JP6073932B2 - 多層デバイスの電気的接続部の生成方法および電気的接続部を有する多層デバイス - Google Patents

多層デバイスの電気的接続部の生成方法および電気的接続部を有する多層デバイス Download PDF

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Description

本発明は、多層デバイスの電気的接続部の製造方法および電気的接続部を有する多層デバイスに関する。
たとえばこのデバイスは、自動車における噴射バルブの駆動に使用することができるピエゾアクチュエータである。特許文献1は、光パターニング可能な絶縁材料を含むピエゾアクチュエータを開示している。特許文献2は、レーザーを用いて絶縁材料がパターニングされるピエゾアクチュエータを開示している。
ドイツ国特許出願公開公報DE102007058873A1号明細書 ドイツ国特許登録公報DE102006003070B3号明細書
本発明の課題は、多層デバイスの電気的接続部の製造のための改善された方法および改善された電気的接続部を有する多層デバイスを提供することである。
本発明は、多層デバイスの電気的接続部の製造方法を開示する。この方法は、複数の内部電極層を有する多層デバイスの基体を提供するステップである、ステップA)を備える。さらに、絶縁材料、導電性材料、および光感受性の材料を提供するステップである、ステップB)を備える。ステップC)では、好ましくは、上記の絶縁材料および導電性材料が基体の外面上で内部電極層と交互に接続されるようにパターンレイアウトされ、ここでこのパターンレイアウトは、光感受性材料を用いて形成される。
基体は誘電体層からなる積層体を有してよい。たとえば、誘電体層および内部電極層が積層方向に沿って積層される。この積層方向は、好ましくは基体の長手方向に対応する。好ましくは、誘電体層および内部電極層は交互に重なり合って積層される。
これらの誘電体層は、たとえばセラミック材料である圧電材料であってよい。この基体の製造には、グリーンシートが用いられてよく、これらのグリーンシートの上に内部電極層の形成するために、たとえば金属ペーストが塗布される。たとえばこの金属ペーストは、シルクスクリーン印刷処理で塗布される。この金属ペーストは銅を含んでよい。これからたとえば、主成分として銅を含有する内部電極層が形成される。代替として、この金属ペーストは、銀パラジウムを含んでよく、これから銀パラジウムを主成分として含有する内部電極層が形成される。この金属ペーストを塗布した後、好ましくはこのグリーンシートは積層され、押圧されてまとめて焼結され、モノリシック焼結体が生成される。好ましくは、デバイスの基体はモノリシック焼結体から形成され、たとえば上記のように製造された焼結体から形成される。
たとえば、この多層デバイスは、圧電デバイスとして形成され、たとえば圧電アクチュエータとして形成される。圧電アクチュエータでは、内部電極層に電圧を印加すると、これらの内部電極層の間に配設された圧電層が伸張し、アクチュエータの隆起が生成される。この多層デバイスは、他のデバイスとして形成されてよく、たとえば多層コンデンサとして形成されてよい。
「圧電層」は、好ましくは、この積層体の1つのセグメントを表し、このセグメントは圧電材料を有し、積層方向で2つの隣接する内部電極層と接している。1つの圧電層は、積層方向に重なり合って配設されている1つ以上の圧電性薄層から形成されていてよい。たとえば、1つの圧電性薄層は、1つのグリーンシートから製造されてよい。1つの圧電層はまた、単一の圧電性薄層を有してもよい。
この多層デバイスは、好ましくは、全体が活性な多層デバイスである。全体が活性な多層デバイスでは、内部の電極層は基体の全断面に渡って延在している。誘電体層は、こうしてこれらの内部電極層により完全に覆われている。この多層デバイスは特に、隣接する電極層間に不活性な区域がない。不活性な区域とは、異なる極性の2つの隣接する電極間の領域であり、ここではこれらの電極が重なり合っていない。
積層方向で隣接する内部電極層の間に電圧を印加するために、好ましくは少なくとも2つの外部電極が設けられている。たとえば、2つの外部電極は、基体の対向する外面に配設されている。好ましくは、これらの外部電極は、絶縁材料および導電性材料に機械的に接続されている。好ましくは、内部電極層は積層方向で交互に、これらの外部電極の1つと接続され、また他の1つの外部電極から電気的に絶縁されている。このような交互の電気的接続は、好ましくは、絶縁材料および導電性材料のパターンレイアウトによって達成される。
これらの絶縁材料および導電性材料は、好ましくは、基体の外面に直接取付られる。好ましくは、これらの絶縁材料および導電性材料は、内部電極層と直接機械的に接続されている。好ましくは、これらの絶縁材料および導電性材料は、積層方向で交互に、内部電極層の上に配設されている。たとえば、これらの絶縁材料および導電性材料は、内部電極層の上に帯状に配設されている。これにより、たとえば1つの内部電極層が基体の外面で絶縁材料によって完全に覆われ、あるいは導電性材料によって覆われる。代替として、この内部電極層の部分領域のみが絶縁材料あるいは導電性材料によって覆われる。1つの好ましい実施形態においては、この絶縁材料は、絶縁バー(Isolationsstegen)の形態で内部電極層に取り付けられる。好ましくは、この絶縁バーは積層方向に対し垂直に延在する。
1つの好ましい実施形態においては、少なくとも1つの絶縁用バーの幅は、積層方向で2つの隣接する内部電極層の電極層の間隔より大きい。1つの好ましい実施形態においては、1つの外面にはそれぞれ複数の絶縁バーが配設されている。好ましくは接続バーの形態で導電性材料が内部電極層に取り付けられる。好ましくは接続バーと絶縁バーとは積層方向で交互になっている。1つの好ましい実施形態においては、1つの外面にはそれぞれ複数の接続バーが配設されている。
絶縁材料は、好ましくは電気的に絶縁性の材料から成る。この絶縁材料は、たとえばガラス,セラミック粉末または有機絶縁ワニス(organischen Isolierlack)を含んでよい。この絶縁材料は、たとえばラミネート加工,印刷またはスプレーを用いて取り付けられてよい。好ましくはこの絶縁材料は、層として取り付けられる。
導電性材料は、たとえばスパッタリングを用いて取り付けられてよい。代替として、この導電性材料は、金属ペーストとして塗布されてよく、続いてこの金属ペーストは焼き付けられる。代替として、この導電性材料は導電性接着剤から成ってよい。この導電性材料は、たとえば金属を含有するかまたは金属性材料であってよい。好ましくは、この導電性材料は層として取り付けられる。好ましくは、1つの方法ステップで光感受性材料が多層デバイスの基体の外面上に取り付けられてパターニングされる。
好ましくは、この光感受性材料は、基体の少なくとも1つの外面上に、絶縁材料および導電性材料のパターンレイアウトを形成するために、取り付けられてパターニングされる。好ましくは、この光感受性材料は層として取り付けられる。この光感受性材料は、好ましくは、基体の2つの対向する外面上に取り付けられてパターニングされる。好ましくは、この光感受性材料は、そのパターニングの後で基体の外面上で全ての一つ置きの内部電極層の上の少なくとも一部の領域にこの光感受性材料が付いていないようにパターニングされる。
この光感受性材料は、好ましくはリソグラフィーを用いてパターニングされる。とりわけこの光感受性材料は、フォトリソグラフィーあるいはレーザーリソグラフィーによってパターニング可能なパターニング用材料であると考えてよい。
たとえば、この光感受性材料のパターニングはフォトリソグラフィーを用いてそのパターニングが行われる。このフォトリソグラフィーは、光感受性材料が露光によってパターニングされるという原理に基づいている。露光によって光感受性材料の化学特性の局所的な変化が起こリ得る。たとえば、光感受性材料は露光によって硬化され得る。硬化されなかった領域は、この後除去することができる。たとえば、この露光された領域を溶剤を用いて除去するが、この際光感受性材料の露光された領域のみが溶解され、露光されていない領域は溶解されない。代替として、この溶剤は露光されていない領域を溶解し、露光された領域は溶解しない。
たとえば、この光感受性材料はフォトレジストを含む。好ましくは、この光感受性材料は、とりわけその化学組成により、絶縁材料とは異なっている。
この光感受性材料は、絶縁材料および導電性材料のパターンレイアウトのためのマスクとして機能し得る。たとえば、この光感受性材料によって、上記の絶縁材料または導電性材料を正にこの基体の外面上の所定の位置のみに取り付けられてよく、たとえば全ての1つおきの内部電極層の上に取り付けられてよい。代替として、この光感受性材料によって、上記の絶縁材料または導電性材料が正にこの所定の位置のみで除去されてよく、たとえば全ての1つおきの内部電極層の上で除去されてよい。
好ましくは、多層デバイスの基体は、絶縁材料および導電材料の正確な位置決めができるように、光感受性材料のパターニングの前に寸法測定される。たとえばこの基体は、光学検査を用いて寸法測定される。
このような寸法測定によって、たとえば上述の積層体内の内部電極層の位置を確認することができる。たとえば光感受性材料のパターニングは、異なる積層高さおよび異なる誘電体層の厚さに合わせられてよい。このようにして、絶縁材料および導電材料のパターンレイアウトは個別にこの基体に合わせることができる。これにより、基体の1つの外面上のすべての内部電極層が充分に絶縁材料または導電材料で覆われることを保証することができる。
光感受性材料のパターニングは、露光マスクを用いて行ってよい。この露光マスクは、好ましくは露光の際に、この基体の側面上の全ての1つおきの内部電極層の上にある光感受性材料の領域が露光されるように形成されている。他の内部電極層の上の領域は露光されない。
この露光マスクは、上記の基体の寸法測定の結果に対応して選択されてよい。この際この露光マスクは基体の積層高さおよび内部電極層の位置に個々に合わせることができる。たとえばこのため、露光マスクのセットから、適合した露光マスクが選択されてよい。この選択はたとえばいわゆるクラス分割(Klasseneinteilung)によって行われてよい。代替として、いわゆる投影露光を用いて、露光マスク像の像縮尺が積層高さに合わせられてよい。この際基体と露光マスクとの間の距離は、ぴったりの像縮尺となるように調整される。
この基体の製造プロセスの際に、たとえば製造誤差のために、内部電極層間の間隔が様々となる可能性がある。このような様々な間隔は、たとえばプレス反り(Pressverzug)または基体の製造中の様々な焼結収縮(Sinterschwund)に由来し得る。この場合、露光マスクのパターンが正確に内部電極層の配置と一致しない可能性がある。これにより、基体の1つの外面上のこれらの内部電極層は、交互に絶縁材料および導電材料によって覆われるなくなる虞があり、むしろたとえば基体の1つの外面上の2つの隣接する内部電極層が導電性材料によって覆われてしまう虞がある。これにより短絡の虞が生じる。
稼働中の短絡の虞を避けるために、この絶縁材料は、好ましくは1つの絶縁バーの積層方向の幅が2つの隣接する内部電極層間の間隔より大きくなるようにパターニングされる。好ましくは、この絶縁バーの幅は、少なくとも2つの隣接する内部電極層の間隔に1つの内部電極層の厚さを加えた程度の大きさである。ここで、2つの隣接する内部電極層の間隔は、それぞれ電極層の中央から測られている。好ましくは、この絶縁バーは、2つの隣接する内部電極層の間隔より幅xだけ大きい。この幅xはオーバーラップと呼ばれる。好ましくは、この絶縁バーのオーバーラップは、内部電極層の信頼性の高い絶縁が保証されるように選択される。好ましくは、これにより、外面上の絶縁バーの不正確な配置によっても、少なくとも基体の1つの外面上の全ての一つおきの内部電極層が絶縁材料によって覆われる。好ましくは、この幅xは2つの内部電極層間の間隔より小さい。
これらの内部電極層間の様々な間隔のために、露光マスクのパターンが正確に内部電極層の配置と一致しない場合、この絶縁バーの幅のために、同じ外面上の2つ以上の隣接する内部電極層が絶縁材料によって覆われるようになり得る。これにより、多層デバイスの接続不良が生じる可能性があり、1つ以上の電極が接続されなくなる。このような接続不良のデバイスは、電気計測によって識別され、取り除くことができる。こうして、このようなデバイスは出荷および取付の前に取り除かれることができ、デバイスが稼働中に故障することが避けられる。
たとえば、この絶縁バーの積層方向の幅は、少なくとも積層方向の接続バーの幅の1.1倍となっている。たとえば、この絶縁バーの積層方向の幅は、少なくとも積層方向の接続バーの幅の2.0倍となっている。好ましくは、この絶縁バーの積層方向の幅は、少なくとも積層方向の接続バーの幅の1.3〜1.5倍となっている。
接続不良の虞は、まずマスク技術を用いたパターニングの際に生じる。自己整合的な方法を用いたパターニングでは、この接続不良の虞は低減される。
代替として、パターニングされる材料の所望の領域に狙いを定めて移動して露光されてよい。これはたとえばレーザーを用いて行うことができる。これはレーザーリソグラフィーと呼ばれている。好ましくは、このレーザーリソグラフィーの際にもオーバーラップを有する絶縁バーが取り付けられる。
1つの実施形態においては、この光感受性材料の取り付けは、絶縁材料の取り付け前および導電性材料の取り付け前に行われる。
この光感受性材料は、好ましくは基体の少なくとも1つの外面に取り付けられる。好ましくはこの光感受性材料は、基体の2つの対向する外面上に取り付けられる。1つの実施形態においては、この光感受性材料は、基体の表面に直接取り付けられてよく、誘電体層および内部電極層と直接機械的な接続があるようにする。
続いてこの光感受性材料は、上記で説明したようにパターニングされる。
この光感受性材料のパターニングの後に、好ましくは基体の1つの外面上のすべての1つおきの内部電極層が光感受性材料によって覆われる。残りの電極層には、好ましくは光感受性材料が取り付けられていない。
光感受性材料のパターニングの後に、たとえば絶縁材料が取り付けられる。
好ましくは絶縁材料は上記の剥き出しの内部電極層の上に取り付けられる。この絶縁材料は、剥き出しの内部電極層であっても、また光感受性材料であっても、絶縁材料で覆われるように取り付けられてよい。絶縁材料の取り付けの後では、好ましくはこれらの内部電極層は交互に光感受性材料および絶縁材料で覆われている。
もう1つの、とりわけ以下の方法ステップでは、光感受性材料を取り除くことができる。これによって、好ましくは剥き出しの電極層が形成される。
たとえばこれらの電極層は少なくとも部分的に剥き出しになっている。
たとえば、この光感受性材料は、いわゆるリフトオフ法において取り除かれてよい。このリフトオフ法の利用のために、この光感受性材料は、アンダーカット形状のエッジ(negative Flanke)を備えるようにパターニングされる。この光感受性材料のアンダーカット形状のエッジには絶縁材料が取り付かない。これらのアンダーカット形状のエッジは、後の方法ステップで、この光感受性材料を取り除くための侵食面(Angriffsflache)として機能することができる。たとえば、後のプロセスステップで、このアンダーカット形状のエッジを溶剤が侵食し、これにより光感受性材料を取り除くことができる。この際、光感受性材料に付着している絶縁材料もこの光感受性材料と共に取り除くことができる。
代替としてこの光感受性材料を取り除く前に、少なくともこの光感受性材料が絶縁材料によって覆われない程度まで、この絶縁材料を除去してよい。この絶縁材料の除去は、たとえばサンドブラスト(Sandstrahlen)、グラインディング(Schleifen)またはフライス加工(Frasen)により行われてよい。これに続いてこの光感受性材料は、溶剤によって取り除くことができる。
好ましくは、この光感受性材料は、ここで多層デバイスの基体から完全に取り除かれる。好ましくは、光感受性材料を取り除いた後では、基体の1つの外面上のすべての1つおきの内部電極層が絶縁材料によって覆われている。好ましくは、この基体の1つの外面上のすべての1つおきの内部電極層は、完全に絶縁材料によって覆われている。好ましくは、他の電極層は少なくとも部分的に絶縁材料が付いていない。
もう1つの、とりわけ以下のプロセスステップでは、好ましくは剥き出しの内部電極層に導電性材料が取り付けられる。
このため、この導電性材料は、基体の外面に好ましくは平面状に取り付けられ、この上に絶縁材料がパターンレイアウトされる。これによって基体の1つの外面上の全ての1つおきの内部電極層は、導電性材料と接続され、他方では基体のこの外面上の残りの内部電極層は、絶縁材料によって覆われている。
この導電性材料は、上記で説明した方法を用いて取り付けられてよい。
この方法の1つの代替の実施形態においては、導電性材料は好ましくは絶縁材料の取り付けの前に取り付けられる。
たとえば、まず光感受性材料が基体の1つの外面に取り付けられてパターニングされる。続いて導電性材料が、このパターニングされた光感受性材料の上に取り付けられる。
好ましくは、もう1つの以下の方法ステップで、光感受性材料を取り除くことができる。これによって、好ましくは剥き出しの電極層が形成される。
光感受性材料を取り除くことは、上記で説明したように行われてよい。
たとえば、パターニングされた光感受性材料に付着している導電性材料は、この光感受性材料と共に取り除かれる。これにより、好ましくはこの基体の1つの外面上のすべての1つおきの内部電極層は、導電性材料によって覆われている。好ましくは、この基体の外面のその他の電極層は、導電性材料が付いていない。
もう1つの、とりわけ以下のプロセスステップでは、好ましくは剥き出しの内部電極層に絶縁材料が取り付けられる。
この絶縁材料は、好ましくは導電性材料が絶縁材料によって覆われないように取り付けられる。たとえばこの絶縁材料は導電性材料への僅かな接着性を備える。たとえばこの絶縁材料は、これが基体の表面に付着するが、ただし導電性材料には付着しないように形成される。代替として、1つの追加的な方法ステップにおいて、導電性材料が絶縁材料によって覆われないように、この絶縁材料の一部が除去されてよい。たとえば、この絶縁材料は、サンドブラスト、グラインディングまたはフライス加工により除去されてよい。
この方法のもう1つの代替の実施形態においては、絶縁材料および導電性材料から成る少なくとも1つの材料が取り付けられ、その後光感受性材料が取り付けられる。
たとえば、基体の外面上に、まず絶縁材料が取り付けられる。たとえばこの絶縁材料は、層として取り付けられる。これに続いて光感受性材料が、絶縁材料上に取り付けられる。
もう1つの、とりわけ以下のステップでは、光感受性材料が取り除かれる。たとえば、この光感受性材料はフォトリソグラフィーを用いてパターニングされる。
この光感受性材料は、好ましくは基体の外面上で全ての1つおきの内部電極層の上に光感受性材料が存在するようにパターニングされる。この光感受性材料の下に取り付けられている材料、たとえば絶縁材料は、この際最初は変化されない。
好ましくは、もう1つの以下の方法ステップで、この絶縁材料および導電性材料から成る少なくとも1つの材料がパターニングされる。好ましくは、この光感受性材料はパターニングの際にマスクとして機能する。
とりわけcの光感受性材料の下にある層は、好ましくは、全ての1つおきの電極層が剥き出しになり、他の全ての1つおきの内部電極層が覆われるようにパターニングされる。たとえば、この光感受性材料の下にある、絶縁材料から成る1つの層がパターニングされる。たとえば、この層は、上記の全ての他の1つおきの内部電極層が絶縁材料によって覆われるようにパターニングされる。
最初に取り付けられた材料は、たとえばエッチング処理によってパターニングされてよい。この際、光感受性材料によって覆われていない、光感受性材料の下にある層のみが取り除かれる。この光感受性材料は、とりわけエッチング停止部として機能することができる。代替として、この光感受性材料の下にある層は、溶剤によってパターニングされてよい。
続いてこのフォトレジストは、たとえば溶剤を用いて取り除くことができる。
1つの実施形態によれば、この光感受性材料およびこの光感受性材料の下に取り付けられている材料は、3つの異なる溶剤を用いて行うことができる。これらの異なる溶剤は、異なる材料を選択的にエッチングすることができる。
続いて基体の外面上に、たとえば導電性材料が平面状に取り付けられてよい。この導電性材料は、好ましくは基体の外面上に取り付けられ、この上に絶縁材料がパターンレイアウトされる。この導電性材料は、好ましくは、剥き出しの内部電極層と絶縁材料とを覆っている。
好ましくは、ここで全ての1つおきの内部電極層が直接導電性材料によって覆われている。残りの電極層は、直接絶縁材料によって覆われている。
代替として、この光感受性材料の下には、導電性材料が取り付けられていてよい。この光感受性材料は、好ましくは上記で説明したようにパターニングされる。
続いて、この導電性材料は、好ましくは、すべての1つおきの内部電極層が導電性材料によって覆われるようにパターニングされる。たとえば、この導電性材料は、エッチング処理によってパターニングざれる。このパターニングされた光感受性材料は、この際エッチング停止部として機能することができる。この後この光感受性材料は取り除かれる。続いて、絶縁材料が上記の剥き出しの内部電極層の上に取り付けられてよい。
好ましくは、この光感受性材料は、この製造プロセスの際、最初に取り付けられ、プロセスの間に完全に取り除かれる。
この光感受性材料は、たとえば溶剤によって取り除かれてよい。代替として、この光感受性材料は、フライス加工、サンドブラストまたはグラインディングによって取り除かれてよい。
好ましくは、この光感受性材料は、この製造プロセスの際に、絶縁材料および導電性材料のパターンレイアウトのための単なるマスクとして機能する。
絶縁材料および導電性材料のパターンレイアウトの後に、少なくとも1つの外部電極が基体に取り付けられてよい。好ましくは、2つの外部電極が取り付けられる。これらの2つの外部電極は、好ましくは基体の2つの対向する面上で、かつまた絶縁材料および導電性材料が配設されている外面に配設されている。たとえば、1つの外部電極は、基体の1つの外面上に平面状に取り付けられる。これらの外部電極を介して、内部電極層を電気的に接続することができる。好ましくは、これらの外部電極は、上記の導電性材料を介して、これらの内部電極層と交互に接続している。
本発明はさらに、内部電極層と導電性材料および絶縁材料を有する基体を備えた多層デバイスを提供する。この絶縁材料および導電性材料は基体の1つの外面上の内部電極層の交互の接続のためにパターンレイアウトされている。絶縁材料および導電性材料のパターンレイアウトは光感受性材料を用いて形成される。好ましくはこの多層デバイスは、上記で説明した方法によって製造される。
さらに本発明は、内部電極層と絶縁材料および導電性材料を有する基体を備えた多層デバイスを開示する。好ましくはこの多層デバイスは、上記で説明した方法によって製造されている。ただしこの多層デバイスは、代替的な方法によって製造されてよい。たとえばこの絶縁材料は、光感受性材料として形成されていてよい。こうして、たとえばこの光感受性材料の一部が、基体の外面上の光パターニングの後に残っており、内部電極層の絶縁のために機能する。
好ましくはこの絶縁材料および導電性材料は、基体の1つの外面上の内部電極層の交互の接続のためにパターンレイアウトされている。この絶縁材料のパターンレイアウトは、好ましくは光パターニングを用いて形成される。好ましくは、この絶縁材料は内部電極層の上の絶縁バーを形成し、ここで絶縁バーの積層方向での幅は2つの隣接する内部電極層の間隔より大きい。たとえば導電性材料は、これらの内部電極層の上の接続バーを形成する。好ましくは接続バーと絶縁バーとは積層方向で交互になっている。
さらに本発明は、多層デバイスの電気的接続部の製造方法を開示し、ここで内部電極層を有する基体が提供される。たとえば本方法は上記で説明した方法に対応している。しかしながら代替的な方法が使用されてもよい。たとえば絶縁材料および導電性材料は、シルクスクリーン印刷処理を用いて塗布されてよい。好ましくは非自己整合的方法が用いられる。
好ましくは、内部電極層の位置を確認するために、基体の寸法測定が行われる。好ましくは、これに続いて、内部電極層を交互に絶縁するための絶縁バーが取り付けられ、ここで絶縁バーは、それぞれ積層方向で2つの隣接する内部電極層の間隔より大きい幅を有する。
これらの絶縁バーが非自己整合的方法を用いて外面上に位置決めされる場合、このような幅は、とりわけ有利であるが、これはこのような方法においては、これらの絶縁バーが、内部電極層の不均一な間隔の結果、不正確に内部電極層に配置されるからである。この2つの隣接する内部電極層の間隔より大きな幅を有する絶縁バーを形成することにより、デバイスが稼働中の隣接する内部電極層の短絡または電気的故障を防ぐことができる。
以下に多層デバイスの製造方法およびこの多層デバイスを、概略的かつ寸法が正確でない図を参照して説明する。
圧電多層デバイスの斜視図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のための代替的製造方法のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のための代替的製造方法のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のための代替的製造方法のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のための代替的製造方法のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のための代替的製造方法のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のための代替的製造方法のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のためのもう1つの製造方法のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のためのもう1つの製造方法のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のためのもう1つの製造方法のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のためのもう1つの製造方法のステップを示す図である。 図1に示す圧電多層デバイスの製造のためのもう1つの製造方法のステップを示す図である。 絶縁材料のパターニングの際に可能な、絶縁バーの様々な配置を示す図である。 絶縁材料のパターニングの際に可能な、絶縁バーの様々な配置を示す図である。 絶縁材料のパターニングの際に可能な、絶縁バーの様々な配置を示す図である。 非接続領域を有する多層デバイスの側面図である。
図1は、圧電アクチュエータの形態の多層デバイス1の斜視図を示す。
この多層デバイス1は、重なって配設された圧電層9およびこれらの間にある内部電極層5a,5bからなる基体11を備える。この基体11はモノリシックな焼結体として形成されている。これらの圧電層9および内部電極層5a,5bは、この基体11の長手方向に対応する積層方向12に沿って、重なって配設されている。この際これらの圧電層9の間の第1の内部電極層5aと第2の内部電極層5bとは、交互に重なって配設されている。電圧を印加した際には、この多層デバイス1は積層方向12に伸張する。
これらの圧電層9は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)または鉛フリーのセラミックのようなセラミック材料を含んでいる。このセラミック材料は、ドーパントを含んでもよい。これらの内部電極層5a,5bは、たとえば銀パラジウムまたは銅を含んでいる。
多層デバイス1の製造のために、たとえば、セラミック粉末、有機結着剤および溶剤を含むグリーンシートが、薄膜引き抜きまたは薄膜成形によって製造される。このグリーンシートの数枚の上に、内部電極層5a,5bの形成のためにシルクスクリーン印刷を用いて電極ペーストが塗布される。このグリーンシートは、積層方向12に沿って重ねられて積層され押圧される。最後に、圧電性のグリーンシート、および内部電極層5a,5bからなるこの積層体が焼結される。
ここで圧電層9は、基体11の1つの領域であり、この領域は圧電材料を含み、長手方向で2つの隣接する内部電極層5a,5bが接している。圧電層9は複数の薄層を含んでよい。たとえば、1つの圧電性薄層は、1つのグリーンシートから製造されている。
この多層デバイス1は、全体が活性な圧電アクチュエータとして形成されている。全体が活性な圧電アクチュエータでは、内部電極層5a,5bは全ての部位で基体の外面10a,10b,10c,10dまで延在している。この際、これらの内部電極層5a,5bは、この基体の全断面を覆っており、すなわちこれらの圧電層9は完全にこれらの内部電極層5a,5bによって覆われている。
基体11の1つの第1の外面10a上で第1の内部電極層5aが接続され、対向する1つの第2の外面10b上で第2の内部電極層5bが接続される。このような内部電極層5a,5bの交互の接続により、2つの隣接する内部電極層5a,5b間に電圧が生成される。
これらの内部電極層5a,5bの交互の接続のため、ここで示す実施形態例においては、基体11の外面10a,10b上に絶縁層3および導電性材料6がパターンレイアウトされている。この絶縁材料3および導電性材料6は、内部電極層5a,5bが1つの外面10a,10b上で、交互に絶縁材料3および導電性材料6により覆われるように、配設される。この絶縁材料3および導電性材料6は、この際たとえば帯状にこれらの内部電極層5a,5b上に配設されている。とりわけ、これらの内部電極層5a,5b上で、この絶縁材料3は絶縁バー15を形成し、導電性材料6は接続バー16を形成する。たとえば、この絶縁材料3および導電性材料6によって、外面10a,10bのほぼ全体が覆われる。代替として、この絶縁材料3および導電性材料6によって、外面10a,10bのそれぞれ一部分が覆われる。
絶縁材料3および導電性材料6のパターンレイアウトは光感受性材料2を利用して生成される。このためこの光感受性材料2はパターニングされ、たとえば絶縁材料3あるいは導電性材料6の取り付けのためのマスクとして機能する。この製造プロセスの間に、光感受性材料2は、多層デバイス1から完全に取り除かれる。
この圧電多層デバイス1は、さらに第1の外部電極8aと第2の外部電極8bとを備え、これらはこの多層デバイス1の基体11の外側に配設されている。ここで示す実施形態例においては、これらの外部電極8a,8bは、圧電多層デバイス1の対向する外面10a,10b上に配設されている。これらの外部電極8a,8bは積層方向12に沿って帯状に延在している。これらの外部電極8a,8bは、たとえば銀パラジウムまたは銅を含み、金属板として基体11上に取り付けられてはんだ付けされてよい。
絶縁材料3および導電性材料6のパターンレイアウトのために、1つの第1の外面10a上で、それぞれ全ての第1の内部電極層5aが1つの外部電極8aを介して電気的に接続される。第2の内部電極層5bは、この外部電極8aから電気的に絶縁されている。これに対向する第2の外面10b上で、第2の内部電極層5bが外部電極8bによって接続されている。
図2A〜2Fは、図1に示す圧電多層デバイスの製造のための原理図を示す。多層デバイス1の1つの外面10a上の絶縁材料3および導電性材料6のパターンレイアウトは、この際光感受性材料によって形成される。
これらの図2A〜2Fはそれぞれ、1つの側面から見た、図1に示す多層デバイス1の中間状態における圧電デバイスの断面を示す。
この多層デバイスの1つの第1の外面10a上で、図2Aに示すように、光感受性材料2が取り付けられる。好ましくは1つの第2の外面10b上にも光感受性材料2が取り付けられる。この光感受性材料2は、たとえばフォトレジストである。このフォトレジストは、外部電極8が設けられた2つの外面10a,10bに取り付けられる。
この光感受性材料2の取り付けの前に、基体11の正確な大きさおよび内部電極層5a,5bの正確な位置を決定するために、この基体11が寸法測定される。この寸法測定は、たとえば光学的計測方法によって行われる。この基体11上で個別に合わせられた露光マスク4を用いて、光感受性材料2が露光7によってパターニングされる。これは光リソグラフィーの原理に従って行われる。たとえば、光感受性材料2は露光された部位で溶解する。代替として、この光感受性材料2は、露光された部位で硬化し、これに対し露光されていない光感受性材料2は容易に取り除くことができる。
露光マスク4は、たとえば露光マスクのセットから選択されてよい。代替として露光7は、いわゆる投影露光によって行われてよく、この投影露光では、結像光学器による結像される露光マスク4の像縮尺は、基体11の幾何形状に合わせられる。
代替として、光感受性材料2の個々の領域が狙いを定めて露光されてよい。たとえば露光される領域に狙いを定めて移動されてよい。これはたとえばレーザーを用いて行うことができる。これはレーザーリソグラフィーと呼ばれている。レーザーリソグラフィー法は、原則的にマスクレス露光法である。
露光7によって、図2Bに示す光感受性材料2のパターンレイアウトが生成される。この光感受性材料2は、1つの外面5a上で全ての第1の内部電極層5aが光感受性材料2によって覆われるように、また全ての第2の内部電極層5bに光感受性材料2が付いていないように、パターニングされる。外面10b上では同様に、他の内部電極層5a,5bは光感受性材料によって覆われるか、あるいは感受性材料が付いていない(不図示)。
続いて、図2Cに示すように、剥き出しの内部電極層5bに絶縁材料3が取り付けられる。この絶縁材料は、たとえばガラス,セラミック粉末または有機絶縁材料を含んでよい。この絶縁材料3は、たとえば印刷,スプレー,スパッタリング,または気相堆積を用いて取り付けられてよい。この絶縁材料3および光感受性材料2は異なる材料である。
これに続いて、外部電極8によって接続するために設けられている第1の内部電極層5aで、光感受性材料2が取り除かれる。場合によっては、図2Dに示すように、この光感受性材料2を取り除く前に、この光感受性材料2が絶縁材料3によって覆われないことを確実にする、追加のプロセスステップが必要である。このような過剰な絶縁材料3は、たとえば剥ぎ取り,研磨,サンドブラスト、グラインディングまたはフライス加工によって取り除かれてよい。
接続のために外部電極8が設けられる第1の内部電極層5aの上の光感受性材料2は、たとえばいわゆるリフトオフ法で取り除くことができる。この際、光感受性材料2は、アンダーカット形状のエッジが生成されるように現像され、これによって取り付けられる絶縁材料3に対する遮蔽効果が現れる。この絶縁材料3の取り付けの際には、このアンダーカット形状のエッジには絶縁材料が付かないままである。続いてこのエッジに溶剤が侵食し、これによって光感受性材料2はこれに付着している絶縁材料3と一緒に取り除くことができる。
図2Eに示すように、ここで全ての第2の内部電極層5bが絶縁材料3によって覆われている。残りの内部電極層5aは剥き出しとなっている。
ここで、図2Fに示すように、導電性材料6が第1の外面10a上に取り付けられる。この際、すべての剥き出しの第1の内部電極層5aは、導電性材料6によって覆われ、第2の内部電極層5bは絶縁材料3によって覆われている。対向する外面10b上では、同様に第2の内部電極層5bが導電性材料によって覆われ、また第1の内部電極層5aは絶縁材料によって覆われる。
この導電性材料6は、たとえば金属ペーストまたは導電性接着剤であってよい。この導電性材料6は、好ましくは焼き付けられるかまたは硬化される。続いて第1の外部電極8aが、第1の外面10aに取り付けられる。この第1の外部電極8aは、上記の第1の外面10a上の導電性材料6を介して、すべての第1の内部電極層5aと接続されており、また他の内部電極層5bから絶縁されている。対向する第2の外面10b上では、第2の外部電極8bが、全ての第2の内部電極層5bと接続されており、また第1の内部電極層5aから絶縁されている。
図3A〜3Eは、図1に示す圧電多層デバイス1を光感受性材料2を用いて製造するための1つの代替の製造方法の原理図を示す。
基体11の1つの第1の外面10a上に、まず絶縁材料3が取り付けられる。この絶縁材料3は、たとえばガラスコーティングで形成される。続いて光感受性材料2が、この絶縁材料3上に取り付けられる。個別に合わせられた露光マスク4を用いて、この光感受性材料2は、露光7により光リソグラフィーの原理に従ってパターニングされる。たとえばこの光感受性材料2の露光された領域は、分解する。代替として、この光感受性材料2の露光された領域は、溶剤Aを用いて取り除くことができ、これはたとえば光感受性材料2の露光された領域を溶解するが、ただし露光されていない領域は溶解しない。
この光感受性材料2は、図3Bに示すように、外面10a上で、光感受性材料2からなる1つの帯状体が全ての第2の内部電極層5bの上に存在し、これに対し第1の内部電極層5aの上には光感受性材料が全く存在しないように、パターニングされる。この光感受性材料2の下に取り付けられている絶縁材料3から成る層はここまで変化しないままである。
図3Cに示すように、以下のステップで、この絶縁材料3は、光感受性材料2の無い部位で同様に取り除かれる。これにより、全ての第1の内部電極層5aが剥き出しになり、また全ての第2の内部電極層5bが絶縁材料3および光感受性材料2によって覆われることになる。第2の外面10b上では、同様に第2の内部電極層5bが剥き出しにされる。
この絶縁材料3を取り除くことは、たとえば絶縁材料3をエッチングするが、光感受性材料2はエッチングしないエッチング媒体を用いて行われる。このようにこの光感受性材料2は、絶縁材料3を狙いを定めて取り除くためのマスクとして機能する。代替として、この絶縁材料3は、ガラス粉末およびバインダから成る混合物を含んでよく、この混合物はたとえば溶剤Bによって溶解することができる。この溶剤Bは、たとえば水であってよい。光感受性材料2は、溶剤Bでは溶解できない。
次の方法ステップでは、光感受性材料2が完全に取り除かれる。たとえば、この光感受性材料2は、サンドブラスト,グラインディングまたはフライス加工を用いて取り除かれてよい。代替としてこの光感受性材料は、たとえば溶剤Cによって取り除かれてよい。この溶剤Cは、たとえば光感受性材料2の露光されていない領域を溶解できるが、ただし絶縁材料3は溶解しない。上述した溶剤A,B,およびCは、好ましくは異なる溶剤であり、これらは異なる材料を選択的に取り除く。たとえばこれらの溶剤A,B,およびCの1つは水である。
以上により、図3Dに示す中間状態が得られ、ここでは全ての第2の内部電極層5bが絶縁材料3によって覆われている。第1の内部電極層5aは剥き出しとなっている。
これに続く方法ステップにおいて、導電性材料6、たとえば金属ペーストが、基体11の第1の外面10a上に取り付けられる。これによりすべての内部電極層5aが、導電性材料6によって覆われる。第2の内部電極層5bは、絶縁材料3で覆われている。この導電性材料6は、続いて脱バインダされて焼き付けられる。対向する第2の外面10b上では、第2の内部電極層5bが導電性材料6によって覆われ、これに対し第1の内部電極層5aは絶縁材料3によって覆われる(不図示)。
図4A〜4Fは、図1に示す圧電多層デバイス1を光感受性材料2を用いて製造するためのもう1つの製造方法の原理図を示す。この製造方法は、図2A〜2Fに示す製造方法に類似して進行するが、絶縁材料3の前に導電性材料6が取り付けられるところが異なっている。
まず、図4Aに示すように、光感受性材料2が、多層デバイス1の基体11の1つの第1の外面10a上に取り付けられる。続いて露光マスク4を用いて露光7によって、光リソグラフィーの原理に基づきこの光感受性材料2がパターニングされる。
図4Bに示すように、この光感受性材料2は、全ての第2の内部電極層5bが光感受性材料2によって覆われるようにパターニングされる。
続いて導電性材料6が、剥き出しの第1の内部電極層5a上に取り付けられる。この導電性材料6は、たとえば金属ペーストであり、この金属ペーストは、選択的に光感受性材料2が設けられた第1の外面10a上に取り付けられる。代替として、この選択的に光感受性材料2が設けられた第1の外面10aは、たとえば印刷,スプレー,スパッタリング,または化学気相堆積を用いて、導電性材料6、たとえば金属材料によってコーティングされてよい。
これに続く方法ステップにおいて、残りの光感受性材料2は、たとえばリフトオフ法で取り除かれる。この光感受性材料2に付着している導電性材料6もここで取り除かれる。場合によっては、図4Dに示すように、この光感受性材料2を取り除く前に、この光感受性材料2が導電性材料6によって覆われないことを確実にする、追加のプロセスステップが必要である。このような過剰な導電性材料6は、たとえばサンドブラスト、グラインディングまたはフライス加工によって取り除かれてよい。代替として、この過剰な導電性材料は、ラッピングによって取り除かれてよい。
図4Eに示すように、ここで全ての第1の内部電極層5aが導電性材料6によって覆われており、これに対し第2の内部電極層5bは剥き出しになっている。
続いて図4Fに示すように、絶縁材料3が溝の中に、第2の内部電極層5bの上に充填される。この絶縁材料3は、この際たとえば金属とセラミックとで異なる付着性を示す。これにより、この絶縁材料3は、選択的に全ての第2の、導電性材料6によって覆われていない内部電極層5bに付着する。この導電性材料6は、絶縁材料3で覆われていない。
同様なやり方で、対向する第2の外面10b上で、第2の内部電極層5bが導電性材料によって覆われ、また第1の内部電極層5aが絶縁材料によって覆われる(不図示)。
続いて、導電性材料6で覆われた内部電極層5a,5bの電気的接続のための2つの外部電極が取り付けられる。これらの外部電極は、多層デバイス1の対向する外面10a,10bに取り付けられる。たとえばこれらの外部電極は、はんだ付けされる。
図5A〜5Cは、それぞれ圧電デバイスの側面から見た断面を示し、ここでそれぞれ内部電極層5a上の絶縁バー15の異なる配置を示している。特に製造工程での許容誤差のために内部電極層5a,5bの異なる間隔が生じる場合、このような異なる配置が起こリ得るので、露光マスク4のパターンは、これらの内部電極層5a,5bの配置と正確には一致しない。
図5Aは、理想的な場合を示し、ここでは絶縁バー15が、外面10a上のすべての第2の内部電極層5bの上の中心に配設されており、全ての第2の内部電極層5bが絶縁されるようになっている。この絶縁バー15の幅17は、2つの隣接する内部電極層の間隔より大きい。たとえばこの幅17は接続バー16の幅の1.3〜1.5倍程度に大きい。外面10a上の全ての第1の内部電極層5aは、電気的に接続されてよい。
図5Bは、境界的な事例であり、ここでは絶縁バー15は、もはや第2の内部電極層5bの中心には配設されておらず、むしろもうすぐ外面10a上の第1の内部電極層5aに接続されるようになっている。この絶縁バー15は、1つの第2の内部電極層5bの上に、隣接する第1の電極層5aをまさに覆わないように配設される。こうして第1の内部電極層5aの接続が可能となる。ここでこの絶縁バー15は、2つの隣接する内部電極層5a,5bの間の間隔13より幅xだけ幅広である。
この幅xは、好ましくは式x=(dE−dK)で計算され、ここでdEは2つの隣接する内部電極層5a,5bの間隔13であり、dKは積層方向での接続バー16の幅である。この幅xは、たとえば2つの隣接する内部電極層5a,5bの間隔13の少なくとも1/21の大きさであり、これは絶縁バーが、接続バーより1.1倍に幅広になっていることに対応している。この幅xは、たとえば2つの隣接する内部電極層の間隔13の1/3までの大きさであり、これは絶縁バーが、接続バーより2倍に幅広になっていることに対応している。この幅xは、たとえば2つの隣接する内部電極層5a,5bの間隔13の3/23〜1/5の大きさであり、これは絶縁バーが、接続バーより1.3〜1.5倍に幅広になっていることに対応している。このようなオーバーラップにより、この絶縁バー15が中心からずれて配置されているにもかかわらず、まだ内部電極層5bの絶縁が達成されており、これよりこのデバイスは確実に動作することができる。
第2の内部電極層5bの上の絶縁バー15の非対称な配置は、内部電極層5a,5bの不均一な間隔13によって生じ得る。このような不均一な間隔は、たとえば製造工程でのプレス反りや異なる焼結収縮によって起こり得る。
図5Cは、1つの外面10a上の第1の内部電極層5aの接続がもはや可能でない場合を示す。絶縁バー15は、外面10a上で、この絶縁バー15によって2つの隣接する内部電極層5a,5bが絶縁材料3によって覆われるように配設されている。このような接続不良が生じた場合、多層デバイスの機能性は制限され得る。このような不良デバイスは、測定によって容易に確認することができ、不良品として除外される。
図6は、非接続領域14を有する多層デバイス1の側面図を示す。内部電極層5a,5bの間の異なる間隔のため、1つの外面10a,10b上の複数の隣接する内部電極層5a,5bが絶縁材料で覆われている。たとえばこれら双方の外面10a,10b上の内部電極層5a,5bは、絶縁材料3で覆われている。これにより非接続領域14が生じる。非接続領域14を有するデバイスは、不良品であり、測定によって確認でき、除外される。このようにして動作の際の不良を防ぐことができる。
1 : 多層デバイス
2 : 光感受性材料
3 : 絶縁材料
4 : 露光マスク
5a : 第1の内部電極層
5b : 第2の内部電極層
6 : 導電性材料
7 : 露光
8a : 第1の外部電極
8b : 第2の外部電極
9 : 圧電層
10a : 第1の外面
10b : 第2の外面
10c : 第3の外面
10d : 第4の外面
11 : 基体
12 : 積層方向
13 : 2つの隣接する内部電極層の間隔
14 : 非接続領域
15 : 絶縁バー
16 : 接続バー
17 : 絶縁バーの幅
x : オーバーラップ

Claims (12)

  1. 多層デバイスの電気的接続を生成するための方法であって、
    A)内部電極層(5a,5b)を有する多層デバイス(1)の基体(11)を提供するステップと、
    B)絶縁材料(3)と、導電性材料(6)と、光感受性材料(2)とを提供するステップと、
    C)前記基体(11)の1つの外面(10a,10b)上で前記内部電極層(5a,5b)が積層方向で交互に前記絶縁材料(3)および前記導電性材料(6)によって覆われ、前記内部電極層(5a,5b)が交互に接続されるように、前記外面(10a,10b)上で前記絶縁材料(3)および前記導電性材料(6)をパターンレイアウトするステップであって、前記外面(10a,10b)上にまず前記導電性材料(6)が取り付けられ、その後前記外面(10a,10b)上に前記光感受性材料(2)が、その後前記外面(10a,10b)上に前記絶縁材料(3)が取り付けられ、前記パターンレイアウトは前記光感受性材料(2)によって生成されるステップと、
    を備えることを特徴とする方法。
  2. 前記導電性材料(6)上に前記光感受性材料(2)を取り付けてパターニングするステップを備えることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記光感受性材料(2)は、リソグラフィーを用いてパターニングされることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
  4. 前記導電性材料(6)をパターニングするステップを備えることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記導電性材料(6)をパターニングする際、前記光感受性材料(2)はエッチング停止部として機能することを特徴とする、請求項4に記載の方法。
  6. 前記パターニングは、異なる材料を選択的にエッチングすることができる3つの異なる溶剤を用いて行われることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記溶剤の1つは水であることを特徴とする、請求項6に記載の方法。
  8. 前記方法の間に前記光感受性材料(2)が完全に取り除かれることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記絶縁材料(3)は、絶縁バー(15)の形態で前記内部電極層(5a,5b)に取り付けられ、当該絶縁バーのそれぞれの積層方向での幅(17)は、2つの隣接する内部電極層(5a,5b)の間隔(13)より大きいことを特徴とする、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記光感受性材料(2)のパターニングの前に前記内部電極層(5a,5b)の位置を確認するために前記基体(11)を寸法測定するステップを備えることを特徴とする、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 前記光感受性材料(2)は露光マスクを用いて露光によってパターニングされ、前記露光マスクは、前記基体(11)の寸法測定の結果に対応して選択されることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
  12. 前記絶縁材料(3)および前記導電性材料(6)は、前記パターニングの後、前記内部電極層(5a,5b)上で、交互に帯状にパターンレイアウトされていることを特徴とする、請求項1乃至11のいずれか1項に記載の方法。
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