KR20070104715A

KR20070104715A - 패턴이 형성된 기판 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 기판

Info

Publication number: KR20070104715A
Application number: KR20060036547A
Authority: KR
Inventors: 윤의준
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2007-10-29

Abstract

본 발명은 기판과 동종의 비정질 혹은 단결정 증착 방법을 통하여 패턴을 형성하는 기판 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 기판을 제공한다. 본 발명에 따른 기판 제조 방법의 일 태양은 단결정 기판 상에 기판과 동종의 비정질 박막을 증착하는 단계, 비정질 박막을 패터닝하여 비정질 박막의 패턴을 형성하는 단계 및 비정질 박막의 패턴을 열처리로써 재결정화시켜 단결정 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것이다. 단결정 기판을 식각하여 패턴을 형성하는 종래의 방법은 패턴의 균일성, 패턴 깊이의 제한, 양산성 확보의 어려움 등의 문제점을 가지고 있다. 본 발명에 따르면, 식각이 아닌 증착을 이용하여 패턴을 형성함으로써 종래 방법이 가진 문제점들을 극복할 수 있다.

Description

패턴이 형성된 기판 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 기판 {Method of fabricating substrate where patterns are formed and substrate fabricated by the method}

도 1a는 패턴이 형성된 기판 위에 형성된 발광다이오드(LED)의 단면도이다.

도 1b는 패턴이 형성된 기판의 도면이다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제1 실시예에 따라 재결정화(recrystallization) 방법으로 패턴이 형성된 기판을 제조하는 방법을 보이는 단면도들이다.

도 2e는 제1 실시예의 변형예에 따른 기판의 도면이다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제2 실시예에 따라 선택적 에피 성장(selective epitaxial growth) 방법으로 패턴이 형성된 기판을 제조하는 방법을 보이는 단면도들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20, 40...기판 22...비정질 박막

22a...비정질 박막의 패턴 H1...열처리

22b, 22b', 42...단결정 패턴 28, 28', 48...패턴이 형성된 기판

41...마스크 박막 41a...마스크 패턴

본 발명은 반도체 소자용 기판 및 그 제조 방법으로서, 보다 상세하게는 고출력 발광다이오드(LED) 제조에 사용될 수 있도록 패턴이 형성된 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

LED 시장은 핸드폰 등 휴대형 통신기기나 소형가전제품의 키패드, 액정 디스플레이(LCD)의 백라이트 유닛(back light unit) 등에 사용되는 저출력 LED를 기반으로 성장하였다. 최근에는 인테리어 조명, 외부 조명, 자동차 내외장, 대형 LCD의 백라이트 유닛 등에 사용되는 고출력, 고효율 광원의 필요성이 대두되면서, LED 시장 또한 고출력 제품 중심으로 옮겨 가고 있다.

LED에 있어서 가장 큰 문제점은 낮은 발광 효율이다. 일반적으로, 발광 효율은 빛의 생성 효율(내부양자효율)과, 소자 밖으로 방출되는 효율(외부광추출효율), 및 형광체에 의해 빛이 전환되는 효율에 의하여 결정된다. LED의 고출력화를 위해서는 내부양자효율의 측면에서 활성층 특성을 향상시키는 방법도 중요하지만, 실제 발생된 광의 외부광추출효율을 증가시키는 것이 매우 중요하다.

LED 외부로 빛이 방출되는 데 있어서의 가장 큰 장애요인은 LED 각 층간의 굴절률 차에 의한 내부 전반사(internal total reflection)이다. LED 각 층간의 굴절률 차에 의하여, 계면 밖으로 빠져나가는 빛은 생성된 빛의 일부인 20% 정도에 해당된다. 더구나, 계면을 빠져나가지 못한 빛은 LED 내부를 이동하다가 열로 바 뀌어, 결과적으로 발광효율은 낮으면서 소자의 열 발생량을 늘려, LED의 수명을 단축시키게 된다.

외부광추출효율 향상을 위해서는 p-GaN 표면이나 n-GaN 표면의 거칠기를 증가시키는 방법, 소자의 기저 부분인 기판의 표면을 거칠게 하거나 굴곡이 있는 패턴을 형성하는 방법 등이 제시되고 있다.

도 1a는 패턴(12)이 형성된 기판(10) 위에 형성된 LED(14)의 단면도이고, 도 1b는 패턴(12)이 형성된 기판(10)의 도면이다. 특히 사파이어와 같은 이종 기판을 사용하는 LED에서 기판에 패턴을 형성하면 외부광추출효율 향상 효과가 있다.

사파이어 기판 표면의 패턴은 외부광추출효율을 100% 이상 증가시키는 것으로 계산되며, 한국특허출원 제2004-0021801호 및 제2004-0049329호에서는 그 모양이나 패턴들을 언급하고 있다. 이러한 패턴을 형성하는 방법으로는 현재 식각을 이용한 방법을 사용하고 있다. 이 방법은 사파이어 기판에 형성할 반구형 패턴 모양의 형성을 위해 수 십 마이크로미터 두께의 후막 포토레지스트를 패터닝한 후 건식식각을 통해 포토레지스트와 사파이어 기판을 동시에 식각하는 것이다.

이와 같은 식각을 이용한 패턴 형성 방법은 포토레지스트와 기판의 식각 선택비에 의해 패턴의 높이가 제한되며, 후막 포토레지스트의 패터닝 공정과 건식식각 공정의 낮은 균일도(uniformity)에 의해 최종 형성된 패턴의 균일도가 낮은 문제점이 있다. 무엇보다도 건식식각에서 발생하는 오염이 가장 큰 문제이다. 포토레지스트와 식각에 사용된 가스 등의 반응물이 식각시 국부적으로 발생하는 열 등으로 사파이어 기판 표면에 남게 되고 세정 과정을 거치더라도 잘 제거가 되지 않 는다. 또한, 식각에 사용된 높은 에너지의 가스 입자에 의해 기판 표면의 손상 또한 예상된다. (Silicon processing for the VLSI era, vol 1. process technology, p. 574~582) 이러한 오염이 발생한 경우, 연결되는 다음 공정인 GaN 에피 성장(epitaxial growth)을 행할 경우 오염에 의한 질화물 에피층에 치명적인 결함이 발생할 수 있다. 위와 같은 단점으로 인해 실제 식각을 이용해 패터닝된 사파이어 기판을 사용하여 소자를 제작할 경우 매우 낮은 수율이 예상된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래와 같은 식각 방법에 의해 기판을 패터닝하는 경우의 문제점인, 기판 결정의 손상이나 잔류물에 의한 소자 특성 저하가 없으며 패턴 균일도를 매우 높일 수 있는 기판 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 기판을 제공하는 데에 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 기판 제조 방법의 일 태양은 단결정 기판 상에 상기 기판과 동종의 비정질 박막을 증착하는 단계, 상기 비정질 박막을 패터닝하여 비정질 박막의 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 비정질 박막의 패턴을 열처리로써 재결정화시켜 단결정 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 기판 제조 방법의 다른 태양은 단결정 기판 상에 구멍을 정의하는 마스크 패턴을 형성하는 단계, 상기 구멍을 통해 상기 기판이 드러난 곳에 선택적 에피 성장(selective epitaxial growth)을 이용해 상기 기판과 동종의 단결정을 증착시켜 단결정 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것이다.

본 발명에 따른 기판은, 단결정 기판 및 상기 기판 상에 증착 방법으로 형성되고 상기 기판과 동종인 단결정 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 단결정 패턴은 뿔, 반구형 및 타원체형 중의 어느 하나의 형상일 수 있다. 상기 단결정 패턴은 퍼셋(facet)이 일부 또는 전부 발달된 형상일 수도 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 하고자 한다. 다음에 설명되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 실시예들을 설명하는 도면에 있어서, 어떤 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것으로, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 온도 및 증착되는 물질의 두께 등에 대해서도 일례를 언급하는 것이며, 장비나 사용자에 따라 그 정량적인 부분에서는 변화가 있을 것이다.

본 발명은 반도체 소자 제작을 위한 기판 제조 방법으로 사파이어 기판과 같은 기판의 패턴을 기판과 동종의 비정질 혹은 단결정 증착 방법을 통하여 증착에 의해 형성하는 것을 특징으로 하고 있다. 증착에 의한 패턴이 형성된 기판 제조 방법은 아래와 같이 크게 두 가지 실시예가 가능하다. 물론 다양한 변형예가 가능할 것이다.

제1 실시예 (비정질막 패터닝 후 재결정화 방법)

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제1 실시예에 따라 재결정화(recrystallization) 방법으로 패턴이 형성된 기판을 제조하는 방법을 보이는 단면도들이다. 재결정화를 이용한 패턴 형성은 단결정 기판 위에 기판과 동종의 비정질 박막 증착, 패터닝 및 열처리의 3 단계의 간단한 공정을 통해 가능하다. 본 실시예에서 예로 드는 재결정화를 이용한 사파이어 패턴 형성은 사파이어 기판 상에 Al₂O₃ 비정질 박막 증착, 패터닝 및 열처리의 3 단계의 공정을 거친다. 본 실시예와 같은 방법을 적용할 수 있는 기판은 사파이어 이외에도, 리튬 알루미늄 산화물(LiAlO₂), 마그네슘 산화물(MgO) 기판과 같은 여러 종류의 산화물 기판이 가능하다.

먼저 도 2a를 참조하여, 사파이어 기판(20) 위에 Al₂O₃ 증착 가능한 장치, 예컨대, 스퍼터(sputter) 또는 전자빔 증착기(e-beam evaporator)를 이용하여 Al₂O₃ 비정질 박막(22)을 알맞은 두께로 증착한다.

스퍼터를 이용한 스퍼터링의 타겟은 고순도 Al₂O₃를 사용하며 10^-6 Torr 이하의 기저압력을 유지 가능한 장비에서 수~수십 mTorr (Ar, O₂ 가스)에서 증착한다. 이 때 증착속도는 RF 파워에 따라 1~50 nm/분 정도로 조절 가능하다.

전자빔 증착기를 이용한 전자빔 증착은 스퍼터링과 비슷한 기저압력을 요구 하며 Al₂O₃ 파우더 소스를 전자총(e-gun)으로 증발시켜 기판 상에 증착시킨다. 이 때, 전자총만으로 에너지가 충분하지 않은 경우에는 플라즈마나 이온빔 등을 부가적으로 사용하여 증착되는 박막의 밀도나 질을 향상시킬 수 있다.

Al₂O₃비정질 박막(22) 증착 후에는, 사진식각공정을 거쳐 비정질 박막(22)을 적절한 형태와 크기로 패터닝하여, 도 2b에 도시한 바와 같이 원하는 형태와 간격으로 비정질 박막의 패턴(22a)을 형성한다.

이 때 패턴(22a)의 모양은 반구형이나 뿔 등을 사용하며 크기는 예를 들어, 대략 2~5 마이크로미터 정도, 패턴 간격은 예를 들어, 대략 1~5 마이크로미터 정도로 한다. 패턴(22a)의 모양이나 밀도, 크기 등은 전산모사(simulation)를 거쳐 광출력이 최대화되는 수치들로 조절 가능하다.

Al₂O₃비정질 박막(22)은 BOE(buffered oxide etchant)에서 조건에 따라 30~120 nm/초의 속도로 습식식각이 가능하다. 습식식각의 특징상 언더컷(undercut)이 발생하여, 도 2b에 도시한 바와 같이 예컨대 뿔 모양의 형태로 패터닝이 될 수 있다. 패턴(22a)의 형상은 사시도인 도 2c에 더 상세히 나와 있다. 물론 패턴(22a)의 모양은 반구형 또는 타원체형 등의 다양한 모양이 될 수 있다. 이 때 형성되는 언더컷의 정도는 식각용액의 농도를 조절하여 제어할 수 있다.

그런 다음, 적절한 온도와 시간 동안 비정질 박막의 패턴(22a)을 열처리(H1)하여 재결정화시킴으로써, 도 2d에 도시한 바와 같이 사파이어 기판(20) 위에 단결정 패턴(22b)을 만든다.

비정질 박막의 패턴(22a)의 재결정화는 900~1300℃의 고온에서 가능하다. 최적의 온도와 시간은 산소(O₂)와 질소(N₂)의 혼합 분위기에서 1200℃, 1시간이며, 이 때 다른 상(phase)의 단결정 Al₂O₃형성을 억제하기 위하여 승온은 빠른 속도로 하는 것이 유리하다. 재결정화는 산소(O₂) 또는 질소(N₂)의 단독 분위기에서 진행할 수도 있다.

이렇게 하여, 도 2d에서와 같이 전체적으로는 표면 상에 단결정 패턴(22b)이 형성된 사파이어 기판(28)을 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 기판(28)은, 단결정 기판(20) 및 단결정 기판(20) 상에 증착 방법으로 형성되고 기판(20)과 동종인 단결정 패턴(22b)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 단결정 패턴(22b)의 형상은 도 2d에 도시한 바와 같이 예컨대 뿔 형상일 수 있다. 예를 들어, 패턴(22a)의 밑면이 원형인 경우에는 단결정 패턴(22b)이 원뿔 형상, 패턴(22a)의 밑면이 육각형인 경우에는 단결정 패턴(22b)이 육각뿔 형상일 수 있다. 그러나, 뿔 형상이라 하더라도 열처리(H1)하는 동안에 결정화 과정에서 생긴 퍼셋이 일부 또는 전부 발달된 형상일 수도 있다.

또한 단결정 패턴(22b)은 소정의 각도를 갖는 반구형 혹은 타원체형 등의 다양한 형상을 가질 수도 있다. 도 2e는 본 발명에 따라 단결정 기판(20) 상에 타원체형의 단결정 패턴(22b')이 형성된 기판(28')을 도시한다. 이 때에도 열처리(H1)하는 동안에 결정화 과정에서 생긴 퍼셋이 일부 또는 전부 발달된 형상일 수 있다.

제2 실시예 (선택적 에피 성장 방법)

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 제2 실시예에 따라 선택적 에피 성장(selective epitaxial growth) 방법으로 패턴이 형성된 기판을 제조하는 방법을 보이는 단면도들이다. 본 실시예는 사파이어 기판의 경우를 예로 들어 설명하지만, 본 실시예와 같은 방법을 적용할 수 있는 기판은 사파이어 이외에도, 리튬 알루미늄 산화물, 마그네슘 산화물 기판과 같은 여러 종류의 산화물 기판이 가능하다.

먼저 도 3a를 참조하여, 사파이어 기판(40) 위에 마스크 박막(41)을 증착한다. 마스크 박막(41)으로는 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 각종 금속 박막 등을 증착할 수 있다.

그런 다음, 도 3b에서와 같이, 사진식각공정을 거쳐 적절한 크기의 구멍(O)을 적절한 거리로 형성하여 마스크 패턴(41a)을 만든다. 구멍(O)은 단결정 Al₂O₃가 증착되어야할 부분에 형성한다. 패터닝 후 세정 공정을 거쳐 에피 성장이 가능한 청정한 기판 상태로 만든다. 이 때 세정용액은 주로 황산(H₂SO₄), 과산화수소(H₂O₂) 및 물(H₂O)의 혼합액을 사용한다.

마스크 패턴(41a)이 형성된 기판(40)을 단결정 Al₂O₃ 증착 가능한 장치 (특히, 유기금속화학기상증착(MOCVD) 장치)에 로딩하여 선택적 에피 성장 방법을 적용한다. 이 때의 온도는 500~1300℃ 범위로 유지한다. 유기금속화학기상증착법을 저압에서 행하는 경우 동종의 물질 즉 사파이어 위에는 사파이어(단결정 Al₂O₃)가 성장되며 마스크 패턴(41a) 위에는 성장이 안 되는 선택적 에피 성장이 가능하다. 즉, 마스크 패턴(41a) 위에는 증착이 되지 않도록 하고 구멍(O)을 통해 기판(40)이 드러난 곳에만 단결정 Al₂O₃를 증착시켜 단결정 패턴(42)을 형성한다. 이 때 증착두께는 1~10 마이크로미터 사이로 한다.

이와 같은 선택적 에피 성장 방법은 GaAs 물질과 Si, GaN 등의 물질에서는 알려져 있으나 Al₂O₃물질에서는 알려진 바 없다. MOCVD에서 박막의 성장은 본 실시예의 경우 압력 200~400 Torr, 온도 500~1300℃에서 행해지며 알루미늄 소스는 트리 메틸 알루미늄(TMA)을 사용하며 산소 소스는 오존 발생기를 이용하여 오존을 사용한다. 이 때 선택적으로 성장된 사파이어 단결정 패턴(42)은 도시한 바와 같이 약 55도 정도의 기울기를 가진 뿔의 모양을 갖게 된다. 물론 앞에서도 언급한 바와 같이, 패턴(42)은 여러 다양한 형상으로 성장하는 것이 가능하다.

그리고 나서, HF 수용액이나 BOE 등의 식각액을 이용한 습식식각을 통해 마스크 패턴(41a)을 제거하면, 사파이어 기판(40) 위에 단결정 패턴(42)이 형성되어, 전체적으로는 표면 상에 패턴이 형성된 사파이어 기판(48)을 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 기판(48)은, 단결정 기판(40) 및 단결정 기판(40) 상에 증착 방법으로 형성되고 기판(40)과 동종인 단결정 패턴(42)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 앞에서도 언급한 바와 같이, 단결정 패턴(42)은 뿔, 반구형 및 타원체형 중의 어느 하나의 형상일 수 있으며, 또한 퍼셋이 일부 또는 전부 발달된 형상일 수도 있다.

기존에 사용되고 있는 식각을 이용한 패터닝 방법은 패턴의 균일성, 패턴 깊이의 제한, 양산성 확보의 어려움 등의 문제점을 가지고 있다. 하지만 본 발명에 따르면, 식각이 아닌 증착을 이용하여 패턴을 형성함으로써 위에서 언급 문제점들을 극복할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 명백하다.

본 발명에 따라, 기판과 동종의 비정질 혹은 단결정 증착 방법을 통하여 패턴을 형성할 경우 앞에서 언급한 기판 결정의 손상이나 잔류물에 의한 소자 특성 저하가 없으며 패턴 균일도를 매우 높일 수 있는 장점이 있다. 종래와 같은 방법에 따를 경우 소자 수율이 낮아짐에 반하여 본 발명에 따를 경우에는 수율 저하 문제가 없으므로 결과적으로 소자의 양산성이 증가된다.

또한 패턴 깊이의 제한이 없어 LED에서 외부광추출효율을 극대화시킬 수 있으며, 특히, 이와 같은 방법을 사용하여 제작한 사파이어 기판을 이용하여 질화물 LED를 제작할 경우 광 특성 등 소자 특성의 많은 향상을 가져올 수 있다.

Claims

단결정 기판 상에 상기 기판과 동종의 비정질 박막을 증착하는 단계;

상기 비정질 박막을 패터닝하여 비정질 박막의 패턴을 형성하는 단계; 및

상기 비정질 박막의 패턴을 열처리로써 재결정화시켜 단결정 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴이 형성된 기판 제조 방법.
단결정 기판 상에 구멍을 정의하는 마스크 패턴을 형성하는 단계;

상기 구멍을 통해 상기 기판이 드러난 곳에 선택적 에피 성장(selective epitaxial growth)을 이용해 상기 기판과 동종의 단결정을 증착시켜 단결정 패턴을 형성하는 단계; 및

상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴이 형성된 기판 제조 방법.
제1항 또는 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 기판은 사파이어, 리튬 알루미늄 산화물 및 마그네슘 산화물 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어이고 상기 재결정화는 900~1300℃의 온도 범위에서 진행하는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
제4항에 있어서, 상기 재결정화는 산소(O₂), 질소(N₂) 또는 산소와 질소의 혼합 분위기에서 진행하는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 기판은 사파이어이고 상기 선택적 에피 성장을 500~1300℃의 온도 범위에서 진행하는 것을 특징으로 하는 기판 제조 방법.
단결정 기판; 및

상기 기판 상에 증착 방법으로 형성되고 상기 기판과 동종인 단결정 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판.
제7항에 있어서, 상기 단결정 패턴은 뿔, 반구형 및 타원체형 중의 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 하는 기판.
제7항 또는 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 단결정 패턴은 퍼셋(facet)이 발달된 형상인 것을 특징으로 하는 기판.