JP2010016354A - 半導体基板の製造方法および透明体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオードなどに用いられる半導体基板および光インプリント用モールドなどに用いる石英基板などの透明体にレーザエッチングによる微細加工を施すことができる半導体基板の製造方法および透明体の製造方法を提供する。また、当該製造方法により高い発光効率を有する発光ダイオードを提供する。
【解決手段】本発明の半導体基板および透明体の製造方法においては、半導体基板となるＬＥＤ動作層３や透明体に光透過マスク２０Ａを蒸着形成する。光透過マスク２０Ａに形成した有底穴２１Ａはレーザ光ＬＺのスポットサイズＳＳよりも小さく設定する。この有底穴２１Ａに流動性光吸収物質２４を充填する。充填された流動性光吸収物質２４にレーザ光ＬＺを照射すると、レーザ光ＬＺのスポットサイズＳＳよりも微細なレーザエッチングが可能となる。
【選択図】図７

Description

本発明は、半導体基板の製造方法および透明体の製造方法に係り、特に、窒化ガリウムやサファイヤ基板の加工またはそれらの加工により得たフォトニック結晶を用いる際や、光インプリント用モールドを作成する際に好適に利用できる半導体基板の製造方法および透明体の製造方法に関する。

従来の発光ダイオード１０１Ａ、１０１Ｂは、その一例として、図１６〜図１９に示すように、サファイヤ基板１０２や、ｐ型ＧａＮ（窒化ガリウム）層（ｐ型コンタクト層）１０６、光を放出する発光層（活性層）１０５、ｎ型ＧａＮ層（ｎ型コンタクト層）１０４、透明電極１０７などのＬＥＤ動作層（光の放出に実質的に関与する各層の集合層）１０３など、様々な半導体基板を備えている。ここで、発光ダイオード１０１Ａ、１０１ＢのＬＥＤ動作層１０３においては、放出された光を所定の方向に効率良く照射させるため、図１６および図１７に示す複数の凹部１１１Ａまたは図１８および図１９に示す複数の凸部１１１Ｂの２次元配列によって構成される回折格子１１０Ａ、１１０Ｂが形成されている。このような特殊な形状を半導体基板に形成して２次元フォトニック結晶を作製するため、従来より種々の製造方法が考えられてきた。

従来の半導体基板の製造方法においては、ウェットエッチングやドライエッチングが主として用いられている。特に、ＧａＮに加工を施す際や半導体基板に微細加工を施す際には、一般的に、ドライエッチングが用いられていた。ドライエッチングとは、通常、プラズマエッチングのことを指す。ドライエッチングは、ＧａＮへの加工および半導体基板への微細加工が容易に行えるというメリットがある反面、ＧａＮを含む半導体基板にプラズマダメージを残してしまうというデメリットがあった。図１６〜図１９に示すように、半導体基板を用いて形成されたＬＥＤ動作層１０３にプラズマダメージが残存すると、ＬＥＤ動作層１０３の内部量子効率（発光層中で再結合する電子・正孔対のうちの光子に変換される割合）が低下する原因となる。

そのため、半導体基板にダメージが生じないレーザエッチングによって半導体基板を加工する方法が考えられている。そのなかの一例として、レーザ背面湿式加工法と称される半導体基板のレーザ微細加工方法が挙げられる（特許文献１を参照）。レーザ背面湿式加工法には、露光マスク縮小型および走査鏡照射型の２つの加工法が知られている。露光マスク縮小型レーザ加工装置５０は、図２０に示すように、マスクによって決められたパターンを一括エッチングするものであり、レーザ光ＬＺの光路上に左から順に、エキシマレーザ発振器５１、ビームホモジナイザ５２、マスク５３、露光レンズ５４、レーザ加工される半導体基板１５３、色素溶液１２４を備えている。走査鏡照射型レーザ加工装置６０は、図２１に示すように、レーザ光ＬＺの走査エッチングを行なうものであり、レーザ光ＬＺの光路上に左から順に、全固体レーザ発振器６１、ビームエキスパンダ６２、ガルバノ走査鏡６３、集光レンズ６４、レーザ加工される半導体基板１５３、色素溶液１２４を備えている。

特開２０００−９４１６３号公報

しかしながら、図２０および図２１に示す前述した２つのレーザ加工法のいずれを採用したとしても、レーザエッチングの最小加工寸法は、レーザ光ＬＺのスポットサイズ、すなわち、レーザ光ＬＺのスポット形状が円形であればそのスポット径の大きさ、また、レーザ光ＬＺのスポット形状が矩形であればそのスポット幅の大きさに依存することになる。ここで、レーザ光ＬＺのスポットサイズはレーザ光ＬＺの波長とレンズの開口率によって決定されるものであり、量産性とコスト面を考慮するとその最小サイズには限界がある。そのため、半導体基板の製造方法においてレーザエッチングを用いた場合、半導体基板に対してレーザ光ＬＺのスポット径またはスポット幅よりも小さな加工を施すことができないという問題があった。

上記の問題は、半導体基板に限らず、光インプリント用モールドの材料として用いられる石英基板などの透明体の加工時にも同様のことがいえる。

また、図１６〜図１９に示した発光ダイオード１０１Ａ、１０１Ｂの回折格子１１０Ａ、１１０Ｂが微細になるほど発光ダイオード１０１Ａ、１０１Ｂの発光効率が高くなる。言い換えると、発光ダイオード１０１Ａ、１０１Ｂの回折格子１１０Ａ、１１０Ｂの寸法を小さくすることができなければ、ＬＥＤ動作層１０３において放出された光を所定の方向に効率良く導くことが難しくなるので、発光ダイオード１０１Ａ、１０１Ｂの発光効率を高くすることが難しいという問題もあった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、レーザエッチングにより発光ダイオードなどに用いられる半導体基板および光インプリント用モールドなどに用いる石英基板などの透明体に微細加工を施すことができる半導体基板の製造方法および透明体の製造方法を提供することを本発明の目的としている。

前述した目的を達成するため、本発明の半導体基板の製造方法は、その第１の態様として、レーザ光に対して透明な半導体基板の表面に、加工する所望の加工パターンと平面視同一であって有底のあるいは貫通したエッチングパターンを有するマスクを当接させる工程ａと、前記マスクのエッチングパターンに流動性光吸収物質を充填する工程ｂと、前記マスクのエッチングパターンに充填された前記流動性光吸収物質に対して前記半導体基板を介してレーザ光を照射することにより、前記半導体基板をエッチングする工程ｃとを備えていることを特徴としている。

本発明の第１の態様の半導体基板の製造方法によれば、エッチングパターンを有するマスクを半導体基板に当接させることにより、レーザ光のスポットサイズよりも微細なエッチングパターンの大きさと平面視同等の大きさのレーザエッチングを行なうことができる。

本発明の第２の態様の半導体基板の製造方法は、第１の態様の半導体基板の製造方法において、前記マスクは、前記レーザ光を透過させる光透過マスクであり、前記エッチングパターンは 前記レーザ光のスポットサイズよりも小さな直径もしくは幅を有する１個または２個以上の有底穴もしくは貫通孔、または前記レーザ光のスポットサイズよりも小さな幅を有する１個または２個以上の有底溝もしくは貫通溝、によって形成されたパターンであることを特徴としている。

本発明の第２の態様の半導体基板の製造方法によれば、光透過マスクにおいてレーザ光のスポットサイズよりも小さく形成された有底穴もしくは貫通孔または有底溝もしくは貫通溝の大きさと同等の大きさのレーザエッチングを行なうことができる。

本発明の第３の態様の半導体基板の製造方法は、第２の態様の半導体基板の製造方法において、光透過マスクの材質は、ＳｉＯ_２であることを特徴としている。

本発明の第３の態様の半導体基板の製造方法によれば、レーザ光に対して透明度の高い光透過マスクを容易に蒸着形成することができる。

本発明の第４の態様の半導体基板の製造方法は、第１の態様の半導体基板の製造方法において、前記マスクは、前記レーザ光を反射する光反射マスクであり、前記エッチングパターンは 前記レーザ光のスポットサイズよりも小さな直径もしくは幅を有する１個または２個以上の貫通孔、または前記レーザ光のスポットサイズよりも小さな幅を有する１個または２個以上の貫通溝、によって形成されたパターンであることを特徴としている。

本発明の第４の態様の半導体基板の製造方法によれば、光反射マスクを用いてレーザ光のスポットサイズよりも小さく形成された貫通孔または貫通溝の大きさと同等の大きさのレーザエッチングを行なうことができる。

本発明の第５の態様の半導体基板の製造方法は、第４の態様の半導体基板の製造方法において、光反射マスクの材質は、Ａｌ、Ａｇまたはそれらを主成分とする合金であることを特徴としている。

本発明の第５の態様の半導体基板の製造方法によれば、レーザ光に対して反射率の高い光反射マスクを容易に蒸着形成することができる。

本発明の第６の態様の半導体基板の製造方法は、第１から第５のいずれか１の態様の半導体基板の製造方法において、マスクは、工程ａにおいて半導体基板におけるレーザ光の入射側と反対側の表面上に蒸着膜を形成してから蒸着膜に対して有底穴もしくは貫通孔または有底溝もしくは貫通溝をドライエッチングまたはウェットエッチングにより形成することによって作成されるとともに、工程ｃにおいてレーザ光の照射終了後に除去されることを特徴としている。

本発明の第６の態様の半導体基板の製造方法によれば、寸法精度および当接位置精度の高いマスクを半導体基板の表面上に容易に形成することができる。

本発明の第７の態様の半導体基板の製造方法は、第１から第６のいずれか１の態様の半導体基板の製造方法において、半導体基板は、ｐ型コンタクト層、発光層、ｎ型コンタクト層、透明電極その他の発光ダイオードにおいて回折格子が形成されるＬＥＤ動作層に用いられる半導体基板であることを特徴としている。

本発明の第７の態様の半導体基板の製造方法によれば、発光ダイオードのＬＥＤ動作層に対してレーザ光のスポットサイズよりも微細な加工を施すことができる。

また、前述した目的を達成するため、本発明の透明体の製造方法は、その第１の態様として、レーザ光に対して透明な透明体の表面に、加工する所望の加工パターンと平面視同一であってレーザ光のスポットサイズよりも微細な有底のあるいは貫通したエッチングパターンを有するマスクを当接させる工程ａと、前記マスクのエッチングパターンに流動性光吸収物質を充填する工程ｂと、前記マスクのエッチングパターンに充填された前記流動性光吸収物質に対して前記透明体を介してレーザ光を照射することにより、前記透明体をエッチングする工程ｃとを備えていることを特徴としている。

本発明の第１の態様の透明体の製造方法によれば、エッチングパターンを有するマスクを透明体に当接させることにより、レーザ光のスポットサイズよりも微細なエッチングパターンの大きさと平面視同等の大きさのレーザエッチングを行なうことができる。

本発明の第２の態様の透明体の製造方法は、第１の態様の透明体の製造方法において、前記透明体の材質は、石英であることを特徴としている。

本発明の第２の態様の透明体の製造方法によれば、レーザ光に対して透明体の透明度を高くすることができる。

本発明の第３の態様の透明体の製造方法は、第２の態様の透明体の製造方法において、前記透明体は、光インプリント用モールドであることを特徴としている。

本発明の第３の態様の透明体の製造方法によれば、微細なパターンを有する光インプリント用モールドが形成されるので、従来よりも微細なインプリントを行なうことができる。

本発明の半導体基板の製造方法透明体の製造方法によれば、レーザ光のスポットサイズよりも小さく形成されたマスクの有底穴もしくは貫通孔または有底溝もしくは貫通溝の大きさと同等の大きさのレーザエッチングを行なうことができるので、発光ダイオードなどに用いられる半導体基板および光インプリント用モールドなどに用いる石英基板などの透明体に対して従来のレーザエッチングによりも微細な加工を施すことができるという効果を奏する。

第１の実施形態の発光ダイオードを示す斜視図 第１の実施形態の発光ダイオードを示す縦断面図 第１の実施形態の半導体基板の製造方法における工程ａを示す斜視図 第１の実施形態の半導体基板の製造方法における工程ａを示す縦断面図 第１の実施形態の半導体基板の製造方法における工程ｂを示す縦断面図 第１の実施形態の半導体基板の製造方法における工程ｃを示す縦断面図 第１の実施形態の工程ｃにおいてＬＥＤ動作層にエッチング穴が形成されている状態を示す縦断面図 第２の実施形態の発光ダイオードを示す斜視図 第２の実施形態の発光ダイオードを示す縦断面図 第２の実施形態の半導体基板の製造方法における工程ａを示す斜視図 第２の実施形態の半導体基板の製造方法における工程ｃを示す縦断面図 第４の実施形態の透明体の製造方法により製造される透明体の一例である光インプリント用モールドを示す斜視図 図１２の縦断面図 図１２および図１３の光インプリント用モールドによりインプリントされた反射防止機能付レンズ 第４の実施形態の透明体の製造方法により製造されるインプリント面が凹状に形成された光インプリント用モールドを示す縦断面図 従来の発光ダイオードの一例において凹部の２次元配列によって構成される回折格子が形成された状態を示す斜視図 図１６の縦断面図 従来の発光ダイオードの一例において凸部の２次元配列によって構成される回折格子が形成された状態を示す斜視図 図１８の縦断面図 レーザ背面湿式加工法における露光マスク縮小型加工法を示す概略図 レーザ背面湿式加工法における走査鏡照射型加工法を示す概略図

以下、図を用いて、本発明の半導体基板の製造方法または透明体の製造方法をその４つの実施形態により説明する。

図１および図２は、第１の実施形態の発光ダイオード１Ａを示している。第１の実施形態の発光ダイオード１Ａは、窒化物系フォトニック結晶ＬＥＤ（発光ダイオード）を想定しており、図１および図２に示すように、下方から順に、サファイヤ基板２およびＬＥＤ動作層３を備えている。また、ＬＥＤ動作層３は、下方から順に、ｎ型ＧａＮ層（ｐ型コンタクト層）４、発光層５、ｐ型ＧａＮ層（ｎ型コンタクト層）６を備えている。ｎ型ＧａＮ層４にはｎ電極９がウェットエッチング、レーザエッチングまたはドライエッチングにより形成されており、ｐ型ＧａＮ層６の一部にはｐ電極８、その表面上には透明電極７がそれぞれ形成されている。

ＬＥＤ動作層３は、微細加工された回折格子１０Ａを有している。回折格子１０Ａの形状パターンとしては、図１および図２に示すように、凹部１１Ａの２次元配置パターンが選択されている。回折格子１０Ａの寸法については、図２に示すように、凹部１１Ａの直径Ｄは１５０ｎｍ、ピッチＰは２００ｎｍに設定されている。このＬＥＤ動作層３は、第１の実施形態の半導体基板の製造方法を用いて製造されている。

図３〜図７は、第１の実施形態の半導体基板の製造方法を示している。半導体基板の一例であるＬＥＤ動作層３は、第１の実施形態の半導体基板の製造方法に基づき、工程ａ、工程ｂ、工程ｃを経て製造される。

工程ａにおいては、図３および図４に示すように、レーザ光ＬＺによって加工されるＬＥＤ動作層３に対して本発明のマスクとして用いる光透過マスク２０Ａを当接させる。用意するＬＥＤ動作層３は、両面が平滑なサファイヤ基板２の表面上にｎ型ＧａＮ層４、発光層５、ｐ型ＧａＮ層６を順に結晶成長させた後、ｐ型ＧａＮ層６の表面上に透明電極７を成膜した多層構造のものであり、その表面上は平滑である。つまり、第１の実施形態においては、この透明電極７が成膜されたｐ型ＧａＮ層６に対して平滑な光透過マスク２０Ａを当接させる。

この光透過マスク２０Ａにおいては、図３または図４に示すように、複数の有底穴２１Ａからなるエッチングパターンが設けられている。この有底穴２１Ａの代わりとして、図示はしないが貫通孔が設けられていてもよい。光透過マスク２０Ａに有底穴２１Ａもしくは貫通孔が設けられている場合、工程ｃの終了後に、図１および図２に示すような、エッチングパターンと平面視同一の凹部１１Ａの２次元配置パターン（加工パターン）からなる回折格子１０Ａが得られる。有底穴２１Ａもしくは貫通孔の個数は、回折格子１０Ａの形状に依存するため、１個または２個以上であってもよい。有底穴２１Ａもしくは貫通孔のサイズについては、その形状が円形である場合、絞ったレーザ光ＬＺのスポットサイズＳＳよりも小さな直径となるように設定されており、その形状が矩形である場合は絞ったレーザ光ＬＺのスポットサイズＳＳよりも小さな幅になるように設定されている。第１の実施形態においては、有底穴２１Ａが円形、その直径Ｄが１５０μｍに設定されており、隣位する有底穴２１Ａのピッチが２００ｎｍに設定されている。

光透過マスク２０Ａの作成方法および当接方法について説明する。はじめに、図４に示すように、ＬＥＤ動作層３のｐ型ＧａＮ層６の表面上に厚さ約３００ｎｍ程度の蒸着膜２２を平滑に形成する。第１の実施形態の工程ｃにおいてサファイヤ基板２側からレーザ光ＬＺが入射するため、ｐ型ＧａＮ層６の表面は本発明においては半導体基板におけるレーザ光ＬＺの入射側と反対側の表面となる。ｐ型ＧａＮ層６の表面上に形成される蒸着膜２２は、透過性の高い材料を用いて成膜されていることが好ましく、第１の実施形態においてはＳｉＯ_２を用いて成膜されている。平滑な蒸着膜２２が形成された後に、その蒸着膜２２の全表面にレジスト膜（図示せず）を塗布形成し、そのレジスト膜に対して直径Ｄが１５０ｎｍの有底穴２１Ａを２００ｎｍのピッチＰで形成する。この有底穴２１Ａは、初期段階においては電子線露光により形成されており、次の段階においてはエッチングにより形成されている。このエッチングは、ドライエッチングまたはウェットエッチングのいずれであっても良い。なお、この有底穴２１Ａをエッチングにより貫通させると有底穴２１Ａは貫通孔となるが、第１の実施形態の工程ｃにおいては、貫通していない有底穴２１Ａを蒸着膜２２に形成する。以上より、ＬＥＤ動作層３のｐ型ＧａＮ層６に光透過マスク２０Ａが当接する。

工程ｂにおいては、図５に示すように、光透過マスク２０Ａにおいて有底穴２１Ａが形成された面に対し、Ｏリングなどの柔軟性封止部材２５を介して容器２３を設置する。この容器２３のなかには流動性光吸収物質２４を封入しておく。流動性光吸収物質２４は表面張力によって光透過マスク２０Ａの有底穴２１Ａの内部へ進行していく。そのため、光透過マスク２０Ａに流動性光吸収物質２４が接触すると、流動性光吸収物質２４は光透過マスク２０Ａの有底穴２１Ａに自動的に充填される。

流動性光吸収物質２４としては、使用するレーザ光ＬＺの波長（ＹＡＧレーザの２倍波（λ＝５３２ｎｍ））に対して高い吸収率を持つ流動性物質であれば良い。例えば、ピレンのアセトン溶液、ベンジルのアセトン溶液、ピレンのテトラヒドロフラン溶液、ローダミン６Ｇのエタノール溶液、フタロシアニンのエタノール溶液などのような芳香族環を含む有機化合物の溶液；有機色素化合物を含む溶液；ベンゼン、トルエン、四塩化炭素などのような液体状の化合物などが挙げられる。第１の実施形態の流動性光吸収物質２４としては、ローダミン６Ｇをエタノールに溶解した溶液が選択されている。

工程ｃにおいては、図６に示すように、レーザ発振器２６から出射したレーザ光ＬＺを、サファイヤ基板２側から順にサファイヤ基板２およびＬＥＤ動作層３を介して、光透過マスク２０Ａの有底穴２１Ａに充填された流動性光吸収物質２４に照射する。その際、レーザ光ＬＺが光透過マスク２０Ａの有底穴２１Ａの底部に集光するように設定する。また、走査鏡照射型レーザ加工法（図２１を参照）であればレーザ加工の進行に合わせてレーザ光ＬＺの集光位置を他の有底穴２１Ａの底部に移動させる。なお、露光マスク縮小型レーザ加工法（図２０を参照）であれば図示しない入射側マスクによって、全ての有底穴２１Ａの底部に対してレーザ光ＬＺが集光しているのでレーザ加工の進行に合わせてレーザ光ＬＺの集光位置を他の有底穴２１Ａの底部に移動させる必要はない。

工程ｃにおいてレーザ光ＬＺの照射によりＬＥＤ動作層３に所望の回折格子１０Ａが形成されたら、レーザ光ＬＺの照射を終了し、光透過マスク２０Ａを化学的に除去する。ｐ電極８およびｎ電極９は図示はしないが前述の通りエッチングにより形成する。以上の３つの工程を経ることにより、ＬＥＤ動作層３が製造される。

次に、第１の実施形態の半導体基板の製造方法の作用を説明する。

第１の実施形態の発光ダイオード１Ａにおいては、図１および図２に示すようなｐ電極８および透明電極７を介してｐ型ＧａＮ層６に正孔が注入され、また、ｎ電極９を介してｎ型ＧａＮ層４に電子が注入されると、ｐ型ＧａＮ層６またはｎ型ＧａＮ層４を通じて正孔および電子が発光層５に注入される。すると、発光層５においては、注入された正孔および電子が再結合することによって光が放出する。放出した光は、ｐ型ＧａＮ層６および透明電極７を通過してＬＥＤ動作層３の外部に放出される。この放出される光の発光効率（取出効率）を大きく左右するのが、ＬＥＤ動作層３に形成されている回折格子１０Ａである。ＬＥＤ動作層３に回折格子１０Ａが形成されていると、発光層５の側方に放出されて取り出すことができなかった光が所望する取出方向（図１および図２においては上方）へ回折されて伝搬方向が変化するため、発光層５において放出された光をＬＥＤ動作層３の外部に効率よく発光（取り出す）ことができる。

ここで、回折格子１０Ａの寸法を微細にするほど、光の発光効率を高くすることができる。第１の実施形態の発光ダイオード１Ａにおいては、第１の実施形態の半導体基板の製造方法によって回折格子１０Ａが形成されており、その回折格子１０Ａの寸法については、図２に示すように、凹部１１Ａの直径Ｄが１５０ｎｍ、ピッチＰ２００ｎｍに設定されている。詳細な作用は後述するが、第１の実施形態の半導体基板の製造方法を利用すれば、絞ったレーザ光ＬＺの最小スポットサイズＳＳが８００ｎｍであっても、そのスポットサイズＳＳよりも微細なレーザエッチングを行なうことができる。つまり、発光ダイオード１ＡのＬＥＤ動作層３に対して、レーザ光ＬＺのスポットサイズＳＳよりも微細な加工が施された回折格子１０Ａを形成することができるので、従来のレーザエッチングにより回折格子１０Ａが形成された発光ダイオード１Ａの発光効率と比較して、第１の実施形態の発光ダイオード１の発光効率を高くすることができる。

また、半導体基板である第１の実施形態のＬＥＤ動作層３は、第１の実施形態の半導体基板の製造方法における工程ａ、工程ｂおよび工程ｃを経て、製造される。工程ａにおいては、図３および図４に示すように、ＬＥＤ動作層３の表面上に対して蒸着法により形成された光透過マスク２０Ａが当接している。この光透過マスク２０Ａにはレーザ光ＬＺのスポットサイズＳＳよりも小さな有底穴２１Ａがエッチングにより形成されており、図５に示すように、工程ｂにおいてその有底穴２１Ａに流動性光吸収物質２４が充填される。サファイヤ基板２、ＬＥＤ動作層３および光透過マスク２０Ａはレーザ光ＬＺの波長において透明である。そのため、図６に示すように、工程ｃにおいては、サファイヤ基板２側から入射したレーザ光ＬＺが、サファイヤ基板２、ＬＥＤ動作層３および光透過マスク２０Ａを順に通過して、光透過マスク２０Ａの有底穴２１Ａに充填された流動性光吸収物質２４に吸収される。

ここで、図７に示すように、光透過マスク２０Ａの有底穴２１Ａに充填された流動性光吸収物質２４にレーザ光ＬＺが照射されると、光透過マスク２０Ａの有底穴２１Ａの底部がレーザエッチングされてその有底穴２１Ａが最終的に貫通する。つまり、第１の実施形態のように光透過マスク２０Ａに貫通孔でなく有底穴２１Ａを形成した場合であっても、工程ｃにおいてレーザ光ＬＺを照射すれば、光透過マスク２０Ａの有底穴２１Ａは貫通孔になる。そのため、光透過マスク２０Ａの有底穴２１Ａに充填された流動性光吸収物質２４は表面張力により貫通した有底穴２１Ａを通過してＬＥＤ動作層３に接触する。そして、流動性光吸収物質２４がＬＥＤ動作層３に接触すると、光透過マスク２０Ａの有底穴２１Ａに対するレーザエッチングと同様、レーザエッチングによりＬＥＤ動作層３にエッチング穴３０が形成される。ＬＥＤ動作層３に対する流動性光吸収物質２４の接触面積は有底穴２１Ａの寸法に依存する。そのため、レーザエッチングにより形成されたエッチング穴３０の寸法は、レーザ光ＬＺのスポットサイズＳＳではなく、有底穴２１Ａと同一の直径Ｄとなる。図７に示したエッチング穴３０が所望の深さまでエッチングされると、そのエッチング穴３０は、図１および図２に示すように、回折格子１０Ａの凹部１１Ａとなる。

このように、第１の実施形態の半導体基板の製造方法を用いれば、光透過マスク２０Ａにおいてレーザ光ＬＺのスポットサイズＳＳよりも小さく形成された有底穴２１Ａの大きさと同等の大きさのレーザエッチングを半導体基板、すなわち第１の実施形態においてはＬＥＤ動作層３に施すことができる。そのため、従来のレーザエッチングによりも微細な加工を施した回折格子１０Ａを形成したＬＥＤ動作層３を製造することができる。

また、第１の実施形態の工程ａにおいては、図３に示すように、ＬＥＤ動作層３の表面上に蒸着膜２２を形成し、その蒸着膜２２に対して有底穴２１Ａをドライエッチングまたはウェットエッチングすることにより、有底穴２１Ａを有する光透過マスク２０ＡがＬＥＤ動作層３の表面上に形成される。そのため、寸法精度および当接位置精度の高い光透過マスク２０ＡをＬＥＤ動作層３の表面上に容易に形成することができる。

なお、光透過マスク２０Ａは工程ｃにおいてレーザ光ＬＺの照射終了後に除去すればよい。また、光透過マスク２０Ａの材質にＳｉＯ_２を用いれば、レーザ光ＬＺに対して透明度の高い光透過マスク２０Ａを容易に蒸着形成することができる。

次に、第２の実施形態の半導体基板の製造方法を説明する。第１の実施形態と第２の実施形態との相違点は、図１および図２または図８および図９に示すように、回折格子１０Ａ、１０Ｂの形状パターン（加工パターン）の違いにある。

第２の実施形態の発光ダイオード１ＢのＬＥＤ動作層３は、微細加工された回折格子１０Ｂを有している。回折格子１０Ｂの形状パターンとしては、図８および図９に示すように、凸部１１Ｂの２次元配置パターンが選択されている。回折格子１０Ｂの寸法については、図９に示すように、凸部１１Ｂの間隔Ｗが１５０ｎｍ、ピッチＰが２００ｎｍに設定されている。このＬＥＤ動作層３は、第２の実施形態の半導体基板の製造方法を用いて製造されている。

第２の実施形態の半導体基板の製造方法においては、第１の実施形態との大きな違いとして、光透過マスク２０Ｂに形成されるエッチングパターン、すなわち複数の有底穴２１Ａが有底溝２１Ｂに変更されている。つまり、工程ａにおいては、図１０または図１１に示すように、光透過マスク２０Ｂには、有底穴２１Ａではなく、有底溝２１Ｂが設けられる。第１の実施形態と同様に、この有底溝２１Ｂの代わりに図示しない貫通溝が設けられていてもよい。この場合、最終工程である工程ｃの終了後に凸部１１Ｂの２次元配置パターンからなる回折格子１０Ｂが得られる。有底溝２１Ｂの個数は回折格子１０Ｂの形状に依存するために１個または２個以上であってもよい。有底溝２１Ｂのサイズについては、絞ったレーザ光ＬＺのスポットサイズＳＳよりも小さな幅に設定されている。第２の実施形態の有底溝２１Ｂにおいては、図８および図９に示した複数の円形凸部１１Ｂの２次元配置によってそれらの間に形成された格子状の溝と同様の形状に設定されている。なお、工程ａにおいて特に言及しない箇所、ならびに、工程ｂおよび工程ｃについては、第１の実施形態と同様である。

次に、第２の実施形態の半導体基板の製造方法の作用を説明する。

第２の実施形態の発光ダイオード１Ｂによれば、図８および図９に示すように、そのＬＥＤ動作層３に微細加工された回折格子１０Ｂが形成されている。第１の実施形態と比較すると、回折格子１０Ｂのパターンが図１および図２に示した凹部１１Ａの２次元配置パターンか、図８および図９に示した凸部１１Ｂの２次元配置パターンかという違いがあるが、いずれであっても、得られる効果は同様である。つまり、発光ダイオード１ＢのＬＥＤ動作層３に対して、レーザ光ＬＺのスポットサイズＳＳよりも微細な間隔Ｗをもって複数の凸部１１Ｂが２次元配置された回折格子１０Ｂを形成することができるので、従来のレーザエッチングにより回折格子１０Ｂが形成された発光ダイオード１Ｂの発光効率と比較して、第２の実施形態の発光ダイオード１Ｂの発光効率を高くすることができる。

また、第２の実施形態の半導体基板の製造方法によれば、図１０および図１１に示すように、工程ａにおいて、半導体基板である第２の実施形態のＬＥＤ動作層３の表面上に対して蒸着法により形成された光透過マスク２０Ｂが当接している。この光透過マスク２０Ｂにはレーザ光ＬＺのスポットサイズＳＳよりも小さな有底溝２１Ｂがエッチングにより形成されている。そして、工程ｂにおいて光透過マスク２０Ｂの有底溝２１Ｂに流動性光吸収物質２４が充填され、工程ｃにおいてレーザ光ＬＺが流動性光吸収物質２４に照射される。

ここで、図１１に示すように、光透過マスク２０Ｂの有底溝２１Ｂに充填された流動性光吸収物質２４にレーザ光ＬＺが照射されると、光透過マスク２０Ｂの有底溝２１Ｂの底部がレーザエッチングされて貫通し、流動性光吸収物質２４は表面張力により貫通した有底溝２１Ｂを通過してＬＥＤ動作層３に接触する。そして、流動性光吸収物質２４がＬＥＤ動作層３に接触すると、レーザエッチングによりＬＥＤ動作層３にエッチング穴３０が形成される。ＬＥＤ動作層３に対する流動性光吸収物質２４の接触面積は有底溝２１Ｂの寸法に依存するため、レーザエッチングにより形成されたエッチング穴３０の寸法は有底溝２１Ｂと同一の幅となる。エッチング穴３０が所望の深さまでエッチングされると、そのエッチング穴３０は図８および図９に示した回折格子１０Ｂの凸部１１Ｂに挟まれる溝となる。

このように、第２の実施形態の半導体基板の製造方法を用いれば、光透過マスク２０Ｂにおいてレーザ光ＬＺのスポットサイズＳＳよりも小さく形成された有底溝２１Ｂの大きさと同等の大きさのレーザエッチングを半導体基板、すなわち第２の実施形態においてはＬＥＤ動作層３に施すことができる。

次に 第３の実施形態の半導体基板の製造方法を説明する。第１の実施形態または第２の実施形態と第３の実施形態との大きな相違点は、光透過マスクが光反射マスクに変更された点にある。

第３の実施形態の半導体基板の製造方法は、工程ａ、工程ｂおよび工程ｃを備えている。ここで、工程ｂおよび工程ｃについては、第１の実施形態と同様であるので、工程ａについて以下に詳細に説明する。

工程ａにおいては、図示はしないが、レーザ光によって加工されるＬＥＤ動作層に対して光反射マスクを当接させる。この光反射マスクにおいては、複数の貫通孔からなるエッチングパターンが設けられている。第１の実施形態と異なる点として、この貫通孔の代わりに有底穴を用いることはできない。光反射マスクを用いる場合、光透過マスクと異なり、工程ｃにおいて初期段階から流動性光吸収物質がＬＥＤ動作層に接触していることが必要となるためである。貫通孔の個数および貫通孔のサイズは第１の実施形態と同様である。

光反射マスクの作成方法および当接方法について説明する。はじめに、ＬＥＤ動作層のｐ型ＧａＮ層の表面上に厚さ約３００ｎｍ程度の蒸着膜を平滑に形成する。工程ｃにおいてサファイヤ基板側からレーザ光ＬＺが入射するため、ｐ型ＧａＮ層の表面は半導体基板におけるレーザ光ＬＺの入射側と反対側の表面となる。ｐ型ＧａＮ層の表面上に形成される蒸着膜は、Ａｌ、Ａｇまたはそれらを主成分とする合金などのレーザ光を反射する物質を用いて成膜されている。平滑な蒸着膜が形成された後にその蒸着膜の全表面にレジスト膜を塗布形成し、そのレジスト膜に対して直径が１５０ｎｍの貫通孔を２００ｎｍのピッチで形成する。この貫通孔は、初期段階においては電子線露光により形成されており、次の段階においてはエッチングにより形成されている。このエッチングは、ドライエッチングまたはウェットエッチングのいずれであっても良い。以上より、ＬＥＤ動作層のｐ型ＧａＮ層に光反射マスクが当接する。

次に 第３の実施形態の半導体基板の製造方法の作用を説明する。第１の実施形態または第２の実施形態と第３の実施形態との大きな相違点は光透過マスクが光反射マスクに変更された点にあるので、光反射マスクに係る作用を詳細に説明する。

第３の実施形態の半導体基板は工程ａ、工程ｂおよび工程ｃを経て製造される。工程ａにおいては、半導体基板であるＬＥＤ動作層の表面上に対して蒸着法により形成された光反射マスクが当接している。この光反射マスクにはレーザ光のスポットサイズよりも小さな貫通孔がエッチングにより形成されており、工程ｂにおいてその貫通孔に流動性光吸収物質が充填される。サファイヤ基板およびＬＥＤ動作層はレーザ光の波長において透明である。そのため、図６に示すように、工程ｃにおいては、サファイヤ基板側から入射したレーザ光が、サファイヤ基板２およびＬＥＤ動作層を順に通過して、光反射マスクの貫通孔に充填された流動性光吸収物質に吸収される。

ここで、光反射マスクの貫通孔に充填された流動性光吸収物質にレーザ光が照射されると、レーザエッチングによりＬＥＤ動作層にエッチング穴が形成される。ＬＥＤ動作層に対する流動性光吸収物質の接触面積は貫通孔の寸法に依存する。そのため、レーザエッチングにより形成されたエッチング穴の寸法は、レーザ光のスポットサイズではなく、貫通孔と同一の直径となる。エッチング穴が所望の深さまでエッチングされると、そのエッチング穴は、回折格子１０Ａの凹部１１Ａとなる。その一方、流動性光吸収物質に吸収されずに光反射マスクに入射したレーザ光は、光反射マスクの反射性により散乱する。すなわち、第１の実施形態においてはレーザ光は光透過マスクを透過していたが、第３の実施形態においてはレーザ光が光反射マスクにより反射するため、光反射マスクには有底穴ではなく貫通孔を形成してレーザエッチング前に流動性光吸収物質をＬＥＤ動作層に予め接触させておく必要がある。

このように、第３の実施形態の半導体基板の製造方法を用いれば、光反射マスクにおいてレーザ光のスポットサイズよりも小さく形成された貫通孔の大きさと同等の大きさのレーザエッチングを半導体基板、すなわち第３の実施形態においてはＬＥＤ動作層に施すことができる。そのため、従来のレーザエッチングによりも微細な加工を施した回折格子を形成したＬＥＤ動作層を製造することができる。

また、第３の実施形態の工程ａにおいては、ＬＥＤ動作層の表面上に蒸着膜を形成し、その蒸着膜に対して貫通孔をドライエッチングまたはウェットエッチングすることにより、貫通孔を有する光反射マスクがＬＥＤ動作層の表面上に形成される。そのため、寸法精度および当接位置精度の高い光反射マスクをＬＥＤ動作層の表面上に容易に形成することができる。

なお、光反射マスクは工程ｃにおいてレーザ光ＬＺの照射終了後に除去すればよい。また、光反射マスクの材質にＡｌ、Ａｇまたはそれらを主成分とする合金などのレーザ光を反射する物質を用いれば、レーザ光ＬＺに対して反射率の高い光反射マスクを容易に蒸着形成することができる。

次に 第４の実施形態の透明体の製造方法を説明する。第１から第３の実施形態の半導体基板の製造方法と第４の実施形態の透明体の製造方法との大きな相違点は、（１）製造基板が半導体基板から透明体に変更になったこと、（２）（１）に伴って透明体の材質が半導体基板のＧａＮを含むすべての透明材料に拡張されたこと、（３）その製造方法によって製造される物が最終製品（発光ダイオードなどの半導体素子）だけではなく間接製品（例えば光インプリント用モールドなどの最終製品の製造に用いる製品）も含むすべての製品に適用可能であること、の３点にある。

第４の実施形態の透明体４０の製造方法により製造される透明体４０は、上記の半導体基板に限られない。透明体４０の具体例としては、上記の半導体基板の他、石英、石英ガラス、水晶、クリスタルガラスなどが挙げられる。本実施形態の透明体４０としては、図１２および図１３に示すように、微細加工が要求される光インプリント用モールドが選択されており、その材質は石英である。

なお、図１２および図１３に示すように、レーザエッチングにより平滑なインプリント面４０ａに凹部４０ｂが形成された光インプリント用モールド４０を図示しないアクリル系ＵＶ硬化樹脂に押し当てた後にＵＶ照射をすることにより、例えば図１４に示すような平滑なインプリント面４１ａに凸部４１ｂを有する反射防止機能付レンズ４１が形成される。凸部４１ｂが形成される反射防止機能付レンズ４１のインプリント面４１ａを平面ではなく凸型湾曲面にする場合、図１５に示すように、光インプリント用モールド４２のインプリント面４２ａを凹型湾曲面としてそこに凹部４２ｂに形成すればよい。

第４の実施形態の透明体４０の製造方法は、図示はしないが、工程ａ、工程ｂおよび工程ｃを備えており、それらは第１から第３の実施形態の半導体基板の製造方法と同様の工程内容を採用することができる。

概要を説明すると、工程ａにおいては、図示はしないが、レーザ光によって加工される図１２および図１３の透明体４０に対して光透過マスクまたは光反射マスクを当接させる。光反射マスクを用いる場合においては、複数の貫通孔からなるエッチングパターンが設けられている。貫通孔の個数および貫通孔のサイズは第１から第３の実施形態の半導体基板の製造方法と同様である。貫通孔の個数を最大限に増やしたい場合はハニカム構造のような平面充填構造を採用すればよい(図１２の凹部４０ｂの平面充填構造を参照。)。

また、工程ａに用いる加工前の透明体４０の直径は１００ｍｍ、その厚さは６ｍｍである。そして、工程ａにおいては光反射マスクを採用し、それを透明体４０に蒸着形成して当接させる。光反射マスクの厚さは３００ｎｍであり、電子線露光により得られたパターンの貫通孔の直径は１５０ｎｍで２００ｎｍピッチに配置されている。そして、上記した工程ａ〜ｃを経て、図１２および図１３に示した透明体４０としての光インプリント用モールドが形成される。

次に 第４の実施形態の透明体４０の製造方法の作用を説明する。第１から第３の実施形態の半導体基板の製造方法と第４の実施形態の透明体４０の製造方法との大きな相違点は主に上記（１）〜（３）に示した通りなので、主な相違点に係る作用を詳細に説明する。

第４の実施形態の透明体４０は工程ａ、工程ｂおよび工程ｃを経て製造される。工程ａにおいては、レーザ光に対して透明な透明体４０に対して行なわれる。そのため、透明体４０は上記の半導体基板に限られない。そして、エッチングパターンを有するマスクを例えば蒸着などにより透明体４０に当接させることにより、上記の半導体基板へのレーザエッチングと同様、他の透明体４０に対してもレーザ光のスポットサイズよりも微細なエッチングパターンの大きさと平面視同等の大きさのレーザエッチングを行なうことができる。

また、透明体４０の材質として石英を選択した場合はレーザ光に対して透明体４０の透明度を高くすることができる。特に、この透明体４０が光インプリント用モールドである場合、従来では得られなかった微細なパターンを有する光インプリント用モールドが形成されるので、従来よりも微細なインプリントを行なうことができる。

すなわち、第１から第３の実施形態の半導体基板の製造方法および第４の実施形態の透明体４０の製造方法によれば、レーザ光ＬＺのスポットサイズＳＳよりも小さく形成された光透過マスク２０Ａ、２０Ｂまたは光反射マスクのエッチングパターン、すなわち１個または２個以上の有底穴２１Ａもしくは貫通孔（図示せず）または有底溝２１Ｂもしくは貫通溝（図示せず）の大きさと同等の大きさのレーザエッチングを行なうことができるので、発光ダイオード１Ａ、１Ｂなどに用いられる半導体基板および光インプリント用モールドなどに用いる石英基板などの透明体４０に対して従来のレーザエッチングによりも微細な加工を施すことができるという作用を生じる。

なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。例えば、第１および第２の実施形態の半導体基板の製造方法においては、工程ａにおいて光透過マスク２０Ａ、２０Ｂを蒸着形成するために、工程ａ、工程ｂの順に行なっている。しかし、他の実施形態においては、光透過マスク２０Ａ、２０Ｂを蒸着形成以外の方法によって形成することも可能であるため、光透過マスク２０Ａ、２０Ｂが予め形成されているのであれば、流動性光吸収物質２４を有底穴２１Ａや有底溝２１Ｂに充填してからその光透過マスク２０Ａ、ＢをＬＥＤ動作層３に当接することができるので、そのような場合は工程ａ、工程ｂの順序を逆にしてもよい。

また、第１から第３の実施形態の発光ダイオード１Ａ、１Ｂにおいては、回折格子１０Ａまたは１０Ｂがｐ型ＧａＮ層６、発光層５、ｎ型ＧａＮ層４にわたって形成されているが、他の実施形態においては、回折格子１０Ａまたは１０Ｂがｐ型ＧａＮ層６にのみ形成されていてもよい。

１Ａ、１Ｂ 発光ダイオード
２ ＬＥＤ動作層（半導体基板）
１０Ａ、１０Ｂ 回折格子
１１Ａ 凹部
１１Ｂ 凸部
２０Ａ、２０Ｂ 光透過マスク
２１Ａ 有底穴
２１Ｂ 有底溝
２４ 流動性光吸収物質
ＬＺ レーザ光
ＳＳ スポットサイズ
４０ 透明体
４１、４２ 反射防止機能付レンズ

Claims (10)

1. レーザ光に対して透明な半導体基板の表面に、加工する所望の加工パターンと平面視同一であってレーザ光のスポットサイズよりも微細な有底のあるいは貫通したエッチングパターンを有するマスクを当接させる工程ａと、
   前記マスクのエッチングパターンに流動性光吸収物質を充填する工程ｂと、
   前記マスクのエッチングパターンに充填された前記流動性光吸収物質に対して前記半導体基板を介してレーザ光を照射することにより、前記半導体基板をエッチングする工程ｃと
   を備えていることを特徴とする半導体基板の製造方法。
2. 前記マスクは、前記レーザ光を透過させる光透過マスクであり、
   前記エッチングパターンは 前記レーザ光のスポットサイズよりも小さな直径もしくは幅を有する１個または２個以上の有底穴もしくは貫通孔、または前記レーザ光のスポットサイズよりも小さな幅を有する１個または２個以上の有底溝もしくは貫通溝、によって形成されたパターンである
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
3. 前記光透過マスクの材質は、ＳｉＯ_２である
   ことを特徴とする請求項２に記載の半導体基板の製造方法。
4. 前記マスクは、前記レーザ光を反射する光反射マスクであり、
   前記エッチングパターンは 前記レーザ光のスポットサイズよりも小さな直径もしくは幅を有する１個または２個以上の貫通孔、または前記レーザ光のスポットサイズよりも小さな幅を有する１個または２個以上の貫通溝、によって形成されたパターンである
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
5. 前記光反射マスクの材質は、Ａｌ、Ａｇまたはそれらを主成分とする合金である
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体基板の製造方法。
6. 前記マスクは、前記工程ａにおいて前記半導体基板における前記レーザ光の入射側と反対側の表面上に蒸着膜を形成してから前記蒸着膜に対して前記有底穴もしくは前記貫通孔または前記有底溝もしくは前記貫通溝をドライエッチングまたはウェットエッチングにより形成することによって作成されるとともに、前記工程ｃにおいて前記レーザ光の照射終了後に除去される
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体基板の製造方法。
7. 前記半導体基板は、ｐ型コンタクト層、発光層、ｎ型コンタクト層、透明電極その他の発光ダイオードにおいて回折格子が形成されるＬＥＤ動作層に用いられる半導体基板である
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体基板の製造方法。
8. レーザ光に対して透明な透明体の表面に、加工する所望の加工パターンと平面視同一であってレーザ光のスポットサイズよりも微細な有底のあるいは貫通したエッチングパターンを有するマスクを当接させる工程ａと、
   前記マスクのエッチングパターンに流動性光吸収物質を充填する工程ｂと、
   前記マスクのエッチングパターンに充填された前記流動性光吸収物質に対して前記透明体を介してレーザ光を照射することにより、前記透明体をエッチングする工程ｃと
   を備えていることを特徴とする透明体の製造方法。
9. 前記透明体の材質は、石英である
   ことを特徴とする請求項８に記載の透明体の製造方法。
10. 前記透明体は、光インプリント用モールドである
    ことを特徴とする請求項９に記載の透明体の製造方法。

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