KR100638345B1

KR100638345B1 - 자립형 반도체 기판 제조방법 및 그 제조장치

Info

Publication number: KR100638345B1
Application number: KR20040017180A
Authority: KR
Inventors: 김성진; 유순재
Original assignee: 주식회사 이츠웰
Priority date: 2004-03-13
Filing date: 2004-03-13
Publication date: 2006-10-25
Also published as: KR20050092059A

Abstract

본 발명은 자립형 반도체 기초기판(이하, 반도체 기판) 제작을 위한 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 제조방법은 질화물 반도체층이 성장된 사파이어 기초기판을 마련하는 단계; 상기 기초기판의 질화물 반도체층 상에 보호막을 형성하는 단계; 상기 사파이어 기초기판을 랩핑(lapping) 및 연마하는 단계; 랩핑 및 연마된 기초기판 중 두께가 실질적으로 같은 기판들을 기판 장착부에 장착하는 단계; 상기 기판 장착부에 장착되는 기판들을 식각용액의 온도에 도달하는 온도로 가열하는 단계; 상기 기판 장착부에 장착된 기판을 기판 식각욕조로 이동시켜 식각하는 단계; 및 식각된 기판을 세정 및 건조하는 단계;를 포함한다.

질화물계 반도체, 질화물 반도체 기판, 수직 전극형 다이오드

Description

자립형 반도체 기판 제조방법 및 그 제조장치{Manufacturing method and Apparatus for free-standing semiconductor substrate}

도 1은 본 발명에 의한 자립형 질화물 반도체 기판의 제조단계의 공정도이다.

도 2는 습식 식각방법으로 특정패턴을 이용하여 사파이어 기초기판을 식각한 후의 식각면의 표면사진이다.

도 3는 황산과 인산 혼합 용액으로 사파이어와 GaN을 습식 식각할 경우의 식각 속도를 나타내는 그래프이다.

도 4는 황산과 인산 혼합 용액으로 사파이어와 GaN을 습식 식각할 경우의 온도변화에 따른 식각 속도를 나타내는 그래프이다.

도 5은 사파이어 기판을 습식 식각방법으로 제거한 후의 질화물계 반도체의 표면사진이다.

도 6는 본 발명에 의한 자립형 반도체 기판 제조장치의 구성도이다.

도 7은 도 6의 습식 식각욕조의 구조를 상세히 도시한 도면이다.

도 8은 도 7의 습식 식각욕조 중 직접가열방식(a)과 간접가열방식(b)을 도시한 도면이다.

* 도면의 간단한 부호의 설명 *

12 이송암

13 레일

14 기판장착부

15 용액 히팅부

16 식각욕조

17 세정부

18 건조부

19 기판 탈착부

20 자동덮개

211 사파이어 기판

212 HVPE로 성장된 In_x(Ga_yAl_1-y)N 층

213 보호막

본 발명은 자립형 반도체 기초기판(이하, 반도체 기판) 제작을 위한 제조방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질화물계 반도체를 성장하기 위하여 기초기판으로 사용된 사파이어 기판을 제거한 자립형 반도체 기판을 제공하여 격자 정수가 동일 한 반도체 기판위에 질화물 반도체를 성장하도록 함으로써 결정결함이 적은 양질의 반도체 박막과 우수한 성능의 수직형 전극구조의 질화물계 반도체 소자를 용이하게 제작 할 수 있도록 하는 자립형 반도체 기초기판 제조방법 및 그 장치에 관한 것이다.

기초기판은 성장하고자 하는 박막의 종류에 따라 결정되며, 그 이유는 기초기판과 기초 기판위에 성장되는 박막의 격자상수가 다르면 기초기판과 박막과의 격자상수 차에 의한 결정결함이 발생하여 성장되는 반도체 박막의 막질을 악화시키기 때문이다. 이러한 문제점 때문에 GaP 기판위에는 AlGaP, GaP/AlP 이종접합구조, InP기판위에는 InP, InGaAs 그리고 GaAs기판위에는 GaAs, GaAlAs, InGaP를 주로 성장 한다.

GaN(질화물 반도체)인 경우도 박막의 격자결함을 줄이기 위하여 GaN와 격자 상수가 비슷한 사파이어 기초기판(Al₂O₃)과 SiC이 주로 사용되어진다. 그러나 사파이어 기판은 GaP, InP, Si, GaAs반도체 기판과는 달리 불순물첨가에 의한 도전성기판을 만들 수 없기 때문에 수직 전극형 발광다이오드 및 수직 전극형 레이저 다이오드 제작이 어려워 제1 전극과 제2 전극을 모두 에피층의 성장면 측에 형성(평면전극 형성)해야 한다. 이와 같이 두 전극을 모두 같은 면에 형성하게 되면 한 면위에 와이어 본딩에 필요한 두 전극의 면적을 확보하여야 하므로 발광 다이오드의 칩 면적도 일정 크기 이상이 되어 웨이퍼 당 칩 생산량의 향상에 장애가 된다.

또한, 레이저 다이오드 제작에는 레이저 발진이득을 얻기 위하여 반사특성 이 우수한 공진면을 얻는 것이 중요한데, 사파이어 기초기판은 단단하기 때문에 가공이 용이하지 않고 벽개면 형성이 힘들어 우수한 성능의 레이저 다이오드를 제작하는 것이 용이 하지 않다. 특히 HBT(hetero bipolar transistor)와 같은 초고속/초고주파 고출력 전자소자도 수직 전극형으로 제작되는 것이 출력향상을 위하여 유리한데, 사파이어 기판 가공이 용이하지 않아 제작이 거의 불가능 한 것으로 알려져 왔다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 가공이 용이한 질화물 반도체 기초기판위에 질화물계 반도체를 성장해야 하지만 자립형 질화물 반도체기판을 제작하는 것이 용이하지 않고, 설사 제작한다 할지라도 그 제조비용이 비싸 상업적으로 활용하기 에는 적합하지 않다.

이러한 문제점을 극복하기 위한 수단으로 질화물계 반도체의 광흡수 원리를 이용한 레이저 리프트 오프(laser lift-off)기법을 사용하여 사파이어 기초기판으로부터 반도체 기판을 분리하는 방법이 제안된 바 있다. 그러나 이와 같은 레이저 리프트 오프 기법은 고출력 엑시머 레이저가 장착된 고가의 장비를 이용해야하는 등의 제조원가 상승의 문제와, 제조 방법이 복잡하고 양산성이 떨어지는 문제, 소자의 특성이 저하되는 문제가 있어 상용화되기 위해서는 해결해야 할 문제점들이 많이 남아 있는 실정이다.

따라서, 이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 새로운 사파이어 기초기판 분리 및 제거 방법에 관한 연구가 당 기술분야에서 계속되어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 식각에 의해 사파이어 기초기판을 제거한 자립형 질화물 반도체 기판을 제조하는 방법 및 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 자립형 질화물 반도체 기판의 제조에 있어 그 공정이 보다 용이하고, 공정의 생산성을 높일 수 있는 제조방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 질화물 반도체층이 성장되고 질화물반도체층과 기초기판 사이에 식각정지층이 형성된 사파이어 기초기판을 마련하는 단계; 상기 기초기판의 질화물 반도체층 상에 보호막을 형성하는 단계; 상기 사파이어 기초기판을 랩핑(lapping) 및 연마하는 단계; 랩핑 및 연마된 기초기판 중 두께가 ±10㎛의 오차범위 이내인 기판들을 기판 장착부에 장착하는 단계; 상기 기판 장착부에 장착되는 기판들을 식각용액의 온도에 근접하는 온도로 가열하는 단계; 상기 기판 장착부에 장착된 기판을 기판 식각욕조로 이동시켜 식각하는 단계; 및 식각된 기판을 세정 및 건조하는 단계;를 포함하는 자립형 반도체 기판 제조방법을 제공한다.

삭제

바람직하게는 상기 기초기판을 식각하는 단계는 염산(HCl), 질산(HNO₃), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 황산(H₂SO₄), 인산(H₃PO₄), 산화크롬(CrO₃), 물(H₂O) 및 알루에치(4H₃PO₄+4CH₃COOH+HNO₃+H₂O) 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 식각액의 온도 유지를 위한 가열은, 식각액과 열선이 직접 접촉하여 열교환을 이루는 직접 열교환 방식, 또는 할로겐 램프 등으로 광흡수를 이용한 간접 가열방식으로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.

또한 바람직하게는, 상기 보호막은 SiO₂, SOG(spin-on-glass) 중의 어느 하나로 형성된 단일층 또는 이들의 조합으로 형성된 복수층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

삭제

바람직하게는, 상기 사파이어 기초기판을 랩핑(lapping) 및 연마하는 단계에서 상기 기초기판의 표면 거칠기가 20㎛ 이하가 되도록 경면 연마하며, 이때 상기 사파이어 기초기판의 두께를 300㎛ 이하가 되도록 랩핑 및 연마하는 것이 더욱 바람직하다. 더욱 바람직하게는 상기 사파이어 기초기판의 두께는 1㎛ 내지 300㎛ 가 되도록 랩핑 및 연마한다.

바람직하게는, 상기 식각정지층은 In_x(Ga_yAl_1-y)N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0), 규소산화물 클러스터, 규소질화물 클러스터(SiO₂ 또는 SiN_x cluster) 중의 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은, 사파이어 기초기판 상에 질화물 반도체층 및 질화물 반도체층과 기초기판 사이에 식각정지층이 성장된 반도체 기판의 사파이어 기초기판 부분을 랩핑(lapping) 및 연마하여 사파이어 기초기판의 두께가 ±10㎛의 오차범위 이내인 반도체 기판들을 장착하고, 상기 반도체 기판을 소정 온도로 가열하는 기판 장착부; 상기 반도체 기판의 사파이어 기초기판을 식각하기 위한 식각용액을 미리 가열하는 용액 히팅부; 수평으로 이동할 수 있도록 상부가 레일에 연결되어 있으며, 상기 기판 장착부의 반도체 기판들을 들어올릴 수 있도록 수직방향으로 길이 변동이 가능하도록 형성된 이송암; 상기 이송암에 의해 이송되는 반도체 기판의 사파이어 기초기판을 식각하는 식각욕조; 상기 식각욕조에서 식각되어 사파이어 기초기판이 제거된 반도체 기판을 세정 및 건조하는 기판 세정 및 건조부; 및 세정 및 건조된 상기 반도체 기판을 상기 이송암으로부터 탈착하는 기판 탈착부;를 포함하는 자립형 반도체 기판 제조장치를 제공한다.

삭제

바람직하게는 상기 식각욕조는 염산(HCl), 질산(HNO₃), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 황산(H₂SO₄), 인산(H₃PO₄), 산화크롬(CrO₃), 물(H₂O) 및 알루에치(4H₃PO₄+4CH₃COOH+HNO₃+H₂O) 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 사용한다. 또한, 상기 식각액의 온도 유지를 위한 가열을 위해 상기 식각욕조 내의 용액에 직접 열을 전달하는 열선을 배열하거나, 상기 식각욕조 내의 용액에 광을 조사하여 간접적으로 열을 전달하도록 하는 것이 더욱 바람직하다.

바람직하게는 상기 식각욕조는, 식각액의 온도를 조절할 수 있도록 욕조 둘레에 배열되는 냉각배관; 상기 식각액으로부터 발생되는 증기가 외부로 유출되지 않도록 개폐될 수 있는 덮개; 상기 식각액으로부터 발생되는 증기를 배출하도록 식각욕조의 일측면에 연결되는 드레인 배관; 상기 드레인 배관의 둘레에 배열되어 드레인 되는 증기를 냉각시켜 액화시키는 액화배관; 및 상기 냉각배관 및 드레인 배관, 액화배관을 자동적으로 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 상기 식각욕조는 고온 테프론(high temperature teflon) 또는 석영(quartz), 유리, 서스(SUS)로 형성될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 자립형 질화물 반도체 기판의 제조단계의 공정도이다. 도 1(a)는 430㎛의 사파이어 기초기판(211)위에 HVPE(hydride vapour phase epitaxy)로 300㎛ VPE로 성장된 In_x(Ga_yAl_1-y)N 질화물 반도체층을 성장시킨 상태를 도시하고 있을 뿐만 아니라, 이 성장된 기판으로부터 사파이어 기초기판(211)을 제 거하여 자립형 반도체 기판을 제조하는 공정을 설명하고 있다. In_x(Ga_yAl_1-y)N 질화물계 반도체의 조성비는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0이다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 습식식각에서 발생 할 수 있는 질화물계 반도체층(212) 손상을 방지하기 위하여 질화물 반도체(212) 표면위에 PECVD(plasma enhanced chemical vapour deposition)로 SiO₂로 형성되는 보호막(213)을 1㎛ 정도 증착한다. SiO₂의 보호막을 쓰는 이유는 SiO₂의 보호막이 식각용액에 큰 영향을 받지 않기 때문이다. 따라서 보호막이 질화물 반도체층과 식각액의 접촉을 방지하게 된다.

이때 사파이어 기초기판(211) 위에 성장된 질화물 반도체 구조(212)는 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition),액상에피텍셜법(liquid phase epitaxy), 분자빔에피텍셜법(Molecular beam epitaxy), 증기액상증착법 (hydrogen vapor phase epitaxy)으로 성장된 단일층 또는 복수층일 수 있고, 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition), 액상에피텍셜법 (liquid phase epitaxy), 분자빔에피텍셜법(Molecular beam epitaxy), 증기액상증착법(vapor phase epitaxy)으로 성장된 질화물 반도체층위에 MOCVD로 재 성장된 단일층 또는 복수층의 질화물계 반도체층(212)을 포함할 수도 있으며, 자립형 반도체 기판 제조공정에서 박막구조는 특별히 영향 받지 않는다.

이후에 진행되는 질화물 반도체 공정 및 소자공정을 고려하면 질화물 반도체층(212)의 두께를 두껍게 하는 것이 유리하지만 기초기판과 질화물 반도체와의 응 력 때문에 무한정 두껍게 할 수 없고 전체 반도체 박막(212)의 두께는 5㎛ 내지 500㎛으로 하는 것이 바람직하다.

질화물 반도체층을 보호하는 보호막은 SOG (spin-on-glass), SiO₂ 중의 어느 하나로 형성된 단일층을 사용할 수 있다. 또한 이들이 조합된 복수의 층을 형성하여 보호막으로 사용하는 것도 가능하다.

이와 같은 보호막(15)을 1㎛정도 증착한 후, 사파이어 기판(211)을 랩핑(lapping and polishing)하여 1㎛~300㎛ 두께까지 깎아 내고, 랩핑된 면을 표면 거칠기(Rp-v)가 20㎛이하가 되도록 경면 연마하여 매끄럽게 만든다.(도 1(b)) 이때, 사파이어 기판(211)의 두께는 식각공정 시간을 최소화시키기 위하여 가능한 한 얇게 하는 것이 좋으나, 너무 얇으면 기판(211)이 휠 염려가 있어 취급하기가 어렵고 기판이 깨질 수 있으므로 바람직하게는 10㎛ 내지 100㎛ 정도이다. 또, 경면 연마된 사파이어 기판(211) 표면의 거칠기(Rp-v)는 20㎛ 이하가 되도록 하여야 한다. 이는 사파이어 기판(211) 표면의 거칠기가 질화물반도체에 그대로 전달되어 질화물 반도체 구조가 손상될 수 있기 때문이다.

여기서 사파이어 기판(211)의 랩핑은 CMP(chemical mechanical polishing), ICP/RIE 건식식각, 알루미나(Al₂O₃) 가루를 이용한 기계적 연마 또는 염산(HCl), 질산(HNO₃), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 황산(H₂SO₄), 인산(H₃PO₄), 산화크롬(CrO₃), 물(H₂O), 수산화칼륨(KOH), 황산수소칼륨(KHSO₄) 및 알루에치(4H₃PO₄+4CH₃COOH+HNO₃+H₂O)중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 하는 습식 식각에 의하여 진행한다. 황산과 인산의 혼합용액만을 사용하는 경우, 황산의 혼합비율을 5%이상 95%이하(몰비)로 하고 100℃ 이상으로 가열하는 것이 바람직하다. 이 때, ICP/RIE 또는, RIE 의 식각 가스로는 BCL₃, Cl₂, HBr, Ar 중의 어느 하나 또는 이들의 혼합 가스를 사용한다.

이후 사파이어 기판(211)의 습식 식각은 다음과 같은 방법으로 진행한다.(도 1(c) 및 도 6 참조) 랩핑이 끝난 기판(33)을 기판두께를 정확히 측정하여 두께 오차가 ±10㎛이내인 기판들을 모아 도 5에서와 같은 기판 장착부(14)에 장착한다. 균일한 기판끼리 모아 기판 장착부에 장착하는 것은 식각시 기판균일도가 다르면 공정마진을 확보할 수 없고 균일한 특성을 얻기 어렵기 때문이다. 즉 같은 시간동안 사파이어 기판을 식각해도 사파이어 두께의 균일도에 따라 식각이 더 될 수도 있고, 식각이 덜되어 사파이어 기판이 잔류하게 될 수 있으며, 이러한 현상을 방지하기 위한 것이다.

기판을 식각용액에 담그기 전에 200℃부근의 고온으로 가열한다. 대략 100~320℃ 사이의 온도로 기판을 사전 열처리하게 되며, 이는 식각될 기판과 식각용액의 온도차가 심하게 되면 기판이 깨지기 쉬우므로 온도차를 최소화하여 생산성을 높이고자 함이다. 이와 같이 가열된 기판을 식각욕조(16)로 이송시킨다.

기판을 식각하는 단계에서, 식각온도 및 용액은 대략 325℃의 염산(HCl), 질산(HNO₃), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 황산(H₂SO₄), 인산(H₃PO₄), 산화크롬(CrO₃), 물(H₂O) 및 알루에치(4H₃PO₄+4CH₃COOH+HNO₃+H₂O)중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액으로 한다. 여기서 황산과 인산의 혼합용액 만을 사용하는 경우, 황산의 혼합비율을 5%이상 95%이하로 하고 100℃ 이상으로 가열하는 것이 바람직하다.

식각시간은 사파이어 기판(211)의 식각 속도를 측정하고, 이러한 데이터를 바탕으로 실제 기판(33)의 사파이어층(211)의 두께보다 0.1㎛ 정도 이상의 두께를 더하여 이를 사파이어층의 두께로 하여 계산된 시간 동안 식각용액에 담가둔다. 즉, 사파이어 기초기판의 두께(t)가 완전히 식각되는 시간 이상의 시간 동안 식각될 수 있도록 시간을 설정한다.

도 4는 황산과 인산 혼합 용액으로 사파이어와 GaN을 습식 식각할 경우의 온도변화에 따른 식각 속도를 나타내는 그래프이다. 도 4에서 보는 바와 같이 사판이어의 식각속도는 식각용액의 온도가 상승할 수록 빠르다는 것을 알 수 있으며, 식각 용액의 온도는 100℃ 이상으로 유지하는 것이 식각 시간 단축을 위하여 바람직하다.

식각 용액의 온도를 100℃ 이상으로 유지하기 위한 가열은 도 8에서와 같이 열선(44)을 식각욕조(16) 내부에 배열하여 직접 용액에 접촉하도록 하는 직접 가열 방식과, 욕조 외부에서 할로겐 램프(45) 같은 광을 조사하여 욕조 내부의 식각액을 가열하는 광흡수를 이용한 간접 가열 방식이 가능하다.

식각이 진행되어 질화물 반도체층으로부터 사파이어층(211)이 완전히 제거되 면 이송암(12)은 기판을 세정 및 건조하기 위하여 세정부(17) 및 건조부(18)로 차례로 이송시키며, 기판 탈착부(19)에서 완전히 기판을 탈착시키게 된다.

본 실시예에서와 같이 황산과 인산의 혼합용액 만을 사용하는 경우는 질화물 반도체에 대하여 사파이어 기판(211)에 비하여 1/10 이하의 식각 속도를 나타낸다. 즉, 사파이어 기초기판(11)에 대한 질화물계 반도체(212)의 식각 선택비가 10 이상이다. 따라서 사파이어 기초기판(211)을 완전히 식각하고도 남을 시간동안 식각을 진행하더라도 질화물 반도체(212)의 식각 속도가 느리기 때문에 질화물 반도체 층(212)이 손상될 염려는 적다.

도 3은 황산(H₂SO₄)과 인산(H₃PO₄)을 혼합 용액 만으로 사파이어와 GaN을 습식 식각할 경우의 식각 속도를 나타내는 그래프이다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 황산과 인산을 혼합한 용액의 질화물계 반도체에 대한 사파이어의 식각 선택비는 특정 온도에서 20 이상이 될 수 있다. 이러한 결과는 사파이어 기판(211)의 식각 정지층으로 질화물 반도체 층(212)을 효과적으로 활용 할 수 있음을 의미하며, 도4에서 보는 바와 같이 100℃의 고온에서도 20 이상의 식각 선택비를 얻을 수 있었다. 특히 사파이어의 식각 속도는 325℃ 온도에서 분당 1㎛/min 이상 되므로 생산 비용, 생산성, 공정 안정화를 고려해 볼 때 본 발명에서 제시한 방법은 기존의 그 어떤 방법보다 아주 유리하다는 것을 알 수 있다.

본 발명을 양산에 적용했을 경우에 중요한 요소는 사파이어 기판(211)과 질 화물계 반도체인 질화물 반도체 층(212)과의 식각 선택비를 높일 수 있는 공정 조건을 확보하는 것이며, 특히 질화물 반도체 층(212)을 사파이어 식각 정지층 (etch stop layer)으로 활용하는 것이 효과적이다. 질화물 반도체 층(212)으로는 In_x(Ga_yAl_1-y)N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0) 계열을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Al의 조성비를 증가시키거나, Mg도핑된 In_x(Ga_yAl_1-y)N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0) 계열을 사용하는 것이 효과적이다.

필요에 따라서는 사파이어 기판(211)에 질화물 반도체 층(212)을 형성하기 전에 국지적으로 SiO₂의 클러스터(cluster)를 형성하여 식각 정지층을 별도로 형성할 수도 있다. 상기 식각정지층은 In_x(Ga_yAl_1-y)N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0), 규소산화물 클러스터, 규소질화물 클러스터(SiO₂ 또는 SiN_x cluster) 중의 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다.

도 2는 320℃에서 황산(H₂SO₄)과 인산(H₃PO₄)이 혼합된 용액으로 사파이어 기판에 특정한 패턴을 형성한 후 습식 식각 방법으로 사파이어 기판을 식각한 후의 사파이어 기판 표면 사진이다. 사파이어 기판의 식각된 후 평탄한 바닥 면적은 오픈된 패턴의 면적에 비례하는 것을 알 수 있으며, 식각된 경사면과 기판 표면이 아주 깨끗한 것을 알 수 있다. 사파이어 기판(211)은 20분 동안에 22.4㎛ 식각 되어 1.1㎛/min의 식각 속도를 나타냈다. 이러한 식각 속도는 괄목할 만한 결과이고 양산성을 고려해 보더라도 전혀 문제가 없을 것으로 판단되며, 습식 식각은 장비의 생산성에 제약을 받지 않으므로 대량 생산 측면에서 그 어떤 방법보다 많은 장점이 있다고 할 수 있다.

습식식각에서 사이이어 기판은 습식식각에서 방향성을 갖고 있으며 식각깊이는 패턴된 선폭에 의존 한다 . 주로 사용되는 사파이어의 기초 기판은 (0001)의 C면이며 습식식각을 하면 M면, R면, A면에 따라 54도 또는 25도 정도의 경사면을 이룬다. 이러한 현상은 (0001)의 C면과 식각된 (10-10)의 M면, (-1012)의 R면, (11-20)의 A면-식각파셋(etched facet)면이 식각 속도가 다르기 때문이다. 즉 사파이어 식각속도의 면방위 의존성을 살펴본 결과, C면>R면>M면>A면 순서이다. 식각된 표면을 현미경으로 관찰 한 결과, 표면 모폴로지(morphology)는 매우 깨끗했으며 큰 두께편차도 관측 할 수 없었다.

도 5는 사파이어 기판을 습식 식각 방법으로 제거한 후의 질화물 반도체 층(12)의 표면 사진이다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 사파이어 기판(11)이 제거된 후에도 응력에 의한 박막의 깨짐이나 손상을 거의 발견 할 수 없었고 질화물 반도체 층(212)의 표면도 아주 깨끗하다는 것을 알 수 있었다.

상기와 같은 공정을 거친 후에, 도 1(d)와 같이 SiO₂ 보호막을 불산 (buffer oxide etchant; HF 또는 BOE)에 담가 식각하여 제거하면 완전한 자립형 반도체 기판이 제조된다. 제작된 자립형 질화물 반도체 기판의 평면도는 도 1(e)에 도시된 바와 같다.

이와 같이 자립형 반도체 기판을 형성한 후에, 자립형 반도체 기판위에 MOCVD으로 질화물계 반도체를 성장하게 되며, 질화물계 반도체를 재 성장하는 이유는 일종접합을 하는 경우가 결정성장의 결함 없이 양질의 반도체 박막을 성장 할 수 있고 벽개면 형성, 다이싱등, 소자제작 가공이 용이하기 때문이다.

도 6은 본 발명에 의한 자립형 반도체 기판 제조장치의 구성을 도시한 도면이다.

본 발명에 의한 반도체 기판 제조장치는 도 6에서와 같이, 기판 장착부(14), 용액 히팅부(15), 식각욕조(16), 기판 세정 및 건조부(17,18), 기판 탈착부(19)를 포함한다. 또한, 기판을 자동으로 이송할 수 있는 이송암(12)이 배열된다.

먼저, 기판 장착부(14)에서는 사파이어 기초기판 상에 질화물 반도체층이 성장된 반도체 기판(33)을 장착한다. 반도체 기판(33)은 사파이어 기초기판 부분을 랩핑 및 연마하여 사파이어 기초기판의 두께가 서로 비슷한 기판들끼리 여러장 장착하게 된다. 즉, 랩핑이 끝난 기판(33)을 기판두께를 정확히 측정하여 두께 오차가 ±10㎛이내인 기판들을 모아 기판 장착부(14)에 장착한다. 균일한 기판끼리 모아 기판 장착부에 장착하는 것은 식각시 기판균일도가 다르면 공정마진을 확보할 수 없고 균일한 특성을 얻기 어렵기 때문이다. 즉 같은 시간동안 사파이어 기판을 식각해도 사파이어 두께의 균일도에 따라 식각이 더 될 수도 있고, 식각이 덜되어 사파이어 기판이 잔류하게 될 수 있으며, 이러한 현상을 방지하기 위한 것이다.

기판 장착부(14)에 장착된 기판(33)은 식각욕조 내의 식각액의 온도와 비슷하게 되도록 200℃부근의 고온으로 가열한다. 대략 200~320℃ 사이의 온도로 기판 을 사전 열처리하게 되며, 이는 식각될 기판과 식각용액의 온도차가 심하게 되면 기판이 깨지기 쉬우므로 온도차를 최소화하여 생산성을 높이고자 함이다. 이와 같이 가열된 기판을 식각욕조(16)로 이송시킨다.

기판(33)을 식각욕조(16)로 이송시키기 위해서 이송암(12)을 사용한다. 이송암(12)은 도 6에서와 같이 수평으로 이동할 수 있도록 상부가 레일(13)에 연결되어 있으며, 기판 장착부의 기판(33)들을 들어올릴 수 있도록 수직방향으로 길이 변동이 가능한 구조로 되어있다. 이러한 구조로는 유압식, 공기 주입식 실린더 또는 타이밍 벨트 등을 사용할 수 있다. 이송암(12)을 사용하는 것은 기판(33)이 고온에서 습식식각되기 때문에 작업자가 보다 안전하게 작업하기 위함이다.

식각욕조(16) 전방에는 반도체 기판의 사파이어 기초기판을 식각하기 위한 식각용액을 미리 가열하는 용액 히팅부(15)가 설치된다. 식각액은 고온의 상태로 식각욕조(16)에 있게 되며, 이와 같이 식각욕조 내의 용액을 고온으로 온도를 올리는데 비교적 많은 시간이 소요되기 때문에 용액을 미리 용액 히팅부(15)에서 가열하게 된다. 이와 같이 용액 히팅부(15)를 사용하면, 식각액의 가열까지의 시간을 단축할 수 있을 뿐 아니라, 식각욕조의 용액이 오염되면 즉시 교체 할 수 있는 장점을 제공한다.

도 7은 식각 욕조(etch bath)의 구성도를 상세히 도시한 것이다. 도 7에서 보는 바와 같이 식각 욕조는 용액을 급속으로 고온으로 올릴 수 있고 온도를 자동으로 조절 할 수 있도록 구성되어 있다.

식각 욕조(16)는 식각액의 온도를 조절할 수 있도록 욕조 둘레에 배열되는 냉각배관(27)을 포함하게 된다. 냉각배관(27)은 욕조의 둘레를 감싸도록 배열되며, 컨트롤러(25) 및 제어밸브(30)를 통해 제어된다. 식각욕조(16)의 온도는 컨트롤러(25)를 통하여 자동 조절되는데 온도가 너무 높으면 욕조주위에 감긴 냉각수 라인(27)을 통하여 냉각되어 짧은 시간내에 온도조절이 이루어지도록 하였다.

식각용액을 고온으로 올리면 산증기가 발생하게 되고 산증기는 작업자를 위험하게 만들 수 도 있다. 이러한 위험성을 방지하기 위하여 식각욕조는 덮개(20)로 덮게 되며 발생된 증기는 드레인 배관(22)을 통하여 배기된다. 배기되는 증기는 고온이기 때문에 외부로 방출되었을 경우 환경을 오염시킬 수 있고 제조장치를 손상시킬 수 있기 때문에, 드레인 배관(22)에 액화배관(21)을 감아 고온증기를 냉각시킴으로서 액화되도록 고안하였다. 액화된 용액은 드레인 박스(23)에 모이게 된다. 상기와 같은 식각욕조(16)는 외부의 전원부(24)로부터 전원을 공급받게 된다. 또한 컨트롤러(25)는 냉각배관뿐 아니라, 드레인 배관(22), 액화배관(21)의 벨브를 자동으로 제어하게 된다.

식각욕조(16)는 고온 테프론(high temperature teflon) 또는 석영(quartz), 유리, 서스(SUS)와 같은 재질로 형성된다. 또한 식각욕조(16)는 식각동안의 온도를 100℃ 이상으로 유지하는 것이 바람직하게 되며, 이를 위한 가열은 도 8(a)에서와 같이 열선(44)을 식각욕조(16) 내부에 배열하여 직접 용액에 접촉하도록 하는 직접 가열 방식과, 도 8(b)에서와 같이 할로겐 램프(45)로 욕조 외부에서 광을 조사하여 욕조 내부의 식각액을 가열하는 광흡수를 이용한 간접 가열 방식을 사용할 수 있다.

기판을 식각하는 단계에서, 식각온도 및 용액은 대략 325℃의 염산(HCl), 질산(HNO₃), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 황산(H₂SO₄), 인산(H ₃PO₄), 산화크롬(CrO₃) 및 알루에치(4H₃PO₄+4CH₃COOH+HNO₃+H ₂O)중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액으로 한다.

다시 도 6에서, 식각욕조(16)에서 사파이어 기초기판층을 완전히 제거한 후, 기판을 세정부(17)에 담가 세정하고, 다시 이를 건조부(18)를 거치도록 하여 건조시키게 된다. 세정단계(18)에서는 식각된 기판을 증류수에 담가 세정하고, 세정이 끝난 기판은 회전건조기(18)로 이동되어 건조되게 된다. 그 후 기판탈착부(19)에서 기판(33)을 이송암(12)으로부터 탈착하게 된다.

본 발명은 질화물 반도체층(212)이 성장된 사파이어기판(211)을 종래기술보다 용이하게 질화물 반도체층(212)으로부터 제거하여 수직 전극형 소자제작을 저비용으로 용이하게 하고 소자의 신뢰성 및 휘도 향상, 소자의 크기를 줄여 생산성 및 소자의 성능을 향상 시켜 고 휘도/고성능 질화물 반도체 발광소자 제작을 가능하게 하는 LED 조명 분야의 핵심 기술이 될 것이며 어렵게만 여겨져 왔던 HBT(hetero bipolar transistor)와 같은 전자 소자제작이 가능하게 되어 초고주파/초고출력 전자소자 제작도 가능하게 될 것으로 기대되며 앞으로 이 분야에서도 계속적인 기술개발이 이루어 질 것이다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

이상과 같이, 본 발명에서는 이면 연마로 사파이어 기판을 얇게 하여 소자공정의 시간을 단축시킬 수 있고 질화물 반도체를 식각 정지층으로 활용한 습식식각을 이용하여 사파이어 기판을 제거하기 때문에 생산성이 크게 향상되며, 레이저 리프트 오프 방식의 경우에 에피층이 받을 수 있는 열 손상을 방지할 수 있다. 또한 사파이어 기판과 질화물반도체 간에 식각 선택비를 이용함으로서 공정의 재현성을 용이하게 향상시킬 수 있으며, 표준화된 공정이 가능하여 대량생산이 용이하다. 이러한 질화화물 반도체 기판의 제작으로 기존의 평면 소자에서 수직 전극형 발광소자 제작이 가능하게 되어 칩의 면적이 줄어들어 웨이퍼 당 칩 생산량을 향상과 열 방출과 정전기 방출이 효율적으로 이루어진다.

또한 본 장치를 이용하면 자립형 반도체 기판제작을 저 비용으로 용이하게 제조 할 수 있기 때문에 그동안 어렵게 여겨져 왔던 수직 전극형 레이저 다이오드 및 HBT(bipolar transistor)와 같은 전자 소자제작이 보다 저비용으로, 보다 용이하게 제작이 가능하게 되어 폭발적인 활용이 이루어 질 것으로 기대 된다.

Claims

질화물 반도체층이 성장되고, 상기 질화물 반도체층과 기초기판 사이에 식각정지층을 형성한 사파이어 기초기판을 마련하는 단계;

상기 기초기판의 질화물 반도체층 상에 보호막을 형성하는 단계;

상기 사파이어 기초기판을 랩핑(lapping) 및 연마하는 단계;

랩핑 및 연마한 후 두께가 ±10㎛의 오차범위 이내인 기초기판들을 기판 장착부에 장착하는 단계;

상기 기판 장착부에 장착되는 기판들을 식각용액의 온도에 도달하는 온도로 가열하는 단계;

상기 기판 장착부에 장착된 기판을 기판 식각욕조로 이동시켜 식각하는 단계; 및

식각된 기판을 세정 및 건조하는 단계;를 포함하는 자립형 반도체 기판 제조방법.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 기초기판을 식각하는 단계는 염산(HCl), 질산(HNO₃), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 황산(H₂SO₄), 인산(H₃PO₄) 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 사용하는 것을 특징으로 하는 자립형 반도체 기판 제조방법.
삭제
삭제
제 1항에 있어서, 상기 식각액의 온도 유지를 위한 가열은 식각액과 열선이 직접 접촉하여 열교환을 이루는 직접 열교환 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자립형 반도체 기판 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 식각액의 온도 유지를 위한 가열은 광흡수를 이용한 간접 가열방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자립형 반도체 기판 제조방법.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 보호막은 SiO₂, SOG(spin-on-glass) 중의 어느 하나로 형성된 단일층 또는 이들의 조합으로 형성된 복수층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자립형 반도체 기판 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 사파이어 기초기판을 랩핑(lapping) 및 연마하는 단계에서 상기 기초기판의 표면 거칠기(Rp-v)가 20㎛ 이하가 되도록 경면 연마하는 것을 특징으로 하는 자립형 반도체 기판 제조방법.
제 9항에 있어서, 상기 사파이어 기초기판의 두께를 1um 이상 300㎛ 이하가 되도록 랩핑 및 연마하는 것을 특징으로 하는 자립형 반도체 기판 제조방법.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 식각정지층은 In_x(Ga_yAl_1-y)N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0) 질화물계 반도체, 규소산화물 클러스터, 규소질화물 클러스터(SiO₂ 또는 SiN_x cluster) 중의 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자립형 반도체 기판 제조방법.
제 13항에 있어서, 상기 질화물계 반도체는 마그네슘 (Mg)도핑된 In_x(Ga_yAl_1-y)N (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0)을 형성되는 것을 특징으로 하는 자립형 반도체 기판 제조방법.
사파이어 기초기판 상에 질화물 반도체층이 성장되고 상기 사파이어 기초기판과 질화물 반도체층 사이에 식각정지층을 형성한 반도체 기판의 사파이어 기초기판 부분을 랩핑(lapping) 및 연마하여 기초기판의 두께가 ±10㎛의 오차범위 이내인 반도체 기판들을 장착하고, 상기 반도체 기판을 소정 온도로 가열하는 기판 장착부;

상기 반도체 기판의 사파이어 기초기판을 식각하기 위한 식각용액을 미리 가열하는 용액 히팅부;

수평으로 이동할 수 있도록 상부가 레일에 연결되어 있으며, 상기 기판 장착부의 반도체 기판들을 들어올릴 수 있도록 수직방향으로 길이 변동이 가능하도록 형성된 이송암;

상기 이송암에 의해 이송되는 반도체 기판의 사파이어 기초기판을 식각하는 식각욕조;

상기 식각욕조에서 식각되어 사파이어 기초기판이 제거된 반도체 기판을 세정 및 건조하는 기판 세정 및 건조부; 및

세정 및 건조된 상기 반도체 기판을 상기 이송암으로부터 탈착하는 기판 탈착부;를 포함하는 자립형 반도체 기판 제조장치.
삭제
제 15항에 있어서, 상기 식각욕조는 황산(H₂SO₄) 및 인산(H₃PO₄) 중 어느 하나 또는 이들의 조합에 의한 혼합 용액을 식각액으로 사용하는 것을 특징으로 하는 자립형 반도체 기판 제조장치.
제 17항에 있어서, 황산과 인산을 혼합하는 경우의 황산의 조성비(몰비)는 5%이상 95%이하로 하는 자립형 반도체 기판 제조장치.
삭제
제 15항에 있어서, 상기 식각액의 온도 유지를 위한 가열을 위해 상기 식각욕조 내의 용액에 직접 열을 전달하는 열선을 배열하는 것을 특징으로 하는 자립형 반도체 기판 제조장치.
제 15항에 있어서, 상기 식각액의 온도 유지를 위한 가열을 위해 상기 식각욕조 내의 용액에 광을 조사하여 간접적으로 열을 전달하도록 하는 것을 특징으로 하는 자립형 반도체 기판 제조장치.
제 15항에 있어서, 상기 식각욕조는,

식각액의 온도를 조절할 수 있도록 욕조 둘레에 배열되는 냉각배관;

상기 식각액으로부터 발생되는 증기가 외부로 유출되지 않도록 개폐될 수 있는 덮개;

상기 식각액으로부터 발생되는 증기를 배출하도록 식각욕조의 일측면에 연결되는 드레인 배관;

상기 드레인 배관의 둘레에 배열되어 드레인 되는 증기를 냉각시켜 액화시키는 액화배관; 및

상기 냉각배관 및 드레인 배관, 액화배관을 자동적으로 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 반도체 기판 제조장치.
제 22항에 있어서, 상기 식각욕조는 고온 테프론(high temperature teflon), 서스(SUS), 유리 또는 석영(quartz) 중 어느 하나에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 자립형 반도체 기판 제조장치.
제 1항, 제 3항, 제 6항 및 제 7항, 제 9항 내지 제 11항, 제 13항 및 제 14항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 자립형 반도체 기판.