JP2005279953A - Ceramic structure and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原料の粉体を基板に噴射して堆積させる成膜技術を用いたセラミックス構造物の製造方法等に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic structure using a film forming technique in which raw material powder is sprayed and deposited on a substrate.
近年、微小電気機械システム(MEMS:micro electrical mechanical system)の分野においては、圧電セラミックスを利用したセンサやアクチュエータ等をさらに集積化して実用に供するために、成膜によってそれらの素子を作製することが検討されている。その1つとして、厚膜形成技術として知られるエアロゾルデポジション(aerosol deposition:AD)法が注目されている。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。 In recent years, in the field of micro electrical mechanical systems (MEMS), in order to further integrate sensors and actuators using piezoelectric ceramics for practical use, it is possible to fabricate these elements by film formation. It is being considered. As one of them, an aerosol deposition (AD) method known as a thick film forming technique has attracted attention. Here, the aerosol refers to solid or liquid fine particles suspended in a gas.
AD法とは、原料の粉体を含むエアロゾルを生成し、それをノズルから基板に向けて噴射することにより原料の粉体を堆積させる成膜方法であり、噴射堆積法又はガスデポジション法とも呼ばれている。AD法においては、高速で噴射された原料の粉体が、基板や先に形成された堆積物等の下層に衝突して食い込むと共に、衝突の際に粉体が破砕して生成された破砕面が下層に付着するメカノケミカル反応によって成膜される。そのため、AD法を用いることにより、不純物を含まない、緻密で強固な厚膜を形成することができる。このようなAD法は、セラミックスを含む脆性材料(硬脆材料)を作製する場合に適している。なお、原料の粉体が下層に食い込む現象は、アンカーリングと呼ばれている。また、セラミックスの1種であるPZTをAD法により基板上に形成した膜は、圧電アクチュエータ、圧電ポンプ、インクジェットプリンタヘッド、超音波トランスデューサとして応用されている。 The AD method is a film forming method in which an aerosol containing raw material powder is generated, and the raw material powder is deposited by spraying it from a nozzle toward a substrate. Both the jet deposition method and the gas deposition method are used. being called. In the AD method, the raw material powder sprayed at a high speed collides with the lower layer such as the substrate or the previously formed deposit, and the crushing surface generated by crushing the powder at the time of the collision. Is formed by a mechanochemical reaction that adheres to the lower layer. Therefore, by using the AD method, a dense and strong thick film that does not contain impurities can be formed. Such an AD method is suitable for producing a brittle material (hard brittle material) containing ceramics. The phenomenon in which the raw material powder bites into the lower layer is called anchoring. A film in which PZT, which is one kind of ceramics, is formed on a substrate by the AD method is applied as a piezoelectric actuator, a piezoelectric pump, an inkjet printer head, and an ultrasonic transducer.
しかしながら、AD法によって形成されたセラミックス等の膜(以下において、AD膜ともいう)は、基板と強固に密着しているため、次のような問題が生じている。第1に、AD膜と基板との熱膨張係数の違いにより、成膜後の冷却工程やポストアニール工程において基板が変形し、その一部がAD膜から剥離したり、AD膜又は基板が破損してしまう。それを防ぐためには、AD膜の熱膨張係数に合わせて基板材料を選択しなければならず、それによって基板選定の自由度が低くなるため、製造コスト高の要因となる。第2に、AD膜から基板を剥離することが困難なので、形成されたAD膜を、AD膜及び基板が一体となった複合構造物としてしか利用することができない。仮に、薬液エッチング等によって基板を剥離しようとすると、AD膜と基板との界面に集中した膜応力が開放され、その反動でAD膜の裏面にクラックが発生し、歩留まりの悪化を招く。そのため、形成されたAD膜を適用できる範囲が狭い。 However, since a film made of ceramics or the like (hereinafter also referred to as an AD film) formed by the AD method is in close contact with the substrate, the following problems occur. First, due to the difference in thermal expansion coefficient between the AD film and the substrate, the substrate is deformed in the cooling process or post-annealing process after film formation, and a part of the substrate is peeled off from the AD film or the AD film or the substrate is damaged. Resulting in. In order to prevent this, the substrate material must be selected in accordance with the thermal expansion coefficient of the AD film, which reduces the degree of freedom in selecting the substrate, which increases the manufacturing cost. Second, since it is difficult to peel the substrate from the AD film, the formed AD film can be used only as a composite structure in which the AD film and the substrate are integrated. If an attempt is made to peel off the substrate by chemical etching or the like, the film stress concentrated at the interface between the AD film and the substrate is released, and the reaction causes cracks on the back surface of the AD film, resulting in a decrease in yield. Therefore, the range in which the formed AD film can be applied is narrow.
ところで、特許文献1には、空隙率が5%〜40%の蛍光体層を含む放射線検出装置を製造するために、噴射堆積法を用いる蛍光体層の製造方法が開示されている。しかしながら、この製造方法は、蛍光層の輝度を向上することを目的としている。
By the way,
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、AD法によって形成されたセラミックス構造物において、熱応力によって基板が剥離したり、セラミックス厚膜又は基板が破損するのを防ぐことを第1の目的とする。また、本発明は、AD法によって基板上に形成されたセラミックス構造物から、クラック等を発生させることなく基板を除去することを第2の目的とする。 Accordingly, in view of the above points, the first object of the present invention is to prevent a substrate from being peeled off due to thermal stress or a ceramic thick film or a substrate from being damaged in a ceramic structure formed by an AD method. To do. A second object of the present invention is to remove a substrate from a ceramic structure formed on the substrate by an AD method without generating cracks or the like.
上記課題を解決するため、本発明に係るセラミックス構造物は、セラミックス粉体を基板に向けて噴射して堆積させることにより形成された第1の空隙率を有するセラミックス層と、セラミックス粉体をセラミックス層に向けて噴射して堆積させることにより形成された、第1の空隙率よりも低い第2の空隙率を有するセラミックス厚膜層とを具備する。 In order to solve the above problems, a ceramic structure according to the present invention includes a ceramic layer having a first porosity formed by spraying ceramic powder onto a substrate and depositing the ceramic powder, and the ceramic powder is made of ceramic. And a ceramic thick film layer having a second porosity lower than the first porosity, which is formed by spraying and depositing on the layer.
また、本発明に係るセラミックス構造物の製造方法は、第1の平均粒子径を有するセラミックス粉体を含むエアロゾルを生成し、該エアロゾルを基板に吹き付けることにより、セラミックス層を形成する工程(a)と、第1の平均粒子径とは異なる第2の平均粒子径を有するセラミックス粉体を含むエアロゾルを生成し、該エアロゾルをセラミックス層に吹き付けることにより、セラミックス厚膜層を形成する工程(b)とを具備する。 The method for producing a ceramic structure according to the present invention includes the step (a) of generating an aerosol containing ceramic powder having a first average particle diameter and spraying the aerosol on a substrate to form a ceramic layer. Forming a ceramic thick film layer by generating an aerosol containing ceramic powder having a second average particle size different from the first average particle size and spraying the aerosol on the ceramic layer (b) It comprises.
本発明によれば、セラミックス厚膜層と基板との間に、セラミックス厚膜層よりも空隙率が高いセラミックス層を設けることにより、それらの間の応力を緩和することができる。従って、製造歩留まりが向上すると共に、セラミックス厚膜層と基板との間の熱膨張係数の違いに囚われることなく基板材料の選択の幅を広げることができるので、製造コストを低下させることが可能になる。また、本発明によれば、セラミックス厚膜層と基板との間に、セラミックス厚膜層よりもさらに空隙率が高いセラミックス層を設けることにより、クラック等を発生させることなくセラミックス厚膜層から基板を容易に剥離することができる。従って、AD法によって形成された緻密で強固なセラミックス構造物を単体で利用できるようになり、製品の設計自由度が増加する。 According to the present invention, by providing a ceramic layer having a higher porosity than the ceramic thick film layer between the ceramic thick film layer and the substrate, the stress between them can be relieved. Therefore, the manufacturing yield is improved, and the range of selection of the substrate material can be expanded without being restricted by the difference in the thermal expansion coefficient between the ceramic thick film layer and the substrate, so that the manufacturing cost can be reduced. Become. Further, according to the present invention, by providing a ceramic layer having a higher porosity than the ceramic thick film layer between the ceramic thick film layer and the substrate, the ceramic thick film layer can be separated from the substrate without generating cracks. Can be easily peeled off. Accordingly, a dense and strong ceramic structure formed by the AD method can be used alone, and the degree of freedom in designing the product is increased.
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。また、本願において、厚膜とは、100μm〜数百μm程度の厚さの膜のことをいう。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るセラミックス構造物の構成を示す断面図である。このセラミックス構造物は、基板10と、中間層11と、厚膜層12とを含んでいる。
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. In the present application, the thick film refers to a film having a thickness of about 100 μm to several hundred μm.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a ceramic structure according to the first embodiment of the present invention. This ceramic structure includes a
基板10は、中間層11及び厚膜層12の形成時からその後の製造プロセス又は製品にまで使用される基材である。本実施形態においては、基板10としてSUS(特殊用途用鋼)を用いているが、この他にも、ガラスやセラミックス等の様々な材料を用いることができる。
The
中間層11及び厚膜層12は、共に同じ組成を有するセラミックス層である。それぞれの層においては、空隙率及び平均結晶粒径が互いに異なっており、その結果、それぞれの硬度も互いに異なっている。ここで、空隙率とは、セラミックス等の構造物の内部に存在する空隙部分の割合のことであり、空隙率(%)=100%−充填率(%)で表される。なお、充填率とは、セラミックス等の構造物全体の容積に対し、その構造物に含まれる粒子が実際に占める容積の割合のことである。
The
厚膜層12は、例えば、100μm程度の厚さを有するPZT(チタン酸ジルコン酸鉛:Pb(lead) zirconate titanate)厚膜である。また、厚膜層12の空隙率は、例えば、5%以下である。PZT厚膜は、例えば、その両端に電極を配置することにより、圧電アクチュエータ、圧電ポンプ、インクジェットプリンタのインクヘッド、超音波トランスデューサ等に用いられる。
The
一方、中間層11は、例えば、10μm程度の厚さを有するPZT薄膜である。中間層11の空隙率は、厚膜層12の空隙率と比較して高く、例えば、10%〜20%である。また、それに伴い、中間層11の硬度は、厚膜層12の硬度よりも小さくなっている。
On the other hand, the
このような中間層11を厚膜層12と基板10との間に設けることにより、図1に示すセラミックス構造物に大きな温度変化が生じても、それらの間に生じる熱応力は中間層11において吸収される。そのため、厚膜層12の形成後の工程(例えば、成膜後の冷却工程やポストアニール工程)においても、厚膜層12から基板10が剥がれたり、いずれかが破損することが抑制される。従って、基板10と厚膜層12との間の熱膨張係数の違いに拘束されることなく、基板10の材料を選択することができる。また、中間層11及び厚膜層12は同じ組成を有しているので、界面における拡散等の反応を懸念する必要はない。
By providing such an
次に、本実施形態に係るセラミックス構造物の製造方法について説明する。本実施形態のおいて、中間層11及び厚膜層12は、原料の粉体を含むエアロゾルを基板に吹き付けて堆積させるエアロゾルデポジション(AD)法によって形成されている。
Next, a method for manufacturing a ceramic structure according to this embodiment will be described. In this embodiment, the
図2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、ガスボンベ1と、搬送管2a及び2bと、エアロゾル生成室3と、成膜室4と、排気ポンプ5と、ノズル6と、基板ホルダ7とを含んでいる。
ガスボンベ1には、キャリアガスとして使用される窒素(N2)、酸素(O2)、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、又は、乾燥空気等が充填されている。このガスボンベ1には、キャリアガスの供給量を調節する圧力調整部1aが設けられている。また、エアロゾル生成室3は、成膜材料である原料の微小な粉体を配置する容器である。ガスボンベ1から搬送管2aを介して、エアロゾル生成室3にキャリアガスを導入することにより、そこに配置された原料の粉体が噴き上げられてエアロゾル101が生成される。生成されたエアロゾル101は、搬送管2bを介してノズル6に供給される。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a film forming apparatus using the AD method. This film forming apparatus includes a
The
成膜室4の内部は、排気ポンプ5によって排気されており、それによって所定の真空度に保たれている。また、成膜室4には、エアロゾル101を噴射するノズル6と、構造物が形成される基板10を保持する基板ホルダ7とが配置されている。基板ホルダ7には、基板ホルダ7を3次元的に移動させる基板ホルダ駆動部7aが設けられており、これにより、ノズル6と基板10との相対位置及び相対速度が制御される。
The inside of the
図1に示すセラミックス構造物を製造する際には、まず、成膜室4に基板10を配置すると共に、基板10を所定の成膜温度(例えば、600℃)に保つ。次に、エアロゾル生成室3に中間層11の原料となるPZT粉体を配置してエアロゾル101を生成し、ノズルに供給する。これにより、ノズルから高速で噴射されたPZT粉体が基板に衝突して堆積し、中間層11が形成される。次に、エアロゾル生成室3に厚膜層12の原料となるPZT粉体を配置し、同様にして成膜を行うことにより、厚膜層12を形成する。
When the ceramic structure shown in FIG. 1 is manufactured, first, the
次に、同じ組成を有する中間層11及び厚膜層12の空隙率を互いに変化させる方法及び原理について、詳しく説明する。
AD法においては、ノズルから噴射される粉体に関する様々な条件により、形成された膜の膜質や堆積率等に差異が生じることは知られている。例えば、エアロゾル生成容器に配置された原料の粉体(1次粒子)は、時間の経過と共に、静電気力、ファンデルワールス力、又は、水分の架橋効果等により凝集して2次凝集粒子を形成してしまう。このような2次凝集粒子が基板に衝突しても、2次凝集粒子が持つ運動エネルギーはそれ自身が解砕するために用いられてしまうので、破砕面を形成せず、従って、下層に付着しない。そのため、2次凝集粒子は、成膜に寄与することはできず、場合によっては、先に形成された堆積物をブラストしてしまう。また、噴射される粉体が1次粒子であっても、成膜に適した平均粒子径の範囲が存在することは、経験的に知られている。
Next, a method and principle for changing the porosity of the
In the AD method, it is known that there are differences in film quality, deposition rate, and the like of the formed film due to various conditions regarding the powder sprayed from the nozzle. For example, the raw material powder (primary particles) placed in the aerosol generating container aggregates over time to form secondary aggregated particles due to electrostatic force, van der Waals force, or moisture cross-linking effect. Resulting in. Even if such secondary agglomerated particles collide with the substrate, the kinetic energy possessed by the secondary agglomerated particles is used for crushing itself, so it does not form a crushing surface, and therefore adheres to the lower layer. do not do. For this reason, the secondary agglomerated particles cannot contribute to the film formation, and in some cases, the previously formed deposit is blasted. Moreover, even if the powder to be sprayed is primary particles, it is empirically known that there exists an average particle diameter range suitable for film formation.
そこで、本願発明者は、原料の粉体の平均粒子径に着目し、平均粒子径とAD膜の膜質との関係について調べた。即ち、本願発明者は、PZT粉体の平均粒子径を0.2μm〜0.3μmの範囲で変化させながら、図2に示す成膜装置を用いてAD膜を形成し、それぞれのAD膜の表面を観察すると共に、硬度を測定した。その結果、原料の粉体の平均粒子径とAD膜の膜質との間に、一定の関係があることが見出された。 Therefore, the inventor of the present application paid attention to the average particle diameter of the raw material powder and examined the relationship between the average particle diameter and the quality of the AD film. That is, the present inventor forms an AD film using the film forming apparatus shown in FIG. 2 while changing the average particle diameter of the PZT powder in the range of 0.2 μm to 0.3 μm. The surface was observed and the hardness was measured. As a result, it was found that there is a certain relationship between the average particle diameter of the raw material powder and the film quality of the AD film.
まず、形成されたAD膜の表面を、SEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察したところ、原料のPZT粉体の平均粒子径が大きいほど(例えば、0.3μm)AD膜における平均結晶粒径は小さく、空隙率は低かった(例えば、5%以下)。反対に、原料のPZT粉体の平均粒子径が小さいほど(例えば、0.2μm)AD膜における平均結晶粒径は大きく、空隙率は高かった(例えば、10%以上)。 First, when the surface of the formed AD film was observed using an SEM (scanning electron microscope), the average crystal grain in the AD film was larger as the average particle diameter of the raw material PZT powder was larger (for example, 0.3 μm). The diameter was small and the porosity was low (for example, 5% or less). Conversely, the smaller the average particle size of the raw material PZT powder (for example, 0.2 μm), the larger the average crystal particle size in the AD film and the higher the porosity (for example, 10% or more).
図3は、原料のPZT粉体の平均粒子径(μm)と、AD膜のビッカース硬度(Hv)との関係を表している。図3に示すように、原料のPZT粉体の平均粒子径が大きいほど、形成されたAD膜のビッカース硬度は大きく、原料のPZT粉体の平均粒子径が小さいほど、形成されたAD膜のビッカース硬度は小さい。なお、図3には、比較のために、一般的なPZTバルク材のビッカース硬度が示されている。 FIG. 3 shows the relationship between the average particle diameter (μm) of the raw material PZT powder and the Vickers hardness (Hv) of the AD film. As shown in FIG. 3, the larger the average particle diameter of the raw material PZT powder, the larger the Vickers hardness of the formed AD film, and the smaller the average particle diameter of the raw material PZT powder, Vickers hardness is small. For comparison, FIG. 3 shows the Vickers hardness of a general PZT bulk material.
これらの観察結果及び測定結果は、次のようなメカニズムによって生じたものと考えられる。即ち、粒子径の大きい1次粒子は、ノズルから噴射された際に有している運動エネルギーが大きいので、基板に衝突したときに破砕し易い。そのため、小さく破砕された1次粒子の断片がメカノケミカル反応によって互いに結合するので、緻密で強固なAD膜が形成される。反対に、粒子径の小さい1次粒子は、運動エネルギーが小さいので、基板に衝突しても破砕し難い。そのような1次粒子は、基板に衝突しても下層にトラップ(捕獲)されて堆積するのみなので、空隙率が高く、比較的脆い膜となる。
従って、このようなメカニズムに基づいて、原料の粉体の平均粒子径を規定することにより、AD膜の平均結晶粒径や、空隙率や、硬度を制御することが可能になる。
These observation results and measurement results are considered to be caused by the following mechanism. That is, the primary particles having a large particle diameter have a large kinetic energy when ejected from the nozzle, and thus are easily crushed when they collide with the substrate. For this reason, the fragmented primary particles are bonded to each other by a mechanochemical reaction, so that a dense and strong AD film is formed. On the other hand, primary particles having a small particle diameter have a small kinetic energy, so that even if they collide with a substrate, they are difficult to be crushed. Even when such primary particles collide with the substrate, they are only trapped and deposited in the lower layer, so that the film has a high porosity and becomes a relatively fragile film.
Therefore, by defining the average particle size of the raw material powder based on such a mechanism, it becomes possible to control the average crystal particle size, porosity, and hardness of the AD film.
そこで、本実施形態においては、中間層11及び厚膜層12を形成する際に、互いに異なる平均粒子径を有するPZT粉体を使用している。即ち、厚膜層12を形成する際には、例えば、平均粒子径が0.3μm〜0.4μm程度のPZT粉体を使用し、中間層11を形成する際には、それよりも平均粒子径が小さい(例えば、0.1μm〜0.2μm程度)PZT粉体を使用する。これにより、厚膜層12と比較して、平均結晶粒径及び空隙率が大きく、硬度が小さい中間層11を形成することができる。
Therefore, in this embodiment, when forming the
所望の平均粒子径を有するPZT粉体を得るためには、1つの方法として、粒子径分布の中心値が異なる既成の2種類以上のPZT微粉を混合すれば良い。例えば、小さい方のPZT微粉として、粒子径分布の中心値が0.1μm〜0.5μmのものを用い、大きい方のPZT微粉として、粒子径分布の中心値が0.2μm〜0.6μmのものを用い、それらを所定の割合で混合する。より好ましくは、小さい方のPZT微粉として、粒子径分布の中心値が0.1μm〜0.2μmのものを用い、大きい方のPZT微粉として、粒子径分布の中心値が0.3μm〜0.4μmのものを用い、それらを所定の割合で混合する。 In order to obtain a PZT powder having a desired average particle size, as one method, two or more types of PZT fine powders having different particle size distribution center values may be mixed. For example, the smaller PZT fine powder having a particle size distribution center value of 0.1 μm to 0.5 μm is used, and the larger PZT fine powder having a particle size distribution center value of 0.2 μm to 0.6 μm. Use them and mix them in a certain proportion. More preferably, the smaller PZT fine powder having a particle size distribution center value of 0.1 μm to 0.2 μm is used, and the larger PZT fine powder having a particle size distribution center value of 0.3 μm to 0.2 μm. Those having a thickness of 4 μm are used and mixed at a predetermined ratio.
このようにして本実施形態に係るセラミックス構造物が製造されるが、さらに、そのようなセラミックス構造物を所定の温度でアニールしても良い。これにより、厚膜層12に含まれるPZT結晶の粒径を大きくして圧電性能を向上させることができる。アニールすることにより、中間層11及び厚膜層12の平均結晶粒径は成膜直後の平均結晶粒径から変化するが、いずれの層においても500nm以下となる。
Thus, the ceramic structure according to the present embodiment is manufactured, but such a ceramic structure may be annealed at a predetermined temperature. Thereby, the grain size of the PZT crystal contained in the
以上説明した本発明の第1の実施形態においては、予め平均粒子径が調整された原料の粉体を用いてエアロゾルを生成した。しかしながら、複数種類のエアロゾルを混合することにより、所望の平均粒子径を有する粉体を含むエアロゾルを生成しても良い。そのためには、図4に示す成膜装置を用いれば良い。この成膜装置は、図1に示す成膜装置に加えて、さらに、ガスボンベ8及びキャリアガス生成室9を有している。その他の構成については、図1に示す成膜装置と同様である。 In the first embodiment of the present invention described above, the aerosol is generated using the raw material powder whose average particle diameter is adjusted in advance. However, an aerosol containing powder having a desired average particle diameter may be generated by mixing a plurality of types of aerosols. For that purpose, the film forming apparatus shown in FIG. 4 may be used. This film forming apparatus further includes a gas cylinder 8 and a carrier gas generation chamber 9 in addition to the film forming apparatus shown in FIG. Other configurations are the same as those of the film forming apparatus shown in FIG.
図4に示すように、エアロゾル生成室3及び9において、エアロゾル101及び102がそれぞれ生成される。それらのエアロゾル101及び102は、搬送管2bにおいて搬送中に混合される。その際に、ガスボンベ1及び8からそれぞれ供給されるキャリアガスの流量を制御することにより、エアロゾル101とエアロゾル102の混合割合を調節することができる。それにより、ノズル6から噴射されるエアロゾル103に含まれる原料の粉体の平均粒子径を調整することができる。
As shown in FIG. 4,
図1に示すセラミックス構造物を製造する際には、一方のエアロゾル生成室3に小さい方のPZT微粉(例えば、粒子径分布の中心値が0.1μm〜0.5μmのもの)を配置し、他方のエアロゾル生成室9に大きい方のPZT微粉(例えば、粒子径分布の中心値が0.2μm〜0.6μmのもの)を配置する。そして、エアロゾル101とエアロゾル102とが所定の割合で供給されるようにキャリアガスの供給量を調節しながら、中間層11の成膜を行う。次に、エアロゾル101の供給を止め、エアロゾル102のみを用いて厚膜層12の成膜を行う。
このような成膜装置を用いることにより、所望の平均粒子径を有する粉体を含むエアロゾルを容易に生成できると共に、異なる層の成膜を行う都度、エアロゾル生成室に配置する原料の粉体を入れ替える必要がなくなり、手間を省くことができる。
When the ceramic structure shown in FIG. 1 is manufactured, the smaller PZT fine powder (for example, having a median particle size distribution of 0.1 μm to 0.5 μm) is placed in one
By using such a film forming apparatus, it is possible to easily generate an aerosol containing powder having a desired average particle diameter, and each time a different layer is formed, the raw material powder to be disposed in the aerosol generating chamber This eliminates the need for replacement and saves time.
次に、本発明の第1の実施形態に係るセラミックス構造物の変形例について説明する。
図5は、本実施形態に係るセラミックス構造物の第1の変形例を示す断面図である。このセラミックス構造物は、ガラス基板20と、下部電極21と、中間層22と、厚膜層23と、上部電極24とを含んでいる。下部電極21は、例えば、300nmの白金(Pt)層である。白金は、PZTとの反応性が低く、また、AD法において原料の粉体がアンカーリングし易い適度な弾性を有している。中間層22及び厚膜層23は、図1に示す中間層11及び厚膜層12と同様に、互いに異なる空隙率を有するPZT層である。上部電極24は、20nm程度の酸化チタン(TiO2)層24aと、200nm程度の白金層24bとを含む2層電極である。酸化チタン層24aは、厚膜層12と白金層24aとを密着させるために設けられている。
Next, a modified example of the ceramic structure according to the first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a first modification of the ceramic structure according to the present embodiment. This ceramic structure includes a
この変形例に示すように、基板20上に下部電極21を予め形成しておくことにより、製造されたセラミックス構造物を、圧電アクチュエータ等のアプリケーションにそのまま適用することができる。その場合においても、中間層22を設けておくことにより、基板20と厚膜層23との間の応力が緩和されるので、セラミックス構造物の性能を向上させることが可能になる。なお、上部電極24の上に、さらに、複数のPZT厚膜と電極とを交互に積層することにより、積層コンデンサ構造を構成しても良い。
As shown in this modification, by forming the
また、本実施形態に係るセラミックス構造物の第2の変形例として、空隙率が段階的に変化する複数の中間層を設けても良い。例えば、基板側から、空隙率が20%、15%、10%と変化するように、3つの中間層を形成し、その上に厚膜層を形成する。基板の熱収縮係数と厚膜層の熱収縮係数の違いに応じて各中間層の空隙率を設定することにより、厚膜層との間の熱応力をより効率的に吸収できるようになるので、基板材料の選択の幅をさらに広げることが可能になる。 Moreover, you may provide the some intermediate | middle layer from which a porosity changes in steps as a 2nd modification of the ceramic structure which concerns on this embodiment. For example, three intermediate layers are formed so that the porosity changes from 20%, 15%, and 10% from the substrate side, and a thick film layer is formed thereon. By setting the porosity of each intermediate layer according to the difference between the thermal contraction coefficient of the substrate and the thermal contraction coefficient of the thick film layer, the thermal stress between the thick film layer can be absorbed more efficiently. Further, it becomes possible to further expand the range of selection of the substrate material.
さらに、本実施形態に係るセラミックス構造物の第3の変形例として、空隙率が連続的に変化する中間層を設けても良い。図6は、本実施形態に係るセラミックス構造物の第3の変形例を示す断面図である。このセラミックス構造物は、基板30と、中間層31と、厚膜層32とを含んでいる。
Furthermore, you may provide the intermediate | middle layer from which a porosity changes continuously as a 3rd modification of the ceramic structure which concerns on this embodiment. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a third modification of the ceramic structure according to the present embodiment. This ceramic structure includes a
中間層31において、例えば、基板30側の空隙率は約20%であり、厚膜層32側の空隙率は約5%であり、その間の領域においては、空隙率が連続的に変化する。このように、中間層の空隙率を傾斜させて硬度を徐々に変化させることにより、基板30と厚膜層32との間に発生した熱応力を、さらに効率良く吸収することができる。
このような中間層31を形成するためには、図4に示す成膜装置のエアロゾル生成室3及び9に、粒子径分布の中心値が互いに異なる原料の粉体をそれぞれ配置し、エアロゾル101及びエアロゾル102の供給割合を連続的に変化させながら成膜すれば良い。
In the
In order to form such an
次に、本発明の第2の実施形態に係るセラミックス構造物及びその製造方法について説明する。図7は、本実施形態に係るセラミックス構造物を示す断面図である。
図7に示すセラミックス構造物は、同じ組成を有する剥離犠牲層41及び厚膜層42を含んでいる。剥離犠牲層41は、20%〜40%程度の空隙率を有しており、厚膜層42は、5%程度の空隙率を有している。このセラミックス構造物は、一般的なバルク材と同様に、セラミックス材料として利用することができる。
Next, a ceramic structure and a manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a ceramic structure according to the present embodiment.
The ceramic structure shown in FIG. 7 includes a peeling
図8は、本実施形態に係るセラミックス構造物の製造方法を説明するための図である。
まず、図1又は図4に示す成膜装置に基板40を配置し、所定の成膜温度(例えば、600℃)に保つ。本実施形態においては、基板40の材料として、SUSが用いられている。次に、空隙率が20%〜40%程度となるように平均粒子径が調整されたPZT粉体を用い、AD法により基板40の上に剥離犠牲層41を成膜する。さらに、原料の粉体として、例えば、平均粒子径が0.3μmのPZT粉体を用い、AD法により剥離犠牲層41の上に厚膜層42を成膜する。
FIG. 8 is a diagram for explaining a method for manufacturing a ceramic structure according to the present embodiment.
First, the
次に、図8の(b)に示すように、剥離犠牲層41及び厚膜層42が形成された基板を薬液エッチングすることにより、基板を選択的に除去する。エッチング液43としては、例えば、SUS基板を溶解する常温の第2塩化鉄溶液(FeCl3)が用いられる。これにより、図8の(c)に示すように、基板40が除去されたセラミックス構造物が得られる。
さらに、必要であれば、図8の(c)に示すセラミックス構造物の下部を研磨することにより、図7に示すセラミックス構造物が得られる。また、その前又は後で、セラミックス構造物を所定の温度でアニールしても良い。
Next, as shown in FIG. 8B, the substrate on which the separation
Further, if necessary, the ceramic structure shown in FIG. 7 can be obtained by polishing the lower part of the ceramic structure shown in FIG. Further, before or after that, the ceramic structure may be annealed at a predetermined temperature.
次に、本実施形態に係るセラミックス構造物の別の製造方法について説明する。図8において、剥離犠牲層41及び厚膜層42から基板40を除去する際に、エッチング液を用いる替わりに、熱処理によって基板40を剥離しても良い。即ち、図8の(a)に示す成膜後の構造物を、成膜温度よりも高温(例えば、700℃程度)に加熱する。これにより、基板40と厚膜層42と界面に熱応力が発生し、最も硬度の小さい剥離犠牲層41において破断が生じて基板40が剥離される。さらに、破断面を研磨することにより、図7に示すセラミックス構造物が得られる。
このように、本実施形態によれば、厚膜層にクラック等を生じさせることなく、容易に基板を剥離することができる。
Next, another method for manufacturing the ceramic structure according to this embodiment will be described. In FIG. 8, when removing the
Thus, according to the present embodiment, the substrate can be easily peeled without causing cracks or the like in the thick film layer.
以上説明した第1及び第2の実施形態においては、セラミックスとしてPZTを用いたが、本発明は、その他にも、アルミナ(Al2O3)、酸化チタンTiO2を含む酸化物セラミックスや、炭化ケイ素(SiC)等の炭化物セラミックス、窒化ケイ素(Si3N4)等の窒化物セラミックス、ホウ化チタン(TiB2)等のホウ化物セラミックスを含む非酸化物セラミックスのいずれのセラミックスに適用することができる。本発明をPZT以外のセラミックスに適用する場合には、AD法の原料として用いることができる粉体の平均粒子径の範囲や、平均粒子径と空隙率又は硬度との対応関係等は、PZTにおける場合と異なるものと考えられる。従って、使用する材料に応じて、それらの対応関係を予め測定しておくことが望ましい。 In the first and second embodiments described above, PZT is used as the ceramic. However, in the present invention, oxide ceramics including alumina (Al 2 O 3 ), titanium oxide TiO 2 , It can be applied to any ceramics including carbide ceramics such as silicon (SiC), nitride ceramics such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), and non-oxide ceramics including boride ceramics such as titanium boride (TiB 2 ). it can. When the present invention is applied to ceramics other than PZT, the range of the average particle diameter of the powder that can be used as a raw material for the AD method, the correspondence between the average particle diameter and the porosity or hardness, etc. It is considered different from the case. Therefore, it is desirable to measure the corresponding relationship in advance according to the material to be used.
本発明は、積層コンデンサや圧電アクチュエータ等のセラミックス材料を用いた構造物において利用可能である。 The present invention can be used in structures using ceramic materials such as multilayer capacitors and piezoelectric actuators.
1、8 ガスボンベ
1a 圧力調整部
2a、2b 搬送管
3、9 エアロゾル生成室
4 成膜室
5 排気ポンプ
6 ノズル
7 基板ホルダ
7a 基板ホルダ駆動部
10、20、30、40 基板
11、22、31、41 中間層
12、23、32、42 厚膜層
21、24 電極
43 エッチング液
101〜103 エアロゾル
DESCRIPTION OF
Claims (16)
セラミックス粉体を前記セラミックス層に向けて噴射して堆積させることにより形成された、第1の空隙率よりも低い第2の空隙率を有するセラミックス厚膜層と、
を具備するセラミックス構造物。 A ceramic layer having a first porosity formed by spraying ceramic powder onto a substrate and depositing the ceramic powder;
A ceramic thick film layer having a second porosity lower than the first porosity, which is formed by spraying and depositing ceramic powder toward the ceramic layer;
A ceramic structure comprising:
前記第2の空隙率が5%以下である、
請求項1又は2記載のセラミックス構造物。 The first porosity is 20% or more and 40% or less;
The second porosity is 5% or less,
The ceramic structure according to claim 1 or 2.
前記第2の空隙率が5%以下である、
請求項4記載のセラミックス構造物。 The first porosity is 10% or more and 20% or less;
The second porosity is 5% or less,
The ceramic structure according to claim 4.
前記第1の平均粒子径とは異なる第2の平均粒子径を有するセラミックス粉体を生成し、該エアロゾルを前記セラミックス層に吹き付けることにより、セラミックス厚膜層を形成する工程(b)と、
を具備するセラミックス構造物の製造方法。 Producing an aerosol containing ceramic powder having a first average particle size, and spraying the aerosol on a substrate to form a ceramic layer;
Producing a ceramic powder having a second average particle diameter different from the first average particle diameter, and spraying the aerosol onto the ceramic layer to form a ceramic thick film layer; and
A method for producing a ceramic structure comprising:
By heat-treating the substrate on which the ceramic layer and the ceramic thick film layer are formed at a temperature higher than the temperature at which the ceramic layer and the ceramic thick film layer are formed, the ceramic thick film layer and the substrate are The method for manufacturing a ceramic structure according to claim 10, further comprising a step of separating the ceramic layer.
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