压印法蓝宝石纳米图形衬底制备及评价

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1、国内图书分类号：TN304学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工学硕士学位论文压印法蓝宝石纳米图形衬底的制备及评价硕士研究生：周福强导师：张化宇教授申请学位：工学硕士学科：材料加工工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2012年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN304U.D.C:620DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringPREPARATIONANDEVALUATIONOFTHENANO-PATTERNEDSAPPHIRESUBSTRATESFABRICAT

2、EDBYIMPRINTMETHODCandidate：ZhouFuqiangSupervisor：Prof.ZhangHuayuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位

3、论文摘要蓝宝石由于其优良的物理化学综合性能，目前被广泛用作LED衬底，同时也是光学探测窗口常用材料之一。蓝宝石图形衬底，是指在蓝宝石表面制备出周期性亚微结构图案；其作为基于蓝宝石衬底发展而来的新型衬底，有望解决常规未处理的蓝宝石衬底应用于LED领域时所出现的LED出光效率不高等问题；此外，可克服常规蓝宝石光学窗口的宽波段透波率不佳等现象。然而，目前制备图形化蓝宝石衬底的方法，是对蓝宝石直接进行湿法或干法刻蚀，存在效率低和成本高等问题。本文采用纳米压印法，介绍了蓝宝石纳米图形衬底的一种制备新工艺，并对图形衬底进行了评价。压印法制备图形衬底主要包括溅射铝膜、

4、PDMS软印章的制备、旋涂光刻胶、紫外压印、刻蚀与退火外延等步骤。本文采用一系列表征手段（XRD、SEM和AFM），研究了溅射铝膜过程中工作气压、溅射功率、基片温度对铝膜形貌、沉积速度及结晶质量的影响；研究了纳米压印中光刻胶旋涂速度、压强、曝光强度的影响；研究了在蓝宝石表面生成蓝宝石外延薄膜的高温退火工艺。在此基础上，结合数值计算，分别采用Tracepro软件和Filmstar软件对蓝宝石图形衬底在LED出光率与光学窗口透光率方面的应用进行了分析。实验结果表明，通过控制溅射气压、功率、基片温度（0.2Pa、60W、70℃）可得到高质量铝膜（Ra=1.34

5、6nm）；以AAO为模板采用旋涂法可制备PDMS软印章；纳米压印中，光刻胶厚度、压强、曝光强度具有重要影响，随旋涂速度增大，胶层厚度先急剧下降后趋于平缓，通过控制旋涂速度、压强、压印时间、曝光（3000rpm、300mbar、300s、45s）制备出胶层厚度210nm、图形深度65nm、残胶厚度30nm的纳米图形；利用离子束刻蚀、反应离子刻蚀将光刻胶图形转移到铝膜，通过控制气体流量、离子束流、中和电流、气压、刻蚀角度（3sccm、-260mA、75mA、1.6×10Pa、30°）等参数得到图形化铝膜；采用低温450℃、高温1000℃固相外延条件可得到（0

6、006）半峰宽为0.0133°的高质量蓝宝石图形衬底。对图形化蓝宝石衬底对LED出光率影响的计算表明，随图形占位比增加或图形深度增加，出光率提高；侧壁倾斜的衬底效果优于侧壁垂直的衬底，采用侧壁角度为45°的图形衬底出光率可达61.8%。对光学窗口透光率影响的计算表明，随占位比增大，图形衬底透光率呈先上升后下降趋势，当图形占位比为0.296、高-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文度为90nm时透光率达91.53%。关键词：蓝宝石图形衬底；纳米压印；LED；光学窗口-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractSapphireiswidelyused

7、inmanyfieldssuchasGaNepitaxialsubstrateandopticalwindowmaterialsduetoitsexcellentperformance.Comparedwiththeconventionalsapphiresubstrate,thepatternedsapphiresubstrate,whichisdefinedasperiodicsubmicronstructuresfabricatedonthesapphiresurface,canimprovethelightextractionefficiency

8、inLEDfieldandovercomethelowtransmittance