JP2005535555A - 表面弾性波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は表面弾性波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法に関するものであって、還元性雰囲気下でタンタル酸リチウム単結晶インゴット（ingot）又は基板をタンタル酸リチウムのキュリー温度（Tc）以上の温度で加熱してタンタル酸リチウム単結晶インゴット又は基板を還元する段階と、上記還元されたタンタル酸リチウム単結晶インゴット又は基板を還元性雰囲気又は非活性雰囲気下で単一分極処理する段階と、上記タンタル酸リチウム単結晶インゴット又は基板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、従来の製造方法に比べて還元処理時間が顕著に減少して作業時間が減るばかりでなく、一層優れたタンタル酸リチウム単結晶の電気伝導度ないしは嵩比抵抗を得ることができ、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することができる長所がある。

Description

本発明はタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法に係るものであって、特に、上記単結晶基板をタンタル酸リチウムのキュリー温度以上で還元処理することにより、単結晶基板の電気伝導度を増加させて基板表面の静電気を除去した表面弾性波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法に関する。

タンタル酸リチウム単結晶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、光メモリ等の分野に広く使用されている。

ところが、上記タンタル酸リチウム単結晶を表面弾性波素子の基板に使用するために単一分極化処理をする場合には、タンタル酸リチウム単結晶基板の両側表面に付着した静電電荷の放電に因るスパークが発生するようになり、表面弾性波素子製造工程において多くの問題を引き起こすようになる。かかる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の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。このように、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、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、ひいては素子の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。

さらに、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小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。

上記のような問題点を解決するために、基板の素子製造面の裏面に導電性金属膜を生成させ、これを接地して静電気を除去するか、基板両面を電気的に連結して長時間放電した後、基板上に素子を製造する方法が使用されてきた。しかし、上記の方法によると、導電性金属膜の生成及び最終的な素子製造後の導電性金属膜除去等の追加的な工程が要求されるか、工程時間の増加に因る費用増加等の短所があった。さらに、上記のような方法等を使用するとしても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る素子寿命短縮現象は効果的に抑制することができないという問題点があった。

このような問題点を解決するために、最近では、単一分極化されたタンタル酸リチウム単結晶基板の電気伝導度を増加させ、基板表面に付着した静電電荷を迅速に移動させることにより、基板の静電気特性を改善できるようにする技術が提示されている。米国特許６３１９４３０号（特許文献１参照）がその代表的なものであって、上記特許では、ニオビウム酸リチウムやタンタル酸リチウム基板を単一分極が保持されるように、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、上記単結晶基板の電気伝導度を増加させている。ニオビウム酸リチウムやタンタル酸リチウムを還元性雰囲気で熱処理すると、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。

しかし、タンタル酸リチウム還元反応は処理温度が高いほど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、上記米国特許によれば、商業的に適用しがた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、満足するほどのタンタル酸リチウム単結晶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。
米国特許６３１９４３０号明細書

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単結晶基板をタンタル酸リチウムのキュリー温度以上で還元処理した後、還元性雰囲気又は非活性雰囲気下で単一分極化処理することにより、表面弾性波素子製造用タンタル酸リチウム単結晶基板の静電気特性を改善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単結晶基板の製造方法は、
還元性雰囲気下でタンタル酸リチウム単結晶インゴット（ingot）又は基板をタンタル酸リチウムのキュリー温度（Tc）以上の温度で加熱してタンタル酸リチウム単結晶インゴット又は基板を還元する段階と、
上記還元されたタンタル酸リチウム単結晶インゴット又は基板を還元性雰囲気又は非活性雰囲気下で単一分極処理する段階と、
上記タンタル酸リチウム単結晶インゴット又は基板を加工して表面弾性波素子用タンタル酸リチウム単結晶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。

上記還元処理されたタンタル酸リチウム単結晶インゴット又はタンタル酸リチウム単結晶基板の嵩比抵抗は、１0^８〜１0^１１Ω・cmであることが望ましい。

タンタル酸リチウムの還元反応は反応処理温度が増加するによって反応速度が急激に増加する。ところが、上述のとおり、従来には、タンタル酸リチウム単結晶の単一分極状態を保持するために還元反応時の温度をキュリー温度未満にしていた。

単一分極化（poling）処理とは、単結晶に形成された全ての分極を一方向に配列させることを言う。単一分極化処理工程は、分極方向に沿って単結晶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持して分極を除去し、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、自発分極が単結晶に加えられた直流電界によって１方向に配列するようになるのである。

しかし、このような単一分極状態は単結晶の結晶構造が変わるキュリー温度以上では保持されなくなるので、上述のとおり、従来には、還元反応時の温度をキュリー温度未満に制限していたのである。即ち、従来には、何時までも単一分極化処理されたことを前提にした状態で還元処理をしたのであった。これに因り、キュリー温度が比較的高いので単一分極が保持された状態で還元反応速度が十分に速いニオビウム酸リチウム単結晶（Tc＝約１１４０℃）は各分野で商業的に活発に利用されていたが、キュリー温度が低いので還元反応速度が遅いタンタル酸リチウム単結晶に対しては、従来のような還元処理方法が殆ど利用されていないのが実情であった。さらに、従来の方法は、還元反応速度が遅いばかりでなく、タンタル酸リチウム基板の表面静電気を除去できる水準である１0^１１Ω・cm以下の嵩比抵抗を達成することも大変難しかった。

しかしながら、本発明者はタンタル酸リチウム単結晶に対して鋭意研究した結果、単一分極化状態を前提とする既存の常識を果敢に覆し、十分な還元反応速度を確保できる高温の還元性雰囲気で還元反応をし、このような還元状態を保持するために還元性雰囲気や非活性雰囲気で単一分極化処理を行えば、タンタル酸リチウム単結晶の還元反応速度を顕著に増加させながらも、単一分極状態を保持することができることを明らかにした。

さらに、一般的な単一分極化工程は、空気雰囲気でキュリー温度以上の温度まで昇温させ、結晶の両端に電界を加えて行われるが、本発明では、還元性雰囲気で熱処理され還元されたタンタル酸リチウム単結晶を従来のように空気雰囲気で単一分極化処理すると再酸化反応によって還元状態が除去されるので、単一分極化工程も還元性雰囲気、でなければ少なくとも非活性雰囲気にして、還元反応速度の上昇と、還元状態及び単一分極状態の保持を図っている。

還元反応熱処理時の温度は、タンタル酸リチウムのキュリー温度である６０５℃以上であって、理論的には、その上限線はタンタル酸リチウムの融点である１６５０℃まで可能である。

還元反応熱処理又は単一分極処理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。

さらに、単一分極化処理時の非活性雰囲気は、窒素、アルゴンを含む非活性気体や真空によって組成することができる。

還元熱処理されたタンタル酸リチウム単結晶の電気伝導度の変化は高抵抗測定器でその嵩比抵抗を測定することにより分かる。還元処理されていないタンタル酸リチウム単結晶の嵩比抵抗は１0^１４〜１0^１５Ω・cm程度であり、還元処理程度が増加するほど嵩比抵抗は減少する。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１0^１１Ω・cm以下の嵩比抵抗が達成されなければならないし、望ましくは１0^１０Ω・cm以下であるのが良い。しかしながら、嵩比抵抗が１0^８Ω・cm未満になる場合、単結晶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。

なお、タンタル酸リチウム単結晶の還元程度が増加するほど単結晶の色相が濃い灰色や黒い色に変化し、還元程度が大きいほど黒色は一層濃くなる。

（比較例I）
表１は従来技術のように単一分極化処理後、キュリー温度以下の温度で還元性気体である水素を使用して還元処理した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１から分かるように、比較例の場合には、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、５５０℃以下の温度で還元処理した場合には処理時間が増加しても嵩比抵抗の減少の程度が小さく、１0^１１Ω・cmの嵩比抵抗に近接した水準の比較例８の場合、単一分極状態が一部除去される等の問題がある。

（実施例I）
単一分極化されていないタンタル酸リチウム単結晶インゴット又は基板を、キュリー温度以上の温度で還元性気体である水素を使用して還元処理し、高抵抗測定器を使用してその嵩比抵抗を測定して表２に示した。

表２から分かるように、本発明の実施例Iの場合、比較例よりはるかに短い時間内に、タンタル酸リチウム基板の表面静電気を除去することができる１0^１１Ω・cm以下の嵩比抵抗を達成することができる。さらに、還元反応温度が高くなるほど還元処理時間はだんだん短くなり、嵩比抵抗はだんだん小さくなることが分かる。

（比較例II及び実施例II）
上記還元処理されたインゴットや基板を一般的な単一分極処理工程におけるように、空気雰囲気で単一分極化すれば、短い時間に再酸化反応が発生して嵩比抵抗が再び急激に増加するようになる。表３から分かるように比較例IIのように、本発明の条件のようにキュリー温度以上で還元処理したとしても、空気雰囲気下で単一分極化した場合、嵩比抵抗が再び急激に増加するのが分かる。これに対し、本発明の実施例IIのように、水素のような還元性雰囲気又は窒素のような非活性気体雰囲気で単一分極化処理した場合には、単一分極化以前の嵩比抵抗がそのまま保持されていることが分かる。

本発明の方法によって製造されたタンタル酸リチウムインゴット又は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、これ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、比抵抗特性が優れているので単一分極化による静電気に因る影響を受けないことが分かり、さらに、素子の寿命短縮現象が顕著に減少することが確認された。

本発明方法は、既に製造されたタンタル酸リチウム単結晶や基板に対し独立的に実施され得るが、タンタル酸リチウム単結晶の製造過程中、特にタンタル酸リチウム単結晶を成長させた後、常温まで冷却する過程中に実施することも可能である。即ち、タンタル酸リチウムの融点温度付近でタンタル酸リチウム単結晶を成長させた後、常温まで冷却する過程中に結晶成長炉の内部を還元性雰囲気に制御し、上記実施例のような温度と時間を保持すれば本発明の還元されたタンタル酸リチウム単結晶インゴットを得ることができる。

以上において説明したとおり、本発明の表面弾性波素子用タンタル酸リチウム単結晶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して作業時間が減るばかりでなく、一層優れたタンタル酸リチウム単結晶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 (4)

1. 還元性雰囲気下でタンタル酸リチウム単結晶インゴット（ingot）又は、基板をタンタル酸リチウムのキュリー温度（Tc）以上の温度で加熱してタンタル酸リチウム単結晶インゴット又は基板を還元する段階と、
   上記還元されたタンタル酸リチウム単結晶インゴット又は基板を還元性雰囲気又は非活性雰囲気下で単一分極処理する段階と、
   上記タンタル酸リチウム単結晶インゴット又は基板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単結晶基板の製造方法。
2. 上記還元処理されたタンタル酸リチウム単結晶インゴット又はタンタル酸リチウム単結晶基板の嵩比抵抗が１0^８〜１0^１１Ω・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単結晶基板の製造方法。
3. 上記還元性雰囲気は、水素、一酸化炭素、水蒸気等の還元性気体や、黒鉛を含む還元性固体の中から選ばれる一つ以上の気体及び／又は固体からな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単結晶基板の製造方法。
4. 上記非活性雰囲気は窒素、アルゴンを含む非活性気体や真空によってな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単結晶基板の製造方法。