KR100978305B1 - 표면질이 우수한 ｇａｎ 웨이퍼 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Ga측에서의 실효 표면조도가 10 ×10㎛2당 1㎚ 미만인 AlxGayInzN(식중, 0 < y ≤1이고 x+y+z = 1임) 고품질 웨이퍼에 관한 것이다. 이러한 웨이퍼는 연마 입자 예컨대, 실리카 또는 알루미나를 포함하는 CMP 슬러리와, 산 또는 염기를 사용하여 이의 Ga측에서 화학 기계 연마(CMP)된다. 이와 같은 고품질 AlxGayInzN 웨이퍼를 제조하는 방법은 표면질을 보다 개선시티기 위하여 열어닐링 또는 호학적 에칭시킴으로써, 상기 웨이퍼를 랩핑시키는 단계, 기계적으로 연마시키는 단계 및 상기 웨이퍼의 내부 응력을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 CMP 공정은 AlxGayInzN 웨이퍼의 Ga측상의 결정 결함을 조명하는데 유용하게 사용된다.

Description

표면질이 우수한 ＧＡＮ 웨이퍼 및 이의 제조 방법{HIGH SURFACE QUALITY GAN WAFER AND METHOD OF FABRICATING SAME}
본 발명은 Ga측의 표면질이 우수한 AlxGayInzN(식중, 0 < y ≤1이고 x+y+z = 1임) 반도체 웨이퍼 및 이러한 웨이퍼의 제조 방법에 관한 것이다.
GaN 및 화학식 AlxGayInzN(식중, 0 < y ≤1이고 x+y+z = 1임)인 관련 GaN 유사 Ⅲ∼Ⅴ족 질화물 결정 필름은 다양한 분야 예컨대, 고온 전자공학, 동력 전자공학 및 광전자공학(예컨대, 발광 다이오드(LED) 및 청색광 레이저 다이오드(LD))에서 유용한 재료이다. 청색광 방사 다이오드(LED) 및 레이저는 유용한 기술로서, 광자기 메모리 및 CDROM에 있어서 저장 밀도를 더욱 높이고 풀칼라(full color) 발광 디스플레이를 제조할 수 있도록 만든다. 청색 발광 다이오드는 오늘날 도로 및 철로 표지판 등의 백열광 전구를 대체할 수 있으며, 이로써 비용 및 에너지를 상당히 절감할 수 있다.
오늘날, AlxGayInzN 필름은 고품질 AlxGayInzN 기판의 비적합성으로 인하여 비천연 기판 예컨대, 사파이어 또는 탄화규소상에서 성장된다. 그러나, 이러한 이종 기판 및 여기에서 에피택시 성장한(epitaxially grown) AlxGayInzN 결정 사이의 열팽창 및 격자 상수의 차이는 성장한 AlxGayInzN 결정에 있어서 상당한 열응력 및 내부 응력을 유발시킨다. 열응력 및 내부 응력은 AlxGayInzN 결정에 미세 균열, 뒤틀림 및 기타 결함을 발생시켜, 상기 AlxGayInzN 결정이 깨지기 쉽게 만든다. 이종 기판과 부정합된 격자상에서의 성장으로 인하여 격자 결함의 밀도를 증가시키고, 이로써 장치의 성능을 저하시킨다.
성장한 AlxGayInzN 결정에서 유해한 열응력 및 고밀도 결함을 저감시키기 위해서는 전술한 이종 기판 대신에, 필름 성장 기판으로서 무제한 적층(freestanding) 고품질 AlxGayInzN 웨이퍼를 제공하는 것이 바람직하다.
미국 특허 제5,679,152호(발명의 명칭 ; "Method for Making a Single Crystal Ga*N Article") 및 미국 특허 제5,679,153호(발명의 명칭 ; "Bulk Single Crystal Gallium Nitride and Method of Making Same")는 기판상에 AlxGayInzN 결정을 호모에피택셜 성장(homoepitaxial growth)시키기 위한 결정 성장 기판으로서 유리하게 사용될 수 있는, 수소화물 증기상 에피택시(HVPE) 방법을 개시하고 있다.
후속적으로 성장한 AlxGayInzN 결정의 질은 직접적으로 AlxGayInzN 결정이 성장한 기판 표면 및 이에 인접한 표면 영역의 질과 상관되어 있기 때문에, 어떠한 표면 및 하부 표면(subsurface)에 손상을 주지 않고 매우 평활한 초기의 기판 표면 을 제공하는 것이 중요하다.
그러나, 기계적 연마 이후에, AlxGayInzN 결정은 그 표면과 하부 표면이 실질적으로 손상되어 있으며 연마시 스크래치가 생성되어 통상적으로 표면의 질이 불량하다. 따라서 추가의 웨이퍼 피니쉬 처리 방법으로는 무제한 적층 AlxGayInzN 결정의 표면질을 개선시킬 필요가 있으며, 이로써 고품질 에피택시 성장 및 이 표면상에 장치를 제조하는 것이 적합하게 된다.
결정질 AlxGayInzN은 일반적으로 화학적으로 안정한 우르차이트 광형 구조(wurtzite structure)로 존재한다. AlxGayInzN 화합물의 가장 일반적인 결정학적 배향은 이의 c-축에 수직인 2개의 극성 표면[한쪽 면은 N-말단화되어 있고, 다른쪽 면은 Ga-말단화됨(이하 결정구조의 Ga측에 있는 Ga는 일반적으로, 대안적 Ⅲ족(AlxGayInz) 결정 조성물 예컨대, GaxInyN 결정의 해당 GaxIny면, AlxGayInzN 결정의 해당 AlxGayInz측, 그리고 AlxGayN 결정의 해당 AlxGay측에 있어서 예시적이고 대표적인 것임)]을 보유한다.
결정의 극성은 결정 표면의 성장 형태 및 화학적 안정성에 상당한 영향을 미친다. AlxGayInzN 결정의 N측은 KOH계 용액 또는 NaOH계 용액과 화학적으로 반응성인 반면에, 이러한 결정의 Ga측은 매우 안정하고 대부분의 종래의 화학적 에칭제와는 비반응성이다. 따라서, 상기 N측은 KOH 또는 NaOH 수용액을 사용하여 용이하게 연마되어 기계적 연마 가공에 의하여 남은 표면 손상(surface damage) 및 스크래치 를 제거하여 매우 평활한 표면을 얻을 수 있다.
한편, AlxGayInzN 결정의 Ga측(AlxGayInz측)은 KOH 또는 NaOH 용액과 접촉한 후 실질적으로 동일하게 유지되어, 이러한 용액에 의하여도 표면 손상 및 스크래치는 여전히 남아 있게 된다. 문헌[Weyher 등, "Chemical Polishing of Bulk and Epitaxial GaN", J. CRYSTAL GROWTH, vol. 182, pp.17-22, 1997 ; 및 Porowski 등, International Patent Application Publication No. WO 98/45511(발명의 명칭 ; "Mechano-Chemical Polishing of Crystals and Epitaxial Layers of GaN and Ga1 -x-yAlxInyN"]을 참조하시오.
그러나, AlxGayInzN 결정의 Ga측이 N측보다 더욱 우수한 필름 성장 표면이라는 것이 확인되었다. 문헌[Miskys 등, "MOCVD-Epitaxy on Free-Standing HVPE-GaN Substrates", PHYS. STAT. SOL. (A), vol.176, pp.443-46, 1999]을 참조하시오. 따라서, 특히 AlxGayInzN 결정의 Ga측을 제조하는데 효과적인 웨이퍼 피니쉬 가공을 수행하여 후속의 결정 성장에 적합하게 만드는 것이 중요하다.
최근들어, 반응성 이온 에칭(RIE)은 AlxGayInzN 웨이퍼의 Ga측으로부터 표면 재료층을 제거하여 더욱 평활한 웨이퍼 표면을 얻는데 이용되고 있다. 문헌[Karouta 등, "Final Polishing of Ga-Polar GaN Substrates Using Reactive Ion Etching", J. ELECTRONIC MATERIALS, vol.28, pp.1448-51, 1999]을 참조하시오. 그러나, 이러한 RIE 방법은 추후 O2 플라즈마에서 GaN 웨이퍼를 추가로 세척하는 과정 이 필요하며, 더욱 깊이 형성된 스크래치를 없애는데 비효율적이고, 이온 충격(ion bombardment)에 의하여 추가의 손상을 입게 되며, 이에 수반되는 오염에 의하여 표면에 요철이 추가로 형성된다는 점에서 불만족스러운 방법이다.
따라서, Ga측의 표면 및 하부 표면의 손상 또는 오염이 실질적으로 발생하지 않거나 또는 거의 발생하지 않으며, 표면의 질이 우수한 AlxGayInzN 웨이퍼를 제공하는 것이 유리하다. 또한 이러한 AlxGayInzN 웨이퍼는 경제적이면서 효율적이며, 연마중 또는 연마후 번거로운 세척 공정이 필요없는 표면 연마 방법에 의하여 제조되는 것이 바람직하다.
본 발명의 개요
본 발명은 일반적으로 Ga측 표면질이 우수한 AlxGayInzN(식중, 0 < y ≤1이고 x+y+z = 1임) 웨이퍼 및 이러한 웨이퍼의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 하나의 측면은 이와 같은 유형의 고품질 AlxGayInzN 웨이퍼에 관한 것으로서, 상기 웨이퍼의 표면조도(surface roughness)는 실효(RMS) 조도가 Ga측에서 10 ×10㎛2당 1㎚ 미만이다.
더욱 바람직한 범위에서, 상기 웨이퍼의 Ga측에서의 RMS 표면조도는 다음의 범위내에 있다 : (1) 10 ×10㎛2당 0.7㎚ 미만 ; (2) 10 ×10㎛2당 0.5㎚ 미만 ; (3) 2 ×2㎛2당 0.4㎚ 미만 ; (4) 2 ×2㎛2당 0.2㎚ 미만 ; 및 (5) 2 ×2㎛2당 0.15㎚ 미만.
본 발명에 의한 AlxGayInzN 웨이퍼는 바람직하게는 원자력 현미경에 의하여 관찰하였을때 Ga측이 규칙적인 단구조(step structure)를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 AlxGayInzN 웨이퍼는 바람직하게는 Ga측의 AlxGayInzN 웨이퍼 결정상의 결함이 지름 1㎛ 미만의 작은 피트(pit)를 이루는 것을 특징으로 한다. 이러한 크기의 작은 피트들은 원자력 현미경(AFM) 및 주사 전자 현미경(SEM) 기법 에 의하여 용이하게 확인할 수 있으며, 또한 이러한 피트는 AlxGayInzN 웨이퍼 표면에 상당한 손상을 입히지 않으므로, 추후 이 표면에서 성장한 AlxGayInzN 결정의 품질을 손상시키지 않는다.
이러한 고품질 AlxGayInzN 결정 웨이퍼는, 실리카 또는 알루미나 함유 CMP 슬러리 조성물을 사용하여 이의 Ga측이 블랭킹(blanking)된 AlxGayInzN 웨이퍼를 화학 기계 연마법(CMP)에 의하여 용이하게 제조된다. 해당 CMP법은 (지름 1㎛ 이하의 작은 피트의 존재를 통해 확인된) 상기 AlxGayInzN 웨이퍼 결정의 결함을 눈으로 용이하게 확인할 수 있게 해준다.
본 발명의 다른 측면은 에피택셜 AlxGayInzN 결정 구조에 관한 것으로서, 이는 전술한 바와 같은 본 발명의 AlxGayInzN 웨이퍼상에서 성장한 에피택셜 Alx'Gay'Inz'N(식중, 0 < y' ≤1이고 x'+y'+z' = 1임) 필름을 포함한다. 이러한 에피택셜 AlxGayInzN 결정 구조는 우르차이트 결정질 박막을 포함하는 것이 바람직하나, 임의의 다른 적당한 형태 또는 특정 반도체, 전자공학 또는 광전자공학 분야에 적당한 구조일 수 있다. 상기 에피택셜 필름의 조성은 웨이퍼 기판의 조성과 동일하거나 또는 동일하지 않을 수 있다. 에피택셜 AlxGayInzN 결정 구조는 조성이 상이하거나 또는 도핑된후 전술한 본 발명의 AlxGayInzN 웨이퍼상에서 성장하는 에피택셜 Alx'Gay'Inz'N 필름을 포함할 수 있다. 상기 에피택셜 필름은 구배가 형성된 조성, 다시 말해서 에피택셜 필름의 조성이 기판과 에피택셜 필름 사이의 계면으로부터의 거리에 따라서 달라지는 에피택셜 필름 조성을 가질 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "박막"이란 용어는 두께 약 100㎛ 이하인 재료층을 의미한다.
본 발명의 또 다른 측면은 전술한 본 발명의 AlxGayInzN 웨이퍼에서 성장한 상기 에피택셜 AlxGayInzN 결정 구조를 1 이상 포함하는 광전자공학적 장치에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 전술한 본 발명의 AlxGayInzN 웨이퍼상에서 성장한 에피택셜 AlxGayInzN 결정 구조를 1 이상 포함하는 상기 에피택셜 미소전자 장치에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 전술한 본 발명의 AlxGayInzN 웨이퍼상에서 성장한 에피택셜 AlxGayInzN 결정 구조를 포함하는 AlxGayInzN 부울(boule)에 관한 것이다. 부울이란 2 이상의 웨이퍼로 슬라이싱(slicing)될 수 있는 것을 의미한다. AlxGayInzN 부울은 임의의 적당한 방법 예컨대, 수소화물 증기상 에피택시(HVPE), 유기 금속 염화물(MOC) 방법, 유기 금속 화학 증착법(MOCVD), 승화법, 액상 성장법 등으로 성장할 수 있다.
추가의 측면에서 본 발명은 다음의 성분들을 포함하는 CMP 슬러리를 이용하 는 것을 특징으로 하는, Ga측에서 AlxGayInzN 웨이퍼를 화학 기계 연마(CMP)하는 방법에 관한 것이다 :
- 입도 200㎚ 미만인 비결정질 실리카 연마 입자 ;
- 1 이상의 산 ; 및
- 필요에 따라서 1 이상의 산화제.
이때 상기 CMP 슬러리의 pH 값은 약 0.5∼약 4이다.
CMP 슬러리중 비결정질 실리카 연마 입자는 예를 들어, 발연 실리카 또는 콜로이드성 실리카를 포함할 수 있다. 상기 CMP 슬러리중 비결정질 실리카 입자의 평균 입도는 약 10∼약 100㎚인 것이 바람직하다.
바람직한 조성의 측면에서 본 발명의 CMP 슬러리는 1 이상의 산화제 예컨대, 과산화수소, 디클로로이소시아누르산 등을 포함한다.
이러한 CMP 슬러리의 pH 값은 약 0.6∼약 3인 것이 바람직하며, 약 0.8∼약 2.5인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 다른 측면은 다음의 성분을 포함하는 CMP 슬러리를 사용하여, Ga측에서 AlxGayInzN 웨이퍼를 화학 기계 연마(CMP)시키는 방법에 관한 것이다 :
- 입도 200㎚ 미만인 콜로이드 알루미나 연마 입자 ;
- 1 이상의 산 ; 및
- 필요에 따라서 1 이상의 산화제.
이때 상기 CMP 슬러리의 pH 값은 약 3∼약 5인 것이 바람직하다.
상기 CMP 슬러리중 콜로이드 알루미나 연마 입자의 입도는 약 10∼약 100㎚인 것이 바람직하다.
바람직한 조성의 측면에서 본 발명의 CMP 슬러리는 1 이상의 산화제 예를 들어, 과산화수소, 디클로로이소시아누르산 등을 포함한다.
이러한 CMP 슬러리의 pH 값은 약 3∼ 약 4인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면은 다음의 성분을 포함하는 CMP 슬러리를 사용하여 Ga측에서 AlxGayInzN 웨이퍼를 화학 기계 연마(CMP)하는 방법에 관한 것이다 :
- 입도 200㎚ 미만인 비결정질 실리카 입자 ;
- 1 이상의 염기 ; 및
- 필요에 따라서 1 이상의 산화제.
이때 상기 CMP 슬러리의 pH 값은 약 8∼약 13.5인 것이 바람직하다.
이러한 CMP 슬러리중 비결정질 실리카 입자는 입도가 약 10∼약 100㎚인 발연 실리카 입자, 또는 입도가 약 10∼약 100㎚인 콜로이드 실리카 입자를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명을 실시하는데 유용한 염기로서는 암모니아, 알칸올아민 및 히드록시드 예컨대, KOH 또는 NaOH를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 암모니아 및 알칸올아민이 특히 바람직한데, 왜냐하면 이들은 CMP 슬러리를 안정화시키는 작용도 하기 때문이다.
이러한 CMP 슬러리는 1 이상의 산화제 예컨대, 과산화수소, 디클로로이소시 아누르산 등을 포함한다.
상기 CMP 슬러리의 pH 값은 약 9∼약 13인 것이 바람직하며, 약 10∼약 11의 인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 추가의 측면은 Ga측에서 AlxGayInzN 웨이퍼의 결정 결함을 조명하여 이러한 웨이퍼의 결정 결함 밀도의 측정을 촉진하는, 다음의 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다 :
- AlxGayInzN 웨이퍼를 제공하는 단계 ;
- 본 발명의 전술한 CMP 방법중 하나에 따라서, 상기 웨이퍼를 Ga측에서 화학 기계 연마하는 단계 ;
- 연마된 AlxGayInzN 웨이퍼를 세척 및 건조시키는 단계 ; 및
- 상기 웨이퍼를 원자력 현미경으로 주사하거나 또는 전자 현미경으로 주사하여 웨이퍼중 결함 밀도를 측정하는 단계.
CMP 방법은 전술한 바와 같이 산성 실리카 슬러리를 사용하여 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면은 다음의 단계를 포함하는 고품질의 AlxGayInzN 웨이퍼를 제조하는 방법에 관한 것이다 :
- 두께가 약 100∼약 1000㎛인 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크를 제공하는 단계 ;
- 필요에 따라, AlxGayInzN 웨이퍼의 내부 응력을 감소시키는 단계 ;
- 필요에 따라, 평균 입도가 약 5∼약 15㎛인 연마제를 포함하는 랩핑 슬러리(lapping slurry)를 사용하여 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크의 N측에서 이를 랩핑(lapping)시키는 단계 ;
- 필요에 따라, 평균 입도가 약 0.1∼약 6㎛인 연마제를 포함하는 기계적 연마 슬러리를 사용하여 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크의 N측에서 이를 기계적으로 연마하는 단계 ;
- 필요에 따라, 평균 입도가 약 5∼약 15㎛인 연마제를 포함하는 랩핑 슬러리를 사용하여 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크의 Ga측에서 이를 랩핑시키는 단계 ;
- 평균 입도가 약 0.1∼약 6㎛인 연마제를 포함하는 기계적 연마 슬러리를 사용하여 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크의 Ga측에서 이를 기계적으로 연마하는 단계 ;
- 1 이상의 화학적 반응물과 평균 입도가 200㎚ 미만인 콜로이드 연마 입자를 포함하는 CMP 슬러리를 사용하여 AlxGayInzN 웨이퍼의 Ga측에서 이를 화학 기계 연마하는 단계 ; 및
- 필요에 따라, AlxGayInzN 웨이퍼의 내부 응력을 마일드 에칭(mild etching)하여 표면질을 더욱 개선시키는 단계.
이때 상기 반응물인 AlxGayInzN 웨이퍼는 Ga측에서의 실효(RMS) 표면조도가 10 ×10㎛2당 1㎚ 미만이다.
AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크는 예를 들어, (1) Alx'Gay'Inz'N 부울을 성장시켜 웨이퍼 블랭크로 슬라이싱시키는 방법 ; 또는 (2) 이종 기판상에 두꺼운 Alx'Gay'Inz'N 필름을 성장시켜 이러한 필름을 상기 기판으로부터 분리하는 방법과 같은 임의의 적당한 방법으로 제조될 수 있다. 상기 웨이퍼 블랭크는 배향되어 c-축이 웨이퍼 표면에 수직으로 되도록 하거나 또는 의도적으로 약간 잘못 배향되게 하여(c-축이 웨이퍼 표면에 수직이 아니도록 하여), 이후 에피택시 성장, 장치 가공 또는 장치 디자인을 촉진시킬 수 있다.
상기 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크는 예를 들어, AlxGayInzN 웨이퍼 및 이것이 성장하는 이종 기판 사이의 열 상관계수 및 격자 상수의 불균형으로 인하여 발생되는 내부 응력을 감소시키도록 가공할 수 있다. 내부 응력의 감소는 AlxGayInzN 웨이퍼를 열 어닐링시키거나 또는 이 웨이퍼를 화학적으로 에칭시켜 이루어질 수 있다.
열 어닐링은 질소 또는 암모니아 환경 및 고온 예컨대, 약 700∼약 1000℃에서 약 1분∼약 1 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.
AlxGayInzN 웨이퍼의 화학적 에칭은 상기 웨이퍼로부터 표면 재료층을 제거하는 역할을 하며, 이로써 상기 웨이퍼의 내부 응력을 완화시킨다. 화학적 에칭 공정은 웨이퍼 두께가 100㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 10㎛ 이하인 표면 재료를 제거하는 것이 바람직하다.
상기 Alx'Gay'Inz'N 웨이퍼는 고온에서 매우 강한 산 예컨대, 황산, 인산 또는 이들의 조합물에 의해서, 또는 고온에서 매우 강한 염기 예컨대, 용융(molten) KOH 또는 NaOH에 의해서 화학적으로 에칭될 수 있다. 유리하게 본 발명의 실시에 사용되는 랩핑 슬러리 조성물은 임의의 적당한 연마제 예컨대, 다이아몬드 분말, 탄화규소 분말, 탄화붕소 분말 및 알루미나 분말을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 랩핑 슬러리는 평균 입자 크기가 약 6∼약 10㎛인 다이아몬드 분말을 포함하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게, 2 이상의 랩핑 슬러리는 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크를 랩핑시키는데, 여기서 추후에 사용되는 각각의 랩핑 슬러리는 평균 입도가 점점 작아지는 연마제를 포함한다. 예를 들어, 상기 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크는 평균 입도 약 8∼약 10㎛인 연마제를 포함하는 제1 슬러리에 의하여 랩핑된후, 평균 입도 약 5∼약 7㎛인 연마제를 포함하는 제2 슬러리로 랩핑될 수 있다.
이와 유사하게, 본 발명에 유용한 기계적 연마 슬러리는 임의의 적당한 연마제 예를 들어, 다이아몬드 분말, 탄화규소 분말, 탄화붕소 분말 및 알루미나 분말을 포함할 수 있다. 평균 입자 크기가 약 0.1∼약 3㎛인 다이아몬드 분말이 특히 바람직하다. 기계적 연마 단계는 또한 2 이상의 기계적 연마 슬러리를 사용할 수도 있으며, 여기서 후속되는 상기 각각의 기계적 연마 슬러리는 입도가 점점 작아지는 연마제를 포함한다. 예를 들어, 평균 크기 약 2.5∼약 3.5㎛인 연마제를 포함하는 제1 기계적 연마 슬러리 →평균 크기 약 0.75∼약 1.25㎛인 연마제를 포함하는 제2 기계적 연마 슬러리 →평균 크기 약 0.35∼약 0.65㎛인 연마제를 포함하는 제3 기 계적 연마 슬러리 →평균 크기 약 0.2∼약 0.3㎛인 연마제를 포함하는 제4 기계적 연마 슬러리 →평균 크기 약 0.1∼약 0.2㎛인 연마제를 포함하는 제5 기계적 연마 슬러리의 순서로 사용할 수 있다.
상기 CMP 슬러리는 산일 수도 있거나 또는 염기일 수도 있는, 1 이상의 화학적 반응물을 포함한다. 상기 반응물이 산일 경우, 상기 CMP 슬러리의 pH 값은 약 0.5∼약 4로 맞추는 것이 바람직하며 ; 만일 상기 반응물이 염기이면, 이러한 슬러리의 pH 값은 약 8∼약 13.5로 맞추는 것이 바람직하다.
상기 CMP 다음에, AlxGayInzN 웨이퍼를 추가로 가공하여 웨이퍼의 스트레스를 더욱 감소시켜서 표면의 질을 향상시킬 수 있다. 이를 위해서는 마일드 에칭이 바람직하다. 상기 마일드 에칭은 Ga측의 손상되지 않은 표면을 에칭하지 않으면서 최종 CMP 연마시 Ga측의 표면상에 남아있는 몇몇 표면 손상을 없앨 수 있으므로, 표면의 질을 개선시킬 수 있다. 마일드 에칭은 또한 N측 표면에 생긴 손상을 없앨 수도 있으므로, 표면 손상으로 인한 웨이퍼상 스트레스를 감소시킬 수 있다. 이러한 마일드 에칭은 또한 N측 표면상에 매트 피니쉬를 제공할 수도 있다. 예를 들어, 상기 웨이퍼는 수용액의 비점 이하, 통상적으로는 약 100℃의 온도하에 염기(예를 들어, KOH 또는 NaOH)의 수용액 또는 산(예를 들어, HF, H2SO4 또는 H3PO4)의 수용액중에서 약하게 에칭(slightly etching)될 수 있다.
본 발명의 다른 측면, 특징 및 구체예는 후속되는 개시사항 및 첨부된 청구항으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명의 상세한 설명 및 이의 바람직한 구체예
본 발명에 의하여 고품질의 AlxGayInzN 웨이퍼를 제조하는 것은 이하 보다 상세히 기술된, 무제한 적층 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크의 제조, 랩핑, 기계적 연마, 화학 기계 연마 및 내부 응력의 감소를 포함하는 가공 단계들을 통하여 용이하게 이루어질 수 있다.
무제한 적층 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크는 다수의 임의의 적당한 방법에 의하여 얻어진다. 하나의 방법은 우선 AlxGayInzN 부울을 성장시킨후 이를 웨이퍼와 블랭크로 슬라이싱시키는 것을 포함한다. AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크의 다른 제조 방법은 다음의 단계들을 이용한다 : (1) 적당한 방법 예컨대, 수소화물 증기상 에피택시(HVPE), 유기 금속 염화물(MOC) 방법, 유기 금속 화학 증착법(MOCVD), 승화법 등을 사용하여 이종 기판상에서 두꺼운 AlxGayInzN 필름을 성장시키는 단계 ; 및 (2) 상기 이종 기판을 레이저 유도 리프트오프 가공법 또는 기타 적당한 기법으로 연마 또는 에칭하여 두꺼운 AlxGayInzN 필름으로부터 이 이종 기판을 제거하는 단계.
예로써, 두께 약 400㎛인 GaN 필름을 HVPE 가공 기법을 사용하여 사파이어 기판상에서 성장시킬 수 있다.
마크 예컨대, 플랫(flat)을 웨이퍼상에 형성시켜 이러한 웨이퍼 블랭크의 결정 배향을 확인한다. AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크는 예를 들어, 입자 빔을 사용하여 둥근 형태로 사이징(sizing)된 후, 웨이퍼 블랭크의 적재 또는 가공을 촉진할 수 있다.
무제한 적층 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크의 고정구로의 적재는 필요에 따라서 용이하게 랩핑 또는 연마될 수 있도록 한다. 웨이퍼 블랭크는 웨이퍼 블랭크를 수용하기 위한 오목부(recess)를 보유하는 주형상에 적재될 수 있다. 대안적으로, 상기 웨이퍼는 예를 들어, (1) 가열판상에서 상기 주형을 가열하는 단계, (2) 상기 주형에 왁스를 도포하는 단계 및 (3) 상기 웨이퍼 블랭크를 왁스가 도포된 주형에 대하여 가압하는 단계에 의해서 편평한 주형상에 적재될 수 있다. 상기 주형을 냉각시킨후, 왁스를 고형화시켜 주형상에 웨이퍼 블랭크를 고정시킨다.
AlxGayInzN 부울로부터 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크가 얻어지고 이것이 비교적 두꺼우며 균일한 경우, 이러한 웨이퍼 블랭크를 적재하는데에는 오목부가 형성된 주형이 사용될 수 있으며, 이는 가공 시간의 단축, 분리의 용이성 및 오염의 감소라는 측면에서 왁스가 도포된 주형에 비하여 유리하다.
한편, 더욱 부서지기 쉬우며, 얇거나 또는 두께가 보다 균일하지 않은 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크 예를 들어, 오목부가 형성된 주형을 사용하는 HVPE 가공으로부터 얻어진 웨이퍼 블랭크는 랩핑 및/또는 연마 가공시 AlxGayInzN 웨이퍼를 파열시킬 복합적인 위험이 있기 때문에 그다지 바람직하지 않을 수도 있다.
AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크의 적재에 사용된 고정구는 각각의 랩핑 또는 연마 장치에 적절하고, 이와의 적합성이 있는 임의의 적당한 유형일 수 있다. 상기 AlxGayInzN 웨이퍼의 두께의 균일성을 개선시키기 위하여, 3개의 조절 가능한(adjustable) 다이아몬드 정지구(stop)를 포함하는 평면 한정의 특정 랩핑 고정구가 사용될 수 있다. 이 정지구로 한정되는 평면은 표면으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 존재하는 고정구 표면과 평행하다. 상기 3개의 다이아몬드 정지구는 상기 AlxGayInzN 웨이퍼로부터 표면 재료를 더 제거하는 것을 방지하는 정지 지점으로서 작용하기 때문에, 이러한 소정의 거리는 랩핑된 AlxGayInzN 웨이퍼의 최소 두께를 한정한다.
내부 응력으로 인하여 AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크가 약간 휘어지거나 또는 비틀린 경우, 주형상에서 웨이퍼에 왁스를 도포하는 동안 웨이퍼 블랭크를 가중시키는 것이 바람직하다. 이러한 목적에 대한 중량의 종류 및 적재는 당업자에 의하여 용이하게 결정될 수 있다.
AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크를 적당히 적재시킨 후, 웨이퍼 블랭크를 랩핑 플레이트 표면상에 연마 입자가 매립된 랩핑 플레트에 대하여 가압시켜, 웨이퍼상에 플랫 표면을 형성시킬 수 있다. 웨이퍼상에 가하여지는 압력은 랩핑 가공을 조절하도록 조절할 수 있다.
동일한 연마 및 랩 플레이트 회전 속도를 사용할때, AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크의 랩핑 속도는 연마제의 입자 크기가 증가함에 따라서 빨라진다. 그러므로 연마 입자가 클수록 랩핑 속도가 빨라지지만, 랩핑된 표면은 보다 거칠어진다.
랩핑 속도는 또한 사용된 연마 물질의 경도에 따라 달라진다. 예를 들어, 다이아몬드 분말은 탄화규소 분말보다 랩핑 속도가 더욱 빠르며, 또한 알루미나 분말보다 랩핑 속도가 더욱 빠르다.
랩핑 속도는 또한 사용된 랩핑 플레이트에 따라서 달라진다. 예를 들어, 구리 랩핑 플레이트의 랩핑 속도는 주조 철 플레이트의 랩핑 속도보다 느리지만, 구리 랩핑 플레이트를 사용하면, 주조 철 플레이트에 의하여 생성된 랩핑 표면보다 더욱 고른 표면이 형성된다. 최적의 랩핑 결과를 얻기 위해서는, 다수의 요인들 예컨대, 가공 시간, 표면 피니쉬 처리 및 제조 비용 등의 요인들을 고려해야 하며, 본 발명을 실시하는데에는 연마 물질, 입자 크기, 랩핑 속도 및 웨이퍼 압력과 같은 다수의 요인들을 조합시킬 수 있다. AlxGayInzN 웨이퍼 균열 가능성을 감소시키기 위하여, 5 psi 이하의 압력, 바람직하게는 2 psi 이하의 압력이 사용된다. 가공 시간을 감소시키기 위해서는, 스톡을 제거하는데 50㎛/시간 이상의 랩핑 속도가 바람직하다. 다양한 종류의 연마 물질 예컨대, 다이아몬드, 탄화규소, 탄화붕소 및 알루미나 중에서, 물질 제거 속도가 빠르고 보다 우수한 표면 피니쉬 처리를 수행할 수 있기 때문에 다이아몬드 슬러리가 바람직하다.
AlxGayInzN 웨이퍼 블랭크의 랩핑은 단일의 단계, 또는 각각의 후속 랩핑 단계에서 점차적으로 입도가 작아지는 연마제를 사용하는 다수의 단계에 의하여 수행될 수 있다. 각각의 랩핑 단계 이후, 이전 단계들을 통한 표면 손상이 다음 단계로 의 진행 이전에 실질적으로 제거되었는지 여부를 확인하기 위하여 광학 현미경으로 관찰할 수 있다.
본 발명의 하나의 구체예에서, 1 psi의 압력하에 AlxGayInzN 웨이퍼를 주조 철 랩핑 플레이트상에 랩핑시키는데 9㎛ 다이아몬드 연마제를 포함하는 단일 랩핑 슬러리가 사용된다. 다이아몬드 연마 입자의 크기는 다이아몬드 슬러리 제조업자에 의하여 제공되며, 이는 슬러리중 다이아몬드 입자의 평균 크기이다.
본 발명의 다른 예시적인 구체예에서는, 2개의 랩핑 슬러리가 사용된다 : 제1 랩핑 슬러리는 주조 철 랩핑 플레이트상에 AlxGayInzN 웨이퍼를 랩핑시키기 위한 9㎛의 다이아몬드 연마제를 포함하며, 제2 슬러리는 구리 플레이트상에 동일한 웨이퍼를 랩핑시키기 위한 6㎛의 다이아몬드 연마제를 포함하여, 원하는 정도로 피니쉬 처리를 수행할 수 있다.
AlxGayInzN 웨이퍼를 랩핑시킨후, 기계적으로 연마하여 평활한 표면 형태를 형성시킬 수 있다. 기계적 연마 가공 동안, 상기 AlxGayInzN 웨이퍼는 연마 입자를 보유하는 연마 패드에 대하여 가압된다. 연마 가공은 통상적으로 동일한 크기의 다이아몬드 슬러리를 사용할때 조차도 랩핑의 경우보다 더욱 우수한 표면 피니쉬를 제공한다. 연마는 단일의 단계에 의하거나, 또는 각각의 후속 연마 단계에서 입자 크기가 점차적으로 작아지는 연마제를 사용하는 다수의 단계에 의하여 수행될 수 있다.
기계적 연마 가공후, AlxGayInzN 웨이퍼 표면은 비교적 평활해진다. 도 8은 거울 피니쉬가 형성될 때까지 1㎛ 다이아몬드 슬러리를 사용하여 기계적으로 연마된 이후의 GaN 표면의 노르마스키 광학 구조도(100배)를 나타내는 것이다. 그러나, 이러한 AlxGayInzN 웨이퍼는 표면 및 하부 표면의 손상이 상당하기 때문에 AlxGayInzN 결정의 호모에피택셜 성장에 적당하지 않다. 도 9에 도시한 바와 같이, 표면 손상은 원자력 현미경(AFM)하에서 눈으로 확인할 수 있는 조밀한 연마 스크래치를 특징으로 한다.
이러한 표면 및 하부 표면의 손상을 제거하고 스크래치를 연마하기 위해서는, AlxGayInzN 웨이퍼의 화학 기계 연마법(CMP)이 바람직하다.
AlxGayInzN 웨이퍼의 Ga측을 화학 기계 연마하는데 유용한 제1 CMP 슬러리는 산 및 입도가 200㎚ 미만인 비결정질 실리카 연마 입자 예컨대, 발연 실리카 또는 콜로이드 실리카를 포함한다. 이러한 CMP 슬러리의 pH 값은 약 0.5∼약 4인 것이 바람직하다. 이러한 CMP 슬러리는 또한 산화제 예컨대, 과산화수소, 디클로로이소시아누르산 등을 포함하는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2는 pH 값이 0.8인 산성 실리카 슬러리를 사용하여 약 1 시간 동안 화학 기계 연마한 GaN 웨이퍼의 노르마스키 광학 조직 사진 및 AFM 이미지를 나타내는 것이다. 상기 GaN 웨이퍼는 처음에 1㎛ 다이아몬드 슬러리로 연마한 후 CMP로 연마한다. 상기 기판으로 인하여 소수의 결함이 형성되는 것을 제외하고, 상기 GaN 표면은 매우 평활하며, RMS 표면조도는 2 ×2㎛2당 약 0.15㎚이고, 10 ×10㎛2당 약 0.5㎚이다. 뿐만 아니라, AFM을 통하여 GaN 표면상에서 이전에는 확인할 수 없던 단 구조(step structure)가 관찰된다. 이러한 단 구조의 존재는 이전의 기계적 연마로부터 생성된 연마 스크래치를 제거하는데 CMP 가공이 성공적임을 시사하는 것이다. 이러한 슬러리를 사용하는 CMP의 속도는 예를 들어, 약 2㎛/시간이다.
CMP 가공으로 표면상의 하부 표면 손상이 제거되었는지 여부를 확인하기 위하여, CMP 가공후의 웨이퍼를 180℃에서 5분 동안 강력한 에칭제인, H3PO4로 에칭한다. 이러한 에칭 조건에서, 결정의 결함과 GaN 표면의 Ga측상에 형성된 표면 및 하부 표면 손상은 에칭 피트를 생성시키는 우수한 결정질의 재료의 경우보다 더욱 빠른 속도로 에칭될 것이다. 상기 피트의 크기 및 수는 원자력 현미경으로 연구될 수 있다. 핫 H3PO4 에칭후, 상기 CMP 연마된 웨이퍼는 몇개의 에칭 피트를 나타내지만, 이 에칭 피트의 밀도는 CMP 연마 표면에서 확인될 수 있다. 그러나, 상기 피트의 크기는 증가하게 된다. 비교를 위하여, CMP 가공으로 완전히 연마되지 않은 웨이퍼(즉, CMP 가공 시간이 보다 단축되어 연마 손상이 잔류하는 웨이퍼)에서는 180℃에서 5분 동안 H3PO4로 에칭한후 더 많은 에칭 피트가 나타나며, 이들 피트중 다수는 라인을 따라서 존재하는데, 이는 CMP 가공이 완결되지 않는 경우 표면 및 하부 표면 손상이 완전히 제거되지 않음을 시사한다.
산화제는 산성 CMP 슬러리에 첨가하는 것이 유리할 수 있다. 과산화수소 또는 디클로로이소시아누르산이 산화제로서 사용될때, 연마 속도는 2㎛/시간이며, RMS 표면조도는 2 ×2㎛2당 0.2㎚ 이하이고, 10 ×10㎛2당 0.5㎚ 이하이다. AlxGayInzN 웨이퍼 표면상의 단구조는 AFM하에서 용이하게 관찰된다.
화학 기계적으로 AlxGayInzN 웨이퍼의 Ga측을 연마하는데 유용한 제2 CMP 슬러리는 산 및 입도 200㎚ 미만의 콜로이드 알루미나 연마 입자를 포함한다. 이러한 CMP 슬러리의 pH 값은 약 3∼약 4인 것이 바람직하다. 바람직하게, 이러한 CMP 슬러리는 또한 산화제 예컨대, 과산화수소, 디클로로이소시아누르산 등을 포함한다.
도 3은 산화제로서 과산화수소를 포함하는 산성 콜로이드 알루미나 CMP 슬러리(pH=3.6)를 사용하여 1 시간 동안 화학 기계 연마된 GaN 표면의 AFM 이미지를 나타내는 것이다. AFM하에서 단 구조가 관찰되는데, 이는 곧 산성 콜로이드 알루미나 슬러리가 GaN 표면으로부터 기계적 손상을 제거하는데 효율적임을 나타내는 것이다. 그러나, 동일한 연마 수행 조건에서 콜로이드 알루미나계 슬러리는 연마 속도(약 0.1㎛/시간)가 실리카계 슬러리의 연마 속도 보다 훨씬 느리다. 연마 속도가 느리기 때문에, 산성 콜로이드 알루미나 CMP 슬러리로 연마한지 1 시간 후에도 다수의 연마 스크래치가 여전히 존재한다. 콜로이드 알루미나계 슬러리를 사용하여 표면/하부 표면 손상을 완전히 제거하는데는 더욱 오랜 시간이 필요하다.
AlxGayInzN 웨이퍼의 Ga측을 화학 기계 연마하는데 효율적인 제3 CMP 슬러리는 염기, 및 입도가 200㎚ 미만인 발연 실리카 또는 콜로이드 실리카와 같은 비결정질 실리카 입자를 포함한다. 이러한 CMP 슬러리의 pH 값은 약 8∼약 13.5이다.
도 4 및 도 5는 노르마스키 광학 구조 사진, 및 pH 값이 11.2인 염기성 콜로 이드 실리카 슬러리를 사용하여 약 1 시간 동안 화학 기계 연마된 GaN 웨이퍼의 AFM 이미지를 나타낸다. 표면은 더욱 거칠었으며, 산성 실리카 슬러리를 사용하여 표면 피니쉬 처리되었을때와 비교하여 연마시 상당히 많은 스크래치가 형성되었다. 더욱이, 스크래치는 1㎛ 다이아몬드 분말을 포함하는 다이아몬드 슬러리를 사용한 기계적 연마후의 GaN 표면의 스크래치보다 더욱 크고 깊었으며, 이는 보다 큰 입자 또는 입자 응집체가 염기성 실리카 슬러리중에 존재함을 시사하는 것이다. 흥미롭게도, 단 구조도 관찰되었다. 단 구조가 존재함은 이전의 기계적 연마로부터 생성된 표면 손상은 제거되었으나, 슬러리중 더 큰 입자들이 존재함으로써 새로운 손상이 형성되었음을 나타내는 것이다. 따라서, 연마 이전에 염기성 실리카 슬러리를 여과하여 큰 입자들을 제거하고 그러한 슬러리중의 연마 입자들의 입도가 200㎚ 미만인지 여부를 확인하는 것이 바람직하다.
pH 변경을 위하여 수산화물을 사용하는 이외에, 암모니아 또는 알칸올아민으로 염기성 실리카 슬러리의 pH를 조정할 수 있다. 암모니아- 또는 알칸올아민-안정화된 슬러리는 더욱 평활한 연마 표면을 제공하므로, 수소화물계 슬러리에 비하여 바람직하다.
CMP 가공의 안정성을 개선시키기 위하여, CMP 가공중에 주변 습도 및 온도를 조절하는 것이 유리할 수 있다.
화학 기계 연마 이후, 당업계에 공지된 기법을 사용하여 AlxGayInzN 웨이퍼를 세척하여 건조시킬 수 있다. 마일드 에칭 또한 최종 연마된 웨이퍼로부터 잔류하는 임의의 표면 및 하부 표면의 손상을 제거하는데 사용될 수도 있다. 마일드 에칭을 위한 조건은 Ga측의 손상되지 않은 표면을 에칭하지 않거나 또는 제한된 정도로만 에칭하면서, 최종 연마로 인하여 Ga측 표면상에 잔류하는 몇몇 표면 손상을 제거하도록 선택된다. 마일드 에칭은 또한 N측 표면상에 있는 손상을 제거하여 N 표면 손상으로 인한 웨이퍼상 스트레스를 감소시킬 수 있다. 이러한 마일드 에칭은 또한 N 표면상에 매트 피니쉬를 생성시킬 수도 있다. 예를 들어, 상기 웨이퍼는 100℃ 이하의 온도에서 염기(예컨대, KOH 또는 NaOH) 수용액 또는 산(예컨대, HF, H2SO4 또는 H3PO4) 수용액 중에서 약하게 에칭될 수 있다.
AlxGayInzN 웨이퍼는 웨이퍼를 휘게 만들거나 또는 비틀리게 만드는 내부 응력으로 해를 입을 수 있다. 일련의 웨이퍼 제조 단계 수행 이전, 이후 또는 그 사이에 수행될 수 있는 AlxGayInzN 웨이퍼의 열 어닐링 또는 화학적 에칭은 그러한 내부 응력을 완화시킬 수 있다.
AlxGayInzN 웨이퍼가 그 표면상에 큰 피트를 보유하고 제조 과정중 오염물이 이 피트에 포집되는 경우, 화학적 에칭 및 세척 단계를 통하여 웨이퍼 제조 단계 수행중에 형성된 피트로부터 오염물을 제거하는 것이 유리하다.
본 발명의 하나의 구체예에서는, AlxGayInzN 웨이퍼를 질소 대기하에 1000℃이하의 온도에서 열 어닐링시킨다. 어닐링 온도는 약 700∼약 1000℃인 것이 바람직하며, 상기 열 어닐링의 지속 시간은 약 1분∼약 1 시간인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 구체예에서, AlxGayInzN 웨이퍼는 화학적 에칭되고, 바람직하게는 손상된 표면 재료를 상기 AlxGayInzN 웨이퍼로부터 제거함으로써 표면 손상으로 인한 웨이퍼의 휨 및 비틀림을 감소시킨다.
AlxGayInzN 웨이퍼의 화학적 에칭은 웨이퍼를 고온에서 상당한 강산 또는 강염기중에 침지시켜 수행될 수 있다. 150℃ 이상의 온도에서 황산 또는 인산은 상기 AlxGayInzN 웨이퍼를 에칭할 수 있다. 대안적으로, 용융 수산화칼륨 또는 수산화나트륨도 상기 AlxGayInzN 웨이퍼를 에칭할 수 있다. 에칭 조건 예컨대, 에칭 온도 및 에칭 시간을 조절하여 표면 재료를 두께 100㎛ 이하, 바람직하게는 10㎛이하 제거시킬 수 있다.
예를 들어, 산성 실리카 CMP 슬러리(pH=0.8)를 사용하여 약 1 시간 동안 GaN 표면을 화학 기계 연마하면 작은 피트들이 형성되는데, 이 피트는 GaN 웨이퍼 결정 격자의 어긋남(dislocation)에서 기인할 수 있다. 상기 피트의 지름은 통상적으로 1㎛ 이하이며, 더욱 통상적으로는 0.5㎛ 이하이다. 상기 피트는 원자력 현미경으로 이미지화시킬 경우 모서리가 선명하지 않은 둥근 모양으로 나타날 수 있다. 상기 웨이퍼를 예를 들어, H3PO4로 180℃에서 5분 동안 완전히 CMP 연마하여 에칭시킬때, 상기 피트의 크기는 증가하지만, 피트의 밀도는 동일하게 유지되는데 즉, 더이상 피트가 형성되지 않는다. 뿐만 아니라, 상기 CMP 연마된 웨이퍼를 에칭하여 형성된 피트는 원자력 현미경으로 이미지화시켰을때 6각형의 형태로 확인된다.
도 6은 명확하게 눈으로 확인 가능한 피트를 보유하는 GaN 표면의 AFM 이미지를 나타내는 것이다. 상기 GaN 표면은 산성 콜로이드 실리카 CMP 슬러리(pH=0.8)를 사용하여 약 1 시간 동안 화학 기계 연마된다.
도 7은 또한 산성 콜로이드 실리카 CMP 슬러리(pH=0.8)에 의하여 1 시간 동안 연마된, GaN 웨이퍼의 결함 밀도를 측정하기 위하여 계수될 수 있는 가시적 피트를 보유하는 GaN 웨이퍼의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 나타내는 것이다. 상기 GaN 웨이퍼 표면의 화학 기계 연마를 수행하지 않고서는, AFM 또는 SEM으로 이러한 피트를 관찰할 수 없다.
그러므로, CMP 가공법을 사용하여 AlxGayInzN 웨이퍼를 제조한후, 결정의 결함을 조명하여 AFM 또는 SEM 기법으로 결함의 밀도를 측정할 수 있다.
이러한 결함 하이라이팅 기법(defect highlight technique)은 다른 기법 예컨대, 투과 전자 현미경(TEM), 습식-화학적 에칭 및 광 전기화학적 에칭보다 우수하다. 이러한 에칭 기법은 일반적으로 엄중한 에칭 조건하에서 수행되어, 에칭된 AlxGayInzN 웨이퍼를 그 표면에서의 AlxGayInzN 결정질 재료의 후속 에피택셜 성장에 적당하지 않게 만든다.
이와는 대조적으로, 결정의 결함을 조명하는데 CMP 가공을 수행하면 AlxGayInzN 웨이퍼의 결정 표면을 손상시키지 않기 때문에, 후속적으로 결정을 성장시킬 수 있다.
본 발명의 GaN 웨이퍼를 사용하여 광전자 장치 예컨대, 발광 다이오드 및 청색광 레이저 등을 제조할 수 있다. 청색발광 다이오드(LED) 및 레이저는 유용한 기술로서, 광자기 메모리 및 CDROM의 저장 밀도를 더욱 높일 수 있고, 풀칼라(full color) 발광 디스플레이를 제조할 수 있으므로 이러한 장치는 중요하다. 상기 장치는 오늘날 도로 및 철로 표지판 등의 백열광 전구를 대체할 수 있는 것으로서, 비용과 에너지를 상당히 절약할 수 있으므로 매우 유용한 것이다.
실시예
실시예 1
두께 수백㎛인 GaN 필름을 HVPE 가공법으로 사파이어 기판상에서 성장시킨후, 이를 사파이어 기판으로부터 분리하였다. 결과적으로 형성된 무제한 적층 GaN 웨이퍼 블랭크는 RMS 조도가 2 ×2㎛2당 약 4㎚인 조작화된 Ga 표면을 나타내었다.
이후 상기 GaN 웨이퍼 블랭크를 랩핑 가공을 수행하지 않고 Ga측에서 산성 실리카 슬러리로 연마하였다.
연마후, 상기 GaN 웨이퍼의 표면 형태는 매우 개선되었으며, 조직화된 표면도 완전히 제거되었다. RMS 조도는 2 ×2㎛2당 0.3㎚ 이하로 감소되었다.
실시예 2
두께가 200∼500㎛인 두꺼운 GaN 필름을 HVPE 가공에 의하여 2" 사파이어 기판상에서 성장시켰다. 이후 GaN 필름을 상기 사파이어 기판으로부터 분리하여, 무 제한 적층 GaN 웨이퍼 블랭크를 형성시켰다.
GaN 필름에 대한 플랫을 30° 어긋난 사파이어 기판의 플랫으로 마킹하였다. 이후 입자 빔 제트를 이용하여 GaN 웨이퍼 블랭크를 지름 30, 35 및 40 ㎜인 웨이퍼 형태로 사이징하였다. 웨이퍼 사이징시 웨이퍼 파열을 방지하기 위해서, 왁스를 사용하여 두께 1 ㎜ 이상인 유리 플레이트상에 GaN 웨이퍼를 적재하는 것이 바람직하였다.
왁스를 사용하여 9개의 GaN 웨이퍼를 그의 N측이 랩 고정구와 마주보도록 하여 랩 고정구상에 적재하였다. 왁스를 냉각시킬때 강철 블록을 각 웨이퍼의 상부에 배치하였다. 맨처음 주조 철 랩핑 플레이트상에서 지름이 9㎛인 다이아몬드 슬러리를 사용하여 상기 GaN 웨이퍼를 Ga측에 랩핑시켰다. 랩핑시키기 이전에, 웨이퍼 사이 및 각 웨이퍼간에는 두께의 변화가 많았다. 랩핑시킨후, 웨이퍼 두께의 균일성은 매우 개선되었다.
이후 상기 웨이퍼를 랩핑 고정구로부터 제거하고, 기계적 연마 고정구상에 왁스를 적재하였다. 거울 피니쉬 효과가 얻어질 때까지 각 웨이퍼를 지름 3㎛의 다이아몬드 슬러리로 연마하였다. 광학 현미경 관찰시, 랩핑 과정에서 형성된 모든 표면 손상은 제거되었다.
기계적 연마후, 웨이퍼를 산성 콜로이드 실리카 슬러리로 화학 기계 연마하였다. 노르마스키 광학 현미경을 사용하여 연마된 표면을 관찰하였으며, 이로써 CMP 방법이 모든 기계적 연마 스크래치를 제거함을 확인하였다.
실시예 3
왁스를 사용하여 3개의 GaN 웨이퍼 블랭크를 이의 Ga측이 랩 고정구와 마주보도록 랩 고정구에 적재하였다. 왁스를 냉각시키면서 강철 블록을 각 웨이퍼의 상부에 배치하였다. 처음에 주조 철 랩핑 플레이트를 보유하는 Lapmaster 15 랩핑 기계상에서 지름 9㎛인 다이아몬드 슬러리를 사용하여 균일한 매트 피니쉬가 제공될 때까지 상기 GaN 웨이퍼를 N측상에 랩핑시켰다.
N측을 랩핑시킨후, 핫 플레이트상에서 가열하여 랩 고정구로부터 GaN 웨이퍼를 제거하였다. 상기 웨이퍼를 세척하고 이를 왁스가 도포된 랩 고정구상에 N측이 상기 랩 고정구와 마주보도록 적재하였다. 왁스를 냉각시킬때 강철 블록을 각 웨이퍼의 상부에 배치하였다. 목적하는 웨이퍼 두께가 얻어질 때까지 주조 철 랩핑 플레이트상에서 지름 9㎛인 다이아몬드 슬러리를 사용하여 GaN 웨이퍼를 Ga측에 랩핑시켰다. 이후, 이전 랩핑 단계로부터 형성된 표면 모양이 제거될 때까지 구리 랩핑 플레이트상에서 상기 GaN 웨이퍼를 지름 6㎛인 다이아몬드 슬러리로 랩핑시켰다.
랩핑후, 이전 랩핑 단계에서 형성된 표면 모양이 제거될 때까지 3개의 웨이퍼를 Buehler ECOMET 연마기상에서 지름 1㎛인 다이아몬드 슬러리를 사용하여 기계적으로 연마하였다.
기계적 연마후, Beuhler ECOMET 연마기상에서 상기 3개의 웨이퍼를 산성 콜로이드 실리카 슬러리를 사용하여 화학 기계적으로 연마하였다. 1 몰의 수성 염산 2 부와 시판되는 실리카 슬러리인, Nalco 2350 연마 슬러리 1 부를 혼합하여 산성 콜로이드 실리카 슬러리를 제조하였다. 노르마스키 광학 현미경으로 연마된 표면을 관찰하여 상기 CMP 공정이 모든 기계적 연마 스크래치를 제거함을 확인하였다.
CMP 공정후, 연마 고정구로부터 상기 웨이퍼를 제거한후 세척하였다. 또한 상기 웨이퍼를 희석된 플루오르화수소산중에서 세척하여 웨이퍼 표면상에 잔류하는 임의의 콜로이드 실리카 입자를 제거하였다. 원자력 현미경(Digital Instruments NanoScopeⅢ)으로 상기 웨이퍼를 이미지화시켜 표면의 피트 밀도와 평활도를 측정하였다. 하나의 웨이퍼에 대하여, 상기 RMS 조도는 2 ×2㎛2당 0.11㎚ 그리고 10 ×10㎛2당 0.28㎚였다. 상기 3개의 웨이퍼에 대한 피트 밀도는 약 106∼107 피트/㎠였으며, 피트 크기는 지름 약 0.4㎛ 이하였다.
본 발명의 GaN 웨이퍼를 사용하여 광전자 장치 예컨대, 발광 다이오드 및 청색광 레이저 등을 제조할 수 있다. 청색발광 다이오드(LED) 및 레이저는 유용한 기술로서, 광자기 메모리 및 CDROM의 저장 밀도를 더욱 높일 수 있고, 풀칼라(full color) 발광 디스플레이를 제조할 수 있으므로 이러한 장치는 중요하다. 상기 장치는 오늘날 도로 및 철로 표지판 등의 백열광 전구를 대체할 수 있는 것으로서, 비용과 에너지를 상당히 절약할 수 있으므로 매우 유용한 것이다.
본 발명은 특정 양상, 측면 및 구체예를 참고로하여 기술되어 있다. 그러므로 본 발명의 이용가능성은 한정되지는 않으며, 다양한 변수, 변형예 및 기타 구체예로 용이하게 확대될 수 있고, 이는 당업자에 의하여 용이하게 파악될 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시된 청구항과 일치하도록 광범위하게 해석될 것이다.
도 1은 산성 콜로이드 실리카 CMP 슬러리(pH=0.8)를 사용하여 1 시간 동안 화학 기계 연마하고, 묽은 플루오르화수소산에서 세척한 이후의 GaN 표면의 노르마스키(Normaski) 광학 조직 사진(100배)을 나타내는 것이다.
도 2는 도 1에 나타낸 GaN 표면의 원자력 현미경(AFM) 이미지를 나타내는 것이다.
도 3은 산화제로서 과산화수소를 포함하는 산성 콜로이드 알루미나 CMP 슬러리(pH=3.6)를 사용하여 1 시간 동안 화학 기계 연마하고, 묽은 플루오르화수소산으로 세척한 이후의 GaN 표면의 AFM 이미지를 나타내는 것이다.
도 4는 염기성 콜로이드 실리카 CMP 슬러리(pH=11.2)를 사용하여 1 시간 동안 화학 기계 연마하고, 묽은 플루오르화수소산중에서 세척한 후의 GaN 표면의 노르마스키 광학 조직 사진(100배)을 나타내는 것이다.
도 5는 도 4에 나타낸 GaN 표면의 AFM 이미지를 나타내는 것이다.
도 6은 산성 실리카 CMP 슬러리(pH=0.8)를 사용하여 1 시간 동안 화학 기계 연마하고, 묽은 플루오르화수소산에서 세척한 후의 GaN 표면의 AFM 이미지를 나타내는 것이다.
도 7은 산성 실리카 CMP 슬러리(pH=0.8)를 사용하여 1 시간 동안 화학 기계 연마하고 희석된 플루오르화수소산에서 세척한 후의 GaN 표면의 주사 전자 현미경(SEM) 조직 사진을 나타내는 것이다.
도 8은 거울 피니쉬 효과가 이루어질 때까지 1㎛ 다이아몬드 슬러리를 사용 하여 기계적으로 연마한 후의 GaN 표면의 노르마스키 광학 조직 사진(100배)을 나타내는 것이다.
도 9는 도 8에 나타낸 GaN 표면의 AFM 이미지를 나타내는 것이다.

Claims (19)

  1. 하나 이상의 연마 단계를 거친 웨이퍼로서, 상기 웨이퍼는 AlxGayInzN(식중, 0 < y ≤1이고 x+y+z = 1임)을 포함하고, 상기 웨이퍼의 Ga측에서의 실효(root mean square; RMS) 표면조도가 10 ×10㎛2당 1㎚ 미만인 것을 특징으로 하는 웨이퍼.
  2. 제1항에 있어서, 상기 웨이퍼의 Ga측에서의 RMS 표면조도는 2 ×2㎛2당 적어도 0.4㎚ 미만인 것인 웨이퍼.
  3. 제1항에 있어서, 원자력 현미경으로 관찰하였을때 Ga측의 단구조를 특징으로 하는 것인 웨이퍼.
  4. 제1항에 있어서, 상기 Ga측의 결정 결함은 지름 1㎛ 미만인 작은 피트로 보이는 것인 웨이퍼.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 웨이퍼는 Ga측에 기계적 연마로 인해 도입되는 연마 스크래치가 없는 것인 웨이퍼.
  6. 하나 이상의 연마 단계를 거치고 AlxGayInzN를 포함하는 웨이퍼상에서 성장한 에피택셜 Alx'Gay'Inz'N 박막을 포함하는 에피택셜 AlxGayInzN 결정 구조(식중, 0 < y'≤1, x'+y'+z'=1, 0 < y ≤1이고, x+y+z=1임)로서, 상기 웨이퍼의 Ga측에서의 실효(RMS) 표면조도는 10 ×10㎛2당 1㎚ 미만인 것을 특징으로 하는 에피택셜 AlxGayInzN 결정 구조.
  7. 제6항에 있어서, 우르차이트(wurtzite) 결정질 박막을 포함하는 에피택셜 AlxGayInzN 결정 구조.
  8. 제6항에 있어서, 상기 에피택셜 Alx'Gay'Inz'N 박막은 AlxGayInzN을 포함하는 웨이퍼와 상이한 조성을 갖는 것인 에피택셜 AlxGayInzN 결정 구조.
  9. 제6항에 있어서, 상기 에피택셜 Alx'Gay'Inz'N 박막은 구배가 형성된 조성을 갖는 것인 에피택셜 AlxGayInzN 결정 구조.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한항에 있어서, 상기 웨이퍼의 Ga측에 기계적 연마로 인해 도입되는 연마 스크래치가 없는 것인 에피택셜 AlxGayInzN 결정 구조.
  11. 하나 이상의 연마 단계를 거치고 AlxGayInzN(식중, 0 < y ≤1이고 x+y+z = 1임)을 포함하는 웨이퍼상에서 성장한 1 이상의 에피택셜 Alx'Gay'Inz'N 결정 구조를 포함하는 광전자 장치로서, 상기 웨이퍼는 그 Ga측에서의 실효(RMS) 표면조도가 10 ×10㎛2당 적어도 1㎚ 미만인 것을 특징으로 하는 광전자 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 광전자 장치는 발광 다이오드, 청색광 레이저 다이오드(blue light laser diode), 광자기 메모리 장치, 풀칼라(full color) 발광 디스플레이, 또는 DVD 장치 중 어느 것을 포함하거나 합체되는 것인 광전자 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 웨이퍼는 그 Ga측에 기계적 연마로 인해 도입되는 연마 스크래치가 없는 것인 광전자 장치.
  14. 하나 이상의 연마 단계를 거치고 AlxGayInzN(식중, 0 < y ≤1이고 x+y+z = 1임)을 포함하는 웨이퍼상에서 성장한 1 이상의 에피택셜 Alx'Gay'Inz'N 결정 구조를 포함하는 초소형 전자 장치로서, 상기 웨이퍼는 그 Ga측에서의 실효(RMS) 표면조도가 10 ×10㎛2당 적어도 1㎚ 미만인 것을 특징으로 하는 초소형 전자 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 웨이퍼는 그 Ga측에 기계적 연마로 인해 도입되는 연마 스크래치가 없는 것인 초소형 전자 장치.
  16. 하나 이상의 연마 단계를 거치고 AlxGayInzN(식중, 0 < y ≤1이고 x+y+z=1임)을 포함하는 웨이퍼상에서 성장한 에피택셜 Alx'Gay'Inz'N 결정 부울로서, 상기 웨이퍼는 그 Ga측에서의 실효(RMS) 표면조도가 10 ×10㎛2당 적어도 1㎚ 미만인 것을 특징으로 하는 에피택셜 Alx'Gay'Inz'N 결정 부울.
  17. 제16항에 있어서, 상기 부울은 기체상에서 성장하는 것인 에피택셜 Alx'Gay'Inz'N 결정 부울.
  18. 제16항에 있어서, 상기 부울은 액체상에서 성장하는 것인 에피택셜 Alx'Gay'Inz'N 결정 부울.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 부울이 성장된 상기 웨이퍼의 Ga측에 기계적 연마로 인해 도입되는 연마 스크래치가 없는 것인 에피택셜 Alx'Gay'Inz'N 결정 부울.
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