JP2019127411A - ニオブ酸リチウム単結晶の単一分域化方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】単一分域化工程における熱起因による単結晶のクラック発生が抑制されるニオブ酸リチウム(LN)単結晶の単一分域化方法を提供すること。【解決手段】LN粉末2が収容された耐熱容器3の該LN粉末2内にLN単結晶1を埋め込み、かつ、上記LN粉末2を介してLN単結晶1を一対の電極4、5で挟むと共に、上記LN単結晶1をそのキュリー温度以上の温度で保持しながら上記電極4、5間に電圧を印加してLN単結晶1を単一分域化する方法であって、昇温および降温中の耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の温度勾配を5.0℃/cm以下とすることを特徴とする。【選択図】図1
Description
本発明は、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)単結晶を単一分域化する方法に係り、特に、単一分域化工程における熱起因による単結晶のクラック発生が抑制されるニオブ酸リチウム単結晶の単一分域化方法に関するものである。
ニオブ酸リチウム(以下、LNと略記する場合がある)単結晶は、主に非線形光学材料や表面弾性波デバイス用材料として用いられている。
LN単結晶の育成は、工業的にはチョクラルスキー法(以下、Cz法と略記する場合がある)が利用されている。すなわち、この育成方法は、LN結晶の原料が収容された坩堝を高周波誘導加熱炉や抵抗加熱炉等で加熱して結晶原料を融液状態とし、所望とする方位の種結晶を上記融液面に接触させた後、温度勾配のついた炉内において上記種結晶を引き上げて種結晶と同じ方位のLN単結晶を育成する手法である。
尚、Cz法で育成されたLN単結晶は多分域状態となっており、多分域状態のままではLN単結晶のウエハー加工時にクラックが入り易く、また、非線形光学材料や表面弾性波デバイスとしての特性に影響を及ぼす。このため、育成されたLN単結晶は単一分域化を行う必要がある。
単一分域化を行う従来技術としては、例えば、特許文献1に記載された従来法が知られている。すなわち、この従来法は、LN粉末が収容された耐熱容器のLN粉末内にLN単結晶を埋め込み、50〜100℃/hの昇温速度でLN単結晶のキュリー点よりも高い温度(設定温度T)まで昇温した後、上記設定温度Tを保持しながらLN単結晶に電界を印加して単一分域化する方法で、上記設定温度Tは、LN単結晶のキュリー点よりも2℃〜10℃高い温度に設定されていた(特許文献1の段落0009参照)。
しかし、単一分域化処理を行う炉内には温度分布があり、LN単結晶の大きさやセットの仕方によってLN単結晶の温度が変化するため、LN単結晶のキュリー点よりも2℃〜10℃高い温度に設定して単一分域化処理を行ったとしてもLN単結晶の温度がキュリー点よりも必ずしも高くなっているとは限らない。このため、従来法には、単一分域化処理が完全になされない可能性が存在した。
そこで、特許文献1において以下の単一分域化方法が提案されている。すなわち、この単一分域化方法は、LN単結晶等の強誘電体単結晶をキュリー点よりも低い温度T2(下記温度T1よりも10〜30℃低い温度)で1〜3時間保持して電界を印加し、強誘電体単結晶に電界を印加した状態でキュリー点よりも高い温度T1(キュリー点よりも2℃〜10℃高い温度)まで昇温して15分〜1時間保持した後、強誘電体単結晶に電界を印加した状態で室温まで冷却して単一分域化処理を行う方法であった(特許文献1の請求項1と請求項3〜6参照)。
そして、特許文献1で提案された単一分域化方法によれば、単一分域化処理温度T1での保持時間を15分〜1時間とすることで強誘電体単結晶自体の温度をT1に保持することができるため確実に単一分域化が行え、かつ、単一分域化処理温度T1での保持時間が1時間を越えないようにすることで強誘電体単結晶のクラック発生が防止できるとしている。
特許文献1では、単一分域化処理温度T1(キュリー点よりも2℃〜10℃高い温度)での保持時間が1時間を越えると強誘電体単結晶にクラックが入る確率が高くなるところ、特許文献1で提案された単一分域化方法が適用された場合、上記単一分域化処理温度T1での保持時間を1時間以内にすることで上述したようにクラック発生による歩留り低下を抑制できるとしている(特許文献1の段落0019参照)。
しかし、特許文献1で提案された単一分域化方法について本発明者が鋭意分析したところ、特許文献1の記載に反し、単一分域化処理温度T1(キュリー点よりも2℃〜10℃高い温度)での保持時間と強誘電体単結晶であるニオブ酸リチウム単結晶のクラック発生に相関はなく、単一分域化処理を行う炉内におけるニオブ酸リチウム単結晶の上下方向の温度勾配が上記クラック発生に大きく関係していることが分かった。
すなわち、単一分域化処理を行う炉内には温度分布があり、特に、昇温および降温中には炉内上下方向の温度勾配が大きくなり易いため、特許文献1に記載された上記昇温速度(50〜100℃/h)の範囲内においても強誘電体単結晶であるニオブ酸リチウム単結晶の上下方向における温度勾配が大きくなってしまい、熱応力により結晶にクラックが発生するということを見出した。
本発明は、本発明者による上記技術的発見により見出されたもので、その課題とするところは、単一分域化工程における熱起因による単結晶のクラック発生が抑制されるニオブ酸リチウム単結晶の単一分域化方法を提供することにある。
すなわち、本発明に係る第1の発明は、
ニオブ酸リチウム(LiNbO3)粉末が収容された耐熱容器の該ニオブ酸リチウム粉末内にニオブ酸リチウム単結晶を埋め込み、かつ、上記ニオブ酸リチウム粉末を介してニオブ酸リチウム単結晶を一対の電極で挟むと共に、上記ニオブ酸リチウム単結晶をそのキュリー温度以上の温度で保持しながら上記電極間に電圧を印加してニオブ酸リチウム単結晶を単一分域化する方法において、
昇温および降温中の耐熱容器内におけるニオブ酸リチウム単結晶の上下方向の温度勾配を5.0℃/cm以下とすることを特徴とし、
また、第2の発明は、
第1の発明に記載のニオブ酸リチウム単結晶の単一分域化方法において、
上記ニオブ酸リチウム単結晶のLiとNb比率がコングルエント組成を有することを特徴とするものである。
ニオブ酸リチウム(LiNbO3)粉末が収容された耐熱容器の該ニオブ酸リチウム粉末内にニオブ酸リチウム単結晶を埋め込み、かつ、上記ニオブ酸リチウム粉末を介してニオブ酸リチウム単結晶を一対の電極で挟むと共に、上記ニオブ酸リチウム単結晶をそのキュリー温度以上の温度で保持しながら上記電極間に電圧を印加してニオブ酸リチウム単結晶を単一分域化する方法において、
昇温および降温中の耐熱容器内におけるニオブ酸リチウム単結晶の上下方向の温度勾配を5.0℃/cm以下とすることを特徴とし、
また、第2の発明は、
第1の発明に記載のニオブ酸リチウム単結晶の単一分域化方法において、
上記ニオブ酸リチウム単結晶のLiとNb比率がコングルエント組成を有することを特徴とするものである。
本発明に係るニオブ酸リチウム単結晶の単一分域化方法によれば、
昇温および降温中の耐熱容器内におけるニオブ酸リチウム単結晶の上下方向の温度勾配を5.0℃/cm以下にしているため、熱起因によって発生するニオブ酸リチウム単結晶のクラック発生が抑制され、歩留まり良くニオブ酸リチウム単結晶の単一分域化を行うことが可能となる。
昇温および降温中の耐熱容器内におけるニオブ酸リチウム単結晶の上下方向の温度勾配を5.0℃/cm以下にしているため、熱起因によって発生するニオブ酸リチウム単結晶のクラック発生が抑制され、歩留まり良くニオブ酸リチウム単結晶の単一分域化を行うことが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、図1は、本発明に係るLN単結晶の単一分域化方法の概略構成を示す説明図である。
まず、ニオブ酸リチウム(LN)単結晶1と同一組成のLN粉末2が収容された耐熱容器3の該LN粉末2内に育成されたLN単結晶1を埋め込む。尚、耐熱容器3の内側底面とLN粉末2の上部には、白金製の円盤状電極4、5が設置されている。
次に、LN単結晶1の単一分域化処理を行う前の予備試験として、電極4と電極5若しくはLN単結晶1の上部と下部に熱電対(図示せず)をセットし、かつ、LN単結晶1が埋め込まれた耐熱容器3を炉(図示せず)内に配置する。この状態で炉内温度を上昇および降下させ、昇温および降温中の耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の温度を測定する。尚、予備試験は、耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の温度を測定することが目的であるため、上記電極4、5間に電圧を印加する必要はない。
また、上記予備試験において、一連のプログラム内での耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の温度勾配が5.0℃/cm以下であることを確認する。予備試験の結果、上下方向の温度勾配が5.0℃/cmを超える場合には温度勾配を5.0℃/cm以下に調整する必要があるが、その方法は限定されず任意である。例えば、炉内における昇温速度および降温速度を遅くし、あるいは、耐熱容器3の上部開放側に耐熱容器3と同種の素材で構成された図1に示す上蓋6を設ける等の方法が挙げられる。
上記予備試験において、耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の温度勾配が5.0℃/cm以下であることを確認できた場合、必要に応じて熱電対を除去し、上記LN単結晶1をそのキュリー温度以上の温度で保持しながら電極4、5間に電圧を印加して単一分域化処理を実施する。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において各部材の改良、構造の変更を行なってもよい。例えば、上記実施の形態において、LN粉末2は、単一分域化処理するLN単結晶1の汚染を回避するためLN単結晶1と同一組成のLN粉末を適用しているが、汚染が回避されることを条件にLN単結晶1と組成を異にするLN粉末を用いてもよい。また、図1においてLN粉末内に埋め込まれるLN単結晶1はCz法等で育成されたインゴット形状を有するLN単結晶であるが、単一分域化処理前に結晶肩部と底部がカットされた略円柱状を有するLN単結晶であってもよい。更に、単一分域化処理するLN単結晶の種類についても、通常のコングルエント組成(原料融液とそこから育成される単結晶の組成が同一となる組成)を有するLN単結晶に加え、LiとNb比率が1:1であるストイキオメトリ組成を有するLN単結晶、および、MgOやZnO等がドープされたLN単結晶であってもよい。
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。
[実施例1]
内径φ200mm、深さ150mm、外周厚み15mm、底部厚み25mmのアルミナ製耐熱容器3を昇降式電気炉の炉床板上に配置した後、直径φ0.5mmの白金線が接続された直径φ180mm、厚み0.3mmの白金製円盤から成る電極5を上記アルミナ製耐熱容器3の内側底面に載置すると共に、電極5が載置された上記アルミナ製耐熱容器3内にLN単結晶を粉砕して得られたLN粉末2を高さ25mmとなるように投入した。
内径φ200mm、深さ150mm、外周厚み15mm、底部厚み25mmのアルミナ製耐熱容器3を昇降式電気炉の炉床板上に配置した後、直径φ0.5mmの白金線が接続された直径φ180mm、厚み0.3mmの白金製円盤から成る電極5を上記アルミナ製耐熱容器3の内側底面に載置すると共に、電極5が載置された上記アルミナ製耐熱容器3内にLN単結晶を粉砕して得られたLN粉末2を高さ25mmとなるように投入した。
次に、コングルエント組成(Li:Nb=48.4:51.6)を有する全長100mmのLN単結晶(キュリー点:1138℃)1を、そのボトム側が下側に位置するようにLN粉末2上に載置し、かつ、LN単結晶1のトップ面から高さ25mmとなるまで上記LN粉末2を投入した。更に、投入されたLN粉末2の上部に直径φ0.5mmの白金線が接続された直径φ180mm、厚み0.3mmの白金製円盤から成る電極4を載置し、かつ、アルミナ製耐熱容器3の上端までLN粉末2を投入した後、アルミナ製耐熱容器3の上部開放側を直径φ230mm、厚さ40mmのアルミナ製上蓋6で閉止した。
次いで、LN単結晶1のボトム側に対峙する電極5の白金線をプラス電極とし、LN単結晶1のトップ側に対峙する電極4の白金線をマイナス電極として直流電源(図示せず)に接続し、かつ、上記電極4と電極5の近傍に熱電対(図示せず)をセットした。
そして、上記電気炉の昇温速度を20℃/hに設定して予備試験を行ったところ、昇温過程におけるアルミナ製耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の最大温度勾配は2.1℃/cmであった。また、電気炉の降温速度を30℃/hに設定して予備試験を行ったところ、降温過程におけるアルミナ製耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の最大温度勾配は1.0℃/cmであった。
そこで、上記予備試験で得られた昇降温速度の条件に従ってLN単結晶1の単一分域化処理を行った。
まず、電気炉の昇温速度を20℃/hに設定し、1150℃に到達した後、LN単結晶1が1150℃で安定するまで5.5時間保持した。1150℃に到達してから5.5時間後に、0.4V/minの条件で上記電極4と電極5間に電圧を印加し、約45分後に電極間の電圧を18Vとする。18Vになってから75分後、電極間に18Vを印加した状態で電気炉の降温速度を30℃/hに設定して炉内温度を下げていき、熱電対で計測されるLN単結晶1の温度が900℃付近となった時点で電極間電圧を0Vとした。
処理後のLN単結晶1を調べたところクラックの発生はなく、また、LN単結晶1の分極状態を評価したところ反対向きの分極は無く、良好に単一分域化されていた。
[実施例2]
電気炉の昇温速度を30℃/hに設定した点を除き、実施例1と同一条件でLN単結晶1の単一分域化処理を行った。尚、昇温過程におけるアルミナ製耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の最大温度勾配は3.7℃/cmであった。
電気炉の昇温速度を30℃/hに設定した点を除き、実施例1と同一条件でLN単結晶1の単一分域化処理を行った。尚、昇温過程におけるアルミナ製耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の最大温度勾配は3.7℃/cmであった。
そして、処理後のLN単結晶1を調べたところクラックの発生はなく、また、LN単結晶1の分極状態を評価したところ反対向きの分極は無く、良好に単一分域化されていた。
[実施例3]
電気炉の昇温速度を40℃/hに設定した点を除き、実施例1と同一条件でLN単結晶1の単一分域化処理を行った。尚、昇温過程におけるアルミナ製耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の最大温度勾配は5.0℃/cmであった。
電気炉の昇温速度を40℃/hに設定した点を除き、実施例1と同一条件でLN単結晶1の単一分域化処理を行った。尚、昇温過程におけるアルミナ製耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の最大温度勾配は5.0℃/cmであった。
そして、処理後のLN単結晶1を調べたところクラックの発生はなく、また、LN単結晶1の分極状態を評価したところ反対向きの分極は無く、良好に単一分域化されていた。
[比較例1]
電気炉の昇温速度を45℃/hに設定した点を除き、実施例1と同一条件でLN単結晶1の単一分域化処理を行った。尚、昇温過程におけるアルミナ製耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の最大温度勾配は6.0℃/cmであった。
電気炉の昇温速度を45℃/hに設定した点を除き、実施例1と同一条件でLN単結晶1の単一分域化処理を行った。尚、昇温過程におけるアルミナ製耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の最大温度勾配は6.0℃/cmであった。
LN単結晶1の分極状態を評価したところ単一分域化はなされていたが、処理後のLN単結晶1にクラックが生じていた。
[比較例2]
電気炉の昇温速度を70℃/hに設定した点を除き、実施例1と同一条件でLN単結晶1の単一分域化処理を行った。尚、昇温過程におけるアルミナ製耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の最大温度勾配は9.9℃/cmであった。
電気炉の昇温速度を70℃/hに設定した点を除き、実施例1と同一条件でLN単結晶1の単一分域化処理を行った。尚、昇温過程におけるアルミナ製耐熱容器3内におけるLN単結晶1の上下方向の最大温度勾配は9.9℃/cmであった。
LN単結晶1の分極状態を評価したところ単一分域化はなされていたが、処理後のLN単結晶1にクラックが生じていた。
本発明によれば、ニオブ酸リチウム単結晶の単一分域化処理を行った際のクラック発生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ニオブ酸リチウム単結晶の単一分域化処理に利用される産業上の利用可能性を有している。
1 LN単結晶
2 LN粉末
3 耐熱容器
4 電極
5 電極
6 上蓋
2 LN粉末
3 耐熱容器
4 電極
5 電極
6 上蓋
Claims (2)
- ニオブ酸リチウム(LiNbO3)粉末が収容された耐熱容器の該ニオブ酸リチウム粉末内にニオブ酸リチウム単結晶を埋め込み、かつ、上記ニオブ酸リチウム粉末を介してニオブ酸リチウム単結晶を一対の電極で挟むと共に、上記ニオブ酸リチウム単結晶をそのキュリー温度以上の温度で保持しながら上記電極間に電圧を印加してニオブ酸リチウム単結晶を単一分域化する方法において、
昇温および降温中の耐熱容器内におけるニオブ酸リチウム単結晶の上下方向の温度勾配を5.0℃/cm以下とすることを特徴とするニオブ酸リチウム単結晶の単一分域化方法。 - 上記ニオブ酸リチウム単結晶のLiとNb比率がコングルエント組成を有することを特徴とする請求項1に記載のニオブ酸リチウム単結晶の単一分域化方法。
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JP2018009601A JP2019127411A (ja) | 2018-01-24 | 2018-01-24 | ニオブ酸リチウム単結晶の単一分域化方法 |
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JP (1) | JP2019127411A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113293442A (zh) * | 2021-05-26 | 2021-08-24 | 焦作晶锐光电有限公司 | 一种铌酸锂晶体的新型单畴化工艺 |
JP2021155246A (ja) * | 2020-03-26 | 2021-10-07 | 住友金属鉱山株式会社 | ニオブ酸リチウム単結晶及びその製造方法 |
JP7396183B2 (ja) | 2020-04-22 | 2023-12-12 | 住友金属鉱山株式会社 | 酸化物単結晶の単一分域化処理に用いる耐熱容器、及び、酸化物単結晶の単一分域化処理方法 |
-
2018
- 2018-01-24 JP JP2018009601A patent/JP2019127411A/ja active Pending
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