特表 2022-521415 マイクロシステム及びマイクロシステムの作成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-04-07

(54)【発明の名称】マイクロシステム及びマイクロシステムの作成方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20220331BHJP

【ＦＩ】

G01J1/02 C

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021549478

(86)(22)【出願日】2020-02-17

(85)【翻訳文提出日】2021-10-15

(86)【国際出願番号】 EP2020054128

(87)【国際公開番号】W WO2020169543

(87)【国際公開日】2020-08-27

(31)【優先権主張番号】1902452.0

(32)【優先日】2019-02-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】508140718

【氏名又は名称】ピレオス リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｐｙｒｅｏｓ Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】110001678

【氏名又は名称】特許業務法人藤央特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】フェア ジョン

(72)【発明者】

【氏名】エッカート ルッツ

【テーマコード（参考）】

2G065

【Ｆターム（参考）】

2G065AA04

2G065AB02

2G065BA13

2G065BB25

2G065BB27

2G065BB28

2G065BB29

(57)【要約】

基板（１２）、前記基板（１２）上に配置される下部電極（３）、前記下部電極（３）上に配置される強誘電体層（４）、前記強誘電体層（４）上に配置される上部電極（５）、及び前記上部電極（５）上に配置され、前記上部電極（５）から前記基板（１２）まで延在し、電気的に絶縁する絶縁層（６）を備えるマイクロシステム（１）であって、前記絶縁層（６）は、前記下部電極（３）、前記強誘電体層（４）、及び前記基板（１２）を上部電極（５）の全周の周りの領域で覆い、前記絶縁層（６）は、前記上部電極（５）の領域に配置されるスルーホール（１１）が中央部に位置するリング形状である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板（１２）、前記基板（１２）上に配置される下部電極（３）、前記下部電極（３）上に配置される強誘電体層（４）、前記強誘電体層（４）上に配置される上部電極（５）、及び前記上部電極（５）上に配置され、前記上部電極（５）から前記基板（１２）まで延在し、電気的に絶縁する絶縁層（６）を備えるマイクロシステム（１）であって、
前記絶縁層（６）は、前記下部電極（３）、前記強誘電体層（４）、及び前記基板（１２）を前記上部電極（５）の全周の周りの領域で覆い、
前記絶縁層（６）は、前記上部電極（５）の領域に配置されるスルーホール（１１）が中央部に位置するリング形状であるマイクロシステム。

【請求項2】

基板（１２）、前記基板（１２）上に配置される下部電極（３）、前記下部電極（３）上に配置される強誘電体層（４）、前記強誘電体層（４）上に配置される上部電極（５）、及び前記上部電極（５）上に配置され、前記上部電極（５）から前記基板（１２）まで延在し、電気的に絶縁する絶縁層（６）を備えるマイクロシステム（１）であって、
前記絶縁層（６）は、前記下部電極（３）、前記強誘電体層（４）、及び前記基板（１２）を前記上部電極（５）の全周の周りの領域で本質的に覆い、
前記絶縁層（６）は、前記上部電極（５）の領域に配置されるスルーホール（１１）が中央部に位置するリング形状であるマイクロシステム。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のマイクロシステムであって、
前記強誘電体層（４）が備わる領域内で、前記基板（１２）内の基板応力は、前記絶縁層（６）内の絶縁層応力とが逆向きであるマイクロシステム。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一つに記載のマイクロシステムであって、
前記絶縁層（６）の熱膨張係数は、前記強誘電体層（４）の熱膨張係数より低く、かつ、前記基板（１２）の熱膨張係数は、前記強誘電体層（４）の熱膨張係数より高い、又は、
前記絶縁層（６）の熱膨張係数は、前記強誘電体層（４）の熱膨張係数より高く、かつ、前記基板（１２）の熱膨張係数は、前記強誘電体層（４）の熱膨張係数より低いマイクロシステム。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか一つに記載のマイクロシステムであって、
前記マイクロシステム（１）は、前記絶縁層（６）上に少なくとも部分的に配置される、及びその中に埋め込まれるの少なくともいずれかであり、前記上部電極（５）と電気的に接続される第１の導体経路（７）を有するマイクロシステム。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか一つに記載のマイクロシステムであって、
前記絶縁層（６）は、無機酸化物、無機窒化物、無機炭化物、又は不透水性有機層を含むマイクロシステム。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか一つに記載のマイクロシステムであって、
前記強誘電体層（４）は、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムストロンチウム、ニオブ酸カリウムナトリウム、チタン酸マンガンニオブバリウム、チタン酸バリウムカリウム、及びニオブ酸バリウムストロンチウムを含む群の少なくとも一つを含むマイクロシステム。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一つに記載のマイクロシステムであって、
前記上部電極（５）は、
導電性貴金属又は不活性金属、特にＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｚｒ；及び／又は、
導電性窒化物、特にＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ、ＴｉＷＮ、ＴｉＡｌＮ、ＳｉＴｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮを含む群の少なくとも一つ；及び／又は、
導電性酸化物、特にＲｕＯｘ、ＩｒＯｘを含む群の少なくとも一つを含むマイクロシステム。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか一つに記載のマイクロシステムであって、
前記マイクロシステム（１）は、赤外線を吸収するように構成され、前記上部電極の上及び／又は前記強誘電体層の直上に配置される吸収層（１０）を備えるマイクロシステム。

【請求項10】

請求項９に記載のマイクロシステムであって、
前記吸収層は、前記絶縁層（６）のスルーホール（１１）にのみ配置されるマイクロシステム。

【請求項11】

請求項９に記載のマイクロシステムであって、
前記吸収層は、前記上部電極（５）、前記下部電極（３）、前記強誘電体層（４）、及び前記絶縁層（６）のそれぞれの上に配置されるマイクロシステム。

【請求項12】

請求項１１に記載のマイクロシステムであって、
前記吸収層は、前記上部電極（５）、前記下部電極（３）、前記強誘電体層（４）、及び前記絶縁層（６）の実質的に全体を覆うマイクロシステム。

【請求項13】

請求項９から１２のいずれか一つに記載のマイクロシステムであって、
前記吸収層（１０）は、白金ブラック、金ブラック、銀ブラック、カーボンナノチューブ、一つ又は複数の二次元導電層、金属薄膜、多孔質薄膜、貴金属、有機層、貴金属と誘電体材料を含む多層スタック、貴金属と有機層の多層スタックを含む群のうちの少なくとも一つを含むマイクロシステム。

【請求項14】

請求項１から１３のいずれか一つに記載のマイクロシステムであって、
前記基板（１２）は、前記下部電極（３）が配置される薄膜（２）を有し、特に前記薄膜（２）の厚さが１０ｎｍから１０μｍであるマイクロシステム。

【請求項15】

請求項１から１４のいずれか一つに記載のマイクロシステムであって、
前記下部電極（３）の厚さは１ｎｍから２００ｎｍであり、前記強誘電体層（４）の厚さは１ｎｍから１０μｍであり、前記上部電極（５）の厚さは１ｎｍから１０００ｎｍであり、前記絶縁層（６）の厚さは１ｎｍから１０μｍであるマイクロシステム。

【請求項16】

請求項１から１５のいずれか一つに記載のマイクロシステムであって、
前記絶縁層（６）は、赤外線放射を透過し、前記上部電極（５）を覆うマイクロシステム。

【請求項17】

マイクロシステム（１）の作成方法であって、
・基板（１２）を準備し、
・下部電極（３）を前記基板（１２）上に付着し、
・強誘電体層（４）を前記下部電極（３）上に付着し、
・上部電極（５）を前記強誘電体層（４）上に付着し、
・前記上部電極（５）から前記基板（１２）まで延在する絶縁層（６）を前記強誘電体層（４）上に付着し、
・フォトレジスト（１３）を前記絶縁層（６）上に付着し、
・フォトレジスト（１３）が前記上部電極（５）の領域にフォトレジストスルーホールを有するようにフォトレジスト（１３）を構成し、
・前記絶縁層（６）が前記フォトレジストスルーホールに対応するスルーホール（１１）が中央部に位置するリング形状となるように、マイクロシステム（１）をエッチングする、ステップを含む作成方法。

【請求項18】

マイクロシステム（１）の作成方法であって、
・基板（１２）を準備し、
・下部電極（３）を前記基板（１２）上に付着し、
・強誘電体層（４）を前記下部電極（３）上に付着し、
・上部電極（５）を前記強誘電体層（４）上に付着し、
・リフトオフフォトレジスト（１４）を前記上部電極（５）上に付着し、
・前記リフトオフフォトレジスト（１４）が、前記上部電極（５）の領域のみに残るように前記リフトオフフォトレジスト（１４）を構成し、
・前記リフトオフフォトレジスト（１４）から前記基板（１２）まで延在し、電気的に絶縁する絶縁層（６）を前記リフトオフフォトレジスト（１４）上に付着し、
・構成後に、前記絶縁層（６）が、前記リフトオフフォトレジスト（１４）に対応するスルーホール（１１）が中央部に位置するリング形状となるように、前記リフトオフフォトレジスト（１４）を剥離する、ステップを含む作成方法。

【請求項19】

請求項１７又は１８に記載の方法であって、
赤外線を吸収する吸収層（１０）を前記上部電極（５）上に付着するステップを含む作成方法。

【請求項20】

請求項１７又は１８に記載の方法であって、
前記絶縁層（６）の熱膨張係数は、前記強誘電体層（４）の熱膨張係数より低く、かつ、前記基板（１２）の熱膨張係数は、前記強誘電体層（４）の熱膨張係数より高い、又は、
前記絶縁層（６）の熱膨張係数は、前記強誘電体層（４）の熱膨張係数より高く、かつ、前記基板（１２）の熱膨張係数は、前記強誘電体層（４）の熱膨張係数より低いものであって、
前記強誘電体層（４）及び前記絶縁層（６）の付着中に、前記基板（１２）を少なくとも３５０℃の温度に加熱し、
前記絶縁層（６）の付着後、前記基板（１２）を最高温度５０℃に冷却するステップを含む作成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マイクロシステム及びマイクロシステムの作成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

マイクロシステムは、強誘電体層を含むことができる。マイクロシステムでは、強誘電体層の圧電特性又は焦電特性を使用できる。マイクロシステムは、圧電特性を使用して、圧力を測定したり、圧力又は力を提供することが想定できる。マイクロシステムは、焦電特性を使用して、赤外線の強度の時間的変化を検出することが想定できる。それぞれが共通の基板上に強誘電体層の一つを有する多数のセンサ要素を配置できる。従って、波長分散型要素、例えば、格子、プリズム、及び／又は線形可変フィルタとともに、マイクロシステムでスペクトルを測定できる。センサ要素間のクロストークを最小限に抑えるために、基板は薄く形成する必要がある。これは、マイクロシステムの機械的強度が低下する不利益をもたらし、マイクロシステムの寿命を短くする可能性がある。

【0003】

強誘電体材料、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）は、特に水素、酸素、及び水の存在下では、多くの場合、腐食に対する耐性がない。腐食は、マイクロシステムの使用、保管、製造中に発生する可能性がある。マイクロシステムは、従来、化学気相成長（ＣＶＤ）又は物理気相成長（ＰＶＤ）などの熱蒸着プロセスによって作成される。熱蒸着プロセスでは、マイクロシステムが高温になり、化学反応性雰囲気にさらされるので、腐食が特に問題になる。特に、水素は、白金電極などの電極に浸透し、特に熱蒸着プロセスの条件下で強誘電体材料を還元する能力があるため、問題を生じる可能性がある。従って、電極が強誘電体層に取り付けられている場合、水素は電極に浸透し、強誘電体層を腐食及び／又は還元する可能性がある。腐食、還元、及び／又は反応に対する強誘電体層の限られた耐性は、マイクロシステムの寿命を短くする可能性がある。

【発明の概要】

【0004】

従って、本発明の目的は、寿命が長いマイクロシステム及びその作成方法を提供することである。

【0005】

第１の発明のマイクロシステムは、基板、基板上に配置される下部電極、下部電極上に配置される強誘電体層、強誘電体層上に配置される上部電極、及び上部電極上に配置され、上部電極から基板まで延在し、電気的に絶縁する絶縁層を有し、絶縁層は、下部電極、強誘電体層、及び基板を上部電極の全周の周りの領域で覆い、絶縁層は、上部電極の領域に配置されるスルーホールが中央部に位置するリング形状である。第１の発明のマイクロシステムの実施形態を図１に示す。

【0006】

第２の発明のマイクロシステムは、基板、基板上に配置される下部電極、下部電極上に配置される強誘電体層、強誘電体層上に配置される上部電極、及び上部電極上に配置され、上部電極から基板まで延在し、電気的に絶縁する絶縁層を有し、絶縁層は、下部電極、強誘電体層、及び基板の本質的部分を上部電極の全周の周りの領域で覆い、絶縁層は、上部電極の領域に配置されるスルーホールが中央部にに位置するリング形状である。第２の発明のマイクロシステムの実施形態を図５に示す。リングは、例えば、楕円、円、正方形、又は長方形の形状でもよい。

【0007】

第２の発明のマイクロシステムでは、好ましくは、絶縁層は、リングの外側からスルーホールまで（径方向と見なせる方向に）延在する一つ又は複数の凹部を有する（図５参照）。ここで特に好ましくは、絶縁層が、上部電極の全周の約７０％、特に少なくとも９０％の領域で、下部電極、強誘電体層、及び基板を覆う。

【0008】

なお、完全を期すために、第２の発明のマイクロシステムでは、絶縁層が、例えば（図示しない）リングを二つ以上の（サブ）リングに分割する、一つ又は複数の周方向に延在する凹部を有することも可能である。隔離層の一つ又は複数の凹部が、一つ又は複数のポケットを形成することも可能であり、例えば、絶縁層を経由する接続は許可される。言い換えれば、第２の発明のマイクロシステムでは、絶縁層は、下部電極、強誘電体層、及び上部電極の全周の周りの領域の基板を完全に覆う必要はない。「本質的部分」という用語は、本開示全体を通して「大部分」又は「少なくとも部分的に」又は「部分的に」に置き換えてもよい。

【0009】

第１又は第２の発明のマイクロシステムでは、絶縁層は、マイクロシステムの寿命の延長に貢献する。例えば、基板上の構成の腐食を減らし、及び／又は基板の応力を補償する。

【0010】

第１又は第２の発明のマイクロシステムについて、以下の領域のいずれか一つ又は複数を定められる。
・強誘電体層の周辺領域は、（例えば、上部電極に平行な平面に垂直な方向に上から見た場合）強誘電体層の上部電極で覆われていない領域として定められる。
・下部電極層の周辺領域は、（例えば、上部電極に平行な平面に垂直な方向に上から見た場合）強誘電体層で覆われていない下部電極の領域として定められる。
・基板の周辺領域は、（例えば、上部電極に平行な平面に垂直な方向に上から見た場合）下部電極で覆われていない基板の領域として定められる。

【0011】

第１又は第２の発明のマイクロシステムでは、強誘電体層、下部電極、及び基板のいずれか一つ（好ましくはそれぞれ）の周辺領域の７０％以上、より好ましくは９０％以上が、絶縁層によって覆われてもよい。

【0012】

第１の発明のマイクロシステムでは、強誘電体層、下部電極、及び基板のいずれか一つ（好ましくはそれぞれ）の周辺領域は、絶縁層によって完全に覆われてもよい。

【0013】

第２の発明のマイクロシステムでは、強誘電体層、下部電極、及び基板のいずれか一つ（好ましくはそれぞれ）の周辺領域は、一つ又は複数の凹部を除いて、絶縁層によって完全に覆われてもよい。絶縁層は下部電極の全周又は本質的に全周の周りの領域で基板を覆うので、絶縁層はマイクロシステムの機械的強度を増加し、それによって、マイクロシステムの寿命を長くする。絶縁層及び上部電極は、強誘電体層の上部を完全に又は本質的部分を完全に覆い、絶縁層は、強誘電体層の側面を完全に又はその本質的部分を完全に覆い、その結果、強誘電体層は完全に又は本質的部分が完全に覆われる。従って、強誘電体層は腐食から保護され、マイクロシステムの寿命をさらに長くする。

【0014】

さらに、リングは、マイクロシステムの波長選択のために使用できる。波長フィルタはスルーホール全体に完全に拡張できるため、絶縁層はスルーホールの全周に沿って波長フィルタを保持する。絶縁層上に波長フィルタを保持することによって、波長フィルタを有するマイクロシステムを好都合に小さくできる。波長フィルタは、赤外波長領域外の波長が遮断されるように構成できる。

【0015】

好ましくは、強誘電体層を有する領域内の基板内の基板応力は、絶縁層内の絶縁層応力と逆向きである。これは、絶縁層の応力が引っ張りであり、基板の応力が圧縮であること、又は絶縁層の応力が圧縮であり、基板の応力が引っ張りであることを意味する。絶縁層は、リング状で比較的大きいため、大きな基板応力を打ち消すことができる。これにより、マイクロシステムの機械的強度が向上し、マイクロシステムの寿命が長くなる。基板応力を打ち消せるため、基板を薄くできる。薄い基板は、それぞれが下部電極の一つ、強誘電体層の一つ、及び上部電極の一つを有する複数のセンサ要素が基板上に備わる場合、熱質量を好都合に低減し、焦電感度を増大させ、応答時間を短縮し、クロストークを低減する。基板応力と絶縁層応力は、マイクロシステムの製造中の多数のパラメータ、例えば、基板温度、関係する層の熱膨張係数、付着速度及びエッチング速度に依存する。参考文献［１］は、いくつかの製造パラメータが応力に与える影響を示し、応力を決定する方法も参考文献［１］に記載されている。

【0016】

絶縁層の熱膨張係数は強誘電体層の熱膨張係数より低く、基板の熱膨張係数は強誘電体層の熱膨張係数より高い、又は、絶縁層の熱膨張係数は強誘電体層の熱膨張係数より高く、基板の熱膨張係数は強誘電体層の熱膨張係数より低い。強誘電体層及び絶縁層は、従来、熱蒸着プロセス、特に化学気相成長（ＣＶＤ）又は物理気相成長（ＰＶＤ）によって生成される。熱蒸着プロセス中、基板は高温に加熱され、その後室温で冷却される。通常、基板と強誘電体は異なる熱膨張係数を持つため、熱蒸着プロセス後にマイクロシステムを冷却した後、基板と強誘電体層の両方に応力が発生する。絶縁層はリング状で比較的大きいため、前述のように基板、強誘電体層、絶縁層の熱膨張係数を一致させることによって、強誘電体層の応力を低く抑制できる。強誘電体層の低応力は、強誘電体層の機械的強度を高くし、それにより、マイクロシステムの寿命を長くする。さらに、基板の応力は低い。これにより、基板を薄くできることによって、熱質量を減少し、感度を増加し、応答時間を短縮し、その結果、複数のセンサ要素が設けられる場合のクロストークを減少する。前述の熱膨張係数を得るために、例えば、Ａｌ₂０₃又はＳｉＣから絶縁層を作成し、ＰＺＴ又はチタン酸バリウムストロンチウムから強誘電体層を作成し、ＳｉＯ₂又はＳｉから基板を作成する。

【0017】

好ましくは、マイクロシステムは、少なくとも部分的に絶縁層上に配置及び／又は絶縁層内に埋め込まれ、上部電極と電気的に接続される第１の導体経路を有する。例えば、導体経路は、部分的又は完全に絶縁層上に配置されるか、部分的又は完全に絶縁層に埋め込まれるか、部分的に絶縁層上に配置されるか、又は部分的に絶縁層内に埋め込まれる。第１の導体経路は、例えば、上部電極、例えば関連する回路へ電気的に接続するように構成されてもよい。絶縁層は電気的に絶縁しており、強誘電体層及び下部電極から第１の導体経路を絶縁するので、電気的短絡を好都合に回避できる。

【0018】

好ましくは、絶縁層は、無機酸化物、特にＳｉＯ₂又はＡｌ₂Ｏ₃、無機窒化物、特にＳｉxＮy、ＳｉxＯyＮz、ＳｉxＡｌwＯyＮz、又は無機炭化物、特にＳｉＣ、ＧｅＣ、又は不透水性有機層（例えば、ポリイミド、パリレン又はこれらの多層スタック）を含む。

【0019】

好ましくは、強誘電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムストロンチウム、ニオブ酸カリウムナトリウム、チタン酸マンガンニオブバリウム、チタン酸バリウムカリウム、ニオブ酸バリウムストロンチウムを含む群の少なくとも一つを含む。

【0020】

好ましくは、上部電極は、
導電性貴金属、特に、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｚｒ；及び／又は
導電性窒化物、特に、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ、ＴｉＡｌＮ、ＳｉＴｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮを含む群の少なくとも一つ；及び／又は
導電性酸化物、特にＲｕＯｘ及びＩｒＯｘを含む群の少なくとも一つを含む。
これらの物質は、腐食に対して都合良い耐性がある。例えば、水素はこれらの物質に浸透できない。従って、マイクロシステムは耐食性が高く、寿命が長い。上部電極が本質的に導電性窒化物、特にＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ及びＴｉＡｌＮを含む群の少なくとも一つ、及び／又は上部電極が本質的に導電性酸化物、特に、ＲｕＯｘ、ＩｎＯｘ、ＩｒＯｘを含む群の少なくとも一つであることが想定できる。

【0021】

好ましくは、マイクロシステムは、吸収層を含む。好ましくは、吸収層は、赤外線を吸収するように構成される。

【0022】

吸収層は、上部電極の上及び／又は強誘電体層の直上に配置してもよい。吸収層は、絶縁層のスルーホール内に配置できる。

【0023】

吸収層が別の要素上に「配置されている」と説明される場合、吸収層が当該別の要素の少なくとも一部を覆うことを意味することに留意されたい。マイクロシステムを上から見たとき（例えば、図１及び図６ａ参照）、吸収層が他の要素上に「配置されている」と説明することは、吸収層が他の要素に「直接」又は「直上に」配置されていると述べられている場合を除いて、吸収層と他の要素との直接的な接触を必要としない。

【0024】

ある実施形態では、吸収層は、絶縁層のスルーホールのみに配置してもよい。例えば、吸収層が上部電極及び／又は強誘電体層上に配置される。このような配置を図２に示す。

【0025】

ある実施形態では、吸収層は、上部電極、下部電極、強誘電体層、及び絶縁層のそれぞれの上に配置されてもよい。吸収層は、（存在すれば）第１の導体経路及び／又は第２の導体経路の一部に配置されてもよい。

【0026】

ある実施形態では、吸収層は、上部電極、下部電極、強誘電体層、絶縁層の上に配置され、実質的に全体を覆ってもよい。一つ又は複数のギャップが吸収層に存在してもよく、例えば、第１の導体経路及び／又は第２の導体経路に電気的に接続されてもよい。

【0027】

ある実施形態では、吸収層は、絶縁層のスルーホールの内部と外部の両方に配置してもよく、好ましくは、吸収層を上部電極、下部電極、強誘電体層、第１の導体経路、及び絶縁層のそれぞれに配置してもよい。

【0028】

吸収層は、上部電極と別に形成しても、上部電極と組み合わせて形成してもよい。吸収層は、強誘電体スタック内の他の全ての層を考慮し及び最適化して、過赤外線スペクトルによる赤外線のピーク又は広帯域吸収を強化するために、物理的に構造化又はパターン化できる。吸収層を有さないマイクロシステムと比較して、吸収層によって、より多くの赤外線放射を強誘電体層に結合できる。このため、吸収層は、マイクロシステムの信号対雑音比を高くする。吸収層の付着は、従来、高温（＞１５０℃）で、特に水及び／又は水素を含む腐食性雰囲気中で行われる。強誘電体層は、絶縁層及び上部電極によって完全に覆われているので、強誘電体層は、吸収層の付着中に好都合に保護される。上部電極が導電性窒化物及び／又は導電性酸化物を含むか、又は本質的にそれらから構成される場合、強誘電体層は特に高度に保護される。

【0029】

好ましくは、吸収層は、白金ブラック、金ブラック、銀ブラック、カーボンナノチューブ、一つ又は複数の二次元導電層、金属薄膜、多孔質薄膜（例えば、ＰＶＤ斜め蒸着法によって付着したＮｉＣｒ）、貴金属（上部電極上又は直上に配置してもよい）、有機層（好ましくは、耐水性を有する有機層、例えば、ポリイミド、パリレンなど）。貴金属と誘電体を含む多層スタック（例えば、Ｐｔ／ＴｉＯ₂、Ａｕ／Ａｌ₂Ｏ₃、Ｐｔ／ＰＺＴ、Ａｇ／ＳｉＯ₂、Ｐｔ／ＳｉＣなど）、貴金属と有機層の多層スタック（好ましくは、耐水性を有する有機層、例えば、ポリイミド、パリレンなど）を含む群の少なくとも一つを含む。

【0030】

例えば、吸収層は、グラフェン、金属薄膜、多孔質薄膜（例えば、ＰＶＤ斜め蒸着法によって付着したＮｉＣｌ）でもよく、又はそれらを含んでもよい。参考文献［２］、［３］、［４］、及び［５］は、これらの吸収層をどのように付着するかを開示している。

【0031】

例えば、吸収層は、貴金属及び誘電体材料、例えば、Ｐｔ／ＴｉＯ₂、Ａｕ／Ａｌ₂Ｏ₃、Ｐｔ／ＰＺＴ、Ａｇ／ＳｉＯ₂、Ｐｔ／ＳｉＣなどを含む多層スタックを含んでもよい。

【0032】

好ましくは、吸収層は、光吸収を増強するように構成されたメタマテリアルを含む。メタマテリアルの例と、その製造方法は、参考文献［６］と［７］に開示されている。

【0033】

基板は、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、ＧａＡｓ、ＳｉＮ、ガラス、及び／又はＡｌ₂Ｏ₃を含むか、又は本質的にそれらから構成され得る。

【0034】

好ましくは、基板は、底部電極が配置される薄膜を含み、特に膜厚が１０ｎｍから１０μｍである。さらに、好ましくは、薄膜は、最大３層又は２層のみ、又は１層のみで構成される。３層で構成される場合、これらはＳｉ層及び二つのＳｉＯ₂層でよく、これらの全ては追加の元素、特にＡｌ、Ｎでドープされてもよく、底部電極がＳｉＯ₂又は他のＳｉＯ₂ドープ層の直上に配置される。２層で構成される場合、これらは、Ｓｉ層及びＳｉＯ₂層でよく、追加の元素、特にＡｌ、Ｎでドープされてもよく、下部電極は、ＳｉＯ₂層の直上に配置される。１層のみで構成される場合、これはＳｉＯ₂層又はＡｌ₂Ｏ₃層でもよい。さらに、好ましくは、下部電極の厚さは１ｎｍから２００ｎｍであり、強誘電体層の厚さは１ｎｍから１０μｍであり、上部電極の厚さは１ｎｍから１０００ｎｍであり、絶縁層の厚さは１ｎｍから１０μｍである。

【0035】

好ましくは、絶縁層は、赤外線放射を透過し、上部電極も覆う。この目的のために、絶縁層は、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＺＮＳ、ＺｎＳｅ、ＧｅＣ、ＳｉＣ、ＧａＮＣ、ＺｎＯＣ、ＺｎＳＣ、及び／又はＺｎＳｅＣで構成するか、本質的に構成できる。これにより、絶縁層が少なくとも７０％、特に上部電極の少なくとも９０％を覆うことが想定できる。スルーホールは、第１の導体経路を上部電極と電気的に接続するために必要なサイズのみを有し得る。特に好ましくは、吸収層は、赤外線放射を透過する隔離層上に配置される。

【0036】

マイクロシステムを作成するための本発明による第１の方法は、以下のステップを含む。基板を準備する。下部電極を基板上に付着する。強誘電体層を下部電極上に付着する。上部電極を強誘電体層上に付着する。上部電極から基板まで延在する絶縁層を強誘電体層上に付着する。フォトレジストを絶縁層上に付着する。フォトレジストが上部電極の領域にフォトレジストスルーホールを有するようにフォトレジストを構成する。絶縁層がフォトレジストスルーホールに対応するスルーホールが中央部に位置するリングの形状となるように、マイクロシステムをエッチングする。第１の方法は、標準的な付着プロセスに対応する。

【0037】

マイクロシステムを作成するための本発明による第２の方法は、以下のステップを含む。基板を準備する。下部電極を基板上に付着する。強誘電体層を下部電極上に付着する。上部電極を強誘電体層上に付着する。リフトオフフォトレジストを上部電極上に付着する。リフトオフフォトレジストが上部電極の領域のみに残るようにリフトオフフォトレジストを構成する。リフトオフフォトレジストから基板まで延在し、電気的に絶縁する絶縁層をリフトオフフォトレジスト上に付着する。構成後に、絶縁層が、リフトオフフォトレジストに対応するスルーホールが中央部に位置するリング形状となるように、リフトオフフォトレジストを剥離する。第２の方法は、剥離プロセスに対応する。

【0038】

第１の方法及び第２の方法において、好ましくは、リングが上部電極の全周に延在する。又は、第１の方法及び第２の方法において、好ましくは、絶縁層はリングの外側からスルーホールまで延在する一つ又は複数の凹部を有する。スルーホール及び一つ又は複数の凹部は、同じステップにて製造できる。特に好ましくは、絶縁層が上部電極の全周の約８０％、特に少なくとも９０％の領域で、下部電極、強誘電体層、及び基板を覆う。

【0039】

好ましくは、第１の方法及び第２の方法は、上部電極上に赤外線を吸収するための吸収層を付着するステップを有する。強誘電体層は、絶縁層及び上部電極によって完全に覆われているので、強誘電体層は吸収層の付着中に好都合に保護される。強誘電体層は、上部電極が導電性窒化物、特に、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ、ＴｉＷＮ、ＴｉＡｌＮ、ＳｉＴｉＡｌＮ、ＳｉＡｌＮ、及び／又は導電性酸化物、及び／又は貴金属、特にＲｕＯｘ、ＩｒＯｘを含む群の少なくとも一つを含む、又は本質的にそれらで構成される場合、特に十分に保護される。

【0040】

好ましくは、二つの方法のいずれも、強誘電体層を有する領域内の基板内の基板応力と絶縁層内の絶縁層応力とが逆向きとなるように実行される。当業者は、どのプロセスパラメータが基板応力と絶縁層応力とが逆向きにするかを理解するために、プロセスパラメータ、例えば、基板温度、基板、強誘電体層及び絶縁層の熱膨張係数、堆積速度、及びエッチング速度を変化させて実験できる。特に、熱膨張係数は、基板応力と絶縁層応力に強い影響を及ぼす。応力は、参考文献［１］で説明されているように決定できる。基板応力と絶縁層応力が逆向きであることは、マイクロシステムの機械的強度を高め、それによってマイクロシステムの寿命を長くする。

【0041】

好ましくは、二つの方法のいずれでも、絶縁層の熱膨張係数は強誘電体層の熱膨張係数より低く、基板の熱膨張係数は強誘電体層の熱膨張係数より高いか、又は絶縁層の熱膨張係数は強誘電体層の熱膨張係数より高く、基板の熱膨張係数は強誘電体層の熱膨張係数より低い。この方法は、強誘電体層の付着中は基板を少なくとも３５０℃の温度に加熱し、及び絶縁層（６）を付着後には基板（１２）を最高温度５０℃に冷却する。

【図面の簡単な説明】

【0042】

【図1】本発明にかかる第１のマイクロシステムの上面図である。

【図2】図１に示すマイクロシステムの断面図である。

【図3】マイクロシステムを作成するための第１の方法を示す図である。

【図4】マイクロシステムを作成するための第２の方法を示す図である。

【図5】本発明にかかる第２のマイクロシステムの上面図である。

【図6a】本発明にかかる第３のマイクロシステムの上面図である。

【図6b】図６ａの第３のマイクロシステムの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0043】

以下、概略図に基づいて本発明を説明する。

【0044】

図１、２及び５から分かるように、第１のマイクロシステム１は、基板１２、下部電極３、強誘電体層４、上部電極５、及び絶縁層６を有する。基板１２の基板表面の直上に下部電極３が配置され、下部電極３の直上に強誘電体層４が配置され、強誘電体層４の直上に上部電極５が配置される。下部電極３は、基板表面に平行な平面において、基板表面に平行な平面内の強誘電体層４より大きな断面を有する。下部電極３は、強誘電体層４の全周にわたって強誘電体層４から突出する。強誘電体層４は、基板表面に平行な面において、上部電極５より大きな断面を有する。強誘電体層４は、上部電極５の全周にわたって上部電極５から突出する。

【0045】

マイクロシステム１は、電気的に絶縁する絶縁層６を含む。絶縁層６は、上部電極５の直上に配置され、上部電極５から基板１２まで延在する。図１によれば、絶縁層６は、強誘電体層４の全周の周りの領域で下部電極３を覆う。また、絶縁層６は、上部電極５の全周の周りの領域で基板１２を覆う。図１及び５によれば、絶縁層６は、上部電極５の全周の周りの領域で基板１２を覆う。絶縁層６は、上部電極５の領域に完全に配置されるスルーホール１１が中央部に位置するリング形状である。スルーホール１１は、基板表面に平行な平面において、上部電極５より小さい断面を有する。

【0046】

図５に示す第２のマイクロシステム１ａでは、絶縁層６は、この例では、絶縁層６によって形成されるリングの外側からスルーホール１１まで（径方向と見なせる方向に）延在する一つ又は複数の凹部１７を有する。絶縁層６は、上部電極５の全周の少なくとも７０％、特に少なくとも９０％の領域で、下部電極３、強誘電体層４、及び基板を覆うことが想定できる。

【0047】

追加に又は代替として、強誘電体層、下部電極及び基板のいずれか一つ（好ましくはそれぞれ）の周辺領域の７０％以上、より好ましくは９０％以上が、絶縁層によって覆われてもよい（これらの周囲領域はすでに上で定められており、これらの図に示すように、上から見た場合、上部電極５が配置される強誘電体層４の側面からマイクロシステムを見下ろしていることに留意されたい）。

【0048】

図５は凹部１７を示し、例えば、径方向と見なせる方向に延在する凹部、周方向と見なせる方向に延在する凹部、又は単に絶縁層内にポケットを形成する凹部でもよい。

【0049】

図１及び図５の両方のマイクロシステム１、１ａでは、図１に示すように、基板表面に平行な各平面において、下部電極３、強誘電体層４及び上部電極５は長方形である。絶縁層６は、基板表面の外周端に平行な平面内で長方形でもよい。スルーホール１１は、長方形の形状を有してもよい。

【0050】

さらに、マイクロシステム１は（及びマイクロシステム１ａも）、この例では絶縁層６の直上に配置され、上部電極５と電気的に接続された第１の導体経路７を有する。図示は省略するが、第１の導体経路７は部分的又は全体的に絶縁層６内に埋め込むことができる。

【0051】

また、マイクロシステム１は（及びマイクロシステム１ａも）、基板１２と絶縁層６との間に配置され、下部電極３と電気的に接続された第２の導体経路８を有する。

【0052】

第１のマイクロシステム１（及びマイクロシステム１ａ）は、赤外線を吸収するように構成された吸収層１０（図２に示す）を有してもよい。この例では、図１に示すように、吸収層１０は、上部電極５の直上で、絶縁層６のスルーホール１１内に配置される。
吸収層１０は、上部電極５と電気的に接続するために、平面内の周の周りで、基板表面に平行に、吸収層１０と絶縁層６との間の基板表面に平行な平面内の周の一位置に配置される第１の導体経路７を除いて完全に絶縁層６に接触する。図６ａ・図６ｂを参照して以下でより詳細に述べるように、吸収層１０が絶縁層６の上に延在することが想定できる。吸収層は、白金ブラック、金ブラック、銀ブラック、カーボンナノチューブ、二次元導電層、金属薄膜、多孔質薄膜（多孔質薄膜は、ＰＶＤ斜め蒸着法によって付着したＮｉＣｒでもよい）、貴金属（上部電極上又は直上に配置してもよい）、有機層（好ましくは、耐水性を有する有機層、例えば、ポリイミド、パリレンなど）、貴金属及び誘電体を含む多層スタック材料（例えば、Ｐｔ／ＴｉＯ₂、Ａｕ／Ａｌ₂Ｏ₃、Ｐｔ／ＰＺＴ、Ａｇ／ＳｉＯ₂、Ｐｔ／ＳｉＣなど）、貴金属及び有機層の多層スタック（好ましくは、耐水性を有する有機層、例えば、ポリイミド、パリレンなど）を含む群の少なくとも一つを含むことが想定できる。

【0053】

さらに、マイクロシステム１（及びマイクロシステム１ａ）は、絶縁層６によって支持され、完全なスルーホール１１にわたって延びる波長フィルタ（図示せず）を有してもよい。波長フィルタは、赤外線波長領域が阻止される外側の波長に構成できる。吸収層１０も設けられている場合、吸収層１０は、上部電極５と波長フィルタとの間に配置される。

【0054】

図２に示すように、基板１２は、薄膜２及び薄膜２を支持する多数の膜支持体９を含んでもよい。薄膜２及び膜支持体９は、膜支持体９の間の空洞１６をエッチングすることによってウェーハーから作成される。

【0055】

マイクロシステム１は複数のセンサ要素を有し、それぞれが下部電極３の一つ、強誘電体層４の一つ、上部電極５の一つ、絶縁層６の一つ、第１の導体経路７の一つ、及び第２の導体経路８の一つを基板１２上にを有する。ここで、絶縁層６は、隣接するセンサ要素間のクロストークを低く維持するために、互いに空間的に絶縁して配置できる。また、各センサ要素は吸収層１０の一つを含んでもよい。

【0056】

絶縁層６は、無機酸化物、特にＳｉＯ₂又はＡｌ₂Ｏ₃、無機窒化物、特にＳｉxＮy、ＳｉxＯyＮz、ＳｉxＡｌwＯyＮz、又は無機炭化物、特にＳｉＣ、ＧｅＣを含んでもよい。強誘電体層４は、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムストロンチウム、ニオブ酸カリウムナトリウム、チタン酸マンガンニオブバリウム、チタン酸カリウムバリウム、ニオブ酸バリウムストロンチウムを含む群から少なくとも一つを含んでもよい。上部電極５は、導電性窒化物、特にＴｉＮ、ＴａＮ、ＷＮ、ＴｉＡｌＮを含む群からの少なくとも一つを含んでもよく、及び／又は、上部電極は、導電性酸化物、特にＲｕＯｘ、ＩｒＯｘを含む群からの少なくとも一つを含んでもよい 。基板は、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、及び／又はＡｌ₂Ｏ₃を含むか、又はそれらから本質的に構成できる。

【0057】

薄膜２の厚さは、１０ｎｍから１０μｍでよい。下部電極３の厚さは、１ｎｍから２００ｎｍでよい。強誘電体層４の厚さは、１ｎｍから１０μｍでよい。上部電極の厚さは、１ｎｍから１０００ｎｍでよい。絶縁層６の厚さは、１ｎｍから１０μｍでよい。

【0058】

図３は、マイクロシステムを作成する第１の方法を示す。第１の方法は、標準的な付着プロセスに対応する。第１の方法は、以下の手順を有する。
・基板１２を準備する（図３のステップａ））。
・下部電極３を基板１２上に付着する。
・強誘電体層４を下部電極３上に付着する。
・上部電極５を強誘電体層４上に付着する。
・上部電極５から基板１２まで延在する絶縁層６を強誘電体層４上に付着する（図３のステップｂ））。
・フォトレジスト１３を絶縁層６上に付着する（図３のステップｃ））。
・フォトレジスト１３が上部電極５の領域にフォトレジストスルーホールを有するようにフォトレジスト１３を形成する（図３のステップｄ））。
・フォトレジストスルーホールに対応するスルーホール１１が中央部に位置するリング形状を絶縁層６が有するように、マイクロシステム１をエッチングする（図３のステップｅ））。

【0059】

図３からわかるように、最初の方法はさらに以下のステップを有することができる。
・フォトレジスト１３を除去する（図３のステップｆ））。

【0060】

図４は、マイクロシステムを作成するための第２の方法を示す。第２の方法は、リフトオフプロセスに対応する。第２の方法は、以下の手順を有する。
・基板１２を準備する（図４のステップａ））。
・下部電極３を基板１２上に付着する。
・強誘電体層４を下部電極３上に付着する。
・上部電極５を強誘電体層４上に付着する。
・リフトオフフォトレジスト１４を上部電極５上に付着する（図４のステップｂ））。
・リフトオフフォトレジスト１４が、上部電極５の領域のみに残るように、リフトオフフォトレジスト１４を形成する（図４のステップｄ））。
・絶縁層６をリフトオフフォトレジスト１４上に付着する。ここで、絶縁層６は、リフトオフフォトレジスト１４から基板１２まで延在し、電気的に絶縁する（図４のステップｅ）。
・構成後のリフトオフフォトレジスト１４に対応するスルーホール１１が中央部に位置するリング形状を絶縁層６が有するように、リフトオフフォトレジスト１４を剥離する（図４のステップｆ））。

【0061】

図４から分かるように、第２の方法はさらに以下のステップを有することができる。
・リフトオフフォトレジスト１４に追加のレジスト１５を付着する（図４のステップｃ））。

【0062】

前述の二つの方法は、以下のステップを有することができる。
・上部電極５上に赤外線放射を吸収するための吸収層１０を付着する。

【0063】

前述の二つの方法において、リフトオフフォトレジスト１４及び追加のレジスト１５のフォトレジスト１３の構成は、特にＵＶ光及び／又は特定の波長の光による照射を有することができる。

【0064】

前述の二つの方法において、絶縁層６の熱膨張係数は強誘電体層４の熱膨張係数より低く、基板１２の熱膨張係数は強誘電体層４の熱膨張係数より高い、又は、絶縁層６の熱膨張係数は強誘電体層４の熱膨張係数より高く、基板１２の熱膨張係数は強誘電体層４の熱膨張係数より低いことが想定できる。また、強誘電体層４及び絶縁層６の付着中、基板１２は、少なくとも３５０℃の温度に加熱され、この方法は、以下のステップを有することを想定できる。
・絶縁層６を付着した後、基板１２を最高温度５０℃に冷却する。

【0065】

図６ａ、図６ｂは、吸収層１０ｂが絶縁層６のスルーホール１１内と絶縁層６のスルーホール１１外の両方に配置され、吸収層１０ｂが上部電極５、下部電極３、強誘電体層４、及び絶縁層６のそれぞれの全体を実質的に覆い、その上に配置される第３のマイクロシステム１ｂを示す。一つ又は複数のギャップが吸収層１０ｂに設けられ、例えば、第１の導体経路７及び／又は第２の導体経路８への電気的接続を可能にしてもよい。第１の導体経路７及び／又は第２の導体経路８は、吸収層によって部分的に覆われてもよい。

【0066】

吸収層１０ｂは、第１のマイクロシステム１及び第２のマイクロシステム１ａに関して、前述したように形成できる。

【0067】

図６ａ、図６ｂには示さないが、当業者は、必要な（例えば、下部電極３への）電気的接続又は切断を容易にするために、一つ又は複数の穴が吸収層１０ｂ及び／又は一つ又は複数の他の層（例えば、絶縁層６）に形成されてもよいことを理解できる。

【0068】

他の点では、図６ａ、図６ｂの第３のマイクロシステム１ｂは、図１、図２の第１のマイクロシステム１と同様である。

【0069】

対応する機能には対応する参照番号が付されており、本明細書でさらに説明する必要はない。

【0070】

参考文献［１］：Liang LIU, Wei-guo LIU, Na CAO, Chang-long CAI, "Study on The Performance of PECVD Silicon Nitride Thin Films", Defence Technology 9 (2013) 121-126.
参考文献［２］：V.J Gokhale, 0. Shenderova, G.E. McGuire, M Rais-Zadeh, "Infrared Absorption Properties of Carbon Nanotube/Nanodiamond Based Thin Film Coatings", Journal of Microelectromechanical Systems 23(1) : 191-197.
参考文献［３］：Volkmar Norkus, , Marco Schossig, , Gerald Gerlach, , Reinhard Kohler, , "A 256-pixel pyroelectric linear array with new black coating", Proc. SPIE 8012, Infrared Technology and Applications XXXVII, 80123V (21 May 2011); doi: 10.1117/12.883107.
参考文献［４］：C-C. Chan, M-C. Kao and Y-C Chen, "Effects of Membrane Thickness on the Pyroelectric Properties of LiTa03 Thin Film IR Detectors", Jpn. J. Appl . Phys . , Vol. 44, No. 2 (2005) 04R07036-41.
参考文献［５］：W. Lang, K. Kiihl, H. Sandmaier "Absorbing layers for thermal infrared detectors", Sensors and Actuators A: Physical, Volume 34, Issue 3, September 1992, Pages 243-248.
参考文献［６］：Liu, X; Padilla, WJ; Dynamic Manipulation of Infrared Radiation with MEMS Metamaterials, Advanced Optical Materials 1, 559 (2013) .
参考文献［７］：H. Tao, N.I. Landy, C.M. Bingham, X. Zhang, R.D. Averitt, W.J. Padilla A metamaterial absorber for the terahertz regime: Design, fabrication and characterization Opt. Express, 16 (2008), pp . 7181-7188.

【符号の説明】

【0071】

１、ｌａ、ｌｂ マイクロシステム
２ メンブレン
３ 下部電極
４ 強誘電体層
５ 上部電極
６ 絶縁層
７ 第１の導体パス
８ 第２の導体パス
９ 膜支持体
１０、１０ｂ 吸収層
１１ スルーホール
１２ 基板
１３ フォトレジスト
１４ リフトオフフォトレジスト
１５ 追加フォトレジスト
１６ キャビティ
１７ 凹部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6a】

【図6b】

【国際調査報告】