JP6485307B2

JP6485307B2 - タンタル酸リチウム単結晶及びその製造方法

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Publication number: JP6485307B2
Application number: JP2015190896A
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Inventors: 杉山　正史; 正史杉山
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Publication date: 2019-03-20
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Description

本発明は、タンタル酸リチウム単結晶及びその製造方法に関し、より詳しくは、表面弾性波（ＳＡＷ：ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｎｓｔｉｃＷａｖｅ）デバイス用基板等に用いられ、温度特性を改善しうるタンタル酸リチウム単結晶及びその製造方法に関する。

タンタル酸リチウム単結晶は、ＳＡＷフィルターをはじめ振動子、発信器の基板材料として知られている。近年、携帯電話の高性能化に伴い、特に送受信用のデバイスに用いられるＳＡＷフィルターに対する高性能化の要求も厳しくなっている。例えば、アンテナデュプレクサなど、デバイスに高電力が印加される用途では、ＳＡＷフィルターに対する高性能化に対して、低損失・高抑圧化に加え、温度特性の改善が求められている。

タンタル酸リチウム（以下、ＬＴと略称することがある）基板は、ＳＡＷの振動エネルギーと電気的エネルギーの変換効率を示す電気機械結合係数が大きく、デバイス設計上有利であるが、ＳＡＷの伝搬速度の温度依存性が大きく、デバイスの周波数特性が温度により変化しやすいという問題があるためである。

ＳＡＷフィルターの中心周波数ｆは、表面弾性波の音速（伝搬速度）をｖ、ＩＤＴ（ＩｎｔｅｒＤｉｇｉｔａｌＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極の周期をλとすると、ｆ＝ｖ／λで表されるが、温度変化があるとＬＴ基板の熱膨張のため電極周期が変化し中心周波数ｆのシフトが起る。この温度による周波数シフトのため、例えば、送信波用フィルターの透過周波数帯が受信波の波長域にかかってしまう等、Ｓ／Ｎを大きく低下させる問題が発生することが指摘され、ＬＴ基板の温度特性の改善が必要とされている。

そこで、ＬＴ単結晶の温度特性を改善するため、ＬＴ単結晶よりも熱膨張係数の小さい材料をＬＴ単結晶に貼り合せ、単結晶の熱膨張を押さえ込む方法が提案されている（特許文献１〜３参照）。
例えば、特許文献１では、線熱膨張係数の差が特定値以内にある２枚の基板を用い、いずれかの基板に応力を緩和する切り込みを設けること、特許文献２では、ＬＴ基板とサファイア基板を接合し、その界面にアモルファスの接合領域を設けること、また、特許文献３では、圧電基板と特定の厚みで表面が酸化されたＳｉ支持基板とを接着層を介して貼り合わせることが提案されている。

しかし、これらの方法で作製された基板は、熱膨張係数が異なる材料を貼り合せているため、一般に３００℃程度の熱履歴を経るＳＡＷデバイス製造プロセスでは割れが発生し、収率を悪化させるだけでなく、基板が厚くなり、デバイスの低背化が達成されにくい。更に、ＬＴ基板に貼り合わされる低熱膨張材料や貼り合せ工程のコスト、および貼り合せ工程で収率が低下するという問題もある。

そのため、本出願人は、ＬＴ基板に特定量のＮｉを添加することを提案し（特許文献４参照）、低コストで結晶の音速温度依存性を改善することができた。しかし、鉄系金属であるニッケルが添加されることで、熱伝導率が下がりＬＴ基板の放熱性が悪化するという問題があった。

このような状況にあって、結晶の音速温度依存性を改善することができるだけでなく、鉄やニッケルのように熱伝導率を下げることのないＬＴ基板用のタンタル酸リチウム単結晶が必要とされている。

特開２００３−１２４７６７号公報特開２００５−２５２５５０号公報特開２００５−３４７２９５号公報特開２０１０−２８０５２５号公報

本発明の目的は、上記した問題点に鑑み、表面弾性波（ＳＡＷ）デバイス用基板等に用いられ、温度特性を改善しうるタンタル酸リチウム単結晶及びその製造方法を提供することにある。

本発明者は、上記した問題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、ＬＴ単結晶の結晶構造を変えることなしにＬｉサイト若しくはＴａサイトを置換する元素を模索し、ＬＴ単結晶の温度特性改善効果を調べたところ、ＬＴ単結晶を育成する際の原料融液にＬｉサイトを置換するガリウム（Ｇａ）を特定量添加することにより、育成した結晶の熱伝導率が大きくなることを見出し、このＧａドープ結晶をＳＡＷデバイスの基板として用いることにより、デバイスのＩＤＴ電極で発生したジュール熱が効率よく排熱され、ＳＡＷデバイスの温度特性が改善されることを確認して本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の第１の発明によれば、タンタル酸リチウム単結晶のＬｉサイト若しくはＴａサイトの一部が、ガリウム（Ｇａ）元素で置換されており、単結晶中のガリウム（Ｇａ）含有量が０．１１重量％以上、０．４重量％以下の範囲であることを特徴とするタンタル酸リチウム単結晶が提供される。

また、本発明の第２の発明によれば、本発明の第１の発明において、単結晶の熱伝導率が、４．０〜４．５Ｗ／ｍ・Ｋであることを特徴とするタンタル酸リチウム単結晶が提供される。

また、本発明の第３の発明によれば、本発明の第１又は２の発明において、タンタル酸リチウム単結晶の原料粉末に、ドーパントとなるガリウム原料粉末を添加して、チョクラルスキー法により結晶を育成するタンタル酸リチウム単結晶の製造方法であって、ガリウム原料粉末は、原料融液中のＧａ濃度が０．０５重量％以上、１．５重量％以下になるように添加することを特徴とするタンタル酸リチウム単結晶の製造方法が提供される。

また、本発明の第４の発明によれば、本発明の第３の発明において、前記ガリウム原料粉末が、Ｇａ_２Ｏ_３粉末であることを特徴とするタンタル酸リチウム単結晶の製造方法が提供される。

また、本発明の第５の発明によれば、本発明の第１又は２の発明のタンタル酸リチウム単結晶を基板として用いたＳＡＷフィルターが提供される。

本発明によれば、比較的容易に熱伝導率の大きいタンタル酸リチウム単結晶を製造することができる。また、従来のタンタル酸リチウム基板と比較して温度特性を改善させることが可能となり、ＳＡＷデバイスを低コスト化できる。

音速測定のために基板上に作製したＳＡＷデバイスの概略図である。ＬＴ単結晶へのＧａ添加量と、熱伝導率の関係を示したグラフである。ＳＡＷフィルターを模式的に示した概略図である。

以下、本発明のタンタル酸リチウム単結晶とその製造方法、ＳＡＷフィルターに関する具体的な実施の形態を説明する。

１、タンタル酸リチウム単結晶
すなわち、本発明のタンタル酸リチウム単結晶は、ドーパントとしてガリウム（Ｇａ）を０．０１重量％以上０．３重量％以下の範囲で含有する。

本発明は、ＬＴ結晶の結晶構造を変えることなしにＬｉサイト若しくはＴａサイトを置換する元素として、ガリウム（Ｇａ）を添加して、ＬＴ基板における電気機械結合係数、音速等のＳＡＷ特性を維持しながら、結晶の熱伝導率が大きくなって、結晶の温度特性を改善させることができる。

ＬＴ結晶の結晶構造は、変形イルメナイト構造を有しており、置換元素であるＧａは、Ｌｉ、Ｔａの中間のイオン半径を持つために置換による結晶構造の歪みを小さくすることができる。そして、Ｇａは、ＬＴ原料へのドープ材料として、結晶育成が容易であり、音速温度係数の改善効果にとっても有効である。また、Ｇａのほかに同様な効果が期待できる周期表で同族のＡｌ、Ｉｎを本発明の目的を損なわない範囲で含有させることができる。

育成結晶中のＧａ濃度と熱伝導率との関係は、図２のグラフに示すように、Ｇａ濃度が０．０１重量％未満であると、結晶の温度係数がアンドープ結晶と大きな違いは見られず、十分な改善効果は現れない。また、結晶中Ｇａ濃度が０．１重量％付近まで熱伝導率が上昇し、さらに０．３重量％付近まで高レベルに維持されるが、それ以上になると徐々に低下していき、０．４重量％を超えると熱伝導率は従来よりも高水準に維持されてもクラック発生の問題が懸念される。従って、上記熱伝導率改善のためには、結晶中のＧａ濃度を０．０１重量％以上０．４重量％以下とする必要がある。好ましいＧａ濃度は０．０４〜０．３重量％であり、より好ましいＧａ濃度は０．１〜０．３重量％である。

本発明のＬＴ単結晶は、熱伝導率が、４．０〜４．５Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましい。熱伝導率は、単結晶から５００μｍ程度に薄く切り出し、レーザーフラッシュ法により測定される。
熱伝導率が、４．０Ｗ／ｍ・Ｋ未満であると、放熱性が悪く、特性の良いＳＡＷデバイスが得られない。一方、熱伝導率が、４．５Ｗ／ｍ・Ｋを超えるようなＬＴ単結晶の製造は難しくコストがかかる。

２、タンタル酸リチウム単結晶の製造方法
本発明は、タンタル酸リチウム単結晶の原料粉末に、ドーパントとなるガリウム原料粉末を添加して、チョクラルスキー法により結晶を育成するタンタル酸リチウム単結晶の製造方法であって、ガリウム原料粉末は、原料融液中のＧａ濃度が０．０５重量％以上、１．５重量％以下になるように添加することを特徴とする。

ここで、単結晶の育成は、特に制限されないが、チョクラルスキー法により行うことが好ましい。チョクラルスキー法とは、原材粉末を溶融して得られた融液に、種結晶を浸けて引き上げることにより単結晶を成長させる育成方法であり、例えば高周波誘導加熱装置等を用いて行うことができる。このチョクラルスキー法によれば、大型の結晶を安定的に製造することができる。

具体的には、先ず、所定の融液組成となるように秤量した単結晶用原料を育成装置の坩堝に投入する。
使用する坩堝としては、特に限定されるものではなく、例えば白金、モリブデン、タングステン、イリジウム、ロジウム、レニウム、又はこれらの合金等からなるもの等を使用することができる。その中でも特に、タンタル酸リチウムは、比較的融点が高いため、イリジウムのような耐熱性に優れた素材からなるものを用いることが好ましい。

具体的に、本発明の製造方法においては、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｌｉ_２Ｏの酸化物粉末を使用し、加熱して得られる融液が所定の組成となるように、各原料を秤量する。なお、使用する原料酸化物粉末は、特に限定されないが、その純度が４Ｎ以上のものであることが好ましい。

また、添加するドーパントの形態としては、金属Ｇａ、酸化物であるＧａ_２Ｏ_３が考えられるが、酸化物であるＬＴ融液へ溶解させることから原料としてＧａ_２Ｏ_３を選択するのが望ましい。Ｇａ_２Ｏ_３は、溶解したとき適度な蒸気圧なので系外へ逸散しにくいので使用しやすい。

Ｇａ原料粉末は、最初からタンタル酸リチウムの各原料粉末と混合してもよく、あらかじめタンタル酸リチウムのＬＴ仮焼粉を調製し、これにＧａ元素化合物を添加してもよい。Ｇａのほかに周期表で同族のＡｌ、Ｉｎを含有させるときは、本発明の目的を損なわないように、蒸気圧が小さくなりすぎない物質として、少量含有させるようにする。

また、本発明のタンタル酸リチウム単結晶の製造方法において、結晶育成に用いる原料融液は、Ｇａ濃度が０．０５重量％以上２．０重量％以下の組成となるように調整することが好ましい。
ここで、原料融液中のＧａ濃度が０．０５重量％以上２．０重量％以下となるように添加するのは、結晶育成に用いる原料融液へ添加するのがＧａ_２Ｏ_３である場合、ＬＴ単結晶育成におけるＧａの偏析係数（すなわち、結晶中のＧａ濃度／融液中のＧａ濃度）が概ね０．２であるためであり、これにより育成した結晶中のＧａ濃度を０．０１重量％以上０．４重量％以下とすることができる。

なお、結晶中のＧａ濃度は、ＬＴ原料中のＧａ濃度が所定量となるようにＧａ_２Ｏ_３粉を坩堝に秤量して混合し、高周波誘導加熱により融解させ、冷却後、坩堝内原料をサンプリングし、ＩＣＰ−ＡＥＳ法によりＧａ濃度分析を行って測定する。

育成した結晶中のＧａ濃度は、０．０１重量％未満の結晶では熱伝導率がアンドープ結晶と大きな違いは見られない。また、種結晶と育成結晶のＧａ濃度の差が大きすぎると種結晶と育成結晶の界面でクラックが発生してしまい単結晶成長が困難となる。そのためにも、原料融液中のＧａ濃度が２．０重量％以下となるようにするのが好ましい。

続いて、坩堝内に投入した原料粉末を加熱融解させる。その際、炉内の雰囲気としては、酸素と窒素やアルゴン等の不活性ガスとの混合ガス雰囲気とすることが好ましい。

次に、原料粉末を溶融して得られた融液から、単結晶を育成する。チョクラルスキー法（引き上げ法）による単結晶の育成に際しては、チャンバ内を上述した混合ガス雰囲気に保ち、所望の組成とした融液内に種結晶を浸して、その回転数や引き上げ速度を調整しながら、ネック部や肩部を形成し、引き続き直胴部を形成する。
結晶形状の調節は、例えば、育成中の結晶重量を測定して直径や育成速度等を計算によって導き出し、回転速度や引き上げ速度を調整して行うことができる。また、結晶重量の変化をヒータへの投入電力にフィードバックして融液温度をコントロールしてもよい。

また、タンタル酸リチウム単結晶は、比較的融点が高いため、育成過程におけるＬｉの蒸発を考慮して、蒸発に見合う過剰のＬｉ_２Ｏ成分を融液中に添加してもよい。

この製造方法では、上述した所定の組成からなる融液を用いて結晶を育成させることのみの極めて容易な方法で、組成が均一で、特性に優れたタンタル酸リチウム単結晶を製造することができる。必要によりアニールを行うことができる。
得られた単結晶（インゴット）は、所定の厚さにスライス、研磨して下記のＳＡＷフィルターなどの基板とすることができる。

３、ＳＡＷフィルター
本発明のＳＡＷフィルターは、上記タンタル酸リチウム単結晶を用いた素子であり、圧電体基板上に形成された櫛形電極に高周波電力を入力して圧電体基板表面に弾性表面波を発生させ、この弾性表面波を別の櫛形電極により再び高周波電気信号に戻すデバイスである。

このＳＡＷフィルター１０は、図３のように、タンタル酸リチウム（ＬＴ）単結晶１からなる圧電基板１０を用いて作製されており、圧電基板１０の主面上にはＳＡＷの伝搬方向がＸ方向となるようにＳＡＷ共振器１１が設けられている。

ＳＡＷフィルターは、弾性表面波の波長が電磁波と比較して１０^−５程度小さいために小型化が可能であること、伝搬損失が小さいために効率が高いこと、その作製に半導体プロセス技術が応用できるために量産性に優れ低価格化が可能なデバイスであり、携帯電話機など通信機器におけるバンドパスフィルタとして幅広く用いられる。

近年の携帯電話などの高性能化に伴い、ＳＡＷフィルターにも更なる高性能化が求められるが、本発明では、タンタル酸リチウム（ＬＴ）が、ガリウム（Ｇａ）を含有し、広帯域のフィルター特性を実現するのに有利な大きな電気機械結合係数をもつ圧電材料であり、熱伝導率が高く温度安定性が改善されているので、従来のように支持基板とアモルファス状態の接合界面を介して接合する必要がなく、低コストで製造できる。

以下、実施例を用い比較例と対比して本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

なお、得られた単結晶は、５００μｍの厚さに切り出し、試料の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定した。また、音速は、図１に示したようなＬＴ単結晶１の基板上に、電極周期が４μｍ、すなわち電極幅が１μｍ、かつ間隔が１μｍの櫛形電極２を形成した１ポートＳＡＷデバイスを作製し（電極材質：Ｃｕ）、両側に反射器３を配置したネットワークアナライザーにより共振周波数を測定した。

［実施例１］
チョクラルスキー法により、高周波誘導加熱炉を用いてＧａを含有するＬＴ単結晶の育成を行った。
まず、炉内にφ１７０ｍｍのイリジウム（Ｉｒ）製坩堝を設置し、坩堝内にコングルエント組成、すなわち組成ずれ（組成揺らぎ）がなく均一な組成の結晶を容易に得ることができる調和溶融（一致溶融）で調合したＬＴ仮焼粉とＧａ_２Ｏ_３粉を充填して、約１７５０℃で融解させた。
Ｇａ_２Ｏ_３粉の添加量は、原料融液中のＧａ濃度（以下、仕込みＧａ濃度と称す）が０．０５重量％となるように秤量した。

その後、融液温度をＬＴの融点（１６５０℃）付近に調整し、種結晶を１０ｒｐｍで回転させながら融液表面に接触させ、十分に馴染ませた後、引上げを開始した。
育成後、炉内を室温付近まで冷却して結晶を取り出し、φ４インチのクラック・フリーのＧａドープＬＴ単結晶を得た。
そして、得られた単結晶をアニール、ポーリングした後に熱伝導率測定用試料を結晶から切り出し、また、結晶のスライス、研磨を行って音速測定用試料（基板）を作製した。

ＬＴ単結晶中のＧａ濃度分析をＩＣＰ−ＡＥＳ法で行ったところ、０．０１重量％であった。また、得られた熱伝導率測定用試料の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定したところ、４．２９Ｗ／ｍ・Ｋであった。アンドープ結晶の熱伝導率と比較して約１１％の改善がみられた。
また、音速測定用に作製したＬＴ基板上に、図１に示したような電極周期が４μｍの１ポートＳＡＷデバイスを作製し（電極材質：Ｃｕ）、ネットワークアナライザーにより共振周波数を測定し、音速を求めたところ３８５０ｍ／ｓｅｃであった。更に、得られたＬＴ単結晶中のＧａ濃度分析をＩＣＰ−ＡＥＳ法で行ったところ、０．０１重量％であった。結果を表１に示した。

［実施例２］
実施例２では、仕込みＧａ濃度を１．５重量％となるようにＧａ_２Ｏ_３粉を坩堝にチャージした以外は、実施例１と同様にして結晶育成を行い、クラック・フリーのＧａドープＬＴ単結晶を得た。
得られた結晶の熱伝導率を測定したところ、４．４０Ｗ／ｍ・Ｋであり、アンドープ結晶の熱伝導率と比較して約１４％の改善が見られた。また、音速は３８４０ｍ／ｓｅｃでアンドープと比較して変化は見られなかった。更に、得られたＬＴ単結晶中のＧａ濃度分析をＩＣＰ−ＡＥＳ法で行ったところ、０．２９重量％であった。

［実施例３］
実施例３では、仕込みＧａ濃度を０．５重量％となるようにＧａ_２Ｏ_３粉を坩堝にチャージした以外は、実施例１と同様にして結晶育成を行い、クラック・フリーのＧａドープＬＴ単結晶を得た。
得られた結晶の熱伝導率を測定したところ、４．４５Ｗ／ｍ・Ｋであり、アンドープ結晶の熱伝導率と比較して約１４％の改善が見られた。また、音速は３８４０ｍ／ｓｅｃでアンドープと比較して変化は見られなかった。更に、得られたＬＴ単結晶中のＧａ濃度分析をＩＣＰ−ＡＥＳ法で行ったところ、０．１１重量％であった。

［実施例４］
実施例４では、仕込みＧａ濃度を０．９重量％となるようにＧａ_２Ｏ_３粉を坩堝にチャージした以外は、実施例１と同様にして結晶育成を行い、クラック・フリーのＧａドープＬＴ単結晶を得た。
得られた結晶の熱伝導率を測定したところ、４．４３Ｗ／ｍ・Ｋであり、アンドープ結晶の熱伝導率と比較して約１４％の改善が見られた。また、音速は３８４０ｍ／ｓｅｃでアンドープと比較して変化は見られなかった。更に、得られたＬＴ単結晶中のＧａ濃度分析をＩＣＰ−ＡＥＳ法で行ったところ、０．１８重量％であった。

［実施例５］
実施例５では、仕込みＧａ濃度を０．２重量％となるようにＧａ_２Ｏ_３粉を坩堝にチャージした以外は、実施例１と同様にして結晶育成を行い、クラック・フリーのＧａドープＬＴ単結晶を得た。
得られた結晶の熱伝導率を測定したところ、４．３２Ｗ／ｍ・Ｋであり、アンドープ結晶の熱伝導率と比較して約１２％の改善が見られた。また、音速は３８４０ｍ／ｓｅｃでアンドープと比較して変化は見られなかった。更に、得られたＬＴ単結晶中のＧａ濃度分析をＩＣＰ−ＡＥＳ法で行ったところ、０．０４重量％であった。

［実施例６］
実施例６では、仕込みＧａ濃度を０．４重量％となるようにＧａ_２Ｏ_３粉を坩堝にチャージした以外は、実施例１と同様にして結晶育成を行い、クラック・フリーのＧａドープＬＴ単結晶を得た。
得られた結晶の熱伝導率を測定したところ、４．３５Ｗ／ｍ・Ｋであり、アンドープ結晶の熱伝導率と比較して約１３％の改善が見られた。また、音速を求めたところ３８５０ｍ／ｓｅｃであった。更に、得られたＬＴ単結晶中のＧａ濃度分析をＩＣＰ−ＡＥＳ法で行ったところ、０．０８重量％であった。

［実施例７］
実施例７では、仕込みＧａ濃度を１．７重量％となるようにＧａ_２Ｏ_３粉を坩堝にチャージした以外は、実施例１と同様にして結晶育成を行い、クラック・フリーのＧａドープＬＴ単結晶を得た。
得られた結晶の熱伝導率を測定したところ、４．１６Ｗ／ｍ・Ｋであり、アンドープ結晶の熱伝導率と比較して約８％の改善が見られた。また、音速は３８４０ｍ／ｓｅｃでアンドープと比較して変化は見られなかった。更に、得られたＬＴ単結晶中のＧａ濃度分析をＩＣＰ−ＡＥＳ法で行ったところ、０．３４重量％であった。

［実施例８］
実施例８では、仕込みＧａ濃度を１．９重量％となるようにＧａ_２Ｏ_３粉を坩堝にチャージした以外は、実施例１と同様にして結晶育成を行い、クラック・フリーのＧａドープＬＴ単結晶を得た。
得られた結晶の熱伝導率を測定したところ、４．０８Ｗ／ｍ・Ｋであり、アンドープ結晶の熱伝導率と比較して約６％の改善が見られた。また、音速を求めたところ３８５０ｍ／ｓｅｃであった。更に、得られたＬＴ単結晶中のＧａ濃度分析をＩＣＰ−ＡＥＳ法で行ったところ、０．３８重量％であった。

［従来例］
チョクラルスキー法を用いてアンドープＬＴ単結晶の育成を行った。育成には、実施例１と同様に高周波誘導加熱炉を用いた。炉内にφ１７０ｍｍのイリジウム（Ｉｒ）製坩堝を設置し、坩堝内にコングルエント組成で調合したＬＴ仮焼粉を充填して、約１７００℃で融解させた。
その後、融液温度をＬＴの融点（１６５０℃）付近に調整し、種結晶を１０ｒｐｍで回転させながら融液表面に接触させ、十分に馴染ませた後、引上げを開始した。

育成後、炉内を室温付近まで冷却して結晶を取り出し、φ４インチのアンドープＬＴ単結晶を得た。そして、得られた単結晶をアニール、ポーリングした後に熱伝導率測定用試料を結晶から切り出し、また、結晶のスライス、研磨を行って音速測定用試料（基板）を作製した。

得られた熱伝導率測定用試料の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定したところ、３．８５Ｗ／ｍ・Ｋであった。
また、音速測定用に作製したＬＴ基板上に、図１に示したような電極周期が４μｍの１ポートＳＡＷデバイスを作製し（電極材質：Ｃｕ）、ネットワークアナライザーにより共振周波数を測定し、音速を求めたところ３８４０ｍ／ｓｅｃであった。

［比較例１］
比較例１では、仕込みＧａ濃度を０．０３重量％となるようにＧａ_２Ｏ_３粉を坩堝にチャージした以外は、実施例１と同様にして結晶育成を行い、クラック・フリーのＧａドープＬＴ単結晶を得た。
得られた結晶の熱伝導率を測定したところ、３．８９Ｗ／ｍ・Ｋであり、アンドープ結晶の熱伝導率に対してほとんど変化は見られなかった。音速は３８４０ｍ／ｓｅｃでアンドープと比較して変化は見られなかった。更に、得られたＬＴ単結晶中のＧａ濃度分析をＩＣＰ−ＡＥＳ法で行ったところ、０．００６重量％であった。

［比較例２］
比較例２では、仕込みＧａ濃度を２．０重量％となるようにＧａ_２Ｏ_３粉を坩堝にチャージした以外は、実施例１と同様にして結晶育成を行った。冷却後に炉から取り出した結晶はクラックが発生しており、単結晶を得ることができなかった。なお、この時に得られた結晶中のＧａ濃度は０．４２重量％であった。

「評価」
実験結果を示す表１から明らかなように、実施例１〜８で得られたＬＴ単結晶中のＧａ濃度は、０．０１〜０．３８重量％、また、熱伝導率は、４．０８〜４．４３Ｗ／ｍ・Ｋであり、従来例のアンドープ結晶の熱伝導率と比較して約６〜１５％の改善が見られた。また、得られた結晶を用いて基板上に作製したＳＡＷデバイスで求めた音速は、３８４０〜３８５０ｍ／ｓｅｃで音速の変化はほとんど見られなかった。
これに対して、比較例１では、得られたＬＴ単結晶中のＧａ濃度が０．００６重量％と低かったため、熱伝導率が、３．８９Ｗ／ｍ・Ｋとなり、従来例のアンドープ結晶の熱伝導率と比べ、さほど改善が見られなかった。また、比較例２では得られたＬＴ単結晶中のＧａ濃度が０．４２重量％と高かったため、クラックが発生した。

以上の実施例および比較例の結果から、本発明によれば、熱伝導率が高いタンタル酸リチウム結晶を製造することができ、温度特性が改善された低コストの基板を提供しうることが分かる。

本発明のタンタル酸リチウム単結晶は、ＳＡＷフィルターをはじめ振動子、発信器の基板材料として利用可能である。

Claims

タンタル酸リチウム単結晶のＬｉサイト若しくはＴａサイトの一部が、ガリウム（Ｇａ）元素で置換されており、単結晶中のガリウム（Ｇａ）含有量が０．１１重量％以上、０．４重量％以下の範囲であることを特徴とするタンタル酸リチウム単結晶。
単結晶の熱伝導率が、４．０〜４．５Ｗ／ｍ・Ｋであ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。
タンタル酸リチウム単結晶の原料粉末に、ドーパントとなるガリウム原料粉末を添加して、チョクラルスキー法により結晶を育成するタンタル酸リチウム単結晶の製造方法であって、
ガリウム原料粉末は、原料融液中のＧａ濃度が０．０５重量％以上、１．５重量％以下になるように添加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の製造方法。
前記ガリウム原料粉末が、Ｇａ_２Ｏ_３粉末であることを特徴とする請求項３に記載のタンタル酸リチウム単結晶の製造方法。
上記請求項１又は２に記載のタンタル酸リチウム単結晶を基板として用いたＳＡＷフィルター。