圧電体薄膜の評価装置
【課題】測定誤差の少ない圧電体薄膜の変位量を得ることができる圧電体薄膜の評価装置を提供する。
【解決手段】圧電体薄膜３１の評価装置１１は、圧電体薄膜３１の測定面に接触させる試料固定治具２０の上方に備えられたプローブ１３と、プローブ１３にレーザー光３４を照射する光源１６と、プローブ１３のたわみによって変位した反射光レーザー３５を受光する位置検出素子１７と、位置検出素子１７によって受光した反射光レーザー３５のずれ量から変位量を算出する位置検出信号処理回路１８と、圧電体薄膜３１を固定する試料固定治具２０とを有する。圧電体薄膜３１は、試料固定治具２０によって、電界方向に対して交差する方向の測定面とプローブ１３（探針３３）とが直接接触することができる上面になるように固定される。
【解決手段】圧電体薄膜３１の評価装置１１は、圧電体薄膜３１の測定面に接触させる試料固定治具２０の上方に備えられたプローブ１３と、プローブ１３にレーザー光３４を照射する光源１６と、プローブ１３のたわみによって変位した反射光レーザー３５を受光する位置検出素子１７と、位置検出素子１７によって受光した反射光レーザー３５のずれ量から変位量を算出する位置検出信号処理回路１８と、圧電体薄膜３１を固定する試料固定治具２０とを有する。圧電体薄膜３１は、試料固定治具２０によって、電界方向に対して交差する方向の測定面とプローブ１３（探針３３）とが直接接触することができる上面になるように固定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、圧電体薄膜の圧電特性を測定する圧電体薄膜の評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記した圧電体薄膜の評価装置は、例えば、特許文献１に記載のような、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）が用いられる。詳述すると、評価装置には、圧電体薄膜の測定面に接触させるプローブと、プローブにレーザー光を照射する光源と、プローブの撓みによって変位した反射光レーザーを受光する位置検出素子と、位置検出素子によって受光した反射光レーザーのずれ量から変位量を算出する位置検出信号処理回路と、圧電体薄膜を固定するステージとを有する。
【０００３】
圧電体薄膜には、圧電体薄膜に電圧を印加するために、圧電体薄膜の上側に上部電極が形成され、下側に下部電極が形成されている。圧電特性とは、圧電体薄膜に電圧を加えたときに変位する変位量である。例えば、上部電極と下部電極とに電圧を印加したことによって発生する圧電体薄膜の電界方向に対して、交差する方向にある第１面が変位する第１変位量（伸縮量）を測定する。なお、圧電体薄膜において、電界方向にある面を第２面とし、第２面が変位する変位量を第２変位量とする。圧電体薄膜は、第２面上の上部電極が上面になるようにして固定される。
【０００４】
圧電体薄膜の評価方法は、固定された圧電体薄膜の側面にあたる第１面を直接測定する方法がないことから、上部電極を介して測定した第２面の第２変位量を基に、第１変位量を予測（換算）で求める。まず、第２変位量を測定するために、原子間力顕微鏡に設けられたプローブを上部電極に接触させる。次に、上部電極と下部電極とに電圧を印加して、圧電体薄膜の電界方向の変位量である第２変位量を、プローブ、位置検出素子、位置検出信号処理回路を介して求める。そのあと、第２変位量を基に、電界方向に対して交差する方向の変位量である第１変位量に変換することにより求められる。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２５８０７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、第１変位量を直接測定せずに予測（第２変位量を基に換算）で求めていることから、実際に変位する変位量と比較して、第１変位量の値が大きく異なったりバラツキが生じたりするという問題があった。
【０００７】
本発明は、測定誤差の少ない圧電体薄膜の変位量を得ることができる圧電体薄膜の評価装置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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る圧電体薄膜の評価装置は、圧電体薄膜の変位量を測定すべく前記圧電体薄膜にかかる電界方向に対して交差する方向にある第１面に接触させる探針と、前記探針と前記第１面とを接触させることが可能な方向に向けて前記圧電体薄膜を固定する固定治具と、を備える。
【０００９】
この構成によれば、固定治具によって、探針が備えられた方向に圧電体薄膜の測定すべき第１面を向けて固定するので、第１面に探針を直接接触させることが可能となる。これにより、第１面の変位量を、第１面以外の面の変位量を基に予測（換算）で求めることなく得ることができる。その結果、第１面以外の面の変位量を基にして予測（換算）で求めることと比較して、測定誤差の少ない第１面の変位量を得ることができる。
【００１０】
本発明に係る圧電体薄膜の評価装置では、前記探針は、前記固定治具の上方に備えられており、前記固定治具は、前記第１面が上面になるように前記圧電体薄膜を固定することが望ましい。
【００１１】
この構成によれば、固定治具によって、探針が設けられた固定治具の上方に第１面が向くように圧電体薄膜を固定するので、探針を第１面に直接接触させることが可能となり、変位量を測定することができる。
【００１２】
本発明に係る圧電体薄膜の評価装置では、前記固定治具は、前記圧電体薄膜を挟んで固定する一対の固定板が設けられている。
【００１３】
この構成によれば、一対の固定板によって、例えば圧電体薄膜の全体を覆って固定することが可能となるので、より安定した状態で圧電体薄膜を固定することができる。これにより、圧電体薄膜が振動することによる、圧電体薄膜と固定板との相対位置がずれることを抑えることができる。
【００１４】
本発明に係る圧電体薄膜の評価装置では、前記圧電体薄膜に電圧を印加する電圧印加手段と、前記探針を支持するカンチレバーに光を照射する光源と、前記第１面の変位に伴って、前記カンチレバーに照射した前記光の反射光がずれるずれ量を検出する位置検出手段と、前記ずれ量を変位量に変換する算出手段と、を更に有する。
【００１５】
この構成によれば、電圧印加手段によって圧電体薄膜と接触しているカンチレバーが撓み、位置検出手段によって撓んだカンチレバーに反射した反射光のずれ量を検出し、算出手段によってずれ量から変位量を求めることができる。これにより、第１面にカンチレバーに支持された探針を直接接触させて変位量を求めることが可能となり、その結果、測定誤差の少ない変位量を求めることができる。
【００１６】
本発明に係る圧電体薄膜の評価装置では、評価装置は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いる。
【００１７】
この構成によれば、原子間力顕微鏡によって第１面の変位量を求めるので、より微少な変位量の圧電特性を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る圧電体薄膜の評価装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、圧電体薄膜の評価装置の構成を示す模式図である。以下、評価装置の構成を、図１を参照しながら説明する。
【００２０】
図１に示すように、評価装置１１は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscopy）の一つである、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）が用いられる。評価装置１１は、試料１２の表面１２ａの三次元形状をデジタルデータとして数値化し、微少な凹凸形状を把握することが可能となっている。評価装置１１は、プローブ１３と、ピエゾスキャナ１４と、顕微鏡１５と、光源１６と、位置検出手段である位置検出素子１７と、算出手段の一つである位置検出信号処理回路１８と、制御機構１９と、固定治具である試料固定治具２０と、ステージ２１と、電圧印加手段である電源２２とを有する。
【００２１】
プローブ１３は、圧電体薄膜３１の圧電特性を測定すべく試料１２に物理的に接触させるために用いられ、カンチレバー（片持ち梁部材）３２と、探針３３とを有する。
【００２２】
カンチレバー３２は、探針３３を支持するために用いられる。カンチレバー３２は、探針３３と試料１２の表面１２ａとの間に作用する相互作用（物理量）により、上下方向に撓む。また、カンチレバー３２は、ピエゾスキャナ１４に取り付けられている。
【００２３】
探針３３は、カンチレバー３２の一端に取り付けられており、その先端が鋭く尖って形成されている。探針は、例えば、絶縁性の材料により構成されている。探針３３がカンチレバー３２の一端（先端）に取り付けられていることにより、顕微鏡１５がカンチレバー３２の上方に配置されていたとしても、探針３３の先端及び圧電体薄膜３１の測定領域を観察することが可能となっている。また、探針３３は、試料１２の測定面３１ａ（図２参照）に対し、垂直方向から接触させることが可能に設けられている。
【００２４】
ピエゾスキャナ１４は、プローブ１３を、例えば、試料１２におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向（図２参照）に移動させるために用いられる。ピエゾスキャナ１４は、例えば、電圧を印加することによりピエゾ素子が伸縮する原理を利用して、プローブ１３をそれぞれの方向に移動させることが可能となっている。例えば、プローブ１３を、Ｘ軸方向やＹ軸方向に移動させることにより、探針３３の位置を試料１２の測定領域に合わせることができる。また例えば、プローブ１３をＺ軸方向に移動させることにより、探針３３を試料の測定面３１ａ（図２参照）に接触させることができる。
【００２５】
顕微鏡１５は、測定領域や探針３３の位置を観察するために、試料固定治具２０の上方に設けられている。例えば、顕微鏡１５を用いて、図示しない表示モニタに測定面３１ａ（図２参照）と探針３３とを映し出すことによって、測定領域と探針３３との位置合わせを補助することができる。
【００２６】
光源１６は、光であるレーザー光３４を照射するために用いられ、試料固定治具２０の上方に設けられている。詳しくは、カンチレバー３２の上面（背面）３２ａに、レーザー光３４が照射される。カンチレバー３２の上面３２ａに照射されたレーザー光３４は、反射光である反射光レーザー３５として反射する。
【００２７】
位置検出素子１７は、例えば、フォトダイオードであり、カンチレバー３２の上面３２ａを介して反射した反射光レーザー３５のずれ量（変位量）を検出するために用いられる。詳しくは、試料１２が伸縮することによってカンチレバー３２が撓む量（カンチレバー３２と試料１２との間に作用する変位量）を、反射光レーザー３５のずれ量に代えて検出することが可能となっている。なお、変位量は、試料１２の表面１２ａの凹凸に相当する。これにより、探針３３と試料１２との間に作用する力（原子間力）を検出することができる。位置検出素子１７によって読み取られたずれ量は、出力信号として出力される。また、光源１６と位置検出素子１７とは、反射光レーザー３５が位置検出素子１７の中心に入射できるように、それぞれの位置を調整することが可能に設けられている。
【００２８】
位置検出信号処理回路１８は、位置検出素子１７によって検出されたずれ量の出力信号を変位量として変換すると同時に、ピエゾスキャナ１４をフィードバック制御するための電圧値を制御機構１９に入力する。
【００２９】
制御機構１９は、例えば、カンチレバー３２が変位する物理量の所定の関数が一定に保たれるように、位置検出信号処理回路１８から入力された電圧値を基に、ピエゾスキャナ１４のＺ軸方向の移動量を補正するフィードバック制御を行う。このときのＺ軸方向の補正値が、試料１２の表面１２ａの高さ情報である。位置検出信号処理回路１８と制御機構１９によるフィードバック制御機構とには、例えば、図示しない算出手段の一つであるコンピュータが接続されている。コンピュータは、例えば、得られた試料１２の表面１２ａの高さデータから三次元形状データ（画像）に処理する。また、コンピュータには、例えば処理して得られた画像を表示する、図示しない表示モニタが接続されている。
【００３０】
試料固定治具２０は、圧電体薄膜３１を含む試料１２を固定するために用いられる。試料固定治具２０を用いることにより、圧電体薄膜３１の電界方向に対して交差する方向にある測定面３１ａ（図２参照）が、探針３３と接触させることが可能な上面になるように、試料１２を固定することができる。
【００３１】
ステージ２１は、試料固定治具２０を載置するために用いられる。ステージ２１は、試料１２の位置を移動させるために、例えば、平面方向に移動させることが可能となっている。また、ステージ２１は、外的振動を避けるために、図示しない除振台上に設置されている。
【００３２】
電源２２は、試料１２に電圧を印加するために用いられる。詳しくは、試料１２を構成する第１電極４２及び第２電極４３に直流電圧を印加する。電源２２の一極側には、例えば、第１端子３６が接続されている。電源２２の他極側には、例えば、第２端子３７が接続されている。この電源２２を用いて、第１電極４２及び第２電極４３に電圧を印加したり遮断したりすることにより、圧電体薄膜３１を変位させたり元の状態に戻したりすることが可能となっている。
【００３３】
図２は、試料の構成を示す斜視図である。以下、試料の構成を、図２を参照しながら説明する。
【００３４】
図２に示すように、試料１２は、基板４１と、第１電極４２と、圧電体薄膜３１と、第２電極４３とを有する。
【００３５】
基板４１は、圧電体薄膜３１や第１電極４２及び第２電極４３がそれぞれ非常に薄く（例えば、トータルの厚みが１２０μｍ）強度が弱いことから、これらを支持するために用いられる。基板４１は、例えば６００μｍである。
【００３６】
第１電極４２は、基板４１上に、例えば、スパッタ法を用いて形成される。第１電極４２は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）で構成される。第１電極４２は、圧電体薄膜３１の上部（測定領域Ｗ近傍）に安定した状態で電圧を印加するために、圧電体薄膜３１の第１面である測定面３１ａに揃えて形成されている。
【００３７】
圧電体薄膜３１は、第１電極４２上に、例えば、ゾルゲル法を用いて形成される。圧電体薄膜３１は、第１電極４２に電圧を印加するために、一部の領域（第１電極４２の斜線部に相当する領域）が、例えば、エッチングによってカットされている。これにより、第１電極４２における一部の領域（第１電極印加領域４４）が表面に露出し、第１電極４２と第１接続電極５６（図３参照）とが電気的に接続することが可能となっている。なお、圧電体薄膜３１の一部の領域をカットすることに代えて、基板４１の一部をカットすることにより、第１電極４２と第１接続電極５６とを電気的に接続するようにしてもよい。また、第１電極４２と電気的に接続されたパッド電極を取出し、このパッド電極と第１接続電極５６とを接続するようにしてもよい。
【００３８】
第２電極４３は、圧電体薄膜３１上に、例えば、マスクを用いたスパッタ法によって形成される。第２電極４３は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）で構成されている。第２電極４３は、第１電極４２と同様に、圧電体薄膜３１の上部（測定領域Ｗ近傍）に安定した状態で電圧を印加するため、圧電体薄膜３１の測定面３１ａに揃えて形成されている。また、第２電極４３は、第１電極４２と第２電極４３との間にリーク電流が流れることを抑えるために、圧電体薄膜３１の形成領域に対し一部の領域に形成されている。なお、第２電極４３は、マスクを用いたスパッタ法に限定されず、例えば、圧電体薄膜３１の形成領域と同じ大きさに形成された第２電極から、マスクを用いてエッチングすることにより、所望の大きさの第２電極４３を形成するようにしてもよい。
【００３９】
なお、圧電体薄膜３１の測定面３１ａにおける測定領域Ｗ（矢印）の範囲が、例えば、第１変位量を得るために必要な測定範囲である。また、圧電体薄膜３１に電圧を印加したとき、圧電体薄膜３１の電界方向に対して交差する方向にある測定面３１ａが変位する変位量（凹凸量）を第１変位量とよぶ。交差する方向は、例えば、電界方向に対して垂直の方向である。また測定範囲は、例えば１μｍである。この測定領域Ｗの部分に、探針３３を複数回往復させることにより（電圧を印加しながら）、第１変位量を求めることが可能となる。
【００４０】
ここで、試料１２の形成方法について説明する。詳しくは、圧電体薄膜３１の測定面３１ａに揃えて、第１電極４２と第２電極４３とを形成する方法を説明する。まず、基板上に第１電極、圧電体薄膜、第２電極を順に形成した試料を準備する。なお、ここで準備する試料は、例えば、図２に示す試料１２の測定面３１ａ（ハッチング領域）をミラー面と仮定して、もう一つ同じ形状の試料を複写して合わせたものである。
【００４１】
次に、図２に示す試料１２の形状になるように、準備した試料において基板４１の矢印Ａの部分に、例えば、断面形成機で溝（傷）を形成する。溝を形成する場所は、例えば、圧電体薄膜３１の配光に沿って決める。
【００４２】
次に、試料を液体窒素の中に数秒間入れる。そのあと、試料を液体窒素の中からすばやく引き上げると同時に、溝を形成した位置Ａの部分を支点に、専用治具で試料の両端に力を加えて試料を半分に割る。以上により、圧電体薄膜３１の断面（測定面３１ａ）に揃えて、第１電極４２及び第２電極４３の断面を揃えて形成することができる。
【００４３】
図３は、試料固定治具の構造を示す模式図である。以下、試料固定治具の構造を、図３を参照しながら説明する。
【００４４】
図３に示すように、試料固定治具２０は、試料１２を固定するために用いられ、固定台５１と、一対の固定板である第１固定板５２と第２固定板５３と、固定ネジ５４とを有する。
【００４５】
固定台５１は、一対の固定板である第１固定板５２と第２固定板５３とを支持するために用いられる。固定台５１には、第１固定板５２と第２固定板５３との間隔を調整するべく、第１固定板５２を摺動させることが可能な摺動溝が形成されている。
【００４６】
第１固定板５２と第２固定板５３とは、例えば、アルミニウムで構成されており、互いの間隔を接離させることが可能に設けられている。第１固定板５２は、例えば、摺動溝を介して矢印方向に摺動させることが可能となっている。一方、第２固定板５３は、固定台５１に固着されている。また、第１固定板５２及び第２固定板５３は、試料１２を安定して固定するために、試料１２全体を覆うことが可能な大きさに形成されている。詳述すると、第１固定板５２及び第２固定板５３は、試料１２の長さより長く形成されている。
【００４７】
固定ネジ５４は、第１固定板５２及び第２固定板５３を介して、試料１２を締め付けて固定するために用いられる。試料１２を固定するために、摺動可能な第１固定板５２には、固定ネジ５４を挿入するための貫通孔が形成されている。また、固定台５１に固着されている第２固定板５３には、固定ネジ５４のネジ溝と嵌合するネジ孔が形成されている。以上のように構成された試料固定治具２０によって、試料１２の測定面３１ａとステージ２１の上面とが平行になるように固定される。
【００４８】
また、第１固定板５２と第２固定板５３との間には、第１電極４２及び第２電極４３に電圧を印加するために、試料１２と第１端子３６及び第２端子３７とが挟まれた状態で固定される。詳述すると、第１端子３６は、例えば、一端に電源２２の（＋）電極が接続されており、他端に第１電極４２と接続される第１接続電極５６が設けられている。第１接続電極５６は、第１電極４２と接する状態で、第１電極４２と第２固定板５３との間に挟まれて固定される。一方、第２端子３７は、例えば、一端に電源２２の（−）電極が接続されており、他端に第２電極４３と接続される第２接続電極５７が設けられている。第２接続電極５７は、第２電極４３と接する状態で、第２電極４３と第２固定板５３との間に挟まれて固定される。
【００４９】
また、第１端子３６及び第２端子３７は、例えば、テープ状をなす銅箔テープで構成されている。また、第１端子３６（第１接続電極５６）と試料固定治具２０との絶縁性、及び、第２端子３７（第２接続電極５７）と試料固定治具２０との絶縁性を確保するために、例えば、ポリイミドからなる絶縁フィルムが用いられる。詳しくは、第１端子３６（第１接続電極５６）と第２固定板５３との間、及び、第２端子３７（第２接続電極５７）と第２固定板５３との間に、絶縁フィルムを挟むことにより、絶縁性を確保することが可能となっている。
【００５０】
以上のような試料固定治具２０によって、圧電体薄膜３１の測定面３１ａが上面になるように試料１２を固定することにより、測定面３１ａに直接探針３３を接触させることが可能となる。つまり、圧電体薄膜３１に電圧を印加することによって形成される電界方向に対して、交差する方向にある測定面３１ａの圧電特性を、直接探針３３を介して測定することが可能となる。
【００５１】
図４は、圧電体薄膜の評価方法を示す工程図である。以下、圧電体薄膜の評価方法を、図４を参照しながら説明する。なお、圧電体薄膜３１を構成する複数の層のうち、特定の層の第１変位量を求める例を以下に説明する。
【００５２】
図４に示すように、まず工程１１では、試料１２を試料固定治具２０に固定する。詳しくは、試料１２を構成する第１電極４２に第１接続電極５６を接触させながら、及び、第２電極４３に第２接続電極５７を接触させながら、第１固定板５２と第２固定板５３との間に試料１２を挟み、固定ネジ５４で固定する。これにより、第１電極４２及び第２電極４３に電圧を印加させることが可能となり、圧電体薄膜３１に電圧を印加させることができる。
【００５３】
工程１２では、レーザー光３４及び反射光レーザー３５の光路調整を行う。光路調整は、プローブ１３をピエゾスキャナ１４にセットした状態で行う。詳述すると、光路調整は、カンチレバー３２の上面３２ａにレーザー光３４が照射するように調整する。更に、反射光レーザー３５が位置検出素子１７の中心に入射するように、光源１６、レンズ、位置検出素子１７の位置をそれぞれ調整する。
【００５４】
工程１３では、探針３３を圧電体薄膜３１の測定面３１ａに移動及び接触させる。まず、ピエゾスキャナ１４によってプローブ１３をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向（図２参照）に移動させ、探針３３を圧電体薄膜３１の測定面３１ａにおける、測定領域に移動させる。このとき、顕微鏡１５を介して表示モニタに映し出された画像を観察しながら、探針３３が圧電体薄膜３１のおおよその測定位置にくるように、ステージ２１及びカンチレバー３２を移動させて調整する。そのあと、探針３３を測定面３１ａ（測定位置）に接触させる。
【００５５】
工程１４では、圧電体薄膜３１の測定面３１ａにおける測定領域Ｗ（図２参照）を特定する。詳しくは、探針３３を用いて圧電体薄膜３１を構成する複数の層全体を測定し、測定画像を確認しながら走査する場所を決め、探針３３を任意の位置に移動する。測定領域の測定距離は、例えば、１μｍである。
【００５６】
工程１５では、工程１４で特定した測定領域Ｗの第１変位量を求める。まず、探針３３を測定領域Ｗの範囲で同一個所を往復させながら、第１電極４２及び第２電極４３に直流電圧の印加（ＯＮ）又は遮断（ＯＦＦ）を所定回数繰り返す。圧電体薄膜３１に電圧を印加することにより圧電体薄膜３１が伸縮し、圧電体薄膜３１と接触している探針３３（カンチレバー３２）が撓む。これにより、カンチレバー３２の上面３２ａを反射した反射光レーザー３５の光路がずれる。この反射光レーザー３５のずれ量は、位置検出素子１７によって検出され、位置検出信号処理回路１８によってずれ量を電気信号に変換し、単位電圧あたりの第１変位量として求められる。更に、ピエゾスキャナ１４のＺ方向を補正するフィードバック信号として制御機構１９に入力される。
【００５７】
また、第１変位量を測定するときのプローブ１３の走査スピードは、例えば１Ｈｚであり、印加する電圧は、例えば１０Ｖである。また、直流電圧の「ＯＮ」と「ＯＦＦ」とを切り替える間隔は、例えば、３０秒である。なお、圧電体薄膜３１に印加する電圧は、直流電圧に限定されず、圧電体薄膜３１の第１変位量を求めることが可能であればよく、交流電圧を印加するようにしてもよい。
【００５８】
以上詳述したように、本実施形態の圧電体薄膜の評価装置によれば、以下に示す効果が得られる。
【００５９】
（１）本実施形態によれば、試料固定治具２０によって、試料固定治具２０の上方に設けられた探針３３の方向に測定面３１ａが向くように（測定面３１ａが上面になるように）圧電体薄膜３１を固定するので、測定面３１ａに探針３３を直接接触させることが可能となる。これにより、測定面３１ａの変位量を、測定面３１ａ以外の面の変位量を基に予測（換算）で求めることなく得ることができる。その結果、測定面３１ａ以外の面の変位量を基に予測で求めることと比較して、測定誤差の少ない測定面３１ａの第１変位量を得ることができる。
【００６０】
（２）本実施形態によれば、第１固定板５２及び第２固定板５３によって圧電体薄膜３１の全体を覆って固定することが可能となるので、より安定した状態で圧電体薄膜３１を固定することができる。これにより、圧電体薄膜３１に電圧を印加して圧電体薄膜３１が振動することによる、圧電体薄膜３１と第１固定板５２及び第２固定板５３との相対位置がずれることを抑えることができる。更に、試料１２を構成する層の断面が上面になるように固定しているので、試料１２が縦方向に長くなり振動の影響を受けやすい。しかしながら、試料１２の全体を覆うような大きさの第１固定板５２及び第２固定板５３で固定することにより、縦方向に長い試料１２をしっかり固定することができる。
【００６１】
なお、本実施形態は上記に限定されず、以下のような形態で実施することもできる。
【００６２】
（変形例１）上記したように、第１端子３６（第１接続電極５６）及び第２端子３７（第２接続電極５７）と試料固定治具２０との絶縁性を確保するために、ポリイミドの絶縁フィルムを使用することに代えて、例えば、試料固定治具２０の全体、又は、第１固定板５２及び第２固定板５３に、アルマイト処理を施すことによって絶縁性を確保するようにしてもよい。
【００６３】
（変形例２）上記したように、圧電体薄膜３１に電圧を印加するために、第１端子３６（第１接続電極５６）及び第２端子３７（第２接続電極５７）を試料１２とともに、第１固定板５２と第２固定板５３との間に挟んで固定する方法に限定されず、第１端子３６及び第２端子３７が第１固定板５２と第２固定板５３との間に挟まなくても、圧電体薄膜３１に電圧が印加できる方法であればよい。これによれば、試料１２のみを第１固定板５２と第２固定板５３との間に挟んで固定するので、より安定させて試料１２を固定することができる。
【００６４】
（変形例３）上記したように、試料１２の測定面３１ａとステージ２１の上面とが平行になるように試料１２を固定していることに限定されず、探針３３が測定面３１ａに接触するとともに、測定面３１ａの変位量が測定することができればよく、測定面３１ａがステージ２１の上面に対し平行に固定されていなくてもよい。
【００６５】
（変形例４）上記したように、試料１２の測定面３１ａに対し垂直方向から探針３３を接触させることに限定されず、探針３３が測定面３１ａに接触するとともに、測定面３１ａの変位量が測定することができればよく、垂直方向以外から測定面３１ａに接触させるようにしてもよい。
【００６６】
（変形例５）上記したように、圧電体薄膜３１の圧電特性を求めることに限定されず、例えば、バルク品の圧電特性に適用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】一実施形態における、評価装置の構造を示す模式図。
【図２】試料の構成を示す模式図。
【図３】試料固定治具の構造を示す模式図。
【図４】圧電体薄膜の評価方法を示す工程図。
【符号の説明】
【００６８】
１１…評価装置（原子間力顕微鏡）、１２…試料、１２ａ…表面、１３…プローブ、１４…ピエゾスキャナ、１５…顕微鏡、１６…光源、１７…位置検出素子、１８…位置検出信号処理回路、１９…制御機構、２０…試料固定治具、２１…ステージ、２２…電源、３１…試料を構成する圧電体薄膜、３１ａ…測定面、３２…プローブを構成するカンチレバー（片持ち梁部材）、３２ａ…上面（背面）、３３…プローブを構成する探針、３４…光であるレーザー光、３５…反射光である反射光レーザー、３６…第１端子、３７…第２端子、４１…試料を構成する基板、４２…試料を構成する第１電極、４３…試料を構成する第２電極、４４…第１電極印加領域、５１…試料固定治具を構成する固定台、５２…試料固定治具を構成する第１固定板、５３…試料工程治具を構成する第２固定板、５４…試料固定治具を構成する固定ネジ、５６…第１接続電極、５７…第２接続電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、圧電体薄膜の圧電特性を測定する圧電体薄膜の評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記した圧電体薄膜の評価装置は、例えば、特許文献１に記載のような、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）が用いられる。詳述すると、評価装置には、圧電体薄膜の測定面に接触させるプローブと、プローブにレーザー光を照射する光源と、プローブの撓みによって変位した反射光レーザーを受光する位置検出素子と、位置検出素子によって受光した反射光レーザーのずれ量から変位量を算出する位置検出信号処理回路と、圧電体薄膜を固定するステージとを有する。
【０００３】
圧電体薄膜には、圧電体薄膜に電圧を印加するために、圧電体薄膜の上側に上部電極が形成され、下側に下部電極が形成されている。圧電特性とは、圧電体薄膜に電圧を加えたときに変位する変位量である。例えば、上部電極と下部電極とに電圧を印加したことによって発生する圧電体薄膜の電界方向に対して、交差する方向にある第１面が変位する第１変位量（伸縮量）を測定する。なお、圧電体薄膜において、電界方向にある面を第２面とし、第２面が変位する変位量を第２変位量とする。圧電体薄膜は、第２面上の上部電極が上面になるようにして固定される。
【０００４】
圧電体薄膜の評価方法は、固定された圧電体薄膜の側面にあたる第１面を直接測定する方法がないことから、上部電極を介して測定した第２面の第２変位量を基に、第１変位量を予測（換算）で求める。まず、第２変位量を測定するために、原子間力顕微鏡に設けられたプローブを上部電極に接触させる。次に、上部電極と下部電極とに電圧を印加して、圧電体薄膜の電界方向の変位量である第２変位量を、プローブ、位置検出素子、位置検出信号処理回路を介して求める。そのあと、第２変位量を基に、電界方向に対して交差する方向の変位量である第１変位量に変換することにより求められる。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２５８０７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、第１変位量を直接測定せずに予測（第２変位量を基に換算）で求めていることから、実際に変位する変位量と比較して、第１変位量の値が大きく異なったりバラツキが生じたりするという問題があった。
【０００７】
本発明は、測定誤差の少ない圧電体薄膜の変位量を得ることができる圧電体薄膜の評価装置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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る圧電体薄膜の評価装置は、圧電体薄膜の変位量を測定すべく前記圧電体薄膜にかかる電界方向に対して交差する方向にある第１面に接触させる探針と、前記探針と前記第１面とを接触させることが可能な方向に向けて前記圧電体薄膜を固定する固定治具と、を備える。
【０００９】
この構成によれば、固定治具によって、探針が備えられた方向に圧電体薄膜の測定すべき第１面を向けて固定するので、第１面に探針を直接接触させることが可能となる。これにより、第１面の変位量を、第１面以外の面の変位量を基に予測（換算）で求めることなく得ることができる。その結果、第１面以外の面の変位量を基にして予測（換算）で求めることと比較して、測定誤差の少ない第１面の変位量を得ることができる。
【００１０】
本発明に係る圧電体薄膜の評価装置では、前記探針は、前記固定治具の上方に備えられており、前記固定治具は、前記第１面が上面になるように前記圧電体薄膜を固定することが望ましい。
【００１１】
この構成によれば、固定治具によって、探針が設けられた固定治具の上方に第１面が向くように圧電体薄膜を固定するので、探針を第１面に直接接触させることが可能となり、変位量を測定することができる。
【００１２】
本発明に係る圧電体薄膜の評価装置では、前記固定治具は、前記圧電体薄膜を挟んで固定する一対の固定板が設けられている。
【００１３】
この構成によれば、一対の固定板によって、例えば圧電体薄膜の全体を覆って固定することが可能となるので、より安定した状態で圧電体薄膜を固定することができる。これにより、圧電体薄膜が振動することによる、圧電体薄膜と固定板との相対位置がずれることを抑えることができる。
【００１４】
本発明に係る圧電体薄膜の評価装置では、前記圧電体薄膜に電圧を印加する電圧印加手段と、前記探針を支持するカンチレバーに光を照射する光源と、前記第１面の変位に伴って、前記カンチレバーに照射した前記光の反射光がずれるずれ量を検出する位置検出手段と、前記ずれ量を変位量に変換する算出手段と、を更に有する。
【００１５】
この構成によれば、電圧印加手段によって圧電体薄膜と接触しているカンチレバーが撓み、位置検出手段によって撓んだカンチレバーに反射した反射光のずれ量を検出し、算出手段によってずれ量から変位量を求めることができる。これにより、第１面にカンチレバーに支持された探針を直接接触させて変位量を求めることが可能となり、その結果、測定誤差の少ない変位量を求めることができる。
【００１６】
本発明に係る圧電体薄膜の評価装置では、評価装置は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いる。
【００１７】
この構成によれば、原子間力顕微鏡によって第１面の変位量を求めるので、より微少な変位量の圧電特性を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る圧電体薄膜の評価装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、圧電体薄膜の評価装置の構成を示す模式図である。以下、評価装置の構成を、図１を参照しながら説明する。
【００２０】
図１に示すように、評価装置１１は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscopy）の一つである、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）が用いられる。評価装置１１は、試料１２の表面１２ａの三次元形状をデジタルデータとして数値化し、微少な凹凸形状を把握することが可能となっている。評価装置１１は、プローブ１３と、ピエゾスキャナ１４と、顕微鏡１５と、光源１６と、位置検出手段である位置検出素子１７と、算出手段の一つである位置検出信号処理回路１８と、制御機構１９と、固定治具である試料固定治具２０と、ステージ２１と、電圧印加手段である電源２２とを有する。
【００２１】
プローブ１３は、圧電体薄膜３１の圧電特性を測定すべく試料１２に物理的に接触させるために用いられ、カンチレバー（片持ち梁部材）３２と、探針３３とを有する。
【００２２】
カンチレバー３２は、探針３３を支持するために用いられる。カンチレバー３２は、探針３３と試料１２の表面１２ａとの間に作用する相互作用（物理量）により、上下方向に撓む。また、カンチレバー３２は、ピエゾスキャナ１４に取り付けられている。
【００２３】
探針３３は、カンチレバー３２の一端に取り付けられており、その先端が鋭く尖って形成されている。探針は、例えば、絶縁性の材料により構成されている。探針３３がカンチレバー３２の一端（先端）に取り付けられていることにより、顕微鏡１５がカンチレバー３２の上方に配置されていたとしても、探針３３の先端及び圧電体薄膜３１の測定領域を観察することが可能となっている。また、探針３３は、試料１２の測定面３１ａ（図２参照）に対し、垂直方向から接触させることが可能に設けられている。
【００２４】
ピエゾスキャナ１４は、プローブ１３を、例えば、試料１２におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向（図２参照）に移動させるために用いられる。ピエゾスキャナ１４は、例えば、電圧を印加することによりピエゾ素子が伸縮する原理を利用して、プローブ１３をそれぞれの方向に移動させることが可能となっている。例えば、プローブ１３を、Ｘ軸方向やＹ軸方向に移動させることにより、探針３３の位置を試料１２の測定領域に合わせることができる。また例えば、プローブ１３をＺ軸方向に移動させることにより、探針３３を試料の測定面３１ａ（図２参照）に接触させることができる。
【００２５】
顕微鏡１５は、測定領域や探針３３の位置を観察するために、試料固定治具２０の上方に設けられている。例えば、顕微鏡１５を用いて、図示しない表示モニタに測定面３１ａ（図２参照）と探針３３とを映し出すことによって、測定領域と探針３３との位置合わせを補助することができる。
【００２６】
光源１６は、光であるレーザー光３４を照射するために用いられ、試料固定治具２０の上方に設けられている。詳しくは、カンチレバー３２の上面（背面）３２ａに、レーザー光３４が照射される。カンチレバー３２の上面３２ａに照射されたレーザー光３４は、反射光である反射光レーザー３５として反射する。
【００２７】
位置検出素子１７は、例えば、フォトダイオードであり、カンチレバー３２の上面３２ａを介して反射した反射光レーザー３５のずれ量（変位量）を検出するために用いられる。詳しくは、試料１２が伸縮することによってカンチレバー３２が撓む量（カンチレバー３２と試料１２との間に作用する変位量）を、反射光レーザー３５のずれ量に代えて検出することが可能となっている。なお、変位量は、試料１２の表面１２ａの凹凸に相当する。これにより、探針３３と試料１２との間に作用する力（原子間力）を検出することができる。位置検出素子１７によって読み取られたずれ量は、出力信号として出力される。また、光源１６と位置検出素子１７とは、反射光レーザー３５が位置検出素子１７の中心に入射できるように、それぞれの位置を調整することが可能に設けられている。
【００２８】
位置検出信号処理回路１８は、位置検出素子１７によって検出されたずれ量の出力信号を変位量として変換すると同時に、ピエゾスキャナ１４をフィードバック制御するための電圧値を制御機構１９に入力する。
【００２９】
制御機構１９は、例えば、カンチレバー３２が変位する物理量の所定の関数が一定に保たれるように、位置検出信号処理回路１８から入力された電圧値を基に、ピエゾスキャナ１４のＺ軸方向の移動量を補正するフィードバック制御を行う。このときのＺ軸方向の補正値が、試料１２の表面１２ａの高さ情報である。位置検出信号処理回路１８と制御機構１９によるフィードバック制御機構とには、例えば、図示しない算出手段の一つであるコンピュータが接続されている。コンピュータは、例えば、得られた試料１２の表面１２ａの高さデータから三次元形状データ（画像）に処理する。また、コンピュータには、例えば処理して得られた画像を表示する、図示しない表示モニタが接続されている。
【００３０】
試料固定治具２０は、圧電体薄膜３１を含む試料１２を固定するために用いられる。試料固定治具２０を用いることにより、圧電体薄膜３１の電界方向に対して交差する方向にある測定面３１ａ（図２参照）が、探針３３と接触させることが可能な上面になるように、試料１２を固定することができる。
【００３１】
ステージ２１は、試料固定治具２０を載置するために用いられる。ステージ２１は、試料１２の位置を移動させるために、例えば、平面方向に移動させることが可能となっている。また、ステージ２１は、外的振動を避けるために、図示しない除振台上に設置されている。
【００３２】
電源２２は、試料１２に電圧を印加するために用いられる。詳しくは、試料１２を構成する第１電極４２及び第２電極４３に直流電圧を印加する。電源２２の一極側には、例えば、第１端子３６が接続されている。電源２２の他極側には、例えば、第２端子３７が接続されている。この電源２２を用いて、第１電極４２及び第２電極４３に電圧を印加したり遮断したりすることにより、圧電体薄膜３１を変位させたり元の状態に戻したりすることが可能となっている。
【００３３】
図２は、試料の構成を示す斜視図である。以下、試料の構成を、図２を参照しながら説明する。
【００３４】
図２に示すように、試料１２は、基板４１と、第１電極４２と、圧電体薄膜３１と、第２電極４３とを有する。
【００３５】
基板４１は、圧電体薄膜３１や第１電極４２及び第２電極４３がそれぞれ非常に薄く（例えば、トータルの厚みが１２０μｍ）強度が弱いことから、これらを支持するために用いられる。基板４１は、例えば６００μｍである。
【００３６】
第１電極４２は、基板４１上に、例えば、スパッタ法を用いて形成される。第１電極４２は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）で構成される。第１電極４２は、圧電体薄膜３１の上部（測定領域Ｗ近傍）に安定した状態で電圧を印加するために、圧電体薄膜３１の第１面である測定面３１ａに揃えて形成されている。
【００３７】
圧電体薄膜３１は、第１電極４２上に、例えば、ゾルゲル法を用いて形成される。圧電体薄膜３１は、第１電極４２に電圧を印加するために、一部の領域（第１電極４２の斜線部に相当する領域）が、例えば、エッチングによってカットされている。これにより、第１電極４２における一部の領域（第１電極印加領域４４）が表面に露出し、第１電極４２と第１接続電極５６（図３参照）とが電気的に接続することが可能となっている。なお、圧電体薄膜３１の一部の領域をカットすることに代えて、基板４１の一部をカットすることにより、第１電極４２と第１接続電極５６とを電気的に接続するようにしてもよい。また、第１電極４２と電気的に接続されたパッド電極を取出し、このパッド電極と第１接続電極５６とを接続するようにしてもよい。
【００３８】
第２電極４３は、圧電体薄膜３１上に、例えば、マスクを用いたスパッタ法によって形成される。第２電極４３は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）で構成されている。第２電極４３は、第１電極４２と同様に、圧電体薄膜３１の上部（測定領域Ｗ近傍）に安定した状態で電圧を印加するため、圧電体薄膜３１の測定面３１ａに揃えて形成されている。また、第２電極４３は、第１電極４２と第２電極４３との間にリーク電流が流れることを抑えるために、圧電体薄膜３１の形成領域に対し一部の領域に形成されている。なお、第２電極４３は、マスクを用いたスパッタ法に限定されず、例えば、圧電体薄膜３１の形成領域と同じ大きさに形成された第２電極から、マスクを用いてエッチングすることにより、所望の大きさの第２電極４３を形成するようにしてもよい。
【００３９】
なお、圧電体薄膜３１の測定面３１ａにおける測定領域Ｗ（矢印）の範囲が、例えば、第１変位量を得るために必要な測定範囲である。また、圧電体薄膜３１に電圧を印加したとき、圧電体薄膜３１の電界方向に対して交差する方向にある測定面３１ａが変位する変位量（凹凸量）を第１変位量とよぶ。交差する方向は、例えば、電界方向に対して垂直の方向である。また測定範囲は、例えば１μｍである。この測定領域Ｗの部分に、探針３３を複数回往復させることにより（電圧を印加しながら）、第１変位量を求めることが可能となる。
【００４０】
ここで、試料１２の形成方法について説明する。詳しくは、圧電体薄膜３１の測定面３１ａに揃えて、第１電極４２と第２電極４３とを形成する方法を説明する。まず、基板上に第１電極、圧電体薄膜、第２電極を順に形成した試料を準備する。なお、ここで準備する試料は、例えば、図２に示す試料１２の測定面３１ａ（ハッチング領域）をミラー面と仮定して、もう一つ同じ形状の試料を複写して合わせたものである。
【００４１】
次に、図２に示す試料１２の形状になるように、準備した試料において基板４１の矢印Ａの部分に、例えば、断面形成機で溝（傷）を形成する。溝を形成する場所は、例えば、圧電体薄膜３１の配光に沿って決める。
【００４２】
次に、試料を液体窒素の中に数秒間入れる。そのあと、試料を液体窒素の中からすばやく引き上げると同時に、溝を形成した位置Ａの部分を支点に、専用治具で試料の両端に力を加えて試料を半分に割る。以上により、圧電体薄膜３１の断面（測定面３１ａ）に揃えて、第１電極４２及び第２電極４３の断面を揃えて形成することができる。
【００４３】
図３は、試料固定治具の構造を示す模式図である。以下、試料固定治具の構造を、図３を参照しながら説明する。
【００４４】
図３に示すように、試料固定治具２０は、試料１２を固定するために用いられ、固定台５１と、一対の固定板である第１固定板５２と第２固定板５３と、固定ネジ５４とを有する。
【００４５】
固定台５１は、一対の固定板である第１固定板５２と第２固定板５３とを支持するために用いられる。固定台５１には、第１固定板５２と第２固定板５３との間隔を調整するべく、第１固定板５２を摺動させることが可能な摺動溝が形成されている。
【００４６】
第１固定板５２と第２固定板５３とは、例えば、アルミニウムで構成されており、互いの間隔を接離させることが可能に設けられている。第１固定板５２は、例えば、摺動溝を介して矢印方向に摺動させることが可能となっている。一方、第２固定板５３は、固定台５１に固着されている。また、第１固定板５２及び第２固定板５３は、試料１２を安定して固定するために、試料１２全体を覆うことが可能な大きさに形成されている。詳述すると、第１固定板５２及び第２固定板５３は、試料１２の長さより長く形成されている。
【００４７】
固定ネジ５４は、第１固定板５２及び第２固定板５３を介して、試料１２を締め付けて固定するために用いられる。試料１２を固定するために、摺動可能な第１固定板５２には、固定ネジ５４を挿入するための貫通孔が形成されている。また、固定台５１に固着されている第２固定板５３には、固定ネジ５４のネジ溝と嵌合するネジ孔が形成されている。以上のように構成された試料固定治具２０によって、試料１２の測定面３１ａとステージ２１の上面とが平行になるように固定される。
【００４８】
また、第１固定板５２と第２固定板５３との間には、第１電極４２及び第２電極４３に電圧を印加するために、試料１２と第１端子３６及び第２端子３７とが挟まれた状態で固定される。詳述すると、第１端子３６は、例えば、一端に電源２２の（＋）電極が接続されており、他端に第１電極４２と接続される第１接続電極５６が設けられている。第１接続電極５６は、第１電極４２と接する状態で、第１電極４２と第２固定板５３との間に挟まれて固定される。一方、第２端子３７は、例えば、一端に電源２２の（−）電極が接続されており、他端に第２電極４３と接続される第２接続電極５７が設けられている。第２接続電極５７は、第２電極４３と接する状態で、第２電極４３と第２固定板５３との間に挟まれて固定される。
【００４９】
また、第１端子３６及び第２端子３７は、例えば、テープ状をなす銅箔テープで構成されている。また、第１端子３６（第１接続電極５６）と試料固定治具２０との絶縁性、及び、第２端子３７（第２接続電極５７）と試料固定治具２０との絶縁性を確保するために、例えば、ポリイミドからなる絶縁フィルムが用いられる。詳しくは、第１端子３６（第１接続電極５６）と第２固定板５３との間、及び、第２端子３７（第２接続電極５７）と第２固定板５３との間に、絶縁フィルムを挟むことにより、絶縁性を確保することが可能となっている。
【００５０】
以上のような試料固定治具２０によって、圧電体薄膜３１の測定面３１ａが上面になるように試料１２を固定することにより、測定面３１ａに直接探針３３を接触させることが可能となる。つまり、圧電体薄膜３１に電圧を印加することによって形成される電界方向に対して、交差する方向にある測定面３１ａの圧電特性を、直接探針３３を介して測定することが可能となる。
【００５１】
図４は、圧電体薄膜の評価方法を示す工程図である。以下、圧電体薄膜の評価方法を、図４を参照しながら説明する。なお、圧電体薄膜３１を構成する複数の層のうち、特定の層の第１変位量を求める例を以下に説明する。
【００５２】
図４に示すように、まず工程１１では、試料１２を試料固定治具２０に固定する。詳しくは、試料１２を構成する第１電極４２に第１接続電極５６を接触させながら、及び、第２電極４３に第２接続電極５７を接触させながら、第１固定板５２と第２固定板５３との間に試料１２を挟み、固定ネジ５４で固定する。これにより、第１電極４２及び第２電極４３に電圧を印加させることが可能となり、圧電体薄膜３１に電圧を印加させることができる。
【００５３】
工程１２では、レーザー光３４及び反射光レーザー３５の光路調整を行う。光路調整は、プローブ１３をピエゾスキャナ１４にセットした状態で行う。詳述すると、光路調整は、カンチレバー３２の上面３２ａにレーザー光３４が照射するように調整する。更に、反射光レーザー３５が位置検出素子１７の中心に入射するように、光源１６、レンズ、位置検出素子１７の位置をそれぞれ調整する。
【００５４】
工程１３では、探針３３を圧電体薄膜３１の測定面３１ａに移動及び接触させる。まず、ピエゾスキャナ１４によってプローブ１３をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向（図２参照）に移動させ、探針３３を圧電体薄膜３１の測定面３１ａにおける、測定領域に移動させる。このとき、顕微鏡１５を介して表示モニタに映し出された画像を観察しながら、探針３３が圧電体薄膜３１のおおよその測定位置にくるように、ステージ２１及びカンチレバー３２を移動させて調整する。そのあと、探針３３を測定面３１ａ（測定位置）に接触させる。
【００５５】
工程１４では、圧電体薄膜３１の測定面３１ａにおける測定領域Ｗ（図２参照）を特定する。詳しくは、探針３３を用いて圧電体薄膜３１を構成する複数の層全体を測定し、測定画像を確認しながら走査する場所を決め、探針３３を任意の位置に移動する。測定領域の測定距離は、例えば、１μｍである。
【００５６】
工程１５では、工程１４で特定した測定領域Ｗの第１変位量を求める。まず、探針３３を測定領域Ｗの範囲で同一個所を往復させながら、第１電極４２及び第２電極４３に直流電圧の印加（ＯＮ）又は遮断（ＯＦＦ）を所定回数繰り返す。圧電体薄膜３１に電圧を印加することにより圧電体薄膜３１が伸縮し、圧電体薄膜３１と接触している探針３３（カンチレバー３２）が撓む。これにより、カンチレバー３２の上面３２ａを反射した反射光レーザー３５の光路がずれる。この反射光レーザー３５のずれ量は、位置検出素子１７によって検出され、位置検出信号処理回路１８によってずれ量を電気信号に変換し、単位電圧あたりの第１変位量として求められる。更に、ピエゾスキャナ１４のＺ方向を補正するフィードバック信号として制御機構１９に入力される。
【００５７】
また、第１変位量を測定するときのプローブ１３の走査スピードは、例えば１Ｈｚであり、印加する電圧は、例えば１０Ｖである。また、直流電圧の「ＯＮ」と「ＯＦＦ」とを切り替える間隔は、例えば、３０秒である。なお、圧電体薄膜３１に印加する電圧は、直流電圧に限定されず、圧電体薄膜３１の第１変位量を求めることが可能であればよく、交流電圧を印加するようにしてもよい。
【００５８】
以上詳述したように、本実施形態の圧電体薄膜の評価装置によれば、以下に示す効果が得られる。
【００５９】
（１）本実施形態によれば、試料固定治具２０によって、試料固定治具２０の上方に設けられた探針３３の方向に測定面３１ａが向くように（測定面３１ａが上面になるように）圧電体薄膜３１を固定するので、測定面３１ａに探針３３を直接接触させることが可能となる。これにより、測定面３１ａの変位量を、測定面３１ａ以外の面の変位量を基に予測（換算）で求めることなく得ることができる。その結果、測定面３１ａ以外の面の変位量を基に予測で求めることと比較して、測定誤差の少ない測定面３１ａの第１変位量を得ることができる。
【００６０】
（２）本実施形態によれば、第１固定板５２及び第２固定板５３によって圧電体薄膜３１の全体を覆って固定することが可能となるので、より安定した状態で圧電体薄膜３１を固定することができる。これにより、圧電体薄膜３１に電圧を印加して圧電体薄膜３１が振動することによる、圧電体薄膜３１と第１固定板５２及び第２固定板５３との相対位置がずれることを抑えることができる。更に、試料１２を構成する層の断面が上面になるように固定しているので、試料１２が縦方向に長くなり振動の影響を受けやすい。しかしながら、試料１２の全体を覆うような大きさの第１固定板５２及び第２固定板５３で固定することにより、縦方向に長い試料１２をしっかり固定することができる。
【００６１】
なお、本実施形態は上記に限定されず、以下のような形態で実施することもできる。
【００６２】
（変形例１）上記したように、第１端子３６（第１接続電極５６）及び第２端子３７（第２接続電極５７）と試料固定治具２０との絶縁性を確保するために、ポリイミドの絶縁フィルムを使用することに代えて、例えば、試料固定治具２０の全体、又は、第１固定板５２及び第２固定板５３に、アルマイト処理を施すことによって絶縁性を確保するようにしてもよい。
【００６３】
（変形例２）上記したように、圧電体薄膜３１に電圧を印加するために、第１端子３６（第１接続電極５６）及び第２端子３７（第２接続電極５７）を試料１２とともに、第１固定板５２と第２固定板５３との間に挟んで固定する方法に限定されず、第１端子３６及び第２端子３７が第１固定板５２と第２固定板５３との間に挟まなくても、圧電体薄膜３１に電圧が印加できる方法であればよい。これによれば、試料１２のみを第１固定板５２と第２固定板５３との間に挟んで固定するので、より安定させて試料１２を固定することができる。
【００６４】
（変形例３）上記したように、試料１２の測定面３１ａとステージ２１の上面とが平行になるように試料１２を固定していることに限定されず、探針３３が測定面３１ａに接触するとともに、測定面３１ａの変位量が測定することができればよく、測定面３１ａがステージ２１の上面に対し平行に固定されていなくてもよい。
【００６５】
（変形例４）上記したように、試料１２の測定面３１ａに対し垂直方向から探針３３を接触させることに限定されず、探針３３が測定面３１ａに接触するとともに、測定面３１ａの変位量が測定することができればよく、垂直方向以外から測定面３１ａに接触させるようにしてもよい。
【００６６】
（変形例５）上記したように、圧電体薄膜３１の圧電特性を求めることに限定されず、例えば、バルク品の圧電特性に適用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】一実施形態における、評価装置の構造を示す模式図。
【図２】試料の構成を示す模式図。
【図３】試料固定治具の構造を示す模式図。
【図４】圧電体薄膜の評価方法を示す工程図。
【符号の説明】
【００６８】
１１…評価装置（原子間力顕微鏡）、１２…試料、１２ａ…表面、１３…プローブ、１４…ピエゾスキャナ、１５…顕微鏡、１６…光源、１７…位置検出素子、１８…位置検出信号処理回路、１９…制御機構、２０…試料固定治具、２１…ステージ、２２…電源、３１…試料を構成する圧電体薄膜、３１ａ…測定面、３２…プローブを構成するカンチレバー（片持ち梁部材）、３２ａ…上面（背面）、３３…プローブを構成する探針、３４…光であるレーザー光、３５…反射光である反射光レーザー、３６…第１端子、３７…第２端子、４１…試料を構成する基板、４２…試料を構成する第１電極、４３…試料を構成する第２電極、４４…第１電極印加領域、５１…試料固定治具を構成する固定台、５２…試料固定治具を構成する第１固定板、５３…試料工程治具を構成する第２固定板、５４…試料固定治具を構成する固定ネジ、５６…第１接続電極、５７…第２接続電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体薄膜の変位量を測定すべく前記圧電体薄膜にかかる電界方向に対して交差する方向にある第１面に接触させる探針と、
前記探針と前記第１面とを接触させることが可能な方向に向けて前記圧電体薄膜を固定する固定治具と、
を備えることを特徴とする圧電体薄膜の評価装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電体薄膜の評価装置であって、
前記探針は、前記固定治具の上方に備えられており、
前記固定治具は、前記第１面が上面になるように前記圧電体薄膜を固定することを特徴とする圧電体薄膜の評価装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧電体薄膜の評価装置であって、
前記固定治具は、前記圧電体薄膜を挟んで固定する一対の固定板が設けられていることを特徴とする圧電体薄膜の評価装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電体薄膜の評価装置であって、
前記圧電体薄膜に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記探針を支持するカンチレバーに光を照射する光源と、
前記第１面の変位に伴って、前記カンチレバーに照射した前記光の反射光がずれるずれ量を検出する位置検出手段と、
前記ずれ量を変位量に変換する算出手段と、
を更に有することを特徴とする圧電体薄膜の評価装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電体薄膜の評価装置であって、
評価装置は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いることを特徴とする圧電体薄膜の評価装置。
【請求項１】
圧電体薄膜の変位量を測定すべく前記圧電体薄膜にかかる電界方向に対して交差する方向にある第１面に接触させる探針と、
前記探針と前記第１面とを接触させることが可能な方向に向けて前記圧電体薄膜を固定する固定治具と、
を備えることを特徴とする圧電体薄膜の評価装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電体薄膜の評価装置であって、
前記探針は、前記固定治具の上方に備えられており、
前記固定治具は、前記第１面が上面になるように前記圧電体薄膜を固定することを特徴とする圧電体薄膜の評価装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の圧電体薄膜の評価装置であって、
前記固定治具は、前記圧電体薄膜を挟んで固定する一対の固定板が設けられていることを特徴とする圧電体薄膜の評価装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電体薄膜の評価装置であって、
前記圧電体薄膜に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記探針を支持するカンチレバーに光を照射する光源と、
前記第１面の変位に伴って、前記カンチレバーに照射した前記光の反射光がずれるずれ量を検出する位置検出手段と、
前記ずれ量を変位量に変換する算出手段と、
を更に有することを特徴とする圧電体薄膜の評価装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電体薄膜の評価装置であって、
評価装置は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いることを特徴とする圧電体薄膜の評価装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−１５５４２４（Ｐ２００７−１５５４２４Ａ）
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３４８８１５（Ｐ２００５−３４８８１５）
【出願日】平成１７年１２月２日（２００５．１２．２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月２日（２００５．１２．２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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