專利名稱：藍(lán)寶石基板的蝕刻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光元件所用的藍(lán)寶石基板的蝕刻方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED, Light Emitting Diode)具有在基板上p型半導(dǎo)體層及η型半導(dǎo)體層上形成有電極的構(gòu)造。若因自P型半導(dǎo)體層注入的空穴與自η型半導(dǎo)體層注入的電子的再耦合而在活性層的某發(fā)光區(qū)域中產(chǎn)生光，則該光自形成有電極的面、或未成長半導(dǎo)體層的基板面射出。關(guān)于此種構(gòu)造的發(fā)光二極管，已提出在基板的表面形成多個凸部(凹部)，使發(fā)光區(qū)域中產(chǎn)生的光散射、繞射，藉此提高外部量子效率的方法。半導(dǎo)體LED之一的GaN(氮化鎵)系LED多使用具有優(yōu)異特性的藍(lán)寶石基板作為GaN系半導(dǎo)體的結(jié)晶成長用基板，藉由將光刻膠(photoresist)作為掩模材料對藍(lán)寶石基板進(jìn)行干式蝕刻,而在基板表面形成多個凸部。再者，等離子體蝕刻裝置通常較理想為能以10分鐘左右對I μ m的厚度進(jìn)行蝕刻。為獲得此種蝕刻速率，必須利用高輸出的高頻電力進(jìn)行蝕刻，但若使用高輸出的高頻電力，則光刻膠產(chǎn)生灼燒、或碳化。因此，一直以來在內(nèi)置有冷卻機構(gòu)的載置臺上載置藍(lán)寶石基板，藉由夾具等機械夾頭(Chuck)或靜電夾頭使藍(lán)寶石基板緊貼在載置臺，藉此將上述藍(lán)寶石基板冷卻(專利文獻(xiàn)I)。[專利文獻(xiàn)I]日本特開2007-109770號公報

發(fā)明內(nèi)容
然而，若使用機械夾頭或靜電夾頭，則對載置臺的基板的設(shè)置或處理后的基板卸下較為費事。另外，即便在設(shè)有機械夾頭或靜電夾頭的情形下，當(dāng)基板的設(shè)置不充分時亦有基板與載置臺的緊貼度下降，在干式蝕刻處理恐有發(fā)生光刻膠的灼燒或碳化的可能。另外，為了進(jìn)一步提高外部量子效率，在藍(lán)寶石層的表面形成錐形狀(圓錐臺狀、圓錐狀)的凸部，并且使鄰接的凸部的底邊的間隔變窄。若凸部的底邊的間隔較大，則平面部占藍(lán)寶石層的表面的比例變多，自發(fā)光層(GaN層)入射至藍(lán)寶石層的光中，以小在臨界角的角度入射至平面部的光的比例變多。因此，光的射出面?zhèn)?GaN層側(cè))的外部量子效率變低。另一方面，若使凸部的底邊的間隔變窄，則凸部的傾斜面占藍(lán)寶石層的表面的比例變多，以小在臨界角的角度入射至藍(lán)寶石層的光的比例變小。因此，光的射出面?zhèn)鹊耐獠苛孔有首兏摺Ｒ虼耍^理想的是凸部的底邊的間隔越窄、即平面部越小越好，但在利用等離子體蝕刻在藍(lán)寶石表面形成此種構(gòu)造的情形時，先前的光掩模形成方法難以制作可充分減小平面部的形狀的光掩模。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明想要解決的課題在于提供一種藍(lán)寶石基板的蝕刻方法，其可形成外部量子效率優(yōu)異的半導(dǎo)體發(fā)光元件，且可極力抑制光刻膠灼燒或碳化的發(fā)生。為了解決上述課題研制而成的本發(fā)明是一種藍(lán)寶石基板的蝕刻方法，其在半導(dǎo)體發(fā)光元件所使用的藍(lán)寶石基板上形成光刻膠圖案，照射波長為400nm以下的紫外線后，將上述光刻膠圖案作為掩模進(jìn)行干式蝕刻，其具備以下步驟:預(yù)烘烤(pre-bake)步驟，在涂布光刻膠后、照射紫外線之前，以較照射上述紫外線時更高的溫度對上述藍(lán)寶石基板進(jìn)行加熱；后烘烤(post-bake)步驟，在照射紫外線后，以較預(yù)烘烤步驟更高的溫度對上述藍(lán)寶石基板進(jìn)行加熱；及蝕刻步驟，在上述后烘烤步驟后，將上述光刻膠圖案作為掩模進(jìn)行干式蝕刻，藉此在上述藍(lán)寶石基板上形成多個側(cè)壁相對于該藍(lán)寶石基板表面的角度為90°以下的凸部。另外，本發(fā)明的藍(lán)寶石基板的蝕刻方法，在上述蝕刻步驟中，形成多個側(cè)壁相對于上述藍(lán)寶石基板表面的角度未達(dá)90°的圓錐臺狀或圓錐狀的凸部。進(jìn)而，本發(fā)明的藍(lán)寶石基板的蝕刻方法中，紫外線照射時的溫度為室溫 100°C，預(yù)烘烤步驟的加熱溫度為120 130°C。此外，本發(fā)明的藍(lán)寶石基板的蝕刻方法中，后烘烤步驟的加熱溫度高于干式蝕刻時的藍(lán)寶石基板的溫度。根據(jù)本發(fā)明的蝕刻方法，即便不利用機械夾頭或靜電夾頭將藍(lán)寶石基板設(shè)置在載置臺上，亦可維持光刻膠形狀，并且不發(fā)生后烘烤時或蝕刻處理時的灼燒、碳化，而且可獲得優(yōu)異的蝕刻速率。


圖1是概略性地表示藍(lán)寶石基板表面具有圓錐臺狀凸部的半導(dǎo)體發(fā)光元件的剖面構(gòu)成的圖。圖2是表示本發(fā)明的一實施方式的蝕刻方法所用的等離子體蝕刻裝置的概略構(gòu)成圖。圖3是概略性地表示本實施方式的蝕刻方法的步驟圖。圖4表示藉由實施例5的蝕刻方法的各步驟獲得的藍(lán)寶石基板的SEM圖像，(a)是初期(預(yù)烘烤后)、(b)是后烘烤后、(c)是蝕刻后的SEM圖像。圖5表示藉由實施例6的蝕刻方法的各步驟獲得的藍(lán)寶石基板的SEM圖像，(a)是初期(預(yù)烘烤后)、(b)是后烘烤后、(c)是蝕刻后的SEM圖像。圖6表示藉由實施例8的蝕刻方法的各步驟獲得的藍(lán)寶石基板的SEM圖像，(a)是初期(預(yù)烘烤后)、(b)是后烘烤后、(c)是蝕刻后的SEM圖像。圖7(a)及(b)表示藉由比較例3的蝕刻方法的各步驟獲得的藍(lán)寶石基板的SEM圖像，(a)是初期(預(yù)烘烤后)、(b)是紫外線照射后的SEM圖像。(c)表示比較例4的蝕刻方法的紫外線照射后的SEM圖像，(d)表示初期(預(yù)烘烤后)及紫外線照射后(150°C及2000C )的光刻膠厚度及光刻膠的凸部的側(cè)壁的角度。圖8圖9表示藉由實施例9的蝕刻方法的各步驟獲得的藍(lán)寶石基板的SEM像，(a)是平版印刷術(shù)后、(b)是預(yù)烘烤后、(c)是等離子體蝕刻后的SEM圖像。圖10表示藉由實施例10的蝕刻方法的各步驟獲得的藍(lán)寶石基板的SEM像，(a)是平版印刷術(shù)后、(b)是預(yù)烘烤后、(C)是等離子體蝕刻后的SEM圖像。
具體實施例方式以下，參照圖式對本發(fā)明的一實施方式進(jìn)行說明。圖1表不氮化鎵系化合物半導(dǎo)體發(fā)光兀件(GaN系半導(dǎo)體LED)的剖面構(gòu)成的一例。GaN系半導(dǎo)體LED20是在藍(lán)寶石基板21上層疊η型GaN層22、GaN活性層23、p型GaN層24而成的。在上述GaN系半導(dǎo)體LED20，為了提高外部量子效率，在藍(lán)寶石基板21形成光刻膠圖案，并藉由進(jìn)行蝕刻在基板表面形成多個凸部21a，然后層疊η型GaN層22、GaN活性層23、P型GaN層24。在本實施方式中，為了在藍(lán)寶石基板21上形成多個凸部21a，使用后述的蝕刻方法。圖2表示本實施方式的蝕刻方法所用的等離子體蝕刻裝置10的概略構(gòu)成。該裝置是感應(yīng)耦合型(ICP，Inductively Coupled Plasma)，在密閉的反應(yīng)室11中設(shè)有平板狀的下部電極12，在反應(yīng)室11的上部(外部)介隔石英板14設(shè)有激發(fā)線圈15。激發(fā)線圈15是立體鏇潤形(inverted tornado)的線圈，自線圈中央供給高頻電力,將線圈外周的末端接地。搬送藍(lán)寶石基板21的托盤載置在下部電極12。另外，下部電極12連接高頻電源
13。在下部電極12內(nèi)置有用以冷卻藍(lán)寶石基板的冷卻機構(gòu)，且藉由冷卻控制部17控制。在本實施方式的蝕刻方法中，依次實行圖3所示光刻膠圖案的形成步驟、預(yù)烘烤步驟、UV-固化步驟(亦稱為紫外線照射步驟)、后烘烤步驟、蝕刻步驟、及光刻膠的去除步驟。使用酚醛清漆(novolac)系樹脂作為光刻膠。預(yù)烘烤步驟是使涂布在藍(lán)寶石基板上的光刻膠中的多余有機溶劑蒸發(fā)的步驟。預(yù)烘烤步驟的溫度根據(jù)光刻膠的種類為80 200°C左右，酚醛清漆系樹脂為120°C左右。預(yù)烘烤步驟中，將涂布有光刻膠的藍(lán)寶石基板21載置在加熱板上，以上述溫度進(jìn)行I 2分鐘左右的預(yù)烘烤處理。此后，進(jìn)行圖案的曝光、顯影、清洗等處理而形成光刻膠圖案。再者，為了使得由后述的蝕刻處理所形成在藍(lán)寶石基板21表面的凸部側(cè)壁相對于該基板表面的角度為所設(shè)計的未達(dá)90°的錐角，較佳為將側(cè)壁相對于該表面的角度未達(dá)90°的掩模形成在上述藍(lán)寶石基板21的表面(圓錐臺狀)(參照日本特開2003-264171號公報)。然而，對在必須以高輸出的高頻電力進(jìn)行蝕刻的藍(lán)寶石基板而言，需要本發(fā)明的UV一固化步驟及后烘烤步驟，以強化掩模而在蝕刻過程中掩模不灼燒或碳化。UV—固化步驟中，將預(yù)烘烤后的藍(lán)寶石基板載置在溫度控制為較預(yù)烘烤溫度更低的溫度、例如100°c的紫外線照射裝置(未圖示)的載置臺上，在藍(lán)寶石基板21的表面達(dá)100°C后，對光刻膠圖案照射波長為400nm以下的紫外線20分鐘。藉由紫外線照射，光刻膠樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。其結(jié)果，光刻膠樹脂硬化，光刻膠圖案的耐熱性提高。其后，使紫外線照射裝置內(nèi)的溫度下降至室溫。后烘烤步驟系藉由將形成有光刻膠圖案的藍(lán)寶石基板載置在上述紫外線照射裝置的載置臺上，將該載置臺的溫度控制為較預(yù)烘烤溫度更高的溫度例如150 250°C而進(jìn)行。其結(jié)果，可完全去除預(yù)烘烤步驟中無法去除而殘留在光刻膠中的多余有機溶劑，即便以高輸出的高頻電力對藍(lán)寶石基板進(jìn)行蝕刻，亦可形成不灼燒或碳化的牢固的掩模。再者，若將上述預(yù)烘烤步驟以與后烘烤步驟相同的溫度進(jìn)行處理，則雖可完全去除光刻膠中的溶齊U，但其后的曝光或顯影步驟中無法形成所需的圖案。另外，若將UV—固化步驟以與后烘烤步驟相同的溫度進(jìn)行處理，因光刻膠樹脂的交聯(lián)與有機溶劑的去除同時發(fā)生，故光刻膠樹脂中的單體等的交聯(lián)反應(yīng)未充分進(jìn)行，或光刻膠圖案發(fā)生變形。藍(lán)寶石基板的蝕刻步驟中，首先在等離子體蝕刻裝置10的反應(yīng)室11的下部電極12上載置上述藍(lán)寶石基板21，在該狀態(tài)下排出反應(yīng)室11內(nèi)的空氣，將反應(yīng)室內(nèi)的壓力調(diào)整為減壓狀態(tài)。此后，向反應(yīng)室11供給用以對藍(lán)寶石基板進(jìn)行蝕刻的Cl2氣體、BCl3氣體及Ar氣體等，調(diào)整反應(yīng)室11內(nèi)的氣壓。繼而，對激發(fā)線圈15及下部電極12供給高輸出的高頻電力10分鐘，藉此生成反應(yīng)氣體的等離子體26。藉由該等離子體26進(jìn)行藍(lán)寶石基板的蝕刻，藉此可形成側(cè)壁相對于藍(lán)寶石基板表面的角度未達(dá)90°的圓錐臺狀或圓錐狀的凸部。接下來，對具體的實施例及比較例進(jìn)行說明。[實施例1]利用旋轉(zhuǎn)涂布法將光刻膠用的酚醛清漆樹脂涂布在藍(lán)寶石基板21上后，將該藍(lán)寶石基板21載置在經(jīng)調(diào)整為120°C的加熱板上進(jìn)行預(yù)烘烤。然后，利用平版印刷術(shù)在藍(lán)寶石基板21上形成多個圓錐臺狀的光刻膠圖案。此時，調(diào)整曝光條件以使光刻膠的形狀成為圓錐臺狀。接著，使用紫外線照射裝置(裝置名:UV-1，SAMCO股份有限公司制造)，將上述藍(lán)寶石基板21載置在溫度控制為100°C的載置臺上，在藍(lán)寶石基板21的表面達(dá)到100°C后，對光刻膠圖案照射波長為400nm以下的紫外線20分鐘。其后，將載置臺冷卻至室溫后，將上述紫外線照射裝置的載置臺升溫至150°C進(jìn)行20分鐘的后烘烤。再者，后烘烤中，紫外線照射裝置的紫外線燈不動作。接著，在等離子體蝕刻裝置10的反應(yīng)室11的下部電極12上載置藍(lán)寶石基板21，在該狀態(tài)下排出反應(yīng)室11內(nèi)的空氣，將該反應(yīng)室11內(nèi)的壓力調(diào)整為2X10_3Pa。其后，向反應(yīng)室11內(nèi)分別以20sccm、50sccm及40sccm的流量供給Cl2氣體、BCl3氣體及Ar氣體，將反應(yīng)室11內(nèi)的氣壓調(diào)整為0.7Pa。然后，對激發(fā)線圈15及下部電極12供給200W及200W(ICP/Bias = 200/200W)的聞頻電力10分鐘,藉此生成反應(yīng)氣體的等尚子體26。藉由該等尚子體26進(jìn)行蝕刻。[實施例2]除了以180°C進(jìn)行后烘烤以外，與實施例1同樣地進(jìn)行藍(lán)寶石基板21的蝕刻。[實施例3]除了以200°C進(jìn)行后烘烤以外，與實施例1同樣地進(jìn)行藍(lán)寶石基板21的蝕刻。[實施例4]除了以250°C進(jìn)行后烘烤以外，與實施例1同樣地進(jìn)行藍(lán)寶石基板21的蝕刻。[實施例5]除了將激發(fā)線圈15及下部電極12的高頻電力變更為500W及450W(ICP/Bias =500/450W)以外，與實施例1同樣地進(jìn)行蝕刻。圖4中示出利用實施例5方法獲得的藍(lán)寶石基板21的SEM(Scanning ElectronMicroscope，掃描電子顯微鏡)圖像。圖4(a)是預(yù)烘烤后的SEM圖像(在圖中示為“初期”)，圖4(b)是后烘烤后的SEM圖像(在圖中示為“烘烤后”)，及圖4(c)是蝕刻后的SEM圖像(在圖中示為“500/450W處理后”)。
[實施例6]除了將激發(fā)線圈15及下部電極12的高頻電力變更為500W及450W(ICP/Bias =500/450W)以外，與實施例2同樣地進(jìn)行蝕刻。圖5中示出藉由實施例6的方法獲得的藍(lán)寶石基板21的SEM圖像。圖5 (a)是預(yù)烘烤后的SEM圖像(在圖中示為“初期”)，圖5(b)是后烘烤后的SEM圖像(在圖中示為“180°C烘烤后”)，及圖5(c)是蝕刻后的SEM圖像(在圖中示為“500/450W處理后”)。[實施例7]除了將激發(fā)線圈15及下部電極12的高頻電力變更為500W及450W(ICP/Bias =500/450W)以外，與實施例3同樣地進(jìn)行蝕刻。[實施例8]除了將激發(fā)線圈15及下部電極12的高頻電力變更為500W及450W(ICP/Bias =500/450W)以外，與實施例4同樣地進(jìn)行蝕刻。圖6中示出利用實施例8的方法獲得的藍(lán)寶石基板21的SEM圖像。圖6 (a)是預(yù)烘烤后的SEM圖像(在圖中示為“初期”)，圖6(b)是后烘烤后的SEM圖像(在圖中示為“250°C烘烤后”)，及圖6(c)是蝕刻后的SEM圖像(在圖中示為“500/450W處理后”)。[比較例I]除了不進(jìn)行后烘烤以外，與實施例1同樣地進(jìn)行藍(lán)寶石基板21的蝕刻。[比較例2]除了將激發(fā)線圈15及下部電極12的高頻電力變更為500W及450W(ICP/Bias =500/450W)以外，與比較例I同樣地進(jìn)行蝕刻。[比較例3]除了將預(yù)烘烤溫度設(shè)定為130°C、紫外線照射時溫度設(shè)定為150°C以外與實施例1同樣地操作，結(jié)果，紫外線照射后光刻膠的形狀發(fā)生了變化。因此，未進(jìn)行后烘烤及蝕刻處理。圖7的(a)及(b)中示出利用比較例3的方法獲得的藍(lán)寶石基板21的SEM圖像。圖7 (a)是預(yù)烘烤后的SEM圖像(在圖中示為“之前(before)”)，圖7(b)是紫外線照射后的SEM圖像(在圖中示為“在150°C照射UV (UV at 150°C )，，)。預(yù)烘烤步驟后，在藍(lán)寶石基板上形成由多個圓錐臺狀的凸部所構(gòu)成的光刻膠圖案。預(yù)烘烤步驟后，光刻膠具有圓錐臺狀的凸部且厚度為1.5μπι。但，紫外線照射后，光刻膠的形狀發(fā)生變化且厚度變?yōu)?.3μπι。進(jìn)而，預(yù)烘烤后，光刻膠的凸部的側(cè)壁相對于藍(lán)寶石基板的表面的角度為70°但，紫外線照射后該角度變?yōu)?5°。如上所述，在以150°C進(jìn)行紫外線照射的情形時，光刻膠圖案的形狀發(fā)生了變化。[比較例4]除了將紫外線照射溫度變更為200°C以外與比較例3同樣地操作，結(jié)果，紫外線照射后光刻膠的形狀發(fā)生了變化。因此，不進(jìn)行后烘烤及蝕刻處理。圖7(c)中示出藉由比較例4的方法獲得的紫外線照射后的藍(lán)寶石基板的SEM圖像(在圖中示為“在200°C照射UV(UV at 200°C ) ”)。預(yù)烘烤后的SEM圖像為與比較例3相同的圖7(a)。與比較例3同樣，預(yù)烘烤步驟后，在藍(lán)寶石基板上形成有由多個圓錐臺狀的凸部所構(gòu)成的光刻膠圖案，上述凸部的厚度為1.5 μ m。但，紫外線照射后光刻膠的形狀發(fā)生變化且厚度變?yōu)?.4 μ m。進(jìn)而，預(yù)烘烤后光刻膠的凸部的側(cè)壁相對于藍(lán)寶石基板的表面的
角度為70°但紫外線照射后該角度變?yōu)?5°。如上所述，在以200°C進(jìn)行紫外線照射的情
形時，光刻膠圖案的形狀有明顯地變化。圖7(d)中示出初期(預(yù)烘烤后)及紫外線照射后
(150°C及200°C )的光刻膠厚度及光刻膠凸部的側(cè)壁的角度。表I是將實施例1 8及比較例I 4的蝕刻后的藍(lán)寶石基板21的表面的光刻
膠狀態(tài)、以及藍(lán)寶石基板21表面的圓錐臺狀的凸部形成狀態(tài)的評價結(jié)果整理所示的表。再
者，對各實施例，亦進(jìn)行后烘烤后的光刻膠的形狀評價及灼燒的評價。各評價的基準(zhǔn)系記載
在表的下方。表I
權(quán)利要求
1.一種藍(lán)寶石基板的蝕刻方法，其在半導(dǎo)體發(fā)光元件所用的藍(lán)寶石基板上形成光刻膠圖案，照射波長為400nm以下的紫外線后，以該光刻膠圖案為掩模進(jìn)行干式蝕刻， 該藍(lán)寶石基板的蝕刻方法具備以下步驟: 預(yù)烘烤步驟，在涂布光刻膠后、照射紫外線之前，以較該紫外線的照射時更高的溫度對該監(jiān)寶石基板進(jìn)行加熱； 后烘烤步驟，在照射紫外線后，以較預(yù)烘烤步驟更高的溫度對該藍(lán)寶石基板進(jìn)行加熱；以及 蝕刻步驟，在該后烘烤步驟后，以該光刻膠圖案為掩模進(jìn)行干式蝕刻，藉此在該藍(lán)寶石基板上形成多個側(cè)壁相對于該藍(lán)寶石基板表面的角度為90°以下的凸部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍(lán)寶石基板的蝕刻方法，其中，在蝕刻步驟中，形成多個側(cè)壁相對于藍(lán)寶石基板表面的角度未達(dá)90°的圓錐臺或圓錐狀的凸部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的藍(lán)寶石基板的蝕刻方法，其中，紫外線照射時的溫度為室溫 100°c，預(yù)烘烤步驟的加熱溫度為120 130°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3的任一項所述的藍(lán)寶石基板的蝕刻方法，其中，后烘烤步驟的加熱溫度高于干式蝕刻步驟中的藍(lán)寶石基板的表面溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4的任一項所述的藍(lán)寶石基板的蝕刻方法，其中，后烘烤步驟的加熱溫度為200°C以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任一項所述的藍(lán)寶石基板的蝕刻方法，其中，在照射紫外線后、后烘烤步驟之前，使藍(lán)寶石基板回到室溫。
全文摘要
本發(fā)明是一種藍(lán)寶石基板的蝕刻方法，其在半導(dǎo)體發(fā)光元件所用的藍(lán)寶石基板上形成光刻膠圖案，照射波長為400nm以下的紫外線后，將上述光刻膠圖案作為掩模進(jìn)行干式蝕刻，其具備以下步驟預(yù)烘烤步驟，在涂布光刻膠后、照射紫外線之前，以較上述紫外線的照射時更高的溫度對上述藍(lán)寶石基板進(jìn)行加熱；后烘烤步驟，在照射紫外線后，以較預(yù)烘烤步驟更高的溫度對上述藍(lán)寶石基板進(jìn)行加熱；及蝕刻步驟，在上述后烘烤步驟后，將上述光刻膠圖案作為掩模進(jìn)行干式蝕刻，藉此在上述藍(lán)寶石基板上形成多個側(cè)壁相對于該藍(lán)寶石基板的表面的角度為90°以下的凸部。
文檔編號H01L21/3065GK103168346SQ201180043039
公開日2013年6月19日 申請日期2011年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者西宮智靖, 高橋宏行, 奧本昭直, 丸野敦紀(jì) 申請人:莎姆克株式會社