KR960005521B1 - 리튬 탄탈레이트 단결정 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

리튬 탄탈레이트 단결정 제조방법

제 1도는 이리듐(Ir)도가니를사용하는 쵸크랄 스키법에 의한 단결정 성장장치의 개략 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 단열재 2 : 알루미나 소결체

3 : 리튬 탄탈레이트 종자 4 : 리튬 탄탈레이트 단결정

5 : 이리듐 도가니 6 : 고주파 유도 가열코일

7 : 불활성 가스 8 : 리튬 탄탈레이트 용융물

본 발명은 리튬 탄탈레이트(LiTaO₃,이하 단지 'LT'라 한다) 단결정의 제조방법에 관한 것이며, 특히 압전(piezoelectric), 초전(pyroelectric), 광학재료등 물리재료 및 표면탄성파(Surface Acoustic Wave ; 이하단지 'SAW'라 한다) 소자용 기판으로 사용하기 위한 LT 단결정의 제조방법에 관한 것이다.

통상적으로 TV, VTR 및 통신기기의 중간주파수 필터, 센서등 SAW 소자용 기판및 광학재료로 사용되는 LT 단결정은 리튬 카보네이트와 탄탈륨 산화물을 혼합하여 합성한 원료를, 제 1도에 도시된 바와 같이 장치를 이용하여 이리듐(Ir), 혹은 백금-로듐 합금으로 된 도가니(5)내에 넣고 고주파 유도가열코일(6)에 의해 용융시킨 후 종자결정(3)을 용융물에 부착하여 적절히 회전 및 인상(pulling)시켜 결정을 성장시키는 방법으로 제조된다.

소위 쵸크랄스키법(Czochralski method)으로 알려진 이 방법은 실리콘 등의 반도체 단결정을 성장시킬때 많이 사용되나, LT, 리튬니오베이트(LiNbO₃), 가돌리늄갈륨가셋(Gd₃Ga₅O₁₂), 이트륨알루미늄가넷(Y₃Al₅O₁₂)등 완전 용융하는 산화물 단결정을 대형으로 성장시킬때 금속으로 된 도가니(5)에 성장시키고자 하는 원료 분말을 넣고 고주파 유도가열 코일(6)로서 도가니를 가열하여 원료를 용융하여 산화물 단결정을 성장시키는 것이다.

이같은 장치를 이용하여 LT 단결정을 성장시키는 경우 LT용액을 담는 상기 도가니(5)는 LT(LiNbO₃)의 융점인 약 1650℃온도 이상에서도 견뎌야 하는 것이다.

이같은 도가니의 재질로서 융점이 1772℃인 백금을 사용하는 경우 백금의 융점과 LT 융점이 근접하기 때문에 가열시 도가니가 파손될 염려가 있다. 따라서 도가니의 재질로서는 백금-로듐 합금(융점 : ∼1900℃) 이리듐(Ir)(융점 : ∼2400℃)등이 사용된다.

그러나 백금-로듐 재질로된 도가니는 통상 대기중에서 사용하나 LT 용액에 로듐이 침투하여 성자되는 LT 단결정의 착색을 일으키며 이 결정으로 제작된 용융소자의 결합원이 되는 문제점이 있는 것이다.

한편 이리듐 재질의 도가니는 대기중에 사용하면 도가니가 산화되기 때문에 부득이 불활성 가스 분위기하에 사용하여야 한다. 불활성 가스 분위기하에 산화물 단결정 성장을 하게 되면 산소 결핍으로 인해 착색된 LT 단결정이 형성된다. 이같은 산소부족에 의한 착색은 1200∼1400℃ 부근에서 어닐링(annealing)함으로서 다시 무색투명하게 되나 냉각시 결정표면에 미세크랙(crack)이 발생하기 쉽고 이 크랙들은 결정을 절단하고 연마하는 공정을 거치는 동안 크랙의 전파나 파손등을 가져와 결정내부의 결함 증가와 함께 수율을 저하시키는 문제점이 있는 것이다.

이같은 문제점을 해결하기 위하여 일본 특허공개 소 55-42238에는 불활성 가스인 질소에 산소를 0.2-10용량% 함유시킨 분위기하에서 LT를 제조함으로써 크랙이 발생이 감소되었다고 개시하고 있으며, 일본특허 공개 소 49-69490에는 질소에 산소를 0.5-2.5용량% 함유시킨 분위기하에 LT 단결정을 제조함으로써 도가니 손상과 착색이 되지 않는다고 개시되어 있다.

또한 대한민국특허 공개 93-4510 에는 1기압 - 3기압의 불활성 가스 혹은 산소를 함유시킨 불활성 가스 분위기하에서 LT 단결정을 제조하는 것에 대하여 개시하고 있다.

그러나 이들 종래 기술에서는 산소를 0.2용량% 이상 질소가스에 함유시키고 있으며, 그 결과 산화에 의한 도가니의 손상 및 성장된 LT 단결정이 무색투명함에도 불구하고 크랙의 잔재로 인하여 수율이 저하되는 것이 방지할 수 없는 문제점이 있는 것이다.

게다가 광학, 압전, 초전소자로 사용하기 위한 LT 단결정은 크랙이나 착색이 없이 무색투명하여야 하기 때문에 이들 방법으로부터 제조한 LT 단결정은 이들 용도에 사용하기 어려운 것이다.

이에 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 방법의 문제점을 해결할 수 있는 보다 개선된 리튬 탄탈레이트 단결정 제조방법에 제공하는데 있다.

본 발명에 의하며 불활성 분위기 가스내에 함유된 산소량을 최적화함으로써 도가니의 손상이 없을뿐만 아니라 무색투명하고 크랙이 잔존하지 않는 리튬 탄탈레이트 단결정 제조방법이 제공된다.

본 발명에 의한 LT 단결정 제조방법은 이리듐(Ir) 도가니를 사용하여 쵸크랄스키법에 의해 리튬탄탈레이트 단결정을 성장시킬때 대기압 상태에서 불활성가스에 산소(O₂)를 불활성 가스 기준으로 0.01∼02용량% 함유시킨 혼합가스 분위기 하에서 리튬탄탈레이트 단결정을 성장시킴을 특징으로 한다.

본 발명자는 이리듐도가니를 사용하여 쵸크랄스키법에 의해 LT 단결정을 성장시키는 경우 불활성 분이기 가스내에 산소를 최적량으로 함유시킨 경우 도가니의 손상이 일어나지 않고 결정의 착색이 야기되지 않을 뿐만 아니라 성장된 LT 단결정내의 크랙이 발생되지 않을 수 있다는 것에 착안하여 연구를 계속한 결과 본 발명을 완성하였다.

본 발명에서와 같이 불활성 가스에 산로를 0.01-0.2용량% 함유시킨 분위기 조건하에서 LT 단결정을 성장시키는 경우 이리듐 도가니의 손상이 없으며, 또한 LT 단결정 성장후 종래에서와 같은 별도의 탈색을 위한 어닐링과정을 거치지 않고도 무색 투명한 LT 단결정을 얻을 수 있는 것이다.

본 발명에서 사용가능한 불활성 가스로서는 질소(N₂), 아르곤(Ar)을 대표적으로 들 수 있으나, 이외에도 이 분야에서 알려진 어떠한 불활성 가스도 사용가능하다.

본 발명에서는 분위기 가스에 함유되는 산소의 량을 0.01-0.2용량%로 한정시키고 있는바, 불활성 가스냉내에 산소를 0.01% 이하 함유시킨 경우에는 육성된 LT 결정이 갈색으로 착색되며, 0.2% 이상 함유시킨 경우에는 미약하나마 이리듐 도가니의 산화가 일어나 도가니의 손상과 함께 성장된 LT 단결정에 크랙이 잔재함으로써 수율저하와 함께 용융소자의 특성이 악영향을 끼치게 되는 것이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

[실시예]

리튬 카보네이트(Li₂CO₃)와 탄탈륨 산화물 (Ta₂O₅)을 완전 용융조성이 되게 혼합하고 합성하여 리튬 탄탈레이트를 제조하였다 (Li₂CO₃+Ta₂O₅→LiTaO₃)

상기 합성된 원료 1800g을 이리듐 도가니 (직경 8cm, 높이 8cm, 두께 1mm)에 넣고 고주파 유도가열로내에 장착한 후 질소와 산소의 혼합가스 분위기하에서 온도를 상승시켜 상기 합성원료를 용융하고 결정방향이 Y축인 LT종자(seed)를 용액에 부착한 후 최전수 16rpm, 인상속도 4mm/h로 약 23시간 인상(pulling)하여 직경 45mm, 길이 90mm 의 LT 단결정을 성장시켰다.

상기 혼합가스 분위기에서의 질소가스량은 300/hr 이상으로 하고 산소의 함유량은 질소가스기준으로 0.01-0.2용량% 내에서 조절하였다.

상기 성장된 LT 결정을 용액으로부터 떼어낸후 로내에서 상온으로 서냉시켜 무색투명한 냉각된 LT 단결정을 얻었다.

성장된 LT 단결정의 조성균일성을 알아보기 위하여 육성된 결정의 윗부분과 아랫부분을 절단하여 열분석(DTA)및 온도에 유전상수관찰에 의한 퀴리온도 측정법으로 확인한 결과 ± 2.3℃로서 Li₂O의 변동은 0.1125몰% 이내였다.

성장된 LT 단결정을 폴링한 후 성장축 방향에 수직방향으로 절단하여 웨이퍼를 제조하고 연마공정을 거친후에도 크랙이 없고 수율이 양호한 LT 웨이퍼를 얻었다.

[비교예]

불활성가스로서 질소에 함유된 산소의 량을 0∼0.01%, 0.2∼0.5% 및 0.5-1% 로 변화시킨 것을 제외하고는 실시예와 같은 과정을 수행하였다.

하기표 1은 상기 실시예 및 비교예에서 얻은 성장된 LT 단결정에 대한 도가니 손상여부, 착색 및 크랙존재여부를 관찰한 결과를 보여주는 것이다.

[표1]

상기 표1에서와 같이, 산소함량을 0.1-0.2%로 조절하는 경우 성장된 LT 단결정이 거의 무색투명할뿐만 아니라 도가니의 손상도 없으며 크랙이 잔재하지 않는 반면, 그 이외의 범위내에서는 성장된 LT 단결정이 착색되거나 도가니 손상내지 크랙이 잔재함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하며 LT 단결정 육성시 불활성 가스와 함께 최적량의 산소를 공급함으로서 성장된 산화물 단결정이 착색이나 도가니 손상이 없을 뿐만 아니라 크랙이 발생되지 않아 수율이 양호한 LT 단결정을 제조할 수 있으며, 이 성장 LT 단결정은 압전, 초전, 광학재료등, 물리응용 재료나 표면탄성파소자용 기판등에 사용하기에 적합한 것이다.

Claims (1)

1. 이리듐(Ir) 도가니를 사용하여 쵸크랄스키법에 의해 리튬 탄탈레이트 단결정을 성장시키는 방법에 있어서, 대기압 상태에서 불활성 분위기 가스에 산소(O₂)를 불활성 분위기 가스기준으로 0.01-0.2용량% 함유시킨 혼합 가스 분위기하에서 리튬탄탈레이트 단결정을 성장시킴을 특징으로 하는 리튬 탄탈레이트 단결정 제조방법.