KR100849779B1 - 소재 층의 분리 방법 - Google Patents

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Abstract

리프트 오프 프로세서는 소재 층과 기판 사이의 인터페이스를 조사하는 것에 의하여 소재 층을 기판으로부터 분리시키기 위하여 사용된다. 하나의 예시적인 공정에 따르면, 층은 기판 위에 다이에 해당하는 다수 개의 섹션으로 분리되고, 균질한 빔 스팟이 정수 개수의 섹션을 덮기 위하여 형성된다.
GaN, 소재 층, 사파이어 박막, 긁기 및 부수기, 단막 결정 성장

Description

소재 층의 분리 방법{Method of Separating Layers of Material}
본 출원은 2004년 3월 29일 출원되어 심사가 진행 중인 미국 특허 가출원 제60/557,450호의 이익을 요구하고, 제60/557,450호는 참조로 본 명세서에 완전히 결합된다.
본 발명은 소재 층의 분리에 관한 것이고, 보다 구체적으로 층 사이의 경계면을 조사시키는(irradiating) 것에 의하여 기판(substrate) 및 기판 위에 성장시킨 필름과 같은 소재의 층을 분리시키는 것에 관한 것이다.
“청색 LEDs”로 알려진 GaN/InGaN-기초 발광 다이오드(Light-Emitting Diodes: LEDs)는 기대되는 미래를 가진다. 이러한 GaN/InGaN-기초 발광 다이오드의 실제 적용은 모바일 폰 키-패드, LCD 백라이트, 교통 신호등, 광고 표시, 차량 전등, 실외 풀-컬러 디스플레이 패널, 가정 조명 기구들과 같은 제품을 포함할 만큼 팽창하여 왔다. 이러한 그리고 이와는 다른 응용 제품에 있어, 이러한 고-휘도 LEDs는 백열등 및 형광등과 같은 공지의 광원을 대체할 수 있다. 청색 LEDs는 공지의 광원에 비하여 낮은 에너지 입력으로 높은 광 출력(에너지 절약, 높은 효율), 및 더 긴 작동 수명을 특징으로 한다. 이들의 높은 성능 및 신뢰성은 공지의 광원에 대한 이들의 성공적인 대체를 위한 전망을 보여준다; 그러나 현재 알려진 한계 및 내재적인 약점을 극복하기 위하여 현재의 LED 설계가 향상될 필요가 있다. 더 좋고 더 정교한 제조 기술은, 잔여물을 줄이고, 산출량을 증가시키고, 더욱 진전되고 복잡하거나 향상된 설계가 출현하도록 허용하는 것에 의하여 청색 발광 다이오드 설계가 발전하는 것을 도우며, 제조 능력을 위한 설계(Design for Manufacturability:DFM)의 더 향상된 유연성을 통하여 기술이 진전되도록 한다. 그러한 향상된 제조 기술은 그들의 제조를 간단하게 하고 제조비용을 감소시킨다.
청색 발광 다이오드는 사파이어 기판에 GaN/InGaN 층을 배치시키는 것(depositing)에 의하여 제조될 수 있다. 일단 발광 다이오드 기기가 제조되면, 웨이퍼가 각각의 다이(dies)로 분리된다. 현행 다이 분리 공정은 아래와 같은 단계를 포함한다. 먼저 사파이어 웨이퍼가 웨이퍼 후면의 그라인딩(grinding) 및 래핑(lapping)에 의하여 두께가 10 ㎛이하로 얇게 만들어진다. 다음 단계로 웨이퍼가 다이싱 테이프(dicing tape) 위에 설치되고, 다이아몬드 스크라이브 팁 또는 UV 레이저 빔에 의하여 다이 사이의 스트리트(streets)를 따라 분리 선이 만들어진다(scribed). 마지막으로 웨이퍼는 균열 도구(a fracturing tool)에 의하여 분리 선(scribe lines)을 따라 균열된다. 균열이 만들어진 후, 다이싱 테이프가 연장되어 연속적으로 자동화된 픽 앤 플레이스(pick and place) 작동이 수행될 수 있도록 하기 위하여 각각으로부터 다이를 물리적으로 분리한다. 이러한 공정은 “긁기 및 부수기(scribe and break)” 다이 분리라고 불린다.
LED 제조의 주요 비용은 사파이어 얇게하기(thinning)와 긁기 및 부수기(scribe and break) 공정에서 든다. LED 리프트-오프(lift-off)로 알려진 공정은 LED 제조 공정의 시간 및 비용을 급격하게 감소시킬 수 있다. LED 리프트-오프는 예를 들어 제조자가 사파이어 웨이퍼 위에 GaN LED 필름 디바이스가 성장하도록 하고, 이후 박막 디바이스를 히트 싱크 전기 상호 접속을 향하여 이동하는 것에 의하여 웨이퍼 긁기를 제거할 수 있다. 이와 같은 공정 과정에서, 레이저 빔 프로파일은 사파이어 웨이퍼의 배면을 통하여 발사되어 GaN LED 디바이스를 분리시키고, 이후 GaN LED 장치가 히트 싱크 및/또는 광학 반사경 위에서 패키지로 만들어질 수 있는 기판으로 이동이 된다. 특별한 웨이퍼를 사용하면, 사파이어 성장 기판은 재-사용이 될 수 있고, LED 제조비용이 감소될 수 있다. 추가로, 이러한 접근은 빠르고 LED 광 출력을 증가시키고, UV 레이저에 대한 낮은 스트레스로 인하여 낮은 작동 비용을 발생시킨다.
GaN LEDs에 대한 현재의 설계는 실행 및 신뢰성을 향상시키는 효과를 방해하는 고유의 한계성을 가진다. 현재 설계는 또한 정전기의 방전 문제와 관련되어 왔다. 도 1A 및 도 1B에 도시된 것처럼, 청색 LED(10)는 실리콘 카바이드 또는 사파이어 웨이퍼 기판(14) 위에 이형박막 성장이 된(hetero-epitaxially grown) 다수의 InGaN 및 GaN 기반 층(12a, 12b, 12c)을 포함할 수 있다. 사파이어 웨이퍼는 천연 절연체이므로, 전류는 수평 전극 구조에 의하여 공급된다. p-GaN 층(12a)의 높은 저항으로 인하여, Ni/Au의 박막 필름(16)이 p-GaN 위쪽으로 배치되어 전류 분산 분포를 향상시킨다. 그러나 수평 구조와 관련된 몇 가지 약점이 존재한다.
먼저 Ni/Au 필름(16)은 LED 광 출력의 상당 부분을 흡수한다. Ni/Au(16)은 방사된 광에 대하여 제한된 투과도를 가지므로, LED 광에 투명하도록 만들기 위하여 Ni/Au 필름(16)은 매우 얇다(대개 100 Å이 되지 않는다). LED 그 자신에 의하여 방사된 광의 약 25%가 Ni/Au 필름(16)에 의하여 흡수된다. 더욱이 방사된 광의 상당한 양이 사파이어를 통한 전도 과정에서 손실된다. 사파이어 기판(14)을 향하여 유도된 빛의 일부가 사파이어 웨이퍼와 그것의 주위 물질의 굴절률의 차이로 인하여 사파이어 전면을 향하여 반사된다. Ni/Au 박막 필름(16)은 마찬가지로 이러한 반사된 출력 광의 대부분을 흡수한다.
둘째, Ni/Au 필름(16)은 습기에 민감하고, 이로 인하여 시간 경과에 따른 성능 저하가 발생한다. 필름의 투명성을 유지하기 위하여, 박막 Ni/Au가 금속 증착(metal evaporation)에 의하여 배치되고, 이후 대기 분위기 또는 O2 환경에서 열처리된다. Ni/Au 필름(16)은 금(Au)-리치(rich) 구조를 가진 NiOx형태의 산화 화합물을 형성한다. 습기가 오랜 기간의 작동 기간에 걸쳐 산화 필름을 투과하는 경우, LED 디바이스는 손상을 입을 것이다.
셋째, Ni/Au 필름(16)은 전류 밀집 효과로 인하여 InGaN MQW 광-발산 층(12b)의 성능 효율의 저하를 경험한다. 전류 분산 Ni/Au 필름(16)은 n-GaN 층(12c)에 비하여 낮은 저항을 가지므로, 전류는 n(-) 전극(20) 근처 영역(18)에 밀집될 것이다(도 1A 참조). 이로 인하여 전류 밀집 현상은 능동 InGaN 영역의 균일한 사용을 억제시키고, 능동 영역의 불균등 사용으로 인하여 낮은 광 출력 효율 및 낮은 신뢰성이라는 결과를 가져올 수 있다.
넷째로, 수평-전극 구조는 전류 병목 효과를 만들고, 이로 인하여 낮은 신뢰 성이라는 결과를 가져올 수 있다. p(+) 전극(22)을 통하여 공급된 전류는 Ni/Au 필름(16)을 가로질러 분산되고, InGaN(12b)을 통하여 p-GaN(12a)로부터 n-GaN(12c)로 흐른다. n(-) 전극(20)은 n-GaN(12c)에 수평으로 위치하므로, 전류는 전극(20)에 있는 영역(24)에서 병목된다(도 1A 및 도 1B 참조).
수직 전극 구조를 가지도록 형성된 LED는 수평 전극 구조의 많은 약점을 극복한다. 도 2에 도시된 것처럼, 수직 구조를 가진 LED(30)는 사파이어 기판으로부터 실리콘 웨이퍼와 같은 전도성 기판(34)을 향하는 GaN 층(32a, 32b, 32c)의 전이를 포함한다. 수직 전극 구조는 Ni/Au 필름을 제거하도록 만들고, 이것은 실질적으로 광 출력을 증가시킨다. 수직 구조는 금속 반사 층(36)의 배치를 허용하고, 이것은 수평 구조에 있는 사파이어를 통한 광 손실을 최소화시킨다. 수직 구조는 또한 전류 밀집 및 병목을 감소시키거나 제거하는 것에 의하여 신뢰성 및 성능을 향상시킨다. 수직 LED 구조를 구성하는 경우 문제는 단결정막 성장(epitaxial) 사파이어 웨이퍼로부터 전도성 실리콘 웨이퍼를 향하는 GaN 층의 성공적인 리프트-오프 공정이 된다.
고-휘도 수직 LED의 구성에 관한 하나의 실시 예가 도 3에 제시되어 있다. 먼저, GaN 층(32a, 32c)이 사파이어 웨이퍼(38) 위에 배치된다. 금속 박막 필름 반사경(36)이 p-GaN 위에 배치된 후, Si 기판 또는 임의의 다른 전도성 기판(32)(GaAs 기판 및 두꺼운 금속 필름을 포함한다)이 금속 박막 필름 반사경 위에 결합된다. 아래에서 기술되는 것처럼, 사파이어 웨이퍼가 UV-레이저 리프트-오프에 의하여 제거된다. n(-) 전극이 n-GaN 층 위에 배치되고 p(+) 전극이 Si 웨이퍼 위에 배치된다. n-GaN 층은 p-GaN 층에 비하여 낮은 저항을 가지므로, 박막 Ni/Au 필름이 더 이상 요구되지 않는다. 그러므로 전류는 밀집 또는 병목 효과 없이 보다 균일하게 분포하게 된다. 문제를 발생시키는 Ni/Au 박막 필름의 제거는 수직 구조를 가진 LED의 성능 및 신뢰성의 증가라는 결과를 가져온다.
수직 구조는 UV-레이저 리프트 오프 공정을 사용하여 제조될 수 있다. UV-레이저 리프트 오프에 대한 하나의 접근은 UV 레이저 펄스를 가진 GaN/사파이어 인터페이스의 선택적인 조사(irradiation)를 포함하고, 상기 조사는 GaN(높은 흡수율) 박막 필름 및 사파이어 기판 사이의 UV 광의 흡수 차를 이용한다. 일반적으로 GaN 층은 사파이어 웨이퍼 위에서 이형 막 결정 성장(hetro-epitaxially grown)이 된다. GaN 결정 성장을 촉진시키기 위하여 버퍼 층이 약 300 ℃의 상대적으로 낮은 온도에서 배치될 수 있다. 버퍼 층이 높은 온도에서 GaN 층이 성장하는 것을 돕는 한편, 버퍼 층은 큰 격자 불합치(lattice mismatch)로 인하여 매우 높은 밀도의 다양한 결점을 포함한다. 전위(dislocation), 나노 파이프, 및 역전 영역(inversion domain)과 같은 결정 약점은 결과적으로 입사되는 UV 광의 흡수를 증가시키는 표면 에너지를 상승시킨다. 리프트-오프 공정을 위하여 입사되는 레이저 빔은 사파이어 웨이퍼의 흡수 문턱 값보다 상당히 작은 에너지 밀도를 가지고, 레이저 빔이 손상이 되는 결과를 초래하지 않고 전달이 되는 것을 허용한다. 이에 대조적으로, 레이저 에너지 밀도는 인터페이스에서 광-유도 분해를 발생시킬 수 있을 만큼 충분하고, 인터페이스의 분리(debonding)를 허용한다.
UV 레이저 리프트-오프 공정에 관련된 다양한 연구가 존재한다. Kelly 등은 투명 사파이어를 통과하는 레이저 조사에 의한 GaN의 분해를 증명하였고, 355 nm 파장을 가진 Q-스위치(Q-switched) Nd:YAG 레이저를 사용하였다(M.K.Kelly, O. Ambacher, B.Dalheimer, G. Groos, R. Dimitrov, H. Angerer 및 M.Stutzmann, Applied Physics Letter, vol. 69p. 1749, 1996 참조). Wong 등은 248 nm 엑시머 레이저(exicmer laser)를 사용하여 사파이어 웨이퍼로부터 ~ 5 ㎛ 박막 GaN 필름을 분리하였다(W.S. Wong, T.Sands 및 N.W. Cheung, Applied Physics Letter, vol. 72 p.599, 1997 참조). Wong 등은 추가로 248 nm 엑시머 레이저를 사용하여 GaN LED 위에 리프트-오프 고정을 개발하였다(W.S. Wong, T.Sands, N.W. Cheung, M.Kneissl, D.P. Bour, P.Mei, L.T. Romano 및 N.M. Johnson, Applied Physics Letter, vol. 72 p.599, 1997 참조). Kelly 등은 또한 Q-스위치 355 nm Nd: YAG 레이저의 래스터 스캐닝(raster scanning)을 사용하여 275 ㎛ 두께의 자유 기립 GaN 필름의 리프트-오프를 보여주었다(M.K.Kelly, R.P. Vaudo, V.M.Phanse, L. Gorgens, O. Ambacher 및 M.Stutzmann, Japanese Journal of Applied Physics, vol. 38 p. L217, 1999 참조). Kelly 등은 또한 GaN-사파이어 웨이퍼로부터 높은 잔류 응력(residual stress)로 인하여 레이저 리프트-오프 공정 과정에서 GaN 두꺼운 필름의 광범위한 균열을 극복하기 어렸다는 점을 보고하고 있다(동일 문헌). 이러한 연구에서, 연구자들은 GaN/사파이어 웨이퍼를 600 ℃까지 가열하여야 하지만, 연구자들은 잔류 응력에 의하여 야기되는 균열 문제를 완전히 상쇄할 수는 없었다.
UV-레이저 리프트-오프로부터 발생하는 이점에도 불구하고, GaN LED 제조는 낮은 공정 수득률(yield)에 의하여 발생되는 빈약한 생산성으로 인하여 한계성을 가지고 있었다. 낮은 수득률은 부분적으로 GaN-사파이어 웨이퍼에 존재하는 높은 잔류 응력으로 인한 것이고, 이러한 잔류 응력은 금속-유기 화학 증착(MOCVD) 공정으로부터 발생한다. MOCVD 공정은 600 ℃ 이상의 활성 온도를 필요로 한다. 도 4A에 도시된 것처럼, GaN 및 InGaN 층(32)이 MOCVD 공정에 의하여 사파이어 웨이퍼(38) 위에 배치가 된다. GaN(5.59 ×10-6/K) 및 사파이어(7.50 ×10-6/K) 사이에 열팽창 계수(CTE)가 실질적으로 차이를 가지므로(표 1 참조), 도 4B에 도시된 것처럼, GaN/사파이어 웨이퍼가 MOCVD 공정의 높은 온도로부터 대기 분위기 온도로 낮아지는 경우 높은 수준의 잔류 응력이 존재한다. 잔류 응력은 GaN에 작용하는 압축 잔류 응력(40) 및 사파이어에 작용하는 신장성 잔류 응력(tensional residual stress)(42)을 포함한다.
GaN 및 사파이어의 다양한 소재 성질
소재 구조 격자 상수.a(Å) 격자 상수.c(Å) 밀도(g/㎤) 띠갭 에너지(eV) 열팽창(×10-6/°K)
사파이어 6방 정계 4.758 12.991 3.97 9.9 7.50
GaN 6방 정계 3.189 5.815 6.1 3.3 5.95
충분한 에너지를 가진 입사 레이저 펄스가 GaN/사파이어 인터페이스에 도달하는 경우, 조사(irradiation)는 인터페이스의 순간적인 분리라는 결과를 초래한다. 입사 레이저 펄스는 제한된 크기를 가지므로(대개 1 ㎠보다 훨씬 작은), 그것은 단지 분리된 또는 리프트-오프가 된 인터페이스의 단지 작은 부분만을 생성시킨다. 분리된 영역의 주위는 여전히 높은 수준의 잔류 응력을 가지므로, 그것은 결합된/분리된 경계에서 응력의 집중을 발생시키고, 그리고 경계에서 균열을 초래한다. 잔류 응력과 연관된 이러한 균열은 UV-레이저 리프트-오프 공정의 장애 중의 하나가 된다.
현재, GaN/사파이어 웨이퍼 위에 레이저 리프트-오프 공정을 실행하기 위한 서로 다른 방법들이 존재한다. 하나의 방법은 Q-스위치 355 nm Nd:YAG 레이저의 래스터 스캐닝을 포함한다(예를 들어, M.K.Kelly, R.P. Vaudo, V.M. Phanse, L. Gorgens, O.Ambacher 및 M. Stutzmann, Japanese Journal of Applied Physics, vol. 38p. L217, 1999 참조). 고상 레이저(a solid state laser)를 사용하는 이러한 리프트-오프 공정은 도 5A에 예시되어 있다. 다른 방법은 248 nm 엑시머 레이저를 사용한다(예를 들어, W.S. Wong, T. Sands, N.W. Cheung, M. Kneissl, D.P. Bour, P. Mei, L.T. Romano 및 N.M.Johnson, Applied Physics Letters, vol. 75p. 1360, 1999 참조). 엑시머 레이저를 사용하는 이러한 리프트-오프 공정은 도 5B에 예시되어 있다.
양쪽 공정은 도 6에 도시되어 있는 것처럼 래스터 스캐닝을 사용하고, 레이저 빔(44) 또는 GaN/사파이어 웨이퍼(46) 중 어느 하나의 전이를 포함한다. 래스터 스캐닝 방법과 관련된 문제는, 이러한 방법은 요구되는 영역을 덮기 위하여 겹쳐진 노출(overlapping exposures)을 필요로 하고 어떤 위치를 위한 다수의 노출(48)을 초래한다는 것이다. 위의 양쪽의 방법의 경우, GaN/사파이어의 레이저 리프트-오프는 단일 펄스 공정이다. 국지화가 된 영역에 불필요한 다수의 노출은 필름 위에 과도한 응력(stress)를 유도하는 것에 의하여 균열을 위한 위치 에너지(potential)를 증가시킨다.
도 7에 도시된 것처럼, 래스터 스캐닝은 또한 하나의 끝으로부터 다른 끝으로 레이저 빔(44)의 스캐닝을 포함하고, 하나의 면으로부터 다른 면으로 GaN/사파이어 인터페이스를 점차적으로 분리시킨다. 이러한 잔류 응력의 사이드-투-사이드(side-to-side) 이완은 분리된 영역과 분리되지 않은 영역 사이의 인터페이스(50), 즉 스캔된 인터페이스와 스캔되지 않은 인터페이스 사이의 응력에 있어 큰 차이를 발생시킨다. 인터페이스(50)에서 잔류 응력 수준의 불일치는 모드 I 및 모드 II 크랙(cracks)의 전파 가능성을 증가시킨다. 비록 도 6 및 7의 예시는 고상 레이저를 사용하는 공정에 기초하지만, 엑시머 레이저의 래스터 스캐닝도 유사한 결과를 발생시킬 것이다.
현재, 사파이어 웨이퍼의 일반적인 크기는 2인치 직경을 가지지만, 다른 크기(예를 들어, 3인치 및 4인치 웨이퍼)가 또한 GaN의 이종 막 결정 성장을 위하여 이용가능하다. GaN/사파이어 웨이퍼의 경우, 잔류 응력의 수준은 웨이퍼에서 다양하게 나타나고, 압축되고 신장된 잔류 응력이 함께 존재할 수 있다. 잔류 응력의 존재는 웨이퍼 워핑(warping) 또는 보잉(bowing)에 의하여 관찰된다. 레이저 리프트-오프 공정이 위에서 기술한 것처럼 큰 영역의 연속적인 GaN/사파이어 인터페이스를 이완시키는 경우, 심한 스트레인 기울기(strain gradient)가 분리된 그리고 결합된 인터페이스의 경계에서 발생될 수 있다. 이러한 스트레인 기울기는 GaN 레이저의 광범위한 균열을 발생시킬 수 있다.
표적 소재가 강한 레이저 펄스에 의하여 조사되는 경우, 표적 소재의 얇은 층은 순간적으로 높은 온도 및 높은 압력 표면 플라스마로 기화가 될 수 있다. 이러한 현상은 제거(ablation)이라고 불린다. 제거에 의하여 만들어진 플라스마는 차후 주위로 팽창이 된다. 표면 플라스마의 팽창은 충격 파(shock wave)를 유도할 수 있고, 이것은 표적 소재에게 펄스를 전달한다. 레이저가 표적 위쪽에 위치하는 투명 소재를 통과하도록 유도되는 경우 제거는 두 개의 소재 사이에 한정될 수 있다. 이러한 한정된 제거 과정 동안, 인터페이스에 붙잡힌 플라스마는 더 큰 양의 충격파를 발생시킬 수 있고, 충격 압력(impact pressure)을 증가시킨다. GaN/사파이어 인터페이스에 한정된 제거로부터 발생하는 폭발적인 충격파는 사파이어 기판으로부터 GaN 층의 분리를 초래할 뿐만 아니라 또한 레이저 빔 스팟(spot) 근처에 GaN 층을 균열시킬 수 있다(예를 들어, P.Peyre et. al, Journal of Laser Application, vol. 8.pp.135-141, 1996).
따라서 분리된 필름 층의 균열로 인한 낮은 생산성을 초래하는 잔류 응력과 관련된 문제를 처리하는 것에 의하여 사파이어 웨이퍼로부터 GaN 박막 필름을 분리시키는 향상된 방법을 위한 필요성이 제기된다. 또한 위에서 기술된 하나 또는 그 이상의 문제를 처리하기 위한 임의의 리프트-오프 적용에 확장될 수 있는 공정의 필요성이 제기된다.
요약하면, 본 발명의 하나의 양상과 일치하는 방법에 따라, 기판들 사이에 적어도 하나의 소재 층이 제1 및 제2 기판에 제공되고, 소재 층은 스트리트에 의하여 분리된 다수 개의 섹션으로 분리된다. 빔 스팟이 레이저를 사용하여 형성되고 그리고 섹션의 정수 개수를 덮을 수 있도록 형성된다. 제1 기판 및 섹션 사이의 인터페이스는 빔 스팟을 사용하여 조사된다. 조사를 시키는 것은 제1 기판이 모든 섹션으로부터 분리될 때까지 섹션의 각각의 정수 개수를 위하여 반복적으로 실행된다.
다른 방법에 따라, 그 위에 형성된 적어도 하나의 소재 층을 가지는 기판이 제공되고 그리고 균질한 빔 스팟이 적어도 하나의 레이저 및 빔 균질 장치를 사용하여 형성된다. 층 및 기판 사이의 인터페이스가 기판으로부터 층을 분리하기 위하여 단일 펄스의 균질한 빔 스팟을 사용하여 실질적으로 균등하게 분포된 레이저 에너지 밀도로 조사된다.
또 다른 방법에 따르면, 그 위에 형성된 적어도 하나의 소재 층을 가지는 기판이 제공되고, 레이저를 사용하여 빔 스팟이 형성된다. 제1 기판 및 층 사이의 인터페이스는 빔 스팟을 이용하여 조사된다. 인터페이스는 기판으로부터 층을 분리하기 위하여 전체적으로 동심원 형태로 조사된다.
추가적인 방법에 따르면, 그 위에 형성된 적어도 하나의 소재 층을 가지는 제1 기판이 제공되고 그리고 소재 층(들)을 제1 기판 위에 스트리트에 의하여 분리된 다수 개의 섹션으로 분리하기 위하여 소재의 층(들)이 에칭이 된다. 제2 기판이 섹션에 부착이 되고, 균질한 빔 스팟이 레이저를 사용하여 형성된다. 균질한 빔 스팟은 섹션의 정수 개수를 덮을 수 있도록 형성된다. 제1 기판 및 섹션 사이의 인터페이스가 균질한 빔 스팟에 이용하여 조사된다. 조사시키는 것은 섹션의 각각의 정수 개수를 위하여 반복적으로 실행된다. 제1 기판이 모든 섹션으로부터 분리된다.
본 발명의 또 다른 방법에 따르면, 그 위에 형성된 적어도 하나의 GaN 층을 가지는 제1 기판이 제공되고, 적어도 하나의 필름이 GaN 층 위에 형성된다. 필름은 반사 필름을 포함할 수 있다. 몰리브덴을 포함하는 제2 기판이 필름에 부착되고, 제1 기판 및 GaN 층 사이의 인터페이스가 GaN 층으로부터 제1 기판을 분리하기 위하여 조사된다.
위에서 설명한 그리고 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면과 함께 아래의 발명의 상세한 설명을 이해하는 것에 의하여 보다 명확해 질 것이며, 아래의 도면은 다음과 같은 것을 나타낸다.
도 1A는 수평 전극 구조를 가진 공지의 GaN LED의 단면을 나타내는 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 1B는 도 1A의 GaN LED의 평면도를 도시한 것이다.
도 2는 수직 전극 구조를 가진 GaN LED의 단면을 예시하는 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 3은 수직 전극 구조를 가진 GaN LED의 구조를 예시하는 흐름도를 도시한 것이다.
도 4A는 MOCVD 공정 과정에 있는 GaN/사파이어 웨이퍼를 예시하는 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 4B는 MOCVD 공정 후 GaN/사파이어 위에 잔여 스트레스의 형성을 예시하는 다이어그램을 도시한 것이다.
도 5A는 Q-스위치가 된 355nm Nd:YAG 레이저를 사용하는 GaN/사파이어 웨이 퍼 위에 레이저 리프트-오프의 공지 방법을 예시하는 다이어그램을 도시한 것이다.
도 5B는 248 nm 엑시머 레이저를 사용하는 GaN/사파이어 웨이퍼 위에 레이저 리프트-오프의 공지된 방법을 예시하는 다이어그램을 도시한 것이다.
도 6은 GaN/사파이어 LED 웨이퍼 위에 Q-스위치가 된 355 nm Nd:YAG 레이저의 래스터 스캐닝 및 결과로 나타나는 다중 노출을 예시하는 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 7은 GaN/사파이어 LED 웨이퍼 위에 래스터 스캐닝 및 상호 경계면에 높은 가능성을 가진 모드 I 및 II 크랙을 발생시키는 결과로 나타나는 스트레스를 예시하는 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 하나의 실시 형태로 층을 분리하기 위한 충격파를 유도하기 위한 레이저 펄스의 사용에 대한 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 하나의 실시 형태로 층의 분리의 단면 및 레이저 노출 영역을 예시하는 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 10A 내지 10C는 서로 다른 레이저 에너지 밀도의 효과를 예시하는 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 하나의 실시 형태로 GaN 층을 다수 개의 다이로 분리하기 위하여 사파이어 웨이퍼는 손상되지 않은 상태로 두면서 스트리트(street) 위에 GaN 층의 선택적인 제거를 예시하는 웨이퍼의 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 다른 실시 형태로 균일한 빔의 투사 및 빔 경로를 따라 나타나는 대표적인 빔의 프로파일을 예시하는 빔 전달 시스템의 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 13은 본 발명에 따른 추가적인 실시 형태로 단계(a step) 및 반복 공정을 사용하는 레이저 리프트-오프 노출을 예시하는 웨이퍼의 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 14는 단계 및 반복 리프트-오프 공정을 사용하는 3-바이-3 LED 배열 위에 단일 펄스 노출을 예시하는 웨이퍼의 사진을 제시한 것이다.
도 15는 본 발명에 따른 또 다른 실시 형태로 잔류 응력의 분리 및 단계-및-반복 레이저 빔 노출을 결합하는 레이저 리프트-오프 공정을 예시하는 다이어그램을 도시한 것이다.
도 16은 다양한 비점 수차 초점 스팟을 가진 고체 상태의 UV 레이저에 의하여 GaN의 선택적인 제거를 예시하는 웨이퍼의 사진을 제시한 것이다.
도 17은 본 발명에 따른 추가적인 실시 형태로 정사각형 빔을 가진 동심원 또는 나선형 레이저 리프트-오프 노출을 예시하는 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 18은 본 발명에 따른 추가적인 실시 형태로, 원형 빔을 가진 동심원 또는 나선형 레이저 리프트-오프 노출을 예시하는 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 19는 본 발명에 따른 추가적인 실시 형태로, 다양한 환상의 빔을 가진 동심원 레이저 리프트 오프 노출을 예시하는 개략적인 다이어그램을 도시한 것이다.
도 20은 본 발명에 따른 추가적인 실시 형태로 레이저 리프트-오프 공정을 예시하는 다이어그램을 도시한 것이다.
제시되는 발명의 상세한 설명은 본 발명에 따른 공정의 예시적인 실시 형태를 기술하고, 이러한 실시 형태는 리프트-오프와 관련된 문제를 처리하고 생산성을 향상시킨다. 본 발명의 적용은 아래의 예시적인 실시 형태에 제한되지 않는다. 비록 예시적인 실시 형태는 GaN 및 사파이어, GaN/사파이어 인터페이스를 기준으로 하지만, 이 분야에서 공지된 다른 형태의 기판 및 소재 층이 사용될 수 있다. 또한 희생층이 GaN(또는 다른 소재 층) 및 사파이어(또는 다른 형태의 기판) 사이에 제공될 수 있다.
도 8을 참조하면, 레이저는 소재(102, 104)를 분리하기 위하여 적어도 하나의 기판 소재(102)의 하나의 층을 통과하여 적어도 하나의 표적 소재(104)에 향하도록 유도될 수 있다. 예시적인 실시 형태에서, 기판 소재(102)는 사파이어가 되고 표적 소재(104)는 질화 갈륨(gallium nitride)(GaN)이 된다. 소재(102, 104)의 분리는 표적 소재(104) 및 기판 소재(102)의 인터페이스(106)에 충격파를 유도하기에 충분한 레이저 에너지 밀도를 사용하고 그에 의하여 기판 소재(102)로부터 표적 소재(104)를 순간적으로 분리시키는 것에 의하여 이루어질 수 있다. 충격파는 플라즈마의 온도를 급격하게 상승시키는 이온화가 된 증기의 증가된 밀도의 결과로 인터페이스에 플라즈마(108)의 폭발적인 팽창에 의하여 만들어 질 수 있다. 레이저 에 너지 밀도는 균열 없는 분리를 발생시키는 표적 소재(104) 위에 힘 Fa를 유도하기에 충분한 범위에 있을 수 있다. 적용된 힘 Fa는 아래와 같은 식으로 표시될 수 있다:
Pp(GPa) = C[Ir(GW/㎠)]1/2
Fa(N) = Pp(GPa)Ar(㎠)
상기에서 Pp는 폭발적인 충격파에 의하여 유도된 정점 압력(peak pressure), C는 효율 및 기하학적 인자, Ir은 입사된 레이저 빔의 방사도(irradiance), Fa는 적용된 힘 그리고 Ar은 조사(irradiated) 면적을 나타낸다.
도 9에 도시된 것처럼, 플라즈마(108)가 팽창하는 경우, 레이저 노출 영역은 레이저 노출 영역의 모서리에 주축을 형성하는(pivoting) 굽힘 암(arm) 기능을 가진다. 예를 들어 파열(rupturing) 또는 균열(fracturing)을 위하여 요구되는 힘(Fr)은 두 지점 굽힘 시험으로 평가될 수 있고, 아래와 같은 식으로 표시될 수 있다:
Fr ∝ (wd2/L)σr
상기에서 d는 표적 소재(104)의 두께, w는 적용된 힘의 너비 또는 레이저 펄스의 너비, L은 적용된 암의 길이 또는 레이저 펄스의 길이의 반, 그리고 σr은 GaN의 파열 또는 균열의 계수(modulus)가 된다. 힘(Fr)을 증가시키기 위하여, 레이저 펄스의 너비 w는 증가될 수 있고 그리고 레이저 펄스의 길이의 반 L은 감소될 수 있고, 그에 의하여 라인 형성 빔을 형성할 수 있다. 라인 형성 빔은 조사(irradiation) 과정에서 굽힘 모멘트(bending moment)가 최소가 되도록 하기 위하여 표적 소재(104)를 가로질러 스캔될 수 있다.
예를 들어, GaN의 제거 문턱 값 아래의 레이저 에너지 밀도(248 nm에서 ~0.3 J/㎠)에서, GaN/사파이어 인터페이스(106)의 순간적인 분리는 성공적으로 수행되지 않을 수 있고, 이것은 도 10A에 도시되어 있다. 비록 제거 문턱 값의 조건에서 GaN의 분해가 발생할 수 있다고 할지라도, 제거가 없다면, 구동력, 즉 팽창하는 플라즈마로부터 충격파가 존재하지 않기 때문에, 이것은 인터페이스(106)의 순간적인 분리를 단독으로 이룰 수 없다. 역으로, 도 10C에 도시된 것처럼, 과도하게 강한 레이저 에너지 밀도를 적용시키는 것은 과도한 폭발 응력 웨이브 전파(propagation)를 발생시킬 수 있고, 이것은 표적 소재(104)(예를 들어 GaN 필름) 위에 크랙 및 균열을 초래한다. 도 10B에 도시된 것처럼, 조사시키는 레이저 에너지 밀도가 최적화가 되는 경우, 충격파에 의하여 발생된 힘은 인터페이스(106)에서 층(102)을 분리시킬 수 있을 만큼 충분하지만, 표적 소재(104) 내에 균열을 초래할 수 있을 만큼 충분하지 않다. GaN 및 사파이어를 이용하는 하나의 예시적인 실시 형태에 따르면, 레이저 에너지 밀도의 최적 범위는 0.60 J/㎠ 내지 1.5 J/㎠가 된다.
파장 및 에너지 밀도와 같은 레이저 조사의 매개변수는 분리되는 소재의 형태에 의존한다. 예를 들어 사파이어로부터 GaN을 분리시키기 위한 최적 레이저 에너지 밀도가 위에서 설명되었다. 248 nm의 레이저 파장이 또한 사파이어로부터 GaN 을 분리시키기 위하여 바람직하다. 248 nm(5 eV)의 광양자 에너지는 GaN(3.4 eV)와 사파이어(9.9 eV)의 띠갭(bandgaps) 사이가 된다는 것은 이 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 공지되어 있다. 이것은 248 nm 조사는 사파이어에 비하여 GaN에 더욱 쉽게 흡수되고, 선택적인 흡수는 분리를 초래하는 제거를 발생시킨다는 것을 나타낸다.
이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 다른 레이저 파장이 다른 형태의 소재를 분리시키기 위하여 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 예를 들어 버퍼 층이 GaN의 단결정 막 성장을 촉진시키기 위하여 사파이어 기판 및 GaN 층 사이에 사용될 수 있을 것이다. 버퍼 층의 예는 GaN 버퍼 층 및 질화 알루미늄(AlN) 버퍼 층을 포함한다. AlN 버퍼 층이 사용되는 경우, 193 nm 레이저 광(6.4 eV)의 광량자 에너지가 사파이어(9.9 eV)와 AlN(6.1 eV) 사이에 있기 때문에 193 nm 레이저가 사용될 수 있다.
도 11에 도시된 것처럼 본 발명의 하나의 실시 형태에 따르면, 분리되는 하나 또는 그 이상의 층(예를 들어, GaN 필름 또는 층)이 사파이어 웨이퍼와 같은 기판(110)으로부터 리프트-오프 또는 분리되기 전에 더 작은 영역 또는 섹션(sections)(112)으로 형성될 수 있다. 하나의 실시 형태에서 섹션(112)은 예를 들어 LED 다이에 대응되도록 분리될 수 있다. 섹션(112)의 형성은 리프트-오프 공정에서 잔류 응력 및 충격파에 의하여 유도된 균열을 감소시킨다. GaN 필름의 섹션(112)은 주위 환경으로부터 유도된 잔류 응력에 의하여 영향을 받는 정도가 낮다. 추가로, 섹션(112)은 이러한 섹션(112)에 있는 박막 GaN 필름이 저항할 수 있는 크지 않은 양의 잔류 응력 및 스트레인(strains)을 가진다.
하나의 실시 형태에 따르면, GaN/사파이어 LED 웨이퍼(116)는 일반적으로 수 백 마이크론크기의 정사각형 또는 직사각형이 되는 동일한 크기의 LED 다이를 형성하기 위하여 대칭적이고 반복적인 패턴의 섹션(112)을 포함한다. 대칭적이고 반복적인 섹션(112)은 예를 들어 LED 다이를 위한 경계를 결정하고, 예를 들어 긁기 및 부수기 공정을 사용하여 다이 분리를 위한 희생 공간을 제공하는 스트리트(114)에 의하여 분리될 수 있다. 비록 예시적인 실시 예에 제시된 섹션(112)은 각각의 사각형 형태의 다이에 해당하지만, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 예를 들어 사각형 형태와 같은 다른 구조 및 형태가 형성될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
GaN 필름은 스트리트(114) 위에서 GaN 층을 선택적으로 제거되거나 에칭(etching)하는 것을 통하여 섹션(112)으로 분리될 수 있다. 스트리트(114) 위에 GaN 층(들)을 선택적으로 제거하는 하나의 방법은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 알려진 반응 이온 에칭(reactive ion etching)을 이용하는 것이다. 이러한 공정은 느린 식각(etch) 속도 및 위험한 화학물질의 필수적인 취급을 포함하는 몇 가지 약점을 가진다. 다른 방법은, 미국 출원 제10/782,741호에 개시되어 있고 본 명세서에 참조로 결합되는, 왜곡된 빔 전달 시스템에 의하여 형성된 다양한 비점 수차 초점 빔 스팟을 이용하는 고상 UV 레이저에 의하여 선택적으로 에칭하는 것을 포함한다. 다양한 비점 수차 초점 빔 스팟은 그것의 크기를 스트리트(114) 위에 GaN 층(들)을 선택적으로 제거하는 최적의 레이저 에너지 밀도까지 효과적으로 조절할 수 있도록 하고, 이러한 에너지 밀도는 사파이어 기판에 영향을 미치지 않는다(도 11 참조). 이러한 선택적인 GaN 제거는 GaN(248 nm에서 0.3 J/㎠)과 사파이어(248 nm에서 2 J/㎠) 사이의 제거 문턱 값에 있어 커다란 차이를 보이는 것을 이용한다.
또 다른 방법에 따르면, 에칭은 패턴화가 된 레이저 투사(projection)(예를 들어 엑시머 레이저를 이용하는 것)를 이용하여 실행될 수 있다. 패턴화가 된 엑시머 레이저 빔은 또한 GaN 스트리트 또는 다른 기기를 형상(shapes)으로 건조하거나, ITO, 금속화(metallization) 또는 유전체 절연 층과 같은 다른 박막 필름을 형성하기 위하여, 또는 다른 장치 또는 도체 또는 절연체 층을 위하여 사용될 수 있다. 섹션(112) 또는 스트리트(114)를 형성하기 위하여 연속적인 GaN 필름의 일부를 제거하는 것에 대한 대안으로, GaN은 섹션(112) 또는 스트리트(114)로 기판(110)에 형성 될(예를 들어 성장될) 수 있다. 그러나 연속적인 GaN 필름의 성장은 스트리트(114) 및 섹션(112)의 패턴를 가지도록 GaN 층들을 성장시키는 것에 비하여 보다 경제성을 가질 수 있다.
추가적인 방법에 따르면, 섹션(112) 사이의 스트리트(114)는 예를 들어 기판(110)이 제거된 후 반응 이온 에칭을 사용하여 넓혀질 수 있다. 스트리트(114)를 재-에칭하는 것은 예를 들어 n-GaN 및 p-GaN 접합 부분에 있는 섹션(112)의 측벽에서 전류 누설의 가능성을 감소시키거나 제거할 수 있다.
리프트-오프 공정은 기판(110) 및 섹션(112) 사이의 인터페이스를 조사시키는 것에 의하여 기판(110)(예를 들어, 사파이어 웨이퍼)로부터 섹션(112)[예를 들어, GaN 층(들)]을 분리시키기 위하여 사용될 수 있다. 예시적인 레이저 리프트-오 프 공정은 위에서 기술된 것처럼 균질 빔 스팟 및 충격파를 유도하기에 충분한 에너지 밀도를 가진 단일-펄스 공정을 이용할 수 있다. 단일 펄스 공정은 기판(110) 및 섹션(112) 사이의 인터페이스에서 겹치는 노출을 방지하고 이로 인하여 균열을 최소화시킨다. 균질 빔 스팟은 실질적으로 밀도 기울기를 제거하기 위하여 분리되는 층들 사이의 인터페이스를 조사하고, 이로 인하여 효과적인 리프트-오프를 촉진시키기 위하여 사용될 수 있다. UV 고상 레이저 및 엑시머 레이저 양쪽 모두 리프트-오프 공정을 위하여 균질한 빔 스팟을 발생시키는 빔 균질 장치(beam homogenizer)와 함께 사용될 수 있다. 하나의 예시적인 실시 형태는 248 nm KrF 엑서머 레이저를 사용한다. 전기 방전을 이용하는 가스 레이저 매개체는 커다란 톱니 빔 크기를 이용하여 높은 평균 전력을 발생시킨다. 빔 균질 장치의 적용은 엑시머 레이저의 크고 강력한 톱니 빔과 함께 효과적이다. 또한 빔 스팟 내에 균일하게 분포된 레이저 에너지 밀도를 공급하는 것은 단일 펄스 조사를 이용하는 영역 내에 효과적인 리프트-오프를 유리하게 발생시킨다.
도 12는 근접-장 이미징(near-field imaging)에 의한 균질 빔의 투영의 실시 예를 예시하고 빔 경로를 따라 대표적인 빔 프로파일을 보여준다. 엑시머 레이저(120)로부터의 톱니 빔은 긴 옆면에 있는 짧은 측면/평탄 상층(short sided/flat topped) 분포 내에서 가우시안 분포를 가진다. 빔 균질 장치(122)(예를 들어, 다중 배열 구조)는 정사각형 평탄-상층 프로파일 내부에 기울어진(gradient) 톱니 빔 프로파일을 만든다. 균질화가 된 빔은 예를 들어 빔 이미징 렌즈(126)를 사용하여 근접-장 이미징에 의하여 LED 표적 웨이퍼(116)에 투영되는 빔의 가장 좋은 부분을 이용하도록 마스크(124)(예를 들어, 사각형의 다양한 애퍼쳐)에 의하여 얻어진다. 그러므로 LED 웨이퍼(116)에서 균질 빔 스팟(130)의 가장 자리 해상도(resolution)는 날카롭게 된다. 비록 빔 전달 시스템의 하나의 구조가 이러한 예시적인 실시 형태로 제시되어 있지만, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 다른 구조가 균질 빔을 만들고 투사하기 위하여 사용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 비록 예시적인 실시 형태는 사각형 애퍼쳐(aperture)를 가진 마스크(124)를 제시하고 있지만, 다른 형상의 마스크가 근접-장 이미징을 위하여 사용될 수 있다.
하나의 예시적인 방법에 따라, 리프트-오프 노출은 단계 및 반복 공정(a step and repeat process)에 의하여 실행될 수 있다. 도 13에 도시된 것처럼, 균질화가 된 빔 스팟(130)은 정수 개수의 분리된 섹션(112)[예를 들어, LED 다이의 정수(integer number)에 해당하는]을 포함하도록 형성된다. 빔 스팟(130)의 크기는 3-바이-3 배열과 같은 다중 분리 섹션(112)을 포함하도록 분리된 섹션(112)의 크기에 기초하여 정확하게 형성된다. 기판 및 정수 개수의 섹션(112) 사이의 인터페이스는 단일 퍼스 노출을 사용하여 조사될 수 있고, 공정은 각각의 섹션 그룹(예를 들어, 다이)을 위하여 반복될 수 있다. 도 13에 제시된 숫자가 매겨진 것은 단계 및 반복된 공정을 위한 예시적인 순서(sequence)를 나타낸 것이다. 조사는 각각의 섹션(112) 그룹을 위하여 반복되고, 빔 스팟(130)의 스티칭(stitching)이 실행될 수 있다. 유리하게, 스티칭은 능동 LED 영역 내 가능한 손상을 방지하기 위하여 스트리트(114) 내부에서 실행될 수 있다. 예시적인 공정에서, 빔 스팟(130)의 스티칭은 약 5 ㎛ 범위 내에서 유지된다.
도 14는 248 nm 엑시머 레이저에 의하여 LED 리프트-오프 웨이퍼 위에 단일-펄스 노출의 실시 예를 나타낸 것이다. 도 14에서, 균질화가 된 비임 스팟이 9개의 LED 다이를 덮고 있고, 분리된 GaN/사파이어 인터페이스가 보다 밝게 나타난다.
작은 영역에서 단일 펄스를 이용하여 정확하게 제어된 노출로 인하여, 예시적인 레이저 리프트-오프 노출은 잔류 응력을 상쇄하기 위하여 LED 웨이퍼를 가열하는 것을 필요로 하지 않는다. 노출은 실온에서 실행될 수 있다. 리프트-오프 노출의 레이저 광은 사파이어 웨이퍼를 통하여 전달되기 때문에, 사파이어의 표면에 손상 또는 파편(debris)이 GaN/사파이어 인터페이스에 그림자를 만들 수 있고, 리프트-오프 인터페이스에 결점을 초래할 수 있다. 사파이어의 표면은 임의의 파편 또는 입자들을 제거하기 위하여 연마될 수 있다. 리프트-오프 노출이 또한 서로 다른 각의 범위에서 표적에 적용될 수 있고, 이것은 그림자를 만드는 효과를 감소시키거나 또는 제거할 것이다.
위에서 기술된 예시적인 공정은 성공적인 산업 적용을 위하여 UV-레이저 리프트-오프 공정의 생산성 및 산출량을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 예시적인 방법은 LED 웨이퍼 위에 잔류 응력의 분리 및 균질한 빔 레이저 노출을 결합한다. 스트리트에서 GaN 층의 선택적인 에칭은 필름을 주위로부터 잔류 응력에 의하여 최소한의 영향을 미치도록 하는 작은 영역으로 분리시킨다. 추가로, 작은 영역은 그 자체로 리프트-오프 노출 과정에서 GaN 필름에 거의 형향을 미치지 않는 최소한의 잔류 응력을 가진다. 균질화된 빔은 실질적으로 스팟에 균일한 레이저 에너지 밀도를 전달한다. 균질화가 된 레이저 빔을 가지는 정확한 레이저 노출은 최적의 레이 저 에너지 밀도를 가진 적절한 리프트-오프를 허용한다.
도 15는 예시적인 리프트-오프 공정을 제시한 것이다. 하나 또는 그 이상의 GaN 층(들)(132)이 사파이어 기판(110) 위에 성장이 된 후, 보호 코팅(135)이 레이저 긁기의 자취 (wake) 내에 있는 GaN 층(들)(132) 위에 레이저 배치 생성 잔해를 방지하기 위하여 적용될 수 있다. 스트리트(114) 및 섹션(112)을 형성하기 위한 GaN 층(들)의 선택적인 제거는 레이저 긁기 또는 반응 이온 에칭에 의하여 행해질 수 있다. 보호 코팅(135)이 제거된 후, 전도성 기판(134)이 GaN 층(132) 위에 결합된다. 전도성 기판(134)은 임의의 형태의 전도성 세라믹 및 금속이 될 수 있고, Si, Ge, GaAs, GaP, 구리, 구리 텅스텐 및 몰리브덴을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 반사 층(도시되지 않음)은 또한 GaN 층(들)(132) 및 전도성 기판(134) 사이에 형성될 수 있다. 이후, 사파이어 기판(110)이 레이저 리프트-오프 공정에 의하여 제거될 수 있다. 레이저 리프트-오프 후, GaN 표면이 전극 금속 필름의 배치(deposition) 또는 다른 필요한 단계를 위하여 처리될 수 있다. 마지막으로, 웨이퍼는 예를 들어 각각의 LED 다이를 형성하기 위하여 섹션들(112) 사이에서 분리될 수 있다.
실제 웨이퍼 위에 GaN 층의 선택적인 제거의 실시 예가 도 16에 도시되어 있고, 도 16에서 다양한 비점수차 초점 빔 스팟을 고속 레이저 절단에 제공하는 고상 UV 레이저가 GaN 제거를 위하여 사용되었다. 이러한 실시 형태에서, 다이 또는 스트리트 패턴을 포함하지 않는 모놀리식 GaN 층이 초기에 사피이어 웨이퍼 위에 성장되었다. LED 다이 크기는 레이저에 의하여 절단된 선에 의하여 형성된다. 이러한 실시 형태에서, 선택적인 제거 또는 레이저 절단(cuts)의 너비는 단지 약 5 ㎛이 되고, 이것은 웨이퍼 실제 면적을 최소화시킨다.
리프트-오프를 위한 전도성 기판 중, 몰리브덴은 열팽창의 정합 계수(CTE), 청색 스펙트럼에 있는 높은 반사성 및 낮은 연성을 가진 높은 강도와 같은 바람직한 성질을 가진다. 몰리브덴은 상대적으로 GaN의 CTE(5.6×10-6/K)에 근사한 CTE(4.8×10-6/K)를 가진다. PdIn 및 SnAu와 같은 금속 화합물은 GaN 위에 전도성 기판을 결합시키기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 결합 소재를 사용하는 경우, GaN 및 기판은 예를 들어 약 400 ℃ 까지 가열될 수 있다. GaN 기판 및 리프트-오프 기판 사이에 CTE의 커다란 부정합은 결합 공정에 유해한 또 다른 높은 수준의 잔류 응력을 도입할 수 있다. 예를 들어, 비록 Cu는 큰 열 및 전기 전도성을 가지지만, 구리의 높은 CTE(16.5×10-6/K)로 인하여 2 인치 GaN/사파이어 웨이퍼와 함께하는 리프트-오프 기판으로는 바람직하지 못하다.
몰리브덴은 350 nm 내지 450 nm의 범위에 이르는 청색 스펙트럼 영역에서 약 55%의 반사율을 가진다. 이러한 값은 다른 금속에 필적한다. 예를 들어, 410 nm에서 대부분의 금속의 반사율은 아래와 같다: 금(37%), 구리(51%), 니켈(50%), 백금(57%), 철(58%), 크롬(70%), 은(86%), 알루미늄(92%). 비록 동등한 반사율은 몰리브덴이 직접적으로 반사경(즉, 독립적인 반사 층이 없이)으로 사용되는 것을 허용하지만, 광 출력은 알루미늄 또는 금속과 같은 높은 반사율을 가진 금속 필름의 배치에 의하여 최대로 만들어 질 수 있다. GaN 및 몰리브덴 사이의 높은 반사율을 가진 필름 층은 예를 들어 높은 수준의 잔류 응력을 도입시키지 않고 청색 LED의 성능을 증가시킨다. 예를 들어, 알루미늄은 반사 층을 형성하기 위하여 GaN 표면 위에 스퍼터링을 하는 것에 의하여 배치가 될 수 있다. 알루미늄 필름의 산화는 몰리브덴 기판에 대한 결합을 위하여 유해하기 때문에, 금속 필름의 또 다른 층이 산화를 방지하고 결합력을 향상시키기 위하여 배치가 될 수 있다. 산화를 하지 않고 몰리브덴이 알루미늄 필름에 접착되도록 허용하는 금속 필름은 주석, 아연, 납, 및 금을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
몰리브덴은 또한 다이 분리 공정 과정 동안 이점을 제공한다. 공지의 다이아몬드 톱 또는 다이아몬드 긁기는 주로 높은 연성으로 인하여 금속 필름의 분리를 위하여 사용되는 것이 어렵게 만든다. 레이저 절단 및 긁기는 다이 분리를 위한 대안적인 방법이 된다. 그러나 연 기판 위에 기계적 파괴를 만드는 것이 어렵기 때문에, 구리와 같은 높은 연성을 가진 금속 필름은 분리를 위하여 100% 관통 절단(through cut)을 필요로 한다. 이로 인하여, 레이저 관통 절단은 절단 후 작은 다이들의 완전성을 유지하지 않을 수 있으므로, 레이저 관통-절단은 취급 문제를 발생시킨다. 몰리브덴은 높은 강도 및 낮은 연성을 가진다. 심지어 몰리브덴은 두께의 약 90%를 위하여 레이저-긁기가 되는 경우라 할지라도, 몰리브덴의 이러한 고유한 기계적 성질은 기계적 파괴를 촉진시킨다.
또 다른 예시적인 방법에 따르면, 레이저 리프트-오프 노출은 생산성을 최대화하기 위하여 고속 동작 제어의 기술과 결합될 수 있다. 레이저 리프트-오프가 정확하게 설계된 빔 스티칭을 가진 단계-및 반복 노출을 이용하는 경우, 레이저의 개시(triggering)가 표적 위에 정확한 것이 바람직하다. 단계-및-반복 공정의 가장 빠른 가능한 속도가 또한 생산성을 증가시키기 위하여 바람직하다. 동작 제어의 특별한 기능은 동작 국면(stages)의 위치를 비교하고 미리 결정된 위치에서 레이저에 개시 신호(a trigger signal)를 전송하기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 기술은 ‘위치 비교 및 트리거’ 또는 ‘파이어 온 플라이(fire on fly)’로 불린다. 동작 국면이 연속적인 동작이 되는 경우, 동작 제어장치 내에 있는 프로세서가 계속적으로 인코더 카운터를 사용자 프로그램이 된 값과 비교하고, 트리거 신호를 정합 값을 가진 레이저에 전송한다. 이로 인하여, 동작 단계는 단계 및 반복을 위하여 정지될 필요는 없지만, 연속적인 동작으로 이동할 수 있다, 즉 레이저가 파이어 온 플라이가 된다. 예를 들어, 리프트-오프 공정이 파이어 온 플라이 기술을 이용하는 경우, 200 Hz의 펄스 반복율을 가지는 1 × 1 ㎟의 균질한 빔 스팟 크기가 약 1분의 범위 내에서 2인치 직경 LED 웨이퍼의 리프트-오프 공정을 수행할 수 있다.
비록 예시적인 실시 형태는 리프트-오프 공정을 실행하기 전에 스트리트(114) 및 섹션(112)를 형성하는 것을 포함하지만, 본 명세서에서 개시된 기술은 또한 층을 섹션으로 먼저 분리시키지 않고 연속적인 층을 분리시키기 위하여 사용될 수 있다. 비록 연속적인 층의 효과적인 분리가 가능할지라도, 레이저 펄스가 겹치는 곳에 형성된 마이크로-크랙(micro-crack)이 존재할 수 있다.
다른 예시적인 방법은 예를 들어 동심원 패턴 내에 조사하도록 리프트-오프 노출을 위하여 레이저 빔을 스캔하는 고유한 기술을 사용할 수 있다. 이러한 기술들은 기판 위에 하나 또는 그 이상의 분리된 층들의, 또는 하나 또는 그 이상의 연속적인 층들의 리프트-오프를 실행하기 위하여 사용될 수 있다. GaN/사파이어 LED 웨이퍼 내에 잔류 응력은 동심원 분포를 가지고, 동심원 분포에 신장력(tension) 및 압축력이 함께 존재한다. 웨이퍼 중심을 가로지르는 경우, 레이저 노출은 분리된 그리고 분리되지 않은 영역, 즉 스캔된 그리고 스캔이 되지 않은 영역 사이의 인터페이스에서 스트레스(응력)수준에 있어 커다란 차이를 발생시킬 수 있다. 서로 다른 방법에 따라, 빔은 원형(circular), 소용돌이 형(spiral) 또는 나선형(helical) 노출을 이용하여 스캔이 되어 동일한 수준의 응력에 있는 위치에 따라 잔류 응력들을 이완시킬 수 있다. 이러한 방법은 스캔된 영역과 스캔되지 않은 영역 사이의 인터페이스에서 응력 기울기를 감소시킨다. 대안으로, 조사 과정에서 굽힘 모멘트를 최소화시키기 위한 규모(dimensions)를 가진 라인 빔은 위에서 기술이 된 것과 같이 인터페이스를 가로질러 스캔될 수 있다.
도 17은 정사각형 빔 스팟(150)을 가진 동심원 리프트-오프 노출을 보여준다. 도 18은 원형 빔(152)을 가진 동심원 리프트-오프 노출을 보여준다. 하나의 방법에서, 노출을 위하여 웨이퍼가 동심원(예를 들어, 원형 또는 나선형 패턴을 따라)을 따라 이동되는 동안 레이저 빔은 정지 상태가 된다. 다른 방법에 따르면, 빔은 정지 상태의 웨이퍼 위에서 이동될 수 있다(예를 들어, 원형 또는 나선형 패턴으로).
원형 빔을 이동시키는 하나의 방법은 회전 모터에 의하여 동작 상태에서 두 개의 거울을 정확하게 제어하는 갈바노미터 스캐너를 이용하는 것이다. 삼각형, 육 각형 또는 다른 다각형 형태와 같이 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다른 빔 스팟 형상이 또한 사용될 수 있다. 다각형 형태의 다이를 조사하는 다각형 형상 레이저 패턴의 경우, 제어된 방법에 따라 응력을 경감시키기 위하여 빔은 다이 또는 다이 그룹을 씌우고(overlay), 제어된 패턴으로 기판으로부터 필름을 분리하는 것을 제공하기 위하여 원형 또는 나선형 동작으로 이동될 수 있다.
또 다른 대안은 다양한 환상 빔 스팟을 사용하여 동심원 스캐닝을 만든다. 도 19에 도시된 것처럼, 다양한 환상의 빔 스팟(154)은 외부 가장 자리로부터 웨이퍼의 중앙에 이르기까지 동심원을 따라 스캔을 하기 위하여 스팟의 직경을 점차적으로 감소시킨다. 다양한 환상의 빔 스팟이 두 개의 광학 기기 사이의 거리가 스팟의 지름을 결정하는 빔 전달 시스템(BDS) 내부에서 두 개의 원뿔형 광학 기기들을 결합시키는 것에 의하여 만들어질 수 있다. 이러한 환상의 빔 스팟을 동심원을 따라 이동하는 것을 사용하는 것은 레이저 리프트-오프 노출 과정에서 잔류 응력의 안정된 이완을 제공한다.
도 20은 추가적인 실시 예에 따른 전기 도금된 기판을 분리시키기 위한 레이저 리프트 오프 공정을 예시한다. 그 위에 형성된 GaN의 섹션(112)을 가지는 사파이어 웨이퍼 또는 기판(110)은 금속 기판(160)을 형성하기 위하여 금속 또는 금속 합금을 이용하여 도금이 될 수 있다. 니켈, 구리, 또는 이들의 합금이 전기 도금을 위하여 사용될 수 있다. 금속 기판(160)은 이후 예를 들어 UV 레이저를 사용하여 섹션(112) 사이의 위치(162)에서 절단이 될 수 있다. 지지 필름(164)이 금속 기판(160) 위에 설치될 수 있고, 이후 위에서 기술된 것과 같은 레이저 리프트-오프 공정이 사파이어 기판(110)을 분리시키기 위하여 사용될 수 있다. 접촉 금속화(contact metallization)와 같은 후기 레이저 리프트-오프 공정들이 이후 단계로 다이(166)를 형성하기 위한 금속 기판(160)의 일부를 제거하기 위하여 사용될 수 있다. 그 다음에 다이(166)는 분리될 수 있다. 레이저 리프트-오프 전에 금속 기판(160)을 절단하는 것에 의하여, 사파이어 기판(110)에 대한 결합으로 인하여 다이(166)의 완전성이 유지될 수 있다. 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이러한 공정이 또한 다른 소재를 사용하여 실행될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
본 발명의 원리가 본 명세서에서 기술되는 한편, 제시된 개시 내용은 단지 예시적인 방법이 되고 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니라는 것이 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이해될 수 있을 것이다. 다른 실시 형태가 본 명세서에서 제시되고 기술된 예시적인 실시 형태에 추가하여 본 발명의 범위 내에서 계획될 수 있을 것이다. 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 변형 및 치환은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주되고, 본 발명의 범위는 아래의 청구항을 제외한 이러한 변형 및 치환에 의하여 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 발명은 GaN/InGaN-기초 발광 다이오드(Light-Emitting Diodes: LEDs)에 적용되어 모바일 폰 키-패드, LCD 백라이트, 교통 신호등, 광고 표시, 차량 전등, 실외 풀-컬러 디스플레이 패널, 가정 조명 기구들과 같은 제품에 사용될 수 있다. 그리고 백열등 및 형광등과 같은 공지의 광원을 대체를 위하여 사용될 수 있다.

Claims (57)

  1. 기판으로부터 적어도 하나의 소재 층을 분리시키는 방법에 있어서,
    제1 기판, 제2 기판 및 상기 기판들 사이에 스트리트들에 의하여 다수 개의 섹션들로 분리될 수 있는 적어도 하나의 소재 층을 제공하는 단계;
    상기 다수개의 섹션들을 포함하는 영역과 상기 영역 내의 상기 섹션들 사이의 임의의 상기 스트리트들을 덮을 수 있도록 형성된 빔 스팟을 레이저를 사용하여 형성하는 단계; 및
    상기 빔 스팟을 사용하여 상기 제1 기판 및 상기 섹션들 사이의 인터페이스를 조사시키는 단계를 포함하고,
    상기 조사시키는 것은 상기 제1 기판이 모든 상기 섹션들로부터 분리될 때까지 상기 다수개의 섹션들을 포함하는 다수개의 영역을 위하여 실행되고, 상기 조사시키는 것은 상기 빔 스팟의 스티칭이 단지 상기 섹션들 사이의 상기 스트리트들 내부에서만 발생되도록 하기 위하여 각각의 상기 다수개의 상기 섹션을 위하여 실행되는 소재 층의 분리 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    스테이지(stage)상에서 상기 기판 및 상기 층을 이동시키는 단계; 및
    상기 스테이지의 위치를 미리 결정된 값과 비교하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 레이저는 상기 빔 스팟을 형성하고, 상기 제1 기판과 각각의 상기 다수개의 상기 섹션들 사이의 인터페이스를 조사하기 위하여 상기 위치에 기초하여 레이저가 개시되는(triggered) 소재 층의 분리 방법.
  4. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 기판 그리고 상기 기판들 사이에 상기 적어도 하나의 소재 층을 제공하는 단계는,
    상기 제1 기판 위에 형성된 상기 적어도 하나의 소재 층을 가지는 상기 제1 기판을 제공하는 단계;
    상기 적어도 하나의 소재층을 상기 제1 기판 위에 상기 스트리트들에 의하여 분리된 다이에 해당하는 상기 다수 개의 섹션들로 분리하기 위하여 적어도 하나의 소재 층을 에칭하는 단계; 및
    상기 제2 기판을 상기 섹션에 부착하는 단계를 포함하는 소재 층의 분리 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 기판을 부착하기 전에 상기 섹션들 및 스트리트들 위쪽으로 금속 기판을 형성하는 단계;
    상기 섹션들 사이의 위치에서 적어도 상기 금속 기판을 절단하는 단계; 및
    상기 섹션들로부터 상기 제1 기판을 분리한 후 상기 금속 기판의 적어도 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는 소재 층의 분리 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기판은 반도체 웨이퍼가 되고, 상기 제1 기판이 분리된 후 반도체 다이들을 형성하기 위하여 상기 섹션들을 분리하는 단계를 더 포함하는 소재 층의 분리 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 기판 및 상기 섹션들 사이의 인터페이스는 빔 균질 장치를 사용하여 형성된 균질한 빔 스팟을 이용하여 조사되는 소재 층의 분리 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 레이저는 엑시머 레이저가 되고, 상기 인터페이스를 조사시키는 것은 상기 인터페이스를 각각의 상기 다수개의 상기 섹션들을 위하여 상기 엑시머 레이저의 단일 펄스에 노출시키는 것을 포함하는 소재 층의 분리 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스를 조사시키는 것은 상기 인터페이스에 폭발적인 충격파를 유도하기에 충분한 레이저 에너지 밀도를 사용하여 실행되고, 상기 폭발적인 충격파는 상기 제1 기판을 상기 섹션들로부터 분리시키는 것을 포함하는 소재 층의 분리 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 인터페이스를 조사시키는 것은 상기 인터페이를 일정 각도로 레이저 광에 노출시키는 것에 의하여 상기 인터페이스를 조사시키는 단계를 포함하는 소재 층의 분리 방법.
  11. 적어도 하나의 소재 층을 기판으로부터 분리시키는 방법에 있어서,
    기판 위에 형성된 적어도 하나의 소재 층을 가지는 상기 기판을 제공하는 단계;
    적어도 레이저 및 빔 균질 장치를 사용하여 균질한 빔 스팟을 형성하는 단계; 및
    상기 기판으로부터 상기 소재층을 분리시키기 위하여 상기 균질 빔 스팟의 단일 펄스를 사용하여 균등하게 분포된 레이저 에너지 밀도로 상기 소재층 및 상기 기판 사이의 인터페이스를 조사시키는 단계를 포함하고,
    상기 균질한 빔 스팟의 상기 레이저 에너지 밀도는 상기 인터페이스에 충격파를 유도하기에 충분하고, 상기 충격파는 상기 기판을 상기 소재 층으로부터 분리시키는 것을 특징으로 하는 소재 층의 분리 방법.
  12. 제11항에 있어서, 조사시키는 것은 0.6 J/㎠ 내지 1.6 J/㎠의 범위에 있는 레이저 에너지 밀도를 사용하여 실행되는 소재 층의 분리 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 기판은 사파이어 웨이퍼를 포함하는 소재 층의 분리 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 소재층은 GaN을 포함하는 소재 층의 분리방법.
  15. 제14항에 있어서, GaN을 포함하는 상기 적어도 하나의 소재층 위에 적어도 하나의 반사 필름을 형성하는 단계를 더 포함하는 소재 층의 분리 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 기판은 몰리브덴 또는 몰리브덴의 합금을 포함하는 소재 층의 분리 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 반사 필름은 알루미늄 필름이 되고, 상기 적어도 하나의 소재층은 상기 알루미늄 필름 위에 금속 필름을 더 포함하고, 상기 몰리브덴을 포함하는 상기 기판은 상기 금속 필름에 부착되는 소재 층의 분리 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 소재층은 GaN 버퍼 층을 더 포함하고, 상기 균질 빔 스팟은 248 nm 엑시머 레이저를 사용하여 형성되는 소재 층의 분리 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 소재층은 AlN 버퍼 층을 더 포함하고, 상기 균질 빔 스팟은 193 nm 엑시머 레이저를 사용하여 형성되는 소재 층의 분리 방법.
  20. 제11항에 있어서, 상기 균질 빔 스팟은 연장된 선으로 형성되고, 상기에서 조사시키는 것은 상기 인터페이스를 가로질러 상기 연장된 선을 스캐닝하는 것을 포함하는 소재 층의 분리 방법.
  21. 제11항에 있어서, 상기 인터페이스는 상기 층을 상기 기판으로부터 분리시키기 위하여 동심원 형태, 소용돌이(spiral) 형태, 또는 원 형태 중 적어도 하나로 조사되는 소재 층의 분리 방법.
  22. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 소재 층은 스트리트들에 의하여 다수 개의 섹션들로 분리되며, 상기 빔 스팟은 상기 다수개의 섹션들을 포함하는 영역과 상기 영역 내의 상기 섹션들 사이의 임의의 상기 스트리트들을 덮을 수 있도록 형성되며, 상기 조사시키는 것은 상기 기판이 모든 상기 섹션들로부터 분리될 때까지 상기 다수개의 섹션들을 포함하는 다수개의 영역을 위하여 실행되는 소재 층의 분리 방법.
  23. 제1항에 있어서, 조사시키는 것은 0.6 J/㎠ 내지 1.6 J/㎠의 범위에 있는 레이저 에너지 밀도를 사용하여 실행되는 소재 층의 분리 방법.
  24. 제1항에 있어서, 상기 제1 기판은 사파이어 웨이퍼를 포함하는 소재 층의 분리 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 적어도 하나의 소재층은 GaN을 포함하는 소재 층의 분리방법.
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