KR100351830B1 - 질화갈륨 기판 제조방법 및 그 제조를 위한 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 크랙(crack) 및 벤딩(bending)을 방지하는 질화갈륨 기판 제조방법 및 그 제조를 위한 시스템을 제공하기 위한 것으로서, 제 1, 제 2 챔버와, 상기 제 1, 제 2 챔버의 외면에 위치하고, 상기 제 1, 제 2 챔버 내의 온도를 조절하는 제 1 히팅부와, 상기 제 1 챔버 내에 가스를 주입하는 주입부와, 상기 제 1 챔버 내에 위치하고, 웨이퍼를 장착시키는 장착부와, 상기 웨이퍼를 제 1 챔버에서 제 2 챔버로 이동시키는 이송부와, 상기 이송부의 외면에 위치하고, 상기 이송부로 이동되는 웨이퍼의 온도를 조절하는 제 2 히팅부와, 상기 웨이퍼에 레이저빔을 인가하는 레이저 소스부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 질화갈륨 기판 제조방법 및 그 제조를 위한 시스템은 질화갈륨 후막이 성장된 사파이어 기판을 고온에서 질화갈륨 후막과 사파이어 기판을 분리함으로써 크랙을 방지하고, 질화갈륨의 벤딩을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 질화갈륨 기판 제조방법 및 그 제조를 위한 시스템에 관한 것으로, 특히 질화갈륨 후막이 성장된 사파이어 기판이 고온을 유지하도록 하여 온도 하강으로 인한 크랙이 발생하지 않고, 기판의 휘어짐이 없는 질화갈륨 기판 제조방법 및 그 제조를 위한 시스템에 관한 것이다.
질화갈륨(GaN)은 뛰어난 열, 화학적 특성 및 높은 광효율로 인해 청자색 계열의 레이저 다이오드 실용화에 가장 적합한 물질로 인식되어지고 있다.
질화갈륨과 사파이어 기판 사이에 존재하는 격자상수 및 열팽창 계수의 차이로 인해 고밀도의 결정성 결함이 발생하게 되는데 이를 해결하기 위해 질화갈륨 프리 스탠딩(free standing) 기판을 만들려는 시도가 이루어지고 있다.
도 1은 종래의 질화갈륨 기판을 레이저 리프트오프 방법을 이용하여 사파이어로부터 분리시키려할 때 발생하는 현상을 보여주는 도면이다.
사파이어 기판 위에 두꺼운 질화갈륨을 성장시킨 후 기계적인 랩핑(lapping)이나 레이저 리프트오프(liftoff)를 이용하여 사파이어 기판을 제거하였다.
도 1은 레이저 리프트오프를 이용하여 질화갈륨으로부터 사파이어 기판을 분리하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 질화갈륨 기판의 레이저 리프트오프 방식을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 통상적으로 1000℃ 이상의 고온에서 질화갈륨을 성장시킨 후 상온까지 온도를 낮춘다. 그리고, 시료를 꺼내서 기계적인 랩핑을 하거나, 600℃ 정도로 가열하면서 레이저를 사용하여 리프트오프를 시행한다.
그러나, 1000℃에서 상온으로 온도 하강에 의한 크랙의 발생은 근본적으로 피할 수 없게 된다. 이때, 온도를 내리는 속도를 줄이면 크랙 발생 밀도를 약간 줄일 수 있지만, 크랙 발생 자체를 없앨 수는 없다.
이러한 크랙이 발생한 질화갈륨의 경우에는 그 자체의 응력 에너지(strain energy) 때문에 휘게 되고, 2인치 웨이퍼의 모양을 유지하면서 사파이어 기판을 제거하는 것 자체에 큰 어려움이 있게 된다. 사파이어를 제거하더라도 프리 스탠딩 기판으로서의 특성이 크게 저하되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 질화갈륨 후막이 성장된 사파이어 기판을 고온을 유지하도록 함으로써 온도 하강으로 인한 크랙을 방지하고, 사파이어와 질화갈륨 분리시에 발생하는 기판의 휘어짐(bending)이 없는 질화갈륨 기판 제조방법 및 그 제조를 위한 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 질화갈륨 기판에 레이저가 조사되었을 때 나타나는 현상을 보여주는 도면
도 2는 종래의 질화갈륨 기판의 레이저 리프트오프 방식을 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 질화갈륨 기판을 분리하는 방법을 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 질화갈륨 기판을 제조하기 위한 시스템을 나타낸 도면
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11: 가스 주입구 13: 제 1 히팅부
14: 제 2 히팅부 15: 웨이퍼
17: 이송부 19: 제 3 히팅부
21: 게이트 밸브
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화갈륨 기판 제조방법 및 그 제조를 위한 시스템은 제 1, 제 2 챔버와, 상기 제 1, 제 2 챔버의 외면에 위치하고, 상기 제 1, 제 2 챔버 내의 온도를 조절하는 제 1, 제 2 히팅부와, 상기 제 1 챔버 내에 가스를 주입하는 주입부와, 상기 제 1 챔버 내에 위치하고, 웨이퍼를 장착시키는 장착부와, 상기 웨이퍼를 제 1 챔버에서 제 2 챔버로 이동시키는 이송부와, 상기 이송부의 외면에 위치하고, 상기 이송부로 이동되는 웨이퍼의 온도를 조절하는 제 3 히팅부와, 그리고 상기 웨이퍼에 레이저빔을 인가하는 레이저 소스부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 따른 질화갈륨 기판을 제조하는 방법은 제 1 챔버에 사파이어 기판을 장착하는 제 1 단계, 상기 제 1 챔버(chamber)의 온도를 900℃ 이상이 되도록 하고, 상기 사파이어 기판 위에 질화갈륨(GaN) 후막을 성장시키는 제 2 단계, 제 2 챔버가 200℃ 이상이 되도록 하는 제 3 단계, 상기 질화갈륨 후막이 성장된 사파이어 기판을 200℃ 이상의 온도를 유지하면서 제 1 챔버에서 제 2 챔버로 이송시키는 제 4 단계, 상기 질화갈륨 후막이 성장된 사파이어 기판에 200nm∼300nm의 파장을 갖는 레이저빔을 조사하여 상기 질화갈륨 후막과 사파이어 기판을 분리하는 제 5 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 질화갈륨 후막과 사파이어 기판을 분리하는 단계에서 상기 질화갈륨을 분해를 막기 위해 상기 제 2 챔버에 NH3를 공급한다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 질화갈륨 기판 제조방법 및 그 제조를 위한 시스템의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 질화갈륨 기판을 분리하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제 1 챔버(chamber)에 사파이어를 장착한 후, 상기 제 1 챔버의 온도를 900℃ 이상의 고온이 되도록 하고, 상기 사파이어 기판 위에 질화갈륨(GaN) 후막을 성장시킨다.
이때, 상기 제 1 챔버의 온도는 900℃에서 1100℃가 적당하다.
이어, 제 2 챔버가 200℃ 이상이 되도록 한다.
그리고, 상기 질화갈륨 후막이 성장된 사파이어 기판을 200℃ 이상의 온도를 유지하면서 제 1 챔버에서 제 2 챔버로 이송시킨다.
종래는 상기 질화갈륨 후막이 성장된 사파이어 기판의 온도를 상온으로 내린 반면, 본 발명에서는 온도 하강으로 인한 크랙을 없애기 위해서 상기 질화갈륨 후막이 성장된 사파이어 기판이 200℃ 이상이 유지하도록 하면서 상기 200℃ 이상의 온도의 제 2 챔버로 이송시킨다.
이때, 상기 제 2 챔버는 상기 제 1 챔버와 게이트 밸브에 의해 연결되고, 상기 제 2 챔버의 온도는 제 1 챔버의 온도와 거의 같거나 약간 낮은 상태로 유지된다. 일반적으로 상기 제 2 챔버의 온도는 500℃에서 1100℃ 사이이다.
상기 제 2 챔버의 온도가 제 1 챔버의 온도 보다 높으면 질화갈륨이 분해하기 시작하여 결정질이 크게 저하될 수 있기 때문에 주의해야 한다. 반면 제 2챔버의 온도가 제 1 챔버의 온도 보다 너무 낮으면 열팽창 계수(thermal expansion coefficient)의 차이에 의해 질화갈륨 후막에 크랙(crack)이 생성되는 문제가 발생한다.
여기서, 상기 제 2 챔버를 상기 제 1 챔버의 온도와 비슷하게 유지하기 위해 상기 제 2 챔버를 가열하는 방법은 레이저 투과를 용이하게 하기 위해 RF 히팅 코일(heating coil)을 사용할 수도 있고, 다른 여러 형태로 변화가 가능하다.
이어, 상기 질화갈륨 후막이 성장된 사파이어 기판에 레이저빔을 조사하여 상기 질화갈륨 후막과 사파이어 기판을 분리한다.
이때, 상기 레이저빔은 200nm∼300nm 정도의 파장을 갖는 레이저를 사용하면 사파이어는 투과하고 질화갈륨에서만 레이저가 흡수되어 질화갈륨과 사파이어의 계면부분을 녹이면서 사파이어를 분리해낼 수 있게 된다. 레이저가 조사되는 방향은 여러 형태로 변화가 가능하다.
여기서, 상기 제 2 챔버에 질화갈륨의 분해를 막기 위하여 적당량의 NH3를 흘려줄 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 질화갈륨 기판을 제조하기 위한 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제 1, 제 2 챔버의 외면에는 상기 제 1, 제 2 챔버 내의 온도를 조절하기 위한 제 1, 제 2 히팅부(13,14)가 있고, 상기 제 1 챔버 내에 가스를 주입하는 주입부(11)가 있다.
이때, 상기 제 1 히팅부는 히팅 퍼니스(heating furnace), RF 히팅 코일(heating coil) 등이 될 수 있다.
그리고, 상기 제 1 챔버 내에는 웨이퍼(15)를 장착시키는 장착부가 있고, 상기 웨이퍼(15)를 제 1 챔버에서 상기 제 1 챔버와 게이트 밸브(21)로 연결된 제 2 챔버로 이동시키는 이송부(17)가 있다.
여기서, 상기 이송부(17)의 외면에는 상기 이송부(17)로 이동되는 웨이퍼(15)의 온도를 조절하는 제 3 히팅부(19)가 있다.
이는 상기 웨이퍼(15)의 온도 하강으로 인한 크랙을 방지하기 위해서 상기웨이퍼(15)를 200℃ 이상 유지하도록 제 3 히팅부(19)가 상기 이송부(17)에 위치한다.
이때, 상기 제 3 히팅부(19)는 히팅 블록(heating block) 등이다.
그리고, 상기 웨이퍼에 레이저빔을 인가하는 레이저 소스부가 있다.
이와 같이, 종래와는 달리 레이저 리프트오프 방식을 고온의 챔버 내에서 사용함으로써 사파이어가 붙어 있는 상태에서 냉각을 할 경우에 발생하는 벤딩(bending) 등을 방지할 수 있고, 질화갈륨이 성장되는 고온에서 사파이어를 분리해냄으로써 크랙의 발생을 원천적으로 제거할 수 있다.
이는 질화갈륨과 사파이어 격자상수 부정합에 의한 영향이 고온에서는 극히 적으며, 이 때 부정합 전위(misfit dislocation)가 발생한다 하더라도 고온에서 사파이어를 떼어냄으로써 질화갈륨 자체만의 전체 에너지가 최소상태(total energy minimum state)로 변화하기 때문에 전위 제거(dislocation annihilation)를 유도할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 질화갈륨 기판 제조방법 및 그 제조를 위한 시스템은 질화갈륨 후막이 성장된 사파이어 기판을 고온을 유지한 상태에서 질화갈륨 후막과 사파이어 기판을 분리해냄으로써 크랙(crack)의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 질화갈륨이 성장되는 고온에서 사파이어를 분리해냄으로써 사파이어 기판이 붙어 있는 상태에서 급격한 온도 하강으로 인한 질화갈륨의 벤딩(bending)을 방지할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
Claims (5)
- 제 1, 제 2 챔버;상기 제 1, 제 2 챔버의 외면에 위치하고, 상기 제 1, 제 2 챔버 내의 온도를 조절하는 제 1, 제 2 히팅부;상기 제 1 챔버 내에 가스를 주입하는 주입부;상기 제 1 챔버 내에 위치하고, 웨이퍼를 장착시키는 장착부;상기 웨이퍼를 제 1 챔버에서 제 2 챔버로 이동시키는 이송부;상기 이송부의 외면에 위치하고, 상기 이송부로 이동되는 웨이퍼의 온도를 조절하는 제 3 히팅부;상기 웨이퍼에 레이저빔을 인가하는 레이저 소스부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 히팅부는 히팅 코일(heating coil)인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조 시스템.
- 제 1 챔버에 사파이어 기판을 장착하는 제 1 단계;상기 제 1 챔버(chamber)의 온도를 900℃ 이상이 되도록 하고, 상기 사파이어 기판 위에 질화갈륨(GaN) 후막을 성장시키는 제 2 단계;제 2 챔버가 200℃ 이상이 되도록 하는 제 3 단계;상기 질화갈륨 후막이 성장된 사파이어 기판을 200℃ 이상의 온도를 유지하면서 제 1 챔버에서 제 2 챔버로 이송시키는 제 4 단계;상기 질화갈륨 후막이 성장된 사파이어 기판에 레이저빔을 조사하여 상기 질화갈륨 후막과 사파이어 기판을 분리하는 제 5 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 레이저는 200nm∼300nm의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 제 5 단계는 상기 제 2 챔버에 NH3를 공급하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
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