JP2018080088A - Method for manufacturing lithium tantalate single crystal substrate and lithium tantalate single crystal substrate - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a lithium tantalate single crystal substrate small in volume resistivity and color unevenness and having a substrate surface having a pseudo stoichiometric composition.SOLUTION: The method for manufacturing a lithium tantalate single crystal substrate comprises: the Li diffusion step of diffusing Li to the lithium tantalate single crystal substrate having a congruent composition so that a Li concentration on at least one surface of the substrate is higher than that in the congruent composition; and the pyroelectric suppression step of burying the lithium tantalate single crystal substrate subjected to the Li diffusion in lithium carbonate powder to heat the substrate at a temperature of 350°C or more and equal to or less than the curie temperature in a reducing gas atmosphere.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、焦電性が抑制されたタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法及びそのタンタル酸リチウム単結晶基板に関する。   The present invention relates to a method for producing a lithium tantalate single crystal substrate with suppressed pyroelectricity and the lithium tantalate single crystal substrate.

近年、携帯電話等の通信システムは複数の通信規格をサポートしており、さらに、各通信規格は複数の周波数バンドから構成されている。このような通信システムでは、周波数調整用又は選択用の部品として、例えば、圧電基板上に弾性表面波を励起するための櫛形電極が形成された弾性表面波(Surface Acoustic Wave;SAW)デバイスが用いられている。   In recent years, a communication system such as a mobile phone supports a plurality of communication standards, and each communication standard is composed of a plurality of frequency bands. In such a communication system, for example, a surface acoustic wave (SAW) device in which a comb electrode for exciting a surface acoustic wave is formed on a piezoelectric substrate is used as a component for frequency adjustment or selection. It has been.

この弾性表面波デバイスは、小型で挿入損失が小さく不要波を通さない等の性能が要求され、タンタル酸リチウム(LiTaO;LT)やニオブ酸リチウム(LiNbO;LN)が圧電基板材料として用いられる。一方で、弾性表面波デバイスの更なる高性能化が求められており、これら圧電基板の性能改善が検討されている。 This surface acoustic wave device is required to have a small size, a small insertion loss, and a performance that does not pass unnecessary waves. Lithium tantalate (LiTaO 3 ; LT) or lithium niobate (LiNbO 3 ; LN) is used as a piezoelectric substrate material. It is done. On the other hand, further improvement in the performance of surface acoustic wave devices has been demanded, and improvement in the performance of these piezoelectric substrates has been studied.

非特許文献1には、二重るつぼ法によって作製した定比組成のLTは、通常の一致溶融(コングルエント)組成のLTと比較して電気機械結合係数が20%高くなることが示されている。   Non-Patent Document 1 shows that LT with a stoichiometric composition produced by a double crucible method has an electromechanical coupling coefficient that is 20% higher than that of an LT with a normal congruent melting (congruent) composition. .

また、特許文献1には、銅を含むIDT電極を備えた弾性波デバイスにおいて、圧電体としてストイキオメトリー組成LTを用いればブレークダウンモードを抑制できることが示されている。   Patent Document 1 shows that in an acoustic wave device including an IDT electrode containing copper, the breakdown mode can be suppressed by using the stoichiometric composition LT as a piezoelectric body.

さらに、特許文献2には、気相法によってLT基板中の酸化リチウム濃度を調整して、ストイキオメトリー組成とする方法が開示されている。   Furthermore, Patent Document 2 discloses a method of adjusting the lithium oxide concentration in the LT substrate by a vapor phase method to obtain a stoichiometric composition.

特開2011−135245号JP2011-135245A 米国特許第6652644号US Pat. No. 6,652,644 特許第4220997号Patent No. 4220997 特開2015−98410号JP2015-98410A

科学技術振興調整費成果報告書 産学官連携共同研究の推進 事後評価 「ITを支えるオプトメディア結晶の実用開発」25頁乃至27頁[online][平成28年11月1日検索]、インターネット<URL:http://scfdb.tokyo.jst.jp/pdf/20021220/2004/200212202004rr.pdf>Science and Technology Promotion Coordination Results Report Promotion of Industry-Academia-Government Collaboration Joint Research Ex-post Evaluation “Practical Development of Optomedia Crystals that Support IT” pages 25-27 [online] [searched November 1, 2016], Internet <URL : http: //scfdb.tokyo.jst.jp/pdf/20021220/2004/200212202004rr.pdf> Yan Tao et al. “Formation mechanism of black LiTaO3 single crystals through chemical reduction.” J. Appl. Cryst. 44 (2011),158‐162Yan Tao et al. “Formation mechanism of black LiTaO3 single crystals through chemical reduction.” J. Appl. Cryst. 44 (2011), 158-162.

ところで、近年、弾性表面波デバイスに用いられるLT基板には、静電気スパークによる電極破壊を防止するために焦電性抑制処理が施されている。これは、LT基板を還元処理し、体積抵抗率を下げることによって焦電性を抑制するものである。このような還元処理技術は、特許文献3に記載の方法の他いくつか検討されている。   By the way, in recent years, pyroelectricity suppression processing has been performed on LT substrates used in surface acoustic wave devices in order to prevent electrode breakdown due to electrostatic spark. This is to reduce pyroelectricity by reducing the LT substrate and reducing the volume resistivity. In addition to the method described in Patent Document 3, several such reduction treatment techniques have been studied.

例えば、非特許文献2には、窒素ガス雰囲気中で鉄と炭酸リチウムの混合粉末と共に熱処理を行うLT基板の還元処理方法が開示されているが、この還元処理方法について検討したところ、この方法ではLT基板表面に色ムラができ、面内方向の均質性に劣ることがわかった。   For example, Non-Patent Document 2 discloses a reduction treatment method for an LT substrate in which heat treatment is performed with a mixed powder of iron and lithium carbonate in a nitrogen gas atmosphere. It was found that color unevenness was generated on the LT substrate surface and the in-plane direction uniformity was poor.

また、非特許文献2の還元処理方法では、炭酸リチウムが948K以下の温度で分解して一酸化炭素を生成し、この一酸化炭素がTa5+をTa4+に還元すると考えられる。一方、鉄は触媒として働いて炭酸リチウムが分解して生成した二酸化炭素をさらに一酸化炭素に分解すると考えられるため、この還元処理方法による基板表面の色ムラは、触媒として働く鉄が偏在し、還元度合いに差が生じたためであると考えられる。   Further, in the reduction treatment method of Non-Patent Document 2, it is considered that lithium carbonate decomposes at a temperature of 948K or lower to generate carbon monoxide, and this carbon monoxide reduces Ta5 + to Ta4 +. On the other hand, iron acts as a catalyst, and it is thought that carbon dioxide generated by the decomposition of lithium carbonate is further decomposed into carbon monoxide, so the color unevenness of the substrate surface by this reduction treatment method is unevenly distributed with iron acting as a catalyst, This is thought to be due to a difference in the degree of reduction.

このような基板の色ムラや面内方向の不均質性を避けるためには、単一の還元剤を用いることが考えられるが、炭酸リチウムのみで還元処理を行った場合は、還元が十分に進行しないという問題がある。   In order to avoid such substrate color unevenness and in-plane inhomogeneity, it is conceivable to use a single reducing agent. However, when the reduction treatment is performed only with lithium carbonate, the reduction is sufficient. There is a problem of not progressing.

さらに、特許文献4には、Li拡散処理を施したLT基板の還元処理について、還元雰囲気下において、LT基板と還元処理されたセラミックスとを接触させた状態にして熱処理を施すことが記載されている。   Further, Patent Document 4 describes that the LT substrate subjected to the Li diffusion treatment is subjected to heat treatment in a reducing atmosphere in a state where the LT substrate and the reduced ceramic are brought into contact with each other. Yes.

しかしながら、この方法では1回の処理では均一に還元処理されない場合があり、確実に還元処理を行うためには2回の処理が必要となるため、作業工程が増えてしまうという問題がある。また、還元処理されたセラミックス等の還元物質を準備する必要があるため、作業工程の煩雑化、高コスト化も問題となる。   However, in this method, there is a case where the reduction process is not uniformly performed by one process, and two processes are necessary to surely perform the reduction process, so that there is a problem that the work process increases. In addition, since it is necessary to prepare a reducing substance such as reduced ceramics, the work process becomes complicated and the cost increases.

そこで、この還元処理方法についてさらに検討を進めた結果、2回の処理を行った場合でも還元処理の均一性は必ずしも十分とはいえず、改善の余地があることがわかった。この原因として、この方法で均一に還元処理を行うためには、LT基板に還元物質を均一に接触させる必要があるところ、Li拡散処理を施したLT基板では、基板内における組成の違いによって格子定数や熱膨張率が異なってしまうために、基板に歪みが生じて還元物質を均一に接触させることが困難になっていると考えられる。   Therefore, as a result of further investigation on this reduction treatment method, it was found that even when the treatment was performed twice, the uniformity of the reduction treatment was not always sufficient, and there was room for improvement. As a cause of this, in order to perform the reduction treatment uniformly by this method, it is necessary to bring the reducing substance into uniform contact with the LT substrate. In the LT substrate subjected to the Li diffusion treatment, the lattice difference is caused by the difference in the composition in the substrate. Since the constant and the coefficient of thermal expansion differ, it is considered that the substrate is distorted and it is difficult to bring the reducing substance into uniform contact.

そして、還元処理の均一性が十分でない場合、LT基板の体積抵抗率や色にムラが生じ、このようなムラは、デバイス製造において、温度変化による放電やフォトリソグラフィ工程における露光ムラを誘発する恐れがある。   If the uniformity of the reduction treatment is not sufficient, unevenness occurs in the volume resistivity and color of the LT substrate, and such unevenness may induce discharge due to temperature changes and exposure unevenness in the photolithography process in device manufacturing. There is.

本発明者らは、さらに検討した結果、Li拡散処理が施されたLT基板では、コングルエント組成のLT基板よりも体積抵抗率が高くなる傾向があり、そのため上記還元処理方法に限らず、従来の還元処理方法では、複数回の処理を行っても所望の体積抵抗率に到達しない場合があることが判明した。   As a result of further investigation, the present inventors have found that the LT substrate subjected to the Li diffusion treatment tends to have a higher volume resistivity than the LT substrate having the congruent composition. In the reduction treatment method, it has been found that the desired volume resistivity may not be reached even if treatment is performed a plurality of times.

そこで、本発明の目的は、Li拡散処理を施したLT基板の有用な還元処理方法を開発し、体積抵抗率や色ムラが小さく、基板表面が疑似ストイキオメトリー組成であるタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法及びそのタンタル酸リチウム単結晶基板を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to develop a useful reduction treatment method for an LT substrate subjected to Li diffusion treatment, a lithium tantalate single crystal whose volume resistivity and color unevenness are small, and whose substrate surface has a pseudo stoichiometric composition It is providing the manufacturing method of a board | substrate, and its lithium tantalate single-crystal board | substrate.

すなわち、本発明の製造方法は、コングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板にLi拡散処理を行って、少なくとも一方の基板表面におけるLi濃度が、コングルエント組成でのLi濃度よりも高くなるようにするLi拡散処理工程と、Li拡散処理を施されたタンタル酸リチウム単結晶基板を炭酸リチウム粉末中に埋め込んで、還元性ガス雰囲気下において、350℃以上、キュリー温度以下の温度で熱処理を行う焦電性抑制処理工程とを含むことを特徴とする。   That is, in the production method of the present invention, Li diffusion treatment is performed on a lithium tantalate single crystal substrate having a congruent composition so that the Li concentration on the surface of at least one substrate is higher than the Li concentration in the congruent composition. A pyroelectric property in which a lithium tantalate single crystal substrate subjected to a diffusion treatment step and a Li diffusion treatment is embedded in lithium carbonate powder, and heat treatment is performed at a temperature of 350 ° C. or more and a Curie temperature or less in a reducing gas atmosphere. And a suppression processing step.

また、本発明のLi拡散処理工程では、少なくとも一方の基板表面が疑似ストイキオメトリー組成で、基板内部に該基板表面よりもLi濃度の低い範囲を有するように処理することが好ましく、さらに、少なくとも一方の基板表面から特定の深さまで疑似ストイキオメトリー組成であるLi拡散層を形成して、Li拡散層の厚さと基板全体の厚さの比が15%以下となるように処理することが好ましい。   In the Li diffusion treatment step of the present invention, it is preferable that at least one substrate surface has a pseudo stoichiometric composition and is processed so that the substrate has a lower Li concentration range than the substrate surface. It is preferable to form a Li diffusion layer having a pseudo stoichiometric composition from one substrate surface to a specific depth and to treat the ratio of the thickness of the Li diffusion layer and the thickness of the entire substrate to 15% or less. .

本発明の焦電性抑制処理工程では、基板の厚み方向における体積抵抗率が1.0×1011Ω・cm以上、2.0×1013Ω・cm以下で、かつ、基板内における体積抵抗率の最大値と最小値の比が4.0以下となるように処理することが好ましく、さらに、少なくとも一方の基板表面の明度L*が30以上、85以下で、かつ、基板内における明度L*の最大値と最小値の比が1.5以下となるように処理することが好ましい。 In the pyroelectric suppression treatment step of the present invention, the volume resistivity in the thickness direction of the substrate is 1.0 × 10 11 Ω · cm or more and 2.0 × 10 13 Ω · cm or less, and the volume resistance in the substrate It is preferable to perform processing so that the ratio between the maximum value and the minimum value of the ratio is 4.0 or less. Further, the lightness L * of at least one substrate surface is 30 or more and 85 or less, and the lightness L in the substrate. It is preferable to process so that the ratio between the maximum value and the minimum value of * is 1.5 or less.

本発明の製造方法では、Li拡散処理を施されたタンタル酸リチウム単結晶基板に単一分極処理を施す工程を含んでいてもよく、また、その還元性ガスの濃度は、0.2vol%以上30vol%以下が好ましく、還元性ガスには、水素又は一酸化炭素を含むことができる。   The production method of the present invention may include a step of subjecting the lithium tantalate single crystal substrate subjected to the Li diffusion treatment to a single polarization treatment, and the concentration of the reducing gas is 0.2 vol% or more. 30 vol% or less is preferable, and the reducing gas can contain hydrogen or carbon monoxide.

本発明のタンタル酸リチウム単結晶基板は、少なくとも一方の基板表面が疑似ストイキオメトリー組成で、基板内部に基板表面よりもLi濃度の低い範囲を有し、基板の厚み方向における体積抵抗率が1.0×1011Ω・cm以上、2.0×1013Ω・cm以下で、基板内における体積抵抗率の最大値と最小値の比が4.0以下であり、基板表面の明度L*が30以上、85以下で、基板内における明度L*の最大値と最小値の比が1.5以下であることを特徴とする。 In the lithium tantalate single crystal substrate of the present invention, at least one substrate surface has a pseudo stoichiometric composition, the substrate has a lower Li concentration than the substrate surface, and has a volume resistivity of 1 in the thickness direction of the substrate. 0.0 × 10 11 Ω · cm or more and 2.0 × 10 13 Ω · cm or less, and the ratio of the maximum value and the minimum value of the volume resistivity in the substrate is 4.0 or less, and the brightness L * of the substrate surface Is 30 or more and 85 or less, and the ratio of the maximum value and the minimum value of the lightness L * in the substrate is 1.5 or less.

また、本発明のタンタル酸リチウム単結晶基板は、少なくとも一方の基板表面から特定の深さまで疑似ストイキオメトリー組成であるLi拡散層を有し、Li拡散層の厚さと基板全体の厚さの比が15%以下であることが好ましく、基板全体の厚さが200μm以上、500μm未満であることが好ましい。   The lithium tantalate single crystal substrate of the present invention has a Li diffusion layer having a pseudo stoichiometric composition from at least one substrate surface to a specific depth, and the ratio of the thickness of the Li diffusion layer to the thickness of the entire substrate. Is preferably 15% or less, and the total thickness of the substrate is preferably 200 μm or more and less than 500 μm.

本発明のタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法によれば、Li拡散処理を施したLT基板でも均一に拡散処理を行うことができる。また、本発明のタンタル酸リチウム単結晶基板は、通常のコングルエント組成のLTよりも諸特性に優れ、焦電性も均一に抑制されているため、弾性表面波デバイスに用いられる圧電基板として有用である。   According to the method for producing a lithium tantalate single crystal substrate of the present invention, the diffusion treatment can be uniformly performed even on the LT substrate subjected to the Li diffusion treatment. In addition, the lithium tantalate single crystal substrate of the present invention is superior in various characteristics and has a uniform suppression of pyroelectricity as compared with a normal congruent composition LT, and is therefore useful as a piezoelectric substrate used in a surface acoustic wave device. is there.

本発明の一実施形態である基板表面から特定の深さまで疑似ストイキオメトリー組成であるLi拡散層を有したタンタル酸リチウム単結晶基板を示した模式図である。1 is a schematic view showing a lithium tantalate single crystal substrate having a Li diffusion layer having a pseudo stoichiometric composition from a substrate surface to a specific depth according to an embodiment of the present invention. 実施例における体積抵抗率と明度L*の測定箇所を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the measurement location of the volume resistivity and the lightness L * in an Example. 実施例1のLi拡散処理を施されたタンタル酸リチウム単結晶基板について、Li濃度の深さ方向におけるプロファイルを示した図である。It is the figure which showed the profile in the depth direction of Li density | concentration about the lithium tantalate single crystal substrate to which the Li diffusion treatment of Example 1 was performed.

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明するが、本発明は、これに何ら限定されるものではない。   Hereinafter, although one embodiment of the present invention is described in detail based on a drawing, the present invention is not limited to this at all.

本発明のタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法は、コングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板にLi拡散処理を行って、少なくとも一方の基板表面におけるLi濃度が、コングルエント組成でのLi濃度よりも高くなるように行うLi拡散処理工程を含む。
なお、LT単結晶のコングルエント組成は、おおよそLi/(Li+Ta)=0.485であり、ここでは、Li/(Li+Ta)=0.480〜0.490の組成をいう。
In the method for producing a lithium tantalate single crystal substrate of the present invention, a lithium tantalate single crystal substrate having a congruent composition is subjected to Li diffusion treatment, and the Li concentration on at least one substrate surface is higher than the Li concentration in the congruent composition A Li diffusion treatment step is performed.
The congruent composition of the LT single crystal is approximately Li / (Li + Ta) = 0.485, and here, a composition of Li / (Li + Ta) = 0.480 to 0.490 is referred to.

Li拡散処理を行う方法は、特に限定されず、Li拡散源と圧電体層を接触させてLiを拡散させることができる。このとき、Li拡散源の状態は固体、液体、気体の何れでもよい。   The method for performing the Li diffusion treatment is not particularly limited, and Li can be diffused by bringing the Li diffusion source into contact with the piezoelectric layer. At this time, the state of the Li diffusion source may be solid, liquid, or gas.

このLi拡散処理の具体的な手法としては、LT基板の構成元素であるLi,Ta,Oを含む組成物を用いる。例えば、LiTaOを主成分とする粉体に、LT基板を埋め込んで加熱することによって、Liを拡散させることができる。また、LiNO,NaNO,KNOを等モル比で混合した融液中に、LT基板を含浸させることによってもLiを拡散させることができる。 As a specific method for the Li diffusion treatment, a composition containing Li, Ta, and O, which are constituent elements of the LT substrate, is used. For example, Li can be diffused by embedding an LT substrate in a powder mainly containing Li 3 TaO 4 and heating. Li can also be diffused by impregnating the LT substrate into a melt obtained by mixing LiNO 3 , NaNO 3 , and KNO 3 in an equimolar ratio.

このLi拡散処理は、少なくとも一方の基板表面におけるLi濃度が、コングルエント組成でのLi濃度よりも高くなるように行う。また、このLi拡散処理は、基板の片面のみから行われてもよいが、両面から行われてもよく、両方の基板表面におけるLi濃度がコングルエント組成でのLi濃度よりも高くなってもよい。ただし、基板片面のLi濃度だけが高くなると、基板に反りが生じる恐れがあることに留意する必要がある。   This Li diffusion treatment is performed so that the Li concentration on at least one substrate surface is higher than the Li concentration in the congruent composition. The Li diffusion treatment may be performed from only one side of the substrate, but may be performed from both sides, and the Li concentration on both substrate surfaces may be higher than the Li concentration in the congruent composition. However, it should be noted that if only the Li concentration on one side of the substrate is increased, the substrate may be warped.

このLi拡散処理工程においては、少なくとも一方の基板表面を疑似ストイキオメトリー組成にすることが好ましい。基板表面が疑似ストイキオメトリー組成であれば、電気機械結合係数、温度特性等の諸特性を向上させることができるからである。   In this Li diffusion treatment step, it is preferable that at least one substrate surface has a pseudo stoichiometric composition. This is because if the substrate surface has a pseudo stoichiometric composition, various characteristics such as an electromechanical coupling coefficient and temperature characteristics can be improved.

また、基板内部には疑似ストイキオメトリー組成よりもLi濃度の低い範囲を有するように処理することが好ましい。さらに、基板表面から特定の深さまで疑似ストイキオメトリー組成であるLi拡散層が形成されている場合、Li拡散層の厚さと基板全体の厚さの比(Li拡散層の厚さ/基板全体の厚さ)を15%以下にすることが好ましく、13%以下にすることがより好ましい。このようにすれば、Li拡散処理を短時間で行うことができるし、基板の反りや割れを抑制することができる。Li拡散層の厚さと基板全体の厚さの比が15%を超えると、基板の歪が大きくなり割れる恐れがある。   Moreover, it is preferable to process so that it may have the range where Li density | concentration is lower than a pseudo stoichiometric composition inside a board | substrate. Further, when the Li diffusion layer having a pseudo stoichiometric composition is formed from the substrate surface to a specific depth, the ratio of the thickness of the Li diffusion layer to the thickness of the entire substrate (the thickness of the Li diffusion layer / the entire substrate) The thickness is preferably 15% or less, and more preferably 13% or less. If it does in this way, Li diffusion processing can be performed in a short time, and the curvature and crack of a board | substrate can be suppressed. If the ratio of the thickness of the Li diffusion layer to the thickness of the entire substrate exceeds 15%, the distortion of the substrate may increase and break.

ここで、疑似ストイキオメトリー組成とは、Li/(Li+Ta)=0.498〜0.502の組成をいう。また、Li拡散層の厚さとは、Li濃度が上記範囲となっている層の厚さであり、基板の両面にLi拡散層が形成されている場合でも片面のみの厚さをいう。さらに、Li拡散層の厚さと基板全体の厚さの比は、例えば、図1においては、T2/T1である。   Here, the pseudo stoichiometric composition refers to a composition of Li / (Li + Ta) = 0.498 to 0.502. The thickness of the Li diffusion layer is the thickness of the layer in which the Li concentration is in the above range, and refers to the thickness of only one side even when the Li diffusion layer is formed on both sides of the substrate. Further, the ratio of the thickness of the Li diffusion layer to the thickness of the entire substrate is, for example, T2 / T1 in FIG.

なお、LT基板のLi濃度については、公知の方法により測定すればよいが、例えば、ラマン分光法により評価することができる。LT基板については、ラマンシフトピークの半値幅とLi濃度(Li/(Li+Ta)の値)との間に、おおよそ線形な関係があることが知られている。したがって、このような関係を表す式を用いれば、LT基板の任意の位置における組成を評価することが可能である。   Note that the Li concentration of the LT substrate may be measured by a known method, but can be evaluated by, for example, Raman spectroscopy. Regarding the LT substrate, it is known that there is an approximately linear relationship between the half-value width of the Raman shift peak and the Li concentration (the value of Li / (Li + Ta)). Therefore, the composition at an arbitrary position of the LT substrate can be evaluated by using an expression representing such a relationship.

ラマンシフトピークの半値幅とLi濃度との関係式は、その組成が既知であって、Li濃度が異なる幾つかの試料のラマン半値幅を測定することによって得られるが、ラマン測定の条件が同じであれば、文献などで既に明らかになっている関係式を用いてもよい。例えば、LT単結晶については、下記の式を用いることができる(2012 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings,Page(s)1252‐1255参照)。   The relational expression between the half-width of the Raman shift peak and the Li concentration is obtained by measuring the Raman half-width of several samples having known compositions and different Li concentrations, but the Raman measurement conditions are the same. If so, a relational expression that has already been clarified in literature may be used. For example, for the LT single crystal, the following formula can be used (see 2012 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, Page (s) 1252-1255).

Li/(Li+Ta)=(53.15−0.5FWHM1)/100   Li / (Li + Ta) = (53.15-0.5FWHM1) / 100

ここで、「FWHM1」とは、600cm−1付近のラマンシフトピークの半値幅であり、測定条件の詳細については文献を参照されたい。 Here, “FWHM1” is the full width at half maximum of the Raman shift peak near 600 cm −1 , and refer to the literature for details of the measurement conditions.

さらに、本発明のタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法は、Li拡散処理を施されたタンタル酸リチウム単結晶基板を炭酸リチウム粉末中に埋め込んで、還元性ガス雰囲気下において、350℃以上、キュリー温度以下の温度で熱処理を行う焦電性抑制処理工程を含む。この焦電性抑制処理工程は、特別な装置等を必要としない常圧下で行うことが好ましい。   Furthermore, in the method for producing a lithium tantalate single crystal substrate of the present invention, a lithium tantalate single crystal substrate subjected to Li diffusion treatment is embedded in lithium carbonate powder, and is heated to 350 ° C. or higher in a reducing gas atmosphere. It includes a pyroelectric suppression treatment process in which heat treatment is performed at a temperature lower than the temperature. This pyroelectric suppression treatment step is preferably performed under normal pressure that does not require a special device or the like.

ここで、炭酸リチウム粉末は、最大粒径が500μm以下、好ましくは300μm以下のものを用いるのが好ましい。最大粒径が500μm以下の炭酸リチウム粉末は、市販の炭酸リチウム粉末を32メッシュ(目開き500μm)の篩に掛けることによって得られ、最大粒径が300μm以下の炭酸リチウム粉末は、48メッシュ(目開き300μm)の篩に掛けることによって得られる。このような篩に掛けて塊状の炭酸リチウム粉末を取り除くことによって、還元度合いによる体積抵抗率のムラと色ムラを抑えることができる。   Here, it is preferable to use a lithium carbonate powder having a maximum particle size of 500 μm or less, preferably 300 μm or less. Lithium carbonate powder having a maximum particle size of 500 μm or less is obtained by passing a commercially available lithium carbonate powder through a sieve of 32 mesh (aperture 500 μm), and lithium carbonate powder having a maximum particle size of 300 μm or less is 48 mesh (mesh It is obtained by passing through a sieve having an opening of 300 μm. By removing the bulk lithium carbonate powder through such a sieve, it is possible to suppress unevenness in volume resistivity and color unevenness due to the degree of reduction.

また、篩の目開きをさらに小さくしてもよいが、80メッシュ(目開き180μm)程度になると、炭酸リチウム粉末が詰まりやすく作業性が悪化するため、炭酸リチウム粉末の最大粒径は180μm以上とすることが好ましい。   Further, the sieve opening may be further reduced, but when it becomes about 80 mesh (opening 180 μm), the lithium carbonate powder is easily clogged and the workability is deteriorated, so the maximum particle size of the lithium carbonate powder is 180 μm or more. It is preferable to do.

炭酸リチウム粉末は、繰り返して使用することができるため、コスト的にも優れている。ただし、使用後の炭酸リチウム粉末は、塊状になっている場合があるため、再び篩に掛け、塊状の炭酸リチウム粉末を取り除いてから再利用することが好ましい。   Since the lithium carbonate powder can be used repeatedly, it is excellent in cost. However, since the lithium carbonate powder after use may be in a lump shape, it is preferably reused after sieving again and removing the lump lithium carbonate powder.

還元度合いによるムラを抑えるため、炭酸リチウム粉末には炭酸リチウム以外の物質は含まれないことが好ましいが、1000ppm以下の少量であれば不純物が含まれていてもよい。   In order to suppress unevenness due to the degree of reduction, it is preferable that the lithium carbonate powder does not contain any substance other than lithium carbonate, but impurities may be contained in a small amount of 1000 ppm or less.

炭酸リチウム粉末中に埋め込まれたLT基板は、還元性ガス雰囲気下において、350℃以上、キュリー温度以下の温度で熱処理を行う。熱処理を350℃未満の温度で行うと還元が十分に進行せず、一方、キュリー温度よりも高い温度で行うと多分域構造となるので、好ましくない。   The LT substrate embedded in the lithium carbonate powder is heat-treated at a temperature of 350 ° C. or higher and a Curie temperature or lower in a reducing gas atmosphere. If the heat treatment is performed at a temperature lower than 350 ° C., the reduction does not proceed sufficiently. On the other hand, if the heat treatment is performed at a temperature higher than the Curie temperature, a multi-domain structure is formed, which is not preferable.

LT単結晶のキュリー温度は組成によって異なり、Li/(Li+Ta)=0.485のコングルエント組成のLT単結晶のキュリー温度は約604℃、Li/(Li+Ta)=0.500の疑似ストイキオメトリー組成のLT単結晶のキュリー温度は約695℃である。したがって、ここでは600℃以下の温度で熱処理を行うことが好ましい。   The Curie temperature of the LT single crystal varies depending on the composition, and the Curie temperature of the LT single crystal having a congruent composition of Li / (Li + Ta) = 0.485 is about 604 ° C., and the pseudo stoichiometric composition of Li / (Li + Ta) = 0.500. The LT single crystal has a Curie temperature of about 695 ° C. Therefore, it is preferable to perform the heat treatment at a temperature of 600 ° C. or lower here.

還元性ガスとしては、水素、一酸化炭素、硫化水素、二酸化硫黄、一酸化窒素等から任意に選択すればよいが、取扱いのし易さから、水素又は一酸化炭素を用いることが好ましい。このような還元性ガス雰囲気にすることによって、鉄等の触媒を用いることなく、炭酸リチウム粉末のみで還元を十分に進行させることが可能となる。   The reducing gas may be arbitrarily selected from hydrogen, carbon monoxide, hydrogen sulfide, sulfur dioxide, nitrogen monoxide and the like, but it is preferable to use hydrogen or carbon monoxide from the viewpoint of ease of handling. By setting it as such a reducing gas atmosphere, it becomes possible to fully advance reduction | restoration only with lithium carbonate powder, without using catalysts, such as iron.

また、ここでは、不活性ガスを導入し、還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気にしてもよい。不活性ガスとしては、窒素やアルゴン、ヘリウム等の希ガスを用いることができる。中でも比較的安価な窒素を用いることが好ましい。   Here, an inert gas may be introduced to form a mixed gas atmosphere of a reducing gas and an inert gas. As the inert gas, a rare gas such as nitrogen, argon, or helium can be used. Among these, it is preferable to use relatively inexpensive nitrogen.

還元性ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気とすれば、還元性ガスの濃度をコントロールすることによって、LT基板の還元度合いを制御し、体積抵抗率を調整することが可能となる。また、還元性ガスとして水素などの爆発性ガスを用いた場合も、不活性ガスで希釈することによって爆発の危険性を抑えることができる。   If the mixed gas atmosphere of the reducing gas and the inert gas is used, the volume resistivity can be adjusted by controlling the reduction degree of the LT substrate by controlling the concentration of the reducing gas. Also, when an explosive gas such as hydrogen is used as the reducing gas, the danger of explosion can be suppressed by diluting with an inert gas.

還元性ガスの濃度は、0.2vol%以上30vol%以下であることが好ましく、0.4vol%以上20vol%以下であることがより好ましい。還元性ガスの濃度は、目的とする体積抵抗率に応じて適宜制御すればよいが、還元性ガスの濃度が低い方が還元度合いによるムラを抑制できる傾向にある。したがって、ムラ抑制の観点では、還元性ガスの濃度は10vol%以下であることが好ましく、5vol%以下であることがより好ましく、3vol%以下であることがさらに好ましい。   The concentration of the reducing gas is preferably 0.2 vol% or more and 30 vol% or less, and more preferably 0.4 vol% or more and 20 vol% or less. The concentration of the reducing gas may be appropriately controlled according to the target volume resistivity. However, the lower the concentration of the reducing gas, the more the unevenness due to the degree of reduction tends to be suppressed. Therefore, from the viewpoint of unevenness suppression, the concentration of the reducing gas is preferably 10 vol% or less, more preferably 5 vol% or less, and even more preferably 3 vol% or less.

還元性ガスの濃度が高すぎると、ムラが大きくなったり、還元が進行しすぎて基板が脆くなる恐れがある。また、還元性ガスの濃度が低すぎると、還元が十分に進行せず、焦電性を抑制できない恐れがある。   If the concentration of the reducing gas is too high, unevenness may become large, or reduction may progress too much and the substrate may become brittle. On the other hand, if the concentration of the reducing gas is too low, the reduction does not proceed sufficiently and the pyroelectricity may not be suppressed.

還元が十分に進行しない場合、焦電性を抑制するためには複数回の還元処理を行う必要がある。複数回の還元処理が必要になれば、製造工程が増え、高コストになるだけでなく、トータルの熱処理時間も長くなるため、基板に反りやクラックが発生するリスクが高くなる。   When the reduction does not proceed sufficiently, it is necessary to perform a plurality of reduction treatments in order to suppress pyroelectricity. If the reduction treatment is required a plurality of times, the number of manufacturing steps is increased and the cost is increased, and the total heat treatment time is also increased, so that the risk of warping and cracking of the substrate is increased.

焦電性抑制処理工程においては、基板の厚み方向における体積抵抗率が1.0×1011Ω・cm以上、2.0×1013Ω・cm以下で、かつ、基板内における体積抵抗率の最大値と最小値の比(最大値/最小値)が4.0以下とすることが好ましい。 In the pyroelectric suppression treatment step, the volume resistivity in the thickness direction of the substrate is 1.0 × 10 11 Ω · cm or more and 2.0 × 10 13 Ω · cm or less, and the volume resistivity in the substrate is The ratio between the maximum value and the minimum value (maximum value / minimum value) is preferably 4.0 or less.

体積抵抗率が1.0×1011Ω・cm未満であると、SAWデバイスを作製した際に電気的ロスが発生しやすく好ましくない。また、体積抵抗率が2.0×1013Ω・cmを超えると、焦電性が十分に抑制されない可能性がある。体積抵抗率のさらに好ましい範囲は、1.0×1012Ω・cm以上、1.0×1013Ω・cm以下である。 When the volume resistivity is less than 1.0 × 10 11 Ω · cm, an electrical loss is likely to occur when a SAW device is manufactured, which is not preferable. Moreover, when the volume resistivity exceeds 2.0 × 10 13 Ω · cm, pyroelectricity may not be sufficiently suppressed. A more preferable range of the volume resistivity is 1.0 × 10 12 Ω · cm or more and 1.0 × 10 13 Ω · cm or less.

また、体積抵抗率の最大値と最小値の比は小さい方が好ましく、2.5以下であることがより好ましく、2.0以下であることがさらに好ましい。体積抵抗率の最大値と最小値の比が4.0を超えると、SAWデバイスの製造工程において不具合が発生したり、最終製品の特性が安定しない恐れがある。   The ratio of the maximum value and the minimum value of volume resistivity is preferably small, more preferably 2.5 or less, and further preferably 2.0 or less. If the ratio between the maximum value and the minimum value of the volume resistivity exceeds 4.0, there may be a problem in the manufacturing process of the SAW device or the characteristics of the final product may not be stable.

焦電性抑制処理工程においては、少なくとも一方の基板表面の明度L*が30以上、85以下で、かつ、基板内における明度L*の最大値と最小値の比(最大値/最小値)が1.5以下とすることが好ましい。
ここで、明度L*とは、JIS Z 8781−4:2013に規定されるCIE 1976 明度指数のことを指す。
In the pyroelectric suppression treatment step, the lightness L * of at least one substrate surface is 30 or more and 85 or less, and the ratio between the maximum value and the minimum value of the lightness L * in the substrate (maximum value / minimum value) is It is preferable to set it to 1.5 or less.
Here, the lightness L * refers to the CIE 1976 lightness index defined in JIS Z 8781-4: 2013.

明度L*が30未満であると、基板に色ムラが発生する恐れがある。また、明度L*が85を超えると、焦電性が十分に抑制されない可能性がある。SAWデバイスを製造する際のフォトリソグラフィ工程においては、明度L*は小さい方が好ましい場合がある。明度L*のさらに好ましい範囲は、35以上、80以下である。   If the lightness L * is less than 30, color unevenness may occur on the substrate. On the other hand, if the lightness L * exceeds 85, pyroelectricity may not be sufficiently suppressed. In the photolithography process when manufacturing the SAW device, it may be preferable that the lightness L * is small. A more preferable range of the lightness L * is 35 or more and 80 or less.

また、明度L*の最大値と最小値の比は小さい方が好ましく、1.2以下であることがより好ましい。体積抵抗率の最大値と最小値の比が1.5を超えると、SAWデバイスの製造工程において不具合が発生したり、最終製品の特性が安定しない恐れがある。   The ratio of the maximum value and the minimum value of the lightness L * is preferably small, and more preferably 1.2 or less. If the ratio between the maximum value and the minimum value of the volume resistivity exceeds 1.5, there may be a problem in the manufacturing process of the SAW device or the characteristics of the final product may not be stable.

本発明のタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法は、Li拡散処理を施されたタンタル酸リチウム単結晶基板に単一分極処理を施す工程を含んでもよい。単一分極処理は、公知の手法で行えばよい。一般的には、LT基板をキュリー温度以上に昇温して、電界を印加した状態でキュリー温度以下に降温することによって行われるが、この手法に限定されない。   The method for producing a lithium tantalate single crystal substrate of the present invention may include a step of subjecting the lithium tantalate single crystal substrate subjected to the Li diffusion treatment to a single polarization treatment. The single polarization process may be performed by a known method. In general, the LT substrate is heated to a temperature equal to or higher than the Curie temperature and lowered to a temperature equal to or lower than the Curie temperature while an electric field is applied. However, the method is not limited to this method.

単一分極処理工程は、Li拡散処理工程と焦電性抑制処理工程との間に行われることが好ましく、Li拡散処理工程と同時に行ってもよい。すなわち、Li拡散処理工程において、加熱して昇温した後、電界を印加した状態で降温することによっても行うことができる。   The single polarization treatment step is preferably performed between the Li diffusion treatment step and the pyroelectric suppression treatment step, and may be performed simultaneously with the Li diffusion treatment step. That is, in the Li diffusion treatment step, the temperature can be increased by heating and then decreasing the temperature with an electric field applied.

本発明における、LT基板全体の厚さは、200μm以上、500μm未満であることが好ましい。基板全体の厚さが200μm未満であると、歪みによる基板の反りが大きくなってしまう。また、SAWデバイスの製造において、500μm以上の厚さの基板が使用されることはほとんどないため、これ以上の厚さの基板にすると、装置の搬送系等でトラブルが発生する恐れがあり、コストも高くなってしまう。   In the present invention, the thickness of the entire LT substrate is preferably 200 μm or more and less than 500 μm. If the thickness of the entire substrate is less than 200 μm, the warpage of the substrate due to distortion becomes large. In addition, since a substrate having a thickness of 500 μm or more is rarely used in the manufacture of SAW devices, a substrate having a thickness greater than this may cause trouble in the transport system of the apparatus, resulting in a cost reduction. Will also be high.

本発明のタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法によると、少なくとも一方の基板表面が疑似ストイキオメトリー組成で、基板内部に基板表面よりもLi濃度の低い範囲を有し、基板の厚み方向における体積抵抗率が1×1011Ω・cm以上、2×1013Ω・cm以下で、基板内における体積抵抗率の最大値と最小値の比が4.0未満であり、基板表面の明度L*が30以上、85以下で、基板内における明度L*の最大値と最小値の比が1.5以下であるタンタル酸リチウム単結晶基板を製造することが可能となる。また、このLT基板は、通常のコングルエント組成のLTよりも諸特性に優れ、焦電性も均一に抑制されているため、弾性表面波デバイスに用いられる圧電基板として有用である。 According to the method for producing a lithium tantalate single crystal substrate of the present invention, at least one of the substrate surfaces has a pseudo stoichiometric composition, the substrate has a lower Li concentration range than the substrate surface, and the volume in the thickness direction of the substrate. The resistivity is 1 × 10 11 Ω · cm or more and 2 × 10 13 Ω · cm or less, and the ratio of the maximum value and the minimum value of the volume resistivity in the substrate is less than 4.0. It is possible to manufacture a lithium tantalate single crystal substrate in which the ratio of the maximum value and the minimum value of the lightness L * in the substrate is 1.5 or less. Further, this LT substrate is useful as a piezoelectric substrate used for a surface acoustic wave device because it has various characteristics and LT is uniformly suppressed as compared with an LT having a normal congruent composition.

〈実施例1〉
実施例1では、まず、引き上げ法によって、コングルエント組成(Li/(Li+Ta)=0.485)の4インチ(10cm)径タンタル酸リチウム単結晶を作製した。次に、このLT単結晶をスライスし、両面にラップ加工を施すことによって、厚さ350μmの42°回転YカットLT基板を作製した。
<Example 1>
In Example 1, first, a 4-inch (10 cm) diameter lithium tantalate single crystal having a congruent composition (Li / (Li + Ta) = 0.485) was produced by a pulling method. Next, this LT single crystal was sliced and lapped on both sides to prepare a 42 ° rotated Y-cut LT substrate having a thickness of 350 μm.

一方、Li拡散処理工程で使用するLi拡散源として、モル比でLiCO:Ta=7:3の割合に混合した粉末を1350℃で10時間焼成して、LiTaOを主成分とする粉体を準備した。 On the other hand, as a Li diffusion source used in the Li diffusion treatment step, a powder mixed at a molar ratio of Li 2 CO 3 : Ta 2 O 5 = 7: 3 was baked at 1350 ° C. for 10 hours to obtain Li 3 TaO 4. The powder which has as a main component was prepared.

次に、白金製容器の中に、コングルエント組成のLT基板とLi拡散源となる粉体をいれて、この容器を1000℃で50時間加熱し、Li拡散処理を行った。   Next, an LT substrate having a congruent composition and a powder serving as a Li diffusion source were placed in a platinum container, and this container was heated at 1000 ° C. for 50 hours to perform a Li diffusion treatment.

このLi拡散処理が施されたLT基板について、レーザーラマン分光測定装置(HORIBA Scientific社製LabRam HRシリーズ、He−Neイオンレーザー、スポットサイズ1μm、室温)を用いて、Li量の指標となる600cm−1付近のラマンシフトピークの半値幅(FWHM1)を測定し、測定した半値幅から上記数式1を用いてLi濃度を算出した。 With respect to the LT substrate subjected to this Li diffusion treatment, a laser Raman spectroscopic measurement apparatus (LabRam HR series manufactured by HORIBA Scientific, He-Ne ion laser, spot size 1 μm, room temperature) is used as an index of Li amount of 600 cm − The full width at half maximum (FWHM1) of the Raman shift peak near 1 was measured, and the Li concentration was calculated from the measured full width at half maximum using Equation 1 above.

その結果を図3に示す。このLT基板表面は、Li/(Li+Ta)=0.498〜0.502の範囲内の疑似ストイキオメトリー組成であった。また、基板表面から30μmの深さまで疑似ストイキオメトリー組成のLi拡散層が形成されていた。   The result is shown in FIG. The LT substrate surface had a pseudo stoichiometric composition in the range of Li / (Li + Ta) = 0.498 to 0.502. Further, a Li diffusion layer having a pseudo stoichiometric composition was formed from the substrate surface to a depth of 30 μm.

続いて、このLT基板のZ軸方向に対応する面に、LT多結晶を主成分とするペーストを介して電極を貼り付けた。その後、キュリー温度以上の750℃に昇温して、400Vの電圧を印加した状態で降温することによって単一分極処理を施した。   Subsequently, an electrode was attached to a surface corresponding to the Z-axis direction of the LT substrate via a paste mainly composed of LT polycrystal. Thereafter, the temperature was raised to 750 ° C., which is equal to or higher than the Curie temperature, and the temperature was lowered in a state where a voltage of 400 V was applied, thereby performing a single polarization treatment.

単一分極処理を施したLT基板の体積抵抗率を、三菱化学(株)製ハイレスタ−UP MCP−HT450を用いて、500Vの電圧で1分間測定したところ、測定上限値の1.0×1014Ω・cm以上であった。また、このLT基板をホットプレートで100℃に加熱して、その際の表面電位を(株)キーエンス製SK-030を用いて測定したところ、その結果は、10kV以上の値を示し、焦電性が確認された。 The volume resistivity of the LT substrate subjected to single polarization treatment was measured for 1 minute at a voltage of 500 V using a Hiresta UP MCP-HT450 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation. 14 Ω · cm or more. Further, when this LT substrate was heated to 100 ° C. with a hot plate and the surface potential at that time was measured using SK-030 manufactured by Keyence Corporation, the result showed a value of 10 kV or more. Sex was confirmed.

次に、焦電性抑制処理工程で使用する炭酸リチウム粉末(本荘ケミカル(株)製)を準備した。この炭酸リチウム粉末は、48メッシュ(目開き300μm)の篩に掛けて、炭酸リチウム粉末の最大粒径を300μm以下となるように調製したものである。   Next, lithium carbonate powder (Honjo Chemical Co., Ltd.) used in the pyroelectric suppression treatment process was prepared. This lithium carbonate powder is prepared by passing through a sieve of 48 mesh (aperture 300 μm) so that the maximum particle size of the lithium carbonate powder is 300 μm or less.

続いて、この炭酸リチウム粉末中にLi拡散処理を施されたLT基板を埋め込み、常圧下で、窒素ガスを6L/minと水素ガスを100cc/min流して、還元性ガス雰囲気下として、570℃で8時間の熱処理を行った。このときの還元性ガス(水素ガス)の濃度は、1.7vol%である。   Subsequently, an LT substrate that has been subjected to a Li diffusion treatment is embedded in the lithium carbonate powder, and under a normal pressure, nitrogen gas is supplied at 6 L / min and hydrogen gas is supplied at 100 cc / min to form a reducing gas atmosphere at 570 ° C. For 8 hours. At this time, the concentration of the reducing gas (hydrogen gas) is 1.7 vol%.

このようにして得られたLT基板の体積抵抗率を図2に示す基板の中心と外周4点の計5点について測定したところ、最大値4.1×1012Ω・cm、最小値2.3×1012Ω・cmであり、このときの最大値と最小値の比は1.8となり、比較的小さな値を示した。 The volume resistivity of the LT substrate thus obtained was measured for a total of five points, ie, the center and the outer periphery of the substrate shown in FIG. 2, and a maximum value of 4.1 × 10 12 Ω · cm and a minimum value of 2. 3 × 10 12 Ω · cm, and the ratio of the maximum value to the minimum value at this time was 1.8, indicating a relatively small value.

また、基板表面の明度L*値を図2に示す基板の中心と外周4点の計5点について、日本電色工業(株)製NF555分光色差計を用いて測定したところ、最大値68、最小値65であり、このときの最大値と最小値の比は1.0となり、比較的小さな値を示した。   In addition, the brightness L * value of the substrate surface was measured using a NF555 spectral color difference meter manufactured by Nippon Denshoku Industries Co., Ltd. for a total of 5 points including the center and the outer periphery 4 points shown in FIG. The minimum value is 65, and the ratio of the maximum value to the minimum value at this time is 1.0, indicating a relatively small value.

そして、このLT基板を100℃に加熱して、表面電位を測定したところ、その値は0〜0.1kVであり、十分に焦電性が抑制されていることが確認された。   And when this LT board | substrate was heated to 100 degreeC and the surface potential was measured, the value is 0-0.1 kV, and it was confirmed that pyroelectricity is fully suppressed.

〈実施例2〜7と参考例1,2〉
ここでは、実施例1の焦電性抑制処理工程において、還元性ガス種と還元性ガス濃度を種々変えてLT基板を作製し、評価した。そして、これら作製した各基板の評価結果を表1に示す。
なお、ここでは、焦電性の有無については、100℃に加熱したときの表面電位が1kV以上のものを焦電性有りとした。
<Examples 2 to 7 and Reference Examples 1 and 2>
Here, in the pyroelectric suppression treatment process of Example 1, LT substrates were prepared and evaluated by variously changing the reducing gas species and the reducing gas concentration. Table 1 shows the evaluation results for each of these substrates.
Here, as for the presence or absence of pyroelectricity, the one having a surface potential of 1 kV or higher when heated to 100 ° C. is regarded as having pyroelectricity.

Figure 2018080088
Figure 2018080088

実施例1〜7のLT基板は、焦電性が無く、反りもなく外観も良好であった。しかしながら、参考例1のLT基板は、還元性ガス濃度が0.1vol%と低すぎるために還元が十分に進行せず、焦電性有りの結果であった。また、参考例2のLT基板は、還元性ガス濃度が33.3vol%と高すぎるために、色ムラが発生した。   The LT substrates of Examples 1 to 7 had no pyroelectricity, no warpage, and good appearance. However, the LT substrate of Reference Example 1 had a reducing gas concentration as low as 0.1 vol%, so that the reduction did not proceed sufficiently, resulting in pyroelectricity. Further, the LT substrate of Reference Example 2 had a non-uniform color because the reducing gas concentration was too high at 33.3 vol%.

〈実施例8〜12と参考例3〜5〉
ここでは、実施例1のLT基板の厚さと、Li拡散処理時間を種々変えてLT基板を作製し、評価した。そして、これら作製した各基板の評価結果を表2に示す。
なお、ここでも、焦電性の有無については、100℃に加熱したときの表面電位が1kV以上のものを焦電性有りとした。
<Examples 8 to 12 and Reference Examples 3 to 5>
Here, the LT substrate of Example 1 was fabricated and evaluated by changing the thickness of the LT substrate and the Li diffusion treatment time in various ways. Table 2 shows the evaluation results of each of these substrates.
Here again, regarding the presence or absence of pyroelectricity, the one having a surface potential of 1 kV or higher when heated to 100 ° C. was regarded as having pyroelectricity.

Figure 2018080088
Figure 2018080088

実施例8〜12のLT基板は、焦電性が無く、反りもなく外観も良好であった。しかしながら、参考例3のLT基板は、基板全体の厚さが200μm以下より薄い180μmであるために、歪みによる基板の反りが250μmと大きく、デバイス製造工程の吸着搬送において不具合が発生することが懸念される。また、参考例4は、焦電性が無く、外観も良好であるが、基板全体の厚さが500μmと厚いため、装置の搬送系等でトラブルが発生する恐れがあり、コストも高くなってしまうという不都合がある。さらに、参考例5のLT基板は、基板全体の厚さに対するLi拡散層の厚さの割合が大きいため、歪みが大きく、Li拡散処理工程の後に割れてしまった。   The LT substrates of Examples 8 to 12 had no pyroelectricity, no warpage, and good appearance. However, since the LT substrate of Reference Example 3 has a thickness of 180 μm, which is thinner than 200 μm or less, the warpage of the substrate due to distortion is as large as 250 μm, and there is a concern that troubles may occur in suction conveyance in the device manufacturing process. Is done. Reference Example 4 has no pyroelectricity and good appearance, but since the entire substrate is as thick as 500 μm, trouble may occur in the transport system of the apparatus and the cost increases. There is an inconvenience. Furthermore, since the ratio of the thickness of the Li diffusion layer to the thickness of the entire substrate was large, the LT substrate of Reference Example 5 was greatly distorted and cracked after the Li diffusion treatment step.

〈比較例1〉
比較例1では、実施例1と同様の方法で、Li拡散処理工程と単一分極処理を施した。次に、Li拡散処理を施されたLT基板と、還元処理を施したコングルエント組成のLT基板を接触させて、水素ガス雰囲気下で、570℃で10時間の熱処理を行った。その後、大気中で40℃、5時間の熱処理を行い、再度、還元処理を施したコングルエント組成のLT基板を接触させて、水素ガス雰囲気下で、570℃で10時間の熱処理を行った。
<Comparative example 1>
In Comparative Example 1, the Li diffusion treatment step and the single polarization treatment were performed in the same manner as in Example 1. Next, the LT substrate subjected to the Li diffusion treatment and the LT substrate having the congruent composition subjected to the reduction treatment were brought into contact with each other, and heat treatment was performed at 570 ° C. for 10 hours in a hydrogen gas atmosphere. Thereafter, a heat treatment was performed in the atmosphere at 40 ° C. for 5 hours, and the LT substrate having a congruent composition subjected to the reduction treatment was again brought into contact therewith, and a heat treatment was performed at 570 ° C. for 10 hours in a hydrogen gas atmosphere.

このようにして得られたLT基板について、実施例1と同様の評価を行ったところ、体積抵抗率の最大値は1.7×1013Ω・cm、最小値は1.8×1012Ω・cmであり、このときの最大値と最小値の比は9.4となり、比較的大きな値を示した。また、明度L*値の最大値は81、最小値は58であり、このときの最大値と最小値の比は1.4となり、比較的大きな値を示した。 The LT substrate thus obtained was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the maximum value of the volume resistivity was 1.7 × 10 13 Ω · cm, and the minimum value was 1.8 × 10 12 Ω. -It was cm, and the ratio of the maximum value and the minimum value at this time was 9.4, indicating a relatively large value. Further, the maximum value of the lightness L * value was 81 and the minimum value was 58, and the ratio of the maximum value to the minimum value at this time was 1.4, indicating a relatively large value.

次に、このLT基板を100℃に加熱して、表面電位を測定したところ、その値は0〜0.1kVであり、焦電性が抑制されていることが確認された。   Next, when this LT substrate was heated to 100 ° C. and the surface potential was measured, the value was 0 to 0.1 kV, and it was confirmed that pyroelectricity was suppressed.

〈比較例2〉
比較例2では、実施例1と同様の方法で、Li拡散処理工程と単一分極処理を施した。次に、焦電性抑制処理工程で使用する炭酸リチウム粉末(本荘ケミカル(株)製)と鉄との混合粉末を準備した。この混合粉末は、48メッシュ(目開き300μm)の篩に掛けて、炭酸リチウム粉末の最大粒径を300μm以下となるように調製し、また炭酸リチウムと鉄の質量比をFe:LiCO=5:100に調製した。
<Comparative example 2>
In Comparative Example 2, the Li diffusion treatment step and the single polarization treatment were performed in the same manner as in Example 1. Next, a mixed powder of lithium carbonate powder (manufactured by Honjo Chemical Co., Ltd.) and iron used in the pyroelectric suppression treatment step was prepared. This mixed powder is prepared by passing through a sieve of 48 mesh (aperture 300 μm) so that the maximum particle size of the lithium carbonate powder is 300 μm or less, and the mass ratio of lithium carbonate and iron is Fe: Li 2 CO 3. = 5: 100.

続いて、この混合粉末中にLi拡散処理を施されたLT基板を埋め込み、常圧下で、窒素ガス雰囲気下とし、570℃で8時間の熱処理を行った。   Subsequently, the LT substrate subjected to the Li diffusion treatment was embedded in the mixed powder, and a heat treatment was performed at 570 ° C. for 8 hours under a normal pressure and a nitrogen gas atmosphere.

このようにして得られたLT基板について、実施例1と同様の評価を行ったところ、体積抵抗率の最大値は1.1×1013Ω・cm、最小値は7.4×1011Ω・cmであり、このときの最大値と最小値の比は14.9となり、比較的大きな値を示した。また、明度L*値の最大値は80、最小値は35であり、このときの最大値と最小値の比は2.3となり、比較的大きな値を示した。 The LT substrate thus obtained was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, the maximum value of volume resistivity was 1.1 × 10 13 Ω · cm, and the minimum value was 7.4 × 10 11 Ω. -It was cm, and the ratio of the maximum value and the minimum value at this time was 14.9, indicating a relatively large value. Further, the maximum value of the lightness L * value was 80, and the minimum value was 35. The ratio of the maximum value to the minimum value at this time was 2.3, indicating a relatively large value.

次に、このLT基板を100℃に加熱して、表面電位を測定したところ、その値は0〜0.1kVであり、焦電性が抑制されていることが確認された。   Next, when this LT substrate was heated to 100 ° C. and the surface potential was measured, the value was 0 to 0.1 kV, and it was confirmed that pyroelectricity was suppressed.

〈比較例3〉
比較例3では、実施例1の焦電性抑制処理工程において、還元性ガスを使用せずに窒素ガス雰囲気下として、LT基板を作製し、評価した。
<Comparative Example 3>
In Comparative Example 3, in the pyroelectric suppression treatment process of Example 1, an LT substrate was prepared and evaluated under a nitrogen gas atmosphere without using a reducing gas.

このようにして得られたLT基板について、実施例1と同様の評価を行ったところ、体積抵抗率の最大値と最小値はともに1.0×1014Ω・cm以上を示した。また、明度L*値の最大値は87、最小値は86であり、このときの最大値と最小値の比は1.0であった。 The LT substrate thus obtained was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, both the maximum value and the minimum value of the volume resistivity showed 1.0 × 10 14 Ω · cm or more. Further, the maximum value of the lightness L * value was 87 and the minimum value was 86, and the ratio of the maximum value to the minimum value at this time was 1.0.

次に、このLT基板を100℃に加熱して、表面電位を測定したところ、その値は6〜7kVであり、焦電性が確認された。   Next, when this LT substrate was heated to 100 ° C. and the surface potential was measured, the value was 6 to 7 kV, and pyroelectricity was confirmed.

〈実施例13〉
実施例13では、実施例1で作製したLT基板に、スパッタ処理を施して厚さ0.2μmのAl膜を成膜した。続いて、この基板にフォトレジストを塗布し、ステッパを用いて共振子の電極パタンを露光及び現像した。その後、120℃で加熱処理を行って、さらにRIE(Reactive Ion Etching)を施すことによりSAWデバイスの電極を形成した。なお、このパタニングした電極の1波長は2.50μmとした。RIE後に、形成した電極の各パタンを光学顕微鏡にて観察したところ、95%以上の電極パタンに問題は見られなかった。
<Example 13>
In Example 13, the LT substrate manufactured in Example 1 was subjected to sputtering treatment to form an Al film having a thickness of 0.2 μm. Subsequently, a photoresist was applied to the substrate, and a resonator electrode pattern was exposed and developed using a stepper. Thereafter, heat treatment was performed at 120 ° C., and RIE (Reactive Ion Etching) was further performed to form an electrode of the SAW device. One wavelength of the patterned electrode was 2.50 μm. After RIE, when each pattern of the formed electrode was observed with an optical microscope, no problem was found in the electrode pattern of 95% or more.

また、比較として、比較例1で作製したLT基板についても、同様にSAWデバイスの電極を形成したところ、約60%の電極パタンで問題は見られなかったが、約40%の電極パタンにおいては、電極パタンが部分的に切れていたり、線幅にバラつきが見られた。これは、LT基板の色ムラによって露光にムラが生じたり、加熱処理時において部分的に焦電効果に起因する放電現象が発生していたためであると考えられる。   For comparison, the electrode of the SAW device was similarly formed on the LT substrate manufactured in Comparative Example 1, and no problem was found with the electrode pattern of about 60%, but the electrode pattern of about 40% The electrode pattern was partially cut or the line width varied. This is considered to be due to unevenness in exposure due to color unevenness of the LT substrate, or a discharge phenomenon partially resulting from the pyroelectric effect during the heat treatment.

次に、SAWデバイスの電極を形成した実施例1のLT基板をステージに載せて、ステージの温度を約20℃〜80℃に変化させて、反共振周波数と共振周波数の温度係数を確認したところ、共振周波数の温度係数は−25ppm/℃であり、反共振周波数の温度係数は−35ppm/℃であったので、平均の周波数温度係数が−30ppm/℃であることが確認された。   Next, the LT substrate of Example 1 on which the electrode of the SAW device was formed was placed on the stage, the temperature of the stage was changed from about 20 ° C. to 80 ° C., and the temperature coefficient of the anti-resonance frequency and the resonance frequency was confirmed. Since the temperature coefficient of the resonance frequency was −25 ppm / ° C. and the temperature coefficient of the anti-resonance frequency was −35 ppm / ° C., it was confirmed that the average frequency temperature coefficient was −30 ppm / ° C.

また、比較として、Li拡散処理を施さずに、焦電性抑制処理を施した42°回転Yカットのタンタル酸リチウム単結晶基板の温度係数についても確認したところ、共振周波数の温度係数は−33ppm/℃であり、反共振周波数の温度係数は−43ppm/℃であったので、平均の周波数温度係数が−38ppm/℃であり、実施例1のLT基板の方が温度特性に優れていることが確認された。   For comparison, the temperature coefficient of the 42 ° rotated Y-cut lithium tantalate single crystal substrate that was subjected to pyroelectric suppression treatment without performing Li diffusion treatment was also confirmed. The temperature coefficient of resonance frequency was −33 ppm. Since the temperature coefficient of the anti-resonance frequency was −43 ppm / ° C., the average frequency temperature coefficient was −38 ppm / ° C., and the LT substrate of Example 1 was superior in temperature characteristics. Was confirmed.

さらに、反共振周波数と共振周波数の値から、電気機械結合係数kを次の数1の計算式に基づいて算出したところ、実施例1のLT基板の電気機械結合係数kは7.7%となり、Li拡散処理を施さずに、焦電性抑制処理を施したLT基板の約1.2倍の値を示した。 Further, when the electromechanical coupling coefficient k 2 is calculated from the anti-resonance frequency and the resonance frequency value based on the following equation 1, the electromechanical coupling coefficient k 2 of the LT substrate of Example 1 is 7.7. %, A value about 1.2 times that of the LT substrate subjected to the pyroelectricity suppression treatment without performing the Li diffusion treatment.

Figure 2018080088
Figure 2018080088

1 タンタル酸リチウム単結晶基板
2 疑似ストイキオメトリー組成のLi拡散層
T1 基板全体の厚さ
T2 疑似ストイキオメトリー組成のLi拡散層の厚さ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium tantalate single crystal substrate 2 Li diffusion layer T1 of pseudo stoichiometric composition Thickness of whole substrate T2 Thickness of Li diffusion layer of pseudo stoichiometric composition

Claims (11)

コングルエント組成のタンタル酸リチウム単結晶基板にLi拡散処理を行って、少なくとも一方の基板表面におけるLi濃度が、コングルエント組成でのLi濃度よりも高くなるようにするLi拡散処理工程と、Li拡散処理を施されたタンタル酸リチウム単結晶基板を炭酸リチウム粉末中に埋め込んで、還元性ガス雰囲気下において、350℃以上、キュリー温度以下の温度で熱処理を行う焦電性抑制処理工程と、を含むタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法。   Li diffusion treatment is performed on a lithium tantalate single crystal substrate having a congruent composition so that the Li concentration on the surface of at least one substrate is higher than the Li concentration in the congruent composition; A tantalate that includes a pyroelectric suppression treatment step of embedding the applied lithium tantalate single crystal substrate in lithium carbonate powder and performing a heat treatment at a temperature of 350 ° C. or higher and a Curie temperature or lower in a reducing gas atmosphere. A method for producing a lithium single crystal substrate. 前記Li拡散処理工程において、少なくとも一方の基板表面が疑似ストイキオメトリー組成で、基板内部に該基板表面よりもLi濃度の低い範囲を有するように処理することを特徴とする請求項1に記載のタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法。   2. The process according to claim 1, wherein in the Li diffusion treatment step, at least one substrate surface is processed so as to have a pseudo stoichiometric composition and a Li concentration in the substrate is lower than that of the substrate surface. A method for producing a lithium tantalate single crystal substrate. 前記Li拡散処理工程において、少なくとも一方の基板表面から特定の深さまで疑似ストイキオメトリー組成であるLi拡散層を形成して、該Li拡散層の厚さと基板全体の厚さの比が15%以下となるように処理することを特徴とする請求項1又は2に記載のタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法。   In the Li diffusion treatment step, a Li diffusion layer having a pseudo stoichiometric composition is formed from at least one substrate surface to a specific depth, and the ratio of the thickness of the Li diffusion layer to the thickness of the entire substrate is 15% or less. The method for producing a lithium tantalate single crystal substrate according to claim 1 or 2, wherein the treatment is performed so that 前記焦電性抑制処理工程において、基板の厚み方向における体積抵抗率が1.0×1011Ω・cm以上、2.0×1013Ω・cm以下で、かつ、基板内における体積抵抗率の最大値と最小値の比が4.0以下となるように処理することを特徴とする請求項1から3の何れかに記載のタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法。 In the pyroelectric suppression treatment step, the volume resistivity in the thickness direction of the substrate is 1.0 × 10 11 Ω · cm or more and 2.0 × 10 13 Ω · cm or less, and the volume resistivity in the substrate is The method for producing a lithium tantalate single crystal substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the treatment is performed such that the ratio between the maximum value and the minimum value is 4.0 or less. 前記焦電性抑制処理工程において、少なくとも一方の基板表面の明度L*が30以上、85以下で、かつ、基板内における明度L*の最大値と最小値の比が1.5以下となるように処理することを特徴とする請求項1から4の何れかに記載のタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法。   In the pyroelectric suppression treatment step, the lightness L * of at least one substrate surface is 30 or more and 85 or less, and the ratio between the maximum value and the minimum value of the lightness L * in the substrate is 1.5 or less. 5. The method for producing a lithium tantalate single crystal substrate according to claim 1, wherein: Li拡散処理を施されたタンタル酸リチウム単結晶基板に単一分極処理を施す工程を含むことを特徴とする請求項1から5の何れかに記載のタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法。   6. The method for producing a lithium tantalate single crystal substrate according to claim 1, further comprising a step of subjecting the lithium tantalate single crystal substrate subjected to the Li diffusion treatment to a single polarization treatment. 前記還元性ガスの濃度は、0.2vol%以上30vol%以下であることを特徴とする請求項1から6の何れかに記載のタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法。   The method for producing a lithium tantalate single crystal substrate according to any one of claims 1 to 6, wherein a concentration of the reducing gas is 0.2 vol% or more and 30 vol% or less. 前記還元性ガスは、水素又は一酸化炭素を含むことを特徴とする請求項1から7の何れかに記載のタンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法。   The method for producing a lithium tantalate single crystal substrate according to any one of claims 1 to 7, wherein the reducing gas contains hydrogen or carbon monoxide. 少なくとも一方の基板表面が疑似ストイキオメトリー組成で、基板内部に該基板表面よりもLi濃度の低い範囲を有し、基板の厚み方向における体積抵抗率が1.0×1011Ω・cm以上、2.0×1013Ω・cm以下で、基板内における体積抵抗率の最大値と最小値の比が4.0以下であり、該基板表面の明度L*が30以上、85以下で、基板内における明度L*の最大値と最小値の比が1.5以下であるタンタル酸リチウム単結晶基板。 At least one substrate surface has a pseudo stoichiometric composition, the substrate has a lower Li concentration than the substrate surface, and has a volume resistivity of 1.0 × 10 11 Ω · cm or more in the thickness direction of the substrate, 2.0 × 10 13 Ω · cm or less, the ratio of the maximum value and the minimum value of volume resistivity in the substrate is 4.0 or less, and the lightness L * of the substrate surface is 30 or more and 85 or less, A lithium tantalate single crystal substrate in which the ratio between the maximum value and the minimum value of brightness L * is 1.5 or less. 少なくとも一方の基板表面から特定の深さまで疑似ストイキオメトリー組成であるLi拡散層を有し、該Li拡散層の厚さと基板全体の厚さの比が15%以下であることを特徴とする請求項9に記載のタンタル酸リチウム単結晶基板。   It has a Li diffusion layer having a pseudo stoichiometric composition from a surface of at least one substrate to a specific depth, and the ratio of the thickness of the Li diffusion layer to the thickness of the entire substrate is 15% or less. Item 10. The lithium tantalate single crystal substrate according to Item 9. 前記基板全体の厚さが200μm以上、500μm未満であることを特徴とする請求項9又は10に記載のタンタル酸リチウム単結晶基板。

11. The lithium tantalate single crystal substrate according to claim 9, wherein a thickness of the entire substrate is 200 μm or more and less than 500 μm.

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