JP4094521B2 - 構造物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、成膜技術を用いた構造物の製造方法に関し、特に、噴射堆積法を用いた構造物の製造方法に関する。

従来より、薄膜や厚膜を形成する技術として、スパッタ法や、ゾルゲル法や、蒸着法や、溶射法や、噴射堆積法等が知られている。噴射堆積法とは、原料の粉体を下層に向けて高速で吹き付けることによって堆積させる成膜方法である。この噴射堆積法は、特に、セラミックス等の硬脆材料を用いて強固な厚膜が形成できる技術として注目されている。なお、噴射堆積法は、ガスデポジション法、エアロゾルデポジション（ＡＤ）法、微粒子ビーム堆積法とも呼ばれている。これらの成膜技術を用いることにより、積層コンデンサや、圧電ポンプや、圧電アクチュエータや、超音波トランスデューサのように、複数の材料層を含む積層構造体を容易に作製することができる。

ＡＤ法においては、材料の粉体が下層に衝突するときの衝突エネルギーを利用して材料を下層に付着させるので、成膜時には、一般に、シリコンや、ガラスや、サファイアや、ＳＵＳ（特殊用途用鋼）等のある程度の硬度を有する基板が用いられる。また、特許文献１には、樹脂基材上に樹脂基材を削ることなく脆性材料構造物を形成するために、樹脂基材表面に硬質材料からなる下地層を形成した後に、その下地層の上に微粒子ビーム堆積法によって脆性材料を衝突させ、一部が下地層に食い込んでアンカー部を形成し、多結晶で実質的に結晶配向性なく更に結晶同士の界面にガラス層からなる粒界面が実質的に存在しない脆性構造物を形成することが開示されている。特許文献１に開示されている方法によれば、ＡＤ法を用いて樹脂基板上にも構造物を形成できる。

ところで、ＡＤ法等の成膜技術を用いて基板上に形成された構造物は、基板と強固に密着しているので、そこから基板を剥離することは困難である。そのため、そのような構造物は、基板をつけたまま利用されることが多い。しかしながら、基板の存在により、構造物やそれを用いた装置の機能の低下を招いてしまうことは少なくない。例えば、上記のような基板を用いて作製された超音波トランスデューサにおいては、基板によって超音波の伝播効率が低下してしまう。そのため、研磨等によって構造物から基板を除去することも考えられる。しかしながら、この場合には、構造物の下部も研磨されてしまうので、基板を除去した後の研磨面に新たに電極層等を形成しなくてはならなくなり、製造工程が煩雑になると共に、構造物と電極層との密着性が低下するおそれがある。さらに、研磨の際の応力によって構造物に破損を生じてしまうこともある。そのため、構造物から基板を容易に剥離することができる方法が望まれている。
特開２００３−３４００３号公報

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、成膜技術を用いて基板上に形成された構造物から、基板を容易に剥離することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る構造物の製造方法は、基板の主面上に、熱酸化させることによって除去可能なレジスト材料であって、ポリイミド、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ノボラック樹脂系、エチルセロソルブアセテート系、又は、ナフトキノンジアミド系のレジスト材料によって、２．４μｍ以下の厚さを有する中間層を形成する工程（ａ）と、前記中間層が形成された前記基板に向けて材料の粉体を吹き付けて堆積させる噴射堆積法を少なくとも用いることにより、脆性材料層を含む構造物を前記中間層上に形成する工程（ｂ）と、
前記中間層を熱酸化させて除去することにより、前記構造物から前記基板を剥離する工程（ｃ）とを具備する。

本発明によれば、熱酸化させることによって除去可能な中間層を予め基板に形成し、その上に成膜することによって構造物を形成した後に中間層を除去するので、構造物を破損することなく、基板を容易に剥離することができる。

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構造物の製造方法を示すフローチャートである。また、図２は、本実施形態に係る構造物の製造方法を説明するための図である。本実施形態においては、脆性材料層を含む複数の層によって構成される積層構造体を製造する。例えば、脆性材料として誘電体（強誘電体）を用い、その両側に電極が形成された積層構造体は、コンデンサ等に利用することができる。また、脆性材料としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）等の圧電材料を用いた積層構造体は、超音波撮像装置において超音波を送受信する超音波トランスデューサや、圧電アクチュエータ等に利用することができる。

図１の工程Ｓ１において、図２の（ａ）に示すように、基板１０を用意し、そこに中間層１１を形成する。基板１０としては、例えば、シリコンや、ガラスや、サファイアや、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や、ＳＵＳ（特殊用途鋼）等が用いられる。このような基板１０に、ポリイミドフォトレジストを、スピンコータを用いて、厚さが０．５ミクロンになるように回転数をコントロールしながら基板１０上に塗布する。さらに、塗布されたポリイミドフォトレジストをベーキングによって乾燥させることにより、中間層１１が形成される。なお、中間層１１の材料としては、熱酸化によって分解される熱分解性ポリマーを用いることができ、例えば、ポリイミドや、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）や、ノボラック樹脂系や、エチルセロソルブアセテート系や、ナフトキノンジアミド系を含むその他のレジスト材料が挙げられる。

工程Ｓ２において、図２の（ｂ）に示すように、中間層１１の上に層１２〜１６を積層することにより、積層構造体を形成する。即ち、まず、スパッタ法を用いてチタン（Ｔｉ）層１２及び白金（Ｐｔ）層１３を成膜することにより、２層電極を形成する。チタン層１２は、他の材料との密着性が比較的低い白金を下層に密着させるために配置され、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度、より好ましくは、１０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さを有している。白金層１３は、上層１４に電圧を印加するために用いられる導電層であり、５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度の厚さを有している。

次に、白金層１３の上に、噴射堆積法（エアロゾルデポジション法、以下において「ＡＤ法」ともいう）を用いて、ＰＺＴ層１４を形成する。
図３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、原料の粉体（例えば、平均粒径０．３μｍのＰＺＴ単結晶粉体）２１を配置するエアロゾル生成容器２２を有している。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。エアロゾル生成容器２２には、キャリアガス導入部２３、エアロゾル導出部２４、振動部２５が設けられている。キャリアガス導入部２３から窒素ガス（Ｎ_２）等の気体を導入することによってエアロゾル生成容器２２内に配置された原料の粉体が噴き上げられ、エアロゾルが生成される。その際に、振動部２５によってエアロゾル生成容器２２に振動を与えることにより、原料の粉体が撹拌され、効率良くエアロゾルが生成される。生成されたエアロゾルは、エアロゾル導出部２４を通って、成膜チャンバ２６に導かれる。

成膜チャンバ２６には、排気管２７、ノズル２８、可動ステージ２９が設けられている。排気管２７は、真空ポンプに接続されており、成膜チャンバ２６内を排気する。エアロゾル生成容器２２において生成され、エアロゾル導出部２４を通って成膜チャンバ２６に導かれたエアロゾルは、ノズル２８から基板１０に向けて噴射される。これにより、原料の粉体が基板１０上に衝突して堆積する。基板１０は、３次元に移動可能な可動ステージ２９に戴置されており、可動ステージ２９を制御することにより、基板１０とノズル２８との相対的位置が調節される。

さらに、図２の（ｂ）に示すように、ＰＺＴ層１４の上に、スパッタ法を用いてチタン層１５及び白金層１６を成膜する。これにより、圧電材料の両側に電極が形成された振動子の構造が形成される。更に、白金層１６の上に、ＰＺＴ層、チタン層、及び白金層を所望の回数だけ順次積層することにより、複数層を有する積層構造体を形成しても良い。

なお、白金層１３及び１６を下層に密着させる層１２及び１５としては、チタンの替わりに、酸化チタン（ＴｉＯ_２）層を用いても良い。予め酸化された材料を用いることにより、後に行われる熱処理時や焼成時に生じるＰＺＴ層を透過した酸素による材料の変質と、それに起因する密着層としての機能低下を防ぐことができる。

図１の工程Ｓ３において、例えば、５００℃の空気中において約２時間熱処理を行うことにより、ポリイミドフォトレジスト膜を熱酸化させて分解することにより、中間層１１を除去する。それにより、基板１０が剥離されて、図２の（ｃ）に示す積層構造体１２〜１６が得られる。必要であれば、この後で、積層構造体１２〜１６を焼成しても良い。
以上説明したように、本実施形態によれば、形成された積層構造体に負荷をかけることなく、基板を容易に剥離することができる。

次に、本実施形態において形成される各層の厚さについて、詳しく説明する。
図４は、中間層の厚さｔ（μｍ）とＡＤ法によって形成されたＰＺＴ層の成膜レートとの関係を示している。図４において、縦軸の成膜レートは、成膜が良好に行われた範囲における成膜レートを１として規格化すると共に、規格化された成膜レートに剥離可能性を掛けた値を示している。なお、一般に、成膜レートは、原料の単位消費量に対する膜厚によって表される。

所定の範囲内の厚さを有する中間層を設けることにより、構造体の最下層（図２においては、チタン層１２）と基板との間の相互作用をなくして両者を剥離することが可能になる。また、０＜ｔ≦０．７μｍの範囲においては、良好な成膜レートが示されている。そして、厚さｔが０．７μｍとなる付近から徐々に成膜レートが低下し始め、厚さｔが１．０μｍとなる付近において、成膜レートが０．８を下回るようになる。さらに、厚さｔが１．０μｍを越えると、成膜レートが急激に低下し始め、厚さｔが２．４μｍを超えると、ＡＤ法による成膜が不可能になる。

このように、中間層の厚さの増加に伴って成膜レートが低下する理由は、次の通りである。即ち、ＡＤ法は、高速に加速された原料の粉体が下層に衝突する衝突エネルギーを利用して、原料の粉体を下層に付着させる成膜方法である。そのため、下層の弾性（クッション性）が大きすぎると、原料の粉体の衝突エネルギーが吸収されたり、弾かれてしまい、下層に堆積することができなくなるからである。
そこで、本実施形態においては、０＜ｔ≦２．４μｍの範囲を、ＡＤ法による成膜が可能であり、且つ、形成された構造体を基板から剥離できる範囲とし、成膜レートが０．８以上を示すｔ≦１．０μｍの範囲（図４の斜線に示す領域）を、良好に成膜できる範囲としている。

次に、本実施形態において、白金層１３の厚さを５０ｎｍ以上とする理由は、次の通りである。即ち、ＡＤ法においては、原料の粉体が下層（図１においては、白金層１３）に食い込む現象（「アンカーリング」と呼ばれる）が生じる。このアンカーリングによって生じるアンカー層（粉体が食い込んだ層）の厚さは、下層の材質や粉体の速度等によって異なるが、一般には、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。従って、十分にアンカーリングを生じさせてＰＺＴ層と白金層とを密着させると共に、白金層の導電性を良好に機能させるためには、白金層の厚さが少なくとも５０ｎｍあることが望ましいからである。また、白金層１３の厚さを１５０ｎｍ以下とする理由は、中間層と同様に、白金層のクッション性が大きすぎると、ＰＺＴ層が堆積し難くなるからである。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＡＤ法を用いて形成された脆性材料層を含む構造物から、基板を容易に剥離することができる。従って、電極層や脆性材料層の形成を含む一連の成膜工程を終えてから次の工程に移行することができるので、構造物の最下層に別途電極層を成膜するといった手間を要することがなくなる。また、上層にＡＤ法を用いて脆性材料層が形成された電極層を、基板を剥離した後にそのまま使用できるので、両者の強固な密着性を維持することが可能になる。
本実施形態においては、誘電体層の両側に電極層が形成された積層構造体を製造したが、脆性材料層のみの単層の構造物を製造しても良い。

本発明は、成膜技術を用いた構造物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構造物の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る構造物の製造方法を説明するための図である。 エアロゾルデポジション法を用いた成膜装置を示す模式図である。 中間層の厚さとＡＤ法によって形成されたＰＺＴ層の成膜レートとの関係を示す図である。

符号の説明

１０ 基板
１１ 中間層
１２、１５ チタン層
１３、１６ 白金層
１４ ＰＺＴ層
２１ 原料の粉体
２２ エアロゾル生成容器
２３ キャリアガス導入部
２４ エアロゾル導出部
２５ 振動部
２６ 成膜チャンバ
２７ 排気管
２８ ノズル
２９ 可動ステージ

Claims (5)

1. 基板の主面上に、熱酸化させることによって除去可能なレジスト材料であって、ポリイミド、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ノボラック樹脂系、エチルセロソルブアセテート系、又は、ナフトキノンジアミド系のレジスト材料によって、２．４μｍ以下の厚さを有する中間層を形成する工程（ａ）と、
   前記中間層が形成された前記基板に向けて材料の粉体を吹き付けて堆積させる噴射堆積法を少なくとも用いることにより、脆性材料層を含む構造物を前記中間層上に形成する工程（ｂ）と、
   前記中間層を熱酸化させて除去することにより、前記構造物から前記基板を剥離する工程（ｃ）と、
   を具備する構造物の製造方法。
2. 前記中間層が、１．０μｍ以下の厚さを有する、請求項１記載の構造物の製造方法。
3. 工程（ｂ）が、前記中間層上に導電体層を形成し、前記中間層及び前記導電体層が形成された前記基板に向けて材料の粉体を吹き付けて堆積させることにより、導電体層及び脆性材料層を含む構造物を形成することを含む、請求項１又は２記載の構造物の製造方法。
4. 前記脆性材料層が誘電体を含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の構造物の製造方法。
5. 前記脆性材料層がＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を含む、請求項１〜４のいずれか１項記載の構造物の製造方法。

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