KR101301197B1 - Method for manufacturing thin film of single crystal sapphire for led chip substrate and led chip thereby - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a thin film of single crystal sapphire for an LED chip substrate and the LED chip thereby are provided to reduce production costs by minimizing loss due to a cutting process. CONSTITUTION: Aluminum of a thickness of 100-10000 nm is deposited on one surface of a quartz glass substrate (3). The deposited aluminum is locally heated. Oxygen (5) is in contact with the heated aluminum. Single crystal sapphire is formed by changing aluminum through an oxidation reaction. The single crystal sapphire formed by the oxidation reaction is slowly cooled.

Description

LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법 및 이로부터 제조된 LED 칩{Method for manufacturing thin film of single crystal sapphire for LED chip substrate and LED chip thereby}Method for manufacturing thin film of single crystal sapphire for LED chip substrate and LED chip thereby

본 발명은 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 석영유리 기판 위의 알루미늄을 증착하고 직접 산화시키는 간소화된 공정으로 사파이어 단결정 박막을 형성하는 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법 및 이로부터 제조된 LED 칩에 관한 것이다.The present invention relates to a sapphire single crystal thin film for LED chip substrate, and more particularly, to manufacture a sapphire single crystal thin film for LED chip substrate to form a sapphire single crystal thin film in a simplified process of depositing and directly oxidizing aluminum on a quartz glass substrate. It relates to a method and an LED chip manufactured therefrom.

최근 LED는 휴대폰, 모니터, 텔레비전(TV) 등의 백 라이트 유니트(Back Light Unit)로 용도를 확산하였으며, 차세대 조명 및 자동차 헤드라이트와 같은 고휘도 조명에의 적용까지 확장될 것으로 추정됨에 따라 LED 산업 규모가 점차 확대되고 있다.Recently, LED has expanded its use to back light units such as mobile phones, monitors, and televisions, and is expected to be extended to high-brightness lighting such as next-generation lighting and automotive headlights. Is gradually expanding.

LED 제조의 핵심 기술은 MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)공정에서 제조되는 다층 박막의 갈륨나이트라이드(GaN) 에피층 형성으로서, GaN 에피층 형성에 GaN 단결정을 LED 칩 기판으로 사용하는 것이 최적이지만, GaN 단결정은 결정성장이 매우 어렵고 또 고가이어서 LED 칩 기판으로 사용이 극히 제한적이고, 또 다른 LED 칩 기판 재료인 실리콘카바이드(SiC)는 GaN와 격자부정합(lattice mismatch)이 비교적 작고 기타 물리적 특성이 우수하여 LED 칩 기판으로서 좋은 재료이지만, 결정성장 방법이 쉽지 않아 공업적 응용을 위한 크기의 단결정을 경제적으로 제조하기가 어렵고 고가이다.The core technology of LED manufacturing is the formation of gallium nitride (GaN) epilayer of multilayer thin film manufactured by MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition) process, but GaN single crystal is optimally used as LED chip substrate for GaN epilayer formation. Single crystals are very difficult and expensive to grow, which makes them extremely limited for use as LED chip substrates.Since, another LED chip substrate material, silicon carbide (SiC) has relatively small GaN and lattice mismatch and other physical properties. Although a good material for LED chip substrates, it is difficult and expensive to economically manufacture single crystals of size for industrial applications due to the difficult crystal growth method.

LED 칩 제조의 GaN 에피층 형성을 위한 또 다른 LED 칩 기판재료로 사파이어가 이용되고 있다.Sapphire is used as another LED chip substrate material for forming a GaN epilayer in LED chip manufacturing.

사파이어는 산화알루미늄 혹은 알루미나의 결정질 형태인 강옥(corundum)의 단결정으로서 자연에서 산출되는 사파이어 보석에는 불순물로서 철(Fe), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 등이 포함될 수도 있다.Sapphire is a single crystal of corundum, which is a crystalline form of aluminum oxide or alumina, and sapphire gemstones produced in nature may include iron (Fe), titanium (Ti), vanadium (V), and the like as impurities.

사파이어는 용융점이 2045 ℃로 매우 높고 밀도는 3.98 g/cc, 모스(Mohs) 경도는 9.0, 열팽창계수는 7~8x10-6 K, 열전도도는 0.272 J/cmK, 비저항값은 >1014 Ωm로서 기판으로서 우수한 특성을 보유하고 있고, 사파이어 기판의 표면 결정성을 GaN 성장을 시킬 수 있을 정도로 제어 가능하여 아직까지 공업적으로 사파이어를 대체할 재료가 거의 없다.Sapphire has a very high melting point of 2045 ℃, density is 3.98 g / cc, Mohs hardness is 9.0, thermal expansion coefficient is 7 ~ 8x10 -6 K, thermal conductivity is 0.272 J / cmK, specific resistance is> 10 14 Ωm. It has excellent characteristics as a substrate, and can control the surface crystallinity of sapphire substrate to the extent that GaN can be grown, and there are few materials to replace sapphire industrially.

현재 공업적으로 LED 칩 기판용 사파이어 단결정을 성장시키는 방법은 키로폴러스(Kyropoulus)법, VHGF(Vertical-Horizontal Gradient Freezing)법, CHES(Controlled Heat Extraction System)법, 초크랄스키(Czochralski)법 등이 있다.Currently, methods of growing sapphire single crystals for LED chip substrates include Kyropoulus method, VHGF (Vertical-Horizontal Gradient Freezing) method, Controlled Heat Extraction System (CHES) method, Czochralski method, etc. There is this.

이 중에서 키로폴러스법은 러시아 Monocrystal Inc.에서 개발한 방법으로서 국제적으로 가장 많이 사용되고 있으며, VHGF법은 국내 사파이어 테크놀로지(주)에서 원천기술을 소유하고 있는 독자적인 기술로서, 모두 a-축 HEM(Heat Exchange Method) 성장방법의 일종이다. Among them, the Chiropolus method was developed by Monocrystal Inc. in Russia and is the most widely used internationally. The VHGF method is a proprietary technology owned by Sapphire Technology Co., Ltd. in Korea. Exchange Method) It is a kind of growth method.

또한 2007년 미국의 ARC Energy(Advanced Renewable Energy Company)는 CHES이라고 불리는 방법을 개발하였는데 near-net shape의 6˝, 8˝, 10˝ 웨이퍼용 사파이어를 c-축 방향으로 성장시킬 수 있어 중국을 비롯한 신규 진입시장에서 많이 채용하고 있는 경향이 있다. In 2007, the US Advanced Renewable Energy Company (ARC Energy) developed a method called CHES, which can grow near-net shaped sapphire for 6˝, 8˝, and 10˝ wafers in the c-axis direction. There is a tendency to employ a lot in the new entry market.

이 외에 초크랄스키법에 의한 c-축 성장은 일본의 큐슈대학교 후쿠다 결정연구소에서 6”이상의 단결정을 성장시켰으나 아직 연구를 진행 중에 있으며, 결정에 결함이 생성되는 것을 억제하기가 쉽지 않다.In addition, C-axis growth by the Czochralski method has grown more than 6 ”of single crystals at the Fukuda Crystal Research Institute in Kyushu University, Japan, but it is still under study, and it is difficult to suppress the formation of defects.

사파이어 웨이퍼가 에피 증착(epitaxial deposition)용 기판으로 사용되기 위해서는 고순도, 표면의 평탄도, 일정한 두께, 결정학적 1개의 축 방향으로 정렬된 단결정 구조가 필요하다.In order to use a sapphire wafer as a substrate for epitaxial deposition, a single crystal structure aligned in one axial direction with high purity, surface flatness, constant thickness, and crystallography is required.

상기한 초크랄스키법(Czochralski method), 키로폴러스법(Kyropolous method), VHGF법(Vertical Horizontal Gradient Freezing), HEM법(Heat Exchange Method) 혹은 변형 HEM법을 비롯한 기존 제조 방식에서는 99.999% 이상의 고순도로 정제한 원료를 결정 성장방법에 따른 특정한 결정 성장로에서 수일~ 2주 이상의 장시간 동안 산화알루미늄(알루미나)의 용융점보다 높은 2050 ℃ 이상의 높은 제조온도가 필요하기 때문에 많은 에너지가 소모되고, 고온에서 알루미나의 용융체(melt)를 장시간 담아 두기 위해 이리듐(Ir), 몰리브데늄(Mo) 등의 고가의 도가니가 필요할 뿐만 아니라 액상 알루미나와 도가니와의 계면(interface)에서 도가니의 열화(degradation)를 최대한 방지하여야 하며, 또한 잉곳으로부터 특정한 결정학적 방향(crystallographic direction)으로 원통 형태(cylinderical shape)의 덩어리로 추출(core-drilling) 혹은 가공한 후 웨이퍼 형태로 절단손실(Kerf-loss)을 최소화 하면서 절단 및 연마를 해야 하는 문제점이 있다.High purity of 99.999% or more in the existing manufacturing methods including the Czochralski method, Kyropolous method, VHGF (Vertical Horizontal Gradient Freezing), HEM method (Heat Exchange Method) or modified HEM method The raw material purified by the crystallization method requires a high production temperature of 2050 ° C or higher, which is higher than the melting point of aluminum oxide (alumina) in a specific crystal growth furnace according to the crystal growth method for several days to two weeks or longer. Expensive crucibles such as iridium (Ir) and molybdenum (Mo) are necessary to store melt for a long time, and the crucible deterioration is prevented at the interface between liquid alumina and crucible as much as possible. And extracting from the ingot into a mass of cylindrical shape in a specific crystallographic direction (core-dr). After illing or processing, there is a problem of cutting and polishing while minimizing kerf-loss in the form of a wafer.

대한민국등록특허공보 제10-0428699호에는 도가니 내부에 씨앗 결정을 장착하고 결정 재료를 장입한 후 고온에서 용융시키고, 상기 씨앗 결정이 위치된 부분을 기준으로 수평과 수직방향으로 점차적으로 온도를 높게 하였다가 서서히 하강하여 결정을 육성함으로써, 단면의 길이보다 길이가 더 긴 막대형태의 결정의 육성방법을 제공하고 있다.In Korean Patent Publication No. 10-0428699, seed crystals are placed inside a crucible, charged with a crystalline material, and then melted at a high temperature, and the temperature is gradually increased in the horizontal and vertical directions with respect to the portion where the seed crystals are located. By slowly descending to grow crystals, there is provided a method for growing rod-shaped crystals longer in length than the length of the cross section.

그러나 상기 특허에 의한 방법은 상기 기존 제조 방식을 개선했음에도 불구하고 여전히 결정 재료의 정제, 고온 용융에 의한 에너지 소모, 도가니의 필요 및 제조된 결정의 절단 가공에 의한 손실에 의한 문제점은 여전히 해결되고 있지 않다.However, although the patented method improves the existing manufacturing method, the problems due to the purification of crystalline material, the energy consumption due to high temperature melting, the need of the crucible and the loss due to the cutting processing of the manufactured crystal are still not solved. not.

한편, LED 칩은 GaN 및 InGaN과 같은 화합물을 사파이어 기판의 표면 위에 다층 박막 형태로 증착시켜 제조된 것인데 LED 칩의 작동 중에 발생하는 열을 방출하기 위하여 사파이어 기판의 두께를 최소화할 필요가 있어서 LED 기능을 위한 GaN 등의 화합물 다층 박막을 증착시킨 뒤에는 기판으로 사용한 사파이어를 제거하거나 두께를 최소화시키기도 하지만, 에피 증착온도에서 사파이어 기판의 휨 발생과 같은 변형 및 격자 불일치(lattcie mismatch)를 최소화하기 위해서 사파이어 기판의 두께를 최소화하는데도 한계가 있다.Meanwhile, LED chips are manufactured by depositing compounds such as GaN and InGaN in the form of multilayer thin films on the surface of a sapphire substrate. In order to release heat generated during the operation of the LED chip, the thickness of the sapphire substrate needs to be minimized. After depositing a compound multilayer thin film such as GaN for sapphire, the sapphire substrate may be removed or the thickness thereof may be minimized, but the sapphire substrate may be minimized to minimize deformation and lattice mismatches such as warpage of the sapphire substrate at the epi deposition temperature. There is also a limit to minimizing the thickness.

따라서 GaN 등의 에피 증착에 필요한 사파이어 단결정 박막을 형성할 수 있으면 오랜 시간과 많은 에너지가 소요되는 단결정 성장 공정, 덩어리(bulk) 단결정을 웨이퍼 형태로 절단하고 연마하는 공정, 그리고 LED 칩 소자를 제작한 후 방열을 위해서 사파이어 두께를 줄이는 공정 등을 생략하거나 간소화할 수 있다.Therefore, if a sapphire single crystal thin film required for epi deposition such as GaN can be formed, a single crystal growth process that takes a long time and a lot of energy, a process of cutting and polishing a bulk single crystal into wafer form, and an LED chip device are manufactured. After the heat dissipation can be omitted or simplified to reduce the sapphire thickness.

사파이어 박막은 여러 가지 공정에 의해서 제조할 수 있으나 에피 증착을 위해서는 다결정(polycrystal)이 아니라 단결정(single crystal)의 형태로 성장시켜야 하는데, 아직까지 LED소자 제조를 위한 기판에서 사파이어 단결정 박막을 형성하는 방법은 보고된 바 없다.The sapphire thin film can be manufactured by various processes, but for epi deposition, it has to be grown in the form of single crystal instead of polycrystal, but the method of forming sapphire single crystal thin film on the substrate for LED device manufacturing Has not been reported.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 기존의 제조 방식인 덩어리 형태로 사파이어 단결정을 성장시키고 이를 절단하여 웨이퍼 형태로 제조하는 방법과는 다르게, 알루미늄의 증착 및 산화 방법을 이용하여 간소화된 공정으로 경제성이 있으며, 에피 증착이 가능한 얇은 두께의 사파이어 단결정 박막을 형성할 수 있는 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention, in order to solve the problems of the prior art as described above, unlike the method of growing a sapphire single crystal in the form of agglomerate, which is a conventional manufacturing method and cutting it to produce a wafer form, using a deposition and oxidation method of aluminum It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a sapphire single crystal thin film for an LED chip substrate, which is economical with a simplified process and can form a thin sapphire single crystal thin film capable of epi deposition.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (A) 석영유리 기판의 한쪽 표면에 알루미늄을 증착하는 단계; (B) 상기 알루미늄을 사파이어로 변환시키기 위한 챔버 내에서, 가열장치에 의해 가열되는 부위가 직선이 되도록 상기 증착된 알루미늄을 국부적으로 가열하고, 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판의 증착되지 않은 밑면을 냉각되는 부위가 직선이 되도록 냉각하면서, 상기 가열된 알루미늄에 산소를 접촉시켜, 산화반응에 의해 상기 알루미늄을 변환시켜 사파이어 단결정을 형성하는 단계; 및 (C) 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판을 길이 방향으로 연속적으로 이동시키거나 상기 가열장치를 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판의 길이 방향으로 연속적으로 이동시키는 단계를 포함한 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of (A) depositing aluminum on one surface of the quartz glass substrate; (B) In the chamber for converting the aluminum into sapphire, locally heated the deposited aluminum so that the portion heated by the heating device is a straight line, and the undeposited underside of the quartz glass substrate on which the aluminum is deposited Cooling the portion to be cooled in a straight line while contacting oxygen with the heated aluminum to convert the aluminum by an oxidation reaction to form a sapphire single crystal; And (C) continuously moving the aluminum-deposited quartz glass substrate in the longitudinal direction or continuously moving the heating device in the longitudinal direction of the aluminum-deposited quartz glass substrate. It provides a method for producing a thin film.

상기와 같은 해결수단에 의해 본 발명은, 기존의 제조 방식인 알루미나 원료의 고순도 정제, 도가니에서 알루미나 전체의 용해, 사파이어 단결정 성장, 사파이어 잉곳의 절단 가공 및 사파이어 웨이퍼의 연마가 별도의 독립적인 다단계 공정인 것과 비교하여, 제조공정이 간소화되며, 정제공정이 필요 없고 도가니 표면과 알루미나 용융체와의 반응에 의한 도가니의 열화 및 불순물의 유입이 원천적으로 배제되어 고순도의 균일한 사파이어 단결정 박막을 얻을 수 있다.By means of the above solution, the present invention is a separate multi-step process of high-purity purification of alumina raw material, the melting of the entire alumina in the crucible, the growth of sapphire single crystal, cutting of the sapphire ingot and polishing of the sapphire wafer, which is a conventional manufacturing method Compared with the phosphorus, the manufacturing process is simplified, no purification process is required, and deterioration of the crucible due to the reaction of the crucible surface with the alumina melt and inflow of impurities are essentially excluded, thereby obtaining a high purity uniform sapphire single crystal thin film.

또한, 본 발명은 고가의 도가니가 필요 없으며, 사파이어 단결정 박막을 형성하는 시간의 단축으로 에너지가 절감되며, 절단가공에서의 손실이 최소화되어 생산비용을 절감할 수 있다.In addition, the present invention does not require an expensive crucible, energy is reduced by shortening the time for forming the sapphire single crystal thin film, and the loss in the cutting process is minimized, thereby reducing the production cost.

또한, 본 발명은 폭과 길이의 제한이 없는 LED 칩 기판을 제조할 수 있으며, LED 제조의 MOCVD공정에서 LED 칩 기판 위에 에피층을 500~1100 ℃의 고온에서 형성할 때, 본 발명의 LED 칩 기판은 상기 고온에서도 석영유리 기판에 의해 기계적 강도가 우수하여 휨 발생 및 상기 에피층의 결함이 감소하여 LED 칩의 생산 수율이 증대되며, 기존의 사파이어 기판에 비해 가격이 저렴해 진다.In addition, the present invention can manufacture the LED chip substrate without limitation of the width and length, when forming the epi layer on the LED chip substrate at a high temperature of 500 ~ 1100 ℃ in the MOCVD process of LED manufacturing, the LED chip of the present invention The substrate is excellent in mechanical strength by the quartz glass substrate even at the high temperature, thereby reducing warpage and defects in the epi layer, thereby increasing the yield of the LED chip, and making the price cheaper than the conventional sapphire substrate.

또한, 사파이어 단결정 박막의 두께를 최소화할 수 있어 LED 칩의 작동 중에 발생하는 열을 용이하게 방출하는 효과를 제공한다.In addition, the thickness of the sapphire single crystal thin film can be minimized, thereby providing an effect of easily dissipating heat generated during the operation of the LED chip.

도 1a는 본 발명에 따른 적외선 가열장치를 이용하여 산화에 의한 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법의 개념도이며,
도 1b는 본 발명에 따른 레이저 가열장치를 이용하여 산화에 의한 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법의 개념도이며,
도 2는 본 발명에 따른 사파이어 단결정이 형성되는 개념도이며,
도 3은 본 발명에 따른 산화반응 전후에 따라 알루미늄이 사파이어로 변환되는 것을 나타내는 사진이며,
도 4는 본 발명에 따른 산화반응이 완료되지 않은 알루미늄 영역과 산화가 일어난 사파이어 단결정 영역을 보여주는 주사전자현미경 미세구조 사진과 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)분석 데이터이며,
도 5는 본 발명에 따른 사파이어 단결정 박막의 평면과 단면 주사전자현미경 사진이며,
도 6은 본 발명에 따른 사파이어 단결정 박막의 X-선 회절분석 결과와 EDS 데이터이다.
1A is a conceptual diagram of a method of manufacturing a sapphire single crystal thin film for an LED chip substrate by oxidation using an infrared heating device according to the present invention;
1B is a conceptual diagram of a method of manufacturing a sapphire single crystal thin film for an LED chip substrate by oxidation using a laser heating device according to the present invention;
2 is a conceptual diagram in which a sapphire single crystal according to the present invention is formed,
3 is a photograph showing that aluminum is converted into sapphire according to before and after the oxidation reaction according to the present invention,
4 is a scanning electron microscope microstructure photograph and EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) analysis data showing an aluminum region and an sapphire single crystal region in which oxidation is not completed according to the present invention.
5 is a planar and cross-sectional scanning electron micrograph of a sapphire single crystal thin film according to the present invention,
6 is X-ray diffraction analysis results and EDS data of the sapphire single crystal thin film according to the present invention.

이하, 본 발명의 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the sapphire single crystal thin film for LED chip substrate of this invention is demonstrated in detail.

(A) 석영유리 기판의 한쪽 표면에 고순도 알루미늄을 증착시킨다.(A) High purity aluminum is deposited on one surface of a quartz glass substrate.

상기 석영유리 기판은 상기 기존 제조 방식에 의한 사파이어 웨이퍼보다 내열성과 화학적 안정성이 우수하고 생산비용도 저렴한 효과가 있다.The quartz glass substrate has better heat resistance and chemical stability and lower production cost than the sapphire wafer according to the conventional manufacturing method.

본 발명에서 석영유리 기판의 조성, 형태, 크기, 두께 및 길이 등은 특별히 제한받지 않으며, 석영유리 기판의 제조 공정과 알루미늄의 증착 공정을 연결시켜 구성할 수 있다.In the present invention, the composition, shape, size, thickness, and length of the quartz glass substrate are not particularly limited, and may be configured by connecting the manufacturing process of the quartz glass substrate and the deposition process of aluminum.

알루미늄은 금속으로서 알루미늄 원자들이 최밀충전(close-packing)하여 면심입방구조(Face-Centered Cubic Structure, FCC)를 가지며 원자들이 공간적으로 규칙적인 배열을 가지는 단결정 형태의 입자(grain)는 대개 수㎛~수십㎛의 크기의 다결정질이다.Aluminum is a metal, which has a face-centered cubic structure (FCC) in which aluminum atoms are close-packed, and grains in the form of single crystals in which the atoms have a spatially regular arrangement are usually several μm to It is polycrystalline in size of several tens of micrometers.

상기 알루미늄의 증착 방법은 공지의 방법이 사용될 수 있으며, 스퍼터링(Sputtering) 또는 열적 증발(Thermal evaporation)의 물리적 증착에 의한 방법이 좀더 바람직하다.The deposition method of the aluminum may be a known method, more preferably by physical deposition of sputtering or thermal evaporation.

상기 석영유리 기판에 알루미늄을 증착하는 것은 챔버 내에서 이루어지는데, 이때 상기 챔버는 잔류 산소의 량을 최소화하기 위해 고진공이거나, 환원분위기를 유지하기 위해 수소가 포함된 아르곤 불활성 기체를 주입하여 챔버 내의 압력이 0~1 atm이 되도록 한다.The deposition of aluminum on the quartz glass substrate is performed in a chamber, wherein the chamber is a high vacuum to minimize the amount of residual oxygen or a pressure in the chamber is injected by injecting argon inert gas containing hydrogen to maintain a reducing atmosphere. Is 0 to 1 atm.

상기 알루미늄의 증착 두께는 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막으로 이용되기 위하여 100~10000 nm의 범위가 바람직한데, 상기 증착 두께가 100 nm 미만이면 형성되는 사파이어의 결정성이 감소하여 원자들의 규칙적인 배열이 완벽한 단결정 구조로부터 이탈될 가능성이 높아 GaN의 에피 성장이 어렵고, 10000 nm를 초과하면 사파이어 단결정 박막 위에 형성된 GaN 에피층의 방열이 원활하지 않은 문제점이 있다.The deposition thickness of the aluminum is preferably in the range of 100 ~ 10000 nm in order to be used as a sapphire single crystal thin film for the LED chip substrate. If the deposition thickness is less than 100 nm, the crystallinity of the formed sapphire is reduced and the regular arrangement of atoms is reduced. GaN epitaxial growth is difficult due to high deviation from the perfect single crystal structure, and if it exceeds 10000 nm, the heat radiation of the GaN epitaxial layer formed on the sapphire single crystal thin film is not smooth.

(B) 챔버 내에서 적외선 혹은 레이저 가열장치를 이용하여, 가열되는 부위가 좁은 영역의 직선이 되도록 상기 증착된 알루미늄을 국부적으로 가열하고, 상기 증착된 석영유리 기판의 증착되지 않은 밑면을 냉각되는 부위가 직선이 되도록 냉각하면서, 상기 가열된 알루미늄에 산소를 접촉시켜, 산화반응에 의해 상기 증착된 알루미늄을 사파이어 단결정으로 변환시킨다.(B) a portion of the chamber where the heated aluminum is locally heated using an infrared or laser heating device so that the heated portion becomes a straight line in a narrow region, and the undeposited bottom surface of the deposited quartz glass substrate is cooled. While cooling to be a straight line, oxygen is brought into contact with the heated aluminum to convert the deposited aluminum into a sapphire single crystal by an oxidation reaction.

알루미늄이 산소와 산화반응을 하면 산화알루미늄이 되는데, 이를 줄여서 알루미나(alumina)라고 부르며, 알루미나는 알루미늄 원자와 산소원자가 조밀육방정계(Close-Packed Hexagonal Lattice)의 단위포(unit cell)를 가진다.When aluminum oxidizes with oxygen, it becomes aluminum oxide, which is called alumina, which is called alumina. Alumina has a unit cell of close-packed hexagonal lattices.

알루미나의 결정질 물질을 코런덤(corundum)이라고 통칭하며, 코런덤의 단결정에 불순물로서 크롬(Cr)이 포함되면 빨간색의 보석인 루비(ruby), 그 외 철(Fe), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 등이 포함되면 사파이어(sapphire)라고 부른다.The crystalline material of alumina is called corundum, and if the single crystal of corundum contains chromium (Cr) as an impurity, red gemstone is ruby, other iron (Fe), titanium (Ti), vanadium (V) and so on are called sapphire.

사파이어는 불순물의 종류 및 함량에 따라서 파란색, 녹색, 노란색, 보라색, 핑크색 등 여러 가지 색상을 발현하나 보석류로서 사파이어는 대개 Fe와 Ti가 불순물로 존재하는 파란색 단결정을 일컫는다. 불순물의 원소 종류 및 농도에 따라서 색상(color)과 색조(shade)가 달라서 보석으로 관심을 받지만, 산업적 응용에 있어서는 가능한 한 불순물의 함량을 최소화시킨 코런덤을 사파이어라고 부른다.Sapphire expresses various colors such as blue, green, yellow, purple, and pink depending on the type and content of impurities, but as a jewel, sapphire generally refers to a blue single crystal in which Fe and Ti are present as impurities. Although color and shade are different depending on the element type and concentration of impurities, corundum that is minimized as much as possible in industrial applications is called sapphire.

사파이어는 투명성, 고강도, 내마모성, 고온에서의 열적 안정성의 특징이 우수하여 고가의 시계창, 미사일의 레이돔(raydome) 등에 이용되거나 반도체 산업에서 고온 챔버의 창으로 사용되기도 한다. 또한 구조적 열적 안정성과 에피 성장을 하기에 적절한 격자상수 때문에 박막 성장의 연구용 기판으로 많이 사용되다가 최근 LED산업의 급격한 팽창으로 인하여 수요가 많이 증가하였다.Sapphire has excellent transparency, high strength, abrasion resistance, and thermal stability at high temperatures, so it is used for expensive watch windows, missile radomes, or as a window for high temperature chambers in the semiconductor industry. In addition, due to the structural thermal stability and the lattice constant suitable for epitaxial growth, it was widely used as a research substrate for thin film growth, but the demand increased due to the rapid expansion of the LED industry.

상기 적외선 혹은 레이저 가열장치에 의해 상기 증착된 알루미늄이 500~2100 ℃의 고온으로 가열되면, 순간적으로 상기 알루미늄이 용융되어 고온의 유동상이 되고, 산소와 직접 접촉하여 산화반응에 의해 산화알루미늄인 사파이어로 변환되며, 상기 산소가 고온의 유동상의 알루미늄에 의해 형성되는 고액 계면(solid-liquid interface)을 따라 확산하면서 산화반응이 확산 진행된다.When the deposited aluminum is heated to a high temperature of 500 ~ 2100 ℃ by the infrared or laser heating device, the aluminum is instantaneously melted into a high-temperature fluidized bed, and in contact with oxygen directly into sapphire as aluminum oxide by oxidation reaction The oxidation reaction is diffused while the oxygen diffuses along the solid-liquid interface formed by the hot fluidized aluminum.

이때 상기 산화반응 과정에서 상기 증착된 알루미늄은 가열되고 상기 증착된 석영유리 기판의 증착되지 않은 밑면은 냉각되게 하여, 즉 상기 증착된 알루미늄과 상기 석영유리 기판 사이에 온도구배를 주어, 상기 산화반응에 의해 형성되는 사파이어가 다결정질(polycrystalline)이 아닌 단결정(single crystal) 형태로 성장하게 된다.In this process, the deposited aluminum is heated and the undeposited bottom surface of the deposited quartz glass substrate is cooled, that is, a temperature gradient is provided between the deposited aluminum and the quartz glass substrate, The sapphire formed is grown in the form of a single crystal rather than polycrystalline.

상기 온도구배는 거리에 따른 온도 차이로서, 상기 온도구배가 작을 경우 입자의 성장 방향이 무작위(random)가 되어 다결정질이 형성되나, 상기 온도구배가 클 경우 입자의 성장 방향을 제어하여 단결정을 형성시킬 수 있다.The temperature gradient is a temperature difference according to a distance. When the temperature gradient is small, the growth direction of the particles becomes random and polycrystalline is formed. However, when the temperature gradient is large, the single crystal is formed by controlling the growth direction of the particles. You can.

본 발명의 상기 온도구배는, 상기 증착된 알루미늄의 가열 부위의 온도를 500~2100 ℃의 범위로 하고, 상기 석영유리 기판의 냉각 부위의 온도를 -195.8~400.0 ℃의 범위로 하는 것이 바람직하다.In the temperature gradient of the present invention, the temperature of the heated portion of the deposited aluminum is preferably in the range of 500 to 2100 ° C, and the temperature of the cooling portion of the quartz glass substrate is in the range of -195.8 to 400.0 ° C.

상기 가열 부위의 온도가 500 ℃ 미만일 경우에는, 알루미늄의 산화반응이 온도에 비례하여 이루어지는데, 알루미늄의 온도가 알루미늄의 용융온도보다 너무 낮아 산화반응이 느리며, 또한 산소가 알루미늄과 반응하여 사파이어가 되는 반응은 알루미늄의 표면으로부터 진행되는데, 일단 알루미늄의 표면에 사파이어 막이 형성되면 산소가 이미 형성된 사파이어 막을 확산하여 밑에 있는 알루미늄 원자와 결합하기 어려워 즉, 산소의 이동 확산 속도가 감소하여 알루미늄 박막 전체에 충분한 산화반응이 일어나기 어렵다.When the temperature of the heating portion is less than 500 ℃, the oxidation reaction of aluminum is performed in proportion to the temperature, the temperature of aluminum is too low than the melting temperature of aluminum, the oxidation reaction is slow, and oxygen reacts with aluminum to form sapphire The reaction proceeds from the surface of aluminum. Once the sapphire film is formed on the surface of aluminum, oxygen sapphire film is difficult to diffuse and bond with the underlying aluminum atoms. The reaction is unlikely to occur.

상기 가열 부위의 온도가 2100 ℃ 초과하면 에너지 소요가 많아지므로 경제성 측면에서 바람직하지 못하다.If the temperature of the heating portion exceeds 2100 ℃ energy consumption is not preferable in terms of economics.

상기 석영유리 기판에서, 알루미늄 금속 박막이 증착되지 않은 밑면(bottom plane)에 사파이어 단결정 성장에 적합한 온도구배를 형성하기 위하여, 가열 부위와 일정한 거리에 위치하고 가열 부위와 평행한 방향으로 냉각 부위를 형성함으로써, 상기 증착된 알루미늄 금속 박막 면에서 직선형태의 가열 부위와 가열되지 않는 인접부위 사이에 높은 온도구배를 형성할 수 있으며, 상기 증착된 알루미늄 금속 박막 두께 방향으로도 상기 석영유리 기판의 밑면으로부터 상기 증착된 알루미늄 금속 박막의 표면 방향으로 온도구배를 형성할 수 있으므로 상기 석영유리 기판의 표면과 접촉한 상기 증착된 알루미늄 금속 박막 부위로부터 단결정 성장이 시작된다. 동시에 상기 가열장치를 일정한 속도로 이동시키거나 알루미늄 금속이 증착된 석영유리 기판을 일정한 속도로 이동시켜 판상 형태의 사파이어 박막 단결정을 성장시킨다.In the quartz glass substrate, in order to form a temperature gradient suitable for sapphire single crystal growth on a bottom plane on which an aluminum metal thin film is not deposited, by forming a cooling part at a predetermined distance from the heating part and parallel to the heating part. In the deposited aluminum metal thin film surface, a high temperature gradient may be formed between a heating portion having a straight shape and an adjacent portion which is not heated, and the deposition is performed from the bottom surface of the quartz glass substrate in the thickness direction of the deposited aluminum metal thin film. As the temperature gradient can be formed in the surface direction of the aluminum metal thin film, single crystal growth starts from the deposited aluminum metal thin film portion in contact with the surface of the quartz glass substrate. At the same time, the heating apparatus is moved at a constant speed or the quartz glass substrate on which aluminum metal is deposited is moved at a constant speed to grow a sapphire thin film single crystal in the form of a plate.

상기 석영유리 기판의 밑면의 냉각온도가, -195.8 ℃ 미만이면 냉각에 의한 단결정 성장 효과의 증가가 미미하고 경제성이 저하되며, 400.0 ℃를 초과하면 단결정 성장이 어려워 바람직하지 못하다.If the cooling temperature of the bottom surface of the quartz glass substrate is less than −195.8 ° C., the increase of the single crystal growth effect due to cooling is insignificant and the economical efficiency is lowered. If it exceeds 400.0 ° C., the single crystal growth is difficult, which is not preferable.

또한, 상기 밑면을 냉각함으로써 상기 산화반응 과정에서의 알루미늄의 용융 영역 혹은 반응 영역의 열이 미반응 영역 쪽으로 전달되어 온도구배가 감소하는 것을 막을 수 있다.In addition, by cooling the bottom surface, it is possible to prevent the temperature gradient from being reduced by transferring heat of the molten region or the reaction region of aluminum in the oxidation process toward the unreacted region.

상기 산화반응을 위해 알루미늄이 용융되도록 고온의 상태가 되는 것이 바람직하지만 일단 산화반응이 완료되어 산화알루미늄의 단결정인 사파이어로 변환된 상태에서는 온도 조절을 통한 냉각이 필요하다.It is preferable to be in a high temperature state so that aluminum is melted for the oxidation reaction, but once the oxidation reaction is completed and converted into sapphire, which is a single crystal of aluminum oxide, cooling through temperature control is required.

상기 사파이어의 박막이 일단 형성된 후에 적절한 서냉(annealing)을 하지 않으면 냉각에 의한 열적 응력(thermal stress) 때문에 상기 사파이어 박막에 균열이나 파괴가 발생할 수 있으므로, 직접 산화반응의 온도로부터 상온(room temperature)까지 서서히 냉각시킬 수 있도록 온도 조절을 할 필요가 있다.If the sapphire thin film is not formed after proper annealing once formed, the sapphire thin film may be cracked or broken due to thermal stress due to cooling, and thus, from the temperature of the direct oxidation reaction to room temperature. The temperature needs to be adjusted to allow it to cool slowly.

상기 (B)의 단계에서 적외선 혹은 레이저의 파장과 국부적으로 가열되는 부위의 직선 폭(line width)은 제한받지 아니하고, 상기 증착된 알루미늄 박막의 두께에 따라 변화할 수 있으며, 가열되는 부위가 직선이 되도록 적외선 혹은 레이저 가열장치에서 초점을 맞추는 방법은 반사경 사용, 렌즈 사용, 빔 이동을 포함한다.In the step (B), the wavelength of the infrared ray or the laser and the line width of the locally heated portion are not limited, and may vary according to the thickness of the deposited aluminum thin film, and the heated portion is straight. Focusing on infrared or laser heaters as much as possible includes the use of reflectors, lenses and beam movement.

상기 적외선 가열장치는, 적외선 램프를 타원(ellipsoid) 형태의 반사경 내부에서 타원의 2개의 초점 중 1개의 초점에 위치시켜, 반사경에 반사된 적외선이 다른 초점에 집광되는 현상을 이용할 수 있다.The infrared heating apparatus may use a phenomenon in which an infrared lamp is positioned at one of two focal points of an ellipse inside an ellipsoidal reflector, and the infrared rays reflected by the reflector are focused at another focus.

상기 레이저 가열장치는, 레이저 빔의 진행 경로 상에 있는 렌즈를 사용하여 원형 형태의 레이저 빔을 직선 형태로 변화시키거나 혹은 레이저 빔 스캐너(scanner) 등을 이용하여 빔을 짧은 시간에 직선을 따라서 이동하도록 하여 직선형태의 가열 부위를 얻을 수 있다.The laser heating apparatus changes a circular laser beam in a straight line using a lens on a path of a laser beam, or moves the beam along a straight line in a short time using a laser beam scanner or the like. It is possible to obtain a linear heating portion.

상기 증착된 알루미늄의 가열되는 부위의 직선 폭은, 적외선 가열의 경우 반사경의 곡율반경 및 적외선 램프의 필라멘트 크기에 따라 변화하며, 레이저 가열의 경우 레이저의 빔 직경에 따라 변화하지만, 가능한 최소의 직선 폭을 유지하는 것이 결정성장에 필요한 높은 온도구배를 부여하기 위해 바람직하다.The linear width of the heated portion of the deposited aluminum varies according to the radius of curvature of the reflector and the filament size of the infrared lamp in the case of infrared heating, and varies according to the beam diameter of the laser in the case of laser heating, It is desirable to maintain a high temperature gradient necessary for crystal growth.

이때, 상기 직선 폭은 3 mm 이하인 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the said linear width is 3 mm or less.

가열되는 부위에 전달되는 에너지의 양은 각각 적외선 램프의 출력 및 레이저 출력에 의존하며, 출력량 조절이 가능하다.The amount of energy delivered to the area to be heated depends on the output of the infrared lamp and the laser output, respectively, and the output can be adjusted.

레이저를 열원으로 이용할 경우, 레이저 종류는 이산화탄소(CO2) 혹은 아르곤(Ar)을 이용한 가스레이저, 엔디야그(Nd-YAG)레이저, 레이저 다이오드를 이용한 LD레이저, 엑스레이(X-ray) 레이저, 광섬유 레이저를 포함한다. 레이저 광원 및 적외선 광원은 직접 산화 및 단결정 성장에 필요한 충분한 출력을 확보하기 위하여 1개 이상의 광원을 포함할 수 있다.When using a laser as a heat source, the laser type is a gas laser using carbon dioxide (CO 2 ) or argon (Ar), an Nd-YAG laser, an LD laser using a laser diode, an X-ray laser, and an optical fiber. It includes a laser. The laser light source and infrared light source may include one or more light sources to ensure sufficient power for direct oxidation and single crystal growth.

상기 적외선 혹은 레이저 가열장치는 1개 이상의 장치를 이용할 수 있다.The infrared or laser heating device may use one or more devices.

상기 가열된 알루미늄을 산화시키기 위해, 500~600 ℃의 온도 범위로 예열된 산소 가스를 상기 알루미늄을 사파이어로 변환시키기 위한 챔버 내에 노즐을 통하여 산화반응을 시키는 영역에 주입하며, 이때 상기 챔버 내의 산소 분압은 0~10 atm의 범위 내에서 일정하게 유지되도록 하여야 한다.In order to oxidize the heated aluminum, oxygen gas preheated to a temperature range of 500 to 600 ° C. is injected into a region for oxidizing through a nozzle in a chamber for converting the aluminum into sapphire, wherein the partial pressure of oxygen in the chamber Should be kept constant within the range of 0 to 10 atm.

산소 가스를 상기 챔버 내로 투입하는 노즐의 배출구는 원형 또는 사각형의 형상을 가지고, 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판의 폭 내에서 일정한 각도로 기울어지거나 이동될 수 있다.The outlet of the nozzle for introducing oxygen gas into the chamber may have a circular or quadrangular shape, and may be tilted or moved at a predetermined angle within the width of the quartz glass substrate on which the aluminum is deposited.

상기 노즐의 배출구 형태가 직선에 가까운 직사각형 형상일 경우 직사각형의 긴 변의 크기는 알루미늄이 증착된 석영유리 기판의 폭의 1.2배 이내이며 작은 변의 크기는 1 mm이하가 바람직하며, 석영유리 기판에 대한 주입 각도는 특별히 제한을 받지 않는다.In the case where the nozzle has a rectangular shape close to a straight line, the length of the long side of the rectangle is within 1.2 times the width of the quartz glass substrate on which aluminum is deposited, and the size of the small side is preferably 1 mm or less. The angle is not particularly limited.

상기 예열된 산소 가스의 온도가 500 ℃보다 낮으면, 가열되어 유동화되고 용융된 알루미늄이 갑자기 냉각되어 산소가 상기 유동화되고 용융된 알루미늄에서 확산되지 않아 상기 증착된 알루미늄 내에서 산화반응이 일어나기 어렵고, 상기 온도가 600 ℃를 초과하면, 에너지 소요가 많아 경제성 측면에서 바람직하지 못하다.When the temperature of the preheated oxygen gas is lower than 500 ° C., the heated, fluidized and molten aluminum suddenly cools so that oxygen is not diffused in the fluidized and molten aluminum, making it difficult to cause oxidation in the deposited aluminum. If the temperature exceeds 600 ° C., energy consumption is high, which is undesirable from the economic point of view.

상기와 같은 방법에 의해 형성되는 사파이어가 단결정으로 성장하는 전단(growth front) 혹은 성장 계면(growth interface)은 직선의 형태를 가진다.The growth front or growth interface in which the sapphire formed by the above method grows into a single crystal has a straight shape.

이는 알루미늄의 가열 부위를 선폭(line width)이 좁은 직선 형태로 가열하기 때문에 고온으로 가열된 산화반응 영역은 직선의 형태를 가지며, 산화반응 영역에서 알루미늄이 산화되어 사파이어 단결정으로 성장하는 전단(growth front) 혹은 성장 계면(growth interface)도 역시 직선의 형태를 가지기 때문이다.Since the heating part of aluminum is heated in a straight line with a narrow line width, the oxidation reaction zone heated at high temperature has a straight line shape, and a growth front where aluminum is oxidized and grows into sapphire single crystal in the oxidation reaction zone. Or the growth interface is also straight.

직선 형태의 성장 계면 혹은 직선 형태의 가열 부위의 방향은 기판의 이동 방향에 대하여 θ=0~90°의 각도 범위 내에서 일정하게 방향을 유지한다.The direction of the linear growth interface or the linear heating portion maintains a constant direction within an angle range of θ = 0 to 90 ° with respect to the moving direction of the substrate.

이는 성장되는 사파이어 단결정 박막의 결정학적 방향의 제어와 다결정(polycrystal)의 발생을 억제하기 위하여 단결정 성장이 증착된 알루미늄 박막의 한쪽 모서리부터 시작되도록 하기 위함이다.This is to allow the single crystal growth to start from one edge of the deposited aluminum thin film to control the crystallographic direction of the grown sapphire single crystal thin film and to suppress the generation of polycrystal.

상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판의 밑면을 냉각하는 방법은, 냉각된 불활성 유체를 국부적으로 직접 주입시키는 방법 또는 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판의 밑면에 접촉된 관에 냉각 유체가 흐르게 하는 방법이 포함된다.The method of cooling the bottom surface of the quartz glass substrate on which the aluminum is deposited includes a method of directly injecting a cooled inert fluid or a method of allowing a cooling fluid to flow in a tube contacting the bottom surface of the quartz glass substrate on which the aluminum is deposited. Included.

이때, 상기 냉각 유체가 주입되는 위치 및 냉각관의 위치에 따라서 산화반응 영역의 온도구배를 조절할 수 있을 뿐 아니라, 산화반응이 완료되어 사파이어 박막이 형성된 영역에서 열적 응력을 완화하는 서냉 영역의 범위도 설정할 수 있다.At this time, not only the temperature gradient of the oxidation reaction region can be adjusted according to the position where the cooling fluid is injected and the position of the cooling tube, but also the range of the slow cooling region that relaxes the thermal stress in the region where the oxidation reaction is completed and the sapphire thin film is formed. Can be set.

(C) 상기 (B)의 단계에서 생성된 사파이어를 고체화시키면서 사파이어의 단결정으로 성장을 시키기 위해서, 상기 석영유리 기판을 상기 석영유리 기판의 길이방향으로 일정한 속도로 연속적으로 이동시켜, 석영유리 기판 위에 사파이어 단결정 박막이 형성된 LED 칩용 기판을 제조한다.(C) In order to grow into a single crystal of sapphire while solidifying the sapphire produced in the step (B), the quartz glass substrate is continuously moved at a constant speed in the longitudinal direction of the quartz glass substrate, The board | substrate for LED chips in which the sapphire single crystal thin film was formed is manufactured.

상기 사파이어 단결정 성장을 위해 상기 기판의 길이방향으로 이동속도가 너무 빠르면, 알루미늄의 용융유동화가 충분히 일어나지 못하고 산화반응 부위에서 산소가 알루미늄과 접촉하여 반응할 수 있는 시간이 짧아져 사파이어로 변환되는 시간이 짧아지므로 사파이어로 변환이 충분치 못하며, 또 변환된 사파이어의 단결정 성장이 충분하지 못하여 결정성이 감소하여 원자들의 규칙적인 배열이 완벽한 단결정 구조로부터 이탈될 가능성이 높아 GaN의 에피 성장이 어려워 LED 칩용 기판으로 사용이 어렵다.If the moving speed is too fast in the longitudinal direction of the substrate for the sapphire single crystal growth, the melt fluidization of aluminum does not occur sufficiently, the time for the oxygen to react with aluminum in the oxidation reaction site is shortened and the time to convert to sapphire It is shorter, so the conversion to sapphire is not enough, and the single crystal growth of the converted sapphire is not enough, and the crystallinity decreases, so that the regular arrangement of atoms is likely to deviate from the perfect single crystal structure. Difficult to use

상기 이동속도가 너무 느리면 반응 부위에서 알루미늄이 용해된 후 증발 가능성이 있어 챔버 내에 기체상의 알루미늄이 존재하여 챔버를 오염시킬 뿐 아니라 가열장치에서 나오는 적외선이나 레이저 빔을 막고 경제성 측면에서도 바람직하지 못하다.If the moving speed is too slow, there is a possibility of evaporation after the aluminum is dissolved in the reaction site, so that gaseous aluminum is present in the chamber to contaminate the chamber and to block infrared rays or laser beams from the heating device, which is undesirable in terms of economy.

또한, 산화반응이 완료된 이후 사파이어 단결정의 내부 결함을 제거하고, 열적 잔류응력을 제거하기 위하여 상기 적외선 혹은 레이저 가열장치를 복수 개 구비하여 사용할 수 있다.In addition, in order to remove internal defects of the sapphire single crystal and to remove thermal residual stress after the oxidation reaction is completed, a plurality of infrared or laser heating devices may be provided.

본 발명에서 상기 (A)와 (B) 단계는 각각의 독립된 배치(batch)공정이지만 연속공정으로 할 수도 있다.In the present invention, the steps (A) and (B) are independent batch processes, but may be a continuous process.

연속공정은 상기 (A) 단계의 챔버와 상기 (B) 단계의 챔버 사이에 산소 압력의 순차적인 변환 용기를 설치하여, 상기 석영유리 기판이 상기 산소 압력의 순차적인 변환 용기를 거쳐 연속적으로 이동함으로써 이루어질 수 있다.In the continuous process, a sequential conversion vessel of oxygen pressure is provided between the chamber of step (A) and the chamber of step (B), and the quartz glass substrate is continuously moved through the sequential conversion vessel of oxygen pressure. Can be done.

상기 산소 압력의 순차적인 변환 용기에 의해 산소 분압이 최소화된 상기 (A) 단계의 챔버로부터 산소 분압이 존재하는 (B) 단계의 챔버로 상기 석영유리 기판이 용이하게 이동될 수 있고, 또한 상기 각 챔버 내의 산소 분압을 일정하게 유지할 수 있어 바람직하다.
The quartz glass substrate can be easily moved from the chamber of step (A) where the oxygen partial pressure is minimized by the sequential conversion vessel of the oxygen pressure to the chamber of step (B) where the oxygen partial pressure is present. It is preferable because the partial pressure of oxygen in the chamber can be kept constant.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 이 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것 일뿐, 본 발명이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및 균등한 타 실시예로 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. This embodiment is only for illustrating the present invention, and the present invention is not limited to the following examples, and may be changed to other embodiments equivalent to substitutions and equivalents without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art to which the invention pertains.

[실시예][Example]

길이 5 cm, 폭 1 cm, 두께 0.5 mm의 석영유리 기판을 준비하여 스퍼터링 장치에 투입하고, 4% H2 + 96% Ar의 혼합 가스의 분위기에서 순도 99.9 %의 알루미늄 알갱이가 충전된 텅스텐 용기에 220 V, 10 A의 전류를 가하여, 텅스텐의 저항 발열에 의해 텅스텐 용기를 660 ℃의 온도로 가열하여 알루미늄을 용해하고 알루미늄 증발을 유도하였다.A quartz glass substrate 5 cm long, 1 cm wide and 0.5 mm thick was prepared and placed in a sputtering apparatus, and placed in a tungsten container filled with 99.9% pure aluminum grains in an atmosphere of a mixed gas of 4% H 2 + 96% Ar. A current of 220 V and 10 A was applied, and the tungsten vessel was heated to a temperature of 660 ° C. by the resistance exotherm of tungsten to dissolve aluminum and induce aluminum evaporation.

상기 증발된 알루미늄 입자가 할로겐 램프를 열원으로 이용하여 350 ℃의 온도로 가열된 석영유리 기판에 증착되어, 석영유리 기판 위에 두께 500 nm의 알루미늄이 증착된 기판을 얻었다.The evaporated aluminum particles were deposited on a quartz glass substrate heated to a temperature of 350 ° C. using a halogen lamp as a heat source, thereby obtaining a substrate on which 500 nm thick aluminum was deposited on the quartz glass substrate.

도 1a는 본 발명에 따른 적외선 가열장치를 이용하여 산화에 의한 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법의 개념도 및 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.Figure 1a schematically shows a conceptual diagram and apparatus of a method for manufacturing a sapphire single crystal thin film for LED chip substrate by oxidation using an infrared heating device according to the present invention.

도 1b는 본 발명에 따른 레이저 가열장치를 이용하여 산화에 의한 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법의 개념도 및 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.Figure 1b schematically shows a conceptual diagram and apparatus of a method of manufacturing a sapphire single crystal thin film for LED chip substrate by oxidation using a laser heating device according to the present invention.

도 1a에서 적외선 가열장치는 장축과 단축의 비가 0.88인 타원 형태의 곡률 반경을 가지고, 금(Au)이 내부 반사면에 코팅된 반사경을 이용하여 1 kW 적외선 램프를 집광시켜, 가열부위의 선폭을 3 mm로 형성하였다.In FIG. 1A, the infrared heater has an elliptic curvature radius with a long axis and short axis ratio of 0.88, and condenses a 1 kW infrared lamp using a reflector coated with gold (Au) on an internal reflection surface, thereby reducing the line width of the heating portion. It was formed to 3 mm.

상기 가열부위의 온도는 660 ℃가 되도록 할로겐 램프에 가하는 전류량을 변화시켜 조절하였다.The temperature of the heating portion was adjusted by changing the amount of current applied to the halogen lamp to be 660 ℃.

이때 적외선 램프를 사용하지 않고 레이저 빔을 이용할 경우에는 반사경은 필요 없으며 레이저 빔의 출력을 조절하여 가열부위의 온도를 제어할 수 있으므로 적외선 램프와 같은 효과를 얻을 수 있다. 또한 레이저 빔으로 상기 알루미늄이 증착된 기판 위의 알루미늄 박막을 알루미늄이 증착된 기판의 길이 방향에 대하여 직각 방향으로 하여 직선으로 국부 가열한다.In this case, when using a laser beam without using an infrared lamp, a reflector is not required and the temperature of the heating part can be controlled by adjusting the output of the laser beam, thereby obtaining the same effect as an infrared lamp. In addition, the aluminum thin film on the aluminum-deposited substrate by a laser beam is locally heated in a straight line in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the aluminum-deposited substrate.

동시에, 상기 알루미늄이 증착된 기판의 밑면에 접촉된 구리관 내로 25 ℃의 질소 가스를 100 cc/분의 속도로 흘려주면서 냉각하였으며, 이때 냉각되는 부분의 온도는 200~400 ℃ 가 되도록 조절하였다.At the same time, nitrogen gas at 25 ° C. was cooled while flowing at a rate of 100 cc / min into a copper tube contacting the bottom surface of the substrate on which aluminum was deposited, and the temperature of the cooled portion was adjusted to be 200 to 400 ° C.

상기 할로겐 램프로부터 나온 적외선의 진행경로에 방해가 되지 않도록, 내경 0.5 mm의 스테인레스 금속 노즐을 통하여, 가열 부위 방향으로 산소를 방출하였다.In order not to interfere with the path of the infrared rays emitted from the halogen lamp, oxygen was released in the direction of the heating portion through a stainless metal nozzle having an internal diameter of 0.5 mm.

이때, 상기 챔버와 산소 저장용기 중간에 직경 10 cm, 길이 20 cm의 원통형 스테인레스 용기를 띠(band)형태로 된 저항발열체를 감싸, 500~600 ℃로 가열된 순도 99 %의 산소가 가열된 반응부위로 주입되도록 하였다.At this time, a cylindrical stainless steel container having a diameter of 10 cm and a length of 20 cm is wrapped in a band form in the middle of the chamber and the oxygen storage container, and a reaction in which oxygen of 99% purity heated to 500 to 600 ° C. is heated. Injection was made to the site.

상기 챔버 내에서 압력을 1 atm으로 유지하되 주입되는 산소의 흐름으로 인하여 가열부위의 온도분포가 크게 변화하지 않도록 산소를 주입하였다.The pressure was maintained at 1 atm in the chamber, but oxygen was injected so that the temperature distribution of the heating part did not change significantly due to the flow of oxygen injected.

이 단계에서 노즐의 직경이 작기 때문에 배출구의 형상은 원형 형태를 유지하였고 주입되는 산소가 반응부위를 향하도록 증착된 기판 표면으로부터 45°정도의 각도를 유지하였으며 노즐의 배출구로부터 반응부위 표면까지의 거리는 1 cm, 산소의 주입량은 10 cc/분을 유지하였다.Because of the small diameter of the nozzle at this stage, the shape of the outlet was circular, and the angle of about 45 ° from the surface of the deposited substrate was maintained so that the injected oxygen was directed toward the reaction site. The distance from the nozzle outlet to the surface of the reaction site was The injection amount of 1 cm and oxygen was maintained at 10 cc / min.

산소에 의한 산화반응이 완료되어 형성된 사파이어 단결정 박막은 직접산화반응을 수행한 챔버 내에서 할로겐 램프의 초점을 변화시켜 적외선이 초점을 형성하지 않고 넓게 퍼지도록 하여 350 ℃의 가열 온도에서 서냉시켜 열적 잔류응력을 제거하였다.The sapphire single crystal thin film formed by the completion of the oxidation reaction by oxygen changes the focus of the halogen lamp in the chamber in which the direct oxidation reaction is carried out so that the infrared rays do not form a focal spot. The stress was removed.

이때 상기와 같이 산화반응을 시키면서 상기 기판을 상기 챔버 내에서 5 mm/hr의 속도로 이동시켜 최종 석영유리 기판위에 사파이어 단결정 박막이 형성된 LED 칩용 기판을 제조하였다.At this time, the substrate was moved by the oxidation reaction as described above at a speed of 5 mm / hr in the chamber to prepare a substrate for an LED chip in which a sapphire single crystal thin film was formed on the final quartz glass substrate.

도 2는 본 발명에 따른 적외선 또는 레이저 빔의 가열 초점을 직선으로 형성하고 증착된 알루미늄을 직선으로 국부 가열하면서 상기 증착된 기판을 이동시키는 것에 의하여, 사파이어 단결정 박막의 성장 계면은 증착된 기판의 이동 방향에 대하여 θ=0~90°의 각도 범위 내에서 일정하게 방향을 유지되는 것을 나타낸 것이다.FIG. 2 shows the growth interface of the sapphire single crystal thin film by moving the deposited substrate by forming the heating focus of the infrared or laser beam in a straight line and locally heating the deposited aluminum in a straight line. It shows that the direction is constantly maintained within the angle range of θ = 0 to 90 ° with respect to the direction.

도 3은 본 발명에 따른 산화반응 전후에 따라 알루미늄이 사파이어로 변환되는 것을 나타내는 사진이다.3 is a photograph showing that aluminum is converted into sapphire before and after the oxidation reaction according to the present invention.

도 4는 발명에 따른 석영유리 기판에 증착된 알루미늄 금속 박막을 직접 산화법에 의해 부분적인 열처리를 했을 때, 산화반응이 완료되지 않은 알루미늄 영역과 산화가 일어난 사파이어 단결정 영역을 보여주는 주사전자현미경 미세구조 사진과 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)분석 데이터이다.4 is a scanning electron microscope microstructure photograph showing an aluminum region in which oxidation reaction is not completed and a sapphire single crystal region in which oxidation occurs when the aluminum metal thin film deposited on the quartz glass substrate according to the present invention is partially heat treated by a direct oxidation method. And Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) analysis data.

산화가 완료된 ①영역에서 사파이어 성분인 Al2O3가 확인되었고 아직 산화되지 않은 ②영역에서는 Al이 확인되었다.In the zone where oxidation was completed, Al 2 O 3 , a sapphire component, was observed and Al was observed in the zone ②, which was not yet oxidized.

도 5는 본 발명에 따른 방법으로 사파이어 단결정 박막을 형성했을 때의 평면과 단면 주사전자현미경 사진으로서, 사파이어 단결정 박막 두께는 100 nm의 매우 치밀한 단결정이 형성되었음을 보여준다.5 is a planar and cross-sectional scanning electron micrograph when the sapphire single crystal thin film is formed by the method according to the present invention, showing that a sapphire single crystal thin film has a very dense single crystal having a thickness of 100 nm.

도 6은 본 발명에 따른 방법으로 형성된 사파이어 단결정 박막의 X-선 회절분석 결과와 EDS 데이터이다.6 is X-ray diffraction analysis results and EDS data of the sapphire single crystal thin film formed by the method according to the present invention.

X-선 회절 데이터에서 석영유리 기판의 완만한 회절 피크 위로 사파이어의 산화알루미늄 회절 피크가 분명하게 나타나지만 다른 피크가 나타나지 않아 산화알루미늄이 c-축 방향으로 성장한 것을 알 수 있으며, EDS 데이터에서는 석영유리 기판과 성장된 사파이어 계면을 경계로 알루미늄, 실리콘, 산소의 뚜렷한 농도 차이를 확인할 수 있다.The X-ray diffraction data shows that the aluminum oxide diffraction peak of sapphire clearly appears above the gentle diffraction peak of the quartz glass substrate, but no other peaks indicate that the aluminum oxide has grown in the c-axis direction. Obvious differences in the concentrations of aluminum, silicon, and oxygen can be observed around the grown sapphire interface.

본 발명에서 상기 실시예를 통하여 알루미늄의 증착과 산화에 의한 간소화된 2단계 공정을 이용하여 석영유리 기판위에 사파이어의 단결정 박막이 형성된 LED칩용 기판을 제조하였고, 사파이어의 형성은 도 4의 EDS분석 데이터에 의해 확인되었다.In the present invention, a single chip thin film of sapphire was formed on a quartz glass substrate using a simplified two-step process by deposition and oxidation of aluminum through the above embodiment, and the formation of sapphire is shown in the EDS analysis data of FIG. 4. Was confirmed by.

또한, 도 5에 의해 두께가 100 nm로 얇은 사파이어 단결정 박막이 형성되는 것을 확인하였으며, 도 6에 의해 사파이어 단결정 박막 형성을 다시 한번 확인할 수 있었다.In addition, it was confirmed that the thin sapphire single crystal thin film having a thickness of 100 nm is formed by FIG. 5, and the formation of the sapphire single crystal thin film was confirmed once again by FIG. 6.

1: 알루미늄 박막, 2: 사파이어 박막, 3: 석영유리 기판, 4: 알루미늄의 용융유동화 반응영역, 5: 산소 6: 이동방향, 7: 할로겐 램프, 8: 반사경, 9: 냉각관, 10: 레이저 가열장치, 11: 레이저 빔DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Aluminum thin film, 2: Sapphire thin film, 3: Quartz glass substrate, 4: Melt fluidization reaction zone of aluminum, 5: Oxygen 6: Movement direction, 7: Halogen lamp, 8: Reflector, 9: Cooling tube, 10: Laser Heater, 11: laser beam

Claims (12)

(A) 석영유리 기판의 한쪽 표면에 알루미늄을 100~10000 nm의 두께로 증착하는 단계;
(B) 상기 알루미늄을 사파이어로 변환시키기 위한 챔버 내에서, 가열장치에 의해 가열되는 부위가 직선이 되도록 상기 증착된 알루미늄을 국부적으로 가열하고, 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판의 증착되지 않은 밑면을 냉각되는 부위가 직선이 되도록 냉각하면서, 상기 가열된 알루미늄에 산소를 접촉시켜, 산화반응에 의해 상기 알루미늄을 변환시켜 사파이어 단결정을 형성하고, 상기 산화반응에 의해 형성된 사파이어 단결정을 서냉하는 단계; 및
(C) 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판을 길이 방향으로 연속적으로 이동시키거나 상기 가열장치를 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판의 길이 방향으로 연속적으로 이동시키는 단계를 포함한 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법.
(A) depositing aluminum to a thickness of 100-10000 nm on one surface of the quartz glass substrate;
(B) In the chamber for converting the aluminum into sapphire, locally heated the deposited aluminum so that the portion heated by the heating device is a straight line, and the undeposited underside of the quartz glass substrate on which the aluminum is deposited Cooling the portion to be cooled in a straight line while contacting oxygen with the heated aluminum, converting the aluminum by an oxidation reaction to form a sapphire single crystal, and slowly cooling the sapphire single crystal formed by the oxidation reaction; And
(C) a sapphire single crystal thin film for an LED chip substrate, comprising continuously moving the aluminum-deposited quartz glass substrate in the longitudinal direction or continuously moving the heating device in the longitudinal direction of the aluminum-deposited quartz glass substrate. Manufacturing method.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 (B) 단계에서 상기 가열장치는 적외선 혹은 레이저 가열장치이며, 상기 가열장치에 의해 가열되는 부위의 직선 폭은 3 mm 이하이며, 상기 가열되는 부위의 온도는 500~2100 ℃이고, 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판의 증착되지 않은 밑면의 냉각온도는 -195.8~400.0 ℃인 것을 특징으로 하는 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step (B), the heating device is an infrared or laser heating device, the linear width of the site heated by the heating device is 3 mm or less, the temperature of the heated site is 500 ~ 2100 ℃, the aluminum is Cooling temperature of the undeposited bottom surface of the deposited quartz glass substrate is -195.8 ~ 400.0 ℃ method for producing a sapphire single crystal thin film for the LED chip substrate.
제 1항에 있어서,
상기 (B) 단계에서 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판의 증착되지 않은 밑면의 냉각은, 상기 가열되는 부위와 평행한 방향으로 냉각 부위를 형성하며, 냉각된 불활성 기체를 국부적으로 직접 주입시키거나 상기 밑면에 접촉된 관에 냉각 유체가 흐르게 하는 방법을 포함한 것을 특징으로 하는 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법.
The method of claim 1,
The cooling of the undeposited bottom surface of the quartz glass substrate on which aluminum is deposited in step (B) forms a cooling portion in a direction parallel to the heated portion, and directly injects the cooled inert gas or directly A method of manufacturing a sapphire single crystal thin film for an LED chip substrate, comprising a method of allowing a cooling fluid to flow in a tube in contact with a bottom surface.
제 1항에 있어서,
상기 (B) 단계에서 상기 산소 가스를 500~600 ℃로 예열한 다음에 노즐을 통하여 상기 산화반응이 일어나는 영역에 주입하는 것을 특징으로 하는 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법.
The method of claim 1,
And (b) preheating the oxygen gas to 500 to 600 ° C. and injecting the oxygen gas into a region where the oxidation reaction occurs through a nozzle.
제 1항에 있어서,
상기 (C) 단계에서 상기 가열장치가 고정되었을 경우 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판이 이동하고, 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판이 고정되었을 경우 상기 가열장치가 이동하는 것을 특징으로 하는 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step (C), when the heating device is fixed, the quartz glass substrate on which the aluminum is deposited is moved, and when the aluminum glass is fixed, the LED chip substrate, characterized in that the heating device is moved. Method for producing a sapphire single crystal thin film.
제 1항에 있어서,
상기 (C) 단계에서 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판의 이동 속도는 5 mm/hr인 것을 특징으로 하는 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법.
The method of claim 1,
The method of manufacturing a sapphire single crystal thin film for the LED chip substrate, characterized in that the moving speed of the quartz glass substrate on which aluminum is deposited in step (C) is 5 mm / hr.
제 1항에 있어서,
상기 가열장치를 상기 챔버 내에서 1개 이상 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법.
The method of claim 1,
A method for manufacturing a sapphire single crystal thin film for an LED chip substrate, characterized in that one or more heating devices can be used in the chamber.
제 1항에 있어서,
상기 (A) 단계와 상기 (B) 단계의 사이에 산소 압력의 순차적인 변환 용기를 설치하여, 상기 석영유리 기판이 상기 산소 압력의 순차적인 변환 용기를 거쳐 연속적으로 이동하는 단계가 더 추가되는 것을 특징으로 하는 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법.
The method of claim 1,
Between the step (A) and the step (B), a sequential converting vessel of oxygen pressure is provided so that the step of continuously moving the quartz glass substrate through the sequential converting vessel of the oxygen pressure is further added. A method for producing a sapphire single crystal thin film for LED chip substrate, characterized in that.
제 1항에 있어서,
상기 (A)와 (B) 단계는 석영유리 기판에 알루미늄을 증착하는 설비와 상기 알루미늄이 증착된 석영유리 기판에서 산화반응에 의해 사파이어 단결정을 형성하는 챔버를 포함한 설비에 의해 진행되며,
상기 챔버는 가열장치, 산소 가스의 주입 노즐, 냉각용 유체의 주입관이 포함되는 것을 특징으로 하는 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법.
The method of claim 1,
Steps (A) and (B) are performed by a facility including an aluminum deposition apparatus on a quartz glass substrate and a chamber that forms a sapphire single crystal by an oxidation reaction in the quartz glass substrate on which the aluminum is deposited,
The chamber is a method of manufacturing a sapphire single crystal thin film for an LED chip substrate, characterized in that the heating device, the injection nozzle of oxygen gas, the injection tube for the cooling fluid.
제 10항에 있어서,
상기 산소 가스의 주입 노즐의 배출구는 원형, 사각형의 형상을 가지고 상기 석영유리 기판의 폭 내에서 일정한 각도로 기울이거나 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 LED 칩 기판용 사파이어 단결정 박막의 제조방법.
The method of claim 10,
The outlet of the injection nozzle of the oxygen gas has a circular, rectangular shape and can be tilted or moved at a predetermined angle within the width of the quartz glass substrate, the method of manufacturing a sapphire single crystal thin film for LED chip substrate.
제 1항, 제 3항 내지 제 11항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되며 사파이어 단결정 박막의 두께가 10~10000 nm인 LED 칩.The LED chip manufactured by the method of any one of Claims 1, 3-11, and whose thickness of a sapphire single crystal thin film is 10-10000 nm.
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