KR100496527B1 - 표면 탄성파 소자용 탄탈산 리튬 단결정 기판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면 탄성파 소자용 탄탈산 리튬 단결정 기판의 제조방법에 관한 것으로서,

단일분극화 처리된 탄탈산 리튬 단결정기판을 환원성 분위기와 진공 상태가 교대로 반복형성되어 유지되는 상태 하에서, 그 큐리온도(Tc) 이하의 온도로 가열하여 환원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하므로,

종래의 제조방법에 비하여 환원처리시간이 현저히 감소하여 작업시간이 줄어들 뿐 아니라, 더욱 우수한 탄탈산 리튬 단결정의 전기전도도 내지는 부피 비저항을 얻을 수 있다는 효과가 있다.

이로 인하여, 탄탈산 리튬의 초전특성에 의해 생성되는 정전기를 신속히 제거할 수 있으므로, 표면 탄성파 소자 제조공정에서 발생하는 정전기로 인한 작업 불안정성을 현저히 개선할 수 있다는 장점이 있다.

Description

표면 탄성파 소자용 탄탈산 리튬 단결정 기판의 제조방법{METHOD OF PRODUCING LITHIUM TANTALATE SUBSTRATE FOR SURFACE ACOUSTIC WAVE ELEMENT}

본 발명은 탄탈산 리튬 단결정 기판의 제조방법에 관한 것으로, 특히 상기 단결정 기판을 환원성 분위기와 진공 상태가 교대로 반복형성되어 유지되는 상태 하에서 환원처리함으로써, 단결정 기판의 전기전도도를 증가시켜 기판 표면의 정전기를 제거한 표면 탄성파 소자용 탄탈산 리튬 단결정 기판의 제조방법에 관한 것이다.

탄탈산 리튬 단결정은 압전성 및 전기광학적 특성이 우수하여 표면탄성파 신호처리소자, 적외선 센서, 광 스위치, 광 메모리 등의 분야에 널리 사용되고 있다.

그런데, 상기 탄탈산 리튬 단결정을 표면 탄성파 소자의 기판으로 사용하기 위해 단일분극화 처리를 할 경우에는, 탄탈산 리튬 단결정 기판 양쪽 표면에 부착된 정전 전하의 방전으로 인한 스파크가 발생하게 되어 표면 탄성파 소자 제조공정에 있어서 많은 문제점을 야기하게 된다. 이러한 현상은 탄탈산 리튬의 초전특성으로 인한 것으로, 기본적으로 전기절연체인 탄탈산 리튬의 경우 탄탈산 리튬 표면에 부착된 정전 전하가 이동하여 전기적 중성을 이루기 위해서는 많은 시간이 필요한데 비해서, 표면 탄성파 소자 제조공정과 같이 급격히 온도가 변화하는 조건에서는, 상기 정전 전하가 방전을 일으켜 스파크가 발생하기 쉽게 되는 것이다. 이와 같이, 탄탈산 리튬 기판에 부착된 정전 전하로 인한 정전기는 기판 이송이나 작업 과정에서 표면 탄성파 소자의 제조장치에 작동오류를 일으킬 수 있고, 기판이 상기 제조장치에 강하게 부착되어 기계적인 응력에 의하여 기판이 파손되는 등, 작업안정성이 현저하게 떨어지는 문제가 있다.

뿐만 아니라, 탄탈산 리튬 기판에 소자를 부착하는 공정 중 기판의 온도가 급격히 변화될 경우, 기판에 부착된 정전 전하의 방전으로 발생하는 스파크에 의해 기판 또는 기판 위에 제조된 소자회로가 손상되거나, 나아가 소자 제조장치에 전기적 충격을 주어 고장을 야기시킬 수 있다.

또한, 근래 소자의 사용 주파수 영역이 날로 고주파화됨에 따라, 소자의 신호선의 폭이 수십 마이크로미터에서 수 마이크로미터까지 감소하고 있는 요즈음에는, 기판 표면의 국소적인 정전 전하량 차이로 인하여 발생하는 미소 방전에 의하여 미세한 선폭의 신호선들이 파괴되어 소자의 수명이 단축되는 문제점이 발생하고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 기판의 소자 제조면의 이면에 도전성 금속막을 생성시키고 이를 접지하여 정전기를 제거하거나, 기판 양면을 전기적으로 연결하여 장시간 방전한 후 기판 위에 소자를 제조하는 방법이 사용되어 왔다. 그러나, 상기의 방법에 의하면, 도전성 금속막의 생성 및 최종적인 소자 제조 후의 도전성 금속막 제거 등의 추가적인 공정이 요구되거나, 공정 시간의 증가로 인한 비용증가 등의 단점이 있었다. 또한, 상기와 같은 방법들을 사용하더라도 기판 표면의 국소적인 정전 전하량 차이로 인하여 발생하는 미소 방전에 의한 소자 수명 단축현상은 효과적으로 억제할 수 없다는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 단일분극화된 탄탈산 리튬 단결정 기판의 전기전도도를 증가시켜 기판 표면에 부착된 정전 전하가 신속히 이동시킴으로써, 기판의 정전기 특성을 개선하도록 하는 기술이 제시되고 있다. 미국 특허 6319430호가 그 대표적인 것으로서, 상기 특허에서는 니오븀산 리튬이나 탄탈산 리튬 기판을 단일분극이 유지되도록 그 큐리온도 미만의 온도까지 가열하여 환원처리함으로써, 상기 단결정 기판의 전기전도도를 증가시키고 있다. 니오븀산 리튬이나 탄탈산 리튬을 환원성 분위기에서 열처리하면 그 전기전도도가 증가하는 이유는, 산화상태의 변화로 인하여 전자 밀도가 증가하기 때문인 것으로 알려지고 있다.

그러나, 탄탈산 리튬 환원반응은 처리온도가 높을 수록 반응속도가 급격히 증가하므로, 큐리온도가 낮은 탄탈산 리튬 기판의 경우(큐리온도;약 605℃)에는, 상업적으로 적용하기에는 반응속도가 너무 느린 단점이 있다. 즉, 상기 미국 특허에 의하면, 상업적으로 적용하기 어려울 정도의 장시간 처리와 고가의 장비를 사용하는 경우에만, 만족할 만한 탄탈산 리튬 단결정 기판의 정전기 특성을 얻을 수 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 탄탈산 리튬 단결정 기판을 환원성 분위기와 진공 상태가 교대로 반복형성되어 유지되는 상태 하에서 탄탈산 리튬의 큐리온도 이하에서 환원처리함으로써, 표면 탄성파 소자 제조용 탄탈산 리튬 단결정 기판의 정전기 특성을 개선하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 탄탈산 리튬 단결정 기판의 제조방법은,

표면 탄성파 소자용 탄탈산 리튬 단결정기판을 제조하는 방법에 있어서,

단일분극화 처리된 탄탈산 리튬 단결정기판을 환원성 분위기와 진공 상태가 교대로 반복형성되어 유지되는 상태 하에서, 그 큐리온도(Tc) 이하의 온도로 가열하여 환원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 환원성 분위기의 1회 유지시간은 상기 진공 상태의 1회 유지시간보다 큰 것이 좋다.

또한, 상기 진공 상태의 압력은 100mmHg 이하인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 환원열처리 온도는 580~605℃ 에 있는 것이 바람직하다.

한편, 상기 환원처리된 탄탈산 리튬 단결정기판의 부피 비저항은, 10¹¹Ωㆍcm 이하일 필요가 있다.

또한, 상기 환원성 분위기는, 수소, 일산화탄소, 수증기 등의 환원성 기체나, 흑연을 포함하는 환원성 고체 중에서 선택되는 하나 이상의 기체 및/또는 고체로 이루어지는 것이 좋다.

탄탈산 리튬의 환원반응은 반응처리온도가 증가함에 따라 반응속도가 급격히 증가한다. 그런데, 상술한 바와 같이, 탄탈산 리튬의 환원반응온도는, 단일분극 상태를 유지하기 위하여 큐리온도 이하로 제한된다.

단일분극화(poling) 처리란, 단결정에 형성된 모든 분극을 한 방향으로 배열시키는 것을 말한다. 단일분극화 처리공정은, 분극 방향에 따라 단결정의 양면에 전극을 도포한 후, 큐리온도 이상으로 가열하고 일정시간 유지하여 분극을 제거하고, 전극에 직류전압을 가하여 전계(電界)를 형성한 후, 큐리온도 이하로 냉각하는 단계로 이루어진다. 상기와 같은 공정에 의해 큐리온도 이하로 냉각되면서 생성되는 이른바 자발분극이 단결정에 가해진 직류 전계에 의해 한 방향으로 배열하게 되는 것이다.

그러나, 이러한 단일분극 상태는 단결정의 결정구조가 달라지는 큐리온도 이상에서는 유지되지 못하게 되므로, 상술한 바와 같이 환원반응 시의 온도는 큐리온도 이하로 제한될 수 밖에 없었으며, 이로 인하여 큐리온도가 비교적 높아서 단일분극이 유지된 상태에서 환원반응속도가 충분히 빨랐던 니오븀산 리튬 단결정(Tc= 약 1140℃)은 여러 분야에서 상업적으로 활발히 이용되고 있었으나, 큐리온도가 낮아 환원반응속도가 느린 탄탈산 리튬 단결정에 대해서는, 종래와 같은 환원처리방법이 거의 이용되지 못하고 있는 실정이었다. 더욱이, 종래의 방법은 환원반응속도가 느릴 뿐만 아니라, 탄탈산 리튬 기판의 표면 정전기를 제거할 수 있는 수준인 10¹¹Ωㆍcm 이하의 부피 비저항을 달성하기도 매우 어려웠다.

하지만, 본 발명자는 탄탈산 리튬 단결정에 대하여 예의연구한 결과, 환원반응시 분위기를 환원성 분위기와 진공 상태를 반복형성하고 이를 각각 일정시간 유지하면, 상업적으로 이용할 수 있는 정도의 환원반응속도를 얻을 수 있음을 알아내었다.

즉, 탄탈산 리튬 단결정 표면에서 생성되는 환원반응 생성물을 진공 상태에의하여 계속적으로 제거함으로써, 환원반응의 구동력 및 속도를 증가시킬 수가 있는 것이다.

환원반응 열처리 시의 환원성 분위기는, 수소, 일산화탄소, 수증기 등의 일반적인 환원성 기체나, 흑연 등과 같은 환원성 고체 중에서 선택되는 하나 이상의 기체 및/또는 고체를 사용하여 조성할 수 있다.

환원 열처리된 탄탈산 리튬 단결정의 전기전도도 변화는 고저항 측정기로 그 부피 비저항을 측정함으로써 알 수 있다. 환원처리되지 않은 탄탈산 리튬 단결정의 부피 비저항은 10¹⁴~10¹⁵Ωㆍcm 정도이며, 환원처리정도가 증가할수록 부피 비저항은 감소한다. 탄탈산 리튬 기판 표면에서의 정전기 발생을 억제하기 위해서는 적어도 10¹²Ωㆍcm 이하의 부피 비저항이 달성되어야 하며, 바람직하게는 10¹¹Ωㆍcm , 더욱 바람직하게는 10¹⁰Ωㆍcm ,이하인 것이 좋다.

한편, 탄탈산 리튬 단결정의 환원정도가 증가할수록 단결정의 색상이 짙은 회색이나 검은 색으로 변화하며, 환원정도가 클수록 검은 색이 더욱 짙어지게 된다.

비교예 :

표 1은 종래 기술과 같이 단일분극화 처리한 후, 큐리온도 이하의 온도에서 환원성 기체인 수소를 사용하여 환원처리한 탄탈산 리튬 기판의 부피 비저항을 고저항 측정기로 측정하여 나타낸 것이다.

시료번호	환원처리온도	환원처리시간	부피 비저항	단일분극유지 여부
1	550℃	10시간	3×1013Ωㆍcm	유지
2	550℃	20시간	9×1012Ωㆍcm	유지
3	550℃	72시간	7×1012Ωㆍcm	유지
4	570℃	12시간	2×1013Ωㆍcm	유지
5	570℃	27시간	6×1012Ωㆍcm	유지
6	570℃	72시간	4×1012Ωㆍcm	유지
7	600℃	50시간	3×1012Ωㆍcm	일부 유지
8	600℃	72시간	9×1011Ωㆍcm	일부 유지

표 1에서 알 수 있듯이, 비교예의 경우에는, 72 시간 이상의 장시간 동안 환원열처리를 하여도 탄탈산 리튬 기판의 정전기를 제거할 수 있는 수준인 10¹¹Ωㆍcm 이하의 부피 비저항을 얻기 어렵다. 또한, 550℃ 이하의 온도에서 환원처리한 경우에는 처리시간이 증가하더라도 부피 비저항의 감소정도가 미미하며, 10¹¹Ωㆍcm의 부피 비저항에 근접한 수준의 비교예 8의 경우 단일분극 상태가 일부 제거되는 등의 문제가 있다.

실시예 :

단일분극화된 탄탈산 리튬 단결정기판을, 큐리온도 이하의 온도로, 100mmHg 이하의 진공 상태와, 환원성 기체인 수소를 사용하여 조성된 환원성 분위기가 반복유지되는 분위기에서 환원처리하고, 고저항 측정기를 사용하여 그 부피 비저항을 측정하여 표 2에 나타내었다. 반복회수는 진공 상태와 환원성 분위기를 그 유지시간 만큼 각각 1회씩 유지하였을때를 1회로 한 것이다. 본 실시예에서는 진공 상태 유지시간 및 총 환원처리시간을 각각 5분, 24시간으로 고정하였다.

실시예	환원처리온도	총환원처리시간	진공 상태유지시간	환원성 분위기 유지시간	반복회수	부피 비저항
1	550℃	24시간	5분	5분	144회	9×1013Ωㆍcm
2	550℃	24시간	5분	35분	36회	8×1012Ωㆍcm
3	550℃	24시간	5분	55분	24회	7×1012Ωㆍcm
4	570℃	24시간	5분	5분	144회	9×1013Ωㆍcm
5	570℃	24시간	5분	35분	36회	3×1012Ωㆍcm
6	570℃	24시간	5분	55분	24회	2×1012Ωㆍcm
7	580℃	24시간	5분	35분	36회	9×1011Ωㆍcm
8	580℃	24시간	5분	55분	24회	8×1011Ωㆍcm
9	590℃	24시간	5분	35분	36회	6×1011Ωㆍcm
10	590℃	24시간	5분	55분	24회	5×1011Ωㆍcm

표 2에서 알 수 있듯이, 상기 실시예의 경우, 비교예보다 대체적으로 환원반응속도가 빠른 것을 알 수 있다. 특히 580℃ 이상의 환원처리온도에서는, 탄탈산 리튬 기판 표면의 정전기를 효과적으로 얻을 수 있는 10¹¹Ωㆍcm 단위의 부피 비저항을 달성할 수 있으며, 환원반응속도도 비교예에 비하여 훨씬 빠른 것을 알 수 있다. 다만, 환원성 분위기 유지시간과 진공 상태 유지시간을 같게 한 실시예 1, 4의 경우에는 절대적인 환원반응시간의 양이 적으므로, 동일한 환원처리온도에서의 비교예 1, 4보다 오히려 환원반응속도가 느린 것을 알 수 있으며, 부피 비저항의 값도 비교예보다 열화되고 있다. 따라서, 적어도 환원성 분위기의 1회 유지시간은 진공 상태의 1회 유지시간보다는 길게 하여야 한다.

본 발명의 방법에 의하여 제조된 탄탈산 리튬 단결정기판을 통상의 방법으로 가공하여 표면 탄성파 소자용 기판을 만들고 여기에 표면 탄성파 소자를 제조하여 상기 소자의 전기적 특성을 검사한 결과 비저항특성이 우수하여, 단일분극화에 의한 정전기로 인한 영향을 받지 않음을 알 수 있었고, 또한 소자의 수명단축현상이 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 표면 탄성파 소자용 탄탈산 리튬 단결정 기판의 제조방법에 의하면, 종래의 제조방법에 비하여 환원처리시간이 현저히 감소하여 작업시간이 줄어들 뿐 아니라, 더욱 우수한 탄탈산 리튬 단결정의 전기전도도 내지는 부피 비저항을 얻을 수 있다는 효과가 있다.

이로 인하여, 탄탈산 리튬의 초전특성에 의해 생성되는 정전기를 신속히 제거할 수 있으므로, 표면 탄성파 소자 제조공정에서 발생하는 정전기로 인한 작업 불안정성을 현저히 개선할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 표면 탄성파 소자용 탄탈산 리튬 단결정기판을 제조하는 방법에 있어서,

   단일분극화 처리된 탄탈산 리튬 단결정기판을 환원성 분위기와 진공 상태가 교대로 반복형성되어 유지되는 상태 하에서, 580~605℃의 온도로 가열하여 환원하는 단계를 포함하며,

   상기 환원성 분위기의 1회 유지시간이 상기 진공 상태의 1회 유지시간보다 긴 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자용 탄탈산 리튬 단결정 기판의 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 진공 상태의 압력은 100mmHg 이하인 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자용 탄탈산 리튬 단결정 기판의 제조방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 환원처리된 탄탈산 리튬 단결정기판의 부피 비저항이 10¹¹Ωㆍcm 이하인 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자용 탄탈산 리튬 단결정 기판의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 환원성 분위기는, 수소, 일산화탄소, 수증기 등의 환원성 기체나, 흑연을 포함하는 환원성 고체 중에서 선택되는 하나 이상의 기체 및/또는 고체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면 탄성파 소자용 탄탈산 리튬 단결정 기판의 제조방법.