ランガサイト単結晶及びその製造方法
【課題】基板間の音速バラツキが小さく、ＳＡＷデバイス製造の歩留まりが良好なランガサイト単結晶及びその製造方法を提供する。
【解決手段】チョクラルスキ法によるランガサイト単結晶Ｃの製造方法であって、ランガサイト単結晶Ｃを引き上げるための引き上げ軸５にＹ５４方位のランガサイト種結晶Ｓを取り付け、引き上げ軸５の回転数を、２０ｒｐｍ以上、３０ｒｐｍ以下の状態で、ランガサイト単結晶Ｃを引き上げることを特徴とする。
【解決手段】チョクラルスキ法によるランガサイト単結晶Ｃの製造方法であって、ランガサイト単結晶Ｃを引き上げるための引き上げ軸５にＹ５４方位のランガサイト種結晶Ｓを取り付け、引き上げ軸５の回転数を、２０ｒｐｍ以上、３０ｒｐｍ以下の状態で、ランガサイト単結晶Ｃを引き上げることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキ法を利用してランガサイトの単結晶を育成するためのランガサイト単結晶及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、チョクラルスキ（Czochralski）法を利用したランガサイト（Langasite：Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）の単結晶の製造方法として様々な技術が知られている。
例えば、特許文献１〜４には、ランガサイト単結晶の原料として使用するＬａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＯ２を、それぞれ所定の組成範囲内で秤量し、それらから生成したランガサイト原料融液からランガサイト単結晶を育成することにより、ランガサイト単結晶の均質性を向上させる技術が開示されている。
また、特許文献５には、良好なＳＡＷ（Surface Acoustic Wave：表面弾性波）特性を有する基板を効率的に取得できるランガサイト単結晶の製造方法として、ルツボ内のランガサイト原料融液からランガサイト単結晶を引き上げる際の引き上げ軸の回転数を２０ｒｐｍ（revolutions per minute：１分間の回転数）から２ｒｐｍへ徐々に減少させることにより、ランガサイト単結晶を育成する方法が開示されている。
また、特許文献６には、ランガサイトの原料となるＬａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＯ２を化学量論組成の組成で秤量し、所定の方位（Ｙ５４方位）の種結晶を利用してランガサイト単結晶を育成した場合に、ランガサイト単結晶が成長する方向の均質性が悪くなり、基板間の音速バラツキが３００ｐｐｍ以上となることが開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１９２２９８号公報
【特許文献２】特開２００１−３４８２９９号公報
【特許文献３】特開２００２−０５３３９３号公報
【特許文献４】特開２００４−０５９４０４号公報
【特許文献５】特開２００２−２５５６９１号公報
【特許文献６】特開２００３−１９２４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ランガサイト単結晶から良好なＳＡＷ特性を有する基板を効率的に取得するためには、Ｙ５４方位によるランガサイト単結晶の育成を使用することが好ましい。しかし、ランガサイト単結晶の育成方位をＹ５４方位に限ると、ランガサイト型の単結晶に特有な（０００１）面のカット面の成長による影響を受け、特許文献１〜４でランガサイト単結晶の基板間の均質性が向上するとされている組成比のＬａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＯ２を用いても、得られるランガサイト単結晶の結晶上部には、音速の低い領域が存在し、結晶の均質性が悪くなるという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、基板間の音速バラツキが小さく、ＳＡＷデバイス製造の歩留まりが良好なランガサイト単結晶及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、チョクラルスキ法によるランガサイト単結晶の製造方法であって、前記ランガサイト単結晶を引き上げるための引き上げ軸にＹ５４方位のランガサイト種結晶を取り付け、前記引き上げ軸の回転数を、２０ｒｐｍ以上、３０ｒｐｍ以下の状態で、前記ランガサイト単結晶を引き上げることを特徴とするランガサイト単結晶の製造方法である。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、前記ランガサイト単結晶を引き上げる際に、前記引き上げ軸の回転数を一定に維持することを特徴とする請求項１に記載のランガサイト単結晶の製造方法である。
【０００７】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のランガサイト単結晶の製造方法により製造されたことを特徴とするランガサイト単結晶である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、チョクラルスキ法の引き上げ軸の回転数を２０ｒｐｍ以上、３０ｒｐｍ以下とし、Ｙ５４方位のランガサイト単結晶を引き上げるようにした。
これにより、基板間の音速バラツキが小さく、ＳＡＷデバイスの歩留まりの良好なランガサイト単結晶及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態によるランガサイト単結晶の製造方法ついて説明する。
図１は、ランガサイト単結晶の製造方法に使用するチョクラルスキ法の高周波加熱育成炉１０の構造を示す断面図である。また、図２は、本実施形態によるランガサイト単結晶の製造方法を使用する際の製造条件等をまとめた表である。
この高周波加熱育成炉１０は、ルツボ１、保温材２、高周波ワークコイル３、引き上げ軸５を有する。ルツボ１の内部には、ランガサイトの原料となるＬａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＯ２の焼成したペレットが充填される。ここでは、ルツボ１の材質として、イリジウムを使用した。また、ルツボ１の形状として、外径１７０ｍｍ、高さ１７０ｍｍ、厚み２ｍｍのものを使用した。また、ルツボ１内に約１８．５ｋｇのペレットを充填した。
【００１０】
ルツボ１の周囲と下方には、アルミナ及びジルコニア製の保温材２が設置されている。この保温材２を設置することにより、ルツボ１内の熱が高周波加熱育成炉１０の外部に拡散するのを抑制することができる。
保温材２の外周には、高周波ワークコイル３が設けられている。高周波ワークコイル３に電力を供給することにより、ルツボ１内に充填されるＬａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＯ２の焼成したペレットが加熱され融解して、ランガサイト原料融液Ｌが生成される。
【００１１】
高周波加熱育成炉１０には、ランガサイト原料融液Ｌの液面と垂直となるように、引き上げ軸５が設置されている。引き上げ軸５は、所定の回転数で回転することが可能であるとともに、所定の速度で引き上げることができるようになっている。
引き上げ軸５の先端には、Ｙ５４方位のランガサイト種結晶Ｓが取り付けられている。ここでは、ランガサイト種結晶Ｓの形状として１０ｍｍ角の角柱状の結晶を用いた。なお、「Ｙ５４方位」とは、オイラ角（φ，θ，ψ）＝（０°，１４４°，ψ°）で表示される方位をいう。
【００１２】
ランガサイト種結晶Ｓの先端をランガサイト原料融液Ｌの液面に接触させて、引き上げ軸５を所定の回転数で回転させながら、所定の速度で上方に引き上げていくことにより、ランガサイト種結晶Ｓの先端にランガサイト単結晶Ｃが徐々に育成される。ここでは、引き上げ軸５を引き上げる速度を、０．１〜３ｍｍ／ｈとした。なお、引き上げ軸５の回転数については後述する。
【００１３】
引き上げ軸５には、重量センサ（図示省略）が接続されており、ランガサイト種結晶Ｓから成長したランガサイト単結晶Ｃの重量の変化を検出することにより、円柱状のランガサイト単結晶Ｃの直径が制御される。この直径の制御には、ランガサイト種結晶Ｓとランガサイト原料融液Ｌとの個液界面の形状の変化に対応できるように直径制御プログラムに修正を加えたものを使用した。これにより、円柱状のランガサイト単結晶Ｃの形状として、直胴部の直径が１２０ｍｍ、直胴部の長さが７０ｍｍの結晶を育成した。
【実施例】
【００１４】
上述した図１に示した高周波加熱育成炉１０、及び、図２に示した製造条件を使用して、引き上げ軸５の回転数や、ランガサイト原料融液Ｌの組成を変化させることにより、育成されるランガサイト単結晶Ｃの結晶状態を調べた。
始めに、ランガサイトの原料となるＬａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＯ２をそれぞれ所定の組成比で秤量、混合し、電気炉で焼成することにより、ペレット状のランガサイトの原料を取得した。ここでは、ランガサイトの原料の所定の組成比として、原料組成Ａと原料組成Ｂを使用する場合について実験した。なお、原料組成Ａの組成比としては、Ｌａ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝４８．３５：４６．２２：５．４３（重量％）を使用し、原料組成Ｂの組成比としては、Ｌａ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝４８．０４：４６．０６：５．９１（重量％）を使用した。
【００１５】
次に、そのペレット状のランガサイトの原料をイリジウム製のルツボ１に充填した後、そのルツボ１を高周波加熱育成炉１０に設置した。また、そのルツボ１の周囲に保温材２を設置した。次に、高周波ワークコイル３に電力を供給することにより、ルツボ１内のペレット状のランガサイトの原料を加熱して融解させ、そのまま一定時間維持した。その後、１０ｍｍ角程度のＹ５４方位のランガサイト種結晶Ｓを引き上げ軸５の先端に取り付け、そのランガサイト種結晶Ｓの先端が、ルツボ１内のランガサイト原料融液Ｌに接触するように、引き上げ軸５を下降させた。
【００１６】
そして、引き上げ軸５を所定の回転数で回転させながら引き上げることにより、ランガサイト単結晶Ｃを育成した。ここでは、引き上げ軸５の回転数を、５ｒｐｍ、１５ｒｐｍ、２０ｒｐｍ、２５ｒｐｍ、３０ｒｐｍ、３５ｒｐｍにそれぞれ設定した場合に、育成されるランガサイト単結晶Ｓの結晶状態を調べた。
また、参考例として、特許文献５に記載されているように引き上げ軸５の回転数を、ランガサイト単結晶Ｃの育成開始時には２０ｒｐｍに設定し、育成終了時には２ｒｐｍとなるように徐々に減少させる場合についても実験した。
【００１７】
そして、育成される円柱状のランガサイト単結晶Ｃの重量を、引き上げ軸５に接続される重量センサで検出することにより、円柱状のランガサイト単結晶Ｃの直径が１２０ｍｍとなるように制御した。ランガサイト単結晶Ｃの直径が１２０ｍｍに達したところで、その直径を維持しながら、引き上げ軸５を所定の速度で上昇させることにより、ランガサイト単結晶Ｃの直胴部が７０ｍｍとなるまで育成した。
【００１８】
次に、育成されたランガサイト単結晶Ｃから、ＳＡＷデバイスに適した方位となるように、複数枚の基板を切り出した。そして、その基板を研磨することにより、基板の片面が鏡面状態のＳＡＷデバイス用のウエハを作製した。そして、ＳＡＷデバイス用のウエハ上に、フォトリソグラフィ法により、ＳＡＷデバイスを５００個程度作製した。
次に、ネットワークアナライザでそれらのＳＡＷデバイスの中心周波数を測定し、その中心周波数の測定値から音速を求めた。そして、ランガサイト単結晶Ｃから切り出した複数の基板間におけるＳＡＷデバイスの音速のバラツキを算出することにより音速バラツキを求めた。
【００１９】
上述したランガサイト単結晶Ｃの製造方法により、高周波加熱育成炉１０の引き上げ軸５の回転数、ランガサイト原料融液Ｌの組成を変化させた場合のランガサイト単結晶Ｃの結晶状態を図３の表にまとめた。
図３から分かるように、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、５ｒｐｍに維持した場合、２０ｒｐｍから２ｒｐｍに徐々に減少させた場合、２０ｒｐｍに維持した場合、２５ｒｐｍに維持した場合、３０ｒｐｍに維持した場合については、得られたランガサイト単結晶Ｃが「欠陥なし」の状態であり、そのランガサイト単結晶Ｃからウエハを取得「可」であった。
一方、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、１５ｒｐｍに維持した場合、３５ｒｐｍに維持した場合については、得られたランガサイト単結晶Ｃが「多結晶化」した状態にあり、そのランガサイト単結晶Ｃからウエハを取得することが「不可」であった。
【００２０】
また、図３から分かるように、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、２０ｒｐｍに維持した場合、２５ｒｐｍに維持した場合、３０ｒｐｍに維持した場合については、基板間の音速バラツキが２００ｐｐｍ以下となり、ＳＡＷ特性の良い基板が取得できた。また、これらの条件を使用した場合には、ＳＡＷデバイスの製造歩留まりが７５％以上となり、ＳＡＷデバイスの高い生産効率を実現できることが分かった。
【００２１】
一方、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、５ｒｐｍに維持した場合、２０ｒｐｍから２ｒｐｍに徐々に減少させた場合については、基板間の音速バラツキが２５０ｐｐｍ以上となり、ＳＡＷ特性の良い基板が取得できなかった。また、これらの条件を使用した場合には、ＳＡＷデバイスの製造歩留まりが７０％以下となることが分かった。
【００２２】
なお、従来技術では、ランガサイト原料融液Ｌの組成として原料組成Ｂをすると、得られるランガサイト単結晶Ｃの均質性が悪くなるとされていたが、本実施例における実験の結果では、原料組成Ａを使用した場合であっても、原料組成Ｂを使用した場合であっても、ランガサイト単結晶Ｃの均質性に特段の劣化は見られなかった。
【００２３】
上記実験の結果をまとめると図４の表のようになる。つまり、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、２０ｒｐｍ〜３０ｒｐｍの範囲内に維持することにより、ランガサイト単結晶Ｃの育成が可能になるとともに、そのランガサイト単結晶Ｃから切り出す複数の基板間の音速バラツキが２００ｐｐｍ以下となり、ＳＡＷデバイスに利用可能な均質性の良いランガサイト単結晶Ｃを育成することが可能となる。
【００２４】
これは、引き上げ軸５を２０ｒｐｍ以上で回転させることにより、ランガサイト種結晶Ｓと、ランガサイト原料融液Ｌとの固液界面形状がフラット（平面状）に近くなり、ミクロ的な結晶の成長速度が均一となるためであると思われる。
なお、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、２０ｒｐｍ以上とした場合であっても、引き上げ軸５の回転速度を３５ｒｐｍにまで高速化すると、引き上げ軸５に軸ブレが発生し、ランガサイト単結晶Ｃの育成ができなかった。
【００２５】
一方、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、５ｒｐｍに維持した場合、２０ｒｐｍから２ｒｐｍに徐々に減少させた場合については、ランガサイト単結晶Ｃの育成は可能であるものの、基板間の音速バラツキが２５０ｐｐｍ以上となり、ＳＡＷデバイスとして利用するには好ましくないランガサイト単結晶Ｃが育成された
これは、引き上げ軸５の回転数を小さく設定、又は、ランガサイト単結晶Ｃの育成中に引き上げ軸５の回転数が小さくなるように設定すると、ランガサイト種結晶Ｓとランガサイト原料融液Ｌとの固液界面形状が、ランガサイト原料融液Ｌ側に凸の状態となり、その凸の状態がランガサイト原料融液Ｌの温度状況により変化するため、固液界面の位置によってミクロ的な成長速度が不均一となるためであると思われる。
【００２６】
なお、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、１０ｒｐｍ〜２０ｒｐｍの範囲に設定した場合には、微小な温度環境の違いによりランガサイト種結晶Ｓとランガサイト原料融液Ｌとの固液界面が変化して、重量が大きく変動するため、重量変化から算出される直径の値が不安定となる。よって、ランガサイト単結晶Ｃの直径を制御することができず、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に多結晶化が生じた。
【００２７】
図４における引き上げ軸５の回転数が２０ｒｐｍの場合は、ランガサイト種結晶Ｓとランガサイト原料融液Ｌの固液界面の変化に基づく温度変化がやや大きいので、固液界面形状をフラットに近い状態に維持できる回転数の下限に近いと思われる。
また、図４における引き上げ軸５の回転数が３０ｒｐｍの場合は、ランガサイト単結晶Ｃの重量偏差の増大により、引き上げ軸５の軸ブレの兆候が見られる。よって、引き上げ軸５の軸ブレが発生しない回転数の上限に近いと思われる。
なお、高周波加熱育成炉１０を改良することにより、引き上げ軸５の軸ブレの発生する回転数を３０ｒｐｍよりも大きくすることができる可能性はあると思われる。
【００２８】
円柱状のランガサイト単結晶Ｃの直径制御で難しいのは、育成初期にランガサイト原料融液Ｌ側に凸であった固液界面形状が、ランガサイト単結晶Ｃの肩部育成中にフラットに近い状態に変化する際に、その変化が劇的に生じ、かつ大きな重量変化を伴うため、直径制御に使用される測定直径が設定値から大きく外れ、直径制御が不能となるためである。本実施例では、固液界面形状の変化を検出したときに直径制御を停止し、所定の処理を実施することにした。そして、肩部の育成が終了したときに、直径制御の処理を再開するようにした。
【００２９】
上述したランガサイト単結晶Ｃの製造方法によれば、従来技術で均質性が悪くなるとされていた原料組成Bを用いた場合であっても、基板間の音速バラツキを小さくすることができる。これは、固液界面におけるミクロ的な結晶の成長速度が均一になることで、均質になりにくいとされていたランガサイト原料融液Ｌの組成からでも均質な結晶を育成できるようになるためであると思われる。
【００３０】
また、上述した実施形態によるランガサイト単結晶Ｃの製造方法によれば、Ｙ５４方位のランガサイトの種結晶Ｓを引き上げ軸５の先端に取り付け、引き上げ軸５の回転数を２０ｒｐｍ以上、３０ｒｐｍ以下に設定した状態で、ランガサイト単結晶Ｃを育成することにした。このため、ランガサイト単結晶Ｃの結晶上部に音速の低い領域が存在せず、基板間の音速バラツキが２００ｐｐｍ以下でＳＡＷ特性が良好であるとともに、ＳＡＷデバイスの歩留まりが良好なランガサイト単結晶を製造することが可能となる。
【００３１】
なお、上述したランガサイト単結晶Ｃの製造方法では、チョクラルスキ法によりランガサイト単結晶を引き上げる際に、Ｙ５４方位のランガサイトの種結晶を利用したが、この方位に限定されるものではなく、結晶学的にＹ５４方位と等価な方位を有するランガサイトの種結晶を利用することも可能である。
【００３２】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】ランガサイト単結晶の製造方法に使用するチョクラルスキ法の高周波加熱育成炉１０の構造を示す断面図である。
【図２】本実施形態によるランガサイト単結晶の製造方法を使用する際の製造条件等をまとめた表である。
【図３】引き上げ軸５の回転数、原料組成を変化させた場合のランガサイト単結晶Ｃの結晶状態をまとめた表である。
【図４】図３の実験結果をまとめた表である。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・ルツボ、
２・・・保温材、
３・・・高周波ワークコイル、
５・・・引き上げ軸、
１０・・・高周波加熱育成炉、
Ｃ・・・ランガサイト単結晶、
Ｌ・・・ランガサイト原料融液、
Ｓ・・・ランガサイト種結晶
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキ法を利用してランガサイトの単結晶を育成するためのランガサイト単結晶及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、チョクラルスキ（Czochralski）法を利用したランガサイト（Langasite：Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）の単結晶の製造方法として様々な技術が知られている。
例えば、特許文献１〜４には、ランガサイト単結晶の原料として使用するＬａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＯ２を、それぞれ所定の組成範囲内で秤量し、それらから生成したランガサイト原料融液からランガサイト単結晶を育成することにより、ランガサイト単結晶の均質性を向上させる技術が開示されている。
また、特許文献５には、良好なＳＡＷ（Surface Acoustic Wave：表面弾性波）特性を有する基板を効率的に取得できるランガサイト単結晶の製造方法として、ルツボ内のランガサイト原料融液からランガサイト単結晶を引き上げる際の引き上げ軸の回転数を２０ｒｐｍ（revolutions per minute：１分間の回転数）から２ｒｐｍへ徐々に減少させることにより、ランガサイト単結晶を育成する方法が開示されている。
また、特許文献６には、ランガサイトの原料となるＬａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＯ２を化学量論組成の組成で秤量し、所定の方位（Ｙ５４方位）の種結晶を利用してランガサイト単結晶を育成した場合に、ランガサイト単結晶が成長する方向の均質性が悪くなり、基板間の音速バラツキが３００ｐｐｍ以上となることが開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１９２２９８号公報
【特許文献２】特開２００１−３４８２９９号公報
【特許文献３】特開２００２−０５３３９３号公報
【特許文献４】特開２００４−０５９４０４号公報
【特許文献５】特開２００２−２５５６９１号公報
【特許文献６】特開２００３−１９２４９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ランガサイト単結晶から良好なＳＡＷ特性を有する基板を効率的に取得するためには、Ｙ５４方位によるランガサイト単結晶の育成を使用することが好ましい。しかし、ランガサイト単結晶の育成方位をＹ５４方位に限ると、ランガサイト型の単結晶に特有な（０００１）面のカット面の成長による影響を受け、特許文献１〜４でランガサイト単結晶の基板間の均質性が向上するとされている組成比のＬａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＯ２を用いても、得られるランガサイト単結晶の結晶上部には、音速の低い領域が存在し、結晶の均質性が悪くなるという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、基板間の音速バラツキが小さく、ＳＡＷデバイス製造の歩留まりが良好なランガサイト単結晶及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、チョクラルスキ法によるランガサイト単結晶の製造方法であって、前記ランガサイト単結晶を引き上げるための引き上げ軸にＹ５４方位のランガサイト種結晶を取り付け、前記引き上げ軸の回転数を、２０ｒｐｍ以上、３０ｒｐｍ以下の状態で、前記ランガサイト単結晶を引き上げることを特徴とするランガサイト単結晶の製造方法である。
【０００６】
また、請求項２に記載の発明は、前記ランガサイト単結晶を引き上げる際に、前記引き上げ軸の回転数を一定に維持することを特徴とする請求項１に記載のランガサイト単結晶の製造方法である。
【０００７】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のランガサイト単結晶の製造方法により製造されたことを特徴とするランガサイト単結晶である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、チョクラルスキ法の引き上げ軸の回転数を２０ｒｐｍ以上、３０ｒｐｍ以下とし、Ｙ５４方位のランガサイト単結晶を引き上げるようにした。
これにより、基板間の音速バラツキが小さく、ＳＡＷデバイスの歩留まりの良好なランガサイト単結晶及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態によるランガサイト単結晶の製造方法ついて説明する。
図１は、ランガサイト単結晶の製造方法に使用するチョクラルスキ法の高周波加熱育成炉１０の構造を示す断面図である。また、図２は、本実施形態によるランガサイト単結晶の製造方法を使用する際の製造条件等をまとめた表である。
この高周波加熱育成炉１０は、ルツボ１、保温材２、高周波ワークコイル３、引き上げ軸５を有する。ルツボ１の内部には、ランガサイトの原料となるＬａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＯ２の焼成したペレットが充填される。ここでは、ルツボ１の材質として、イリジウムを使用した。また、ルツボ１の形状として、外径１７０ｍｍ、高さ１７０ｍｍ、厚み２ｍｍのものを使用した。また、ルツボ１内に約１８．５ｋｇのペレットを充填した。
【００１０】
ルツボ１の周囲と下方には、アルミナ及びジルコニア製の保温材２が設置されている。この保温材２を設置することにより、ルツボ１内の熱が高周波加熱育成炉１０の外部に拡散するのを抑制することができる。
保温材２の外周には、高周波ワークコイル３が設けられている。高周波ワークコイル３に電力を供給することにより、ルツボ１内に充填されるＬａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＯ２の焼成したペレットが加熱され融解して、ランガサイト原料融液Ｌが生成される。
【００１１】
高周波加熱育成炉１０には、ランガサイト原料融液Ｌの液面と垂直となるように、引き上げ軸５が設置されている。引き上げ軸５は、所定の回転数で回転することが可能であるとともに、所定の速度で引き上げることができるようになっている。
引き上げ軸５の先端には、Ｙ５４方位のランガサイト種結晶Ｓが取り付けられている。ここでは、ランガサイト種結晶Ｓの形状として１０ｍｍ角の角柱状の結晶を用いた。なお、「Ｙ５４方位」とは、オイラ角（φ，θ，ψ）＝（０°，１４４°，ψ°）で表示される方位をいう。
【００１２】
ランガサイト種結晶Ｓの先端をランガサイト原料融液Ｌの液面に接触させて、引き上げ軸５を所定の回転数で回転させながら、所定の速度で上方に引き上げていくことにより、ランガサイト種結晶Ｓの先端にランガサイト単結晶Ｃが徐々に育成される。ここでは、引き上げ軸５を引き上げる速度を、０．１〜３ｍｍ／ｈとした。なお、引き上げ軸５の回転数については後述する。
【００１３】
引き上げ軸５には、重量センサ（図示省略）が接続されており、ランガサイト種結晶Ｓから成長したランガサイト単結晶Ｃの重量の変化を検出することにより、円柱状のランガサイト単結晶Ｃの直径が制御される。この直径の制御には、ランガサイト種結晶Ｓとランガサイト原料融液Ｌとの個液界面の形状の変化に対応できるように直径制御プログラムに修正を加えたものを使用した。これにより、円柱状のランガサイト単結晶Ｃの形状として、直胴部の直径が１２０ｍｍ、直胴部の長さが７０ｍｍの結晶を育成した。
【実施例】
【００１４】
上述した図１に示した高周波加熱育成炉１０、及び、図２に示した製造条件を使用して、引き上げ軸５の回転数や、ランガサイト原料融液Ｌの組成を変化させることにより、育成されるランガサイト単結晶Ｃの結晶状態を調べた。
始めに、ランガサイトの原料となるＬａ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、ＳｉＯ２をそれぞれ所定の組成比で秤量、混合し、電気炉で焼成することにより、ペレット状のランガサイトの原料を取得した。ここでは、ランガサイトの原料の所定の組成比として、原料組成Ａと原料組成Ｂを使用する場合について実験した。なお、原料組成Ａの組成比としては、Ｌａ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝４８．３５：４６．２２：５．４３（重量％）を使用し、原料組成Ｂの組成比としては、Ｌａ２Ｏ３：Ｇａ２Ｏ３：ＳｉＯ２＝４８．０４：４６．０６：５．９１（重量％）を使用した。
【００１５】
次に、そのペレット状のランガサイトの原料をイリジウム製のルツボ１に充填した後、そのルツボ１を高周波加熱育成炉１０に設置した。また、そのルツボ１の周囲に保温材２を設置した。次に、高周波ワークコイル３に電力を供給することにより、ルツボ１内のペレット状のランガサイトの原料を加熱して融解させ、そのまま一定時間維持した。その後、１０ｍｍ角程度のＹ５４方位のランガサイト種結晶Ｓを引き上げ軸５の先端に取り付け、そのランガサイト種結晶Ｓの先端が、ルツボ１内のランガサイト原料融液Ｌに接触するように、引き上げ軸５を下降させた。
【００１６】
そして、引き上げ軸５を所定の回転数で回転させながら引き上げることにより、ランガサイト単結晶Ｃを育成した。ここでは、引き上げ軸５の回転数を、５ｒｐｍ、１５ｒｐｍ、２０ｒｐｍ、２５ｒｐｍ、３０ｒｐｍ、３５ｒｐｍにそれぞれ設定した場合に、育成されるランガサイト単結晶Ｓの結晶状態を調べた。
また、参考例として、特許文献５に記載されているように引き上げ軸５の回転数を、ランガサイト単結晶Ｃの育成開始時には２０ｒｐｍに設定し、育成終了時には２ｒｐｍとなるように徐々に減少させる場合についても実験した。
【００１７】
そして、育成される円柱状のランガサイト単結晶Ｃの重量を、引き上げ軸５に接続される重量センサで検出することにより、円柱状のランガサイト単結晶Ｃの直径が１２０ｍｍとなるように制御した。ランガサイト単結晶Ｃの直径が１２０ｍｍに達したところで、その直径を維持しながら、引き上げ軸５を所定の速度で上昇させることにより、ランガサイト単結晶Ｃの直胴部が７０ｍｍとなるまで育成した。
【００１８】
次に、育成されたランガサイト単結晶Ｃから、ＳＡＷデバイスに適した方位となるように、複数枚の基板を切り出した。そして、その基板を研磨することにより、基板の片面が鏡面状態のＳＡＷデバイス用のウエハを作製した。そして、ＳＡＷデバイス用のウエハ上に、フォトリソグラフィ法により、ＳＡＷデバイスを５００個程度作製した。
次に、ネットワークアナライザでそれらのＳＡＷデバイスの中心周波数を測定し、その中心周波数の測定値から音速を求めた。そして、ランガサイト単結晶Ｃから切り出した複数の基板間におけるＳＡＷデバイスの音速のバラツキを算出することにより音速バラツキを求めた。
【００１９】
上述したランガサイト単結晶Ｃの製造方法により、高周波加熱育成炉１０の引き上げ軸５の回転数、ランガサイト原料融液Ｌの組成を変化させた場合のランガサイト単結晶Ｃの結晶状態を図３の表にまとめた。
図３から分かるように、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、５ｒｐｍに維持した場合、２０ｒｐｍから２ｒｐｍに徐々に減少させた場合、２０ｒｐｍに維持した場合、２５ｒｐｍに維持した場合、３０ｒｐｍに維持した場合については、得られたランガサイト単結晶Ｃが「欠陥なし」の状態であり、そのランガサイト単結晶Ｃからウエハを取得「可」であった。
一方、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、１５ｒｐｍに維持した場合、３５ｒｐｍに維持した場合については、得られたランガサイト単結晶Ｃが「多結晶化」した状態にあり、そのランガサイト単結晶Ｃからウエハを取得することが「不可」であった。
【００２０】
また、図３から分かるように、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、２０ｒｐｍに維持した場合、２５ｒｐｍに維持した場合、３０ｒｐｍに維持した場合については、基板間の音速バラツキが２００ｐｐｍ以下となり、ＳＡＷ特性の良い基板が取得できた。また、これらの条件を使用した場合には、ＳＡＷデバイスの製造歩留まりが７５％以上となり、ＳＡＷデバイスの高い生産効率を実現できることが分かった。
【００２１】
一方、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、５ｒｐｍに維持した場合、２０ｒｐｍから２ｒｐｍに徐々に減少させた場合については、基板間の音速バラツキが２５０ｐｐｍ以上となり、ＳＡＷ特性の良い基板が取得できなかった。また、これらの条件を使用した場合には、ＳＡＷデバイスの製造歩留まりが７０％以下となることが分かった。
【００２２】
なお、従来技術では、ランガサイト原料融液Ｌの組成として原料組成Ｂをすると、得られるランガサイト単結晶Ｃの均質性が悪くなるとされていたが、本実施例における実験の結果では、原料組成Ａを使用した場合であっても、原料組成Ｂを使用した場合であっても、ランガサイト単結晶Ｃの均質性に特段の劣化は見られなかった。
【００２３】
上記実験の結果をまとめると図４の表のようになる。つまり、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、２０ｒｐｍ〜３０ｒｐｍの範囲内に維持することにより、ランガサイト単結晶Ｃの育成が可能になるとともに、そのランガサイト単結晶Ｃから切り出す複数の基板間の音速バラツキが２００ｐｐｍ以下となり、ＳＡＷデバイスに利用可能な均質性の良いランガサイト単結晶Ｃを育成することが可能となる。
【００２４】
これは、引き上げ軸５を２０ｒｐｍ以上で回転させることにより、ランガサイト種結晶Ｓと、ランガサイト原料融液Ｌとの固液界面形状がフラット（平面状）に近くなり、ミクロ的な結晶の成長速度が均一となるためであると思われる。
なお、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、２０ｒｐｍ以上とした場合であっても、引き上げ軸５の回転速度を３５ｒｐｍにまで高速化すると、引き上げ軸５に軸ブレが発生し、ランガサイト単結晶Ｃの育成ができなかった。
【００２５】
一方、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、５ｒｐｍに維持した場合、２０ｒｐｍから２ｒｐｍに徐々に減少させた場合については、ランガサイト単結晶Ｃの育成は可能であるものの、基板間の音速バラツキが２５０ｐｐｍ以上となり、ＳＡＷデバイスとして利用するには好ましくないランガサイト単結晶Ｃが育成された
これは、引き上げ軸５の回転数を小さく設定、又は、ランガサイト単結晶Ｃの育成中に引き上げ軸５の回転数が小さくなるように設定すると、ランガサイト種結晶Ｓとランガサイト原料融液Ｌとの固液界面形状が、ランガサイト原料融液Ｌ側に凸の状態となり、その凸の状態がランガサイト原料融液Ｌの温度状況により変化するため、固液界面の位置によってミクロ的な成長速度が不均一となるためであると思われる。
【００２６】
なお、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に、引き上げ軸５の回転数を、１０ｒｐｍ〜２０ｒｐｍの範囲に設定した場合には、微小な温度環境の違いによりランガサイト種結晶Ｓとランガサイト原料融液Ｌとの固液界面が変化して、重量が大きく変動するため、重量変化から算出される直径の値が不安定となる。よって、ランガサイト単結晶Ｃの直径を制御することができず、ランガサイト単結晶Ｃを育成する際に多結晶化が生じた。
【００２７】
図４における引き上げ軸５の回転数が２０ｒｐｍの場合は、ランガサイト種結晶Ｓとランガサイト原料融液Ｌの固液界面の変化に基づく温度変化がやや大きいので、固液界面形状をフラットに近い状態に維持できる回転数の下限に近いと思われる。
また、図４における引き上げ軸５の回転数が３０ｒｐｍの場合は、ランガサイト単結晶Ｃの重量偏差の増大により、引き上げ軸５の軸ブレの兆候が見られる。よって、引き上げ軸５の軸ブレが発生しない回転数の上限に近いと思われる。
なお、高周波加熱育成炉１０を改良することにより、引き上げ軸５の軸ブレの発生する回転数を３０ｒｐｍよりも大きくすることができる可能性はあると思われる。
【００２８】
円柱状のランガサイト単結晶Ｃの直径制御で難しいのは、育成初期にランガサイト原料融液Ｌ側に凸であった固液界面形状が、ランガサイト単結晶Ｃの肩部育成中にフラットに近い状態に変化する際に、その変化が劇的に生じ、かつ大きな重量変化を伴うため、直径制御に使用される測定直径が設定値から大きく外れ、直径制御が不能となるためである。本実施例では、固液界面形状の変化を検出したときに直径制御を停止し、所定の処理を実施することにした。そして、肩部の育成が終了したときに、直径制御の処理を再開するようにした。
【００２９】
上述したランガサイト単結晶Ｃの製造方法によれば、従来技術で均質性が悪くなるとされていた原料組成Bを用いた場合であっても、基板間の音速バラツキを小さくすることができる。これは、固液界面におけるミクロ的な結晶の成長速度が均一になることで、均質になりにくいとされていたランガサイト原料融液Ｌの組成からでも均質な結晶を育成できるようになるためであると思われる。
【００３０】
また、上述した実施形態によるランガサイト単結晶Ｃの製造方法によれば、Ｙ５４方位のランガサイトの種結晶Ｓを引き上げ軸５の先端に取り付け、引き上げ軸５の回転数を２０ｒｐｍ以上、３０ｒｐｍ以下に設定した状態で、ランガサイト単結晶Ｃを育成することにした。このため、ランガサイト単結晶Ｃの結晶上部に音速の低い領域が存在せず、基板間の音速バラツキが２００ｐｐｍ以下でＳＡＷ特性が良好であるとともに、ＳＡＷデバイスの歩留まりが良好なランガサイト単結晶を製造することが可能となる。
【００３１】
なお、上述したランガサイト単結晶Ｃの製造方法では、チョクラルスキ法によりランガサイト単結晶を引き上げる際に、Ｙ５４方位のランガサイトの種結晶を利用したが、この方位に限定されるものではなく、結晶学的にＹ５４方位と等価な方位を有するランガサイトの種結晶を利用することも可能である。
【００３２】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】ランガサイト単結晶の製造方法に使用するチョクラルスキ法の高周波加熱育成炉１０の構造を示す断面図である。
【図２】本実施形態によるランガサイト単結晶の製造方法を使用する際の製造条件等をまとめた表である。
【図３】引き上げ軸５の回転数、原料組成を変化させた場合のランガサイト単結晶Ｃの結晶状態をまとめた表である。
【図４】図３の実験結果をまとめた表である。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・ルツボ、
２・・・保温材、
３・・・高周波ワークコイル、
５・・・引き上げ軸、
１０・・・高周波加熱育成炉、
Ｃ・・・ランガサイト単結晶、
Ｌ・・・ランガサイト原料融液、
Ｓ・・・ランガサイト種結晶
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキ法によるランガサイト単結晶の製造方法であって、
前記ランガサイト単結晶を引き上げるための引き上げ軸にＹ５４方位のランガサイト種結晶を取り付け、前記引き上げ軸の回転数を、２０ｒｐｍ以上、３０ｒｐｍ以下の状態で、前記ランガサイト単結晶を引き上げることを特徴とするランガサイト単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記ランガサイト単結晶を引き上げる際に、前記引き上げ軸の回転数を一定に維持することを特徴とする請求項１に記載のランガサイト単結晶の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のランガサイト単結晶の製造方法により製造されたことを特徴とするランガサイト単結晶。
【請求項１】
チョクラルスキ法によるランガサイト単結晶の製造方法であって、
前記ランガサイト単結晶を引き上げるための引き上げ軸にＹ５４方位のランガサイト種結晶を取り付け、前記引き上げ軸の回転数を、２０ｒｐｍ以上、３０ｒｐｍ以下の状態で、前記ランガサイト単結晶を引き上げることを特徴とするランガサイト単結晶の製造方法。
【請求項２】
前記ランガサイト単結晶を引き上げる際に、前記引き上げ軸の回転数を一定に維持することを特徴とする請求項１に記載のランガサイト単結晶の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のランガサイト単結晶の製造方法により製造されたことを特徴とするランガサイト単結晶。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−２８２４２６（Ｐ２００６−２８２４２６Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０２２９４（Ｐ２００５−１０２２９４）
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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