一種具有白光光子晶體的發光二極體的製備方法

2023-07-07 00:59:16

專利名稱：一種具有白光光子晶體的發光二極體的製備方法
技術領域：
本發明涉及光學晶體技術，更具體地，涉及一種具有白光光子晶體的發光二極體的製備方法。
背景技術：
光子晶體即光子禁帶材料，從材料結構上看，光子晶體是在光學尺度上具有周期性介電結構的人工設計和製造的晶體。光子晶體的結構正如半導體材料在晶格結點周期性的出現離子一樣，光子晶體是在高折射率材料的某些位置周期性的出現低折射率(如人工造成的空氣空穴)的材料。高低折射率的材料交替排列形成周期性結構，就可以產生光子晶體帶隙。而周期排列的低折射率位點的之間的距離大小相同，導致了一定距離大小的光子晶體只對一定頻率的光波產生能帶效應。如果只在一個方向上存在周期性結構，那麼光子帶隙只能出現在這個方向。如果在三個方向上都存在周期結構，那麼可以出現全方位的光子帶隙，特定頻率的光進入光子晶體後將在各個方向都禁止傳播。因為光被禁止出現在光子晶體帶隙中，所以可以預見到能夠自由控制光的行為。例如，如果考慮引入一種光輻射層，該層產生的光和光子晶體中的光子帶隙頻率相同，那麼由於光的頻率和帶隙一致則禁止光出現在該帶隙中這個原則就可以避免光輻射的產生。這就使可以控制以前不可避免的自發輻射。而如果通過引入缺陷破壞光子晶體的周期結構特性，那麼在光子帶隙中將形成相應的缺陷能級。將僅僅有特定頻率的光可在這個缺陷能級中出現，這就可以用來製造單模發光二極體和零域值雷射發射器。而如果產生了缺陷條紋，即沿著一定的路線引入缺陷，那麼就可以形成一條光的通路， 類似於電流在導線中傳播一樣，只有沿著"光子導線"(即缺陷條紋)傳播的光子得以順利傳播，其它任何試圖脫離導線的光子都將被完全禁止。光子晶體的製備通常包括自頂向下方法，例如常規半導體工藝中的光刻法和離子束刻蝕法，或者有規律地布置具有均勻尺寸的納米粒子的自底向上方法。常規半導體工藝中的光刻法和離子束刻蝕法雖然可以製備複雜規則結構，但是具有非常高的製備費用和需要很長的製備周期；通過納米例子的自組裝製備光子晶體的方法雖然無需額外費用和設備，但是不能在短時間內製備大尺寸的光子晶體，而且良率較低。另外，通過重力的沉積法利用將長時間分散高分子二氧化矽膠體的溶液靜置時粒子通過重力沉積到底部，然後自組裝。但是這種方法具有處理時間長並且光子晶體缺陷率高的缺陷。

發明內容
為克服現有缺陷，本發明提出一種具有白光光子晶體的發光二極體的製備方法。根據本發明的一個方面，提出了一種具有白光光子晶體的發光二極體的製備方法，包括步驟1，通過電子束直寫配合納米機電方式製作納米級微結構金屬屏蔽層；步驟 2，以高溫透明膠水配置黃、紅、綠、藍螢光粉，將金屬屏蔽層在塑料基材處印刷各色螢光膠，經烘烤後形成各色納米微結構；步驟3，將聚丙烯塑料薄膜披覆在光子晶體上，形成保護膜，實現白光光子晶體貼布；步驟4，將未切割的LED晶圓置於三軸幹膜光阻貼附機上，去除塑料基材與保護膜，經過烘烤和脈衝雷射退火，將光子晶體貼附於LED晶片上。


圖1為具有納米微透鏡陣列的白光光子晶體的部分製備流程示意圖；圖2為雙軸延伸和熱處理示意圖；圖3為印刷螢光膠和烘烤示意圖；圖4為脈衝雷射處理和貼附保護膜示意圖；圖5為光子晶體去膜、烘烤示意圖。如圖所示，為了能明確實現本發明的實施例的結構，在圖中標註了特定的結構和器件，但這僅為示意需要，並非意圖將本發明限定在該特定結構、器件和環境中，根據具體需要，本領域的普通技術人員可以將這些器件和環境進行調整或者修改，所進行的調整或者修改仍然包括在後附的權利要求的範圍中。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的一種具有白光光子晶體的發光二極體的製備方法進行詳細描述。其中，在以下的描述中，將描述本發明的多個不同的方面，然而，對於本領域內的普通技術人員而言，可以僅僅利用本發明的一些或者全部結構或者流程來實施本發明。為了解釋的明確性而言，闡述了特定的數目、配置和順序，但是很明顯，在沒有這些特定細節的情況下也可以實施本發明。在其他情況下，為了不混淆本發明，對於一些眾所周知的特徵將不再進行詳細闡述。總的來說，本發明以電子束直寫(Electron beam direct writing)配合納米機電(NEMS)方式來製作納米級微結構金屬屏蔽層，以適當的高溫透明膠水(Glue)配置黃 (Yellow)^! (Red)、綠(Green)、藍(Blue)螢光粉，將金屬屏蔽層在塑料基材(如PET ； PMMA ；COC ；Transparent PI)處印刷各色螢光膠，經烘烤後形成各色納米微結構。之後進行脈衝雷射快速退火製程，再以聚丙烯塑料薄膜披覆於光子晶體之上，作為保護膜，完成白光光子晶體貼布製程。之後將未切割的LED晶圓置於三軸幹膜光阻貼附機之上，去除塑料基材與保護膜，經過烘烤及脈衝雷射退火，從而將光子晶體貼附於LED晶片上。在根據本發明的一個實施例中，提供該結構的製備方法，包括步驟1，使用電子束直寫方式製作光刻掩膜板，光刻掩膜板塗布負型光刻膠並置於深紫外光曝光系統中進行深紫外光曝光製程，之後進行顯影製程，通過反應性離子蝕刻對光刻掩膜板進行蝕刻，以鎳鐵合金電鍍液進行電鑄，然後進行剝膜製程，進行翻模，製作納米級微透鏡的金屬屏蔽層； 步驟2，將塑料基材置於卷帶機上，通過真空輸送帶加熱配合雙軸延伸來消除塑料基材的原始內應力；步驟3，通過耐高溫透明膠水來配置黃、紅、綠、藍螢光膠，並塗布到圖樣不同的金屬屏蔽層上，通過自動印刷機印刷至塑料基材上；步驟4，通過烘烤和快速退火，製得二維光子晶體。進一步，該方法還包括步驟5，將塑料基材上製得的納米微結構光子晶體貼布卷材置於卷帶機上，貼附聚丙烯保護膜，完成納米微結構光子晶體貼布的製作；步驟6，將光子晶體貼布置於三軸幹膜光刻膠貼附機上，去除聚丙烯保護膜和塑料基材，並實現LED晶圓與納米微結構光子晶體的假性黏合；步驟7，通過烘烤和快速退火，完全固化的各色高溫透明螢光膠與LED晶圓表面高度黏合。具體地，對本發明的另一實施例的方法進行詳細描述。其中，步驟1，使用電子束直寫方式製作光刻掩膜板，光刻掩膜板塗布負型光刻膠並置於深紫外光曝光系統中進行深紫外光曝光製程，之後進行顯影製程，通過反應性離子蝕刻對光刻掩膜板進行蝕刻，以鎳鐵合金電鍍液進行電鑄，然後進行剝膜製程，再以翻模方式製作金屬屏蔽層。其中，如圖IA所示，使用電子束直寫(Electron Beam direct writing)方式在石英(Quartz)材料的光刻掩膜板(Photo mask)的鉻金屬層(Chromium layer)上進行圖樣O^ttern)製作，鉻金屬層厚度為10-30納米。如圖IB和IC所示，將光刻掩膜板(Photo mask)置於深紫外光曝光系統(De印 Ultraviolet Exposure System) Φ ^Xi B^^f ^ ^7 ! (Negative photo resist) (SU-8 ；厚度為0. 6-2. 0微米，使用真空旋轉塗布方式其轉速為5000-10000rpm，前烤溫度為 70-120°C，時間為20-50分鐘)的光學級不鏽鋼板(即塗布負型光刻膠的光刻掩膜板)進行深紫外光曝光製程(曝光能量為500-1000KJ，曝光時間為0. 1-0. 8ms)；如圖ID和IE所示，之後進行顯影製程(氫氧化鈉濃度3-8%，顯影時間10_30 秒，溫度25-50°C )，再進行反應性離子蝕刻對光學級不鏽鋼板進行蝕刻(時間10-50 秒)；如圖IF所示，之後以鎳鐵合金電鍍液(鎳鐵比例為7-9 ；3-1)進行電鑄製程(溫度為45-70°C )，如圖IG所示，進行剝膜製程(氫氧化鈉濃度5-10%，顯影時間50-80秒， 溫度50-80°C )，如圖IH所示，再以翻模方式製作金屬屏蔽(Metal mask) 0進一步，步驟2中，將塑料基材置於卷帶機上，通過真空輸送帶加熱配合雙軸延伸來消除塑料基材的原始內應力。其中，如圖2所示，將塑料基材置於卷帶機上，卷帶機輸送速度為1-20釐米/秒，輸送帶全線真空，其真空度為(0. 001-0. 000001託爾)。將塑料基材完全吸附於抗靜電輸送帶上，而輸送帶分五至八個區域加熱配合雙軸延伸來消除塑料基材的原始內應力。各區域溫度與時間參數如下；第一區(溫度為50-100°C;時間為5-20分鐘)；第二區(溫度為100°C;時間為5-20分鐘)；第三區(溫度為100-150°C;時間為10-20 分鐘)；第四區(溫度為150°C ；時間為10-20分鐘)；第五區(溫度為150-200°C ；時間為 10-120秒)；第六區(溫度為200°C ；時間為10-20分鐘)；第七區(溫度為200-150°C ；時間為10-30分鐘)；第八區(溫度為150-50°C ；時間為10-50分鐘)，將消除原始內應力的塑料基材置於另一卷帶機上，卷帶機輸送速度為1-20釐米/秒，而輸送帶全線真空，其真空度為(0. 001-0. 000001託爾)將塑料基材完全吸附於抗靜電輸送帶上。進一步，步驟3中，通過耐高溫透明膠水來配置黃、紅、綠、藍螢光膠，並塗布到圖樣不同的金屬屏蔽層上，通過自動印刷機印刷至塑料基材上。其中，以適當的耐高溫透明膠水來配置黃、紅、綠、藍螢光膠水，高溫透明膠水為經過改質的聚丙醯酸甲酯(Poly methyl methacrylate)與聚醯亞胺(Polyimide)的接枝型共聚物(Graft copolymer) 0與黃色螢光粉配比為(1 0. 004-0. 020wt % )，與紅色螢光粉的配比為 (1 0.001-0. 015wt% )，與綠色螢光粉的配比為(1 0. 002-0. 018wt% )，與藍色螢光粉的配比為(1 0. 003-0. 017wt% )0如圖3A所示，將黃紅綠藍四色耐高溫透明螢光膠， 分別倒入排列圖樣不同的金屬屏蔽上，並通過高精度的自動印刷機(製作倒轉晶片凸塊用的印刷機)印刷至塑料基材上。而印刷機的製程參數如下刮刀下壓壓力為(每平方釐米 0. Ol-IOOg)，真空度為(0. 001-0. 000001託爾)，刮刀進刀的速度為(0. 01-1釐米/秒)，刮刀回刀的速度為(0.01-1釐米/秒)。進一步，步驟4中，通過烘烤和快速退火，製得二維光子晶體。其中，如圖:3B所示， 之後進行烘烤，具體參數如下；第一段升溫(由室溫升溫至50-120°C ；升溫速率；5-30°C / 分鐘)，第二段恆溫(保持50-120°C，持續5-20分鐘)，第三段升溫(由50-12(TC升溫至 200-250 0C ；升溫速率5-30 0C /分鐘)，第四段恆溫(保持200-250 °C，持續5-20分鐘)，第五段降溫(由200-250°C降溫至150-200°C ；降溫速率5_30°C /分鐘)，第六段恆溫(保持150-200°C，持續5-20分鐘)，第七段降溫(由150-200°C降溫至100-150°C ；降溫速率 5-30°C /分鐘)，第八段恆溫(保持100-150°C，持續5-20分鐘)，第九段降溫(由100-150°C 降溫至50-100°C ；降溫速率5-30°C /分鐘)，第十段恆溫(保持50-100°C，持續5_20分鐘)，之後自然冷卻至室溫，透過材料特性與溫度控制可得到納米微結構光子晶體相關排列方式，其中，圖樣形狀為長方體(長10-100納米；寬5-50納米；高2. 5-25納米)，圖樣間距為10-100納米；圖像形狀為正方體(長10-100納米；寬=10-100納米；高=10-100納米)，圖樣間距為10-100納米；圖像形狀為雙圓環體(內徑10-100納米；外徑10-100納米；高10-100納米)，圖樣間距為10-100納米。如圖4A所示，為消除各色納米微結構的內應力，以脈衝式雷射進行快速退火，以消除納米微結構的內應力，以避免日後內應力釋放造成微結構微開裂(Micro-crack)影響白光光子晶體的光學性質。處理時間為1-100毫秒(每顆晶片)，以上步驟可製作二維光子晶體(Two dimension photonic crystal)，此時各色高溫透明螢光膠為具黏性的半乾狀態。進一步，步驟5中，將塑料基材上製得的納米微結構光子晶體貼布卷材置於卷帶機上，貼附聚丙烯保護膜，完成納米微結構光子晶體貼布的製作。其中，如圖4B所示，將塑料基材上製得的納米微結構光子晶體貼布卷材置於一卷帶機上，卷帶機輸送速度為1-20 釐米/秒，輸送帶全線真空，其真空度為(0.001-0. 000001託爾)。將塑料基材完全吸附於抗靜電輸送帶上，而各區域不加溫，同時貼附聚丙烯保護膜，完成納米微結構光子晶體貼布的製作。進一步，步驟6中，將光子晶體貼布置於三軸幹膜光刻膠貼附機上，去除聚丙烯保護膜和塑料基材，並實現LED晶圓與納米微結構光子晶體的假性黏合。其中，如圖5A所示， 之後將光子晶體貼布置於三軸幹膜光刻膠貼附機之上，該機臺的三個滾輪其作用分別如下；上面得第一滾輪為去除聚丙烯保護膜(順時鐘旋轉，轉速為lOO-lOOOrpm)；下面的第二滾輪為去除塑料基材(逆時鐘旋轉，轉速為lOO-lOOOrpm)；中間的第三滾輪為LED晶圓輸送前進滾輪(逆時鐘旋轉，轉速為lOO-lOOOrpm)，而光子晶體貼布卷材置於第三滾輪之上。 經此製程後，LED晶圓與納米微結構光子晶體完成假性黏合。進一步，步驟7中，通過烘烤和快速退火，完全固化的各色高溫透明螢光膠與LED 晶圓表面高度黏合。如圖5B所示，之後進行烘烤，第一段升溫(由室溫升溫至50-150°C ； 升溫速率5-30°C /分鐘)，第二段恆溫(保持50-150°C，持續5_20分鐘)，第三段升溫(由50-150°C升溫至250-300°C ；升溫速率5_30°C /分鐘)，第四段恆溫(保持250-300°C，持續 5-20分鐘)，第五段降溫(由250-300°C降溫至150_200°C ；降溫速率5_30°C /分鐘)，第六段恆溫(保持150-200°C，持續5-20分鐘)，第七段降溫(由150-200°C降溫至100-150°C； 降溫速率5-300C /分鐘)，第八段恆溫(保持100-150°C，持續5-20分鐘)，第九段降溫(由 100-150°C降溫至50-100°C ；降溫速率5_30°C /分鐘)，第十段恆溫(保持50_100°C，持續 5-20分鐘)，之後自然冷卻至室溫.如圖5C所示，為消除各色納米微結構的內應力，以脈衝式雷射進行快速退火，以消除納米微結構的內應力，以避免日後內應力釋放造成微結構微開裂(Micro-crack)影響白光光子晶體的光學性質。處理時間為1-100毫秒(每顆晶片)，此時各色高溫透明螢光膠為完全固化的狀態，與LED晶圓表面具有高度黏合性。完成以上步驟可實現二維光子晶體(Two dimension photonic crystal)貼布於 LED晶圓上。最後應說明的是，以上實施例僅用以描述本發明的技術方案而不是對本技術方法進行限制，本發明在應用上可以延伸為其他的修改、變化、應用和實施例，並且因此認為所有這樣的修改、變化、應用、實施例都在本發明的精神和教導範圍內。
權利要求
1.一種具有白光光子晶體的發光二極體的製備方法，包括步驟1，通過電子束直寫配合納米機電方式製作納米級微結構金屬屏蔽層；步驟2，以高溫透明膠水配置黃、紅、綠、藍螢光粉，將金屬屏蔽層在塑料基材處印刷各色螢光膠，經烘烤後形成各色納米微結構；步驟3，將聚丙烯塑料薄膜披覆在光子晶體上，形成保護膜，實現白光光子晶體貼布；步驟4，將未切割的LED晶圓置於三軸幹膜光阻貼附機上，去除塑料基材與保護膜，經過烘烤和脈衝雷射退火，將光子晶體貼附於LED晶片上。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟1包括使用電子束直寫方式製作光刻掩膜板，光刻掩膜板塗布負型光刻膠並置於深紫外光曝光系統中進行深紫外光曝光製程，之後進行顯影製程，通過反應性離子蝕刻對光刻掩膜板進行蝕刻，以鎳鐵合金電鍍液進行電鑄， 然後進行剝膜製程，進行翻模，製作納米級微透鏡的金屬屏蔽層。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟2包括步驟21，將塑料基材置於卷帶機上，通過真空輸送帶加熱配合雙軸延伸來消除塑料基材的原始內應力；步驟22，通過耐高溫透明膠水來配置黃、紅、綠、藍螢光膠，並塗布到圖樣不同的金屬屏蔽層上，通過自動印刷機印刷至塑料基材上；步驟23，通過烘烤和快速退火，製得二維光子晶體。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟4包括將光子晶體貼布置於三軸幹膜光刻膠貼附機上，去除聚丙烯保護膜和塑料基材，並實現LED晶圓與納米微結構光子晶體的假性黏合；通過烘烤和快速退火，完全固化的各色高溫透明螢光膠與LED晶圓表面高度黏合。
5.根據權利要求2所述的方法，其中，步驟1中，使用電子束直寫方式在石英材料的光刻掩膜板的鉻金屬層上進行圖樣製作，鉻金屬層厚度為10-30納米。
6.根據權利要求2所述的方法，其中，步驟1中，將光刻掩膜板置於深紫外光曝光系統中並對已塗布負型光刻膠的光刻掩膜板進行深紫外光曝光製程，其中，曝光能量為 500-1000KJ，曝光時間為0. 1-0. 8ms ；其中，負型光刻膠為SU-8 ；厚度為0. 6-2. 0微米，使用真空旋轉塗布方式，其轉速為5000-10000rpm，前烤溫度為70_120°C，時間為20-50分鐘。
7.根據權利要求2所述的方法，其中，步驟1中，以鎳鐵合金電鍍液進行電鑄製程，溫度為45-70°C，鎳鐵比例為7-9 3-1(重量比)；剝膜製程中氫氧化鈉濃度5-10%，顯影時間50-80 秒，溫度:50-80 0C ο
8.根據權利要求3所述的方法，其中，步驟21中，將塑料基材置於卷帶機上，卷帶機輸送速度為1-20釐米/秒，輸送帶全線真空，真空度為，0. 001-0. 000001託爾，，輸送帶分五至八個區域加熱配合雙軸延伸來消除塑料基材的原始內應力。
9.根據權利要求3所述的方法，其中，步驟22中，高溫透明膠水為經過改質的聚丙醯酸甲酯與聚醯亞胺的接枝型共聚物，與黃色螢光粉配比為1 0. 004-0. 020wt%，與紅色螢光粉的配比為1 0.001-0. 015wt%，與綠色螢光粉的配比為1 0. 002-0. 018wt%，與藍色螢光粉的配比為1 0. 003-0. 017wt%o
10.根據權利要求3所述的方法，其中，步驟22中，將黃紅綠藍四色耐高溫透明螢光膠， 倒入排列圖樣不同的金屬屏蔽上，通過自動印刷機印刷至塑料基材上。
11.根據權利要求1所述的方法，其中，將塑料基材上的納米微結構光子晶體貼布卷材置於卷帶機上，卷帶機輸送速度為1-20釐米/秒，輸送帶全線真空，真空度為 0. 001-0. 000001託爾，不加溫狀態下貼附聚丙烯保護膜。
12.根據權利要求4所述的方法，其中，步驟4中，將光子晶體貼布置於三軸幹膜光刻膠貼附機之上，上面的頁時鐘旋轉的第一滾輪去除聚丙烯保護膜，下面的逆時鐘旋轉的第二滾輪為去除塑料基材，中間的逆時鐘旋轉的第三滾輪為LED晶圓輸送前進滾輪，光子晶體貼布卷材置於第三滾輪之上。
全文摘要
本發明提供一種具有白光光子晶體的發光二極體的製備方法，包括通過電子束直寫配合納米機電方式製作納米級微結構金屬屏蔽層；以高溫透明膠水配置黃、紅、綠、藍螢光粉，將金屬屏蔽層在塑料基材處印刷各色螢光膠，經烘烤後形成各色納米微結構；將聚丙烯塑料薄膜披覆在光子晶體上，形成保護膜，實現白光光子晶體貼布；將未切割的LED晶圓置於三軸幹膜光阻貼附機上，去除塑料基材與保護膜，經過烘烤和脈衝雷射退火，將光子晶體貼附於LED晶片上。
文檔編號H01L33/50GK102339914SQ201110301360
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者王培賢, 蘇晉平 申請人:廣東昭信燈具有限公司