LiTaO₃ 단결정 성장을 위한 열 구배 시뮬레이션 연구 = Thermal gradient for LiTaO₃ single crystal growth: A simulation study

국문 초록 (Abstract)

LiTaO₃ 단결정은 우수한 압전 및 광학 특성으로 인해 표면 탄성표면파(SAW) 필터에 널리 사용되고 있다. 고품질 LiTaO₃ 단결정은 RF SAW 필터에 사용되기 위하여 주로 초크랄스키 성장 공법을 통해 제작된다. 그러나 단결정 성장조건이 최적화되지 않으면 열 응력으로 인해 내부 결함 및 크랙이 발생한다. 이를 해결하기 위해서는 열 응력을 줄이기 위 한 온도 구배 및 단열 조건을 고려해야 한다. 본 연구에서는 단열 특성 개선 및 온도 구배 감소를 위해 이리듐 도가니 위 에 이리듐 덮개를 추가한 구조에 대해 열 구배 시뮬레이션을 수행하였다. 이리듐 덮개가 있는 경우에서, 이리듐 덮개가 없 는 경우와 비교하여, 용융액 중앙 영역의 온도는 수직 방향에서 최대 8.6K, 수평 방향에서 최대 6.4K 증가하였다. 그리고 수직 방향에서 최대 온도는 6.4K, 최소 온도는 8.5K 증가하였고, 수평 방향에서는 최대 온도가 2.6 K, 최소 온도가 2.2K 증가하였다. 또한, 이리듐 덮개 추가로 인한 온도 구배 감소를 확인하였다. 수직 방향 온도 구배는 약 39 % 감소하였고, 수 평 방향 온도 구배는 50 % 감소하였다. 즉, 이리듐 덮개 적용함으로써 Furnace 내의 단열 특성이 개선되고 온도 구배가 감 소됨을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

LiTaO₃ (Lithium Tantalate) single crystals are widely used in Surface Acoustic Wave (SAW) filters due to their excellent piezoelectric and optical properties. High-quality LiTaO₃ single crystals were preferably grown by czochralski methods for RF Saw filter applications. However, if the growth conditions are not optimized, internal cracks and defects which degrade piezoelectric performance tend to occur. To solve these problems, we should consider temperature gradient and thermal insulation to decrease thermal stress. In this study, an iridium cover was added above the iridium crucible to decrease temperature gradients and improve thermal insulation. The simulation results indicated that the temperature in the central region of the melt increased by up to 8.6K in the vertical direction and up to 6.4K in the radial direction. The addition of the iridium cover resulted in increases in both the maximum and minimum temperatures. In the vertical direction, the maximum temperature increased by 6.4K and the minimum temperature by 8.5K. In the horizontal direction, the maximum temperature increased by 2.6K, and the minimum temperature rose by 2.2K after applying the cover. The temperature gradient was also reduced with the addition of the iridium cover. The vertical temperature gradient decreased by approximately 39 %, while the radial temperature gradient decreased by 50 %. These results indicate that the iridium cover improves the thermal insulation and reduces the temperature gradient in the furnace.

참고문헌 (Reference)

1 S. A. Krat, "Wetting properties of liquid lithium on lithium compounds" 117 : 199-, 2017

2 J. C. Brice, "The cracking of czochralski-grown crystals" 42 : 427-, 1977

3 M.E. Lines, "Principles and applications of ferroelectrics and related materials" Oxford university press 24-, 2001

4 J. H. Jeong, "Optimization of the crystal surface temperature distribution in the single-crystal growth process by the czochralski method" 177 : 284-, 2002

5 Dan Wu, "Numerical simulation of β-Ga2O3 single crystal growth by czochralski method with an insulation lid" 12 : 1715-, 2022

6 D. Furrer, "Metals process simulation" 22B : 18-, 2010

7 Eiichiro Nishimura, "LiTaO3 single crystal growth by the vertical Bridgman technique" 53 : 1800044-, 2018

8 Hui Zhang, "Hot zone design for controlled growth to mitigate cracking in laser crystal growth" 318 : 695-, 2011

9 D. Roshchupkin, "Growth of ferroelectric lithium niobate tantalate LiNb(1-x)TaxO3 crystals" 621 : 127377-, 2023

10 S. Kumaragurubaran, "Growth of 4-in diameter near-stoichiometric lithium tantalate single crystals" 285 : 88-, 2005

11 Ming Wu, "Effects of crucible cover on heat transfer during sapphire crystal growth by heat exchanger method" 404 : 130-, 2014

12 S. Narayanaswamy, "Dislocation reduction in GaAs crystal grown from the czochralski process" 55 : 278-, 1995

13 Chen, Pu, "Development and application of SAW filter" 13 : 656-, 2022

14 I. M. Buckley-golder, "A theoretical study of temperature distributions during czochralski crystal growth" 39 : 41-, 1979