(57)【要約】【課題】ＡＤ法を用いて製造され、容易且つ高い歩留まりでデバイスに適用することができる積層構造体の製造方法、及び、それによって製造された積層構造体を提供する。【解決手段】この積層構造体は、交互に積層された複数の圧電体層と複数の電極層とを含む積層構造体であって、第１の圧電体層１０と、該第１の圧電体層上に形成された第１の電極層１２ａと、該第１の電極層上に形成された第２の圧電体層１１であって、第１の圧電体層と同一の組成を有すると共に、第１の圧電体層とは異なる方法によって形成されることにより、第１の圧電体層における平均グレインサイズよりも小さい平均グレインサイズを有する第２の圧電体層１１と、該第２の圧電体層上に形成された第２の電極層１２ｂとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互に積層された複数の圧電体層と複数の電極層とを含む積層構造体であって、
第１の圧電体層と、
前記第１の圧電体層上に形成された第１の電極層と、
前記第１の電極層上に形成された第２の圧電体層であって、前記第１の圧電体層と同一の組成を有すると共に、前記第１の圧電体層とは異なる方法によって形成されることにより、前記第１の圧電体層における平均グレインサイズよりも小さい平均グレインサイズを有する前記第２の圧電体層と、
前記第２の圧電体層上に形成された第２の電極層と、
を具備する積層構造体。
【請求項２】
前記第２の電極層上に、少なくとも１つの第３の圧電体層と、少なくとも１つの電極層とをさらに具備する請求項１記載の積層構造体。
【請求項３】
前記少なくとも１つの第３の圧電体層が、前記第１の圧電体層と同一の組成を有すると共に、前記第１の圧電体層とは異なる方法によって形成されることにより、前記第１の圧電体層における平均グレインサイズよりも小さい平均グレインサイズを有する、請求項２記載の積層構造体。
【請求項４】
前記第１の圧電体層における平均グレインサイズが、前記第２の圧電体層及び／又は前記少なくとも１つの第３の圧電体層における平均グレインサイズの１．２倍以上である、請求項１〜３のいずれか１項記載の積層構造体。
【請求項５】
交互に積層された複数の圧電体層と複数の電極層とを含む積層構造体であって、
第１の圧電体層と、
前記第１の圧電体層上に形成された第１の電極層と、
前記第１の電極層上に形成された第２の圧電体層であって、前記第１の圧電体層と同一の組成を有すると共に、前記第１の圧電体層とは異なる方法によって形成されることにより、前記第１の圧電体層の硬度よりも高い硬度を有する前記第２の圧電体層と、
前記第２の圧電体層上に形成された第２の電極層と、
を具備する積層構造体。
【請求項６】
前記第２の電極層上に、少なくとも１つの第３の圧電体層と、少なくとも１つの電極層とをさらに具備する請求項５記載の積層構造体。
【請求項７】
前記少なくとも１つの第３の圧電体層が、前記第１の圧電体層と同一の組成を有すると共に、前記第１の圧電体層とは異なる方法によって形成されることにより、前記第１の圧電体層の硬度よりも高い硬度を有する、請求項６記載の積層構造体。
【請求項８】
前記第２の圧電体層及び／又は前記少なくとも１つの第３の圧電体層の硬度が、前記第１の圧電体層の硬度の１．５倍以上である、請求項５〜７のいずれか１項記載の積層構造体。
【請求項９】
前記第１の圧電体層の下層に形成された電極層をさらに具備する請求項１〜８のいずれか１項記載の積層構造体。
【請求項１０】
交互に積層された複数の圧電体層と複数の電極層とを含む積層構造体であって、
第１の電極層と、
前記第１の電極層上に配置された第１の圧電体層と、
前記第１の圧電体層上に形成された第２の電極層と、
前記第２の電極層上に形成された第２の圧電体層であって、前記第１の圧電体層とは異なる方法によって形成されることにより、前記第１の圧電体層における平均グレインサイズよりも小さい平均グレインサイズを有する前記第２の圧電体層と、
を具備する積層構造体。
【請求項１１】
前記第２の圧電体層上に、少なくとも１つの電極層と、少なくとも１つの第３の圧電体層とをさらに具備する請求項１０記載の積層構造体。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの第３の圧電体層が、前記第１の圧電体層とは異なる方法によって形成されることにより、前記第１の圧電体層における平均グレインサイズよりも小さい平均グレインサイズを有する、請求項１１記載の積層構造体。
【請求項１３】
交互に積層された複数の圧電体層と複数の電極層とを含む積層構造体であって、
第１の電極層と、
前記第１の電極層上に配置された第１の圧電体層と、
前記第１の圧電体層上に形成された第２の電極層と、
前記第２の電極層上に形成された第２の圧電体層であって、前記第１の圧電体層とは異なる方法によって形成されることにより、前記第１の圧電体層の硬度よりも高い硬度を有する前記第２の圧電体層と、
を具備する積層構造体。
【請求項１４】
前記第２の圧電体層上に、少なくとも１つの電極層と、少なくとも１つの第３の圧電体層とをさらに具備する請求項１３記載の積層構造体。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの第３の圧電体層が、前記第１の圧電体層とは異なる方法によって形成されることにより、前記第１の圧電体層の硬度よりも高い硬度を有する、請求項１４記載の積層構造体。
【請求項１６】
前記第２の圧電体層、又は、前記少なくとも１つの第３の圧電体層の内の最上層の上に形成されている電極層をさらに具備する請求項１〜１５のいずれか１項記載の積層構造体。
【請求項１７】
前記第１の圧電体層が、バルク材によって形成されている、請求項１〜１６のいずれか１項記載の積層構造体。
【請求項１８】
前記第２の圧電体層及び／又は前記少なくとも１つの第３の圧電体層が、圧電材料の原料粉をガスによって分散させたエアロゾルを下層に吹き付けることにより圧電材料を堆積させるエアロゾルデポジション法を用いて形成されている、請求項１〜１７のいずれか１項記載の積層構造体。
【請求項１９】
前記第１の圧電体層及び／又は前記第２の圧電体層及び／又は前記少なくとも１つの第３の圧電体層が、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）によって形成されている、請求項１〜１８のいずれか１項記載の積層構造体。
【請求項２０】
前記第１の圧電体層及び／又は前記第２の圧電体層及び／又は前記少なくとも１つ第３の圧電体層が、リラクサ系圧電材料によって形成されている、請求項１〜１８のいずれか１項記載の積層構造体。
【請求項２１】
前記第２の圧電体層及び／又は前記少なくとも１つの第３の圧電体層が、焼結助剤を含有する、請求項１〜２０のいずれか１項記載の積層構造体。
【請求項２２】
交互に積層された複数の圧電体層と複数の電極層とを含む積層構造体の製造方法であって、
圧電材料によって形成された基板を用意し、前記基板の両面に電極層を形成する工程（ａ）と、
圧電材料によって形成された原料粉をガスによって分散させることにより、エアロゾルを生成する工程（ｂ）と、
工程（ｂ）において形成されたエアロゾルを前記基板の１つの主面に向けて吹き付けて前記原料粉を堆積させることにより圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に電極層を形成する工程とを行うことにより、少なくとも１つの圧電体層と少なくとも１つの電極層とを積層する工程（ｃ）と、
を具備する積層構造体の製造方法。
【請求項２３】
交互に積層された複数の圧電体層と複数の電極層とを含む積層構造体の製造方法であって、
圧電材料によって形成された基板を用意し、前記基板の第１の主面上に電極層を形成する工程（ａ）と、
圧電材料によって形成された原料粉をガスによって分散させることにより、エアロゾルを生成する工程（ｂ）と、
工程（ｂ）において形成されたエアロゾルを前記基板の第１の主面に向けて吹き付けて前記原料粉を堆積させることにより圧電体層を形成する工程と、前記圧電体層上に電極層を形成する工程とを行うことにより、少なくとも１つの圧電体層と少なくとも１つの電極層とを積層する工程（ｃ）と、
前記基板の第２の主面に電極層を形成する工程（ｄ）と、
を具備する積層構造体の製造方法。
【請求項２４】
工程（ｃ）又は工程（ｄ）の後に、前記基板及び圧電体層に対して熱処理を施す工程をさらに具備する請求項２２又は２３記載の積層構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサや圧電アクチュエータ等として用いられる積層構造体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体と電極とが交互に形成されている積層構造は、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、積層セラミックコンデン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ますます進んでいる。
【０００３】
従来より、このような積層構造体は、セラミックス等のバルク材を薄く削り、電極層と交互に重ねて接着することにより製造されていた。しかしながら、この製造方法は、製造工程が煩雑であると共に、微細加工が困難であるため、製造歩留まりが悪く、製造コストが高いという問題が生じていた。
【０００４】
そのため、積層構造体を成膜技術を用いて作製することが研究されている。例えば、近年注目されているセラミックス膜の形成方法として、固体粒子の衝突付着現象を利用した成膜方法の１つであるエアロゾルデポジション（aerosol deposition：ＡＤ）法が挙げられる。ＡＤ法とは、原料の微粒子（原料粉）をガスによって分散させたエアロゾルを、ノズルから基板に向けて噴射して基板や先に形成された膜に衝突させることにより、原料を基板上に堆積させる成膜方法である。このＡＤ法によれば、緻密且つ強固な厚膜を形成することができる。
【０００５】
関連する技術として、特許文献１には、予め基板に形成されているマスク層の開口に向けて、少なくとも１つの可動マスクを用いて一部の領域をマスクしながら電極層の原料の粉体を吹き付けることにより、一端がマスク層の開口における１つの内面に接するように第１の電極層を形成する工程と、マスク層の開口に向けて、絶縁層の原料の粉体を吹き付けることにより、第１の電極層を覆うように絶縁層を形成する工程と、マスク層の開口に向けて、少なくとも１つの可動マスクを用いて他の一部の領域をマスクしながら電極層の原料の粉体を吹き付けることにより、一端がマスク層の開口における他の内面に接するように第２の電極層を形成する工程とを具備する積層構造体の製造方法が開示されている（第２頁）。
特許文献１に開示されている製造方法によれば、ＡＤ法を用いて絶縁層（誘電体層）及び電極層を形成するので、微細で性能の高い積層構造体を得ることができる。
【０００６】
ところで、ＡＤ法を用いて成膜する時に、基板は必須である。特許文献１にも、高い耐熱性及び良好な加工性を有する基板として、ガラス、シリコン（Ｓｉ）、石英（ＳｉＯ２）、ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）等が挙げられている（第６頁）。しかしながら、作製された積層構造体を超音波トランスデューサやセラミックコンデンサ等のデバイスとして利用するためには、積層構造体から基板を剥離しなくてはならない。剥離方法としては研磨が一般的であるが、この剥離工程において積層構造体が破損することが少なからず生じており、製造歩留まりが低いことが問題となっている。また、近年、積層構造体の製造効率を上げるために成膜領域が大面積化される傾向にあり、それに伴い、このような問題が顕著になることが予想される。
【特許文献１】特開２００４−１１９９３４号公報（第２、６頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、ＡＤ法を用いて製造され、容易且つ高い歩留まりでデバイスに適用できる積層構造体の製造方法、及び、それによって製造された積層構造体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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の１つの観点に係る積層構造体は、交互に積層された複数の圧電体層と複数の電極層とを含む積層構造体であって、第１の圧電体層と、該第１の圧電体層上に形成された第１の電極層と、該第１の電極層上に形成された第２の圧電体層であって、第１の圧電体層と同一の組成を有すると共に、第１の圧電体層とは異なる方法によって形成されることにより、第１の圧電体層における平均グレインサイズよりも小さい平均グレインサイズを有する第２の圧電体層と、該第２の圧電体層上に形成された第２の電極層とを具備する。
【０００９】
また、本発明の１つの観点に係る積層構造体の製造方法は、交互に積層された複数の圧電体層と複数の電極層とを含む積層構造体の製造方法であって、圧電材料によって形成された基板を用意し、該基板の両面に電極層を形成する工程（ａ）と、圧電材料によって形成された原料粉をガスによって分散させることにより、エアロゾルを生成する工程（ｂ）と、工程（ｂ）において形成されたエアロゾルを基板の１つの主面に向けて吹き付けて原料粉を堆積させることにより圧電体層を形成する工程と、該圧電体層上に電極層を形成する工程とを行うことにより、少なくとも１つの圧電体層と少なくとも１つの電極層とを積層する工程（ｃ）とを具備する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ＡＤ法によって成膜する際に、圧電材料により形成された基板を用いるので、基板を、他のＡＤ膜と同様に機能性材料層（圧電体層）の１つとして利用することができる。従って、作製された積層構造体から基板を剥離する必要がなくなるので、圧電デバイスを容易且つ高歩留まりで製造することが可能となる。また、本発明によれば、剥離工程が不要となるので、製造工程が簡単になり、製造コストを低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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積層構造体を示す断面図である。この積層構造体は、例えば、底面の一辺が２００μｍ〜１．０ｍｍ程度であり、高さが３００μｍ〜１．０ｍｍ程度（本実施形態においては、６００μｍ程度）の柱状の構造体である。また、この積層構造体は、１つの圧電体層１０及び少なくとも１つの圧電体層１１と、少なくとも１つの内部電極層１２ａ及び１２ｂと、各内部電極層１２ａ及び１２ｂの１つの端面に形成された絶縁膜１３ａ及び１３ｂとを含んでいる。なお、図１には、４つの圧電体層１１と、４つの内部電極層１２ａ及び１２ｂが示されている。さらに、この積層構造体は、積層された圧電体層１０及び１１の側面に形成された２つの側面電極１４ａ及び１４ｂを含んでいても良く、圧電体層１０の下面に形成された下部電極層１５、及び／又は、最上層の圧電体層１１の上面に形成された上部電極層１６を含んでいても良い。図１に示すように、下部電極層１５は一方の側面電極１４ａに接続されており、上部電極層１６は他方の側面電極１４ｂに接続されている。なお、積層構造体の底面の形状は正方形に限られず、長方形やその他の形状でも良い。また、本実施形態において、側面電極は、向かい合う２つの側面に配置されているが、側面電極が配置される領域は、互いに電気的に絶縁されていれば、それらの側面に限られない。
【００１２】
圧電体層１０は、例えば、１００μｍ程度の厚さを有している。本実施形態において、圧電体層１０は、主たる化学組成としてＰｂＺｒＯ３及びＰｂＴｉＯ３を含む２元系固溶体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）のバルク材によって形成されている。圧電体層１０の材料は、その他にも、そのような２元系固溶体に第３の成分としてＰｂ（Ｍｇ１／３  Ｎｂ２／３）Ｏ３と、Ｐｂ（Ｎｉ１／３  Ｎｂ２／３）Ｏ３と、Ｐｂ（Ｚｎ１／３  Ｎｂ２／３）Ｏ３と内の少なくとも１つを添加した３元系以上の固溶体（リラクサ系材料と呼ばれる）であっても良い。或いは、圧電体層１０の材料として、ＰＺＴに酸化ランタンを添加したＰＬＺＴ（ランタンドープジルコン酸チタン酸鉛）や、ＫＮｂＯ３又はビスマス系材料のような非鉛系圧電材を用いても良い。さらに、圧電体層１０は、それらの主成分に、熱処理によって結晶を成長させるために用いられる助剤に含まれるゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、リチウム（Ｌｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、ボロン（Ｂ）、鉛（Ｐｂ）等の元素を含んでいても良い。
【００１３】
複数の圧電体層１１は、１００μｍ程度の厚さを有しており、内部電極層１２ａ及び１２ｂを介して、圧電体層１０上に積層されている。圧電体層１１の組成は圧電体層１０の組成と概ね同一であるが、形成方法が異なるために圧電体層１０とは異なる特性を有している。即ち、圧電体層１０がバルク材によって形成されているのに対して、圧電体層１１は、後述するエアロゾルデポジション（ＡＤ）法によって形成されている。そのため、圧電体層１１における平均グレインサイズは圧電体層１０における平均グレインサイズよりも小さくなっており、圧電体層１１の硬度は圧電体層１０の硬度よりも高くなっている。圧電体層１０及び１１の形成方法に起因する特性の違いについては、後で詳しく説明する。
【００１４】
内部電極層１２ａ及び１２ｂの各々は、例えば、３μｍ程度の厚さを有している。内部電極層１２ａ及び１２ｂとしては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、イリジウム（Ｉｒ）等の高融点金属材料を用いることが望ましく、本実施形態においては白金（Ｐｔ）を用いている。また、圧電体層１０及び１１と白金層との密着性を高めるために、白金層の下に酸化チタン（ＴｉＯ２）等の密着層をさらに形成しても良い。
【００１５】
絶縁膜１３ａ及び１３ｂは、１０μｍ程度の厚さ及び幅を有する膜である。絶縁膜１３ａは内部電極層１２ａを側面電極１４ａから絶縁しており、絶縁膜１３ｂは内部電極層１２ｂを側面電極１４ｂから絶縁している。
【００１６】
積層構造体において、内部電極１２ａ及び１２ｂ、並びに、側面電極１４ａ及び１４ｂをこのように接続することにより、１つの圧電体層１０又は１１、並びに、その両面に形成された下部電極層１５、内部電極層１２ａ及び１２ｂ、又は、上部電極層１６を１単位とする複数の構造が電気的に並列に接続される。
【００１７】
このような積層構造体の下部電極層１５及び上部電極層１６に電圧を印加することにより、圧電体層１０及び１１は圧電効果によって伸縮する。このような圧電材料を用いた積層構造体は、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利用される。上記のような複数層を有する構造体は、単層の構造体と比較して、対向する電極の面積を増加させることが可能であるので、電気的インピーダンスを下げることができる。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。
【００１８】
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２〜図５を参照しながら説明する。
まず、図２の（ａ）に示すように、基板２０として、所定の大きさに成形された圧電材料のバルク材を用意する。基板２０の厚さは、後で形成される圧電体層の厚さと同程度とすることが望ましい。そして、基板２０の両面にスパッタ法を用いて白金を成膜することにより、電極層２１及び２２を形成する。
【００１９】
次に、図２の（ｂ）に示すように、電極層２２上にＡＤ法を用いて圧電体層２３を形成する。
図３は、ＡＤ法を用いた成膜装置の構成を示す模式図である。図３に示すように、この成膜装置は、エアロゾル生成室３０と、振動台３１と、巻き上げガスノズル３２と、圧力調整ガスノズル３３と、エアロゾル搬送管３４と、成膜チャンバ３５と、噴射ノズル３６と、基板ステージ３７と、排気管３８とを含んでいる。
【００２０】
エアロゾル生成室３０は、原料粉３９が配置される容器であり、ここでエアロゾルの生成が行われる。また、エアロゾル生成室３０は、原料粉３９を攪拌して効率良くエアロゾルを生成するために、所定の周波数で振動する振動台３１の上に設置されている。
巻き上げガスノズル３２は、外部のガスボンベから供給されるキャリアガスをエアロゾル生成室３０内に導入することにより、サイクロン流を生成する。それにより、エアロゾル生成室３０内に配置された原料粉３９が巻き上げられて分散し、エアロゾルが生成される。
【００２１】
圧力調整ガスノズル３３は、外部のガスボンベから供給されるキャリアガスをエアロゾル生成室３０内に導入することにより、エアロゾル生成室３０内のガス圧を調整する。それにより、エアロゾル生成室３０内の圧力と成膜チャンバ３５内の圧力との差が調整される。
巻き上げガスノズル３２及び圧力調整ガスノズル３３によって供給されるキャリアガスとしては、ヘリウム（Ｈｅ）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、又は、それらの混合ガス、或いは、乾燥空気等が用いられる。
【００２２】
エアロゾル搬送管３４は、エアロゾル生成室３０内において生成されたエアロゾルを、成膜チャンバ３５に配置されている噴射ノズル３６に供給するための供給経路である。
噴射ノズル３６は、所定の形状及び大きさの開口を有しており、エアロゾル生成室３０からエアロゾル搬送管３４を介して供給されたエアロゾルを、開口から基板２０に向けて噴射する。噴射ノズル３６から噴射されるエアロゾルの速度は、主に、エアロゾル生成室３０と成膜チャンバ３５との間の圧力差によって決定される。
【００２３】
基板２０が固定されている基板ステージ３７は、基板２０と噴射ノズル３６との相対位置及び相対速度を制御するための３次元的に移動可能なステージである。この相対速度を調節することにより、１往復あたりに形成される膜の厚さを制御することができる。
このような成膜チャンバ３５の内部は、排気管３８に接続されている排気ポンプによって排気されており、それによって所定の真空度に保たれている。
【００２４】
なお、図３に示す成膜装置においては、原料粉をガスによって巻き上げることによりエアロゾルを生成しているが、原料粉を分散させることができれば、それ以外の方法を用いても良い。例えば、気流が形成されている容器内に原料粉を供給するようにしても良い。
【００２５】
このような成膜装置のエアロゾル生成室３０に、圧電材料によって形成された原料粉３９を配置し、成膜チャンバ３５の基板ステージ３７上に、電極層２１及び２２が形成された基板２０を、電極層２２を成膜面として配置する。そして、成膜装置を駆動することにより、図２の（ｂ）に示すように、原料粉３９がノズル３６から噴射され、電極層２２に吹き付けられて堆積する。このような成膜を所定の厚さになるまで行うことにより、図２の（ｃ）に示すように、圧電体層２３が形成される。
【００２６】
次に、図４の（ａ）に示すように、圧電体層２３上に、スパッタ法により電極層２２を形成する。
さらに、ＡＤ法による圧電体層２３とスパッタ法による電極層２２とを、所望の積層数となるまで交互に形成する。それにより、図４の（ｂ）に示す積層体２４が形成される。
【００２７】
ここで、ＡＤ法においては、原料粉を基板等の下層に衝突させて堆積させるため、原料粉が下層に食い込む現象が生じる場合がある。この現象はアンカーリングと呼ばれている。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（基板や電極層）の材質や粉体の速度等によって異なるが、通常１０ｎｍ〜３００ｎｍ程度となる。従って、圧電体層とその下の電極層との界面を観察することにより、その圧電体層がＡＤ法によって形成されたものであるか否かを判別できる場合がある。
【００２８】
なお、本実施形態においては、電極層２１及び２２を形成する際にスパッタ法を用いたが、それ以外にも、蒸着法、メッキ法、ＡＤ法、導電ペーストの塗布等の公知の方法を適用しても良い。また、ＡＤ法を用いる場合には、図３に示す成膜装置に対して、導電材料の原料粉が配置される電極形成用のエアロゾル生成室をさらに用意することにより、圧電体層２３及び電極層２２を交互に効率良く形成することができる。
【００２９】
次に、図４の（ｂ）に示す積層体２４を、例えば、１０００℃程度の温度で熱処理（ポストアニール）する。それにより、圧電材料の基板２０及び圧電体層２３において、結晶粒成長が促進される。さらに、熱処理された積層体２４を所望の大きさにダイシングすることにより、図４の（ｃ）に示す積層体ピース２５を形成する。
【００３０】
次に、図５の（ａ）に示すように、積層体ピース２５の側面２５ａ及び２５ｂに、電極層２２の端面を互い違いに覆うように絶縁膜２６を形成する。絶縁膜２６の材料としては、誘電材料や樹脂材料等の公知の絶縁材料を適用することができ、形成方法としては、電気泳動法やメッキ法を含む電着法等の公知の方法を適用することができる。例えば、粉末ガラス等の絶縁材料を電気泳動法により電極層２２の端面に付着させることにより、絶縁膜２６が形成される。
【００３１】
次に、図５の（ｂ）に示すように、積層体ピース２５の側面２５ａ及び２５ｂに導電ペーストを塗布して乾燥させることにより、側面電極２７ａ及び２７ｂを形成する。その際には、側面電極２７ａが最上層の電極層（上部電極層）２２から絶縁され、側面電極２７ｂが最下層の電極層（下部電極層）２１から絶縁されるようにする。
このようにして、図１に示す積層構造体が完成する。
【００３２】
なお、図５の（ａ）においては、最上層の電極層２２及び最下層の電極層２１の端面に絶縁膜を形成していないが、それらの端面にも絶縁膜を形成する場合には、側面電極２７ａ及び２７ｂを側面２５ａ及び２５ｂの前面に形成しても良い。また、側面電極２７ａ及び２７ｂの形成方法については、メッキ法や蒸着法等の公知の方法を適用しても良い。
【００３３】
次に、本実施形態に係る積層構造体における圧電体層の特性について説明する。先にも述べたように、圧電体層１０と圧電体層１１（図１）とにおいては形成方法が異なるため、少なくとも平均グレインサイズ及び硬度において顕著な違いが見られるからである。なお、以下に示す数値は、圧電体層１０及び１１がＰＺＴにより形成されている場合における数値である。
【００３４】
図６は、図４の（ｂ）に示す積層体２４に対する熱処理工程におけるポストアニール温度と、その結果得られたＰＺＴのＡＤ膜における平均グレインサイズとの関係を示す図である。なお、グレインサイズはＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察により測定した。
【００３５】
ＰＺＴのＡＤ膜における熱処理前の平均グレインサイズは、概ね０．０３μｍ程度であった。図６に示すように、この平均グレインサイズは、ポストアニール温度を高くするほど大きくなり、１０００℃の場合には約０．８μｍに至っている。また、ポストアニール温度を１２００℃まで上昇させると、約２．５μｍに至ると予想される。一方、ＰＺＴのバルク材の平均グレインサイズは、元々３．０μｍ程度である。従って、ＡＤ膜における平均グレインサイズは、熱処理を行っても、バルク材における平均グレインサイズ以上になることはない。例えば、バルク材の平均グレインサイズは、ＡＤ膜における平均グレインサイズの３．７５倍程度となり（アニール温度が１０００℃の場合）、低くても１．２倍程度となる（アニール温度が１２００℃の場合）。このような傾向は、ＰＺＴ以外についても同様に見られる。また、圧電体層１０と圧電体層１１（図１）の組成が異なる場合であっても同様に、バルク材の圧電体層１０における平均グレインサイズは、ＡＤ膜である圧電体層１１における平均グレインサイズよりも常に大きくなる。
【００３６】
なお、圧電材料においては、グレインサイズが大きい方が圧電性能はより高くなる。そのためには、ポストアニール温度をなるべく高くすることが好ましい。一方、ポストアニール温度を高くし過ぎると、ＰＺＴ中の鉛成分が蒸発してしまうので、反対に圧電性能が低下してしまう。そのため、ＰＺＴの場合には、ポストアニール温度の上限を１２００℃程度とすることが好ましく、さらには、１０００℃程度とすることが好ましい。
【００３７】
また、ＰＺＴのバルク材及びＡＤ膜の硬度を、ビッカース硬度計を用いて測定したところ、バルク材の硬度が３００Ｈｖ〜４００Ｈｖ程度であったのに対して、ＡＤ膜の硬度は６００Ｈｖ〜７００Ｈｖ程度であった。このようにＡＤ膜の硬度が高くなるのは、メカノケミカル反応によって形成されるＡＤ膜の特徴である。従って、圧電体層１０と圧電体層１１とでは後者の硬度の方が常に高くなる。例えば、ＰＺＴの場合には、ＡＤ膜の硬度はバルク材の硬度の約１．５倍以上となる。
【００３８】
なお、ＡＤ膜の硬度は、ノズルから噴射されるエアロゾルの速度等によって調節することが可能である。しかしながら、硬度を低下させてしまうとＡＤ膜は圧粉体となり、圧電性能が低下して実用性がなくなってしまう。そのため、ＰＺＴの場合には、ＡＤ膜の硬度の下限を６００Ｈｖ程度とすることが好ましい。
【００３９】
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。
ここで、図２に示すように、第１の実施形態においては、予め厚さを調節された基板２０を用いて、ＡＤ膜（圧電体層２３）等を積層している。それに対して、本実施形態においては、基板２０の厚さ調整を後で行う。
【００４０】
まず、図７の（ａ）に示すように、圧電材料のバルク材である基板４０の上面のみに電極層２２を形成し、さらに、ＡＤ法による圧電体層２３の形成と、電極層２２の形成とを繰り返すことにより、積層体４１を形成する。そして、積層体４１を熱処理する前、又は、熱処理した後で、基板４０を研磨することにより、所望の厚さ（例えば、圧電体層２３と同程度の厚さ）に調整する。さらに、図７の（ｂ）に示すように、基板４０の研磨面に、スパッタ法等により電極層４２を形成する。その後の工程は、第１の実施形態において図４の（ｃ）〜図５の（ｂ）を参照しながら説明したのと同様である。
【００４１】
本実施形態によれば、比較的厚い基板を用いることができるので、圧電体層２３や電極層２２を積層する際のハンドリングが容易となる。また、基板を剥離する場合と異なり、基板４０を機能性材料層の１つとして利用することを前提としているので、研磨量が少なくて済み、積層体の破損を最小限に抑えることが可能となる。
【００４２】
以上の説明においては、積層構造体に下部電極層１５及び上部電極層１６（図１）の両方を設けているが、それらの内の一方又は両方を省略しても良い。例えば、図８に示すように、共通電極５１が形成された基板５０上に積層構造体を配置して利用する場合には、下部電極層を省略することが可能である。
【００４３】
また、以上においては、圧電体層を有する積層構造体を製造する場合について説明したが、それ以外の機能性膜を有する積層構造体にも本発明を適用することが可能である。例えば、圧電体層の替わりに、チタン酸バリウム等の誘電体層を配置することにより、積層コンデンサを製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、超音波トランスデューサや圧電アクチュエータ等として用いられる積層構造体及びその製造方法において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施形態に係る積層構造体の構造を示す断面図である。
【図２】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３】エアロゾルデポジション（ＡＤ）法を用いた成膜装置の構成を示す模式図である。
【図４】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５】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６】ポストアニール温度とＰＺＴのＡＤ膜における平均グレインサイズとの関係を示す図である。
【図７】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８】図１に示す積層構造体の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０、１１、２３  圧電体層
１２  内部電極層
１３ａ、１３ｂ、２６  絶縁膜
１４ａ、１４ｂ、２７ａ、２７ｂ  側面電極
１５  下部電極層
１６  上部電極層
２０、４０、５０  基板
２１、２２、４２  電極層
２４、４１  積層体
２５  積層体ピース
２５ａ、２５ｂ  側面
３０  エアロゾル生成室
３１  振動台
３２  巻き上げガスノズル
３３  圧力調整ガスノズル
３４  エアロゾル搬送管
３５  成膜チャンバ
３６  噴射ノズル
３７  基板ステージ
３８  排気管
３９  原料粉
５１  共通電極
【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】
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