[发明专利]铌酸锂单晶基板的制造方法

说明书

本发明的课题是提供一种容易管理涉及温度、时间等的处理条件、体积电阻值的面内分布少并且由同一晶锭加工成的基板间的体积电阻率偏差少的铌酸锂(LN)基板的制造方法。本发明是使用通过丘克拉斯基法培养成的LN单晶制造LN基板的方法，其特征在于，将单晶中的Fe浓度为50质量ppm以上且2000质量ppm以下的、晶锭状态的铌酸锂单晶埋入Al粉末中或者埋入Al和Al₂O₃的混合粉末中，在450℃以上且小于铝的熔点660℃的温度条件下进行热处理，制造体积电阻率被控制在1×10⁸Ω·cm以上且2×10¹²Ω·cm以下的范围的铌酸锂单晶基板。

技术领域

本发明涉及用于表面弹性波元件等的铌酸锂单晶基板，特别涉及一种在元件制造工艺中不易发生成品率下降的铌酸锂单晶基板的制造方法。

背景技术

铌酸锂(LiNbO₃；下面简称为LN)单晶是熔点约1250℃、居里(Curie)温度约1140℃的人工铁电晶体。由LN单晶得到的铌酸锂单晶基板(下面称为LN基板)的用途是用于表面弹性波元件(SAW滤波器)的材料，该表面弹性波元件用于除去电信号噪声，主要用于移动通信装置中。

上述SAW滤波器的结构是在由以LN单晶为代表的压电材料构成的基板上由AlCu合金等金属薄膜形成梳状电极，该梳状电极起到影响设备性能的重要作用。另外，上述梳状电极是在通过溅射法等在压电材料上形成金属薄膜后，利用光刻技术将不需要的部分蚀刻去除而保留梳状图案从而形成的。

另外，作为SAW滤波器材料的LN单晶在工业上通过以下方法得到：主要通过丘克拉斯基(Czochralski)法，通常使用白金坩埚，在氧浓度为20％左右的氮-氧混合气体环境的电炉中培养，在电炉内以规定的冷却速度冷却后，从电炉取出而得到。

培养成的LN单晶为无色透明或者呈现出透明度高的淡黄色。培养后，为了去除因培养时的热应力导致的残留应变，在接近熔点的均热条件下进行热处理，进而，进行极化处理以使其单极化，即进行以下一系列处理：将LN单晶从室温升温至居里温度以上的规定温度，对单晶施加电压，并在施加有电压的状态下降温至居里温度以下的规定温度后，停止施加电压并冷却至室温。极化处理之后，进行了外周(圆筒)磨削以修整LN单晶的外形，磨削后的单晶(晶锭)经过切片、研磨(lapping)、抛光工序等的机械加工，形成晶片状LN基板。最终得到的基板基本上为无色透明，并且体积电阻率为1×10¹⁵Ω·cm左右以上。

对这种通过以往的方法得到的LN基板而言，在SAW滤波器的制造工艺中存在热电击穿(pyroelectric breakdown)的问题。热电击穿是指以下现象：由于作为LN单晶特性之一的热电性，因工艺中所受的温度变化导致电荷聚集在LN基板表面，由此产生电火花并因此破坏LN基板表面形成的梳状电极，甚至产生LN基板破裂等。热电击穿是元件的制造工艺中成品率低的主要原因。另外，基板的高透光率还会导致以下问题：在作为元件制造工序之一的光刻工序中，透过基板内的光在基板背面被反射而返回至表面，导致所形成图案的分辨率变差。

因此，为了解决上述问题，在专利文献1中提出了将从晶锭切割出的LN基板(晶片)暴露于500～1140℃范围内的化学还原性环境中使其黑化，从而降低LN基板的体积电阻率并降低热电性的方法，其中，上述化学还原性环境是选自于氩、水、氢、氮、二氧化碳、一氧化碳、氧及它们的组合中的气体。需要说明的是，通过实施上述热处理，使得LN结晶由无色透明变成有色不透明。进而，由于所观察到的有色不透明化的色调在透过光中呈现褐色～黑色，因此，将该有色不透明化现象在此称之为“黑化”。黑化现象被认为是因还原处理而导致LN基板中导入氧缺陷(空穴)，从而形成色心(color center)所致。电阻值的变化被认为是为了补偿因氧缺陷的生成导致的电荷平衡的偏差，Nb离子的价数从+5价变为+4价，从而基板内增加了由Nb离子释放的自由电子所致。因此，黑化的程度和电阻值基本上成比例关系。