KR101812516B1 - 질화물 반도체 기판 제조 장치 및 방법 - Google Patents

질화물 반도체 기판 제조 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101812516B1
KR101812516B1 KR1020160056372A KR20160056372A KR101812516B1 KR 101812516 B1 KR101812516 B1 KR 101812516B1 KR 1020160056372 A KR1020160056372 A KR 1020160056372A KR 20160056372 A KR20160056372 A KR 20160056372A KR 101812516 B1 KR101812516 B1 KR 101812516B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
etching gas
substrate
base substrate
susceptor
support
Prior art date
Application number
KR1020160056372A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170126233A (ko
Inventor
한재용
Original Assignee
주식회사 루미스탈
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 주식회사 루미스탈 filed Critical 주식회사 루미스탈
Priority to KR1020160056372A priority Critical patent/KR101812516B1/ko
Publication of KR20170126233A publication Critical patent/KR20170126233A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101812516B1 publication Critical patent/KR101812516B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02225—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer
    • H01L21/02227—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a process other than a deposition process
    • H01L21/02247—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a process other than a deposition process formation by nitridation, e.g. nitridation of the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02225—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer
    • H01L21/0226—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process
    • H01L21/02293—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process formation of epitaxial layers by a deposition process
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/28—Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
    • H01L21/28008—Making conductor-insulator-semiconductor electrodes
    • H01L21/28017—Making conductor-insulator-semiconductor electrodes the insulator being formed after the semiconductor body, the semiconductor being silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/306—Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
    • H01L21/30604—Chemical etching
    • H01L21/30612—Etching of AIIIBV compounds
    • H01L21/30621—Vapour phase etching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/31—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to form insulating layers thereon, e.g. for masking or by using photolithographic techniques; After treatment of these layers; Selection of materials for these layers
    • H01L21/3105—After-treatment
    • H01L21/311—Etching the insulating layers by chemical or physical means
    • H01L21/31105—Etching inorganic layers
    • H01L21/31111—Etching inorganic layers by chemical means
    • H01L21/31116—Etching inorganic layers by chemical means by dry-etching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/683—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for supporting or gripping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/50—Assembly of semiconductor devices using processes or apparatus not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326, e.g. sealing of a cap to a base of a container
    • H01L21/60—Attaching or detaching leads or other conductive members, to be used for carrying current to or from the device in operation
    • H01L2021/60007—Attaching or detaching leads or other conductive members, to be used for carrying current to or from the device in operation involving a soldering or an alloying process
    • H01L2021/60022—Attaching or detaching leads or other conductive members, to be used for carrying current to or from the device in operation involving a soldering or an alloying process using bump connectors, e.g. for flip chip mounting
    • H01L2021/60097—Applying energy, e.g. for the soldering or alloying process
    • H01L2021/60172—Applying energy, e.g. for the soldering or alloying process using static pressure
    • H01L2021/60187—Isostatic pressure, e.g. degassing using vacuum or pressurised liquid

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 기판 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy: 수소화물 기상 성장) 등에 의하여 베이스 기판 위에 후막의 질화물 반도체층을 성장시킨 후 챔버내에서 에칭 가스를 사용하여 베이스 기판을 에칭함으로써 후막의 질화물 반도체 기판을 형성할 수 있도록 한 장치 및 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 따르면, 반응로; 상기 반응로 내에 위치하며, 베이스 기판을 고정하기 위한 서셉터; 상기 반응로 내에 위치하며, 상기 서셉터를 지지하기 위한 지지대; 상기 반응로에 설치되어 있으며, 상기 베이스 기판 표면에 메탈 소스를 공급하는 제1 튜브; 상기 반응로에 설치되어 있으며, 반응로 내에 분위기 가스를 공급하는 제2 튜브; 및 상기 반응로에 설치되어 있으며, 질소 이온 가스를 공급하는 제3 튜브를 포함하며, 상기 서셉터와 지지대는 내부에 에칭 가스 공급 통로를 구비하고 있는 질화물 반도체 기판 제조 장치와 방법을 제공한다.

Description

질화물 반도체 기판 제조 장치 및 방법{Manufacturing apparatus for the thick film structure of Nitride semiconductor substrate and method thereof}
본 발명은 질화물 반도체 기판 제조 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy: 수소화물 기상 성장) 등에 의하여 베이스 기판 위에 후막의 질화물 반도체층을 성장시킨 후 챔버내에서 에칭 가스를 사용하여 베이스 기판을 에칭함으로써 후막의 질화물 반도체 기판을 형성할 수 있도록 한 장치 및 방법에 관한 것이다.
III족 질화물 반도체인 질화갈륨(GaN)은 발광 다이오드(LED)나 레이져 다이오드(LD) 등의 광학 소자 및 전자 소자로 많은 관심을 받고 있다.
일반적으로 질화갈륨은 이종 기판 상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법으로 성장하고 있다.
HVPE 법은 기상 성장법 중의 하나로서, 성장 속도가 빠르고 원료가 저렴한 장점이 있어 웨이퍼(thick film)나 벌크(bulk) 결정 성장에 주로 사용된다.
이러한 HVPE 성장 장치는 반응기, 가스 공급장치, 컴퓨터 등을 포함할 수 있다. 구체적으로는, 상기 반응기(reactor)는 원료가 공급되는 소스 존(source zone)과 성장이 이루어지는 성장 존(growth zone)으로 나누어지며, 소스 존에는 Ga 금속이 들어 있는 보트(boat)가 구비되며, 가스 캐비닛(Gas Cabinet)과 연결된 가스 공급장치의 제어에 따라, NH3 공급 튜브(tube), HCl 공급 튜브, 및 도펀트(dopant) 공급 튜브를 통해 필요한 가스들을 공급받게 된다.
소스 존에서는, 제1 가열로에 의해 적절한 온도로 유지되면서 GaCl이 얻어진다.
성장 존에는 질화갈륨을 성장시키기 위한 기판이 장착되어 있으며, 기판의 종류는 사파이어, SiC, GaAs, Si 등의 이종기판이 사용될 수 있다.
제2 가열로에 의해 질화갈륨이 성장되기에 적합한 온도로 유지된 성장 존으로 GaCl과 NH3 가스를 흘려 보내면 기판 위에 질화갈륨이 성장될 수 있다.
종래의 질화갈륨 웨이퍼 제조 공정에 따르면, 사파이어(Al2O3), 실리콘카바이트(SiC), 갈륨아세나이드(GaAs) 또는 실리콘(Si) 기판 위에 질화갈륨의 단결정 후막을 성장시킨 후, 반응기로부터 기판을 꺼내고, 별도의 방법으로, 일 예로 레이저(Laser)를 이용한 기판분리방법이나, 화학적 식각(etching) 방법, 또는 물리적 가공방법을 이용하여 이종기판과 질화갈륨 단결정 후막을 서로 분리하였다.
그러나 이러한 분리방법을 사용하는 경우 이종기판과의 격자상수 및 열팽창계수 차이에 의해 큰 응력(stress)이 발생하기 때문에 크랙(crack), 전위결함(dislocation), 휨(bow) 등과 같은 결정 결함의 주원인이 된다.
특히 열팽창계수 차이에 의한 응력 발생이 격자상수 차이에 의한 응력 발생보다 더 크게 결정결함발생의 원인으로 작용한다. 이러한 분리방법들은 내부에 큰 응력이 존재하는 상태에서 분리가 일어나므로 질화갈륨 기판 제조 수율이 낮고 공정이 복잡한 단점이 존재한다.
공개번호 특1999-0062035호 공개번호 10-2006-0020376호 공개번호10-2006-0127743호 등록번호 10-0943091호
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy: 수소화물 기상 성장) 등에 의하여 베이스 기판 위에 후막의 질화물 반도체층을 성장시킨 후 챔버내에서 에칭 가스를 사용하여 베이스 기판을 에칭함으로써 후막의 질화물 반도체 기판을 형성할 수 있도록 한 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면은 반응로; 상기 반응로 내에 위치하며, 베이스 기판을 고정하기 위한 서셉터; 상기 반응로 내에 위치하며, 상기 서셉터를 지지하기 위한 지지대; 상기 반응로에 설치되어 있으며, 상기 베이스 기판 표면에 메탈 소스를 공급하는 제1 튜브; 상기 반응로에 설치되어 있으며, 반응로 내에 분위기 가스를 공급하는 제2 튜브; 및 상기 반응로에 설치되어 있으며, 질소 이온 가스를 공급하는 제3 튜브를 포함하며, 상기 서셉터와 지지대는 내부에 에칭 가스 공급 통로를 구비하고 있다.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 지지대는 내부의 중간쯤에 도넛형으로 형성되어 있으며 에칭 가스를 중앙 부분으로 공급하는 에칭 가스 중앙 공급기; 및 상기 에칭 가스 중앙 공급기와 베이스 기판 사이에 수평으로 위치하며 다수의 홀을 구비하여 에칭 가스를 균일하게 분배하면서 통과시키는 에칭 가스 균일 분배기를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 에칭 가스 균일 분배기의 홀 크기는 3mm~10mm의 범위에 있으며, 홀들의 위치는 동심원 상에 형성되며 동심원 간의 간격은 5~20㎜의 범위에 있다.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 서셉터는 서셉터 몸체; 상기 서셉터 몸체에 설치되며 링 형태로 베이스 기판을 고정하기 위한 기판 커버; 상기 기판 커버와 상기 서셉터 몸체에 의하여 형성되는 에칭 가스 배출구; 상기 기판 커버를 상기 서셉터 몸체에 올려 놓을 수 있도록 지지하는 기판 커버 지지용 기둥; 및 상기 서셉터 몸체에 형성되어 있으며, 상기 베이스 기판을 지지하기 위한 기판 지지용 기둥을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 기판 지지용 기둥의 상부 면적은 0.1~5㎟의 범위에 있으며 높이는 0.5~5㎜ 이내의 범위에 있다.
또한, 본 발명의 일 측면의 상기 에칭 가스 배출구의 구멍의 높이는 0.5~5㎜ 범위에 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면은 질화물 반도체 기판 제조 장치의 반응기 내 반응 공간에 베이스 기판을 설치하는 단계; 상기 반응기 내를 성장온도까지 승온시키고, 상기 베이스 기판에 질화물 반도체층을 후막으로 성장시키는 단계; 및 상기 반응기 온도가 성장 온도보다 같거나 낮은 상태에서 지지대와 서셉터의 내부의 에칭 가스 공급 통로를 통하여 공급되는 에칭 가스로 베이스 기판을 제거하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 반응기 내를 성장온도까지 승온시키고, 상기 베이스 기판에 질화물 반도체층을 후막으로 성장시키는 단계는 상기 반응기 내를 950~1100℃의 범위에 있는 성장온도까지 승온시키는 단계; 및 질화 금속이 있는 보트 위로 제1 튜브를 사용하여 메탈 가스를 공급하고 제3 튜브로 질소 이온 가스를 공급하여 질화물 반도체층을 후막으로 성장시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 에칭 가스로 베이스 기판을 제거하는 단계는 상기 반응기 온도를 상기 성장 온도보다 0℃~200℃의 범위에서 낮은 온도로 낮추는 단계; 및 서셉터와 지지대의 내부에 형성된 에칭 가스 공급 통로를 통하여 에칭 가스를 베이스 기판에 공급하여 베이스 기판을 제거하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 지지대와 서셉터를 이용하여 에칭 가스의 가스 공급 통로를 제공하여 간단한 구조로 베이스 기판의 에칭이 가능한 질화물 반도체 기판 제조 장치를 구현할 수 있다.
또한, 이러한 장치를 사용하여 제조된 질화물 반도체 기판은 별도의 기판분리 공정이 필요하지 않고 동일한 반응기에 의하여 기판분리공정이 이루어지므로 기존 방법에 비하여 간단한 공정과 짧은 공정시간으로 이루어져 보다 저렴한 가격으로 질화물 반도체 기판을 제조할 수 있으며 4" 이상의 대구경의 질화물 반도체 기판을 제조할 수 있는 장점으로 지니고 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 기판 제조 장치에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1의 지지대와 서셉터의 상세 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 기판 제조 장치에 의해 제조된 베이스 기판을 제거하기 전의 질화물 반도체 기판의 구조도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 기판 제조 방법에 대한 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 기판 제조 장치를 사용하여 에칭조건으로 60분간 에칭함으로써 완전히 에칭되지 않은 베이스 기판 후면을 촬영한 현미경 사진을 나타냈다.
도 6은 본 발명에 따른 질화물 반도체 기판 제조 장치를 사용하여 베이스 기판이 완전히 에칭된 질화물 반도체 기판의 사진을 나타냈다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 기판 제조 장치에 대한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 기판 제조 장치는 반응로(110), 서셉터(130)를 지지하기 위한 석영(quartz), 실리콘카바이드(SiC), PBN, 그래파이트(graphite) 등의 재질로 이루어진 지지대(120), 베이스 기판(100)을 고정하기 위한 서셉터(130), 반응로(110) 내부의 서셉터(130) 상에 놓인 베이스 기판(100) 표면에 질화물 반도체 단결정을 성장하기 위하여 메탈 소스를 공급하는 제1 튜브(140), 분위기 가스를 공급하는 제2 튜브(150), 질소 이온 가스를 공급하는 제3 튜브(160), 배기 가스를 배출하기 위한 배기 튜브(170) 및 질화 금속을 포함하고 있는 보트(180)를 구비하고 있다.
상기 반응기(reactor)(110)는 원료가 공급되는 소스 존(source zone)과 성장이 이루어지는 성장 존(growth zone)으로 나누어지며, 소스 존에는 메탈 소스가 들어 있는 보트(boat)(180)가 구비되며, 가스 캐비닛(Gas Cabinet)과 연결된 가스 공급 장치의 제어에 따라, 제1 튜브(150) 내지 제3 튜브(170)를 통하여 필요한 가스들을 공급받게 된다.
여기에서, 상기 지지대(120)의 내부와 서셉터(130)의 내부에는 가스 통로가 형성되어 있어 에칭 가스를 베이스 기판(100)의 후면에 공급할 수 있다. 이와 같은 지지대(120)와 서셉터(130)의 구조는 도 2를 참조하여 아래에서 상세히 설명된다.
이와 같은 구성에서 제1 튜브(140)를 통하여 보트(180)에 메탈 가스, 일예로 염산(HCl) 가스를 공급하면 보트(180)에서는 [화학식 1]과 같은 반응이 일어나 베이스 기판(100)의 상면에 GaCl을 공급한다.
[화학식 1]
Ga + HCl → GaCl + (1/2)H2
이러한 동작이 진행될 때에 제2 튜브(150)로 분위기 가스를 제공하여 진행과정을 활성화시킬 수 있으며, 분위기 가스로는 질소(N2) 또는 수소(H2)를 사용할 수 있다.
한편, 보트(180)에서 GaCl이 생성되어 성장 존에 공급되면 제3 튜브(160)를 통하여 질소 이온 가스를 성장 존에 공급하며, 이때 공급되는 질소 이온 가스의 일예는 암모니아(NH3)일 수 있다.
이에 따라, GaCl과 NH3 가스를 성장 존에 흘려 보내면 [화학식 2]와 같은 반응이 일어나 베이스 기판(100) 위에 질화물 반도체층으로 질화갈륨층이 성장될 수 있다.
[화학식 2]
GaCl + NH3 → GaN + HCl + H2
이러한 과정을 통하여 발생된 염산(HCl)이나 수소(H2)는 배기 튜브(170)를 통하여 외부로 배출된다.
이때, 베이스 기판(100)은 실리콘(Si) 기판 또는 갈륨아세나이드(GaAs), ZnO, MgAl2O3, LiAlO2, ScAlMgO4 및 Ga2O3 기판 중 선택된 하나의 이종 기판(100-1)이 이용될 수 있다.
나아가서 베이스 기판(100)은 이종 기판(100-1)의 상면에 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 실리콘옥사이드(SiO2) 및 실리콘나이트라이드(SiN) 중 어느 하나 이상을 0.1~3㎛ 두께의 완충층(100-2)으로 성장시킨 템플릿(template) 기판을 사용할 수도 있다.
이와 같은 상황에서 성장 온도를 950~1100℃의 범위를 유지하면 질화물 반도체층(101)을 두께 300㎛~수㎜로 도 3과 같은 구조로 성장시킬 수 있다.
이후에, 상기 반응기(110) 내, 상기 성장 온도 950~1100℃보다 0℃~200℃의 범위에서 낮은 온도(750~1100℃의 범위)(바람직하게는 50℃ 낮은 온도)에서 상기 질화물 반도체층(101)의 하면에 붙어있는 베이스 기판(100)에 에칭 가스를 서셉터(120)와 지지대(130)의 내부에 있는 가스 공급 통로를 통하여 공급하여 베이스 기판(100)을 에칭으로 제거한다. 이때 사용되는 에칭 가스는 염산(HCI)일 수 있다.
한편, 도 2는 도 1의 지지대와 서셉터의 상세 구성도이다.
도 2를 참조하면, 도 1의 지지대(120)는 에칭 가스 튜브(121), 에칭 가스 중앙공급기(122) 및 에칭 가스 균일 분배기(123)를 구비하고 있으며 원통형으로 형성되어 있다.
상기 에칭 가스 튜브(121)는 지지대(120)의 말단에 설치되어 있으며 외부로부터 지지대(120)의 내부에 에칭 가스를 공급한다.
그리고, 에칭 가스 중앙 공급기(122)는 내부의 상하 중간쯤에 도넛형으로 형성되어 있으며 중앙 부분을 통하여 에칭 가스 튜브(121)를 통하여 공급되는 에칭 가스를 중앙 부분으로 공급한다.
다음으로, 에칭 가스 균일 분배기(123)는 에칭 가스 중앙 공급기(122)와 베이스 기판(100) 사이에 수평으로 위치하며 중심에서 방사하는 방향으로 일정한 간격으로 균일하게 형성되어 있는 다수의 홀(123-1)을 구비하여 에칭 가스 중앙 공급기(122)를 통과하여 공급되는 에칭 가스를 균일하게 분배하면서 통과시킨다.
한편, 서셉터(130)는 서셉터 몸체(130-1), 기판 커버(131), 기판 커버 지지용 기둥(132), 에칭 가스 배출구(133) 및 기판 지지용 기둥(134) 등이 형성되어 있다.
상기 기판 커버(131)는 서셉터 몸체(130-1)에 베이스 기판(100)을 설치한 후에 덮어 고정한다.
그리고, 기판 커버 지지용 기둥(132)은 기판 커버(131)를 지지하며, 에칭 가스 배출구(133)는 에칭 가스가 베이스 기판(100)을 에칭하게 된 이후에 에칭 가수의 배출 경로를 제공한다. 상기 기판 지지용 기둥(134)은 베이스 기판(100)을 지지한다.
이와 같은 구조에서 에칭 가스 흐름은 지지대(120) 하부에서 상부로 향하게 되며, 에칭 가스 중앙 공급기(122), 에칭 가스 균일 분배기(123)를 거쳐 서셉터(130)의 에칭 가스 배출구(133)를 통하여 에칭 가스가 빠져나가게 된다.
동시에 베이스 기판(100)이 제거된 질화물 반도체 기판(질화물 반도체층)은 기판지지용 소형 기둥(134)의 위에 올려 놓아지게 되어 있다.
또한 질화물 반도체 기판의 가장자리에는 기판 커버(131)가 존재하여 질화물 반도체 기판이 서셉터 몸체(130-1)의 밖으로 빠져나가는 것을 방지하고 서셉터 몸체(130-1)에 질화물 반도체 기판이 부착되는 것을 방지하는 역할을 한다. 기판 커버(131)는 경우에 따라 일회용으로 사용될 수 있다.
지지대(120)는 주로 원통형의 형태를 지니며, 베이스 기판(100)의 크기에 따라 직경이 변화할 수 있으며 외부 직경의 크기는 (20 ~ 50㎜) x (사용 기판 직경/50㎜)일 수 있다.
에칭 가스 중앙 공급기(122)는 지지대(120) 하부에서 불규칙적으로 나온 에칭 가스를 중앙으로 모아주는 역할을 하며 그 크기는 가스 공급 통로 및 지지대(120)의 크기에 따라 변경될 수 있다.
예를 들어 에칭 가스 중앙 공급기(122)의 외경은 지지대(120)의 내부 직경 보다 0~3㎜ 정도 작은 것으로 하고, 내부 직경은 (10~45㎜)x (사용기판 직경/50㎜)일 수 있다.
에칭 가스 균일 분배기(123)는 에칭 가스가 균일하게 퍼지게 하기 위한 장치로 그 외경은 지지대(120)의 내부 직경 보다 0~3㎜ 정도 작은 것으로 한다.
에칭 가스 균일 분배기(123)의 홀 크기는 3mm~10mm일 수 있으며 홀들의 위치는 동심원 상에 형성되며 동심원 간의 간격은 5~20㎜ 이내로 한다.
홀의 개수는 베이스 기판(100)의 크기에 따라 변화할 수 있으나 최소 5개 이상 일 수 있다.
지지대(120)의 내부에서 에칭 가스 균일 분배기(123)를 통하여 균일하게 퍼진 에칭 가스는 서셉터(130)에 장착된 베이스 기판(100)의 하부 면에 도달하며 에칭가스로 염산(HCl)을 사용할 경우, 화학식 3과 같이 Si과 HCl 에칭가스가 반응하게 되어 SiH4 - x Clx 와 같은 기체상태의 가스로 변환되어 에칭 가스 배출구(133)를 통하여 지지대(120) 외부로 배출된다.
SiH4 - x Clx에서 x의 값은 에칭 온도와 HCl 양에 따라 변화될 수 있으나 전체적으로 기체 상태의 가스가 발생하므로 x의 값에 따라 본연의 에칭 기능이 변화하지는 않는다.
[화학식 3]
Si + xHCl → SiH4 - x Clx + (x-2)H2
한편, 기판 지지용 기둥(134)은 베이스 기판(100)을 지지하는 역할을 함과 동시에 에칭가스가 배출되는 가스 통로 역할을 한다. 물론, 베이스 기판(100)이 제거되면 남겨진 질화물 반도체층(101)을 지지한다.
그 기둥 하나의 상부 면적은 0.1~5㎟의 범위에 있으며 높이는 0.5~5㎜ 이내의 범위에 있다. 형태는 원기둥, 원뿔, 다각형 기둥 또는 다각형 뿔 형태일 수 있다. 기판지지용 기둥(134)의 개수는 최소 3개 이상으로 한다.
다음으로, 기판 커버(131)는 링(ring) 형태를 지닐 수 있으며, 기판 커버(131)의 내경이 베이스 기판(100)의 직경보다 작을 경우 베이스 기판(100)의 위에 얹힐 수 있으며 또는 기판 커버(131)의 내경이 베이스 기판(100)보다 클 경우, 베이스 기판(100)의 직경보다 0.5~5㎜ 더 큰 내경을 가질 수 있다.
또한 기판 커버(131)와 서셉터 몸체(130-1)에 의하여 형성되는 에칭 가스 배출구(133)의 구멍의 높이는 0.5~5㎜ 범위 이내로 하고 기판 커버(131)를 서셉터 몸체(130)에 올려 놓을 수 있도록 최소 3개 이상의 기판 커버 지지용 기둥(132)을 기판 커버(131)와 서셉터(130) 사이에 위치시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 기판 제조 방법에 대한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 기판 제조 방법은 먼저 질화물 반도체층의 성장을 위해 베이스 기판(100)을 준비하여 질화물 반도체층을 성장할 수 있는 화학적 반응 공간을 제공하는 본 발명에 따른 질화물 반도체 기판 제조 장치의 반응기 내 반응 공간에 베이스 기판(100)을 설치한다(S100).
여기서 베이스 기판(100)은, 실리콘(Si)기판 또는 갈륨아세나이드(GaAs), ZnO, MgAl2O3, LiAlO2, ScAlMgO4 및 Ga2O3 기판 중 선택된 하나의 이종 기판이 이용될 수 있다.
나아가서 베이스 기판(100)은 이종 기판의 상면에 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 실리콘옥사이드(SiO2) 및 실리콘나이트라이드(SiN) 중 어느 하나 이상을 0.1~3㎛ 두께의 완충층으로 성장시킨 템플릿(template) 기판을 사용할 수도 있다. 여기에서, 베이스 기판(100)은 직경이 2인치일 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 질화물 반도체 기판 제조 장치의 온도를 성장 온도 950~1100℃까지 승온시킨 후에 질화 금속이 있는 보트(180) 위로 제1 튜브(140)를 사용하여 메탈 가스로 염산(HCl) 가스를 일예로 200sccm으로 공급하고 제3 튜브(150)로 질소 이온 가스인 암모니아(NH3) 가스를 2000sccm 공급하여(S120) 질화물 반도체층(101)을 후막으로 약 800㎛ 두께로 성장시켰다(S130).
이후에, 본 발명에 따른 질화물 반도체 기판 제조 장치의 반응기 온도를 상기 성장 온도 950~1100℃보다 0℃~200℃의 범위에서 낮은 온도 750~1100℃의 범위(일예로 1000℃)로 낮춘 후(S140), 지지대(120)의 하부로 부터 에칭 가스인 염산(HCl) 가스를 베이스 기판(100)에 공급하여 300sccm으로 200분간 에칭함으로써(S150) 베이스 기판(100)을 완전 제거할 수 있다(S160).
도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 기판 제조 장치를 사용하여 상기 에칭조건으로 60분간 에칭함으로써 완전히 에칭되지 않은 베이스 기판 후면을 촬영한 현미경 사진을 나타냈다.
도 6은 본 발명에 따른 질화물 반도체 기판 제조 장치를 사용하여 베이스 기판이 완전히 에칭된 질화물 반도체 기판의 사진을 나타냈다.
이러한 방법에 의하여 제조된 질화물 반도체 기판은 별도의 기판 분리 공정이 필요하지 않고 동일한 반응기에 의하여 기판 분리 공정이 이루어지므로 기존 방법에 비하여 간단한 공정과 짧은 공정 시간으로 이루어져 보다 저렴한 가격으로 질화물 반도체 기판을 제조할 수 있으며 4" 이상의 대구경의 질화물 반도체 기판을 제조할 수 있는 장점으로 지니고 있다.
100 : 베이스 기판 110 : 반응로
120 : 지지대 130 : 서셉터
140 : 제1 튜브 150 : 제2 튜브
160 : 제3 튜브 170 : 배기 튜브
180 : 보트

Claims (9)

  1. 반응로;
    상기 반응로 내에 위치하며, 베이스 기판을 고정하기 위한 서셉터;
    상기 반응로 내에 위치하며, 상기 서셉터를 지지하기 위한 지지대;
    상기 반응로에 설치되어 있으며, 상기 베이스 기판 표면에 메탈 소스를 공급하는 제1 튜브;
    상기 반응로에 설치되어 있으며, 반응로 내에 분위기 가스를 공급하는 제2 튜브; 및
    상기 반응로에 설치되어 있으며, 질소 이온 가스를 공급하는 제3 튜브를 포함하며,
    상기 서셉터와 지지대는 내부에 에칭 가스 공급 통로를 구비하고 있으며,
    상기 지지대는 원통형의 형태를 가지며, 외부 직경의 크기는 (20 ~ 50㎜) x (베이스 기판 직경/50㎜)인 특징을 가지며,
    상기 지지대는
    내부의 중간쯤에 도넛형으로 형성되어 있으며 에칭 가스를 중앙 부분으로 공급하는 에칭 가스 중앙 공급기; 및
    상기 에칭 가스 중앙 공급기와 베이스 기판 사이에 수평으로 위치하며 다수의 홀을 구비하여 에칭 가스를 균일하게 분배하면서 통과시키는 에칭 가스 균일 분배기를 포함하고,
    상기 서셉터는
    서셉터 몸체;
    상기 서셉터 몸체에 설치되며 링 형태로 베이스 기판을 고정하기 위한 기판 커버;
    상기 기판 커버와 상기 서셉터 몸체에 의하여 형성되는 에칭 가스 배출구;
    상기 기판 커버를 상기 서셉터 몸체에 올려 놓을 수 있도록 지지하는 기판 커버 지지용 기둥; 및
    상기 서셉터 몸체에 형성되어 있으며, 상기 베이스 기판을 지지하기 위한 기판 지지용 기둥을 포함하는 질화물 반도체 기판 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1항에 있어서,
    상기 에칭 가스 균일 분배기의 홀 크기는 3mm~10mm의 범위에 있으며, 홀들의 위치는 동심원 상에 형성되며 동심원 간의 간격은 5~20㎜의 범위에 있는 질화물 반도체 기판 제조 장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1항에 있어서,
    상기 기판 지지용 기둥의 상부 면적은 0.1~5㎟의 범위에 있으며 높이는 0.5~5㎜ 이내의 범위에 있는 질화물 반도체 기판 제조 장치.
  6. 청구항 1항에 있어서,
    상기 에칭 가스 배출구의 구멍의 높이는 0.5~5㎜ 범위에 있는 질화물 반도체 기판 제조 장치.
  7. 질화물 반도체 기판 제조 장치의 반응기 내 반응 공간에 베이스 기판을 설치하는 단계;
    상기 반응기 내를 성장온도까지 승온시키고, 상기 베이스 기판에 질화물 반도체층을 후막으로 성장시키는 단계; 및
    상기 반응기 온도가 성장 온도보다 같거나 낮은 상태에서 지지대와 서셉터의 내부의 에칭 가스 공급 통로를 통하여 공급되는 에칭 가스로 베이스 기판을 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 지지대는 원통형의 형태를 가지며, 외부 직경의 크기는 (20 ~ 50㎜) x (베이스 기판 직경/50㎜)인 특징을 가지며,
    상기 지지대는
    내부의 중간쯤에 도넛형으로 형성되어 있으며 에칭 가스를 중앙 부분으로 공급하는 에칭 가스 중앙 공급기; 및
    상기 에칭 가스 중앙 공급기와 베이스 기판 사이에 수평으로 위치하며 다수의 홀을 구비하여 에칭 가스를 균일하게 분배하면서 통과시키는 에칭 가스 균일 분배기를 포함하고,
    상기 서셉터는
    서셉터 몸체;
    상기 서셉터 몸체에 설치되며 링 형태로 베이스 기판을 고정하기 위한 기판 커버;
    상기 기판 커버와 상기 서셉터 몸체에 의하여 형성되는 에칭 가스 배출구;
    상기 기판 커버를 상기 서셉터 몸체에 올려 놓을 수 있도록 지지하는 기판 커버 지지용 기둥; 및
    상기 서셉터 몸체에 형성되어 있으며, 상기 베이스 기판을 지지하기 위한 기판 지지용 기둥을 포함하는 질화물 반도체 기판 제조 방법.
  8. 청구항 7항에 있어서,
    상기 반응기 내를 성장온도까지 승온시키고, 상기 베이스 기판에 질화물 반도체층을 후막으로 성장시키는 단계는
    상기 반응기 내를 950~1100℃의 범위에 있는 성장온도까지 승온시키는 단계; 및
    질화 금속이 있는 보트 위로 제1 튜브를 사용하여 메탈 가스를 공급하고 제3 튜브로 질소 이온 가스를 공급하여 질화물 반도체층을 후막으로 성장시키는 단계를 포함하는 질화물 반도체 기판 제조 방법.
  9. 청구항 7항 또는 8항에 있어서,
    상기 에칭 가스로 베이스 기판을 제거하는 단계는
    상기 반응기 온도를 상기 성장 온도보다 0℃~200℃의 범위에서 낮은 온도로 낮추는 단계; 및
    서셉터와 지지대의 내부에 형성된 에칭 가스 공급 통로를 통하여 에칭 가스를 베이스 기판에 공급하여 베이스 기판을 제거하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 기판 제조 방법.
KR1020160056372A 2016-05-09 2016-05-09 질화물 반도체 기판 제조 장치 및 방법 KR101812516B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160056372A KR101812516B1 (ko) 2016-05-09 2016-05-09 질화물 반도체 기판 제조 장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160056372A KR101812516B1 (ko) 2016-05-09 2016-05-09 질화물 반도체 기판 제조 장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170126233A KR20170126233A (ko) 2017-11-17
KR101812516B1 true KR101812516B1 (ko) 2017-12-27

Family

ID=60808508

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160056372A KR101812516B1 (ko) 2016-05-09 2016-05-09 질화물 반도체 기판 제조 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101812516B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3978659A4 (en) * 2019-05-27 2023-05-31 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. METHOD OF PREPARING A GROUP III COMPOSITE SUBSTRATE AND GROUP III COMPOSITE SUBSTRATE

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007320811A (ja) * 2006-06-01 2007-12-13 Mitsubishi Chemicals Corp 窒化物半導体基板の製造方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007320811A (ja) * 2006-06-01 2007-12-13 Mitsubishi Chemicals Corp 窒化物半導体基板の製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3978659A4 (en) * 2019-05-27 2023-05-31 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. METHOD OF PREPARING A GROUP III COMPOSITE SUBSTRATE AND GROUP III COMPOSITE SUBSTRATE

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170126233A (ko) 2017-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9431477B2 (en) Method of forming a group III-nitride crystalline film on a patterned substrate by hydride vapor phase epitaxy (HVPE)
US8591652B2 (en) Semi-conductor substrate and method of masking layer for producing a free-standing semi-conductor substrate by means of hydride-gas phase epitaxy
JP5560528B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物単結晶インゴットの製造方法、及びｉｉｉ族窒化物単結晶基板の製造方法
KR100718118B1 (ko) 크랙이 없는 ＧａＮ 벌크 단결정의 성장 방법 및 장치
TWI434950B (zh) Gallium nitride (GaN) self-supporting substrate manufacturing method and manufacturing device
JP4915282B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体成長用の下地基板およびｉｉｉ族窒化物半導体の成長方法
KR100943091B1 (ko) 질화갈륨 단결정 성장을 위한 수소화기상증착기
JP2009252969A (ja) サセプタおよび気相成長装置
KR101812516B1 (ko) 질화물 반도체 기판 제조 장치 및 방법
JP2013227202A (ja) 周期表第１３族金属窒化物半導体結晶の製造方法、および、当該製造方法によって得られた周期表第１３族金属窒化物半導体結晶を用いた半導体発光デバイス
KR101117189B1 (ko) ＧａＮ 기판 자동분리 방법
JP4850807B2 (ja) 炭化珪素単結晶育成用坩堝、及びこれを用いた炭化珪素単結晶の製造方法
JP2001274093A (ja) 半導体基材及びその製造方法
JP5023834B2 (ja) 半導体結晶の成長方法
JP2012006830A (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体成長用の下地基板およびｉｉｉ族窒化物半導体の成長方法
JP2012041206A (ja) サセプタおよび種結晶の成長方法
KR100949212B1 (ko) 질화물 기판 제조 방법
KR100764427B1 (ko) 질화물 단결정 후막 제조방법
KR20090077471A (ko) 질화갈륨 성장용 서셉터 및 질화갈륨 성장 방법
EP2051286B1 (en) Reactor and method for nitride-based semiconductor manufacturing
KR100949213B1 (ko) 질화갈륨 기판 제조 방법
KR101545394B1 (ko) 기판의 제조 방법 및 장치
KR100949007B1 (ko) 선택적 나노 구조체의 제조방법
JP2007277062A (ja) Ｉｉｉ族窒化物結晶基板の製造方法およびｉｉｉ族窒化物結晶基板
JP2011032112A (ja) 単結晶体の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant