JP4589604B2

JP4589604B2 - 発光素子に自己整合及び自己露光フォトレジストパターンを作製する方法

Info

Publication number: JP4589604B2
Application number: JP2003077030A
Authority: JP
Inventors: ディーコリンズザサードウィリアム; エルスナイダーウェイン; エイスタイガーウォルドダニエル
Original assignee: フィリップスルミレッズライティングカンパニーリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: DE10312526A1; TWI284424B; JP2003298106A; DE10312526B4; US6756186B2; US20030181122A1; TW200419823A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には発光素子に関し、より詳細には、発光ダイオード（ＬＥＤ）に自己整合（self-aligned）及び自己露光（self-exposed）フォトレジストパターンを作製することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードのような半導体発光素子は現在入手可能な最も効率のよい光源である。可視スペクトル全体にわたって動作可能である高輝度ＬＥＤの製造において、一般に興味のある材料システムは、ガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の２元、３元、及び４元合金等の、またIII族−窒化物材料とも呼ばれるグループIII−Ｖ半導体を含む。III族−窒化物材料システムをベースとする発光素子はＵＶから黄色のスペクトル領域における高輝度固体光源を提供する。典型的には、III族−窒化物素子はサファイア、炭化ケイ素、又はIII族−窒化物基板上に有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）、又はその他のエピタキシャル技術によってエピタキシャルな状態で成長する。これらの基板のいくつかは絶縁性又は乏しい導電性である。そのような基板に成長する半導体結晶から製造される素子は素子の同じ面にエピタキシャルな状態で成長した半導体と正及び負極性電気接触の両方を有する必要がある。その一方で、導電性基板に成長する半導体素子は１つの電気接触がエピタキシャルな状態で成長した材料に形成され、もう１つの電気接触は基板に形成されるように製造できる。しかし、導電性基板に製造される素子は、エピタキシャル材料がＬＥＤチップから取り出す光を向上させるために、チップの通電容量を向上させるために、又はＬＥＤダイのヒートシンキングを向上させるためにフリップチップ構造（flip-chip geometry）で成長する素子の同じ面で両方の接触を有するようにも設計できる。発光素子の２つのタイプは素子の同じ面に形成される接触を有する。第１のものでは、フリップチップと呼ばれ、光は基板を介して取り出される。第２のものでは、光はエピタキシャル層に形成される透過性又は半透過性接触物を介して取り出される。
【０００３】
ＬＥＤの作製は基板を覆う１つ以上のｎ型層の成長、ｎ型層を覆う活性領域の成長、及び活性領域を覆う１つ以上のｐ型層の成長を要求する。光は活性領域内の電子及び正孔の再結合によって発生する。作製後、ＬＥＤは典型的にはサブマウントに取り付けられる。白色光又はＬＥＤの活性領域で生成される光の色以外のある色を放射するＬＥＤベース光源を作製するために、蛍光体（phosphor）が活性領域で生成される光の軌道のすべて又は一部に配置される。本明細書で使用される“蛍光体”とは、ある波長の光を吸収し、異なる波長の光を放射する任意の発光性材料を意味する。例えば、白色光を生成するために、青色ＬＥＤは黄色光を生成する蛍光体で被覆されてもよい。ＬＥＤからの青色光は蛍光体からの黄色光と混合して、白色光を生成する。
【０００４】
蛍光体変換ＬＥＤを作製する１つの方法はサブマウントに取り付けた後ＬＥＤに蛍光体の適切な（conformal）被覆層を施すことである。適切な被覆をされた（conformally-coated）蛍光体変換ＬＥＤは出願番号０９／８７９，５４７（発明の名称“Phosphor-Converted Light Emitting Device”）により詳細に記載される（本願に引用して援用する）。蛍光体の適切な（conformal）被覆層が均一でない場合、蛍光体変換ＬＥＤによって生成される光の望ましくないムラが生じ得る。従来、ＬＥＤは平面半導体用に開発されたフォトマスキング方法を用いて適切な（conformally）被覆をされ、そのマスクはＬＥＤ及びサブマウントに堆積されたフォトレジストに印刷されるパターンの大きさ及び形状を定めるために使用される。印刷されたフォトレジスト層はどの領域が蛍光体で覆われるかを定める。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のマスキング技術のサブマウントに取り付けられたＬＥＤのような３次元構造への応用は、得られたイメージにおける対象物（artifacts）の反射迷光や被写界深度、及び不完全なアラインメント等の問題が多く、その両方はＬＥＤの不均一な被覆を生じ得る。例えば、３次元ＬＥＤ構造の表面から反射される光は、マスキングで使用されるフォトレジスト層の表面を含めて、対象物（artifacts）を露光する場合がある。また、被写界深度の問題はマスクによって生成されるイメージの寸法精度の歪み及び喪失の原因となる。さらに、すべてのＬＥＤが完全な形状を有し、ＬＥＤアレイの他のＬＥＤと完全に並べられているとは限らない。形状及びアラインメントの不完全度は不均一な被覆を生じ得る。マスクは製造環境において通常見られる方法及び対象物の変化を完全に補償できず、不完全度及び効率のロスの原因となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施態様に従って、フォトレジストマスクを発光素子に形成する方法が開示される。発光素子の一部はフォトレジストで被覆される。フォトレジストの一部は、発光素子とフォトレジストの界面に当たる発光素子内部からの光によって露光される。フォトレジストは現像され、露光されたフォトレジスト又は露光されないフォトレジストのいずれかを除去する。一の実施態様において、フォトレジストマスクは発光素子を被覆する蛍光体を形成するために使用される。発光素子はサブマウントに取り付けられ、発光素子及びサブマウントはフォトレジストで被覆される。フォトレジストの一部は発光素子とフォトレジストの界面に当たる発光素子内部からの光によって露光される。フォトレジストは現像されて、露光されたフォトレジストを除去する。蛍光体層は発光素子を覆うように堆積され、次いでフォトレジストの未露光部分が剥がされる。一部の実施態様では、フォトレジストを露光する光は発光素子に電気的バイアスをかけることによって、アパーチャを介して発光素子に光を当てることによって、又は向きを操作され、集束されたレーザーによって発光素子に光を当てることによって生成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施態様に従って、ＬＥＤからの光はフォトレジストを露光するために使用され、ＬＥＤと自己整合（self-aligned）するフォトレジストパターンを生じる。該方法は、通常のマスクの使用と関連した被写界深度、散乱、及びマスクアラインメントの問題、同様に不均一な大きさのＬＥＤから生じる問題を排除できる。
【０００８】
図１Ａ−１Ｆは自己整合（self-aligned）フォトレジストマスクを用いてＬＥＤに蛍光体を適切に（conformally）被覆する実施態様を示す。図１Ａはサブマウント１０に取り付けられたＬＥＤ１８を示す。ＬＥＤ１８は基板１６、ｎ型領域１５、活性領域１４、及びｐ型領域１３を含む。ｐ接触物１２はｐ型領域１３と接合される。ｎ接触物１１はｎ型領域１５と接合される。ＬＥＤ１８は、例えば接触物１１及び１２とサブマウント１０との間のハンダ（図示されない）によってサブマウント１０と接合される。ＬＥＤ１８をサブマウント１０と接合するその他の方法は、発明の名称が“III-Nitride Light-Emitting Device With Increased Light Generating Capability”である出願番号０９／４６９，６５７により詳細に記載される（本願に引用して援用する）。通常、基板１６は透過性であり、サブマウント１０は不透明である。
【０００９】
図１Ｂにおいて、ＬＥＤ１８及びサブマウント１０はフォトレジスト２０の層で被覆される。フォトレジスト層２０は、例えばフォトレジスト２０が電磁放射線に露光される場合、照射がフォトレジスト層２０の化学結合を切断し、現像液に溶けやすくすることを意味するポジのフォトレジストであってもよい。フォトレジスト２０の照射されない部分は現像液に溶解せず、従ってフォトレジスト２０が現像される場合、残される。フォトレジスト２０は、例えば加熱真空コーター、液体フィルムフォトレジスト、電気泳動堆積フォトレジスト、スクリーン印刷フォトレジスト、又は任意のその他の適したフォトレジストによって施されるドライフィルムフォトレジストであってもよい。一般的には、フォトレジスト２０はポジ作用フォトレジストである。
【００１０】
図１Ｃにおいて、フォトレジスト層２０ａはＬＥＤ１８からの光に露光される。フォトレジスト層２０ｂはＬＥＤ１８からの光に露光されない。図２及び３はフォトレジスト層２０ａを露光する２つの実施態様を示す。図２に示される実施態様において、ＬＥＤ１８には、光２４を生成するために電気的バイアスがかけられる。光２４はＬＥＤ１８の表面を覆ったフォトレジストによって内部反射され、その表面を覆うフォトレジストを露光できる。通常、接触物１１及び１２（図１Ａに示される）は高く反射し、ＬＥＤ１８内の光２４の散乱を助ける。内部反射された光２４は、ＬＥＤ１８を取り囲む制御された厚さのアニュラス（annulus）２０ｃを含むフォトレジストの自己整合（self-aligned）露光層を生成する。
【００１１】
図２のＬＥＤ１８には２つの方法で電気的バイアスがかけられる。第１に、電圧はサブマウント１０の底面２６の接触物（図示されない）にかけられる。サブマウント１０の底面２６の接触物は、ＬＥＤ１８の接触物１１及び１２（図１Ａに示される）と接合されるハンダバンプ２８と電気的に接合される。電圧はＬＥＤ１８の活性領域から光２４を放射させる。一の実施態様において、サブマウント１０はウエハ上の各サブマウントと接合されたＬＥＤを有するサブマウントのダイスカットされないウエハの部分である。一連のプローブはウエハ上のサブマウントの各並びと接合される。次いで、各プローブは、フォトレジスト２０を露光するのに必要な露光量フラックスの最小限必要なレベルがＬＥＤ１８において生成されるまで、一連の短い電圧パルスを提供する。第２に、ＬＥＤ１８はＲＦ励起によって電気的バイアスをかけられてもよい。サブマウント１０及びＬＥＤ１８がＲＦラジエータ又はアンテナと近接して配置される場合、ＬＥＤ１８はＲＦフィールドとの整流したカップリングによって光を生成できる。
【００１２】
図３に記載される実施態様において、ＬＥＤ１８は光２４を生成するために光ポンプされる。図３に示されるように、例えば暗視野ドットマスクのようなマスク３０はＬＥＤ１８を覆うように配置される。マスク３０はアパーチャ３５を含む。アパーチャ３５はＬＥＤ１８よりも遥かに小さく、ＬＥＤ１８を覆うアパーチャ３５の位置合わせを簡単にする。アパーチャ３５はＬＥＤ１８の中心に位置合わせする必要はない。アパーチャ３５は任意の形状であってもよい。光２４の平行ビームはマスク３０に適用される。使用される光源は、例えば３０°未満の発散を有する平行光を生成するフラッドライト、離れた光源と結合された光ファイバーケーブル、又はレーザー光源であってもよい。集束レーザー光源は使用でき、そのレーザーはサブマウントのダイスカットされないウエハに取り付けられた複数のＬＥＤを被覆するフォトレジストを露光するために向きを操作してもよい。光源は、最初にフォトレジストのアパーチャ３５の下の部分を露光する。アパーチャ３５及びフォトレジスト層を介して伝播される光２４はＬＥＤ１８に入り、光２４はＬＥＤ１８の表面を覆うフォトレジストによって反射され、その表面を覆うフォトレジストを露光する。一の実施態様において、フォトレジストはアパーチャ３５によって露光されるフォトレジスト層を除去するために現像される。次いで、光はアパーチャ３５及びフォトレジスト層のギャップを通って照射され、ＬＥＤ１８を被覆する残りのフォトレジストを露光するためにＬＥＤ１８の壁部によって反射される。こうして、ＬＥＤが光ポンプされる場合、２サイクルのフォトレジストの露光及び現像が要求される。あるいは、ＬＥＤはＩｎＧａＮ活性領域を有するIII族−窒化物素子であってもよく、平行光ビームはＬＥＤ１８の活性領域又は任意のその他の層からの浅いＵＶ放射を発生させるＵＶ光であってもよい。一の実施態様において、アパーチャ３５の直径は約１００μｍであってもよい。ＬＥＤ１８は（１０００μｍ）²の上部面積を有してもよい。フォトレジスト２０（図１Ｂ）は、光２４がフォトレジスト２０ａ及び２０ｂを通って透過されないようにするために高い吸収を有していてもよい。
【００１３】
図２及び３の両方に示される実施態様において、フォトレジスト２０を現像するのに必要な露光量（すなわち、露光時間及び露光強度）は使用するフォトレジストに依存する。高吸収性フォトレジストが使用される場合、露光時間は増加してもよい。また、フォトレジストを露光するために必要な光の波長も使用するフォトレジストに依存する。
【００１４】
ＬＥＤ１８からの光の露光後、露光されたフォトレジスト２０ａは標準的な液体現像液のようなフォトレジスト現像液の適用により除去される。露光されたフォトレジスト２０ａは現像液に溶けやすく、未露光フォトレジスト２０ｂは現像液に溶けない。使用される現像液はフォトレジスト２０の組成に依存する。現像後、図１Ｄに示される構造が残る。
【００１５】
次いで、蛍光体２２の層は、図１Ｅに示されるように、図１Ｄに示される構造の一部を覆うように堆積される。蛍光体２２は、例えばスクリーン印刷又は電気泳動堆積によって選択的に堆積されてもよく、その両方は、既に参考のために示した“Phosphor-Converted Light Emitting Device”により詳細に記載されている。蛍光体の堆積及び固着後、未露光フォトレジスト２０ｂは剥ぎ取られる。図１Ｆに示される構造が得られる。一の実施態様において、フォトレジスト２０は、さらにフォトレジスト２０ｂを固定し、一旦蛍光体２２が堆積されるとフォトレジスト２０ｂを剥ぎ取るのを難しくする“ハードベーク（hard-bake）”なしに、未露光フォトレジスト２０ｂが電気泳動堆積に対して効果的なマスクであるのに十分に低い導電性を有するように選択される。一の実施態様において、フォトレジスト２０は、ハードベーク温度が蛍光体被覆及び蛍光体被覆を固めるのに必要な任意の硬化工程の際にＬＥＤ１８及びサブマウント１０によって許容される最大温度未満であるように選択される。
【００１６】
一旦、サブマウントのウエハ上の各ＬＥＤ１８が蛍光体で被覆されると、サブマウントはプローブによってテストされてもよい。次いで、ウエハは個別にサブマウントにダイスカットされ、それぞれはＬＥＤと接合される。サブマウントは分類され、パッケージにダイ接合され、封入材料で封入される。精査し、ダイスカットし、分類し、ダイ接合し、封入する工程は発光素子をパッケージングする技術においてよく知られている。
【００１７】
本発明の実施態様に従って、自己露光（self-exposed）及び露光フォトレジストの自己整合（self-aligned）方法の使用は種々の利点を提供する。第１に、フォトレジストはＬＥＤ１８内部からの光によって自己露光（self-exposed）されるため、図３に示されるドットマスク３０以外のマスクは必要ないかもしれない。ドットマスク３０は、サブマウントウエハのサブマウント中心に取り付けられるＬＥＤの任意の大きさ又は形状に対して都合がよい簡単で安価なアラインメント治具であってもよい。このように、コスト的に高いマスクのサブマウントウエハとの正確な位置合わせは回避される。正確なマスクによるパターン形成の排除は、マスクパターンに関するＬＥＤ１８の大きさ、形状、配置、及び取り付け高さにおける変動によって生じる蛍光体の厚さの変動を低減する。第２に、フォトレジストパターンにおける被写界深度及び光散乱エラーは除去される。第３に、アニュラス（annulus）２０ｃの幅は光露光によって制御でき、アニュラス（annulus）の厚さにおける変動によって生じる最終的にパッケージされ、適切に（confrmally）被覆されたＬＥＤの光出力の変動を低減する。一の実施態様において、アニュラス（annulus）２０ｃはフォトレジスト被覆２０の厚さよりも厚くない幅を有する。一の実施態様において、アニュラス（annulus）２０ｃの幅は１００μｍ未満の幅である。
【００１８】
図４Ａ−４ＣはＬＥＤ上の自己整合（self aligned）フォトレジスト膜を生成する別の方法を示す。図４Ａにおいて、ＬＥＤ１８はサブマウント１０に取り付けられ、図１Ａに示される構造と同じ構造を生じる。次いで、その構造は図４Ｂに示されるように、フォトレジスト４０の層で被覆される。フォトレジスト４０は蛍光体、蛍光色素、又はその他の発光材料で満たされるネガフォトレジストであってもよい。図４Ｃにおいて、光は、添付する図２及び３の本明細書に記載される方法の１つによってＬＥＤ１８に導入される。光はフォトレジスト層４０の部分４０ａを露光する。部分４０ｂは未露光である。フォトレジスト４０はネガフォトレジストであるため、フォトレジスト４０ａ及び４０ｂが現像される場合、フォトレジストの部分４０ｂが除去され、部分４０ａが残る。結果として、図１Ｆに示される構造が得られる。
【００１９】
本発明の上記実施態様は単に具体例を示すことを意味し、本発明を限定するものではない。例えば、本発明はIII族−窒化物素子に限定されず、III族-リン化物又はその他の材料系から形成される素子を適用してもよい。このように、その広範な局面において、本発明から離れることなしに、種々の変更及び修正が行われてもよいことは、当業者にとっては明らかであろう。従って、特許請求の範囲は、本発明の真の意図及び範囲に含まれるそのようなすべての変更および修正を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】蛍光体を被覆する際の種々の段階でサブマウントに接合されるＬＥＤを示す。
【図１Ｂ】蛍光体を被覆する際の種々の段階でサブマウントに接合されるＬＥＤを示す。
【図１Ｃ】蛍光体を被覆する際の種々の段階でサブマウントに接合されるＬＥＤを示す。
【図１Ｄ】蛍光体を被覆する際の種々の段階でサブマウントに接合されるＬＥＤを示す。
【図１Ｅ】蛍光体を被覆する際の種々の段階でサブマウントに接合されるＬＥＤを示す。
【図１Ｆ】蛍光体を被覆する際の種々の段階でサブマウントに接合されるＬＥＤを示す。
【図２】自己露光フォトレジストの実施態様を示す。
【図３】自己露光フォトレジストの別の実施態様を示す。
【図４Ａ】ＬＥＤを被覆する蛍光体の別の実施態様を示す。
【図４Ｂ】ＬＥＤを被覆する蛍光体の別の実施態様を示す。
【図４Ｃ】ＬＥＤを被覆する蛍光体の別の実施態様を示す。

Claims

発光素子の少なくとも一部をフォトレジストで被覆し、
フォトレジストの一部を露光し、ここでフォトレジストの該部分は発光素子とフォトレジストの界面に当たっている発光素子の内部からの光によって露光されるものであり、及びフォトレジストを現像することを含み、ここで現像はフォトレジストの露光部分を除去することであり、
さらに、現像することによって残されるフォトレジストのギャップに光輝性材料を堆積することを含む方法。
さらに、発光素子に電気的バイアスをかけることによって発光素子の内部で光を生成することを含む請求項１に記載の方法。
バイアスをかけることが複数のバイアスパルスによって成される請求項２に記載の方法。
さらに、発光素子をＲＦ源付近に配置することによって発光素子の内部で光を生成することを含み、ここでＲＦ源は発光素子の活性領域から光を放射させる請求項１に記載の方法。
さらに、
アパーチャを発光素子の一部を覆うように配置し、
該アパーチャーを介して光を当てることによって発光素子の内部で光を生成することを含む請求項１に記載の方法。
アパーチャが発光素子の大きさよりも小さい請求項５に記載の方法。
アパーチャを介して光を当てることがアパーチャを介して実質的に平行な光線を当てることを含む請求項５に記載の方法。
さらに、集束レーザー光線による露光によって発光素子の内部で光を生成することを含む請求項１に記載の方法。
集束レーザー光線が、前記発光素子を被覆するフォトレジストの一部を露光し、２番目の発光素子を被覆するフォトレジストの一部を露光するために向きを操作される請求項８に記載の方法。
さらに、発光素子を発光素子の層から光を放射させる光源で露光することによって発光素子の内部で光を生成することを含む請求項１に記載の方法。
光源がＵＶ光源を含む請求項１０に記載の方法。
発光素子を蛍光体で被覆する方法であって、
発光素子をサブマウントに取り付け、
発光素子の少なくとも一部及びサブマウントの少なくとも一部をフォトレジストで被覆し、
発光素子とフォトレジストの界面に当たっている発光素子の内部からの光を生成し、ここで該光はフォトレジストの一部を露光するものであり、
フォトレジストを現像し、ここで該現像はフォトレジストの露光部分を除去するものであり、
発光素子を覆う蛍光体層を堆積し、及び
フォトレジストの未露光部分を取り除くことを含む前記方法。
発光素子がIII族−窒化物素子である、請求項１２に記載の方法。
光を生成することが発光素子に電気的バイアスをかけることを含む、請求項１２に記載の方法。
光を生成することが発光素子を覆うフォトレジストの一部及びサブマウントのフォトレジストのアニュラスを露光するのに十分な露光量を生成することを含む請求項１２に記載の方法。
光を生成することが、
アパーチャを発光素子の一部を覆うように配置し、
該アパーチャを介して光を当てることを含む、請求項１２に記載の方法。
アパーチャが１００μｍよりも小さい大きさを有する、請求項１３に記載の方法。
光を生成することが発光素子の活性領域から光を放射させる光源に発光素子をさらすことを含む、請求項１２に記載の方法。
蛍光体層を堆積することが電気泳動堆積によって蛍光体層を堆積することを含む、請求項１２に記載の方法。
フォトレジストが露光及び現像によって除去される領域に蛍光体層を堆積する請求項１２に記載の方法。