JPH03242399A - 四ホウ酸リチウム単結晶の回転引上げ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、弾性表面波（ＳＡＷ）基板として用いるこ
とのできる四ホウ酸リチウムＬｉ２Ｂ４０７（ＬＢＯ）
の単結晶の回転引上げ方法に係わり、特に（１１０）方
位に結晶を歩留り良く育成することのできる回転引上げ
方法に関する。

［従来の技術］ 従来よりＳＡＷ用基板材料としてニオブ酸リチウム、あ
るいはタンタル酸リチウム等の圧電性単結晶があり、こ
れら単結晶はカラーテレビあるいはビデオ等の中間周波
数帯域のフィルタとして広く使われている。近年、情報
量の増大や多用化に伴い利用帯域の高周波化が進み、例
えば自動車電話、ポケットベルあるいは携帯電話等のフ
ィルタ基板材料として高信頼性の材料が求められている
。

ＬＢＯは高周波帯域のフィルタ基板材料として温度特性
に優れるため、このような高信頼性材料としての工業的
利用価値が高い。

一般に圧電性材料、特に単結晶の物理的特性は結晶の方
位と密接に関係し、ＬＢＯの場合もその温度特性は弾性
表面波の伝搬方位が結晶の［１１０］面内にあるとき最
良となる（電子通信学会技術研究報告ＵＳ８４−１３、
Ｐ５７−７２．１９８４）。従ってＬＢＯをＳＡＷ用基
板材料として用いる場合、最適な結晶方位を選択する必
要がある。

ところで、ＬＢＯの単結晶をチョクラルスキー法（回転
引上げ法）により育成する場合、クラック発生が少なく
、又、育成が容易であるため〈００１）方位（Ｚ軸方位
）の引上げ方位で育成する方法が一般的であった。

このような（００１＞方位の引上げ単結晶の場合、４５
度回転×板は単結晶のＺ軸方向に平行にカットしなけれ
ばならないため、効率良く基板を製造することができな
い。このため（１１０＞方位の種結晶を用いて単結晶を
（１１０＞方位に引上げる方法が提案されている（特開
昭６１−１２７６９８号）。

［発明か解決しようとする課題］ しかし、ＬＢＯの単結晶を（１１０）方位に９上げる場
合、引上げ軸の回りに稠密面である［工１２］や［１０
０］が発達しやすい。又、［１１０］面はその面内に極
性軸であるＺ軸を有するため非対称性か強い。

このため、（００１＞軸のような回転対称性の高い軸を
引上げ、軸に選択した場合と比較して育成された結晶の
面が乱れ易い。その結果、モフォロジーが乱れた表面を
起点として結晶にクラックが入り、結晶の歩留りが低下
するという問題点があった。

このようなりラック発生を防止するために融液表面直上
方向に雰囲気の温度勾配をつけるという提案（特開昭６
１−１２７６９８号）がある。しかし、温度コントロー
ルのみではクラックの発生を充分抑制することができす
、又、融液直上の雰囲気の温度コントロールは困難であ
る。

本発明は（１１０＞方位の回転引上げ法であってクラッ
ク発生か防止でき、且つ、直後のコントロールが容易で
あるＬＢＯ単結晶の育成方法を提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成する本発明の四ホウ酸リチウム単結晶の
回転引上げ方法は、四ホウ酸リチウム単結晶を種結晶の
周りに育成させてその育成する結晶を回転しつつ引き上
げる方法において、前記種結晶として（１１０）方位結
晶を用いると共に結晶の直径ｄが所定の直径になるまで
育成する間、結晶の回転速度ωを ｋ　＝　−、／’ｍ　ｄ （但し、ｋは定数を示す） と成るように変化させるようにしたものである。

本発明者等は、ＬＢＯ＜１１０）軸で引上げた場合のク
ラック発生現象について研究した結果、（１）大きく発
達した結晶面上にステップ状の乱れが発生し、この乱れ
を起点としてクラックが発生すること、 （２）乱れを伴う大きな結晶面が［１１２］の指数を持
つ結晶面であること、 （３）乱れは［１１２］面のうち〈ＯＯｌ〉軸の正の極
性側に発生すること、 （４）乱れは結晶育成の肩出し過程で発生し、所定直径
の所で乱れ易いこと、 を見出した。そして、これらの現象は再現性があり、ク
ラック発生は結晶成長のメカニズムに基づく固有の現象
であるとの知見を得た。

本発明者等は、上記知見に基き、特に肩出し過程での結
晶回転速度を変えて成長界面の成長角度と［１１２］面
の乱れとの相関を検討した結果、結晶の回転速度を変え
ることにより［１１２］面の発達を抑制し、結晶表面の
乱れがなくなることを見出し、本発明に至ったものであ
る。

本発明の四ホウ酸リチウム単結晶の回転引上げ方法では
、まず、（１１０）方位の種結晶をＬＢＯの融液に浸し
、所定の回転速度ω、で回転させて種結晶の回りに結晶
させて、いわゆるネックインを施す。この間、回転速度
ω、は、結晶径ｄがｄ　　＝　ｋ　／　（ｍ　、（ｋは
定数）となるまでは一定の値を保つ。

次いで結晶径ｄが所望の直径りに成長するまで、即ち結
晶の肩出しの間、 ｋ＝ｄ　ＪＭ で表わされる関係を満たすように回転速度ωを漸次減少
させる。

ここで、ｋの値は、るつぼの直径、引上げ速度、温度勾
配、加熱方式（誘導加熱方式か、抵抗加熱方式か）等の
条件により異なるが、例えば直径１００ｍｍのるつぼを
用い、誘導加熱方式で育成した場合、９０≦ｋ＜１５０
である。ｋが９０より小さい場合は結晶育成に伴い回転
速度が低くなりすぎるため、クラックの発生率か増太し
好ましくない。又、ｋが１５０以上の場合、クラックの
発生率か高くなると共に引上げられた結晶が円筒状でな
く、螺旋状となるいわゆるスパイラル成長となり好まし
くない。

結晶径ｄが所望の直径りに戊った後は、結晶の回転速度
を一定に保ち、直径りが一定になるように、重量の変化
率から自動的に温度を変える等の直径制御をしながら所
望の長さの結晶を育成する。

尚、本発明の四ホウ酸リチウム単結晶の回転引上げ方法
では、結晶の育成段階に応じて融液温度の制御を行なう
。この融液温度の制御は一般に、成長じた結晶の重量の
変化率から温度を制御する。

まず、成長につれて変化する重量を引上げ速度−定のも
とて直径に換算し、予め設定した結晶径と比較して偏差
がゼロになるように温度調節器を通してコントロールす
る。この温度制御は、誘導加熱方式、抵抗加熱方式いず
れにも適用できる。

［作用］ 酸化物単結晶をチョクラルスキ法で育成していく途中に
回転数を一定にして結晶径を大きくしていくと、ある臨
界直径において固液界面の形状が融液に対して凸から凹
に急変する現象が生じ、このような現象が良質な結晶の
育成及び安定な結晶成長を妨げる。このような結晶成長
界面の形状の急変は融液の流れの反転現象（自然対流か
ら強制対流への反転）に起因する。

即ち、第１図に示すように、るつぼ１内では外周に設け
られた加熱手段によって回りの融液２が熱せられ、自然
対流が生じているが、結晶３の成長とともに結晶径が大
きくなるにつれて、円周方向への融液の流れがきつくな
る。その結果、第２図に示すように対流様式が自然対流
から強制対流が優先的な対流に変化する。

上述のように、結晶成長界面の凹凸度は融液の流れに左
右されるために結晶径が大きく変化する肩出し過程にお
いて、結晶径の変化に同期した割合で回転速度を制御す
ることで、外形乱れを発生させ易い結晶面［１１２］の
発達を抑制することができる。

［実施例コ 実施例１〜５ 第３図に示す高周波誘導加熱炉の白金ルツボ４（直径１
００ｍｍ、深さ１００ｍｍ）中で四ホウ酸リチウム１２
００ｇを融解した。融解後約２４時間白金製の攪拌バネ
で融液５攪拌し、融液中に残存しているガスを追出した
。この際、融液中のガス量を少なくするために、炉内を
減圧下で脱気した。

次いで、引上げ軸６に固定した白金／白金ロジウム熱電
対で融液表面の中心温度を測定し、融点より約１０’Ｃ
から２０℃過冷却な状態を保った。この状態で直径５　
ｍｍ、長さ５０ｍｍの（１１０）方位の種結晶を浸し、
回転速度３０　ｒｐｍで回転させながら約１時間融液に
馴染ませた。

この状態で約１ｍｍ／時間の引上げ速度で結晶７を引上
げ、温度を１℃上昇させて結晶にいわゆるネックインを
施した。

しかる後、約１．５℃／時間の割合で融液の温度を下げ
ながら結晶径ｄ ｄ　−ｎＥ　＝　　ｋ を満たす結晶径になるまで一定の回転速度ω（ω＝３０
）で結晶を回転させながら成長させた。そして結晶径ｄ
が所定値になったところで、今度はｋが一定となるよう
に結晶の回転速度ωを結晶径ｄに同期させて低速にした
。

直径ｄが約５５ｍｍになったところで、結晶の回転速度
を一定に保ち、その後は直径が一定になるように重量の
変化率から自動的に温度を変える直径制御をしながら長
さ５０ｍｍの結晶を育成した。

ｋの値を変えた場合のクラック発生率及びスパイラル成
長の有無を表１に示した（実施例１〜５、比較例１〜５
）。これらは同一条件で１０回繰返したときの不良品の
数で表した。更に結晶の回転速度を一定（６ｒｐｍ、　
１０　ｒｐｍ）にして、後は実施例と同様にして結晶を
育成した（比較例６．７）。

これらの結果も併せて表１に示した。又、これらの結果
について、結晶回転パラメータにと欠陥発生率との相関
で第４図に示した。

表１ 表１及び第４図からも明らかなようにｋが１０Ｏから１
４０の範囲では、クラック発生及びスパイラル成長のな
い表面形状の良好な単結晶を得ることができた。また、
結晶の回転速度を全く制御せずに一定にしたものでは、
回転速度が遅い（６ｒｐｒｏ）場合、クラック発生率が
高く、回転速度が速い（１０ｒｐｍ）場合、スパイラル
成長か多く見られた。

尚、第５図に示す抵抗加熱炉で結晶成長させた場合にも
ほぼ同様の結果を得ることができた。

［発明の効果］ 以上の実施例からも明らかなように本発明の単結晶の回
転引上げ方法によれば、融液の自然対流が優先的である
状態が維持できるように、結晶の成長に伴い結晶の回転
速度を変化させるように構成したので、結晶表面の乱れ
が極めて少なくクラックのない（１１０）軸引上げ単結
晶を再現性よく得ることができる。又、結晶の回転速度
を制御するものであるから、結晶成長とともに変化する
雰囲気の温度制御に比べ制御が容易で、高周波誘導加熱
方式、抵抗加熱方式のいずれにも対応することができる
。

【図面の簡単な説明】

第工図及び第２図はそれぞれ結晶の育成過程における融
液の対流様式を示す図、第３図は本発明の単結晶の回転
引上げ方法が適用される高周波誘導加熱炉の概要を示す
図、第４図は結晶回転パラメータにと欠陥発生率との相
関を示すグラフ、第５図は抵抗加熱炉の概要を示す図で
ある。 １．４・・・ルツボ ２．５・・・融液 ３．７・・・単結晶 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 四ホウ酸リチウム単結晶を種結晶の周りに育成させてそ
   の育成する結晶を回転しつつ引き上げる方法において、
   前記種結晶として〈１１０〉方位結晶を用いると共に結
   晶の直径ｄが所定の直径になるまで育成する間、結晶の
   回転速度ωを ｋ＝（√ω）ｄ （但し、ｋは定数を示す） と成るように変化させることを特徴とする四ホウ酸リチ
   ウム単結晶の回転引上げ方法。