KR20060059891A - 수직 구조 화합물 반도체 디바이스의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

수직 구조 광전자 디바이스를 제조하는 방법은 수정 기판 상에 복수의 수직 구조 광전자 디바이스를 제조하고 레이저 발진 프로세스를 사용하여 기판을 제거하는 것을 포함한다. 방법은 기판 대신에 금속 지지 구조를 제조한다. 일 양태에서, 기판 대신 금속 지지 구조를 제조하는 단계는 전기도금 및 무전해도금 중 적어도 하나를 사용하여 금속 지지 구조를 도금하는 단계를 포함한다. 일 양태에서, 수직 구조는 GaN-계 수직 구조이고, 수정 기판은 사파이어를 포함하고 금속 지지 구조는 구리를 포함한다. 본 발명의 이득은 고신뢰성과 높은 수율을 가지고 대량 생산에 적합한 수직 구조를 제조하는 것을 포함한다.
지지층, 접착제, 수직 구조, 사파이어 기판, 확산판

Description

수직 구조 화합물 반도체 디바이스의 제조 방법{METHOD OF FABRICATING VERTICAL STRUCTURE COMPOUND SEMICONDUCTOR DEVICES}
기술분야
본 발명은 상부 및 하부 접점 구조를 갖는 수직 구조 화합물 반도체 디바이스를 제조하기 위한 것이다.
배경기술
종래에, 발광 다이오드 (LED; Light Emitting Diode), 레이저 다이오드 (LD), 헤테로 접합 바이폴라 트랜지스터 (HBT), 고전자 이동도 트랜지스터 (HEMT; High Electron Mobility Transistor) 를 포함하는, 대부분의 GaN-계 반도체 디바이스는 절연 사파이어 기판을 사용하여 제조되어 왔다. 결과적으로, 상부측 n-접점이 상부측 p-접점과 전기적 접속을 하기 위해 형성되어야만 하기 때문에, 절연 기판으로 만들어진 디바이스 구조는 통상적으로 수평 구조로 만들어진다.
본 구조는 정전기 방전 (ESD; electrostatic discharge) 에 약한 내성과 전류 집중 (crowding) 과 같은 수많은 디바이스 성능 문제를 야기한다. 전류 집중은, 고전류 주입이 고전력 백색 LED 또는 블루/UV LD를 사용한 조명 어플리케이션에 요구될 때 심각해질 수 있다. 전자가 그런 디바이스 내에서 n-형 전극 근처에 한정되기 때문에, 광-전자 디바이스에서 양자 생성이 증가된 전류 주입에 대해 제한적이다. 즉, 전력 효율이 나빠진다. 이것은 현재 시장에서 사용할 수 있는 수평 디바이스의 심각한 단점이다.
특히, GaN-계 LED 가 고전압 환경, 예를 들면, 자동차 어플리케이션에 적용될 때, 심각한 문제로 고려된다. 일단 정전기 충전이 디바이스 표면상에 발생하면, 절연 기판에 기인하여 디바이스 내에 어떤 전류 방전 경로도 없기 때문에 수평 디바이스는, 매우 짧은 기간내에 디바이스 손상을 자주 일으키는 충전 형성 (build up) 을 경험한다.
사파이어와 같은 절연성 기판을 갖는 수평 디바이스의 다른 치명적인 단점은 불량한 열 분산 (dissipation) 이다. 사파이어는 불량한 열 전도체로 알려져 있다. 부가하여, 디바이스가 높은 전류 주입 모드로 들어갔을 때 소자의 수명이 상당히 짧아진다. GaN-계 LED 와 LD, 및 블루/UV LD 의 추가적인 개발에 대해 치명적인 2가지 장애가 있다.
생산 수율의 관점에서, 또한 수평 구조 디바이스는 많은 단점을 가진다. 도 1에 도시된 바와 같이 p 과 n 전극 모두 동일한 평면에 위치하기 때문에, 수평 구조를 가지고 만들어진 디바이스는 큰 디바이스 면적을 필요로 한다. 따라서, 많은 디바이스는 수평 디바이스가 요구하는 웨이퍼의 면적 크기에 의해 제한된다.
본 이슈가 문제로 떠오름과 함께, 사파이어 기판 물질은 다이아몬드 다음으로 2번째로 단단한 물질로 알려져 있다. 이것은 웨이퍼를 그라인딩하고 연마 (polishing) 하는 데 어려움을 야기한다. 게다가, 웨이퍼에서 디바이스를 분리하는데 어려움도 있다. 따라서, 선제조 프로세스까지 높은 디바이스의 수율을 올리고자 기대할지라도, 최종 디바이스 제조 수율은 랩핑 (lapping), 연마, 및 다 이 (die) 분리를 포함하는 후제조 프로세스에 주로 의존한다.
최근에, 도 2에 도시된, GaN-계 화합물 반도체의 수직 구조를 고려한 새로운 개발이 진행되고 있다. 레이저 발진 (lift off) 프로세스는 GaN 에피 (epi) 층으로부터 사파이어 기판을 제거하기 위해 소개되었다. 몇몇의 기법이 통상적으로 UV 범위에서 사파이어를 통과하는 파장을 가진 엑시머 레이저를 사용하여 수직 구조 디바이스를 제조하기 위하여 전도성 또는 반-전도성 제 2 기판으로 절연 사파이어 기판을 대체한다. 레이저 발진에 의해 사파이어를 제거한 후 제 2 기판에 영구적인 본딩을 위하여 대부분의 다른 기업들이 웨이퍼-본딩 기법을 사용한다.
그러나, 이러한 기법은 VLED (수직 LED) 의 대량 생산을 위한 실질적인 웨이퍼 스케일 레이저 발진 프로세스를 초래하지 않는다. 2 개의 주요한 이유는 지지 웨이퍼와 에피텍셜 층 사이의 층간 분리 (de-lamination) 본딩 접착층에 기인한 넓은 면적의 레이저 발진에서의 어려움이다. 다른 문제는 에피텍셜 층 표면이 레이저 발진 후에 전체 웨이퍼 표면 위가 평평하지 않기 때문에, 에피텍셜 층과 영구적인 제 2 기판 사이의 웨이퍼 본딩에서의 어려움이다. 이러한 이유 때문에, 레이저 발진 이후에 최종 수율이 크게 제한되고, 결과적으로, 웨이퍼의 작은 일부분만이 다른 기법에 따라 수직 구조 디바이스를 위해 제조된다.
VLED를 제조하기 위해 웨이퍼 본딩 문제를 극복하기 위한 다른 노력들이 있어 왔다. 웨이퍼 본딩 방법을 사용하는 대신, 도 3에 도시된 다른 하나의 기법은 금속 지지층을 부착한다. 그러나, 레이저 발진 수율이 지지 구조에의 본딩층의 층간 분리에 의해 매우 낮아진다는 것이 알려져 있다. 본딩이 고에너지 레이저 충격파를 견디기에 충분할 정도로 보장되지 않는다면, 레이저 발진 후에 GaN 에피 층은 구부려지거나 크랙 (crack) 이 생길 수도 있다. 일단 GaN 에피 층 상에 크랙이 생기거나 구부려진다면, 세정, 디-본딩, 및 디바이스 분리와 같은 후-레이저 발진 프로세스를 수행하기가 매우 어렵다. 따라서, 최종 디바이스 프로세스 수율은 다른 프로세스 수율을 매우 높게 유지할 수 있을 때조차도 매우 낮아지게 된다. 이러한 문제점은 임시 웨이퍼 본딩 기법과 사용된 비-최적화된 레이저 프로세싱 기법에 주로 기인한다.
다른 기법에 기초한 종래의 수직 디바이스가 갖는 다른 문제는 도 3에 도시된 바와 같이 불량한 디바이스 성능이다. 샌드 블래스팅 (sand blasting) 이 균일한 레이저 빔 에너지 분산를 생성하기 위해 사파이어 기판 상에 자주 사용되기 때문에, 레이저 발진 이후 GaN 표면이 매우 거칠고, 디바이스의 낮은 반사율을 초래한다. 또한, n-GaN 층 상에 형성된 금속 반사층은 ITO 와 같은, 비금속 반사 물질과 같이 높지 않다.
수직 구조 디바이스의 제조에 레이저 발진 프로세스를 적용하기 위하여 우수한 디바이스 성능을 획득하면서, 신뢰성이 있고 반복가능한 레이저 발진 프로세스를 제공하는, 수직 구조 화합물 반도체 디바이스를 제조하는 방법이 요구된다.
요약
본 발명은 GaN-계 화합물 반도체 디바이스의 대량 생산을 위한 개선된 레이저 발진 프로세스를 사용하여 새로운 수직 구조 화합물 반도체 디바이스를 제조하기 위한 개선된 기법을 제공한다. 본 발명의 일 양태는 신뢰성 있고 반복가능 한 레이저 발진 프로세스를 보장하기 위해서, 지지 웨이퍼에 임시 접착 본딩을 위한 이중 본딩 프로세스를 적용하고, 특정 에피 두께의 웨이퍼를 갖는 GaN 초기 버퍼층에 추가하여 AlGaN 버퍼층을 사용한다.
일 실시형태에서, 본 발명은 레이저 발진 프로세스와 금속화 프로세스를 최적화하여 대량 생산용 수직 구조 화합물 반도체를 만들기 위한 제조 방법을 설명한다. 우선, 레이저 발진하는 동안 폴리머 계 본딩 접착제의 열 손상을 막기 위해서, 확산 장벽 (diffusion barrier) 으로 역할하는 AlGaN 버퍼층과 두꺼운 GaN 에피 층 (>5㎛) 은 종래의 GaN 또는 AlN 버퍼층 위에 사용된다. 둘째로, 이중 본딩 기법은 고에너지 레이저 충격파에 의한 손상을 감소시키고, 용이한 디-본딩 (de-bonding) 프로세스를 돕기 위해서 사용된다. 세째로, 산화 인듐 주석 (ITO; Indium Tin Oxide) 이 수직 디바이스의 고효율의 광학 및 전기적 특성을 얻기 위하여 GaN 에피 층과 두꺼운 금속 지지층 사이에 위치된다. 결론적으로, 업그레이드된 Cu-합금-계의 두꺼운 금속 지지층은 수직 디바이스의 양호한 기계적 지지, 높은 전기 전도성, 및 양호한 열 분산를 얻기 위해 사용된다.
본 발명의 장점은 높은 신뢰성과 높은 수율을 가지고 대량 생산에 적합한 수직 구조 LED를 제조하는 것을 포함한다. 본 발명은 레이저 발진 후에 에피텍셜 층과 지지 웨이퍼의 용이한 분리를 위해 레이저 발진 프로세스에 이중 본딩 프로세스를 사용하고, 레이저빔의 높은 에너지 충격파에 대항하여 보호하기 위해 AlGaN 댐핑 (damping) 층을 사용한다. 이 추가적인 버퍼층은 얇은 에피텍셜 박막상에 고 에너지 레이저 빔 조사 (irradiation) 에 의해 야기된 크랙 생성을 감소시킨다.
도면의 간단한 설명
본 발명은 다음의 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 2개의 금속 접점이 디바이스의 상부측 상에 형성되는 종래의 수직 구조 GaN-계 LED를 도시한다.
도 2는 종래의 다른 기법에 따른 수직 구조 GaN-계 LED이고, GaN 의 얇은 부재는 원래의 사파이어 기판을 제거한 후에 금속 본딩층을 사용하여, Si, GaAs, 등과 같은 제 2의 기판에 본딩된다.
도 3은 종래의 다른 기법에 따른 수직 구조 GaN-계 LED이고, 웨이퍼 본딩 대신에, 두꺼운 금속 층이 원래의 사파이어 기판을 제거한 후에 GaN 의 얇은 부재 상으로 증착된다.
도 4는 본 발명에 따른 수직 구조 GaN-계 LED이고, 원래의 사파이어 기판을 제거한 후에, 제 2의 AlGaN 버퍼층을 초기의 GaN/AlN 버퍼층과 중간 Au 층에 부가하고 두꺼운 구리 합금 층이 ITO (Indium Tin Oxide) 접점 층에 증착된다.
도 5는 레이저 발진 이전에 글루 (glue)/에폭시 이중 접착층을 사용하여 사파이어 지지 웨이퍼에 부착된 GaN-LED 웨이퍼를 도시한다.
도 6은 확산판을 사용한 사파이어 기판을 통과하는 레이저를 도시한다.
도 7은 레이저 발진 이후에 사파이어 기판 제거를 도시한다.
도 8은 Ga 방울 제거, 표면 세정 및 투명 ITO 반사기/접점 형성을 도시한다.
도 9는 ITO 접점 층 상에 Au 중간층과 두꺼운 구리 합금 금속 지지 증착을 도시한다.
도 10은 접착 글루/에폭시 층의 디-본딩과 사파이어 지지층 제거를 도시한다.
도 11은 화학적으로 또는 레이저 스크라이빙 (scribing) 에 의한 디바이스 분리를 도시한다.
도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 최종 수직 디바이스 구조를 도시한다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 특정 방법, 기법, 디바이스 구조 및 실시형태를 참조하여 설명한다. 당업자는 본 발명을 실행하기 위한 최선의 모드를 제공하고 설명하기 위한 서술을 이해할 것이다. 또한, 수치, 두께, 온도 등은 본 발명을 실행하기 위한 최선의 모드를 서술하기 위해 제공되고, 본 발명을 제한하기 위한 의도는 아니다.
도 4 내지 12는 본 발명에 따른 레이저 발진 프로세스를 사용하여 수직 구조의 GaN-계 LED (100) 를 제조하기 절차를 도시한다. 본 실시형태는 원래의 기판을 제거하기 위해 레이저 발진 절차를 적용하고, 기계적인 지지와 전기적인 전도성을 위해 금속 기판을 형성하기 위해 금속 증착 프로세스를 적용한다. 본 발명에서 설명된 제조 방법은 LED에 제한되지 않고, 레이저 다이오드 (LD), 헤테로-접합 바이폴라 트랜지스터 (HBT), 고전자 이동도 트랜지스터 (HEMT) 와 같은 절연성 기판 상에서 성장한 GaN-계 에피텍셜 박막을 포함하는 임의의 디바이스 구조에 확장될 수 있다. 이러한 응용은 본 발명이 다른 부가적인 물질에 응용할 수 있다고 추가적으로 예견되기 때문에, 예시적이다.
도 5에서 도시된 바와 같이, GaN-계 LED 구조 (150A-150F) 는 금속 유기 화 학 기상 증착 (MOCVD), 분자 빔 에폭시 (MBE) 또는 증기 기상 엑피텍시 (VPE), 등과 같은 적절한 에피텍셜 성장 장치를 갖는 사파이어 웨이퍼 (200) 상에서 성장한다. GaN 또는 AlN 의 단일 층이 공통 버퍼층인 종래의 기법과는 반대로, 본 발명은 GaN 또는 AlN 버퍼층 (116) 에 더하여 AlGaN 버퍼층 (114) 을 채용한다. AlGaN 층 (114) 은 열 장벽을 생성하는데 유용하다. GaN 에피텍셜 층과 접착 본딩층 사이의 계면에서 온도는 레이저 발진 프로세스 동안 250℃ 까지 상승할 수도 있다. 따라서, 폴리머-계 접착층은 열 형성에 기인하여 레이저 발진 동안 열화되어 GaN 에피텍셜 층과 반응하기 쉽고, 디-본딩 프로세스 동안 열적으로 열화된 접착제를 제거하기 어렵다. 본 발명의 AlGaN 의 적용은 본딩 접착 열화를 감소시키도록 돕고, 부가하여 디바이스 제조 수율을 개선시킨다. 또한, 총 에피텍셜 층의 두께는 GaN/접착 계면에서 온도가 증가하는 것을 방지하기 위하여 특정 두께로 총 에피텍셜 층의 두께를 설정한다. 유익하게, 에피 층 두께는 계면의 온도가 200℃ 이하를 유지하도록 5㎛ 이상일 수 있도록 선택된다. 이것을 얻기 위하여, n-GaN 층은 4㎛ 두께 이상으로 성장된다. 다른 두께와 온도 편차들이 예측된다.
에피텍셜 성장 후에, 제조 프로세스는 금속 접점을 형성하고 보호층을 제공하기 위해 GaN 에피텍셜 층 상에 수행된 금속화 및 패시베이션 층 형성을 포함한다. 특히, 트랜치 (160) 는 도 5에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판을 통하여 GaN LED 층으로부터 형성된다. 트랜치는 레이저 발진 동안 GaN 에피 층 (116) 과 사파이어 기판 (200) 사이에서 억압적인 스트레스를 완화시키는 방식으로 설계 되고, 따라서 레이저 발진 동안 GaN 에피 층의 크랙과 구부러짐을 최소화한다. 트랜치 면적은, 레이저 발진 프로세스 동안 충격파를 감소시키기 위해, 예를 들면 7x7㎜의 레이저 빔 스폿 사이즈와 동일하게 설계된다. 트랜치는 100㎛ 의 폭보다 더 좁고 사파이어 기판으로 2㎛ 이하로 확장하는 것이 유리하다. 트랜치는 Ar 과 Cl2 또는 BCl3 가스의 혼합물로 반응성 이온 에칭, 바람직하게는 유도성 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭 (ICP RIE; Inductively coupled plasma reactive ion etching) 을 사용하여 형성되는 것이 유리하다. 제조 프로세스를 완료한 후에, 사파이어 기판의 뒷면은 레이저 발진 이전에 매끄러운 표면을 얻기 위하여 래핑되고 연마된다.
도 5를 참조하면, 사파이어 기판 (200) 을 갖는 전체적으로 프로세싱된 GaN-계 LED 웨이퍼는, 레이저 발진에 의해 사파이어 기판 제거 후에 매우 얇은 GaN 에피 멤브레인을 유지하기 위해서 임시 지지 웨이퍼에 본딩된다. 본 발명에서, 2개의 임시 본딩 접착 층인 글루 (220) 및 에폭시 (230) 가 사용된다. 이중 본딩 기법을 사용하는 데는 2가지 이유가 있다. 첫번째 이유는 고에너지 레이저 빔의 충격파로부터 생기는 손상을 줄이는 것이다. 본딩이 얇거나 약하면, 레이저 발진 이후에 GaN 에피텍셜 층은 레이저 빔으로부터의 충격파에 기인하여 많은 크랙과 구부러진 에피 층을 종종 초래하며, 이것은 레이저 발진 프로세스 수율을 크게 감소시킨다. 두번째 이유는 높은 본딩 강도와 더 높은 충격파 내성을 가진 제 2층과 용제 가용성 슈퍼 글루 (solvent soluble super glue) 를 가진 제 1 본딩층을 사용하여 디-본딩 프로세스가 더 용이해지도록 돕는 것이다. 슈퍼 글루가 충격파에 대한 약한 본딩 강도와 내성을 갖고 있기 때문에, SU-8 5 에폭시가 제 1 슈퍼 글루 본딩층 상에 도포된다. Su-8 이 슈퍼 글루보다 충격파에 더 강한 내성과 훨씬 더 높은 본딩 강도를 갖는 반면, 일단 SU-8 은 완전히 경화 (cure) 되면 제거하기 어렵다.
슈퍼 글루층 두께가 거의 30 ㎛ 두께로 유지되도록 다수의 스핀을 가진 스핀 코팅을 사용하여 슈퍼 글루층이 도포된다. 슈퍼 글루 본딩 이후에, SU-8 5 는 거의 20 미크론 보다 더 두꺼운 두께를 가진 스핀 코팅을 사용하여 슈퍼 글루층의 상부상에 도포된다. SU-8 5 는 사파이어 지지 웨이퍼 (210) 를 통해 UV 램프로 경화된다. UV 광 투명 사파이어 지지층을 사용하는 것은 SU-8 5 가 UV 광에 의해 경화되기 때문에 SU-8 5 에폭시 경화용으로 유용하다. 임시 웨이퍼 본딩을 위한 다음의 세부 프로세스 단계는 최선의 모드의 설명을 위해 제공된다.
슈퍼 글루 본딩 프로세스 (GaN/사파이어 웨이퍼 (200) 상에서)
1. GaN/사파이어 웨이퍼를 아세톤에 담그고 나서, 이소프로판올에 담그고, N2를 이용하여 블로 드라이시킨다 (blow dry).
2. GaN/사파이어 웨이퍼를 DI (De-ionized) H2O 에 담그고, N2를 이용하여 블로 드라이시킨다.
3. 슈퍼글루를 대략 1/3 내지 1/2 의 웨이퍼 중앙에 도포한다.
4. 스핀 코터를 2000 rpm (1~2초) 으로 재빨리 램프하고 즉시 0 으로 램프 다운 (ramp down) 한다.
5. 전체 커버리지 (coverage) 를 확인한다. 전체적으로 커버되지 않았다면, 슈퍼 글루로 비어있는 영역을 채우고 단계 4를 반복한다.
6. 일단 웨이퍼가 슈퍼 글루로 전체적으로 커버되면, 2000 rpm으로 램프하고 30초 동안 유지한다.
7. 0 으로 램프다운 하고 중단하다.
8. 2분 동안 층 내 (inter-layer) 를 경화한다.
9. 5개 코팅을 위해 3 내지 9 단계를 반복한다.
10. 슈퍼 글루를 제시된 시간동안 경화한다 (밤샘 경화).
SU-8 5 본딩 프로세스 (사파이어 지지 웨이퍼 (210) 상에서)
1. 사파이어 지지 웨이퍼를 아세톤에 담그고 나서, 이소프로판올에 담그고, DI H2O에 담그고, N2를 이용하여 블로 드라이시킨다.
2. 사파이어 지지 웨이퍼와 슈퍼 글루로 코팅된 GaN/사파이어 웨이퍼의 탈수 베이킹 (bake) 한다.
2.1 10분 동안 핫 플레이트로 120℃ 로 지지 웨이퍼를 가열한다.
2.2 핫 플레이트로부터 제거하고 2분 동안 식힌다.
3. 사파이어 지지 기판 (연마된 측) 또는 GaN/사파이어 웨이퍼 (슈퍼 글루 측) 중 하나에 주입기로 SU-8 5 를 도포한다.
4. SU-8 5 방울의 상부면 상에 다른 웨이퍼를 위치시키고 자연스럽게 에폭시 를 펼친다.
5. 트위저 (tweezer) 로 부드럽게 압력을 인가한다. 레이저 (razor) 블레이드 또는 웨이퍼 에지 트리머 (trimmer) 로 이후 용이하게 제거될 수 있는 여분의 SU-8 5 가 주위를 압착한다.
6. 용제를 제거하기 위해 소프트 베이킹 (soft bake) 한다.
6.1 1/4 웨이퍼에 대해 (핫 플레이트 상에서)
6.1.1. 70℃-2.5분
6.1.2. 90℃-5분
6.1.3. 70℃-2분
6.1.4. 깨끗한 표면상에서 식힌다.
6.2 전체 웨이퍼의 1/2 에 대해 (핫 플레이트 상에서)
6.2.1. 70℃-2.5분
6.2.2. 90℃-10분
6.2.3. 70℃-2분
6.2.4. 깨끗한 표면상에서 식힌다.
7. UV 노광
7.1 동종의 UV 소스를 사용한다 (예를 들면, 마스크 얼라이너의 UV 램프).
7.1.1. 강도 : 사파이어 지지 웨이퍼 없이 SU8 5 상에서 7~7.5mW/㎠
7.1.2. 강도 : 연마되지 않은 된 사파이어 지지 웨이퍼상에서 5.0mW/㎠
7.2 15㎛ 두께의 막은 약 200mJ/㎠ 도즈를 요구한다 (이 강도에서 40초 동 안).
7.3 막이 더 두꺼운 경우 120 초 노광한다 (또는 최대 20분 노광).
8. SU8 5 와 슈퍼 글루 사이에 가교 결합을 증가시키기 위한 하드 베이킹한다 (hard baking).
8.1.1. 70℃-1분
8.1.2. 90℃-2분
8.1.3. 깨끗한 표면상에서 식힌다.
도 6을 참조하면, 248nm KrF UV (Ultra violet) 엑시머 레이저는 레이저 발진용으로 사용된다. 예시적인 레이저는 38ns 펄스 주기를 갖는다. 이 파장을 선택한 이유는 GaN/사파이어 계면에서 GaN 을 금속 Ga와 질소 가스 (N2) 로 분해하기 위해서 레이저가 사파이어를 통과하여 전달되고 GaN 에피 층에 흡수되어야만 한다. 레이저 빔은 7x7 mm 스퀘어 빔을 갖고 600~1,200mJ/㎠ 사이의 빔 전력 밀도를 갖도록 선택된다. 또한 요구된 레이저 빔 에어지 밀도가 사파이어 기판 표면의 표면 조도에 크게 의존된다는 것이 알려져 있다. 레이저 발진 후에 매끄러운 GaN 표면을 획득하기 위해서 800mJ/㎠ 보다 높은 빔 에너지를 사용한다. 이러한 수치가 양호한 결과를 변경시킬 수도 있다는 것이 예측된다.
이전의 경험에 기초하여, 사파이어 기판의 표면 조도는 레이저 발진 후에 매끄러운 GaN 표면을 얻기 위해 중요한 프로세스 수치로 알려져 있다. 연마되지 않은 사파이어 표면이 레이저 발진동안 사용된다면, GaN 표면은 매우 거칠고, 최종 디바이스를 형성한 후에 거친 표면의 낮은 반사율에 의해 LED 디바이스의 낮은 광 출력을 초래한다. 그러나 연마된 표면이 사용되면, 매우 매끄러운 GaN 표면이 얻어질 수 있고, 또한, 더 높은 광 출력이 얻어질 수 있다. 그러나, 레이저 빔이 연마된 사파이어 표면상에 한정되기 때문에, 더 높은 레이저 빔 전력으로 조사된 영역은 더 낮은 레이저 빔 에너지로 조사된 영역에 비하여 GaN 표면 상에 크랙을 통상적으로 초래한다. 따라서, 동시에 높은 수율의 레이저 발진 프로세스와 고성능 디바이스 성능을 얻기 위한 사파이어 웨이퍼의 최적의 표면 조도를 선택하는 것이 중요하다. 종래의 기법에 따라서, 샌드 블라스팅은 연마된 사파이어 기판 상에 균일한 레이저 빔 분산를 얻도록 보통 사용되지만, 샌드 블라스팅은 매회 동일한 표면 조도를 얻는 것을 반복할 수 없으며 매우 신뢰할 수 없다. 본 발명에서 248nm UV 레이저에 투명한재료로 이루어진 확산판 (diffuser plate) 이 레이저 빔과 사파이어 기판 사이에 위치되어 사파이어 표면상의 균일한 레이저 빔 전력 분산를 얻고 따라서 레이저 발진 수율을 향상시킨다. 확산판의 rms (root mean square) 표면 조도는 확산기에 사용된 사파이어와 30 ㎛ 미만으로 설정되는 것이 바람직하다.
레이저 발진 이후에, 레이저 발진 동안 GaN 분리로부터 생성된 여분의 Ga 방울은 HCl 용액 (실온에서 HCl:H2O=1:1)으로 세정하거나 도 7에 도시된 바와 같이 30초 동안 HCl 증기로 끓인다. Ga 가 실온에서 녹기 때문에 Ga는 레이저 발진 동안 액체 상태로 형성되고, 산성 용액으로 용이하게 세정될 수 있다. 산으로 세 정된 GaN 표면은 건조 에칭에 의해 더 세정되고, 유도 결합 반응 이온 에칭 (ICP RIE; inductively coupled reactive ion etching) 을 사용하는 것이 유리하다. 자동적으로 평평한 표면을 만들기 위해서, ICP 연마는 또한 리프팅된 n-GaN 표면 상에서 제공된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 광출력이 더 높은 반사 표면을 통해 증가하므로, 순차적으로 적층된 반사 구조로부터 높은 반사율을 생성하는데 평평한 표면이 중요하다.
양호한 광 반사와 전기 접점 특성을 얻는 것이, 광 추출을 증가시키고 수직 구조 디바이스의 전기적 특성을 개선시키는데 중요하다. 이러한 요구사항을 만족시키기 위해 ITO (Indium Tin Oxide) 박막은 도 8에 도시된 바와 같이 n-접점과 반사기에 대해 사용하는 것이 유리하다. ITO 가 투명 비-금속 접점인 경우에, n-GaN 에 양호한 n-형 접점을 형성할 수 있고, 다른 기법에 사용된 Ti/Al 과 비교할 수 있다. 또한, ITO 박막의 고반사율은 수직 디바이스용 반사기를 형성하기에 이상적이다. 종래의 기법에 의해 사용된 금속 박막의 최적의 반사율이 거의 60~70% 로 알려진 것에 비하여 ITO 의 반사율은 90% 이상으로 알려져 있다. 투명 전도성과 반사성 ITO 박막은 세정된 n-GaN 표면상에 전자 빔 증발을 사용하여 증착된다. ITO 박막 두께는 최적의 반사율을 얻기 위하여 75~150nm 의 범위에서 선택된다.
두껍고 부드러운 금속 막 지지층 (~100㎛) 을 갖는 얇고 단단한 GaN 에피 층 (10 ㎛ 미만) 을 갖는 수직 구조 디바이스를 제조하기 위해서, 도 9에서 도시된 GaN 에피 층 (150) 과 금속 층 (122-126) 사이의 계면에 형성 될 수도 있는 압축 스트레스를 감소시키기 위해 두 층 사이에 중간층 (120) 을 형성하는 것이 중요하다. 중간층 (120) 을 제공하는 다른 이유는 금속 중간층이 비금속 ITO 표면상에 직접 전기 도금을 시키는 것보다 더 나은 전기 도금 특성을 만든다는 것이다. 대략, 1㎛ 의 두꺼운 금 (Au) 박막 (120) 은 진공 챔버에서 웨이퍼를 제거하지 않고 전자 빔 증발기를 사용하여 ITO 표면 (118) 상에 연속적으로 증착된다. 원위치에서 연속적인 층 증착은 오염을 방지하는데 유용하고 ITO 와 Au 층 사이에 양호한 박막 접착을 하는데 중요하다. ITO 와 Au 사이에 접착을 개선시키기 위하여 30~50nm의 두꺼운 Cr 접착층이 ITO와 Au 층 사이에 더 증착된다.
도 9에서 두꺼운 금속 지지층 (120-126) 은 전기도금 또는 무전해도금에 의해 증착된다. 전기도금 또는 무전해도금은 종래의 증착 방법에 비하여 빠르고 저렴한 증착 기법이기 때문에 사용된다. 이것은 효율적인 비용 측면에서 수직 디바이스의 대량 생산에 중요하다. 지지층 (120-126) 이 얇은 GaN 에피 층에 대한 양호한 단단한 기계적 지지를 제공할 뿐만 아니라 양호한 전기적 전도성과 열 분산를 제공한다는 것이 지지층 (120-126) 의 주요 기능이다. 이러한 요구사항을 만족하기 위해서, 고품질의 Cu 합금 층이 Au/Cr 접착층 상에 증착된다.
제 1 Au 버퍼층 (120) 은 Cu 합금 층 이전에 증착된다. Au 층(120) 은 진공 증발 등과 같은 기법으로 형성될 수 있다. Au 층 (120) 은 기존 층과 Cu 합금 층 사이의 접착을 개선하기 위해 증착된다. 초기에, 두꺼운 금속층에 기인하여 형성된 스트레스를 점차적으로 부드럽게 하기 위하여 황산염-계 연동층이 도금된다. 초기 연동 합금 층 두께는 10㎛ 까지로 설정된다. 도금율 밀집 되고 균일한 Cu 도금층을 형성하기 위해 3~5㎛/hour으로 설정된다. 연동 층 (122) 의 옆에 구조적 강성 (stiffness) 을 제공하기 위해 경동 층 (124) 이 도금된다. 경동 도금의 도금속도는 20㎛/hour까지이다. Cu 합금 도금의 경우, 주석 (Sn) 과 철 (Fe) 을 포함하는 금속 합금 도금 용액은 Cu 지지층의 기계적 강도와 전기적 전도성을 개선시키기 위해 Cu 황화용액으로 혼합된다. Cu 합금 지지층의 총 두께는 70~90㎛ (도 9) 였다. Cu 합금 도금의 종료시에, 0.5~1㎛ 의 두꺼운 Au 층은 산화 (oxidation) 로부터 Cu 합금 층을 보호하기 위해 전기 도금된다. Au 보호층 (126) 은 수직 디바이스를 패키징하기 위한 다이 본딩 프로세스와 와이어본딩 프로세스 동안에 개별적이 다이와 금속-계 에폭시 사이에서 양호한 접착을 만드는 것이 중요하다.
두꺼운 금속 증착 이후에, 사파이어 지지 웨이퍼 (210) 는 용제를 사용하여 GaN/금속 지지 웨이퍼로부터 제거되고 그 결과는 도 10에 도시된다. 디-본딩 프로세스는 지지 사파이어 웨이퍼로부터 슈퍼 글루층을 분해하기 위해 3~5 시간동안 아세톤에서 GaN/금속 웨이퍼를 담그는 단계를 포함한다. 디-본딩 프로세스를 더 쉽고 빠르게 하기 위해, 사파이어 웨이퍼의 에지 (edge) 상에 형성된 여분 금속을 에지 트리머 또는 레이저 블래이드와 같은 기계적 방법으로 트리밍한다. 화학적 프로세스가 또한 사용될 수 있다. 이 여분 금속을 제거하여, 용제는 슈퍼 글루층으로 보다 더 쉽게 관통하고 디-본딩 프로세스를 가속화할 수 있다. 분리된 GaN/금속 웨이퍼는 초음파 세정제에서 이소프로판올에 추가로 담구어지고 세정된다. GaN 디바이스 표면은 린스와 드라이어를 사용하여 DI 물 (water) 로 더 세정된다.
도 10의 웨이퍼는 막 (410) 상에 지지되고, 개별적인 디바이스는 도 11에 도시된 바와 같이 스크라이빙되어 분리되고, 화학적 또는 레이저 프로세스 중 하나를 사용하여 제공될 수 있다. 도 12는 본 발명에 따른 실시형태에 따라서 최종 수직 디바이스 구조를 도시한다. 그 결과는 종래의 다른 제조 기법에 비하여 높은 수율을 가진 고품질의 레이저 다이오드이다.
본 발명의 이득은 고신뢰성과 높은 수율을 가진 대량 생산에 적합한 수직 구조 LED 를 제조하는 것을 포함한다. 본 발명은 레이저 발진 이후에 에피텍셜 층과 지지 웨이퍼의 용이한 분리를 위해 레이저 발진에 앞서서 이중 본딩 프로세스를 사용하고, 레이저 빔의 고 에너지 충격파에 대해 보호하기 위해 AlGaN 댐핑 층을 사용한다. 이 추가적인 버퍼층은 얇은 에피텍셜 박막 상에 고에너지 레이저 빔에 의해 생성된 크랙 생성을 감소시킨다.
개시된 예시적인 실시형태와 최선의 모드를 가지고, 다음의 청구항에 의한 규정된 바와 같이, 변형과 변경이 본 발명의 주제와 정신 내에서 유지되는 한 개시된 실시형태로 만들어질 수도 있다.

Claims (23)

  1. 수직 구조 광전자 디바이스를 제조하는 방법으로서,
    복수의 수직 구조 광전자 디바이스를 수정 기판 상에 제조하는 단계,
    레이저 발진 (lift off) 프로세스를 사용하여 상기 기판을 제거하는 단계, 및
    상기 기판 대신 금속 지지 구조를 제조하는 단계를 포함하는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 대신 금속 지지 구조를 제조하는 단계는 전기도금 및 무전해 도금 중 하나 이상을 사용하여 상기 금속 지지 구조를 도금하는 단계를 포함하는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 구조는 GaN-계 수직 구조이며, 상기 수정 기판은 사파이어를 포함하고, 상기 금속 지지 구조는 Cu를 포함하는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 수직 구조는 GaN-계 수직 구조이며, 상기 수정 기판은 사파이어를 포함하고, 상기 금속 지지 구조는 Cu를 포함하는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전자 디바이스와 상기 금속 지지 구조 사이에 버퍼층을 제조하는 단계를 더 포함하는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 광전자 디바이스와 상기 금속 지지 기판 사이에 버퍼층을 제조하는 단계를 더 포함하는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 지지 구조를 제조하는 단계는 p-형 금속 접점 또는 n-형 금속 접점 표면 상에서 수행되는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 지지 구조를 제조하는 단계는 p-형 금속 접점 또는 n-형 금속 접점 표면 상에서 수행되는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 대신 금속 지지 기판을 제조하는 단계는,
    n-접점을 형성하는 ITO (Indium Tin Oxide) 층을 증착하는 단계;
    상기 ITO 층 상에 Au 버퍼층을 증착하는 단계; 및
    전기도금 및 무전해 도금 중 하나 이상을 사용하여 상기 Au 버퍼층 상에 Cu 층을 도금하는 단계를 포함하는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 GaN-계 수직 구조는, 폴리머계 접착층을 보호하는 열 확산 (thermal diffusion) 장벽을 제공하기 위하여 GaN 또는 AIN 버퍼층에 더하여 AlGaN 버퍼층을 구비하는 버퍼층을 포함하는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    a) 트렌치 치수는 레이저 발진 프로세스 동안에 충격파를 완화시키기 위하여, 예를 들어, 7x7 mm의 레이저 빔 스폿 사이즈에 실질적으로 유사하고,
    b) 상기 트렌치들은 유리하게는 약 100 미크론 폭보다 더 좁고, 상기 사파이어 기판으로 약 3 미크론보다 깊지 않게 연장하며, 그리고,
    c) 상기 트렌치들은 유리하게는 반응성 이온 에칭, 바람직하게는 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭 (ICP RIE) 을 사용하여 형성된다는 규칙에 따라 상기 트렌치들이 상기 기판을 통해 상기 GaN 층으로부터 형성되는, 수직 구조 광전자 디 바이스 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    a) 스핀 코팅을 사용하여 슈퍼 글루층을 도포하는 단계,
    b) 상기 슈퍼 글루층의 두께를 대략 30 미크론-두께로 하는 단계,
    c) SU-8 5 를 또한 20 미크론 보다 두꺼운 두께로 스핀 코팅을 사용하여 도포하는 단계,
    d) SU-8 5 를 UV 램프 경화 (cure) 하는 단계, 및
    e) 상기 UV 램프 투명 사파이어 지지는 SU-8 5 에폭시를 경화하기 위하여 사용하는 단계에 따라, 레이저 발진 이후의 디-본딩 프로세스 동안에 충격파를 완화시키고, 층간 분리 (de-lamination) 를 용이하게 하기 위해, 슈퍼 글루 및 SU-8 5 에폭시와 같은 폴리머-계 접착제를 사용하여 GaN 에피 층과 지지 웨이퍼 사이에 접착 본딩층을 더블 코팅을 하는 단계를 포함하는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  13. 제 3 항에 있어서,
    균일한 레이저 빔 전력 분산를 얻기 위하여, 레이저 빔과 상기 사파이어 기판 사이에 확산판 (diffuser plate) 을 배치함으로써, 레이저 빔에 투명한 재료로 이루어진 상기 확산판을 사용하는 단계를 더 포함하는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  14. 제 3 항에 있어서,
    리프팅된 GaN 웨이퍼상에서 ICP RIE 에칭하여 연마 (polishing) 를 수행하는 단계를 더 포함하며,
    상기 에칭하여 연마 단계는 순수 n-GaN의 평평한 표면을 자동적으로 노광하여 제조하며, 상기 평평한 표면은 후속적으로 증착될 반사형 구조에 고반사율을 제조하는데 특히 유용한, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  15. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판의 바닥 위에 전자 빔 증발을 사용하여 투명 도전성 반사층을 증착하는 단계를 더 포함하며, 상기 n-접점을 위하여 바람직하게 사용되는 ITO (Indium Tin Oxide) 는 반사기인, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  16. 제 3 항에 있어서,
    두꺼운 금속 층으로 강화된 스트레스를 점진적으로 경감하기 위하여 연동 합금층 (soft Cu alloy layer) 을 증착하는 단계를 더 포함하며,
    초기 연동 합금 층 두께는 10㎛ 까지로 설정되며, 상기 도금율은 3~5㎛/hour 로 설정되는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    구조적인 강성 (stiffness) 을 제공하기 위하여 경동층 (hard Cu layer) 을 증착하는 단계를 더 포함하며,
    경동 도금의 도금율은 20㎛/hour 까지이며, 상기 Cu 합금 도금을 위하여 주석 (Sn) 과 철 (Fe) 을 함유하는 금속 합금 도금 용액은 Cu 황산액과 혼합되어 Cu 합금 지지층의 기계적 강도 및 전기적 도전성을 개선하고, Cu 합금 지지층의 총 두께는 70~90㎛ 이며, Cu 합금 도금의 종료시에 0.5~1㎛ 두께의 Au층이 전기도금되어 산화로부터 Cu 합금층을 보호하는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  18. 제 3 항에 있어서,
    화학적 또는 레이저 스크라이빙 (scribing) 에 의해 개별 디바이스를 다이싱 (dice) 하는 단계를 더 포함하는, 수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  19. 제 1 항의 방법에 따라 제조된 수직 구조 광전자 디바이스.
  20. 제 2 항의 방법에 따라 제조된 수직 구조 광전자 디바이스.
  21. 제 3 항의 방법에 따라 제조된 수직 구조 광전자 디바이스.
  22. GaN-계 발광 다이오드 및 그 상부 근방에 하나의 접점;
    수정 기판 상의 수직 구조 레이저 다이오드 아래에 배치된 ITO (Indium Tin Oxide) 접점층;
    상기 ITO층에 인접한 Au 를 포함하는 버퍼층; 및
    상기 Au층에 인접한 구리를 포함하는 지지층을 구비하는 복수의 층들을 포함하는, 수직 구조 광전자 디바이스.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 지지층은 전기도금 및 무전해도금 중 적어도 하나를 사용하여 구성되는, 수직 구조 광전자 디바이스.
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