KR20070025081A - Method for manufacturing gallium nitride substrate - Google Patents
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Abstract
Description
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 질화갈륨 기판 제조방법의 실시예에 따라 실리콘 기판 상에 삼각형(Triangle) 완충층 질화갈륨(GaN) 막을 성장시킨 것을 SEM으로 본 표면 도면.1 and 2 are SEM views showing growth of a triangular buffer layer gallium nitride (GaN) film on a silicon substrate according to an embodiment of the gallium nitride substrate manufacturing method according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 질화갈륨 기판 제조방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도.Figure 3 is a schematic flow chart showing sequentially a gallium nitride substrate manufacturing method according to the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨(GaN) 막을 성장시키는 HVPE 반응기의 단면도.4 is a cross-sectional view of an HVPE reactor for growing a gallium nitride (GaN) film according to one embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 질화갈륨(GaN) 막 가공방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도. 5 is a schematic flowchart sequentially showing a gallium nitride (GaN) film processing method according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10. 반응기10. Reactor
11. 챔버11. Chamber
12. 히터12. Heater
13. 서셉터(susceptor)13. susceptor
14. 실리콘 기판14. Silicon substrate
15. 제1주입관15. First injection
16. 제2주입관16. Second injection pipe
17. 제3주입관17. 3rd injection
18. 제4주입관18. 4th injection
19. Ga 메탈19.Ga metal
21. 배기라인21. Exhaust Line
본 발명은 질화갈륨 기판 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 낮은 수준의 전위밀도를 갖는 GaN 기판을 보다 간단한 방법으로 제조하고, 실리콘 기판을 이용하여 기판 분리에 소요되는 시간을 대폭 단축시켜 GaN 기판의 생산성을 향상시키며, 기판 수율을 증대시키기 위해 개선된 질화갈륨 기판 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a gallium nitride substrate, and more particularly, to a GaN substrate having a low level of dislocation density by a simpler method, and to significantly shorten the time required for substrate separation using a silicon substrate. The present invention relates to an improved gallium nitride substrate manufacturing method for improving the productivity of the substrate and increasing the substrate yield.
질화갈륨(이하, GaN으로 함)은 우르자이트(Wurzite) 구조를 가지는 질화물 반도체로서 상온에서 가시광선의 청색 파장대에 해당하는 3.4eV의 직접천이형 밴드갭(direct energy band gap)을 가질 뿐만 아니라, InN 및 AlN와 전율고용체(solid solution)를 이루어 금지대폭의 조정이 가능하며 전율고용체의 전 조성 범위 내에서 직접천이형 반도체의 특성을 나타내기 때문에 청색표시 및 발광소자 재료로서 가장 각광 받고 있다. Gallium nitride (hereinafter referred to as GaN) is a nitride semiconductor having a urzite structure, and has a direct energy band gap of 3.4 eV corresponding to the blue wavelength band of visible light at room temperature. It is possible to adjust the prohibition drastically by forming solid solution with InN and AlN, and it is the most popular blue light and light emitting device material because it shows the characteristics of direct transition type semiconductor in the whole composition range of the whole rate solid solution.
GaN 막은 통상 사파이어(Al₂O₃), 실리콘 카바이드(SiC), 또는 실리콘(Si) 기판 등에 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)나 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxial) 방법 등으로 형성한다. GaN films are usually formed on sapphire (Al 2 O 3), silicon carbide (SiC), or silicon (Si) substrates by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), or hydrogen vapor phase epitaxial (HVPE).
그런데, 이 경우 기판과 GaN 막은 서로 격자상수 및 열팽창계수가 다르기 때문에 격자부정합(lattice mismatch) 등으로 인해 기판 상에 GaN 막을 에피택셜 성장시키는 것이 매우 어렵다. GaN 뿐만 아니라 AlN, InN, GaInN, AlGaN, 및 GaAlInN 등의 GaN계가 모두 이러하다.However, in this case, since the lattice constant and the coefficient of thermal expansion are different from each other, it is very difficult to epitaxially grow the GaN film on the substrate due to lattice mismatch. Not only GaN but also GaN-based such as AlN, InN, GaInN, AlGaN, and GaAlInN are all.
이와 같은 문제점을 극복하기 위한 방법으로서 격자변형(lattice strain)을 완화시키기 위하여 유사한 격자상수를 가진 기판 위에 완충층(buffer layer)을 비교적 낮은 온도에서 기판 상에 먼저 형성시킨 다음에 완충층 상에 GaN 막을 성장시키는 방법 등이 제안된 바 있다. As a method to overcome this problem, a buffer layer is first formed on a substrate at a relatively low temperature on a substrate having a similar lattice constant in order to alleviate lattice strain, and then a GaN film is grown on the buffer layer. Has been proposed.
그러나, 이러한 방법은 고가의 기판을 이용하여야 하며, 완충층 형성 시 또 다른 성장 장비를 이용하여야 하는 번거로움이 있을 뿐만 아니라, GaN 막의 에피택셜 성장을 가능하게는 하지만 GaN 막 내의 전위(dislocation) 밀도가 여전히 높아 레이저 다이오드나 발광다이오드 등으로의 응용에 제한을 받는다. However, this method requires the use of expensive substrates and the inconvenience of using another growth equipment to form the buffer layer, and also allows for epitaxial growth of the GaN film, but the dislocation density in the GaN film is high. Still high, they are limited to applications such as laser diodes and light emitting diodes.
그리고 사파이어 기판을 이용하여 GaN 박막을 형성하는 경우, 현재까지의 기술 수준으로는 사파이어 기판 상에 GaN 막을 에피택셜 성장시키는 것은 쉬우나, GaN 막을 또 다른 소자의 기판으로 사용하기 위하여 사파이어와 분리하는 것이 매우 어렵다.In the case of forming a GaN thin film using a sapphire substrate, it is easy to epitaxially grow a GaN film on a sapphire substrate to the present technical level, but it is very difficult to separate the GaN film from the sapphire in order to use it as a substrate of another device. it's difficult.
상기한 방법에서는 사파이어 기판 상에 GaN 후막을 성장시킨 후, GaN 후막과 사파이어 기판의 분리를 위해 레이저를 사파이어 기판으로 조사하여 GaN 막과 열분해를 일으켜 분리하는 데, 이는 시간이 많이 소요되고 분리 수율이 낮다는 문제점이 있다. In the method described above, after the GaN thick film is grown on the sapphire substrate, the laser is irradiated with the sapphire substrate to separate the GaN thick film from the sapphire substrate, and the pyrolysis and separation of the GaN film is time-consuming, and the yield is high. There is a problem of low.
상기한 문제점을 극복하고자 저가의 실리콘 기판 상에 GaN 후막을 성장시키고, 분리하여 GaN 기판을 얻고자 많은 노력을 하였지만 아직까지 실리콘 기판이 에칭 되거나, GaN 막 성장 자체가 어려운 문제점들이 있다. Although many efforts have been made to obtain GaN substrates by growing and separating GaN thick films on low-cost silicon substrates to overcome the above problems, there are still problems in that silicon substrates are etched or GaN film growth itself is difficult.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 실리콘 기판 위에 전위밀도가 낮은 GaN 기판을 간단한 방법으로 제조할 수 있으며, 실리콘 기판 상에 GaN 막을 형성한 후 기판으로부터 GaN을 분리하여 GaN 기판을 얻을 때 공정 시간을 단축시키도록 한 질화갈륨 기판 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, it is possible to manufacture a GaN substrate with a low dislocation density on a silicon substrate by a simple method, and after forming a GaN film on the silicon substrate by separating GaN from the substrate GaN substrate It is an object of the present invention to provide a gallium nitride substrate manufacturing method to shorten the process time when obtaining.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 질화갈륨 기판 제조방법은, (a) 실리콘 기판을 반응기 내에 장입하는 단계와; (b) 상기 반응기 내로 세정 기체를 흘려 상기 실리콘 기판의 표면을 세정하는 단계와; (c) 상기 반응기 내에 갈륨(Ga) 소스기체와, 질소(N) 소스기체를 흘려 상기 실리콘 기판 위에 클러스터 형태의 완충층을 형성하는 단계와; (d) 상기 실리콘 기판 상에 단결정 질화갈륨(GaN) 막을 성장시키는 단계와; (e) 상기 실리콘 기판으로부터 상기 질화갈륨(GaN) 막을 분리하는 단계와; (f) 상기 질화갈륨(GaN) 막 표면의 손상층을 제거하여 질화갈륨 (GaN) 웨이퍼화하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다. The gallium nitride substrate manufacturing method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of: (a) charging a silicon substrate in the reactor; (b) flowing a cleaning gas into the reactor to clean the surface of the silicon substrate; (c) flowing a gallium (Ga) source gas and a nitrogen (N) source gas into the reactor to form a buffer layer in a cluster form on the silicon substrate; (d) growing a single crystal gallium nitride (GaN) film on the silicon substrate; (e) separating the gallium nitride (GaN) film from the silicon substrate; (f) removing the damaged layer on the surface of the gallium nitride (GaN) film to form a gallium nitride (GaN) wafer.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
우선, 본 발명에서는 실리콘 기판을 이용하여 GaN 막을 성장시킨다. First, in the present invention, a GaN film is grown using a silicon substrate.
도 1은 본 발명에 따라 실리콘 기판 상에 GaN 막을 성장 시에 발생하는 에칭을 방지하기 위하여 클러스터 형태의 보호층을 성장시킨 것을 보여주는 주사전자 현미경(SEM) 사진이다. FIG. 1 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing that a protective layer in the form of a cluster is grown to prevent etching occurring when a GaN film is grown on a silicon substrate according to the present invention.
도 1에 보이는 바와 같이, 실리콘 기판 상에 형성된 클러스터 형태의 보호층은 약 90% 정도 삼각형(Triangle)의 형태로 성장이 된다. 또한 클러스터 형태의 보호층은 실리콘 기판과 GaN 막 사이에 발생하는 격자부정합을 줄여주는 역할을 한다.As shown in FIG. 1, the cluster-type protective layer formed on the silicon substrate is grown in the form of a triangle by about 90%. In addition, the cluster-type protective layer reduces the lattice mismatch between the silicon substrate and the GaN film.
그리고 도 2는 본 발명에 따른 GaN 기판 제조방법에 따라 성장한 주사전자 현미경(SEM) 사진이다.2 is a scanning electron microscope (SEM) image grown according to the GaN substrate manufacturing method according to the present invention.
또한 본 발명에 따른 GaN 기판 제조방법은, 실리콘 기판 위에 클러스터 형태의 GaN 보호층을 먼저 성장하고, 그 위에 순차적으로 GaN 후막을 성장하게 된다. 도 2에서 보는 바와 같이, 보호층과 GaN 후막층의 경계가 구분되어 지며, 이는 모두 HVPE 장비 내에서 이루어 진 것이다. In addition, in the GaN substrate manufacturing method according to the present invention, a GaN protective layer having a cluster shape is first grown on a silicon substrate, and a GaN thick film is sequentially grown thereon. As shown in Figure 2, the boundary between the protective layer and the GaN thick film layer is distinguished, which is all made in the HVPE equipment.
이를 보다 구체적으로 설명한다.This will be described in more detail.
도 3에는 본 발명에 따른 GaN 기판 제조방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도가 도시되어 있다.3 is a schematic flowchart showing a GaN substrate manufacturing method according to the present invention in sequence.
도 3을 참조하면, 우선, 반응기 내에 일정 방향성을 가진 실리콘 기판을 장입한 후, 기판의 표면을 처리한다.(단계 100,110)Referring to FIG. 3, first, a silicon substrate having a certain orientation is loaded into a reactor, and then the surface of the substrate is treated (
그리고 실리콘 기판에서 GaN 막이 성장될 단결정 실리콘 막의 표면은 (1,1,1)의 면방위를 가지는 것이 바람직하고, 세정 기체로 기판 표면을 처리는, 세정 기체로서 H₂기체 또는 HCl 기체를 사용할 수 있는데, 도 3에는 H₂기체를 사용한 경우가 도시되어 있다. The surface of the single crystal silicon film on which the GaN film is to be grown on the silicon substrate has a surface orientation of (1,1,1), and the H2 gas or HCl gas may be used as the cleaning gas for treating the substrate surface with the cleaning gas. 3 shows the case of using
상기한 H₂기체 또는 HCl 기체를 반응기 내로 흘려주면 기판 표면의 자연산화막과 유기물이 제거되어 표면이 세정되고 예컨대, H2 기체를 사용하는 경우, H2 기체는 실리콘 기판의 자연산화막인 SiO2와 반응하여 Si 기체 및 H2O를 생성하고, 이 때 Si 기체는 자연배기되고, H₂O는 열에 의해 증발하여 날아가 버리게 되어, 결과적으로 SiO₂를 제거하는 것이다. When the H2 gas or HCl gas is flowed into the reactor, the surface of the substrate is cleaned by removing the natural oxide film and organic matter. For example, when H2 gas is used, the H2 gas reacts with SiO2, which is a natural oxide film of the silicon substrate, to form Si gas. And H 2 O, wherein Si gas is naturally exhausted and H 2 O is evaporated and blown away by heat, resulting in removal of
또한 세정 기체로 기판 표면을 처리하면 기판 표면이 세정됨과 동시에 실리콘 기판 표면의 원자구조가 테라스(terrace) 구조가 된다. 이 테라스 구조는 표면이 계단 형상으로 된 것으로서, 이후 기판 표면상에 증착될 원자는 계단의 끝에 붙으면서 성장되기 쉬우므로, 증착에 필요한 에너지 장벽을 낮추어 주어 증착을 보다 더 용이하게 할 수 있다.In addition, when the substrate surface is treated with a cleaning gas, the substrate surface is cleaned, and the atomic structure of the surface of the silicon substrate becomes a terrace structure. The terrace structure has a stepped surface, and since atoms to be deposited on the substrate surface are easily grown as they adhere to the ends of the steps, the energy barrier required for deposition can be lowered to make deposition easier.
이처럼 세정 기체로 기판 표면을 처리하는 공정에서는 반응기의 온도를 900 내지 1100℃로 유지하면서 H2 기체 또는 HCl 기체를, 후술하는 단계 140에서 수행할 GaN 막 성장 공정에서 반응기 내로 공급하는 전체 기체량의 0.01 내지 1%에 해당하는 양으로 반응기 내로 흘려보낸다. In the process of treating the substrate surface with the cleaning gas as described above,
이 때 세정 기체로서 H₂기체를 사용하는 경우 H₂기체를 0.5 내지 10분 동안 흘려주고, HCl 기체를 사용하는 경우에는 HCl 기체를 1 내지 30분 동안 흘려준다. In this case, when
이 후 GaN 핵 생성 공정을 수행한다.(단계 120)The GaN nucleation process is then performed (step 120).
이 단계에서는 후술하는 단계 130인 GaN 막 성장 공정에서 반응기 내로 공급하는 전체 기체량의 10 내지 30%에 해당하는 양으로, N 소스기체인 NH₃로 60 내지 90분 동안 반응기 내로 흘려보낸다. 이는 실리콘이 Ga 소스기체인 GaCl₃ 기체 또는 Ga 메탈에 캐리어(carrier) 기체로서 HCl 기체를 흘려줄 때 식각되는 것을 막아주는 역할을 한다. In this step, in the GaN film growth process, which will be described later, in an amount corresponding to 10 to 30% of the total amount of gas supplied into the reactor, the N source gas is flowed into the reactor for 60 to 90 minutes with NH₃, which is an N source gas. This prevents silicon from being etched when flowing HCl gas as a carrier gas to GaCl 3 gas or Ga metal as a Ga source gas.
이와 같이 N 소스기체를 반응기 내로 먼저 흘려주고 기판을 그 후에 Ga 소스 기체를 번갈아 처리하면 실리콘 기판 상에 GaN 결정의 핵이 생성된다. 이 때 전술한 바와 같이 실리콘 기판 표면은 테라스 구조로 되어 있으므로, 생성된 GaN 결정의 핵은 계단의 끝에 붙게 된다. As such, the N source gas is first flowed into the reactor, and the substrate is then alternately treated with Ga source gas to generate nuclei of GaN crystals on the silicon substrate. At this time, as described above, since the surface of the silicon substrate has a terrace structure, the nuclei of the generated GaN crystals adhere to the end of the stairs.
예컨대, Ga 메탈에 HCl 기체를 흘려주어 GaCl 기체로 먼저 실리콘 기판을 표면처리하면 GaCl이 기판 표면에 남아 있다가, 그 다음 흘려주는 NH₃ 기체의 N과 서로 반응하여 GaN 핵을 생성할 수 있다. For example, when HCl gas is flowed into Ga metal and the silicon substrate is first surface-treated with GaCl gas, GaCl remains on the substrate surface, and then reacts with N in the flowing NH₃ gas to generate GaN nuclei.
상술한 바와 같은 기판의 GaN 핵 생성 공정을 수행한 후에는, 기판 상에 GaN 보호층을 성장시킨다.(단계 130)After performing the GaN nucleation process of the substrate as described above, a GaN protective layer is grown on the substrate (step 130).
이 단계에서는 반응기의 온도를 300 내지 800℃로 유지하면서 반응기 내에 Ga 소스기체 및 N 소스기체를 동시에 흘려보내 GaN 클러스터 형태의 보호층을 성장 시킨다. 이 GaN 보호층 성장 공정에서는 이전 단계에서 생성된 GaN 핵이 점점 성장하여 일정 두께를 가진 클러스터 형태로 성장된다.In this step, while maintaining the temperature of the reactor at 300 to 800 ℃ simultaneously flowing the Ga source gas and N source gas in the reactor to grow a protective layer in the form of GaN cluster. In this GaN protective layer growth process, the GaN nuclei generated in the previous step grow gradually and grow into clusters having a certain thickness.
본 발명에서 전술한 바 있는 삼각형 형태의 GaN 클러스터는 두 가지 역할을 하고 있다. 즉, 실리콘 기판과 GaN 막 성장 시 사용되는 가스 및 소스로부터 보호를 해주는 역할과, 실리콘 기판과 GaN 막 사이에 격자상수 및 열팽창계수가 서로 달라서 발생하는 격자부정합을 해주는 역할을 한다. 이렇게 성장되는 GaN 클러스터의 총 두께는 1~20㎛ 정도이다. The triangular GaN cluster described above in the present invention plays two roles. In other words, it serves to protect the gas and the source used in the growth of the silicon substrate and the GaN film, and serves as a lattice mismatch caused by different lattice constants and thermal expansion coefficients between the silicon substrate and the GaN film. The total thickness of the grown GaN clusters is about 1-20 μm.
이어서, GaN 클러스터가 성장된 실리콘 기판 상에 GaN 막을 성장시킨다.(단계 140)Subsequently, a GaN film is grown on the silicon substrate on which the GaN cluster is grown.
이 단계에서는 반응기의 온도를 1000 내지 1100℃로 유지하면서 반응기 내에 Ga 소스기체 및 N 소스기체를 동시에 흘려보내 GaN 막을 에피택셜 성장시킨다.In this step, the GaN film is epitaxially grown by simultaneously flowing a Ga source gas and an N source gas into the reactor while maintaining the temperature of the reactor at 1000 to 1100 ° C.
GaN 막의 성장 공정에서는 이전 단계에서 생성된 GaN 클러스터 위에 점점 성장하여(lateral overgrowth) 막(film)으로 성장된다. 즉, 실리콘 기판과 GaN 막 사이에는 격자상수 및 열팽창계수가 서로 달라서 GaN 물질이 기판 상에 직접 쌓이기보다는 GaN 보호층에 붙어서 성장되기가 더 쉽기 때문이다. In the growth process of the GaN film, lateral overgrowth is grown on the GaN cluster generated in the previous step to grow into a film. That is, because the lattice constant and the coefficient of thermal expansion are different between the silicon substrate and the GaN film, the GaN material is more likely to be attached to the GaN protective layer rather than directly stacked on the substrate.
그런 후, GaN 막이 형성된 실리콘 기판을 상온까지 냉각시켜 GaN 막의 형성을 완료한다.(단계 150)Thereafter, the silicon substrate on which the GaN film is formed is cooled to room temperature to complete formation of the GaN film (step 150).
다음으로, 질산(HNO3, 70%)과 불산(HF, 50%) 용액을 혼합율을 0.1~10까지 변화하여 실리콘 기판을 1~100㎛/min으로 제거하고, 초산을 첨가하여 잔류 실리콘을 제거한다.(단계 160)Next, the mixture of nitric acid (HNO3, 70%) and hydrofluoric acid (HF, 50%) is changed to 0.1 to 10 to remove the silicon substrate at 1 to 100 µm / min, and acetic acid is added to remove residual silicon. (Step 160)
이어서, GaN 막의 표면의 손상층을 제거하기 위해, GaN 막을 연마하고, GaN 성장 장비 안에서 다시 삽입하여 최종적으로 표면 안정화 작업을 실시한다.(단계 170)Subsequently, in order to remove the damage layer on the surface of the GaN film, the GaN film is polished, reinserted into the GaN growth equipment, and finally subjected to surface stabilization (step 170).
한편, 일반적으로 에피층(epi layer)을 성장시키는 방법으로는 크게 VPE(Vapor Phase Epitaxial growth), LPE(Liquid Phase Epitaxial growth) 및 SPE(Solid Phase Epitaxial growth)를 들 수 있다. In general, methods of growing an epi layer may include VPE (Vapor Phase Epitaxial growth), LPE (Liquid Phase Epitaxial growth), and SPE (Solid Phase Epitaxial growth).
여기서, VPE는 반응가스를 기판 위로 흘리면서 열에 의한 분해와 반응을 통해 기판 위에 결정을 성장시키는 것으로서, 반응가스의 원료형태에 따라 수소화물 VPE(hydride VPE : HVPE), 할로겐화물 VPE(halide VPE), 유기금속 VPE(metal organic VPE : MOVPE) 등으로 분류할 수 있다. Here, the VPE is to grow crystals on the substrate through the decomposition and reaction by heat while flowing the reaction gas on the substrate, depending on the raw material type of the reaction gas hydride VPE (HVPE), halide VPE (halide VPE), Organic metal VPE (MOVPE) and the like.
그 중에서 HVPE에 의해 GaN 막을 성장시키는 경우에 대해서는 실시예로 들어 설명하기로 한다.Among them, the case where the GaN film is grown by HVPE will be described with reference to Examples.
실시예Example
도 4에는 HVPE에 의해 GaN 막을 성장시키는 반응기의 구조를 나타내 보인 단면도가 도시되어 있다. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a reactor for growing a GaN film by HVPE.
도 4에 도시된 바와 같이, 반응기(10)는 성장 챔버(11)를 둘러싸 설치되어 챔버(11)를 가열시키는 히터(12)를 포함한다. As shown in FIG. 4, the
상기 챔버(11) 내의 3×2" 석영(quartz) 서셉터(susceptor)(13) 상에 실리콘 기판(14)을 장착한 후, 챔버(11) 내의 온도를 1000℃로 유지한 상태에서 분위기 기체로서 N₂를 제1주입관(15)을 통해, 세정 기체로서 H₂을 제2주입관(16)을 통해 주입하고, 이들 기체를 30분 동안 흘려보낸다. After mounting the
이 과정에서 실리콘 기판(14) 상의 자연산화막 및 유기물이 제거되어 실리콘 기판(14)의 표면이 깨끗하게 세정되었고, 이 실리콘 기판(14)의 표면은 테라스 구조로 되어 있다.In this process, the natural oxide film and the organic material on the
이 때 N2는 분위기 기체로 사용하며, H₂를 운반하는 캐리어 기체로도 작용한다. 그리고 상기 챔버(11) 내의 기체들은 배기라인(21)을 통해 자연 배기된다. At this time, N2 is used as an atmosphere gas, and also acts as a carrier gas that carries H2. Gases in the
다음으로, 제2주입관(16)을 닫아서 H₂의 공급을 중단한 후, 챔버(11) 내의 온도를 1000℃로 유지한 상태에서 NH₃를 제3주입관(17)을 통해 70분 동안 흘려보내었다. 그런 후, 제3주입관(17)을 닫아 NH3의 공급을 중단한 후, HCl을 제4주입관(18)을 통해 70분 동안 흘려보내었다. Next, after stopping the supply of H₂ by closing the
이 때 상기 제4주입관(18)을 통해 흘러 들어간 HCl은 Ga 메탈(19)과 반응하여 아래의 반응식 1과 같이, GaCl 기체를 생성하며, 이 GaCl 기체가 실리콘 기판(14)으로 공급된다. At this time, HCl flowing through the
그리고 NH₃및 GaCl 기체의 교대 공급을 1회 더 수행하며, 이러한 NH₃및 GaCl 기체의 교대 공급 과정 중에 실리콘 기판(14) 상에 GaN 핵을 성장시킨다. Then, alternate supply of NH 3 and GaCl gas is performed once more, and GaN nuclei are grown on the
또한 상기 챔버(11) 내의 온도를 1050℃로 유지한 상태에서 NH₃를 제3주입관(17)을 통해, HCl을 제4주입관(18)을 통해 동시에 흘려보낸다. 이렇게 하면 NH₃ 및 GaCl이 동시에 실리콘 기판(14)으로 공급되어 서로 아래의 반응식 2와 같이 반응하여, 그 결과 GaN 막을 120㎛의 두께로 성장시킨다. In addition, NH 3 is simultaneously flowed through the
그런 후, GaN 막이 형성된 실리콘 기판(14)을 상온까지 냉각시킨다. Then, the
그리고 상기 실리콘 기판(14)으로부터 GaN 막을 분리하기 위해, 실리콘 기판(14)을 질산(HNO₃, 70%) 용액과 불산(HF, 50%) 용액을 0.1~10까지 변화하여 제거한다. 이 때 소용되는 시간은 1~20분이다. In order to separate the GaN film from the
또한, 남겨진 GaN 막의 손상층을 제거하기 위해, GaN 막의 전면 및 후면을 1차 래핑(lapping) 과 다이아몬드 슬러리(Diamond Slurry) 크기를 변화시켜 3차에 걸친 폴리싱(polishing)하고, 최종적으로 세척하여 질화갈륨 기판을 제작한다. In addition, to remove the damaged layer of the remaining GaN film, the front and back surfaces of the GaN film are first lapping and the diamond slurry is changed in size, polished three times, and finally washed and nitrided. A gallium substrate is produced.
이를 구체적으로 설명하면, 도 5에는 전술한 단계 170의 GaN 막을 가공(연마)하는 상세 순서도가 도시되어 있다.Specifically, FIG. 5 shows a detailed flowchart of processing (polishing) the GaN film of
도시된 바와 같이, 상기 실리콘 기판(14)이 분리된 GaN 막을 연마하여 웨이퍼화하는 작업으로, 분리된 GaN 막을 플레이트(Plate)에 본딩(Boning)한다.(단계 200) As shown, the
그리고 GaN 막의 손상(Damage)층을 없애기 위해 일정 두께까지 랩핑(Lapping)한다.(단계 210)And lapping to a certain thickness to remove the damage layer of the GaN film (step 210).
이어서, 다이아몬드 슬러리의 크기(Size)를 변화시켜 세 번에 걸친 GaN 막을 제1,2,3차 폴리싱(Polishing)한다.(단계 220,230,240)The size of the diamond slurry is then changed to first, second and third polishing of the GaN film three times (
그런 후, 최종적으로 GaN 막을 세정(Cleaning)한다.(단계 250)Then, the GaN film is finally cleaned (step 250).
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 질화갈륨 기판 제조방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.As described above, the gallium nitride substrate manufacturing method according to the present invention has the following effects.
GaN 막 성장 전에 기판 표면 처리 및 삼각형 형태의 GaN 클러스터 형성 공정을 수행함으로써, GaN 성장 소스로부터 실리콘 기판의 에칭 방지 및 GaN 막과 실리콘 사이의 계면을 완화하여 양질의 GaN 막을 성장시킬 수 있다.By performing the substrate surface treatment and triangular GaN cluster formation process before the GaN film growth, it is possible to grow a high quality GaN film by preventing etching of the silicon substrate from the GaN growth source and relaxing the interface between the GaN film and the silicon.
또한 에피택셜 성장시킬 수 있고, GaN 막의 전위밀도를 감소시킬 수 있다. It is also possible to epitaxially grow and to reduce the dislocation density of the GaN film.
그리고 실리콘 기판 제거단계에서는 화학적인 방법으로 간단하게 GaN 막과 분리할 수 있어, 낮은 수준의 전위밀도를 갖는 GaN 기판을 보다 간단한 방법으로 제조할 수 있다. In the step of removing the silicon substrate, the GaN substrate can be easily separated from the GaN film by a chemical method, thereby manufacturing a GaN substrate having a low level of dislocation density by a simpler method.
또한 실리콘 기판을 이용하기 때문에 종래의 사파이어 기판을 사용하여 후막 GaN 기판을 얻던 경우에 비해 기판 분리에 소요되는 시간을 대폭 단축시킬 수 있어 GaN 기판의 생산성을 향상시킬 수 있으며, 기판 수율을 증대시킬 수 있다.In addition, since the silicon substrate is used, the time required for separation of the substrate can be significantly shortened compared to the case of obtaining a thick film GaN substrate using a conventional sapphire substrate, thereby improving the productivity of the GaN substrate and increasing the substrate yield. have.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.
Claims (18)
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2005
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