JP2012524996A - パターンが形成された基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

パターンが形成された基板の製造方法が開示される。本発明によるパターンが形成された基板の製造方法は、基板上の酸化物ビードパターンを形成しようとする位置に、選択的な結合力を持つ第１結合剤パターンを形成し、基板との結合力より第１結合剤との結合力がさらに大きい第２結合剤を酸化物ビードにコーティングする。そして、第２結合剤がコーティングされた酸化物ビードを基板上に塗布して、第２結合剤がコーティングされた酸化物ビードを第１結合剤パターン上に形成し、基板を熱処理する。本発明によれば、低コストの酸化物ビードを所望の形態で基板上にパターニングできるようになって、ドライエッチング時に基板に加えられる損傷を防止でき、エッチング過程がなくて素子収率の低下問題もなく、結果的に素子の量産性が向上する。またドライエッチングのための高コストの装備投資が不要で経済的に有利なだけでなく、短時間内に多くの基板を製作できる高い生産性を持つ。

Description

本発明は、半導体素子用基板及びその製造方法に係り、より詳細には、高出力発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）の製造に使われるようにパターンが形成された基板及びその製造方法に関する。

ＬＥＤ市場は、携帯電話などの携帯型通信機器や小型家電製品のキーパッド、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のバックライトユニットなどに使われる低出力ＬＥＤに基づいて成長した。最近は、インテリア照明、外部照明、自動車内外装、大型ＬＣＤのバックライトユニットなどに使われる高出力、高効率光源の需要の高まりにつれて、ＬＥＤ市場もまた高出力製品中心に移していっている。

ＬＥＤにおいて最も大きい問題点は、低い発光効率である。一般的に、発光効率は、光の生成効率（内部量子効率）と、素子外に放出される効率（外光取出効率）、及び蛍光体により光が転換される効率とによって決定される。ＬＥＤの高出力化のためには、内部量子効率の側面で活性層特性を向上させる方法も重要であるが、実際に発生した光の外光取出効率を高めることが非常に重要である。

ＬＥＤ外部に光が放出するに際して最も大きい障害要因は、ＬＥＤ各層間の屈折率差による内部全反射である。ＬＥＤ各層間の屈折率差によって、界面外に抜け出る光は、生成された光の一部である２０％ほどに該当する。しかも、界面から抜け出ていない光は、ＬＥＤ内部を移動している途中で熱に変わって、結果的に発光効率が低いにもかかわらず素子の熱発生量を増やし、ＬＥＤの寿命を短縮させる。

外光取出効率の向上のためには、ｐ−ＧａＮ表面やｎ−ＧａＮ表面の粗度を高める方法、素子の基底部分である基板の表面を粗くするか、または屈曲のあるパターンを形成する方法などが提案されている。

図１Ａは、パターン１２が形成された基板１０上に形成されたＬＥＤ１４の断面図であり、図１Ｂは、パターン１２が形成された基板１０の斜視図である。特に、サファイアなどの異種基板を使用するＬＥＤで基板にパターンを形成すれば、外光取出効率の向上効果がある。

サファイア基板表面のパターンは、外光取出効率を１００％以上高めると計算され、韓国特許出願第２００４−００２１８０１号及び第２００４−００４９３２９号では、その形態やパターンに言及している。このようなパターンを形成する方法としては、現在エッチングを利用した方法を使用している。この方法は、サファイア基板に形成する半球形パターン形態の形成のために、数十μm厚さの厚膜レジストターニングした後、ドライエッチングを通じてレジストとサファイア基板とを同時にエッチングすることである。

このようなエッチングを利用したパターン形成方法は、レジスト及び基板のエッチング選択比によりパターンの高さが制限され、厚膜レジストのパターニング工程とドライエッチング工程との低い均一度により最終形成されたパターンの均一度が低いという問題点がある。何よりもドライエッチングで発生する汚染が最も大きい問題である。レジスト及びエッチングに使われたガスなどの反応物が、エッチング時に局部的に発生する熱などによりサファイア基板の表面に残り、洗浄過程を経てもよく除去されない。また、エッチングに使われた高いエネルギーのガス粒子により、基板表面の損傷も予想される（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ＶＬＳＩ ｅｒａ，ｖｏｌ １．ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐ．５７４〜５８２）。かかる汚染が発生した場合、連結される次の工程であるＧａＮエピ成長（ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｇｒｏｗｔｈ）を行う場合、汚染による窒化物エピ層に致命的な欠陥が発生しうる。前記のような短所により、実際エッチングを利用してパターニングされたサファイア基板を使用して素子を製作する場合、非常に低い収率が予想される。

そして前述したドライエッチング工程は、エッチングし難いサファイアを強制にエッチングする過程で発生する過剰な熱放出のために、冷却機能を持つ高コストのエッチング装備を使用せねばならない。そして、光取出効率を高めるために、ステッパーなどの高コストのフォト装備を利用して、エッチングされるパターンサイズをさらに縮める工程が必要である。したがって、前述したドライエッチング工程を行うためにはコスト高となる。また、ステッパーなどのフォト装備を使用する工程は、複雑な工程のため工程スループットを高め難いという短所を持つ。

本発明が解決しようとする技術的課題は、従来のようなエッチング方法により基板をパターニングする場合の問題点である、基板結晶の損傷や残留物による素子特性の低下がなく、かつパターン均一度を非常に高めることができる基板の製造方法を提供するところにある。

前記の技術的課題を解決するための本発明によるパターンが形成された基板の製造方法は、基板上の酸化物ビードパターンを形成しようとする位置に、選択的な結合力を持つ第１結合剤パターンを形成する段階と、前記基板との結合力より前記第１結合剤との結合力がさらに大きい第２結合剤を前記酸化物ビードにコーティングする段階と、前記第２結合剤がコーティングされた酸化物ビードを前記基板上に塗布して、前記第２結合剤がコーティングされた酸化物ビードを前記第１結合剤パターン上に形成する段階と、前記基板を熱処理する段階と、を含む。

前記の技術的課題を解決するための本発明による他のパターンが形成された基板の製造方法は、基板上の酸化物ビードパターンを形成しようとする位置を除外した領域に、選択的な結合力を持つ第１結合剤パターンを形成する段階と、前記基板との結合力より前記第１結合剤との結合力がさらに小さい第２結合剤を前記酸化物ビードにコーティングする段階と、前記第２結合剤がコーティングされた酸化物ビードを前記基板上に塗布して、前記基板の表面が露出されている領域上に前記第２結合剤がコーティングされた酸化物ビードを形成する段階と、前記基板を熱処理する段階と、を含む。

本発明による基板の製造方法によれば、低コストの酸化物ビードを所望の形態で基板上にパターニングすることができて、ドライエッチング時に基板に加えられる損傷を防止でき、エッチング過程がなくて素子の収率低下の問題がなく、結果的に素子の量産性が向上する。また、ドライエッチングのための高コストの装備投資が不要で経済的に有利なだけでなく、短時間に多くの基板を製作できる高い生産性を持つ。

パターンが形成された基板上に形成された発光ダイオード（ＬＥＤ）の断面図である。 パターンが形成された基板の斜視図である。 本発明によって、選択的結合力を利用してパターンが形成された基板を製造する一実行過程を示すフローチャートである。 図２に図示された方法を利用してパターンが形成された基板を製造する一例を示す断面図である。 図２に図示された方法を利用してパターンが形成された基板を製造する一例を示す断面図である。 図２に図示された方法を利用してパターンが形成された基板を製造する一例を示す断面図である。 本発明によって、選択的結合力を利用して基板を製造する他の実行過程を示すフローチャートである。 図４に図示された方法を利用してパターンが形成された基板を製造する他の例を示す断面図である。 図４に図示された方法を利用してパターンが形成された基板を製造する他の例を示す断面図である。 図４に図示された方法を利用してパターンが形成された基板を製造する他の例を示す断面図である。

以下、添付した図面を参照して本発明による基板の製造方法の望ましい実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明は以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、相異なる多様な形態で具現され、単に本実施形態は本発明の開示を完全にし、当業者に発明の範ちゅうを完全に知らせるために提供されるものである。

図２は、本発明によって、選択的結合力を利用してパターンが形成された基板を製造する一実行過程を示すフローチャートである。図３Ａないし図３Ｃは、図２に図示された方法を利用してパターンが形成された基板を製造する一例を示す断面図である。

図２ないし図３Ｃを参照すれば、まず図３Ａに図示されたように、基板３１０上の酸化物ビードパターン３４０を形成しようとする位置に、選択的な結合力を持つ第１結合剤パターン３２０を形成する（Ｓ２１０）。基板３１０は、サファイア、リチウムアルミニウム酸化物（ＬｉＡｌＯ_２）及びマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）のうちいずれか一つを利用できる。そして酸化物ビード３３０の屈折率は１．２ないし２．０であって、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３）、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３及びＧｅＯ_２から選択された１種以上からなるものを利用する。酸化物ビード３３０は球形になっていることが望ましく、この時、酸化物ビード３３０の直径は０．１ないし１０μmのものを利用する。第１結合剤パターン３２０の密度、サイズなどは、電算模写（ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）を経て光出力が最大化する数値に調節できる。第１結合剤パターン３２０を形成する方法は、フォトリソグラフィ工程やナノインプリント工程を通じて具現できる。

フォトリソグラフィ工程で第１結合剤パターン３２０を形成する方法は、次の通りである。まず基板３１０上に第１結合剤とレジスト膜とを形成する。そして、形成しようとする酸化物ビードパターン３４０の情報が含まれているフォトマスクを利用して露光及び現像する。そしてエッチング工程を経て第１結合剤パターン３２０を形成する。

ナノインプリント工程で第１結合剤パターン３２０を形成する方法は、次の通りである。酸化物ビードパターン３４０を形成しようとする位置に対応するナノインプリントマスクを製造した後、このナノインプリントマスクに第１結合剤を塗布する。そして、第１結合剤が塗布されたナノインプリントマスクを基板３１０上にプリントして第１結合剤パターン３２０を形成する。

次いで、基板３１０との結合力より第１結合剤との結合力がさらに大きい第２結合剤を酸化物ビード３３０にコーティングする（Ｓ２２０）。そして、第２結合剤がコーティングされた酸化物ビード３３０を基板３１０に塗布する（Ｓ２３０）。第２結合剤がコーティングされた酸化物ビード３３０は、スピンコーティング法などの方法を利用して基板３１０に塗布できる。基板３１０との結合力より第１結合剤との結合力がさらに大きい第２結合剤を酸化物ビード３３０にコーティングすることは、図３Ｂに図示されたように、酸化物ビードを第１結合剤パターン３２０上のみに位置させるためである。この時、結合力の差をさらに大きくするために、第２結合剤と基板３１０との結合力は小さければ小さいほど望ましく、第２結合剤と第１結合剤との結合力は大きければ大きいほど望ましい。かかる選択的な結合力を持つ第２結合剤を酸化物ビード３３０にコーティングすれば、結合力の差によって基板３１０の表面が露出された部分に塗布された酸化物ビード３３０は容易に脱離する。そして、第１結合剤パターン３２０が形成された部分に塗布された酸化物ビード３３０は、酸化物ビード３３０にコーティングされた第２結合剤と第１結合剤との結合力により脱離せずに第１結合剤パターン３２０上に残る。

但し、第１結合剤パターン３２０の上面ではない側面と、第２結合剤がコーティングされた酸化物ビード３３０とが結合されれば、基板３１０の表面が露出された部分、すなわち、願わない部分に酸化物ビード３３０が形成されるので、これを防止せねばならない。したがって、第１結合剤パターン３２０の側面と酸化物ビード３３０とを結合させないために、第１結合剤パターン３２０の基板３１０からの高さは、球形の酸化物ビード３３０の半径より小さくすることが望ましい。このように球形の酸化物ビード３３０の半径より第１結合剤パターン３２０の基板３１０からの高さを小さくすれば、酸化物ビードと第１結合剤パターン３２０の側面とが結合される可能性が低減する。

そして、基板３１０を熱処理して、酸化物ビード３４０を基板３１０に結合させる（Ｓ２４０）。基板３１０を熱処理する時の温度は、５００ないし１４００℃の範囲、望ましくは、８００ないし１２００℃の範囲で行われる。このように基板３１０を熱処理すれば、基板３１０に形成されている第１結合剤パターン３２０と、酸化物ビード３３０にコーティングされている第２結合剤とは除去される。したがって、図３Ｃに図示したように、酸化物ビード３４０が基板３１０に結合されることで、パターニングされた酸化物ビードが形成された基板を製造できる。

図２に図示された方法で基板を製造すれば、光取出効率の良い基板の製造が可能になる。

図４は、本発明によって選択的結合力を利用して基板を製造する他の実行過程を示すフローチャートである。図５Ａないし図５Ｃは、図４に図示された方法を利用してパターンが形成された基板を製造する他の例を示す断面図である。図４は、図２に示した基板の製造方法の説明とは異なって、基板との結合力が大きくて第１結合剤との結合力が小さな第２結合剤を酸化物ビードにコーティングして、第１結合剤パターンの間に酸化物ビードを塗布してパターニングされた酸化物ビードが形成された基板を製造する方法を示したものである。

図４ないし図５Ｃを参照すれば、まず、基板５１０上の酸化物ビードパターン５４０を形成しようとする位置を除外した領域に第１結合剤パターン５２０を形成する（Ｓ４１０）。図２に示した基板の製造方法と同様に、基板５１０はサファイア、リチウムアルミニウム酸化物及びマグネシウム酸化物のうちいずれか一つを利用できる。そして酸化物ビード５３０は屈折率は１．２ないし２．０のものであって、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３）、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３及びＧｅＯ_２から選択された１種以上からなるものを利用する。酸化物ビード５３０は球形のものが望ましく、この時、酸化物ビード５３０の直径は０．１ないし１０μmのものを利用する。第１結合剤パターン５２０の密度、サイズなどは、電算模写を経て光出力の最大化する数値に調節できる。そして第１結合剤パターン５２０を形成する方法は、フォトリソグラフィ工程やナノインプリント工程を通じて具現できる。フォトリソグラフィ工程やナノインプリント工程は、図２で説明した方法と類似して行われる。

次いで、基板５１０との結合力より第１結合剤との結合力がさらに小さい第２結合剤を、酸化物ビード５３０にコーティングする（Ｓ４２０）。そして第２結合剤がコーティングされた酸化物ビード５３０を基板５１０に塗布する（Ｓ４３０）。このように基板５１０との結合力より第１結合剤との結合力がさらに小さい第２結合剤を酸化物ビード５３０にコーティングし、これを基板５１０にコーティングすれば、図２に示した基板の製造方法の説明とは異なって、第１結合剤パターン５２０上に塗布された酸化物ビード５３０は容易に脱離する。一方、基板５１０上に塗布された酸化物ビード５３０は脱離せずに、図５Ｂに図示されたように基板５１０上に残る。

そして基板５１０を熱処理して、酸化物ビード５４０を基板５１０に結合させる（Ｓ４４０）。基板５１０を熱処理する時の温度は５００ないし１４００℃の範囲、望ましくは、８００ないし１２００℃の範囲で行われる。このように基板５１０を熱処理すれば、基板５１０に形成されている第１結合剤パターン５２０と、酸化物ビード５３０にコーティングされている第２結合剤とは除去される。したがって、図５Ｃに示したように、酸化物ビード５４０が基板５１０に結合されることで、パターニングされた酸化物ビードが形成された基板を製造可能になる。

図４に図示された方法で基板を製造すれば、図２に図示された方法と同様に、光取出効率の良い基板の製造が可能になる。

以上、本発明の望ましい実施形態について図示して説明したが、本発明は前述した特定の望ましい実施形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の趣旨を逸脱せずに当業者ならば多様な変形実施が可能であるということはいうまでもなく、かかる変更は特許請求の範囲に記載された範囲内にある。

Claims (10)

1. 基板上の酸化物ビードパターンを形成しようとする位置に、選択的な結合力を持つ第１結合剤パターンを形成する段階と、
   前記基板との結合力より前記第１結合剤との結合力がさらに大きい第２結合剤を前記酸化物ビードにコーティングする段階と、
   前記第２結合剤がコーティングされた酸化物ビードを前記基板上に塗布して、前記第２結合剤がコーティングされた酸化物ビードを前記第１結合剤パターン上に形成する段階と、
   前記基板を熱処理する段階と、を含むことを特徴とするパターンが形成された基板の製造方法。
2. 基板上の酸化物ビードパターンを形成しようとする位置を除外した領域に、選択的な結合力を持つ第１結合剤パターンを形成する段階と、
   前記基板との結合力より前記第１結合剤との結合力がさらに小さい第２結合剤を前記酸化物ビードにコーティングする段階と、
   前記第２結合剤がコーティングされた酸化物ビードを前記基板上に塗布して、前記基板の表面が露出されている領域上に前記第２結合剤がコーティングされた酸化物ビードを形成する段階と、
   前記基板を熱処理する段階と、を含むことを特徴とするパターンが形成された基板の製造方法。
3. 前記基板は、サファイア、リチウムアルミニウム酸化物及びマグネシウム酸化物のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項１または２に記載のパターンが形成された基板の製造方法。
4. 前記酸化物ビードの屈折率は、１．２ないし２．０であることを特徴とする請求項１または２に記載のパターンが形成された基板の製造方法。
5. 前記酸化物ビードは、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、Ｔａ_２Ｏ_５、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３）、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３及びＧｅＯ_２から選択された１種以上からなることを特徴とする請求項１または２に記載のパターンが形成された基板の製造方法。
6. 前記酸化物ビードは、球形であることを特徴とする請求項１または２に記載のパターンが形成された基板の製造方法。
7. 前記酸化物ビードの直径は、０．１ないし１０μmであることを特徴とする請求項１または２に記載のパターンが形成された基板の製造方法。
8. 前記基板を熱処理する段階は、５００ないし１４００℃の範囲で行われることを特徴とする請求項１または２に記載のパターンが形成された基板の製造方法。
9. 前記第１結合剤パターンを形成する段階は、
   フォトリソグラフィ工程及びナノインプリント工程のうちいずれか一つを利用することを特徴とする請求項１または２に記載のパターンが形成された基板の製造方法。
10. 前記酸化物ビードは球形であり、前記第１結合剤パターンの前記基板からの高さは、前記酸化物ビードの半径より小さいことを特徴とする請求項１に記載のパターンが形成された基板の製造方法。

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