JP4516327B2 - 積層構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁体と電極とが交互に形成されている積層構造体の製造方法に関する。

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（micro electro mechanical system：微小電子機械システム）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。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、超音波の検出感度が落ちてしまう。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。即ち、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。

圧電材料層を含む積層構造体の製造方法としては、従来より、バルクの圧電材料を用いるバルク法が知られている。バルク法においては、所望の厚さに削ったバルクの圧電材料を電極層と交互に重ね、接着剤を用いて接着したり、ボルトを締めることにより固定したりする手法が用いられている。

しかしながら、この手法は、一般に、比較的大きい積層構造体の製造に用いられており、微小な積層構造体の製造に用いる場合には、薄く削った圧電材料が脆く割れ易いことからハンドリングが困難であり、また、微細加工が困難であるので、製造工程が煩雑になる。特に、厚さ１００μｍ以下の圧電材料は割れ易い。また、出来上がった製品については、接着剤による装着性に問題があると共に、接着部分において応力が発生するという問題が生じている。従って、この手法によると、製造歩留まりが低下し、製造コストが上昇してしまうので、生産性の観点からも適当ではない。そのため、積層構造体を成膜によって製造するグリーンシート法又はスクリーン印刷法が検討されている。

グリーンシート法又はスクリーン印刷法においては、可塑性のない圧電材料の粉末に有機物等のバインダを混合して成膜したグリーンシート（圧電体シート）が用いられる。この手法においては、圧電体シート上に電極材料のペーストをスクリーン印刷により塗布した複数のシートを積層し、約１０００℃の高温で焼成することにより、バインダを圧電体シートから飛散させて、圧電体を強固な膜にしている。

このような手法を用いて製造される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、積層構造体の側面において配線が行われる。図１０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、側面配線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、電極１０３は、その一端が積層構造体の他方の壁面まで伸びるように形成されている。これにより、電極１０２は、一方の側面配線１０４に接続されると共に、他方の側面配線１０５から絶縁領域１０６によって絶縁される。反対に、電極１０３は、側面配線１０５に接続されると共に、側面配線１０４から絶縁領域１０６によって絶縁される。側面配線１０４と側面配線１０５との間に電位差を与えることにより、電極１０２と電極１０３との間にそれぞれ配置された圧電材料層１０１の各々に電圧が印加され、圧電効果によって圧電材料層１０１が伸縮する。

しかしながら、電極１０２及び１０３には、いずれかの側面配線と絶縁するために、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、圧電材料層１０１の内部に、伸縮する第１の領域と伸縮しない第２の領域とが存在するので、これらの領域の間に応力が集中して破損し易いという問題がある。

関連する技術として、下記の特許文献１には、長寿命の積層型圧電アクチュエータの製造方法が開示されている。この特許文献１によれば、圧電セラミックス材を主体とするグリーンシートの表面全面に内部電極を形成し、該グリーンシートを層状に積層して焼結し、該被焼結物の両側面に機械加工を施し、両側面の端部を一層おきに樹脂にて絶縁処理し、該被処理物の上からそれぞれの面に導電層を形成する。これにより、従来のように全面電極を形成し得ないものに比べて耐久性を向上させることができ、また、内部電極を部分的に形成するための位置合わせの必要も無く、微細化が可能となる。

しかしながら、グリーンシート（圧電体シート）と内部電極シートとによって形成される積層体の焼成は、一般的に約１０００℃の高温で行われるので、内部電極に用いられる導電材料（例えば、銀）が圧電体内に拡散することにより、圧電体の特性が劣化してしまう。さらに、グリーンシート法によって製造される圧電体においては、内部に含まれる有機物等のバインダが抜けた後に形成される孔がバルクの圧電体に比べて多いので、その特性は、バルクの圧電体の特性の６割〜７割程度である。したがって、グリーンシート法によって製造される積層構造体の圧電性能は、バルク法によって製造される積層構造体の圧電性能よりも劣るという問題がある。また、スクリーン印刷法においても同様の問題がある。
特開昭６０−１２８６８３号公報（第２頁、第２図）

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、バルクの圧電材料を用いた場合においても、グリーンシート法と同等の微細な積層構造体を実現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の製造方法は、圧電材料に粘着シートを貼り付け、粘着シートを切断しないように圧電材料を切断して複数の圧電材料層に分離し、圧電材料を切断することによって形成された圧電材料の溝に導電体ペーストを注入して焼成することにより、複数の圧電材料層の間に複数の電極層がそれぞれ形成された圧電素子を得るステップ（ａ）と、圧電素子の第１の面において、複数の電極層の内の第１群の電極層を被う第１の絶縁膜を形成するステップ（ｂ）と、圧電素子の第２の面において、複数の電極層の内で第１群の電極層と交互に配置されている第２群の電極層を被う第２の絶縁膜を形成するステップ（ｃ）と、圧電素子の第１の面において、第２群の電極層と電気的に接続され、第１の絶縁膜によって第１群の電極層から絶縁される第１の配線を形成するステップ（ｄ）と、圧電素子の第２の面において、第１群の電極層と電気的に接続され、第２の絶縁膜によって第２群の電極層から絶縁される第２の配線を形成するステップ（ｅ）とを具備する。

本発明によれば、圧電材料に粘着シートを貼り付け、粘着シートを切断しないように圧電材料を切断して複数の圧電材料層に分離し、圧電材料を切断することによって形成された圧電材料の溝に導電体ペーストを注入した後に焼成を行うことにより、バルクの圧電材料を用いた場合においても、グリーンシート法と同等の微細な積層構造体を実現することができる。

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、本発明の一実施形態に係る積層構造体の構造を示す図である。図１に示すように、積層構造体１０は、例えば、底面の一辺が０．３〜１．０ｍｍ程度、高さが２．１ｍｍ程度の微小な柱状の構造体である。積層構造体１０は、複数のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）層１と、複数の第１電極層２と、複数の第２電極層３と、複数の第１絶縁膜４と、複数の第２絶縁膜５と、複数の第３絶縁膜６と、配線７及び８とを含んでいる。本実施形態においては、ＰＺＴ層１として、バルクのＰＺＴを用いている。

複数のＰＺＴ層１の間には、第１電極層２と第２電極層３とが交互に配置され、各々のＰＺＴ層１には、第１電極層２又は第２電極層３が直接接合されている。配線７は、積層構造体１０の一方の側面及び底面を覆い、配線８は、積層構造体１０の他方の側面及び上面を覆い、配線７と配線８とは、第３絶縁膜６によって絶縁されている。

第１電極層２は、一方の側面において配線７と電気的に接続され、他方の側面に配置された第１絶縁膜４によって配線８から絶縁されている。第２電極層３は、一方の側面に配置された第２絶縁膜５によって配線７から絶縁され、他方の側面において配線８と電気的に接続されている。

配線７及び８、第１電極層２、第２電極層３を介してＰＺＴ層１に電圧を印加することにより、ＰＺＴ層１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。積層構造を有する構造体は、単層の構造体よりも、対向する電極の面積を増やすことになるので、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。

なお、本実施形態においては、圧電材料としてバルクのＰＺＴを用いているが、粉末を焼成したバルク材のほかに、エアロゾルデポジション（ＡＤ：aerosol deposition）法により形成される圧電材料や、引き上げ法により形成される単結晶体の圧電材料を用いても良い。

次に、本実施形態に係る積層構造体の製造方法について、図２〜図６を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係る積層構造体の製造方法を示すフローチャートである。また、図３〜図６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に示すステップＳ１〜Ｓ３において、ＰＺＴ層１を形成する。ステップＳ１において、図３の（Ａ）に示すように、バルクのＰＺＴを用意する。本実施形態においては、２５ｍｍ角で厚さ０．３ｍｍのＰＺＴを用いている。次に、ステップＳ２において、図３の（Ｂ）に示すように、バルクのＰＺＴの裏面に粘着シートを貼り付ける。

ステップＳ３において、図３の（Ｃ）に示すように、ダイサー式切断機を用いてバルクのＰＺＴを切断し、ＰＺＴ層１を形成する。ここで、各ＰＺＴ層１を固定するために、ダイサー式切断機によって粘着シートが切断されないようにしている。このように、ダイサー式切断機を用いることにより、容易にＰＺＴを微細加工できるので、所望の寸法を有するＰＺＴ層１を精度良く形成することができる。

本実施形態によれば、微細加工が可能であるダイサー式切断機を用いているので、ＰＺＴ層１の厚さを調整するための研磨が必要なく、また、パッキング密度が９０％以上で、且つ、微小な積層構造体を製造することができる。また、ＰＺＴ層１を１枚ずつハンドリングする必要が無いので、ＰＺＴ層１枚ずつのハンドリングに起因する破損を防止することができ、歩留まりを向上させることができる。

次に、ステップＳ４〜Ｓ６において、第１電極層２及び第２電極層３を形成する。ステップＳ４において、図４の（Ａ）に示すように、ダイサー式切断機によって形成された溝に、銀ペースト又は銀パラジウムペースト等の導電体ペーストを注入する。ステップＳ５において、図４の（Ｂ）に示すように、ＰＺＴ層１を固定していた粘着シートを剥がす。

ステップＳ６において、図４の（Ｃ）に示すように、導電体ペーストの乾燥及び焼成を行い、第１電極層２及び第２電極層３を形成する。本実施形態においては、乾燥は約１００℃で１０分間行い、焼成は約６００℃で行っている。ここで、焼成時には、導電体ペーストから有機分や水分が抜けるので、導電体ペーストの体積が減少する。したがって、本実施形態においては、焼成時に、ＰＺＴ層１間の間隔を徐々に狭めるように、一定の力を積層方向に印加している。

次に、ステップＳ７〜Ｓ１０において、第１絶縁膜４、第２絶縁膜５、及び、第３絶縁膜６を形成する。ステップＳ７において、図５の（Ａ）に示すように、フォトリソグラフィ工程を用いて、積層構造体１０の第１の面に、所望のパターンのレジストマスクを形成する。なお、レジストマスクの替わりに、メタルマスクを形成しても良い。ステップＳ８において、図５の（Ｂ）に示すように、レジストマスクを利用して第１の面に第１絶縁膜４及び第３絶縁膜６を形成した後、レジストマスクを取り除く。

ステップＳ９において、積層構造体１０の上下を逆転させ、図５の（Ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ工程を用いて、積層構造体１０の第１の面と反対の第２の面に、所望のパターンのレジストマスクを形成する。ステップＳ１０において、図５の（Ｄ）に示すように、レジストマスクを利用して、第２の面に第２絶縁膜５及び第３絶縁膜６を形成した後、レジストマスクを取り除く。

以上において、絶縁膜４〜６の形成には、後で説明するＡＤ法による成膜方法を用いている。絶縁膜４〜６の材料としては、例えば、ＰＺＴ、アルミナ、ＺｒＯ_２等のＺｒ系酸化物、及び、ＴｉＯ_２等を用いることができる。即ち、ＡＤ法による成膜方法を用いて絶縁膜を形成することが可能な材料であれば、使用することができる。

次に、ステップＳ１１〜Ｓ１３において、配線７及び８を形成する。ステップＳ１１において、図６の（Ａ）に示すように、不要なＰＺＴの周辺部をカットする。ステップＳ１２において、図６の（Ｂ）に示すように、積層構造体１０の前面、後面、及び、第３絶縁膜６以外の部分に、導電体ペーストを塗布する。ステップＳ１３において、図６の（Ｃ）に示すように、導電体ペーストの乾燥及び焼成を行い、配線７及び８を形成する。

ここで、本実施形態において絶縁膜を形成するために用いられるＡＤ法について説明する。図７は、ＡＤ法によって成膜を行うために用いる装置を示している。この装置は、エアロゾル生成容器２０と、成膜チャンバ３０とを有している。エアロゾルとは、気体中に浮遊する固体又は液体の微粒子のことをいう。なお、本実施形態においては、絶縁膜を形成するために、平均粒子径が０．２μｍ〜１μｍのＰＺＴの微粒子を用いている。

エアロゾル生成容器２０は、成膜原料の粉体が配置される容器であり、ここでエアロゾルの生成が行われる。エアロゾル生成容器２０には、キャリアガス導入部２１、エアロゾル導出部２２、及び、圧力調整ノズル２３が設けられている。キャリアガス導入部２１は、原料の粉体をキャリアするために用いられる気体であるキャリアガスを、エアロゾル生成容器２０の内部に導入する。即ち、エアロゾル生成容器２０に配置された原料の粉体をキャリアガスによって噴き上げることにより、エアロゾルが生成される。

このキャリアガスとしては、乾燥空気、窒素ガス、アルゴンガス、酸素ガス、ヘリウムガス等が用いられる。また、エアロゾル導出部２２は、エアロゾル生成容器２０において生成されたエアロゾルを吸引し、成膜チャンバ３０に導く。圧力調整ノズル３３は、エアロゾル生成容器２０と成膜チャンバ３０との圧力差を調整する際に用いられる。

このようなエアロゾル生成容器２０は、振動台２４の上に戴置されている。振動台２４は、エアロゾル生成容器２０に振動を与えることにより、エアロゾル生成容器２０に配置される原料の粉体を撹拌し、エアロゾルが効率的に生成されるようにする。

成膜チャンバ３０には、排気管３１と、エアロゾル導入部３２と、ノズル３３と、可動ステージ３４とが備えられている。排気管３１は、真空ポンプに接続されており、成膜チャンバ３０内を排気する。エアロゾル導入部３２は、エアロゾル生成部２０のエアロゾル導出部２２に接続されており、エアロゾル生成部２０において生成されたエアロゾルを成膜チャンバ３０内に導入する。ノズル３３は、エアロゾル導入部３２を介して導入されたエアロゾルを、可動ステージ３４上に配置されている積層構造体１０に向けて噴射する。

本実施形態によれば、ＰＺＴ層１としてバルクのＰＺＴを用いているので、グリーンシート法やスクリーン印刷法を用いて形成されるＰＺＴと比べて圧電性能が良い。また、グリーンシート法のように約１０００℃の焼成を必要としないので、電極材である銀の拡散がほとんど生じない。さらに、接着剤を用いずＰＺＴ層１に電極層２又は３を直接接合しているので、接着剤に起因する応力が発生せず、良好な圧電アクチュエータの性能を得ることができる。また、電極層２及び３をＰＺＴ層１の全面に配置しているので、ＰＺＴ層１の一部の領域に応力が集中しない。その結果、積層構造体１０は、従来の積層構造体と比べて耐久性が良い。

なお、本実施形態においては、ＡＤ法を用いて絶縁膜を形成したが、スパッタ法、蒸着法、電気泳動法、又は、メッキ法等を用いて絶縁膜を形成しても良い。また、本実施形態においては、導電体ペーストを用いて配線７及び８を形成したが、白金チタンを密着層として用いて、白金をスパッタすることによって配線７及び８を形成しても良い。さらに、本実施形態においては、ダイサー式切断機を用いてバルクのＰＺＴを切断しているが、レーザカッタを用いてバルクのＰＺＴを切断しても良い。その場合には、粘着シートの替りに基板を用いる。

以上説明した積層構造体を複数配置することにより、アレイ状の積層構造体を作製することができる。例えば、図８に示すように、複数の積層構造体１０が、基板上に２次元アレイ状に配置された積層構造体を作製することができる。

図９は、図８に示すような２次元アレイ状の積層構造体を超音波用探触子に適用した例を示す一部断面斜視図である。この超音波用探触子は、超音波を送信及び受信する複数の超音波トランスデューサを含む超音波トランスデューサアレイ４０と、音響整合層４１と、音響レンズ４２と、バッキング層４３とを含んでいる。これらの各部４０〜４３は、筐体４４に収納されている。また、超音波トランスデューサアレイ４０に含まれている複数の超音波トランスデューサの配線は、ケーブル４５を介して超音波撮像装置本体に接続される。

これらの超音波トランスデューサの間には、エポキシ樹脂等の充填材が配置されている。音響整合層４１は、超音波を伝えやすいガラスや、セラミックや、金属粉入りエポキシ樹脂等によって形成されている。音響整合層４１は、生体である被検体と超音波トランスデューサとの間の音響インピーダンスの不整合を解消する。これにより、超音波トランスデューサから送信された超音波を、効率良く被検体中に伝播させることができる。

音響レンズ４２は、例えば、シリコンゴムによって形成されている。音響レンズ４２は、超音波トランスデューサアレイ４０から送信され、音響整合層４１において音響インピーダンスを整合された超音波ビームを、所定の深度において集束させる。バッキング層４３は、例えば、エポキシ樹脂やゴムにフェライト等の金属の粉体やＰＺＴの粉体を混入した材料のように、音響減衰の大きい材料によって形成されている。バッキング層４３は、超音波トランスデューサアレイ４０から発生した不要な超音波を早く減衰させる。

このような超音波用探触子を作製する際には、ガラスやマコール（登録商標）を材料とする基板上に複数の積層構造体をアレイ状に配置し、それらの積層構造体の間に充填材を配置することにより、超音波トランスデューサ４０及び音響整合層４１を作製する。なお、この場合において、基板に別の音響整合層を張り合わせることにより、複数層から成る音響整合層を設けても良い。

本実施形態において、バルクのＰＺＴを用いてＰＺＴ層を作製する場合には、導電体ペーストの焼成時におけるＰＺＴ層の熱収縮が少なく、ＰＺＴ層が熱収縮するグリーンシート法やスクリーン印刷法と比べて、厚い積層構造体を安定して製造することができる。その結果、低い周波数の超音波を送受信する超音波トランスデューサを作製することができる。

本発明は、絶縁体と電極とが交互に形成されている積層構造体の製造方法において利用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る積層構造体の構造を示す図である。 本実施形態に係る積層構造体の製造方法を示すフローチャートである。 本実施形態に係る積層構造体のＰＺＴ層の形成を説明するための図である。 本実施形態に係る積層構造体の電極層の形成を説明するための図である。 本実施形態に係る積層構造体の絶縁膜の形成を説明するための図である。 本実施形態に係る積層構造体の配線の形成を説明するための図である。 ＡＤ法によって成膜を行うために用いる装置を示す図である。 基板上に２次元アレイ状に配置された複数の積層構造体を示す図である。 ２次元アレイ状の積層構造体を超音波用探触子に適用した例を示す一部断面斜視図である。 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。

符号の説明

１ ＰＺＴ層
２、３ 電極層
４〜６ 絶縁膜
７、８ 配線
１０ 積層構造体
２０ エアロゾル生成容器
２１ キャリアガス導入部
２２ エアロゾル導出部
２３ 圧力調整ノズル
２４ 振動台
３０ 成膜チャンバ
３１ 排気管
３２ エアロゾル導入部
３３ 圧力調整ノズル
３４ ステージ
４０ 超音波トランスデューサアレイ
４１ 音響整合層
４２ 音響レンズ
４３ バッキング層
４４ 筐体
４５ ケーブル

Claims (4)

1. 積層構造体の製造方法であって、
   圧電材料に粘着シートを貼り付け、前記粘着シートを切断しないように前記圧電材料を切断して複数の圧電材料層に分離し、前記圧電材料を切断することによって形成された前記圧電材料の溝に導電体ペーストを注入して焼成することにより、前記複数の圧電材料層の間に複数の電極層がそれぞれ形成された圧電素子を得るステップ（ａ）と、
   前記圧電素子の第１の面において、前記複数の電極層の内の第１群の電極層を被う第１の絶縁膜を形成するステップ（ｂ）と、
   前記圧電素子の第２の面において、前記複数の電極層の内で前記第１群の電極層と交互に配置されている第２群の電極層を被う第２の絶縁膜を形成するステップ（ｃ）と、
   前記圧電素子の第１の面において、前記第２群の電極層と電気的に接続され、前記第１の絶縁膜によって前記第１群の電極層から絶縁される第１の配線を形成するステップ（ｄ）と、
   前記圧電素子の第２の面において、前記第１群の電極層と電気的に接続され、前記第２の絶縁膜によって前記第２群の電極層から絶縁される第２の配線を形成するステップ（ｅ）と、
   を具備する製造方法。
2. ステップ（ｂ）が、前記第１の絶縁膜を形成するためのマスクを形成することを含み、
   ステップ（ｃ）が、前記第２の絶縁膜を形成するためのマスクを形成することを含む、
   請求項１記載の製造方法。
3. ステップ（ｂ）又は（ｃ）において形成されるマスクが、レジストマスク又はメタルマスクを含む、請求項２記載の製造方法。
4. ステップ（ｂ）又は（ｃ）が、前記第１又は第２の絶縁膜を、エアロゾルデポジション法、スパッタ法、蒸着法、電気泳動法、メッキ法の内の１つを用いて形成することを含む、請求項１記載の製造方法。

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