Title:
LITHIUM-TANTALAT-EINKRISTALLSUBSTRAT, GEBONDETES SUBSTRAT, HERSTELLUNGSVERFAHREN DES GEBONDETEN SUBSTRATS, UND AKUSTISCHE OBERFLÄCHENWELLENVORRICHTUNG, DIE DAS GEBONDETE SUBSTRAT VERWENDET
Kind Code:
T5


Abstract:

[Zielsetzung]
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat bereitzustellen, welches lediglich einem geringen Verziehen unterliegt, frei von Rissen und Kratzern ist, und eine bessere Temperatur-Unabhängigkeits-Charakteristik und einen größeren elektromechanischen Kupplungskoeffizienten aufweist als ein konventionelles Y-Schnitt LiTaO3-Substrat.
[Mittel zur Lösung der Probleme]
Das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung ist ein rotierter Y-Schnitt LiTaO3-Einkristallsubstrat mit einer Kristallorientierung von 36°Y–49°Y-Schnitt, dadurch gekennzeichnet, dass: das Substrat mit Li von dessen Oberfläche in dessen Tiefe so diffundiert ist, dass es ein Li-Konzentrationsprofil aufweist, das einen Unterschied der Li-Konzentration zwischen der Substratoberfläche und der Tiefe des Substrats zeigt; und das Substrat mit einer singulär-Polarisationsbehandlung behandelt ist, so dass die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig ist von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe, welche dem 5-bis 15-fachen der Wellenlänge entweder einer akustischen Oberflächenwelle oder einer akustischen Oberflächenwelle mit Volumenanteil (LSAW; leaky surface acoustic wave), die sich in dem LiTaO3-Substratoberfläche ausbreitet, äquivalent ist




Inventors:
Tanno, Masayuki (Gunma-ken, Annaka-shi, JP)
Abe, Jun (Gunma-ken, Annaka-shi, JP)
Kato, Koji (Gunma-ken, Annaka-shi, JP)
Kuwabara, Yoshinori (Gunma-ken, Annaka-shi, JP)
Application Number:
DE112016001756T
Publication Date:
01/25/2018
Filing Date:
04/06/2016
Assignee:
Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. (Tokyo, JP)



Attorney, Agent or Firm:
TBK, 80336, München, DE
Claims:
1. Ein rotiertes Y-Schnitt Lithium-Tantalat (LiTaO3)-Einkristallsubstrat mit einer Kristallorientierung von 36°Y–49°Y-Schnitt, dadurch gekennzeichnet, dass: das Substrat mit Li von dessen Oberfläche in dessen Tiefe so diffundiert ist, dass es ein Li-Konzentrationsprofil aufweist, das einen Unterschied der Li-Konzentration zwischen der Substratoberfläche und der Tiefe des Substrats zeigt; und das Substrat mit einer singulär-Polarisationsbehandlung behandelt ist, so dass die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig ist von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe, welche dem 5- bis 15-fachen der Wellenlänge entweder einer akustischen Oberflächenwelle oder einer akustischen Oberflächenwelle mit Volumenanteil (LSAW; leaky surface acoustic wave), die sich in dem LiTaO3-Substratoberfläche ausbreitet, äquivalent ist.

2. Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Li-Konzentrationsprofil eines ist, in welchem die Li-Konzentration in einem Bereich, der der Substratoberfläche des rotierter Y-Schnitt LiTaO3-Substrats näher ist, höher ist und in einem Bereich, der dem der Mitte des Substrats näher ist, geringer ist.

3. Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von Li zu Ta an der Substratoberfläche so ist, dass Li: Ta = 50 – α : 50 + α, wobei α im dem Bereich von –0,5 < α < 0,5 liegt.

4. Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit Fe in einer Menge von 25 ppm –150 ppm dotiert ist.

5. Gebondetes Substrat, das dadurch gekennzeichnet, dass es ein Grundsubstrat und ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst, wobei das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat an das Grundsubstrat gebondet ist.

6. Gebondetes Substrat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine LiTaO3-Oberflächenschicht, die von der Bondefläche des Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats weg zeigt, in solch einer Weise entfernt ist, dass mindestens ein Teil der Fläche, wo die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig ist, übrig bleibt.

7. Gebondetes Substrat nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundsubstrat aus Si, SiC oder Spinell hergestellt ist.

8. Akustische Oberflächenwellenvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie entweder das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder das gebondete Substrat nach einem der Ansprüche 5 bis 7 enthält.

9. Verfahren zum Herstellen eines gebondeten Substrats, gekennzeichnet durch die Schritte des Bondens eines Grundsubstrats an ein LiTaO3-Einkristallsubstrat, welches ein Konzentrationsprofil aufweist, bei dem die Li-Konzentration zwischen der Substratoberfläche und einem inneren Teil des Substrats unterschiedlich ist, und wobei die Li-Konzentration in einem Bereich, der von zumindest einer der Oberflächen des Substrats in eine Tiefe reicht, im Wesentlichen gleichförmig ist, und Entfernen einer LiTaO3 Oberflächenschicht, die von der Bondefläche weg zeigt, auf solch eine Weise, dass zumindest ein Teil des Bereichs, wo die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig ist, übrig bleibt.

10. Herstellungsverfahren eines gebondeten Substrats, gekennzeichnet durch die Schritte des Bondens eines Grundsubstrats an ein LiPaO3-Einkristallsubstrat, welches ein Konzentrationsprofil aufweist, bei dem die Li-Konzentration zwischen einer Substratoberfläche und einen inneren Teil des Substrats unterschiedlich ist, und wobei die Li-Konzentration in einem Bereich, der von zumindest einer der Oberflächen des Substrats in eine Tiefe reicht, im Wesentlichen gleichförmig ist, und Entfernen einer LiTaO3-Oberflächenschicht, die von der Bondeoberfläche weg zeigt, auf solch eine Weise, dass lediglich der Bereich, wo die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig ist, übrig bleibt.

11. Herstellungsverfahren eines gebondeten Substrats, nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich, in welchem die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig ist, eine pseudo-stöchiometrisch Zusammensetzung aufweist.

Description:
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, ein gebondetes Substrat davon, ein Herstellungsverfahren des gebondeten Substrats und eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung, die solch ein gebondetes Substrat verwendet.

Technischer Hintergrund

Eine akustische Oberflächenwelle (Englisch: surface acoustic wave; SAW) – Vorrichtung, die mit einer kammartigen Elektrode (IDT: Interdigital-Transducer) zum Anregen einer akustischen Oberflächenwelle auf einem piezoelektrischen Substrat gebildet ist, wird als ein Bestandteil für die Frequenzeinstellung und -Auswahl eines Mobiltelefons, etc. verwendet.

Für diese akustische Oberflächenwellenvorrichtung wird ein piezoelektrisches Material, wie etwa Lithiumtantalat (LiTaO3 oder LT) und Lithiumniobat (LiNbO3 oder LN) verwendet, um das Grundsubstrat herzustellen, da piezoelektrische Materialien die Anforderungen einer geringen Größe, eines geringen Einfügeverlusts und der Fähigkeit, den Durchgang unnötiger Wellen zu stoppen, erfüllen.

Nun erfordern einerseits die Kommunikationsstandards für die vierte Generation von Mobiltelefonen einen schmalen Unterschied des Frequenzbands zwischen der Transmission und dem Empfang ebenso wie eine große Bandbreite, allerdings tritt andererseits unter solchen Kommunikationsstandards, solange die Eigenschaftsveränderungen, die durch Temperaturveränderung des Materials der akustischen Oberwellenvorrichtung induziert sind, nicht ausreichend gering sind, eine Verschiebung des Frequenzwahlbereichs auf, was in einer problematischen Hinderung der Filter- und Duplexerfunktionen der Vorrichtungen resultiert. Daher wird ein Material für eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung mit einer geringen Tendenz, eine Fluktuation der Eigenschaften bezüglich der Temperaturveränderung zu durchlaufen, und mit einer großen Bandbreite herbeigesehnt.

Bezüglich solch eines Material für eine akustische Oberwellenvorrichtung lehrt beispielsweise IP-Dokument 1, dass eine stöchiometrische Zusammensetzung LT, die aus Kupfer, das als Elektrodenmaterial verwendet wird, aufgebaut ist und im allgemeinen durch ein Gasphasenverfahren erhalten wird, bevorzugt ist, da der Zusammenbruchmodus eines plötzlichen Bruchs, zu einem Zeitpunkt, wenn eine hohe Leistung in die IDT-Elektrode eingebracht wird, nur schwerlich auftritt. Ebenso weist das IP-Dokument 2 eine detaillierte Beschreibung der stöchiometrische-Zusammensetzung LT, die durch das Gasphasenverfahren erhalten ist, auf; und ähnlich beschreibt das IP-Dokument 3 ein detailliertes Verfahren des Durchführens eines Temperns mit einem Wellenleiter, der aus einem ferroelektrischen Kristall aus Lithiumtantalat oder Lithiumniobat gebildet ist.

Ferner beschreibt das IP-Dokument 4 ein piezoelektrisches Substrat für eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung, erhalten durch Unterziehung eines Einkristallsubstrats aus Lithiumtantalat oder Lithiumniobat einer Li-Diffusionsbehandlung, und IP-Dokument 5 und Nicht-IP-Dokument 1 berichten ebenfalls, dass, wenn LT, in welchen die LT-Zusammensetzung gleichförmig auf Li-reich von der Oberfläche bis zu einer Tiefe durch ein Gasphasen-Equilibrium-Verfahren transformiert wird, verwendet wurde, um das akustische Oberflächenwellenelement herzustellen, dessen Frequenzstabilität gegen die Temperaturveränderung verbessert wurde, was vorteilhaft war.

Dokumente des Standes der TechnikIP-Publikationen

  • IP-Publikation 1: Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2011-135245
  • IP Publikation 2: U.S. Pat. Nr. 6,652,644 (B1)
  • IP-Publikation 3: Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2003-207671
  • IP-Publikation 4: Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2013-66032
  • IP Publikation 5: WO2013/135886 (A1)

Nicht-IP-Publikationen

Bartasyte, A. et al., ”Reduction of temperature coefficient of frequency in LiTaO3 single crystals for surface acoustic wave applications” Applications of Ferroelectrics, gemeinsam abgehalten mit der 2012 European Conference an the Applications of Polar Dielectrics und dem 2012 International Symp Piezoresponse Force Microscopy and Nanoscale Phenomena in Polar Materials (ISAF/ECAPD/PFM), 2012 Intl Symp, 2012, Seite(n): 1–3

Zusammenfassung der ErfindungDurch die Erfindung zu lösende Aufgabenstellungen

Als die Erfinder der vorliegenden Erfindung allerdings die in den Publikationen beschriebenen Verfahren untersuchten wurde herausgefunden, dass diese Verfahren nicht notwendigerweise vorteilhafte Ergebnisse bereitstellen. Insbesondere wird gemäß dem in IP-Dokument 5 beschriebenen Verfahren der Wafer bei einer hohen Temperatur von etwa 1300°C in der Gasphase hergestellt, und die Herstellungstemperatur muss ebenso mit etwa 1300°C hoch sein, so dass das folgende Verziehen des Wafers groß wäre und Risse (bzw. Brüche) mit einer hohen Häufigkeit auftreten können, wodurch die Produktivität schlecht wird, und es besteht ebenso ein Problem, dass das Produkt als ein Material für eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung übermäßig teuer wird. Überdies ist bei diesem Verfahren ist der Dampfdruck von Li2O so gering, dass der Modifikationsgrad der Probe, die zu modifizieren ist, signifikant in Abhängigkeit von dem Abstand der Li-Quelle variiert und das resultierende Problem der Fluktuation der Qualität des Produkts behindert dessen Industrialisierung.

Überdies wird bei dem in IP-Dokument 5 beschriebenen Herstellungsverfahren keine singulär-Polarisationsbehandlung mit dem mit Lithium angereicherten LT nach der Modifikation durch das Gasphasen-Equilibrium-Verfahren durchgeführt, und im Ergebnis der Untersuchung dieses Punkts durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung wurde neuerdings herausgefunden, dass mit dem LT, das Li-reich modifiziert ist aber nicht einer singulär-Polarisationsbehandlung unterzogen ist, ein Problem auftritt, dass der Q-Wert der SAW-Vorrichtung gering ausfällt.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Umstände fertig gestellt, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren eines Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats bereitzustellen, welches lediglich geringen Verzug (bzw. geringe Ausbeulung) erleidet, kaum Risse oder Kratzer aufweist, und geringere Eigenschaftsänderungen mit der Temperatur als ein konventionelles rotierter Y-Schnitt LiTaO3-Substrat durchläuft, und einen hohen elektromechanischen Kupplungskoeffizienten und hohe Q-Werte der Vorrichtung bereitstellt; die Erfindung wünscht ebenso ein gebondetes Substrat bereitzustellen, das durch Bonden der oben erwähnten Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats erhalten ist, ein Verfahren zur Herstellung des obigen gebondeten Substrats und letztlich eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung, die ein solches Substrat verwendet, bereitzustellen.

Als Ergebnis ausgiebiger Untersuchungen zum Erreichen des obigen Ziels fanden die Erfinder der vorliegenden Erfindung heraus, dass es möglich ist, ein piezoelektrisches Oxid-Einkristallsubstrat zu erhalten, welches, wenn es als ein akustisches-Oberflächenwellenelement oder dergleichen eingesetzt wird, lediglich geringen Verzug erleidet, kaum Risse oder Kratzer aufweist und verringerte Eigenschaftsveränderungen mit der Temperatur durchläuft, ohne so weit gehen zu müssen, das Substrat zu modifizieren, um eine kristalline Struktur mit einer gleichförmigen Li-Konzentration in einem Bereich, der nahe bis zu dem Kern des Substrats in der Dickenrichtung reicht, aufzuweisen, wenn die folgende Prozedur durchgeführt wird, nämlich eine Gasphasen-Li-Diffusionsbehandlung auf ein Substrat mit einer im wesentlichen kongruenten Zusammensetzung anzuwenden, um dadurch darin solch einen modifizierten Bereich zu erzeugen, bei dem ein Li-Konzentrationsprofil, das in einer Dickenrichtung aufgenommen wird, eine höhere Li-Konzentration an einem Messpunkt, der näher an der Oberfläche des Substrats liegt, und eine geringer Li-Konzentration an einem Messpunkt, der näher dem Kern des Substrats liegt, zeigt. Zusätzlich fanden die Erfinder heraus, dass der Bereich der Modifikation durch die Li-Diffusion und ebenso, ob oder ob nicht die singulär-Polarisationsbehandlung durchgeführt wird, dazu neigen, den Q-Wert der Vorrichtung zu beeinflussen, und somit erlangten sie in den Besitz der vorliegende Erfindung.

Mittel zur Lösung des Problems

Daher ist das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung ein rotierter Y-Schnitt LiTaO3-Einkristallsubstrat mit einer Kristallorientierung von 36°Y–49°Y-Schnitt, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Li-Diffusion von dessen Oberfläche in dessen Tiefe erhielt, mit dem Ergebnis, dass das Li-Konzentrationsprofil einen Unterschied der Li-Konzentration zwischen der Oberfläche des Substrats und einem inneren Teil des Substrats zeigt; und es eine singulär-Polarisationsbehandlung erhielt, mit dem Ergebnis, dass die Li-Konzentration grob gleichförmig ist von der Oberfläche des Substrats bis zu einer Tiefe, welche in etwa das 5- bis 15-fache der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle oder einer akustischen Oberflächenwelle mit Volumenwellenanteil (LSAW; leaky surface acoustic wave), die sich in der LiTaO3 Substratoberfläche ausbreitet, ist.

In der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das Li-Konzentrationsprofil zeigt, dass die Li-Konzentration an einem Punkt, der der Oberfläche des rotierter Y-Schnitt LiTaO3-Substrats näher ist, höher ist, und die Li-Konzentration an einem Punkt, der dem Kern des Substrats näher ist, geringer ist, und dass das Verhältnis von Li zu Ta an der Oberfläche des Substrats so ist, dass: Li: Ta = 50 – α: 50 + α, wobei α im dem Bereich von –0,5 < α < 0,5 liegt. Es ist ebenso bevorzugt, dass Fe in dem Substrat mit einer Konzentration von 25 ppm bis 150 ppm dotiert ist.

Zusätzlich kann das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung an ein Grundsubstrat gebondet sein (bzw. mit einem Grundsubstrat verbunden sein), um ein gebondetes Substrat (bzw. verbundenes Substrat bzw. Verbundsubstrat) zu bilden. In diesem Fall ist es bevorzugt, die LiTaO3-Oberflächenschicht von der Oberfläche, die der Bondeoberfläche entgegensteht (bzw. von dieser weg zeigt), in solch einer Weise zu entfernen, dass zumindest ein Teil des Abschnitts, in welchem die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichmäßig ist, um ein gebondetes Substrat zu bilden; ebenso ist das Grundsubstrat bevorzugt aus Si, SiC oder Spinell hergestellt. Überdies ist das Herstellungsverfahren eines gebondeten Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ein LiTaO3-Einkristallsubstrat, das eine im Wesentlichen gleichmäßige Li-Konzentration aufweist, an ein Grundsubstrat gebondet wird, um dadurch zumindest ein Teil des Abschnitts, in welchen die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig ist, zu belassen, oder dass die LiTaO3-Oberflächenschicht von der Oberfläche, die von der Bindeoberfläche weg zeigt, entfernt wird, so dass lediglich der Abschnitt verbleibt, in welchem die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig ist, und das Verfahren ist ebenso dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt, in welchem die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig ist, eine pseudostöchiometrische Zusammensetzung aufweist.

Das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat und das gebondete Substrat der vorliegenden Erfindung sind als ein Material für die akustische Oberflächenwellenvorrichtung geeignet.

Wirkungen der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einer besseren Temperatur-Unabhängigkeit-Charakteristik als die konventionellen rotierter Y-Schnitt LiTaO3-Substrate bereitzustellen, mit einem großen elektromechanischen Kupplungskoeffizienten und mit hohem Q-Werte der Vorrichtung. Zusätzlich kann die akustische Oberflächenwellenvorrichtung, die dieses Einkristallsubstrat verwendet, zu einem geringen Preis bereitgestellt werden und ist für ein Breitband-band geeignet, welches für Smartphones benötigt wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[1] Ein Diagramm, das ein Raman-Profil von Beispiel 1 zeigt.

[2] Ein Diagramm, das eine Einfügeverlust-Wellenform des SAW-Filters von Beispiel 1 zeigt.

[3] Ein Diagramm, das SAW-Resonatorwellenformen von Beispiel 1 zeigt.

[4] Ein Diagramm, das Werte zeigt, die berechnet sind mittels der SAW-Resonatorwellenform, der Eingangsimpedanz (Zin) Realteil/Imaginärteil-Anzeigewellenform und dem BVD-Modell von Beispiel 1.

[5] Ein Diagramm, das Werte zeigt, die berechnet sind mittels Messwerten der SAW-Resonator-Eingangsimpedanz (Zin) in den Fällen von Beispiel 1 und Vergleichsbeispielen 2 und 4 und dem berechneten Wert im Fall des BVD-Modells, wo der Realteil auf der horizontalen Achse angenommen ist, und der Imaginärteil auf der vertikalen Achse aufgenommen ist.

[6] Eine transmissionselektronenmikroskopische Fotografie eines gebondeten Substrats von Beispiel 5, die über einen Bereich der Grenzfläche zwischen LiTaO3 und Si aufgenommen ist.

Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung

Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben werden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform begrenzt.

Das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung weist ein Konzentrationsprofil auf, bei welchem die Li-Konzentration zwischen der Substratoberfläche und einem inneren Teil des Substrats unterschiedlich ist. Es ist vom Gesichtspunkt der Leichtigkeit der Herstellung bevorzugt, dass das Substrat einen Bereich aufweist, in welchem das Konzentrationsprofil so ist, dass die Li-Konzentration in einem Bereich, der der Substratoberfläche in der Dickenrichtung und des Substrats näher ist, höher ist, und die Li-Konzentration in einem Bereich, der dem Substratkern näher ist, geringer ist. Solch ein Substrat mit einem Bereich, der das oben beschriebene Konzentrationsprofil von Li aufweist, kann leicht durch Diffundieren von Li von der Substratoberfläche durch jegliches bekanntes Verfahren hergestellt werden. Hierbei bezieht sich das ”Konzentrationsprofil” auf eine kontinuierliche (nicht schrittweise) Veränderung der Konzentration.

Das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine im Wesentlichen gleichförmige Li-Konzentration in einem Bereich zwischen dessen Oberfläche und dessen Tiefe, welche das 5- bis 15-fache der Wellenlänge einer akustischen Oberflächenwelle oder einer akustischen Oberflächenwelle mit Volumenanteil, die sich in der Oberfläche des LiTaO3-Substrats ausbreitet, ist, aufweist. Dies liegt daran, dass ein LiTaO3-Substrat mit einem Bereich, bei dem die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig von der Substratoberfläche zu einer Tiefe, die zu mindestens dem 5-fachen der Wellenlänge einer akustischen Oberflächenwelle oder einer akustischen Oberflächenwelle mit Volumenwellenanteil, die sich in der Oberfläche des LiTaO3-Substrat ausbreitet, äquivalent ist, in etwa den gleichen oder einen größeren Q-Wert in Vergleich zu einem LiTaO3-Substrat aufweist, das keiner Li-Diffusionsbehandlung unterzogen ist. Wenn der Bereich mit der wesentlichen gleichförmigen Li-Konzentration auf eine Tiefe eingestellt wird, die das 15-fache der Wellenlänge übersteigt, erfordert es eine unsinnig lange Zeit, Li zu diffundieren, was in einer schlechten Produktivität resultiert, und zusätzlich wird, je längere die Zeit der Li-Diffusion ist, die Wahrscheinlichkeit, dass das Substrat einen Verzug oder einen Riss erleidet, größer.

Die Li-Konzentration des Lithium-Tantalat-Einkristalls kann durch Messen des Raman-Verschiebungspeaks ausgewertet werden. Bezüglich des Lithium-Tantalat-Einkristalls ist bekannt, dass eine im Wesentlichen lineare Beziehung erhalten werden kann, zwischen der Halbwertsbreite des Raman-Verschiebungspeaks und der Li-Konzentration, das heißt Li/(Li + Ta). [Siehe Nicht-IP-Publikation: 2012 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, Seite(n): 1252–1255, Applied Physics A 56, 311–315 (1993)]. Daher ist es durch Verwendung einer Formel, die solch eine Beziehung darstellt, möglich, die Zusammensetzung an einer beliebigen Position des Oxid-Einkristallsubstrats auszuwerten.

Eine Formel, die eine Beziehung zwischen der Halbwertsbreite des Raman-Verschiebungspeaks und der Li-Konzentration darstellt, wird durch Messen der Raman-Halbwertsbreite für einige Proben mit einer bekannten Zusammensetzung und unterschiedlichen Li-Konzentrationen erhalten; solange die Bedingungen der Raman-Messung die gleichen sind, wird es ausreichen, eine Formel zu verwenden, die bereits in der Literatur etc. beschrieben ist. Beispielsweise kann für einen Lithium-Tantalat-Einkristall die folgende Formel (1) verwendet werden.

<Gleichung 1>

  • Li/(Li + Ta) = (53,15 –0,5 FWHM1)/100

  • wobei ”FWHM1” die Halbwertsbreite des Raman-Verschiebungspeaks um 600 cm–1 ist; für Details der Messbedingungen wird auf jegliche relevante Publikationen verwiesen.

Für den Zweck der vorliegenden Erfindung bedeutet „der Bereich, in dem die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig ist, der von der Substratoberfläche reicht” einen Bereich, in welchem die Halbwertsbreite des Raman-Verschiebungspeaks um 600 cm–1 im dem Bereich von ±0,2cm–1 oder so derer an der Oberfläche des ubstrats liegt, oder dem Bereich, in dem der Wert Li/(Li + Ta) in dem Bereich Svon ±0,001 oder so dessen an der Oberfläche des Substrats liegt.

Das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine singulär-Polarisationsbehandlung erhalten hat, da diese Behandlung den Q-Wert des Substrats größer macht als in dem Fall eines Substrats ohne Polarisationsbehandlung; es ist bevorzugt, dass diese Polarisationsbehandlung nach der Li-Diffusionsbehandlung durchgeführt wird.

Ferner ist bei dem Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung das Verhältnis von Li zu Ta an der Substratoberfläche Li: Ta = 50 – α: 50 + α, wobei α im dem Bereich von –0,5 < α < 0,5 liegt. Das liegt daran, dass, wenn das Verhältnis von Li zu Ta an der Oberfläche des Substrats innerhalb des obigen Bereichs liegt, die Oberfläche als pseudo-stöchiometrische Zusammensetzung angenommen werden kann und eine insbesondere exzellente Temperatur-Unabhängigkeits-Charakteristik aufweist.

Das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise durch ein Oxid-Einkristallsubstrat mit einer im Wesentlichen kongruenten Zusammensetzung einer Gasphasenbehandlung zum Diffundieren von Li von der Oberfläche des Substrats in das Innere davon hergestellt werden. Die Oxid-Einkristallsubstrate mit einer im Wesentlichen kongruenten Zusammensetzung können durch Erzeugen eines Einkristall-Barrens mit einem bekanntem Verfahren, wie mit etwa dem Czochralski Verfahren, Schneiden des Barren in Wafer und nach Bedarf Läppen oder Polieren des Wafer, erhalten werden.

Ferner kann das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung in einer Konzentration von 25 ppm bis 150 ppm mit Fe dotiert sein. Das liegt daran, dass das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, das mit Fe in einer Konzentration von 25 ppm bis 150 ppm dotiert ist, es ermöglicht, das Li mit einer Geschwindigkeit von etwa 20% schneller als in dem Fall ohne Fe Dotierung zu diffundieren, und somit wird die Produktivität des Li diffundierten Lithium-Tantalat-Wafers wesentlich verbessert – daher die Bevorzugung. Als eine Prozedur zum Ausführen einer Dotierung von Fe in einem Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat ist es möglich, eine angemessene Menge an Fe2O3 dem Rohmaterial zuzugeben, wenn ein Einkristall-Barren durch das Czochralski Verfahren gezogen wird.

Überdies kann die in der vorliegenden Erfindung auszuführende Polarisationsbehandlung durch jegliches bekannte Verfahren durchgeführt werden, und bezüglich der Gasphasenbehandlung, obwohl sie in den nachfolgenden Beispielen mit dem in ein Pulver, das hauptsächlich aus Li3TaO4 besteht, eingebetteten Substrat durchgeführt wird, sollte bedacht werden, dass die Erfindung nicht auf die Art oder die Form der Materialien, in der in den Beispielen durchgeführtem Gasphasenbehandlung verwendeten werden, begrenzt ist. Ferner kann bezüglich des Substrats, das der Gasphasenbehandlung unterzogen wird, eine zusätzliche Prozesssierung oder Behandlung nach Bedarf ausgeführt werden.

Das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat der vorliegenden Erfindung kann an verschiedene Grundsubstrate gebondet werden, um ein gebondetes Substrat zu bilden. Das Grundsubstrat, an welches das erfinderische Substrat gebondet wird, ist nicht besonders begrenzt und kann gemäß dem Zweck ausgewählt werden; es ist aber bevorzugt aus Si, SiC oder Spinell hergestellt.

Im Fall des Herstellens eines gebondeten Substrats der vorliegenden Erfindung ist es ebenso möglich, die LiTaO3 Oberflächenschicht von der Oberfläche, die von der Bondeoberfläche weg zeigt, in solch einer Weise zu entfernen, dass zumindest ein Teil des Bereichs, in welchem die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig ist, verbleibt, um so ein gebondetes Substrat mit exzellenten Charakteristika für eine akustische Oberflächenwellenvorrichtung zu erhalten.

Die unter Verwendung des Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats oder des gebondeten Substrats der vorliegenden Erfindung erhaltene akustische Oberflächenwellenvorrichtung wird exzellente Temperatur-Unabhängigkeits-Charakteristika aufweisen und ist insbesondere geeignet für einen Bestandteil eines Mobiltelefons der vierten Generation oder dergleichen.

Beispiele

Nachfolgend werden Beispiele der vorliegenden Erfindung und Vergleichsbeispiele spezieller beschrieben werden.

(Beispiel 1)

In Beispiel 1 wurde zunächst ein singulär polarisierter Lithium-Tantalat-Einkristallbarren mit 4 Zoll Durchmesser mit einer im Wesentlichen kongruenten Zusammensetzung und mit einem Li: Ta Verhältnis von 48,5: 51,5 in Scheiben geschnitten, um einige 370-μm dicke 42° rotierte Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Substrate zu erhalten. Danach wurde im Hinblick auf ein Protokoll die Oberflächen Rauigkeit jeden geschnittenen Wafers auf 0,15 μm bezüglich arithmetischen Durchschnittsrauigkeitswert Ra mit einem Läppschritt eingestellt und die bearbeitete Dicke wurde auf 350 μm (Mikrometer) eingestellt.

Nachfolgend wurden beide Seitenoberflächen der Substrate (Wafer) in einen Quasi-Spiegelabschluss mit einem Ra-Wert von 0,01 μm mittels Planarpolieren abschlussbearbeitet, und die Substrate wurden in einem aus Li, Ta und O aufgebauten Pulver, das hauptsächlich in der Form von Li3TaO4 vorliegt, eingebettet. Das Pulver, das hauptsächlich in der Form von Li3TaO4 vorhanden ist, welches in diesem Beispiel verwendet wurde, wurde durch Vermischen von Li2CaO3 und Ta2O5 Pulvern in einem Molverhältnis von 7:3 in dieser Reihenfolge und Unterziehen der somit erhaltenen Mischung einer Kalzinierung bei 1300°C für 12 Std zubereitet. Das hauptsächlich in Form von Li3TaO4 vorliegende Pulver wurde in einem kleinen Behälter ausgebreitet, und eine Mehrzahl von Schnitt-Wafern wurde in dem Li3TaO4 Pulver eingebettet.

Dann wurde dieser kleine Behälter in einen elektrischen Ofen verbracht, und das Innere des Ofens wurde mit einer N2 Atmosphäre gefüllt, bevor der Ofen auf eine Temperatur von 975°C für 100 Stunden elektrisch erwärmt wurde, woraufhin Li von der Oberfläche des geschnittenen Wafers in Richtung eines Mittelteils davon diffundierte. Danach wurde, während die Temperatur des Wafers sich verringerte, eine zwölfstündige Temperbehandlung bei 800°C mit dem Wafer durchgeführt; dann wurde, als die Temperatur von 770°C auf 500°C absank, ein elektrisches Feld von etwa 4000 V/m im Wesentlichen in +Z Richtung angelegt; und danach wurde die Temperatur auf die Raumtemperatur abfallen gelassen. Nach dieser Behandlung wurde eine Seite des Wafers einer Endbearbeitung unterzogen, die aus Sandstrahlen bestand, wodurch diese Seite einen Ra Wert von etwa 0,15 μm erhielt; demgegenüber wurde die andere, Quasi-Spiegelbearbeitete Oberfläche einem 3 μm Polieren unterzogen, und auf diese Weise wurden eine Mehrzahl von Lithium-Tantalat-Einkristallsubstraten hergestellt.

Bezüglich eines dieser Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrate wurde ein Laser-Raman-Spektrometer (LabRam HR-Serie, hergestellt von HORIBA Scientific Inc., Ar-Ionen-Laser, Punktgröße 1 μm, Raumtemperatur) verwendet, um die Halbwertsbreite des Raman-Verschiebungspeaks um 600 cm–1 zu messen, welche in Indikator der Li-Diffusionsmenge ist, bezogen auf einen tiefenbezogenen Abstand von der Oberfläche an einer beliebigen Position, welche 1 cm oder mehr vom äußeren Umfang des scheibenförmigen Substrats entfernt war; und als das Ergebnis wurde ein wie in 1 gezeigtes Ramanprofil erhalten.

Gemäß dem Ergebnis des in 1 gezeigten Profils war, während der Wert der Raman-Halbwertsbreite an Oberfläche dieses Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats sich von dem in einem tiefen Teil des Substrats unterschied, der Wert der Raman-Halbwertsbreite mehr oder weniger konstant, nämlich zwischen 5,9 und 6,0 cm–1 in dem Bereich von der Tiefe von 0 μm bis etwa einschließlich 18 μm in der Dickenrichtung. In dem tieferen Bereich wurde bestätigt, dass der Wert der Raman-Halbwertsbreite dazu neigt, sich mit Annäherung des Messpunkts an die Mitte des Substrats zu erhöhen.

Die Raman-Halbwertsbreite in einer Tiefe von 80 μm in der Dickenrichtung des Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats betrug 9,3 cm–1 und, obwohl nicht in der Figur gezeigt, betrugt die Raman-Halbwertsbreite in der Dicke-Mittelposition des Substrats ebenso 9,3 cm–1.

Aus den obigen Ergebnissen von 1 wurde bestätigt, dass sich in Beispiel 1 die Li Konzentration in den Umgebungen der Substratoberfläche und diejenigen im Inneren des Substrats voneinander unterscheiden, und dass das Substrat einen Bereich aufweist, welcher ein Konzentrationsprofil aufweist, so dass die Li-Konzentration höher in Bereichen ist, die der Substratoberfläche näher sind, und die Li-Konzentration mit der Tiefe des Substrats in der Dickenrichtung abnimmt. Es wurde ebenso bestätigt, dass die Li-Konzentration bis zu der Tiefe von 18 um von der LiTaO3 Substratoberfläche im Großen und Ganzen gleichförmig war.

Ferner ist aus den Ergebnissen von 1 die Raman-Halbwertsbreite etwa 5,9–6,0 cm–1 von der Oberfläche des Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats bis zu der Tiefe von 18 μm in der Dickenrichtung, weshalb, unter Verwendung der Gleichung (1), die Zusammensetzung in diesem Bereich etwa Li/(Li + Ta) = 0,515 bis einschließlich 0,52 ist, so dass es bestätigt wurde, dass die Zusammensetzung pseudo-stöchiometrisch war.

Da ferner die Raman-Halbwertsbreite an dem Mittelteil in der Dickenrichtung des Substrats des Lithium-Tantalat-Einkristalls etwa 9,3 cm–1 ist, wird, wenn ähnlich wie oben die Formel (1) angenommen wird, der Wert von Li/(Li + Ta) gleich 0,485, weswegen bestätigt wurde, dass der Mittelteil des Substrats eine im Wesentlichen kongruente Zusammensetzung aufwies.

In dem Fall des rotierter Y-Schnitt LiTaO3 Substrats von Beispiel 1 weisen der Bereich zwischen der Oberfläche des Substrats und der Position, an welcher die Li-Konzentration beginnt, sich zu verringern, ebenso wie der Bereich zwischen der Position, an welcher die Li-Konzentration endet, sich zu erhöhen, und die andere Seitenfläche des Substrats eine pseudo-stöchiometrische Zusammensetzung auf, und der Mittelteil in der Dickerichtung weist eine im Wesentlichen kongruenten Zusammensetzung auf. Die Position, welcher die Li-Konzentration beginnt, sich zu verringern, oder die Position, an welcher die Li-Konzentration aufhört, sich zu erhöhen, waren jeweils 20 μm von der Substratoberfläche der Dickerichtung.

Als Nächstes wurde das Verziehen dieses 4 Zoll Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats, das einer Li-Diffusion unterzogen wurde, durch ein Interferenzmessverfahren unter Verwendung von Laserlicht gemessen und der Wert war mit 60 μm gering, und ein Abplatzen oder Rissbildung wurden nicht beobachtet.

Als Nächstes wurde ein kleines Stück aus dem 4 Zoll Li-diffundierten 42° rotierter Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat herausgeschnitten, und in einem Piezometer d33/d15 (Modell ZJ-3BN), hergestellt von The Institute of Acoustics of the Chinese Academy of Sciences, wurde das kleine Stück in eine vertikale Vibration in der Dickenrichtung zu der Hauptfläche und ebenso zur der Rückfläche versetzt, um die Spannungswellenform, die dadurch induziert wird, zu beobachten, und eine Wellenform wurde an jeder Position über dem gesamten Wafer beobachtet, was das Vorhandensein einer piezoelektrischen Antwort anzeigt. Somit wurde bestätigt, dass das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Beispiel 1 eine Piezoelektrizität an jeder Stelle der Substratoberfläche aufweist und somit als singulär polarisierte akustische Oberflächenwellenvorrichtung genutzt werden kann.

Als Nächstes wurde ein 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Beispiel 1, welches der Li-Diffusionsbehandlung unterzogen war, einer Sputterbehandlung ausgesetzt, um auf dessen Oberflächen einen Al Film mit einer Dicke von 0,2 μm zu erhalten, und ein Resistmaterial wurde auf das so behandelte Substrat aufgebracht; dann wurde ein einstufiger Leiter-Typ Filter und ein Elektrodenmuster für einen Resonator in einem Stepper belichtet und entwickelt, und eine Elektrode für eine SAW Vorrichtung wurde mittels RIE (Reactive Ion Etching) hergestellt.

Eine Wellenlänge dieser gemusterten einstufigen Leiter-Typ Filterelektrode wurde nun auf 2,33 μm eingestellt, im Fall des Reihenresonators, und eine Wellenlänge des Parallelresonators war auf 2,47 μm eingestellt. Überdies war ein Einzelresonator für den Auswertungszweck so konfiguriert, dass er eine Wellenlänge von einer 2,50 μm aufwies.

Bezüglich dieses einstufigen Leiter-Typ Filters wurde die SAW Wellenformcharakteristik mittels eines RF Sonde untersucht, und die in 2 gezeigten Ergebnisse wurden erhalten. In 2 sind zum Vergleich die Ergebnisse der Messung der SAW Wellenform in Fall eines 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats, welches keiner Li-Diffusionbehandlung unterzogen war und mit einer ähnlichen Elektrode wie oben beschriebenen ausgebildet war, ebenso in 2 gezeigt.

Aus den in 2 gezeigten Ergebnissen wurde bestätigt, dass in dem SAW Filter, der aus einem 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, das der Li-Diffusionsbehandlung unterzogen war, die Frequenzspanne, bei welcher der Einfügeverlust (bzw. die Einfügedämpfung) 3 dB oder weniger war, 93 MHz und die Mittenfrequenz 1745 MHz war. Demgegenüber war in dem SAW Filter, der aus einem 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, das keiner Li-Diffusionsbehandlung unterzogen war, hergestellt war, die Frequenzspanne, bei welcher der Einfügeverlust 3 dB oder weniger war, 80 MHz und die Mittenfrequenz war 1710 MHz.

Ebenso wurde, während die Temperatur der Bühne von etwa 16°C auf 70°C angehoben wurde, die Antiresonanzfrequenz, die der Frequenz der Senke rechts in 2 entsprach, und der Temperaturkoeffizienten der Resonanzfrequenz, die der Frequenz der Senke links entsprach, untersucht, und als Ergebnis wurde bestätigt, da der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz –21 ppm/°C war und der Temperaturkoeffizient der Anti-Resonanzfrequenz –42 ppm/°C war, dass der durchschnittliche Frequenztemperaturkoeffizient –31,5 ppm/°C war. Zum Vergleich wurde der Temperaturkoeffizient des 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats, das keiner Li-Diffusionsbehandlung unterzogen war, ebenso untersucht und als Ergebnis wurde bestätigt, da der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz –33 ppm/°C und der Temperaturkoeffizient der Antiresonanzfrequenz –43 ppm/°C war, dass der durchschnittliche Frequenztemperaturkoeffizient –38 ppm/°C war.

Daher wurde aus den obigen Ergebnissen bestätigt, dass in dem Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Beispiel 1 das Band, in welchem der Einfügeverlust des Filters 3 dB oder weniger betrug, 1,2 mal breiter war im Vergleich zu dem Substrat, das der Li-Diffusionsbehandlung nicht unterzogen worden war. Bezüglich der Temperatur-Unabängigkeits-Charakteristika war der durchschnittliche Frequenztemperaturkoeffizient etwa 6,5 ppm/°C geringer als der des Substrats, das keiner Li-Diffusionsbehandlung unterzogen worden war, so dass die Eigenschaftsfluktuation mit der Temperatur gering ist und somit die Stabilität gegen die Temperaturveränderung als gut bestätigt worden ist.

Als Nächstes wurde ein 1-Tor SAW Resonator mit einer Wellenlänge von 2,5 um aus einem 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, das der Li-Diffusionsbehandlung von Beispiel 1 unterzogen worden war, hergestellt und die in 3 gezeigte SAW Wellenform wurde erhalten. In 3 ist zum Vergleich ein ähnlicher 1-Tor SAW Resonator ebenso aus einem 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat hergestellt, das keiner Li-Diffusionsbehandlung unterzogen worden war, und die Ergebnisse in dem Fall der somit erhaltenen SAW Wellenformen sind ebenso in der Figur gezeigt.

Aus den Ergebnissen der SAW Wellenformen von 3 wurden die Werte der Antiresonanzfrequenz und der Resonanzfrequenz erhalten, und der elektromecahnische Kupplungskoeffizient k2 wurde basierend auf den folgenden Gleichung 2 berechnet; wie in Tabelle 1 gezeigt, war im Fall des 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats, das der Li-Diffusionsbehandlung von Beispiel 1 unterzogen worden war, der elektromechanische Kupplungskoeffizient k2 7,7% und dies war etwa 1,2 mal größer als der im Fall des 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats, das keiner Li-Diffusionsbehandlung unterzogen worden war.

<Gleichung 2>

Gleichung zum erhalten von K2: K2 = (πfr/2fa)/tan(πfr/2fa)Wobei fr die Resonanzfrequenz ist und fa die Antiresonanzfrequenz ist.

4 zeigt bezogen auf SAW Resonator von Beispiel 1 die Beziehung zwischen den Real-/Imaginär-Teilen der Eingangsimpedanz (Zin) und der Frequenz, und ebenso zeigt 4 den berechneten Wert der Eingangsimpedanz, der unter Verwendung der folgenden Gleichung (3) gemäß dem BVD-Modell erhalten ist (siehe John D. et al., ”Modified Butterworth-Van Dyke Circuit for FBAR Resonators and Automated Measurement System”, IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM, 2000, S. 863–868). Aus den Ergebnissen der Graphen A und B in 4 wurde bestätigt, dass der Eingangsimpedanzwert, der im Beispiel 1 gemessen ist, sehr gut im Einklang mit dem berechneten Wert gemäß dem BVD-Modell steht.

Ferner zeigt Tabelle 1 die Ergebnisse des Q-Wertes, wie unter Verwendung der folgenden Formel (3) berechnet, und 5 zeigt die gemessenen Werte des Q-Zirkels des SAW Resonators gemeinsam mit den berechneten Werten gemäß dem BVD-Modell. Nun sind in dem Q-Zirkel der Realteil die Eingangsimpedanz (Zin) gegen die horizontale Achse und der Imaginärteil der Eingangsimpedanz (Zin) gegen die vertikale Achse aufgetragen.

Aus dem Ergebnis der Q-Zirkelkurve C in 5 wurde bestätigt, dass der Wert Eingangsimpedanz, der in Beispiel 1 gemessen ist, und der berechnete Wert gemäß dem BVD-Modell in guter Übereinstimmung sind, so dass die Werte von Q, die mittels der nachfolgenden gezeigten Gleichung (3) gemäß dem BVD-Modell erhalten sind, als vernünftige Werte angenommen werden können. Ferner kann bei dem Q-Zirkel geurteilt werden, dass, wenn der Radius etwa groß ist, der Q-Wert ebenso groß ist.

Zusätzlich sind in Tabelle 1 und 5 aus Vergleichsgründen die Ergebnisse im Fall eines 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats, das keiner Li-Diffusionsbehandlung unterzogen worden ist (siehe der Q-Zirkel der Kurve D in 5), ebenso gezeigt, und es wurde bestätigt, dass das Q von Beispiel 1 einen Wert zeigt, der gleich oder sogar höher ist als der Q des 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrats, das keiner Li-Diffusionsbehandlung unterzogen worden ist. <Gleichung 3> wobei:

<Beispiel 2>

In Beispiel 2 wurde zunächst mit demselben Verfahren wie in Beispiel 1 ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einer grob gleichförmigen Li-Konzentration in einem Bereich von der Oberfläche des Substrats bis zu einer Tiefe von 18 μm zubereitet. Als Nächstes wurde die Oberfläche des Substrats auf eine Tiefe von 2 μm abgeläppt, wodurch ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einer grob gleichförmigen Li-Konzentration in einem Bereich von der Oberfläche des Substrats bis zu einer Tiefe von 16 μm erhalten wurde.

Dann wurde das somit erhaltene Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ausgewertet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Wenn mit der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle mit Volemanwellenanteil (leaky surface acoustic wave; LSAW), die sich in der Richtung X des Wafers ausbreitet, normiert, reichte der Bereich, in welchem die Li-Konzentration gleichförmig ist, von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe, die dem 6,4-fachen der Wellenlänge äquivalent war.

Im Vergleich zu dem 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, welches der Li-Diffusionsbehandlung nicht unterzogen worden war, wies das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Beispiel 2 einen größeren elektromechanischen Kupplungskoeffizienten k2 auf, eine bessere Temperatur-Unabhängigkeits-Charakteristik und die Werte Q waren ähnlich oder im Schnitt größer als die des Vorhergehenden.

<Beispiel 3>

Ebenso wurde in Beispiel 3 zunächst ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einem Bereich, in welchen die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe von 18 μm war, auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 zubereitet. Als Nächstes wurde die Oberfläche des Substrats auf eine Tiefe von 4 μm abgeläppt, wodurch ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Li-Konzentration in einem Bereich von der Oberfläche des Substrats bis zu einer Tiefe von 14 μm erhalten wurde.

Dann wurde das somit erhaltene Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ausgewertet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Wenn mit der Wellenlänge der LSAW, die sich in der Richtung X des Wafers ausbreitet, normiert, reichte der Bereich, in welchem die Li-Konzentration gleichförmig ist, ebenso von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe, die dem 5,6-fachen der Wellenlänge äquivalent war.

Im Vergleich zu dem 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, welches der Li-Diffusionsbehandlung nicht unterzogen worden war, wies das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Beispiel 3 einen größeren elektromechanischen Kupplungskoeffizienten k2 auf, eine bessere Temperatur-Unabhängigkeits-Charakteristik und die Werte Q waren ähnlich oder im Schnitt größer als die des Vorhergehenden.

<Beispiel 4>

Ebenso wurde in Beispiel 4 zunächst ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einem Bereich, in welchen die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe von 18 μm war, auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 zubereitet. Als Nächstes wurde die Oberfläche des Substrats auf eine Tiefe von 5,5 μm abgeläppt, wodurch ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Li-Konzentration in einem Bereich von der Oberfläche des Substrats bis zu einer Tiefe von 12,5 μm erhalten wurde.

Dann wurde das somit erhaltene Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ausgewertet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Wenn mit der Wellenlänge der LSAW, die sich in der Richtung X des Wafers ausbreitet, normiert, reichte der Bereich, in welchem die Li-Konzentration gleichförmig ist, ebenso von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe, die dem 5,0-fachen der Wellenlänge äquivalent war.

Im Vergleich zu dem 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, welches der Li-Diffusionsbehandlung nicht unterzogen worden war, wies das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Beispiel 4 einen größeren elektromechanischen Kupplungskoeffizienten k2 auf, eine bessere Temperatur-Unabhängigkeits-Charakteristik und die Werte Q waren ähnlich oder im Schnitt größer als die des Vorhergehenden.

<Beispiel 5>

In Beispiel 5 wurde zunächst ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einem Bereich, in welchem die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig ist, der von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe von 18 μm reicht, auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 zubereitet. Als Nächstes wurden dieses Substrat und ein 200 μm dickes Si-Substrat mit einem Normaltemperaturbondeverfahren, das in der Nicht-IP-Puplikation [Takagi H. et al., „Room-temperature wafer bonding using argon beam activation” aus Proceedings-Electrochemical Society (2001), 99–35 (Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology, and Applications V), 265–274.] beschrieben ist, aneinander gebondet, und ein gebondetes Substrat wurde hergestellt. Speziell wurde ein gereinigtes Substrat in eine Hochvakuumkammer verbracht, und eine Aktivierungsbehandlung wurde mit dem Substrat durch Bestrahlen mit einem Hochgeschwindigkeitsatomstrahl aus Argon, in welchen der Ionenstrahl bei der Substratoberfläche neutralisiert war, durchgeführt; danach wurden das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat und das Si-Substrat aneinander gebondet.

Die Bondegrenzfläche des gebondeten Substrats wurde mit einem Rasterelektrodenmikroskop untersucht, und es wurde beobachtet, wie in 6 gezeigt, dass die pseudo-stöchiometrische Zusammensetzung LiTaO3 und die Atome von Si an der Bondegrenzfläche miteinander vermischt waren, um eine feste Bindung zu bilden.

Zusätzlich wurde dieses gebondete Substrat, das aus dem rotierten Y-Schnitt LiTaO3 Substrat, das mit Li diffundiert war, und dem Siliziumsubstrat bestand, auf der LiTaO3-Seite auf solch eine Weise geläppt und poliert, dass eine LiTaO3 Schicht mit einer Dicke von 18 μm, gemessen von der Bondegrenzfläche, übrig blieb, woraufhin das gebondete Substrat der vorliegenden Erfindung fertig gestellt wurde.

Als Nächstes wurde das auf diese Weise erhaltene gebondete Substrat auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ausgewertet, und die Ergebnisse sind wie in Tabelle 2 gezeigt. Aus diesen Ergebnissen wurden ebenso bestätigt, dass das gebondete Substrat von Beispiel 5 ebenso einen großen elektromechanischen Kupplungskoeffizientwert aufwies und einen großen Q Wert aufwies und eine exzellente Temperatur-Unabhängigkeits-Charakteristik aufwies.

<Beispiel 6>

In Beispiel 6 wurde zunächst ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einem Bereich, in welchem die Li-Konzentration im Wesentlichen gleichförmig war, der von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe von 18 μm reichte, auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 zubereitet. Als Nächstes wurde dieses Substrat und ein Si-Substrat mit einer Dicke von 200 μm durch ein Normaltemperaturbondeverfahren, das in der oben genannten Nicht-IP-Publikation beschrieben ist, gebondet und somit wurde ein gebondetes Substrat erhalten.

Die Bondegrenzfläche dieses gebondeten Substrats wurde mit einem Rasterelektrodenmikroskop untersucht, und es wurde wie in dem Fall von Beispiel 5 beobachtet, dass die pseudo-stöchiometrische Zusammensetzung LiTaO3 und die Atome von Si an der Bondegrenzfläche miteinander vermischt waren, um eine feste Bindung zu bilden.

Zusätzlich wurde dieses gebondete Substrat, das aus dem rotierter Y-Schnitt LiTaO3 Substrat, das mit Li diffundiert war, und dem Siliziumsubstrat bestand, auf der Seite des LiTaO3 auf solch eine Weise geläppt und poliert, dass eine LiTaO3-Schicht mit einer Dicke von 1,2 μm, gemessen von der Bondegrenzfläche, übrig blieb, woraufhin das gebondete Substrat der vorliegenden Erfindung fertig gestellt wurde.

Als Nächstes wurde das auf diese Weise erhaltene gebondete Substrat auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ausgewertet, und die Ergebnisse sind wie in Tabelle 2 gezeigt. Aus diesen Ergebnissen wurden ebenso bestätigt, dass das gebondete Substrat von Beispiel 5 ebenso einen großen elektromechanischen Kupplungskoeffizientwert aufwies und einen großen Q Wert aufwies und eine exzellente Temperatur-Unabhängigkeits-Charakteristik aufwies.

Vergleichsbeispiele

In den nachfolgend gezeigten Vergleichsbeispielen wurden Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 zubereitet, mit der Ausnahme, dass keine singulär-Polarisationsbehandlung damit durchgeführt wurde.

<Vergleichsbeispiel 1>

In Vergleichsbeispiel 1 wurde während der Dauer der Temperaturverringerung von 770°C bis 500°C nach der Li-Diffusionsbehandlung kein elektrisches Feld in etwa der Richtung +Z angelegt (somit wurde die singulär-Polarisationsbehandlung nicht durchgeführt), aber bezüglich anderer Punkte wurde das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt.

Es wurde bestätigt, dass das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Vergleichsbeispiels 1 ein ähnliches Raman Profil wie in Beispiel 1 zeigt, und dass das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat im Wesentlichen eine gleichförmige Li-Konzentration bis zu einer Tiefe von 18 μm von der Substratoberfläche aufweist.

Als Nächstes wurde ein kleines Stück aus dem 4-Zoll Li-diffundierten 42°Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, das in Vergleichsbeispiel 1 erhalten war, herausgeschnitten und in einem Piezometer d33/d15 (Modell ZJ-3BN), hergestellt von The Institute of Acoustics of the Chinese Academy of Sciences, wurde das kleine Stück in eine vertikale Vibration in der Dickerichtung zur der Hauptfläche bzw. ebenso zu der Rückfläche versetzt, um die Spannungswellenform (Stromspannungswellenform), die dadurch induziert wird, zu beobachten, und die Beobachtung zeigte eine Abwesenheit einer piezoelektrischen Antwort von jedem Teil des Wafers an. Somit wurde bestätigt, dass das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Beispiel 1 keine dicke-weise Piezoelektrizität (Piezoelektrizität bezüglich der Dicke) an jedem Teil der Substratfläche aufwies und nicht singulär polarisiert war.

Wenn demgegenüber dieses kleine Stück in die d15 Einheit verbracht wurde und eine Vibration in der horizontalen Richtung parallel zum dem Substrat angelegt wurde konnte eine piezoelektrische Antwort in der Dickenrichtung aufgenommen werden, so dass das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Vergleichsbeispiel 1 als eines gefunden wurde, das in einen üblichen piezoelektrischen Körper umgewandelt war, welcher eine Piezoelektrizität aufweist, wenn er in eine Vibration in der horizontalen Richtung parallel zu der Substratoberfläche versetzt wird, obwohl er keine piezoelektrische Antwort in der Dickenrichtung in Erwiderung auf eine in der Dickenrichtung erhaltene Vibration zeigt.

Die gleiche Auswertung wie in Beispiel 1 wurde mit dem Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt, und die Ergebnisse sind wie in Tabelle 1 gezeigt. Aus diesen Ergebnissen wurde bestätigt, dass im Vergleich zu dem 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, das keiner Li-Diffusionsbehandlung unterzogen worden war, das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Vergleichsbeispiel 1 einen größeren elektromechanischen Kupplungskoeffizienten k2 aufwies und eine überlegene Temperatur-Unabhängigkeits-Charakteristik aufwies, während dessen Q-Werte geringer waren.

<Vergleichsbeispiel 2>

In Vergleichsbeispiel 2 wurde zunächst ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Li-Konzentration in einem Bereich, der von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe von 18 μm reicht, mit dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt. Als Nächstes wurde die Oberfläche dieses Substrats um 8 μm poliert, um ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Li-Konzentration bis zu einer Tiefe von 10 μm von der Substratoberfläche herzustellen.

Das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat vom Vergleichsbeispiel 2 wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ausgewertet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Überdies war, wenn mit der Wellenlänge der LSAW, die sich in der Richtung X des Wafers ausbreitet, normiert, der Bereich, in welchem die Li-Konzentration gleichförmig war, von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe von dem 4-fachen der Wellenlänge vorhanden.

Aus diesen Ergebnissen wurde bestätigt, dass im Vergleich mit dem 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, das keiner Li-Diffusionsbehandlung unterzogen worden war, das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Vergleichsbeispiel 2 einen größeren elektromechanischen Kupplungskoeffizienten k2 aufwies und eine überlegene Temperatur-Unabhängigkeits-Charakteristik aufwies, während dessen Q-Werte geringer waren, wie durch die Q-Zirkelkurve in 5 gezeigt.

<Vergleichsbeispiel 3>

In Vergleichsbeispiel 3 wurde zunächst ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Li-Konzentration in einem Bereich, der von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe von 18 μm reicht, mit dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt. Als Nächstes wurde die Oberfläche dieses Substrats um 12 μm poliert, um ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Li-Konzentration bis zu einer Tiefe von 8 μm von der Substratoberfläche herzustellen.

Das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat vom Vergleichsbeispiel 3 wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ausgewertet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Überdies war, wenn mit der Wellenlänge der LSAW, die sich in der Richtung X des Wafers ausbreitet, normiert, der Bereich, in welchem die Li-Konzentration gleichförmig war, von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe von dem 3,2-fachen der Wellenlänge vorhanden.

Aus diesen Ergebnissen wurde bestätigt, dass im Vergleich mit dem 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, das keiner Li-Diffusionsbehandlung unterzogen worden war, das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Vergleichsbeispiel 3 einen größeren elektromechanischen Kupplungskoeffizienten k2 aufwies und eine überlegene Temperatur-Unabhängigkeits-Charakteristik aufwies, während dessen Q-Werte geringer waren.

<Vergleichsbeispiel 4>

In Vergleichsbeispiel 4 wurde zunächst ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Li-Konzentration in einem Bereich, der von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe von 18 μm reicht, mit dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 1 hergestellt. Als Nächstes wurde die Oberfläche dieses Substrats um 14 μm poliert, um ein Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Li-Konzentration bis zu einer Tiefe von 6 μm von der Substratoberfläche herzustellen.

Das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat vom Vergleichsbeispiel 4 wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 ausgewertet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Überdies war, wenn mit der Wellenlänge der LSAW, die sich in der Richtung X des Wafers ausbreitet, normiert, der Bereich, in welchem die Li-Konzentration gleichförmig war, von der Substratoberfläche bis zu einer Tiefe von dem 2,4-fachen der Wellenlänge vorhanden.

Aus diesen Ergebnissen wurde bestätigt, dass im Vergleich mit dem 42° Y-Schnitt Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat, das keiner Li-Diffusionsbehandlung unterzogen worden war, das Lithium-Tantalat-Einkristallsubstrat von Vergleichsbeispiel 3 einen größeren elektromechanischen Kupplungskoeffizienten k2 aufwies und eine überlegene Temperatur-Unabhängigkeits-Charakteristik aufwies, während dessen Q-Werte geringer waren, wie durch die Q-Zirkelkurve in 5 gezeigt. [Tabelle 1][Tabelle 2]

Beschreibung der Bezugszeichen

  • A: Kurven (durchgezogene Linie und gepunktete Linie) die Im (Zin) Messwerte und gemäß BVD-Modell berechnete Werte in 4 darstellen.
  • B: Kurven (durchgezogene Linie und gepunktete Linie) die Re (Zin) Messwerte und gemäß BVD-Modell berechnete Werte in 4 darstellen.
  • C: Q-Zirkelkurven in 5, die Messwerte der Eingangsimpedanz (Zin) von Beispiel 1 (durchgezogene Linie) und die gemäß dem BVD-Modell berechnete Werte (gepunktete Linie) darstellen.
  • D: Q-Zirkelkurven in 5, die Messwerte der Eingangsimpedanz (Zin) in dem Fall keiner Li-Diffusionsbehandlung (durchgezogene Linie) und berechnete Werte gemäß dem BVD-Modell (gepunktete Linie) darstellen.
  • E: Q-Zirkelkurven in 5, die gemessene Werte der Eingangsimpedanz (Zin) von Vergleichsbeispiels 2 (in dem Fall, wo die Tiefe des gleichförmigen Li-Konzentrationsbereichs von der Oberfläche 10 μm ist) (durchgezogene Linie) und berechnete Werte gemäß dem BVD-Modell (gepunktete Linie) darstellen.
  • F: Q-Zirkelkurven in 5, die gemessene Werte der Eingangsimpedanz (Zin) von Vergleichsbeispiels 4 (in dem Fall, wo die Tiefe des gleichförmigen Li-Konzentrationsbereichs von der Oberfläche 6 μm ist) (durchgezogene Linie) und berechnete Werte gemäß dem BVD-Modell (gepunktete Linie) darstellen.