Blameless Life..: 고휘도 LED 제조 원가 절감을 위한 MOCVD 기술의 진전

고휘도 LED 제조 원가 절감을 위한 MOCVD 기술의 진전

새로운 분야의 애플리케이션이 등장함에 따라 LED 기술이 급속하게 향상되고 있다. 노트북, 데스크탑 PC 모니터, 대형 TV 등에 사용되는 백라이트 유닛은 고휘도 LED에 꼭 필요한 요소로 LED의 대량 생산을 가능케 한다. 이 LED는 양 뿐만 아니라 성능 및 비용과 관련된 엄격한 요건도 만족시켜야 하므로 생산기술은 LED 제조업체의 성공에 매우 절대적인 요소가 된다.

고휘도 LED 분야에서 중요한 제조기술 중 하나는 MOCVD(Metal organic chemical vapour deposition)이다. LED 생산 구조가 MOCVD 기술로 발전되므로 이 기술은 LED의 성능과 질을 결정할 뿐 아니라 LED 제조 비용과 생산량에도 매우 중요한 영향을 미치고 있다. 따라서 MOCVD 생산성의 최적화와 경영비용의 절감은 MOCVD 시스템 제조업체들에게 중요한 이슈가 되고 있다.

생산성에 영향을 미치는 매개변수와 MOCVD 작업공정 비용을 정확히 분석하는 일은 전체 공정 개선 노력을 위한 필수조건이다. 이와 같은 분석 결과 제조업체는 쓰루풋(시간 단위당 생산된 웨이퍼 범위)과 수율이 매우 중요한 요소임을 알게 된다.

대구경 웨이퍼에 의한 쓰루풋 개선 (4인치 및 6 인치)

청, 적, 백색의 모든 발광 다이오드가 갖는 중요한 부분은 GaN/InGaN/AlGaN이라는 소재에 바탕을 두고 있다. 지금까지 이들 LED의 대부분은 2 인치 사파이어 기판에서 제조되었다. 따라서, 최근 몇 년 간 MOCVD 쓰루풋의 발전은 MOCVD 반응기의 생산량을 증대시키는 것으로만 이루어졌었다.

GaN/InGaN/AlGaN 성장과 Planetary Reactor 그리고 유기금속화학증착(Close Coupled Showerhead)반응기 등을 위해 최근 가장 각광을 받고 있는 MOCVD 시스템은 각각 42에서 31개의 2인치 웨이퍼를 수용할 수 있었다. 이는 낮은 비용부담과 쓰루풋 증가라는 점에서 의미가 있었지만 더 큰 웨이퍼 크기에는 적합하지 않았다. 현재 몇몇 주요 LED 제조업체들은 이미 4 인치로의 전환을 시작해오고 있으며, 대부분의 기타 업체들도 이를 따르려는 추세이다. 이 결정은 MOCVD 도구들이 이미 대형 웨이퍼 성장에 필요한 기능과 능력을 수용한다는 점으로 인해 쉽게 이루어지고 있다.

그림 1(a, b). CRIUS CCS 반응기(31개의 2인치 웨이퍼용)와 AIX 2800G4 HT Planetary 반응기(42개의 2인치 웨이퍼용”)

앞서 언급된 MOCVD 시스템내의 2인치 웨이퍼에서 4인치 웨이퍼로의 전환은 (그리고 6인치에서 조차) MOCVD반응기 안에서 단지 몇몇 부품의 교체로 쉽게 이루어질 수 있다. 하지만 챔버 등 주요 부분과 구성요소들은 기존의 것들과 다르지 않을 것이므로 하드웨어와 작업과정들을 조정하기 위한 필요성도 최소화할 수 있다. 이러한 과정을 통해, 예를 들어 Planetary Reactor는 42 x 2”에서 11 x 4”, 또는 6 x 6” 타입의 설치로 전환될 수 있다. 전환 비용이 상대적으로 낮은 반면 쓰루풋 면에서는 확실히 많은 이점이 있다.

수량적인 면에 있어서는 각기 다른 웨이퍼 지름들의 풀(full) 웨이퍼 양과 부합하는 전체 웨이퍼 범위를 계산하는 것이 좋다. 즉, 42 x 2” 형태는 851 cm² 면적과 같으며 11 x 4” 또는 6 x 6” 으로의 전환은 각각 891 cm² 와 1,094 cm²웨이퍼 면적을 의미하는 것이며, 쓰루풋의 증가는 이들 숫자로 계산된다. 또한 사용 가능한 웨이퍼 영역으로부터 일반적으로 제외되는 외부의 몇 밀리미터도 고려의 대상이다. 여기에서 제외된 면적은 더 큰 사이즈의 웨이퍼가 선택될 경우 전체 웨이퍼 영역의 비율보다 더 분명히 낮아질 것이다. 표2는 그 계산의 결과를 보여준다.

표 2: 상대적인 쓰루풋 비교

Edge 제외부	0mm	1mm	2mm	3mm
42ⅹ2”에서 11ⅹ4” 원료처리량 개선	4.8%	9.1%	13.9%	19.3%
42ⅹ2”에서 6ⅹ6” 원료처리량 개선	28.6%	35.7%	43.6%	52.6%

2”에서 4”와 6” 웨이퍼 사이즈로의 이동에 의한 AIX 2800G4 HT Planetary 반응기에서의 개선 (다른 에지 제외)

하지만, 앞서 논의된 쓰루풋의 증가는 단지 MOCVD 시스템의 생산성을 증대시키기 위한 측정만을 의미하지 않는다. 동시에 에피 웨이퍼의 획일성은 LED 작업과정에서 가장 높은 칩 산출량을 보장하는 단계로 반드시 향상되어야 된다. MOCVD 반응기 디자인에 관해서는 몇몇 특별한 요건을 반드시 충족시켜야 하는데 이들 요건은 최적화된 기상 역학을 비롯하여 적정한 열 디자인을 포함한다.

이 같은 최적화는 그 성장의 결과로 나타난다. 예를 들어 그림 4는 11x4”로 세팅된 상태에서 성장된 4” 웨이퍼를 보여준다.

그림 4. AIX 2800G4 HT 반응기에서의 11x4” 세팅과 이로 인해 증대된 청색 MQW 구성의 PL 획일성.

획일성(기준편차)은 0.8nm

6x6” 세팅 형태로의 전환도 비슷한 획일성을 제공한다. 다양한 층들의 열팽창계수 차이점과 래티스 부조화에 의해 야기된 변형의 결과로 나타난 웨이퍼 보우 (구부러짐) 현상에 주의해야 하는데 이 웨이퍼 보우는 대형 웨이퍼 위에서 발생하지 않도록 조심스럽게 다루어져야 한다. 이렇게 함으로써, 그림 5에 보여지는 것과 같이 획일성을 구현, 유지할 수 있다.

그림 5. AIX 2800G4 HT 반응기에서의 6x6” 세팅과 이로 인해 증대된 청색 MQW 구성의 PL 획일성.

획일성(기준편차)은 1.8nm

MOCVD 공정에서 200mm와 300mm의 실현가능성

의심할 여지없이 4”와 6” MOCVD 작업과정들은 마지막 단계가 아니다. 실리콘 웨이퍼 크기의 진화에서처럼 비슷한 GaN LED 공정을 위해 더 큰 회로 기판 크기로 옮겨지는 때가 곧 올 것 같다. 이 추세는 당분간 사파이어 웨이퍼가 6인치 보다 더 큰 사이즈에서 사용 가능하지 않다는 사실로 제한될 것이다. 그러나 MOCVD 반응기의 일반적인 실현가능성 및 이 큰 웨이퍼의 GaN기반 재료들을 성장시키기 위한 공정들은 실리콘을 회로기판으로 사용할 때 가능할 것으로 보인다.

Si 작업공정의 GaN은 GaN 기반의 전자공학 분야에서 이미 성숙기에 접어들고 있으므로이는 곧 200 mm Si 웨이퍼에서 이 같은 작업과정들을 평가하기 위한 올바른 접근이었다고 할 수 있다. 이 공정에서는 111-oriented 실리콘을 지름 200 mm까지 가능한 회로기판으로 사용한다.

벨기에의 연구기관인 IMEC과 AIXTRON의 협력을 통해 이 같은 회로기판에서의 MOCVD 성장은 31x2”의 표준형태에서 1x200 mm 또는 1x300 mm로 쉽게 전환될 수 있는 CRIUS CCS^® 반응기로 이미 실현되었다. 변형과 예기치 않은 웨이퍼 보우 현상을 관리하는 일이 중요한데 그래도 결국 작업공정 매개변수의 적절한 조정은 매우 좋은 획일성, 예를 들면, 1008 nm 두께의 GaN/Si 층에 0.5% 두께의 획일성 (그림 6)으로 귀착된다.

그림 6. 200 mm 세팅(챔버 사이즈가 300mm라는 것에 주의할 것)에서의 CRIUS 반응기.

200 mm Si 회로기판(광학 두께 측정)에서 성장된 두께 1008 nm GaN 필름의 두께 획일성 맵

이 연구에 사용된 반응기 타입은 이미 300 mm 수용력을 가지고 있음에 유의할 필요가있다. 공교롭게도 300 mm 직경의 111-oriented Si 회로기판은 이용이 수월치 않으므로 성장시험들은 지금까지 완성될 수 없었다. 하지만 CRIUS 반응기에서 300 mm 작업 공정들의 일반적인 실현가능성은 100-oriented 300 mm 실리콘 웨이퍼의 공정 테스트와 다양한 고온 열처리 등의 실험을 통해 이미 입증되어 오고 있다.

요약

MOCVD 시스템의 최첨단 디자인은 모든 고휘도 LED의 제조공정 비용과 생산성에 막대한 영향을 미치고 있다. 생산성 확대를 위한 현재와 미래의 요구조건은 MOCVD 반응기에서 다양한 기술적 향상으로 완성된다. 일반적으로 사용된 2” GaN epi 작업공정들에서 42개의 6” 웨이퍼로의 이동은 쓰루풋 증가와 비용 감소 효과로 즉시 연결된다.

미래를 들여다보면 200 mm 또는 300 mm와 같이 더 큰 웨이퍼 사이즈로의 움직임이 현실화될 것이다. 현재 이러한 크기의 회로기판을 이용할 수 없을 뿐 아니라 성장 공정의 많은 근본적인 문제들을 해결해야 하지만 이 같은 MOCVD 작업공정들의 기본적인 실현가능성과 하드웨어는 이미 성공적으로 증명되고 있으며 따라서 더욱 효율적인 LED 제조에 필요한 해답을 명쾌하게 제시하고 있다.

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