纳米图形化衬底制备装置与方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201310236124.5	申请日：	2013.06.14
公开号：	CN103279014A	公开日：	2013.09.04
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G03F 7/20申请日:20130614\|\|\|公开
IPC分类号：	G03F7/20; B82Y40/00(2011.01)I	主分类号：	G03F7/20
申请人：	苏州苏大维格光电科技股份有限公司; 苏州大学
发明人：	浦东林; 魏国军; 袁晓峰; 朱鸣; 朱鹏飞; 胡进; 陈林森
地址：	215000 江苏省苏州市工业园区钟南街478号
优先权：
专利代理机构：	北京集佳知识产权代理有限公司 11227	代理人：	唐灵;常亮
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内容摘要

一种纳米图形化衬底制备装置和方法，该制备方法依赖激光干涉曝光对衬底翘曲的不敏感性，克服蓝宝石衬底翘曲特性给现有图形化技术带来的离焦问题，并在制备装置中，设计了能够对相位和空间光场信息进行调制的光学系统，使得该激光干涉曝光系统能够对干涉光斑的形状大小和内部点阵分布进行控制，从而为衬底的纳米图形化工艺带来了工业化应用的可能。

权利要求书

权利要求书
1.   一种纳米图形化衬底制备装置，包括光学系统、运动系统、检测系统和控制系统，其特征在于：所述光学系统包括光源、具有空间位相混合光场调制功能的混合调制系统、部分反射镜，以及由透镜组和物镜组组成的双远心光学系统，所述混合调制系统包括位相调制器件、空间光调制器件以及用于将所述位相调制器件的输出面与所述空间光调制器件的输出面重合的整合光学系统。

2.   如权利要求1所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述空间光调制器件是光寻址液晶光阀、电寻址薄膜晶体管驱动液晶显示器、数字微镜器件或硅基液晶中的一种，或者所述空间光调制器件直接为透射光阑。

3.   如权利要求1所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述位相调制器件为衍射光学元件所述衍射光学元件包括衍射光栅或二元光学器件。

4.   如权利要求1所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述光源为脉冲激光器。

5.   如权利要求1所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述运动系统包括精密运动工件台和Z向运动轴。

6.   如权利要求1所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述检测系统包括用于检测物镜组聚焦状态的物镜聚焦检测单元以及用于监视干涉光斑的成像状态的CCD器件。

7.   如权利要求6所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述物镜聚焦检测单元通过一块设置在物镜组上方的部分反射镜接受物镜组下方的成像信息，从而判断该物镜组的聚焦状态，并在离焦时反馈给控制系统以采取一个调焦措施。

8.   如权利要求1所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述控制系统包括控制计算机和控制驱动单元。

9.   一种纳米图形化衬底制备方法，使用如权利要求1至8任意一项所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于，包括步骤：
提供一块衬底，该衬底的至少一个表面涂布有光刻胶；
将上述衬底固定于精密运动工件台上，使具有光刻胶面向上；
根据预定的曝光图形选择位相调制器件，并在控制系统中输入曝光参数；
启动检测系统，对光学系统的图像成形信息和对焦情况做检测；
开始曝光，按所述曝光参数，在衬底的光刻胶上形成干涉点阵；
对衬底上的光刻胶进行显影，形成光子晶体掩模，然后以湿法或干法刻蚀在衬底上制作出光子晶体。

10.   如权利要求9所述的纳米图形化衬底制备方法，其特征在于：当采用衍射光栅为位相调制器件时，曝光采用2次或3次的叠加曝光，形成正交点阵或蜂窝点阵分布的纳米结构；在一次曝光之后，还包括调节光学系统和精密运动工件台之间的相对角度，并严格按照前一次曝光的图形进行对位，实施第二次或第三次曝光。

11.   如权利要求9所述的纳米图形化衬底制备方法，其特征在于：所述曝光参数包括空间光调制器件的图形、位相参数、整个光学系统的缩放倍数、曝光启始位置、终点位置、单次曝光时间、曝光强度、每次曝光之间的移动步长和间隔时间、每次曝光的聚焦状态，以及曝光过程中，各个检测系统的运作情况。

12.   如权利要求11所述的纳米图形化衬底制备方法，其特征在于：所述曝光图形的大小和形状等同于一个LED芯片的尺寸，所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使曝光形成的单次曝光图形的分布与所有LED芯片在晶圆上的位置对应。

13.   如权利要求11所述的纳米图形化衬底制备方法，其特征在于：所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使光斑依次拼接，形成完整大面积连续的光子晶体结构图形，以降低后道工艺中的对准等要求。

14.   如权利要求13所述的纳米图形化衬底制备方法，其特征在于：所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使视场重叠曝光，实现相同曝光图形在同一区域的多次曝光，以提高曝光的均匀性。

说明书

说明书纳米图形化衬底制备装置与方法
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
综上所述，本发明的目的在于提出一种纳米图形化衬底的制备装置和方法，该方法基于激光干涉原理，实现在具有翘曲特性的蓝宝石衬底上进行纳米图形化的高效制备。
根据本发明的目的提出的一种纳米图形化衬底制备装置，包括光学系统、运动系统、检测系统和控制系统，所述光学系统包括光源、具有空间位相混合光场调制功能的混合调制系统、部分反射镜，以及由透镜组和物镜组组成的双远心光学系统，所述混合调制系统包括位相调制器件、空间光调制器件以及用于将所述位相调制器件的输出面与所述空间光调制器件的输出面重合的整合光学系统。
优选的，所述空间光调制器件是光寻址液晶光阀、电寻址薄膜晶体管驱动液晶显示器、数字微镜器件或硅基液晶中的一种，或者所述空间光调制器件直接为透射光阑。
优选的，所述位相调制器件为衍射光学元件所述衍射光学元件包括衍射光栅或二元光学器件。
优选的，所述光源为脉冲激光器。
优选的，所述运动系统包括精密运动工件台和Z向运动轴。
优选的，所述检测系统包括用于检测物镜组聚焦状态的物镜聚焦检测单元以及用于监视干涉光斑的成像状态的CCD器件。
优选的，所述物镜聚焦检测单元通过一块设置在物镜组上方的部分反射镜接受物镜组下方的成像信息，从而判断该物镜组的聚焦状态，并在离焦时反馈给控制系统以采取一个调焦措施。
优选的，所述控制系统包括控制计算机和控制驱动单元。
同时，本发明还提出了一种纳米图形化衬底制备方法，使用如上所述的纳米图形化衬底制备装置，包括步骤：
提供一块衬底，该衬底的至少一个表面涂布有光刻胶；
将上述衬底固定于精密运动工件台上，使具有光刻胶面向上；
根据预定的曝光图形选择位相调制器件，并在控制系统中输入曝光参数；
启动检测系统，对光学系统的图像成形信息和对焦情况做检测；
开始曝光，按所述曝光参数，在衬底的光刻胶上形成干涉点阵；
对衬底上的光刻胶进行显影，形成光子晶体掩模，然后以湿法或干法刻蚀在衬底上制作出光子晶体。
优选的，当采用衍射光栅为位相调制器件时，曝光采用2次或3次的叠加曝光，形成正交点阵或蜂窝点阵分布的纳米结构；在一次曝光之后，还包括调节光学系统和精密运动工件台之间的相对角度，并严格按照前一次曝光的图形进行对位，实施第二次或第三次曝光。
优选的，所述曝光参数包括空间光调制器件的图形、位相参数、整个光学系统的缩放倍数、曝光启始位置、终点位置、单次曝光时间、曝光强度、每次曝光之间的移动步长和间隔时间、每次曝光的聚焦状态，以及曝光过程中，各个检测系统的运作情况。
优选的，所述曝光图形的大小和形状等同于一个LED芯片的尺寸，所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使曝光形成的单次曝光图形的分布与所有LED芯片在晶圆上的位置对应。
优选的，所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使光斑依次拼接，形成完整大面积连续的光子晶体结构图形，以降低后道工艺中的对准等要求。
优选的，所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使视场重叠曝光，实现相同曝光图形在同一区域的多次曝光，以提高曝光的均匀性。
与现有技术相比，本发明依赖激光干涉曝光对衬底翘曲的不敏感性，克服蓝宝石衬底翘曲给现有技术带来的离焦问题，并在制备装置中，设计了能够进行相位调制和空间调制的光学系统，使得该激光干涉曝光系统能够对干涉光斑的大小和点阵分布进行控制，从而为衬底的干涉光刻工艺带来了工业化应用的可能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是双光束干涉的条纹示意图；
图2是正交排列的纳米点阵结构图；
图3A‑3B是蜂窝排列的纳米点阵结构；
图4是本发明设计的纳米衬底图形化设备的结构框图；
图5是本发明中混合调制系统的结构示意图；
图6是第一实施方式中非连续光子晶体的分布示意图；
图7是为正方形光斑和正六边形光斑拼接的示意图；
图8是方形光斑的拼接形成连续纳米光子晶体结构图形的示意图；
图9是六边形光斑拼接形成连续光子晶体结构图形的示意图；
图10是第二实施方式中对长方形光斑进行4次重叠曝光的示意图。
具体实施方式
正如背景技术中所述，由于蓝宝石衬底的翘曲特性，现有的PSS技术普遍存在离焦的问题，而在nPSS技术中，现有的纳米压印、纳米涂敷和干涉光刻都存在工程上的问题，无法进行产业化应用。
因此，本发明在现有技术的基础上，提出了一种纳米图形化衬底制备装置和方法，其主要技术方案依赖激光干涉曝光对衬底翘曲的不敏感性，克服蓝宝石衬底翘曲给现有技术带来的离焦问题，并在制作设备中，设计了能够进行相位调制和空间调制的光学系统，使得该激光干涉曝光系统能够对干涉光斑的大小和点阵分布进行控制，从而为衬底的干涉光刻工艺带来了工业化应用的可能。
为了更好的理解本发明的技术方案，首先对激光干涉曝光的原理，及纳米结构的形成和基片翘曲不敏感性分析做简单介绍：
激光干涉可以在干涉光斑内自然形成周期性的结构，根据激光干涉原理，图形分辨率与光波长（λ）、光束间相交的夹角（θ）、介质的折射率（n）有关，即λ/（2×n×sinθ）。波长越短、相交的夹角越大，图形的分辨率越高，比如，λ=351nm，空气中n=1,θ=70度，则形成的周期结构186nm，特征尺寸小于100nm。
如附图1所示，以双光束干涉为例说明。11、12两束光，在相交的空间区域形成光强明暗周期变化干涉条纹13，该区域在衍射光学技术领域称为条纹箱，感光面14放至于该区域内，可以在两束光重叠光斑区域内曝光获得纳米条纹结构。若感光面14处于两束光光斑的完全重合位置，这种状态称为准焦状态，获得的曝光区域尺寸与设计值相同；若感光面的高度有偏差，两束光的光斑不能完全重合，在两光斑的部分重叠区域仍然能够产生干涉现象，该区域的尺寸小于设计值，这种状态称为离焦状态，由于干涉曝光的条纹箱特性，在离焦状态时，两光斑重叠区域仍然可以获得清晰的条纹结构。因此，与传统投影光学系统的聚焦特性相比，干涉系统对基片起伏的敏感性较弱，也可以理解为干涉曝光的焦深较长。这种特性有利于在具有翘曲特性的蓝宝石基片上曝光。
然而，普通的双光束干涉所形成的图案为明暗相间的条纹，无法形成二维光子晶体。为此，本发明解决该问题所采用的技术方案为：
1、使用双光束两次正交叠加曝光方法，或四光束一次曝光方法，形成正交排列的纳米点阵结构，如图2所示。
2、使用双光束间隔60度两次叠加曝光，或者双光束间隔60度三次叠加曝光，或者三光束一次曝光，形成蜂窝排列的纳米点阵结构，如图3A‑3B所示。
这两种技术方案中，采用双光束两次或三次曝光时，需要对光学设备和机械平台之间的机械控制有较高精度的要求，每次曝光之间都需要有精确的对位。而当采用四光束或三光束一次曝光时，则对光学设备的光学控制量有较高的要求，要求光线的分束和合束能够形成干涉光斑。而且无论采用上述哪种方法，都需要对曝光时形成的干涉光斑有空间和相位上的调制能力，即对光斑的大小、形状，以及光斑内部的干涉图形的排布方式具有调制能力。
为此，本发明设计的纳米衬底图形化设备中，不仅具有可调制光场空间和相位信息的光学控制系统，同时又有能够根据曝光图形的实际情况进行机械调整的机械控制系统，两者之间通过总的控制系统实施统一协调的控制，从而使得曝光图形达到目标所需的精度和要求。
下面将对本发明设计的纳米衬底图形化设备的具体结构如下，请参见图4：
包括光学系统、运动系统、检测系统和控制系统，其中光学系统、运动系统和检测系统设置在机械框架11‑1内，控制系统设置在机械框架11‑1外部。
光学系统中包括光源11‑2、具有振幅位相混合光场调制功能的混合调制系统11‑3、部分反射镜11‑4，以及由透镜组11‑5和物镜组11‑7组成的双远心光学系统。
光源11‑2光源可以为激光器，如405nm半导体激光器、441.6nm氦镉激光器、374nm半导体激光器、355nm固态激光器等。优选激光器为脉冲激光器，该类型激光器脉冲曝光的时间极短，有利于光刻工艺的稳定性和光刻的高效性。该类激光器有351nm、355nm固体激光器、266nm固体激光器、248nm准分子激光器等。脉冲激光器的方案可以克服现有PSS制备技术中，连续紫外光源步进曝光技术存在的曝光时间长、刻蚀深、稳定性等问题。
混合调制系统11‑3具有如图5所示的结构。其中，51为整体光学系统的信息输入面，也是该混合调制系统11‑3的输出面。该混合调制系统11‑3的目的是为了在该面上获得空间和位相调制光场，用于后续的微缩光学系统在蓝宝石基片上形成纳米光子晶体光场。52、53分别为空间光调制器件和位相调制器件，这两个器件可以互换位置。空间光调制器件52用于曝光光斑轮廓的设定，该空间光调制器件52的工作面与信息输入面51重合，该空间光调制器件52比如是光寻址液晶光阀（LCLV）、电寻址薄膜晶体管驱动液晶显示器（TFT‑LCD）、数字微镜器件（DMD）、硅基液晶（LCOS）等具有空间调制能力的器件，由于光子晶体图形分布具有规律性，所以该部件可以简化为透射光阑。而位相调制器件53用于光场内部干涉光场结构的产生，该位相调制器件53为衍射光学器件，如衍射光栅、二元光学元件等，通过更换衍射光学器件改变干涉光场结构的参数，通过旋转衍射光学器件改变干涉光场中微结构的方向取向。54为整合光学系统，使位相和空间信息在信息输入面51上汇合实现混合调制，在具体应用中，该整合光学系统54可以由2组或2组以上透镜构成的光学结构，通过对位相调制器件53的输出光或输入光进行汇聚或发散，使位相调制器件53最终的输出面与空间调制器52的输出面重合，需要指出的是，该位相调制器件53和空间光调制器件52不一定如图3中所示的设置于整合光学系统54的两端，在该整合光学系统54为透镜组时，该位相调制器件53和空间光调制器件52也可以设置于该整合光学系统54的内部光路上。55为由光源11‑2发出的激光束。
透镜11‑5和物镜组11‑7组成双远心光学系统，11‑5和11‑7之间的距离变化，对光刻物镜下的光场无影响。这种特性对自动聚焦功能实现提供光学结构的支持。
运动系统包括精密运动工件台11‑8和Z向（沿光轴方向）运动轴11‑11，该Z向运动轴11‑11驱动物镜Z向聚焦运动。实现翘曲基片的形貌检测与导航聚焦功能，确保干涉光束在基片表面的会和聚焦，提高光斑的尺寸精度，以提高光斑之间拼接的图形精度。
检测系统包括用于检测物镜组11‑7的聚焦状态的物镜聚焦检测单元11‑13以及用于监视干涉光斑的成像质量的CCD11‑10。其中，物镜聚焦检测单元11‑13通过一块设置在物镜组11‑7上方的部分反射镜11‑6接受物镜组11‑7下方的成像信息，从而判断该物镜组11‑7的聚焦状态，并在离焦时反馈给控制系统以采取一个调焦措施。CCD11‑10则根据光路的可逆原理，通过部分反射镜11‑4接受到整个的成像信息，从而监控成像质量，涉及该CCD11‑10的调节原理，可以从申请号为201010503788的专利中获得，此处不再详细阐述。
控制系统包括控制计算机11‑14和控制驱动单元11‑15。该控制系统用于控制各部件协调运行，光源、混合调制系统、运动系统、检测系统均受控制系统控制。
除此之外，该光学系统还应当包括一些适当的光学功能镜片，这些功能镜片设置在整个光路的必要位置，比如在光源附近设置扩束和准直镜片，在CCD11‑10前设置聚焦透镜等等。
上述设备工作时，由光源11‑2发出的光经扩束和准直后进入所述混合调制系统11‑3，光线经过混合调制系统调制，形成具有2束或2束以上的调制光，再经过部分反射镜11‑4，进入透镜组11‑5，透过部分反射镜11‑6后经过光刻物镜组11‑7，光线在工件台11‑8上汇聚并干涉，对基片进行曝光，从工件表面反射的光从光学系统返回，进入CCD11‑10，CCD信号进入计算机后，可以监视直写光点的成像质量。
下面，再通过具体的实施方式对本发明运用该纳米衬底图形化设备进行图形化的方法做详细介绍。
实施方式一：
在实施方式一中，提出了在衬底基片上制作像素化结构的光子晶体，一个小视场曝光光斑为一个像素，与LED芯片单元尺寸对应，光斑内部为光子晶体结构，光斑之间的光子晶体结构不一定需要具有连续性，这些曝光光斑的分布只要与所有LED芯片在晶圆上的位置对应即可。如图6所示。光斑轮廓的具体几何参数、像素位置间隔和光子晶体的结构参数等由工程设计者根据具体LED参数确定。这种实施方式的优点是在一块大的衬底上，单次曝光图形的大小和形状等同于一个LED芯片的尺寸，因此在曝光时，无需考虑光斑中的点阵连续性问题，且在整块衬底图形化完成之后，就得到了所有LED芯片在衬底上的分布，等到后续LED芯片的制程工艺结束之后，只需根据光斑与光斑之间形成的间隔进行裂片，即可得到单块的LED芯片。
实施方式一的具体图形化方法包括如下的步骤：
提供一块衬底，该衬底的至少一个表面涂布有光刻胶或其它光敏材料。在本发明中，该衬底特指用于LED芯片制作的蓝宝石衬底，其具有一定的固有翘曲率。而在其它应用中，该衬底也可以是其它材料，比如硅、锗、氮化镓、砷化镓等半导体材料，或玻璃、高分子聚合物等介质材料。
将上述衬底固定于精密运动工件台上，使具有光刻胶面向上。
根据预定的曝光图形选择位相调制器件，并在控制系统中输入曝光参数。位相调制器件决定了曝光时形成的纳米点阵图形的分布规则（比如矩形点阵或蜂窝状点阵）、周期、特征尺寸等参数，通过选择不同的位相调制器件，比如不同的衍射光栅周期、槽深、光栅方向，或者不同的二元光学器件表面形貌、槽深等参数，使光线的分束数量、彼此之间的角度、各束光线之间的相位差不同，从而达到对纳米点阵图形的调制。曝光参数则主要是指空间光调制器件的显示图形（包括图形形貌和大小）、整个光学系统的缩放倍数、曝光启示位置、终点位置、单次曝光时间、曝光强度、每次曝光之间的移动步长和间隔时间、每次曝光的聚焦状态，以及曝光过程中，各个检测系统的运作情况。由于在本发明中，光源采用纳秒脉冲激光，因此所有的光学控制和机械控制采用统一的纳秒时序控制，达到光源出光、调制信息输入、聚焦状态、蓝宝石基片位置的同步，从而实现纳米图形的高精度控制。
启动检测系统，对光学系统的图像成形信息和对焦情况做检测。检测之后，如果曝光图形出现问题，则通过控制系统控制Z向运动轴，调整聚焦状态，使曝光图形始终处于最优的状态。这里的最优状态是指图形分辨率、干涉点阵的明暗对比度都在最大化状态。
开始曝光，按上面的曝光参数，以步进曝光或扫描曝光的形式在衬底的光刻胶上形成干涉点阵。所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使曝光形成的单次曝光图形的分布与所有LED芯片在晶圆上的位置对应。在此过程中，检测系统可同步工作，以实时监测曝光过程中的图形质量。
当采用衍射光栅为位相调制器件时，曝光采用2次或3次的叠加曝光，形成正交点阵或蜂窝点阵分布的纳米结构，则在一次完成之后，调节光学系统和精密运动工件台之间的相对角度，比如90度或60度，并严格按照前一次曝光的图形进行对位，实施第二次或第三次曝光，直至整块衬底上都被曝光完成，形成所需的纳米点阵。
最后对衬底上的光刻胶进行显影，形成光子晶体掩模，然后以湿法或干法刻蚀在衬底上制作出光子晶体。
实施方式二：
实施方式一所述的方法，光子晶体像素化结构需要与LED制作的后道工艺对准，裂片时，需要沿着像素间的栅格进行。
为了优化制作工艺，降低后道工艺的复杂程度，在实施方式二中提出在基片上制作连续光子晶体结构。小视场干涉光斑的外形为正方形、长方形、多边形等简单的几何形状，通过给出合适的步进距离，进行光斑依次拼接，形成完整大面积连续的光子晶体结构图形。如图7所示，为正方形光斑和正六边形光斑拼接的示意图。
方形光斑的拼接形成连续纳米光子晶体结构图形的示意图，如图8所示。
六边形光斑拼接形成连续光子晶体结构图形的示意图，如图9所示。
进一步地，在光刻技术领域，视场间的拼接一直是一个难题，在微观上，微图形需要准确对接，在宏观上，应减轻由拼接造成的Moral现象。高品质的拼接，不仅需要高精度的光刻系统，还需要优化的图形制作方案。
因此在本实施方式中提出重叠曝光方案，通过每次曝光之间的移动步长和间隔时间使视场重叠曝光，实现相同曝光图形在同一区域的多次曝光，以提高曝光的均匀性，来减轻视场中光强不均匀和拼缝效应。
以方形视场为例，曝光视场的x、y方向尺寸分别为a和b，在进行拼接光刻时，基片x、y方向曝光的步进距离为分别为a/2和b/2，这样，同一位置可以获得4次重复曝光，如图10所示。若曝光步距为a/3和b/3，可以获得9次重复曝光。同理，更多次的重复曝光，可以进一步提高图形的光刻品质。
除了上述两个拼接方式，即单次曝光之间的移动步长不同外，本实施方式的其余操作过程与实施方式一相同，在此不再赘述。
综上所述，本发明提出了一种纳米图形化衬底制造装置和方法，依赖激光干涉曝光对衬底翘曲的不敏感性，克服蓝宝石衬底翘曲给现有技术带来的离焦问题，并在制作设备中，设计了能够进行相位调制和空间调制的光学系统，使得该激光干涉曝光系统能够对干涉光斑的大小和点阵分布进行控制，从而为衬底的干涉光刻工艺带来了工业化应用的可能。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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1、(10)申请公布号 CN 103279014 A(43)申请公布日 2013.09.04CN103279014A*CN103279014A*(21)申请号 201310236124.5(22)申请日 2013.06.14G03F 7/20(2006.01)B82Y 40/00(2011.01)(71)申请人苏州苏大维格光电科技股份有限公司地址 215000 江苏省苏州市工业园区钟南街478号申请人苏州大学(72)发明人浦东林魏国军袁晓峰朱鸣朱鹏飞胡进陈林森(74)专利代理机构北京集佳知识产权代理有限公司 11227代理人唐灵常亮(54) 发明名称纳米图形化衬底制备装置与方法(57)。

2、摘要一种纳米图形化衬底制备装置和方法，该制备方法依赖激光干涉曝光对衬底翘曲的不敏感性，克服蓝宝石衬底翘曲特性给现有图形化技术带来的离焦问题，并在制备装置中，设计了能够对相位和空间光场信息进行调制的光学系统，使得该激光干涉曝光系统能够对干涉光斑的形状大小和内部点阵分布进行控制，从而为衬底的纳米图形化工艺带来了工业化应用的可能。(51)Int.Cl.权利要求书2页说明书8页附图4页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页说明书8页附图4页(10)申请公布号 CN 103279014 ACN 103279014 A1/2页21.一种纳米图形化衬底制备装置，包括。

3、光学系统、运动系统、检测系统和控制系统，其特征在于：所述光学系统包括光源、具有空间位相混合光场调制功能的混合调制系统、部分反射镜，以及由透镜组和物镜组组成的双远心光学系统，所述混合调制系统包括位相调制器件、空间光调制器件以及用于将所述位相调制器件的输出面与所述空间光调制器件的输出面重合的整合光学系统。2.如权利要求1所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述空间光调制器件是光寻址液晶光阀、电寻址薄膜晶体管驱动液晶显示器、数字微镜器件或硅基液晶中的一种，或者所述空间光调制器件直接为透射光阑。3.如权利要求1所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述位相调制器件为衍射光学元件所述衍射光学元。

4、件包括衍射光栅或二元光学器件。4.如权利要求1所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述光源为脉冲激光器。5.如权利要求1所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述运动系统包括精密运动工件台和Z向运动轴。6.如权利要求1所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述检测系统包括用于检测物镜组聚焦状态的物镜聚焦检测单元以及用于监视干涉光斑的成像状态的CCD器件。7.如权利要求6所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述物镜聚焦检测单元通过一块设置在物镜组上方的部分反射镜接受物镜组下方的成像信息，从而判断该物镜组的聚焦状态，并在离焦时反馈给控制系统以采取一个调焦措施。8.如权利要求1所。

5、述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于：所述控制系统包括控制计算机和控制驱动单元。9.一种纳米图形化衬底制备方法，使用如权利要求1至8任意一项所述的纳米图形化衬底制备装置，其特征在于，包括步骤：提供一块衬底，该衬底的至少一个表面涂布有光刻胶；将上述衬底固定于精密运动工件台上，使具有光刻胶面向上；根据预定的曝光图形选择位相调制器件，并在控制系统中输入曝光参数；启动检测系统，对光学系统的图像成形信息和对焦情况做检测；开始曝光，按所述曝光参数，在衬底的光刻胶上形成干涉点阵；对衬底上的光刻胶进行显影，形成光子晶体掩模，然后以湿法或干法刻蚀在衬底上制作出光子晶体。10.如权利要求9所述的纳米图形化衬底制。

6、备方法，其特征在于：当采用衍射光栅为位相调制器件时，曝光采用2次或3次的叠加曝光，形成正交点阵或蜂窝点阵分布的纳米结构；在一次曝光之后，还包括调节光学系统和精密运动工件台之间的相对角度，并严格按照前一次曝光的图形进行对位，实施第二次或第三次曝光。11.如权利要求9所述的纳米图形化衬底制备方法，其特征在于：所述曝光参数包括空间光调制器件的图形、位相参数、整个光学系统的缩放倍数、曝光启始位置、终点位置、单次曝光时间、曝光强度、每次曝光之间的移动步长和间隔时间、每次曝光的聚焦状态，以及曝光过程中，各个检测系统的运作情况。权利要求书CN 103279014 A2/2页312.如权利要求11所述。

7、的纳米图形化衬底制备方法，其特征在于：所述曝光图形的大小和形状等同于一个LED芯片的尺寸，所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使曝光形成的单次曝光图形的分布与所有LED芯片在晶圆上的位置对应。13.如权利要求11所述的纳米图形化衬底制备方法，其特征在于：所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使光斑依次拼接，形成完整大面积连续的光子晶体结构图形，以降低后道工艺中的对准等要求。14.如权利要求13所述的纳米图形化衬底制备方法，其特征在于：所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使视场重叠曝光，实现相同曝光图形在同一区域的多次曝光，以提高曝光的均匀性。权利要求书CN 103279014 A1/8页。

8、4纳米图形化衬底制备装置与方法技术领域0001 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0002 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。

9、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。0003 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。0004 微米PSS技术的不足：0005 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；Steppe。

10、r采用45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15um2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。0006 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。0007 纳米图形化技术（nPSS）：0008 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。

11、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。0009 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。0010 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、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说明书CN 103279014 A2/8页5备方案。0011 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。0012 兰红波等提出了纳米压印方法（CN102591142B、201210376654.5），但在实际工程应用。

13、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。0013 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。0014 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。。

14、0015 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。0016 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0017 综上所述，本发明的目的在于提出一种纳米图形化衬底的制备装置和方法，该方法基于激光干涉原理，实现在具有翘曲特性的蓝宝石衬底上进行纳米图形化的高效制备。0018 根据本发明的目的提出的一种纳米图形化衬底制备装置，包括光学系统、运动系统、检测系统和控制系统，所述光学系统包括光源、具有空间位相混合光场调制功能的混合调制系统、部分反射镜，以及由透镜组和物镜组组成的双远心光学系统，所述混合调制系统包括位。

15、相调制器件、空间光调制器件以及用于将所述位相调制器件的输出面与所述空间光调制器件的输出面重合的整合光学系统。0019 优选的，所述空间光调制器件是光寻址液晶光阀、电寻址薄膜晶体管驱动液晶显示器、数字微镜器件或硅基液晶中的一种，或者所述空间光调制器件直接为透射光阑。0020 优选的，所述位相调制器件为衍射光学元件所述衍射光学元件包括衍射光栅或二元光学器件。0021 优选的，所述光源为脉冲激光器。0022 优选的，所述运动系统包括精密运动工件台和Z向运动轴。0023 优选的，所述检测系统包括用于检测物镜组聚焦状态的物镜聚焦检测单元以及用于监视干涉光斑的成像状态的CCD器件。0024 优选的，所述物。

16、镜聚焦检测单元通过一块设置在物镜组上方的部分反射镜接受物镜组下方的成像信息，从而判断该物镜组的聚焦状态，并在离焦时反馈给控制系统以采取一个调焦措施。0025 优选的，所述控制系统包括控制计算机和控制驱动单元。0026 同时，本发明还提出了一种纳米图形化衬底制备方法，使用如上所述的纳米图形说明书CN 103279014 A3/8页6化衬底制备装置，包括步骤：0027 提供一块衬底，该衬底的至少一个表面涂布有光刻胶；0028 将上述衬底固定于精密运动工件台上，使具有光刻胶面向上；0029 根据预定的曝光图形选择位相调制器件，并在控制系统中输入曝光参数；0030 启动检测系统，对光学系统的图像成。

17、形信息和对焦情况做检测；0031 开始曝光，按所述曝光参数，在衬底的光刻胶上形成干涉点阵；0032 对衬底上的光刻胶进行显影，形成光子晶体掩模，然后以湿法或干法刻蚀在衬底上制作出光子晶体。0033 优选的，当采用衍射光栅为位相调制器件时，曝光采用2次或3次的叠加曝光，形成正交点阵或蜂窝点阵分布的纳米结构；在一次曝光之后，还包括调节光学系统和精密运动工件台之间的相对角度，并严格按照前一次曝光的图形进行对位，实施第二次或第三次曝光。0034 优选的，所述曝光参数包括空间光调制器件的图形、位相参数、整个光学系统的缩放倍数、曝光启始位置、终点位置、单次曝光时间、曝光强度、每次曝光之间的移动步长和间隔时。

18、间、每次曝光的聚焦状态，以及曝光过程中，各个检测系统的运作情况。0035 优选的，所述曝光图形的大小和形状等同于一个LED芯片的尺寸，所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使曝光形成的单次曝光图形的分布与所有LED芯片在晶圆上的位置对应。0036 优选的，所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使光斑依次拼接，形成完整大面积连续的光子晶体结构图形，以降低后道工艺中的对准等要求。0037 优选的，所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使视场重叠曝光，实现相同曝光图形在同一区域的多次曝光，以提高曝光的均匀性。0038 与现有技术相比，本发明依赖激光干涉曝光对衬底翘曲的不敏感性，克服蓝宝石衬底翘曲给现有技术。

19、带来的离焦问题，并在制备装置中，设计了能够进行相位调制和空间调制的光学系统，使得该激光干涉曝光系统能够对干涉光斑的大小和点阵分布进行控制，从而为衬底的干涉光刻工艺带来了工业化应用的可能。附图说明0039 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。0040 图1是双光束干涉的条纹示意图；0041 图2是正交排列的纳米点阵结构图；0042 图3A-3B是蜂窝排列的纳米点阵结构；0043 。

20、图4是本发明设计的纳米衬底图形化设备的结构框图；0044 图5是本发明中混合调制系统的结构示意图；0045 图6是第一实施方式中非连续光子晶体的分布示意图；0046 图7是为正方形光斑和正六边形光斑拼接的示意图；说明书CN 103279014 A4/8页70047 图8是方形光斑的拼接形成连续纳米光子晶体结构图形的示意图；0048 图9是六边形光斑拼接形成连续光子晶体结构图形的示意图；0049 图10是第二实施方式中对长方形光斑进行4次重叠曝光的示意图。具体实施方式0050 正如背景技术中所述，由于蓝宝石衬底的翘曲特性，现有的PSS技术普遍存在离焦的问题，而在nPSS技术中，现有的纳米压印。

21、、纳米涂敷和干涉光刻都存在工程上的问题，无法进行产业化应用。0051 因此，本发明在现有技术的基础上，提出了一种纳米图形化衬底制备装置和方法，其主要技术方案依赖激光干涉曝光对衬底翘曲的不敏感性，克服蓝宝石衬底翘曲给现有技术带来的离焦问题，并在制作设备中，设计了能够进行相位调制和空间调制的光学系统，使得该激光干涉曝光系统能够对干涉光斑的大小和点阵分布进行控制，从而为衬底的干涉光刻工艺带来了工业化应用的可能。0052 为了更好的理解本发明的技术方案，首先对激光干涉曝光的原理，及纳米结构的形成和基片翘曲不敏感性分析做简单介绍：0053 激光干涉可以在干涉光斑内自然形成周期性的结构，根据激光干涉原理，。

22、图形分辨率与光波长（）、光束间相交的夹角（）、介质的折射率（n）有关，即/（2nsin）。波长越短、相交的夹角越大，图形的分辨率越高，比如，=351nm，空气中n=1,=70度，则形成的周期结构186nm，特征尺寸小于100nm。0054 如附图1所示，以双光束干涉为例说明。11、12两束光，在相交的空间区域形成光强明暗周期变化干涉条纹13，该区域在衍射光学技术领域称为条纹箱，感光面14放至于该区域内，可以在两束光重叠光斑区域内曝光获得纳米条纹结构。若感光面14处于两束光光斑的完全重合位置，这种状态称为准焦状态，获得的曝光区域尺寸与设计值相同；若感光面的高度有偏差，两束光的光斑不能完全重合，在。

23、两光斑的部分重叠区域仍然能够产生干涉现象，该区域的尺寸小于设计值，这种状态称为离焦状态，由于干涉曝光的条纹箱特性，在离焦状态时，两光斑重叠区域仍然可以获得清晰的条纹结构。因此，与传统投影光学系统的聚焦特性相比，干涉系统对基片起伏的敏感性较弱，也可以理解为干涉曝光的焦深较长。这种特性有利于在具有翘曲特性的蓝宝石基片上曝光。0055 然而，普通的双光束干涉所形成的图案为明暗相间的条纹，无法形成二维光子晶体。为此，本发明解决该问题所采用的技术方案为：0056 1、使用双光束两次正交叠加曝光方法，或四光束一次曝光方法，形成正交排列的纳米点阵结构，如图2所示。0057 2、使用双光束间隔60度两次叠加曝。

24、光，或者双光束间隔60度三次叠加曝光，或者三光束一次曝光，形成蜂窝排列的纳米点阵结构，如图3A-3B所示。0058 这两种技术方案中，采用双光束两次或三次曝光时，需要对光学设备和机械平台之间的机械控制有较高精度的要求，每次曝光之间都需要有精确的对位。而当采用四光束或三光束一次曝光时，则对光学设备的光学控制量有较高的要求，要求光线的分束和合束能够形成干涉光斑。而且无论采用上述哪种方法，都需要对曝光时形成的干涉光斑有空间和相位上的调制能力，即对光斑的大小、形状，以及光斑内部的干涉图形的排布方式具有调说明书CN 103279014 A5/8页8制能力。0059 为此，本发明设计的纳米衬底图形化设。

25、备中，不仅具有可调制光场空间和相位信息的光学控制系统，同时又有能够根据曝光图形的实际情况进行机械调整的机械控制系统，两者之间通过总的控制系统实施统一协调的控制，从而使得曝光图形达到目标所需的精度和要求。0060 下面将对本发明设计的纳米衬底图形化设备的具体结构如下，请参见图4：0061 包括光学系统、运动系统、检测系统和控制系统，其中光学系统、运动系统和检测系统设置在机械框架11-1内，控制系统设置在机械框架11-1外部。0062 光学系统中包括光源11-2、具有振幅位相混合光场调制功能的混合调制系统11-3、部分反射镜11-4，以及由透镜组11-5和物镜组11-7组成的双远心光学系统。006。

26、3 光源11-2光源可以为激光器，如405nm半导体激光器、441.6nm氦镉激光器、374nm半导体激光器、355nm固态激光器等。优选激光器为脉冲激光器，该类型激光器脉冲曝光的时间极短，有利于光刻工艺的稳定性和光刻的高效性。该类激光器有351nm、355nm固体激光器、266nm固体激光器、248nm准分子激光器等。脉冲激光器的方案可以克服现有PSS制备技术中，连续紫外光源步进曝光技术存在的曝光时间长、刻蚀深、稳定性等问题。0064 混合调制系统11-3具有如图5所示的结构。其中，51为整体光学系统的信息输入面，也是该混合调制系统11-3的输出面。该混合调制系统11-3的目的是为了在该面上。

27、获得空间和位相调制光场，用于后续的微缩光学系统在蓝宝石基片上形成纳米光子晶体光场。52、53分别为空间光调制器件和位相调制器件，这两个器件可以互换位置。空间光调制器件52用于曝光光斑轮廓的设定，该空间光调制器件52的工作面与信息输入面51重合，该空间光调制器件52比如是光寻址液晶光阀（LCLV）、电寻址薄膜晶体管驱动液晶显示器（TFT-LCD）、数字微镜器件（DMD）、硅基液晶（LCOS）等具有空间调制能力的器件，由于光子晶体图形分布具有规律性，所以该部件可以简化为透射光阑。而位相调制器件53用于光场内部干涉光场结构的产生，该位相调制器件53为衍射光学器件，如衍射光栅、二元光学元件等，通过更换。

28、衍射光学器件改变干涉光场结构的参数，通过旋转衍射光学器件改变干涉光场中微结构的方向取向。54为整合光学系统，使位相和空间信息在信息输入面51上汇合实现混合调制，在具体应用中，该整合光学系统54可以由2组或2组以上透镜构成的光学结构，通过对位相调制器件53的输出光或输入光进行汇聚或发散，使位相调制器件53最终的输出面与空间调制器52的输出面重合，需要指出的是，该位相调制器件53和空间光调制器件52不一定如图3中所示的设置于整合光学系统54的两端，在该整合光学系统54为透镜组时，该位相调制器件53和空间光调制器件52也可以设置于该整合光学系统54的内部光路上。55为由光源11-2发出的激光束。00。

29、65 透镜11-5和物镜组11-7组成双远心光学系统，11-5和11-7之间的距离变化，对光刻物镜下的光场无影响。这种特性对自动聚焦功能实现提供光学结构的支持。0066 运动系统包括精密运动工件台11-8和Z向（沿光轴方向）运动轴11-11，该Z向运动轴11-11驱动物镜Z向聚焦运动。实现翘曲基片的形貌检测与导航聚焦功能，确保干涉光束在基片表面的会和聚焦，提高光斑的尺寸精度，以提高光斑之间拼接的图形精度。0067 检测系统包括用于检测物镜组11-7的聚焦状态的物镜聚焦检测单元11-13以及用于监视干涉光斑的成像质量的CCD11-10。其中，物镜聚焦检测单元11-13通过一块设置说明书CN 。

30、103279014 A6/8页9在物镜组11-7上方的部分反射镜11-6接受物镜组11-7下方的成像信息，从而判断该物镜组11-7的聚焦状态，并在离焦时反馈给控制系统以采取一个调焦措施。CCD11-10则根据光路的可逆原理，通过部分反射镜11-4接受到整个的成像信息，从而监控成像质量，涉及该CCD11-10的调节原理，可以从申请号为201010503788的专利中获得，此处不再详细阐述。0068 控制系统包括控制计算机11-14和控制驱动单元11-15。该控制系统用于控制各部件协调运行，光源、混合调制系统、运动系统、检测系统均受控制系统控制。0069 除此之外，该光学系统还应当包括一些适当的光。

31、学功能镜片，这些功能镜片设置在整个光路的必要位置，比如在光源附近设置扩束和准直镜片，在CCD11-10前设置聚焦透镜等等。0070 上述设备工作时，由光源11-2发出的光经扩束和准直后进入所述混合调制系统11-3，光线经过混合调制系统调制，形成具有2束或2束以上的调制光，再经过部分反射镜11-4，进入透镜组11-5，透过部分反射镜11-6后经过光刻物镜组11-7，光线在工件台11-8上汇聚并干涉，对基片进行曝光，从工件表面反射的光从光学系统返回，进入CCD11-10，CCD信号进入计算机后，可以监视直写光点的成像质量。0071 下面，再通过具体的实施方式对本发明运用该纳米衬底图形化设备进行图形。

32、化的方法做详细介绍。0072 实施方式一：0073 在实施方式一中，提出了在衬底基片上制作像素化结构的光子晶体，一个小视场曝光光斑为一个像素，与LED芯片单元尺寸对应，光斑内部为光子晶体结构，光斑之间的光子晶体结构不一定需要具有连续性，这些曝光光斑的分布只要与所有LED芯片在晶圆上的位置对应即可。如图6所示。光斑轮廓的具体几何参数、像素位置间隔和光子晶体的结构参数等由工程设计者根据具体LED参数确定。这种实施方式的优点是在一块大的衬底上，单次曝光图形的大小和形状等同于一个LED芯片的尺寸，因此在曝光时，无需考虑光斑中的点阵连续性问题，且在整块衬底图形化完成之后，就得到了所有LED芯片在衬底上的。

33、分布，等到后续LED芯片的制程工艺结束之后，只需根据光斑与光斑之间形成的间隔进行裂片，即可得到单块的LED芯片。0074 实施方式一的具体图形化方法包括如下的步骤：0075 提供一块衬底，该衬底的至少一个表面涂布有光刻胶或其它光敏材料。在本发明中，该衬底特指用于LED芯片制作的蓝宝石衬底，其具有一定的固有翘曲率。而在其它应用中，该衬底也可以是其它材料，比如硅、锗、氮化镓、砷化镓等半导体材料，或玻璃、高分子聚合物等介质材料。0076 将上述衬底固定于精密运动工件台上，使具有光刻胶面向上。0077 根据预定的曝光图形选择位相调制器件，并在控制系统中输入曝光参数。位相调制器件决定了曝光时形成的纳米点。

34、阵图形的分布规则（比如矩形点阵或蜂窝状点阵）、周期、特征尺寸等参数，通过选择不同的位相调制器件，比如不同的衍射光栅周期、槽深、光栅方向，或者不同的二元光学器件表面形貌、槽深等参数，使光线的分束数量、彼此之间的角度、各束光线之间的相位差不同，从而达到对纳米点阵图形的调制。曝光参数则主要是指空间光调制器件的显示图形（包括图形形貌和大小）、整个光学系统的缩放倍数、曝光启示位置、终点位置、单次曝光时间、曝光强度、每次曝光之间的移动步长和间隔时间、每次曝光的说明书CN 103279014 A7/8页10聚焦状态，以及曝光过程中，各个检测系统的运作情况。由于在本发明中，光源采用纳秒脉冲激光，因此所有的。

35、光学控制和机械控制采用统一的纳秒时序控制，达到光源出光、调制信息输入、聚焦状态、蓝宝石基片位置的同步，从而实现纳米图形的高精度控制。0078 启动检测系统，对光学系统的图像成形信息和对焦情况做检测。检测之后，如果曝光图形出现问题，则通过控制系统控制Z向运动轴，调整聚焦状态，使曝光图形始终处于最优的状态。这里的最优状态是指图形分辨率、干涉点阵的明暗对比度都在最大化状态。0079 开始曝光，按上面的曝光参数，以步进曝光或扫描曝光的形式在衬底的光刻胶上形成干涉点阵。所述每次曝光之间的移动步长和间隔时间使曝光形成的单次曝光图形的分布与所有LED芯片在晶圆上的位置对应。在此过程中，检测系统可同步工作，以。

36、实时监测曝光过程中的图形质量。0080 当采用衍射光栅为位相调制器件时，曝光采用2次或3次的叠加曝光，形成正交点阵或蜂窝点阵分布的纳米结构，则在一次完成之后，调节光学系统和精密运动工件台之间的相对角度，比如90度或60度，并严格按照前一次曝光的图形进行对位，实施第二次或第三次曝光，直至整块衬底上都被曝光完成，形成所需的纳米点阵。0081 最后对衬底上的光刻胶进行显影，形成光子晶体掩模，然后以湿法或干法刻蚀在衬底上制作出光子晶体。0082 实施方式二：0083 实施方式一所述的方法，光子晶体像素化结构需要与LED制作的后道工艺对准，裂片时，需要沿着像素间的栅格进行。0084 为了优化制作工艺，降。

37、低后道工艺的复杂程度，在实施方式二中提出在基片上制作连续光子晶体结构。小视场干涉光斑的外形为正方形、长方形、多边形等简单的几何形状，通过给出合适的步进距离，进行光斑依次拼接，形成完整大面积连续的光子晶体结构图形。如图7所示，为正方形光斑和正六边形光斑拼接的示意图。0085 方形光斑的拼接形成连续纳米光子晶体结构图形的示意图，如图8所示。0086 六边形光斑拼接形成连续光子晶体结构图形的示意图，如图9所示。0087 进一步地，在光刻技术领域，视场间的拼接一直是一个难题，在微观上，微图形需要准确对接，在宏观上，应减轻由拼接造成的Moral现象。高品质的拼接，不仅需要高精度的光刻系统，还需要优化的图。

38、形制作方案。0088 因此在本实施方式中提出重叠曝光方案，通过每次曝光之间的移动步长和间隔时间使视场重叠曝光，实现相同曝光图形在同一区域的多次曝光，以提高曝光的均匀性，来减轻视场中光强不均匀和拼缝效应。0089 以方形视场为例，曝光视场的x、y方向尺寸分别为a和b，在进行拼接光刻时，基片x、y方向曝光的步进距离为分别为a/2和b/2，这样，同一位置可以获得4次重复曝光，如图10所示。若曝光步距为a/3和b/3，可以获得9次重复曝光。同理，更多次的重复曝光，可以进一步提高图形的光刻品质。0090 除了上述两个拼接方式，即单次曝光之间的移动步长不同外，本实施方式的其余操作过程与实施方式一相同，在此不再赘述。0091 综上所述，本发明提出了一种纳米图形化衬底制造装置和方法，依赖激光干涉曝光对衬底翘曲的不敏感性，克服蓝宝石衬底翘曲给现有技术带来的离焦问题，并在制作设说明书CN 103279014 A10。

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