一种大尺寸晶圆级纳米图形化蓝宝石衬底的方法和装置

说明书摘要

本发明公开一种大尺寸晶圆尺度纳米级图形化蓝宝石衬底的装置和方法。该装置包括：承载晶圆的工作台，涂铺有抗蚀剂的整片晶圆或者衬底，滚轮型压印模具，紫外光光源，压印机构。基于该装置采用滚对平面纳米压印工艺实现晶圆级纳米图形化蓝宝石衬底的方法：（1）沉积硬掩模层和旋涂纳米压印用抗蚀剂；（2）采用滚对平面纳米压印工艺和装置图形化抗蚀剂；（3）抗蚀剂图形转移到硬掩模层和蓝宝石衬底；（4）去除抗蚀剂和硬掩模层，并清洗图形化后的蓝宝石衬底。本发明还可用于碳化硅、硅、砷化镓、氮化镓等其它材料衬底的图形化制造，以及太阳能电池、燃料电池双极板、微光学透镜、微流控器件等微纳结构的制造。具有结构简单、成本低、生产率高、压印面积大、适合规模化制造的特点。

摘要附图

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权利要求书

1. 一种大尺寸晶圆级滚对平面纳米压印的装置，其特征是，它包括：承载晶圆的工作台，涂铺有抗蚀剂的整片晶圆或者衬底，滚轮型压印模具，紫外光光源，压印机构。滚轮型压印模具固定于压印机构的底部；涂铺有抗蚀剂的整片晶圆或者衬底置于晶圆工作台真空吸盘之上；紫外光光源置于滚轮型压印模具已经完成压印结构的一侧，垂直于晶圆或者衬底的正上方。

2. 如权利要求1所述的大尺寸晶圆级滚对平面纳米压印的装置，其特征是，所述模具为圆柱滚轮型结构，特征图形位于圆柱结构的外表面。材料为金属镍、铜、Cr、PDMS、PET、钢中的一种。滚压印模具的制造方法为激光刻蚀、电化学、化学刻蚀、飞秒激光加工的一种或者几种的组合。

3. 如权利要求1所述的大尺寸晶圆级滚对平面纳米压印的装置，其特征是，在压印过程中，所述滚轮型压印模具与承载晶圆的工作台运动方向保持一致，并且承载晶圆工作台的运动速度v与滚轮型压印模具的转速n保持如下关系：n=1000v/πd；其中d为滚轮型压印模具的直径；n、v和d的单位分别为：r/min；m/min；mm。二者必须保持同步运动。

4. 如权利要求1所述的大尺寸晶圆级滚对平面纳米压印的装置，实现晶圆级滚对平面纳米压印方法，其特征是，（1）预处理过程。工作台运动到放置晶圆的工位，将涂铺有抗蚀剂的整片晶圆置于工作台的真空吸盘之上，通过真空吸盘固定在工作台上；工作台运动到纳米

压印的初始工位，压印机构带动滚轮型压印模具下降到纳米压印工位。采用超声波雾化工艺，在滚轮型压印模具表面涂覆一层脱模剂。（2）压印和固化过程。首先，开启紫外光后固化光源（曝光系统），随后，滚轮型压印模具以转速n做旋转运动，然后使晶圆工作台以速度v做匀速直线运动，两者方向保持一致，且二者保持以下关系：n=1000v/πd。工作台以工进的速度完成整片晶圆的图形化。（3）复位过程。整片晶圆完成图形化后，工作台以快速进给的方式移动到放置/卸下晶圆的工位，取下完成图形化的晶圆（衬底），同时放置新的晶圆（衬底）。此外，压印机构带动滚轮型的压印模具复位。开始下一个工作循环。

5. 一种大尺寸晶圆级纳米图形化蓝宝石衬底的方法，其特征是，它包括：（1）在蓝宝石衬底之上沉积一层硬的掩模层；（2）在硬掩模层之上旋涂一层纳米压印用抗蚀剂；（3）采用滚对平面纳米压印工艺和装置，在整片衬底的抗蚀剂上制造出纳米特征图形；（4）去除残留层；（5）采用刻蚀工艺将抗蚀剂的上的图形转移到硬掩模层；（6）以硬掩模层为掩模，采用刻蚀工艺将硬掩模层上的图纳米特征形转移到蓝宝石衬底上；（7）去除抗蚀剂和硬掩模层；（8）清洗图形化后的蓝宝石。

6. 如权利要求5所述的大尺寸晶圆级纳米图形化蓝宝石衬底的方法，其特征是，所述在蓝宝石衬底之上沉积的硬掩模层包括二氧化硅、氮化硅或镍。

7. 如权利要求5所述的大尺寸晶圆级纳米图形化蓝宝石衬底的方法，其特征是，所述图形化蓝宝石衬底所述图形几何形状：棒形

（Nanorod）、半球形、柱状(Pillar)；圆孔(Hole)、六边形孔(hexagonal holes)、U形、金字塔形、六边形、V字型脊状或者光子晶体结构。

8. 如权利要求5所述的大尺寸晶圆级纳米图形化蓝宝石衬底的方法，其特征是，所述纳米图形化蓝宝石衬底制造方法中涉及的刻蚀工艺包括湿法刻蚀、反应离子刻蚀或者等离子刻蚀。

说明书

一种大尺寸晶圆级纳米图形化蓝宝石衬底的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种图形化蓝宝石衬底方法，尤其涉及一种采用滚对平面纳米压印方法实现4英寸以上大尺寸晶圆尺度纳米级图形化蓝宝石衬底的装置和方法，属微纳制造和光电子器件制造技术领域。背景技术

蓝宝石衬底是目前制造蓝光、绿光和白光三族氮化物LED最主要的衬底，与其它衬底（如碳化硅、硅、GaN等）相比，具有制造技术成熟、单片成本低、化学和温度稳定性好、机械性能好、不吸收可见光等优点，是目前LED行业使用最为广泛的衬底。但是，作为LED 行业的主流衬底，蓝宝石衬底有一个重大缺陷：与GaN等外延材料存在较大的晶格失配和热应力失配，这将导致外延片产生大量的缺陷（即由于晶格匹配度低，造成界面位错密度高）。这严重影响了LED 的内量子效率、LED芯片的性能和质量。例如，GaN和蓝宝石衬底材料二者的晶格常数相差达16%，这导致GaN外延层缺陷密度较大，并向有源层InGaN蔓延，缺陷密度达到109～1011 cm-2数量级。这些线缺陷会吸收部分注入电流，降低了载流子的产生率，导致注入效率下降。同时，载流子在缺陷能级易发生非辐射性复合，且载流子辐射性复合生成的光能也容易被缺陷吸收，产生热能。这是蓝宝石衬底材料的固有缺陷，上述缺陷反映在实际应用中导致的一个重大技术问题就是“Droop效应”，即随着电流密度的增加，内量子转换效率不断

下降。“Droop效应”一方面降低了光输出强度，另一方面增加了工作过程中产能的热能，对散热提出了更高的要求。是目前LED行业最大技术挑战问题之一，迫切需要被解决。

图形化蓝宝石衬底（Pattern Sapphire Substrate, PSS）是在蓝宝石衬底上制作出微米级或纳米级的具有微结构特定规则的图案，使GaN等外延材料由纵向外延变为横向外延。一方面可以有效减少GaN 外延材料的位错密度，提高晶体质量，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高LED的寿命；另一方面，对于倒装和薄膜倒装结构的LED芯片，有源区发出的光，经GaN和蓝宝石衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，从而增加了光从芯片内部出射的概率，提高了取光效率。综合这两方面的原因，使在PSS上生长的LED的光提取效率、输出功率比传统的LED大大提高，LED的寿命也得到了延长。因此，PSS方法使得蓝宝石衬底LED在内量子效率和出光效率上都有所提升，LED的性能和质量有了很大的改善，是针对以蓝宝石为衬底GaN基LED缺陷的有效改进方法。图形化蓝宝石衬底正在成为半导体照明的主流衬底，是实现高亮度LED的一个重要支撑技术。

但是，目前LED产业界所提供的图形化蓝宝石衬底大多为微米级图形化蓝宝石衬底（Micro-scale Patterned Sapphire Substrate, µPSS）, 例如，目前使用比较普遍的是一种形貌类似圆锥形或者半球形的图形，直径为3-5μm，图形周期约为3-6μm，高度约为1-3μm。与通常的微米级图形化衬底相比，已有的研究结果证实（Applied Physics Letters.