JP2004331443A - 単一分極化された改良型タンタル酸リチウム結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タンタル酸リチウム結晶の導電率を還元処理にて増加させるという製造方法において、還元処理をおこなう温度と圧力を規定することでデバイス歩留まりがよく還元処理が速やかに実施でき、目的とする単一分域化された導電率が増加したタンタル酸リチウム結晶を製造する方法を提供するものである。
【解決手段】タンタル酸リチウム結晶をキュリー点以下の高温度で還元処理する時の還元雰囲気の圧力範囲を０．２ＭＰａ〜１．０ＭＰａとすることでＳＡＷデバイスとしたときに歩留まり低下をもたらすことなく単一分極構造を保ちつつタンタル酸リチウム結晶の導電率を増加させる改良されたタンタル酸リチウム結晶の製造方法

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波素子などのウエハ上に金属電極でパターンを形成して電気信号を処理する用途に使用する単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶の特性改善に関する方法を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
タンタル酸リチウムは、弾性表面波（ＳＡＷ）の信号処理といった電気的特性を利用する用途に使用され、この用途ではタンタル酸リチウム結晶は単一分極化されたものが使われる。この用途に適したタンタル酸リチウム結晶は、その結晶構造に起因するＳＡＷデバイスに必要とされる圧電気応答（圧電性）を示すが、通常の方法で入手できるタンタル酸リチウム結晶は圧電性に加えて焦電気応答（焦電性）を生じる。
【０００３】
タンタル酸リチウム結晶の圧電性はタンタル酸リチウム結晶をＳＡＷデバイスとして利用する時に、不可欠となる特性であるが、一方、焦電性はタンタル酸リチウム結晶に温度変化を与えることで結晶の外側表面に発生する表面電荷として観察され、結晶を帯電させるものである。この表面電荷は、タンタル酸リチウム結晶をＳＡＷデバイスとして使用するときに、タンタル酸リチウム結晶からなるウエハ上に形成された金属電極間で火花放電を起こし、ＳＡＷデバイスの著しい性能の欠陥を引き起こすとされている。このため、タンタル酸リチウム結晶を用いるＳＡＷデバイスの設計では、表面電荷を発生させない工夫、発生した表面電荷を逃がす工夫、あるいは金属電極同士の間隔を広くするなどの工夫が必要とされ、これら工夫を取り入れるために、ＳＡＷデバイス自体の設計に制約が加わるといった不利益があった。
【０００４】
また、タンタル酸リチウム結晶を用いたＳＡＷデバイスの製造工程では金属膜の蒸着、レジストの除去といった工程でタンタル酸リチウム結晶に熱が加わる工程があり、これら工程で加熱あるいは降温といった温度変化がタンタル酸リチウム結晶に与えられるとタンタル酸リチウム結晶の焦電性により外側表面に電荷が発生する。この表面電荷により、金属電極間に火花放電が生じ、電極パターンの破壊となるため、ＳＡＷデバイスの製造工程では出来るだけ温度変化を与えないように工夫をしたり、温度変化を緩やかにするといった工夫をしており、これら工夫のために製造工程のスループットが低下したり、あるいはＳＡＷデバイスの性能を保証するマージンが狭くなるといった不利益が生じている。
【０００５】
通常の方法で製造された単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶では、焦電性により発生した外側表面の電荷は周囲環境からの遊離電荷により中和され、時間の経過とともに消失するが、この消失時間は数時間以上と長く、ＳＡＷデバイスの製造工程では、この自発的な焦電性の消失に期待できない。
【０００６】
弾性表面波（ＳＡＷ）デバイスのような用途に対してはデバイス特性を発揮するために必要とされる圧電性を維持した上で、上記背景により、結晶外側表面に電荷の発生が見られない圧電性結晶の要求が増大しており、このような用途に対して表面電荷の蓄積が見られない単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶が必要とされている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−９２１４７号公報
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記された問題の解決方法を提供するものであり、タンタル酸リチウムに温度変化を与えることで発生する表面電荷をタンタル酸リチウムの導電率を向上することで発生した表面電荷を蓄積させることなく消失させるという原理に基づいており、この導電性を向上させた単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶の製造方法を提供するものである。
【０００９】
この導電率を向上させたタンタル酸リチウム結晶の製造方法としては特開平１１−９２１４７があるが、ここでは、タンタル酸リチウム結晶を５００℃以上の還元雰囲気にさらすという方法が開示されている。しかし、特開平１１−９２１４７で開示された方法でタンタル酸リチウム結晶を還元処理すると、還元雰囲気温度がキュリー点である６１０℃以上ではＳＡＷデバイス用途で必要とされる単一分極化構造が失われ、また、キュリー点である６１０℃以下の温度では還元処理の速度が極めて遅くなり、結果として特開平１１−９２１４７で開示された方法では工業的に単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶の導電率は向上できないことが分かった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明では、単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶を、キュリー温度以下で大気圧以上の還元雰囲気にさらすことで該タンタル酸リチウム結晶の導電率を高くでき（請求項１）、この結果タンタル酸リチウム結晶に温度変化を与えた時に発生する焦電気を抑えることができるという方法を提供するものである。
【００１１】
本発明で、単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶としては速やかに処理を完了させるために、スライス処理がおこなわれたウェハ、あるいはラップ処理がおこなわれたウェハ、もしくは片面に鏡面処理がおこなわれたウェハを用いることが好ましい（請求項２）。
【００１２】
本発明で、還元雰囲気にさらす温度としては速やかに処理を完了させるためにキュリー温度以下、５００℃以上とすることが好ましい（請求項３）。
【００１３】
本発明で、還元雰囲気の圧力として速やかに処理を終了させるために０．２ＭＰａ以上とすることが好ましく、また、この処理をおこなった単一分極化されたタンタル酸リチウムをＳＡＷデバイスとして使用したときのデバイス歩留まりが低下しない範囲とするため圧力の上限値としては１．０ＭＰａとすることが好ましい（請求項４）。これは、タンタル酸リチウム結晶の還元雰囲気での処理では雰囲気ガスの圧力を上げすぎて処理するとタンタル酸リチウムの結晶構造が破壊するためと考えられる。
【００１４】
本発明で、還元雰囲気として水素、重水素、一酸化炭素あるいはＮＯｘ（ｘ＜２．５）のいずれか、あるいはこれら２以上よりなる混合気体とすることで還元処理ができ（請求項５）、あるいは還元雰囲気としては水素、重水素、一酸化炭素、ＮＯｘ（ｘ＜２．５）あるいはこれらの混合ガスにヘリウム、ネオン、アルゴン、などの希ガス、窒素、二酸化炭素のいずれかあるいはこれらの混合ガスを添加した雰囲気とすることで還元処理ができる（請求項６）。
【００１５】
本発明でタンタル酸リチウム結晶は、炭酸リチウムと五酸化タンタルとを秤量し、混合し、電気炉で１０００℃以上に加熱することで得られた多結晶のタンタル酸リチウムをイリジウムなどの貴金属製のルツボに入れ、加熱、溶融後に種結晶を用いて回転引上げ（いわゆるチョクラルスキー法）にて育成することでたとえば直径が４インチの多分域状態のタンタル酸リチウム結晶が得られる。
【００１６】
このようにして得られた多分域状態の４インチのタンタル酸リチウム結晶に貴金属電極を設置し、キュリー点以上の温度、たとえば６５０℃にて電圧を印加することで単一分域化処理ができ、この単一分域化処理がなされた結晶を、たとえばワイヤソーを用いてスライスすることで直径４インチ、厚さ０．５ｍｍのスライス処理がおこなわれたウエハが得られ、さらにこのウエハをラップ機で処理することで直径４インチ、厚さ０．４ｍｍラップウエハが得られる。
【００１７】
本発明で目的とする単一分域化構造をもち、かつ、導電率を向上させたタンタル酸リチウム結晶を得る方法としては、たとえば、単一分域化処理がおこなわれたタンタル酸リチウム結晶ラップウエハを圧力計がついたステンレススチール製の容器に入れ、容器内を水素ガスで十分に置換して圧力０．２ＭＰａで封じ、このステンレススチールの容器を管状の電気炉中に設置し、炉の温度を室温から毎分約６．７℃の速度で昇温させ、タンタル酸リチウム結晶のキュリー点以下の温度、たとえば５５０℃に６時間保持後に炉を毎分約６．７℃の速度で降温し、３０℃以下となったところでウエハをステンレススチールの容器から取り出すことで得られる。
【００１８】
本発明で得られた単一分域化されたタンタル酸リチウム結晶に対する導電率は次のように測定した。導電率は体積抵抗率の逆数である。体積抵抗率はＨｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ社製、４３２９Ａ Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｍｅｔｅｒ及び１６００８Ａ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙを用いて測定した。体積抵抗率は次式により得ることができる。
ρ＝（πｄ^２／４ｔ）・Ｒ
ρ： 体積抵抗率（Ω・ｃｍ）
π： 円周率
ｄ： 中心電極直径（ｃｍ）
ｔ： タンタル酸リチウムウエハ厚さ（ｃｍ）
Ｒ： 抵抗値（Ω）
５００ボルトの電圧を印加し、電圧を印加してから１分後の抵抗値を測定した。
【００１９】
本発明で得られた単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶は、結晶の導電率が向上している。このことにより、［０００６］で示したように、本発明で得られる単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶は圧電性を維持した上で結晶表面に電荷の蓄積がみられないものとなっており、ＳＡＷデバイス製造上極めて有利な材料である。また、本発明の方法では上記したタンタル酸リチウム結晶は極めて短時間の処理で得ることができ工業的に有利な方法となっている。
【発明の実施の形態】
【００２０】
実施例、比較例
タンタル酸リチウムウェハ作製は次の通り行った。ｙ方向４０゜回転の直径４インチ、長さ５０ｍｍのタンタル酸リチウム結晶を、チョクラルスキー法で育成し、単一分域化処理をおこなった。この単一分域化されたタンタル酸リチウム結晶をワイヤソーにて切断、ラップ加工を行い、厚さ０．４ｍｍの両面ラップウエハを得た。この単一分域化されたタンタル酸リチウム結晶からなる両面ラップウェハ１００枚を、外径１５０ｍｍ内径１３０ｍｍの圧力計付ステンレススチール製オートクレーブ中に積み重ねるようにして置き、水素置換をおこなった後、水素圧力を０．２ＭＰａとして封入した。このオートクレーブを発熱体がカンタル線である管状炉に円筒部分を挿入し、上部をアルミナシリケートからなるウールで保温し、炉の温度を室温から毎分約６．７℃の速度で５５０℃まで昇温した。温度５５０℃にて６時間保持後、炉の電源を切り、放冷し、３０℃以下となったところでオートクレーブからウェハを炉から取り出すことで褐色状の還元処理タンタル酸リチウム結晶からなる両面ラップウェハを得た。
このウエハをさらにラップ機で各々の面を片面１５μ以上ラップした後、ＳＡＷデバイス用基板として標準的な仕様である片面鏡面とするため片面を１５μ以上研磨機で研磨し、導電率が向上した単一分極化されたタンタル酸リチウム製品ウェハを得た。
この製品ウェハについて、導電率を次のように測定した。導電率は体積抵抗率の逆数である。体積抵抗率はＨｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ社製、４３２９Ａ Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｍｅｔｅｒ 及び１６００８Ａ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙを用いて測定した。体積抵抗率は次式により得ることができる。
ρ＝（πｄ^２／４ｔ）・Ｒ
ρ： 体積抵抗率（Ω・ｃｍ）
π： 円周率
ｄ： 中心電極直径（ｃｍ）
ｔ： タンタル酸リチウムのウエハ厚さ（ｃｍ）
Ｒ： 抵抗値（Ω）
５００ボルトの電圧を印加し、電圧を印加してから１分後の抵抗値を測定した。なお、表において導電率の「１．１Ｅ−１１」というような記載は、「１．１ｘ１０^−１１」という意味である。
表１ 還元処理かつ単一分域化処理されたタンタル酸リチウム結晶の導電率

比較例３，４の単一分極化されたタンタル酸リチウムを用いてＳＡＷデバイスを試作した結果、信号の損失が０．５ｄＢ増加することが分かり、このものはＳＡＷデバイスを製造する上で不適であることが分かった。
また、上記表ではラップウェハを用いた結果を示しているが、スライス処理がおこなわれたウェハでも同じ結果が得られた。
次に、片面を鏡面としたウェハでも導電率測定の結果は同じ結果となった。しかし、片面鏡面のウェハでは鏡面部分に曇りが生じ、再度研磨機にて鏡面加工をする必要があった。

Claims (6)

1. 単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶を、キュリー温度以下で大気圧以上の圧力の還元雰囲気にさらすことで導電率が増加された単一分域化された改良型タンタル酸リチウム結晶を製造する方法。
2. 単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶として、スライス処理がおこなわれたウェハ、あるいはラップ処理がおこなわれたウェハ、もしくは片面に鏡面処理がおこなわれたウェハを用いることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
3. 還元雰囲気にさらす温度として５００℃以上であることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
4. 還元雰囲気の圧力として０．２ＭＰａ〜１．０ＭＰａであることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
5. 前記還元雰囲気が水素、重水素、一酸化炭素あるいはＮＯＸ（Ｘ＜２．５）のいずれか、あるいはこれら２以上よりなる混合気体からなることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
6. 前記還元雰囲気にさらに、ヘリウム、ネオン、アルゴン、などの希ガス、窒素、二酸化炭素のいずれかあるいはこれらのうち２以上よりなる混合ガスを添加することを特徴とする請求項５記載の製造方法。