JP3764763B2

JP3764763B2 - セラミックスの改質加工方法及びその装置

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Publication number: JP3764763B2
Application number: JP19840995A
Authority: JP
Inventors: 淳士大原; 吉孝後藤; 雅夫永久保; 恒雄宇理須; 崇倉橋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1995-08-03
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2015-08-03
Also published as: JPH0948684A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス材料を用いる各種センサ，アクチュエータ，コンデンサデバイス等の表面に、電極や導電路等の導電部を形成するためのセラミックスの改質加工方法及びその装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
例えばタッチセンサや赤外線センサ、超音波発受振子，超音波モータの駆動源等に用いられるセラミックスにおいては、その表面に電極や導電路が形成される。従来では、そのような電極や導電路を形成する方法として、蒸着法やスパッタ法によって、セラミックス材料の表面にＡｌ，Ａｕ等の金属薄膜を形成することが一般的であった。この場合、所定パターンを有する金属製のマスクを用いることによって、セラミックス材料の表面に所定パターンにて電極や導電路を形成するようになっている。
【０００３】
しかしながら、このような方法では、マスクとセラミックス材料の表面との間に隙間があると、薄膜材料が回り込んで形成される金属薄膜のパターンにずれやぼやけが生ずることがあり、また、マスクが密着している場合には、マスク端部で影が生じてぼやけが生ずることがある。さらには、セラミックス材料の表面が平面形状でない場合にも、同様のぼやけが生ずることになる。このため、従来では、例えばサブミクロンオーダーの微細パターンの導電部の形成は不可能である等、パターニングの微細化を十分に進めることができなかった。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ずれやぼやけを極力抑えた微細パターンの導電部をセラミックス材料の表面に形成することが可能なセラミックスの改質加工方法及びその装置を提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックスの改質加工方法は、セラミックス材料の表面を改質して所定パターンの導電部を形成するための方法であって、前記セラミックス材料の表面に対して、前記所定パターンに対応したマスクを介して、エネルギー的に前記セラミックス材料の内殻電子を励起させることが可能な、１フォトンあたり１００ｅＶ内外の高エネルギーを有する高輝度短波長光ビームまたはそれとエネルギー的に等価な電子ビームを照射することにより、前記セラミックス材料の表面部に原子の内殻電子の励起に基づく反応を生じせしめ、酸素原子または窒素原子あるいは炭素原子を脱離させるようにしたところに特徴を有する（請求項１の発明）。
【０００６】
この場合、前記セラミックス材料の表面に対する短波長光ビームまたは電子ビームの照射を、特定のガス雰囲気中で行うことができ（請求項２の発明）、また、前記セラミックス材料の加熱状態または冷却状態にて行うこともできる（請求項３の発明）。さらには、反射型マスク及び結像ミラーを用い、前記セラミックス材料に前記反射型マスクのパターンを縮小投影して所定パターンの導電部を形成するようにしても良い（請求項４の発明）。
【０００７】
そして、本発明のセラミックスの改質加工装置は、上記方法の実施に使用するための装置であって、エネルギー的に前記セラミックス材料の内殻電子を励起させることが可能な、１フォトンあたり１００ｅＶ内外の高エネルギーを有する高輝度短波長光ビームまたはそれとエネルギー的に等価な電子ビームを出力する出力装置と、前記所定パターンに対応したマスク及び前記セラミックス材料を所定の位置関係を維持した状態に支持する支持装置と、前記出力装置から出力される短波長光ビームまたは電子ビームを前記マスクを介して前記セラミックス材料の表面に照射させるように前記支持装置の位置を制御する位置制御手段とを具備するところに特徴を有する（請求項５の発明）。
【０００８】
この場合、前記セラミックス材料が収容される反応槽を備えると共に、その反応槽内を特定のガス雰囲気とするガス注入手段を備える構成とすることができ（請求項６の発明）、また、前記セラミックス材料を加熱または冷却する温度調節手段を備える構成とすることもできる（請求項７の発明）。さらには、前記マスクを反射型マスクから構成し、その反射型マスクのパターンを結像ミラーを用いて前記セラミックス材料に縮小投影するように構成するようにしても良い（請求項８の発明）。
【０００９】
ここで、短波長光ビームの光源としては、例えば電子シンクロトロン放射光ビーム（以下「ＳＲ光ビーム」と略す）を用いることができる。このＳＲ光ビームは、真空紫外からＸ線領域の極短波長領域にピークをもち、エネルギー密度の高い光源であり、光子を吸収した原子の内殻電子を励起させることができる。また、ＳＲ光ビームは指向性が高く平行光に近い光である。本発明者らは、かかるＳＲ光ビームを、ＰＺＴ等の金属酸化物からなるセラミックス材料の表面に照射することにより、照射部分における原子の内殻電子を励起させることに基づく反応により、酸素原子が脱離し、金属状（金属原子の還元）となって導電性が現れることを確認し、本発明を成し遂げたのである。
【００１０】
上記したような酸素原子の脱離は、オージェ過程（電子の放出現象）を含んだ反応により引起こされるものと推測される。また、酸素原子の脱離だけでなく、窒化物，炭化物セラミックスにおける窒素原子や炭素原子の脱離も可能となり、導電部を形成することができる。さらには、ＳＲ光ビームだけでなく、同様な波長域に発振周波数をもつＸ線レーザ、あるいは同様にこの波長域の強力な光源であるプラズマＸ線源、またエネルギー的にこれらの光源と等価な電子ビームによっても、同様の反応を生じさせることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなるセラミックス材料の表面に所定パターンの導電部を形成する場合に適用したいくつかの実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
（１）第１の実施例
まず、図１ないし図３を参照して本発明の第１の実施例について述べる。図１は本実施例に係るセラミックスの改質加工装置１の全体構成を概略的に示しており、この改質加工装置１は、短波長光発生装置（出力装置）としての電子シンクロトロン放射光発生装置２や反応槽３などを備えて構成されている。
【００１３】
前記電子シンクロトロン放射光発生装置２は、周知のように、高エネルギーに加速した電子を円運動させ、これを利用して真空紫外からＸ線の波長域にピークをもつ短波長光ビームであるＳＲ光ビームＢを出力するものである。このＳＲ光ビームＢは、１フォトンあたり１００ｅＶ内外の高エネルギーを有しており、また、指向性が高く平行光に近い光となっていて所定のビーム径にて出力される。この電子シンクロトロン放射光発生装置２から出力されたＳＲ光ビームＢは、ビームライン４を通して前記反応槽３内に導入されるようになっている。
【００１４】
そして、前記反応槽３内には、セラミックス材料５及びマスク（レチクル）６を支持する支持装置７が設けられている。前記マスク６は、セラミックス材料５の表面に形成すべき導電部のパターンに対応したパターンを有しており、具体的には図２に示すように、例えば石英ガラスからなる薄板状の透過材６ａの表面に、マスク材６ｂによって非透過部を形成して構成されている。この場合、マスク材６ｂ（便宜上太線で示す）は、例えばＡｕ膜からなり、電子ビーム露光技術によりパターン部分が除去されている。これにて、前記ＳＲ光ビームＢは、マスク６のうちマスク材６ｂの存在しないパターン対応部分のみを透過するようになっている。
【００１５】
前記セラミックス材料５は、例えばＰＺＴ等からなる酸化物絶縁性セラミックスからなり、板状に形成されている。前記支持装置７は、前記セラミックス材料５とマスク６とを平行状態、つまりセラミックス材料５の表面とマスク６との間隔Ｈ（図２参照）を一定に維持した状態に支持するようになっている。このとき、セラミックス材料５及びマスク６は、その板面がＳＲ光ビームＢの光軸に対して垂直に対向するように支持される。
【００１６】
また、この支持装置７は、セラミックス材料５及びマスク６をそのＳＲ光ビームＢの光軸に対して垂直な面方向に自在に移動させることができるように構成されている。そして、それらセラミックス材料５及びマスク６の位置は位置制御手段たる位置制御装置８により制御されるようになっている。この場合、位置制御装置８は、マイクロコンピュータを含んで構成され、小さなビーム径のＳＲ光ビームＢがマスク６（セラミックス材料５）全体に渡って走査されるように、セラミックス材料５及びマスク６を移動させるようになっている。
【００１７】
さらに、前記支持装置７には、温度調節手段としての温度調節装置９が設けられている。詳しく図示はしないが、この温度調節装置９は、前記セラミックス材料５を加熱するための電気ヒータ、及び、例えば内部を液体窒素などの冷媒が流通するセラミックス材料５を冷却するための冷却パイプ等から構成されている。これにて、セラミックス材料５を所定温度に加熱あるいは冷却した状態で、加工を行うことができるようになっている。
【００１８】
また、前記反応槽３には、ガス注入手段を構成するガス導入口１０及び排気ポート１１が設けられている。図示はしないが、前記ガス導入口１０にはガス供給源が接続可能とされ、もって特定の反応性ガス例えばＳＦ6 等のエッチングガスを打込むことができるようになっている。これにて、必要に応じて反応槽３の内部を特定のガス雰囲気とすることができるのである。
【００１９】
さて、以上のように構成された改質加工装置１においては、セラミックス材料５及びマスク６が支持装置７に支持された状態で、電子シンクロトロン放射光発生装置２が駆動されてＳＲ光ビームＢが出力される。これにより、セラミックス材料５の表面に、マスク６のうちの所定パターンに対応した透過部を通してＳＲ光ビームＢが照射される。またこのとき、セラミックス材料５及びマスク６の位置は位置制御装置８により時間的，空間的に制御され、セラミックス材料５の必要部分にＳＲ光ビームＢが一様に照射されることになる。
【００２０】
ここで、本発明者らの研究によれば、ＳＲ光ビームＢを、金属酸化物からなるセラミックス材料５の表面に照射することにより、照射部分における原子の内殻電子を励起させることに基づく反応により、酸素原子が脱離し、金属状（金属原子の還元）となって導電性が現れることを確認したのである。このような酸素原子の脱離は、オージェ過程（電子の放出現象）を含んだ反応により引起こされるものと推測される。
【００２１】
これにて、セラミックス材料５の表面部には、前記マスク６のパターンに対応した所定パターンの導電部５ａ（図２にハッチングの形態を変えて示す）が形成されるのである。この場合、ＳＲ光ビームＢは、その短波長性のために回折等の影響でマスク６の裏面側に回り込んだり、マスク材６ｂの影が生じたりすることなく、マスク６のパターンそのままの形態で高精度にセラミックス材料５の表面に照射（投影）されることになる。また、指向性が高く、平行光に近い光であるため、焦点深度に関して問題とならない。
【００２２】
従って、本実施例によれば、微細パターンの導電部の形成が不可能であった従来のものと異なり、ずれやぼやけを極力抑えた、サブミクロンオーダーの微細パターンの導電部５ａをセラミックス材料５の表面に形成することが可能となったのである。
【００２３】
さらに、本実施例によれば、図３に示すように、セラミックス材料１２が平面形状でない場合にあっても、その表面にマスク６に形成されたパターンを通して高精度でＳＲ光ビームＢを照射（投影）することができ、ずれやぼやけを極力抑えたサブミクロンオーダーの微細パターンの導電部１２ａを形成することができるものである。
【００２４】
また、詳しい説明は省略するが、反応槽３内を特定の反応を促進するガス雰囲気とすることによって、上記した酸素原子の脱離反応の速度を速めることができる。逆に反応速度が速すぎる場合には、反応を抑制するようなガス雰囲気とすることによって、反応速度を調整することができる。さらには、同様の反応速度の調整を、温度調節装置９により、セラミックス材料５の温度を調節することによっても行うことが可能となる。
【００２５】
尚、上記実施例では、透過材６ａの表面に金属膜からなるマスク材６ｂを設けてマスク６を構成したが、要求される所定パターンが幾何学的に単純なものの場合、例えばＳＵＳ等の金属マスクを用いることができ、より安価に済ませることができる。
【００２６】
（２）第２の実施例
次に、図４は本発明の第２の実施例を示すものであり、上記第１の実施例と異なるところは、密着型のマスクを用いるようにした点にある。本実施例では、例えばＰＺＴからなるセラミックス材料２１の表面に、多結晶シリコン（Ｐｏｉｙ−Ｓｉ）膜からなるマスク２２を形成する工程がまず行われる。
【００２７】
即ち、図４（ａ）に示すように、セラミックス材料２１の表面全体にレジスト膜２３をコーティングし、セラミックス材料２１のうち導電部を形成すべき表面（図で上面）に対応したレジスト膜２３上に、例えばＣＶＤ法によってマスク材としての多結晶シリコン膜２４を堆積し、さらにその多結晶シリコン膜２４上にレジスト膜２５を形成する。そして、最上面のレジスト膜２５に対してパターニング露光を行い、現像，エッチングを行うことにより、レジスト膜２５が所定パターンで除去される（図４（ｂ）参照）。
【００２８】
次に、上記レジスト膜２５をマスクパターンとして、例えばＨＦ系のエッチング液を用いて多結晶シリコン膜２４をエッチングする（図４（ｃ）参照）。その後、露出しているレジスト膜２５及びレジスト膜２３を除去することにより、図４（ｄ）に示すように、多結晶シリコン膜２４によるマスク２２が、セラミックス材料２１の上面に形成されるのである。
【００２９】
そして、このように表面にマスク２２が形成されたセラミックス材料２１に対する改質加工（導電部の形成）が行われるのであるが、この改質加工は、上記第１の実施例で説明した改質加工装置１を用いて行われ、反応槽３内に図４（ｄ）の状態のセラミックス材料２１を収容し、その表面（図４で上面）にＳＲ光ビームＢを照射することにより行われる。さらに、本実施例では、ＳＲ光ビームＢの照射と併せて、ガス導入口１０からエッチングガスであるＳＦ6 ガスを反応槽３内に打込む。
【００３０】
すると、上記第１の実施例と同様に、セラミックス材料２１の表面部が改質されてマスクパターンに対応した導電部２１ａ（図にハッチングの形態を変えて示す）が形成され、これと共に、ＳＦ6 ガスによって多結晶シリコン膜２４がエッチングされて除去される（図４（ｅ）参照）。しかる後、残ったレジスト膜２３を除去することによって、図４（ｆ）に示すように、表面に所定のパターンで導電部２１ａが形成されたセラミックス材料２１が得られるのである。
【００３１】
従って、本実施例によっても、上記第１の実施例と同様に、ずれやぼやけを極力抑えた、サブミクロンオーダーの微細パターンの導電部２１ａをセラミックス材料２１の表面に形成することができるものである。しかも、本実施例では、反応槽３内をＳＦ6 ガス雰囲気としたことによって、導電部２１ａの形成と、多結晶シリコン膜２４のエッチング除去とをほぼ同時に行うことができ、加工時間の短縮化を図ることができるといった効果も得ることができる。
【００３２】
（３）第３の実施例
最後に、図５は本発明の第３の実施例を示している。ここでは、ＳＲ光ビームＢをマスクを透過させてセラミックス材料に照射することに代えて、反射型マスク３１及び結像ミラー３２を用いて、セラミックス材料３３に対して前記反射型マスク３１のパターンを縮小投影するようにしている。
【００３３】
この場合、反射型マスク３１には、ＳＲ光ビームＢを反射する基材の表面にＳＲ光ビームＢを反射しない材料からマスクパターンが形成されており、斜め方向から入射されたＳＲ光ビームＢをマスクパターンに対応した断面形態で反射するようになっている。そして、前記結像ミラー３２は、例えばＸ線用の多層膜反射ミラーが用いられ、前記反射型マスク３１からのＳＲ光ビームＢを、凹面状をなす表面にて反射し、前記マスクパターンを縮小投影した状態でセラミックス材料３３の表面に照射するのである。
【００３４】
このような実施例によれば、やはりずれやぼやけを極力抑えた、サブミクロンオーダーの微細パターンの導電部３３ａをセラミックス材料３３の表面に形成することができる。また、本実施例では、反射型マスク３１のパターンを縮小投影するようにしたので、セラミックス材料３３の表面に、より細密なパターンにて導電部３３ａを形成することが可能となるものである。
【００３５】
尚、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、次のような拡張，変更が可能である。即ち、上記各実施例では電子シンクロトロンを用いたＳＲ光ビームＢにより改質加工を行うようにしたが、被改質材料となるセラミックスの内殻電子の励起反応を生じさせる真空紫外域からＸ線までの波長域の他の高輝度光源、具体的にはＸ線レーザ、プラズマＸ線源等でも良い。また、エネルギー的にこれらの光源と等価な電子ビームの照射によりセラミックス材料の改質を行うことも可能である。また、セラミックス材料として、ＰＺＴを具体例として上げたが、他の酸化物セラミックスにも適用することができ、酸化物以外にも、窒化物，炭化物セラミックスにおける窒素原子や炭素原子の脱離も可能となり、導電部を形成することができる。さらには、マスクの材質等についても、適宜変更して実施し得るものである。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明にて明らかなように、本発明のセラミックスの改質加工方法及びその装置によれば、セラミックス材料の表面に対して、所定パターンに対応したマスクを介して前記セラミックス材料の内殻電子を励起させることが可能な高輝度短波長光ビームまたはそれとエネルギー的に等価な電子ビームを照射することにより、セラミックス材料の表面部に原子の内殻電子の励起に基づく反応を生じせしめ、酸素原子または窒素原子あるいは炭素原子を脱離させるようにしたので、ずれやぼやけを極力抑えた微細パターンの導電部をセラミックス材料の表面に形成することが可能となるという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すもので、改質加工装置の全体構成を概略的に示す図
【図２】セラミックス材料に短波長光ビーム（ＳＲ光ビーム）が照射される様子を示す図
【図３】セラミックス材料に凹凸がある場合の図２相当図
【図４】本発明の第２の実施例を示すもので、マスクの形成及び導電部の形成の手順を模式的に示す縦断面図
【図５】本発明の第３の実施例を示す図２相当図
【符号の説明】
図面中、１は改質加工装置、２は短波長光発生装置（電子シンクロトロン放射光発生装置）、３は反応槽、５，１２，２１，３３はセラミックス材料、５ａ，１２ａ，２１ａ，３３ａは導電部、６，２２はマスク、７は支持装置、８は位置制御装置（位置制御手段）、９は温度調節装置（温度調節手段）、１０はガス導入口、３１は反射型マスク、３２は結像ミラー、Ｂは短波長光ビーム（ＳＲ光ビーム）を示す。

Claims

セラミックス材料の表面を改質して所定パターンの導電部を形成するための方法であって、
前記セラミックス材料の表面に対して、前記所定パターンに対応したマスクを介して、エネルギー的に前記セラミックス材料の内殻電子を励起させることが可能な、１フォトンあたり１００ｅＶ内外の高エネルギーを有する高輝度短波長光ビームまたはそれとエネルギー的に等価な電子ビームを照射することにより、前記セラミックス材料の表面部に原子の内殻電子の励起に基づく反応を生じせしめ、酸素原子または窒素原子あるいは炭素原子を脱離させるようにしたことを特徴とするセラミックスの改質加工方法。
前記セラミックス材料の表面に対する短波長光ビームまたは電子ビームの照射を、特定のガス雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１記載のセラミックスの改質加工方法。
前記セラミックス材料の表面に対する短波長光ビームまたは電子ビームの照射を、前記セラミックス材料の加熱状態または冷却状態にて行うことを特徴とする請求項１又は２記載のセラミックスの改質加工方法。
反射型マスク及び結像ミラーを用い、前記セラミックス材料に前記反射型マスクのパターンを縮小投影して所定パターンの導電部を形成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のセラミックスの改質加工方法。
セラミックス材料の表面を改質して所定パターンの導電部を形成するための装置であって、
エネルギー的に前記セラミックス材料の内殻電子を励起させることが可能な、１フォトンあたり１００ｅＶ内外の高エネルギーを有する高輝度短波長光ビームまたはそれとエネルギー的に等価な電子ビームを出力する出力装置と、前記所定パターンに対応したマスク及び前記セラミックス材料を所定の位置関係を維持した状態に支持する支持装置と、前記出力装置から出力される短波長光ビームまたは電子ビームを前記マスクを介して前記セラミックス材料の表面に照射させるように前記支持装置の位置を制御する位置制御手段とを具備することを特徴とするセラミックスの改質加工装置。
前記セラミックス材料が収容される反応槽を備えると共に、その反応槽内を特定のガス雰囲気とするガス注入手段を備えることを特徴とする請求項５記載のセラミックスの改質加工装置。
前記セラミックス材料を加熱または冷却する温度調節手段を備えることを特徴とする請求項５又は６記載のセラミックスの改質加工装置。
前記マスクは反射型マスクからなると共に、その反射型マスクのパターンを結像ミラーを用いて前記セラミックス材料に縮小投影するように構成されていることを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載のセラミックスの改質加工装置。