(57)【要約】 【課題】  エアロゾルガスデポジション法により、金属などの基板上へ圧電セラミック厚膜を形成し、熱処理なしに良好な圧電特性を有する圧電セラミック厚膜の製造方法を提供する。【解決手段】  圧電セラミック材料の微粒子をエアロゾル化させ、減圧されたチャンバー内に配置した金属基板上ヘノズルを通して噴射し、衝突させ堆積させる場合に、初期の段階で前記基板上に直接衝突させる微粒子の平均粒径よりもその後の段階で衝突させる微粒子の平均粒径を大きくして圧電セラミック厚膜を形成する。また、初期の製膜段階での平均粒径は０．３〜０．６μｍであり、その後の製膜段階での平均粒径は０．４〜８．０μｍである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック材料の微粒子をエアロゾル化させ、減圧されたチャンバー内に配置した基板上へ、ノズルを通して噴射し、衝突させ堆積させるエアロゾルガスデポジション法による圧電セラミック厚膜の製造方法において、堆積の初期段階で前記基板上へ直接に噴射し衝突させ堆積させる微粒子の平均粒径を、その後の段階で噴射し衝突させ堆積させる微粒子の平均粒径よりも小さくしたことを特徴とする圧電セラミック厚膜の製造方法。
【請求項２】
前記基板は金属基板であることを特徴とする、請求項１記載の圧電セラミック厚膜の製造方法。
【請求項３】
前記初期段階で基板上へ直接に噴射し衝突させ堆積させる微粒子の平均粒径は０．３〜０．６μｍであることを特徴とする、請求項１記載の圧電セラミック厚膜の製造方法。
【請求項４】
前記後の段階で衝突させ堆積させる微粒子の平均粒径は０．４〜８．０μｍであることを特徴とする、請求項３記載の圧電セラミック厚膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアロゾルガスデポジション法による圧電セラミック厚膜の製造方法に関し、特に、堆積させる粒子径の制御により、基板の損傷を起こさず、熱処理なしに良好な圧電特性が得られる、圧電セラミック厚膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ3、以下ＰＺＴと略す）は優れた圧電特性を有するため、従来からアクチュエータ、センサー、フィルター、発音素子などの電子デバイスに広く応用されている。
【０００３】
近年、以上のデバイスの小型化、低背化が顕著に進み、半導体製造プロセスとＰＺＴ膜とを組み合わせることにより、マイクロアクチュエータを開発する試みが活発に行われている。圧電セラミックを半導体プロセスと融合させるにはＳｉ基板上へＰＺＴ膜を形成させる技術が必要になる。現在のところ、その形成方法としてはゾルゲル法、ＭＯ−ＣＶＤ法、スパッタ法などが実用化されつつある。
【０００４】
しかし、ＰＺＴ膜をアクチュエータとしたデバイスに応用するには、その膜厚は一般的に１０μｍ以上が要求される。ゾルゲル法、ＭＯ−ＣＶＤ法、スパッタ法などでは成膜速度が遅いために実際に膜形成する場合は１μｍ前後が限界とされており、アクチェエータヘの応用は困難であり、主にセンサーとして応用されることが多い。
【０００５】
上記の状況の中で、エアロゾルガスデポジション法（以下ＡＤ法と略す）が、比較的低温で厚膜形成出来るプロセスとして検討されてきた。ＡＤ法はセラミックや金属などの微粒子をガス中に混合しエアロゾル化し、真空状態のチャンバー内へ配置させた基板へノズルを通して衝突、堆積させ、前記基板上へ厚膜を作製する方法であり、その一例として特許文献１に開示された技術がある。また、ＡＤ法にてステンレス基板上へ１０μｍ以上のＰＺＴ厚膜を形成させた報告として、非特許文献１がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２３５１８１号公報
【非特許文献１】マイクロアクチュエータ用ＰＺＴ厚膜の形成：ULVAC TECHNICAL JOURNAL  No.57, p.6，(2002）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＡＤ法によりＰＺＴ粉末をステンレス基板上へ形成する場合、衝突させるＰＺＴ粉末の粒径の選択を誤ると基板との密着性が確保出来無くなるという難しさがある。すなわち粒径が小さすぎると衝突エネルギーが得られず膜としての硬度が確保出来ず、成膜が不可能になる。一方、粒径が大きすぎると衝突エネルギーが大きすぎて基板を損傷させてしまい、成膜が不可能になってしまう。この点については、本発明に至る研究の結果、ＡＤ法において、１種類の平均粒径のＰＺＴ粉末を用いて製膜するときには、膜の硬度が確保され基板への損傷がない最適なＰＺＴの平均粒径は０．３〜０．６μｍであるということが判明している。
【０００８】
しかし、圧電特性に着目するとＡＤ法を用いて、前記平均粒径のＰＺＴ粉末を衝突、堆積させた場合、亜音速まで加速された微粒子が基板に衝突することで、セラミック粒子がナノレベルに粉砕され、新生面が発現することで破壊された粒子が一体化するという原理に基づいているため、膜形成後のＰＺＴ厚膜の圧電特性は、粒子が細かくなり、通常の焼結セラミックに比べて非常に劣るという問題点がある。この問題点を解決するためには、ＡＤ法により膜形成した後に熱処理を加えることで粉砕されて細かくなった粒子を成長させることで圧電特性は向上し、８５０℃の熱処理で焼結セラミックと同等の圧電特性が得られることが報告されている。しかし、この方法によれば、ステンレスなどの安価な金属材料を基板とした場合、熱処理中に基板の酸化が生じたり、基板と鉛が反応して圧電特性が低下する。そのため、基板材料としては、Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ基板やセラミック基板に限られるという問題があった。またさらに、熱処理を加えることで基板とＰＺＴ厚膜の熱膨張率の違いから剥離が生じてしまう問題点もある。
【０００９】
この状況において、本発明の課題は、エアロゾルガスデポジション法により、金属などの基板上へ圧電セラミック厚膜を形成し、熱処理なしに良好な圧電特性を有する圧電セラミック厚膜の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ＰＺＴなどの圧電セラミック材料の微粒子をエアロゾル化させ、減圧されたチャンバー内に配置した基板上ヘノズルを通して衝突、堆積させるエアロゾルガスデポジション法にて厚膜を形成する場合に、直接前記基板上に衝突させる微粒子の平均粒径より、その後に衝突させる微粒子の平均粒径を大きいものを使用することを特徴とし、圧電特性に有効に作用し、かつ金属などの基板への密着性が良好なセラミック厚膜の製造方法を提供するものである。
【００１１】
すなわち、第１の発明の圧電セラミック厚膜の製造方法は、圧電セラミック材料の微粒子をエアロゾル化させ、減圧されたチャンバー内に配置した基板上へ、ノズルを通して噴射し、衝突させ堆積させるエアロゾルガスデポジション法による圧電セラミック厚膜の製造方法において、堆積の初期段階で前記基板上へ直接に噴射し衝突させ堆積させる微粒子の平均粒径を、その後の段階で噴射し衝突させ堆積させる微粒子の平均粒径よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１２】
第２の発明の圧電セラミック厚膜の製造方法は、前記基板が金属基板であることを特徴とする、第１の発明の圧電セラミック厚膜の製造方法である。
【００１３】
第３の発明の圧電セラミック厚膜の製造方法は、前記初期段階で基板上へ直接に噴射し衝突させ堆積させる微粒子の平均粒径は０．３〜０．６μｍであることを特徴とする、第１の発明の圧電セラミック厚膜の製造方法である。
【００１４】
第４の発明の圧電セラミック厚膜の製造方法は、前記後の段階で衝突させ堆積させる微粒子の平均粒径は０．４〜８．０μｍであることを特徴とする、第３の発明の圧電セラミック厚膜の製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
従来、ＡＤ法によるＰＺＴ厚膜を形成する方法においては、ＰＺＴ厚膜の圧電特性を向上させるために熱処理を必要とする。そのため、基板材料としてはＳｉ基板やセラミック基板などに限定されていたが、本発明によれば、安価な金属基板、特にステンレス基板や銅基板への圧電セラミック厚膜形成において、熱処理を加えなくても焼結セラミックと同等の圧電特性が得ることが可能である。故に、本発明の製造方法は安価なステンレス基板や銅基板が選択可能になり、また、熱処理も不要なことから大幅な製造コストの削減が図れ、工業的なメリットは大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明の実施の形態を詳細に示す。
【００１７】
図２は、本発明の実施の形態で使用するＡＤ法による圧電セラミック厚膜の成膜装置を示す模式図である。成膜チャンバー１には、ノズル２が取り付けられ、ノズル２の先には基板３を固定するフレーム４が取り付けられている。成膜チャンバー１には真空配管５及び真空ポンプ６が接続される。ノズル２は成膜チャンバー１の外側にあるエアロゾル発生装置７に接続している。真空配管５及び真空ポンプ６は成膜チャンバー１内を減圧する。この減圧された成膜チャンバー１ヘエアロゾル化させた微粉末をノズル２を通して基板３へ衝突、堆積させることにより成膜する。
【００１８】
まず最初に基板３上へ成膜を行うために１００μｍ厚みのステンレス基板をフレーム４へ取り付け、エアロゾル発生装置７に圧電セラミック粉末を投入した。使用する圧電セラミック粉末はＰＺＴ−Ｎｂ系の微粉末であり、平均粒径の調整はボールミル粉砕時間の長さを変えることによってコントロールし、Ｄ（平均粒径）＝０．４μｍ、Ｄ＝１．０μｍ、Ｄ＝２．０μｍ、Ｄ＝５．０μｍ、Ｄ＝８．０μｍ、Ｄ＝１０．０μｍの６種の粉末を用意した。
【００１９】
まず、金属基板上への成膜は金属基板と密着性の良いＤ＝０．４μｍの粉末を使用した。成膜条件を表１に示す。表１の条件にて膜厚が２μｍになるようにノズルの走査回数と走査スピードを調整した。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
次に、衝突させる粉末の粒径を大きいものにするために、エアロゾル発生装置内の粉末を同じセラミック材料の平均粒径がＤ＝１．０μｍのものに置き換えて、再び同基板へ表１の条件にて成膜を行った。そして、セラミックの膜厚が１２μｍになるようにノズルの走査回数と走査スピードを調整した。また、同様に置き換える粉末をＤ＝２．０μｍ、Ｄ＝５．０μｍ、Ｄ＝８．０μｍ、Ｄ＝１０．０μｍのそれぞれの場合についても成膜を行った。さらに、比較のために置き換えない場合（Ｄ＝０．４μｍを継続して膜厚１２μｍになるまで成膜）を実施し、成膜を終えたステンレス基板上ＰＺＴ厚膜の上面に電極膜を形成し、圧電定数ｄ３１を測定した。図１にその結果を示す。
【００２２】
本発明によるＰＺＴ厚膜において圧電特性が優れていることがわかる。ここでＤ＝１０．０μｍの粉末の場合は形成された厚膜の表面が非常に粗くなり、厚膜としては品質にばらつきが生じやすいので、本発明により使用する平均粒径はＤ＝０．４〜８．０μｍが最適である。
【００２３】
なお、ＡＤ法において、１種類の平均粒径のＰＺＴ粉末を用いた場合には、膜の硬度が確保され、基板への損傷がない最適なＰＺＴの平均粒径は、すでに説明したように、０．３〜０．６μｍであるということが判明している。本発明のように２種類の平均粒径のセラミック材料を用いる場合にも、初期段階の製膜で使用するセラミック材料の平均粒径については、この範囲が適している。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるＰＺＴ厚膜の圧電特性を示す図。
【図２】本発明の実施の形態でのＡＤ法による成膜装置を示す模式図。
【符号の説明】
【００２５】
１    成膜チャンバー
２    ノズル
３    基板
４    フレーム
５    真空配管
６    真空ポンプ
７    エアロゾル発生装置
【図１】
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【図２】
2005330555.tif 000005