KR100949213B1

KR100949213B1 - 질화갈륨 기판 제조 방법

Info

Publication number: KR100949213B1
Application number: KR1020030004936A
Authority: KR
Inventors: 이현재
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2010-03-24
Also published as: KR20040067703A

Abstract

본 발명은 질화갈륨 기판 제조 방법에 관한 것으로서, 기판 위에 성장된 질화갈륨 버퍼층을 외부로 이동시키지 않고, 레이저 리프트 오프 방법을 이용해 성장 챔버내에서, 기판과 질화갈륨 버퍼층을 분리시키고 이 질화갈륨 버퍼층 상부에 질화갈륨층을 형성하도록 하여, 질화갈륨층의 성장과 분리를 각기 별도의 장소에서 행함으로써 그 질화갈륨층에 발생되는 마이크로 크랙(micro crack)이나 휘어짐(bending)을 줄여 양질의 프리 스탠딩된 질화갈륨 기판을 얻도록 한다.

질화갈륨, 버퍼, 층, 성장, 챔버, 레이저, 리프트, 오프

Description

질화갈륨 기판 제조 방법{Method for manufacturing substrate composed of GaN}

도 1은 일반적인 질화갈륨 기판 제조 방법을 설명하기 위한 도면이고,

도 2a 내지 도 2d는 도 1의 질화갈륨 기판 제조 방법을 좀 더 상세히 설명하기 위한 공정 순서도이고,

도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 질화갈륨 기판 제조 방법의 바람직한 실시예를 도시한 공정 순서도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

30 : 기판 31 : 이송암

32 : 벨로우즈 주름관 33 : 이송 챔버

34 : 게이트 밸브 35 : 성장 챔버

36 : 서셉터 37 : 전기로

38 : 주입관 39 : 반응관

40 : 갈륨 보트 41 : 질화갈륨 버퍼층

42 : 질화갈륨층

본 발명은 기판 위에 성장된 질화갈륨 버퍼층을 외부로 이동시키지 않고, 레이저 리프트 오프 방법을 이용해 성장 챔버내에서, 기판과 질화갈륨 버퍼층을 분리시키고 이 질화갈륨 버퍼층 상부에 질화갈륨층을 형성하도록 하여, 성장과 분리를 각기 별도의 장소에서 행함으로써 질화갈륨층에 발생되는 마이크로 크랙(micro crack)이나 휘어짐(bending)을 줄여 양질의 프리 스탠딩된 질화갈륨 기판을 얻도록 하는 질화갈륨 기판 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 고 효율의 단파장 광소자에 대한 수요가 늘어남에 따라 이러한 용도에 적합한 것으로 알려져 있는 질화갈륨 반도체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데,특히, 청자색 계열의 단파장 광소자 이외에 포스퍼(Phosphor)를 첨가하여 백색광을 만들 수 있게 되면서, 이 분야에 대한 관심의 폭이 날로 증대되어지고 있다.

한편, 이러한 질화갈륨 계열의 레이저 다이오드와 같은 발광 소자에서는 기판으로 사파이어를 주로 사용하였으나, 질화갈륨과 사파이어는 격자 상수 및 열 팽창 계수의 차이로 인해, 사파이어 기판에 질화갈륨층을 형성하면, 고 밀도의 결정성 결함이 발생하는 문제점이 있었다.

이를 해소하기 위하여 프리 스탠딩(Free standing)된 질화갈륨 기판으로 발광 소자를 제조하려는 시도가 이루어지고 있는데, 이러한 프리 스탠딩된 질화갈륨 기판 제조 방법은, 사파이어 기판 위에 두꺼운 질화갈륨층을 성장시킨 후, 기계적인 래핑(Mechanical lapping)공정을 수행하거나 도 1에 도시된 바와 같이, 투명한 사파이어 기판(11)에 레이저를 조사하여, 질화갈륨층(10)과 사파이어 기판(11)의 계면 부분을 녹이는 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여, 사파이어 기판을 제거하는 방식을 취하고 있다.

즉, 1000℃ 이상되는 고온의 성장 챔버에 설치된 사파이어 기판에 질화갈륨층을 성장시킨 후, 질화갈륨층이 성장된 사파이어 기판을 성장 챔버의 외부로 이송시킨 다음, 사파이어 기판에 레이저를 조사하여, 질화갈륨층을 사파이어 기판으로부터 이탈시켰다.

도 2a 내지 2d는 이러한 레이저 리프트 오프 방법을 이용한 일반적인 질화갈륨 기판 제조 방법에 관해 좀 더 상세히 설명하기 위해 도시한 공정 순서도로서, 이에 도시한 바와 같이 먼저, 질화갈륨층을 성장시킬 사파이어 기판(20)이 올려진 이송암(21)을 벨로우즈 주름관(22)을 관통하여 이송 챔버(23)로 삽입한다(도 2a).

이어, 게이트 밸브(24)를 열고, 상기 이송암(21)으로 성장 챔버(25)의 내부면에 사파이어 기판(20)을 안착시킨 후, 상기 이송암(21)을 이송 챔버(23)로 이송시킨 다음, 상기 게이트 밸브(24)를 닫는다.(도 2b)

그리고 나서, 전기로(26)를 이용해 성장 챔버(25)를 가열하여, 상기 성장 챔버(25)의 주입관(27)과 반응관(28)을 통해 각기 주입되는 가스와, 상기 반응관(25)에 연결되어 액체상태의 Ga을 수용하고 있는 갈륨 보트(29)에서 HCl(염화수소)가스와 액체상태의 Ga과의 결합상태인 GaCl(염화갈륨)분자와 고온에서 NH₃(암모니아)에서분리된 N(질소)분자와 결합시켜 상기 사파이어 기판(20)에 질화갈륨층을 성장시킨다(도 2b).

다음, 상기 사파이어 기판(20)의 상부에 질화갈륨층의 성장이 완료되면 반응관의 온도를 상온으로 내린다음, 상기 게이트 밸브(24)를 열고, 상기 이송 챔버(23)에 머물고 있는 이송암(23)을 상기 성장 챔버(25)로 이송시켜 사파이어 기판(20)을 흡착한다(도 2c).

그 다음, 사파이어 기판(20)을 흡착한 이송암(21)을 이송 챔버(23)로 이송하고, 상기 사파이어 기판(20)으로 레이저광을 조사하여 사파이어 기판(20)과 질화갈륨층을 분리한다(도 2d).

하지만, "질화갈륨층이 성장된 사파이어 기판을 성장온도 보다 상당히 낮은 온도에서 레이져 리프트 오프를 실행하게 되면 질화갈륨층과 사파이어 기판과의 열팽창 계수의 차이로 인해 크랙(crack)과 휘어짐(bending)이 많이 발생하게 된다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위하여 개발된 것으로, 질화갈륨층의 성장과 분리를 각기 성장 챔버나 이송 챔버와 같이 별도의 장소에서 행함으로써온도차이로 인한 질화갈륨층에 발생되는 마이크로 크랙(micro crack)이나 휘어짐(bending)을 줄여 양질의 프리 스탠딩된 질화갈륨 기판을 얻도록 하는 질화갈륨 기판 제조 방법에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 기판 위에 성장된 질화갈륨 버퍼층을 외부로 이동시키지 않고, 레이저 리프트 오프 방법을 이용해 성장 챔버내에서, 기판과 질화갈륨 버퍼층을 분리시키고 이 질화갈륨 버퍼층 상부에 질화갈륨층을 형성하도록 하여, 성장과 분리를 각기 별도의 장소에서 행함으로써 그 질화갈륨층에 발생되는 마이크로 크랙(micro crack)이나 휘어짐(bending)을 줄여 양질의 프리 스탠딩된 질화갈륨 기판을 얻도록 한다.

이하, 첨부된 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 그 상부에 질화갈륨 버퍼층이 형성되는 기판(30)이 올려진 이송암(31)을 벨로우즈 주름관(32)을 관통시켜 이송 챔버(33)로 삽입하는데, 상기 이송암(31)은 상기 기판(30)을 진공으로 흡착하며, 상기 기판(30)은 사파이어 기판이나 실리콘과 AlN(질화 알루미늄) 혼합된 재질의 기판을 사용하는 것이 바람직하다.

다음, 게이트 밸브(34)를 열고, 상기 기판(30)이 올려진 이송암(31)을 성장 챔버(35)로 이송시킨 후, 상기 성장 챔버(35)의 내측면에 장착된 서셉터(36)에 기판을 안착시키고, 서셉터(36)에 기판(30)이 안착되면, 상기 이송암(31)을 이송 챔버(33)로 이송시킨 다음, 상기 게이트 밸브(34)를 닫는다.(도 2b)

그리고 나서, 전기로(37)를 이용해 상기 성장 챔버(35)를 가열하여, 상기 성장 챔버(35)의 분위기 온도를 질화갈륨 성장 온도, 예컨대, 1000℃ 정도로 조절하고 유지하고 얇은(수um ~ 수십um) 버퍼층을 성장시킨다.

이러한 상태에서, 상기 성장 챔버(35)의 일측을 관통하여 연결되는 주입관(38)과 반응관(39)으로 N생성 가스와 반응 가스를 각기 주입하는데, 상기 N 생성 가스는 암모니아(NH₃) 가스를 사용하고, 상기 반응 가스는 염화수소(HCl)가스를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 성장 챔버(35)의 반응관(39)을 통해 주입된 염화 수소(HCl) 등의 반응 가스는 상기 반응관(39)에 연결된 갈륨 보트(40)에 수용되어 있는 갈륨(Ga)과 결합되고, 이렇게 결합되어 생성된 생성물은 상기 주입관(38)을 통해 주입된 N생성 가스와의 화학반응을 통해 질화갈륨이 형성된다(도 3c).

즉, 상기 전기로(37)에 의해 가열된 열에 의해 GaCl(염화갈륨) 분자가 반응관(39)을 통해 성장 챔버(35) 내부로 주입된 반응 가스와 결합되고, 결합되어 생성된 생성물이 주입관(38)을 통해 성장 챔버(35) 내부로 주입된 N생성 가스와의 화학 반응을 통해 질화갈륨이 형성된다.

이 때, 상기 갈륨은, 메탈 갈륨 또는 질화갈륨, 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 이렇게 상기 성장 챔버(35)내에 형성된 질화갈륨은 서셉터(36)에 안착된 기판(30)에 증착되고 수십 ㎛ 정도로 얇게 성장되어 질화갈륨 버퍼층(41)을 형성하게 된다.

다음, 상기 기판(30)의 상부 전면에 질화갈륨 버퍼층(41)이 형성되면, 주입관 (38)및 반응관(39)을 통해 각기 주입되는 해당 가스의 공급을 중단하고, 성장온도인 약 1000℃를 유지하며, NH₃(암모니아) 또는 N₂(질소) 분위기 하에서 서셉터(36)로 레이저 광을 조사하여 성장 챔버(35)내에서 기판(30)과 질화갈륨 버 퍼층(41)을 분리시킨다(도 3d).

이 때, 상기 성장 챔버(35)와 서셉터(36)는 투명한 재질을 이용하는 것이 바람직하고, 상기 서셉터(36)가 안착되는 영역에 대응되는 성장 챔버(35)의 외주면에는 전기로(37)로 감싸지 않도록 하고, 미러(mirror)를 통해 상기 서셉터의 하부 방향으로 레이저 광을 조사하는 것이 바람직하다.

다음, 기판(30)과 질화갈륨 버퍼층(41)이 분리되면, 전기로(37)에서 가열된 열을 이용해 상기 성장 챔버(35)를 성장온도 약 1000℃를 유지한다.

이러한 상태에서, 상기 성장 챔버(35)의 일측에 각기 연결되는 주입관(38)과 반응관(39)으로 N생성 가스와 반응 가스를 주입하는데, 상기 N생성 가스는 암모니아(NH₃) 가스를 사용하고, 상기 반응 가스는 염화수소(HCl)가스를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 반응관(39)을 통해 주입된 반응 가스와 상기 갈륨 보트(40)에 수용되어 있는 갈륨의 화학 반응에 따라 특정 반응물이 형성되는데(도 3e), 예를 들면, 상기 반응 가스가 염화수소(HCl)이고, 상기 갈륨 분말이 메탈 갈륨(Ga)일 경우에 염화수소 분자와 갈륨분자가 결합되어 염화갈륨(GaCl)이 형성되는데 그 화학 반응식은 다음과 같다.

2Ga + 2HCL-> 2GaCl + H_{2 ↑}

한편, 이렇게 형성된 반응물은 성장 챔버(35)내부로 토출되고, 토출된 반응물이 상기 주입관(38)을 통해 성장 챔버(35)내로 주입된 N 생성 가스와 결합하게 되면 질화갈륨이 형성되며, 형성된 질화갈륨은 상기 기판(30)과 분리되어 있는 질화갈륨 버퍼층(41)에 증착되고 200㎛이상의 두께로 성장되어 질화갈륨층(42)이 형성되는데(도 3e), 상기 질화갈륨층(42) 형성에 대한 화학 반응식의 일예는 다음과 같다.

GaCl + NH₃-> GaN + HCL + H_{2 ↑}

마지막으로, 상기 질화갈륨 버퍼층(41)의 상부에 질화갈륨층(42)의 성장이 완료되면, 성장챔버의 온도를 상온으로 저하시킨다음, 상기 게이트 밸브(34)를 열고, 상기 이송 챔버(33)에 머물고 있는 이송암(31)을 상기 성장 챔버(35)로 이송시켜 질화갈륨층을 흡착한 후, 챔버로 부터 꺼내게 된다.(도 3f).

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 질화갈륨 기판 제조 방법은, 기판 위에 성장된 질화갈륨 버퍼층을 외부로 이동시키지 않고, 레이저 리프트 오프 방법을 이용해 온도를 저하시키지 않고 성장온도의 챔버내에서, 기판과 질화갈륨 버퍼층을 분리시키고 이 질화갈륨 버퍼층 상부에 질화갈륨층을 형성하도록 하여, 성장과 분리를 각기 별도의 장소에서 행함으로써 질화갈륨층에 발생되는 마이크로 크랙(micro crack)이나 휘어짐(bending)을 줄여 양질의 프리 스탠딩된 질화갈륨 기판을 얻을 수 있는 효과가 있다.

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.

Claims

내측면에 투명한 재질의 서셉터가 장착되어 있고, 상기 서셉터를 노출시키는 전기로가 외주면에 형성되어 있는 성장 챔버의 서셉터에 기판을 안착시키는 제 1 단계와;

상기 서셉터에 안착된 기판 상부에 질화갈륨 버퍼층을 형성하는 제 2 단계와;

상기 성장 챔버의 외주면으로 노출된 상기 서셉터로 레이저 광을 조사하여 상기 질화갈륨 버퍼층을 상기 기판으로부터 분리하는 제 3 단계와;

상기 기판으로부터 분리한 상기 질화갈륨 버퍼층 상부에 질화갈륨층을 형성하는 제 4 단계로 이루어지는, 질화갈륨 기판 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계는;

상기 성장 챔버내의 보트에 갈륨을 수납하고, 상기 성장 챔버 내의 서셉터에 기판을 안착시키는 제 11 단계;

상기 챔버에 열을 가하여 상기 챔버의 온도를 질화갈륨 버퍼층 성장 온도로 조절하고, 상기 갈륨이 수납된 보트로 반응 가스를 주입하는 제 12 단계;

상기 챔버의 내부로 N생성 가스(NH₃)를 주입하고, 상기 제 12 단계의 반응 가스와 상기 갈륨의 화학 반응으로 생성된 반응물과 상기 주입한 N 생성 가스의 결합을 통해 상기 기판 상부에 질화갈륨 버퍼층을 형성하는 제 13 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 질화갈륨 기판 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계는;

미러(mirror)를 통해 상기 서셉터의 하부 방향으로 레이저 광을 조사하여 질화갈륨 버퍼층을 질화갈륨의 성장온도에서, 상기 기판으로부터 분리하는 것을 특징으로 하는, 질화갈륨 기판 제조 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 4 단계는;

상기 챔버에 열을 가하여 상기 챔버의 온도를 질화갈륨층 성장 온도로 조절하고, 갈륨이 수납된 상기 성장 챔버내의 보트로 반응 가스를 주입하는 제 31 단계;

상기 성장 챔버의 내부로 N 생성가스(NH₃)를 주입하고, 상기 제 31 단계의 반응 가스와 상기 갈륨의 화학 반응으로 생성된 반응물과 상기 주입한 N 생성 가스의 화학 반응을 통해 상기 질화갈륨 버퍼층 상부에 질화갈륨층을 형성하는 제 32 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 질화갈륨 기판 제조 방법.
제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 갈륨은;

메탈 갈륨 또는 질화갈륨, 이들의 혼합된 분말 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 질화갈륨 기판 제조 방법.
제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 반응 가스와 N₂ 생성 가스는;

각기 염화수소(HCL) 가스와 암모니아(NH₃) 가스인 것을 특징으로 하는, 질화갈륨 기판 제조 방법.