KR100616656B1 - 질화갈륨계 단결정 기판의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

질화갈륨계 단결정 기판의 제조방법 및 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화물 단결정 기판의 제조방법 및 이에 사용되는 제조장치에 관한 것으로서, 반응챔버 내에 장착된 서셉터에 예비기판을 배치하는 단계와, 상기 예비기판 상에 질화물 단결정층을 성장시키는 단계와, 상기 예비기판을 상기 반응챔버 내에 유지하면서 상기 예비기판과 상기 질화물 결정층이 분리되도록 레이저빔을 조사하는 단계를 포함하는 질화물 단결정기판 제조방법을 제공한다.
질화물 단결정 기판(Nitride based single crystal substrate), 사파이어 기판(sappire substrate), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)

Description

질화갈륨계 단결정 기판의 제조방법 및 제조장치{METHOD AND APPARATUS OF PRODUCING A GALLIUM NITRIDE BASED SINGLECRYSTAL SUBSTRATE}
도1은 종래의 사파이어기판과 질화물 단결정을 분리하는 공정을 나타내는 단면도이다.
도2a 내지 도2d는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 단결정 기판 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
도3a 내지 도3d는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 단결정 기판 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
도4a 및 도4b는 본 발명에서 채용될 수 있는 레이저 빔 조사궤적을 나타내는 개략도이다.
도5a 내지 도5e는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 단결정 기판 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
도6a 및 도6b는 각각 본 발명에 따른 질화물 단결정 기판 제조장치를 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
20: 사파이어 기판 25: 질화물 단결정층
26,36: Ⅲ족 메탈(Ga 메탈) 30: 실리콘 기판
35: 질화물 단결정층
본 발명은 질화물 단결정 기판 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 리프트오프공정에서 발생되는 크랙으로 인한 수율감소를 완화시킬 수 있는 질화물 단결정 기판 제조방법에 관한 것이다.
최근에, 기록/재생의 고밀도화 또는 고해상도화가 요구되는 광디스크분야뿐만 아니라, 차세대 조명분야에서, 단파장대역에서 발광하는 반도체 소자의 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 단파장대역에서 발광 가능한 반도체 소자를 구성하기 위한 재료로서, GaN와 같은 질화물계 단결정 기판이 널리 사용된다. 예를 들어, GaN 단결정은 3.39eV에너지 벤드갭을 가지므로, 청색계열의 단파장대역광을 발광하는데 적합하다.
통상적으로, 질화갈륨 단결정은 이종 기판 상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등의 기상 성장법 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy)법을 이용하여 제조되어 왔으며, 여기에 사용되는 이종 기판으로는 사파이어(α-Al2O3) 기판 또는 SiC 기판이 있으나, 예를 들어, 사파이어의 경우에, 질화갈륨과 약 13%의 격자상수 차가 존재하며, 열팽창 계수 차이(-34%)도 크기 때문에, 사파이어 기판과 질화갈륨 단결정의 계면 사이에서 응력이 발생되고, 이로 인해, 결정 내에 격자 결함 및 크랙이 발생될 수 있는 문제가 있다. 이러한 결함 및 크랙은 고품질의 질화물 결정성장을 어렵게 하고, 결과적으로 그로부터 제조된 반도체 소자는 신뢰성이 저하되고 수명이 짧아지는 문제가 있다.
이러한 대안으로서, 질화물 반도체소자를 동종기판인 질화물 단결정 기판 상에서 직접 성장시키는 기술이 고려되고 있으며, 이를 위해서 프리 스탠딩(freestanding) 질화물 단결정 기판이 요구된다.
이러한 프리 스탠딩 질화물 단결정기판은, 1차적으로는 사파이어 기판과 같은 예비기판 상에 질화물 단결정 벌크를 성장시키고, 이어 예비기판을 질화물 단결정 벌크로부터 제거하는 공정으로 얻을 수 있다. 이 때에, 사파이어 기판을 제거하는 방법으로는 레이저 리프트오프(laser lift off)공정이 사용되고 있다.
상기 레이저 리프트오프공정은 레이저를 조사하여 사파이어기판과의 계면에서 GaN계 단결정벌크를 금속 갈륨(Ga)과 질소(1/2N2)로 분해하여 분리하는 레이저 리프트 오프(laser lift off)공정이 사용되고 있다.
하지만, 통상의 레이저 리프트오프공정은 2인치이하의 소구경 웨이퍼에서 얇 은 두께의 결정을 성장한 경우에는 기계적 변형 또는 크랙의 발생 없이 적용될 수 있지만, 예비기판도 여전히 이종기판이므로, 격자상수와 열팽창계수의 차이로 인해 직경 2인치이상의 사이즈 또는 소정의 두께이상의 결정을 성장시킨 경우에는, 도1에 도시된 바와 같이, 심각한 휨과 크랙(C)이 발생되는 문제가 여전히 발생된다.
특히, 열팽창계수로 인한 열응력은 고온(900∼1200℃)에서 성장되는 질화물결정을 레이저 리프트 오프를 위한 상온으로의 냉각과정에서 심각한 수준으로 발생된다.
따라서, 당 기술분야에서는, 질화물 단결정 벌크와 사파이어기판과 같은 기존의 성장용 기판간의 응력발생, 특히, 열팽창계수 차이로 인한 응력발생문제를 근본적으로 해결함으로써 양질의 질화물 단결정 기판을 제조할 수 있는 방법 및 그 장치가 요구되어 왔다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 사파이어기판 또는 SiC기판과 같은 예비기판 상에 질화물 단결정을 성장시에 또는 성장 후에 동일한 온도의 챔버에서 연속적으로 레이저 리프트오프공정을 실시함으로써 열팽창계수에 의한 응력발생을 억제하는 질화물 단결정 기판 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 질화물 단결정 기판 제조방법에 적절하게 사용될 수 있는 질화물 단결정 기판 제조장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은,
반응챔버 내에 장착된 서셉터에 예비기판을 배치하는 단계와, 상기 예비기판 상에 질화물 단결정층을 성장시키는 단계와, 상기 예비기판을 상기 반응챔버 내에 유지하면서 상기 예비기판과 상기 질화물 결정층이 분리되도록 레이저빔을 조사하는 단계를 포함하는 질화물 단결정기판 제조방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 레이저빔을 조사하는 단계는 반응챔버 내에서 인시튜(in-situ)상태로 실시되므로, 질화물 단결정성장온도범위인 800∼1200℃에서 실행될 수 있으며, 보다 바람직하게, 상기 질화물 단결정층의 성장온도와 실질적으로 동일한 온도범위에서 실시될 수 있다. 따라서, 열팽창계수 차이로 인한 응력발생을 최소화하여 레이저 조사단계에서 야기되는 크랙 및 휨현상을 억제할 수 있다.
본 발명에서 제조되는 질화물 단결정층은 조성식 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤1, 0 ≤x+y ≤1임)을 만족하는 단결정층일 수 있으며, 상기 예비기판으로서는, 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2 및 LiGaO2 로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 기판이 사용될 수 있다.
상기 예비기판은 실리콘 기판인 경우에는, 격자상수의 차이를 완화하기 위해서, 상기 질화물 단결정층을 성장시키는 단계 전에, 상기 예비기판 상에 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤1, 0 ≤x+y ≤1임)인 저온성장 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제조방법에 사용되는 반응챔버는 상기 서셉터에 배치된 상기 예비기판을 향해 레이저가 조사될 수 있도록 상부에 레이저조사용 투명창이 구비되는 것이 바람직하다.
이 경우에, 상기 예비기판이 사파이어기판과 같이 상기 질화물 단결정층보다 넓은 에너지밴드갭을 갖는 물질로 이루어지는 경우에, 상기 레이저빔을 조사하는 단계를 상기 질화물 단결정이 형성된 예비기판의 하면이 레이저빔이 조사되는 방향을 향하도록 상기 예비기판을 이동시키는 공정과, 상기 예비기판의 하면에 레이저빔을 조사하는 공정으로 실행할 수 있다.
한편, 상기 예비기판이 실리콘기판과 같이, 상기 질화물 단결정층보다 좁은 에너지밴드갭을 갖는 물질로 이루어지는 경우에는, 상기 레이저빔을 조사하는 단계는, 상기 예비기판 상면에 형성된 상기 질화물 단결정층을 향해 레이저빔을 조사하는 공정으로 구현될 수 있다. ,
본 발명의 특정 실시형태에서는, 상기 질화물 단결정층을 성장시키는 단계 는, 소정의 두께로 질화물단결정막을 성장시키는 1차 성장단계과, 상기 질화물 단결정막 상에 질화물 단결정을 추가 성장시키는 2차 성장단계로 이루어질 수 있으며, 이 경우에, 상기 레이저를 조사하는 단계는 상기 1차 성장단계와 상기 2차 성장단계 사이에 실시될 수 있다.
또한, 다른 실시형태에서는, 상기 1차 성장단계와 상기 2차 성장단계 사이에 상기 예비기판과 상기 질화물 단결정층이 부분적으로 분리되도록 레이저를 조사하는 단계를 더 포함하며, 완전 분리하는 레이저조사공정은 2차 성장단계가 완료한 후에 실행될 수 있다.
질화물 단결정의 성장공정 사이에 채용되는 레이저조사공정은 격자상수로 인한 응력발생을 완화하는 효과가 있다. 즉, 성장두께의 증가에 따라 커지는 응력발생을 완화하기 위해서, 소정의 두께의 질화물 단결정막을 1차 성장시킨 후에, 예비기판과 부분적으로 또는 완전히 분리되도록 레이저를 조사함으로써 성장두께가 증가되는 2차 성장시에 발생되는 응력을 최소화할 수 있다.
상기한 질화물 단결정의 성장공정 사이에 부분분리 또는 완전분리를 위한 레이저 조사공정을 도입하는 경우에, 상기 예비기판이 실리콘 기판이면, 상기 1차 성장되는 질화물 단결정막의 두께는 0.1∼1㎛인 것이 바람직하다.
한편, 예비기판이 사파이어기판인 경우에는, 상기 1차 성장되는 질화물 단결정막의 두께는 5∼100㎛인 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 부분분리를 위한 레이저 조사공정은, 레이저빔이 조사되는 부분이 소정의 간격을 갖도록 레이저를 조사하는 방식으로 구현될 수 있다.
상술된 실시형태에서 사용되는 질화물 단결정층 성장공정은 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy)에 의해 실행될 수 있다.
또한, 본 발명은, 상술된 본 발명의 제조방법을 구현하기 위한 질화물 단결정 제조장치를 제공한다. 상기 단결정제조장치는 질화물 단결정 성장용 반응챔버와, 상기 반응챔버의 내부에 장착되어 기판을 고정시키기 위한 서셉터와, 상기 서셉터에 고정될 기판 상면을 향해 레이저가 조사될 수 있도록 상기 반응챔버 상부에 제공된 레이저 조사용 투명창을 포함한다.
본 발명의 주요한 특징은 질화물 단결정을 성장시키는 반응챔버 내에서 질화물 단결정과 예비기판을 분리하기 위한 레이저 조사공정을 실시함으로써 열팽창계수에 의한 응력발생을 최소화한다는데 있다. 본 발명에서 사용되는 예비기판으로는 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2 또는 LiGaO2이 있을 수 있다. 기판의 에너지밴드갭에 따라 레이저빔의 조사방향을 달리할 수 있다. 예를 들어, 사파이어기판과 같이 질화물 단결정층보다 큰 에너지밴드갭을 갖는 경우에는 그 중간의 파장( 예,266㎚ 또는 355㎚)을 갖는 레이저빔을 예비기판 하면에 향해 조사할 수 있으며, 이와 달리, 실리콘기판과 같이 질화물 단결정층보다 작은 에너지밴드갭을 갖는 경우에는 그 중간의 파장(예, 532㎚ 또는 1064㎚)을 갖는 레이저빔을 질화물 단결정층 상면 방향으로 조사할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도2a 내지 도2d는 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 단결정 기판 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다. 본 실시형태는 성장될 질화물 단결정층보다 큰 에너지밴드갭을 갖는 사파이어 기판을 사용하는 경우를 나타낸다.
도2a와 같이, 본 발명의 질화물 단결정 기판 제조방법은 예비기판으로서 사파이어 기판(20)을 마련하는 단계로 시작된다. 상기 사파이어기판(20)은 HVPE, MOCVD 또는 MBE공정을 위한 반응챔버에 배치된다. 상기 사파이어기판(20) 상에는 보다 양질의 질화물 단결정을 성장시키기 위해서 저온(900℃이하)에서 버퍼층(미도시)을 미리 형성할 수 있다.
이어, 도2b와 같이, 상기 사파이어 기판(20) 상에 질화물 단결정기판(25)을 성장시킨다. 상기 질화물 단결정층(25)은 AlxInyGa1-x-yN조성식(여기서, 0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤1, 0 ≤x+y ≤1임)을 만족하는 단결정일 수 있다. 이러한 질화물 단결정층(25)은 HVPE, MOCVD 또는 MBE공정을 성장될 수 있으나, 800∼1200℃범위의 고온조건이 요구된다. 이 때에 성장되는 질화물 단결정층(25)은 400㎛이상의 두께로도 형성될 수 있다.
다음으로, 도2c와 같이, 반응챔버 내에서 연속적으로 상기 사파이어 기판(20)의 하면에 레이저를 조사하는 공정을 실시한다. 이와 같이, 본 발명의 레이저 조사공정은 인시튜상태, 즉 반응챔버 내에서 실행되므로 열응력을 유발하는 온도변화를 최소화시킬 수 있다. 본 레이저조사 공정은 바람직하게는 800∼1200℃범위에서 실시될 수 있으며, 보다 바람직하게는 질화물 성장온도와 동일한 온도에서 실시될 수 있다. 본 단계에서 레이저 빔이 사파이어 기판(20)의 하면에 대해 조사되면, 질화물 단결정층은 질소가스와 Ⅴ족 메탈(26)로 분해된다. 예를 들어, GaN인 경우에 레이저에 의해 질소가스와 Ga메탈로 분해되어 서로 분리될 수 있는 상태를 형성할 수 있다.
이어, 레이저빔을 사파이어기판(20)의 전체면에 걸쳐 조사함으로써 질화물 단결정층(25)과 사파이어기판(20)의 계면은 Ⅴ족 메탈(26)로 변환될 수 있으며, 이러한 메탈(26)을 용융시켜 도2d와 같이 사파이어 기판(20)으로부터 질화물 단결정층(25)을 분리시킬 수 있다.
본 실시형태에 따른 레이저 조사에 의한 분리공정은, 반응챔버의 상부에 질화물 단결정층의 상면을 향해 레이저를 조사하기 위한 레이저조사용 투명창을 마련하고, 기판위치조정아암을 이용하여 상기 질화물 단결정이 형성된 예비기판의 하면이 레이저빔이 조사되는 방향을 향하도록 상기 사파이어 기판을 이동시킴으로써 구현될 수 있다.
또한, 본 발명은 질화물 단결정층의 에너지밴드갭보다 작은 밴드갭을 갖는 예비기판을 사용하는 형태로도 제공될 수 있다. 도3a 내지 도3d는 본 발명의 다른 실시형태로서 예비기판으로 실리콘기판을 사용한 질화물 단결정 기판 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
도3a와 같이, 본 발명의 질화물 단결정 기판 제조방법은 실리콘 기판(30)을 반응챔버에 배치하는 단계로 시작된다. 이어, 도3b와 같이, 상기 실리콘 기판(30)상에 버퍼층(31)을 형성한 후에 질화물 단결정(35)을 성장시킨다. 상기 버퍼층(31)은 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤1, 0 ≤x+y ≤1임)로 이루어진 저온버퍼층일 수 있으며, 상기질화물 단결정층(35)은 AlxInyGa1-x-yN조성식(여기서, 0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤1, 0 ≤x+y ≤1임)을 만족하는 단결정일 수 있다.
다음으로, 도3c와 같이, 반응챔버 내에서 연속적으로 상기 실리콘 기판(30) 의 상면에 레이저를 조사하는 공정을 실시한다. 본 단계에서 레이저 빔은 질화물 단결정층(35) 상면을 향해 조사되며, 이로 인해 실리콘 기판(30)과 질화물 단결정층(35)의 계면에 위치한 실리콘은 증발 또는 용융될 수 있다. 앞선 실시형태와 유사하게, 본 발명의 레이저 조사공정은 인시튜상태, 즉 반응챔버 내에서 실행되므로 열응력을 유발하는 온도변화를 최소화시킬 수 있다. 이러한 레이저조사 공정은 바람직하게는 800∼1200℃범위에서 실시될 수 있으며, 보다 바람직하게는 질화물 성장온도와 동일한 온도에서 실시될 수 있다.
이어, 레이저빔을 예비기판의 전체면에 걸쳐 조사함으로써 질화물 단결정층(35)과 실리콘기판(30)의 계면의 실리콘이 증발 또는 용융될 수 있으며, 이러한 반응을 통해 도3d와 같이 예비기판(30)으로부터 질화물 단결정층(35)을 분리시킬 수 있다.
예비기판과 질화물 단결정층을 분리하기 위한 레이저 조사 공정을 다양한 형태로 실시될 수 있다. 예를 들어, 레이저빔의 조사궤적은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
또한, 상술된 실시형태에서는 레이저 조사공정은 예비기판과 질화물 단결정층을 완전하게 분리하기 위한 공정으로 설명되었으나, 레이저빔의 조사궤적을 변형하여 부분 분리를 위한 공정으로도 적용될 수 있으며, 이에 따라, 질화물 단결정층의 성장과정에서 격자상수 차이로 인한 응력도 완화시킬 수 있는 보다 바람직한 실 시형태가 제공될 수 있다. 이는 도5a 내지 도5e에서 보다 자세히 설명하기로 한다.
본 발명에서는 레이저 빔의 조사궤적을 외부의 일지점으로부터 타지점으로 연속적으로 레이저를 조사하는 방식을 채용한다. 시작되는 일지점이 가장자리로부터 시작하는 것은 질화물 분해시 발생되는 질소가 배출이 용이하도록 하기 위함이다. 이러한 방식에 따라 크게 2가지 레이저 빔 조사방식을 제안할 수 있다. 상기 2종류의 조사궤적은 도4a 및 도4b를 참조하여 설명한다.
도4a 및 도4b는 예비기판인 웨이퍼(40)에 대한 레이저빔의 조사궤적을 나타낸다.
우선, 도4a를 참조하면, 웨이퍼(40) 가장자리의 일지점에서 다른 가장자리의 다른 지점으로 연속적으로 구불구불한 형태로 전체면적에 대해 조사할 수 있다. 이와 달리, 도4b와 같이, 웨이퍼(40) 가장자리의 일지점으로부터 내부의 다른 지점(예, 중앙지점)으로 나선형의 궤적을 갖도록 조사할 수도 있다.
여기서, 일정한 선폭(W)을 갖는 조사빔 사이에 간격을 G라고 할 때에, G를 0보다 크게, 예를 들어 수십 내지 수백 ㎛로 설정함으로써 부분적인 분리공정을 구현할 수 있으며, 레이저빔의 조사에 의한 분해범위를 고려하여 상기 G를 거의 0에 가깝게 또는 0보다 작게(즉, 중첩되게) 조사함으로써 완전 분리공정 형태로 실현할 수 있다.
도5a 내지 도5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 단결정 기판 제조방법을 설명하기 위한 공정단면도이다.
도5a와 같이, 본 발명의 질화물 단결정 기판 제조방법은 예비기판으로서 사파이어 기판(50)을 HVPE, MOCVD 또는 MBE공정을 위한 반응챔버에 배치하는 단계로 시작된다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 사파이어 기판(50) 상에는 보다 양질의 질화물 단결정을 성장시키기 위해서 저온(900℃이하)에서 버퍼층(미도시)을 미리 형성할 수 있다.
이어, 도5b와 같이, 상기 사파이어 기판(50) 상에 소정의 두께(t1)를 갖는 질화물 단결정막(55)을 성장시킨다. 상기 질화물 단결정막(55)은 AlxInyGa1-x-y N조성식(여기서, 0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤1, 0 ≤x+y ≤1임)을 만족하는 단결정일 수 있다. 이와 같이 1차 성장되는 질화물 단결정막(55)은 5∼100㎛의 두께로 성장시키는 것이 바람직하다. 5㎛미만일 경우에는 격자상수 차이로 인한 응력발생이 미미하고, 100㎛를 초과할 경우에는 이미 응력발생이 심각하므로, 1차 성장의 질화물 단결정막은 상기한 두께범위가 적절하다.
다음으로, 도5c와 같이, 반응챔버 내에서 연속적으로 상기 사파이어 기판(50)의 하면에 레이저를 조사하는 공정을 실시한다. 본 단계는 반응챔버 내에서 실 행되므로 열응력을 거의 발생시키지 않을 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는 도시된 바와 같이 부분 분리공정을 실행함으로써 계면의 일부분에서만 Ⅲ족메탈영역이 형성되어 사파이어기판과 질화물 단결정막(55)을 서로 분리시킬 수 있다. 따라서, 사파이어 기판(50)과 질화물 단결정막(55)의 격자상수 차이로 인한 응력을 크게 완화시킬 수 있으며, 추가적인 성장공정을 통해 양질의 질화물 단결정층을 보다 큰 두께로 성장시킬 수 있다..이러한 부분분리공정은 도4a 및 도4b에서 설명된 바와 같이 레이저빔의 간격(G)을 0보다 크게, 바람직하게는 수십 또는 수백㎛으로 설정함으로써 용이하게 구현할 수 있다.
이어, 도5d와 같이, 추가적인 질화물 성장공정을 실시함으로써 응력으로 인한 영향이 최소화된 조건에서 보다 큰 두께(t2)의 질화물 단결정층(55')을 형성한다. 이와 같이 1차와 2차로 질화물 성장공정을 구분하고, 그 사이에 레이저 조사공정을 채용함으로써 약 400㎛이상의 두꺼운 질화물 단결정층(55')을 형성할 수 있다.
끝으로, 도5e와 같이, 레이저빔을 추가적으로 조사함으로써 사파이어 기판(50)으로부터 질화물 단결정층(55')을 완전히 분리시킬 수 있다. 이러한 완전 분리공정은 열응력을 최소화하기 위해서, 반응챔버 내에서 실시하는 것이 바람직하나, 부분분리된 영역이 큰 경우에는 열응력발생도 크게 저감될 수 있으므로, 반응챔버 외부에서, 즉 상온에서 실시할 수도 있다.
상기한 실시형태에서는, 질화물 단결정 성장과정에서 도입되는 레이저분리공정을 부분분리공정으로 예시되었으나, 사파이어 기판 상에 1차 성장되는 질화물 단결정막의 두께가 레이저의 충격에도 견딜 수 있는 정도가 되므로, 완전분리공정을 실시할 수도 있다.
또한, 예비기판이 사파이어기판인 경우를 예시하였으나, 실리콘 기판을 사용할 수도 있다. 다만, 실리콘 기판인 경우에는 격자상수로 인한 영향이 사파이어기판에서보다 크므로, 1차 성장되는 질화물 단결정막의 두께를 0.1∼1㎛범위로 하는 것이 바람직하다. 이 경우에 부분분리를 통해 약 3∼4㎛의 질화물 단결정을 실리콘 기판에서 성장시킬 수 있다.
도6a 및 도6b는 각각 본 발명에 따른 질화물 단결정 기판 제조장치를 나타내는 단면도이다.
도6a를 참조하면, 상기 질화물 단결정기판 제조장치(100)는 질화물 단결정 성장용 반응챔버(101)와, 상기 반응챔버(100)의 내부에 장착되어 예비기판(61)을 고정시키기 위한 서셉터(103)과, 레이저 조사용 투명창(110)을 포함한다. 상기 반응챔버(101)는 코일과 같은 가열부(109)에 의해 고온상태가 유지되며, 상기 소스가스공급부(105,107)로부터 질화물 성장을 위한 소스가 공급되면 예비기판(61) 상에 질화물단결정층(65)이 성장된다.
상기 투명창(110)은 상기 서셉터(103)에 고정될 예비기판(61) 상면을 향해 레이저가 조사될 수 있도록 상기 반응챔버(101) 상부에 제공된다. 또한, 상기 투명창은 질화물 단결정막의 상면 전체를 조사할 수 있도록 충분한 직경(D)을 갖는 형태로 제공된다. 질화물 성장공정이 완료되거나, 그 성장 중에, 레이저빔은 상기 레이저 조사용 투명창(110, 도6b의 110a)을 통해 제공될 수 있다. 이러한 투명창(110)은 상술된 기판분리를 위한 레이저조사용 투명창(110a)과 함께, 성장막의 두께측정을 위한 투명창(110c)이 추가로 제공될 수 있다. 또한 상기 레이저 조사용 투명창(110a)은 대향하는 위치에 마련된 다른 투명창(110b)과 함께 질화물 단결정층(65)의 휨을 측정하기 위한 포트로서 사용될 수 있다.
또한, 사파이어기판이 사용되는 형태와 같이, 상기 서셉터(103)에 장착될 예비기판(61)의 하면에 레이저를 조사해야 하는 경우에는, 레이저 조사방향이 예비기판(61)의 하면을 향할 수 있도록 상기 기판을 이동시키기 위한 기판위치이동아암(120)을 더 포함할 수 있다. 상기 기판위치이동아암(120)은 진공흡착부(125)를 구비할 수 있다.
상술한 실시형태 및 첨부된 도면은 바람직한 실시형태의 예시에 불과하며, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 레이저 조사에 의한 분리공정은 반응챔버 내에서 연속적으로 실시함으로써 열응력을 최소화하여 보다 양질의 질화물 단결정층을 보다 큰 두께로 성장시킬 수 있다. 또한, 질화물단결정 성장과정에서 레이저를 위한 부분 분리공정을 채용함으로써 격자상수 차이로 인한 응력발생을 완화하여 보다 양질의 결정성장조건을 제공할 수도 있다.

Claims (17)

  1. 반응챔버 내에 장착된 서셉터에 예비기판을 배치하는 단계;
    상기 예비기판 상에 질화물 단결정층을 성장시키는 단계; 및,
    상기 예비기판을 상기 반응챔버 내에 유지한 상태에서, 상기 예비기판과 상기 질화물 결정층이 분리되도록 레이저빔을 조사하는 단계를 포함하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저빔을 조사하는 단계는 800∼1200℃범위에서 실행되는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 레이저빔을 조사하는 단계는 상기 질화물 단결정층의 성장온도와 실질적으로 동일한 온도범위에서 실시되는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 질화물 단결정층은 조성식 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤ 1, 0 ≤x+y ≤1임)을 만족하는 단결정층인 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 예비기판은 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2 및 LiGaO2 로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 기판인 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 예비기판은 실리콘 기판이며,
    상기 질화물 단결정층을 성장시키는 단계 전에, 상기 예비기판 상에 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤1, 0 ≤x+y ≤1임)인 저온성장 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반응챔버는 상기 서셉터에 배치된 상기 예비기판을 향해 레이저가 조사될 수 있도록 상부에 레이저조사용 투명창이 구비된 것을 특징으로 하는 질화물 단결정 기판 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 예비기판은 상기 질화물 단결정층보다 넓은 에너지밴드갭을 갖는 물질로 이루어지며,
    상기 레이저빔을 조사하는 단계는,
    상기 질화물 단결정이 형성된 예비기판의 하면이 레이저빔이 조사되는 방향을 향하도록 상기 예비기판을 이동시키는 단계와, 상기 예비기판의 하면에 레이저빔을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  9. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 예비기판은 상기 질화물 단결정층보다 좁은 에너지밴드갭을 갖는 물질로 이루어지며,
    상기 레이저빔을 조사하는 단계는,
    상기 예비기판 상면에 형성된 상기 질화물 단결정층을 향해 레이저빔을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 질화물 단결정층을 성장시키는 단계는, 소정의 두께로 질화물단결정막을 성장시키는 1차 성장단계과, 상기 질화물 단결정막 상에 질화물 단결정을 추가 성장시키는 2차 성장단계로 이루어지며,
    상기 레이저를 조사하는 단계는 상기 1차 성장단계와 상기 2차 성장단계 사 이에 실시되는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 질화물 단결정층을 성장시키는 단계는, 소정의 두께로 질화물단결정막을 성장시키는 1차 성장단계과, 상기 질화물 단결정막 상에 질화물 단결정을 추가 성장시키는 2차 성장단계로 이루어지며,
    상기 1차 성장단계와 상기 2차 성장단계 사이에 상기 예비기판과 상기 질화물 단결정층이 부분적으로 분리되도록 레이저를 조사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 예비기판은 실리콘 기판이며,
    상기 1차 성장되는 질화물 단결정막의 두께는 0.1∼1㎛인 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 예비기판은 사파이어기판이며,
    상기 1차 성장되는 질화물 단결정막의 두께는 5∼100㎛인 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 부분분리를 위한 레이저 조사단계는,
    레이저빔이 조사되는 부분이 소정의 간격을 갖도록 레이저를 조사하는 단계인 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 질화물 단결정층 성장단계는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy), MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy)에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조방법.
  16. 질화물 단결정 성장용 반응챔버;
    상기 반응챔버의 내부에 장착되어 기판을 고정시키기 위한 서셉터; 및
    상기 서셉터에 고정될 기판 상면을 향해 레이저가 조사될 수 있도록 상기 반응챔버 상부에 제공된 레이저 조사용 투명창을 포함하는 질화물 단결정기판 제조장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 서셉터에 장착될 기판의 하면이 레이저 조사방향을 향하도록 상기 기판을 이동시키기 위한 기판위치이동아암을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 단결정기판 제조장치.
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