KR20230061847A - Method for manufacturing GaN thin film by carbon dioxide laser assisted RF sputtering process - Google Patents

Method for manufacturing GaN thin film by carbon dioxide laser assisted RF sputtering process Download PDF

Info

Publication number
KR20230061847A
KR20230061847A KR1020210146507A KR20210146507A KR20230061847A KR 20230061847 A KR20230061847 A KR 20230061847A KR 1020210146507 A KR1020210146507 A KR 1020210146507A KR 20210146507 A KR20210146507 A KR 20210146507A KR 20230061847 A KR20230061847 A KR 20230061847A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gallium nitride
thin film
nitride thin
laser
substrate
Prior art date
Application number
KR1020210146507A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
고중혁
김승현
윤재용
배민성
Original Assignee
중앙대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 중앙대학교 산학협력단 filed Critical 중앙대학교 산학협력단
Priority to KR1020210146507A priority Critical patent/KR20230061847A/en
Publication of KR20230061847A publication Critical patent/KR20230061847A/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0617AIII BV compounds, where A is Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/3485Sputtering using pulsed power to the target
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/35Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Disclosed in the present invention is a method for manufacturing a gallium nitride thin film, capable of manufacturing a gallium nitride thin film with excellent crystallinity by a radio frequency (RF) sputtering process in a low temperature by radiating a carbon dioxide laser. The method for manufacturing a gallium nitride thin film includes: a step of arranging a target including gallium nitride and a substrate on which the target is deposited in an RF magnetron sputtering chamber; a second step of injecting an inert gas including argon at partial pressure of 50-70% after decompressing the inside of the chamber by vacuum; and a third step of applying RF electricity of 100-250 W to the target and radiating the carbon dioxide laser to the substrate in a laser duty cycle of 8-12%, thereby performing the RF magnetron sputtering process.

Description

이산화탄소 레이저 보조 RF 스퍼터링 공정에 의한 질화갈륨 박막 제조 방법 {Method for manufacturing GaN thin film by carbon dioxide laser assisted RF sputtering process}Method for manufacturing GaN thin film by carbon dioxide laser assisted RF sputtering process}

본 발명은 질화갈륨 박막 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, CO2 레이저를 조사하여 저온에서 RF 스퍼터링 공정에 의해 결정성이 우수한 질화갈륨 박막을 제조할 수 있는, 질화갈륨 박막 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a gallium nitride thin film, and more particularly, to a method for manufacturing a gallium nitride thin film capable of manufacturing a gallium nitride thin film having excellent crystallinity by irradiating a CO 2 laser and performing an RF sputtering process at a low temperature. will be.

광대역 에너지 밴드갭 물질에 해당하는 질화갈륨(GaN)은 넓은 밴드갭(3.4eV) 및 높은 자외선 투과율 등의 우수한 전기적 특성에 의해, 전지나 트랜지스터 등의 전자전기 분야에서 주목을 받고있다. 특히, 넓은 에너지 밴드 갭 반도체는 고전압 또는 전류를 견딜 수 있는 전력 장치 응용 분야에 특히 유망하다.Gallium nitride (GaN), which corresponds to a wide band energy bandgap material, has attracted attention in the field of electronics such as batteries and transistors due to its excellent electrical properties such as a wide bandgap (3.4eV) and high ultraviolet transmittance. In particular, wide energy bandgap semiconductors are particularly promising for power device applications that can withstand high voltages or currents.

이러한 질화갈륨(GaN)을 박막 형태로 증착하기 위해서는, 상기 질화갈륨 고체의 결합 에너지가 높아 기판에 증착시키기 위해서는 많은 에너지가 필요하며, 종래의 RF 스퍼터링 공정을 통하여 상기 질화갈륨을 증착하기 위해서는 기판 온도를 700℃ 가량 상승시키거나, 공정 후에 600℃ 내지 900℃의 고온에서의 어닐링 과정이 추가로 수행되는 등, 상기 질화갈륨의 결정화에 요구되는 높은 열에너지를 공급해줄 필요성이 존재한다. 이 때문에, 반응성 RF 스퍼터링 공정 또는 증발 공정과 같은, 종래의 물리적 기상 증착 공정을 사용하여 고품질의 박막을 제조하기에 용이하지 않다.In order to deposit such gallium nitride (GaN) in the form of a thin film, the bonding energy of the gallium nitride solid is high, so much energy is required to deposit it on the substrate, and in order to deposit the gallium nitride through a conventional RF sputtering process, the substrate temperature There is a need to supply high thermal energy required for crystallization of the gallium nitride, such as raising about 700 ° C. or additionally performing an annealing process at a high temperature of 600 ° C. to 900 ° C. after the process. Because of this, it is not easy to produce high-quality thin films using conventional physical vapor deposition processes, such as reactive RF sputtering processes or evaporation processes.

따라서, 에너지가 많이 필요한 종래의 증착 방법보다 우수한 질화갈륨 증착 공정의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, there is a need to develop a gallium nitride deposition process that is superior to conventional deposition methods that require a lot of energy.

본 발명의 일 목적은, CO2 레이저를 조사하여 저온에서 RF 스퍼터링 공정에 의해 결정성이 우수한 질화갈륨 박막을 제조할 수 있는, 질화갈륨 박막 제조 방법을 제공하는 것이다. One object of the present invention is to provide a method for producing a gallium nitride thin film, capable of producing a gallium nitride thin film having excellent crystallinity by RF sputtering at a low temperature by irradiating CO 2 laser.

본 발명의 다른 목적은, 상기 제조 방법을 사용하여 제조되는 질화갈륨 박막을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a gallium nitride thin film manufactured using the above manufacturing method.

일 측면으로서, 본 발명은, 질화갈륨을 포함하는 타겟, 및 상기 타겟이 증착될 기판을 RF(radio frequency) 마그네트론 스퍼터링 챔버 내에 배치하는 제1 단계; 상기 챔버 내부를 진공으로 감압한 뒤, 아르곤을 50% 내지 70%의 분압으로 포함하는 불활성 기체를 주입하는 제2 단계; 및 상기 타겟에 100w 내지 250w의 RF 전력을 인가하고, 상기 기판에 CO2 레이저를 8% 내지 12%의 레이저 듀티 사이클로 조사하여, RF 마그네트론 스퍼터링 공정을 진행하는 제3 단계;를 포함하는, 질화갈륨 박막 제조 방법을 제공한다.As one aspect, the present invention provides a first step of disposing a target containing gallium nitride and a substrate on which the target is to be deposited in a radio frequency (RF) magnetron sputtering chamber; a second step of injecting an inert gas containing argon at a partial pressure of 50% to 70% after depressurizing the inside of the chamber to vacuum; And a third step of applying RF power of 100w to 250w to the target and irradiating the substrate with a CO 2 laser at a laser duty cycle of 8% to 12% to perform an RF magnetron sputtering process. A thin film manufacturing method is provided.

일 구현예에 있어서, 상기 질화갈륨을 포함하는 타겟은 질화갈륨 세라믹 타겟이고, 상기 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the target containing gallium nitride is a gallium nitride ceramic target, and the substrate is characterized in that a sapphire substrate.

일 구현예에 있어서, 상기 불활성 기체는 아르곤 및 질소를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the inert gas is characterized in that it includes argon and nitrogen.

일 구현예에 있어서, 상기 CO2 레이저는 10,600nm의 파장을 갖는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the CO 2 laser is characterized in that it has a wavelength of 10,600nm.

일 구현예에 있어서, 상기 공정이 진행될 때 상기 기판의 온도는 150℃ 내지 300℃인 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the temperature of the substrate during the process is characterized in that 150 ℃ to 300 ℃.

일 구현예에 있어서, 상기 공정은 10mTorr 내지 20mTorr의 작동 압력에서 20분 내지 40분 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the process is characterized in that it is performed for 20 minutes to 40 minutes at an operating pressure of 10 mTorr to 20 mTorr.

일 측면으로서, 본 발명은, 상기 질화갈륨 박막 제조 방법을 통해 제조되는, 질화갈륨 박막을 제공한다.As one aspect, the present invention provides a gallium nitride thin film, which is manufactured through the gallium nitride thin film manufacturing method.

일 구현예에 있어서, 상기 질화갈륨 박막은 3.2eV 내지 3.8eV의 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the gallium nitride thin film is characterized in that it has a band gap of 3.2eV to 3.8eV.

일 구현예에 있어서, 상기 질화갈륨 박막은 결정 구조의 C-면을 따라 성장하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment, the gallium nitride thin film is characterized in that it grows along the C-plane of the crystal structure.

바람직하게는, 본 발명은, 질화갈륨을 포함하는 타겟, 및 상기 타겟이 증착될 기판을 RF(radio frequency) 마그네트론 스퍼터링 챔버 내에 배치하는 제1 단계; 상기 챔버 내부를 진공으로 감압한 뒤, 아르곤을 60%의 분압으로 포함하는 불활성 기체를 주입하는 제2 단계; 및 상기 타겟에 200w의 RF 전력을 인가하고, 상기 기판에 CO2 레이저를 11%의 레이저 듀티 사이클로 조사하여, RF 마그네트론 스퍼터링 공정을 진행하는 제3 단계;를 포함하는, 질화갈륨 박막 제조 방법을 제공한다.Preferably, the present invention includes a first step of disposing a target containing gallium nitride and a substrate on which the target is to be deposited in a radio frequency (RF) magnetron sputtering chamber; a second step of injecting an inert gas containing argon at a partial pressure of 60% after depressurizing the inside of the chamber to vacuum; And a third step of applying RF power of 200w to the target and irradiating the substrate with a CO 2 laser at a laser duty cycle of 11% to perform an RF magnetron sputtering process; do.

본 발명의 질화갈륨 박막 제조 방법에 따르면, RF 스퍼터링 공정 중, 열전달 특성이 뛰어난 적외선 레이저(IR 레이저)를 기판 위에 조사하여 결정화하는데 큰 에너지가 요구되는 질화갈륨에 열에너지를 공급하면, 기판 온도를 상승시키거나 열을 가하는 등의 후처리 공정을 거치지 않고도 높은 결정성을 지닌 질화갈륨 박막을 얻을 수 있다.According to the gallium nitride thin film manufacturing method of the present invention, during the RF sputtering process, when an infrared laser (IR laser) having excellent heat transfer characteristics is irradiated onto a substrate to supply thermal energy to gallium nitride, which requires a large amount of energy for crystallization, the substrate temperature is raised. A gallium nitride thin film with high crystallinity can be obtained without going through a post-processing process such as heating or applying heat.

도 1은 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 공정을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 챔버 내 주입되는 불활성 기체 내 아르곤의 분압에 따른 질화갈륨 박막의 XRD 그래프를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 공정 중 타겟 상에 적용되는 RF 전력에 따른 질화갈륨 박막의 XRD 그래프를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 공정 중 기판 상에 적용되는 CO2 레이저 듀티 사이클에 따른 질화갈륨 박막의 XRD 그래프를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 공정 중 기판 상에 적용되는 CO2 레이저 듀티 사이클에 따른 질화갈륨 박막의 광 투과도 그래프 및 Tauc 플롯 그래프를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 공정 중 기판 상에 적용되는 CO2 레이저 듀티 사이클에 따른 질화갈륨 박막의 밴드갭 그래프를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 공정 중 기판 상에 적용되는 CO2 레이저 듀티 사이클에 따른 질화갈륨 박막 표면의 SEM 이미지를 도시하는 도면이다.
1 is a diagram schematically showing an RF magnetic sputtering process of the present invention.
2 is a diagram showing an XRD graph of a gallium nitride thin film according to the partial pressure of argon in an inert gas injected into an RF magnetic sputtering chamber of the present invention.
3 is a diagram showing an XRD graph of a gallium nitride thin film according to RF power applied on a target during the RF magnetic sputtering process of the present invention.
4 is a view showing an XRD graph of a gallium nitride thin film according to a CO 2 laser duty cycle applied on a substrate during the RF magnetic sputtering process of the present invention.
5 is a view showing a graph of light transmittance and a Tauc plot of a gallium nitride thin film according to a CO 2 laser duty cycle applied on a substrate during the RF magnetic sputtering process of the present invention.
6 is a graph showing a bandgap graph of a gallium nitride thin film according to a CO 2 laser duty cycle applied on a substrate during the RF magnetic sputtering process of the present invention.
7 is a view showing SEM images of the surface of a gallium nitride thin film according to the CO 2 laser duty cycle applied on the substrate during the RF magnetic sputtering process of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. Since the present invention may have various changes and various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form disclosed, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "함유"한다고 할 때, 이는 특별히 달리 정의되지 않는 한, 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Throughout the specification, when a certain part "includes" or "contains" a certain component, it means that it may further include other components unless otherwise specifically defined. Also, singular expressions used in this specification include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, and in this application Unless defined, it is not to be construed in an idealized or overly formal sense.

이하, 본 발명이 개시하는 질화갈륨 박막 제조 방법을, 본 발명의 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the gallium nitride thin film manufacturing method disclosed by the present invention will be described in more detail with reference to the drawings of the present invention.

질화갈륨은 3.4 eV의 넓은 에너지 밴드 갭, 1.3W/(cm·K)(300K)의 높은 열전도도, 10kV의 높은 측면 항복 전압, 1000cm2/(V·s)(300K)의 높은 전자 이동도를 갖는 유망한 반도체 화합물이다. 그러나, 질화갈륨의 넓은 에너지 밴드갭 및 1600℃의 높은 용융 온도로 인해 상기 질화갈륨을 기판에 증착하는데 높은 에너지가 요구되며, 이를 위하여, 종래의 질화갈륨 박막 증착 공정은 장비 유지 및 박막 제작에 많은 설비와 비용이 필요하다.Gallium nitride has a wide energy band gap of 3.4 eV, high thermal conductivity of 1.3 W/(cm K) (300 K), high lateral breakdown voltage of 10 kV, and high electron mobility of 1000 cm 2 /(V s) (300 K). It is a promising semiconductor compound with However, high energy is required to deposit gallium nitride on a substrate due to its wide energy bandgap and high melting temperature of 1600 ° C. To this end, the conventional gallium nitride thin film deposition process requires a lot of equipment maintenance and thin film production. equipment and cost.

상기 질화갈륨 박막의 증착을 위해 종래에 사용되던 스퍼터링 공정은 챔버 내부가 고진공인 환경에서 진행되는 공정이다. 그러나, 증착하려는 박막 물질에 열에너지를 전달하기 위해 히터를 사용하여 기판 온도를 상승시키면, 고진공 환경이 깨지기 쉬워지며, 상기 고진공 환경을 유지하기 위해서는 공정이 진행되는 동안 펌프로 챔버 내부의 공기를 배출 제거해야한다. 이는, 질화갈륨의 증착 공정에서의 제조 수율 저하를 야기하고, 이로 인하여 질화갈륨의 증착 공정에 필요한 비용이 증가할 수 있다. 또한 질화갈륨은 공정 과정 중 높은 기판 온도를 요구하는 것뿐 아니라, 스퍼터링 공정 후 추가적인 열처리를 요구하는 등 후처리 과정이 필요하며, 이 역시 공정의 비용을 증가시키는데 영향을 미칠 수 있다.A sputtering process conventionally used for depositing the gallium nitride thin film is a process performed in a high vacuum environment inside the chamber. However, if the temperature of the substrate is raised using a heater to transfer thermal energy to the thin film material to be deposited, the high vacuum environment becomes fragile. Should be. This causes a decrease in production yield in the gallium nitride deposition process, and thus, the cost required for the gallium nitride deposition process may increase. In addition, gallium nitride requires a post-processing process such as requiring a high substrate temperature during the process and additional heat treatment after the sputtering process, which may also have an effect on increasing the cost of the process.

하기의 표 1에는 질화갈륨 박막을 제조하는 데 사용되는 종래의 다양한 공정이 기재되어 있다.Table 1 below lists various conventional processes used to manufacture gallium nitride thin films.

유형category 증착 방법deposition method 기판Board 기판 온도(℃)Substrate temperature (℃) 화학 기상 증착
(CVD)
chemical vapor deposition
(CVD)
유기금속 화학 기상 증착Organometallic Chemical Vapor Deposition C-면 사파이어C-face sapphire 600 - 1,000600 - 1,000
하이드라이드 기상 에피택시hydride meteorological epitaxy C-면 사파이어C-face sapphire 600 - 1,045600 - 1,045 물리 기상 증착
(PVD)
physical vapor deposition
(PVD)
펄스 레이저 증착pulsed laser deposition C-면 사파이어C-face sapphire 550 - 750550 - 750
분자 선 에피택시Molecular Line Epitaxy C-면 사파이어C-face sapphire 650 - 850650 - 850 RF 마그네트론
스퍼터링
RF magnetron
sputtering
액체 Ga 타겟liquid Ga target 석영, C-면 사파이어Quartz, C-face sapphire 800 - 860800 - 860
GaAs 타겟GaAs target 석영quartz 600 - 850600 - 850 GaN 타겟GaN target 유리glass 800800

상기 표 1를 참조하면, 종래의 화학적 또는 물리적 기상 증착 공정을 사용하여 질화갈륨 박막을 성장시키기 위해서는 일반적으로 800℃ 이상의 매우 높은 기판 온도가 필요한 것을 확인할 수 있다. Referring to Table 1, it can be seen that a very high substrate temperature of 800° C. or higher is generally required to grow a gallium nitride thin film using a conventional chemical or physical vapor deposition process.

질화갈륨 박막을 성장시키기 위한 물리적 기상 증착 공정 중 마그네트론 RF 스퍼터링 공정이 가장 대표적이다. 상기 스퍼터링 공정 중, 질화갈륨 박막 성장에 충분한 에너지를 제공하기 위해서는 기판을 가열하는 방식이 널리 사용되고 있으나, 상기 스퍼터링 공정에서 사용되는 진공의 챔버 내에서는 높은 열에너지를 박막에 전달할 수 없는데, 이는 상기 챔버를 고온에서 고진공 상태로 유지하기 매우 어렵기 때문이다. 결과적으로, 상기 표 1 내 기재된 일반적인 증착 방법을 통하여, 고온에서 고품질 박막을 성장시킬 수 없다.Among physical vapor deposition processes for growing a gallium nitride thin film, a magnetron RF sputtering process is the most representative. During the sputtering process, a method of heating a substrate is widely used to provide sufficient energy for the growth of a gallium nitride thin film, but high thermal energy cannot be transferred to the thin film in a vacuum chamber used in the sputtering process. This is because it is very difficult to maintain a high vacuum state at high temperatures. As a result, it is not possible to grow a high-quality thin film at a high temperature through the general deposition method described in Table 1 above.

이를 위하여, 본 발명에서는, 상기 기판을 직접 히팅하는 대신, CO2 레이저 조사를 이용하여 질화갈륨의 성장에 필요한 에너지를 공급하는 방법을 사용한다.To this end, in the present invention, instead of directly heating the substrate, a method of supplying energy necessary for the growth of gallium nitride using CO 2 laser irradiation is used.

도 1은 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 공정을 개략적으로 도시하는 도면이다. 1 is a diagram schematically showing an RF magnetic sputtering process of the present invention.

상기 도 1을 참조하면, 본 발명은, 질화갈륨을 포함하는 타겟, 및 상기 타겟이 증착될 기판을 RF(radio frequency) 마그네트론 스퍼터링 챔버 내에 배치하는 제1 단계; 상기 챔버 내부를 진공으로 감압한 뒤, 아르곤을 50% 내지 70%의 분압으로 포함하는 불활성 기체를 주입하는 제2 단계; 및 상기 타겟에 100w 내지 250w의 RF 전력을 인가하고, 상기 기판에 CO2 레이저를 8% 내지 12%의 레이저 듀티 사이클로 조사하여, RF 마그네트론 스퍼터링 공정을 진행하는 제3 단계;를 포함하는, 질화갈륨 박막 제조 방법을 제공한다.Referring to FIG. 1, the present invention includes a first step of arranging a target containing gallium nitride and a substrate on which the target is to be deposited in a radio frequency (RF) magnetron sputtering chamber; a second step of injecting an inert gas containing argon at a partial pressure of 50% to 70% after depressurizing the inside of the chamber to vacuum; And a third step of applying RF power of 100w to 250w to the target and irradiating the substrate with a CO 2 laser at a laser duty cycle of 8% to 12% to perform an RF magnetron sputtering process. A thin film manufacturing method is provided.

본 발명은, 질화갈륨을 포함하는 타겟을 RF 마그네트론 스퍼터링 공정 중, RF 마그네트론 스퍼터링 챔버의 측면에 위치한 ZnSe 뷰포트를 통해 적외선 영역의 CO2 레이저를 조사하여 상기 기판에 에너지를 공급함으로써 결정성이 향상된 질화갈륨 박막을 제조하는 방법이다. 이때, 바람직하게는, 상기 질화갈륨을 포함하는 타겟은 질화갈륨 세라믹 타겟일 수 있고, 상기 기판은 사파이어 기판일 수 있다.In the present invention, during the RF magnetron sputtering process of a target including gallium nitride, a CO 2 laser in the infrared region is irradiated through a ZnSe viewport located on the side of an RF magnetron sputtering chamber to supply energy to the substrate, thereby supplying energy to nitride with improved crystallinity. A method for producing a gallium thin film. In this case, preferably, the target containing gallium nitride may be a gallium nitride ceramic target, and the substrate may be a sapphire substrate.

상기 적외선 영역의 CO2 레이저는, 스퍼터 공정 중의 열전달 특성이 뛰어나며 이를 통하여 열에너지를 기판에 전달하여 제조되는 질화갈륨 박막 특성을 향상시킬 수 있다. 이때, 상기 CO2 레이저는 10,600nm의 파장을 가질 수 있고, 0.12eV의 광자 에너지로 변환되는 파장인 10,600nm의 상기 CO2 레이저는 RF 스퍼터링 중에 박막으로 전달되어 광에너지에서 열에너지로 변환되어 열에너지를 기판에 전달할 수 있다. 상기 적외선 영역대 레이저의 조사에 의해, 결정화에 요구되는 열에너지가 높은 질화갈륨을 비교적 낮은 온도로 기판 상부에 증착할 수 있다. 본 발명에서, 상기 공정이 진행될 때 상기 기판의 온도는 150℃ 내지 300℃일 수 있고, 바람직하게는 200℃ 일 수 있다.The CO 2 laser in the infrared region has excellent heat transfer characteristics during a sputtering process, and through this, it is possible to improve characteristics of a gallium nitride thin film manufactured by transferring thermal energy to a substrate. At this time, the CO 2 laser may have a wavelength of 10,600 nm, and the CO 2 laser of 10,600 nm, which is a wavelength converted into photon energy of 0.12 eV, is transferred to a thin film during RF sputtering and converted from optical energy to thermal energy to generate thermal energy. can be transferred to the substrate. Gallium nitride, which requires high thermal energy for crystallization, can be deposited on the substrate at a relatively low temperature by irradiation of the laser in the infrared range. In the present invention, when the process is performed, the temperature of the substrate may be 150 °C to 300 °C, preferably 200 °C.

이는, 상기 [표 1]에서 나타난 기존의 스퍼터링 방법에서의 온도인 600℃ 이상의 온도보다 훨씬 낮은 값이며, 추가로, 종래의 방법과 같이 기판 온도만을 상승시키거나 후처리 어닐링를 통해 얻은 질화갈륨과 그 결정성을 비교하였을 때, CO2 레이저 조사를 이용하여 형성된 질화갈륨 박막이, 종래의 스퍼터링 방법을 이용하여 형성된 질화갈륨 박막보다 더 높은 결정성을 가질 수 있다. This is a much lower value than the temperature of 600 ° C. or higher in the conventional sputtering method shown in [Table 1], and additionally, as in the conventional method, only the substrate temperature is raised or gallium nitride obtained through post-annealing and When comparing crystallinity, a gallium nitride thin film formed using CO 2 laser irradiation may have higher crystallinity than a gallium nitride thin film formed using a conventional sputtering method.

본 발명의 질화갈륨 제조 공정에서, 상기 불활성 기체는 아르곤 및 질소를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 불활성 기체 내 아르곤의 분압을 조절하는 것에 의해, 질화갈륨 박막의 결정성을 향상시킬 수 있고, 상기 아르곤의 분압은 50% 내지 70%, 바람직하게는 60%일 수 있다.In the gallium nitride manufacturing process of the present invention, the inert gas is characterized in that it includes argon and nitrogen. Crystallinity of the gallium nitride thin film may be improved by adjusting the partial pressure of argon in the inert gas, and the partial pressure of argon may be 50% to 70%, preferably 60%.

또한, 본 발명의 질화갈륨 제조 공정에서, 상기 타겟에 인가하는 RF 전력으로는 100w 내지 250w의 RF 전력을 사용할 수 있고, 바람직하게는 200w의 전력을 사용할 수 있다. 상기 아르곤의 분압과 마찬가지로, 적절한 값의 RF 전력을 사용할 경우, 생성되는 질화갈륨 박막의 결정성을 향상시킬 수 있다.In addition, in the gallium nitride manufacturing process of the present invention, as the RF power applied to the target, RF power of 100w to 250w may be used, and preferably, power of 200w may be used. Similar to the partial pressure of argon, when an appropriate RF power is used, the crystallinity of the resulting gallium nitride thin film can be improved.

추가로, 본 발명의 질화갈륨 제조 공정에서, 상기 CO2 레이저의 레이저 듀티 사이클을 8% 내지 12%, 바람직하게는 11%로 조사할 경우, 상기 아르곤의 분압 및 상기 RF 전력과 마찬가지로, 생성되는 질화갈륨 박막의 결정성을 향상시킬 수 있다.Additionally, in the gallium nitride manufacturing process of the present invention, when irradiating the laser duty cycle of the CO 2 laser at 8% to 12%, preferably 11%, like the partial pressure of argon and the RF power, generated The crystallinity of the gallium nitride thin film can be improved.

상기에 기재된, 아르곤 분압, RF 전력 및 CO2 레이저 듀티 사이클의 3가지 공정 조건이, 형성되는 질화갈륨 박막에 미치는 구체적인 영향은 하기의 평가예에서 기술하였다.The specific effects of the three process conditions of argon partial pressure, RF power, and CO 2 laser duty cycle described above on the formed gallium nitride thin film are described in the following evaluation examples.

이에 더하여, 상기 공정은 10mTorr 내지 20mTorr의 작동 압력에서 20분 내지 40분 동안 수행될 수 있다.In addition to this, the process may be performed for 20 minutes to 40 minutes at an operating pressure of 10 mTorr to 20 mTorr.

최종적으로 본 발명은, 가장 바람직하게는, 질화갈륨 실리콘 타겟, 및 상기 타겟이 증착될 사파이어 기판을 RF(radio frequency) 마그네트론 스퍼터링 챔버 내에 배치하는 제1 단계; 상기 챔버 내부를 진공으로 감압한 뒤, 아르곤을 60%의 분압으로 포함하고 그 나머지에 질소를 포함하는 불활성 기체를 주입하는 제2 단계; 및 상기 타겟에 200w의 RF 전력을 인가하고, 상기 기판에 CO2 레이저를 11%의 레이저 듀티 사이클로 조사하여, RF 마그네트론 스퍼터링 공정을 진행하는 제3 단계;를 포함하는, 질화갈륨 박막 제조 방법을 제공한다.Finally, the present invention, most preferably, a first step of disposing a gallium nitride silicon target and a sapphire substrate on which the target is to be deposited in a radio frequency (RF) magnetron sputtering chamber; a second step of injecting an inert gas containing argon at a partial pressure of 60% and nitrogen containing the remainder after depressurizing the inside of the chamber to vacuum; And a third step of applying RF power of 200w to the target and irradiating the substrate with a CO 2 laser at a laser duty cycle of 11% to perform an RF magnetron sputtering process; do.

상기 질화갈륨 박막 제조 방법을 통해 제조되는, 질화갈륨 박막은, 3.2eV 내지 3.8eV의 밴드갭을 가질 수 있고, 이는, 전기적으로 우수한 종래의 질화갈륨 박막의 밴드갭인 3.4eV의 넓은 밴드갭 수치와 유사한 값이다. 따라서, 본 발명의 제조 방법에 의해 형성된 질화갈륨 박막 역시, 전기적으로 우수한 특성을 갖기 때문에, 종래의 질화갈륨 박막이 사용되는 분야에서 함께 사용 가능할 것이다. 여기에 추가로, 본 발명의 제조 방법에 의해 형성되는 질화갈륨 박막은 결정 구조의 C-면을 따라 성장할 수 있다.The gallium nitride thin film, which is manufactured through the gallium nitride thin film manufacturing method, may have a band gap of 3.2 eV to 3.8 eV, which is a wide band gap value of 3.4 eV, which is the band gap of a conventional gallium nitride thin film that is electrically excellent. is a value similar to Therefore, since the gallium nitride thin film formed by the manufacturing method of the present invention also has excellent electrical properties, it can be used in the field where conventional gallium nitride thin films are used. In addition to this, the gallium nitride thin film formed by the manufacturing method of the present invention can be grown along the C-plane of the crystal structure.

이하 본 발명의 다양한 실시예들 및 평가예들에 대해 상술한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 일부 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.Hereinafter, various embodiments and evaluation examples of the present invention will be described in detail. However, the following examples are merely some examples of the present invention, and the present invention should not be construed as being limited to the following examples.

<실시예><Example>

1. 질화갈륨 박막의 제조1. Preparation of gallium nitride thin film

본 발명의 질화갈륨 박막을, 10-6mTorr의 기본 압력에서 질화갈륨 세라믹 타겟(순도 99.99%) 및 CO2 레이저 보조 RF 스퍼터링 공정을 수행하여 사파이어 기판 상에 제작했다. The gallium nitride thin film of the present invention was fabricated on a sapphire substrate by performing a gallium nitride ceramic target (purity of 99.99%) and a CO 2 laser-assisted RF sputtering process at a base pressure of 10 −6 mTorr.

RF 스퍼터링 챔버 내에 위치한 질화갈륨 세라믹 타겟(순도 99.9%) 및 사파이어(C-면) 기판에 사전 스퍼터링을 수행하여 상기 타겟 및 기판을 세척하였고, 아세톤, 에탄올, 탈이온수를 사용하여 10분 동안 상기 타겟 및 상기 기판을 음파 세정했다. RF 스퍼터링 동안, 10,600 nm 파장의 CO2 레이저를 사용하여 상기 RF 스퍼터링 챔버의 측면에 위치한 ZnSe 단결정 뷰포트를 통하여 상기 기판을 조사하여 광자 에너지를 전송했다. 이때, RF 스퍼터링 공정 중 작동 온도와 압력은 각각 200℃ 및 15mTorr로 설정했고, CO2 레이저를 이용한 RF 스퍼터링 공정 중 RF 전력은 200W, 아르곤 분압은 60% 및 레이저 듀티는 11%로 수행하였다.Pre-sputtering was performed on a gallium nitride ceramic target (purity of 99.9%) and a sapphire (C-plane) substrate located in an RF sputtering chamber to clean the target and substrate, and acetone, ethanol, and deionized water were used to wash the target for 10 minutes. and sonic cleaning the substrate. During RF sputtering, a CO 2 laser with a wavelength of 10,600 nm was used to transmit photon energy by illuminating the substrate through a ZnSe single crystal viewport located on the side of the RF sputtering chamber. At this time, the operating temperature and pressure during the RF sputtering process were set to 200° C. and 15 mTorr, respectively, and during the RF sputtering process using a CO 2 laser, the RF power was 200 W, the argon partial pressure was 60%, and the laser duty was 11%.

<평가예><Evaluation example>

평가예 1: 아르곤의 분압Evaluation Example 1: partial pressure of argon

도 2는 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 챔버 내 주입되는 불활성 기체 내 아르곤의 분압에 따른 질화갈륨 박막의 XRD 그래프를 도시하는 도면이다. 2 is a diagram showing an XRD graph of a gallium nitride thin film according to the partial pressure of argon in an inert gas injected into an RF magnetic sputtering chamber of the present invention.

상기 도 2에서, 본 발명의 제조 공정 중 아르곤의 분압에 따라 생성되는 질화갈륨 박막의 특성을 XRD 그래프를 통하여 분석하였다. 상기 분석을 위하여, RF 스퍼터링 공정을 기판 온도 200℃, RF 전력 200W, 및 공정 압력 15mtorr로 설정하였고, 불활성 기체 내 아르곤의 분압을 20%, 40%, 60% 및 80%로 설정하여 본 발명의 실시예를 수행하였다.In FIG. 2, the characteristics of the gallium nitride thin film produced according to the partial pressure of argon during the manufacturing process of the present invention were analyzed through XRD graphs. For the above analysis, the RF sputtering process was set to a substrate temperature of 200 ° C, RF power of 200 W, and process pressure of 15 mtorr, and the partial pressures of argon in the inert gas were set to 20%, 40%, 60% and 80% of the present invention. Examples were carried out.

상기 도 2를 참조하면, RF 스퍼터링된 질화갈륨 박막의 (10-10) 결정면에서의 회절 피크는, 아르곤의 분압이 60%일 때 가장 높은 것으로 나타났다. 상기 (10-10) 결정면은, 우르차이트(wurtzite) 구조의 질화갈륨에서 가장 낮은 표면 에너지를 갖는 면이며, 결정 생성 시, 저온에서 주로 성장하는 비극성 평면으로, 상기 피크가 높게 나타났다는 것은 저온에서 질화갈륨의 결정화가 용이하게 진행되었다는 것을 의미한다.Referring to FIG. 2, the diffraction peak at the (10-10) crystal plane of the RF-sputtered gallium nitride thin film was found to be the highest when the partial pressure of argon was 60%. The (10-10) crystal plane is a plane with the lowest surface energy in gallium nitride having a wurtzite structure, and is a non-polar plane that mainly grows at low temperatures when crystals are formed. This means that the crystallization of gallium nitride proceeded easily.

또한, 상기 불활성 기체의 분압은 플라즈마 밀도에 의존하는 것으로 알려져 있는데, 플라즈마 내 아르곤 분압은, 플라즈마의 품질이 방전 전류에 영향을 받기 때문에, 플라즈마 밀도와 방전 전류가 아르곤 분압의 증가에 따라 함께 증가할 수 있다. 따라서, RF 스퍼터링 공정 중 아르곤 분압을 최적화하는 것이, 질화갈륨의 박막 결정성 향상에 중요한 요소인 것을 의미한다.In addition, it is known that the partial pressure of the inert gas depends on the plasma density, and the argon partial pressure in the plasma increases as the argon partial pressure increases, since the quality of the plasma is affected by the discharge current. can Therefore, it means that optimizing the argon partial pressure during the RF sputtering process is an important factor in improving the crystallinity of the gallium nitride thin film.

평가예 2: 타겟 상에 적용되는 RF 전력Evaluation Example 2: RF power applied on the target

도 3은 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 공정 중 타겟 상에 적용되는 RF 전력에 따른 질화갈륨 박막의 XRD 그래프를 도시하는 도면이다.3 is a diagram showing an XRD graph of a gallium nitride thin film according to RF power applied on a target during the RF magnetic sputtering process of the present invention.

상기 도 3에서, 본 발명의 제조 공정 중 RF 전력에 따라 생성되는 질화갈륨 박막의 특성을 XRD 그래프를 통하여 분석하였다. 상기 분석을 위하여, RF 스퍼터링 공정을 기판 온도 200℃, 아르곤 분압 60%, 및 공정 압력 15mtorr로 설정하였고, RF 전력을 100w, 150w 및 200w로 설정하여 본 발명의 실시예를 수행하였다.In FIG. 3, the characteristics of the gallium nitride thin film produced according to the RF power during the manufacturing process of the present invention were analyzed through XRD graphs. For the above analysis, the RF sputtering process was set to a substrate temperature of 200 ° C, an argon partial pressure of 60%, and a process pressure of 15 mtorr, and the RF power was set to 100 w, 150 w, and 200 w to perform an embodiment of the present invention.

상기 도 3을 참조하면, RF 스퍼터링된 질화갈륨 박막의 (10-10) 결정면에서의 회절 피크는, RF 전력이 200w일 때 가장 높은 것으로 나타났다. 상기 도 3에서 확인할 수 있는 것과 같이, 인가된 RF 전력이 증가함에 따라, 형성된 질화갈륨 박막의 (10-10) 결정면에서의 반사 피크의 세기가 증가하였다. 이는, RF 스퍼터링 공정을 통해 질화갈륨 박막을 형성하는데 높은 RF 전력이 효과적인 것을 의미한다. 상기의 높은 RF 전력은, RF 스퍼터링 동안 높은 운동 에너지를 갖는 아르곤 플라즈마로 변환되어 질화갈륨 박막에 높은 운동 에너지를 공급할 수 있는 원인이 된다.Referring to FIG. 3, the diffraction peak at the (10-10) crystal plane of the RF sputtered gallium nitride thin film was found to be the highest when the RF power was 200w. As can be seen in FIG. 3, as the applied RF power increases, the intensity of the reflection peak on the (10-10) crystal plane of the formed gallium nitride thin film increases. This means that high RF power is effective in forming the gallium nitride thin film through the RF sputtering process. The high RF power is converted into argon plasma having high kinetic energy during RF sputtering, which causes high kinetic energy to be supplied to the gallium nitride thin film.

평가예 3: COEvaluation Example 3: CO 22 레이저 듀티 사이클 laser duty cycle

도 4는 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 공정 중 기판 상에 적용되는 CO2 레이저 듀티 사이클에 따른 질화갈륨 박막의 XRD 그래프를 도시하는 도면이다.4 is a view showing an XRD graph of a gallium nitride thin film according to a CO 2 laser duty cycle applied on a substrate during the RF magnetic sputtering process of the present invention.

상기 도 4에서, 본 발명의 제조 공정 중 CO2 레이저 듀티 사이클에 따라 생성되는 질화갈륨 박막의 특성을 XRD 그래프를 통하여 분석하였다. 상기 분석을 위하여, RF 스퍼터링 공정을 기판 온도 200℃, RF 전력 200W, 아르곤 분압 60%, 및 공정 압력 15mtorr로 설정하였고, 0.12eV의 광자 에너지를 갖도록 파장 10,600nm의 CO2 레이저 듀티 사이클을 0%, 5%, 7%, 9%, 11%, 및 13%로 설정하여 본 발명의 실시예를 수행하였다.In FIG. 4, the characteristics of the gallium nitride thin film produced according to the CO 2 laser duty cycle during the manufacturing process of the present invention were analyzed through XRD graphs. For the above analysis, the RF sputtering process was set at a substrate temperature of 200 °C, RF power of 200 W, argon partial pressure of 60%, and process pressure of 15 mtorr, and the CO 2 laser duty cycle with a wavelength of 10,600 nm was set to 0% to have a photon energy of 0.12 eV. , 5%, 7%, 9%, 11%, and 13% to perform an embodiment of the present invention.

상기 도 4를 참조하면, 레이저를 조사하지 않은 샘플과 CO2 레이저 듀티 사이클 5%, 7%에서 (10-10) 결정면의 XRD 데이터를 비교하여 볼 때, 레이저 듀티 사이클이 증가함에 따라 (10-10)의 결정면 데이터가 개선되었다는 것을 알 수 있다. CO2 레이저 듀티 사이클 5% 에서는 레이저를 조사 하지 않는 샘플에 비해 (10-10)의 결정면의 회절 피크가 더 높아졌으며, 상기 질화갈륨 박막의 (10-10)면 뿐만 아니라, CO2 레이저 듀티 사이클 7%, 9%, 11%에서의 (0002)결정면의 XRD 데이터를 비교하였으며, CO2 레이저 듀티 사이클 7%에서부터 (0002)의 결정면과 (10-11)의 결정면이 성장한 것을 확인할 수 있다. 또한 레이저 듀티 사이클 11%에서는 가장 높은 핵생성 에너지를 가지는 (0002)이, CO2 레이저 듀티 사이클 7%의 샘플에 비하여 약 60배 높은 값의 회절 피크를 나타내었으며, 이는 본 발명의 RF 스퍼터링 공정 중 적외선 파장의 CO2 레이저가 효율적으로 열 에너지를 제공하였다는 것을 의미한다. 그러나, CO2 레이저 듀티 사이클 13%에서는 박막이 손상됨에 따라 XRD 데이터 값이 매우 낮게 나타났다.Referring to FIG. 4, when comparing XRD data of (10-10) crystal planes at 5% and 7% CO 2 laser duty cycles with samples not irradiated with laser, as the laser duty cycle increases (10- It can be seen that the crystal plane data of 10) has been improved. At a CO 2 laser duty cycle of 5%, the diffraction peak of the (10-10) crystal plane was higher than that of the sample without laser irradiation, and the CO 2 laser duty cycle as well as the (10-10) plane of the gallium nitride thin film. The XRD data of the (0002) crystal plane at 7%, 9%, and 11% were compared, and it was confirmed that the (0002) crystal plane and the (10-11) crystal plane grew from the CO 2 laser duty cycle of 7%. In addition, (0002), which has the highest nucleation energy at a laser duty cycle of 11%, showed a diffraction peak about 60 times higher than that of the sample with a CO2 laser duty cycle of 7%. This means that the wavelength of CO 2 laser efficiently provided thermal energy. However, at a CO 2 laser duty cycle of 13%, the XRD data value was very low as the thin film was damaged.

상기 질화갈륨 평면 중, (0002) 평면의 표면 에너지가 다른 평면인 (1010) 및 (1011)보다 현저하게 높은 값을 나타낸 것을 확인할 수 있었다. 이는, 질화갈륨 박막의 c면이 가장 높은 불균일 핵생성 에너지를 필요로 한다는 것을 의미한다. 상기 도 4의 XRD 그래프를 참조하면, CO2 레이저 보조 RF 스퍼터링 공정에서 질화갈륨 박막에 주어지는 에너지는, 9% 내지 11%의 CO2 레이저 듀티 사이클 하에서 상기 C-면(0002)을 따라 결정 성장을 촉진하기에 충분하며, 상기 질화갈륨 박막이 C-면(0002)을 따라 결정 성장하기 시작했다는 것을 알 수 있다.Among the gallium nitride planes, it was confirmed that the surface energy of the (0002) plane was significantly higher than that of the other planes (1010) and (1011). This means that the c-plane of the gallium nitride thin film requires the highest non-uniform nucleation energy. Referring to the XRD graph of FIG. 4, the energy given to the gallium nitride thin film in the CO 2 laser-assisted RF sputtering process causes crystal growth along the C-plane (0002) under a CO 2 laser duty cycle of 9% to 11%. It can be seen that this is sufficient to promote and that the gallium nitride thin film has started to grow along the C-plane (0002).

또한, 13%의 레이저 듀티 사이클에 의해 형성된 CO2 레이저 보조 RF 스퍼터링 질화갈륨 박막의 XRD 프로파일은 각각 미접착 질화갈륨 박막과 깨끗한 사파이어 기판의 XRD 프로파일과 유사했다. 이는, 상기 13%의 레이저 듀티 사이클에 의해 질화갈륨 박막을 형성할 경우, 레이저 유도 손상 임계값(LIDT)을 초과하여 박막이 손상되었음을 의미한다.In addition, the XRD profiles of the CO 2 laser-assisted RF sputtered gallium nitride thin film formed by a laser duty cycle of 13% were similar to those of the unbonded gallium nitride thin film and the clean sapphire substrate, respectively. This means that when the gallium nitride thin film is formed by the 13% laser duty cycle, the thin film is damaged by exceeding the laser induced damage threshold (LIDT).

Figure pat00001
(1)
Figure pat00001
(One)

상기 공식 (1)에서, γvf는 핵-기판의 표면 에너지, Gv는 고체상의 단위 부피당 깁스 자유 에너지, θ는 박막-기판 계면에서의 접촉각이다. 부착되지 않은 질화갈륨 박막의 경우, 상기 접촉각(θ)은 180°이다. 일반적으로 질화갈륨은 우르차이트(wurtzite) 구조를 가지므로 상기 핵-기판의 표면 에너지(γvf)는 평면 방향에 의존한다. 일반적인 우르차이트(wurtzite) 구조의 GaN 반도체의 핵-기판의 표면 에너지(γvf) 값을 하기의 표 2에 기재하였다. 본 발명을 통하여 형성된 질화갈륨 박막의 (10-10), (10-11), (0002) 면의 핵-기판의 표면 에너지(γvf) 값은, 각각, 1.40 J/m2, 1.76 J/m2, 및 2.64 J/m2이었다.In Equation (1), γ vf is the surface energy of the nucleus-substrate, G v is the Gibbs free energy per unit volume of the solid phase, and θ is the contact angle at the thin-film-substrate interface. In the case of an unattached gallium nitride thin film, the contact angle θ is 180°. In general, since gallium nitride has a wurtzite structure, the surface energy (γ vf ) of the nucleus-substrate depends on the plane direction. The surface energy (γ vf ) values of the nucleus-substrate of GaN semiconductor having a general wurtzite structure are shown in Table 2 below. The nuclear-substrate surface energy (γ vf ) values of (10-10), (10-11), and (0002) planes of the gallium nitride thin film formed through the present invention are 1.40 J/m 2 and 1.76 J/m, respectively. m 2 , and 2.64 J/m 2 .

GaN면GaN face (0001)(0001) (1120)(1120) (1011)(1011) (1010)(1010) 표면 에너지 (J/m2)Surface energy (J/m 2 ) 2.642.64 1.531.53 1.761.76 1.401.40

도 5는 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 공정 중 기판 상에 적용되는 CO2 레이저 듀티 사이클에 따른 질화갈륨 박막의 광 투과도 그래프 및 Tauc 플롯 그래프를 도시하는 도면이다.5 is a view showing a graph of light transmittance and a Tauc plot of a gallium nitride thin film according to a CO 2 laser duty cycle applied on a substrate during the RF magnetic sputtering process of the present invention.

상기 도 4와 마찬가지로, 상기 도 5에서, 본 발명의 제조 공정 중 CO2 레이저 듀티 사이클에 따라 생성되는 질화갈륨 박막의 특성을, 광 투과도 그래프 및 Tauc 플롯 그래프를 통하여 분석하였다. 상기 분석을 위하여, RF 스퍼터링 공정을 기판 온도 200℃, RF 전력 200W, 아르곤 분압 60%, 및 공정 압력 15mtorr로 설정하였고, 0.12eV의 광자 에너지를 갖도록 파장 10,600nm의 CO2 레이저 듀티 사이클을 0%, 5%, 7%, 9%, 11%, 및 13%로 설정하여 본 발명의 실시예를 수행하였다.Similar to FIG. 4, in FIG. 5, the characteristics of the gallium nitride thin film produced according to the CO 2 laser duty cycle during the manufacturing process of the present invention were analyzed through a light transmittance graph and a Tauc plot graph. For the above analysis, the RF sputtering process was set at a substrate temperature of 200 °C, RF power of 200 W, argon partial pressure of 60%, and process pressure of 15 mtorr, and the CO 2 laser duty cycle with a wavelength of 10,600 nm was set to 0% to have a photon energy of 0.12 eV. , 5%, 7%, 9%, 11%, and 13% to perform an embodiment of the present invention.

상기 도 5를 참조하면, 200nm 내지 800nm의 파장 범위에서 0%, 5%, 7%, 9%, 11%, 및 13%의 레이저 듀티 사이클로 제작된 CO2 레이저 보조 RF 스퍼터링 질화갈륨 박막의 광 투과 스펙트럼이며, 상기 질화갈륨 박막을 Tauc 플롯에서 시뮬레이션하여 상기 투과율을 UV-vis 분광기를 이용하여 측정한 후 (ahv) 2 vs.hv곡선을 상기 광 투과 스펙트럼 그래프의 내부에 삽입하였다.Referring to FIG. 5, light transmission of CO 2 laser-assisted RF sputtering gallium nitride thin films fabricated with laser duty cycles of 0%, 5%, 7%, 9%, 11%, and 13% in the wavelength range of 200 nm to 800 nm. spectrum, and the transmittance was measured using a UV-vis spectrometer by simulating the gallium nitride thin film on a Tauc plot, and then (ahv) 2 vs.hv curve was inserted into the light transmission spectrum graph.

Figure pat00002
(2)
Figure pat00002
(2)

상기 공식 (2)에서, a는 흡수 계수, Eg는 질화갈륨 박막의 광학 밴드갭, hv는 광자 에너지, A는 상수이다.In Formula (2), a is the absorption coefficient, E g is the optical band gap of the gallium nitride thin film, hv is the photon energy, and A is a constant.

상기 도 5를 참조하면, 300nm 내지 400 nm 범위의 광 투과 파장은 레이저 듀티 사이클이 증가함에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있다. 300nm 내지 400 nm의 파장 범위는 3.4eV의 밴드갭 범위에 해당하며, 우르차이트(wurtzite) 질화갈륨의 밴드갭 에너지는 3.4eV입니다. 이는, 우르차이트(wurtzite) 질화갈륨의 결정 성장이 레이저 듀티 사이클이 증가함에 따라 향상된다는 것을 나타낸다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the light transmission wavelength in the range of 300 nm to 400 nm decreases as the laser duty cycle increases. The wavelength range from 300 nm to 400 nm corresponds to a band gap range of 3.4 eV, and the band gap energy of wurtzite gallium nitride is 3.4 eV. This indicates that crystal growth of wurtzite gallium nitride is enhanced with increasing laser duty cycle.

도 6은 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 공정 중 기판 상에 적용되는 CO2 레이저 듀티 사이클에 따른 질화갈륨 박막의 밴드갭 그래프를 도시하는 도면이다.6 is a graph showing a bandgap graph of a gallium nitride thin film according to a CO 2 laser duty cycle applied on a substrate during the RF magnetic sputtering process of the present invention.

상기 도 4와 마찬가지로, 상기 도 6에서, 본 발명의 제조 공정 중 CO2 레이저 듀티 사이클에 따라 생성되는 질화갈륨 박막의 특성을, 밴드갭 그래프를 통하여 분석하였다. 상기 분석을 위하여, RF 스퍼터링 공정을 기판 온도 200℃, RF 전력 200W, 아르곤 분압 60%, 및 공정 압력 15mtorr로 설정하였고, 0.12eV의 광자 에너지를 갖도록 파장 10,600nm의 CO2 레이저 듀티 사이클을 0%, 5%, 7%, 9%, 11%, 및 13%로 설정하여 본 발명의 실시예를 수행하였다.Similar to FIG. 4, in FIG. 6, the characteristics of the gallium nitride thin film produced according to the CO 2 laser duty cycle during the manufacturing process of the present invention were analyzed through a bandgap graph. For the above analysis, the RF sputtering process was set at a substrate temperature of 200 °C, RF power of 200 W, argon partial pressure of 60%, and process pressure of 15 mtorr, and the CO 2 laser duty cycle with a wavelength of 10,600 nm was set to 0% to have a photon energy of 0.12 eV. , 5%, 7%, 9%, 11%, and 13% to perform an embodiment of the present invention.

상기 도 6을 참조하면, CO2 레이저 듀티 사이클이 증가하는 것에 따라 밴드갭이 감소하는 것을 확인할 수 있고, 레이저 듀티 사이클이 11%일 경우, CO2 레이저 보조 RF 스퍼터링 질화갈륨 박막의 에너지 밴드갭은 3.32eV로 측정되었으며, 이는 종래에 개시된 질화갈륨 박막의 밴드갭인 3.4eV과 유사하다.Referring to FIG. 6, it can be seen that the band gap decreases as the CO 2 laser duty cycle increases. When the laser duty cycle is 11%, the energy band gap of the CO 2 laser-assisted RF sputtering gallium nitride thin film is It was measured as 3.32 eV, which is similar to the band gap of 3.4 eV of the conventionally disclosed gallium nitride thin film.

한편, 13%보다 높은 레이저 듀티 사이클은 질화갈륨 박막의 에너지 밀도를 지나치게 높여, 사파이어 기판에 증착된 질화갈륨 박막의 박리 및 재증발을 유발할 수 있다. 따라서 CO2 레이저의 최적화된 광자 에너지가 C-면을 따라 질화갈륨 박막의 결정 특성을 향상시키는, CO2 레이저 듀티 사이클의 값이 존재한다는 것을 의미한다. 상기 도 6을 참조하면, 밴드갭이 종래의 질화갈륨 박막과 비슷한 수치를 갖는, CO2 레이저 듀티 사이클 5%, 7%, 9%, 및 11%가 우수한 값을 보이며, 그 중, 11%의 CO2 레이저 듀티 사이클이 본 발명의 질화갈륨 박막 제조 공정에 가장 적절한 값이라는 것을 알 수 있다.On the other hand, a laser duty cycle higher than 13% excessively increases the energy density of the gallium nitride thin film, which may cause peeling and re-evaporation of the gallium nitride thin film deposited on the sapphire substrate. Therefore, it means that there exists a value of the CO 2 laser duty cycle at which the optimized photon energy of the CO 2 laser improves the crystalline properties of the gallium nitride thin film along the C-plane. Referring to FIG. 6, CO 2 laser duty cycles of 5%, 7%, 9%, and 11%, which have a band gap similar to that of the conventional gallium nitride thin film, show excellent values, of which 11% It can be seen that the CO 2 laser duty cycle is the most suitable value for the gallium nitride thin film manufacturing process of the present invention.

도 7은 본 발명의 RF 마그네틱 스퍼터링 공정 중 기판 상에 적용되는 CO2 레이저 듀티 사이클에 따른 질화갈륨 박막 표면의 SEM 이미지를 도시하는 도면이다.7 is a view showing SEM images of the surface of a gallium nitride thin film according to the CO 2 laser duty cycle applied on the substrate during the RF magnetic sputtering process of the present invention.

상기 도 4와 마찬가지로, 상기 도 7에서, 본 발명의 제조 공정 중 CO2 레이저 듀티 사이클에 따라 생성되는 질화갈륨 박막의 특성을, 상기 박막 표면의 전계방출형 주사전자현미경 (FE-SEM) 이미지를 통하여 분석하였다. 상기 분석을 위하여, RF 스퍼터링 공정을 기판 온도 200℃, RF 전력 200W, 아르곤 분압 60%, 및 공정 압력 15mtorr로 설정하였고, 0.12eV의 광자 에너지를 갖도록 파장 10,600nm의 CO2 레이저 듀티 사이클을 0%, 5%, 7%, 9%, 11%, 및 13%로 설정하여 본 발명의 실시예를 수행하였다.As in FIG. 4, in FIG. 7, the characteristics of the gallium nitride thin film generated according to the CO 2 laser duty cycle during the manufacturing process of the present invention, the field emission scanning electron microscope (FE-SEM) image of the surface of the thin film analyzed through For the above analysis, the RF sputtering process was set at a substrate temperature of 200 °C, RF power of 200 W, argon partial pressure of 60%, and process pressure of 15 mtorr, and the CO 2 laser duty cycle with a wavelength of 10,600 nm was set to 0% to have a photon energy of 0.12 eV. , 5%, 7%, 9%, 11%, and 13% to perform an embodiment of the present invention.

상기 도 7을 참조하면, 레이저를 조사하지 않은 샘플과 CO2 레이저 듀티 사이클 5%의 실시예의 경우, 기판에 질화갈륨이 미립자의 형태로 불규칙하게 증착 되었으며, CO2 레이저 듀티 사이클 7%에서부터 CO2 레이저 듀티 사이클 11%까지는 질화갈륨 결정이 균일하게 분포하였으며 상기 질화갈륨 결정크기가 서서히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여, 상기 CO2 레이저 듀티 사이클은 본 발명의 질화갈륨 박막 제조 과정 중, 상기 질화갈륨 박막의 표면 형태에 현저한 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7, in the case of the sample without laser irradiation and the example of the CO 2 laser duty cycle of 5%, gallium nitride was irregularly deposited in the form of particulates on the substrate, and CO 2 from the laser duty cycle of 7% CO 2 It can be seen that the gallium nitride crystals were uniformly distributed until the laser duty cycle of 11%, and the size of the gallium nitride crystals gradually increased. Through this, it can be confirmed that the CO 2 laser duty cycle significantly affects the surface morphology of the gallium nitride thin film during the manufacturing process of the gallium nitride thin film according to the present invention.

추가로, 13%의 높은 레이저 듀티 사이클로 제작된 CO2 레이저 보조 RF 스퍼터링 질화갈륨 박막에서 부분적으로 손상된 표면을 관찰할 수 있었으며, 이는 높은 레이저 듀티 사이클 값이 형성되는 질화갈륨 박막을 오히려 손상시킬 수 있다는 것을 보여준다.In addition, a partially damaged surface was observed in the CO 2 laser-assisted RF sputtering gallium nitride thin film fabricated with a high laser duty cycle of 13%, indicating that a high laser duty cycle value may rather damage the formed gallium nitride thin film. show what

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명했지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that you can.

Claims (9)

질화갈륨을 포함하는 타겟, 및 상기 타겟이 증착될 기판을 RF(radio frequency) 마그네트론 스퍼터링 챔버 내에 배치하는 제1 단계;
상기 챔버 내부를 진공으로 감압한 뒤, 아르곤을 50% 내지 70%의 분압으로 포함하는 불활성 기체를 주입하는 제2 단계; 및
상기 타겟에 100w 내지 250w의 RF 전력을 인가하고, 상기 기판에 CO2 레이저를 8% 내지 12%의 레이저 듀티 사이클로 조사하여, RF 마그네트론 스퍼터링 공정을 진행하는 제3 단계;를 포함하는,
질화갈륨 박막 제조 방법.
A first step of disposing a target containing gallium nitride and a substrate on which the target is to be deposited in a radio frequency (RF) magnetron sputtering chamber;
a second step of injecting an inert gas containing argon at a partial pressure of 50% to 70% after depressurizing the inside of the chamber to vacuum; and
A third step of applying RF power of 100w to 250w to the target and irradiating the substrate with a CO 2 laser at a laser duty cycle of 8% to 12% to perform an RF magnetron sputtering process;
A method for producing a gallium nitride thin film.
제1항에 있어서,
상기 질화갈륨을 포함하는 타겟은 질화갈륨 세라믹 타겟이고, 상기 기판은 사파이어 기판인,
질화갈륨 박막 제조 방법.
According to claim 1,
The target containing gallium nitride is a gallium nitride ceramic target, and the substrate is a sapphire substrate.
A method for producing a gallium nitride thin film.
제1항에 있어서,
상기 불활성 기체는 아르곤 및 질소를 포함하는,
질화갈륨 박막 제조 방법.
According to claim 1,
The inert gas includes argon and nitrogen,
A method for producing a gallium nitride thin film.
제1항에 있어서,
상기 CO2 레이저는 10,600nm의 파장을 갖는,
질화갈륨 박막 제조 방법.
According to claim 1,
The CO 2 laser has a wavelength of 10,600 nm,
A method for producing a gallium nitride thin film.
제1항에 있어서,
상기 공정이 진행될 때 상기 기판의 온도는 150℃ 내지 300℃인,
질화갈륨 박막 제조 방법.
According to claim 1,
When the process proceeds, the temperature of the substrate is 150 ° C to 300 ° C,
A method for producing a gallium nitride thin film.
제1항에 있어서,
상기 공정은 10mTorr 내지 20mTorr의 작동 압력에서 20분 내지 40분 동안 수행되는,
질화갈륨 박막 제조 방법.
According to claim 1,
The process is carried out for 20 to 40 minutes at an operating pressure of 10 mTorr to 20 mTorr,
A method for producing a gallium nitride thin film.
제1항의 질화갈륨 박막 제조 방법을 통해 제조되는,
질화갈륨 박막.
Manufactured through the gallium nitride thin film manufacturing method of claim 1,
Gallium nitride thin film.
제7항에 있어서,
상기 질화갈륨 박막은 3.2eV 내지 3.8eV의 밴드갭을 갖는,
질화갈륨 박막.
According to claim 7,
The gallium nitride thin film has a band gap of 3.2 eV to 3.8 eV,
Gallium nitride thin film.
제7항에 있어서,
상기 질화갈륨 박막은 결정 구조의 C-면을 따라 성장하는,
질화갈륨 박막 제조 방법.
According to claim 7,
The gallium nitride thin film is grown along the C-plane of the crystal structure,
A method for producing a gallium nitride thin film.
KR1020210146507A 2021-10-29 2021-10-29 Method for manufacturing GaN thin film by carbon dioxide laser assisted RF sputtering process KR20230061847A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210146507A KR20230061847A (en) 2021-10-29 2021-10-29 Method for manufacturing GaN thin film by carbon dioxide laser assisted RF sputtering process

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210146507A KR20230061847A (en) 2021-10-29 2021-10-29 Method for manufacturing GaN thin film by carbon dioxide laser assisted RF sputtering process

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230061847A true KR20230061847A (en) 2023-05-09

Family

ID=86408466

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210146507A KR20230061847A (en) 2021-10-29 2021-10-29 Method for manufacturing GaN thin film by carbon dioxide laser assisted RF sputtering process

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230061847A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2011136016A1 (en) Epitaxial film formation method, vacuum treatment device, method for producing semiconductor light-emitting element, semiconductor light-emitting element, lighting device
TWI575772B (en) Method for depositing a group iii nitride semiconductor film
JP5576507B2 (en) Epitaxial film forming method, sputtering apparatus, semiconductor light emitting element manufacturing method, semiconductor light emitting element, and illumination apparatus
JP6947232B2 (en) Gallium nitride based film and its manufacturing method
JP2022105014A (en) System and method for growing iiia group nitride
CN112126897B (en) Preparation method of alpha-phase gallium oxide film
WO2013061572A1 (en) Film formation method, vacuum treatment device, method for producing semiconductor light-emitting element, semiconductor light-emitting element, and illumination device
CN112647130B (en) Method for growing gallium oxide film by low-pressure chemical vapor deposition
CN112831768B (en) Preparation method and application of hafnium nitride film with high crystallization quality
CN101423927B (en) Method for preparing AlxIn1-xN film
JP2004111848A (en) Sapphire substrate, epitaxial substrate using it, and its manufacturing method
CN115101639A (en) Composite substrate of InGaN-based optoelectronic device and preparation method and application thereof
JP2020037507A (en) Method for producing nitride semiconductor substrate, and nitride semiconductor substrate
JPH08181073A (en) Semiconductor wafer and crystal growth method
JP2003332234A (en) Sapphire substrate having nitride layer and its manufacturing method
KR20230061847A (en) Method for manufacturing GaN thin film by carbon dioxide laser assisted RF sputtering process
JP2005001928A (en) Self-supporting substrate and method for producing the same
JP3898575B2 (en) Method for forming GaInN layer
CN112695380A (en) Preparation method and application of novel transparent conductive oxide film
CN111415858A (en) Preparation method and application of AlN or AlGaN thin film material
CN110993504A (en) Ga based on SiC substrate2O3Preparation method of film and Ga based on SiC substrate2O3Film(s)
CN117690780B (en) Preparation method of aluminum nitride single crystal composite substrate
KR101174648B1 (en) Room temperature sputtering of group 3 nitride using pulsed DC bias to substrate
JP4048316B2 (en) Manufacturing method and manufacturing apparatus of zinc oxide single crystal film on single crystal silicon substrate and laminated structure
CN116666494A (en) Two-step heteroepitaxial growth gallium oxide film and preparation method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal