KR100870719B1 - 수직구조를 갖는 질화갈륨계 ｌｅｄ소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 케미컬 리프트 오프 공법을 이용하여 사파이어기판의 분리 공정을 수행할 때에 구조지지층의 손상을 근본적으로 방지할 수 있도록 한 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법은 사파이어기판 위에 상기 사파이어기판의 제거를 위한 버퍼층을 형성하는 (a) 단계; 상기 (a) 단계에서 형성된 버퍼층 상에 N형 질화갈륨층, 활성층 및 P형 질화갈륨층을 포함하는 질화갈륨계 LED 구조물을 형성하는 (b) 단계; 상기 (b) 단계에서 형성된 질화갈륨계 LED 구조물의 표면에 다수의 구조지지층을 형성하고, 상기 다수의 구조지지층에서 외부로 노출되어 있는 면을 덮는 보호막을 형성하는 (c) 단계; 케미컬 리프트 오프 공정에 의해 상기 버퍼층을 제거하여, 상기 사파이어기판과 상기 (b) 단계에서 형성된 질화갈륨계 LED 구조물을 분리하는 (d) 단계; 및 상기 구조지지층을 덮고 있는 상기 보호막을 제거하는 (e) 단계를 포함하여 이루어진다.
발광다이오드, 질화갈륨, 수직구조, 사파이어기판, 구조지지층, CLO
Description
도 1 및 도 2는 종래 질화갈륨계 LED소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED소자의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 4 내지 도 9는 도 3에서의 각 단계별 공정 단면도,
도 10은 도 4에서 보인 제조공정의 변형 예를 보인 단면도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
110: 사파이어기판 115: 버퍼층
120: N형 질화갈륨층 125: 활성층
130: P형 질화갈륨층 135: P형 전극부
140: 반사층 145: 가이드패턴
150: 구조지지층 155: 표면보호막
160: 측면보호막
본 발명은 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 케미컬 리프트 오프(chemical lift-off; CLO) 공법을 이용하여 사파이어기판의 분리 공정을 수행할 때에 구조지지층의 손상을 근본적으로 방지할 수 있도록 한 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 화합물 반도체 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로서, 다양한 색의 빛을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다. 최근 LED 소자는 비약적인 반도체 기술의 발전에 힘입어, 저휘도의 범용제품에서 탈피하여, 고휘도, 고품질의 제품 생산이 가능해졌다. 또한, 고특성의 청색(Blue), 백색(White) 다이오드의 구현이 현실화되어, LED는 디스플레이, 차세대 조명원 등으로 그 응용가치가 확대되고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)계 LED 소자는 천이 방식이 레이저 발진 확률이 높은 직접 천이형이고 청색 레이저 발진이 가능한 특성 때문에 주목받고 있다.
도 1 및 도 2는 종래 질화갈륨계 LED소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 종래 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법에 따르면 사파이어기판(10)상에 N형 질화갈륨층(20), 활성층(30), P형 질화갈륨층(40) 및 P형 전극(50)을 순차적으로 적층한 다음, 도 2에 도시한 바와 같이 N형 전극(70)의 형성과 각 LED 소자의 분리를 위해 소정의 패턴으로 그 구조물을 식각하고 이어서, N형 전극(70)을 N형 질화갈륨층(20) 상에 형성한 다음, 스크라이빙(scribing)이나 다이싱(dicing) 후, 칩 브레이킹(chip breaking) 공정을 수행하여 개별 소자로 분리하게 된다.
즉, 이러한 제조방법에 의해 완성되는 질화갈륨계 LED 소자는 P형 전극 및 N형 전극이 LED 소자의 동일 방향에 배치되는 수평구조체인 것이다. 따라서, 충분한 발광 면적을 제공하기 위해 LED 소자의 면적이 비교적 넓어야한다. 또한, P형 전극과 N형 전극이 서로 가깝게 위치하기 때문에 정전기 방전(electrostatic discharge; ESD)에 취약한 문제가 있다. 무엇보다도, 사파이어기판은 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않은바, 이에 따라 질화갈륨계 LED 소자의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나 광출력 및 칩의 특성을 개선하는데 한계가 있었다. 특히, LED 소자의 고출력화를 위해서는 대전류 인가가 필수이므로 LED 소자의 열 방출 문제를 해결하는 것이 매우 중요하다.
이러한 수평구조체의 문제를 해결하기 위한 한 방편으로써, 레이저 리프트 오프(laser lift-off; 이하 'LLO'라 한다)라는 기술을 이용하여 사파이어 기판을 제거하도록 하는 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법이 한국 공개특허공보 제2007-20840호(이하 '인용발명'이라 한다)에 제안되어 있다.
그러나, 전술한 인용발명에 따르면, 사파이어기판의 제거를 위해서는 고비용의 레이저장비를 사용하여야 하고, 그 LLO 공정 진행시 발생되는 고온의 열이 LED 소자에 물리적인 스트레스를 주게 되어 LED 소자 특성이 저하되는 것은 물론, 수율 및 신뢰성이 떨어진다고 하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 출원인은 상기한 인용발명의 문제점을 해결하기 위하여, 사파이어기판 위에 버퍼층을 형성하고, 이 버퍼층 위에 N형 질화갈륨층, 활성층 및 P형 질화갈륨층이 포함되는 LED 구조물을 형성한 후에, 케미컬 리프트 오프(이하 'CLO'라 한다) 공정을 이용하여 버퍼층을 제거함으로써, LED 구조물에 물리적인 충격을 주지 않으면서 사파이어기판을 보다 용이하고 안전하게 LED 구조물로부터 제거할 수 있도록 한 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED소자의 제조방법을 한국 특허출원 제2007-52548호(이하, '선원발명'이라 한다)에 제안한바 있었다.
그러나, 상기한 선원발명에 따르면, CLO 공법을 이용하여 버퍼층을 제거할 때에 해당 용액이 구조지지층과도 반응하게 되어 구조지지층의 일부가 부식되고 급기야는, 구조지지층이 제거된다고 하는 문제점이 있었는바, 본 출원인은 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에까지 이르게 되었다.
본 발명은 전술한 선원발명의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 구조지지층을 보호하는 막을 먼저 형성한 다음에 CLO 공법을 이용하여 버퍼층을 제거함으로써, CLO 공법할 때에 사용되는 용액이 구조지지층에 침투되지 못하도록 한 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED 소 자의 제조방법은 사파이어기판 위에 상기 사파이어기판의 제거를 위한 버퍼층을 형성하는 (a) 단계; 상기 (a) 단계에서 형성된 버퍼층 상에 N형 질화갈륨층, 활성층 및 P형 질화갈륨층을 포함하는 질화갈륨계 LED 구조물을 형성하는 (b) 단계; 상기 (b) 단계에서 형성된 질화갈륨계 LED 구조물의 표면에 다수의 구조지지층을 형성하고, 상기 다수의 구조지지층에서 외부로 노출되어 있는 면을 덮는 보호막을 형성하는 (c) 단계; 케미컬 리프트 오프 공정에 의해 상기 버퍼층을 제거하여, 상기 사파이어기판과 상기 (b) 단계에서 형성된 질화갈륨계 LED 구조물을 분리하는 (d) 단계; 및 상기 구조지지층을 덮고 있는 상기 보호막을 제거하는 (e) 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법은 상기 (d) 단계로 진행하기 전에, 상기 다수개의 구조지지층이 외부로 노출되지 않게 하면서 상기 보호막의 일부분을 식각하는 (pd1) 단계; 및 상기 (pd1) 단계의 수행 결과에 의해 외부로 노출되는 상기 질화갈륨계 LED 구조물의 일부분을 식각하여 상기 질화갈륨계 LED 구조물을 다수의 LED 소자로 분리하는 (pd2) 단계를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하며, 이때 상기 (d) 단계는 상기 (pd2) 단계에서 형성된 다수의 LED 소자와 상기 사파이어기판을 분리하는 것이다.
또한, 상기 (c) 단계는 상기 (b) 단계에서 형성된 질화갈륨계 LED 구조물의 표면에 다수의 구조지지층을 형성하는 (c1) 단계와; 상기 다수의 구조지지층의 표면 전체를 표면보호막으로 덮는 (c2) 단계와; 상기 (c2) 단계 수행 후, 상기 다수의 구조지지층의 측면을 일부분 식각하는 (c3) 단계와; 상기 (c3) 단계 수행 후, 상기 다수의 구조지지층의 측면 전체를 측면보호막으로 덮는 (c4) 단계를 포함하여 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 (c1) 단계는 다수의 구조지지층을 분리하여 형성하는데 이용되는 가이드패턴을 상기 (b) 단계에서 형성된 질화갈륨계 LED 구조물의 표면에 형성하는 (c1-1) 단계와; 상기 가이드패턴을 이용하여 발광다이오드부의 표면에 다수의 구조지지층을 형성한 후에, 상기 가이드패턴을 제거하는 (c1-2) 단계를 포함하여 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 (c1-2) 및 상기 (c3) 단계는 습식식각 공법에 의해 수행되고, 상기 (pd1) 및 상기 (pd2) 단계는 건식식각 공법에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED소자의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 4 내지 도 9는 도 3에서의 각 단계별 공정 단면도이다.
먼저 도 4의 단면도를 참조로 하여 본 발명을 설명하자면, 단계 S11에서는 사파이어기판(110) 위에 버퍼층(115)을 적층하게 된다. 단계 S13에서는 버퍼층(115)의 표면에 N형 질화갈륨층(120), 활성층(125), P형 질화갈륨층(130), P형 전극부(135) 및 반사층(140)을 순차적으로 적층하여 발광다이오드부를 형성하게 된다. 단계 S15에서는 발광다이오드부의 표면 즉, 반사층(140) 위에 구조지지층의 분리 성장을 가이드하는 가이드패턴(120)을 형성하게 된다. 단계 S17에서는 이러한 가이드패턴(120)을 이용하여 발광다이오드부의 표면에 구조지지층(150)을 분리 형성하게 된다. 단계 S19에서는 구조지지층(150) 및 가이드패턴(120)의 표면 전체에 표면보호막(155)을 형성하게 된다.
여기서, 버퍼층(115)은 추후 사파이어기판(110)의 제거 공정시 발광다이오드부에 스트레스가 가해지지 않도록 완충 작용을 하는 것으로써, 그 재질은 금속이며, 특히 크롬으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 가이드패턴(120)은 반사층(150)의 표면에 포토레지스트(photoresist)를 고르게 도포하고, 이 위에 소정의 격자 형상의 패턴을 갖는 마스크를 올린 다음 빛을 쪼여준 후, 빛을 받은 혹은 받지 않은 부분을 현상하는 방법에 의해 형성될 수 있다.
또한, 구조지지층(150)은 도 4에 도시한 바와 같이, 가이드패턴(145)보다는 낮게 형성시키는 것이 바람직하다. 그 이유는 구조지지층(150)을 가이드패턴(145)보다 높게 형성하게 되면 각 구조지지층(150)들이 상호 분리되어 있지 못하고 붙어버리기 때문에 이를 방지하기 위한 것이다. 아울러, 표면보호막(150)에서 구조지지층(150)의 표면에 형성되는 부분과 가이드패턴(145)의 표면에 형성되는 부분이 서로 분리되게 하여, 추후 가이드패턴(145)을 제거할 때에 가이드패턴(145)의 표면에 형성되는 부분이 같이 제거될 수 있도록 하기 위함이다.
또한, 구조지지층(150)은 발광다이오드부에서 발생되는 열을 외부로 방출하는 특성이 좋은 구리나 알루미늄 또는, 이들의 복합체로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 표면보호막(155)은 추후 가이드패턴(145)이 제거됨으로써 노출되는 구조지지층(150)의 측면을 부분적으로 식각할 때에 구조지지층(150)의 표면을 보호하기 위한 층으로써, 그 소재는 금(Au), 백금(Pt) 또는 니켈(Ni)인 것이 바람직하다.
다음으로 단계 S21에서는 도 5에 도시한 바와 같이, 습식식각(wet etching) 공법을 이용하여 가이드패턴(145)을 제거하게 된다. 이때, 습식식각에 이용되는 용액으로는 다른 구조물 즉, 버퍼층(115), 구조지지층(150) 및 표면보호막(155)과는 반응하지 않는 이를 테면, 아세톤이 되어야 할 것이다.
다음으로 단계 S23에서는 도 6에 도시한 바와 같이, 가이드패턴(145)의 제거에 따라 노출되는 구조지지층(150)의 측면을 습식식각 공법을 이용하여 일정 부분 식각하게 된다. 이때, 이용되는 용액으로는 버퍼층(115) 및 표면보호막(155)과 반응하지 않는 용액이 되어야 할 것이다.
다음으로 단계 S25에서는 도 7에 도시한 바와 같이, 외부로 노출되어 있는 구조지지층(150)의 측면이 덮이도록 측면보호막(160)을 도포하게 된다. 이때, 측면보호막(160)의 형성에는 포토레지스트가 사용될 수 있다. 즉, 측면보호막(160)은 표면보호막(155)과 더불어, 추후 사파이어기판을 제거하게 될 때에 CLO 공법에 이용되는 화학작용제로부터 구조지지층(150)을 보호하는 것이다.
다음으로 단계 S27에서는 도 8에 도시한 바와 같이, 건식식각(dry etching) 공법을 이용하여 발광다이오드부와 구조지지층(150)을 포함하는 LED 구조물을 다수 개의 LED 소자로 분리하게 된다. 이 단계 수행시 구조지지층(150) 사이 사이에 형성되어 있는 측면보호막(160)은 그 일부만이 식각되는 것이 중요하다. 즉, 상기한 단계 S23의 수행을 생략하고 단계 S21에서 단계 S25로 진행될 수도 있으나, 이렇게 되면 단계 S27의 수행시 측면보호막(160)이 모두 제거되어 구조지지층(150)의 측면이 노출될 염려가 있으므로 이를 방지하기 위해서는 단계 S23이 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 도 8에 표시한 부호 'A' 즉, 측면보호막(160)을 부분적으로 식각할 때에는 측면보호막(160)의 성분이 포토레지스트가 되는 것이 일반적이므로, 노광(exposure) 후에 현상(development)하는 공법을 이용할 수 있다. 그리고, 표시부호 'B' 즉, 발광다이오드부 및 버퍼층(115)를 부분적으로 식각할 때에는 건식식각 공법을 이용하게 된다.
다음으로 단계 S29에서는 도 9에 도시한 바와 같이, CLO 공법을 이용하여 버퍼층(115)을 제거함으로써, 사파이어기판(110)을 LED 소자들로부터 떼어내게 된다. 이 단계를 구체적으로 설명하자면, CLO 공법에 이용되는 용액이 일명, 터널링(tunneling) 효과에 의해 상기한 단계 S27이 수행됨에 따라 형성된 공간으로 침투하게 된다. 이에 따라, 버퍼층(115)에서는 사파이어기판(110) 및 N형 질화갈륨층(120)과 접합되는 면을 제외한 전 방위에 걸쳐 CLO 공법에 따른 화학반응이 일어나게 되어 각 LED 소자로부터 안정적이고도 용이하게 사파이어기판(110)을 떨어뜨릴 수 있는 것이다. 물론, CLO 공법시 사용되는 용액이 측면보호막(160)을 손상시킬 수는 있으나, 구조지지층(150)은 이 측면보호막(160)에 의해 보호되기 때문에 적어도, 선원발명보다는 손상의 염려가 줄어들게 된다.
다음으로, 단계 S31에서는 잔존하는 측면보호막(160)을 제거하게 되고, 단계 S33에서는 표면보호막(155)을 제거하게 된다. 이후, 사파이어기판(110) 및 버퍼층(115)이 제거됨에 따라 외부로 노출되는 N형 질화갈륨층(120)에 N형 전극부(미도시)를 형성하게 된다.
이상으로, 본 발명의 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다. 예를 들면, 도 10은 도 4에서 보인 제조공정의 변형 예를 보인 단면도이다.
즉, 도 10에 도시한 바와 같이 반사층(140)의 표면 전체에 구조지지층(150a)을 형성하게 한 다음, 표면보호막(155)을 분리 형성시키고 나서, 구조지지층(150a)에서 가이드패턴(145)에 대응되는 부분을 식각하게 된다. 그리고, 이후 공정은 전술한 단계 S23 내지 S33과 동일하게 진행하면 될 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED 소자의 제조방법에 따르면, CLO 공법을 이용하여 버퍼층을 제거하게 될 때 구조지지층을 감싸는 보호막에 의해 CLO 공법시 사용되는 용액이 구조지지층으로 침투되는 것이 방지되는바, 이에 따라 구조지지층의 손상이 전혀 없게 되는 효과가 있다.
Claims (6)
- 사파이어기판 위에 상기 사파이어기판의 제거를 위한 버퍼층을 형성하는 (a) 단계;상기 (a) 단계에서 형성된 버퍼층 상에 N형 질화갈륨층, 활성층 및 P형 질화갈륨층을 포함하는 질화갈륨계 LED 구조물을 형성하는 (b) 단계;상기 (b) 단계에서 형성된 질화갈륨계 LED 구조물의 표면에 다수의 구조지지층을 형성하고, 상기 다수의 구조지지층에서 외부로 노출되어 있는 면을 덮는 보호막을 형성하는 (c) 단계;케미컬 리프트 오프 공정에 의해 상기 버퍼층을 제거하여, 상기 사파이어기판과 상기 (b) 단계에서 형성된 질화갈륨계 LED 구조물을 분리하는 (d) 단계; 및상기 구조지지층을 덮고 있는 상기 보호막을 제거하는 (e) 단계를 포함하여 이루어진 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED소자의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 (d) 단계로 진행하기 전에, 상기 다수개의 구조지지층이 외부로 노출되지 않게 하면서 상기 보호막의 일부분을 식각하는 (pd1) 단계; 및상기 (pd1) 단계의 수행 결과에 의해 외부로 노출되는 상기 질화갈륨계 LED 구조물의 일부분을 식각하여 상기 질화갈륨계 LED 구조물을 다수의 LED 소자로 분리하는 (pd2) 단계를 더 포함하여 이루어지되,상기 (d) 단계는 상기 (pd2) 단계에서 형성된 다수의 LED 소자와 상기 사파이어기판을 분리하는 것을 특징으로 하는 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED소자의 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 (c) 단계는:상기 (b) 단계에서 형성된 질화갈륨계 LED 구조물의 표면에 다수의 구조지지층을 형성하는 (c1) 단계;상기 다수의 구조지지층의 표면 전체를 표면보호막으로 덮는 (c2) 단계;상기 (c2) 단계 수행 후, 상기 다수의 구조지지층의 측면을 일부분 식각하는 (c3) 단계; 및상기 (c3) 단계 수행 후, 상기 다수의 구조지지층의 측면 전체를 측면보호막으로 덮는 (c4) 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED소자의 제조방법.
- 제 3항에 있어서,상기 (c1) 단계는:다수의 구조지지층을 분리하여 형성하는데 이용되는 가이드패턴을 상기 (b) 단계에서 형성된 질화갈륨계 LED 구조물의 표면에 형성하는 (c1-1) 단계; 및상기 가이드패턴을 이용하여 발광다이오드부의 표면에 다수의 구조지지층을 형성한 후에, 상기 가이드패턴을 제거하는 (c1-2) 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED소자의 제조방법.
- 제 4항에 있어서,상기 (c1-2) 및 상기 (c3) 단계는 습식식각 공법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED소자의 제조방법.
- 제 2항에 있어서,상기 (pd1) 및 상기 (pd2) 단계는 건식식각 공법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 수직구조를 갖는 질화갈륨계 LED소자의 제조방법.
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