KR20070091245A - Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법 - Google Patents

Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법 Download PDF

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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

와이어(22)에 의해 구성된 와이어열(21)을 이용하고, 육방정계 Ⅲ족 질화물 결정으로 이루어진 잉곳(3)을 절단한다. 이 때, 잉곳(3) 및 와이어(22) 중 적어도 한쪽을 와이어(22)의 연신 방향(B)과 직교하는 방향으로 이송하면서, 연삭액을 공급하면서 잉곳(3)을 절단함으로써 잉곳(3)을 절단한다. 잉곳(3)을 절단할 때에는 와이어(22)의 연신 방향(B)을 잉곳(3)의 {1-100}면에 대하여 3° 이상 경사지게 한다.

Description

Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING GROUP Ⅲ NITRIDE SUBSTRATE}
본 발명은, Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 기판의 제조 공정에는, 잉곳을 판형으로 절단(슬라이스)하는 공정이 포함된다. 잉곳을 판형으로 절단하는 방법의 하나로서, 주행하는 와이어열(멀티 와이어 톱)을 이용하여 잉곳을 절단하는 방법이 있다. 예컨대, 특허 문헌 1에는 멀티 와이어 톱을 이용하여 실리콘 잉곳을 절단하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 특허 문헌 2에는 멀티 와이어 톱을 이용하여 GaAs, InP, GaSb 등의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어진 잉곳을 절단하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 특허 문헌 3에는 멀티 와이어 톱을 이용하여 GaN 등의 Ⅲ족 질화물로 이루어진 잉곳을 절단하는 것이 기재되어 있다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 제2001-1335호 공보
특허 문헌 2: 일본 특허 제2842307호 공보
특허 문헌 3: 일본 특허 공표 제2003-527296호 공보
그러나, GaN 등의 Ⅲ족 질화물은 용액 성장이 곤란하기 때문에 Si나 GaAs로 이루어진 긴 길이의 잉곳을 제조하기가 곤란하고, 현재 실현되어 있는 잉곳의 두께는 겨우 수 mm 이하이다. 따라서, 판형으로 절단하기 위한 기술이 아직 확립되어 있지 않다.
GaN 등의 Ⅲ족 질화물은, Si나 GaAs 등의 다른 반도체 재료에 비하여 경질이다(예컨대, GaN 단결정의 비커스 경도는 약 1300 kg/mm2이다). 또한, Ⅲ족 질화물 결정은 일반적으로 결정 결함 밀도가 105개/cm2 이상으로 크고(GaAs의 결정 결함 밀도는 103개/cm2 이하이다), 결정 성장시에 피트나 개재물이 혼입하는 등의 매크로 결함도 발생하기 쉽다. 따라서, Ⅲ족 질화물 결정으로 이루어진 잉곳을 절단하여 기판을 형성할 때는, 이 기판에 크랙(균열, 깨짐)이 발생하기 쉽다.
본 발명은, 상기한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 주행하는 와이어열에 의해 잉곳을 절단할 때의 크랙의 발생률을 저감할 수 있는 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법은, 와이어열을 이용하여 육방정계 Ⅲ족 질화물 결정으로 이루어진 잉곳을 절단함으로써 Ⅲ족 질화물 기판을 제조하는 방법으로서, 잉곳 및 와이어열 중 적어도 하나를 와이어열에 포함되는 각 와이어의 연신 방향과 교차하는 방향으로 이송하고, 연삭액을 공급하면서 잉곳을 절단함으로써 잉곳을 절단하는 공정을 포함하고, 잉곳을 절단할 때에 와이어열에 포함되는 각 와이어의 연신 방향을 잉곳의 {1-100}면에 대하여 3°이상 경사지게 한다.
본 발명자는 상기 과제를 해결하기 위해 Ⅲ족 질화물 결정에 대한 여러 가지의 절단 조건을 시험하고, 그 결과 Ⅲ족 질화물 결정에서 가장 벽개(劈開)되기 쉬운 벽개면인 {1-100}면과 와이어의 연신 방향이 이루는 각이 크랙 발생률에 크게 영향을 미치는 것을 발견하였다. 그리고, 본 발명자는 와이어열에 포함되는 각 와이어의 연신 방향을 잉곳의 {1-100}면에 대하여 3°이상 경사지게 함으로써, 크랙의 발생률을 현저히 저감할 수 있다는 것을 발견하였다.
또한, Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법은, 잉곳을 절단하는 공정 이전에 잉곳의 (11-20)면을 따라 오리엔테이션 플랫면을 잉곳에 형성하는 공정을 더 포함하고, 잉곳을 절단하는 공정 시에는 잉곳의 (11-20)면에 대한 연신 방향의 경사각을 27°이하로 하는 것이 바람직하다. Ⅲ족 질화물 결정의 (11-20)면은 벽개성이 높은 (1-100)면과 직교하기 때문에 오리엔테이션 플랫면(이하, OF면)으로서 적합하다. 또한, (11-20)면은 (1-100)면의 등가면에 대하여 30°경사져 있다. 따라서, 이 (11-20)면에 대한 와이어의 연신 방향의 경사각을 27°이하로 함으로써, 와이어의 연신 방향이 {1-100}면에 대하여 3°이상 경사지게 되고, 크랙의 발생률을 현저히 저감할 수 있다.
또한, 상기 방법에 의하면 이하의 효과를 얻을 수 있다. Ⅲ족 질화물 결정은 다른 반도체 결정에 비해 경질이고, 또한 질소면과 그 반대측 Ⅲ족 원자면에서는 경도나 내약성 등의 성질이 다르기 때문에, 다른 반도체 결정에 비해 절단시의 이송 속도가 느리게 억제되어 절단에 시간이 걸린다. 상기 방법에 의하면, OF면에 의해 절단 거리(잉곳의 이송 방향의 외경)가 줄기 때문에, 절단에 필요한 시간을 단축할 수 있다. 또한, OF면이 절단 시작측에 위치하도록 잉곳을 배치하면, 잉곳에서 절단이 시작되는 부분이 원주면이 아니라 평면이 되기 때문에, 잉곳과 와이어열의 정렬을 용이하게 할 수 있다.
또한, Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법은, 잉곳을 절단할 때에 하나 또는 복수의 별도의 잉곳을 잉곳의 이송 방향과 교차하는 방향으로 나란히 놓고, 상기 별도의 잉곳을 잉곳과 함께 한번에 절단하더라도 좋다. 전술한 바와 같이, Ⅲ족 질화물 결정은 다른 반도체 결정에 비해 절단시의 이송 속도가 느리게 억제되어 절단에 시간이 걸린다. 한편, 잉곳의 절단에 멀티 와이어 톱을 이용하는 경우, 경질 Ⅲ족 질화물 결정을 절단하기 위해 다이아몬드 등의 경질 연삭 입자를 포함하는 일반적으로 고가인 연삭액(슬러리)을 이용해야 한다. 또한, 다이아몬드 등의 경질 연삭 입자를 포함하는 연삭액에 의해, 와이어열을 주행시키기 위한 가이드 롤러가 빠르게 소모되어 버리고, 가이드 롤러의 교환 빈도가 높아진다. 상기 방법과 같이 복수의 잉곳을 한번에 절단하면, 한번의 절단 공정에서 형성되는 기판의 수를 늘릴 수 있기 때문에, 연삭액이나 가이드 롤러 등의 소비를 적게 억제할 수 있다.
또한, Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법은, 연삭액에 포함되는 연삭 입자가 다이아몬드, 실리콘 카바이드, 붕소 카바이드, 알루미나, 질화규소, 질화알루미늄, 및 질화갈륨 중 적어도 1 종류의 재료를 포함하더라도 좋다. 이들의 재료는 Ⅲ족 질화물 결정보다 경질이기 때문에 Ⅲ족 질화물 결정을 적합하게 절단할 수 있다.
또한, Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법은, 연삭액에서 차지하는 연삭 입자의 농도를 1 리터당 40 g 이상 300 g 이하로 하더라도 좋다. 연삭 입자의 농도를 1 리터당 40 g 이상으로 함으로써, 크랙의 발생률 및 기판의 휘어짐을 현저히 저감할 수 있다. 또한, 연삭 입자의 농도가 1 리터당 300 g을 넘으면, 와이어열을 주행시키기 위한 기구에 연삭 입자가 과도하게 부착되고, 베어링 등의 가동 부품에 들어감으로써, 멀티 와이어 톱의 고장을 야기할 우려가 있다. 따라서, 연삭 입자의 농도는 1 리터당 300 g 이하인 것이 바람직하다.
또한, Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법은, 연삭액에 포함되는 연삭 입자의 평균 입자 지름을 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하로 하더라도 좋다. 연삭 입자의 평균 입자 지름을 1 ㎛ 이상으로 함으로써, 기판의 휘어짐을 현저히 저감할 수 있다. 또한, 연삭 입자의 평균 입자 지름을 15 ㎛ 이하로 함으로써, 가공 변질층 깊이를 현저히 작게 억제할 수 있다.
또한, Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법은, 잉곳을 절단할 때의 이송 속도를 1 시간당 0.4 mm 이상 2.4 mm 이하로 하더라도 좋다. 이송 속도를 1 시간당 2.4 mm 이하로 함으로써, 기판의 휘어짐을 현저히 저감할 수 있다. 또한, 이송 속도가 너무 느리면 Ⅲ족 질화물 기판의 생산 효율에 영향을 미치기 때문에, 이송 속도를 1 시간당 0.4 mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법은, 와이어열에 직경이 0.12 mm 이상 0.2 mm 이하인 와이어를 이용하더라도 좋다. Ⅲ족 질화물 결정은 현재로서는 기상 성장에 의해 형성하는 방법밖에 실현되어 있지 않기 때문에, 다른 반도체 재료에 비해 긴 잉곳을 형성하는 것이 어렵다. 따라서, 절단시의 커프로스(절단 여유 부분)를 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 예컨대, 일반적인 내주 날을 이용하여 잉곳을 절단할 때의 커프로스는 최소 약 300 ㎛이다. 따라서, 이 커프로스보다 작아지도록 와이어의 직경을 0.2 mm 이하로 함으로써, 내주 날을 이용하는 경우에 비해 잉곳 1개당 기판 수를 늘릴 수 있다. 또한, 와이어의 직경을 0.12 mm 이상으로 함으로써, 기판의 휘어짐을 현저히 저감할 수 있다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법에 의하면, 와이어열에 의해 잉곳을 절단할 때의 크랙의 발생률을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법에 이용되는 멀티 와이어 톱의 구성을 도시하는 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법을 도시하는 흐름도.
도 3은 복수의 잉곳을 가공 대상물 지지대에 부착한 상태를 도시하는 주요부 확대 사시도.
도 4는 가공 대상물 지지대 상에 고정된 잉곳의 중심축 방향에 수직한 단면에서의 단면도.
도 5는 잉곳의 (1-100)면에 대한 와이어의 연신 방향의 경사각을 0°에서 90°까지 변화시켰을 때의 크랙 발생에 의한 기판 불량률을 도시하는 도표.
도 6은 잉곳 절단시 연삭 입자 농도를 1 리터당 50 ct(10 g)에서 2000 ct(400 g)까지 변화시켰을 때의 기판의 휘어짐 및 크랙 발생 상황을 도시하는 도표.
도 7은 잉곳을 절단할 때의 연삭 입자의 평균 입자 지름을 0.5 ㎛에서 30 ㎛까지 변화시켰을 때의 기판의 휘어짐 및 가공 변질층 깊이를 도시하는 도표.
도 8은 잉곳을 절단할 때의 잉곳의 이송 속도를 1 시간 당 0.4 mm에서 3 mm까지 변화시켰을 때의 기판의 휘어짐을 도시하는 도표.
도 9는 잉곳의 절단에 이용하는 와이어의 직경을 0.08 mm에서 0.24 mm까지 변화시켰을 때의 기판의 휘어짐, 커프로스, 및 와이어 직경에 따른 와이어 부가 장력을 도시하는 도표.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법의 실시예를 상세히 설명한다. 또한, 도면의 설명에서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복 설명을 생략한다.
(실시예)
도 1은, 본 발명의 실시예에 의한 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법에 이용되는 멀티 와이어 톱(1)의 구성을 도시하는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 멀티 와이어 톱(1)은 가공 대상물 지지대(11), 가이드 롤러(12a 내지 12c), 슬러리 노즐(13), 및 와이어열(21)을 구비한다. 또한, 멀티 와이어 톱(1)이 구비하는 이들 구성 요소는 도시하지 않은 케이스에 의해 각각 지지되고 있다.
가공 대상물 지지대(11)는 가공 대상물인 하나 또는 복수(본 발명의 실시예에서는 복수)의 잉곳(3)을 지지하기 위한 구성 요소이다. 가공 대상물 지지대(11)는, 예컨대 스테인리스제로 할 수 있다. 가공 대상물 지지대(11)는 다른 구성 요 소[가이드 롤러(12a 내지 12c), 슬러리 노즐(13), 및 와이어열(21)]에 대하여 아래쪽에 배치되어 있다. 가공 대상물 지지대(11) 상에는 복수의 잉곳(3)의 각각에 고착되는 카본제의 복수의 지지재(31)가 고정되어 있고, 복수의 잉곳(3)은 각각 지지재(31)를 통해 가공 대상물 지지대(11)의 상측에 고정되어 있다. 가공 대상물 지지대(11)는 도시하지 않은 이동 테이블상에 적재되어 있고, 이 이동 테이블이 수직 상방으로 이동함으로써 잉곳(3)이 수직 상방(도면 중의 화살표 A)으로 이송된다.
가이드 롤러(12a 내지 12c)는 대략 원기둥형의 회전체이며, 각각의 회전축 방향이 수직 방향(화살표 A)과 직교하면서 서로 평행하게 배치되어 있다. 가이드 롤러(12a 및 12b)는 가공 대상물 지지대(11)를 통과하는 수직선의 좌우에 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 가이드 롤러(12c)는 가이드 롤러(12a 및 12b)의 상방에, 그리고 가공 대상물 지지대(11)를 통과하는 수직선 상에 배치되어 있다.
가이드 롤러(12a 내지 12c)의 외주면은, 예컨대 수지에 의해 형성되어 있다. 가이드 롤러(12a 내지 12c)의 외주면에는 복수 개의 홈이 등간격으로 형성되어 있다. 그리고, 가이드 롤러(12a 내지 12c)의 복수 개의 홈에 하나의 와이어(22)가 나선형으로 걸려 돌아감으로써, 와이어열(21)이 구성되고 있다. 와이어(22)는 가이드 롤러(12a 내지 12c)가 정회전 및 역회전을 교대로 반복하는 것에 의해 2 방향으로 왕복 주행한다. 가이드 롤러(12a 내지 12c)에 걸려 돌아가는 와이어(22) 중 가이드 롤러(12a 및 12b)의 하단측을 주행하는 부분은, 가공 대상물 지지대(11)의 이동에 의해 위쪽으로 이송되어 오는 잉곳(3)과 교차하는 위치를 주행한다.
슬러리 노즐(13)은 랩핑 오일에 유리(遊離) 연삭 입자가 혼입되어 이루어지 는 연삭액(슬러리)을 와이어(22) 및 잉곳(3)을 향해 분사하기 위한 연삭액 공급 수단이다.
이어서, 본 발명의 실시예에 의한 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법에 관해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 방법은, 상기한 멀티 와이어 톱(1)을 이용하여 적절하게 실시할 수 있다. 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
우선, 가공 대상물인 복수의 잉곳(3)의 외주면에, 잉곳(3)의 벽개 방향을 나타내는 제1 오리엔테이션 플랫(OF)면(3a) 및 제1 OF 면(3a)보다 작은 제2 OF면(3b)을 형성한다(오리엔테이션 플랫 형성 공정 S1, 도 2 참조). 그리고, 복수의 잉곳(3)을 가공 대상물 지지대(11)에 부착한다. 도 3은 복수의 잉곳(3)을 가공 대상물 지지대(11)에 부착한 상태를 도시하는 주요부 확대 사시도이다. 이 공정에서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 복수의 잉곳(3)을 서로의 면이 대향하도록(또는 접하도록) 그 중심축 방향을 따라 나란히 배치한 뒤에, 이 중심축 방향이 수직 방향[이송 방향(A)] 및 와이어(22)의 연신 방향(B)과 직교하도록 가공 대상물 지지대(11)에 부착한다. 또한, 이 때, OF면(3a)이 이송 방향(A)을 향하도록[OF 면(3a)과 이송 방향(A)이 거의 직교하도록] 복수의 잉곳(3)을 부착한다.
잉곳(3)은 GaN, AlN, InN이라는 육방정계의 Ⅲ족 질화물로 이루어지는 결정 덩어리이다. 본 발명의 실시예의 잉곳(3)은 {0001}면(C면)을 주면(평탄면)으로 하는 원반형으로 형성되어 있다. 잉곳(3)의 치수의 일례를 나타내면, 예컨대 외경이 약 50 mm이고 두께가 약 5 mm이다.
여기서, 도 4는 가공 대상물 지지대(11) 상에 고정된 잉곳(3)의 중심축 방향에 수직인 단면에서의 단면도이다. 또한, 도 4에는 잉곳(3)의 결정축 방향(<0001>, <1-100>, 및 <11-20>)이 도시되고 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예의 잉곳(3)의 외주면에는, 앞서 설명한 제1 OF면(3a) 및 제2 OF면(3b)이 형성되어 있다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 제1 OF면(3a)은 잉곳(3)의 <11-20> 방향과 직교하도록[즉, 잉곳(3)의 (11-20)면을 따라] 형성된다. 또한, 제2 OF면(3b)은 잉곳(3)의 <1-100>방향과 직교하도록[즉, 잉곳(3)의 (1-100)면을 따라) 형성된다.
또한, 잉곳(3)을 가공 대상물 지지대(11)에 고정할 때는, 와이어(22)의 연신 방향(B)이 잉곳(3)의 {1-100}면(M면)에 대하여 3°이상 경사지도록 잉곳(3)을 고정한다. 육방정계의 Ⅲ족 질화물 결정인 잉곳(3)에 있어서는 (1-100)면과, 그 등가면인 (10-10)면 및 (01-10)면이 서로 60°간격으로 교차되어 있고, 벽개성이 높은 벽개면으로 되어 있다. 본 발명의 실시예에서는 와이어(22)의 연신 방향(B)을 이들 면으로부터 3°이상 경사지게 한다. 또한, 더 바람직하게는 와이어(22)의 연신 방향(B)의 경사각을 제1 OF면(3a)[(1-100)면]에 대하여 27°이하로 하면 좋다. 본 발명의 실시예에서는, 도 4에 도시하는 바와 같이 와이어(22)의 연신 방향(B)이 제1 OF면(3a)과 평행하도록[즉, 연신 방향(B)과 (1-100)면이 이루는 각이 0°가 되도록], 잉곳(3)을 가공 대상물 지지대(11)에 고정한다. 이에 따라, 잉곳(3)의 이송 방향(A)과 제1 OF면(3a)이 직교하게 되고, 제1 OF면(3a)으로부터 절단이 시작된다.
이어서, 잉곳(3)의 절단을 시작한다. 가이드 롤러(12a 내지 12c)를 정방향 및 역방향으로 교대로 회전시키고, 와이어(22)의 왕복 주행을 시작한다. 그리고, 잉곳(3)이 부착된 가공 대상물 지지대(11)를 상방으로 이동시켜, 잉곳(3)을 와이어(22)[와이어열(21)]에 이송한다. 이 때, 슬러리 노즐(13)로부터 연삭액의 분사를 시작한다.
잉곳(3)이 와이어(22)에 접하면 잉곳(3)과 와이어(22) 사이에 침입한 연삭액의 작용에 의해 잉곳(3)이 절단되기 시작한다. 그리고, 연삭액을 공급하면서 잉곳(3)을 대략 일정 속도로 이송 방향(A)으로 이송한다. 이렇게 하여, 잉곳(3)은 와이어열(21)의 와이어 간격에 상응하는 두께의 판형으로 절단된다(잉곳 절단 공정 S2, 도 2 참조).
Ⅲ족 질화물 결정인 잉곳(3)을 절단하는 경우, 연삭액에서 차지하는 연삭 입자의 농도는 1 리터당 200 ct(40 g) 이상 1500 ct(300 g) 이하인 것이 바람직하다. 또한, 연삭액에 포함되는 연삭 입자의 평균 입자 지름은 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 잉곳(3)의 이송 속도는 1 시간당 0.4 mm 이상 2.4 mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 와이어열(21)에 이용하는 와이어(22)의 직경은 0.12 mm 이상 0.2 mm 이하인 것이 바람직하다.
또한, 연삭액에 혼합하는 연삭 입자로서는, 다이아몬드, 실리콘 카바이드, 붕소 카바이드, 알루미나, 질화규소, 질화알루미늄, 및 질화갈륨 중 적어도 1 종류의 재료를 포함하는 것을 이용하는 것이 바람직하다.
이렇게 하여 잉곳(3)을 절단한 후, 잉곳(3)으로부터 절단되어 나온 판형의 Ⅲ족 질화물 결정의 절단면(주면 및 이면)을 연마함으로써, 절단면에 발생한 가공 변질층을 제거하는 동시에 휘어짐을 저감한다. 이상의 공정에 의해 Ⅲ족 질화물 기판이 완성된다.
본 발명의 실시예에 의한 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법이 갖는 효과에 관해서 이하에 진술한다. 상기한 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법에서는 잉곳(3)을 절단할 때에, Ⅲ족 질화물 결정에 있어서 가장 벽개되기 쉬운 벽개면인 {1-100}면에 대하여 와이어(22)의 연신 방향(B)을 3°이상 경사지게 하고 있다.
여기서, 도 5는 발명자가 행한 제1 실험의 결과를 도시하는 도표이다. 도 5는 잉곳(3)의 (1-100)면에 대한 와이어(22)의 연신 방향(B)의 경사각을 0°에서 90°까지 변화시켰을 때의 크랙 발생에 의한 기판 불량률을 도시하고 있다. 또한, 본 실험에 이용한 잉곳(3) 및 그 절단 조건은 이하와 같다.
잉곳: GaN 단결정
잉곳 주면: (0001)면
잉곳 외형: 직경 50.8 mm, 두께 5 mm
연삭 입자 재료: 단결정 다이아몬드
연삭 입자의 평균 입자 지름: 6 ㎛
연삭액에서 차지하는 연삭 입자의 농도: 1 리터당 1500 ct(300 g)
윤활재(랩핑 오일): 광물유
이송 속도: 1 시간당 1.6 mm
와이어 주행 속도: 1 분당 600 m
와이어 직경: 0.18 mm
와이어 부가 장력: 25 N
도 5에 도시하는 바와 같이, (1-100)면에 대한 연신 방향(B)의 경사각을 0°[즉, 연신 방향(B)과 (1-100)면이 평행]로 하면, 크랙 발생에 의한 기판 불량률이 30%라는 고율이 된다. 이에 비하여, (1-100)면에 대한 연신 방향(B)의 경사각을 3°로 하면 크랙 발생에 의한 기판 불량률이 15%로 반감된다.
또한, (1-100)면에 대한 연신 방향(B)의 경사각을 60°[즉, (1-100)면의 등가면인 (10-10)면 또는 (01-10)면과 연신 방향(B)이 평행]로 하면, 크랙 발생에 의한 기판 불량률이 20%라는 고율이 된다. 이에 비하여, (1-100)면에 대한 연신 방향(B)의 경사각을 57°또는 63°로 하면[즉, (10-10)면 또는 (01-10)면에 대한 연신 방향(B)의 경사각을 3°로 하면], 크랙 발생에 의한 기판 불량률이 12% 또는 15%로 크게 저하된다.
그리고, {1-100}면에 대한 연신 방향(B)의 경사각을 3°보다 크게 하면, 어느 경사각의 경우라도 크랙 발생에 의한 기판 불량률이 11% 이하라는 저율로 된다. 이와 같이, 와이어(22)의 연신 방향(B)을 잉곳(3)의 {1-100}면에 대하여 3°이상 경사지게 함으로써, Ⅲ족 질화물 기판의 크랙 발생률을 현저히 저감시킬 수 있다. 또한, {1-100}면에 대한 연신 방향(B)의 경사각을 3°보다 작게 하면, 절단중 와이어(22)의 휨 등에 의해 연신 방향(B)이 (1-100)면에 대하여 평행해지는 순간이 발생하여, 크랙 발생률이 상승하는 것으로 고려된다.
또한, 본 발명의 실시예와 같이, 잉곳(3)을 절단하기 전에 잉곳(3)의 (11-20)면을 따라 제1 OF면(3a)을 잉곳(3)의 외주면에 형성하고, 잉곳(3)을 절단할 때 에 잉곳(3)의 (11-20)면에 대한 와이어(22)의 연신 방향(B)의 경사각을 27°이하로 하는 것이 바람직하다. Ⅲ족 질화물 결정의 (11-20)면은 벽개성이 높은 (1-100)면과 직교하기 때문에 제1 OF면(3a)으로서 적합하다. 또한, (11-20)면은 (1-100)면의 등가면인 (10-10)면 및 (01-10)면에 대하여 30°경사져 있다. 따라서, (11-20)면에 대한 와이어(22)의 연신 방향(B)의 경사각을 27°이하로 함으로써, 와이어(22)의 연신 방향(B)이 {1-100}면에 대하여 3°이상 경사지고, 크랙의 발생률을 현저히 저감할 수 있다.
또한, 잉곳(3)의 (11-20)면에 대한 와이어(22)의 연신 방향(B)의 경사각을 27°이하로 함으로써, 다음 효과를 더 얻을 수 있다. Ⅲ족 질화물 결정은 Si나 GaAs라는 다른 반도체 결정에 비해 경질이고, 또한 질소면과 그 반대측 Ⅲ족 원자면(GaN의 경우는 Ga면)에서는 경도나 내약성 등의 물성이 다르기 때문에, 다른 반도체 결정에 비해 절단시의 이송 속도가 느리게 억제되어 절단에 시간이 걸린다. (11-20)면, 즉 제1 OF면(3a)에 대한 연신 방향(B)의 경사각을 27°이하로 하면, 제1 OF면(3a)에 의해 절단 거리[이송 방향(A)에 있어서 잉곳(3)의 외경]가 줄기 때문에, 절단에 요구되는 시간을 단축할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예와 같이 제1 OF면(3a)이 절단 시작 측에 위치하도록 잉곳(3)을 배치하면, 잉곳(3)에서 절단이 시작되는 부분이 원주면이 아니라 평면이 되기 때문에, 잉곳(3)과 와이어열(21)의 정렬을 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 제1 OF면(3a)을 (11-20)면을 따라 형성하고 있지만, 제1 OF면(3a)보다 작은 제2 OF면(3b)을 (11-20)면을 따라 형성하더라도 좋 다. 이에 따라, 상기 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 잉곳(3)의 주면이 (0001)면으로 되어 있지만, (0001)면으로부터 최대 5°의 오프셋 각도가 부가된 잉곳을 슬라이스 하더라도 상기와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예와 같이, 잉곳(3)을 절단할 때에 복수의 잉곳(3)을 이송 방향(A)과 교차하는 방향으로 나란히 배치하고, 이 복수의 잉곳(3)을 한번에 절단하는 것이 바람직하다. Ⅲ족 질화물 결정은 Si나 GaAs라는 다른 반도체 결정에 비해 절단시의 이송 속도가 느리게 억제되어 절단에 시간이 걸린다. 한편, 잉곳(3)의 절단에 멀티 와이어 톱을 이용한 경우, 경질의 Ⅲ족 질화물 결정을 절단하기 위해 다이아몬드 등의 경질 연삭 입자를 포함하는 일반적으로 고가인 연삭액(슬러리)을 이용해야 한다. 또한, 다이아몬드 등의 경질 연삭 입자를 포함하는 연삭액에 의해, 와이어(22)를 주행시키기 위한 가이드 롤러(12a 내지 12c)가 빠르게 소모되어 버리고, 가이드 롤러(12a 내지 12c)의 교환 빈도가 높아진다. 본 발명의 실시예와 같이 복수의 잉곳(3)을 한번에 절단하면, 한번의 절단 공정으로 형성되는 기판의 수가 많아지고, 잉곳(3)의 절단에 필요한 연삭액이나 가이드 롤러(12a 내지 12c) 등의 소비를 적게 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 복수의 잉곳(3)을 그 중심축 방향에 일렬로 나란히 배치하고 있지만, 복수의 잉곳(3)을 중심축 방향 및 이송 방향(A)과 직교하는 방향[즉, 와이어(22)의 연신 방향(B)]을 따라 일렬로 나란히 배치하여도 좋다. 복수의 잉곳(3)을 이와 같이 나란히 배치하는 것에 의해서도, 복수의 잉곳(3)을 한 번에 절단할 수 있고, 연삭액이나 가이드 롤러(12a 내지 12c) 등의 소비를 적게 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 잉곳(3)은 각각 독립적으로 나란히 배치되어 슬라이스 되지만, 각각의 잉곳(3)을 접합시켜 길게 만든 잉곳을 슬라이스 하더라도 좋다.
또한, 본 발명의 실시예와 같이, 연삭액에 혼합하는 연삭 입자로는 다이아몬드, 실리콘 카바이드, 붕소 카바이드, 알루미나, 질화규소, 질화알루미늄, 및 질화갈륨 중 적어도 1 종류의 재료를 포함하는 것을 이용하는 것이 바람직하다. GaN 등의 Ⅲ족 질화물 결정을 절단하는 연삭 입자로서는 Ⅲ족 질화물 결정과 동등하거나 그 이상의 경도를 갖는 것이면 좋다. 이러한 연삭 입자 재료로서는 다이아몬드, 실리콘 카바이드, 붕소 카바이드, 및 알루미나가 있다. 또한, 이들 이외에도 질화규소, 질화알루미늄, 및 질화갈륨 등의 질화물을 연삭 입자 재료로 할 수 있다. 이들 재료는 모두 Ⅲ족 질화물 결정보다 경질이고, 잉곳(3)을 적합하게 절단할 수 있는 재료이다. 또한, 본 발명자의 실험에 의하면, 상기한 연삭 입자 재료 중에서 다이아몬드가 가장 경질이고 절단성이 우수하기 때문에, 보다 빠른 이송 속도로 절단이 가능하면서, 또한 기판의 휘어짐 등의 가공 정밀도에서 다른 연삭 입자 재료보다 양호하였다.
또한, 전술한 바와 같이, 연삭액에서 차지하는 연삭 입자의 농도는 1 리터당 40 g 이상 300 g 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 도 6은 발명자가 행한 제2 실험의 결과를 도시하는 도표이다. 도 6은 잉곳(3) 절단시 연삭 입자 농도를 1 리터 당 50 ct(10 g)에서 2000 ct(400 g)까지 변화시켰을 때의 기판의 휘어짐 및 크랙 발생 상황을 도시하고 있다. 또한, 본 실험에서는 제1 실험과 같은 잉곳(3)을 이용하고, (1-100)면에 대한 와이어(22)의 연신 방향(B)의 상대 각도를 90°로 하며, 연삭 입자 농도 이외의 절단 조건을 제1 실험과 동일하게 하였다.
도 6에 도시하는 바와 같이, 연삭 입자 농도가 1 리터당 50 ct(10 g)일 때에는 기판의 휘어짐이 80 ㎛로 비교적 큰 값이 되고, 또한 일부 기판에 크랙이 발생하고 있었다. 또한, 기판의 일부에 톱 자국도 발생하고 있었다. 이에 비하여, 연삭 입자 농도를 1 리터당 200 ct(40 g) 이상으로 증가시키면 기판의 휘어짐이 50 ㎛ 이하로 현저히 저하되면서, 크랙이나 톱 자국이 전혀 발생하지 않았다. 또한, 기판의 휘어짐은 50 ㎛를 넘으면 절단 후 기판을 연마할 때에 연마해야 하는 두께가 과대한 것 이외에도, 다음 이후의 공정에서 테이블 상에 얹어놓았을 때 등에 크랙이 발생하기 쉬워진다. 본 실험에서는, 연삭 입자의 농도를 1 리터당 200 ct(40 g) 이상으로 함으로써, 크랙 및 톱 자국의 발생률과 기판의 휘어짐을 현저히 또한 충분히 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6에 도시하는 바와 같이, 연삭 입자의 농도를 1 리터당 2000 ct(400 g)로 하면 가이드 롤러(12a 내지 12c)라는, 와이어(22)를 주행시키기 위한 기구에 연삭 입자가 과도하게 부착되고, 베어링 등의 가동 부품에 연삭 입자가 들어가는 것에 의해 가동 부품이 파손되며, 멀티 와이어 톱(1)의 고장을 야기하는 것을 알 수 있다. 이에 비하여, 연삭 입자의 농도를 1 리터당 1500 ct(300 g) 이하로 하면 이러한 문제점은 발생하지 않았다. 따라서, 연삭액에서 차지하는 연삭 입 자의 농도는 1 리터당 1500 ct(300 g) 이하인 것이 바람직하다.
또한, 전술한 바와 같이, 연삭액에 포함되는 연삭 입자의 평균 입자 지름은 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 도 7은 발명자가 행한 제3 실험의 결과를 도시하는 도표이다. 도 7은 잉곳(3) 절단시 연삭 입자의 평균 입자 지름을 0.5 ㎛에서 30 ㎛까지 변화시켰을 때의 기판의 휘어짐 및 가공 변질층 깊이를 도시하고 있다. 또한, 본 실험에서는 제1 실험과 같은 잉곳(3)을 이용하고, (1-100)면에 대한 와이어(22)의 연신 방향(B)의 상대 각도를 90°로 하며, 연삭 입자의 평균 입자 지름 이외의 절단 조건을 제1 실험과 동일하게 하였다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 연삭 입자의 평균 입자 지름이 0.5 ㎛일 때에는 기판의 휘어짐이 60 ㎛로 비교적 큰 값이 되었다. 이에 비하여, 연삭 입자의 평균 입자 지름을 1 ㎛ 이상으로 하면 기판의 휘어짐이 50 ㎛ 이하로 현저히 저하되었다. 이와 같이, 연삭 입자의 평균 입자 지름을 1 ㎛ 이상으로 하면 기판의 휘어짐을 현저히 또한 충분히 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 7에 도시하는 바와 같이, 연삭 입자의 평균 입자 지름을 20 ㎛ 이상으로 하면, 가공 변질층 깊이가 12 ㎛ 이상이라는 비교적 큰 값이 되고 마이크로 크랙이 관찰되었다. 본 발명자의 지견(知見)에 의하면, 가공 변질층 깊이가 10 ㎛를 넘으면 절단 후 기판을 연마할 때에 연마해야 하는 두께가 과대해질 뿐만 아니라, 기판의 결정 내부에 마이크로 크랙이 발생하기 쉬워진다. 이에 비하여, 연삭 입자의 평균 입자 지름을 15 ㎛ 이하로 하면, 가공 변질층 깊이가 6 ㎛ 이하로 현저히 또한 충분히 작아지고 마이크로 크랙도 관찰되지 않는다. 따라서, 연삭 입자 의 평균 입자 지름은 15 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 전술한 바와 같이, 잉곳(3)을 절단할 때의 잉곳(3)의 이송 속도는 1 시간당 0.4 mm 이상 2.4 mm 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 도 8은 발명자가 행한 제4 실험의 결과를 도시하는 도표이다. 도 8은 잉곳(3) 절단시 잉곳(3)의 이송 속도를 1 시간당 0.4 mm에서 3 mm까지 변화시켰을 때의 기판의 휘어짐을 도시하고 있다. 또한, 본 실험에서는 제1 실험과 같은 잉곳(3)을 이용하고, (1-100)면에 대한 와이어(22)의 연신 방향(B)의 상대 각도를 90°로 하며, 이송 속도 이외의 절단 조건을 제1 실험과 동일하게 하였다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 잉곳(3)의 이송 속도가 3 mm일 때에는 기판의 휘어짐이 75 ㎛로 비교적 큰 값이 되었다. 이에 비하여, 잉곳(3)의 이송 속도를 2.4 mm 이하로 하면 기판의 휘어짐이 50 ㎛ 이하로 현저히 저하되었다. 이와 같이, 잉곳(3)의 이송 속도를 2.4 mm 이하로 하면 기판의 휘어짐을 현저히 또한 충분히 저감할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 잉곳(3)의 이송 속도가 너무 작으면 기판의 생산 효율에 영향을 미친다. 본 실험에 의해 잉곳(3)의 이송 속도가 1 시간당 0.4 mm 이상 2.4 mm 이하이면 기판의 휘어짐이 작아지는 것이 확인되었다.
또한, 잉곳(3) 절단시 GaN 기판에 발생하는 휘어짐은, GaN이 GaAs, Si, 또는 사파이어 등과 다르고 주면 및 이면에서 극성이 다르기 때문에 이 양면간에 경도 차가 발생하고 있는 것에 기인한다고 고려된다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 잉곳(3)의 이송 속도를 일정하게 하고 있지만, 특히 원기둥형 잉곳의 경우, 절단 부하가 일정해지도록 잉곳(3)의 이송 속도를 변화시키더라도 좋다.
또한, 전술한 바와 같이, 와이어열(21)에 이용하는 와이어(22)의 직경은 0.12 mm 이상 0.2 mm 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 도 9는 발명자가 행한 제5 실험의 결과를 도시하는 도표이다. 도 9는 잉곳(3)의 절단에 이용하는 와이어(22)의 직경을 0.08 mm에서 0.24 mm까지 변화시켰을 때의 기판의 휘어짐, 커프로스(절단 여유 부분 폭), 및 와이어 직경에 따른 와이어 부가 장력을 도시하고 있다. 또한, 본 실험에서는 제1 실험과 같은 잉곳(3)을 이용하고, (1-100)면에 대한 와이어(22)의 연신 방향(B)의 상대 각도를 90°로 하며, 와이어 직경 이외의 절단 조건을 제1 실험과 동일하게 하였다.
도 9에 도시하는 바와 같이, 와이어(22)의 직경이 0.08 mm일 때에는 기판의 휘어짐이 75 ㎛로 비교적 큰 값이 되었다. 이에 비하여, 와이어(22)의 직경을 0.12 mm 이상으로 하면 기판의 휘어짐이 45 ㎛ 이하로 현저히 저하되었다. 이와 같이, 와이어(22)의 직경을 0.12 mm 이상으로 하면 기판의 휘어짐을 현저히 또한 충분히 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 9에 도시하는 바와 같이, 와이어(22)의 직경을 0.24 mm로 하면 커프로스가 320 ㎛로 비교적 큰 값이 되었다. Ⅲ족 질화물 결정은 현재로서는 기상 성장에 의해 형성하는 방법밖에 실현되어 있지 않기 때문에 다른 반도체 재료와 비해 긴 잉곳을 형성하기 어렵다. 따라서, 절단시의 커프로스를 가능한 한 작게 하여, 1개의 잉곳으로부터 취출하는 기판의 수를 조금이라도 늘리는 것이 바람직하다. 본 실험에서는 와이어(22)의 직경이 0.20 mm 이하일 때에 커프로스가 280 ㎛ 이하로 되었다. 일반적인 내주 날을 이용하여 잉곳을 절단할 때의 커프로스는 최 소 약 300 ㎛이기 때문에, 와이어(22)의 직경을 0.20 mm 이하로 함으로써, 내주 날을 이용하는 경우에 비하여 잉곳 1개당 기판 수를 늘릴 수 있다.
본 발명에 의한 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법은, 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 그 외에도 여러 가지 변형이 가능하다. 예컨대, 상기 실시예에서는 잉곳으로서 원기둥형 덩어리를 예시하고 있지만, 잉곳은 각주형 등 다른 형상이더라도 좋다. 또한, 상기 실시예에서는 와이어에 대하여 잉곳을 아래쪽으로부터 이송해 오는, 소위 어퍼컷 법을 예시하고 있지만, 와이어에 대하여 잉곳을 위쪽으로부터 이송해 오는 소위 다운컷 법으로도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한, 상기 실시예에서는 잉곳을 이동하는 방법을 예시하고 있지만, 와이어를 잉곳을 향해 이동하는 방법이더라도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는 와이어에 대한 잉곳의 자세각을 고정한 경우의 예를 나타내고 있지만, 잉곳 또는 가이드 롤러를 절단면 내의 방향으로 요동시키면서 절단하더라도 좋다. 이 경우, 와이어의 연신 방향에 대한 잉곳의 {11-20}면의 각도를 3°이상으로 유지할 수 있는 각도 범위에서 잉곳을 요동하면 좋다.

Claims (8)

  1. 와이어열을 이용하여, 육방정계의 Ⅲ족 질화물 결정으로 이루어진 잉곳을 절단함으로써 Ⅲ족 질화물 기판을 제조하는 방법으로서,
    상기 잉곳과 상기 와이어열 중 적어도 하나를, 상기 와이어열에 포함되는 와이어의 연신 방향과 교차하는 방향으로 이송하고, 연삭액을 공급하면서 상기 잉곳을 절단함으로써 상기 잉곳을 절단하는 공정을 포함하고,
    상기 잉곳을 절단할 때에, 상기 와이어열에 포함되는 와이어의 상기 연신 방향을 상기 잉곳의 {1-100}면에 대하여 3°이상 경사지게 하는 것인 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 잉곳을 절단하는 공정 전에, 상기 잉곳의 (11-20)면을 따른 오리엔테이션 플랫면을 상기 잉곳에 형성하는 공정을 더 포함하고,
    상기 잉곳을 절단하는 공정에서, 상기 잉곳의 (11-20)면에 대한 상기 연신 방향의 경사각을 27°이하로 하는 것인 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 잉곳을 절단할 때에, 하나 또는 복수의 별도의 잉곳을 상기 잉곳의 이송 방향과 교차하는 방향으로 나란히 배치하고, 상기 별도의 잉곳을 상기 잉곳과 함께 한번에 절단하는 것인 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연삭액에 포함되는 연삭 입자는, 다이아몬드, 실리콘 카바이드, 붕소 카바이드, 알루미나, 질화규소, 질화알루미늄, 및 질화갈륨 중 적어도 1 종류의 재료를 포함하는 것인 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연삭액에서 차지하는 연삭 입자의 농도를 1 리터당 40 g 이상 300 g 이하로 하는 것인 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연삭액에 포함되는 연삭 입자의 평균 입자 지름을 1 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하로 하는 것인 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 잉곳을 절단할 때의 이송 속도를 1 시간당 0.4 mm 이상 2.4 mm 이하로 하는 것인 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 와이어열에 직경이 0.12 mm 이상 0.2 mm 이하인 와이어를 이용하는 것인 Ⅲ족 질화물 기판의 제조 방법.
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