KR20150010482A - 반도체 발광소자용 기판 및 이의 제조방법 - Google Patents

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KR20150010482A
KR20150010482A KR1020130085581A KR20130085581A KR20150010482A KR 20150010482 A KR20150010482 A KR 20150010482A KR 1020130085581 A KR1020130085581 A KR 1020130085581A KR 20130085581 A KR20130085581 A KR 20130085581A KR 20150010482 A KR20150010482 A KR 20150010482A
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Abstract

본 발명은 반도체 발광소자용 기판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광소자의 베이스가 되는 사파이어기판의 표면형태를 특정화하여 발광소자의 외부 광 추출효율이 우수할 수 있도록 한 반도체 발광소자용 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 발광소자의 베이스 기판이 되는 기저부; 상기 기저부 상면에 돌출형성됨과 아울러 미리 정한 형상과 모양 및 배치 패턴을 가짐에 따라, 상기 발광소자로부터 발광한 빛을 굴절시켜 외부 광 추출효율을 향상시키도록 한 볼록렌즈;를 포함하여 구성되되, 상기 볼록렌즈는, 원뿔모양을 이루되, 상기 기저부 상면과 맞닿는 하측 말단부의 외형이 꽃 모양으로 형성됨에 따라 중앙부를 중심으로 방사형 배치 및 호형으로 만곡진 형태로 된 다수의 능선부가 상향 돌출되고, 상기 능선부가 상측으로 향할수록 뾰족하게 함입됨으로써 꼭지점이 최상단에 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 발광소자용 기판 및 이의 제조방법{SUBSTRATE FOR SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 반도체 발광소자용 기판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광소자의 베이스가 되는 사파이어기판의 표면형태를 특정화하여 발광소자의 외부 광 추출효율이 우수할 수 있도록 한 반도체 발광소자용 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
한국광기술원(韓國光技術院, Korea Photonics Technology Institute; KOPTI)에 따르면, 우리나라는 2015년까지 국내 조명기기의 약 30%를 LED로 교체하여 매년 약 160억kWh의 소비전력 절감과 함께 약 680만 톤의 이산화탄소(Co2) 저감을 기대하고 있다 한다.
이는, 전기에너지를 광에너지로 직접 변환하는 LED의 특성상 광 변환효율이 높아 소비전력이 낮고, 작은 광원으로 소형화가 가능하며, 수은이나 방전용 가스를 사용하지 않으므로, 기존의 나트륨램프, 수은램프 등을 대신하여 친환경 고효율의 차세대 조명기기로 크게 주목받고 있다.
관련하여, 스마트폰(Smart phone) 등과 같은 휴대형 이동통신기기나 소형가전제품의 키패드 그리고 액정디스플레이(Liquid Crystal Display; LCD)의 백라이트유닛(Back light unit) 등에 사용되는 LED는 저출력을 기반으로 성장하였으며, 최근에 들어서는 인테리어 조명, 외부 조명, 자동차 내·외장, 대형 LCD의 백라이트유닛 등에 사용되는 고출력 및 고효율 광원(光源, Light source)의 필요성이 대두되면서 LED 시장 또한 고출력 제품 중심으로 옮겨가는 추세에 있다.
한편, 상기 발광다이오드를 제조하는데 사용하는 기초 웨이퍼(Wafer)로 LED의 원천소재가 되는 사파이어기판(Sapphire substrate)은, 방위의 정도가 높고 정밀한 폴리싱(Polishing, 연마)으로 흠이나 자국이 없고, 기계적 강도와 열전도성 및 절연성이 우수하므로 집적도(集積度, Degree of integration)가 높아 열이 많이 발생하는 부품, 특히 LED용 질화물(窒化物, Nitride)이나 화합물(化合物, Compound) 반도체의 증착기판으로 널리 사용되고 있다.
이러한 사파이어기판은, 증착과 성장 공정을 거쳐 에피웨이퍼(EPI-Wafer)로 제조한 후 칩(Chip)으로 만들어 사용하는바, 그 위에 실리콘을 성장시키고 에칭에 의해 실리콘을 선택적으로 제거하여 반도체디바이스(Semiconductor device)를 만들 수 있다.
그러나, LED의 가장 큰 문제점은 낮은 발광효율에 있다. 즉, 기판과 소자 표면 사이에 광 도파로(Light waveguide)와 같은 구조가 형성된다. 이로 인하여, 활성층에서 생성된 광이 소자 표면, 기판 경계면, 혹은 기판 뒷면 경계면에서의 내부 전반사(全反射, Total reflection)로 상당한 광량이 외부로 방출되지 못하고 내부에서 소실됨으로써 광 추출효율이 낮아지게 된다.
다시 말해, 발광효율은 빛의 생성효율(내부 양자효율)과, 소자 밖으로 방출되는 효율(외부 광 추출효율), 및 형광체에 의해 빛이 전환되는 효율에 의하여 결정되는바, 이에, LED의 고출력화를 위해서는 내부 양자효율의 측면에서 활성층의 특성을 향상시키는 방법도 중요 하지만 실제 발생된 광의 외부 광 추출효율을 증가시키는 것이 매우 중요하다.
이러한 제반문제점을 다소나마 해결하기 위하여, 소자의 기저(基底, Base) 부분인 사파이어기판의 그 표면에 하나 이상 다수의 요철을 형성함을 통해, 외부 광 추출효율을 향상시킬 수 있도록 한 GaN(질화갈륨) 발광다이오드가 개시된바 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 GaN 발광다이오드의 구성구조를 나타낸 정단면도로써, 종래의 GaN 발광다이오드(900)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기저부가 되는 사파이어기판(910)과, 상기 사파이어기판(910) 상에 형성되는 GaN발광구조물(920)을 포함한다.
또한, 상기 GaN발광구조물(920)은, 상기한 사파이어기판(910) 상에 n형 GaN클래드층(921)과 다중양자우물(Multi-Quantum Well) 구조의 활성층(922)과 p형 GaN클래드층(923)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 특히, 고온의 기판 위에 원료가스를 유출시켜, 그 표면상에서 분해반응을 일으켜 박막을 형성하는 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition) 등의 공정을 이용하여 성장될 수 있다.
이때, n형 GaN클래드층(921)을 성장하기 이전, 상기 n형 GaN클래드층(921)과 사파이어기판(910)과의 격자 부정합(lattice mismatch)을 감소시키기 위해, AlN/GaN으로 이루어진 버퍼층(미도시)을 더 형성할 수도 있다.
더하여, 상기 p형 GaN클래드층(923)과 활성층(922)을 건식 에칭하여 n형 GaN클래드층(921)의 상면 일부를 노출시키고, 그 노출 상면과 상기 p형 GaN클래드층(923) 각각의 상면에는 전압을 인가하기 위한 n형 접촉전극(930)과 p형 접촉전극(940)을 형성한다.
그리고, 전류주입면적을 증가시키면서도 휘도에 악영향을 주지 않도록 하기 위해, 상기 p형 GaN클래드층(923)의 상면에는 p형 접촉전극(940)을 형성하기 이전에 투명전극(950)을 더 형성한다.
또한, 상기 사파이어기판(910)에는 외부 광 추출효율을 향상시키기 위한 볼록렌즈(950)가 형성되는바, 그 형상이 반구형으로 단순하게 이루어진 것이 대부분이다.
이에, 외부 광 추출효율을 더욱 증가시킬 수 있으면서도 상기한 GaN발광구조물(920)의 물성을 크게 향상시키기 위해서는, 상기 볼록렌즈(950)의 형상과 밀도를 최적화하는 것이 시급히 요구되는 실정에 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발광소자의 베이스가 되는 기판 상면에 다수의 볼록렌즈를 돌출 및 배치시켜, 내부 광의 다양한 굴절을 이뤄 내부 전반사에 의한 광량 손실을 극소화할 수 있도록 하는 반도체 발광소자용 기판을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 볼록렌즈의 성장을 위한 제조방법을 제시하되, 상기 볼록렌즈 성장을 위한 포토레지스트(필름)를 2차 단계로 반복 성장시켜, 볼록렌즈의 내구성이 크게 향상될 수 있도록 하는 반도체 발광소자용 기판의 제조방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 발광소자의 베이스 기판이 되는 기저부; 상기 기저부 상면에 돌출형성됨과 아울러 미리 정한 형상과 모양 및 배치 패턴을 가짐에 따라, 상기 발광소자로부터 발광한 빛을 굴절시켜 외부 광 추출효율을 향상시키도록 한 볼록렌즈;를 포함하여 구성되되, 상기 볼록렌즈는, 원뿔모양을 이루되, 상기 기저부 상면과 맞닿은 하측 말단부의 외형이 꽃 모양으로 형성됨에 따라 중앙부를 중심으로 방사형 배치 및 호형으로 만곡진 형태로 된 다수의 능선부가 상향 돌출되고, 상기 능선부가 상측으로 향할수록 뾰족하게 함입됨으로써 꼭지점이 최상단에 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 볼록렌즈는, 상기 기저부 상면에 미리 정한 간격을 두고 다수개가 종과 횡으로 기판 전체 공간에 배치되는 패턴을 가지는 한편, 밑단의 지름이 3.73μm이고, 상기 밑단으로부터 최상단까지의 높이는 1.76μm로 형성됨을 특징으로 한다.
더하여, 상기 능선부는, 적어도 5개 이상 8개 이내임을 특징으로 한다.
이와 함께, 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판의 제조방법은, 세척공정을 거친 사파이어기판을 구비하는 준비단계; 상기 사파이어기판의 기저부 상면에 발광소자로부터 발광한 빛을 굴절시켜 외부 광 추출효율을 향상시키게 된 볼록렌즈의 형성을 위한 포토레지스트(Photo-resist)를 증착시키는 코팅단계; 상기 포토레지스트를 미리 정한 온도로 가열하여, 내구성을 증대시키게 된 1차 성장단계; 식각면이 노출된 마스크패턴을 구비한 노광기(Stepper)를 이용하여, 상기 사파이어기판을 노광하는 공정을 통해 상기 포토레지스트의 불필요 부위를 부식시켜 다수의 사면체 패턴을 형성하는 노광단계; 알칼리성 현상 약품을 이용하여 노광으로 부식된 상기 포토레지스트의 홈에 남아있는 불필요 잉여부위를 제거하는 현상단계; 상기 포토레지스트를 가열하여, 상기 사면체 패턴의 내구성을 증대시키게 된 2차 성장단계; 및, 상기의 사면체 패턴에 따라 상기 사파이어기판을 건조식각하여, 서로 이격된 다수의 상기 볼록렌즈의 형상과 모양을 가공하는 식각단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 1차 성장단계는, 50mm/sec 내지 60mm/sec 이내의 설정시간, 100℃ 내지 130℃ 이내의 설정온도로 상기 포토레지스트를 가열함을 특징으로 한다.
더하여, 상기 노광단계는, 150mm/sec 내지 200mm/sec 이내의 설정시간 동안 자외선을 조사함을 특징으로 한다.
또한, 상기 2차 성장단계는, 50mm/sec 내지 60mm/sec 이내의 설정시간, 120 내지 130℃ 이내의 설정온도로 상기 포토레지스트를 가열함을 특징으로 한다.
더하여, 상기 식각단계는, 고주파 유도 결합 플라스마(Inductively Coupled Plasma; ICP)를 생성시켜, 상기 사파이어기판 상면에 다수의 볼록렌즈가 형성되도록 가공함을 특징으로 한다.
이상의 설명에서 분명히 알 수 있듯이, 본 발명의 반도체 발광소자용 기판은, 말단이 꽃(Flower) 모양이고 최상단에는 꼭지점이 형성된 특이형 원뿔 형태 및 배치 패턴을 갖는 다수의 볼록렌즈를 통해, 발광소자 내부에서 전반사 되는 빛의 경로를 다양하게 굴절시킬 수 있게 됨으로써, 발광소자의 외부 광 추출효율이 현저히 증가하게 되는 효과를 가져다준다.
또한, 기판의 계면을 빠져나가지 못해 발광소자 내부에서 고열로 바뀌게 됨으로써 발광효율은 낮고 고열 발생으로 LED의 수명이 단축되는 문제점을 단번에 해소할 수 있게 되는 효과를 발휘한다.
이와 함께, 지금까지의 각종 효과의 달성으로, 발광소자의 외부 광 추출효율을 향상시킬 수 있음은 물론이거니와, 이를 채용한 기기의 시인성 향상과 같은 사용자 편의성을 높일 수 있어 소비자의 구매만족도를 충족시킬 수 있는 한편 이에 따른 휴대단말기의 판매실적 상승과 더불어 이동통신기기 관련 산업분야 및 반도체 제조생산 관련 산업분야의 발전에 크게 이바지할 수 있는 아주 유용한 발명이다.
도 1은 종래 기술에 따른 GaN 발광다이오드의 구성구조를 나타낸 정단면도.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판의 전체형상을 나타낸 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판에 있어서, 볼록렌즈의 형상과 모양을 구체적으로 나타낸 측면도.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판에 있어서, 볼록렌즈의 배치패턴을 구체적으로 나타낸 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판에 있어서, 볼록렌즈의 형상 및 패턴을 주사전지현미경(Scanning electron microscope; SEM)으로 확대촬영하여 나타낸 이미지.
도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판의 제조방법을 단계적으로 나타낸 블럭도.
도 7은 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판의 제조과정을 단계적으로 나타낸 예시도.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부도면 중 도 2는 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판의 전체형상을 나타낸 측면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판에 있어서 볼록렌즈의 형상과 모양을 구체적으로 나타낸 측면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판에 있어서 볼록렌즈의 배치패턴을 구체적으로 나타낸 평면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판에 있어서 볼록렌즈의 형상 및 패턴을 주사전지현미경(Scanning electron microscope; SEM)으로 확대촬영하여 나타낸 이미지이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판(1)은, 발광소자의 베이스가 되는 기저부(11)와, 상기 기저부(11)의 상면에 돌출형성됨과 아울러 미리 정한 형상과 모양 및 배치 패턴을 가짐에 따라, 발광소자로부터 발광한 빛을 굴절시켜 외부 광 추출효율을 향상시키도록 한 볼록렌즈(2)를 포함하여 구성된다.
기저부(1)는, 발광소자(발광다이오드)를 제조하는데 사용하는 기초 웨이퍼로 LED의 원천소재가 되는 기판인 것으로, 특히, GaN(질화갈륨)계 화합물 반도체를 이용하여 발광소자를 제조할 경우 이용되는 통상의 사파이어기판인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되지 않고, GaN기판, 스피넬기판, Si기판, SiC기판, ZnO기판, GaAs기판 중 어느 하나일 수 있다.
볼록렌즈(2)는, 반도체 내부에서의 전반사로 빛이 갇히는 현상을 방지할 수 있도록 광(光)을 굴절시켜 양자효율(量子效率, Quantum efficiency), 즉, 발광소자의 외부 광 추출효율을 극대화하기 위한 것으로, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 기저부(11)의 상면으로부터 돌출형성되되, 미리 정한 간격을 두고 다수개가 종과 횡으로 기판 전체 공간에 고르게 배치되는 패턴을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 그 형상이 원뿔모양을 이루되, 상기 기저부(1) 상면과 맞닿은 하측 말단부의 외형이 꽃(Flower) 모양으로 형성됨에 따라 중앙부를 중심으로 방사형 배치 및 호형으로 만곡진 형태로 된 다수의 능선부(121)가 상향 돌출되고, 상기 능선부(121)가 상측으로 향할수록 점진적으로 뾰족하게 함입(陷入)됨으로써 최상단에는 꼭지점(122)이 형성된다. 여기서, 상기 능선부(122)는 적어도 5개 이상 많게는 8개 이내인 것이 바람직하다.
이로써, 상기 볼록렌즈(12)를 통해 내부 광의 굴절이 가능케 됨과 동시에 상기한 능선부(122)를 통해 방사형으로 굴절 발산을 이룰 수 있게 됨으로써, 발광소자의 외부 광 추출효율이 크게 향상될 수 있다.
아울러, 상기 볼록렌즈(12)의 단면 크기는, 도 5에서와 같이, 주사전지현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 확대 촬영한 이미지를 통해 명확히 확인할 수 있는바, 밑단의 지름이 3.73μm(마이크로미터)이고, 밑단과 최상단까지의 높이는 1.76μm로 형성됨이 바람직하나, 반드시 이에 한정되지 아니하고, 내부 광을 굴절시키는데 최적의 효율성 발휘가 가능한 ±0.08μm의 치수공차의 범위 내에서 그 크기가 정해질 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판의 제조방법을 단계적으로 나타낸 블럭도이고, 도 7은 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판의 제조과정을 단계적으로 나타낸 예시도로써, 본 발명 따른 반도체 발광소자용 기판의 제조방법은, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 세척(Cleaning)공정을 거친 사파이어기판을 구비하는 준비단계(S110)와, 상기 사파이어기판(1)의 기저부(11) 상면에 상기 볼록렌즈(12) 형성을 위한 포토레지스트(Photo-resist)를 증착시키는 코팅단계(S120)와, 상기 포토레지스트(10)를 미리 정한 온도로 가열하여 내구성을 증대시키게 된 1차 성장단계(S130)와, 식각면이 노출된 마스크패턴을 구비한 노광기(Stepper)를 이용하여, 상기 사파이어기판(1)을 노광(露光, Exposure)하는 공정을 통해 상기 포토레지스트(10)의 불필요 부위를 부식시켜 다수의 사면체(10-1) 패턴을 형성하는 노광단계(S140)와, 알칼리성(alkaline) 현상(Develop) 약품을 이용하여 노광으로 부식된 상기 포토레지스트(10)의 홈에 남아있는 불필요 잉여부위를 제거하는 현상단계(S150)와, 상기 포토레지스트(10)를 가열하여 상기 사면체(10-1) 패턴의 내구성을 증대시키게 된 2차 성장단계(S160)와, 상기의 사면체(10-1) 패턴에 따라 사파이어기판(1)을 건조식각(dry etching by ICP-RIE)하여 서로 이격된 다수의 상기 볼록렌즈(12)의 형상과 모양을 최종 가공하는 식각단계(S170)로 이루어진다.
한편, 상기 코팅단계(S120)에서의 포토레지스트(10)는, 빛에 노출됨으로써 약품에 대한 내성이 변화하는 고분자재료를 그 소재로 한 필름(Film)인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 1차 성장단계(S130)는, 50mm/sec 내지 60mm/sec 이내의 설정시간, 100℃ 내지 130℃ 이내의 설정온도로 가열하는 소프트베이킹(Soft baking) 공정의 수행을 통하여, 상기한 포토레지스트(10)의 내구성을 향상시키는데 그 목적이 있다.
또한, 상기 노광단계(S140)는, 150mm/sec 내지 200mm/sec 이내의 설정시간 동안 자외선(Ultraviolet Ray; UV)을 조사하는 것으로 그 공정의 수행을 이룰 수 있음이 바람직하다.
그리고, 상기 2차 성장단계(S160)는, 50mm/sec 내지 60mm/sec 이내의 설정시간, 120 내지 130℃ 이내의 설정온도로 가열하는 하드베이킹(Hard baking)의 리플로우(Reflow) 공정을 수행하여, 상기 포토레지스트(10)에 형성된 사면체(10-1)의 내구성을 향상시키는데 그 목적이 있다.
또한, 상기 식각단계(S170)는, 건식식각(Dry etching) 공법을 이용하여 전자적(電磁的)으로 고주파 유도 결합 플라스마(Inductively Coupled Plasma; ICP)를 생성시켜, 상기 사파이어기판(1) 상에 미리 정한 형상과 모양 및 배치 패턴을 갖는 다수의 볼록렌즈(12)가 형성되도록 최종 가공한다.
상기와 같은 구성으로 되는 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판의 작용을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 앞서 설명하고 도 1에 도시된 바와 같이, 대표적 발광소자인 발광다이오드(LED)는 N형 반도체와 P형 반도체가 서로 접합된 구조를 가지는 광전변환 반도체소자로서, 상기 사파이어기판(910)(1) 상에 n형 GaN클래드층(921)과 다중양자우물(Multi-Quantum Well) 구조의 활성층(922)과 p형 GaN클래드층(923)이 순차적으로 적층된 구조이다.
또한, 상기 사파이어기판(910)(1)에는 기저부(11)의 상면에 특정 형상과 모양 및 배치 패턴을 갖도록 형성된 상기 볼록렌즈(12)에 의해 빛이 굴절되도록 함으로써, 발광소자 내부에서의 전반사로 인한 광량의 손실을 방지하여 상기 발광소자의 외부 광 추출효율이 크게 향상될 수 있게 되는 것이다.
이를 위한 본 발명의 반도체 발광소자용 기판의 제조방법을 단계적으로 설명한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 세척(Cleaning)공정을 거친 사파이어기판을 구비한다(준비단계 : S110).
그런 후, 상기 사파이어기판(1)의 기저부(11) 상면에, 볼록렌즈(12) 형성을 위한 포토레지스트(10)를 증착시켜 상기 볼록렌즈(12) 형성을 가공 및 성장이 가능토록 한다(코팅단계 : S120).
이어서, 포토레지스트(10)를 적정온도로 가열하는바, 50-60mm/sec 이내의 설정시간 동안 100-130℃ 이내로 설정온도를 맞추어 가열하는 공정을 통해, 상기 포토레지스트(10)의 내구성이 향상되도록 한다(1차 성장단계 : S130).
계속해서, 노광기를 이용하여 사파이어기판(1)의 노광 공정을 수행하는바, 상기 노광기에는 식각면이 노출된 마스크패턴이 미리 구비된 관계로 상기 볼록렌즈(12) 가공을 위한 포토레지스트(10)의 불필요 부위를 150-200mm/sec 이내의 설정시간 동안 자외선을 조사하여 상기 포토레지스트(10)에 사면체(10-1)가 형성되도록 하는 것이다(노광단계 : S140)
이후에는, 알칼리성(alkaline) 현상(Develop) 약품을 이용하여 상기 포토레지스트(10)의 홈에 남아있는 잉여부위를 말끔히 제거(현상단계 : S150)한 다음, 상기 포토레지스트(10)를 적정온도에서 추가로 가열하여 사면체(10-1)의 내구성을 증대시키게 되는바, 50-60mm/sec 이내의 설정시간 동안 120-130℃ 이내로 설정온도를 맞추어 가열하는 리플로우 공정을 통해서, 상기 포토레지스트(10)에 형성된 사면체(10-1)의 내구성이 더 향상되도록 한다(2차 성장단계 : S160).
마지막으로, 상기 사면체(10-1)의 배치 패턴 및 볼록렌즈(12)의 형상과 모양을 감안해서 상기 사파이어기판(1)을 건조식각(dry etching by ICP-RIE)함을 통해, 서로 이격된 다수의 상기 볼록렌즈(12)의 형상과 모양을 최종 가공(식각단계 : S170)하는 것으로 모든 공정의 수행을 완료할 수 있다.
정리하자면, 기저부(11) 상면에 미리 정한 형상과 모양 및 특정한 배치 패턴을 가진 다수의 볼록렌즈(12)를 성장시켜 발광소자의 발광 빛이 용이하게 외부 추출될 수 있는 굴절률의 차이를 두어, 내부 전반사로 인하여 상당한 광량이 기판 내부에서 빠져나오지 못하게 됨으로써 양자효율이 낮아지는 문제점을 극복할 수 있게 되는바, 본 발명에 따른 반도체 발광소자용 기판은 기존 민무늬 기판을 이용한 경우에 비해 1.5배에서 2배 이상의 외부 광 추출효과를 거둘 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명을 바람직한 실시 예를 이용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.
1 : 사파이어기판, 10 : 포토레지스트, 10-1 : 사면체
11 : 기저부, 12 : 볼록렌즈, 121 : 능선부
122 : 꼭지점, S110 : 준비단계, S120 : 코팅단계
S130 : 1차 성장단계, S140 : 노광단계, S150 : 현상단계
S160 : 2차 성장단계, S170 : 식각단계

Claims (9)

  1. 발광소자의 베이스 기판이 되는 기저부; 상기 기저부 상면에 돌출형성됨과 아울러 미리 정한 형상과 모양 및 배치 패턴을 가짐에 따라, 상기 발광소자로부터 발광한 빛을 굴절시켜 외부 광 추출효율을 향상시키도록 한 볼록렌즈;를 포함하여 구성되되,
    상기 볼록렌즈는, 원뿔모양을 이루되, 상기 기저부 상면과 맞닿은 하측 말단부의 외형이 꽃 모양으로 형성됨에 따라 중앙부를 중심으로 방사형 배치 및 호형으로 만곡진 형태로 된 다수의 능선부가 상향 돌출되고, 상기 능선부가 상측으로 향할수록 뾰족하게 함입됨으로써 꼭지점이 최상단에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자용 기판.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 볼록렌즈는, 상기 기저부 상면에 미리 정한 간격을 두고 다수개가 종과 횡으로 기판 전체 공간에 배치되는 패턴을 가짐을 특징으로 하는 반도체 발광소자용 기판.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 볼록렌즈는, 밑단의 지름이 3.73μm이고,
    상기 밑단으로부터 최상단까지의 높이는 1.76μm로 형성됨을 특징으로 하는 반도체 발광소자용 기판.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 능선부는, 적어도 5개 이상 8개 이내임을 특징으로 하는 반도체 발광소자용 기판.
  5. 세척공정을 거친 사파이어기판을 구비하는 준비단계;
    상기 사파이어기판의 기저부 상면에 발광소자로부터 발광한 빛을 굴절시켜 외부 광 추출효율을 향상시키게 된 볼록렌즈의 형성을 위한 포토레지스트(Photo-resist)를 증착시키는 코팅단계;
    상기 포토레지스트를 미리 정한 온도로 가열하여, 내구성을 증대시키게 된 1차 성장단계;
    식각면이 노출된 마스크패턴을 구비한 노광기(Stepper)를 이용하여, 상기 사파이어기판을 노광하는 공정을 통해 상기 포토레지스트의 불필요 부위를 부식시켜 다수의 사면체 패턴을 형성하는 노광단계;
    알칼리성 현상 약품을 이용하여 노광으로 부식된 상기 포토레지스트의 홈에 남아있는 불필요 잉여부위를 제거하는 현상단계;
    상기 포토레지스트를 가열하여, 상기 사면체 패턴의 내구성을 증대시키게 된 2차 성장단계; 및,
    상기의 사면체 패턴에 따라 상기 사파이어기판을 건조식각하여, 서로 이격된 다수의 상기 볼록렌즈의 형상과 모양을 가공하는 식각단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자용 기판의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 1차 성장단계는, 50mm/sec 내지 60mm/sec 이내의 설정시간, 100℃ 내지 130℃ 이내의 설정온도로 상기 포토레지스트를 가열함을 특징으로 하는 반도체 발광소자용 기판의 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 노광단계는, 150mm/sec 내지 200mm/sec 이내의 설정시간 동안 자외선을 조사함을 특징으로 하는 반도체 발광소자용 기판의 제조방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 2차 성장단계는, 50mm/sec 내지 60mm/sec 이내의 설정시간, 120 내지 130℃ 이내의 설정온도로 상기 포토레지스트를 가열함을 특징으로 하는 반도체 발광소자용 기판의 제조방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 식각단계는, 고주파 유도 결합 플라스마(Inductively Coupled Plasma; ICP)를 생성시켜, 상기 사파이어기판 상면에 다수의 볼록렌즈가 형성되도록 가공함을 특징으로 하는 반도체 발광소자용 기판의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104952992A (zh) * 2015-04-30 2015-09-30 华南理工大学 一种弧形三棱锥图形化led衬底及led芯片

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