JP2005120440A - Method for producing structure - Google Patents
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Description
本発明は、成膜技術を用いた構造物の製造方法に関し、特に、噴射堆積法を用いた構造物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a structure using a film forming technique, and more particularly to a method for manufacturing a structure using a jet deposition method.
従来より、薄膜や厚膜を形成する技術として、スパッタ法や、ゾルゲル法や、蒸着法や、溶射法や、噴射堆積法等が知られている。噴射堆積法とは、原料の粉体を下層に向けて高速で吹き付けることによって堆積させる成膜方法である。この噴射堆積法は、特に、セラミックス等の硬脆材料を用いて強固な厚膜が形成できる技術として注目されている。なお、噴射堆積法は、ガスデポジション法、エアロゾルデポジション(AD)法、微粒子ビーム堆積法とも呼ばれている。これらの成膜技術を用いることにより、積層コンデンサや、圧電ポンプや、圧電アクチュエータや、超音波トランスデューサのように、複数の材料層を含む積層構造体を容易に作製することができる。 Conventionally, as a technique for forming a thin film or a thick film, a sputtering method, a sol-gel method, a vapor deposition method, a thermal spraying method, a jet deposition method, or the like is known. The spray deposition method is a film forming method in which raw material powder is deposited by spraying at a high speed toward the lower layer. This spray deposition method is particularly attracting attention as a technique capable of forming a strong thick film using a hard and brittle material such as ceramics. The jet deposition method is also called a gas deposition method, an aerosol deposition (AD) method, or a fine particle beam deposition method. By using these film formation techniques, a multilayer structure including a plurality of material layers, such as a multilayer capacitor, a piezoelectric pump, a piezoelectric actuator, and an ultrasonic transducer, can be easily manufactured.
AD法においては、材料の粉体が下層に衝突するときの衝突エネルギーを利用して材料を下層に付着させるので、成膜時には、一般に、シリコンや、ガラスや、サファイアや、SUS(特殊用途用鋼)等のある程度の硬度を有する基板が用いられる。また、特許文献1には、樹脂基材上に樹脂基材を削ることなく脆性材料構造物を形成するために、樹脂基材表面に硬質材料からなる下地層を形成した後に、その下地層の上に微粒子ビーム堆積法によって脆性材料を衝突させ、一部が下地層に食い込んでアンカー部を形成し、多結晶で実質的に結晶配向性なく更に結晶同士の界面にガラス層からなる粒界面が実質的に存在しない脆性構造物を形成することが開示されている。特許文献1に開示されている方法によれば、AD法を用いて樹脂基板上にも構造物を形成できる。
In the AD method, the material is attached to the lower layer using the collision energy when the powder of the material collides with the lower layer. Therefore, silicon, glass, sapphire, SUS (for special applications) is generally used during film formation. A substrate having a certain degree of hardness is used. Further, in
ところで、AD法等の成膜技術を用いて基板上に形成された構造物は、基板と強固に密着しているので、そこから基板を剥離することは困難である。そのため、そのような構造物は、基板をつけたまま利用されることが多い。しかしながら、基板の存在により、構造物やそれを用いた装置の機能の低下を招いてしまうことは少なくない。例えば、上記のような基板を用いて作製された超音波トランスデューサにおいては、基板によって超音波の伝播効率が低下してしまう。そのため、研磨等によって構造物から基板を除去することも考えられる。しかしながら、この場合には、構造物の下部も研磨されてしまうので、基板を除去した後の研磨面に新たに電極層等を形成しなくてはならなくなり、製造工程が煩雑になると共に、構造物と電極層との密着性が低下するおそれがある。さらに、研磨の際の応力によって構造物に破損を生じてしまうこともある。そのため、構造物から基板を容易に剥離することができる方法が望まれている。
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、成膜技術を用いて基板上に形成された構造物から、基板を容易に剥離することを目的とする。 Therefore, in view of the above points, an object of the present invention is to easily peel a substrate from a structure formed on the substrate using a film forming technique.
上記課題を解決するため、本発明に係る構造物の製造方法は、基板の主面上に、熱酸化させることによって除去可能な材料によって中間層を形成する工程(a)と、該中間層の上層に、少なくとも、材料の粉体を下層に向けて高速で吹き付けて堆積させる噴射堆積法を用いて脆性材料層を形成する工程(b)と、中間層を熱酸化させて除去することにより、構造物から基板を剥離する工程(c)とを具備する。 In order to solve the above-described problems, a method of manufacturing a structure according to the present invention includes a step (a) of forming an intermediate layer on a main surface of a substrate with a material that can be removed by thermal oxidation, A step (b) of forming a brittle material layer using an injection deposition method in which at least a powder of material is sprayed and deposited on the upper layer at a high speed toward the lower layer, and the intermediate layer is removed by thermal oxidation, (C) which peels a board | substrate from a structure.
本発明によれば、熱酸化させることによって除去可能な中間層を予め基板に形成し、その上に成膜することによって構造物を形成した後に中間層を除去するので、構造物を破損することなく、基板を容易に剥離することができる。 According to the present invention, the intermediate layer that can be removed by thermal oxidation is previously formed on the substrate, and the intermediate layer is removed after the structure is formed on the substrate, so that the structure is damaged. And the substrate can be easily peeled off.
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、本発明の一実施形態に係る構造物の製造方法を示すフローチャートである。また、図2は、本実施形態に係る構造物の製造方法を説明するための図である。本実施形態においては、脆性材料層を含む複数の層によって構成される積層構造体を製造する。例えば、脆性材料として誘電体(強誘電体)を用い、その両端に電極が形成された積層構造体は、コンデンサ等に利用することができる。また、脆性材料としてPZT(チタン酸ジルコン酸鉛:Pb(lead) zirconate titanate)等の圧電材料を用いた積層構造体は、超音波撮像装置において超音波を送受信する超音波トランスデューサや、圧電アクチュエータ等に利用することができる。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
FIG. 1 is a flowchart showing a structure manufacturing method according to an embodiment of the present invention. Moreover, FIG. 2 is a figure for demonstrating the manufacturing method of the structure based on this embodiment. In the present embodiment, a laminated structure including a plurality of layers including a brittle material layer is manufactured. For example, a laminated structure in which a dielectric material (ferroelectric material) is used as a brittle material and electrodes are formed on both ends thereof can be used for a capacitor or the like. In addition, a laminated structure using a piezoelectric material such as PZT (Pb (lead) zirconate titanate) as a brittle material is an ultrasonic transducer that transmits and receives ultrasonic waves in an ultrasonic imaging device, a piezoelectric actuator, and the like. Can be used.
図1の工程S1において、図2の(a)に示すように、基板10を用意し、そこに中間層11を形成する。基板10としては、例えば、シリコンや、ガラスや、サファイアや、アルミナ(Al2O3)や、SUS(特殊用途鋼)等が用いられる。このような基板10に、ポリイミドフォトレジストを、スピンコータを用いて、厚さが0.5ミクロンになるように回転数をコントロールしながら基板10上に塗布する。さらに、塗布されたポリイミドフォトレジストをベーキングによって乾燥させることにより、中間層11が形成される。なお、中間層11の材料としては、この他にも、熱酸化によって分解される熱分解性ポリマーを用いることができ、例えば、ポリイミドや、PMMA(ポリメチルメタクリレート)や、ノボラック樹脂系や、エチルセロソルブアセテート系や、ナフトキノジアミド系を含むその他のレジスト材料が挙げられる。
In step S1 of FIG. 1, as shown in FIG. 2A, a
工程S2において、図2の(b)に示すように、中間層11の上に層12〜16を積層することにより、積層構造体を形成する。即ち、まず、スパッタ法を用いてチタン(Ti)層12及び白金(Pt)層13を成膜することにより、2層電極を形成する。チタン層12は、他の材料との密着性が比較的低い白金を下層に密着させるために配置され、10nm〜100nm程度、より好ましくは、10nm〜50nmの厚さを有している。白金層13は、上層14に電圧を印加するために用いられる導電層であり、50nm〜150nm程度の厚さを有している。
In step S <b> 2, as illustrated in FIG. 2B, the
次に、白金層13の上に、噴射堆積法(エアロゾルデポジション法、以下において「AD法」ともいう)を用いて、PZT層14を形成する。
図3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(例えば、平均粒径0.3μmのPZT単結晶粉体)21を配置するエアロゾル生成容器22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22には、キャリアガス導入部23、エアロゾル導出部24、振動部25が設けられている。キャリアガス導入部23から窒素ガス(N2)等の気体を導入することによってエアロゾル生成容器22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25によってエアロゾル生成容器22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24を通って、成膜チャンバ26に導かれる。
Next, the
FIG. 3 is a schematic diagram showing a film forming apparatus using the AD method. This film forming apparatus has an
成膜チャンバ26には、排気管27、ノズル28、可動ステージ29が設けられている。排気管27は、真空ポンプに接続されており、成膜チャンバ26内を排気する。エアロゾル生成容器22において生成され、エアロゾル導出部24を通って成膜チャンバ26に導かれたエアロゾルは、ノズル28から基板10に向けて噴射される。これにより、原料の粉体が基板10上に衝突して堆積する。基板10は、3次元に移動可能な可動ステージ29に戴置されており、可動ステージ29を制御することにより、基板10とノズル28との相対的位置が調節される。
The
さらに、図2の(b)に示すように、PZT層14の上に、スパッタ法を用いてチタン層15及び白金層16を成膜する。これにより、圧電材料の両端に電極が形成された振動子の構造が形成される。更に、白金層16の上に、PZT層、チタン層、及び白金層を所望の回数だけ順次積層することにより、複数層を有する積層構造体を形成しても良い。
Further, as shown in FIG. 2B, a
なお、白金層13及び16を下層に密着させる層12及び15としては、チタンの替わりに、酸化チタン(TiO2)層を用いても良い。予め酸化された材料を用いることにより、後に行われる熱処理時や焼成時に生じるPZT層を透過した酸素による材料の変質と、それに起因する密着層としての機能低下を防ぐことができる。
In addition, as the
図1の工程S3において、例えば、500℃の空気中において約2時間熱処理を行うことにより、ポリイミドフォトレジスト膜を熱酸化させて分解することにより、中間層11を除去する。これにより、積層構造体12〜16から基板10が剥離される。必要であれば、この後で、積層構造体12〜16を焼成しても良い。
以上説明したように、本実施形態によれば、形成された積層構造体に負荷をかけることなく、基板を容易に剥離することができる。
In step S3 of FIG. 1, the
As described above, according to the present embodiment, the substrate can be easily peeled without applying a load to the formed laminated structure.
次に、本実施形態において形成される各層の厚さについて、詳しく説明する。
図4は、中間層の厚さt(μm)とAD法によって形成されたPZT層の成膜レートとの関係を示している。図4において、縦軸の成膜レートは、成膜が良好に行われた範囲における成膜レートを1として規格化すると共に、規格化された成膜レートに剥離可能性を掛けた値を示している。従って、図4に示す曲線は、AD法による成膜が可能であり、且つ、形成された構造体を基板から剥離することが可能な範囲を表している。なお、一般に、成膜レートは、原料の単位消費量に対する膜厚によって表される。
Next, the thickness of each layer formed in this embodiment will be described in detail.
FIG. 4 shows the relationship between the thickness t (μm) of the intermediate layer and the deposition rate of the PZT layer formed by the AD method. In FIG. 4, the film formation rate on the vertical axis indicates a value obtained by normalizing the film formation rate in a range where film formation is performed well as 1 and multiplying the standardized film formation rate by the possibility of peeling. ing. Therefore, the curve shown in FIG. 4 represents a range in which film formation by the AD method is possible and the formed structure can be peeled from the substrate. In general, the film formation rate is represented by the film thickness with respect to the unit consumption of the raw material.
図4に示すように、中間層を設けることにより、構造体の最下層(図2においては、チタン層12)と基板との間の相互作用をなくして両者を剥離することが可能になる。また、0<t≦0.7μmの範囲においては、良好な成膜レートが示されている。そして、厚さtが0.7μmとなる付近から徐々に成膜レートが低下し始め、厚さtが1.0μmとなる付近において、成膜レートが0.8を下回るようになる。さらに、厚さtが1.0μmを越えると、成膜レートが急激に低下し始め、厚さtが2.4μmを超えると、AD法による成膜が不可能になる。
As shown in FIG. 4, by providing the intermediate layer, it is possible to remove the interaction between the lowermost layer of the structure (
このように、中間層の厚さの増加に伴って成膜レートが低下する理由は、次の通りである。即ち、AD法は、高速に加速された原料の粉体が下層に衝突する衝突エネルギーを利用して、原料の粉体を下層に付着させる成膜方法である。そのため、下層の弾性(クッション性)が大きすぎると、原料の粉体の衝突エネルギーが吸収されたり、弾かれてしまい、下層に堆積することができなくなるからである。
そこで、本実施形態においては、0<t≦2.4μmの範囲を、AD法による成膜が可能であり、且つ、形成された構造体を基板から剥離できる範囲とし、成膜レートが0.8以上を示すt≦1.0μmの範囲(図4の斜線に示す領域)を、良好に成膜できる範囲としている。
As described above, the reason why the film formation rate decreases as the thickness of the intermediate layer increases is as follows. That is, the AD method is a film forming method in which the raw material powder is adhered to the lower layer by using collision energy in which the raw material powder accelerated at high speed collides with the lower layer. Therefore, if the elasticity (cushioning property) of the lower layer is too large, the collision energy of the raw material powder is absorbed or repelled and cannot be deposited in the lower layer.
Therefore, in the present embodiment, the range of 0 <t ≦ 2.4 μm is set to a range in which film formation by the AD method is possible and the formed structure can be peeled from the substrate, and the film formation rate is set to 0. A range where t ≦ 1.0 μm indicating 8 or more (a region indicated by hatching in FIG. 4) is a range where film formation can be satisfactorily performed.
次に、本実施形態において、白金層13の厚さを50nm以上とする理由は、次の通りである。即ち、AD法においては、原料の粉体が下層(図1においては、白金層13)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、下層の材質や粉体の速度等によって異なるが、一般には、10nm〜100nm程度である。従って、十分にアンカーリングを生じさせてPZT層と白金層とを密着させると共に、白金層の導電性を良好に機能させるためには、白金層の厚さが少なくとも50nm以上あることが望ましいからである。また、白金層13の厚さを150nm以下とする理由は、中間層と同様に、白金層のクッション性が大きすぎると、PZT層が堆積し難くなるからである。
Next, in the present embodiment, the reason why the thickness of the
以上説明したように、本実施形態によれば、AD法を用いて形成された脆性材料層を含む構造物から、基板を容易に剥離することができる。従って、電極層や脆性材料層の形成を含む一連の成膜工程を終えてから次の工程に移行することができるので、構造物の最下層に別途電極層を成膜するといった手間を要することがなくなる。また、上層にAD法を用いて脆性材料層が形成された電極層を、基板を剥離した後にそのまま使用できるので、両者の強固な密着性を維持することが可能になる。
本実施形態においては、誘電体層の両端に電極層が形成された積層構造体を製造したが、脆性材料層のみの単層の構造物を製造しても良い。
As described above, according to this embodiment, the substrate can be easily peeled from the structure including the brittle material layer formed by using the AD method. Therefore, it is possible to move to the next step after completing a series of film forming steps including the formation of the electrode layer and the brittle material layer, and thus it is necessary to form a separate electrode layer on the lowermost layer of the structure. Disappears. Moreover, since the electrode layer in which the brittle material layer is formed on the upper layer by using the AD method can be used as it is after the substrate is peeled off, it is possible to maintain the strong adhesion between the two.
In this embodiment, the laminated structure in which the electrode layers are formed on both ends of the dielectric layer is manufactured. However, a single-layer structure having only the brittle material layer may be manufactured.
本発明は、成膜技術を用いた構造物の製造方法において利用することが可能である。 The present invention can be used in a method for manufacturing a structure using a film formation technique.
10 基板
11 中間層
12、15 チタン層
13、16 白金層
14 PZT層
21 原料の粉体
22 エアロゾル生成容器
23 キャリアガス導入部
24 エアロゾル導出部
25 振動部
26 成膜チャンバ
27 排気管
28 ノズル
29 可動ステージ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記中間層の上層に、少なくとも、材料の粉体を下層に向けて高速で吹き付けて堆積させる噴射堆積法を用いて脆性材料層を形成する工程(b)と、
前記中間層を熱酸化させて除去することにより、前記構造物から前記基板を剥離する工程(c)と、
を具備する構造物の製造方法。 Forming an intermediate layer on a main surface of the substrate with a material that can be removed by thermal oxidation;
A step (b) of forming a brittle material layer on the intermediate layer using at least a spray deposition method in which a powder of a material is sprayed and deposited at a high speed toward the lower layer;
Removing the intermediate layer from the structure by thermally oxidizing and removing the intermediate layer (c);
The manufacturing method of the structure which comprises this.
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