KR101144838B1 - 질화갈륨 기판 성장 반응로 - Google Patents

Abstract

단면적에 비하여 길이가 상대적으로 큰 컨테이너 형태의 반응로로서, 반응 가스가 유입되는 입구와 반응 가스가 배출되는 출구를 포함하며 반응 가스의 흐름 방향에 대하여 단면적이 감소된 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 성장 반응로를 제공한다. 또한, 단면적에 비하여 길이가 상대적으로 큰 컨테이너 형태의 반응로로서, 반응 가스가 유입되는 입구와 반응 가스가 배출되는 출구를 포함하며, 상기 반응로 내에 배치되며 막성장용 베이스 기판이 안착되는 서셉터로서, 반응 가스의 흐름 방향에 대하여 경사진 영역을 포함하는 서셉터를 포함하는 질화갈륨 기판 성장 반응로를 제공한다. 본 발명에 따르면, 질화갈륨 기판 제조에 있어서 양산성을 극대화하고, 한 번에 다수의 기판을 생산하는 경우 품질 균일성을 확보할 수 있다. 특히, 복수의 질화갈륨 기판 간 두께 편차를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 단일 기판 내의 두께 편차도 현저히 감소시킴으로써 기계적 결함으로 인한 제품 수율 감소를 방지할 수 있다.

질화갈륨, 대량 생산, 두께 편차, 반응로

Description

질화갈륨 기판 성장 반응로{REACTOR FOR FORMING GALLIUM NITRIDE FILM}

본 발명은 질화갈륨 기판 성장 반응로에 관한 것으로, 다수의 질화갈륨 기판을 한번에 성장시키는 경우에 질화갈륨 기판 간 또는 질화갈륨 기판 내의 두께 불균일을 개선한 새로운 반응로를 제안한다.

질화갈륨은 에너지 밴드갭(Bandgap Energy)이 3.39eV고, 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 박판형으로 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 성장법으로 성장되고 있다. MOCVD법은 고품질의 막을 얻을 수 있음에도 불구하고 성장 속도가 너무 느리기 때문에 수십 또는 수백 ㎛의 GaN 기판을 얻는데 사용하기가 어려운 문제가 있다. 이러한 이유로 GaN 후막을 얻기 위해서는 HVPE를 이용한 성장 방법이 주로 사용된다.

질화갈륨막 제조용 이종 기판으로는 사파이어(Sapphire) 기판이 가장 많이 사용되고 있는데, 이는 사파이어가 질화갈륨과 같은 육방정계 구조이며, 값이 싸고, 고온에서 안정하기 때문이다. 그러나 사파이어는 질화갈륨과 격자 상수 차(약 16%) 및 열팽창 계수 차(약 35%)에 의해 계면에서 스트레인(Strain)이 유발되고, 이 스트레인이 결정 내에 격자 결함 및 크랙(crack)을 발생시켜 고품질의 질화갈륨막 성장을 어렵게 하고, 질화갈륨막 상에 제조된 소자의 수명을 단축시킨다.

질화갈륨 기판 성장을 도 1을 통하여 설명하면, 반응로(100) 내에 베이스 기판(400)을 지지하는 서셉터(300)를 소정 위치에 장입한 상태에서 반응로 입구(112) 쪽으로부터 출구(114) 방향으로 반응 가스(200)를 주입하여 상기 베이스 기판에 잘화갈륨 기판을 성장시킨다. 질화갈륨에 대한 시장 수요에 부응하기 위해서는 도 2에 모식적으로 도시한 바와 같이 하나의 반응로에서 복수의 질화갈륨 기판을 성장시킬 필요가 있다. 그런데, 복수의 질화갈륨 기판을 성장시키는 경우, 반응로(100) 내의 반응 가스의 유량은 위치에 따라 달라지게 된다(도 2의 210, 220, 230 참조). 이러한 이유는 서셉터(400) 상면의 각 베이스 기판(400a, 400b, 400c)에서 질화갈륨 기판이 성장하면서 반응 가스가 소모되기 때문에 후단에 위치하는 기판의 경우 상대적으로 유량이 감소된 반응 가스로 인하여 성장이 더디게 진행되기 때문이다. 도 3은 이와 같이 복수의 기판을 하나의 반응로에서 한번에 성장시키는 경우 질화갈륨 기판(500a, 500b, 500c) 간의 두께 편차를 보이고 있다.

한편, 하나의 기판 내에서도 도 4에 도시한 바와 같이 두께 편차(t1, t2)가 발생하 여 대면적 질화갈륨 기판 성장에 큰 어려움이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 복수의 질화갈륨 기판을 하나의 반응로에서 동시에 성장시키는 경우 기판 간 균일성을 확보하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 대면적 질화갈륨 기판을 성장시키는 경우 두께 편차를 감소시키는데 있다.

본 발명은 단면적에 비하여 길이가 상대적으로 큰 컨테이너 형태의 반응로로서, 반응 가스가 유입되는 입구와 반응 가스가 배출되는 출구를 포함하며 반응 가스의 흐름 방향에 대하여 단면적이 감소된 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 성장 반응로를 제공한다.

상기 반응로는 단면적의 최대치와 단면적의 최소치의 비율이 3:1 ~ 1.1:1의 범위인 것이 바람직하다.

상기 반응로는 반응 가스가 유입되는 입구로부터 반응 가스가 배출되는 출구까지 수직적으로 경사진 형태로 형성되거나, 막성장용 베이스 기판이 안착되는 서셉터의 일단의 위치로부터 타단의 위치에 이르기까지 수직적으로 경사진 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 반응로는 반응 가스의 흐름 방향으로 수평적으로 단면적이 감소하는 영역을 포함할 수 있다.

상기 반응로 내에 유입되어 배출되는 반응 가스는 층류를 유지하는 것이 바 람직하며, 상기 반응로 내에 배치되며 수직 단면의 두께가 반응 가스의 흐름 방향으로 경사진 영역을 포함하는 서셉터를 더 포함할 수도 있다.

본 발명은 또한, 단면적에 비하여 길이가 상대적으로 큰 컨테이너 형태의 반응로로서, 반응 가스가 유입되는 입구와 반응 가스가 배출되는 출구를 포함하며, 상기 반응로 내에 배치되며 막성장용 베이스 기판이 안착되는 서셉터로서, 반응 가스의 흐름 방향에 대하여 경사진 영역을 포함하는 서셉터를 포함하는 질화갈륨 기판 성장 반응로를 제공한다.

상기 서셉터는 반응 가스 흐름 방향에 대하여 점진적으로 수직 두께가 증가하는 형태로 형성될 수 있고, 이와 달리 반응 가스 흐름 방향에 대하여 단차진 형태로 수직 두께가 증가하도록 형성할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 질화갈륨 기판 제조에 있어서 양산성을 극대화하고, 한 번에 다수의 기판을 생산하는 경우 품질 균일성을 확보할 수 있다. 특히, 복수의 질화갈륨 기판 간 두께 편차를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 단일 기판 내의 두께 편차도 현저히 감소시킴으로써 기계적 결함으로 인한 제품 수율 감소를 방지할 수 있다.

본 발명은 새로운 질화갈륨 기판 성장 반응로에 관한 것이다.

HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 방식으로 질화갈륨 기판을 제조할 때 배치(batch)당 2 이상의 질화갈륨 기판을 다량으로 제조하는 경우 기판 내에서 또는 각 기판간 두께 편차 등 성장 균일성이 저하될 수 있으며, 두께 편차가 클 경우 질화갈륨 기판의 휨(bow)이 커지고 크랙 빈도가 증가하여 배치당 양품률이 저하된다.

따라서, 다량으로 질화갈륨 기판을 생산하기 위해서는 제조 공정에서 기판 간의 품질 편차가 적도록 프로세스를 제어할 필요가 있으며, 특히 질화갈륨 기판이 성장하는 반응로의 구조를 변화시킬 필요가 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨 기판 성장용 반응로(120)가 도시되어 있다. 이 반응로는 단면적에 비하여 길이가 상대적으로 큰 컨테이너 형태로서, 반응 가스가 유입되는 입구(122)와 반응 가스가 배출되는 출구(124)를 포함하고 있고, 반응 가스의 흐름 방향에 대하여 단면적이 수직적으로 점진적으로 감소된 형태로 형성되어 있다.

여기서, 상기 반응로는 단면적의 높이나 폭에 비하여 길이가 상대적으로 큰 형태, 예를 들어 반응로의 높이가 80 mm 라면, 길이는 약 1 m 정도의 컨테이너 또는 터널 형태가 바람직하다.

반응로의 입구(122)에는 금속 Ga과 HCl 기체를 반응시켜 생성되는 기상의 GaCl 및 NH₃ 를 반응로 내부로 공급한다. 반응로 내부에는 소정 위치에, 예를 들어 입구 보다 출구 쪽에 가까운 위치에 막성장용 베이스 기판(400a, 400b, 400c)을 지지하는 서셉터(300)가 위치하고, 서셉터 상면에 배치되는 질화갈륨 성장용 베이스 기판은 상호 이격적으로 위치한다.

상기 반응로(120)의 형태가 단면적에 비하여 길이가 상대적으로 큰 터널 형 태이면서 반응 가스 흐름 방향으로 경사져 있기 때문에 반응로 내부를 통하여 서셉터(300)가 위치한 영역을 통과하는 반응 가스(240)의 흐름이 균일하게 유지된다. 반응로에 공급되는 반응 가스의 흐름은 전체적으로 층류(laminar flow)를 유지하는 것이 바람직하다.

이를 위하여 반응로의 단면적 최대부와 단면적 최소부를 적정 비율로 제어하여 설계할 필요가 있다. 반응로의 단면적 감소에 따라 점진적으로 반응 가스의 유속이 증가하는데, 반응로의 각 영역에서는 질화갈륨 막이 성장하면서도 반응 가스가 일정한 유량을 유지하여야 한다.

본 발명에서는 상기 반응로의 단면적의 최대치와 단면적의 최소치의 비율이 3:1 ~ 1.1:1의 범위로 제어한다. 반응로의 길이에 따라 이 비율을 적절하게 변화시킬 수 있으며, 상대적으로 길이가 긴 반응로의 경우 단면적의 최대치와 단면적의 최소치의 비율을 크게 하는 것이 유리하지만, 길이가 상대적으로 작은 반응로에서는 단면적의 최대치와 단면적의 최소치의 비율을 작게 유지하는 것이 성장되는 기판의 두께 편차를 감소시키는데 바람직하다.

반응로를 계단 형태로 형성하거나 단면적이 급격히 감소되도록 형성하는 경우, 급격한 단면적 변화로 인하여 반응 가스 흐름을 교란시켜 국부적으로 난류를 발생시킬 수 있으며 난류의 생성은 질화갈륨 기판 간 균일한 막성장에 유리하지 못하다.

반응로의 길이 방향으로 단면적이 점진적으로 축소되는 영역은 반응로 길이에 대하여 전체적으로 형성할 수도 있지만, 국부적으로 형성할 수도 있다. 예를 들 어, 베이스 기판이 지지되는 서셉터의 첫번째 베이스 기판이 놓여지는 지점으로부터 마지막 베이스 기판이 놓여지는 지점에 이르기까지 반응로의 단면적이 점진적으로 감소하도록 형성할 수도 있을 것이다. 도 6을 참조하면, 반응로(130)의 형태는 막성장용 베이스 기판이 안착되는 서셉터(300)의 일단의 위치(126)로부터 타단의 위치(124)에 이르기까지 수직적으로 경사진 형태로 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 이 경우, 경사진 영역에서 단면적의 최대치와 최소치의 비율을 적절히 제어할 필요가 있다.

한편, 본 발명에 따른 질화갈륨 기판 성장용 반응로(140)는 도 7의 평면도에 도시한 바와 같이 반응 가스의 흐름 방향으로 수평적으로 단면적이 감소하는 영역을 포함하도록 형성할 수도 있다. 이 경우에도 단면적이 감소하는 영역에서 단면적의 최대치와 최소치의 비율을 적절히 제어하여 반응 가스의 흐름이 균일하면서 유량이 일정하도록 유지하는 것이 중요하다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 도 8에 도시한 바와 같이 단면적에 비하여 길이가 상대적으로 큰 컨테이너 형태의 반응로(100)로서, 반응 가스가 유입되는 입구(122)와 반응 가스가 배출되는 출구(124)를 포함하며, 상기 반응로 내에 배치되며 막성장용 베이스 기판(400a, 400b, 400c)이 안착되는 서셉터(310)로서 반응 가스의 흐름 방향에 대하여 경사진 영역을 포함하는 서셉터를 포함하는 질화갈륨 기판 성장 반응로를 제안한다..

이 서셉터(310)는 도 9에 도시한 바와 같이 서셉터 상면을 반응로 입구 방향에서 출구 방향으로 점진적으로 높아지도록 전단의 높이(h1) 보다 후단의 높이(h2) 가 크게 경사져 있다. 따라서, 반응로 내부 공간이 점진적으로 감소하는 영역이 형성된다. 그 결과, 질화갈륨 기판 성장이 진행되더라도 반응로 내부의 유량이 균일하게 유지되며 베이스 기판(400a, 400b, 400c) 위에 성장되는 질화갈륨 기판들 사이에서 두께 편차가 감소하게 된다.

한편, 상기 서셉터의 상면을 단계적으로 경사지게 형성할 수도 있을 것이다. 도 10을 참조하면, 서셉터(320)의 형태는 반응 가스 흐름 방향에 대하여 단차진 형태로 수직 두께가 증가하고 있다.

도 8 및 도 10에 도시한 실시예에서 반응로 내에 유입되어 배출되는 반응 가스가 층류를 유지하도록 서셉터의 두께가 적절히 제어되어야 하며, 본 발명에서는 서셉터의 두께의 최대치와 최소치의 비율이 3:1 ~ 1.1:1의 범위로 경사지도록 제어한다.

앞서 설명한 경사진 영역을 포함하는 반응로와 경사진 영역을 포함하는 서셉터는 각각 독립적으로 구성되어 질화갈륨 기판 성장에 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 상호 보완적으로 질화갈륨 기판 성장용 반응로에 응용될 수 있음을 당업자하면 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 질화갈륨 기판 성장용 반응로를 이용하여 복수의 질화갈륨 기판을 성장시킨 후 각 샘플 간 두께 편차 및 샘플 내에서의 두께 편차를 기존의 반응로와 비교하여 표 1에 그 결과를 나타내었다.

[표 1]

	기존 반응로	본 발명의 반응로
샘플 간 두께 편차	평균 35% 이하	평균 9% 이하
샘플 내 두께 편차	평균 285 이하	평균 10% 이하
단면적 비율	1 : 1	1.42 : 1

표 1의 결과를 보면, 본 발명의 경우 샘플 간 두께 편차 뿐만 아니라 샘플 내에서의 두께 편차가 기존 반응로에 비하여 현저히 감소되었음을 알 수 있다.

또한, 도 11에는 반응로 내에서 복수의 질화갈륨을 성장시키는 경우에 기존 반응로(pre) 보다 본 발명에 따른 반응로(post)의 경우 각 샘플간 두께 편차의 범위가 매우 다르고, 본 발명의 경우 두께 편차 및 그 평균값이 매우 작아 균일한 형태로 복수의 질화갈륨 기판을 성장시킬 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은 질화갈륨 기판의 대량 생산에 매우 유리할 것으로 기대된다.

또한, 도 12는 성장된 복수의 질화갈륨 기판에 대해 기존 반응로(pre) 보다 본 발명에 따른 반응로(post)의 경우 각 기판 내에서의 두께 편차 및 그 평균값이 현저히 다른 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은 질화갈륨 기판을 대면적으로 성장시키는 경우에도 매우 균일한 품질을 유지할 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.

도 1은 기존의 질화갈륨 기판 성장 반응로를 보인 모식도.

도 2는 복수의 질화갈륨 기판 성장시 반응 가스 유량을 보인 모식도.

도 3은 샘플간 두께 변화가 심한 질화갈륨 기판을 보인 단면도.

도 4는 질화갈륨 기판 내 두께 변화를 보인 단면도.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 질화갈륨 기판 성장 반응로를 보인 모식도.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화갈륨 기판 성장 반응로를 보인 모식도.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 질화갈륨 기판 성장 반응로를 보인 모식도.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 질화갈륨 기판 성장 반응로를 보인 모식도.

도 9는 도 8의 서셉터의 형태를 보인 단면도.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 질화갈륨 기판 성장 반응로를 보인 모식도.

도 11은 기존 반응로 및 본 발명의 반응로를 이용하여 성장시킨 복수의 질화갈륨 기판 간 두께 편차를 비교한 그래프.

도 12는 기존 반응로 및 본 발명의 반응로를 이용하여 성장시킨 질화갈륨 기판 내 두께 편차를 비교한 그래프.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

100, 120, 130, 140:반응로 122:입구

124:출구 300:서셉터

400a,400b,400c:베이스 기판 500:질화갈륨 기판

Claims (12)

1. 단면적에 비하여 길이가 상대적으로 큰 컨테이너 형태의 반응로로서, 반응 가스가 유입되는 입구와 반응 가스가 배출되는 출구를 포함하며 반응 가스의 흐름 방향에 대하여 단면적이 감소되는 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는

   질화갈륨 기판 성장 반응로.
2. 제1항에 있어서, 상기 반응로는 단면적의 최대치와 단면적의 최소치의 비율이 3:1 ~ 1.1:1의 범위인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 성장 반응로.
3. 제1항에 있어서, 상기 반응로는 반응 가스가 유입되는 입구로부터 반응 가스가 배출되는 출구까지 수직적으로 경사진 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 성장 반응로.
4. 제1항에 있어서, 상기 반응로는 막성장용 베이스 기판이 안착되는 서셉터의 일단의 위치로부터 타단의 위치에 이르기까지 수직적으로 경사진 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 성장 반응로.
5. 제1항에 있어서, 상기 반응로는 반응 가스의 흐름 방향으로 수평적으로 단면적이 감소하는 영역을 포함하는 질화갈륨 기판 성장 반응로.
6. 제1항에 있어서, 상기 반응로 내에 유입되어 배출되는 반응 가스는 층류를 유지하는 질화갈륨 기판 성장 반응로.
7. 제1항에 있어서, 상기 반응로 내에 배치되며, 수직 단면의 두께가 반응 가스의 흐름 방향으로 경사진 영역을 포함하는 서셉터를 더 포함하는 질화갈륨 기판 성장 반응로.
8. 단면적에 비하여 길이가 상대적으로 큰 컨테이너 형태의 반응로로서, 반응 가스가 유입되는 입구와 반응 가스가 배출되는 출구를 포함하며,

   상기 반응로 내에 배치되며 막성장용 베이스 기판이 안착되는 서셉터로서, 반응 가스의 흐름 방향에 대하여 수직 두께가 증가하는 경사진 영역을 포함하는 서셉터를 포함하는

   질화갈륨 기판 성장 반응로.
9. 제8항에 있어서, 상기 서셉터는 반응 가스 흐름 방향에 대하여 점진적으로 수직 두께가 증가하는 형태로 형성되는 질화갈륨 기판 성장 반응로.
10. 제8항에 있어서, 상기 서셉터는 반응 가스 흐름 방향에 대하여 단차진 형태로 수직 두께가 증가하는 질화갈륨 기판 성장 반응로.
11. 제8항에 있어서, 상기 반응로 내에 유입되어 배출되는 반응 가스는 층류를 유지하는 질화갈륨 기판 성장 반응로.
12. 제8항에 있어서, 상기 서셉터는 두께의 최대치와 최소치의 비율이 3:1 ~ 1.1:1의 범위로 경사진 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 성장 반응로.

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