JP4635507B2 - 発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、製造装置コストが安価で、モールドの材料が限定されない発光素子の製造方法に関する。

ナノインプリント・リソグラフィーは、微細凹凸構造を形成したモールド（成形型）を、基板に塗布した樹脂に押し付けることで、樹脂にモールドの微細凹凸構造を転写するものであって、モールドを作製するだけで良く、従来のリソグラフィーのように、光源、レンジ、マスクセット、電子銃などが不要であるため、低コストかつ量産性の高いリソグラフィー技術として注目されている。

また、電子ビーム・リソグラフィー法を用いてモールドを作製すれば、フォトリソグラフィーよりも微細で、テーパなどの三次元の任意形状パターンも形成可能である。

ナノインプリント・リソグラフィー技術には、流体圧力を利用したものが提案されているが（特許文献１参照）、一般的には、熱インプリント式と光インプリント式とがある。

熱インプリント式は、モールドを熱可塑性樹脂に押し付ける前に、モールドと基板とを高温加熱して熱可塑性樹脂を軟化させるとともに、押し付け後に冷却して熱可塑性樹脂を硬化させ、モールドを離型する方式である。

光インプリント式は、モールドを光硬化性樹脂に押し付けた後に紫外線を照射して光硬化性樹脂を硬化させ、モールドを離型する方法である。
特表２００４−５０４７１８号公報

しかしながら、熱インプリント式では、加熱・冷却システムが必要であるので、製造装置コストが高くなるという問題があり、光インプリント式では、紫外光は、モールドを透過させて光硬化性樹脂に当てる必要があるため、モールドは、石英のような紫外光を透過させる材料に限定されるとともに、紫外線照射システムが必要であるので、製造装置コストが高くなるという問題がある。

本発明は、前記問題を解消するためになされたもので、高価な加熱・冷却システムや紫外線照射システムが不要であるとともに、モールドの材料が限定されない発光素子の製造方法を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するために、発明に係る第１の発光素子の製造方法は、一面に半導体層を形成した透明基板の他面に、熱エネルギーによって、軟化または硬化する転写層を設ける工程と、微細凹凸構造を形成したモールドを前記転写層に押し付ける工程と、前記半導体層を発光させて、この光に起因する熱エネルギーによって、前記転写層を軟化または硬化させて、この転写層に前記モールドの微細凹凸構造を転写する工程と、前記モールドを前記転写層から離型する工程とを含み、かつ、前記モールドの少なくとも基板側に、前記半導体層の光を吸収して発熱する発熱材料を備え、この発熱材料の熱エネルギーによって、前記転写層を軟化または硬化する工程を含むことを特徴とする。

発明に係る第２の発光素子の製造方法は、一面に半導体層を形成した透明基板の他面に、光エネルギーによって、軟化または硬化する転写層を設ける工程と、微細凹凸構造を形成したモールドを前記転写層に押し付ける工程と、前記半導体層を発光させて、この光に起因する光エネルギーによって、前記転写層を軟化または硬化させて、この転写層に前記モールドの微細凹凸構造を転写する工程と、前記モールドを前記転写層から離型する工程とを含み、かつ、前記転写層は、前記半導体層の光を透過するとともに、波長が変換された光を吸収して軟化または硬化する性状を有し、前記モールドの少なくとも基板側に、前記半導体層の光の波長を変換する波長変換層を備え、この波長変換層で波長が変換された光エネルギーの吸収によって、前記転写層を軟化または硬化する工程を含むことを特徴とする。

発明に係る第３の発光素子の製造方法は、一面に半導体層を形成した透明基板の他面に、熱若しくは光エネルギーによって、軟化または硬化する転写層を設ける工程と、微細凹凸構造を形成したモールドを前記転写層に押し付ける工程と、前記半導体層を発光させて、この光に起因する熱若しくは光エネルギーによって、前記転写層を軟化または硬化させて、この転写層に前記モールドの微細凹凸構造を転写する工程と、前記モールドを前記転写層から離型する工程とを含み、かつ、実装機のハンドルに前記モールドを設けて、このハンドルで前記透明基板をハンドリングして、実装用基板に実装し、この実装時に、前記モールドを前記透明基板の転写層に押し付けて微細凹凸構造を転写する工程を行うことを特徴とする。

前記発光素子の製造方法において、前記転写層の微細凹凸構造をエッチング処理して、前記透明基板に前記転写層の微細凹凸構造を転写する工程を含むことができる。

本発明に係る第１，２の発光素子の製造方法は、発光素子の発光を利用して、透明基板の転写層に微細凹凸構造を形成できるから、従来の熱インプリント式のような加熱・冷却システムや光インプリント式のような紫外線照射システムが不要になるので、製造装置コストが安価になる。また、モールドには、微細加工が困難なガラスなどの透過材料を使用する必要がなく、シリコンや金属などの微細加工が容易な材料を使用できるようになる。さらに、透明基板の転写層に微細凹凸構造を形成することで、効果的に全反射ロスが低減でき、発光素子の光取り出し効率が向上するようになる。さらにまた、転写層が半導体層の光を透過するため、発光素子の機能に悪影響を及ぼさなくなる。
本発明に係る第３の発光素子の製造方法は、第１，２の発光素子の製造方法の効果に加えて、実装時に、転写層に微細凹凸構造を転写する工程を行うことができるとともに、ハンドリングしてから押し付けるため、モールドと透明基板との位置精度が高くなる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、第１実施形態の発光素子１の製造工程図である。

図１（ａ）に示すように、透明基板〔例えば、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板〕２の一面（図では下面）に、半導体層〔例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）層…Ｎ型ＧａＮ＋Ｐ型ＧａＮ〕３を形成してなる発光素子１を設ける。かかる発光素子１の構造自体は公知である。

図１（以下で説明する図２〜４および図６，７も同じ。）では、製造工程で用いる発光素子１は、簡略のため発光素子１のチップを２つ、ウエハ上に製造したものを例示しているが、ウエハ上に更に多数の発光素子のチップを設けたものを使用してもよい。

前記各発光素子１の半導体層３には電極３ａ，３ｂを設けて、この電極３ａ，３ｂに通電することにより、半導体層３が発光（例えば、波長３５０ｎｍ）するようになる。

図１（ａ）の第１工程では、前記透明基板２の他面（図では上面）に、発光素子１の光によって硬化する転写層（光硬化性樹脂）５Ａを設ける。この転写層５Ａは、透明基板２の他面の全面に設ける他、一部に設けることもできる。

前記転写層５Ａの光硬化性樹脂は、スピンコータ等で約１μｍの厚みに塗布する。光硬化性樹脂としては、例えば帝人精機製ＴＳＲ−８２０を用いることが好ましい。この光硬化性樹脂は、粘度が２２５ｃｐｓと低く、硬化後の体積収縮率が５．８％と小さいのが特徴であり、波長３００〜４００ｎｍの光を照射することで硬化する。

前記透明基板２の転写層５Ａの側に微細凹凸構造６ａを形成したモールド６を配置する。このモールド６は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板に、ウエットエッチングで四角錐形状の凹部を約３．５μｍピッチで縦横に形成して、微細凹凸構造６ａとしたものである。この微細凹凸構造６ａとしては、四角錐形状の他に、三角や六角などの多角錐や多角柱形状、半球形状等の凹部若しくは凸部であっても良い。

図１（ｂ）の第２工程では、前記モールド６を例えば１２ＭＰａの圧力で転写層５Ａに押し付ける。このとき、光硬化性樹脂は、液体（軟化）状態であるから、モールド６の微細凹凸構造６ａに転写層５Ａの光硬化性樹脂が入り込むようになる。

図１（ｃ）の第３工程では、前記モールド６を転写層５Ａに押し付けた状態で、電源供給用兼プレス用治具７の電極７ａ，７ｂに半導体層３の電極３ａ，３ｂを押し付けることにより、電極３ａ，３ｂに通電して前記半導体層３を例えば約２分間発光させると（矢印ａ参照）、この光に起因する光エネルギーによって転写層５Ａが硬化する。

図１（ｄ）の第４工程では、前記モールド６を転写層５Ａから離型すると、転写層５Ａにモールド６の微細凹凸構造６ａの形状が転写されて、転写層５Ａに微細凹凸構造５ａが形成された状態となる。

図１（ｅ）の第５工程では、微細凹凸構造５ａが形成された転写層５Ａをレジストマスクとして用いて、ＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）を行うと、転写層５Ａが除去されて、透明基板２の他面（図では上面）に、転写層５Ａに形成された微細凹凸構造５ａの形状が転写されて、透明基板２に微細凹凸構造２ａが形成された状態となる。

図１（ｆ）の第６工程では、ウェハーから個々の発光素子１のチップに切断して（矢印ｂ参照）、実装工程に供給する。

第１実施形態の発光素子１の製造方法では、発光素子１の発光を利用して、透明基板２の転写層５Ａに微細凹凸構造５ａを形成できるから、従来の熱インプリント式のような加熱・冷却システムや光インプリント式のような紫外線照射システムが不要になるので、製造装置コストが安価になる。

また、モールド６には、微細加工が困難なガラスなどの透過材料を使用する必要がなく、シリコンや金属などの微細加工が容易な材料を使用できるようになる。

さらに、透明基板２の転写層５Ａに微細凹凸構造５ａを形成することで、効果的に全反射ロスが低減でき、発光素子１の光取り出し効率が向上するようになる。

特に、第１実施形態では、図１（ｅ）の第５工程で、ＲＩＥによって透明基板２に微細凹凸構造２ａを形成するから、光硬化性樹脂からなる転写層５Ａを透明基板２から除去できるので、発光素子１の光取り出し効率がより向上するようになる。

図２は、第２実施形態の発光素子１の製造工程図である。

図２（ａ）の第１工程では、前記透明基板２の他面（図では上面）に、半導体層３の光を透過する転写層（熱可塑性樹脂）５Ｂを設ける。

前記モールド６の微細凹凸構造６ａの表面（透明基板２の側）には、転写層５Ｂを透過した半導体層３の光を吸収して発熱するカーボンコーティング（発熱材料）６ｂを施している。なお、モールド６全体を発熱材料で形成しても良い。

図２（ｂ）の第２工程では、前記モールド６を転写層５Ｂに押し付ける。このとき、転写層５Ｂの熱可塑性樹脂は、硬化状態であるから、モールド６の微細凹凸構造６ａが転写層５Ｂの表面に乗った状態である。

図２（ｃ）の第３工程では、前記モールド６を転写層５Ｂに押し付けた状態で、電源供給用兼プレス用治具７の電極７ａ，７ｂに半導体層３の電極３ａ，３ｂを押し付けることにより、電極３ａ，３ｂに通電して前記半導体層３を発光させると（矢印ａ参照）、この光（波長３５０ｎｍ）は、転写層５Ｂを透過して、モールド６の微細凹凸構造６ａのカーボンコーティング６ｂに吸収されて発熱する。

これにより、転写層５Ｂは、モールド６との接触部を介してガラス転移温度以上まで加熱されて軟化し、モールド６を転写層５Ｂに押し付けることと相俟って、モールド６の微細凹凸構造６ａに転写層５Ｂの軟化した熱可塑性樹脂が入り込むようになる。

図２（ｄ）の第４工程では、前記モールド６を転写層５Ｂに押し付けた状態で、モールド６、転写層５Ｂなどを自然放熱によってガラス転移温度以下まで冷却すると、転写層５Ｂが硬化する。

図２（ｅ）の第５工程では、前記モールド６を転写層５Ｂから離型すると、転写層５Ｂにモールド６の微細凹凸構造６ａの形状が転写されて、転写層５Ｂに微細凹凸構造５ａが形成された状態となる。

図２（ｆ）の第６工程では、ウェハーから個々の発光素子１のチップに切断して（矢印ｂ参照）、実装工程に供給する。

第２実施形態の発光素子１の製造方法では、転写層５Ｂが半導体層３の光を透過するため、発光素子１の機能に悪影響を及ぼさなくなる。

図３は、第３実施形態の発光素子１の製造工程図であり、第２実施形態と相違するのは、転写層５Ｃとして、熱硬化性樹脂を用いた点である。

図３（ａ）の第１工程では、前記透明基板２の他面（図では上面）に、発光素子１の光を透過する転写層（熱硬化性樹脂）５Ｃを設ける。

図３（ｂ）の第２工程では、前記モールド６を転写層５Ｃに押し付ける。このとき、熱硬化性樹脂は、液体（軟化）状態であるから、モールド６の微細凹凸構造６ａに転写層５Ｃの熱硬化性樹脂が入り込むようになる。

図３（ｃ）の第３工程では、前記モールド６を転写層５Ｃに押し付けた状態で、電源供給用兼プレス用治具７の電極７ａ，７ｂに半導体層３の電極３ａ，３ｂを押し付けることにより、電極３ａ，３ｂに通電して前記半導体層３を発光させると（矢印ａ参照）、この光（波長３５０ｎｍ）は、転写層５Ｃを透過して、モールド６の微細凹凸構造６ａのカーボンコーティングに吸収されて発熱すると、この光に起因する熱エネルギーによって、モールド６との接触部を介して転写層５Ｃが硬化する。その後、半導体層３の発光を停止し、自然放熱によって転写層５Ｃをガラス転移温度以下まで冷却する。

図３（ｄ）の第４工程では、前記モールド６を転写層５Ｃから離型すると、転写層５Ｃにモールド６の微細凹凸構造６ａの形状が転写されて、転写層５Ｃに微細凹凸構造５ａが形成された状態となる。

図３（ｅ）の第５工程では、ウェハーから個々の発光素子１のチップに切断して（矢印ｂ参照）、実装工程に供給する。

第３実施形態の発光素子１の製造方法では、転写層５Ｃが半導体層３の光を透過するため、発光素子１の機能に悪影響を及ぼさなくなる。また、転写層５Ｃとして、熱硬化性樹脂を用いることができるので、耐熱性が高くなる。

図４は、第４実施形態の発光素子１の製造工程図であり、第３実施形態と相違するのは、前記モールド６の微細凹凸構造６ａの表面（透明基板２の側）には、前記半導体層３の青色光（波長３５０μｍ）を吸収して赤色光を発光するように、光の波長を変換する蛍光体（波長変換層）を配合した樹脂６ｃをスピンコートでコーティングして施している点と、転写層５Ｄの熱硬化性樹脂として、発光素子１の青色光は透過するが、赤色光を吸収して発熱する添加材を添加した熱硬化性樹脂を用いる点である。

図４（ａ）の第１工程では、前記透明基板２の他面（図では上面）に、発光素子１の青色光は透過するが、赤色光を吸収して発熱する転写層（熱硬化性樹脂）５Ｄを設ける。

図４（ｂ）の第２工程では、前記モールド６を転写層５Ｄに押し付ける。このとき、熱硬化性樹脂は、液体（軟化）状態であるから、モールド６の微細凹凸構造６ａに転写層５Ｄの熱硬化性樹脂が入り込むようになる。

図４（ｃ）の第３工程では、前記モールド６を転写層５Ｄに押し付けた状態で、電源供給用兼プレス用治具７の電極７ａ，７ｂに半導体層３の電極３ａ，３ｂを押し付けることにより、電極３ａ，３ｂに通電して前記半導体層３を発光させると（矢印ａ参照）、半導体層３から照射された波長３５０ｎｍの青色光は、転写層５Ｄを透過して、モールド６の微細凹凸構造６ａの表面の蛍光体に吸収されて、赤色光を発光する。転写層５Ｄの熱硬化性樹脂は、赤色光を吸収する添加材を添加しているため、赤色光を吸収して発熱し、この光に起因する熱エネルギーによって、転写層５Ｄが硬化する。その後、半導体層３の発光を停止し、自然放熱によって転写層５Ｄをガラス転移温度以下まで冷却する。

図４（ｄ）の第４工程では、前記モールド６を転写層５Ｄから離型すると、転写層５Ｄにモールド６の微細凹凸構造６ａの形状が転写されて、転写層５Ｄに微細凹凸構造５ａが形成された状態となる。

図４（ｅ）の第５工程では、ウェハーから個々の発光素子１のチップに切断して（矢印ｂ参照）、実装工程に供給する。

第４実施形態の発光素子１の製造方法では、転写層５Ｄが半導体層３の光を透過するため、発光素子１の機能に悪影響を及ぼさなくなる。また、転写層５Ｄとして、熱硬化性材料を用いることができ、耐熱性が高くなる。

第１〜第４実施形態において、電源供給用兼プレス用治具７を設けて、この治具７の電極７ａ，７ｂに半導体層３の電極３ａ，３ｂを押し付けることにより、モールド６を透明基板２の転写層５Ａ〜５Ｄに押し付ける際の固定と、半導体層３の通電とを同時に行うことができる。

図５は、第５実施形態の発光素子１の製造工程図である。

図５（ａ）の第１工程では、前記透明基板２の他面（図では上面）に、半導体層３の光によって硬化する転写層（光硬化性樹脂）５Ａを設ける。なお、発光素子１はチップを用いる。

図５（ｂ）の第２工程では、前記モールド６を設けた実装機のハンドル８で前記転写層５Ａとともに透明基板２をハンドリングする。

図５（ｃ）の第３工程では、発光素子１を実装用基板９にフリップチップ実装する場合、この実装時に、半導体層３の電極３ａ，３ｂを実装用基板９の電極９ａ，９ｂに押し付けると同時に、前記モールド６を前記透明基板２の転写層５Ａに押し付ける。

この状態で、電極３ａ，３ｂに通電して前記半導体層３を発光させると（矢印ａ参照）、この光に起因する光エネルギーによって転写層５Ａが硬化する。

図５（ｄ）の第４工程では、前記ハンドル８とともにモールド６を転写層５Ａから離型すると、転写層５Ａにモールド６の微細凹凸構造６ａの形状が転写されて、転写層５Ａに微細凹凸構造５ａが形成された状態となる。

第５実施形態の発光素子１の製造方法では、実装時に、転写層５Ａに微細凹凸構造５ａを転写する工程を行うことができるとともに、ハンドリングしてから押し付けるため、モールド６と透明基板２との位置精度が高くなる。

図６および図７は、第６実施形態の発光素子１の製造工程図である。

図６（ａ）の第１工程では、樹脂受け容器１０内に、微細凹凸構造６ａが上向きで前記モールド６をセットして、このモールド６の微細凹凸構造６ａに前記転写層５Ａとなる光硬化性樹脂を注入する。

図６（ｂ）の第２工程では、電源供給用兼透明基板固定用治具１１により、透明基板２の他面（図では下面）を下向きにした状態で、透明基板２をハンドリングする。

図６（ｃ）の第３工程では、前記透明基板２の他面を前記モールド６の微細凹凸構造６ａの転写層５Ａに押し付ける。

図６（ｄ）の第４工程では、前記電源供給用兼透明基板固定用治具１１の電極１１ａ，１１ｂに半導体層３の電極３ａ，３ｂを押し付けて、電極３ａ，３ｂに通電して前記半導体層３を発光させると（矢印ａ参照）、この光に起因する光エネルギーによって転写層５Ａが硬化する。

図７（ａ）の第５工程では、前記電源供給用兼透明基板固定用治具１１とともに転写層５Ａをモールド６から離型すると、転写層５Ａにモールド６の微細凹凸構造６ａの形状が転写されて、転写層５Ａに微細凹凸構造５ａが形成された状態となる。

図７（ｂ）の第６工程では、前記電源供給用兼透明基板固定用治具１１とともに透明基板２と転写層５Ａとを１８０度で反転させて転写層５Ａを上向きとする。

図７（ｃ）の第７工程では、透明基板２から前記電源供給用兼透明基板固定用治具１１を取り外す。

図７（ｄ）の第８工程では、ウェハーから個々の発光素子１のチップに切断して（矢印ｂ参照）、実装工程に供給する。

第６実施形態の発光素子１の製造方法では、モールド６の微細凹凸構造６ａの上に転写層５Ａとなる光硬化性樹脂を注入するから、低粘度の樹脂を注入できるので、転写性が良好になるとともに、透明基板２をモールド６の転写層５Ａに自重で押し付けることができるので、押し付け装置が不要になる。

前記各実施形態において、転写層５Ａとして光硬化性樹脂を用いる場合には、第１実施形態における第５工程〔図１（ｅ）参照〕を行って、透明基板２に微細凹凸構造２ａが形成された状態とすることが好ましいが、転写層５Ｂとして熱可塑性樹脂を用い、あるいは転写層５Ｃ，５Ｄとして熱硬化性樹脂を用いる場合でも、同様にして、透明基板２に微細凹凸構造２ａが形成された状態とすることが可能である。

第１実施形態の発光素子の製造工程図である。 第２実施形態の発光素子の製造工程図である。 第３実施形態の発光素子の製造工程図である。 第４実施形態の発光素子の製造工程図である。 第５実施形態の発光素子の製造工程図である。 第６実施形態の発光素子の製造工程（前半）図である。 第６実施形態の発光素子の製造工程（後半）図である。

符号の説明

１ 発光素子
２ 透明基板
２ａ 微細凹凸構造
３ 半導体層
３ａ，３ｂ 電極
５Ａ 転写層（光硬化性樹脂）
５Ｂ 転写層（熱可塑性性樹脂）
５Ｃ 転写層（熱硬化性樹脂）
５Ｄ 転写層（熱硬化性樹脂）
５ａ 微細凹凸構造
６ モールド
６ａ 微細凹凸構造
７ 電源供給用兼プレス用治具
７ａ，７ｂ 電極
８ 実装機のハンドル
９ 実装用基板
９ａ，９ｂ 電極
１０ 樹脂受け容器
１１ 電源供給用兼透明基板固定用治具
１１ａ，１１ｂ 電極

Claims (4)

1. 一面に半導体層を形成した透明基板の他面に、熱エネルギーによって、軟化または硬化する転写層を設ける工程と、
   微細凹凸構造を形成したモールドを前記転写層に押し付ける工程と、
   前記半導体層を発光させて、この光に起因する熱エネルギーによって、前記転写層を軟化または硬化させて、この転写層に前記モールドの微細凹凸構造を転写する工程と、
   前記モールドを前記転写層から離型する工程とを含み、
   かつ、前記モールドの少なくとも基板側に、前記半導体層の光を吸収して発熱する発熱材料を備え、この発熱材料の熱エネルギーによって、前記転写層を軟化または硬化する工程を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
2. 一面に半導体層を形成した透明基板の他面に、光エネルギーによって、軟化または硬化する転写層を設ける工程と、
   微細凹凸構造を形成したモールドを前記転写層に押し付ける工程と、
   前記半導体層を発光させて、この光に起因する光エネルギーによって、前記転写層を軟化または硬化させて、この転写層に前記モールドの微細凹凸構造を転写する工程と、
   前記モールドを前記転写層から離型する工程とを含み、
   かつ、前記転写層は、前記半導体層の光を透過するとともに、波長が変換された光を吸収して軟化または硬化する性状を有し、前記モールドの少なくとも基板側に、前記半導体層の光の波長を変換する波長変換層を備え、この波長変換層で波長が変換された光エネルギーの吸収によって、前記転写層を軟化または硬化する工程を含むことを特徴とする発光素子の製造方法。
3. 一面に半導体層を形成した透明基板の他面に、熱若しくは光エネルギーによって、軟化または硬化する転写層を設ける工程と、
   微細凹凸構造を形成したモールドを前記転写層に押し付ける工程と、
   前記半導体層を発光させて、この光に起因する熱若しくは光エネルギーによって、前記転写層を軟化または硬化させて、この転写層に前記モールドの微細凹凸構造を転写する工程と、
   前記モールドを前記転写層から離型する工程とを含み、
   かつ、実装機のハンドルに前記モールドを設けて、このハンドルで前記透明基板をハンドリングして、実装用基板に実装し、この実装時に、前記モールドを前記透明基板の転写層に押し付けて微細凹凸構造を転写する工程を行うことを特徴とする発光素子の製造方法。
4. 前記転写層の微細凹凸構造をエッチング処理して、前記透明基板に前記転写層の微細凹凸構造を転写する工程を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光素子の製造方法。

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