KR102028366B1 - 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이종의 종자결정상에서 승화에 의한 성장법을 이용하며, 상기 이종의 종자결정은 사파이어 종자결정이고, 질화알루미늄이 승화됨으로써 상기 사파이어 종자결정상에서 단결정으로 성장되며, 사파이어 종자결정의 위치에서 측정되는 온도는 사파이어 종자결정의 융점이하가 되도록 조절되되, 질화알루미늄의 승화온도는 사파이어 종자결정의 융점을 초과하는 경우도 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법을 제공한다.

Description

사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법{Method for AlN growth on Sapphire seed crystal}

본 발명은 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이종종자결정법에 의하여 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키되, 사파이어의 용융을 방지하면서도 질화알루미늄의 승화가 최대한 일어나도록 함으로써 질화알루미늄을 대구경의 결정으로 성장시킬 수 이도록 하는 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법을 제공한다.

AlN 단결정은 6.2eV의 와이드밴드갭을 갖는 직접천이형(Direct Band Gap) 화합물 반도체로서, III-V족 화합물(GaN, InN 등)과 고용체를 형성하여 다양한 밴드갭을 갖는 화합물을 형성할 수 있다.

특히, UV-C LED, 고성능 전력변환소자, 고전압/고주파 RF 소자 등에 이용되는 AlGaN (Al 60% 이상) 에피탁시(epitaxy) 박막을 위해서는 기판소재로 사파이어나 SiC 단결정이 시도되고 있으나 AlN 단결정 기판이 가장 우수한 성능을 나타내는 것으로 알려져있다.

AlN 단결정은 UV용 LED, LD기판소재 등으로 사용될 수 있는데, 예를 들어 AlN 기판 상에 GaN-AlN 소재의 MQW 제작하면, 기존의 타 기판 사용 시보다 효율이 몇배 높아 적용 가능한 분야가 매우 넓으며, 따라서, 단결정 기판소재만 제작되면, 기존 소자제조를 위한 시간을 크게 단축할 수 있다.

또한, AlN 단결정을 사용하여 UV를 이용하는 다양한 응용기기(공기정화기, 정수장치, 의료기기 등)를 제작할 수 있으며, 이를 통하여 제조업체의 활성화를 유도할 수 있다. 또한, 인공위성 또는 우주선 등에서 초고효율 태양전지 소재로 응용 (대기권 밖 매우 풍부한 Deep UV 이용)할 수 있다. 아울러, AlN를 기초 재료로 제작된 Deep UV 광원을 이용한 고분해능 광학현미경으로도 응용 가능하다. 그 밖에도 표면탄성파(SAW) 장치나 미세전자기계시스템 (Microelectomechanical systems, MEMS) 등 다양한 응용분야가 존재한다.

현재 사용가능 한 AlN 기판 소재는 벌크(bulk) 단결정 AlN 웨이퍼와 사파이어와 SiC에 AlN을 에피택셜 성장시킨 템플릿(template) 웨이퍼가 존재하는데, 벌크 단결정 AlN 웨이퍼의 경우 Fox Group, Nitride-crystals group, Crystal IS, Hexatech, Fairfield Crystal 등이 제한적으로 생산 판매하고 있으며, 판매가격이 저품질, 소형 웨이퍼(부정형, ~1cm²)의 경우 약 US$2,000 정도, 1인치급 고품질 웨이퍼의 경우 US$7,000 정도의 고가로 판매되고 있다.

이종 웨이퍼상에 AlN의 단결정의 에피텍셜 박막을 성장시킨 템플릿 (template)의 경우 TDI, Hitachi cable, LumiGNTech 등이 생산 판매하고 있으며, 2인치 기준으로 AlN/사파이어가 약 US$300~700 정도, AlN/SiC 2인치의 경우 N-type이 약 US$600~900 정도, SI의 경우 약 US$1,500~2,500 정도로 각각 시판되고 있다.

즉, 전반적으로 상용 AlN 기판은 아직 단가가 너무 높고 상용화된 웨이퍼가 너무 작으며 품질이 낮은 경우가 많아 고품질화, 대구경화가 상기 열거한 다양한 응용제품에의 상용화의 선결과제로 파악되고 있다. 또한, 에피텍셜 성장된 템플릿기판(template)의 경우 결정품질이 나쁘고 단결정 층의 두께가 10~50㎛에 불과하여 응용에 한계가 존재한다는 문제점도 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 이종의 종자결정상에서 승화에 의한 성장법을 이용함으로써 기존의 벌크 AlN에 비하여 저비용으로 대구경화가 가능하며, 에피택셜 성장된 템플릿 기판에서 구현이 불가능하였던 수백㎛(100㎛ 이상 1000㎛ 미만)~수㎜(1mm 이상 10mm 미만)의 두께 확보와 2 ~ 12인치 크기의 대구경화가 가능하도록 하는 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 사파이어가 녹지 않는 조건에서 사파이어 단결정을 종자결정으로 이용한 AlN 성장공정을 제시함으로써 저렴하게 공급가능한 사파이어를 종자결정으로 사용하면서도, 성장된 질화알루미늄 기판의 품질 또한 기존의 AlN 템플릿 기판 수준보다 우수하며 벌크 AlN웨이퍼와 대등하게 도출할 수 있도록 하는 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 이종의 종자결정상에서 승화에 의한 성장법을 이용하며, 상기 이종의 종자결정은 사파이어 종자결정이고, 질화알루미늄이 승화됨으로써 상기 사파이어 종자결정상에서 단결정으로 성장되며, 사파이어 종자결정의 위치에서 측정되는 온도는 사파이어 종자결정의 융점이하가 되도록 조절되되, 질화알루미늄의 승화온도는 사파이어 종자결정의 융점을 초과하는 경우도 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법을 제공한다.

승화되는 상기 질화알루미늄은 분말인 것이 바람직하다.

상기 분말의 평균크기는 100 내지 300㎛인 것이 바람직하다.

상기 질화알루미늄 단결정이 성장되는 챔버의 압력은 0.01 ~ 0.5 atm인 것이 바람직하다.

상기 승화되는 질화알루미늄 대비 질화알루미늄 단결정의 생성율은 적어도 90중량%인 것이 바람직하다.

상기 질화알루미늄의 승화온도가 사파이어 종자결정의 융점을 초과하는 경우에는 상기 융점보다 300℃를 초과하지 않도록 조절되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 전술한 방법에 의하여 제조되며, 2인치 내지 12인치의 구경을 갖는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 단결정을 제공한다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 이종의 종자결정상에서 승화에 의한 성장법을 이용함으로써 기존의 벌크 AlN에 비하여 저비용으로 대구경화가 가능하며, 에피택셜 성장된 템플릿 기판에서 구현이 불가능하였던 수백㎛(100㎛ 이상 1000㎛ 미만)~수㎜(1mm 이상 10mm 미만)의 두께 확보와 2 ~ 12인치 크기의 대구경화가 가능하도록 하는 작용효과가 기대된다.

또한, 질화알루미늄 종자결정에 비하여 저렴하게 공급가능한 사파이어를 종자결정으로 사용하면서도, 질화알루미늄이 성장할 수 있을 정도의 높은 융점을 확보할 수 있고, 성장된 질화알루미늄 기판과 사파이어간의 부정교합이 작아 질화알루미늄 기판의 품질 또한 기존의 기판 수준과 대등하게 도출할 수 있도록 하는 작용효과가 기대된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 결정의 승화 성장 장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 AlN 분말의 사진이다.
도 3은 공정압력에 따른 AlN의 승화온도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의하여 다양한 질소 : 알루미늄 비율(V/III ratio)하에서의 AlN 의 승화거동을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의하여 AlN의 승화곡선에서 PVT의 성장공정을 선정하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의하여 V/III비가 2, 10일 때 공정압력에 따른 AlN의 승화곡선이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 공정압력에 따른 결정성장 수율(V/III=2, 10인 경우)이다.
도 8 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 의하여 종자결정과 원료의 온도차가 200℃인 경우 V/III 비에 따른 AlN PVT 성장공정의 설계결과이다(V/III=1, 2, 10인 경우).

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명하도록 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 결정의 승화 성장 장치의 모식도이다. 승화성장장치는 승화법을 이용한 물리적 기상 수송법(PVT, Physical Vapor Transport)을 사용한 것이며, 이는 공지의 장치 및 방법에 해당되므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 다만, 본 발명에서는 승화대상재료 및 단결정 재료로서 바람직하게는 분말상태의 질화알루미늄을 채택하였고, 종자결정으로는 질화알루미늄과 정합성이 우수하며 질화알루미늄과 차이가 크지 않은 정도의 높은 융점을 보유하는 사파이어(sapphire)로 하였다.

여기서, 질화알루미늄 분말은 승화의 원활성을 위하여 100 ~ 300㎛의 범위를 갖는 것으로 채택하였고(도 2 참조), 100㎛ 미만인 경우에는 경제적이지 못하며, 300㎛를 초과하는 경우에는 승화 속도가 늦어지는 문제점이 있다.

장치의 구동방법은 질화알루미늄을 도가니에 장입하고 종자결정 지지대에 사파이어 종자결정을 안착시킨 다음 기밀을 유지한 상태에서 승온과 압력조절을 수행한다.

이 때, 질화알루미늄이 높은 융점을 가지므로, 질화알루미늄의 승화를 위해서는 고온을 유지하여야 하며, 다만, 이러한 고온으로 인하여 사파이어 종자결정이 용융될 수 있으므로, 사파이어 종자결정의 융점을 넘지않도록 온도와 압력조건을 잘 조절하여야 한다.

다만, 장치의 챔버내에서 질화알루미늄이 충분히 승화되어야 단결정의 수율도 높아지기 때문에 사파이어 종자결정이 위치하는 지점에 비하여 승화대상인 질화알루미늄이 수용된 지점이 다소간 고온으로 유지되는 것이 불가피한 경우가 있다. 즉, 예를 들어서 사파이어 종자결정이 위치하는 지점은 사파이어의 융점 미만으로, 질화알루미늄의 위치하는 지점은 질화알루미늄의 최대한의 승화를 위해서 사파이어의 융점 이상의 온도로 유지할 수 있다.

또한, 압력조절에 의하여 두 지점의 온도 모두 사파이어의 융점 미만으로 유지할 수도 있다.

본 발명에서는 PVT 공정 중, 사파이어 종자결정이 위치하는 영역에서 측정되는 온도가 사파이어의 융점 미만이 되도록 유지함과 동시에 질화알루미늄이 위치하는 영역에서 측정되는 온도가 사파이어 융점으로부터 300℃를 초과하지 않도록 조절하는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에서는 질화알루미늄은 사파이어의 융점을 초과하는 온도에서 승화가 되더라도 사파이어 종자결정에 이러한 높은 온도가 조성되지 않도록 하는 온도 차이가 300℃임을 실험적으로 도출할 수 있었다.

한편, 본 발명에서는 상용화 가능한 수준으로 질화알루미늄이 승화되어야 하며, 적어도 초기 분말의 90중량%이 승화되도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 챔버내 압력(working pressure)을 0.05 atm ~ 0.4 atm 수준으로 유지하는 것이 좋다. 만일 0.05 atm 미만으로 유지되면 계의 승화온도가 전체적으로 지나치게 낮아지며, 성장속도가 느려지고 고진공하에서 도가니의 재질인 예를 들어 그라파이트, 각종 탄화물의 구성원인 탄소가 승화될 수 있으므로 바람직하지 않으며, 0.4 atm을 초과하는 경우에는 승화온도가 너무 높아지고 결정성장선단과 원료 승화온도의 온도차이를 매우 크게 해야하므로 지나치게 빠른 성장에 의한 다결정성장이 우려되므로 위 압력범위는 위 범위에서 임계적 의의를 갖는다.

승화온도는 챔버의 압력과는 반비례 관계에 있으며, 이는 공지의 사실이므로 별도의 설명은 생략한다.

이와 같은 질화알루미늄 단결정 성장방법에 의하면 품질이 우수한 대구경의 단결정 기판을 용이하게 제조할 수 있다.

도 3은 공정압력에 따른 AlN의 승화온도의 변화를 나타내는 그래프로서 공정압력이 떨어지면 AlN의 승화온도가 급격하게 감소함을 나타내며, 이에 따라 압력과 거의 무관한 사파이어의 융점 이하로 종자결정의 온도를 제어할 수 있음을 시사한 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의하여 다양한 질소 : 알루미늄 몰비율(V/III ratio)하에서의 AlN의 승화거동을 나타내는 그래프로서, 통상 질소 분위기에서 성장되는 AlN PVT 성장법에서 질소의 유량에 따라 AlN의 승화거동이 달라질 수 있음을 나타내고 있다. 기본적으로 PVT는 폐쇄계(closed system) 공정이므로 V/III 비율은 1에 근접한 값을 가질 수 있으나, 분위기 제어에 질소를 이용하므로 도가니의 체결상태와 별도의 분위기 제어기법을 통하여 과량의 질소를 인입할 수 있으며 이에 따라 AlN의 승화곡선은 큰 영향을 받을 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 AlN의 승화곡선에서 PVT의 성장공정을 선정하기 위한 모식도이다. 도시된 바와 같이 종자결정과 원료상부의 온도는 종자결정이 사파이어의 융점 이하로 유지될 수 있도록 제어해야 하며, 원료의 온도는 종자결정보다 300℃ 이상 높지 않도록 제어하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의하여 V/III비가 2 및 10일 때 공정압력에 따른 AlN의 승화곡선이다. 질소가 보다 더 개재되는 시스템에서 AlN의 승화 구간이 더 넓게 나타나므로 이는 질소가 많이 재재되는 시스템(질소유량이 큰 경우)에서 종자결정과 원료상부의 온도차이가 더 커야한다는 의미로 이해할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의하여 공정압력에 따른 결정성장 수율(V/III=2, 10인 경우)이며, 도 6의 x축을 공정압력으로 바꿔서 나타낸 그림이다. 90%의 수율을 나타내는 온도차이를 볼 때 질소유량이 증가하면 더 큰 온도차이를 보이는 것을 쉽게 알 수 있다.

도 8 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 의하여 V/III 비에 따른 AlN PVT 성장공정의 설계결과이다. 종자결정과 원료의 온도차가 200℃인 경우를 가정한 것이다 (V/III=1, 2, 10인 경우). 도 8에서와 같이 질소와 알루미늄이 1:1인 경우(V/III=1)는 AlN의 승화는 승화점 한 온도에서만 일어나므로 이론적으로 공정압력범위는 넓고 원료와 종자정의 온도차이는 최소화가 가능하다. 질소가 과량으로 게재된 도 9와 도 10의 경우 질소량이 증가할수록 공정압력 범위가 더욱 좁아지고 더 높은 압력에서 공정이 가능해지는 것을 알수 있다. 또한, 같은 온도차에서 기대되는 수율은 작아지고 같은 수율은 더 큰 온도차에서만 가능하게 됨을 알 수 있다. 여기서 공정압력의 최소값은 종자결정 영역에서의 온도에서 측정되는 압력이며, 최대값은 승화 대상인 질화알루미늄 영역에서의 온도에서 측정되는 압력이다.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 이종의 종자결정상에서 승화에 의한 성장법을 이용하며,
   상기 이종의 종자결정은 사파이어 종자결정이고,
   질화알루미늄이 승화됨으로써 상기 사파이어 종자결정상에서 단결정으로 성장되며,
   사파이어 종자결정의 위치에서 측정되는 온도는 사파이어 종자결정의 융점이하가 되도록 조절되되, 질화알루미늄의 승화온도는 사파이어 종자결정의 융점을 초과하는 경우도 포함하고,
   종자결정과 승화대상 원료의 온도차가 200℃인 조건과 공정 중 질소 유량 증가로 인하여 질화알루미늄의 질소와 알루미늄의 몰비가 2:1인 조건하에, 공정압력이 0.0553~0.178 atm의 범위에서 승화가 이루어지며, 여기서 0.0553 atm은 종자결정 영역에서 측정되는 압력으로서, 해당 영역에서 승화온도의 최저값은 2000℃이고, 0.178 atm은 승화대상인 질화알루미늄 영역에서 측정되는 압력으로서, 해당 영역에서 승화온도의 최고값은 2200℃인 것을 특징으로 하는 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   승화되는 상기 질화알루미늄은 분말인 것을 특징으로 하는 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 분말의 평균크기는 100 내지 300㎛인 것을 특징으로 하는 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 질화알루미늄의 승화온도가 사파이어 종자결정의 융점을 초과하는 경우에는 상기 융점보다 300℃를 초과하지 않도록 조절되는 것을 특징으로 하는 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법.
7. 제6항에 있어서,
   단결정 성장시 공급되는 질소의 알루미늄에 대한 상대적인 유량이 증가됨에 따라서 질화알루미늄의 승화온도와 사파이어 종자결정의 융점의 차이가 더 커지는 것을 특징으로 하는 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법.
8. 제1항에 있어서,
   단결정 성장시 질소의 알루미늄에 대한 상대적인 유량을 증가시킴으로써 승화온도를 하향 조절 가능한 것을 특징으로 하는 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법.
9. 제1항에 있어서,
   단결정 성장시 공급되는 질소의 알루미늄에 대한 상대적인 유량이 증가됨에 따라서 공정압력 범위가 좁아지고 공정압력이 전체적으로 상향 이동되는 것을 특징으로 하는 사파이어 종자결정상에서 질화알루미늄을 성장시키는 방법.
   
   
   
   
10. 삭제

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