JP6751274B2 - 圧電素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波測定その他の各種超音波応用機器に利用可能な圧電素子の製造方法に関する。

超音波応用機器として、例えばインク用の液体噴射ヘッドが存在し、かかる液体噴射ヘッドに組み込まれる圧電素子部分の製造方法として、圧電体膜のパターニング方法が公知となっている（特許文献１参照）。このパターニング方法では、基材上に一様に形成した圧電体膜上にレジストパターンを設けるとともに、塩酸やフッ化水素酸を有するエッチング液によるウェットエッチングによって、圧電体膜のパターニングを行っている。

また、超音波センサーに用いられる複合圧電材の製造方法として、ＰＺＴの基板上に柱状微細構造体をマトリクス状の２次元配列で形成する方法が公知となっている（特許文献２参照）。この方法では、硬脆材料の基板表面に予め保護膜を形成し、保護膜側から基板に対してダイシングソーにて一方向目に等間隔で溝入れ加工を行った後に、これら一方向目の溝に補強材を充填し、ダイシングソーにて一方向に直交する二方向目に等間隔で溝入れ加工を行っている。

しかしながら、特許文献１、２に記載の方法では、深く高い柱状微細構造体を形成することができない。すなわち、難加工材料である圧電材料（ＰＺＴ、ＰＭＮ−ＰＴ等）については、短辺の長さが５μｍ〜３０μｍ程度でアスペクト比（辺と高さとの比）が４以上といったサイズ的条件を満たす多数の柱状体を２次元配置したものを形成する微細加工法がまだ確立されていない。具体的には、横の短辺の長さが３０μｍ以下で高さ８０μｍの柱状構造体群を圧電材料に形成することは困難であった。

例えば、一般的なウェットエッチング法では、オーバーエッチングやアンダーエッチングの課題がありアスペクト比１以上の構造体を形成することは不可能である。また、レジストの密着性、耐久性等の問題から１０μｍ以上の量をウェットエッチングで削ることは困難である。

これに対して、ドライエッチングを用いて圧電材料をパターニングする方法が考えられるが、上記のような圧電材料は、ドライエッチングに際して難エッチング性を示し、エッチングによって得られる構造体のテーパーが大きくなり、深さ方向に６０μｍ以上掘り込むことは困難である。

さらに、ダイシングソーを用いる切断法では、圧電材料の硬脆性に起因して、破損を回避しつつ辺幅３０μｍ以下の微小サイズにカットすることができない。仮に微小サイズにカットできた場合でも、マイクロクラックや歪みなどのダメージが加わるため、圧電定数が大きく低下する。

なお、例えば超音波検査装置に用いる複合圧電体を構成する柱状微細構造体に求められている理想的な形状は、その径又は幅と配置間隔とがともに約５μｍ〜３０μｍ程度であるといわれている。一方、柱状微細構造体のアスペクト比を５〜３０程度としたときに送受信効率が最もよいといわれている。すなわち、上記複合圧電体を構成する柱状又は壁状の微細構造体の高さとしては、２５μｍ〜９００μｍ程度のものが求められている。

特開２０１４−１８４６４３号公報 特開平８−２８１６４８号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、幅が小さくアスペクト比が大きい柱状微細構造体を形成することができる圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一側面を反映した圧電素子の製造方法は、幅３０μｍ以下で高さ８０μｍ以上の板状又は柱状に形成された複数の立体構造を有してなる立体構造群を備える圧電素子の製造方法であって、Ｐｂ系圧電材料で形成されたバルク材を切断することによって板状又は柱状の複数の前駆形状を加工する第１工程と、エッチング液を用いて前駆形状の幅を所定量まで減少させる第２工程とを備える。ここで、第１工程における加工とは、機械的な加工を意味し、化学的なエッチングを除く。また、板状の立体構造において、幅とは、その主面又は板面に垂直な方向の幅を意味する。また、立体構造の高さとは、上記幅の方向に対して垂直で、圧電素子として電界を印可する方向の寸法を意味する。

第１実施形態の製造方法によって得られる圧電素子を説明する拡大断面図である。 図２Ａ〜２Ｃは、圧電素子の全体構造を説明する平面図、ＡＡ矢視断面図、及び側面図である。 図１の圧電素子の製造工程を説明する概念的フロー図である。 図４Ａ〜４Ｄは、溝の加工から前駆体を得る工程を説明する概念的な斜視図である。 図５Ａ〜５Ｅは、前駆体から複合体を得る工程を説明する概念図である。 図６Ａ〜６Ｃは、複合体から圧電素子又は素子集合体を得る工程を説明する概念図である。 前駆体に対するウェットエッチング処理を説明する図である。 図２に示す圧電素子を組み込んだ超音波検査装置のプローブを説明する概念図である。 前駆形状を形成した具体的な前駆体を説明する図である。 図１０Ａ〜１０Ｃは、ウェットエッチングの条件を説明する図である。 図１１Ａは、ウェットエッチング後のエッチング処理品を説明し、図１１Ｂは、エポキシ充填後を説明する図である。 立体構造に付随して形成されるデブリを説明する図である。 図１３Ａは、研磨した後の複合体を説明し、図１３Ｂは、電極形成後を説明する図である。 図１４Ａ及び１４Ｂは、第２実施形態の製造方法を説明する図である。 図１５Ａ及び１５Ｂは、第３実施形態の製造方法によって得られたエッチング処理品の平面図及び側面図である。 具体的な加工例の微細構造を説明する図である。 図１７Ａ〜１７Ｃは、第４実施形態の製造方法を説明する図である。 図１８Ａ及び１８Ｂは得られた複合圧電素子体を説明する図である。 ウェットエッチング処理の変形例を説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る第１実施形態の圧電素子の製造方法等について説明する。

図１は、第１実施形態の製造方法によって得られる要素的な圧電素子の拡大断面図であり、図２Ａ〜２Ｃは、図１に示す圧電素子を複数組み合わせた素子集合体を説明する平面図、断面図等である。

図１に示すように、個片の圧電素子１０２は、圧電材料からなる周期的な立体構造群２０と、立体構造群２０の隙間を埋める多数の充填部３１と、立体構造群２０の一面側に設けられる第１電極４１と、立体構造群２０の他面側に設けられる第２電極４２とを備える。ここで、立体構造群２０とこの隙間を埋める充填部３１とを組み合わせたものを複合圧電素子体１２０と呼ぶ。複合圧電素子体１２０は、ＸＹ面においてＸ方向に比較的長い長方形の輪郭を有するとともにＺ方向に薄い直方体状又は板状の部材である。

図２Ａ〜２Ｃに示す素子集合体２０２は、図１に示す構造をそれぞれ有する多数の圧電素子１０２をＹ方向に近接して配列したものであり、広義の圧電素子であり、本明細書において素子集合体２０２を圧電素子と呼ぶ場合もある。素子集合体２０２を構成する個々の圧電素子１０２は、不図示の支持体によって相互の配置関係を保つように固定されている。

圧電素子１０２のうち立体構造群２０は、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＺＴその他のＰｂ系圧電材料（例えばＰＭＮＴ、ＰＩＭＮＴ、ＰＳＭＮＴを含む）で形成されている。ここで、ＰＭＮ−ＰＴは、ＰｂＯ−ＭｇＯ−Ｎｂ_２Ｏ_５−ＴｉＯ_２で構成され、例えば酸化鉛を６９．９〜７０．６質量％、酸化マグネシウムを２．５〜３．１質量％、酸化ニオブを１６．８〜２０．３質量％、酸化チタンを６．７〜１０．１質量％含む。立体構造群２０は、薄板状又は壁状に形成された多数の立体構造２１からなり、これらを一方向に重ねて配列した構造を有する。多数の立体構造２１は、奥行きのＹ方向及び縦のＺ方向に薄く板状に延びるとともにＸ方向に略等間隔で配列されている。各立体構造２１は、略同一の形状を有し、ＹＺ面に平行な横断面で見た場合、正方形に近い矩形の輪郭を有する。

立体構造２１は、ＸＺ面に平行な横断面における幅（横幅とも呼ぶ）Ｗ１が３０μｍ以下であって、ＸＺ面に平行な横断面における高さ（深さとも呼ぶ）ｈが８０μｍ以上である。具体例では、幅Ｗ１が例えば５〜３０μｍ程度に設定され、高さｈが例えば１００〜３００μｍ程度に設定される。なお、隣接する立体構造２１の間隔Ｗ２（つまり個々の充填部３１の厚み）については、特に制限がないが、後の工程の都合上、例えば１〜３０μｍ程度に設定される。

各立体構造２１は、ウェットエッチングによって仕上げられたものである。つまり、立体構造２１の充填部３１に接する側面２１ａは、ウェットエッチングによる処理面であり、滑らかな面となっている。この点で、各立体構造２１の側面２１ａには、ダイシングソーによって加工された直後のように細かな傷がなく、ドライエッチングで形成された場合のようにリデポ膜の付着がなく、またテーパーもなくほぼ垂直である。

充填部３１は、例えばエポキシ樹脂で形成され、個々の立体構造２１間の超音波のアイソレーション及び絶縁性を確保しつつ、多数の立体構造２１と一体となって複合圧電素子体１２０を構成している。多数の立体構造２１は、その側面２１ａを介して充填部３１に支持されている。各立体構造２１は、充填部３１の存在により、隣接する立体構造２１から電気的に独立しており、超音波的にも相互作用が生じにくい状態となっている。

図２Ａ〜２Ｃに示すように、素子集合体２０２において、一群の第１電極４１は、多数の複合圧電素子体１２０の上端面２１ｂに沿ってＸ方向に延びる導電性金属薄膜であり、全体として櫛歯状電極１４１を成している。同様に、一群の第２電極４２も、多数の複合圧電素子体１２０の下端面２１ｃに沿ってＸ方向に延びる導電性金属薄膜であり、全体として櫛歯状電極１４２を成している。

なお、複合圧電素子体１２０及びこれを挟む第１及び第２電極４１，４２は、Ｙ方向に例えば１９２チャンネル分存在しており、これら１９２チャンネルの複合圧電素子体１２０は、例えば独立して駆動信号を受ける。つまり、各圧電素子１０２には、タイミング等が異なる個別の駆動信号が供給される。

以下、図３及び図４〜図６等を参照して、図１Ａ等に示す圧電素子１０２の製造方法について説明する。

まず、ＰＭＮ−ＰＴで形成された板状のバルク材８１（図４Ａ参照）を準備する（図３の工程Ｓ１１）。バルク材８１のサイズは、横長さがａで、縦長さ又は奥行き長さがｂで、厚みがｃであるとして、例えばａ×ｂ×ｃ＝２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．５ｍｍとした。バルク材８１において、ＸＹ面に平行なａ×ｂの主面８１ａは、（００１）面となっている。

次に、図４Ｂに示すように、このバルク材８１に一様な幅を有しＹ方向及びＺ方向に延びる多数の溝５１を等間隔で平行に切断加工する（図３の工程Ｓ１２、第１工程）。これにより、多数の微細形状１２１を有する束状の前駆体８２を得る。溝５１は、ダイシングソー（加工具）を利用してバルク材８１を切断することによって加工され、例えば２５μｍの溝幅又は間隔を有する。また、溝５１は、Ｘ方向に関して例えば７５μｍの空間周期又はピッチで形成されている。隣接する一対の溝５１間に残る板状又は壁状の微細形状１２１は、以後の加工によって立体構造２１となるべき部分であり、Ｘ方向に５０μｍの横幅を有し、奥行き長さは１５ｍｍ程度となっている。これら多数の微細形状１２１は、前駆体８２に設けられた前駆形状８２ａであり、根元部分８３で連結され、先端側では撓みやすい状態となっている。前駆形状８２ａは、上記例示のように幅８０μｍ以下かつ高さ８０μｍ以上に形成されている。上記のような範囲とすることで、立体構造群２０や圧電素子１０２を超音波検査装置の用途に適するものとすることが容易となる。以上の第１工程で、バルク材８１を切断することによって前駆形状８２ａを残す。バルク材８１を切断する場合、前駆形状８２ａとして基部から垂直に延びる板状又は立ち壁状の微細構造等を形成することが容易になる。なお、溝５１の形成に際して、ドレスボードをバルク材８１に隣接して配置した状態でダイシングを行うことができる。この場合、ダイシングソーで溝加工しながら、ダイシングソーを研磨することができる。

なお、図４Ｂでは、説明の便宜上、微細形状１２１の枚数を少なく表示しているが、実際は、前駆形状８２ａとして３０枚程度以下の微細形状１２１が形成されている。さらに、バルク材８１は、Ｘ方向に例えば５個程度の前駆体８２に分割される。つまり、３０枚程度以下の微細形状１２１がそれぞれ形成された５個程度の最小単位の前駆体８２が得られる。この場合、各前駆体８２は、（ａ／５）×ｂ×ｃ程度のサイズを有するものとなる。

次に、図４Ｃに示すように、前駆体８２をフッ化物、塩化物、及び硝酸の少なくとも１つ以上を含有するエッチング液に浸漬して、微細形状１２１のウェットエッチングを開始する（図３の工程Ｓ１３）。このウェットエッチングによって、各溝５１の幅又は間隔を拡張することができる。エッチング液としては、フッ化アンモニウム、硝酸または塩酸、またはこれらの混合液が使用できる。また、その他のフッ素や塩素や硝酸イオンを含有するものを使用することができる。好ましくはフッ化アンモニウムと硝酸とを用いることがデブリの抑制にとって望ましい。フッ化アンモニウムで鉛以外を溶解させるが、鉛は不動態状の物体（フッ化鉛）として溶解しないため、この不動態状の物体（以下、不動体と呼ぶ）を即時に溶かすために硝酸を微量に混合させることが望ましい。このようなエッチング液を用いることで、Ｐｂ系圧電材料の加工表面の安定したエッチングが容易になり、微細形状１２１の形状維持が比較的容易になる。なお、エッチング液としてフッ化アンモニウムと硝酸とを含むものを用いる場合、フッ化アンモニウムは３〜１０質量％、硝酸は１〜１０質量％が好ましい。

図７は、前駆体８２のウェットエッチング工程を説明する図である。容器９１内に前駆体８２を設置し、容器９１を所定温度のエッチング液９２で満たす。容器９１は後述するようにガラス製シャーレ等であることが好ましく、プラスチックやポリテトラフルオロエチレン製の容器では前駆体形状が維持され難い。この際、前駆体８２の根元部分８３を例えばガラス製の支持体９３ａ，９３ｂで挟むように支持する。さらに、エッチング中は、回転子９４でエッチング液９２を撹拌するとともに、不図示の温調装置でエッチング液９２の温度を維持する。ここで、容器９１又は支持体９３ａ，９３ｂとして、硼珪酸ガラス、鉛ガラス、ソーダ石英ガラス等の材料で形成したものを用いることが望ましい。これにより、微細形状１２１の維持が容易になる。より詳細に説明すれば、エッチングを行う際に、ガラスを同時にエッチング液に触れさせることにより、前駆形状８２ａを崩すことなくサイズだけを変化させることができる。前駆形状８２ａを作製していても、エッチング液で溶かすと前駆形状８２ａは維持されず崩れるように溶ける傾向がある。しかしガラス成分を同時に溶かしながら処理すると前駆形状８２ａの形を維持しつつそのサイズのみを変更することが容易になる。

次に、図４Ｄに示すように、微細形状１２１の厚みが目標値になった段階でウェットエッチングを停止し、熱水洗浄若しくはアセトン洗浄、又はこれらのいずれかと超音波洗浄とを組み合わせたもの、Ｏ_２プラズマ洗浄等を行う（図３の工程Ｓ１４）。これにより、エポキシ樹脂との接着度が向上したエッチング処理品１８２を得ることができる（図５Ａ参照）。エッチング処理品１８２には、近接した状態で一様に配列された多数の薄板状又は壁状の立体構造２１が形成されている。ここまでの工程Ｓ１３，Ｓ１４は、第２工程を構成する。工程Ｓ１３は、第２工程の主要な部分であり、工程Ｓ１４は、第２工程の仕上げ部分である。

なお、フッ化アンモニウムと塩酸との混合液をエッチング液として使用した場合は、具体的な作製例において形成された不動態層８４（図４Ｃ参照）の成分を調べたところ、１／２程度のＰｂと、１／４程度のＦと、１／４程度のＣｌと、１／２０程度のＮｂとを含むことが分かった。前駆体８２の元の組成が、１／２程度のＰｂと、１／４程度のＭｇと、１／４程度のＮｂと、１／２０未満のＮｂとを含むことから、不動態層８４の主成分は、塩化鉛及びフッ化鉛であることが分かった。よって、例えば熱水若しくは希硝酸による洗浄、又は超音波洗浄、或いはこれらを組み合わせたものを行うことによって、不動態層８４のみの除去が可能になると考えられる。具体的には、７０℃から９０℃の熱水に数１０分〜数時間浸漬することで、不動態層８４を除去することができ、超音波洗浄を付加することで不動態層８４を確実に除去することができる。またフッ化アンモニウムと硝酸との混合液をエッチング液として使用した場合、不動態層８４は形成されずスムースにエッチングが行えたことから、フッ化アンモニウムと硝酸とを用いることが不動体の抑制にとって望ましい。

次に、図５Ｂに示すように、エッチング処理品１８２に設けた一群の立体構造２１の先端側に樹脂接着材６１を塗布その他の手法によって供給する（図３の工程Ｓ１５）。つまり、複数の立体構造２１の間に所定の粘性の樹脂である樹脂接着材６１を充填するとともに複数の立体構造２１間の間隔を調整する。これにより、複数の立体構造２１の間隔を樹脂の粘性を利用して所望の程度に狭めることができる。また、樹脂の粘性に応じて生じる表面張力を利用して複数の立体構造２１間の間隔を調整している。これにより、複数の立体構造２１間の間隔が樹脂の粘性に応じたものに設定され半自動的に揃えられる。樹脂接着材６１として、例えばエポキシ樹脂を用いることができる。

なお、微細形状１２１は薄く撓みやすい状態となっており、根元側を撓めつつ先端側を平行に変位させることができる。この状態で、エッチング処理品１８２を放置するか、一群の立体構造２１を適度の圧力で挟むことにより、図５Ｃに示すように、樹脂接着材６１が表面張力によって全面に行きわたるとともにエポキシの表面張力と粘性とによって決まる厚みに収れんし安定化する。この結果、樹脂接着材６１の厚みが薄くなり或いは立体構造２１の間隔が狭まって立体構造２１の密度が上昇する（図３の工程Ｓ１６）。その後、立体構造２１間の樹脂接着材６１を硬化させる（図３の工程Ｓ１７）。これにより、樹脂接着材６１からなる充填部３１を間に挟んだ一群の立体構造２１が略等間隔で配置されて固定された状態を実現することができる。このように立体構造２１と充填部３１とを互い違いに積層した部分を複合体２８２と呼ぶ。この際、樹脂接着材６１を構成する接着成分や溶剤の配分を調整することで、樹脂接着材６１の粘性や表面張力を調整でき、硬化時の樹脂接着材６１（つまり充填部３１）の厚みを調整することができる。

その後、図５Ｄに示すように、立体構造２１と充填部３１とを交互に積層した複合体２８２を、ダイシングによって根元部分８３等を含む他の部分から切り離す（図３の工程Ｓ１８）。得られた複合体２８２は、実際には例えば３０枚程度の立体構造２１を含むので、図５Ｅに示すように、積層方向又はＸ方向に充分な厚みを有するものとなっている。立体構造２１の積層数は、前駆体８２に形成する微細形状１２１の枚数に対応するものとなるが、さらに積層数を増やしたい場合、この複合体２８２を最小単位として複数個の複合体２８２を積層方向に接合する。

その後、得られた複合体２８２に研磨や研削を行ってＺ方向の厚みを調整するとともに、±Ｚ側のパターン面２８２ａ，２８２ｂを平坦化する（図３の工程Ｓ１９）。複合体２８２の厚みは超音波の周波数に応じて調整するが、８０μｍから５００μｍが通常である。これにより、上端面２１ｂ及び下端面２１ｃとして（００１）面を露出させた立体構造２１又は立体構造群２０を含む複合圧電素子体１２０を得ることができる（図６Ａ参照）。

次に、パターン面２２８ａ，２２８ｂのうち上端面２１ｂと下端面２１ｃとに、第１電極４１になる第１電極層２４１と第２電極４２になる第２電極層２４２とを順次形成することで（図３の工程Ｓ２０）、圧電素子母材３０２が完成する（図６Ｂ参照）。両電極層２４１，２４２は、例えばＣｒ／Ａｕの導電性膜であり、例えばスパッタリングによって形成される。

最後に、圧電素子母材３０２を切断機等よってＹＺ面に平行に分割することによって複数個の圧電素子１０２を得る（図６Ｃ参照）。１つ以上の圧電素子母材３０２から得た多数の圧電素子１０２は、図２Ａ等に示す素子集合体２０２を構成する。なお、圧電素子１０２を構成する最小単位の複合体２８２に含まれる立体構造２１の具体的な数は、例えば１０〜２０個程度となっている。また、センサーの１つの画素に対応する圧電素子１０２は、具体例では最小単位の複合体２８２がＸ方向に複数のｎ個連なったものからなっており、このような圧電素子１０２に含まれる立体構造２１の具体的な数は、例えばＸ方向の素子幅を４．６ｍｍとし立体構造周期（Ｗ１＋Ｗ２）を２０μｍとした場合、２３０個となる。

図８は、図１Ａ等に示す圧電素子１０２を用いて作製された超音波検査装置用又は超音波センサー用のプローブを説明する図である。図示のプローブ７０は、素子集合体２０２又は圧電素子１０２から得た振動部７１と、振動部７１の背後に配置されるバッキング材７２と、振動部７１の前面に配置される整合層７３と、振動部７１を動作させる駆動回路７４とを備える。プローブ用の圧電素子１０２としては、既に説明したような幅が５μｍ〜３０μｍ程度でアスペクト比が４以上の立体構造群２０を備えるものが有用である。振動部７１を構成する素子集合体２０２は、多数（ｎ個）の図面横方向に配列された複合圧電素子体１２０と、これを上下から挟む櫛歯状電極１４１，１４２とを有する。一方の櫛歯状電極１４１は、例えばプラス電極であり、個々の第１電極４１単位でリボン状の並列配線７８ａに接続され、他方の櫛歯状電極１４２は、例えばマイナス電極であり、個々の第２電極４２単位でリボン状の並列配線７８ｂに接続されている。両並列配線７８ａ，７８ｂは、駆動回路７４から延びており、各チャンネルに対応する単位プローブ又は画素（図１に示す圧電素子１０２に相当）に超音波に対応する周期の電圧を印可して、これを構成する多数の立体構造２１に超音波振動を発生させるとともに、これら多数の立体構造２１で受けた超音波振動を電圧信号に変換する。

なお、バッキング材７２は、超音波が振動部７１の後方へ放射されることを防止する。また、整合層７３は、振動部７１の前方へ入射または出射される超音波の反射を抑制する役割を有する。

プローブ７０の具体的な動作では、ナノ秒からマイクロ秒といった期間で行われる超音波の送信動作と、同様の期間で行われる超音波の受信動作とが交互に繰り返される。送信動作に際して、駆動回路７４は、不図示の制御回路からのトリガー信号を受けてプローブ７０を構成する各圧電素子１０２に設定された所定の遅延時間で超音波振動を行わせる。受信動作に際して、駆動回路７４は、各圧電素子１０２で検出した超音波の反射に対応する電圧信号を受けて各圧電素子１０２に設定された所定の遅延時間で信号の合成を行う。これにより、超音波の波面制御が可能になり、プローブ７０前方の点状の対象に向けて所望の振動数の超音波を当てることができるとともに、かかる点状の対象から反射されて戻って来た超音波を選択的に受け取ることができる。

以上で説明した第１実施形態による圧電素子１０２の製造方法では、第１工程でＰｂ系圧電材料で形成されたバルク材８１に板状の複数の前駆形状８２ａを加工するが、前駆形状８２ａは仕上げの第２工程で得られる立体構造２１よりもエッチング分だけ一回り大きいため、欠けや劣化が無い前駆形状８２ａを形成することが比較的容易になる。さらに、その後の第２工程でエッチング液を用いて前駆形状８２ａの横幅を所定量まで減少させるので、加工によるダメージを回避しつつ前駆形状８２ａから目標とする形状を有する複数の立体構造２１を比較的容易に得ることができる。

また、上述の製造方法で製造された圧電素子１０２は、立体構造２１の充填部３１に接する表面１２１ａがウェットエッチングによって仕上げられた面であり、エッチング液を用いて前駆形状８２ａの幅を所定量まで減少させることで得られる。このように、圧電素子１０２は、加工によるダメージを回避しつつ目標とする形状を有する複数の立体構造２１を比較的容易に得ている。よって、圧電素子１０２は、圧電定数が劣化することがなく、また加工に起因する劣化が少ないながら、深く高い柱状微細構造体を備えるプローブを提供することができる。

〔実施例〕
以下の表１は、圧電素子の製造方法の実施例をまとめたものである。なお、表１には、実施例１〜１３を記載した。
〔表１〕

以上の表１において、「エッチング」はフッ化物、塩化物、若しくは硝酸、又はそれらの混合液による処理を意味し、「洗浄」は、熱水洗浄を意味する。また、全試料について常温で水等による超音波洗浄を行った。

上記実施例については、エッチング完了後のＰＭＮ−ＰＴ素子等つまりエッチング処理品１８２の評価を行った。評価項目は、（１）ＰＭＮ−ＰＴ素子等の立体構造２１の平均横幅（「圧電構造平均幅（μｍ）」）、（２）ＰＭＮ−ＰＴ素子等の立体構造２１の高さ又は深さ（「圧電構造高さ（μｍ）」）、（３）立体構造２１の横幅が場所によってばらついているか否か（「幅のバラツキＰ−Ｖ（μｍ）」）、（４）立体構造２１の形状が崩れているか否か、及び（５）立体構造２１にデブリが残存しているか否かとした。

形状崩れについては、ＳＥＭもしくは光学顕微鏡にて立体構造２１の横幅方向又は配列方向に関するサイズばらつきΔＬを測定する。そして、ウェットエッチング前後のΔＬの変化を比較し、ΔＬ_前−ΔＬ_後＝形状崩れ値と定義する。「◎」は、形状崩れ値が５μｍ以下であることを意味し、「○」は、形状崩れ値が５μｍより大きく１０μｍ以下であることを意味し、「△」は、形状崩れ値が１０μｍより大きく１５μｍ以下であることを意味し、「×」は、形状崩れ値が１５μｍより大きいことを意味する。なお、上記したΔＬの測定には、キーエンス光学顕微鏡１０００倍若しくはＳＥＭ画像を用いた。この際、試料の対象箇所を１０点計測し、その振れ幅からΔＬを求めた。

デブリについては、ＳＥＭもしくは光学顕微鏡にて立体構造２１に付随して形成されているデブリのサイズを測定する。「◎」は、デブリサイズが３μｍ以下であることを意味し、「○」は、デブリサイズが３μｍより大きく６μｍ以下であることを意味し、「△」は、デブリサイズが６μｍより大きく１０μｍ以下であることを意味し、「×」は、デブリサイズが１０μｍより大きいことを意味する。

実施例１〜８，１０〜１２において、バルク材８１として、日本海メディカル社のＰＭＮ−ＰＴ基板（商品名「ＰＭＮ−ＰＴ／マグネシウムニオブ酸鉛チタン酸鉛」）を用いた。また、実施例９において、バルク材８１として、ＣＴＧアドバンストマテリアルズ(CTG Advanced Materials)社のＰＩＮ−ＰＭＮ−ＰＴ基板（商品名「ＰＩＮ−ＰＩＮ−ＰＭＮ(Lead Indium Niobate-Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate)）を用い、実施例１３において、バルク材８１として、リードテクノ社のＰＺＴ基板を用いた。ここで、ＰＭＮ−ＰＴは、ＰｂＯ−ＭｇＯ−Ｎｂ_２Ｏ_５−ＴｉＯ_２（具体的には、酸化鉛（ＩＩ）（ＰｂＯ）を６９．９〜７０．６質量％、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を２．５〜３．１質量％、酸化ニオブ（Ｖ）（Ｎｂ_２Ｏ_５）を１６．８〜２０．３質量％、酸化チタン（ＩＶ）（ＴｉＯ_２）を６．７〜１０．１質量％含む。）の組成を有する。ＰＩＮ−ＰＭＮ−ＰＴは、ＰｂＯ−Ｉｎ_２Ｏ_３−ＴｉＯ_２−Ｎｂ_２Ｏ_５−ＭｇＯの組成を有する。また、ＰＺＴは、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１−ｘ）Ｏ_３の組成を有する。基板サイズは、実施例１〜１１の全てで２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚み０．５ｍｍであり、２０ｍｍ×２０ｍｍの面が（００１）方位である。

次に、Ｄｉｓｃｏ社製ダイサーＤＡＤ３３５０とブレード（型番Ｚ０９−ＳＤ４０００−Ｙ１−９０ ７２ｘ０．０２５Ａ１ｘ４０）とを用いて、微細形状１２１が横幅５０μｍとなるようにＰＭＮ−ＰＴ等のバルク材に切り込みを入れた。切り込みの溝幅は、２５μｍであった。なお、切り込みの縦幅はバルク材８１のＺ方向の厚みと一致し、溝がバルク材８１を貫通し、切り込みの奥行きはバルク材８１のＹ方向の厚に近いものとした。図９は、微細形状１２１からなる前駆形状８２ａを形成した具体的な前駆体８２を示している。図中において、各微細形状１２１は左右に延びており、上下に多数の微細形状１２１が重なっている。

次に、この前駆体８２にウェットエッチングを施した。表１において、エッチング液「ＰＴ３０３」、「ＰＴ３０４」、及び「ＰＴ３０６」は、林純薬製のエッチング液の製品名「Ｐｕｒｅ Ｅｔｃｈ ＰＴ３０３」、「Ｐｕｒｅ Ｅｔｃｈ ＰＴ３０４」、及び「Ｐｕｒｅ Ｅｔｃｈ ＰＴ３０６」を意味する。ここで、Ｐｕｒｅ Ｅｔｃｈ ＰＴ３０３は、フッ化アンモニウムＮＨ_４Ｆが０．１〜３．９０重量％で、塩化水素ＨＣＬが１０％以下の水溶液である。Ｐｕｒｅ Ｅｔｃｈ ＰＴ３０４は、フッ化アンモニウムＮＨ_４Ｆが４．１〜１０重量％で、塩化水素ＨＣＬが１０％以下の水溶液である。Ｐｕｒｅ Ｅｔｃｈ ＰＴ３０６は、フッ化アンモニウムＮＨ_４Ｆが４．１〜１０重量％で、硝酸ＨＮＯ_３が１０％以下の水溶液である。その他、「ＰＴ３０３＋硝酸」は、上記Ｐｕｒｅ Ｅｔｃｈ ＰＴ３０３に対して５質量％の純硝酸を混合したものを意味する。エッチング液は、実施例３を除いて、毎工程で新しい液を使用した。その後、熱水処理等を含む洗浄作業によって、不動態層８４が存在する場合はこれを剥離して下地を露出させたエッチング処理品１８２を得た。エッチングは、最初の３０分でエッチングが進む距離又は深さが決まり、その後Ｐｂのフッ化物若しくは塩化物の不動態層８４が表面を覆うため、エッチングの進行が鈍化する。不動態層８４が均一に形成されていれば、その後の洗浄作業で不動態層８４が剥離し、表面１２１ａとしてＰＭＮ−ＰＴ等の鏡面が現れる。なお、不動態層８４が均一に形成されていなければ、洗浄後に得られるＰＭＮ−ＰＴ等の表面１２１ａは凹凸を持つことになる。不動態層８４を均一に形成するためには、エッチングの進行を遅くしてエッチング時間を延ばせばよい。特に複数工程のウェットエッチングを行う場合、最終工程におけるエッチングは、素子の表面粗さを決めることになるため、エッチング時間を延ばした方が良い。さらに望ましいのはフッ化アンモニウムと硝酸との混合液をエッチング液として使用することである。この場合、不動態層８４は形成されずスムースにエッチングが行えたことから、フッ化アンモニウム及び硝酸を用いることが不動態の抑制にとって望ましい。

実施例１〜１０，１３では、ウェットエッチング用の容器９１又は支持体９３ａ，９３ｂとして、ガラスを用いた。つまり、ガラスシャーレ又はガラス板を用いた。エッチングに際してガラスをエッチング液に触れさせることで、微細形状１２１の形状が崩れるのを防ぐことができる。エッチングに際してガラスが存在しないとエッチングがどんどん進み、初期の微細形状１２１の輪郭が大きく崩れ、立体構造２１を形成することが困難となることが分かった。なお、実施例１１，１２では、ポリテトラフルオロエチレン容器又はＰＣ（ポリカーボネイト）容器を用いてガラスを入れないでエッチングを行った。

図１０Ａ〜１０Ｃは、不動態層８４を形成するウェットエッチングを説明する図であり、光学顕微鏡による観察状態の一例を示す。図１０Ａは、ウェットエッチング前の状態を示し、多数の平行なダイシングとこれに直交する多数の平行なダイシングとによって周期的な溝５１が形成され、バルク材８１であるＰＭＮ−ＰＴ等の表面に板状又は壁状の微細形状１２１と柱状の微細形状１２１とが形成されている。図１０Ｂは、ガラスをエッチング液に触れさせた比較的低温でのエッチング後の状態を示す。具体的には、３８℃で１７時間のエッチングを行った。この場合、ダイシングによる溝５１が広がっているが、微細形状１２１が残って形状が維持されている。図１０Ｃは、ガラスをエッチング液に触れさせない比較的低温でのエッチング後の状態を示す。この場合、微細形状１２１が消失している。

また、様々な条件で実験を行った結果、ウェットエッチングの初期温度は、低温（具体的には３１℃以下）がより望ましいことが分かった。エッチング液の温度が高すぎると、ガラスをエッチング液に触れさせていてもエッチングが進み、微細形状１２１の形状が崩れる傾向が強まる。ただし、一度低温（３１℃以下）で短時間（例えば３０分）のエッチングを行えば、その時点で不動態層８４が形成される場合、その後温度を上げたとしても、微細形状１２１の形状が崩れにくいことを確認した。エッチング後半の温度を高温（３１℃以上）で行うことで、不動態層８４がバリアとなってエッチングの進行が遅くなるが、不動態層８４が均一に形成される効果が促進される。この結果、洗浄後に得られるＰＭＮ−ＰＴ等の表面１２１ａの表面精度が良好になった。

図１１Ａは、エッチング処理品１８２のうち一群の立体構造２１のＳＥＭ像を説明するものである。図中において、各立体構造２１は白く上下に延びており、左右に離間して多数の立体構造２１が並んでいる。このＳＥＭ像から立体構造２１の厚み等の評価を行うことができる。なお、図１１Ｂは、立体構造２１間にエポキシ樹脂を充填して得た複合体２８２を示すＳＥＭ像である。

図１２は、デブリサイズの評価を説明する光学顕微鏡像である。図示のように、一部の立体構造２１に不規則な粒子状のデブリが形成されている場合、その後に樹脂接着材６１を挟んで立体構造２１の配列密度を高める際に、デブリが妨げとなって立体構造２１の間隔を狭められなくなる可能性がある。

エッチングが完了したら、エポキシ樹脂を充填させ、ライン＆スペースの構造を作製する。エポキシ樹脂として、セメダインＥＰ−００７を用いた。エポキシ樹脂の硬化条件は、室温１２時間、その後５０℃で３時間を採用した。結果的に、立体構造２１間の溝幅又は間隔、つまり充填部３１の幅は、例えば６μｍであった。溝幅を調整するため、エポキシ樹脂の粘性を調整した。ＰＭＮ−ＰＴ等からなる立体構造２１間の横幅は、１５μｍであり、エポキシ樹脂の幅又は厚みは１０μｍであり、これらが互い違いに繰り返す構造が得られた。

エポキシ樹脂を充填した複合体２８２に対して研磨処理を行って、立体構造群２０を含む複合圧電素子体１２０を得た。複合体２８２に対しては、ムサシノ電子の研磨機で研磨を行った。初期の厚みは５００μｍ厚であった。これを９μｍ砥粒で片面ずつ研磨を行い１５０μｍ厚に薄くした。その後３μｍ砥粒で１３０μｍ厚にし、最終的に０．５μｍ砥粒で１２０μｍ厚にした。研磨時の負荷は０．４ｋｇ／１０ｍｍ^２とした。研磨板の回転数は、１２０ｒｐｍであった。

図１３Ａは、９μｍ砥粒で研磨した後の複合体２８２の上端面２１ｂを説明するＳＥＭ像であり、横方向に延びる各立体構造２１において（００１）面が露出している。図１３Ｂは、図１３Ａの上端面２１ｂ上に電極層２４１を形成した状態を説明するＳＥＭ像である。

図１３Ａに示す研磨後の複合体２８２において、各立体構造２１は左右に延びており、隣接する立体構造２１間に一様な厚みの充填部３１が存在する。充填部３１の厚みは、上下方向の位置によらないで略一定に保たれている。

この複合体２８２のパターン面２８ａ，２８ｂを研磨して適正なサイズの複合圧電素子体１２０を得た段階で、図１３Ｂに示すように、Ｃｒを５０ｎｍスパッタ成膜しＡｕを２００ｎｍスパッタ成膜することで電極層２４１，２４２を形成し圧電素子母材３０２を作製した。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の圧電素子の製造方法について説明する。第２実施形態の製造方法は、第１実施形態の製造方法を部分的に変更したものであり、特に説明しない事項は、第１実施形態の製造方法と同様である。

図１４Ａは、図５Ａに示すものと同様のエッチング処理品１８２を２つ準備して、それらの立体構造２１を互いに嵌め合わせるように配置した状態を説明する図である。図１４Ｂは、隣接する立体構造２１間に樹脂接着材６１を充填した状態を示す。具体的な作製例では、ダイシングによる溝５１の幅又は間隔を２５μｍとし、微細形状１２１の横幅を５０μｍとした。そして、エッチング後の溝５１の幅又は間隔を６５μｍとし、立体構造２１の横幅を１０μｍとした。よって、図１４Ａに示すように立体構造２１を互い違いに挿入した状態では、溝５１の幅又は間隔が２７．５μｍとなり、立体構造２１の横幅が１０μｍとなっている。さらに、図１４Ｂに示すように樹脂接着材６１を充填した状態では、樹脂接着材６１の表面張力によって溝５１の幅又は間隔が狭まる。樹脂接着材６１の厚みは樹脂接着材６１の粘性等に依存する。

第２実施形態の手法は、立体構造２１の厚みが厚い場合や高さが低い場合において可撓性が低くなっているときにも、溝５１の幅又は樹脂接着材６１の厚みをある程度狭くできる点で有利である。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態の圧電素子の製造方法について説明する。第３実施形態の製造方法は、第１実施形態の製造方法を部分的に変更したものであり、特に説明しない事項は、第１実施形態の製造方法と同様である。

図１５Ａ及び１５Ｂに示すエッチング処理品１８２の場合、多数の等間隔で平行なダイシングを直交方向に行った結果として、基板３８３上において格子点上に多数の立体構造３２１を設けたものが得られた。各立体構造３２１は、四角柱状であり、周囲の溝３５１は、格子状に広がっている。

図１６は、具体的な作製例のＳＥＭ像である。四角柱状の立体構造３２１が２次元の格子点上に多数配列されている。立体構造３２１は、基板３８３に近い根元側で若干太くなっているが、全体的に一様なサイズとなっている。

図１５Ａ及び１５Ｂに示すエッチング処理品１８２の場合、溝３５１に樹脂接着材６１を充填することができる。この際、立体構造３２１が高く長ければ、立体構造３２１を撓ませて互いに近接させることもできる。近接させたあと、エポキシを充填することでＰＭＮ−ＰＴその他の圧電材柱つまり立体構造３２１が１０μｍピッチで密集した形状を作製することができる。その後必要な厚みに切断し、研磨することで複合圧電素子体を得ることができる。

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態の圧電素子の製造方法について説明する。第４実施形態の製造方法は、第１実施形態の製造方法を部分的に変更したものであり、特に説明しない事項は、第１実施形態の製造方法と同様である。

図１７Ａに示すように、平板状のバルク材８１を準備し、その一端側（図面左側）に等間隔で多数の溝５１をダイシングにより形成し、前駆体８２とする。この際、例えば溝５１の幅を５０μｍとするとともにその間の壁の幅を５０μｍとする。その後、前駆体８２にウェットエッチングを行って、溝５１の幅７５μｍで壁の幅２５μｍの第１のエッチング処理品１８２を得る。第１のエッチング処理品１８２には、多数の立体構造２１からなる立体構造群２０が形成されている。同様の加工を行って、第２のエッチング処理品１８２’を得る。つまり、第２のエッチング処理品１８２’の前駆体８２にも、溝５１の幅７５μｍで壁の幅２５μｍとなっている立体構造群２０が形成される。

その後、図１７Ｂに示すように、第１のエッチング処理品１８２と第２のエッチング処理品１８２’とを、立体構造群２０同士が噛み合うようにパイルする。この際、第１のエッチング処理品１８２の立体構造群２０の間に形成された溝５１にエポキシ樹脂を充填しておき、パイル後に硬化させることで、立体構造群２０同士の噛み合い部分に複合圧電素子体１２０が形成される。

図１７Ｃは、立体構造群２０同士が噛み合う部分を拡大して説明する断面図である。図からも明らかなように、立体構造２１が等間隔で配列され、その隙間が充填部３１によって充填されている。

なお、第１のエッチング処理品１８２に設けた立体構造群２０の端には、位置決め部７ａが形成され、第２のエッチング処理品１８２’に設けた立体構造群２０の端にも、位置決め部７ｂが形成されている。両位置決め部７ａ，７ｂは、立体構造２１と類似する形状を有するが、その横幅が溝５１の幅に近い値となっており、溝５１と嵌合する。このため、第１のエッチング処理品１８２と、第２のエッチング処理品１８２’とが紙面横方向に関してアライメントされるとともに、縦方向のアライメントも可能になっている。本実施形態の製造方法によれば、複合圧電素子体１２０を構成する立体構造２１の間隔がさらに均一になる。

図１８Ａは、複合圧電素子体１２０の具体的な作製例における途中段階の断面のＳＥＭ像であり、図１８Ｂは、完成前の複合圧電素子体１２０の部分的な拡大像である。なお、この場合の立体構造２１の作製条件は、表１の実施例１０と同じである。

以上、実施形態の圧電素子１０２の製造方法について説明したが、本発明に係る圧電素子の製造方法は、上記のものには限られない。例えば、立体構造２１，３２１の横幅、奥行き長さ、高さ（又は深さ）の具体例は、単なる例示であり、特許請求の範囲に記載の制限内で任意に設定することができる。

その他、図１９に示すように、ガラス製の容器９１に溜めたエッチング液９２中に前駆体８２を吊して回転子９４でエッチング液９２を撹拌することによっても、微細形状１２１又は立体構造２１を得ることができる。

Claims (9)

1. 幅３０μｍ以下で高さ８０μｍ以上の板状又は柱状に形成された複数の立体構造を有してなる立体構造群を備える圧電素子の製造方法であって、
   Ｐｂ系圧電材料で形成されたバルク材を切断することによって板状又は柱状の複数の前駆形状を加工する第１工程と、
   エッチング液を用いて前記前駆形状の幅を所定量まで減少させる第２工程と
   を備える圧電素子の製造方法。
2. 前記前駆形状は、幅８０μｍ以下かつ高さ８０μｍ以上に形成される、請求項１に記載の圧電素子の製造方法。
3. 前記第２工程で、フッ化物含有のエッチング液で前記前駆形状の表面をエッチングする、請求項１及び２のいずれか一項に記載の圧電素子の製造方法。
4. 前記フッ化物は、フッ化アンモニウムである、請求項３に記載の圧電素子の製造方法。
5. 前記第２工程で、塩化物もしくは硝酸含有のエッチング液で前記前駆形状の表面をエッチングする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電素子の製造方法。
6. 前記第２工程でエッチングを行う際に、ガラスを同時にエッチング液に触れさせる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電素子の製造方法。
7. 前記複数の立体構造の間に所定の粘性の樹脂を充填するとともに前記複数の立体構造間の間隔を調整する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電素子の製造方法。
8. 前記複数の立体構造の間に充填される樹脂の粘性に応じて生じる表面張力を利用して前記複数の立体構造間の間隔を調整する、請求項７に記載の圧電素子の製造方法。
9. 超音波検査装置のプローブとして用いられる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧電素子の製造方法。

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