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KR101831579B1 - 자외선 led 웨이퍼 - Google Patents

자외선 led 웨이퍼 Download PDF

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KR101831579B1
KR101831579B1 KR1020160146544A KR20160146544A KR101831579B1 KR 101831579 B1 KR101831579 B1 KR 101831579B1 KR 1020160146544 A KR1020160146544 A KR 1020160146544A KR 20160146544 A KR20160146544 A KR 20160146544A KR 101831579 B1 KR101831579 B1 KR 101831579B1
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KR
South Korea
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layer
buffer layer
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stress relieving
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김경훈
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주식회사 포톤웨이브
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Abstract

본 발명은 자외선 LED 웨이퍼에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 자외선 LED 웨이퍼는 사파이어 기판, 상기 사파이어 기판 상부에 증착되는 버퍼층, 상기 버퍼층 상부에 증착되는 N형 반도체층, 상기 N형 반도체층 상부에 증착되는 발광층(emitting layer), 상기 발광층 상부에 증착되는 P형 반도체층 및 상기 P형 반도체층 상부에 증착되는 P형 접촉층을 포함하고, 상기 버퍼층은 가장자리를 따라 스트레스 해소영역을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자외선 LED 웨이퍼 {UV LED wafer}
본 발명은 자외선 LED 웨이퍼에 대한 것이다.
발광다이오드(LED, light emitting diode)는 갈륨비소 등의 화합물에 전류를 제공하여 빛을 발산하는 반도체 소자에 해당한다. 1960년대에 적색 LED가 개발된 이후에 청색 LED를 거쳐 최근 모바일 기기 등에 수요가 급증함에 따라 자외선 LED에 대한 관심이 높아지고 있다.
자외선 LED의 경우 종래 방법에 따르면 사파이어 기판 등의 상부에 버퍼층, N형 반도체층, 발광층 및 P형 반도체층을 증착하게 되는데, 사파이어 기판과 상부층 사이의 격자상수의 부정합, 또는 열팽창계수 차이로 인해 스트레스가 발생하며, 이러한 스트레스에 의해 LED 웨이퍼에 크랙이 발생하는 문제점을 수반한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 자외선 LED 웨이퍼를 제조하는 경우에 격자상수 및 열팽창계수 차이로 인해 발생할 수 있는 스트레스를 해소하여 크랙 등의 발생을 방지할 수 있는 자외선 LED 웨이퍼를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 자외선 LED 웨이퍼를 제작하는 경우에 격자상수 및 열팽창계수 차이로 인해 발생할 수 있는 스트레스를 해소하여 크랙 등의 발생을 방지하면서도 수율 저하를 방지할 수 있는 자외선 LED 웨이퍼를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 사파이어 기판, 상기 사파이어 기판 상부에 증착되는 버퍼층, 상기 버퍼층 상부에 증착되는 N형 반도체층, 상기 N형 반도체층 상부에 증착되는 발광층(emitting layer), 상기 발광층 상부에 증착되는 P형 반도체층 및 상기 P형 반도체층 상부에 증착되는 P형 접촉층을 포함하고, 상기 버퍼층은 가장자리를 따라 스트레스 해소영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 LED 웨이퍼에 의해 달성된다.
여기서, 상기 스트레스 해소영역은 러프층으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 스트레스 해소영역은 상기 버퍼층의 중앙영역의 반사율에 비해 대략 70% 이하의 반사율을 가질 수 있다. 또한, 상기 스트레스 해소영역은 상기 기판의 가장자리에서 0.125mm 내지 7.4mm의 폭을 가질 수 있다. 또한, 상기 스트레스 해소영역은 상기 기판 면적의 1% 내지 50%를 차지하도록 상기 기판의 가장자리에서 그 폭이 결정될 수 있다.
이때, 상기 버퍼층은 1200℃ 내지 1500℃의 온도 범위에서 증착될 수 있으며, 또한, 상기 버퍼층은 50mbar 내지 200mbar의 압력 범위에서 증착될 수 있다.
한편, 상기 버퍼층은 알루미늄나이트라이드(AlN)으로 구성되며, 상기 버퍼층을 증착하는 경우에 알루미늄 소스에 대한 질소 소스의 몰비는 대략 100 내지 5000에에 해당한다.
전술한 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 사파이어 기판 상부에 버퍼층을 증착하는 경우에 상기 버퍼층의 가장자리를 따라 스트레스 해소영역을 형성하여, 자외선 LED 웨이퍼를 제조하는 경우에 격자상수 및 열팽창계수 차이로 인해 발생할 수 있는 스트레스를 해소하여 크랙 등의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 자외선 LED 웨이퍼를 제작하는 경우에 격자상수 및 열팽창계수 차이로 인해 발생할 수 있는 스트레스를 해소하여 크랙 등의 발생을 방지하면서도 상기 스트레스 해소영역의 폭 또는 면적을 적절히 조절하여 수율 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 종래 구조에 따른 자외선 LED 칩의 구조를 도시한 단면도,
도 2는 종래 구조에 따른 자외선 LED 웨이퍼를 제조하기 위하여 버퍼층 상부에 후속층을 증착하는 과정을 도시한 개략도,
도 3은 도 2에서 상기 버퍼층에 발생하는 크랙(crack)을 도시한 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 자외선 LED 웨이퍼를 제조하기 위하여 버퍼층 상부에 후속층을 증착하는 과정을 도시한 개략도,
도 5는 도 4에서 상기 버퍼층의 평면도,
도 6은 종래 구조에 따른 자외선 LED 웨이퍼에서 상기 버퍼층에 생긴 크랙을 촬영한 사진,
도 7은 본 발명에 따른 자외선 LED 웨이퍼에서 상기 버퍼층을 촬영한 사진이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 자외선 LED 웨이퍼에 대해서 상세하게 살펴보도록 한다.
도 1은 종래 구조에 따른 자외선 LED 칩(90)의 구조를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 자외선 LED 칩(90)은 기판(10) 상부에 후술하는 각종 층이 증착되어 형성된다.
상기 기판(10)은 사파이어(sapphire), 실리콘카바이드(SiC), 갈륨나이트라이드(GaN), 실리콘(Si) 등이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 사파이어 기판(10)으로 설명한다. 상기 사파이어 기판(10)은 상대적으로 비용이 저렴하여 널리 사용된다.
상기 사파이어 기판(10)의 상부에 각종 증을 증착시키는 경우에 MOCVD(Metal organic chemical vapor deposition) 장치를 이용하여 에피 방식으로 증착시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 사파이어 기판(10)의 상부에 버퍼층(20)을 증착시킬 수 있다. 상기 버퍼층(20)은 알루미늄나이트라이드(AlN)로 구성될 수 있으며, 전술한 사파이어 기판(10)과 질화물계 에피층은 격자 부정합도 및 열팽창계수 차이가 크므로 결함 생성을 최소화하고 결함 전파를 억제하기 위하여 다단계 성장법을 이용하여 상기 버퍼층(20)이 증착될 수 있다.
상기 버퍼층(20)의 상부에 순차적으로 N형 반도체층(30), 발광층(emitting layer)(40), P형 반도체층(50) 및 P형 접촉층(60)이 증착된다.
상기 버퍼층(20) 상부에 증착되는 상기 N형 반도체층(30)은 알루미늄갈륨나이트라이드(AlxGaN)로 이루어질 수 있으며, 규소(Si)를 도핑하여 N형으로 구성된다.
상기 N형 반도체층(30)의 상부에 빛을 발광하는 발광층(emitting layer)(40)이 증착되며, 상기 발광층(40)은 알루미늄갈륨나이트라이드(AlyGaN)으로 구성될 수 있다.
상기 발광층(40)의 상부에 증착되는 상기 P형 반도체층(50)은 알루미늄갈륨나이트라이드(AlzGaN)로 이루어질 수 있으며, 마그네슘(Mg)을 도핑하여 P형으로 구성된다.
한편, 상기 P형 반도체층(50)의 상부에 P형 전극(70)을 형성시키는 경우에 접촉저항이 매우 높아져서 효율이 떨어지게 된다. 따라서, 상기 P형 전극(70)을 형성하는 경우에 접촉저항을 낮추기 위하여 상기 P형 반도체층(50)의 상부에 P형 접촉층(60)을 증착한다.
상기 P형 접촉층(60)은 갈륨나이트라이드(GaN)에 마그네슘(Mg)을 도핑하여 P형으로 구성되며, 상기 P형 반도체층(50)의 상부에 형성되어 그 상부에 P형 전극(70)을 형성하는 경우에 접촉저항을 줄이는 역할을 하게 된다.
도 2는 종래 구조에 따른 자외선 LED 칩(90)을 제작하기 위하여 자외선 LED 웨이퍼(100)를 제조하는 과정을 도시한 도면이다. 도 2의 (A)는 상기 버퍼층(20)의 상부에 후속층(120)을 증착하는 과정을 도시한 개략도이며, 도 2의 (B)는 상기 버퍼층(20)의 상부에 후속층(120)이 증착된 자외선 LED 웨이퍼(100)를 도시한다.
여기서, 상기 후속층(120)은 전술한 N형 반도체층(30), 발광층(emitting layer)(40), P형 반도체층(50) 및 P형 접촉층(60)으로 구성된다. 도 2의 (A)에서는 상기 버퍼층(20)의 상부에 상기 후속층(120)이 일괄적으로 증착되는 것으로 도시되나 이는 설명의 편의를 위해 도시한 것에 불과하며, 상기 후속층(120)을 형성하는 N형 반도체층(30), 발광층(emitting layer)(40), P형 반도체층(50) 및 P형 접촉층(60)은 실제로 상기 버퍼층(20)의 상부에 순차적으로 증착된다.
도 2를 참조하면, 상기 버퍼층(20)의 상부에 상기 N형 반도체층(30), 발광층(emitting layer)(40), P형 반도체층(50) 및 P형 접촉층(60)으로 구성된 후속층(120)이 순차적으로 증착된다.
그런데, 상기 후속층(120)이 순차적으로 증착되는 경우에 상기 버퍼층(20)과 상기 후속층(120) 사이에 격자 상수(lattice constant)가 서로 상이하여 상기 버퍼층(20)과 상기 후속층(120) 사이의 경계면에 스트레스(stress)가 발생할 수 있다.
이러한 스트레스는 상기 후속층(120)이 증착되는 중에 상기 버퍼층(20)과 상기 후속층(120)의 경계면에 지속적으로 작용하여 도 3에 도시된 바와 같이 상기 버퍼층(20)에 크랙(crack)(22) 등을 발생시킬 수 있다. 이러한 크랙(22)은 자외선 LED 웨이퍼(100)의 성능을 저하시켜 수율을 떨어뜨리는 요인으로 작용한다. 따라서, 본 발명에서는 상기 버퍼층(20)에 발생하는 크랙을 방지하며, 나아가 수율을 떨어뜨리지 않는 자외선 LED 웨이퍼의 구조를 제시한다.
도 4는 본 발명에 따른 자외선 LED 웨이퍼(1000)를 제조하는 과정을 도시한 도면이며, 도 5는 도 4에서 상기 버퍼층(200)의 평면도이다. 도 4의 (A)는 버퍼층(200)의 상부에 후속층(120)을 증착하는 과정을 도시한 개략도이며, 도 4의 (B)는 상기 버퍼층(200)의 상부에 후속층(120)이 증착된 자외선 LED 웨이퍼(1000)를 도시한다. 본 발명에 따른 자외선 LED 웨이퍼(1000)의 구조는 전술한 도 1 및 도 2의 구조와 비교하여 상기 버퍼층(200)의 구조에 있어 차이가 있으며, 나머지 층은 유사하므로 반복적인 설명은 생략한다.
또한, 도 4에서 후속층(120)은 전술한 도 2와 마찬가지로 N형 반도체층(30), 발광층(emitting layer)(40), P형 반도체층(50) 및 P형 접촉층(60)으로 구성되며, 도 4의 (A)에서는 상기 버퍼층(200)의 상부에 상기 후속층(120)이 일괄적으로 증착되는 것으로 도시되나 이는 설명의 편의를 위해 도시한 것에 불과하며, 상기 후속층(120)을 형성하는 N형 반도체층(30), 발광층(emitting layer)(40), P형 반도체층(50) 및 P형 접촉층(60)은 실제로 상기 버퍼층(200)의 상부에 순차적으로 증착된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 버퍼층(200)은 격자 상수 및 열팽창계수의 차이에 의해 발생할 수 있는 스트레스를 해소하기 위하여 가장자리를 따라 스트레스 해소영역(210)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 스트레스 해소영역(210)은 상기 버퍼층(200)의 중앙영역(220)에 비해 상대적으로 러프(rough)하거나, 헤이즈(haze)한 러프영역으로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 스트레스 해소영역(210)은 상기 버퍼층(200)의 중앙영역(220)의 반사율에 비해 대략 70% 이하의 반사율을 가지는 영역으로 정의될 수 있다.
이 경우, 상기 버퍼층(200)의 가장자리에 스트레스 해소영역(210)을 성장시키기 위해서는 상기 버퍼층(200)을 상기 사파이어 기판(10) 상에 증착하는 경우에 성장 조건을 조절하여 상기 버퍼층(200)의 성장 시에 보잉(bowing) 효과를 발생시킨다. 이 경우, 보잉 효과에 의해 상기 버퍼층(200)이 성장하는 경우에 가장자리 영역에서 중앙부에 비해 그 표면이 러프한 영역을 성장시킬 수 있으며, 이러한 러프 영역이 스트레스 해소영역(210)에 해당한다.
전술한 바와 같이, 상기 버퍼층(200)의 가장자리에 스트레스 해소영역(210)을 구비하고, 상기 버퍼층(200)의 상부에 상기 후속층(120)을 증착시키는 경우에 상기 버퍼층(200)의 중앙영역(220)과 후속층(120)의 결합력과, 상기 스트레스 해소영역(210)과 후속층(120)의 결합력은 서로 상이하게 된다. 즉, 상기 스트레스 해소영역(210)과 후속층(120)의 결합력이 상기 버퍼층(200)의 중앙영역(220)과 후속층(120)의 결합력에 비해 상대적으로 약할 수 있다. 따라서, 상기 버퍼층(200)과 후속층(120)의 격자 상수 및 열팽창계수의 차이로 인해 발행하는 스트레스는 상기 스트레스 해소영역(210)에서 해소되어 상기 버퍼층(200)의 가장자리에 발생할 수 있는 크랙 등이 중앙부로 전이되는 것을 방지하여 상기 버퍼층(200)의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
이 경우, 상기 스트레스 해소영역(210)은 상기 버퍼층(200)에 발생할 수 있는 크랙을 방지할 수 있지만 상기 스트레스 해소영역(210)은 자외선 LED 소자를 제조하기 위해서는 최종적으로 제거되어야 하는 영역에 해당한다. 따라서, 상기 스트레스 해소영역(210)이 상기 버퍼층(200)의 영역에서 차이하는 비율이 커지게 되면 수율이 떨어지게 된다.
따라서, 상기 버퍼층(200)에 발생할 수 있는 크랙을 방지하면서 수율 저하를 방지하기 위하여 상기 스트레스 해소영역(210)의 폭 또는 면적이 결정되어야 한다. 예를 들어, 상기 스트레스 해소영역(210)은 상기 기판(10)의 가장자리에서 0.125mm 내지 7.4mm의 폭(t)(도 5 참조)을 가지도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 스트레스 해소영역(210)은 상기 기판(10) 면적의 1% 내지 50%를 차지하도록 상기 기판(10)의 가장자리에서 그 폭이 결정될 수 있다.
상기 스트레스 해소영역(210)의 폭(t)이 가장자리에서 0.125mm보다 작거나, 또는 상기 스트레스 해소영역(210)의 면적이 상기 기판(10) 면적의 1% 보다 작은 경우에 스트레스 해소효과가 낮아서 상기 버퍼층(200)에 발생하는 크랙을 효과적으로 방지할 수 없다.
반면에, 상기 스트레스 해소영역(210)의 폭(t)이 가장자리에서 7.4mm보다 크거나, 또는 상기 스트레스 해소영역(210)의 면적이 상기 기판(10) 면적의 50% 보다 큰 경우에 스트레스 해소효과는 높지만 제거되는 영역이 넓어져서 수율이 낮아지게 된다.
결국, 상기 스트레스 해소영역(210)이 전술한 폭 또는 면적을 가지는 경우에 수율 저하를 방지하면서 상기 버퍼층(200)에 발생할 수 있는 크랙을 방지할 수 있다.
이하, 상기와 같은 스트레스 해소영역(210)을 포함한 버퍼층(200)을 증착하는 과정을 살펴보기로 한다.
전술한 바와 같이 알루미늄나이트라이드(AlN)으로 구성된 버퍼층(200)을 증착하는 경우에 알루미늄 소스로 'TMAL(Trimethylaluminium)'을 사용할 수 있으며, 질소 소스로 '암모니아(NH3)'를 사용할 수 있다. 이때, 상기 TMAL은 대략 10 내지 200sccm의 유량으로 공급될 수 있으며, 상기 암모니아는 대략 100 내지 5000 sccm의 비율로 공급될 수 있다.
이 경우, 알루미늄 소스에 대한 질소 소스의 몰비는 대략 100 내지 5000에 해당한다. 즉, TMAL에 대한 암모니아의 몰비는 대략 100 내지 5000에 해당한다. 상기 몰비가 100보다 작은 경우에는 상기 버퍼층(200)의 가장자리에 상기 스트레스 해소영역(210)이 형성되지 않으며, 상기 몰비가 5000보다 큰 경우에는 상기 스트레스 해소영역(210)이 전술한 폭 또는 면적보다 커지게 되어 수율이 떨어진다.
한편, 상기와 같이 알루미늄 소스 및 질소 소스를 공급하는 중에 상기 버퍼층(200)을 성장시키기 위한 온도와 압력도 중요한 인자로 작용한다. 예를 들어, 상기 버퍼층(200)을 증착시키는 경우에 성장온도를 1200℃ 내지 1500℃의 온도 범위에서 유지하는 경우에 상기 스트레스 해소영역(210)이 상기 버퍼층(200)의 가장자리에 형성될 수 있다.
상기 성장온도가 1200℃보다 작은 경우에는 상기 버퍼층(200)의 가장자리에 상기 스트레스 해소영역(210)이 형성되지 않으며, 상기 성장온도가 1500℃보다 큰 경우에는 상기 스트레스 해소영역(210)이 전술한 폭 또는 면적보다 커지게 되어 수율이 떨어진다.
한편, 상기 버퍼층(200)을 증착시키는 경우에 성장압력은 50mbar 내지 200mbar의 압력 범위에서 유지될 수 있으며, 이 경우 상기 스트레스 해소영역(210)이 상기 버퍼층(200)의 가장자리에 형성될 수 있다.
상기 성장압력이 50mbar보다 작은 경우에는 상기 버퍼층(200)의 가장자리에 상기 스트레스 해소영역(210)이 형성되지 않으며, 상기 성장압력이 200mbar다 큰 경우에는 상기 스트레스 해소영역(210)이 전술한 폭 또는 면적보다 커지게 되어 수율이 떨어진다.
전술한 바와 같이 알루미늄 소스에 대한 질소 소스의 몰비는 대략 100 내지 5000으로 유지하면서, 상기 버퍼층(200)을 상기 기판(10)에 증착하는 중에 성장온도 및 성장압력 중에 적어도 하나를 조절하여 증착하는 경우에 상기 스트레스 해소영역(210)이 포함된 상기 버퍼층(200)을 증착할 수 있다.
도 6은 종래 구조에 따른 자외선 LED 웨이퍼에서 상기 버퍼층에 생긴 크랙을 촬영한 사진이고, 도 7은 본 발명에 따른 자외선 LED 웨이퍼에서 상기 버퍼층을 촬영한 사진이다.
도 6을 참조하면, 종래 구조에 따른 자외선 LED 웨이퍼는 전술한 바와 같이 격자 상수 및 열팽창계수의 차이로 인해 버퍼층에 크랙이 생기는 것을 확인할 수 있다.
하지만, 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 자외선 LED 웨이퍼의 버퍼층, 즉 전술한 바와 같이 스트레스 해소영역을 구비한 버퍼층의 경우에는 크랙이 발생하지 않는 것을 명확히 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
10...사파이어 기판
20...버퍼층
30...N형 반도체층
40...발광층
50...P형 반도체층
60...P형 접촉층
70...P형 전극
220...스트레스 해소영역
100, 1000...자외선 LED 웨이퍼

Claims (8)

  1. 사파이어 기판;
    상기 사파이어 기판 상부에 증착되는 버퍼층;
    상기 버퍼층 상부에 증착되는 N형 반도체층;
    상기 N형 반도체층 상부에 증착되는 발광층(emitting layer);
    상기 발광층 상부에 증착되는 P형 반도체층; 및
    상기 P형 반도체층 상부에 증착되는 P형 접촉층;을 포함하고,
    상기 버퍼층은 가장자리를 따라 스트레스 해소영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 LED 웨이퍼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스트레스 해소영역은 러프층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외선 LED 웨이퍼.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스트레스 해소영역은 상기 버퍼층의 중앙영역의 반사율에 비해 70% 이하의 반사율을 가지는 것을 특징으로 하는 자외선 LED 웨이퍼.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스트레스 해소영역은 상기 기판의 가장자리에서 0.125mm 내지 7.4mm의 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 자외선 LED 웨이퍼.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 스트레스 해소영역은 상기 기판 면적의 1% 내지 50%를 차지하도록 상기 기판의 가장자리에서 그 폭이 결정되는 것을 특징으로 하는 자외선 LED 웨이퍼.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 버퍼층은 1200℃ 내지 1500℃의 온도 범위에서 증착되는 것을 특징으로 하는 자외선 LED 웨이퍼.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 버퍼층은 50mbar 내지 200mbar의 압력 범위에서 증착되는 것을 특징으로 하는 자외선 LED 웨이퍼.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 버퍼층은 알루미늄나이트라이드(AlN)으로 구성되며, 상기 버퍼층을 증착하는 경우에 알루미늄 소스에 대한 질소 소스의 몰비는 100 내지 5000에 해당하는 것을 특징으로 하는 자외선 LED 웨이퍼.
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