JP2011216689A - 強誘電体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強誘電体膜の結晶性および性能の向上を図れるとともに製造工程の簡略化を図れ、且つ、製造歩留まりの向上による低コスト化を図れる強誘電体デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】第２の基板４０の一表面側にシード層１２４ｃ、強誘電体層１２４ｂを順次形成する。強誘電体層１２４ｃ上に下部電極２４ａを形成し、下部電極２４ａと第１の基板４０とを接合層５１を介して接合する。その後、レーザ光ＬＢを第２の基板４０の他表面側から照射し強誘電体層１２４ｂおよびシード層１２４ｃを第１の基板２０の上記一表面側に転写する転写工程を行う。転写工程では、強誘電体層１２４ｃのうち強誘電体膜２４ｂの所定パターンに対応する部分のみを転写するように設定した光強度分布ＰＩのレーザ光ＬＢを第２の基板４０の上記他表面側から照射することにより、それぞれ強誘電体層１２４ｃの一部からなる強誘電体膜２４ｂを転写する。
【選択図】図１

Description

本発明は、強誘電体膜の圧電効果や焦電効果を利用する強誘電体デバイスの製造方法に関するものである。

従来から、強誘電体膜の圧電効果や焦電効果を利用する強誘電体デバイスが注目されている。

この種の強誘電体デバイスの一例として、従来から、強誘電体膜を機能膜として備えたＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）デバイスが提案されている。この種のＭＥＭＳデバイスとしては、例えば、強誘電体膜の圧電効果を利用する発電デバイスやアクチュエータ、強誘電体膜の焦電効果を利用する焦電型赤外線センサなどの焦電デバイスが各所で研究開発されている。なお、圧電効果および焦電効果を示す強誘電体材料としては、例えば、鉛系の酸化物強誘電体の一種であるＰＺＴ（：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）などが広く知られている。

また、従来から、一対の電極間に強誘電体膜を有するＭＥＭＳデバイスの製造方法として、強誘電体膜である圧電膜を中間転写体上に形成された電極上に形成する工程と、中間転写体上の圧電膜と振動板構造体とを接合層を介して接合する工程と、中間転写体を電極から剥離する工程とを備えるアクチュエータの製造方法が提案されている（特許文献１）。

この特許文献１には、中間転写体の材料としてＭｇＯなどを採用し、圧電膜の材料としてＰＺＴなどを採用し、振動板構造体の材料としてＳｉなどを採用することが記載してもよい旨の記載がある。

また、特許文献１には、接合層の材料をＰｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒなどの金属とし、圧電膜と振動板構造体との両方に接合層を形成して、通電加熱、通電圧接などにより接合層同士を接合することが記載されている。なお、振動板構造体側に形成する接合層（第１の接合層）は、パターニングされた複数の圧電膜それぞれの表面に形成された複数の接合層（第２の接合層）に跨るように形成している。

また、特許文献１には、中間転写体を透過するレーザ光を中間転写体側から照射して中間転写板を電極から剥離することが記載されている。

また、特許文献１には、上述の電極により一方の電極を構成し、上述の接合層により他方の電極を構成することが記載されている。

上述のＭＥＭＳデバイスの製造方法によれば、振動板構造体の材料の選択肢が多くなるとともに、圧電膜の結晶性および性能を任意に調整できる。また、この製造方法によれば、中間転写体の再利用も可能となる。

また、従来から、基板（転写元基板）上に形成された素子を、レーザビームを使用して選択的に他の基板（転写先基板）に転写する素子の転写方法が提案されている（特許文献２）。ここで、特許文献２には、回折格子をレーザビームの光路中に存在させ、その回折格子での回折現象によって１本のレーザビームを複数のレーザビームに分けて転写元基板の複数の素子を選択的に転写先基板へ転写する素子の転写方法が記載されている（特許文献２）。

この特許文献２には、転写可能な素子として、例えば、発電素子、圧電素子、微小光学素子、発光素子、光電変換素子、薄膜トランジスタ素子、抵抗素子、スイッチング素子などが例示されている。

特開２００３−７６６９７号公報 特開２００６−４１５００号公報

ところで、特許文献１に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法では、強誘電体膜である圧電膜をパターニングしてから、中間転写体上の圧電膜と振動板構造体とを接合層を介して接合しているので、圧電膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングする工程が必要であり、製造コストが高くなってしまう。また、圧電膜をパターニングせずに圧電膜と振動板構造体とを接合した場合には、接合後に、圧電膜をパターニングする必要がある。

また、特許文献２に記載の転写方法では、転写元基板の素子と転写先基板とが離れた状態で、転写を行うので、転写元基板の素子が転写先基板の所望の転写位置からずれて転写されてしまう可能性がある。このため、転写先基板における所望の転写位置に素子と電気的に接続する電極などを予め形成してある場合には、製造歩留まりの低下によるコストアップの原因となることが考えられる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、強誘電体膜の結晶性および性能の向上を図れるとともに製造工程の簡略化を図れ、且つ、製造歩留まりの向上による低コスト化を図れる強誘電体デバイスの製造方法を提供することにある。

本発明の強誘電体デバイスの製造方法は、第１の基板の一表面側に形成された下部電極と、前記下部電極における前記第１の基板側とは反対側に形成された所定パターンの強誘電体膜と、前記強誘電体膜における前記下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備え、前記強誘電体膜が、前記第１の基板とは格子定数差のある強誘電体材料により形成された強誘電体デバイスの製造方法であって、前記第１の基板に比べて前記強誘電体膜との格子整合性の良い第２の基板の一表面側に前記強誘電体膜との格子整合性の良い金属材料からなるシード層を形成するシード層形成工程と、前記シード層形成工程の後で前記第２の基板の前記一表面側に前記強誘電体膜のもとになる強誘電体層を形成する強誘電体層形成工程と、前記強誘電体層形成工程の後で前記強誘電体層上に前記下部電極を形成する下部電極形成工程と、前記下部電極形成工程の後で前記下部電極と前記第１の基板とを接合層を介して接合する接合工程と、前記接合工程の後でレーザ光を前記第２の基板の他表面側から照射し前記強誘電体層および前記シード層を前記第１の基板の前記一表面側に転写する転写工程とを備え、前記転写工程では、前記強誘電体層のうち前記所定パターンに対応する部分のみを転写するように設定した光強度分布のレーザ光を第２の基板の他表面側から照射することにより、それぞれ前記強誘電体層の一部からなる前記強誘電体膜を転写することを特徴とする。

この強誘電体デバイスの製造方法において、前記転写工程では、回折格子を利用して前記光強度分布を発生させることが好ましい。

この強誘電体デバイスの製造方法において、前記転写工程では、前記第２の基板の前記他表面上に前記回折格子が存在することが好ましい。

本発明の強誘電体デバイスの製造方法においては、強誘電体膜の結晶性および性能の向上を図れるとともに製造工程の簡略化を図れ、且つ、製造歩留まりの向上による低コスト化を図れる。

実施形態１の強誘電体デバイスの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の強誘電体デバイスの製造方法で利用する回折格子の説明図である。 同上の強誘電体デバイスの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の強誘電体デバイスの概略分解斜視図である。 同上の強誘電体デバイスにおける要部の概略平面図である。 同上の強誘電体デバイスの要部の概略分解断面図である。 同上の強誘電体デバイスの他の構成例の概略分解断面図である。 実施形態２の強誘電体デバイスの製造方法を説明するための主要工程断面図である。 同上の強誘電体デバイスの応用例を示す概略断面図である。

（実施形態１）
まず、本実施形態における強誘電体デバイスについて図４〜図６を参照しながら説明し、その後で、製造方法について図１〜図３を参照しながら説明する。

強誘電体デバイスは、第１の基板２０と、第１の基板２０の一表面側に形成された下部電極２４ａと、下部電極２４ａにおける第１の基板２０側とは反対側に形成された所定パターンの強誘電体膜２４ｂと、強誘電体膜２４ｂにおける下部電極２４ａ側とは反対側に形成された上部電極２４ｃとを備える。ここで、強誘電体膜２４ｂは、第１の基板２０とは格子定数差のある強誘電体材料により形成されている。

本実施形態における強誘電体デバイスは、車の振動や人の動きによる振動などの任意の振動に起因した振動エネルギを電気エネルギに変換する発電デバイスであり、上述の強誘電体膜２４ｂが圧電膜を構成している。

第１の基板２０は、シリコン基板（第１のシリコン基板）を用いて形成されており、フレーム部２１と、フレーム部２１の内側に配置されフレーム部２１に揺動自在に支持されたカンチレバー部２２とを有している。

発電デバイスは、第１の基板２０のカンチレバー部２２に、上述の下部電極２４ａと強誘電体膜２４ｂと上部電極２４ｃとで構成される圧電変換部（圧電変換素子）からなる発電部２４が形成されている。つまり、発電部２４は、カンチレバー部２２の振動に応じて交流電圧を発生する。第１の基板２０におけるカンチレバー部２２の先端部には、カンチレバー部２２の変位量を大きくするための錘部２３が一体に設けられている。

また、発電デバイスは、第１の基板２０の上記一表面側（図６の上面側）においてフレーム部２１に固着された第１のカバー基板３０を備えている。また、発電デバイスは、第１の基板２０の他表面側（図６の下面側）においてフレーム部２１に固着された第２のカバー基板１０を備えている。

第１の基板２０の上記一表面側には、下部電極２４ａおよび上部電極２４ｃそれぞれに金属配線２６ａ，２６ｃを介して電気的に接続されたパッド２７ａ，２７ｂが、フレーム部２１に対応する部位で形成されている。ここにおいて、発電部２４は、下部電極２４ａと強誘電体膜２４ｂと上部電極２４ｃとの平面サイズを同じに設定してある。

また、第１の基板２０の上記一表面側には、上部電極２４ｃに電気的に接続される金属配線２６ｃと下部電極２４ａとの短絡防止用の絶縁層２５が、発電部２４におけるフレーム部２１側の端部の一部を覆う形で形成されている。なお、絶縁層２５は、シリコン酸化膜により構成してあるが、シリコン酸化膜に限らず、シリコン窒化膜により構成してもよい。また、第１の基板２０の上記一表面側および上記他表面側には、それぞれ、シリコン酸化膜からなる絶縁膜２９ａ，２９ｂが形成されており、第１の基板２０と発電部２４との間が絶縁膜２９ａにより電気的に絶縁されている。

また、第１のカバー基板３０は、シリコン基板（第２のシリコン基板）を用いて形成されている。そして、第１のカバー基板３０は、第１の基板２０側の一表面に、カンチレバー部２２と錘部２３とからなる可動部の変位空間を第１の基板２０との間に形成するための凹所３０ｂが形成されている。

また、第１のカバー基板３０の他表面側には、発電部２４で発生した交流電圧を外部へ供給するための出力用電極３５，３５が形成されている。この第１のカバー基板３０は、各出力用電極３５，３５と、第１のカバー基板３０の上記一表面側に形成された連絡用電極３４，３４とが、第１のカバー基板３０の厚み方向に貫設された貫通孔配線３３，３３を介して電気的に接続されている。ここで、第１のカバー基板３０は、各連絡用電極３４，３４が、第１の基板２０のパッド２７ａ，２７ｃと接合されて電気的に接続されている。なお、本実施形態では、各出力用電極３５，３５および各連絡用電極３４，３４をＴｉ膜とＡｕ膜との積層膜により構成してあるが、これらの材料は特に限定するものではない。また、各貫通孔配線３３，３３の材料としてはＣｕを採用しているが、これに限らず、例えば、Ｎｉ、Ａｌなどを採用してもよい。

第１のカバー基板３０は、２つの出力用電極３５，３５同士の短絡を防止するためのシリコン酸化膜からなる絶縁膜３２が、当該第１のカバー基板３０の上記一表面側および上記他表面側と、貫通孔配線３３，３３が内側に形成された貫通孔３１の内周面とに跨って形成されている。なお、第１のカバー基板３０としてガラス基板のような絶縁性基板を用いる場合には、このような絶縁膜３２は設ける必要はない。

また、第２のカバー基板１０は、シリコン基板（第３のシリコン基板）を用いて形成されている。第２のカバー基板１０における第１の基板２０側の一表面には、カンチレバー部２２と錘部２３とからなる可動部の変位空間を第１の基板２０との間に形成するための凹所１０ｂが形成されている。なお、第２のカバー基板１０としても、ガラス基板のような絶縁性基板を用いてもよい。

また、第１の基板２０の上記一表面側には、第１のカバー基板３０と接合するための第１の接合用金属層２８が形成されており、第１のカバー基板３０には、第１の接合用金属層２８に接合される第２の接合用金属層（図示せず）が形成されている。ここで、第１の接合用金属層２８の材料としては、パッド２７ｃと同じ材料を採用しており、第１の接合用金属層２８は、第１の基板２０の上記一表面側においてパッド２７と同じ厚さに形成されている。

第１の基板２０とカバー基板１０，３０とは、常温接合法により接合してあるが、常温接合法に限らず、例えば、エポキシ樹脂などを用いた樹脂接合法や、陽極接合法などにより接合してもよい。樹脂接合法では、常温硬化型の樹脂接着剤（例えば、２液常温硬化型のエポキシ樹脂系接着剤、１液常温硬化型のエポキシ樹脂系接着剤）を用いれば、熱硬化型の樹脂接着剤（例えば、熱硬化型のエポキシ樹脂系接着剤など）を用いる場合に比べて、接合温度の低温化を図れる。

以上説明した発電デバイスでは、発電部２４が、下部電極２４ａと圧電膜である強誘電体膜２４ｂと上部電極２４ｃとで構成される圧電変換部により構成されているから、カンチレバー部２２の振動によって発電部２４の強誘電体膜２４ｂが応力を受け上部電極２４ｃと下部電極２４ａとに電荷の偏りが発生し、発電部２４において交流電圧が発生する。

ところで、本実施形態における発電デバイスは、強誘電体膜２４ｂの強誘電体材料として、鉛系圧電材料の一種であるＰＺＴを採用しており、第１の基板２０として、上記一表面が（１００）面のシリコン基板（第１のシリコン基板）を用いているが、鉛系圧電材料は、ＰＺＴに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＭＮ（:Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ₃）やその他の不純物を添加したＰＺＴなどを採用してもよい。いずれにしても、強誘電体膜２４ｂの強誘電体材料は、第１の基板２０とは格子定数差のある強誘電体材料（ＰＺＴ、ＰＺＴ−ＰＭＮ、不純物を添加したＰＺＴなどの鉛系の酸化物強誘電体）である。また、第１の基板２０として用いる第１のシリコン基板は、単結晶のシリコン基板（以下、単結晶シリコン基板と称する）に限らず、多結晶のシリコン基板でもよい。

また、本実施形態では、下部電極２４ａの材料としてＡｕ、上部電極２４ｃの材料としてＰｔを採用しているが、これらの材料は特に限定するものではなく、下部電極２４ａの材料としては、例えば、Ａｌを採用してもよく、上部電極２４ｃの材料としては、例えば、Ｍｏ，Ａｌ，Ａｕなどを採用してもよい。

なお、本実施形態の発電デバイスでは、下部電極２４ａの厚みを５００ｎｍ、強誘電体膜２４ｂの厚みを６００ｎｍ、上部電極２４ｃの厚みを１００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。また、強誘電体膜２４ｂの比誘電率をε、発電指数をＰとすると、Ｐ∝ｅ_３１ ²／εの関係が成り立ち、発電指数Ｐが大きいほど発電効率が大きくなる。

以下、本実施形態の強誘電体デバイスである発電デバイスの製造方法について図１を参照しながら説明する。

まず、第１の基板２０に比べて強誘電体膜２４ｂとの格子整合性の良い単結晶ＭｇＯ基板からなる第２の基板４０の一表面側に、強誘電体膜２４ｂとの格子整合性の良い金属材料（例えば、Ｐｔなど）からなるシード層１２４ｃを形成するシード層形成工程を行い、その後、第２の基板４０の上記一表面側に強誘電体材料（例えば、ＰＺＴなど）からなる強誘電体膜２４ｂのもとになる強誘電体層１２４ｂを形成する強誘電体層形成工程を行い、その後、強誘電体層１２４ｂ上に下部電極２４ａを形成する下部電極形成工程を行うことによって、図１（ａ）に示す構造を得る。ここで、第２の基板４０としては、上記一表面が（００１）面の単結晶ＭｇＯ基板を用いているが、これに限らず、上記一表面が（００１）面の単結晶ＳｒＴｉＯ₃基板や上記一表面が（０００１）面のサファイア基板などを採用してもよい。また、第２の基板４０の厚さを３００μｍとしてあるが、この厚さは特に限定するものではない。また、シード層形成工程では、シード層１２４ｃをスパッタ法、ゾルゲル法、ＣＶＤ法、蒸着法などにより形成すればよい。また、強誘電体層形成工程では、強誘電体層１２４ｂをＲＦマグネトロンスパッタ法などのスパッタ法により形成している。強誘電体層１２４ｂの成膜方法は、スパッタ法に限らず、例えば、ＣＶＤ法やゾルゲル法などでもよい。また、下部電極形成工程では、例えば、スパッタ法、蒸着法などを利用してＡｕ層（第１のＡｕ層）からなる下部電極２４ａを形成すればよい。

上述の下部電極形成工程の後、下部電極２４ａと第１の基板２０とを接合層５１を介して接合する接合工程を行ってから、図１（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢを第２の基板４０の他表面側から照射し強誘電体層１２４ｂおよびシード層１２４ｃを第１の基板２０の上記一表面側に転写する転写工程を行う。

接合工程では、第２の基板４０と第１の基板２０とを対向配置した後、第２の基板４０の上記一表面側の下部電極２４ａと第１の基板２０とを、第１の基板２０の上記一表面側に形成されている接合層５１を介して接合する。ここで、接合層５１は、絶縁膜２９ａ上のＴｉ層と、このＴｉ層上のＡｕ層（第２のＡｕ層）とで構成してある。このＴｉ層は、接合層５１を第２のＡｕ層のみにより構成する場合に比べて、接合層５１と絶縁膜２９ａとの密着性を改善するために設けてある。なお、本実施形態では、絶縁膜２９ａ，２９ｂを熱酸化法により形成しており、Ｔｉ層の膜厚を１５〜５０ｎｍ、第２のＡｕ層の膜厚を５００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。また、密着性を改善するための密着層の材料はＴｉに限らず、例えば、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｚｒ、ＴｉＮ、ＴａＮなどでもよい。また、第２のＡｕ層は、Ａｕ薄膜に限らず、多数のＡｕ微粒子を堆積させたＡｕ微粒子層でもよい。

上述の接合工程では、第１のＡｕ層からなる下部電極２４ａと第２のＡｕ層が最表面側に形成された接合層５１とを対向配置した後、下部電極２４ａと接合層５１とを常温接合により接合することができる。すなわち、この接合工程を行うことにより、下部電極２４ａと第１の基板２０とが、接合層５１を介して接合される。ここでは、下部電極２４ａと接合層５１とを常温接合する際の材料の組み合わせがＡｕ−Ａｕの組み合わせとなっている。この接合工程では、接合前に互いの接合表面（下部電極２４ａおよび接合層５１それぞれの表面）へアルゴンのプラズマ若しくはイオンビーム若しくは原子ビームを真空中で照射して各接合表面の清浄化・活性化を行ってから、接合表面同士を接触させ、常温下で適宜の荷重を印加して直接接合する。この接合工程に関して、Ａｕ−Ａｕの組み合わせでの常温接合のプロセス条件の一例を挙げれば、例えば、アルゴンのイオンビームを照射する際の真空度を１×１０^−５Ｐａ以下、加速電圧を１００Ｖ、照射時間を１６０秒とし、接合時の荷重を２０ｋＮ、接合時間を３００秒とすればよい。

下部電極２４ａと接合層５１との材料の組み合わせは、Ａｕ−Ａｕの組み合わせに限らず、例えば、Ａｕ−ＡｕＳｎ、Ａｌ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｃｕなどの組み合わせでも常温接合することができる。また、下部電極２４ａと接合層５１との接合は、常温下での直接接合である常温接合に限らず、例えば、１００℃以下の温度で加熱を行いながら適宜の荷重を印加して接合する直接接合でもよい。また、下部電極２４ａと接合層５１とが接合されて電気的に接続されるから、結果的に、下部電極２４ａと接合層５１とで、下部電極とみなすこともできる。

また、接合工程において、下部電極２４ａと第１の基板２０とを接合するための接合層５１の材料は、下部電極２４ａとの直接接合が可能な金属に限るものではない。例えば、接合層５１の材料として、常温硬化型の樹脂接着剤（例えば、２液常温硬化型のエポキシ樹脂系接着剤、１液常温硬化型のエポキシ樹脂系接着剤）を採用し、下部電極２４ａと第１の基板２０とを接合層５１を介して常温で接合するようにしてもよく、この場合も、常温接合と同様に、接合温度の低温化を図れる。また、接合層５１の樹脂接着剤として、常温硬化型のものに限らず、例えば、硬化温度が１５０℃以下であれば熱硬化型の樹脂接着剤（例えば、熱硬化型のエポキシ樹脂系接着剤など）を用いてもよい。

上述の転写工程では、強誘電体層１２４ｃのうち強誘電体膜２４ｂの所定パターンに対応する部分のみを転写するように設定した光強度分布ＰＩ（図１（ｂ）中に太線で図示してあるが、図１（ｂ）の上側を光強度の高い側として図示してある）のレーザ光ＬＢを第２の基板４０の上記他表面側から照射することにより、それぞれ強誘電体層１２４ｃの一部からなる強誘電体膜２４ｂを転写する。この転写工程では、強誘電体膜２４ｂとシード層１２４ｃの一部からなる上部電極２４ｃとの積層膜を転写する。ここにおいて、転写工程では、レーザ光ＬＢのレーザ光源としては、例えば、波長が１０μｍのＣＯ_２レーザを用いればよいが、レーザ光源およびその波長は特に限定するものではない。また、転写工程では、回折格子６０を利用して上述の光強度分布ＰＩを発生させるようにしている。しかして、転写工程では、１つの強誘電体層１２４ｂから複数の強誘電体膜２４ｂを高精度で一括して転写することができる。

ところで、レーザ光ＬＢの波長をλ〔μｍ〕、回折格子６０の格子間隔をΛ〔μｍ〕、レーザ光ＬＢの０次の回折光の回折角をθ_１（°）とし、（λ／Λ）＜１とすると、
θ_１＝sin^−１θ_１（λ／Λ）
となる。この式から分かるように、格子間隔Λを調整することにより、上述の光強度分布ＰＩを調整することができる。したがって、格子間隔を調整することにより、隣り合う上記所定パターン間の間隔（隣り合う強誘電体膜２４ｂ間の間隔）を調整することが可能となる。なお、上述の光強度分布ＰＩを発生させる手段は、回折格子６０に限らず、例えば、ビームスプリッタと光透過率を制御可能な液晶シャッタとを組み合わせたものでもよい。

上述の転写工程の後、第１の基板２０と第２の基板４０とを引き離すことにより、第２の基板４０を剥離する剥離工程を行うことによって、図１（ｃ）に示す構造を得る。

この剥離工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して下部電極２４ａをパターニングする下部電極パターニング工程を行うことによって、図１（ｄ）に示す構造を得る。なお、本実施形態では、下部電極パターニング工程を行うことにより、パターニング前の下部電極２４ａの一部からなる金属配線２６ａおよびパッド２７ａを形成しているが、これに限らず、下部電極パターニング工程の間に金属配線２６ａおよびパッド２７ａを形成する配線形成工程を別途に設けてもよいし、金属配線２６ａを形成する金属配線形成工程とパッド２７ａを形成するパッド形成工程とを別々に設けてもよい。

下部電極２４ａ、金属配線２６ａおよびパッド２７ａを形成した後、第１の基板２０の上記一表面側に絶縁層２５を形成する絶縁層形成工程を行い、続いて、金属配線２６ｃおよびパッド２７ｃをスパッタ法やＣＶＤ法などの薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を利用して形成する配線形成工程を行う。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して第１の基板２０を加工してカンチレバー部２２および錘部２３を形成する基板加工工程を行うことによって、図１（ｅ）に示す構造を得る。上述の絶縁層形成工程では、第１の基板２０の上記一表面側の全面に絶縁層２５をＣＶＤ法などにより成膜してからフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングしているが、リフトオフ法を利用して絶縁層２５を形成するようにしてもよい。

上述の基板加工工程の後は、第１の基板２０に各カバー基板１０，３０を接合するカバー接合工程を行うことによって、図１（ｆ）に示す構造の発電デバイスを得る。ここにおいて、カバー接合工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから、ダイシング工程を行うことで個々の発電デバイスに分割するようにしている。なお、各カバー基板１０，３０は、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程、薄膜形成工程、めっき工程などの周知の工程を適宜適用して形成すればよい。

以上説明した本実施形態における発電デバイス（強誘電体デバイス）は、第１の基板２０のカンチレバー部２２に形成されカンチレバー部２２の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部からなる発電部２４を備え、発電部２４が、カンチレバー部２２の一表面側に形成された下部電極２４ａと、下部電極２４ａにおけるカンチレバー部２２側とは反対側に形成され第１の基板２０とは格子定数差のある強誘電体材料からなる強誘電体膜２４ｂと、強誘電体膜２４ｂにおける下部電極２４ａ側とは反対側に形成された上部電極２４ｃとを有している。そして、その製造方法において、第１の基板２０に比べて強誘電体膜２４ｂとの格子整合性の良い第２の基板４０の上記一表面側に強誘電体膜２４ｂとの格子整合性の良い金属材料からなるシード層１２４ｃを形成するシード層形成工程と、シード層形成工程の後で第２の基板４０の上記一表面側に強誘電体膜２４ｂのもとになる強誘電体層１２４ｂを形成する強誘電体層形成工程と、強誘電体層形成工程の後で強誘電体層１２４ｃ上に下部電極２４ａを形成する下部電極形成工程と、下部電極形成工程の後で下部電極２４ａと第１の基板４０とを接合層５１を介して接合する接合工程と、接合工程の後でレーザ光ＬＢを第２の基板２０の上記他表面側から照射し強誘電体層１２４ｂおよびシード層１２４ｃを第１の基板２０の上記一表面側に転写する転写工程とを備え、転写工程では、強誘電体層１２４ｃのうち所定パターンの強誘電体膜２４ｂに対応する部分のみを転写するように設定した光強度分布のレーザ光ＬＢを第２の基板４０の他表面側から照射することにより、それぞれ強誘電体層１２４ｂの一部からなる強誘電体膜１２４ｂを転写する。

しかして、本実施形態の発電デバイスの製造方法では、第１の基板２０の基板材料によらず強誘電体膜２４ｂの結晶性および性能（ここでは、圧電定数ｅ_３１）の向上を図れるとともに製造工程の簡略化を図れ、且つ、製造歩留まりの向上による低コスト化を図れる。要するに、第１の基板２０の上記一表面側に薄膜形成技術により強誘電体膜２４ｂを成膜する場合に比べて強誘電体膜２４ｂの圧電定数ｅ_３１を大きくできるとともに比誘電率を小さくでき、且つ、第１の基板２０として第２の基板４０に比べて機械的強度の高いものを用いることにより信頼性の高い発電デバイスを提供することができ、しかも、転写工程において、強誘電体層１２４ｂのうち所定パターンの強誘電体膜２４ｂに対応する部分のみを選択的に転写できるので、転写工程の後で、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して強誘電体膜２４ｂをパターニングする工程を設ける必要がなくなるから、製造工程の簡略化を図れ、低コスト化を図れる。また、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して強誘電体膜２４ｂをパターニングする場合に比べて、強誘電体膜２４ｂの側面の垂直性を高めることが可能となる。しかも、下部電極２４ａと第１の基板４０とを接合層５１を介して接合する接合工程の後で、転写工程を行うので、所定パターンの強誘電体膜２４ｂを第１の基板２０の上記一表面側の所望の転写位置に位置精度良く転写することが可能となり、製造歩留まりの向上による低コスト化を図れる。また、転写工程後の剥離工程で、第２の基板４０を剥離するようにしているので、単結晶ＭｇＯ基板などの高価な第２の基板４０を再利用することが可能となり、低コスト化を図ることが可能となる。

また、図１（ｂ）に示した例では、転写工程で用いる回折格子６０を第２の基板４０の上記他表面から法線方向に離して配置してあるが、転写工程において、図３に示すように第２の基板４０の上記他表面上に回折格子６０が存在するようにすれば、第１の基板２０の上記一表面側へ強誘電体膜２４ｂを、より高い位置精度で転写することが可能となる。

また、本実施形態の発電デバイスでは、強誘電体膜２４ｂをＡｌＮ薄膜により構成する場合に比べて圧電定数ｅ_３１を大きくでき、且つ、強誘電体膜２４ｂを第１の基板２０の上記一表面側に成膜した多結晶のＰＺＴ薄膜により構成する場合に比べて、より圧電定数ｅ_３１を大きくすることが可能となり、発電効率の向上による高出力化を図れ、しかも、強誘電体膜２４ｂを上述の多結晶のＰＺＴ薄膜により構成する場合に比べて比誘電率を小さくできて寄生容量の低減による発電効率の向上を図れる。

また、本実施形態の発電デバイスの製造方法によれば、カンチレバー部２２の材料の選択肢が多くなって、発電デバイスの設計自由度が多くなるとともに、所望の振動特性の発電デバイスの製造が容易になり、多様な振動特性の発電デバイスの実現が可能となる。

また、本実施形態の発電デバイスの製造方法では、接合工程において、接合層５１としてＡｕ層を利用しているので、下部電極２４ａをＡｕ層により構成しておくことで下部電極２４ａのＡｕ層と接合層５１のＡｕ層とを（つまり、Ａｕ層同士を）、常温接合法などにより低温で直接接合することができるので、プロセス温度の低温化を図れ、接合工程において強誘電体膜２４ｂの特性が劣化するのを防止することができる。また、接合工程において接合層５１としてエポキシ樹脂などからなる樹脂層を利用してもよく、この場合も共晶接合法などに比べて低温で接合することができる。なお、Ａｕ層同士を直接接合する場合には、常温接合法に限らず、適宜の加熱（例えば、１００℃）と荷重を付加する直接接合でもよい。

また、本実施形態の発電デバイスの製造方法では、強誘電体膜２４ｂの強誘電体材料が鉛系圧電材料であり、第２の基板４０として、単結晶ＭｇＯ基板もしくは単結晶ＳｒＴｉＯ₃基板もしくはサファイア基板を用いているので、結晶性の良好な圧電膜である強誘電体膜２４ｂを形成することができ、また、第１の基板２０として、単結晶シリコン基板を用いているので、信頼性の向上および低コスト化を図れる。

ここで、第１の基板２０としては、例えば、図７に示すように、単結晶シリコン基板からなる支持基板１２０ａ上のシリコン酸化膜からなる絶縁層（埋込酸化膜）１２０ｂ上に単結晶のシリコン層（活性層）１２０ｃを有するＳＯＩ基板１２０を用いてもよく、この場合は、製造時において、ＳＯＩ基板１２０の絶縁層１２０ｂをカンチレバー部２２の形成時のエッチングストッパ層として利用することでカンチレバー部２２の厚さの高精度化を図れるとともに、信頼性の向上および低コスト化を図れる。

また、第１の基板２０としては、金属基板（例えば、ＳＵＳ基板、Ｔｉ基板など）、ガラス基板、ポリマー基板の群から選択される１つを用いてもよく、これらのいずれか１つを用いた場合にも、信頼性の向上を図れるが、機械的強度の観点からは、金属基板やガラス基板を用いることが好ましい。なお、ポリマー基板のポリマーとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレートなどを採用すればよい。

ところで、本実施形態の発電デバイスは、カンチレバー部２２の先端部に錘部２３が設けられているので、錘部２３を有していない場合に比べて、発電量を大きくすることができるが、剥離工程の後で、第１の基板２０におけるカンチレバー部２２の先端部に錘部２３を接着剤などにより接着する接着工程を行うようにしてもよく、この場合は、剥離工程の後でカンチレバー部２２の先端部に錘部２３を接着するので、錘部２３の形状および材料それぞれの設計自由度が高くなり、より発電量の大きな発電デバイスを製造することが可能となるとともに、カンチレバー部２２および錘部２３それぞれを自由につくることができて製造プロセスの自由度が高くなる。

（実施形態２）
まず、本実施形態における強誘電体デバイスについて図８（ｆ）を参照しながら説明し、その後で、製造方法について図８を参照しながら説明する。

本実施形態の強誘電体デバイスは、図８（ｆ）に示すように、第１の基板２０の一表面側に形成された下部電極２４ａと、下部電極２４ａにおける第１の基板２０側とは反対側に形成された強誘電体膜２４ｂと、強誘電体膜２４ｂにおける下部電極２４ａ側とは反対側に形成された上部電極２４ｃとを備える。ここで、強誘電体膜２４ｂは、第１の基板２０とは格子定数差のある強誘電体材料により形成されている。なお、強誘電体デバイスとして実施形態１と同様の構成要素には、同一の符号を付してある。

本実施形態における強誘電体デバイスは、焦電デバイスであり、強誘電体膜２４ｂが焦電体膜である。

ところで、本実施形態における焦電デバイスは、強誘電体膜２４ｂの強誘電体材料（焦電材料）として、鉛系の酸化物強誘電体の一種であるＰＺＴを採用しており、第１の基板２０として、上記一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を用いているが、鉛系の酸化物強誘電体は、ＰＺＴに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＬＴ、ＰＬＴやＰＺＴ−ＰＭＮなどやその他の不純物を添加したＰＺＴ系強誘電体などを採用してもよい。いずれにしても、強誘電体膜２４ｂの焦電材料は、第１の基板２０とは格子定数差のある強誘電体材料（ＰＺＴ、ＰＺＴ−ＰＭＮ、不純物を添加したＰＺＴなどの鉛系の酸化物強誘電体）である。また、第１の基板２０として用いるシリコン基板は、単結晶のシリコン基板（以下、単結晶シリコン基板と称する）に限らず、多結晶のシリコン基板でもよい。

また、本実施形態では、下部電極２４ａの材料として、Ａｕを採用し、上部電極２４ｃの材料として、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ、金黒などの導電性を有する赤外線吸収材料を採用しており、下部電極２４ａと焦電体薄膜２４ｂと上部電極２４ｃとでセンシングエレメント２３０を構成しているが、これらの材料は特に限定するものではなく、下部電極２４ａの材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕなどを採用してもよい。ここで、上部電極２２４ｃの材料として、上述の導電性を有する赤外線吸収材料を採用した場合、上部電極２４が赤外線吸収膜を兼ねることとなる。

また、第１の基板２０としては、単結晶シリコン基板に限らず、金属基板（例えば、ＳＵＳ基板、Ｔｉ基板など）、ガラス基板、ポリマー基板の群から選択される１つを用いてもよい。なお、ポリマー基板のポリマーとしては、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリイミドなどを採用すればよい。

上述の焦電デバイスを焦電型赤外線センサとして用いる場合には、例えば、図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、第１の基板２０の他表面側に、センシングエレメント２３０を上記一表面側に備えた第１の基板２０を支持する支持基板２１０を接合してもよい。支持基板２１０には、熱絶縁用の空隙２１１を形成して、センシングエレメント２３０と支持基板２１０とを熱絶縁することが好ましい。ここで、支持基板２１０としては、例えば、単結晶シリコン基板、ガラス基板、ポリマー基板（例えば、ＰＥＴ基板など）の群から選択される１つを用いればよい。支持基板２１０を設けずに、第１の基板２０に、熱絶縁用の空隙２１１を形成してもよく、第１の基板２０に空隙２１１を設ける場合には、第１の基板２０の上記一表面側からのエッチングにより形成してもよいし、第１の基板２０の上記他表面側からのエッチングにより形成してもよい。

上述の図９（ａ），（ｂ）に示した構成の焦電型赤外線センサは、センシングエレメント２３０を１つだけ備えている。また、図９（ｃ），（ｄ）に示した構成の焦電型赤外線センサは、複数のセンシングエレメント２３０が２次元アレイ状に配列された赤外線アレイセンサ（赤外線イメージセンサ）であり、各センシングエレメント２３０それぞれが画素を構成している。

なお、本実施形態の焦電デバイスでは、下部電極２４ａの厚みを１００ｎｍ、強誘電体膜２４ｂの厚みを１μｍ〜３μｍ、上部電極２４ｃの厚みを５０ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であって特に限定するものではない。

本実施形態の焦電デバイスは、強誘電体膜２４ｂの焦電係数をγ〔Ｃ／（ｃｍ²・Ｋ）〕、誘電率をε、焦電デバイスの性能指数をＦ_γ〔Ｃ／（ｃｍ²・Ｊ）〕とすると、Ｆ_γ∝γ／εの関係が成り立ち、強誘電体膜２４ｂの焦電係数γが大きいほど、焦電デバイスの性能指数Ｆ_γが大きくなる。

以下、本実施形態の強誘電体デバイスである焦電デバイスの製造方法について図８を参照しながら説明するが、実施形態１で説明した強誘電体デバイスの製造方法と同様の工程については説明を適宜省略する。

まず、第１の基板２０に比べて強誘電体膜２４ｂとの格子整合性の良い単結晶ＭｇＯ基板からなる第２の基板４０の一表面側に、強誘電体膜２４ｂとの格子整合性の良い金属材料（例えば、Ｐｔなど）からなるシード層１２４ｃを形成するシード層形成工程を行い、その後、第２の基板４０の上記一表面側に強誘電体材料（例えば、ＰＺＴなど）からなる強誘電体膜２４ｂのもとになる強誘電体層１２４ｂを形成する強誘電体層形成工程を行い、その後、強誘電体層１２４ｂ上に下部電極２４ａを形成する下部電極形成工程を行うことによって、図８（ａ）に示す構造を得る。ここにおいて、第２の基板４０としては、上記一表面が（００１）面の単結晶ＭｇＯ基板を用いているが、これに限らず、上記一表面が（００１）面の単結晶ＳｒＴｉＯ₃基板や上記一表面が（０００１）面のサファイア基板などを採用してもよい。

上述の下部電極形成工程の後、下部電極２４ａと第１の基板２０とを接合層５１を介して接合する接合工程を行ってから、図８（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢを第２の基板４０の他表面側から照射し強誘電体層１２４ｂおよびシード層１２４ｃを第１の基板２０の上記一表面側に転写する転写工程を行う。この接合工程および転写工程については実施形態１と同様なので説明を省略する。

上述の転写工程の後、第１の基板２０と第２の基板４０とを引き離すことにより、第２の基板４０を剥離する剥離工程を行うことによって、図８（ｃ）に示す構造を得る。

この剥離工程の後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して下部電極２４ａをパターニングする下部電極パターニング工程を行うことによって、図８（ｄ）に示す構造を得る。

下部電極パターニング工程の後、シード層１２４ｃをイオンビームエッチングなどにより除去するシード層除去工程を行うことによって、図８（ｅ）に示す構造を得る。なお、シード層１２４ｃを除去するのは、Ｐｔ膜が赤外線を反射する性質を有しているからである。

上述のシード層除去工程の後、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ、金黒などからなる上部電極２４ｃをスパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などにより形成することによって、図８（ｆ）に示す構造の焦電デバイスを得る。この図８（ｆ）の構造では、上部電極２４ｃが赤外線吸収膜としての機能も有する。

図８（ｆ）の構造の焦電デバイスを得た後、当該焦電デバイスを、熱絶縁（断熱）のための空隙２１１を設けた支持基板２１０（図９（ａ）〜（ｄ）参照）に貼り付けて適宜のパターニングを行うことにより、焦電型赤外線センサを得る。あるいは、図８（ｆ）の焦電デバイスを得た後で、第１の基板２０を上記一表面側もしくは上記他表面側からエッチングして熱絶縁（断熱）のための空隙を形成してもよい。

以上説明した本実施形態の強誘電体デバイス（焦電デバイス）の製造方法では、第１の基板２０の基板材料によらず強誘電体膜２４ｂの結晶性および性能（ここでは、焦電係数γ）の向上を図れるとともに製造工程の簡略化を図れ、且つ、製造歩留まりの向上による低コスト化を図れる。要するに、第１の基板２０の上記一表面側に薄膜形成技術により強誘電体膜２４ｂを成膜する場合に比べて強誘電体膜２４ｂの焦電係数γを大きくでき、且つ、第１の基板２０として第２の基板４０に比べて機械的強度の高いものを用いることにより信頼性の高い発電デバイスを提供することができ、しかも、転写工程において、強誘電体層１２４ｂのうち所定パターンの強誘電体膜２４ｂに対応する部分のみを選択的に転写できるので、転写工程の後で、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して強誘電体膜２４ｂをパターニングする工程を設ける必要がなくなるから、製造工程の簡略化を図れ、低コスト化を図れる。また、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して強誘電体膜２４ｂをパターニングする場合に比べて、強誘電体膜２４ｂの側面の垂直性を高めることが可能となる。しかも、下部電極２４ａと第１の基板４０とを接合層５１を介して接合する接合工程の後で、転写工程を行うので、所定パターンの強誘電体膜２４ｂを第１の基板２０の上記一表面側の所望の転写位置に位置精度良く転写することが可能となり、製造歩留まりの向上による低コスト化を図れる。また、転写工程後の剥離工程で、第２の基板４０を剥離するようにしているので、単結晶ＭｇＯ基板などの高価な第２の基板４０を再利用することが可能となり、低コスト化を図ることが可能となる。

また、本実施形態の強誘電体デバイスの製造方法においても、接合工程のプロセス温度の低温化を図れ、接合工程において強誘電体膜２４ｂの物性が変化する（強誘電体膜２４ｂの特性が劣化する）のを防止することができる。ここにおいて、接合工程のプロセス温度は、常温（室温）に限らず、例えば、強誘電体膜２４ｂのキュリー温度（ＰＺＴでは、３５０℃程度）の半分以下の温度であれば強誘電体膜２４ｂの物性が変化するのを確実に防止することができるので、接合工程は、常温接合に限らず、１５０℃以下での加熱を行った状態で適宜の荷重を印加して接合する直接接合でもよい。

ここで、強誘電体膜２４ｂの焦電材料が鉛系の酸化物強誘電体の場合には、第２の基板４０として、単結晶ＭｇＯ基板もしくは単結晶ＳｒＴｉＯ₃基板もしくはサファイア基板を用いることにより、結晶性の良好な強誘電体膜２４ｂを形成することができ、また、第１の基板２０として、第２の基板４０に比べて安価なシリコン基板（単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板）、ＳＯＩ基板、ガラス基板、金属基板、ポリマー基板などを用いることにより、低コスト化を図れる。

なお、上記各実施形態では、第２の基板４０が転写元基板を構成し、第１の基板２０が転写先基板を構成している。また、転写工程により強誘電体膜２４ｂを柱状にパターニングして、剥離工程の後に強誘電体膜２４ｂの側面に強誘電体膜２４ｂを挟む一対の電極を設けるようにすれば、当該一対の電極間に電圧を印加することにより柱状の強誘電体膜２４ｂを変形させて光の進行方向を変えることが可能なミラーや、光スイッチのような光学素子として用いることも可能となる。この場合、下部電極２４ａと上部電極２４ｃとをポーリング用の電極として利用することができる。

２０ 第１の基板
２４ａ 下部電極
２４ｂ 強誘電体膜
２４ｃ 上部電極
４０ 第２の基板
５１ 接合層
６０ 回折格子
１２４ｂ 強誘電体層
１２４ｃ シード層
ＬＢ レーザ光
ＰＩ 光強度分布

Claims (3)

1. 第１の基板の一表面側に形成された下部電極と、前記下部電極における前記第１の基板側とは反対側に形成された所定パターンの強誘電体膜と、前記強誘電体膜における前記下部電極側とは反対側に形成された上部電極とを備え、前記強誘電体膜が、前記第１の基板とは格子定数差のある強誘電体材料により形成された強誘電体デバイスの製造方法であって、前記第１の基板に比べて前記強誘電体膜との格子整合性の良い第２の基板の一表面側に前記強誘電体膜との格子整合性の良い金属材料からなるシード層を形成するシード層形成工程と、前記シード層形成工程の後で前記第２の基板の前記一表面側に前記強誘電体膜のもとになる強誘電体層を形成する強誘電体層形成工程と、前記強誘電体層形成工程の後で前記強誘電体層上に前記下部電極を形成する下部電極形成工程と、前記下部電極形成工程の後で前記下部電極と前記第１の基板とを接合層を介して接合する接合工程と、前記接合工程の後でレーザ光を前記第２の基板の他表面側から照射し前記強誘電体層および前記シード層を前記第１の基板の前記一表面側に転写する転写工程とを備え、前記転写工程では、前記強誘電体層のうち前記所定パターンに対応する部分のみを転写するように設定した光強度分布のレーザ光を第２の基板の他表面側から照射することにより、それぞれ前記強誘電体層の一部からなる前記強誘電体膜を転写することを特徴とする強誘電体デバイスの製造方法。
2. 前記転写工程では、回折格子を利用して前記光強度分布を発生させることを特徴とする請求項１記載の強誘電体デバイスの製造方法。
3. 前記転写工程では、前記第２の基板の前記他表面上に前記回折格子が存在することを特徴とする請求項２記載の強誘電体デバイスの製造方法。

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