JP3911967B2

JP3911967B2 - Piezoelectric device substrate manufacturing method, piezoelectric device substrate, and surface acoustic wave device using the same

Info

Publication number: JP3911967B2
Application number: JP2000165114A
Authority: JP
Inventors: 守▲奇▼ 王; 聡宇田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2000-06-01
Filing date: 2000-06-01
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: JP2001348299A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳＡＷフィルタ等に好適な圧電デバイス用基板の製造方法と圧電デバイス用基板、及びこれを用いた表面弾性波デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄（Langasite:ランガサイト）単結晶は、温度による弾性波伝搬速度、周波数の変化率が小さく、圧電性の大小を表す電気機械結合係数（電気エネルギーと機械エネルギーの相互変換効率を示す係数）が大きいことから、表面弾性波（Surface Acoustic Wave:ＳＡＷ）フィルタ等の圧電デバイス用の基板材料として研究が行われている（例えば、H.Takeda,K.Shimamura,V.I.Chani,T.Fukuda,Effect of starting melt composition on crystal growth of La₃Ga₅SiO₁₄,J.Crystal Growth 197(1999)204.等）。すなわち、このランガサイト単結晶は、水晶と同等の温度特性を持ち、しかも電気機械結合係数が水晶の約３倍あり、携帯電話等に多用されているＳＡＷフィルタの広帯域化と小型化を図ることが可能になる。例えば、特開平１０−１２６２０９号公報等にランガサイト単結晶を用いた表面弾性波デバイスが記載されている。
従来、このランガサイト単結晶を育成するには、化学量論比の組成に基づいた原料ペレットを融解して単結晶を育成していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、化学量論的組成等の従来用いられている組成でランガサイト単結晶を育成すると、結晶には二次相が出やすく、結晶が割れやすくなるという不都合がある。また、二次相の発生を抑制するために成長速度をかなり低い値にしなければならなく、生産効率が悪くなってしまう問題があった。さらに、ランガサイト単結晶を構成する原子のうち、Ｇａは揮発し易い性質を有するため、組成によっては高い揮発性のために安定した引上成長が難しいという不都合があった。
【０００４】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、二次相が発生し難く、さらにＧａの揮発性の影響が少ない圧電デバイス用基板の製造方法と圧電デバイス用基板、及びこれを用いた表面弾性波デバイスを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ランガサイト単結晶の製造技術について研究を行ってきた結果、二次相がほとんど存在しない組成条件を見出すことができた。さらには、Ｇａの揮発性の影響が少なく、安定した成長が可能な組成条件を見出すことができた。したがって、本発明は、この知見に基づいた技術であり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
【０００６】
すなわち、本発明の圧電デバイス用基板の製造方法は、ランガサイト単結晶を育成して圧電デバイス用基板に加工する圧電デバイス用基板の製造方法であって、添付図面１に示すＢ（Ｌａ_２Ｏ_３が４８．５０重量％、Ｇａ_２Ｏ_３が４６．３２重量％、ＳｉＯ_２が５．１８重量％）、点Ｃ（Ｌａ_２Ｏ_３が４８．５０重量％、Ｇａ_２Ｏ_３が４７．５０重量％、ＳｉＯ_２が４．００重量％）、点Ｄ（Ｌａ_２Ｏ_３が４７．５０重量％、Ｇａ_２Ｏ_３が４７．５０重量％、ＳｉＯ_２が５．００重量％）で囲まれる組成範囲内で秤量してルツボ内で融解させ、該ルツボ内からランガサイトの単結晶を引き上げ育成することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の圧電デバイス用基板は、ランガサイトの単結晶で形成された圧電デバイス用基板であって、添付図面１に示すＢ（Ｌａ_２Ｏ_３が４８．５０重量％、Ｇａ_２Ｏ_３が４６．３２重量％、ＳｉＯ_２が５．１８重量％）、点Ｃ（Ｌａ_２Ｏ_３が４８．５０重量％、Ｇａ_２Ｏ_３が４７．５０重量％、ＳｉＯ_２が４．００重量％）、点Ｄ（Ｌａ_２Ｏ_３が４７．５０重量％、Ｇａ_２Ｏ_３が４７．５０重量％、ＳｉＯ_２が５．００重量％）で囲まれる組成範囲内で秤量してルツボ内で融解させ、該ルツボ内から引き上げ育成された単結晶であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の表面弾性波デバイスは、引き上げにより育成されたランガサイトの単結晶で形成された圧電デバイス用基板であって、前記ランガサイトは、添付図面１に示す点ｂ（Ｌａ_２Ｏ_３が４８．４８重量％、Ｇａ_２Ｏ_３が４６．３２重量％、ＳｉＯ_２が５．２０重量％）、点ｃ（Ｌａ_２Ｏ_３が４８．４９重量％、Ｇａ_２Ｏ_３が４７．４９重量％、ＳｉＯ_２が４．０２重量％）、点ｄ（Ｌａ_２Ｏ_３が４７．５２重量％、Ｇａ_２Ｏ_３が４７．４９重量％、ＳｉＯ_２が４．９９重量％）で囲まれる組成範囲内の単結晶であることを特徴とする。
【０００９】
これらの圧電デバイス用基板の製造方法及び圧電デバイス用基板では、後述する実験結果に基づいて、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄の原料であるＬａ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂のそれぞれ組成範囲を上記範囲内で秤量してルツボ内で融解させ、該ルツボ内からＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄の単結晶を引き上げ育成し、またＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄が、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂が上記組成範囲内の単結晶であるので、二次相の発生が極めて少ない高品質なＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄単結晶が得られるとともに、バラツキの少ない表面弾性波伝搬速度及び均一な中心周波数を有する基板が得られる。
【００１３】
これらの圧電デバイス用基板の製造方法及び圧電デバイス用基板では、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄の原料であるＬａ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂のそれぞれ組成範囲をさらに上記範囲内に限定秤量してルツボ内で融解させ、該ルツボ内からＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄の単結晶を引き上げ育成し、またＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄が、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂が上記組成範囲内に限定した単結晶であるので、二次相の発生を抑制するだけでなく、Ｇａ₂Ｏ₃の高い組成比により、Ｇａの揮発性による成長への影響を極力低減することができる。
【００１４】
また、本発明の圧電デバイス用基板は、伝搬速度のバラツキが１００ｐｐｍ以下にあるので、ＳＡＷフィルタ特性の均一性を向上させることができる。
【００１５】
本発明の表面弾性波デバイスは、上記本発明の圧電デバイス基板の表面上に表面弾性波を送受信する電極を形成したことを特徴とする。
この表面弾性波デバイスでは、上記本発明の圧電デバイス基板を用いることで、高品質で特性のバラツキが少ないとともに高い信頼性を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電デバイス用基板の製造方法と圧電デバイス用基板、及びこれを用いた表面弾性波デバイスの一実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。
【００１７】
本実施形態の圧電デバイス基板及び表面弾性波デバイスを製造するには、まず、図１に示す第１の組成範囲、すなわち、
図１に示す点Ａ（Ｌａ₂Ｏ₃が４７．９８重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．３２重量％、ＳｉＯ₂が５．７０重量％）、
点Ｂ（Ｌａ₂Ｏ₃が４８．５０重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．３２重量％、ＳｉＯ₂が５．１８重量％）、
点Ｃ（Ｌａ₂Ｏ₃が４８．５０重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４７．５０重量％、ＳｉＯ₂が４．００重量％）、
点Ｄ（Ｌａ₂Ｏ₃が４７．５０重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４７．５０重量％、ＳｉＯ₂が５．００重量％）、
点Ｅ（Ｌａ₂Ｏ₃が４７．５０重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．３２重量％、ＳｉＯ₂が６．１８重量％）、
点Ｆ（Ｌａ₂Ｏ₃が４７．５０重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．００重量％、ＳｉＯ₂が６．５０重量％）、
点Ｇ（Ｌａ₂Ｏ₃が４７．９８重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．００重量％、ＳｉＯ₂が６．０２重量％）で囲まれる組成範囲内で原料を秤量する。
【００１８】
なお、この組成範囲は、Ｌａ₂Ｏ₃が４７．５０重量％から４８．５０重量％までとし、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．００重量％から４７．５０重量％までとし、ＳｉＯ₂が４．００重量％から６．５０重量％までとした組成範囲内から、Ｌａ₂Ｏ₃が４７．９８重量％を越えていると共にＧａ₂Ｏ₃が４６．３２重量％未満の組成範囲を除いた組成範囲である。
次に、これらの原料を振動攪拌機で１時間混合させ、外径１００ｍｍ×６０ｍｍの寸法をもったペレットに成形する。次に、ペレットを電気炉で１２００℃の温度で、１時間空気中で焼成する。
【００１９】
結晶の育成は、高周波加熱育成炉において、図２に示すように、イリジウム製のルツボ１を用いて行い。該ルツボ１の外側と上方にアルミナ及びジルコニアの断熱材２を設け、ホットゾーンを形成する。断熱材２の外側には、加熱用の高周波ワークコイル３を設置する。なお、ルツボ１底部には、熱電対４が設置されている。
【００２０】
育成の際に、ルツボ１の中に焼成されたペレットをチャージし、加熱、融解させて所定温度の融液Ｌとする。そして、ランガサイト（Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄）の種結晶Ｓを引き上げ軸５に固定し、所定の回転数と引上速度で融液Ｌからランガサイト単結晶Ｃを育成する。自動直径制御は、引き上げ軸５につながる重量センサ６で検出した結晶の重量変化信号により行う。
【００２１】
このようにして育成したランガサイト単結晶Ｃ（直径８５ｃｍで直胴部の長さが１９０ｃｍ）は、秤量時の組成範囲と同様の組成範囲内の単結晶となる。すなわち、上記組成範囲の秤量で育成した単結晶は、図１に示す点Ａの組成では点ａ（Ｌａ₂Ｏ₃が４７．９８重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．３２重量％、ＳｉＯ₂が５．７０重量％）の組成となり、点Ｂの組成では点ｂ（Ｌａ₂Ｏ₃が４８．４８重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．３２重量％、ＳｉＯ₂が５．２０重量％）となり、点Ｃの組成では点ｃ（Ｌａ₂Ｏ₃が４８．４９重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４７．４９重量％、ＳｉＯ₂が４．０２重量％）となり、点Ｄの組成では点ｄ（Ｌａ₂Ｏ₃が４７．５２重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４７．４９重量％、ＳｉＯ₂が４．９９重量％）となり、点Ｅの組成では点ｅＬａ₂Ｏ₃が４７．５２重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．３２重量％、ＳｉＯ₂が６．１６重量％）となり、点Ｆの組成では点ｆ（Ｌａ₂Ｏ₃が４７．５１重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．０１重量％、ＳｉＯ₂が６．４８重量％）となり、点Ｇの組成では点ｇ（Ｌａ₂Ｏ₃が４７．９８重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．０２重量％、ＳｉＯ₂が６．００重量％）の組成となった。したがって、この単結晶は、図１に示す点ａ〜ｇで囲まれる組成範囲内の単結晶である。これらの組成範囲内におけるランガサイト単結晶には、二次相がほとんど発生していない。
【００２２】
次に、このランガサイト単結晶Ｃは、スライスされて圧電デバイス用基板に加工される。さらに、この圧電デバイス用基板には、図３に示すように、その表面に励振電極（すだれ電極（櫛歯電極））７が形成されてＳＡＷフィルタ（表面弾性波デバイス）８が作製される。
なお、上記圧電デバイス用基板は、表面弾性波音速（表面上を表面弾性波が伝搬したとき、すなわちデバイスが利用する一定方向（励振電極３の対向方向）に伝搬したときの伝搬速度）のバラツキが１００ｐｐｍ以下となっている。
【００２３】
【実施例】
次に、本発明に係る圧電デバイス用基板の製造方法と圧電デバイス用基板、及びこれを用いた表面弾性波デバイスを、実施例により図１、図４から図７を参照して具体的に説明する。
【００２４】
上記製造方法において、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂の組成を変えて圧電デバイス基板を製造し、これらの基板における二次相の発生の有無を調べた実験データを、以下の表１及び図１に示す。なお、図１中のマークは、二次相が発生した場合は■、発生しない場合は□としている。また、図１中のＸ点は、従来の化学量論的組成（Ｌａ₂Ｏ₃が４８．０４重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．０６重量％、ＳｉＯ₂が５．９１重量％）に基づいて育成した単結晶の場合であり、Ｙ点は、上述したJ.Crystal Growth掲載の論文で記載されている組成（Ｌａ₂Ｏ₃が４７．９９重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．３０重量％、ＳｉＯ₂が５．７１重量％）に基づいて育成した単結晶の場合である。
【００２５】
【表１】

【００２６】
表１及び図１に示すように、上述した組成範囲内の組成で製造した試料番号ＡからＧまでは、二次相が発生しておらず良質な結晶が得られているのに対し、上記組成範囲外の試料（試料番号ＨからＭ）については、二次相が発生してしまっていることがわかる。
【００２７】
また、上記組成範囲のうち、Ｌａ₂Ｏ₃が４７．９３重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．６６重量％、ＳｉＯ₂が５．４１重量％の組成で原料を秤量し、ペレットを作製してルツボ１中にチャージし、直径８５ｃｍ直胴部の長さ１９０ｃｍのランガサイト単結晶Ｃを育成した。そして、このランガサイト単結晶の結晶長さ方向における組成をＩＣＰ分析（Inductive Coupled Plasma:誘導結合プラズマ）で分析した。その結果、表２及び図４、５に示すように、各成分の含有量は、投入組成の±０．０２％以内の誤差で一致した。したがって、上部、中部、下部を通して均一性の良い結晶が得られたことが判明した。さらに、このランガサイト単結晶は、二次相も発生しなかった。
【００２８】
【表２】

【００２９】
なお、比較例として、表３及び図６に示すように、原料を従来の化学量論比組成に基づいて秤量し、上記実施例と同様に、結晶を育成した。なお、この結晶の上部（肩部）の形成段階において二次相が発生した。そして、結晶上部から下部にかけて組成の変動が目標含有量の±０．５％であった。この結晶の下部は、弾性波素子として使用できないものであった。
【００３０】
【表３】

【００３１】
次に、上記実施例のランガサイト単結晶から５０度回転Ｙ軸のウェハを作製した。このウェハ面内の表面弾性波音速（伝搬速度）のバラツキを調べるために、スパッタによってアルミ電極の励振電極７を形成し、上記実施形態のＳＡＷフィルタ８を作製した。そして、ネットアナライザを用いてＳＡＷフィルタ８の中心周波数ｆ_cを測定した。この測定では、ＳＡＷフィルタの入力端子に交流信号をかけ、出力端子から出力信号を測定し、周波数走査によってフィルタの出力信号と入力信号の相対振幅の周波数特性を得た。
【００３２】
なお、中心周波数ｆ_cは、この周波数特性のピーク値から通過損失が−１０ｄＢになる通過帯域中心点の周波数である。ここで、表面弾性波音速ｖは、ｖ＝ｆ_c・２ｄという関係式によって求めることができる。なお、２ｄはＳＡＷフィルタ８の励振電極（すだれ電極）７の周期であり、その寸法の精度は電子顕微鏡で確認されている。こうすることによって、ＳＡＷフィルタの中心周波数から表面弾性波音速を求め、表面弾性波音速の基板面内バラツキを調べることができる。さらに、結晶の上部、中部、下部からの基板の総合的なバラツキも調べた。その結果、図７に示すように、表面弾性波音速のバラツキが１００ｐｐｍ以下であり、結晶の組成の均一性によるＳＡＷフィルタの特性均一性の向上が判明された。
【００３３】
なお、結晶の組成変化が表面弾性波音速のバラツキに与える影響を調べるために、比較例として化学量論比組成に基づいて育成した従来例の結晶を実施例と同様に、圧電デバイス用基板に加工し、ＳＡＷフィルタを作製した。なお、この実験では、結晶上部の透明部しか使わなかった。このＳＡＷフィルタの中心周波数を測定すると、結晶の育成方向の表面弾性波音速バラツキは４００ｐｐｍであり、弾性波素子としてバラツキが大きすぎる結果となった。
【００３４】
すなわち、本発明では、ランガサイトの原料であるＬａ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂のそれぞれ組成範囲を上記範囲内で秤量してルツボ１内で融解させ、該ルツボ内からランガサイト単結晶Ｃを引き上げ育成するので、二次相の発生が極めて少なく長さ方向及び横方向（ウェハ面内）の組成の均一な高品質ランガサイト単結晶が得られるとともに、均一な伝搬速度を有する基板が得られる。そして、表面弾性波音速バラツキが１００ｐｐｍ以下の圧電デバイス用基板が得られることから、該基板を用いることにより、ＳＡＷフィルタ特性の均一性が向上して、高品質なデバイスを高歩留まりで得ることができる。
【００３５】
なお、Ｇａの揮発性を考慮した場合において、圧電デバイス基板及び表面弾性波デバイスを製造するには、図１に示す第２の組成範囲、すなわち、
図１に示す点Ａ（Ｌａ₂Ｏ₃が４７．９８重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．３２重量％、ＳｉＯ₂が５．７０重量％）、
点Ｂ（Ｌａ₂Ｏ₃が４８．５０重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．３２重量％、ＳｉＯ₂が５．１８重量％）、
点Ｃ（Ｌａ₂Ｏ₃が４８．５０重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４７．５０重量％、ＳｉＯ₂が４．００重量％）、
点Ｄ（Ｌａ₂Ｏ₃が４７．５０重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４７．５０重量％、ＳｉＯ₂が５．００重量％）、
点Ｅ（Ｌａ₂Ｏ₃が４７．５０重量％、Ｇａ₂Ｏ₃が４６．３２重量％、ＳｉＯ₂が６．１８重量％）で囲まれる組成範囲内で原料を秤量する。
【００３６】
このように、さらに組成範囲を限定した秤量によって上記と同様に引上成長を行うと共に、引き上げたランガサイト単結晶を圧電デバイス用基板に加工し、該圧電デバイス用基板に上記と同様にＳＡＷデバイスを作製する。
すなわち、Ｇａ₂Ｏ₃の組成比が４６．３２重量％よりも低いと、Ｇａの揮発による組成比の変化が無視できなくなり、引上成長に影響を与えるが、上記第２の組成範囲にさらに限定してＧａ₂Ｏ₃の組成比を高くすることにより、二次相の発生を抑制するだけでなく、Ｇａの揮発性による成長への影響がほとんど無くなり、安定した成長を行うことができる。このような圧電デバイス用基板では、より組成比のバラツキが少なくなり、この基板を用いたＳＡＷデバイスでは、さらに安定した特性を得ることができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄の原料であるＬａ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂のそれぞれ組成範囲を上述した範囲内で秤量してルツボ内で融解させ、該ルツボ内からＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄の単結晶を引き上げ育成し、またＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄が、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｇａ₂Ｏ₃及びＳｉＯ₂の組成範囲が上述した範囲内の単結晶であるので、二次相の発生が極めて少ない高品質なＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄単結晶が得られ、結晶が割れ難くなると共に、成長速度を低くする必要が無く、生産効率を維持することができる。また、均一な中心周波数及び伝搬速度を有する基板を得ることができる。すなわち、長さ方向及び横方向の組成の均一なランガサイト単結晶を育成でき、この結晶から切り出された圧電デバイス用基板は、その表面弾性波伝搬速度のバラツキが大幅に減少し、弾性波素子性能のバラツキも十分に小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施形態における圧電デバイス基板及びその製造方法において、組成を変えて育成した各ランガサイト単結晶の組成表示及び二次相の発生の有無を示す状態図である。
【図２】本発明に係る一実施形態における圧電デバイス基板の製造方法において、ＣＺ法による引き上げ育成を示す概略的な断面図である。
【図３】本発明に係る一実施形態の表面弾性波デバイスを示す斜視図である。
【図４】本発明に係る一実施形態における圧電デバイス基板及びその製造方法において、結晶の長さ方向における測定個所を示す単結晶の概略的な正面図である。
【図５】本発明に係る一実施形態における圧電デバイス基板及びその製造方法において、結晶の長さ方向における測定個所に対する各原料の含有量を示すグラフである。
【図６】本発明に係る従来例における圧電デバイス基板及びその製造方法において、結晶の長さ方向における測定個所に対する各原料の含有量を示すグラフである。
【図７】本発明に係る一実施形態における表面弾性波デバイスにおいて、ＳＡＷフィルタのＳＡＷ音速の基板面内バラツキを示すグラフである。
【符号の説明】
１ルツボ
７励振電極
８ＳＡＷ（表面弾性波）デバイス
Ｃランガサイト単結晶
Ｌ融液
Ｓ種結晶[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric device substrate manufacturing method suitable for a SAW filter or the like, a piezoelectric device substrate, and a surface acoustic wave device using the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ (Langasite) single crystal has a small elastic wave propagation velocity and frequency change rate due to temperature, and an electromechanical coupling coefficient (a mutual relationship between electric energy and mechanical energy) representing the magnitude of piezoelectricity. Since the coefficient indicating the conversion efficiency is large, research has been conducted on substrate materials for piezoelectric devices such as surface acoustic wave (SAW) filters (for example, H. Takeda, K. Shimamura, VIChani, T. Fukuda, Effect of starting melt composition on crystal growth of La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ , J. Crystal Growth 197 (1999) 204.). In other words, this Langasite single crystal has the same temperature characteristics as quartz, and has an electromechanical coupling coefficient of about three times that of quartz, so that the bandwidth and size of SAW filters widely used in mobile phones and the like can be reduced. Is possible. For example, JP-A-10-126209 describes a surface acoustic wave device using a langasite single crystal.
Conventionally, in order to grow this langasite single crystal, the single crystal was grown by melting the raw material pellets based on the composition of the stoichiometric ratio.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a Langasite single crystal is grown with a conventionally used composition such as a stoichiometric composition, there is a disadvantage that a secondary phase is likely to appear in the crystal and the crystal is likely to break. Further, in order to suppress the generation of the secondary phase, the growth rate has to be set to a considerably low value, which causes a problem that the production efficiency is deteriorated. Furthermore, among the atoms constituting the langasite single crystal, Ga has the property of being easily volatilized. Therefore, depending on the composition, there is a disadvantage that stable pulling growth is difficult due to high volatility.
[0004]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and a piezoelectric device substrate manufacturing method, a piezoelectric device substrate, and a method for producing a piezoelectric device substrate, which are less likely to generate a secondary phase and are less affected by Ga volatility, and the same. An object of the present invention is to provide a surface acoustic wave device.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
As a result of studying the manufacturing technology of a langasite single crystal, the present inventors have found a composition condition in which almost no secondary phase exists. Furthermore, it was possible to find a composition condition that is less affected by the volatility of Ga and enables stable growth. Therefore, the present invention is a technique based on this finding, and the following configuration is adopted in order to solve the above problems.
[0006]
That is, the manufacturing method of the substrate for the piezoelectric device of the present invention is a method for manufacturing a substrate for a piezoelectric device for processing a substrate for the piezoelectric device by growing a langasite single crystal, B shown in the accompanying drawings 1 (La ₂ O ₃ 48.50 wt%, _Ga 2 _{O 3} 46.32 wt%, SiO ₂ is 5.18 wt%), point C _(La 2 _{O 3} 48.50 wt%, _Ga 2 _{O 3} is 47. 50 wt%, SiO ₂ is 4.00 wt%), surrounded by point D (La ₂ O ₃ is 47.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 47.50 wt%, SiO ₂ is 5.00 wt%) is melted in a crucible and weighed in the composition range, characterized by pulling a single crystal is grown in the langasite from the crucible.
[0007]
The piezoelectric device substrate of the present invention is a piezoelectric device substrate formed of a single crystal of langasite, B shown in the accompanying drawings 1 _(La 2 _{O 3} is 48.50 wt%, _Ga 2 _{O 3} 46.32 wt%, SiO ₂ 5.18 wt%), point C (La ₂ O ₃ 48.50 wt%, Ga ₂ O ₃ 47.50 wt%, SiO ₂ 4.00 wt%) ), Weighed within a composition range surrounded by point D (La ₂ O ₃ is 47.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 47.50 wt%, SiO ₂ is 5.00 wt%) and melted in the crucible And a single crystal grown from the inside of the crucible.
[0008]
The surface acoustic wave device of the present invention, there is provided a piezoelectric device substrate formed of a single crystal of the grown langasite by pulling, the langasite are that shown in the accompanying drawings 1 b (La ₂ O ₃ There 48.48 wt%, _Ga 2 _{O 3} is 46.32 wt%, SiO ₂ is 5.20 wt%), point c _(La 2 _{O 3} is 48.49 wt%, _Ga 2 _{O 3} is 47.49 Wt.%, SiO ₂ is 4.02 wt.%), Point d (La ₂ O ₃ is 47.52 wt.%, Ga ₂ O ₃ is 47.49 wt.%, SiO ₂ is 4.99 wt.%) It is a single crystal within the composition range.
[0009]
In these piezoelectric device substrate manufacturing methods and piezoelectric device substrates, the composition ranges of La ₂ O ₃ , Ga ₂ O ₃ and SiO ₂ , which are raw materials of La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ , are based on the experimental results described later. Are weighed within the above range and melted in the crucible, and a single crystal of La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ is pulled up and grown from the crucible, and La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ is grown into La ₂ O ₃ and Ga ₂ O _3. And SiO ₂ is a single crystal within the above composition range, so that a high-quality La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ single crystal with very little generation of secondary phase can be obtained, and the surface acoustic wave propagation velocity and uniform variation can be reduced. A substrate having a center frequency is obtained.
[0013]
In these piezoelectric device substrate manufacturing methods and piezoelectric device substrates, the composition ranges of La ₂ O ₃ , Ga ₂ O ₃ and SiO ₂ which are raw materials of La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ are further limited to the above ranges. melted in a crucible and by pulling a single crystal is grown of La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ from the crucible, also La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ _{_{_{is, La 2 O 3, Ga 2}}} O 3 and SiO ₂ is above composition Since the single crystal is limited within the range, not only the generation of the secondary phase is suppressed, but also the influence on the growth due to the volatility of Ga can be reduced as much as possible by the high composition ratio of Ga ₂ O ₃ .
[0014]
The piezoelectric device substrate of the present invention, since the variation in heat transfer搬速degree in 100ppm or less, it is possible to improve the uniformity of the SAW filter characteristic.
[0015]
The surface acoustic wave device of the present invention is characterized in that an electrode for transmitting and receiving surface acoustic waves is formed on the surface of the piezoelectric device substrate of the present invention.
In this surface acoustic wave device, by using the piezoelectric device substrate of the present invention, high quality and less variation in characteristics and high reliability can be obtained.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, a piezoelectric device substrate manufacturing method, a piezoelectric device substrate, and a surface acoustic wave device using the same according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
[0017]
In order to manufacture the piezoelectric device substrate and the surface acoustic wave device of the present embodiment, first, the first composition range shown in FIG.
Point A shown in FIG. 1 (La ₂ O ₃ is 47.98 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46.32 wt%, SiO ₂ is 5.70 wt%),
Point B (La ₂ O ₃ is 48.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46.32 wt%, SiO ₂ is 5.18 wt%),
Point C (La ₂ O ₃ is 48.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 47.50 wt%, SiO ₂ is 4.00 wt%),
Point D (La ₂ O ₃ is 47.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 47.50 wt%, SiO ₂ is 5.00 wt%),
Point E (La ₂ O ₃ is 47.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46.32 wt%, SiO ₂ is 6.18 wt%),
Point F (La ₂ O ₃ is 47.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46.00 wt%, SiO ₂ is 6.50 wt%),
The raw materials are weighed within a composition range surrounded by point G (La ₂ O ₃ is 47.98 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46.00 wt%, SiO ₂ is 6.02 wt%).
[0018]
This composition range is such that La ₂ O ₃ is 47.50 wt% to 48.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46.00 wt% to 47.50 wt%, and SiO ₂ is 4. The composition excluding the composition range in which La ₂ O ₃ exceeds 47.98% by weight and Ga ₂ O ₃ is less than 46.32% by weight from the composition range from 00% to 6.50% by weight. It is a range.
Next, these raw materials are mixed with a vibration stirrer for 1 hour and formed into pellets having a size of an outer diameter of 100 mm × 60 mm. Next, the pellet is fired in air at a temperature of 1200 ° C. for 1 hour in an electric furnace.
[0019]
Crystal growth is performed in a high-frequency heating and growth furnace using an iridium crucible 1 as shown in FIG. An insulating material 2 made of alumina and zirconia is provided outside and above the crucible 1 to form a hot zone. A high-frequency work coil 3 for heating is installed outside the heat insulating material 2. A thermocouple 4 is installed at the bottom of the crucible 1.
[0020]
At the time of growth, the baked pellets are charged in the crucible 1 and heated and melted to obtain a melt L having a predetermined temperature. Then, a seed crystal S of langasite (La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ ) is fixed to the pulling shaft 5, and a langasite single crystal C is grown from the melt L at a predetermined rotation speed and pulling speed. The automatic diameter control is performed by a weight change signal of the crystal detected by the weight sensor 6 connected to the pulling shaft 5.
[0021]
The langasite single crystal C (having a diameter of 85 cm and a length of the straight body portion of 190 cm) grown in this manner is a single crystal having a composition range similar to the composition range at the time of weighing. That is, the single crystal grown by weighing in the above composition range has a composition of a point A shown in FIG. 1 with a point a (La ₂ O ₃ is 47.98 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46.32 wt%, SiO ₂ 5. In the composition of point B, point b (La ₂ O ₃ is 48.48% by weight, Ga ₂ O ₃ is 46.32% by weight, SiO ₂ is 5.20% by weight) In the composition of point C, point c (La ₂ O ₃ is 48.49% by weight, Ga ₂ O ₃ is 47.49% by weight, SiO ₂ is 4.02% by weight). (La ₂ O ₃ is 47.52 wt%, Ga ₂ O ₃ is 47.49 wt%, SiO ₂ is 4.99 wt%). In the composition of point E, the point eLa ₂ O ₃ is 47.52 wt%. , Ga ₂ O ₃ is 46.32 wt%, SiO ₂ is 6.16 wt%), and a point f (La ₂ O ₃ in the composition of the point F 47.51 double %, Ga ₂ O ₃ is 46.01 wt%, SiO ₂ is 6.48 wt%), and the point in the composition of the point G g (La ₂ O ₃ is 47.98 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46. 02 wt%, SiO ₂ 6.00 wt%). Therefore, this single crystal is a single crystal within the composition range surrounded by the points a to g shown in FIG. In the langasite single crystal within these composition ranges, almost no secondary phase is generated.
[0022]
Next, the langasite single crystal C is sliced and processed into a piezoelectric device substrate. Further, as shown in FIG. 3, the substrate for piezoelectric device has an excitation electrode (interdigital electrode (comb electrode)) 7 formed on the surface thereof, and a SAW filter (surface acoustic wave device) 8 is manufactured.
Note that the piezoelectric device substrate has variations in the surface acoustic wave sound velocity (propagation speed when the surface acoustic wave propagates on the surface, that is, when it propagates in a certain direction used by the device (opposite direction of the excitation electrode 3)). Is 100 ppm or less.
[0023]
【Example】
Next, a piezoelectric device substrate manufacturing method, a piezoelectric device substrate, and a surface acoustic wave device using the same according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 4 to 7. To do.
[0024]
In the above manufacturing method, piezoelectric device substrates were manufactured by changing the composition of La ₂ O ₃ , Ga ₂ O ₃ and SiO ₂ , and experimental data for examining the occurrence of secondary phases in these substrates were shown in the following table. 1 and FIG. The mark in FIG. 1 is marked with ■ when the secondary phase occurs, and □ when it does not occur. Further, the point X in FIG. 1 shows the conventional stoichiometric composition (La ₂ O ₃ is 48.04 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46.06 wt%, SiO ₂ is 5.91 wt%). This is a case of a single crystal grown on the basis of the above, and the Y point is the composition described in the above-mentioned paper published by J. Crystal Growth (La ₂ O ₃ is 47.9 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46.30). This is a case of a single crystal grown on the basis of wt%, SiO _{2 (} 5.71 wt%).
[0025]
[Table 1]

[0026]
As shown in Table 1 and FIG. 1, sample numbers A to G manufactured with compositions in the above-described composition range have no secondary phase and good quality crystals are obtained. It can be seen that a secondary phase has been generated for samples outside the composition range (sample numbers H to M).
[0027]
Also, among the above composition ranges, La ₂ O ₃ is 47.93% by weight, Ga ₂ O ₃ is 46.66% by weight, and SiO ₂ is 5.41% by weight. The crucible 1 was charged to grow a langasite single crystal C having a diameter of 85 cm and a length of 190 cm. The composition of the langasite single crystal in the crystal length direction was analyzed by ICP analysis (Inductive Coupled Plasma). As a result, as shown in Table 2 and FIGS. 4 and 5, the content of each component matched with an error within ± 0.02% of the input composition. Therefore, it was found that crystals with good uniformity were obtained through the upper part, the middle part, and the lower part. Furthermore, this langasite single crystal did not generate a secondary phase.
[0028]
[Table 2]

[0029]
As a comparative example, as shown in Table 3 and FIG. 6, raw materials were weighed based on a conventional stoichiometric composition, and crystals were grown in the same manner as in the above examples. A secondary phase was generated in the formation stage of the upper part (shoulder part) of the crystal. And the variation of the composition from the upper part of the crystal to the lower part was ± 0.5% of the target content. The lower part of this crystal cannot be used as an acoustic wave device.
[0030]
[Table 3]

[0031]
Next, a 50-degree rotated Y-axis wafer was fabricated from the langasite single crystal of the above example. In order to investigate the variation of the surface acoustic wave sound velocity (propagation velocity) in the wafer surface, the excitation electrode 7 of aluminum electrode was formed by sputtering, and the SAW filter 8 of the above embodiment was produced. Then, to measure the center frequency f _c of the SAW filter 8 with a net analyzer. In this measurement, an AC signal was applied to the input terminal of the SAW filter, the output signal was measured from the output terminal, and the frequency characteristics of the relative amplitude of the filter output signal and the input signal were obtained by frequency scanning.
[0032]
The center frequency f _c is the transmission loss from the peak value of the frequency characteristic is a frequency of the pass band center point to be -10 dB. Here, the surface acoustic wave velocities v can be found by relational expression v = f _c · 2d. Note that 2d is the period of the excitation electrode (bending electrode) 7 of the SAW filter 8, and the accuracy of the dimensions is confirmed by an electron microscope. By doing this, the surface acoustic wave sound velocity can be obtained from the center frequency of the SAW filter, and the in-plane variation of the surface acoustic wave sound velocity can be examined. Furthermore, the total variation of the substrate from the top, middle and bottom of the crystal was also examined. As a result, as shown in FIG. 7, the variation of the surface acoustic wave sound velocity was 100 ppm or less, and it was found that the uniformity of the characteristics of the SAW filter was improved by the uniformity of the crystal composition.
[0033]
In order to investigate the effect of changes in crystal composition on the variation of surface acoustic wave sound velocity, a conventional crystal grown based on a stoichiometric composition was used as a comparative example on a piezoelectric device substrate in the same manner as in the examples. The SAW filter was manufactured by processing. In this experiment, only the transparent part above the crystal was used. When the center frequency of the SAW filter was measured, the surface acoustic wave sound speed variation in the crystal growth direction was 400 ppm, and the variation was too large as an acoustic wave device.
[0034]
That is, in the present invention, each of the composition ranges of La ₂ O ₃ , Ga ₂ O ₃ and SiO ₂ which are raw materials of langasite are weighed within the above ranges and melted in the crucible 1, and the langasite single unit is extracted from the crucible. Since the crystal C is pulled up and grown, a high-quality langasite single crystal having a uniform composition in the length direction and the lateral direction (in the wafer plane) is obtained with very little secondary phase, and a substrate having a uniform propagation speed Is obtained. Since a substrate for a piezoelectric device having a surface acoustic wave sound velocity variation of 100 ppm or less can be obtained, the use of this substrate can improve the uniformity of SAW filter characteristics and provide a high-quality device with a high yield. it can.
[0035]
In addition, when considering the volatility of Ga, in order to manufacture the piezoelectric device substrate and the surface acoustic wave device, the second composition range shown in FIG.
Point A shown in FIG. 1 (La ₂ O ₃ is 47.98 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46.32 wt%, SiO ₂ is 5.70 wt%),
Point B (La ₂ O ₃ is 48.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46.32 wt%, SiO ₂ is 5.18 wt%),
Point C (La ₂ O ₃ is 48.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 47.50 wt%, SiO ₂ is 4.00 wt%),
Point D (La ₂ O ₃ is 47.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 47.50 wt%, SiO ₂ is 5.00 wt%),
The raw materials are weighed within a composition range surrounded by point E (La ₂ O ₃ is 47.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46.32 wt%, SiO ₂ is 6.18 wt%).
[0036]
In this way, pulling growth is performed in the same manner as described above by weighing with a further limited composition range, the pulled langasite single crystal is processed into a piezoelectric device substrate, and the SAW device is formed on the piezoelectric device substrate in the same manner as described above. Is made.
That is, if the composition ratio of Ga ₂ O ₃ is lower than 46.32% by weight, the change in the composition ratio due to the volatilization of Ga cannot be ignored and affects the pull-up growth. By limiting and increasing the composition ratio of Ga ₂ O ₃ , not only the generation of the secondary phase is suppressed, but also the growth of Ga due to the volatility is almost eliminated, and stable growth can be performed. Such a piezoelectric device substrate has less variation in composition ratio, and a SAW device using this substrate can obtain more stable characteristics.
[0037]
【The invention's effect】
According to the present invention, each of the composition ranges of La ₂ O ₃ , Ga ₂ O ₃ and SiO ₂ which are raw materials of La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ are weighed within the ranges described above and melted in the crucible, and pulling a single crystal is grown of La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ from and La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ is, because La ₂ O _3, a composition range in the Ga ₂ O ₃ and the SiO ₂ is a single crystal in the above-described range As a result, a high-quality La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ single crystal with very few secondary phases can be obtained, the crystal is difficult to break, and it is not necessary to lower the growth rate, so that the production efficiency can be maintained. In addition, a substrate having a uniform center frequency and propagation speed can be obtained. That is, a Langasite single crystal having a uniform composition in the length direction and the transverse direction can be grown, and the variation of the surface acoustic wave propagation speed of the substrate for a piezoelectric device cut out from this crystal is greatly reduced. The variation in performance can be sufficiently reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a state diagram showing composition display and occurrence of secondary phase of each langasite single crystal grown by changing the composition in a piezoelectric device substrate and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing pulling growth by a CZ method in a method for manufacturing a piezoelectric device substrate according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing a surface acoustic wave device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic front view of a single crystal showing measurement points in the length direction of the crystal in the piezoelectric device substrate and the manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the content of each raw material with respect to measurement points in the crystal length direction in the piezoelectric device substrate and the manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the content of each raw material with respect to a measurement location in the length direction of a crystal in a piezoelectric device substrate and a manufacturing method thereof in a conventional example according to the present invention.
FIG. 7 is a graph showing in-plane variation of the SAW sound velocity of the SAW filter in the surface acoustic wave device according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Crucible 7 Excitation electrode 8 SAW (surface acoustic wave) device C Langasite single crystal L Melt S Seed crystal

Claims

A method for manufacturing a piezoelectric device substrate, comprising growing a langasite single crystal and processing it into a piezoelectric device substrate,
B (La ₂ O ₃ is 48.50% by weight, Ga ₂ O ₃ is 46.32% by weight, SiO ₂ is 5.18% by weight) shown in the accompanying drawings 1,
Point C (La ₂ O ₃ is 48.50% by weight, Ga ₂ O ₃ is 47.50% by weight, SiO ₂ is 4.00% by weight),
Weigh within a composition range surrounded by point D (La ₂ O ₃ is 47.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 47.50 wt%, SiO ₂ is 5.00 wt%) and melted in the crucible, A method for manufacturing a substrate for a piezoelectric device, characterized by pulling and growing a single crystal of langasite from within the crucible.

A piezoelectric device substrate formed of a single crystal of langasite ,
B (La ₂ O ₃ is 48.50% by weight, Ga ₂ O ₃ is 46.32% by weight, SiO ₂ is 5.18% by weight) shown in the accompanying drawings 1,
Point C (La ₂ O ₃ is 48.50% by weight, Ga ₂ O ₃ is 47.50% by weight, SiO ₂ is 4.00% by weight),
Weigh within a composition range surrounded by point D (La ₂ O ₃ is 47.50 wt%, Ga ₂ O ₃ is 47.50 wt%, SiO ₂ is 5.00 wt%) and melted in the crucible, A piezoelectric device substrate, wherein the substrate is a single crystal grown from the inside of the crucible.

A piezoelectric device substrate formed of a single crystal of langasite grown by pulling,
The Langasite is
Point b shown in attached drawing 1 (La ₂ O ₃ is 48.48 wt%, Ga ₂ O ₃ is 46.32 wt%, SiO ₂ is 5.20 wt%),
Point c (La ₂ O ₃ is 48.49 wt%, Ga ₂ O ₃ is 47.49 wt%, SiO ₂ is 4.02 wt%),
It is a single crystal within a composition range surrounded by a point d (La ₂ O ₃ is 47.52 wt%, Ga ₂ O ₃ is 47.49 wt%, SiO ₂ is 4.99 wt%). Substrates for piezoelectric devices.

A surface acoustic wave device, wherein an electrode for transmitting and receiving surface acoustic waves is formed on the surface of the piezoelectric device substrate according to claim 2.