KR100809033B1

KR100809033B1 - 질화갈륨 자기 직립 기판의 제조방법

Info

Publication number: KR100809033B1
Application number: KR1020060045287A
Authority: KR
Inventors: 김진교
Original assignee: 경희대학교 산학협력단
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2008-03-03
Also published as: KR20070111892A

Abstract

본 발명은 질화갈륨 기판의 제조방법에 관한 것으로, 특히 모기판 상부에 질화갈륨 리프트 오프층(Lift-off Layer)을 형성한 다음, 그 상부에 질화갈륨 후막을 성장시킨 후 모기판의 온도를 급강하시켜 질화갈륨 후막이 모기판으로부터 열팽창계수의 차이에 의해 자동으로 분리되도록 하는 과정을 통하여 질화갈륨 기판을 제조함으로써 종래의 질화갈륨 기판을 제조하기 위한 레이저 리프트 오프(Laser Lift-off) 방법의 사용에서 오는 질화갈륨 기판의 균열을 방지하고 제조비용을 절감할 수 있는 질화갈륨 자기 직립 기판을 제조하는 방법을 제공한다.

질화갈륨, 자기직립 기판

Description

질화갈륨 자기 직립 기판의 제조방법{Manufacturing Method of GaN Free-standing Substrate}

도1은 종래의 HVPE법을 사용하여 질화갈륨 후막을 제조하기 위한 장치의 구성을 나타낸 도면.

도2는 도1의 장치에서 형성된 모기판 상부의 질화갈륨 후막을 모기판으로부터 분리시키기 위한 방법의 한 실시예를 나타낸 도면.

도3은 본 발명에 따른 HVPE법을 사용하여 자기 직립할 수 있는 질화갈륨 후막을 제조하는 장치를 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 반응관 110 : 제1가스 주입관

120 : 제2가스 주입관 130 : Ga 용기

140 : 모기판 안치대 150 : 배기구

160 : 전기로 170 : 기판 홀더

200 : 모기판 210 : 질화갈륨 후막

220 : 질화갈륨 리프트 오프층

질화갈륨(GaN)을 기반으로 하는 반도체 재료는 매우 큰 직접 천이형 에너지띠 간격을 가지고 있어 UV에서부터 청색에 이르는 영역까지 빛을 낼 수 있는 광소자재료로 큰 관심을 모으고 있다.

그러나, 질화갈륨은 융점이 2400℃ 이상으로 높고, 질소 분해압도 융점에서 약 10만 기압 정도로 매우 높아 통상적인 Si, GaAs와 같은 반도체들의 제조방법으로는 잉곳 형태의 단결정을 만들기가 매우 어렵고, 따라서, 호모에픽택시(homoeptaxy)를 이용하여 박막을 성장시킬 수 없다는 문제점이 있었다.

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

상기 모기판을 제거하기 위한 방법으로는 기계적인 연마방법이나 레이저를 이용하는 방법이 사용되고 있으며, 특히 레이저를 이용한 리프트-오프(laser lift-off) 방법은 1000℃ 내지 1100℃ 정도의 높은 온도에서 모기판에 질화갈륨 후막을 성장시킨 후 그 질화갈륨 후막이 성장된 모기판을 반응관으로부터 꺼내고, 상기 레이저를 이용하여 질화갈륨 후막을 모기판에서 분리하여 질화갈륨 기판을 제조하였다.

도1은 질화갈륨 후막을 성장시키는 제조장치의 구성을 나타낸 것으로, 가스를 주입해서 반응시키는 반응관(100)의 일측에 HCl 등의 Halide 가스가 주입되는 제1가스 주입관(110)과, NH₃ 등의 V-족 원소를 포함하는 기체가 주입되는 제2가스 주입관(120)이 형성되며, 상기 제1가스 주입관(110) 중간에는 Ⅲ-족 원소인 Ga을 담기 위한 위한 용기(130)가 설치되어 있다. 또한, 상기 반응관(100) 내부에는 탄화규소 또는 사파이어 등의 모기판(200)을 안치시키기 위한 모기판 안치대(140)가 설치되어 있으며, 타측에는 반응가스들을 배기시키기 위한 배기구(150)가 형성되어 있다. 또한, 상기 반응관(100) 외벽에는 전기로(160)가 설치되어 반응관(100)과 모기판의 온도를 조절할 수 있도록 구성되어 있다.

상기와 같은 질화갈륨 후막의 제조장치는 용기(130)에 Ga을 담아두고, 모기판을 설치한 후, 반응관(100)에 가스를 흘리면서 전기로(170)에 전원을 공급하여 반응관(100)을 가열한다. 상기와 같이 반응관(100)이 가열되어 소정의 온도에 도달하게 되면, 제2가스 주입관(120)를 통해 V-족 원소를 포함하는 기체로 NH₃를 주입하고, 질화갈륨 후막의 성장온도에 도달하면 Halide 가스로 HCl을 제1가스 주입관(110)을 통해 주입시킨다. 상기와 같이 제1가스 주입관을 통과하는 HCl 가스는 Ga이 담겨있는 용기(130)의 Ga과 반응하여 GaCl을 생성하게 된다. 상기 생성된 GaCl은 모기판(200)의 상부에서 NH₃와 혼합되어 질화갈륨(GaN)을 생성하게 되고, 그 생성된 질화갈륨은 모기판(200) 상부에 부착되어 소정의 두께를 갖는 질화갈륨 후막(210)으로 성장하게 된다.

상기와 같이 모기판 상부에 성장한 질화갈륨 후막에 대해 도2에 도시된 바와 같이 모기판(200)의 저면으로부터 고출력 레이저를 조사하고, 그 조사된 레이저는 모기판과 질화갈륨 후막의 계면을 분리시키는 레이저 리프트-오프 방법으로 질화갈륨 기판을 제조하였다.

그러나, 상기 고온의 진공조에서 고품질의 질화갈륨 후막을 얻어낸 후, 레이저 리프트-오프 방법으로 모기판을 떼어내기 위해서는 상온으로 온도를 낮추어야 하기 때문에, 그 온도 강하에서 오는 열팽창 계수의 차이로 인하여 많은 양의 균열(crack)이 발생하여 제품의 질을 저하시킨다는 문제점이 있었다.

또한, 상기 레이저 리프트-오프 방법을 수행하기 위해서는 고출력 레이저 장치를 필요로 하기 때문에 질화갈륨 기판의 제조비용이 많이 소요되고, 주사 방식으로 레이저를 조사하므로 기판과 후막이 분리된 부분과 그렇지 않은 부분이 동시에 존재하게 되고, 각 영역이 서로 다른 힘을 받는 상태에 놓이게 되므로 균열이 발생하여 후막 전체를 균일하게 분리하기 용이하지 않으므로 2인치 이상의 질화갈륨 후막을 얻기가 쉽지 않다는 문제점도 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 질화갈륨 후막 제조장치를 통해 모기판의 온도를 조절하여 모기판 상부에 질화갈륨 리프트 오프층(lift-off layer)을 먼저 성장시킨 후 그 상부에 질화갈륨 후막을 성장시키고, 상기 질화갈륨후막이 소정의 두께로 성장이 완료되면 급속하게 모기판의 온도를 강하시킴으로써 질화갈륨 리트프 오프층과 모기판 사이의 열팽창 계수 부정합에 의하여 모기판으로부터 질화갈륨 후막이 자체 분리되도록 하는 질화갈륨 자기 직립 기판의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기와 같이 레이저 리프트 오프 방법을 사용하지 않음으로 질화갈륨 기판의 제조공정을 단순화하고, 그 제조비용을 줄일 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

또한, 상기와 같이 질화갈륨 후막과 모기판 사이에 질화갈륨 리프트-오프층을 형성하고, 급속한 온도강하에 따른 열팽창 계수 차이로 인해 모기판과 질화갈륨 후막을 분리함으로써 종래의 레이저 리프트 오프 방법으로 인해 발생하던 균열의 발생을 방지하여 고품질의 질화갈륨 기판을 얻을 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 HVPE법으로 질화갈륨 후막을 제조하는 장치를 이용하여 상기 질화갈륨 기판을 제조하는 방법에 있어서, 상기 질화갈륨 후막 제조장치에 모기판을 설치하고 모기판의 온도를 질화갈륨 후막 성장 온도보다 낮은 저온 상태로 일정시간 동안 유지하여 소정 두께의 질화갈륨 리프트 오프층을 형성하는 단계와; 상기 질화갈륨 리프트 오프층이 형성되면 모기판의 온도를 질화갈륨 후막 성장 온도로 상승시켜 질화갈륨 리프트 오프층 상부에 질화갈륨 후막을 형성하는 단계와; 상기 질화갈륨 후막이 생성되면 모기판의 온도를 상온으로 급속 강하시켜 모기판으로부터 질화갈륨 후막을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 자기 직립 기판의 제조방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도3은 본 발명에 따른 자기 직립 질화갈륨 기판을 제조하기 위한 장치를 나타낸 것으로, 그 구성은 도1에 도시된 바와 같이 반응관(100)의 일측에 HCl 등의 Halide 가스가 주입되는 제1가스 주입관(110)과, NH₃ 등의 V-족 원소를 포함하는 기체가 주입되는 제2가스 주입관(120)이 형성되며, 상기 제1가스 주입관(110) 중간에는 Ga 등과 같은 Ⅲ-족 원소를 안착시키기 위한 용기(130)가 설치된다. 또한, 상기 반응관(100) 내부에는 탄화규소 또는 사파이어 등의 모기판(200)을 안치하기 위한 모기판 안치대(140)가 설치되며, 타측에는 반응가스들을 배기시키기 위한 배기 구(150)가 형성된다. 또한, 상기 반응관(100) 외벽에는 전기로(160)가 설치되어 반응관(100)의 온도를 조절할 수 있도록 한다.

다만, 도3의 질화갈륨 기판 제조장치는 배기구(150)를 통해 질화갈륨 후막이 형성된 모기판(200)을 외부로 꺼내기 위한 기판 홀더(170)가 더 설치된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 자기직립 질화갈륨 기판 제조장치는 HVPE법에 의해 질화갈륨 후막을 성장시킨다.

먼저, 상기 질화갈륨 후막 제조장치의 기판 안치대에 사파이어, SiC, Si, GaAs 중 어느 하나를 모기판으로 안치한 후, 전기로를 작동시켜 모기판의 온도가 300 내지 700℃를 유지하도록 한다. 다음에, 상기한 온도로 모기판이 유지되는 상태에서 제2가스 주입관(120)을 통해 V-족 원소를 포함하는 기체인 NH₃를 주입하고, 제1가스 주입관(110)을 통해 Halide 가스인 HCl을 주입한다. 상기와 같이 제1가스 주입관을 통과하는 HCl 가스는 용기(130)에 담겨있는 Ga을 통과하면서 GaCl을 생성하게 되고, 상기 생성된 GaCl은 모기판(200)의 상부에서 NH₃와 혼합되어 질화갈륨 리프트 오프층(220)을 생성하게 된다. 다음에 소정의 두께로 질화갈륨 리프트 오프층이 생성되면 가스의 공급을 멈추고 전기로를 더 가열하여 모기판의 온도를 질화갈륨 후막(210)의 생성 온도인 1000 내지 1100℃로 상승시키고, 다시 제1가스 주입관과 제2가스 주입관을 통해 HCl 가스와 NH₃ 기체를 주입한다. 상기와 같이 주입된 가스들에 의해 상기 질화갈륨 리프트 오프층(220) 상부에 소정의 두께를 갖는 질화갈륨 후막(210)을 성장시킨다.

상기와 같이 모기판 상부에 질화갈륨 리프트 오프층과, 질화갈륨 후막이 생성되면 상기 전기로의 전원을 차단하고 기판 홀더(170)를 이용하여 모기판을 꺼낸다.

상기 반응관 밖으로 꺼내어진 모기판은 상온으로 급속도로 냉각되게 되고, 급속한 온도변화로 질화갈륨 리프트 오프층과 모기판 및 질화갈륨 후막이 열팽창 계수의 차이에 기인하여 상호 분리되게 되고, 이로 인해 질화칼륨 후막이 모기판으로 분리되어 질화칼륨 자기 직립 기판을 얻을 수 있다.

이때, 질화갈륨 리프트 오프층과 질화갈륨 후막이 순차적으로 형성된 모기판을 꺼내기 위한 기판 홀더가 구비되어 있지 않을 경우에는 반응관을 개방시켜 외부의 공기가 내부로 유입되게 함으로써 모기판의 온도를 급속하게 냉각시킬 수도 있다.

이상과 같이 본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 고안의 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 권리범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 자기직립 질화갈륨 기판의 제조방법은 모기판과 질화갈륨 후막 사이에 질화갈륨 리프트 오프층을 더 형성한 후 모기판의 온도를 급속 냉각시켜 열팽창 계수의 차이에 의해 질화갈륨 리프트 오프층과 모기판 그리고 질화갈륨 후막이 상호 분리되도록 하여 질화갈륨 자기 직립 기판을 제조함으로써 레이저 리프트 오프 방법을 사용하지 않고도 용이하게 질화칼륨 자기 직립 기판을 제조할 수 있다.

또한, 상기와 같이 레이저 리프트 오프 방법을 사용하지 않음으로 질화갈륨 자기 직립 기판의 제조공정을 단순화하고, 그 제조비용을 줄일 수 있다.

또한, 상기와 같이 질화갈륨 후막과 모기판 사이에 질화갈륨 리프트-오프층을 형성하고, 급속한 온도강하에 따른 열팽창 계수 차이에 의해 모기판과 질화갈륨 후막을 상호 분리함으로써 종래의 레이저 리프트 오프 방법을 사용하기 위해 모기판을 냉각시키는 과정에서 발생하던 질화갈륨 후막의 균열을 방지하여 고품질의 질화갈륨 기판을 얻을 수 있다.

Claims

HVPE법으로 질화갈륨 후막을 제조하는 장치를 이용하여 상기 질화갈륨 기판을 제조하는 방법에 있어서,

상기 질화갈륨 후막 제조장치에 기판홀더와 모기판을 설치하고 모기판의 온도를 질화갈륨 후막 성장온도보다 낮은 저온 상태로 일정시간 동안 유지하여 소정 두께의 질화갈륨 리프트 오프층을 형성하는 단계와;

상기 질화갈륨 리프트 오프층이 형성되면 모기판의 온도를 질화갈륨 후막 성장 온도로 상승시켜 질화갈륨 리프트 오프층 상부에 질화갈륨 후막을 형성하는 단계와;

상기 질화갈륨 후막이 생성되면 상기 기판홀더로부터 모기판을 분리하고 외부로 꺼내어 급속 냉각시키거나 진공조를 개방시켜 외부 공기의 유입을 통해 상기 모기판의 온도를 상온으로 급속 강하시켜 모기판으로부터 질화갈륨 후막을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 자기 직립 기판의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 모기판은 사파이어 기판, SiC 기판, Si 기판, GaAs 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화칼륨 자기 직립 기판의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 질화갈륨 리프트 오프층을 형성하는 단계에서,

상기 모기판의 온도는 300 내지 700℃로 유지시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 자기 직립 기판의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 질화갈륨 후막을 형성하는 단계에서,

상기 모기판의 온도는 1000 내지 1100℃로 유지시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 자기 직립 기판의 제조방법.
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