LED 제조공정및공정기술 (Sapphire 결정과응용 ) DK 아즈텍 박종관
Contents LED 산업의소개 Sapphire, Single Crystal Sapphire 응용범위 GaN chip 공정소개 결론및토론
Introduction 지구온난화현상과녹색성장 Clean 에너지생산 / 에너지절약 LED 산업의핵심소재 : Sapphire, GaN, SiC, AlN etc 최종제품 (LED TV, LED Light) LED Module (BLU, 조명 ) LED Chip MOCVD 장비 Wafer ( 기판 ) 단결정성장 Ingot Grower 3 기판용원자재
LED 와 GaN epitaxy 파란색으로빛의삼원색구현!!! 무궁무진한응용가능 GaN 의발명과기술혁명 빛의삼원색 White 의구현 - 무한한응용범위 - 저소비전력 - 녹색성장 기판재료 사파이어 etc 4
LED 시장전망 at Year 2012-2013 년이후 LED 조명시장의대두 - 연평균성장율 (CAGR) >5% 예상 - 2013 년이후 LED 조명부각 - 2015 년이후 45% 이상차지 Ref. 2012 Industry outlook, 메리츠종금증권 5
LED 조명기구의변화및기존기구와의비교 대박산업?? 10 조원 - 2011 년 3 조원 - 2015 년 10 조원초월예상 6
From Supply Market to Demand Market Ref. Yole report 2010 [ 그림 ] 2010 년초기사파이어잉곳의수요공급예측 출처 : 09년 11월 17일전자신문 전자신문 09 년 11 월 17 일자 [ 그림 ] LED 후방소재투자집중현상 1 년후.. Sapphire over-supply [ 그림 ] MOCVD 증가수와전년대비증가율 [ 그림 ] 사파이어의과잉투자에따른수요자주도시장 Ref. Americas: Clean Energy: LED, Goldman Sachs, 2011 7
Sapphire Trend in LED Market 품귀현상 흑자시장공급초과 적자시장 [ 그림 ] 사파이어잉곳의가격추이 $/mm ( 10~ 13 현재, Yole report 2012) New entrants 공급초과공급초과 Biz. 재편중 8 [ 그림 ] 사파이어공급과수요 ( 13 현재, Yole 2013)
However, LED Market is growing.. - LED light demand is growing fast - 조명시장이 LED 산업의 Main Stream [ 그림 ] LED 와조명시장의요구 (die 수 ) - 1 st step : 가격드라이브 / 양적성장 - 2 nd step : 성능드라이브 / 품질향상 - 3 rd step : saturation / 시장안정화 Ref. Americas: Clean Energy: LED, Goldman Sachs, 2011 [ 그림 ] Multi-stage adoption in LED light 9
There are many things to do 골드만 52 - 저탄소배출 / 저소비전력기기장려 - Green Industry를위한정책실행 - 한국환경정책 (2013): 전년대비 3.02% 탄소배출감축율백열전등사용금지 [ 그림 ] 백열전등사용비율및사용금지실행연도 LED 개발 Target [ 그림 ]world leading 회사와 LED 의밝기정도 (lm/w) 및이익율관계 Ref. Americas: Clean Energy: LED, Goldman Sachs, 2011 10
Sapphire Ingot 시장과한국의 Position 26% world share 62% for LED 2010 break down reported by Yole 2012 32% Cylinder 23% Wafer 11
Sapphire Ingot 시장동향및전망 6 market will take over year 2015, 8 sapphire will be introduced Ref. Yole Development 1212 [ 그림 ]LED Sapphire Revenue forecast by diameter break down 12
Winners-take-all market 승자독식시대 : 예 ) Mobile Phone 시장 Trend 2007 2011 2012 사파이어시장의예측과준비가필요한시대 [ 그림 ] 연도별 Mobile Phone Supplier 점유율 Ref. STC발표자료 전문가초청세미나 LED 업황이어떻게진행중인가? 13
Contents LED 산업의소개 Sapphire, Single Crystal Sapphire 응용범위 GaN chip 공정소개 결론및토론
Sapphire, where it comes from.. 고순도알루미나 Bauxite 수입과이의정제를통한알루미나원소재제조 ( 국내 ) Al(OH)3 를이용한 NaOH 로녹여, 정제하는기술 사파이어단결정 LED 재료 Non-LED 재료 기판 (LED, 휴대폰 ), LED 조명 LED TV 의 BLU(Back Light Unit) 방산 / 휴대폰 / 투명 window Green 소재로써 LED, Non-LED 재료로응용증가 / Hand phone 소재까지.. 파인세라믹스 전기전자재료촉매 / 담체연마제비산화물생체, 생화학재료 전자부품 ( 콘덴서, 센서 ), 형광체자동차연소 / 배기가스정화필터 AIP, 초미립알루미나파우더 AlN, 기타복합비산화물의료장비, 인공치근, 인공관절 15
Back-ground Study : Why single crystal? Single crystal : 소재고유의특징을공업적으로활용 (application) 하기위한수단 How to grow single crystal, continuous and unbroken crystal lattice by the nature Mechanism Growth Method Examples Vapor phase growth CVD/ PVD/ Sublimation/ PLD etc GaN, ITO, SiC etc Solid state growth Stain anneal/ Sintering Pb, whisker etc Solution growth Flux / Hydro-thermal / Sol-gel growth SiO 2, CaCO 3 etc Melt growth Freezing/ Zone melting/ Crystal pulling Si, GaAs, Al 2 O 3 etc Growth from the melt is the easy way to get bulky crystal Si single crystal is based on ignition of semi-conducting era. 16
Guide line for crystal growth( 단결정성장방법선택기준 ) What do you want to grow? 융액 [ Melt] No Crucible FZ 법 Vernueil 법 Pedestral 법 Stoichiomatic Material Melt Growth Solidification in Crucible Bridgman 법 Scull 법 Soluble Solidification out of Crucible EFG 법 Ky 법 Cz 법 Sapphire Single Crystal Growth Non-stoichiomatic Material 용액 [solution] Solution Growth Growth Without Seed Growth from Seed Flux 법 Hydro-thermal 법 Zone Melting 법 Evaporable Using Flux Solvent growth Non-soluble Non-evaporable 17 Carrier Gas Vapor growth GaN Sintering법 Abnormal- Grain Growth법
Crystal defects ( 결정결함이란..) Crystal defect is the everything interrupting in arrangement of atom or molecules in crystalline solidified in a periodic crystal structure. ( 결정결함이란, 규칙적으로배열된구조의원자및분자규칙을깨는모든것 ) Point defects planar defects/ Stacking fault A B C A B C A B A B C A B C Line defects Void/ Bubbles/ inclusion/ precipitant all kind of 3D defect(s) 18
History of Sapphire 1890년대 : Auguste V. L. Verneuil(1856~1913), Commercial Scale의 Sapphire & Ruby 제조 (Flame Fusion) 1929년 : watch glass를 sapphire로적용 1930년대 : S. K. Popov(1903~1953), 현재수준의 Flame Fusion 법완성 1960년대 : Czochralski Method for Sapphire Laser Material 개발 Stepanov가 Stepanov Method개발 (EFG) H. Labelle (U.S.) 가 EFG Method 발표 military application 1967년 : F.Schmid & D. Viechnicki, HEM Method 발명 1970년대상업화 1970년대 : M. Musatov, Kyropoulos Method (GOI Crystal Growth Method) 개발 1970 년 : Silicon on Sapphire 개발 1992년 : First Blue LED성공 (S. Nakamura, Nichia Ltd.) 1999년 : BLU등의 mobile application 증가 2010년 : LCD TV증가로인한 BLU shortage/ Sapphire 공급부족발생 2012년 : LED 저성장 (Sapphire excess capacity), Cell phone등적용 19 [ 그림 ] sapphire application
Characteristics of Single Crystal Sapphire Source from Kyocera. Ltd Mechanical Characteristics Electrical Characteristics Crystallographic Structure Reference Density Vickers Hardness Flexural Strength Tensile Strength Compressive Strength Hexagonal System, a=4.763å c=13.003å Rhombohedral Single crystal 3.97 103kg/m3 22.5GPa(HV1(Load=9.807N) 690MPa 2250MPa 2,940MPa Dielectric strength Volume Resistance Dielectric Constant Dielectric Loss Angle 48 106V/m Optical Characteristics Index of Reflection 20 >1014Ω cm 500 1011Ω cm 11.5(1MHz, // Caxis) 9.3(1MHz, C axis <1( 10-4)(1MHz) No=1.768 Ne=1.760 @589nm Young's Modulus 470GPa Optical Transmission Refer to the Fig. below Poisson's Ratio 0.18~0.29 Thermal Characteristics Melting Point 2,053 Coefficient of Linear Thermal Expansion 7.7 10-6/ (40~400 // Caxis) 7.0 10-6/ (40~400 C axis) Thermal Conductivity 20 42W/ (m k) Specific Heat 0.75 103J/ (kg K) Emittance <0.02(λ=2.6~3.7μm880 ) Transmission vs. Wave Length
Sapphire 단결정 Ingot 제조 제조방법및업체 Kyropoulos Rubicon, Monocrystal, DK AZTEC, Hansol Tech, SSLM, Siltron etc EFG Kyocera, Namiki, RSA, Saint- Gobain Czochralski Kyocera, Saint- Gobain HEM Arc Energy, GT Solar VHGF Sapphire Tech. [ LED 용 Substrate M/S 채택율 ] Developed in Russia, and grown by Unite State, pulling up by Asia 21
Brief Review of Growth Method of Sapphire Ingot EFG Czochralski HEM VHGF Kyropoulos 잉곳 Seed pulling Seed pulling Down to up Down to up Up to down 특성 온도구배법 a 축성장 도가니재사용 결정질 bad 생산성우수 온도구배법 c 축성장 도가니 (Ir) 선택성 자연냉각법 a 축성장 1 회성도가니 He gas 사용 낮은수율 자연냉각법 a 축성장 1 회성도가니 생산성우수 pulling + 자연냉각법 a 축성장 도가니 (W) 재사용 낮은수율 개발현황 3 인치개발 4 인치이상진행중 Ir 이외도가니개발중 HZ 의수명 4 인치개발완성 c 축성장개발 >6 가능 4 인치개발 6 인치진행중 ~200kg 개발 가장보편적성장법 >6 가능
c-axis 성장 a-axis 성장 Wafer Extraction from Sapphire Ingot c-axis c-axis c-axis 23
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Sapphire for GaN-epitaxial LED (LED 용사파이어개발이유 ) 청색 LED의핵심소재인 GaN를증착시키기위한기판소재 - 타기판재와비교해, 저가이며공급이용이 - 대구경화가용이 ( 실적존재 ) - LED 산업성장과더불어대량공급가능소재에부합 25
Larger diameter, more chips ( 경제논리와 LED 산업 ) [ 표 ] wafer 의크기와생산 chip 수 2 4 6 Larger sapphire Simpler process Less labor More chips Low price Commercialization Broad Use 26
Sapphire 성장소개 (Kyropoulos) 완전용융된 Al 2 O 3 융체에 Seed 를이용하여 touch 후, pulling 과온도강하를통해고화를유도하고, target 크기이후에서자연냉각으로결정을성장시키는공정으로이루어짐 알루미나 (Al 2 O 3 ) 재료장입 Melting Seeding Shouldering 도가니 Growing 사파이어잉곳추출 27 Core Drilling & 외경가공 Wafer 가공
Sapphire 가공공정 : 그흐름과대구경화의핵심기술 Core drill Wire saw Lapping Bevel waxing a-axis ingot 에만필요 Diamond pad Fine polishing CMP Inspection Cleaning 공정간 Annealing 유무
Core tech. 1: Multi wire sawing M/C 국산화 높은수입의존도및 wire 및 slurry 의소모품존재 공정가공도요구 : pitch 간두께, 소재손실제어, 효율성 etc ( 대구경화에필수 ) 국산화율 0%!! 공정기술 ( 높은장비의존도 ) - BOW( 휨 ), TTV( 두께편차 ) 등의제어기술 - 공정 throughput time saving ( 장비회사특허 ) - 공정재현성 장치 / 소재기술 - 고속가공기 ( 좌우, 역 / 순방향회전등 ) - Wire saw ( 형상, 두께, 강도 etc) - Slurry 및 coolant ( 공정효율및장비보호 ) 29
Core tech. 2: Polishing M/C 내재화 공정진보진행중 높은수입의존도및 wire 및 slurry 의소모품존재 공정기술 ( 대구경화에따른필요성 ) - 고속가공기술 ( 평탄도및스트레스최소화 ) : 추가 annealing 공정방지 - 공정재현성 ( 대형장비에서의균일 performance) Diamond polishing 2nd polishing CMP (fine polishing)
CTQ(Critical To Quality) for wafering process 모든 wafering 공정은후공정에문제기인해소를 target 으로진행 [ 그림 ] BOW : flatness of wafer non-uniformity 문제 [ 그림 ] TTV/LTV : thickness uniformity PSS shot 문제 [ 그림 ] Wafer 상태별 LED 명도비교 [ 그림 ] Particle: defect PSS coating fail 문제 31
NonLED Sapphire 응용범위소개 Sapphire 특성으로본다양한응용영역과기술수준 Smart phone 적용에대한시장파괴력높음 ( 기술장벽 : 가격 ) 32 Yole report 2013
방산용사파이어소재응용분야 - 방산용사파이어의시장규모및응용분야추정약 4300만 $(400억원 ) 규모 (cf. 스마트폰시장 =400조원이상 ) 고온안정, 경도및장파장투명소재로주목 - 장벽 : 1. 대구경사파이어제조불가 세계소수국에서생산 2. 제조단가가높다 방산관련고부가가치산업 3. 국산화요구, 엄격한품질기준 극한소재기준엄격 - Trend 진입장벽이높아제한적공급예상사파이어적용증가할것으로예상 - 분야 (4가지로구분 ) 이미지감시 / Targeting, 기만시스템 방탄소재 (vessel): Transparent Armor Missile domes: 추적, target시스템 전자감시시스템 : EVS, IRCM etc [EOTS & EOIR System] 33
Contents LED 산업의소개 Sapphire, Single Crystal Sapphire 응용범위 GaN chip 공정소개 결론및토론
GaN on Sapphire GaN (Wurtzite structure) Structure and plane direction of sapphire crystal Sapphire-GaN lattice mismatch : 16% Thermal expansion mismatch : 25% Dislocation 발생율 : about 10 8 ~10 10 cm -2 GaN on Sapphire 35
GaN LED Chip Process 모식도 36
Patterened Sapphire Substrate (PSS) PSS PR pattern Patterned Sapphire Substrate process PSS pattern - 표면난반사를이용한광추출효율 (extraction efficiency) 최대 70% 이상향상. - Threading dislocation 의감소에의한내부양자효율증가. 37
Polar and Non-polar GaN Blue shift 비극성 GaN - GaN 에피층의방향을 M면으로성장. - 분극현상이일어나지않아내부양자효율의증가, 도핑의용이성, bule shift가발생치않음. - 기판의부재및 Epi. 성장의어려움이문제. 비극성 GaN 성장용 R면사파이어기판개발필요성 - M면 GaN 에피층을재현성있게상업화하는기술개발을위해규격표준화된 R면사파이어기판필요. (R면기판의두께, off각도와 roughness등의규격화필요 ) 38
Lateral LED and Vertical LED Lateral LED Light emission area - loss of N-contact area ESD/Vf - local current concentration - low reliability Substrate - sapphire(insulating, low thermal conductivity) ESD : Definition of electrostatic discharge vertical LED Light emission area - Emission from whole chip surface (increase of # of chip per wafer) ESD/Vf - Uniform current spreading (low voltage) - Improved ESD Substrate - Metal (high thermal and electrical conductivity) 39
Contents LED 산업의소개 Sapphire, Single Crystal Sapphire 응용범위 GaN chip 공정소개 결론및토론
Summary Sapphire Ingot Sapphire Wafer LED Chip LED Module Device(s) LED 분야에서전방산업 (Sapphire 결정및가공 ) 에많은과제존재 Sapphire 결정에서다양한응용범위존재 41
자유토론 LED 조명의다양화및특정상품화 사파이어산업의종속성 : LED 뿐만아니라타산업으로의 penetration GaN 잉곳, 수직형 LED, COB 팩키지등을통한경쟁력!! 광효율 (lm/w) 을증대시키기위한공정개선!! 기판재료의지속적인개발 : SiC, Free-standing GaN 등의도전 42
Thank you for your kind listening