JP2008270416A - 物体に粗面を形成する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体発光素子の表面に全反射阻止用粗面を容易に形成することが困難であった。
【解決手段】半導体発光素子を形成するための半導体ウエーハ（１）の主面（８）上にAgから成るマスク形成用被膜（１０）を形成する。このマスク形成用被膜（１０）に熱処理を施して凝集を生じさせる。凝集で生じたAgから成る粒状体（１１）をマスクとして半導体ウエーハ（1）をドライエッチングして半導体ウエーハ（１）の主面８上に多数の凹部（１２）を形成する。
【選択図】図２
【解決手段】半導体発光素子を形成するための半導体ウエーハ（１）の主面（８）上にAgから成るマスク形成用被膜（１０）を形成する。このマスク形成用被膜（１０）に熱処理を施して凝集を生じさせる。凝集で生じたAgから成る粒状体（１１）をマスクとして半導体ウエーハ（1）をドライエッチングして半導体ウエーハ（１）の主面８上に多数の凹部（１２）を形成する。
【選択図】図２
Description
本発明は例えば半導体発光素子、半導体基板等の被加工物体の表面に粗面即ち多数の凹凸を形成する方法に関する。
半導体発光ダイオードは、光を放射する半導体チップとこれを被覆する光透過性保護樹脂とから成る。半導体チップの光を外部に取り出す面を有する半導体層（例えば電流分散層又はコンタクト層）の光屈折率は３．１〜３．５程度であり、保護樹脂の光屈折率は１．５程度であるので、半導体チップと保護樹脂との間の臨界角は２５〜２９度となる。このため半導体チップの光取り出し面に入射する光の入射角が臨界角よりも大きい場合には、全反射が生じ、入射角の大きい光を外部に取り出すことが不可能になり、光取り出し効率が低下する。
上記の全反射による光取出し効率の低下を抑制するために半導体チップの表面を粗面化することが特開２００３−２０９２８３号公報（特許文献１）等で公知である。この特許文献１では、発光半導体領域の光取出し面をブレード加工（刃物による加工）又はレジストマスクを使用したエッチング加工（ホトリソグラフィー技術）によって粗面が形成されている。しかし、ブレード加工の場合は特別な工具が必要になり、また、ホトリソグラフィー技術の場合には、マスクが必要になるばかりでなく、数十〜数百nmの凹凸を安定的に形成することが難しい。このため、従来方法で発光半導体領域の表面に粗面を容易且つ安価に形成することが困難であった。
半導体領域の表面を粗面化することは、周知のマイクロチャネルエピタキシャル（micro channel epitaxy 即ちMCE）と呼ばれている低転位密度の半導体を形成する方法においても要求される。この方法では、半導体の表面に多数の凹部（粗面）を形成し、この上に半導体をエピタキシャル成長させる。この時、半導体の結晶成長は縦方向のみでなく横方向にも進行し、半導体表面の凹部は結晶で埋められ、平坦な表面を有し且つ転位が少ない良質な結晶成長層が得られる。
特開２００３―２０９２８３号公報
本発明が解決しようとする課題は、被加工物体に粗面（多数の凹凸）を容易且つ安価に形成する方法が要求されていることであり、本発明の目的はこの要求に応えることができる方法を提供することである。
上記課題を解決するための本発明に係る被加工物体に粗面を形成する方法は、 凝集する性質を有し且つ被加工物体をエッチングする時にマスクとして機能する性質を有するマスク材料を被加工物体の所望表面上に被着させることによってマスク形成用被膜を形成する工程と、凝集させることができる温度の熱処理を前記マスク形成用被膜に施して前記マスク形成用被膜を多数の粒状体に変化させる工程と、前記多数の粒状体をマスクとして使用して前記被加工物体の前記多数の粒状体で覆われていない領域をエッチングで除去して前記被加工物体の表面を粗面に変化させる工程とを有している。
なお、本発明において凝集とは、被加工物体上のマスク材料が多数の粒状体（凝集体）又は塊に変化する現象を意味する。
なお、本発明において凝集とは、被加工物体上のマスク材料が多数の粒状体（凝集体）又は塊に変化する現象を意味する。
被加工物体に粗面を形成する別の方法は、請求項２に示すように、凝集する性質を有し且つ被加工物体をエッチングする時にマスクとして機能する性質を有するマスク材料を被加工物体の所望表面上に被着させると同時に凝集させることができる温度の熱処理を前記マスク材料に施して前記マスク材料から成る多数の粒状体を前記被加工物体の所望表面上に形成する工程と、 前記多数の粒状体をマスクとして使用して前記被加工物体の前記多数の粒状体で覆われていない領域をエッチングで除去して前記被加工物体の表面を粗面に変化させる工程とを有する。
また、請求項３に示すように、前記被加工物体は半導体から成り、前記マスクは金属から成ることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記被加工物体は発光させるための複数の半導体層の積層体、又は複数の半導体層と光透過性導電膜との積層体から成り、前記積層体の光を外部に取り出す面を全反射防止用の粗面にする場合に本発明を適用することことが望ましい。
被加工物体に粗面を形成する更に別の方法は、請求項５に示すように、前記被加工物体と異なる材料から成る補助層を前記被加工物体の表面上に形成する工程と、凝集する性質を有し且つ前記補助層をエッチングする時にマスクとして機能する性質を有するマスク材料を前記補助層の上に被着させてマスク形成用被膜を形成する工程と、凝集させることができる温度の熱処理を前記マスク形成用被膜に施して前記マスク形成用被膜を多数の粒状体に変化させる工程と、前記多数の粒状体をマスクとして使用して前記補助層の前記多数の粒状体で覆われていない領域をエッチングで除去して前記補助層に貫通孔を形成する工程と、前記補助層の上の前記多数の粒状体を除去する工程と、前記補助層のエッチングで除去されなかった部分をマスクとして使用して前記被加工物体をエッチングして前記被加工物体に粗面を形成する工程と、マスクとして使用した前記補助層を除去する工程とを有する。
被加工物体に粗面を形成する更に別の方法は、請求項６に示すように、前記被加工物体と異なる材料から成る補助層を前記被加工物体の表面上に形成する工程と、凝集する性質を有し且つ前記補助層をエッチングする時にマスクとして機能する性質を有するマスク材料を前記補助層の上に被着させると同時に凝集させることができる温度の熱処理を前記マスク材料に施して前記マスク材料から成る多数の粒状体を前記被加工物体の所望表面上に形成する工程と、前記多数の粒状体をマスクとして使用して前記補助層の前記多数の粒状体で覆われていない領域をエッチングで除去して前記補助層に貫通孔を形成する工程と、前記補助層の上の前記多数の粒状体を除去する工程と、前記補助層のエッチングで除去されなかった部分をマスクとして使用して前記被加工物体をエッチングして前記被加工物体に粗面を形成する工程と、マスクとして使用した前記補助層を除去する工程とを有する。
また、請求項７に示すように、前記被加工物体は半導体から成り、前記補助層はシリコン酸化物から成ことが望ましい。
また、請求項３に示すように、前記被加工物体は半導体から成り、前記マスクは金属から成ることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記被加工物体は発光させるための複数の半導体層の積層体、又は複数の半導体層と光透過性導電膜との積層体から成り、前記積層体の光を外部に取り出す面を全反射防止用の粗面にする場合に本発明を適用することことが望ましい。
被加工物体に粗面を形成する更に別の方法は、請求項５に示すように、前記被加工物体と異なる材料から成る補助層を前記被加工物体の表面上に形成する工程と、凝集する性質を有し且つ前記補助層をエッチングする時にマスクとして機能する性質を有するマスク材料を前記補助層の上に被着させてマスク形成用被膜を形成する工程と、凝集させることができる温度の熱処理を前記マスク形成用被膜に施して前記マスク形成用被膜を多数の粒状体に変化させる工程と、前記多数の粒状体をマスクとして使用して前記補助層の前記多数の粒状体で覆われていない領域をエッチングで除去して前記補助層に貫通孔を形成する工程と、前記補助層の上の前記多数の粒状体を除去する工程と、前記補助層のエッチングで除去されなかった部分をマスクとして使用して前記被加工物体をエッチングして前記被加工物体に粗面を形成する工程と、マスクとして使用した前記補助層を除去する工程とを有する。
被加工物体に粗面を形成する更に別の方法は、請求項６に示すように、前記被加工物体と異なる材料から成る補助層を前記被加工物体の表面上に形成する工程と、凝集する性質を有し且つ前記補助層をエッチングする時にマスクとして機能する性質を有するマスク材料を前記補助層の上に被着させると同時に凝集させることができる温度の熱処理を前記マスク材料に施して前記マスク材料から成る多数の粒状体を前記被加工物体の所望表面上に形成する工程と、前記多数の粒状体をマスクとして使用して前記補助層の前記多数の粒状体で覆われていない領域をエッチングで除去して前記補助層に貫通孔を形成する工程と、前記補助層の上の前記多数の粒状体を除去する工程と、前記補助層のエッチングで除去されなかった部分をマスクとして使用して前記被加工物体をエッチングして前記被加工物体に粗面を形成する工程と、マスクとして使用した前記補助層を除去する工程とを有する。
また、請求項７に示すように、前記被加工物体は半導体から成り、前記補助層はシリコン酸化物から成ことが望ましい。
本発明では、被加工物体の表面にマスク材料を被着させ、このマスク材料の被着後又は被着と同時に熱処理を施すことによってマスク材料の凝集（粒状化現象）を生じさせ、多数の粒状体を得、この粒状体をマスクとして被加工物体をエッチングして粗面（多数の凹凸）を得る。従って、本発明によれば、フォトリソグラフィー工程を伴なわないで被加工物体に粗面（多数の凹凸）を形成することができ、加工コストの低減を図ることができる。
次に、図１〜図７を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１に示す実施例１における被加工物体としてのダブルへテロ接合型半導体発光素子用の半導体ウエーハ１は、基板２とバッファ層３とn型半導体層４と活性層５とp型半導体層６と補助半導体層７とから成る。基板２はn型又はp型不純物が添加されたシリコンから成り、導電性を有している。この基板２をシリコン以外の半導体又はサファイア又はセラミック等で形成することもできる。バッファ層３は、基板２の上にAlNとGaNとを交互に複数回エピタキシャル成長させた多層構造バッファである。勿論、バッファ層3を単層バッファ層にすること、又はバッファ層３を省くこともできる。ｎ型半導体層４はn型クラッド層と呼ぶこともできるものであって、バッファ層３の上に例えばn型窒化物半導体（例えばn型GaN）をエピタキシャル成長させることによって形成されている。活性層５は、ｎ型半導体層４の上に例えば不純物が添加されていない窒化物半導体（例えばInGaN）をエピタキシャル成長させることによって形成されている。図１では図示を簡略化するために活性層５が１つの層で示されているが、実際には周知多重量子井戸構造を有している。勿論、活性層５を単一の半導体層とすることもできる。また、活性層５を省いてｎ型半導体層４にｐ型半導体層６を直接に接触させることもできる。ｐ型半導体層６はｐ型クラッド層と呼ぶこともできるものであって、活性層5の上に例えばｐ型窒化物半導体（例えばp型GaN）をエピタキシャル成長させることによって形成されている。補助半導体層７は、電流分散層又はオーミックコンタクト層と呼ぶこともできるものであって、例えばｐ型半導体層６よりもｐ型不純物が高濃度に添加された例えばｐ型窒化物半導体層（例えばｐ型GaN）をエピタキシャル成長させることによって形成されている。
発光機能を有する半導体ウエーハ１の一方の主面８は光取り出し面として機能する。半導体発光素子のアノード電極は半導体ウエーハ１の一方の主面８に形成され、カソード電極は導電性を有する半導体ウエーハ１の他方の主面９即ち基板２の下面に形成される。半導体ウエーハ１の一方の主面８の一部は、半導体発光素子を形成する時に光透過性保護樹脂で覆われる。既に説明したように半導体ウエーハ１の光取り出し面を含む部分（補助半導体層７）と光透過性保護樹脂とは互いに異なる光屈折率を有している。従って、光取り出し面に向う光に含まれている光取り出し面に対する光の入射角が臨界角よりも大きい成分は全反射し、外部に取り出せない。全反射による光取り出し効率の低下を防ぐために半導体ウエーハ１の一方の主面８の粗面化が必要になる。
実施例１に従って半導体ウエーハ１の一方の主面８を全反射防止用の粗面にする時には、まず、図１に示す被加工物体としての半導体ウエーハ１の一方の主面８上に、半導体ウエーハ（被加工物体）１と異なる材料から成り、且つ熱処理によって粒状化即ち凝集し易い材料から成るマスク材料を半導体ウエーハ１の一方の主面８上に被着させ、図２（Ａ）に示すマスク形成用被膜１０を形成する。更に詳しく説明すると、例えばマスク材料としてAg（銀）を使用し、これを半導体の分野で一般に使用されている成膜装置の1つである真空蒸着装置を使用して半導体ウエーハ１の一方の主面８上に被着させ、図２（Ａ）に示すマスク形成用被膜１０を形成する。このマスク形成用被膜１０の好ましい厚みは２〜１００nm（２０〜１０００Å）、より好ましい厚みは１０〜３０nmであり、この実施例における厚みは２０nmである。マスク形成用被膜１０の厚みは目標とする粒子（凹凸）の大きさによって調整される。しかし、マスク形成用被膜１０の厚みが１００nmよりも厚くなると、粒状体（凝集体）と粒状体（凝集体）とが繋がるような凝集不良が多くなり、また２nmよりも薄くなると、目標とする粒子（凹凸）を得ることが困難になる。
なお、Agは粒状化（凝集）し易く且つ後のエッチング工程で耐エッチング性を示すので、マスク形成用被覆１０の材料として好適であるが、Agの代わりにAg合金、又はAl(アルミニウム)、又はCu（銅）、又はAu（金）、又はこれらの合金、又は金属と有機又は無機物との混合物、又は別の有機又は無機の耐エッチング性マスク材料を使用してマスク形成用被膜１０を形成することもできる。また、マスク材料に凝集を促進させる物質を添加することができる。また、マスク形成用被膜１０を周知のスパッタリング方法、電子ビーム蒸着方法、塗布等の別の方法で形成することもできる。
この実施例では真空蒸着法でマスク形成用被膜１０を形成する時の半導体ウエーハ１の温度を室温としたが、室温〜１５０℃位にすることもできる。また、マスク形成用被膜１０を形成する時の半導体ウエーハ１の温度をマスク形成用被膜１０が凝集する温度（例えば１５０〜５００℃）とし、マスク形成用被膜１０と同時にマスク材料を凝集させることができる。即ち、半導体ウエーハ１の熱処理温度をマスク材料を凝集させることができる温度に設定すると、半導体ウエーハ１に対するマスク材料（Ａｇ）の被着と同時にマスク材料（Ａｇ）の凝集が生じ、マスク材料から成る多数の粒状体が得られる。
なお、Agは粒状化（凝集）し易く且つ後のエッチング工程で耐エッチング性を示すので、マスク形成用被覆１０の材料として好適であるが、Agの代わりにAg合金、又はAl(アルミニウム)、又はCu（銅）、又はAu（金）、又はこれらの合金、又は金属と有機又は無機物との混合物、又は別の有機又は無機の耐エッチング性マスク材料を使用してマスク形成用被膜１０を形成することもできる。また、マスク材料に凝集を促進させる物質を添加することができる。また、マスク形成用被膜１０を周知のスパッタリング方法、電子ビーム蒸着方法、塗布等の別の方法で形成することもできる。
この実施例では真空蒸着法でマスク形成用被膜１０を形成する時の半導体ウエーハ１の温度を室温としたが、室温〜１５０℃位にすることもできる。また、マスク形成用被膜１０を形成する時の半導体ウエーハ１の温度をマスク形成用被膜１０が凝集する温度（例えば１５０〜５００℃）とし、マスク形成用被膜１０と同時にマスク材料を凝集させることができる。即ち、半導体ウエーハ１の熱処理温度をマスク材料を凝集させることができる温度に設定すると、半導体ウエーハ１に対するマスク材料（Ａｇ）の被着と同時にマスク材料（Ａｇ）の凝集が生じ、マスク材料から成る多数の粒状体が得られる。
次に、マスク形成用被膜１０を伴なった半導体ウエーハ１を半導体の分野で一般に使用されている熱処理炉に入れて、マスク形成用被膜１０を伴たった半導体ウエーハ１に対して大気中で例えば３００℃の熱処理を施してマスク形成用被膜１０を図２（B）に示す多数の粒状体（凝集体）１１に変化させる。熱処理でAgを凝集させるための好ましい温度は２５０〜３５０℃である。凝集させるための熱処理温度はマスク材料の変化によって変わり、好ましくは１５０〜５００℃の範囲から選択される。この凝集工程の好ましい熱処理時間は５〜３０minの範囲である。Agの凝集は熱処理時間を１５分以上に伸ばしてもほとんど進行しない。
多数の粒状体１１は、図３に示すように半導体ウエーハ１の一方の主面８上に不規則に分布する。図３には図示を容易にするために多数の粒状体１１の平面形状が円形で示されているが、実際には不特定に変化する。
粒状体１１の粒径はマスク形成用被膜１０の厚みに比例的に変化する。Agから成るマスク形成用被膜１０の厚みが２０nmの場合には、粒径は５０〜２００nmの範囲であり、平均粒径は約１３０nmである。もし、Agから成るマスク形成用被膜１０の厚みが５０nmよりも厚くなると、凝集のための加熱処理を施しても独立した多数の粒状体１１を形成することが困難になり、粒状体１１の相互間の繋がりが生じ、Agが網目状に分布した状態が生じる。また、Aｇから成るマスク形成用被膜１０の厚みが１００nmよりも厚い時には、熱処理を施した時に半導体ウエーハ１の一方の主面８上にAgの厚い部分が網目状に生じ、この厚い部分以外が薄いAgで覆われ、マスクとして使用可能な粒状体（凝集体）が得られない。従って、Agから成るマスク形成用被膜１０の好ましい厚みの範囲は前述した２〜１００nmである。
厚み２０nmのAgから成るマスク形成用被膜１０の凝集に基づく粒状体１１の１μm2当たりの個数は４〜１５である。粒状体１１の単位面積当たりの個数はマスク形成用被膜１０の厚みに対して反比例的に変化する。粒状体１１は半導体ウエーハ１の一方の主面８上に不規則に分布するが、半導体ウエーハ１の一方の主面８全体で見ると、比較的均一性のよい状態で分布する。
図２（B）に示すように半導体ウエーハ１の一方の主面８上に分散配置された多数の粒状体（Ag粒）１１は、半導体ウエーハ１の選択的エッチングのマスクとしての機能を有する。即ち、粒状体１１をマスクとして半導体ウエーハ１の一方の主面８をエッチングすることができる。そこで、本実施例では、窒化物半導体から成る半導体ウエーハ１の一方の主面８上にCl2ガス（塩素ガス）を流す周知のドライエッチング法で半導体ウエーハ１の粒状体１１で覆われていない部分を１０〜３０min程度の時間エッチングして図２（C）に示す凹部１２を形成した。
図２（C）のドライエッチング後の粒状体１１は、説明を簡略化するために図２（B）のドライエッチング前の粒状体１１と実質的に同一の形状に示されている。しかし、粒状体１１を形成するAgはドライエッチングの塩素（Cl2）ガスに対して無反応でなく、半導体ウエーハ１よりは低いレベルで反応するので、実際にはドライエッチング前と後で異なる。粒状体１１の僅かな変形は半導体ウエーハ１の一方の主面８の粗面化に対して何らの問題も生じない。むしろ粒状体１１の変形が半導体ウエーハ１に対する粗面化に好都合な場合がある。
図２（C）のドライエッチング後の粒状体１１は、説明を簡略化するために図２（B）のドライエッチング前の粒状体１１と実質的に同一の形状に示されている。しかし、粒状体１１を形成するAgはドライエッチングの塩素（Cl2）ガスに対して無反応でなく、半導体ウエーハ１よりは低いレベルで反応するので、実際にはドライエッチング前と後で異なる。粒状体１１の僅かな変形は半導体ウエーハ１の一方の主面８の粗面化に対して何らの問題も生じない。むしろ粒状体１１の変形が半導体ウエーハ１に対する粗面化に好都合な場合がある。
次に、図２（C）に示すドライエッチング後のAgから成る粒状体１１を、Agのためのエッチング液、例えば、塩化水素（HCｌ）と水とからなるエッチング液、又は水酸化アンモニウム（NH4OH）と過酸化水素（H2O2）と水（H2O）とから成るエッチング液によって室温で２分間エッチング処理して粒状体１１を除去して図２（D）に示す凹部１２と凸部１３とを有する主面８即ち全反射防止用粗面を有する半導体ウエーハ１を得る。半導体ウエーハ１の一方の主面８に形成される凹部１２のピッチPは好ましくは５０〜８００nm、より好ましくは１００〜３００nmであり、半導体発光素子における全反射阻止に好適なものである。なお、全反射防止のためにピッチPを半導体ウエーハ１の活性層５から発生する光の波長と同一またはその数分の一のオーダーにすることが望ましい。
次に、半導体ウエーハ１にアノード電極及びカソード電極を形成し、しかる後複数の発光素子チップに分割する。その後、図４に示すように発光素子チップを第１及び第２の端子部材１４，１５に対して電気的に接続し、更に光透過性保護樹脂による包囲体１６を設ける。図４の半導体発光素子（発光ダイオード）を更に詳しく説明すると、図２（D）に示す半導体ウエーハ１を分割したものに相当する半導体チップ１´は、図１の半導体ウエーハ１における基板２、バッファ層３、ｎ型半導体層４、活性層５、ｐ型半導体層６、及び補助半導体層７にそれぞれ対応している基板２´、バッファ層３´、ｎ型半導体層４´、活性層５´、ｐ型半導体層６´及び補助半導体層７´を有する。半導体チップ１´の一方の主面８´は図２（D）に示したものと同一の凹部１２及びと凸部１３を有した粗面である。この一方の主面８´の中央にアノード電極１７が形成され、このアノード電極１７が金属線１８によって第２の端子部材１５に接続されている。半導体チップ１´の他方の主面９にはカソード電極１９が形成され、このカソード１９が図示が省略された接合材によって第１の端子部材１４に接続されている。半導体チップ１´から外部に光を取り出す面として機能する粗面化された一方の主面８´は鎖線で示す光透過性保護樹脂包囲体１６によって覆われている。この保護樹脂包囲体１６の光屈折率は、半導体チップ１´の光屈折率（例えば３．１〜３．５）よりも小さい１．５程度である。
本実施例は次の効果を有する。
（１） 全反射を抑制するために要求される半導体ウエーハ１の一方の主面８及び半導体チップ１´の一方の主面８´の凹部１２及び凸部１３を特別なパターンを有するマスクを使用しないで容易に形成することができる。即ち、一般に使用されている半導体製造装置の一種である成膜装置を使用して半導体ウエーハ１の一方の主面８の全体にＡｇから成るマスク形成用被膜１０を設け、これを一般に使用されている熱処理炉を使用して凝集が生じるように熱処理するという簡単な方法でマスクとして機能する多数の粒状体１１を得ることができる。従って、半導体ウエーハ１の一方の主面８の粗面化の製造コストの低減を図ることができる。
（２） マスク形成用被膜１０の厚みを変えると粒状体１１の大きさが変化するので、任意の大きさの粒状体１１を容易に得ることができる。
（３） 粒状体１１の大きさは、マスク形成用被膜１０の厚みに比例的な関係を有するので、所定の厚みのマスク形成用被膜１０を設けることによって所望の粗面（凹凸面）を容易に形成することができる。
（４） 凹部１２を形成するためのドライエッチングの条件によって凹部１２及び凸部１３の形状及び寸法が変化する。従って、粒状体１１の形状及び寸法とドライエッチングとの組合せによって所望の凹部１２及び凸部１３を容易に得ることができる。
（５） 半導体チップ１´の一方の主面８´に本発明に従って全反射防止用の凹部１２及び凸部１３を数十〜数百ｎｍピッチに形成した半導体発光素子の明るさは、半導体チップの一方の主面（光取り出し面）を粗面としない従来の半導体発光素子の明るさに比べて約３倍になった。また、従来のフォトリソグラフィ技術によって数μｍのピッチに凹部及び凸部を光取り出し面に形成した半導体発光素子の明るさは従来の凹凸面（粗面）を形成しない半導体発光素子の明るさの約１．８倍であった。従って、本実施例に従って形成された粗面を有する半導体発光素子は、フォトリソグラフィ技術で粗面を形成した半導体発光素子よりも優れた光取り出し効率を有する。
（１） 全反射を抑制するために要求される半導体ウエーハ１の一方の主面８及び半導体チップ１´の一方の主面８´の凹部１２及び凸部１３を特別なパターンを有するマスクを使用しないで容易に形成することができる。即ち、一般に使用されている半導体製造装置の一種である成膜装置を使用して半導体ウエーハ１の一方の主面８の全体にＡｇから成るマスク形成用被膜１０を設け、これを一般に使用されている熱処理炉を使用して凝集が生じるように熱処理するという簡単な方法でマスクとして機能する多数の粒状体１１を得ることができる。従って、半導体ウエーハ１の一方の主面８の粗面化の製造コストの低減を図ることができる。
（２） マスク形成用被膜１０の厚みを変えると粒状体１１の大きさが変化するので、任意の大きさの粒状体１１を容易に得ることができる。
（３） 粒状体１１の大きさは、マスク形成用被膜１０の厚みに比例的な関係を有するので、所定の厚みのマスク形成用被膜１０を設けることによって所望の粗面（凹凸面）を容易に形成することができる。
（４） 凹部１２を形成するためのドライエッチングの条件によって凹部１２及び凸部１３の形状及び寸法が変化する。従って、粒状体１１の形状及び寸法とドライエッチングとの組合せによって所望の凹部１２及び凸部１３を容易に得ることができる。
（５） 半導体チップ１´の一方の主面８´に本発明に従って全反射防止用の凹部１２及び凸部１３を数十〜数百ｎｍピッチに形成した半導体発光素子の明るさは、半導体チップの一方の主面（光取り出し面）を粗面としない従来の半導体発光素子の明るさに比べて約３倍になった。また、従来のフォトリソグラフィ技術によって数μｍのピッチに凹部及び凸部を光取り出し面に形成した半導体発光素子の明るさは従来の凹凸面（粗面）を形成しない半導体発光素子の明るさの約１．８倍であった。従って、本実施例に従って形成された粗面を有する半導体発光素子は、フォトリソグラフィ技術で粗面を形成した半導体発光素子よりも優れた光取り出し効率を有する。
次に、図５を参照して本発明の実施例２に従う半導体ウエーハ１に対する粗面形成方法を説明する。但し図５及び後述する図６〜図７において図１〜図４と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
まず、図５（Ａ）に示す第１段階の被加工物体２０を用意する。この第１段階の被加工物体２０は、第２段階（最終段階）の被加工物体としての半導体ウエーハ１ａと、半導体ウエーハ１ａと異なる材料から成り且つ半導体ウエーハ１ａの上に配置された補助層２１とから成る。半導体ウエーハ１ａは図１の半導体ウエーハ１と実質的に同一構造を有するが、半導体ウエーハ１ａの材料のみが図１の半導体ウエーハ１と異なっている。図５の半導体ウエーハ１ａにおける、図１の半導体ウエーハ１の基板２とバッファ層３とn型半導体層４と活性層５とp型半導体層６と補助半導体層７とに対応するものが、ｎ型ＧａＡｓから成る基板，ｎ型ＧａＡｓから成るバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰからｎ型半導体層（ｎクラッド）、アンドープＡｌＧａＩｎＰから成る活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからｐ型半導体層（ｐクラッド）、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰから補助半導体層で形成されている。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰから補助半導体層は、図１のｐ型GaNから成る補助半導体層７よりもＡｇの凝集が生じ難い性質を有する。半導体ウエーハ１ａの材料は上記に限定されるものではなく、別の化合物半導体から選択すること、又は図１の半導体ウエーハ１と同一にすることもできる。
補助層２１は半導体ウエーハ１ａよりもマスク材料（Ａｇ）の凝集が生じ易い材料から成り、例えば半導体ウエーハ１ａの一方の主面８上に例えばスパッタリング法で形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）から成る。
補助層２１は半導体ウエーハ１ａよりもマスク材料（Ａｇ）の凝集が生じ易い材料から成り、例えば半導体ウエーハ１ａの一方の主面８上に例えばスパッタリング法で形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）から成る。
シリコン酸化膜から成る補助層２１はこの下の半導体ウエーハ１ａを選択的にエッチングするためにマスクとして使用するものであるので、マスクとして使用可能な厚み（例えば１０〜２０００ｎｍ）に形成されている。なお、補助層２１をシリコン酸化膜以外のＡｇ等の金属マスク材料の凝集が生じ易い別の材料で形成することもできる。
次に、図５（Ｂ）に示すＡｇから成るマスク形成用被膜１０を図２（Ａ）と同様な方法で第１段階の被加工物体２０の主面２２即ち補助層２１の表面上に形成する。
次に、図５（Ｂ）のマス形成用被膜１０に対して凝集が生じる温度の熱処理を施して図５（Ｃ）に示す粒状体（凝集体）１１を図２（Ｂ）と同様に形成する。シリコン酸化膜から成る補助層２１は、凝集を生じ易い性質を有するので、粒状体１１が良好に形成される。
次に、図５（Ｃ）の粒状体１１を第１のマスクとして例えばフッ素化ガス（例えばＣＨＦ3ガス）を使用してシリコン酸化膜から成る補助層２１を選択的にドライエッチングして補助層２１に凹部即ち貫通孔２３を図５（Ｄ）に示すように形成し、第２段階の被加工物体としての半導体ウエーハ１ａの一方の主面８を選択的に露出する。
次に、実施例１と同様にＨＣｌ系エッチング又はＮＨ4ＯＨ系エッチング液を使用してＡｇから成る粒状体１１を除去し、図５（Ｅ）に示すように半導体ウエーハ１ａの一方の主面８上にシリコン酸化膜から成る補助層２１を選択的に残存させる。半導体ウエーハ１ａとシリコン酸化膜から成る補助層２１との組合せを第１段階の被加工物体２０と見なすと、第１段階の被加工物体２０はシリコン酸化膜から成る補助層２１の貫通孔２３から成る凹部とシリコン酸化膜から成る補助層２１の島状に残存した部分２４から成る凸部を有する。もし、シリコン酸化膜から成る補助層２１の多数の島状部分２４を形成することのみが要求されている場合には、図５（Ａ）〜（Ｅ）の工程で被加工物体２０に対する凹部の形成は終了する。
本実施例では、第２段階の被加工物体としての半導体ウエーハ１ａに多数の凹部を形成することが要求されているので、図５（Ｅ）に示すシリコン酸化膜から成る補助層２１の島状部分（残存部分）２４を第２のマスクとして使用して半導体ウエーハ１ａをエッチングして図５（Ｆ）に示す凹部１２を形成する。
次に、図５（F）に示すシリコン酸化膜から成る補助層２１の島状部分２４をエッチングで除去して図５（G）に示す多数の凹部１２と多数の凸部13とを有する全反射防止用の粗面を図２（D）と同様に半導体ウエーハ１a に形成する。図５（G）の半導体ウエーハ１aは、図４の半導体発光素子と同様なものの製造に使用される。
実施例２の方法は、実施例１と同様にAgから成るマスク形成用被膜１０の凝集に基づく粒状体１１をマスクとして使用するので、実施例１と同一の効果を有し、更に、Agの凝集が生じ難い材料から成る半導体ウエーハ１aであっても、シリコン酸化膜から成る補助層２１を介在させることによって凹部１２を容易に形成できるという効果も有する。
図６の実施例３の半導体発光装置は、図４と同一に形成された半導体チップ１´の一方の主面８´上に光透過性導電膜３０を付加し、この他は図４と同一に形成したものである。光透過性導電膜３０は周知のITO(インジウム・錫・酸化物)から成り、アノード電極１７に接続されていると共に半導体チップ１´にも接続されている。従って、光透過性導電膜３０は半導体チップ１´の外周側方向の電流を増大させる作用を有する。
図６で省略されているが、図４の保護樹脂包囲体１６と同様なものも有する。光透過性導電膜３０は極く薄いので、この存否に拘わらず、全反射の問題が生じるが、半導体チップ１´の一方の主面８の凹部１２と凸部１３との働きによって全反射を低減することができる。
次に、図７を参照して実施例４に従う半導体ウエーハの製造方法を説明する。この実施例４では、周知のマイクロチャネルエピタキシャル（micro channel epitaxy 即ちMCE）と呼ばれている低転位密度の窒化物半導体層を形成する方法において要求される凹部の形成に本発明が適用されている。以下、詳しく説明する。
まず、図７（A）に示すようにシリコン等の基板４１上に例えばGaNから成るバッファ層４２を形成した被加工物体４０を用意し、この一方の主面４３上にAgから成るマスク形成用被膜１０を実施例１と同一方法で形成する。
次に、マスク形成用被膜１０に実施例１と同様に熱処理を施して凝集を生じさせ、図７（B）に示すAｇから成る粒状体１１をバッファ層４２の一方の主面４３上に形成する。
次に、粒状体１１をマスクとして使用してバッファ層４２を実施例１と同一の方法でドライエッチングしてバッファ層４２の一方の主面４３に凹部１２を形成する。次に、実施例１と同一の方法で粒状体１１を除去する。
次に、凹部１２を有するバッファ層４２の上に周知のMOCVD法によって例えばGaN等の窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。周知のように窒化物半導体は図７で縦方向に成長するのみでなく、横方向にも成長する。これにより、凹部１２が成長した窒化物半導体で埋まり、更に、その上にも窒化物半導体が成長し、平坦な表面を有する半導体層４４が得られる。周知のように横方向成長で形成された結晶は転位密度が低い。従って、半導体層４４の全体の転位密度も小さくなり、良質な結晶を有する半導体ウエーハ１ｂが得られる。
この実施例は、フォトリソグラフィ技術で凹部を形成する従来方法に比べて図７（C）に示す凹部１２を容易且つ安価に形成できるという特長を有する。
本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
（１）半導体ウエーハ１、１a、１ｂ等の被加工物体の材料を、ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＡＳ，ＧａＰ，ＺｎＯ等の別の材料にすることができる。
（２） 半導体以外の被加工物体の表面に粗面を形成する場合にも本発明を適用することができる。
（３） 図４で鎖線で示すように凹部１２及び凸部１３を有する半導体チップ１´の一方の主面８´の上方に周知の蛍光体から成る波長変換層５０を配置することができる。半導体チップ１´の一方の主面８´で光が散乱するので、蛍光体からなる波長変換層５０を均一に励起することが可能になる。
（４）図６の実施例３の半導体発光装置において、半導体チップ１´の一方の主面８に凹部１２と凸部１３とを設ける代わりに、光透過性導電膜３０の表面に凹部と凸部とを設けることができる。この場合には、図１で鎖線３０ａで示す例えばITOからなる光透過性導電膜を半導体ウエーハ１の一方の主面８の上に設けて光透過性導電膜を有する積層体を得、光透過性導電膜の上に例えばAgから成るマスク用被膜を設け、このマスク用被膜を凝集させて粒状体を得、これをマスクとして使用してエッチングする。
（１）半導体ウエーハ１、１a、１ｂ等の被加工物体の材料を、ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＡＳ，ＧａＰ，ＺｎＯ等の別の材料にすることができる。
（２） 半導体以外の被加工物体の表面に粗面を形成する場合にも本発明を適用することができる。
（３） 図４で鎖線で示すように凹部１２及び凸部１３を有する半導体チップ１´の一方の主面８´の上方に周知の蛍光体から成る波長変換層５０を配置することができる。半導体チップ１´の一方の主面８´で光が散乱するので、蛍光体からなる波長変換層５０を均一に励起することが可能になる。
（４）図６の実施例３の半導体発光装置において、半導体チップ１´の一方の主面８に凹部１２と凸部１３とを設ける代わりに、光透過性導電膜３０の表面に凹部と凸部とを設けることができる。この場合には、図１で鎖線３０ａで示す例えばITOからなる光透過性導電膜を半導体ウエーハ１の一方の主面８の上に設けて光透過性導電膜を有する積層体を得、光透過性導電膜の上に例えばAgから成るマスク用被膜を設け、このマスク用被膜を凝集させて粒状体を得、これをマスクとして使用してエッチングする。
１ 半導体ウエーハ
８ 一方の主面
１０ Agから成るマスク用被膜
１１ 粒状体
１２ 凹部
８ 一方の主面
１０ Agから成るマスク用被膜
１１ 粒状体
１２ 凹部
Claims (7)
- 被加工物体に粗面を形成する方法であって、
凝集する性質を有し且つ被加工物体をエッチングする時にマスクとして機能する性質を有するマスク材料を被加工物体の所望表面上に被着させることによってマスク形成用被膜を形成する工程と、
凝集させることができる温度の熱処理を前記マスク形成用被膜に施して前記マスク形成用被膜を多数の粒状体に変化させる工程と、
前記多数の粒状体をマスクとして使用して前記被加工物体の前記多数の粒状体で覆われていない領域をエッチングで除去して前記被加工物体の表面を粗面に変化させる工程と
を有していることを特徴とする物体に粗面を形成する方法。 - 被加工物体に粗面を形成する方法であって、
凝集する性質を有し且つ被加工物体をエッチングする時にマスクとして機能する性質を有するマスク材料を被加工物体の所望表面上に被着させると同時に凝集させることができる温度の熱処理を前記マスク材料に施して前記マスク材料から成る多数の粒状体を前記被加工物体の所望表面上に形成する工程と、
前記多数の粒状体をマスクとして使用して前記被加工物体の前記多数の粒状体で覆われていない領域をエッチングで除去して前記被加工物体の表面を粗面に変化させる工程と
を有していることを特徴とする物体に粗面を形成する方法。 - 前記被加工物体は半導体から成り、前記マスク材料は金属から成ることを特徴とする請求項１又は２記載の物体に粗面を形成する方法。
- 前記被加工物体は発光させるための複数の半導体層の積層体、又は複数の半導体層と光透過性導電膜との積層体から成り、前記積層体の光を外部に取り出す面を全反射防止用の粗面にすることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の物体に粗面を形成する方法。
- 被加工物体に粗面を形成する方法であって、
前記被加工物体と異なる材料から成る補助層を前記被加工物体の表面上に形成する工程と、
凝集する性質を有し且つ前記補助層をエッチングする時にマスクとして機能する性質を有するマスク材料を前記補助層の上に被着させてマスク形成用被膜を形成する工程と、
凝集させることができる温度の熱処理を前記マスク形成用被膜に施して前記マスク形成用被膜を多数の粒状体に変化させる工程と、
前記多数の粒状体をマスクとして使用して前記補助層の前記多数の粒状体で覆われていない領域をエッチングで除去して前記補助層に貫通孔を形成する工程と、
前記補助層の上の前記多数の粒状体を除去する工程と、
前記補助層のエッチングで除去されなかった部分をマスクとして使用して前記被加工物体をエッチングして前記被加工物体に粗面を形成する工程と、
マスクとして使用した前記補助層を除去する工程と
を有していることを特徴とする物体に粗面を形成する方法。 - 被加工物体に粗面を形成する方法であって、
前記被加工物体と異なる材料から成る補助層を前記被加工物体の表面上に形成する工程と、
凝集する性質を有し且つ前記補助層をエッチングする時にマスクとして機能する性質を有するマスク材料を前記補助層の上に被着させると同時に凝集させることができる温度の熱処理を前記マスク材料に施して前記マスク材料から成る多数の粒状体を前記被加工物体の所望表面上に形成する工程と、
前記多数の粒状体をマスクとして使用して前記補助層の前記多数の粒状体で覆われていない領域をエッチングで除去して前記補助層に貫通孔を形成する工程と、
前記補助層の上の前記多数の粒状体を除去する工程と、
前記補助層のエッチングで除去されなかった部分をマスクとして使用して前記被加工物体をエッチングして前記被加工物体に粗面を形成する工程と、
マスクとして使用した前記補助層を除去する工程と
を有していることを特徴とする物体に粗面を形成する方法。 - 前記被加工物体は半導体から成り、前記補助層はシリコン酸化物から成ことを特徴とする請求項５又は６記載の物体に粗面を形成する方法。
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