图形化蓝宝石衬底微纳制备工艺及图案转移技术研究进展

作为提升III族氮化物发光二极管（LED）光电性能的核心基底材料，图形化蓝宝石衬底（PSS）可有效降低GaN外延层的位错密度（TDD）、优化晶体生长质量，同时大幅提升器件光提取效率（LEE）与光输出功率（LOP），是高性能LED产业化与技术迭代的关键支撑技术。随着LED器件向高亮度、高效率、微型化方向快速发展，PSS的微纳尺度制备工艺成为领域研究热点。精准可控、低成本、高良率的微纳图形制备与转移技术，直接决定PSS的形貌精度与应用性能。本文系统梳理PSS主流制备工艺，从微米级刻蚀技术、纳米级图案转移技术两大维度，剖析干法刻蚀、湿法刻蚀、纳米球自组装、阳极氧化铝（AAO）、纳米压印等核心技术的工艺原理、实施流程、技术优劣及最新研究成果，为高效PSS基LED的工艺优化与技术创新提供参考。

【图1】Fig. 1 图形化蓝宝石衬底在III族氮化物发光二极管中的应用示意图

1. 微米级PSS刻蚀制备技术

刻蚀工艺是微米级图形化蓝宝石衬底（MPSS）制备的核心手段，核心原理是通过掩膜图形复刻与基底刻蚀，将预设微米级图案精准转移至蓝宝石衬底表面。当前主流刻蚀工艺分为干法刻蚀与湿法刻蚀两大类，二者在刻蚀机理、形貌可控性、工艺成本及器件性能增益上存在显著差异，适配不同场景的PSS制备需求。

【图2】Fig. 2 (a) 传统微米级PSS完整制备工艺流程；(b) 基于SiO₂纳米球单层模板自组装的纳米级PSS制备工艺流程；(c) 基于纳米压印光刻的纳米级PSS制备工艺流程

1.1 干法刻蚀技术

干法刻蚀是MPSS规模化制备的主流技术，以感应耦合等离子体（ICP）刻蚀、反应离子刻蚀（RIE）为核心工艺，具备各向异性刻蚀能力强、图形精度高、侧壁形貌规整的优势，可精准制备条纹、半球形、孔洞形、锥形等多种规整微米结构PSS，适配大功率、高亮度LED制备需求。

干法刻蚀整体工艺流程标准化程度较高：首先在c面蓝宝石衬底表面沉积Ni、SiNₓ、SiO₂等硬质掩膜层，随后旋涂光刻胶，通过标准光刻工艺在光刻胶层定义预设图形；再利用ICP或RIE刻蚀打开掩膜层，最终以BCl₃/Cl₂混合气体为核心刻蚀体系，将掩膜图形转移至蓝宝石基底，通过调控刻蚀气体流量、气体配比、刻蚀时间、ICP/RIE功率等参数，精准控制PSS的尺寸、深度与间距等关键参数。

众多研究验证了干法刻蚀工艺参数对PSS形貌及LED性能的调控作用。Hsu等人在蓝宝石c面沉积500nm厚Ni掩膜层，沿[1−100]晶向通过光刻定义条纹图形，优化BCl₃/(Cl₂+BCl₃)流量配比，成功制备出宽度3μm、深度100nm、间距3μm的条纹型PSS。性能测试表明，相较于普通平面蓝宝石衬底（FSS），该PSS基LED在20mA工作电流下光输出功率提升35%，核心归因于PSS有效降低了外延层位错密度，同时改善了器件光提取效率。

Chang等人创新融合光刻、ICP与RIE工艺，结合热回流技术实现半球形PSS的可控制备。研究先通过光刻制备图形化聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）模板，利用热回流工艺缩小PMMA图形间距，形成半球形PMMA结构；再通过RIE工艺将半球图形转移至SiNₓ掩膜层，最终采用BCl₃等离子体ICP刻蚀蓝宝石基底，获得直径4.3μm、间距0.5μm的半球形PSS。对比实验显示，半球形与条纹形PSS制备的GaN外延层位错密度相近，但半球形PSS的倾斜侧壁结构可进一步优化光路，使LED光输出功率较条纹形PSS器件提升13%。同时，该团队通过调控SiNₓ与PMMA厚度配比，可灵活切换制备条纹、半球两种微米结构PSS，提升了工艺适配性。

Wang等人依托标准光刻与干法刻蚀工艺，在c面蓝宝石衬底制备出周期均匀的微米孔洞阵列PSS，孔洞直径与间距均为3μm。通过工艺迭代优化，确定1.5μm为最优图形深度，该结构PSS基LED在20mA电流下，光输出功率较平面衬底器件提升约21%。

该团队针对干法刻蚀工艺参数优化开展了系统性研究，基于BCl₃/Ar等离子体体系与SiO₂掩膜实现微米级PSS可控制备。研究发现，纯BCl₃体系下，蓝宝石刻蚀速率随气体流量升高先增后降，流量50sccm时刻蚀速率达到峰值，同时刻蚀速率随工作气压降低呈上升趋势。此外，团队系统探究了ICP功率、RF功率、工作气压及Cl₂/BCl₃气体配比对GaN刻蚀特性的影响，确定LED器件台面制备的最优ICP刻蚀参数：ICP功率300W、RF功率100W、总气体流量70sccm、Cl₂与BCl₃配比9:1。该工艺参数体系同样适用于蓝宝石衬底图形化刻蚀，基于该优化方案，结合光刻胶热回流技术与BCl₃基ICP刻蚀工艺，成功制备出锥形PSS，有效提升了大功率LED的发光效率与工作可靠性。

1.2 湿法刻蚀技术

湿法刻蚀是低成本制备MPSS的重要工艺，区别于干法等离子体刻蚀，其核心原理为利用高温强酸溶液对掩膜保护后的蓝宝石基底进行各向异性化学腐蚀，具备刻蚀选择性高、工艺成本低、无离子轰击损伤的特点，适合金字塔形、V形等特殊形貌PSS的批量制备。由于室温下蓝宝石耐强酸腐蚀特性极强，湿法刻蚀必须依托高温环境驱动腐蚀反应进行。

Li等人采用高温湿法刻蚀工艺制备金字塔形PSS，以 patterned SiO₂为掩膜、浓硫酸为刻蚀液，在250℃恒温条件下，成功制备出平均尺寸分别为4.8μm、4.0μm、2.2μm的三级金字塔结构PSS。实验结果表明，金字塔结构的斜面夹角随尺寸减小逐渐增大，最小尺寸金字塔PSS对应的LED器件光输出功率最优，证实微结构尺寸可精准调控器件光电性能。

Wang等人聚焦V形PSS的湿法制备工艺及器件性能研究，先在蓝宝石表面沉积300nm厚SiO₂掩膜层，通过光刻工艺完成图形化处理，以条纹状SiO₂为掩膜、浓硫酸为刻蚀液，在400℃高温下刻蚀制备出脊宽3.5μm、周期6.5μm的V形PSS。该结构可有效减小GaN外延层与蓝宝石基底的接触面积，显著降低外延层位错密度，优化晶体生长质量。Wu等人进一步补充了V形PSS的工艺阈值规律：GaN外延层晶体质量随PSS图形间距减小逐步提升，但若间距小于0.41μm，会导致GaN生长界面缺失有效生长位点，引发晶体质量退化，明确了湿法刻蚀V形PSS的最优尺寸区间。

1.3 干湿法刻蚀工艺对比分析

两种主流刻蚀工艺的技术特性呈现明显互补性。干法刻蚀的各向异性刻蚀能力更强，图形复刻精度高、形貌可控性好，可适配高精度、多形貌微米级PSS制备，但存在固有技术短板：等离子体物理轰击作用会导致蓝宝石与掩膜层刻蚀选择性偏低，同时离子溅射易造成衬底表面污染、微观损伤，进而影响GaN外延层生长质量。

湿法刻蚀依托纯化学反应实现刻蚀，无机械轰击损伤，衬底表面完整性好，刻蚀选择性远优于干法刻蚀，且工艺设备简单、生产成本低廉，适合低成本批量生产。但湿法刻蚀各向异性较弱，图形边缘精度、形貌均匀性不及干法刻蚀，难以制备高精度、复杂微结构PSS，工艺适配场景存在一定局限性。

2 . 纳米级PSS图案转移技术

微米级PSS已可初步优化LED器件性能，但受限于结构尺寸，对光场调控能力与缺陷抑制效果趋于饱和。纳米级图形化蓝宝石衬底（NPSS）凭借更小的结构尺寸、更大的比表面积、更优异的光散射调控能力，可进一步突破LED光电性能瓶颈。传统电子束光刻、聚焦离子束、激光全息光刻等纳米制备技术精度高，但存在设备昂贵、制备效率低、生产成本高的问题，难以产业化应用。目前，纳米球自组装、AAO模板技术、纳米压印光刻（NIL）凭借低成本、高通量、高精度的优势，成为NPSS主流制备技术。

2.1 纳米球与阳极氧化铝模板技术

纳米球自组装技术核心是利用胶体纳米颗粒自排布特性形成有序纳米模板，结合干法刻蚀实现纳米图形转移，工艺简单、成本低廉、图形均匀性优异。Zhang等人开发了SiO₂纳米球自组装NPSS制备工艺，在蓝宝石衬底表面均匀涂覆直径600nm的SiO₂纳米球单层模板，以纳米球为硬质掩膜，通过CF₄体系ICP刻蚀调控刻蚀时间（0s、90s、180s），精准调控纳米球间距，成功制备出间距0nm、50nm、120nm的有序纳米阵列PSS。

Chen等人基于纳米球光刻技术，以聚苯乙烯纳米球为自组装模板，结合Cl₂/BCl₃混合气体干法刻蚀，制备出直径450nm、深度150nm、间距50nm的高精度NPSS。测试结果表明，该纳米结构可显著优化GaN外延层晶体质量，相较于传统平面衬底与微米级PSS，NPSS基LED的光输出功率分别提升30%与11%，光电增益效果显著。

阳极氧化铝（AAO）模板技术依托氧化铝电化学阳极氧化反应，可制备孔径均匀、排列有序、尺寸可控的纳米孔阵列模板，适配不同规格NPSS的批量制备，具备结构规整性高、工艺重复性好的优势，是高通量制备纳米周期结构PSS的重要技术方案。

2.2 纳米压印光刻技术

纳米压印光刻（NIL）突破了传统光刻技术的衍射极限与束散射限制，无需昂贵精密的曝光设备，可实现高精度、高通量、低成本的纳米图形制备，不仅适配LED用NPSS制备，还可广泛应用于有机发光二极管、太阳能电池等光电器件的纳米结构加工，是极具产业化潜力的微纳制造技术。

NIL制备NPSS的标准化工艺流程清晰可控：首先在蓝宝石衬底表面沉积SiO₂硬质掩膜层，随后旋涂压印光刻胶；利用预设纳米图形的硬质模板对光刻胶进行压印，结合加热、紫外固化工艺定型纳米图形；去除残留光刻胶后，通过RIE工艺将纳米图形转移至SiO₂掩膜层，最后经湿法刻蚀完成蓝宝石基底纳米结构化，去除残余SiO₂掩膜后得到成品NPSS。

基于NIL技术的NPSS展现出优异的器件增益效果，有研究通过融合纳米压印与ICP刻蚀工艺，制备出六边形凸起结构的均匀周期NPSS。性能测试显示，相较于平面衬底LED，该NPSS基蓝光LED的光致发光（PL）强度提升2倍，电致发光（EL）强度提升2.8倍，光提取效率与发光性能实现大幅跃升，充分验证了纳米压印技术在高性能PSS制备中的应用价值。

3 . 结论与展望

PSS微纳制备技术是提升III族氮化物LED光电性能的核心关键，当前微米级制备工艺已形成干湿法互补的成熟体系：干法刻蚀精度高、形貌可控，适配高端高精度器件制备；湿法刻蚀成本低廉、无表面损伤，适合规模化量产。纳米级制备领域，纳米球自组装、AAO模板、纳米压印技术有效突破了传统纳米加工成本高、效率低的瓶颈，可制备高性能NPSS，进一步挖掘LED器件的性能潜力。

现阶段，微米级PSS工艺已实现产业化普及，而纳米级PSS仍存在工艺均匀性调控难度大、大规模良率偏低等问题。未来研究将聚焦于干湿法复合刻蚀工艺开发、纳米模板自组装精度优化、纳米压印工艺良率提升等方向，通过多工艺融合实现微纳复合结构PSS的可控制备，在降低生产成本的同时，进一步降低外延层缺陷密度、提升光提取效率，为超高亮度、高效率、长寿命LED器件的产业化升级提供技术支撑。

依托上述 PSS 全谱系工艺研究成果，晶沐光电可全规格量产与定制各类图形化蓝宝石衬底产品，产品覆盖 2 英寸、4 英寸、6 英寸商用标准晶圆，同时支持科研小尺寸（5×5 mm、10×10 mm）方片定制供货。