(57)【要約】【課題】ＳＡＷデバイスの製造に用いられるタンタル酸リチウムからなるウエハに関して、ウエハでの導電率を増加させ、かつ、ＳＡＷデバイスの特性歩留まりが劣化しないものを提供する。【解決手段】弾性表面波伝搬面が黒褐色鏡面で、裏面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．１５μｍ以下である導電率を向上させた表面弾性波素子用タンタル酸タンタル酸リチウム結晶からなるウエハを用いることで特性歩留まりの劣化がなく、焦電気の発生もないＳＡＷデバイスが得られる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電率が増加されたタンタル酸リチウム結晶からなるウエハで、弾性表面波伝搬面が黒褐色鏡面で、裏面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．１５μｍ以下である弾性表面波素子用ウエハ。
【請求項２】
該導電率が１．０ｘ１０−１２Ω−１・ｃｍ−１以上１．０ｘ１０−１０Ω−１・ｃｍ−１以下の範囲であることを特徴とする請求項１記載の弾性表面波素子用ウエハ。
【請求項３】
タンタル酸リチウム結晶を育成し、これをスライスしてウエハを切り出し、その後、第１のラッピングをし、さらに導電率を増加する処理をおこない、その後、第２のラッピングをし、最後に弾性表面波が伝搬する面を鏡面加工して弾性表面波素子用ウエハを製造する工程において、該第２のラッピング後のウエハ外面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．１５μｍ以下となるよう砥粒を選ぶことを特徴とする弾性表面波素子用ウエハの製造方法。
【請求項４】
該導電率が１．０ｘ１０−１２Ω−１・ｃｍ−１以上１．０ｘ１０−１０Ω−１・ｃｍ−１以下の範囲であることを特徴とする請求項３記載の弾性表面波素子用ウエハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波素子などのウエハ上に金属電極でパターンを形成して電気信号を処理するための優れた特性をもつ単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶からなるウエハおよびその製造法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
タンタル酸リチウムは、弾性表面波（ＳＡＷ）の信号処理といった電気的特性を利用する用途に使用され、この用途ではタンタル酸リチウム結晶は単一分極化されたものが使われる。近年、この用途では信号として２ＧＨｚ以上の高周波が用いられ、弾性表面波としても擬似弾性表面波が利用されている。この擬似弾性表面波は、漏洩弾性表面波とも呼ばれ、波のエネルギーがウエハ表面に集中しており、波が伝搬する際にバルク波をウエハ内部に放射しながら伝搬する表面波である。この用途に適したタンタル酸リチウム結晶は、その結晶構造に起因するＳＡＷデバイスに必要とされる圧電気応答（圧電性）を示すが、通常の方法で入手できるタンタル酸リチウム結晶は圧電性に加えて焦電気応答（焦電性）を生じる。
【０００３】
タンタル酸リチウム結晶の圧電性はタンタル酸リチウム結晶をＳＡＷデバイスとして利用する時に、不可欠となる特性であるが、一方、焦電性はタンタル酸リチウム結晶に温度変化を与えることで結晶の外側に発生する表面電荷として観察され、結晶を帯電させるものである。この表面電荷は、タンタル酸リチウム結晶をＳＡＷデバイスとして使用するときに、タンタル酸リチウム結晶からなるウエハ上に形成された金属電極間で火花放電を起こし、ＳＡＷデバイスの著しい性能の欠陥を引き起こすとされている。このため、タンタル酸リチウム結晶を用いるＳＡＷデバイスの設計では、表面電荷を発生させない工夫、発生した表面電荷を逃がす工夫、あるいは金属電極同士の間隔を広くするなどの工夫が必要とされ、これら工夫を取り入れるために、ＳＡＷデバイス自体の設計に制約が加わるといった不利益があった。
【０００４】
また、タンタル酸リチウム結晶を用いたＳＡＷデバイスの製造工程では金属膜の蒸着、レジストの除去といった工程でタンタル酸リチウム結晶に熱が加わる工程があり、これら工程で加熱あるいは降温といった温度変化がタンタル酸リチウム結晶に与えられるとタンタル酸リチウム結晶の焦電性により結晶外面に電荷が発生する。この表面電荷により、金属電極間に火花放電が生じ、電極パターンの破壊となるため、ＳＡＷデバイスの製造工程では出来るだけ温度変化を与えないように工夫をしたり、温度変化を緩やかにするといった工夫をしており、これら工夫のために製造工程のスループットが低下したり、あるいはＳＡＷデバイスの性能を保証するマージンが狭くなるといった不利益が生じている。
【０００５】
通常の方法で製造された単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶では、焦電性により発生した結晶外面の表面電荷は周囲環境からの遊離電荷により中和され、時間の経過とともに消失するが、この消失時間は数時間以上と長く、ＳＡＷデバイスの製造工程では、この自発的な焦電性の消失に期待できない。
【０００６】
ＳＡＷデバイスのような用途に対してはデバイス特性を発揮するために必要とされる圧電性を維持した上で、上記背景により、結晶外面に電荷の発生が見られない圧電性結晶の要求が増大しており、このような用途に対して表面電荷の蓄積が見られない単一分極化されたタンタル酸リチウム結晶が必要とされており、この要求に応える製造方法としてタンタル酸リチウム結晶の導電率を増加させる方法が本願発明者により提案されている（特願２００３−０６０６０３および特願２００３−１２８５２８）。
【０００７】
一方、ＳＡＷデバイスをタンタル酸リチウム結晶からなるウエハから作製する場合は、ウエハ裏面からのバルク波の反射に起因するスプリアスを抑制するためウエハの裏面を粗面化することが必要であるが、上記した導電率を増加させたタンタル酸リチウム結晶からなるウエハの裏面を粗面化し、その後、片面を鏡面化したウエハにてＳＡＷデバイスを作製すると弾性表面波の伝搬損失が増えるという問題が生じることが分かった。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭５９−４７８２２号公報
【特許文献２】
日本国特許第３３８４５４６号
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記された問題の解決方法を提供するものであり、タンタル酸リチウムに温度変化を与えることで発生する表面電荷をタンタル酸リチウムの導電率を向上することで発生した表面電荷を蓄積させることなく消失させるという能力を付与するともに、ＳＡＷデバイスの伝搬特性の劣化がみられないという特性を備えたタンタル酸リチウム結晶からなるウエハを提供するものである。
【００１０】
この導電率を向上させたタンタル酸リチウム結晶としては上記した特願２００３−０６０６０３および特願２００３−１２８５２８に示されている。一方、ＳＡＷデバイス用ウエハの裏面側の表面粗さに関しては、特開昭５９−４７８２２号公報では、ウエハ裏面を中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．３〜０．５μｍとすることでウエハの反りが緩和できることが示されており、また、特許３３８４５４６号には裏面の平均表面粗さ（Ｒａ）が０．３０μｍ未満とすることでウエハに反りが発生しにくくなり、さらにウエハ裏面の加工時に発生するカケ、チップ、ワレ等の発生も少なくなることが示されている。また、特許第３３８４５４６号では、裏面の平均表面粗さが０．１５μｍ以下とすることで、バルク波の影響が無く、且つ上記した効果を十分に発揮できることが示されている。
【００１１】
しかし、特願２００３−０６０６０３あるいは特願２００３−１２８５２８に示された製造方法で導電率を向上させたタンタル酸リチウム結晶からなるウエハを作製し、これを用いてＳＡＷデバイスを製造すると表面弾性波の伝搬損失特性が劣化する場合があることが分かった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、焦電気の発生が見られず、かつ良好なＳＡＷデバイス特性を与えることができるタンタル酸リチウム結晶からなるウエハを提供するものであり、これは導電率が増加されたタンタル酸リチウム結晶からなるウエハで、弾性表面波伝搬面が黒褐色鏡面で、その裏面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．１５μｍ以下である弾性表面波素子用ウエハであり（請求項１）、さらには該導電率が１．０ｘ１０−１２Ω−１・ｃｍ−１以上１．０ｘ１０−１０Ω−１・ｃｍ−１以下の範囲であることを特徴とする弾性表面波素子用ウエハである（請求項２）。また、本発明のタンタル酸リチウム結晶からなるウエハは、タンタル酸リチウム結晶を育成し、これをスライスしてウエハを切り出し、その後、第１のラッピングをし、さらに導電率を増加する処理をおこない、その後、第２のラッピングをし、最後に弾性表面波が伝搬する面を鏡面加工して弾性表面波素子用ウエハを製造する工程において、該第２のラッピング後のウエハ外面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．１５μｍ以下となるよう砥粒を選ぶことを特徴とする製造方法であり（請求項３）、このときの導電率が１．０ｘ１０−１２Ω−１・ｃｍ−１以上１．０ｘ１０−１０Ω−１・ｃｍ−１以下の範囲であることを特徴とする弾性表面波素子用ウエハの製造方法である（請求項４）。尚、上記黒褐色鏡面とは、ＪＩＳ  Ｚ８７２９で規定されるＬ＊ａ＊ｂ＊表色系における明度Ｌ＊の値が２５〜７０の範囲のものをいう。
【００１３】
本発明でタンタル酸リチウム結晶は、炭酸リチウムと五酸化タンタルとを秤量し、混合し、電気炉で１０００℃以上に加熱することで得られた多結晶のタンタル酸リチウムをイリジウムなどの貴金属製のルツボに入れ、加熱、溶融後に種結晶を用いて回転引上げ（いわゆるチョクラルスキー法）にて育成することでたとえば直径が４インチのタンタル酸リチウム結晶が得られる。
【００１４】
このようにして得られた４インチのタンタル酸リチウム結晶に貴金属製電極を設置し、キュリー点以上の温度、たとえば６５０℃にて電圧を印加することで単一分域化処理ができ、この単一分域化処理がなされた結晶を、たとえばワイヤソーを用いてスライスすることで直径４インチ、厚さ０．５ｍｍのスライス処理がおこなわれたウエハが得られ、さらにこのウエハをラップ機で処理することで（第一のラップ工程）直径４インチ、厚さ０．４ｍｍラップウエハが得られる。
ラップ工程では、たとえば、上下の定盤間にウエハを挟み込み、砥粒を供給しつつ、前記定盤を相互に逆回転させて、ウエハ表面を研削する、この時に、用いる砥粒の粒度や、研削条件を変更することで、ウエハ外面の研削面の粗さを調整することができる。この手法は後述する第二のラップ工程でも同様である。
このラップウエハをステンレススチールからなる圧力計がついた容器に入れ、大気を還元性のガス、たとえば水素ガスで十分に置換して圧力０．２ＭＰａで封入し、このステンレススチールの容器を管状の電気炉中に設置し、炉の温度を室温から毎分約６．７℃の速度で昇温させ、タンタル酸リチウム結晶のキュリー点以下の温度、たとえば５５０℃に６時間保持後に炉を毎分約６．７℃の速度で降温し、３０℃以下となったところでウエハをステンレススチールの容器から取り出すことで導電率を増加させる処理をおこない、この後、ラップ機でウエハに歪みをあまり与えないような条件、たとえばＦＯ＃１２００で例示されるような細かい番手の砥粒で処理することで（第二のラップ工程）欠陥が少ない両面ラップウエハが得られ、この両面ラップウエハの片面を研磨機を用いて鏡面加工することで目的とするＳＡＷデバイス特性の劣化がない導電率が向上したタンタル酸リチウム結晶からなるウエハが得られる。
【００１５】
このようにして得られたウエハの鏡面側に主としてアルミニウムからなる膜を付け、そして、フォトリソグラフィー技術により所望の微細形状、一般的には櫛形電極をウエハ表面に形成した後、チップ状に切り出し、パッケージ化することでＳＡＷデバイスが製造され、その後、デバイス特性が測定される。
【００１６】
本発明で得られた単一分域化されたタンタル酸リチウム結晶からなるウエハに対する導電率は次のように測定した。導電率は体積抵抗率の逆数である。体積抵抗率はＨｅｗｌｅｔｔ  Ｐａｃｋａｒｄ社製、４３２９Ａ  Ｈｉｇｈ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｍｅｔｅｒ  及び１６００８Ａ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙを用いて測定した。体積抵抗率は次式により得ることができる。
ρ＝（πｄ２／４ｔ）・Ｒ
ρ：            体積抵抗率（Ω・ｃｍ）
π：            円周率
ｄ：            中心電極直径（ｃｍ）
ｔ：            タンタル酸リチウムのウエハ厚さ（ｃｍ）
Ｒ：            抵抗値（Ω）
５００ボルトの電圧を印加し、電圧を印加してから１分後の抵抗値を測定した。
【００１７】
本発明でのタンタル酸リチウム結晶からなるウエハは、導電率が向上しているばかりでなく、ＳＡＷデバイスを製造したときに特性の劣化がないものとなっており、ＳＡＷデバイス製造上極めて有利な材料である。これは、フィルタなどのＳＡＷデバイスを製造したときに、重要なデバイス特性として最小損失があるが、この損失はタンタル酸リチウム結晶の結晶欠陥と関係すると考えられる。この結晶欠陥の起点はタンタル酸リチウム結晶を水素ガスなどの還元雰囲気中で導電率を増加させる処理中に生じるものであり、これは還元処理によるタンタル酸リチウム結晶構造での酸素欠損の発生のためと考えられる。タンタル酸リチウム結晶を構成する酸素がこの還元処理により欠損となると、結晶構造が崩れ、これが結晶欠陥の起点となると考えられる。この起点に、ラップ工程でウエハに力が加わるとウエハ外面に導電率を増加させないものと比較し、この起点から多くの結晶欠陥が生じると考えられる。実際に導電率を増加させたウエハの機械的強度は導電率を増加させないものより弱くなっている。この結晶欠陥により弾性表面波の伝搬が妨げられ、伝搬損失が増えると考えられる。この、不具合を抑えるためには、導電率を増加させたタンタル酸リチウムからなるウエハを製造する際には、導電率を増加させた後でのラップ工程、つまり第二のラップ工程では結晶欠陥の起点から結晶欠陥を生じさせないようにウエハに大きな加工歪みを与えない方法、たとえば細かい番手の砥粒を用いてラップをすることが必要であることを見出し、また、ラップ後の歪みが中心線平均粗さ（Ｒａ）で把握できることを見出して本発明を完成させた。
【００１８】
なお、上記したようにタンタル酸リチウム結晶中に生じる加工歪による結晶欠陥はウエハ外面に集中することより、研磨工程での取代を通常の取代である１０〜２０μｍより多くする、たとえば３０μｍ以上とすることでもこの結晶欠陥を取り去ることができるが、この方法を適用すると研磨工程での取代が増えるにしたがってウエハの平坦度が悪化するので好ましくない。
【発明の実施の形態】
【００１９】
実施例、比較例
タンタル酸リチウム結晶からなるウエハ作製は次の通り行った。ｙ方向４０゜回転の直径４インチ、長さ５０ｍｍのタンタル酸リチウム結晶インゴットを、チョクラルスキー法で育成し、単一分域化処理をおこなった。この単一分域化されたタンタル酸リチウム結晶インゴットをワイヤソーにて切断、ＧＣ＃１０００の砥粒を用いて第一のラップ加工を行い、厚さ０．４ｍｍの両面ラップウエハを多数得た。この単一分域化されたタンタル酸リチウム結晶からなる両面ラップウエハ１００枚を、外径１５０ｍｍ内径１３０ｍｍの圧力計付ステンレススチール製容器中に積み重ねるようにして置き、容器内を水素置換した後、水素圧力を０．２ＭＰａとして封入した。この容器を発熱体がカンタル線である管状炉に円筒部分を挿入し、上部をアルミナシリケートからなるウールで保温し、炉の温度を室温から毎分約６．７℃の速度で５５０℃まで昇温した。温度５５０℃での保持時間を試料に応じて０〜２４時間と変化させた。保持時間経過後、炉の電源を切り、放冷し、３０℃以下となったところで容器からウエハを取り出すことで明度が異なる黒褐色あるいは非褐色の還元処理タンタル酸リチウム結晶からなる両面ラップウエハを得た。
【００２０】
このウエハをさらにラップ機でＧＣあるいはＦＯと表記される様々の砥粒にてウエハ外面を片面１５μｍ以上ラップした後、ＳＡＷデバイス用基板として標準的な仕様である片面鏡面とするため弾性表面波が伝搬する面のみを１５μｍ以上研磨機で研磨し、導電率が向上した単一分極化されたタンタル酸リチウム製品ウエハを得た。
【００２１】
この製品ウエハについて、導電率については［００１６］で記載した方法で測定した。表１にその測定値から得られた計算結果を記するが、導電率の「９．３Ｅ−１４」というような記載は、「９．３ｘ１０−１４」という意味である。
【００２２】
ウエハ裏面の中心線平均粗さ（Ｒａ）については以下のようにして測定した。株式会社東京精密製、サーフコムを使用し、カットオフは０．８ｍｍ、測定長は５ｍｍにて、ウエハ裏面の中央部一箇所、および、外周から１０ｍｍ内側の点４箇所、合計５箇所の表面粗さを測定し、その平均値をＲａとした。
【００２３】
比較例１，２は導電率が小さいため、結晶欠陥の起点が少なくなると考えられ最小損失歩留りは問題ないレベルとなったが、その他の実験品と異なり、ＳＡＷデバイス製造工程で電極間にスパークが発生し、非常に作り難い現象が見られた。また、黒褐色鏡面が得られたのは、実施例１、２、３と比較例３、４、５であった。比較例３では第二のラップ工程をおこなわずに、研磨をおこなった結果、加工歪みで生じた結晶欠陥が多数残っているためか最小損失歩留りが大きく低下した。
表１  タンタル酸リチウム結晶からなるウエハの裏面粗さと導電率及びＳＡＷデバイス歩留まり
2004356951.tif 000002
ＳＡＷデバイスの歩留まりはフィルタを試作した時の最小損失値が−２．５ｄＢを越える割合である。