KR20150036268A - 반도체 공정용 유리-세라믹 기판 - Google Patents

반도체 공정용 유리-세라믹 기판 Download PDF

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제임스 그레고리 쿠일라드
사샤 마르야노비치
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Abstract

구현 예들은 LED 조명 장치에 사용될 수 있는 Ⅲ-Ⅴ 반도체 층, 예를 들어, GaN 층을 갖는 유리-세라믹 기판에 관한 것이다. 상기 유리-세라믹 물질은 아노사이트-루틸 (CaAl2Si2O8 + TiO2) 과 또는 코디어라이트-엔스테타이트 (SiO2-Al2O3-MgO-TiO2) 과에 속한다.

Description

반도체 공정용 유리-세라믹 기판 {GLASS-CERAMIC SUBSTRATES FOR SEMICONDUCTOR PROCESSING}
본 출원은 2012년 6월 29일자에 출원된 미국 가 특허출원 제61/666,385호의 우선권을 주장한다.
구현 예들은 유리-세라믹 기판에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 질화 갈륨 (GaN) 박막 성장에 유용한 유리-세라믹 기판에 관한 것이다.
발광 소자 (LEDs)는 20년을 넘게 상업화되어 왔고, 에너지 효율, 안전성, 작은 크기, 및 긴 수명을 포함하는 바람직한 속성을 갖는다. 질화 갈륨은 LED 제작을 위한 주요 물질이다.
현재, 사파이어 (Al2O3) 및 실리콘 (silicon)은 LED 기판용으로 사용되는 전형적인 물질이다. 모두 우수한 화학적 및 열적 내구성을 갖는다. 그러나, 사파이어는 제한된 품질 및 100 millimeters (mm) 직경 미만의 크기로 이용가능하지만, 반면에 실리콘은 직경이 300 mm까지의 크기로 이용가능하다. 더군다나, 두 가지 물질은 이들의 열팽창계수 (CTE)에서 GaN와 상당히 다르다. 이러한 불일치는 GaN 결정 품질에서 높은 수준의 결함 및/또는 성장 동안 기판 보우 (substrate bow)를 결과한다.
GaN과 우수한 CTE 일치를 가지면서, 또한 우수한 열 안정성 (1100℃까지), 화학적 내구성, 및 표면 연마 특성을 갖는 대체 가능한 기판은 장점이 있을 것이다.
[0006] 구현 예들은 층 트랜스퍼 (layer transfer) 및 에피택시 (epitaxy)에 적절한 유리-세라믹 기판을 설명한다. 상기 기판은 유리질 상태 (glassy state)로 제조되고, 원하는 모양으로 형성되며, 그 다음 결정질로 세라믹화된다. 결정화 후에, 상기 기판은 원하는 표면 조도 (surface roughness)로 연마되고, 및/또는 평탄화 층은 적용된다. 상기 기판은 그 다음, 예를 들어, 결정질 GaN 시드 (seed) 층의 트랜스퍼를 위한 수신체 (recipient)로서 사용될 수 있다. 상기 시드 층은 화학 기상 증착과 같은 상승된 온도에서 두꺼운 층의 에피택셜 성장을 위한 주형을 제공한다. 장치로의 추가 공정 후에, 상기 기판은 상기 장치를 방출하기 위해 그라인딩 및 연마에 의해 선택적으로 제거될 수 있다.
코닝은 최근에 GaN과 근접한 CTE 일치를 나타내는 두 조성물 과들 (families)의 유리-세라믹을 개발했다. 부가적으로, 이들 물질은 연마 후에 낮은 표면 조도 및 1100℃에서 열적으로 안정한 원하는 특징을 갖는다. 이들은 그라인딩 및 연마에 의한 LED 제작 공정 후에 제거될 수 있다. 따라서 이들 물질은 GaN 제작 능력에서 단계 변화를 나타낼 수 있다.
구현 예들은 하기 장점 중 하나 이상을 가질 수 있다: 현재까지 사파이어 (Al2O3) 및 실리콘은 LED 기판에 대한 지배적인 물질이다. 모두 우수한 화학적 및 열적 내구성을 갖는다. 그러나, 사파이어는 제한된 품질 및 100 mm 직경 미만의 크기로 오직 이용가능하지만, 반면에 실리콘은 직경이 300 mm까지의 크기로 이용가능하다. 더군다나, 두 물질은 이들의 열팽창 계수 (CTE)에서 GaN과 상당히 다르다. 이러한 불일치는 GaN 결정 품질에서 높은 수준의 결함 및/또는 성장 동안 기판 보우를 결과한다.
본 발명에 기재된 유리-세라믹 조성물은 GaN의 CTE와 일치하도록 맞춰진다. 따라서, 이들은 필름 결함 및 휨 (warp)에 대해 실리콘 및 사파이어에 걸쳐 장점이 있다. 이들이 고온에서 세라믹화되기 때문에, 이들은, 1100℃ 사용 온도를 견디지 못하는, 유리와 같은 다른 물질보다 좀더 열적으로 안정하다. 이들의 작은 입도 크기 (grain size)는 표면을 층 트랜스퍼 및 에피택시를 위해 요구된 수준으로 연마될 수 있다. 상기 물질이 유리질 상태로 제조되기 때문에, 기술은 더 큰 웨이퍼 크기 및 부피로 확장가능하다.
부가적인 특색 및 장점은 하기 상세한 설명에서 더욱 서술될 것이고, 부분적으로는 하기 상세한 설명, 청구항, 뿐만 아니라 첨부된 도면을 포함하는, 여기에 기재된 바와 같은 구현 예들을 실행하여 인지되거나 또는 설명으로부터 기술분야의 당업자에게 쉽게 명백해 질 것이다.
전술한 배경기술 및 하기 상세한 설명 모두는 단지 대표적인 것이며, 청구항의 본질 및 특징을 이해하기 위한 개요 또는 틀거리를 제공하도록 의도된 것으로 이해될 것이다. 첨부하는 도면은 또 다른 이해를 제공하기 위해 포함되고, 본 명세서에 혼입되며, 일부를 구성한다. 도면은 하나 이상의 구현 예들을 예시하고, 상세한 설명과 함께 다양한 구현 예들의 원리 및 작동을 좀더 구체적으로 설명한다.
도 1은 GaN 성장용 최신 기판의 평균 열팽창을 나타내는 그래프이다.
도 2는 GaN과 비교하여, 아노사이트-루틸 (anorthite-rutile) 과 (family)로부터의 하나의 대표적인 유리-세라믹의 평균 열팽창을 나타내는 그래프이다.
도 3은 GaN과 비교하여, 아노사이트-루틸 과로부터의 제2 대표적인 유리-세라믹의 평균 열팽창을 나타내는 그래프이다.
도 4는 GaN과 비교하여, 코디어라이트-엔스테타이트 (cordierite-enstatite) 과로부터의 유리-세라믹의 평균 열팽창을 나타내는 그래프이다.
도 5는 최종, 결정 상태에서 실시 예 2의 X-선 회절 (XRD) 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 6b는, 약 1 micron 이하의 결정 입도 크기를 각각 나타내는, 하향식 2차 전자 현미경 (SEM) 및 원자력 현미경 (AFM) 사진이다.
참조는, 첨부된 도면들에 예시된, 유리-세라믹 및 LED 제품에서 이들의 용도 다양한 구현 예들에 대해 상세하게 만들어질 것이다. 가능한 한, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부품에 대하여 도면에서 전체적으로 사용될 것이다.
하나의 구 현 예는 유리-세라믹 기판; 및 상기 기판의 표면상에 증착된 Ⅲ-Ⅴ 반도체를 포함하는 층을 포함하고, 여기서 상기 기판은 아노사이트-루틸 (CaAl2Si2O8 + TiO2) 또는 코디어라이트-엔스테타이트 (SiO2-Al2O3-MgO-TiO2) 물질을 포함하는 제품이다. 상기 Ⅲ-Ⅴ 반도체는 Al, Ga, In, 또는 이의 조합 및 N, P, As, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 상기 Ⅲ-Ⅴ 반도체는 GaN, GaP, AlGaAs, InGaAs, InGaN, AlGaP, 또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 상기 Ⅲ-Ⅴ 반도체는, 하나의 구현 예에 있어서, GaN이다.
다른 구현 예는 유리-세라믹 기판; 및 상기 기판의 표면상에 증착된 GaN을 포함하는 층을 포함하고, 여기서 상기 기판은 아노사이트-루틸 (CaAl2Si2O8 + TiO2) 또는 코디어라이트-엔스테타이트 (SiO2-Al2O3-MgO-TiO2) 물질을 포함하는 제품이다.
상기 기판은 이의 부피의 80 퍼센트 이상, 예를 들어, 90 퍼센트 이상이 결정질 상 (phase)일 수 있다. 상기 결정질 상은 상기 부피 도처에 분산될 수 있다. 상기 기판은 이의 부피의 20 퍼센트 이하, 예를 들어, 10 퍼센트 이하가 유리질 상 (glassy phase)일 수 있다. 상기 유리질 상은 상기 부피 도처에 분산될 수 있다. 상기 기판은, 예를 들어, 80 퍼센트 이상의 결정질 상 및 20 퍼센트 이하의 유리질 상일 수 있다.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 GaN 층 및 기판의 CTE는 서로 ± 5 x 10-7/℃에 있다. 예를 들어, 500 내지 1000℃의 온도 범위에 걸쳐, 예를 들어, 500, 600, 700, 800, 900 및 1000℃로부터 선택된 어떤 두 개의 온도들의 범위에 걸쳐, 상기 기판 및 층의 CTE는, 각각 55-65 x 10-7/℃ 범위에 속할 수 있고, 예를 들어 각각의 상기 기판 및 층은 약 60 x 10-7/℃의 CTE를 가질 수 있다.
상기 표면은 100 nm 이하, 예를 들어, 50 nm 이하의 평균 조도를 가질 수 있다. 상기 기판은 5 microns 이하, 예를 들어, 4 microns 이하, 3 microns 이하, 2 microns 이하, 1 microns 이하, 0.5 microns 이하의 평균 입도 크기를 가질 수 있다.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 기판은 알칼리가 없다. 상기 기판은 Au, Pd, Ag, 또는 Pt가 없을 수 있고, 예를 들어, Au, Pd, Ag, 및 Pt가 없을 수 있다. 상기 기판은 As가 없을 수 있다. 하나의 구현 예에 있어서, Ni, Na, Cu, Fe, Cr, Ca, Ti, K, Mg, 또는 Zn의 각각의 500 ppm 미만은, 예를 들어, 습식 화학 용액에 침지 또는 상승된 온도에서 후속 장치 공정 동안에, 상기 기판 밖으로 확산한다.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 기판은 중량 퍼센트로 하기 성분을 포함한다:
a. 15-20 CaO;
b. 30-35 Al2O3;
c. 35-40 SiO2; 및
d. 12-16 TiO2.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 기판은 중량 퍼센트로 하기 성분을 포함한다:
e. 40-55 SiO2;
f. 10-15 Al2O3;
g. 20-30 MgO;
h. 1-5 CaO; 및
i. 5-15 TiO2.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 기판은 중량 퍼센트로 하기 성분을 포함한다:
j. 45-50 SiO2;
k. 10-15 Al2O3;
l. 20-30 MgO;
m. 1-5 CaO; 및
n. 5-15 TiO2.
하나의 구현 예에 있어서, 상기 기판은 5 mm 이하, 예를 들어, 4 mm 이하, 예를 들어, 3 mm 이하, 예를 들어, 2 mm 이하, 예를 들어, 1 mm 이하, 예를 들어, 0.5 mm 이하의 두께를 가질 수 있다. 상기 기판은 0.5 mm 내지 4 mm의 범위에서 두께를 가질 수 있다.
상기 유리-세라믹 기판은 상기 아노사이트-루틸 (CaAl2Si2O8 + TiO2) 과로부터 유래할 수 있다. 조성물은 표 1에서 두 개의 실시 예들에 대해 산화물 중량 퍼센트로 제공된다. 물론, 실시 예 2의 조성물은 화학양론적이다. 상기 산화 혼합물은 1650℃에서 16 시간 동안 용융되며, 그 다음 폼에 붇고 750℃에서 어닐링된다. 상기 폼은 핵형성을 위해 8 시간 이상동안 900℃에서 어닐링되고, 그 다음 1250℃에서 4 시간 동안 결정화된다.
wt% 실시 예 1 실시 예 2
CaO 16.8 17.19
Al2O3 31.8 31.26
SiO2 36.7 36.84
TiO2 14.7 14.7
또 다른 구현 예에 있어서, 상기 유리-세라믹 기판은 상기 코디어라이트-엔스테타이트 (SiO2-Al2O3-MgO-TiO2) 과로부터 유래할 수 있다. 실시 예 3의 조성물은 표 2에서 산화물 중량 퍼센트로 제공된다. 상기 산화 혼합물은 1650℃에서 16 시간 동안 용융되며, 그 다음 폼에 붇고 750℃에서 어닐링된다. 상기 폼은 핵형성을 위해 2 시간 이상동안 850℃에서 어닐링되고, 그 다음 1350∼1425℃에서 결정화된다.
wt% 실시 예 3
SiO2 48.7
Al2O3 13.8
MgO 25.2
CaO 1.5
TiO2 10.8
결정화 후에, 모든 세 조성물의 형태는 웨이퍼로 형상화되고, 연마된다.
도 5는 최종, 결정 상태에서 실시 예 2의 X-선 회절 (XRD) 데이터를 나타내는 그래프이다. 상기 데이터는 두 개의 결정질 상 아노사이트 및 루틸, 뿐만 아니라 몇몇 잔류 유리 존재 (residual glass presence)를 보여준다 (CTE 불일치 유도 응력의 애모티제이션 (amortization)에 대한 장점).
도 6a 및 6b는 약 1 micron 이하의 결정 입도 크기를 나타내는, 각각 하향식 2차 전자 현미경 (SEM) 및 원자력 현미경 (AFM) 이미지이다. 이것은 GaN 증착 공정 요구조건 - 표면은 반드시 완벽하게 매끄러워야 한다 -에 기인한 표면 마감에 대한 장점이다.
상기 기판상에 GaN 또는 단독으로, 예를 들어, 6x6 인치 이상인, 예를 들어, 웨이퍼 크기 공정과 같은 제작 공정에서 LED 조명을 제작하는데 사용될 수 있다. 다중 LEDs는 GaN 상에 제작될 수 있고, 제작 후 단일 LEDs로 분리될 수 있다.
청구된 주제의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 변경이 여기에 기재된 구현 예들에 대해 만들어질 수 있음은 당업자들에게 자명할 것이다. 따라서, 본 명세서는 여기에 기재된 다양한 구현 예들의 변형 및 변화를 보호하고, 이러한 변경 및 변화는 첨부된 청구항 및 이들의 균등물의 범주 내의 속하는 것으로 의도된다.

Claims (19)

  1. 유리-세라믹 기판; 및 상기 기판의 표면상에 증착된 Ⅲ-Ⅴ 반도체를 포함하는 층을 포함하고, 여기서 상기 기판은 아노사이트-루틸 (CaAl2Si2O8 + TiO2) 또는 코디어라이트-엔스테타이트 (SiO2-Al2O3-MgO-TiO2) 물질을 포함하는 제품.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 Ⅲ-Ⅴ 반도체는 Al, Ga, In, 또는 이의 조합 및 N, P, As, 또는 이의 조합을 포함하는 제품.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 Ⅲ-Ⅴ 반도체는 GaN, GaP, AlGaAs, InGaAs, InGaN, AlGaP, 또는 이의 조합인 제품.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 이의 부피의 80 퍼센트 이상이 결정질 상인 제품.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 결정질 상은 상기 부피 도처에 분산된 제품.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 이의 부피의 20 퍼센트 이하가 유리질 상인 제품.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 유리질 상은 상기 부피 도처에 분산된 제품.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 층 및 기판의 CTE는 서로 ± 5 x 10-7/℃ 내인 제품.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판 및 층의 CTE는 각각 55 x 10-7/℃ 및 65 x 10-7/℃ 사이인 제품.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 표면은 100nm 이하의 평균 조도를 갖는 제품.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 5 microns 이하의 평균 입도 크기를 갖는 제품.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 알칼리가 없는 제품.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 Au, Pd, Ag, 또는 Pt가 없는 제품.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 Au, Pd, Ag, 및 Pt가 없는 제품.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 As가 없는 제품.
  16. 청구항 1에 있어서,
    Ni, Na, Cu, Fe, Cr, Ca, Ti, K, Mg, or Zn의 각각의 500 ppm 미만이 상기 기판 밖으로 확산하는 제품.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 중량 퍼센트로 하기 성분을 포함하는 제품:
    15-20 CaO;
    30-35 Al2O3;
    35-40 SiO2; 및
    12-16 TiO2.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 기판은 중량 퍼센트로 하기 성분을 포함하는 제품:
    40-55 SiO2;
    10-15 Al2O3;
    20-30 MgO;
    1-5 CaO; 및
    5-15 TiO2.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 기판은 중량 퍼센트로 하기 성분을 포함하는 제품:
    45-50 SiO2;
    10-15 Al2O3;
    20-30 MgO;
    1-5 CaO; 및
    5-15 TiO2.
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