CN101189735A - 用于发光二极管的硅底座上的硅偏转器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造反射式光学阻挡层的方法，该反射式光学阻挡层包括硅并和发光器件结合使用，其中该方法包括以下述方式各向异性地湿式刻蚀硅材料：沿着硅材料的结晶(111)平面刻蚀的速率小于沿着平面(110)和(100)刻蚀的速率。本发明还包括和发光器件结合使用的反射式光学阻挡层和包含包括反射式光学阻挡层的至少一个发光器件的系统。

Description

用于发光二极管的硅底座上的硅偏转器
技术领域
本发明涉及一种制造反射式光学阻挡层(reflecting opticalbarrier)的方法。尤其是，本发明涉及一种制造反射式光学阻挡层的方法，该反射式光学阻挡层包括在制造发光二极管中使用的硅。
背景技术
用于信号发送和标志的高亮度发光二极管(LED)的大量应用被很好地建立起来了。期望它们在几年之内代替照明应用中的普通灯。
LED的其中一个有趣的特征是LED器件的颜色纯度。这可以在具有可编程光束颜色的灯中使用。对于多色彩LED灯，具有不同颜色的多个LED需要以彼此小间距地安装以使得可能形成小的光混合光学装置。
获得紧凑多芯片模块的已知原理是使用安装在公共衬底上的未封装的LED芯片。
然而，由于LED的发光特性，朝着安装表面或者向侧面发射的一些光被相邻的LED吸收。这种光丢失了，而不能被引导到前面。
US 2004/0218390 A1公开了一种紧凑且高效的光照系统，其特征是平面的多层LED光源阵列将它们的偏振的或者未偏振的输出聚集在有限的角度范围内。该光学系统使用增强的棱镜膜(elevatedprismatic film)、偏振转化膜、微透镜阵列和外半球的(externalhemispherical)或者椭圆体的反射元件中的至少一个来处理定位在成金属反射槽(bin)形状的相应阵列的输入孔隙内的由电互连LED芯片的平面阵列所发射的光。LED阵列照明系统的实际应用包括紧凑的LCD或者DMD视频图像投影仪以及通常的照明、汽车的和LED的背照。
然而，在如上所述的现有技术中仍存在显著的缺陷。这种成金属反射槽形状的光照系统的一个主要因素是难以制造。一种替换方案是使用成形刀具并将所需的图案浮雕成软材料。提供了第二个替换方案，其中硅衬底经受反应性离子刻蚀，以便于获得反射槽的所需形状。在任何情况中，所形成的槽阵列侧壁可能需要用金属膜涂覆，以便于获得所需的反射特性。
尤其是在硅衬底的情况中，由于等离子体刻蚀机的有限容量，所以反应性离子刻蚀的方法，作为等离子体刻蚀方法以及由此的干式方法是不经济的，它需要高能量并且很难控制在衬底上形成精细结构。
因此，存在这样的需要：简单地、经济地和容易地控制制造反射式光学阻挡层的方法，该阻挡层可以和发光器件结合使用。
发明内容
以这种方式根据本发明实现这种目的，该方法包括在以下述方式对硅材料进行各向异性的湿式刻蚀：沿着硅材料的结晶(111)平面刻蚀的速率小于沿着平面(110)和(100)刻蚀的速率。
这是特别有利的，因为这样的事实：湿式刻蚀的方法可升级到一个很大程度并且不依赖于耗电的等离子体炉来操作。
如本发明所使用的，术语“沿着平面刻蚀”意味着去除材料的整个方向垂直于关注的平面。优选地，刻蚀硅材料的速率的次序是这样的：沿着(111)平面的刻蚀慢于沿着(100)平面的刻蚀，沿着(100)平面的刻蚀依次慢于沿着平面(110)的刻蚀。
惊奇地发现，根据本发明的方法导致产生了高反射质量的表面。没有受到某一原理的限制，注意，平面(110)是最快的刻蚀主平面。理想的平面(110)具有比主平面(100)和(111)更折皱的(corrugated)原子结构。平面(111)是紧密压挤(pack)的极慢的刻蚀平面，每个原子具有单个不饱和键，并且总的来说在原子上是平坦的。
在根据本发明的一个实施例中，湿式刻蚀配方包括选自包括氢氧化物蚀刻剂、EDP(乙二胺/邻苯二酚(pyrocatechole)/水)和/或肼的组中的刻蚀剂，优选KOH。
用于各向异性的氢氧化钾(KOH)湿式刻蚀溶液的配方可以包括，但是不局限于：20％KOH∶80％H2O、30％KOH∶70％H2O、40％KOH∶60％H2O、4份20％KOH∶80％H2O和1份异丙醇、44％KOH∶56％H2O、23.4％KOH∶63.3％H2O∶13.3％异丙醇。
根据本发明的各向异性湿式KOH刻蚀的工作温度可以在从≥20℃到≤120℃的范围。
表1列出了相对于硅中的结晶平面、在70℃的温度下用给定强度的KOH水溶液刻蚀硅的速率[μm/min]。括号中的值是相对于(110)的标准化值。
结晶方向   在70℃时，在不同的KOH浓度下硅刻蚀的速率；[μm/min]
  30％   40％   50％
(110)   1.455(1.000)   1.294(1.000)   0.870(1.000)
(100)   0.797(0.548)   0.599(0.463)   0.539(0.619)
(111)   0.005(0.004)   0.009(0.007)   0.009(0.010)
表1
用于各向异性的四甲基氢氧化铵(TMAH)湿式刻蚀溶液的配方可以包括，但是不局限于：5％TMAH∶95％H2O、10％TMAH∶90％H2O、2％TMAH∶98％H2O、22％TMAH∶88％H2O、22％TMAH∶88％H2O和0.5％表面活性剂、22％TMAH∶88％H2O∶和1.0％表面活性剂。
根据本发明的各向异性湿式TMAH刻蚀的工作温度可以在从≥20℃到≤90℃的范围。
表2列出了相对于硅中的结晶平面、在变化的温度下用5％TMAH：95％H2O的水溶液刻蚀硅的速率[μm/min]。括号中的值是相对于(110)的标准化值。
    结晶方向   用5％TMAH∶95％H2O在不同的温度硅刻蚀的速率；[μm/mi n]
  60℃   70℃   80℃   90℃
    (110)   0.64(1.000)   0.74(1.000)   1.4(1.000)   1.8(1.000)
    (100)   0.33(0.515)   0.48(0.648)   0.87(0.621)   1.4(0.777)
    (111)   0.026(0.040)   -    -   0.034(0.018)
表2
用于各向异性的乙二胺/邻苯二酚/水(EDP)湿式刻蚀溶液的配方可以包括，但是不局限于(‘en’表示乙二胺，H2N(CH2)2NH2；‘pc’表示邻苯二酚，C6H4(OH)2)：500ml en：88g pc：234ml H2O或者500mlen：160g pc：160ml H2O，500ml en：160g pc：1g吡嗪：160ml H2O，或者500ml en：160g pc：3g吡嗪：160ml H2O，或者500ml en：80gpc：3.6g吡嗪：66ml H2O，或者46.4mol-％en：4mol-％pc：49.4mol-％H2O，或者250ml en：45g pc：120ml H2O。
根据本发明的各向异性湿式EDP刻蚀的工作温度可以在从≥50℃到≤120℃的范围。
表3列出了相对于硅中的结晶平面、在110℃的温度下用500ml乙二胺：88g邻苯二酚：234ml H2O溶液刻蚀硅的速率[μm/min]。括号中的值是相对于(110)的标准化值。
结晶方向 (在110℃，在500ml乙二胺：88g邻苯二酚：234mlH2O)硅刻蚀的速率；[μm/min]
(110) 0.28(1.000)
(100) 0.47(1.678)
(111) 0.028(0.100)
表3
在另一个实施例中，在如图1到6中描述的步骤中，可以进行制造根据本发明的包括硅的反射式光学阻挡层的方法。
附图说明
图1示出了硅衬底(1)，在其上沉积二氧化硅(2)和/或氮化硅(3)层。
图2示出了通过平版印刷术构图(patterning)光学阻挡层、刻蚀二氧化硅(2)和/或氮化硅(3)层之后的硅衬底(1)。
图3示出了在硅衬底上进行各向异性的湿式刻蚀之后的硅衬底(1)。形成具有底面(5)的空腔(4)。
图4示出了在进一步去除二氧化硅和/或氮化硅层之后的硅衬底(1)。
图5示出了已经安装在箔(6)上的硅衬底(1)。
图6示出了研磨背面之后的硅衬底(1)。现在空腔(4)不再包括底面。
具体实施方式
在本发明的一个实施例中，湿式刻蚀硅材料到这样的程度：将贯穿开口刻蚀到材料中。这具有这样的优点：可以缩短或者省略研磨步骤(图6)。可替换地，在本发明的另一个实施例中，将硅材料湿式刻蚀到这样的程度：在所述材料中形成具有底部的空腔。这具有这样的优点：硅材料不需要被浸入到湿式刻蚀溶液中很长时间。根据蚀刻剂的性质，可以在较短的时间段中将更精细的结构刻蚀到材料中。然后研磨硅衬底的后侧(如图6所示)。
在本发明的优选实施例中，制造根据本发明的包括硅的反射式光学阻挡层的方法包括下述步骤：将硅晶片研磨成给定的厚度，该厚度等于反射式光学阻挡层的所需高度；将一个或者多个氮化硅层沉积到所述晶片的前侧面和后侧面；通过平版印刷术构图光学阻挡层；刻蚀在已经通过平版印刷术构图光学阻挡层的晶片的侧面上的氮化硅层；各向异性地湿式刻蚀硅衬底；刻蚀在晶片上剩余的氮化硅层；在箔上安装硅晶片；切割晶片。
在本发明的另一个优选实施例中，用反射表面，优选银和/或铝，涂覆所述光学阻挡层。通过本领域中已知的方法，例如溅射、气相沉积、化学气相沉积或者金属有机化学气相沉积可以获得涂层。具有反射表面的附加涂层可以对反射式光学阻挡层的总光效率产生有益的影响。
在本发明的另一优选实施例中，光学阻挡层附加地配备有用于将光学阻挡层安装在第二表面上的引导辅助设备(guiding aid)。第二表面可以是但不局限于包括发光器件的底座。根据本发明的引导辅助设备可以是突起或者可替换地是在反射式光学阻挡层内的空腔。该引导辅助设备有助于两个表面的安装，使得产品型组件可以更有效地运行。
本发明的范围还包括通过根据本发明的方法获得的反射式光学阻挡层，该反射式光学阻挡层可以和发光器件结合作用。发光器件可以选自于包括发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)和/或固态激光器的组。
注意，通过根据本发明的方法获得的反射式光学阻挡层是独立的整体，因此可以安装在发光器件的底座上。例如，它可以安装在发光二极管、有机发光二极管或者半导体激光器的底座上。反射式光学阻挡层可以利用粘附着力、借助于粘合剂或者通过焊接连接到底座。由于反射式光学阻挡层的硅材料的性质，所以该阻挡层可以是柔性的。这可以具有这样的优点，：可以补偿从与底座的理想平面性的小偏差。
从图7可以看出，根据本发明的反射式光学阻挡层(1)安装在发光器件(10)的底座上。发光器件(8)从与和反射式光学阻挡层的相对的一侧电接触。这具有这样的优点：没有有线部件阻断光的反射。
在根据本发明的另一个实施例中，用具有高折射率的物质密封包括发光器件的反射式光学阻挡层中的空腔。这种物质可以是但是不局限于环氧树脂。这种密封导致了光照系统的总光发射的改善，其可以高达10％。
通过根据本发明的方法获得的反射式光学阻挡层(如图7所示)可以具有≥100μm到≤500μm的侧壁(7)高度、和/或≥80μm到≤100μm的发光器件(8)高度、和/或≥80μm到≤300μm的中心反射壁(9)高度。
在优选实施例中，通过根据本发明的方法获得的反射式光学阻挡层(如图7所示)可以具有大约500m的侧壁(7)高度、大约100m的发光器件(8)高度、和大约200μm的中心反射壁(9)高度。
通过根据本发明获得的反射式光学阻挡层可以包括一个空腔，发光器件可以伸入其中。可替换地，一个反射式光学阻挡层单元可以包括多个空腔。例如，一个反射式光学阻挡层单元可以包括四个空腔。具有四个空腔的该单元对于制造根据本发明的RGBA颜色模型的发光器件可能是有用的。RGBA颜色模型(红、绿、蓝和琥珀色)尤其适用于需要白光的发光应用。具有四个空腔的该单元可以结合红、绿、蓝和琥珀色发光器件。
可以以类似栅格的方式有规律地布置反射式光学阻挡层中的空腔。在本发明的另一个实施例中，空腔被不规则地布置。因为空腔限定了发光器件的位置，所以这可以获得对眼睛来说更舒适的照明效果。
对于包括反射式光学阻挡层和发光器件的光照系统的一个要求是需要精确控制发光器件相对于反射式光学阻挡层的位置。根据本发明，通过这样的事实满足这种要求：发光器件伸入到反射式光学阻挡层的空腔中，由此在固定的位置中。
根据本发明的反射式光学阻挡层还可以包括无源部件，优选选自包括电子元器件、流体管道、气体管道和/或光波导。在很多方面这是有利的。电子元器件例如电路的另外集成可以减少包括反射式光学阻挡层的系统的总尺寸。另外，在反射式光学阻挡层中结合压电材料，可以影响所发射的光的反射方向。流体和气体导管例如可以用于冷却工作期间反射式光学阻挡层的目的。最后，可以使用光波导沿着反射式光学阻挡层传送光编码信息。
包括发光器件的根据本发明的反射式光学阻挡层可以用于照明目的。例如，可以在下述的一个或者多个应用中使用包括根据本发明的反射式光学阻挡层、发光二极管(LED)或者有机发光二极管(OLED)的系统：商店照明、家庭照明、照明灯、重点照明、局部照明、剧院照明、办公室照明、工作场所照明、汔车头灯照明、汽车辅助照明、汽车内部照明、用户电视应用、光纤应用、投影系统、发信号和标志。
所有的这些应用受益于这样的事实：可以改善光效率和电效率。
为了提供全面的公开，而不过度地加长说明书，由此申请人通过参考而引入了上述提到的专利和专利应用。
上面的具体实施例中的元件和特征的特定组合只是示例性的；还特意想到这里这些教导和其它教导的互换和替代以及通过参考而引入的专利/申请。本领域技术人员将意识到，在不脱离所要求保护的本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对这里所描述的进行变形、改动和其它实施。因此，上述的描述仅仅是作为例子，并不意味着限制。在下面的权利要求和其等价物中定义了本发明的范围。另外，在说明书和权利要求中使用的附图标记不限制所要求保护的本发明的范围。

Claims (10)

1.一种用于制造反射式光学阻挡层的方法，该反射式光学阻挡层包括硅且与发光器件结合使用，其中该方法包括以这样的方式各向异性地湿式刻蚀硅材料：沿着硅材料的结晶(111)平面刻蚀的速率小于沿着(110)平面和(100)平面刻蚀的速率。
2.根据权利要求1的方法，其中该方法包括下述步骤：在硅衬底上创建二氧化硅和/或氮化硅层；通过平版印刷术构图光学阻挡层；刻蚀二氧化硅和/或氮化硅层；各向异性地湿式刻蚀硅衬底；进一步去除二氧化硅和/或氮化硅层；在箔上安装硅晶片；如果需要，研磨后面直到光学阻挡层和硅晶片脱离。
3.根据权利要求1或者2的方法，其中将硅材料湿式刻蚀到这样的程度：形成通孔开口或者具有封闭的底部的空腔。
4.根据权利要求1的方法，其中该方法包括下述步骤：将硅晶片研磨成给定的厚度，该厚度等于反射式光学阻挡层的所需高度；将一个或者多个氮化硅层沉积到所述晶片的前侧面和后侧面；通过平版印刷术构图该光学阻挡层；在已经通过平版印刷术构图该光学阻挡层的晶片的侧面上刻蚀氮化硅层；各向异性地湿式刻蚀硅衬底；刻蚀在该晶片上剩余的氮化硅；在箔上安装该硅晶片；切割该晶片。
5.根据权利要求1到4的方法，其中光学阻挡层涂覆有反射表面，优选银和/或铝。
6.根据权利要求1到5的方法，其中光学阻挡层另外配备有用于将光学阻挡层安装在第二表面上的引导辅助设备。
7.反射式光学阻挡层，其通过根据权利要求1到6的方法获得，其和发光器件结合使用。
8.反射式光学阻挡层，其通过根据权利要求1到7的方法获得，其中它具有≥100μm到≤500μm的侧壁高度，优选500μm，和/或≥80μm到≤100μm的发光器件高度，优选100μm，和/或≥80μm到≤300μm的中心反射壁高度，优选200μm。
9.根据权利要求7或者8的反射式光学阻挡层，还包括无源部件，优选选自包括电子元器件、流体管道、气体管道和/或光波导的组。
10.包括发光器件的反射式光学阻挡层的用途，用于照明目的。
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