KR0156486B1 - 액상 에피텍셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판 - Google Patents

액상 에피텍셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판

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KR0156486B1
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Abstract

본 발명은 비교적 가격이 저렴한 동시에 실용성이 우수한 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판을 제공한다.
당해 기판은 표면 거칠기 1mm의 선마다 1 ㎛ 내지 10 ㎛인 화합물 반도체 단결정 기판이다. 이는 적외선 또는 가시광선의 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼 기판으로서 사용된다. 기판을 수송할 때에 미끄러짐에 따른 낙하를 방지할 수 있는 동시에 제조공정에 있어서 래핑 및 연마 공정이 불필요하므로 비교적 저렴한 가격으로 액상 에피택셜 성장용 기판을 제공할 수 있다.

Description

액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판
제1도는 본 발명의 화합물 반도체 단결정 기판의 표면 거칠기의 한 가지 예를 도시한 그래프이며,
제2도는 기판의 표면 거칠기와 낙하 매수의 실험 결과를 도시한 그래프이며,
제3도는 기판의 표면 거칠기와 에피택셜 층 표면의 이상 발매 매수(枚數)의 관계를 도시한 그래프이다.
본 발명은 액상 에피택셜 성장에 사용되는 화합물 반도체 단결정 기판에 관한 것이다.
종래부터 화합물 반도체의 에피택셜 성장용 기판으로서는 표면을 경면상으로 연마한 것이 사용되고 있다. 이러한 표면의 거칠기는 1mm의 선마다 1㎛미만이 일반적이다. 이러한 경면상 또는 경면에 가까운 기판은 단결정 인고트(ingot)를 얇게 잘라낸 다음, 필요에 따라, 원형 가공하고, 이의 표면을 랩핑(lapping)하고, 필요에 따라, 연마 가공함으로써 수득된다. 기판의 표면을 경면 또는 경면에 가까운 면으로 가공하는 것은 당업자에 있어서 상식으로 되어 있다. 그 이유는, 표면위에서 성장하는 에피택셜 층의 평탄성, 두께의 균일성 및 전기적 광학적 특성의 안정성 등의 중요한 특성을 손상시키지 않기 위함이다.
에피택셜 성장방법은 기상 성장, 액상 성장 및 분자선 에피택셜 성장 등 여러 가지이지만, 종래부터 모든 성장방법에서 경면 또는 경면에 가까운 표면을 갖는 기판이 사용되고 있다. 실제로, 발광 다이오드용 액상 에피택셜 웨이퍼의 기판으로서도 표면 거칠기가 거친 것을 사용한다는 발상은 종래에는 없었다고 할 수 있다.
이러한 종래의 경면상 또는 경면에 가까운 기판은 슬라이스, 랩핑 및 연마라는 가공 공정이 필요하므로, 제조에 시간과 수고가 필요하여 생산비가 높다는 문제점이 있었다. 또한, GaAs 기판의 크기가 직경이 76mm이고 두께가 600 m 정도인 것에서는 중량이 1매당 약 14g으로 되며 표면이 경면상이면 수송할 때 미끄러져서 낙하하기 쉽다는 문제점도 있었다.
본 발명은 위에서 언급한 문제점을 해결하여, 비교적 가격이 저렴한 동시에 수송하는 경우에 미끄러짐이 적고 실용적으로 우수한 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판에서는, 기판 표면의 여러 군데에서 측정한 표면 거칠기의 평균치가 1㎛ 이상 20㎛ 이하의 범위내에 있다.
본 발명의 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판에서는, 기판 표면의 거의 1cm2의 표면적 영역마다 1점씩 측정한 복수 개의 표면 거칠기의 측정치중에서 50% 이상이 1㎛이상 20㎛이하, 바람직하게는 1㎛이상 10㎛이하의 범위 내에 있다. 표면 거칠기는 거의 1cm2의 표면적 영역내에서 길이 1mm의 선 위를 따라 측정한 표면의 최대 높이와 최소 높이의 차이이다.
바람직하게는, 기판은 GaAs계 화합물 반도체로 이루어진다. 기판은 적외선 또는 가시광선의 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼의 기판으로서 사용된다.
본 명세서에서 표면 거칠기는 선단(先端)의 곡률 반경이 1 내지 50 m인 철필(鐵筆)을 기판의 표면에 맞추어 길이 1mm의 선 위를 따라 측정한 표면의 최대 높이와 최소 높이의 차이를 말한다.
기판의 표면 거칠기가 1mm 선마다 1㎛이상 20㎛이하, 바람직하게는 1㎛이상 10㎛이하이므로, 제조공정에서 랩핑과 연마가 필요없다. 따라서, 제조에 필요한 시간과 수고를 줄일 수 있으며, 비교적 저렴한 가격으로 기판을 수득할 수 있다. 또한, 경면상의 기판에 비하여 표면이 거칠므로, 수송할 때 미끄러지는 문제도 경감된다. 본 발명의 반도체 단결정 기판은 적외선 또는 가시광선의 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼, 특히 GaAs 단결정 기판에서 유용하다.
이들의 발광 다이오드에서 사용되는 에피택셜 층은 두께가 통상적으로 10 m 이상이다. 본 발명자들은, 이러한 두께를 갖는 에피택셜 층을 액상 성장법에 따라 성장시키는 경우, 기판 결정의 표면은 경면 또는 경면에 가까운 상태일 필요가 없다는 사실을 밝혀내었다. 액상 에피택셜 성장법에서 적절한 성장조건을 설정함으로써 본 발명의 기판을 효과적으로 사용할 수 있다. 덧붙여서 말하면, 기상 성장법이나 분자선 에피택셜 성장법에 따라 성장된 전차장치용 등의 에피택셜 층의 두께는 10㎛미만이 일반적이며, 더구나 이러한 성장법에서는 기판 표면의 요철이 에피택셜 성장층의 표면에 충실하게 반영되는 경향이 있다. 따라서, 기상 성장법이나 분자선 에피택셜 성장법에서는 표면 거칠기가 거친 기판을 사용할 수 없다.
기판의 표면 거칠기가 1㎛미만이면, 기판을 수송할 때 미끄러져서 낙하되기 쉽다. 기판의 표면 거칠기가 20㎛를 초과하면, 기판의 표면 위에 액상 성장시킨 에피택셜 층의 표면에서의 이상 발생이 급격하게 증가한다.
측정 표면적이 1cm2보다 작으면, 기판 전체에 걸쳐 표면 거칠기를 측정하는데 많은 시간이 소요되어 생산성이 저하됨으로써 비용이 높아진다. 측정 표면적이 1cm2를 초과하면, 측정 정밀도가 낮아진다. 기판 표면의 특성을 평가하는 데 있어서는, 생산성을 저하시키지 않을 정도로 미세한 표면 영역을 측정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 화합물 반도체 단결졍 기판은 표면 거칠기가 1㎛이상 20㎛이하, 바람직하게는 1㎛이상 10㎛이하이므로, 제조공정에서 랩핑과 연마 공정이 불필요하다. 따라서, 기판을 수송할 때 미끄러짐에 의한 낙하를 방지할 수 있는 동시에 비교적 가격이 저렴한 액상 에피택셜 성장용 기판을 제공할 수 있다.
[실시예 1]
보오트법(boat method)으로 성장시킨 GaAs 단결정 인고트를 두께가 530㎛인 웨이퍼로 얇게 잘라낸다. 각각의 웨이퍼를 직경이 76mm인 원형으로 가공하여 액상 에피택셜 성장용 기판을 수득한다. 얇게 잘라낼 때에는 통상적인 다이아몬드 숫돌 입자가 전착되어 있는 내부 주위 절삭날(cutting edge)을 사용한다. 단, 얇게 잘라내는 개개 부분의 기계적 정밀도를 개선하는 동시에 다이아몬드 숫돌 입자의 입도와 형상을 최적화함으로써 표면 거칠기를 개선한다. 얇게 잘라낸 후의 웨이퍼의 표면 거칠기를 웨이퍼 표면의 거칠기를 웨이퍼 표면의 거의 1cm2마다 1점씩 1mm 길이의 선 위에서 측정한다. 측정점 중의 50% 이상의 표면 거칠기는 1 내지 4㎛이다. 표면 거칠기를 측정한 결과의 한 가지 예를 제1도에 나타낸다.
이러한 GaAs 단결정 기판 위에 적외선 발광 다이오드용 Si 도우프 GaAs 에피택셜 층을 액상 성장법으로 형성시킨다. 에피택셜 층의 두께는 p형 층과 n형 층의 합계로 180㎛이고, 두께의 균일성은 웨이퍼 표면과 웨이퍼 사이에서 ±5% 이내이다. 또한, 에피택셜 층의 표면은 이상 성장 등이 없는 양호한 상태이다. 성장을 개시하기 전에는 기판 표면을 멜트 백(melt back)시키는(원료 용액 속에 기판 표면을 일부 용해시키는) 것이 바람직하다. 멜트 백 조건을 최적화함으로써 표면이 평탄하고 두께가 균일한 에피택셜 층을 수득할 수 있다. 이러한 에피택셜 웨이퍼로 만든 발광 다이오드는 전기적 특성과 광학적 특성이 양호하다.
[실시예 2]
보오트법으로 성장시킨 GaAs 단결정 인고트를 두께가 370 m인 웨이퍼로 얇게 잘라낸다. 각각의 웨이퍼를 직경이 50mm인 원형으로 가공하여 액상 에피택셜 성장용 기판을 수득한다. 얇게 잘라낼 때에는 통상적인 다이아몬드 숫돌 입자가 전착되어 있는 내부 주위 절삭날을 사용한다. 단, 얇게 잘라내는 개개 부분의 기계적 정밀도를 개선하는 동시에 다이아몬드 숫돌 입자의 입도와 형상을 최적화함으로써 표면 거칠기를 개선한다. 얇게 잘라낸 후의 웨이퍼의 표면 거칠기를 웨이퍼 표면의 거의 1cm2마다 1점씩 1mm 길이의 선 위에서 측정한다. 측정점 중의 50% 이상의 표면 거칠기는 5내지 13 m이다.
이러한 GaAs 단결정 기판 위에 적외선 발광 다이오드용 Si 도우프 GaAs 에피택셜 층을 액상 성장법으로 형성시킨다. 에피택셜 층의 두께는 p형 층과 n형 층의 합계로 180㎛이고, 두께의 균일성은 웨이퍼 표면과 웨이퍼 사이에서 ±5% 이내이다. 또한, 에피택셜 층의 표면은 이상 성장 등이 없는 양호한 상태이다. 성장을 개시하기 전에는 기판 표면을 멜트 백시키는(원료 용액 속에 기판 표면을 일부 용해시키는) 것이 바람직하다. 멜트 백 조건을 최적화함으로써 표면이 평탄하고 두께가 균일한 에피택셜 층을 수득할 수 있다. 이러한 에피택셜 웨이퍼로 만든 발광 다이오드는 전기적 특성과 광학적 특성이 양호하다.
[실시예 3]
보오트법으로 성장시킨 Zn 도우프 GaAs 단결정 인고트를 두께가 600㎛인 웨이퍼로 얇게 잘라낸다. 각각의 웨이퍼를 직경이 76mm인 원형으로 가공하여 액상 에피택셜 성장용 기판을 수득한다. 웨이퍼 표면 거칠기를 웨이퍼 표면의 거의 1cm2마다 1점씩 1mm 길이의 선 위에서 측정한다. 측정점 중의 50%이상의 표면 거칠기는 5 내지 7㎛이다. 이러한 기판 위에 두께가 10㎛인 Al0.65Ga0.35As 에피택셜층을 액상 성장법으로 형성시킨다. 에피택셜 층의 두께 균일성은 웨이퍼 표면과 웨이퍼 사이에서 3% 이내이다. 또한, 에피택셜 층의 표면은 이상 성장 등이 없는 양호한 상태이다.
[실시예 4]
보오트법으로 성장시킨 Zn 도우프 GaAs 단결정 인고트를 두께가 370㎛인 웨이퍼 얇게 잘라낸다. 각각의 웨이퍼를 직경이 50mm인 원형으로 가공하여 액상 에피택셜 성장용 기판을 수득한다. 웨이퍼 표면 거칠기를 웨이퍼 표면의 거의 1cm2마다 1점씩 1mm 길이의 선 위에서 측정한다. 측정점 중의 50% 이상의 표면 거칠기는 9 내지 16 m이다. 이러한 기판 위에 두께가 10㎛인 Al0.65Ga0.35As 에피택셜층을 액상 성장법으로 형성시킨다. 에피택셜 층의 두께 균일성은 웨이퍼 표면과 웨이퍼 사이에서 ±3% 이내이다. 또한, 에피택셜 층의 표면은 이상 성장 없는 양호한 상태이다.
위의 네 가지 실시예에서, GaAs를 에피택셜 성장시키는 경우에 비하여 AlGaAs를 성장시키는 경우에는 기판의 표면 거칠기는 다소 거칠어질 수 있다는 경향을 볼 수 있다. AlGaAs쪽이 GaAs에 비하여 성장 표면이 평탄해지기 쉽다는 성질에 기이한 것으로 추정할 수 있다.
[비교실험예 1]
기판의 표면 거칠기가 1㎛미만인 각종 웨이퍼에 대하여, 수송시에 낙하된 매수를 조사한다. 표면 거칠기가 0.2㎛내지 2㎛인 여섯 가지 유형의 웨이퍼에 대하여 각 1000매의 웨이퍼를 수지성 선단부를 갖는 핀셋으로 유지시켜 수송한다.
결과는 제2도와 동일하며, 표면 거칠기가 1㎛미만에서는 3 내지 6매가 낙하하지만, 1㎛이상에서는 웨이퍼는 낙하하지 않았다.
[비교실험예 2]
표면 거칠기가 1㎛ 내지 30㎛인 각종 웨이퍼를 기판으로 사용하여, 두께가 약 20㎛인 GaAs 에피택셜 층을 성장시킨다. 표면 거칠기가 1㎛ 내지 30㎛인 열가지 유형의 웨이퍼에 대하여 각 100매의 기판을 사용하여 기판의 표면 거칠기와 성장한 에피택셜 층의 표면 이상 발생 정도와의 관계를 조사한다. 결과는 제3도에 나타낸 바와 같으며, 표면 거칠기가 20㎛이하인 경우에는, 에피택셜층 표면의 이상 발생은 적었으나, 20㎛을 초과하면, 이상 발생이 급증하였다. 1㎛ 이상 10㎛미만의 범위에서는 특히 이상 발생이 적었다.

Claims (11)

  1. 기판 표면의 여러 군데에서 측정한 표면 거칠기의 평균치가 1㎛이상 20㎛이하의 범위 내에 있는 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판.
  2. 제1항에 있어서, 표면 거칠기가 거의 1cm2의 표면적마다 구분된 기판 표면의 영역 내에서 길이 1mm의 선 위를 따라 측정한 표면의 최대 높이와 최소 높이의 차이이며, 여러 군데에서 측정한 복수 개의 표면 거칠기의 측정치 중에서 50% 이상이 1㎛이상 20㎛ 이하의 범위 내에 있는 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판.
  3. 제1항에 있어서, 표면 거칠기가 거의 1cm2의 표면적마다 구분된 기판 표면의 영역 내에서 길이 1mm의 선 위를 따라 측정한 표면의 최대 높이와 최소 높이의 차이이며, 여러 군데에서 측정한 복수 개의 표면 거칠기의 측정치 중에서 50% 이상이 1 m 이상 10 m 이하의 범위 내에 있는 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판.
  4. 제1항에 있어서, 기판이 GaAs계 화합물 반도체로 이루어지는 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판.
  5. 제4항에 있어서, 기판이 적외선 또는 가시광선의 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼의 기판으로서 사용되는 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판.
  6. 기판 표면의 거리 1cm2의 표면적 영역마다 1점씩 측정한 복수 개의 표면 거칠기의 측정치 중에서 50% 이상이 1㎛이상 20㎛이하의 범위 내에 있으며, 표면 거칠기가 상기한 영역 내에서 길이 1mm의 선 위를 따라 측정한 표면의 최대 높이와 최소 높이의 차이인 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판.
  7. 제6항에 있어서, 기판이 GaAs계 화합물 반도체로 이루어지는 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판.
  8. 제7항에 있어서, 기판이 적외선 또는 가시광선의 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼의 기판으로서 사용되는 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판.
  9. 기판 표면의 거의 1cm2의 표면적 영역마다 1점씩 측정한 복수 개의 표면 거칠기의 측정치 중에서 50% 이상이 1㎛ 이상 10㎛ 이하의 범위 내에 있으며, 표면 거칠기가 상기한 영역 내에서 길이 1mm의 선 위를 따라 측정한 표면의 최대 높이와 차이인 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판.
  10. 제9항에 있어서, 기판이 GaAs계 화합물 반도체로 이루어지는 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판.
  11. 제10항에 있어서, 기판이 적외선 또는 가시광선의 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼의 기판으로서 사용되는 액상 에피택셜 성장용 화합물 반도체 단결정 기판.
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