KR101245534B1

KR101245534B1 - ＧａＮ 기판 제조용 성장로

Info

Publication number: KR101245534B1
Application number: KR1020110114535A
Authority: KR
Inventors: 이동용; 박종세
Original assignee: 삼성코닝정밀소재 주식회사
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2013-03-20

Abstract

본 발명은 GaN 기판 제조용 성장로에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 GaN 성장 시 두께 편차를 감소시킬 수 있는 GaN 기판 제조용 성장로에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 일측 및 타측에 각각 가스 유입구 및 가스 배출구가 형성되어 있고, 내부에 기판이 안착되는 성장로 본체; 및 상기 성장로 본체에 설치되어 상기 기판의 상면에 GaN이 증착되도록 상기 가스 유입구 및 가스 배출구를 통해 상기 성장로 본체에 유입 및 배출되는 가스를 가열하는 히터를 포함하되, 상기 기판의 상부면과 마주하는 상기 성장로 본체의 벽면 중 상기 기판의 중심부와 마주하는 부분은 상기 기판의 측면부와 마주하는 부분보다 상기 기판과의 거리가 상대적으로 짧은 것을 특징으로 하는 GaN 기판 제조용 성장로를 제공한다.

Description

ＧａＮ 기판 제조용 성장로{FURNACE FOR FABRICATING GALLIUM NITRIDE SUBSTRATE}

본 발명은 GaN 기판 제조용 성장로에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 GaN 성장 시 두께 편차를 감소시킬 수 있는 GaN 기판 제조용 성장로에 관한 것이다.

GaN은 밴드갭(band gap) 에너지가 3.39eV이고, 직접 천이형인 와이드 밴드갭(wide band gap) 반도체 물질로 단파장 영역의 발광 소자 제작 등에 유용한 물질이다. GaN 단결정은 다양한 방법으로 제조할 수 있으나 아모노서멀법(Ammonothermal), Na 플럭스(flux)법 등의 액상 결정 성장을 통해 GaN 단결정을 제조할 경우 GaN은 융점에서 높은 질소 증기압 때문에 1500℃ 이상의 고온과 20000 기압의 질소 분위기가 필요하므로 대량 생산이 어려울 뿐만 아니라 현재 사용 가능한 결정 크기도 박판형이므로, 이를 소자 제작에 사용하기에는 곤란한 문제점이 있었다. 따라서, 요즘에는 GaN 박막을 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), HVPE(Hydride or Halide Vapor Phase Epitaxy) 등의 기상 성장법을 통해 성장시키고 있다.

여기서, HVPE 성장법은 사파이어 기판 위에 GaCl 가스와 NH₃ 가스를 기상 증착시켜 GaN으로 성장시키는 방법이다. 이를 위해, 도 1에 도시한 바와 같이, HVPE 성장법에서는 성장로인 일정 형태의 튜브(tube)(10) 안에 사파이어 기판(5)을 넣고 해당 가스를 흘려 주게 된다. 그러나 이 경우 튜브(10) 내벽에 폴리-GaN이 증착되며, 이로 인해, 사파이어 기판(5) 위에서 증착되어야 할 가스들을 벽면에 뺏기는 결과가 초래된다. 그리고 이와 같은 영향으로 벽면에 가까운 사파이어 기판(5) 외곽부의 증착 속도가 기판 중앙부보다 낮아지게 되고, 이는, GaN 성장 기판의 두께 편차를 야기하게 된다. 결국, 이러한 결정 성장 속도 차이로 인해 내부 결함(defect)이 발생하게 되며, 이는 GaN 단결정 혹은 GaN 성장 기판의 크랙(crack) 발생의 원인이 된다.

이와 같은 벽면 영향으로 인한 성장 속도 편차를 줄이기 위해서는 튜브(10) 내에 배치된 사파이어 기판(5)으로부터 튜브(10)의 내측 벽면을 최대한 멀리 떨어뜨리면 된다. 하지만, 이는 튜브(10)의 크기 및 튜브(10)를 둘러싸는 히터 크기를 확대시켜야 하므로, 결국에는 제품 원가를 크게 상승시키게 된다.

즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 GaN 기판 제조용 성장로(10)의 단면 모양은 직육면체 또는 원통형으로 형성되어 있어, 벽면으로 인한 사파이어 기판(5)에 증착되는 GaN의 성장 속도 차이는 필연적으로 발생될 수 밖에 없는 구조를 이루고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 GaN 성장 시 두께 편차를 감소시킬 수 있는 GaN 기판 제조용 성장로를 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은 일측 및 타측에 각각 가스 유입구 및 가스 배출구가 형성되어 있고, 내부에 기판이 안착되는 성장로 본체; 및 상기 성장로 본체에 설치되어 상기 기판의 상면에 GaN이 증착되도록 상기 가스 유입구 및 가스 배출구를 통해 상기 성장로 본체에 유입 및 배출되는 가스를 가열하는 히터를 포함하되, 상기 기판의 상부면과 마주하는 상기 성장로 본체의 벽면 중 상기 기판의 중심부와 마주하는 부분은 상기 기판의 측면부와 마주하는 부분보다 상기 기판과의 거리가 상대적으로 짧은 것을 특징으로 하는 GaN 기판 제조용 성장로를 제공한다.

여기서, 상기 벽면은, 상기 기판의 중심부와 마주하는 제1 부분, 및 상기 제1 부분의 양측으로 이어져 형성되고 상기 제1 부분을 기준으로 상측으로 경사지게 형성되는 제2 부분으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 “V” 또는 “U”자 형태를 이룰 수 있다.

또한, 상기 벽면은 양측의 상기 제2 부분과 이어져 형성되고 상기 기판의 상부면과 평행을 이루는 제3 부분을 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 벽면은 양측의 상기 제2 부분과 이어져 형성되고 “V” 또는 “U”자 형태를 이루는 제4 부분을 더 포함하되, 상기 제4 부분 중 높이가 가장 낮은 선 또는 면은 상기 제1 부분보다 상대적으로 높은 쪽에 위치할 수 있다.

아울러, 상기 기판은 사파이어 기판일 수 있다.

또한, 상기 가스는 GaCl 및 NH₃를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 성장로의 단면 형상을 제어함으로써, GaN 성장 시 두께 편차를 감소시킬 수 있고, 이를 통해, GaN 기판의 크랙 발생을 방지할 수 있으며, 궁극적으로, GaN 기판의 성장 양품률을 대폭 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 HVPE 성장법을 개략적으로 나타낸 모식도.
도 2는 종래 기술에 따른 GaN 기판 제조용 성장로를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 GaN 기판 제조용 성장로를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 GaN 기판 제조용 성장로를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 GaN 기판 제조용 성장로를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명과 종래 기술에 따른 기판 성장 속도 프로파일을 비교하여 나타낸 이미지.
도 7은 본 발명과 종래 기술에 따른 GaCl 가스의 분포도를 비교하여 나타낸 이미지.
도 8은 본 발명과 종래 기술에 따른 사파이어 기판 위의 GaCl 몰농도의 y 방향 분포를 비교하여 나타낸 그래프.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 GaN 기판 제조용 성장로에 대해 상세히 설명한다.

아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 GaN 기판 제조용 성장로(100)는 HVPE(Hydride or Halide Vapor Phase Epitaxy) 성장법을 통해 기판(5) 상에 GaN 기판을 성장시키는 전기로 혹은 가열 및 증착 장치이다. 이러한 GaN 기판 제조용 성장로(100)는 성장로 본체(110) 및 히터(미도시)를 포함하여 형성된다.

성장로 본체(110)는 HVPE 성장법에 의해 GaN 기판이 성장되는 장소이다. 이를 위해, 성장로 본체(110)의 내부에는 GaN의 성장면을 제공하는 기판(5)이 안착될 수 있도록 공간이 마련된다. 이때, 기판(5)은 사파이어 기판일 수 있다. 그리고 성장로 본체(110)의 일측에는 기판(5)에 증착될 반응가스를 유입시키는 가스 유입구(미도시)가 형성되고, 이와 대응되는 타측에는 증착에 참여하지 않은 반응가스를 외부로 배출시키는 가스 배출구(미도시)가 형성된다. 여기서, 반응가스로는 GaCl, NH₃ 및 N₂ 가스로 이루어진 혼합 가스가 사용될 수 있다.

이러한 성장로 본체(110)의 둘레에는 히터(미도시)가 예컨대, 코일 형태로 설치되어 기판(5)의 상면에 GaN이 증착되도록 가스 유입구(미도시) 및 가스 배출구(미도시)를 통해 성장로 본체(110)의 내부 공간으로 유입 및 배출되는 가스를 가열하게 된다. 이러한 히터(미도시)는 별도의 컨트롤러(미도시)에 의해 제어될 수 있고, 정확한 온도 제어를 위해, 성장로 본체(110) 내부에는 각각의 구간별로 복수개의 열전대(thermocouple)를 설치하여 성장로 본체(110)의 내부 온도를 측정하고, 그 측정된 온도값을 컨트롤러(미도시)에 전달하도록 설계할 수 있다. 한편, 성장로 본체(110) 및 히터(미도시)는 열 충격을 방지하기 위해 내화물에 의해 감싸지도록 형성될 수 있다.

이에 더해, 본 발명의 일 실시 예에서, 성장로 본체(110)의 벽면(111)은 높이 편차를 갖도록 형성된다. 구체적으로, 기판(5)의 상부면과 마주하는 성장로 본체(110)의 벽면(111) 즉, 천장면 중 기판(5)의 중심부와 마주하는 부분은 기판(5)의 측면부와 마주하는 부분보다 기판(5)과의 거리가 상대적으로 짧게 형성된다. 본 발명의 일 실시 예에서는 이를 구현하기 위해, 성장로 본체(110)의 벽면(111)은 제1 부분(111a) 및 제2 부분(111b)으로 이루어진다. 여기서, 제1 부분(111a)은 기판(5)의 중심부와 마주하는 부분으로, 선 또는 면으로 이루어질 수 있다. 그리고 제2 부분(111b)는 이 제1 부분(111a)의 양측으로 이어져 형성되고 제1 부분(111a)을 기준으로 상측방향으로 경사지게 형성되는 부분이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 이러한 제1 부분(111a)과 제2 부분(111b)은 단면을 기준으로 “V” 또는 “U”자 형태를 이루게 된다.

이와 같이, 성장로 본체(110)의 벽면(111)이 높이 편차를 갖도록 형성되면, 유입되는 가스의 유동은 제2 부분(111b)으로 분산되고, 이로 인하여 GaN의 성장이 기판(5)의 중심부에 집중되는 현상을 완화할 수 있다. 즉, 기판(5)의 중심부에 성장되는 GaN의 성장속도를 줄일 수 있게 된다. 그리고 이러한 현상을 다른 관점에서 보면, 기판(5)의 중심부에 증착될 가스가 기판(5)의 중심부와 마주하는 벽면(111)의 제1 부분(111a)에 더 증착됨으로써, 기판(5)의 중심부와 측면부의 GaN 성장 속도 편차가 줄어들게 되고, 이를 통해, 전체적인 GaN의 두께 편차 또한 줄어들게 되어, GaN 성장 기판의 크랙 발생을 방지할 수 있으며, 궁극적으로, GaN 기판의 성장 양품률을 대폭 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 GaN 기판 제조용 성장로에 대하여 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 GaN 기판 제조용 성장로를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 GaN 기판 제조용 성장로(200)는 성장로 본체(210) 및 히터(미도시)를 포함하여 형성된다.

본 발명의 다른 실시 예는 본 발명의 일 실시 예와 비교하여 성장로 본체의 벽면 구조만 다를 뿐 나머지 구성요소는 동일하므로, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 다른 실시 예에서, 성장로 본체(210)의 벽면(211)은 제3 부분(211a)을 포함한다. 여기서, 제3 부분(211a)은 경사면으로 형성되는 제2 부분(111b)의 상측 단부와 이어져 형성되고 기판(5)의 상부면과 평행을 이루게 형성된다.

이와 같은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 성장로 본체(210)의 벽면(211) 구조는 본 발명의 일 실시 예에 따른 GaN 기판 제조용 성장로(100)보다 상대적으로 넓은 면적의 GaN 기판 성장 시 두께 편차 완화에 유용하게 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 GaN 기판 제조용 성장로에 대하여 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 GaN 기판 제조용 성장로를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 GaN 기판 제조용 성장로(300)는 성장로 본체(310) 및 히터(미도시)를 포함하여 형성된다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 본 발명의 일 실시 예와 비교하여 성장로 본체의 벽면 구조만 다를 뿐 나머지 구성요소는 동일하므로, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에서, 성장로 본체(310)의 벽면(311)은 제4 부분(311a)을 포함한다. 여기서, 제4 부분(311a)은 경사면으로 형성되는 제2 부분(111b)의 상측 단부와 이어져 형성된다. 그리고 제4 부분(311a)은 제1 부분(111a)와 제2 부분(111b)이 이루는 형태와 유사한 “V” 또는 “U”자 형태를 이루게 되는데, 이 경우, 제4 부분(311a) 중 선 또는 면으로 이루어지는 높이가 가장 낮은 부분은 제1 부분(111a)보다 상대적으로 높은 쪽에 위치하도록 형성된다. 이때, “V” 또는 “U” 형태의 제4 부분(311a)은 제2 부분(111b) 양측에 복수개 형성될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 성장로 본체(310)의 벽면(311) 구조는 대면적의 GaN 기판 성장 시 두께 편차 완화에 유용하게 적용될 수 있다.

한편, 도 6은 본 발명과 종래 기술에 따른 기판 성장 속도 프로파일을 비교하여 나타낸 이미지이다. 여기서, 도 6의 이미지는 본 발명에 따른 GaN 기판 제조용 성장로(a)와 종래 기술에 따른 직사각형 모양의 단면을 갖는 성장로(b) 내에 각각 사파이어 기판을 올려 놓은 후, GaCl, NH₃, N₂ 혼합 가스를 동일 유량 흘려 주었을 때의 GaN HVPE 성장을 시뮬레이션한 결과이다. 도 6에서 보여지는 바와 같이, GaN 기판 제조용 성장로(a)에서는 높이 편차가 있는 예컨대, “V” 형태의 벽면의 영향으로 y 방향의 성장 속도 편차가 대폭 개선됨을 확인할 수 있었다.

또한 도 7은 본 발명과 종래 기술에 따른 GaCl 가스의 분포도를 비교하여 나타낸 이미지이다. CaCl 가스는 성장 속도에 결정적인 영향을 미치는 요소로, 도 7의 이미지는 이 CaCl 가스의 기판 상에서는 몰농도 분포를 나타낸 것이다. 도 7의 이미지에서 보여지는 바와 같이, GaN 기판 제조용 성장로(a)에서는 종래 기술에 따른 성장로(b)에 비해, 평균 농도는 유지되면서 CaCl 편차는 대략 30% 가량 감소됨을 확인할 수 있었다.

그리고 도 8은 본 발명과 종래 기술에 따른 사파이어 기판 위의 GaCl 몰농도의 y 방향 분포를 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 8의 그래프에서 보여지는 바와 같이, 본 발명에 따른 GaN 기판 제조용 성장로(점선) 적용 시 기판의 중심부에서 y 방향으로 그래프를 그려보면, CaCl 몰농도 편차가 대략 40% 감소됨을 확인할 수 있었다. 여기서, 그래프 상의 실선은 종래 기술에 따른 성장로 적용 시 y 방향의 CaCl몰농도 편차를 나타낸다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100, 200, 300: GaN 기판 제조용 성장로
110, 210, 310: 성장로 본체 111, 211, 311: 벽면
111a: 제1 부분 111b: 제2 부분
211a: 제3 부분 311a: 제4 부분
5: 기판

Claims

일측 및 타측에 각각 가스 유입구 및 가스 배출구가 형성되어 있고, 내부에 기판이 안착되는 성장로 본체; 및
상기 성장로 본체에 설치되어 상기 기판의 상면에 GaN이 증착되도록 상기 가스 유입구 및 가스 배출구를 통해 상기 성장로 본체에 유입 및 배출되는 가스를 가열하는 히터;
를 포함하되,
상기 기판의 상부면과 마주하는 상기 성장로 본체의 벽면 중 상기 기판의 중심부와 마주하는 부분은 상기 기판의 측면부와 마주하는 부분보다 상기 기판과의 거리가 상대적으로 짧은 것을 특징으로 하는 GaN 기판 제조용 성장로.
제1항에 있어서,
상기 벽면은,
상기 기판의 중심부와 마주하는 제1 부분, 및
상기 제1 부분의 양측으로 이어져 형성되고 상기 제1 부분을 기준으로 상측으로 경사지게 형성되는 제2 부분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 GaN 기판 제조용 성장로.
제2항에 있어서,
상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 “V” 또는 “U”자 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 GaN 기판 제조용 성장로.
제3항에 있어서,
상기 벽면은 양측의 상기 제2 부분과 이어져 형성되고 상기 기판의 상부면과 평행을 이루는 제3 부분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 기판 제조용 성장로.
제3항에 있어서,
상기 벽면은 양측의 상기 제2 부분과 이어져 형성되고 “V” 또는 “U”자 형태를 이루는 제4 부분을 더 포함하되, 상기 제4 부분 중 높이가 가장 낮은 선 또는 면은 상기 제1 부분보다 상대적으로 높은 쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 GaN 기판 제조용 성장로.
제1항에 있어서,
상기 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 GaN 기판 제조용 성장로.
제1항에 있어서,
상기 가스는 GaCl 및 NH₃를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN 기판 제조용 성장로.