KR20110042249A - 수직 구조 화합물 반도체 디바이스의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

수직 구조 광전자 디바이스를 제조하는 방법은, 결정 기판 상에 복수의 수직 구조 광전자 디바이스를 제조하는 단계; 및 그 다음에, 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 이 결정 기판을 제거하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 그 다음에, 이 결정 기판 대신에 금속 지지 구조체를 제조하는 단계를 포함한다. 일 양태에 있어서, 이 결정 기판 대신에 금속 지지 구조체를 제조하는 단계는, 전해 도금 및 무전해 도금 중 하나 이상을 이용하여 금속 지지 구조체를 도금하는 단계를 포함한다. 일 양태에 있어서, 이 수직 구조체는 GaN-계 수직 구조체이고, 결정 기판은 사파이어를 포함하고, 금속 지지 구조체는 구리를 포함한다. 본 발명의 이점은, 고신뢰성 및 고수율로 양산에 적합한 수직 구조 LED 를 제조하는 것을 포함한다.

Description

수직 구조 화합물 반도체 디바이스의 제조 방법{METHOD OF FABRICATING VERTICAL STRUCTURE COMPOUND SEMICONDUCTOR DEVICES}
본 발명은 상부 및 하부 콘택 구조를 갖는 수직 구조 화합물 반도체 디바이스의 제조에 관한 것이다.
종래에, 발광 다이오드 (LED), 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 제조된다. 그 결과, 절연 기판으로 구성된 디바이스 구조체는 통상적으로 수평 구조 (lateral structure) 로 구성되는데, 그 이유는 상부측 n-콘택이 상부측 p-콘택과 전기적 접속을 이루도록 형성되어야 하기 때문이다.
이 구성은, 정전 방전 (ESD: ElectroStatic Discharge) 에 대한 약한 저항성 및 전류 집중 (current crowding) 과 같은 다수의 디바이스 성능 문제를 야기시킨다. 전류 집중은, 고전력 백색 LED 또는 청색/UV LD 를 사용한 조명 애플리케이션에 대해 고전류 주입이 요구되는 경우에 중대해질 수 있다. 전자가 이러한 디바이스에서의 n-형 전극 근처에 한정되기 때문에, 광전자 디바이스에서의 광자 발생은 증가된 전류 주입에 대해 제한된다. 다시 말하면, 전력 효율이 나빠진다. 이는 현재 시장에서 입수가능한 수평 디바이스의 중대한 단점이다.
ESD 문제는, 특히 GaN-계 LED 가 고전압 환경에서, 예를 들어 자동차 애플리케이션에서 사용되는 경우에 심각한 문제로 고려된다. 일단 정전 전하 (electrostatic charge) 가 디바이스 표면 상에서 발생하면, 수평 디바이스는 종종 매우 짧은 주기 내에 디바이스 고장을 야기하는 전하 축적 (charge build up) 을 경험하는데, 그 이유는 절연 기판으로 인해 이 디바이스에 어떠한 전류 방전 경로도 존재하지 않기 때문이다.
사파이어와 같은 절연 기판을 갖는 수평 디바이스의 다른 중대한 단점은 불량한 열 소산 (heat dissipation) 이다. 사파이어는 불량한 열 전도체로 공지되어 있다. 그에 따라, 이 디바이스가 고전류 주입 모드를 겪는 경우, 이 디바이스의 수명은 상당히 단축된다. 이들은, GaN-계 LED 와 LD, 및 청색/UV LD 의 추가 개발에 대한 중대한 2 가지 장애물이다.
생산 수율 관점으로부터, 수평 구조 디바이스는 또한 다수의 단점을 갖는다. 도 1 에 도시된 바와 같이 p 전극 및 n 전극 모두가 동일한 평면에 배치되기 때문에, 수평 구조로 구성된 디바이스는 큰 디바이스 치수를 필요로 한다. 그에 따라, 수평 디바이스가 필요로 하는 웨이퍼 면적 (wafer real estate) 의 양으로 인해 디바이스의 개수가 제한된다.
전술한 문제에 부가하여, 사파이어 기판 재료는 다이아몬드 다음에 두번째로 경성인 재료로 공지되어 있다. 이는, 웨이퍼의 연삭 및 연마 시에 어려움을 야기시킨다. 또한, 웨이퍼로부터 디바이스를 분리하는 것도 어렵다. 그러므로, 제조 전 (front fabrication) 공정까지 고디바이스 수율을 기대할 수 있을 지라도, 최종 디바이스 제조 수율은, 래핑 (lapping), 연마 및 다이 분리 (die separation) 를 포함하는 제조 후 (post fabrication) 공정에 주로 종속한다.
최근에, 도 2 에 도시된 수직 구조 GaN-계 화합물 반도체에 관련하여 신규 개발이 이루어지고 있다. GaN 에피층 (epi layer) 으로부터 사파이어 기판을 제거하기 위해서 레이저 리프트 오프 (laser lift-off) 공정이 도입되었다. 몇몇 기술은, 통상적으로 UV 범위에서 사파이어에 투과성인 파장을 갖는 엑시머 레이저를 사용하여 수직 구조 디바이스를 제조하기 위해서 절연 사파이어 기판을 도전성 또는 반-도전성 제 2 기판으로 대체하였다. 대부분의 다른 기술은 레이저 리프트 오프에 의해 사파이어 기판을 제거한 이후에 이 제 2 기판에 대한 영구 본딩을 위해 웨이퍼-본딩 기술을 이용한다는 것이 주목된다.
그러나, 이들 기술은 VLED (Vertical LED) 의 양산을 위한 실질적인 웨이퍼 스케일 레이저 리프트 오프 공정을 야기하지 않았다. 2 가지 주요 이유로는, 지지 웨이퍼와 에피택셜층 사이의 본딩 접착층의 층간 분리 (de-lamination) 로 인한 대면적 레이저 리프트 오프에서의 어려움이 있다. 다른 문제로는, 에피택셜층과 영구적인 제 2 기판 사이의 웨이퍼 본딩에서의 어려움이 있는데, 그 이유는 에피택셜층 표면이 레이저 리프트 오프 이후에 전체 웨이퍼 표면 상에서 평탄하지 않기 때문이다. 이들 이유 때문에, 레이저 리프트 오프 이후에 최종 수율이 크게 제한되고, 그 결과 웨이퍼의 작은 부분만이 다른 기술에 따라 수직 구조 디바이스용으로 제조되었다.
웨이퍼 본딩 문제를 극복하여 VLED 를 제조하려는 다른 노력이 이루어지고 있다. 웨이퍼 본딩 방법을 이용하는 대신에, 도 3 에 도시된 하나의 다른 기술은 금속 지지체를 부착한다. 그러나, 레이저 리프트 오프 수율은 지지 구조체에 대한 본딩층의 층간 분리로 인해 매우 낮다고 공지되어 있다. 본딩이 고에너지 레이저 충격파를 견디기에 충분히 확고하지 않은 경우, 레이저 리프트 오프 이후에 GaN 에피층은 휘어지거나 크랙이 생길 수도 있다. 일단 GaN 에피층 상에 크랙이나 휨이 존재하면, 세정, 디본딩 (de-bonding) 및 디바이스 분리와 같은 레이저 리프트 오프 후 공정을 수행하는 것은 매우 어렵다. 그에 따라, 최종 디바이스 공정 수율은, 다른 공정 수율이 매우 높게 유지될 수 있을 지라도 매우 낮아진다. 이들 문제점은 이용되는 비최적화된 레이저 처리 기술 및 임시 웨이퍼 본딩 기술에 주로 기인한다.
도 3 에 도시된 또다른 기술에 기초하는 종래의 수직 디바이스에 대한 또다른 문제는 불량한 디바이스 성능이다. 균일한 레이저빔 에너지 분포를 생성하기 위해서 사파이어 기판 상에서 종종 샌드 블라스팅 (sand blasting) 이 이용되기 때문에, 레이저 리프트 오프 이후에 GaN 표면은 매우 거칠고, 이는 불량한 디바이스 반사율을 야기시킨다. 또한, n-GaN 층 상에 형성된 금속 반사층은 ITO (Indium Tin Oxide) 와 같은 비금속 반사기 재료만큼 높지 않다.
수직 구조 디바이스의 제조에 레이저 리프트 오프 공정을 적용하기 위해서 고디바이스 성능을 획득하면서 신뢰성이 있으며 반복가능한 레이저 리프트 오프 공정을 제공하는 수직 구조 화합물 반도체 디바이스를 제조하는 방법이 필요하다.
본 발명은, GaN-계 화합물 반도체 디바이스의 양산을 위해 개선된 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 신규 수직 구조 화합물 반도체 디바이스를 제조하는 개선된 기술을 제공한다. 본 발명의 일 양태는, 신뢰성이 있으며 반복가능한 레이저 리프트 오프 공정을 보장하기 위해서 특정 에피 두께 웨이퍼를 갖는 GaN 초기 버퍼층에 부가하여 AlGaN 버퍼층을 사용하며, 지지 웨이퍼에 대한 임시 접착 본딩을 위해 이중 본딩 공정을 이용한다.
일 실시형태에 있어서, 본 발명은, 레이저 리프트 오프 공정 및 금속화 공정을 최적화함으로써 양산용 수직 구조 화합물 반도체를 구성하는 제조 방법을 기재하고 있다. 첫번째로, 레이저 리프트 오프 중에 폴리머계 본딩 접착제의 열 손상을 방지하기 위해서, 확산 장벽 (diffusion barrier) 의 역할을 하는 AlGaN 버퍼층 및 두꺼운 GaN 에피층 (> 5㎛) 이 종래의 GaN 또는 AlN 버퍼층에 부가하여 사용된다. 두번째로, 고에너지 레이저 충격파에 의해 야기된 손상을 감소시키며 용이한 디본딩 공정에 도움이 되기 위해서 이중 본딩 기술이 이용된다. 세번째로, 수직 디바이스의 고효율 광학 및 전기적 특성을 획득하기 위해서 GaN 에피층과 두꺼운 금속 지지층 사이에 산화 인듐 주석 (ITO) 박막이 배치된다. 최종적으로, 수직 디바이스의 양호한 기계적 지지, 높은 전기적 도전성 및 양호한 열 소산을 획득하기 위해서 그레이디드 (graded) Cu 합금계의 두꺼운 금속 지지층이 사용된다.
본 발명의 이점은, 고신뢰성 및 고수율로 양산에 적합한 수직 구조 LED 를 제조하는 것을 포함한다. 본 발명은 레이저 리프트 오프 이후에 에피택셜층과 지지 웨이퍼의 용이한 분리를 위해 레이저 리프트 오프 공정 이전에 이중 본딩 공정을 이용하고, 레이저빔의 고에너지 충격파를 경계하기 위해서 AlGaN 댐핑층 (damping layer) 을 사용한다. 이 부가적인 버퍼층은 얇은 에피택셜 박막 상의 고에너지 레이저빔 조사에 의해 야기된 크랙 발생을 감소시킨다.
본 발명은 다음의 도면을 참조하여 설명된다.
도 1 은 2 개의 금속 콘택이 디바이스의 상부측 상에 형성된 종래의 수평 구조 GaN-계 LED 를 도시한 도면이다.
도 2 는 또다른 종래 기술에 따른 수직 구조 GaN-계 LED 를 도시한 도면이고, 여기서 오리지널 사파이어 기판을 제거한 이후에 금속 본딩층을 사용하여 Si, GaAs 등과 같은 제 2 기판에 GaN 박막이 본딩된다.
도 3 은 또다른 종래 기술에 따른 수직 구조 GaN-계 LED 를 도시한 도면이고, 여기서 웨이퍼 본딩 대신에, 오리지널 사파이어 기판을 제거한 이후에 GaN 박막 상에 두꺼운 금속층이 퇴적된다.
도 4 는 본 발명에 따른 수직 구조 GaN-계 LED 를 도시한 도면이고, 여기서 오리지널 사파이어 기판을 제거한 이후에 제 2 AlGaN 버퍼층이 초기의 GaN/AlN 버퍼층에 부가되며, Au 중간층 및 두꺼운 구리 합금층이 산화 인듐 주석 (ITO) 콘택층에 퇴적된다.
도 5 는 레이저 리프트 오프 이전에 글루/에폭시 이중 접착층을 사용하여 사파이어 지지 웨이퍼에 부착된 GaN-LED 웨이퍼를 도시한 도면이다.
도 6 은 확산판 (diffuser plate) 을 사용한 사파이어 기판을 관통하는 레이저를 도시한 도면이다.
도 7 은 레이저 리프트 오프 이후의 사파이어 기판 제거를 도시한 도면이다.
도 8 은 Ga 방울 제거와 표면 세정 및 투명 ITO 반사기/콘택 형성을 도시한 도면이다.
도 9 는 ITO 콘택층 상의 Au 중간층 및 두꺼운 구리 합금 금속 지지층 퇴적을 도시한 도면이다.
도 10 은 접착 글루/에폭시 층의 디본딩 및 사파이어 지지체 제거를 도시한 도면이다.
도 11 은 화학적 또는 레이저 스크라이빙에 의한 디바이스 분리를 도시한 도면이다.
도 12 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 최종 수직 디바이스 구조를 도시한 도면이다.
본 발명은 특정 방법, 기술, 디바이스 구조 및 실시형태를 참조하여 설명된다. 당업자는, 이 설명이 예증을 위한 것이며 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 제공하기 위한 것이라는 것을 인식할 것이다. 또한, 파라미터, 두께, 온도 등은 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 설명하기 위해서 제공되며, 제한하는 것으로서 의도되지는 않는다.
도 4 내지 도 12 는 본 발명에 따른 레이저 리프트 오프 공정을 이용하여 수직 구조 GaN-계 LED (100) 를 제조하는 절차를 도시한 도면이다. 본 실시형태는 레이저 리프트 오프 절차를 이용하여 오리지널 기판을 제거하고, 기계적 지지 및 전기적 도전성을 위해 금속 퇴적 공정을 이용하여 금속 기판을 형성한다. 본 발명에 기재된 제조 방법은 LED 에 제한되지 않으며, 레이저 다이오드 (LD), 헤테로-접합 바이폴라 트랜지스터 (HBT), 고전자 이동도 트랜지스터 (HEMT) 와 같이 절연 기판 상에 성장된 GaN-계 에피택셜 박막을 포함하는 임의의 디바이스 구조체로 확장될 수 있다. 이들 애플리케이션은 예시적인데, 그 이유는 본 발명이 다른 재료 또는 부가 재료에 적용가능하다고 추가적으로 예상되기 때문이다.
도 5 에 도시된 바와 같이, GaN-계 LED 구조체 (150A 내지 150F) 는, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE (Molecular Beam Epitaxy) 또는 VPE (Vapor Phase Epitaxy) 등과 같이 적절한 에피택셜 성장 장치로 사파이어 웨이퍼 (200) 상에 성장된다. GaN 또는 AlN 의 단일층이 공통 버퍼층인 종래 기술에 반해, 본 발명은 GaN 또는 AlN 버퍼층 (116) 에 부가하여 AlGaN 버퍼층 (114) 을 사용한다. AlGaN 층 (114) 은 열 장벽을 생성하는데 유용하다. GaN 에피택셜층과 접착 본딩층 사이의 계면에서의 온도는 레이저 리프트 오프 공정 중에 250℃ 까지 증가할 수도 있다. 그러므로, 폴리머계 접착층은 열 축적으로 인해 레이저 리프트 오프 중에 열화되어 GaN 에피택셜층과 반응할 가능성이 있고, 이는 디본딩 공정 중에 열적으로 열화된 접착제를 제거하기 어렵게 한다. 본 발명의 AlGaN 의 사용은 본딩 접착제 열화를 감소시키는데 도움이 되고, 그에 따라 디바이스 제조 수율을 향상시키는데 도움이 된다. 또한, 총 에피택셜층 두께는 GaN/접착제 계면에서의 온도 증가를 방지하기 위해서 특정 두께로 설정된다. 이롭게도, 에피층 두께는 계면 온도가 200℃ 아래로 유지되도록 5㎛ 보다 크게 선택된다. 이를 달성하기 위해서, n-GaN 층은 4㎛ 보다 두껍게 성장된다. 다른 두께 및 온도 변동이 예상된다.
에피택셜 성장 이후에, 제조 공정은, 금속 콘택을 형성하며 보호층을 제공하기 위해서 GaN 에피택셜층 상에서 수행된 금속화 및 패시베이션층 형성을 포함한다. 특히, 도 5 에 도시된 바와 같이, GaN LED 층으로부터 사파이어 기판을 통해 트렌치 (160) 가 형성된다. 이 트렌치는 레이저 리프트 오프 중에 GaN 에피층 (150) 과 사파이어 기판 (200) 사이의 압축 응력 (compressive stress) 을 완화함으로써 레이저 리프트 오프 중에 GaN 에피층의 크랙 발생 또는 휨을 최소화하는 방식으로 설계된다. 트렌치의 길이는, 레이저 리프트 오프 공정 중에 충격파를 완화하기 위해서 레이저빔 스폿 크기(예를 들어, 7x7 mm)에 대응하도록 설계된다. 트렌치의 폭은 약 100㎛ 의 폭보다 좁으며 사파이어 기판으로 2㎛ 보다 작게 확장되는 것이 바람직하다. 트렌치는 Ar 과 Cl2 또는 BCl3 가스의 혼합물로 반응성 이온 에칭, 바람직하게는 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭 (ICP RIE: Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching) 을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다. 제조 공정을 완료한 이후에, 사파이어 기판의 이면은 레이저 리프트 오프 이전에 평활한 표면을 획득하기 위해서 래핑 및 연마된다.
도 5 를 다시 참조하면, 사파이어 기판 (200) 을 갖는 완전히 처리된 GaN-계 LED 웨이퍼는, 레이저 리프트 오프에 의한 사파이어 기판 제거 이후에 매우 얇은 GaN 에피막을 유지하기 위해서 임시 지지 웨이퍼에 본딩된다. 본 발명에 있어서, 2 개의 임시 본딩 접착제, 즉 글루 (220) 및 에폭시 (230) 의 층이 사용된다. 이중 본딩 기술을 이용하는 2 가지 이유가 존재한다. 첫번째 이유는, 고에너지 레이저빔으로부터의 충격파로부터 기인하는 손상을 감소시키기 위한 것이다. 본딩이 얇거나 약한 경우, 레이저 리프트 오프 이후에 GaN 에피택셜층은 종종 레이저빔으로부터의 충격파로 인해 다수의 크랙 및 휘어진 에피층을 야기하는데, 이는 레이저 리프트 오프 공정 수율을 상당히 감소시킨다. 두번째 이유는, 용매 가용성 슈퍼 글루 (solvent soluble super glue) 의 제 1 본딩층 및 높은 본딩 강도와 보다 높은 충격파 저항성의 제 2 층을 사용함으로써 디본딩 공정을 보다 용이하게 하는데 도움이 되기 위한 것이다. 슈퍼 글루가 약한 본딩 강도와 충격파에 대한 약한 저항성을 갖기 때문에, SU-8 5 에폭시가 제 1 슈퍼 글루 본딩층 상에 도포된다. SU-8 이 슈퍼 글루보다 훨씬 더 높은 본딩 강도와 충격파에 대한 훨씬 더 큰 저항성을 갖지만, 일단 SU-8 이 완전히 경화되면 제거하는 것이 어렵다.
슈퍼 글루층 두께가 대략 30㎛ 의 두께로 유지되도록, 스핀 코팅을 이용하여 다수의 스핀으로 슈퍼 글루층이 도포된다. 슈퍼 글루 본딩 이후에, 대략 20 미크론보다 두꺼운 두께로 스핀 코팅을 이용하여 슈퍼 글루층의 상부 상에 SU-8 5 가 도포된다. SU-8 5 는 사파이어 지지 웨이퍼 (210) 를 통해 UV 램프로 경화된다. UV 광 투과성 사파이어 지지체를 사용하는 것은 SU-8 5 에폭시의 경화에 유용한데, 그 이유는 SU-8 5 가 UV 광에 의해 경화되기 때문이다. 최선의 형태의 명확화를 위해, 임시 웨이퍼 본딩을 위한 다음의 상세 공정 단계가 제공된다.
(GaN/사파이어 웨이퍼 (200) 상의) 슈퍼 글루 본딩 공정;
1. GaN/사파이어 웨이퍼를 아세톤에 담근 다음, 이소프로판올에 담그고, N2 로 블로-드라이 (blow-dry) 한다.
2. GaN/사파이어 웨이퍼를 DI (De-ionized) H2O 에 담그고, N2 로 블로-드라이한다.
3. 슈퍼 글루를 중심에서 대략 1/3 내지 1/2 웨이퍼에 도포한다.
4. 스핀 코터를 신속하게 2000rpm (1 ~ 2 초) 으로 램핑하고, 즉시 0 으로 램핑다운 (ramp down) 한다.
5. 전체 커버리지 (full coverage) 를 체크하고; 완전히 커버되지 않은 경우, 슈퍼 글루로 빈 영역을 채우고, 단계 4 를 반복한다.
6. 일단 웨이퍼가 슈퍼 글루로 완전히 커버되면, 2000rpm 으로 램핑하여 30 초 동안 유지한다.
7. 0 으로 램핑다운하고, 중단한다.
8. 2 분 동안 층내 (intra-layer) 경화한다.
9. 5 회 코팅을 위해 단계 3 내지 단계 9 를 반복한다.
10. 권고 시간 동안 슈퍼 글루를 경화한다 (하룻밤 경화).
(사파이어 지지 웨이퍼 (210) 상의) SU-8 5 본딩 공정;
1. 사파이어 지지 웨이퍼를 아세톤에 담근 다음, 이소프로판올에 담근 다음, DI H2O 에 담그고, N2 로 블로-드라이한다.
2. 사파이어 지지 웨이퍼 및 슈퍼 글루로 코팅된 GaN/사파이어 웨이퍼를 탈수 베이킹한다 (dehydration bake):
2.1. 10 분 동안 핫 플레이트로 120℃ 에서 지지 웨이퍼를 가열한다.
2.2. 핫 플레이트로부터 제거하여, 2 분 동안 냉각한다.
3. 사파이어 지지 웨이퍼 (연마측) 또는 GaN/사파이어 웨이퍼 (슈퍼 글루측) 중 어느 하나에 대해 주입기로 SU-8 5 를 도포한다.
4. SU-8 5 방울의 상부 상에 다른 웨이퍼를 배치하고, 에폭시를 자연스럽게 확산되게 둔다.
5. 트위저 (tweezers) 로 부드러운 압력 (gentle pressure) 을 가하고; 여분의 SU-8 5 가 주변을 스퀴징하는데, 이는 나중에 면도날 (razor blade) 또는 웨이퍼 에지 트리머 (edge trimmer) 로 용이하게 제거될 수 있다.
6. 용매를 제거하기 위해 소프트 베이킹 (soft baking) 한다:
6.1. (핫 플레이트 상에서) 1/4 웨이퍼에 대해
6.1.1. 70℃ - 2.5 분
6.1.2. 90℃ - 5 분
6.1.3. 70℃ - 2 분
6.1.4. 깨끗한 표면 상에서 냉각한다.
6.2. (핫 플레이트 상에서) 1/2 내지 전체 웨이퍼에 대해
6.2.1. 70℃ - 2.5 분
6.2.2. 90℃ - 10 분
6.2.3. 70℃ - 2 분
6.2.4. 깨끗한 표면 상에서 냉각한다.
7. UV 노광:
7.1. (마스크 얼라이너의 UV 램프와 같이) 동종의 UV 소스를 사용한다.
7.1.1. 강도: 사파이어 지지 웨이퍼가 없는 SU-8 5 상에서 7 ~ 7.5mW/㎠
7.1.2. 강도: 연마되지 않은 사파이어 지지 웨이퍼 상에서 5.0mW/㎠
7.2. 15㎛ 의 두께의 막은 (이 강도에서 40 초 동안) 대략 200mJ/㎠ 도즈를 필요로 한다.
7.3. 막이 보다 두꺼운 경우에는 120 초 노광 (또는 최대 20 분 노광) 한다.
8. SU-8 5 와 슈퍼 글루 사이의 가교 결합을 증가시키기 위해 하드 베이킹 (hard baking) 한다:
8.1.1. 70℃ - 1 분
8.1.2. 90℃ - 2 분
8.1.3. 깨끗한 표면 상에서 냉각한다.
도 6 을 참조하면, 248nm KrF 자외선 (UV) 엑시머 레이저가 레이저 리프트 오프에 사용된다. 예시적인 레이저는 38ns 의 펄스 지속기간을 갖는다. 이 파장을 선택하는 이유는, GaN/사파이어 계면에서 GaN 을 금속 Ga 와 가스상 질소 (N2) 로 분해하기 위해서 레이저가 사파이어를 통해 투과되어 GaN 에피층에서 흡수되어야 하기 때문이다. 레이저빔은, 7x7mm 스퀘어 빔 및 600 ~ 1,200mJ/㎠ 사이의 빔 전력 밀도를 갖도록 선택된다. 또한, 요구된 레이저빔 에너지 밀도는 사파이어 기판 표면의 표면 조도에 크게 종속한다고 알려져 있다. 레이저 리프트 오프 이후에 평활한 GaN 표면을 획득하기 위해서, 800mJ/㎠ 보다 높은 빔 에너지가 이용된다. 이들 파라미터는 양호한 결과를 갖도록 변경될 수도 있다는 것이 예상된다.
이전의 경험에 기초하여, 사파이어 기판의 표면 조도는 레이저 리프트 오프 이후에 평활한 GaN 표면을 획득하는데 중요한 공정 파라미터로 알려져 있다. 레이저 리프트 오프 중에 연마되지 않은 사파이어 표면이 사용되는 경우에는, GaN 표면은 매우 거칠고, 이는 최종 디바이스를 형성한 이후에 거친 표면의 불량한 반사율로 인해 LED 디바이스의 불량한 광 출력을 야기시킨다. 그러나, 연마된 표면이 사용되는 경우에는, 매우 평활한 GaN 표면이 획득될 수 있고, 그에 따라 보다 높은 광 출력이 획득될 수 있다. 그러나, 레이저빔이 연마된 사파이어 표면 상에 집중되기 때문에, 보다 높은 레이저빔 전력으로 조사된 영역은 일반적으로 보다 낮은 레이저빔 에너지로 조사된 영역과 비교하여 GaN 표면 상의 크랙 발생을 야기시킨다. 그러므로, 동시에 고수율 레이저 리프트 오프 공정 및 고디바이스 성능을 획득하기 위해서 사파이어 웨이퍼의 최적 표면 조도를 선택하는 것이 중요하다. 종래 기술에 따르면, 연마된 사파이어 표면 상의 균일한 레이저빔 분포를 획득하는데 일반적으로 샌드 블라스팅이 이용되지만, 샌드 블라스팅은 매우 신뢰성이 없으며 반복가능하지 않아 매번 동일한 표면 조도를 획득할 수 없다. 본 발명에 있어서, 248nm UV 레이저에 투과성인 재료로 이루어진 확산판 (212)이 레이저빔과 사파이어 기판 사이에 배치되어, 사파이어 표면 상의 균일한 레이저빔 전력 분포를 획득하고, 그에 따라 레이저 리프트 오프 공정 수율을 향상시킨다. 확산판 (212)의 RMS (Root Mean Square) 표면 조도는 30㎛ 미만으로 설정되며, 사파이어가 확산판 (212)의 재료로서 사용되는 것이 바람직하다.
레이저 리프트 오프 이후에, 도 7 에 도시된 바와 같이, 레이저 리프트 오프 중에 GaN 해리로부터 기인하는 여분의 Ga 방울은 30 초 동안 끓은 HCl 증기나 HCl 용액 (실온에서, HCl:H2O = 1:1) 으로 세정된다. Ga 가 실온에서 녹기 때문에, Ga 는 레이저 리프트 오프 중에 액체 상태로 형성되어, 산성 용액으로 용이하게 세정될 수 있다. 산 세정된 GaN 표면은 건식 에칭에 의해, 이롭게는 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭 (ICP RIE) 을 이용하여 추가 세정된다. 원자적으로 평탄한 (atomically flat) 표면을 이루기 위해서, 리프팅된 n-GaN 표면 상에서 ICP 연마가 또한 수행된다. 도 8 에 도시된 바와 같이, 보다 높은 반사 표면으로 광 출력이 증가할 수 있기 때문에, 평탄한 표면은 후속하여 퇴적되는 반사 구조체로부터 고반사율을 생성하는데 중요하다.
양호한 광 반사율 및 전기적 콘택 특성의 획득은, 수직 구조 디바이스의 전기적 특성을 향상시키며 광 추출을 증가시키는데 중요하다. 이들 요건을 충족시키기 위해서, 도 8 에 도시된 바와 같이 n-콘택과 반사기에 산화 인듐 주석 (ITO) 박막이 사용되는 것이 바람직하다. ITO 가 투명한 비금속 콘택일 지라도, 이 ITO 는 n-GaN 에 대한 양호한 n-형 콘택을 형성할 수 있는데, 이는 다른 기술에 사용된 Ti/Al 과 유사하다. 또한, ITO 박막의 고반사율은 수직 디바이스용 반사기를 형성하기에 이상적이다. 종래 기술에 의해 사용된 금속 박막의 최상의 반사율은 최대 60 ~ 70% 로 공지되어 있는 한편, ITO 의 반사율은 90% 보다 크다고 공지되어 있다. 투명한 도전성 및 반사성 ITO 박막은 세정된 n-GaN 표면 상에 전자 빔 증착법 (electron beam evaporation) 을 이용하여 증착된다. ITO 박막 두께는 최적 반사율을 획득하기 위해서 75 ~ 150nm 의 범위에 있도록 선택된다.
두꺼운 연성의 금속막 지지층 (~ 100㎛) 과 얇은 경성의 GaN 에피층 (10㎛ 미만) 을 갖는 수직 구조 디바이스를 제조하기 위해서, 이 2 개의 층들 사이에 중간층 (120) 을 형성하여, 도 9 에 도시된 금속층 (122 내지 126) 과 GaN 에피층 (150) 사이의 계면에 축적될 수도 있는 압축 응력을 감소시키는 것이 중요하다. 중간층 (120) 을 제공하는 또다른 이유는, 금속 중간층이 비금속 ITO 표면 상에서 직접적으로 전해 도금 (electroplating) 을 수행하는 것보다 양호한 전해 도금 특성을 이루기 때문이다. 대략, 1㎛ 의 두께의 금 (Au) 박막 (120) 은 진공 챔버로부터 웨이퍼를 제거하지 않고 전자 빔 증착기를 사용하여 ITO 표면 (118) 상에 연속적으로 증착된다. 연속적인 층의 인-시추 (in-situ) 증착은 오염 방지에 유용한데, 이는 ITO 층과 Au 층 사이에 양호한 박막 접착을 이루는데 중요하다. ITO 와 Au 사이의 접착을 더 향상시키기 위해서, 30 ~ 50nm 의 두께의 Cr 접착층이 ITO 층과 Au 층 사이에 퇴적된다.
도 9 에 있어서, 두꺼운 금속 지지층 (120 내지 126) 은 전해 도금 또는 무전해 도금 (electroless plating) 에 의해 퇴적된다. 전해 도금 또는 무전해 도금이 종래의 퇴적 방법과 비교하여 신속한 저비용의 퇴적 기술이기 때문에, 전해 도금 또는 무전해 도금이 이용된다. 이는 비용 효율 측면에서 수직 디바이스의 양산에 중요하다. 지지층에 대한 중요한 기능은, 지지층 (120 내지 126) 이 얇은 GaN 에피층에 대해 양호한 강성의 기계적 지지를 제공할 뿐만 아니라 양호한 전기적 도전성과 열 소산을 제공한다는 것이다. 이들 요건을 충족시키기 위해서, 그레이디드 Cu 합금층이 Au/Cr 접착층 상에 퇴적된다.
Cu 합금층 이전에 첫번째 Au 버퍼층 (120) 이 증착된다. Au 층 (120) 은 진공 증착법 등과 같은 기술에 의해 형성될 수 있다. Au 층 (120) 은 기존층과 Cu 합금층 사이의 접착을 향상시키도록 증착된다. 초기에, 두꺼운 금속층으로 인한 응력 축적을 점차적으로 완화하기 위해서 황산염계의 연성 구리층이 도금된다. 초기의 연성 Cu 합금층 (122) 두께는 10㎛ 까지로 설정된다. 조밀하며 균일한 Cu 도금층을 형성하기 위해서 도금 속도는 3 ~ 5㎛/hour 로 설정된다. 연성 Cu 층 (122) 다음에, 구조적 강성 (structural stiffness) 을 제공하기 위해서 경성 Cu 층 (124) 이 도금된다. 경성 Cu 도금의 도금 속도는 20㎛/hour 까지이다. Cu 합금 도금을 위해, 주석 (Sn) 과 철 (Fe) 을 포함하는 금속 합금 도금 용액은 Cu 지지층의 기계적 강도 및 전기적 도전성을 향상시키기 위해서 Cu 황산염 용액과 혼합된다. Cu 합금 지지층의 총 두께는 70 ~ 90㎛ 였다 (도 9 참조). Cu 합금 도금의 끝에, 산화로부터 Cu 합금층을 보호하기 위해서 0.5 ~ 1㎛ 의 두께의 Au 층이 전해 도금된다. 이 Au 보호층 (126) 은, 수직 디바이스를 패키징하기 위해 다이 본딩 공정 및 와이어 본딩 공정 중에 개별 다이와 금속계 에폭시 사이에 양호한 접착을 이루는데 중요하다.
두꺼운 금속 퇴적 이후에, 사파이어 지지 웨이퍼 (210) 는 용매를 사용하여 GaN/금속 지지 웨이퍼로부터 제거되고, 그 결과가 도 10 에 도시되어 있다. 디본딩 공정은, 3 ~ 5 시간 동안 GaN/금속 웨이퍼를 아세톤에 담궈 지지 사파이어 웨이퍼로부터 슈퍼 글루층을 분해하는 단계를 포함한다. 디본딩 공정을 보다 용이하며 신속하게 하기 위해서, 사파이어 웨이퍼의 에지 상에 축적된 여분의 금속은 에지 트리머 또는 면도날과 같은 기계적 방법으로 트리밍된다. 또한, 화학적 처리도 이용될 수 있다. 이 여분의 금속을 제거함으로써, 용매가 슈퍼 글루층으로 보다 용이하게 침투하여, 디본딩 공정을 가속화할 수 있다. 분리된 GaN/금속 웨이퍼는 초음파 세정기에서 이소프로판올에 추가적으로 담기며 세정된다. GaN 디바이스 표면은 린스와 건조기를 사용하여 탈이온수 (DI water) 로 추가 세정된다.
도 11 에 도시된 바와 같이, 도 10 의 웨이퍼는 막 (410) 상에 지지되며, 개별 디바이스는 스크라이빙에 의해 다이싱되는데, 이는 화학적 또는 레이저 처리 중 어느 하나를 이용하여 수행될 수 있다. 도 12 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 최종 수직 디바이스 구조를 도시한 도면이다. 그 결과는, 종래의 다른 제조 기술에 비해 고수율을 갖는 고품질 레이저 다이오드이다.
본 발명의 이점은, 고신뢰성 및 고수율로 양산에 적합한 수직 구조 LED 를 제조하는 것을 포함한다. 본 발명은 레이저 리프트 오프 이후에 에피택셜층과 지지 웨이퍼의 용이한 분리를 위해 레이저 리프트 오프 공정 이전에 이중 본딩 공정을 이용하고, 레이저빔의 고에너지 충격파를 경계하기 위해서 AlGaN 댐핑층을 사용한다 이 부가적인 버퍼층은 얇은 에피택셜 박막 상의 고에너지 레이저빔 조사에 의해 야기된 크랙 발생을 감소시킨다.
개시된 예시적인 실시형태 및 최선의 형태를 가지면, 다음의 특허청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 대상 및 사상 내에서 유지되면서 개시된 실시형태에 대한 변경 및 변형이 이루어질 수도 있다.

Claims (11)

  1. 수직 구조 광전자 디바이스를 제조하는 방법에 있어서,
    결정 기판 (crystal substrate) 상에 복수의 수직 구조 광전자 디바이스를 제조하는 단계;
    레이저 리프트 오프 (laser lift-off) 공정을 이용하여 상기 복수의 수직 구조 광전자 디바이스로부터 상기 결정 기판을 제거하는 단계; 및
    상기 결정 기판 대신 금속 지지 구조체를 제조하는 단계; 를 포함하며,
    상기 금속 지지 구조체를 제조하는 단계는 상기 수직 구조 광전자 디바이스 위에 제 1 금속층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 금속층 위에 제 2 금속층을 형성하는 단계; 를 포함하며,
    상기 제 1 금속층을 형성하는 단계는 상기 제 2 금속층을 형성하는 단계보다 느린 도금 속도로 상기 제 1 금속층을 형성하는,
    수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 결정 기판 대신 금속 지지 구조체를 제조하는 단계는 전해도금 및 무전해 도금 중 적어도 하나 이상을 사용하여 상기 금속 지지 구조체를 도금하는 단계를 포함하는,
    수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수직 구조 광전자 디바이스는 질화갈륨(GaN)-계 수직 구조 광전자 디바이스이며, 상기 결정 기판은 사파이어를 포함하고, 상기 금속 지지 구조체는 구리 또는 구리 합금을 포함하는,
    수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수직 구조 광전자 디바이스와 상기 금속 지지 구조체 사이에 버퍼층을 제조하는 단계를 더 포함하는,
    수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 지지 구조체를 제조하는 단계는 p-형 금속 콘택 또는 n-형 금속 콘택 표면 상에서 수행되는,
    수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  6. 제 3항에 있어서,
    리프팅된 GaN 웨이퍼 상에서 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭 및 연마 (polishing) 를 수행하는 단계를 더 포함하며,
    상기 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭 및 연마는 순수 n-GaN의 원자적으로 평탄한 (atomically flat) 표면을 노출 및 생성하며,
    상기 순수 n-GaN의 원자적으로 평탄한 표면은 후속하여 퇴적되는 반사 구조체로부터 고반사율을 생성하는,
    수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 금속 지지 구조체의 하부 상에 전자 빔 증착법을 이용하여 투명한 도전성 반사층을 증착하는 단계를 더 포함하며,
    반사기인 n-콘택에 산화 인듐 주석 (ITO) 이 사용되는,
    수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  8. 수직 구조 광전자 디바이스를 제조하는 방법에 있어서,
    결정 기판 (crystal substrate) 상에 복수의 수직 구조 광전자 디바이스를 제조하는 단계;
    레이저 리프트 오프 (laser lift-off) 공정을 이용하여 상기 복수의 수직 구조 광전자 디바이스로부터 상기 결정 기판을 제거하는 단계; 및
    상기 결정 기판 대신 금속 지지 구조체를 제조하는 단계; 를 포함하며,
    상기 금속 지지 구조체를 제조하는 단계는 상기 수직 구조 광전자 디바이스 위에 제 1 금속층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 금속층 위에 제 2 금속층을 형성하는 단계; 를 포함하며,
    상기 제 1 금속층은 상기 제 1 금속층과 상기 제 2 금속층의 두께에 기인하여 형성된 스트레스를 감소시키기 위하여 형성되는,
    수직 구조 광전자 디바이스 제조 방법.
  9. 금속 지지 구조체; 및
    상기 금속 지지 구조체 상에 형성된 수직 구조 광전자 디바이스; 를 포함하고,
    상기 금속 지지 구조체는 상기 광전자 디바이스와 인접한 제 1 금속층; 및
    상기 제 1 금속층과 접촉하는 제 2 금속층; 을 포함하고,
    상기 제 1 금속층은 상기 제 2 금속층보다 느린 도금 속도에 의하여 형성되는,
    수직 구조 광전자 디바이스.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 금속층 및 상기 제 2 금속층은 구리 또는 구리 합금 중 적어도 하나 이상을 포함하는,
    수직 구조 광전자 디바이스.
  11. 금속 지지 구조체; 및
    상기 금속 지지 구조체 상에 형성된 수직 구조의 광전자 디바이스;
    를 포함하고,
    상기 금속 지지 구조체는
    상기 광전자 디바이스와 인접한 제1 금속층; 및
    상기 제1 금속층과 접촉하는 제2 금속층
    을 포함하고,
    상기 제1 금속층은 상기 제 1 금속층과 상기 제 2 금속층의 두께에 기인하여 형성된 스트레스를 감소시키기 위하여 형성되는 광전자 디바이스.
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