(57)【要約】  【課題】  絶縁層及び複数の電極層を含みアレイ化が容易な積層構造体を提供する。  【解決手段】  この積層構造体は、複数の柱状構造物が所定の配列で配置された基板を用いて製造される積層構造体であって、複数の柱状構造物の内の第１群の柱状構造物の周囲を除く基板又は絶縁層上に導電材料を成膜することにより形成された第１の電極層１１と、第１の電極層が形成された基板に絶縁原料の粉体を吹き付けて堆積させることにより形成された絶縁層１０と、複数の柱状構造物の内の第２群の柱状構造物の周囲を除く絶縁層上に導電材料を成膜することにより形成された第２の電極層１２と、少なくとも第１の電極層と絶縁層と第２の電極層とが形成された基板から複数の柱状構造物を除去することによって形成された空孔に導電材料を充填して形成された複数の配線１３及び１４とを含む。これにより、従来困難であった積層構造体のアレイ化を高信頼に実現することが可能となった。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層構造体の製造方法であって、
基板に複数の柱状構造物を所定の配列で配置する工程と、
前記複数の柱状構造物の内の第１群の柱状構造物の周囲を除く前記基板又は絶縁層上に導電材料を成膜することにより第１の電極層を形成する工程と、
前記第１の電極層が形成された前記基板に絶縁材料の粉体を吹き付けて堆積させることにより絶縁層を形成する工程と、
前記複数の柱状構造物の内の第２群の柱状構造物の周囲を除く前記絶縁層上に導電材料を成膜することにより第２の電極層を形成する工程と、
を具備する製造方法。
【請求項２】
少なくとも前記第１の電極層と前記絶縁層と前記第２の電極層とが形成された前記基板から前記複数の柱状構造物を除去することにより、前記積層構造体に複数の空孔を形成する工程と、
前記積層構造体に形成された複数の空孔に導電材料を充填する工程と、
をさらに具備する請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
前記複数の柱状構造物が導電材料によって形成されている、請求項１記載の製造方法。
【請求項４】
前記積層構造体から前記基板を除去する工程をさらに具備する請求項１〜３のいずれか１項記載の製造方法。
【請求項５】
複数の柱状構造物が所定の配列で配置された基板を用いて製造される積層構造体であって、
前記複数の柱状構造物の内の第１群の柱状構造物の周囲を除く前記基板又は絶縁層上に導電材料を成膜することにより形成された第１の電極層と、
前記第１の電極層が形成された前記基板に絶縁原料の粉体を吹き付けて堆積させることにより形成された絶縁層と、
前記複数の柱状構造物の内の第２群の柱状構造物の周囲を除く前記絶縁層上に導電材料を成膜することにより形成された第２の電極層と、
少なくとも前記第１の電極層と前記絶縁層と前記第２の電極層とが形成された前記基板から前記複数の柱状構造物を除去することによって形成された空孔に導電材料を充填して形成された複数の配線と、
を具備する積層構造体。
【請求項６】
基板を用いて製造される積層構造体であって、
導電材料によって形成された複数の柱状構造物を所定の配列で前記基板に配置することにより形成された複数の電極と、
前記複数の柱状構造物の内の第１群の柱状構造物の周囲を除く前記基板又は絶縁層上に導電材料を成膜することにより形成された第１の電極層と、
前記第１の電極層が形成された前記基板に絶縁原料の粉体を吹き付けて堆積させることにより形成された絶縁層と、
前記複数の柱状構造物の内の第２群の柱状構造物の周囲を除く前記絶縁層上に導電材料を成膜することにより形成された第２の電極層と、
を具備する積層構造体。
【請求項７】
複数の柱状構造物が所定の配列で配置された基板を用いて製造される超音波トランスデューサであって、
音響整合層として用いられる前記基板と、
前記複数の柱状構造物の内の第１群の柱状構造物の周囲を除く前記基板上に導電材料を成膜することにより形成された第１の電極層と、
前記第１の電極層が形成された前記基板に圧電材料の粉体を吹き付けて堆積させることにより形成された圧電層と、
前記複数の柱状構造物の内の第２群の柱状構造物の周囲を除く前記圧電層上に導電材料を成膜することにより形成された第２の電極層と、
少なくとも前記第１の電極層と前記圧電層と前記第２の電極層とが形成された前記基板から前記複数の柱状構造物を除去することによって形成された空孔に導電材料を充填して形成された複数の配線と、
を具備する超音波トランスデューサ。
【請求項８】
超音波トランスデューサであって、
導電材料によって形成された複数の柱状構造物が所定の配列で配置され、音響整合層として用いられる基板と、
前記複数の柱状構造物の内の第１群の柱状構造物の周囲を除く前記基板上に導電材料を成膜することにより形成された第１の電極層と、
前記第１の電極層が形成された前記基板に圧電材料の粉体を吹き付けて堆積させることにより形成された圧電層と、
前記複数の柱状構造物の内の第２群の柱状構造物の周囲を除く前記圧電層上に導電材料を成膜することにより形成された第２の電極層と、
を具備する超音波トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁体と電極とが交互に積層されている積層構造体及びその製造方法に関する。また、本発明は、そのような積層構造体を含み、超音波診断や非破壊検査において、超音波を送信及び受信するために用いられる超音波トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
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（マイクロエレクトロメカニカルシステム）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益々進んでいる。
【０００３】
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。
【０００４】
図２３の（ａ）及び（ｂ）は、複数の圧電層と電極とが積層された従来の積層構造体（圧電デバイス）を示す断面図である。図２３の（ａ）及び（ｂ）に示すように、複数の圧電層１００を挟む複数の電極を並列に接続するために、積層構造体の側面から配線が行われている。
図２３の（ａ）に示す積層構造体において、電極１０１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１０２は、その一端が積層構造体の他方の壁面まで延びるように形成されている。これにより、電極１０１は、一方の側面に形成された側面配線１０３に接続されると共に、他方の側面に形成された側面配線１０４から絶縁される。反対に、電極１０２は、側面配線１０４に接続されると共に、側面配線１０３から絶縁される。これらの側面配線１０３と側面配線１０４との間に電位差を与えることにより、電極１０１と電極１０２の間にそれぞれ配置された圧電層１００の各々に電圧が印加され、圧電効果によって圧電層１００が伸縮する。
【０００５】
しかしながら、図２３の（ａ）に示すように、電極１０１及び１０２の各層には、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１０５が設けられている。この絶縁領域１０５は、積層構造体１００に電圧が印加されても伸縮しない。そのため、この部分に応力が集中して破損し易いので、製品に対する信頼性が低くなるという問題が生じている。
【０００６】
このような応力集中による破損を防ぐために、図２３の（ｂ）に示すような積層構造体も提案されている。この積層構造体において、電極１１１及び１１２は、圧電層１００上の全面に渡って形成されている。また、積層構造体の側面に露出した電極１１１及び１１２の一端は、絶縁材料１１５によって覆われている。これにより、電極１１１は、側面配線１１３に接続されると共に、側面配線１１４から絶縁される。反対に、電極１１２は、側面配線１１４に接続されると共に、側面配線１１３から絶縁される。
【０００７】
しかしながら、図２３の（ｂ）に示す積層構造体は、側面において絶縁領域１１５及び側面配線１１３及び１１４を形成しているので、多数の積層構造体が密に配列されたアレイ状の積層構造体を作製するのは困難である。
【０００８】
ところで、特許文献１には、出射端形状の異なる複数のノズルによってそれぞれ内部電極材料、誘電体材料、外部電極材料に対応した超微粒子を一定の順序で噴射堆積することを繰り返し、内部電極、誘電体層の積層及び外部電極を形成することにより、積層体を得ることが開示されている。このような作製方法によれば、バインダ等の有機材料を用いることなく、積層型セラミックス誘電体を得ることができる。
【０００９】
噴射堆積法は、原料の微粒子を基板に向けて噴射することにより原料を堆積させる成膜方法であり、エアロゾル・デポジション（ＡＤ）法、又は、ガス・デポジション法とも呼ばれている。噴射堆積法においては、原料の微粒子が基板や先に形成された堆積物等の下層に高速で吹き付けられ、原料の微粒子が下層に食い込むアンカーリングと呼ばれる現象が生じる。その衝突の際に、原料の微粒子が破砕し、その破砕面が下層に付着するメカノケミカル反応により、強固な膜が形成される。
【００１０】
特許文献１の図４に示す積層体においては、下部電極２、圧電体３、及び、上部電極４だけでなく、側面配線となる外部電極５ａ及び５ｂも噴射堆積法によって形成されている。この外部電極５ａ及び５ｂは、複数の圧電体３の間の配線を接続するために、圧電体と同等の厚さを有している必要がある。しかしながら、側面配線５ａ及び５ｂの材料であるニッケル（Ｎｉ）又は銀パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）は、下部電極２の材料である白金／チタン（Ｔｉ）材と比較して軟らかいので、側面配線を噴射堆積法によって形成する場合には、アンカーリングは生じるもののメカノケミカル反応が起き難い。そのため、強固な側面配線を形成できない可能性がある。反対に、その際に、アブレーション（侵食）が起きてしまい、一旦堆積した膜が剥離してしまうことも考えられる。また、原料の微粒子をノズルから噴射する際には、エアロゾル（原料の粉体が浮遊している気体）のビームが広がってしまうので、その影響により、圧電体のエッジがテーパー状になってしまう。そのため、積層を繰り返すことにより圧電体層の幅が狭くなってしまうので、理想的な柱状の積層圧電体を作製することが困難である。さらに、圧電体の側面に電極を配置する場合には、多数の微小な構造体を高い密度で集積化することが困難になる。
【特許文献１】特開平６−２９１３８０号公報（第４頁、第４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、絶縁層及び複数の電極層を含みアレイ化が容易な積層構造体、及び、そのような積層構造体を製造するための製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような積層構造体を用いた超音波トランスデューサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以上の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、積層構造体の製造方法であって、基板に複数の柱状構造物を所定の配列で配置する工程と、複数の柱状構造物の内の第１群の柱状構造物の周囲を除く基板又は絶縁層上に導電材料を成膜することにより第１の電極層を形成する工程と、第１の電極層が形成された基板に絶縁材料の粉体を吹き付けて堆積させることにより絶縁層を形成する工程と、複数の柱状構造物の内の第２群の柱状構造物の周囲を除く絶縁層上に導電材料を成膜することにより第２の電極層を形成する工程とを具備する。
【００１３】
本発明の第１の観点に係る積層構造体は、複数の柱状構造物が所定の配列で配置された基板を用いて製造される積層構造体であって、複数の柱状構造物の内の第１群の柱状構造物の周囲を除く基板又は絶縁層上に導電材料を成膜することにより形成された第１の電極層と、第１の電極層が形成された基板に絶縁原料の粉体を吹き付けて堆積させることにより形成された絶縁層と、複数の柱状構造物の内の第２群の柱状構造物の周囲を除く絶縁層上に導電材料を成膜することにより形成された第２の電極層と、少なくとも第１の電極層と絶縁層と第２の電極層とが形成された基板から複数の柱状構造物を除去することによって形成された空孔に導電材料を充填して形成された複数の配線とを具備する。
【００１４】
また、本発明の第２の観点に係る積層構造体は、基板を用いて製造される積層構造体であって、導電材料によって形成された複数の柱状構造物を所定の配列で基板に配置することにより形成された複数の電極と、複数の柱状構造物の内の第１群の柱状構造物の周囲を除く基板又は絶縁層上に導電材料を成膜することにより形成された第１の電極層と、第１の電極層が形成された基板に絶縁原料の粉体を吹き付けて堆積させることにより形成された絶縁層と、複数の柱状構造物の内の第２群の柱状構造物の周囲を除く絶縁層上に導電材料を成膜することにより形成された第２の電極層とを具備する。
【００１５】
本発明の第１の観点に係る超音波トランスデューサは、複数の柱状構造物が所定の配列で配置された基板を用いて製造される超音波トランスデューサであって、
音響整合層として用いられる基板と、複数の柱状構造物の内の第１群の柱状構造物の周囲を除く基板上に導電材料を成膜することにより形成された第１の電極層と、第１の電極層が形成された基板に圧電材料の粉体を吹き付けて堆積させることにより形成された圧電層と、複数の柱状構造物の内の第２群の柱状構造物の周囲を除く圧電層上に導電材料を成膜することにより形成された第２の電極層と、少なくとも第１の電極層と圧電層と第２の電極層とが形成された基板から複数の柱状構造物を除去することによって形成された空孔に導電材料を充填して形成された複数の配線とを具備する。
【００１６】
また、本発明の第２の観点に係る超音波トランスデューサは、超音波トランスデューサであって、導電材料によって形成された複数の柱状構造物が所定の配列で配置され、音響整合層として用いられる基板と、複数の柱状構造物の内の第１群の柱状構造物の周囲を除く基板上に導電材料を成膜することにより形成された第１の電極層と、第１の電極層が形成された基板に圧電材料の粉体を吹き付けて堆積させることにより形成された圧電層と、複数の柱状構造物の内の第２群の柱状構造物の周囲を除く圧電層上に導電材料を成膜することにより形成された第２の電極層とを具備する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、予め柱状構造物が形成された基板上に噴射堆積法を用いて絶縁材料を成膜することにより、積層構造体を形成する。そのため、絶縁層を貫いて第１又は第２の電極層に接続される配線を容易に形成することができる。従って、従来困難であった積層構造体のアレイ化を高信頼に実現することが可能になり、そのような積層構造体を用いた超音波トランスデューサを新たに提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。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の（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る積層構造体の構造を示す概観図であり、図１の（ｂ）は、図１の（ａ）のＩ−Ｉ面における断面図である。図１の（ａ）に示すように、積層構造体１は、例えば、底面の一辺が０．３〜１．０ｍｍ程度、高さが１．０ｍｍ程度の微小な柱状の構造体である。積層構造体１は、複数のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）層１０と、複数の第１電極層１１と、複数の第２電極層１２と、垂直配線１３及び１４と、表面電極１５とを含んでいる。
【００１９】
図１に示すように、第１電極層１１と第２電極層１２との間には、ＰＺＴ層１０が配置されている。第１電極層１１及び第２電極層１２に電圧を印加することにより、ＰＺＴ層１０は圧電効果によって伸縮する。このように、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。また、このような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すことができるので、電気的インピーダンスを下げることが可能である。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。
【００２０】
図１の（ｂ）に示すように、各第１電極層１１の面内には、少なくとも１つの絶縁領域１１ａが設けられている。本願において、絶縁領域１１ａとは、第１電極層１１において導電材料が除去されている領域のことをいう。同様に、各第２電極層１２の面内には、少なくとも１つの絶縁領域１２ａが設けられている。ここで、絶縁領域１１ａと絶縁領域１２ａとは、それぞれの電極層の面内において互いに異なる位置に配置されている。
【００２１】
垂直配線１３及び１４は、例えば、直径が３０μｍ程度であり、望ましくは、２０μｍ以下の微細な配線である。なお、垂直配線１３及び１４は、各積層面に対して厳密に垂直である必要はない。垂直配線１３は、ＰＺＴ層１０及び第１電極層１１を貫き、第２電極層１２内の絶縁領域１２ａを通過するように設けられている。また、垂直配線１４は、ＰＺＴ層１０及び第２電極層１２を貫き、第１電極層１１内の絶縁領域１１ａを通過するように設けられている。このように垂直配線１３及び１４を配置することにより、複数の第１電極層１１は、垂直配線１３によって並列に接続されると共に、垂直配線１４から絶縁される。一方、複数の第２電極層１２は、垂直配線１４によって並列に接続されると共に、垂直配線１３から絶縁される。
【００２２】
ここで、絶縁領域１１ａ及び１２ａの面積は、垂直配線１３及び１４が絶縁領域１１ａ及び１２ａの周辺の電極部分に接触しない程度に小さくする。例えば、絶縁領域１１ａ及び１２ａの直径を、垂直配線１３及び１４の直径の２倍以下にすることが望ましい。
【００２３】
図１においては、垂直配線１３及び１４が、積層構造体１の内部に配置されているが、本発明は、そのような配置に限られない。例えば、図２の（ａ）に示す積層構造体２のように、垂直配線１３及び１４のいずれか一方を、積層構造体１の端部にかかるように配置しても良い。或いは、図２の（ｂ）に示す積層構造体３のように、垂直配線１３及び１４の両方を、積層構造体１の端部にかかるように配置しても良い。
【００２４】
次に、本発明の第１の実施形態に係る積層構造体の製造方法について、図３〜図８を参照しながら説明する。本実施形態においては、図１に示す積層構造体１を複数配置したアレイ状の積層構造体が作製される。なお、同様の製造方法を用いて、個々の積層構造体を作製することも可能である。
【００２５】
図３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。
まず、工程Ｓ１０において、図４の（ａ）に示すように、ピン付き基板３０を用意する。即ち、基板３１に所定の配列で複数の空孔を形成し、そこに複数のピン３２をそれぞれ配置する。基板３１の材料としては、例えば、ガラスや、マコール（登録商標）等のマシナブル・セラミック（機械加工可能なセラミック）や、ＳＵＳ（特殊用途鋼）等が用いられる。また、ピン３２の材料としては、後述するＡＤ法による成膜工程において、エアロゾルを吹き付けられた際に変形しない程度の硬度を有していることが要求される。そのような材料としては、例えば、ガラスやセラミック等の硬質材料や、銅（Ｃｕ）やＳＵＳ等の金属が挙げられる。本実施形態においては、直径約０．０５ｍｍの金属ピンが用いられている。図４の（ｂ）に示すように、このような複数のピン３２は、基板３１を貫くように配置される。なお、図４の（ｂ）においては、ピン付き基板の裏面が平坦になるように、ザグリ穴を設けてからピンを配置しているが、ザグリ穴を設けないで、ピン付き基板の裏面からピンの頭を突出させても構わない。
【００２６】
次に、工程Ｓ１１において、図５に示す成膜装置を用いて、ピン付き基板３０にＰＺＴ層を形成する。本実施形態においては、ＰＺＴ層を形成する際に、エアロゾル・デポジション（ＡＤ）法が用いられる。
図５は、ＡＤ法を用いた成膜装置を示す模式図である。この成膜装置は、ガスボンベ２１と、搬送管２２ａ及び２２ｂと、エアロゾル生成部２３と、成膜が行われる成膜室２４と、該成膜室２４に配置されたノズル２５と、基板ホルダ２７と、排気ポンプ２８とを含んでいる。
【００２７】
ガスボンベ２１には、キャリアガスとして使用される窒素（Ｎ２）が充填されている。また、ガスボンベ２１には、キャリアガスの供給量を調節する圧力調整部２１ａが設けられている。なお、キャリアガスとしては、この他に、酸素（Ｏ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、又は、乾燥空気等を用いても良い。
【００２８】
エアロゾル生成部２３は、成膜材料である原料の微小な粉体を収容するための容器である。このエアロゾル生成部２３に、搬送管２２ａを介してキャリアガスを導入することにより、原料の粉体が噴き上げられてエアロゾルが生成される。
また、エアロゾル生成部２３には、エアロゾル生成部２３に微小な振動や、比較的ゆっくりとした運動を与える容器駆動部２３ａが設けられている。ここで、エアロゾル生成部２３に配置された原料の粉体（１次粒子）は、時間の経過と共に、静電気力やファンデルワールス力等によって結合して凝集粒子を形成してしまう。その中でも、数μｍ〜数ｍｍの巨大な凝集粒子は質量も大きいため容器の底部に溜まるが、それらがキャリアガスの出口付近（搬送管２２ａの出口付近）に留まると、キャリアガスによって１次粒子を噴き上げることができなくなる。そのため、凝集粒子が１箇所に留まらないように、容器駆動部２３ａはエアロゾル生成部２３に振動等を与えることにより、その内部に配置された粉体を攪拌している。
【００２９】
ノズル２５は、搬送管２２ｂを介してエアロゾル生成部２３から供給されたエアロゾルを基板２６に向けて高速で噴射する。ノズル２５は、例えば、長さ５ｍｍ、幅０．５ｍｍ程度の開口を有している。
基板ホルダ２７は、基板２６を保持している。また、基板ホルダ２７には、基板２６を３次元的に移動させる基板ホルダ駆動部２７ａが設けられている。これにより、ノズル２５と基板２６の相対位置及び相対速度が制御される。
排気ポンプ２８は、成膜室２４の内部を排気することによって所定の真空度に保っている。
【００３０】
このような成膜装置を用い、原料として、例えば、平均粒径０．３μｍのＰＺＴ単結晶粉体をエアロゾル生成部２３に配置し、ピン付き基板３０を基板ホルダ２７に設置して成膜を行う。これにより、図６の（ａ）に示すように、ＰＺＴ層３３が形成される。
【００３１】
次に、工程Ｓ１２において、図６の（ｂ）に示すように、第１の領域にマスク３４を配置し、ＡＤ法を用いてＰＺＴ層３３の上に第１電極層３５を形成する。マスク３４は、例えば、各ピンの周囲を覆うカバーピンであり、図１の（ｂ）に示す絶縁領域１１ａが覆われるように配置される。また、導電材料としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、銀パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）等の金属や合金が用いられる。これにより、絶縁領域１１ａ以外の領域に第１電極層３５が形成される。なお、成膜方法としては、ＡＤ法の他に、真空蒸着法やスパッタリング等を用いても良い。
工程Ｓ１３において、マスク３４を除去した後、図６の（ｃ）に示すように、ＡＤ法を用いて電極層３５の上にＰＺＴ層３３を形成する。
【００３２】
次に、工程Ｓ１４において、図７の（ｄ）に示すように、第２の領域にマスク３６を配置し、ＡＤ法を用いてＰＺＴ層３３の上に第２電極層３７を形成する。マスク３６は、例えば、各ピンの周囲を覆うカバーピンであり、図１の（ｂ）に示す絶縁領域１２ａが覆われるように配置される。
【００３３】
さらに、工程Ｓ１５において、マスク３６を除去した後、ＡＤ法を用いて第２電極層３７の上にＰＺＴ層３３を形成する。これらの工程Ｓ１２〜Ｓ１５を繰り返すことにより、図７の（ｅ）に示すように、複数のＰＺＴ層と電極層とが交互に積層された構造体が形成される。
【００３４】
次に、工程Ｓ１６において、図７の（ｅ）に示す構造体４０から、ピン付き基板３０を剥離する。これにより、図７の（ｆ）に示すように、ピン３２の抜けた領域が空孔４１として積層体４０に残る。本実施形態においては、ＡＤ法を用いてＰＺＴ層３３を形成しているので、積層体４０から比較的容易にピン３２を抜くことができる。その理由として、ＡＤ法は、原料の粉体が破砕したときのメカノケミカル反応によって原料を堆積させる成膜方法であり、原料の粉体の噴出方向にある物体（本実施形態においては下層）に対しては、原料の粉体が強固に付着するが、それ以外の方向にある物体（例えば、ピンの側面）に対しては、原料の粉体の運動エネルギーが比較的小さく、破砕が起き難いので、原料の付着力が比較的弱いからである。
【００３５】
次に、工程Ｓ１７において、図７の（ｅ）に示す空孔４１に、金属ペーストやカーボン等の導電材料を充填する。これにより、図８の（ｇ）に示すように、垂直配線４２が形成される。或いは、空孔４１内をメッキすることにより、垂直配線４２を形成しても良い。
【００３６】
次に、工程Ｓ１８において、図８の（ｈ）に示すように、図８の（ｇ）に示す積層体の上面及び下面に表面電極４３を形成する。
さらに、工程Ｓ１９において、表面電極が形成された積層体を支持用基板４４に固定し、ダイシングやサンドブラスト加工により、所定のピッチで切断する。これにより、図８の（ｉ）に示すように、複数の積層構造体１が支持用基板４４上に配列されたアレイ状の積層構造体が作製される。
以上説明したように、本実施形態によれば、複数の圧電層と電極層とが交互に積層され、垂直配線が形成された微小な積層構造体を、容易に形成することができる。
【００３７】
ここで、本実施形態においては、図８の（ｉ）に示すように、２つの垂直配線を積層構造体の内部に配置しているが、それらの垂直配線を積層構造体の側面に配置しても良い。そのためには、図３の工程Ｓ１０において、作製される積層構造体の素子形状に合わせて、複数のピンを配置すればよい。例えば、図９に示すように、幅０．３ｍｍの積層構造体が０．０５ｍｍ間隔で配置されたアレイ状の積層構造体を作製する場合には、０．０５ｍｍだけ隔離された１組のピンを、０．３ｍｍ間隔で配置する。そして、積層体を分割する際に、１組のピンの間を、幅が０．０５ｍｍ以下のダイシングソーを用いて切断すればよい。その場合には、垂直配線の周囲に設けられた絶縁領域の面積をさらに小さくすることができる。或いは、図２の（ａ）に示す積層構造体２のように、垂直配線の一方のみが積層構造体の側面に配置されるように、基板に配置されるピンの位置と、切断ピッチ等を調節しても良い。
【００３８】
本実施形態において、垂直配線が形成される空孔は、積層体４０からピンを抜くことによって形成されている。本実施形態におけるようにアスペクト比の高い空孔（例えば、深さ１ｍｍ、直径０．０５ｍｍ）を形成することは、従来のドリルを用いた方法によっては困難であった。また、レーザ加工によって穴をあけることも考えられるが、その場合には、多大な時間を要するだけでなく、レーザ加工時に発生する熱により、空孔周辺の圧電材料が影響を受けてしまう。即ち、空孔周辺の圧電材料の結晶粒の大きさが変化してしまうので、圧電性能が低下してしまうおそれがある。しかしながら、本実施形態によれば、圧電材料に熱によるダメージを与えることなく、微細な空孔を容易に形成することが可能である。
【００３９】
ここで、図７の（ｅ）に示す積層体４０からピン３２を抜き難い場合には、ピン３２の周囲を、ＰＺＴが付着し難い材料でコーティングすれば良い。本実施形態においては、ＡＤ法を用いてＰＺＴ層を形成しているので、例えば、フッ素樹脂等のクッション性のある材料でコーティングすることが望ましい。これにより、ＡＤ法において、ノズルから噴出したＰＺＴの粉体がピン３２に衝突しても、コーティング材に弾かれてしまうので、ＰＺＴの粉体がピン３２に付着し難くなる。
【００４０】
次に、本発明の第２の実施形態に係る積層構造体の製造方法について説明する。図１０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。
まず、工程Ｓ２０において、図４に示すのと同様に、複数のピンを基板に配置することにより、ピン付き基板を用意する。本実施形態においては、基板の材料として、ガラスやセラミックやＳＵＳ等が用いられる。また、ピンの材料として、後で電極として用いることができるように、金属等の導電材料が用いられる。
【００４１】
次に、工程Ｓ２１〜Ｓ２４において、図６の（ａ）〜図７の（ｅ）に示すのと同様に、ピン付き基板上に積層体を形成する。即ち、工程Ｓ２１において、ＡＤ法を用いてＰＺＴ層３３を形成し、工程Ｓ２２において、マスク３４を第１の絶縁領域に配置して第１電極層３５を形成し、工程Ｓ２３において、ＡＤ法を用いてＰＺＴ層３３を形成し、工程Ｓ２４において、マスク３６を第２の絶縁領域に配置して第２電極層３７を形成し、工程Ｓ２５において、ＡＤ法を用いてＰＺＴ層３３を形成する。工程Ｓ２２〜Ｓ２５は、所定の回数繰り返される。
【００４２】
次に、工程Ｓ２６において、図１１の（ａ）に示すように、形成された積層体４０とピン付き基板３０との間を切断し、複数のピン３２の差込み部分を積層体４０内に残したまま、基板３１を除去する。或いは、研磨や切削によって基板３１を除去しても良い。
次に、工程Ｓ２７において、図１１の（ａ）に示す積層体の上面及び下面に表面電極を形成する。さらに、工程Ｓ２８において、表面電極４３が形成された積層体を支持用基板４４に固定した後に、ダイシングやサンドブラスト加工により、所定のピッチで切断する。これにより、図１１の（ｂ）に示すように、支持用基板４４上に複数の積層構造体１が配列されたアレイ状の積層構造体が作製される。
【００４３】
本実施形態によれば、予め基板に配置されたピンを垂直配線として用いるので、製造工程を簡素化することができる。
ここで、垂直配線を形成する際に、例えば、積層体に空孔を形成し、そこにペーストを充填する方法によれば、垂直配線内にバインダが混入してしまう。また、形成された空孔にメッキする方法によれば、最初に下地として形成される材料（例えば、錫）が、後に形成される材料（例えば、銅）内に残留してしまう。即ち、いずれの場合においても、垂直配線に不純物が混入する。これに対して、本実施形態に係る方法を用いる場合には、垂直配線は、ピンを構成する材料のみから成っている。従って、いずれの方法を用いて垂直配線を形成したかは、垂直配線を分析することによって判別することが可能である。
【００４４】
次に、本発明の第３の実施形態に係る積層構造体の製造方法について説明する。図１２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。
まず、工程Ｓ３０において、図３に示すものと同様に、複数のピンを基板に配置することにより、ピン付き基板を用意する。本実施形態においては、基板の材料として、作製された積層構造体を装置の部品として利用できる材料が用いられる。例えば、作製された積層構造体を、超音波用探触子に含まれる超音波トランスデューサとして用いる場合には、後で基板を音響整合層として利用できるように、ガラスやマコール（登録商標）等が用いられる。また、ピンの材料として、ガラスやＳＵＳのように、エアロゾルを吹き付けられた際に変形しない程度の硬度を有する材料が用いられる。
【００４５】
次に、工程Ｓ３１〜Ｓ３４において、図１３の（ａ）に示すように、基板５１及びピン５２を含むピン付き基板５０の上に積層体を形成する。即ち、工程Ｓ３１において、マスクを第１の絶縁領域に配置して第１電極層５３を形成し、工程Ｓ３２において、ＡＤ法を用いてＰＺＴ層５４を形成し、工程Ｓ３３において、マスクを第２の絶縁領域に配置して第２電極層５５を形成し、工程Ｓ３４において、ＡＤ法を用いてＰＺＴ層５５を形成する。これらの工程Ｓ３１〜Ｓ３４は、所定の回数繰り返される。
【００４６】
次に、工程Ｓ３５において、基板５１及び積層体５６から、複数のピン５２を抜き取る。これにより、図１３の（ｂ）に示すように、積層体５６に空孔５７が形成される。
次に、工程Ｓ３６において、図１４の（ｃ）に示すように、空孔５７に金属ペーストやカーボン等の導電材料を充填することにより、垂直配線５８を形成する。或いは、空孔５７内をメッキすることにより、垂直配線５８を形成しても良い。
【００４７】
さらに、工程Ｓ３７において、積層体５６の上面に表面電極５９を形成し、工程Ｓ３８において、表面電極が形成された積層体の内、基板５１より上層を、所定のピッチで切断する。これにより、図１４の（ｄ）に示すように、基板５１上に複数の積層構造体１が配列されたアレイ状の積層構造体が作製される。
本実施形態によれば、積層構造体を作製する際に使用された基板を剥離する必要がないので、製造工程を簡素化することができる。
【００４８】
次に、本発明の第４の実施形態に係る積層構造体の製造方法について説明する。図１５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。
まず、工程Ｓ４０において、図３に示すものと同様に、複数のピンを基板に配置することにより、ピン付き基板を用意する。本実施形態においても、第３の実施形態と同様に、基板の材料として、作製された積層構造体を装置の部品としてそのまま利用できる材料が用いられる。また、ピンの材料として、後で電極として用いることができるように、金属等の導電材料が用いられる。
【００４９】
次に、工程Ｓ４１〜Ｓ４４において、図１６の（ａ）に示すように、基板６１及びピン６２を含むピン付き基板６０の上に、積層体を形成する。即ち、工程Ｓ４１において、マスクを第１の絶縁領域に配置して第１電極層６３を形成し、工程Ｓ４２において、ＡＤ法を用いてＰＺＴ層６４を形成し、工程Ｓ４３において、マスクを第２の絶縁領域に配置して第２電極層６５を形成し、工程Ｓ４４において、ＡＤ法を用いてＰＺＴ層６５を形成する。これらの工程Ｓ４１〜Ｓ４４は、所定の回数繰り返される。
【００５０】
次に、工程Ｓ４５において、図１６の（ａ）に示す積層体の表面に表面電極６６を形成し、工程Ｓ４６において、表面電極６６が形成された積層体の内、基板６１より上層を、所定のピッチで切断する。これにより、図１６の（ｂ）に示すように、複数の積層構造体１が基板上に配列されたアレイ状の積層構造体が作製される。
図１６の（ｂ）に示すアレイ状の積層構造体は、そのまま使用しても良いし、用途に応じて、図１６の（ｃ）に示すように、ピン６２の頭部分６２ａを切断して使用しても良い。
このように、本実施形態によれば、積層構造体を作製する際に使用された基板及びピンを除去することなく、音響整合層及び電極として利用するので、製造工程をさらに簡素化することができる。
【００５１】
ここで、本実施形態においては、１層の基板に複数のピンを配置することにより、ピン付き基板を作製している。しかしながら、複数の基板を用いてピン付き基板を作製しても良い。例えば、図１７に示すように、ＳＵＳ等の支持用基板７１と、ガラス等の音響整合層用基板７２とを貼り合わせ、複数のピンを配置することにより、複数層から成るピン付き基板７０を作製する。このようなピン付き基板７０の上に積層体を形成した後で、支持用基板７１と音響整合層用基板７２との間を切断する。このように、２種類の基板を用いることにより、積層構造体の作製中は、音響整合層用７２が支持用基板７１によって保護され、積層構造体の作製後は、音響整合の妨げとなる支持用基板７１を除去することにより、所望の音響整合機能を得ることができる。
【００５２】
以上説明した本発明の第１〜第３の実施形態においては、積層体から基板を剥離したり、ピンを切断することにより、基板やピンを除去しているが、これ以外の方法によって基板やピンを除去しても良い。例えば、基板やピンの材料としてガラスを用い、フッ化水素酸によってガラスを溶解させることにより、基板やピンを除去しても良い。或いは、基板やピンの材料としてＳＵＳを用い、塩化第二鉄溶液によってＳＵＳを溶解させることにより、基板やピンを除去しても良い。
【００５３】
また、本発明の第１〜第４の実施形態においては、電極層を形成する際に、マスクとしてカバーピンを用いている。しかしながら、マスク方法は、このような方法に限られない。図１８の（ａ）は、本発明の第１〜第４の実施形態において用いることができるマスクの例を示す平面図であり、図１８の（ｂ）は、図１８の（ａ）に示すマスクを用いて電極層を形成している様子を示す断面図である。例えば、図１８の（ａ）に示すように、リング状のマスク７４を用いても良い。電極層を形成する際には、図１８の（ｂ）に示すように、マスク７４のリング部分ピン７５を通し、ピン７５の根元にマスクを配置した状態で導電材料を成膜する。これにより、絶縁領域７６ａが設けられた電極層７６が形成される。マスク領域を変更する場合には、一旦ピン７５からリング状のマスク７４を抜き、次のマスク領域に移動させて再びピンの根元にマスクを配置すれば良い。このように、成膜される領域とマスクとの距離を近づけることにより、電極層に設けられる絶縁領域の精度を高くすることができる。
【００５４】
また、図１９は、本発明の第１〜第４の実施形態において用いることができるマスクの別の例を示している。例えば、図１９の（ａ）に示すようなベローズ（蛇腹）型ピン７７の蛇腹部分をマスクとして用いても良い。即ち、図１９の（ｂ）に示すように、基板７８に所定の配列で空孔を形成し、そこにベローズ型ピン７７を配置することにより、ピン付き基板を作製する。電極層を形成する際には、図１９の（ｂ）の左側に示すように、周囲に絶縁領域が設けられるピンのベローズを押し広げる。また、それ以外のピンのベローズは伸ばしたままにしておく。このような状態で導電材料を成膜することにより、絶縁領域が設けられた電極層７９を形成することができる。なお、ＰＺＴ層を形成する場合には、全てのベローズ型ピン７７のベローズを伸ばしたままにしておけば良い。
【００５５】
次に、本発明の第５の実施形態に係る積層構造体の製造方法について説明する。図２０は、本実施形態に係る積層構造体の製造方法が用いられる積層構造体製造装置を示す模式図である。
図２０の（ａ）に示すように、本実施形態においては、複数のＰＺＴ層及び電極層が積層された積層構造体を形成する際に、可動ピン付き基板８０が用いられる。可動ピン８２は、所定の配列で配置され、連動して移動する複数のピン８２ａを含んでいる。基板８１には、複数のピン８２ａの配置に対応する複数の空孔８１ａが形成されている。これらの空孔８１ａに複数のピン８２ａをそれぞれ通すことにより、可動ピン付き基板８０が構成されている。
【００５６】
可動ピン８２には、駆動部８３が接続されている。駆動部８３は、例えば、モータとギアを含んでおり、可動ピン８２を所定の向きに所定の速さで移動させる。これにより、基板８１と可動ピン８２との位置が相対的に変化する。
駆動部８３には、センサ８４が接続されている。センサ８４としては、例えば、レーザを用いた位置センサが用いられる。センサ８４は、可動ピン付き基板８４に成膜される膜の厚さを、レーザを照射することにより検出する。センサ８４の検出結果は、駆動部８３において、可動ピン８２の移動速度を制御する際に用いられる。
【００５７】
図２０の（ｂ）に示すように、可動ピン付き基板８０に、ＡＤ法を用いてＰＺＴ層を形成する場合には、センサ８４が、成膜によって形成されたＰＺＴ層の厚さをモニタする。駆動部８３は、センサ８４の検出結果に基づいて、層の厚さと同じ量だけ、可動ピンを移動させる。ここで、ピンが基板から突出して面に向けてＡＤ法を用いて成膜を行うと、一部の領域がピンの陰になってしまい、原料の粉体が下層に均一に吹き付けられない場合が生じる。しかしながら、図２０の（ｂ）に示すように、形成された層の厚さに連動してピンの突出長さを調節する場合には、常に平坦な面に向けて減量の粉体を吹き付けることになるので、ＰＺＴ層の厚さを均一にすることができる。
【００５８】
また、図２０の（ｃ）に示すように、電極層８６を形成する場合には、マスク８７を用いてＡＤ法による成膜が行われる。この場合にも、平坦な面についてマスクすれば良いので、一般的なマスクを用いることができると共に、マスク領域を容易に変更することができる。なお、電極層８６を形成する場合には、ＡＤ法の他に、真空蒸着法やスパッタリング等の成膜方法を用いても良い。
【００５９】
以上説明した第１〜第５の実施形態においては、複数のピンが予め配置された基板にＡＤ法を用いて成膜することにより、積層体を形成している。しかしながら、これ以外にも、様々な形状（例えば、板状や柱状）の構造物を予め基板に配置して成膜を行うことができる。例えば、図２１の（ａ）に示すように、金属板等の板状の構造物９１を基板９２に予め配置し、本発明の第４の実施形態において説明したものと同様に積層構造体を作製する。これにより、図２１の（ｂ）に示すように、側面配線９３を有する複数の積層構造体９４が１次元に配列されたアレイ状の積層構造体を作製することができる。さらに、積層構造体９４を、側面配線９３に対して垂直に切断することにより、図２１の（ｃ）に示すように、２次元マトリクス状の積層構造体を作製することができる。
【００６０】
図２２は、本発明の第１〜第５の実施形態に係る積層構造体の製造方法を用いて作製された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、超音波トランスデューサアレイ２００と、音響整合層２０１と、バッキング層２０２と、音響レンズ２０３とを含んでいる。これらの各部２００〜２０３は、筐体２０４に収納されている。また、超音波トランスデューサアレイ２００から引き出された配線は、ケーブル２０５を介して超音波撮像装置本体に接続されている。
【００６１】
超音波トランスデューサアレイ２００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んでいる。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２０１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２０１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が、効率良く被検体中に伝播する。
【００６２】
バッキング層２０２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２０２は、超音波トランスデューサアレイ２００から発生した不要な超音波を早く減衰させる。さらに、音響レンズ２０３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２０３は、超音波トランスデューサアレイ２００から送信され、音響整合層２０１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。
【００６３】
このような超音波用探触子を作製する際に、本発明の第１、第２、又は、第５の実施形態に係る積層構造体の製造方法を用いる場合には、複数の積層構造体の間に充填材を配置することによって超音波トランスデューサ２００を作製し、超音波トランスデューサ２００の一方の端面に音響整合層２０１を配置する。また、本発明の第３又は第４の実施形態に係る積層構造体の製造方法を用いる場合には、ピン付き基板の材料として、ガラスやマコール（登録商標）を用いて作製されたアレイ状の積層構造体において、複数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２００及び音響整合層２０１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。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、積層コンデンサ、圧電アクチュエータ、超音波トランスデューサのように積層構造を有する素子において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１の（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る積層構造体を示す概観図であり、図１の（ｂ）は、図１の（ａ）のＩ−Ｉ面における断面図である。
【図２】図１に示す積層構造体の変形例を示す図である。
【図３】本発明の第１の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。
【図４】図４の（ａ）は、ピン付き基板を示す斜視図であり、図４の（ｂ）は、図４の（ａ）のIV−IV面における断面図である。
【図５】ＡＤ法を用いた成膜装置を示す模式図である。
【図６】本発明の第１の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。
【図７】本発明の第１の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。
【図８】本発明の第１の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。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る積層構造体の製造方法の変形例を説明するための図である。
【図１０】本発明の第２の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。
【図１１】本発明の第２の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。
【図１２】本発明の第３の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。
【図１３】本発明の第３の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。
【図１４】本発明の第３の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。
【図１５】本発明の第４の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。
【図１６】本発明の第４の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。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る積層構造体の製造方法の変形例を説明するための図である。
【図１８】本発明の第１〜第４の実施形態に係る積層構造体の製造方法において用いられるマスクの変形例を示す図である。
【図１９】本発明の第１〜第４の実施形態に係る積層構造体の製造方法において用いられるマスクの別の変形例を示す図である。
【図２０】本発明の第５の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。
【図２１】本発明の第１〜第５の実施形態に係る積層構造体の製造方法の変形例を説明するための図である。
【図２２】本発明の第１〜第５の実施形態に係る積層構造体の製造方法を用いて作製されたアレイ状の積層構造体を含む超音波用探触子を示す一部断面斜視図である。
【図２３】従来の積層構造体について説明するための図である。
【符号の説明】
【００６６】
１、２、３、９４  積層構造体
１０、３３、５４、６４、８５、１００  ＰＺＴ層（圧電層）
１１、３５、５３、６３  第１電極層
１１ａ、１２ａ、１０５  絶縁領域
１２、３７、５５、６５  第２電極層
１３、１４、４２、５８  垂直配線
１５、４３  表面電極
２１  ガスボンベ
２２ａ、２２ｂ  搬送管
２３  エアロゾル生成部
２４  成膜室
２５  ノズル
２６  基板
２７  基板ホルダ
２８  排気ポンプ
３０、５０、６０、７０  ピン付き基板
３１、５１、６１、７８、８１、９２  基板
３２、５２、６２、７３、７５、８２ａ  ピン
３４、３６、７４、８７  マスク
４０、５６  積層体
４１、５７、８１ａ  空孔
４４、７１  支持用基板
６２ａ  ピンの頭
７２  音響整合層用基板
７６、７９、８６  電極層
７７  ベローズ型ピン
８０  可動ピン付き基板
８２  可動ピン
８３  駆動部
８４  センサ
９１  板状の構造物
９３、１０３、１０４、１１３、１１４  側面配線
１０１、１０２、１１１、１１２  電極
１１５  絶縁材料
２００  超音波トランスデューサアレイ
２０１  音響整合層
２０２  バッキング層
２０３  音響レンズ
２０４  筐体
２０５  ケーブル
【図１】
2005198152.tif 000003
【図２】
2005198152.tif 000004
【図３】
2005198152.tif 000005
【図４】
2005198152.tif 000006
【図５】
2005198152.tif 000007
【図６】
2005198152.tif 000008
【図７】
2005198152.tif 000009
【図８】
2005198152.tif 000010
【図９】
2005198152.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2005198152.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2005198152.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2005198152.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2005198152.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2005198152.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
2005198152.tif 000023
【図２２】
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【図２３】
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