KR100366706B1 - Method for fabricating a GaN single crystal substrate - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a gallium nitride single crystal substrate.
본 발명은 사파이어 기판의 전면에 질화갈륨(GaN)막을 형성하는 단계; 상기 사파이어 기판을 900 내지 1000℃ 범위로 가열하는 단계; 및 상기 가열된 사파이어 기판의 후면으로 레이저를 조사하여 상기 사파이어 기판으로부터 상기 질화갈륨막을 분리하는 단계를 포함하여 이루어진다.The present invention comprises the steps of forming a gallium nitride (GaN) film on the entire surface of the sapphire substrate; Heating the sapphire substrate in the range of 900 to 1000 ° C .; And separating the gallium nitride film from the sapphire substrate by irradiating a laser to a rear surface of the heated sapphire substrate.
또한 사파이어 기판의 전면에 질화갈륨(GaN)막을 형성하는 단계의 전후 단계에 각각 사파이어 기판의 후면에 실리콘 산화막(SiO2)을 형성하는 단계 및 상기 사파이어 기판 후면의 상기 실리콘 산화막을 제거하는 단계를 더 추가하여 이루어진다. 따라서, 크렉이 발생되지 않은 고품질의 질화갈륨 기판을 얻을 수 있다.Further, before and after forming a gallium nitride (GaN) film on the front surface of the sapphire substrate, forming a silicon oxide film (SiO 2 ) on the rear surface of the sapphire substrate and removing the silicon oxide film on the back surface of the sapphire substrate, respectively. In addition. Therefore, a high quality gallium nitride substrate without cracks can be obtained.
Description
본 발명은 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기판으로부터 질화갈륨(GaN) 단결정 분리시 크랙(Crack) 발생을 억제할 수 있는 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a gallium nitride single crystal substrate, and more particularly, to a method of manufacturing a gallium nitride single crystal substrate that can suppress the generation of cracks when gallium nitride (GaN) single crystal separation from the substrate.
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 박판형으로 이를 소자 제작에 사용하기 곤란하다.Gallium nitride is a semiconductor material having an energy bandgap of 3.39 eV and a direct transition type, and is useful for manufacturing light emitting devices in a short wavelength region. Because of the high nitrogen vapor pressure at the melting point, gallium nitride single crystal requires high temperature of 1500 ℃ or higher and 20000 atmosphere of nitrogen atmosphere, which makes it difficult to mass-produce it. Difficult to use
지금까지 질화갈륨막은 이종 기판상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등의 기상 성장법으로 성장되고 있다. 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(약16%) 및 열팽창 계수 차(약35%)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.Until now, gallium nitride films have been grown on heterogeneous substrates by vapor phase growth methods such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or hydraulic vapor phase epitaxy (HVPE). A sapphire substrate is most commonly used as a dissimilar substrate for manufacturing a gallium nitride film because sapphire has a hexagonal structure such as gallium nitride, which is inexpensive and stable at high temperatures. However, sapphire causes strain at the interface by gallium nitride and lattice constant difference (about 16%) and thermal expansion coefficient difference (about 35%), and this strain causes lattice defects and cracks in the crystal. It is difficult to grow a high quality gallium nitride film and shorten the life of the device fabricated on the gallium nitride film.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 프리스탠딩(Free standing) 질화갈륨 기판이 필요하며, 질화갈륨 기판 상에 호모에피택시(Homoepitaxy)에 의해 질화갈륨막을 형성시켜 소자를 제조해야 한다.In order to solve this problem, a free standing gallium nitride substrate is required, and a gallium nitride film is formed on the gallium nitride substrate by homoepitaxy to manufacture a device.
사파이어 기판상에 질화갈륨막을 성장할 경우 열팽창 계수 차에 의해 두 물질에 스트레스(Stress)가 존재하여 격자 결함이나 크렉(Crack)이 발생된다. 사파이어와 질화갈륨에 존재하는 스트레스가 등방적(Isotropic)이며, 질화갈륨막에 의해 사파이어 기판에 발생되는 스트레인이 항복점보다 적을 경우 크랙이 발생하지 않고 단지 사파이어 기판쪽으로 휨이 발생한다. 이 휨은 질화갈륨막의 두께에 의존하여 두께가 증가할수록 곡률 반경(Curvature radius)이 감소하게 된다. 이러한 휨과 더불어 질화갈륨막 표면의 거칠기 때문에 질화갈륨막 표면의 가공이 어렵고, 사파이어 기판과 질화갈륨막의 벽계면이 30°회전되어 있으므로 소자 절단 및 공진기 제작에 어려움이 존재한다. 이와 같은 문제점을 개선하기 위해 사파이어 기판을 제거한 프리 스탠딩 질화갈륨 기판의 필요성이 대두되었다.When a gallium nitride film is grown on a sapphire substrate, stress is present in the two materials due to a difference in thermal expansion coefficient, thereby causing lattice defects or cracks. The stresses present in sapphire and gallium nitride are isotropic, and when the strain generated on the sapphire substrate by the gallium nitride film is less than the yield point, no crack is generated and only warp is generated toward the sapphire substrate. This curvature depends on the thickness of the gallium nitride film, and as the thickness increases, the curvature radius decreases. In addition to the warpage and the roughness of the gallium nitride film surface, it is difficult to process the gallium nitride film surface, and since the wall interface between the sapphire substrate and the gallium nitride film is rotated 30 °, there is a difficulty in cutting the device and fabricating the resonator. In order to solve this problem, a need for a free standing gallium nitride substrate from which a sapphire substrate is removed has emerged.
종래에 사파이어 기판을 제거하는 방법으로는 다이아몬드 파우더(Diamond powder)를 사용한 기계적 가공과 화학적 식각(Etching) 방법 등이 있다. 전자의 경우, 이미 성장된(As grown) 상태에서는 사파이어 기판에 가해지는 스트레스가 탄성한계 내 또는 힘의 평형이 이루어져 있어 크랙이 발생되지않고 휘어지지만 사파이어 기판을 연마하는 동안 사파이어 기판의 두께가 얇아지므로 위에서 기술한 힘의 평행이 깨지게 되어 사파이어 기판에 크랙이 발생하고, 이는 바로 질화갈륨막에 전파되어 질화갈륨막에도 크랙이 발생한다. 후자의 경우 높은 식각률을 갖고, 사파이어만을 선택적으로 식각할 수 있는 식각액(Etchant)이 없다는 문제점이 있다.Conventionally, as a method of removing a sapphire substrate, there are mechanical processing and chemical etching using diamond powder. In the former case, in the as grown state, the stress applied to the sapphire substrate is within the elastic limit or the equilibrium of force causes the crack to bend without cracking, but the thickness of the sapphire substrate becomes thin while polishing the sapphire substrate. The parallelism of the forces described above is broken and cracks occur in the sapphire substrate, which propagates directly to the gallium nitride film and causes cracks in the gallium nitride film. The latter has a high etching rate, there is a problem that there is no etchant (Etchant) that can selectively etch only sapphire.
또한 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 HVPE에 의해 사파이어 기판 상에 질화갈륨막을 성장한 후, 자외선(UV) 레이저를 사용하여 사파이어 기판과 질화갈륨막을 분리하여 질화갈륨 기판을 제조하는 것이다. 원리는 사파이어 기판과 질화갈륨막은 자외선을 각각 투과하고 흡수하는 성질을 이용한다.In addition, in order to solve such a problem, after growing a gallium nitride film on the sapphire substrate by HVPE, a gallium nitride substrate is manufactured by separating the sapphire substrate and the gallium nitride film using an ultraviolet (UV) laser. The principle is that the sapphire substrate and the gallium nitride film transmit and absorb ultraviolet rays respectively.
질화갈륨막/사파이어 기판 구조에서 사파이어 쪽으로 자외선을 조사시키면 사파이어 기판과 질화갈륨막의 경계면에 존재하는 질화갈륨 영역이 갈륨(Ga)과 질소(N2)로 분해되어 사파이어 기판과 질화갈륨막의 분리가 가능하다.In the gallium nitride film / sapphire substrate structure, ultraviolet rays are irradiated toward sapphire to decompose the gallium nitride region present at the interface between the sapphire substrate and the gallium nitride film into gallium (Ga) and nitrogen (N 2 ) to separate the sapphire substrate from the gallium nitride film. Do.
상기 자외선 레이저에 의한 사파이어 기판으로부터 질화갈륨막의 분리는 M.K.Kelly(Appl. Phys.letter.69,1749(1996)) 및 W.S.Wong(Appl. Phys. letter.72,599(1998)) 등에 의해 발표되었으나 많은 문제점들을 포함하고 있다.Separation of the gallium nitride film from the sapphire substrate by the ultraviolet laser has been published by MKKelly (Appl. Phys. Letter. 69, 1749 (1996)) and WSWong (Appl. Phys. Letter. 72, 599 (1998)). It contains them.
이들 중 M.K.Kelly는, 도 1a에서 보는 바와 같이, 사파이어 기판(8)상에 HVPE에 의해 질화갈륨막(6)을 성장한 후 금속 결합제(Metal Bonber; 4)를 사용하여 질화갈륨막(18)을 히터(2)에 장착한 후, 레이저(9)를 사파이어 기판(8)으로 조사하여 사파이어 기판(8)으로부터 질화갈륨막(6)을 분리한다.Among them, as shown in FIG. 1A, MKKelly grows a gallium nitride film 6 by HVPE on a sapphire substrate 8 and then uses a metal binder (Metal Bonber) 4 to form a gallium nitride film 18. After attaching to the heater 2, the laser 9 is irradiated onto the sapphire substrate 8 to separate the gallium nitride film 6 from the sapphire substrate 8.
계속해서, 공정이 완료되면 질화갈륨막(6)상에 붙어 있는 금속 결합제(4)를 제거하여 질화갈륨 기판을 완성한다.Subsequently, when the process is completed, the metal binder 4 adhering on the gallium nitride film 6 is removed to complete the gallium nitride substrate.
도 1b에 도시된 바와 같이, W.S.Wong는 사파이어 기판(18)/질화갈륨막(16)/에폭시(Epoxy; 14)/실리콘 기판(11) 구조를 형성한 후, 자외선 레이저(19)를 상기 사파이어 기판(18)으로 조사하여 사파이어 기판(18)으로부터 질화갈륨막(16)를 분리한다. 이후 에폭시(14)를 제거하여 질화갈륨 기판을 완성한다.As shown in FIG. 1B, WSWong forms a sapphire substrate 18 / gallium nitride film 16 / Epoxy 14 / silicon substrate 11 structure, and then an ultraviolet laser 19 is applied to the sapphire. Irradiation with the substrate 18 separates the gallium nitride film 16 from the sapphire substrate 18. The epoxy 14 is then removed to complete the gallium nitride substrate.
그러나 상기의 방법들은 질화갈륨막 형성시 사파이어 기판 뒷면 및 모서리(Edge)에 형성되어 있는 다결정(Polycrystalline) 질화갈륨막을 제거하지 않은 상태에서 기판 분리를 실시하여, 크랙이 없는 직경 2인치(2″)의 질화갈륨 기판을 얻지 못하였고 크랙이 발생되지 않은 최대 사이즈도 약 3×4 ㎟ 인 문제점이 있었다. 또한 금속 결합제 및 에폭시를 사용하는 등 분리 공정이 복잡하며, 크랙이 발생되지 않은 영역 사이즈도 적어 소자 제조에 적용할 수 없는 문제점이 있었다.However, the above methods perform substrate separation without removing the polycrystalline gallium nitride film formed on the back and edges of the sapphire substrate when forming the gallium nitride film, so that there is no crack 2 inches (2 ″) in diameter without cracks. The gallium nitride substrate was not obtained and there was a problem that the maximum size without cracking was about 3 × 4 mm 2. In addition, the separation process is complicated, such as using a metal binder and epoxy, there is a problem that can not be applied to device manufacturing due to the small size of the area where the crack is not generated.
본 발명의 목적은, 사파이어 기판 상에 질화갈륨막을 형성한 후 상기 기판으로부터 질화갈륨막의 분리시 상기 질화갈륨막에 크랙이 발생하는 것을 억제하는 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for producing a gallium nitride single crystal substrate which prevents cracking in the gallium nitride film upon formation of a gallium nitride film on the sapphire substrate and then separating the gallium nitride film from the substrate.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법을 나타내는 도면,1A and 1B are diagrams each showing a manufacturing method of a conventional gallium nitride single crystal substrate,
도 2는 본 발명에 의한 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법의 순서를 나타내는 공정순서도이다.2 is a process flowchart showing the procedure of the method for producing a gallium nitride single crystal substrate according to the present invention.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 의한 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법의 공정단면도들이다.3A to 3D are cross-sectional views of a method of manufacturing a gallium nitride single crystal substrate according to the present invention.
도 4는 본 발명에 의한 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법에 의해 제조된 질화갈륨 기판을 나타내는 도면이다.4 is a view showing a gallium nitride substrate produced by the method for producing a gallium nitride single crystal substrate according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
2, 26 : 히터 4 : 금속 결합제2, 26: heater 4: metal binder
6, 16, 24 : 질화갈륨막 8, 18, 20 : 사파이어 기판6, 16, 24: gallium nitride film 8, 18, 20: sapphire substrate
9, 19, 28 : 레이저 11 : 실리콘 기판9, 19, 28: laser 11: silicon substrate
14 : 에폭시 22 : 실리콘 산화막14: epoxy 22: silicon oxide film
23 : 다결정 질화갈륨막 30 : 질화갈륨 기판23 polycrystalline gallium nitride film 30 gallium nitride substrate
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법은 사파이어 기판의 전면에 질화갈륨(GaN)막을 형성하는 단계; 상기 사파이어 기판을 850℃ 내지 1000℃ 범위로 가열하는 단계; 및 상기 가열된 사파이어 기판의 후면으로 레이저를 조사하여 상기 사파이어 기판으로부터 상기 질화갈륨막을 분리하는 단계를 포함하여 이루어진다.Method for producing a gallium nitride single crystal substrate according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of forming a gallium nitride (GaN) film on the entire surface of the sapphire substrate; Heating the sapphire substrate in the range of 850 ° C. to 1000 ° C .; And separating the gallium nitride film from the sapphire substrate by irradiating a laser to a rear surface of the heated sapphire substrate.
상기 레이저의 파장은 380nm 이하인 것이 바람직하며, 파워(Power)는 0.1 내지 0.15 J/cm2인 것이 바람직하다.The wavelength of the laser is preferably 380 nm or less, and the power is preferably 0.1 to 0.15 J / cm 2 .
또한 본 발명의 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법은 사파이어 기판의 전면에질화갈륨(GaN)막을 형성하는 단계의 다음에, 상기 사파이어 기판의 후면 및 모서리 부분에 형성된 다결정 질화갈륨막을 제거하는 단계;를 더 추가하는 것이 바람직하며, 상기 다결정 질화갈륨막의 제거흔 그라인딩(grinding)하여 제거할 수 있다.In addition, the method of manufacturing a gallium nitride single crystal substrate of the present invention, after the step of forming a gallium nitride (GaN) film on the front surface of the sapphire substrate, removing the polycrystalline gallium nitride film formed on the rear and corner portions of the sapphire substrate; It is preferable to add, and the removal mark of the polycrystalline gallium nitride film can be removed by grinding.
또한 본 발명의 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법은 사파이어 기판의 전면에 질화갈륨(GaN)막을 형성하는 단계의 전후(前後) 단계에 각각 사파이어 기판의 후면에 실리콘 산화막(SiO2)을 형성하는 단계 및 상기 사파이어 기판 후면의 상기 실리콘 산화막을 제거하는 단계를 더 추가하는 것이 바람직하다.In addition, the method of manufacturing a gallium nitride single crystal substrate of the present invention comprises the steps of forming a silicon oxide film (SiO 2 ) on the back of the sapphire substrate before and after the step of forming a gallium nitride (GaN) film on the front of the sapphire substrate and It is preferable to further add the step of removing the silicon oxide film on the back of the sapphire substrate.
상기 실리콘 산화막은 그 두께가 100 내지 1000nm일 수 있으며, 불화수소(HF)용액을 이용하는 습식방법으로 제거하는 것이 바람직하다.The silicon oxide film may have a thickness of 100 to 1000 nm, and is preferably removed by a wet method using a hydrogen fluoride (HF) solution.
이하, 본 발명의 구체적인 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings a specific embodiment of the present invention will be described in detail.
도 2는 본 발명에 의한 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법의 순서를 나타내는 공정순서도이며, 도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 의한 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법의 공정단면도들을 나타낸다.2 is a process flow chart showing a procedure of a method for manufacturing a gallium nitride single crystal substrate according to the present invention, Figure 3a to 3d shows a process cross-sectional view of a method for manufacturing a gallium nitride single crystal substrate according to the present invention.
먼저 도 3a를 참조하면, 사파이어 기판(20)의 뒷면 상에 실리콘산화막(22)을 형성한다(도 2의 S1단계). 이 실리콘산화막(22)은 E-beam 또는 스퍼터링 방법을 사용하여 형성하며 그 두께는 100 내지 1000nm 가 되도록 형성한다. 사파이어 기판(20)은 공정 수행 전에 표면의 불순물을 제거하기 위하여 세척공정을 수행한다.First, referring to FIG. 3A, a silicon oxide film 22 is formed on the back surface of the sapphire substrate 20 (S1 in FIG. 2). The silicon oxide film 22 is formed by using an E-beam or sputtering method and its thickness is formed to be 100 to 1000 nm. The sapphire substrate 20 performs a cleaning process to remove impurities on the surface before performing the process.
다음 도 3b를 참조하면, 후면에 실리콘산화막(22)이 형성된 상기 사파이어기판(20)의 앞면(Mirror면)에 질화갈륨막(24)을 형성한다(도 2의 S2 단계). 상기 질화갈륨막(24)은 HVPE법으로 형성하며 그 두께는 50㎛ 이상으로 형성한다.Next, referring to FIG. 3B, a gallium nitride film 24 is formed on the front surface (Mirror surface) of the sapphire substrate 20 on which the silicon oxide film 22 is formed on the rear surface (step S2 of FIG. 2). The gallium nitride film 24 is formed by an HVPE method and its thickness is formed to be 50 μm or more.
이 때, 사파이어 기판(20)의 모서리 및 실리콘산화막(22) 상에는 다결정 질화갈륨막(23)이 형성된다. 이 다결정 질화갈륨막(23)은 공정 부산물로서 후 공정인 사파이어 기판(20)으로부터 질화갈륨막(24) 분리공정시 공정불량을 유발시킨다. 이는 레이저가 사파이어 기판(20)으로 균일하게 조사되는 것을 방해하기 때문이다.At this time, the polycrystalline gallium nitride film 23 is formed on the edge of the sapphire substrate 20 and the silicon oxide film 22. The polycrystalline gallium nitride film 23 is a process by-product and causes a process defect during the separation process of the gallium nitride film 24 from the sapphire substrate 20 which is a post process. This is because the laser is prevented from uniformly irradiating the sapphire substrate 20.
다음 도 3c를 참조하면, 실리콘산화막(22)을 식각하여 모서리와 사파이어 기판(20) 뒷면에 형성된 다결정 질화갈륨막(23)을 제거한다(도 2의 S3단계). 사파이어 기판(10)을 불화수소(HF) 용액이 담겨있는 욕조(Bath)에 담가 실리콘산화막(22)을 식각하여 제거한다. 실리콘산화막(22)을 불화수소 용액을 사용하여 제거함으로써 모서리 및 사파이어 기판(20) 후면의 다결정 질화갈륨막(23)은 자연스럽게 제거된다. 사파이어 기판(20)과 질화갈륨막(24)은 불화수소 용액에 식각 저항성이 우수하여 실리콘산화막(22)의 제거시 영향을 받지않는다. 이와 같이, 다결정 질화갈륨막(23)이 제거됨으로써 후속공정에서 자외선 레이저가 사피이어 기판(20)으로 균일하게 조사될 수 있다.Next, referring to FIG. 3C, the silicon oxide film 22 is etched to remove the polycrystalline gallium nitride film 23 formed at the corners and the back of the sapphire substrate 20 (S3 in FIG. 2). The sapphire substrate 10 is immersed in a bath containing hydrogen fluoride (HF) solution to etch and remove the silicon oxide film 22. By removing the silicon oxide film 22 using a hydrogen fluoride solution, the polycrystalline gallium nitride film 23 on the corners and the sapphire substrate 20 back surface is naturally removed. The sapphire substrate 20 and the gallium nitride film 24 are excellent in etching resistance to the hydrogen fluoride solution and thus are not affected when the silicon oxide film 22 is removed. In this way, the polycrystalline gallium nitride film 23 is removed so that the UV laser can be uniformly irradiated onto the sapphire substrate 20 in a subsequent process.
본 발명에서는 상술한 바와 같이 상기 다결정 질화갈륨막(23)을 제거하기 위하여 상기 실리콘 산화막(22)을 버퍼막으로 먼저 형성한 후 공정을 수행하였으나, 다른 방법으로 상기 버퍼막 사용없이 기판(20) 상에 질화갈륨막(24)을 형성한 후 상기 다결정 질화갈륨막(23)을 직접 그라인딩하여 제거할 수 있다.In the present invention, as described above, in order to remove the polycrystalline gallium nitride film 23, the silicon oxide film 22 was first formed as a buffer film, and then a process was performed. Alternatively, the substrate 20 was not used without using the buffer film. After forming the gallium nitride film 24 on the polycrystalline gallium nitride film 23 can be directly removed by grinding.
다음 도 3d를 참조하면, 사파이어 기판(20)으로 자외선 레이저(28)를 조사하여 질화갈륨막(24)을 분리한다(도 2의 S4 단계). 이러한 질화갈륨막(24) 분리 공정을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Next, referring to FIG. 3D, the gallium nitride film 24 is separated by irradiating the ultraviolet laser 28 with the sapphire substrate 20 (S4 in FIG. 2). The gallium nitride film 24 separation process will be described in more detail as follows.
먼저, 질화갈륨막(24)을 히터(26) 표면과 접촉하도록 장착한 후 850℃ 내지 1000℃ 가열한 후 사파이어 기판(20)으로 자외선 레이저(28)를 일정시간 동한 조사하고 냉각한다. 이 때, 온도의 승온/냉각 속도는 분당 5℃ 내지 20℃를 유지한다. 여기서, 자외선 레이저 빔(28)은 사파이어 기판(20)과 질화갈륨막(24)의 인터페이스에서 질화갈륨막(24)을 갈륨(Ga)과 질소(N2)로 분해시키는 역할을 한다.First, the gallium nitride film 24 is mounted in contact with the surface of the heater 26, and then heated to 850 ° C. to 1000 ° C., and the ultraviolet laser 28 is irradiated with the sapphire substrate 20 for a predetermined time and cooled. At this time, the temperature rising / cooling rate of the temperature is maintained at 5 ° C to 20 ° C per minute. Here, the ultraviolet laser beam 28 serves to decompose the gallium nitride film 24 into gallium (Ga) and nitrogen (N 2 ) at the interface between the sapphire substrate 20 and the gallium nitride film 24.
또한, 이 때 질화갈륨(24)과 사파이어 기판(20)에 존재하는 스트레인을 줄이고, 질화갈륨의 분해를 촉진시키기 위하여 가열한다. 이 가열온도는 본 발명의 핵심을 이루는 요소로 종래에는 온도범위를 850℃ 이하에서 수행하였다.Further, at this time, heating is performed to reduce strains present in the gallium nitride 24 and the sapphire substrate 20 and to promote decomposition of gallium nitride. This heating temperature is a key element of the present invention, and conventionally, the temperature range was performed at 850 ° C. or lower.
레이저 빔(28)은 사파이어 기판(20) 전면(全面)을 스캐닝하면서 조사하거나 레이저를 고정시키고 히터(26) 자체를 회전 또는 왕복 운동을 시키면서 사파이어 기판(20) 전면(全面)에 조사한다.The laser beam 28 irradiates the entire surface of the sapphire substrate 20 while scanning the entire surface of the sapphire substrate 20, or irradiates the entire surface of the sapphire substrate 20 while fixing the laser and rotating or reciprocating the heater 26 itself.
이 때 레이저(28)의 파워(Power)는 온도에 의존하나 상기 온도범위에서 0.1 내지 0.15 J/cm2가 바람직하다.In this case, the power of the laser 28 depends on the temperature, but 0.1 to 0.15 J / cm 2 is preferable in the temperature range.
또한 레이저는 파장이 380nm 이하이며, ArF, KrF, XeCl 및 제3고조파(3rd harmonic) Nd:YAG 레이저 중 하나를 사용한다.The laser also has a wavelength of 380 nm or less, and uses one of ArF, KrF, XeCl, and 3rd harmonic Nd: YAG laser.
직경 2인치의 질화갈륨막(24)를 기준으로 레이저 빔(28)의 스캐닝 속도는 30 내지 150 mm/min, 조사시간은 15분 내외로 한다.The scanning speed of the laser beam 28 is 30 to 150 mm / min and the irradiation time is about 15 minutes based on the gallium nitride film 24 having a diameter of 2 inches.
도 4는 본 발명에 의한 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법에 의해 제조된 질화갈륨 기판을 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 크랙이 발생하지 않은 고품질의 프리스탠딩 질화갈륨 기판(30)을 얻을 수 있었다.4 is a view showing a gallium nitride substrate produced by the method for producing a gallium nitride single crystal substrate according to the present invention. As shown, a high quality freestanding gallium nitride substrate 30 without cracks was obtained.
본 발명의 특징은 상술한 바와 같이 사파이어 기판(20) 상에 질화갈륨막(24)을 형성시 기판 후면 및 모서리에 나타나는 다결정 질화갈륨막(23)을 제거한 후 상기 사파이어 기판을 850℃ 내지 1000℃ 범위로 가열하고, 상기 사파이어 기판(20)의 후면으로 레이저를 조사하여 상기 사파이어 기판(20)으로부터 상기 질화갈륨막(24)을 분리하는데 있다.As described above, when the gallium nitride film 24 is formed on the sapphire substrate 20, the sapphire substrate is removed from 850 ° C. to 1000 ° C. after removing the polycrystalline gallium nitride film 23 appearing at the rear and corners of the substrate. The gallium nitride film 24 is separated from the sapphire substrate 20 by heating to a range and irradiating a laser to the rear surface of the sapphire substrate 20.
따라서, 본 발명은 자외선 레이저에 의해 사파이어 기판에서 질화갈륨막을 분리하는데 있어서, 종래와 같이 질화갈륨이 분리되는 동안 크렉을 방지하기 위해 금속 결합제나 에폭시를 사용하지 않기 때문에 공정이 간단하며, 크랙 발생이 없는 고품질의 프리 스탠딩 2인치 질화갈륨 기판을 얻을 수 있으며, 신뢰성과 재현성을 가짐으로써 제조원가를 줄일 수 있는 효과가 있다.Therefore, in the present invention, in the separation of the gallium nitride film from the sapphire substrate by an ultraviolet laser, the process is simple because no metal binder or epoxy is used to prevent cracking during gallium nitride separation as in the prior art, and cracks are generated. A high quality free standing 2 inch gallium nitride substrate can be obtained, and the manufacturing cost can be reduced by having reliability and reproducibility.
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.Although the present invention has been described in detail only with respect to the described embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical scope of the present invention, and such modifications and modifications are within the scope of the appended claims.
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