CN103168346A - 蓝宝石基板的蚀刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种蓝宝石基板的蚀刻方法，其在半导体发光元件所用的蓝宝石基板上形成光刻胶图案，照射波长为400nm以下的紫外线后，将上述光刻胶图案作为掩模进行干式蚀刻，其具备以下步骤：预烘烤步骤，在涂布光刻胶后、照射紫外线之前，以较上述紫外线的照射时更高的温度对上述蓝宝石基板进行加热；后烘烤步骤，在照射紫外线后，以较预烘烤步骤更高的温度对上述蓝宝石基板进行加热；及蚀刻步骤，在上述后烘烤步骤后，将上述光刻胶图案作为掩模进行干式蚀刻，藉此在上述蓝宝石基板上形成多个侧壁相对于该蓝宝石基板的表面的角度为90°以下的凸部。

Description

蓝宝石基板的蚀刻方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光元件所用的蓝宝石基板的蚀刻方法。
背景技术
半导体发光二极管(LED，Light Emitting Diode)具有在基板上p型半导体层及n型半导体层上形成有电极的构造。若因自p型半导体层注入的空穴与自n型半导体层注入的电子的再耦合而在活性层的某发光区域中产生光，则该光自形成有电极的面、或未成长半导体层的基板面射出。
关于此种构造的发光二极管，已提出在基板的表面形成多个凸部(凹部)，使发光区域中产生的光散射、绕射，藉此提高外部量子效率的方法。半导体LED之一的GaN(氮化镓)系LED多使用具有优异特性的蓝宝石基板作为GaN系半导体的结晶成长用基板，藉由将光刻胶(photoresist)作为掩模材料对蓝宝石基板进行干式蚀刻，而在基板表面形成多个凸部。
再者，等离子体蚀刻装置通常较理想为能以10分钟左右对1μm的厚度进行蚀刻。为获得此种蚀刻速率，必须利用高输出的高频电力进行蚀刻，但若使用高输出的高频电力，则光刻胶产生灼烧、或碳化。因此，一直以来在内置有冷却机构的载置台上载置蓝宝石基板，藉由夹具等机械夹头(chuck)或静电夹头使蓝宝石基板紧贴在载置台，藉此将上述蓝宝石基板冷却(专利文献1)。
[专利文献1]日本特开2007-109770号公报
发明内容
然而，若使用机械夹头或静电夹头，则对载置台的基板的设置或处理后的基板卸下较为费事。另外，即便在设有机械夹头或静电夹头的情形下，当基板的设置不充分时亦有基板与载置台的紧贴度下降，在干式蚀刻处理恐有发生光刻胶的灼烧或碳化的可能。
另外，为了进一步提高外部量子效率，在蓝宝石层的表面形成锥形状(圆锥台状、圆锥状)的凸部，并且使邻接的凸部的底边的间隔变窄。若凸部的底边的间隔较大，则平面部占蓝宝石层的表面的比例变多，自发光层(GaN层)入射至蓝宝石层的光中，以小在临界角的角度入射至平面部的光的比例变多。因此，光的射出面侧(GaN层侧)的外部量子效率变低。另一方面，若使凸部的底边的间隔变窄，则凸部的倾斜面占蓝宝石层的表面的比例变多，以小在临界角的角度入射至蓝宝石层的光的比例变小。因此，光的射出面侧的外部量子效率变高。
因此，较理想的是凸部的底边的间隔越窄、即平面部越小越好，但在利用等离子体蚀刻在蓝宝石表面形成此种构造的情形时，先前的光掩模形成方法难以制作可充分减小平面部的形状的光掩模。
发明内容
本发明想要解决的课题在于提供一种蓝宝石基板的蚀刻方法，其可形成外部量子效率优异的半导体发光元件，且可极力抑制光刻胶灼烧或碳化的发生。
为了解决上述课题研制而成的本发明是一种蓝宝石基板的蚀刻方法，其在半导体发光元件所使用的蓝宝石基板上形成光刻胶图案，照射波长为400nm以下的紫外线后，将上述光刻胶图案作为掩模进行干式蚀刻，其具备以下步骤：预烘烤(pre-bake)步骤，在涂布光刻胶后、照射紫外线之前，以较照射上述紫外线时更高的温度对上述蓝宝石基板进行加热；后烘烤(post-bake)步骤，在照射紫外线后，以较预烘烤步骤更高的温度对上述蓝宝石基板进行加热；及蚀刻步骤，在上述后烘烤步骤后，将上述光刻胶图案作为掩模进行干式蚀刻，藉此在上述蓝宝石基板上形成多个侧壁相对于该蓝宝石基板表面的角度为90°以下的凸部。
另外，本发明的蓝宝石基板的蚀刻方法，在上述蚀刻步骤中，形成多个侧壁相对于上述蓝宝石基板表面的角度未达90°的圆锥台状或圆锥状的凸部。
进而，本发明的蓝宝石基板的蚀刻方法中，紫外线照射时的温度为室温～100℃，预烘烤步骤的加热温度为120～130℃。
此外，本发明的蓝宝石基板的蚀刻方法中，后烘烤步骤的加热温度高于干式蚀刻时的蓝宝石基板的温度。
根据本发明的蚀刻方法，即便不利用机械夹头或静电夹头将蓝宝石基板设置在载置台上，亦可维持光刻胶形状，并且不发生后烘烤时或蚀刻处理时的灼烧、碳化，而且可获得优异的蚀刻速率。
附图说明
图1是概略性地表示蓝宝石基板表面具有圆锥台状凸部的半导体发光元件的剖面构成的图。
图2是表示本发明的一实施方式的蚀刻方法所用的等离子体蚀刻装置的概略构成图。
图3是概略性地表示本实施方式的蚀刻方法的步骤图。
图4表示藉由实施例5的蚀刻方法的各步骤获得的蓝宝石基板的SEM图像，(a)是初期(预烘烤后)、(b)是后烘烤后、(c)是蚀刻后的SEM图像。
图5表示藉由实施例6的蚀刻方法的各步骤获得的蓝宝石基板的SEM图像，(a)是初期(预烘烤后)、(b)是后烘烤后、(c)是蚀刻后的SEM图像。
图6表示藉由实施例8的蚀刻方法的各步骤获得的蓝宝石基板的SEM图像，(a)是初期(预烘烤后)、(b)是后烘烤后、(c)是蚀刻后的SEM图像。
图7(a)及(b)表示藉由比较例3的蚀刻方法的各步骤获得的蓝宝石基板的SEM图像，(a)是初期(预烘烤后)、(b)是紫外线照射后的SEM图像。(c)表示比较例4的蚀刻方法的紫外线照射后的SEM图像，(d)表示初期(预烘烤后)及紫外线照射后(150℃及200℃)的光刻胶厚度及光刻胶的凸部的侧壁的角度。
图8
图9表示藉由实施例9的蚀刻方法的各步骤获得的蓝宝石基板的SEM像，(a)是平版印刷术后、(b)是预烘烤后、(c)是等离子体蚀刻后的SEM图像。
图10表示藉由实施例10的蚀刻方法的各步骤获得的蓝宝石基板的SEM像，(a)是平版印刷术后、(b)是预烘烤后、(c)是等离子体蚀刻后的SEM图像。
具体实施方式
以下，参照图式对本发明的一实施方式进行说明。
图1表示氮化镓系化合物半导体发光元件(GaN系半导体LED)的剖面构成的一例。GaN系半导体LED20是在蓝宝石基板21上层叠n型GaN层22、GaN活性层23、p型GaN层24而成的。在上述GaN系半导体LED20，为了提高外部量子效率，在蓝宝石基板21形成光刻胶图案，并藉由进行蚀刻在基板表面形成多个凸部21a，然后层叠n型GaN层22、GaN活性层23、p型GaN层24。
在本实施方式中，为了在蓝宝石基板21上形成多个凸部21a，使用后述的蚀刻方法。
图2表示本实施方式的蚀刻方法所用的等离子体蚀刻装置10的概略构成。该装置是感应耦合型(ICP，Inductively Coupled Plasma)，在密闭的反应室11中设有平板状的下部电极12，在反应室11的上部(外部)介隔石英板14设有激发线圈15。激发线圈15是立体漩涡形(invertedtornado)的线圈，自线圈中央供给高频电力，将线圈外周的末端接地。搬送蓝宝石基板21的托盘载置在下部电极12。另外，下部电极12连接高频电源13。在下部电极12内置有用以冷却蓝宝石基板的冷却机构，且藉由冷却控制部17控制。
在本实施方式的蚀刻方法中，依次实行图3所示光刻胶图案的形成步骤、预烘烤步骤、UV-固化步骤(亦称为紫外线照射步骤)、后烘烤步骤、蚀刻步骤、及光刻胶的去除步骤。使用酚醛清漆(novolac)系树脂作为光刻胶。预烘烤步骤是使涂布在蓝宝石基板上的光刻胶中的多余有机溶剂蒸发的步骤。预烘烤步骤的温度根据光刻胶的种类为80～200℃左右，酚醛清漆系树脂为120℃左右。预烘烤步骤中，将涂布有光刻胶的蓝宝石基板21载置在加热板上，以上述温度进行1～2分钟左右的预烘烤处理。此后，进行图案的曝光、显影、清洗等处理而形成光刻胶图案。
再者，为了使得由后述的蚀刻处理所形成在蓝宝石基板21表面的凸部侧壁相对于该基板表面的角度为所设计的未达90°的锥角，较佳为将侧壁相对于该表面的角度未达90°的掩模形成在上述蓝宝石基板21的表面(圆锥台状)(参照日本特开2003-264171号公报)。然而，对在必须以高输出的高频电力进行蚀刻的蓝宝石基板而言，需要本发明的UV一固化步骤及后烘烤步骤，以强化掩模而在蚀刻过程中掩模不灼烧或碳化。
UV一固化步骤中，将预烘烤后的蓝宝石基板载置在温度控制为较预烘烤温度更低的温度、例如100℃的紫外线照射装置(未图示)的载置台上，在蓝宝石基板21的表面达100℃后，对光刻胶图案照射波长为400nm以下的紫外线20分钟。藉由紫外线照射，光刻胶树脂发生交联反应。其结果，光刻胶树脂硬化，光刻胶图案的耐热性提高。其后，使紫外线照射装置内的温度下降至室温。
后烘烤步骤系藉由将形成有光刻胶图案的蓝宝石基板载置在上述紫外线照射装置的载置台上，将该载置台的温度控制为较预烘烤温度更高的温度例如150～250℃而进行。其结果，可完全去除预烘烤步骤中无法去除而残留在光刻胶中的多余有机溶剂，即便以高输出的高频电力对蓝宝石基板进行蚀刻，亦可形成不灼烧或碳化的牢固的掩模。再者，若将上述预烘烤步骤以与后烘烤步骤相同的温度进行处理，则虽可完全去除光刻胶中的溶剂，但其后的曝光或显影步骤中无法形成所需的图案。另外，若将UV一固化步骤以与后烘烤步骤相同的温度进行处理，因光刻胶树脂的交联与有机溶剂的去除同时发生，故光刻胶树脂中的单体等的交联反应未充分进行，或光刻胶图案发生变形。
蓝宝石基板的蚀刻步骤中，首先在等离子体蚀刻装置10的反应室11的下部电极12上载置上述蓝宝石基板21，在该状态下排出反应室11内的空气，将反应室内的压力调整为减压状态。此后，向反应室11供给用以对蓝宝石基板进行蚀刻的Cl2气体、BCl3气体及Ar气体等，调整反应室11内的气压。继而，对激发线圈15及下部电极12供给高输出的高频电力10分钟，藉此生成反应气体的等离子体26。藉由该等离子体26进行蓝宝石基板的蚀刻，藉此可形成侧壁相对于蓝宝石基板表面的角度未达90°的圆锥台状或圆锥状的凸部。
接下来，对具体的实施例及比较例进行说明。
[实施例1]
利用旋转涂布法将光刻胶用的酚醛清漆树脂涂布在蓝宝石基板21上后，将该蓝宝石基板21载置在经调整为120℃的加热板上进行预烘烤。然后，利用平版印刷术在蓝宝石基板21上形成多个圆锥台状的光刻胶图案。此时，调整曝光条件以使光刻胶的形状成为圆锥台状。接着，使用紫外线照射装置(装置名：UV-1，SAMCO股份有限公司制造)，将上述蓝宝石基板21载置在温度控制为100℃的载置台上，在蓝宝石基板21的表面达到100℃后，对光刻胶图案照射波长为400nm以下的紫外线20分钟。其后，将载置台冷却至室温后，将上述紫外线照射装置的载置台升温至150℃进行20分钟的后烘烤。再者，后烘烤中，紫外线照射装置的紫外线灯不动作。
接着，在等离子体蚀刻装置10的反应室11的下部电极12上载置蓝宝石基板21，在该状态下排出反应室11内的空气，将该反应室11内的压力调整为2×10-3Pa。其后，向反应室11内分别以20sccm、50sccm及40sccm的流量供给Cl2气体、BCl3气体及Ar气体，将反应室11内的气压调整为0.7Pa。然后，对激发线圈15及下部电极12供给200W及200W(ICP/Bias＝200/200W)的高频电力10分钟，藉此生成反应气体的等离子体26。藉由该等离子体26进行蚀刻。
[实施例2]
除了以180℃进行后烘烤以外，与实施例1同样地进行蓝宝石基板21的蚀刻。
[实施例3]
除了以200℃进行后烘烤以外，与实施例1同样地进行蓝宝石基板21的蚀刻。
[实施例4]
除了以250℃进行后烘烤以外，与实施例1同样地进行蓝宝石基板21的蚀刻。
[实施例5]
除了将激发线圈15及下部电极12的高频电力变更为500W及450W(ICP/Bias＝500/450W)以外，与实施例1同样地进行蚀刻。
图4中示出利用实施例5方法获得的蓝宝石基板21的SEM(ScanningElectron Microscope，扫描电子显微镜)图像。图4(a)是预烘烤后的SEM图像(在图中示为“初期”)，图4(b)是后烘烤后的SEM图像(在图中示为“烘烤后”)，及图4(c)是蚀刻后的SEM图像(在图中示为“500/450W处理后”)。
[实施例6]
除了将激发线圈15及下部电极12的高频电力变更为500W及450W(ICP/Bias＝500/450W)以外，与实施例2同样地进行蚀刻。
图5中示出藉由实施例6的方法获得的蓝宝石基板21的SEM图像。图5(a)是预烘烤后的SEM图像(在图中示为“初期”)，图5(b)是后烘烤后的SEM图像(在图中示为“180℃烘烤后”)，及图5(c)是蚀刻后的SEM图像(在图中示为“500/450W处理后”)。
[实施例7]
除了将激发线圈15及下部电极12的高频电力变更为500W及450W(ICP/Bias＝500/450W)以外，与实施例3同样地进行蚀刻。
[实施例8]
除了将激发线圈15及下部电极12的高频电力变更为500W及450W(ICP/Bias＝500/450W)以外，与实施例4同样地进行蚀刻。
图6中示出利用实施例8的方法获得的蓝宝石基板21的SEM图像。图6(a)是预烘烤后的SEM图像(在图中示为“初期”)，图6(b)是后烘烤后的SEM图像(在图中示为“250℃烘烤后”)，及图6(c)是蚀刻后的SEM图像(在图中示为“500/450W处理后”)。
[比较例1]
除了不进行后烘烤以外，与实施例1同样地进行蓝宝石基板21的蚀刻。
[比较例2]
除了将激发线圈15及下部电极12的高频电力变更为500W及450W(ICP/Bias＝500/450W)以外，与比较例1同样地进行蚀刻。
[比较例3]
除了将预烘烤温度设定为130℃、紫外线照射时温度设定为150℃以外与实施例1同样地操作，结果，紫外线照射后光刻胶的形状发生了变化。因此，未进行后烘烤及蚀刻处理。
图7的(a)及(b)中示出利用比较例3的方法获得的蓝宝石基板21的SEM图像。图7(a)是预烘烤后的SEM图像(在图中示为“之前(before)”)，图7(b)是紫外线照射后的SEM图像(在图中示为“在150℃照射UV(UV at 150℃)”)。预烘烤步骤后，在蓝宝石基板上形成由多个圆锥台状的凸部所构成的光刻胶图案。预烘烤步骤后，光刻胶具有圆锥台状的凸部且厚度为1.5μm。但，紫外线照射后，光刻胶的形状发生变化且厚度变为1.3μm。进而，预烘烤后，光刻胶的凸部的侧壁相对于蓝宝石基板的表面的角度为70°但，紫外线照射后该角度变为65°。如上所述，在以150℃进行紫外线照射的情形时，光刻胶图案的形状发生了变化。
[比较例4]
除了将紫外线照射温度变更为200℃以外与比较例3同样地操作，结果，紫外线照射后光刻胶的形状发生了变化。因此，不进行后烘烤及蚀刻处理。
图7(c)中示出藉由比较例4的方法获得的紫外线照射后的蓝宝石基板的SEM图像(在图中示为“在200℃照射UV(UV at 200℃)”)。预烘烤后的SEM图像为与比较例3相同的图7(a)。与比较例3同样，预烘烤步骤后，在蓝宝石基板上形成有由多个圆锥台状的凸部所构成的光刻胶图案，上述凸部的厚度为1.5μm。但，紫外线照射后光刻胶的形状发生变化且厚度变为0.4μm。进而，预烘烤后光刻胶的凸部的侧壁相对于蓝宝石基板的表面的角度为70°但紫外线照射后该角度变为25°。如上所述，在以200℃进行紫外线照射的情形时，光刻胶图案的形状有明显地变化。图7(d)中示出初期(预烘烤后)及紫外线照射后(150℃及200℃)的光刻胶厚度及光刻胶凸部的侧壁的角度。
表1是将实施例1～8及比较例1～4的蚀刻后的蓝宝石基板21的表面的光刻胶状态、以及蓝宝石基板21表面的圆锥台状的凸部形成状态的评价结果整理所示的表。再者，对各实施例，亦进行后烘烤后的光刻胶的形状评价及灼烧的评价。各评价的基准系记载在表的下方。
表1
Figure BDA00002892564300091
(1)：后烘烤后的光刻胶的形状评价的基准
×与预烘烤后的形状相比较，形状发生变化。
△与预烘烤后的形状相比较，形状基本维持原状。
○与预烘烤后的形状相比较，形状维持原状。
(2)：后烘烤后的光刻胶灼烧的评价基准
×光刻胶灼烧。
△光刻胶灼烧但为不影响蚀刻的程度
○光刻胶未灼烧。
(3)蚀刻后的光刻胶灼烧或碳化的评价基准
×光刻胶灼烧或碳化
△光刻胶灼烧或碳化但为不影响蚀刻的程度。
○光刻胶灼烧或碳化。
(4)蚀刻后的蓝宝石基板的锥形状的评价基准
×无法形成侧壁相对于基板表面的角度小于90°的锥状的凸部。
○可形成侧壁相对于基板表面的角度小于90°的锥状的凸部。
[实施例9]
利用旋转涂布法将光刻胶用的酚醛清漆树脂涂布在蓝宝石基板21上后，将蓝宝石基板21载置在经调整为120℃的加热板上进行烘烤。接着，利用平版印刷术在蓝宝石基板21上形成圆柱状(高度为3.0μm，底面部的直径为2.2μm)的光刻胶图案(参照图9(a))。接着，将加热板的温度调整为160℃而进行预烘烤。光刻胶中多余的有机溶剂经预烘烤步骤而蒸发的同时，圆柱状的光刻胶图案变形为半球状(高度为2.0μm，底面部的直径为3.0μm)(图9(b))。
接着，使用紫外线照射装置，将上述蓝宝石基板载置在温度控制为155℃的载置台上，在蓝宝石基板表面达到155℃后，照射紫外线5分钟。所使用的紫外线照射装置、紫外线的波长与实施例1相同。
接着，将紫外线照射装置的载置台升温至250℃，进行后烘烤5分钟。再者，后烘烤中紫外线照射装置的紫外线灯未动作。后烘烤后的光刻胶图案形状是高度为2.0μm、底面部的直径为3.0μm的半球状，与预烘烤后的形状相比较并未变化。
此后，向等离子体蚀刻装置的反应室内分别以20sccm、30sccm及20sccm的流量供给Cl2气体、BCl3气体及Ar气体，将反应室11内的气压调整为0.7Pa，对激发线圈15及下部电极12供给500W及450W(ICP/Bias＝500/450W)的高频电力15分钟，除此以外，与实施例1同样地藉由等离子体进行蚀刻。其结果，如图9(c)所示，等离子体处理后在蓝宝石基板的表面形成有圆锥状的凸部。该圆锥状的凸部的高度为1.7μm，底面部的直径为3.5μm。
[实施例10]
除了将预烘烤温度设定为100℃、紫外线照射时的温度设定为95℃外，藉由与实施例9相同的方法在蓝宝石基板的表面形成圆锥状的凸部。如图10(a)所示，在实施例10中，利用平版印刷术形成在蓝宝石基板上的光刻胶图案亦为圆柱状(高度为3.0μm，底面部的直径为2.2μm)。相对于此，如图10(b)所示，预烘烤后的光刻胶图案形状是高度为3.0μm、底面部的直径为2.2μm的圆柱状。即，实施例10中与实施例9不同，光刻胶图案的形状并未因预烘烤而发生变化。另一方面，等离子体处理后，与实施例9同样地在蓝宝石基板的表面形成有圆锥状的凸部(参照图10(c))。该圆锥状的凸部的高度为1.9μm，底面部的直径为2.4μm。
再者，上述实施方式及实施例中，列举“藉由对蓝宝石基板进行蚀刻而形成侧壁相对于蓝宝石基板表面的角度未达90°的圆锥台状的凸部或圆锥状的凸部的情形”进行了说明，但本发明并不限定在此。例如，亦可适用在形成多个具有垂直在蓝宝石基板表面的侧壁的凸部的情形。此外，亦可适用形成多个凸部除了圆锥台状以外，角锥台状的凸部或细长地延伸的脊状凸部的情形。
符号说明
20        GaN系半导体LED
21        蓝宝石基板
21a       凸部
22        n型GaN层
23        GaN活性层
24        p型GaN层

Claims (6)

1.一种蓝宝石基板的蚀刻方法，其在半导体发光元件所用的蓝宝石基板上形成光刻胶图案，照射波长为400nm以下的紫外线后，以该光刻胶图案为掩模进行干式蚀刻，
该蓝宝石基板的蚀刻方法具备以下步骤：
预烘烤步骤，在涂布光刻胶后、照射紫外线之前，以较该紫外线的照射时更高的温度对该蓝宝石基板进行加热；
后烘烤步骤，在照射紫外线后，以较预烘烤步骤更高的温度对该蓝宝石基板进行加热；以及
蚀刻步骤，在该后烘烤步骤后，以该光刻胶图案为掩模进行干式蚀刻，藉此在该蓝宝石基板上形成多个侧壁相对于该蓝宝石基板表面的角度为90°以下的凸部。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石基板的蚀刻方法，其中，在蚀刻步骤中，形成多个侧壁相对于蓝宝石基板表面的角度未达90°的圆锥台或圆锥状的凸部。
3.根据权利要求1或2所述的蓝宝石基板的蚀刻方法，其中，紫外线照射时的温度为室温～100℃，预烘烤步骤的加热温度为120～130℃。
4.根据权利要求1到3的任一项所述的蓝宝石基板的蚀刻方法，其中，后烘烤步骤的加热温度高于干式蚀刻步骤中的蓝宝石基板的表面温度。
5.根据权利要求1到4的任一项所述的蓝宝石基板的蚀刻方法，其中，后烘烤步骤的加热温度为200℃以上。
6.根据权利要求1到5的任一项所述的蓝宝石基板的蚀刻方法，其中，在照射紫外线后、后烘烤步骤之前，使蓝宝石基板回到室温。
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