KR100949212B1 - Method for manufacturing substrate of Nitride chemical substrate - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물 기판 제조 방법에 관한 것으로서, 질화물층이 성장되는 모재로 실리콘 기판을 사용해 질화물 기판의 크기를 향상시킬 수 있도록 하며, 상기 실리콘 기판 상부에 사파이어 등을 이용해 수백 Å정도로 다결정 버퍼층을 형성하도록 함으로써, 복잡한 공정의 레이저 리프트 오프 방법을 사용하지 않고도 간단한 화학적 에칭이나 기계적 연마 방법을 이용해 분리시킬 수 있도록 한다.The present invention relates to a method for manufacturing a nitride substrate, and to improve the size of the nitride substrate using a silicon substrate as a substrate on which the nitride layer is grown, and to form a polycrystalline buffer layer on the silicon substrate by using sapphire or the like on the order of hundreds of microns. This allows separation using simple chemical etching or mechanical polishing methods without the use of complicated laser lift off methods.
실리콘, 기판, 분리, 다결정, 버퍼층, 사파이어Silicon, Substrate, Separation, Polycrystalline, Buffer Layer, Sapphire
Description
도 1a 내지 도 1b는 일반적인 질화물 기판 제조 방법을 도시한 공정 순서도이고,1A to 1B are process flowcharts showing a general method of manufacturing a nitride substrate,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 질화물 기판 제조 방법을 도시한 공정 순서도이고,2a to 2c is a process flow chart showing a nitride substrate manufacturing method according to the invention,
도 3은 본 발명의 질화물 기판 제조 방법이 사용되는 장치를 도시한 도면이다.3 is a diagram illustrating an apparatus in which the nitride substrate manufacturing method of the present invention is used.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
20 : 실리콘 기판 21 : 다결정 사파이어층20
22 : 질화갈륨층 30 : 전기로 22
31 : 챔버 32 : 주입관 31
33 : 보트(boat) 34 : 반응관 33: boat 34: reaction tube
35 : 서셉터35: susceptor
본 발명은 질화물층이 성장되는 모재로 실리콘 기판을 사용해 질화물 기판의 크기를 향상시킬 수 있도록 하며, 상기 실리콘 기판 상부에 사파이어 등을 이용해 수백 Å정도로 다결정 버퍼층을 형성하도록 함으로써, 복잡한 공정의 레이저 리프트 오프 방법을 사용하지 않고도 간단한 화학적 에칭이나 기계적 연마 방법을 이용해 분리시킬 수 있도록 하는 질화물 기판 제조 방법에 관한 것이다.The present invention enables the nitride substrate to be grown using a silicon substrate to improve the size of the nitride substrate, and by using a sapphire or the like on the silicon substrate to form a polycrystalline buffer layer in the order of hundreds of microns, laser lift-off of complex process The present invention relates to a method for manufacturing a nitride substrate that can be separated by a simple chemical etching or mechanical polishing method without using the method.
최근, 고 효율의 단파장 광소자에 대한 수요가 늘어남에 따라, 이러한 용도에 적합한 것으로 알려져 있는 질화물계 물질의 화합물 반도체에 대한 연구가 많이 진행되고 있다.Recently, as the demand for high-efficiency short-wavelength optical devices increases, many studies on compound semiconductors of nitride-based materials known to be suitable for such applications have been conducted.
특히, 질화물계 물질 중에서 질화갈륨은(GaN)은 밴드 갭(band gap)에너지가 3.39eV의 직접 천이형인 광폭 밴드 갭 반도체로서, 단파장 영역의 발광 소자 제조에 유용한 물질이다. In particular, gallium nitride (GaN), a nitride-based material, is a wide bandgap semiconductor having a band gap energy of 3.39 eV, a direct transition type, and is a useful material for manufacturing a light emitting device having a short wavelength region.
이러한 질화갈륨은 융점에서의 높은 질소 증기압 때문에 일반적인 액상 결정 성장시 1500℃ 이상의 고온과 약 1500 기압 이상의 질소 압력이 필요하며, 이에 따라 대량 생산이 어려울 뿐만 아니라, 현재 사용 가능한 결정의 크기도 80㎟ 정도의 박판형이기 때문에, 이를 소자 제작에 사용하기 어려운 점이 있다. These gallium nitrides require high temperatures of 1500 ° C or higher and nitrogen pressures of about 1500 atm or higher for normal liquid crystal growth due to the high nitrogen vapor pressure at the melting point, which is difficult to mass produce, and the size of crystals currently available is 80 mm2. Because of its thin plate shape, it is difficult to use this for device fabrication.
따라서, 질화갈륨은 사파이어 기판 상에 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy), HVPE(hydride or halide vapor phase epitaxy), SVPE(sublimition vapor phase epitaxy)와 같은 기상 성장법을 통해 성장해 왔는데, 도 1a와 도 1b는 이러한 질화갈륨 기판의 제조 공정을 도시한 도면이다. Therefore, gallium nitride is grown on sapphire substrates by vapor phase growth methods such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), hydride or halide vapor phase epitaxy (HVPE), and sublimition vapor phase epitaxy (SVPE). 1A and 1B illustrate a manufacturing process of such a gallium nitride substrate.
이에 도시한 바와 같이, 질화갈륨 기판의 제조 공정은 먼저, 도 1a에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(10)의 상부에 전술한 기상 성장법을 이용해 질화갈륨층(11)을 성장시킨다. As shown in FIG. 1, in the manufacturing process of the gallium nitride substrate, first, as shown in FIG. 1A, the
성장이 완료되면, 사파이어 기판과 질화갈륨층 경계면에 사각형 또는 원형의 스폿 레이저(spot laser) 예를 들면 파장 355nm의 Q-switched Nd :YAG나 248nm의 파장을 가진 엑시머 레이저(Excimer laser)의 광을 포커싱하여 조사한다.When the growth is complete, a square or circular spot laser, such as a Q-switched Nd: YAG with a wavelength of 355 nm or an excimer laser with a wavelength of 248 nm, is applied to the sapphire substrate and the gallium nitride layer interface. Focus and investigate.
그러면, 질화갈륨층과 사파이어 기판의 경계면에 레이저 광에 의한 열 에너지가 집중이 되어 갈륨 메탈과 질소분자로 분리될 수 있을 만큼 높은 온도인 약 800℃가 됨으로써 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 질화갈륨과 사파이어 기판의 분리가 일어나, 프리 스탠딩(Free standing)된 질화갈륨 기판의 제조가 완료된다(도 1b).Then, the thermal energy of the laser light is concentrated on the interface between the gallium nitride layer and the sapphire substrate, and the temperature is about 800 ° C., which is high enough to separate the gallium metal and the nitrogen molecules, thereby providing gallium nitride momentarily at the portion where the laser light passes. And separation of the sapphire substrate occurs, and the manufacture of the free standing gallium nitride substrate is completed (FIG. 1B).
하지만, 이러한 제조 공정은, 모재로 사파이어 기판을 사용하는데, 이 사파이어 기판은 질화갈륨층과의 열팽창 계수나 격자 상수의 차이로 인해 계면에서 다수의 결함과 휘어짐을 초래하며, 더불어 사파이어 기판 위에 질화갈륨층을 성장시킴으로써 질화갈륨 기판의 크기가 제한된다는 문제점을 갖고 있다.However, this manufacturing process uses a sapphire substrate as a base material, which causes a large number of defects and warpage at the interface due to the difference in the coefficient of thermal expansion or lattice constant with the gallium nitride layer, and the gallium nitride on the sapphire substrate The growth of the layer has a problem that the size of the gallium nitride substrate is limited.
또한, 사파이어 기판의 경우에는 적당한 식각 용액이 없기 때문에 질화갈륨층 성장 후에도 레이저 리프트 오프 방법을 이용해 사파이어 기판과 질화갈륨층을 분리해야 하는데, 이러한 레이저 리프트 오프 방법은 공정 자체가 복잡할 뿐만 아니라 비용과 시간이 많이 필요로 하는 문제점이 있다.In addition, since the sapphire substrate does not have an appropriate etching solution, the sapphire substrate and the gallium nitride layer must be separated using a laser lift-off method even after the growth of the gallium nitride layer. There is a problem that requires a lot of time.
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위하여 개발된 것으로, 질화물층을 성장하고 성장한 질화물층을 모재로 사용된 기판과 분리시킬 때, 복잡한 공정의 레이저 리프트 오프 방법을 사용하지 않고도 간단한 화학적 에칭이나 기계적 연마 방법을 이용해 분리시킬 수 있도록 하며, 아울러 모재로 사용되는 기판을 수인치 이상의 크기를 가질 수 있도록 하는 것을 사용함으로써 질화물 기판의 크기를 향상시킬 수 있도록 하는 질화물 기판 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention was developed to solve the above problems, and when the nitride layer is grown and the grown nitride layer is separated from the substrate used as the base material, a simple chemical etching or mechanical process is not necessary without using a laser lift-off method of a complicated process. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a nitride substrate that can be separated by a polishing method and can also improve the size of the nitride substrate by using a substrate that can be used as a base material to have a size of several inches or more. .
이를 위해 본 발명은, 질화물층이 성장되는 모재로 실리콘 기판을 사용해 질화물 기판의 크기를 향상시킬 수 있도록 하며, 상기 실리콘 기판 상부에 사파이어 등을 이용해 수백 Å정도로 다결정 버퍼층을 형성하도록 함으로써, 복잡한 공정의 레이저 리프트 오프 방법을 사용하지 않고도 간단한 화학적 에칭이나 기계적 연마 방법을 이용해 분리시킬 수 있도록 한다.To this end, the present invention is to improve the size of the nitride substrate by using a silicon substrate as a base material on which the nitride layer is grown, and to form a polycrystalline buffer layer on the silicon substrate by using a sapphire or the like on the order of hundreds of microns, a complex process of They can be separated using simple chemical etching or mechanical polishing without the use of a laser lift-off method.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명의 질화물 기판 제조 방법은, MOCVD(metal organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy), HVPE(hydride or halide vapor phase epitaxy), SVPE(sublimition vapor phase epitaxy)와 같은 기상 성장법 등을 이용해 질화물층이 성장되는 모재인 기판 상부에 다결정(poly-crystal)의 버퍼층(buffer layer)을 형성한다.First, the method of manufacturing a nitride substrate of the present invention may include a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), a molecular beam epitaxy (MBE), a hydride or halide vapor phase epitaxy (HVPE), and a vapor growth method such as a sublimition vapor phase epitaxy (SVPE). A poly-crystal buffer layer is formed on the substrate, the substrate on which the nitride layer is grown.
이 때, 상기 기판은 실리콘(Si) 기판 또는 실리콘 카바이드(SiC) 기판 중에서 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직한데, 특히, 모재로 사용되는 기판을 수인치 이상의 크기로 할 수 있는 실리콘(Si) 기판을 사용하는 것이 가장 바람직하다.At this time, the substrate is preferably any one selected from a silicon (Si) substrate or a silicon carbide (SiC) substrate, in particular, a silicon (Si) substrate that can be a substrate of several inches or more in size Most preferably.
그리고, 상기 다결정의 버퍼층으로는 사파이어(Al2O3)를 사용하고, 이를 수십Å 정도로 얇게 증착하여 기판 예컨대 실리콘 기판과 그 상부에 성장될 질화물층의 스트레스를 흡수하는 층으로 사용될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.In addition, sapphire (Al 2 O 3 ) is used as the buffer layer of the polycrystal, and the thin film is deposited to a few tens of micrometers so as to be used as a layer for absorbing stress of a substrate such as a silicon substrate and a nitride layer to be grown thereon. desirable.
다음, 상기 모재의 기판 상부에 다결정의 버퍼층이 증착되면, 상기 증착된 버퍼층 상부에 HVPE(hydride or halide vapor phase epitaxy)등을 이용해 질화물층을 증착하여 성장시킨다. Next, when the polycrystalline buffer layer is deposited on the substrate of the base material, the nitride layer is grown by using a hydride or halide vapor phase epitaxy (HVPE) on the deposited buffer layer.
그리고 나서, 마지막으로, 상기 질화물층을 식각용액 또는 기계적 래핑 중에서 선택된 어느 하나를 이용해 상기 기판으로부터 분리하고, 상기 질화물층 하부의 다결정 버퍼층을 식각시켜 제거하여 프리 스탠딩된 질화물 기판을 형성함으로써 본 발명의 제조 공정이 완료된다.Then, finally, the nitride layer is separated from the substrate using any one selected from an etching solution or mechanical lapping, and the polycrystalline buffer layer under the nitride layer is removed by etching to form a free standing nitride substrate. The manufacturing process is complete.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 2A to 2C.
설명할 실시예에서는 질화물을 질화갈륨(GaN)으로 하고, 기판과 다결정 버퍼층을 각기 실리콘(Si) 기판과 사파이어층으로 하며, 질화물 성장법으로는 할라이드 기상 성장법(HVPE)을 이용한다. In the embodiment to be described, nitride is made of gallium nitride (GaN), and the substrate and the polycrystalline buffer layer are each made of a silicon (Si) substrate and a sapphire layer, and a halide vapor deposition method (HVPE) is used as the nitride growth method.
먼저, 본 발명의 실시예는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 할라이드 기상 성장법을 이용해 질화갈륨층이 성장되는 모재인 실리콘 기판(20) 상부에 버퍼층인 다결 정(poly-crystal)의 사파이어층(buffer layer)(21)을 형성한다.First, an embodiment of the present invention, as shown in Figure 2a, a polycrystalline sapphire layer of a buffer layer on top of the
이 때, 상기 버퍼층인 다결정의 사파이어층(Al2O3)(21)은 수십Å 정도로 얇게 증착하여 실리콘 기판(20)과, 상기 다결정 사파어어층(21) 상부에 성장될 질화갈륨층의 스트레스를 흡수하는 층으로 사용될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.At this time, the polycrystalline sapphire layer (Al 2 O 3 ) 21, which is the buffer layer, is deposited to a thickness of about several tens of microseconds so as to stress the
상기 모재인 실리콘 기판(20) 상부에 다결정의 사파이어층(21)이 증착되면, 상기 증착된 다결정의 사파이어층(21) 상부에 HVPE(hydride or halide vapor phase epitaxy)등을 이용해 질화갈륨층(22)을 증착하여 성장시키는데(도 2b), 도 3은 이러한 질화갈륨층의 성장시 이용되는 장치를 도시한 도면으로, 이하에서는 이 장치를 이용하여 질화갈륨층을 성장시키는 과정에 대해 설명한다.When the
먼저, 상기 도 3에 도시된 기판 제조 장치는, 외주면에 전기로(30)가 장착되어 고온으로 가열되는 챔버(31)와, 상기 챔버(31)의 일측에 장착되어 N2 생성 가스를 주입하는 주입관(32)과, 상기 챔버(31)의 일측에 상기 주입관(32)으로부터 일정 거리 이격되어 장착되며, 내부에 갈륨 보트(33)를 수용하여 외부로부터 주입된 반응 가스와 상기 갈륨 보트(33)에 수용된 갈륨 분자가 결합된 생성된 반응물을 토출하는 반응관(34)과, 상기 챔버(31)의 내측면에 안착되어, 상기 주입관(32)을 통해 주입된 N2 생성 가스와 상기 반응관(34)에서 토출된 반응물이 결합되어 형성된 질화물이 증착되어 성장되도록 실리콘 기판을 지지하는 서셉터(35)로 이루어진다.First, the substrate manufacturing apparatus illustrated in FIG. 3 includes an
이렇게 이루어지는 장치를 사용한 질화갈륨 기판 제조 방법에서, 먼저 상기 전기로(30)에서 가열된 열을 이용해 상기 챔버(31)의 온도를 질화물층 성장 온도인 약 800℃ ~ 1000℃ 정도로 조절하여 유지한다.In the method of manufacturing a gallium nitride substrate using the device thus formed, first, the temperature of the
이러한 상태에서, 상기 반응관(34)으로 반응 가스를 주입하여 상기 보트(33)에 수용되어 있는 Ⅲ족원 분말과 화학 반응시키도록 한다. In this state, a reaction gas is injected into the
이 때, 상기 반응 가스는 염화수소(HCL)이며, 상기 Ⅲ족원 분말은 질화갈륨 분말이나 메탈 갈륨 또는 이들의 혼합된 분말 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.At this time, the reaction gas is hydrogen chloride (HCL), the Group III member powder is preferably used any one selected from gallium nitride powder, metal gallium or a mixture thereof.
한편, 상기 반응관(34)을 통해 주입된 염화수소(HCL)와 상기 보트(33)에 수용되어 있는 갈륨 분말의 화학 반응에 따라 특정 반응물인 염화갈륨(GaCl)이 형성되는데, 그 화학 반응식은 다음과 같다.Meanwhile, a specific reactant gallium chloride (GaCl) is formed according to a chemical reaction between hydrogen chloride (HCL) injected through the
2Ga + 2HCL -> 2GaCl + H2 ↑ 2Ga + 2HCL -> 2GaCl + H 2 ↑
그 다음, 상기 보트(33)내에서 형성된 염화갈륨(GaCl)가스가 챔버(31)내부로 토출되면, 상기 챔버(31)의 일측에 연결된 주입관(32)을 통해 N2 생성 가스를 주입한다. Next, when the gallium chloride (GaCl) gas formed in the
그러면, 상기 챔버(31)내에서는 N2 생성 가스와 상기 반응관(34)에서 토출된 염화갈륨(GaCl)가스가 결합하여 질화갈륨이 형성되고, 형성된 질화갈륨은 상기 서셉터(35)에 의해 지지되는 실리콘 기판의 상부 전면에 증착되어 성장된다.Then, in the
이 때, 상기 N2 생성 가스는 암모니아(NH3) 가스를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 질화갈륨 형성에 대한 화학 반응식은 다음과 같다. At this time, the N 2 product gas is preferably used ammonia (NH 3 ) gas, the chemical reaction equation for the formation of gallium nitride is as follows.
GaCl + NH3 -> GaN + HCL + H2 ↑ GaCl + NH 3- > GaN + HCL + H 2 ↑
한편, 상기 증착된 다결정의 사파이어층(21) 상부에 HVPE(hydride or halide vapor phase epitaxy)등을 이용해 질화갈륨층(22)을 증착하고 성장시키면, 마지막으로 상기 실리콘 기판(20)을 NH3OH등의 식각용액이나, 또는 기계적 래핑 중에서 선택된 어느 하나를 이용해 분리한다(도 2c).Meanwhile, when the
그런 다음, 마지막으로 상기 질화갈륨층(22) 하부의 다결정 사파이어층(21)을 제거하여 프리 스탠딩된 질화갈륨 기판을 얻는다.Then, finally, the
이와 같이, 본 발명에서와 같이 질화물층이 성장되는 모재로 실리콘 기판을 사용하고, 이 실리콘 기판 상부에 사파이어 등을 이용해 수백 Å정도로 다결정 버퍼층을 형성하도록 함으로써, 종래와 같이 복잡한 공정의 레이저 리프트 오프 방법을 사용하지 않고도 간단한 화학적 에칭이나 기계적 연마 방법을 이용해 분리시킬 수 있게 되는 것이다.As described above, by using a silicon substrate as a base material on which the nitride layer is grown, and forming a polycrystalline buffer layer on the silicon substrate by using sapphire or the like on the order of several hundred micrometers, the laser lift-off method of a complicated process as in the conventional art It can be separated by a simple chemical etching or mechanical polishing method without using.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 질화물 기판 제조 방법은, 질화물층이 성장되는 모재로 실리콘 기판을 사용해 질화물 기판의 크기를 향상시킬 수 있도록 하며, 상기 실리콘 기판 상부에 사파이어 등을 이용해 수백 Å정도로 다결정 버퍼층을 형성하도록 함으로써, 복잡한 공정의 레이저 리프트 오프 방법을 사용하지 않고도 간단한 화학적 에칭이나 기계적 연마 방법을 이용해 분리시킬 수 있도록 있는 효과가 있다. As described in detail above, the nitride substrate manufacturing method of the present invention, by using a silicon substrate as a base material on which the nitride layer is grown to improve the size of the nitride substrate, by using a sapphire or the like on the silicon substrate to a few hundred kPa By forming the polycrystalline buffer layer, there is an effect that can be separated by a simple chemical etching or mechanical polishing method without using a laser lift-off method of a complicated process.
본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the invention has been described in detail only with respect to the specific examples described, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the spirit of the invention, and such modifications and variations belong to the appended claims.
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