JP2007015377A - 機能性膜含有構造体、及び、機能性膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 成膜基板上に形成された機能性膜を、成膜基板から容易に剥離することができる機能性膜の製造方法を提供する。
【解決手段】 基板上に、電磁波を吸収することにより発熱する材料を用いて電磁波吸収層を形成する工程（ａ）と、電磁波吸収層上に、加熱されることにより分解してガスを発生する無機材料を用いて分離層を形成する工程（ｂ）と、分離層上に、機能性材料を用いて形成される機能性膜を含む被剥離層を形成する工程（ｃ）と、電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより被剥離層を基板から剥離させる、又は、被剥離層と基板との接合強度を低下させる工程（ｄ）とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、誘電体、圧電体、焦電体、磁性体、半導体等を含む機能性膜の製造方法、及び、機能性膜の製造過程において用いられる機能性膜含有構造体に関する。

近年、電子デバイスの小型化、高速化、集積化、多機能化等のニーズに伴い、誘電体、圧電体、磁性体、焦電体、半導体のように、電界や磁界を印加することにより所定の機能を発現する電子セラミックス等の機能性材料を含む素子を、様々な成膜技術を用いて製造する研究が盛んに進められている。

例えば、インクジェットプリンタにおいて高精細且つ高画質の印字を可能とするためには、インクジェットヘッドのインクノズルを微細化すると共に高集積化する必要がある。そのため、各インクノズルを駆動する圧電アクチュエータについても、同様に、微細化及び高集積化することが求められる。そのような場合に、バルク材よりも薄い層を形成でき、且つ、微細なパターン形成が可能な成膜技術が望まれており、スパッタ法、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法等の成膜技術が研究されている。

ところが、成膜によって形成された機能性材料の膜（単に、「機能性膜」ともいう）は、成膜後の状態では十分に機能を発揮しておらず、バルク材に比較して性能が劣ることが問題となっている。
機能性膜の機能を十分に発現させるためには、成膜後に比較的高温（例えば、５００℃〜１０００℃程度）で熱処理することが必要となる。その際には、成膜時に使用された基板（成膜基板）も同時に熱処理されることになるので、成膜基板の材料に高い耐熱性が要求される。一方、作製された機能性膜を利用する場合には、例えば、樹脂を用いたフレキシブル基板のように、機器に応じて様々な種類の基板を使用したいという要望がある。そのため、成膜基板上に形成された機能性膜を、その機能を損なうことなく成膜基板から剥離又は転写できる方法が検討されている。

関連する技術として、特許文献１には、耐熱性基体、炭素及び／又は炭素化合物を主体とする離型層及び機能性薄膜を主たる構成要素とする薄膜転写用積層体が開示されている（第１頁）。また、特許文献１には、上記離型層は酸化（燃焼）により除去できるので、機能性薄膜を耐熱性基体から剥離して別の基体に転写することが可能となることが開示されている（第３頁）。

特許文献２には、被剥離物の物性や条件等にかかわらず、容易に剥離することができ、特に、種々の転写体への転写を可能とするための剥離方法が開示されている。この方法は、基板上に複数の層の積層体よりなる分離層を介して存在する被剥離物を上記基板から剥離する剥離方法であって、上記分離層に照射光を照射して、上記分離層の層内及び／又は界面において剥離を生ぜしめ、上記被剥離物を上記基板から離脱させる（第１、２頁）。また、特許文献２には、光吸収層の組成として、非晶質シリコン、酸化ケイ素、誘電体、窒化物セラミックス、有機高分子等が挙げられている（第５、６頁）。

特許文献３には、薄膜デバイスを含む被転写層の製造時に用いた基板に対する被転写層の積層関係と、その被転写層の転写先である転写体に対する被転写層の積層関係とを一致させるための薄膜デバイスの転写方法が開示されている。この方法は、基板上に第１分離層を形成する第１工程と、第１分離層上に薄膜デバイスを含む被転写層を形成する第２工程と、被転写層上に水溶性または有機溶剤溶解性接着剤から成る第２分離層を形成する第３工程と、第２分離層上に一次転写体を接合する第４工程と、第１分離層を境にして、被転写体より基板を除去する第５工程と、被転写層の下面に二次転写体を接合する第６工程と、第２分離層を水または有機溶剤と接触させて、第２分離層を境にして、転写層より一次転写体を除去する第７工程とを有しており、上記薄膜デバイスを含む被転写層が二次転写体に転写される（第１、２頁）。また、特許文献３には、分離層の組成として、非晶質シリコン、酸化ケイ素、誘電体、窒化物セラミックス、有機高分子等が挙げられている（第８、９頁）。
特開昭５４−９４９０５号公報（第１、３頁） 特開平１０−１２５９２９号公報（第１、２、５、６頁） 特開２００４−１６５６７９号公報（第１、２、６、８、９頁）

しかしながら、特許文献１においては、酸化反応により離型層を除去しているので、熱処理工程における雰囲気が酸素雰囲気に限定されてしまう。また、離型層として炭素又は炭素化合物を用いているので、加熱温度に上限がある。例えば、特許文献１に開示されている実施例においては、転写工程における処理温度が最高で６３０℃となっている。従って、特許文献１に開示されている発明を、比較的高温（例えば、７００℃以上）での熱処理が必要な電子セラミックスの製造に適用することはできない。

特許文献２においては、分離層に含まれる光吸収層にレーザ光を照射して、光吸収層にアブレーションを起こさせることにより、分離層内又は界面に剥離を生じさせている。即ち、光吸収層に含まれる固体材料が、照射光を吸収することにより光化学的又は熱的に励起し、それにより、表面や内部の原子又は分子が、結合を切断されて放出される。その結果、光吸収層の構成材料において溶融や蒸散（気化）等の相変化が生じるので、比較的低温で被剥離物が基板から剥離される。しかしながら、この方法によれば、剥離性が不十分となるおそれがある。また、特許文献２には、光吸収層の構成材料において、他の成分との反応や分解等の化学変化を生じさせることについては開示されていない。

これに対して、特許文献３においては、分離層にレーザ光を照射することにより薄膜デバイスを基板から離脱させる際に、薄膜デバイスをより確実に基板から剥離するために、分離層に剥離促進用のイオンを注入している。このような方法によれば、分離層に内圧が生じて剥離現象が促進される。しかしながら、特許文献３において剥離促進用のイオンとして挙げられている水素イオンは、３５０℃以上になるとガス化して分離層から抜け出てしまうので（第６頁）、イオン注入後のプロセス温度を３５０℃以上にすることはできない。

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、成膜基板上に形成された機能性膜を成膜基板から容易に剥離することができる機能性膜の製造方法を提供することを第１の目的とする。また、本発明は、そのような機能性膜の製造過程において用いられる機能性膜含有構造体を提供することを第２の目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点に係る機能性膜含有構造体は、基板と、該基板上に配置され、電磁波を吸収することにより発熱する材料を用いて形成された電磁波吸収層と、該電磁波吸収層上に配置され、加熱されることにより分解してガスを発生する無機材料を用いて形成された分離層と、該分離層上に配置され、機能性材料を用いて形成された機能性膜を含む被剥離層とを具備する機能性膜含有構造体であって、上記被剥離層が、上記電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより基板から剥離される、又は、上記被剥離層と基板との接合強度が、上記電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより低下する。

本発明の第２の観点に係る機能性膜含有構造体は、基板と、該基板上に配置され、電磁波を吸収することにより発熱する材料を用いて形成された電磁波吸収層と、該電磁波吸収層上に配置され、加熱されることにより、雰囲気中の成分、及び／又は、隣接する層に含まれる成分と反応してガスを発生する無機材料を用いて形成された分離層と、該分離層上に配置され、機能性材料を用いて形成された機能性膜を含む被剥離層とを具備する機能性膜含有構造体であって、上記被剥離層が、上記電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより基板から剥離される、又は、上記被剥離層と基板との接合強度が、上記電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより低下する。

本発明の第１の観点に係る機能性膜の製造方法は、基板上に、電磁波を吸収することにより発熱する材料を用いて電磁波吸収層を形成する工程（ａ）と、電磁波吸収層上に、加熱されることにより分解してガスを発生する無機材料を用いて分離層を形成する工程（ｂ）と、分離層上に、機能性材料を用いて形成される機能性膜を含む被剥離層を形成する工程（ｃ）と、電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより、被剥離層を基板から剥離させる、又は、被剥離層と基板との接合強度を低下させる工程（ｄ）とを具備する。

本発明の第２の観点に係る機能性膜の製造方法は、基板上に、電磁波を吸収することにより発熱する材料を用いて電磁波吸収層を形成する工程（ａ）と、電磁波吸収層上に、加熱されることにより、雰囲気中の成分、及び／又は、隣接する層に含まれる成分と反応してガスを発生する無機材料を用いて分離層を形成する工程（ｂ）と、分離層上に、機能性材料を用いて形成される機能性膜を含む被剥離層を形成する工程（ｃ）と、電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより、被剥離層を基板から剥離させる、又は、被剥離層と基板との接合強度を低下させる工程（ｄ）とを具備する。

ここで、「反応」とは、物質又は物質系から組成や構造が異なる別の物質又は物質系が生成される過程のことをいい、１種の化合物が２種以上のより簡単な物質に変化する過程、及び、少なくとも一方が化合物である２種の物質に基づいて、最初とは異なる２種以上の物質が生成される過程を含む。また、前者の場合を、特に「分解」といい、加熱によりもたらされる分解のことを「熱分解」という。

本発明によれば、基板と機能性膜を含む被剥離層との間に、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収層と、加熱されることによりガスを発生する分離層とを設けるので、電磁波を照射することにより、構造体全体を加熱することなく、基板から機能性膜を容易に剥離し、又は、両者の接合強度を低下させて、後工程において力学的に簡単に剥離することができる。そのため、基板上に成膜技術を用いることにより形成された機能性膜を、比較的耐熱性の低いフレキシブル基板等に容易に転写して利用することが可能となる。従って、優れた特性を有する素子をアプリケーションに応じて適切に機器に搭載することが可能となり、そのような素子を利用する機器全体の性能を向上させることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る機能性膜の製造方法を示すフローチャートである。また、図２及び図３は、本発明の第１の実施形態に係る機能性膜の製造方法を説明するための図であり、その内の図２は、本発明の第１の実施形態に係る機能性膜含有構造体を作製する工程を示している

まず、図１の工程Ｓ１において、図２の（ａ）に示すように、基板１０１を用意する。基板１０１は、機能性膜の製造過程において用いられる成膜用基板である。基板１０１としては、半導体単結晶基板又は酸化物単結晶基板を含む単結晶基板、セラミックス基板、又は、ガラス基板等の内から、使用される電磁波の波長等に応じて適切なものが選択される。例えば、後の工程において使用される電磁波の波長が比較的短い場合（例えば、紫外線）には、それらの電磁波を伝播又は透過させる基板を用いることが望ましい。また、機能性膜を形成する際の成膜温度や、必要に応じて施される熱処理のように、後の工程におけるプロセス温度に対して耐熱性を有する基板を選択することも必要である。

酸化物単結晶基板材料としては、具体的に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、スピネル（アルミン酸マグネシウム、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、ランタンアルミネート（アルミン酸ランタン、ＬａＡｌＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）等が挙げられる。酸化物単結晶基板を用いる場合には、製造目的とする機能性膜に応じて、所定の格子定数を有する材料を選択することにより、エピタキシャル成長により機能性膜を形成することができる。また、これらの基板は酸化雰囲気において安定しているので、大気中において高温（例えば、酸化マグネシウムの場合には、１０００℃程度）で成膜又は熱処理することができる。

半導体単結晶基板材料としては、具体的に、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガリウム燐（ＧａＰ）、インジウム燐（ＩｎＰ）等が挙げられる。半導体単結晶基板を用いる場合には、製造目的とする機能性膜に応じて、所定の格子定数を有する材料を選択することにより、エピタキシャル成長により機能性膜を形成することができる。また、これらの基板は還元雰囲気において安定しているので、還元雰囲気中において高温（例えば、シリコンの場合には、１０００℃程度）で成膜又は熱処理することができる。

セラミックス基板材料としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等が挙げられる。セラミックス基板は単結晶基板よりも安価なので、製造コストの低減を図ることができる。また、これらの基板は大気中において安定していると共に高い耐熱性を有しているので、大気中において高温（例えば、アルミナの場合には、１１００℃程度）で成膜又は熱処理することができる。

ガラス基板材料としては、具体的に、ケイ酸ガラス、ケイ酸アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、鉛ガラス等が挙げられる。ガラス基板は単結晶基板よりも安価なので、製造コストの低減を図ることができる。また、これらの基板は酸化雰囲気において安定しているので、大気中において高温（例えば、ケイ酸ガラスの場合には、９００℃程度）で成膜又は熱処理することができる。

次に、工程Ｓ２において、図２の（ｂ）に示すように、基板１０１上に電磁波吸収層１０２を形成する。電磁波吸収層１０２は、所定の波長を有する電磁波を照射されることにより、その電磁波エネルギーを吸収して発熱する層である。具体的には、カーボン、セラミックス、又は、ガラス等によって形成されている。電磁波吸収層１０２の材料は、後の工程において使用される電磁波（マイクロ波を含む電波や赤外線等）に応じて決定することが望ましい。ここで、マイクロ波とは、１ｍ〜１ｍｍ程度の波長を有する電磁波のことであり、ＵＨＦ波（デシメータ波）、ＳＨＦ波（センチ波）、ＥＨＦ波（ミリ波）、及び、サブミリ波を含んでいる。

次に、工程Ｓ３において、図２の（ｃ）に示すように、電磁波吸収層１０２上に分離層１０３を形成する。分離層１０３は、後の工程において形成される機能性膜を基板１０１から剥離する際に除去される犠牲層である。分離層１０３の材料としては、加熱されることにより熱分解等の反応を生じさせてガスを発生する材料が用いられる。また、機能性膜を形成する際の成膜温度のように、後の工程におけるプロセス温度を考慮して、約３５０℃以上の耐熱性を有していることが望ましい。

具体的には、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３、約６００℃で分解）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３、約９００℃で分解）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ_３、約９００℃で分解）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ_３、約１４５０℃で分解）、炭酸リチウム（ＬｉＣＯ_３、約６１８℃で分解）、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）、炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）等の炭酸塩の内の少なくとも１つを含む化合物、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４、約１１８５℃で分解）、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_４、約１０００℃で分解）、硫酸ストロンチウム（ＳｒＳＯ_４、約１１３０℃で分解）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４、約１２００℃で分解）、硫酸第一鉄（ＦｅＳＯ_４）、硫酸コバルト（ＣｏＳＯ_４）、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ_４）、硫酸亜鉛（ＺｎＳＯ_４）、硫酸鉛（ＰｂＳＯ_４）、硫酸ビスマス（Ｂｉ（ＳＯ_４）_３）等の硫酸塩の内の少なくとも１つを含む化合物、硝酸ストロンチウム（Ｓｒ（ＮＯ_３）_２）、硝酸セシウム（ＣｓＮＯ_３）等の硝酸塩の内の少なくとも１つを含む化合物が用いられる。これらの化合物は、加熱されることにより分解してガスを発生させる。例えば、炭酸カルシウムを加熱することにより、分解反応（ＣａＣＯ_３→ＣａＯ＋ＣＯ_２↑）が生じて炭酸ガス（ＣＯ_２）が発生する。

或いは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ（窒化ガリウムは、約９００℃で分解）、Ｚｒ、Ｍｏ（窒化モリブデンは、約９００℃で分解）、Ｔａ、Ｗの内の少なくとも１つの元素を含む金属窒化物、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの内の少なくとも１つの元素を含む金属硫化物、ＴｉＣ等の金属炭化物を用いても良い。これらの化合物は、加熱されることにより、雰囲気中の成分や隣接する層、即ち、基板１０１や後述する被剥離層１０３に含まれる成分と反応してガスを発生させる。例えば、酸化物を含む基板及び金属窒化物を含む分離層を用いる場合には、分離層が酸化物と反応して窒素（Ｎ_２）を発生させる。

これらの分離層材料の内のいずれを選択するかについては、使用される電磁波と電磁波吸収層１０２との関係に応じて発生する温度等の条件に加えて、基板１０１や、次の工程Ｓ４において形成される被剥離層との相互作用（拡散等）を考慮して選択することが望ましい。
分離層を形成する方法としては、スピンコーティング、スパッタ法、ＣＶＤ法（化学気相成長法）等の公知の方法を用いることができる。

次に、工程Ｓ４において、図２の（ｄ）に示すように、分離層１０３上に、製造目的とする機能性膜の材料（機能性材料）を含む被剥離層１０４を形成する。被剥離層１０４は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション（aerosol deposition：ＡＤ）法等の公知の方法を用いることにより形成される。ここで、ＡＤ法とは、原料の粉体をガス中に分散させたエアロゾルを生成し、それをノズルから基板に向けて噴射して原料の粉体を下層に衝突させることにより、原料を基板上に堆積させる成膜方法であり、噴射堆積法又はガスデポジション法とも呼ばれている。

本実施形態においては、機能性材料として具体的に次のような材料が用いられる。
メモリー素子に用いられる機能性膜の材料として、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、ＳｒＢｉ_２（Ｔａ，Ｎｂ）_２Ｏ_９、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２等が挙げられる。
アクチュエータ等の圧電素子に用いられる機能性膜の材料として、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３等、及び、これらの固溶体が挙げられる。

赤外線センサ等の焦電素子に用いられる機能性膜の材料として、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３等が挙げられる。
コンデンサ等の受動部品に用いられる機能性膜の材料として、ＢａＳｒＴｉＯ_３、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３等が挙げられる。
光スイッチ等の光学素子に用いられる機能性膜の材料として、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、ＬｉＮｂＯ_３等が挙げられる。

超伝導磁束量子干渉計（superconducting quantum interference device：ＳＱＵＩＤ）等の超伝導素子に用いられる機能性膜の材料として、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０等が挙げられる。ここで、ＳＱＵＩＤとは、超伝導を利用した高感度の磁気センサ素子のことである。
太陽電池等の光電変換素子に用いられる機能性膜の材料として、アモルファスシリコンや化合物半導体が挙げられる。
磁気ヘッド等のマイクロ磁気素子に用いられる機能性膜の材料として、ＰｄＰｔＭｎ、ＣｏＰｔＣｒ等が挙げられる。
ＴＦＴ等の半導体素子に用いられる機能性膜の材料として、アモルファスシリコン等が挙げられる。

これらの工程Ｓ１〜Ｓ４によって形成された基板１０１、電磁波吸収層１０２、分離層１０３、及び、被剥離層１０４が、本実施形態に係る機能性膜含有構造体に含まれる。
この後で、必要に応じて、分離層１０３の反応温度よりも低い温度で機能性膜含有構造体に熱処理（ポストアニール）を施しても良い。被剥離層（機能性膜）に含まれる結晶粒の成長を促進したり、結晶性を向上させることによって、膜の機能を向上させることができるからである。例えば、ＰＺＴ膜の圧電性能を向上させるためには、５００℃〜７００℃程度の温度で熱処理すれば良い。

次に、図１の工程Ｓ５において、図３の（ａ）に示すように、被剥離層１０４上に被転写用基板１０５を配置する。その際には、接着剤１０５ａ等を用いることにより、被剥離層１０４に対して被転写用基板１０５を固定しても良い。被転写用基板１０５としては、エポキシ等の合成樹脂基板やガラス基板のように、所望の基板を用いることができる。また、被転写用基板１０５側に電極や配線を予め形成しておいても良い。

次に、工程Ｓ６において、機能性膜含有構造体１０１〜１０４に向けて電磁波を照射することにより、電磁波吸収層１０２を発熱させる。それにより、図３の（ｂ）に示すように、電磁波吸収層１０２に隣接する分離層１０３が加熱され、分離層１０３において分解等の反応が生じてガスが発生する。その結果、被剥離層１０４が基板１０１から剥離される。そのようにして、図４に示すように、被転写用基板１０５に転写された被剥離層（機能性膜）１０４が得られる。或いは、ガスが発生した結果、被剥離層１０４と基板１０１又は電磁波吸収層１０２との接合強度が低下するので、被剥離層１０４を基板１０１から力学的に容易に剥離できる状態になる。その場合には、電磁波の照射と同時に、又は、後の工程において被転写用基板１０５を剥がすことにより、被剥離層１０４を転写することができる。

例えば、電磁波吸収層１０２の材料の吸収波長を含む赤外線を照射する場合には、電磁波吸収層材料に含まれる分子が赤外線エネルギーを吸収して大きく振動して発熱する。具体的には、カーボンに対して波長が２μｍ〜１０μｍ程度の赤外線を照射する場合が挙げられる。なお、この場合には、赤外線を透過し易い基板材料を用いると共に、図３の（ｂ）に示すように、基板１０１側から電磁波吸収層１０２に向けて赤外線を照射することにより、電磁波吸収層１０２を効率良く発熱させることができる。

ところで、マイクロ波を照射する場合には、マイクロ波加熱の原理により電磁波吸収層１０２が発熱する。ここで、マイクロ波の吸収エネルギーＰは、次式（１）によって表される。
Ｐ＝（１／２）σ｜Ｅ｜^２＋πｆε_０ε_ｒ"｜Ｅ｜^２＋πｆμ_０μ_ｒ"｜Ｈ｜^２
…（１）
式（１）において、σは導電率、ｆ（Ｈｚ）はマイクロ波の周波数、ε_０は真空の誘電率、ε_ｒ"は複素比誘電率、μ_０は真空の透磁率、μ_ｒ"は複素比透磁率、Ｅは電場の強さ、Ｈは磁場の強さをそれぞれ示している。また、式（１）の第１項はジュール損失（抵抗損失）を表し、第２項は誘電損失を表し、第３項は磁気ヒステリシス損失を表している。

電磁波吸収層１０２にマイクロ波を照射することによって電磁場を印加すると、式（１）によって表されるエネルギーに対応する熱が発生する。その結果、電磁波吸収層１０２が発熱する。従って、マイクロ波を用いる場合には、効率良く熱を発生させるために、複素比誘電率ε_ｒ"が大きい材料や、複素比透磁率μ_ｒ"が大きい材料や、導電率σが大きい材料を電磁波吸収層１０２として用いることが望ましい。

このようなマイクロ波加熱の原理によれば、マイクロ波が照射されることにより、電磁波吸収層１０２はその内部まで急速且つ均一に加熱されるので、そこに隣接する分離層１０３において素早く反応を生じさせることができ、基板１０１から被剥離層１０４を短時間に剥離し、又は、両者の接合強度を低下させることが可能となる。また、マイクロ波が照射されている間には、マイクロ波照射領域のみが局所的に加熱されており、マイクロ波の照射を停止すると、その領域は急速に冷却されるので、他の層（例えば、被剥離層１０４及び被転写用基板１０５）に与える影響を最小限に留めることができる。なお、マイクロ波を用いる場合には、機能性膜含有構造体に照射されるマイクロ波の向きを特に限定しなくても、マイクロ波を機能性膜含有構造体の内部まで十分に到達させることができる。

このように、本発明の第１の実施形態によれば、電磁波吸収層に電磁波を照射して発熱させることにより、隣接する分離層を局所的に加熱することができる。そのため、分離層自体が電磁波に対してあまり感度を有していない場合においても、熱による反応を分離層に生じさせることができる。従って、スパッタ法やＡＤ法等の成膜技術により所定のプロセス温度（例えば、３５０℃以上）を経て形成された機能性膜や、そのような機能性膜を含む素子を、低温（約１０℃〜約１００℃）の室内で所望の基板に転写して利用することが可能となる。即ち、比較的耐熱性の低い樹脂基板に対して転写することもできるので、フレキシブル基板のように、アプリケーションに応じて基板の選択の幅を広げることが可能となる。

本実施形態に係る機能性膜の製造過程において用いられる機能性膜含有構造体の変形例として、図５に示すように、電極層１０６ａ及び機能性材料層１０６ｂを含む被剥離層１０６を形成しても良い。また、機能性膜含有構造体の別の変形例として、図６に示すように、機能性材料層１０７ａ及び電極層１０７ｂを含む被剥離層１０７を形成しても良い。さらに、機能性材料層の上面及び下面の両方に電極層を形成したものを被剥離層としても良い。電極層１０６ａ及び１０７ｂは、スパッタ法、蒸着法等の公知の方法により形成することができる。

また、本実施形態においては、基板１０１上に先に電磁波吸収層１０２を形成し、その上に分離層１０３を形成している。しかしながら、電磁波吸収層１０２において発生した熱が分離層１０３に伝導するような配置であれば、上記の配置に限定されない。例えば、基板上に分離層を形成し、その上に電磁波吸収層を形成することにより、電磁波吸収層を被剥離層側に含めても構わない。その場合には、電磁波吸収層に、機能性材料層の下部電極を兼ねさせても良い。

さらに、本実施形態においては、工程Ｓ６において、被剥離層１０４を基板１０１から剥離するのと同時に、被転写用基板１０５に転写している。しかしながら、被剥離層１０４に被転写用基板１０５を接着することなく、単に、被剥離層１０４の剥離のみを行うことにしてもよい。それにより、単体の機能性膜、又は、機能性膜及び電極を含む単体の機能性素子を得ることができる。

（実施例１）
石英基板上に、電磁波吸収層として厚さが約０．２μｍのカーボン膜をプラズマＣＶＤ法により形成した。次に、カーボン膜上に、炭酸水素カルシウム溶液をスピンコーティングにより塗布して、２００℃の雰囲気中において乾燥させることにより、分離層として厚さが約０．１μｍの炭酸カルシウム薄膜を形成した。さらに、炭酸カルシウム薄膜上に、蒸着により白金（Ｐｔ）の下部電極を形成し、その上に、スパッタ法により厚さが約１μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜を形成した。その際には、基板を約５５０℃の温度に加熱した。さらに、ＰＺＴ膜上に、スパッタ法により白金の上部電極を形成することにより、Ｐｔ／ＰＺＴ／Ｐｔ圧電素子を作製した。

次に、赤外線ランプを用いて、電磁波吸収層であるカーボン膜に向けて、波長が約２μｍ〜１０μｍの赤外線を照射した。それにより、カーボン膜が発熱し、そこに隣接する炭酸カルシウム薄膜が熱分解してガスを発生した。その結果、Ｐｔ／ＰＺＴ／Ｐｔ圧電素子が石英基板から剥離された。

（実施例２）
石英基板上に、炭酸水素カルシウム溶液をスピンコーティングにより塗布し、２００℃の雰囲気中において乾燥させることにより、分離層として厚さが約０．１μｍの炭酸カルシウム膜を形成した。次に、この炭酸カルシウム膜上に、スパッタ法により、電磁波吸収層、兼、下部電極として厚さが約０．３μｍのＬａＮｉＯ_３膜を形成した。このＬａＮｉＯ_３膜上に、スパッタ法により、厚さが約０．３μｍのＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）膜を形成した。その際には、基板を約５５０℃の温度に加熱した。さらに、このＢＳＴ膜上に、スパッタ法により白金の上部電極を形成した。それにより、ＬａＮｉＯ_３／ＢＳＴ／Ｐｔ薄膜コンデンサ素子を作製した。

次に、この薄膜コンデンサ素子に対して、波長が約２８ＧＨｚのマイクロ波を照射した。それにより、ＬａＮｉＯ_３膜が発熱し、そこに隣接する炭酸カルシウム膜が熱分解してガスを発生した。その結果、ＬａＮｉＯ_３／ＢＳＴ／Ｐｔ薄膜コンデンサ素子が石英基板から剥離された。

次に、本発明の第２の実施形態に係る機能性膜の製造方法について、図２及び図７を参照しながら説明する。本実施形態に係る機能性膜の製造方法は、パターニングされた機能性膜を製造する方法である。
まず、図２の（ａ）〜（ｄ）に示すように、基板１０１上に電磁波吸収層１０２、分離層１０３、及び、被剥離層１０４が形成された機能性膜含有構造体１０１〜１０４を作製する。機能性膜含有構造体１０１〜１０４の作製方法については、第１の実施形態において説明したものと同様である。

次に、図７の（ａ）に示すように、ドライエッチングにより被剥離層１０４にパターンを形成する。その際には、図７の（ａ）に示すように、被剥離層１０４のみに対してエッチングを施しても良いし、分離層１０３又は電磁波吸収層１０２までエッチングを施しても良い。

次に、図７の（ｂ）に示すように、パターンを形成された被剥離層１０４上に被転写用基板２００を配置する。その際には、接着剤等を用いることにより、被剥離層１０４に対して被転写用基板２００を固定しても良い。また、被転写用基板２００としては、第１の実施形態におけるのと同様に、合成樹脂基板やガラス基板等を用いることができる。

さらに、機能性膜含有構造体１０１〜１０４に向けて電磁波を照射することにより、電磁波吸収層１０２を発熱させる。それにより、図７の（ｃ）に示すように、分離層１０３が加熱され、分離層１０３において分解等の反応が生じてガスが発生する。その結果、図７の（ｄ）に示すように、パターニングされた被剥離層（機能性膜）１０４が基板１０１から剥離され、被転写用基板２００に転写される。或いは、ガスが発生した結果、被剥離層１０４と基板１０１又は電磁波吸収層１０２との接合強度が低下するので、電磁波の照射と同時に、又は、後の工程において被転写用基板２００を剥がすことにより、被剥離層１０４を転写することができる。

このように、本発明の第２の実施形態によれば、機能性膜含有構造体の被剥離層に予めパターンを形成しておくことにより、所望の基板上に機能性膜又は機能性膜素子を所望のパターンとなるように配置することができる。従って、複数の機能性素子が配列されたアレイを容易に作製することが可能となる。

以上説明した本発明の第１及び第２の実施形態においては、電磁波吸収層１０２に電磁波を照射するのと並行して、機能性膜含有構造体に熱処理を施しても良い。それにより、分離層１０３における反応が熱によって促進されると共に、機能性膜の機能を向上させる効果も期待される。その場合には、被転写用基板１０５及び接着剤１０５ａ（図３）の耐熱性を考慮して熱処理温度を決定する必要がある。

本発明は、誘電体、圧電体、焦電体、磁性体、半導体、超伝導体等の機能性材料を含むメモリー素子、圧電素子、焦電素子、コンデンサ等の受動素子、光学素子、超伝導素子、光電変換素子、マイクロ磁気素子、及び、半導体素子、並びに、それらの素子が適用された機器において利用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る機能性膜の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る機能性膜の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る機能性膜の製造方法を説明するための断面図である。 被転写用基板に転写された機能性膜を示す断面図である。 機能性膜含有構造体の変形例を示す断面図である。 機能性膜含有構造体の別の変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る機能性膜の製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１０１ 基板
１０２ 電磁波吸収層
１０３ 分離層
１０４、１０６、１０７ 被剥離層
１０５、２００ 被転写用基板
１０５ａ 接着剤
１０６ａ、１０７ｂ 電極層
１０６ｂ、１０７ａ 機能性材料層

Claims (31)

1. 基板と、
   前記基板上に配置され、電磁波を吸収することにより発熱する材料を用いて形成された電磁波吸収層と、
   前記電磁波吸収層上に配置され、加熱されることにより分解してガスを発生する無機材料を用いて形成された分離層と、
   前記分離層上に配置され、機能性材料を用いて形成された機能性膜を含む被剥離層と、
   を具備する機能性膜含有構造体であって、
   前記被剥離層が、前記電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより前記基板から剥離される、又は、前記被剥離層と前記基板との接合強度が、前記電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより低下する、前記機能性膜含有構造体。
2. 前記分離層が、炭酸塩と、硫酸塩と、硝酸塩との内の少なくとも１つを含む、請求項１記載の機能性膜含有構造体。
3. 前記分離層が、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ_３）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ_３）、炭酸リチウム（ＬｉＣＯ_３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）、炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_４）、硫酸ストロンチウム（ＳｒＳＯ_４）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４）、硫酸第一鉄（ＦｅＳＯ_４）、硫酸コバルト（ＣｏＳＯ_４）、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ_４）、硫酸亜鉛（ＺｎＳＯ_４）、硫酸鉛（ＰｂＳＯ_４）、硫酸ビスマス（Ｂｉ（ＳＯ_４）_３）、硝酸ストロンチウム（Ｓｒ（ＮＯ_３）_２）、硝酸セシウム（ＣｓＮＯ_３）の内の少なくとも１つを含む、請求項２記載の機能性膜含有構造体。
4. 基板と、
   前記基板上に配置され、電磁波を吸収することにより発熱する材料を用いて形成された電磁波吸収層と、
   前記電磁波吸収層上に配置され、加熱されることにより、雰囲気中の成分、及び／又は、隣接する層に含まれる成分と反応してガスを発生する無機材料を用いて形成された分離層と、
   前記分離層上に配置され、機能性材料を用いて形成された機能性膜を含む被剥離層と、
   を具備する機能性膜含有構造体であって、
   前記被剥離層が、前記電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより前記基板から剥離される、又は、前記被剥離層と前記基板との接合強度が、前記電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより低下する、前記機能性膜含有構造体。
5. 前記分離層が、金属窒化物と、金属炭化物と、金属硫化物との内の少なくとも１つを含む、請求項４記載の機能性膜含有構造体。
6. 前記基板が、酸化物単結晶基板又は半導体単結晶基板を含む単結晶基板と、セラミックス基板と、ガラス基板との内のいずれか１つを含む、請求項１〜５のいずれか１項記載の機能性膜含有構造体。
7. 前記機能性膜が、圧電性材料と、焦電性材料と、強誘電性材料との内の少なくとも１つを含む、請求項１〜６のいずれか１項記載の機能性膜含有構造体。
8. 前記機能性膜が、超伝導材料を含む、請求項１〜６のいずれか１項記載の機能性膜含有構造体。
9. 前記機能性膜が、磁性材料を含む、請求項１〜６のいずれか１項記載の機能性膜含有構造体。
10. 前記機能性膜が、半導体材料を含む、請求項１〜６のいずれか１項記載の機能性膜含有構造体。
11. 前記電磁波吸収層が、カーボンと、セラミックスと、ガラスとの内の少なくとも１つを含む、請求項１〜１０のいずれか１項記載の機能性膜含有構造体。
12. 前記被剥離層が、機能性膜と、該機能性膜の上面及び下面の内の少なくとも一方に形成された電極層とを有する、請求項１〜１１のいずれか１項記載の機能性膜含有構造体。
13. 少なくとも前記被剥離層に所定のパターンが形成されている、請求項１〜１２のいずれか１項記載の機能性膜含有構造体。
14. 基板上に、電磁波を吸収することにより発熱する材料を用いて電磁波吸収層を形成する工程（ａ）と、
    前記電磁波吸収層上に、加熱されることにより分解してガスを発生する無機材料を用いて分離層を形成する工程（ｂ）と、
    前記分離層上に、機能性材料を用いて形成される機能性膜を含む被剥離層を形成する工程（ｃ）と、
    前記電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより、前記被剥離層を前記基板から剥離させる、又は、前記被剥離層と前記基板との接合強度を低下させる工程（ｄ）と、
    を具備する機能性膜の製造方法。
15. 前記分離層が、炭酸塩と、硫酸塩と、硝酸塩との内の少なくとも１つを含む、請求項１４記載の機能性膜の製造方法。
16. 前記分離層が、炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ_３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ_３）、炭酸バリウム（ＢａＣＯ_３）、炭酸リチウム（ＬｉＣＯ_３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）、炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_４）、硫酸ストロンチウム（ＳｒＳＯ_４）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ_４）、硫酸第一鉄（ＦｅＳＯ_４）、硫酸コバルト（ＣｏＳＯ_４）、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ_４）、硫酸亜鉛（ＺｎＳＯ_４）、硫酸鉛（ＰｂＳＯ_４）、硫酸ビスマス（Ｂｉ（ＳＯ_４）_３）、硝酸ストロンチウム（Ｓｒ（ＮＯ_３）_２）、硝酸セシウム（ＣｓＮＯ_３）の内の少なくとも１つを含む、請求項１５記載の機能性膜の製造方法。
17. 基板上に、電磁波を吸収することにより発熱する材料を用いて電磁波吸収層を形成する工程（ａ）と、
    前記電磁波吸収層上に、加熱されることにより、雰囲気中の成分、及び／又は、隣接する層に含まれる成分と反応してガスを発生する無機材料を用いて分離層を形成する工程（ｂ）と、
    前記分離層上に、機能性材料を用いて形成される機能性膜を含む被剥離層を形成する工程（ｃ）と、
    前記電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより、前記被剥離層を前記基板から剥離させる、又は、前記被剥離層と前記基板との接合強度を低下させる工程（ｄ）と、
    を具備する機能性膜の製造方法。
18. 前記分離層が、金属窒化物と、金属炭化物と、金属硫化物との内の少なくとも１つを含む、請求項１７記載の機能性膜の製造方法。
19. 前記基板が、酸化物単結晶基板又は半導体単結晶基板を含む単結晶基板と、セラミックス基板と、ガラス基板との内のいずれか１つを含む、請求項１４〜１８のいずれか１項記載の機能性膜の製造方法。
20. 前記機能性膜が、圧電性材料と、焦電性材料と、強誘電性材料との内の少なくとも１つを含む、請求項１４〜１９のいずれか１項記載の機能性膜の製造方法。
21. 前記機能性膜が、超伝導材料を含む、請求項１４〜１９のいずれか１項記載の機能性膜の製造方法。
22. 前記機能性膜が、磁性材料を含む、請求項１４〜１９のいずれか１項記載の機能性膜の製造方法。
23. 前記機能性膜が、半導体材料を含む、請求項１４〜１９のいずれか１項記載の機能性膜の製造方法。
24. 工程（ｃ）が、前記分離層上に電極層を形成する工程と、該電極層上に機能性膜を形成する工程とを含む、請求項１４〜２３のいずれか１項記載の機能性膜の製造方法。
25. 工程（ｃ）が、前記分離層上に直接又は間接的に形成された機能性膜上に電極層を形成する工程を含む、請求項１４〜２４のいずれか１項記載の機能性膜の製造方法。
26. 前記電磁波吸収層が、カーボンと、セラミックスと、ガラスとの内の少なくとも１つを含む、請求項１４〜２５のいずれか１項記載の機能性膜の製造方法。
27. 工程（ｄ）が、前記電磁波吸収層に向けてマイクロ波を照射することを含む、請求項１４〜２６のいずれか１項記載の機能性膜の製造方法。
28. 工程（ｄ）が、前記電磁波吸収層に向けて赤外線を照射することを含む、請求項１４〜２６のいずれか１項記載の機能性膜の製造方法。
29. 工程（ｄ）に先立って、前記被剥離層上に第２の基板を配置する工程（ｃ'）をさらに具備し、
    工程（ｄ）が、前記電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより、前記被剥離層を前記第２の基板に転写することを含む、
    請求項１４〜２８のいずれか１項記載の機能性膜の製造方法。
30. 工程（ｃ'）が、接着剤を用いることにより、前記被剥離層に対して前記第２の基板を固定することを含む、請求項２９記載の機能性膜の製造方法。
31. 工程（ｃ'）に先立って、少なくとも前記被剥離層に、エッチングによりパターンを形成する工程をさらに具備し、
    工程（ｄ）が、前記電磁波吸収層に向けて電磁波を照射することにより、パターンを有する被剥離層を前記基板に転写することを含む、
    請求項２９又は３０記載の機能性膜の製造方法。
    

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