• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2000.02a
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• pp.31-31
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• 2000

Al2O3는 높은 화학적, 열적 안정성으로 인하여 미세전자 산업에서 절연막이나 광전자소자의 재료로써 널리 이용되고 있다. 특히, 사파이어는 고위도의 LED, 청색 LD의 재료인 GaN 계열의 III-Nitride 물질을 성장시킬 때 필요한 기판으로 보편적으로 사용되고 있다. 이러한 GaN계열의 광소자 제조에서 사파이어 기판을 적용시 지적되는 문제점들 중의 하나는 소자제조 후 사파이어의 결정 구조 및 높은 경도에 의해 나타나는 cutting 및 backside의 기계적 연마가 어렵다는 것이다. 최근에는 이온빔 식각이나 이온 주입 후 화학적 습식 시각, reactive ion etching을 통한 사파이어의 건식 식각이 소자 분리 및 backside 공정을 우해 연구되고 있다. 그러나 이러한 방법을 이용한 사파이어의 식각속도는 일반적으로 15nm/min 보다 작다. 높은 식각율과 식각후 표면의 작은 거칠기를 수반한 사파이어의 플라즈마 식각은 소자 제조 공정시 소자의 isolation 및 lapping 후 연마 공정에 이용할 수 있다. 본 연구에서는 평판 유도결합형 플라즈마를 이용하여 Cl2/BCL3/Ar 의 가스조합, inductive power, bias voltage, 압력, 기판온도의 다양한 공정 변수를 통하여 (0001) 사파이어의 식각특성을 연구하였다. 사파이어의 식각속도는 inductive power, bias voltage, 그리고 기판 온도가 증가할수록 증가하였으며 Cl2에 BCl3를 50%이하로 첨가할 때 BCl3 첨가량이 증가할수록 식각속도 및 식각마스크(photoresist)와의 식각선택비가 증가하는 것을 관찰하였다. 또한, Cl3:BCl3=1:1의 조건에 따라 Ar 첨가에 따른 식각속도 및 표면 거칠기를 관찰하였다. 본 연구의 최적 식각조건인 40%Cl2/40%BCl3/20%Ar, 600W의 inductive power, -300V의 bias voltage, 30mTorr의 압력, 기판온도 7$0^{\circ}C$에서 270nm/min의 사파이어 식각속도를 얻을수 있었다. 그리고 이러한 식각조건에서 표면의 거치기를 줄일수 있었다. 사파이어 식각은 보편적인 사파이어 lapping 공정시 수반되어 형성된 표면의 거치기를 줄이기 위한 마지막 공정에 응용될수 있다. 사파이어의 식각시 나타나는 식각 부산물은 플라즈마 진단방비인 optical emission spectroscopy (OES)를 통하여 관찰하였고, 식각시 사파이어의 표면성분비 변화 및 표면의 화학적 결합은 X-ray photoelectron spectroscopy(XPS)를 사용하여 측정하였다. 시각 전, 후의 표면의 거칠기를 scanning electron microscopy(SEM)을 통하여 관찰하였다.

• Proceedings of the Korean Society Of Semiconductor Equipment Technology
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• 2005.09a
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• pp.59-62
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• 2005

백색 LED 램프를 제조하는 공정에서 램프간의 전기적 개방상태의 절연상태를 유지하기 위해 사파이어 기판 위에 성장된 GaN 계 반도체 에피박막층을 제거하기 위해 유도 결합형 플라즈마 식각 공정을 이용하였다. 4 미크론의 두께를 갖는 GaN 층을 식각하는데 있어 식각 방지 마스킹 물질로 포토레지스트, $SiO_2,\;Si_{3}N_4$ 및 $Al_{2}O_3$를 시험하였다. 동일한 전력 및 가스유량상태에서 $Al_{2}O_3$만 에피층을 보호할 수 있음을 확인하였다.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.11 no.3
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• pp.221-226
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• 2001

The basal slip (0001)1/3<1120 > dislocation velocity in sapphire ($\alpha$-$Al_2$$O_3$) single crystals was measured by four-point bending test. The bending experiment was carried out in the temperature range from 120$0^{\circ}C$ to $1400^{\circ}C$ at various engineering stresses 90MPa, 120MPa, and 150MPa. The velocity of such dislocations was estimated from the bending displacement rate of the four-point bend sample. The dependence of temperature and stress in dislocation velocity was investigated. The activation energy for dislocation velocity was determined to be about 2.2$\pm$0.4eV. In addition, the stress exponent (m) describing the stress dependence of dislocation velocities was in the range of 2.0$\pm$0.2.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.19 no.10
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• pp.923-929
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• 2006

Single crystalline ZnO films were successfully grown on R-plane sapphire substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Epitaxial relationship between the ZnO film and the R-plane sapphire was determined to be $[-1101]Al_2O_3{\parallel}[0001]ZnO,\;[11-20]Al_2O_2{\parallel}[-1100]ZnO$ based on the in-situ reflection high-energy electron diffraction analysis and confirmed again by high-resolution X-ray diffraction measurements. Grown (11-20) ZnO films surface showed mound-like morphology along the <0001>ZnO direction and the RMS roughness was about 4 nm for $2{\mu}m{\times}2{\mu}m$ area.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 1997.05a
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• pp.35-35
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• 1997

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.317-317
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• 2012

사파이어는 우수한 광학적, 물리적, 화학적 특성을 가지고 있는 물질 중의 하나이며, 청색 발광특성을 나타내는 GaN와 격자상수, 열팽창 계수가 가장 유사할 뿐만 아니라 가격도 상대적으로 저렴하여 GaN 성장을 위한 기판으로 사용된다. 실제로 사파이어는 프로젝터와 전자파장치, 군사용 장비 등 다양한 분야에 응용되고 있으며, 발광 다이오드(LED)를 위한 기판으로 활용됨으로써 그 수요가 급격히 증가하고 있다. 그러나 사파이어 결정의 성장 중에 생길 수 있는 전위(dislocation)와 적층결함(stacking fault) 등의 결정 결함들은 결정 내에 존재하여 역학적, 전기적 성질에 큰 영향을 미칠 수 있다. 특히 사파이어가 청색 발광소자의 기판으로 사용되는 경우, 사파이어 기판 내부의 결정 결함은 증착되는 박막 특성에 영향을 미치게 된다. 따라서 사파이어의 보다 나은 응용을 위해서는 결함의 형성 메커니즘과 결정 결함의 평가기술 등에 대한 이해가 필요하고, 특히 결함의 정량적 평가 기술의 개발은 사파이어의 상용화에 중요한 핵심요소 중 하나이다. 결정 내 결함이 위치하는 부분은 분자나 원자간의 결합이 약하거나 높은 에너지 상태이므로, 결정의 표면을 적절한 산이나 염기 등을 이용하여 에칭하면 에칭반응은 결정의 전위 위치에 해당하는 부분부터 일어나 결정의 표면에 에치핏을 형성한다. 따라서 결정 표면에 나타나는 에치핏의 개수를 관찰하면 결정의 전위 밀도 파악이 비교적 간단하고, 에칭반응의 이러한 특징은 전위의 정량적 평가에 이용이 가능하다. 본 연구는 4인치 사파이어 조각기판을 수산화칼륨(KOH)으로 습식에칭 후 표면에 나타나는 에치핏의 형성거동과 이의 시간 및 온도 의존성에 관한 연구를 진행하였다. 또한 단결정의 전위밀도를 예측하기 위해 사파이어 조각시편의 단위면적당 에치핏의 개수를 파악하여 에치핏밀도(EPD, etch pid density)를 계산하였고, 값의 불확도(uncertainty)를 계산하여 전위밀도의 신뢰도를 평가하였다. 그 결과, 사파이어 조각시편의 에치핏밀도는 단위면적($cm^2$)당 약 ${\sim}10^2$개로 확인되었고, 이 값은 약 2%의 상대불확도를 가지는 것으로 나타났다.

• Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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• v.29 no.1
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• pp.24-31
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• 2019

The current study demonstrates an efficient procedure to create ingots from $Al_2O_3$ powder using the skull melting method to use these ingots as a starting material in conventional methods for growing synthetic single-crystal sapphire. Dimension of the cold crucible was 24 cm in inner diameter and 30 cm in inner height, 15 kg of $Al_2O_3$ powder was completely melted within 1 h at an oscillation frequency of 2.75 MHz, maintained in the molten state for 3 h, and finally air-cooled. The areal density and components of the cooled ingot by parts were analyzed through scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS). The areal density and $Al_2O_3$ content of the ingot were related to the temperature distribution inside the cold crucible during high-frequency induction heating, and the area with high temperature was high tends to be high in areal density and purity.

• Applied Microscopy
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• v.36 no.3
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• pp.155-163
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• 2006

The defects in a synthesized crystal of ${\alpha}-Al_2O_3$ used as substrate for growing of semi-conductor materials such as GaN were examined by the conventional transmission electron microscopy (TEM), Large Angle CBED and High-Angle Annular Dark Field (HAADF) STEM methods. The dominant defects found in the specimen are basal microtwins with the thickness of ${\sim}2\;to\;32 nm$ and the associated strong strain field at the interface of microtwin/matrix, basal dislocations and complex dislocations in the one of {$2\bar{1}\bar{1}3$} pyramidal slip plane. All these basal and pyramidal dislocations seem to be strong related to basal microtwins. It was also found that the density of defects is very uneven. In the certain area with the dimension of a few fm, the dislocation density is quite high as an order of ${/sim}10^{10}/cm^2, but the average density is roughly estimated to be less than ${\sim}10^5/cm^2, as is usually expected in general synthesized crystals.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.327-327
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• 2012

사파이어는 우수한 광학적, 물리적, 화학적 특성을 가지고 있는 물질 중의 하나이며, 청색 발광특성을 나타내는 GaN와 격자상수, 열팽창 계수가 가장 유사할 뿐만 아니라 가격도 상대적으로 저렴하기 때문에 GaN 성장을 위한 기판으로 사용될 수 있다. 실제로 사파이어는 프로젝터와 전자파 장치, 군사용 장비 등 다양한 분야에 응용되고 있으며, 발광 다이오드(LED)를 위한 기판으로 활용됨으로써 그 수요가 급격히 증가하고 있다. 그러나 사파이어 결정의 성장 중에 생길 수 있는 전위(dislocation)와 적층결함(stacking fault) 등의 결정 결함들은 결정 내에 존재하여 역학적, 전기적 성질에 큰 영향을 미칠 수 있다. 특히 사파이어가 청색 발광소자의 기판으로 사용되는 경우, 사파이어 기판 내부의 결정 결함은 증착되는 박막 특성에 영향을 미치게 된다. 따라서 사파이어의 보다 나은 응용을 위해서는 결정 결함에 대한 평가기술과 결함의 형성 메커니즘 등에 대한 이해가 필요하다. 특히, 결함의 정량적 평가 기술의 개발은 사파이어의 상용화에 중요한 핵심요소 중 하나이다. 결정을 산이나 염기 등을 이용하여 화학적 식각을 하게 되면 분자나 원자 간의 결합이 약한 부분이나 높은 에너지 상태에 있는 부분부터 반응을 하게 되는데, 이러한 반응을 통해 결정의 표면에 형성되는 것을 에치 피트(etch pit)라고 한다. 일반적으로 결정 내에 존재하는 전위는 높은 에너지 상태이므로, 이러한 에치 피트는 전위와 관련되어 있다. 따라서 사파이어 결정과 같은 결정질 물질은 표면의 식각을 통하여 관찰되는 에치 피트 등의 형상이나 반응성 등을 평가하여 결정 특성을 연구할 수 있다. 본 연구는 화학적 식각법으로 사파이어 결정의 특성을 평가하기 위하여 진행하였다. 사파이어 결정의 식각을 위하여 다양한 산-염기 용액들이 사용되었다. 식각 용액의 종류에 따른 사파이어 결정의 식각거동을 연구하고, 표면에 나타나는 형상을 연구하여 사파이어 결정의 구조적 특성을 파악하였다. 특히, 에치 피트 형성거동의 시간 및 온도 의존성에 관한 연구를 진행하였다.

• Journal of the Korean Vacuum Society
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• v.8 no.4B
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• pp.514-518
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• 1999

Gold (Au) is not supposed to react with sapphire(single crystalline ) under thermodynamic equillibrium, therefore, a strong adhesion between these two dissimilar materials is not expected. However, pull test showed that the gold film sputter-deposited onto annealed and pre-sputtered sapphire exhibited very strong adhesion even without post-deposition annealing. Strongly and weakly adhered samples as a result of the pull testing were selected to investigate the adhesion mechanisms with Auger electron spectroscopy. The Au/ interfaces were analyzed using a new technique that probes the interface on the film using Auger electron escape depth. It revealed that one or two monolayers of Au-Al-O compound formed at the Au/Sapphire interface when AES in the UHV chamber. It showed that metallic aluminum was detected on the surface of sapphire substrates after irradiating for 3 min. with 7keV Ar+ -ions. These results agree with TRIM calculations that yield preferential ion-beam etching. It is concluded that the formation of Au-Al-O compound, which is responsible for the strong metal-ceramic bonding, is due to ion-induced cleaning and reduction of the sapphire surface, and the kinetic energy of depositing gold atoms, molecules, and micro-particles as a driving force for the inter-facial reaction.