(57)【要約】【課題】強誘電体デバイスの基板材料によらず強誘電体膜の結晶性および性能の向上が可能な強誘電体デバイス（発電デバイスまたは焦電デバイス）の製造方法を提供する。【解決手段】圧電層（強誘電体膜）２４ｂを素子形成基板（第１の基板）２０ａに比べて当該圧電層２４ｂとの格子整合性の良い圧電層形成用基板（第２の基板）４０の一表面側に形成し、その後、圧電層２４ｂ上に下部電極２４ａを形成し、続いて、圧電層形成基板４０の上記一表面側の下部電極２４ａと素子形成基板２０とを接合層５１を介して接合してから圧電層形成基板４０を除去することで下部電極２４ａおよび圧電層２４ｂを素子形成基板２０ａに転写する。その後、素子形成基板２０ａの上記一表面側に上部電極２４ｃを形成することで発電部２４を形成してから、素子形成基板２０ａを加工してフレーム部２１、カンチレバー部２２および錘部２３を有するカンチレバー形成基板２０を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板を用いて形成されてフレーム部および前記フレーム部に揺動自在に支持されたカンチレバー部を有するカンチレバー形成基板と、前記カンチレバー部に形成され前記カンチレバー部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とを備え、前記発電部が、前記カンチレバー部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カンチレバー部側とは反対側に形成された圧電層と、前記圧電層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有し、前記圧電層が、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膜からなる発電デバイスとして用いる強誘電体デバイスの製造方法であって、前記強誘電体膜を前記第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形成する強誘電体膜形成工程と、前記強誘電体膜形成工程の後で前記強誘電体膜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第２の基板の前記一表面側の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してから前記第２の基板を除去することで前記下部電極および前記強誘電体膜を前記第１の基板に転写する転写工程とを備えることを特徴とする強誘電体デバイスの製造方法。
【請求項２】
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焦電体薄膜と、前記焦電体薄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、前記焦電体薄膜が、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膜からなる焦電デバイスとして用いる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を形成する強誘電体膜形成工程と、前記強誘電体膜形成工程の後で前記強誘電体膜上に前記下部電極を構成する第１の金属層を形成する第１の金属層形成工程と、前記第１の基板の前記一表面側に形成された第２の金属層と前記第１の金属層形成工程で形成された前記第１の金属層とを常温接合により接合する接合工程と、前記接合工程の後で前記第２の基板を透過する波長のレーザ光を前記第２の基板側から照射し前記強誘電体膜を前記第１の基板の前記一表面側に転写する転写工程とを備えることを特徴とする強誘電体デバイスの製造方法。
【請求項３】
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焦電体薄膜と、前記焦電体薄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、前記焦電体薄膜が、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膜からなる焦電デバイスとして用いる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を形成する強誘電体膜形成工程と、前記強誘電体膜形成工程の後で前記強誘電体膜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の基板とを常温硬化型の樹脂接着剤からなる接合層を介して常温で接合する接合工程と、前記接合工程の後で前記第２の基板を透過する波長のレーザ光を前記第２の基板側から照射し前記強誘電体膜を前記第１の基板の前記一表面側に転写する転写工程とを備えることを特徴とする強誘電体デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記転写工程では、前記接合層としてＡｕ層もしくは樹脂層を利用し、前記接合後に前記第１の基板をエッチングすることで前記第１の基板を除去す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。
【請求項５】
前記強誘電体材料が鉛系の酸化物強誘電体であり、前記第２の基板として、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、前記第１の基板として、Ｓｉ基板、ＳＯＩ基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板の群から選択される１つを用いることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の強誘電体デバイスの製造方法。
【請求項６】
前記強誘電体膜形成工程よりも前に前記第２の基板の前記一表面側に前記強誘電体膜の下地であるシード層を形成するシード層形成工程を備え、前記転写工程では、少なくとも前記強誘電体膜と前記下部電極との積層構造を有する積層膜を転写することを特徴とする請求項５記載の強誘電体デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記転写工程の後で、前記第１の基板における前記カンチレバー部の先端部に錘部を接着する接着工程を行う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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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し、特に、圧電効果を利用して振動エネルギを電気エネルギに変換する振動式の発電デバイスや、焦電効果を利用する焦電デバイスとして用いる強誘電体デバイスの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
この種の強誘電体デバイスの一例として、従来から、ＭＥＭＳ（micro  electro  mechanical  systems）デバイスの一種として、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が各所で研究開発されている（例えば、非特許文献１参照）。また、強誘電体デバイスの他の例として、従来から、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（例えば、特許文献１参照）。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。
【０００４】
非特許文献１に開示された発電デバイスは、図１１に示すように、素子形成基板（ここでは、Ｓｉ基板）２０ａ’を用いて形成されてフレーム部２１’およびフレーム部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（撓み部）２２’の先端部に錘部（振動子）２３’を有するカンチレバー形成基板２０’を備え、カンチレバー部２２’に、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（圧電変換素子）からなる発電部２４’が形成されている。
【０００５】
また、上述の発電デバイスは、第１のカバー形成用基板（ここでは、ガラス基板）３０ａ’を用いて形成されカンチレバー形成基板２０’の一表面側（図１１の上面側）においてフレーム部２１’が固着された第１のカバー基板３０’と、第２のカバー形成用基板（ここでは、ガラス基板）１０ａ’を用いて形成されカンチレバー形成基板２０’の他表面側（図１１の下面側）においてフレーム部２１’が固着された第２のカバー基板１０’とを備えている。
【０００６】
なお、各カバー基板１０’，３０’と、カンチレバー形成基板２０’のカンチレバー部２２’と錘部２３’とからなる可動部との間には、当該可動部の変位空間１６’，３６’が形成されている。
【０００７】
上述の発電部２４’を構成する圧電変換部は、Ｐｔ膜からなる下部電極２４ａ’と、下部電極２４ａ’における撓み部２２側とは反対側に形成されたＡｌＮ薄膜もしくはＰＺＴ薄膜からなる圧電層２４ｂ’と、圧電層２４ｂ’における下部電極２４ａ’側とは反対側に形成されたＡｌ膜からなる上部電極２４ｃ’とで構成されている。
【０００８】
なお、非特許文献１では、発電デバイスの出力を高めるために、圧電層２４ｂ’の材料として、比誘電率が小さく、かつ圧電定数ｅ３１が大きな圧電材料を採用することが提案されている。
【０００９】
特許文献１には、強誘電体デバイスの一例として焦電型赤外線センサが例示され、図１２に示す構成の強誘電体デバイス（強誘電体素子）が開示されている。図１２に示した構成の強誘電体デバイスは、ステンレス金属基板１０１の一表面上に（１００）面に優先配向したＭｇＯ薄膜１０２が形成され、ＭｇＯ薄膜１０２上にＰｔ薄膜からなる下部電極１０３が形成され、下部電極１０３の特定部分の上にチタン酸鉛系の強誘電体材料であるＰｂ0.9Ｌａ0.1Ｔｉ0.975Ｏ3からなる強誘電体膜１０４が形成され、強誘電体膜１０４上にＮｉ−Ｃｒ薄膜からなる上部電極１０８が形成されている。また、この強誘電体デバイスは、ステンレス金属基板１０１の上記一表面側に、下部電極１０３および強誘電体膜１０４を保護する樹脂層１０６が形成されるとともに、上部電極１０８を保護する樹脂層１０９が形成され、他表面側に保護用の樹脂層１０７が形成されている。
【００１０】
また、図１２に示した構成の強誘電体デバイスは、ステンレス金属基板１０１の上記一表面側に、動作時における強誘電体膜１０４からの熱が分散するのを防止するための空隙層１１０が形成されている。なお、空隙層１１０は、ステンレス金属基板１０１の上記一表面側のＭｇＯ薄膜１０２、下部電極１０２、強誘電体膜１０４、上部電極１０８、樹脂層１０９などの積層構造部に形成されたエッチングホール１０５を通してエッチャントを導入してステンレス金属基板１０１の一部をエッチングすることにより形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平８−３２１６４０号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】R. van Schaijk,et al,「Piezoelectric AlN energy harvesters for wireless autonomoustransducer solutions」，IEEE SENSORS 2008 Conference,2008，p.45-48
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、図１１に示した構成の発電デバイスは、素子形成基板２０ａ’としてＳｉ基板を用い、当該素子形成基板２０ａ’を用いて形成されるカンチレバー形成基板２０’のカンチレバー部２２’に下部電極２４ａ’と圧電層２４ｂ’と上部電極２４ｃ’とからなる発電部２４’を反応性スパッタ法などにより形成している。
【００１４】
しかしながら、一般的に、単結晶Ｓｉ基板の一表面側にスパッタ法などの各種の薄膜形成技術により成膜されるＰＺＴ薄膜は多結晶であり、単結晶ＭｇＯ基板の一表面側や単結晶ＳｒＴｉＯ3基板の一表面側に成膜される単結晶のＰＺＴ薄膜に比べて、結晶性が劣り、圧電定数ｅ３１も低い。なお、単結晶Ｓｉ基板の一表面側に結晶性の優れたＰＺＴ薄膜を形成する方法については各所で研究開発が行われているが、充分な結晶性を有するＰＺＴ薄膜は得られていないのが現状である。
【００１５】
また、一般的に、単結晶Ｓｉ基板の一表面側にスパッタ法などの各種の薄膜形成技術により成膜されるＰＺＴ薄膜においては比誘電率が約５００〜１０００程度という大きな値になるのに対して、単結晶ＭｇＯ基板の一表面側や単結晶ＳｒＴｉＯ3基板の一表面側に成膜される単結晶のＰＺＴ薄膜の比誘電率は１５０〜３００程度の値になることが知られている。
【００１６】
そこで、発電デバイスの高出力化を図るためには、圧電定数ｅ３１を大きく、比誘電率を小さくする必要があるので、上述の素子形成基板２０ａ’としてＰＺＴ薄膜との格子整合性の良い単結晶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が考えられるが、単結晶ＭｇＯ基板や単結晶ＳｒＴｉＯ3基板は単結晶Ｓｉ基板に比べて脆弱であり機械的強度が弱いので、カンチレバー部２２’が破損しやすくなり、信頼性が低下してしまう。また、サファイア基板は、加工が難しく、発電デバイスを製造すること自体が難しい。また、発電デバイスでは、目的や用途に応じた適切な振動特性（周波数特性、Ｑ値など）を有するカンチレバー部２２’を形成する必要があるが、振動特性がカンチレバー部２２’の材料物性（ヤング率、密度など）に左右される一方で、素子形成基板２０ａ’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など、特定の基板材料を用いざるを得ない場合、素子形成基板２０ａ’の材料物性が限定されるため発電デバイスの設計自由度が少なく、所望の振動特性を得ることが難しいことがある。
【００１７】
また、上述の発電デバイスでは、圧電層２４ｂ’の比誘電率をε、発電指数をＰとすると、Ｐ∝ｅ３１2／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。ＰＺＴおよびＡｌＮそれぞれの圧電定数ｅ３１、比誘電率の一般的な値からみて、発電指数Ｐに２乗できく圧電定数ｅ３１が大きなＰＺＴを採用した方が発電指数Ｐを大きくできる。しかしながら、圧電層２４ｂ’がＰＺＴ薄膜により構成された発電デバイスにおいても、より一層の高出力化を図るためには、圧電層２４ｂ’の比誘電率を小さくし、かつ圧電定数ｅ３１を大きくして発電効率を向上させる必要がある。
【００１８】
また、図１２に示した構成の強誘電体デバイスでは、ＭｇＯ薄膜１０２が単結晶薄膜ではなくて（１００）面に優先配向したものであり、強誘電体膜１０４についても、分極軸であるｃ軸方向に優先的に配向したものである。ここで、特許文献１には、上述の強誘電体膜１０４のｃ軸配向率が、９４％であることが記載されている。
【００１９】
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、強誘電体デバイスの基板材料によらず強誘電体膜の結晶性および性能の向上が可能な強誘電体デバイスの製造方法を提供することにある。特に、発電デバイスとして用いる強誘電体デバイスの製造方法については、強誘電体膜からなる圧電層の圧電定数ｅ３１を大きくできるとともに比誘電率を小さくでき、且つ、信頼性の高い強誘電体デバイスの製造方法を提供することにある。また、焦電デバイスとして用いる強誘電体デバイスの製造方法については、低コストで強誘電体膜からなる焦電体薄膜の焦電係数の向上が可能な強誘電体デバイスの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
請求項１の発明は、第１の基板を用いて形成されてフレーム部および前記フレーム部に揺動自在に支持されたカンチレバー部を有するカンチレバー形成基板と、前記カンチレバー部に形成され前記カンチレバー部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とを備え、前記発電部が、前記カンチレバー部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カンチレバー部側とは反対側に形成された圧電層と、前記圧電層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有し、前記圧電層が、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膜からなる発電デバイスとして用いる強誘電体デバイスの製造方法であって、前記強誘電体膜を前記第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形成する強誘電体膜形成工程と、前記強誘電体膜形成工程の後で前記強誘電体膜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第２の基板の前記一表面側の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してから前記第２の基板を除去することで前記下部電極および前記強誘電体膜を前記第１の基板に転写する転写工程とを備えることを特徴とする。
【００２１】
請求項２の発明は、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焦電体薄膜と、前記焦電体薄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、前記焦電体薄膜が、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膜からなる焦電デバイスとして用いる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を形成する強誘電体膜形成工程と、前記強誘電体膜形成工程の後で前記強誘電体膜上に前記下部電極を構成する第１の金属層を形成する第１の金属層形成工程と、前記第１の基板の前記一表面側に形成された第２の金属層と前記第１の金属層形成工程で形成された前記第１の金属層とを常温接合により接合する接合工程と、前記接合工程の後で前記第２の基板を透過する波長のレーザ光を前記第２の基板側から照射し前記強誘電体膜を前記第１の基板の前記一表面側に転写する転写工程とを備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項３の発明は、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焦電体薄膜と、前記焦電体薄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、前記焦電体薄膜が、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膜からなる焦電デバイスとして用いる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を形成する強誘電体膜形成工程と、前記強誘電体膜形成工程の後で前記強誘電体膜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の基板とを常温硬化型の樹脂接着剤からなる接合層を介して常温で接合する接合工程と、前記接合工程の後で前記第２の基板を透過する波長のレーザ光を前記第２の基板側から照射し前記強誘電体膜を前記第１の基板の前記一表面側に転写する転写工程とを備えることを特徴とする。
【００２３】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記転写工程では、前記接合層としてＡｕ層もしくは樹脂層を利用し、前記接合後に前記第１の基板をエッチングすることで前記第１の基板を除去することを特徴とする。
【００２４】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記強誘電体材料が鉛系の酸化物強誘電体であり、前記第２の基板として、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、前記第１の基板として、Ｓｉ基板、ＳＯＩ（Siliconon Insulator）基板、金属基板、ガラス基板、ポリマー基板の群から選択される１つを用いることを特徴とする。
【００２５】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記強誘電体膜形成工程よりも前に前記第２の基板の前記一表面側に前記強誘電体膜の下地であるシード層を形成するシード層形成工程を備え、前記転写工程では、少なくとも前記強誘電体膜と前記下部電極との積層構造を有する積層膜を転写することを特徴とする。
【００２６】
請求項７の発明は、請求項１の発明において、前記転写工程の後で、前記第１の基板における前記カンチレバー部の先端部に錘部を接着する接着工程を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の強誘電体デバイスの製造方法では、強誘電体デバイスの基板材料によらず強誘電体膜の結晶性および性能の向上が可能となるという効果がある。
【００２８】
また、請求項１の発明では、圧電層の圧電定数ｅ３１を大きくできるとともに比誘電率を小さくでき、且つ、信頼性の高い発電デバイスからなる強誘電体デバイスを提供することができるという効果がある。
【００２９】
また、請求項２，３の発明では、低コストで強誘電体膜からなる焦電体薄膜の焦電係数の向上が可能な焦電デバイスからなる強誘電体デバイスを提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施形態１の強誘電体デバイス（発電デバイス）の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図２】同上の発電デバイスの概略分解斜視図である。
【図３】同上の発電デバイスにおける振動子形成基板の概略平面図である。
【図４】同上の発電デバイスの要部の概略分解断面図である。
【図５】同上の発電デバイスの他の構成例の概略分解断面図である。
【図６】実施形態２の強誘電体デバイス（発電デバイス）の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図７】実施形態２の強誘電体デバイス（焦電デバイス）の製造方法を説明するための主要工程断面図である。
【図８】同上の焦電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。
【図９】同上の焦電デバイスの応用例を示す概略断面図である。
【図１０】同上の焦電デバイスの製造時に使用する材料の分光特性図である。
【図１１】従来例を示す発電デバイスの概略断面図である。
【図１２】従来例を示す強誘電体デバイスの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
（実施形態１）
本実施形態においては、強誘電体デバイスとして発電デバイスを例示する。
【００３２】
まず、本実施形態における発電デバイスについて図２〜図４を参照しながら説明し、その後で、製造方法について図１を参照しながら説明する。
【００３３】
本実施形態における発電デバイスは、素子形成基板２０ａを用いて形成されてフレーム部２１およびフレーム部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を有するカンチレバー形成基板２０を備え、カンチレバー形成基板２０のカンチレバー部２２に、当該カンチレバー部２２の振動に応じて交流電圧を発生する圧電変換部（圧電変換素子）からなる発電部２４が形成されている。なお、本実施形態では、素子形成基板２０ａが、第１の基板を構成している。
【００３４】
また、発電デバイスは、第１のカバー形成用基板３０ａを用いて形成されカンチレバー形成基板２０の一表面側（図４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と、第２のカバー形成用基板１０ａを用いて形成されカンチレバー形成基板２０の他表面側（図４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とを備えている。また、カンチレバー形成基板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。
【００３５】
上述の発電部２４を構成する圧電変換部は、下部電極２４ａと、下部電極２４ａにおける撓み部２２側とは反対側に形成された圧電層２４ｂと、圧電層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とで構成されている。
【００３６】
また、カンチレバー形成基板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の平面サイズが最も大きく、２番目に圧電層２４ｂの平面サイズが大きく、上部電極２４ｃの平面サイズが最も小さくなるように設計してあり、更に、圧電層２４ｂにおいて下部電極２４ａおよび上部電極２４ｃそれぞれと接する圧電変換領域のフレーム部２１側の端が、フレーム部２１と撓み部２２との境界に略一致するように設計してある。
【００３７】
また、カンチレバー形成基板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、下部電極２４ａおよび圧電層２４ｂそれぞれにおけるフレーム部２１側の端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、カンチレバー形成基板２０は、素子形成基板２０ａの一表面側および他表面側それぞれにシリコン酸化膜からなる絶縁膜２９ａ，２９ｂが形成されており、発電部２４と素子形成基板２０ａとが絶縁膜２９により電気的に絶縁されている。
【００３８】
また、第１のカバー基板３０は、第１のカバー形成用基板３０ａとして第１のシリコン基板を用いており、第１のカバー形成用基板３０ａにおけるカンチレバー形成基板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カンチレバー形成基板２０との間に形成するための凹所３０ｂが形成されている。
【００３９】
また、第１のカバー基板３０は、第１のカバー形成用基板３０ａの他表面側に、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が形成されており、各出力用電極３５，３５が、第１のカバー形成用基板３０ａの上記一表面側に形成された連絡用電極３４，３４と、第１のカバー形成用基板３０ａ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がカンチレバー形成基板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。
【００４０】
本実施形態では、第１のカバー形成用基板３０ａとして第１のＳｉ基板を用いているので、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、第１のカバー形成用基板３０ａ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のカバー形成用基板３０ａ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。
【００４１】
また、第２のカバー基板１０は、第２のカバー形成用基板１０ａとして第２のＳｉ基板を用いており、第２のカバー形成用基板１０ａにおけるカンチレバー形成基板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カンチレバー形成基板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のカバー形成用基板１０ａ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。
【００４２】
また、上述のカンチレバー形成基板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、カンチレバー形成基板２０の上記一表面上（ここでは、絶縁膜２９ａ上）でパッド２７と同じ厚さに形成されている。
【００４３】
カンチレバー形成基板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。
【００４４】
以上説明した発電デバイスでは、発電部２４が下部電極２４ａと圧電層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の圧電層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。
【００４５】
ところで、本実施形態における発電デバイスは、圧電層２４ｂの圧電材料として、鉛系圧電材料の一種であるＰＺＴを採用しており、素子形成基板２０ａとして、上記一表面が（１００）面の単結晶のＳｉ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、圧電層２４ｂの圧電材料は、第１の基板である素子形成基板２０ａ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）であり、圧電層２４ｂは、当該強誘電体材料により形成された強誘電体膜により構成される。また、素子形成基板２０ａとして用いるＳｉ基板は、単結晶のＳｉ基板（以下、単結晶Ｓｉ基板と称する）に限らず、多結晶のＳｉ基板でもよい。
【００４６】
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。
【００４７】
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、圧電層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、圧電層２４ｂの比誘電率をε、発電指数をＰとすると、Ｐ∝ｅ３１2／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。
【００４８】
以下、本実施形態の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。
【００４９】
まず、圧電材料（例えば、ＰＺＴなど）からなる圧電層２４ｂを単結晶Ｓｉ基板からなる素子形成基板２０ａに比べて当該圧電層２４ｂとの格子定数差が小さく格子整合性の良い単結晶ＭｇＯ基板からなる圧電層形成用基板４０（図１（ａ）参照）の一表面側（図１（ａ）における上面側）に形成する圧電層形成工程を行い、その後、圧電層２４ｂ上に下部電極２４ａを形成する下部電極形成工程を行い、続いて、図１（ａ）に示すように圧電層形成基板４０の上記一表面側の下部電極２４ａと素子形成基板２０とを対向配置する。上述の圧電層形成工程では、圧電層２４ｂをスパッタ法やＣＶＤ法やゾルゲル法などにより形成し、下部電極形成工程では、下部電極２４ａをスパッタ法やＣＶＤ法などにより形成すればよい。なお、圧電層形成工程において用いる圧電層形成基板４０としては、上記一表面が（００１）面で厚さが３００μｍの単結晶ＭｇＯ基板を採用しているが、単結晶ＭｇＯ基板に限らず、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、圧電層形成基板１０の厚さは特に限定するものではない。また、本実施形態では、圧電層形成基板４０が、第１の基板に比べて強誘電体膜との格子整合性の良い第２の基板を構成し、圧電層形成工程が、強誘電体膜を第１の基板に比べて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形成する強誘電体膜形成工程を構成している。
【００５０】
上述のように圧電層形成基板４０の上記一表面側の下部電極２４ａと素子形成基板２０とを対向配置した後、圧電層形成基板４０の上記一表面側の下部電極２４ａと素子形成基板２０とを素子形成基板２０の上記一表面側に形成されている接合層５１を介して接合する接合工程を行うことによって、図１（ｂ）に示す構造を得る。ここにおいて、本実施形態では、接合層５１をＡｕ層により構成してあり、接合層５１と素子形成基板２０の上記一表面側の絶縁膜２９ａとの間に密着性改善用のＴｉ層からなる密着層５２を介在させてある。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あり、密着層５２の膜厚を１５〜５０ｎｍ、接合層５１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、密着層５２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、接合層５１を構成する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。
【００５１】
上述の接合工程の後、圧電層形成基板４０を除去する基板除去工程を行うことによって、図１（ｃ）に示す構造を得る。ここにおいて、基板除去工程では、例えば、濃度が３０％で温度が９０℃の燐酸を用いて圧電層形成基板４０をエッチングすることで圧電層形成基板４０を除去しているが、燐酸の濃度や温度は一例であってこれらの値に限らず、また、Ａｒガスを用いたイオンビームを照射して圧電層形成基板４０をエッチングすることで圧電層形成基板４０を除去するようにしてもよい。本実施形態では、接合工程と基板除去工程とで、下部電極２４ａおよび圧電層２４ｂを素子形成基板２０ａに転写する転写工程を構成している。
【００５２】
上述の転写工程の後、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圧電層２４ｂをパターニングする圧電層パターニング工程を行ってから、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で下部電極２４ａと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とを形成し（パターニング後の下部電極２４ａと金属配線２６ａとパッド２７ａとで１つの下部電極２４ａとみなすこともできる）、その後、素子形成基板２０ａ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、上部電極２４ｃを例えばスパッタ法や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上部電極形成工程と同時に金属配線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い、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素子形成基板２０を加工してカンチレバー部２２および錘部２３を形成することでカンチレバー形成基板２０を形成する基板加工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と絶縁層形成工程との間に金属配線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。また、絶縁層形成工程では、素子形成基板２０ａ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。
【００５３】
上述の基板加工工程の後は、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で図１（ｅ）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。
【００５４】
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、素子形成基板（第１の基板）２０ａを用いて形成されてフレーム部２１およびフレーム部２１に揺動自在に支持されたカンチレバー部２２を有するカンチレバー形成基板２０と、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とを備え、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素子形成基板２０ａとは格子定数差のある圧電材料（強誘電体材料）からなる圧電層（強誘電体膜）２４ｂと、圧電層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とを有しており、その製造方法において、圧電層２４ｂを素子形成基板２０ａに比べて当該圧電層２４ｂとの格子整合性の良い圧電層形成用基板（第２の基板）４０の上記一表面側に形成する圧電層形成工程（強誘電体膜形成工程）と、圧電層形成工程の後で圧電層２４ｂ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圧電層形成基板４０の上記一表面側の下部電極２４ａと素子形成基板２０ａとを接合層５１を介して接合してから圧電層形成基板４０を除去することで下部電極２４ａおよび圧電層２４ｂを素子形成基板２０ａに転写する転写工程とを備えている。
【００５５】
しかして、本実施形態の強誘電体デバイス（発電デバイス）の製造方法では、強誘電体デバイスの基板材料（ここでは、第１の基板である素子形成基板２０ａの材料）によらず強誘電体膜である圧電層２４ｂの結晶性および性能（ここでは、圧電定数ｅ３１）の向上が可能となる。
【００５６】
しかして、本実施形態の発電デバイスの製造方法によれば、圧電層２４ｂを素子形成基板２０ａに比べて当該圧電層２４ｂとの格子整合性の良い圧電層形成用基板４０の上記一表面側に形成する圧電層形成工程を行ってから、圧電層２４ｂ上に下部電極２４ａを形成し、その後、圧電層形成基板４０の上記一表面側の下部電極２４ａと素子形成基板２０ａとを接合層５１を介して接合してから圧電層形成基板４０を除去することで下部電極２４ａおよび圧電層２４ｂを素子形成基板２０ａに転写するので、素子形成基板２０ａの上記一表面側に薄膜形成技術により圧電層２４ｂを成膜する場合に比べて圧電層２４ｂの圧電定数ｅ３１を大きくできるとともに比誘電率を小さくでき、且つ、素子形成基板２０ａとして圧電層形成基板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る。要するに、本実施形態の発電デバイスでは、圧電層２４ｂをＡｌＮ薄膜により構成する場合に比べて圧電定数ｅ３１を大きくでき、且つ、圧電層２４ｂを素子形成基板２０ａ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ｅ３１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、圧電層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。
【００５７】
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。
【００５８】
また、本実施形態の発電デバイスの製造方法では、転写工程において、接合層５１としてＡｕ層を利用し、接合後に圧電層形成基板４０をエッチングすることで圧電層形成基板４０を除去するようにしているので、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、また、接合後に圧電層形成基板４０をエッチングすることで圧電層形成基板４０を除去するので、転写工程のプロセス温度の低温化を図れ、転写工程において圧電層２４ｂの特性が劣化するのを防止することができる。また、転写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。
【００５９】
また、本実施形態の発電デバイスの製造方法では、圧電層２４ｂの圧電材料が鉛系圧電材料であり、圧電層形成基板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層２４ｂを形成することができ、また、素子形成基板２０ａとして、単結晶Ｓｉ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。
【００６０】
ここで、素子形成基板２０ａとしては、例えば、図５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。
【００６１】
また、素子形成基板２０ａ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。
【００６２】
また、上述の転写工程では、圧電層形成基板４０の上記一表面側の下部電極２４ａと素子形成基板２０ａとを接合層５１を介して接合してから、圧電層形成基板４０を透過する波長のレーザ光を圧電層形成基板４０側から照射し下部電極２４ａおよび圧電層２４ｂを素子形成基板２０ａの上記一表面側に転写して、圧電層形成基板４０を剥離するようにしてもよい。このような転写工程を行う場合には、高価な圧電層形成基板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。
【００６３】
（実施形態２）
本実施形態における強誘電体デバイスである発電デバイスの基本構成は実施形態１と略同じであって、図６（ｅ）に示すように、上部電極２４ｃと圧電層２４ｂとの間に、圧電層２４ｂの成膜時の下地であり導電性酸化物材料の一種であるＳｒＲｕＯ3からなるシード層２４ｄが介在している点などが相違する。ここで、シード層２４ｄの材料は、ＳｒＲｕＯ3に限らず、（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3もしくはＰｂＴｉＯ3でもよい。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６４】
以下、本実施形態の発電デバイスの製造方法について図６を参照しながら説明するが、実施形態１と同様の工程については説明を適宜省略する。
【００６５】
まず、一表面が（００１）面の単結晶ＭｇＯ基板もしくは一表面が（００１）面の単結晶ＳｒＴｉＯ3基板もしくは一表面が（０００１）面のサファイア基板からなる圧電層形成基板４０との構成整合性の良い金属材料（例えば、Ｐｔなど）からなる上部電極２４ｃを圧電層形成基板４０の上記一表面側に形成する上部電極形成工程を行ってから、上部電極２４ｃ上に圧電層２４ｂの下地であって例えばＳｒＲｕＯ3からなるシード層２４ｄを形成するシード層形成工程を行い、その後、圧電材料（例えば、ＰＺＴなど）からなる圧電層２４ｂを圧電層形成用基板４０の上記一表面側に形成する圧電層形成工程を行い、その後、圧電層２４ｂ上に下部電極２４ａを形成する下部電極形成工程を行い、続いて、図６（ａ）に示すように圧電層形成基板４０の上記一表面側の下部電極２４ａと素子形成基板２０とを対向配置する。上述の上部電極形成工程では、上部電極２４ｃとして（００１）配向のＰｔ薄膜からなる上部電極２４ｃをスパッタ法や蒸着法などにより成膜し、シード層形成工程では、（１１０）配向のＳｒＲｕＯ3薄膜からなるシード層２４ｄをスパッタ法やＭＯＣＶＤ法などにより成膜すればよい。
【００６６】
上述のように圧電層形成基板４０の上記一表面側の下部電極２４ａと素子形成基板２０とを対向配置した後、圧電層形成基板４０の上記一表面側の下部電極２４ａと素子形成基板２０とを素子形成基板２０の上記一表面側に形成されている接合層５１を介して接合する接合工程を行うことによって、図６（ｂ）に示す構造を得る。
【００６７】
上述の接合工程の後、圧電層形成基板４０を除去する基板除去工程を行うことによって、図６（ｃ）に示す構造を得る。なお、実施形態１と同様、接合工程と基板除去工程とで、転写工程を構成している。
【００６８】
上述の転写工程の後、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上部電極２４ｃをパターニングする上部電極パターニング工程、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シード層２４ｄをパターニングするシード層パターニング工程、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圧電層２４ｂをパターニングする圧電層パターニング工程を行ってから、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で下部電極２４ａと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とを形成し（パターニング後の下部電極２４ａと金属配線２６ａとパッド２７ａとで１つの下部電極２４ａとみなすこともできる）、その後、素子形成基板２０ａ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い、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素子形成基板２０を加工してカンチレバー部２２および錘部２３を形成することでカンチレバー形成基板２０を形成する基板加工工程を行うことによって、図６（ｄ）に示す構造を得る。
【００６９】
上述の基板加工工程の後は、各カバー基板１０，３０を接合するカバー接合工程を行えばよく、この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ようにすればよい。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。
【００７０】
しかして、本実施形態の発電デバイスの製造方法によれば、圧電層形成工程よりも前に圧電層形成基板４０の上記一表面側に圧電層２４ｂの下地であってＳｒＲｕＯ3もしくは（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3もしくはＰｂＴｉＯ3からなるシード層２４ｄを形成するシード層形成工程を備え、転写工程では、上部電極２４ｃとシード層２４ｄと圧電層２４ｂと下部電極２４ａとの積層構造を有する積層膜を転写するので、圧電層２４ｂの格子歪を抑制することができて圧電層２４ｂの結晶性を更に向上できる。なお、転写工程においては、少なくとも圧電層２４ｂと下部電極２４ａとの積層構造を有する積層膜を転写するようにすればよく、圧電層２４ｂと下部電極２４ａとの積層構造を有する積層膜を転写した後で上部電極２４ｃを形成するようにしてもよい。
【００７１】
また、上述の転写工程では、圧電層形成基板４０の上記一表面側の下部電極２４ａと素子形成基板２０ａとを接合層５１を介して接合してから、圧電層形成基板４０を透過する波長のレーザ光を圧電層形成基板４０側から照射し上部電極２４ｃとシード層２４ｄと圧電層２４ｂと下部電極２４ａとの積層構造を有する積層膜を素子形成基板２０ａの上記一表面側に転写して、圧電層形成基板４０を剥離するようにしてもよい。このような転写工程を行う場合には、高価な圧電層形成基板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。
【００７２】
ところで、実施形態１，２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、転写工程の後で、素子形成基板２０ａ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、転写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。
【００７３】
（実施形態３）
本実施形態においては、強誘電体デバイスとして焦電デバイスを例示する。
【００７４】
まず、本実施形態における焦電デバイスについて図８（ｃ）および図９を参照しながら説明し、その後で、製造方法について図７および図８を参照しながら説明する。
【００７５】
本実施形態における焦電デバイスは、図８（ｃ）に示すように、第１の基板２２０ａの一表面側に形成された下部電極２２４ａと、下部電極２２４ａにおける第１の基板２２０ａ側とは反対側に形成された焦電体薄膜２２４ｂと、焦電体薄膜２２４ｂにおける下部電極２２４ａ側とは反対側に形成された上部電極２２４ｃとを備え、焦電体薄膜２２４ａが、第１の基板２２０ａとは格子定数差のある焦電材料により形成されている。
【００７６】
ところで、本実施形態における焦電デバイスは、焦電体薄膜２２４ｂの焦電材料として、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２２０ａとして、上記一表面が（１００）面の単結晶のＳｉ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、焦電体薄膜２２４ｂの焦電材料は、第１の基板２２０ａ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）であり、焦電体薄膜２２４ｂは、当該強誘電体材料により形成された強誘電体膜により構成される。また、第１の基板２２０ａとして用いるＳｉ基板は、単結晶のＳｉ基板（以下、単結晶Ｓｉ基板と称する）に限らず、多結晶のＳｉ基板でもよい。
【００７７】
また、本実施形態では、下部電極２２４ａの材料として、Ａｕを採用し、上部電極２２４ｃ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２２４ａと焦電体薄膜２２４ｂと上部電極２２４ｃ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２２４ａの材料としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕなどを採用してもよく、上部電極２２４ｃの材料としては、例えば、ＳｒＲｕＯ3などの、上述の強誘電体材料（ＰＺＴなど）との格子整合性の良い酸化物導電性材料を採用してもよい。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には、上部電極２４が赤外線吸収膜を兼ねることとなるが、ＳｒＲｕＯ3などの酸化物導電性材料を採用した場合、センシングエレメント２３０としては、上部電極２４ｃ上に赤外線吸収膜を設ければよく、この赤外線吸収膜の材料としては、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ、金黒、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯＮなどを採用すればよい。
【００７８】
また、第１の基板２２０ａとしては、単結晶Ｓｉ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。
【００７９】
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２２０ａ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２２０ａを支持する支持基板２１０を第１の基板２２ａと接合してもよい。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Ｓｉ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２２０ａに、熱絶縁用の空隙２１１を形成してもよく、第１の基板２２０ａに空隙２１１を設ける場合には、第１の基板２２０ａ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２２０ａ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い。
【００８０】
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。
【００８１】
なお、本実施形態の焦電デバイスでは、下部電極２２４ａの厚みを１００ｎｍ、焦電体薄膜２２４ｂの厚みを１μｍ〜３μｍ、上部電極２２４ｃ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。
【００８２】
本実施形態の焦電デバイスは、焦電体薄膜２２４ｂ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Ｆγ〔Ｃ／（ｃｍ2・Ｊ）〕とすると、Ｆγ∝γ／εの関係が成り立ち、焦電体薄膜２２４ｂの焦電係数γが大きいほど、焦電デバイスの性能指数Ｆγが大きくなる。
【００８３】
以下、本実施形態の焦電デバイスの製造方法について図７および図８を参照しながら説明する。
【００８４】
まず、単結晶Ｓｉ基板からなる第１の基板２２０ａに比べて当該焦電体薄膜２２４ｂ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２４０（図７（ａ）参照）の一表面側（図７（ａ）における上面側）に、焦電体薄膜２２４ｂの下地となるＰｔ膜、あるいは、下側のＰｔ膜と上側のＳｒＲｕＯ3膜との積層膜などからなるシード層（緩衝層）２２４ｄを形成するシード層形成工程（緩衝層形成工程）を行い、続いて、シード層２２４ｄ上に焦電材料（例えば、ＰＺＴなど）からなる焦電体薄膜２２４ｂを形成する焦電体薄膜形成工程を行うことによって、図７（ａ）に示す構造を得る。シード層２２４ｄおよび焦電体薄膜２２４ｂは、ＲＦマグネトロンスパッタ法により形成しており、基板温度は６００℃〜７００℃とした。第２の基板２４０としては、上記一表面が（００１）面で厚さが３００μｍの単結晶ＭｇＯ基板を採用しているが、単結晶ＭｇＯ基板に限らず、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２４０の厚さは特に限定するものではない。なお、本実施形態では、焦電体薄膜形成工程が、焦電体薄膜２２４ｂである強誘電体膜を第１の基板２２０ａに比べて強誘電体膜との格子整合性の良い第２の基板２４０の上記一表面側に形成する強誘電体膜形成工程を構成している。
【００８５】
上述の焦電体薄膜形成工程の後、焦電体薄膜２２４ｂ上（焦電体薄膜２２４ｂにおける第２の基板２４０側とは反対側）に下部電極２２４ａを構成する第１のＡｕ層からなる第１の金属層２５１を形成する第１の金属層形成工程（下部電極形成工程）を行うことによって、図７（ｂ）に示す構造を得る。
【００８６】
その後、第１の基板２２０ａの上記一表面側に形成された第２のＡｕ層からなる第２の金属層２５２と、第１の金属層形成工程で形成された第１の金属層２５１とを、対向配置する（図７（ｃ））。なお、第１の金属層２５１および第２の金属層２５２それぞれは、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などにより形成すればよい。また、第１の金属層２５１および第２の金属層２５２それぞれの膜厚は、１００ｎｍに設定してあるが、これらの数値は一例であり、特に限定するものではない。
【００８７】
上述の図７（ｃ）のように第２の金属層２５２と第２の基板２４０の第１の金属層２５１とを対向配置した後、第２の金属層２５２と第１の金属層２５１とを常温接合により接合する接合工程を行うことによって、図７（ｄ）に示す構造を得る。この接合工程を行うことにより、焦電体薄膜２２４ｂと第１の基板２２０ａとが、第１の金属層２５１からなる下部電極２２４ａと第２の金属層２５２とを介して接合される。ここでは、第１の金属層２５１と第２の金属層２５２との両方をＡｕ層により構成しており、第１の金属層２５１と第２の金属層２５２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（第１の金属層２５１および第２の金属層２５２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。この接合工程での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。
【００８８】
なお、第１の金属層２５１と第２の金属層２５２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、第１の金属層２５１からなる下部電極２２４ａに第２の金属層２５２が接合されて電気的に接続されるから、結果的に、第１の金属層２５１と第２の金属層２５２とで下部電極とみなすこともできる。
【００８９】
上述の接合工程の後、図７（ｅ）に示すように、第２の基板２４０を透過する波長のレーザ光ＬＢを第２の基板２４０側から照射し焦電体薄膜２２４ｂを第１の基板２２０ａの上記一表面側に転写する転写工程を行い、図７（ｆ）に示すように、第１の基板２２０ａと第２の基板２４０とを引き離すことにより、第２の基板２４０を剥離する剥離工程を行う。なお、転写工程では、焦電体薄膜２２４ｂだけでなくシード層２２４ｄも第１の基板２２０ａ側に転写する。要するに、転写工程では、シード層２２４ｄと焦電体薄膜２２４ｂと下部電極２２４ａとの積層膜を第１の基板２２０ａ側に転写する。
【００９０】
ところで、ＭｇＯ、ＰＺＴ、Ｐｔそれぞれは図１０に示すような分光特性を有しているので、レーザ光ＬＢの波長によっては、焦電体薄膜２２４ｂでのレーザ光ＬＢの吸収により、焦電体薄膜２２４ｂの物性が変化する可能性がある。そこで、第２の基板２４０として単結晶ＭｇＯ基板を用い、焦電体薄膜２２４ｂの焦電材料である強誘電体材料としてＰＺＴを採用し、シード層２２４ｄの材料として、ＰＺＴと同様に４００ｎｍ以上の光を吸収する酸化物導電性材料であるＳｒＲｕＯ3、ＬａＮｉＯ3などを採用している場合には、転写工程において照射するレーザ光ＬＢの波長を、焦電体薄膜２２４ｂの強誘電体材料での光吸収の起こらない波長（４００ｎｍ未満）とする必要がある。この場合、レーザ光源として、例えば、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを用い、５〜１５ｍＪ／ｍｍ2程度のエネルギ密度のレーザ光ＬＢを室温下で照射すればよい。この場合のレーザ光源としては、ＫｒＦエキシマレーザに限らず、例えば、波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザや、波長が３５５ｎｍのＴＨＧ−ＹＡＧレーザなどを用いてもよいし、基本波の波長が７５０ｎｍ〜１１００ｎｍにあるフェムト秒レーザ（例えば、Ｔｉ：サファイアレーザなど）の３倍波をレーザ光ＬＢとしてもよい。これに対し、シード層２２４ｄをＰｔ膜、あるいは、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜により構成している場合には、Ｐｔ膜によりレーザ光ＬＢが反射されるので、転写工程において照射するレーザ光ＬＢの波長を必ずしも４００ｎｍ未満とする必要はなく、波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザや波長が１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザやフェムト秒レーザの３倍波に限らず、フェムト秒レーザの基本波をレーザ光ＬＢとして照射してもよい。
【００９１】
上述の剥離工程の後、図８（ａ）に示すように焦電体薄膜２２４ｂにおける下部電極２２４ａ側とは反対側のシード層２２４ｄがＰｔ膜、あるいは、Ｐｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜である場合には、シード層２２４ｄ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（ｂ）に示す構造を得る。なお、シード層２２４ｄ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り、シード層２２４ｄがＰｔ膜とＳｒＲｕＯ3膜との積層膜の場合には、Ｐｔ膜のみ除去してもよいし、積層膜を除去してもよい。
【００９２】
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２２４ｃ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（ｃ）に示す構造の焦電デバイスを得る。この図８（ｃ）の構造では、上部電極２２４ｃが赤外線吸収膜としての機能も有する。
【００９３】
これに対して、上述の剥離工程の後、図８（ａ）に示すように焦電体薄膜２２４ｂにおける下部電極２２４ａ側とは反対側に、ＳｒＲｕＯ3膜を上部電極２２４ｃとして残し、当該上部電極２２４ｃ上に、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ、金黒などからなる赤外線吸収膜を形成してもよい。
【００９４】
図８（ｃ）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（ｃ）の焦電デバイスを得た後で、第１の基板２２０ａ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。
【００９５】
上述の製造方法において、焦電材料としてＰＺＴを採用し、第２の基板２４０の上記一表面側に５０ｎｍのＰｔ膜、５０ｎｍのＳｒＲｕＯ3膜を順次形成した後、ＲＦマグネトロンスパッタ法によりＰＺＴ薄膜を成膜する際のプロセス条件として、第２の基板２４０の温度である基板温度（成膜温度）を６００℃、ＲＦパワー密度を４．５Ｗ／ｃｍ2、膜厚を２μｍとした場合、成膜されたＰＺＴ薄膜は、ｃ軸配向エピタキシャル膜であり、ＰＺＴ薄膜からなる焦電体薄膜２２４ｂ（この焦電体薄膜２２４ｂは分極処理を行っていない）の焦電係数γは、γ＝４．５×１０-8〔Ｃ／（ｃｍ2・Ｋ）〕、焦電デバイスの性能指数Ｆγは、０．７×１０-10〔Ｃ／（ｃｍ2・Ｊ）〕であった。焦電係数γが４．５×１０-8〔Ｃ／（ｃｍ2・Ｋ）〕という値は、これまでに報告されている中で大きな焦電係数γが得られている刊行物１〔Ryoichi Takayama and Yoshihiro Tomita, ”Preparation of epitaxialPb(ZrxTi1-x)O3 thin films and theircrystallographic, pyroelectric, and ferroelectric properties”, Journal ofApplied Physics , Vol.65, 1989,p1666-1670〕や、刊行物２〔高山  良一  執筆、「強誘電体薄膜集積化技術」、サイエンスフォーラム社、１９９２年２月発行、ｐ．４７〕に記載のＰＺＴ薄膜の焦電係数γに匹敵する値であり、結晶性の良好なＰＺＴ薄膜が得られている。
【００９６】
以上説明した本実施形態における強誘電体デバイスは、第１の基板２２０ａの上記一表面側に形成された下部電極２２４ａと、下部電極２２４ａにおける第１の基板２２０ａ側とは反対側に形成された焦電体薄膜２２４ｂと、焦電体薄膜２２４ｂにおける下部電極２２４ａ側とは反対側に形成された上部電極２２４ｃとを備え、焦電体薄膜２２４ｂが、第１の基板２２０ａ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膜からなる焦電デバイスとして用いるものである。そして、本実施形態の強誘電体デバイスの製造方法では、第１の基板２２０ａに比べて強誘電体膜との格子整合性の良い第２の基板２４０の一表面側に焦電体薄膜２２４ｂを構成する強誘電体膜を形成する強誘電体膜形成工程と、強誘電体膜形成工程の後で強誘電体膜上に下部電極２２４ｃを構成する第１の金属層２５１を形成する第１の金属層形成工程と、第１の基板２２０ａの上記一表面側に形成された第２の金属層２５２と第１の金属層形成工程で形成された第１の金属層２５１とを常温接合により接合する接合工程と、接合工程の後で第２の基板２４０を透過する波長のレーザ光を第２の基板２４０側から照射し強誘電体膜を第１の基板２２０ａの上記一表面側に転写する転写工程とを備えているので、強誘電体デバイスの基板材料（第１の基板２２０ａの材料）によらず強誘電体膜の結晶性および性能の向上が可能となる。
【００９７】
さらに説明すれば、本実施形態の強誘電体デバイスの製造方法によれば、焦電体薄膜２２４ｂを第１の基板２２０ａに比べて格子整合性の良い第２の基板２４０の上記一表面側に形成した後で、第１の基板２２０ａの上記一表面側に転写するので、焦電体薄膜２２４ｂの結晶性を向上させることが可能となるとともに、第２の基板２４０の再利用が可能となり、低コストで強誘電体膜からなる焦電体薄膜２２４ｂの焦電係数の向上が可能な焦電デバイスを提供することができる。また、接合工程では、第１の金属層２５１と第２の金属層２５２とを常温接合により接合するので、接合工程のプロセス温度の低温化を図れ、接合工程において焦電体薄膜２２４ｂの物性が変化する（焦電体薄膜２２４ｂ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、焦電体薄膜２２４ｂ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焦電体薄膜２２４ｂ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。
【００９８】
ここで、焦電体薄膜２２４ｂ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２４０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、結晶性の良好な焦電体薄膜２２４ｂを形成することができ、また、第１の基板２２０ａとして、第２の基板２４０に比べて安価なＳｉ基板（単結晶Ｓｉ基板、多結晶Ｓｉ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。
【００９９】
また、本実施形態の焦電デバイスの製造方法によれば、誘電体薄膜形成工程（強誘電体膜形成工程）よりも前に第２の基板２４０の上記一表面側に焦電体薄膜２２４ｂの下地となるシード層２２４ｄを形成するシード層形成工程を備え、転写工程では、シード層２２４ｄと誘電体薄膜２２４ｂと下部電極２２４ａとの積層構造を有する積層膜を転写するので、誘電体薄膜２２４ｂの格子歪を抑制することができて誘電体薄膜２２４ｂの結晶性を更に向上できる。なお、転写工程においては、少なくとも誘電体薄膜２２４ｂと下部電極２２４ａとの積層構造を有する積層膜を転写するようにすればよく、シード層形成工程は必ずしも設ける必要はない。
【０１００】
また、上述の製造方法では、接合工程において、常温接合を行っているが、これに限らず、例えば、接合工程において、上述の下部電極形成工程の後で下部電極２２４ａと第１の基板とを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）からなる接合層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。
【符号の説明】
【０１０１】
２０  カンチレバー形成基板
２０ａ  素子形成基板（第１の基板）
２１  フレーム部
２２  カンチレバー部
２３  錘部
２４  発電部
２４ａ  下部電極
２４ｂ  圧電層（強誘電体膜）
２４ｃ  上部電極
２４ｄ  シード層
４０  圧電層形成基板（第２の基板）
５１  接合層
２２０ａ  第１の基板
２２４ａ  下部電極
２２４ｂ  焦電体薄膜（強誘電体膜）
２２４ｃ  上部電極
２４０  第２の基板
２５１  第１の金属層
２５２  第２の金属層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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