KR20100126525A - 고체 레이저를 이용하여 손상없이 ＧａＮ(질화갈륨)과 사파이어 기판을 박리하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체 레이저를 이용하여 손상 없이 GaN과 사파이어 기판을 박리하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고체 레이저를 이용하여 손상 없이 GaN과 사파이어 기판을 박리하는 방법은 고체 레이저를 레이저 광원으로 하고 둘레의 길이가 3 ~ 1000 ㎛이고 가장 먼 두 개의 모퉁이 사이의 거리 또는 가장 긴 직경이 400㎛를 초과하지 않는 작은 레이저 광점(laser spot)을 레이저로 포인트-투-포인트 순차주사(progressive scanning) 한다. 그 중 작은 레이저 광점(laser spot) 내부의 에너지 분포 형태는, 레이저 광점(laser spot) 중심의 에너지가 가장 강하고, 주변으로 갈수록 에너지는 점차적으로 약해진다. 본 발명은 작은 레이저 광점(laser spot)을 이용한 손상 없는 레이저 박리를 실현하고, 레이저 박리 주사(scan) 방식을 개선하며, 이로 하여 맞춤이 필요없는 무조준(no aiming) 박리 방식을 실현하고, 레이저 박리기술을 간략하게 하여 효율을 향상시키고 불합격율을 감소시키며 레이저 박리기술의 산업화 장애를 제거하였다.

Description

고체 레이저를 이용하여 손상없이 ＧａＮ(질화갈륨)과 사파이어 기판을 박리하는 방법{Method for stripping GaN from sapphire substrate without damage by using solid-state laser}

본 발명은 레이저 박리에 의한 GaN(질화갈륨)기판 및 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 말하면, 고체 레이저를 사용함으로써 주사(scanning) 방식과 방법이 개선되어 위치 맞춤이 필요없는 무조준(no aiming) 방식으로 GaN(질화갈륨)과 사파이어 기판을 분리시켜 GaN(질화갈륨) 기판과 소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.

GaN(질화갈륨)과 InGaN(인듐질화갈륨) 및 AlGaN(알루미늄질화갈륨)을 위주로 하는 Ⅲ/Ⅳ족 질화물은 최근 주목을 받는 반도체 재료이다. 1.92eV-6.2eV사이에서 연속 변할수 있는 직접 천이형 밴드갭, 그리고 우수한 물리적, 화학적 안정성 및 포화도가 높은 전자이동율 등의 특성을 지니고 있으므로 레이저 장치 및 발광 다이오드 등 광전자 소자의 가장 바람직한 재료로 사용된다.

하지만, GaN자체의 성장 기술의 제한으로 인하여, 현재 대면적 GaN재료는 대부분 사파이어 기판 위에서 성장한다. 사파이어 기판 위에서 성장한 GaN은 품질이 매우 좋고, 이용범위도 제일 광범위하지만 사파이어가 전기전도성이 없고 게다가 비교적 낮은 열전도 특성으로 인하여 GaN베이스 반도체 소자의 발전을 크게 제한하고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 사파이어에서 GaN베이스 소자가 성장된후 사파이어를 제거하고, 대신 높은 열전도성 및 전기전도성 특성을 지닌 실리콘(Si) 및 구리(Cu)등의 기판으로 바꾸는 방법이 개발되었다. 사파이어를 제거하는 과정에서 주로 사용하는 방법은 레이저 박리기술이다.

레이저 박리기술은 에너지가 사파이어 밴드갭보다 작고 GaN밴드갭보다 큰 레이저 광원을 사용해서 사파이어 기판을 투과하여 사파이어와 질화갈륨이 연결된 곳의 GaN층에 조사된다. 이곳의 GaN이 레이저 에너지를 흡수하여 고온이 될 때, 금속 갈륨과 질소로 분해된다. 따라서 GaN과 사파이어 기판의 분리가 달성된다.

종래의 레이저 박리기술은 모두 다 큰 레이저 광점(laser spot)(레이저 광점 둘레의 길이가 1000㎛보다 큼)을 순차적으로 배열하고 각 웨이퍼를 하나하나씩 박리하는 방법에 의하여 GaN베이스 소자와 사파이어 기판을 분리시킨다. 이러한 큰 레이저 광점을 이용한 박리기술의 단점은 레이저 광점 영역내의 에너지의 변화가 비교적 크기 때문에 응력(stress)이 변두리에 고도로 집중된다는 것이다. 이로 하여 레이저 광점 변두리 부분의 GaN이 심하게 파손된다. 도1에 도시된 바와 같이, 파손된 깊이는 1㎛ 이하에서 수㎛로 일정하지 않으며 게다가 파손은 피할수 없다. 이로 인하여 GaN베이스 소자의 레이저 박리공정은 크게 제한을 받고 있다.

현재, 이러한 조건하에서 제조하는 레이저 박리에 의한 GaN베이스 소자의 공정은 대체적으로 아래와 같다.

(1) 사파이어 위에서 GaN베이스 에피택셜 웨이퍼를 성장시킨다.

(2) 사파이어 기판을 지닌 에피택셜 웨이퍼를 GaN베이스 개별 소자로 제조한다.

(3) 기타 열전도 및 전기전도성 기판을 도금 혹은 본딩 한다.

(4) 레이저 박리방법을 이용하여 사파이어 기판을 제거한다.

상술한 기술 중에서, GaN베이스 소자(일반적으로 mm레벨의 고전력과 ㎛레벨의 저전력 두 가지 종류의 다양한 크기를 가짐)에 대한 큰 레이저 광점 변두리에서의 손상을 피하기 위해 대부분 큰 레이저 광점으로 하나 또는 복수개의 GaN베이스 소자 전체를 직접 커버하는 방법을 이용하며 레이저 광점의 변두리를 GaN베이스 소자 유니트 사이의 통로에 위치하게 함으로써, 될 수록 레이저 광점 변두리의 손상을 피하게 한다. 이렇게 처리하게 되면 하기와 같은 단점이 있다. (1) 소자의 크기에 따라 레이저 광점의 면적을 조절해야 한다. (2) 레이저 스캐닝 하기 전에 반복적으로 위치를 서로 맞추어서, 레이저 광점 변두리가 GaN소자 유니트 사이의 통로에 위치하게 하여야 한다. (3) 실시간의 비디오 모니터링 측정검사가 필요하며, 위치를 맞춤에 있어서 일단 편차가 생기면, 즉시 정지시키고 다시 맞춤작업을 진행해야 한다. 이상의 단점들은 레이저 박리기술이 대규모 생산에 응용되는데 큰 장애가 되고 있으며, 또한 공정을 매우 복잡하게 만들고 따라서 효율이 저하되고 또한 제품의 불합격율을 증가시킨다.(레이저 위치의 맞춤 혹은 스캔 과정에서 편차가 발생하기 때문에 변두리에서의 손상이 더욱 심해진다.)

본 발명은 마킹의 위치맞춤이 필요 없는 무조준(no aiming) 레이저 박리 방법을 제공하여, 손상 없이 GaN과 사파이어 기판을 분리하는데 그 목적이 있는 것이다.

본 발명의 기술방안은 다음과 같다.

GaN과 사파이어 기판을 레이저 박리하는 방법에 관한 것으로서, 그 특징은，고체 레이저를 레이저 광원으로 하고 둘레의 길이가 3~1000 ㎛인 동시에 가장 먼 두 개의 모퉁이 사이의 거리 또는 가장 긴 직경이 400㎛이하인 작은 레이저 광점으로 포인트-투-포인트(point-to-point) 순차주사(progressive scanning) 한다. 그 중 작은 레이저 광점 내의 에너지 분포 상황은, 레이저 광점 중심에서의 에너지가 가장 강하고, 주변으로 갈수록 에너지가 점차적으로 약해진다.

본 발명은 선행기술에 있어서의 레이저 박리기술 중 큰 레이저 광점 박리기술을 개선한 것으로써, 작은 레이저 광점을 사용해서 위치 맞춤이 필요 없는 무조준(no aiming) 방식으로 GaN베이스 소자를 박리하는 방법에 관한 것이다. 작은 레이저 광점 방법이 그 동안 제시되지 않았던 아주 중요한 두 가지 원인은 (1) 보편적으로 작은 레이저 광점 박리는 레이저 광점 변두리 문제를 GaN베이스 소자 유니트 내부에 끌어 들여, 레이저 박리의 품질을 더욱 저하시킨다고 생각하였다. (2) 지금까지 누구도 작은 레이저 광점으로 손상 없는 레이저 박리를 이룬 적이 없었다. 본 발명에서 이용하는 작은 레이저 광점의 둘레의 길이는 3~1000㎛인 동시에 가장 먼 두 개의 모퉁이 사이의 거리 또는 가장 긴 직경이 400㎛이하로, 바람직하게는 둘레의 길이가 100~400㎛이고 가장 먼 두 개의 모퉁이사이의 거리 또는 가장 긴 직경이 150㎛이하인 소 레이저 광점을 이용하는 것이다. 레이저 광점의 형상은 정방형, 장방형, 원형, 타원형, 5각형, 6각형, 7각형, 8각형 등 일 수 있다. 예를 들어 이러한 작은 레이저 광점은 변의 길이가 1~250㎛의 정방형 레이저 광점 또는 직경이 1~400㎛인 원형 레이저 광점이다. 동시에 본 발명은 단일 레이저 광점의 레이저 에너지 분포를 조절하여, 종래의 레이저 광점 내부 레이저 에너지의 변동을 개선하였다. 종래 기술에서는, 큰 레이저 광점 내의 중심부 에너지분포는 균일하고 레이저 광점 변두리의 에너지가 급변함으로, 손상을 초래하기 쉽다. 종래의 펄스 레이저 광점 에너지 분포는 도2a에 도시된 바와 같이, X축은 레이저 광점 변의 길이방향을 표시하고, y축은 에너지 크기를 표시하고, X축 영점 위치는 레이저 광점 중심에 대응된다. 본 발명에서는, 레이저 광점 내부의 에너지 분포형태를 개선하여 더 이상 에너지의 균일한 분포만을 추구하지 않고 대신 레이저 광점 변두리 에너지의 점진적 변화를 고려하였다. 에너지 분포형태는 도2b에 도시한 바와 같다. 큰 레이저 광점에 비해, 작은 레이저 광점은 레이저 광점의 레이저 에너지의 점진적 변화를 달성하기 쉬운 것이다. 레이저 광점 변두리 영역 에너지의 점진적 변화(레이저 광점 중심영역 에너지 강도가, 높은 데로부터, 중심영역에서 멀어짐에 따라 에너지 강도가 약해지는 점진적 변화)과정을 강화하였기 때문에 GaN베이스 재료의 레이저 광점 변두리에서 힘을 받는 현상이 개선되어 작은 레이저 광점에 의한 손상 없는 레이저 박리가 이루어진다.

본 발명에서 사용하는 고체 레이저는 개선된 주파수 체배(frequency multiplication) 고체 레이저 광원일 수 있다. 개선된 점은 레이저 광점 내부 레이저의 에너지 변동을 개선하여, 레이저 광점 중심에서의 에너지가 가장 높고 주변으로 갈수록 에너지가 점차적으로 약해진다는 것이다. 전체 레이저 광점 내부의 에너지분포는 가우스 분포이거나 혹은 가우스 분포에 유사하다.

본 발명에 따르면 작은 레이저 광점에 의한 손상 없는 레이저 박리를 실현한다. (박리 표면은 도 3에서 도시한 바와 같이 선명한 손상이 없다.) 이로 인하여 위치맞춤이 필요 없는 무조준(no aiming) 방식 박리 방법이 이루어진다. 본 발명의 방법에 의해 개선된 레이저 박리 주사(scan) 방식은, 종래의 공정에 따라 도금 혹은 본딩의 단계를 거친 후 GaN소자 유니트의 크기에 따른 레이저 광점 면적의 조절이 필요 없고, 시작 시 위치 맞춤 작업도 필요 없이 직접 레이저 스캐닝을 할 수 있으며, 중간에 작업을 중단할 필요도 없고, 실시간으로 측정 검사할 필요도 없다.

종래 기술과 비교할 때, 본 발명의 유익한 효과는 (1) 레이저 박리기술을 크게 간략화 하였고 (2) 레이저 박리효율을 크게 향상시켰고 (3) 불합격율을 감소시켰고 (4) 레이저 박리공정의 산업화 장애를 제거하여 레이저 박리를 이용한 공업화 생산을 가능하게 한 것이다.

도 1은 큰 레이저 광점 레이저 박리 후, GaN의 레이저 변두리에 남은 손상을 나타낸 사진이다.
도 2a는 종래 기술에서 레이저 광점 내의 에너지 분포도이고 도 2b는 본 발명에 따른 작은 레이저 광점 내의 에너지 분포도이다.
도 3은 본 발명에 따른 작은 레이저 광점을 이용해 박리한 후의 샘플 표면을 나타낸 사진이다.
도4는 본 발명의 실시예1에 따른 레이저 박리 후 현미경을 통해 본 500배로 확대된 소자표면을 나타낸 사진이다.
도5는 본 발명의 실시예2에 따른 레이저 박리 후 현미경을 통해 본 500배로 확대된 소자표면을 나타낸 사진이다.

이하 도면 참조와, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다.

이하의 단계를 통하여 수직 구성의 GaN베이스 소자를 레이저 박리로 제조한다.

(1) 사파이어 위에서 GaN베이스 에피택셜 웨이퍼를 성장시키고, 이를 GaN베이스 개별 소자로 제조한 다음, GaN 표면에 Pd/In본딩방법으로 Cu웨이퍼를 본딩시킨다. 그 중, Pd는 스퍼터링 방법으로 200 nm 두께로 도금되고 In은 열 증착 방법으로 600nm 두꼐로 증착된다. 그리고, Pd/In 금속이 도금된 Cu웨이퍼와 GaN웨이퍼를 고온 고압 조건하에서 본딩시킨다. 온도는 200℃, 압력은 1Mpa이며 시간은 20분이다.

(2) 본딩된 샘플을 개선된 주파수 체배 고체 레이저 광원(YAG레이저 광원)을 사용하여 박리한다. 레이저 에너지 밀도는 600 mj/cm²이고 레이저 주파수는 20 Hz이고 레이저 광점 크기는 변의 길이가 30㎛인 정방형이다. 레이저 광점 중심 사이의 간격은 30 ㎛이고, 샘플의 사파이어 면에서 레이저를 사용하여 포인트-투-포인트 t순차주사(progressive scanning) 한다.

박리가 완료되면 사파이어 기판이 자연스럽게 제거된다. 박리 결과는 도4에 도시된 바와 같이, 현미경으로 500배 확대해 보았을 때 박리표면이 균일하고 손상이 없었다.

이하의 단계를 통하여 수직 구성의 GaN베이스 소자를 레이저 박리로 제조한다.

(1) 사파이어 위에서 GaN베이스 에피택셜 웨이퍼를 성장시키고, 이를 GaN베이스 개별 소자로 제조한 다음, GaN 표면에 Pd/In본딩 방법으로 Cu웨이퍼를 본딩시킨다. 그 중, Pd는 스퍼터링 방법으로 200 nm 두께로 도금되고 In은 열 증착 방법으로 600nm 두께로 증착된다. 그리고, Pd/In 금속이 도금된 Cu웨이퍼와 GaN웨이퍼를 고온 고압 조건하에서 본딩시킨다. 온도는 200?, 압력은 1Mpa이며 시간은 20분이다.

(2) 본딩된 샘플을 개선된 주파수 체배 고체 레이저 광원(YAG레이저 광원)을 사용하여 박리한다. 레이저 에너지 밀도는 600 mj/cm²이고 레이저 주파수는 20 Hz이고 레이저 광점 크기는 변의 길이가 100㎛인 정방형이다. 레이저 광점 중심 사이의 간격은 100㎛이고, 샘플의 사파이어 면에서 레이저를 사용하여 포인트-투-포인트 t순차주사(progressive scanning) 한다.

박리가 완료되면 사파이어 기판이 자연스럽게 제거된다. 박리 결과는 도5에 도시된 바와 같이 현미경으로 500배 확대해 보았을 때 박리표면이 균일하고 손상이 없었다.

Claims (5)

1. 고체 레이저를 레이저 광원으로 하고 둘레의 길이가 3 ~ 1000 ㎛인 동시에 가장 먼 두 개의 모퉁이 사이의 거리 또는 가장 긴 직경이 400㎛이하인, 내부 에너지 분포는 중심에서 에너지가 가장 강하고, 주변으로 갈수록 에너지가 점차적으로 약해지는 작은 레이저 광점을 사용하여 포인트-투-포인트 순차주사(progressive scanning) 하는 것을 특징으로 하는 GaN과 사파이어 기판을 레이저 박리하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 작은 레이저 광점의 둘레의 길이가 100-400㎛인 동시에 가장 먼 두 개의 모퉁이 사이의 거리 또는 가장 긴 직경이 150㎛이하인 것을 특징으로 하는 GaN과 사파이어 기판을 레이저 박리하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 레이저 광점의 형상은 정방형, 장방형, 원형, 타원형, 5각형, 6각형, 7각형, 8각형인 것을 특징으로 하는GaN과 사파이어 기판을 레이저 박리하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 고체 레이저는 주파수 체배 고체 레이저 광원인 것을 특징으로 하는 GaN과 사파이어 기판을 레이저 박리하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 레이저 광점 중심의 에너지가 가장 높고 전체 레이저 광점 내부의 에너지 분포는 가우스 분포 또는 가우스 분포에 유사한 것을 특징으로 하는 GaN과 사파이어 기판을 레이저 박리하는 방법.
   

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