(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂型にセラミックススラリーまたはセラミックスはい土を充填して、乾燥固化させた後、前記樹脂型を除去し、焼成することにより、微細セラミックス構造体を製造する方法であって、
プラズマエッチングを用いることにより、前記樹脂型を除去するとともに、前記微細セラミックス構造体の比誘電率を制御することを特徴とする、微細セラミックス構造体の製造方法。
【請求項２】
切削、研削、またはレーザアブレーションによって、微細セラミックス構造体を製造する方法であって、
加工後にプラズマエッチングすることにより、前記微細セラミックス構造体の比誘電率を制御することを特徴とする、微細セラミックス構造体の製造方法。
【請求項３】
前記比誘電率の制御は、プラズマエッチング条件のうち、エッチング時間およびプラズマパワーの少なくともいずれかを変更することにより行なう、請求項１または請求項２記載の微細セラミックス構造体の製造方法。
【請求項４】
前記微細セラミックス構造体は、幅５０μｍ以下、高さ１００μｍ以上、ピッチ間隔１００μｍ以下のセラミックスからなる柱列構造体である、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の微細セラミックス構造体の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の微細セラミックス構造体の製造方法により製造された、微細セラミックス構造体。
【請求項６】
請求項５記載の微細セラミックス構造体と、樹脂とを複合化して製造された、複合圧電材料。
【請求項７】
前記微細セラミックス構造体は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電セラミックス構造体である、請求項６記載の複合圧電材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細セラミックス構造体およびその製造方法ならびにそれを用いた複合圧電材料に関するものであり、特に、医療用超音波発振素子やソナーに必要な微細圧電セラミックス柱などの微細セラミックス構造体およびその製造方法ならびにそれを用いた複合圧電材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、微細構造を有するセラミックス部品の一例として、複合圧電材料の構造を示す斜視図である。
【０００３】
図１を参照して、この複合圧電材料２１は、樹脂２３中に微細な圧電セラミックス柱２２が林立した構造を有している。この他、複合圧電材料には、微細圧電セラミックス柱の代わりに、微細圧電セラミックス板と樹脂とからなるものもある。
【０００４】
従来、このように構成される複合圧電材料の製造においては、切削や研削等の機械加工、レーザアブレーションによる加工等を用いる方法の他、特開平８−９７４８３号公報に開示されているように、樹脂に微細パターンを作り込んだものを型として用いる方法があった。
【０００５】
図２〜図８は、特開平８−９７４８３号公報に開示された、微細柱の林立したセラミックス部品の製造方法の一例を示す断面図である。
【０００６】
まず、図２を参照して、Ｘ線リソグラフィ用マスク３を介して、Ｘ線に感度のあるレジスト２が塗付された導電性基板１に、シンクロトロン放射光（ＳＲ）４０を照射して、ディープＸ線リソグラフィを行なう。
【０００７】
Ｘ線リソグラフィ用マスク３としては、たとえば支持膜３１として厚さが２μｍの窒化シリコンと、吸収体パターン３２として厚さが５μｍのタングステンから構成された、吸収体が比較的厚いマスクを用いることができる。マスクとしては、この他に、厚さ３０μｍ以上のニッケルメッシュを用いることもできる。
【０００８】
次に、図３を参照して、現像処理により、レジスト構造体４を作製する。
次に、図４を参照して、作製されたレジスト構造体４にニッケルめっきを施して、ニッケル金型５を作製する。その後、レジスト構造体４を除去する。
【０００９】
続いて、図５を参照して、作製されたニッケル金型５を用いて樹脂モールドを行ない、樹脂型６を作製する。この樹脂型６は、たとえば、２５μｍ角で深さ３００μｍの孔がピッチ５０μｍで２次元に並んだ構造とすることができる。
【００１０】
次に、図６を参照して、作製された樹脂型６にセラミックススラリー１７を注入した後、乾燥させる。
【００１１】
次に、図７を参照して、プラズマ５０により、樹脂型６を除去する。
続いて、図８を参照して、脱バインダおよび焼成を行ない、剣山状のセラミックス構造体９が得られる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特開平８−９７４８３号公報に開示された従来技術においては、用いるセラミックスの種類により、製造した微細セラミックス構造体の特性が決まっていた。主特性として比誘電率を要求する微細セラミックス構造体、特に、圧電セラミックスを用いて製造した複合圧電材料においては、使用する構造体の寸法や接続する信号線の組合せにより電気的インピーダンスマッチングを良好にし、ＳＮ比を向上させるために微細セラミックス構造体の比誘電率を調整することが望まれている。
【００１３】
比誘電率を制御する方法としては、セラミックスの種類の変更、焼成条件の変更ならびにセラミックスの占積率の変更がある。
【００１４】
しかしながら、セラミックスの種類や焼成条件を変更すると、比誘電率だけでなく、セラミックスの収縮率等も変化してしまうため、これらの方法では、セラミックス構造体を、倒壊なく、かつ反りの発生なく形成することは極めて困難であり、形成する条件を探し出すために多大な時間を要していた。また、セラミックスの占積率を変更すると、たとえば複合圧電材料を超音波発振素子として使う場合の主要特性である音響インピーダンスが変化したり、電気機械結合係数が低下する等の問題があった。
【００１５】
この発明の目的は、上述した問題を解決し、微細セラミックス構造体の倒壊や反りを防ぐとともに、それを用いた複合圧電材料の音響インピーダンスや電気機械結合係数を変化させることなく、比誘電率を制御することができる、微細セラミックス構造体の製造方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明による微細セラミックス構造体の製造方法は、樹脂型にセラミックススラリーまたはセラミックスはい土を充填して、乾燥固化させた後、樹脂型を除去し、焼成することにより、微細セラミックス構造体を製造する方法であって、プラズマエッチングを用いることにより、樹脂型を除去するとともに、微細セラミックス構造体の比誘電率を制御することを特徴としている。
【００１７】
また、この発明による微細セラミックス構造体の製造方法は、切削、研削、またはレーザアブレーションによって微細セラミックス構造体を製造する方法であって、加工後にプラズマエッチングすることにより、微細セラミックス構造体の比誘電率を制御することを特徴としている。
【００１８】
比誘電率の制御は、プラズマエッチング条件のうち、エッチング時間およびプラズマパワーの少なくともいずれかを変更することにより行なうことができる。
【００１９】
また、本発明は、微細セラミックス構造体が、幅５０μｍ以下、高さ１００μｍ以上、ピッチ間隔１００μｍ以下のセラミックスからなる柱列構造体である場合に、特に顕著な効果が得られる。
【００２０】
本発明による微細セラミックス構造体は、上述した微細セラミックス構造体の製造方法により製造されたものである。
【００２１】
本発明による複合圧電材料は、上述のように得られた微細セラミックス構造体と、樹脂とを複合化して製造されたものである。
【００２２】
微細セラミックス構造体としては、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電セラミックス構造体が用いられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本願発明者は、前述の課題を解決するため鋭意検討した結果、微細セラミックス構造体の表面改質により、比誘電率を制御することができることを見出した。微細セラミックス構造体では、体積に対する表面積の割合が大きくなるため、表面改質によって比誘電率を自由に制御することが期待できる。一方、特開平８−９７４８３号公報に開示された従来の技術のうち、プラズマエッチングにより樹脂型を除去する方法では、微細セラミックス構造体の表面改質も同時に起こり得ると考えられる。
【００２４】
そこで、本願発明者らは、これらの点に着目し、プラズマエッチングを用いて比誘電率を制御する本発明の方法を見出した。特に、樹脂型の除去と比誘電率の制御とをプラズマエッチングにより同時に行なう場合には、作業の増加がなく、量産性を考慮すると極めて有望な比誘電率の制御方法である。
【００２５】
以下、本発明の方法をより詳細に説明する。
図９は、本発明に従い、プラズマエッチングを行なう装置の一例の構成を示す概略図である。
【００２６】
図９を参照して、この装置は、真空容器５３と、真空容器５３内を真空にひくためのポンプ５１と、真空容器５３内にエッチングガスを供給するためのエッチングガス供給源５２と、プラズマ５０を発生させるための電源５４とから構成される。
【００２７】
このように構成される装置内に、前述の図１〜図６に示す従来の方法と同様にして作製された、樹脂型６にセラミックススラリー１７が注入され、乾燥されたものを設置して、プラズマエッチングを行なう。
【００２８】
この時、本願発明によれば、プラズマエッチングにより、樹脂型６を除去すると同時に、作製されるセラミックス構造体の比誘電率を制御する。比誘電率の制御は、プラズマエッチング条件のうち、エッチング時間およびプラズマパワーの少なくともいずれかを変更することにより、自由に行なうことができる。
【００２９】
このようにして、比誘電率が任意の値になるように制御された微細セラミックス構造体が得られる。
【００３０】
続いて、このようにして得られた微細セラミックス構造体と樹脂とを複合化することにより、図１に示す複合圧電材料が得られる。
【００３１】
また、樹脂型を用いる代わりに、切削、研削またはレーザアブレーション等の加工により微細セラミックス構造体を作製した場合においても、加工後にプラズマエッチングすることにより、微細セラミックス構造体の比誘電率を任意の値に制御することができる。
【００３２】
【実施例】
実際に微細セラミックス構造体にプラズマエッチングを行ない、比誘電率を制御することができるかどうかを確認した。
【００３３】
樹脂型としては、アクリルからなるものを用いた。また、微細セラミックス構造体としては、比誘電率が１７００のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が主成分の圧電セラミックスからなるものを用いた。微細構造の体積率（占積率）が２５％の微細セラミックス構造体について、酸素とフレオンの混合比が１：２であり、ガス圧が０．３Ｔｏｒｒの混合ガスのプラズマを用いたプラズマエッチングを行なった。その結果を図１０に示す。
【００３４】
図１０を参照して、エッチング時間ならびにプラズマパワーを変更することにより、微細セラミックス構造体の比誘電率を自由に制御することができることがわかる。なお、ここでの比誘電率は、微細セラミックス構造体と樹脂とを複合化して作製した複合圧電材料について測定した値であるが、この値は、微細セラミックス構造体自体について測定した値とほぼ同様となることが経験的に知られている。
【００３５】
また、この実施例は、比誘電率が１７００のＰＺＴを占積率として２５％含む複合圧電材料について実施したものである。そのため、複合圧電材料の比誘電率は、上限で４２５であり、これにプラズマエッチングを行なうことにより、比誘電率が低下し、４２５〜２５０の範囲で比誘電率が制御可能となった。
【００３６】
複合圧電材料において、比誘電率を４２５以上に制御したい場合には、比誘電率がさらに高いＰＺＴを用い、同様にプラズマエッチングにより比誘電率を所定の値まで低下させ、任意の値となるように制御することができる。
【００３７】
また、この実施例においては、微細セラミックス構造体の倒壊ならびに反りは生じることがなく、さらにセラミックスの寸法も変化することがなかった。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明を用いれば、エッチング時間またはプラズマパワー等のプラズマエッチング条件を変更することにより、微細セラミックス構造体の比誘電率を、倒壊ならびに反りを生じさせることなく、自由に制御することができる。
【００３９】
特に、微細セラミックス構造体として圧電セラミックスを用いた場合、比誘電率を制御した微細セラミックス構造体と樹脂とを複合化することにより、音響インピーダンスや電気機械結合係数を変化させずに、比誘電率を制御した複合圧電材料を製造することができる。その結果、電気的インピーダンスマッチング構造が容易になり、ＳＮ比の向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】微細構造を有するセラミックス部品の一例として、複合圧電材料の構造を示す斜視図である。
【図２】微細柱の林立したセラミックス部品の製造方法の一例を示す断面図である。
【図３】微細柱の林立したセラミックス部品の製造方法の一例を示す断面図である。
【図４】微細柱の林立したセラミックス部品の製造方法の一例を示す断面図である。
【図５】微細柱の林立したセラミックス部品の製造方法の一例を示す断面図である。
【図６】微細柱の林立したセラミックス部品の製造方法の一例を示す断面図である。
【図７】微細柱の林立したセラミックス部品の製造方法の一例を示す断面図である。
【図８】微細柱の林立したセラミックス部品の製造方法の一例を示す断面図である。
【図９】本発明に従いプラズマエッチングを行なう装置の一例を示す概略図である。
【図１０】各プラズマパワーに対するエッチング時間と微細セラミックス構造体の比誘電率の関係を示す図である。
【符号の説明】
１  基板
２  レジスト
３  Ｘ線マスク
４  レジスト構造体
５  ニッケル金型
６  樹脂型
９  セラミックス構造体
１７  セラミックススラリー
２１  複合圧電素子
２２  圧電セラミックス柱
２３  樹脂
３１  支持膜
３２  吸収パターン
４０  シンクロトロン放射光
５０  プラズマ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004395922.tif 000009
【図９】
0004395922.tif 000010
【図１０】
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