JP2961115B2 - 圧電性結晶の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電性結晶の製造方法
に関し、例えば弾性表面波装置の基板材料として用いる
四硼酸リチウムの大口径結晶の製造に利用して好適な技
術に関する。

【０００２】

【従来の技術】四硼酸リチウム単結晶は、零温度係数を
有し且つ電気機械結合係数の高い結晶方位を有するなど
の優れた特性により、弾性表面波装置用の基板材料とし
て近年注目されている。このような四硼酸リチウム単結
晶の製造は、一般にチョクラルスキー法（回転引上げ
法）により行われている。その結晶製造にあたっては、
生産性等の効率上、製造された結晶から切り出してなる
薄板状の基板の面が素子等を作製する主面となるような
面方位に長尺の結晶を育成することが望ましい。即ち、
四硼酸リチウム単結晶から例えば弾性表面波装置用の基
板を切り出す場合には、（１１０）又は（１００）面を
主面とする基板が求められており、従って〈１１０〉又
は〈１００〉方向に種結晶を引き上げて結晶を育成する
ことが望まれていた。また、弾性表面波装置の生産性を
向上させ、基板コストを低減させるため、直径３インチ
以上の大口径の基板が必要とされており、従って直胴部
の直径が３インチ以上の結晶を育成することが望まれて
いた。

【０００３】そこで、本出願人の先願（特願平５−１９
３９０１）の発明者らは、通常行われているように四硼
酸リチウム単結晶よりなる単一の種結晶を用いて、通常
の育成条件で、直胴部の直径が３インチの四硼酸リチウ
ム結晶をチョクラルスキー法により〈１１０〉方向に育
成することを試みた。１０回の育成を行った結果、その
うち９回には、育成中の結晶に異常成長稜が発生し、結
晶に割れ（以下、「クラック」とする。）が生じた。育
成方向が〈１００〉方向の場合にも同様に異常成長稜が
発生してクラックが生じた。従って、従来行われている
育成法により直径３インチの四硼酸リチウム結晶を〈１
１０〉方向又は〈１００〉方向に育成させるのは困難で
あることがわかった。

【０００４】続いて先願の発明者らは、上述した結晶育
成中における異常成長稜の発生原因を明らかにすべく、
その発生メカニズムを詳細に検討したところ、以下のよ
うな知見を得た。即ち、結晶育成中の異常成長稜は種結
晶の〈００１〉方向側に多く発生し、その逆の側である

【数１】 〈００〉 方向側には発生しない。つまり、例えば〈１１０〉方向
に引き上げて育成した結晶１における成長稜の様子を種
結晶２側から見て示した図１において、現れた８本の成
長稜３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ
のうち、〈００１〉方向側に現れた成長稜３ａ，３ｂ，
３ｃにおいて異常成長稜が発生した。他方、逆の側であ
る

【数１】 〈００〉 方向側に現れた成長稜３ｄ，３ｅ，３ｆにおいては異常
成長稜は発生しなかった。

【０００５】上述した成長稜３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，
３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈは、液相−固相−気相が共存す
る点から発生しているので、従って種結晶の〈００１〉
方向側をなくす、即ち異常成長稜の発生した成長稜３
ａ，３ｂ，３ｃを構成する各面を気相に接しないように
して結晶を成長させれば異常成長稜の発生を防ぐことが
できると先願の発明者らは考えた。そして、それを達成
する手段として、図２に示すように、（００１）面を露
出してなる複数（例えば２個）の四硼酸リチウム単結晶
２ａ，２ｂをその（００１）面同士を合わせた状態で一
体化してなる種結晶２ｃ、即ち（００１）面同士を貼り
合わせることにより（００１）面を露出させないように
した種結晶２ｃを用いることを考えた。

【０００６】さらに、先願の発明者らは、上述した手段
の有効性を検証するため、図２に示した貼合わせの種結
晶２ｃを用い、その他は通常の育成条件で、直胴部の直
径が３インチの四硼酸リチウム結晶をチョクラルスキー
法により〈１１０〉方向に育成する実験を行った。その
結果、１２回の育成を行った結果、全ての結晶において
異常成長稜は発生せず、クラックは生じなかった。つま
り、貼合わせの種結晶２ｃが異常成長稜の発生の防止に
有効であることが確かめられた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た貼合わせの種結晶２ｃを用いて、更なる大口径の結
晶、即ち直胴部の直径が例えば４インチの結晶の育成を
試みたところ、１１回の育成中９回に付いて新たなる異
常成長稜が発生し、クラックが生じた。つまり、上述し
た貼合わせの種結晶２ｃを用いる手段は、直径３インチ
程度までの結晶を育成する場合には極めて有効である
が、直径が４インチ以上になるとその有効性は小さいこ
とがわかった。即ち、種結晶２ｃを用いる手段をもって
しても、４インチ以上の大口径の結晶を製造することは
困難であるという問題点が明らかとなった。

【０００８】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、その目的とするところは、結晶育
成中における異常成長稜およびクラックの発生を防止
し、以て弾性表面波装置用の基板の製造に好適な大口径
の結晶の製造を可能ならしめる圧電性結晶、特に四硼酸
リチウム結晶の製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者らは、貼合わせの種結晶２ｃを用いて行っ
た直径４インチの結晶の育成中に発生した新たなる異常
成長稜の発生原因を詳細に検討した。その結果、その異
常成長稜の発生は、貼合わせの種結晶２ｃを用いた場合
に起こる特有の現象であり、図３（〈１１０〉方向に種
結晶２ｃを引き上げて育成した結晶１を種結晶２ｃ側か
ら見て示した。）に示すように、成長稜４ａ，４ｂ，４
ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈのうち、種結晶２ｃ
の合わせ面方向の成長稜４ｇ，４ｈの片方または両方に
おいてクラック５が生じることがわかった。

【００１０】そして、結晶育成の際、種結晶２ｃから育
成される結晶の直胴部に至るまでの傾斜した肩部の勾配
が大きくなるような条件で結晶育成を行うと、新たなる
異常成長稜の発生率は小さくなるという知見を得た。ま
た、図４に示すように、種結晶２ｃの直下に種結晶２ｃ
よりも細く絞ったネック部６を一旦形成してから大口径
の結晶を育成する（以下、このように一旦ネック部６を
形成することを「ネッキング」と記述する。）と、異常
成長稜が全く発生しないという知見も得た。さらに、結
晶育成の際にネッキングを行なうことにより、ネック部
６に続く結晶１の広がり角度ｄ（図４参照）を大きくし
て肩部１０の形状を略水平、即ちフラットトップに近づ
けても、異常成長稜の発生は皆無であるとの知見も得
た。

【００１１】以上の知見に基づき、本発明者らは、上述
した新たなる異常成長稜の発生は種結晶２ｃの合わせ
面、即ち（００１）面同士を貼り合わせてなる面から発
生した欠陥が原因であり、上述したようにネッキングを
行うことでその欠陥を除去することが可能であると考
え、本発明の完成に至った。即ち、本発明は、圧電性結
晶原料を融解し、その融解してなる原料の表面に、圧電
分極軸の正である方位の面を露出してなる複数の圧電性
単結晶をその圧電分極軸の正である方位の面同士を合わ
せた状態で一体化してなる種結晶を接触させ、該種結晶
を回転させながら徐々に引き上げ、一旦種結晶よりも細
く絞ったネック部を形成し、そのネック部に続いて種結
晶よりも太い結晶を育成することを提案するものであ
る。また、種結晶として、双晶を含み且つ圧電分極軸の
正である方位の面が露出していない結晶を用いてもよ
い。さらに、圧電性結晶の一例としては四硼酸リチウム
結晶が挙げられ、その圧電分極軸の正である方位の面は
（００１）面である。

【００１２】なお、貼り合わせる面は（００１）面から
５度程度ずれていてもよいし、引上げ方向は、〈１１
０〉方向に限らず、〈１００〉方向などのように、〈０
０１〉方向に略直交する方向でもよいし、それらの方向
（〈１１０〉方向や〈１００〉方向など）から５度程度
ずれていてもよい。

【００１３】

【作用】上記手段によれば、複数の圧電性単結晶を圧電
分極軸の正である方位の面同士を合わせた状態で一体化
してなる種結晶、或は双晶を含み且つ圧電分極軸の正で
ある方位の面が露出していない種結晶を用いることによ
り、種結晶の外側面に圧電分極軸の正である方位の面が
露出していないため、異常成長稜の発生及びそれにより
惹き起こされるクラックの発生を防止することができ
る。従って、直径３インチ程度までの大口径の圧電性結
晶、特に四硼酸リチウム結晶を歩留りよく製造すること
が可能となる。

【００１４】また、このような種結晶を用いるととも
に、結晶の育成開始時にネッキングを行うことにより、
種結晶の、圧電分極軸の正である方位の面同士の合わせ
面から発生する欠陥が、育成される結晶中にまで延びる
のをネック部で断ち切ることができるので、その欠陥に
起因して発生し得る新たなる異常成長稜及びクラックの
発生を防止することができる。従って、直径４インチ未
満の圧電性結晶、特に四硼酸リチウム結晶を製造する場
合は勿論であるが、例えば直径４インチ以上の更なる大
口径の結晶を製造する場合にも、歩留りよく製造するこ
とが可能となる。

【００１５】さらに、ネッキングを行うことにより、異
常成長稜を発生させることなく、ネック部に続いて育成
される結晶の広がり角度を大きくして肩部の形状をフラ
ットトップに近づけることができるので、育成された結
晶（インゴット）からより多くの基板（ウェハ）を切り
出すことができる。従って、基板コストが下がる。

【００１６】なお、育成された結晶は双晶を含んでいる
が、この双晶の境界部分以外では単結晶と全く同様の特
性を示すので、弾性表面波装置の圧電特性には何ら影響
を及ぼすことはなく、弾性表面波装置用の基板として好
適な大口径の圧電性結晶、特に四硼酸リチウム結晶を安
定に製造することが可能となる。

【００１７】

【実施例】以下に、実施例及び比較例を挙げて、本発明
に係る圧電性結晶の製造方法の特徴とするところを明ら
かにする。なお、実施例及び比較例においては、直胴部
の直径が４インチの四硼酸リチウム結晶をチョクラルス
キー法により〈１１０〉方向に引き上げて育成した。

【００１８】（実施例）高純度（純度９９．９９％）の
四硼酸リチウムよりなる原料を白金ルツボに充填し、そ
れを抵抗加熱炉により加熱して前記原料を融解させた。
その融解した原料（融液）の表面に、図２に示したよう
に圧電分極軸の正である方位の面、即ち（００１）面同
士を合わせてなる２本の四硼酸リチウム単結晶２ａ，２
ｂからなる種結晶２ｃを接触させ、原料融液直上（０〜
２０mm）の平均温度勾配を１５℃／cmとし、回転数０．
３rpmで回転させながら、引上げ速度０．３mm／時で鉛
直方向に引き上げて、図４に示したようにネッキングを
行った後、結晶１を育成した。ネック部６から肩部１０
にかけての広がり角度ｄを１６０度として直胴部直径４
インチ、長さ１００mmの四硼酸リチウム結晶を育成した
後、その結晶１を前記融液から離し、２０℃／時で冷却
した。また、ネック部６の形状、即ちその長さと太さの
調整に付いては、結晶の引上げ速度と引上げ開始温度を
適宜調整することにより行った。結晶育成を９回行った
結果、全ての結晶において、異常成長稜及びクラックは
発生せず、良好な結晶が得られた。

【００１９】（比較例）比較として、ネッキングを行わ
ずに結晶を育成した。その他の条件は上記実施例と同じ
であった。結晶育成を１１回行った結果、９本に付いて
異常成長稜が発生した。異常成長稜の発生した９本の結
晶には育成中にクラックが生じてしまい、良好な結晶は
得られなかった。

【００２０】以上説明したように、四硼酸リチウム結晶
を育成するにあたり、ネッキングを行うことが育成結晶
の大口径化、特に直径４インチ以上の大口径化を図る上
で極めて有効であることがわかる。なお、直径４インチ
未満の結晶を育成する場合にも、異常成長稜やクラック
の発生を防止して、歩留り良く結晶を製造するのに有効
であることは勿論である。

【００２１】なお、上記実施例においては、２本の四硼
酸リチウム単結晶２ａ，２ｂで種結晶２ｃを構成してい
るが、圧電分極軸の正である方位の面同士を合わせる
か、或は圧電分極軸の正である方位の面が露出しなけれ
ば、四硼酸リチウム単結晶は１本でもよいし３本以上で
もよい。また、上記実施例においては、種結晶２ｃを
〈１１０〉方向に引上げているが、その方向に限らず、
引上げ方向が〈１００〉方向などのように、〈００１〉
方向に略直交する方向やそれらの方向から５度程度ずれ
ていても、同様の効果、即ちネッキングを行うことによ
り、異常成長稜やクラックを発生させることなく大口
径、特に４インチ以上の四硼酸リチウム結晶を安定して
歩留り良く製造することができるという効果が得られ
る。

【００２２】また、結晶育成条件に付いては、上記実施
例により何等制限されるものではなく、原料融液直上
（０〜２０mm）の平均温度勾配はクラック防止のため１
０〜２５℃／cmの範囲、種結晶２ｃとルツボの相対的回
転数は固液界面形状を下凸状に保つため０．１〜３rpm
の範囲、結晶の引上げ速度は気泡の発生を防止するため
０．１〜１mm／時の範囲、ネック部６から肩部１０にか
けての広がり角度ｄは１４０〜１７０度の範囲、引上げ
後の結晶１の室温までの冷却速度は１０〜３０℃／時の
範囲、で夫々適宜選択することができる。

【００２３】さらに、種結晶２ｃも、上記実施例のもの
に限定されるものではなく、圧電分極軸の正である方位
の面、即ち（００１）面が種結晶２ｃの外周部分に露出
しないようになっているものであればよく、例えば、斜
めに切った単結晶同士を貼り合わせたり、それ以外の別
の形状の単結晶同士を貼り合わせてもよく、その貼り合
わせ方法も、熱処理による接合や無機系接着剤などの使
用による接合など、如何なる方法も適用可能である。或
は、双晶を含み且つ圧電分極軸の正である方位の面が露
出していない結晶を種結晶として用いることも可能であ
る。

【００２４】さらにまた、本発明は、四硼酸リチウム結
晶の育成に限らず、原料融液に種結晶を接触させて行な
う結晶育成方法において結晶育成中に異常成長稜が発生
し得る圧電性結晶の育成に適用可能である。その場合に
は、その育成結晶において異常成長稜が多発する方向を
特定し、その方向の面が露出していないような種結晶を
用いればよい。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、複数の圧電性単結晶を
その圧電分極軸の正である方位の面同士を合わせた状態
で一体化してなる種結晶、或は双晶を含み且つ圧電分極
軸の正である方位の面が露出していない種結晶の何れか
を用い、さらに結晶の育成開始時にネッキングを行って
ネック部を形成することにより、育成中の結晶における
異常成長稜及びクラックの発生を防止することができ、
育成する結晶の直径が４インチ未満の場合は勿論のこ
と、直径が４インチ以上の場合にも、圧電性結晶、特に
弾性表面波装置用の基板として好適な大口径の四硼酸リ
チウム結晶を安定して歩留りよく製造することができ
る。また、ネック部に続いて育成される結晶の肩部の形
状をフラットトップに近づけることができるので、歩留
りが向上し基板コストを下げることができ、経済的効果
が極めて大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の種結晶を用いて育成した四硼酸リチウム
結晶における成長稜を説明するための図である。

【図２】本発明に係る製造方法に用いる種結晶を説明す
るための図である。

【図３】比較例において育成した四硼酸リチウム結晶に
おける成長稜を説明するための図である。

【図４】本発明に係る製造方法を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１ 結晶（四硼酸リチウム結晶） ２ａ，２ｂ 四硼酸リチウム単結晶 ２ｃ 種結晶 ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ，３ｈ 成
長稜 ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ 成
長稜 ５ クラック ６ ネック部

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電性結晶原料を融解し、その融解して
   なる原料の表面に、圧電分極軸の正である方位の面を露
   出してなる複数の圧電性単結晶をその圧電分極軸の正で
   ある方位の面同士を合わせた状態で一体化してなる種結
   晶を接触させ、該種結晶を回転させながら徐々に引き上
   げ、一旦種結晶よりも細く絞ったネック部を形成し、そ
   のネック部に続いて種結晶よりも太い結晶を育成するこ
   とを特徴とする圧電性結晶の製造方法。
2. 【請求項２】 圧電性結晶原料を融解し、その融解して
   なる原料の表面に、双晶を含み且つ圧電分極軸の正であ
   る方位の面が露出していない種結晶を接触させ、該種結
   晶を回転させながら徐々に引き上げ、一旦種結晶よりも
   細く絞ったネック部を形成し、そのネック部に続いて種
   結晶よりも太い結晶を育成することを特徴とする圧電性
   結晶の製造方法。
3. 【請求項３】 上記圧電性結晶が四硼酸リチウム結晶で
   あり、且つ上記圧電分極軸の正である方位の面が（００
   １）面であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧
   電性結晶の製造方法。