KR100472626B1

KR100472626B1 - 질화갈륨 후막의 제조장치

Info

Publication number: KR100472626B1
Application number: KR10-2002-0047630A
Authority: KR
Inventors: 김진교
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2005-03-10
Also published as: KR20040014879A

Abstract

HVPE 방식으로 질화갈륨 후막을 성장시켜 제조함에 있어서, 이송 암을 반응실의 모기판의 상부로 이동시킬 수 있도록 반응실의 높이를 충분히 높이고, 모기판의 후방에는 반응가스들의 흐름을 유도하는 유도부재를 구비하여 반응가스의 래미너 플로우 상태를 유지시킨다.

일측부터 중간부까지의 가스 공급실의 높이가 낮고 중간부부터 타측까지의 반응실의 높이가 이송 암을 이동시킬 수 있는 높이로 형성되는 진공조와, 상기 진공조의 일측에 형성되고 가스가 주입되는 가스 주입구와, 상기 가스 공급실에 설치되고 Ga가 안착되는 보트와, 상기 반응실에 설치되고 전방에는 질화갈륨 후막을 성장시킬 모기판이 안착되며 길이가 모기판보다 긴 지지대와, 상기 지지대의 후방 상부에 설치되고 진공펌프와 연결되어 상기 모기판의 상부를 통과한 반응가스들을 유도하기 위한 유도부재를 구비하고, 유도부재는, 직사각형의 단면을 가지고, 전방 상면은 상향 경사지게 형성되고, 유도부재와 진공펌프의 사이에는, 상기 반응실의 압력을 조절하기 위한 밸브가 구비된다.

Description

질화갈륨 후막의 제조장치{Apparatus for manufacturing GaN thick layer}

본 발명은 레이저 다이오드 등의 광 반도체를 제조할 경우에 사용되는 질화갈륨 후막을 모기판의 상부에 성장시키는 질화갈륨 후막의 제조장치에 관한 것이다.

질화갈륨은 융점이 2400℃ 이상으로 높고, 질소 분해압도 융점에서 약 10만 기압 정도나 되는 것으로 융점과 질소 분해압이 매우 높아 통상적인 결정 성장방법으로 대형의 벌크 질화갈륨 단결정을 성장하는 것은 불가능하다.

그러므로 벌크 질화갈륨 단결정을 성장시킬 경우에 1000℃ 내지 1150℃의 고온에서 갈륨과 암모니아 가스를 직접 반응시켜 침상형 결정을 성장하는 방법과, 1500℃ 내지 1600℃의 온도와 20000 기압의 질소 감압상태에서 갈륨에 질소를 용해시켜 판상형의 벌크결정을 성장시키는 방법이 사용되고 있다.

그러나 상기한 종래의 방법들은 크기가 수㎜ 정도이고, 두께가 100㎛ 정도로 얇은 결정이 성장될 뿐이어서, 넓은 면적의 질화갈륨 기판을 제조할 수 없다.

최근에는 성장속도가 100㎛/시간으로 매우 빠른 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법을 이용하여 사파이어 기판 또는 탄화규소(SiC) 등의 모기판에 질화갈륨 후막을 성장시킨 후 모기판을 제거시켜 질화갈륨 기판을 제조하고 있다.

모기판을 제거하기 위한 방법으로는 기계적인 연마방법이나 레이저를 이용하는 방법이 사용되고 있다. 특히 레이저를 이용하는 방법에 있어서는 1000℃ 내지 1100℃ 정도의 높은 온도에서 모기판에 질화갈륨 후막을 성장시킨 후 그 질화갈륨 후막이 성장된 모기판을 반응실로부터 꺼내고, 레이저를 이용하여 질화갈륨 후막을 모기판에서 분리하여 질화갈륨 기판을 제조하고 있다.

도 1은 종래의 질화갈륨 후막을 성장시키는 제조장치의 구성을 보인 도면이다. 여기서, 부호 100은 진공조이다. 상기 진공조(100)의 일측에는 NH₃ 및 HCl 등의 가스가 유입되는 가스 주입구(102)가 형성되고, 진공조(100)의 내측에는 Ga를 안착시키기 위한 보트(104)와, 사파이어 또는 탄화규소 등의 모기판(106)을 안착시키기 위한 지지대(108)가 순차적으로 구비되며, 진공조(100)의 타측에는 반응가스들을 배기시키기 위한 배기구(도면에 도시되지 않았음)가 형성된다.

이와 같이 구성된 종래의 제조장치는 보트(104)에 Ga를 안착시키고, 지지대(108)의 상부에 질화갈륨 후막을 성장시킬 모기판(106)을 안착시킨 후 진공조(100)를 진공상태로 유지하면서 가열로(도면에 도시되지 않았음)로 진공조(100)를 가열한다.

이와 같은 상태에서 진공조(100)가 소정의 온도에 도달하면, 가스 주입구(102)를 통해 NH₃를 주입시키고, 질화갈륨 후막의 성장온도에 도달할 경우에 HCl을 가스 주입구(102)를 통해 주입 및 보트(104)에 안착시킨 Ga의 상부를 통과시켜 GaCl이 생성되게 한다.

상기 생성된 GaCl은 모기판(106)의 상부에서 NH₃와 혼합되어 질화갈륨이 생성되고, 그 생성된 질화갈륨은 모기판(106)의 상부에 부착되어 소정 두께를 가지는 질화갈륨 후막이 성장된다.

이러한 제조장치에서 양질의 질화갈륨 후막을 얻기 위해서는 먼저 모기판(106)의 상부로 흐르는 반응가스들의 와류(turbulence)가 발생됨이 없이 래미너 플로우(laminar flow) 상태로 유지시켜야 된다.

이를 위하여 종래에는 도 2에 도시된 바와 같이 모기판(106) 상부의 반응실(110)의 높이를 낮게 형성하여 반응가스들을 래미너 플로우(laminar flow) 상태로 유지하였다.

그러나 인시투 레이저 리프트 오프(in-situ laser lift off)방식으로 질화갈륨 후막과 모기판을 분리시키는 시스템에서는 고온 상태에서 모기판(106)을 이송시키는 이송 암을 사용하므로 반응실(110)의 높이를 낮게 형성하면, 이송 암을 모기판(106)의 상부로 이동시키지 못하게 되는 문제점이 있었다.

즉, 도 2는 인시투 레이저 리프트 오프방식으로 질화갈륨 후막과 모기판을 분리시키는 시스템의 구성을 보인 도면이다. 여기서, 부호 200은 모기판에 질화갈륨 후막을 제조하는 제 1 진공조이고, 부호 210은 상기 제 1 진공조(200)에서 제조된 질화갈륨 후막을 모기판과 분리시키는 제 2 진공조로서 제 1 진공조(200)와 제 2 진공조(210)는 게이트 밸브(220)를 사이에 두고 상호간에 연결된다.

상기 제 1 진공조(200)의 외측에는 가열로(201)가 구비되고, 제 1 진공조(200)의 일측에는 NH₃ 및 HCL 등의 반응가스가 유입되는 가스 주입구(202)가 형성되며, 제 1 진공조(200)의 내측에는 Ga를 안착시키기 위한 보트(203)와 모기판(204)을 안착시키기 위한 지지대(205)가 구비되며, 제 1 진공조(200)의 타측에는 반응가스를 배기시키기 위한 배기구(206)가 구비된다.

상기 제 2 진공조(210)는 외측에 고주파 가열 코일(211)이 구비되고, 상기 제 1 진공조(200)에서 질화갈륨 후막이 생성된 모기판(204)을 이송하기 위한 이송 암(212)이 구비됨과 아울러 상기 이송 암(212)이 이송한 모기판(204)에 고전력 레이저를 조사하기 위한 레이저 조사부(213)가 구비된다.

이와 같이 구성된 시스템은 제 1 진공조(200)에서 상기한 바와 같이 모기판(204)에 질화갈륨 후막이 제조되면, 이송 암(212)이 제 1 진공조(200)의 모기판(204)의 상부로 이동시켜 그 질화갈륨 후막이 제조된 모기판(204)을 제 2 진공조(210)로 이송하게 된다.

그리고 모기판(204)이 이송되면, 레이저 조사부(213)를 통해 고전력 레이저를 조사하여 모기판(204)에서 질화갈륨 후막을 분리한다.

이러한 인시투 레이저 리프트 오프방식의 시스템은 모기판(204)에 질화갈륨 후막이 제조될 경우에 질화갈륨 후막에서 모기판(204)을 분리시키기 위하여 이송 암(212)을 질화갈륨 후막이 제조된 모기판(204)의 상부로 이동시켜야 되는 것으로서 상기한 종래의 기술에서 반응가스들을 래미너 플로우 상태를 위하여 반응실의 높이를 낮출 경우에 이송 암(212)을 모기판(204)의 상부로 이동시키지 못하므로 인시투 레이저 리프트 오프방식의 시스템에는 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 이송 암을 기판의 상부로 이동시킬 수 있도록 반응실의 높이를 낮추지 않고, 반응가스들을 래미너 플로우 상태로 유지시킬 수 있는 질화갈륨 후막의 제조장치를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 가지는 본 발명의 질화갈륨 후막의 제조장치는, 일측부터 중간부까지의 가스 공급실의 높이가 낮고 중간부부터 타측까지의 반응실의 높이가 이송 암을 이동시킬 수 있는 높이로 형성되는 진공조와, 상기 진공조의 일측에 형성되고 가스가 주입되는 가스 주입구와, 상기 가스 공급실에 설치되고 Ga가 안착되는 보트와, 상기 반응실에 설치되고 전방에는 질화갈륨 후막을 성장시킬 모기판이 안착되며 길이가 모기판보다 긴 지지대와, 상기 지지대의 후방 상부에 설치되고 진공펌프와 연결되어 상기 모기판의 상부를 통과한 반응가스들을 유도하기 위한 유도부재로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 유도부재는, 직사각형의 단면을 가지고, 전방 상면은 상향 경사지게 형성되고, 상기 유도부재와 진공펌프의 사이에는, 상기 반응실의 압력을 조절하기 위한 밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도 3 및 도 4의 도면을 참조하여 본 발명의 질화갈륨 후막의 제조장치를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 제조장치의 구성을 보인 도면이다. 여기서, 부호 300은 진공조이다. 상기 진공조(300)는 일측부터 대략 중간부까지의 가스 공급실(301)의 높이는 낮게 형성하고, 중간부부터 타측까지 형성되는 반응실(302)의 높이는 이송 암(303)을 이동시킬 수 있는 높이로 형성한다.

상기 진공조(300)의 일측에는 NH₃ 및 HCl 등의 가스가 주입되는 가스 주입구(304)가 형성되고, 상기 가스 공급실(301)에 Ga를 안착시키기 위한 보트(305)가 구비된다.

상기 반응실(302)에는 전방에 모기판(306)이 안착되고 길이가 모기판(306)보다 긴 지지대(307)가 설치되며, 지지대(307) 상부의 모기판(306) 후방에는 진공펌프(도면에 도시되지 않았음)와 연결되어 상기 모기판(306)의 상부를 통과한 반응가스들을 유도하기 위한 유도부재(308)가 구비된다. 상기 유도부재(308)는 직사각형의 단면을 가지고, 전방 상면은 상향 경사지게 형성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 제조장치는 종래와 마찬가지로 보트(305)에 Ga를 안착시키고, 지지대(307)의 전방 상부에 질화갈륨 후막을 성장시킬 모기판(306)을 안착시킨 후 진공조(300)를 진공상태로 유지하면서 가열로(도면에 도시되지 않았음)로 진공조(300)를 가열하고, 진공조(300)가 소정의 온도에 도달하면, 가스 주입구(304)를 통해 NH₃을 주입시키고, 질화갈륨 후막의 성장온도에 도달할 경우에 가스 주입구(304)를 HCl을 통해 주입 및 보트(305)에 안착시킨 Ga의 상부를 통과시켜 GaCl이 생성되게 하며, 생성된 GaCl은 모기판(306)의 상부에서 NH₃과 혼합되어 질화갈륨이 생성되고, 그 생성된 질화갈륨은 모기판(106)의 상부에 부착되어 소정 두께를 가지는 질화갈륨 후막이 성장된다.

이러한 진공펌프를 동작시키지 않을 경우에 가스 공급실(301)의 높이보다 반응실(302)의 높이가 높으므로 가스 공급실(301)을 통과한 반응가스들은 급속하게 확산되면서 와류를 형성하게 되나, 유도부재(308)에 연결된 진공펌프를 동작시키면, 반응가스들이 도 4에 도시된 바와 같이 유도부재(308)를 통해 배기되고, 모기판(306)의 상부에는 반응가스들이 자연스럽게 래미너 플로우 상태로 유지된다.

이 때, 질화갈륨 후막은 반응실(302)의 압력에 따라 성장상태가 크게 용량이 변화되므로 큰 진공펌프를 사용할 경우에 반응실(302)의 압력이 급속하게 저하되어 질화갈륨 후막의 성장조건이 변하게 된다.

그러므로 유도부재(308)와 진공펌프의 사이에 밸브(도면에 도시되지 않았음)를 설치하고, 그 밸브로 펌핑 용량을 조절하여 반응가스의 패턴이 래미너 플로우 상태를 유지하면서 반응실(302)의 압력이 변하지 않도록 해야 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 반응실의 높이를 이송 암이 이동될 수 있는 충분한 높이로 형성하면서 반응가스를 래미너 플로우 상태로 유지하므로 양질의 질화갈륨 후막을 제조할 수 있음은 물론 인시투 레이저 리프트 오프방식의 시스템에 간단히 적용하여 사용할 수 있다.

도 1은 종래의 제조장치의 구성을 보인 도면이고,

도 2는 인시투 레이저 리프트 오프방식으로 질화갈륨 후막과 모기판을 분리시키는 시스템의 구성을 보인 도면이며,

도 3은 본 발명의 제조장치의 구성을 보인 도면이며,

도 4는 본 발명의 제조장치에서 반응가스의 흐름을 보인 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

300 : 진공조 301 : 가스 공급실

302 : 반응실 303 : 이송 암

304 : 가스 주입구 305 : 보트

306 : 모기판 307 : 지지대

308 : 유도부재

Claims

일측부터 중간부까지 가스 공급실이 형성되고, 중간부부터 타측까지 반응실이 형성되며, 상기 가스 공급실의 높이는 상기 반응실의 높이보다 낮게 형성되며, 상기 반응실의 높이는 이송 암을 이동시킬 수 있는 높이로 형성되는 진공조;

상기 진공조의 일측에 형성되고 가스가 주입되는 가스 주입구;

상기 가스 공급실에 설치되고 Ga가 안착되는 보트;

상기 반응실에 설치되고 전방에는 질화갈륨 후막을 성장시킬 모기판이 안착되며 길이가 모기판보다 긴 지지대;

상기 지지대의 후방 상부에 설치되고 진공펌프와 연결되어 상기 모기판의 상부를 통과한 반응가스들을 유도하기 위한 유도부재로 구성됨을 특징으로 하는 질화갈륨 후막의 제조장치.
제 1 항에 있어서, 상기 유도부재는;

직사각형의 단면을 가지고, 전방 상면은 상향 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 후막의 제조장치.
제 1 항에 있어서, 상기 유도부재와 상기 진공펌프의 사이에는;

상기 반응실의 압력을 조절하기 위한 밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 후막의 제조장치.