图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate,PSS)是在平面蓝宝石衬底基础上通过湿法刻蚀工艺加工得到的周期性图形结构,在改善GaN基LED的发光效率方面具有较大的优势。蓝宝石的各向异性湿法刻蚀特性相对复杂,最终得到的刻蚀结构直接受多方面因素影响,例如:掩膜形状、尺寸和方向、刻蚀环境等。基于上述背景,本文由几何方法的思想,提出运用Level Set方法来开发用于模拟蓝宝石各向异性湿法刻蚀过程的模拟系统,探究不同刻蚀条件对刻蚀形貌的影响,论文主要研究内容如下:1)首先由半球刻蚀实验获得了蓝宝石各向异性湿法刻蚀的空间刻蚀全速率,基于此刻蚀全速率,再结合Level Set方法,开发了能够适用于蓝宝石不同晶面、任意掩膜形状的各向异性湿法刻蚀的高精度模拟系统,并且模拟了蓝宝石球在不同刻蚀环境下的刻蚀形貌演变过程。同时该模拟系统具备通用性,适用多种晶体材料的湿法刻蚀模拟。2)通过Level Set模拟系统,辅助设计了掩膜形状、确定了相应的刻蚀时间。分别通过蓝宝石长矩形凹槽、蓝宝石复杂掩膜下的刻蚀和蓝宝石凹槽与凸台的组合图形的刻蚀实验,研究了C面蓝宝石晶片的各向异性刻蚀特性。同时,将Level Set应用到不同的图形化蓝宝石衬底结构(长矩形凸台和凹槽、圆形凹槽)中,并着重分析了不同刻蚀环境下蓝宝石长矩形凹槽和圆形凹槽的刻蚀形貌组成。最后使用了Level Set模拟系统将蓝宝石R面的刻蚀形貌呈现出来。3)探究了蓝宝石图形衬底双步刻蚀的刻蚀工艺。基于LED内部光线传播的物理机理确定了图形化蓝宝石衬底结构截面倾角的合适范围,基于Level Set模拟系统,探究了影响双步刻蚀形貌的主要工艺参数(单步刻蚀的时间、掩膜尺寸)并依据模拟的形貌测得倾角数据,获得合适的加工工艺方法。在结合Level Set模拟系统探究掩膜尺寸对双步刻蚀后形貌的影响时,获得了不同掩膜尺寸下的刻蚀形貌,从而确定合适的掩膜尺寸。