KR101260343B1 - 2광속 간섭 노광장치, 2광속 간섭 노광방법, 반도체발광소자의 제조방법, 및 반도체 발광소자 - Google Patents

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Abstract

Ar 레이저의 2배 고조파, 또는 Nd 도프 YAG 레이저의 4배 고조파를 광원으로 하고, 에탈론과 반파장판에 의한 매우 균일하며 코히런스가 높은 레이저 빔을 생성할 수 있는 2광속 간섭 노광장치를 실현한다. 또, 상기 2광속 간섭노광에 의해 포토레지스트 마스크에 주기 패턴의 노광을 행하고, 포토레지스트 마스크의 현상을 행하고, 레지스트 패턴을 마스크로 해서 반도체층 에칭용 마스크의 패턴형성을 행하고, 레지스트 제거후, 광인출면을 에칭하는 공정에 의해 매우 저비용으로 에너지 변환 효율이 높은 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.
2광속 간섭 노광장치, 반도체 발광소자

Description

2광속 간섭 노광장치, 2광속 간섭 노광방법, 반도체 발광소자의 제조방법, 및 반도체 발광소자{TWO-LIGHT FLUX INTERFERENCE EXPOSURE DEVICE, TWO-LIGHT FLUX INTERFERENCE EXPOSURE METHOD, SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT MANUFACTURING METHOD, AND SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT}
본 발명은, 2광속 간섭 노광장치, 2광속 간섭 노광방법, 반도체 발광소자의 제조방법, 및 반도체 발광소자에 관한 것이다.
화합물 반도체 pn접합에 의한 반도체 발광소자로서, 발광 다이오드가 널리 실용화되어, 주로 광전송, 표시나 특수 조명 용도에 이용되고 있다. 최근, 질화물반도체와 형광체를 사용한 백색 발광 다이오드도 실용화되어, 금후는 일반 조명 용도에의 전개가 크게 기대되고 있다. 그러나, 특히 백색 발광 다이오드에 있어서는 에너지 변환 효율이 기존의 형광등과 비교해서 불충분하기 때문에, 이들 일반 조명 용도에 대해서는 대폭적인 효율개선이 필요하다. 발광 다이오드의 에너지 변환 효율이 낮은 최대의 원인은, 반도체 자신의 발광 효율이 낮기 때문이 아니고, 발광 다이오드로부터 외부로의 광인출 효율이 낮은 것이다. 반도체는 일반적으로 굴절율이 2.5∼4정도로 높기 때문에, 발광층의 내부에서 생긴 광은 외부로 취출될 때에, 광인출면에 있어서 20∼30%정도의 프레넬 반사와 방사각의 굴절이 생긴다. 방사각 의 굴절에 의해, 소정 경계각을 넘으면 전반사가 생기고, 모든 광은 소자 내부에 갇힌다. 갇힌 광은 소자 내부에서 반사를 반복하면서 반도체층이나 전극 등에 의해 흡수되어서 감쇠되고, 열로 변화된다. 일반적인 발광 다이오드에서는, 광인출 효율은 20%정도이며, 80%의 광이 소자내부에서 소실되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 반도체 표면에 요철가공한 구조가 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌1, 참조.). 광을 취출하는 측의 반도체 표면에 이러한 요철구조를 형성하면, 광산란의 효과에 의해 전반사는 소실되고, 넓은 방사각에 걸쳐 50%정도의 투과율을 얻을 수 있다. 이면 전극의 반사율을 100%라고 가정하면, 광인출 효율은 50% 부근까지 향상된다. 또한 본원 발명자는, 이 요철구조의 주기를 발광 다이오드의 광학파장 정도까지 작게 하면, 광인출 효율은 또한 70-80%까지 향상될 수 있는 것을 확인했다. 요철구조의 주기를 발광 다이오드의 광학파장 정도까지 작게 함으로써, 동 요철구조에 있어서의 광의 파동성이 현재화되기 때문에, 회절의 효과에 의해 투과율이 향상되기 때문이다. 또, 이 주기적인 요철구조의 형태에 의해 포토닉 결정이나 모스아이(motheye) 구조로 명칭이 다르지만, 광인출 효율 향상의 원리는 같다.
특허문헌1:일본 특허공개 2003-86835호 공보
그러나, 포토닉 결정이나 모스아이 구조에 이용되는 파장 오더의 주기구조를 제작하는 것은 용이하지 않고, 제작 비용도 높다는 과제가 있었다. 예를 들면 질화물에 의한 청색 발광 다이오드의 경우, 발광 파장을 460nm로 하고 질화물 결정의 굴절율을 2.5로 하면, 광학파장이 184nm로 되고, 요철구조의 볼록부의 폭을 약 90nm정도로 하지 않으면 안된다. 현재의 ArF 엑시머 레이저를 이용한 최선단의 포토리소그래피 기술에 의해서도 제작이 곤란하게 되는 사이즈이다. 또한 이러한 매우 고가의 제조장치를 발광 다이오드에 사용하는 것은 비용적으로 불가능하고, 기판 구경이 작은 화합물 반도체용의 장치는 존재하지 않는다. 또한 현재의 포토닉 결정이나 모스아이 구조의 제작에 사용되고 있는 전자선 리소그래피는 매우 양산성이 낮아 저비용의 발광 다이오드에는 사용할 수 없다.
본 발명은, 상기의 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 용이하고, 또한, 저비용이며 고에너지 효율의 반도체 발광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 청구항1에 따른 발명에서는, 레이저 공진기내에 있어서, 레이저 광원과 SHG 소자와 에탈론이 구비된다. 레이저 광원은 외부로부터 에너지를 받아 레이저광을 발생시킨다. SHG 소자는 상기 레이저 광원에서 출력된 레이저광을 상기 레이저 공진기내에 있어서 고조파로 변환한다. 즉, 상기 레이저 광원에서 출력된 레이저광이 단파장이 되도록 변환한다. 또, SHG(Second-Harmonic Generation) 소자는 레이저광이 입사됨으로써 입사된 광의 배수의 주파수의 광을 발생시키는 광학결정에 의해 구성된다.
에탈론은 상기 레이저 공진기내에 있어서 협대역 파장 필터로서 기능하고, 특정 파장의 레이저광만을 추출한다. 에탈론(etalon)은, 예를 들면 일정 간격을 두고 평행하게 마주 본 2개의 평면 유리로 형성할 수 있고, 이 경우, 동 평면 유리의 간격에 따른 파장의 레이저광만을 투과시킬 수 있다. 이상의 구성에 의해, 상기 레이저 공진기내에 있어서 공진하는 레이저광의 파장을 엄밀하게 단파장화할 수 있다. 이것에 의해, 2광속 간섭에 적합한 코히런스(coherence)가 양호한 레이저광을 상기 레이저 공진기의 외부로 출력할 수 있다. 따라서, 상기 레이저 광원으로부터 노광 타겟까지의 광로를 길게 해도, 2광속 간섭을 발생시킬 수 있다. 또한 2광속 간섭 노광에 있어서 생기는 간섭줄무늬의 주기는 레이저광의 파장에 의존하므로, SHG 소자에 의해 레이저광을 고조파화해 둠으로써, 미세한 간섭줄무늬를 형성할 수 있다.
빔 스플리터는, 상기 레이저 공진기의 외부로 출력된 레이저광을 2광속으로 분할한다. 간섭 광학계는 상기 빔 스플리터에 의해 분할된 2광속을 노광 타겟 상에서 집광시키면서, 적당한 각도로 2광속을 간섭시킴으로써 상기 노광 타겟 상에서 간섭줄무늬를 생기게 할 수 있다. 이상과 같이 해서 생성된 간섭줄무늬를 상기 노광 타겟 상의 포토레지스트에 작용시킴으로써, 동 간섭줄무늬와 같은 패턴형상으로 포토레지스트를 감광시킬 수 있어, 반도체 발광소자에 미세 패턴을 용이하게 형성시킬 수 있다.
또한 반도체 발광소자에 있어서 매우 미세한 패턴을 형성하기 위한 바람직한 레이저 광원의 일례로서, 청구항2에 따른 발명에서는, 상기 레이저 광원이 Ar 레이저 광원으로 된다. Ar 레이저 광원에 의하면 파장이 약 488nm인 레이저광을 발진시킬 수 있으므로, 상기 SHG 소자로 레이저광을 2배 고조파로 변환함으로써, 파장이 약 244nm인 고조파를 얻을 수 있다. 따라서, 반도체 발광소자에 매우 미세한 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 반도체 발광소자에 있어서 매우 미세한 패턴을 형성하기 위한 바람직한 레이저 광원의 다른 일례로서, 청구항3에 따른 발명에서는, 상기 레이저 광원이 Nd 도프 YAG 레이저 광원이 된다. Nd 도프 YAG 레이저 광원에 의하면, 상기 SHG 소자로 레이저광을 4배 고조파로 변환함으로써, 파장이 약 266nm인 고조파를 얻을 수 있다.
또한, 굴절율이 높은 매질에 레이저광을 투과시키는 투과형의 광학계를 적용한 경우에 있어서의 본 발명의 바람직한 구성으로서, 청구항4에 따른 발명에서는, 반파장판이 구비되고, 동 반파장판에 의해 상기 레이저 공진기의 외부로 출력된 레이저광의 직교 편광성분이 저감된다. 반파장판(half-wave plate)은 복굴절 결정으로 구성된 박판상의 소자이며, 레이저광의 편광면을 회전시키는 특성을 갖고 있다. 상기 레이저 공진기의 외부로 출력된 레이저광이 반파장판을 경유함으로써, 레이저광의 직교 편광성분을 저감시킬 수 있다. 레이저광의 직교 편광성분을 저감시킴으로써, 투과형의 광학계에 레이저광을 투과할 때의 동 레이저광의 광속에 대한 동 직교 편광성분의 영향을 억제할 수 있다. 즉, 레이저광에 투과형의 광학계를 적용해도, 직교 편광성분의 편차에 기인해서 레이저광의 광속에 편차가 생기는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 투과형의 광학계인 빔 익스팬더에 의해, 상기 레이저 공진기의 외부로 출력된 레이저광을 소정 폭의 평행광으로 변환해도, 변환후의 평행광의 위상에 편차가 생기는 것을 방지할 수 있어, 양호한 코히런스를 유지할 수 있다.
상술한 2광속 간섭 노광장치에 따른 기술적 사상은, 동 기술적 사상을 실현하기 위한 방법의 발명으로서 파악할 수도 있고, 청구항5에 따른 발명도, 상기와 같은 작용, 효과를 갖는다. 물론, 청구항5의 2광속 간섭 노광방법에, 청구항2부터 청구항4의 기술적 사상을 받아 들이는 것도 가능하다. 또한, 청구항6과 같이 상기방법에 따라서 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 있어서도, 본 발명의 기술적 사상을 구현화할 수 있다. 즉, 2광속 간섭 노광방법은 반도체의 반도체 발광소자의 제조방법의 일부이다라고 파악할 수 있고, 본 발명의 2광속 간섭 노광방법의 각 공정을 반도체 발광소자의 제조방법의 공정에 편입시키는 것도 가능하다. 또한 청구항6의 반도체 발광소자의 제조방법에, 청구항2부터 청구항4의 기술적 사상을 받아 들이는 것도 가능하다.
청구항6에 따른 발명에서는, 반도체 발광소자의 표면에 광인출면이 형성되고, 동 광인출면으로부터 발광층에서 발광된 광이 외부로 출력된다. 상기 광인출면 상에 박막형상의 에칭 마스크를 형성하고, 또한 동 에칭 마스크 상에 박막형상의 포토레지스트 마스크를 형성한다. 그리고, 상술한 2광속 간섭 노광방법에 의해, 광인출면 상의 상기 포토레지스트 마스크를 노광한다. 다음에 소위 현상처리를 행함으로써, 상기 포토레지스트 마스크의 미노광부분을 제거한다. 또한, 미노광부분을 제거한 상기 포토레지스트 마스크를 레지스트 마스크로 해서 상기 에칭 마스크에 패턴을 형성한다. 이것에 의해, 2광속 간섭에 있어서의 간섭줄무늬에 대응한 패턴을 상기 에칭 마스크에 형성할 수 있다. 패턴이 형성된 상기 에칭 마스크를 레지스트 마스크로 해서 상기 광인출면의 에칭을 행한다. 이것에 의해, 상기 광인출면에 있어서 2광속 간섭에 있어서의 간섭줄무늬에 대응한 패턴을 형성할 수 있고, 상기 광인출면에 매우 미세한 요철구조를 형성할 수 있다. 예를 들면 상기 레이저 광원으로서 Ar 레이저 광원을 적용하면, 요철구조의 형성 주기를 광학파장 정도까지 작게 할 수 있어, 매우 높은 광인출 효율을 갖는 반도체 발광소자를 제조할 수 있다.
또한 요철구조의 형상을 제어하기 위한 바람직한 구성의 일례로서, 청구항7에 따른 발명에서는, 상기 에칭 마스크를 복수의 박막층으로 구성한다. 또, 각 박막층은 각각 에칭을 할 때의 에칭속도가 다른 이종(異種)의 소재에 의해 형성된다. 이것에 의해, 각 박막층의 에칭량을 임의로 컨트롤 할 수 있어, 에칭 마스크의 형상을 임의로 컨트롤 할 수 있다. 따라서, 사이드 에칭(언더컷)량이 많아지는 에칭 마스크의 형상으로 할 수도 있고, 사이드 에칭을 억제하는 에칭 마스크의 형상으로 할 수도 있다. 사이드 에칭량을 많게 함으로써, 선단이 뾰족한 형상의 요철구조를 형성할 수 있다.
또한, 광인출면 방향에 대해서 요철구조의 형상을 제어하기 위한 바람직한 구성의 일례로서, 청구항8에 따른 발명에서는, 노광방향을 바꾸면서 복수회 노광을 행한다. 한번의 노광에서는 줄무늬 모양의 요철구조가 형성되지만, 예를 들면 노광방향을 90° 바꾸어서 2번 노광을 행함으로써, 정방형의 마스크 패턴을 형성할 수 있다. 상술한 반도체 발광소자의 제조방법에 따른 기술적 사상은, 그 제조방법에 의해 제조된 반도체 발광소자에 있어서도 구현화할 수 있고, 청구항9에 따른 발명도, 상기와 같은 작용, 효과를 갖는 것은 말할 필요도 없다.
이상에서 설명한 바와 같이 청구항1과 청구항5와 청구항6과 청구항9의 발명 에 의하면, 용이하고, 또한, 저비용으로 고에너지 효율의 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.
청구항2와 청구항3의 발명에 의하면, 매우 미세한 패턴을 형성할 수 있다.
청구항4의 발명에 의하면, 코히런스가 양호한 평행광을 얻을 수 있다.
청구항7과 청구항8의 발명에 의하면, 주기구조의 형상을 제어할 수 있다.
도 1은 2광속 간섭 노광장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 간섭줄무늬를 나타내는 도면이다.
도 3은 청색 발광 다이오드의 구조 모식도이다.
도 4는 요철구조의 형성공정을 설명하는 도면이다.
도 5는 포토레지스트 마스크가 노광되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 변형예에 따른 청색 발광 다이오드의 구조 모식도이다.
도 7은 변형예에 따른 요철구조의 형성공정을 설명하는 도면이다.
(부호의 설명)
1…2광속 간섭 노광장치
10…레이저 공진기
11…Ar 레이저 광원
12…SHG 소자
13…에탈론
14a,14b…공진 미러
20…반파장판
30…빔 익스팬더
40…빔 스플리터
50a,50b…ND필터
60a,60b,60c,60d,60e,60f…미러
100…청색 발광 다이오드
111…기판
112…저온 퇴적 완충층
113…클래드층
114…발광층
115…장벽층
116…콘택트층
117…p-전극
118…n-전극
130…에칭 마스크
130a…SiO2층
130b…Ti층
130c…Au층
131…포토레지스트 마스크
131a…감광부
131b…미노광부
200…청색 발광 다이오드
211…기판
211a…반사 미러
212…저온 퇴적 완충층
213…클래드층
214…발광층
215…장벽층
216…콘택트층
217…반투명전극
218…p-전극
219…n-전극
230…에칭 마스크
231…포토레지스트 마스크
θ…입사각
A,B…요철구조
P…주기
T…노광 타겟
하기의 순서에 따라서 본원 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.
(1)2광속 간섭 노광장치의 구성:
(2)반도체 발광소자 및 그 제조방법:
(3)변형예에 따른 반도체 발광소자:
(4)정리:
(1)2광속 간섭 노광장치의 구성:
도 1은, 본 발명의 일실시형태에 따른 2광속 간섭 노광장치의 구성을 나타내고 있다. 또, 동 도면에 있어서는, 레이저광의 행로를 파선에 의해 나타내고 있다. 2광속 간섭 노광장치(1)는 레이저 공진기(10)와 반파장판(20)과 빔 익스팬더(30)와 빔 스플리터(40)와 ND필터(50a,50b)와 미러(60a,60b,60c,60d,60e,60f)로 구성되어 있다. 레이저 공진기(10)는 Ar 레이저 광원(11)과 SHG 소자(12)와 에탈론(13)과 1쌍의 공진 미러(14a,14b)로 구성되어 있다.
Ar 레이저 광원(11)은 Ar가스의 여기에 의해 파장이 약 488nm인 광을 생성하는 것이 가능한 광원이며, 동 Ar 레이저 광원(11)에서 발광한 광을 서로 평행하게 마주 보는 공진 미러(14a,14b) 사이에서 반복해서 반사시킴으로써 레이저광을 출력할 수 있다. Ar 레이저 광원(11)에 의하면 비교적 높은 레이저광의 출력을 얻을 수 있다. 레이저광이 공진하는 공진 미러(14a,14b) 사이에 있어서, SHG 소자(12)가 구비되어 있다. SHG 소자(12)는 레이저광이 입사됨으로써 입사된 광의 배수의 주파수의 광을 발생시키는 특성을 갖고 있고, 약 488nm의 파장으로 입사된 레이저광을 약 244nm로 고조화할 수 있다. 따라서, 레이저 공진기(10)에서는 파장이 약 244nm인 레이저광을 생성하는 것이 가능하게 되어 있다.
SHG 소자(12)는 고조화된 레이저광의 파장 스펙트럼의 피크가 약 244nm가 되 지만, 파장 스펙트럼에 어느 정도의 폭을 발생시킨다. 즉, SHG 소자(12)로 고조화된 시점의 레이저광에는 여러가지 파장성분이 포함되게 된다. 한편, 레이저광이 공진하는 공진 미러(14a,14b) 사이에 있어서, 에탈론(13)이 구비되어 있다. 에탈론(13)은, 본 발명의 협대역 파장 필터이며, 일정한 파장의 레이저광만을 투과시키는 것이 가능하게 되어 있다. 본 실시형태에 있어서 에탈론(13)은, 일정한 간격을 두고 평행하게 마주 향한 2개의 평면 유리와, 이들에 끼워진 투과판으로 형성되어 있으며, 동 평면 유리의 간격과 동 투과판의 굴절율에 따른 파장의 레이저광만을 투과시킬 수 있다. 이 투과판은 입사된 광의 파장에 따라 다른 굴절율을 갖고 있고, 파장이 약 244nm인 광이 입사된 경우에만, 에탈론(13)을 투과하는 것이 가능한 굴절각의 굴절을 발생시킨다.
이러한 구성으로 한 레이저 공진기(10)에 의하면 파장이 약 244nm로 협대역화된 단파장 레이저광을 출력할 수 있고, 그 코히런스 길이가 10m를 넘도록 할 수 있다. 따라서, 레이저 공진기(10)로부터 노광 타겟에 이르기까지의 레이저광의 경로가 길어지는 경우에도, 양호한 2광속 간섭을 생기게 할 수 있다. 이것에 대하여 에탈론(13)을 구비하지 않는 경우에는, 레이저 공진기(10)로부터 출력되는 레이저광에 폭넓은 파장성분이 포함되어 버려, 결과적으로 수십cm정도의 코히런스 길이밖에 얻을 수 없다.
미러(60a,60b)는 레이저 공진기(10)로부터 출력된 레이저광을 반사시키고, 반파장판(20)에 레이저광을 입사시킨다. 반파장판(20)에 있어서는, 편광비의 증대가 꾀해진다. 레이저광은 기본적으로는 직접 편광이지만, 주편광성분에 직교하는 직교 편광성분을 수%이상 포함하고 있다. 도 1에서 파선으로 나타낸 방향에 직교하는 방향의 편광성분이 레이저광에는 소량 포함되어 있다. 반파장판(20)에서는 이 직교 편광성분을 저감시킴으로써, 주편광성분의 직교 편광성분에 대한 편광비를 증대시키고 있다.
그리고, 반파장판(20)에 의해 직교 편광성분이 저감된 후에, 레이저광이 빔 익스팬더(30)에 입사되고 있다. 레이저광에 직교 편광성분이 많이 포함되는 경우에는, 빔 익스팬더(30)와 같이 굴절을 생기게 하는 투과형의 광학부품의 복굴절율성에 의해, 주편광성분의 빔과의 행로차 즉 위상차를 발생시키게 된다. 본 실시형태에 있어서는 반파장판(20)에 의해 직교 편광성분을 저감시키고 나서 레이저광을 빔 익스팬더(30)에 입사시키고 있으므로, 직교 편광성분에 의한 복굴절율성의 영향이 적고, 위상이 일치된 평행광을 빔 익스팬더(30)에 의해 생성할 수 있어 양호한 코히런스를 유지할 수 있다. 빔 익스팬더(30)는, 예를 들면 2매의 굴절 렌즈로 구성할 수 있고, 소정 폭의 평행광을 생성할 수 있다.
미러(60c,60d)는 빔 익스팬더(30)로부터 출력된 레이저광을 소정 방향으로 반사시키고, 동 레이저광을 ND필터(50a)에 입사시킨다. ND필터(Neutral Density Filer)(50a)는 소위 감광필터이며, 감광율을 조정함으로써 레이저광의 광량을 적절하게 조정할 수 있다. 또, 본 실시형태에 있어서는 투과형의 ND필터(50a,50b)를 사용했지만, 반사형이어도 좋다. ND필터(50a)에 의해 감광된 레이저광은 빔 스플리터(40)에 의해 서로 대략 직교한 2광속으로 분할된다.
빔 스플리터(40)를 투과한 레이저광은 ND필터(50b)에 의해 감광되고, 미러(60f)에서 반사되고나서 소정의 입사각(θ)으로 노광 타겟(T)에 입사된다. 한편, 빔 스플리터(40)에서 반사된 레이저광은 그대로 미러(60e)에서 반사되고, 입사각(θ)으로 노광 타겟(T)에 도달한다. 본 실시형태의 빔 스플리터(40)에 있어서는, 투과광량의 쪽이 반사광량보다 많기 때문에, 빔 스플리터(40)를 투과한 레이저광이 ND필터(50b)를 통과함으로써, 쌍방의 레이저광을 균등하게 할 수 있다. 또, ND필터(50a,50b)와 빔 스플리터(40)는 투과형의 광학기기이지만, 미리 반파장판(20)에 의해 직교 편광성분이 저감되어 있기 때문에, 양호한 코히런스를 유지할 수 있다.
이상의 구성에 의해 2광속을 노광 타겟(T)에 입사시킴으로써, 동 노광 타겟(T) 상에 있어서 도 2에 나타내는 간섭줄무늬를 생기게 할 수 있다. 여기에서, 레이저광의 파장을 λ로 하면, 노광 타겟(T) 상에 발생하는 간섭줄무늬의 주기(P)는 하기 식(1)에서 주어진다.
P=λ/2sinθ…(1)
예를 들면 입사각(θ)이 60°이고 파장(λ)이 244nm인 경우에는, 간섭줄무늬의 주기(P)는 약 141nm가 된다. 노광 타겟(T)에 본 실시형태의 레이저광에 대해서 감광성을 갖는 포토레지스트를 형성한 경우에는, 동 포토레지스트에 있어서 도 2와 동일한 간섭줄무늬 모양으로 감광시킬 수 있다. 시판의 고출력 Ar 레이저를 사용한 경우, 본 실시형태의 2광속 간섭 노광장치(1)에서는 레이저광의 실효적인 파워로서 50mW정도를 얻는 것이 가능하다. 예를 들면 레이저 빔을 10cm지름까지 확대했을 때의 평균 레이저 파워 밀도는 0.64mW/㎠가 된다. 이 경우에, 포토레지스트로서 적정 노광량이 25mJ/㎠ 정도의 것을 적용하면, 20초 정도에서 노광을 완료시킬 수 있다. 즉, 화합물 반도체의 패턴형성에서 자주 사용되는 2인치나 3인치의 기판의 노광이 일반적인 포토리소그래피와 동일한 간편함으로 실현할 수 있다.
상기 식(1)에 있어서 간섭줄무늬의 주기(P)는 입사각(θ)에 의존하고 있기 때문에, 입사각(θ)을 조정함으로써 간섭줄무늬의 주기(P)를 조정할 수 있다. 노광 타겟(T)에 대해서 적절한 입사각(θ)으로 레이저광을 입사시키는 미러(60e,60f)는 본 발명의 간섭 광학계에 해당된다. 또, 본 실시형태와 같이 Ar 레이저의 2배 고조파에 의해 노광하는 경우, 이론한계주기는 122nm이며, 그것 이상으로 큰 주기(P)의 주기 패턴이면 형성할 수 있다고 할 수 있다. 또한 간섭줄무늬의 굵기, 즉 노광부분과 미노광부분의 듀티비는 노광시간의 조정에 의해 조정할 수 있으므로, 2광속 간섭에 의해 형성되는 주기구조의 형상의 자유도도 크다. 상술한 바와 같이 레이저광의 코히런스는 노광 타겟(T)에 이르기까지 양호하게 유지되고 있다. 따라서, 노광 타겟(T)에 있어서 양호한 간섭줄무늬를 생기게 할 수 있다.
본 실시형태에 있어서는, Ar 레이저를 광원으로서 사용했지만, Nd 도프 YAG 레이저 광원을 사용해도 좋다. Nd 도프 YAG 레이저에 의하면 출력되는 레이저광의 파장이 10.6㎛이기 때문에, SHG 소자에 의해 4배 고조파로 변환함으로써, 266nm의 레이저광을 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시형태와 거의 같은 주기(P)의 간섭줄무늬를 생기게 할 수 있다.
(2)반도체 발광소자 및 그 제조방법:
도 3은, 본 발명의 일실시형태에 따른 반도체 발광소자로서의 청색 발광 다이오드(100)의 구성을 모식적으로 나타내고 있다. 동 도면에 있어서 청색 발광 다 이오드(100)는 각각이 대략 판형상으로 형성된 기판(111)과 저온 퇴적 완충층(112)과 클래드층(113)과 발광층(114)과 장벽층(115)과 콘택트층(116)과 p-전극(117)과 n-전극(118)으로 구성되어 있다. 도면에 있어서 최하층을 구성하는 판형상의 기판(111)은 SiC로 구성되어 있고, 그 표면측의 면 상에 AlGaN(3족 질화물 반도체)으로 구성된 저온 퇴적 완충층(112)과, n-GaN으로 구성된 클래드층(113)과, GaInN으로 구성된 발광층(114)과, p-AlGaN으로 구성된 장벽층(115)과, p-GaN으로 구성된 콘택트층(116)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 또한, 최상층의 콘택트층(116) 상에 판형상의 p-전극(117)이 적층되어 있고, 클래드층(113) 상에 n-전극(118)이 적층되어 있다. 기판(111)의 이면측에는 주기적인 요철구조(A)가 형성되어 있다.
이러한 구성에 있어서, 청색 발광 다이오드(100)의 p-전극(117)과 n-전극(118) 사이에 순바이어스 방향으로 전압을 부여함으로써, 발광층(114)에 의해 발광시킬 수 있다. 발광층(114)에 있어서는, 그 밴드갭에 상응하는 파장광이 발광된다. 본 실시형태의 발광부에 있어서는, 그 평균 광학파장이 약 220nm가 된다. 또, 광학파장은 실제의 파장을 굴절율로 나눈 값을 의미한다. 기판(111)과 저온 퇴적 완충층(112)과 클래드층(113)과 장벽층(115)과 콘택트층(116)은 각각 투광성을 갖고 있고, 발광층(114)에서 발광된 광을 기판(111)의 이면측으로부터 취출하는 것이 가능하게 되어 있다. 즉, 기판(111)의 이면은 청색 발광 다이오드(100)에 있어서의 광인출면을 구성하고, 이 광인출면으로부터 취출된 광을 조명 등에 이용하는 것이 가능하게 되어 있다.
주기적인 요철구조(A)의 평균 주기(약 200nm)가 발광된 광의 광학파장(약 220nm)보다 작기 때문에, 주기적인 요철구조(A)에 도달한 광의 대부분은 공기와 기판(111) 사이의 굴절율을 느끼게 된다. 따라서, 공기와 기판(111) 사이의 굴절율의 급격한 변화는 완화되고, 발광층(114)에서 발광된 광이 광인출면에 있어서의 전반사에 의해 청색 발광 다이오드(100)의 내부에 갇히는 것을 방지할 수 있어, 높은 광인출 효율을 실현하는 것이 가능하게 되어 있다.
다음에 기판(111)에 주기적인 요철구조(A)를 형성하는 방법에 대해서 설명한다. 도 4는 요철구조(A)를 형성하는 공정을 모식적으로 나타내고 있다. 동 도면(a)에 나타내듯이, 처음에 본 발명의 광인출면에 해당되는 기판(111)의 이면에 박막형상의 에칭 마스크(130)를 형성한다. 에칭 마스크(130)는 기판(111)의 이면에 SiO2를 소재로 하는 박막형상의 SiO2층(130a)을 적층하고, 그 위에 Ti를 소재로 하는 Ti층(130b)을 적층하고, 다시 그 표면에 Au를 소재로 하는 Au층(130c)을 적층함으로써 형성된다. 즉, 에칭 마스크(130)는 각각 이종의 소재에 의한 복수의 박막층으로 구성되어 있다. SiO2층(130a)과 Ti층(130b)과 Au층(130c)을 적층함에 있어서는 예를 들면 진공증착법에 의해 퇴적시킬 수 있다.
다음에 도 4의 (b)에 나타내듯이, 에칭 마스크(130) 상에 박막형상의 포토레지스트 마스크(131)가 형성되어 있다. 포토레지스트 마스크(131)의 두께는 거의 똑같으며, 약 0.1㎛로 되어 있다. 저점도의 포토레지스트액을 스핀 코트에 의해 에칭 마스크(130) 상에 도포하고, 프리베이킹함으로써, 막두께가 매우 얇은 포토레지스 트 마스크(131)를 형성할 수 있다. 다음에 도 4의 (c)에 나타내듯이, 상술한 2광속 간섭 노광장치(1)를 이용하여 포토레지스트 마스크(131)를 노광한다. 노광 타겟(T)에 기판(111)을 셋팅하고, 포토레지스트 마스크(131)에 2광속을 10초간 입사시킴으로써, 간섭줄무늬 모양으로 포토레지스트 마스크(131)를 감광시킬 수 있다.
도 5는, 노광후의 포토레지스트 마스크(131)를 두께방향에서 본 것을 나타내고 있다. 동 도면(a)에 있어서, 노광에 의해 감광된 감광부(131a)와 미노광부(131b)가 해칭의 유무에 의해 구별되어 도시되어 있고, 이들은 도 2의 간섭줄무늬와 같은 줄무늬 모양으로 되어 있다. 다음에 기판(111)을 90° 회전시켜서 같은 조건으로 2회째의 노광을 행한다. 도 5의 (b)는 2회째의 노광후의 포토레지스트 마스크(131)를 나타내고 있다. 동 도면에 있어서, 1회째의 노광에 의한 감광부(131a)와 2회째의 노광에 의한 감광부(131a)의 해칭을 각각 반대방향으로 나타내고 있으며, 해칭이 교차되어 있는 부분은 2중 노광부에 해당된다. 2중 노광부에 있어서는 적산 노광시간이 20초간으로 되고, 노광이 완료된다. 이렇게, 노광방향을 90° 회전시킴으로써, 포토레지스트 마스크(131)에 간섭줄무늬가 직교한 모양을 형성할 수 있고, 정방형상의 2중 노광부를 형성할 수 있다. 또한 복수회 노광을 행함으로써, 2차원의 마스크 패턴을 형성할 수 있다.
2회째의 노광이 완료되면 2중 노광부 이외의 부분의 포토레지스트 마스크(131)를 제거하기 위한 현상처리를 행한다. 그러면, 도 4의 (d)에 나타내듯이, 노광이 완료된 정방형상의 2중 노광부만을 잔존시킬 수 있다. 이상에서 설명한 바와 같은 2광속 간섭 노광방법에 의해, 2차원의 주기적인 노광패턴을 형성할 수 있 다.
현상처리가 완료되면, 잔존한 포토레지스트 마스크(131)를 레지스트 마스크로 하여 도 4의 (e)에 나타낸 바와 같이 에칭 마스크(130)의 에칭을 행한다. 에칭 마스크(130)를 에칭함에 있어서는, 예를 들면 염소가스를 사용한 반응성 이온 에칭에 의해 SiO2층(130a)과 Ti층(130b)과 Au층(130c)을 에칭할 수 있다. 에칭 마스크(130)의 에칭이 완료되면, 막박리처리에 의해, 도 4의 (f)에 나타내듯이, 포토레지스트 마스크(131)를 완전하게 제거한다.
계속해서, 4불화 탄소 가스 또는 4불화 탄소와 산소의 혼합 가스를 이용하여 다시 반응성 이온 에칭을 행한다. 이 때, 최하층의 SiO2층(130a)은 4불화 탄소 이온에 의해 사이드 에칭을 발생시키기 때문에, 도 4의 (g)에 나타낸 바와 같이 시간의 경과와 함께 실효적인 마스크 사이즈가 축소된다. 그러나, 상층의 Ti층(130b)과 Au층(130c)은 사이드 에칭의 내성이 비교적 높고, 에칭속도가 느리기 때문에, SiO2층(130a)이 완전히 제거되는 일은 없어, 경사진 마스크 형상을 형성할 수 있다. 이러한 마스크 형상으로 함으로써, 기판(111)에 평행한 방향의 사이드 에칭을 촉진시킬 수 있고, 볼록부가 사각추형상인 주기적인 요철구조(A)를 형성할 수 있다. 이러한 요철구조(A)는 모스아이 구조라고 불리며, 광의 취출방향에 관한 단면적의 변동이 완만하기 때문에, 가장 높은 광인출 효율을 실현할 수 있다. 또, 에칭 후에, 에칭 마스크(130)를 별도 공정에 의해 제거해도 좋고, 요철구조(A)의 사이드 에칭을 계속함으로써 에칭 마스크(130)를 이탈시키도록 해도 좋다.
본 실시형태에서는 광인출면으로서 SiC의 기판(111)을 사용했지만, 다른 반도체재료에 있어서 요철구조(A)를 형성하는 것도 가능하다. 예를 들면 GaAs나 InP나 GaP나 GaN이나 사파이어 등에 대해서도, 본 실시형태와 동일한 에칭 마스크를 사용하고, 각 재료에 알맞은 에칭 가스에 의해, 요철구조의 패턴형성을 행할 수 있다. 또한 본 실시형태에서는 에칭후의 요철구조(A)의 볼록부의 형상이 사각추가 되지만, 에칭 마스크(130)를 제거한 후에 습식 에칭을 행함으로써, 정방형의 각이 선택적으로 제거되어 볼록부가 원추형상인 요철구조도 형성할 수 있다.
(3)변형예에 따른 반도체 발광소자:
도 6은, 변형예에 따른 반도체 발광소자로서의 청색 발광 다이오드의 구성을 모식적으로 나타내고 있다. 동 도면에 있어서, 청색 발광 다이오드(200)는 사파이어로 형성된 기판(211)에, AlGaN으로 구성된 저온 퇴적 완충층(212)과, n-GaN으로 구성된 클래드층(213)과, GaInN으로 구성된 발광층(214)과, p-AlGaN으로 구성된 장벽층(215)과, p-GaN으로 구성된 콘택트층(216)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 또한, 최상층의 콘택트층(216) 위에 반투명 Ni/Au로 형성된 반투명전극(217)과 p-전극(218)이 적층되어 있고, 클래드층(213) 위에 n-전극(219)이 적층되어 있다. 사파이어기판(211)의 이면에는 반사 미러(211a)가 형성되어 있고, 동 반사 미러(211a)에서 청색 발광 다이오드(200) 내부에서 발광된 광을 상방으로 전반사시키고 있다. 즉, 본 변형예에 있어서 광의 취출방향은 상방으로 되어 있으며, GaN의 콘택트층(216)의 표면이 광인출면을 구성하고, 콘택트층(216) 위에 주기적인 요철구조(B)가 형성되어 있다.
도 7은, 본 변형예에 따른 요철구조(B)를 형성하는 공정을 모식적으로 나타내고 있다. 동 도면에 있어서, 콘택트층(216) 상에 에칭 마스크(230)와 포토레지스트 마스크(231)가 형성되어 있다. 단, 본 변형예의 에칭 마스크(230)는 SiO2의 단층으로 되어 있다. 그리고, 앞 실시형태와 동일한 방법에 의해 노광과, 현상처리와, 에칭 마스크(230)에 대한 에칭과, 막박리처리를 행한다. 그리고, 에칭 마스크(230)를 에칭 레지스트 마스크로 하고, 염소가스를 이용하여 반응성 이온에칭을 행한다. 이 때, 콘택트층(216)은 마스크의 개구부만이 선택적으로 에칭되어, 도 7의 (e)와 같은 볼록부가 사각기둥형상으로 되는 주기적인 요철구조(B)가 형성된다.
에칭시간을 짧게 하면, 사이드 에칭을 억제할 수 있어, 각기둥형상을 유지할 수 있다. 이러한 주기구조는 포토닉 결정이라고 불리며, 높은 광인출 효율을 얻을 수 있다. 또한 본 실시형태에서는 에칭후의 요철구조(A)의 볼록부의 형상이 사각기둥이 되지만, 에칭 마스크(130)를 제거한 후에 습식 에칭을 행함으로써, 정방형의 각이 선택적으로 제거되어 볼록부가 원기둥형상인 요철구조도 형성할 수 있다.
(4)정리:
Ar 레이저의 2배 고조파, 또는, Nd 도프 YAG 레이저의 4배 고조파를 광원으로 하고, 에탈론과 반파장판에 의한 매우 균질하며 코히런스가 높은 레이저빔을 생성시킬 수 있는 2광속 간섭 노광장치를 실현한다. 또 상기 2광속 간섭 노광에 의해 포토레지스트 마스크에 주기 패턴의 노광을 행하고, 포토레지스트 마스크의 현상을 행하고, 레지스트 패턴을 마스크로 해서 반도체층 에칭용 마스크의 패턴형성을 행 하고, 레지스트 제거후, 광인출면을 에칭하는 공정에 의해, 매우 저비용으로 에너지 변환효율이 높은 반도체 발광소자를 제조할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서 상세하게 도시하고 또한 기술했지만, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위에서, 실시형태의 변경이 본 발명에서 이루어질 수 있는 것이 당업자에게는 이해될 것이다.

Claims (9)

  1. 레이저 광원, 상기 레이저 광원에서 출력된 레이저광을 고조파로 변환하는 SHG 소자 및 상기 SHG 소자에 의해 고조화된 레이저광을 협대역 파장으로 필터링하는 에탈론을 포함하고, 상기 필터링된 협대역 레이저광을 외부로 출력하는 레이저 공진기,
    상기 레이저 공진기의 외부로 출력된 레이저광의 직교 편광성분을 저감시키는 반파장판,
    상기 반파장판을 투과한 레이저광을 소정 폭의 평행광으로 변환하는 빔 익스팬더,
    상기 빔 익스팬더에서 출력된 평행광을 2광속으로 분할하는 빔 스플리터,
    상기 분할된 2 광속 중 어느 하나의 광량을 저감하여 상기 분할된 2 광속의 광량을 균등하게 조정하는 ND 필터, 및
    상기 광량이 균등하게 조정된 2광속을 노광 타겟 상에서 간섭시키는 간섭 광학계를 구비하는 것을 특징으로 하는 2광속 간섭 노광장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 광원은 Ar 레이저 광원이며, 상기 SHG 소자는 동 레이저 광원에서 출력된 레이저광을 2배 고조파로 변환하는 것을 특징으로 하는 2광속 간섭 노광장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 광원은 Nd 도프 YAG 레이저 광원이며, 상기 SHG 소자는 동 레이저 광원에서 출력된 레이저광을 4배 고조파로 변환하는 것을 특징으로 하는 2광속 간섭 노광장치.
  4. 삭제
  5. 레이저 공진기내에 있어서 레이저 광원에서 출력된 레이저광을 SHG 소자로 고조파로 변환시키면서 협대역 파장 필터로서의 에탈론으로 협대역화시킨 후에 동 레이저 공진기로부터 출력시키고,
    상기 레이저 공진기의 외부로 출력된 레이저광의 직교 편광성분을 저감시킨 후, 소정 폭의 평행광으로 변환시키고,
    상기 평행광을 빔 스플리터로 2광속으로 분할하고,
    상기 분할된 2 광속 중 어느 하나의 광량을 저감하여 상기 분할된 2 광속의 광량을 균등하게 조정하고,
    상기 광량이 균등하게 조정된 2광속을 간섭 광학계에 의해 노광 타겟 상에서 간섭시켜서 노광을 행하는 것을 특징으로 하는 2광속 간섭 노광방법.
  6. 발광층에서 발광된 광을 표면의 광인출면으로부터 외부로 출력하는 반도체 발광소자의 제조방법에 있어서,
    상기 광인출면 상에 박막형상의 에칭 마스크를 형성하고,
    상기 에칭 마스크 상에 박막형상의 포토레지스트 마스크를 형성하고,
    레이저 공진기내에 있어서 레이저 광원에서 출력된 레이저광을 SHG 소자로 고조파로 변환하면서 협대역 파장 필터로서의 에탈론으로 협대역화시킨 후에 동 레이저 공진기로부터 출력시키고, 상기 레이저 공진기의 외부로 출력된 레이저광의 직교 편광성분을 저감시킨 후, 소정 폭의 평행광으로 변환시키고, 상기 평행광을 빔 스플리터로 2광속으로 분할하고, 상기 분할된 2 광속 중 어느 하나의 광량을 저감하여 상기 분할된 2 광속의 광량을 균등하게 조정하고, 상기 광량이 균등하게 조정된 2 광속을 간섭 광학계에 의해 노광 타겟 상에서 간섭시켜서 노광을 행하는 2광속 간섭 노광방법에 의해 광인출면 상의 상기 포토레지스트 마스크를 노광하고,
    상기 포토레지스트 마스크의 미노광부분을 제거하고,
    미노광부분을 제거한 상기 포토레지스트 마스크를 레지스트 마스크로 해서 상기 에칭 마스크에 패턴을 형성하고,
    패턴이 형성된 상기 에칭 마스크를 레지스트 마스크로 해서 상기 광인출면의 에칭을 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 에칭 마스크는 복수의 박막층으로 구성되고, 각 박막층은 각각 에칭을 할 때의 에칭속도가 다른 이종의 소재에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 노광방향을 바꾸면서 복수회 노광을 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자의 제조방법.
  9. 발광층에서 발광된 광을 표면의 광인출면으로부터 외부로 출력하는 반도체 발광소자로서,
    상기 광인출면 상에 박막형상의 에칭 마스크를 형성하고,
    상기 에칭 마스크 상에 박막형상의 포토레지스트 마스크를 형성하고,
    레이저 공진기내에 있어서 레이저 광원에서 출력된 레이저광을 SHG 소자로 고조파로 변환하면서 협대역 파장 필터로서의 에탈론으로 협대역화시킨 후에 동 레이저 공진기로부터 출력시키고, 상기 레이저 공진기의 외부로 출력된 레이저광의 직교 편광성분을 저감시킨 후, 소정 폭의 평행광으로 변환시키고, 상기 평행광을 빔 스플리터로 2광속으로 분할하고, 상기 분할된 2 광속 중 어느 하나의 광량을 저감하여 상기 분할된 2 광속의 광량을 균등하게 조정하고, 상기 광량이 균등하게 조정된 2 광속을 간섭 광학계에 의해 노광 타겟 상에서 간섭시켜서 노광을 행하는 2광속 간섭 노광방법에 의해 광인출면 상의 상기 포토레지스트 마스크를 노광하고,
    상기 포토레지스트 마스크의 미노광부분을 제거하고,
    미노광부분을 제거한 상기 포토레지스트 마스크를 레지스트 마스크로 해서 상기 에칭 마스크에 패턴을 형성하고,
    패턴이 형성된 상기 에칭 마스크를 레지스트 마스크로 해서 상기 광인출면의 에칭을 행함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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