特開 2025-15372 フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法、及び照明装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025015372

(43)【公開日】2025-01-30

(54)【発明の名称】フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法、及び照明装置

(51)【国際特許分類】

   H10H 20/817 20250101AFI20250123BHJP

   H10H 20/825 20250101ALI20250123BHJP

   F21S 2/00 20160101ALI20250123BHJP

【ＦＩ】

H01L33/16

H01L33/32

F21S2/00 482

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023139558

(22)【出願日】2023-08-30

(31)【優先権主張番号】P 2023116617

(32)【優先日】2023-07-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】500221563

【氏名又は名称】ナイトライド・セミコンダクター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】村本 宜彦

【テーマコード（参考）】

3K244

5F241

【Ｆターム（参考）】

3K244AA05

3K244BA31

3K244BA50

3K244CA02

3K244DA01

3K244LA10

5F241AA03

5F241AA06

5F241CA04

5F241CA05

5F241CA12

5F241CA22

5F241CA40

5F241CA65

5F241CA74

5F241CA88

5F241CA99

5F241CB11

5F241FF11

(57)【要約】

【課題】発光素子を構成するＧａＮ層に対してフォトニック結晶を効率的に形成することで、フォトニック結晶ＧａＮ発光素子を得る。
【解決手段】本方法は、サファイア基板１０上に順次、ｎ型ＧａＮ層１２、ＭＱＷ層１４、ｐ型ＧａＮ層１６をエピタキシャル成長させてエピタキシャル構造を形成するステップと、ｐ型ＧａＮ層１６の表面に、電子ビーム描画及び誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いてフォトニック結晶を形成するステップを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

サファイア基板上に順次、ｎ型窒化ガリウム層、多重量子井戸層、ｐ型窒化ガリウム層をエピタキシャル成長させてエピタキシャル構造を形成するステップと、
前記ｐ型窒化ガリウム層の表面に、電子ビーム描画及び誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いてフォトニック結晶を形成するステップと、
を備える、フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法。

【請求項2】

前記フォトニック結晶を形成するステップは、
前記ｐ型窒化ガリウム層の表面に疎水化処理を行うステップと、
前記ｐ型窒化ガリウム層の表面にレジストを塗布するステップと、
電子ビームを前記レジストに照射して描画するステップと、
誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングにより塩素ガスで前記レジストを除去するステップと、
を備える、請求項１に記載のフォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法。

【請求項3】

前記サファイア基板上に前記ｎ型窒化ガリウム層を成長させる前に、前記サファイア基板上に、順次バッファ層、アンドープ窒化ガリウム層を成長させるステップ
を備える、請求項１に記載のフォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法。

【請求項4】

前記フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の発光波長は、３７５ｎｍ～３９０ｎｍである、請求項１～３のいずれかに記載のフォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法。

【請求項5】

請求項１～３のいずれか一項に記載の製造方法で製造されたフォトニック結晶窒化ガリウム発光素子と、
前記フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子からの光を対象物に照射する照射光学系と、
を備える照明装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた発光素子（ＬＥＤ）チップから出た光の指向角を狭める場合、ＬＥＤデバイスにレンズを搭載して集光し、指向角を絞ることが検討されている。

【0003】

しかし、レンズの場合、指向性を少しでも変更する場合には金型を変える必要があり、コストが増大してしまう。また紫外線や深紫外線の場合、レンズの吸収を考慮して石英レンズが用いられることから、レンズも高額となってしまう。

【0004】

そこで、ＬＥＤデバイスにレンズを搭載せずに集光して指向性を狭める方法として、ＬＥＤチップ表面へ数１００ｎｍオーダのホールを数１００ｎｍピッチでフォトニック結晶を形成することが検討されている。

【0005】

特許文献１には、窒化ガリウム系フォトニック結晶及びその製造方法に関する発明が記載されている。すなわち、エピタキシャル成長において広い領域で転位密度が低減され結晶性が良好な窒化物半導体を得て、高性能の窒化ガリウム系半導体素子、窒化ガリウム系半導体基板、窒化ガリウム系フォトニック結晶を高い歩留まりで提供することを課題として、基板上に窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、当該窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成する工程と、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのうち少なくとも２つ以上の互いに隣接するトレンチを変形させ、変形させた当該トレンチの位置に対応して前記窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成し、当該空洞を有する前記窒化ガリウム系半導体層の上に窒化ガリウム系半導体の素子を形成する工程を具備することが記載されている。

【0006】

また、特許文献２には、長期に亘って劣化しにくく、エネルギー効率及び発光効率の高いフォトニック結晶発光ダイオードを提供することを課題として、第１半導体層、活性層、第２半導体層の３層がこの順に積層され、第１電極が第１半導体層に、第２電極が第２半導体層に、それぞれ電気的に接続された構造を有する発光ダイオードにおいて、３層のうち少なくとも第１半導体層と活性層を貫通する空孔が、フォトニック結晶構造を形成するように２次元周期的に配置されると共に、第１電極が、第１半導体層の、空孔と空孔を囲う第１非電流注入領域とを除いた領域を覆っているフォトニック結晶発光ダイオードが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００４－１１１７６６号公報

【特許文献2】特開２０１１－５４８２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、ＬＥＤ等の発光素子を窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成する場合において、ＧａＮ層へのフォトニック結晶を形成する技術は未だ確立されていない。

【0009】

本発明の目的は、発光素子を構成するＧａＮ層に対してフォトニック結晶を効率的に形成することで、フォトニック結晶ＧａＮ発光素子を得る方法、及び照明装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、サファイア基板上に順次、ｎ型窒化ガリウム層、多重量子井戸層、ｐ型窒化ガリウム層をエピタキシャル成長させてエピタキシャル構造を形成するステップと、前記ｐ型窒化ガリウム層の表面に、電子ビーム描画及び誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングを用いてフォトニック結晶を形成するステップと、を備える、フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の製造方法である。

【0011】

本発明の１つの実施形態では、前記フォトニック結晶を形成するステップは、前記ｎ型窒化ガリウム層の表面に疎水化処理を行うステップと、前記ｎ型窒化ガリウム層の表面にレジストを塗布するステップと、電子ビームを前記レジストに照射して描画するステップと、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングにより塩素ガスで前記レジストを除去するステップと、を備える。

【0012】

本発明の他の実施形態では、前記サファイア基板上に前記ｎ型窒化ガリウム層を成長させる前に、前記サファイア基板上に、順次バッファ層、アンドープ窒化ガリウム層を成長させるステップを備える。

【0013】

本発明のさらに他の実施形態では、前記フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子の発光波長は、３８０ｎｍ～３９０ｎｍである。

【0014】

また、本発明は、上記の製造方法で製造されたフォトニック結晶窒化ガリウム発光素子と、前記フォトニック結晶窒化ガリウム発光素子からの光を対象物に照射する照射光学系とを備える照明装置である。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、窒化ガリウム（ＧａＮ）発光素子を構成するＧａＮ層にフォトニック結晶を確実に形成することができる。これにより、発光素子から射出する光の指向性を狭めることができる。また、窒化ガリウム発光素子の発光効率を増大させ得る。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実施形態の製造方法を示す模式的断面図（その１）である。

【図2】実施形態の誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによるエッチング後のＳＥＭ画像であり、（Ａ）はホール内側の径のＳＥＭ画像であり、（Ｂ）はホール外側の径のＳＥＭ画像である。

【図3】実施形態のフリップチップ作成の説明図である。

【図4】実施形態のフリップチップのＩ－Ｖ特性図である。

【図5】実施形態のフリップチップのＩ－Ｌ特性図である。

【図6】実施形態のフリップチップの発光強度図である。

【図7】実施形態のフリップチップの発光スペクトル図である。

【図8】実施形態のフリップチップの半値幅測定結果を示す図である。

【図9】実施形態の照明装置及び露光装置の構成を示す図である。

【図10】光源ユニットの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

【0018】

本実施形態の基本原理は、ＧａＮ発光素子を構成するＧａＮ層にフォトニック結晶を形成する際に、電子ビーム（ＥＢ）描画し、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングしたＧａＮ層のエッチングレートが基板、ＧａＮ層の構造や結晶性の違いにより大きく異なることを考慮し、Ｓｉ基板等にＧａＮ層を成長させるのではなく、サファイア基板上にＧａＮ層を成長させ、このようにして成長させたＧａＮ層を対象として電子ビーム（ＥＢ）描画及び誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによりフォトニック結晶を形成させるものである。

【0019】

本願発明者等は、Ｓｉ基板上に成長させたＧａＮ層に比べ、サファイア基板上に成長させたＧａＮ層の方が、電子ビーム（ＥＢ）描画及び誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによるエッチングレートが顕著に大きく、極めて効率的にＧａＮ層の表面に所望間隔及び所望の径でホールを形成し、フォトニック結晶を形成できることを見出した。

【0020】

図１は、本実施形態におけるフォトニック結晶ＧａＮ発光素子（ＬＥＤ）を製造する方法を模式的に示す断面図である。

【0021】

図１に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いてサファイア基板１０上に低温バッファ層（不図示）及びアンドープＧａＮ（ｕ－ＧａＮ）層（不図示）を積層し、その上にｎ－ＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ層）１２、多重量子井戸（ＭＱＷ）層１４、及びｐ－ＧａＮ層（Ｐ型ＧａＮ層）１６を順次積層して、３８５ｎｍ（３７５～３９０ｎｍ）で発光するエピタキシャル構造を成長させる。

【0022】

ここで、ｎ－ＧａＮ層１２は、より詳細には（ＡｌＩｎＧａＮ）／（ＩｎＧａＮ；Ｓｉ）ｎ―ＳＬＳ（超格子構造）層及び（ＧａＮ；Ｓｉ）コンタクト層から構成される。ここで、例えば（ＧａＮ；Ｓｉ）は、ＳｉがドープされたＧａＮであることを示す。

【0023】

また、多重量子井戸（ＭＱＷ）層１４は、（ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ）のＭＱＷ層から構成される。

【0024】

また、ｐ－ＧａＮ層１６は、より詳細にはｐ－ＧａＮ（ＧａＮ；Ｍｇ）コンタクト層及び（ＡｌＧａＮ；Ｍｇ／ＧａＮ；Ｍｇ）ｐ－ＳＬＳ（超格子構造）層から構成される。ｐ－ＧａＮ層１６の厚さは、従来では５０ｎｍ～１５０ｎｍ程度であるが、本実施形態ではｐ－ＧａＮ層１６にフォトニック結晶（ＰｈＣ）を形成するため、ＰｈＣ形成時の深さ及びドライエッチングによるダメージを軽減させるためにその厚さを従来の２倍、すなわち１００ｎｍ～３００ｎｍ程度に設定している。

【0025】

本実施形態における「ＧａＮ層」は、必ずしもＧａＮの組成の単層を意味するものではなく、ＧａＮを含むＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の組成の単層あるいは複数層を意味するものである。要するに、ＧａＮを主成分とする単層あるいは複数層を意味する。

【0026】

なお、本実施形態のエピタキシャル層の発光波長は３８５ｎｍであるが、それより長い波長とする場合、基本的なエピタキシャル構造は同じであるが、バンドギャップエネルギの関係から３８５ｎｍの方がそれより長い波長に比べて（ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ）ＭＱＷ発光層１４のＡｌ含有量を多く、Ｉｎ含有量を少なくする。

【0027】

次に、図１の一点鎖線領域１８で示すように、ｐ－ＧａＮ層１６の表面にフォトニック結晶（ＰｈＣ）を形成する。図では一点鎖線領域１８がｐ－ＧａＮ層１６の表面に複数形成されているが、ｐ－ＧａＮ層１６の表面全体にわたって形成されていてもよい。

【0028】

その後、ｐ－ＧａＮ層１６上にＩＴＯを蒸着し、ｎＧａＮ層１２までエッチングしてメサ形状を形成する。さらに、エッチングした領域にｎ－パッドを形成し、その高さをメサ形状の高さに合わせる。そして、全面をＳｉＯ_２蒸着して保護膜を形成し、ｎ－パッド上及びＩＴＯ上でＳｉＯ_２を部分的にエッチングし、ＵＢＭ（アンダーバンプメタル）をスパッタリングによりエッチング部分にＡｕを蒸着して、ＧａＮ発光素子（ＬＥＤチップ）が製造される。

【0029】

ここで、図１に示されるフォトニック結晶の製造方法について、より詳細に説明する。フォトニック結晶（ＰｈＣ）は、電子ビーム（ＥＢ）描画によりレジストにパターンを現像し、その後、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによりエッチングすることで形成される。従って、フォトニック結晶を形成するに先立って、ＥＢ描画条件と誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングによるエッチング条件を設定する必要がある。

【実施例0030】

サファイア基板上に成長させた発光波長３８５ｎｍのＧａＮウェハをリンス洗浄後、１８０℃で５分乾燥させた。その後、ＧａＮウェハ表面を疎水性にするための処理（ＨＭＤＳ処理）を行い、スピンコータでＵＶレジストを５００ｎｍ塗布し、その後、１８０℃で３ｍｉｎプリベークを行った。

【0031】

次に、高速マスクレス露光装置で２ｍｍ×２ｍｍサイズ（合計５か所）のＰｈＣパターンを、露光量（Ｄｏｓｅ量）を変化させて形成した。

【0032】

また、これと並行して、エッチングレートを確認するために、１００μｍ×１００μｍサイズ（合計３か所）のホールを、露光量（Ｄｏｓｅ量）を一定にして形成した。各サイズの露光量（Ｄｏｓｅ量）は以下の通りである。
＜２ｍｍ×２ｍｍ（合計５か所）＞
露光量＝１４０，１５０、１６０、１７０，１８０（μＣ／ｃｍ^２）
＜１００μｍ×１００μｍ＞
露光量＝２００μＣ／ｃｍ^２

【0033】

ＵＶレジストを形成したＧａＮウェハを用い、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング装置にて塩素ガス（３０ｓｃｃｍ）で１０ｍｉｎエッチングを行った。ＵＶ触針式段差計で深さを計測した結果、エッチングレートは５５．２ｎｍ／ｍｉｎであった。

【0034】

図２は、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング装置でエッチング後のＳＥＭ画像を示す。ＰｈＣのホールには若干テーパが形成され、内側の径が２００ｎｍ～２３０ｎｍ、外側の径が２７０ｎｍ～３００ｎｍであった。テーパの観点からは、露光量（Ｄｏｓｅ量）が１８０μＣ／ｃｍ^２～２００μＣ／ｃｍ^２において良好（すなわちテーパが少ない）な結果が得られた。図２（Ａ）は露光量＝１７０μＣ／ｃｍ^２でＰｈＣパターンを形成した場合の内側の径のＳＥＭ画像であり、サイズは２２６．６７ｎｍであった。また、図５（Ｂ）は同条件でＰｈＣパターンを形成した場合の外側の径のＳＥＭ画像であり、サイズは２８５．３３ｎｍであった。

【0035】

このように、ＧａＮウェハの表面に数１００ｎｍオーダのホールが数１００ｎｍピッチで形成され、フォトニック結晶（ＰｈＣ）が形成されていることが確認された。

【0036】

なお、サファイア基板に代えて、ＰＳＳ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）基板を用いて同様にエピタキシャル層を成長させ、ＰｈＣ形成を行った場合でも、サファイア基板上と同様の形状のホールが形成され、かつエッチングレートが約１．２倍増大することが確認された。

【0037】

次に、ＰｈＣを形成したＧａNウェハを用い、ＰＬ波長と強度を測定した。その結果、ＰｈＣ形成部分とその周囲のＰｈＣ未形成部分の強度を比較すると、ＰｈＣ形成部分ではＰｈＣ未形成部分と比べて約１．５倍～約１．６倍の強度が得られることが確認された。これは、ＰｈＣ形成により光の取り出し効率が向上しているためと考えられる。また、ＰＬ波長については、ＰｈＣ形成部分ではＰｈＣ未形成部分と比べて０．５ｎｍ～１．０ｎｍ長波長側にシフトする傾向があることが確認された。

【0038】

次に、ｐ－ＧａＮ層１６の表面にフォトニック結晶（ＰｈＣ）を形成し、ｐ－ＧａＮ層１６上にＩＴＯを蒸着し、ｎＧａＮ層１２までエッチングしてメサ形状を形成し、エッチングした領域にｎ－パッドを形成し、その高さをメサ形状の高さに合わせ、全面をＳｉＯ_２蒸着して保護膜を形成し、ｎ－パッド上及びＩＴＯ上でＳｉＯ_２を部分的にエッチングし、ＵＢＭ（アンダーバンプメタル）をスパッタリングによりエッチング部分にＡｕを蒸着して、ＧａＮ発光素子（ＬＥＤチップ）を製造し、フリップチップにより実装基板上に実装して、Ｉ－Ｖ特性、Ｉ－Ｌ特性、発光スペクトル、発光強度を測定した。

【0039】

図３は、サファイア基板２０の４インチウェハ表面の合計５か所の領域２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、及び２２ｅに数１００ｎｍオーダのフォトニック結晶を形成して発光エリア７９×７９μｍのチップを作成する平面図を示す。図３（Ａ）はウェハの平面図、図３（Ｂ）は、ウェハの所定位置に離間して形成された合計５か所のフォトニック結晶の形成領域２２ａ～２２ｅを示す。図３（Ｃ）は図３（Ｂ）の一つの領域２２ｃの一部拡大図である。フォトニック結晶が形成された領域でＬＥＤチップを製造してフリップチップ化するとともに、フォトニック結晶が形成されていない領域でＬＥＤチップを製造してフリップチップにより実装基板上に実装した。

【0040】

図４は、フォトニック結晶を有するチップ（Ｓａｐｐｈｉｒｅ－ＰｈＣ）とフォトニック結晶を有しないチップ（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）のＩ－Ｖ特性の測定結果を示す。両者ともに良好な特性を示しており、フォトニック結晶の有無での差異は殆ど見られない。

【0041】

図５は、フォトニック結晶を有するチップ（Ｓａｐｐｈｉｒｅ－ＰｈＣ）とフォトニック結晶を有しないチップ（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）のＩ－Ｌ特性の測定結果を示す。両者ともに良好な特性を示しており、フォトニック結晶の有無での差異は殆ど見られない。

【0042】

図６は、フォトニック結晶を有するチップ（Ｓａｐｐｈｉｒｅ－ＰｈＣ）とフォトニック結晶を有しないチップ（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）の強度の測定結果を示す。また、図７，図８は、フォトニック結晶を有するチップ（Ｓａｐｐｈｉｒｅ－ＰｈＣ）とフォトニック結晶を有しないチップ（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）の発光スペクトル、半値全幅をそれぞれ示す。図８において、ＷＨは半値幅（半値全幅）、ＰＯは発光強度を示す。

【0043】

図６及び図８から分かるように、フォトニック結晶を有するチップでは、フォトニック結晶を有しないチップに比べて発光強度が約１．７４倍向上することが確認された。

【0044】

なお、本実施形態において、上述したように、ｐ－ＧａＮ層１６の表面にフォトニック結晶を形成し、ｐ－ＧａＮ層１６上にＩＴＯを蒸着した後にｎ－ＧａＮ層１２までエッチングしてメサ形状を形成しているので、メサエッチング部分にはフォトニック結晶は存在していないものと推定される。但し、本願出願人は、メサ形状を有するチップ全面の色味が変化していることを確認しており、メサエッチング時にｐ－ＧａＮ層１６表面のフォトニック結晶がｎ－ＧａＮ層１２にも形成されている可能性もあり、これが光取り出し効率向上に寄与していることも想定され得る。

【0045】

以上のようにして、ｐ－ＧａＮ層１６の表面にフォトニック結晶（ＰｈＣ）を形成することができる。そして、このようにして製造されたＧａＮ発光素子を備える照明装置並びに照明装置を備えた露光装置を得ることができる。

【0046】

図９は、上述の実施形態にかかる製造方法で製造されたＧａＮ発光素子を光源とした照明装置ＩＵを備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。図１０（Ａ）は、照明装置ＩＵに露光光を供給する光源ユニット１２０の構成を概略的に示す平面図であり、図１０（Ｂ）は光源ユニット１２０及び出力光学系１３０の内部構成を概略的に示す図である。

【0047】

図９において、照明装置ＩＵは、出力光学系１３０を介した光源ユニット１２０からの露光光を集光する第１集光光学系１４０と、第１集光光学系１４０からの露光光が入射するフライアイレンズＦＥＬと、フライアイレンズＦＥＬからの露光光を集光して被照射面としてのレチクルＲＥＩを照明する第２集光光学系１６０とを備える。

【0048】

また、露光装置は、照明装置ＩＵと、照明装置ＩＵによって照明されたレチクル上パターン像を被露光基板としてのウェハに形成する投影光学系ＰＯとを備えている。

【0049】

次に、図１０を参照して、光源ユニット１２０及び出力光学系１３０について説明する。

【0050】

図１０（Ａ）において、光源ユニット１２０は、例えば基板１２１上に配列された複数（図１０（Ａ）では、５×５）のＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップ１２３を備える。これらのＬＥＤチップは、上述した実施形態の製造方法で製造されたＧａＮ発光素子である。なお、ＬＥＤチップ１２３の個数は必要に応じて適宜変更してもよい。複数のＬＥＤチップ１２３のそれぞれは、発光部２３１を有し、この発光部２３１から射出される光のピーク波長は３８０～３９０ｎｍの範囲内にある。すなわち、発光部２３１は、紫外線ＬＥＤ（ＵＶＬＥＤ）である。発光部２３１から射出され光のピーク波長は３８５ｎｍであることがより好ましい。発光部２３１の発光面は正方形であってもよく、長方形や六角形等の多角形であってもよい。なお、ＬＥＤチップ１２３は、基板上ではなく、例えばヒートシンク上に配列されていてもよい。

【0051】

図１０（Ｂ）を参照して、光源ユニット１２０及び出力光学系１３０の構成について説明する。図１０（Ｂ）において、ＬＥＤチップ１２３が配列された２方向を、Ｘ方向及びＹ方向とする。Ｘ方向とＹ方向とは直交している。また、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向をＺ方向とする。Ｚ方向は、発光部２３１から射出される光の進行方向とほぼ一致している。なお、図１０（Ｂ）では、図面の明瞭化のために、Ｙ方向に沿って一列に並んだ４つのＬＥＤチップ１２３だけを示している。

【0052】

図１０（Ｂ）に示すように、出力光学系１３０は、各ＬＥＤチップ１２３の発光部２３１の拡大像をそれぞれ形成するための複数の拡大光学系を備えている。それぞれの拡大光学系は、ＬＥＤチップ１２３の配列と対応するように配列されており、発光部２３１を、拡大倍率のもとで拡大投影する両側テレセントリックな光学系である。なお、図１０（Ｂ）では、出力光学系１３０の各拡大光学系を２枚の正レンズで図示しているが、拡大光学系を構成するレンズ枚数は２枚に限定されない。また、拡大光学系を反射系又は反射屈折系で構成してもよい。そして、出力光学系１３０は、拡大光学系に代えて、或いは加えて、等倍光学系、縮小光学系を備えていてもよい。

【0053】

図９及び図１０に示す実施形態では、出力光学系１３０の各拡大光学系は、出力光学系１３０の最終光学部材の近傍に、発光部２３１の拡大像を形成する。これにより、出力光学系１３０の最終光学部材の近傍には、密に配列された複数の光源像が位置する。

【0054】

図９に戻って、照明装置ＩＵの各構成要件について説明する。

【0055】

第１集光光学系１４０は、光源ユニット１２０及び出力光学系１３０によって形成される光源像の位置またはその近傍に前側焦点が位置するように配置され、フライアイレンズＦＥＬの入射面をケーラー照明する。

【0056】

フライアイレンズＦＥＬは、たとえば正の屈折力を有する複数のレンズエレメントをその光軸が基準光軸ＡＸと平行になるように縦横に且つ稠密に配列することによって構成されている。フライアイレンズＦＥＬを構成する各レンズエレメントは、レチクルＲＥＩ上において形成すべき照野の形状（ひいてはウェハＷ上において形成すべき露光領域の形状）と相似な矩形状の断面を有する。

【0057】

したがって、フライアイレンズＦＥＬに入射した光束は複数のレンズエレメントにより波面分割され、各レンズエレメントの後側焦点面（射出面）またはその近傍には１つの光源像がそれぞれ形成される。すなわち、フライアイレンズＦＥＬの後側焦点面（射出面）またはその近傍には、複数の光源像からなる実質的な面光源すなわち二次光源が形成される。

【0058】

ここで、フライアイレンズＦＥＬの１つのレンズエレメントに着目すると、この１つのレンズエレメントの後側焦点面（射出面）またはその近傍には、光源ユニット１２０及び出力光学系１３０によって形成された複数の光源像の像が形成され、これら複数の光源像の像は、複数のＬＥＤチップ１２３が配列されている領域と相似形状の領域に分布する。このため、複数のＬＥＤチップ１２３が配列されている領域とフライアイレンズＦＥＬの各レンズエレメントの断面とは互いに相似形状であってもよい。

【0059】

さて、フライアイレンズＦＥＬの後側焦点面（射出面）またはその近傍に形成された二次光源からの光束は、その近傍に配置された開口絞り１５０に入射する。なお、本実施形態においてフライアイレンズＦＥＬの後側焦点面（射出面）と、光源ユニット１２０のＬＥＤチップ配列面とは、光学的に共役である。

【0060】

開口絞り１５０は、投影光学系ＰＯの入射瞳面と光学的にほぼ共役な位置に配置され、二次光源の照明に寄与する範囲を規定するための可変開口部を有する。開口絞り１５０を介した二次光源からの露光光は、第２集光光学系１６０の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたレチクルＲＥＩを重畳的に照明する。

【0061】

そして、照明装置ＩＵによって照明されたレチクルＲＥＩからの露光光（レチクルＲＥＩ上の照野内に位置するパターンを介した露光光）は、投影光学系ＰＯに入射し、被露光基板としてウェハＷ上にレチクルＲＥＩのパターン像を形成する。これにより、ウェハＷの露光領域にはレチクルＲＥＩのパターンが露光される。なお、投影光学系ＰＯの投影倍率は、縮小倍率であっても拡大倍率であっても等倍であってもよい。また、投影光学系ＰＯは、屈折光学系であっても反射光学系であっても反射屈折光学系であってもよい。

【0062】

以上説明したように、本実施形態によれば、サファイア基板上に成長させたｐ－ＧａＮ層の表面に数１００ｎｍオーダのホールを数１００ｎｍピッチで形成することでフォトニック結晶を製造することができる。これにより、レンズを使用せずにＬＥＤチップ単体で指向性を持たせる事が可能となり、金型を作る必要がなくコストを削減できる。また、ＬＥＤチップの発光効率をフォトニック結晶を形成しない場合と比べて約１．５倍以上に増大させ得る。

【0063】

なお、１００μｍ角以下のマイクロＵＶ－ＬＥＤフリップチップは、石英レンズの微細加工が困難であるため指向角を制御することが困難であり、更に、ＧａＮ基板を実装した後にリフトオフするため、ＰＳＳ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）基板による高屈折率の効果を応用できない場面で、マイクロチップの指向角制御、高効率化に有効である。

【符号の説明】

【0064】

１０ サファイア基板、１２ ｎ－ＧａＮ層、１４ ＭＱＷ層、１６ ｐ－ＧａＮ層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】