KR20130077505A - 질화갈륨 성장용 수직형 ｈｖｐｅ 반응기 및 이를 이용한 질화갈륨 기판 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기 및 이를 이용한 질화갈륨 기판 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 질화갈륨의 중심부와 모서리의 두께를 균일하게 성장시킬 수 있는 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기 및 이를 이용한 질화갈륨 기판 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 질화갈륨을 성장시키기 위한 수직형 HVPE 반응기에 있어서, 질화갈륨 성장 반응이 진행되는 반응관; 상기 반응관 하부에 위치하며, 질화갈륨이 성장되는 기판이 안착되는 지지부; 상기 반응관 상부에 위치하며, 상기 반응관에 GaCl 가스를 공급하는 제 1 가스 공급관; 및 상기 반응관 상부에 위치하며, 상기 반응관에 NH3 가스를 공급하는 제 2 가스 공급관;을 포함하고, 상기 제 1 가스 공급관의 가스 배출부는 중심부가 막힌 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기를 제공한다.
이를 위해, 본 발명은 질화갈륨을 성장시키기 위한 수직형 HVPE 반응기에 있어서, 질화갈륨 성장 반응이 진행되는 반응관; 상기 반응관 하부에 위치하며, 질화갈륨이 성장되는 기판이 안착되는 지지부; 상기 반응관 상부에 위치하며, 상기 반응관에 GaCl 가스를 공급하는 제 1 가스 공급관; 및 상기 반응관 상부에 위치하며, 상기 반응관에 NH3 가스를 공급하는 제 2 가스 공급관;을 포함하고, 상기 제 1 가스 공급관의 가스 배출부는 중심부가 막힌 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기를 제공한다.
Description
본 발명은 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기 및 이를 이용한 질화갈륨 기판 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 질화갈륨의 중심부와 모서리의 두께를 균일하게 성장시킬 수 있는 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기 및 이를 이용한 질화갈륨 기판 제조방법에 관한 것이다.
최근, 발광다이오드(LED)나 레이저 다이오드(LD: Laser Diode) 등과 같은 첨단 소자의 재료로서 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN)과 같은 질화물 반도체에 관한 활발한 연구가 진행되고 있다.
특히, 질화갈륨(Gallium Nitride)은 매우 큰 직접 천이형 에너지띠 간격을 가지고 있어 UV에서부터 청색에 이르는 영역까지 빛을 낼 수 있어, 차세대 DVD광원으로 쓰이는 청색 LD, 조명용 시장 대체를 위한 백색 LED, 고온·고출력 전자소자 분야 등에서 핵심소재로 사용되는 차세대 광전자 재료이다.
이와 같은 질화갈륨은 실용적인 동종의 기판이 없기 때문에 이종기판(Sapphire, SiC, Si, GaAs 등)에 시드(seed) 질화 갈륨을 성장시킨 후, 이를 이용하여 질화갈륨을 성장시키는 방법에 의해 제조되고 있다.
이를 보다 구체적으로 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(10)에 시드 질화갈륨(20)을 성장시킨다(heteroepitaxy). 성장된 시드 질화갈륨(20)은 자외선 레이저를 조사하여 사파이어 기판(10)으로부터 분리시킨다. 이후 시드 질화갈륨(20) 상에 질화갈륨(30)을 재성장시켜(homoepitaxy) 질화갈륨 기판을 제조한다.
이하, 질화갈륨 기판 제조를 위한 수직형 HVPE 반응기에 대해 설명한다.
도 2는 종래의 질화갈륨 기판 제조용 수직형 HVPE 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 수직형 HVPE 반응기는 반응관(40) 내로 GaCl 가스를 공급하는 GaCl 가스 공급관(50)과 NH3 가스를 공급하는 NH3 가스 공급관(60) 및 이에 대향하는 위치에 배치된 지지부(70)를 포함하여 구성되며, GaCl 가스 공급관(50)과 NH3 가스 공급관(60)을 통해 반응관(40)으로 주입된 가스가 반응하여 기판(80) 상에 질화갈륨을 성장시킨다.
그러나, 이와 같은 종래의 수직형 HVPE 반응기에 의해 제조된 질화갈륨 기판은 도 3에 도시된 바와 같이 중심부와 모서리에 50% 이상의 두께 편차가 발생하는 문제가 발생한다. 두께 편차는 기판 상에서의 GaCl 가스와 HCl 가스의 불 균일하게 반응, GaCl 가스 공급관 및 HCl 가스 공급관의 형상에 따른 불 균일한 가스 공급 및 반응에 의해 발생한다.
이와 같은 두께 편차로 인해 기판 상에 성장되는 질화갈륨은 휨이 증가하고, 기판에서 질화갈륨을 분리하기 위한 레이저 분리 공정 시 질화갈륨에 크랙(crack)이 발생하며, 두께 편차로 인해 제조할 수 있는 질화갈륨 두께에 한계가 있다는 문제점이 있다.
또한, 휨으로 인한 가공 필요량이 증대하여 가공 시간이 증가하고, 대구경으로 기판 제조 시 두께 편차도 크기에 비례하여 증가하므로, 대구경 기판의 제조가 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 성장되는 질화갈륨의 중심부와 모서리의 두께 편차를 줄일 수 있는 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기 및 이를 이용한 질화갈륨 기판 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 질화갈륨을 성장시키기 위한 수직형 HVPE 반응기에 있어서, 질화갈륨 성장 반응이 진행되는 반응관; 상기 반응관 하부에 위치하며, 질화갈륨이 성장되는 기판이 안착되는 지지부; 상기 반응관 상부에 위치하며, 상기 반응관에 GaCl 가스를 공급하는 제 1 가스 공급관; 및 상기 반응관 상부에 위치하며, 상기 반응관에 NH3 가스를 공급하는 제 2 가스 공급관;을 포함하고, 상기 제 1 가스 공급관의 가스 배출부는 중심부가 막힌 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기를 제공한다.
또한, 상기 제 2 가스 공급관은 복 수개 배치되며, 상기 제 1 가스 공급관 주위에 상호 대칭적으로 배치될 수 있다.
그리고, 상기 제 2 가스 공급관의 가스 배출부는 중심부가 막힌 형태를 가질 수 있다.
그리고, 상기 지지부는 회전 가능할 수 있다.
또한, 상기 제 1 가스 공급관 내에 Ga 금속이 담긴 보트가 배치되고, 상기 제 1 가스 공급관의 가스 주입부로 HCl 가스가 주입될 수 있다.
그리고, 상기 기판은 사파이어 기판, 실리콘카바이드(SiC) 기판, 또는 질화갈륨 기판 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명은 기판을 지지부에 안착하고 상기 지지부를 회전시키는 단계; 반응관 내부로 가스 배출부의 중심부가 막힌 제 1 가스 공급관을 통해 GaCl 가스를 공급하고, 제 2 가스 공급관을 통해 NH3 가스를 공급하여 질화갈륨을 성장시키는 단계; 및 성장된 질화갈륨을 냉각시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 제 2 가스 공급관은 2개 이상의 복 수개로 상기 제 1 가스 공급관 주위에 상호 대칭적으로 배치될 수 있다.
그리고, 상기 제 2 가스 공급관의 가스 배출부는 중심부가 막힌 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 질화갈륨 기판 제조방법은, 상기 지지부을 회전시키는 단계 전 또는 후에 상기 기판을 NH3 와 HCl 가 혼합된 가스로 표면처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 성장되는 질화갈륨의 중심부와 모서리의 두께 편차를 감소시켜, 질화갈륨의 휨 및 크랙의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 두께 편차가 감소됨으로써, 이를 평평하게 가공하기 위한 가공 필요량을 감소시켜 질화갈륨 기판의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 대구경의 질화갈륨 기판을 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 종래 질화갈륨 기판 제조방법의 개략적인 개념도.
도 2는 종래의 질화갈륨 기판 제조용 수직형 HVPE 반응기의 개략적인 단면도.
도 3은 종래의 수직형 HVPE 반응기에 의해 제조된 질화갈륨 기판.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기의 개략적인 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복 수개의 제 2 가스 공급관이 상호 대칭적으로 제 1 가스 공급관 주위에 배치된 것을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 6은 종래의 수직형 HVPE 반응기를 이용해 제조한 질화갈륨과 본 발명에 따른 제 1 공급관을 갖는 수직형 HVPE 반응기를 이용해 제조한 질화갈륨의 두께 편차를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 기판 제조방법의 개략적인 흐름도.
도 2는 종래의 질화갈륨 기판 제조용 수직형 HVPE 반응기의 개략적인 단면도.
도 3은 종래의 수직형 HVPE 반응기에 의해 제조된 질화갈륨 기판.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기의 개략적인 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복 수개의 제 2 가스 공급관이 상호 대칭적으로 제 1 가스 공급관 주위에 배치된 것을 개략적으로 나타낸 단면도.
도 6은 종래의 수직형 HVPE 반응기를 이용해 제조한 질화갈륨과 본 발명에 따른 제 1 공급관을 갖는 수직형 HVPE 반응기를 이용해 제조한 질화갈륨의 두께 편차를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 기판 제조방법의 개략적인 흐름도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기 및 질화갈륨 기판 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기는 반응관(100), 지지부(200), 제 1 가스 공급관(300), 및 제 2 가스 공급관(400)을 포함하여 구성될 수 있다.
반응관(100)은 그 내부에서 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법에 따라 GaCl 가스와 NH3 가스가 반응하여 기판 상에 질화갈륨(GaN)이 성장되는 공정이 진행되며, 석영(Quartz) 재질로 이루어질 수 있다.
HVPE 법은 기판상에 비교적 두꺼운 수십~수백 마이크로미터 두께의 질화갈륨을 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 보다 빠른 속도로 성장시킬 수 있는 장점을 갖는다.
지지부(200)는 반응관 하부에 위치하여, HVPE 법에 의한 질화갈륨이 성장되는 기판(210)이 안착된다.
기판(210)은 사파이어 기판, 실리콘카바이드(SiC) 기판, 질화갈륨 기판 등 다양한 기판이 사용될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 지지부(200)는 회전이 가능하다. 지지부(200)를 회전시킴으로써 후술할 제 1 가스 공급(300)관 및 제 2 가스 공급관(400)으로부터 공급되는 가스가 기판(210)의 전면적에 걸쳐 균일하게 분포하게 되고, 이에 의해 기판(210)에 균일한 두께로 질화갈륨이 성장되게 된다.
제 1 가스 공급관(300)은 반응관(100) 상부, 바람직하게는 지지부(200)에 안착되는 기판(210)의 중심부에 대응하는 반응관(100) 상부에 위치하여, 반응관(100) 내로 질화갈륨 성장을 위한 GaCl 가스를 공급하며, 제 1 가스 공급관(300)의 가스 배출부는 중심부가 막힌 형태를 갖는다.
GaCl은 NH3 보다 큰 분자량을 가져, 제 1 가스 공급관(300)에서 공급되는 GaCl 가스는 제 2 가스 공급관(400)에서 공급되는 NH3 가스에 비해 확산이 덜 되고, 이에 의해 기판(210)의 전 면적에 걸쳐 균일하게 분포되지 못하여, 기판(210) 상에 성장되는 질화갈륨의 두께 편차 발생에 큰 영향을 미친다.
이에 본 발명은 GaCl 가스 반응관 내로 공급하는 제 1 가스 공급관(300)의 배출부가 배출부의 횡단면을 도시한 A 와 같이 중심부가 막힌 형태를 갖도록 함으로써, GaCl 가스가 고리 형태로 반응관(100)으로 분사되도록 한다. 이에 의해, 제 1 가스 공급관(300)에 의해 공급되는 GaCl 가스는 기판(210)의 중심부에 집중되지 않고, 기판(210)의 전 영역에 걸쳐 균일하게 분포되어, 기판(210) 상에 중심부와 모서리의 두께가 균일한 질화갈륨이 성장된다.
제 1 가스 공급관(300) 내에는 Ga 금속이 담긴 보트(boat)(미도시)가 배치되고 가스 주입부로 HCl 가스가 주입될 수 있다. 즉, 제 1 가스 공급관(300) 내에서 Ga 금속과 HCl 가스의 반응하여 GaCl 가스를 생성하고 이를 반응관(100)으로 공급할 수 있다.
제 2 가스 공급관(400)은 반응관(100) 상부에 위치하여, 반응관(100) 내로 질화갈륨 성장을 위한 NH3 가스를 공급한다.
바람직하게는, 도 5에 도시된 바와 같이 복 수개의 제 2 가스 공급관(410, 420, 430, 440)이 제 1 가스 공급관(300) 주위에 상호 대칭적으로 배치될 것이다. 또한, 더욱 바람직하게는 제 2 가스 공급관(400)의 가스 배출부는 중심부가 막힌 형태를 가질 것이다.
이에 의해 제 2 가스 공급관을 통해 공급되는 NH3 가스가 기판 상에 균일하게 분포되도록 하여, GaCl 가스와의 반응을 통해 기판 상에 중심부와 모서리가 균일한 두께를 갖는 질화갈륨을 성장 시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, GaCl 가스를 반응관으로 공급하는 제 1 가스 공급관(300)의 가스 배출부를 중심부가 막힌 형태로 구성함으로써, GaCl 가스가 기판(210)의 전면적에 걸쳐 균일하게 분포하게 되고, 이에 의해 기판(210) 상에 성장되는 질화갈륨의 중심부와 모서리 사이의 두께 편차를 감소시킬 수 있다.
도 6은 종래의 수직형 HVPE 반응기를 이용해 제조한 질화갈륨과 본 발명에 따른 제 1 공급관을 갖는 수직형 HVPE 반응기를 이용해 제조한 질화갈륨의 두께 편차를 나타낸 그래프이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 종래의 수직형 HVPE 반응기를 이용해 제조한 질화갈륨은 중심부와 모서리가 큰 두께 편차를 가짐을 알 수 있다. 이에 반하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 HVPE 반응기를 이용해 제조한 질화갈륨은 중심부와 모서리의 두께 편차가 감소했음을 알 수 있다.
이하, 상술한 수직형 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기를 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 기판 제조방법을 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 기판 제조방법의 개략적인 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따라 질화갈륨 기판을 제조하기 위해, 우선 기판을 지지부에 안착하고 지지부를 회전시킨다(S100).
이때, 기판이 안착된 지지부를 회전시키기 전 또는 후에 기판을 NH3 와 HCl 가 혼합된 가스로 표면처리하여, 보다 양질의 질화갈륨을 성장시킬 수 있다.
이후, 반응관 내로 가스 배출부의 중심부가 막힌 제 1 가스 공급관을 통해 GaCl 가스를 공급하고, 제 2 가스 공급관을 통해 NH3 가스를 공급하여 기판 상에 질화갈륨을 성장시킨다(S200). 성장이 완료되면 GaCl 가스 및 NH3 가스의 공급을 중단하고 반응관내 남아 있는 가스는 배출시킨다.
마지막으로 기판에 성장된 질화갈륨을 냉각시킴으로써(S300), 중심부와 모서리에 두께 편차가 적은 질화갈륨 기판을 제조할 것이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 사파이어 기판 20 : 시드 질화갈륨
30 : 질화갈륨 40 : 반응관
50 : GaCl 가스 공급관 60 : NH3 가스 공급관
70 : 지지부 80 : 기판
100 : 반응관 200 : 지지부
210 : 기판 300 : 제 1 가스 공급관
400, 410, 420, 430, 440 : 제 2 가스 공급관
30 : 질화갈륨 40 : 반응관
50 : GaCl 가스 공급관 60 : NH3 가스 공급관
70 : 지지부 80 : 기판
100 : 반응관 200 : 지지부
210 : 기판 300 : 제 1 가스 공급관
400, 410, 420, 430, 440 : 제 2 가스 공급관
Claims (10)
- 질화갈륨을 성장시키기 위한 수직형 HVPE 반응기에 있어서,
질화갈륨 성장 반응이 진행되는 반응관;
상기 반응관 하부에 위치하며, 질화갈륨이 성장되는 기판이 안착되는 지지부;
상기 반응관 상부에 위치하며, 상기 반응관에 GaCl 가스를 공급하는 제 1 가스 공급관; 및
상기 반응관 상부에 위치하며, 상기 반응관에 NH3 가스를 공급하는 제 2 가스 공급관;을 포함하고,
상기 제 1 가스 공급관의 가스 배출부는 중심부가 막힌 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 제 2 가스 공급관은 복 수개 배치되며, 상기 제 1 가스 공급관 주위에 상호 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제 2 가스 공급관의 가스 배출부는 중심부가 막힌 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 지지부는 회전 가능한 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 제 1 가스 공급관 내에 Ga 금속이 담긴 보트가 배치되고, 상기 제 1 가스 공급관의 가스 주입부로 HCl 가스가 주입되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은 사파이어 기판, 실리콘카바이드(SiC) 기판, 또는 질화갈륨 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화갈륨 성장용 수직형 HVPE 반응기.
- 기판을 지지부에 안착하고 상기 지지부를 회전시키는 단계;
반응관 내부로 가스 배출부의 중심부가 막힌 제 1 가스 공급관을 통해 GaCl 가스를 공급하고, 제 2 가스 공급관을 통해 NH3 가스를 공급하여 질화갈륨을 성장시키는 단계; 및
성장된 질화갈륨을 냉각시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 제 2 가스 공급관은 2개 이상의 복 수개로 상기 제 1 가스 공급관 주위에 상호 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 제 2 가스 공급관의 가스 배출부는 중심부가 막힌 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 질화갈륨 기판 제조방법은,
상기 지지부을 회전시키는 단계 전 또는 후에 상기 기판을 NH3 와 HCl 가 혼합된 가스로 표면처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 기판 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110146245A KR20130077505A (ko) | 2011-12-29 | 2011-12-29 | 질화갈륨 성장용 수직형 ｈｖｐｅ 반응기 및 이를 이용한 질화갈륨 기판 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110146245A KR20130077505A (ko) | 2011-12-29 | 2011-12-29 | 질화갈륨 성장용 수직형 ｈｖｐｅ 반응기 및 이를 이용한 질화갈륨 기판 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20130077505A true KR20130077505A (ko) | 2013-07-09 |
Family
ID=48990731
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020110146245A KR20130077505A (ko) | 2011-12-29 | 2011-12-29 | 질화갈륨 성장용 수직형 ｈｖｐｅ 반응기 및 이를 이용한 질화갈륨 기판 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20130077505A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230135967A (ko) | 2022-03-17 | 2023-09-26 | 김용한 | 질화갈륨 수직 수소화합물 기판 제조장치 |
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2011
- 2011-12-29 KR KR1020110146245A patent/KR20130077505A/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230135967A (ko) | 2022-03-17 | 2023-09-26 | 김용한 | 질화갈륨 수직 수소화합물 기판 제조장치 |
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