(001) 산화갈륨의 와이어쏘 공정 설계 최적화를 위한 기계적 특성 평가

Evaluation of Mechanical Properties of (001) Gallium Oxide for Optimization of Wire Sawing Process Design

Abstract

Gallium oxide is gaining attention as a next-generation wide-bandgap (WBG) semiconductor material, following silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN), due to its wide bandgap of 4.4-4.9 eV. This makes gallium oxdie ideal for applications in high-voltage, high-temperature, and high-frequency devices. Additionally, gallium oxide has an economic advantage over other WBG materials due to its relatively lower manufacturing cost. As demand for gallium oxide wafers rises, ensuring stable and efficient large-scale production processes is essential. In this study, we evaluated the mechanical properties of (001) gallium oxide using nanoindentation to analyze load-displacement characteristics and scratch behavior, and we measured indentation patterns through Vickers indentation testing.. Nanoindentation experiments were conducted under various load conditions (1, 5, 10, 15, 20, and 30 mN), and the elastic and plastic deformation characteristics of gallium oxide were assessed. The scratch tests were conducted at linearly increasing loads, starting from 30 mN up to maximum loads of 1, 1.5, 2, and 2.5 N, allowing us to observe surface damage and cracking behavior. The results indicate that gallium oxide exhibits both elastic and plastic deformation at lower loads, while plastic deformation and brittleness dominate at higher loads. By considering the brittle nature and deformation characteristics of gallium oxide, this study offers essential data to improve process design, enabling more stable and efficient fabrication of gallium oxide wafers.

1. 서론

산화갈륨(Ga2O3)은 차세대 전력반도체 소재로 주목받고 있으며, 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 질화 갈륨(GaN)을 잇는 차세대 와이드밴드갭(WBG) 반도체 물질로서 주목을 받고 있다. 산화갈륨은 4.4∼4.9 eV의 넓은 밴드갭을 가지며, 탄화규소(3.3 eV)와 질화 갈륨(3.4 eV)에 비해 높은 값으로 고전압, 고온, 고주파 환경에서 우수한 성능을 발휘할 수 있다. 이러한 특성으로 고성능 전력기기, RF 장치, 고온 전자 장치 등에 활용되고 있다. 또한 산화갈륨은 다른 와이드밴드갭 소재에 비해 비교적 저렴한 제조 비용으로 경제성 면에서도 장점이 있다[1]. 이러한 특성으로 인해 산화갈륨 웨이퍼에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이를 위한 양산 공정의 안정성 및 효율성 확보가 중요해지고 있다.

그러나 산화갈륨 웨이퍼 생산 공정의 주요 병목은 잉곳 성장 기술에 있을 뿐만 아니라, 성장된 잉곳을 효율적으로 절단 및 폴리싱하는 가공 공정의 안정성 또한 중요한 과제로 대두되고 있다[2]. 특히, 산화갈륨의 벽개성(Cleavage)으로 인해 절단 공정 중 발생하는 응력과 결함이 잉곳의 파손을 초래할 수 있어 가공 공정의 안정성을 확보하는 것이 필수적이다[3]. 이러한 공정 결함은 최종 제품의 성능 저하 및 제조 비용 증가로 이어질 수 있으므로, 공정 최적화를 통한 결함 감소와 파손방지 기술 개발의 필요성이 크다.

본 연구에서는 산화갈륨의 기계적 특성을 평가하고자 나노인덴테이션을 통해 다양한 하중 조건에서의 탄성 및 소성 변형 특성을 평가하고, 비커스 경도계를 이용한 압흔 특성을 분석하였다. 또한, 스크래치 실험을 통해 다양한 하중에서의 표면 균열 및 파손 거동을 분석하여, 와이어쏘 공정 중 발생할 수 있는 표면 손상과 가공 결함의 발생 가능성을 평가하였다.

이 연구의 결과는 산화갈륨의 벽개성과 취성적 특성을 고려한 와이어쏘 공정 설계에 중요한 기초 자료를 제공할 수 있으며, 잉곳 절단 공정에서 발생하는 응력을 최소화하고 가공 안정성을 높이는데 필요한 지침을 제시할 수 있을 것이다.

2. 실험장치 및 방법

2.1 나노인덴테이션

본 연구에서는 (001) 산화갈륨의 기계적 특성을 평가하기 위해 Fig. 1의 나노인덴테이션을 이용하여 하중-변위 특성, 스크래치 거동을 분석하였다. 나노인덴이션 장비는 Anton Paar사의 UNHT3 HTV를 사용하였다. 이 장비는 하중 및 변위를 정밀하게 제어하여 재료의 탄성 및 소성 변형 거동을 평가할 수 있다. 실험은 베르코비치(Berkovich) 팁으로 하중 조건 1, 5, 10, 15, 20, 30 mN으로 설정하여 진행하였다. 각 조건에서 5초 유지 후 하중을 제거하였다.

Fig. 1. Nanoindentation for analysis of mechanical properties of gallium oxide

스크래치 특성을 분석하기 위해 동일 나노인덴테이션 장비를 사용하여 하중을 선형으로 증가시키는 스크래치 실험을 수행하였다. 하중 조건은 30 mN에서 시작하여 최대 1, 1.5, 2, 2.5 N까지 선형으로 증가시켰으며, 스크래치 속도는 20 ㎛/s, 스크래치 길이는 500 ㎛로 설정하였다. 각 실험 조건에서 스크래치 깊이 및 표면 손상 정도를 평가하였다.

2.2 비커스 경도계

(001) 산화갈륨 기판의 기계적 특성을 평가하기 위해 Fig. 2의 비커스 경도계(SHIMADZU HMV-G)의 피라미드 압자를 이용하여 압흔 시험을 수행하였다. 하중은 0.09807, 0.2452, 0.4903, 0.9807, 1.961, 4.903, 9.807 N 을 5초 가압 후 제거 후. 발생한 압흔과 균열 특성을 분석하였다.

Fig. 2. Micro Vickers hardness tester for indentation testing on (001) gallium oxide substrate

3. 실험결과 및 고찰

3.1. (001) 산화갈륨의 하중-변위 거동

Fig. 3은 (001) 산화갈륨의 나노인덴테이션 실험을 통해 측정한 하중-변위 곡선을 나타낸 것이다. 최대 하중 1 mN 에서는 47.68 ㎚ 의 최대 변위 결과를 보였고, 하중 증가 구간에서 변위가 점진적으로 증가하며 탄성 및 소성 변형 구간이 관찰되었다. 하중 제거 시 일부 변위가 복원됨에 따라 재료의 탄성적 거동이 확인되었다. 최대 하중 5 mN 에서의 최대 변위는 126.67 ㎚로 하중 증가에 따른 변위 증가가 비교적 선형적으로 진행되다가 소성 변형이 발생하며 곡선이 완만해졌다. 하중 제거 후 변위가 완전히 복원되지 않는 것을 통해 소성 변형이 발생했음을 확인할 수 있다. 최대 하중 10 mN에서는 하중 증가 구간에서 변위가 일정 비율로 증가하며 소성 변형이 뚜렷하게 나타났고, 소성 변형 비율의 증가로 변위 복원이 줄어든 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3. Load–displacement (P–h) curves obtained from indentations performed at peak loads of (a) 1 mN, (b) 5 mN, (c) 10 mN, (d) 15 mN, (e) 20 mN, and (f) 30 mN

15 mN 에서의 하중-변위 곡선은 더 급격히 증가하였으며, 하중이 커질수록 소성 변형이 확대되면서 하중 제거 시 변위가 일부 복원되었으나, 소성 변형이 주요 부분을 차지하는 양상을 나타냈다.

최대 하중 20 mN 에서 하중 증가와 함께 소성 변형이 지속적으로 확대되면서 곡선이 비탄성적인 거동을 보였다. 이러한 결과는 하중 제거 후 변위가 거의 복원되지 않는 취성 거동이 지배적으로 일어나는 것을 의미한다. 최대 하중 30 mN에서의 최대 변위는 440.3 ㎚로 하중에서 소성 변형이 강하게 일어나면서, 하중 제거 후에도 변위가 거의 복원되지 않는 양상이 명확하게 관찰되었다. 이는 산화갈륨이 높은 하중에서 더 큰 소성 변형과 취성적 특성을 나타냄을 의미한다. 즉, 낮은 하중 조건에서는 탄성 변형과 소성 변형이 모두 나타나지만, 하중이 증가할수록 소성 변형이 지배적인 것을 의미한다. 특히, 15 mN 이상의 하중에서는 하중 제거 후 변위 복원이 거의 이루어지지 않아 재료의 취성 특성이 강하게 드러났다. 이러한 결과는 산화갈륨이 고하중 조건에서 파괴될 가능성이 높다는 것을 시사하며, 산화갈륨의 벽개성이 지배적으로 나타날 수 있음을 의미한다.

따라서, 와이어쏘 공정에서 산화갈륨의 가공성을 높이기 위해서는 이러한 취성 특성을 고려한 공정 설계가 필요하며, 잉곳 파손을 방지하기 위해 잉곳 절입 속도 제어를 통한 와이어 처짐 제어가 반드시 필요할 것으로 사료된다.

3.2 (001) 산화갈륨의 스크래치 거동

다이아몬드 와이어를 이용한 와이어쏘 공정은 다이아몬드 입자의 압입과 스크래치 과정으로 재료가 제거된다[4]. Fig. 3의 결과는 압입 과정에서의 특성으로 볼 수 있으며, 스크래치에 의한 특성을 분석하기 위해 나노인덴테이션 장비를 사용하여 스크래치 평가를 진행하였다. Fig. 4는 (001) 산화갈륨의 스크래치 평가 결과를 나타낸 것이다. Fig. 4(a)의 최대 하중 1 N 조건에서 산화갈륨 표면에 비교적 얕고 좁은 스크래치가 형성되었다. Fig. 4(a)의 광학 이미지 결과에서 보듯이 미세 균열이 관찰되나 큰 파손은 발생하지 않았으며, 하중이 선형적으로 증가함에 따라 변위가 일정하게 증가하는 양상이 나타났다. 이는 낮은 하중에서 탄성 변형이 지배적인 것을 의미한다.

Fig. 4. Scratch test for analysis of mechanical properties of gallium oxide

최대하중 1.5 N으로 증가하면서 스크래치는 깊게 형성되었으며, 끝부분에서 균열과 작은 파편이 발생하였다. 하중이 증가함에 따라 변이도 함께 증가하는데 변위 프로파일이 다소 불규칙적으로 변화하는 형상을 보였다. 이는 산화갈륨 표면에 취성적 거동이 시작되는 것을 의미하며, 탄성 변형에서 소성 변형으로 전이 되는 구간이 발생함을 나타낸다. 최대 하중 2 N에서는 스크래치 자국의 깊이와 폭이 더욱 증가하였으며, 스크래치 양 옆으로 균열이 확장되는 현상이 두드러지게 나타났다.

스크래치 평가 결과에서 볼 수 있듯이 산화갈륨의 스크래치 하중이 1.5 N 이상을 초과할 경우 표면에 균열과 파손이 가속되는 경향이 관찰되었다. 특히, 2 N 이상의 하중에서는 취성적 특성으로 인해 스크래치 주변에 큰 균열과 파편이 발생하여 재료 표면 품질이 크게 저하되었다. 와이어쏘 공정에서 이러한 하중 범위는 절단 웨이퍼 표면에 결함을 유발 시킬 수 있으며, 표면 하부 결함층의 깊이를 증가시켜 후공정 시간 연장으로 인해 공정 효율을 저하시키는 원인으로 작용할 수 있다. 따라서 응력 집중을 최소화하는 방향으로 공정 레시피를 설계하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

3.3 (001) 산화갈륨의 압흔 특성

비커스 경도계를 사용하여 하중에서의 압흔 특성을 분석하였다. Fig. 5는 실험 하중 조건에서의 압흔 결과를 나타낸 것이다. 압흔 하중이 증가함에 따라 압흔 면적도 비례하여 증가하는 경향을 보였다. 0.09807, 0.2452 N에서는 표면 균열은 관찰되지 않았다. 그러나 하중이 0.4903 N 이상으로 증가하면서 압흔의 크기가 확연히 커지고, 1.961 N 이상의 하중에서는 압흔 면적이 급격히 증가했다. 이러한 결과는 높은 하중에서 산화갈륨 소성 변형이 더 큰 비율로 발생하며, 압입에 의한 표면 응력 집중이 증가함을 나타낸다.

Fig. 5. Indentation patterns on (001) gallium oxide wafers under varying loads (0.09807 N to 9.807 N)

특히, 하중이 증가할수록 압흔의 꼭짓점에서 방사형 균열(Radial crack)이 뚜렷하게 관찰되는데, Fig. 6은 하중에 따른 방사형 균열의 길이를 측정한 결과이다. 0.4903 N에서부터 방사형 균열이 발생하면서 2.942 N 까지 급격히 증가 후 기울기가 완만해지는 것을 확인할 수 있다. 이는 산화갈륨의 벽개성으로 인해 집중하중이 임계값을 초과할 경우 균열 전파가 급격히 일어나면서 발생하는 것으로 Fig. 5(e)부터 균열 전파 양상이 뚜렷하게 나타났다.

Fig. 6. Radial crack length as a function of load on (001) gallium oxide wafers

이러한 균열 거동은 산화갈륨의 취성 특성을 반영하며, 와이어쏘 공정에서 발생할 수 있는 균열 위험성을 예측할 수 있다. 또한, 와이어쏘 공정 중 산화갈륨 잉곳에 가해지는 하중이 임계값을 넘을 때 균열이 전파되어 표면 손상을 가속될 것으로 판단된다.

4. 결론

본 연구에서는 (001) 산화갈륨의 기계적 특성을 파악하고, 이를 바탕으로 와이어쏘 공정 레시피 설계를 최적화하기 위한 기초 데이터를 제공하고자 나노인덴테이션과 비커스 경도계 압흔 시험을 수행하였다. 다양한 하중 조건에서 산화갈륨의 탄성 및 소성 변형 거동, 균열 발생 양상을 평가하였다.

나노인덴테이션을 통해 하중이 증가할수록 산화갈륨의 소성 변형이 지배적임을 확인하였다. 특히, 고하중 조건에서는 하중 제거 후 변위 복원이 거의 이루어지지 않으며, 산화갈륨의 취성적 특성이 두드러지게 나타났다. 이는 공정 중 산화갈륨에 가해지는 응력을 엄격히 제어해야 함을 시사한다.

비커스 경도계 압흔 시험 결과, 하중이 증가함에 따라 압흔 꼭짓점에서 방사형 균열이 발생하고, 횡 방향 균열이 확장되는 양상이 관찰되었다. 2 N 이상의 하중에서는 균열의 길이와 균열 면적이 급격히 증가하였으며, 이는 와이어쏘 공정 중 잉곳 절단 시 하중을 최소화하는 것이 중요함을 의미한다.

산화갈륨의 높은 벽개성으로 인해 와이어쏘 공정 중 발생할 수 있는 표면 균열과 결함을 최소화하기 위해, 절단 공정에서 잉곳에 가해지는 하중을 1 N 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 절단 속도를 조절하여 응력 집중을 최소화함으로써 표면 손상 방지와 가공 안정성을 확보할 수 있을 것이다.

본 연구의 결과는 산화갈륨의 기계적 특성을 고려한 와이어쏘 공정 레시피 설계에 중요한 기초 자료를 제공한다. 향후 연구에서는 다양한 결정면과 더 폭넓은 하중 조건을 추가적으로 평가함으로써 산화갈륨의 종합적인 기계적 특성을 규명하고, 공정 안정성을 더욱 높일 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것이다.