KR100438819B1 - Method for fabricating GaN single crystal substrate - Google Patents
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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.The present invention discloses a method for producing a gallium nitride single crystal substrate. The present invention comprises the steps of preparing a plurality of sapphire substrate on which gallium nitride (GaN) film is formed; Bonding the sapphire substrates to each other using wax to form a predetermined distance to form a sapphire substrate assembly; Grinding an edge of the sapphire substrate assembly to make the sapphire substrates the desired diameter; Removing wax between the sapphire substrates; And separating the gallium nitride film from the sapphire substrate by irradiating a laser beam to the rear surface of each of the sapphire substrates.
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.The step of forming the sapphire substrate assembly preferably comprises the steps of: a) arranging the sapphire substrate to form a predetermined distance in a cylinder of metal material that can be separated from side to side; B) melting wax between the sapphire substrates; And c) cooling the entire cylinder to room temperature, wherein the sapphire substrate is preferably arranged such that a gallium nitride (GaN) film has the same direction, and wax is also added to the outer surface of the edge substrate when the sapphire substrates are bonded. It is preferably formed.
Description
본 발명은 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공정시 크랙발생을 완화시켜 대면적의 기판을 확보할 수 있는 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a gallium nitride single crystal substrate, and more particularly, to a method for manufacturing a gallium nitride single crystal substrate that can reduce the occurrence of cracks during the process to ensure a large area substrate.
질화갈륨은 에너지 벤드갭(Energy bandgap)이 3.39eV이고, 직접 천이형인 반도체 물질로 단파장 영역의 발광 소자 제작 등에 유용한 물질이다.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.
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.Because of the high nitrogen vapor pressure at the melting point of gallium nitride single crystal, liquid crystal growth 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 성장법에 의해 성장하고 있다.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).
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.A sapphire substrate is most commonly used as a dissimilar substrate for manufacturing a gallium nitride film because the sapphire has a hexagonal structure such as gallium nitride, which is inexpensive and stable at high temperatures. However, sapphire causes strain at the interface due to the difference in the lattice constants (about 16%) and the coefficient of thermal expansion (about 35%), and the strains generate lattice defects and cracks in the crystals. 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 기판상에 호모에피택시(Homoepitaxy)에 의해 질화갈륨막을 형성시켜 소자를 제조하여야 한다.In order to solve such a 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.
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.The freestanding gallium nitride substrate is manufactured by forming a gallium nitride film on a sapphire substrate, separating the gallium nitride film from the sapphire substrate, and processing the separated gallium nitride film to have a desired diameter. Of course, the gallium nitride film may be first formed on the sapphire substrate, processed into a desired diameter, and the gallium nitride film may be separated from the sapphire substrate.
상기 질화갈륨막을 원하는 직경으로의 가공은 다이아몬드 팁(Diamond tip)같은 절단기를 사용하여 원하는 크기로 자르거나 원형가공기 등으로 갈아 내는 방법을 사용한다.The gallium nitride film is processed into a desired diameter by using a cutter such as a diamond tip to cut to a desired size or to use a circular processing machine or the like.
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.However, when the above method is used, the gallium nitride film has only a small impact during the machining operation due to the cleavage of gallium nitride and the thermal expansion coefficient difference between the sapphire substrate 2 and the gallium nitride film 4 as shown in FIG. Cracking easily occurs even when applied, which makes it difficult to obtain a free-standing gallium nitride substrate having a large size. In addition, when a gallium nitride film is processed using a circular processing machine without a substrate separation and then separated from the substrate, if a crack occurs on either of the gallium nitride film and the sapphire substrate, the entire crack is generated along the generated crack. There is a problem that cracks are easily generated along the cleaved surface of the gallium nitride film due to the fragility that is easily broken. Therefore, the above method has a problem that it is difficult to manufacture a freestanding gallium nitride substrate having a large size.
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.An object of the present invention is to provide a method for producing a gallium nitride single crystal substrate that can form a gallium nitride single crystal substrate having a desired diameter by forming a predetermined thickness of crystal wax on both surfaces of the gallium nitride film and the sapphire substrate. To provide.
도 1은 질화갈륨 단결정 기판의 제조시 발생하는 문제점을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a problem that occurs during the production of gallium nitride single crystal substrate.
도 2 내지 도 6은 본 발명에 의한 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.2 to 6 are views for explaining a method of manufacturing 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, 12 : 사파이어 기판 4, 14 : 질화갈륨막2, 12: sapphire substrate 4, 14: gallium nitride film
10 : 원통 15 : 틈10: cylinder 15: gap
16 : 제1뚜껑 18 : 제2뚜껑16: the first lid 18: the second lid
20 : 왁스 22 : 사파이어 기판 결합체20: wax 22: sapphire substrate assembly
24 : 그라인더 26 : 레이저 빔24: grinder 26: laser beam
28 : 질화갈륨 기판28 gallium nitride substrate
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; 및Method 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; Forming a wax having a predetermined thickness on the gallium nitride layer and on the rear surface of the sapphire substrate; Grinding edges to make the sapphire substrate the desired diameter; Removing wax on the gallium nitride layer and the sapphire substrate back surface; And
상기 사파이어 기판의 후면으로 레이저 빔을 조사하여 상기 사파이어 기판으로부터 상기 질화갈륨막을 분리하는 단계를 포함하여 이루어진다.Irradiating a laser beam to a rear surface of the sapphire substrate to separate the gallium nitride film from the sapphire substrate.
상기 왁스의 형성은 상기 왁스를 녹여 상기 사파이어 기판과 상기 질화갈륨막상에 도포한 후 상온으로 냉각시킴으로서 이루어질 수 있다.The wax may be formed by melting the wax, applying the wax on the sapphire substrate and the gallium nitride film, and cooling the film to room temperature.
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.The step of removing the wax preferably comprises a) removing the primary by heating the sapphire substrate to the melting point of the wax and b) removing the residual amount with acetone after the primary removal.
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.Another method of manufacturing a gallium nitride single crystal substrate according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of preparing a plurality of sapphire substrate on which a gallium nitride (GaN) film is formed; Bonding the sapphire substrates to each other using wax to form a predetermined distance to form a sapphire substrate assembly; Grinding an edge of the sapphire substrate assembly to make the sapphire substrates the desired diameter; Removing wax between the sapphire substrates; And separating the gallium nitride film from the sapphire substrate by irradiating a laser beam to the rear surface of each of the sapphire substrates.
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.The step of forming the sapphire substrate assembly preferably comprises the steps of: a) arranging the sapphire substrate to form a predetermined distance in a cylinder of metal material that can be separated from side to side; B) melting wax between the sapphire substrates; And c) cooling the entire cylinder to room temperature.
상기 사파이어 기판은 질화갈륨(GaN)막이 동일 방향을 이루도록 배열하는 것이 바람직하며, 상기 사파이어 기판들의 접착시 가장자리 기판의 바깥면에도 왁스가 형성되는 것이 바람직하다.The sapphire substrate is preferably arranged so that the gallium nitride (GaN) film is formed in the same direction, and wax is also formed on the outer surface of the edge substrate when the sapphire substrates are bonded.
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 2 내지 도 6은 본 발명에 의한 질화갈륨 단결정 기판의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.2 to 6 are views for explaining a method of manufacturing a gallium nitride single crystal substrate according to the present invention.
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.First, referring to FIG. 2, the sapphire substrate 12 having the gallium nitride thin film formed in the cylinder 10 is arranged at a predetermined interval, and then the wax 20 is filled between the sapphire substrate 12 and the outer surface of the edge substrate. Put it in.
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.The cylinder 10 has an inner diameter equal to the diameter of the sapphire substrate 12, and slots (not shown) are arranged so that the sapphire substrate 12 can be individually arranged in a range of 5 to 10 mm along an inner surface thereof. It is. The upper and the first and second lids 16 and 18 which are opened to the left and right are configured, and when the first and second lids 16 and 18 are closed, a gap 15 of a predetermined interval L is formed. do. It is preferable that the thickness of the wax is 5 nm to 10 nm.
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.The cylinder 10 is preferably made of a thin plate made of metal. In addition, the gap 15 may vary depending on the diameter of the cylinder 10, and 5 to 30 mm is preferable.
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.First, a gallium nitride film is grown on the sapphire substrate 12 by HVPE to a thickness of about 300 μm, and then the sapphire substrate 12 is arranged in the cylinder 10 and the first and second lids 16 and 18 are formed. After closing, the crystal wax (Crystal wax) melting in the temperature range of 70 ~ 140 ℃ is heated and poured into the space between the sapphire substrate 12 through the gap 15 and cooled to room temperature. In this case, the sapphire substrate 12 is arranged such that the gallium nitride film has the same direction.
계속해서 도 3을 참조하면 상기 원통(10)을 제거하여 사파이어 기판 결합체(22, 직경 : R)를 형성한다.3, the cylinder 10 is removed to form a sapphire substrate assembly 22 (diameter: R).
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)Subsequently, referring to FIG. 4, the sapphire substrate assembly 22 is ground using a grinder to completely remove the polycrystalline gallium nitride formed at the edge of the substrate and to have a desired diameter 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.The wax 20 bonds the sapphire substrates 12 to each other to prevent cracks in the substrates during grinding. That is, the wax 20 may process a plurality of sapphire substrate 12 at the same time.
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.Subsequently, referring to FIG. 5, the processed sapphire substrate assembly 22 is heated to a temperature range of 70 to 140 ° C. to first remove wax, and then a second amount of wax is completely removed in a bath containing acetone.
따라서 상기 사파이어 기판(12)들을 독립적으로 분리한다.Therefore, the sapphire substrate 12 is separated independently.
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.6, the gallium nitride film 14 is separated from the sapphire substrate 12 by irradiating a laser beam 26 to the rear surface of the processed individual sapphire substrate 12 (laser lift-off method). A gallium nitride substrate 28 is formed.
따라서, 본 발명은 크랙이 없는 대면적의 질화갈륨 단결정 기판을 제조할 수 있으며, 질화갈륨 레이져 다이오드 등의 소자 제조시 생산성을 향상시키는 효과가 있다.Accordingly, the present invention can manufacture a large area gallium nitride single crystal substrate without cracks, and has the effect of improving productivity in manufacturing devices such as gallium nitride laser diodes.
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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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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