WO2020111790A1 - Method for manufacturing diamond substrate - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for manufacturing a single crystal diamond substrate, and more particularly, to a method for manufacturing a single crystal diamond substrate in which high-quality single crystal diamond substrates are heterogeneously grown and separated by themselves.
- the single crystal diamond semiconductor is a very wide band gap (5.5 eV) material, and is a semiconductor material having very good physical properties such as high thermal conductivity, electron/hole mobility, and dielectric breakdown strength (10MV/cm). It is expected to be used in a variety of high-frequency, high-power electronic devices with extreme performance.
- the growth of single crystal diamonds for semiconductor devices is currently the only high temperature/high pressure method. However, by the high temperature/high pressure method, only a very small die ( ⁇ 10 ⁇ 10 mm 2 ) can be obtained, and there is no cost competitiveness to apply as a semiconductor device due to the high cost required.
- the conventional single crystal diamond heterogeneous growth method has an advantage of obtaining a large-diameter thin film or a substrate, but a large stress is introduced due to a difference in lattice constant and thermal expansion coefficient with a dissimilar substrate, resulting in many defects and cracks when the temperature decreases after growth. ), there is a problem that the yield falls.
- an object of the present invention is to form an air gap structure using a photoresist pattern on a substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ).
- a substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ).
- a diamond substrate manufacturing method for achieving the above object, forming a repeating photoresist pattern on the lower substrate; Depositing an air gap forming film; Removing the photoresist by heat treatment and forming an air gap between the lower substrate and the air gap forming film; Forming a buffer layer; Forming a diamond thick film; And cooling the diamond thick film to self-separate from the lower substrate.
- the shape of the photoresist pattern is embossed or engraved and includes a stripe, circle, or polygonal shape.
- the air gap forming film is crystallized in the same orientation as the lower substrate by the heat treatment, and the photoresist is evaporated to form the air gap at the position where the photoresist was. .
- the stress due to the difference in the lattice constant and the coefficient of thermal expansion between the lower substrate and the heterogeneous diamond thick film is relieved, and when the cooling occurs, defects or cracks in the diamond thick film are reduced to obtain a diamond substrate. .
- the lower substrate may be an Al 2 O 3 substrate, an MgO substrate, an Iridium substrate, a Quartz substrate, a Platinum substrate, a SiC substrate, an YSZ substrate, a SrTiO3 substrate, a silicon substrate, an SOI substrate, or a group III-V compound semiconductor substrate.
- the air gap forming film may be formed of Al 2 O 3 , MgO, Iridium, Quartz, Platinum, SiC, YSZ, SrTiO3, Si or a group 3-5 compound material.
- the heat treatment temperature may be in the range of 500 ⁇ 2000 °C.
- the step of forming the buffer layer includes ⁇ -Al 2 O 3 or ⁇ -Al 2 O 3 , MgO, SrTiO 3 , or YSZ It may include the step of sequentially laminating an oxide layer made of a metal oxide, and a metal layer made of a material containing Ni or a platinum group metal containing Ir, Pt, or Rh.
- forming the buffer layer may include forming a layer containing SiC.
- the forming of the buffer layer may include a platinum group metal or Ni-containing material including Ir, Pt, or Rh It may include the step of forming a metal layer consisting of.
- ALD atomic layer deposition
- CVD chemical vapor deposition
- PVD physical vapor deposition
- the step of forming the diamond thick film uses hot filament-CVD (HF-CVD), microwave plasma-CVD (MP-CVD), or RF plasma-CVD (RF-CVD) equipment as CVD (chemical vapor deposition) equipment. .
- HF-CVD hot filament-CVD
- MP-CVD microwave plasma-CVD
- RF-CVD RF plasma-CVD
- the forming of the diamond thick film may include forming a diamond crystal nucleus layer having a nuclear density of 10 5 cm -2 or more; And growing a single crystal diamond thick film on the diamond crystal nucleus layer.
- a simple process of heterogeneous growth of a large area/large diameter single crystal diamond as a method of forming an air gap structure using a photoresist pattern on a substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ) and
- a substrate such as sapphire (Al 2 O 3 )
- the stress due to the difference in the lattice constant and the coefficient of thermal expansion with the dissimilar substrate is relieved, and defects and cracks are reduced even when the temperature decreases to produce a high-quality single crystal diamond substrate. Self-separation can be easily achieved.
- the present invention forms patterns in various forms using a semiconductor photolithography process on a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, deposits Al 2 O 3 thereon, and heat-treats to remove the photoresist inside the patterns.
- Al 2 O 3 film outside the pattern is crystallized in the same orientation as the sapphire substrate below, an air gap is formed between the sapphire substrate and the Al 2 O 3 thin film, and a single crystal diamond is grown thereon.
- defects in diamonds are reduced through lateral growth of diamond materials grown on patterns spaced apart from each other, and when cooled due to a stress reduction effect between the heterogeneous substrate and the diamond growth layer. It is possible to manufacture a large-diameter single crystal diamond substrate that is self-separating by reducing the occurrence of defects or cracks.
- FIG. 1 is a process flow chart for explaining a method of manufacturing a single crystal diamond substrate according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2 is a diagram for comparing the difference in defects between the existing diamond substrate and the diamond substrate based on the process of FIG. 1.
- FIG. 3 is an example of a scanning electron microscope photograph of a form in which an air gap is formed based on the process of FIG. 1.
- first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used to distinguish one component from other components. Used only.
- FIG. 1 is a process flow diagram for explaining a method of manufacturing a single crystal diamond substrate according to an embodiment of the present invention.
- a method of manufacturing a single crystal diamond substrate includes forming a repeating photoresist pattern 20 on the lower substrate 10 (S111) and an air gap forming film ( 30) depositing (S112), removing the photoresist by heat treatment and forming an air gap 25 between the lower substrate 10 and the air gap forming layer 30 (S121), buffer layer 40 ) Forming (S122), diamond nucleation layer 50, forming diamond thick film 60 (S131, S132) and cooling the diamond thick films 50 and 60 to be separated from the lower substrate 10 by itself (S141), obtaining a high-quality diamond substrate separated from the lower substrate 10 (S142).
- the diamond thick films 50 and 60 may be, for example, 1000 nm to 100 mm thick, and separated from the lower substrate 10 to be used as a bulk substrate for forming various electronic devices such as transistors, diodes, and LEDs (light emitting diodes). Can be.
- the lower substrate 10 is prepared.
- the lower substrate 10 is sapphire (Al 2 O 3 ) Although it is preferable to be a substrate, in addition to MgO substrate, Iridium substrate, Quartz substrate, Platinum substrate SiC substrate, YSZ (Yttria Stabilized Zirconia) substrate, SrTiO3 substrate, silicon substrate, SOI (Silicon on Insulator) substrate or group 3-5 compound semiconductor ( For example, a GaN, etc.) substrate may be used.
- the lower substrate 10 sapphire (Al 2 O 3 )
- Al 2 O 3 Al 2 O 3
- the size of the lower substrate 10 may be about 1x1 mm 2 engraving specimens for experimental purposes, but substrates of various sizes suitable for purposes up to 12-inch large-diameter wafers or larger for obtaining large-area/large-diameter single crystal diamond substrates This is possible.
- a repeating photoresist pattern 20 is formed on the lower substrate 10 (S111).
- the photoresist pattern 20 may be formed by applying the photoresist 20 on the lower substrate 10 and exposing and developing with an electron beam, X-rays, or ultraviolet rays using a photolithography equipment such as a stepper.
- the shape of the photoresist pattern 20 formed in this way includes a stripe, a circle, or a polygon (eg, triangle, square, etc.).
- the photoresist pattern 20 may be embossed or engraved to have such a shape.
- the size of each photoresist pattern 20 may range from 1 nm to 100 ⁇ m in diameter and may range from 1 nm to 100 ⁇ m in thickness.
- the air gap forming film 30 is then deposited (S112).
- Air gap forming film 30, Al 2 O 3 , MgO, Iridium Quartz, Platinum, SiC, YSZ, SrTiO3, Si, or a group 3-5 compound semiconductor material may be formed in a thickness of 10nm ⁇ 10 ⁇ m range .
- the air gap forming film 30 is also preferably formed of Al 2 O 3 , but is not limited thereto, as described below. It is possible to form the air gap forming film 30 from various materials as above, which can be combined with the lower substrate 10.
- the photoresist forming the photoresist pattern 20 is removed by heat treatment using a furnace or the like, and an air gap 25 is formed between the lower substrate 10 and the air gap forming layer 30 (S121).
- a heat treatment temperature may be performed in a range of 500 to 2000°C.
- the air gap forming film 30 is crystallized in the same orientation as the lower substrate 10 (eg, covalent bonding, ionic bonding, etc.), and the photoresist is small in the air gap forming film 30.
- the air gap 25 is formed as an empty space at the position where the photoresist was evaporated through the gap.
- the elasticity of the air gap forming film 30 is increased to reduce stress due to a difference in lattice constant and thermal expansion coefficient when forming the single crystal diamond thick films 50 and 60 in a subsequent process. It is possible to obtain a diamond substrate by alleviating and reducing defects or cracks in the diamond thick films 50 and 60 upon cooling.
- the buffer layer 40 is formed next (S122).
- the buffer layer 40 is formed as a buffer layer in consideration of comparison of lattice constants, stress generation, and the like before forming the single crystal diamond thick films 50 and 60.
- the buffer layer 40 may be formed as a single layer or a double layer with a total thickness of 10 nm to 100 ⁇ m in consideration of bonding properties of the upper and lower layers.
- the buffer layer 40 may be formed using ALD (atomic layer deposition), CVD (chemical vapor deposition), or PVD (physical vapor deposition).
- the buffer layer 40 includes Ir, Pt, or Rh It may be formed of a metal layer made of a platinum group metal or a material containing Ni.
- the buffer layer 40 may be formed of a layer containing SiC.
- the air gap forming film 30 is made of a semiconductor type such as SiC, Si, or a group 3-5 compound semiconductor, as a double layer, ⁇ -Al 2 O 3 or ⁇ -Al 2 O 3 , MgO, SrTiO 3
- an oxide layer made of a metal oxide containing YSZ and a metal layer made of a material containing Ni or a platinum group metal containing Ir, Pt, or Rh may be formed as a double layer.
- single crystal diamond thick films 50 and 60 are formed on the buffer layer 40 (S131 and S132).
- the single crystal diamond thick films 50 and 60 are CVD (chemical vapor deposition) equipment such as hot filament-CVD (HF-CVD), microwave plasma-CVD (MP-CVD), or RF plasma-CVD (RF-CVD) equipment. Can be used.
- CVD chemical vapor deposition
- HF-CVD hot filament-CVD
- MP-CVD microwave plasma-CVD
- RF-CVD RF plasma-CVD
- the single crystal diamond thick films 50 and 60 first form a diamond crystal nucleus 50 having a nuclear density (eg, BEN (Bias Enhanced Nucleation) diamond density) of 10 5 cm -2 or more (S131), and then the diamond crystal nuclei are formed.
- the single crystal diamond thick film layer 60 is formed by growing (S132) in the range of 1000 nm to 100 mm in thickness, for example, by fully depositing the diamond single crystal on the entire surface by using it as a seed. For example, when the single crystal diamond thick film layer 60 is grown by using the MP-CVD method, at a growth temperature of 100 to 1500° C.
- the ratio of CH 4 , O 2 , Ar, and N 2 is appropriately adjusted in a range of 0.1 to 50%, and a thickness growth rate of 10 nm to 1000 ⁇ m/hr can be obtained.
- the groove portion with the step difference between the patterns is also filled through side growth, and the single crystal diamond thick film in a form in which defects in the diamond are reduced.
- Layer 60 may be formed.
- the diamond thick films 50 and 60 are cooled to self-separate from the lower substrate 10 (S141), thereby obtaining a high-quality diamond substrate separated from the lower substrate 10 (S142).
- the substrates having the separated thick films (eg, thickness of 1000 nm to 100 mm) in the form of single crystal diamond thick films 50 and 60 may be single crystal diamond substrates that can be used as bulk substrates for the formation of various electronic devices.
- FIG. 2 is a view for comparing the defect difference between the existing diamond substrate (a) and the diamond substrate (b) based on the process of FIG. 1.
- FIG. 3 is an example of a scanning electron microscope (SEM) photograph of a form in which the air gap 25 is formed based on the process of FIG. 1.
- Figure 3 using sapphire (Al 2 O 3) substrate to the lower substrate 10 and the case of forming by using sapphire (Al 2 O 3) as the air gap forming film 30, shown in the first figure of the upper left It shows each selected area electron diffraction (SAED) pattern for the corresponding crystal plane orientation of the five points.
- SAED selected area electron diffraction
- the air gap forming film 30 is crystallized in the same sapphire (Al 2 O 3 ) crystal plane orientation as the lower substrate 10, and shows a bonded (eg covalent bond, ionic bond, etc.) state.
- bonded eg covalent bond, ionic bond, etc.
- a large area is formed by a method of forming an air gap 25 structure using a photoresist pattern 20 on a substrate such as sapphire (Al 2 O 3 )
- a substrate such as sapphire (Al 2 O 3 )
- High quality single crystal diamond by reducing the stress caused by the difference in the lattice constant and the coefficient of thermal expansion with a heterogeneous substrate and reducing the occurrence of defects or cracks even when the temperature decreases by applying a simple process of low-growth growth of large-diameter single crystal diamonds and a low-cost growth method.
- the substrate can be fabricated and self-separation of the diamond substrate from the dissimilar substrate can be easily achieved.
- the present invention forms patterns in various forms using a semiconductor photolithography process on a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, deposits Al 2 O 3 thereon, and heat-treats to remove the photoresist inside the patterns.
- Al 2 O 3 film outside the pattern is crystallized in the same orientation as the sapphire substrate below, an air gap is formed between the sapphire substrate and the Al 2 O 3 thin film, and a single crystal diamond is grown thereon.
- defects in diamonds are reduced through lateral growth of diamond materials grown on patterns spaced apart from each other, and when cooled due to a stress reduction effect between the heterogeneous substrate and the diamond growth layer. It is possible to manufacture a large-diameter single crystal diamond substrate that is self-separating by reducing the occurrence of defects or cracks.
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Abstract
Description
본 발명은 단결정 다이아몬드 기판 제조 방법에 관한 것으로서, 특히, 고품질의 단결정 다이아몬드 기판을 이종 성장하여 자가 분리시키는 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a single crystal diamond substrate, and more particularly, to a method for manufacturing a single crystal diamond substrate in which high-quality single crystal diamond substrates are heterogeneously grown and separated by themselves.
단결정 다이아몬드 반도체는 매우 넓은 띠간격(5.5eV) 물질로, 높은 열전도율, 전자/정공이동도, 절연파괴강도(10MV/cm) 등의 매우 우수한 물성을 갖는 반도체 물질로써, 이로 인해 단결정 다이아몬드 반도체는 미래 극한 성능을 갖는 고주파, 고출력 전자소자에 다양하게 활용될 전망이다. 이러한 반도체소자용 단결정 다이아몬드의 성장은 현재 고온/고압법 정도가 유일하다. 그러나, 고온/고압법에 의하여는 매우 작은 크기의 다이(≤ 10×10 mm2)만을 획득할 수 있을 뿐이며, 많은 비용이 요구되어 반도체소자로서 적용하기에는 가격 경쟁력이 없는 실정이다.The single crystal diamond semiconductor is a very wide band gap (5.5 eV) material, and is a semiconductor material having very good physical properties such as high thermal conductivity, electron/hole mobility, and dielectric breakdown strength (10MV/cm). It is expected to be used in a variety of high-frequency, high-power electronic devices with extreme performance. The growth of single crystal diamonds for semiconductor devices is currently the only high temperature/high pressure method. However, by the high temperature/high pressure method, only a very small die (≤ 10×10 mm 2 ) can be obtained, and there is no cost competitiveness to apply as a semiconductor device due to the high cost required.
이를 극복하고자 화학기상증착법을 이용한 이종성장기술이 1990년대부터 본격적으로 연구되었으며, 현재까지 제시된 다이아몬드 단결정 이종성장 기술은 주로 단결정 Si 기판이나 Al2O3 또는 MgO등의 단결정 산화물 기판 상에 대구경의 불완전한 단결정 다이아몬드를 성장할 수 있는 정도에 이르고 있다. 즉, 종래의 단결정 다이아몬드 이종성장법은 대구경의 박막 또는 기판을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 이종기판과의 격자상수 및 열팽창 계수 차이에 의해 큰 응력이 도입되어 성장 이후 온도 하강 시 많은 결함과 크랙(crack)을 유발하므로, 수율이 떨어지는 문제점이 있다.In order to overcome this, heterogeneous growth technology using chemical vapor deposition has been studied in earnest since the 1990s, and the diamond single crystal heterogeneous growth technology presented so far is mainly incomplete with a large diameter on a single crystal Si substrate or a single crystal oxide substrate such as Al 2 O 3 or MgO. It has reached the point where single crystal diamond can be grown. That is, the conventional single crystal diamond heterogeneous growth method has an advantage of obtaining a large-diameter thin film or a substrate, but a large stress is introduced due to a difference in lattice constant and thermal expansion coefficient with a dissimilar substrate, resulting in many defects and cracks when the temperature decreases after growth. ), there is a problem that the yield falls.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 사파이어(Al2O3) 등의 기판 상에 포토레지스트 패턴을 이용한 에어갭(air gap) 구조물을 형성하는 방법으로 대면적/대구경 단결정 다이아몬드를 이종성장하는 간단한 공정과 저비용의 성장법을 적용하여, 이종기판과의 격자상수 및 열팽창계수 차이로 인한 응력을 완화시키고 온도 하강 시에도 결함이나 크랙 발생을 감소시켜 고품질의 단결정 다이아몬드 기판을 제작하고, 이종기판으로부터 다이아몬드 기판의 자가 분리가 용이하게 이루어질 수 있는 단결정 다이아몬드 제조 방법을 제공하는 데 있다. Therefore, the present invention has been devised to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to form an air gap structure using a photoresist pattern on a substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ). By applying a simple process and a low-cost growth method for heterogeneous growth of large-area/large-diameter single crystal diamonds, it relieves stress caused by differences in lattice constants and thermal expansion coefficients with dissimilar substrates, and reduces defects or cracks even when the temperature decreases, resulting in high quality. It is to provide a single crystal diamond substrate manufacturing method, and to provide a single crystal diamond manufacturing method in which self-separation of a diamond substrate from a dissimilar substrate can be easily performed.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 다이아몬드 기판 제조 방법은, 하부 기판 상에 반복되는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 에어갭 형성막을 증착하는 단계; 열처리에 의해 상기 포토레지스트를 제거하고 상기 하부 기판과 상기 에어갭 형성막 사이에 에어갭을 형성하는 단계; 버퍼층을 형성하는 단계; 다이아몬드 후막을 형성하는 단계; 및 상기 하부 기판으로부터 상기 다이아몬드 후막이 자가 분리되도록 냉각하는 단계를 포함한다.First, to summarize the features of the present invention, a diamond substrate manufacturing method according to an aspect of the present invention for achieving the above object, forming a repeating photoresist pattern on the lower substrate; Depositing an air gap forming film; Removing the photoresist by heat treatment and forming an air gap between the lower substrate and the air gap forming film; Forming a buffer layer; Forming a diamond thick film; And cooling the diamond thick film to self-separate from the lower substrate.
상기 포토레지스트 패턴의 모양은, 양각 또는 음각 형태로서 스트라이프, 원형, 또는 다각형의 형태를 포함한다.The shape of the photoresist pattern is embossed or engraved and includes a stripe, circle, or polygonal shape.
상기 에어갭을 형성하는 단계에서, 상기 열처리에 의해 상기 에어갭 형성막이 상기 하부 기판과 동일한 방위로 결정화되면서 결합하고 상기 포토레지스트가 증발되어 상기 포토레지스트가 있던 위치에 상기 에어갭을 형성할 수 있다.In the step of forming the air gap, the air gap forming film is crystallized in the same orientation as the lower substrate by the heat treatment, and the photoresist is evaporated to form the air gap at the position where the photoresist was. .
상기 에어갭의 형성에 의해, 상기 하부 기판과 이종의 상기 다이아몬드 후막 간에 격자상수 및 열팽창계수 차이로 인한 응력을 완화시키고 상기 냉각 시에 상기 다이아몬드 후막에 결함이나 크랙 발생을 저감하여 다이아몬드 기판을 획득한다.By forming the air gap, the stress due to the difference in the lattice constant and the coefficient of thermal expansion between the lower substrate and the heterogeneous diamond thick film is relieved, and when the cooling occurs, defects or cracks in the diamond thick film are reduced to obtain a diamond substrate. .
상기 하부 기판은, Al2O3 기판, MgO 기판, Iridium 기판, Quartz 기판, Platinum 기판, SiC 기판, YSZ 기판, SrTiO3 기판, 실리콘 기판, SOI 기판 또는 3-5족 화합물 반도체 기판 등일 수 있다.The lower substrate may be an Al 2 O 3 substrate, an MgO substrate, an Iridium substrate, a Quartz substrate, a Platinum substrate, a SiC substrate, an YSZ substrate, a SrTiO3 substrate, a silicon substrate, an SOI substrate, or a group III-V compound semiconductor substrate.
상기 에어갭 형성막은, Al2O3, MgO, Iridium, Quartz, Platinum, SiC, YSZ, SrTiO3, Si 또는 3-5족 화합물 물질 등으로 형성될 수 있다.The air gap forming film may be formed of Al 2 O 3 , MgO, Iridium, Quartz, Platinum, SiC, YSZ, SrTiO3, Si or a group 3-5 compound material.
상기 에어갭을 형성하는 단계에서, 상기 열처리 온도는 500 ~ 2000℃ 범위일수 있다.In the step of forming the air gap, the heat treatment temperature may be in the range of 500 ~ 2000 ℃.
상기 에어갭 형성막이 SiC, Si 또는 3-5족 화합물 반도체로 이루어진 경우, 상기 버퍼층을 형성하는 단계는, α-Al2O3 또는γ-Al2O3, MgO, SrTiO3, 또는 YSZ를 포함하는 금속산화물로 이루어진 산화물층, 및 Ir, Pt, 또는 Rh를 포함하는 백금족 금속이나 Ni을 포함하는 물질로 이루어진 금속층을 순차 적층하는 단계를 포함할 수 있다.When the air gap forming film is made of SiC, Si, or a group 3-5 compound semiconductor, the step of forming the buffer layer includes α-Al 2 O 3 or γ-Al 2 O 3 , MgO, SrTiO 3 , or YSZ It may include the step of sequentially laminating an oxide layer made of a metal oxide, and a metal layer made of a material containing Ni or a platinum group metal containing Ir, Pt, or Rh.
상기 에어갭 형성막이 SiC, Si, 또는 3-5족 화합물 반도체로 이루어진 경우, 상기 버퍼층을 형성하는 단계는, SiC를 포함하는 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.When the air gap forming film is made of SiC, Si, or a group 3-5 compound semiconductor, forming the buffer layer may include forming a layer containing SiC.
상기 에어갭 형성막이 Al2O3, MgO, YSZ, Iridium, Quartz, Platinum 또는 SrTiO3로 이루어진 경우, 상기 버퍼층을 형성하는 단계는, Ir, Pt, 또는 Rh를 포함하는 백금족 금속이나 Ni을 포함하는 물질로 이루어진 금속층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.When the air gap forming film is made of Al 2 O 3 , MgO, YSZ, Iridium, Quartz, Platinum, or SrTiO 3, the forming of the buffer layer may include a platinum group metal or Ni-containing material including Ir, Pt, or Rh It may include the step of forming a metal layer consisting of.
상기 버퍼층을 형성하는 단계는, ALD(원자층 증착법), CVD(화학 기상 증착법), 또는 PVD(물리적 기상 증착법) 장비를 이용한다.In the forming of the buffer layer, ALD (atomic layer deposition), CVD (chemical vapor deposition), or PVD (physical vapor deposition) is used.
상기 다이아몬드 후막을 형성하는 단계는, CVD(화학 기상 증착법) 장비로서 HF-CVD(hot filament-CVD), MP-CVD(microwave plasma-CVD), 또는 RF-CVD(RF plasma-CVD) 장비를 이용한다.The step of forming the diamond thick film uses hot filament-CVD (HF-CVD), microwave plasma-CVD (MP-CVD), or RF plasma-CVD (RF-CVD) equipment as CVD (chemical vapor deposition) equipment. .
상기 다이아몬드 후막을 형성하는 단계는, 핵밀도 105 cm-2 이상의 다이아몬드 결정 핵층을 형성하는 단계; 및 상기 다이아몬드 결정 핵층 상에 단결정 다이아몬드 후막을 성장시키는 단계를 포함한다.The forming of the diamond thick film may include forming a diamond crystal nucleus layer having a nuclear density of 10 5 cm -2 or more; And growing a single crystal diamond thick film on the diamond crystal nucleus layer.
본 발명에 따른 단결정 다이아몬드 기판 제조 방법에 따르면, 사파이어(Al2O3) 등의 기판 상에 포토레지스트 패턴을 이용한 에어갭 구조물을 형성하는 방법으로 대면적/대구경 단결정 다이아몬드를 이종성장하는 간단한 공정과 저비용의 성장법을 적용하여, 이종기판과의 격자상수 및 열팽창계수 차이로 인한 응력을 완화시키고 온도 하강 시에도 결함이나 크랙 발생을 감소시켜 고품질의 단결정 다이아몬드 기판을 제작하고, 이종기판으로부터 다이아몬드 기판의 자가 분리가 용이하게 이루어질 수 있다. According to the method of manufacturing a single crystal diamond substrate according to the present invention, a simple process of heterogeneous growth of a large area/large diameter single crystal diamond as a method of forming an air gap structure using a photoresist pattern on a substrate such as sapphire (Al 2 O 3 ) and By applying a low-cost growth method, the stress due to the difference in the lattice constant and the coefficient of thermal expansion with the dissimilar substrate is relieved, and defects and cracks are reduced even when the temperature decreases to produce a high-quality single crystal diamond substrate. Self-separation can be easily achieved.
예를 들어, 본 발명은 사파이어(Al2O3) 기판 위에 반도체 포토리소그래피 공정을 이용해 패턴들을 다양한 형태로 형성하고 그 위에 Al2O3를 증착하고 열처리를 진행하여 패턴들 내부의 포토레지스트가 제거되면서 패턴 외부의 Al2O3 막은 아래 사파이어 기판과 동일한 방위로 결정화되어 사파이어 기판과 Al2O3 박막 사이에 에어갭(air gap)이 형성되는 구조물을 만들고, 그 위에 단결정 다이아몬드를 성장한다. 이와 같이, 에어갭 구조물 위에 다이아몬드를 성장할 경우, 서로 이격되어 있는 패턴들 위에 성장된 다이아몬드 물질이 측면성장을 통해 다이아몬드 내 결함이 감소되고, 이종기판과 다이아몬드 성장층 사이의 응력 감소효과로 인해 냉각 시 결함이나 크랙 발생을 저감하여 자가 분리되는 대구경 단결정 다이아몬드 기판 제작이 가능하다.For example, the present invention forms patterns in various forms using a semiconductor photolithography process on a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, deposits Al 2 O 3 thereon, and heat-treats to remove the photoresist inside the patterns. As the Al 2 O 3 film outside the pattern is crystallized in the same orientation as the sapphire substrate below, an air gap is formed between the sapphire substrate and the Al 2 O 3 thin film, and a single crystal diamond is grown thereon. As described above, when diamonds are grown on the air gap structure, defects in diamonds are reduced through lateral growth of diamond materials grown on patterns spaced apart from each other, and when cooled due to a stress reduction effect between the heterogeneous substrate and the diamond growth layer. It is possible to manufacture a large-diameter single crystal diamond substrate that is self-separating by reducing the occurrence of defects or cracks.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는 첨부도면은, 본 발명에 대한 실시예를 제공하고 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.The accompanying drawings included as part of the detailed description to aid understanding of the present invention provide embodiments of the present invention and describe the technical spirit of the present invention together with the detailed description.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.1 is a process flow chart for explaining a method of manufacturing a single crystal diamond substrate according to an embodiment of the present invention.
도 2는 기존의 다이아몬드 기판과 도 1의 공정에 기초한 다이아몬드 기판의 결함 차이를 비교하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a diagram for comparing the difference in defects between the existing diamond substrate and the diamond substrate based on the process of FIG. 1.
도 3은 도 1의 공정에 기초한 에어갭이 형성된 형태에 대한 주사전자현미경 사진의 예이다. FIG. 3 is an example of a scanning electron microscope photograph of a form in which an air gap is formed based on the process of FIG. 1.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. At this time, the same components in each drawing are denoted by the same reference numerals as possible. In addition, detailed descriptions of already known functions and/or configurations are omitted. The contents disclosed below focus on parts necessary for understanding the operation according to various embodiments, and descriptions of elements that may obscure the subject matter of the description will be omitted. Also, some components of the drawings may be exaggerated, omitted, or schematically illustrated. The size of each component does not entirely reflect the actual size, and thus the contents described herein are not limited by the relative size or spacing of the components drawn in each drawing.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다. In describing the embodiments of the present invention, when it is determined that a detailed description of known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to a user's or operator's intention or practice. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification. The terminology used in the detailed description is only for describing embodiments of the present invention and should not be limiting. Unless expressly used otherwise, a singular form includes a plural form. In this description, expressions such as “including” or “equipment” are intended to indicate certain characteristics, numbers, steps, actions, elements, parts or combinations thereof, and one or more other than described. It should not be interpreted to exclude the presence or possibility of other characteristics, numbers, steps, actions, elements, or parts or combinations thereof.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Further, terms such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used to distinguish one component from other components. Used only.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 다이아몬드 기판 제조 방법을 설명하기 위한 공정 흐름도이다.1 is a process flow diagram for explaining a method of manufacturing a single crystal diamond substrate according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법은, 하부 기판(10) 상에 반복되는 포토레지스트 패턴(20)을 형성하는 단계(S111), 에어갭 형성막(30)을 증착하는 단계(S112), 열처리에 의해 상기 포토레지스트를 제거하고 하부 기판(10)과 에어갭 형성막(30) 사이에 에어갭(25)을 형성하는 단계(S121), 버퍼층(40)을 형성하는 단계(S122), 다이아몬드 핵형성층(50), 다이아몬드 후막(60)을 형성하는 단계(S131, S132) 및 하부 기판(10)으로부터 다이아몬드 후막(50, 60)이 자가 분리되도록 냉각하여(S141), 하부 기판(10)에서 분리된 고품질의 다이아몬드 기판을 획득하는 단계(S142)를 포함한다. 다이아몬드 후막(50, 60)은 에를 들어, 두께 1000nm~100mm 일 수 있으며, 하부 기판(10)으로부터 분리해 트랜지스터, 다이오드, LED(light emitting diode) 등 각종 전자 소자의 형성을 위한 벌크 기판으로 활용될 수 있다. Referring to FIG. 1, a method of manufacturing a single crystal diamond substrate according to an embodiment of the present invention includes forming a repeating
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법을 좀 더 자세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a single crystal diamond substrate according to an embodiment of the present invention will be described in more detail.
먼저, 하부 기판(10)을 준비한다. 하부 기판(10)은 사파이어(Al2O3) 기판인 것이 바람직하지만, 이외에도 MgO 기판, Iridium 기판, Quartz 기판, Platinum 기판 SiC 기판, YSZ(Yttria Stabilized Zirconia) 기판, SrTiO3 기판, 실리콘 기판, SOI(Silicon on Insulator) 기판 또는 3-5족 화합물 반도체(예, GaN 등) 기판 등이 사용될 수도 있다. 이하에서 하부 기판(10)으로서 사파이어(Al2O3) 기판을 사용한 예를 주로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 위와 같은 다양한 기판이 하부 기판(10)으로서 사용되어도 유사하게 적용될 수 있음은 당업자에게 잘 이해될 수 있다. 하부 기판(10)의 사이즈는 실험 목적으로는 1x1 mm2 정도의 조각 시편도 가능하지만, 대면적/대구경 단결정 다이아몬드 기판의 획득을 위하여 12인치 대구경 웨이퍼나 그 이상의 크기까지 목적에 맞는 다양한 크기의 기판이 가능하다.First, the
이와 같이 하부 기판(10)이 준비되면, 하부 기판(10) 상에 반복되는 포토레지스트 패턴(20)을 형성한다(S111). 예를 들어, 하부 기판(10) 상에 포토레지스트(20)를 도포하고 스텝퍼 등 포토리소그래피 장비를 이용하여 전자빔, 엑스선, 자외선 등으로 노광하고 현상함으로써 포토레지스트 패턴(20)을 형성할 수 있다. 이와 같이 형성되는, 포토레지스트 패턴(20)의 모양은, 스트라이프, 원형, 또는 다각형(예, 삼각형, 사각형 등) 등을 포함한다. 포토레지스트 패턴(20)은 양각 또는 음각 형태로 이와 같은 모양이 되도록 할 수 있다. 포토레지스트 패턴(20) 각각의 사이즈는 직경 1nm~100㎛ 범위일 수 있으며, 두께 1nm~100㎛ 범위일 수 있다.When the
이와 같이 하부 기판(10) 상에 반복되는 포토레지스트 패턴(20)이 형성되면, 이후 에어갭 형성막(30)을 증착한다(S112). 에어갭 형성막(30)은, Al2O3, MgO, Iridium Quartz, Platinum, SiC, YSZ, SrTiO3, Si, 또는 3-5족 화합물 반도체 물질 등으로 두께 10nm~10㎛ 범위로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 기판(10)이 사파이어(Al2O3) 기판인 경우에 에어갭 형성막(30) 역시 Al2O3로 형성하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 하기하는 바와 같이 하부 기판(10)과 결합할 수 있는 위와 같은 다양한 재질로 에어갭 형성막(30)을 형성하는 것이 가능하다. When the repeating
이후 퍼니스 등을 이용한 열처리에 의해 포토레지스트 패턴(20)을 이루는 포토레지스트를 제거하고 하부 기판(10)과 에어갭 형성막(30) 사이에 에어갭(25)을 형성한다(S121). 에어갭(25)을 형성하기 위하여 열처리 온도 500 ~ 2000℃ 범위에서 진행될 수 있다. 이와 같은 열처리에 의해, 에어갭 형성막(30)이 하부 기판(10)과 동일한 방위로 결정화되면서 결합(예, 공유결합, 이온결합 등)하고, 포토레지스트는 에어갭 형성막(30)의 작은 틈으로 증발되어 포토레지스트가 있던 위치에 빈공간으로서 에어갭(25)이 형성된다. Thereafter, the photoresist forming the
이와 같은 에어갭(25)의 형성에 의해, 에어갭 형성막(30)에 탄성을 증대시켜서, 이후의 공정에서 단결정 다이아몬드 후막(50, 60)의 형성 시 격자상수 및 열팽창계수 차이로 인한 응력을 완화시키고 냉각 시에 다이아몬드 후막(50, 60)에 결함이나 크랙 발생을 저감하여 다이아몬드 기판을 획득할 수 있게 된다.By forming the
이와 같이 에어갭(25)이 형성된 후, 다음에, 버퍼층(40)을 형성한다(S122). 버퍼층(40)은 단결정 다이아몬드 후막(50, 60)을 형성하기 전에 격자 상수의 비교, 응력 발생 등을 고려하여 완충층으로서 형성된다. 버퍼층(40)은 상하층의 결합성 등을 고려하여 단층 또는 이중층으로 총 두께 10nm ~ 100㎛으로 형성될 수 있다. 버퍼층(40)은 ALD(원자층 증착법, atomic layer deposition), CVD(화학 기상 증착법, chemical vapor deposition), 또는 PVD(물리적 기상 증착법, physical vapor deposition) 장비를 이용하여 형성될 수 있다. After the
예를 들어, 에어갭 형성막(30)이 Al2O3, MgO, YSZ, Iridium, Quartz, Platinum 또는 SrTiO3와 같이 산화물 종류로 이루어진 경우, 버퍼층(40)은 Ir, Pt, 또는 Rh를 포함하는 백금족 금속이나 Ni을 포함하는 물질로 이루어진 금속층으로 형성될 수 있다. For example, when the air
또한, 예를 들어, 에어갭 형성막(30)이 SiC, Si, 또는 3-5족 화합물 반도체와 같이 반도체 종류로 이루어진 경우, 버퍼층(40)은 SiC를 포함하는 층으로 형성될 수 있다. Further, for example, when the air
또한, 에어갭 형성막(30)이 SiC, Si, 또는 3-5족 화합물 반도체와 같이 반도체 종류로 이루어진 경우, 이중층으로서, α-Al2O3 또는γ-Al2O3, MgO, SrTiO3, 또는 YSZ를 포함하는 금속산화물로 이루어진 산화물층, 및 Ir, Pt, 또는 Rh를 포함하는 백금족 금속이나 Ni을 포함하는 물질로 이루어진 금속층을 순차 적층한 이중층으로 형성될 수 있다. In addition, when the air
이후, 버퍼층(40) 위에 단결정 다이아몬드 후막(50, 60)을 형성한다(S131, S132). 단결정 다이아몬드 후막(50, 60)은, CVD(화학 기상 증착법) 장비로서 HF-CVD(hot filament-CVD), MP-CVD(microwave plasma-CVD), 또는 RF-CVD(RF plasma-CVD) 장비 등을 이용할 수 있다. Thereafter, single crystal diamond
단결정 다이아몬드 후막(50, 60)은, 먼저, 핵밀도(예, BEN(Bias Enhanced Nucleation) diamond density) 105 cm-2 이상의 다이아몬드 결정 핵층(50)을 형성한 후(S131), 다이아몬드 결정 핵을 씨드(seed)로 이용하여 그 위에 전면으로 다이아몬드 단결정이 형성되면서 증착되도록 하여(fully coalesced) 단결정 다이아몬드 후막층(60)을 예를들어, 두께 1000nm~100mm 범위로 성장(S132)시킴으로써 형성된다. 예를 들어, MP-CVD법을 이용하여 단결정 다이아몬드 후막층(60)을 성장시키는 경우, 챔버 내의 성장온도 100~1500 ℃, 플라즈마 파워 0.5 ~ 100 KW, 성장압력 0 ~ 1000 torr에서, H2에 대한 CH4, O2, Ar, N2의 비율(공급 가스 비율)을 0.1 ~ 50 % 범위로 적절히 맞추어, 두께 성장율 10nm ~ 1000 ㎛/hr로 획득될 수 있다. 이와 같은 방법으로 포토레지스트 패턴(20)에 의해 서로 이격되어 있는 패턴들 위에 다이아몬드 결정이 성장되면서, 측면성장을 통해 패턴 간 단차가 있는 홈 부분도 채워지며 다이아몬드 내 결함이 감소된 형태로 단결정 다이아몬드 후막층(60)이 형성될 수 있다. The single crystal diamond
이후 하부 기판(10)으로부터 다이아몬드 후막(50, 60)이 자가 분리(self separation)되도록 냉각하여(S141), 하부 기판(10)에서 분리된 고품질의 다이아몬드 기판을 획득한다(S142). Thereafter, the diamond
이와 같이 분리된 후막(예, 두께 1000nm~100mm) 형태의 단결정 다이아몬드 후막(50, 60)을 가지는 기판은, 각종 전자 소자의 형성을 위한 벌크 기판으로 사용될 수 있는 단결정 다이아몬드 기판이 될 수 있다.The substrates having the separated thick films (eg, thickness of 1000 nm to 100 mm) in the form of single crystal diamond
도 2는 기존의 다이아몬드 기판(a)과 도 1의 공정에 기초한 다이아몬드 기판(b)의 결함 차이를 비교하기 위한 도면이다.2 is a view for comparing the defect difference between the existing diamond substrate (a) and the diamond substrate (b) based on the process of FIG. 1.
도 2의 (b)와 같이 에어갭(25)의 형성에 의해, 하부 기판(10)과 이종의 다이아몬드 후막(50, 60) 간에 격자상수 및 열팽창계수 차이로 인한 응력을 완화시키고 냉각 시에 다이아몬드 후막(50, 60)에 결함이나 크랙 발생을 저감하여 다이아몬드 기판을 획득할 수 있도록 하였다.As shown in (b) of FIG. 2, by forming the
도 3은 도 1의 공정에 기초한 에어갭(25)이 형성된 형태에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진의 예이다. 3 is an example of a scanning electron microscope (SEM) photograph of a form in which the
도 3은 하부 기판(10)으로 사파이어(Al2O3) 기판을 사용하고 에어갭 형성막(30)으로서 사파이어(Al2O3)를 사용하여 형성한 경우, 좌측 위의 첫번째 그림에 표시한 5가지 점들의 해당 결정면 방위에 대한 각각의 SAED(selected area electron diffraction) 패턴을 보여준다. 이와 같은 전자 회절 패턴을 통해 에어갭 형성막(30)이 하부 기판(10)과 동일한 사파이어(Al2O3) 결정면 방위로 결정화되어 결합(예, 공유결합, 이온결합 등)된 상태를 보여주며, 반복되는 포토레지스트 패턴(20)에 대응되어 형성된 에어갭(25)들의 구조물이 잘 형성되었음을 알 수 있게 해준다.Figure 3 using sapphire (Al 2 O 3) substrate to the
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단결정 다이아몬드 기판 제조 방법에 따르면, 사파이어(Al2O3) 등의 기판 상에 포토레지스트 패턴(20)을 이용한 에어갭(25) 구조물을 형성하는 방법으로 대면적/대구경 단결정 다이아몬드를 이종성장하는 간단한 공정과 저비용의 성장법을 적용하여, 이종기판과의 격자상수 및 열팽창계수 차이로 인한 응력을 완화시키고 온도 하강 시에도 결함이나 크랙 발생을 감소시켜 고품질의 단결정 다이아몬드 기판을 제작하고, 이종기판으로부터 다이아몬드 기판의 자가 분리가 용이하게 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 사파이어(Al2O3) 기판 위에 반도체 포토리소그래피 공정을 이용해 패턴들을 다양한 형태로 형성하고 그 위에 Al2O3를 증착하고 열처리를 진행하여 패턴들 내부의 포토레지스트가 제거되면서 패턴 외부의 Al2O3 막은 아래 사파이어 기판과 동일한 방위로 결정화되어 사파이어 기판과 Al2O3 박막 사이에 에어갭(air gap)이 형성되는 구조물을 만들고, 그 위에 단결정 다이아몬드를 성장한다. 이와 같이, 에어갭 구조물 위에 다이아몬드를 성장할 경우, 서로 이격되어 있는 패턴들 위에 성장된 다이아몬드 물질이 측면성장을 통해 다이아몬드 내 결함이 감소되고, 이종기판과 다이아몬드 성장층 사이의 응력 감소효과로 인해 냉각 시 결함이나 크랙 발생을 저감하여 자가 분리되는 대구경 단결정 다이아몬드 기판 제작이 가능하다.As described above, according to the method for manufacturing a single crystal diamond substrate according to the present invention, a large area is formed by a method of forming an
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.As described above, in the present invention, specific matters such as specific components and the like have been described by limited embodiments and drawings, but these are provided only to help a more comprehensive understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments , Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the spirit of the present invention is not limited to the described embodiments, and should not be determined, and all technical spirits equivalent to or equivalent to the claims as well as the claims described below are included in the scope of the present invention. It should be interpreted as.
Claims (14)
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