KR101553241B1 - 사파이어 에피웨이퍼에서 pss를 재생하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 LED 제조공정에서 에피성장공정 전후에서 불량으로 판정된 에피웨이퍼에서 신속하고 경제적으로 패터닝된 사파이어 기판(PSS)을 재생하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 (A) 에피웨이퍼를 글리콜과 40~55%(w/w) KOH 수용액이 1:0.5~2 부피비로 이루어진 액을 주성분으로 하는 제1식각액에 40~60℃의 조건에서 4~8시간 침지하는 단계; (B) 이어서 상기 에피웨이퍼를 40~55%(w/w) KOH 수용액을 주성분으로 하는 제2식각액에 50~70℃의 조건에서 2~4시간 침지하여 PSS(patterned sapphire substrate)를 얻는 단계; (C) 이어서 상기 PSS를 세정하는 단계;를 포함하는 에피웨이퍼에서 PSS를 재생하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 LED 제조공정에서 에피성장공정 전후에서 불량으로 판정된 에피웨이퍼에서 신속하고 경제적으로 패터닝된 사파이어 기판(PSS)을 재생하는 방법에 관한 것이다.
LED(Light-Emitting Diode)는 p-n접합 다이오드의 일종으로, 순방향으로 전압이 걸릴 때 단파장광(monochromatic light)이 방출되는 전기발광효과(electroluminescence)를 이용한 반도체 소자이다. 즉 순방향 전압 인가시 n층의 전자와 p층의 정공(hole)이 결합 하면서 전도대(conduction band)와 가전대(valance band)의 높이차이(에너지 갭)에 해당하는 만큼의 에너지를 발산 하는데, 이 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되며, 빛의 형태로 발산 되면 LED가 되는 것이다.
LED 생산 공정은 ① 기판제조, ② 에피성장(Epitaxy), ③ 칩공정(Fabrication), ④ 패키징(Packaging) 및 모듈화(Module) 공정으로 나누어지며 단계별로 매우 다른 성격의 기술이 필요하다.
LED 제조를 위한 기판의 성분으로는 GaAs, 사파이어(Al2O3), SiC, InP, GaN 등이 이용되고 있는데, 기판제조공정은 이들 성분으로부터 큰 덩어리의 단결정 잉곳(Ingot)을 제조하고, 잉곳의 결정방향에 따라 얇은 판상의 기판으로 잘라내는 슬라이싱(Slicing)한 다음, 잘라진 기판의 양면을 평탄화하는 폴리싱 등을 거쳐 기판(substrate)을 완성하는 공정이다.
에피성장공정은, 기초 소재인 기판 위에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, 유기 금속 화학 증착) 장비 등을 이용하여 화합물 반도체를 성장시켜 에피웨이퍼를 제조하는 단계 이다. 에피성장공정을 청색 LED를 예를 들어 설명하면, 사파이어나 SiC 웨이퍼 상에 제1클래드층(N-GaN), 활성층(InGaN) 및 제2클래드층(P-GaN)이 차례로 증착 된다.
칩공정은, 에피성장을 통해 제작된 에피웨이퍼를 노광(Photolithgraphy), 식각(etching), 금속전극증착(metallization), 후면가공(lapping/polishing), 칩절단(scribing/breaking) 등의 정밀 단위 공정을 통해 0.3~1㎜ 크기의 개별 칩으로 분리하는 공정이다.
패키징(Packaging) 및 모듈화(Module)공정은 칩공정에서 개별로 분리된 칩이 다이접착, 선접착, 패키지 봉입 등의 과정을 거쳐 구동회로 및 광학기구와 조립되어 모듈 및 시스템으로 제작되는 단계이다. 이 단계에서 칩은 기계적, 환경적, 전기적 위험 요소인 외부로부터 보호하는 역할을 하며 광의 제어 및 효율적인 열방출을 위한 광학설계가 필요하다.
한편, 동일한 효율을 갖는 LED를 제작하여도 빛을 외부로 방출하는 능력은 광 추출효율에 의해서 달라지게 된다. 즉 LED와 공기와의 굴절률 차이로 인해 내부 전반사에 의한 빛의 손실이 발생하게 되는데 이는 결국 LED의 광효율을 감소시키는 결정적인 원인을 제공한다. 광 추출효율을 높이기 위해서 플립칩(flip chip) 구조, chip shaping, 표면 요철형성(surface texturing), 요철이 형성된 사파이어 기판(patterned sapphire substrate: PSS), 광 결정(photonic crystal), 반사방지막(anti-reflection layer) 등의 기술이 알려져 있다. 이중 PSS는 LED의 외부양자효율을 향상시키기 하여 사파이어기판 표면에 일정한 형태로 식각하여 패터닝(Patterning)하는 방법으로서 전반사되는 빛을 사파이어의 굴절률을 이용하여 광 추출효율을 획기적으로 개선한다.
통계에 의하면, 사파이어 기판으로 제작된 LED에서 패턴화된 사파이어 기판(PSS)의 원가비율이 약 30%(사파이어 기판 자체 18%, 기판 표면 패터닝 비용 12%)가 되고 있다.
한편, 에피성장공정에서 칩공정의 후면가공 전단계(기판에 물리적 변형이 가해지기 전단계)까지는 전체 LED 제조공정에서 중에서 가장 부가가치가 높은 반면 기술적 난이도가 매우 높아 이 공정에서의 불량률이 10% 내외인 것으로 알려져 있다. 이러한 불량 에피웨이퍼(epi-wafer; 에피성장공정~칩공정의 후면가공 전단계까지의 중간제품)를 재생하는 방법으로 레이저 리프트 오프 방법, 기계-화학적 연마방법, 드라이 에칭방법 등이 알려져 있다.
레이저 리프트 오프(Laser Lift Off : LLO) 법은, 본래 LED 발광효율을 증대시키기 위해 개발된 방법으로서, 엑시머 레이저(Eximaer Laser)를 사파이어 기판의 배면에서 기판과 GaN층 사이에 조사하는 것이다. 이때 레이저 빔의 에너지가 사파이어의 밴드갭(약 10.0 eV) 보다는 낮으며 GaN의 밴드갭(약 3.3 eV) 보다는 높으므로, 레이저 빔은 사파이어 기판에 흡수되지 않고 그대로 투과된 뒤 GaN층에 흡수되어 기판과 GaN층의 계면이 가열 및 분해됨으로써 기판과 GaN층이 분리되는 것이다. 그러나 이 방법에 의하면 고가의 LLO 장비가 필요하며 고도의 정밀성을 요하는 것이므로 기판의 재생용도로 활용하기에는 경제성이 없다.
기계-화학적 연마방법은 소정의 화학물질이 첨가된 폴리싱 슬러리를 가하면서 에피웨이퍼의 에피층을 연마기(폴리싱 머신)로 연마하여 제거하는 방법이다. 이 방법에 의하면 비교적 빠른 시간 내에 에피층을 제거할 수 있으나 연마과정에서 PSS의 패턴이 동시에 마모되므로 다시 패터닝 작업을 추가해야 할 뿐만 아니라 기판의 두께가 얇아지고 불균일해지는 문제가 있어 재생 PSS의 품질 신뢰도가 매우 낮다.
드라이 에칭방법은 반도체 제조공정에서 웨이퍼 식각에 이용되는 드라이 에칭방법인 RIE(reactive ion etching)를 활용한 것으로서, 진공용기 내에서 플라즈마를 발생시켜 플라즈마 이온이 기판에 수직으로 입사되어 이온의 충격으로 에피층을 식각하여 제거하는 방법이다. 그러나 이 방법은 빠른 작업이 가능하지만 고온의 진공용기를 기본으로 하는 고가의 장비가 요구될 뿐만 아니라 고온에 의한 웨이퍼의 휘어짐 등 형태 변화를 초래하게 되므로 역시 에피웨이퍼 재생방법으로는 매우 비경제적이다.
이렇듯 불량 에피웨이퍼의 일부가 재생되어 PSS로 재활용되고 있지만, 재생비용이 상당하고 재생과정에서 PSS의 패턴에 손상이 오는 경우가 많으므로 대부분이 폐기되는 것이 현실이다.
따라서 본 발명은 고가의 장비와 운영비가 요구되지 않는 불량 에피웨이퍼 재생방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 PSS 기판 자체의 변형이나 손상을 초래하지 않는 불량 에피웨이퍼 재생방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 대량의 불량 에피웨이퍼를 빠르게 재생시킬 수 있는 불량 에피웨이퍼 재생방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (A) 에피웨이퍼를 글리콜과 40~55%(w/w) KOH 수용액이 1:0.5~2 부피비로 이루어진 액을 주성분으로 하는 제1식각액에 40~60℃의 조건에서 4~8시간 침지하는 단계; (B) 이어서 상기 에피웨이퍼를 40~55%(w/w) KOH 수용액을 주성분으로 하는 제2식각액에 50~70℃의 조건에서 2~4시간 침지하여 PSS(patterned sapphire substrate)를 얻는 단계; (C) 이어서 상기 PSS를 세정하는 단계;를 포함하는 에피웨이퍼에서 PSS를 재생하는 방법에 관한 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 비교적 저가의 장비를 활용하여 대량으로 불량 에피웨이퍼에서 에피층을 제거하여 LED 제조공정에 활용될 수 있는 사파이어 기판을 재생할 수 있게 된다.
이에 의해 LED 제조원가의 약 30%를 차지하는 PSS를 경제적으로 재활용할 수 있게 되므로 보다 저렴한 LED의 생산을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명에 의한 습식방식에 의해 에피웨이퍼가 PSS로 재생되는 것을 보여주는 개념도.
도 2는 본 발명에 의한 습식방식에 의해 에피웨이퍼가 PSS로 재생하는 과정에서 표면에 흠집을 형성하는 것의 효과를 보여주는 개념도.
도 3a와 3b는 본 발명에 의한 재생처리전의 에피웨이퍼 표면사진과 수직단면 SEM 사진.
도 3c와 3d는 본 발명에 의한 실시예에서 처리 중간단계인 에피웨이퍼의 표면사진과 수직단면 SEM 사진.
도 3e는 본 발명에 의한 실시예에서 재생이 완료된 웨이퍼의 표면사진.
도 2는 본 발명에 의한 습식방식에 의해 에피웨이퍼가 PSS로 재생하는 과정에서 표면에 흠집을 형성하는 것의 효과를 보여주는 개념도.
도 3a와 3b는 본 발명에 의한 재생처리전의 에피웨이퍼 표면사진과 수직단면 SEM 사진.
도 3c와 3d는 본 발명에 의한 실시예에서 처리 중간단계인 에피웨이퍼의 표면사진과 수직단면 SEM 사진.
도 3e는 본 발명에 의한 실시예에서 재생이 완료된 웨이퍼의 표면사진.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
본 발명은, 습식식각 방법을 적용함으로써 에피웨이퍼를 재생하고자 하는 것으로서, (A) 에피웨이퍼를 글리콜(glycol)과 40~55%(w/w) KOH 수용액이 1:0.5~2 부피비로 이루어진 액을 주성분으로 하는 제1식각액에 40~60℃의 조건에서 4~8시간 침지하는 단계; (B) 이어서 상기 에피웨이퍼를 40~55%(w/w) KOH 수용액을 주성분으로 하는 제2식각액에 50~70℃의 조건에서 2~4시간 침지하여 PSS(patterned sapphire substrate)를 얻는 단계; (C) 이어서 상기 PSS를 세정하는 단계;를 포함하는 에피웨이퍼에서 PSS를 재생하는 방법에 관한 것이다(도 1 참조).
제1식각액 처리에 의해 에피층의 최상층을 일부 제거하는 효과가 발생한다.
제1식각액에서 글리콜과 40~55%(w/w) KOH 수용액의 부피비가 1:0.5 미만이거나 1:2 초과인 경우 식각효과가 미미하였다. KOH의 농도가 55%(w/w)를 넘는 용액은 KOH의 용해도로 인해 제조가 곤란하였으며, 40%(w/w)보다 낮은 경우에는 식각효과가 미미하였다. 또한 식각액 온도와 침지 시간이 상기 범위 미만인 경우 식각효과가 미미하였고, 상기 범위 초과인 경우 제2식각액에서의 처리효과에 더 이상 긍정적인 영향을 주지 못하였다.
제2식각액 처리를 통해 에피층의 최하층 즉, GaN층이 식각에 의해 제거되어 전체 에피층이 PSS로부터 탈락되는 현상이 발생한다.
제2식각액 처리시 식각액 온도와 침지 시간 및 KOH의 농도가 상기 범위 미만인 경우 식각효과가 미미하였고, 상기 범위 초과인 경우 이미 에피층이 충분히 제거된 상태이므로 온도증가나 시간추가의 효과가 없었다.
당연히 상기 단계(A) 이전과 이후에, 유기용매, 알콜 또는 정제수로 상기 에피웨이퍼를 세정한다면 오염에 의한 식각효과 감소를 줄일 수 있을 것이다.
처리효율을 증대시키기 위해 소정의 케미칼을 제1식각액이나 제2식각액에 추가할 수도 있다.
보다 신속한 GaN 층(에피층의 최하층)의 제거를 위해 기판의 표면에 작은 홈을 내어서 식각액에 침지하면 식각액이 파고들어 비교적 제거하기 쉬운 맨 아래 층의 N-GaN층을 식각하여 결과적으로 식각하기 어려운 N-GaN층 위의 P-GaN 등이 떨어져 나가는 효과를 얻을 수 있다. 이를 위해 샌드블러스트나 워터젯, 레이저 광원 등을 이용하여 상기 단계(A) 이전에, 상기 에피웨이퍼의 에피층에 에피층 두께보다 깊지 않게 미세홈을 형성하는 것이 바람직하다(도 2 참조).
한편, 본 발명에서 제1식각액 및 제2식각액에 침지된 에피웨이퍼는 식각액과 접촉하는 계면에서 화학반응이 일어나는 것이다. 따라서 효과적인 화학반응을 유도하기 위해 에피웨이퍼의 표면(계면)에 새로운 식각액이 계속적으로 접하도록 하는 것이 좋다. 이를 위하여 상기 단계(A) 또는 (B)에서 에피웨이퍼의 에피층과 제1식각액 또는 제2식각액이 상대적으로 이동하도록 하는 것이 좋다. 예를 들면, 복수개의 에피웨이퍼를 소정의 간격으로 이격하여 반응조에 수직 또는 수평으로 적재하고, 상기 제1식각액 또는 제2식각액을 수직 또는 수평방향으로 순환유동시키는 것이 바람직하다.
에피성장공정을 거친 4인치짜리 에피웨이퍼를 대상으로 실험을 수행하였다. 처리전의 에피웨이퍼 표면사진(3400배 확대)과 수직단면의 SEM 사진을 도 3a와 도 3b에 첨부하였다. 도면에서 볼 수 있듯이, 사파이어 기판 위에 에피층이 6.43㎛ 정도 형성되어 있고, 에피층을 통해 사파이어 기판에 형성된 패턴이 희미하게 보이고 있다.
에피웨이퍼를 정제수로 세정한 다음, 글리콜과 50%(w/w) KOH 수용액이 1:1 부피비로 이루어진 제1식각액에 50℃의 조건에서 6시간 침지한 다음 정제수로 세정하였다. 이어서 상기 에피웨이퍼를 50%(w/w) KOH 수용액으로 이루어진 제2식각액에 60℃의 조건에서 침지처리 하였다.
침지 1시간이 경과되었을 때 에피웨이퍼 하나를 꺼내서 표면 및 수직단면을 SEM으로 관찰하였다(각각 도 3c 및 3d 참조). 사진에서 보이듯이, 표면에 GaN층이 부분적으로 남아있지만 대부분의 제거되어 사파이어 기판이 노출되어 있었다. 또한 에피층이 남아있는 부분의 단면을 보면 약 1.2㎛(GaN층에서 가장 문제가 되는 최상위의 p_GaN층에 해당) 정도밖에 에피층이 제거되지 않은 것처럼 보이지만, 에피층과 사파이어 기판 사이가 제거되어 마치 에피층이 공중에 떠있는 상태임을 알 수 있다. 이는 본 발명에 의한 처리에 의해 에피층 표면이 제거되는 것 뿐 아니라 에피층과 사파이어 기판 사이에 틈을 형성함으로써 에피층 덩어리가 탈락되는 방식으로 제거되기도 하는 것을 보여주는 것이다.
반복적인 실험 결과, 위와 같은 조건인 경우 제2식각액에 3시간 침지하는 것으로 에피층을 완전히 제거할 수 있음을 확인하였다. 이렇게 처리가 완료된 웨이퍼의 표면사진(3400배 확대)을 도 3e에 첨부하였다.
사진에서 볼 수 있듯이, 이상과 같은 처리에 의해 패터닝된 사파이어 기판(PSS) 위의 에피층만이 완전히 제거되어 사파이어 기판의 패턴에 전혀 손상이 없어 '패턴 재형성' 절차가 필요하지 않는 온전한 PSS를 얻을 수 있음을 확인하였다.
Claims (6)
- (A) 에피웨이퍼를 글리콜과 40~55%(w/w) KOH 수용액이 1:0.5~2 부피비로 이루어진 제1식각액에 40~60℃의 조건에서 4~8시간 침지하는 단계;
(B) 이어서 상기 에피웨이퍼를 제2식각액인 40~55%(w/w) KOH 수용액에 50~70℃의 조건에서 2~4시간 침지하여 PSS(patterned sapphire substrate)를 얻는 단계;
(C) 이어서 상기 PSS를 세정하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 에피웨이퍼에서 PSS를 재생하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 단계(A) 이전에,
상기 에피웨이퍼의 에피층에 에피층 두께보다 깊지 않게 미세홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 에피웨이퍼에서 PSS를 재생하는 방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 미세홈은 샌드블러스트, 워터젯 또는 레이저 광원에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 에피웨이퍼에서 PSS를 재생하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계(A) 이전 또는 이후에,
유기용매, 알콜 또는 정제수로 상기 에피웨이퍼를 세정하는 것을 특징으로 하는 에피웨이퍼에서 PSS를 재생하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계(A) 또는 (B)에서 에피웨이퍼의 에피층과 제1식각액 또는 제2식각액이 상대적으로 이동하는 것을 특징으로 하는 에피웨이퍼에서 PSS를 재생하는 방법.
- 제 5 항에 있어서,
복수개의 에피웨이퍼가 소정의 간격으로 이격되어 반응조에 수직 또는 수평으로 적재되어 있고, 상기 제1식각액 또는 제2식각액이 수직 또는 수평방향으로 순환유동하는 것을 특징으로 하는 에피웨이퍼에서 PSS를 재생하는 방법.
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| KR1020140008212A KR101553241B1 (ko) | 2014-01-23 | 2014-01-23 | 사파이어 에피웨이퍼에서 pss를 재생하는 방법 |
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Citations (1)
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| JP2010131734A (ja) | 2008-12-08 | 2010-06-17 | Nagoya Univ | シリコン微細構造体の製造方法及び微細流路デバイスの製造方法 |
-
2014
- 2014-01-23 KR KR1020140008212A patent/KR101553241B1/ko active IP Right Grant
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