JP2006278363A - タンタル酸リチウム基板およびその製造方法ならびにタンタル酸リチウム基板の表面処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高性能素子に対応するタンタル酸リチウム基板およびその製造方法ならびにタンタル酸リチウム基板の表面処理方法を提供する。
【解決手段】素子基板として各種素子に用いられるタンタル酸リチウム基板の製造方法であって、タンタル酸リチウム基板を、大気中において、７００℃で所定の時間加熱処理する第１の工程と、上記第１の工程で加熱処理された上記タンタル酸リチウム基板を、毎分２℃よりも速くかつ毎分５℃よりも遅い冷却速度で冷却する第２の工程とを有するようにしたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タンタル酸リチウム基板およびその製造方法ならびにタンタル酸リチウム基板の表面処理方法に関し、さらに詳細には、各種素子に用いられる素子基板であるタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）基板として用いて好適なタンタル酸リチウム基板およびその製造方法ならびにタンタル酸リチウム基板の表面処理方法に関する。

近年、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）基板の表面に電極膜が形成されて構成される圧電素子や表面弾性波（ＳＡＷ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）素子、あるいは、タンタル酸リチウム基板の表面に光導波路が形成されて構成される光変調素子などの各種素子が提案されている。

これら圧電素子、ＳＡＷ素子あるいは光変調素子などの各種素子に用いられる素子基板たるタンタル酸リチウム基板の表面は、電極膜などの各種の薄膜や導波路を作製する土台となるものであり、また、圧電効果や表面弾性波の機能を発現する基板と電気の入出力となる電極との界面になるものである。

このため、従来のタンタル酸リチウム基板は、単結晶基板をダイヤモンドカッターなどで切断し、その表面にダイヤモンド粉末を使用した研磨を施した後、コロイダルシリ力などを含む溶液中で化学エッチングを行って、タンタル酸リチウム基板の表面を鏡面状態に研磨していた。

しかしながら、上記したようにして表面が鏡面研磨された単結晶基板である従来のタンタル酸リチウム基板であっても、基板の表面の粗さは１ｎｍ程度あり、この粗さはＴａ−Ｌｉ−Ｏ間の原子層間隔（０．２２ｎｍ）の５周期分にも相当するものである。

こうしたタンタル酸リチウム基板表面の粗さ１ｎｍ程度のランダムな乱れは、各種素子を構成するためにタンタル酸リチウム基板の表面に形成される金属薄膜や導波路に悪影響を及ぼすので、従来のタンタル酸リチウム基板は高性能素子（小型、高周波、高出力、長寿命）に対応することができないという問題点があった。

具体的には、例えば、ＳＡＷ素子のような周波数フィルタは、タンタル酸リチウム基板の表面にアルミニウム電極膜となる金属薄膜が作製されて構成されるものである。そして、このアルミニウム電極膜の結晶性が、周波数フィルタの高周波特性ならびに耐久性に大きく影響するので、高性能素子に対応するためには、タンタル酸リチウム基板の表面に一様で高密度な金属薄膜を形成することが望まれる。

しかしながら、上記した従来のタンタル酸リチウム基板を用いてＳＡＷ素子を構成する場合には、従来のタンタル酸リチウム基板の表面の粗さが１ｎｍ程度あるので、基板の不規則な凹凸表面上に金属薄膜を成長させることになる。

その結果、従来のタンタル酸リチウム基板表面の多数の凹凸部分のそれぞれにおいて結晶成長が生じ、それぞれの結晶成長の結晶粒が成膜の進行とともに接するようになって、粒界や刃状転移、らせん転移などの成長欠陥が生起されてしまい、タンタル酸リチウム基板の表面における一様で高密度な金属薄膜の形成は阻害される。また、従来のタンタル酸リチウム基板の表面に露出した異種結晶面は、その上に成長する薄膜に、設計以外の成長方位を与えてしまうものである。

このように従来のタンタル酸リチウム基板を用いた場合には、当該基板の表面は粗く凹凸がありしかも異種結晶面が露出しているために、基板表面に一様で高密度な電極薄膜を形成することができず、高性能素子に対応することができなかった。

まして近年、素子の小型化に伴い薄膜形状も微細になるため、タンタル酸リチウム基板を用いたＳＡＷ素子のアルミニウム電極膜となる金属薄膜の結晶成長における上記したような粒界の移動は致命的なものである。そこで、実際ごく最近でも、このアルミニウム電極膜の粒界を減らすべく、タンタル酸リチウム基板上に金属チタンのバッファ層を形成しておき、その上にアルミニウム電極をエピタキシャル成長した例が報告されている（非特許文献１参照）。

しかしこの場合、タンタル酸リチウム基板の表面に成長させるアルミニウム電極膜の電極構造の乱れを回避するために、異種金属であるチタン層の蒸着という面倒な工程が介在する欠点がある。

また、光変調素子はタンタル酸リチウム基板の表面に光導波路が形成されて構成されるものであるが、こうした導波路デバイスにおいても、エピタキシャル膜中の欠陥がその特性に大きく影響することが知られている（非特許文献２参照）。

しかし、導波路デバイスに従来のタンタル酸リチウム基板を用いると、当該タンタル酸リチウム基板表面の凹凸によって、表面に形成されるエピタキシャル膜中に欠陥が生じてしまうので、導波路デバイスの特性に影響が及んでしまい、高性能素子に対応することができなかった。
中川原修、寺本哲浩、長谷川正幸、家木英治、"エピタキシャルＡｌ電極を用いた３８．５°Ｙ−Ｘ ＬｉＴａＯ３基板上での超高耐電力ＳＡＷデバイス"、２００４年春季応用物理学会２８ａ−Ｐ１−４ 電子情報通信学会論文誌Ｊ７７−Ｃ−１、Ｎｏ．５（１９９４）、Ｐ２２９

本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高性能素子に対応するタンタル酸リチウム基板およびその製造方法ならびにタンタル酸リチウム基板の表面処理方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、従来の鏡面研磨が施されたタンタル酸リチウム基板の表面に多数存在する不規則な凹凸をなくし、タンタル酸リチウム基板の表面を原子スケールで平坦にし、かつ、その表面を３元素系の基板でありながら単一元素で終端させるようにしたものである。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、表面が原子スケールで平坦であり、かつ、上記表面が単一元素で終端されているようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、２ｎｍ〜５μｍの広いテラス幅を有する極平坦なテラスと０．２２ｎｍの高さのステップとにより構成されタンタル原子で終端された表面を有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、単結晶基板であって表面に鏡面研磨処理が施されたタンタル酸リチウム基板を、酸素雰囲気下で高温処理した後所定の速度で冷却することによって得られる、平坦なテラスと均一高さのステップとの周期構造からなり単一元素で終端された表面を有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、単結晶基板であって表面に鏡面研磨処理が施されたタンタル酸リチウム基板を、酸素雰囲気下で高温処理し、その後所定の冷却速度で室温まで冷却することによって得られる、平坦なテラスと均一高さのステップとの周期構造からなり単一元素で終端された表面を有し、上記表面の上記テラスの幅は使用したタンタル酸リチウム基板のカット角度に応じたものであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、素子基板として各種素子に用いられるタンタル酸リチウム基板の製造方法であって、タンタル酸リチウム基板を、大気中において、７００℃で所定の時間加熱処理する第１の工程と、上記第１の工程で加熱処理された上記タンタル酸リチウム基板を、毎分２℃よりも速くかつ毎分５℃よりも遅い冷却速度で冷却する第２の工程とを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、上記第１の工程において、上記タンタル酸リチウム基板を１時間加熱処理するものであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、請求項５または請求項６のいずれか１項に記載の発明において、加熱処理される上記タンタル酸リチウム基板は、所定のサイズに切り出され、予め表面に鏡面研磨処理のみが施されたものであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、タンタル酸リチウム基板を、大気中において、７００℃で所定の時間加熱処理した後、毎分２℃よりも速くかつ毎分５℃よりも遅い冷却速度で冷却するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、タンタル酸リチウム基板を、大気中において、７００±５０℃で１時間程度加熱処理した後、毎分２℃よりも速くかつ毎分５℃よりも遅い冷却速度で室温まで冷却するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の発明において、表面に鏡面研磨処理が施されたタンタル酸リチウム基板を加熱処理するようにしたものである。

本発明によるタンタル酸リチウム基板およびその製造方法ならびにタンタル酸リチウム基板の表面処理方法は、高性能素子に対応できるようになるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面に基づいて、本発明によるタンタル酸リチウム基板およびその製造方法ならびにタンタル酸リチウム基板の表面処理方法の実施の形態の一例について詳細に説明するものとする。

図１には、本発明によるタンタル酸リチウム基板の製造方法の実施の形態の一例を概念的に表す説明図が示されている。

即ち、本発明によるタンタル酸リチウム基板の製造方法は、大気中において加熱処理が可能な加熱処理システム１００により、タンタル酸リチウム基板１０を加熱処理するものである。

ここで、加熱処理システム１００は、大気中において、予め設定された温度で所定の時間、タンタル酸リチウム基板１０を加熱可能なものである。こうした加熱処理システム１００としては、例えば、広く一般的に用いられる高温型電気炉などを用いることができる。こうした高温型電気炉は、例えば、発熱にカンタル線など用いており、電源はＡＣ１００Ｖまたは２００Ｖを使って、室温〜１２５０℃の範囲で加熱が可能なものである。また、加熱処理システム１００として高温型電気炉を用いたときに、炉内の温度を熱電対などでモニタし、それをフィードバックして温度制御できる温度コントローラを備えることにより、炉内温度の上昇や下降の速度も制御可能なものである。

そして、タンタル酸リチウム基板１０として、この実施の形態においては、単結晶基板を所定のサイズに切り出し鏡面研磨基板として一般に市販されているタンタル酸リチウム基板を用いることとする。従って、タンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａには、予め所定の手法により鏡面研磨処理が施されているものであり、こうしたタンタル酸リチウム基板１０に対して、加熱処理システム１００により加熱処理を行うことになる。

ここで、図２（ａ）〜（ｆ）には、本願出願人により、加熱処理システム１００における加熱温度を様々に変化させた結果が示されている。これら図２（ａ）〜（ｆ）はいずれも、市販の鏡面研磨されたタンタル酸リチウム基板（ＬＴ（０００１））を加熱処理システム１００において１時間加熱処理した結果を示すものであるが、加熱温度が６００℃（図２（ａ）（ｂ）参照）、７００℃（図２（ｃ）（ｄ）参照）、８００℃（図２（ｅ）（ｆ）参照）とそれぞれ異なっている。

より詳細には、図２（ａ）には、加熱処理システム１００において６００℃で１時間の加熱処理が施された後の市販の鏡面研磨されたタンタル酸リチウム基板（ＬＴ（０００１））、即ち、加熱処理システム１００による加熱処理後のタンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察したＡＦＭ像が示されており、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＡ−Ａ線の箇所における断面の凹凸を示すものである。

また、図２（ｃ）には、加熱処理システム１００において７００℃で１時間の加熱処理後のタンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａのＡＦＭ像が示されており、図２（ｄ）は、図２（ｃ）に示すＢ−Ｂ線の箇所における断面の凹凸を示すものである。

また、図２（ｅ）には、加熱処理システム１００において８００℃で１時間の加熱処理後のタンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａのＡＦＭ像が示されており、図２（ｆ）は、図２（ｅ）に示すＣ−Ｃ線の箇所における断面の凹凸を示すものである。

この図２（ａ）〜（ｆ）に示された加熱温度の効果の比較結果に基づいて検討すると、まず、図２（ａ）（ｂ）に示す加熱温度が６００℃の場合は、タンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａの粗さは１ｎｍ程度あり、表面１０ａには多数の凹凸が存在している。

なお、この６００℃で１時間の加熱処理後のタンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａ（図２（ａ）（ｂ）参照）の状態は、市販の機械化学研磨により鏡面研磨されたタンタル酸リチウム基板（ＬＴ（０００１））の表面の状態、即ち、加熱処理システム１００による加熱処理前のタンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａの状態とほぼ同等なものである。

一方、図２（ｃ）（ｄ）に示す加熱温度が７００°の場合には、タンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａには不規則な凹凸がなくなり、原子レベルで極平坦なテラスと均一高さのステップとの周期構造が得られている。

より詳細には、７００℃で１時間の加熱処理後のタンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａ（図２（ｃ）（ｄ）参照）を構成する原子レベルで極平坦なテラスは、１００ｎｍ〜２００ｎｍのテラス幅を有するものである。なお、図２（ｄ）に示す断面図においては、縦軸と横軸とのスケールが大きく異なるため、広いテラス幅が得られていることを指摘しておく。

従って、加熱処理前の状態に対応する加熱温度が６００℃の場合（図２（ａ）（ｂ）参照）と、加熱温度が７００℃（図２（ｃ）（ｄ）参照）の場合とを比較すれば、加熱処理システム１００における基板の表面処理によって、タンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａは著しく変化し、多数の凹凸があった加熱処理前のタンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａとは全く異なっていることが明らかである。

また、タンタル酸リチウム基板１０を、加熱処理システム１００に投入して大気中において加熱処理する温度は、６００℃では表面１０ａの不規則な凹凸をなくすことができず不十分であり、７００℃が好適なものである。

そして、図２（ｅ）（ｆ）に示す加熱温度が８００℃の場合には、タンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａにステップとテラスとの周期構造が形成されているものの、その形状が乱れ、テラス上には島状構造物が多数かつ不規則に存在している。

従って、加熱温度が７００℃（図２（ｃ）（ｄ）参照）の場合と、加熱温度が８００℃（図２（ｅ）（ｆ）参照）の場合とを比較すれば、タンタル酸リチウム基板１０を加熱処理システム１００に投入して大気中において加熱処理する温度は、８００℃ではステップ／テラスの形状が乱れて不十分であり、７００℃が好適なものである。

つまり、タンタル酸リチウム基板１０を、加熱処理システム１００に投入し、大気中において、７００℃で加熱した場合のみ、基板表面に原子レベルで平坦なテラスと高さが均一なステップとの周期構造が形成可能である（図２（ｃ）（ｄ）参照）。

なお、図２（ａ）〜（ｆ）に示した結果に基づき、タンタル酸リチウム基板１０を大気圧で７００±５０℃程度に加熱処理するとよく、最適な加熱温度と加熱時間の範囲を外れると、タンタル酸リチウム基板表面のテラス形成が不十分であったり、あるいは、一度テラス形成された面が再び不均一になったりしてしまい、タンタル酸リチウム基板表面に極平坦なテラスと均一高さのステップとの周期構造を形成することは不可能である。

さらに、加熱温度が８００℃の場合には、加熱時間が増加するのにつれて、例えば、５時間加熱すると、８００℃で１時間加熱したとき（図２（ｅ）（ｆ）参照）よりも、基板表面のテラス上の島状構造物が増加することが観察されている。従って、タンタル酸リチウム基板１０を加熱する時間（加熱継続時間）は、１時間程度が最適である。

このように、タンタル酸リチウム基板１０を加熱処理システム１００で所定の時間加熱する際には、単にタンタル酸リチウム基板の融点温度以下で加熱する、あるいは、単に７００℃以上で加熱するのではなく、本願出願人による加熱温度の効果の詳細な比較検討結果によって明らかにされたように（図２（ａ）〜（ｆ）参照）、７００±５０℃程度で１時間程度の加熱処理を施すとよい。

次に、図３（ａ）〜（ｆ）には、本願出願人により、加熱処理システム１００においてタンタル酸リチウム基板１０の加熱処理が終了した後、当該加熱したタンタル酸リチウム基板１０を冷却する際の冷却速度を様々に変化させた結果が示されている。これら図３（ａ）〜（ｆ）はいずれも、市販の機械化学研磨により鏡面研磨されたタンタル酸リチウム基板（ＬＴ（０００１））を、加熱処理システム１００において７００℃で１時間加熱処理した結果を示すものであるが、冷却速度が７℃／分（図３（ａ）（ｂ）参照）、５℃／分（図３（ｃ）（ｄ）参照）、２℃／分（図３（ｅ）（ｆ）参照）とそれぞれ異なっている。

より詳細には、図３（ａ）には、加熱処理システム１００において７００℃で１時間の加熱処理が施された後、冷却速度７℃／分で室温にまで冷却された市販の鏡面研磨されたタンタル酸リチウム基板（ＬＴ（０００１））、即ち、加熱処理システム１００による加熱処理の後に冷却速度７℃／分で冷却されたタンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察したＡＦＭ像が示されており、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すＤ−Ｄ線の箇所における断面の凹凸を示すものである。

また、図３（ｃ）には、加熱処理システム１００において７００℃で１時間の加熱処理後に、冷却速度５℃／分で室温にまで冷却されたタンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａのＡＦＭ像が示されており、図３（ｄ）は、図３（ｃ）に示すＥ−Ｅ線の箇所における断面の凹凸を示すものである。

また、図３（ｅ）には、加熱処理システム１００において７００℃で１時間の加熱処理後に、冷却速度２℃／分で室温にまで冷却されたタンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａのＡＦＭ像が示されており、図３（ｆ）は、図３（ｅ）に示すＦ−Ｆ線の箇所における断面の凹凸を示すものである。

この図３（ａ）〜（ｆ）に示された冷却速度の効果の比較結果に基づいて検討すると、図３（ａ）（ｂ）に示す冷却速度が７℃／分の場合には、タンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａに多数の凹凸が存在している。

一方、図３（ｃ）（ｄ）に示す冷却速度が５℃／分の場合と、図３（ｅ）（ｆ）に示す冷却速度が２℃／分の場合とはいずれも、タンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａに不規則な凹凸がなく、原子レベルで極平坦なテラスと均一高さのステップとの周期構造が得られている。

つまり、加熱処理が施されたタンタル酸リチウム基板１０を冷却する際には、単に冷却するのではなく、タンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａに不規則な凹凸が生起されるのを回避可能な冷却速度で、加熱されたタンタル酸リチウム基板１０の温度を降下させなければならず、本願出願人による冷却速度の効果の詳細な比較検討結果によって明らかにされたように（図３（ａ）〜（ｆ）参照）、毎分２℃よりも速くかつ毎分５℃よりも遅い冷却速度で、加熱したタンタル酸リチウム基板１０を冷却するとよい。こうした最適な冷却速度の範囲内で、冷却速度が早すぎたり遅すぎることがないようにして、加熱されたタンタル酸リチウム基板１０の温度を降下させれば、良好な処理結果を得ることができる。

そして、最適な条件で加熱処理後冷却されたタンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａを構成するステップ／テラス構造のステップは、ステップ高さｈが０．２２ｎｍと一定であって均一高さを有するものである（図２（ｃ）（ｄ）ならびに図３（ｃ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）参照）。このステップ高さ「ｈ＝０．２２ｎｍ」という値は、結晶学的に知られる「Ｌｉ（リチウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｏ（酸素）の１周期分」である。このことから、タンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａのステップ／テラス構造のテラスが単一元素で終端されることがわかる。

実際、本願出願人は、同軸型直衡突低速イオン散乱法により、加熱処理システム１００における加熱処理後のタンタル酸リチウム基板の表面を調べた結果、終端面は金属、具体的には、タンタル原子であることが確認された。

つまり、加熱処理システム１００における加熱処理後のタンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａは、原子スケールで平坦であり、かつ、単一元素で終端されているものである。

上記したように、本発明によるタンタル酸リチウム基板の製造方法によれば、タンタル酸リチウム基板１０を、加熱処理システム１００により大気中において、７００℃近傍で１時間程度の加熱持続時間で加熱処理し、当該加熱処理の後、冷却速度２〜５℃／分で冷却するようにしたため、基板表面にステップ／テラス構造を形成させることができ、表面が原子スケールで平坦化され、かつ、表面が単一元素で終端されているタンタル酸リチウム基板を得ることができる。

つまり、上記した実施の形態において用いたような鏡面研磨基板として一般に市販されているタンタル酸リチウム基板、即ち、従来のタンタル酸リチウム基板に対して、本発明によるタンタル酸リチウム基板の表面処理を施すことにより、同一元素で終端され同一結晶方位のみをもつテラス面からなり規則的なステップをもつ、原子レベルで平坦な表面を得ることができる。

このように、本発明によれば、Ｌｉ（リチウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｏ（酸素）の３元素系、即ち、複合元素であって、イオン結合した酸化物であるタンタル酸リチウム基板の表面を改質して、特定元素で終端されたステップ／テラス表面とすることができる。

換言すれば、本発明によるタンタル酸リチウム基板の表面は、従来のタンタル酸リチウム基板のように粗く多数の凹凸が存在し異種結晶面が露出しているものではなく、各種素子を構成するために電極膜などの各種の薄膜や導波路を作製する土台として、また、圧電効果や表面弾性波の機能を発現する基板と電気の入出力となる電極との界面として好適なものであり、小型・高周波・高出力・長寿命である高性能素子に対応し、当該高性能素子の特性向上に貢献するものである。

つまり、本発明によるタンタル酸リチウム基板上に、様々な素子に使われる各種金属薄膜や導波路を作成する際には、界面の乱れに起因する結晶欠陥や結晶歪みの極めて少ない薄膜の形成が可能になり、一様で高密度な金属薄膜を形成することができる。しかも、本発明によるタンタル酸リチウム基板の表面は、金属であるタンタル原子で終端されているため、当該基板表面に金属薄膜の電極を形成するのに極めて有用である。

より詳細には、従来のタンタル酸リチウム基板においては、表面に異種結晶面が露出しているので、当該表面上に成長する薄膜に、設計以外の成長方位を与えてしまうこととなっていた。このため、従来のタンタル酸リチウム基板の表面に形成された金属薄膜は、高周波電界により粒界が流動し、容易に剥離、崩壊を生じていた。こうした粒界の移動は、高性能素子では、素子の小型化に伴って薄膜形状も微細になるため致命的なものであり、従来のタンタル酸リチウム基板が高性能素子に対応できない原因の一つでもあった。

こうした従来の技術に対して、本発明によれば表面が単一元素で終端されたタンタル酸リチウム基板を得ることができるので、高性能素子として小型化に伴う微細な薄膜形状が基板表面に形成されても、高周波電界によって粒界が流動するようなことはなく、高性能素子に対応することができる。

また、従来のタンタル酸リチウム基板を用いてＳＡＷ素子を構成する場合には、タンタル酸リチウム基板の表面に成長させるアルミニウム電極膜の電極構造の乱れを回避するために、Ｔｉ（チタン）のバッファ層を挟み込んで、基板とＡｌ電極層とのミスフィットを緩和し、結晶性のよい電極層を作成する手法が提案されていた。

こうした従来の技術に対して、本発明による手法は大気中、常圧で行われるために、低コストで簡便なプロセスであって、しかも市販されているタンタル酸リチウム基板に対して特定の前処理（例えば、タンタル酸リチウム基板からＯＨ基を除去する特殊処理など。）を施すこともない。従って、本発明によるタンタル酸リチウム基板を用いてＳＡＷ素子を構成する場合には、上記した従来の手法のように異種金属であるＴｉの蒸着という面倒な工程は必要とせず、単に鏡面研磨処理のみが施され何ら特殊処理が施されていないＯＨ基を含んだ状態のタンタル酸リチウム基板を用いることができ、高性能素子の製造工程を簡単にしてコスト削減を実現できる。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（５）に説明するように変形してもよい。

（１）上記した実施の形態においては、図２（ａ）（ｂ）に示すように表面粗さが１ｎｍ程度の鏡面研磨基板を用いるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、表面粗さが２ｎｍ程度のタンタル酸リチウム基板を加熱処理システム１００に投入するようにしてもよく、加熱処理前のタンタル酸リチウム基板の表面粗さやサイズなどは特に限定されるものではない。

（２）上記した実施の形態においては、加熱処理システム１００により大気中においてタンタル酸リチウム基板１０の加熱処理を行うようにしたが、タンタル酸リチウム基板が酸化物単結晶であるので、酸素欠陥を生じないように酸素雰囲気下で高温処理すればよく、酸素濃度などは適宜設定可能なものである。

つまり、本発明によるタンタル酸リチウム基板の製造やタンタル酸リチウム基板の表面処理を、活性化された表面原子が表面を動いて安定な指数面を優先的に形成し、また、酸素欠陥を生じないようにして実施可能な各種システムを適宜採用可能なものである。

（３）上記した実施の形態において、図２（ａ）（ｂ）からも明らかなように、加熱処理後のタンタル酸リチウム基板１０の表面１０ａのステップ／テラス構造全体の形状は、使用した基板のミスカットにより所定の傾斜角度を有するようになっていた。この表面は現実での理想表面であるが、このように基板のミスカットに起因して、タンタル酸リチウム基板の表面のステップ／テラス構造全体の形状が傾いてしまうことから、逆に、使用する基板表面のカット角度を調整することによって、本発明による処理後のタンタル酸リチウム基板の表面の原子レベルのステップ高さおよびテラス幅を制御することもできる。

即ち、本発明によれば、表面が原子スケールで平坦かつ表面が単一元素で終端されているタンタル酸リチウム基板の表面のテラス幅を簡単に制御し、ミスカット角が大きければそれだけテラス幅の狭い構造を作製でき、例えば、タンタル酸リチウム基板の表面の平坦なテラスと高さが均一なステップとの周期構造としては、２ｎｍ〜５μｍの広いテラス幅を得ることが可能である。

こうして簡単にテラス幅を制御することができる本発明は、例えば、酸化物上に特異的な金属吸着を用いてそのステップにナノサイズ幅の細線を形成するなど、デバイス作製に役立てることができる。

（４）上記した実施の形態においては、加熱処理システム１００において７００℃で１時間の加熱処理を施すことにより、良好な結果が得られているが、各種条件により、加熱処理の時間は１時間に満たずとも、あるいは、１時間を超過していても、定常状態に達して、基板表面に原子レベルで平坦なテラスと高さが均一なステップとの周期構造が、７００℃で１時間程度加熱した場合と変わらずに形成される範囲内で適宜変更可能なものである。

（５）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（４）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、圧電素子、ＳＡＷ素子あるいは光変調素子などの各種素子において利用することができる。

図１は、本発明によるタンタル酸リチウム基板の製造方法の実施の形態の一例を概念的に表す説明図である。 図２（ａ）は、加熱処理システムにおいて６００℃で１時間の加熱処理が施された後の市販の鏡面研磨されたタンタル酸リチウム基板（ＬＴ（０００１））の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察したＡＦＭ像であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＡ−Ａ線の箇所における断面の凹凸を示す断面説明図であり、図２（ｃ）は、加熱処理システムにおいて７００℃で１時間の加熱処理後のタンタル酸リチウム基板の表面を原子間力顕微鏡で観察したＡＦＭ像であり、図２（ｄ）は、図２（ｃ）に示すＢ−Ｂ線の箇所における断面の凹凸を示す断面説明図であり、図２（ｅ）は、加熱処理システムにおいて８００℃で１時間の加熱処理後のタンタル酸リチウム基板の表面を原子間力顕微鏡で観察したＡＦＭ像であり、図２（ｆ）は、図２（ｅ）に示すＣ−Ｃ線の箇所における断面の凹凸を示す断面説明図である。 図３（ａ）は、加熱処理システムにおいて７００℃で１時間の加熱処理が施された後、冷却速度７℃／分で室温にまで冷却された市販の鏡面研磨されたタンタル酸リチウム基板（ＬＴ（０００１））の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察したＡＦＭ像であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すＤ−Ｄ線の箇所における断面の凹凸を示す断面説明図であり、図３（ｃ）は、加熱処理システムにおいて７００℃で１時間の加熱処理後に、冷却速度５℃／分で室温にまで冷却されたタンタル酸リチウム基板の表面を原子間力顕微鏡で観察したＡＦＭ像であり、図３（ｄ）は、図３（ｃ）に示すＥ−Ｅ線の箇所における断面の凹凸を示す断面説明図であり、図３（ｅ）は、加熱処理システムにおいて７００℃で１時間の加熱処理後に、冷却速度２℃／分で室温にまで冷却されたタンタル酸リチウム基板の表面を原子間力顕微鏡で観察したＡＦＭ像であり、図３（ｆ）は、図３（ｅ）に示すＦ−Ｆ線の箇所における断面の凹凸を示す断面説明図である。

符号の説明

１０ タンタル酸リチウム基板
１０ａ 表面
１００ 加熱処理システム

Claims (10)

1. 表面が原子スケールで平坦であり、かつ、前記表面が単一元素で終端されている
   ことを特徴とするタンタル酸リチウム基板。
2. ２ｎｍ〜５μｍの広いテラス幅を有する極平坦なテラスと０．２２ｎｍの高さのステップとにより構成されタンタル原子で終端された表面を有する
   ことを特徴とするタンタル酸リチウム基板。
3. 単結晶基板であって表面に鏡面研磨処理が施されたタンタル酸リチウム基板を、酸素雰囲気下で高温処理した後所定の速度で冷却することによって得られる、平坦なテラスと均一高さのステップとの周期構造からなり単一元素で終端された表面を有する
   ことを特徴とするタンタル酸リチウム基板。
4. 単結晶基板であって表面に鏡面研磨処理が施されたタンタル酸リチウム基板を、酸素雰囲気下で高温処理し、その後所定の冷却速度で室温まで冷却することによって得られる、平坦なテラスと均一高さのステップとの周期構造からなり単一元素で終端された表面を有し、前記表面の前記テラスの幅は使用したタンタル酸リチウム基板のカット角度に応じたものである
   ことを特徴とするタンタル酸リチウム基板。
5. 素子基板として各種素子に用いられるタンタル酸リチウム基板の製造方法であって、
   タンタル酸リチウム基板を、大気中において、７００℃で所定の時間加熱処理する第１の工程と、
   前記第１の工程で加熱処理された前記タンタル酸リチウム基板を、毎分２℃よりも速くかつ毎分５℃よりも遅い冷却速度で冷却する第２の工程と
   を有するタンタル酸リチウム基板の製造方法。
6. 請求項５に記載のタンタル酸リチウム基板の製造方法において、
   前記第１の工程において、前記タンタル酸リチウム基板を１時間加熱処理するものである
   タンタル酸リチウム基板の製造方法。
7. 請求項５または請求項６のいずれか１項に記載のタンタル酸リチウム基板の製造方法において、
   加熱処理される前記タンタル酸リチウム基板は、所定のサイズに切り出され、予め表面に鏡面研磨処理のみが施されたものである
   タンタル酸リチウム基板の製造方法。
8. タンタル酸リチウム基板を、大気中において、７００℃で所定の時間加熱処理した後、毎分２℃よりも速くかつ毎分５℃よりも遅い冷却速度で冷却する
   ことを特徴とするタンタル酸リチウム基板の表面処理方法。
9. タンタル酸リチウム基板を、大気中において、７００±５０℃で１時間程度加熱処理した後、毎分２℃よりも速くかつ毎分５℃よりも遅い冷却速度で室温まで冷却する
   ことを特徴とするタンタル酸リチウム基板の表面処理方法。
10. 請求項８または請求項９のいずれか１項に記載のタンタル酸リチウム基板の表面処理方法において、
    表面に鏡面研磨処理が施されたタンタル酸リチウム基板を加熱処理する
    ものであるタンタル酸リチウム基板の表面処理方法。