DE3545355C2

DE3545355C2 - Lithium-Tantalat-Einkristallwafer

Info

Publication number: DE3545355C2
Application number: DE3545355A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Ogihara; Shinji Makikawa; Masaaki Iguchi
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1984-12-24
Filing date: 1985-12-20
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2005-12-21
Also published as: FR2575191A1; FR2575191B1; US4776917A; DE3545355A1; US4898641A; JPS61151098A; JPH0425240B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Lithium-Tantalat-Wafer.

Derartige Einkristall-Wafer dienen als Ausgangsmaterial zur Herstellung von Sendern, Empfängern oder Wandlern für akustische Oberflächenwellen (SAW devices) hoher Qualität und mit genau definierten Eigenschaften.

Bekannterweise sind Einkristalle aus Lithium- Tantalat, Lithium-Niobat und Quarz als ferroelektrischer und piezoelektrischer Werkstoff verwendbar. So werden beispielsweise die obengenannten SAW-Wandler aus derartigen Einkristallen hergestellt.

Unter diesen Einkristallwerkstoffen zeichnet sich Lithium- Tantalat vor allen Dingen durch einen relativ hohen elek tromechanischen Koppelkoeffizienten sowie durch eine geringe Temperaturabhängigkeit verschiedener Parameter aus, so daß Einkristalle aus Lithium-Tantalat besonders geeignet sind als Werkstoff für Schwingkreise von Video-Kasettenrecordern und als sogenannte PIF-Filter, nämlich piezoelektrische Filter für die Videotechnik sowie für Schaltkreise von Hochfrequenzüber tragungsanlagen. Eine zusammenfassende Darstellung über die Eigenschaften von Oberflächenwellenvorrichtungen für Konsum zwecke findet sich in Y. Yasuhara et al., Surface Acoustic Wave Devises for Consumer Use, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-28, No. 3, 1982, S. 475-481.

Einkristalle aus Lithium-Tantalat werden üblicherweise nach der sogenannten Czochralski-Methode hergestellt, die es vor sieht, den Einkristall aus einem Kristallkeim zu züchten, der aus einer Schmelze von einem Oxidgemisch gezogen ist, dessen Zusammensetzung LiTaO₃ entspricht. Der gezüchtete Einkristall rohling wird zunächst einer Umpolungsbehandlung unterzogen, um die ferroelektrischen Domänen derart auszurichten, daß ein Einzeldomänenkörper entsteht, der dann durch mechanische Be arbeitung in eine Zylinderform überführt und dann in Wafer geschnitten wird, die eine bestimmte kristallographische Aus richtung aufweisen. Die Oberfläche des Wafers wird abgeschlif fen uund poliert, bevor er als Ausgangsmaterial für verschiede ne Arten von Schaltkreisen eingesetzt wird.

So ist beispielsweise in der DE-OS 27 12 519 eine Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen, insbesondere für die Verwen dung als Zwischenfrequenzfilter eines Fernsehempfängers auf Basis eines LiTaO₃-Substrats beschrieben.

Ferner können SAW-Schaltkreise beispielsweise dadurch herge stellt werden, daß ein derartiger Wafer poliert und mit einer Elektrode, meistens einer Aluminiumelektrode auf der Oberflä che versehen und dann in kleine quadratische oder rechteckige Chips oder Stückchen zersägt wird. Je nach Durchmesser des Wafers und den Abmessungen des herzustellenden Teils oder Schaltkreises können aus einem einzigen Wafer entweder ein oder mehrere Chips durch Sägen herge stellt werden. So lassen sich beispielsweise aus einem einzigen Wafer mit einem Durchmesser von 76,2 mm nicht weniger als 200 derartige Schaltkreise aussägen.

Es liegt auf der Hand, daß sich die Ertragsfähigkeit dieses Herstellverfahrens erhöhen läßt, wenn die Anzahl der aus einem einzelnen Wafer ausgesägten Teile oder Schaltkreise erhöht wird. Aus diesem Grund werden auch immer mehr Einkristallwafer mit immer größerem Durch messer hergestellt. So gibt es heutzutage bereits Wafer im Durchmesser von 76,2 mm, 101,6 mm und sogar noch größer, was ausgesprochen bemerkenswert ist, da es noch keine sieben Jahre her ist, daß ein Waferdurchmesser von 50,8 mm das technisch Machbare darstellte.

Parallel zu diesem Trend, immer mehr und noch mehr Schaltkreis chips aus einem einzigen Wafer aus Lithium-Tantalat-Ein kristallen herauszuarbeiten, stellt sich das Problem, daß mit dem gestiegenen Anspruch an eine gleichmäßige und ausreichend kontrollierte Ausführung und Qualität der aus einem einzelnen Wafer gewonnenen SAW-Schaltkreise einige der charakteristischen Parameter eines Einkristallwafers von Bereich zu Bereich des Wafers stark schwanken, wobei die Schwankung der Werte mit steigendem Waferdurchmesser stärker zum Tragen kommt. Am problematischsten ist dabei die Schwankung bzw. die Abweichung vom Soll-Wert der optischen Eigenschaften, wie etwa der Doppelbrechung (vergl. z. B. Hecht, Eugene, Optik, 1989 Addison- Wesleg, S. 298-306), die eine der wichtigsten charakteristischen Parameter eines Einkristallwafers aus Lithium-Tantalat zur Herstellung von SAW-Schaltkreisen ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Einkristallwafer aus Lithiumtantalat vor allem zur Herstellung von SAW-Schaltkreisen zu schaffen, der diese Nachteile nicht aufweist und dessen wichtigste Parameter bezüglich akustischer Oberflächenwellen in einem engen Toleranzbereich liegen.

Diese Aufgabe wird durch einen Einkristallwafer gemäß der Lehre des Anspruchs 1 gelöst.

Der Kern der Erfindung besteht also darin, daß der er findungsgemäße Lithium-Tantalat-Einkristallwafer einen exakt definierten Doppelbrechungswert mit einer geringen, in ihren Grenzen festgelegten Schwankungsbreite aufweist. Dadurch ist eine hohe Qualität auch bei Wafern extrem großen Durchmessers, und damit auch für die durch Zersägen aus dem Wafer hergestellten SAW-Schaltkreise, gewährleistet. Es wurde nämlich überraschenderweise fest gestellt, daß eine enge Beziehung besteht zwischen der optischen Eigenschaft des Wafers in Form des Wertes für die Doppelbrechung und der Schallgeschwindigkeit akustischer Oberflächenwellen an oder durch einen SAW-Schaltkreis, wo bei ein optimaler Wert für die Schallgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen korreliert mit einem ganz bestimmten Wert für die Doppelbrechung des Wafers, solange dieser Wert mit einer ganz bestimmten Genauigkeit eingehalten wird. Diese Schwankungsbreite für den Doppel brechungswert eines Lithium-Tantalat-Einkristallwafers sollte nämlich innerhalb von ±6×10^-4 liegen, da an sonsten die Schallgeschwindigkeit der akustischen Ober flächenwellen im SAW-Schaltkreis, der aus diesem Einkristall wafer hergestellt ist, eine Schwankungsbreite von bis zu ±0,15% aufweist, was wiederum zur Folge hat, daß die aus dem Wafer hergestellten SAW-Schaltkreise nicht die unbe dingt erforderliche gleichmäßig hohe Qualität und hohe Leistungsfähigkeit aufweisen.

Die erforderliche geringe Schwankungsbreite für den bei einer Wellenlänge von 632,8 nm und einer Temperatur von 20°C bestimmten Doppelbrechungswert von 4,5×10^-3 soll erfindungsgemäß kleiner sein als ±6×10^-4, vorzugsweise ±3×10^-4.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 das optische System zur Be stimmung der Doppelbrechung eines Wafers in schematischer Darstellung;

Fig. 2 ein digital ausgebildetes Filter, das mittels Schablone auf einen erfindungsgemäßen Einkristall- Wafer aus Lithium-Tantalat derart aufgebracht ist, daß die Ausbreitungs richtung der akustischen Oberflächen wellen (SAW) in etwa parallel zur Richtung 112°Y ist und

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines elektrischen Schaltkreises zur Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Oberflächenwellen mittels eines SAW- Schaltkreises.

Es wurden mehrere Einkristallwafer aus Lithium-Tantalat hergestellt, wobei jeder einzelne Wafer einen Doppelbrechungs wert und eine Schwankungsbreite für diesen Wert aufwies, der jeweils in Tabelle 1 dargestellt ist. Die in Tabelle 1 dar gestellten Werte wurden durch Messungen bei 20°C und einer Wellenlänge von 632,8 nm mittels eines optischen Systems gemäß Fig. 1 ausgeführt.

Jeder Wafer wurde auf seiner Oberfläche mit einem digital ausgebildeten Filter gemäß Fig. 2 versehen, welches mittels einer Schablone aufgebracht und so ausgerichtet wurde, daß die Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle parallel mit der Richtung 112°Y war. Die Schallgeschwindigkeit V der akustischen Oberflächenwellen wurde mit Hilfe der Meßanordnung von Fig. 3 erfaßt. Die Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen und den Ausgangssignalen wurde mit der Bezugsfrequenz des automatisch abtastenden Signalgenerators bestimmt, und die Schallgeschwindigkeit V wurde gemäß folgender Gleichung errechnet:

wobei V die Schallgeschwindigkeit ist, L der Abstand zwischen den digital ausgebildeten Elektroden, dϕ die Phasenänderung und dW die Frequenzänderung. V wurde dann als V=L · ΔW/20 mit Hilfe eines Computers bzw. einer Zentral recheneinheit bestimmt, um die Frequenzänderung W automatisch bestimmen zu können, der gegenüber der Wert von dϕ um 20 Wellenlängeneinheiten zurücklag. Die für die Messung verwendete Frequenz wurde im Bereich von 95 MHz bis 105 MHz variiert.

In Tabelle 1 sind die Meßergebnisse zusammengefaßt. Unter den acht ausgeführten Experimenten wurden für die Experimente mit den Nummern 2, 4, 5 und 6 ausgesprochen befriedigende Resultate erreicht, da sowohl die maximale Abweichung der Schallgeschwindigkeit der akustischen Ober flächenwellen wie auch der Schwankungsbereich dieser Schall geschwindigkeit innerhalb eines Wafers sehr klein war. Sämtliche in Tabelle 1 angegebenen Werte beziehen sich auf eine Temperatur von 20°C.

Tabelle 1

Claims

Lithium-Tantalat-Einkristallwafer mit einem bei einer Wellenlänge von 632,8 nm und einer Temperatur von 20°C mit einer Genauigkeit von mindestens ±6×10^-4 bestimmten Doppelbrechungswert von 4,5×10^-3.