JP5592479B2 - パターンが形成された基板の製造方法 - Google Patents

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。最近には、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、結果的に発光効率は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示されている。

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を言及している。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多な熱放出のために、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の一実施形態は、酸化物ビードが分散された溶液を用意する段階；基板上にパターンを形成する段階；前記基板上にマイクロチャネルが形成されるように仮設構造物を前記基板の上方に設ける段階；前記酸化物ビードが分散された溶液を前記マイクロチャネルに注入して、前記基板上に前記酸化物ビードを固定させる段階；前記基板を熱処理する段階；を含む。

前記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の他の実施形態は、酸化物ビードが分散された溶液を用意する段階；基板上にパターンを形成する段階；前記パターンが形成された基板を前記酸化物ビードが分散された溶液に浸漬してから取り出す過程を少なくとも１回行って前記基板上に前記酸化物ビードを固定させる段階；前記基板を熱処理する段階；を含む。

前記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のさらに他の実施形態は、基板上にマイクロチャネルが形成されるように、仮設構造物を前記基板の上方に設ける段階；酸化物ビードとポリマービードとを混合してビード混合物を形成する段階；前記ビード混合物を前記マイクロチャネルに注入して、前記基板上に前記酸化物ビードと前記ポリマービードとを組立てる段階；前記仮設構造物を前記基板から分離する段階；前記ポリマービードを除去する段階；前記基板を熱処理する段階；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。 本発明による一実施形態であって、流体のメニスカス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。 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。 本発明の他の実施形態であって、流体のメニスカスを利用してパターンが形成された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一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一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一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一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一例を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態であって、犠牲ポリマービード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６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方法を示す断面図である。 図６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方法を示す断面図である。 図６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方法を示す断面図である。 図６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方法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、本発明による一実施形態であって、流体のメニスカス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３Ｅ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３Ｅを参照すれば、まず酸化物ビード７４０が分散された溶液７５０を用意する（Ｓ６１０）。酸化物ビード７４０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７４０は球形のものが望ましく、この時に酸化物ビード７４０の直径は０．１ないし１０μmのものを利用する。酸化物ビード７４０を分散させる溶媒としては、水が用いられる。

次いで、基板７１０上に、図３Ａに図示されたように、パターン７２０を形成する（Ｓ６２０）。基板７１０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。パターン７２０は、レジスト膜を基板７１０上に塗布した後、露光及び現像工程を通じるレジストパターンでよい。このようなパターン７２０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。そして基板７１０上に、図３Ｂに図示されたように、マイクロチャネル７２５が形成されるように仮設構造物７３０を設ける（Ｓ６３０）。仮設構造物７３０は、ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を利用できる。

次いで、酸化物ビード７４０が分散された溶液７５０とガス７６０とを、マイクロチャネル７２５に交互に注入する（Ｓ６４０）。図３Ｃに図示されたように、酸化物ビード７４０が分散された溶液７５０とガス７６０とを交互に注入すれば、基板７１０上に溶液７５０とガス７６０との界面で発生するメニスカスにより、酸化物ビード７４０がパターン７２０の間に組み立てられて基板７１０に固定される。基板７１０に酸化物ビード７４０が固定されれば、酸化物ビード７４０が分散された溶液７５０とガス７６０との注入を止め、仮設構造物７３０を除去する。この状態を図３Ｄに図示した。

そして基板７１０を熱処理して、酸化物ビード７７０を基板７１０に結合させる（Ｓ６５０）。基板７１０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７１０を熱処理すれば、基板７１０に形成されているパターン７２０は除去される。したがって、図３Ｅに示したように、酸化物ビード７７０が基板７１０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、本発明の他の実施形態であって、流体のメニスカスを利用してパターンが形成された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５Ｅ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一例を示す断面図である。

図４ないし図５Ｅを参照すれば、まず酸化物ビード９４０が分散された溶液９３０を用意する（Ｓ８１０）。酸化物ビード９４０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９４０は球形のものが望ましく、この時に酸化物ビード９４０の直径は０．１ないし１０μmのものを利用する。酸化物ビード９４０を分散させる溶媒としては、水が利用される。

次いで、基板９１０上に、図５Ａに図示されたように、パターン９２０を形成する（Ｓ８２０）。基板９１０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。パターン９２０は、レジスト膜を基板９１０上に塗布した後、露光及び現像工程を通じるレジストパターンでよい。かかるパターン９２０の密度、サイズなどは、電算模写を経て光出力が最大化する数値に調節できる。

次いで、図５Ｂ及び図５Ｃに図示されたように、パターン９２０が形成された基板９１０を酸化物ビード９４０が分散された溶液９３０に浸漬してから取り出す過程を１回以上行う（Ｓ８３０）。このようにパターン９２０が形成された基板９１０を酸化物ビード９４０が分散された溶液９３０に浸漬してから取り出せば、酸化物ビード９４０が分散された溶液９３０の表面で基板９１０と出合う部分で、酸化物ビード９４０が分散された溶液９３０と空気との境界面で発生するメニスカスにより、酸化物ビード９４０がパターン９２０の間に組み立てられて基板９１０に固定される。このような過程を反復すれば、パターン９２０の間に酸化物ビード９４０を固定させることができる。

図５Ｄに図示されたように、基板９１０に酸化物ビード９４０が固定されれば、基板９１０を酸化物ビード９４０が分散された溶液９５０から取り出す。

そして基板９１０を熱処理して、酸化物ビード９５０を基板９１０に結合させる（Ｓ８４０）。基板９１０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９１０を熱処理すれば、基板９１０に形成されているパターン９２０は除去される。したがって、図５Ｅに示したように、酸化物ビード９５０が基板９１０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、基板７１０、９１０上に形成されるパターン７２０、９２０は、感光物質による物理的凹凸の場合について図示して説明したが、これに限定されず、疎水性／親水性などの表面エネルギーパターンでよい。但し、Ｓ６４０段階またはＳ８３０段階で酸化物ビード７４０、９４０が親水性ならば、酸化物ビード７４０、９４０は親水性パターン上にのみ位置し、疎水性パターン上には位置しなくなる。逆に、Ｓ６４０段階またはＳ８３０段階で酸化物ビード７４０、９４０が疎水性ならば、酸化物ビード７４０、９４０は疎水性パターン上にのみ位置し、親水性パターン上には位置しなくなる。このような方法で酸化物ビード７４０、９４０を基板７１０、９１０上にパターニングでき、Ｓ６５０段階またはＳ８４０段階のように熱処理することで、酸化物ビードがパターニングされた基板を製造できる。

図６は、本発明のさらに他の実施形態であって、犠牲ポリマービード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７Ａないし図７Ｄは、図６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方法を示す断面図である。

図６ないし図７Ｄを参照すれば、まず基板１１１０上にマイクロチャネル１１３０が形成されるように、図７Ａに図示されたように仮設構造物１１２０を設ける（Ｓ１０１０）。基板１１１０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。仮設構造物１１２０は、ＰＤＭＳを利用できる。この時、マイクロチャネル１１３０は、後述するビード混合物１１４０、１１５０が一層に組み立てられるように形成することが望ましい。マイクロチャネル１１３０が、ビード混合物１１４０、１１５０が二層以上に組み立てられうるサイズに形成されれば、図１Ｂに図示されたような基板の製造が容易でなく、後述する段階でポリマービード１１４０の除去が困難になる。したがって、仮設構造物１１２０は、マイクロチャネル１１３０にビード混合物１１４０、１１５０が１層にのみ組み立てられるように、ビード混合物１１４０、１１５０のサイズより若干大きいサイズを持つように設けられることが望ましい。

次いで、酸化物ビード１１５０とポリマービード１１４０とを混合してビード混合物を形成する（Ｓ１０２０）。酸化物ビード９４０は、屈折率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９４０は球形のものが望ましく、この時に酸化物ビード９４０の直径は０．１ないし１０μmのものを利用する。

次いで、ビード混合物１１４０、１１５０をマイクロチャネル１１３０に注入する（Ｓ１０３０）。ビード混合物１１４０、１１５０が、図７Ｂに図示されたように、マイクロチャネル１１３０にランダムに組み立てられれば、仮設構造物１１２０を除去する。

次いで、ポリマービード１１４０を除去する（Ｓ１０４０）。仮設構造物１１２０が除去すると、プラズマ工程を通じてポリマービード１１４０を除去すれば、図７Ｃに図示されたように、基板１１１０には酸化物ビード１１５０のみ残る。ポリマービード１１４０を除去するために、塩素（Ｃｌ）を含むガスプラズマが利用される。

そして、基板１１１０を熱処理して、酸化物ビード１１６０を基板１１１０に結合させる（Ｓ１０５０）。基板１１１０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１１１０を熱処理すれば、図４Ｅに示したように、酸化物ビード１１６０が基板１１１０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６に図示された方法で基板を製造すれば、図２及び図４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 (15)

1. 酸化物ビードが分散された溶液を用意する段階と、
   基板上にパターンを形成する段階と、
   前記基板上にマイクロチャネルが形成されるように仮設構造物を前記基板の上方に設ける段階と、
   前記酸化物ビードが分散された溶液を前記マイクロチャネルに注入して、前記基板上に前記酸化物ビードを固定させる段階と、
   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. 基板上にマイクロチャネルが形成されるように、仮設構造物を前記基板の上方に設ける段階と、
   酸化物ビードとポリマービードとを混合してビード混合物を形成する段階と、
   前記ビード混合物を前記マイクロチャネルに注入して、前記基板上に前記酸化物ビードと前記ポリマービードとを組立てる段階と、
   前記仮設構造物を前記基板から分離する段階と、
   前記ポリマービードを除去する段階と、
   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又は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又は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又は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又は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又は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又は２に記載のパターンが形成された基板の製造方法。
9. 前記酸化物ビードが分散された溶液を前記マイクロチャネルに注入する段階は、
   前記酸化物ビードが分散された溶液とガスとを交互に注入する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。
10. 前記ポリマービードを除去する段階は、プラズマを利用することを特徴とする請求項２に記載のパターンが形成された基板の製造方法。
11. 前記仮設構造物は、ＰＤＭＳからなることを特徴とする請求項１又は２に記載のパターンが形成された基板の製造方法。
12. 前記パターンは、レジストによる物理的凹凸である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。
13. 前記パターンは、表面エネルギーパターンである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。
14. 前記表面エネルギーパターンは、疎水性または親水性パターンであることを特徴とする請求項１３に記載のパターンが形成された基板の製造方法。
15. 前記基板上にマイクロチャネルが形成されるように、仮設構造物を前記基板の上方に設ける段階は、
    前記酸化物ビードと前記ポリマービードとが一層に組み立てられるように、前記仮設構造物を設けることを特徴とする請求項２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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