JP6593157B2 - タンタル酸リチウム単結晶の育成方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面弾性波素子等に用いられるタンタル酸リチウム単結晶の育成方法に係り、特に、結晶直径が４インチ以上の大型結晶育成時に発生し易いクラックを抑制してその生産性を改善したタンタル酸リチウム単結晶の育成方法に関するものである。

タンタル酸リチウム（以下、ＬＴと略称することがある）結晶は、融点が約１６５０℃、キュリー温度が約６００℃の強誘電体であり、この結晶を用いて製造されたタンタル酸リチウム基板の用途は、主に、携帯電話の送受信用デバイスに用いられる表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタの材料である。

そして、タンタル酸リチウム単結晶は「チョクラルスキー法」で育成するのが一般的である。以下「チョクラルスキー法」による育成方法を説明すると、この方法に用いられる育成炉は、イリジウム等の貴金属製坩堝と、当該坩堝を囲むように設けられた耐火物（断熱材）と、坩堝上端に設置されたドーナツ板形状の貴金属製リフレクターと、当該リフレクター上に設けられかつ坩堝上部の温度勾配を適切に保つためのヒータ機能を持たせた円筒状のアフターヒーターを備えており、上記坩堝内に充填した原料となるタンタル酸リチウム結晶の塊を高周波誘導加熱によって融解させ、この原料融液に種結晶を接触させた後、所定の回転数で種結晶を回転させつつ上方に引き上げることでタンタル酸リチウム単結晶の育成がなされている（例えば、特許文献１、２参照）。

ところで、結晶の引き上げ軸の方向は、表面弾性波の伝搬速度および伝搬損失の関係から、３６°〜５０°回転Ｙ軸（以降、オフ角と称す）方向に切り出された種結晶の方位と同一となるように設定される。このようにして結晶を成長させた場合、オフ角が大きくなると引き上げた単結晶にクラックが発生し易く、特に、結晶直径が４インチ以上の大型の結晶育成時にクラックの発生が顕著となり、生産性を低下させる問題が存在した。

特開平１０−３６１９３号公報 特開平０９−２０５８４号公報

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、その課題とするところは、結晶直径が４インチ以上の大型結晶育成時においてもクラックの発生が抑制されたタンタル酸リチウムの育成方法を提供することにある。

そこで、上記課題を解決するためクラック発生の原因について本発明者が鋭意検討を行ったところ、タンタル酸リチウム単結晶の直胴部を育成しているとき、上記貴金属製リフレクターの開口縁近傍に位置する結晶直胴部の側面に大きな圧縮応力が生じており、圧縮応力により結晶直胴部の内部に転位が発生する結果、この転位の集積がクラックの起源（原因）になっていることを突き止めるに至った。

すなわち、直胴部育成の前工程である「結晶の種付け時」および「結晶肩部の育成時」において、坩堝上端に設置されるドーナツ板形状の貴金属製リフレクターは、結晶の急成長を抑制するため融液表面の動径方向に適度な温度勾配を持たせるように作用している。しかし、タンタル酸リチウム単結晶の直胴部を育成しているとき、高周波の作用によって貴金属製リフレクターの開口縁部が高温になっているため、リフレクターの開口縁近傍に位置することになる結晶直胴部の側面はリフレクターによって加熱される結果、結晶直胴部における中心部の温度より側面外周部の温度が高くなることから結晶側面に上記圧縮応力が生じる。

そこで、リフレクターの形状を最適化し、結晶側面に生じる圧縮応力を低減させることで上記クラックが抑制されるとの予測の下、本発明者が鋭意検討を行なった結果、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、
坩堝と該坩堝の上端に設置されたドーナツ板形状の貴金属製リフレクターを備え、高周波誘導加熱により融解された坩堝内の原料融液に種結晶を接触させ、かつ、上記種結晶を回転させつつ上方に引き上げることで結晶直径が４インチ（＝１０１．６ｍｍ）以上１０５ｍｍ以下のタンタル酸リチウム単結晶を育成する方法において、
上記貴金属製リフレクターにおける外周部分の坩堝外周縁からのはみ出し量を、０ｍｍ以上２．５ｍｍ以下に設定することを特徴とするものであり、
ドーナツ板形状の貴金属製リフレクターの外径と坩堝の外径との関係に言い換えると、
内径が１４０ｍｍである上記リフレクターの外径をａ（ｍｍ）、肉厚が２．５ｍｍである坩堝の外径をｂ（ｍｍ）としたとき、
０（ｍｍ）≦ａ−ｂ≦５（ｍｍ）の条件を満たすように設定することを特徴とするものである。

本発明に係るタンタル酸リチウム単結晶の育成方法によれば、
リフレクターの外径をａ（ｍｍ）、坩堝の外径をｂ（ｍｍ）としたとき、
０（ｍｍ）≦ａ−ｂ≦５（ｍｍ）の条件を満たすように設定され、
貴金属製リフレクターにおける外周部分の坩堝外周縁からのはみ出し量を無くすか少なくすることで、高周波誘導加熱の特徴の一つであるエッジ効果による「鋭角部」での加熱集中が減少し、貴金属製リフレクターの温度上昇を抑えることが可能となる。

これにより貴金属製リフレクターによる結晶直胴部の側面加熱が抑制され、上記直胴部における中心部の温度と側面外周部の温度との差が小さくなる結果、タンタル酸リチウム単結晶直胴部の側面に生ずる圧縮応力が低減されるため、タンタル酸リチウム単結晶に発生するクラックを抑制することが可能となる。

タンタル酸リチウム単結晶の育成方法に用いられる育成装置の一例を示す概略構成断面図。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明に係るタンタル酸リチウム単結晶の育成方法は、坩堝内に収容された原料融液に種結晶を接触させて引き上げる「チョクラルスキー法」の常法に従って行うものであり、イリジウム等から成る貴金属製坩堝の上端に設置されるドーナツ板形状の貴金属製リフレクターについて、その外周部分の坩堝外周縁からのはみ出し量を０ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下に設定することを特徴とする。すなわち、上記リフレクターの外径をａ（ｍｍ）、坩堝の外径をｂ（ｍｍ）としたとき、０（ｍｍ）≦ａ−ｂ≦５（ｍｍ）の条件を満たすように設定することを特徴とするものである。

ドーナツ板形状の貴金属製リフレクターの外径ａを上記坩堝の外径ｂより小さく設定（すなわち、ａ＜ｂ）した場合、坩堝壁の肉厚を考慮しても、操業中の繰り返し利用による坩堝の変形により、坩堝上端にリフレクターを設置したときに坩堝内周縁部とリフレクター外周縁部間の一部に隙間ができてしまう。この隙間部分では、リフレクターの外周縁および坩堝の内周縁が上記「鋭角部」となり、高周波誘導加熱が集中して発熱状態の対称性が失われるため坩堝内における融液の対流が複雑になる。この場合、結晶育成に重要な若干の凸形状の固液界面形状を維持することが困難になるため、多結晶化するリスクが高くなる。

また、リフレクターの外径ａが坩堝の外径ｂと等しい（ａ＝ｂ）場合が最も理想的ではあるが、上記同様、坩堝の変形による隙間の発生が懸念されるため、リフレクターの外径には若干の余裕をもたせてもよい。この場合、リフレクターにおける外周部分の坩堝外周縁からのはみ出し量は２．５ｍｍ以下とする。２．５ｍｍを超えると、高周波誘導加熱によるリフレクター外周部の温度上昇が大きくなり過ぎて伝熱による育成中の結晶直胴部側面の加熱が大きくなり、結晶側面に過度の応力が生じてしまう。

以下、本発明の実施例について比較例を挙げて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例により何ら制限されるものではない。尚、実施例等においてタンタル酸リチウム単結晶を育成する装置としては、図１に示す以下の育成装置を使用した。

すなわち、この育成装置は、図１に示すようにセラミックス製の坩堝台２と、上記坩堝台２の底部に設置されかつイリジウム製の坩堝３が配置されるアルミナ台４と、上記坩堝３を囲むように設置された断熱材５と、上記坩堝３の開放縁上に沿って取り付けられたドーナツ板形状のイリジウム製リフレクター９と、上記リフレクター９上に取り付けられた円筒状のイリジウム製アフターヒーター１３と、上記アフターヒーター１３の上方開放縁上に取り付けられかつ中央に引き上げ軸６を通すための開口部が設けられた蓋７と、上記引き上げ軸６の下方側に設けられかつ種結晶８を保持するための種結晶保持治具１２と、上記坩堝台２を囲むように設けられかつ坩堝３を誘導加熱して内部に充填された原料を融解させる加熱コイル（高周波コイル）１とでその主要部が構成されており、上記原料の融液１０に種結晶８を接触させると共に種結晶８を回転させつつ上方へ引き上げることで単結晶１１を育成するものである。

［実施例１］
外寸直径（すなわち、外径）１７５ｍｍφ、内寸高さ１７０ｍｍ、肉厚２．５ｍｍのイリジウム製坩堝３の開放縁上に、内径１４０ｍｍφ、外径１７５ｍｍφ、厚さ１．５ｍｍのドーナツ板形状のイリジウム製リフレクター９を取り付け、更に、上記リフレクター９上に、直径１４７ｍｍφ、高さ１５０ｍｍ（肉厚１ｍｍ）の円筒状のイリジウム製アフターヒーター１３を取り付けた。

そして、上記坩堝３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。この際、種結晶８の方位は４２°回転Ｙ軸とし、結晶直径１０５ｍｍ、直胴長９０ｍｍである単結晶の引き上げを行った。

尚、実施例１に係るリフレクター９においては、その外周部分の坩堝３外周縁からのはみ出し量は０ｍｍ、すなわち、リフレクター９の外径をａ（ｍｍ）、坩堝３の外径をｂ（ｍｍ）とした場合、（ａ−ｂ）＝１７５ｍｍ−１７５ｍｍ＝０（ｍｍ）となる。

そして、実施例１に係る条件での結晶引き上げを１０回実施したところ、全ての実施においてクラックのないＬＴ単結晶が得られた。

［実施例２］
ドーナツ板形状のイリジウム製リフレクター９の外径を１７７ｍｍφとした以外は実施例１と同等の条件で単結晶の引き上げを行った。

尚、実施例２に係るリフレクター９においては、その外周部分の坩堝３外周縁からのはみ出し量は１ｍｍ、すなわち、リフレクター９の外径をａ（ｍｍ）、坩堝３の外径をｂ（ｍｍ）とした場合、（ａ−ｂ）＝１７７ｍｍ−１７５ｍｍ＝２（ｍｍ）となる。

そして、この条件での結晶引き上げを１０回実施したところ、８回の実施においてクラックのないＬＴ単結晶が得られた。

［実施例３］
ドーナツ板形状のイリジウム製リフレクター９の外径を１７９ｍｍφとした以外は実施例１と同等の条件で単結晶の引き上げを行った。

尚、実施例３に係るリフレクター９においては、その外周部分の坩堝３外周縁からのはみ出し量は２ｍｍ、すなわち、リフレクター９の外径をａ（ｍｍ）、坩堝３の外径をｂ（ｍｍ）とした場合、（ａ−ｂ）＝１７９ｍｍ−１７５ｍｍ＝４（ｍｍ）となる。

そして、この条件での結晶引き上げを１０回実施したところ、８回の実施においてクラックのないＬＴ単結晶が得られた。

［実施例４］
ドーナツ板形状のイリジウム製リフレクター９の外径を１８０ｍｍφとした以外は実施例１と同等の条件で単結晶の引き上げを行った。

尚、実施例４に係るリフレクター９においては、その外周部分の坩堝３外周縁からのはみ出し量は２．５ｍｍ、すなわち、リフレクター９の外径をａ（ｍｍ）、坩堝３の外径をｂ（ｍｍ）とした場合、（ａ−ｂ）＝１８０ｍｍ−１７５ｍｍ＝５（ｍｍ）となる。

そして、この条件での結晶引き上げを１０回実施したところ、８回の実施においてクラックのないＬＴ単結晶が得られた。

［比較例１］
ドーナツ板形状のイリジウム製リフレクター９の外径を１８１ｍｍφとした以外は実施例１と同等の条件で単結晶の引き上げを行った。

尚、比較例１に係るリフレクター９においては、その外周部分の坩堝３外周縁からのはみ出し量は３ｍｍ、すなわち、リフレクター９の外径をａ（ｍｍ）、坩堝３の外径をｂ（ｍｍ）とした場合、（ａ−ｂ）＝１８１ｍｍ−１７５ｍｍ＝６（ｍｍ）となる。

そして、この条件での結晶引き上げを１０回実施したところ、クラックのないＬＴ単結晶を得ることができたのは５回であった。

［比較例２］
ドーナツ板形状のイリジウム製リフレクター９の外径を１７４ｍｍφとした以外は実施例１と同等の条件で単結晶の引き上げを行った。

本比較例２においては、リフレクター９の外径が坩堝３の外径より小さく、リフレクター９の外径をａ（ｍｍ）、坩堝３の外径をｂ（ｍｍ）とした場合、
（ａ−ｂ）＝１７４ｍｍ−１７５ｍｍ＝−１（ｍｍ）となる。

坩堝の肉厚が２．５ｍｍであるため、繰り返し使用により徐々に坩堝の変形は見られたものの、７回目の結晶引き上げまでは坩堝とリフレクター間に隙間が生ずることはなく、クラックのないＬＴ単結晶を得ることができた。しかし、その後、坩堝とリフレクター間に隙間が生じたため、以降、３回の引き上げ試験を実施したが、結晶底部から約４０ｍｍの範囲において多結晶化が見られた。

『確 認』
上記結果から、実施例１〜４によればクラックのないタンタル酸リチウム単結晶を高い収率で製造することができることが確認される。

本発明によれば、タンタル酸リチウム単結晶のクラックが抑制されてウエハーの取得可能枚数を大幅に増大させることが可能となるため、表面弾性波素子等に用いられるタンタル酸リチウム単結晶の育成に利用される産業上の利用可能性を有している。

１ 加熱コイル（高周波コイル）
２ セラミックス製の坩堝台
３ 坩堝
４ アルミナ台
５ 断熱材
６ 引き上げ軸
７ 蓋
８ 種結晶
９ リフレクター
１０ 融液
１１ 単結晶
１２ 種結晶保持治具
１３ アフターヒーター

Claims (1)

1. 坩堝と該坩堝の上端に設置されたドーナツ板形状の貴金属製リフレクターを備え、高周波誘導加熱により融解された坩堝内の原料融液に種結晶を接触させ、かつ、上記種結晶を回転させつつ上方に引き上げることで結晶直径が４インチ（＝１０１．６ｍｍ）以上１０５ｍｍ以下のタンタル酸リチウム単結晶を育成する方法において、
   内径が１４０ｍｍである上記リフレクターの外径をａ（ｍｍ）、肉厚が２．５ｍｍである坩堝の外径をｂ（ｍｍ）としたとき、
   ０（ｍｍ）≦ａ−ｂ≦５（ｍｍ）の条件を満たすように設定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。

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