JP6025179B2

JP6025179B2 - 弾性表面波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法

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Publication number: JP6025179B2
Application number: JP2013238497A
Authority: JP
Inventors: 阿部　淳; 淳阿部; 丹野　雅行; 雅行丹野; 由則桑原
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2033-11-19
Also published as: JP2015098410A

Description

本発明は、周波数の温度特性が改善され、かつ焦電性除去処理がなされた弾性表面波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法に関する。
ここで、焦電性除去処理された弾性表面波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板とは、導電率が１×１０^−１３Ω^−１・ｃｍ^−１以上、１×１０^−１１Ω^−１・ｃｍ^−１以下の値を持ち、焦電性が抑制されたものをいう。

近年、携帯電話の通信システムは、複数の通信規格をサポートし、各々の通信規格は、複数の周波数バンドから構成される形態へと進展している。このような携帯電話の周波数調整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
ＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ、略称「ＳＡＷ」）デバイスが用いられている。

この弾性表面波デバイスは、小型で挿入損失が小さく、不要波を通さない性能が要求され、タンタル酸リチウム：ＬｉＴａＯ_３（以下、「ＬＴ」とも記す）やニオブ酸リチウム：ＬｉＮｂＯ_３（以下、「ＬＮ」とも記す）などの圧電材料が用いられている。そして、現状のものより大きな電気機械結合係数を持った材料の方が挿入損失などの性能が改善されるために好ましいとされている。

非特許文献１には、２重ルツボによる引き上げ法により作製された定比組成の３８．５°回転ＹカットＬｉＴａＯ_３（以下、「ストイキオメトリー組成ＬＴ又はＳＬＴ」と記す）は、通常の引き上げ法による溶融組成ＬｉＴａＯ_３（以下、「コングルーエント組成ＬＴ又はＣＬＴ」と記す）に比べて、電気機械結合係数が２０％も高いので好ましいとの記載がある。また、特許文献１には、銅を含むＩＤＴ電極を用いる弾性波デバイスでは、気相法により得られるストイキオメトリー組成ＬＴを圧電体として使用すれば、ＩＤＴ電極にブレークダウンモードが発生しにくくなるために好ましいとの記載がある。さらに、特許文献２には、気相法により得られるストイキオメトリー組成ＬＴに関する詳細な記載はあるが、これら文献には、気相法により得られるストイキオメトリー組成ＬＴを焦電性除去処理したタンタル酸リチウム結晶基板に関する記載はなく、その製造方法についても検討されていない。

一方、近年、弾性表面波素子に使われるタンタル酸リチウム単結晶基板に焦電性除去処理が施された基板が用いられつつある中で、特許文献３には、タンタル酸リチウム結晶を還元処理して、タンタル酸リチウム結晶の導電率を高めることで焦電性に起因して発生する火花放電による電極パターンの破壊を防止する製造方法が記載されている。しかし、この製造方法は、コングルーエント組成のタンタル酸リチウム結晶を還元処理する製造方法であり、ストイキオメトリー組成ＬＴのタンタル酸リチウム結晶を焦電性除去処理する弾性表面波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法に関するものではなく、このような製造方法は、充分に検討されていないのが実情である。

特開２０１１−１３５２４５号公報米国特許第６６５２６４４号Ｂ１特許第４２２０９９７号

「科学技術振興調整費成果報告書」（２００２年）、北村健二「ＩＴを支えるオプトメディア結晶の実用開発」

そこで、本発明は、上記実情に鑑み、気相法により処理したタンタル酸リチウム単結晶基板に焦電性除去処理を施して擬似ストイキオメトリー組成ＬＴを有する弾性表面波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板を製造する方法を提供することである。

本発明者らは、Ｌｉイオンをコングルーエント組成の基板に拡散させることで、コングルーエント組成から擬似ストイキオメトリー組成に変化させることができると共に、このような基板に焦電性除去処理を施すことで、組成が均一で、かつ焦電性除去処理がなされた実用的な弾性表面波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板を製造することができることを知見し、先に特願２０１３−２０３８１号として出願したが、その後、さらに検討を重ねたところ、基板の面粗さが粗い方がより改質（組成変化）が進むと共に、深さ方向への拡散も進み易いことを見出し、本発明に至ったものである。

すなわち、本発明の製造方法は、Ｌｉ_２Ｏ蒸気にコングルーエント組成で両面の面粗さが１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の面粗さを有する基板を晒して、該基板の表面から中心部へＬｉを拡散させて、コングルーエント組成から疑似ストイキオメトリー組成に組成変化させる第１の工程と、該基板のZ軸方向に電圧を印加する第２の工程と、該基板を還元雰囲気下に晒して焦電性除去処理を施す第３の工程と、該基板を研磨加工する第４の工程と、を含むことを特徴とするものである。

また、本発明は、第２の工程では、印加電圧を１５V/cm以上２５V/cm以下にすることを特徴とし、第３の工程では、一度焦電性除去処理したものを４００度以上６００度未満の温度で大気中で熱処理した後に、再度焦電性除去処理を施すことを特徴とし、第４の工程では、研磨代が２０μm以下であることを特徴とするものである。

本発明によれば、基板表面が均一な疑似ストイキオメトリー組成を有し、周波数の温度特性が改善され、かつ焦電性防止対策がなされた実用的な弾性表面波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板を提供することができる。また、表面の改質だけでなく、深さ方向への拡散も進み易いために、表層から深さ方向にかけて均一に処理された弾性表面波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板を提供することもできる。

図１は、本発明と比較例の場合の深さ方向の改質度を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

本発明の製造方法は、主な４つの工程から構成されている。その第１の工程では、Ｌｉ_２Ｏ蒸気にコングルーエント組成の基板を晒してＬｉを該基板の表面から拡散させることでコングルーエント組成から疑似ストイキオメトリー組成に変化させる工程である。
ここで、本発明でいう「疑似ストイキオメトリー組成」とは、弾性表面波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板の表面のLi/（Li＋Ta）組成が０．４９〜０．５１の組成をいう。
そして、この気相法で処理されたタンタル酸リチウム単結晶基板では、Ｌｉイオンが基板表面から内部にかけて拡散されるために、基板表面ほどＬｉイオン濃度が高く、中心部へ行くに従ってＬｉ濃度が減少する傾向がある。

そのため、本発明では、この焦電性除去処理においても還元処理が均一になされるように２回の焦電性除去処理を施す方が好ましいが、一回の焦電性除去処理でもその目的を達成することができる。
すなわち、本発明の第３の工程では、一度還元雰囲気下でかつキュリー温度以下で焦電性除去処理を施すが、この焦電性除去処理は、特許文献３に記載されている方法で実施する。具体的には、本発明の基板を還元処理したセラミックス、金属などの還元物質に還元雰囲気下で、６００℃以下、好ましくは４００℃〜６００℃の温度で、１〜５０時間の間接触させて焦電性除去処理を実施する。そして、その後に４００度以上６００度未満でかつ大気中で熱処理した後に、再度還元雰囲気下で焦電性除去処理を施すことが好ましい。

次に、本発明の第４の工程では、研磨代を２０μm以下、好ましくは１５μm以下とするのがよい。これは、気相法で処理したタンタル酸リチウム単結晶基板の処理層では、処理温度及び処理時間によって拡散されたＬｉイオン量は異なるが、一般にその基板表面ではＬｉイオンが多く、中心部に行くに従って未処理層が出てくるために、表面層をなるべく研磨せずにそのまま残しておく方がコストを抑えて生産性良く作製するうえで好ましいからである。しかし、単結晶体からスライス加工等によって基板を作製する段階で生じる加工歪の除去を考慮すると、研磨代が２０μｍ以下、好ましくは１５μｍ以下とするのがよい。

そして、本発明の研磨代を２０μｍ以下、好ましくは１５μｍ以下とする条件を達成するためには、気相処理に供されるコングルーエント組成の基板の加工歪層を予め少なくしておく方が好ましいので、研磨面側の基板表面は、気相処理前の段階から鏡面のような状態であるのが好ましい。
しかし、実際には、基板表面に若干の表面粗さがあった方がより改質（組成変化）が進むと共に、深さ方向へのＬｉイオンの拡散も進み易いために、本発明では、処理される基板の両面の面粗さを１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とする。

また、本発明では、基板の両面とも同じ面粗さ状態のウェハ（両面ラップウェハ）とするので、改質時のソリを抑制することができるというメリットもある。

<実施例１>
次に、本発明の実施例１について説明する。実施例１では、先ず、引き上げ法により、コングルーエント組成の４インチ（１０ｃｍ）径３６°回転Ｙカットタンタル酸リチウム単結晶を作製した。この単結晶を単一分極化せずにスライスし、その両面にラップ加工を施して、表裏両面の面粗さＲａが１２０ｎｍになるように仕上げて、厚さ０．３５ｍｍの基板形状に仕上げた。

また、一方で、気相法で使用する焼成原料としては、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｔａ_２Ｏ_５を６：４のモル比で混合し、この混合物を１３５０℃で１０時間の間焼成してリチウムリッチな混合焼成原料を作製した。

続いて、本発明の第１工程である気相法について説明する。この第１の工程では、Ｌｉ_２Ｏ蒸気にコングルーエント組成の基板を晒してＬｉを該基板表面から中心部へ拡散させてコングルーエント組成から疑似ストイキオメトリー組成に変化させた。具体的には、Ｌｉ_２Ｏ蒸気源として上記のリチウムリッチな混合焼成原料を準備し、この混合焼成原料をルツボのようなPt容器の底に敷き詰め、その上にタンタル酸リチウム単結晶基板をＰｔのスペーサーを介して積層して容器内にセットした。その後、このPt容器を８５０℃の温度で、大気雰囲気中で９６時間の間加熱する気相処理を施して、コングルーエント組成の基板から疑似ストイキオメトリー組成に組成変化させたところ、表裏の両面とも、その改質度が４９．８％であった。また、表側面の深さ方向の改質度を調べたところ、図１に示すような改質度分布であった。
この図１の結果から、基板の面粗さが粗い方がより改質が進むと共に、深さ方向への改質も進み易いことが確認された。

次に、本発明のZ軸方向に電圧を印加する第２の工程では、気相処理されたタンタル酸リチウム単結晶基板のオリフラを揃えて基板が密着するように積層し、Z軸方向の相対する面にタンタル酸リチウム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、７５０℃に加熱し印加電圧を１８V/ｃｍになるようにして単一分極処理を実施した。

また、本発明の基板を還元雰囲気下に晒して焦電性除去処理を施す第３の工程では、特許文献３に記載されている方法で焦電性除去処理を施した。具体的には、本発明の基板を還元処理したセラミックスに還元雰囲気下、５７０℃で１０時間の間接触させて焦電性除去処理を実施した。

最後に、このような焦電性除去処理が施されたタンタル酸リチウム単結晶基板を研磨加工する第４の工程では、コロイダルシリカを用いて３μｍ研磨して最終品を作製した。この作製した基板を検査したところ、基板表面が均一な組成でかつ焦電性除去処理がなされていることが確認された。

<実施例２>
実施例２では、基板表面側ほどＬｉイオン濃度が高く、中心部へ行くに従ってＬｉ濃度が減少する傾向があるために、１回の焦電性除去処理では還元処理が均一になされない場合があることから、焦電性除去処理を２回施し、それ以外は、実施例１と同じ条件で処理を実施した。すなわち、還元雰囲気下で、かつキュリー温度以下で一度焦電性除去処理を施した基板を５００度の温度で、かつ大気中で熱処理した後に、還元雰囲気下で再度焦電性除去処理を実施したところ、均一な組成でかつ焦電性除去処理がなされていることが確認された。

<実施例３>
実施例３では、プレ研磨されず、両面にラップ加工で面粗さが１２０ｎｍに仕上げられた基板を用い、第４の研磨加工ではコロイダルシリカを用いて研磨代２０μｍで研磨し、それ以外は、実施例１と同じ条件で処理を実施した。
その結果、１２０ｎｍの面を研磨加工して加工歪を除去しようとすると、最大で２０μmで研磨すればよいことが確認された。処理面が研磨代の２０μｍを超えて研磨すると、第１の工程で組成変化して改質した擬似ストイキオメトリー層が多めに除去されてしまうために、擬似ストイキオメトリー層の厚さが不十分となり、改質前の基板組成とあまり変わらないからである。

比較例

<比較例１>
比較例１では、先の出願の実施例と同じく、基板の表側面の面粗さＲａが１５ｎｍ、裏側面の面粗さＲａが１２０ｎｍの準鏡面になるように仕上げ、それ以外は、実施例１と同じ条件で処理を実施したところ、この準鏡面の表側面の改質度が４８．７％であり、裏側面の改質度が４９．８％であった。また、表側面の深さ方向の改質度を調べたところ、図１に示すような改質度分布であった。
この図１の結果から、基板の面を準鏡面仕上げすると、改質度が低く深さ方向への改質度も低いことが確認された。

第２の工程では、印加電圧を特開昭５４−１０９９８号公報に記載されている印加電圧と同じ５V/ｃｍで実施し、それ以外の工程では、実施例１と同じ条件で処理を実施した。
その結果、研磨時に研磨速度の相違が原因の研磨ムラの発生が確認された。この原因としては、印加電圧が５V/ｃｍという本発明の範囲外であったために、面内を均一に単一分極処理ができなかったためではないかと考えられる。

<比較例２>
比較例２では、第２の工程の印加電圧を３０V/ｃｍで実施し、それ以外の工程では、実施例１と同じ条件で処理を実施した。
その結果、単一分極処理後に基板にクラックが発生していることが確認された。この原因としては、印加電圧が３０V/ｃｍという本発明の範囲外であったために、大きな電圧がかかったことによりクラックが発生したものと考えられる。

<比較例３>
比較例３では、準備された基板の一方の基板面をプレ研磨加工により完全に鏡面加工（面粗さ０．２ｎｍ）に仕上げ、それ以外の工程では、実施例１と同じ条件で処理を実施した。
その結果、基板の面粗さが完全に鏡面化された状態であるためにＬｉイオンが均一に拡散されていないことが確認された。その理由は定かでないが、処理される表面の状態が多少粗くなっている方が表面状態が活性化され、Ｌｉイオンが拡散されやすいのに対し、鏡面化された表面状態ではＬｉイオンが拡散されにくいためではないかと考えられる。

Claims

Ｌｉ_２Ｏ蒸気にコングルーエント組成で両面の面粗さが１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の面粗さを有する基板を晒して、該基板の表面から中心部へＬｉを拡散させて、コングルーエント組成から疑似ストイキオメトリー組成に組成変化させる第１の工程と、該基板のZ軸方向に電圧を印加する第２の工程と、該基板を還元雰囲気下に晒して焦電性除去処理を施す第３の工程と、該基板を研磨加工する第４の工程と、を含むことを特徴とする弾性表面波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法。
前記第２の工程において、印加電圧を１５V/cm以上２５V/cm以下にすることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法。
前記第３の工程において、一度焦電性除去処理したものを４００度以上６００度未満の温度で大気中で熱処理した後に、再度焦電性除去処理を施したことを特徴とする請求項１又は２に記載の弾性表面波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法。
前記第４の工程において、研磨代が２０μm以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の弾性表面波素子用タンタル酸リチウム単結晶基板の製造方法。