TWI437741B - 鐵電裝置 - Google Patents

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Description

鐵電裝置
本發明係關於一種鐵電裝置(ferroelectric device)，其係利用鐵電膜(ferroelectric film)之壓電效應或焦電(pyroelectricity)效應。
長此以來，利用鐵電膜之壓電效應或焦電效應的鐵電裝置受到注目。
做為此種鐵電裝置，就低成本化、機械性強度等之觀點來看，經提案有於矽基板之一表面側具備包含有鐵電膜之機能部的MEMS(micro electro mechanical systems：微機電系統)裝置。做為此種MEMS裝置，例如有利用鐵電膜之壓電效應的發電裝置(參照例如：R.van Schaijk,et al,「Piezoelectric AlN energy harvesters for wireless autonomoustransducer solutions」,IEEE SENSORS 2008 Conference,2008,p.45-48)或引動器(actuator)、利用鐵電膜之焦電效應的焦電型紅外線感測器等之焦電裝置(參照例如：日本國專利公開第8-321640號公報)，已於各處進行研究開發。又，例如以一種鉛系氧化物之鐵電體PZT(：Pb(Zr,Ti)O3 )等來做為可呈現壓電效應及焦電效應之鐵電材料已廣為人知。
揭示於上述R.van Schaijk之文獻的發電裝置，如圖6所示，係具備使用矽基板50所形成之裝置本體41。此裝置本體41係具備：框部51；懸臂部(梁；beam)52，配置於框部51之內側且搖擺自如地支撐於框部51；及錘部53，設置於懸臂部52之前端部。又，裝置本體41係於懸臂部 52形成有機能部54，該機能部54係構成因應懸臂部52之振動而產生交流電壓的發電部。
機能部54係由下述構件所構成：下部電極54A，由Pt膜所構成；鐵電膜(壓電膜)54B，由形成於下部電極54A中之懸臂部52側之相反側之AlN薄膜或PZT薄膜所構成；及上部電極54C，由形成於鐵電膜54B中之下部電極54A側之相反側之Al膜所構成。
又，於上述R.van Schaijk之文獻中，為提高發電裝置之輸出，提案有採用相對介電率(relative permittivity)小且壓電常數e31 大之壓電材料做為鐵電膜54B之壓電膜的材料。
又，上述發電裝置係具備：第1覆蓋基板42，其係於使用第1玻璃基板60A所形成之裝置本體41之一表面側(圖6之上面側)固定有框部51；及第2覆蓋基板43，其係於使用第2玻璃基板70A所形成之裝置本體41之另一表面側(圖6之下面側)固定有框部51。
又，於第1覆蓋基板42及第2覆蓋基板43與由裝置本體41之懸臂部52與錘部53所構成之可動部之間，形成有該可動部之位移空間61、71。
順道一提，圖6所示之發電裝置的裝置本體41係藉由反應性濺鍍法等於矽基板50之上述一表面側，形成有由下部電極54A、鐵電膜54B、及上部電極54C所構成之機能部54。
惟，一般而言，藉由濺鍍法等之各種薄膜形成技術，來成膜於矽基板之一表面側的PZT薄膜為多結晶，相較成膜於矽基板，或相較成膜於非常高價之單晶MgO基板之一 表面側或單晶SrTiO3 基板之一表面側的單晶PZT薄膜來說，結晶性差且壓電常數e31 亦低。又，有關於單晶矽基板之一表面側形成有結晶性佳之PZT薄膜的方法雖已於各處進行研究開發，但現狀為未能得到具有充分結晶性之PZT薄膜。
因此，於矽基板之一表面側具備包含有鐵電膜之機能部的發電裝置或焦電型紅外線感測器等之鐵電裝置中，藉由於下部電極與鐵電膜之間設置緩衝層謀求提升特性之研究正進行當中。
惟，一般而言，於矽基板之一表面側形成具備下部電極、鐵電膜、及上部電極之機能部，並藉由自矽基板之另一表面側將對應於機能部之部位予以蝕刻至預定深度藉此於矽基板形成空洞所製造出之發電裝置或焦電型紅外線感測器等之鐵電裝置中，由於於矽基板中，殘留於機能部正下方之薄壁部(圖6之例中為懸臂部52)之厚度的重現性低，且成為矽基板源頭之矽晶圓中之薄壁部的內面偏差大，故製造良率低且成本高。又，鐵電裝置為焦電型紅外線感測器時，歸因於薄壁部之熱容量的裝置特性(反應速度等)因而降低。
因此，雖可考慮使用SOI(silicon on insulator：絶緣層上覆矽)基板來取代矽基板，亦即製造時使用SOI晶圓來取代矽晶圓，但SOI晶圓與矽晶圓相比，價錢非常高，故成本將變高。
因此，本發明之目的為提供一種鐵電裝置，其係謀求鐵電膜之結晶性及性能的提升，且以低成本謀求裝置特性 的提升。
本發明之鐵電裝置，其係具備：矽基板；第1電極，形成於前述矽基板之一表面側；鐵電膜，形成於前述第1電極中之前述矽基板側之相反側；及第2電極，形成於前述鐵電膜中之前述第1電極側之相反側；前述鐵電膜係由與矽具有晶格常數差之鐵電材料所形成，其特徵在於：在前述矽基板與前述第1電極之間設置有緩衝層，該緩衝層係相較於矽由與前述鐵電膜之晶格匹配性較佳之材料所形成；前述矽基板係形成有空洞，該空洞係使前述緩衝層中之前述第1電極側之相反表面予以露出。
根據此發明，謀求鐵電膜之結晶性及性能的提升，且以低成本謀求裝置特性的提升。
於此鐵電裝置中，較佳為：前述第1電極係配置於前述鐵電膜之下表面側做為下部電極；前述第2電極係配置於前述鐵電膜之上表面側做為上部電極；前述緩衝層係設置於前述下部電極之正下方；前述緩衝層之下表面的至少一部分係通過前述矽基板之前述空洞而露出。
於此鐵電裝置中，較佳為：於前述矽基板之前述一表面側具備有補強層，前述補強層係積層於具備有前述緩衝層、前述下部電極、前述鐵電膜、及前述上部電極之積層構造的至少一部分，並將前述積層構造予以補強。
此鐵電裝置中，較佳為：除了於由前述緩衝層所構成之第1緩衝層外，另外於前述鐵電膜與前述下部電極之間設置有第2緩衝層，該第2緩衝層係相較於前述下部電極由與前述鐵電膜之晶格匹配性較佳之材料所形成。
於此鐵電裝置中，較佳為：前述緩衝層之前述材料為 導電性材料。
於此鐵電裝置中，較佳為：前述第1緩衝層之材料及前述第2緩衝層之材料中之至少一者為導電性材料。
於此鐵電裝置中，較佳為：前述鐵電膜為焦電膜，且前述緩衝層之前述材料的熱傳導率較矽的熱傳導率小。
此鐵電裝置中，較佳為：前述鐵電膜為焦電膜，且前述第1緩衝層之材料及前述第2緩衝層之材料的熱傳導率較矽的熱傳導率小。
將進一步加以詳細記述本發明之較佳實施形態。本發明之其他特徴及優點係與以下之詳細記述及所附圖式相關而得以被進一步充分理解者。
(實施形態1)
首先，參照圖1A、圖1B、圖2及圖3來說明本實施形態之鐵電裝置。
鐵電裝置之裝置本體1係具備：矽基板(以下，稱為第1矽基板)10；第1電極14a，形成於第1矽基板10之一表面側；鐵電膜14b，形成於第1電極14a中之第1矽基板10側之相反側；及第2電極14c，形成於鐵電膜14b中之第1電極14a側之相反側。亦即，圖1B中，第1電極14a係配置於鐵電膜14b之下表面側做為下部電極。又，第2電極14c係配置於鐵電膜14b之上表面側做為上部電極。 以下，將第1電極14a及第2電極14c分別稱為下部電極14a、上部電極14c。第1矽基板10係使用上述一表面為(100)面之單晶矽基板，而鐵電膜14b係由與矽具有晶格常數差之鐵電材料所形成。
本實施形態之鐵電裝置係一種將車之振動或人之動作所產生的振動等之任意振動所導致的振動能變換為電能之發電裝置，上述鐵電膜14b係構成壓電膜。
又，裝置本體1係具備緩衝層14d。緩衝層14d係如圖1B及圖2所示配置於矽基板10與下部電極14a之間(進一步具體而言，係於下部電極14a之正下方)，相較於矽由與鐵電膜14b之晶格匹配性較佳之材料所形成。又，於第1矽基板10中，形成有空洞10a，該空洞10a係使緩衝層14d中之下部電極14a側之相反表面的一部分(亦即，緩衝層14d之下表面的一部分)予以露出。
在此，如圖1B及圖2所示，於第1矽基板10之上述一表面側及另一表面側分別形成有由矽氧化膜所構成之絶緣膜19a、19b(以下，稱為第1絶緣膜19a、第2絶緣膜19b)。緩衝層14d係形成於第1矽基板10之上述一表面側之第1絶緣膜19a的表面側。而裝置本體1係利用微加工技術等予以形成，並如圖1A所示，具備框架狀之框部11以及配置於框部11內側之錘部13，且錘部13係經由第1矽基板10之上述一表面側的懸臂部12搖擺自如地支撐於框部11。又，於懸臂部12形成有機能部14，該機能部14係具備上述下部電極14a、鐵電膜14b、及上部電極14c。在此，於本實施形態之鐵電裝置中，機能部14係構成因應懸臂部12之振動而產生交流電壓之發電部(壓電變換部)。
上述框部11與錘部13係由第2絶緣膜19b、第1矽基板10、第1絶緣膜19a、及緩衝層14d之各別一部分所構成，而懸臂部12係由緩衝層14d所構成。
裝置本體1係具備墊片17a、17c。墊片17a、17c係形 成在對應於第1矽基板10之上述一表面側之框部11的部位，並經由金屬配線16a、16c分別與下部電極14a及上部電極14c電性連接。
又，裝置本體1係於第1矽基板10之上述一表面側具備有金屬配線16c及絶緣層18。金屬配線16c係定義上部電極14c與鐵電膜14b的接觸區域且與上部電極14c電性連接。並且絶緣層18係以分別包覆下部電極14a及鐵電膜14b之周圍部之方式形成以防止金屬配線16c與下部電極14a的短路。又，絶緣層18係遍及框部11的廣泛範圍而形成，而上述兩墊片17a、17c係形成於絶緣層18上。絶緣層18雖由矽氧化膜所構成，但非限於矽氧化膜，亦可由例如矽氮化膜所構成。又，第1矽基板10與機能部14係藉由第1絶緣膜19a來使其電性絶緣。
又，本實施形態之金屬配線16c與上部電極14c係如圖1B及圖2所示由一個構件所形成。惟，非受限於此，上部電極14c與金屬配線16c亦可由個別構件所形成。
又，裝置本體1係於第1矽基板10之上述一表面側具備有補強層15，該補強層15係積層於具備有緩衝層14d、下部電極14a、鐵電膜14b、及上部電極14c之積層構造，並將該積層構造予以補強(又，圖1A及圖3中，省略補強層15之圖示)。該補強層15係跨及機能部14之周圍部、框部11、及錘部13而形成。補強層15最佳為使用所謂與半導體製程匹配性較佳的材料，例如可由：聚亞醯胺或氟系樹脂等而成之絶緣材料所形成。
又，如圖2及圖3所示，鐵電裝置於裝置本體1之一表面側係具備有固定於框部11之第1覆蓋基板2。又，鐵 電裝置於裝置本體1之另一表面側係具備有固定於框部11之第2覆蓋基板3。
第1覆蓋基板2係使用第2矽基板20所形成。且於第2矽基板20中之裝置本體1側之一表面形成有凹處20b，該凹處20b係於與裝置本體1之間形成由懸臂部12與錘部13所構成之可動部123的位移空間。
又，於第2矽基板20之另一表面側，形成有與機能部14電性連接之外部連接電極25、25。在此，外部連接電極25、25係做為用於將做為機能部14之發電部所產生的交流電壓供予外部之輸出電極而發揮作用。
外部連接電極25、25係經由貫通設置於第2矽基板20之厚度方向的貫通孔配線23、23，分別與形成於第2矽基板20之上述一表面側的聯絡用電極24、24電性連接。在此，聯絡用電極24、24係分別與裝置本體1之墊片17a、17c相接合並電性連接。又，本實施形態中，雖藉由Ti膜與Au膜之積層膜來構成各外部連接電極25、25及各聯絡用電極24、24，但並非特別限定於此等材料。又，雖採用Cu做為各貫通孔配線23、23之材料，但不限於此，亦可使用例如：Ni、Al等。
第1覆蓋基板2係為了防止2個外部連接電極25、25彼此的短路而具備有絶緣膜22。絶緣膜22係由矽氧化膜所構成，並跨及第2矽基板20之上述一表面側及上述另一表面側、與貫通孔配線23、23形成於內側之貫通孔21的內周面而形成。又，亦可使用如玻璃基板的絶緣性基板來取代第2矽基板20而形成第1覆蓋基板2，於此情形時就不必設置絶緣膜22。
又，第2覆蓋基板3係使用第3矽基板30而形成。於第3矽基板30中之裝置本體1側之一表面形成有凹處30b，該凹處30b係用以於與裝置本體1之間形成可動部123的位移空間。又，亦可使用如玻璃基板的絶緣性基板來取代第3矽基板30而形成第2覆蓋基板3。
又，於第1矽基板10之上述一表面側，形成有用以與第1覆蓋基板2接合之第1接合用金屬層118，於第2矽基板20之上述一表面側，形成有接合於第1接合用金屬層118之第2接合用金屬層128(參照圖2)。在此，採用與墊片17c相同材料做為第1接合用金屬層118之材料，且第1接合用金屬層118係形成於第1矽基板10之上述一表面側，其厚度與墊片17c相同厚度。又，第1接合用金屬層118係形成於絶緣層18上。
裝置本體1與第1覆蓋基板2及第2覆蓋基板3雖係藉由常溫接合法予以接合，但不限於常溫接合法，亦可藉由例如：進行適當加熱之直接接合法、使用環氧樹脂等之樹脂接合法、或陽極接合法等予以接合。於樹脂接合法中，若使用常溫硬化型之樹脂黏著劑(例如：2液常溫硬化型之環氧樹脂系黏著劑、1液常溫硬化型之環氧樹脂系黏著劑)，相較於使用熱硬化型之樹脂黏著劑(例如：熱硬化型之環氧樹脂系黏著劑等)，能謀求接合溫度之低溫化。
以上說明之發電裝置中，由於機能部14係由下部電極14a、做為壓電膜之鐵電膜14b、及上部電極14c所構成，因此由於懸臂部12之振動，使得機能部14之鐵電膜14b受到應力而於上部電極14c與下部電極14a產生偏向電荷，而於機能部14中產生交流電壓。
順道一提，本實施形態之鐵電裝置係採用一種鉛系氧化物鐵電PZT做為鐵電膜14b之鐵電材料，並採用上述一表面為(100)面之單晶矽基板做為第1矽基板10。在此，鉛系氧化物鐵電並非限於PZT，亦可採用例如：PZT-PMN(：Pb(Mn,Nb)O3 )或添加有其他雜質之PZT等。總之，鐵電膜14b之鐵電材料係與矽具有晶格常數差之鐵電材料(PZT、PZT-PMN、添加有雜質之PZT等之鉛系氧化物鐵電)。
又，本實施形態中，雖係採用Pt做為下部電極14a之材料，採用Au做為上部電極14c之材料，但並非特別限定於此等材料，亦可採用例如：Au、Al、Ir做為下部電極14a之材料，採用例如：Mo、Al、Pt等做為上部電極14c之材料。
又，雖係採用SrRuO3 做為緩衝層14d之材料，但不限於此，亦可採用例如：(Pb,La)TiO3 或PbTiO3 、MgO、LaNiO3 等。又，緩衝層14d亦可由例如：Pt膜與SrRuO3 膜之積層膜所構成。
又，本實施形態之鐵電裝置(發電裝置)中，雖將緩衝層14d之厚度設定為2μm、將下部電極14a厚度設定為500nm、將鐵電膜14b之厚度設定為600nm、將上部電極14c之厚度設定為100nm，但此等數值僅為一例並非特別限定者。又，若使鐵電膜14b之相對介電率設定為ε、將發電指數設定為P，則Pe31 2 /ε之關係就成立，且發電指數P愈大則發電效率變大。在此，e31 為鐵電膜14b之壓電常數e31 。
以下，針對本實施形態之做為鐵電裝置的發電裝置之 製造方法簡單加以說明。
首先，分別於第1矽基板10之上述一表面側及上述另一表面側的整面，藉由熱氧化法形成由矽氧化膜所構成之絶緣膜19a、19b。其後，於第1矽基板10之上述一表面側(在此於第1絶緣膜19a上)的整面，藉由濺鍍法、CVD(chemical vapour deposition：化學氣相沈積)法、蒸鍍法等將緩衝層14d予以成膜。接著，於緩衝層14d中之第1矽基板10側之相反側的整面，藉由濺鍍法、CVD法、蒸鍍法等將下部電極14a予以成膜；於下部電極14a中之緩衝層14d側之相反側的整面，藉由濺鍍法、CVD法、溶膠凝膠法等將鐵電膜14b予以成膜。
將鐵電膜14b予以成膜後，利用光微影技術及蝕刻技術將鐵電膜14b予以圖案化成形，接著，利用光微影技術及蝕刻技術將下部電極14a予以圖案化成形，藉此形成預定形狀之下部電極14a以及由圖案化成形前之下部電極14a的一部分所構成之金屬配線16a。又，亦可將圖案化成形後之下部電極14a與金屬配線16a視為1個下部電極14a。
金屬配線16a形成後，於第1矽基板10之上述一表面側形成有預定形狀之絶緣層18。接著，利用濺鍍法或CVD法等之薄膜形成技術、光微影技術、蝕刻技術，形成上部電極14c、金屬配線16c、各墊片17a、17c、及第1接合用金屬層118。其後，形成由聚亞醯胺層所構成之補強層15。於形成預定形狀之絶緣層18時，雖係於第1矽基板10之上述一表面側的整面，藉由CVD法等將絶緣層18予以成膜後，再利用光微影技術及蝕刻技術予以圖案化成形，但亦可利用舉離法(lift off)形成絶緣層18。又，於形成補 強層15時，採用例如：感光性之聚亞醯胺做為補強層15之材料時，只要依序進行聚亞醯胺之塗布、曝光、顯像、硬化等即可。又，補強層15之材料及形成方法僅為一例並非特別限定者。
補強層15形成後，利用光微影技術及蝕刻技術等，將第1矽基板10及各絶緣膜19a、19b予以加工並形成框部11、懸臂部12、及錘部13，藉此形成裝置本體1。於此加工時，藉由使用SF6 氣體等做為蝕刻氣體之反應性離子蝕刻，以自上述另一表面側將第1矽基板10予以蝕刻，並進行利用第1絶緣膜19a做為蝕刻停止層之選擇性蝕刻。接著，藉由使用氟系氣體或氯系氣體等做為蝕刻氣體之反應性非等向(anisotropy)蝕刻，自第1矽基板10之上述另一表面側將第1絶緣膜19a予以蝕刻，並進行利用緩衝層14d做為蝕刻停止層之選擇性蝕刻。又，將緩衝層14d之不要部分予以蝕刻之際，藉由僅使用氬氣做為蝕刻氣體之物理性蝕刻(濺鍍蝕刻)，將緩衝層14d予以蝕刻。
裝置本體1形成後，藉由將第1覆蓋基板2及第2覆蓋基板3接合於裝置本體1，得到如圖2所示構造之鐵電裝置。在此，由於將第1覆蓋基板2及第2覆蓋基板3接合於裝置本體1之步驟結束為止以晶圓層級(wafer level)進行(亦即，各第1至第3矽基板10、20、30分別使用矽晶圓)，因此藉由進行切割步驟將鐵電裝置個別予以分割。接合於裝置本體1之第1覆蓋基板2及第2覆蓋基板3，只要適當應用光微影步驟、蝕刻步驟、薄膜形成步驟、電鍍步驟等之習知步驟予以形成即可。又，鐵電裝置非一定必要具備第1覆蓋基板2及第2覆蓋基板3，亦可僅具備第1覆蓋基 板2及第2覆蓋基板3之一者、或不具備第1覆蓋基板2及第2覆蓋基板3者亦可。
上述鐵電裝置的製造方法中，形成空洞10a之際，可利用緩衝層14d做為蝕刻停止層。而且，由緩衝層14d之中之經由空洞10a所露出之部位直接成為懸臂部12(壁薄部)。因此，相較於第1矽基板10來說，不使用非常高價之SOI基板即可提高形成於具備有下部電極14a、鐵電膜14b、及上部電極14c的機能部14正下方之部位(在此為緩衝層14d)的厚度的重現性，並可降低於形成有複數個裝置本體1之一枚矽晶圓之面內的機能部14正下方之部位(在此，僅為緩衝層14d)的厚度偏差。亦即，由於形成空洞10a之際，最終係進行以緩衝層14d做為蝕刻停止層之選擇性蝕刻，因此機能部14正下方之部位的厚度之面內偏差，大致取決於緩衝層14d成膜時之厚度的面內偏差。
以上說明之本實施形態的鐵電裝置係具備：下部電極14a，形成於第1矽基板10之上述一表面側；鐵電膜14b，形成於下部電極14a中之第1矽基板10側之相反側；及上部電極14c，形成於鐵電膜14b中之下部電極14a側之相反側；鐵電膜14b係由與矽具有晶格常數差之鐵電材料所形成，其特徵在於：於下部電極14a之正下方設置有緩衝層14d，該緩衝層14d係相較於矽由與鐵電膜14b之晶格匹配性較佳之材料所形成，且於第1矽基板10中形成有空洞10a，該空洞10a係使緩衝層14d中之下部電極14a側之相反表面予以露出。因此，形成空洞10a之際可利用緩衝層14d做為蝕刻停止層。而且，由緩衝層14d之中之經由空洞10a所露出之部位直接成為懸臂部12(壁薄部)。因此，能 謀求提升鐵電膜14b之結晶性及性能(在此為壓電常數e31 )且以低成本謀求提升裝置特性之發電特性(發電效率等)。
又，由於本實施形態之鐵電裝置係於第1矽基板10之上述一表面側具備有補強層15，該補強層15係積層於具備有緩衝層14d、下部電極14a、鐵電膜14b、及上部電極14c之積層構造的至少一部分，並將該積層構造予以補強，因此可防止振動所導致緩衝層14d、下部電極14a、鐵電膜14b、及上部電極14c之各薄膜破損或各該薄膜產生龜裂。特別於本實施形態之鐵電裝置的發電裝置中，可防止由緩衝層14d的一部分所構成之懸臂部12破損，故可提高可靠性(reliability)。
又，本實施形態之鐵電裝置中，採用例如SrRuO3 等之導電性材料做為緩衝層14d的材料，故可有效率地取得因懸臂部12振動時之歪斜所產生之電場而提升裝置特性之發電特性。
又，採用絕緣材料做為緩衝層14d之材料時，非一定必要設置上述第1絶緣膜19a，於此情形時，自上述另一表面側蝕刻第1矽基板10之際，只要將緩衝層14d做為蝕刻停止層並將第1矽基板10予以選擇性蝕刻即可。又，即使採用導電性材料做為緩衝層14d之材料，即使下部電極14a與第1矽基板10為同電位時，亦不必設置第1絶緣膜19a。又，於1個第1矽基板10之上述一表面側設置複數個機能部14，並將此等複數個機能部14之下部電極14a彼此設定為共用電位(common potential)時，亦可不設置第1絶緣膜19a。
(實施形態2)
本實施形態之鐵電裝置的基本構成大致相同於實施形態1，如圖4所示，唯一相異處為：有別於下部電極14a正下方之緩衝層(以下稱為第1緩衝層)14d，於鐵電膜14b與下部電極14a之間設置有第2緩衝層14e，該第2緩衝層14e係相較於下部電極14a由與鐵電膜14b之晶格匹配性較佳之材料所構成。又，對與實施形態1相同之構成要素賦予相同符號並省略說明。
本實施形態之鐵電裝置的製造方法，大致相同於實施形態1中所說明之製造方法。於矽基板10之上述一表面側的整面形成下部電極14a後，於矽基板10之上述一表面側的整面形成第2緩衝層14e後，於矽基板10之上述一表面側的整面形成鐵電膜14b等為其相異處。第2緩衝層14e之材料亦可與第1緩衝層14d為相同材料，亦可為相異材料。惟較佳為：至少第2緩衝層14e為導電性材料。
本實施形態之鐵電裝置中，由於於鐵電膜14b之正下方具備有第2緩衝層14e，相較於實施形態1，可進一步提升鐵電膜14b之結晶性。
(實施形態3)
以下，於參照圖5之同時，針對本實施形態之鐵電裝置加以說明。
本實施形態之鐵電裝置係具備：矽基板10；下部電極14a，形成於該矽基板10之一表面側；鐵電膜14b，形成於下部電極14a中之矽基板10側之相反側；及上部電極14c，形成於鐵電膜14b中之下部電極14a側之相反側。在此，使用上述一表面為(100)面之單晶矽基板做為矽基板10，鐵電膜14b係由與Si具有晶格常數差之鐵電材料所形成。 又，對於做為鐵電裝置，與實施形態1相同之構成要素賦予相同符號。
本實施形態中之鐵電裝置為焦電型紅外線感測器，鐵電膜14b係由焦電膜所構成。
又，於下部電極14a之正下方設置有緩衝層14d，該緩衝層14d係相較於矽由與鐵電膜14b之晶格匹配性較佳之材料所構成。又，於矽基板10中形成有空洞10a，該空洞10a係使緩衝層14d中之下部電極14a側之相反表面予以露出。
在此，分別於矽基板10之上述一表面側及另一表面側形成有由矽氧化膜所構成之絶緣膜19a、19b(以下稱為第1絶緣膜19a、第2絶緣膜19b)，並於矽基板10之上述一表面側之第1絶緣膜19a的表面側形成有緩衝層14d。
本實施形態之鐵電裝置雖採用一種鉛系氧化物鐵電PZT做為鐵電膜14b之鐵電材料(焦電材料)，但鉛系氧化物鐵電不限於PZT，亦可採用例如：PZT-PLT、PLT或PZT-PMN等、或添加有其他雜質之PZT系鐵電等。總之，鐵電膜14b之焦電材料係與做為矽基板10之材料的矽具有晶格常數差之鐵電材料(PZT、PZT-PMN、添加有雜質之PZT等之鉛系氧化物鐵電)。相對於此，雖採用SrRuO3 做為緩衝層14d之材料，但不限於此，亦可採用例如：(Pb,La)TiO3 或PbTiO3 、MgO、LaNiO3 等。又，緩衝層14d亦可由例如：Pt膜與SrRuO3 膜之積層膜所構成。
又，本實施形態中，雖採用Pt做為下部電極14a之材料；採用Ni-Cr、Ni、金黑(hassium)等具有導電性之紅外線吸收材料做為上部電極14c之材料；由下部電極14a、 鐵電膜14b、及上部電極14c構成由感測構件所構成之機能部14，但非特別限定於此等材料者，亦可採用例如：Au、Al、Cu等做為下部電極14a之材料。在此，採用上述具有導電性之紅外線吸收材料做為上部電極14c之材料時，上部電極14c係兼做為紅外線吸收膜。又，本實施形態中，空洞10a係構成機能部14與矽基板10之熱絶緣用空洞。
又，鐵電裝置係於矽基板10之上述一表面側具備有補強層15，該補強層15係積層於具備有緩衝層14d、下部電極14a、鐵電膜14b、及上部電極14c之積層構造，並將該積層構造予以補強。該補強層15係跨及於機能部14之周圍部與矽基板10中之空洞10a之周圍部所形成。補強層15使用所謂與半導體製程之匹配性佳的材料較佳，由例如聚亞醯胺或氟系樹脂等所構成之絶緣材料所形成即可。
順道一提，如本實施形態之鐵電裝置的焦電型紅外線感測器中，為了謀求提升感測器特性，必須提高機能部14與矽基板10之間的絕熱性，因此以較矽的熱傳導率小之材料做為緩衝層14d之材料較佳。在此，已知相對於矽的熱傳導率為145W/m‧K~156W/m‧K左右，SrRuO3 的熱傳導率為5.97W/m‧K左右。
又，本實施形態之焦電裝置中，雖將緩衝層14d的厚度設定為1μm~2μm、將下部電極14a的厚度設定為100nm、將鐵電膜14b的厚度設定為1μm~3μm、將上部電極14c的厚度設定為50nm，但此等數值為一例並非特別限定者。
本實施形態之鐵電裝置係如上述焦電型紅外線感測器，若將鐵電膜14b之焦電係數設定為γ〔C/(cm2 ‧K)〕、相對 介電率設定為ε、將焦電型紅外線感測器(焦電裝置)之性能指數設定為Fγ 〔C/(cm2 ‧J)〕，則Fγ γ/ε之關係成立，鐵電膜14b之焦電係數γ愈大性能指數Fγ 變大。
以下，針對本實施形態之做為鐵電裝置的焦電型紅外線感測器的製造方法加以說明，但有關與實施形態1中所說明之鐵電裝置的製造方法之相同步驟的說明予以適當省略。
首先，分別於矽基板10之上述一表面側及上述另一表面側的整面，藉由熱氧化法形成由矽氧化膜所構成之絶緣膜19a、19b。其後，於矽基板10之上述一表面側(在此為第1絶緣膜19a上)的整面，藉由濺鍍法、CVD法、蒸鍍法等將緩衝層14d予以成膜。接著，於緩衝層14d中之矽基板10側之相反側的整面，藉由濺鍍法、CVD法、蒸鍍法等將下部電極14a予以成膜；於下部電極14a中之緩衝層14d側之相反側的整面，藉由濺鍍法、CVD法、溶膠凝膠法等將鐵電膜14b予以成膜。
將鐵電膜14b予以成膜後，利用光微影技術及蝕刻技術將鐵電膜14b予以圖案化成形，接著，利用光微影技術及蝕刻技術將下部電極14a予以圖案化成形。
其後，於矽基板10之上述一表面側，利用濺鍍法或CVD法等之薄膜形成技術、光微影技術、蝕刻技術形成預定形狀之上部電極14c。其後，形成由聚亞醯胺層所構成之補強層15。於形成補強層15時，採用例如感光性之聚亞醯胺做為補強層15之材料時，只要依序進行聚亞醯胺之塗布、曝光、顯像、硬化等即可。又，補強層15之材料及形成方法僅為一例並非特別限定者。
補強層15形成後，利用光微影技術及蝕刻技術等將矽基板10及各絶緣膜19a、19b予以加工並形成空洞10a。於該加工時，藉由使用SF6 氣體等做為蝕刻氣體之反應性離子蝕刻，自上述另一表面側將矽基板10予以蝕刻，並進行利用第1絶緣膜19a做為蝕刻停止層之選擇性蝕刻。接著，藉由使用氟系氣體或氯系氣體等做為蝕刻氣體之反應性非等向蝕刻，自矽基板10之上述另一表面側將第1絶緣膜19a予以蝕刻，並進行利用緩衝層14d做為蝕刻停止層之選擇性蝕刻。
在此，由於形成空洞10a之步驟至結束為止係以晶圓層級進行(亦即，於矽晶圓形成多數鐵電裝置之後)，因此藉由進行切割步驟工程將鐵電裝置個別予以分割。
上述鐵電裝置的製造方法中，形成空洞10a之際可利用緩衝層14d做為蝕刻停止層。因此，不使用與第1矽基板10相比非常高價之SOI基板，可提高形成於具備有下部電極14a、鐵電膜14b、及上部電極14c的機能部14正下方之部位(在此為緩衝層14d)的厚度的重現性，並可降低於形成有複數個焦電型紅外線感測器之一枚矽晶圓的面內的機能部14正下方之部位(在此，僅緩衝層14d)的厚度偏差。亦即，由於形成空洞10a之際，最終係進行以緩衝層14d做為蝕刻停止層之選擇性蝕刻，因此機能部14正下方之部位的厚度之面內偏差，大致取決於緩衝層14d成膜時之厚度的面內偏差。
以上說明之本實施形態的鐵電裝置係具備：下部電極14a，形成於矽基板10之上述一表面側；鐵電膜14b，形成於下部電極14a中之矽基板10側之相反側；及上部電極 14c，形成於鐵電膜14b中之下部電極14a側之相反側；鐵電膜14b係由與矽具有晶格常數差之鐵電材料所形成，其特徵在於：於下部電極14a之正下方設置有緩衝層14d，該緩衝層14d係相較於矽由與鐵電膜14b之晶格匹配性較佳之材料所形成，且於第1矽基板10形成有空洞10a，該空洞10a係使緩衝層14d中之下部電極14a側之相反表面予以露出。因此，形成空洞10a之際可利用緩衝層14d做為蝕刻停止層。因此，能謀求提升鐵電膜14b之結晶性及性能(在此為焦電係數γ)，且以低成本謀求提升裝置特性(在此為性能指數或反應速度等)。
又，由於本實施形態之鐵電裝置係於矽基板10之上述一表面側具備有補強層15，該補強層15係積層於具備有緩衝層14d、下部電極14a、鐵電膜14b、及上部電極14c之積層構造的至少一部分，並將該積層構造予以補強，因此可防止振動等所導致緩衝層14d、下部電極14a、鐵電膜14b、及上部電極14c之各薄膜破損或各該薄膜產生龜裂。
又，本實施形態之鐵電裝置中，因採用例如SrRuO3 等之導電性材料做為緩衝層14d之材料，故裝置特性有所提升。
又，採用絕緣材料做為緩衝層14d之材料時，非一定必要設置上述第1絶緣膜19a，於此情形時，自上述另一表面側將矽基板10予以蝕刻之際，只要將緩衝層14d做為蝕刻停止層並將矽基板10予以選擇性蝕刻即可。又，即使採用導電性材料做為緩衝層14d之材料，即使下部電極14a與矽基板10為同電位時，亦不必設置第1絶緣膜19a。又，於一個矽基板10之上述一表面側設置複數個機能部14，且 使此等複數個機能部14之下部電極14a彼此為共通電位時，亦可不設置第1絶緣膜19a。
上述圖5所示之構成的鐵電裝置雖為僅具備1個作為感測構件之機能部14的焦電型紅外線感測器，但未限於此，亦可為例如複數個機能部14係以2次元矩陣狀排列之焦電型紅外線矩陣感測器。
又，本實施形態之鐵電裝置中，亦與實施形態2相同，有別於下部電極14a之正下方的緩衝層(第1緩衝層)14d，亦可於鐵電膜14b與下部電極14a之間設置有第2緩衝層14e，該第2緩衝層14e係相較於下部電極14a由與鐵電膜14b之晶格匹配性較佳之材料所構成。
雖針對幾個較佳之實施形態對於本發明加以記述，但在未脫離本發明之原有精神及範圍，即未脫離申請專利範圍下，得以由熟知該項技藝者進行各式修正及變更。
1‧‧‧裝置本體
2‧‧‧第1覆蓋基板
3‧‧‧第2覆蓋基板
10‧‧‧矽基板(第1矽基板)
10a‧‧‧空洞
11‧‧‧框部
12‧‧‧懸臂部
13‧‧‧錘部
14‧‧‧機能部
14a‧‧‧下部電極(第1電極)
14b‧‧‧鐵電膜
14c‧‧‧上部電極(第2電極)
14d‧‧‧緩衝層(第1緩衝層)
14e‧‧‧緩衝層(第2緩衝層)
15‧‧‧補強層
16a‧‧‧金屬配線
16c‧‧‧金屬配線
17a‧‧‧墊片
17c‧‧‧墊片
18‧‧‧絕緣層
19a‧‧‧第1絕緣膜
19b‧‧‧第2絕緣膜
20‧‧‧第2矽基板
20b‧‧‧凹處
21‧‧‧貫通孔
22‧‧‧絕緣膜
23‧‧‧貫通孔配線
24‧‧‧聯絡用電極
25‧‧‧外部連接電極
30‧‧‧第3矽基板
30b‧‧‧凹處
41‧‧‧裝置本體
42‧‧‧第1覆蓋基板
43‧‧‧第2覆蓋基板
50‧‧‧矽基板
51‧‧‧框部
52‧‧‧懸臂部
53‧‧‧錘部
54A‧‧‧下部電極
54B‧‧‧鐵電膜
54C‧‧‧上部電極
54‧‧‧機能部
60A‧‧‧第1玻璃基板
61‧‧‧位移空間
70A‧‧‧第2玻璃基板
71‧‧‧位移空間
118‧‧‧第1接合用金屬層
123‧‧‧可動部
128‧‧‧第2接合用金屬層
圖1A為實施形態1之鐵電裝置的主要部分概略俯視圖。
圖1B為圖1A中之A-A’概略剖面圖。
圖2為實施形態1之鐵電裝置的概略剖面圖。
圖3為實施形態1之鐵電裝置的概略分解立體圖。
圖4為實施形態2之鐵電裝置的概略剖面圖。
圖5為實施形態3之鐵電裝置的概略剖面圖。
圖6為顯示習知例之鐵電裝置的概略剖面圖。
1‧‧‧裝置本體
10‧‧‧矽基板(第1矽基板)
11‧‧‧框部
12‧‧‧懸臂部
13‧‧‧錘部
14‧‧‧機能部
14a‧‧‧下部電極(第1電極)
14b‧‧‧鐵電膜
14c‧‧‧上部電極(第2電極)
14d‧‧‧緩衝層(第1緩衝層)
16a‧‧‧金屬配線
16c‧‧‧金屬配線
17a‧‧‧墊片
17c‧‧‧墊片
18‧‧‧絕緣層
118‧‧‧第1接合用金屬層
123‧‧‧可動部

Claims (7)

  1. 一種鐵電裝置，其係具備：矽基板；第1電極，形成於前述矽基板之一表面側；鐵電膜，形成於前述第1電極中之前述矽基板側之相反側；以及第2電極，形成於前述鐵電膜中之前述第1電極側之相反側；前述鐵電膜係由與矽具有晶格常數差之鐵電材料所形成；其特徵在於：在前述矽基板與前述第1電極之間設置有緩衝層，該緩衝層係相較於矽由與前述鐵電膜之晶格匹配性較佳之材料所形成；前述矽基板係形成有空洞，該空洞係使前述緩衝層中之前述第1電極側之相反表面予以露出；前述第1電極係配置於前述鐵電膜之下表面側做為下部電極；前述第2電極係配置於前述鐵電膜之上表面側做為上部電極；前述緩衝層設置於前述下部電極之正下方；前述緩衝層之下表面的至少一部分係通過前述矽基板之前述空洞而露出；前述矽基板之前述一表面側具備有補強層，前述補強層係積層於具備有前述緩衝層、前述下部電極、前述鐵電膜、及前述上部電極之積層構造之至少一部分，並將前述積層構造予以補強；前述裝置本體係具備：框架狀之框部、配置於前述框部的內側之錘部，前述錘部係經由前述矽基板之前述一表面側的懸臂部搖擺自如地支撐於前述框部；於前述懸臂部形成有具備前述下部電極、前述鐵電膜、 及前述上部電極之機能部，前述機能部係構成因應前述懸臂部之振動而產生交流電壓之發電部，前述懸臂部係由前述緩衝層所構成。
  2. 如申請專利範圍第1項之鐵電裝置，其中除了由前述緩衝層所構成之第1緩衝層，另外於前述鐵電膜與前述下部電極之間設置有第2緩衝層，該第2緩衝層係相較於前述下部電極由與前述鐵電膜之晶格匹配性較佳之材料所形成。
  3. 如申請專利範圍第1項之鐵電裝置，其中前述緩衝層之前述材料為導電性材料。
  4. 如申請專利範圍第2項之鐵電裝置，其中前述第1緩衝層之材料及前述第2緩衝層之材料中之至少一者為導電性材料。
  5. 如申請專利範圍第1項之鐵電裝置，其中前述鐵電膜為焦電膜，且前述緩衝層之前述材料的熱傳導率較矽的熱傳導率小。
  6. 如申請專利範圍第3項之鐵電裝置，其中前述鐵電膜為焦電膜，且前述緩衝層之前述材料的熱傳導率較矽的熱傳導率小。
  7. 如申請專利範圍第2或4項之鐵電裝置，其中前述鐵電膜為焦電膜，且前述第1緩衝層之材料及前述第2緩衝層之材料的熱傳導率較矽的熱傳導率小。
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