JP6551691B2 - 表面粗化方法 - Google Patents

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Description

本発明は基板上の表面粗化方法に係わり、この方法は特にLED等の光取り出し層に適用することができる。
近年、LED技術が利用されている。そして、その発光効率の向上のための技術として光取り出し層の研究が行われている。
LED等の光取り出し層としては有機EL素子内部の発光層と基板の間に、光散乱層を設ける手法が提案されている(特許文献1参照)。光散乱層としては、透明な樹脂に、該樹脂とは屈折率の異なる微粒子が分散されたものが用いられる。発光部で発光した光は、光散乱層により散乱されて、様々な方向に進行方向を変える。多重散乱の結果、空気との界面において全反射角内の角度域に入射した光が取り出されうる。光散乱層においては、光の進行方向がランダムに変化するため、微粒子のサイズ分布は広く、微粒子の配列はランダムであり、また微粒子の体積分率は大きいことが好ましい。ここで微粒子のサイズ分布が狭いと、或いは微粒子の体積分率が小さいと、光散乱層の散乱能が低くなってしまう。しかし、微粒子のサイズ分布が広いと樹脂中で微粒子を理想的に配列させることが困難となり、また微粒子のサイズ分布が広い場合に体積分率を大きくしようとすると、光散乱層の平坦性が著しく低下し、それにより薄膜構造である発光部の平坦性が損なわれて、発光素子の信頼性が大きく低下する。
また、反射層と、前記反射層上に形成された、変動係数が10%以下の微粒子および前記微粒子と屈折率の異なるマトリックスを含む3次元回折層とを備え、前記微粒子の3次元回折層の体積に対する体積分率が50%以上であり、前記微粒子が配列して短距離周期性を有する第一の領域を形成し、さらにその第一の領域がランダムな向きで隣接して集合した第二の領域を形成していることを特徴とする、光取り出し層が開示されている(特許文献2参照)。
特開2006−107744 特開2009−216862
本発明は基板の表面を粗化する方法を提供することを課題とする。特に、本発明は基板上に無機物と有機物が混在する層を利用して、無機物と有機物の酸素ガスのエッチング速度差を利用して基板の表面に酸素ガスがエッチングされる部分とエッチングされない表面粗化層とを形成することができる方法、そして更にその表面粗化層をマスクとして酸素ガス又はフッ素系ガスのエッチングにより基板表面を粗化、例えば基板上に微細な凹凸を形成することができ、また、ガスエッチングに変えて酸性水溶液を用いる湿式エッチングによっても同様に表面を粗化することができる方法を提供することを課題とする。
本発明は第1観点として、基板上に又は基板より上方の層上に無機粒子(a1)と有機樹脂(a2)を含む組成物(a3)を塗布し乾燥と硬化を行って有機樹脂層(A)を形成する第1工程と、該基板の上方からエッチングを行って同基板の表面を粗化する第2工程とを含む表面粗化方法、
第2観点として、前記エッチングは少なくとも1回なされ、そのうち少なくとも1回のエッチングは酸素系ガスによるガスエッチングである第1観点に記載の表面粗化方法、
第3観点として、前記エッチングは酸性水溶液による湿式エッチングである第1観点に記載の表面粗化方法、
第4観点として、前記無機粒子(a1)は平均粒子径5〜1000nmの金属酸化物粒子である第1観点乃至第3観点のうちいずれか一つに記載の表面粗化方法、
第5観点として、前記組成物(a3)は、無機粒子(a1)としてシリカが有機溶剤に分散したシリカゾルと、有機樹脂(a2)の溶液とを含むものである第1観点に記載の表面粗化方法、
第6観点として、前記有機樹脂層(A)は、有機樹脂(a2)100質量部に対して無機粒子(a1)を5〜50質量部の割合で含有するものである第1観点乃至第5観点のうちいずれか一つに記載の表面粗化方法、
第7観点として、前記有機樹脂(a2)は、ヒドロキシ基、カルボキシル基、アミノ基、又はそれらの組み合わせからなる官能基を含む繰り返し単位構造を有してなるものである第1観点乃至第6観点のうちいずれか一つに記載の表面粗化方法、
第8観点として、エッチングが基板上に形成された(高さ)/(直径)で示される孔のアスペクト比で0.1〜20の範囲に形成するまで行われる第1観点乃至第7観点のうちいずれか一つに記載の表面粗化方法、
第9観点として、前記有機樹脂層(A)は0.001〜10μmの膜厚を有する層であ
る第1観点乃至第8観点のうちいずれか一つに記載の表面粗化方法、
第10観点として、第1工程が、基板上に又は基板より上方の層上に有機樹脂(b2)を含む組成物(b3)を塗布し乾燥と硬化を行って有機樹脂層(B)を形成し、更に有機樹脂層(B)の上に無機粒子(a1)と有機樹脂(a2)を含む組成物(a3)を塗布し乾燥と硬化を行って有機樹脂層(A)を形成する第1’工程である第観点乃至第9観点のうちいずれか一つに記載の表面粗化方法、
第11観点として、前記有機樹脂(b2)として有機樹脂(a2)から選択される樹脂を用いる第10観点に記載の表面粗化方法、
第12観点として、前記有機樹脂層(B)は0.001〜10μmの膜厚を有する層である第10観点又は第11観点に記載の表面粗化方法、
第13観点として、前記組成物(a3)及び/又は組成物(b3)は更に架橋剤及び架橋触媒を含有している第1観点乃至第12観点のうちいずれか一つに記載の表面粗化方法、並びに
第14観点として、形成される表面粗化層はLEDの光取り出し層である第1観点乃至第13観点のうちいずれか一つに記載の表面粗化方法、である。
本発明により、基板の表面を粗化する新規な方法が提供される。特に、本発明の方法は、基板上に無機物と有機物が混在する層を利用して、無機物と有機物の酸素ガスのエッチング速度差を利用することができるので、基板の表面に酸素ガスがエッチングされる部分とエッチングされない表面粗化層とを形成することができ、そして更にその表面粗化層をマスクとして酸素ガス又はフッ素系ガスのエッチングにより基板表面を粗化、例えば基板上に微細な凹凸を形成することができ、また、本発明の方法に従うと、ガスエッチングに変えて酸性水溶液を用いる湿式エッチングによっても同様に表面を粗化することができる。
実施例1で得られたSiO膜被覆ウェハー上の有機樹脂層(B)と有機樹脂層(A)の断面図(倍率は100,000倍である。)。 実施例1で得られたSiO膜被覆ウェハー上の有機樹脂層(B)と有機樹脂層(A)の断面図(倍率は100,000倍、チルト角は20度である。)。 実施例2で得られたSiO膜被覆ウェハー上の有機樹脂層(B)と有機樹脂層(A)の断面図(倍率は100,000倍である。)。 実施例4で得られたSiO膜被覆ウェハー上の有機樹脂層(B)と有機樹脂層(A)の断面図(倍率は100,000倍である。)。 実施例8で得られたSiO膜被覆ウェハー上の有機樹脂層(A)の断面図(倍率は100,000倍である。)。 比較例1で得られたSiO膜被覆ウェハー上の有機樹脂層(B)の断面図(倍率は100,000倍である。)。 実施例1で得られたSiO膜被覆ウェハー上のSiO膜を加工した断面図(倍率は100,000倍である。)。 実施例1で得られたSiO膜被覆ウェハー上のSiO膜を加工した断面図(倍率は100,000倍、チルト角は20度である。)。
有機ELディスプレイでは、ガラスや透明プラスチック等の基板上にITO電極、正孔注入層、正孔輸送層、発光層、電子輸送層、電子注入層、電極が形成される。
また、サファイア上にN型半導体、発光域、P型半導体、ITO電極、SiO層が形成される。
本発明ではこれらの光取り出し層として使われるガラスや透明プラスチックやSiO層などの表面を粗化、例えば微細な凹凸を形成することで光の反射を低減することが可能であり、それにより発光効率を向上させることができる。
従来法として光取り出し層に用いられる基板に無機粒子等を付着させる手法があるが密着性が問題となっていた。本発明はそれら手法とは異なり、基板表面を物理的なエッチングにより粗化、例えば凹凸等を形成させるものである。
本発明は粗化させる基板上に又は基板より上方の層上に無機粒子(a1)と有機樹脂(a2)を含む組成物(a3)を塗布し乾燥と硬化を行って有機樹脂層(A)を形成する第1工程と、それに続く該基板の上方からガスでエッチングを行って同基板の表面を粗化する第2工程とを含んでいる。有機樹脂層(A)に含まれる無機粒子(a1)と有機樹脂(a2)との酸素ガスのエッチング速度差を利用して、有機樹脂層(A)に凹凸を形成する。有機樹脂層(A)の凹凸はその後、更に続けられる酸素ガスのエッチング、又はその他のガス(フッ素系ガス、塩素系ガス)によって基板表面にエッチングされる部分とエッチングされない部分が生じ凹凸が形成される。
場合によっては形成された凹凸が更にエッチングされて基板の下方に向かってエッチング層が形成される。
乾燥と硬化は同時に行うことも、乾燥をした後に硬化を行うこともできる。
上記有機樹脂層(A)は酸素エッチングを行う上でマスクの機能を果たす。基板上に無機粒子を含まない有機樹脂層(B)を形成し、その上に無機粒子を含む有機樹脂層(A)を形成して、酸素ガスでエッチングすることにより、マスクとしての(A)層と(B)層の膜厚が厚くなり、その後の酸素系ガス又はその他のガスエッチング(例えばフッ素系ガス)によりエッチング差を生じやすくなるため高いアスペクト比を有する基板の粗化が可能になる。
また、ガスエッチングに変えて酸性水溶液を用いる湿式エッチングによっても上記と同様に粗化が可能になる。
上記粗化とは基板表面をエッチングにより荒らすものであり、基板表面に化学的や物理的な変化を生じさせる。その一例として基板表面に凹凸が形成される。
基板の粗化は無機粒子の平均粒子径や、有機樹脂層(A)に含まれる無機粒子の濃度(割合)によって変化し、必要とする基板上の粗化形状(凹凸形状)により決定される。
本発明ではエッチングが少なくとも1回なされ、そのうち少なくとも1回のエッチングは酸素系ガスによるガスエッチングで行われる。酸素系ガスはガス成分として酸素を含むエッチングガスであり、酸素によって有機樹脂層(A)やその下層に存在する有機樹脂層(B)中の有機樹脂(a2)や有機樹脂(b2)が垂直方向にエッチングされ、また有機樹脂層(A)中の無機粒子(a1)は酸素ガスに対してエッチング抵抗を示す。そして、有機樹脂層(A)や有機樹脂層(B)のエッチングが基板面に到達した段階で、引き続き酸素系ガスでエッチングを行う場合や、その他のガス(例えば、フッ素成分を含むガス)によって基板をエッチングすることができる。
また、本発明ではエッチングが酸性水溶液による湿式エッチングで行うことができる。酸性水溶液により有機樹脂層(A)やその下層に存在する有機樹脂層(B)中の有機樹脂(a2)や有機樹脂(b2)が垂直方向にエッチングされ、また有機樹脂層(A)中の無機粒子(a1)は酸性水溶液に対してエッチング抵抗を示す。そして、有機樹脂層(A)や有機樹脂層(B)のエッチングが基板面に到達した段階で、引き続き酸性水溶液で基板をエッチングすることができる。
湿式エッチングに用いられる酸性水溶液は、酸と水を含んでいて、必要により過酸化水素や水溶性有機溶剤を含有することができる。酸は硫酸、硝酸、塩酸が用いられる。水溶性有機溶剤はアルコール系やエーテル系やケトン系やエステル系である。例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、プロピレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノプロピルエーテルアセテート、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、2−ヒドロキシプロピオン酸エチル、2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオン酸エチル、エトシキ酢酸エチル、ヒドロキシ酢酸エチル、2−ヒドロキシ−3−メチルブタン酸メチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、3−メトキシプロピオン酸エチル、3−エトキシプロピオン酸メチル、3−エトキシプロピオン酸エチル、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル、乳酸ブチル等を用いることができる。これらの有機溶剤は単独で、または2種以上の組合せで使用される。
水と有機溶剤を合わせた全溶剤中での酸の濃度は0.01〜97質量%であり、全溶剤中での過酸化水素の濃度は0.01〜40質量%である。
本発明ではガスエッチングと湿式エッチングを両方組み合わせて行っても良い。
本発明に用いられる無機粒子(a1)は金属酸化物が用いられる。例えば酸化珪素(シリカ)、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム等が挙げられる。特に酸化珪素(シリカ)が好ましい。平均粒子径としては5〜1000nm、又は5〜200nm、又は10〜50nmの範囲で用いることができる。これらの無機粒子はコロイド状態で有機樹脂(a2)に添加することが好ましく、上記無機粒子(a1)の有機溶剤に分散したゾルを、有機樹脂(a2)又は有機樹脂(a2)の溶液に添加することで組成物(a3)が得られ、この組成物(a3)を基材に、又は予め有機樹脂層(B)が形成された基材に被覆される。
典型的には無機粒子(a1)としてシリカが有機溶剤に分散したシリカゾルと、有機樹脂(a2)の溶液とを混合して組成物(a3)が得られる。
組成物(a3)中及び、その組成物(a3)を塗布して得られる有機樹脂層(A)中には、有機樹脂(a2)100質量部に対して無機粒子(a1)を1〜100質量部の割合で含有して形成される。
有機樹脂(a2)としては繰り返し単位にヒドロキシ基、カルボキシル基、アミノ基、又はそれらの組み合わせを有する極性基を官能基として有することが好ましい。これら官能基は無機粒子との相容性や、基板への塗布性の点で好ましい。
上記官能基を含む樹脂としてはアクリル系樹脂、ノボラック系樹脂等が挙げられる。
アクリル系樹脂としては、ヒドロキシ基やカルボキシル基やアミノ基を有するモノマーの単独重合体や、それらとその他の樹脂との共重合体が挙げられる。モノマーとしては(メタ)アクリル酸や、(メタ)アクリル酸エステルや、ビニル化合物が挙げられる。
ヒドロキシル基やカルボキシル基やアミノ基を有するモノマーは、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリルアミド、ヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート、カルボキシアルキル(メタ)アクリレート、アミノアルキル(メタ)アクリレート、ヒドロキシスチレン、ヒドロキシビニルナフタレン、安息香酸ビニル等のモノマーの単独重合体や、その他の樹脂との共重合体が挙げられる。その他の樹脂としては上記官能基を含まないモノマーが挙げられ、例えば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート等のアルキル(メタ)アクリレート、フェニル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート、スチレン、t−ブチルスチレン、ビニルナフタレン等が挙げられる。
これらのアクリル系モノマーはラジカル重合やカチオン重合で上記のアクリル系樹脂が得られる。
ノボラック樹脂としては、フェノール性ヒドロキシ基含有化合物やアミノ基含有芳香族化合物と、アルデヒド化合物との反応で得られるノボラック樹脂や、フェノール性ヒドロキシ基含有化合物やアミノ基含有芳香族化合物と、ヒドロキシ基やカルボキシル基やアミノ基含有アルデヒド化合物との反応で得られるノボラック樹脂が挙げられる。フェノール性ヒドロキシ基を有する化合物としては、フェノール、クレゾール、サリチル酸、ナフトール等の1価フェノール、カテコール、レゾルシノール等の2価フェノール、ピロガロール、フロログリシノール等の3価フェノール、ビフェノール、ビスフェノールA、ビスフェノールS等の多核フェノールが挙げられる。
アミノ基含有芳香族化合物としては、ピロール、フェニルナフチルアミン、フェニルインドール、カルバゾール等が挙げられる。
アルデヒド類としては、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピルアルデヒド、ブチルアルデヒド、イソブチルアルデヒド、バレルアルデヒド、カプロンアルデヒド、2−メチルブチルアルデヒド、ヘキシルアルデヒド、ウンデカンアルデヒド、7−メトキシ−3,7−ジメチルオクチルアルデヒド、シクロヘキサンアルデヒド、3−メチル−2−ブチルアルデヒド、グリオキザール、マロンアルデヒド、スクシンアルデヒド、グルタルアルデヒド、アジピンアルデヒド等の飽和脂肪族アルデヒド類、アクロレイン、メタクロレイン等の不飽和脂肪族アルデヒド類、フルフラール、ピリジンアルデヒド等のヘテロ環式アルデヒド類、ベンズアルデヒド、ナフチルアルデヒド、アントリルアルデヒド、フェナントリルアルデヒド、サリチルアルデヒド、フェニルアセトアルデヒド、3−フェニルプロピオンアルデヒド、トリルアルデヒド、(N,N−ジメチルアミノ)ベンズアルデヒド、アセトキシベンズアルデヒド等の芳香族アルデヒド類等が挙げられる。中でもヒドロキシ基又はカルボキシル基含有アルデヒド化合物が好ましく、例えばヒドロキシベンズアルデヒド、カルボキシベンズアルデヒド、ヒドロキシナフトアルデヒド、カルボキシナフトアルデヒド、ヒドロキシピレンアルデヒド、カルボキシピレンアルデヒドが挙げられる。
フェノール性ヒドロキシ基含有化合物やアミノ基含有芳香族化合物とアルデヒド化合物は、フェニル基1当量に対して、アルデヒド類を0.1〜10当量の割合で用いることができる。上記縮合反応で用いられる酸触媒としては、例えば硫酸、リン酸、過塩素酸等の鉱酸類、p−トルエンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸一水和物等の有機スルホン酸類、蟻酸、シュウ酸等のカルボン酸類が使用される。酸触媒の使用量は、使用する酸類の種類によって種々選択される。通常、フェノール性ヒドロキシ基含有化合物やアミノ基含有芳香族化合物とアルデヒド化合物の合計の100質量部に対して、0.001〜10000質量部、好ましくは0.01〜1000質量部、より好ましくは0.1〜100質量部である。
上記の縮合反応は無溶剤でも行われるが、通常溶剤を用いて行われる。溶剤としては反応を阻害しないものであれば全て使用することができる。例えばテトラヒドロフラン、ジオキサン等の環状エーテル類が挙げられる。また、使用する酸触媒が例えば蟻酸のような液状のものであるならば溶剤としての役割を兼ねさせることもできる。
縮合時の反応温度は通常40℃〜200℃である。反応時間は反応温度によって種々選択されるが、通常30分〜50時間程度である。
本発明に用いられる有機樹脂(a2)、更に以下に述べられる有機樹脂(b2)は以下に例示することができる。
本発明に用いられる組成物(a3)は上記有機樹脂(a2)と無機粒子(a1)と溶剤を含む。必要に応じて界面活性剤等の添加剤を含むことができる。
この組成物の固形分は0.1〜70質量%、または0.1〜60質量%である。固形分は組成物(a3)から溶剤を除いた全成分の含有割合である。固形分中に有機樹脂(a2)を1〜99.9質量%、または20〜99.9質量%の割合で含有することができる。
本発明に用いられる有機樹脂(a2)は、重量平均分子量が600〜1000000、又は600〜200000である。
また、本発明の表面粗化方法は、基板上に有機樹脂(b2)を含む組成物(b3)を塗布し乾燥と硬化を行って有機樹脂層(B)を形成し、更に有機樹脂層(B)の上に無機粒子(a1)と有機樹脂(a2)を含む組成物(a3)を塗布し乾燥と硬化を行って有機樹脂層(A)を形成する第1工程(この工程を特に第1’工程という)と、基板の上方からエッチング(ガスエッチング又は湿式エッチング)を行って同基板の表面を粗化する第2工程とを含むものでもある。
有機樹脂層(B)の有機樹脂(b2)は、上記有機樹脂層(A)の有機樹脂(a2)と同様の範囲の樹脂から選択することができる。更に有機樹脂(b2)と有機樹脂(a2)は同じ樹脂を用いることができる。
本発明に用いられる組成物(b3)は上記有機樹脂(b2)と溶剤を含む。必要に応じて界面活性剤等の添加剤を含むことができる。この組成物の固形分は0.1〜70質量%、または0.1〜60質量%である。固形分は組成物(b3)から溶剤を除いた全成分の含有割合である。固形分中に有機樹脂(b2)を1〜100質量%、または1〜99.9質量%、または50〜99.9質量%の割合で含有することができる。
本発明に用いられる有機樹脂(b2)は、重量平均分子量が600〜1000000、又は600〜200000である。
有機樹脂層(B)は組成物(b3)を基板上に塗布し乾燥と硬化を行って得られるが、有機樹脂層(B)の上層に有機樹脂層(A)が上塗りされるため、インターミキシング(層混合)を防ぐために、組成物(b3)は更に架橋剤及び架橋触媒を含有することができる。
また、必要により有機樹脂層(A)も、組成物(a3)に架橋剤及び架橋触媒を含有することができる。
組成物(a3)や組成物(b3)に用いられる架橋剤としては、メラミン系、置換尿素系、またはそれらのポリマー系等が挙げられる。好ましくは、少なくとも2個の架橋形成置換基を有する架橋剤であり、メトキシメチル化グリコールウリル、ブトキシメチル化グリコールウリル、メトキシメチル化メラミン、ブトキシメチル化メラミン、メトキシメチル化ベンゾグワナミン、ブトキシメチル化ベンゾグワナミン、メトキシメチル化尿素、ブトキシメチル化尿素、またはメトキシメチル化チオ尿素等の化合物である。また、これらの化合物の縮合体も使用することができる。架橋剤の添加量は、使用する塗布溶剤、使用する下地基板、要求される溶液粘度、要求される膜形状などにより変動するが、全固形分に対して0.001〜80質量%、好ましくは0.01〜50質量%、さらに好ましくは0.05〜40質量%である。
本発明では上記架橋反応を促進するための触媒としては、p−トルエンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ピリジニウムp−トルエンスルホン酸、サリチル酸、スルホサリチル酸、クエン酸、安息香酸、ヒドロキシ安息香酸、ナフタレンカルボン酸等の酸性化合物又は/及び2,4,4,6−テトラブロモシクロヘキサジエノン、ベンゾイントシレート、2−ニトロベンジルトシレート、その他有機スルホン酸アルキルエステル等の熱酸発生剤を配合する事が出来る。配合量は全固形分に対して、0.0001〜20質量%、好ましくは0.0005〜10質量%、さらに好ましくは0.01〜3質量%である。
本発明で組成物(a3)や組成物(b3)に用いられる界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンセチルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル等のポリオキシエチレンアルキルエーテル類、ポリオキシエチレンオクチルフェノールエーテル、ポリオキシエチレンノニルフェノールエーテル等のポリオキシエチレンアルキルアリルエーテル類、ポリオキシエチレン・ポリオキシプロピレンブロックコポリマー類、ソルビタンモノラウレート、ソルビタンモノパルミテート、ソルビタンモノステアレート、ソルビタンモノオレエート、ソルビタントリオレエート、ソルビタントリステアレート等のソルビタン脂肪酸エステル類、ポリオキシエチレンソルビタンモノラウレート、ポリオキシエチレンソルビタンモノパルミテート、ポリオキシエチレンソルビタンモノステアレート、ポリオキシエチレンソルビタントリオレエート、ポリオキシエチレンソルビタントリステアレート等のポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル類等のノニオン系界面活性剤、エフトップEF301、EF303、EF352((株)トーケムプロダクツ製、商品名)、メガファックF171、F173、R40(大日本インキ(株)製、商品名)、フロラードFC430、FC431(住友スリーエム(株)製、商品名)、アサヒガードAG710、サーフロンS382、SC101、SC102、SC103、SC104、SC105、SC106(旭硝子(株)製、商品名)等のフッ素系界面活性剤、オルガノシロキサンポリマーKP341(信越化学工業(株)製)等を挙げることができる。これらの界面活性剤の配合量は、本発明のリソグラフィー用レジスト下層膜材料の全固形分に対して通常2.0質量%以下、好ましくは1.0質量%以下である。これらの界面活性剤は単独で添加してもよいし、また2種以上の組合せで添加することもできる。
本発明で組成物(a3)や組成物(b3)に用いられる溶剤としては、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノプロピルエーテルアセテート、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、2−ヒドロキシプロピオン酸エチル、2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオン酸エチル、エトシキ酢酸エチル、ヒドロキシ酢酸エチル、2−ヒドロキシ−3−メチルブタン酸メチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、3−メトキシプロピオン酸エチル、3−エトキシプロピオン酸メチル、3−エトキシプロピオン酸エチル、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル、乳酸ブチル等を用いることができる。これらの有機溶剤は単独で、または2種以上の組合せで使用される。
さらに、プロピレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテルアセテート等の高沸点溶剤を混合して使用することができる。これらの溶剤の中でプロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、乳酸エチル、乳酸ブチル、及びシクロヘキサノン等がレベリング性の向上に対して好ましい。
次に本発明の表面粗化方法について説明すると、基板や基材の表面にスピナー、コーター等の適当な塗布方法により組成物(b3)や組成物(a3)を塗布後、ベークして硬化させ有機樹脂層(A)や有機樹脂層(B)を作成する。
本発明では有機樹脂層(A)が0.001〜10μm、又は0.005〜3.0μmの膜厚を有していて、有機樹脂層(B)が0.001〜10μm、又は0.005〜3.0μmの膜厚を有する。
また塗布後ベーキングする条件としては80〜400℃で0.5〜120分間である。
基板上に有機樹脂層(B)を形成しその上に有機樹脂層(A)を形成するか、又は有機樹脂層(B)を形成せずに有機樹脂層(A)を形成し、上記条件で硬化させた後、基板の上方からガスでエッチングを行って同基板の表面を粗化する。このエッチングガスは最初に酸素系ガスによるエッチングが行われることが好ましく、これにより無機粒子(a1)が存在しない部分が垂直方向に削り取られる。エッチングが基板面に到達した段階で、引き続き酸素系ガスでエッチングすることも可能であるが、その他のガス(例えばフッ素系ガス)でエッチングすることができ、それにより基板に凹凸を形成し粗面化することができる。
上記基板は基板自体や基板上にSiO等を被覆した被覆基板も含み、基板や被覆基板の表面を粗化することができる。
酸素系ガスとしては、酸素、酸素と窒素の混合ガス、酸素とアルゴンの混合ガス等が挙げられる。
その他のガスとしてフッ素系ガスや塩素系ガスが挙げられる。CF、C、C、CHF、CH等のフッ素含有ガスが挙げられる。また、Cl等の塩素系ガスを用いることもできる。
また、本発明にあっては、基板上に有機樹脂層(B)を形成しその上に有機樹脂層(A)を形成するか、又は有機樹脂層(B)を形成せずに基板上に有機樹脂層(A)を形成し、上記条件で硬化させた後、基板の上方から上記酸性水溶液でエッチングを行って同基板の表面を粗化する。この湿式エッチングにより無機粒子(a1)が存在しない部分が垂直方向に削り取られる。エッチングが基板面に到達した段階で、引き続き酸性水溶液でエッチングすることも可能であり、それにより基板に凹凸を形成し粗面化することができる。
上記基板は基板自体や基板上にSiO等を被覆した被覆基板も含み、基板や被覆基板の表面を粗化することができる。
ガス又は酸性水溶液によるエッチングが基板上に形成された(高さ)/(直径)で示される孔のアスペクト比で0.1〜20、又は0.1〜10の範囲に形成するまで行われるが、通常はエッチング時間としては1秒〜1時間である。
さらにこのようにして得られた粗化表面をマスクとして下層に存在する基材を加工することができる。下層基材の加工にはガスによるドライエッチングもしくは湿式エッチングを用いることができる。
ドライエッチング用のガスとしてフッ素系ガスや塩素系ガスが挙げられる。CF、C 、C、CHF、CH等のフッ素含有ガスが挙げられる。また、Cl 等の塩素系ガスを用いることもできる。その他のガスとして、アルゴン、窒素、水素、酸素などが挙げられる。
基板としては例えばシリコン、酸化シリコン、ガラス、サファイアなどが挙げられる。
<合成例1>
100mlフラスコにフロログルシノール(東京化成工業(株)製)12.0g、4−ヒドロキシベンズアルデヒド(東京化成工業(株)製)7.3g、メタンスルホン酸(東京化成工業(株)製)0.59g、プロピレングリコールモノメチルエーテル 46.5gを入れた。その後加熱還流下で約3時間還流撹拌した。反応終了後、イオン交換処理を行い、茶褐色のフロログルシノール樹脂溶液を得た。得られたポリマーは式(1−1)に相当した。GPCによりポリスチレン換算で測定される重量平均分子量Mwは680、多分散度Mw/Mnは1.3であった。
<合成例2>
300mlフラスコにフロログルシノール(東京化成工業(株)製)25.0g、テレフタルアルデヒド酸(東京化成工業(株)製)25.4g、プロピレングリコールモノメチルエーテル 151.1gを入れた。その後加熱還流下で約2時間還流撹拌した。反応終了後、イオン交換処理を行い、茶褐色のフロログルシノール樹脂溶液を得た。得られたポリマーは式(1−2)に相当した。GPCによりポリスチレン換算で測定される重量平均分子量Mwは2,400、多分散度Mw/Mnは1.6であった。
<合成例3>
スチレン7.0g(東京化成工業(株)製)、ヒドロキシエチルメタクリレート8.7g(東京化成工業(株)製)、2,2’−アゾビスイソブチロニトリル0.79g、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート38.6gを溶解させた後、この溶液を加熱し、85℃で約20時間撹拌した。得られたポリマーは上記式(1−3)に相当した。GPCによりポリスチレン換算で測定される重量平均分子量Mwは9,700であった。
<合成例4>
100mlナスフラスコにカルバゾール(東京化成工業(株)製)8.0g、1−ナフトアルデヒド(東京化成工業(株)製)28.0g、p−トルエンスルホン酸一水和物(東京化成工業(株)製)3.6g、トルエン(関東化学(株)製)143.8gを入れた。その後フラスコ内を窒素置換した後加熱し、約27時間還流撹拌した。反応終了後、テトラヒドロフラン(関東化学(株)製)90.5gで希釈した。希釈液をメタノール2000mlへ滴下し、再沈殿させた。得られた沈殿物を吸引ろ過し、ろ物をメタノールで洗浄後、85℃で一晩減圧乾燥しノボラック樹脂を37.9g得た。得られたポリマーは式(1−4)に相当した。GPCによりポリスチレン換算で測定される重量平均分子量Mwは、3,800であった。
<組成物(a3)に相当する表面粗化材調製例1>
合成例1で得た樹脂0.66gを、オルガノシリカゾル(日産化学工業(株)製〔商品名〕PGM−ST、分散媒はプロピレングリコールモノメチルエーテル、シリカ濃度は30質量%、平均粒子径10〜15nm)0.37g、テトラメトキシメチルグリコールウリル0.13g、プロピレングリコールモノメチルエーテル26.2g、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート2.6g、に添加し溶液とした。その後、孔径0.2μmのポリエチレン製ミクロフィルターを用いてろ過し、組成物(a3−1)の溶液を調製した。
<組成物(a3)に相当する表面粗化材調製例2>
合成例2で得た樹脂0.64gを、オルガノシリカゾル(日産化学工業(株)製〔商品名〕PGM−ST、分散媒はプロピレングリコールモノメチルエーテル、シリカ濃度は30質量%、平均粒子径10〜15nm)0.43g、テトラメトキシメチルグリコールウリル0.13g、プロピレングリコールモノメチルエーテル20.4g、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート8.4g、に添加し溶液とした。その後、孔径0.2μmのポリエチレン製ミクロフィルターを用いてろ過し、組成物(a3−2)の溶液を調製した。
<組成物(a3)に相当する表面粗化材調製例3>
合成例3で得た樹脂0.64gを、オルガノシリカゾル溶液(日産化学工業(株)製〔商品名〕PGM−ST、分散媒はプロピレングリコールモノメチルエーテル、シリカ濃度は30質量%、平均粒子径10〜15nm)0.43g、テトラメトキシメチルグリコールウリル0.13g、プロピレングリコールモノメチルエーテル23.3g、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート5.5g、に添加し溶液とした。その後、孔径0.2μmのポリエチレン製ミクロフィルターを用いてろ過し、組成物(a3−3)の溶液を調製した。
<組成物(a3)に相当する表面粗化材調製例4>
合成例1で得た樹脂0.65gを、オルガノシリカゾル溶液(日産化学工業(株)製〔商品名〕IPA−ST、分散媒はイソプロパノール、シリカ濃度は30質量%、平均粒子径10〜15nm)0.38g、テトラメトキシメチルグリコールウリル0.13g、プロピレングリコールモノメチルエーテル28.8gに添加し溶液とした。その後、孔径0.2μmのポリエチレン製ミクロフィルターを用いてろ過し、組成物(a3−4)の溶液を調製した。
<組成物(a3)に相当する表面粗化材調製例5>
合成例1で得た樹脂0.65gを、オルガノシリカゾル溶液(日産化学工業(株)製〔商品名〕MIBK−ST、分散媒はメチルイソブチルケトン、シリカ濃度は30質量%、平均粒子径10〜15nm)0.38g、テトラメトキシメチルグリコールウリル0.13g、プロピレングリコールモノメチルエーテル28.8gに添加し溶液とした。その後、孔径0.2μmのポリエチレン製ミクロフィルターを用いてろ過し、組成物(a3−5)の溶液を調製した。
<組成物(a3)に相当する表面粗化材調製例6>
合成例1で得た樹脂0.65gを、オルガノシリカゾル溶液(日産化学工業(株)製〔商品名〕IPA−ST−L、分散媒はイソプロパノール、シリカ濃度は30質量%、平均粒子径40〜50nm)0.38g、テトラメトキシメチルグリコールウリル0.13g、プロピレングリコールモノメチルエーテル28.8gに添加し溶液とした。その後、孔径0.2μmのポリエチレン製ミクロフィルターを用いてろ過し、組成物(a3−6)の溶液を調製した。
<組成物(a3)に相当する表面粗化材調製例7>
合成例1で得た樹脂0.65gを、オルガノシリカゾル溶液(日産化学工業(株)製〔商品名〕MIBK−ST−L、分散媒はメチルイソブチルケトン、シリカ濃度は30質量%、平均粒子径40〜50nm)0.65g、テトラメトキシメチルグリコールウリル0.13g、プロピレングリコールモノメチルエーテル28.8g、に添加し溶液とした。その後、孔径0.2μmのポリエチレン製ミクロフィルターを用いてろ過し、組成物(a3−7)の溶液を調製した。
<組成物(b3)に相当する有機ハードマスク材調製例1>
合成例4で得た樹脂2gに、テトラメトキシメチルグリコールウリル0.3g、ピリジニウム−p−トルエンスルホナート0.03g、界面活性剤(DIC(株)製、品名:メガファック〔商品名〕R−40、成分はフッ素系界面活性剤)0.002g、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート6.8g、プロピレングリコールモノメチルエーテル15.8gに溶解させ溶液とした。その後、孔径0.2μmのポリエチレン製ミクロフィルターを用いてろ過し、組成物(b3−1)の溶液を調製した。
<実施例1>
有機ハードマスク材調製例1で得られた組成物(b3−1)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し150nmの有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)を形成した。得られた有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)上に表面粗化材調製例1で得られた組成物(a3−1)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し有機樹脂層(A)(表面粗化層)を形成した。
<実施例2>
有機ハードマスク材調製例1で得られた組成物(b3−1)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し150nmの有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)を形成した。得られた有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)上に表面粗化材調製例2で得られた組成物(a3−2)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し有機樹脂層(A)(表面粗化層)を形成した。
<実施例3>
有機ハードマスク材調製例1で得られた組成物(b3−1)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し150nmの有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)を形成した。得られた有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)上に表面粗化材調製例3で得られた組成物(a3−3)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し有機樹脂層(A)(表面粗化層)を形成した。
<実施例4>
有機ハードマスク材調製例1で得られた組成物(b3−1)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し150nmの有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)を形成した。得られた有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)上に表面粗化材調製例4で得られた組成物(a3−4)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し有機樹脂層(A)(表面粗化層)を形成した。
<実施例5>
有機ハードマスク材調製例1で得られた組成物(b3−1)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し150nmの有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)を形成した。得られた有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)上に表面粗化材調製例5で得られた組成物(a3−5)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し有機樹脂層(A)(表面粗化層)を形成した。
<実施例6>
有機ハードマスク材調製例1で得られた組成物(b3−1)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し150nmの有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)を形成した。得られた有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)上に表面粗化材調製例6で得られた組成物(a3−6)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し有機樹脂層(A)(表面粗化層)を形成した。
<実施例7>
有機ハードマスク材調製例1で得られた組成物(b3−1)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し150nmの有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)を形成した。得られた有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)上に表面粗化材調製例7で得られた組成物(a3−7)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し有機樹脂層(A)(表面粗化層)を形成した。
<実施例8>
表面粗化材調製例1で得られた組成物(a3−1)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し有機樹脂層(A)(表面粗化層)を形成した。
<比較例1>
有機ハードマスク材調製例1で得られた組成物(b3−1)の溶液をスピンコーターにて基板に塗布し、240℃1分間焼成し有機樹脂層(B)(有機ハードマスク層)を形成した。
[表面粗化評価]
実施例1〜8から得られた表面粗化層が形成されたウェハーをRIE−10NR(サムコ(株)製)にて用いてエッチングを行なった。エッチングガスとしてOガスを使用して実施例1〜7では90秒間エッチングし、実施例8と比較例1では60秒間エッチングすることで、表面粗化層の有機成分のみを優先的にエッチングした。実施例1〜7では有機ハードマスク層をエッチングすることで表面粗化層を形成した。
得られた有機樹脂層(A)又は有機樹脂層(A)と有機樹脂層(B)による表面粗化層について走査型電子顕微鏡(Hitachi S−4800)を用いて形状を観察した(図1〜図5を参照)。
同様に有機樹脂層(B)のみによる表面粗化の形状を観察した(図6)。
[下地TEOS加工評価]
実施例1から得られた有機樹脂層(A)と有機樹脂層(B)による表面粗化層が形成されたウェハーをRIE−10NR(サムコ(株)製)にて用いてエッチングを行なった。エッチングガスとしてOガスを使用して90秒間エッチングすることで、表面粗化層の有機成分のみを優先的にエッチングし、さらに有機ハードマスク層をエッチングすることで表面粗化層を形成した。続いて表面粗化層を、エッチングガスとしてC/Ar/Oガスを使用して180秒間エッチングすることで下層のTEOS(テトラエトキシシランの加水分解縮合物によるSiO被膜)の加工を行った。
得られた基板について走査型電子顕微鏡(Hitachi S−4800)を用いて形状を観察した(図7〜図8を参照)。
本発明により、基板の表面を粗化する新規な方法が提供される。特に、本発明の方法は、基板上に無機物と有機物が混在する層を利用することができるので、無機物と有機物の酸素ガス又は酸性水溶液のエッチング速度差を利用して基板の表面に酸素ガス又は酸性水溶液によりエッチングされる部分とエッチングされない表面粗化層とを形成することができ、そして更にその表面粗化層をマスクとして酸素ガス又はフッ素系ガス等のガスや、酸性水溶液のエッチングにより基板表面を粗化、例えば基板上に微細な凹凸を形成することができる。また、これらの性質を利用してLED等の光取り出し層に適用することができる。

Claims (13)

  1. 基板上に又は基板より上方の層上に無機粒子(a1)と有機樹脂(a2)を含む組成物(a3)を塗布し乾燥と硬化を行って有機樹脂層(A)を形成する第1工程と、該基板の上方からエッチングを行って同基板の表面を粗化する第2工程とを含む表面粗化方法であって、
    前記有機樹脂層(A)は、有機樹脂(a2)100質量部に対して無機粒子(a1)を5〜50質量部の割合で含有するものである、表面粗化方法
  2. 前記エッチングは少なくとも1回なされ、そのうち少なくとも1回のエッチングは酸素系ガスによるガスエッチングである請求項1に記載の表面粗化方法。
  3. 前記エッチングは酸性水溶液による湿式エッチングである請求項1に記載の表面粗化方法。
  4. 前記無機粒子(a1)は平均粒子径5〜1000nmの金属酸化物粒子である請求項1乃至請求項3のうちいずれか1項に記載の表面粗化方法。
  5. 前記組成物(a3)は、無機粒子(a1)としてシリカが有機溶剤に分散したシリカゾルと、有機樹脂(a2)の溶液とを含むものである請求項1に記載の表面粗化方法。
  6. 前記有機樹脂(a2)は、ヒドロキシ基、カルボキシル基、アミノ基、又はそれらの組み合わせからなる官能基を含む繰り返し単位構造を有してなるものである請求項1乃至請求項のうちいずれか1項に記載の表面粗化方法。
  7. エッチングが基板上に形成された(高さ)/(直径)で示される孔のアスペクト比で0.1〜20の範囲に形成するまで行われる請求項1乃至請求項のうちいずれか1項に記載の表面粗化方法。
  8. 前記有機樹脂層(A)は0.001〜10μmの膜厚を有する層である請求項1乃至請求項のうちいずれか1項に記載の表面粗化方法。
  9. 第1工程が、基板上に又は基板より上方の層上に有機樹脂(b2)を含む組成物(b3)を塗布し乾燥と硬化を行って有機樹脂層(B)を形成し、更に有機樹脂層(B)の上に無機粒子(a1)と有機樹脂(a2)を含む組成物(a3)を塗布し乾燥と硬化を行って有機樹脂層(A)を形成する第1’工程である請求項乃至請求項のうちいずれか1項に記載の表面粗化方法。
  10. 前記有機樹脂(b2)として有機樹脂(a2)から選択される樹脂を用いる請求項に記載の表面粗化方法。
  11. 前記有機樹脂層(B)は0.001〜10μmの膜厚を有する層である請求項又は請求項10に記載の表面粗化方法。
  12. 前記組成物(a3)及び/又は組成物(b3)は更に架橋剤及び架橋触媒を含有している請求項1乃至請求項11のうちいずれか1項に記載の表面粗化方法。
  13. 形成される表面粗化層はLEDの光取り出し層である請求項1乃至請求項12のうちいずれか1項に記載の表面粗化方法。
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