JP7019052B2

JP7019052B2 - 弾性表面波素子用基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP7019052B2
Application number: JP2020538438A
Authority: JP
Inventors: 賢一西; 陽介清水
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2022-02-14
Anticipated expiration: 2039-08-21
Also published as: JPWO2020040203A1; WO2020040203A1; KR20210028672A; KR102508006B1

Description

本開示は、弾性表面波フィルタ等の弾性表面波素子に用いられる弾性表面波素子用基板及びその製造方法に関する。

弾性表面波素子は、電気信号を弾性表面波に変換して信号処理を行う素子である。弾性表面波素子用基板として、圧電特性を有するタンタル酸リチウム（ＬＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）等の単結晶基板が用いられる。

弾性表面波素子用基板は、単結晶インゴットの外形を所望の形状に加工し、それぞれが外周面および素子形成面を有する複数の基板に切断し、基板を所望の厚みにラッピング加工し、基板の外周面を面取り加工し、基板の素子形成面を研磨加工することによって作製される。弾性表面波素子は、得られた基板の素子形成面に、アルミニウム等からなる電極を形成して複数の素子を形成し、素子ごとに分割切断することによって作製される。

ＬＴ、ＬＮ等の圧電材料基板は、シリコン等の半導体基板と比べて割れ、欠けが発生しやすい。特に、外周面を含む外周部を起点とした割れ、欠けが発生しやすい。そのため、外周面の表面粗さを小さくすることで、基板加工工程および素子化工程における外周面を起点とした割れ、欠けを低減する試みが行われている（例えば、特許文献１、２）。特許文献３には、粒径の異なる２種類の砥粒を含有した砥石を用いて外周面を面取りすることで、割れ、欠けが低減することが記載されている。特許文献４には、砥粒の粒径の異なる２種類の砥石を用いて基板の外周面を面取りすることで、割れ、欠けが低減することが記載されている。

昨今、基板の大口径化、薄型化の要望に伴い、上記の従来技術よりもさらに割れ、欠けが発生しにくい弾性表面波素子用基板が求められている。

特開平１１－３０６４０４号公報特開２００２－１６７２９８号公報特開平９－１８１０２１号公報特開平１１－２８４４６９号公報

本開示の表面弾性波素子用基板は、圧電材料からなり、外周面に面取り部を有し、前記外周面の、厚み方向の粗さ曲線の算術平均粗さＲａ１と、周方向の粗さ曲線の算術平均粗さＲａ２が、いずれも１μｍ以下で、かつ、Ｒａ１／Ｒａ２が１．２以上である。

本開示の表面弾性波素子用基板の製造方法は、圧電材料からなり、厚み方向および周方向に伸びる外周面を有する基板を準備する工程と、基板を周方向に回転させながら、基板の外周面のうち少なくとも前記厚み方向の両端に、回転砥石を当接させて面取り加工する工程と、面取りした外周面をエッチング処理する工程とを含む。

（ａ）は本開示の弾性表面波素子用基板の一例を示す上面図であり、（ｂ）はその側面図である。

＜弾性表面波素子用基板＞
以下、本開示の弾性表面波素子用基板について説明する。

図１（ａ）、（ｂ）に、本開示の一実施形態の弾性表面波素子用基板１（以下、単に基板１ともいう）の概略図を示す。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は側面図である。基板１は、上面と、上端が上面に接した側面を有している。

基板１としては、タンタル酸リチウム（ＬＴ）単結晶、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）単結晶などの圧電性を有する材料が用いられる。３６°Ｙ～４６°Ｙ－ＬＴ単結晶は、弾性表面波素子の中でも、擬似弾性表面波素子に好適に用いられる。本実施形態では、基板１として、４２°Ｙ－ＬＴ単結晶からなる擬似弾性表面波素子用基板１について記載する。

基板１は、弾性表面波が伝搬する素子形成面である第１主面１ａ（上面）と、第１主面１ａの反対側の主面（下面）である第２主面１ｂと、第１主面１ａと第２主面１ｂとを接続する外周面１ｃ（側面）とを備える。外周面１ｃは、面取り部を有する。
外周面１ｃにおいて、厚み方向Ｄ１の粗さ曲線の算術平均粗さＲａ１と、外周面１ｃの周方向Ｄ２の粗さ曲線の算術平均粗さＲａ２は、いずれも１μｍ以下で、かつ、Ｒａ１／Ｒａ２が１．２以上である。つまり、外周面１ｃ全体として表面粗さが比較的小さく、かつ厚み方向Ｄ１では表面粗さが周方向Ｄ２に対して相対的に大きい。

図１（ｂ）に矢印で示すように、厚み方向Ｄ１とは、第１主面１ａおよび第２主面１ｂと垂直な方向である。周方向Ｄ２とは、第１主面１ａおよび第２主面１ｂと平行な方向であり、厚み方向Ｄ１とは垂直な方向である。

本実施形態の基板１は、上記のように、外周面１ｃの算術平均粗さ（Ｒａ）が比較的小さい（１μｍ以下である）。そのため、割れ、欠けの起点が低減され、基板１の割れ、欠けが生じにくい。さらに、外周面１ｃの、厚み方向Ｄ１の粗さ曲線の算術平均粗さＲａ１を、周方向Ｄ２の粗さ曲線の算術平均粗さＲａ２よりも大きくすることで、外周面１ｃを起点とするクラックが主面（第１主面１ａと第２主面１ｂ）の方向に伸展しにくくする上で有利である。そのため、上記構成により、基板１の、基板加工工程および素子化工程における割れ、欠けを低減し、基板加工工程および素子化工程の歩留りを向上させることができる。

算術平均粗さＲａ１がＲａ２よりも大きいことから、基板１を水平に保持する際、外周部１ｃを保持しやすく、基板１が落下しにくい。そのため、基板１を周方向に回転させる工程、例えば、電極形成工程に先立つレジスト塗布工程で回転時の衝撃による割れが生じにくく、また、レジストの裏面への回り込みが生じにくい。すなわち、信頼性および生産性向上等についても有効である。

外周面１ｃの面取り部はＣ面取りおよびＲ面取りのいずれでもよい。Ｒ面取り（円弧状の面取り）であると、特に割れ、欠けを低減できる。面取り部は、図１（ａ）のように、外周面１ｃの全体がＲ面取り（フルＲ面取り）であるのが好ましいが、外周面１ｃの少なくとも一部がＲ面取りであってもよい。

Ｒａ１／Ｒａ２が１．４以上であると、さらによい。この場合には、外周面１ｃを起点とするクラックの主面方向への伸展を抑制する効果を高める上で有利である。

Ｒａ１／Ｒａ２が１．４以上であると、さらによい。この場合には、外周面１ｃを起点とするクラックの主面方向への伸展を抑制する効果を高める上で有利である。
外周面１ｃの、厚み方向の粗さ曲線の要素の平均長さＲｓｍ１と、周方向の粗さ曲線の要素の平均長さＲｓｍ２との関係が、Ｒｓｍ１／Ｒｓｍ２が１．１以上であってもよい。算術平均粗さ（Ｒａ）と同様に、要素の平均長さＲｓｍが厚み方向Ｄ１で大きい方が、主面（第１主面１ａと第２主面１ｂ）方向へのクラックの伸展を妨げる上で有利である。
Ｒｓｍ１／Ｒａ１とＲｓｍ２／Ｒａ２が、いずれも１４以下であってもよい。

本実施形態において、算術平均粗さ（Ｒａ）、要素の平均長さ（Ｒｓｍ）は、ＪＩＳＢ０６０１：２００１に準拠したものである。算術平均粗さ（Ｒａ）、要素の平均長さ（Ｒｓｍ）は、例えば、キーエンス社製レーザ顕微鏡装置ＶＫ－９５１０を用いて測定することができる。測定条件は、例えば、測定モードをカラー超深度、測定倍率を４００倍、測定ピッチを０．０２μｍ、カットオフフィルタλｓを２．５μｍ、カットオフフィルタλｃを０．０８ｍｍ、測定長さを約３０μｍとして、外周面１ｃの粗さ曲線を、厚さ方向Ｄ１、周方向Ｄ２それぞれを３箇所以上測定し、平均値を測定値とする。

＜弾性表面波素子用基板の製造方法＞
本開示に係る弾性表面波素子用基板の製造方法として、４２°Ｙタンタル酸リチウム単（ＬＴ）結晶からなる擬似弾性表面波素子用基板の製造方法について記載する。まず、チョクラルスキー（ＣＺ）法により、ＬＴ単結晶（以下、単にＬＴともいう）からなるインゴットを育成する。インゴットの育成の引き上げ方位は最終的に用いる基板１の主面（第１主面１ａと第２主面１ｂ）の結晶方位と同じであることが特に好ましい。インゴットの育成の引き上げ方位は、３８°Ｙなど、基板１の主面（第１主面１ａと第２主面１ｂ）の結晶方位と近い結晶方位であってもよい。

インゴットは、必要に応じて両端面が所定の結晶方位となるように端面研削して、基板１の形状（例えば、オリエンテーションフラットを有する円板形状）に合わせて外形加工する。さらにＬＴのキュリー温度（約６１０℃）以上に加熱した状態で、５００Ｖ以上の電圧を印加して、各分極ドメインの分極方向を同一方向に揃える、単一分極処理を行う。

次に、所定の結晶方位の第１主面１ａと第２主面１ｂと外周面１ｃとを有し、所定の厚みを有する基板１となるように、マルチワイヤーソー等を用いて上記のインゴットをスライス加工する。

次に、スライス加工によって基板１に生じた加工歪み等を低減する。そのために、フッ化水素酸、硝酸、またはこれらの混酸をエッチャントとしたエッチング処理によって、加工層を除去する。
ＬＴ結晶は焦電性を有するため、基板１および、弾性表面波素子の製造工程で、帯電によるスパークによって基板１が破損することがある。そのため、基板１の導電率を調整して帯電を防止するための導電率調整処理を行うとよい。導電率調整処理は、公知の還元雰囲気処理等を実施するとよい。

次に、外周面１ｃに面取り部を形成する。面取り部の形成は、芯取り面取り機等を使用し、粒度が＃１０００～＃２５００の、面取り部の形状に対応する加工面形状を有する、回転するダイヤモンド砥石に対し、基板１を外周方向に回転させながら当接させて形成するとよい。ここで、外周面１ｃの算術平均粗さ（Ｒａ）は０．５μｍ以下に加工するとよい。粒度の異なる２種類の砥石を用意して、砥粒径の大きい（粒度の番手が小さい）砥石で外周面１ｃを面取りした後、砥粒径の小さい（粒度の番手が大きい）砥石で外周面１ｃを研磨してもよい。

次に、ここまでの工程で基板１に生じた反りを低減するとともに、第２主面１ｂを粗面化するために、基板１を、ラッピング加工する。ラッピング加工では、粒度が＃１０００～＃２５００のダイヤモンド砥粒を使用し、第２主面１ｂは、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１～０．５μｍとなるように粗面化する。ラッピング加工には、両面ラッピング装置を用いてもよいし、第１主面１ａと第２主面１ｂを片面ずつ加工してもよい。

面取り加工後の外周面１ｃとラッピング加工後の第１主面１ａと第２主面１ｂには、基板１の割れ、反りの原因となるマイクロクラックなどの欠陥や残留応力が導入された加工層が表面に存在している可能性がある。そのため、フッ化水素酸、硝酸、またはこれらの混酸をエッチャントとして、エッチング処理を行って、欠陥や残留応力が含まれる加工層を除去するようにしてもよい。

エッチング条件は、例えば、フッ化水素酸と硝酸の混合比が体積比で１：１の混酸を用いて、７５℃～８５℃で５０分～１２０分である。また、６０～９０分、エッチングするようにして、加工層の除去効果と生産性とをともに高めるようにしてもよい。このエッチング処理によって、外周面１ｃの算術平均粗さ（Ｒａ）は、エッチング前よりも大きくなる。エッチング処理後の基板１の外周面１ｃの厚み方向の粗さ曲線の算術平均粗さＲａ１と、周方向の粗さ曲線の算術平均粗さＲａ２は、いずれも１μｍ以下となる。また、Ｒａ１／Ｒａ２が１．２以上となる。また、厚み方向の粗さ曲線の要素の平均長さＲｓｍ１と、周方向の粗さ曲線の要素の平均長さＲｓｍ２の関係が、Ｒｓｍ１／Ｒｓｍ２が１．１以上となる。
なお、圧電材料からなる基板１は、焦電性（温度変化により電荷が生じる性質）を有しているため、帯電しやすく、また帯電状態が変化しやすい。帯電状態のばらつきは、エッチングレートのばらつきの原因となり得るので、エッチング処理前に、静電気除去装置（イオナイザ）により、基板１の除電処理を行うとよい。

次に、ケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）により、第１主面１ａをＣＭＰ研磨する。ＣＭＰ研磨後の第１主面１ａの算術平均粗さＲａは、１ｎｍ以下である。ＣＭＰ研磨前に第１主面１ａを粗研磨してもよい。

以下、本開示の実施例について説明する。

ＣＺ法単結晶育成炉を用い、直径１０８ｍｍの円筒型のタンタル酸リチウム単結晶インゴットを育成した。これを円筒研削装置で直径１００ｍｍに円筒研削し、単一分極処理したインゴットを、マルチワイヤーソーを用いてスライス加工し、結晶方位４２°Ｙ、厚さ４００μｍの基板１を２００枚得た。この基板１をフッ化水素酸と硝酸の混合比が体積比で１：１の混酸を用いて、基板１に生じた加工歪みの層をエッチングした後、還元雰囲気処理を行った。

次に、芯取り面取り機にて、粒度が＃１０００のダイヤモンド砥粒を備えたメタルホイールを用いて、外周面１ｃに図１（ａ）に示すようなフルＲの面取り部を形成（粗加工）した。さらに、粒度が＃２０００～２５００のダイヤモンド砥粒を備えたメタルホイールを用いて、外周面１ｃの研磨加工を行った。外径寸法の加工量は、粗加工が０．３～０．５ｍｍ、研磨加工が０．１ｍｍ以下とした。条件２では、条件１に対して、仕上げ研磨の時間を短縮して実施した。

次に、両面ラッピング装置により、粒度が＃１０００のダイヤモンド砥粒を用い、続けて粒度が＃２０００のダイヤモンド砥粒を用いて、厚みが約２５０μｍとなるように第１主面１ａと第２主面１ｂをラッピング加工した。

次に、基板１を、フッ化水素酸と硝酸の混合比が体積比で１：１の混酸を用いて、約８０℃で５０分～１２０分、エッチング処理した。条件１、３、４ではエッチング時間を、条件４＞条件１＞条件３の順で長くした。

比較例として、条件５では、面取り工程において、＃２０００相当のダイヤモンド砥石で研磨加工を実施した後、ブラシ研磨で、算術平均粗さＲａが１μｍ以下となるように、鏡面研磨加工を行った。この比較例では面取り工程後の混酸エッチングは実施しなかった。

さらに、実施例、および比較例の基板１の第１主面１ａをＣＭＰ研磨した。ＣＭＰ研磨は、粒径３０～１２０ｎｍのコロイダルシリカを研磨材とするスラリーと研磨布を用いて行った。得られた第１主面１ａは、表面粗さＲａが０．１～０．２ｎｍの鏡面状態であった。

このようにして得られた基板１の外周面１ｃの算術平均粗さ（Ｒａ）、および要素の平均長さ（Ｒｓｍ）を、厚み方向、周方向のそれぞれについて、キーエンス社製レーザ顕微鏡装置ＶＫ－９５１０を用いて５箇所測定し、その平均値を測定値とした。測定結果を表１に示す。

各条件で、外周面１ｃの加工条件を変えて、基板１を作製し、各条件１００枚ずつの基板１を素子形成工程に投入し、割れ、欠けによる不良率をカウントした。不良率が０％である例を○とし、不良率が０％超かつ５％以下である例を△とし、不良率が５％を超える例を×として表１に示している。表１に示すように、比較例に対し、実施例では不良率が改善することがわかった。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲において、各種の改良および改善を行なってもよい。

１表面弾性波用基板（基板）
１ａ第１主面
１ｂ第２主面
１ｃ外周面

Claims

タンタル酸リチウムからなり、外周面に面取り部を有する表面弾性波素子用基板であって、
前記外周面の、厚み方向の粗さ曲線の算術平均粗さＲａ１と、周方向の粗さ曲線の算術平均粗さＲａ２が、いずれも１μｍ以下で、かつ、Ｒａ１／Ｒａ２が１．２以上である、表面弾性波素子用基板。
Ｒａ１／Ｒａ２が１．４以上である、請求項１に記載の表面弾性波素子用基板。
前記外周面の、厚み方向の粗さ曲線の要素の平均長さＲｓｍ１と、周方向の粗さ曲線の要素の平均長さＲｓｍ２の関係が、Ｒｓｍ１／Ｒｓｍ２が１．１以上である、請求項１または２に記載の表面弾性波素子用基板。
Ｒｓｍ１／Ｒａ１とＲｓｍ２／Ｒａ２が、いずれも１４以下である請求項３に記載の表面弾性波素子用基板。
前記タンタル酸リチウムが３６°Ｙ～４６°Ｙタンタル酸リチウム単結晶からなる、請求項１から４のいずれかに記載の弾性表面波素子用基板。
タンタル酸リチウムからなり、厚み方向および周方向に伸びる外周面を有する基板を準備する工程と、
前記基板を前記周方向に回転させながら、前記基板の外周面のうち少なくとも前記厚み方向の両端に、回転砥石を当接させて面取り加工する工程と、
面取りした前記外周面をエッチング処理する工程とを含む、請求項１に記載の表面弾性波素子用基板の製造方法。
前記回転砥石が、砥粒の粒度が＃１０００～＃２５００の回転砥石である、請求項６に記載の表面弾性波素子用基板の製造方法。
前記面取り加工する工程の後に、前記外周面を、フッ化水素酸、硝酸、またはフッ化水素酸と硝酸の混酸をエッチャントとして、エッチング処理する工程をさらに含む、請求項６または７に記載の表面弾性波素子用基板の製造方法。
前記基板が、３６°Ｙ～４６°Ｙタンタル酸リチウム単結晶からなる、請求項６から８のいずれかに記載の弾性表面波素子用基板の製造方法。
前記エッチング処理の前に、前記基板の除電処理を行う、請求項６から９のいずれかに記載の弾性表面波素子用基板の製造方法。