(57)【要約】【課題】低コストで、光出射面に高精度なフォトニック構造を形成することができる半導体発光素子の製造方法及び半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発行素子の製造方法は、蛍光基板の表面若しくは機能材料層の表面に感光性材料層を形成するステップと、コヒーレント光源の出力光を２以上に分岐した光を所定の干渉角度で交差させて、干渉縞の長手方向が所定の角度で交差する干渉光を発生し、当該干渉光を用いて、感光性材料層の干渉露光を行うステップと、干渉露光後の感光性材料層における干渉光の照射エリア若しくは非照射エリアを除去して、感光性材料層に微細パターンを形成するステップと、感光性材料層の微細パターンを用いて、蛍光基板若しくは機能材料層をエッチングしてフォトニック構造を得るステップと、を含む。【選択図】      図１
2016111058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に発光層を含む半導体層が設けられ、当該半導体層の光出射面にフォトニック構造を有する半導体発光素子の製造方法であって、
前記半導体層の光出射面側の表面に感光性材料層を形成するステップと、
コヒーレント光源の出力光を２以上に分岐した光を所定の干渉角度で交差させて、干渉縞の長手方向が所定の角度で交差する干渉光を発生し、当該干渉光を用いて、前記感光性材料層の干渉露光を行うステップと、
前記干渉露光後の感光性材料層における前記干渉光の照射エリア若しくは非照射エリアを除去して、前記感光性材料層に微細パターンを形成するステップと、
前記感光性材料層の微細パターンを用いて、前記半導体層をエッチングして前記光出射面に前記フォトニック構造を得るステップと、を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記干渉露光を行うステップでは、
前記感光性材料層に形成される微細パターンが正方配列となるよう干渉露光を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記干渉露光を行うステップでは、
前記感光性材料層に形成される微細パターンが三方配列となるよう干渉露光を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記干渉露光を行うステップは、前記感光性材料層に対して複数回の干渉露光を行うステップであって、
第２回目以降の干渉露光における干渉縞の長手方向を、第１回目の干渉露光における干渉縞の長手方向と所定角度で交差させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記干渉露光を行うステップでは、
前記第１回目の干渉露光を行った後に、前記基板を前記所定角度回転させ、前記第２回目以降の干渉露光を行うことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
基板上に発光層を含む半導体層が設けられ、当該半導体層の光出射面にフォトニック構造を有する半導体発光素子の製造方法であって、
前記半導体層の光出射面側の表面に感光性材料層を形成するステップと、
前記感光性材料層を露光するステップと、
前記露光後の感光性材料層における前記露光光の照射エリア若しくは非照射エリアを除去して、前記感光性材料層に微細パターンを形成するステップと、
前記感光性材料層の微細パターンを用いて、前記半導体層をエッチングして、当該半導体層の光出射面側の表面に前記フォトニック構造を得るステップと、を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記エッチングを行う前に、前記感光性材料層に形成された微細パターンに対して熱処理を行い、当該微細パターンを整形するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記感光性材料層は、ガラス転移点を有する材料から構成されており、
前記微細パターンを整形するステップでは、前記熱処理として、ガラス転移温度を上回る温度で前記感光性材料層に形成された微細パターンを加熱する処理を行うことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
基板上に発光層を含む半導体層が設けられ、当該半導体層の光出射面にフォトニック構造を有する半導体発光素子の製造方法であって、
コヒーレント光源の出力光を２以上に分岐した光を所定の干渉角度で交差させて、干渉縞の長手方向が所定の角度で交差する干渉光を発生し、当該干渉光を用いて前記半導体層の光出射面を干渉露光し、前記半導体層の光出射面の一部を除去して前記フォトニック構造を得るステップを含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
基板上に発光層を含む半導体層が設けられ、当該半導体層の光出射面にフォトニック構造を有する半導体発光素子の製造方法であって、
前記半導体層の表面に微細パターン構成層を形成するステップと、
前記微細パターン構成層に微細パターンを形成するステップと、
前記微細パターンに対して熱処理を行い、当該微細パターンを整形するステップと、
前記微細パターンを用いて、前記半導体層をエッチングして前記光出射面に前記フォトニック構造を得るステップと、を含むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記請求項１〜１０のいずれか１項に記載の製造方法により製造されたことを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面にフォトニック構造を備えてなる半導体発光素子の製造方法及び半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化物半導体により形成された半導体層を有するＬＥＤ等の半導体発光素子が知られている。
このような半導体発光素子の製造方法として、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、光取出し効率を増加させるために、光出射面を構成する半導体層の表面に凹凸部を形成したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２０７７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＬＥＤの光出射面に凹凸構造を形成する方法としては、アルカリエッチングにより表面粗さを増大する方法が実用的な方法として知られている。しかしながら、この方法により得られる構造は完全な周期構造ではなく、ある程度のランダム性を持っている。
ところが、既存の放電灯等に置き換わる光源として高出力ＬＥＤが社会全般に求められており、更なる光取出し効率向上のため、光出射面におけるフォトニック構造を構成する凹凸構造を、ランダムなものではなく制御された形状を有するものとしたいとの要求が高まっている。しかしながら、アルカリエッチングを用いた方法では、形状の厳密な制御は不可能である。
【０００５】
ＬＥＤの光出射面に、形状が制御されたフォトニック構造を形成するための表面微細加工方法としては、ＮＩＬ（ナノインプリントリソグラフィ）によるパターニングを行う方法が考えられる。
ＮＩＬは研究が盛んであり、マスターモールドを用意すれば容易に微細加工の量産化が実現できるという利点がある。しかしながら、実際には、ワークとマスターモールドとの都度接触が必要な方法であるため、適用には様々な課題がある。具体的には、マスターモールドの形状の劣化、フォトレジスト充填時の気泡混入によるパターン形成不良、パーティクルの混入による転写不良などである。また原理的に、反りの大きいワークには適用が困難である。これらの理由から、ＮＩＬは量産時の歩留まりが低く、高精度なパターニングには不向きである。
【０００６】
さらに、ＮＩＬはコスト面でも課題がある。ＮＩＬではワークとマスターモールドとの都度接触により、マスターモールドの劣化が生じ、定期的な交換が必要となる。マスターモールドは、広い面積に微細な形状が精度よく形成されたものであり、比較的高価な加工法である電子ビーム加工やＫｒＦステッパによるリソパターニングが不可欠である。そのため、量産時にはランニングコストの増加が課題となる。また、設計変更のたびに新しいマスターモールドが必要となるため、開発用途や少量多品種の生産にも不向きである。
そこで、本発明は、低コストで、光出射面に高精度なフォトニック構造を形成することができる半導体発光素子の製造方法及び半導体発光素子を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体発光素子の製造方法の一態様は、基板上に発光層を含む半導体層が設けられ、当該半導体層の光出射面にフォトニック構造を有する半導体発光素子の製造方法であって、前記半導体層の光出射面側の表面に感光性材料層を形成するステップと、コヒーレント光源の出力光を２以上に分岐した光を所定の干渉角度で交差させて、干渉縞の長手方向が所定の角度で交差する干渉光を発生し、当該干渉光を用いて、前記感光性材料層の干渉露光を行うステップと、前記干渉露光後の感光性材料層における前記干渉光の照射エリア若しくは非照射エリアを除去して、前記感光性材料層に微細パターンを形成するステップと、前記感光性材料層の微細パターンを用いて、前記半導体層をエッチングして前記光出射面に前記フォトニック構造を得るステップと、を含む。
【０００８】
このように、干渉露光により微細パターンを形成する。干渉露光は微細フォトマスクを用いずに微細パターン露光が可能であり、ワークに対して接触する要素がない。そのため、従来のナノインプリント法等と比較して、量産時の歩留まりを高めることができる。また、ナノインプリント法のように高価なマスターモールドを必要としないため、低コストで高精度なパターニングが可能となる。したがって、発光層を含む半導体層の光出射面に二次元周期的な微細パターンが形成された半導体発光素子を容易且つ精度良く製造することができる。
【０００９】
また、上記の半導体発光素子の製造方法において、前記干渉露光を行うステップでは、前記感光性材料層に形成される微細パターンが正方配列となるよう干渉露光を行ってもよい。すなわち、干渉縞の長手方向が９０°交差するように干渉露光すれば、正方配列のモスアイ構造を得ることができる。
さらに、上記の半導体発光素子の製造方法において、前記干渉露光を行うステップでは、前記感光性材料層に形成される微細パターンが三方配列となるよう干渉露光を行ってもよい。すなわち、干渉縞の長手方向が６０°交差するように干渉露光すれば、三方配列のモスアイ構造を得ることができる。この場合、正方配列のモスアイ構造と比較して細密構造とすることができる。
【００１０】
また、上記の半導体発光素子の製造方法において、前記干渉露光を行うステップは、前記感光性材料層に対して複数回の干渉露光を行うステップであって、第２回目以降の干渉露光における干渉縞の長手方向を、第１回目の干渉露光における干渉縞の長手方向と所定角度で交差させてもよい。このように、干渉露光を複数回実施することで、容易に所望の微細パターンを形成することができる。
さらにまた、上記の半導体発光素子の製造方法において、前記干渉露光を行うステップでは、前記第１回目の干渉露光を行った後に、前記基板を前記所定角度回転させ、前記第２回目以降の干渉露光を行ってもよい。このように、基板を回転させることで、容易に複数回露光を実現することができる。
【００１１】
さらに、本発明に係る半導体発光素子の製造方法の一態様は、基板上に発光層を含む半導体層が設けられ、当該半導体層の光出射面にフォトニック構造を有する半導体発光素子の製造方法であって、前記半導体層の光出射面側の表面に感光性材料層を形成するステップと、前記感光性材料層を露光するステップと、前記露光後の感光性材料層における前記露光光の照射エリア若しくは非照射エリアを除去して、前記感光性材料層に微細パターンを形成するステップと、前記感光性材料層の微細パターンを用いて、前記半導体層をエッチングして、当該半導体層の光出射面側の表面に前記フォトニック構造を得るステップと、を含む。
これにより、光出射面にフォトニック構造を有する半導体発光素子を適切に作製することができる。
【００１２】
また、上記の半導体発光素子の製造方法において、前記エッチングを行う前に、前記感光性材料層に形成された微細パターンに対して熱処理を行い、当該微細パターンを整形するステップをさらに含んでもよい。
このように、熱処理工程により微細パターンを整形するので、形成後の微細パターンの精度をより向上させることができる。また、この熱処理工程により、微細パターンの幅を広げ、互いに隣接する凸部の間隔を狭くすることもできる。すなわち、より密に配列されたモスアイ形状のフォトニック構造を形成することができる。
【００１３】
さらに、上記の半導体発光素子の製造方法において、前記感光性材料層は、ガラス転移点を有する材料から構成されており、前記微細パターンを整形するステップでは、前記熱処理として、ガラス転移温度を上回る温度で前記感光性材料層に形成された微細パターンを加熱する処理を行ってもよい。
このように、ガラス転移温度を上回る温度で加熱する処理を施すことで、異方性を有する形状（例えば、楕円形状）の微細パターンを、表面張力により正円形状に自然に整形することができる。また、これにより、感光性材料層に形成された微細パターンをマスクとして用い、基板若しくは基板上に設けられた機能材料層をエッチングして除去した際に、真円形状の底面を持つ精度の良いモスアイ構造を形成することができる。
【００１４】
また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法の一態様は、基板上に発光層を含む半導体層が設けられ、当該半導体層の光出射面にフォトニック構造を有する半導体発光素子の製造方法であって、コヒーレント光源の出力光を２以上に分岐した光を所定の干渉角度で交差させて、干渉縞の長手方向が所定の角度で交差する干渉光を発生し、当該干渉光を用いて前記半導体層の光出射面を干渉露光し、前記半導体層の光出射面の一部を除去して前記フォトニック構造を得るステップを含む。
このように、干渉露光により微細パターンを形成するので、従来のナノインプリント法等と比較して、量産時の歩留まりを高めることができると共に、低コストで高精度なパターニングが可能となる。したがって、発光層を含む半導体層の光出射面に微細パターンが形成された半導体発光素子を容易且つ精度良く製造することができる。
【００１５】
また、本発明に係る半導体発光素子の製造方法の一態様は、基板上に発光層を含む半導体層が設けられ、当該半導体層の光出射面にフォトニック構造を有する半導体発光素子の製造方法であって、前記半導体層の表面に微細パターン構成層を形成するステップと、前記微細パターン構成層に微細パターンを形成するステップと、前記微細パターンに対して熱処理を行い、当該微細パターンを整形するステップと、前記微細パターンを用いて、前記半導体層をエッチングして前記光出射面に前記フォトニック構造を得るステップと、を含む。
【００１６】
このように、露光、現像して得られる微細パターンを熱処理して整形するので、当該微細パターンの精度を向上させることができる。したがって、かかる感光性材料層の微細パターンをマスクとして用い、発光層を含む半導体層の光出射面を微細パターンに従ってエッチングすることで、上記光出射面の表面に、凸状の構造体が二次元周期的に密に配列されたモスアイ形状のフォトニック構造が形成された半導体発光素子を精度良く製造することができる。
さらに、本発明に係る半導体発光素子の一態様は、上記のいずれかの製造方法により製造する。これにより、高精度な微細パターンを有する半導体発光素子とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、露光工程において干渉露光を行うので、感光性材料層からなる微細パターンを低コストで高精度に形成することが可能となる。したがって、発光層を含む半導体層の光出射面に高精度なフォトニック構造が形成された半導体発光素子を、低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態の露光装置を示す概略構成図である。
【図２】露光光の照射状態を示す図である。
【図３】１回目の露光方法の一例を示す図である。
【図４】２回目の露光方法の一例を示す図である。
【図５】９０°配向時の露光強度分布を示す図である。
【図６】９０°配向時のレジストパターン形状を示す図である。
【図７】６０°配向時の露光強度分布を示す図である。
【図８】６０°配向時のレジストパターン形状を示す図である。
【図９】熱処理によるレジストパターンの整形例を示す図である。
【図１０】熱処理によるレジストパターンの整形例を示す図である。
【図１１】熱処理前のレジストパターンの一例を示す断面図である。
【図１２】熱処理前のレジストパターンの一例を示す断面図である。
【図１３】熱処理によるレジストパターンの整形例を示す断面図である。
【図１４】熱処理によるレジストパターンの整形例を示す平面図である。
【図１５】熱処理によるレジストパターンの整形例を示す平面図である。
【図１６】熱処理によるレジストパターンの整形例を示す平面図である。
【図１７】ＬＥＤの構成例を示す図である。
【図１８】ＬＥＤの製造方法を説明する図である。
【図１９】ＬＥＤの製造方法を説明する図である。
【図２０】ＬＥＤの製造方法を説明する図である。
【図２１】ＬＥＤの製造方法を説明する図である。
【図２２】ＬＥＤの製造方法を説明する図である。
【図２３】ＬＥＤの製造方法を説明する図である。
【図２４】ＬＥＤの製造方法を説明する図である。
【図２５】ＬＥＤの製造方法を説明する図である。
【図２６】ＬＥＤの製造方法を説明する図である。
【図２７】二光束干渉露光方法を用いた表面加工プロセスを示す図である。
【図２８】第２の実施形態の露光装置を示す概略構成図である。
【図２９】角度可変ミラーの機構の一例を示す図である。
【図３０】多光束干渉露光方法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の露光装置を示す概略構成図である。
図中、符号１は露光装置である。露光装置１は、光源２と、ビームエキスパンダ３と、打ち下ろしミラー４と、シャッター５と、ビーム分岐素子６と、折り返しミラー７ａ，７ｂと、集光レンズ８ａ，８ｂと、ピンホール９ａ，９ｂと、コリメートレンズ１０ａ，１０ｂとを備える。また、露光装置１は、ステージ１１と、吸着盤１２と、コントローラ２０と、ステージ駆動回路２１とを備える。
【００２０】
光源２は、コヒーレント光を出射するコヒーレント光源であり、例えば、波長λが２６６ｎｍのレーザー光を出射する半導体励起固体レーザーである。光源２が出射したレーザー光Ｂ０は、ビームエキスパンダ３によってビーム径が拡大され、打ち下ろしミラー４によってその光路が偏向される。
シャッター５は、レーザー光出射のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるためのものであり、ミラー４とビーム分岐素子６との間に配置する。このシャッター５の開閉は、コントローラ２０が制御する。
【００２１】
ビーム分岐素子６は、１本のレーザー光を分岐して２本のレーザー光を生成するものである。このビーム分岐素子６は、例えば、石英等の表面に施した微細な凹凸形状による形状効果を用いてその機能を実現する凹凸型回折素子である。
ビーム分岐素子６により生成された２本のレーザー光Ｂ１，Ｂ２は、それぞれ折り返しミラー７ａ，７ｂによって光路偏向され、集光レンズ８ａ，８ｂに入射する。
集光レンズ８ａによる集光後のレーザー光はピンホール９ａに入射され、そのビーム径が拡大された後、コリメートレンズ１０ａでコリメートされる。このようにして、コリメートされたレーザー光Ｂ３を得る。同様に、集光レンズ８ｂによる集光後のレーザー光はピンホール９ｂに入射され、そのビーム径が拡大された後、コリメートレンズ１０ｂでコリメートされる。このようにして、コリメートされたレーザー光Ｂ４を得る。
【００２２】
ここで、ピンホール９ａ，９ｂは、空間フィルタとして機能し、集光レンズ８ａ，８ｂまでの光路で生じたビーム波面の乱れを取り除くために用いる。また、コリメートレンズ１０ａ，１０ｂは、レーザー光の波面を理想的な平面波とするために用いる。
２本のレーザー光Ｂ３，Ｂ４は、図２に示すように、所定の干渉角度２θで交差させる。これにより、ワーク（基板）Ｗの上部で二つのレーザー光Ｂ３，Ｂ４の干渉による干渉縞を生成し、これをワークＷに露光光として照射する。すなわち、１回の露光でワークＷ上にストライプ状のラインアンドスペースのパターンを転写する。
【００２３】
このように、ビームエキスパンダ３、打ち下ろしミラー４、シャッター５、ビーム分岐素子６、折り返しミラー７ａ，７ｂ、集光レンズ８ａ，８ｂ、ピンホール９ａ，９ｂ及びコリメートレンズ１０ａ，１０ｂから構成される光学系素子によって、光源２の出力光を２分岐した光を干渉角度２θで交差させ、干渉光を発生する。この光学系素子のうち、ビーム分岐素子６からワークＷまでの間の素子一式は対になるように設けられており、ビーム分岐素子６で分岐した２本のレーザー光をそれぞれワークＷまで誘導、整形し、ワークＷ上で干渉させるようになっている。
なお、レーザー光Ｂ３，Ｂ４のビーム径（１／ｅ2）は、ビームエキスパンダ３や集光レンズ８ａ，８ｂ、コリメートレンズ１０ａ，１０ｂでの倍率によって任意に決めることができる。当該ビーム径の大きさは、用途に合わせて適宜設定する。
【００２４】
図１に戻って、ワークＷは、ステージ１１に設けられた吸着盤１２上に固定されている。ここで、ワークＷとしては、例えば、表面に感光性材料層（例えば、フォトレジスト等）が形成された基板を用いることができる。また、ワークＷとして、表面に機能材料層が設けられた基板上に感光性材料層を形成した基板を用いることもできる。ここで、上記基板としては、表面に発光層を含む半導体層が設けられた基板を用いることができる。
このようなワークＷを干渉光で露光し現像することにより、感光性材料層（フォトレジスト等）に、複数の凸部が配列されてなる微細パターンを形成することができる。このとき、基板に塗布されたレジストが、光照射部分が現像液に溶解するポジ型である場合、上記の露光方法を用いて露光し現像することにより、光照射されていない箇所が残存したレジストパターンを得ることができる。一方、レジストが、光照射部分が架橋して現像液に溶解しなくなるネガ型である場合には、上記の露光方法を用いて露光し現像することにより、光照射された箇所が現像後に残存したレジストパターンを得ることができる。
【００２５】
ステージ１１は、ワークＷ面に対してＸＹ方向に移動する自由度を有しており、コントローラ２０は、ステージ駆動回路２１を駆動制御することで、ステージ１１をＸＹ方向に移動することが可能となっている。すなわち、ワークＷは、ステージ１１をＸＹ方向に移動することでＸＹ方向に移動する。ここで、Ｘ方向とは図１の左右方向であり、Ｙ方向とは図１の紙面垂直方向である。
【００２６】
本実施形態では、ワークＷに対して複数回露光を行う。その際、１回目の露光では、例えば図３に示すように、Ｙ方向に伸びるストライプ状の干渉パターンをワークＷに照射する。そして、２回目以降の露光では、１回目の干渉パターン（第一の干渉パターン）に対してストライプ状の干渉パターンを所定角度回転させ、これを第二の干渉パターンとしてワークＷに照射する。
すなわち、２回目の回転角度（配向角度）を例えば９０°とした場合、図４に示すように、第二の干渉パターンとして、Ｘ方向に伸びるストライプ状の干渉パターンをワークＷに照射することになる。これにより、ワークＷには、第一の干渉パターンと第二の干渉パターンとを重畳したパターンが照射される。
【００２７】
ここで、上記配向角度δは９０°に限定されず、０°＜δ≦９０°の範囲内で任意に設定可能である。当該配向角度を変化させることで、ワークＷに照射するパターンの形状を変化させることができる。
なお、２回目以降の露光を行う際には、干渉パターンを回転させてもよいし、ワークＷを保持するステージ１１を回転させてもよい。ステージ１１を回転させる方法の方が、容易に複数回干渉露光を実現することができ好ましい。
【００２８】
図５は、配向角度を９０°とした場合の露光強度分布を机上計算した結果を示す図である。図５において、上段は３次元強度分布、下段は２次元強度分布を模式的に示しており、１回目の露光、２回目の露光、１回目と２回目の合計の露光強度分布についてそれぞれ示している。このように、１回目の露光と２回目の露光とで干渉縞の長手方向が９０°交差する場合、合計２回の露光により照射パターンは格子状となり、非照射部分Ｐ１の形状（ドットパターン）はＸＹ平面図において略正円となる。
したがって、レジストがポジ型である場合、現像後は円柱が残存したレジストパターンを得ることができる。この場合、図６に示すように、円柱状の微細パターン（ドット）Ｐ１は正方配列で配列される。
【００２９】
図７は、配向角度を６０°とした場合の露光強度分布を机上計算した結果を示す図である。この図６も図５と同様に、上段は３次元強度分布、下段は２次元強度分布を模式的に示している。このように、１回目の露光と２回目の露光とで干渉縞の長手方向が６０°交差する場合、非照射部分Ｐ１の形状（ドットパターン）はＸＹ平面図において略楕円となる。
したがって、レジストがポジ型である場合、現像後は楕円柱が残存したレジストパターンを得ることができる。この場合、図８に示すように、楕円柱状の微細パターン（ドット）Ｐ１は三方配列で配列される。
このように、配向角度が６０°の場合は、配向角度が９０°の場合と比較してドットのピッチが狭くなる。すなわち、配向角度を変更することで、任意の面内密度を有するレジストパターンを作製することができる。
【００３０】
また、本実施形態では、得られたレジストパターンに対して熱処理を加え、パターン形状を整形する処理を実施してもよい。
本発明者らは、上記の露光及び現像により得られたレジストパターンに熱処理を加えることで、パターン形状を真円状に整形することができることを見出した。そこで、本実施形態では、レジストパターンを、レジストのガラス転移温度を上回る温度で加熱し、レジストパターンを真円状に整形する。
図９は、図８に示すレジストパターンに対して、ガラス転移温度以下で熱処理を実施した結果を示す図である。ここでは、ガラス転移温度がおよそ１４０℃〜１５０℃のレジストに対し、加熱温度を１５０℃、加熱時間を１０分として熱処理を施した。図９に示すように、ガラス転移温度以下での熱処理では、熱処理後のパターンＰ２は熱処理前のパターンＰ１から変化せず、整形は行われなかった。
【００３１】
これに対して、図８に示すレジストパターンに対して、ガラス転移温度を超える温度で熱処理を実施すると、レジストパターンが整形されることが確認できた。この結果を図１０に示す。
ここでは、ガラス転移温度がおよそ１４０℃〜１５０℃のレジストに対し、加熱温度を２００℃、加熱時間を１０分として熱処理を施した。このように、ガラス転移温度を超える温度での熱処理では、レジストパターンが整形され、熱処理後のパターンＰ２は正円形状となった。すなわち、熱処理により楕円形状のレジストパターンを正円形状に整形することができ、三方配列で正円形状のドットパターンが得られる。
【００３２】
上述したように、配向角度を任意の角度に設定することで、任意の面内密度を有するレジストパターンを作製することができる。したがって、任意の配向角度での露光と、現像後の熱処理とを実施することで、任意の面内密度で正円形状を有するレジストパターンを作製することができる。
そして、このようにして得られた熱処理後のレジストをマスクとして用い、レジストに直下に位置する半導体層をエッチングして除去することで、半導体層の表面に凸状の構造体が二次元周期的に配置されたモスアイ構造を有する基板上構造体を作製することができる。上述したように、熱処理後のレジストパターンは正円に整形されているため、真円形状の底面を有する高精度なモスアイ構造を作製することが可能となる。
【００３３】
さらに、上記熱処理においては、加熱温度や加熱時間などの加熱条件を調整し、レジストパターンのドットの大きさを調整するようにしてもよい。
図１１は、熱処理前のレジストパターンの一例を示す断面図である。例えば、配向角度が６０°である場合、図１２に示すように、レジストパターンはＸＹ平面において三方配列で楕円形状を有する。このように、配向角度が６０°である場合、熱処理前のドット（微細構造体）Ｐ１の形状は楕円柱状であり、その断面形状は図１１に示すように略四角形である。
【００３４】
この状態から上記の熱処理を施すと、微細構造体Ｐ１は、図１３に示すように、頂点から基板に近づくにつれて半径方向の幅が広がった半球形状の微細構造体Ｐ２に整形される。ここで、熱処理の加熱条件は、加熱温度を１８５℃、加熱時間を１０分とした。このときのＸＹ平面における微細構造体Ｐ２の形状は、図１４に示すように正円となるため、隣接する微細構造体の間隔が狭くなり、図１３の楕円に比べ密接した配置とすることができる。
【００３５】
また、熱処理の加熱条件を調整し、加熱温度を２１５℃、加熱時間を１０分とした場合の熱処理後のレジストパターンの断面図を図１５に示す。図１５に示す熱処理後の微細構造体Ｐ２は、図１３に示す熱処理後の微細構造体Ｐ２と比較して高さの低い潰れた半球形状となっている。また、ＸＹ平面における微細構造体Ｐ２の形状は、図１６に示すように、図１４に示す微細構造体Ｐ２と比較して半径の大きい正円となっている。
このように、加熱温度を高くすると、加熱時間が同じであっても、ドット径は大きくなり、隣接する微細構造体との間隔が狭くなる。すなわち、レジストパターンにおいて隣接する微細構造体との間隔を狭くし、より密接した配置とすることができる。
このように、加熱条件を調整することで、熱処理後のドット径を調整し、微細構造体の面内密度を調整することができる。
なお、ここでは加熱温度を変化させる場合について説明したが、加熱時間を変化させることでも、同様に熱処理後のドット径を調整することができる。また、所望のドット径（面内密度）を得るための加熱条件は、レジストの材料やレジストの下にある基板の材料等に応じて適宜設定することができる。
【００３６】
上記の基板上構造体の製造方法は、半導体発光素子の製造方法に適用することができる。以下、半導体発光素子の構成について具体的に説明する。
図１７は、半導体発光素子であるＬＥＤの構成例を示す図である。
半導体発光素子１００は、支持基板１１１、導電層１２０、絶縁層１２１、半導体層１３０、及び電極１４２を含んで構成される。半導体層１３０は、ｐ型半導体層１３１、発光層１３３、及びｎ型半導体層１３５が下からこの順に積層されて形成される。図１７に示す半導体発光素子１００は、電極１４２と支持基板１１１の間に電圧を印加して発光層１３３に電流を流すことで、発光層１３３で光が生じ、この光が紙面上方向に取り出される。また、発光層１３３で生じた光のうち、下向きに進行した光については、導電層１２０に含まれる反射電極１１９によって反射することで進行方向が上向きに変えられて、紙面上方向に取り出される。
【００３７】
以下、各構造の詳細につき説明する。
（支持基板１１１）
支持基板１１１は、例えばＣｕＷ、Ｗ、Ｍｏなどの導電性基板、又はＳｉなどの半導体基板で構成される。
（導電層１２０）
支持基板１１の上層には、多層構造からなる導電層１２０が形成されている。この導電層１２０は、本実施形態では、ハンダ層１１３、ハンダ層１１５、保護層１１７及び反射電極１１９を含む。
ハンダ層１１３及びハンダ層１１５は、例えばＡｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｉｎ、Ａｕ−Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎ、Ｓｎなどで構成される。後述するように、これらのハンダ層１１３とハンダ層１１５は、支持基板１１１上に形成されたハンダ層１１３と、別の基板上に形成されたハンダ層１１５を対向させた後に、両者を貼り合わせることで形成されたものである。
【００３８】
保護層１１７は、例えばＰｔ系の金属（ＴｉとＰｔの合金）、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉなどで構成される。後述するように、ハンダ層を介した貼り合わせの際、ハンダを構成する材料が後述する反射電極１１９側に拡散し、反射率が落ちることによる発光効率の低下を防止する機能を果たしている。
反射電極１１９は、例えばＡｇ系の金属（ＮｉとＡｇの合金）、Ａｌ、Ｒｈなどで構成される。本窒化物半導体発光素子１００は、発光層１３３から放射された光を、図１７の紙面上方向に取り出すことを想定しており、反射電極１１９は、発光層１３３から下向きに放射された光を上向きに反射させることで発光効率を高める機能を果たしている。
なお、導電層１２０は、一部において半導体層１３０と接触しており、支持基板１１１と電極１４２の間に電圧が印加されると、支持基板１１１、導電層１２０、ＬＥＤ層１３０、及び電極１４２を介して、電極１４２に接続されている不図示のボンディングワイヤへと流れる電流経路が形成される。
【００３９】
（絶縁層１２１）
絶縁層１２１は、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｚｒ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３などで構成される。この絶縁層１２１は、上面がｐ型半導体層１３１の底面と接触している。なお、この絶縁層１２１は、後述するように素子分離時におけるエッチングストッパー層としての機能を有すると共に、支持基板１１１の基板面に平行な方向に電流を拡げる機能も有する。
（半導体層１３０）
上述したように、半導体層１３０は、ｐ型半導体層１３１、発光層１３３、及びｎ型半導体層１３５が下からこの順に積層されて形成される。
（ｐ型半導体層１３１）
ｐ型半導体層１３１は、例えばＡｌｍＧａ１−ｍＮ（０＜ｍ＜１）で構成される層（正孔供給層）とＧａＮで構成される層（保護層）を含む多層構造で構成される。いずれの層も、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃなどのｐ型不純物がドープされている。
【００４０】
（発光層１３３）
発光層１３３は、例えばＩｎＧａＮからなる井戸層とＡｌＧａＮからなる障壁層が繰り返されてなる多重量子井戸構造を有する半導体層で形成される。これらの層はアンドープでもｐ型又はｎ型にドープされていても構わない。
（ｎ型半導体層１３５）
ｎ型半導体層１３５は、ＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）で構成される層（電子供給層）と、ＧａＮで構成される保護層とを含む多層構造である。少なくともＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）で構成される層には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｔｅなどのｎ型不純物がドープされており、特にＳｉがドープされているのが好ましい。
また、ｎ型半導体層１３５は、上面に凹凸からなるフォトニック構造が形成されている。これは発光層１３３から上方に向けて放射された光（及び反射電極１１９から上向きに放射される反射光）が、ｎ型半導体層１３５の表面で下向きに反射される光量を減らして、素子外への取り出し光量を高めることを目的としたものである。
【００４１】
（電極１４２）
電極１４２はｎ型半導体層１３５の上層に形成され、例えばＣｒ−Ａｕで構成されるｎ型電極で構成される。より詳細には、電極１４２は、絶縁層１２１が形成された領域の真上位置に係るｎ型半導体層１３５の上層に形成されている。これにより、電極下方に導電性の低い材料が形成されるため、電流が印加された場合に発光層１３３内を水平方向に電流を拡げる効果が得られる。
この電極１４２には、例えばＡｕ、Ｃｕなどで構成されるボンディングワイヤ（不図示）が連絡され、このワイヤの他方は、発光素子１が配置されている基板の給電パターン（不図示）などに接続される。
なお、図１７では、露出されている半導体層１３０の側面及び上面を、保護用の絶縁層１４１で覆っている。この絶縁層１４１は、例えばＳｉＮで構成することができる。
【００４２】
以下、図１７に示した半導体発光素子１００の製造プロセスにつき図面を参照して説明する。なお、この製造プロセスはあくまで一例であり、ガスの流量、炉内温度、炉内圧力等は適宜調整して構わない。
（ステップＳ１）
図１８に示すように、サファイア基板１６１上にエピ層１４０を形成する。このステップＳ１は、例えば以下の手順により行われる。
〈サファイア基板１６１の準備〉
まず、ｃ面サファイア基板１６１のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）装置の処理炉内にｃ面サファイア基板１６１を配置し、処理炉内に流量が１０ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１１５０℃に昇温することにより行われる。
【００４３】
〈アンドープ層１３６の形成〉
次に、ｃ面サファイア基板１６１の表面に、ＧａＮよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にＧａＮよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層がアンドープ層１３６に対応する。
アンドープ層１３６の、より具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、МОＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を４８０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ５ｓｌｍの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６８秒間供給する。これにより、ｃ面サファイア基板６１の表面に、厚みが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層を形成する。
【００４４】
次に、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を１１５０℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３０分間供給する。これにより、第１バッファ層の表面に、厚みが１．７μｍのＧａＮよりなる下地層を形成する。
【００４５】
〈ｎ型半導体層１３５の形成〉
次に、アンドープ層１３６の上層にＡｌｎＧａ１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）の組成からなるｎ型半導体層１３５を形成する。
ｎ型半導体層１３５のより具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。まず、引き続き炉内温度を１１５０℃とした状態で、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が９４μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．０２５μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に４０分間供給する。これにより、例えばＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎの組成を有し、Ｓｉ濃度が３×１０１９／ｃｍ３で、厚みが２μｍのｎ型半導体層１３５がアンドープ層１３６の上層に形成される。
【００４６】
この工程の後、必要に応じてＩＣＰ装置を用いてｎ型半導体層１３５を削ることで、ｎ型半導体層１３５の厚みを調整するものとしても構わない。
更にこの後、ＴＭＡの供給を停止すると共に、それ以外の原料ガスを６秒間供給することにより、電子供給層の上層に厚みが５ｎｍのｎ型ＧａＮよりなる保護層を形成するものとしてもよい。
なお、ここでは、ｎ型半導体層１３５に含まれるｎ型不純物をＳｉとして説明しているが、その他のｎ型不純物としては、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｎ及びＴｅなどを用いることができる。
【００４７】
〈発光層１３３の形成〉
次に、ｎ型半導体層１３５の上層に、ＩｎＧａＮで構成される井戸層及びｎ型ＡｌＧａＮで構成される障壁層が周期的に繰り返される多重量子井戸構造を有する発光層１３３を形成する。
具体的には、まずＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８３０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に４８秒間供給するステップを行う。その後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、０．００２μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシラン及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に１２０秒間供給するステップを行う。以下、これらの２つのステップを繰り返すことにより、厚みが２ｎｍのＩｎＧａＮよりなる井戸層及び厚みが７ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮよりなる障壁層による１５周期の多重量子井戸構造を有する発光層１３３が、ｎ型半導体層１３５の表面に形成される。
【００４８】
〈ｐ型半導体層１３１の形成〉
次に、発光層１３３の上層に、ＡｌｍＧａ１−ｍＮ（０≦ｍ＜１）で構成されるｐ型半導体層１３１を形成する。
具体的には、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が２５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を１０２５℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が３５μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が２０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及びｐ型不純物をドープするための流量が０．１μｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を処理炉内に６０秒間供給する。これにより、発光層１３３の表面に、厚みが２０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、ＴＭＡの流量を４μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを３６０秒間供給することにより、厚みが１２０ｎｍのＡｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりｐ型半導体層１３１が形成される。
【００４９】
更にその後、ＴＭＡの供給を停止すると共に、Ｃｐ２Ｍｇの流量を０．２μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを２０秒間供給することにより、厚みが５ｎｍのｐ型ＧａＮよりなるコンタクト層を形成する。
なお、ここでは、ｐ型半導体層１３１に含まれるｐ型不純物をＭｇとして説明しているが、その他のｐ型不純物としては、Ｂｅ、Ｚｎ、及びＣなどを用いることができる。
このようにしてサファイア基板１６１上に、アンドープ層１３６、ｎ型半導体層１３５、発光層１３３及びｐ型半導体層１３１からなるエピ層１４０が形成される。
【００５０】
（ステップＳ２）
次に、ステップＳ１で得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal：急速加熱）装置を用いて、窒素雰囲気下中６５０℃で１５分間の活性化処理を行う。
（ステップＳ３）
次に、図１９に示すように、ｐ型半導体層１３１の上層の所定箇所に絶縁層１２１を形成する。より具体的には、後の工程で電極１４２を形成する領域の下方に位置する箇所に絶縁層１２１を形成するのが好ましい。絶縁層１２１としては、例えばＳｉＯ２を膜厚２００ｎｍ程度成膜する。なお成膜する材料は絶縁性材料であればよく、例えばＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３でも良い。
【００５１】
（ステップＳ４）
図２０に示すように、ｐ型半導体層１３１及び絶縁層１２１の上面を覆うように、導電層１２０を形成する。ここでは、反射電極１１９、保護層１１７、及びハンダ層１１５を含む多層構造の導電層１２０を形成する。
導電層１２０のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、スパッタ装置にてｐ型半導体層１３１及び絶縁層１２１の上面を覆うように、膜厚０．７ｎｍのＮｉ及び膜厚１２０ｎｍのＡｇを全面に成膜して、反射電極１１９を形成する。次に、ＲＴＡ装置を用いてドライエアー雰囲気中で４００℃、２分間のコンタクトアニールを行う。
【００５２】
次に、電子線蒸着装置（ＥＢ装置）にて反射電極１１９の上面（Ａｇ表面）に、膜厚１００ｎｍのＴｉと膜厚２００ｎｍのＰｔを３周期成膜することで、保護層１１７を形成する。更にその後、保護層１１７の上面（Ｐｔ表面）に、膜厚１０ｎｍのＴｉを蒸着させた後、Ａｕ８０％Ｓｎ２０％で構成されるＡｕ−Ｓｎハンダを膜厚３μｍ蒸着させることで、ハンダ層１１５を形成する。
なお、このハンダ層１１５の形成ステップにおいて、サファイア基板１６１とは別に準備された支持基板１１１の上面にもハンダ層１１３を形成するものとして構わない（図２１参照）。このハンダ層１１３は、ハンダ層１１５と同一の材料で構成されるものとしてよく、次のステップにおいてハンダ層１１３と接合されることで、サファイア基板１６１と支持基板１１１が貼り合わせられる。なお、この支持基板１１１としては、構造の項で前述したように、例えばＣｕＷが用いられる。
【００５３】
（ステップＳ５）
次に、図２２に示すように、サファイア基板１６１と支持基板１１１とを貼り合わせる。より具体的には、２８０℃の温度、０．２ＭＰａの圧力下で、ハンダ層１１５と支持基板１１１の上層に形成されたハンダ層１１３とを貼り合せる。
（ステップＳ６）
次に、図２３に示すように、サファイア基板１６１を剥離する。より具体的には、サファイア基板１６１を上に、支持基板１１１を下に向けた状態で、サファイア基板１６１側から図中矢印で示すようにＫｒＦエキシマレーザを照射して、サファイア基板１６１とエピ層１４０の界面を分解させることでサファイア基板１６１の剥離を行う。サファイア１６１はレーザが通過する一方、その下層のＧａＮ（アンドープ層１３６）はレーザを吸収するため、この界面が高温化してＧａＮが分解される。これによってサファイア基板１６１が剥離される。
その後、ウェハ上に残存しているＧａＮ（アンドープ層１３６）を、塩酸などを用いたウェットエッチング、ＩＣＰ装置を用いたドライエッチングによって除去し、ｎ型半導体層１３５を露出させる。なお、本ステップＳ６においてアンドープ層１３６が除去されて、ｐ型半導体層１３１、発光層１３３、及びｎ型半導体層１３５がこの順に積層されてなる半導体層１３０が残存する。
【００５４】
（ステップＳ７）
次に、図２４に示すように、隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ＩＣＰ装置を用いて絶縁層１２１の上面が露出するまで半導体層１３０をエッチング（メサエッチング）する。絶縁層１２１はエッチングストッパーとしての機能を果たす。この工程により、隣接する素子同士が溝を介して分離される。
（ステップＳ８）
次に、図２５に示すようにｎ型半導体層１３５の表面に凹凸を形成する。具体的には、後述する［二光束干渉露光方法を用いた表面加工プロセス］に示す方法に従い、凹凸で構成されるフォトニック構造の形成を行う。このとき、後に電極１４２を形成する箇所に対しては、凹凸を形成しないものとしても構わない。これらの箇所に凹凸を形成しないことで、電極を形成する箇所のｎ型半導体層１３５の表面が平坦な状態のまま維持される。電極形成箇所のｎ型半導体層１３５の表面を平坦な状態のまま維持することで、ワイヤボンディングを行う際に電極１４２とｎ型半導体層１３５の界面にボイドが発生するのを防ぐ効果が得られる。
【００５５】
（ステップＳ９）
次に、図２６に示すように、ｎ型半導体層１３５の上面に電極１４２を形成する。より具体的には、膜厚１００ｎｍのＣｒと膜厚３μｍのＡｕからなる電極を形成後、窒素雰囲気中で２５０℃１分間のシンタリングを行う。
その後の工程としては、露出されている半導体層１３０の側面及び上面を絶縁層１４１で覆う。より具体的には、ＥＢ装置にてＳｉＯ２膜を形成する。なおＳｉＮ膜を形成しても構わない。そして、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、支持基板１１１の裏面を例えばＡｇペーストにてパッケージと接合し、電極１４２に対してワイヤボンディングを行う。例えば、５０ｇの荷重でΦ１００μｍのボンディング領域にＡｕからなるワイヤを連結させることで、ワイヤボンディングを行う。これにより、図１７に示す半導体発光素子１００が形成される。
【００５６】
以下、上記のステップＳ８で実施する［二光束干渉露光方法を用いた表面加工プロセス］について説明する。
図２７は、二光束干渉露光方法を用いた表面加工プロセスを示す図である。
先ず、図２７（ａ）に示すように、表面に発光層を含む半導体層３５が設けられた基板３０を準備する。半導体層３５の光出射面４０は、例えばｎＡｌＧａＮ層である。これら半導体層３５及びｎＡｌＧａＮ層４０は、例えばスパッタ成膜法により基板３０上に形成されている。
そして、第一工程として、図２７（ｂ）に示すように、半導体層３５の光出射面であるｎＡｌＧａＮ層４０の表面に感光性材料層（例えば、フォトレジスト等）５０を形成し、第二工程として、上述した二光束干渉露光を複数回行い、フォトレジスト５０を露光する。
【００５７】
次に、第三工程として、露光後のフォトレジスト５０を現像する。これにより、例えばフォトレジスト５０における干渉光の照射エリアが除去され、図２７（ｃ）に示す微細パターン５１が形成される。この微細パターン５１はドットパターンを有する。
次に、第四工程として、第三工程で得られたフォトレジスト５０の微細パターン５１に対して熱処理（楕円補正）を施し、微細パターン５１を整形する。その際、例えばホットプレート等を用いて熱処理を行う。これにより、図２７（ｄ）に示す断面半球形状の微細パターン５２を得る。
【００５８】
次に、第五工程として、第四工程で得られた微細パターン５２をマスクとして用いて、ｎＡｌＧａＮ層４０をエッチングする。その後、フォトレジスト５０の微細パターン５２を除去し、図２７（ｅ）に示す微細パターン４１を得る。
次に、最終工程として、第五工程で得られたｎＡｌＧａＮ層４０の微細パターン４１に対してスパッタリングを行い、図２７（ｆ）に示すモスアイ形状のフォトニック構造４２を有する半導体発光素子を得る。
【００５９】
以上のように、本実施形態では、コヒーレント光源の出力光を２分岐した光を所定の干渉角度で交差させて発生した干渉光を用いてフォトレジストの干渉露光を行う。このとき、二光束干渉露光を複数回行い、２回目以降の干渉露光で照射する干渉縞の長手方向を、１回目の干渉露光で照射する干渉縞の長手方向と所定の配向角度で交差させるようにする。そして、露光後に現像工程を実施し、微細なレジストパターンを得る。
二光束干渉露光は微細フォトマスクを用いずに微細パターン露光が可能であり、ワークに対して接触する要素がない。すなわち、ＮＩＬ（ナノインプリントリソグラフィ）のようにワークとマスターモールドとの都度接触が必要な方法と比較して、歩留まりを高くすることができる。
【００６０】
また、二光束干渉露光は非常に深い焦点深度で露光可能であるため、ワークの平坦度が不問である。例えば、ナノインプリント法では、仮にワークが反っていると、当該ワークの破損や転写不良が発生するおそれがある。したがって、二光束干渉露光を採用することで、仮にワークが反っていても精度良く露光することができる。
また、ナノインプリント法では、ワークとマスターモールドとの都度接触によりマスターモールドの劣化が生じるため、マスターモールドの管理が必要となるが、二光束干渉露光では、上記のような管理を必要とすることなく品質安定性を確保することができる。さらに、二光束干渉露光では、ナノインプリント法のように消耗品である高価なマスターモールドを必要としないため、その分のコストを削減することができる。
【００６１】
さらに、ＬＥＤ（ＧａＮやＡｌＮなどの単結晶）に対して有効な加工方法であり一般に実施されているアルカリエッチングでは、ランダムな形状の凹凸構造しか形成することができないが、二光束干渉露光では、微小な凸部が周期的に配列したモスアイ構造を形成することができる。そのため、アルカリエッチングを用いた方法よりもＬＥＤの光取出し効率を向上させることができる。
【００６２】
なお、図２７に示す例では、ｎＡｌＧａＮ層４０の表面に感光性材料層（例えば、フォトレジスト等）５０を形成し、この感光性材料層に対して露光及び現像して得た微細なレジストパターンに対して熱処理を行うことで、レジストパターンの整形を行っているが、これに限定されるものではない。他の例としては、ｎＡｌＧａＮ層４０上に微細パターン構成層（例えば、ガラス転移点を有する樹脂層等）５０を形成し、この表面に、露光及び現像以外の例えばＮＩＬや熱エンボス加工法などにより微細パターン５１を形成し、該微細パターン５１に対して熱処理を行って整形することで得られた微細パターン５２をマスクとして用いて、ｎＡｌＧａＮ層４０をエッチングすることもできる。
表面構造の違いによる光取り出し効率の違いを比較した結果を表１に示す。
【００６３】
【表１】
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【００６４】
ここで、光取り出し効率とは、励起発光（発光素子の内部で生じた光）に対する素子外部に取り出せる光の割合をいう。表１に示すように、フラット形状と比較すると、表面に凹凸構造が形成されている場合（アルカリエッチングによるランダム表面、モスアイ構造）の方が光取り出し効率が向上していることがわかる。さらに、ランダム表面とモスアイ構造とを比較すると、モスアイ構造の方が光取り出し効率が高いこともわかる。
【００６５】
また、現像工程を行って得られた微細パターンに対して熱処理を行い、当該微細パターンを整形すれば、レジストパターンの精度をより向上させることができる。このとき、熱処理として、ガラス転移温度を上回る温度で加熱する処理を行うことで、異方性を有する微細パターンを、表面張力により等方性を有する微細パターンに自然に整形することができる。
したがって、上記のフォトレジストを用いてエッチング加工を施すことにより、微細な凸部が２次元周期的に配列され、制御されたモスアイ形状を有するフォトニック構造体を得ることができる。その結果、光の取り出し効率をより向上させることができる。
【００６６】
また、本実施形態では、上記の干渉露光工程において、配向角度を調整することで、レジストパターンの配列を変更することができる。さらに、上記の熱処理工程において、加熱条件を調整することで、レジストパターンの形状を変更することができる。したがって、任意の配列、任意の面内密度を有するモスアイ構造を作製することができる。
【００６７】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
この第２の実施形態は、上述した第１の実施形態において、折り返しミラー７ａ，７ｂが固定ミラーであったのに対し、角度可変ミラーとしたものである。
図２８は、第２の実施形態の露光装置を示す概略構成図である。
この露光装置１は、図１の露光装置１において折り返しミラー７ａ，７ｂを角度可変ミラー１７ａ，１７ｂとしたことを除いては、図１に示す露光装置１と同様の構成を有する。したがって、ここでは図１と同一構成を有する部分には同一符号を付し、構成の異なる部分を中心に説明する。
【００６８】
角度可変ミラー１７ａ，１７ｂは、光入射面の角度を変更可能に構成されており、当該光入射面の角度を変更することで干渉角度θを所望の角度に変化させる。干渉角度θを変えることにより、基板に形成されるストライプ状の干渉パターンのピッチを自在に変更することができる。
図２９は、角度可変ミラー１７ａ及び１７ｂの機構を示す図である。角度可変ミラー１７ａと１７ｂとは同一構成を有するため、ここでは角度可変見ミラー１７ａの機構についてのみ図示している。
【００６９】
角度可変ミラー１７ａ（以下、単に「ミラー」という）は、干渉角度θを任意の角度に調整するための素子で、ビーム分岐素子６で分岐されたビーム（分岐ビーム）Ｂ１がなす直線上を移動し、且つ紙面垂直軸周りに角度を変えることができる。当該ミラー１７ａで反射されたビーム（ミラー反射ビーム）Ｂ５は、ワークＷ上の所定の位置に向けられ、もう片方のミラーからのミラー反射ビームとワークＷ上で結合し、干渉縞を形成する。すなわち、ミラー１７ａの法線は、分岐ビームＢ１とミラー反射ビームＢ５とがなす角の二等分線となる。
ミラー１７ａの法線を所定の方向に保ったまま干渉角度θを調整する方法として、例えば、図２９（ａ）及び（ｂ）に示すようなＴ字型のフレームＴを持つリンク機構を用いる方法がある。Ｔ字フレームＴには３つのスライダＳが設けられ、そのうちの２つは分岐ビームＢ１及びミラー反射ビームＢ５がなす直線上をそれぞれ移動し、残りの１つにはミラー１７ａが取り付けられ、Ｔ字フレームＴ上を移動する。
【００７０】
また、ミラー１７ａの回転軸は分岐ビームＢ１及びミラー反射ビームＢ５の交点位置で拘束されている。干渉角度θを調整する際には、図２９（ａ）から図２９（ｂ）のように、ミラー１７ａの法線方向が、分岐ビームＢ１とミラー反射ビームＢ５とがなす角の二等分線を維持したまま、所定の方向へ変化する。
この干渉角度θは、駆動部（アクチュエータ）２２を用いて調整する。駆動部２２は、ミラー反射ビームＢ５のなす直線上に配置されたフレームに作用し、干渉角度θを調整する。なお、駆動部２２は、Ｔ字フレームＴに作用して干渉角度θを調整する構成であってもよい。
【００７１】
このように、本実施形態の露光装置は、ビーム分岐素子６で２以上に分岐した光が所望の角度で交差するように、分岐したそれぞれの光を基板へ向けて偏向する角度可変ミラー１７ａ，１７ｂを備えるので、基板に形成されるストライプ状の干渉パターンのピッチを自在に変更することができる。すなわち、複数回露光によって得られるレジストパターンのピッチ（面内密度）を自在に変更することができる。
【００７２】
（変形例）
なお、上記実施形態においては、二光束干渉露光について説明したが、ビームを２以上に分岐させ、それらを一度に基板へと照射する、所謂多光束干渉露光を採用してもよい。ビームの分岐手段には、例えば、レーザーを複数のビームに分岐させる回折光学素子を用いてもよい。多光束干渉露光で、例えば、２つのビームの干渉パターンを９０°回転させて重畳させる方法と同様の結果を得るためには、図３０に示すように、ビームを４分岐させて、分岐ビームと基板の法線がなす４つの面が９０°ずつ配向し、かつ、基板に入射する際に向かい合う２つの分岐ビームがなす角度が所定の干渉角度となるように、光学部品を配置すればよい。
また、上記実施形態においては、干渉露光工程、現像工程、及びエッチング工程を経て半導体層の光出射面にフォトニック構造を形成する場合について説明したが、例えば高出力パルスレーザーによるレーザーアブレーションを利用し、干渉光のパターンを直接、半導体層の光出射面に加工してもよい。
【００７３】
（応用例）
上記実施形態においては、二光束干渉露光により得られたレジストパターンを熱処理により整形する場合について説明したが、別の露光方法（例えば、ナノインプリント法やステッパ等）により得られた微細パターンを上述した熱処理により整形することもできる。例えば、ナノインプリント法により得られた微細パターンに対して上記の熱処理を施すことにより、互いに隣接する微細な凸部の間の隙間を小さくし、解像度を上げることができる。すなわち、当該熱処理により微細パターンを整形可能となることで、微細パターンの解像度の限界を超えることができる。
【００７４】
従来、レジストパターンの表面に対してプラズマで膜をデポジションし、当該レジストパターンの幅を広げる技術が知られており、当該技術を用いることにより、互いに隣接する微細な凸部の間の隙間を小さくすることも考えられる。しかしながら、この場合、プラズマの分布によっては精度良く膜を形成することができない場合がある。これに対して、本実施形態の熱処理を適用すれば、精度良くレジストパターンを整形することができ、適切に解像度を上げることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１…露光装置、２…光源、３…ビームエキスパンダ、４…打ち下ろしミラー、５…シャッター、６…ビーム分岐素子、７ａ，７ｂ…折り返しミラー、８ａ，８ｂ…集光レンズ、９ａ，９ｂ…ピンホール、１０ａ，１０ｂ…コリメートレンズ、１１…ステージ、１２…吸着盤、２０…コントローラ、２１…ステージ駆動回路、３０…基板、４０…機能材料層、４１…微細パターン、４２…モスアイ構造、５０…フォトレジスト、５１…微細パターン（熱処理前）、５２…微細パターン（熱処理後）、１００…半導体発光素子、１１１…支持基板、１１３、１１５…ハンダ層、１１７…保護層、１１９…反射電極、１２０…導電層、１２１…絶縁層、１３０…半導体層、１３１…ｐ型半導体層、１３３…発光層、１３５…ｎ型半導体層、１４１…絶縁層、１４２…電極、Ｗ…ワーク（基板）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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