KR101187341B1 - 질화갈륨 기판 및 그 처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 질화갈륨 기판으로부터 유기오염물질을 세정하는 유기세정단계와, 산 세정액을 사용하여 상기 유기세정단계를 거친 질화갈륨 기판으로부터 금속오염물질을 세정하는 산세정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 처리방법을 제공한다. 바람직하게는, 상기 유기세정단계에서는, TCE(Tri-Chloro-Etylene), 아세톤 및 2-프로판올 중 적어도 하나 이상을 세정액으로 사용한다. 바람직하게는, TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정 및 2-프로판올에 의한 세정 각각은, 상온 ~ 60℃의 온도에서 수행된다. 바람직하게는, 유기세정단계에서는 초음파 세정이 수행된다. 바람직하게는, 상기 산세정단계에서는, SPM(Sulfuric acid Peroxide Mixture)을 세정액으로 사용한다. 바람직하게는, 상기 SPM은 H2SO4 : H2O2가 1:1 ~ 1:5의 비율로 혼합된다. 바람직하게는, 상기 산세정단계에서는, SPM에 의한 세정이 상온 ~ 60℃의 온도에서 수행된다. 또한, 본 발명의 질화갈륨 기판은,표면의 금속의 오염물질 농도가 1.0 × 1013 ea/cm3 이하를 만족한다. 바람직하게는, 상기 금속은 경금속으로서, B, Na, Mg, Al, K 및 Ca 그리고 중금속으로서 Cr, Fe, Ni, Co, Cu 및 Zn 중 적어도 하나 이상을 포함한다.

Description

질화갈륨 기판 및 그 처리방법{GALLIUM NITRIDE SUBSTRATE AND ITS PROCESSING METHOD}
본 발명은 질화갈륨 기판 및 그 처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면 오염물질 농도에 대한 품질 기준을 마련하고 그에 대응할 수 있는 질화갈륨 기판 및 그 처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨(GaN)은 넓은 에너지 밴드갭과 원자간의 큰 상호 결합력 그리고 높은 열전도성으로 인해 광소자 및 고온, 고전력 소자로서 적합한 특성을 구비한다.
따라서, 질화갈륨 계열의 반도체 화합물은 광전자 소자를 제조하는 재료로 다양하게 이용되고 있으며, 구체적으로, 질화갈륨을 이용하여 제조된 청색 및 녹색 발광소자는 멀티미디어, 신호등, 실내 조명, 고밀도 광원, 고해상도 출력 시스템과 정보 통신분야 등 광범위한 분야에 응용되고 있다.
질화갈륨 단결정의 액상 결정 성장은 1500℃ 이상의 고온과 20000 기압의 질 소 분위기가 필요하므로 대량 생산이 어려울 뿐만 아니라 현재 사용 가능한 결정 크기도 약 100㎟ 정도의 박판형으로 이를 소자 제작에 사용하기 곤란하다.
지금까지 질화갈륨은 이종 기판상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등의 기상 성장법으로 성장되고 있다. MOCVD법은 고품질의 막을 얻을 수 있음에도 불구하고 성장 속도가 너무 느리기 때문에 수십 또는 수백 ㎛의 GaN 기판을 얻는데 사용하기가 어려운 문제가 있다. 이러한 이유로 GaN 후막을 얻기 위해서는 HVPE를 이용한 성장 방법이 주로 사용된다.
질화갈륨 성장용 이종 기판으로는 사파이어(Sapphire) 기판이 가장 많이 사용되고 있는데, 이는 사파이어가 질화갈륨과 같은 육방정계 구조이며, 값이 싸고, 고온에서 안정하기 때문이다. 그러나 사파이어는 질화갈륨과 격자 상수 차(약 16%) 및 열팽창 계수 차(약 35%)에 의해 계면에서 스트레인(Strain)이 유발된다. 이 스트레인이 결정 내에 격자 결함 및 크랙(crack)을 발생시켜 고품질의 질화갈륨 성장을 어렵게 하고, 질화갈륨 기판 상에 제조된 소자의 수명을 단축시킨다.
도 1 및 2는 성장시 발생하는 질화갈륨 기판의 휨을 보인 모식도이다.
사파이어 기판 위에 질화갈륨을 성장시키는 경우 사파이어와 질화갈륨의 열팽창계수 차이로 인하여 질화갈륨 성장시 도 1에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(110)으로부터 질화갈륨 기판(210)으로 휨이 발생한다. 또한, 질화갈륨 성장 후 냉각 과정에서는 도 2에 도시한 바와 같이 반대 방향으로 휨이 발생하여 질화갈륨 기판에는 전체적으로 스트레스가 가해지므로, 사파이어 기판으로부터 분리된 후에 도 질화갈륨 자립층(freestanding layer)의 내구성이 취약하게 된다.
이러한 휨을 방지하기 위하여 질화갈륨과의 열팽창계수 차이가 큰 사파이어 기판 대신 열팽창계수 차이가 비교적 작은 GaAs 기판을 사용하는 방안이 제안된 바 있지만, GaAs 기판은 고가이고 열에 열화되는 단점이 있다.
또한, 사파이어 기판에서 성장한 질화갈륨 박막 또는 후막을 사파이어 기판으로부터 분리하는 것이 용이하지 않다는 문제점이 있다. 사파이어 기판으로부터 성장한 질화갈륨 기판을 분리하는 방법으로는 레이저를 이용한 기계적 분리 방법이 있다.
예를 들어, 사이이어 기판(110)과 질화갈륨 기판(210)에 레이저를 조사하면 두 물질 사이의 계면에서 레이저에 의한 계면 융착이 발생하고, 그 결과 질화갈륨 기판(210)을 사파이어 기판으로부터 분리할 수 있다. 그러나, 레이저를 이용한 질화갈륨 기판의 기계적 방식의 분리는 분리 과정에서 질화갈륨 기판에 부가적으로 휨을 유발할 수 있다.
따라서, 성장 및 분리 과정에서 발생된 휨을 제거하기 위하여 연삭, 래핑, 등의 방법으로, 질화갈륨 기판의 면을 평탄화시키는 평탄화 단계가 요구된다.
이러한 과정을 거쳐 제조되는 질화갈륨 기판의 표면은, 금속오염물질, 등에 의한 오염이 발생된다. 질화갈륨 성장 후, 가공 공정 중에 사용되는 슬러리에 의한 오염, 각종 소모품에 의한 오염, 기타 가공 공정 중에 발생할 수 있는 오염, 등이 오염원이 된다.
반도체 공정에서는 각 레이어간의 인터페이스 상태가 매우 중요하다. 이는 소자의 성능과 수율에 직접적인 영향을 미치게 된다. 상기한 질화갈륨 기판 표면의 금속오염물질, 등에 의한 오염은 후속하는 Fab 공정에서 패터닝시 품질 문제, 등을 발생시키므로, 이에 대한 제거가 필수적이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 세정 공정을 통하여 질화갈륨 기판으로부터 금속오염물질을 제거함으로써, 후속 공정에서 야기될 수 있는 품질 문제를 방지하여 안정적인 질화갈륨 기판 품질을 확보하는데 있다.
또한, 현재 기준이 정립되어 있지 않은 질화갈륨 기판의 금속오염물질에 대한 기준을 제공함으로써, 안정적인 질화갈륨 기판 품질을 확보할 수 있는 가이드 라인으로 활용될 수 있는 질화갈륨 기판의 금속오염물질 농도 기준을 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 질화갈륨 기판으로부터 유기오염물질을 세정하는 유기세정단계와, 산 세정액을 사용하여 상기 유기세정단계를 거친 질화갈륨 기판으로부터 금속오염물질을 세정하는 산세정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 처리방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 유기세정단계에서는, TCE(Tri-Chloro-Etylene), 아세톤 및 2-프로판올 중 적어도 하나 이상을 세정액으로 사용한다.
바람직하게는, TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정 및 2-프로판올에 의한 세정 각각은, 상온 ~ 60℃의 온도에서 수행된다.
바람직하게는, TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정 및 2-프로판올에 의한 세정 각각은, 배쓰에 담겨 있는 세정액에 질화갈륨 기판을 디핑한 상태에서 세정액에 초음파를 인가하여 수행된다.
바람직하게는, 상기 산세정단계에서는, SPM(Sulfuric acid Peroxide Mixture)을 세정액으로 사용한다.
바람직하게는, 상기 SPM은 H2SO4 : H2O2가 1:1 ~ 1:5의 비율로 혼합된다.
바람직하게는, 상기 산세정단계에서는, SPM에 의한 세정이 상온 ~ 60℃의 온도에서 수행된다.
바람직하게는, 세정액에 의한 세정이 수행된 후, 린스 및 건조가 수행된다.
바람직하게는, 질화갈륨 기판 표면의 손상층을 제거하는 손상층제거단계를 추가적으로 포함하고, 상기 유기세정단계는 상기 손상층제거단계의 후에 수행되거나 또는 전후로 각각 수행된다.
바람직하게는, 상기 손상층제거단계에서는, ICP-RIE가 수행된다.
바람직하게는, 상기 손상층제거단계에 앞서 수행되는 상기 유기세정단계에 앞서, 질화갈륨 기판의 표면을 평탄화시키는 평탄화단계가 수행된다.
또한, 본 발명의 질화갈륨 기판은,표면의 금속의 오염물질 농도가 1.0 × 1013 ea/cm3 이하를 만족한다.
바람직하게는, 상기 금속은 경금속으로서, B, Na, Mg, Al, K 및 Ca 그리고 중금속으로서 Cr, Fe, Ni, Co, Cu 및 Zn 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
상기한 구성에 따르면, 본 발명은 세정 공정을 통하여 질화갈륨 기판으로부터 금속오염물질, 등을 제거함으로써, 후속 공정에서 야기될 수 있는 품질 문제를 방지하여 안정적인 질화갈륨 기판 품질 및 높은 수율을 확보할 수 있게 한다.
또한, 본 발명은, 현재 기준이 정립되어 있지 않은 질화갈륨 기판의 금속오염물질에 대한 기준을 제공함으로써, 안정적인 질화갈륨 기판 품질을 확보할 수 있는 가이드 라인으로 활용될 수 있는 질화갈륨 기판의 금속오염물질 농도 기준을 제공할 수 있게 한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 질화갈륨 기판 처리방법을 보여주는 순서도이고, 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 질화갈륨 기판 처리방법을 보여주는 순서도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 질화갈륨 기판 처리방법은 유기세정단계 및 산세정단계를 포함한다. 또한, 바람직하게는 평탄화단계 및 손상층제거단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 그러나, 이들 추가적인 단계는 요구되는 질화갈륨 기판의 품질 수준, 질화갈륨 기판의 성장방법, 후속 공정, 등에 따라 생략되거나 예시하지 않은 또 다른 공정이 추가될 수 있다.
도 4를 참조할 때, 성장에 의하여 제조된 질화갈륨 기판은 평탄화단계, 유기세정단계, 손상층제거단계, 유기세정단계 및 산세정단계를 순차적으로 거친다.
평탄화단계는 질화갈륨 기판을 연삭, 등을 통하여 평탄화시키는 단계이다.
손상층제거단계는 ICP-RIE(Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching), 등을 통하여 질화갈륨 기판 표면에 존재하는 손상층을 제거하는 단계이다. ICP(유도 결합 플라즈마)는 예컨대 유도소자인 코일을 통해 에너지가 코일 내부의 하전입자로 전달되어 생성된 플라즈마 상태의 기체 흐름을 일컫는다.
유기세정단계는 바람직하게는 손상층제거단계가 수행된 후, 더욱 바람직하게는 손상층제거단계의 전후에 각각 수행된다. 유기세정단계는 질화갈륨 기판으로부터 유기오염물질을 세정하는 단계이다.
산세정단계는, 산 세정액을 사용하여 유기세정단계를 거친 질화갈륨 기판으로부터 금속오염물질을 세정하는 단계이다.
베이스 기판, 예컨대 사파이어 기판으로부터 분리된 자립(freestanding) 질화갈륨 기판(210)은 전술한 바와 같이, 성장 과정 및 그리고 분리 과정을 거치면서 휨이 발생하게 된다.
질화갈륨 기판은 양면의 미세 구조가 다르며, 사파이어 등의 베이스 기판 위에서 성장된 후 분리된 질화갈륨 기판의 오목한 면(210a)은 갈륨 극성(Ga-polar), 볼록한 면(210b)은 질소 극성(N-polar)을 갖게 된다. 본 명세서에서는 편의상 갈륨 극성인 면을 갈륨 면, 질소 극성인 면을 질소 면으로 정의한다.
약 2인치 직경으로 성장한 질화갈륨 기판의 경우 전체 두께가 약 800 ~ 1000㎛이면 갈륨 면(210a)의 표면 높이 편차는 약 150 ~ 300㎛ 정도, 질소 면(210b)의 표면 높이 편차는 약 200 ~ 300㎛ 정도로서 최종적인 소자 제작에 응용되기에는 평탄도가 현저히 떨어진다.
따라서, 예컨대 기계적인 가공에 의하여 갈륨 면 쪽의 휨 부(222)와 질소 면 쪽의 휨 부(224)를 제거하여야 한다. 이러한 기계적 가공에 의하여 표면의 비평탄부가 제거된 최종적인 질화갈륨 기판(210)은 최초 성장시 두께보다 감소된 두께를 갖게 되며 이 범위는 약 300 ~ 500㎛ 정도가 된다.
도 5는 도 4의 평탄화단계가 수행된 질화갈륨 기판 표면에 형성된 손상층을 보여주는 도면이다.
기계적 가공에 의하여 질화갈륨 기판의 표면을 평탄화시키는 경우, 도 5에 도시한 바와 같이 질화갈륨 기판의 표면에는 내부로 미세한 가공 손상층(damage layer)(230)이 형성된다.
이러한 손상층은 질화갈륨의 미세 구조에 변형을 가져올 뿐만 아니라, 성장 및 분리 과정에서 발생되는 질화갈륨 기판의 일차적인 휨에 더하여 이차적인 휨을 유발하게 된다.
예를 들어, 평탄화를 위한 기계적 가공으로 질화갈륨 기판의 표면에 형성되는 손상층의 두께(t)가 약 200 ~ 400nm 정도인 경우 손상층으로 인한 질화갈륨의 이차적인 휨, 즉 표면 높이 차이는 약 30 ~ 40 ㎛ 정도가 되어 광소자 등의 제조에 사용되기에 어려운 문제가 있다.
본 발명에서는 질화갈륨 성장 및 분리 과정에서 발생되는 1차적인 휨 뿐만 아니라 질화갈륨 기판의 가공 공정에서 발생되는 2차적인 휨을 원천적으로 제거하여 평탄도가 뛰어난 고품질의 질화갈륨 기판을 제공한다.
본 발명에 따르면, 표면 평탄화 및 손상층 제거를 통하여 얻어진 질화갈륨 기판으로서, 수평면에 대하여 표면 가장자리와 표면 중앙부의 높이 차가 10㎛ 이내이고, 표면에 손상층이 없는 질화갈륨 기판을 제조할 수 있으며, 질화갈륨 기판의 두께는 300㎛ 이상이고 직경은 2인치 이상인 대면적 고품질 질화갈륨 후막의 제조가 가능하다.
이하에서는 본 발명에 따른 질화갈륨 기판 처리방법에 대하여 보다 구체적으로 상술한다.
도 6 내지 도 9는 도 4의 평탄화 단계의 실시예를 보여주는 도면이다.
도 6은 질화갈륨 기판의 질소 면(210b)을 연삭하기 위한 공정을 보인 모식도이다.
기계적인 방법으로 질화갈륨 기판 표면을 연삭하여 부분적으로 또는 전체적으로 비평탄부를 제거한다.
이를 위하여 먼저, 베이스면에 왁스 등의 접합제(300)를 매개로 하여 질화갈륨 기판의 갈륨 면(210a)을 고정시킨다.
연삭 수단을 사용하여 질화갈륨 기판의 상면 즉 질소 면(210b)을 연삭한다. 연삭 방법은 최초 거친 입자를 사용하는 거친 연삭 단계와(예를 들어 500 mesh이상의 다이아몬드 휠을 적용한 연삭공정), 후속적으로 미세 입자를 사용하여 마무리 연삭하는 마무리 연삭 단계를 포함할 수 있다.
거친 연삭 단계를 완료한 후 질화갈륨 기판에 존재하는 5 ~ 30㎛ 수준의 손상층으로 인한 이차적인 휨은 70㎛ 이상이며, 마무리 연삭 후에도 3 ~ 15㎛ 수준의 손상층이 존재하여 40 ~ 70㎛의 이차적인 휨이 발생하였다.
또한 마무리 연삭 대신 또는 이와 더불어 래핑(예를 들어, 3㎛ 이상의 입경을 가지는 슬러리를 사용한 래핑)을 실시한 후에도 10㎛ 이하의 손상층이 잔존하였다.
거친 연삭, 마무리 연삭, 거친 래핑을 실시한 이후 손상층이 여전히 존재하기 때문에 질화갈륨의 휨을 개선할 수 없으며, 질화갈륨의 일면에 대한 평탄화 후 다른 일면의 평탄화 공정을 수행하기 이전에 손상층을 제거하는 단계를 수행할 필요가 있다.
도 7은 기계적인 방법으로 표면의 일부를 제거하여 평탄화된 질소 면(210b')에 대하여 손상층을 제거하기 위한 단계를 보인 모식도이다.
질소 면(210b')에 대하여 손상층을 제거하기 위하여 다음과 같은 방법을 이용할 수 있다.
먼저, 습식 식각을 이용하는 것으로서 KOH, NaOH, H3PO4와 같은 식각액을 이 용하여 질소 면을 식각함으로써 손상층을 제거할 수 있다. 또한, 질소 면에 반응성 이온에칭(RIE) 등의 건식 식각을 이용하여 손상층을 제거할 수도 있다.
한편, 본 발명에서는 연마를 이용하여 손상층을 제거할 수도 있는데 질소 면에 대해서는 KOH 또는 NaOH를 연마액으로 사용하는 화학기계적 연마를 수행할 수 있다. 또한, 연마속도(Removal Rate)를 높이기 위해서 NH4OH를 사용하여 화학기계적 연마를 수행할 수 있으며, 본 발명자들이 확인한 결과 35㎛/hr 수준의 높은 연마속도를 유지할 수 있었다. 연마 입자로는 콜로이달 실리카, 퓸드 실리카(fumed silica) 세리아, 알루미나 등을 사용할 수 있다.
도 8은 질화갈륨 기판의 갈륨 면(210a)을 연삭하기 위한 공정을 보인 모식도이다.
질소 면에 대한 평탄화 및 손상층 제거가 완료된 후에는 갈륨 면에 대한 가공을 수행한다. 도시한 바와 같이 가공이 완료된 질소 면(210b')을 왁스 등의 접합제를 이용하여 베이스면에 고정하고 갈륨 면(210a)을 기계적으로 가공하여 비평탄부를 제거한다.
갈륨 면의 평탄화 공정에는 앞서 질소 면에 대해서 설명한 방법과 유사하게 최초 거친 입자를 사용하는 거친 연삭 단계와, 후속적으로 미세 입자를 사용하여 마무리 연삭하는 단계를 포함할 수 있다. 또한 마무리 연삭 대신 또는 이와 더불어 래핑을 수행할 수도 있다.
도 9는 기계적인 방법으로 표면의 일부를 제거하여 평탄화된 갈륨 면(210a')에 대하여 손상층을 제거하기 위한 단계를 보인 모식도이다.
도시한 바와 같이 평탄화를 완료한 갈륨 면(210a')에 대해서는 평탄화 과정에서 발생되는 손상층을 제거하는 단계를 수행한다. 갈륨 면(210a')의 손상층 제거는 건식 식각을 이용한다.
본 발명에 있어서, 질화갈륨 기판의 양면에 대한 가공 순서는 특별히 제한될 필요는 없지만, 질화갈륨 기판의 휨 형태가 갈륨 면이 오목하고 질소 면이 볼록한 구조이기 때문에 질소 면에 대하여 평탄화 및 손상층 제거를 수행한 후 갈륨 면에 대하여 평탄화 및 손상층 제거를 수행하는 것이 공정상 유리하다.
또한, 본 발명에서 손상층의 제거를 위하여 수행되는 습식 식각 또는 건식 식각 대신 PEC(Photo-Enhanced Chemical) 식각을 적용할 수도 있다.
모든 가공 공정이 완료된 후의 질화갈륨 기판(210)은 휨이 크게 감소되고 표면에는 손상층이 없었다. 본 발명에 따른 가공 방법은 직경과 두께가 큰 대면적 후막에도 효과적으로 적용되어 고품질 질화갈륨 기판의 대량 생산 및 수율 향상에 일조할 수 있다.
도 10은 도 4의 유기세정단계의 실시예를 보여주는 도면이다.
유기세정단계에서는 주로 유기오염물질이 제거된다.
유기세정단계에서는 TCE(Tri-Chloro-Etylene), 아세톤, 2-프로판올, 등이 세 정액으로 사용될 수 있다. 그러나, 실시예에 따라서는 TCE(Tri-Chloro-Etylene), 아세톤 및 2-프로판올 중 일부만이 사용될 수도 있고, 다른 세정액이 추가적으로 사용될 수도 있다.
도 10에서는 TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정 및 2-프로판올에 의한 세정이 각각 2회씩 순차적으로 수행될 수 있음을 보여준다. 또한, 이들 세정액에 의한 세정이 수행된 후에 린스 및 건조가 수행될 수 있음을 보여준다.
TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정, 2-프로판올에 의한 세정은 바람직하게는 회당 5~10분 동안 수행된다. 본 실시예에서 TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정, 2-프로판올에 의한 세정은 회당 5분 동안 수행하였고, 린스는 10분 동안 수행하였다.
TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정, 2-프로판올에 의한 세정 및 린스는 바람직하게는 상온 ~ 60℃의 온도에서 수행될 수 있고, 본 실시예에서는, TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정, 2-프로판올에 의한 세정 및 린스를 상온에서 수행하였다.
세정의 효율을 높이기 위하여, 초음파 세정을 하였다. 즉, TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정 및 2-프로판올에 의한 세정 각각은, 배쓰(bath)에 담겨 있는 세정액에 질화갈륨 기판을 디핑(dipping)한 상태에서 세정액에 초음파를 인가하여 수행하였다.
린스는 순수를 오버플로우시켜 세정액을 제거하였고, 건조는 질화갈륨 기판 에 N2 가스를 블로잉하여 수행하였다.
도 11은 도 4의 산세정단계의 실시예를 보여주는 도면이다.
산세정단계에서는 주로 금속오염물질이 제거되고, 유기세정단계에서 제거되지 못한 유기오염물질의 제거도 함께 이루어진다.
산세정단계에서 바람직하게는, SPM(Sulfuric acid Peroxice Mixture), 즉 H2SO4와 H2O2의 혼합액을 세정액으로 사용한다. 그러나, 실시예에 따라서는 SPM을 대신하여 다른 세정액이 사용되거나, SPM과 함께 다른 세정액이 추가적으로 사용될 수도 있다.
H2SO4와 H2O2의 혼합비(부피비)는 1:1 ~ 1:5가 바람직하고, 본 실시예에서는, H2SO4와 H2O2의 혼합비를 1:1로 하였다.
SPM에 의한 세정을 2회 수행하였다.
SPM에 의한 세정을 수행한 후, 린스 및 건조를 수행하였다.
SPM에 의한 세정은 바람직하게는 회당 5~10분 동안 수행된다. 본 실시예에서 SPM에 의한 세정은 회당 5분 동안 그리고 린스는 10분 동안 수행하였다.
SPM에 의한 세정 및 린스는 상온 ~ 60℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하고, 본 실시예에서는 SPM에 의한 세정 및 린스를 상온에서 수행하였다.
린스는 순수를 오버플로우시켜 세정액을 제거하였고, 건조는 질화갈륨 기판 에 N2 가스를 블로잉하여 수행하였다.
본 발명은 이처럼 유기세정단계 및 산세정단계를 통하여 최종 질화갈륨 기판의 표면 메탈 제거의 품질 확보를 기할 수 있게 된다.
도 12는 도 11의 산세정단계에서 금속오염물질을 제거하는 원리를 보여주는 도면이다.
도시한 바와 같이, H2SO4의 해리 후 분리된 H+는 금속으로부터 전자를 빼앗아 수소 기체로 기화되고, 금속을 금속이온의 형태로 질화갈륨 기판의 표면으로부터 분리시켜 제거한다.
반응식은 다음과 같다.
산 해리: H2SO4(aq) -> 2H+(aq) + SO4 2 -(aq)
금속 이온화: M(s) + 2H+(aq) -> M2 -(aq) + H2(g)↑
도 13은 도 4의 질화갈륨 기판 처리방법에 의하여 처리된 질화갈륨 기판 표면에 잔존하는 경금속 오염물질의 농도를 보여주는 도면이고, 도 14는 도 4의 질화갈륨 기판 처리방법에 의하여 처리된 질화갈륨 기판 표면에 잔존하는 중금속 오염물질의 농도를 보여주는 도면이다.
산세정단계를 거친 질화갈륨 기판의 표면 경금속 및 중금속의 오염물질 농도 는 1.0 × 1013 ea/cm3 이하인 것이 바람직하다.
이보다 농도가 크게 되면, 소자의 성능 및 수율이 악화되어 품질 문제를 야기하게 된다. 따라서 표면 금속오염물질 농도는 1.0 × 1013 ea/cm3 이하로 유지되어야 한다.
1.0 × 1013 ea/cm3 이하의 표면 메탈 수치는, 현재 기준이 정립되어 있지 않은 질화갈륨 기판의 표면 금속오염물질에 대한 가이드 라인으로 활용됨으로써, 품질 기준으로서의 역할을 할 수 있다.
여기서, 상기 경금속에는 B, Na, Mg, Al, K 및 Ca 중 적어도 하나 이상이 포함되고, 상기 중금속에는 Cr, Fe, Ni, Co, Cu 및 Zn 중 적어도 하나 이상이 포함되는 것이 바람직하다.
도 4의 질화갈륨 기판 처리방법에 의하여 처리된 질화갈륨 기판을 ICP-MS(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer) 표면 메탈 분석을 실시하여 경금속 및 중금속을 정량 분석하였다.
ICP-MS는 유도결합 방법으로 생성된 플라즈마를 이온원으로 사용하는 질량분석장치로서, 고온의 플라즈마(ICP)를 이온원으로 사용하여 이온화 효율이 높으며 해석이 단순한 스펙트럼을 제공하고 스펙트럼에 나타나는 방해영향(Interface)이 적은 특성을 바탕으로 낮은 검출 한계와 뛰어난 재현성, 정밀도를 제공한다.
ICP-MS는 이온원으로 사용되는 ICP를 만들어주는 장치와 질량분석장치 그리고 ICP에서 생성된 이온들이 질량분석장치 내부로 효율적으로 도입될 수 있도록 설 계된 인터페이스로 구성되어 있고, 이 외에도 이러한 장치들의 작동환경을 만들어 주기 위한 시료도입장치와 진공 및 제어장치들이 장착되어 있다.
도 13 및 14에 도시한 바와 같이, 본 발명의 질화갈륨 기판 처리방법에 의하여 처리된 질화갈륨 기판의 표면 메탈 수치는 바람직한 농도 수치인 1.0 × 1013 ea/cm3 이하를 만족하는 것으로 나타났다.
도 1 및 2는 성장시 발생하는 질화갈륨 기판의 휨을 보인 모식도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 질화갈륨 기판 처리방법을 보여주는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 질화갈륨 기판 처리방법을 보여주는 순서도이다.
도 5는 도 4의 평탄화단계가 수행된 질화갈륨 기판 표면에 형성된 손상층을 보여주는 도면이다.
도 6 내지 도 9는 도 4의 평탄화 단계의 실시예를 보여주는 도면이다.
도 10은 도 4의 유기세정단계의 실시예를 보여주는 도면이다.
도 11은 도 4의 산세정단계의 실시예를 보여주는 도면이다.
도 12는 도 11의 산세정단계에서 금속오염물질을 제거하는 원리를 보여주는 도면이다.
도 13은 도 4의 질화갈륨 기판 처리방법에 의하여 처리된 질화갈륨 기판 표면에 잔존하는 경금속 오염물질의 농도를 보여주는 도면이다.
도 14는 도 4의 질화갈륨 기판 처리방법에 의하여 처리된 질화갈륨 기판 표면에 잔존하는 중금속 오염물질의 농도를 보여주는 도면이다.

Claims (22)

  1. TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정 및 2-프로판올에 의한 세정을 순차적으로 수행하여 질화갈륨 기판으로부터 유기오염물질을 세정하는 제 1 유기세정단계;
    상기 제 1 유기세정단계를 거친 질화갈륨 기판 표면의 손상층을 제거하는 손상층제거단계;
    상기 손상층제거단계를 거친 질화갈륨 기판을 TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정 및 2-프로판올에 의한 세정을 순차적으로 수행하여 질화갈륨 기판으로부터 유기오염물질을 세정하는 제 2 유기세정단계; 및
    H2SO4 : H2O2가 1:1 ~ 1:5의 비율로 혼합된 산 세정액을 사용하여 상기 제 2 유기세정단계를 거친 질화갈륨 기판으로부터 금속오염물질을 세정하는 산세정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 처리방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 유기세정단계 또는 상기 제 2 유기세정단계에서, TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정 및 2-프로판올에 의한 세정이 각각 2회씩 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈률 기판 처리방법.
  5. 제1항에 있어서,
    TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정 및 2-프로판올에 의한 세정 각각은, 상온 ~ 60℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈률 기판 처리방법.
  6. 제1항에 있어서,
    TCE에 의한 세정, 아세톤에 의한 세정 및 2-프로판올에 의한 세정 각각은, 배쓰에 담겨 있는 세정액에 질화갈륨 기판을 디핑한 상태에서 세정액에 초음파를 인가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈률 기판 처리방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산세정단계는 2회 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈률 기판 처리방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 산세정단계는 상온 ~ 60℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈률 기판 처리방법.
  11. 제1항에 있어서,
    세정액에 의한 세정이 수행된 후, 린스 및 건조가 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 처리방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 린스는, 순수를 오버플로우시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 처리방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 린스는, 상온 ~ 60℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 처리방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 건조는, 질화갈륨 기판에 N2를 블로잉하여 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈률 기판 처리방법.
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서,
    상기 손상층제거단계에서는, ICP-RIE가 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 처리방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 유기세정단계에 앞서, 질화갈륨 기판의 표면을 평탄화시키는 평탄화단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 처리방법.
  18. 제1항에 있어서,
    산세정단계를 거친 질화갈륨 기판 표면의 금속의 오염물질 농도가 1.0 × 1013 ea/cm3 이하인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 처리방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 금속은, 경금속으로서 B, Na, Mg, Al, K 및 Ca 그리고 중금속으로서 Cr, Fe, Ni, Co, Cu 및 Zn 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 처리방법.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
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