WO2012161451A2 - 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법 - Google Patents

반도체 박막 구조 및 그 형성 방법 Download PDF

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    • H10H20/018—Bonding of wafers

Definitions

  • a 500 ⁇ m thick substrate can be used for a 6 inch sapphire substrate.
  • the substrate needs to be changed to leave 100 ⁇ m for chip separation after LED fabrication, it is possible to use a thin substrate to obtain a big gain in LED production.
  • the empty space also has the effect of controlling the refractive index in the thin film structure.
  • the empty space increases the difference in refractive index with the substrate, thereby allowing the generated photons to escape more efficiently.
  • the light extraction effect due to light scattering increases. Accordingly, when the semiconductor thin film structure of the present invention is manufactured with a light emitting device such as an LED, there is an effect of increasing the external quantum efficiency of the LED.
  • the empty space can be controlled by adjusting the shape, size, two-dimensional arrangement, etc. of the sacrificial layer pattern, it is possible to control the optical characteristics of the LED manufactured from such a thin film structure, such as an emission pattern.
  • the formation of the sacrificial layer pattern is performed by a controlled method such as photolithography or nanoimprint, the empty space is not formed irregularly or randomly, but is formed by the controlled method.
  • FIGS. 2 to 4 are diagrams for describing various methods for forming a sacrificial layer pattern in the method of forming a semiconductor thin film structure according to the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the semiconductor thin film according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the semiconductor thin film structure according to the present invention includes a substrate; And an inorganic thin film formed on the substrate such that a plurality of empty spaces separated from each other with the substrate are defined to have a controlled shape, size, and two-dimensional arrangement.
  • the semiconductor thin film structure may further include a nitride semiconductor thin film on the substrate.
  • the nitride semiconductor thin film may be two or more layers, and such empty space may be defined between the two or more layers.
  • the coefficient of thermal expansion of the substrate is larger than that of the nitride semiconductor thin film, the void space is compressed by the nitride semiconductor thin film.
  • an inorganic thin film is formed on the sacrificial layer pattern.
  • the sacrificial layer pattern is removed from the substrate on which the inorganic thin film is formed so that a plurality of empty spaces separated from each other, which are defined as the substrate and the inorganic thin film, are formed.
  • FIG. 1 is a view illustrating a semiconductor thin film structure and a method of forming the same according to a first embodiment of the present invention.
  • a sacrificial layer pattern 20 is formed on a substrate 10.
  • the thickness d of the sacrificial layer pattern 20 may be 0.01-10 ⁇ m, and the width w of the sacrificial layer pattern 20 may be 0.01-10 ⁇ m.
  • the thickness d and the width w of the sacrificial layer pattern 20 may be determined in consideration of the empty space to be finally formed.
  • the sacrificial layer pattern 20 is uniformly formed on the entire substrate 10 in the same pattern. However, as will be described later with reference to FIG. 6, the sacrificial layer pattern 20 may be formed in another pattern locally on the substrate 10.
  • the sacrificial layer pattern 20 may be formed according to various methods. First, the sacrificial layer pattern 20 may be formed by photo lithography.
  • the shape and size of the cured nanoimprint resin (R ′) that can be formed therefrom The two-dimensional array can also be adjusted. If necessary, the shape of the cured nanoimprint resin (R ′) may be modified by additional heating or ultraviolet irradiation.
  • the contact area with the substrate 10 is further enlarged while the shape of the organic nanoparticles B 'is modified through additional heat treatment, and the organic nanoparticles B' are dropped. It may further perform the step of preventing.

Landscapes

  • Led Devices (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

본 발명에서는 기판과 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수 차이에 의한 응력 발생과 그로 인한 기판 휘어짐 현상을 조절하기 위해서, 희생층을 기판 위에 형성하고 다양한 방법으로 패터닝한 후, 그 위에 무기물 박막을 형성하고 나서 선택적으로 희생층을 제거하여, 기판 위에 기판과 무기물 박막으로 정의되는 빈 공간(cavity)을 형성하는 반도체 박막 형성 방법 및 이러한 방법으로 형성된 반도체 박막 구조를 제안한다.

Description

반도체 박막 구조 및 그 형성 방법
본 발명은 질화갈륨(GaN) 또는 갈륨과 다른 금속의 혼합 질화물로 된 반도체층 및 그 형성 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 층을 포함하는 전자 또는 광전자 소자(opto-electronic device) 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 기술분야는 기판 위에 고품질의 질화물 반도체 박막을 형성하기 위한 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법으로 넓게 정의될 수 있다.
주기율표 상의 Ⅲ족 내지 Ⅴ족 원소들의 질화물 반도체는 이미 전자 및 광전자 소자 분야에서 중요한 위치를 점유하고 있으며, 이러한 분야는 앞으로 더욱 중요해질 것이다. 질화물 반도체의 응용분야는 실제적으로 레이저 다이오드(LD)에서부터 고주파수 및 고온에서 작동할 수 있는 트랜지스터에 이르기까지의 넓은 영역을 커버한다. 그리고, 자외선 광검출기, 탄성 표면파 소자 및 발광 다이오드(LED)를 포함한다.
예를 들어, 질화갈륨은 청색 LED 또는 고온 트랜지스터의 응용에 적합한 물질로 알려져 있지만, 이에 한정되지 않는 마이크로 전자 소자용으로 폭넓게 연구되고 있다. 또한, 여기에서 쓰인 바와 같이, 질화갈륨은 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 질화인듐갈륨(InGaN) 및 질화알루미늄인듐갈륨(AlInGaN)과 같은 질화갈륨 합금을 포함하는 것으로 넓게 쓰일 수도 있다.
질화갈륨과 같은 질화물 반도체를 이용하는 소자들에서, 질화물 반도체 박막의 성장을 위해 가장 빈번히 사용되는 기판은 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘과 같은 "이종" 기판이다. 그런데, 이들 이종 기판 물질은 질화물과의 격자상수 불일치와 열팽창계수의 차이가 있기 때문에, 이종 기판에 성장시킨 질화물 반도체 박막은 많은 전위(dislocation)를 가지고 이에 따른 크랙(crack) 발생 및 휘어짐(warpage)이 문제가 된다.
질화갈륨 광소자 및 마이크로 전자 소자의 제조에 있어서 주요한 기술은 결함 밀도(defect density)가 낮은 질화갈륨 박막을 성장시키는 것이다. 사파이어 기판과 질화갈륨 사이의 격자상수 불일치를 극복하고 양질의 질화갈륨 결정을 성장시키기 위해서 저온에서 질화갈륨 버퍼층을 형성하고, 고온에서 질화갈륨 에피층을 성장시키는 "2단계 성장법"을 주로 사용하고 있다. 이 경우 저온 버퍼층에 의하여 격자상수 불일치로 발생되는 관통 전위의 숫자를 109/cm2 정도로 낮출 수 있다. 그러나 질화갈륨 에피층과 사피이어 기판 사이의 열팽창계수 차이에 의한 응력과 그로 인한 기판 휘어짐 현상은 여전히 문제가 된다.
최근 질화갈륨이 가장 활발히 연구되고 있는 분야는 조명용 백색 LED이다. 조명용 백색 LED가 본격적으로 시장에 진입하기 위해서는 백색 LED 칩의 가격이 현저히 내려가야 하며, 전세계적인 스케일-업(scale-up) 경쟁이 시작되었다. 대구경의 사파이어 기판을 사용하여 LED 생산의 규모를 키우는 것도 그 방법 중 하나이지만, 사파이어 기판의 구경이 커질수록 후속 공정이 가능한 기판 휘어짐을 억제하기 위해서 기판의 두께도 커져야 하는 문제점이 있다. 기판의 휘어짐 현상은 앞에서 언급한 바와 같이 질화갈륨과 이종 기판 사이의 열팽창계수의 차이에 의해 일어나며, 기판의 두께가 클수록 적게 휘게 된다. 현재 예상되는 바로는 6 인치 사파이어 기판의 경우 1 ~ 1.3 mm의 두께가 검토되고 있다.
사파이어 기판은 질화갈륨보다 열팽창계수가 크기 때문에 질화갈륨을 고온에서 성장시킨 후 냉각시키면 질화갈륨 에피층에 압축 응력이 걸린다. 실리콘 기판은 질화갈륨보다 열팽창계수가 작기 때문에 질화갈륨을 고온에서 성장시킨 후 냉각시키면 질화갈륨 에피층에 인장 응력이 걸린다. 이와 같은 응력을 적절하게 줄여줄 수 있다면 기판의 휘어짐도 줄어들게 된다. 즉, 질화물 박막에 걸리는 응력을 줄여줄 수 있는 방안이 있다면 같은 크기의 기판을 사용할 경우 기판 두께를 줄일 수 있게 된다. 예를 들어, 6 인치 사파이어 기판의 경우 1 mm 두께의 기판을 사용하는 대신 500 ㎛ 두께의 기판을 사용할 수 있게 된다. LED 제작 후 칩 분리를 위해서 기판을 100 ㎛ 정도 남기고 갈아내야 하는 실상을 볼 때 얇은 기판의 사용이 가능해진다면 LED 생산적 측면에서 큰 이득을 얻을 수 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 질화물 반도체 박막 성장시 질화물 반도체 박막이 받는 응력을 감소시키고 전위를 줄여서 고품질의 질화물 반도체 박막을 형성할 수 있는 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 기판과 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수 차이에 의한 응력 발생과 그로 인한 기판 휘어짐 현상을 조절하기 위해서, 희생층을 기판 위에 형성하고 다양한 방법으로 패터닝한 후, 그 위에 무기물 박막을 형성하고 나서 선택적으로 희생층을 제거하여, 기판 위에 기판과 무기물 박막으로 정의되는 빈 공간(cavity)을 형성하는 반도체 박막 형성 방법 및 이러한 방법으로 형성된 반도체 박막 구조를 제안한다.
본 발명에 따르면, 기판 위에 빈 공간을 정의하여 빈 공간 주변에 노출된 기판 표면으로부터 질화물 반도체 박막을 성장시키므로 ELO 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 결함 밀도가 작은 고품질의 질화물 반도체 박막을 형성할 수 있고 질화물 반도체 결정결함 밀도 감소로 내부양자효율을 증대시킬 수 있다.
빈 공간은 박막 구조 안의 굴절률을 조절하는 효과도 있다. 빈 공간은 기판과의 굴절률 차이를 크게 하여 생성된 광자가 좀 더 효율적으로 빠져나오게 한다. 또 빛 산란에 의한 광추출 효과가 상승한다. 이에 따라, 본 발명의 반도체 박막 구조를 LED와 같은 발광 소자로 제작하면 LED 외부양자효율 증대 효과가 있다.
뿐만 아니라 기판의 열팽창계수가 질화물 반도체 박막에 비하여 더 큰 경우에는 질화물 반도체 박막 안의 빈 공간이 면 방향으로 압축됨에 따라 질화물 반도체 박막의 전체 응력이 감소된다. 또한 기판의 열팽창계수가 질화물 반도체 박막에 비하여 더 작은 경우에는 질화물 반도체 박막 안의 빈 공간이 면 방향으로 인장됨에 따라 질화물 반도체 박막의 전체 응력이 감소된다. 따라서, 질화물 반도체 박막에 응력이 발생되는 경우 빈 공간이 찌그러지면서 국부적인 응력 이완이 되고 이로 인한 기판 휘어짐 현상이 감소될 수 있다. 이에 따라, 대면적 기판에서도 상대적으로 얇은 기판을 사용하는 것이 가능해진다.
특히, 이러한 빈 공간은 희생층 패턴의 모양, 크기, 2차원 배열 등을 조절하여 제어할 수 있기 때문에 이러한 박막 구조로부터 제조되는 LED의 광학적 특성, 예컨대 방출 패턴을 조절할 수 있다. 그리고, 희생층 패턴 형성시 사진식각 또는 나노임프린트와 같은 제어된 방법으로 형성하기 때문에 빈 공간이 불규칙적이거나 무작위적으로 형성되는 것이 아니라 제어된 방법으로 형성되므로 재현성이 좋고 소자 균일도가 우수하다.
이와 같은 결과로, 우수한 물성을 갖는 질화물 반도체 에피층을 성장시킬 수 있으므로, 고효율, 고신뢰성을 가지는 광전자 소자를 구현할 수 있다. 또한, 광 추출 효율 증가에 따른 고출력 LD 및 LED가 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 반도체 박막 구조 형성 방법에서 희생층 패턴을 형성할 수 있는 다양한 방법들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법에서 희생층 패턴의 다양한 2 차원적인 배열들을 보이기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 반도체 박막 구조는 기판; 및 상기 기판과의 사이에 서로 분리된 복수개의 빈 공간이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 정의되도록 상기 기판 상에 형성된 무기물 박막을 포함한다.
이러한 반도체 박막 구조는 상기 기판 위로 질화물 반도체 박막을 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 질화물 반도체 박막은 2층 이상의 막이 될 수 있는데, 상기 2층 이상의 막 사이에도 상기와 같은 빈 공간이 정의되도록 할 수 있다. 상기 기판의 열팽창계수가 상기 질화물 반도체 박막에 비하여 크면 상기 빈 공간이 상기 질화물 반도체 박막에 의해 압축된다.
본 발명에 따른 반도체 박막 구조 형성 방법에서는 기판 상에 희생층 패턴을 형성한 다음, 상기 희생층 패턴 상에 무기물 박막을 형성한다. 상기 기판과 무기물 박막으로 정의되는 서로 분리된 복수개의 빈 공간이 형성되도록, 상기 무기물 박막이 형성된 기판으로부터 상기 희생층 패턴을 제거한다.
그리고 이러한 반도체 박막 구조 위로 질화물 반도체 박막을 더 형성할 수 있다. 이 때, 상기 질화물 반도체 박막은 상기 기판 상의 상기 빈 공간이 없는 부분을 씨앗으로 삼아 상기 질화물 반도체 박막이 형성되도록 ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth) 방법으로 수행한다. 상기 무기물 박막이 상기 기판과 다른 물질인 경우에는 상기 기판 상의 상기 빈 공간이 없는 부분이 노출되도록 상기 무기물 박막을 패터닝하는 단계를 상기 무기물 박막을 형성하는 단계와 상기 희생층 패턴을 제거하는 단계 사이, 혹은 상기 희생층 패턴을 제거한 후 상기 질화물 반도체 박막을 형성하는 단계 사이에 더 수행해야 한다.
상기 희생층 패턴은 다양한 방법으로 형성할 수 있다. 상기 기판 상에 감광막을 도포한 후 사진식각 방법으로 형성하거나, 상기 기판 상에 나노임프린트용 수지를 도포한 후 나노임프린트 방법으로 형성할 수 있다. 대신에 상기 기판 상에 유기물 나노입자를 붙여서 형성할 수도 있다.
상기 무기물 박막을 형성하는 단계는 상기 희생층 패턴이 변형되지 않는 온도 한도 내에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 무기물 박막은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 이트리아(Y2O3)-지르코니아, 산화구리(CuO, Cu2O) 및 산화탄탈륨(Ta2O5) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 빈 공간은 상기 희생층 패턴이 제거되어 없어진 자리이다. 따라서, 상기 빈 공간은 상기 희생층 패턴의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 그대로 따른다. 그러므로 상기 빈 공간이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 하려면 상기 희생층 패턴의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 정해야 한다.
상기 빈 공간의 모양을 조절하기 위하여 상기 희생층 패턴을 형성한 후 그 모양을 조절하는 단계를 더 수행할 수도 있다. 예를 들어, 상기 희생층 패턴의 모양을 변형시키기 위한 리플로우(reflow) 단계를 수행하는 것이다. 상기 희생층 패턴이 감광막, 나노임프린트용 수지, 유기물 나노입자와 같은 유기물로 이루어진 경우에, 리플로우 단계는 이러한 희생층 패턴의 모양을 변화시킬 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 박막 구조를 이용하면 자외선 광검출기, 탄성 표면파 소자, LED, LD, 마이크로 전자 소자 등을 제조할 수 있으며 그 소자를 이용한 모듈, 시스템 등으로 확장할 수 있다. 기타 실시예의 구체적 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다음에 설명되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 먼저 기판(10) 상에 희생층 패턴(20)을 형성한다. 희생층 패턴(20)의 두께(d)는 0.01 ~ 10 ㎛이고 희생층 패턴(20)의 폭(w)은 0.01 ~ 10 ㎛으로 할 수 있다. 희생층 패턴(20)의 두께(d)와 폭(w)은 최종적으로 형성하려는 빈 공간을 고려하여 결정하도록 한다. 도 1의 (a)를 참조하면 희생층 패턴(20)은 기판(10) 전체에 같은 패턴으로 균일하게 형성되어 있다. 그러나 이후 도 6을 참조하여 설명하는 바와 같이 희생층 패턴(20)은 기판(10)에 국부적으로 다른 패턴으로 형성될 수도 있다.
이와 같은 희생층 패턴(20)은 다양한 방법에 따라 형성될 수 있는데, 먼저, 사진식각 방법(photo lithography)에 의할 수 있다.
예를 들어, 도 2의 (a)에서와 같이 기판(10) 상에 감광막(PR)을 도포한다. 감광막(PR)은 스핀 코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 스프레이 코팅(spray coating), 용액 적하(dropping), 디스펜싱(dispensing)의 방법 중에서 선택하여 기판(10)에 도포될 수 있으며 코팅막의 균일성을 위해서는 스핀 코팅의 방법이 좋다. 그런 다음, 도 2의 (b)에서와 같이 적절한 차광 패턴(11)을 가진 포토마스크(12)를 이용해 감광막(PR)을 노광(E)한다. 차광 패턴(11) 이외의 영역을 투과한 광은 감광막(PR) 중의 일부를 노광하며, 노광된 부분(EA)이 생긴다. 이후 노광된 부분(EA)을 현상하여 제거하면 도 2의 (c)에서와 같이 감광막 패턴(PR')을 남길 수 있다.
차광 패턴(11)은 반도체 제조 공정의 설계 기술대로 규칙적인 모양과 크기, 간격 등으로 제어하여 형성할 수 있으므로 이로부터 형성할 수 있는 감광막 패턴(PR')의 모양, 크기, 2 차원적인 배열을 조절할 수 있으며, 이러한 감광막 패턴(PR')을 희생층 패턴(20)으로 이용할 수 있다. 필요하다면 도 2의 (d)와 같은 추가적인 리플로우 단계를 더 수행하여 감광막 패턴(PR')의 각진 부분을 둥그렇게 모양을 변형시킨 감광막 패턴(PR")을 형성하여 이를 희생층 패턴(20)으로 이용할 수도 있다.
아니면, 희생층 패턴(20)은 나노임프린트(nano-imprint) 방법으로 형성할 수 있다. 도 3의 (a)를 참조하여 기판(10) 상에 나노임프린트용 수지(R)를 도포한다. 나노임프린트용 수지(R)도 스핀 코팅, 딥코팅, 스프레이 코팅, 용액 적하, 디스펜싱의 방법 중에서 선택하여 기판(10)에 도포될 수 있다. 적절한 요철 구조의 패턴(13)을 가진 나노임프린트 스탬프(14)를 준비한다. 나노임프린트 스탬프(14)는 통상의 제조 방법으로 제조된 실리콘 또는 석영 재질의 마스터 몰드일 수 있으며, 이 마스터 몰드를 복제한 유기물 몰드일 수도 있다.
그런 다음, 나노임프린트 스탬프(14)를 도 3의 (b)에서와 같이 나노임프린트용 수지(R) 상에 가압한다. 이로써, 나노임프린트 스탬프(14)의 패턴(13) 사이에 나노임프린트용 수지(R)가 충진된다. 가압와 동시에 가열을 하거나 자외선을 조사하거나 가열함과 동시에 자외선을 조사하면 나노임프린트용 수지(R)가 경화된다. 이후 나노임프린트 스탬프(14)를 분리해내면 도 3의 (c)에서와 같이 경화된 나노임프린트용 수지(R')가 기판(10) 상에 남게되고, 이를 희생층 패턴(20)으로 이용할 수 있게 된다.
요철 구조의 패턴(13)은 나노임프린트 방법의 설계에 따라 규칙적인 모양과 크기, 간격 등으로 제어하여 형성할 수 있으므로 이로부터 형성할 수 있는 경화된 나노임프린트용 수지(R')의 모양, 크기, 2 차원적인 배열도 조절할 수 있다. 필요하다면 추가의 가열 또는 자외선 조사 등을 통해 경화된 나노임프린트용 수지(R')의 모양을 변형시킬 수도 있다.
대신에 희생층 패턴(20)은 유기물 나노입자로부터 형성할 수도 있다. 예를 들어, 도 4의 (a)에서와 같이 기판(10) 상에 폴리스티렌 또는 폴리이미드와 같은 유기물 나노입자(B)를 붙여서 이를 희생층 패턴(20)으로 이용할 수가 있다. 이 때, 유기물 나노입자(B)의 모양과 크기는 균일한 것을 이용하며, 기판(10) 상에서 규칙적인 2 차원적인 배열을 갖도록 유기물 나노입자(B)가 붙여질 부분에 대한 사전 처리를 하는 것이 바람직하다. 예컨대 기판(10)이 소수성인 경우(혹은 소수성 코팅을 하고), 유기물 나노입자(B)가 붙여질 부분만 친수성 막을 형성하는 등의 처리를 한다. 사전 준비된 2 차원적인 배열 패턴을 가지는 스탬프에 친수성 물질을 묻혀 이것을 기판(10)에 스탬핑하는 등의 방법으로도 실현 가능하다. 그런 다음, 친수성의 유기물 나노입자(B)를 이용하거나 혹은 유기물 나노입자(B) 표면에 친수성 코팅을 해서, 또는 친수성 용매에 유기물 나노입자(B)를 섞어 기판(10) 상에 적용한다. 그러면 기판(10) 상에 친수성 처리된 부분에만 유기물 나노입자(B)가 붙여진다. 이외에도 기판(10) 상에서 규칙적인 2 차원적인 배열을 갖도록 유기물 나노입자(B)를 붙이는 방법은 정전기적 인력을 이용하는 것과 같은 다양한 변형이 가능하다.
이 때, 도 4의 (b)에서와 같이 추가적인 열처리 등을 통하여 유기물 나노입자(B')의 모양을 변형시키면서 기판(10)과의 접촉 면적을 더욱 크게 하여 유기물 나노 입자(B')의 탈락을 방지하는 단계를 더 수행할 수도 있다.
이렇게 다양한 희생층 패턴(20)이 형성되는 기판(10)은 사파이어, 실리콘, SiC, GaAs 기판 등 반도체 물질의 이종 에피 박막 성장에 이용되는 모든 이종 기판이 이용될 수 있다. 실리콘일 경우 그 위에 AlN 버퍼를 성장한 후 사용한다. 희생층 패턴(20)을 형성한 다음에는, 도 1의 (b)를 참조하여 희생층 패턴(20) 상에 무기물 박막(30)을 형성한다. 무기물 박막(30)은 후속적으로 기판(10)과의 빈 공간을 정의하는 것으로, 무기물 박막(30)을 형성할 때에는 희생층 패턴(20)이 변형되지 않는 온도 한도 내에서 수행하는 것이 바람직하다. 무기물 박막(30)을 형성하기 위한 공정은 원자층 증착(Atomic Layer Deposition : ALD), 습식 합성(wet synthesis), 금속 박막 형성 후 산화공정(metal deposition and oxidation) 등 다양한 방법이 가능하다. 구조적으로 안정된 빈 공간이 기판(10) 위에 존재하기 위해서는 무기물 박막(30) 형성 시에 무기물 박막(30)의 일부가 기판(10)과 직접 접촉하는 것이 유리하다. 무기물 박막(30)은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 이트리아(Y2O3)-지르코니아, 산화구리(CuO, Cu2O) 및 산화탄탈륨(Ta2O5) 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 이러한 무기물 박막(30)의 조성, 강도 및 두께 중 적어도 어느 하나를 조절하면 후속적으로 이를 이용한 반도체 박막 구조 상에 형성되는 질화물 반도체 박막에 걸리는 응력을 조절할 수 있다. 무기물 박막(30)은 도시한 바와 같이 희생층 패턴(20)을 덮으면서 기판(10) 위로 전면적으로 형성될 수 있지만, 형성 방법에 따라서는 희생층 패턴(20)만을 덮도록 형성될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하는 제4 및 제5 실시예에서 상세히 설명하기로 한다.
무기물 박막(30) 형성 후에는 도 1의 (a)에서와 같이 기판(10)으로부터 희생층 패턴(20)을 선택적으로 제거하도록 한다. 희생층 패턴(20)은 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 감광막, 나노입프린트용 수지 혹은 유기물 나노입자와 같은 폴리머이므로 이를 쉽게 제거하는 방법은 가열이다. 그리고 산화 방식으로 더욱 쉽게 태워 제거하기 위해서는 산소를 포함하는 가스와의 화학 반응을 추가할 수 있다. 경우에 따라서는 특정 용매와의 화학 반응을 이용할 수도 있다. 희생층 패턴(20)을 제거하고 나면, 도 1의 (c)에 도시한 바와 같이 기판(10)과 무기물 박막(30)으로 정의되는 서로 분리된 복수개의 빈 공간(C)이 형성된 반도체 박막 구조(100)를 얻을 수 있다.
무기물 박막(30)은 보통 비정질이거나 매우 작은 입자로 이루어진 다결정을 갖는 것이 보통이다. 먼저 희생층 패턴(20)이 분해되는 온도(T1)에서 산화 분위기 속에서 열처리를 하여 희생층 패턴(20)을 제거한 후에 고온(T2)으로 온도를 올려 비정질 무기물 박막(30)을 치밀화하는 두 단계로 진행해도 된다.
이와 같은 방법으로 형성한 본 발명에 따른 반도체 박막 구조(100)는 도 1의 (c)에서 보는 바와 같이, 기판(10)과 무기물 박막(30)을 포함한다. 기판(10)과 무기물 박막(30) 사이는 서로 분리된 복수개의 빈 공간(C)이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 정의되어 있다. 빈 공간(C)은 형성 방법 중에 희생층 패턴(20)이 제거되어 없어진 자리이다. 따라서, 빈 공간(C)은 희생층 패턴(20)의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 그대로 따른다. 그러므로 빈 공간(C)이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 하려면 희생층 패턴(20)의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 정해야 한다. 본 실시예에서, 빈 공간(C)은 희생층 패턴(20)의 설계에 따라 기판(10) 전체에 같은 패턴으로 균일하게 정의되어 있다. 그러나, 다른 실시예들에서 빈 공간은 희생층 패턴의 설계에 따라 기판에 국부적으로 다른 패턴으로 정의되어 있을 수 있다.
이와 같은 반도체 박막 구조(100)는 원하는 소자 디자인에 따라 그 위에 다양한 방법으로 질화물 반도체 박막을 형성하는 데에 이용될 수 있다. 질화물 반도체 박막은 GaN, InN, AlN 또는 이들의 조합인 GaxAlyInzN(0<x,y,z<1) 등의 모든 질화물 반도체 물질을 포함한다. 빈 공간(C)이 존재하므로 기판(10)과 그 위에 형성하는 질화물 반도체 박막(미도시) 사이의 열팽창계수 차이가 있다면 빈 공간(C)이 늘어나거나 압축되는 형태로 국부적인 변형을 일으켜 응력 에너지를 소모시킬 수 있다. 이에 따라 질화물 반도체 박막에 걸리는 열응력을 감소시킬 수 있고, 따라서 기판 휘어짐 현상을 줄일 수 있다. 이에 대해서는 다음 실시예를 통해 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1을 참조하여 설명한 실시예에서 만일 무기물 박막(30)이 기판(10)과 조성이 같은 물질이라면(예를 들어, 기판은 사파이어, 무기물 박막은 Al2O3) 고온(T2) 열처리 동안 기판(10)과 직접 접촉하고 무기물 박막(30) 부분은 고체상 에피성장(solid phase epitaxy)이 일어나서 기판(10)의 결정 방향을 따라 결정화가 일어나게 될 것이다. 이 부분은 추후 질화물 반도체 에피층 성장시 씨앗 부분으로 작용을 하게 된다.
도 1의 (a)와 (b)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 5의 (a)에서는 기판(10a) 상에 희생층 패턴(20a)을 형성하고 그 위에 무기물 박막(30a)을 형성한다. 이 때, 기판(10a)은 사파이어 기판으로 하고 희생층 패턴(20a)은 감광막을 이용한 사진식각 방법으로 형성하며, 무기물 박막(30a)은 알루미나로 한다.
알루미나는 ALD와 같은 증착 방법으로 기판(10a)과 희생층 패턴(20a)의 모양을 따라 균일한 두께로 형성할 수 있다. 증착 방법 대신에 습식 용액을 이용한 습식 합성 방법도 가능하다. 습식 용액을 기판(10a)과 희생층 패턴(20a)의 모양을 따라 균일하게 코팅한 후 가열, 건조 혹은 화학 반응을 통해 알루미나를 합성할 수 있다. 예를 들어 알루미늄 클로라이드(AlCl3)와 같은 알루미늄 전구체 분말을 테트라클로로에틸렌(C2Cl4)과 같은 용매에 혼합한 후 희생층 패턴(20a)이 형성된 기판(10)에 적용하여 코팅하고 산소 분위기에서 가열하여 반응시키면 알루미나 박막을 입힐 수 있다. 혹은 금속 Al 박막을 스퍼터링 등의 방법으로 증착한 후에 산화 공정을 수행하여 알루미나를 형성하기도 한다. 이러한 알루미나는 비정질 또는 미세한 입자의 다결정으로 이루어진 상태로 형성된다.
다음 도 1의 (c)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 5의 (b)에서도 희생층 패턴(20a)을 제거하여 빈 공간(C)을 형성한다. 본 실시예에서 희생층 패턴(20a)은 감광막으로 이루어져 있으므로 산소 분위기에서 고온으로 가열하면 흔히 애싱(ashing)이라고 부르는 열분해 공정에 의해 제거할 수 있다. 예컨대 T1의 온도로 가열하여 제거한다.
다음에 보다 고온인 T2로 가열한다. 예를 들어 1000℃ 부근으로 가열을 하면 기판(10a)의 결정 방향을 따르는 고체상 에피택시가 기판(10a)과 알루미나로 된 무기물 박막(30a) 사이의 계면에서부터 시작되어 비정질로 이루어진 알루미나는 다결정이 되거나, 미세한 다결정은 그 크기가 더 커지거나 가장 바람직한 경우에는 기판(10a)과 같은 단결정으로 바뀌게 된다.
이에 따라 도 5의 (c)에서와 같이 무기물 박막(30b)과 기판(10a) 사이의 계면(도면에서는 점선으로 표시)은 사라지게 된다. 다음으로 도 5의 (d)에서와 같이 이러한 반도체 박막 구조 위로 질화물 반도체 박막(50)을 더 형성한다. 먼저, 알루미늄 질화 갈륨(AlxGa1-xN)과 같은 저온 버퍼(41)를 형성한다. 도면에는 저온 버퍼(41)가 빈 공간(C) 사이의 기판(10a) 위로 성장되는 것을 도시하였으나 저온 버퍼(41)는 빈 공간(C) 위의 무기물 박막(30b) 위로 성장할 수도 있다. 이후 고온으로 하여 언도프트 질화 갈륨(GaN) 혹은 언도프트 알루미늄 질화 갈륨(AlxGa1-xN)과 같은 언도프트 에피층(42)을 포함하는 질화물 반도체 에피층(46)을 형성한다. LED와 같은 발광 소자를 제조하려면 질화물 반도체 에피층(46)은 n형 질화물 반도체 박막(43), MQW 등의 구조를 가질 수 있는 활성층(44) 및 p형 질화물 반도체 박막(45)을 포함하여 이루어지게 형성한다. 질화물 반도체 박막(50)은 기판(10) 상의 빈 공간(C)이 없는 부분을 씨앗으로 삼아 ELO 방법으로 성장되며, 빈 공간(C) 주변의 기판(10) 위로부터 성장하여 빈 공간(C) 위 쪽에서 합체되어 막을 이루게 되므로 고품질로 형성된다. 이러한 구조를 이용하여 질화물 반도체 소자를 제조할 수 있는데, 질화물 반도체 박막(50) 물질 종류에 따라 밴드갭 조절이 되어 자외선, 가시광선, 적외선 영역의 빛을 방출하도록 할 수 있다.
예를 들어 GaN과 같은 저온 버퍼(41)의 경우 격자 이완이 완벽히 일어날 수 있는 충분한 두께, 즉, 10 nm ~ 100 nm의 넓은 범위에서 정할 수 있다. 일반적인 화학 기상 증착법(CVD)에서 표면 반응 지배(surface reaction controlled) 구간의 온도 범위가 저온 버퍼(41) 형성에 이용될 수 있는데, 사파이어 기판 위에 GaN층을 성장시키는 경우라면 400℃ ~ 700℃의 온도범위가 이용될 수도 있고, AlN으로 이루어진 저온 버퍼(41)는 그보다 고온의 온도 범위에서 형성될 수 있다. 저온 버퍼(41)를 성장하기 위한 방법으로는 각종 증착법(e-beam evaporators, sublimation sources, Knudsen cell)과, 이온빔 증착법, 기상 에피택시법(ALE, CVD, APCVD, PECVD, RTCVD, UHVCVD, LPCVD, MOCVD, GSMBE, etc.)을 이용할 수 있다.
본 실시예에서 저온 버퍼(41)를 성장하기 위해, 먼저 기판(10a)을 반응기에 장입한다. 다음, 반응기의 압력, 온도 및 5족 전구체 : 3족 전구체 비율을 일정하게 한다. 반응기 압력은 10~1000 torr, 온도는 300~1200 ℃, 5족 전구체 : 3족 전구체 비율은 1 ~ 1000000의 범위로 할 수 있다. 반응기가 안정화되면 5족 전구체와 3족 전구체를 일정한 속도로 주입하여 기판(10a) 위에 질화물의 층을 성장시켜 저온 버퍼(41)를 얻는다. 소정 두께의 저온 버퍼(41)가 얻어질 때까지 5족 전구체와 3족 전구체의 주입을 유지한다.
다음으로 저온 버퍼(41) 위로 질화물 반도체 박막(50)을 성장시킨다. GaN 고온 에피층과 같은 질화물 반도체 박막의 성장 온도는 물질 이동 지배(mass transfer controlled) 구간의 온도 범위가 사용될 수 있는데, 사파이어 기판 위에 GaN층의 성장시 700℃ ~ 1200℃의 온도 범위가 사용될 수 있으며 저온 버퍼(41) 성장 온도와 같게 하거나 고온으로 한다.
앞의 저온 버퍼(41)를 형성하는 단계와 질화물 반도체 박막(50)을 형성하는 단계는 진공을 깨지 않고(혹은 인시튜로) 하나의 챔버 안에서 또는 트랜스퍼 챔버로 연결된 두 개의 프로세스 챔버 안에서 진행할 수 있다.
사파이어 기판인 기판(10a)의 열팽창계수가 질화물 반도체 박막(50)에 비하여 크므로, 질화물 반도체 박막(50)을 형성하는 단계 이후 냉각시키는 과정에서 빈 공간(C)이 면 방향으로 압축될 수 있고, 이에 따라 질화물 반도체 박막(50)에 걸리는 압축 응력은 이완이 될 수 있다. 그러므로, 기판(10a)의 휘어짐을 감소할 수 있다.
도 5의 (d)와 같은 구조에 전극(미도시)을 더 구성하면 본 발명에 따른 반도체 소자 및 이를 포함하는 모듈 혹은 시스템을 제조할 수 있다. 예를 들어 메사 식각으로 n형 질화물 반도체 박막(43)이 드러나게 한 표면에 n형 전극을 형성하고 p형 질화물 반도체 박막(45) 위에 p형 전극을 형성한다. 이와 같이, 반도체 소자는 본 발명에 따른 반도체 박막 구조를 이용하며, 물론 여기에 적절한 패터닝이 수반될 수 있다. 다양한 소자 및 그 소자를 이용한 모듈과 시스템 제작이 얼마든지 가능하다.
특히, 희생층 패턴(20a)을 통해 빈 공간(C)의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열 중 적어도 어느 하나를 조절하면 질화물 반도체 박막(50)에 걸리는 응력, 질화물 반도체 박막(50)으로부터의 광 추출량을 조절할 수 있다. 또한 규칙적인 굴절률의 변화로 인한 광결정 효과에 의해서 LED 방출 패턴(emission pattern)을 조절할 수 있게 된다.
도 6은 희생층 패턴(20a)의 2 차원적인 배열을 보여주는 평면도로서 하나의 칩을 구성하는 기판의 일부를 보여준다.
먼저 도 6의 (a) 또는 (b)에서와 같이 기판(10a)에 형성하는 희생층 패턴(20a)은 라인 앤드 스페이스 타입(line and space type)으로서 y축 방향 혹은 x축 방향으로 신장하는 모양을 가질 수 있다. 500 nm의 라인 앤드 스페이스를 가정할 경우 가로 x 세로가 1mm x 1mm 크기의 칩에는 대략 1000개의 희생층 패턴(20a)이 들어가게 된다. 희생층 패턴(20a)을 이렇게 일 방향으로 신장하는 모양으로 형성할 경우 이로부터 형성하는 LED는 어느 한 방향으로의 광 특성이 제어가 되어 예컨대 편광 방향성을 조절하는 것이 가능해진다.
도 6의 (c)와 (d)는 희생층 패턴(20a)이 각각 동심 사각형이거나 동심 원형인 것을 도시한다. 이러한 희생층 패턴(20a)은 이로부터 형성하는 LED에서 방사각에 따른 광 출력 특성을 제어할 수 있게 한다.
희생층 패턴(20a)의 예는 이 밖에도 다양한 변형이 가능하며 다양한 패턴에 따라 광특성 제어가 가능해진다. 앞에서 예로 든 라인 앤드 스페이스 형태의 패턴 말고도 예컨대 도 6의 (e)에서와 같은 섬(island)형 패턴도 가능하다. 그리고 기판(10a) 전체에 대해 균일한 패턴도 가능하지만 도 6의 (f)와 같이 국부적으로 다른 패턴의 반복으로 구성할 수도 있다. 이와 같이, 전체를 같은 패턴으로 균일하게 하지 않고, 국부적으로 다른 패턴으로 하면 국부적으로 응력 이완의 정도를 다르게 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 기판(10a) 상에 무기물 박막(30b)이 빈 공간(C)을 정의할 수 있도록 한 반도체 박막 구조에 질화물 반도체 박막(50a)을 형성한 후, 그 위에 다른 무기물 박막(30c)을 더 형성하여 다른 빈 공간(C')을 또 정의한다. 그리고 그 위로 다른 질화물 반도체 박막(50b)을 형성하는 것이다. 이와 같이 본 발명에 따른 반도체 박막 구조는 기판(10a) 위로 2층 이상의 질화물 반도체 박막(50a, 50b)을 포함할 수 있으며, 질화물 반도체 박막(50a, 50b) 사이에도 빈 공간(C')이 정의되도록 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5를 참조한 실시예는 기판(10a)과 무기물 박막(30a)이 사파이어와 알루미나로 서로 동일한 물질인 경우이다. 무기물 박막이 기판과 다른 물질인 경우(예를 들어 기판은 사파이어, 무기물 박막은 SiO2)에는 고온(T2) 열처리 동안 치밀화가 이루어지게 되나 씨앗의 역할을 하지 못하게 되므로 기판 상의 빈 공간이 없는 부분이 노출되도록 무기물 박막을 패터닝하는 단계를 더 수행해야 한다.
도 1의 (a)와 (b)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 8의 (a)에서는 기판(10a) 상에 희생층 패턴(20a)을 형성하고 그 위에 무기물 박막(30a')을 형성한다. 이 때, 기판(10a)은 사파이어 기판으로 하고 희생층 패턴(20a)은 감광막을 이용한 사진식각 방법으로 형성하며, 무기물 박막(30a')은 사파이어와는 다른 물질, 예컨대 실리카로 한다.
다음 도 1의 (c)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 8의 (b)에서 희생층 패턴(20a)을 제거하여 빈 공간(C)을 형성한다. 희생층 패턴(20a)은 감광막으로 이루어져 있으므로 고온으로 가열하여 제거할 수 있다.
다음에 도 8의 (c)를 참조하여 사진식각 방법을 이용해 기판(10a) 상의 빈 공간(C)이 없는 부분이 노출되도록 무기물 박막(30a')을 패터닝하여 패터닝된 무기물 박막(30a")이 기판(10a) 상면을 노출시킬 수 있도록 한다.
다음으로 도 8의 (d)에서와 같이 이러한 반도체 박막 구조 위로 질화물 반도체 박막(50)을 더 형성할 수 있다. 질화물 반도체 박막(50)은 기판(10a) 상의 빈 공간(C)이 없는 부분, 즉 기판(10a) 상면이 노출되어 있는 부분을 씨앗으로 삼아 ELO 방법으로 성장되므로 결정 결함이 적은 고품질의 박막으로 성장된다.
한편, 본 실시예에서는 빈 공간(C)을 먼저 형성한 후에 무기물 박막(30a')을 패터닝하는 것을 설명하였으나 무기물 박막(30a')을 패터닝 한 후에 빈 공간(C)을 형성하는 것도 가능하다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 1의 (a)와 (b)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 9의 (a)에서는 기판(10a) 상에 희생층 패턴(20a)을 형성하고 그 위에 무기물 박막(30a')을 형성한다. 이 때, 기판(10a)은 사파이어 기판으로 하고 희생층 패턴(20a)은 폴리스티렌 비드와 같은 유기물 나노입자를 붙여 형성하며, 무기물 박막(30a')은 실리카로 한다.
습식 합성 방법에 의하는 경우, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이 무기물 박막(30a')이 희생층 패턴(20a)만을 덮도록 형성할 수 있다. 즉, 희생층 패턴(20a) 사이의 기판(10a) 상면은 덮이지 않은 상태로 무기물 박막(30a')을 형성할 수가 있다. 예를 들어 알루미늄 클로라이드(AlCl3)와 같은 알루미늄 전구체 분말을 테트라클로로에틸렌(C2Cl4)과 같은 용매에 혼합한 후 폴리스티렌 비드와 같은 유기물 나노입자로 된 희생층 패턴(20a)이 형성된 기판(10)에 적용하여 코팅하면 알루미늄 전구체 분말 용액은 기판(10a)보다도 희생층 패턴(20a)에 우세하게 도포되기 때문이다.
다음 도 1의 (c)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 9의 (b)에서도 희생층 패턴(20a)을 제거하여 빈 공간(C)을 형성한다. 예컨대 T1의 온도로 가열하여 제거한다.
다음에 보다 고온인 T2로 가열한다. 예를 들어 1000℃ 부근으로 가열을 하면 기판(10a)의 결정 방향을 따르는 고체상 에피택시가 기판(10a)과 무기물 박막(30a') 사이의 계면에서부터 시작되어 비정질로 이루어진 실리카는 다결정이 되거나, 미세한 다결정은 그 크기가 더 커지게 되어 무기물 박막(30b')이 된다.
다음으로 도 9의 (d)에서와 같이 이러한 반도체 박막 구조 위로 질화물 반도체 박막(50)을 더 형성할 수 있다. 질화물 반도체 박막(50)은 기판(10a) 상의 빈 공간(C)이 없는 부분을 씨앗으로 삼아 ELO 방법으로 성장되므로 결정 결함이 적은 고품질의 박막으로 성장된다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 반도체 박막 구조 및 그 형성 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
먼저 도 10의 (a)를 참조하여, 기판(10b) 상에 AlN과 같은 버퍼층(15)을 형성한다. 이 때, 기판(10b)은 실리콘 기판으로 하고 예컨대 100 Å 이하 두께로 AlN을 스퍼터링하여 버퍼층(15)으로 형성한다.
다음, 도 1의 (a)와 (b)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 10의 (b)에서는 기판(10b) 상에 희생층 패턴(20a)을 형성하고 그 위에 무기물 박막(30a)을 형성한다. 무기물 박막(30a)은 알루미나 또는 AlN으로 형성한다.
다음 도 1의 (c)를 참조하여 설명한 바와 같이 도 10의 (c)에서도 희생층 패턴(20a)을 제거하여 빈 공간(C)을 형성한다. 이후의 단계는 제2 실시예에서와 같다. 희생층 패턴(20a)은 감광막으로 이루어져 있으므로 고온으로 가열하면 열분해에 의해 제거할 수 있다. 예컨대 T1의 온도로 가열하여 제거한다.
다음에 보다 고온인 T2로 가열한다. 예를 들어 1000℃ 부근으로 가열을 하면 기판(10b)의 결정 방향을 따르는 고체상 에피택시가 일어나 무기물 박막(30b)과 버퍼층(15) 그리고 기판(10b) 사이의 계면(도면에서는 점선으로 표시)은 사라지게 되어, 후속 단계에서 빈 공간(C) 사이의 기판(10b)을 씨앗으로 삼아 ELO(epitaxial lateral overgrowth) 방법 고품질의 질화물 반도체 박막을 성장시킬 수 있다.
실리콘 기판인 기판(10b)의 열팽창계수가 질화물 반도체 박막에 비하여 크므로, 도 10의 (c)에 도시한 것과 같은 반도체 박막 구조 상에 질화물 반도체 박막을 형성하는 단계 이후 냉각시키는 과정에서 면 방향으로 빈 공간(C)이 인장될 수 있고, 이에 따라 질화물 반도체 박막에 걸리는 인장 응력은 이완이 될 수 있다. 그러므로, 기판(10b)의 휘어짐을 감소할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (29)

  1. 기판; 및
    상기 기판과의 사이에 서로 분리된 복수개의 빈 공간(cavity)이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 정의되도록 상기 기판 상에 형성된 무기물 박막을 포함하는 반도체 박막 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판 위로 질화물 반도체 박막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  3. 제2항에 있어서, 상기 질화물 반도체 박막은 2층 이상의 막인 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  4. 제3항에 있어서, 상기 2층 이상의 막 사이에 서로 분리된 복수개의 빈 공간이 규칙적으로 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 정의되도록 상기 2층 이상의 막 사이에 형성된 다른 무기물 박막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  5. 제2항에 있어서, 상기 기판의 열팽창계수가 상기 질화물 반도체 박막에 비하여 크고 상기 빈 공간이 상기 질화물 반도체 박막에 의해 면 방향으로 압축된 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  6. 제2항에 있어서, 상기 기판의 열팽창계수가 상기 질화물 반도체 박막에 비하여 작고 상기 빈 공간이 상기 질화물 반도체 박막에 의해 면 방향으로 인장된 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 빈 공간은 상기 기판 전체에 같은 패턴으로 균일하게 정의되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 빈 공간은 상기 기판에 국부적으로 다른 패턴으로 정의되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조.
  9. 기판 상에 희생층 패턴을 형성하는 단계;
    상기 희생층 패턴 상에 무기물 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 기판과 무기물 박막으로 정의되는 서로 분리된 복수개의 빈 공간(cavity)이 형성되도록, 상기 무기물 박막이 형성된 기판으로부터 상기 희생층 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 박막 구조 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기판 위로 질화물 반도체 박막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 질화물 반도체 박막을 형성하는 단계는 상기 기판 상의 상기 빈 공간이 없는 부분을 씨앗으로 삼아 상기 질화물 반도체 박막이 형성되도록 ELO(epitaxial lateral overgrowth) 방법으로 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 무기물 박막은 상기 기판과 다른 물질이며 상기 기판 상의 상기 빈 공간이 없는 부분이 노출되도록 상기 무기물 박막을 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 기판의 열팽창계수가 상기 질화물 반도체 박막에 비하여 크게 선택하고, 상기 질화물 반도체 박막을 형성하는 단계 이후 냉각시키는 과정에서 상기 질화물 반도체 박막에 의해 상기 빈 공간을 면 방향으로 압축시켜 상기 기판의 휘어짐을 감소하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 기판의 열팽창계수가 상기 질화물 반도체 박막에 비하여 작게 선택하고, 상기 질화물 반도체 박막을 형성하는 단계 이후 냉각시키는 과정에서 상기 질화물 반도체 박막에 의해 상기 빈 공간을 면 방향으로 인장시켜 상기 기판의 휘어짐을 감소하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 질화물 반도체 박막에 걸리는 응력, 상기 질화물 반도체 박막으로부터의 광 추출량 및 방출 패턴 중 적어도 어느 하나를 조절하기 위하여 상기 빈 공간의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열 중 적어도 어느 하나를 조절하는 것을 특징으로 하는 박막 구조 형성 방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 감광막을 도포한 후 사진식각 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  17. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 나노임프린트용 수지를 도포한 후 나노임프린트 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  18. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴을 형성하는 단계는 상기 기판 상에 유기물 나노입자를 붙여서 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  19. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴의 두께는 0.01 ~ 10 ㎛이고 상기 희생층 패턴의 폭은 0.01 ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  20. 제9항에 있어서, 상기 무기물 박막을 형성하는 단계는 상기 희생층 패턴이 변형되지 않는 온도 한도 내에서 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  21. 제9항에 있어서, 상기 무기물 박막은 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 이트리아(Y2O3)-지르코니아, 산화구리(CuO, Cu2O) 및 산화탄탈륨(Ta2O5) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  22. 제10항에 있어서, 상기 질화물 반도체 박막에 걸리는 응력을 조절하기 위하여 상기 무기물 박막의 조성, 강도 및 두께 중 적어도 어느 하나를 조절하는 것을 특징으로 하는 박막 구조 형성 방법.
  23. 제9항에 있어서, 상기 빈 공간이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 정의되도록 상기 희생층 패턴의 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 정하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  24. 제9항에 있어서, 상기 빈 공간의 모양을 조절하기 위하여 상기 희생층 패턴의 모양을 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  25. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴의 모양을 변형시키기 위한 리플로우(reflow) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  26. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴은 상기 기판 전체에 같은 패턴으로 균일하게 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  27. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴은 상기 기판에 국부적으로 다른 패턴으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  28. 제9항에 있어서, 상기 희생층 패턴을 제거하는 단계는 가열, 산소를 포함하는 가스와의 화학 반응, 용매와의 화학 반응 중 적어도 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 박막 구조 형성 방법.
  29. 기판;
    상기 기판과의 사이에 서로 분리된 복수개의 빈 공간(cavity)이 제어된 모양과 크기 및 2 차원적인 배열을 갖게 정의되도록 상기 기판 상에 형성된 무기물 박막; 및
    상기 기판 위로 형성된 질화물 반도체 박막을 포함하는 반도체 박막 구조를 포함하는 반도체 소자.
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