KR100890085B1 - 질화물 기판 제조 방법 - Google Patents

Abstract

기판의 가장 자리를 얇게 가공하여 결정 성장시 그 가장 자리에 발생되는 다결정의 질화물층을 제거함으로써 후속 공정인 레이저 리프트 공정을 원활히 하는데, 이를 위해 본 발명은 가장 자리가 소정의 두께만큼 얇게 가공된 기판의 상부에 질화물층을 성장시키고, 그 성장이 완료되어 상기 두께가 얇게 가공된 기판의 가장 자리에 다결정의 질화물층이 성장되면, 상온(常溫)으로 온도를 내려 상기 기판의 가장 자리를 분리한 후, 기판의 이면에 레이저를 조사하여 기판과 질화물 결정이 성장된 질화물층을 분리하도록 한다.

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Description

질화물 기판 제조 방법{Method for manufacturing substrate of Nitride chemical semiconductor}

도 1은 일반적인 결정 성장시 기판 가장 자리에 다결정 질화물층이 성장되는 양태를 도시한 도면이고,

도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 질화물 기판 제조 방법을 도시한 공정 순서도이고,

도 3은 본 발명에 적용되는 기판 가공 방법의 실시예가 적용된 장치를 도시한 도면이고,

도 4는 본 발명인 질화물 기판 제조 방법의 실시예가 적용된 장치를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

40 : 전기로 41 : 챔버

42 : 갈륨 보트 43 : 제 1 주입관

44 : 제 2 주입관 45 : 단결정 질화갈륨층

45 : 기판 47 : 다결정 질화갈륨층

본 발명은 기판의 가장 자리를 얇게 가공하여 결정 성장시 그 가장 자리에 발생되는 다결정의 질화물층을 제거함으로써 후속 공정인 레이저 리프트 공정을 원활히 할 수 있도록 하는 질화물 기판 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 고 효율의 단파장 광소자에 대한 수요가 늘어남에 따라 이러한 용도에 적합한 것으로 알려져 있는 질화물 반도체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데,특히, 청자색 계열의 단파장 광소자 이외에 포스퍼(Phosphor)를 첨가하여 백색광을 만들 수 있게 되면서, 이 분야에 대한 관심의 폭이 날로 증대되어지고 있다.

한편, 이러한 질화물 계열의 레이저 다이오드와 같은 발광 소자에서는 기판으로 사파이어를 주로 사용하였으나, 질화물과 사파이어는 격자 상수 및 열 팽창 계수의 차이로 인해, 사파이어 기판에 질화물층을 형성하면, 고 밀도의 결정성 결함이 발생하는 문제점이 있었다.

이를 해소하기 위하여 프리 스탠딩(Free standing)된 질화물 기판으로 발광 소자를 제조하려는 시도가 이루어지고 있는데, 이러한 프리 스탠딩 기판 제조 방법은, 예컨대 사파이어 기판 상부에 질화물층을 성장시킨 후, 그 사파이어 기판으로 레이저를 조사하면, 레이저 광에 의한 열 에너지가 질화물층과 사파이어 기판의 경계면에서 집중이 되고, 집중된 열 에너지에 의해 N₂ 분자가 외부로 토출됨으로써 질화물층과 사파이어 기판의 분리가 발생된다.

하지만, 도 1에 도시된 바와 같이 질화물의 일종인 질화갈륨(GaN) 성장시에 일반적으로 사파이어 기판(10)의 가장 자리에는 다결정의 질화갈륨(GaN)층(12)이 적층되는데, 이러한 다결정의 질화갈륨층(12)이 사파이어 기판(10)의 가장 자리에 적층되면, 레이저가 조사되어도 다결정 질화갈륨층(12)이 적층된 부분은 분리가 일어나지 않아 질화갈륨층과 사파이어 기판과의 계면에서 깨짐이 발생하거나, N₂ 분자가 외부로 원활히 빠져 나오지 못하게 됨으로써 리프트 오프 자체가 어렵게 되고, N₂ 분자의 부분압 상승으로 인하여 단결정 질화갈륨층(11)에서도 깨짐이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위한 것으로, 기판의 가장 자리를 소정의 두께만큼 얇게 가공하고 결정 성장시 두께가 얇게 가공된 기판의 가장 자리에서 발생되는 다결정의 질화물층이 상온(常溫)하에서 자연스럽게 깨져 분리되도록 함으로써 후속 공정인 레이저 리프트 공정을 원활히 할 수 있도록 하는 질화물 기판 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은 가장 자리가 소정의 두께만큼 얇게 가공된 기판의 상부에 질화물 결정을 성장시키고, 그 성장이 완료되어 상기 두께가 얇게 가공된 기판의 가장 자리에 다결정의 질화물층이 성장되면, 상온(常溫)으로 온도를 낮추어 상기 기판의 가장 자리를 분리한 후, 기판으로 레이저를 조사하여 기판과 질화물 결정이 성장된 질화물층을 분리하도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 본 발명의 질화물 기판 제조 방법은, 그라인딩 머신(Grinding machine)과 같은 연마 장치를 이용해 도 2a에 도시된 바와 같이, 다결정 질화물층이 성장될 기판(20)의 가장 자리를 소정의 두께(T)만큼 얇게 가공하는데, 상기 기판(20)은 사파이어(Al₂O₃), 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘과 갈륨 비소(GaAs)의 이종 기판을 사용하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 이종 기판의 두께가 얇으면 얇을수록 스트레스(stress)에 의한 저항력이 약해 쉽게 깨어지기 때문에 가능한 얇게 가공하는 것이 바람직한데, 그 두께(T)의 범위는 10 ~ 1000㎛ 정도로 하는 것이 가장 바람직하다.

그리고, 두께가 얇게 가공된 기판 가장 자리의 폭(W)은 다결정이 형성될 부분보다 약간 넓게 가공하여 결정 성장시 단결정 질화물이 성장되는 가장 자리 영역에서 깨짐이 발생될 수 있도록 해야 하는데, 그 폭은 약 1 ~ 5mm정도로 하는 것이 가장 바람직하다.

한편, 이렇게 가장 자리가 얇게 가공된 기판이 형성되면, 형성된 기판 상부에 하이드라이드 기상 박막 성장(Hydride Vapor Phase Epitaxy)방법이나, 고온 고압에서 질소(N₂)를 액화시켜 질화물을 성장시키는 방법 또는 승화법을 이용해 질화물 박막을 성장시키는데, 그 결과, 도 2b에 도시된 바와 같이, 기판(20)의 가장 자리에는 다결정 질화물층(22)이 성장되고, 그 외의 영역에는 단결정 질화물층(21)이 성장된다.

다음, 질화물층의 성장이 완료되면, 상온(常溫)으로 온도를 낮추고 약 800⁰C에서 1시간 정도의 열처리 과정을 거친다.

이 때, 다결정 질화물층(22)이 성장된 기판 가장 자리 부분이 전술한 바와 같이 소정의 두께만큼 얇게 가공되어 있어서, 상온(常溫)으로 온도를 내리게 되면 열팽창 계수의 차이에 의해 스트레인(strain)이 발생되고, 발생된 스트레인에 의해 상기 기판(20) 가장 자리 부분이 자연스럽게 깨어져 분리됨으로써 다결정이 없는 순수한 단결정의 질화물층만을 얻을 수 있게 된다(도 2c).

한편, 얇게 가공된 기판(20) 가장 자리가 분리되어 그 기판(20) 상부에 단결정 질화물층만이 잔존하게 되면, 상기 분리된 기판 가장 자리와 접촉했던 단결정 질화물층의 가장자리를 연마하기 위해 폴리싱(polishing) 처리 공정을 거치도록 하는 것이 바람직하다.

다음, 기판(20) 상부에 성장된 단결정 질화물층을 아래로 향하게 하여 핫 플레이트 상부에 고정시키고, 기판의 이면에 레이저 광을 조사하면(도 2d), 상기 단결정의 질화물 박막과 사파이어의 계면에서 N₂분자가 빠져 나와, 단결정 질화물층(21)이 기판(20)으로부터 분리된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도 3과 도 4를 참조하여 설명한다.

설명할 실시예에서는 질화물을 질화갈륨(GaN)으로, 기판을 사파이어 기판으로, 성장법을 할라이드 기상 성장법(HVPE)으로 하여 설명한다.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(30)을 세라믹이나 유리로 이 루어진 그라인딩 장치(Grinding machine)의 홀더(31)에 고정시키고, 다이아몬 입자(32)가 부착된 다이아몬드 휠(Diamond wheel)(33)을 상, 하, 좌, 우로 이동시켜 다결정 질화물이 성장될 사파이어 기판(30)의 가장 자리를 소정의 두께(T)만큼 얇게 가공한다.

이 때, 상기 사파이어 기판(30)의 가장 자리 두께가 얇으면 얇을수록 스트레스(stress)에 의한 저항력이 약해 쉽게 깨어지기 때문에 가능한 얇게 가공하는 것이 바람직한데, 그 두께(T)의 범위는 10 ~ 1000㎛ 정도로 하는 것이 가장 바람직하다.

그리고, 두께가 얇게 가공된 사파이어 기판(30) 가장 자리의 폭(W)은 다결정이 형성될 부분보다 약간 넓게 가공하여 결정 성장시 단결정 질화물층의 가장 자리에서 깨짐(crack)이 발생될 수 있도록 해야 하는데, 그 폭은 약 1 ~ 5mm정도로 하는 것이 바람직하다.

다음, 사파이어 기판(30)의 가장 자리가 소정의 두께와 폭만큼 가공되면, 가공된 사파이어 기판을 상기 그라인딩 장치의 홀더(31)에서 이탈시켜 클리닝(cleaning)공정을 통해 기판의 표면을 세척시킨 후, 도 4에 도시된 바와 같이 세척시킨 사파이어 기판(46)을 할라이드 기상 성장(HVPE) 장치의 챔버(41)내에 안착시킨다.

그런 다음, 전기로(40)에서 가열하여 전달한 열을 이용해 챔버(41)의 온도를 800℃ ~ 900℃ 정도로 조절하고, 염화수소(HCL) 가스를 제 1 주입관(43)을 통해 갈륨 보트(42)로 주입하는데, 상기 갈륨 보트(42)에는 갈륨(Ga) 분자를 생성하는 분 말이 수용되어 있으며, 상기 분말은 질화갈륨 분말이나 메탈 갈륨 또는 이들의 혼합된 분말 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

이어, 주입된 염화수소 가스와 상기 분말이 상기 전기로(40)에서 가열된 열을 통해 화학 반응하면 해당 화합물이 형성되는데, 예를 들면, 상기 분말이 메탈 갈륨일 경우에 염화수소 분자와 갈륨분자가 반응하여 염화갈륨이 형성되는데 그 화학 반응식은 다음과 같다.

2Ga + 2HCL -> 2GaCl + H_{2 ↑}

다음, 상기 갈륨 보트(42)내에서 형성된 화합물은 챔버(41)로 토출되고, 상기 챔버(41)의 일측부에 연결된 제 2 주입관(44)을 통해 N₂ 생성 가스가 주입되면, 상기 챔버(41)내에서는 N₂ 생성 가스와 토출된 화합물이 결합하여 질화갈륨(GaN) 분말이 형성되는데, 이 때, 상기 N₂생성 가스는 암모니아(NH₃) 가스를 사용하는 것이 바람직하며, 화학 반응식은 다음과 같다.

GaCl + NH₃ -> GaN + HCL + H_{2 ↑}

다음, 이렇게 형성된 질화갈륨(GaN) 분말은 사파이어 기판(46)에 안착되어 성장이 이루어지는데, 이 때 사파이어 기판(46)의 가장 자리는 다결정의 질화갈륨층(47)이 성장되고, 그 이외의 영역에는 단결정의 질화갈륨층(45)이 성장된다.

이어, 질화갈륨층의 성장이 완료되면, 상온(常溫)으로 온도를 낮추고 약 800℃에서 1시간 정도의 열처리 과정을 거친다.

이 때, 상온(常溫)으로 온도를 낮출 경우, 질화갈륨층이 성장되는 사파이어 기판(46)의 가장 자리 부분이 전술한 바와 같이 소정의 두께만큼 얇게 가공되어 있기 때문에, 상온(常溫)으로 온도를 내릴시 열팽창 계수의 차이에 의해 스트레인(strain)이 발생되고, 발생된 스트레인에 의해 상기 기판 가장 자리 부분이 자연스럽게 깨어져 분리됨으로써 다결정이 없는 순수한 단결정 질화갈륨층을 얻을 수 있게 된다.

다음, 상기 사파이어 기판(46) 상부에 단결정 질화갈륨층(45)만 잔존하게 되면, 상기 사파이어 기판(46)의 이면에 레이저광을 조사한다.

그 결과, 단결정 질화갈륨층(45)과 사파이어 기판(46)과의 계면에서 N₂ 분자가 빠져 나와 상기 사파이어 기판(46)으로부터 단결정 질화갈륨층(45)이 리프트 오프된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물 기판 제조 방법은 기판의 가장 자리를 소정의 두께만큼 얇게 가공하고 결정 성장시 두께가 얇게 가공된 기판의 가장 자리에서 발생되는 다결정의 질화물층이 상온(常溫)하에서 자연스럽게 깨져 분리되도록 함으로써 후속 공정인 레이저 리프트 공정을 원활히 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (4)

1. 기판 가장 자리를 일정 두께(T)만큼 얇게 가공하는 제 1 단계와;

   상기 기판의 가장 자리에 다결정 질화물층을 성장시키고, 그 외의 영역에 단결정 질화물층을 성장시키는 제 2 단계와;

   상기 제 2 단계를 통해 상기 두께가 얇게 가공된 기판의 가장 자리에 다결정의 질화물층이 성장된 후, 상온(常溫)으로 온도를 내려 열팽창 계수의 차이에 의해 스트레인(strain)을 발생시키고, 발생된 스트레인에 의해 상기 기판의 두께가 얇은 가장 자리 부분을 분리하는 제 3 단계와;

   상기 제 3 단계를 통해 두께가 얇은 기판의 가장 자리가 분리되면, 상기 기판으로 레이저를 조사하여 기판과 질화물 결정이 성장된 질화물층을 분리하는 제 4 단계로 이루어지는 질화물 기판 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계와 제 4 단계 사이에;

   상기 두께가 얇게 가공된 기판의 가장 자리가 분리되면, 분리된 기판의 가장 자리와 접촉했던 영역을 폴리싱(polishing) 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 기판 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판 가장 자리의 두께 T는;

   10 ~ 1000㎛이고,

   상기 기판 가장 자리의 폭은;

   1 ~ 5mm인 것을 특징으로 하는 질화물 기판 제조 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판은;

   기판은 사파이어(Al₂O₃), 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘과 갈륨 비소(GaAs) 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 기판 제조 방법.

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