JP3816903B2 - 強誘電性材料のバルク導電率を増大するための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して材料の加工に関し、より具体的には、限定はされないが、強誘電性材料を加工するための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タンタル酸リチウム(LiTaO₃)及びニオブ酸リチウム(LiNbO₃)は、比較的大きな電気光学係数及び非線形光学係数を有するため、非線形光学デバイスを製作するための材料として広く使用されている。これら非線形光学デバイスには、例えば、波長変換器、増幅器、チューナブル源、分散補償板、及び光ゲートミキサーが含まれる。また、タンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムは、それらの結晶が自然電気分極を呈するため、強誘電性材料としても知られている。
【０００３】
タンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウム材料は、比較的低いバルク導電率を有するため、それら材料中に電荷が蓄積する傾向がある。電荷は、材料が加熱されたり、又は機械的な応力を加えられたりする際に蓄積し得る。電荷が不足し、それによりデバイスが故障したり、又は信頼できなくなる可能性があり、デバイスメーカーは、蓄積したり、又は散逸される電荷を最小限にするための特別な（及び、一般にコストのかかる）予防措置を取る必要があった。
【０００４】
ニオブ酸リチウム材料のバルク導電率は、還元ガスを含む環境中でニオブ酸リチウム原料を加熱することによって増大し得る。還元ガスにより、酸素イオンがニオブ酸リチウム材料の表面から脱出する。従って、ニオブ酸リチウム材料には過剰の電子が残され、バルク導電率が増大する結果となる。バルク導電率が増大したことにより、電荷の蓄積が防止される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した技術は、ある条件下でニオブ酸リチウム材料のバルク導電率を増大できるが、この技術は、タンタル酸リチウムには特に有効でない。タンタル酸リチウムは、ニオブ酸リチウムと比較して、例えば、ある種の高周波表面弾性波(SAW)フィルター用途に適しているため、タンタル酸リチウム材料のバルク導電率を増大するための技術が望まれている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
一実施形態において、金属蒸気を含む環境に強誘電性材料を配置し、その材料のキュリー温度未満の温度まで材料を加熱することにより、強誘電性材料を加工する。これにより、材料の強誘電分域特性を実質的に劣化させることなく、強誘電性材料のバルク導電率を増大させることが可能となる。一実施形態では、強誘電性材料はタンタル酸リチウムからなり、金属蒸気は亜鉛からなる。
【０００７】
本発明のこれら及び他の特徴は、添付図面及び特許請求の範囲を含む本明細書を通読することにより当業者には容易に明らかになるであろう。
【０００８】
それぞれの図面において同じ参照符号を使用することにより、同じ、又は類似の構成要素が示される。別段の注記がない限り、図面は一定の縮尺であるとは限らない。
【０００９】
【発明の好ましい実施形態】
本明細書では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、装置、プロセスパラメーター、プロセスステップ、及び材料の例などの多数の具体的な細部が提供される。しかしながら、１つ又はより多くのそのような具体的な細部がなくとも、本発明が実施可能であることは当業者には認識されるであろう。また、本発明の態様が不明瞭になるのを避けるため、良く知られた細部を図示したり、又は説明したりしない。
【００１０】
さらに、本発明の実施形態はタンタル酸リチウムに関連して説明されるが、本発明がそのように限定されるものでないことは理解されるべきである。当業者は、本発明の教示を改変して、例えば、ニオブ酸リチウムのような他の強誘電性材料のバルク導電率を増大することができる。
【００１１】
本発明の実施形態によれば、強誘電性材料のバルク導電率は、金属蒸気を含む環境中にその材料を配置し、材料をそのキュリー温度まで加熱することにより増大できる。一般に、強誘電性材料のキュリー温度は、その材料が強誘電特性を失う温度より高い。比較的高い拡散率を有する金属蒸気の存在下で強誘電性材料の単一分域をそのキュリー温度未満の温度まで加熱することにより、強誘電性材料の強誘電分域の状態は、感知できるほどには劣化しない。
【００１２】
好ましくは、蒸気に転換されるべき金属は、比較的高い拡散率を有し、且つ強誘電性材料の酸化状態を低減する潜在力を有する。本発明者は、これらの特性により、金属イオンが、強誘電性材料の表面中へ格子の空位部を埋めるように数マイクロメートル拡散するようになり、酸化状態を減少させ、それにより強誘電性材料から電子を遊離させ、材料のバルク全体にわたって負イオン空位部を満たすプロセスを開始することができると考えている。これら負イオンの空位部を満たす電子は、点欠陥部位に束縛されると考えられる。これら束縛電子は、概して、強誘電性材料に特有の幅広い色合いを呈させるエネルギーレベルのスペクトルを有する。格子の空位部を埋め、点欠陥部位に中和電子を供給することにより、過剰な電荷を迅速に中和するか、又は恐らくはポーラロンとして切り離すことができる。過剰な電荷(電子)は、格子内へ導入されると格子の分極内で実体として移動する電子にとってエネルギー的に好都合である。そのような実体は、「ポーラロン」と呼ばれ、電子移動度を増大させることになる。電子電荷が格子によって遮蔽されるため、ポーラロンは、格子に沿った静電力によって妨げられずに移動できる。
【００１３】
一実施形態において、蒸気に転換されるべき金属は亜鉛からなり、強誘電性材料はウェーハ形態のタンタル酸リチウムからなる。亜鉛蒸気は、タンタル酸リチウムウェーハのキュリー温度より若干低い温度まで亜鉛を加熱することによって生成され得る。キュリー温度未満の温度において効率的に拡散させるのに十分高い蒸気圧を得るために、金属とタンタル酸リチウムウェーハを、所定の容積を有する密閉されたコンテナー内で加熱してもよい。本発明者は、タンタル酸リチウムウェーハを亜鉛蒸気中で加熱することで、亜鉛がタンタル酸リチウムウェーハの表面へ拡散し、リチウムの空位部を満たすと考えている。これは、以下の式１による余分な電荷の放出という結果になると考えられる。
Ｚｎ ＋ ＶＬｉ⁻ ＝ Ｚｎ^＋２Ｌｉ ＋ ２ｅ⁻ （式１）
【００１４】
余分な電子は、タンタル酸リチウムウェーハのバルク内の負イオン空位部内に捕獲されると考えられている。タンタル酸リチウムウェーハのバルク内の増大された電子移動度は、ピロ電気効果または圧電効果によって蓄積した過剰電荷がポーラロンとして切り離される際に生じる。即ち、本発明者は、タンタル酸リチウムウェーハの増大された導電率が事実上ポーラロンになるのではないかと考えている。
【００１５】
ここで、図１を参照すると、本発明の実施形態によるコンテナー210の概略図が示される。コンテナー210は、加工されるべき１つ又は複数のウェーハ201と、蒸気に転換されるべき金属202とを保持するために使用され得る。コンテナー210は、ボディ211とエンドキャップ212とを含む。エンドキャップ212は、例えば、酸素−水素トーチを用いてボディ211に溶接されてもよい。
【００１６】
ボディ211は、チューブセクション213及びチューブセクション214を含む。コンテナー210は、チューブセクション213及び214をキャッピングして、エンドキャップ212をボディ211に溶接することによって密閉され得る。チューブセクション214は、プラグ215をチューブセクション214へ挿入して、チューブセクション214の壁にプラグ215の壁を溶接することによりキャッピングされ得る。チューブセクション213は、密閉された毛管とすることができる。真空ポンプをチューブセクション214に結合して、コンテナー210を真空にすることができる。密閉されたチューブセクション213は、コンテナー210内の圧力を増大させる(例えば、コンテナー210内の圧力を大気圧にする)ために、実施されたプロセスの終わりに割って開くことができる。
【００１７】
さらに図１を参照すると、１つ又は複数のウェーハ201をウェーハ保持器203内に配置し、次いで、この保持器203をコンテナー210へ挿入することができる。金属202を、ウェーハ保持器203内でウェーハ201と共に配置してもよい。ウェーハ保持器203は、米国カリフォルニア州サンタクララのLP Glass, Inc.から入手可能なような、市販のウェーハ保持器とすることができる。ウェーハ保持器203は、例えば、石英から形成され得る。
【００１８】
表１は、一実施形態におけるコンテナー210の寸法を示す。コンテナー210は、様々な数のウェーハを収容するようにサイズ調整され得ることは留意すべきである。
【００１９】
【表１】

【００２０】
図２は、本発明の実施形態によるハウジング220の概略図を示す。ハウジング220は、アルミナ製の円筒形の容器とすることができる。コンテナー210を、図２に示すようにハウジング220内に挿入し、図３に示すようにプロセスチューブ内で加熱することができる。ハウジング220は、コンテナー210を取り囲み、コンテナー210を均一に加熱することを可能にする。さらに、ハウジング220は、コンテナー210が壊れないように保護するための物理的バリアとして機能する。
【００２１】
図２に示すように、ハウジング220は、密閉端部224と、開放端部221とを有することができる。好ましくはコンテナー210は、そのエンドキャップ212が開放端部221に向くようにハウジング220内部に配置される。開放端部221は、コンテナー210がハウジング220から好都合に取り出されることを可能にする。また、開放端部221は、温度が下降している間に、コンテナー210内に温度勾配を作るのを容易にする。温度勾配は、堆積している金属蒸気をコンテナー210内のウェーハから離すように引き付ける冷たい部分を、エンドキャップ212内に生じさせる。これは、ウェーハ表面から除去しなければならない堆積物の量を最小限にする。本発明のこの態様を、以下により詳細に述べる。
【００２２】
図３は、本発明の実施形態による強誘電性材料のバルク導電率を増大させるためのシステム300を示す。システム300は、ハウジング220を収容するプロセスチューブ310を含む。上述したように、ハウジング220は、金属202とウェーハ201を保持するコンテナー210を収容する。プロセスチューブ310は、半導体産業界で一般的に使用される市販の炉とすることができる。プロセスチューブ310は、ハウジング220及びその内部の全ての構成要素を加熱するためのヒーター303(即ち、303A、303B、303C)を含む。プロセスチューブ310は、長さ約182.88cm(72インチ)とすることができ、これは３つの約60.96cm(24インチ)長の加熱ゾーンに分割され、中央の加熱ゾーンは「ホットゾーン」である。プロセスチューブ310は、ヒーター303Aにより加熱される第１の加熱ゾーン、ヒーター303Bにより加熱される第２の加熱ゾーン、及びヒーター303Cにより加熱される第３の加熱ゾーンを含むことができる。また、プロセスチューブ310は、ハウジング220を動かすためのカンチレバー302と、プロセスチューブにハウジング220を出し入れするドア301を含む。ハウジング220は、その開放端部221がドア301のほうを向く状態でプロセスチューブ310の中央に配置され得る。
【００２３】
図４は、本発明の実施形態による、強誘電性材料を加工するための方法400のフローチャートを示す。方法400は、例として、コンテナー210、ハウジング220、及びシステム300を使用して説明される。しかしながら、このフローチャート400、コンテナー210、ハウジング220、及びシステム300は、本明細書において例示のために提供されるものであり、限定のために提供されるわけではないことは理解されるべきである。
【００２４】
図４のステップ402において、金属202と１つ又は複数のウェーハ201をウェーハ保持器203内に配置する。次いで、ウェーハ保持器203をコンテナー210内に配置する。一実施形態において、ウェーハ201は、直径100mmの42度回転Yタンタル酸リチウムウェーハであり、金属202は純度99.999％の亜鉛からなる。一実施形態において、５つのウェーハ201が、ウェーハ保持器203内で約８gの亜鉛と共に配置される。亜鉛はペレットの形態であってよい。純度99.999％の亜鉛ペレットは、米国ペンシルバニア州ウェインのJohnson Matthey, Inc.から市販されている。ウェーハに対する亜鉛の量は、特定の用途に適合するように変更され得ることに留意されたい。
【００２５】
ステップ404において、コンテナー210は、約13.3×10^−４Pa（10^−７Torr）まで減圧され、次いで、約5時間にわたって約200℃まで加熱される。ステップ404は、エンドキャップ212をボディ211に溶接し、チューブセクション213をキャッピングし、チューブセクション214に真空ポンプを結合し、そしてコンテナー210に巻き付けられた加熱テープでコンテナー210を加熱することによって実行され得る。ステップ404は、金属202が溶融される前に、酸素源、水、及び他の汚染物質を、コンテナー210から取り除くのに役立つ。
【００２６】
ステップ406において、コンテナー210は、その内部圧がキュリー温度より若干低い温度で約10.1×10^６Pa（760Torr）となるように戻し充填される。一実施形態において、コンテナー210は、約2.53×10^６Pa（190Torr）になるよう戻し充填される。これによりコンテナー210の内圧が増大するため、コンテナー210の長時間にわたる高温までの加熱がより安全になる。コンテナー210は、アルゴンなどの不活性ガスで戻し充填され得る。必要に応じて、コンテナー210は、95％の窒素と５％の水素からなる形成ガスで戻し充填されてもよい。形成ガス単独では、タンタル酸リチウム材料のバルク導電率が増大されるようにタンタル酸リチウム材料を十分に還元しないことに留意されたい。しかしながら、この例では、形成ガスが、ステップ404後のコンテナー210内に残存し得る酸素を捕獲するのに役立つ。形成ガスでコンテナー210を戻し充填することは、コンテナー210から汚染物質が完全に除去される用途においては不要にできる。コンテナー210は、チューブセクション214にプラグ215を溶接し、チューブセクション213のキャッピングを壊して外し、次いでチューブセクション213を介して戻し充填ガスを流すことによって戻し充填され得る。
【００２７】
ステップ408において、コンテナー210を封止する。この時点では、コンテナー210は戻し充填ガス源を除去して、チューブセクション213をキャッピングすることによって封止されてもよい(前のステップで、エンドキャップ212はすでにボディ211に溶接されており、チューブセクション214はすでにキャッピングされていることに留意されたい。)。
【００２８】
ステップ410において、コンテナー210をハウジング220に挿入する。
【００２９】
ステップ412において、ハウジング220は、プロセスチューブ310内でウェーハ201のキュリー温度未満の温度で加熱される。ハウジング220をウェーハ201のキュリー温度未満の温度で加熱することにより、ウェーハ201の強誘電特性が実質的に劣化することなく、金属202が溶融される。金属202の溶融により、ウェーハ201の周囲に金属蒸気が生じる。この例では、金属蒸気は亜鉛蒸気からなり、ウェーハ201はタンタル酸リチウムからなる。亜鉛蒸気とタンタル酸リチウムとの間の相互作用については、ウェーハ201のバルク導電率が増大すると本発明者が考えていることはすでに説明した。
【００３０】
一実施形態において、ハウジング220は、長さ72cmのプロセスチューブ310の中央で加熱される。また、図３に示すように、ハウジング220は、開放端部221がドア301に面するようにプロセスチューブ310内に配置され得る。コンテナー210は、エンドキャップ212が開放端部221に向くようにハウジング220内部に配置されるのが好ましい(図２参照)。
【００３１】
一実施形態において、ハウジング220は、約150℃／ｈの上昇率で、約595℃の最高温度まで約240時間、プロセスチューブ310内で加熱される。好ましくは、ハウジング220は、ウェーハ201のキュリー温度よりほんの数度低い最高温度まで加熱される。ウェーハのキュリー温度は、メーカーによって異なる場合があるため、最大加熱温度は個々のウェーハに合わせて調整されなければならない場合もある。また、プロセスチューブ310内でのハウジング220の加熱時間も、金属蒸気が十分拡散しないことが確実になるように調整されてもよい。方法400は裸ウェーハ201(即ち、ウェーハ201上にデバイスが製作される前)に実施されるため、方法400の全プロセス時間が、デバイスの製作に要する時間量には容易に加算されないことに注意されたい。
【００３２】
ステップ414を続けると、プロセスチューブ310内の温度は、加工されたばかりのウェーハ201が熱衝撃により劣化しないように下げられる。一実施形態において、プロセスチューブ310内の温度は、その目標値を400℃に設定することにより下降される。その後、ハウジング220をドア301に向かって約２cm/分の速度で3分間移動させると共に、移動の間に1.5(１と1/2)分の休止時間を設けて移動させるよう、カンチレバー302(図３参照)をプログラムできる。即ち、ハウジング220を３cm/分の速度で３分間移動させ、そして1.5分間休止させ、そして３cm/分の速度で３分間移動させ、そして1.5分間休止させるというように、ハウジング220がドア301に到達するまで全部で40分間続けることができる。
【００３３】
ハウジング220がドア301に向かって移動すると、ハウジング220の開放端部221は密閉端部224より冷たくなる。これはコンテナー210内に温度勾配をもたらし、エンドキャップ212(開放端部221と共にドア301に面する)は、コンテナー210の他の部分よりも冷たくなる。また、コンテナー210内に温度勾配を生じさせることは、温度がドア301に向かって低くなるようにプロセスチューブ310のヒーターを調整することによっても容易にできる。コンテナー210内の温度勾配により、エンドキャップ212が、堆積する金属蒸気をウェーハ201から離すように引き寄せる冷たい部分になる。
【００３４】
ステップ416において、ハウジング220をプロセスチューブ310から取り外す。次いで、コンテナー210をハウジング220から取り外す。
【００３５】
ステップ418において、ウェーハ201をコンテナー210から取り外す。ステップ418は、まずチューブセクション213(図１参照)を壊して開け、コンテナー210をゆっくりと大気にさらすことにより実施される。また、コンテナー210は、不活性ガスで戻し充填されてもよい。その後、エンドキャップ212を、例えば、ダイヤモンドブレードソーを用いてボディ211から切り離してもよい。
【００３６】
ステップ420において、ウェーハ201は、その表面から堆積物を除去して、バルクを露出するように研磨される。一実施形態において、ウェーハ201の両面は、各面から約50μｍ除去するように、化学機械研磨により研磨される。
【００３７】
実験では、直径100mmの、5つの42度回転Yタンタル酸リチウムウェーハ（以降、「実験用ウェーハ」と呼ぶ）を上述の方法400に従って加工した。実験用ウェーハを、８gの亜鉛と共にコンテナー210内に配置し、次いで、プロセスチューブ310内で595℃まで240時間加熱した。その後、プロセスチューブ310の温度を下げ、実験用ウェーハをコンテナー210から取り出した。次いで、実験用ウェーハの両面を研磨し、視覚検査した。実験用ウェーハは、均質で、色は灰色がかっているように見えた。次いで、実験用ウェーハをホットプレートに一枚ずつ載せ、ホットプレートの温度を３℃／分の割合で80℃〜120℃まで上昇させ、ウェーハの表面付近に生じた電界を測定することによって、実験用ウェーハのバルク導電率をテストした。電界は、米国オハイオ州クリーブランドのKeithley Instruments製の、型名Model 617の電位計を用いて測定された。実験用ウェーハは、表面付近に測定可能な電界を生じなかった。これは、実験用ウェーハのバルク導電率が増大されたことを意味する。
【００３８】
比較のために、直径100mmの、加工していない42度回転Yタンタル酸リチウムウェーハ（以降、「標準ウェーハ」と呼ぶ）をホットプレートに載せた。ホットプレートの温度を３℃／分の割合で80℃〜120℃まで上げた。標準ウェーハの表面付近の電界を測定すると、温度が20℃変化する度に400V増加していた。このことは、標準ウェーハのバルク導電率が比較的低いことを意味する。
【００３９】
本発明の具体的な実施形態を提供してきたが、これらの実施形態が例示目的のものであって限定を目的とするものでないことは理解されよう。多くのさらなる実施形態は、本明細書を通読してきた当業者には明らかであろう。従って、本発明は、特許請求の範囲によってのみ制限される。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、強誘電性材料、とりわけタンタル酸リチウム材料のバルク導電率を増大させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による、コンテナーの概略図である。
【図２】本発明の実施形態による、ハウジングの概略図である。
【図３】本発明の実施形態による、強誘電性材料のバルク導電率を増大するためのシステムを示す。
【図４】本発明の実施形態による、強誘電性材料のバルク導電率を増大する方法のフローチャートである。
【符号の説明】
201 ウェーハ
210 コンテナー
220 ハウジング
300 システム
302 カンチレバー
303 ヒーター
310 プロセスチューブ

Claims (18)

1. タンタル酸リチウム材料を加工する方法であって、
   前記タンタル酸リチウム材料を、金属を含む環境内に配置することと、及び、
   前記タンタル酸リチウム材料を、そのキュリー温度未満の温度まで加熱することと、
   前記タンタル酸リチウム材料のバルク組成を変化させることなく前記タンタル酸リチウム材料の表面へ前記金属を拡散させることと、
   を含む、方法。
2. 前記金属が亜鉛からなる、請求項１の方法。
3. 前記温度が、 595℃に等しいか又はそれより低い、請求項１の方法。
4. 前記タンタル酸リチウム材料の加熱後、前記金属が前記タンタル酸リチウム材料から離れた位置で堆積するように、温度勾配を形成することをさらに含む、請求項１の方法。
5. 前記タンタル酸リチウム材料が前記金属と共に、密閉されたコンテナー内で加熱される、請求項１の方法。
6. 前記密閉されたコンテナーが不活性ガスを含む、請求項５の方法。
7. 前記不活性ガスがアルゴンからなる、請求項６の方法。
8. 前記密閉されたコンテナーが形成ガスを含む、請求項５の方法。
9. 前記密閉されたコンテナーがプロセスチューブ内で加熱される、請求項５の方法。
10. 前記タンタル酸リチウム材料の加熱後、前記密閉されたコンテナーの第１の端部が、前記密閉されたコンテナーの第２の端部よりも冷たくなるように前記密閉されたコンテナーを冷却して、前記第１の端部付近で前記金属が堆積するのを容易にすることをさらに含む、請求項５の方法。
11. タンタル酸リチウム材料を加工するためのシステムであって、
    前記タンタル酸リチウム材料及び金属を収容する密閉されたコンテナーであって、開放端部と密閉端部とを有するハウジング内に収容されているコンテナー及び
    タンタル酸リチウムと前記金属の蒸気が反応するように、前記タンタル酸リチウム材料のキュリー温度未満の温度で前記コンテナーを加熱するように構成されたプロセスチューブとを備える、システム。
12. 前記タンタル酸リチウム材料がウェーハの形態である、請求項１１のシステム。
13. 前記タンタル酸リチウム材料が、前記密閉されたコンテナー内部のウェーハ保持器中にある、請求項１１のシステム。
14. 前記金属が亜鉛からなる、請求項１１のシステム。
15. タンタル酸リチウム材料を加工する方法であって、
    前記タンタル酸リチウム材料のキュリー温度未満の温度で、且つ金属を含む環境内で前記タンタル酸リチウム材料を加熱すること、及び
    前記タンタル酸リチウム材料のバルク組成を変化させることなく、前記タンタル酸リチ ウムの表面に前記金属を拡散させること
    を含む、方法。
16. 前記金属蒸気が亜鉛からなる、請求項１５の方法。
17. 前記タンタル酸リチウム材料が、密閉されたコンテナーの内部で加熱される、請求項１５の方法。
18. 前記環境が形成ガスを含む、請求項１５の方法。

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