KR20150118617A - 반도체 광소자용 지지 기판 및 이를 이용하는 반도체 광소자를 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 반도체 광소자용 지지 기판;으로서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하며 성장 기판에 형성되는 복수의 반도체층으로부터, 성장 기판을 제거할 때 복수의 반도체층을 지지하도록 사용되는, 반도체 광소자용 지지 기판에 있어서, 복수의 반도체층을 기준으로 성장 기판의 반대 측에서 복수의 반도체층과 일체화되는 지지층; 지지층을 기준으로 복수의 반도체층의 반대 측에서 지지층과 일체화되는 희생층; 그리고 희생층을 기준으로 지지층의 반대측에 구비되며, 성장 기판이 제거된 복수의 반도체층의 휨을 억제하는 휨 억제층;으로서, 희생층 제거시 사용되는 제거 용액을 위한 통로가 형성된 휨 억제층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판에 관한 것이며, 또한, 이를 이용하는 반도체 광소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 광소자용 지지 기판 및 이를 이용하는 반도체 광소자를 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 성장 기판 제거 후 복수의 반도체층의 휨(bowing)을 줄일 수 있는 반도체 광소자용 지지 기판 및 이를 이용하는 반도체 광소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
반도체 광소자는 반도체(GaN, GaAs, InP 등) 소자로서 발광소자(LD, LED)와 수광소자(PD) 등을 말하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다. 3족 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물로 이루어진다. 이외에도 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자 등을 예로 들 수 있다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자가 예시되어 있다. 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되며 제1 도전성을 제1 반도체층(300; 예: Si 도핑된 GaN), 제1 반도체층(300) 위에 성장되며 전자와 정공의 재결합을 이용하여 빛을 생성하는 활성층(400; 예: InGaN/(In)GaN 다중양자우물구조), 활성층(400) 위에 성장되며 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(500; 예: Mg 도핑된 GaN), 제2 반도체층(500) 위에 형성되는 전극(700), 제2 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사식각되어 노출된 제1 반도체층(300) 위에 형성되는 전극(800), 그리고 보호막(900)을 포함한다. 보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략될 수도 있다. 바람직하게는, 반도체층(300,400,500)의 막질 향상을 위한 버퍼층(200)과, 원활한 전류 확산을 위한 전류 확산 전극(600; 예: ITO)이 구비된다. 제1 반도체층(300; 예: Si 도핑된 GaN)과 제2 반도체층(500; 예: Mg 도핑된 GaN)의 위치는 바뀔 수 있다.
도 2는 미국특허 제5,008,718호에 제시된 수직형 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 제1 도전성을 가지는 반도체층(300), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(400), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 반도체층(500), 성장 기판이 제거된 측에 형성된 전극(800), 반도체층(500)에 전류를 공급하는 한편 반도체층(300,400,500)을 지지하는 지지 기판(S), 그리고 지지 기판(S)에 형성된 전극(700)을 포함한다. 전극(800)은 와이어 본딩을 이용해 외부와 전기적으로 연결된다.
도 3은 미국 등록특허공보 제8,008,683호에 제시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 제1 도전성을 가지는 반도체층(300), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(400), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 반도체층(500)을 포함한다. 전류는 제1 반도체층(300)과 전기적으로 연통하는 전극 또는 전기적 연결(810)과, 제2 반도체층(500)과 전기적으로 연통하는 전극(700)에 의해 공급된다. 전극 또는 전기적 연결(810)은 비아 홀(H)을 통해 제1 반도체층(300)과 전기적으로 연결되어, 보호막 또는 절연층(910)에 의해 타 반도체층(400,500)과 전기적으로 절연되어 있다. 전극(700)은 전류 확산 전극 또는 금속 반사막(610; 예: TIO, Ag, Al)을 통해 제2 반도체층(500)과 전기적으로 연결되어 있다. 전극(700)은 와이어 본딩을 이용해 외부와 전기적으로 연결된다. 다만, 도 2에 도시된 반도체 발광소자와 달리, 전극(800; 도 2 참조)이 제1 반도체층(300) 위에 형성되어 있지 않으므로, 전극(800)에 의한 광 흡수를 방지하고, 와이어에 의한 광 흡수를 줄일 수 있게 된다. 지지 기판(S)은 웨이퍼 본딩, 도금 및/또는 증착을 통해 형성될 수 있으며, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC 등과 같은 물질로 된 웨이퍼로 이루어지거나, 구리(Cu-copper), 금(Au-gold), 니켈(Ni-nickel), 몰리브덴(Mo), 구리-텅스텐(Cu-W)와 같은 금속 또는 금속합금을 도금 및/또는 증착함으로써 형성할 수 있고, 그 방법에 특별한 제한이 있는 것은 아니다.
도 10은 종래의 반도체 발광소자의 제조 방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, 이러한 종래의 반도체 발광소자에서 성장 기판이 제거되면, 지지 기판(S)이 존재하더라도 최종 제품에 이르기에 앞서, 웨이퍼 상태의 반도체 발광소자에서 휨(bowing)이 발생한다. 이러한 휨은, 성장 기판의 제거 후에 행해지는 포토레지스트 패턴 공정, 건식 식각 공정, 패시베이션 막 증착 공정, 전극 패드 증착 공정 등에 문제를 야기하여 공정 자동화를 어렵게 하고, 수율을 저하시킬 수 있다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 반도체 광소자용 지지 기판;으로서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하며 성장 기판에 형성되는 복수의 반도체층으로부터, 성장 기판을 제거할 때 복수의 반도체층을 지지하도록 사용되는, 반도체 광소자용 지지 기판에 있어서, 복수의 반도체층을 기준으로 성장 기판의 반대 측에서 복수의 반도체층과 일체화되는 지지층; 지지층을 기준으로 복수의 반도체층의 반대 측에서 지지층과 일체화되는 희생층; 그리고 희생층을 기준으로 지지층의 반대측에 구비되며, 성장 기판이 제거된 복수의 반도체층의 휨을 억제하는 휨 억제층;으로서, 희생층 제거시 사용되는 제거 용액을 위한 통로가 형성된 휨 억제층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판이 제공된다.
본 개시에 따른 다른 하나의 태양에 의하면(According to another aspect of the present disclosure), 반도체 광소자를 제조하는 방법에 있어서, 성장 기판에, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수의 반도체층을 형성하는 단계; 복수의 반도체층에 부착되는 지지층과, 복수의 반도체층의 반대 측에서 지지층에 구비된 희생층과, 성장 기판이 제거된 복수의 반도체층의 휨을 억제하도록 지지층의 반대 측에서 희생층에 구비되며 희생층 제거시 사용되는 제거 용액을 위한 통로가 형서된 휨 억제층을 구비하는 지지 기판을, 복수의 반도체층에 부착하는 단계; 복수의 반도체층으로부터 성장 기판을 제거하는 단계; 그리고, 통로로 제거 용액을 공급하여 희생층을 제거함으로써 지지층으로부터 휨 억제층을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법이 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 미국특허 제5,008,718호에 제시된 수직형 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 미국 등록특허공보 제8,008,683호에 제시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 본 개시에 따른 반도체 광소자용 지지 기판에 복수의 반도체층이 고정된 상태의 일 예를 나타내는 도면,
도 5 내지 도 8은 본 개시에 따른 지지 기판을 이용한 반도체 광소자를 제조하는 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 9는 본 개시에 따라 제조된 반도체 광소자 웨이퍼와 비교예를 나타내는 도면,
도 10은 종래의 반도체 광소자의 제조 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 11은 본 개시에 따른 반도체 광소자용 지지 기판에 복수의 반도체층이 고정된 상태의 일 예를 나타내는 도면,
도 12는 본 개시에 따른 반도체 광소자용 지지 기판의 일 예를 설명하는 도면,
도 13은 고정층과 홀의 패턴의 일 예를 설명하는 도면,
도 14는 본 개시에 따른 반도체 광소자용 지지 기판의 다른 예를 설명하는 도면,
도 15 및 도 16은 본 개시에 따른 반도체 광소자의 제조 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 17은 본 개시에 따른 지지 기판의 제조 방법의 일 예를 설명하는 도면.
도 2는 미국특허 제5,008,718호에 제시된 수직형 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 미국 등록특허공보 제8,008,683호에 제시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 본 개시에 따른 반도체 광소자용 지지 기판에 복수의 반도체층이 고정된 상태의 일 예를 나타내는 도면,
도 5 내지 도 8은 본 개시에 따른 지지 기판을 이용한 반도체 광소자를 제조하는 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 9는 본 개시에 따라 제조된 반도체 광소자 웨이퍼와 비교예를 나타내는 도면,
도 10은 종래의 반도체 광소자의 제조 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 11은 본 개시에 따른 반도체 광소자용 지지 기판에 복수의 반도체층이 고정된 상태의 일 예를 나타내는 도면,
도 12는 본 개시에 따른 반도체 광소자용 지지 기판의 일 예를 설명하는 도면,
도 13은 고정층과 홀의 패턴의 일 예를 설명하는 도면,
도 14는 본 개시에 따른 반도체 광소자용 지지 기판의 다른 예를 설명하는 도면,
도 15 및 도 16은 본 개시에 따른 반도체 광소자의 제조 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 17은 본 개시에 따른 지지 기판의 제조 방법의 일 예를 설명하는 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 4는 본 개시에 따른 반도체 광소자용 지지 기판에 복수의 반도체층이 고정된 상태의 일 예를 나타내는 도면이다. 본 개시에서 반도체 광소자는 발광소자(LD, LED)와 수광소자(PD) 등을 말한다. 이하, 반도체 발광소자를 중심으로 설명한다.
반도체 발광소자를 구성하는 복수의 반도체층(30,40,50)은 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30; 예: n형 GaN), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50; 예: p형 GaN), 및 제1 반도체층(30)과 제2 반도체층(50) 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40; 예: InGaN/GaN 다중양자우물구조)을 구비한다. 제1 반도체층(30) 및 제2 반도체층(50)은 다층 구조로 이루어질 수 있으며, 복수의 반도체층(30,40,50) 내외에 다른 물질로 된 층(예: 버퍼층, ITO 전류 확산 전극)이 구비될 수도 있다. 후술하는 바와 같이, 복수의 반도체층(30,40,50)은 성장 기판을 이용하여 성장된다. 성장 기판은 복수의 반도체층(30,40,50)이 성장가능하다면 특별히 제한되지 않으며, 복수의 반도체층(30,40,50)을 이루는 물질을 고려하여 선택되며, 예를 들어, Si, SiC, GaAs, Al2O3, ZnO로 이루어질 수 있다. 복수의 반도체층(30,40,50)이 3족 질화물 반도체로 이루어지는 경우에, 사파이어(Al2O3) 기판이 주로 사용되고 있다.
본 개시에 따른 반도체 광소자용 지지 기판(1,2,3)은 복수의 반도체층(30,40,50)과 일체화되는 지지층(1), 성장 기판이 제거된 복수의 반도체층(30,40,50)의 휨을 억제하도록 지지층(1)을 기준으로 복수의 반도체층(30,40,50)의 반대 측에 구비되는 휨 억제층(3), 그리고 휨 억제층(3)을 지지층(1)에 고정시키며, 이후, 휨 억제층(3)을 지지층(1)으로부터 분리하는 분리층(2)을 구비한다.
복수의 반도체층(30,40,50)과 지지 기판(1,2,3)은 예를 들어, 웨이퍼 본딩법을 이용하여 서로 일체화될 수 있다. 예를 들어, Au/Sn 합금을 이용하는 유테틱 본딩을 이용할 수 있다. 유테틱 본딩 물질은 복수의 반도체(30,40,50) 측 및 지지 기판(1,2,3) 측 중의 일 측 또는 양 측에 구비될 수 있다. 지지 기판(1,2,3)을 준비하는 과정에서 본딩 물질이 지지층(1)에 미리 준비될 수 있으며, 따라서 지지 기판(1,2,3)은 추가적으로 지지층(1) 측에 Au/Sn, Au와 같은 본딩 물질 또는 본딩층(4)을 구비할 수 있다. 제1 반도체층(30)에 전자와 정공 중의 하나를 공급하는 전극(80)이 구비되어 있으며, 지지층(1)이 전자와 정공 중의 나머지 하나를 공급하도록 기능할 수 있다. 도 3에 제시된 구조를 가지는 것도 가능하며, 복수의 반도체층과 여기에 형성되는 전극의 형태에 특별한 제한이 있는 것은 아니다.
바람직하게는, 휨 억제층(3)을 광 투과성 물질(예: 사파이어, GaN, SiC, ZnO, 글라스, AlN)로 구성함으로써, 휨 억제층(3)을 지지층(1)으로부터 분리할 때, 레이저 리프트-오프 기법을 사용할 수 있게 된다. 성장 기판이 광 투과성 물질로 이루어지는 경우에, 성장 기판의 분리와 휨 억제층(3)의 분리에 동일한 공정(레이저 리프트-오프 기법)을 이용함으로써, 공정 및 공정 비용상의 여러 이점을 가질 수 있게 된다. 레이저 리프트-오프 기법은 당업자에게 잘 알려져 있는 기술이다. 휨 억제층(3)의 두께는 복수의 반도체층의 휨을 억제할 수 있을 정도의 두께라면 특별한 제한은 없으며, 재질에 따라 달라질 수 있지만, 지지 기판(1,2,3) 전체로 100㎛ 이상의 두께를 가져서, 복수의 반도체층의 휨에 억제력을 부여할 수 있게 된다. 지지층(1) 자체가 100㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 이외에도 휨 억제층(3)은 Si, Ge, GaAs, Al, Mo, MoCu, W, WCu, Cu, Ni, Sus, Ti, 또는 상기 물질들의 조합으로서 합금 또는 이들의 적층으로서 이루어질 수 있다.
지지층(1)을 구성하는 물질(예: Si)에는 특별한 제한이 없으나(도 3과 관련하여 예시한 다양한 물질로 구성될 수 있다.), 레이저 리프트-오프 기법으로 휨 억제층(3)을 제거하는 경우에, 분리층(2)에서 분리가 잘 일어나도록 불투명한 물질로 이루질 수 있다. 한편 지지층(1)을 도전체(예: 금속, 금속함금, 도핑된 반도체)로 구성함으로써, 지지 기판(1,2,3)을 통해 전자 및 전공 중의 하나를 복수의 반도체층(30,40,50)으로 공급할 수 있게 된다. 지지층(1)은 예를 들어, Si, Ge, GaAs, Al, Mo, MoCu, W, WCu, Cu, Ni, Sus, Ti 또는 상기 물질들의 조합으로서 합금 또는 이들의 적층으로 이루어질 수 있으며, 그 두께에 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 칩 절단 공정을 위해 200um이하의 두께를 가지는 것이 일반적이다.
분리층(2)은 휨 억제층(3)을 지지층(1)에 고정시키며, 복수의 반도체층(30, 40, 50)으로부터 성장 기판(10)이 제거된 후 외부로부터 공급되는 에너지에 의해 지지층(1)으로부터 휨 억제층(3)을 분리시킨다. 여기서 공급되는 에너지는 레이저(광학 에너지), 히터(열 에너지), 습식 식각(화학 에너지), 휨 억제층의 기계적 연마, 기계적 shear stress 등일 수 있으며, 휨 억제층이 제거되도록 외부로부터 공급되는 것으로 족하고, 그 형태에 특별히 제한이 있는 것은 아니다. 분리층(2)은 지지층(1)과 휨 억제층(3)을 부착시키고, 이후 레이저 리프트-오프, 습식 식각, 열에 의한 분리, 기계적 연마, 기계적 가압 등의 방법으로 지지층(1)과 휨 억제층(3)을 분리 또는 제거시킬 수 있는 물질이라면 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, AuSn, AgSn, NiSn, CuSn, AgSnCu, AuIn, AuGe, AuSi, AlGe과 같은 금속 합금으로 이루어지거나, In, Pb, Sn과 같은 금속으로 이루어질 수 있다. 또한 분리층(2)으로 합성수지로 된 양면 테이프, 점착제 또는 접착제(예: 폴리이미드, Temploc)를 이용하여 지지층(1)과 휨 억제층(3)을 접합 및 분리하는 것도 가능하다. 예를 들어, 지지층(1; 예: MoCu)과 휨 억제층(3; 예: 사파이어) 각각에 AuSn을 e-beam 증착, 도금, 열(thermal) 증착 등의 방법으로 1.5㎛ 정도의 두께로 형성한 다음, 웨이퍼 본딩 장비를 이용하여 300℃ 온도에서 20kg/cm2 이상의 압력을 10분이상 가해주면 지지층(1)과 휨 억제층(3) 간의 본딩이 이루어진다. 지지층(1) 및 휨 억제층(3) 중의 한 쪽에 Au를, 나머지 한 쪽에 Sn을 형성할 수도 있다.
KrF laser를 이용하여 900mJ/cm2의 조건에서 휨 억제층(3) 측으로부터 레이저를 조사해 주면 지지층(1)과 휨 억제층(3)이 분리될 수 있다. 이 때, 휨 억제층(3)으로 양면 연마된(polished) 또는 경면화된 기판을 사용함으로써, 레이저 조사의 효율을 높일 수 있게 된다. 폴리이미드와 같은 수지제로 분리층(2)이 이루어진 경우에, 적절한 식각액으로 이를 제거하는 것도 가능하다. 또한 지지층(1)과 휨 억제층(3) 간의 본딩시의 유테틱 본딩 온도보다 높은 온도의 열을 가함으로써 이들을 분리하는 것도 가능하다. 또한 합성 수지가 접합력을 유지하는 이하의 온도 상태에 지지 기판을 둠으로써 접합력을 잃게 하여 분리하는 것도 가능하다. 본딩층(4)도 지지층(1; 예: MoCu)에 AuSn을 e-beam 증착, 도금, 열(thermal) 증착 등의 방법으로 1.5㎛ 정도의 두께로 형성할 수 있다.
분리층(2)을 구성하는 물질들의 조성과 유테틱 온도를 아래 [표1]에 예시하였다.
| Eutectic alloy | Eutectic composition | Eutectic temperature |
| Au-In | 0.6 / 99.4 wt-% | 156℃ |
| Cu-Sn | 5 / 95 wt-% | 231℃ |
| Au-Sn | 80 / 20 wt-% | 280℃ |
| Au-Ge | 28 / 72 wt-% | 361℃ |
| Au-Si | 97.15 / 2.85 wt-% | 370℃ |
| Al-Ge | 49 / 51 wt-% | 419℃ |
| Al-Si | 87.5 / 12.5 wt-% | 580℃ |
이외에도 분리층(2)은 Epoxies(EPO), Polyimides(PI or PSPI), Benzocyclobutene(BCB), Polybenzoxazole(PBO), Silicones(Siloxanes) 등의 물질로 이루어질 수 있다. 통상의 이러한 물질들은 그 용도에 맞게끔 주문되어 사용된다.
도 5 내지 도 8은 본 개시에 따른 지지 기판을 이용한 반도체 광소자를 제조하는 방법의 일 예를 설명하는 도면으로서, 먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 성장 기판(10) 위에, 복수의 반도체층(30,40,50)을 성장시킨다. 다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 지지 기판(1,2,3)을 구성하는 지지층(1), 분리층(2) 및 휨 억제층(3)을 복수의 반도체층(30,40,50)에 형성한다. 이 때, 본딩층(4)을 이용한 유테틱 본딩이 이용될 수 있다. 다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 성장 기판(10; 도 6 참조)이 제거되고, 전극(80) 형성, 거친 표면 형성, 아이솔레이션 공정, 패시베이션 막 형성과 같은 후속 공정이 행해진다. 마지막으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 휨 억제층(3)이 지지층(1)으로부터 분리된다. 지지층(1)의 아래에 전극을 별도로 형성하는 것도 가능하다. 이후, 스크라이빙 공정 등을 거쳐, 웨이퍼 상태에서 개별 칩으로 제조된다.
도 9는 본 개시에 따른 제조된 반도체 발광소자 웨이퍼와 비교예를 나타내는 도면으로서, 비교예(a)의 경우에, 성장 기판(10)의 제거 후 웨이퍼의 휨이 심하다는 것을 알 수 있으며, 반면 본 개시에 따른 웨이퍼(b)의 경우에 휨이 거의 발생하지 않았음을 알 수 있다. 여기서, 성장 기판(10)으로 6인치 사파이어 기판이 사용되었으며, 지지층(1)으로 100㎛ 두께를 가지는 MoCu 기판이 되었고, 휨 억제층(3)으로 양면 폴리싱된 6인치 직경, 650㎛ 두께를 가지는 사파이어 기판이 사용되었다.
도 11은 본 개시에 따른 반도체 광소자용 지지 기판에 복수의 반도체층이 고정된 상태의 다른 예를 나타내는 도면이다. 반도체 발광소자를 구성하는 복수의 반도체층(30,40,50)은 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30; 예: n형 GaN), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50; 예: p형 GaN), 및 제1 반도체층(30)과 제2 반도체층(50) 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40; 예: InGaN/GaN 다중양자우물구조)을 구비한다. 제1 반도체층(30) 및 제2 반도체층(50)은 다층 구조로 이루어질 수 있으며, 복수의 반도체층(30,40,50) 내외에 다른 물질로 된 층(예: 버퍼층, ITO 전류 확산 전극)이 구비될 수도 있다. 후술하는 바와 같이, 복수의 반도체층(30,40,50)은 성장 기판을 이용하여 성장된다. 성장 기판은 복수의 반도체층(30,40,50)이 성장가능하다면 특별히 제한되지 않으며, 복수의 반도체층(30,40,50)을 이루는 물질을 고려하여 선택되며, 예를 들어, Si, SiC, GaAs, Al2O3, ZnO로 이루어질 수 있다. 복수의 반도체층(30,40,50)이 3족 질화물 반도체로 이루어지는 경우에, 사파이어(Al2O3) 기판이 주로 사용되고 있다.
지지 기판(1,2,3,5)은 성장 기판(10)에 형성되는 복수의 반도체층(30,40,50)으로부터 성장 기판(10)을 제거할 때 복수의 반도체층(30,40,50)을 지지하도록 사용된다. 본예에서 지지 기판(1,2,3,5)은 지지층(1), 희생층(2), 고정층(5) 및 휨 억제층(3)을 포함한다. 지지층(1)은 복수의 반도체층(30,40,50)을 기준으로 성장 기판(10)의 반대 측에서 복수의 반도체층(30,40,50)과 일체화된다. 희생층(2)은 지지층(1)을 기준으로 복수의 반도체층(30,40,50)의 반대 측에서 지지층(1)과 일체화된다. 휨 억제층(3)은 희생층(2)을 기준으로 지지층(1)의 반대측에 구비되며, 성장 기판(10)이 제거된 복수의 반도체층(30,40,50)의 휨을 억제한다. 휨 억제층(3)에는 희생층(2) 제거시 사용되는 제거 용액을 위한 통로(3a; channel)가 형성되어 있다. 고정층(5)은 통로(3a)를 피하여 희생층(2)과 휨 억제층(3) 사이에 개재되며, 휨 억제층(3)을 희생층(2)에 고정시킨다.
복수의 반도체층(30,40,50)과 지지 기판(1,2,3,5)은 예를 들어, 웨이퍼 본딩법을 이용하여 서로 일체화될 수 있다. 예를 들어, Au/Sn 합금을 이용하는 유테틱 본딩을 이용할 수 있다. 유테틱 본딩 물질은 복수의 반도체(30,40,50) 측 및 지지 기판(1,2,3,5) 측 중의 일 측 또는 양 측에 구비될 수 있다. 지지 기판(1,2,3,5)을 준비하는 과정에서 본딩 물질이 지지층(1)에 미리 준비될 수 있으며, 따라서 지지 기판(1,2,3,5)은 추가적으로 지지층(1) 측에 Au/Sn, Au와 같은 본딩 물질 또는 본딩층(4)을 구비할 수 있다. 제1 반도체층(30)에 전자와 정공 중의 하나를 공급하는 전극(80)이 구비되어 있으며, 지지층(1)이 전자와 정공 중의 나머지 하나를 공급하도록 기능할 수 있다. 도 3에 제시된 구조를 가지는 것도 가능하며, 복수의 반도체층(30,40,50)과 여기에 형성되는 전극의 형태에 특별한 제한이 있는 것은 아니다.
휨 억제층(3)에 희생층(2) 제거시 사용되는 제거 용액(예: 에천트)을 위한 통로(3a)를 형성함으로써, 레이저 리프트-오프 방법에 비해 저비용이고 공정이 간편한 습식 식각을 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 12는 본 개시에 따른 반도체 발광소자용 지지 기판의 일 예를 설명하는 도면이다. 본 예에서, 지지 기판(1,2,3,5)은 지지층(1), 희생층(2), 고정층(5) 및 휨 억제층(3)을 포함한다.
지지층(1)을 구성하는 물질에는 특별한 제한이 없으나(도 3과 관련하여 예시한 다양한 물질로 구성될 수 있다.), 습식 식각으로 희생층(2)을 제거하므로 희생층(2)은 식각하면서 지지층(1)은 식각하지 않도록 선택되는 것이 바람직하다. 한편 지지층(1)을 도전체(예: 금속, 금속함금, 도핑된 반도체)로 구성함으로써, 지지 기판(1,2,3,5)을 통해 전자 및 전공 중의 하나를 복수의 반도체층(30,40,50)으로 공급할 수 있게 된다. 지지층(1)은 예를 들어, Si, Ge, GaAs, Al, Mo, MoCu, W, WCu, Cu, Ni, Sus, Ti 또는 상기 물질들의 조합으로서 합금 또는 이들의 적층으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 물질들로 이루어지는 베이스층(1a)과 산화 방지층(1b; 예: Ni/Au)를 구비할 수 있다. 지지층(1)은 그 두께에 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 칩 절단 공정을 위해 200um이하의 두께를 가지는 것이 일반적이다.
희생층(2)은 습식 식각되는 물질이며, 예를 들어, Ti, SiO2, CrN, Cu, Cr2O3, Al, AlN, ZnO, In 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나로 이루어진다. 이에 대한 에천트로는 Ti는 BOE, HF로, SiO2는 BOE, HF로, CrN는 Cr-7, Cu는 질산이나 황산, Cr2O3는 Cr-7, Al은 KOH, 인산, 질산, AlN 의 경우는 NaOH나 KOH, ZnO의 경우는 HCl, 황산, 질산, In의 경우는 HCl, 황산, 질산으로 습식 식각할 수 있다. 위에 명기된 용액의 혼합 용액도 포함되며, 각 물질의 대표적인 에천트만 명기 했으므로 해당 물질을 녹이는 액체면 사용할 수 있다.
휨 억제층(3)의 두께는 복수의 반도체층(30,40,50)의 휨을 억제할 수 있을 정도의 두께라면 특별한 제한은 없으며, 재질에 따라 달라질 수 있지만, 지지 기판(1,2,3,5) 전체로 100㎛ 이상의 두께를 가져서, 복수의 반도체층(30,40,50)의 휨에 억제력을 부여할 수 있게 된다. 지지층(1) 자체가 100㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 휨 억제층(3)은 희생층(5) 식각시에 문제되지 않는 재질이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 휨 억제층(3)은 세라믹, 사파이어, SUS, Al, Si, Cu-C(카파그라파이트), Ge, GaAs, Mo, MoCu, W, WCu, Cu, Ni, Ti, 또는 상기 물질들의 조합으로서 합금 또는 이들의 적층으로서 이루어질 수 있다. 플라스틱이나 폴리머 재질로 휨 억제층(3)을 형성하는 것도 고려할 수 있다. 휨 억제층(3)에는 희생층(2) 제거시에 사용되는 제거 용액용 통로(3a)가 형성되며, 예를 들어, 통로(3a)는 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 휨 억제층(3)을 관통하는 복수의 홀(3a)이다. 세라믹으로 휨 억제층(3)을 형성하는 방법에 대해서는 도 17에서 더 후술된다.
한편, 지지 기판을 복수의 반도체층에 접합하고 후속 공정을 수행하는 경우, 공정 온도로 인해 지지기판 및 복수의 반도체층이 열스트레스(thermal stress)를 받게 된다. 이때, 지지 기판의 지지층(1)과 휨 억제층(3)의 열팽창의 차이가 큰 경우, 지지층(1)과 휨 억제층(3)이 열스트레스로 인해 서로 떨어질 수 있어서 이를 방지하기 위해 지지층(1) 및 휨 억제층(3)의 재질을 잘 선택할 필요가 있다. 예를 들어, 휨 억제층/지지층을 세라믹/Mo, 세라믹/사파이어, 세라믹/Cu, 세라믹/Ni로 구성하고 고정층(5)에 의해 휨 억제층(3) 및 지지층(1)을 본딩한 후 400 ℃로 열스트레스 테스트를 수행하였다. 그 결과, 휨 억제층(3)과 지지층(1)의 열팽창 계수 차이가 작은 세라믹/Mo, 세라믹/사파이어는 접착을 유지하고 있는 반면, 차이가 상대적으로 큰 세라믹/Cu, 세라믹/Ni은 떨어지는 현상이 발생하였다. 지지층(1)은 복수의 반도체층과 같이 소자의 특성에 따라 재질이 일정 정도 규정되므로, 휨 억제층(3)의 재질을 지지층(1)과 열팽창 계수가 작은 물질로 선택하는 것이 바람직하다. 아래 [표2]에 지지층(1) 및 휨 억제층(3)으로 사용될 수 있는 물질과 열팽창 계수를 예시하였다.
| Thermal expansion coefficient | Thermal conductivity | Electrical resistivity | Mineral hardness | Melting point | |
| 열팽창계수 | 열전도율 | 저항 | 경도 | 녹는점 | |
| 10-6 K-1 | W m-1 K-1 | 10-8 Ω m | (no units) | °C | |
| Ni | 13.4 | 91 | 7.2 | 4.0 | 1455 |
| Cu | 16.5 | 400 | 1.7 | 3.0 | 1085 |
| Ag | 18.9 | 430 | 1.6 | 2.5 | 962 |
| Au | 14.2 | 320 | 2.2 | 2.5 | 1064 |
| Ti | 8.6 | 22 | 40.0 | 6.0 | 1668 |
| Cr | 4.9 | 94 | 12.7 | 8.5 | 1907 |
| W | 4.5 | 174 | 5.4 | 7.5 | 3422 |
| Pt | 8.8 | 72 | 10.6 | 3.5 | 1768 |
| Ge | 6.0 | 60 | Semi. | 6.0 | 938 |
| Sapphire | 7.5 | 35 | 9.0 | 2030 | |
| GaN | 5.6 | 130 | Semi. | 2573 | |
| Si | 2.6 | 150 | Semi. | 6.5 | 1414 |
| AlN | 4.2 | 285 | Semi. | 2200 | |
| SiC | 4.5 | 283 | Semi. | 2793 | |
| Al | 23.1 | 237 | 2.7 | 2.8 | 660 |
| CuW | 170 | ||||
| CuMo | 6.7 | 170 | |||
| ZnO | 6.5 | 130 | Semi. | 1975 | |
| Au80Sn20 | 16.0 | 57 | 280 | ||
| Mo | 4.8 | 139 | 5.5 | 5.5 | 2896 |
| Ta | 6.3 | 57 | 13.5 | 6.5 | 3290 |
| In | 32.0 | 82 | 8.0 | 1.2 | 157 |
상기 [표2]를 참조하면, 사파이어의 열팽창계수는 7.5로서 세라믹/Mo 또는 세라믹/사파이어로 휨 억제층/지지층을 구성하면 열팽창계수의 차이가 작아서 적절한 조합의 예들이 된다. 휨 억제층(3)과 지지층(1)을 동일 재질로 선택하는 것이 열스트레스에 의한 떨어짐 방지 측면에서는 바람직하다. 따라서 Mo/Mo 조합도 좋고, 세라믹/사파이어 조합도 좋다. 여기서 Al2O3와 같은 물질이 단결정 상태일 때를 사파이어라고 하고, 아몰퍼스 상태를 세라믹이라고 한다. 이 둘은 열팽창계수가 거의 7.5로 동일하다. 한편, 세라믹/Cu, 세라믹/Ni 조합의 경우 열팽창계수의 차이가 큰 것을 알 수 있다.
고정층(5)은 지지층(1)과 희생층(2)을 부착시키고, 이후 희생층(2)이 제거 용액을 사용하여 제거됨에 따라 함께 제거되거나 지지층(1)으로부터 분리된다. 그 결과 휨 억제층(3)이 지지층(1)으로부터 분리된다. 고정층(5)은 지지층(1)과 희생층(2)를 접합 또는 고정시킬 수 있는 물질이라면 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 고정층(5)은 Ag paste로 이루어질 수 있으며, 그 외에도 AuSn, AgSn, NiSn, CuSn, AgSnCu, AuIn, AuGe, AuSi, AlGe과 같은 금속 합금으로 이루어지거나, In, Pb, Sn과 같은 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 고정층(5)으로 합성수지로 된 양면 테이프, 점착제 또는 접착제(예: 폴리이미드, Temploc)를 이용하여 희생층(2)과 휨 억제층(3)을 접합하는 것도 가능하다. 또한, 폴리머 접착물질로서, 예를 들어, ㈜ 에코인프라홀딩스사의 피막형불연코팅 소재인 MUC(Mega Uncombustible Coat), 세라믹 페인트로서, 예를 들어, ㈜ 에코웨어사의 세라믹하이코트(주제) 및 경화제가 비율 주제 14 : 경화제 4인 소재, 그래핀 방열접착 물질로서, 예를 들어, ㈜ 에코인프라홀딩스사의 MTCA(Mega Thermal Conductive Adhesive) 등도 고정층(5)의 재질로 사용할 수 있다. 이외에도, 고정층(5)은 Epoxies(EPO), Polyimides(PI or PSPI), Benzocyclobutene(BCB), Polybenzoxazole(PBO), Silicones(Siloxanes) 등의 물질로 이루어질 수 있다. 통상의 이러한 물질들은 그 용도에 맞게끔 주문되어 사용된다.
고정층(5)은 희생층(2) 및 휨 억제층(3) 중 적어도 하나에 형성된다. 본 예에서 고정층(5)은 희생층(2)에 패터닝된(patterned) 상부 고정층(5a) 및 휨 억제층(3)에 패터닝되어 상부 고정층(5a)에 접합되는 하부 고정층(5b)을 포함한다.
지지 기판(1,2,3,5)은 지지층(1), 희생층(2), 고정층(5) 및 휨 억제층(3)이 형성된 후에, 지지 기판(1,2,3,5)으로서 복수의 반도체층(30,40,50)에 접합될 수 있다. 물론 복수의 반도체층(30,40,50)에 지지층(1), 희생층(2), 고정층(5) 및 휨 억제층(3)을 순차로 형성하거나 부착하는 방법도 가능하다. 지지 기판(1,2,3,5)의 제조 방법에 있어서, 지지 기판(1,2,3,5)을 복수의 반도체층(30,40,50)에 부착하기 전에, 복수의 홀(3a)이 형성된 휨 억제층(3)이 고정층(5)에 의해 희생층(2)에 접합되어 지지 기판(1,2,3,5)이 제조된다. 이와 다르게, 휨 억제층(3)이 고정층(5)에 의해 희생층(2)에 접합된 후에 휨 억제층(3)에 복수의 홀(3a)을 형성하는 방법도 물론 가능하다. 다만, 복수의 홀(3a)을 형성하는 공정은 고정층(5), 희생층(2) 및 지지층(1)에 좋지 않은 영향을 줄 수도 있으므로 휨 억제층(3)에 복수의 홀(3a)이 미리 형성된 상태에서 지지층(1)과 결합되는 것이 상기 영향을 줄이는 방법이 될 수 있다. 반면, 고정층(5)을 희생층(2) 위에 전면적으로 도포하고, 휨 억제층(3)을 접합한 이후, 복수의 홀(3a)을 고정층(5)까지 관통하도록 형성하는 것도 공정 상에 이점을 줄 수 있다.
도 13은 고정층(5)과 홀(3a)의 패턴의 일 예를 설명하는 도면으로서, 휨 억제층(3)에는 도 13(a)에 도시된 것과 같이 복수의 홀(3a)이 형성되며, 고정층(5)은 복수의 홀(3a)을 피하여 희생층(2)과 휨 억제층(3) 사이에 개재되며, 휨 억제층(3)을 희생층(2)에 고정시킨다. 고정층(5)은 도 13(b)에 도시된 것과 같이 휨 억제층(3) 및 희생층(2) 중 적어도 하나에 패턴을 가지도록 형성되며, 스크린 프린팅, e-beam 증착, 도금, 열(thermal) 증착 등의 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, Ag 페이스트를 패턴이 형성된 마스크(예: 실크, Tape 등) 위에 도포하는 스크린 프린팅 방법으로 고정층(5)의 패턴(5a, 5b)이 형성될 수 있다. 또는, 고정층(5)을 형성하고 포토레지스트 패턴을 그 위에 형성한 후 포토레지스트 패턴을 마스크로 고정층(5)을 식각하여 고정층(5)의 패턴(5a, 5b)을 형성할 수 있다. 실크 스크린 프린팅의 경우 휨 억제층(3)을 재사용하기 위해서는 세척 과정이 추가될 수 있다. 한편, 테이프(Tape)를 사용하는 프린팅 방법은, 예를 들어, 구멍이 형성된 블루 테이프(Bule Tape) 또는 블루 테이프에 구멍을 형성하고 블루 테이프를 희생층(2)에 또는 휨 억제층(3)에 붙이고 Ag 페이스트를 도포하는 방법으로 프린팅할 수 있고, 습식식각으로 휨 억제층(3)을 분리하는 CLO 공정 이후에 블루 테이프를 휨 억제층(3)으로부터 떼어 버리면 공정이 간편하고, 블루 테이프는 저렴하므로 장점이 되며 실리콘 장비를 개발하는 경우에도 도움이 될 수 있다. 고정층(5)을 형성하는 또 다른 방법으로서 Musashi사의 엔지니어링 제품으로서 피스톤이 1초에 333회 디스펜싱하는 디스펜서로 고정층(5) 원료를 디스펜싱하는 방법으로 고정층(5)을 형성할 수 있다.
희생층(2)에 형성된 상부 고정층(5a)과 휨 억제층(3)에 형성된 하부 고정층(5b)이 얼라인되고(도 12 참조), 희생층(2)과 휨 억제층(3)이 상부 고정층(5a)과 하부 고정층(5b)에 의해 서로 고정된다. 이때, 도 13(c)에 도시된 바와 같이, 휨 억제층(3)에 형성된 각 홀(3a) 주변에 복수의 고정층(5) 패턴(5a, 5b)이 구비되며, 예를 들어, 도 13(d)에 도시된 것과 같이 각 홀(3a) 주변에 6개의 고정층(5) 패턴(5a, 5b)이 형성된다.
지지층(1)과 휨 억제층(3)이 서로 고정되는 방법, 즉 희생층(2)과 휨 억제층(3)이 고정층(5)에 의해 서로 고정되는 방법으로서, 예를 들어, 지지층(1; 예: 1a; Mo, 1b; Ni/Au)에 구비된 희생층(2; 예: Ti)와 휨 억제층(3; 예: 세라믹) 각각에 고정층(5)으로서 AuSn을 e-beam 증착, 도금, 열(thermal) 증착 등의 방법으로 1.5㎛ 정도의 두께로 형성한 다음, 웨이퍼 본딩 장비를 이용하여 300℃ 온도에서 20kg/cm2 이상의 압력을 10분이상 가해주면 휨 억제층(3)이 고정층(5)에 의해 희생층(2)에 본딩 또는 유테틱 본딩이 이루어진다. 고정층(5)을 구성하는 물질들의 조성과 유테틱 온도를 상기 [표1]에 예시하였다. 희생층(2) 및 휨 억제층(3) 중의 한 쪽에 Au를, 나머지 한 쪽에 Sn을 형성할 수도 있다. 그 결과, 지지층(1), 희생층(2), 고정층(5) 및 휨 억제층(3)을 구비하는 지지 기판(1,2,3,5)이 제조된다.
복수의 반도체층(30,40,50)과 지지 기판(1,2,3,5)을 고정하는 본딩층(4)도 지지층(1; 예: MoCu)에 AuSn을 e-beam 증착, 도금, 열(thermal) 증착 등의 방법으로 1.5㎛ 정도의 두께로 형성할 수 있다.
도 14는 본 개시에 따른 반도체 광소자용 지지 기판(1,2,3,5)의 다른 예를 설명하는 도면으로서, 본 예에서 지지 기판(1,2,3,5)은 휨 억제층(3)과 반대 측에서 지지층(1)에 일체화 되는 본딩층을 구비한다. 휨 억제층(3)에는 고정층(5) 퍼짐 방지 홈(3b)이 형성되어 있고, 고정층(5)은 일부가 고정층(5) 퍼짐 방지 홈(3b)에 삽입되어 있다. 홈이 단턱이 되어 희생층(2)과 휨 억제층(3) 간의 고정 과정에서 고정층(5)이 홀(3a) 측으로 넘어오거나 퍼지는 것이 억제된다. 따라서 고정층(5)에 의한 홀(3a)의 막힘이 방지되어 희생층(2) 제거 용액 홀(3a)을 통해 희생층(2)에 잘 도달되도록 한다.
상기 예들에서 희생층(2)과 고정층(5)이 별개로 구비되지만, 희생층(2)이 접합력을 가져서 별도로 고정층(5)을 형성하지 않는 구성을 고려할 수 있다. 예를 들어, 희생층(2)을 In 등으로 형성하면, Wafer bonding과 같은 공정으로 휨 억제층(3)과 희생층(2)이 접합되며, 습식시각으로 희생층(2)을 제거하여 지지층(1)과 휨 억제층(3)이 분리될 수 있다.
도 15 및 도 16은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 제조 방법의 일 예를 설명하는 도면으로서, 먼저, 성장 기판(10) 위에, 복수의 반도체층(30,40,50)을 성장시킨다(도 5 참조). 다음으로, 도 15(a)에 도시된 바와 같이, 지지 기판(1,2,3,5)을 구성하는 지지층(1), 희생층(2), 고정층(5) 및 휨 억제층(3)을 복수의 반도체층(30,40,50)에 형성한다. 이 때, 본딩층(4)을 이용한 유테틱 본딩이 이용될 수 있다. 다음으로, 도 15(b)에 도시된 바와 같이, 레이저 리프트-오프 방법으로 성장 기판(10)이 복수의 반도체층(30,40,50)으로부터 제거되고, 도 16(a)에 도시된 바와 같이, 전극(80) 형성, 거친 표면 형성, 아이솔레이션 공정, 패시베이션 막 형성과 같은 후속 공정이 행해진다. 마지막으로, 도 16(b)에 도시된 바와 같이, 휨 억제층(3)에 형성된 복수의 홀(3a)을 통해 희생층(2) 제거 용액을 제공하여 지지층(1)으로부터 휨 억제층(3)이 분리된다. 에천트에 의한 CLO 공정의 속도를 높이는 방법은 더 후술된다. 지지층(1)의 아래에 전극을 별도로 형성하는 것도 가능하다. 이후, 스크라이빙 공정 등을 거쳐, 웨이퍼 상태에서 개별 칩으로 제조된다.
도 17은 본 개시에 따른 지지 기판의 제조 방법의 일 예를 설명하는 도면으로서, 세라믹으로 지지 기판의 휨 억제층(3)을 형성하는 경우, 먼저, 연성의 세라믹 시트(155)를 형성한다. 세라믹의 종류는 특별히 한정되지 않고, 알루미나(Al2O3), 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC) 및 질화규소(SiN) 등을 예로 들 수 있다. 이러한 세라믹 분말에 용매, 유기 바인더 및 분산제 등을 배합하여 슬러리를 조제하고, 이 슬러리를 이용하여 세라믹 시트(155)를 제작한다(도 17a 참조).
이후, 연성의 세라믹 시트(155)에 구멍 형성 공정에 의해 복수의 홀(3a)를 형성한다. 여기서 연성의 세라믹 시트(155)는 형상이 변형이 비교적 자유롭고 홀(3a)나 홈 등의 형성 공정에 적합하도록 말랑 말랑한 상태이다. 구멍 형성 공정으로는 펀칭(101), 드릴, 스폿 페이싱, 레이저 가공 등의 방법이 사용될 수 있다. 본 예에서는 비용이 저렴하고 공정이 간편한 펀칭 공정에 의해(도 17b 참조) 세라믹 시트(155)에 복수의 홀(3a)가 형성된다. 홀(3a)의 평면 형상은 특별히 한정되지 않고, 원형, 타원형 및 삼각형, 사각형 및 육각형 등의 다각형으로 할 수 있다. 또한, 홀(3a)의 폭 또는 직경 방향 최대 치수는, 특별히 한정되지 않고, 홀(3a)의 밀도를 높게 하면 희생층(2)의 식각속도 향상을 시킬 수 있다. 또한, 홀(3a)의 단면, 즉 홀(3a)로 인한 세라믹 시트(155)의 면이 경사면이 되도록 형성하는 것도 가능하다. 또는, 세라믹 슬러리로 연성의 세라믹 시트(155)를 형성할 때 일정한 틀을 사용하여 홀(3a)를 형성할 수도 있다.
이후, 홀(3a)이 형성된 연성의 세라믹 시트(155)를 탈지하고, 계속해서 소정의 온도로 소성함으로써 휨 억제층(3)을 형성한다(도 17c 참조). 예를 들어, 복수의 홀(3a)이 형성된 세라믹 시트(155)를 오븐 등에 넣어 소성한다. 그 결과, 소성 공정에 의해 알루미나 등 세라믹을 고정하는 바인더 물질이나 용제가 날아가고 세라믹 시트(155)보다 약간 축소된 딱딱한 휨 억제층(3)이 형성된다. 통상적인 세라믹 시트(155)의 소성 온도는 보통 1400℃~1500℃ 정도이며, 본 예에서, 휨 억제층(3)의 두께는 필요에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 연성의 세라믹 시트(155; 예: 그린 시트)를 소성한 후 폴리싱(polishing) 공정을 하여 원하는 두께의 휨 억제층(3)이 형성될 수 있다. 이와 다르게, 처음부터 그린시트를 원하는 두께로 형성하고 소성하여 휨 억제층(3)이 제조되는 것이 가능하며, 폴리싱 공정을 생략할 수 있는 장점이 있다. 예를 들어, 연성의 세라믹 시트(155) 형성을 위해 알루미늄 파우더를 채우는 두께를 조절할 수 있는데, 얇게 하면 50um 두껍게는 500um 정도로 형성한다. 본 예에서는 처음부터 연성의 그린 시트에 홀(3a)를 펀치로 쉽고 저렴한 방법으로 가공한다. 소성 전의 세라믹 시트(155)는 연성 또는 연질이어서 펀칭 가공 등에 의해 홀(3a)를 원하는 형상으로 가공하기가 용이하다. 홀(3a)를 형성하기 위해 레이저를 사용하는 것보다 목각(예: 펀치)으로 형성하면 비용이 훨씬 절감된다.
한편, 지지층(1)과 휨 억제층(3)을 분리하는 CLO 공정의 속도를 빠르게 하는 것이 공정 효율 향상에 중요하다. 따라서 희생층(2)이 에천트에 의해 빠르게 식각되는 것이 바람직하며, 희생층(2)이 다공성(porous)을 가지도록 형성되면 더욱 좋다. 희생층(2) 형성 방법에서 e-beam 증착이나 스퍼터링 방법이 사용될 수 있는데, e-beam 증착에 의해 형성된 희생층(2)이 스퍼터링에 의한 희생층(2)의 식각속도보다 더 빠른 것을 확인할 수 있었다. 또한, 고정층(5)이 폴리머로 형성되는 경우 폴리머와 희생층(2)의 계면 특성을 경화 시간 및 온도를 적절히 조절하여 희생층(2) 식각에 유리하게(예; 다공성 틈이 생기도록) 형성할 수 있다. 또한, 고정층(5)의 패턴을 형성할 때, 접착 능력에 문제가 없는 한 고정층(5) 패턴의 면적을 작게하여 에천트와 희생층(2)의 접촉면을 증가시키고, 에천트가 제공되는 홀의 밀도를 가능한 한 증가시켜 CLO 속도를 빠르게 할 수 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 반도체 광소자용 지지 기판;으로서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하며 성장 기판에 형성되는 복수의 반도체층으로부터, 성장 기판을 제거할 때 복수의 반도체층을 지지하도록 사용되는, 반도체 광소자용 지지 기판에 있어서, 복수의 반도체층을 기준으로 성장 기판의 반대 측에서 복수의 반도체층과 일체화되는 지지층; 지지층을 기준으로 복수의 반도체층의 반대 측에서 지지층과 일체화되는 희생층; 그리고 희생층을 기준으로 지지층의 반대측에 구비되며, 성장 기판이 제거된 복수의 반도체층의 휨을 억제하는 휨 억제층;으로서, 희생층 제거시 사용되는 제거 용액을 위한 통로가 형성된 휨 억제층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판.
본 개시에 따른 반도체 광소자용 지지 기판은 반도체 광소자에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, TSV(Through Silicon Via) 공정시에서 기판에 형성된 비아홀 내로 도전체를 형성하고 기판의 후면을 갈아내어 비아홀을 관통하는 도전체를 형성한다. 이와 같은 갈아내는 공정에서 기판은 약 70um의 두께를 가지며, 공정의 스트레스로 인해 기판의 휨 현상이 발생하게 된다. 본 개시에 따른 지지 기판을 이와 같은 TSV 기판에 부착하여 사용하면 휨 방지 목적을 달성할 수 있다.
(2) 통로를 피하여 희생층과 휨 억제층 사이에 개재되며, 휨 억제층을 희생층에 고정시키는 고정층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판.
(3) 통로는 휨 억제층을 관통하는 복수의 홀인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판.
(4) 고정층은: 희생층에 패터닝된(patterned) 상부 고정층; 그리고 휨 억제층에 패터닝되어 상부 고정층에 고정되는 하부 고정층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판.
(5) 휨 억제층에는 고정층 퍼짐 방지 홈이 형성되어 있고, 고정층은 일부가 고정층 퍼짐 방지 홈에 삽입된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판.
(6) 복수의 홀을 피하여 희생층과 휨 억제층 사이에 개재되며, 휨 억제층을 희생층에 고정시키는 고정층;을 포함하며, 고정층은 각 홀의 주변에 복수의 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판.
(7) 희생층은 접착력을 구비하여, 휨 억제층을 지지층에 고정시키는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판.
(8) 휨 억제층은 세라믹, 사파이어, SUS, Al, Si, Cu-C, Ge, GaAs, Mo, MoCu, W, WCu, Cu, Ni, Ti로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판.
(9) 희생층은 Ti, SiO2, CrN로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판.
(10) 고정층은 Ag paste, AuSn, AgSn, NiSn, CuSn, AgSnCu, AuIn, AuGe, AuSi, AlGe, In, Pb, Sn, 양면 테이프, 폴리이미드, Temploc으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판.
(11) 지지층은 금속 또는 금속 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판.
(12) 지지층은 복수의 반도체층과 일체화되는 측에 복수의 반도체층과 접합되는 본딩층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판.
(13) 반도체 광소자를 제조하는 방법에 있어서, 성장 기판에, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수의 반도체층을 형성하는 단계; 복수의 반도체층에 부착되는 지지층과, 복수의 반도체층의 반대 측에서 지지층에 구비된 희생층과, 성장 기판이 제거된 복수의 반도체층의 휨을 억제하도록 지지층의 반대 측에서 희생층에 구비되며 희생층 제거시 사용되는 제거 용액을 위한 통로가 형서된 휨 억제층을 구비하는 지지 기판을, 복수의 반도체층에 부착하는 단계; 복수의 반도체층으로부터 성장 기판을 제거하는 단계; 그리고, 통로로 제거 용액을 공급하여 희생층을 제거함으로써 지지층으로부터 휨 억제층을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법.
(14) 지지 기판은 통로를 피하여 희생층과 휨 억제층 사이에 개재되며, 휨 억제층을 희생층에 고정시키는 고정층;을 포함하며, 고정층은 제거되는 희생층과 함께 지지층으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법.
(15) 통로는 휨 억제층을 관통하는 복수의 홀이며, 고정층은 희생층 및 휨 억제층 중 적어도 하나에 복수의 홀을 피하여 패터닝되어 있고, 제거 용액은 복수의 홀을 통해 고정층에 의해 노출된 희생층에 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법.
제거 용액은 복수의 홀을 통해 고정층에 의해 노출된 희생층에 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법.
(16) 복수의 반도체층에 지지 기판을 부착하는 단계 전에, 지지 기판을 준비하는 단계;를 포함하며, 지지 기판을 준비하는 단계는: 지지층을 형성하는 과정;
지지층에 희생층을 형성하는 과정; 휨 억제층을 준비하는 과정; 희생층과 휨 억제층 중 적어도 하나에 고정층을 형성하는 과정; 그리고 고정층에 의해 희생층과 휨 억제층을 접합하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법.
(17) 휨 억제층을 준비하는 과정은: 연질의(flexible) 세라믹 시트에 복수의 홀을 형성하는 과정; 그리고 복수의 홀이 형성된 세라믹 시트를 소성하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법.
(18) 고정층은 스크린 프린팅, e-beam 증착, 도금, 열(thermal) 증착, 테이프 프린팅 중 하나의 방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법.
(19) 부착하는 단계에서, 지지 기판은 복수의 반도체층에 유테틱 본딩되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법.
본 개시에 따른 하나의 반도체 광소자용 지지 기판 및 이를 이용하는 반도체 발광소자의 제조 방법에 의하면, 성장 기판 제거 후 복수의 반도체층의 휨(bowing)을 줄일 수 있게 된다.
본 개시에 따른 다른 하나의 반도체 광소자용 지지 기판 및 이를 이용하는 반도체 발광소자의 제조 방법에 의하면, 휨 억제층에 희생층 제거시 사용되는 용액을 위한 통로를 형성함으로써 레이저 리프트-오프에 비해 비용이 작고 공정이 쉬운 습식 식각을 사용하여 지지층으로부터 휨 억제층을 분리할 수 있게 된다.
본 개시에 따른 또 다른 하나의 반도체 광소자용 지지 기판 및 이를 이용하는 반도체 발광소자의 제조 방법에 의하면, 분리된 휨 억제층을 재사용할 수 있게 되며, 세라믹 시트로부터 바로 휨 억제층을 형성하면 공정이 간편하다.
본 개시에 따른 또 다른 하나의 반도체 광소자용 지지 기판 및 이를 이용하는 반도체 발광소자의 제조 방법에 의하면, 지지층의 연마가 불필요하게 된다.
100: 성장 기판, 300: 제1 반도체층, 400: 활성층, 500: 제2 반도체층
Claims (19)
- 반도체 광소자용 지지 기판;으로서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하며 성장 기판에 형성되는 복수의 반도체층으로부터, 성장 기판을 제거할 때 복수의 반도체층을 지지하도록 사용되는, 반도체 광소자용 지지 기판에 있어서,
복수의 반도체층을 기준으로 성장 기판의 반대 측에서 복수의 반도체층과 일체화되는 지지층;
지지층을 기준으로 복수의 반도체층의 반대 측에서 지지층과 일체화되는 희생층; 그리고
희생층을 기준으로 지지층의 반대측에 구비되며, 성장 기판이 제거된 복수의 반도체층의 휨을 억제하는 휨 억제층;으로서, 희생층 제거시 사용되는 제거 용액을 위한 통로가 형성된 휨 억제층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판. - 청구항 1에 있어서,
통로를 피하여 희생층과 휨 억제층 사이에 개재되며, 휨 억제층을 희생층에 고정시키는 고정층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판. - 청구항 1에 있어서,
통로는 휨 억제층을 관통하는 복수의 홀인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판. - 청구항 2에 있어서,
고정층은:
희생층에 패터닝된(patterned) 상부 고정층; 그리고
휨 억제층에 패터닝되어 상부 고정층에 고정되는 하부 고정층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판. - 청구항 2에 있어서,
휨 억제층에는 고정층 퍼짐 방지 홈이 형성되어 있고,
고정층은 일부가 고정층 퍼짐 방지 홈에 삽입된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판. - 청구항 3에 있어서,
복수의 홀을 피하여 희생층과 휨 억제층 사이에 개재되며, 휨 억제층을 희생층에 고정시키는 고정층;을 포함하며,
고정층은 각 홀의 주변에 복수의 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판. - 청구항 1에 있어서,
희생층은 접착력을 구비하여, 휨 억제층을 지지층에 고정시키는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판. - 청구항 1에 있어서,
휨 억제층은 세라믹, 사파이어, SUS, Al, Si, Cu-C, Ge, GaAs, Mo, MoCu, W, WCu, Cu, Ni, Ti로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판. - 청구항 1에 있어서,
희생층은 Ti, SiO2, CrN로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판. - 청구항 2에 있어서,
고정층은 Ag paste, AuSn, AgSn, NiSn, CuSn, AgSnCu, AuIn, AuGe, AuSi, AlGe, In, Pb, Sn, 양면 테이프, 폴리이미드, Temploc으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판. - 청구항 1에 있어서,
지지층은 금속 또는 금속 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판. - 청구항 1에 있어서,
지지층은 복수의 반도체층과 일체화되는 측에 복수의 반도체층과 접합되는 본딩층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자용 지지 기판. - 반도체 광소자를 제조하는 방법에 있어서,
성장 기판에, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층을 구비하는 복수의 반도체층을 형성하는 단계;
복수의 반도체층에 부착되는 지지층과, 복수의 반도체층의 반대 측에서 지지층에 구비된 희생층과, 성장 기판이 제거된 복수의 반도체층의 휨을 억제하도록 지지층의 반대 측에서 희생층에 구비되며 희생층 제거시 사용되는 제거 용액을 위한 통로가 형서된 휨 억제층을 구비하는 지지 기판을, 복수의 반도체층에 부착하는 단계;
복수의 반도체층으로부터 성장 기판을 제거하는 단계; 그리고,
통로로 제거 용액을 공급하여 희생층을 제거함으로써 지지층으로부터 휨 억제층을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법. - 청구항 13에 있어서,
지지 기판은 통로를 피하여 희생층과 휨 억제층 사이에 개재되며, 휨 억제층을 희생층에 고정시키는 고정층;을 포함하며,
고정층은 제거되는 희생층과 함께 지지층으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법. - 청구항 14에 있어서,
통로는 휨 억제층을 관통하는 복수의 홀이며,
고정층은 희생층 및 휨 억제층 중 적어도 하나에 복수의 홀을 피하여 패터닝되어 있고,
제거 용액은 복수의 홀을 통해 고정층에 의해 노출된 희생층에 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법. - 청구항 15에 있어서,
복수의 반도체층에 지지 기판을 부착하는 단계 전에, 지지 기판을 준비하는 단계;를 포함하며,
지지 기판을 준비하는 단계는:
지지층을 형성하는 과정;
지지층에 희생층을 형성하는 과정;
휨 억제층을 준비하는 과정;
희생층과 휨 억제층 중 적어도 하나에 고정층을 형성하는 과정; 그리고
고정층에 의해 희생층과 휨 억제층을 접합하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법. - 청구항 16에 있어서,
휨 억제층을 준비하는 과정은:
연질의(flexible) 세라믹 시트에 복수의 홀을 형성하는 과정; 그리고
복수의 홀이 형성된 세라믹 시트를 소성하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법. - 청구항 16에 있어서,
고정층은 스크린 프린팅, e-beam 증착, 도금, 열(thermal) 증착, 테이프 프린팅 중 하나의 방법으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법. - 청구항 13 내지 청구항 18항 중의 어느 한 항에 있어서,
부착하는 단계에서, 지지 기판은 복수의 반도체층에 유테틱 본딩되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자를 제조하는 방법.
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