• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제45회 하계 정기학술대회 초록집
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• pp.222-222
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• 2013

GaN 기반 반도체는 넓은 bandgap을 가지고 있어 가시광부터 자외선까지 다양한 광전소자에 유용하게 사용된다. 광전소자중 발광다이오드의 경우 대부분 사파이어 기판위에 성장된다. 하지만 사파이어와 GaN의 격자 불일치 및 열팽창 계수의 차이로 인해 고품질의 GaN를 성장하기가 어렵다. 특히 열팽창 계수의 차이는 GaN 성장 공정이 고온에서 이루어지기 때문에 성장후 상온으로 온도가 떨어질 때 웨이퍼의 bowing을 발생시키고 동시에 dislocation이나 crack과 같은 결함이 생성되 GaN 성장막의 품질을 떨어트린다. 웨이퍼의 크기가 커지면 커질수록 웨이퍼 bowing은 커져 이에 대한 연구는 중요하다. 본 논문에서 2인치 사파이어 기판위에 성장된 GaN의 bow특성을 알아보기 위해 먼저 simulation을 하였고 실제로 성장된 GaN 웨이퍼와 비교를 하였다. c-plane 사파이어 기판위에 성장된 c-plane GaN의 bow특성을 알아보기 위해 성장 온도 $1,100^{\circ}C$에서 GaN두께를 1 ${\mu}m$에서 10 ${\mu}m$까지 1 ${\mu}m$씩 변화시켜 가며 simulation을 하였다. GaN두께가 1 ${\mu}m$일때는 bow가 11 ${\mu}m$, 6 ${\mu}m$ 일때는 54.7 ${\mu}m$, 10 ${\mu}m$ 일때는 108 ${\mu}m$를 얻어 GaN두께가 1 ${\mu}m$씩 증가할 때 마다 bow가 약 10 ${\mu}m$씩 증가하였다. 성장온도에 대한 영향을 알아보기 위해 $700^{\circ}C$에서 $1,200^{\circ}C$까지 $100^{\circ}C$씩 증가시켜며 bow특성 simulation을 하였다. 6 ${\mu}m$성장된 GaN의 경우 성장온도가 $100^{\circ}C$ 씩 증가할 때 bow는 약 6 ${\mu}m$ 증가하였다. 실제 성장된 c-plane GaN웨이퍼와 비교하기 위해 GaN을 각각 3 ${\mu}m$와 6 ${\mu}m$를 성장시켰고 high resolution x-ray diffraction장비를 사용하여 bow를 측정한 결과 각각 28 ${\mu}m$와 61 ${\mu}m$ 였고 simulation결과는 각각 33 ${\mu}m$와 65.5 ${\mu}m$를 얻어 비슷한 결과를 보였다. c-plane 사파이어 기판위에 성장된 c-plane GaN는 방향에 무관하게 동일한 bow 특성을 가지는 반해 r-plane 사파이어 기판위에 성장된 a-plane GaN는 방향에 따라 다른 bow특성을 보인다. a-plane GaN 이방향성적인 bow 특성을 알아보기 위해 simulation을 하였다. $1,100^{\circ}C$에서 a-plane GaN을 성장할 때 두께가 1 ${\mu}m$ 증가할 때마다 bow가 c축 방향으로는 21.7 ${\mu}m$씩 증가하였고 m축 방향으로는 11.8 ${\mu}m$ 씩 증가하여 매우 큰 이방향성적인 bow 특성을 보였다. 실제 r-plane 사파이어 기판위에 성장된 a-plane GaN의 bow를 측정하였고 simulation 결과와 비교해 보았다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2010년도 제39회 하계학술대회 초록집
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• pp.150-150
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• 2010

질화물 기반의 LED의 경우 c-plane 사파이어에 GaN을 성장 하는 방법이 많이 연구되어 왔다. 그러나 c-plane 위에 성장시킨 LED는 분극현상이 발생하여 양자효율의 저하와 발광파장의 적색 편이를 야기한다[1]. 이런 문제를 해결하기 위하여 a-plane (11-20), m-plane (10-10) 등의 비극성면을 갖는 GaN을 성장을 통해 분극문제를 해결하고자 하는 방법이 제안되었다 [2] 하지만, 현재 비극성 면을 갖는 고품질의 박막을 성장시키기 어렵다는 단점이 존재한다. 고품질의 박막을 성장시키는 방법으로는 ELO와 다중 버퍼층의 사용처럼 여러가지 방법이 연구되고 있다. 하지만 사파이어의 tilt와 열처리에 따른 표면 개질에 대한 연구는 많이 진행되어지고 있지 않다. 본 연구에서는 사파이어에 열처리를 통하여 표면의 특성 변화를 관찰하고 이를 이용하여 고품위 GaN 박막의 품질을 높이려 하였다. r-plane 사파이어에 유기금속화학증착법(MOCVD)을 이용하여 a-plane GaN을 성장하였다. 이 공정에서 사용한 pre-treatment는off-axis angle을 가진 기판의 표면 열처리이다A-plane GaN 성장전에 m-direction으로 off-axis angle을 가진 r-plane 사파이어 기판을 1300도로 가열한 후 각각의 다른 시간에서 열처리를 진행하였다. Off-axis angle을 가진 사파이어는 표면에 step구조를 가지고 있으며, 이 step의 width를 비롯한 표면의 morphology는 off-axis angle에 따라 달라진다. Off-axis angle을 변화시킨 사파이어를 1300도에서 1시간, 3시간, 5시간 annealing하여 표면을 AFM을 사용하여 관측한 결과 step width가 증가하고 step의 형태가 뚜렷해지며 rms-roughness가 변화한 것을 관찰할 수 있었다. 그리고 이 각각의 기판을 동일한 조건으로 a-plane GaN을 성장하여 박막의 특성을 측정하였다. 본 발표에서는 사파이어 기판의 표면 처리에 따른 비극성 GaN의 특성 변화에 대한 분석 결과를 논의할 것이다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제18권3호
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• pp.25-32
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• 2011

초고휘도 비극성 a-GaN LED를 위한 양질의 R-면 사파이어 기판을 제조하기 위해 절단, 연마공정에 대해서 연구하였다. 사파이어는 이방성이 큰 물질로서 R-면과 c-면의 기계적인 특성의 차이에 의해 기판 제조공정 조건이 영향을 받으며, c-면에 비해서 R-면은 이방성 크며 각 결정학적인 면에서의 이방성은 연마공정에는 큰 영향을 미치지 않으나 절단공정에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. R-면 잉곳의 절단방향이 a-flat에 대해 $45^{\circ}$인 경우에 절단이 가장 효과적으로 이루어졌으며 양호한 절단품질을 얻을 수 있었다. 기계적인 연마가 이루어지는 래핑과 DMP(Diamond mechanical polishing) 공정에서는 c-면 기판과 연마율이 큰 차이가 나타나지 않았으나, 화학반응이 수반되는 CMP(Chemical mechanical polishing) 공정에서는 c-면 기판의 연마율이 R-면 기판의 약 2배 이상 큰 값을 가졌으며, 이는 c-면의 수화반응층 형성에 의한 영향으로 보여진다.

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2009년도 춘계학술발표대회
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• pp.50.2-50.2
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• 2009

사파이어는 질화물계 광전자소자 제작 시 박막 성장 기판으로 주로 사용되어 최근 그 중요성이 부각되고 있다. 특히 미세 패턴이 형성된 사파이어 기판을 이용하여 질화물계 발광다이오드 소자를 제작하면 빛의 난반사가 증가하여 광추출효율에 큰 개선이 나타난다. 또한 사파이어는 화학적 안정성이 뛰어나고, 높은 강도를 지녀 나노임프린트 등 여러 가지 패터닝 공정에서 패턴 형성 몰드로도 응용될 수 있다. 그러나 이와 같은 사파이어의 화학적 안정성으로 인하여 sub-micron 크기의 미세 패턴을 형성하기 힘들며, 현재 사파이어의 패턴은 micron 크기로 제한되어 사용되고 있다. 본 연구에서는 나노임프린트 리소그라피(NIL)를 사용하여 사파이어 웨이퍼의 c-plane위에 sub-micron 크기의 hole 패턴 및 pillar 패턴을 형성하였다. 우선 Hole 패턴을 형성하기 위해 사파이어 기판 위에 금속 hard mask 패턴을 UV 임프린트 공정과 etch 공정을 통해 형성하였다. 그리고 이 금속 패턴을 mask로 사파이어를 ICP 식각을 하여 hole 패턴을 형성하였다. 또한 Pillar 패턴을 형성하기 위해 lift-off 공정을 이용하여 금속 마스크 패턴을 형성하였고 이를 ICP 식각을 통해 사파이어 기판 위에 pillar 패턴을 형성하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제43회 하계 정기 학술대회 초록집
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• pp.338-338
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• 2012

사파이어 ($Al_2O_3$)는 높은 밴드갭 에너지 (~19.5 eV)를 가진 물질로서 우수한 내마모성, 강도, 전기 절연성 및 안정한 화학적 특성을 갖고 발광다이오드 기판, 보석재료 등 각종 산업 및 기술적 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 플립칩 발광다이오드 구조의 경우 광추출효율을 향상시키기 위해 높은 투과도를 갖는 사파이어 기판이 요구되어 왔으며, 지금까지 건식/습식식각방법을 이용한 사파이어 표면에 마이크로 크기의 심한 거칠기 또는 요철이 형성된 나노크기의 격자구조를 형성시키는 연구가 진행되어 오고 있다. 그 중, 나노 크기의 격자구조는 공기에서 반도체 기판까지 선형적인 유효굴절률 분포를 갖기 때문에 표면에서 생기는 Fresnel 반사 손실을 줄일 수 있다. 이러한 구조를 형성하기 위해서는 식각 마스크가 필요한데, 형성 방법으로 레이저 간섭 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 나노임프린트 리소그래피 등이 있으나, 비싼 가격과 복잡한 공정 절차 등의 단점을 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 식각 마스크 패턴을 위해, 보다 저렴하고 간단한 실리카 나노구 및 열적응집 금 나노 입자를 이용하였다. 양면 폴리싱 c-plane 사파이어 기판을 사용하였고, 단일 층의 주기적인 실리카 나노구를 기판 표면에 스핀코팅에 의해 도포한 후 유도결합플라즈마 식각 장비를 이용하여 식각하여 주기적인 패턴을 갖는 렌즈모양의 격자구조를 형성하였다. 그리고 주기적으로 형성된 격자 위에 열 증착기를 이용하여 금 박막을 증착한 후 급속열적어닐닝(rapid thermal annealing)을 이용하여 열처리함으로써 비주기적인 금 나노입자를 형성시켰다. 형성된 금 나노패턴을 이용하여 동일한 조건으로 식각함으로써 광대역 및 전방향성 높은 투과도를 갖는 원뿔 모양의 사파이어 나노구조를 제작하였다. 제작된 샘플의 패턴 및 식각 형상은 전자현미경을 사용하여 관찰하였으며, UV-vis-NIR 분광광도계 (spectrophotometer)를 사용하여 투과율을 측정하였다. 렌즈 모양 표면 위에 원뿔모양의 나노구조를 갖는 사파이어 기판은 일반적인 사파이어 기판보다 향상된 투과율 특성을 보였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.371-371
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• 2013

사파이어 단결정 웨이퍼는 제조과정에서 결정 성장 조건 및 기계적 연마에 의하여 내부적인 결함이 발생할 수 있다. 사파이어 단결정은 일반적으로 LED용 기판 재료로 사용되며, 내부결함이 발생 시 기판 위의 GaN 등 layer의 결함도 함께 증가하므로 기판의 결함을 줄이는 과정이 중요한 이슈이다. 이 과정에 X-선 토포그래피는 단결정의 내부 결함을 모니터링 하는데 있어서 매우 유용한 방법이다. 이에 본 연구에서는 사파이어 단결정 웨이퍼에 내재하는 결함 형태를 X-선 Lang 토포그래피 방법(X-ray Lang Topography)으로 이미징하여 관찰, 분석하였다. Lang 토포그래피 방법은 X-선 투과법으로 넓은 부분을 우수한 강도와 분해능으로 내부 결함을 관찰할 수 있는 장점을 지니고 있다. X-선 source는 Mo $k{\alpha}$ 1을 사용하였으며, 시료는 c-plane 사파이어 웨이퍼를 사용하였다. 사파이어 웨이퍼의 (110), (102) 회절면의 X-선 토포그래피 이미지를 통해 전위 결함의 유형에 따른 이미지 패턴의 형성 메커니즘에 대해 연구하였고, 측정 회절면과 두께, 표면 데미지에 따른 전위 결함 이미지의 변화를 확인하였다. X-선 토포그래피 이미지를 통해 단결정 c-plane 사파이어 웨이퍼의 전위 결함의 형성 메카니즘 연구와 유형별 이미지와 회절면, 두께, 표면 데미지에 따른 이미지 변화 등을 확인하였다.

• 한국세라믹학회지
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• 제40권6호
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• pp.539-546
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• 2003

GaN/사파이어 박막구조는 높은 SAW속도로 인해 고주파 소자로 이용될 가능성이 있다. 일반적으로, GaN 박막은 사파이어의 c, a, 그리고 r-면에 성장한다. 본 연구에서는 사파이어의 기판과 GaN 박막사이의 결정학적 관계에 따라 GaN/사파이어 구조의 파동 방정식을 계산하였다. 각각의 면에서, GaN의 kH와 사파이어의 기판방향에 따라 전단속도가 변화하였다. 그 결과 r-면의 경우 전기기계결합계수가 우수했다. 즉, 재료의 탄성상수와 전기기계결합계수는 기판의 cut 방향과 방향성에 좌우된다. 또한, GaN/r-면 사파이어는 전기기계결합계수가 우수하므로 고주파수 대역 SAW 소자 응용에 보다 더 좋을 것이다.

• 한국결정성장학회지
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• 제10권5호
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• pp.350-355
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• 2000

수평 Bridgeman방식으로 성장된 C축 방향의 사파이어 결정기판을 연마 가공하였으며, 또한 유기금속 기상화학 증착 방법으로 사파이어 기판 위에 GaN 박막을 증착하였다. 사파이어 인고트를 성장하여 2인치 사파이어 기판으로 이용하였으며 웨이퍼 절편장치 및 연마장치를 개발하였다. 이러한 다단계의 연마 가공은 기판 표면을 경면화하였다. 표면 평탄도 및 조도는 원자힘현미경으로 측정하였다. 개발된 사파이어 기판위에 성장된 GaN 박막의 특성 및 청색광소자로의 응용 가능성을 확인하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 1998년도 제14회 학술발표회 논문개요집
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• pp.107-107
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• 1998

GaN 에피택시 층의 전기적, 광학적 특성 및 표면 형상의 향상을 위한 전처리 공 정으로서 사파이어 기판의 질화 처리가 많이 행해지고 있는데 이는 표면에 질화 충올 형성시킴으로서 GaN 충과의 계면에너지 및 격자상수 불일치를 줄여 GaN 충의 성장을 촉진시킬 수 있기 때문이다 본 실험에서는 고 진공 하에서 유도 결합 플라즈마를 이용하여 사파이어 기판의 질화 처리를 행한 후 XPS와 AFM을 이용하여 기판 표면의 질소 조성과 표면 형상을 관찰하였다. 기판 표면의 질소 조성은 질소 가스의 유입량과 기판의 온도보다 칠화 시 간 및 RF-power에 의해 크게 좌우되나 표면 형상은 기판의 온도에 크게 영향올 받는 것으로 나타났다. 따라서 본 실험에서는 기판의 온도를 낮춤으로서 protrusion이 없는 매끈한 표면의 질화 충을 얻올 수 있었다. 핵생성 충의 성장 없이 450 oC의 저온에서 GaN 충올 성장시킨 결과 육방 대청성 의 wurtzite구조를 가지며 bas허 plane이 사파이어 기판과 in-plane에서 300 회전된 관계 를 갖고 있는 것올 XRD -scan으로 관찰하였다. 또한 GaN 충의 성장이 진행됩에 따라 결정성이 향상되고 있는 것이 뼈S ali맹ed channeling 실험올 통해 관찰되었으며 이는 G GaN 충의 두께 중가에 따라 결정성이 향상된다는 것올 의미한다 사파이어 기판의 질 화 처 리 시 간이 증가함에 따라 후속 성 장된 GaN 층의 bas외 pI뻐e에 대 한 XRD -rocking c curve의 반치폭이 감소하는 것으로 나타났는데 이는 기판의 표면이 질화 충으로 전환 됨에 따라 각 GaN island의 c-축이 잘 정렬됨올 의미한다. 또한 AFM으로 ~이 충의 표 면 형상올 관찰한 결과 기판의 질화 처리가 선행될 경우 lateral 방향으로의 G뼈 충의 성장이 촉진되어 큰 islands로 성장이 일어나는 것으로 관찰되었는데 이는 질화 처리가 선행될 경우 Ga과 N의 표면 확산에 대한 활성화 에너지가 감소되기 때문인 것으로 생 각된다 일반적으로 GaN 에피택시 충의 결정성의 향상과 lateral 생장올 도모하기 위하여 성장 온도를 증가시키지만 본 실험에서는 낮은 성장 온도에서도 결정성의 향상 및 l later빼 성장을 촉진시킬 수 있었으며 이는 저온 성장법에 의한 고품위의 GaN 에피택시 충 성장에 대한 가능성올 제시하는 것이다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2000년도 제18회 학술발표회 논문개요집
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• pp.68-68
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• 2000

펄스레이저 증착법(이하 PLD)을 이용하여 마이크로파 유전체 소자 및 절연 산화막으로의 응용을 위한 MgTiO3 박막을 다양한 기판상에서 증착하였다. 사파이어 기판에 (a,c-plane Al2O3) 성장된 MgTiO3 박막은 에피텍셜 성장(epitaxial growth)이 되었으며, SiO2/Si 및 Pt/Ti/Si 기판위세 성장된 MgTiO3 박막의 경우 003방향으로 배향(oriented) 되었다. MgTiO3 박막은 450~75$0^{\circ}C$까지 기판온도를 변화시키면서 증착시켰으며, 증착시 산소분압은 50~200 mTorr로 변화시켰다. PLD 증착시 타켓에 조사된 레이저 에너지 밀도는 약 2J/cm2였으며, MgTiO3 박막 증착후 200Torr O2 분위기에서 상온까지 1$0^{\circ}C$/min 의 속도로 냉각시켰다. 사파이어 c-plane 상에서 일머나잇(ilminite) MgTiO3 구조가 55$0^{\circ}C$ 에피텍셜 성장하는 것을 관찰할 수 있었으며, 사파이어 a-plane 상에서는 MgTiO3 구조가 $650^{\circ}C$ 이상부터 110방향으로 배향되며 성장하였다. $600^{\circ}C$ 이상에서 c-축으로 배향된 구조를 갖고 있었다. 증착된 MgTiO3 박막의 조성분석(stoichio metric analysis)을 위해 RBS 분석을 수행하여, 증착에 이용된 타켓과 동일한 조성을 갖는 MgTiO3 박막이 성장된 것을 확인할 수 있었다. 사파이어 기판상에 증착된 MgTiO3 박막은 가시영역에서 투명하였으며, 약 270nm 파장을 갖는 영역에서 급격한 흡수단을 보였다. 이때의 MgTiO3 박막은 AFM 분석을 통해 약 0.87mn rms roughness 값을 갖는 매우 평탄한 표면구조를 갖고 있는 것을 확인하였다. MIM(Pt/MgTiO3/Pt) 구조의 캐패시터를 형성시켜 MgTiO3 박막의 유전특성(dielectric properties)을 관찰하였다. PLD로 성장된 MgTiO3 박막의 유전율(relative dielectric constant)은 약 22였으며, 1MHz에서 약 1.5%의 유전손실(dielectirc loss) 값을 보였다. 또한 이때 MgTiO3 박막은 낮은 유전분산값을 보였다.