a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) device, a Si wafer is often used, but the optical characteristics of the Si wafer are known and stable. On the other hand, the ferroelectric material, pyroelectric material, and lower electrode have different optical characteristics depending on the material and form. Therefore, it is necessary to absorb light in the Si wafer in order to heat the sample with different material and form in the same way. There is. If the wavelength of the light is 900 nm or less, the Si wafer can absorb the light, and the temperature of the ferroelectric / pyroelectric body can be varied through the Si wafer.

試料の温度は放射温度計22を用いて測定している。放射温度計22は、温度測定の対象となる箇所から放出される赤外線を測定することで温度を計測する。本実施形態の図1では基板11の温度を放射温度計22で測定しているが、薄膜材料13は基板11に比べて薄く、基板11と薄膜材料13は同じ温度になるため、基板11の温度を測定することは薄膜材料13の温度を測定することになる。   The temperature of the sample is measured using a radiation thermometer 22. The radiation thermometer 22 measures the temperature by measuring infrared rays emitted from a location that is a target of temperature measurement. In FIG. 1 of the present embodiment, the temperature of the substrate 11 is measured by the radiation thermometer 22, but the thin film material 13 is thinner than the substrate 11, and the substrate 11 and the thin film material 13 have the same temperature. Measuring the temperature means measuring the temperature of the thin film material 13.

放射温度計を用いた温度測定を行う際、薄膜材料13の放射率は未知であるため、正確な温度測定が困難であるが、Si基板の放射率は(表面形態によるが)機知であるため、温度測定の精度を比較的高くすることができる。なお、基板11ではなく、薄膜材料13の温度を測定してもよい。   When performing temperature measurement using a radiation thermometer, since the emissivity of the thin film material 13 is unknown, accurate temperature measurement is difficult, but the emissivity of the Si substrate is known (depending on the surface morphology). The accuracy of temperature measurement can be made relatively high. Note that the temperature of the thin film material 13 instead of the substrate 11 may be measured.

焦電効果によって生じる電位は表面電位計21を用いて測定している。図示されるように、表面電位計21、放射温度計22は薄膜材料13と非接触であり、上部電極形成前の強誘電体又は焦電体の電気特性を、強誘電体又は焦電体に触れずに評価することができる   The potential generated by the pyroelectric effect is measured using a surface electrometer 21. As shown in the figure, the surface potential meter 21 and the radiation thermometer 22 are not in contact with the thin film material 13, and the electric characteristics of the ferroelectric or pyroelectric body before the formation of the upper electrode are changed to the ferroelectric or pyroelectric body. Can be evaluated without touching

本実施形態に係る電気特性評価装置の詳細を下記に示す。
表面電位計21:TREK社製、model 323、メーカーデモ機
放射温度計22:MICRO-EPSILON社製、CT-SF22-C3、計測器登録なし
加熱光源23:浜松ホトニクス社製、L12333-411、波長940nm、最大出力40W、スポット径1.6mmΦ、メーカーデモ機
Details of the electrical property evaluation apparatus according to the present embodiment are shown below.
Surface potential meter 21: made by TREK, model 323, manufacturer demo machine Radiation thermometer 22: made by MICRO-EPSILON, CT-SF22-C3, without measuring instrument heating source 23: made by Hamamatsu Photonics, L12333-411, wavelength 940nm, maximum output 40W, spot diameter 1.6mmΦ, manufacturer demonstration machine

次に、本実施形態における電気特性の評価について詳細を説明する。本実施形態では焦電効果(自発分極量の温度依存性)を利用するものであり、強誘電体や焦電体を温度変化させると、分極量が変化しそれに伴って表面電位が変化することを利用する。表面電位の変化量(ΔV)は下記の式(1)で表される。
なお、下記式(1)は、M. J. Johnson, J. Linczer, and D. B. Go, Plasma Sources Sci. Technol. 23, 065018 (2014).に基づくものである。
Next, details of the evaluation of electrical characteristics in the present embodiment will be described. In this embodiment, the pyroelectric effect (temperature dependence of the amount of spontaneous polarization) is used. When the temperature of a ferroelectric or pyroelectric material is changed, the amount of polarization changes and the surface potential changes accordingly. Is used. The amount of change in surface potential (ΔV) is expressed by the following formula (1).
The following formula (1) is based on MJ Johnson, J. Linczer, and DB Go, Plasma Sources Sci. Technol. 23, 065018 (2014).

ΔV=dpΔT/ε ・・・式(1)     ΔV = dpΔT / ε (1)

式(1)中、d、p、T、εはそれぞれ、試料(薄膜材料13)の厚み、焦電係数、温度、誘電率である。上記式(1)を用いることで試料の焦電係数や誘電体率などの電気特性を求めることができる。   In formula (1), d, p, T, and ε are the thickness, pyroelectric coefficient, temperature, and dielectric constant of the sample (thin film material 13), respectively. By using the above formula (1), the electrical characteristics such as pyroelectric coefficient and dielectric constant of the sample can be obtained.

評価対象となる強誘電体又は焦電体としては、例えば、PVDFシート(Poly Vinylidene Fluorideシート)、チタン酸バリウム(BaTiO)、チタン酸鉛(PbTiO)、チタン酸ジルコン酸鉛(ジルコニウム酸−チタン酸鉛、PZT)、ニオブ酸カリウム(KNbO)、ニオブ酸リチウム(LiNbO)、タンタル酸リチウム(LiTaO)、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミ(AlN)、BaNaNb、ニオブ酸ナトリウムカリウム((K,Na)NbO)、ビスマスフェライト(BiFeO)、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO)、チタン酸ビスマス(BiTi12)、チタン酸ビスマスナトリウム(Na0.5Bi0.5TiO)等が挙げられる。 As the ferroelectric or pyroelectric material to be evaluated, for example, PVDF sheet (Poly Vinylidene Fluoride sheet), barium titanate (BaTiO 3 ), lead titanate (PbTiO 3 ), lead zirconate titanate (zirconate- Lead titanate, PZT), potassium niobate (KNbO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN), Ba 2 NaNb 5 O 5 , Sodium potassium niobate ((K, Na) NbO 3 ), bismuth ferrite (BiFeO 3 ), sodium niobate (NaNbO 3 ), bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 ), bismuth sodium titanate (Na 0.5 Bi 0.5 TiO 3 ) and the like.

本実施形態の電気特性評価装置によれば、Si基板側からホットプレート、光等によって加熱することで、薄膜材料に触れずに薄膜材料の温度変化を生じさせることができる。また、発生電位は表面電位計を用いて薄膜材料に非接触で測定することができる。このように、薄膜材料の表面に測定部材が接触せずに測定することが可能であるため、薄膜材料に測定装置の部材が接触して薄膜材料にダメージが生じることを抑制することができる。   According to the electrical property evaluation apparatus of the present embodiment, the temperature change of the thin film material can be caused without touching the thin film material by heating from the Si substrate side with a hot plate, light or the like. The generated potential can be measured in a non-contact manner with the thin film material using a surface potentiometer. Thus, since it is possible to measure without the measurement member coming into contact with the surface of the thin film material, it is possible to suppress the thin film material from being damaged by the measurement device member coming into contact with the thin film material.

(第2の実施形態)
次に、本発明に係る電気特性評価装置の他の実施形態について説明する。上記の実施形態と同一の構成部品についての説明は省略する場合がある。本実施形態の電気特性評価装置を図2に示す。図2は本実施形態の電気特性評価装置を模式的に説明するための図である。
(Second Embodiment)
Next, another embodiment of the electrical property evaluation apparatus according to the present invention will be described. A description of the same components as those in the above embodiment may be omitted. The electrical property evaluation apparatus of this embodiment is shown in FIG. FIG. 2 is a diagram for schematically explaining the electrical property evaluation apparatus of the present embodiment.

本実施形態の電気特性評価装置では、温度可変手段としてホットプレート24を用いている。ホットプレート24を用いることで、薄膜材料13全体を加熱することができる。基板11及び薄膜材料13を全体的に温度変化させることで、薄膜材料13の電気特性の面内平均を評価することができる。   In the electrical property evaluation apparatus of this embodiment, the hot plate 24 is used as the temperature variable means. By using the hot plate 24, the entire thin film material 13 can be heated. By changing the temperature of the substrate 11 and the thin film material 13 as a whole, the in-plane average of the electrical characteristics of the thin film material 13 can be evaluated.

また、放射温度計22は、薄膜材料13側から薄膜材料13が放射する赤外線を測定することで薄膜材料13の温度を計測している。   Further, the radiation thermometer 22 measures the temperature of the thin film material 13 by measuring the infrared rays emitted from the thin film material 13 from the thin film material 13 side.

本実施形態に係る電気特性評価装置の詳細を下記に示す。
表面電位計21:TREK社製、Model 323、メーカーデモ機
放射温度計22:MICRO-EPSILON社製、CT-SF22-C3、S/Nなし
ホットプレート24:AS ONE社製、HP-2SA、S/Nなし
Details of the electrical property evaluation apparatus according to the present embodiment are shown below.
Surface electrometer 21: Made by TREK, Model 323, manufacturer demo machine Radiation thermometer 22: Made by MICRO-EPSILON, CT-SF22-C3, without S / N Hot plate 24: Made by AS ONE, HP-2SA, S / N None

このように、本実施形態の電気特性評価においても、上部電極形成前の強誘電体又は焦電体の電気特性を、強誘電体又は焦電体に触れずに評価することができる。   Thus, also in the electrical property evaluation of this embodiment, the electrical property of the ferroelectric or pyroelectric body before the upper electrode is formed can be evaluated without touching the ferroelectric or pyroelectric material.

(電気特性評価の検証)
次に、本発明の電気特性評価装置について電気特性評価の検証を行う。
まず、第2の実施形態において、薄膜材料13としてPVDFシート、PZTセラミクス、PZT薄膜を選択し、それぞれ温度を変化させた場合について図3を用いて説明する。
図3(a)〜(c)はそれぞれPVDFシート、PZTセラミクス、PZT薄膜の温度変化させた場合のグラフであり、横軸を時間、縦軸を表面電位及び温度としている。また、図3(d)は定常状態と昇温時の分極状態を模式的に示すものである。なお、図3(a)〜(c)における矢印は、対応する縦軸がどちらであるかを示すものである。
(Verification of electrical property evaluation)
Next, the electrical property evaluation apparatus of the present invention is verified for electrical property evaluation.
First, in the second embodiment, a case where a PVDF sheet, PZT ceramics, or PZT thin film is selected as the thin film material 13 and the temperature is changed will be described with reference to FIG.
FIGS. 3A to 3C are graphs when the temperature of the PVDF sheet, PZT ceramics, and PZT thin film is changed, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing surface potential and temperature. FIG. 3D schematically shows a steady state and a polarization state at the time of temperature rise. The arrows in FIGS. 3A to 3C indicate which corresponding vertical axis is.

図示されるように、PVDFシートでは、約3℃の温度変化で−100Vの電位が発生し(図3(a))、PZTセラミクスでは、約10℃の温度変化で−100Vの電位が発生していることがわかる(図3(b))。一方で、PZT薄膜では約10℃の温度変化で約−0.4Vの電位が発生していることがわかる(図3(c)の0s〜約60s)。
従って、これらのことから薄膜材料13の物性及び厚みが関係する表面電位の変化(上記式(1))を評価することができる。
As shown in the figure, the PVDF sheet generates a potential of −100 V with a temperature change of about 3 ° C. (FIG. 3A), and the PZT ceramics generates a potential of −100 V with a temperature change of about 10 ° C. (Fig. 3 (b)). On the other hand, in the PZT thin film, it can be seen that a potential of about −0.4 V is generated with a temperature change of about 10 ° C. (0 s to about 60 s in FIG. 3C).
Therefore, it is possible to evaluate the change in surface potential (the above formula (1)) related to the physical properties and thickness of the thin film material 13 from these.

なお、図3では負の電位が発生しているが、PVDFシート及びPZTセラミクスにおいて、上下(裏表)を反転させて同じ実験をすると正の電位が発生することが確認できた。
また、図3(d)に示されるように、試料の温度上昇に伴って分極量が減少するため、分極方向を試料の上方向として試料を置いた場合は、昇温前に試料の分極を補償していた負の表面電荷が負の表面電位となって現れたと考えられる。
これらのことから、本発明に係る電気特性評価装置では、分極方向に起因した極性の電位を測定することができる。
In addition, although the negative electric potential generate | occur | produced in FIG. 3, in the PVDF sheet | seat and the PZT ceramics, it has confirmed that a positive electric potential generate | occur | produced if the same experiment was carried out by inverting upside down (back and front).
Also, as shown in FIG. 3 (d), since the amount of polarization decreases as the temperature of the sample increases, if the sample is placed with the polarization direction as the upward direction of the sample, the polarization of the sample must be changed before the temperature rises. The compensated negative surface charge appears to have appeared as a negative surface potential.
For these reasons, the electrical property evaluation apparatus according to the present invention can measure the potential of the polarity due to the polarization direction.

次に、図3(b)及び図3(c)のデータにおいて、電位変化量を試料(薄膜材料)の厚みで規格化し、温度変化量との関係をプロットした結果を図4に示す。図4では、横軸を温度変化、縦軸を厚みで規格化した表面電位の変化量を示す。   Next, in the data of FIG. 3B and FIG. 3C, the result of normalizing the potential change amount with the thickness of the sample (thin film material) and plotting the relationship with the temperature change amount is shown in FIG. In FIG. 4, the amount of change in surface potential is shown with the horizontal axis normalized by temperature and the vertical axis normalized by thickness.

ここで、本実施形態の評価装置で得られる評価結果の定量的な妥当性を検討する。検討するにあたり、実際に得られた測定結果と文献値との比較を行う。
実際に得られた測定結果では、図4に示すように、PZTセラミクスとPZT薄膜のグラフの傾きがおおよそ一致している。焦電効果によって生じる表面電位の変化量は上記式(1)で表すことができるので、この傾きと上記式(1)から、焦電係数を算出すると、1.5×10−4C/m℃となる。
これは、PZTセラミクス及びPZT薄膜で報告されている値(1.0〜5.3×10−4C/m℃、下記参考文献(A)〜(D))と同程度であることがわかった。従って、本発明に係る電気特性評価装置は、焦電効果の定量的な議論に対して妥当であると言える。
Here, the quantitative validity of the evaluation result obtained by the evaluation apparatus of the present embodiment is examined. In the examination, the actual measurement results are compared with the literature values.
In the actual measurement results, as shown in FIG. 4, the slopes of the PZT ceramics and the PZT thin film are approximately the same. Since the change amount of the surface potential caused by the pyroelectric effect can be expressed by the above formula (1), when the pyroelectric coefficient is calculated from this slope and the above formula (1), 1.5 × 10 −4 C / m 2 ° C.
This is comparable to the values reported for PZT ceramics and PZT thin films (1.0 to 5.3 × 10 −4 C / m 2 ° C., the following references (A) to (D)). all right. Therefore, it can be said that the electrical property evaluation apparatus according to the present invention is appropriate for quantitative discussion of the pyroelectric effect.

[参考文献]
(A)G. Sebald, E. Lefeuvre, and D. Guyomar, IEEE transactions on ultrasonics, 55, 538 (2008)
(B)M. T. Kesim, J. Zhang, S. Trolier-McKinstry, J. V. Mantese, R. W. Whatmore and S. P. Alpay, J. Appl. Phys. 114, 204101 (2013).
(C)R. V. K. Mangalam, J. C. Agar, A. R. Damodaran, J. Karthik, and L. W. Martin, Appl. Mater. Interfaces, 5, 13235 (2013).
(D)G. Sebald, E. Lefeuvre, and D. Guyomar, IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 55, 3, (2008)
[References]
(A) G. Sebald, E. Lefeuvre, and D. Guyomar, IEEE transactions on ultrasonics, 55, 538 (2008)
(B) MT Kesim, J. Zhang, S. Trolier-McKinstry, JV Mantese, RW Whatmore and SP Alpay, J. Appl. Phys. 114, 204101 (2013).
(C) RVK Mangalam, JC Agar, AR Damodaran, J. Karthik, and LW Martin, Appl. Mater. Interfaces, 5, 13235 (2013).
(D) G. Sebald, E. Lefeuvre, and D. Guyomar, IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 55, 3, (2008)

次に、第1の実施形態において、薄膜材料13をPZT薄膜として、PZT薄膜に対して2.0、6.5、10、20W/mmのレーザを裏面から(基板11側から)照射したときの温度変化を図5に示す。なお、図5の温度は、上述したように、基板11から放出される赤外線を放射温度計22により測定したものであるが、これは試料(薄膜材料13)の温度に対応する。 Next, in the first embodiment, the thin film material 13 is a PZT thin film, and the PZT thin film is irradiated with 2.0, 6.5, 10, 20 W / mm 2 laser from the back surface (from the substrate 11 side). The change in temperature is shown in FIG. Note that, as described above, the temperature in FIG. 5 is obtained by measuring the infrared rays emitted from the substrate 11 with the radiation thermometer 22, and this corresponds to the temperature of the sample (thin film material 13).

図5に示されるように、レーザの照射後、試料の温度が上昇し、ある温度で飽和している。飽和したときの温度はレーザのエネルギーの増加に対応して高い温度を示し、20W/mmで最も大きく、250℃以上の温度上昇が確認できる。 As shown in FIG. 5, after the laser irradiation, the temperature of the sample rises and is saturated at a certain temperature. The temperature at the time of saturation shows a high temperature corresponding to the increase in the energy of the laser, the largest at 20 W / mm 2 , and a temperature increase of 250 ° C. or more can be confirmed.

次に、図5において、レーザのエネルギー密度と試料の温度の関係を図6に示す。図6の温度は、図5においてレーザ照射して温度上昇が飽和したときの温度を示す。図示されるように、縦軸の温度はレーザのエネルギー密度に対して線形的に増加している。レーザのエネルギー密度を調節することで温度制御を行うことができ、従って、本発明の電気特性評価装置では容易に試料の温度制御が可能であることがわかる。   Next, in FIG. 5, the relationship between the energy density of the laser and the temperature of the sample is shown in FIG. The temperature in FIG. 6 indicates the temperature when the temperature rise is saturated by laser irradiation in FIG. As shown, the temperature on the vertical axis increases linearly with the energy density of the laser. It can be seen that the temperature can be controlled by adjusting the energy density of the laser, and therefore the temperature of the sample can be easily controlled in the electrical property evaluation apparatus of the present invention.

次に、第1の実施形態において、様々な評価対象への展開を考えて、様々な強誘電体・焦電体材料に対してどれだけの温度変化及び光エネルギーが必要かを検討する。市販の表面電位計の測定感度は10mV程度であることから、定量的に議論するには+1V程度の焦電応答が得られることが望ましい。そこで、表1に示す材料において、+1Vの焦電応答を得るために必要な温度変化量・エネルギー密度と測定試料の厚みとの関係を、上記式(1)と表1に示す物性値から算出した。その結果を図7に示す。   Next, in the first embodiment, considering the development to various evaluation objects, it is examined how much temperature change and light energy are required for various ferroelectric / pyroelectric materials. Since the measurement sensitivity of a commercially available surface electrometer is about 10 mV, it is desirable to obtain a pyroelectric response of about +1 V for quantitative discussion. Therefore, in the materials shown in Table 1, the relationship between the temperature change amount / energy density necessary for obtaining a pyroelectric response of +1 V and the thickness of the measurement sample is calculated from the above formula (1) and the physical property values shown in Table 1. did. The result is shown in FIG.

なお、表1中、pは焦電係数を表し、εは比誘電率を表す。また、PMNPTはニオブ酸鉛マグネシウム・チタン酸鉛を表す。表1中、PZTの焦電係数は上記参考文献(D)に基づく。 In Table 1, p represents a pyroelectric coefficient, and ε r represents a relative dielectric constant. PMNPT represents lead magnesium niobate / lead titanate. In Table 1, the pyroelectric coefficient of PZT is based on the above reference (D).

図7(a)は+1Vの焦電応答を得るために必要な温度変化量と測定試料の厚みとの関係を示したものであり、図7(b)は+1Vの焦電応答を得るために必要なエネルギー密度と測定試料の厚みとの関係を示したものである。図7の厚みについて、圧電MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)に用いられる圧電体薄膜材料の一般的な膜厚は1μm程度であることを考慮し、図7に示される厚み範囲について検討を行った。   FIG. 7A shows the relationship between the amount of temperature change necessary to obtain a + 1V pyroelectric response and the thickness of the measurement sample, and FIG. 7B shows the relationship between the + 1V pyroelectric response. The relationship between a required energy density and the thickness of a measurement sample is shown. Regarding the thickness of FIG. 7, the thickness range shown in FIG. 7 was examined in consideration of the general film thickness of a piezoelectric thin film material used in piezoelectric MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) being about 1 μm.

図7(a)において、膜厚1μmの場合、必要な温度変化はLiTaO(図中、1番下のグラフ)で1.8℃、PZT(図中、1番上のグラフ)で19℃と見積もることができる。 In FIG. 7A, when the film thickness is 1 μm, the required temperature change is 1.8 ° C. for LiTaO 3 (first graph in the figure), and 19 ° C. for PZT (first graph in the figure). Can be estimated.

さらに、図6に示した温度変化量とレーザのエネルギー密度の関係から、図7(a)の縦軸(必要な温度変化量)を必要なレーザのエネルギー密度に計算し直し、その結果を図7(b)に示す。
図7(b)において、膜厚1μmの場合、必要なエネルギー密度はLiTaO(図中、1番下のグラフ)で0.13W/mm、PZT(図中、1番上のグラフ)で1.4W/mmと見積もることができる。
このように、所定の厚みの試料に対して、所定の焦電応答を得るのに必要な温度変化量・エネルギー密度を見積もることができる。
Further, from the relationship between the temperature change amount and the laser energy density shown in FIG. 6, the vertical axis (required temperature change amount) in FIG. 7A is recalculated to the required laser energy density, and the result is shown in FIG. 7 (b).
In FIG. 7B, when the film thickness is 1 μm, the required energy density is 0.13 W / mm 2 for LiTaO 3 (the bottom graph in the figure) and PZT (the top graph in the figure). It can be estimated as 1.4 W / mm 2 .
As described above, it is possible to estimate the temperature change amount and the energy density necessary for obtaining a predetermined pyroelectric response for a sample having a predetermined thickness.

次に、第1の実施形態において、パイロクロア相の少ない試料及びパイロクロア相の多い試料に対して20W/mmのレーザ照射をON/OFFしたときの温度と表面電位の変化を図8に示す。図8(a)はパイロクロア相の少ない試料に対するものであり、図8(b)はパイロクロア相の多い試料に対するものである。なお、図8における試料は、PZT薄膜について測定したものである。 Next, in the first embodiment, FIG. 8 shows changes in temperature and surface potential when 20 W / mm 2 laser irradiation is turned on / off for a sample having a small pyrochlore phase and a sample having a large pyrochlore phase. FIG. 8A is for a sample with a small pyrochlore phase, and FIG. 8B is for a sample with a large pyrochlore phase. In addition, the sample in FIG. 8 is a thing measured about the PZT thin film.

パイロクロア相の少ない試料に対してレーザ照射ON/OFFした場合における図8(a)をみると、レーザ照射ONの領域では、温度が上昇し約300℃に近づいていくにつれて、表面電位が生じ−4Vに近づいていくのがわかる。そして、レーザ照射をOFFにすると、時間経過とともにもとの温度(約20℃)に近づいていき、これとともに表面電位がもとの値(約0V)に近づいていくのがわかる。   In FIG. 8A, when the laser irradiation is turned on / off for a sample having a small pyrochlore phase, the surface potential is generated as the temperature rises and approaches about 300 ° C. in the laser irradiation ON region− You can see it approaching 4V. When the laser irradiation is turned off, the surface temperature approaches the original value (about 20 ° C.) with time, and the surface potential approaches the original value (about 0 V).

一方、パイロクロア相の多い試料に対してレーザ照射ON/OFFした場合における図8(b)をみると、レーザ照射ONの領域では、温度が上昇し約280℃に近づいていくにつれて、表面電位が生じ−4Vに近づいている。
ここで、図8(b)のレーザ照射ON領域をみると、0sから約50sまでは温度上昇に伴い表面電位が増加しているが、約50sから約120sまでは表面電位が減少している(0Vに近づく方向に変化している)。そして、約120s以降、レーザ照射をOFFにするまで表面電位が再び増加している。レーザ照射をOFFにすると、時間経過とともにもとの温度(約20℃)に近づいていき、これとともに表面電位が減少している。
On the other hand, when FIG. 8B shows a case where laser irradiation is turned on / off for a sample having a large pyrochlore phase, the surface potential increases in the laser irradiation ON region as the temperature increases and approaches 280 ° C. Occurrence is approaching -4V.
Here, in the laser irradiation ON region of FIG. 8B, the surface potential increases with increasing temperature from 0 s to about 50 s, but the surface potential decreases from about 50 s to about 120 s. (It changes in a direction approaching 0V). After about 120 seconds, the surface potential increases again until the laser irradiation is turned off. When the laser irradiation is turned off, the surface temperature approaches the original temperature (about 20 ° C.) with time, and the surface potential decreases with this.

まず、図8の結果を用いて、測定系の妥当性について検討する。図8(a)及び図8(b)それぞれについて、室温付近の応答(0sから約50s)から、試料の厚み1μm、温度及び表面電位の変化量、比誘電率(ε)1600を上記式(1)に代入し、試料の焦電係数を算出した。その結果、両試料ともに3×10−4C/m℃程度となり、PZTセラミクス及びPZT薄膜で報告されている値(1〜5.3×10−4C/m℃)と同程度であることがわかった。
このことから、上記実施形態における電気特性評価装置は焦電効果の定量的な議論に対して妥当であると言える。
First, the validity of the measurement system is examined using the results of FIG. For each of FIGS. 8A and 8B, from the response around room temperature (from 0 s to about 50 s), the thickness of the sample is 1 μm, the amount of change in temperature and surface potential, and the relative dielectric constant (ε r ) 1600 Substituting into (1), the pyroelectric coefficient of the sample was calculated. As a result, both samples are about 3 × 10 −4 C / m 2 ° C., which is about the same as the values reported for PZT ceramics and PZT thin films (1 to 5.3 × 10 −4 C / m 2 ° C.). I found out.
From this, it can be said that the electrical property evaluation apparatus in the embodiment is appropriate for quantitative discussion of the pyroelectric effect.

次に、図8(b)の焦電応答に対するパイロクロア相の影響について検討する。焦電効果で発生する表面電荷は、焦電材料の結晶中を伝導することで、指数関数的に減少することが知られている。このことが図8(b)における約50sから約120sの範囲での表面電位の減少として表れている。   Next, the influence of the pyrochlore phase on the pyroelectric response of FIG. It is known that the surface charge generated by the pyroelectric effect decreases exponentially by conducting through the crystal of the pyroelectric material. This appears as a decrease in the surface potential in the range of about 50 s to about 120 s in FIG.

このときの緩和時間は下記式(2)で表すことができる。   The relaxation time at this time can be expressed by the following formula (2).

τ=εrε0/σ ・・・式(2) τ = ε r ε 0 / σ Equation (2)

式(2)中、εrは試料の比誘電率、ε0は真空の誘電率、σは試料の電気伝導率である。 In equation (2), ε r is the relative permittivity of the sample, ε 0 is the permittivity of vacuum, and σ is the electrical conductivity of the sample.

上記式(2)はτ=ερ(εは試料の誘電率、ρは試料の電気抵抗率)といいかえることができ、試料の誘電率及び電気抵抗率が低いほど、焦電効果で発生する表面電荷が緩和電流として消失する時間が早くなる。   The above equation (2) can be said to be τ = ερ (ε is the dielectric constant of the sample, and ρ is the electrical resistivity of the sample). The lower the dielectric constant and electrical resistivity of the sample, the surface generated by the pyroelectric effect. The time for the electric charge to disappear as a relaxation current is shortened.

このように、表面電位の緩和時間の時定数は誘電率と電気抵抗率の積で表されるため、電荷保持特性から誘電率と電気抵抗率の情報を得ることができる。別の言い方をすれば、温度上昇させた後に一定温度にしたときの表面電位の時間変化を測定することで、薄膜材料の電荷保持特性を評価することができる。   Thus, since the time constant of the relaxation time of the surface potential is represented by the product of the dielectric constant and the electrical resistivity, information on the dielectric constant and the electrical resistivity can be obtained from the charge retention characteristics. In other words, the charge retention characteristics of the thin film material can be evaluated by measuring the time change of the surface potential when the temperature is raised and then kept constant.

また、一般的に、パイロクロア相の誘電率はPb(Zr,Ti)Oと比較して数桁低いことが知られている。
ここで、パイロクロア相を含有するPZT薄膜の断面について得られたSTEM−HAADF像を図9(a)に示す。また、図9(a)の模式図を図9(b)に示す。図9(b)中、符号31は電荷、符号32はPb(Zr,Ti)O、符号33はパイロクロア相、符号34は下部電極、符号35は密着層及び基板を示す。
Further, it is generally known that the dielectric constant of the pyrochlore phase is several orders of magnitude lower than that of Pb (Zr, Ti) O 3 .
Here, the STEM-HAADF image obtained about the cross section of the PZT thin film containing a pyrochlore phase is shown to Fig.9 (a). Moreover, the schematic diagram of Fig.9 (a) is shown in FIG.9 (b). In FIG. 9B, reference numeral 31 denotes an electric charge, reference numeral 32 denotes Pb (Zr, Ti) O 3 , reference numeral 33 denotes a pyrochlore phase, reference numeral 34 denotes a lower electrode, and reference numeral 35 denotes an adhesion layer and a substrate.

図9(a)及び図9(b)に示されるように、パイロクロア相は薄膜中にPb(Zr,Ti)Oと並列に存在していることがわかる。これらのこと、特に図9(b)の検討により、パイロクロア相、又はパイロクロア相とPb(Zr,Ti)Oの界面に生じる格子欠陥などの微視的な領域から、焦電効果で発生した電荷が緩和電流として流れていることが示唆される。 As shown in FIGS. 9A and 9B, it can be seen that the pyrochlore phase exists in parallel with Pb (Zr, Ti) O 3 in the thin film. These, especially by the examination of FIG. 9B, are generated by a pyroelectric effect from a microscopic region such as a lattice defect generated at the interface between the pyrochlore phase or the pyrochlore phase and Pb (Zr, Ti) O 3 . It is suggested that the charge flows as a relaxation current.

以上のことを以下に簡単にまとめる。
評価結果から算出した焦電係数が文献の値と同程度であることから、本発明の電気特性評価装置は焦電効果の定量的な議論に対して妥当であると言える。また、温度上昇させた後に一定温度にしたときの、表面電位の時間変化を測定することで、薄膜材料の電荷保持特性を評価できる。また、パイロクロア相の含有量の異なるPb(Zr,Ti)O薄膜において、それぞれの薄膜の電荷保持特性に明確な違いを確認することができる。
そして、以上のことから、本発明の電気特性評価装置では、上部電極のない強誘電体又は焦電体の電気特性を、強誘電体又は焦電体の表面に測定部材が接触することなく評価することできる。また、薄膜材料の作製を外注した場合でも、外注した強誘電体又は焦電体の薄膜材料の受け入れ検査において有効な評価ができる。このような評価を行うことにより、歩留まりの向上も期待できる。
The above is briefly summarized below.
Since the pyroelectric coefficient calculated from the evaluation result is approximately the same as the literature value, it can be said that the electrical property evaluation apparatus of the present invention is appropriate for quantitative discussion of the pyroelectric effect. In addition, the charge retention characteristics of the thin film material can be evaluated by measuring the temporal change of the surface potential when the temperature is raised to a constant temperature. Further, in the Pb (Zr, Ti) O 3 thin film having different pyrochlore phase contents, a clear difference can be confirmed in the charge retention characteristics of each thin film.
From the above, the electrical property evaluation apparatus of the present invention evaluates the electrical properties of the ferroelectric or pyroelectric material without the upper electrode without the measurement member coming into contact with the surface of the ferroelectric or pyroelectric material. Can do. Even when the production of the thin film material is outsourced, effective evaluation can be performed in the acceptance inspection of the ferroelectric or pyroelectric thin film material outsourced. By performing such evaluation, an improvement in yield can be expected.

(第3の実施形態)
次に、本発明に係る電気特性評価装置の他の実施形態について説明する。上記の実施形態と同一の構成部品についての説明は省略する場合がある。本実施形態の電気特性評価装置の模式図を図10に示す。
(Third embodiment)
Next, another embodiment of the electrical property evaluation apparatus according to the present invention will be described. A description of the same components as those in the above embodiment may be omitted. A schematic diagram of the electrical property evaluation apparatus of this embodiment is shown in FIG.

本実施形態の電気特性評価装置は上記第1の実施形態とほぼ同じであるが、本実施形態では、基板11の面方向に基板11を移動させることが可能な基板11の固定手段(XYステージ25)を有する。XYステージ25を有することにより、基板11をX方向・Y方向(基板11の面方向)に移動させることができ、温度を可変する箇所や温度を測定する箇所を変えたり、薄膜材料13の表面電位を測定する箇所を変えたりすることができる。これにより試料面内における電気特性の分布を評価することができる。   The electrical property evaluation apparatus of this embodiment is almost the same as that of the first embodiment, but in this embodiment, the substrate 11 fixing means (XY stage) capable of moving the substrate 11 in the surface direction of the substrate 11. 25). By having the XY stage 25, the substrate 11 can be moved in the X direction and the Y direction (the surface direction of the substrate 11), the location where the temperature is varied, the location where the temperature is measured, or the surface of the thin film material 13 is changed. The location where the potential is measured can be changed. As a result, the distribution of electrical characteristics in the sample plane can be evaluated.

(第4の実施形態)
次に、本発明に係る電気特性評価装置の他の実施形態について説明する。上記の実施形態と同一の構成部品についての説明は省略する場合がある。本実施形態の電気特性評価装置の模式図を図11に示す。
(Fourth embodiment)
Next, another embodiment of the electrical property evaluation apparatus according to the present invention will be described. A description of the same components as those in the above embodiment may be omitted. A schematic diagram of the electrical property evaluation apparatus of this embodiment is shown in FIG.

本実施形態の電気特性評価装置は上記第2の実施形態とほぼ同じであるが、本実施形態の表面電位計測手段はアレイ状に複数配置されており、強誘電体又は焦電体の複数箇所の表面電位を計測するものであり、図11では表面電位計21がアレイ状に配置されている。本実施形態では、ホットプレート24により薄膜材料13を全体的に加熱し、アレイ状の表面電位計21で複数箇所の表面電位を測定することで、試料面内における電気特性の分布を短時間で評価することができる。   The electrical property evaluation apparatus of this embodiment is almost the same as that of the second embodiment, but a plurality of surface potential measuring means of this embodiment are arranged in an array, and a plurality of locations of ferroelectric or pyroelectric materials. The surface potential meter 21 is arranged in an array in FIG. In the present embodiment, the thin film material 13 is heated as a whole by the hot plate 24, and the surface potential at a plurality of locations is measured by the array-type surface potential meter 21, so that the distribution of electrical characteristics in the sample surface can be achieved in a short time. Can be evaluated.

なお、図11では放射温度計22を1つだけ図示しているが、これに限られず、適宜変更することが可能であり、放射温度計22が温度測定する箇所を変えられるようにしてもよいし、放射温度計22の数を増やして複数箇所を同時に測定できるようにしてもよい。   In FIG. 11, only one radiation thermometer 22 is illustrated, but the invention is not limited to this, and the radiation thermometer 22 may be changed as appropriate, and the location where the radiation thermometer 22 measures temperature may be changed. Then, the number of radiation thermometers 22 may be increased so that a plurality of locations can be measured simultaneously.

(第5の実施形態)
次に、本発明に係る電気特性評価装置の他の実施形態について説明する。上記の実施形態と同一の構成部品についての説明は省略する場合がある。本実施形態の電気特性評価装置の模式図を図12に示す。
(Fifth embodiment)
Next, another embodiment of the electrical property evaluation apparatus according to the present invention will be described. A description of the same components as those in the above embodiment may be omitted. A schematic diagram of the electrical property evaluation apparatus of the present embodiment is shown in FIG.

本実施形態の電気特性評価装置は上記第2の実施形態とほぼ同じであるが、本実施形態の表面電位計測手段は強誘電体又は焦電体全体の表面電位を計測する。本実施形態では、ホットプレート24により薄膜材料13を全体的に加熱し、薄膜材料13の表面全体を測定できる表面電位計21で測定することで、試料の平均的な電気特性を評価することができる。   The electrical property evaluation apparatus of the present embodiment is almost the same as that of the second embodiment, but the surface potential measuring means of the present embodiment measures the surface potential of the entire ferroelectric or pyroelectric body. In the present embodiment, the thin film material 13 is entirely heated by the hot plate 24, and the average electrical characteristics of the sample can be evaluated by measuring with the surface potentiometer 21 that can measure the entire surface of the thin film material 13. it can.

なお、図12では放射温度計22を1つだけ図示しているが、これに限られず、適宜変更することが可能であり、放射温度計22が温度測定する箇所を変えられるようにしてもよいし、放射温度計22の数を増やして複数箇所を同時に測定できるようにしてもよい。   Although only one radiation thermometer 22 is shown in FIG. 12, the present invention is not limited to this, and can be changed as appropriate, and the location where the radiation thermometer 22 measures temperature may be changed. Then, the number of radiation thermometers 22 may be increased so that a plurality of locations can be measured simultaneously.

(第6の実施形態)
次に、本発明に係る電気特性評価装置の他の実施形態について説明する。上記の実施形態と同一の構成部品についての説明は省略する場合がある。本実施形態の電気特性評価装置の模式図を図13に示す。
(Sixth embodiment)
Next, another embodiment of the electrical property evaluation apparatus according to the present invention will be described. A description of the same components as those in the above embodiment may be omitted. A schematic diagram of the electrical property evaluation apparatus of this embodiment is shown in FIG.

本実施形態の電気特性評価装置は上記第2の実施形態とほぼ同じであるが、本実施形態の温度可変手段は強誘電体又は焦電体を加熱及び冷却する手段を有する。図13では温度可変手段としてペルチェ素子26が図示されている。ペルチェ素子26では素子に流す電流の向きを変えることにより、加熱と冷却を切り替えることができる。
本実施形態によれば、加熱時の表面電位と冷却時の表面電位の差から試料の分極の安定性を評価することができる。
The electrical property evaluation apparatus of this embodiment is substantially the same as that of the second embodiment, but the temperature variable means of this embodiment has means for heating and cooling the ferroelectric or pyroelectric material. In FIG. 13, a Peltier element 26 is shown as a temperature variable means. In the Peltier element 26, heating and cooling can be switched by changing the direction of the current flowing through the element.
According to this embodiment, the stability of polarization of a sample can be evaluated from the difference between the surface potential during heating and the surface potential during cooling.

なお、本実施形態ではペルチェ素子に限られるものではなく、加熱及び冷却することが可能であれば適宜変更することができる。また、加熱手段と冷却手段を別個にしてもよい。   In addition, in this embodiment, it is not restricted to a Peltier device, If it can heat and cool, it can change suitably. Further, the heating means and the cooling means may be separated.

11 基板
12 下部電極
13 薄膜材料
20 シールドボックス
21 表面電位計
22 放射温度計
23 加熱光源
24 ホットプレート
25 XYステージ
26 ペルチェ素子
31 電荷
32 Pb(Zr,Ti)O
33 パイロクロア相
34 下部電極
35 密着層及び基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Substrate 12 Lower electrode 13 Thin film material 20 Shield box 21 Surface potential meter 22 Radiation thermometer 23 Heating light source 24 Hot plate 25 XY stage 26 Peltier element 31 Charge 32 Pb (Zr, Ti) O 3
33 Pyrochlore phase 34 Lower electrode 35 Adhesion layer and substrate

特開2004−221411号公報JP 2004-221411 A

Claims (11)

基板上に形成された強誘電体又は焦電体の電気特性を評価する電気特性評価装置であって、
前記基板の温度を可変させて前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させる温度可変手段と、
前記強誘電体又は焦電体の温度を非接触で測定する温度計測手段と、
前記強誘電体又は焦電体の表面電位を非接触で測定する表面電位計測手段と、を有し、
前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させ、前記強誘電体又は焦電体の温度変化量と前記表面電位の変化量から、前記強誘電体又は焦電体の電気特性を評価することを特徴とする電気特性評価装置。
An electrical property evaluation apparatus for evaluating electrical properties of a ferroelectric or pyroelectric material formed on a substrate,
Temperature varying means for varying the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material by varying the temperature of the substrate;
Temperature measuring means for measuring the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material in a non-contact manner;
Surface potential measuring means for measuring the surface potential of the ferroelectric or pyroelectric material in a non-contact manner,
Varying the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material, and evaluating the electrical characteristics of the ferroelectric or pyroelectric material from the amount of change in temperature of the ferroelectric or pyroelectric material and the amount of change in the surface potential. A device for evaluating electrical characteristics.
下記式(1)により前記強誘電体又は焦電体の焦電係数を求めることを特徴とする請求項1に記載の電気特性評価装置。
ΔV=dpΔT/ε ・・・式(1)
(式(1)中、ΔV、d、p、ΔT、εはそれぞれ、前記強誘電体又は焦電体の表面電位の変化量、厚み、焦電係数、温度変化量、誘電率を示す。)
The electrical property evaluation apparatus according to claim 1, wherein a pyroelectric coefficient of the ferroelectric material or pyroelectric material is obtained by the following formula (1).
ΔV = dpΔT / ε (1)
(In the formula (1), ΔV, d, p, ΔT, and ε represent the amount of change in surface potential, the thickness, the pyroelectric coefficient, the amount of temperature change, and the dielectric constant of the ferroelectric or pyroelectric material, respectively.)
前記基板の面方向に前記基板を移動させることが可能な前記基板の固定手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の電気特性評価装置。   The electrical property evaluation apparatus according to claim 1, further comprising a fixing unit for fixing the substrate capable of moving the substrate in a surface direction of the substrate. 前記温度計測手段は放出される赤外線によって温度を計測する放射温度計であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電気特性評価装置。   The electrical temperature evaluation apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the temperature measuring means is a radiation thermometer that measures a temperature with emitted infrared rays. 前記温度可変手段により前記強誘電体又は焦電体の温度を上昇させ、一定温度にしたときの前記表面電位の時間変化を測定することにより、前記強誘電体又は焦電体の電荷保持特性を評価することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の電気特性評価装置。   By increasing the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material by the temperature variable means and measuring the time change of the surface potential when the temperature is constant, the charge retention characteristics of the ferroelectric or pyroelectric material can be obtained. The electrical property evaluation apparatus according to claim 1, wherein evaluation is performed. 前記温度可変手段は前記基板を加熱するホットプレートであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電気特性評価装置。   6. The electrical property evaluation apparatus according to claim 1, wherein the temperature varying means is a hot plate that heats the substrate. 前記温度可変手段は前記強誘電体又は焦電体全体の温度を可変し、
前記表面電位計測手段はアレイ状に複数配置されており、前記強誘電体又は焦電体の複数箇所の表面電位を計測することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の電気特性評価装置。
The temperature variable means varies the temperature of the entire ferroelectric or pyroelectric material,
The electrical characteristics according to any one of claims 1 to 6, wherein a plurality of the surface potential measuring means are arranged in an array and measure surface potentials at a plurality of locations of the ferroelectric or pyroelectric body. Evaluation device.
前記温度可変手段は前記強誘電体又は焦電体全体の温度を可変し、
前記表面電位計測手段は前記強誘電体又は焦電体全体の表面電位を計測することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の電気特性評価装置。
The temperature variable means varies the temperature of the entire ferroelectric or pyroelectric material,
The electrical property evaluation apparatus according to claim 1, wherein the surface potential measuring unit measures a surface potential of the ferroelectric body or the pyroelectric body as a whole.
前記温度可変手段は前記基板に対して光を照射する光照射手段であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電気特性評価装置。   6. The electrical property evaluation apparatus according to claim 1, wherein the temperature variable means is light irradiation means for irradiating the substrate with light. 前記温度可変手段は前記強誘電体又は焦電体を加熱及び冷却する手段を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電気特性評価装置。   6. The electrical property evaluation apparatus according to claim 1, wherein the temperature variable means includes means for heating and cooling the ferroelectric material or pyroelectric material. 基板上に形成された強誘電体又は焦電体の電気特性を評価する電気特性評価方法であって、
前記基板の温度を可変させて前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させる温度可変工程と、
前記強誘電体又は焦電体の温度を非接触で測定する温度計測工程と、
前記強誘電体又は焦電体の表面電位を非接触で測定する表面電位計測工程と、を有し、
前記強誘電体又は焦電体の温度を可変させ、前記強誘電体又は焦電体の温度変化量と前記表面電位の変化量から、前記強誘電体又は焦電体の電気特性を評価することを特徴とする電気特性評価方法。
An electrical property evaluation method for evaluating electrical properties of a ferroelectric or pyroelectric material formed on a substrate,
A temperature variable step of varying the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material by varying the temperature of the substrate;
A temperature measurement step for measuring the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material in a non-contact manner;
A surface potential measurement step of measuring the surface potential of the ferroelectric or pyroelectric material in a non-contact manner,
Varying the temperature of the ferroelectric or pyroelectric material, and evaluating the electrical characteristics of the ferroelectric or pyroelectric material from the amount of change in temperature of the ferroelectric or pyroelectric material and the amount of change in the surface potential. A method for evaluating electrical characteristics.
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