特許第6593157号(P6593157)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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  • 特許6593157-タンタル酸リチウム単結晶の育成方法 図000002
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6593157
(24)【登録日】2019年10月4日
(45)【発行日】2019年10月23日
(54)【発明の名称】タンタル酸リチウム単結晶の育成方法
(51)【国際特許分類】
   C30B 29/30 20060101AFI20191010BHJP
   C30B 15/00 20060101ALI20191010BHJP
【FI】
   C30B29/30 B
   C30B15/00 Z
【請求項の数】1
【全頁数】8
(21)【出願番号】特願2015-251992(P2015-251992)
(22)【出願日】2015年12月24日
(65)【公開番号】特開2017-114725(P2017-114725A)
(43)【公開日】2017年6月29日
【審査請求日】2018年6月22日
(73)【特許権者】
【識別番号】000183303
【氏名又は名称】住友金属鉱山株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100095223
【弁理士】
【氏名又は名称】上田 章三
(74)【代理人】
【識別番号】100085040
【弁理士】
【氏名又は名称】小泉 雅裕
(72)【発明者】
【氏名】杉山 正史
【審査官】 若土 雅之
(56)【参考文献】
【文献】 特開2013−001581(JP,A)
【文献】 特開平09−328394(JP,A)
【文献】 特開平09−328400(JP,A)
【文献】 特開平09−020584(JP,A)
【文献】 中国特許出願公開第1311356(CN,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C30B 1/00−35/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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)。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平10−36193号公報
【特許文献2】特開平09−20584号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【発明の効果】
【0011】
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。
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】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。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【実施例】
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
[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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
[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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
[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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
[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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
[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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
[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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
『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。
【産業上の利用可能性】
【0040】
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。
【符号の説明】
【0041】
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
図1