KR100413345B1 - 란가사이트 단결정 기판의 제조방법, 란가사이트 단결정기판 및 압전 장치 - Google Patents

란가사이트 단결정 기판의 제조방법, 란가사이트 단결정기판 및 압전 장치 Download PDF

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Abstract

란가사이트(langasite) 단결정 기판의 제조방법은 원료(raw material) 기판의 적어도 하나의 주면(main surface)을 폴리싱(polishing)하는 단계와 폴리싱된 기판의 주면을 H3PO4, HNO3, 그리고 CH3COOH를 포함하는 용액으로 습식 에칭(wet-etching)하는 단계로 구성된다.

Description

란가사이트 단결정 기판의 제조방법, 란가사이트 단결정 기판 및 압전 장치{Method For Manufacturing A Langasite Single Crystal Substrate, A Langasite Single Crystal Substrate, and A Piezoelectric Device}
본 발명은 란가사이트(langasite) 단결정 기판의 제조방법, 란가사이트 단결정 기판 및 압전 공진기(piezoelectric resonator)나 탄성표면파(surface acoustic wave : SAW) 장치 등의 그 기판을 이용한 압전 장치(piezoelectric device)에 관한 것이다.
종래에는, 압전 기판을 비롯한 단결정 기판은 표면을 클리닝하기 위한 폴리싱(polishing) 가공 후 주로 습식 에칭(wet etching)되고 있다. 한편, 탄성표면파 (SAW)용 단결정 기판 재료는, 기판 내를 전파하는 이면(rear surface)에서의 벌크파의 반사 효과를 제거하기 위하여 그 이면을 조면화(roughening)시킨다. 이와같은 정면과 이면의 표면상태의 차이는 뒤틀림(warpage)을 야기할 것이다. 이러한 뒤틀림은 기판의 균열(cracking) 또는 전극 형성에 있어서 사진석판술 (photolithography)의 정밀도에 영향을 미치기 때문에, 습식 에칭 처리는 기판의 뒤틀림을 줄이기 위한 일반적인 수단으로서 응용된다.
란가사이트(La3Ga5SiO14) 기판의 제조에 사용되는 에칭액(etchant)으로는 HCl, HF 및 H2O로 구성되는 산성 수용액이 알려져 있다(예로서, "Etching LANGASITE and Quartz Crystals", Proceedings of the IEEE International Frequency Control Symposium (1994), pp. 245-250).
이러한 수용액은 HCl, HF 및 H2O을 1:50:150의 부피비율로 혼합함으로써 얻어진다. 혼합액은 에칭을 위하여 70℃로 가열된다. 콜로이드성의 실리카(colloidal silica)를 사용하여 폴리싱한 후, 상기 에칭액을 사용한 2시간의 에칭에도 폴리싱 처리시의 표면 상태가 유지되며 양호한 표면 상태가 얻어진다고 알려져 있다.
그러나, 종래의 에칭액을 사용하는 에칭 방법의 효과를 확인하기 위한 실험 결과, 기판의 표면에 LaF3로 추정되는 피막(film)이 형성되었다. 에칭액에서 HCl의양을 증가시킴으로써 약간의 개선을 얻을 수 있으나, LaF3피막을 완전히 제거하는 것은 불가능하다. 게다가 에칭 온도가 70℃로 비교적 높기 때문에, 에칭액의 조성비율이 H2O의 증발로 인하여 시간에 따라 변화되고, 따라서 유사한 에칭 상태를 유지하기가 어렵다. 더구나 에칭액은 불산(hydrofluoric acid)을 함유하므로 용기 및 폐수 처리에 있어서 안전성을 지키기 위하여 보다 많은 노력이 필요하므로 더욱 복잡한 작업이 요구된다.
본 발명의 목적은 비교적 낮은 온도와 짧은 시간에서의 에칭 처리에 의해 기판 표면에 피막의 형성이 없고 양호한 표면 상태를 갖는 란가사이트 단결정 기판을 제조하는 방법을 제공하는 것에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법에 의하여 얻어진 란가사이트 단결정 기판 및 이를 이용한 압전 장치를 제공하는 것에 있다.
도 1은 본 발명의 압전 장치의 실시예에 따른 SAW 필터의 일례를 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명에서의 에칭 시간과 기판의 표면 뒤틀림과의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 3은 상기 실시예에 따른 단결정 기판의 평면도로서, 기판의 뒤틀림 측정시에 표면 조도 측정기(surface roughness meter)의 주사(scanning) 방향을 도시하는 도면이다.
이러한 목적들을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 란가사이트 단결정 기판의 제조방법은 원료(raw material) 기판의 적어도 하나의 주면(main surface)을 폴리싱하는 단계와, 상기의 폴리싱된 기판의 주면을 H3PO4, HNO3및 CH3COOH을 함유하는 용액으로 습식 에칭하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 란가사이트 단결정 기판은, 그 단결정 기판의 주면중 적어도 하나는 H3PO4, HNO3및 CH3COOH을 함유하는 용액으로 습식 에칭되는 것을 특징으로한다.
본 발명에 따른 압전 장치는, 단결정 기판의 적어도 하나의 주면이 H3PO4, HNO3및 CH3COOH을 함유하는 용액으로 습식 에칭되어 있는 란가사이트 단결정 기판과 상기 단결정 기판의 주면중의 하나에 형성되어 있는 트랜스듀서(transducer)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 말하는 란가사이트 단결정 기판은 Ca3Ga2Ge4O14형 결정구조를 갖는 압전 단결정 기판(piezoelectric single crystal substrate)이다.
본 발명의 제조방법에 의하면, 비교적 낮은 온도와 짧은 시간에서의 에칭 처리에 의해 기판 표면에 피막이 형성되지 않고, 표면 상태가 우수한 란가사이트 단결정 기판을 얻는 것이 가능하다. 따라서, 그러한 란가사이트 단결정 기판은 우수한 특성을 갖는 탄성표면파 장치와 같은 압전 장치를 제조하기 위하여 사용되어질 수 있다.
발명을 설명하기 위하여 현재 바람직한 몇가지 예를 도면에 나타내었으나, 보여진 것과 일치하는 장치와 수단들로 본 발명이 제한되지 않는다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조로 자세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 압전 장치의 실시예에 따른 SAW 필터의 일례를 보여주는 사시도이다. 도 1에서 SAW 필터(1)는 La3Ga5SiO14와 같은 란가사이트 단결정 기판 (2)을 포함한다. 인터디지탈 트랜스듀서(interdigital transducer ; 6a 및 6b)는 이 란가사이트 단결정 기판(2)의 표면상에 알루미늄 박막(Al thin film)으로 형성되어 있다. 또한, 하나의 인터디지탈 트랜스듀서(6a)는 하나의 입출력 단자(8a)에 접속되고 접지되었다. 그리고 또 다른 하나의 인터디지탈 트랜스듀서(6b)는 다른 입출력 단자(8b)에 접속되고, 또한 접지되어 있다. 본 발명에 따른 란가사이트 단결정 기판은 SAW 필터(1) 안에서 이와 같은 형태로 란가사이트 단결정 기판으로서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 란가사이트 단결정 기판의 제조에 사용하기 위한 에칭액의 조성은, 압전 기판의 표면 위에 알루미늄 전극을 형성하기 위해서 알루미늄 막(film)을 에칭하기 위한 습식 에칭액으로서 알려진 조성이다(예로서, Japanese Unexamined Patent Publication Nos. 7-50537, 10-93369, 10-135759, 등).
란가사이트 단결정을 응용한 압전 응용 장치(piezoelectricity-application device)의 설계에 있어서, 일반적으로 사진석판술(photolithography)에 의해서 기판의 표면과 전극위에 알루미늄 박막이 50-300nm의 두께로 형성된다. 제조 과정에서 H3PO4, HNO3및 CH3COOH으로 구성되는 혼합액이 에칭액으로 사용된다. 이러한 산성 용액에 란가사이트 기판을 담갔을 때, 폴리싱 가공에 의해 얻어진 거울면상태 (mirror surface state)가 손상되지 않고 유지되면서 기판 표면이 에칭되는 것을 발견하였다. 게다가, 조면화(roughening)된 이면을 가진 웨이퍼를 같은 방법으로 담갔을 때 웨이퍼에 생겼던 뒤틀림이 짧은 시간에 제거되는 것이 관찰되었다.
본 발명에 따른 에칭액을 구성하는 H3PO4, HNO3그리고 CH3COOH 각각은 란가사이트 기판을 에칭시킬 수 있다. H3PO4과 HNO3의 경우에는 비교적 낮은 온도에서 에칭이 매우 빠르게 진행하지만, 표면에 현저한 요철(unevenness)이 생기며, 이는 매끄러운 표면 상태를 얻는 것을 방해한다. CH3COOH의 경우는, 에칭이 상대적으로 낮은 속도로 진행할 수 있지만 여전히 매끄러운 표면 상태를 제공하지 못한다. 그러나, 본 발명에 따른 에칭액은 매우 큰 에칭 속도를 갖는 H3PO4용액을 기초로하여 HNO3과 CH3COOH을 혼합함으로써 적정한 값으로 에칭 속도를 조절하여 양호한 표면 상태를 제공할 수 있다. 일반적으로, 에칭액은 H3PO4약 50-90 부피%, HNO3약 5-40 부피% 그리고 CH3COOH 약 1-20 부피%로 이루어지며, H3PO4약 70-80 부피%, HNO3약 5-20 부피% 그리고 CH3COOH 약 6-10 부피%로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
실시예
우선, 란가사이트 단결정으로서 La3Ga5SiO14단결정이 선택되었다. 내주도 슬라이싱 머신(inner peripheral blade slicing machine)으로, <001> 축 방향으로 성장시킨 직경 84mm의 단결정을 결정 성장축에 수직으로 두께 0.6mm의 슬라이스 (slice)로 잘라내고, 다음에 단면 가공(edge surface processing)으로 직경 76.2mm의 디스크 기판을 준비하였다. 상기 기판에 양면 랩핑 장치(dual surface lapping apparatus)와 연돌 입자(abrasive grains) GC #1,000을 사용하여 양면 폴리싱 가공(dual side polishing processing)을 행하여 0.4mm의 두께를 얻었다. 이러한 기판의 표면 중 한 면만을 콜로이드성의 실리카(colloidal silica)를 사용한 기계화학적 폴리싱(mechanochemical polishing)을 행하여 최종적으로 0.35mm의 두께를얻었다. 이때, 폴리싱된 면의 볼록형상(convex profile)으로 인한 La3Ga5SiO14단결정 기판의 최대 뒤틀림은 약 0.15mm이다.
다음으로, 표 1의 시료 1 및 시료 2에 나타낸 부피비율로 각각 특수 등급 (99% 순도 또는 그 이상)의 H3PO4, HNO3및 CH3COOH에 의해 얻어진 용액을 용기에 담아 항온조(thermostat)에서 40℃로 가열하였다. 용액의 온도가 균일하게 되었을 때, 40℃로 예열된 상기의 La3Ga5SiO14단결정 기판을 10분 동안 용액에 담아서 에칭하였다. 그리고 나서 실온에서 5%의 HCl 수용액으로 세정(cleansing)하였고, 다음에 흐르는 물로 씻었다.
그 결과, 10분간의 에칭 후에 뒤틀림은 기판 표면 전체에 0.02mm 이하가 되어, 실제에 있어서 어떠한 문제도 야기하지 않는 수준으로 개선되었다. 게다가 표면상태도 기판 표면에 피막이 형성된 것이 없고 폴리싱에서 얻어진 표면 상태가 유지되었다. 이는 종래의 HF-HCl-H2O 형의 에칭액이 사용되는 경우와 다르다. 이 결과를 표 1에 나타내었다.
표 1
성분 실시예 비교예
시료 1 시료 2 시료 3 시료 4 시료 5
H3PO4 11 16 0 0 0
HNO3 3 1 0 0 0
CH3COOH 1 2 0 0 0
HF 0 0 1 1 1
HCl 0 0 50 5 1
H2O 0 1 150 15 3
표면 뒤틀림 0.02mm 0.02mm 0.05mm 0.07mm 0.07mm
표면 상태 아주 좋음 좋음 나쁨 나쁨 나쁨
비고 피막 형성 피막 형성 피막 형성
주의 : 셀 안의 각각의 수치는 각 성분의 부피비를 나타낸다.
표 1의 표면 뒤틀림은 에칭 처리된 단결정 기판의 표면을 직경 방향으로 표면 조도 측정기(surface roughness meter)로 주사(scanning)한 결과이다. 도 2는 시료 1의 에칭 시간과 기판의 표면 뒤틀림과의 관계를 보여준다. 도 2에서 위치 A, 위치 B, 위치 C 및 위치 D의 기호는 도 3에서 도시한 단결정 기판의 평면도에서 각각 선 A, 선 B, 선 C 및 선 D 방향의 뒤틀림을 가리킨다.
또한, 표 1에서 표면 상태는 표면의 편평도(flatness)와 피막이나 침전물 (deposits)이 있는지 여부에 따라서 결정되었으며, 이는 미분간섭현미경 (differential interference microscope)으로 에칭 처리에 의해 얻어진 단결정 기판의 표면을 관찰하였다. "아주 좋음"은 표면 요철이나 피막 또는 침전물이 관찰되지 않는 상태를 의미하고, "좋음"은 피막 또는 침전물은 관찰되지 않으나 미소한 표면 요철이 관찰된 상태를 의미한다. 그리고 "나쁨"은 표면 요철과 침전물이 모두 관찰된 상태를 의미한다.
비교예
양면 폴리싱 가공과 기계화학적 폴리싱 처리가 실시예에서와 동일한 방법으로 수행되었다. 이와같이 얻어진 직경 76.2mm의 La3Ga5SiO14단결정을 에칭하였고, 에칭액은 시료 3 에서 5의 경우 표 1에서 나타낸 HF : HCl : H2O 의 부피비로 HF, HCl 및 H2O를 혼합하여 얻어진 용액으로 하였다. 에칭은 다음과 같이 수행되었다. 에칭액을 용기에 넣고, 항온조에서 70℃로 가열하였다. 용액의 온도가 균일하게 되었을 때, 70℃로 예열된 상기의 La3Ga5SiO14단결정 기판을 한 시간 동안 그 용액에 담아서 에칭하였다. 그리고 나서 실온에서 5%의 염산 수용액으로 세정한 후에 흐르는 물로 씻었다.
다음으로, 에칭 처리에 의해 얻어진 단결정 기판의 표면 상태와 뒤틀림을 실시예의 경우와 같이 관찰하였다. 그 결과는 표 1에 나타내었다.
표 1에서 보여진 것처럼 각각의 비교예에서 La3Ga5SiO14단결정 기판의 표면위에 피막이 형성되었고, 기판이 건조됨으로써 균열이 생기는 현상이 관찰되었다. 더욱이, 폴리싱 처리에 의해 얻어진 기판의 표면 상태가 유지될 수 없었다.
상기 실시예에서는 비록 란가사이트 단결정이 La3Ga5SiO14단결정인 경우에 기초하여 설명하였지만, La, Ba, Sr, Ga, Ge, Si, Al, Ti, Nb 및 Ta 로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 세 개의 원소들로 구성되는 Ca3Ga2Ge4O14형 결정구조를 갖는 압전 단결정도 란가사이트 단결정과 동일한 결과를 보여준다.
본 발명의 바람직한 실시예들을 밝혔지만, 여기에 기재된 원리들을 수행하는 다양한 방법들도 다음의 특허청구범위로 설정된다. 따라서 특허청구범위의 기재에 의해서만 본 발명은 제한된다.
본 발명의 제조방법에 의하면, 비교적 낮은 온도와 짧은 시간에서의 에칭 처리에 의해 기판 표면에 피막이 형성되지 않고, 표면 상태가 우수한 란가사이트 단결정 기판을 얻는 것이 가능하다. 따라서, 그러한 란가사이트 단결정 기판은 우수한 특성을 갖는 탄성표면파 장치와 같은 압전 장치를 제조하기 위하여 사용되어질 수 있다.

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 표면을 갖는 란가사이트 단결정 기판의 제조방법에 있어서, 상기 기판 표면을 폴리싱하는 단계;
    및 상기 기판의 폴리싱된 표면을 H3PO4, HNO3및 CH3COOH을 포함하는 용액으로 습식 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 란가사이트 단결정 기판의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단결정 기판이 한 쌍의 주면을 가지고 있으며, 각각의 주면이 폴리싱되고 습식 에칭되는 것을 특징으로 하는 란가사이트 단결정 기판의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 용액은 5 내지 10 부피%의 HNO3와 5 내지 10 부피%의 CH3COOH를 포함하는 것을 특징으로 하는 란가사이트 단결정 기판의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 용액이 5 내지 10 부피%의 HNO3와 5 내지 10 부피%의 CH3COOH를 포함하는 것을 특징으로 하는 란가사이트 단결정 기판의 제조방법.
  5. 단결정 기판의 표면이 폴리싱되고 H3PO4, HNO3및 CH3COOH을 포함하는 용액으로 습식 에칭되는 것을 특징으로 하는 란가사이트 단결정 기판.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 기판은 한 쌍의 주면을 가지고, 각각의 주면이 폴리싱되고 습식 에칭되는 것을 특징으로 하는 란가사이트 단결정 기판.
  7. 제 1항에 기재된 방법에 의하여 제조된 란가사이트 단결정 기판.
  8. 제 2항에 기재된 방법에 의하여 제조된 란가사이트 단결정 기판.
  9. 폴리싱되고, H3PO4, HNO3및 CH3COOH을 포함하는 용액으로 습식 에칭된 단결정 기판의 제 1 표면을 갖는 란가사이트 단결정 기판;
    및 상기 단결정 기판의 상기 표면위에 트랜스듀서(transducer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 장치.
  10. 제 9항에 있어서, 폴리싱되고 상기 용액으로 습식 에칭된 제 2 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 장치.
  11. 제 1항에 기재된 방법에 의하여 제조되고, 상기 단결정 기판의 상기 표면위에 트랜스듀서를 갖는 란가사이트 단결정 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 란가사이트 단결정 기판이 폴리싱되고 상기 용액으로 습식 에칭된 제 2 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 장치.
KR10-2001-0001620A 2000-01-13 2001-01-11 란가사이트 단결정 기판의 제조방법, 란가사이트 단결정기판 및 압전 장치 KR100413345B1 (ko)

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