탄탈산 리튬 대 리튬 니오베이트 웨이퍼: 기술 애호가를 위한 종합적인 비교

1 소개

리튬 니오베이트 (LiNbO3, LN)와 리튬 탄탈레이트 (LiTaO3, LT)는 모두 우수한 성능을 가진 다기능 결정질 소재입니다. 광학적 특성 측면에서 전기광학, 음향광학, 비선형 광학 특성을 가지고 있으며 필터 등으로 사용할 수 있습니다. 리튬 니오베이트는 또한 독특한 광굴절 효과를 가지고 있어 홀로그램 저장이라는 새로운 분야에서도 활용될 수 있습니다. 전기 분야에서는 전기 광학 특성 외에도 리튬 니오베이트와 탄탈산 리튬은 압전 및 초전 효과가 있어 압전 기판 및 초전 감지 장치로 널리 사용됩니다.

이 기사에서는 리튬 니오베이트와 리튬 탄탈레이트의 광학적 특성, 전기적 특성, 적용 범위, 제조 공정 등을 포함한 결정 구조부터 소개하여 응용 재료 선택에 대한 특정 참조를 제공합니다.

리튬 니오베이트와 탄탈산리튬의 결정 구조

LN은 3m 점 그룹과 R3c 공간 그룹 및 삼중 회전 대칭 축을 가진 삼자 결정계에 속하며 화학량 론적 니오베이트 (SLN)와 리튬 이소 택틱 니오베이트 (CLN)의 두 가지 종류로 분류됩니다. LT는 또한 삼원 결정계에 속하며 일메나이트형 구조에 속하며 격자는 옥시 팔면체 백본의 ABO3 격자입니다. LN과 LT의 결정 구조는 비선형 광학 및 전자 광자학에서 고유한 응용 분야를 갖는 독특한 광학적 특성을 결정합니다.

표 1 결정 구조 정보

리튬 니오베이트와 리튬 탄탈레이트의 3가지 광학 특성

리튬 니오베이트와 리튬 탄탈레이트의 독특한 결정 구조는 독특한 광학 특성을 부여합니다. LN과 LT는 높은 이차 비선형 광학 계수가 특징인 비선형 광학 결정으로, 주파수 배가, 혼합, 합산, 차 생성 등 다양한 비선형 광학 프로세스에서 중추적인 역할을 합니다. 이들은 적용된 전기장에서 굴절률을 변화시키는 능력을 나타내는 상당한 전기 광학 계수를 나타내므로 전기 광학 변조기 및 광학 스위치에 사용하기에 이상적입니다. 또한, LN과 LT는 모두 복굴절을 나타내며, 이는 결정 내에 두 가지 굴절률이 존재하여 특정 방향을 따라 입사광에 대한 편광 선택성을 나타냅니다. 가시광선 및 적외선 스펙트럼 범위에 걸친 넓은 투명도 창은 광통신 및 레이저 기술과 같은 애플리케이션에서 그 중요성을 강조합니다.

리튬 니오베이트 결정은 광굴절 효과를 나타내며, 강한 빛을 조사하면 굴절률이 불균일하게 변화합니다. 처음에는 이 현상이 위상 정합 조건을 방해하고 주파수 2배 변환 효율을 떨어뜨려 문제를 일으켰습니다. 그러나 후속 연구를 통해 이 효과를 홀로그램 저장에 활용할 수 있다는 사실이 밝혀졌지만, 이를 완화하기 위해서는 조사 또는 고온 처리가 필요했습니다. 현재 광굴절 효과는 광학 정보 처리의 기본 도구로 사용되며 광학 저장, 홀로그램 디스플레이, 공간 변조, 전광학적 시간 차별화, 이미지 처리 분야에서 응용 분야를 찾고 있습니다. 하지만 이러한 크리스탈을 사용하는 장치는 높은 광도에서 "팬" 노이즈라고 하는 상당한 빛에 의한 산란을 경험할 수 있습니다. 또한 크리스탈의 긴 응답 시간으로 인해 정보 재생이 왜곡되어 고품질, 빠른 응답, 장기 보존 애플리케이션에 대한 요구를 충족하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.

탄탈산리튬 결정은 동일한 결정 구조, 상온에서의 강유전성, 비화학량론적 구성 등 리튬 니오베이트 결정과 유사한 많은 특성을 가지고 있습니다. 특히 홀로그램 저장에서 LT 결정은 대용량 저장, 장기 안정성, 반복 삭제 등 LN 결정과 유사한 저장 장점을 가지고 있어 홀로그램 저장에 가장 많이 사용되는 광굴절 재료 중 하나가 되었습니다. 탄탈산리튬과 리튬니오베이트는 같은 종류이지만, LT 결정이 LN 결정보다 광굴절 저항이 두 배 이상 높은 등 두 결정 사이에는 몇 가지 차이점이 있습니다.

표 2 LN과 LT의 특성

4 리튬 니오베이트 및 탄탈산리튬의 전기적 특성

강유전성 및 압전 효과

리튬 니오베이트(LN)와 리튬 탄탈레이트(LT)는 모두 강유전체 결정에 속하며, 고유한 전기적 특성으로 구별됩니다. 강유전체 결정은 인가된 전기장에 반응하여 분극될 수 있고, 분극 후에도 반대 전기장이 가해질 때까지 이 분극을 유지할 수 있는 강유전성을 지니고 있습니다. 이러한 특성은 강유전체의 비중심 대칭 결정 구조에서 비롯됩니다. 강유전체 결정은 전자 및 광학 분야, 특히 커패시터, 센서 및 메모리 장치 개발에서 중요한 응용 분야를 찾습니다.

압전 효과는 양전하와 음전하의 두 반대쪽 표면의 매체에서 동시에 외부 힘의 작용과 변형, 내부 분극 현상에 의해 특정 방향으로 유전체가 변하는 것을 말합니다. 외력이 제거되면 비충전 상태로 복원되며, 이 현상을 포지티브 압전 효과라고 합니다. 힘의 방향이 바뀌면 전하의 극성도 바뀝니다. 압전 효과가 있는 결정을 압전 결정이라고 합니다. 압전 결정의 셀은 비대칭이지만 여전히 전기적으로 중성 평형 상태로 존재할 수 있습니다. 결정 표면에 압력이 가해지면 결정 구조가 변형되고 원자들이 서로 밀어내면서 전류를 발생시켜 기계적 힘에서 전기로의 변환을 완료하고, 압전 결정에 전류를 가하면 결정이 팽창하고 수축하면서 전류에서 기계적 에너지로의 변환을 실현할 수 있습니다.

LN 및 LT: 우수한 압전 소재

리튬 니오 베이트 결정과 리튬 탄탈 레이트 결정은 일반적으로 사용되는 압전 결정 석영, 리튬 니오 베이트 결정 및 리튬 탄탈 레이트 결정에 비해 우수한 압전 특성을 가진 대표적인 압전 재료로 압전 효과 및 전기 기계적 결합 효과가 우수하여 고주파 장치에 사용할 수 있으므로 공진기, 변환기, 지연 라인, 필터 등에 리튬 니오 베이트 결정이 사용될 수 있습니다, 이동 통신, 위성 통신, 디지털 신호 처리, 텔레비전 세트에 적용, 이동 통신, 위성 통신, 디지털 신호 처리, 텔레비전, 방송, 레이더, 원격 감지 원격 측정 및 기타 민간 분야뿐만 아니라 전자 대책, 퍼즈, 유도 및 기타 군사 분야에서 사용되며, 그중 가장 널리 사용되는 것은 표면 음향 파 필터 (SAWF)로 SAW 필터, 압전 트랜스 듀서 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.

외부 온도 변화로 인해 극성 결정의 자발적 분극 강도가 변화하는 현상을 초전 효과라고 합니다. 이러한 특성을 가진 결정을 결정의 초전성이라고 합니다. 강유전체 결정의 근본적인 특성은 추가적인 전기장을 추가하지 않고도 생산할 수 있는 초전 효과가 있다는 것입니다. 강유전체 결정은 퀴리 온도 이하로 떨어지면 결정 격자에 진동 모드가 없기 때문에 자발적으로 어느 정도의 상전이가 일어나며, 이로 인해 특정 방향의 비대칭이 발생합니다. 열전체가 가열되면(dT/dt>0), 열 진동으로 인해 재료 내의 쌍극자가 방향을 잃게 되면 자발적인 분극 수준이 감소합니다. 재료가 개방 회로 상태인 경우, 자유 전하가 전극 표면에 남아 재료에 전위를 생성합니다. 재료가 단락 상태인 경우 재료의 두 극성 표면 사이에 전류가 생성됩니다. 마찬가지로 초전체가 냉각되면(dT/dt < 0) 쌍극자가 방향을 되찾아 자발 분극 수준이 증가하여 자유 전하가 극성 표면으로 끌어당겨져 단락 조건에서 전류 흐름이 역전됩니다.

5 리튬 니오베이트 및 탄탈산 리튬의 응용 분야

5.1 SAW 필터

SAW 장치의 필터: 필터는 SAW 장치에서 더 많이 연구되었습니다. 필터는 낮은 전송 손실, 높은 신뢰성, 높은 제작 유연성, 아날로그/디지털 호환성, 우수한 주파수 선택성, 다양한 복합 기능을 구현할 수 있다는 장점이 있습니다. 필터를 만드는 데 사용되는 재료는 일반적으로 우수한 표면 평탄도, 높은 전자기계적 결합 계수, 낮은 전파 손실, 저온 계수, 우수한 반복성, 높은 신뢰성, 대량 생산 및 저비용이 필요합니다.

탄탈산 리튬과 리튬 니오베이트의 전기 기계적 결합 계수는 석영보다 높으며 탄탈산 리튬 결정은 6 ~ 7 %의 상대 대역폭을 실현할 수있는 반면 리튬 니오베이트는 10 ~ 12 %의 상대 대역폭을 실현할 수 있지만 탄탈산 리튬과 리튬 니오베이트의 온도 계수는 더 높습니다, 그리고 X-절단-리튬탄탈레이트 결정은 영온 탄젠트를 가지므로 탄젠트 정밀도의 정밀한 제어를 통해 영온 계수의 점을 제어 할 수 있습니다. 영온 계수 점은 절단 정밀도를 정밀하게 제어하여 실온 범위에서 제어 할 수 있으므로 고주파 및 대 대역폭 필터를 제작하는 데 사용할 수 있습니다.

필터의 공진기: 공진기는 필터의 기본 단위로, 그 성능이 필터의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 통신 단말기에서 고성능 필터에 대한 수요가 증가함에 따라 소형, 저전력 소비, 낮은 삽입 손실 문제를 해결하기 위해 공진기형 SAW 필터가 널리 사용되고 있습니다. 공진기형 SAW 필터의 기본 회로 소자는 공진기입니다. 포크 핑거 트랜스듀서에 의해 여기된 SAW는 두 반사 격자 사이에서 앞뒤로 반사되어 공진을 형성하고 공진기의 공진 주파수와 공진기의 반공진 주파수를 조정하여 저역 통과, 고역 통과, 대역 통과 및 대역 제거 필터를 합성 할 수 있습니다. 공진기는 필터의 공진 주파수와 중심 주파수를 증가시키고 필터의 대역 외 제거를 줄일 수 있으며, 공진기 형 SAW 필터 작동 주파수는 일반적으로 10MHz ~ 1GHz이며 삽입 손실은 1 ~ 5dB입니다. 공진기 요소로서 복합 재료의 중심으로 리튬 탄탈 레이트 Q 값이 높으면 여러 고조파의 생성에 중요한 역할을합니다.

5.2 오실레이터

오실레이터는 직류 에너지를 특정 주파수에서 교류 에너지로 변환하는 장치로, 일반적으로 오실레이터 회로를 통해 이루어집니다. 오실레이터는 자기장과 전기장 사이의 에너지를 변환하여 자유 진동을 가능하게 하는 방식으로 작동합니다. 오실레이터는 일반적으로 RC 오실레이터, LC 오실레이터, 수정 오실레이터로 분류됩니다. 수정 발진기는 수정 웨이퍼의 극에 전압을 가하면 수정이 변형되어 웨이퍼에 전압이 생성되는 압전 효과를 활용합니다. 석영은 온도 계수가 작고 온도 안정성이 우수하기 때문에 자주 사용되지만, 석영의 낮은 전자기계적 결합 계수는 필터에서 고주파 및 넓은 대역폭을 달성하는 능력을 제한합니다. 오실레이터 성능을 향상시키기 위한 노력의 일환으로 최근 연구에서는 리튬 탄탈레이트 웨이퍼를 사용하여 디바이스 성능, 소형화 및 고주파수를 개선하는 데 초점을 맞추고 있습니다.

5.3 초전도체 감지기

열전 감지기는 열 대류, 열 전도, 열 복사를 통해 주변 환경과 열을 교환하는 방식으로 작동합니다. 작동 원리는 열전 물질의 표면에 전자가 흡착되어 중성 표면을 만드는 것입니다. 열을 받으면 표면 온도가 변화하여 재료의 전기 쌍극자 모멘트에 변화가 생깁니다. 표면 중성을 유지하기 위해 재료는 전하를 방출합니다. 초전 센서는 높은 감지율, 넓은 작동 주파수, 비용 효율성, 간단한 구조, 빠른 응답 시간 등의 장점을 제공합니다. 초전 감지기의 감지 장치에는 세라믹, 단결정, 박막 등이 있습니다. 일반적인 세라믹에는 탄탈륨 니오베이트 칼륨과 티탄산 지르코네이트 납이 포함되며, 단결정은 일반적으로 리튬 니오베이트와 리튬 탄탈산염으로 구성됩니다. 일반적으로 사용되는 박막은 탄탈산리튬과 지르코네이트티탄산납 박막입니다. 리튬 탄탈레이트 결정은 유리한 초전 계수, 퀴리점 및 유전 상수로 인해 초전 감지기에서 선호됩니다.

5.4 Q-스위치

레이저 Q- 튜닝 기술은 일반적으로 Q- 튜닝 스위치 또는 Q- 스위치라고하는 고속 캐비티 내 광학 스위치 인 특수 광학 구성 요소를 기반으로합니다. Q 값은 레이저의 광학 공명 캐비티 품질을 나타내는 지표입니다. Q 값이 높을수록 필요한 펌핑 임계 값이 낮아지고 레이저가 더 쉽게 진동합니다. 레이저 Q- 튜닝의 목적은 펄스 폭을 압축하고 피크 출력을 높이는 것입니다. 레이저 Q 튜닝 기술의 목적은 펄스 폭을 압축하고 피크 파워를 높이는 것입니다. 현재 일반적으로 사용되는 Q 스위치에는 전기 광학 Q 기술, 음향 광학 Q 기술, 포화 흡수 염료 Q 및 Cr4 + ∶ YAG 포화 흡수 Q가 포함됩니다. 능동 Q와 수동 Q의 능동 및 수동 Q 조합 이중 Q 기술, 이중 수동 Q 기술, Q 모드 잠금 기술 등 새로운 레이저 Q 기술이 지속적으로 개발 및 적용되고 있습니다.

현재 대부분의 나노초 펄스 레이저는 전기 광학 Q 기술, 전기 광학 Q 기술로 만들어지며 핵심 재료는 전기 광학 Q 결정, 일반적으로 사용되는 전기 광학 Q 결정에는 디-이중수소산 칼륨 결정, 탄탈산 리튬 결정, 리튬 니오베이트 결정 및 산화 루비듐 티타늄 인산염 결정이 포함됩니다. 탄탈산리튬 결정은 성능이 안정적이고 용해되지 않으며 손상 임계값이 높기 때문에 더 자주 사용됩니다.

5.5 홀로그램 저장

20세기 들어 정보 과학과 기술이 급속도로 발전함에 따라 증가하는 데이터 저장 수요를 충족하는 데 있어 자기 테이프, 디스크, CD-ROM의 한계가 분명해졌습니다. 그 결과 광학 스토리지가 유망한 대안으로 떠오르면서 광학 굴절 홀로그램 스토리지가 차세대 광학 스토리지 기술의 핵심 경쟁자로 인정받게 되었습니다. 홀로그래픽 스토리지는 기존의 1차원 및 2차원 메모리에 비해 훨씬 더 높은 용량을 제공하며, 용량은 빛 파장의 역수의 3승에 비례하여 확장됩니다.

광굴절 홀로그램 3차원 메모리는 컴팩트한 크기, 저장 용량 증가, 빠른 데이터 전송 속도와 같은 상당한 장점에도 불구하고 이상적인 광굴절 재료가 부족하다는 점이 큰 난제였습니다. 광굴절 효과가 있는 리튬 니오베이트(LN) 결정이 홀로그램 스토리지 애플리케이션에 가능성을 보였지만 낮은 포화 회절 효율, 느린 응답 속도, 휘발성 등의 한계로 인해 실제 구현이 어려웠습니다. 이러한 문제를 해결하기 위한 노력의 일환으로 LN 결정에 Fe, Mn, In과 같은 다른 원소 물질을 도핑하여 실제 적용을 위한 성능과 생존성을 향상시키려는 시도가 이루어지고 있습니다.

6 리튬 니오베이트 및 탄탈산 리튬의 준비

6.1 리튬 니오베이트의 준비

6.1.1 동종 성분 리튬 니오베이트의 준비

동종 성분 리튬 니오베이트는 종종 도가니 리프팅 방법으로 제조됩니다. 탄탈산 리튬 결정의 품질은 일반적으로 원료 비율, 당기는 속도, 종자 결정 품질, 도가니 모양 및 유형에 의해 영향을 받습니다. 스트레이트 풀링 방법의 장점은 간단한 장비, 쉬운 작동 및 도핑입니다.

6.1.2 화학량 론적 비율이 가까운 리튬 니오베이트의 제조

연속 충전 장치가 장착된 이중 도가니 방법은 리튬이 풍부한 용융물에서 리튬 니오베이트(nSLN) 결정을 성장시키는 가장 성숙하고 상업적으로 실행 가능한 접근법입니다. 그러나 이중 도가니 방식은 복잡한 장비, 결정 성장 제어의 어려움, 용융물과 결정 성분 간의 불균형으로 인한 느린 성장 속도 등의 문제를 안고 있습니다. 이러한 요인으로 인해 수율이 낮고 결정이 비싸기 때문에 광범위한 적용이 제한됩니다.

또 다른 널리 사용되는 방법은 확산 방법으로, 확산 온도와 시간에 영향을 받아 적절한 리튬이 풍부한 대기 내에서 리튬이 CLN 결정으로 확산되어 nSLN 결정이 생성됩니다. 확산 기판이 높은 광학적 균질성을 보인다면 내포물이나 산란 입자 없이 광학적으로 균일한 nSLN 결정을 실용적인 수준까지 얻을 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 문헌에 보고된 대부분의 확산 방법은 두께가 얇은 Z-컷 nSLN 웨이퍼를 생산합니다. 두께가 두껍거나 Z-컷이 아닌 기판은 확산 처리 후 웨이퍼에 균열이 생기거나 파손될 수 있습니다. 실제 광학 애플리케이션에서는 관통 조리개 및 광 경로 설계 사양을 충족하기 위해 더 큰 치수가 필요한 경우가 많습니다. 또한 확산 방법은 웨이퍼 부식, 리튬이 풍부한 원재료의 재활용, 배치 준비, 결정 성분의 배치 일관성과 관련된 문제에 직면하여 전반적인 비용 효율성에 영향을 미칩니다.

6.2 탄탈산 리튬의 준비

6.2.1 동종 성분 리튬 탄탈레이트의 제조

동일한 조성의 탄탈산 리튬 결정은 종종 고순도 오산화탄탈륨과 고순도 탄산리튬을 0.95:1(몰비)의 화학량론적 비율로 혼합하고 도가니 풀링 방법을 사용하여 제조합니다. 탄탈산 리튬 결정의 품질은 일반적으로 원료의 비율, 당기는 속도, 종자 결정의 품질, 도가니의 모양과 유형 및 기타 요인에 의해 영향을 받습니다. 리튬 탄탈산염 결정은 슬라이스, 흑화, 연마, 모따기, 세척을 거쳐 리튬 탄탈산염 웨이퍼를 얻습니다. 직선 드로잉 방법의 장점은 장비가 간단하고 조작과 도핑이 쉽다는 것입니다. 블리스터링 방법, 다이 가이드 방법 및 온도 구배 방법도 동일한 조성의 리튬 탄탈산염 결정을 제조할 수 있지만 제조 비용, 결정 품질 및 공정 난이도를 고려할 때 덜 사용됩니다.

6.2.2 화학량 론적 비율이 가까운 탄탈산 리튬의 제조

화학량론비에 가까운 탄탈산 리튬 결정은 제조가 어렵고, 현재 화학량론비에 가까운 탄탈산 리튬 결정을 제조하는 방법으로는 주로 이중 도가니법, 플럭스 풀링법, 구역 용융법, 기체상 교환 평형법 등이 있습니다.

이중 도가니 방법: 이중 도가니 방법은 결정 준비 과정에서 도가니에 용융물을 지속적으로 첨가하여 도가니의 용융물 조성을 변경하지 않고 유지하여 화학량 론적 비율에 가까운 탄탈산 리튬 결정을 제조하는 것입니다. 2도가니법으로 제조된 화학량 론적 리튬 탄탈산염 결정은 균질하지만 공정이 복잡하고 비용이 많이 들며 고액 계면 분할로 인해 성장한 결정에 많은 수의 성장 프린지가 발생합니다.

플럭스 풀링 방법: 플럭스 풀링 방법은 결정 용융물에 플럭스를 첨가하여 결정의 융점을 조정하는 방법이며 일반적으로 사용되는 플럭스는 K2O입니다. 이 방법은 덜 어렵지만 플럭스가 결정에 들어가기 쉽고 플럭스의 비율이 증가함에 따라 결정의 성장에 따라 용융물의 조성이 변하고 준비된 결정의 균질성을 보장하기 어렵습니다.

구역 용융 방법: 영역 용융 방법은 반도체 바의 한쪽 끝에서 열 에너지를 사용하여 용융 영역을 생성 한 다음 단일 결정 시드 결정에 융합하고 용융 영역이 전체 바를 통해 바의 다른 끝으로 천천히 이동하여 결정 준비를 완료하도록 온도를 조정하는 것입니다. 이 방법으로 성장한 결정은 균일한 조성 분포, 에너지 절약, 높은 원료 활용도 및 높은 결정 품질을 갖습니다.

기체상 교환 평형법: 기체상 교환 평형법의 가장 큰 장점은 성장 과정에서 결정의 Li 함량을 제어 할 수 있고 실제 수요에 따라 알려진 Li 함량을 가진 모든 탄탈산 리튬 샘플을 얻을 수 있다는 것이지만이 방법은 결정을 처리하는 데 시간이 오래 걸리고 대형 시트 샘플의 준비에 적합하며 단결정의 크고 균일 한 화학량 론적 비율을 얻기가 어렵다는 단점이 있습니다.

표 3 화학량 론적 비율이 가까운 탄탈산 리튬의 다양한 제조 방법 비교

7 결론

리튬 니오베이트와 탄탈산 리튬은 모두 우수한 비선형 광학 및 광전자 특성을 가지며 필터, 전기 광학 장치, 압전 및 초전 부품, 홀로그램 저장 장치와 같은 광학 장치에 사용할 수 있습니다. 더 높은 해상도와 이미지 품질이 필요한 홀로그램 스토리지에는 리튬 니오베이트가 선호되는 반면, 광굴절 효과를 최소화해야 하는 시나리오에서는 리튬 탄탈륨이 선호됩니다. 준비 측면에서 결정 성장 당김 방법은 여전히 가장 기본적인 준비 방법이며 다양한 유형의 LT는 각각 장단점이 있는 다른 방법을 사용하여 준비되며 전체 공정이 더 복잡합니다.

우수한 광학, 광전지, 압전 및 열전 재료 인 리튬 니오 베이트와 리튬 탄탈 레이트는 Stanford Advanced Materials에서 구할 수 있으며 실제 응용 분야에서의 사용에 대한보다 구체적인 시나리오와 질문이있는 경우 SAM의 전문가와 상담 할 수 있습니다.

제품 페이지:

CY0027 리튬 탄탈레이트 웨이퍼(LiTaO3 웨이퍼)

CY0066 리튬 니오베이트 웨이퍼(LiNbO3 웨이퍼)

참고자료

[1] Xiao, X., Xu, Q., Liang, S. 외. 화학량론적 리튬 탄탈레이트 웨이퍼의 제조, 전기, 열 및 기계적 특성. J Mater Sci: Mater Electron 33, 20668-20677 (2022). https://doi.org/10.1007/s10854-022-08878-3

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