JP2011134800A - エッチング方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レジスト膜の形状に関係なく凸部のテーパ形状を制御できるエッチング方法及びプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】本発明は、凸部２１ａを有するサファイア基板２１の上に半導体層２２，２３，２４を設けて成る半導体発光素子に用いられる前記サファイア基板上に、エッチングにより前記凸部２１ａを形成する方法である。本発明では、表面にレジスト膜が形成されたサファイア基板２１を、エッチングガスに炭素系ガスを添加した混合ガスをプラズマ状態に励起してエッチングすると共に、前記炭素系ガスの流量を調整することで前記凸部２１ａのテーパ形状を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光効率を高めるための複数の凸部を有するサファイア基板に該凸部を形成するエッチング方法及びプラズマ処理装置に関する。

半導体発光素子、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）は、基板上に積層されたｐ型半導体層及びｎ型半導体層の上に電極が形成された構造を有している。ｐ型半導体層から注入される正孔とｎ型半導体層から注入される電子との再結合によって活性層のある発光領域で光が発生すると、その光は電極が形成された面、又は半導体層を成長させない基板面から取り出されるようになっている。

このような構造の発光ダイオードでは、基板の表面に多数の凸部(凹部)を形成し、発光領域で発生した光を散乱、回折させることにより、外部量子効率を向上させる方法が提案されている。例えば特許文献１には、サファイア基板上にｎ型窒化物半導体層、活性層、ｐ型窒化物半導体層、透明電極を順に積層して成るＧａＮ（窒化ガリウム）系ＬＥＤにおいて、フォトレジストをマスク材としてサファイア基板をドライエッチングすることにより、基板表面に多数の凸部を形成することが記載されている。
特許文献１によると、光の散乱、回折が起きる確率を高めるためには凸部の断面形状を台形状にすることが望ましく、さらには凸部のテーパ角（特許文献１では、凸部の上面と側面とのなす角度をテーパ角と称している。）が90°〜140°であることが望ましい。

サファイア基板の表面にエッチングにより凸部を形成する場合にそのテーパ角を制御する方法として、サファイア基板に形成するレジストマスク(レジスト膜)のテーパ角を制御する方法がある。レジストマスクのテーパ角と凸部のテーパ角との間には相関があるからである。ところが、サファイア基板にレジストマスクを形成する工程と、サファイア基板をエッチングする工程が別の業者によって行われる場合がある。このような場合、エッチング加工業者には既にレジストマスクが形成されたサファイア基板が納品されるため、レジストマスクの形状を制御することが難しい。

特開2003-318441号公報（[0003],図3）

本発明が解決しようとする課題は、レジスト膜の形状に関係なく凸部のテーパ形状を制御できるエッチング方法及びプラズマ処理装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された第１発明は、凸部を有するサファイア基板の上に半導体層を設けて成る半導体発光素子に用いられる前記サファイア基板上に、エッチングにより前記凸部を形成する方法であって、表面にレジスト膜が形成されたサファイア基板を、前記レジスト膜をマスクとしてエッチングする工程を備え、前記エッチング工程では、エッチングガスに炭素系ガスを添加した混合ガスをプラズマ状態に励起して前記サファイア基板をエッチングすると共に、前記炭素系ガスの流量を調整することで前記凸部のテーパ形状を調整することを特徴としている。

この場合、前記炭素系ガスとしては、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、C₃H₆、C₃H₈、C₄H₆、C₄H₈、C₄H₁₀、CHCl₃、CHF₃、CH₂Cl₂、CH₂F₂、CH₃Cl、CH₃F、CH₃Br、CH₃OH、C₂H₅OH、C₂H₂Cl₂、C₂H₅Cl、C₃H₆Cl₂のうちから選ばれる少なくとも一種のガスであることが好ましい。

また、上記課題を解決するために成された第２発明は、反応室と、この反応室内に配置され被処理基板が載置される支持台とを備え、エッチングガスをプラズマ状態に励起することにより前記被処理基板をエッチングするプラズマ処理装置であって、
前記反応室内に、プラズマにより炭素系ガスを発生する炭素系部材が収容されていることを特徴とする。

また、第２発明においては、前記反応室材料の少なくとも一部を炭素系部材から構成することができる。

この場合、前記炭素系部材としては、炭化ケイ素であることが望ましい。

本発明は、エッチングガスに炭素系ガスを添加することによってフォトレジスト等の有機系マスクとサファイア基板との選択比を調整することができることを見出し、成されたものである。一般的に、サファイア基板のエッチングには塩素系ガスが用いられているが、塩素系ガスによるエッチングは、フォトレジスト等の有機系マスクとサファイア基板との選択比制御が難しく、エッチング加工形状を制御することが難しい。これに対して、エッチングガスに炭素系ガスを添加することで選択比を幅広く制御することができ、サファイア基板の凸部のテーパ形状を容易に制御することができる。

サファイア基板表面に円錐台状の凸部を有する半導体発光素子の断面構成を概略的に示す図。 本実施形態のエッチング方法に用いたプラズマエッチング装置の概略構成図。 サファイア基板に多数の凸部が形成されるまでの過程を模式的に示す図。 実施例１で用いたサファイア基板上のレジスト凸部の形状を示すＳＥＭ画像。 下部電極上のサンプル基板とダミー基板の配置状態を示す図。 エッチング条件を示す表。 エッチング後のエッチング深さ、エッチングレート、選択比、凸部の側壁の角度を示す表。 実施例２におけるエッチング条件を示す表。 エッチングにより得られたサファイア基板のＳＥＭ画像であり、(ａ）はエッチングガスにCH₄を添加しなかった場合、（ｂ）はCH₄ガスを4sccm添加した場合、(ｃ)はCH₄ガスを8sccm添加した場合を示す。 CH₄ガスの流量と選択比、凸部の角度、フォトレジストエッチングレート、及び、サファイア基板のエッチングレートの関係を示す図。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子（ＧａＮ系半導体ＬＥＤ）の断面構成の一例を示す。ＧａＮ系半導体ＬＥＤ２０は、サファイア基板２１の上にｎ型ＧａＮ層２２、ＧａＮ活性層２３、ｐ型ＧａＮ層２４を積層して成る。前記ＧａＮ系半導体ＬＥＤ２０では、外部量子効率を向上するために、エッチングによりサファイア基板２１の表面に多数の凸部２１ａを形成した上で、ｎ型ＧａＮ層２２、ＧａＮ活性層２３、ｐ型ＧａＮ層２４を積層している。
本実施の形態では、サファイア基板２１に多数の凸部２１ａを形成するために後述するエッチング方法を用いた。

図２は本実施形態に係るエッチング方法に用いたプラズマエッチング装置１０の概略構成を示す。この装置は誘導結合型（ICP）であり、密閉された反応室１１の中には平板状の下部電極１２が、反応室１１の上部（外部）には石英板１４を介して励起コイル１５が、それぞれ設けられている。励起コイル１５は立体渦巻形（インバーテッド・トルネード形）のコイルであり、コイル中央から高周波電力を供給し、コイル外周の末端が接地されている。エッチング対象のサファイア基板２１は直接或いは搬送用トレーを介して下部電極１２に載置される。また、下部電極１２は高周波電源１３に接続されている。下部電極１２にはサファイア基板を冷却するための冷却機構が内蔵されており、冷却制御部１７によって制御される。

上記プラズマエッチング装置１０を用いた本実施形態のエッチング方法は、次の工程から成る。まず、プラズマエッチング装置１０の反応室１１の下部電極１２の上にレジスト膜が形成されたサファイア基板２１を載置し、反応室１１内の空気を排出して、反応室１１内の圧力を減圧状態にする。

その後、反応室１１にサファイア基板２１をエッチングするためのエッチングガス等を供給し、反応室１１内のガス圧力を調整する。そして、励起コイル１５及び下部電極１２に高出力の高周波電力を10分間供給することにより、反応ガスのプラズマ１８を生成させる。このプラズマ１８によってサファイア基板２１のエッチングを行うことによりサファイア基板２１の表面に多数の凸部２１ａを形成することができる。

図３はサファイア基板２１に多数の凸部２１ａが形成されるまでの様子を模式的に示したものである。図３の（a）はレジスト膜３１が形成されたサファイア基板２１、（ｂ）はエッチング後のサファイア基板２１、（ｃ）はレジスト膜を除去した後のサファイア基板を示す。図３に示すように、エッチング前のサファイア基板２１には多数の円錐台状の凸部から成るレジスト膜３１が形成されている(サファイア基板２１上の凸部２１ａと区別するため、以下の説明ではレジスト膜３１を構成する円錐台状の凸部をレジスト凸部とも言う）。
なお、本実施形態のエッチング方法には、サファイア基板２１にレジスト膜３１を形成する工程が含まれていても良い。すなわち、エッチング加工者自身がサファイア基板２１にレジスト膜３１を形成する場合、或いはレジスト膜３１が予め形成されたサファイア基板２１をエッチング加工業者が購入してエッチング加工を行う場合のいずれであって良い。

本実施形態のエッチング方法は、エッチング条件を最適化することにより、レジスト凸部の形状、すなわち、サファイア基板２１の表面に対する円錐台状のレジスト凸部の側壁の角度に関係なく、凸部２１ａの側壁とサファイア基板２１の表面とのなす角度を任意の角度に調整できるようにしたものである。本実施形態のエッチング方法では、プラズマエッチング装置１０の反応室１１の下部電極１２の上に多数のレジスト凸部を有するサファイア基板２１を載置した後、反応室１１内の空気を排出して、反応室内の圧力を2×10^-3Paとした。その後、反応室１１にエッチングガスを所定の流量で供給し、反応室１１内のガス圧力を調整した。そして、励起コイル１５及び下部電極１２に高周波電力を供給することにより、エッチングガスのプラズマ１８を生成させる。このプラズマ１８によりサファイア基板２１のエッチングを行うことによりサファイア基板２１の表面にレジスト凸部に対応して多数の凸部２１ａを形成することができる。

具体的なエッチング条件(エッチングガスの組成及び流量、反応室１１内のガス圧力、高周波電力等）は凸部２１ａの大きさや密度等に応じて適宜選択されるが、特に、本実施形態ではエッチングガスとして炭素系ガスが添加された混合ガスを用いることにより、レジスト膜とサファイア基板の選択比を制御している。
以下に具体的な実施例について説明する。

エッチング対象となるサファイア基板として直径2インチの円板状の基板を用い、基板表面にレジストを塗布した後、リソグラフィ工程で所望のマスクパターンを転写してレジスト凸部（レジスト膜３１）を形成した。レジスト凸部の高さは1.49μmであった。図４に示す形状のレジスト凸部を有するサファイア基板にエッチングを行い、エッチングガスにCH₄ガスを添加した場合と添加しない場合とでエッチング後の凸部２１ａの形状を比較した。エッチング対象となるサファイア基板として一辺が10mmの正方形状のサンプル基板を用い、図５に示すように、下部電極１２上に７枚の直径2インチの円板状のダミー基板を載置すると共に、ダミー基板のうち中央の１枚と周縁の１枚の間にサンプル基板を載置してエッチングを行った。実施例１のエッチング条件を図６に示す。エッチングガスにCH₄ガスが添加されていない場合は、図６中のCH₄の流量(2.0sccm)が「０」となる。

図７の表はエッチング後のエッチング深さ、エッチングレート、選択比、凸部の側壁の角度（テーパ角）を示す。
図７に示すように、エッチングガスにCH₄ガスを添加した場合の方が、添加しなかった場合よりも選択比が大きく、サファイア基板２１上の凸部２１ａの側壁の角度が大きくなった。また、凸部２１ａの厚み(エッチング深さ)はCH₄ガスを添加した場合の方が小さかった。

塩素と三塩化ホウ素の流量を２倍にし、かつ、エッチングガスに添加するCH₄ガスの流量を0sccm、4sccm、8sccmに変化させた以外は実施例１と同じ方法でエッチングを行い、エッチング後の凸部２１ａの形状を比較した。図８に実施例２のエッチング条件を示す。
図９は実施例２のエッチング方法により得られたサファイア基板のＳＥＭ画像であり、(ａ)はエッチングガスにCH₄を添加しなかった場合、（ｂ）はCH₄ガスを4sccm添加した場合、(ｃ)はCH₄ガスを8sccm添加した場合を示す。図１０はCH₄ガスの流量と選択比、凸部２１ａの角度、フォトレジストエッチングレート、および、サファイア基板のエッチングレートの関係を示すグラフである。図９及び図１０に示すように、エッチングガスに添加するCH₄ガスの流量が増えるに従い、選択比や凸部２１ａの角度が大きくなることが分かる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような変形が可能である。
エッチングガスにCH₄ガスを添加する代わりに、プラズマエッチング装置の反応室内にプラズマにより炭素系ガスを発生する炭化ケイ素等の炭素系部材を収容しても良い。また、反応室の壁や天井部といった反応室材料の一部に炭素系部材を用いても良い。このような構成により、プラズマエッチング工程の際にエッチングガスにCH₄ガスが含まれることになり、上記実施例と同様の作用効果が得られる。
上記実施例では、炭素系ガスとしてCH₄ガスを用いたが、この他、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、C₃H₆、C₃H₈、C₄H₆、C₄H₈、C₄H₁₀、CHCl₃、CHF₃、CH₂Cl₂、CH₂F₂、CH₃Cl、CH₃F、CH₃Br、CH₃OH、C₂H₅OH、C₂H₂Cl₂、C₂H₅Cl、C₃H₆Cl₂の何れか一種のガス、複数種のガスを組み合わせて用いても良い。

また、上記実施の形態及び実施例では、複数の円錐台状のレジストマスクを有するサファイア基板をエッチングして、サファイア基板の表面に対する側壁の角度が９０°未満の円錐台状の凸部を形成する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、サファイア基板の表面に対して垂直な側壁を有する凸部を多数形成する場合にも適用できる。また、凸部は、円錐台状の他、角錐台状の凸部や細長く延びる畝状の凸部を多数形成する場合にも適用できる。

１０…プラズマエッチング装置
１１…反応室
１２…下部電極(支持台)
１５…励起コイル
１８…プラズマ
２１…サファイア基板
２１ａ…凸部
３１…レジスト膜

Claims (5)

1. 凸部を有するサファイア基板の上に半導体層を設けて成る半導体発光素子に用いられる前記サファイア基板上に、エッチングにより前記凸部を形成する方法であって、
   表面にレジスト膜が形成されたサファイア基板を、前記レジスト膜をマスクとしてエッチングする工程を備え、
   前記エッチング工程では、エッチングガスに炭素系ガスを添加した混合ガスをプラズマ状態に励起して前記サファイア基板をエッチングすると共に、前記炭素系ガスの流量を調整することで前記凸部のテーパ形状を調整することを特徴とするエッチング方法。
2. 請求項１に記載のエッチング方法において、
   前記炭素系ガスは、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、C₃H₆、C₃H₈、C₄H₆、C₄H₈、C₄H₁₀、CHCl₃、CHF₃、CH₂Cl₂、CH₂F₂、CH₃Cl、CH₃F、CH₃Br、CH₃OH、C₂H₅OH、C₂H₂Cl₂、C₂H₅Cl、C₃H₆Cl₂のうちから選ばれる少なくとも一種のガスであることを特徴とするエッチング方法。
3. 反応室と、この反応室内に配置され被処理基板が載置される支持台とを備え、エッチングガスをプラズマ状態に励起することにより前記被処理基板をエッチングするプラズマ処理装置において、
   前記反応室内には、プラズマにより炭素系ガスを発生する炭素系部材が収容されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 前記反応室材料の少なくとも一部が炭素系部材から構成されていることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記炭素系部材は炭化ケイ素であることを特徴とする請求項３又は４に記載のプラズマ処理装置。