KR101439749B1 - 우수한 내식성을 가지는 발광다이오드 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 우수한 내식성을 가지는 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광다이오드의 광추출 효율을 향상시키기 위한 습식 식각 공정에서 견딜 수 있도록 우수한 내식성을 가지는 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 다른 발광다이오드 소자의 제조방법은 평탄화 기판과 발광다이오드를 준비하는 단계; 상기 평탄화 기판과 상기 발광다이오드를 접합하여 발광다이오드 소자를 얻는 단계; 및 상기 발광다이오드가 접합된 상기 평탄화 기판의 외부에 노출된 표면에 보호막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일측면에 다른 발광다이오드 소자의 제조방법은 평탄화 기판과 발광다이오드를 준비하는 단계; 상기 평탄화 기판과 상기 발광다이오드를 접합하여 발광다이오드 소자를 얻는 단계; 및 상기 발광다이오드가 접합된 상기 평탄화 기판의 외부에 노출된 표면에 보호막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 우수한 내식성을 가지는 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광다이오드의 광추출 효율을 향상시키기 위한 습식 식각 공정에서 견딜 수 있도록 우수한 내식성을 가지는 발광다이오드 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드는 과잉된 전자와 공공(vacancy)의 결합시 발생하는 에너지에 의하여 빛을 방출하는 반도체 소자이다. 통상의 발광체와는 달리 열을 많이 발생시키지 않으면서 우수한 효율로 빛을 발생시킬 수 있어 근래 여러 가지 형태의 조명으로 각광받고 있다.
그런데, 우수한 효율에도 불구하고 열발생을 완전히 방지할 수는 없기 때문에 상기 다이오드가 부착된 기판이나 주위 분위기를 통하여 열방출이 용이하게 이루어질 필요가 있다. 특히, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 질화갈륨계 반도체는 넓은 영역의 밴드갭을 가지는 반도체이기 때문에 고출력, 고주기 소자로서 많이 사용되고 있는데, 이처럼 고출력, 고주기 소자로서 많이 사용되기 때문에 소자 자체에서 발생하는 열을 외부로 제거해 주어 소자의 수명을 연장시킬 필요가 있다.
이러한 경우에 효율적인 기판으로서는 금속을 본딩기판으로 사용하는 것이 유리하다. 일반적으로 금속은 열전도도와 전기전도도가 크고, 대량생산에 의해 제공될 수 있기 때문에 기판소자로 사용되기에 적합하다.
따라서, 이러한 배경으로 인하여 금속기판을 반도체용 기판으로 사용하기 위한 기반기술이 족족 제시되고 있다. 그런데, 금속기판은 다른 세라믹 계열 기판에 비하여 내식성이 부족한 것이 보완해야 할 문제점으로 지적되고 있다.
특히, 발광다이오드와 같이 빛을 발생시켜 추출하는 소자의 경우에는 소자 표면에서의 전반사에 의하여 광추출 효율이 저하되는 것을 방지하기 위하여 광추출 표면을 습식 식각하는 과정이 수행될 수 있으며, 이를 위하여 자외선(UV)이 조사되는 KOH 또는 NaOH와 같은 강염기 용액이 사용된다. 이때, 반도체와 결합된 금속 기판은 상기 강염기 용액에 의하여 심각한 손상을 입을 수 있으며 그 결과 소자의 성능에도 영향을 미칠 수 있게 된다. 즉, 강염기 용액에 의해 금속기판이 부식되면 메탈이온이 발광다이오드 측면에 접합하여 누설전류가 생성될 수 있으며, 심한 경우에는 금속기판이 부식되어 구멍이 생기면 발광다이오드 지지를 하지 못하게 되어 후속공정을 진행 못하게 되는 등 발광다이오드를 사용하지 못하게 되는 등의 문제점이 있을 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면 발광다이오드의 광추출 향상을 위한 습식 식각 공정에서도 손상되지 않도록 우수한 내식성을 가지는 기판층을 포함하는 발광다이오드 소자 및 그 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 일측면에 다른 발광다이오드 소자의 제조방법은 평탄화 기판과 발광다이오드를 준비하는 단계; 상기 평탄화 기판과 상기 발광다이오드를 접합하여 발광다이오드 소자를 얻는 단계; 및 상기 발광다이오드가 접합된 상기 평탄화 기판의 외부에 노출된 표면에 보호막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 보호막을 형성하는 단계 이전에 상기 평탄화 기판의 외부에 노출된 표면에 결합층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 보호막은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 몰리브데늄(Mo) 또는 이들을 포함하는 합금일 수 있다.
또한, 상기 보호막의 두께는 50~500nm일 수 있다.
그리고, 상기 결합층은 Ti, Cr, Ni 등의 금속 또는 TiOx, CrOx, NiOx 등의 산화층, 이들을 포함하는 물질 또는 그 조합일 수 있다.
또한, 상기 결합층의 두께는 1~100nm일 수 있다.
또한, 상기 평탄화 기판은 평탄화된 표면으로부터 제1 결합층, 배리어 층, 제2 결합층 및 접합층을 순차적으로 포함할 수 있다.
그리고, 상기 발광다이오드는 광출사면의 반대쪽 면으로부터 제1 결합층, 배리어 층, 제2 결합층 및 접합층을 순차적으로 포함할 수 있다.
그리고, 상기 평탄화 기판과 상기 발광다이오드를 접합하는 단계는 상기 평탄화 기판과 상기 발광다이오드의 접합층 형성면이 상호 대향하도록 배치한 후, 상기 평탄화 기판과 상기 발광다이오드를 가열함으로써 이루어질 수 있다.
또한, 상기 평탄화 기판은 전기주조에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 또한가지 측면인 발광다이오드 소자는 평탄화 기판과 상기 평탄화 기판 위에 형성된 발광다이오드 층을 포함하고, 외부로 노출된 상기 평탄화 기판의 표면에 보호막이 형성된 구조를 가질 수 있다.
이때, 본 발명의 발광다이오드 소자는 상기 외부로 노출된 평탄화 기판과 상기 보호막 사이에 결합층을 더 포함하는 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 보호막은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 몰리브데늄(Mo) 또는 이들을 포함하는 합금일 수 있다.
또한, 상기 결합층은 Ti, Cr, Ni 등의 금속 또는 TiOx, CrOx, NiOx 등의 산화층, 이들을 포함하는 물질 또는 그 조합일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 발광다이오드 소자는 외부에 노출되는 기판면에 습식 식각에 대한 보호막이 형성된 것이므로 습식 식각에도 우수한 내식성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일구현례에 따른 발광다이오드 소자의 제조방법을 나타내는 공정흐름도,
도 2는 발광다이오드의 광추출효율을 향상시키기 위해 발광다이오드 소자를 NaOH 및 KOH 용액에 담근 후 UV를 조사하여 평탄한 반도체 소자 표면에 거칠기를 주는 습식 식각 공정을 설명하는 개략도,
도 3은 본 발명의 비교예에 의해 제조된 발광다이오드 소자를 습식 식각한 후의 상태를 나타내는 사진,
도 4는 본 발명의 발명예1, 2 및 비교예에 의해 제조된 발광다이오드 소자의 기판의 일부만 습식 시각한 후의 상태를 나타내는 또다른 사진, 그리고
도 5은 본 발명의 발명예3에 의해 제조된 발광다이오드 소자를 습식 식각한 후의 상태를 나타내는 사진이다.
도 2는 발광다이오드의 광추출효율을 향상시키기 위해 발광다이오드 소자를 NaOH 및 KOH 용액에 담근 후 UV를 조사하여 평탄한 반도체 소자 표면에 거칠기를 주는 습식 식각 공정을 설명하는 개략도,
도 3은 본 발명의 비교예에 의해 제조된 발광다이오드 소자를 습식 식각한 후의 상태를 나타내는 사진,
도 4는 본 발명의 발명예1, 2 및 비교예에 의해 제조된 발광다이오드 소자의 기판의 일부만 습식 시각한 후의 상태를 나타내는 또다른 사진, 그리고
도 5은 본 발명의 발명예3에 의해 제조된 발광다이오드 소자를 습식 식각한 후의 상태를 나타내는 사진이다.
이하, 본 발명의 일구현례를 도시한 도 1을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 발광다이오드 소자는 기판위에 발광다이오드를 형성함으로써 제조될 수 있다. 통상 발광다이오드와 같은 반도체 소자의 기판으로서는 구리, 니켈 또는 인바(Invar) 합금들이 많이 사용된다.
특히, 반도체가 형성되는 표면은 그 상태가 매우 평탄할 것이 요구되기 때문에 평탄화 면을 가진 기판이 사용되는 것이 보다 바람직하다. 반드시 이로 제한되는 것은 아니나, 본 발명의 한가지 측면에서는 전기주조(electroforming)라는 방법을 이용하여 평탄화 기판을 제조한다.
전기주조는 전해도금법을 이용하여 표면 거칠기가 낮은 모기판 위에 제조(a 단계)하고자 하는 기판 물질을 도금한 후 이를 모기판으로부터 분리(b 단계)하여 사용하는 방법을 말한다. 평탄화 기판과 모기판의 분리는 물리적 박리법이나 화학적 박리법 등을 이용할 수 있다. 모기판에 접하고 있던 기판의 표면에는 모기판의 표면 거칠기가 그대로 전사되기 때문에 한쪽면이 평탄화된 기판을 얻을 수 있다(c 단계). 본 발명에서 평탄화 기판층의 표면 거칠기를 낮게 유지하기 위해서 상기 모기판은 표면거칠기가 낮은 유리기판, Si 기판, Al2O3 기판 또는 석영 기판 등을 활용할 수 있다. 본 발명의 평탄화 기판의 표면 거칠기는 Rt(최대거칠기, 거칠기 곡선에서 가장 높은 산과 가장 높은 골의 수직방향 거리를 의미함) 기준으로 0.17㎛ 이하인 것이 발광다이오드 소자의 성능확보에 유리하므로 상기 모기판의 표면 거칠기 역시 Rt 기준으로 0.17㎛ 이하인 것이 유리하다.
전해도금을 통하여 평탄화 기판을 제조하는 경우에, 본 발명의 일구현례에서는 평탄화 기판을 형성하기 위하여 모기판 표면에 하지층과 시드층을 순차적으로 형성한 후 그 위에 전해도금 방식을 이용하여 평탄화 기판층을 형성하는 방법을 이용할 수도 있다.
상기 하지층으로는 Ti층을 들 수 있으며, 그 두께는 10nm ~200nm 범위로 설정할 수 있다.
상기 하지층 위에 형성되는 시드 층은 평탄화 기판이 용이하게 형성되도록 하는 역할을 하는 것으로서, 금(Au) 이나 인바 합금으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 평탄화 기판의 재료로 반드시 이로 제한하는 것은 아니나 구리(Cu) 또는 인바 합금을 사용할 수 있는데, 만일, 평탄화 기판의 재료로서 Cu를 이용하는 경우에는 상기 시드층은 Au인 것이 바람직하며, 평탄화 기판의 재료가 인바 합금일 경우에는 상기 시드층 역시 인바 합금인 것이 유리하다. 또한, 반드시 이로 제한되는 것은 아니나 상기 시드층의 적절한 두께는 10nm ~ 200nm 범위에서 결정될 수 있다. 즉, 10nm는 시드층의 역할을 수행하기 위한 최소한의 두께이며 더이상 두께를 증가시켜도 특별한 이점이 없을 뿐만 아니라 과도하게 두꺼운 시드층은 원가 상승 요인이 되므로 상기 시드층의 두께 상한은 200nm로 결정할 수 있다. 상기 하지층과 시드층을 형성하는 방법은 통상 알려진 방법이라면 어떠한 방법이라도 사용할 수 있으나, 한두가지 예를 든다면 전자빔 증착 방식 또는 열증착 방식등 진공증착 방식 등을 들 수 있다. 기판의 두께는 사용되는 용도에 따라 자유로이 정할 수 있으므로 본 발명에서 특별히 정하지는 않는다.
이후 상기 평탄화 기판의 표면에 발광다이오드 층을 형성하는 과정이 수행된다. 반도체 층을 형성하는 과정은 반드시 이로 제한되지는 않으나 본 발명의 한가지 바람직한 구현례에서는 미리 발광다이오드를 제조한 후 상기 발광다이오드 층과 상기 평탄화 기판을 접합하는 방법을 사용한다. 이를 위해서는 상기 평탄화 기판과 발광다이오드에는 각각 제1 결합층/배리어층/제2 결합층을 순차적으로 형성하고 상기 제2 결합층 위에 접합층을 형성함으로써 평탄화된 기판과 발광다이오드를 접합가능한 상태로 할 수 있다(d 단계).
이때, 상기 평탄화 기판의 평탄화된 표면에 형성되는 상기 제1 결합층은 그 위에 형성되는 배리어층과 기판의 결합을 용이하도록 하는 것으로서, Ti, Cr, Ni 등의 금속 또는 TiOx, CrOx, NiOx 등의 산화층, 이들을 50중량% 이상 포함하는 물질 또는 그 조합(합금 포함) 중에서 선택된 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 결합층으로서 충분한 역할을 수행하기 위해서는 상기 제1 결합층의 두께는 1nm 이상인 것이 바람직하며, 과다하게 두꺼울 경우에는 제조비용만 상승하고 더이상의 효과증대는 없으므로 상기 결합층의 두께는 100nm 이하로 제한할 수도 있다.
또한, 상기 평탄화 기판의 배리어 층은 기판 형성물질이 반도체 층으로 확산되는 것을 방지하기 위한 것으로서 Ru, Pt, Pd, Ir, Rh, Nb, W, Ta 등의 금속, RuOx, IrOx, RhOx, NbOx, TaOx 등의 산화물, 이들을 50중량% 이상 포함하는 물질, 또는 그 조합(합금 포함) 중에서 선택된 재료를 이용하는 것이 효과적이다. 배리어 층이 충분히 제 기능을 하기 위해서는 그 두께가 100Å(옹스트롱) 이상인 것이 바람직하다. 다만 두께가 두꺼울 경우에는 더이상의 효과증대는 없으면서 제조비용만 상승하므로 그 두께의 상한은 5000Å(옹스트롱)으로 정한다. 또한, 상기 배리어 층은 상기 배리어층으로 Ru, Pt, Pd, Ir, Rh, Nb, W, Ta 등의 금속 또는 이들을 50 중량% 이상 포함하는 합금으로 이루어지는 층과 RuOx, IrOx, RhOx, NbOx, TaOx 중 하나의 산화물 또는 이들을 50 중량% 이상 포함하는 물질이 교대로 적층하는 형태를 가질 수도 있다. 이러한 적층 형태를 가질 경우 박막 자체에 생성되는 스트레스를 상쇄하여 보다 안정적인 박막을 형성할 수 있다. 즉, 스트레스가 심한 경우, 외부의 작은 충격에도 벗겨지는 등 불안정한 형태를 갖게 될 수 있다.
상기 제2 결합층은 상기 배리어층과 접합층의 결합을 용이하게 하는 역할을 수행하는 것으로서 상기 제1 결합층으로 사용되는 물질 중에서 선택하여 사용할 수 있다. 상기 제1 결합층과 유사한 이유로 그 두께는 1~100nm 범위에서 결정될 수 있다.
상기, 발광다이오드 층의 제1 결합층과 제2 결합층 역시 상기 평탄화 기판의 제1 결합층 및 제2 결합층과 유사한 역할을 수행하므로 상기 평탄화 기판의 제1 결합층 및 제2 결합층의 재료로 사용될 수 있는 물질 중에서 선택하여 사용될 수 있으며, 1~100nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 또한 상기 발광다이오드 층의 배리어 층은 접합층을 이루는 금속층이 반도체 층으로 확산되는 것을 방지하고, 또한 혹시 확산되어 올라올지 모르는 기판 원소의 확산 역시 차단하는 역할을 수행한다. 상기 발광다이오드 층 쪽의 배리어 층 역시 평탄화 기판 쪽 배리어 층의 재료로 사용될 수 있는 물질 중에서 선택하여 이용할 수 있으며, 100~5000Å(옹스트롱) 범위의 두께를 가질 수 있다. 발광다이오드에서 제1 결합층 등이 형성되는 위치는 발광다이오드의 광 출사면의 반대쪽 면인 것이 바람직하다.
이들 평탄화 기판과 발광다이오드 층의 제1 결합층, 배리어 층 및 제2 결합층을 형성하는 방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 사용될 수 있는 방법이라면 어떠한 방법이라도 사용가능하나, 한가지 제한되지 않는 예를 든다면 전자선 증착이나 열 증착과 같은 증착법을 들 수 있다. 한가지 구현례에서는 상기 제1 배리어층과 상기 배리어 층은 전자선 증착법을 이용하고, 상기 제2 결합층은 열 증착법을 이용할 수 있다.
상기 각각의 제2 결합층 위에 형성되는 접합층은 낮은 융점을 가져서 과다하게 높은 온도로 가열하여 반도체 층 등에 손상을 입히거나 물질의 확산을 조장하는 일 없이 낮은 온도에서 상기 평탄화 기판과 상기 발광다이오드 층의 접합을 용이하게 할 수 있도록 하는 역할을 한다. 이를 위하여 상기 접합층은 Ag-In, Ag-Sn, Ag-Ti, Al-Sn, As-Ti, Au-Bi, Au-Li, Au-Pb, Au-Ti 또는 Bi-Sn와 같은 합금층 Ag, Al, As 및 Bi 중에서 선택된 금속과 In, Sn, Ti, Bi, Li, Pb 및 Sn 중에서 선택된 금속이 별도의 층으로 적층된 형태를 가질 수도 있다(이러할 경우 동일한 금속끼리 층을 이루는 경우는 제외한다). 몇가지 구현례에서 사용되는 보다 바람직한 적층구조는 Ag/In, Ag/Sn, Ag/Ti, Al/Sn, As/Ti, Au/Bi, Au/Li, Au/Pb, Au/Ti 및 Bi/Sn으로 이루어지는 금속의 적층구조에서 선택될 수 있다. 충분한 접합강도를 가지기 위해서는 상기 접합층의 두께(둘 이상의 층으로 이루어질 경우에는 전체 층의 두께)는 0.8㎛(마이크로미터) 이상인 것이 유리하다. 다만, 두께가 두꺼우면 비용상승의 원인이 되므로 상기 두께의 상한을 2㎛(마이크로미터)로 정할 수도 있다. 접합층이 충분한 두께를 가지므로 두 기판의 크기 및 모양이 같지 않더라도 금속접합층이 접촉하는 부분에서는 본딩이 이루어질 수 있다.
한가지 바람직한 구현례에서 상기 평탄화 기판의 표면에 제1 결합층을 형성하기 전에 평탄화 기판을 세척하는 과정이 수행될 수 있다. 즉, 평탄화 기판에 보다 효과적으로 제1 결합층/배리어 층/제2 결합층/접합층이 형성될 수 있도록 하기 위해서는 기판의 표면은 청결하게 유지되는 것이 유리하다. 상기 세척과정으로는 통상적인 기판 세척과정이라면 어떠한 방법을 사용하여도 무방하나, 한가지 제한적인 예를 든다면, 아세톤, 이소프로판 알코올(IPA) 및 탈이온수를 이용하여 기판을 순차적으로 세척하는 방법을 들 수 있다. 기판을 세척한 이후에는 질소 등의 가스를 이용하여 건조시키는 과정이 후속될 수 있다.
또한, 상기 발광다이오드 층은 통상 사용되는 발광다이오드 제조방법에 의해 제조될 수 있으므로 본 발명에서는 그 제조방법을 특별히 제한하지 않는다. 다만, 필요에 따라서 제1 결합층을 형성하기 전에 염산 수용액에 침지한 후 탈이온수 등으로 세척하는 과정이 후속될 수 있으며, 이후 질소에 의해 건조되는 과정을 겪을 수도 있다.
이후, 상술한 과정에 의해서 제1 결합층, 배리어 층, 제2 결합층 및 접합층이 순차적으로 형성된 평탄화 기판과 발광다이오드를 접합하는 단계가 후속된다(e 단계).
이때, 상기 접합은 기판과 발광다이오드를 접합하기 위해서 이들을 가열한 후 각각의 접합층이 상호 대향되도록 하여 가압하는 과정에 의해 이루어질 수 있다. 접합층에 의한 접합이 충분히 이루어지도록 하기 위해서는 상기 가열은 접합층의 온도가 접합층의 융점 ~ 융점+50℃인 것이 바람직하다. 즉, 접합층 간의 상호 확산에 의하여 충분한 결합이 이루어지기 위해서는 상기 접합층의 가열온도는 융점이상인 것이 바람직하나, 과도하게 높은 온도에서는 접합층이 흘러내려 버리거나 반도체 층에 손상을 가할 수도 있으므로 상기 접합층의 가열온도는 접합층의 융점+50℃ 이하로 정하는 것이 바람직하다. 주로 두 접합층은 같은 물질을 사용하게 되며, 물질이 다르다면 융점이 비슷한 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 융점이 상이한 물질을 사용하는 경우 상기 가열온도는 융점이 높은 물질의 융점을 기준으로 설정될 수 있다.
상술한 과정에 의하여 평탄화 기판의 표면에는 강고히 결합된 발광다이오드 층이 형성된다. 그러나, 이렇게 평탄화 기판과 그 위에 형성된 발광다이오드를 포함하는 발광다이오드 소자는 그대로 사용되는 것이 아니라, 도 2에 예시한 형태의 습식식각 장치를 이용하여 광출사면의 거칠기를 조절하는 작업이 후속될 필요가 있다. 상기 작업에 의하여 발광다이오드의 광출사면에서의 전반사가 방지되어 광추출 효율이 증가될 수 있는 것이다. 그런데, 상기 습식 식각에 사용되는 용액은 통상 KOH나 NaOH와 같은 강염기 용액이며, 반응을 촉진하기 위하여 자외선이 조사되는 환경이므로 금속으로 이루어지는 상기 평탄화 기판에 손상이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기 접합되어 형성된 발광다이오드 소자(평탄화 기판 + 발광다이오드 층)의 노출된 기판 표면에 보호막을 형성하는 단계가 더 포함된다(f 단계). 즉, 상기 평탄화 기판의 노출 표면이 습식 식각시 부식될 우려가 크기 때문에 노출된 표면을 대상으로 하여 보호막을 형성하는 것이다. 상기 보호막으로는 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 몰리브데늄(Mo) 또는 이들을 50중량% 이상 포함하는 합금일 수 있다. 이들은 강염기를 사용하는 분위기에서도 충분한 내식성을 가지기 때문에, 하부에 위치한 평탄화 기판의 부식을 방지할 수 있다. 상기 보호막 층은 통상 알려진 어떠한 방법에 의해서도 형성될 수 있으나, 몇가지 바람직한 구현례를 든다면 전해도금법이나 증착법을 이용할 수도 있다.
다만, 전해도금을 사용할 경우에는 상기 보호막을 이루는 물질은 금 또는 금합금인 것이 바람직하며, 증착법을 이용할 경우에는 금, 백금, 팔라듐, 몰리브데늄 또는 이들의 합금일 수 있다. 증착법으로서는 알려진 어떠한 형태의 증착법을 이용하여도 무방하나, 몇가지 바람직한 구현례를 든다면 전자빔 증착이나 스퍼터 증착을 들 수 있다.
기판에 대한 충분한 보호 효과를 얻기 위해서는 상기 보호막의 두께는 50nm 이상인 것이 바람직하다. 다만, 그 두께가 500nm를 넘어서면 더이상 효과 증대를 기대하기 어려울 뿐만 아니라, 보호막을 이루는 원소가 고가의 원소이므로 원가상승의 요인이 된다.
상술한 보호막은 그 자체로도 우수한 성능을 발휘할 수 있지만, 보다 우수한 결합강도를 가지고 상기 기판 표면에 강고히 결합되어 있는 것이 기판 보호에 보다 효과적일 수 있다. 이를 위하여, 본 발명의 또한가지 구현례에서는 보호막 형성 이전에 노출된 기판 표면에 결합층을 형성하는 단계가 선행할 수 있다. 즉, 상기 결합층은 기판과 보호막 사이의 결합을 강화하는 역할을 하는 것으로서, Ti, Cr, Ni 등의 금속 또는 TiOx, CrOx, NiOx 등의 산화층, 이들을 50중량% 이상 포함하는 물질 또는 그 조합(합금 포함) 중에서 선택된 재료로 이루어질 수 있다.
이때, 충분한 결합강도를 부여하기 위해서는 상기 결합층은 1nm 이상의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 다만, 두께가 100nm를 초과하면 더이상 효과증대는 기대되지 않으므로 상기 결합층의 두께 상한은 100nm로 정할 수도 있다.
상술한 과정에 의해 본 발명의 발광다이오드 소자는 평탄화 기판과 상기 평탄화 기판 위에 형성된 발광다이오드 층으로서, 외부로 노출된 상기 평탄화 기판의 표면에 보호막이 형성된 구조를 가지는 것으로서, 외부로 노출된 기판에 습식 식각 분위기에서도 부식되기 어려운 보호막이 형성되어 있으므로 이후 발광다이오드 소자가 겪을 수 있는 습식 식각 과정에서 충분한 내식성을 가질 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
발명예1
표면 거칠기(Rt)가 0.11㎛인 유리기판을 모기판으로 사용하여 평탄화 기판을 전기주조하였다.
전기주조를 위하여 상기 유리기판 상부에 하지층으로 50nm 두께의 Ti 층을 열증착 방식으로 형성하였다. 상기 하지층 위에 100nm 두께의 금(Au) 시드층을 형성하였으며, 그 위에 전해도금을 이용하여 약 50㎛ 두께의 Cu 기판을 형성하였다. 형성된 기판을 물리적으로 떼어내어 Cu 평탄화 기판을 얻을 수 있었다.
이렇게 준비한 평탄화 금속 기판을 아세톤, 이소프로판알코올(IPA; Iso-propane alcohol) 그리고 탈이온수를 이용하여 순차적으로 세척한 후 질소로 건조하였다. 이후, 제1 결합층(Ti)과 베리어 층(Ru)을 전자선 증착장비를 이용하여 각각 50Å(옹스트롱)과 500Å(옹스트롱)의 두께로 증착하고 그 위에 열증착 장비를 이용하여 제2 결합층(Ti)과 접합층(Au(80wt%)-Sn(20wt%) 합금, 융점: 295℃)을 100Å(옹스트롱)와 1.2㎛(마이크로미터) 두께로 증착하였다.
한편, 질화갈륨계 발광다이오드를 제작하기 위해서 MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition)를 이용하여 도 1에 도시한 형태와 같이 사파이어 위에 증착된 질화갈륨 발광다이오드를 염산 수용액(염산 : 탈이온수 = 1 : 1)에 10 분 동안 담근 후 탈이온수로 세척하고, 질소로 건조하였다. 이후, 전자선 증착장비를 이용하여 300Å(옹스트롱) 두께의 P 전극 (Ag)를 증착하고, 전극 보호층으로 W-Ti 합금/Pt를 1000Å(옹스트롱)/500Å(옹스트롱) 적층하여 형성하였다. 그 후, 제1 결합층(Ti)과 베리어층(Ru)을 전자선 증착장비를 이용하여 각각 50Å(옹스트롱)과 500Å(옹스트롱) 두께로 증착하고, 제2 결합층(Ti)과 금속 접합층(Au-Sn 합금)을 열증착 장비를 이용하여 각각 100Å(옹스트롱)과 1.2㎛(마이크로미터) 두께로 증착하여 상기 기판과 결합될 발광다이오드를 얻었다.
이후, 상기 과정에 의해 준비된 평탄화 기판과 발광다이오드를 금속접합층이 대향하도록 위치시킨 후 금속접합층의 녹는 온도 이상의 온도인 340℃로 가열 및 유지시킨 후 상호 가압하여 접합시켜 발광다이오드 소자를 얻었다.
이후, 상기 발광다이오드 소자의 노출된 기판 표면에 30nm의 두께로 Ti 결합층을 코팅한 후, 그 위에 100nm 두께로 Pt 보호막을 형성하였다. 상기 결합층과 보호막은 모두 전자빔 증착방식에 의하여 형성하였다.
상기와 같은 과정에 의하여 최종 발광다이오드 소자를 얻은 후 후술하는 성능평가에 이용하였다.
발명예2
노출된 기판 표면에 코팅되는 결합층과 보호막으로서 각각 Cr과 Au를 이용한 것 이외에는 상기 실시예1과 동일한 방식으로 발광다이오드 소자를 제조하였으며, 후술하는 성능평가에 이용하였다.
발명예3
상기 실시예1과 동일하되 결합층을 형성하지 않고 기판 위에 바로 보호막을 형성하여 발광다이오드 소자를 제조하였으며, 이를 성능평가에 이용하였다.
비교예
상기 실시예1과 동일하되 결합층과 보호막을 형성하지 않은 발광다이오드 소자를 제조하여 성능평가에 이용하였다.
습식 식각
상기 발명예1 내지 발명예3 및 비교예로부터 얻어진 발광다이오드 소자를 도 2에 도시한 바와 같은 형태의 습식 식각 장치를 이용하여 습식 식각하였다. 습식식각에 사용된 용액은 16 mol의 KOH 용액이었으며, 상기 발광다이오드 소자는 상이 용액이 수용된 조내에서 15분간 침지되었다. 습식 식각 과정 동안 자외선을 조사하여 습식 식각이 용이하게 진행되도록 하였다.
도 3에 비교예에 의하여 얻어진 발광다이오드 소자를 습식 식각한 결과를 나타내었다. 도면에서 확인할 수 있듯이, 금속 기판이 상당부분 훼손되었음을 확인할 수 있었다.
도 4는 발명예1(c), 발명예2(b)와 비교예(a)로부터 얻어진 발광 다이오드 소자의 기판 일부분에 대해서만 습식 식각한 결과를 나타낸 것이다. 도면에서도 확인할 수 있듯이, 비교예에 의해 제조된 발광다이오드의 기판은 습식 식각한 부분(KOH 노출)과 그렇지 않은 부분(KOH 비노출)의 부식정도가 크게 차이남을 알 수 있으나, 발명예1 및 발명예2에 의하여 얻어진 기판은 습식 식각한 부분과 그렇지 않은 부분 모두 거의 부식이 일어나지 않았음을 알 수 있었다. 이는, 발명예의 경우 보호막이 형성되어 있으므로 습식 식각시 우수한 내식성을 가질 수 있음을 나타낸다.
보호막이 형성된다 하더라도, 습식 식각 동안 충분한 강도로 기판에 결합되어 있는 것이 보다 유리하다. 도 5에는 발명예3에 의하여 제조된 발광다이오드 소자를 습식 식각한 결과를 나타낸다. 도면에서 볼 수 있듯이, 일부의 금속기판 표면에서 보호막이 탈락된 결과 기판 표면에 일부 부식이 진행되었음을 확인할 수 있다. 따라서, 결합층을 형성한 후 보호막을 형성하는 경우가 보다 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.
Claims (14)
- 평탄화 기판과 발광다이오드를 준비하는 단계;
상기 평탄화 기판과 상기 발광다이오드를 접합하여 발광다이오드 소자를 얻는 단계; 및
상기 발광다이오드가 접합된 상기 평탄화 기판의 외부에 노출된 표면에 보호막을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 평탄화 기판은 평탄화된 표면으로부터 제1 결합층, 배리어 층, 제2 결합층 및 접합층을 순차적으로 포함하는 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 보호막을 형성하는 단계 이전에 상기 평탄화 기판의 외부에 노출된 표면에 결합층을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 보호막은 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 몰리브데늄(Mo) 또는 이들을 포함하는 합금인 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 보호막의 두께는 50~500nm인 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 보호막 형성 단계 이전에 형성된 결합층은 Ti, Cr, Ni의 금속 또는 TiOx, CrOx, NiOx의 산화층, 이들을 포함하는 물질 또는 그 조합인 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 보호막 형성 단계 이전에 형성된 결합층의 두께는 1~100nm인 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 발광다이오드는 광출사면의 반대쪽 면으로부터 제1 결합층, 배리어 층, 제2 결합층 및 접합층을 순차적으로 포함하는 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 평탄화 기판과 상기 발광다이오드를 접합하는 단계는 상기 평탄화 기판과 상기 발광다이오드의 접합층 형성면이 상호 대향하도록 배치한 후, 상기 평탄화 기판과 상기 발광다이오드를 가열함으로써 이루어지는 발광다이오드 소자의 제조방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 평탄화 기판은 전기주조에 의해 제조되는 발광다이오드 소자의 제조방법.
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