KR20010107516A

KR20010107516A - 지와이-크리스탈의 성장방법

Info

Publication number: KR20010107516A
Application number: KR1020000080271A
Authority: KR
Inventors: 이덕호; 손재봉
Original assignee: 이덕호; 에이비씨전자 주식회사
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2001-12-07

Abstract

본 발명은 zy-크리스탈의 성장방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 천연수정원료(1)를 오토클래이브(10)의 하단부에 투입하고 대류조절판(3)을 얹은 후 판상 종자결정(4)을 오토클래이브의 상단부에 위치시킨 후, 탄산나트륨 또는 수산화나트륨을 포함하는 수열용액(2)을 오토크래이브에 투입하여 충진시킨 후 오토크래이브를 밀봉시킨 다음, 상단부 온도를 강하시키고 하단부 온도를 승온시키며 압력을 조절하여 일정기간동안 유지시키는 3" 및 4"의 SAW 웨이퍼용 zy-크리스탈의 성장방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 성장된 zy-크리스탈은 제조상 발생할 수 있는 결함들이 제거되고 품질이 균일하여 3" 및 4"의 표면탄성파(surface acoustic wave, SAW) 소자용으로 적용가능하다.

Description

지와이-크리스탈의 성장방법 {Method for growing the zy-quartz crystal}

본 발명은 zy-크리스탈의 성장방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 제조상 발생할 수 있는 결함들이 제거되고 품질이 균일하여 3" 및 4"의 표면탄성파(surface acoustic wave, SAW) 소자용으로 적용가능한 zy-크리스탈의 성장방법에 관한 것이다.

zy-크리스탈이라 함은 일반적인 형태의 석영(quartz) 단결정이며, zy(밀러지수의 면: (0001))인 종자판을 사용하여 z축으로 성장된 크리스탈을 일컬으며, 3"용 SAW 웨이퍼는 SAW 필터를 제작하기 위해 사용하는 수정 웨이퍼 원료로서 지름이 3"인 웨이퍼를 의미하며, 4"용 SAW 웨이퍼는 지름이 4"인 웨이퍼를 의미한다.

최근에는 SAW 소자 및 기타 전자부품용에 사용하는 석영 단결정의 제조방법이 다양하게 연구되어 오고 있다. 그러나, 현재까지 알려져 있는 방법에 있어서는, 종래에는 첫째, 석영 단결정, 즉 zy-크리스탈의 육성 온도범위가 광범위하고 적절치 못하여 3" 및 4"의 SAW 웨이퍼용 및 전자부품용으로 가치가 있는 크기만큼의 석영단결정을 효과적으로 만들수가 없었으며, 둘째 용액에 관한 사항, 성장속도 및 기타 물성에 관한 사항들이 전혀 확립되지 못하였다. 따라서, 단결정의 내부에 침상모양(crevice 결함)과 고체 함유물이 많이 발생하여 SAW 웨이퍼용으로 사용하기에 적합지 않은 문제점들이 있었다.

상기 석영 단결정의 육성을 위해 사용하는 종자결정판의 제조방법으로, 예를 들어 미국특허 제5,714,005호 및 제6,001,171호에, 39°내지 55°의 회전각을 갖는 석영 결정바(bar)로부터 절단된 판을 갖는 시드(seed)가 기재되어 있다.

그러나 전술한 바와 같이 3" 및 4" SAW 웨이퍼용 및 기타 전자부품용으로 가치가 있는 zy-크리스탈의 성장방법에 대해 언급한 종래예는 찾아볼 수 없다.

본 발명자들은 이러한 종래의 문제점을 해결하고, 3" 및 4" SAW 웨이퍼용zy-크리스탈의 육성 및 성장에 대해 온도, 종자결정판의 각도 및 기타 사항들을 확립하기 위해 연구검토한 결과, 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 특정한 판상 종자결정을 사용할 때 혼합 수열용액내에서 안정된 온도범위 및 기타 조건을 규명함으로써 종자 결정표면과 성장층에 존재하는 미세결함을 제거하여 3" 및 4" SAW 웨이퍼용 및 기타 전자부품용으로 바람직한 균질한 제품의 zy-크리스탈을 육성 및 성장(growing)시키는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3" 및 4" SAW 웨이퍼용 zy-크리스탈의 성장방법은, 일정한 입자크기의 천연수정원료(1)를 오토클래이브(10)의 하단부에 투입하고 대류조절판(3)을 얹은 후 x축 기준으로 z축에서 y축으로 회전각이 약 00°00"인 판상 종자결정(4)을 오토클래이브의 상단부에 위치시킨 후, 탄산나트륨 또는 수산화나트륨을 포함하는 수열용액(2)을 오토크래이브에 투입하여 80%∼85%로 충진시킨 후 오토크래이브를 밀봉시킨 다음, 상단부 온도를 330℃ 이상으로 유지시키고 하단부의 온도를 상단부의 온도보다 5∼20℃ 높게 승온시키고 압력을 900bar 이상으로 하여 100일 이상의 기간동안 유지시켜 두께가 60mm 이상의 zy-크리스탈을 제공하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 zy-크리스탈을 성장시키기 위한 오토클래이브의 측단면도를 나타내며,

도 2는 본 발명에 따른 방법에 사용되는 zy-시드의 제조 및 형상을 도시한 것이다.

* 주요부호의 간단한 설명 *

1: 천연(저순도)의 SiO₂의 수정원료,

2: 수열용액(solution for hydrothermal Method)

3: 대류조절판(baffle), 4: 판상 종자결정(seed)

10: 오토클래이브(autoclave).

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 zy-크리스탈을 성장시키기 위한 오토클래이브의 측단면도를 나타내는데, 도 1에 도시된 바와 같이 SiO₂와 같은 천연수정원료(1)를 오토클래이브(10)의 하단부에 투입하고 대류조절판(3)을 얹은 후 판상 종자결정(4)을 오토클래이브의 상단부에 위치시킨 후, 탄산나트륨 또는 수산화나트륨을 포함하는 수열용액(2)을 오토크래이브에 투입하여 충진시킨 후 오토크래이브를 밀봉시킨 다음, 상단부 온도를 강하시키고 하단부 온도를 승온시키며 압력을 조절하여 일정기간동안 유지시켜 zy-크리스탈을 성장시킨다.

상기 천연수정원료는 고순도 인공 석영(Quartz)인 SiO₂를 생산하기 위해 사용하는 천연(저순도)의 SiO₂원료를 의미하는데, 상기 수정원료는 일정한 지름을 갖도록 입자크기를 선택하며, 본 발명에 있어서는 오토클래이브(10)에 300중량부 이상 투입하는데, 300중량부 미만으로 수정원료가 투입되면 원하는 두께만큼의 단결정을 얻지 못하는 문제가 있다.

또한, 상기 대류조절판(baffle)(3)은 오토클래이브의 상단과 하단의 대류현상을 원할하게 유지시킬 수 있도록 사용하는 원판이며, 상기 대류조절판은 2∼10%의 개공도를 갖는 것이 바람직한데, 상기 개공도가 2% 미만이거나 10%를 초과하면 대류현상이 원할하지 못하여 단결정을 육성하기 어려워진다.

한편, 도 2는 본 발명에 따른 방법에 사용되는 zy-시드의 제조 및 형상을 도시한 것으로, 단결정을 육성할 때, 원소가 증착될 수 있도록 사용되어지는 고순도의 단결정판인 판상 종자결정(4)은 x축 기준으로 z축에서 y축으로 회전각이 약 00°00"이며, 성장 단결정은 이 판상 종자결정의 성질과 동일한 성질을 갖게 된다.상기 판상 종자결정은 본원의 참고문헌으로 포함된 종래의 미국특허 제6,001,171호 및 5,714,005에 기재되어 있으며, 상기 회전각이 00°00"가 아니면 효율이 떨어지는 문제가 있다.

수열합성법으로 단결정을 육성 및 성장시킬 때 사용되는 용액인 수열용액(2)은, 본 발명에 있어서 탄산나트륨 또는 수산화나트륨을 포함하는데, 침상 결함과 트윈을 줄이기 위해 C₁₇H₃₃COONa을 사용하며, 전체 수용액의 2중량%까지 혼합하여 사용할 수 있다. 이 때, 상기 수열용액(2)은 6∼8% 탄산나트륨 수용액이거나, 3∼4.5% 수산나트륨 수용액을 포함한다. 상기 탄산나트륨 및 수산나트륨 수용액의 농도가 상기 범위를 벗어날 경우에는 전기적 트윈이 많이 발생하게 되는 원인이 된다.

또한, 상기 수열용액 및 천연수정원료를 투입할 때, 수열합성법으로 단결정을 육성할 수 있는 전기로인 오토크래이브(10)에 80% 내지 85%로 충진시킨 후 오토크래이브를 밀봉시키는데, 80% 미만일 경우와 85%를 초과할 경우에는 육성후 단결정의 경도에 문제를 초래하는 경우가 있다.

상기 오토클래이브 상단부 온도는 330℃ 이상으로 유지시키며, 하단부의 온도는 상단부 보다 5∼20℃ 높도록 승온시키고 900bar 이상의 압력으로 100일 이상의 기간동안 유지시키면, 천연수정원료가 용해되고 기화되어 대류조절판을 통해 상승하여 판상 종자결정에 축적됨으로써 3" 및 4" SAW 웨이퍼용 zy-크리스탈이 육성 및 성장된다.

이 때, 상기 상단부의 온도가 330℃ 미만이면 고체 불순물의 양이 많아지고 360℃를 초과하면 침상 결함이 많이 발생하고, 하단부와의 온도차가 5℃ 미만이면 고체 불순물이 많이 발생하며 전기적 트윈이 많이 발생하게 되고, 20℃를 초과하면 Q값이 낮아지고 침상결함이 많이 발생하게 된다. 또한 상단부와 하단부의 온도차가 클수록 성장속도는 빨라지며 온도차가 적을수록 성장속도는 늦추어지는 경향이 있다.

또한, 압력이 900bar 미만이면 단결정 물성중 경도에 치명적인 영향을 주게 된다. 한편, 상기 화합물을 100일 미만으로 유지시키면 SAW 용으로 사용가능한 단결정을 얻을 수가 없으며, 이 때 사용가능한 단결정의 두께는 60mm 이상이다.

이와 같이, 성장속도가 지나치게 낮아지면 고체 불순물이 많이 존재하게 되고, 사용하는 수열용액에 의해 결함 및 전기적인 트윈이 발생할 수 있기 때문에 안정한 성장환경을 갖도록 하는 것이 어렵다. 일반적으로 SAW 소자로 사용하기 위해서는 Q값이 1.8 이상이어야 하며, 전기적 트윈이 전혀 없고 고체불순물의 경우 IEC 규격의 1등급이 되어야 한다.

하기 실시예를 통해 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 이에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

평균입경 20인 일정한 입자크기의 천연수정원료 300kg과 C₁₇H₃₃COONa 2%를 스텐레스 바스켓에 넣어 내용적 1000ℓ의 오토클래이브(10)의 하단부(원료용해부, 1)에 넣고 개공도 7%의 대류조절판(3)을 얹은 후 x축 기준으로 z축에서 y축으로 회전각 약 00°00"인 판상 종자결정(4)을 상단부(결정육성부)에 장착하였다. 4중량%인 수산화나트륨 수용액 C₁₇H₃₃COONa 12kg을 혼입하여 만든 수열용액을 용기의 충진율 80% 이상이 되도록 맞춰 오토클래이브에 채웠다. 오토클래이브를 밀봉하고 상단부 330℃ 및 하단부 340℃로 승온시킨 후 150일간 유지하여 zy-크리스탈의 결정을 육성하여 성장시켰다.

실시예 2

상기 상단부 온도를 370℃로 하고 하단부 온도를 380℃(온도차 : 10℃)로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

실시예 3

상기 상단부 온도를 350℃로 하고 하단부 온도를 365℃(온도차 : 15℃)로 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

실시예 4

상기 수열용액을 탄산나트륨로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일하게 실시하였다.

이러한 모든 변수들을 전체적으로 고려하여 특정한 판상 종자결정(회전각이 약 00°00"인)을 사용하여 실험한 결과, Q-값, 트윈 성장(growth twins), 자발적인 결정(spontaneous crystallization)과 같은 결함 및 생산효율에 관한 구체적인 실험결과를 얻었고, 이를 하기 표 1에 나타내었다.

항목별 결과	Q값	트윈 결함	침상결함	고체 함유율	단결정 두께
실시예 1	1.2	0%	0%	3등급	75mm
실시예 2	1.5	4%	54%	1등급	98mm
실시예 3	2.0	0%	0%	1등급	95mm
실시예 4	1.8	35%	0%	2등급	99mm

상기 검사는 IEC 규격과 동일하게 측정하였으며, 상기 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 전체적으로 결함이 감소하고 생산효율이 향상된 것을 볼 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 성장된 zy-크리스탈은 제조상 발생할 수 있는 결함들이 제거되고 품질이 균일하여 3" 및 4" 표면탄성파(SAW) 소자용으로 적용가능하다.

Claims

일정한 입자크기의 천연수정원료(1)를 오토클래이브(10)의 하단부에 투입하고 대류조절판(3)을 얹은 후 x축 기준으로 z축에서 y축으로 회전각이 약 00°00"인 판상 종자결정(4)을 오토클래이브의 상단부에 위치시킨 후, 탄산나트륨 또는 수산화나트륨을 포함하는 수열용액(2)을 오토크래이브에 투입하여 80% 내지 85%로 충진시킨 후 오토크래이브를 밀봉시킨 다음, 상단부 온도를 330 내지 360℃로 강하시키고 하단부 온도를 상단부의 온도보다 5∼20℃로 높게 승온시키고 압력을 900bar 이상으로 하여 100일 이상의 기간동안 유지시켜 60mm 이상의 두께를 갖는 zy-크리스탈을 제공하는 것을 특징으로 하는 3" 및 4"의 SAW 웨이퍼용 zy-크리스탈의 성장방법.
제1항에 있어서, 상기 대류조절판(3)은 2∼10%의 개공도를 갖는 것을 특징으로 하는 zy-크리스탈의 성장방법.
제1항에 있어서, 상기 수열용액(2)은 6∼8% 탄산나트륨 수용액인 것을 특징으로 하는 zy-크리스탈의 성장방법.
제1항에 있어서, 상기 수열용액(2)은 3∼4.5%의 수산나트륨 수용액인 것을 특징으로 하는 zy-크리스탈의 성장방법.