DE112007000793T5

DE112007000793T5 - Verfahren zur Feinbehandlung eines Substrats, Verfahren zur Fertigung eines Substrats und lichtemittierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE112007000793T5
Application number: DE112007000793T
Authority: DE
Inventors: Yoshinobu Tsukubamirai Ono; Kenji Tsukuba Kasahara; Kazumasa Tsuchiura Ueda
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2009-04-02
Also published as: US20090114944A1; GB0818657D0; JP2007273746A; CN101454913A; GB2450452A; WO2007114503A1; KR20090009812A; TWI420690B; US7645625B2; TW200802976A

Abstract

Verfahren zur Feinbehandlung eines Substrats, das nach dem Entfernen einer Einteilchenschicht von dem Substrat mit der Einteilchenschicht das Ausbilden von Löchern, die einen kleineren Innendurchmesser als den Teilchendurchmesser aufweisen und an einer Position auf dem Substrat, an der die die Einteilchenschicht bildenden einzelnen Teilchen platziert waren, zentriert sind, durch Ätzen umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbehandlung eines Substrats, ein Verfahren zur Fertigung eines Substrats sowie eine lichtemittierende Vorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ausbildung von feinen Löchern auf einem Substrat und ein Verfahren zur Fertigung eines Substrats. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine lichtemittierende Vorrichtung mit einer verbesserten Lichtausbeute.
Lichtemittierende Vorrichtungen werden in weitem Umfang als Display oder Beleuchtung verwendet. In den letzten Jahren wurde eine höhere Lichtausbeute der lichtemittierenden Vorrichtungen in Bezug auf eine Verbesserung der Eigenschaften des Display oder dergleichen erwartet. Um eine höhere Lichtausbeute zu erhalten, ist eine Verbesserung der Lichtextraktionseffizienz der lichtemittierenden Vorrichtung erforderlich. Zur Verbesserung der Lichtextraktionseffizienz wurde beispielsweise ein Verfahren zur Ausbildung von Rauigkeit auf der Oberfläche der lichtemittierenden Vorrichtung anstelle der Ausbildung einer eingeebneten Oberfläche vorgeschlagen. Im Hinblick auf die Größe der Rauigkeit ist bekannt, dass die Wirkung einer Struktur einer Wellenlängengrößenordnung hoch ist und die Extraktionseffizienz insbesondere in einer Photon-Kristallstruktur, bei der sich der Brechungsindex durch die Rauigkeit der Wellenlängengrößenordnung periodisch ändert, verbessert ist ( US-Patentschrift Nr. 3739217 , US-Patentschrift Nr. 5955749 ). Als Kristallstruktur, in der eine zweidimensionale Photon-Bandlücke entweder im TE-Modus oder TM-Modus gleichlaufend ausgebildet ist, ist die Kristallstruktur des Typs einer Anordnung runder Löcher bekannt. Herkömmlicherweise ist ein Verfahren zur Ausbildung der Rauigkeit unter Verwendung von Photolithographie bekannt. Jedoch ist es schwierig, gemäß diesem Verfahren eine feine Rauigkeit in der Größe der Wellenlänge von sichtbarem Licht auszubilden. Infolgedessen wurde eine Belichtung mit Röntgenstrahlung oder einem Elektronenstrahl zur Ausbildung der feinen Rauigkeit untersucht. Jedoch ist die Verwendung einer Belichtung mit Röntgenstrahlen oder einem Elektronenstrahl nicht praktikabel, da bei der Röntgenbelichtung eine Röntgenquelleneinrichtung großer Größe erforderlich ist und die Belichtung mit einem Elektronenstrahl einen langen Zeitraum erfordert. So wird als weiteres Verfahren die Ausbildung der feinen Rauigkeit durch Durchführen eines Ätzens unter Verwendung von nanoskaligen Teilchen als Maske vorgeschlagen ( US-Patentschrift Nr. 4407695 ).
Jedoch hängt die Größe der Rauigkeit von der Größe der nanoskaligen Teilchen in diesem Verfahren ab. Um die Größe der Rauigkeit zu ändern, müssen die nanoskaligen Teilchen geändert werden und daher ist eine Feineinstellung der Größe der Rauigkeit schwierig. Die Konfiguration der auszubildenden Rauigkeit ist auf eine Konfiguration, bei der Löcher in dem Zwischenraum zwischen Teilchen ausgebildet werden, oder eine Konfiguration, bei der der Bereich unmittelbar unter einem Teilchenbereich in der Form eines konischen Trapezoids zurückbleibt, beschränkt. Daher kann eine Struktur mit einem Säulenanordnungstyp ausgebildet werden. Jedoch ist die Bildung einer Struktur des Typs einer Anordnung runder Löcher schwierig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Ausbildung von feiner Rauigkeit und einer Photon-Kristallstruktur von jeweils dem Typ einer Anordnung runder Löcher in einer großen Fläche in einem erforderlichen Musterbereich mit hervorragender Reproduzierbarkeit.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Fertigung eines Substrats mit der feinen Rauigkeit und der Photon-Kristallstruktur von jeweils dem Typ einer Anordnung runder Löcher.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines lichtemittierenden Elements mit der feinen Rauigkeit und der Photon-Kristallstruktur von jeweils dem Typ einer Anordnung runder Löcher.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung erreichten die vorliegende Erfindung als Ergebnis ihrer entsprechenden Untersuchungen zur Lösung des im vorhergehenden genannten Problems.
Daher erfolgt durch die vorliegende Erfindung die Bereitstellung eines Verfahrens zur Feinbehandlung eines Substrats, bei dem nach dem Entfernen einer Einteilchenschicht von dem Substrat mit der Einteilchenschicht Löcher, die einen kleineren Innendurchmesser als den Teilchendurchmesser aufweisen und an einer Position auf dem Substrat, an der die die Einteilchenschicht bildenden einzelnen Teilchen platziert waren, zentriert sind, durch Ätzen gebildet werden.
Ferner erfolgt durch die vorliegende Erfindung die Bereitstellung eines Verfahrens zur Fertigung eines Substrats, das die folgenden Stufen (I) bis (V) in dieser Reihenfolge umfasst:

(I) Ausbilden einer Einteilchenschicht durch Anordnen von Teilchen auf dem Substrat;
(II) Verringern des Durchmessers der einzelnen Teilchen durch Ätzen des erhaltenen Substrats;
(III) Ausbilden eines aus einem Maskenmaterial bestehenden Dünnfilms auf dem erhaltenen Substrat;
(IV) Entfernen der Teilchen von dem Substrat und Ausbilden einer Maske mit Löchern mit einem dem Durchmesser der einzelnen Teilchen äquivalenten Innendurchmesser an den Positionen, an denen die individuellen Teilchen vorhanden waren; und
(V) Ausbilden von Löchern mit einem dem Innendurchmesser der Löcher der Maske äquivalenten Durchmesser auf dem Substrat unter den Löchern der Maske durch Ätzen des Substrats unter Verwendung der Maske.

Durch die vorliegende Erfindung erfolgt ferner die Bereitstellung einer lichtemittierenden Vorrichtung, die aus einem Nitridhalbleiter besteht und mit feinen Löchern auf der gesamten Oberfläche oder einem Teilbereich der Lichtextraktionsoberfläche und/oder einer entgegengesetzten Oberfläche ausgebildet ist.
1 zeigt schematisch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt die Struktur einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt die Struktur einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt die Struktur einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt die Struktur einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt die Struktur einer lichtemittierenden Vor richtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt die Struktur einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt die Struktur einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt die Struktur einer lichtemittierenden Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt einen Einteilchenfilm von Teilchen in Beispiel 1;
11 ist eine perspektivische Darstellung, die den Zustand nach einem ersten Ätzen in Beispiel 1 zeigt;
12 zeigt die Beziehung zwischen der Dauer des ersten Ätzens und der Verringerung des Teilchendurchmessers in Beispiel 1;
13 zeigt eine Maske nach einem Teilchenabhebeprozess in Beispiel 1;
14 zeigt die Substratoberfläche nach einem zweiten Ätzen in Beispiel 1; und
15 zeigt die Beziehung zwischen der Dauer des zweiten Ätzens und der Tiefe runder Löcher in Beispiel 1.
Bei einem Verfahren zur Feinbehandlung eines Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung werden nach dem Entfernen einer Einteilchenschicht von einem Substrat mit der Einteilchenschicht Löcher, die einen kleineren Innendurchmesser als den Teilchendurchmesser aufweisen und an Positionen auf dem Substrat, an denen die die Einteilchenschicht bildenden einzelnen Teilchen platziert waren, zentriert sind, durch Ätzen ausgebildet.
Das Verfahren für die Feinbehandlung wird unter Bezug auf 1 beschrieben. Zunächst wird, wie in 1(a) gezeigt ist, eine Teilchenschicht (eine Einteilchenschicht), in der keine Teilchen übereinanderliegen, in einem vorgegebenen Muster auf einem Festkörper als Substrat ausgebildet. Die Ausbildung der Einteilchenschicht mit dem Muster kann durch beispielsweise ein Verfahren, wobei Teilchen in einem unnötigen Bereich durch Photolithographie entfernt werden, nachdem die Einteilchenschicht auf dem gesamten Substrat ausgebildet wurde, ein Verfahren, wobei der Zustand von Ladungen auf der oberen Oberfläche des Substrats derart geändert wird, dass er die Konfiguration des Musters darstellt, und eine Teilchendispersionsflüssigkeit darauf gesprüht wird, oder dergleichen durchgeführt werden. In 1(b) bis 1(d) wird, nachdem die Einteilchenschicht auf der gesamten Oberfläche ausgebildet wurde, die Einteilchenschicht in dem vorgegebenen Muster durch Entfernen der Teilchen in dem unnötigen Bereich durch Photo lithographie ausgebildet. 1(e) zeigt eine Schnittdarstellung und eine Aufsicht der auf dem Substrat ausgebildeten Einteilchenschicht. Wie in 1(f) gezeigt ist, wird der Durchmesser der die Einteilchenschicht bildenden einzelnen Teilchen durch Ätzen verringert (im folgenden als erstes Ätzen bezeichnet). In diesem Beispiel sind die Teilchen auf dem Substrat fixiert und der Durchmesser derselben wird ohne Änderung der zentralen Position derselben verringert. Für den Fall, dass die die Einteilchenschicht bildenden Teilchen die Struktur einer zweidimensionalen dichtesten Packung aufweisen, wird der Durchmesser der einzelnen Teilchen durch das erste Ätzen verringert und es wird eine Teilchenanordnung erhalten, die die Basis für die Ausbildung einer Photon-Kristallstruktur sein soll, wobei die Teilchen in gleichen Abständen voneinander beabstandet angeordnet sind. Wie in 1(g) gezeigt ist, wird ein Maskenmaterial-Dünnfilm auf dem gesamten Substrat ausgebildet. Wie in 1(h) gezeigt ist, wird, wenn die Teilchen mit dem verringerten Durchmesser entfernt werden, eine Maske mit Löchern, die jeweils deren Zentrum an der gleichen Position wie das Zentrum, das erhalten wird, wenn die die Einteilchenschicht bildenden Teilchen (beispielsweise eine Kugel) projeziert sind, aufweisen und jeweils einen dem Durchmesser der Teilchen mit dem verringerten Durchmesser äquivalenten Innendurchmesser aufweisen, an jedem Zentrum erhalten. Schließlich werden, wie in 1(i) gezeigt ist, durch Durchführen eines Ätzens (im folgenden als zweites Ätzen bezeichnet) unter Verwendung der Maske Löcher entsprechend den Löchern in der Maske auf dem Substrat ausgebildet.
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung für ein Verfahren zur Fertigung eines Substrats, wobei das oben beschriebene Verfahren für die Feinbehandlung angewandt wird.
Das Substrat kann ein beliebiges Substrat sein, sofern es aus einem Festkörper besteht, und das Substrat besteht aus beispielsweise einem Halbleiter, einem Dielektrikum, einem lichtdurchlässigen (leitenden) Material und einem Metall. Beispiele für das Substrat umfassen ein Templat, eine Halbleiterschicht und eine Elektrode. Das Substrat weist normalerweise die Form einer Platte auf. Das Substrat kann eine Konfiguration mit einer gekrümmten Oberfläche, beispielsweise eine Kugel oder ein Zylinder, aufweisen. Der Halbleiter umfasst Halbleiter wie Si und Ge, Verbindungshalbleiter wie GaAs, InP und GaN und Legierungshalbleiter wie InGaAlAs, InGaAlP, InGaAsP und InGaAlN. Der Halbleiter ist vorzugsweise ein Nitridhalbleiter. Das Dielektrikum umfasst amorphe Dielektrika, wie SiO₂ und SiN₂, und ein kristallines Dielektrikum wie Saphir. Das lichtdurchlässige Material weist Durchlässigkeit für Licht in einem Wellenlängenbereich, der mindestens ein Teil des Wellenlängenbereichs von Infrarotstrahlung bis Ultraviolettstrahlung ist, auf und es umfasst beispielsweise ITO, ZnO und SnO₂, wobei von diesen ITO bevorzugt ist. Das Metall umfasst Metalle und magnetische Metalle, wie Au, Al und Cu. Das Substrat kann aus nur einem von diesen oder einem durch Laminieren derselben erhaltenen Material (beispielsweise einem Mehrschichtenkörper, der aus dem Halbleiter und dem darauf laminierten lichtdurchlässigen (leitenden) Material besteht, und einem Mehrschichtenkörper, der aus dem Halbleiter und dem darauf laminierten Metall besteht) bestehen.
Das Substrat weist vorzugsweise hohe Ebenheit in dem Bereich für die Ausbildung der Teilchenschicht auf und die Oberflächenebenheit Ra beträgt vorzugsweise nicht mehr als 20 nm.
Wenn das Substrat aus ITO besteht, wird ITO vorzugsweise durch ein Sputterverfahren oder ein Facing-Target-Sputterverfahren statt durch ein Vakuumaufdampfverfahren oder ein Applikationsverfahren in Bezug auf die Ebenheit produziert. ITO, das durch das Facing-Target-Sputterverfahren produziert wird, zeigt hervorragende Oberflächenebenheit und es ist als Substrat bevorzugt. Ferner tritt bei dem Facing-Target-Sputterverfahren kaum eine Plasmaschädigung auf, so dass ITO als für die lichtemittierende Vorrichtung verwendete ohmsche Elektrode oder dergleichen bevorzugt ist.
Die Teilchen können entweder aus einer organischen oder anorganischen Substanz bestehen. Die anorganische Substanz umfasst ein Oxid, wie Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Titandioxid, Ceroxid, Zinkoxid oder Zinnoxid; ein Nitrid, wie Siliciumnitrid, Aluminiumnitrid oder Bornitrid; ein Carbid, wie SiC, Borcarbid, Diamant, Graphit oder Fullerene; ein Borid, wie ZrB₂ oder CrB₂; ein Sulfid; und ein Metall, wie Gold, Silber, Platin, Palladium, Kupfer, Nickel, Cobalt oder Eisen, von denen ein Oxid bevorzugt ist und Siliciumdioxid stärker bevorzugt ist. Die organische Substanz umfasst ein Harz auf Styrolbasis, wie Polystyrol; ein Harz auf Acrylbasis, wie Polymethylmethacrylat (PMMA); ein durch Koordinationspolymerisation erhaltenes Polymer, wie Polyethylen oder Polypropylen; ein durch Kondensationspolymerisation erhaltenes Polymer, wie ein Polycarbonat, Polyamid (Nylon 66 oder dergleichen), Polyester, Polyamid, Polyphenylenether, Polyarylensulfid, Polyetherketon oder Polyetheretherketon; ein durch Ringöffnungspolymerisation erhaltenes Polymer, wie Nylon 6 oder Polycaprolacton; und organische Kristalle, wie ein Pigment, von denen das Harz auf Styrolbasis bevorzugt ist und Polystyrol stärker bevorzugt ist. Von diesen sind aus Siliciumdioxid bestehende Teilchen bevorzugt.
Die Teilchen weisen die Konfiguration eines Polyeders, einer Kugel oder dergleichen auf. In Bezug auf die Steuerung der Teilchenanordnung und eine dichteste Packung ist die Konfiguration der Teilchen vorzugsweise kugelförmig. Die Teilchen können beliebige Teilchen sein, sofern sie eine der gewünschten Struktur mit einer Anordnung runder Löcher entsprechende Größe aufweisen. Wenn die Konfiguration der Teilchen kugelförmig ist, weisen die Teilchen normalerweise einen mittleren Teilchendurchmesser (Durchmesser) von nicht weniger als 10 nm und nicht mehr als 10 μm, vorzugsweise nicht weniger als 50 nm und nicht mehr als 1 μm auf. Wenn der mittlere Teilchendurchmesser nicht weniger als 10 nm beträgt, wird es einfach, die Teilchenanordnung zu steuern. Die Teilchen können entweder eine enge Teilchengrößenverteilung oder eine breite Teilchengrößenverteilung aufweisen. In Bezug auf eine problemlose Bildung der Einteilchenschicht ist die Teilchengrößenverteilung vorzugsweise eng und noch besser monodispers. Ferner können die Teilchen ein Gemisch aus monodispersen Teilchen mit verschiedenen mittleren Teilchendurchmessern sein. Wenn beispielsweise ein Gemisch von zwei Teilchenarten mit verschiedenen mittleren Teilchendurchmessern verwendet wird, verschwinden die den kleineren mittleren Teilchendurchmesser aufweisenden Teilchen beim ersten Ätzen und die den größeren mittleren Teilchendurchmesser aufweisenden Teilchen bleiben zurück. Danach werden durch Durchführen des Ausbildens des Maskenmaterial-Dünnfilms, des Entfernens der den größeren Teilchendurchmesser aufweisenden Teilchen und des zweiten Ätzens an den Positionen, an denen die den größeren mittleren Teilchendurchmesser aufweisenden Teilchen vorhanden waren, runde Löcher ausgebildet.
Das Ausbilden kann durch Anordnen von Teilchen auf dem Substrat durchgeführt werden und durch beispielsweise ein Advektions- und Ansammlungsverfahren, ein Tauchbeschichtungsverfahren oder ein Schleuderbeschichtungsverfahren durchgeführt werden. Wenn beispielsweise die Einteilchenschicht durch die oben beschriebenen Verfahren unter Verwendung von kugelförmigen Teilchen einer einzigen Art ausgebildet wird, wird normalerweise eine Einteilchenschicht erhalten, die Teilchen enthält und eine dem Durchmesser der einzelnen Teilchen äquivalente Dicke aufweist, wobei die Teilchen derart angeordnet sind, dass sie nicht senkrecht einander überlagert sind. Wenn die Einteilchenschicht unter Verwendung von Teilchen von nicht weniger als zwei Arten mit verschiedenen mittleren Teilchendurchmessern gebildet wird, wird normalerweise eine Einteilchenschicht erhalten, die die Teilchen enthält und eine dem Durchmesser der Teilchen mit dem größten Teilchendurchmesser äquivalente Dicke aufweist, wobei die Teilchen derart angeordnet sind, dass sie nicht senkrecht einander überlagert sind. Bei dem Advektions- und Ansammlungsverfahren werden nach dem Verteilen einer aus einem Lösemittel und Teilchen bestehenden Dispersionsflüssigkeit auf dem Substrat, wenn das Lösemittel verdampft wird, während die Verdampfungsrate genau gesteuert wird, die Teilchen durch die Oberflächenspannung des Lösemittels angezogen und angesammelt. Bei dem Tauchbeschichtungsverfahren wird nach dem Eintauchen des Substrats in eine aus einem Lösemittel und Teilchen bestehende Dispersionsflüssigkeit das Substrat mit einer passenden Geschwindigkeit herausgezogen. Bei dem Schleuderbeschichtungsverfahren wird eine aus einem Lösemittel und Teilchen bestehende Dispersionsflüssigkeit auf einem rotierenden Substrat verteilt.
Eine erstes Ätzen kann unter der Bedingung durchgeführt werden, dass der Teilchendurchmesser ohne Veränderung der Position des die Teilchenschicht bildenden einzelnen Teilchen auf dem Substrat verringert wird. Bei dem ersten Ätzen kann der durch die Lücke zwischen Teilchen freiliegende Teil des Substrats geätzt werden, während gleichzeitig die Teilchen selbst geätzt werden. Das erste Ätzen wird vorzugsweise unter der Bedingung durchgeführt, dass die Selektivität (= Ätzrate für Teilchen/Ätzrate für Substrat) nicht weniger als 1, vorzugsweise nicht weniger als 2 beträgt. Eine höhere Selektivität ist bevorzugt, da der geätzte Teil des Substrats kleiner ist und daher die Ebenheit erhalten bleibt. Ein erstes Ätzgas kann ein beliebiges Gas sein, das den Teilchendurchmesser der Teilchen verringern kann, und Beispiele für das erste Ätzgas umfassen ein Fluor enthaltendes Gas, wie CF₄, CHF₃, C₂H₂F₂ oder C₂F₃Cl₃, und ein Sauerstoff enthaltendes Gas. Für den Fall, dass das Teilchen aus einem Oxid (Siliciumdioxid oder dergleichen) besteht, wird, wenn das Fluor enthaltende Gas als Ätzgas verwendet wird, die Ätzrate für die Teilchen hoch. Andererseits wird für den Fall, dass die Teilchen aus einem Polymermaterial (Polystyrollatex oder dergleichen) bestehen, wenn das Sauerstoff enthaltende Gas verwendet wird, die Ätzrate für die Teilchen hoch. Wenn die Ätzrate für die Teilchen hoch ist, wird die Wahl des Substratmaterials breiter und der Anwendungsbereich wird ebenfalls breiter. Beispielsweise ist für den Fall, dass die Teilchen aus Siliciumdioxid bestehen und das Substrat aus dem Nitridhalbleiter oder einem ITO-Dünnfilm besteht, das erste Ätzgas vorzugsweise das Fluor enthaltende Gas. Für den Fall, dass die Teilchen aus einem Polymer bestehen und das Substrat aus einem Metall oder ITO besteht, ist das erste Ätzgas vorzugsweise das Sauerstoff enthaltende Gas.
Das erste Ätzen kann entweder ein Ätzen mit hoher Anisotropie oder ein isotropes Ätzen sein. Das anisotrope Ätzen ist bevorzugt, da das Ätzen in seitlicher Richtung kaum fortschreitet, so dass der Teilchendurchmesser verringert wird, während die Teilchen abgeflacht werden. Die Änderung des Teilchendurchmessers mit der Zeit ist nicht proportional zur Ätzdauer und die Geschwindigkeit einer Verringerung des Teilchendurchmessers wird mit der Zeit fortschreitend schneller. Daher ist es in Bezug auf die Steuerbarkeit bevorzugt, eine Inspektionslinie für die Ätzdauer und die Ätztiefe zuvor zu bestimmen, bevor das Ätzen durchgeführt wird. Ferner kann durch Steuern des Ätzdrucks die Ätzrate in seitlicher Richtung erhöht werden. Durch Durchführen eines Ätzens unter diesen Bedingungen wird eine der des isotropen Ätzens äquivalente Wirkung gezeigt. Dies ermöglicht ein Erhöhen der Geschwindigkeit der Verringerung des Teilchendurchmessers und einen derart geringen Grad des Abflachens, dass die in einer nachfolgenden Stufe durchgeführte Teilchenentfernung erleichtert wird.
Beim ersten Ätzen ist es günstig, den Durchmesser der Teilchen auf nicht weniger als 10% und nicht mehr als 95% des Teilchendurchmessers vor dem Ätzen zu verringern.
Eine Maske kann aus einem beliebigen Material bestehen, sofern dieses beständig gegenüber einer für die Teilchenentfernung in einer nachfolgenden Stufe verwendeten Chemikalienlösung ist und die Wirkung einer Maske beim zweiten Ätzen in der nachfolgenden Stufe zeigt. Beispielsweise besteht für den Fall, dass das Ätzgas aus einem Gas auf Chlorbasis oder einem Gas auf Fluorbasis besteht, die Maske vorzugsweise aus Übergangsmetallen, da der Dampfdruck des Chlorids oder Fluorids klein ist. Ni ist stärker bevorzugt, da die Ätzrate hierfür niedrig ist. Wenn das Substrat aus einem Metallmaterial oder einem magnetischen Metallmaterial besteht, ist Ni bevorzugt, da die Ätzrate hierfür niedrig ist.
Das Ausbilden der Maske wird vorzugsweise durch Steuerung der Bedingungen für die Bildung der Maske und der Filmdicke durchgeführt, um die Teilchenentfernung in der nächsten Stufe zu erleichtern. Die Dicke der Maske beträgt vorzugsweise nicht mehr als 50% der Höhe der Teilchen mit dem durch das erste Ätzen verringerten Durchmesser in Bezug auf die Verhinderung einer Verbindung zwischen der auf dem oberen Teil des Teilchen ausgebildeten Maske und der auf dem Substrat ausgebildeten Maske. Ferner wird das Ausbilden der Maske vorzugsweise unter der Bedingung durchgeführt, dass das Maskenmaterial mit dem Substrat aus einer zur Substratoberfläche generell senkrechten Richtung kollidiert und darauf abgeschieden wird, so dass ein Schattenbereich, in dem die Maske nicht ausgebildet ist, an der Unterseite der Teilchen im Hinblick auf die Verhinderung einer Verbindung zwischen der auf dem oberen Teil des Teilchens abgeschiedenen Maske und der direkt auf dem Substrat abgeschiedenen Maske ausgebildet wird. Das Ausbilden der Maske kann durch beispielsweise ein Gasphasenabscheidungsverfahren, ein Vakuumabscheidungsverfahren, ein Ionenstrahlsputterverfahren oder ein Laserablationsverfahren durchgeführt werden.
Ein zweites Ätzen kann unter der Bedingung durchgeführt werden, dass Löcher entsprechend den Löchern der Maske auf dem Substrat, das mit der Maske ausgebildet ist, gebildet werden. Wenn das Substrat beispielsweise aus einem Halbleiter (Si, GaN, InGaP oder dergleichen), Dielektrikum (SiO₂, SiN₂, Saphir oder dergleichen) oder einem lichtdurchlässigen leitenden Material (ITO oder dergleichen) besteht, wird das Gas auf Chlorbasis oder das Gas auf Fluorbasis als das Ätzgas verwendet. Das zweite Ätzen wird vorzugsweise unter der Bedingung durchgeführt, dass die Selektivität (= Ätzrate für Substrat/Ätzrate für Maske) nicht weniger als 1, vorzugsweise nicht weniger als 2 beträgt.
Die Teilchenentfernung kann durch ein Verfahren durchgeführt werden, wobei die zu entfernenden Teilchen durch ein Verfahren unter Verwendung einer Chemikalienlösung zum Lösen der Teilchen gelöst werden, während gleichzeitig die Maske auf den Teilchen entfernt wird (Teilchenabhebeverfahren). Die Teilchenentfernung kann durch beispielsweise ein Verfahren, wobei die Teilchen nassgeätzt werden, vorzugsweise ein Verfahren, wobei ein Nassätzen mit hervorragendem Teilchenlösungsvermögen und schlechtem Maskenlösungsvermögen durchgeführt wird, durchgeführt werden.
Wenn die Teilchen aus Siliciumdioxid bestehen, kann das Entfernen unter Verwendung einer Säure, wie Flusssäure oder gepufferte Flusssäure; oder einer alkalischen Flüssigkeit, wie einer wässrigen Natriumhydroxidlösung oder einer wässrigen Tetramethylammoniumhydroxidlösung, durchgeführt werden. Wenn die Teilchen aus Siliciumdioxid bestehen und die Maske aus Ni besteht, wird eine alkalische Flüssigkeit mit einem pH-Wert von nicht weniger als 12 vorzugsweise verwendet.
Die Teilchenentfernung wird vorzugsweise bei nicht weniger als 50°C durchgeführt. Ferner wird im Hinblick auf eine Verbesserung der Teilchenabhebeeigenschaft vorzugsweise ein Ultraschallverfahren in Kombination verwendet.
Wenn andererseits die Teilchen aus dem Polymermaterial bestehen und die Maske aus dem Metall besteht, wird ein organisches Lösemittel vorzugsweise als Ätzflüssigkeit verwendet.
Gemäß dem auf diese Weise beschriebenen Verfahren der Feinbehandlung kann eine große Zahl feiner Löcher in einem Templat, einer Halbleiterschicht, einem Substrat, wie einer Elektrode, oder einem Mehrschichtensubstrat ausgebildet werden. Wenn beispielsweise ein Substrat, das durch Laminieren eines aus einem anderen Material bestehenden Dünnfilms auf einen massiven Festkörper erhalten wurde (eine Struktur, wobei eine transparente leitende Elektrode auf einem Verbindungshalbleiter ausgebildet ist) behandelt wird, können Löcher, die sich durch die transparente leitende Elektrode erstrecken und das Innere des darunter befindlichen Verbindungshalbleiters erreichen, ausgebildet werden.
Gemäß dem Verfahren kann eine Rauigkeitsstruktur mit einer Anordnung runder Löcher auf den Oberflächen verschiedener Feststoffmaterialien ausgebildet werden. Entsprechend kann die Rauigkeit nicht nur auf den Oberflächen des Halbleiters und der Elektrode sondern auch auf einer zusätzlichen Schicht, wie einer Schutzschicht oder dergleichen, ausgebildet werden.
Ferner wird gemäß dem Verfahren die Struktur mit einer Anordnung runder Löcher auf der Basis der Teilchenanordnung der Einteilchenschicht derart ausgebildet, dass durch Einstellen der Bedingungen der Teilchenanordnung der Einteilchenschicht verschiedene Anordnungszustände, wie eine so genannte zweidimensionale Photon-Kristallstruktur mit im wesentlichen perfekter Regelmäßigkeit, eine Teilchenanordnung mit Gitterdefekten in derselben, eine Mischanordnung mit einem Bereich einer dichtesten Packung und einem Bereich mit einer niedrigen Teilchendichte, eine Struktur, wobei Teilchen zufällig angeordnet sind, und dergleichen erhältlich sind. Durch Ausbilden der lichtemittierenden Vorrichtung mit einer durch die verschiedenen Anordnungszustände gebildeten Rauigkeit kann eine lichtemittierende Vorrichtung mit verbesserter Lichtextraktionseffizienz erhalten werden.
Ferner kann gemäß dem Verfahren die Struktur mit einer Anordnung runder Löcher auf einem Templat zur Kristallzüchtung ausgebildet werden. Um in diesem Fall das Füllen von Löchern durch seitliches Wachstum zum Zeitpunkt einer erneuten Kristallzüchtung zu verhindern, kann ein Oxiddünnfilm, wie SiO₂ oder dergleichen, mit der Funktion einer Hemmung des Wachstums im Inneren oder an den Seitenwänden des runden Lochs ausgebildet werden.
Eine lichtemittierende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine aus einem Nitridhalbleiter bestehende lichtemittierende Vorrichtung und feine Löcher sind auf der gesamten Oberfläche oder in einem Teilbereich der Lichtextraktionsoberfläche und/oder einer entgegengesetzten Oberfläche ausgebildet. Die lichtemittierende Vorrichtung wird unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 2 bis 8 zeigen Beispiele für die lichtemittierende Vorrichtung, in der eine Rauigkeitsstruktur mit einer Anordnung runder Löcher ausgebildet ist.
2 zeigt eine Aufsicht und eine Schnittdarstellung der lichtemittierenden Vorrichtung, wobei die Rauigkeitsstruktur mit der Anordnung runder Löcher im Inneren eines durchscheinenden Elektrodenmusters auf der Seite der Lichtextraktionsoberfläche ausgebildet ist. Das transparente Elektrodenmuster ist auf einer p-Schichtseite als der Lichtextraktionsoberfläche ausgebildet und die Rauigkeitsstruktur ist im Inneren des transparenten Elektrodenmusters ausgebildet. Die lichtemittierende Vorrichtung ist von hervorragender Lichtextraktionseffizienz.
3 bzw. 4 zeigen ein Beispiel für die Bildung außerhalb des durchscheinenden Elektrodenmusters und ein Bei spiel für die Bildung auf der gesamten Oberfläche auf der Lichtextraktionsoberflächenseite. Der Bereich zur Ausbildung der Rauigkeit kann entweder die gesamte Lichtextraktionsoberfläche oder ein Teilbereich hiervon sein.
5 zeigt ein Beispiel, wobei die Lichtextraktionsoberfläche in winzige Bereiche getrennt ist und die Struktur mit der Anordnung runder Löcher in dem Grenzbereich der winzigen Bereiche ausgebildet ist, wobei dies ein weiteres Beispiel für die Ausbildung der Rauigkeit in einem Teilbereich der Lichtextraktionsoberfläche ist. Obwohl die Konfiguration der einzelnen winzigen Bereiche in 5 hexagonal ist, kann die Konfiguration hierfür dreieckig, viereckig, kreisförmig oder undefiniert sein. Eine Struktur mit derartigen Trenngrenzen liefert hervorragende Extraktionseffizienz.
Die lichtemittierende Vorrichtung kann die Rauigkeit nicht nur auf der Lichtextraktionsoberfläche wie in den oben beschriebenen Beispielen sondern auch auf der Seite der rückwärtigen Oberfläche (entgegengesetzte Oberfläche) hiervon aufweisen. Die Lichtextraktionseffizienz ist in diesem Fall ebenfalls verbessert. 6 zeigt ein Beispiel, wobei feine Rauigkeit auf einer Saphiroberfläche auf der Seite der entgegengesetzten Oberfläche der in 2 gezeigten lichtemittierenden Vorrichtung ausgebildet ist. In den in 3 bis 5 gezeigten einzelnen Vorrichtungsstrukturen kann die Rauigkeit ebenfalls auf der Seite der entgegengesetzten Oberfläche auf die gleiche Weise ausgebildet sein. Die Lichtextraktionseffizient ist in jedem Fall verbessert.
7 zeigt eine Vorrichtung mit einer Struktur, bei der Licht von einer Delaminationsoberflächenseite extrahiert wird, die durch Delaminieren eines Züchtungssubstrats einer Nitridhalbleiter-Lichtemissionsvorrichtung und Ausbilden einer tiefen Struktur mit der Anordnung runder Löcher in der Delaminationsoberfläche erhalten wurde. In diesem Fall wird ein leitendes Trägersubstrat zur Bereitstellung mechanischer Festigkeit vor der Delamination des gezüchteten Substrats ausgebildet und eine Elektrode auf jeweils der oberen und unteren Oberfläche ausgebildet.
Die lichtemittierende Vorrichtung mit dieser Art von Rauigkeitsstruktur kann nach dem oben beschrieben Verfahren zur Fertigung des Substrats gebildet werden. Um eine Schädigung der lichtemittierenden Schicht infolge des Ätzens zu verhindern, erreicht die Tiefe der Löcher vorzugsweise nicht die lichtemittierende Schicht und sie liegt möglichst nahe der lichtemittierenden Schicht. Da ein Substrat mit großer Gitternichtübereinstimmung generell als das Züchtungssubstrat bei dem Nitridhalbleiter verwendet wird, wird üblicherweise eine Basisschicht von etwa 3 bis 4 μm gezüchtet und eine als die lichtemittierende Vorrichtung fungierende Vorrichtungsschicht darauf aufwachsen gelassen, um die Kristallqualität zu verbessern. Normalerweise verbleibt diese Schicht nach der Delamination des Züchtungssubstrats und durch Ausbildung der Struktur mit tiefen Löchern in diesem Bereich wird in seitlicher Richtung geführtes Licht ausreichend verringert und der Anteil von sich in senkrechter Richtung ausbreitendem Licht erhöht, so dass die Lichtextraktionseffizienz verbessert ist. Ferner kann, wenn ein hohes Seitenverhältnis erforderlich ist, nach dem Verringern der Dicke der gesamten Delaminationsoberfläche zur Ausbildung eines Dünnfilms durch Ätzen eine Struktur mit der Anordnung runder Löcher mit einem hohen Seitenverhältnis ausgebildet werden. Ferner können Löcher mit einer Tiefe, die sich über mehrere Schichten in der Vorrichtungsstruktur erstreckt, ausgebildet werden. Durch Vertiefen der in der transparenten Elektrode in 2 ausgebildeten Löcher können Löcher, die die darunter befindliche GaN-Schicht erreichen, ausgebildet werden. Diese Struktur tiefer runder Löcher ist bevorzugt, da sie eine hohe Wirkung der Verbesserung der Lichtextraktionseffizienz aufweist.
Ferner kann, wie in 8 gezeigt ist, die Rauigkeitsstruktur mit der Anordnung runder Löcher, die sich durch einen Mehrschichtenfilm erstreckt und den Nitridhalbleiter erreicht, in Bezug auf den aus SiO₂/TiO₂ bestehenden dielektrischen Mehrschichtenfilm, der auf der entgegengesetzten Oberfläche ausgebildet ist, ausgebildet werden. In einer lichtemittierenden Vorrichtung mit dieser Struktur wird, da das Licht, das in Dickenrichtung im Inneren der feinen Struktur der Anordnung runder Löcher läuft, im wesentlichen nur das Licht in einer zur Oberfläche senkrechten Richtung ist, keine Winkelabhängigkeit der Reflexion, die in einem ebenen dielektrischen Mehrschichtenfilm ohne die Rauigkeit beobachtet werden kann, beobachtet und der Reflexionsgrad kann infolgedessen verstärkt sein. Dies verbessert die Lichtextraktionseffizienz.
Die lichtemittierende Vorrichtung in 9 wird durch erneutes Züchten des Halbleiterkristalls auf GaN-Basis unter der Bedingung, dass seitliches Kristallwachstum beschränkt ist, nach dem Ausbilden der Struktur mit der Anordnung runder Löcher auf der Oberfläche des auf dem Saphirsubstrat gezüchteten GaN-Kristalls erhalten. Die lichtemittierende Vorrichtung in 9 wird durch Züchten der n-Schicht, der lichtemittierenden Schicht und der p-Schicht zum Zeitpunkt des erneuten Züchtens und Ausbilden der Struktur mit der Anordnung runder Löcher in dem Bereich der lichtemittierenden Schicht erhalten. Die Struktur mit der Anordnung runder Löcher in der lichtemittierenden Schicht ist eine ideale Struktur des zweidimensionalen Photon-Kristalls und sie trägt signifikant zur Verbesserung der Lichtextraktionseffizienz bei. Diese lichtemittierende Vorrichtung kann nicht durch Verwendung von Ätzen, das eine Schädigung der lichtemittierenden Schicht ergeben kann, sondern durch kontinuierliches erneutes Züchten der Struktur mit der Anordnung runder Löcher gefertigt werden. Die lichtemittierende Vorrichtung weist eine hohe Lichtausbeute ohne Schädigung der lichtemittierenden Schicht auf.
Die vorliegende Erfindung wird unter Verwendung von Beispielen beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt.
Beispiel 1
Bildung einer Struktur mit einer Anordnung runder Löcher auf einer GaN-Schicht
Ausbilden einer Einteilchenschicht
Als anorganische Teilchen wurden Siliciumdioxidteilchen, die in einer kolloiden Siliciumdioxidaufschlämmung enthalten sind, (Produktname: PM-4540^TM, hergestellt von Nissan Chemical Industries, Ltd., erster Teilchendurchmesser: 450 nm, Teilchenkonzentration: 40 Gew.-%) verwendet. Eine GaN-Schicht wurde durch MOCVD auf einem Saphirsubstrat durch Kristallzüchtung erhalten. Das erhaltene Substrat wurde auf einen Spinner geladen und eine kolloide Siliciumdioxidaufschlämmung, die auf 25 Gew.-% verdünnt war, wurde auf die GaN-Schicht appliziert und schleudergetrocknet. Ein REM-Bild der Substratoberfläche ist in 10 gezeigt. Eine Siliciumdioxid-Einteilchenschicht wurde auf der GaN-Schicht ausgebildet. Ferner wurde eine zweidimensionale Struktur einer dichtesten Packung partiell ausgebildet.
Ein Muster wurde auf dem Substrat durch normale Photolithographie unter Verwendung eines Photoresists ausgebildet. Durch Behandlung eines Bereichs, der nicht mit dem Photoresist bedeckt ist, mit gepufferter Flusssäure wurden die Siliciumdioxidteilchen in dem Bereich entfernt. Durch Entfernen des Photoresists unter Verwendung von Aceton wurde eine Einteilchenschicht mit der Struktur einer Anordnung von Siliciumdioxidteilchen nur in dem Bereich des Musters, der mit dem Photoresist bedeckt war, erhalten.
Erstes Ätzen
Das mit der Einteilchenschicht ausgebildete Substrat wurde in eine ICP-Plasmaätzvorrichtung (Produktname: RIE200iPT^TM, hergestellt von SAMCO, Inc.) geladen und das Ätzen wurde in Bezug auf die Siliciumdioxidteilchen zur Verringerung des Teilchendurchmessers unter den im folgenden angegebenen Bedingungen durchgeführt.
Ätzgas: CHF₃-Gas
ICP-Leistung: 200 W
BIAS-Leistung: 100 W
Kammerdruck: 0,8 Pa
CHF₃-Durchflussrate: 100 sccm
Ätzdauer: 250 s
Das REM-Bild des Substrats ist in 11 gezeigt. Die Siliciumdioxidteilchen waren in der Konfiguration eines abgeflachten Teilchens mit einem Durchmesser von 270 nm in einer zum Substrat parallelen Richtung (= seitliche Richtung) (60% des ursprünglichen Teilchendurchmessers) und einer Höhe von 90 nm (20% des ursprünglichen Teilchendurchmessers). Das Verhältnis (Selektivität) zwischen den Ätzraten für die Siliciumdioxidteilchen und GaN betrug 4,5. Ferner wies der Bereich einer zweidimensionalen Struktur einer dichtesten Packung eine zweidimensionale Photon-Kristallstruktur auf, in der die Teilchen mit gleichen Intervallen beabstandet waren.
Durch Ändern der Ätzdauer für das gleiche Substrat wurden die Abhängigkeiten einer Änderung der Höhe und Änderung des Durchmessers in seitlicher Richtung der Siliciumdioxidteilchen von der Ätzdauer untersucht. Das Ergebnis ist in 12 gezeigt. Die Abhängigkeiten der Höhe und des Durchmessers in seitlicher Richtung der Teilchen von der Ätzdauer sind ähnlich dem Ergebnis des anisotropen Ätzens.
Maskenbildung
Ein Ni-Film mit einer Dicke von 40 nm wurde durch ein Elektronenstrahl-Vakuumabscheidungsverfahren auf der gesamten Oberfläche des Substrats ausgebildet. Eine Dicke des Ni-Films von 40 nm entspricht 44% einer Höhe von 90 nm der Siliciumdioxidteilchen.
Nach dem Eintauchen des Substrats in eine wässrige Tetramethylammoniumlösung eines pH-Werts von 14 bei 60°C über 10 min wurde durch Abheben der Siliciumdioxidteilchen mit einem Ultraschallprozess eine Ni-Maske mit einer größeren Zahl von Löchern, die jeweils einen dem Durchmesser der Siliciumdioxidteilchen von 270 nm gleichen Innendurchmesser aufweisen, erhalten. Das REM-Bild der Ni-Maske ist in 13 gezeigt.
Zweites Ätzen
Das erhaltene Substrat wurde in die ICP-Plasmaätzvorrichtung geladen und ein Ätzen wurde unter Bezug auf die GaN-Schicht unter den im folgenden angegebenen Bedingungen durchgeführt.
Ätzgas: Cl₂-Gas
ICP-Leistung: 100 W
BIAS-Leistung: 100 W
Kammerdruck: 0,3 Pa
Cl₂-Durchflussrate: 10 sccm
Ätzdauer: 240 s
Das REM-Bild der Oberfläche der GaN-Schicht ist in 14 gezeigt. Wie in 14 gezeigt ist, wurde eine Struktur mit der Anordnung runder Löcher mit einem Seitenverhältnis von nicht weniger als 2 ausgebildet. Das Verhältnis (Selektivität) zwischen den Ätzraten für GaN und Ni betrug etwa 10. Die Abhängigkeit der Tiefe der Löcher von der Ätzdauer ist in 15 gezeigt. Wie in 15 gezeigt ist, zeigten die Tiefe der Löcher und die Ätzdauer hervorragende Linearität.
Beispiel 2
Bildung einer Struktur mit einer Anordnung runder Löcher auf Saphir
Durch Durchführen der gleichen Arbeitsvorgänge wie bei "Ausbilden einer Einteilchenschicht", "Erstes Ätzen", "Maskenbildung" und "Zweites Ätzen" in Beispiel 1, wobei jedoch ein C-Fläche-Saphirsubstrat als Substrat verwendet wurde, wurde die Struktur mit der Anordnung runder Löcher auf dem Saphirsubstrat ausgebildet.
Die Ätzrate für Saphir betrug fast 0. Die Selektivität (Siliciumdioxid/Saphir) bei dem ersten Ätzen war hoch. Die Selektivität (Ni-Maske/Saphir) bei dem zweiten Ätzen betrug 5.
Beispiel 3
Bildung einer Struktur mit einer Anordnung runder Löcher auf ITO (ohmsche p-Elektrode einer Leuchtdiode)
Durch Ausbilden einer aus der Halbleiterschicht auf GaN-Basis bestehenden lichtemittierenden Vorrichtungsstruktur durch MOCVD auf dem Saphir, dann eines ITO-Dünnfilms mit einer Dicke von 150 nm nach einem Facing-Target-Sputterverfahren durch Durchführen eines Ätzens zum Freilegen einer n-Schicht und eines ohmschen p-Elektrodenmusters durch Photolithographie wurde ein Mehrschichtensubstrat erhalten.
Durch Durchführen der gleichen Arbeitsvorgänge wie bei "Ausbilden der Einteilchenschicht", "Erstes Ätzen", "Maskenbildung" und "Zweites Ätzen" in Beispiel 1, wobei jedoch das Mehrschichtensubstrat als Substrat verwendet wurde, wurde die Struktur mit der Anordnung runder Löcher auf dem ITO ausgebildet. Als nächstes wurde durch Entfernen der Ni-Maske mit gepufferter Flusssäure und Ausbilden einer ohmschen n-Elektrode aus Al auf dem freigelegten Bereich der n-Schicht die lichtemittierende Vorrichtung erhalten.
Die Ätzrate für ITO bei dem ersten Ätzen betrug fast 0 und die Selektivität (Siliciumdioxid/ITO) war hoch. Bei dem zweiten Ätzen betrug die Selektivität (Ni-Maske/ITO) 5. Durch Durchführen der gleichen Arbeitsvorgänge, wobei jedoch die Dauer des zweiten Ätzens auf 3 min oder 6 min geändert wurde, wurden eine lichtemittierende Vorrichtung I, wobei die Tiefe der Löcher das Innere des ITO-Dünnfilms erreichte, und eine lichtemittierende Vorrichtung II, wobei die Tiefe der Löcher die p-GaN-Schicht erreichte, erhalten. Die Lichtemissionseigenschaften für die lichtemittierenden Vorrichtungen wurden mit einem Durchlassstrom von 20 mA untersucht. Die Lichtausbeute der lichtemittie renden Vorrichtung I betrug das 1,18-fache und die Lichtausbeute der lichtemittierenden Vorrichtung II betrug das 1,24-fache bei Vergleich mit einer lichtemittierenden Vorrichtung, bei der auf der ITO-Dünnfilm-p-Elektrode keine Rauigkeit ausgebildet war. Daher kann bei dem zweiten Ätzen die Tiefe der auszubildenden Löcher durch die Ätzdauer eingestellt werden und es war möglich, dass die Löcher bis in das Innere des ITO-Dünnfilms reichten oder sich die Löcher durch den ITO-Dünnfilm erstreckten und die Halbleiterschicht auf GaN-Basis erreichten. Im letzteren Fall weist der ITO-Dünnfilm als p-Elektrode eine Struktur auf, die die gesamte Oberfläche der Halbleiterschicht auf GaN-Basis mit Ausnahme der Löcher bedeckt, und er erwies sich als hervorragende Oberflächenelektrode mit der Anordnung runder Löcher.
Beispiel 4
Ausbilden einer Struktur mit einer Anordnung runder Löcher auf GaN im peripheren Bereich einer Mesa in einer Leuchtdiode
Eine lichtemittierende Vorrichtung wurde durch Durchführen der gleichen Arbeitsvorgänge wie in Beispiel 3 erhalten, wobei jedoch die Struktur mit der Anordnung runder Löcher auf der gesamten äußeren Oberfläche der p-Elektrode anstelle der ohmschen p-Elektrode ausgebildet wurde und die Dauer des zweiten Ätzens auf 3 min eingestellt wurde. Die lichtemittierende Vorrichtung wurde mit einer Struktur mit der Anordnung runder Löcher mit einer Tiefe von 0,65 μm ausgebildet. Die Lichtemissionseigenschaft der lichtemittierenden Vorrichtung wurde mit einem Durchlassstrom von 20 mA untersucht. Die Lichtausbeute der lichtemittierenden Vorrichtung betrug das 1,64-fache bei Vergleich mit der lichtemittierenden Vorrichtung, in der die Struktur mit der Anordnung runder Löcher nicht ausgebildet war. Der Be reich außerhalb der p-Elektrode entspricht dem peripheren Bereich eines Mesatrapezoidbereichs und dem freigelegten Bereich der n-Schicht, der nicht mit der n-Elektrode bedeckt ist, die aus dem Nitridhalbleiter bestehen. Die Selektivität beim ersten Ätzen war gleich der in Beispiel 1. Die Selektivität beim zweiten Ätzen betrug 10. Da die Selektivität im Vergleich zu dem Fall mit ITO in Beispiel 3 hoch ist, können tiefe Löcher mit einem hohen Seitenverhältnis ausgebildet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine periodische oder zufällige Rauigkeitsstruktur des Typs einer Anordnung runder Löcher mit einer Größe von etwa 10 nm bis 1 μm in einem großen Bereich eines erforderlichen Musterbereichs mit hervorragender Reproduzierbarkeit ausgebildet werden. Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine lichtemittierende Vorrichtung mit der Rauigkeitsstruktur auf einer Lichtextraktionsoberfläche oder einer entgegengesetzten Oberfläche bereitgestellt. Die lichtemittierende Vorrichtung ist von hervorragender Lichtextraktionseffizienz.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Feinbehandlung eines Substrats, ein Verfahren zur Fertigung eines Substrats und eine lichtemittierende Vorrichtung bereit. Bei dem Verfahren zur Feinbehandlung eines Substrats werden nach dem Entfernen einer Einteilchenschicht von dem Substrat mit der Einteilchenschicht Löcher, die einen kleineren Innendurchmesser als den Teilchendurchmesser aufweisen und an einer Position auf dem Substrat, an der die die Einteilchenschicht bildenden einzelnen Teilchen platziert waren, zentriert sind, durch Ätzen ausgebildet. Das Verfahren zur Fertigung eines Substrats umfasst die folgenden Stufen (I) bis (V) in dieser Reihenfolge:

(I) Ausbilden einer Einteilchenschicht durch Anordnen von Teilchen auf dem Substrat;
(II) Verringern des Durchmessers der einzelnen Teilchen durch Ätzen des erhaltenen Substrats;
(III) Ausbilden eines aus einem Maskenmaterial bestehenden Dünnfilms auf dem erhaltenen Substrat;
(IV) Entfernen der Teilchen von dem Substrat und Ausbilden einer Maske mit Löchern mit einem dem Durchmesser der Teilchen äquivalenten Innendurchmesser an den Positionen, an denen die individuellen Teilchen vorhanden waren; und
(V) Ausbilden von Löchern mit einem dem Innendurchmesser der Löcher der Maske äquivalenten Durchmesser auf dem Substrat unter den Löchern der Maske durch Ätzen des Substrats unter Verwendung der Maske.

Die lichtemittierende Vorrichtung besteht aus einem Nitridhalbleiter und sie ist mit feinen Löchern auf der gesamten Oberfläche oder einem Teilbereich der Lichtextraktionsoberfläche und/oder der entgegengesetzten Oberfläche ausgebildet.

1: Substrat
2: Einteilchenschicht
3: Photoresist
4: Maskenmaterial-Dünnfilm
5: Maske für das zweite Ätzen
6, 6': rundes Loch
7: Substrat
8: n-Schicht
9: lichtemittierende Schicht
10: p-Schicht
11, 11': transparente Elektrode
12: zweite Elektrode
13: Struktur mit einer Anordnung runder Löcher
14: Isoliergrenzbereich
15: Isolierfilm
16: leitendes Trägersubstrat
17: dielektrische Mehrschichtenfilm-Lichtreflexionsschicht
18: Templat zur Züchtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 3739217 [0002]
- US 5955749 [0002]
- US 4407695 [0002]

Claims

Verfahren zur Feinbehandlung eines Substrats, das nach dem Entfernen einer Einteilchenschicht von dem Substrat mit der Einteilchenschicht das Ausbilden von Löchern, die einen kleineren Innendurchmesser als den Teilchendurchmesser aufweisen und an einer Position auf dem Substrat, an der die die Einteilchenschicht bildenden einzelnen Teilchen platziert waren, zentriert sind, durch Ätzen umfasst.
Verfahren zur Fertigung eines Substrats, das die im folgenden angegebenen aufeinanderfolgenden Stufen (I) bis (V) umfasst: (I) Ausbilden einer Einteilchenschicht durch Anordnen von Teilchen auf dem Substrat; (II) Verringern des Durchmessers der einzelnen Teilchen durch Ätzen des erhaltenen Substrats; (III) Ausbilden eines aus einem Maskenmaterial bestehenden Dünnfilms auf dem erhaltenen Substrat; (IV) Entfernen der Teilchen von dem Substrat und Ausbilden einer Maske mit Löchern mit einem dem Durchmesser der Teilchen äquivalenten Innendurchmesser an den Positionen, an denen die individuellen Teilchen vorhanden waren; und (V) Ausbilden von Löchern mit einem dem Innendurchmesser der Löcher der Maske äquivalenten Durchmesser auf dem Substrat unter den Löchern der Maske durch Ätzen des Substrats unter Verwendung der Maske.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat in Stufe (I) aus mindestens einem Material, das aus einem Halbleiter, einem Dielektrikum, einem lichtdurchlässigen (leitenden) Material und einem Metall ausgewählt ist, besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Halbleiter aus einem Nitrid besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Substrat aus dem Halbleiter und dem lichtdurchlässigen (leitenden) Material besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das lichtdurchlässige Material aus ITO besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Substrat aus dem Halbleiter und dem Metall besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die einzelnen Teilchen in Stufe (I) aus einer anorganischen Substanz oder einer organischen Substanz bestehen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die anorganische Substanz aus mindestens einem Material, das aus einem Oxid, einem Nitrid, einem Carbid, einem Borid, einem Sulfid und einem Metall ausgewählt ist, besteht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Oxid Siliciumdioxid ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die organische Substanz ein Polymermaterial ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Polymermaterial Polystyrol ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ausbilden in Stufe (I) durch ein Advektions- und Ansammlungsver fahren, ein Tauchbeschichtungsverfahren oder ein Schleuderbeschichtungsverfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ätzen in Stufe (II) unter Verwendung eines Fluor enthaltenden Gases oder eines Sauerstoff enthaltenden Gases als Ätzgas durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Fluor enthaltende Gas mindestens eines ist, das aus CF₄, CHF₃, C₂H₂F₂ und C₂F₃Cl₃ ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ätzen in Stufe (II) durch ein anisotropes Ätzen mit einer Selektivität (= Ätzrate für das Teilchen/Ätzrate für das Substrat) von nicht weniger als 1 durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ätzen in Stufe (II) unter der Bedingung durchgeführt wird, dass die Teilchen einen Durchmesser, der nicht weniger als 10% und nicht mehr als 95% des Teilchendurchmessers vor dem Ätzen entspricht, aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ätzen in Stufe (II) unter der Bedingung durchgeführt wird, dass die Teilchen abgeflacht werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Maskenmaterial in Stufe (III) die Bedingung erfüllt, dass die Selektivität (= Ätzrate für das Substrat/Ätzrate für die Maske) des Ätzens in Stufe (V) nicht weniger als 1 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Maskenmaterial Ni ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ausbilden der Maske in Stufe (III) durch ein Gasphasenabscheidungsverfahren, Vakuumabscheidungsverfahren, Ionenstrahlsputterverfahren oder Laserablationsverfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ausbilden der Maske in Stufe (III) durch Abscheiden der Maske bis zu einer Dicke von nicht mehr als 50% der Höhe der Teilchen mit dem verringerten Teilchendurchmesser mit einem Einfallswinkel der Teilchen des Maskenmaterials, der derart eingestellt ist, dass er generell senkrecht zur Substratoberfläche ist, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Entfernen in Stufe (IV) unter Verwendung einer Ätzflüssigkeit durchgeführt wird, die hervorragendes Teilchenlösungsvermögen und schlechtes Maskenlösungsvermögen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die einzelnen Teilchen in Stufe (I) aus Siliciumdioxid bestehen, das Substrat aus einem Nitrid oder ITO besteht und das Ätzen in Stufe (II) unter der Bedingung, dass das Ätzgas ein Fluor enthaltendes Gas ist, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die einzelnen Teilchen in Stufe (I) aus einem Polymermaterial bestehen, das Substrat aus einem Metall oder ITO besteht und das Ätzen in Stufe (II) unter der Bedingung, dass das Ätzgas ein Sauerstoff enthaltendes Gas ist, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die einzelnen Teilchen in Stufe (I) aus Siliciumdioxid bestehen, das Maskenmaterial in Stufe (III) Ni ist und das Ätzen in Stufe (V) unter Verwendung eines Nassverfahrens und eines Ultraschallverfahrens in Kombination unter den Bedingungen, dass die Ätzflüssigkeit eine alkalische Flüssigkeit mit einem pH-Wert von nicht weniger als 12 ist und die Temperatur nicht weniger als 50°C beträgt, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die einzelnen Teilchen in Stufe (I) aus einem Polymermaterial bestehen, das Maskenmaterial in Stufe (III) aus einem Metall besteht und das Ätzen in Stufe (V) unter der Bedingung, dass die Ätzflüssigkeit ein organisches Lösemittel ist, durchgeführt wird.
Lichtemittierende Vorrichtung, die aus einem Nitridhalbleiter besteht und mit feinen Löchern auf der gesamten Oberfläche oder einem Teilbereich der Lichtextraktionsoberfläche und/oder der entgegengesetzten Oberfläche ausgebildet ist.