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KR100438819B1 - 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법 - Google Patents

질화갈륨 단결정 기판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법을 게시한다. 본 발명은 질화갈륨(GaN)막이 형성된 복수의 사파이어 기판들을 준비하는 단계; 상기 사파이어 기판들을 왁스를 사용하여 서로 마주보며 소정의 거리를 이루도록 접착시켜 사파이어 기판 결합체를 형성하는 단계; 상기 사파이어 기판들을 원하는 직경으로 만들기 위하여 상기 사파이어 기판 결합체의 가장자리를 그라인딩하는 단계; 상기 사파이어 기판들 사이의 왁스를 제거하는 단계; 및 상기 사파이어 기판 각각의 후면으로 레이저 빔을 조사하여 상기 사파이어 기판으로부터 상기 질화갈륨막을 분리하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 사파이어 기판 결합체를 형성하는 단계는 바람직하게 가) 좌우로 분리할 수 있는 금속재질의 원통내에 소정의 거리를 이루도록 사파이어 기판을 배열하는 단계; 나) 상기 사파이어 기판 사이사이에 왁스를 녹여 넣은 단계; 및 다) 상기 원통 전체를 상온으로 냉각하는 단계로 이루어지며, 상기 사파이어 기판은 질화갈륨(GaN)막이 동일 방향을 이루도록 배열하는 것이 바람직하며, 상기 사파이어 기판들의 접착시 가장자리 기판의 바깥면에도 왁스가 형성되는 것이 바람직하다.

Description

질화갈륨 단결정 기판의 제조방법{Method for fabricating GaN single crystal substrate}
본 발명은 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공정시 크랙발생을 완화시켜 대면적의 기판을 확보할 수 있는 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법에 관한 것이다.
질화갈륨은 에너지 벤드갭(Energy bandgap)이 3.39eV이고, 직접 천이형인 반도체 물질로 단파장 영역의 발광 소자 제작 등에 유용한 물질이다.
질화갈륨 단결정은 융점에서 높은 질소 증기압 때문에 액상 결정 성장은 1500℃ 이상의 고온과 20000 기압의 질소 분위기가 필요하므로 대량 생산이 어려울 뿐만 아니라 현재 사용 가능한 결정 크기도 약 100㎟ 정도의 박판 형으로 이를 소자 제작에 사용하기 곤란하다.
지금까지 질화갈륨막은 이종 기판상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등의 기상 성장법에 의해 성장하고 있다.
질화갈륨막 제조용 이종 기판으로는 사파이어(Sapphire) 기판이 가장 많이 사용되고 있는데, 이는 상기 사파이어가 질화갈륨과 같은 육방정계 구조이며, 값이 싸고, 고온에서 안정하기 때문이다. 그러나 사파이어는 질화갈륨과 격자 상수 차(약16%) 및 열팽창 계수 차(약35%)에 의해 계면에서 스트레인(Strain)이 유발되고, 상기 스트레인이 결정 내에 격자 결함 및 크랙(Crack)을 발생시켜 고품질의 질화갈륨막 성장을 어렵게 하고, 질화갈륨막 상에 제조된 소자의 수명을 단축시킨다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 프리스탠딩(Free standing) 질화갈륨 기판이 필요하며, 질화갈륨 기판상에 호모에피택시(Homoepitaxy)에 의해 질화갈륨막을 형성시켜 소자를 제조하여야 한다.
상기 프리스탠딩 질화갈륨 기판은 사파이어 기판상에 질화갈륨막을 형성하는 단계, 상기 사파이어 기판으로부터 상기 질화갈륨막을 분리하는 단계, 분리된 상기 질화갈륨막을 원하는 직경을 갖도록 가공하는 단계를 통하여 제조된다. 물론 먼저 사파이어 기판상에 질화갈륨막을 형성한 후 원하는 직경으로 가공한 후 상기 사파이어 기판으로부터 상기 질화갈륨막을 분리할 수 있다.
상기 질화갈륨막을 원하는 직경으로의 가공은 다이아몬드 팁(Diamond tip)같은 절단기를 사용하여 원하는 크기로 자르거나 원형가공기 등으로 갈아 내는 방법을 사용한다.
그러나 상기 방법을 사용하는 경우 질화갈륨의 벽개성 및 도 1에서 나타낸 것과 같이 사파이어 기판(2)과 질화갈륨막(4)의 열팽창계수차에 의한 휨 현상으로 인해 질화갈륨막이 가공작업 도중 작은 충격만 가해져도 쉽게 쪼개지는 크랙이 발생하게 되어 큰 사이즈(Size)의 프리스탠딩 질화갈륨 기판을 얻기가 어려운 문제점이 있었다. 또한 기판분리를 하지 않은 상황에서 원형가공기를 사용하여 질화갈륨막을 가공한 다음 기판으로부터 분리하는 경우에도 질화갈륨막 및 사파이어 기판의 어느 한 쪽에라도 크랙 현상이 발생되게 되면, 발생된 크랙을 따라 전체가 쉽게 쪼개지는 취약성으로 인해 질화갈륨막의 벽개면을 따라 쉽게 크랙이 발생되는 문제점이 있다. 따라서 위와 같은 방법으로는 큰 사이즈를 갖는 프리스탠딩 질화갈륨 기판을 제조하기가 어려운 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 질화갈륨막과 사파이어 기판의 양면에 크리스탈왁스(Crystal wax)를 소정두께 형성한 후, 가공함으로써 원하는 직경의 질화갈륨 단결정 기판을 제조할 수 있는 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 질화갈륨 단결정 기판의 제조시 발생하는 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 의한 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
2, 12 : 사파이어 기판 4, 14 : 질화갈륨막
10 : 원통 15 : 틈
16 : 제1뚜껑 18 : 제2뚜껑
20 : 왁스 22 : 사파이어 기판 결합체
24 : 그라인더 26 : 레이저 빔
28 : 질화갈륨 기판
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법은 사파이어 기판의 전면에 질화갈륨(GaN)막을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨막 상부 및 상기 사파이어 기판 후면에 소정 두께의 왁스를 형성하는 단계; 상기 사파이어 기판을 원하는 직경으로 만들기 위하여 가장자리를그라인딩하는 단계; 상기 질화갈륨막 상부 및 상기 사파이어 기판 후면의 왁스를 제거하는 단계; 및
상기 사파이어 기판의 후면으로 레이저 빔을 조사하여 상기 사파이어 기판으로부터 상기 질화갈륨막을 분리하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 왁스의 형성은 상기 왁스를 녹여 상기 사파이어 기판과 상기 질화갈륨막상에 도포한 후 상온으로 냉각시킴으로서 이루어질 수 있다.
상기 왁스를 제거하는 단계는 바람직하게 가) 상기 왁스의 녹는점까지 상기 사파이어 기판을 가열하여 1차 제거하는 단계 및 나) 1차 제거 후 아세톤으로 잔량을 제거하는 2차 제거단계로 이루어진다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다른 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법은 질화갈륨(GaN)막이 형성된 복수의 사파이어 기판들을 준비하는 단계; 상기 사파이어 기판들을 왁스를 사용하여 서로 마주보며 소정의 거리를 이루도록 접착시켜 사파이어 기판 결합체를 형성하는 단계; 상기 사파이어 기판들을 원하는 직경으로 만들기 위하여 상기 사파이어 기판 결합체의 가장자리를 그라인딩하는 단계; 상기 사파이어 기판들 사이의 왁스를 제거하는 단계; 및 상기 사파이어 기판 각각의 후면으로 레이저 빔을 조사하여 상기 사파이어 기판으로부터 상기 질화갈륨막을 분리하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 사파이어 기판 결합체를 형성하는 단계는 바람직하게 가) 좌우로 분리할 수 있는 금속재질의 원통내에 소정의 거리를 이루도록 사파이어 기판을 배열하는 단계; 나) 상기 사파이어 기판 사이사이에 왁스를 녹여 넣은 단계; 및 다) 상기 원통 전체를 상온으로 냉각하는 단계로 이루어진다.
상기 사파이어 기판은 질화갈륨(GaN)막이 동일 방향을 이루도록 배열하는 것이 바람직하며, 상기 사파이어 기판들의 접착시 가장자리 기판의 바깥면에도 왁스가 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 구체적인 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 의한 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
먼저 도 2를 참조하면 원통(10)내에 질화갈륨 박막이 형성된 사파이어 기판(12)이 일정 간격을 이루도록 배열한뒤 상기 사파이어 기판(12) 사이사이 및 가장자리 기판의 바깥면에 왁스(20)를 채워넣는다.
상기 원통(10)은 내부 직경이 상기 사파이어 기판(12)의 직경과 동일하며, 내부면을 따라 개별적으로 상기 사파이어 기판(12)이 5 내지 10 mm로 배열될 수 있도록 슬롯(표시안함)이 배열되어 있다. 상부에는 좌우로 열수 있는 제 1 및 제 2 뚜껑(16, 18)이 구성되어 있으며, 상기 제 1 및 제 2 뚜껑(16, 18)을 닫았을 때는 소정간격(L)의 틈(15)이 형성된다. 왁스의 두께가 5 nm 내지 10 nm인 것이 바람직하다.
상기 원통(10)의 재질은 금속재질의 얇은 판이 바람직하다. 또한 상기 틈(15)의 간격은 상기 원통(10)의 직경에 따라 달라질 수 있으며, 5 내지 30 mm가 바람직하다.
먼저 사파이어 기판(12) 상에 HVPE법으로 질화갈륨막을 300㎛정도의 두께로 성장한 후, 상기 사파이어 기판(12)을 상기 원통(10)내에 배열하고 상기 제 1 및 제 2 뚜껑(16, 18) 닫은 뒤 70 ~ 140℃의 온도 범위에서 녹는 크리스탈 왁스(Crystal wax)를 가열하여 상기 틈(15)을 통하여 상기 사파이어 기판(12) 사이사이로 부어 넣고 상온까지 냉각한다. 이때 상기 사파이어 기판(12)은 질화갈륨막이 동일 방향을 이루도록 배열한다.
계속해서 도 3을 참조하면 상기 원통(10)을 제거하여 사파이어 기판 결합체(22, 직경 : R)를 형성한다.
계속해서 도 4를 참조하면 상기 사파이어 기판 결합체(22)를 그라인더를 사용하여 기판의 가장자리부에 생성된 다결정 질화갈륨이 완전히 제거되며, 원하는 직경(r)의 크기가 되도록 그라인딩한다.(R>r)
상기 왁스(20)는 상기 사파이어 기판(12)들을 서로 결합시켜 그라인딩시 기판들에 크랙이 발생하는 것을 방지한다. 즉, 상기 왁스(20)는 복수의 사파이어 기판(12)들을 동시에 가공할 수 있도록 한다.
계속해서 도 5를 참조하면 가공된 상기 사파이어 기판 결합체(22)를 70 ~ 140℃의 온도 범위로 가열하여 1차로 왁스를 제거한 후 아세톤이 담겨있는 배쓰에 넣어 2차로 미량의 왁스를 완전히 제거한다.
따라서 상기 사파이어 기판(12)들을 독립적으로 분리한다.
계속해서 도 6을 참조하면 상기 가공된 개별 사파이어 기판(12)의 후면으로 레이저 빔(26)을 조사하여(laser lift-off법) 상기 사파이어 기판(12)으로부터 질화갈륨막(14)을 분리하여 질화갈륨 기판(28)을 형성한다.
따라서, 본 발명은 크랙이 없는 대면적의 질화갈륨 단결정 기판을 제조할 수 있으며, 질화갈륨 레이져 다이오드 등의 소자 제조시 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 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 (10)

  1. 사파이어 기판의 전면에 질화갈륨(GaN)막을 형성하는 단계;
    상기 질화갈륨막 상부 및 상기 사파이어 기판 후면에 5 nm 내지 10 nm의 왁스를 형성하는 단계;
    상기 사파이어 기판을 원하는 직경으로 만들기 위하여 가장자리를 그라인딩하는 단계;
    상기 질화갈륨막 상부 및 상기 사파이어 기판 후면의 왁스를 제거하는 단계; 및
    상기 사파이어 기판의 후면으로 레이저 빔을 조사하여 상기 사파이어 기판으로부터 상기 질화갈륨막을 분리하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 왁스의 형성은 상기 왁스를 녹여 상기 사파이어 기판과 상기 질화갈륨막상에 도포한 후 상온으로 냉각시킴으로서 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 왁스를 제거하는 단계는
    가) 상기 왁스의 녹는점까지 상기 사파이어 기판을 가열하여 1차 제거하는 단계; 및
    나) 1차 제거 후 아세톤으로 잔량을 제거하는 2차 제거단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법.
  5. 질화갈륨(GaN)막이 형성된 복수의 사파이어 기판들을 준비하는 단계;
    상기 사파이어 기판들을 왁스를 사용하여 서로 마주보며 5 nm 내지 10 nm의 거리를 이루도록 접착시켜 사파이어 기판 결합체를 형성하는 단계;
    상기 사파이어 기판들을 원하는 직경으로 만들기 위하여 상기 사파이어 기판 결합체의 가장자리를 그라인딩하는 단계;
    상기 사파이어 기판들 사이의 왁스를 제거하는 단계; 및
    상기 사파이어 기판 각각의 후면으로 레이저 빔을 조사하여 상기 사파이어 기판으로부터 상기 질화갈륨막을 분리하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 사파이어 기판 결합체를 형성하는 단계는
    가) 좌우로 분리할 수 있는 금속재질의 원통내에 5 nm 내지 10 nm의 거리를 이루도록 사파이어 기판을 배열하는 단계;
    나) 상기 사파이어 기판 사이사이에 왁스를 녹여 넣은 단계; 및
    다) 상기 원통 전체를 상온으로 냉각하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 사파이어 기판과 질화갈륨(GaN)막이 교대로 적층되도록 배열하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 사파이어 기판들의 접착시 일측에만 질화갈륨(GaN)막이 적층되는 사파이어 기판의 질화갈륨막이 적층되지 않은 면에도 왁스가 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 왁스를 제거하는 단계는
    가) 상기 왁스의 녹는점까지 상기 사파이어 기판 결합체를 가열하여 1차 제거하는 단계; 및
    나) 1차 제거 후 아세톤으로 잔량을 제거하는 2차 제거단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법.
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