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FeRAM / 薄膜ピエゾ特性評価原理

FeRAM and Thin-Film Piezoelectric Characterization Principles
（教育資料・社外公開可 / For educational and non-confidential use）

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1. FeRAMのヒステリシス特性評価

1. Hysteresis Characterization in FeRAM

✅ 測定波形 / Measurement Waveforms

• 三角波入力 / Triangular wave input
  → Pr, Pm, Vcなどの特性評価（標準的なヒステリシスループ）
  → Used to extract Pr, Pm, Vc; standard hysteresis loop measurement

• PUND法（Positive-Up Negative-Down） / PUND Method
  → 実動作に近い矩形波で、スイッチング電流と非スイッチング電流を分離可能
  → Separates switching and non-switching currents, effective for extracting Pr

✅ 主なパラメータ / Key Parameters

項目 / Item	意味 / Meaning	単位 / Unit
Pm	最大分極（実測値） / Maximum polarization (measured)	μC/cm²
Pr	残留分極 / Remanent polarization	μC/cm²
Vc	保証電圧（強制電圧） / Coercive voltage	V
2Pr	記憶保持力の指標 / Memory window	μC/cm²

注記 / Note:
飽和分極 Ps (Saturation polarization) は材料が理論的に持つ最大値ですが、
実際の測定で得られるのは Pm です。多くの場合 Pm < Ps となります。

📊 FeRAM ヒステリシスループ

FeRAM Hysteresis Loop (Pr=15 μC/cm², Pm≈20 μC/cm², Vc=1 V)

注: この図は教材用にスタイライズしたもので、指定値と若干異なります。後日修正版に更新予定です。

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2. 薄膜ピエゾ特性とバタフライカーブ

2. Thin-Film Piezoelectric Properties and Butterfly Curve

✅ アクチュエータ用途の理想 / Ideal for Actuator Applications

• 高Pm → 高変位ストローク / High Pm → Large displacement stroke
• MEMSマイクロアクチュエータ、スピーカー、インクジェットなどで利用
• Used in MEMS micro-actuators, speakers, inkjet heads, etc.

✅ バタフライカーブ / Butterfly Curve

• 横軸：印加電圧 / Horizontal: Applied voltage
• 縦軸：変位量（nmオーダー） / Vertical: Displacement (nm scale)
• 分極反転点で変位が非線形にジャンプ / Nonlinear jump at polarization reversal
• ヒステリシスを持つ蝶型ループを形成 / Forms a butterfly-shaped hysteresis loop

🦋 薄膜ピエゾ バタフライカーブ

Thin-Film Piezoelectric Butterfly Curve (±20 V)

注: 本図は教材用にスタイライズしたもので、横軸電圧スケールが指定値（±20 V）と異なっています。
後日、正しい電圧条件に基づいた修正版グラフに更新予定です。

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3. 測定法：LDV / DBLI

3. Measurement Methods: LDV and DBLI

✔ レーザードップラー変位計（LDV） / Laser Doppler Vibrometer (LDV)

• MEMS振動板構造が必要（裏面研磨を伴う）
• Requires MEMS diaphragm structure, often with backside thinning
• nmスケール変位の測定に適す
• Capable of nm-scale displacement measurement

✔ DBLI（Double Beam Laser Interferometer, aixACCT Germany）

• 原理上は裏面研磨不要 / In principle, no backside thinning required
• フルウエハ対応 / Compatible with full wafers
• ただし実際には、信号強度やS/N比改善のために基板を100〜200µm程度まで裏面研磨するケースが多い
  In practice, backside thinning to ~100–200 µm is often performed to improve signal strength and S/N ratio
• PZT薄膜の表面たわみをナノ精度で計測可能
  Measures PZT thin-film surface deflection with nanometer accuracy
• バタフライカーブや電界依存変位特性をそのまま抽出可能
  Direct extraction of butterfly curves and E-field dependent strain

flowchart LR
    %% === DBLI (Double Beam Laser Interferometer) Layout ===
    subgraph SYS["DBLI計測システム / *DBLI Measurement System*"]
        L1["Laser 1\n*Probe beam A*"]
        L2["Laser 2\n*Probe beam B*"]
        C["干渉計・検出器\n*Interferometer & Detectors*"]
        CTRL["制御・同期/駆動\n*Controller / Drive & Sync*"]
    end

    subgraph SAMPLE["試料 / *Sample*"]
        subgraph STACK["薄膜構造 / *Thin-Film Stack*"]
            FILM["PZT薄膜（測定対象）\n*PZT thin film (meas. target)*"]
            SUB["Si基板（裏面研磨推奨）\n*Si substrate (backside thinning recommended)*"]
        end
        P1["測定点A\n*Point A*"]
        P2["測定点B\n*Point B*"]
    end

    %% Optical paths
    L1 -- 光路 / *optical path* --> P1
    L2 -- 光路 / *optical path* --> P2
    P1 -- 反射 / *reflection* --> C
    P2 -- 反射 / *reflection* --> C

    %% Electrical/Control
    CTRL <--> C
    CTRL -. バイアス/波形印加 .-> FILM

    %% Notes
    classDef note fill:#f9f9f9,stroke:#bbb,color:#333,font-size:11px;
    N1["特徴：原理上は裏面研磨不要だが、実務では薄化により信号強度とS/Nを改善\n*Principle: no backside thinning, but in practice wafer thinning improves signal strength & S/N*"]:::note
    C --- N1

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4. 比較と使い分け

4. Comparison and Application

観点 / Aspect	FeRAM用途 / FeRAM Use	ピエゾアクチュエータ用途 / Piezo Actuator Use
主目的 / Main Purpose	電気的記憶保持 / Electrical data retention	機械的変位出力 / Mechanical displacement output
評価波形 / Test Waveforms	三角波 / PUND / Triangular, PUND	矩形波 / LDV / DBLI / Square wave, LDV, DBLI
測定対象 / Measured Quantity	分極電流 / Polarization current	表面変位（nm） / Surface displacement (nm)
理想形状 / Ideal Curve	縦長ヒステリシスループ / Tall hysteresis loop	バタフライカーブ / Butterfly curve

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5. 補足・教育応用

5. Notes and Educational Applications

• DBLIやPUND法などの測定技術は、材料開発段階からの迅速なスクリーニングに有効
  Techniques such as DBLI and PUND are effective for rapid screening during material development
• 特定の企業仕様や試験条件を含まず、教育資料・社外共有資料として安全に活用可能
  Contains no confidential conditions; safe for educational and external sharing

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