JP2005102181A - 積層構造体及びその製造方法、並びに、超音波トランスデューサアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 応力による絶縁層の破損の少ない、配線が容易な積層構造体等を提供する。
【解決手段】 この積層構造体は、少なくとも第１の電極層２０ａと、誘電体層１０と、第２の電極層２０ｂとを具備し、第１の電極層２０ａと誘電体層１０と第２の誘電体層２０ｂとが、この順序で積層されている積層構造体であって、第１の電極層２０ａが、積層構造体の第１の側面領域１ａにおいて端面が露出するように配置された第１の電極材料２１と、積層構造体の第１の側面領域とは異なる第２の側面領域１ｂにおいて端面に絶縁膜が形成された第２の電極材料２２とを含み、第２の電極層２０ｂが、積層構造体の第２の側面領域１ｂにおいて端面が露出するように配置された第１の電極材料２１と、積層構造体の第１の側面領域１ａにおいて端面に絶縁膜が形成された第２の電極材料２２とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、絶縁体と電極とが交互に積層されている積層構造体及びその製造方法に関する。また、本発明は、そのような複数の積層構造体を含み、超音波診断や非破壊検査等に用いられる超音波トランスデューサアレイに関する。

絶縁体（誘電体）と電極とが交互に形成されている積層構造は、積層コンデンサの他にも、圧電ポンプ、圧電アクチュエータ、超音波トランスデューサ等の様々な用途に利用されている。近年、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）関連の機器の開発に伴い、このような積層構造を有する素子の微細化及び集積化がますます進んでいる。

対向電極を有する素子の微細化においては、素子の面積を小さくすると電極間の容量が小さくなるので、素子の電気インピーダンスが上昇するという問題が生じている。そのため、例えば、圧電アクチュエータにおいて電気インピーダンスが上昇すると、圧電アクチュエータを駆動するための信号回路とのインピーダンスマッチングが取れなくなって電力が供給され難くなり、圧電アクチュエータとしての性能が落ちてしまう。或いは、圧電素子を用いた超音波トランスデューサにおいては、超音波の発信強度が落ちてしまう。そのため、素子を微細化しつつ電極間容量を大きくするために、複数の圧電材料層と複数の電極層とを交互に積層することが行われている。積層された複数の層を並列に接続することにより、素子全体の電極間容量を大きくすることができるからである。

このような積層構造体においては、複数の電極層を互いに接続するために、積層構造体の側面から配線が行われる。図９は、積層構造体の一般的な配線方法を説明するための断面図である。積層構造体１００は、複数の圧電材料層１０１と、複数の電極層１０２及び１０３と、側面電極１０４及び１０５とを含んでいる。電極１０２は、その一端が積層構造体の一方の壁面まで延びるように形成されており、側面電極１０４と接続され、側面電極１０５から絶縁されている。また、電極１０３は、その一端が積層構造体の他方の壁面まで延びるように形成されており、側面電極１０５と接続され、側面電極１０４から絶縁されている。側面電極１０４と側面電極１０５との間に電位差を与えることにより、電極１０２と電極１０３の間に配置された圧電材料層１０１に電圧が印加され、圧電効果によって圧電材料層１０１が伸縮する。

ところで、図９に示すように、電極１０２及び１０３には、一方の側面電極から絶縁するために、電極が形成されていない絶縁領域１０６が設けられている。この絶縁領域１０６は、積層構造体１００に電圧を印加しても伸縮しない。そのため、この部分に応力が集中して破損し易いという問題が生じている。

積層構造体における他の配線方法として、特許文献１には、個別に制御される多数の電極を持つ圧電・電歪体を有する多電極圧電デバイスの配線方法であって、圧電・電歪体の表面に外部接続用電極が形成された電気回路基板もしくは電子回路基板の一部もしくは全部を絶縁性材料で被覆し、外部接続用電極上に被覆された絶縁性材料を除去してその表面上に配線パターンを形成し、所望の電極と配線の導通を確保することが開示されている。しかしながら、このような方法を用いて多数の積層構造体の各々に配線することは煩雑であり、特に、積層構造体が２次元に配列されたアレイの場合には、配線を行うことが困難である。
特開２００２−１１８３０５号公報（第１頁、図１）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、応力による絶縁層の破損の少ない積層構造体を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような積層構造体を容易に製造することができる積層構造体の製造方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、そのような積層構造体を用いた超音波トランスデューサアレイを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る積層構造体は、少なくとも第１の電極層と誘電体層と第２の電極層とを具備し、第１の電極層と誘電体層と第２の誘電体層とが、この順序で積層されている積層構造体であって、第１の電極層が、上記積層構造体の第１の側面領域において端面が露出するように配置された第１の電極材料と、上記積層構造体の第１の側面領域とは異なる第２の側面領域において端面に絶縁膜が形成された第２の電極材料とを含み、第２の電極層が、上記積層構造体の第２の側面領域において端面が露出するように配置された第１の電極材料と、上記積層構造体の第１の側面領域において端面に絶縁膜が形成された第２の電極材料とを含む。

また、本発明に係る超音波トランスデューサアレイは、配線基板と、該配線基板上に配置された複数の上記積層構造体とを具備する。

さらに、本発明に係る積層構造体の製造方法は、少なくとも第１の電極層と誘電体層と第２の電極層とが、この順序で積層されている積層構造を有する積層構造体の製造方法であって、誘電体層を形成するステップ（ａ）と、ステップ（ａ）において形成された誘電体層の上層に、上記積層構造体の第１の側面領域において端面が露出するように第１の電極材料を配置し、上記積層構造体の第１の側面領域とは異なる第２の側面領域において端面が露出するように第２の電極材料を配置することにより、第１の電極層を形成するステップ（ｂ）と、ステップ（ｂ）において形成された第１の電極層の上層に、誘電体層を形成するステップ（ｃ）と、ステップ（ｃ）において形成された誘電体層の上層に、上記積層構造体の第２の側面領域において端面が露出するように第１の電極材料を配置し、上記積層構造体の第１の側面領域において端面が露出するように第２の電極材料を配置することにより、第２の電極層を形成するステップ（ｄ）と、上記積層構造体の第１及び第２の側面領域において露出している第２の電極材料の端面に、絶縁膜を形成するステップ（ｅ）とを具備する。

また、本発明の別の観点に係る積層構造体の製造方法は、少なくとも第１の電極層と誘電体層と第２の電極層とが、この順序で積層されている積層構造を有する複数の積層構造体の製造方法であって、誘電体層を形成するステップ（ａ）と、ステップ（ａ）において形成された誘電体層の上層に、第１の電極材料と第１の電極材料とは異なる第２の電極材料とを交互に配置することにより、第１の電極層を形成するステップ（ｂ）と、ステップ（ｂ）において形成された第１の電極層の上層に、誘電体層を形成するステップ（ｃ）と、ステップ（ｃ）において形成された誘電体層の上層に、第１の電極材料及び第２の電極材料を、第１の電極層における配置関係と逆となるように交互に配置することにより、第２の電極層を形成するステップ（ｄ）と、ステップ（ａ）〜（ｄ）において形成された積層体を積層方向に切断して複数の積層構造体に分割することにより、分割された複数の積層構造体の各々について、前記第１の電極層における第１の電極材料の端面及び前記第２の電極層における第２の電極材料の端面を第１の側面領域に露出させ、前記第１の電極層における第２の電極材料の端面及び前記第２の電極層における第１の電極材料の端面を前記第１の側面領域とは異なる第２の側面領域に露出させるステップ（ｅ）と、分割された複数の積層構造体の各々について、第１及び第２の側面領域において露出している第２の電極材料の端面に、絶縁膜を形成するステップ（ｆ）とを具備する。

本発明によれば、２種類の電極材料を用いて電極層を形成し、その内の一方の電極材料の端面を酸化又はフッ化させることによって側面電極から絶縁するので、圧電材料層において電極が設けられていない領域を最小限に留め、応力による絶縁層の破損の少ない積層構造体を容易に作製することができる。

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の実施形態に係る積層構造体を示す断面図である。この積層構造体１は、例えば、底面の一辺が０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度、高さが１．０ｍｍ程度の微小な柱状の構造体である。本実施形態においては、誘電体として圧電材料を用いている。積層構造体１は、複数の圧電材料層１０と、２種類の電極材料を含む複数の電極層２０ａ及び２０ｂと、積層構造体１の側面１ａ及び１ｂにそれぞれ形成された側面電極３１及び３２とを含んでいる。また、積層構造体１は、側面電極３１及び３２にそれぞれ接続された上部電極３３及び下部電極３４を含んでも良い。なお、積層構造体１の底面の形状は正方形に限られず、長方形やその他の形状でも良い。また、側面電極が配置される領域は、対向する１組の側面に限られず、電気的に離れた領域であれば良い。

圧電材料層１０は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）によって形成されている。この圧電材料層１０に、電極層２０ａ及び２０ｂを介して電圧を印加することにより、圧電材料層１０は圧電効果によって伸縮する。このようなＰＺＴ等の圧電材料を絶縁層（誘電体層）として用いる積層構造体は、圧電ポンプや、圧電アクチュエータや、超音波用探触子において超音波を送受信する超音波トランスデューサ等に用いられる。また、このような積層構造を有する構造体は、単層の構造体と比較して、対向する電極の面積を増加させることが可能であるので、電気的インピーダンスを下げることができる。従って、単層の構造体と比較して、印加される電圧に対して効率良く動作する。

電極層２０ａ及び２０ｂの各々は、異なる２種類の電極材料である第１電極材料２１及び第２電極材料２２を含んでいる。
電極層２０ａにおいては、第１電極材料２１の端面が側面１ａに露出するように配置され、第２電極材料２２の端面が、側面１ａとは異なる側面１ｂに露出するように配置されている。一方、電極層２０ｂにおいては、第１電極材料２１の端面が側面１ｂに露出するように配置され、第２電極材料２２の端面が、側面１ａに露出するように配置されている。また、電極層２０ａ及び２０ｂの内部においては、第１電極材料２１と第２電極材料２２とが接触するように配置されている。このような電極層２０ａ及び２０ｂは、圧電材料層１０を挟んで交互に積層されている。

図１に示すように、側面１ａ又は１ｂに露出している第２電極材料２２の端面は酸化している。これにより、電極層２０ａは、側面１ｂに配置されている側面電極３１から絶縁され、電極層２０ｂは、側面１ａに配置されている側面電極３２から絶縁される。積層構造体１の内部電極（電極層２０ａ及び２０ｂ）をこのように構成することにより、積層された複数の層が並列に接続される。

ここで、第１電極材料２１及び第２電極材料２２として用いられる材料について説明する。本実施形態においては、内部電極の所定の部分を絶縁するために、異なる２種類の電極材料の内の一方のみを酸化させている。そのため、内部電極の材料として、同じ使用条件や加工条件の下で酸化する材料と酸化しない材料とを組み合わせて用いている。

さらに、そのような電気的特性の観点に加えて、使用する製造方法に適した材料を選択する必要がある。例えば、圧電材料層２０を形成する際に、材料の粉体を下層に吹き付けて堆積させるエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）を用いる場合には、電極材料の硬度が問題となる。硬度の低い電極材料を用いると、圧電材料の粉体を吹き付けたときに電極層が削られてしまい、硬度の高すぎる電極材料を用いると、吹き付けられた圧電材料の粉体が電極層に食い込まないので、圧電材料を堆積させることができないからである。ＡＤ法に用いることができる第１電極材料２１としては、プラチナ（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の金属、又は、それらの内の少なくとも１つを含む合金や、ＳＲＯ（ストロンチウムルテニウムオキサイド：ＳｒＲｕＯ_３）等の導電性酸化物が挙げられる。また、ＡＤ法に用いることができる第２電極材料２２としては、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）等の金属や、それらの内の少なくとも１つを含む合金が挙げられる。本実施形態においては、第１電極材料２１としてプラチナ（Ｐｔ）を用い、第２電極材料２２として、ニッケル（Ｎｉ）を用いている。なお、ＡＤ法については、後で詳しく説明する。

次に、本発明の第１の実施形態に係る積層構造体の製造方法について、図２〜図４を参照しながら説明する。図２及び図３は、本実施形態に係る積層構造体の製造方法を説明するための図である。
まず、図２の（ａ）に示すように、基板５０上に圧電材料層６０を形成する。本実施形態においては、材料の粉体を高速で下層に吹き付けて堆積させることにより膜を形成するエアロゾルデポジション（aerosol deposition：ＡＤ）法を用いている。なお、エアロゾルデポジション法は、ガスデポジション法、ジェットプリンティングシステム、又は、噴射堆積法とも呼ばれている。

図４は、ＡＤ法による成膜装置を示す模式図である。この成膜装置は、原料の粉体５１を配置するエアロゾル生成容器５２を有している。ここで、エアロゾルとは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことをいう。エアロゾル生成容器５２には、キャリアガス導入部５３、エアロゾル導出部５４、振動部５５が設けられている。キャリアガス導入部５３から窒素ガス（Ｎ_２）等の気体を導入することによってエアロゾル生成容器５２内に配置された原料の粉体が噴き上げられ、エアロゾルが生成される。その際に、振動部５５によってエアロゾル生成容器５２に振動を与えることにより、原料の粉体が撹拌され、効率良くエアロゾルが生成される。生成されたエアロゾルは、エアロゾル導出部５４を通って、成膜チャンバ５６に導かれる。

成膜チャンバ５６には、排気管５７、ノズル５８、可動ステージ５９が設けられている。排気管５７は、真空ポンプに接続されており、成膜チャンバ５６内を排気する。エアロゾル生成容器５２において生成され、エアロゾル導出部５４を通って成膜チャンバ５６に導かれたエアロゾルは、ノズル５８から基板５０に向けて噴射される。これにより、原料の粉体が基板５０上に衝突して堆積する。この時、ノズルから基板５０へ噴射されるエアロゾル粒子の速度は、１５ｍ／ｓ〜４５０ｍ／ｓ程度である。ＡＤ法においては、高速に加速された高い運動エネルギーを有する粒子が基板に衝突した際に発生するエネルギーにより化学反応（メカノケミカル反応）が生じ、膜が形成されると考えられている。基板５０は、３次元に移動可能な可動ステージ５９に戴置されており、可動ステージ５９を制御することにより、基板５０とノズル５８との相対的位置が調節される。

原料として、例えば、平均粒径０．３μｍのＰＺＴ単結晶粉体を用い、図４に示す成膜装置を駆動することにより、図２の（ａ）に示すような圧電材料層６０が基板５０上に形成される。

次に、図２の（ｂ）に示すように、第１電極材料（Ｐｔ電極）２１と第２電極材料（Ｎｉ電極）２２とを帯状に交互に配置することにより、電極層６１を形成する。その際に、圧電材料層６０の側面６０ａ側にＮｉ電極２２を配置し、側面６０ｂ側にＰｔ電極２１を配置する。電極層６１は、スパッタリングや真空蒸着等の成膜方法と、フォトリソグラフィ法とを用いて形成することができる。或いは、ＡＤ法を用いて電極層６１を形成しても良い。

次に、図２の（ｃ）に示すように、電極層６１の上に、ＡＤ法を用いて圧電材料層６０を形成する。
次に、図２の（ｄ）に示すように、第１電極材料（Ｐｔ電極）２１と第２電極材料（Ｎｉ電極）２２とを、帯状に交互に配置することにより、電極層６２を形成する。その際に、電極層６１における２種類の電極の配置関係と逆にするために、圧電材料層６０の側面６０ａ側にＰｔ電極２１を配置し、側面６０ｂ側にＮｉ電極２２を配置する。電極層６２の形成方法等については、電極層６１におけるものと同様である。

ここで、電極層６１及び電極層６２の厚さは、２００ｎｍ以上にすることが望ましく、さらに好ましくは、３００ｎｍ以上にする。その理由は、以下の通りである。電極層の上には、ＡＤ法を用いて圧電材料層６０が形成される。ＡＤ法においては、堆積させる材料の粉体が下層の電極層に食い込む現象（「アンカーリング」と呼ばれる）が生じる。このアンカーリングによって生じるアンカー層（粉体が食い込んだ層）の厚さは、下層（電極層）の材質や粉体の速度等によって異なるが、通常は、１０ｎｍ〜３００ｎｍ程度となる。従って、十分にアンカーリングを生じさせて電極層と圧電材料層とを密着させると共に、電極層として良好に機能させるためには、電極層の厚さが２００ｎｍ程度は必要となる。本実施形態においては、電極層６１及び６２の厚さを、約３００ｎｍとしている。
このような図２の（ａ）〜（ｄ）の工程を複数回繰り返すことにより、図２の（ｅ）に示す積層体７０が形成される。

次に、図３の（ａ）に示すように、ダイシングにより、積層体７０を分割する。或いは、サンドブラスト法により分割することもできる。さらに、分割された積層体を、５００℃〜１０００℃程度の酸素雰囲気又は空気中で熱処理する。これにより、圧電材料層６０に含まれるＰＺＴ結晶のグレインサイズを大きくすると共に、図３の（ｂ）に示すように、側面に露出しているＮｉ電極２２の端面を酸化させて、酸化膜２３を形成する。

次に、熱処理した積層体に、側面電極６３及び６４を形成する。この側面電極６３及び６４は、最上段に配置された圧電体層６０の側面や、最下段に配置されている圧電体層６０の側面のように、絶縁させる部分を予めマスクした上で、蒸着やスパッタ法により形成する。或いは、光ＣＶＤ法により形成しても良い。また、メッキ浴に浸すことにより側面電極を形成しても良い。これにより、図３の（ｃ）に示すように、柱状の積層構造体が作製される。その際、図１に示すように、上部電極３３を形成しても良い。また、柱状の積層構造体を、側面電極に垂直な方向に分割しても良い。これにより、図３の（ｄ）に示すような積層構造体が作製される。さらに、基板５０を除去し、個々の積層構造体に下部電極３４を設けても良い。

本実施形態においては、図２の（ａ）に示すように、基板５０の上に圧電材料層を直接形成したが、基板５０に予め所定の配線や複数の電極を設け、その上に圧電材料層を形成しても良い。その場合には、基板５０に予め形成されている電極の配置に合わせて、積層構造体を分割する。これにより、基板５０をそのまま配線基板として用いることができるので、基板を除去したり、積層構造体の素子を再配置する手間をなくすことができる。

また、本実施形態においては、積層体７０を分割して複数の積層構造体を作製する場合について説明したが、積層体７０を分割することなく１つの素子（積層構造体１）として用いても良い。その場合には、図２の（ｂ）及び（ｄ）において、２種類の電極材料を帯状に交互に配置する必要はなく、２種類の電極材料が異なる側面にそれぞれ露出するように、単に並べて配置すれば良い。そして、側面に露出している一方の電極材料（Ｎｉ）の端面を酸化させることにより絶縁膜２３を形成し、必要に応じて、側面電極等を設ければ良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、積層構造体の内部電極を２種類の材料で構成し、その内一方の材料の端面を酸化させることによって側面電極から絶縁させる。従って、圧電材料層において応力が集中する領域を最小限に小さくして、積層構造体の破損を低減することができる。また、内部電極の絶縁膜を、圧電材料層の熱処理工程において形成するので、微細な素子を大量に作製する場合においても、容易且つ安価に作製することができる。さらに、圧電材料層を形成する際にＡＤ法を用いることにより、複数の積層構造体の素子が２次元に配置されたアレイ状の積層構造体を、容易に作製することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る積層構造体について説明する。図５は、本実施形態に係る積層構造体を示す断面図である。この第２の実施形態においても、誘電体として圧電材料を用いている。この積層構造体２は、圧電材料層１０と電極層２０ａ又は２０ｂとの間に形成された密着層４０を含んでいる。その他の構成については、本発明の第１の実施形態において説明したものと同様である。

圧電材料層に接している電極層は、圧電材料層の熱処理時に発生した酸素による酸化や、圧電材料層と電極層との熱膨張率の違いにより、剥がれが生じやすい。特に、スパッタリングや真空蒸着法等を用いて形成された薄膜は、下層との密着性が比較的低いので、そのような現象が顕著に生じる。そのため、本実施形態においては、圧電材料層１０と電極層２０ａ又は２０ｂとの密着性を高めるために、それらの層の間に、両者との密着性の高い材料層を設けている。密着層４０としては、チタン（Ｔｉ）層や酸化チタン（ＴｉＯ_２）層を用いることができ、本実施形態においては、例えば、５０ｎｍ程度の厚さを有する酸化チタン層を用いている。酸化チタンは、ＰＺＴや白金との密着性が高く、また、予め酸化されているので、下層の圧電材料層から酸素が進入しても変性することなく、密着性を維持することができる。密着層４０を設ける場合には、図２の（ｂ）又は（ｄ）において電極層６１及び６２を形成する前に、スパッタリング等の方法を用いて、圧電材料層６０の上にチタンや酸化チタンの膜を形成すれば良い。

なお、本実施形態において、下層が電極層２０ａ又は２０ｂであり、上層が圧電材料層である層の間には、密着層を設けていない。圧電材料層をＡＤ法によって形成する場合には、圧電材料の粉体が下層の電極層に食い込むアンカーリングにより、それらの層の間において、高い密着性が保たれるからである。

次に、本発明の第３の実施形態に係る積層構造体について説明する。先に説明した第１の実施形態に係る積層構造体の製造方法においては、図１又は図５に示す電極層２０ａ及び２０ｂを形成する際に、１つの積層構造体１又は２の幅の中に２種類の電極材料が配置されるように、圧電材料層の上に第１電極材料２１及び第２電極材料２２を帯状に配置した。一方、本実施形態においては、第１電極材料２１及び第２電極材料２２の幅が、１つの積層構造体の幅と概略等しくなるように、各電極材料を形成している。その他の構成については、本発明の第１及び第２の実施形態において説明したものと同様である。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る積層構造体の製造方法を説明するための図である。まず、図６の（ａ）に示すように、第１の実施形態に係る積層構造体の製造方法と同様に、基板５０上に圧電材料層６０を形成した後で、図６の（ｂ）に示すように、第１電極材料（例えば、プラチナ）２１と第２電極材料（例えば、ニッケル）２２とを、各々の幅が１つの積層構造体１又は２（図１又は図５）の幅と概略等しくなるように、圧電材料層６０上に交互に配置することにより、電極層７１を形成する。このとき、電極材料２１と電極材料２２とは、それらの端面において接触している。具体的には、積層構造体１の幅と概略等しい幅及び間隔でスリット状の開口が形成されたマスクを用いたフォトリソグラフィ法と、スパッタリング又は真空蒸着等の成膜法とを用いて電極材料２１を配置し、次に、上記マスクを積層構造体１の幅と概略等しい分だけシフトさせた後、フォトリソグラフィ法及び成膜法を用いて、電極材料２２を同様に配置することによって、電極層７１が形成される。なお、図６の（ｂ）に示す構造体の両端部においては、第１電極材料２１及び第２電極材料２２は、積層構造体１の幅より小さくしても構わない。

次に、図６の（ｃ）に示すように、電極層７１の上に、ＡＤ法を用いて圧電材料層６０を形成する。
次に、図６の（ｄ）に示すように、第１電極材料２１と第２電極材料２２とを、各々の幅が１つの積層構造体１又は２の幅と概略等しくなるように、圧電材料層６０上に交互に配置することにより、電極層７２を形成する。その際に、第１電極材料２１と第２電極材料２２の配置関係が、電極層７１におけるそれらの配置関係と逆になるようにする。電極材料２１及び２２の形成方法等については、電極層７１におけるのと同様である。
さらに、図６の（ａ）〜（ｄ）に示す工程を複数回繰り返すことにより、図６の（ｅ）に示す積層体７３が形成される。

次に、図７の（ａ）に示すように、積層構造体７３において、第１電極材料２１の略中央部、及び、第２電極材料２２の略中央部（図中太線部）をダイシングする。これにより、図７の（ｂ）に示すように、第１電極材料２１及び第２電極材料２２が各々に配置された電極層７１及び７２を含み、アレイ状に配置された複数の積層構造体１が形成される。その後の工程については、第１の実施形態におけるのと同様である。

このように積層体７３を形成することにより、第１電極材料２１及び第２電極材料２２を形成する際に、電極層７１と電極層７２との間における電極材料の位置合わせの精度を比較的緩くすることができると共に、各電極材料２１及び２２の端面を、積層構造体１の側面部に正確な配置関係で確実に露出させることができる。なお、本実施形態においては、積層体７３において第１電極材料２１と第２電極材料２２の中央部付近を切断したが、切断する位置はこれに限られず、第１電極材料２１と第２電極材料２２の境界付近以外であれば良い。

また、図７の（ａ）に示す積層体７３を形成した後に、マスクを積層体７３上に配置し、積層体７３に対して上方からサンドブラスト法を施すことにより、積層体７３を切断するようにしても良い。その場合には、マスクは、電極材料２１及び電極材料２２の両方を含む領域に配置される。この方法を用いることにより、例えば、各積層構造体が円柱形状を有する積層体アレイや、複数の積層構造体が任意に配置された積層構造アレイを形成することができる。

以上説明したように、第３の実施形態に係る積層構造体の製造方法によれば、積層体７３の内部電極を２種類の材料によって形成する際に、１つの積層構造体の幅と概略等しくなるように各電極材料を配置し、積層体の形成後に、各電極材料の中央部付近を切断することにより、１つの積層構造体を作製する。従って、２種類の材料を用いて電極を形成する際に、異なる電極層の間における配置関係の位置精度を緩くすることができると共に、切断後の各積層構造体において、２種類の電極材料を正確な配置関係で確実に側面に露出させることができる。また、マスクを用いたサンドブラスト法によって積層体を切断する場合には、マスクの形状に応じて、所望の形状（例えば、円柱形状）や所望の配置（例えば、同心円状）の積層構造体を作製することができる。

以上説明した本発明の第１〜第３の実施形態においては、ＡＤ法を用いて圧電材料層を形成しているが、圧電材料層として、予め板状に形成されたＰＺＴ板材を用いても良い。その場合には、ＰＺＴ板材と電極層との密着性を高めるために、ＰＺＴ板材の上層だけでなく、下層にも密着層を設けることが望ましい。また、その場合には、ＡＤ法によるアンカーリングを考慮する必要はなくなるので、第１電極材料及び第２電極材料に用いられる金属の種類を、硬度の観点から選択する必要はなく、酸化し易さといった電気的特性の観点から選択すれば良い。

また、本発明の第１〜第３の実施形態においては、内部電極の端面の絶縁膜を、第２の電極材料を酸化させることによって形成しているが、第２の電極材料をフッ化させることによって形成しても良い。具体的には、例えば、第２の電極材料としてニッケルを用い、その端面をフッ化させてフッ化ニッケル（ＮｉＦ_２）を形成する。ニッケルをフッ化させるためには、例えば、塩酸を用いて塩化ニッケルを形成した後、１５０℃でフッ素を作用させれば良い。

さらに、本発明の第１〜第３の実施形態においては、誘電体層として圧電材料を用いているが、その他の誘電体材料を用いても良い。例えば、強誘電体であるチタン酸バリウム（ＴｉＢａＯ_３）を用いることにより、積層コンデンサを作製することができる。その場合には、積層コンデンサに上記の実施形態を適用することにより、誘電体層における電極が設けられていない領域を最小限に留めることができるので、電気容量を最大限に大きくすることが可能である。また、上記の実施形態に係る製造方法を用いることにより、積層構造を有するコンデンサを容易に製造することができる。

図８は、本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す斜視図である。この超音波トランスデューサアレイは、図１に示す複数の積層構造体１と、配線基板８０と、共通電極９０とを含んでいる。複数の積層構造体１は、配線基板８０上に、２次元マトリクス状に配置されている。

配線基板８０には、複数の積層構造体１の配置に対応して、複数の電極が形成されている。これらの複数の電極及び共通電極９０を介して、各々の積層構造体１に電圧を印加することにより、積層構造体１から超音波が発生する。その際に、各々の積層構造体１に所定の遅延時間を与えながら駆動することにより、所望の方向及び深さにフォーカスされた超音波ビームを形成することができる。

ここで、複数の積層構造体を配列する方法は、２次元マトリクス状に限られない。例えば、１次元アレイや、数個の１次元アレイを並列に配置した２次元アレイ（１．５次元アレイとも呼ばれる）や、同心円状の配列でも良いし、ランダムな配置でも良い。また、複数の積層構造体１の替わりに、図５に示す複数の積層構造体２を用いても良い。さらに、このような超音波トランスデューサアレイに音響整合層やバッキング層等を設けることにより、超音波診断装置に用いられる超音波用探触子を作製することができる。

本発明の第１の実施形態に係る積層構造体を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る積層構造体の製造方法を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る積層構造体の製造方法を説明するための図である。 エアロゾルデポジション法を用いた成膜装置の構成を示す模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る積層構造体を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る積層構造体の製造方法を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係る積層構造体の製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る超音波トランスデューサアレイを示す斜視図である。 従来の積層構造体における配線方法を説明するための図である。

符号の説明

１、２、１００ 積層構造体
１ａ、１ｂ、６０ａ、６０ｂ 側面
１０、６０、１０１ 圧電材料層
２０ａ、２０ｂ、６１、６２、７１、７２、１０２、１０３ 電極層
２１ 第１電極材料（Ｐｔ電極）
２２ 第２電極材料（Ｎｉ電極）
２３ 酸化膜
３１、３２、６３、６４、１０４、１０５ 側面電極
３３ 上部電極
３４ 下部電極
４０ 密着層
５０ 基板
５１ 原料の粉体
５２ エアロゾル生成容器
５３ キャリアガス導入部
５４ エアロゾル導出部
５５ 振動部
５６ 成膜チャンバ
５７ 排気管
５８ ノズル
５９ 可動ステージ
７０、７３ 積層体
８０ 配線基板
９０ 共通電極

Claims (21)

1. 少なくとも第１の電極層と誘電体層と第２の電極層とを具備し、前記第１の電極層と前記誘電体層と前記第２の誘電体層とが、この順序で積層されている積層構造体であって、
   前記第１の電極層が、前記積層構造体の第１の側面領域において端面が露出するように配置された第１の電極材料と、前記積層構造体の第１の側面領域とは異なる第２の側面領域において端面に絶縁膜が形成された第２の電極材料とを含み、
   前記第２の電極層が、前記積層構造体の第２の側面領域において端面が露出するように配置された第１の電極材料と、前記積層構造体の第１の側面領域において端面に絶縁膜が形成された第２の電極材料とを含む、
   を前記積層構造体。
2. 前記絶縁膜が、前記積層構造体の第１及び第２の側面領域において露出している前記第２の電極材料の端面を酸化することにより形成されている、請求項１記載の積層構造体。
3. 前記絶縁膜が、前記積層構造体の第１及び第２の側面領域において露出している前記第２の電極材料の端面をフッ化することにより形成されている、請求項１記載の積層構造体。
4. 前記誘電体層と前記第１又は第２の電極層との間に設けられている酸化チタン（ＴｉＯ_２）層又はチタン（Ｔｉ）層をさらに具備する、請求項１〜３のいずれか１項記載の積層構造体。
5. 前記積層構造体の第１及び／又は第２の側面領域に形成された少なくとも１つの側面電極をさらに具備する請求項１〜４のいずれか１項記載の積層構造体。
6. 前記誘電体層が、圧電体によって構成される圧電体層を含む、請求項１〜５のいずれか１項記載の積層構造体。
7. 前記圧電体層が、圧電材料の粉体を噴射して堆積することによって形成されている、請求項６記載の積層構造体。
8. 前記第１の電極材料が、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び、ストロンチウムルテニウムオキサイド（ＳＲＯ：ＳｒＲｕＯ_３）の内の少なくとも１つを含み、
   前記第２の電極材料が、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、及び、チタン（Ｔｉ）の内の少なくとも１つを含む、
   請求項７記載の積層構造体。
9. 配線基板と、
   前記配線基板上に配置された請求項１〜８のいずれか１項記載の複数の積層構造体と、
   を具備する超音波トランスデューサアレイ。
10. 少なくとも第１の電極層と誘電体層と第２の電極層とが、この順序で積層されている積層構造を有する積層構造体の製造方法であって、
    誘電体層を形成するステップ（ａ）と、
    ステップ（ａ）において形成された前記誘電体層の上層に、前記積層構造体の第１の側面領域において端面が露出するように第１の電極材料を配置し、前記積層構造体の第１の側面領域とは異なる第２の側面領域において端面が露出するように第２の電極材料を配置することにより、第１の電極層を形成するステップ（ｂ）と、
    ステップ（ｂ）において形成された第１の電極層の上層に、誘電体層を形成するステップ（ｃ）と、
    ステップ（ｃ）において形成された前記誘電体層の上層に、前記積層構造体の第２の側面領域において端面が露出するように第１の電極材料を配置し、前記積層構造体の第１の側面領域において端面が露出するように第２の電極材料を配置することにより、第２の電極層を形成するステップ（ｄ）と、
    前記積層構造体の第１及び第２の側面領域において露出している前記第２の電極材料の端面に、絶縁膜を形成するステップ（ｅ）と、
    を具備する積層構造体の製造方法。
11. ステップ（ｅ）が、前記積層構造体の第１及び第２の側面領域において露出している前記第２の電極材料の端面を酸化することにより絶縁膜を形成することを含む、請求項１０記載の積層構造体の製造方法。
12. ステップ（ｅ）が、前記積層構造体の第１及び第２の側面領域において露出している前記第２の電極材料の端面をフッ化することにより絶縁膜を形成することを含む、請求項１０記載の積層構造体の製造方法。
13. 前記積層構造体の第１及び／又は第２の側面領域に少なくとも１つの側面電極を形成するステップをさらに具備する請求項１０〜１２のいずれか１項記載の積層構造体の製造方法。
14. 少なくとも第１の電極層と誘電体層と第２の電極層とが、この順序で積層されている積層構造を有する複数の積層構造体の製造方法であって、
    誘電体層を形成するステップ（ａ）と、
    ステップ（ａ）において形成された前記誘電体層の上層に、第１の電極材料と前記第１の電極材料とは異なる第２の電極材料とを交互に配置することにより、第１の電極層を形成するステップ（ｂ）と、
    ステップ（ｂ）において形成された第１の電極層の上層に、誘電体層を形成するステップ（ｃ）と、
    ステップ（ｃ）において形成された前記誘電体層の上層に、前記第１の電極材料及び前記第２の電極材料を、前記第１の電極層における配置関係と逆になるように交互に配置することにより、第２の電極層を形成するステップ（ｄ）と、
    ステップ（ａ）〜（ｄ）において形成された積層体を積層方向に切断して複数の積層構造体に分割することにより、分割された複数の積層構造体の各々について、前記第１の電極層における第１の電極材料の端面及び前記第２の電極層における第２の電極材料の端面を第１の側面領域に露出させ、前記第１の電極層における第２の電極材料の端面及び前記第２の電極層における第１の電極材料の端面を前記第１の側面領域とは異なる第２の側面領域に露出させるステップ（ｅ）と、
    分割された前記複数の積層構造体の各々について、第１及び第２の側面領域において露出している前記第２の電極材料の端面に、絶縁膜を形成するステップ（ｆ）と、
    を具備する積層構造体の製造方法。
15. ステップ（ｆ）が、前記積層構造体の第１及び第２の側面領域において露出している前記第２の電極材料の端面を酸化することにより絶縁膜を形成することを含む、請求項１４記載の積層構造体の製造方法。
16. ステップ（ｆ）が、前記積層構造体の第１及び第２の側面領域において露出している前記第２の電極材料の端面をフッ化することにより絶縁膜を形成することを含む、請求項１４記載の積層構造体の製造方法。
17. 分割された前記複数の積層構造体の各々の第１及び／又は第２の側面領域に少なくとも１つの側面電極を形成するステップをさらに具備する請求項１４〜１６のいずれか１項記載の積層構造体の製造方法。
18. ステップ（ａ）が、前記誘電体層として、圧電体によって構成される圧電体層を形成することを含む、請求項１０〜１７のいずれか１項記載の積層構造体の製造方法。
19. ステップ（ａ）が、圧電材料の粉体を噴射して堆積させることにより前記圧電体を形成することを含む、請求項１８記載の積層構造体の製造方法。
20. ステップ（ｂ）及び／又はステップ（ｄ）が、プラチナ（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、及び、ストロンチウムルテニウムオキサイド（ＳＲＯ：ＳｒＲｕＯ_３）の内の少なくとも１つを含む第１の電極材料を配置することを含み、
    ステップ（ｂ）及び／又はステップ（ｄ）が、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、及び、チタン（Ｔｉ）の内の少なくとも１つを含む第２の電極材料を配置することを含む、
    請求項１９記載の積層構造体の製造方法。
21. ステップ（ｂ）又は（ｄ）に先立って、前記誘電体層の上に酸化チタン（ＴｉＯ_２）層又はチタン（Ｔｉ）層を形成するステップをさらに具備する請求項１０〜２０のいずれか１項記載の積層構造体の製造方法。

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