KR20110134149A - 접합기판 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광다이오드(LED) 소자용 기판, 기타 반도체용 기판에 사용될 수 있는 접합기판 제조방법에 관한 것으로, 제 1 기판 위에 실리콘을 증착하는 단계와, 상기 증착된 실리콘 위에 제2 기판을 접합하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 발광다이오드(LED), 레이저다이오드(LD) 등의 발광소자, 태양전지, 광센서 등의 수광소자, 혹은 트랜지스터, 파워디바이스 등의 전자 디바이스에 사용될 수 있는 접합기판 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드(light emitting diode; LED) 소자는 일정한 크기의 순방향 전류를 인가하면 발광구조체 내의 활성층에서 전류가 광으로 변환되어 빛을 발생시키는 전기소자이다. 개발 초기에 발광다이오드(LED) 소자는 인듐인(InP), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP) 등의 화합물 반도체를 p-i-n 접합구조로 형성하였다.
최근 들어, 발광다이오드(LED) 소자는 그룹 3족 질화물계 반도체 물질 연구 개발에 힘입어 청색 및 자외선 광을 발광하는 소자도 상용화되어 표시장치, 광원용 장치, 환경 응용장치에 널리 이용되고 있다. 나아가 적, 녹, 청색의 3개 발광다이오드(LED) 소자 칩을 조합하거나, 단파장의 펌핑 발광다이오드(pumping LED) 소자에 형광체(phosphor)를 접목하여 백색을 발광하는 백색광원용 발광다이오드(LED) 소자가 개발되어 조명장치로 그 응용범위가 넓어지고 있다. 특히, 고체 단결정 반도체를 이용한 발광다이오드(LED) 소자는 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 효율이 높고 수명이 평균 5년 이상으로 길며 에너지 소모와 유지보수 비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있어서 차세대 조명용 백색광원 분야에서 주목받고 있다.
도 1 은 종래 발광다이오드(LED)의 구조를 도시한다.
종래 발광다이오드(LED) 소자(10)는 사파이어 기판(11)과, 버퍼층(15)과, n형 도전성의 반도체 물질(예컨대, n+-GaN)로 이루어지는 하부 질화물계 클래드층(16)과, InGaN/GaN의 다중 양자 우물(Multiple Quantum Well, MQW) 구조로 이루어지는 질화물계 활성층(17)과, p형 도전성의 반도체 물질(예컨대, p+-GaN)로 이루어지는 상부 질화물계 클래드층(18)과, 투광성 전극층(19)과, p형 전극 패드(20), n형 전극 패드(21)를 포함한다.
종래 발광다이오드(LED) 소자(10)는 사파이어 기판(11) 상에, 유기금속 화학증착(MOCVD)법에 의해 성장된 버퍼층(15)을 포함한다. 버퍼층(15)은 질화알루미늄(AIN) 또는 질화갈륨(GaN)으로 구현된다. 그런데, 실리콘의 가격이 저렴하고 열전전도와 전기전도성이 좋아, 사파이어를 대체할 재료로 대두되고 있다. 실리콘을 이용하기 위해, 기존에는 사파이어 기판 위에 유기금속 화학증착(MOCVD)법에 의해 질화알루미늄(AIN) 또는 질화갈륨(GaN)과 같은 버퍼층을 형성하고, 엑시머 레이저를 이용하여 사파이어 기판을 제거한 후, 실리콘을 사파이어 기판을 제거한 곳에 부착하였다. 즉, 기존에 실리콘 위에 질화알루미늄(AIN) 또는 질화갈륨(GaN)을 형성하는 방법은 매우 번거로운 문제가 있었다.
이를 해결하기 위해 실리콘 위에 질화갈륨(GaN)을 올리고 접합하는 기술이 대두되고 있다. 그러나 실리콘과 질화갈륨(GaN)의 열팽창계수(CTE)의 차이로 인해 휨과 크랙이 발생하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 배경에서 제안된 것으로, 서로 다른 두 기판을 각 기판의 품질을 유지하면서 용이하게 접합할 수 있는 접합기판 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 서로 다른 두 기판을 접합하는데 필요한 절차와 시간을 절감할 수 있는 접합기판 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 접합되는 두 기판의 열팽창계수(CTE)의 차이에도 불구하고, 휨과 크랙 발생이 적은 접합기판 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상에 따른 접합기판 제조방법은, 제 1 기판 위에 실리콘을 증착하는 단계와, 상기 증착된 실리콘 위에 제2 기판을 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 상기 증착된 실리콘 위에 제 2 기판을 접합하는 단계가, 증착된 실리콘 위에 금속 또는 반도체 물질을 첨가하는 단계를 더 포함한다.
상기한 구성에 따르면, 본 발명의 접합기판 제조방법은 제 1 기판 위에 실리콘을 증착한 후, 증착된 실리콘 위에 제2 기판을 접합시켜 접합기판을 제조하도록 구현됨으로써, 기판을 용이하게 또한 각 기판의 품질을 유지하면서 접합할 수 있고 나아가 공정 절차와 공정비용을 줄일 수 있는 유용한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 접합기판 제조방법에 따르면, 제1 기판과 제2 기판의 열팽창계수(CTE)의 차이에도 불구하고, 접합기판의 휨과 크랙 발생이 적은 유용한 효과가 있다.
도 1 은 종래 발광다이오드(LED)의 구조를 도시한다.
도 2 는 본 발명의 제1 실시예에 따른 접합기판 제조방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3 은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접합기판 제조방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2 는 본 발명의 제1 실시예에 따른 접합기판 제조방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3 은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접합기판 제조방법을 설명하기 위한 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 전술한, 그리고 추가적인 양상을 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서에서 접합기판은 실리콘(Si) 재료가 아닌 다른 재료, 예컨대 질화알루미늄(Aluminum Nitride), 산화베릴륨(Beryllium Oxide), 갈륨 비소(Gallium Arsenide), 질화갈륨(Gallium Nitride), 게르마늄(Germanium), 인듐 포스파이드(Indium Phosphide), 리듐-니오베이트(Lithium Niobate), 리듐-탄탈레이트(Lithium Tantalate) 중에 선택된 어느 하나의 재료로 구현된 제1 기판과, 실리콘(Silicon), 실리콘 카바이드(Silicon Carbide), 실리콘 게르마늄(Silicon Germanium) 중에 선택된 어느 하나의 재료로 구현된 제2 기판을 접합한 기판이다.
본 발명에 따른 접합기판 제조방법은 제1 기판과 제2 기판 사이에 절연물질을 사용하지 않으며, 열과 압력을 가하여 접합한다. 본 발명에 따른 접합기판은 절연물질을 사용하지 않아 전도성이 상대적으로 높다. 한편, 본 발명에 따른 접합기판은 제1 기판과 제2 기판의 열팽창계수(CTE)의 차이에 따라 휨과 크랙 발생을 억제하기 위해 실리콘(Si)을 제1 기판 위에 증착한 후 증착된 실리콘(Si) 위에 제2 기판을 설치한 후 열과 압력을 가하여 접합한다.
도 2 는 본 발명의 제1 실시예에 따른 접합기판 제조방법을 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명에 따른 접합기판 제조방법은 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 기판(201)을 준비한다. 제1 기판(201)은 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP)를 통해 표면 조도값(surface roughness value)이 1 Å이상, 100 Å 이하가 되도록 연마되고, 습식 또는 건식 방법으로 세정될 수 있다.
이후, 본 발명에 따른 접합기판 제조방법은, 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 기판(201) 위에 실리콘(Si)(203)을 증착한다. 제1 기판(201) 위에 증착된 실리콘(Si)(203)은 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘(Poly Si) 또는 비정질 실리콘과 폴리 실리콘(Poly Si)이 혼합된 것일 수 있다.
일례로, 제1 기판(201) 위에 실리콘(Si)(203)을 증착하는 방법은, 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition) 예컨대, 스퍼터링(Sputtering), 전자빔증착(E-beam evaporation), 열증착(Thermal evaporation), 분자빔증착(Molecular Beam Epitaxy), 수소기상증착(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등이 사용될 수 있다. 또는 화학적 기상 증착(Chemical Vapor deposition) 예컨대, 유기금속기상증착(MOCVD), 플라즈마 화학기상증착(PECVD), 대기압 화학기상증착(APCVD), 저압화학기상증착(LPCVD), 초고진공 화학기상증착(Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition) 등이 사용될 수 있다.
이후, 본 발명에 따른 접합기판 제조방법은, 도 2의 (c)에 도시한 바와 같이, 제1 기판(201)에 증착된 실리콘(Si)(203) 위에, 제2 기판(205)을 접촉시킨 상태에서, 접합기판을 형성한다. 일례로, 제1 기판(201)에 증착된 실리콘(Si)(203)과 제2 기판(205)을 접합하는 방법은 열과 압력을 가하여 접합한다.
일 실시예에 있어서, 제1 기판(201)에 증착된 실리콘(Si)(203)과 제2 기판(205)을 접합하는 방법은 150℃ 이상, 350℃ 이하의 온도 조건과, 1 N/㎠ 이상 30000 N/㎠ 이하의 압력 조건과, 1 Torr 이상 1×10-4 Torr 이하의 진공도 조건과, 1분 이상 600분 이하의 열처리 시간조건에서 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 접합기판 제조방법은 도 2에 도시하지 않았지만, 제1 기판(201)에 증착된 실리콘(Si)(203) 위에 금속 또는 반도체 물질을 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 제1 기판(201)과 제2 기판(205)을 접합하기 위해 150℃ 이상의 온도를 가하면 금속 또는 반도체 물질의 확산이 촉진되어 제1 기판(201)에 증착된 실리콘(Si)(203)과 제 2 기판(205)과의 밀착성을 향상시킬 수 있다.
도 3 은 본 발명의 제2 실시예에 따른 접합기판 제조방법을 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명에 따른 접합기판 제조방법은 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 기판(301)을 준비한다. 제1 기판(301)은 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing; CMP)를 통해 표면 조도값(surface roughness value)이 1 Å이상, 100 Å 이하가 되도록 연마되고, 습식 또는 건식 방법으로 세정될 수 있다.
이후, 본 발명에 따른 접합기판 제조방법은, 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 기판(301) 위에 실리콘(Si)(303)을 증착한다. 제1 기판(301) 위에 증착된 실리콘(Si)(303)은 비정질 실리콘 또는 폴리 실리콘(Poly Si) 또는 비정질 실리콘과 폴리 실리콘(Poly Si)이 혼합된 것일 수 있다.
일례로, 제1 기판(301) 위에 실리콘(Si)(303)을 증착하는 방법은, 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition) 예컨대, 스퍼터링(Sputtering), 전자빔증착(E-beam evaporation), 열증착(Thermal evaporation), 분자빔증착(Molecular Beam Epitaxy), 수소기상증착(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등이 사용될 수 있다. 또는 화학적 기상 증착(Chemical Vapor deposition) 예컨대, 유기금속기상증착(MOCVD), 플라즈마 화학기상증착(PECVD), 대기압 화학기상증착(APCVD), 저압화학기상증착(LPCVD), 초고진공 화학기상증착(Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition) 등이 사용될 수 있다.
이후, 본 발명에 따른 접합기판 제조방법은, 도 3의 (c)에 도시한 바와 같이, 제1 기판(201)에 증착된 실리콘(Si)(203)을 열처리 또는 레이저를 조사하여 폴리 실리콘(Poly Si)으로 변형시킨다. 이는 폴리 실리콘(Poly Si)과 제2 기판(305)과의 접합력을 향상시키기 위함이다.
이후, 본 발명에 따른 접합기판 제조방법은, 도 3의 (d)에 도시한 바와 같이, 제1 기판(201)에 변형된 폴리 실리콘(Poly Si)(303) 위에, 제2 기판(305)을 접촉시킨 상태에서, 접합기판을 형성한다. 일례로, 제1 기판(301)에 변형된 폴리 실리콘(Poly Si)(303)과 제2 기판(305)을 접합하는 방법은 열과 압력을 가하여 접합한다.
일 실시예에 있어서, 제1 기판(301)에 변형된 폴리 실리콘(Poly Si)(303)과 제2 기판(305)을 접합하는 방법은 150℃ 이상, 350℃ 이하의 온도 조건과, 1 N/㎠ 이상 30000 N/㎠ 이하의 압력 조건과, 1 Torr 이상 1×10-4 Torr 이하의 진공도 조건과, 1분 이상 600분 이하의 열처리 시간조건에서 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 접합기판 제조방법은 도 3에 도시하지 않았지만, 제1 기판(301)에 증착된 실리콘(Si)(303) 위에 금속 또는 반도체 물질을 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 제1 기판(301)과 제2 기판(305)을 접합하기 위해 150℃ 이상의 온도를 가하면 금속 또는 반도체 물질의 확산이 촉진되어 제1 기판(301)에 변형된 폴리 실리콘(Poly Si)(303)과 제 2 기판(305)과의 밀착성을 향상시킬 수 있다.
지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
Claims (7)
- 제 1 기판과, 상기 제 1 기판과 재료가 다른 제 2 기판을 접합하는 방법에 있어서,
상기 제 1 기판 위에 실리콘을 증착하는 단계; 및
상기 증착된 실리콘 위에, 상기 제2 기판을 접합하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 접합기판 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판 위에 실리콘을 증착하는 단계에서,
상기 제 1 기판 위에 증착된 실리콘이 폴리 실리콘(Poly Si)인 것을 특징으로 하는 접합기판 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 기판 위에 실리콘을 증착하는 단계에서,
상기 제 1 기판 위에 증착된 실리콘이 비정질 실리콘이고,
상기 접합기판 제조방법이:
상기 제 1 기판 위에 증착된 비정질 실리콘을 폴리 실리콘(Poly Si)으로 변형시키는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접합기판 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 증착된 실리콘 위에, 제2 기판을 접합하는 단계가:
상기 증착된 실리콘 위에 금속 또는 반도체 물질을 첨가하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 접합기판 제조방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증착된 제 2 기판의 재료 위에 제2 기판을 접합하는 단계가 열과 압력을 가하여 접합하는 단계인 것을 특징으로 하는 접합기판 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 기판이 질화알루미늄(Aluminum Nitride), 산화베릴륨(Beryllium Oxide), 갈륨 비소(Gallium Arsenide), 질화갈륨(Gallium Nitride), 게르마늄(Germanium), 인듐 포스파이드(Indium Phosphide), 리듐-니오베이트(Lithium Niobate), 리듐-탄탈레이트(Lithium Tantalate) 중에 선택된 어느 하나의 재료로 구현되는 것을 특징으로 하는 접합기판 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 기판이 실리콘(Silicon), 실리콘 카바이드(Silicon Carbide), 실리콘 게르마늄(Silicon Germanium) 중에 선택된 어느 하나의 재료로 구현되는 것을 특징으로 하는 접합기판 제조방법.
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