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문제 정의
- 본 논문에서는 발광다이오드 공정에 사용되는 절연체 사파이어 기판의 흡착에 대한 연구를 수행하였다. 알루미나 정전척의 정전기력을 높이기 위하여 미세화된 전극 패턴을 갖는 저저항의 알루미나 유전체를 제조하여 정전기력의 특성을 고찰하였다.
- 본 논문에서는 전산모사를 이용하여 알루미나 정전척의 전극 패턴 미세화에 따른 전기장 변화를 고찰하였다. 전산모사는 전자기장을 포함하는 복합장 (coupled physics)을 해석하는 프로그램인 CoventorWare 를 사용하였으며 전산모사를 이용해 전극 간격 및 전극 폭에 따른 전기장 변화를 모의실험 하였다.
- 절연체 사파이어 기판을 흡착하기 위해 인가전압에 따른 저저항 알루미나 정전척의 정전기력 변화를 알아보고자 한다. 실제로 저저항 알루미나 유전체에 전극 간격을 1.
- 알루미나 정전척의 체적저항과 미세 전극 패턴들이 절연체인 발광다이오드용 사파이어 기판의 정전기력에 미치는 영향을 알아보았다.
제안 방법
- 본 논문에서는 발광다이오드 공정에 사용되는 절연체 사파이어 기판의 흡착에 대한 연구를 수행하였다. 알루미나 정전척의 정전기력을 높이기 위하여 미세화된 전극 패턴을 갖는 저저항의 알루미나 유전체를 제조하여 정전기력의 특성을 고찰하였다. 또한 전산모사(simulation)를 이용해 정전척의 전극 폭에 따른 전기장 변화를 관찰하여 실제 알루미나 유전체와의 정전기력을 비교분석하였다.
- 알루미나 정전척의 정전기력을 높이기 위하여 미세화된 전극 패턴을 갖는 저저항의 알루미나 유전체를 제조하여 정전기력의 특성을 고찰하였다. 또한 전산모사(simulation)를 이용해 정전척의 전극 폭에 따른 전기장 변화를 관찰하여 실제 알루미나 유전체와의 정전기력을 비교분석하였다.
- 를 첨가 하였다. 체적저항이 다른 유전체의 정전기력 특성을 알아보기 위해 순수한 알루미나 유전체와 알루미나에 TiO2가 1.2 wt% 첨가된 유전체를 각각 제조하였다. 본 논문에서 제조한 알루미나 유전체의 조성을 표 1에 나타내었다.
- 정전척의 전극은 도체손실을 낮추기 위해 전기저항이 낮은 은 페이스트(Ag paste, (주)아이엠디, S-3440C)를 사용하였다. 또한 정전척에 높은 전압을 인가할 경우에 발생할 수 있는 전극간의 아킹(arcing)을 방지하기 위해서 전극 위에 폴리이미드 필름을 도포하였다.
- 세라믹 유전체의 내부밀도를 균일하게 하기 위해 냉간 정수압 프레스를 이용하여 제조하였다. 소결은 압축 후 소결온도 1600℃에서 4시간 진행하였으며 4인치 사파이어 기판의 흡착을 위해 4인치 크기의 유전체를 제조하였다.
- 소결된 유전체는 가공공정을 통해 800 µm 두께로 연마가공 처리되었다. 전극 패턴 미세화에 의한 사파이어 기판의 정전기력을 비교하기 위해 체적저항이 다른 유전체들을 전극 간격 3 mm 및 전극 폭 6 mm와 전극 간격 1.5 mm 및 전극 폭 3 mm로 스크린 프린팅을 사용하여 전극패턴을 형성하고 850℃에서 30분 동안 열처리에 의해 전극 결정화를 진행하였다.
- 전극형성 후 전극간 높은 전압에 의한 아킹을 방지하기 위해 고절연성의 폴리이미드 필름을 오토클레이브에서 120℃의 온도에서 30분간 10 kg의 압력을 가해 도포를 진행하였다. 반도체나 발광다이오드 공정 중 냉각 가스 및 냉각수 흐름이 원활하도록 구성된 알루미늄 금속지지대와 알루미나 유전체를 130℃에서 실리콘 겔 접합을 사용하여 일체형으로 구성하였다.
- 전극형성 후 전극간 높은 전압에 의한 아킹을 방지하기 위해 고절연성의 폴리이미드 필름을 오토클레이브에서 120℃의 온도에서 30분간 10 kg의 압력을 가해 도포를 진행하였다. 반도체나 발광다이오드 공정 중 냉각 가스 및 냉각수 흐름이 원활하도록 구성된 알루미늄 금속지지대와 알루미나 유전체를 130℃에서 실리콘 겔 접합을 사용하여 일체형으로 구성하였다. 제조된 정전척들의 체적저항, 전극 간격 및 전극 폭을 표 2에 나타내었다.
- 제조된 유전체의 체적저항을 측정하기 위해 은 페이스트로 전극 처리한 뒤 고절연저항 측정기(high resistance meter; Agilent Technologies, 4339B)를 이용해 인가전압 500 V에서 측정하였다. 누설전류 및 파괴전압 측정은 내전압 테스트 장치를 이용해 0~3.
- 제조된 유전체의 체적저항을 측정하기 위해 은 페이스트로 전극 처리한 뒤 고절연저항 측정기(high resistance meter; Agilent Technologies, 4339B)를 이용해 인가전압 500 V에서 측정하였다. 누설전류 및 파괴전압 측정은 내전압 테스트 장치를 이용해 0~3.0 kV까지 순차적으로 직류전압을 인가하여 측정하였다. 인가전압 후의 알루미나 유전체의 표면 미세구조는 주사전자현미경(SEM; Jeol, JSM-6390) 을 사용하여 관찰하였다.
- 0 kV까지 순차적으로 직류전압을 인가하여 측정하였다. 인가전압 후의 알루미나 유전체의 표면 미세구조는 주사전자현미경(SEM; Jeol, JSM-6390) 을 사용하여 관찰하였다.
- 전극 패턴 미세화에 따른 전기장 전산모사의 고찰을 위해 전산모사(simulation tool, Coventor wareTM, Inc(USA))를 이용하여 유전체 두께 500 µm, 전극두께 10 µm, 인가전압 ±1.5 kV, 전극 간격(gap size) 1.5 mm의 조건에서 전극 폭(electrode width)을 1 mm, 2 mm, 3 mm로 변화시켜 전기장 변화를 관찰하였다.
- 사파이어 기판에 대한 정전기력은 제조된 정전척에 전압을 120초 인가 후 사파이어 기판을 흡착시키고 사파이어 기판에 연결된 게이지(push pull gauge; IMADA, I-DS2-200N)에 인장력을 가해 사파이어 기판이 정전척에서 분리될 때 최대 힘을 측정함으로써 얻어졌다.
- 흡착대상이 반도체 실리콘 기판인 경우에 위와 같은 존슨-라벡형 정전척이 쿨롱형 정전척보다 높은 정전기력을 갖는다는 것은 이미 문헌에 발표된 바 있다4). 따라서 절연체성질의 사파이어 기판에서도 반도체특성의 실리콘 기판 흡착에서 발생되는 존슨-라벡형 정전척의 높은 정전기력을 얻기 위하여 알루미나에 TiO2를 첨가하여 체적저항이 낮은 유전체를 제조하였다.
- 전 산모사 조건은 유전체 두께 500 µm, 전극두께 10 µm, 인가전압 ±1.5 kV에서 전극 간격을 1.5 mm 의 크기로 고정한 뒤 전극 폭을 1 mm, 2 mm 및3 mm로 변화시켜서 설정하였다.
- 결과적으로 알루미나 정전척에 의한 사파이어 기판을 흡착하기 위해서는 높은 인가전압이 필요하며, 알루미나 정전척에 높은 전압을 인가할 때에는 누설전류가 발생되는 상반된 특성을 나타낸다. 따라서 저저항 알루미나 유전체를 사용할 경우에는 거의 누설전류가 발생하지 않으면서 높은 정전기력을 갖는 최대 인가전압으로 2.5 kV를 최적의 인가전압으로 설정하였다.
- 본 논문에서는 전산모사를 이용하여 알루미나 정전척의 전극 패턴 미세화에 따른 전기장 변화를 고찰하였다. 전산모사는 전자기장을 포함하는 복합장 (coupled physics)을 해석하는 프로그램인 CoventorWare 를 사용하였으며 전산모사를 이용해 전극 간격 및 전극 폭에 따른 전기장 변화를 모의실험 하였다. 전 산모사 조건은 유전체 두께 500 µm, 전극두께 10 µm, 인가전압 ±1.
- 전극의 모서리 부분에서 발생된 전기장은 전극 폭을 3 mm 에서 1 mm로 미세화 함에 따라 전극 주변의 유전체에 더 강하게 전기장이 발생하는 것이 관찰되었으며 전극 폭 1 mm에서는 거의 유전체 전체영역에서 전기장이 발생한 것으로 나타났다. 정량적인 전기장의 세기를 측정하기 위해서 전극주변이나 유전체 안에서의 전기장 세기는 각 측정위치마다 그 차이가 나타나므로, 사파이어 기판에서의 전기장 세기를 측정하여 나타내었다. 전극 폭이 3 mm, 2 mm, 1 mm로 좁아짐에 따라 전기장의 세기는 41.
- 5 mm로 고정하여 전극 폭을3 mm 미만의 크기로 더 미세화 패턴을 갖는 경우에는 전압을 인가했을 때 전극 간 아킹이 발생하여 정전척 제조상의 어려움이 있었다. 따라서 저저항 알루미나 유전체에 전극 간격 1.5 mm 및 전극 폭3 mm인 미세전극 패턴의 B형 정전척과 통상적으로 사용되는 기존패턴으로 전극 간격 3 mm 및 전극 폭 6 mm인 A형 정전척을 제조하였다. 인가전압에 따른 저저항 알루미나 정전척의 정전기력 변화를 그림 6에 나타내었다.
- 5 kV로 설정하였다. 따라서 사파이어 기판을 흡착하기 위해 전압을 1.0 kV에서 3.0 kV까지 인가시켰으며 120초 동안 유지한 뒤 기존 전극 패턴의 A형 정전척과 미세 전극 패턴인 B형 정전척의 정전기력을 2.5 kV에서 비교측정 하였다.
대상 데이터
- 정전척으로 사용되는 유전체의 재료는 내열성, 유전성질 및 열전도성이 우수한 알루미나 분말(日本新金屬, LS-110)을 사용하였으며 소결 온도를 낮추기 위해 소결조제인 SiO2, MgO 및 CaCO3를 첨가 하였다. 체적저항이 다른 유전체의 정전기력 특성을 알아보기 위해 순수한 알루미나 유전체와 알루미나에 TiO2가 1.
성능/효과
- 또한 그림 2에서 알 수 있듯이 고저항 및 저저항 알루미나 유전체들은 온도가 증가함에 따라 체적저항은 낮게 나타났다. 따라서 제조된 저저항 알루미나 유전체의 체적저항은 존슨-라벡형 정전척의 체적저항범위에 포함되므로 고저항 알루미나 유전체보다 높은 정전기력을 가질 것으로 사료된다.
- 또한 저저항 알루미나 유전체의 경우에도 2.5 kV의 인가전압까지는 고저항 알루미나 유전체와 유사한 전기적 특성을 나타내었으며, 3 kV에서는 10.40 µm 정도의 낮은 누설전류가 측정되었다.
- 결과적으로 알루미나 정전척에 의한 사파이어 기판을 흡착하기 위해서는 높은 인가전압이 필요하며, 알루미나 정전척에 높은 전압을 인가할 때에는 누설전류가 발생되는 상반된 특성을 나타낸다. 따라서 저저항 알루미나 유전체를 사용할 경우에는 거의 누설전류가 발생하지 않으면서 높은 정전기력을 갖는 최대 인가전압으로 2.
- 그림 5의 Zoomin에서 관찰되듯이 전기장은 거의 전극의 모서리 (edge) 부분에서 형성되었으며 전기장이 가장 강한 곳도 전극의 모서리 부분임을 알 수 있다. 전극의 모서리 부분에서 발생된 전기장은 전극 폭을 3 mm 에서 1 mm로 미세화 함에 따라 전극 주변의 유전체에 더 강하게 전기장이 발생하는 것이 관찰되었으며 전극 폭 1 mm에서는 거의 유전체 전체영역에서 전기장이 발생한 것으로 나타났다. 정량적인 전기장의 세기를 측정하기 위해서 전극주변이나 유전체 안에서의 전기장 세기는 각 측정위치마다 그 차이가 나타나므로, 사파이어 기판에서의 전기장 세기를 측정하여 나타내었다.
- 정량적인 전기장의 세기를 측정하기 위해서 전극주변이나 유전체 안에서의 전기장 세기는 각 측정위치마다 그 차이가 나타나므로, 사파이어 기판에서의 전기장 세기를 측정하여 나타내었다. 전극 폭이 3 mm, 2 mm, 1 mm로 좁아짐에 따라 전기장의 세기는 41.66 mN, 52.03 mN, 65.39 mN으로 증가하여 전극 폭이 줄어들수록 전기장의 세기가 강해지는 것을 확인하였다. 이와 같은 전극 패턴 미세화된 전산모사결과를 토대로 하여 알루미나 유전체에 전극 폭이 미세화 될수록 절연체의 사파이어 기판을 흡착할 수 있는 정전척의 정전기력이 증가할 것으로 예측된다.
- 39 mN으로 증가하여 전극 폭이 줄어들수록 전기장의 세기가 강해지는 것을 확인하였다. 이와 같은 전극 패턴 미세화된 전산모사결과를 토대로 하여 알루미나 유전체에 전극 폭이 미세화 될수록 절연체의 사파이어 기판을 흡착할 수 있는 정전척의 정전기력이 증가할 것으로 예측된다.
- 46 gf/cm2의 정전기력을 가지므로 10 torr의 냉각가스 압력으로 사파이어 기판의 냉각이 가능함을 알 수 있다. 결과적으로 저저항 알루미나 정전 척의 전극 패턴이 미세화되면 발광다이오드 공정에서 절연체인 사파이어 기판을 흡착하기 위한 정전기력이 크게 증가하게 되며 또한 더 높은 압력으로 냉각가스를 흘려주기 때문에 사파이어 기판에 발생 되는 열을 균일하게 냉각시킬 수 있다.
- 22×1017 Ω·cm 인 C형 정전척의 정전기력에 비하여 모든 인가전압 구간에서 정전기력이 높은 것으로 나타났다. 이런 결과는 반도체인 실리콘 기판을 흡착할 경우와 마찬가지로 절연체인 사파이어 기판을 흡착할 경우에도, 존슨-라벡 효과에 의해 저저항 알루미나 정전척이 고저항 알루미나 정전척보다 높은 정전기력을 발생시키는 것을 확인할 수 있었다.
- 따라서 미세화 전극 패턴에 의한 정전기력 증가와 저저항 알루미나 유전체에 의한 정전기력 증가가 복합됨으로써 절연체인 사파이어 기판을 흡착할 수 있는 높은 정전기력을 가짐을 알 수 있다.
- 1. 알루미나에 1.2 wt% TiO2를 첨가한 저저항 알루미나 유전체는 낮은 누설전류를 나타내었고 3 kV 의 고전압에서도 유전체의 절연파괴가 발생하지 않았다.
- 2. 전산모사에서 정전척의 전극 패턴이 미세화 될수록 전극의 모서리 부분에서 강한 전기장이 발생되었으며 전체적인 전기장이 증가하였다.
- 3. 알루미나 정전척의 전극 패턴이 미세화 될수록 사파이어 기판에 대한 정전기력이 증가하였으며, 알루미나 유전체의 체적저항이 낮은 정전척의 경우에는 실리콘 기판에서와 마찬가지로 존슨-라벡형 정전척의 정전기력 증가를 나타내었다.
후속연구
- 4. 미세화 전극 패턴에 의한 정전척의 정전기력 증가와 저저항 알루미나 유전체에 의한 정전척의 정전기력 증가가 복합되어 2.5 kV의 인가전압에서 14.46 gf/cm2의 높은 정전기력을 나타내었으며 발광다이오드용 사파이어 기판의 흡착을 위하여 실제로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
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