JP2005328499A - 表面弾性波素子用タンタル酸リチウム基板の製造方法とその基板 - Google Patents

Abstract

【課題】表面弾性波素子用タンタル酸リチウム基板の製造方法において、還元処理時間を短縮すると共に、該基板の静電気特性改善効果を向上する。
【解決手段】本製造方法は、タンタル酸リチウム材料をタンタル酸リチウムのキュリー温度（Ｔｃ）以上の温度で加熱還元してタンタル酸リチウム還元剤を製造する段階と、上記タンタル酸リチウム還元剤を単一分極処理されたタンタル酸リチウム基板と交代に積層してタンタル酸リチウム積層体を作る段階と、上記積層体をタンタル酸リチウムのキュリー温度（Ｔｃ）未満の温度で加熱してタンタル酸リチウム基板を還元させる段階と、上記積層体からタンタル酸リチウム基板を分離し、これを加工して表面弾性波素子用基板に製造する段階とを含んで構成される。

Description

本発明はタンタル酸リチウム基板の製造方法に係るものであって、特に、タンタル酸リチウムの静電気特性改善のための還元処理をタンタル酸リチウムのキュリー温度（Ｔｃ）未満においても迅速に行え得る表面弾性波素子用タンタル酸リチウム基板の製造方法に関する。

タンタル酸リチウム（LT:Lithium Tantalate）は圧電性及び電気光学的特性が優秀であるので、表面弾性波信号処理素子、赤外線センサー、光スイッチ、光メモリー等の分野に広く使用されている。上記タンタル酸リチウムを表面弾性波素子の基板に使用するためには、タンタル酸リチウムに形成された全ての分極を一方向に配列する、所謂、単一分極化（poling）処理を行なわなければならない。

単一分極化処理工程は、タンタル酸リチウム基板の両面に電極を塗布した後、キュリー温度以上に加熱し、一定時間保時することにより、タンタル酸リチウムに無秩序に分布している分極を除去し、電極に直流電圧を加えて電界を形成した後、キュリー温度以下に冷却する段階からなる。上記のような工程によってキュリー温度以下に冷却されながら生成される、所謂、自発分極が上記直流電界によって一方向に配列することにより、単一分極化されるのである。

ところが、単一分極化されたタンタル酸リチウム基板の両面には、分極の極性に対応する静電電荷が付着するようになるが、このような静電電荷は、後続の表面弾性波素子基板を製造するための工程において多くの問題点を引き起こすようになる。即ち、タンタル酸リチウム基板に付着した静電電荷に因る静電気は基板移送や作業過程で表面弾性波素子の製造装置に作動誤謬を起こし得るし、静電気力によって基板が上記製造装置に強く付着され機械的な応力によって基板が破損される等、作業安定性が顕著に劣る問題点がある。のみならず、タンタル酸リチウム基板に素子を付着する工程中に基板の温度が急激に変化する場合に、基板に付着した静電電荷の放電で発生するスパークによって基板又は基板上に製造された素子回路が損傷されるか、ひいては素子製造装置に電気的衝撃を与え故障を引き起こすことがある。特に、近来、素子の使用周波数領域が日毎に高周波化されるに従って、素子の信号線の幅が数十マイクロメーターから数マイクロメーターまで減少しているこの頃では、基板表面の局所的な静電電荷量の差異に因り発生する微少放電によって微細な線幅の信号線等が破壊され素子の寿命が短縮される問題が発生している。

上記のような現象は、タンタル酸リチウムの焦電特性に因るものであって、基本的に電気絶縁体であるタンタル酸リチウムの場合、タンタル酸リチウム表面に付着した静電電荷が移動して電気的中性をなすためには多くの時間が必要であるのに比べて、表面弾性波素子製造工程のように急激に温度が変化する条件では、上記静電電荷が放電を起こしスパークが発生しやすくなるのである。

近来には、上記のような問題点を解決するために、基板表面に付着した静電電荷が迅速に移動できるように基板の静電気特性を改善するために、タンタル酸リチウム基板の電気伝導度を増加させようとする技術が開示されている。

例えば、特許文献１がその代表的なものであって、特許文献１では、ニオビウム酸リチウムやタンタル酸リチウム基板を還元性雰囲気でそのキュリー温度未満の温度まで加熱して還元処理することにより、上記基板の電気伝導度を増加（即ち、嵩比抵抗減少）させている。ニオビウム酸リチウムやタンタル酸リチウムを還元熱処理すると、その電気伝導度が増加する理由は、酸化状態の変化に因り電子密度が増加するからであると知られている。

一方、上記特許文献１において、タンタル酸リチウム基板の還元反応温度はそのキュリー温度未満に制限されるが、これは、基板の結晶構造が変わるキュリー温度以上では単一分極状態が破壊されるからである。しかし、タンタル酸リチウム還元反応は反応温度が高い程、反応速度が急激に増加するので、キュリー温度が低いタンタル酸リチウム基板の場合（キュリー温度；約６０５℃）には、商業的に適用するには反応速度が余りにも遅いという短所がある。即ち、特許文献１によれば、商業的に適用し難い程度の長時間処理と高価な装備を使用する場合にだけ、満足すべきタンタル酸リチウム基板の静電気特性を得ることができるという問題点がある。

故に、最近では、タンタル酸リチウムのキュリー温度未満における還元反応速度を増加させるための方法等が模索されている。例えば、本出願人の既出願の特許文献２に記載されたもののように、タンタル酸リチウム基板をキュリー温度未満の温度で真空と還元雰囲気を交代に投入することにより、還元反応速度を増加させるか、特許文献３及び特許文献４に記載されたもののように、キュリー温度以下の温度で還元剤である金属（特に、亜鉛）蒸気を基板表面に還元させ、還元反応速度を増加させる方法がある。しかしながら、前者の場合には、真空と還元雰囲気を交代に適用させるために高価な装備が必要であるばかりでなく、望ましい嵩比抵抗を得ることが困難で、後者の場合には、タンタル酸リチウムに亜鉛が拡散され、タンタル酸リチウムの化学的特性を変化させて最終製品の特性が低下するおそれがある。
米国特許６３１９４３０号明細書 韓国特許出願公開第２００４−２９２４８号明細書 特開２００４−３５３９６号公報 国際公開第０４／００２８９１号パンフレット

本発明は上記の課題を解決するために案出されたものであって、タンタル酸リチウムのキュリー温度未満においてもタンタル酸リチウムの静電気特性改善のための還元反応を迅速に行ない得る表面弾性波素子製造用タンタル酸リチウム基板の製造方法を提供することを目的とする。

さらに、本発明はより優秀な静電気特性改善効果を有する表面弾性波素子製造用タンタル酸リチウム基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のタンタル酸リチウム基板製造方法は、タンタル酸リチウム材料をタンタル酸リチウムのキュリー温度（Ｔｃ）以上の温度で加熱還元してタンタル酸リチウム還元剤を製造する段階と、上記タンタル酸リチウム還元剤を、単一分極処理されたタンタル酸リチウム基板と交代に積層してタンタル酸リチウム積層体を作る段階と、上記積層体をタンタル酸リチウムのキュリー温度（Ｔｃ）未満の温度で加熱してタンタル酸リチウム基板を還元させる段階と、上記積層体からタンタル酸リチウム基板を分離し、これを加工して表面弾性波素子用基板を製造する段階とを含んで構成されることを特徴とする。

上記還元されたタンタル酸リチウム基板の嵩比抵抗は、１０^８〜１０^１２Ω・ｃｍであることが望ましく、さらに望ましくは、１０^９〜１０^１１Ω・ｃｍであるのが良い。

さらに、上記積層体は還元性雰囲気下で加熱されるのが望ましい。

タンタル酸リチウムはそのキュリー温度（約６０５℃）未満では非常に還元し難い物質である。これは、タンタル酸リチウムが、そのキュリー温度未満では酸化されようとする傾向が非常に大きい物質であることを意味し、反対にキュリー温度以上では還元するのが相対的に容易であることを意味する。

本発明は、キュリー温度未満で還元され難いのでキュリー温度未満で還元反応速度が遅いタンタル酸リチウムを、それより相対的にさらに大きく還元された同一な材質のタンタル酸リチウムと共にキュリー温度未満で還元させることにより、タンタル酸リチウムの単一分極状態を保持しながらも迅速にこれを還元させ、タンタル酸リチウムの静電気特性を改善しようとすることに特徴がある。

即ち、本発明によれば、タンタル酸リチウムの化学的特性を害する金属蒸気等の他の成分を還元剤に使用する従来技術（特許文献３及び特許文献４参照）とは異なり、同一な材質のタンタル酸リチウムを還元剤に使用することにより、タンタル酸リチウムの化学的特性を害しないながらも、単一分極状態から迅速に還元反応させ得るようになる。さらに、本発明の製造方法によれば、静電気特性改善効果も従来の還元反応速度改善方法よりさらに優秀になる。

以下では、本発明について詳しく説明することにする。本発明の製造方法を行なう前に、表面弾性波素子用基板を製造するための対象処理基板として、単一分極処理されたタンタル酸リチウム基板を準備する。単一分極処理は表面弾性波素子用基板を製造するために通常行なわれる過程であるので、ここではその詳しい説明は省略することにする。

先ず、タンタル酸リチウム材料をそのキュリー温度以上の温度で加熱して還元させタンタル酸リチウム還元剤を製造する。上記材料の結晶状態は単結晶又は多結晶であっても構わないし、その形態もまた基板、インゴット（ingot）、粉末、焼結体の形態を問わず還元剤に使用することができる。ただ、以後のタンタル酸リチウム基板との反応面積を考慮すると、上記材料はタンタル酸リチウム基板の形態に対応する基板形態に加工して還元させることが望ましい。還元剤を製造するための還元熱処理温度はタンタル酸リチウムのキュリー温度である約６０５℃以上であって、理論的にはタンタル酸リチウムの融点である１６５０℃まで可能である。

上記タンタル酸リチウム材料は、対象処理基板である単一分極されたタンタル酸リチウムに還元剤として作用しなければならないので、その還元の程度は最少限、最終的な対象処理基板の還元度よりも大きくなければならない。タンタル酸リチウムの還元度はタンタル酸リチウムの電気伝導度に比例し、その嵩比抵抗に反比例するので、本発明において還元度の大きさは嵩比抵抗の大きさで表すことができる。還元処理されないタンタル酸リチウムの嵩比抵抗は１０^１４〜１０^１５Ω・ｃｍ程度であり、タンタル酸リチウム基板表面における静電気発生を抑制するためには少なくとも、１０^１２Ω・ｃｍ以下のオーダーにならなければならない。嵩比抵抗が１０^８Ω・ｃｍ未満になる場合、タンタル酸リチウムの機械的強度が弱くなるので、嵩比抵抗の下限線は１０^８Ω・ｃｍ以上であるのが良い。静電気発生抑制効果とタンタル酸リチウムの機械的強度を考慮すると、より望ましいタンタル酸リチウムの嵩比抵抗は１０^９Ω・ｃｍ〜１０^１１Ω・ｃｍであるのが良い。

従って、上記タンタル酸リチウム材料は嵩比抵抗が最少限１０^１２Ω・ｃｍ以下のオーダーになるまで還元させる必要がある。一般的にキュリー温度未満の温度で１０^１２Ω・ｃｍ以下のオーダーの嵩比抵抗を得るためには、強い還元性雰囲気で７２時間に近い程度の還元処理が必要であるが、キュリー温度以上では弱い還元性雰囲気で２０時間未満の還元処理でも上記オーダーの嵩比抵抗を達成することができる。

還元剤を製造した後、対象処理基板の両面に上記還元剤が位置するように、上記タンタル酸リチウム還元剤を対象処理基板である単一分極されたタンタル酸リチウム基板と交代に積層して積層体を形成する。

以後、上記積層体をキュリー温度未満で加熱すると、対象処理基板が還元される。このとき、上記還元剤はタンタル酸リチウムのキュリー温度以上の高温で還元されているので、キュリー温度未満の温度では相対的に過還元された状態にある。故に、キュリー温度未満で積層体を加熱すると、上記還元剤は酸化（即ち、還元度が低くなる）されながら、その余分な電子をそれと接する対象処理基板の表面に提供して、対象処理基板の還元剤として作用するものと思われる。上記還元剤の作用によって対象処理基板の還元反応速度は一層速くなり、上記特許文献１に記載された技術より一層速く、望む電気伝導度を有するように対象処理基板を還元させるようになる。

上記対象処理基板の還元加熱反応は、上記タンタル酸リチウム基板が、その基板表面における静電気発生を抑制するための１０^８Ω・ｃｍ〜１０^１２Ω・ｃｍの範囲を有する嵩比抵抗を有する時まで行なわれる。ただ、静電気発生抑制効果とタンタル酸リチウムの機械的強度を考慮すると、より望ましき嵩比抵抗は、１０^９Ω・ｃｍ〜１０^１１Ω・ｃｍであるのが良い。後述の実施例に示されるように、本発明の製造方法によれば、３０時間未満の還元処理で、より低い嵩比抵抗のタンタル酸リチウム基板を得ることができることが判明した。

上記還元剤製造のための還元反応と、対象処理基板の還元反応は、非酸化性雰囲気、即ち、還元性雰囲気や不活性雰囲気下で行なうことができる。ただ、対象処理基板の還元反応を不活性雰囲気下で行なうと、還元剤が急速に酸化され還元剤から電子移動が非常に活発になるので、対象処理基板の還元反応が度を過ぎて速くなり、対象処理基板が不均一に還元されるおそれがある。従って、対象処理基板の還元反応、即ち、積層体の加熱は、還元性雰囲気下で行なうのが望ましい。

還元剤製造反応、又は、対象処理基板の還元反応時の還元性雰囲気は、水素、一酸化炭素、水蒸気等の一般的な還元性気体や、黒鉛等のような還元性固体の中から選ばれる一つ以上の気体及び／又は固体を使用して組成することができる。

積層体の加熱反応、即ち、対象処理基板の還元加熱反応後には、還元剤を除去し、対象処理基板を加工して表面弾性波素子用基板を製造する。一方、上記還元剤は積層体加熱反応によって嵩比抵抗が増加するが、これを再び、高温で還元処理すると、他の対象処理基板の還元反応に再活用することができる。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではない。

タンタル酸リチウム基板を還元性気体である水素雰囲気下で、１０^１１Ω・ｃｍ以下のオーダーの嵩比抵抗値を有するようにキュリー温度以上の高温（以下、表１参照）に加熱して還元剤を製造した。次に、これを単一分極処理された対象処理基板と交代に積層し、該積層体を水素雰囲気下でキュリー温度未満である５９５℃で２４時間加熱還元処理した。上記還元剤の製造条件と、還元剤及び還元された対象処理基板の嵩比抵抗を高抵抗測定器で測定した結果を以下の表に示した。

上記実施例に示されるように、非常に短い時間で１０^１１Ω・ｃｍ以下のオーダーの嵩比抵抗を有するように還元剤が製造され、その還元処理温度が高くなるほど還元処理時間は大体に短くなり、嵩比抵抗は減少することが分かる。

さらに、これを対象処理基板と積層させ加熱還元させると、タンタル酸リチウム基板表面における静電気発生を十分に抑制できる１０^１１Ω・ｃｍ以下のオーダー、特に望ましくは、１０^１０Ω・ｃｍ以下のオーダーの嵩比抵抗を有する対象処理基板を得ることができる。そして、還元程度が高い還元剤を使用して対象処理基板を還元させるほど、同じ時間内に一層低い嵩比抵抗を有する対象処理基板を得ることができることが分かる。

（比較例I）
表２は特許文献１のように、タンタル酸リチウムを単一分極処理した後、キュリー温度未満の温度で還元性気体である水素を使用して還元熱処理し、タンタル酸リチウム基板の嵩比抵抗を高抵抗測定器で測定して示したものである。

表２から分かるように、比較例Iの場合には、７２時間以上の長時間還元熱処理を行っても、タンタル酸リチウム基板の静電気を十分に除去できる水準である１０^１１Ω・ｃｍ以下の嵩比抵抗を得ることが難しい。また、１０^１１Ω・ｃｍのオーダーの嵩比抵抗を有する比較例Iの８の場合、本実施例（２４時間）より遥かに長時間（７２時間）の還元処理を要し、しかも、単一分極状態が一部除去される等の問題がある。

（比較例II）
比較例IIは、本出願人の既出願した特許文献２に記載された方式のように、キュリー温度未満の温度で真空と還元雰囲気を交代に投入して還元させることにより、タンタル酸リチウム基板の還元反応速度を増加させたものである。単一分極化されたタンタル酸リチウム基板を、キュリー温度未満の温度で、１００ｍｍＨｇ以下の真空状態と、還元性気体である水素を使用して組成された還元性雰囲気が反復保持される雰囲気で還元処理し、高抵抗測定器を使用してその嵩比抵抗を測定して表３に示した。反復回数は真空状態と還元性雰囲気を、その保持時間だけ各々１回ずつ保持した時を１回にしたものである。本比較例では真空状態保持時間及び総還元処理時間を各々５分、２４時間に固定した。

表３から分かるように、比較例IIの場合、本発明の実施例の対象処理基板還元時間と同一な還元反応時間（２４時間）を有する。しかしながら、全般的にその嵩比抵抗のオーダーが本実施例より高いことが分かる。即ち、本実施例の場合、殆ど１０^１０Ω・ｃｍ又は１０^９Ω・ｃｍのオーダーの嵩比抵抗を有するのに対して、上記比較例の場合、１０^１１Ω・ｃｍ〜１０^１３Ω・ｃｍのオーダーの嵩比抵抗を有する。また、本実施例と近い水準の嵩比抵抗を有する場合（比較例IIの７〜１０）にも、真空と還元性雰囲気を反復的に投入しなければならない難しさがあり、これのために、高価な装備を使用しなければならないという問題がある。

本発明の製造方法によって製造されたタンタル酸リチウム基板を通常の方法で加工して表面弾性波素子用基板を作り、ここに表面弾性波素子を製造して上記素子の電気的特性を検査した結果、比抵抗特性が優れ、単一分極化による静電気に因る影響を受けていないのが分かり、また、素子の寿命短縮現象が顕著に減少するのを確認することができた。

以上説明したように、本発明の表面弾性波素子用タンタル酸リチウム基板の製造方法によれば、従来の製造方法に比べて還元処理時間が顕著に減少され作業時間が減少されるばかりでなく、一層優れたタンタル酸リチウムの電気伝導度ないしは嵩比抵抗を得ることができるという効果がある。

これに因り、タンタル酸リチウムの焦電特性によって生成される静電気を迅速に除去することができるので、表面弾性波素子製造工程で発生する静電気に因る作業不安定性を顕著に改善できるという長所がある。

Claims (5)

1. タンタル酸リチウム材料をタンタル酸リチウムのキュリー温度（Ｔｃ）以上の温度で加熱還元してタンタル酸リチウム還元剤を製造する段階と、
   上記タンタル酸リチウム還元剤を、単一分極処理されたタンタル酸リチウム基板と交代に積層してタンタル酸リチウム積層体を作る段階と、
   上記積層体をタンタル酸リチウムのキュリー温度（Ｔｃ）未満の温度で加熱してタンタル酸リチウム基板を還元させる段階と、
   上記積層体からタンタル酸リチウム基板を分離し、これを加工して表面弾性波素子用基板を製造する段階と、
   を含んで構成されることを特徴とする表面弾性波素子用タンタル酸リチウム基板の製造方法。
2. 上記還元されたタンタル酸リチウム基板の嵩比抵抗が１０^８〜１０^１２Ω・ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載の表面弾性波素子用タンタル酸リチウム基板の製造方法。
3. 上記還元されたタンタル酸リチウム基板の嵩比抵抗が１０^９〜１０^１１Ω・ｃｍであることを特徴とする請求項２に記載の表面弾性波素子用タンタル酸リチウム基板の製造方法。
4. 上記積層体は還元性雰囲気下で加熱されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の表面弾性波素子用タンタル酸リチウム基板の製造方法。
5. 請求項４に記載の製造方法によって製造されたことを特徴とする表面弾性波素子用タンタル酸リチウム基板。