[发明专利]纳米图形化衬底制备装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种专门用于LED纳米光子晶体图形化衬底制备领域的方法与系统，是现有LED微米图形化衬底制备技术的下一代技术，旨在优化LED工艺链中的图形化关键环节，在现有微米图形化衬底技术的基础上进一步提高LED的发光效率，提高图形化衬底制备的合格率、降低生产成本，有助于图形化技术在LED工业中的普及。

背景技术

市场调研机构Mountain View的研究表明，受平板电视、移动设备、节能照明等需求的驱动，全球高亮度LED市场到2014年将达到16.2billion美元的市场价值。提高出光效率和降低成本是LED行业持之以恒追求的目标。LED图形化衬底制备是近年来LED工艺链中重要创新的环节，研究表明，图形化衬底技术（PSS：Patterned Sapphire Substrates）是解决出光效率问题的重要技术途径。

早期的图形化方法是通过腐蚀产生随机的微结构，对提高效率具有一定的作用，但工艺可控性不佳，对效率提升也非常有限。

微米PSS技术的不足：

目前LED工厂采用的微米点阵图形化技术，在衬底上制作1-5um的点阵结构，可以提升50%的出光效率，其制作方法是使用Aligner曝光或Stepper步进曝光。Aligner利用1：1掩膜板，一次性接触式拷贝，在半导体工艺中，其可靠的分辨率为3um；Stepper采用4～5倍微缩步进曝光，单次曝光视场为15-20mm。然而，由于蓝宝石基片固有的翘曲特性(约15um@2英寸)，使用上述方法时，即使基片经过挑选，在曝光视场内也存在严重的离焦问题，使图形模糊化，制作的成品率极低。

另外，标量光学理论表明，光场调制不仅受微米结构的周期和占空比的影响，还对3D形貌敏感，所以微米图形化技术对显影、刻蚀等后续工艺的控制极为严格，这些因素均不利于微米图形化技术提高生产成品率。

纳米图形化技术（nPSS）：

近年来研究表明，在蓝宝石衬底表面制备尺寸为100nm-300nm的光子晶体或其它纳米仿生纳米结构时，在其上外延GaN材料时，可以引起GaN材料生长过程中出现的位错的弯曲，使位错终止于GaN晶体内部，提高GaN材料的晶体质量，相比上述微米尺度的图形化衬底，纳米图形化衬底可以更有效的提高LED的发光效率。纳米图形化结构的深度仅为微米图形化结构的1/10，在光刻和离子刻蚀工艺中可以显著降低工艺量。

另外，纳米结构适用于矢量光学理论，影响光场调制的主要因素是周期分布。所以纳米图形化结构可以有效降低生产成本，提高生产效率和成品率。所以纳米光子晶体图形化技术被认为是一种具有很好前景的LED工业创新技术。

国际公司、研究机构，近年来提出了一些光子晶体LED结构的专利，如皇家飞利浦（PCT/IB2008/0552492008.12.12）、LG公司（200910216808.2）、东南大学（201110338574.6）、聚灿光电（201120571837.3），但专利中均未涉及光子晶体图形化的制备方案。

传统纳米结构图形化的手段是电子束曝光，但是使用成本高、速度慢，主要是实验室应用，不能满足行业需求。另外，由于蓝宝石基片的翘曲问题，半导体领域的一些高端投影光刻设备也不能使用。所以研究如何在蓝宝石基片上进行纳米光子晶体结构图形化制作，是一个重要的研究课题。

兰红波等提出了纳米压印方法（CN102591142B、201210376654.5），但在实际工程应用中，还有工作模板制备、压印均匀性、脱模、高效率流程等一系列工艺问题需要解决。

200910256023.8、201110153487.3、201110330648.1等专利提出了采用纳米球涂覆的方法制作纳米结构掩膜，但这种方法随机性大，均匀一致性得不到保障。

在专利200610049850.6中，介绍了一种在半导体衬底上利用三光束干涉曝光制取二维光子晶体的方法，然而在该专利中，只简单提到了利用偏振衰减控制器来调制激光的强度与偏振状态，实现对干涉点阵的对比度调制，并未给出影响干涉光斑大小、点阵分布以及Z轴焦距等重要参数的调制。因此该专利只有理论上的操作性，缺乏实际生产的应用价值。

所以当前还没有一种能在蓝宝石基片上进行纳米图形化制备的有效方法。

鉴于上述情况，急需研发一种低成本、高生产效率的纳米图形化光刻方法和系统，解决纳米图形化制作的工程化问题。

发明内容