CN102339914A - 一种具有白光光子晶体的发光二极管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有白光光子晶体的发光二极管的制备方法，包括：通过电子束直写配合纳米机电方式制作纳米级微结构金属屏蔽层；以高温透明胶水配置黄、红、绿、蓝荧光粉，将金属屏蔽层在塑料基材处印刷各色荧光胶，经烘烤后形成各色纳米微结构；将聚丙烯塑料薄膜披覆在光子晶体上，形成保护膜，实现白光光子晶体贴布；将未切割的LED晶圆置于三轴干膜光阻贴附机上，去除塑料基材与保护膜，经过烘烤和脉冲激光退火，将光子晶体贴附于LED芯片上。
Description
技术领域
本发明涉及光学晶体技术，更具体地，涉及一种具有白光光子晶体的发光二极管的制备方法。
背景技术
光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。光子晶体的结构正如半导体材料在晶格结点周期性的出现离子一样，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率(如人工造成的空气空穴)的材料。高低折射率的材料交替排列形成周期性结构，就可以产生光子晶体带隙。而周期排列的低折射率位点的之间的距离大小相同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。
如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向。如果在三个方向上都存在周期结构，那么可以出现全方位的光子带隙，特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。因为光被禁止出现在光子晶体带隙中，所以可以预见到能够自由控制光的行为。例如，如果考虑引入一种光辐射层，该层产生的光和光子晶体中的光子带隙频率相同，那么由于光的频率和带隙一致则禁止光出现在该带隙中这个原则就可以避免光辐射的产生。这就使可以控制以前不可避免的自发辐射。而如果通过引入缺陷破坏光子晶体的周期结构特性，那么在光子带隙中将形成相应的缺陷能级。将仅仅有特定频率的光可在这个缺陷能级中出现，这就可以用来制造单模发光二极管和零域值激光发射器。而如果产生了缺陷条纹，即沿着一定的路线引入缺陷，那么就可以形成一条光的通路，类似于电流在导线中传播一样，只有沿着″光子导线″(即缺陷条纹)传播的光子得以顺利传播，其它任何试图脱离导线的光子都将被完全禁止。
光子晶体的制备通常包括自顶向下方法，例如常规半导体工艺中的光刻法和离子束刻蚀法，或者有规律地布置具有均匀尺寸的纳米粒子的自底向上方法。常规半导体工艺中的光刻法和离子束刻蚀法虽然可以制备复杂规则结构，但是具有非常高的制备费用和需要很长的制备周期；通过纳米例子的自组装制备光子晶体的方法虽然无需额外费用和设备，但是不能在短时间内制备大尺寸的光子晶体，而且良率较低。
另外，通过重力的沉积法利用将长时间分散高分子二氧化硅胶体的溶液静置时粒子通过重力沉积到底部，然后自组装。但是这种方法具有处理时间长并且光子晶体缺陷率高的缺陷。
发明内容
为克服现有缺陷，本发明提出一种具有白光光子晶体的发光二极管的制备方法。
根据本发明的一个方面，提出了一种具有白光光子晶体的发光二极管的制备方法，包括：步骤1，通过电子束直写配合纳米机电方式制作纳米级微结构金属屏蔽层；步骤2，以高温透明胶水配置黄、红、绿、蓝荧光粉，将金属屏蔽层在塑料基材处印刷各色荧光胶，经烘烤后形成各色纳米微结构；步骤3，将聚丙烯塑料薄膜披覆在光子晶体上，形成保护膜，实现白光光子晶体贴布；步骤4，将未切割的LED晶圆置于三轴干膜光阻贴附机上，去除塑料基材与保护膜，经过烘烤和脉冲激光退火，将光子晶体贴附于LED芯片上。
附图说明
图1为具有纳米微透镜阵列的白光光子晶体的部分制备流程示意图；
图2为双轴延伸和热处理示意图；
图3为印刷荧光胶和烘烤示意图；
图4为脉冲激光处理和贴附保护膜示意图；
图5为光子晶体去膜、烘烤示意图。
如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种具有白光光子晶体的发光二极管的制备方法进行详细描述。
其中，在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。
总的来说，本发明以电子束直写(Electron beam direct writing)配合纳米机电(NEMS)方式来制作纳米级微结构金属屏蔽层，以适当的高温透明胶水(Glue)配置黄(Yellow)、红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)荧光粉，将金属屏蔽层在塑料基材(如PET；PMMA；COC；TransparentPI)处印刷各色荧光胶，经烘烤后形成各色纳米微结构。之后进行脉冲激光快速退火制程，再以聚丙烯塑料薄膜披覆于光子晶体之上，作为保护膜，完成白光光子晶体贴布制程。之后将未切割的LED晶圆置于三轴干膜光阻贴附机之上，去除塑料基材与保护膜，经过烘烤及脉冲激光退火，从而将光子晶体贴附于LED芯片上。
在根据本发明的一个实施例中，提供该结构的制备方法，包括：步骤1，使用电子束直写方式制作光刻掩膜板，光刻掩膜板涂布负型光刻胶并置于深紫外光曝光系统中进行深紫外光曝光制程，之后进行显影制程，通过反应性离子蚀刻对光刻掩膜板进行蚀刻，以镍铁合金电镀液进行电铸，然后进行剥膜制程，进行翻模，制作纳米级微透镜的金属屏蔽层；步骤2，将塑料基材置于卷带机上，通过真空输送带加热配合双轴延伸来消除塑料基材的原始内应力；步骤3，通过耐高温透明胶水来配置黄、红、绿、蓝荧光胶，并涂布到图样不同的金属屏蔽层上，通过自动印刷机印刷至塑料基材上；步骤4，通过烘烤和快速退火，制得二维光子晶体。
进一步，该方法还包括：步骤5，将塑料基材上制得的纳米微结构光子晶体贴布卷材置于卷带机上，贴附聚丙烯保护膜，完成纳米微结构光子晶体贴布的制作；步骤6，将光子晶体贴布置于三轴干膜光刻胶贴附机上，去除聚丙烯保护膜和塑料基材，并实现LED晶圆与纳米微结构光子晶体的假性黏合；步骤7，通过烘烤和快速退火，完全固化的各色高温透明荧光胶与LED晶圆表面高度黏合。
具体地，对本发明的另一实施例的方法进行详细描述。其中，步骤1，使用电子束直写方式制作光刻掩膜板，光刻掩膜板涂布负型光刻胶并置于深紫外光曝光系统中进行深紫外光曝光制程，之后进行显影制程，通过反应性离子蚀刻对光刻掩膜板进行蚀刻，以镍铁合金电镀液进行电铸，然后进行剥膜制程，再以翻模方式制作金属屏蔽层。其中，如图1A所示，使用电子束直写(Electron Beam direct writing)方式在石英(Quartz)材料的光刻掩膜板(Photo mask)的铬金属层(Chromium layer)上进行图样(Pattern)制作，铬金属层厚度为10-30纳米。
如图1B和1C所示，将光刻掩膜板(Photo mask)置于深紫外光曝光系统(Deep Ultraviolet Exposure System)中并对已涂布负型光刻胶(Negative photo resist)(SU-8；厚度为0.6-2.0微米，使用真空旋转涂布方式其转速为5000-10000rpm，前烤温度为70-120℃，时间为20-50分钟)的光学级不锈钢板(即涂布负型光刻胶的光刻掩膜板)进行深紫外光曝光制程(曝光能量为500-1000KJ，曝光时间为0.1-0.8ms)；
如图1D和1E所示，之后进行显影制程(氢氧化钠浓度：3-8％，显影时间：10-30秒，温度：25-50℃)，再进行反应性离子蚀刻对光学级不锈钢板进行蚀刻(时间：10-50秒)；
如图1F所示，之后以镍铁合金电镀液(镍铁比例为7-9；3-1)进行电铸制程(温度为45-70℃)，如图1G所示，进行剥膜制程(氢氧化钠浓度：5-10％，显影时间：50-80秒，温度：50-80℃)，如图1H所示，再以翻模方式制作金属屏蔽(Metal mask)。
进一步，步骤2中，将塑料基材置于卷带机上，通过真空输送带加热配合双轴延伸来消除塑料基材的原始内应力。其中，如图2所示，将塑料基材置于卷带机上，卷带机输送速度为1-20厘米/秒，输送带全线真空，其真空度为(0.001-0.000001托尔)。将塑料基材完全吸附于抗静电输送带上，而输送带分五至八个区域加热配合双轴延伸来消除塑料基材的原始内应力。各区域温度与时间参数如下；第一区(温度为50-100℃；时间为5-20分钟)；第二区(温度为100℃；时间为5-20分钟)；第三区(温度为100-150℃；时间为10-20分钟)；第四区(温度为150℃；时间为10-20分钟)；第五区(温度为150-200℃；时间为10-120秒)；第六区(温度为200℃；时间为10-20分钟)；第七区(温度为200-150℃；时间为10-30分钟)；第八区(温度为150-50℃；时间为10-50分钟)，将消除原始内应力的塑料基材置于另一卷带机上，卷带机输送速度为1-20厘米/秒，而输送带全线真空，其真空度为(0.001-0.000001托尔)将塑料基材完全吸附于抗静电输送带上。
进一步，步骤3中，通过耐高温透明胶水来配置黄、红、绿、蓝荧光胶，并涂布到图样不同的金属屏蔽层上，通过自动印刷机印刷至塑料基材上。其中，以适当的耐高温透明胶水来配置黄、红、绿、蓝荧光胶水，高温透明胶水为经过改质的聚丙酰酸甲酯(Poly methylmethacrylate)与聚酰亚胺(Polyimide)的接枝型共聚物(Graftcopolymer)。与黄色荧光粉配比为(1∶0.004-0.020wt％)，与红色荧光粉的配比为(1∶0.001-0.015wt％)，与绿色荧光粉的配比为(1∶0.002-0.018wt％)，与蓝色荧光粉的配比为(1∶0.003-0.017wt％)。如图3A所示，将黄红绿蓝四色耐高温透明荧光胶，分别倒入排列图样不同的金属屏蔽上，并通过高精度的自动印刷机(制作倒转芯片凸块用的印刷机)印刷至塑料基材上。而印刷机的制程参数如下：刮刀下压压力为(每平方厘米0.01-100g)，真空度为(0.001-0.000001托尔)，刮刀进刀的速度为(0.01-1厘米/秒)，刮刀回刀的速度为(0.01-1厘米/秒)。
进一步，步骤4中，通过烘烤和快速退火，制得二维光子晶体。其中，如图3B所示，之后进行烘烤，具体参数如下；第一段升温(由室温升温至50-120℃；升温速率；5-30℃/分钟)，第二段恒温(保持50-120℃，持续5-20分钟)，第三段升温(由50-120℃升温至200-250℃；升温速率5-30℃/分钟)，第四段恒温(保持200-250℃，持续5-20分钟)，第五段降温(由200-250℃降温至150-200℃；降温速率5-30℃/分钟)，第六段恒温(保持150-200℃，持续5-20分钟)，第七段降温(由150-200℃降温至100-150℃；降温速率5-30℃/分钟)，第八段恒温(保持100-150℃，持续5-20分钟)，第九段降温(由100-150℃降温至50-100℃；降温速率5-30℃/分钟)，第十段恒温(保持50-100℃，持续5-20分钟)，之后自然冷却至室温，透过材料特性与温度控制可得到纳米微结构光子晶体相关排列方式，其中，图样形状为长方体(长：10-100纳米；宽：5-50纳米；高：2.5-25纳米)，图样间距为10-100纳米；图像形状为正方体(长：10-100纳米；宽：10-100纳米；高：10-100纳米)，图样间距为10-100纳米；图像形状为双圆环体(内径：10-100纳米；外径：10-100纳米；高：10-100纳米)，图样间距为10-100纳米。
如图4A所示，为消除各色纳米微结构的内应力，以脉冲式激光进行快速退火，以消除纳米微结构的内应力，以避免日后内应力释放造成微结构微开裂(Micro-crack)影响白光光子晶体的光学性质。处理时间为1-100毫秒(每颗芯片)，以上步骤可制作二维光子晶体(Twodimension photonic crystal)，此时各色高温透明荧光胶为具黏性的半干状态。
进一步，步骤5中，将塑料基材上制得的纳米微结构光子晶体贴布卷材置于卷带机上，贴附聚丙烯保护膜，完成纳米微结构光子晶体贴布的制作。其中，如图4B所示，将塑料基材上制得的纳米微结构光子晶体贴布卷材置于一卷带机上，卷带机输送速度为1-20厘米/秒，输送带全线真空，其真空度为(0.001-0.000001托尔)。将塑料基材完全吸附于抗静电输送带上，而各区域不加温，同时贴附聚丙烯保护膜，完成纳米微结构光子晶体贴布的制作。
进一步，步骤6中，将光子晶体贴布置于三轴干膜光刻胶贴附机上，去除聚丙烯保护膜和塑料基材，并实现LED晶圆与纳米微结构光子晶体的假性黏合。其中，如图5A所示，之后将光子晶体贴布置于三轴干膜光刻胶贴附机之上，该机台的三个滚轮其作用分别如下；上面得第一滚轮为去除聚丙烯保护膜(顺时钟旋转，转速为100-1000rpm)；下面的第二滚轮为去除塑料基材(逆时钟旋转，转速为100-1000rpm)；中间的第三滚轮为LED晶圆输送前进滚轮(逆时钟旋转，转速为100-1000rpm)，而光子晶体贴布卷材置于第三滚轮之上。经此制程后，LED晶圆与纳米微结构光子晶体完成假性黏合。
进一步，步骤7中，通过烘烤和快速退火，完全固化的各色高温透明荧光胶与LED晶圆表面高度黏合。如图5B所示，之后进行烘烤，第一段升温(由室温升温至50-150℃；升温速率5-30℃/分钟)，第二段恒温(保持50-150℃，持续5-20分钟)，第三段升温(由50-150℃升温至250-300℃；升温速率5-30℃/分钟)，第四段恒温(保持250-300℃，持续5-20分钟)，第五段降温(由250-300℃降温至150-200℃；降温速率5-30℃/分钟)，第六段恒温(保持150-200℃，持续5-20分钟)，第七段降温(由150-200℃降温至100-150℃；降温速率5-30℃/分钟)，第八段恒温(保持100-150℃，持续5-20分钟)，第九段降温(由100-150℃降温至50-100℃；降温速率5-30℃/分钟)，第十段恒温(保持50-100℃，持续5-20分钟)，之后自然冷却至室温.
如图5C所示，为消除各色纳米微结构的内应力，以脉冲式激光进行快速退火，以消除纳米微结构的内应力，以避免日后内应力释放造成微结构微开裂(Micro-crack)影响白光光子晶体的光学性质。处理时间为1-100毫秒(每颗芯片)，此时各色高温透明荧光胶为完全固化的状态，与LED晶圆表面具有高度黏合性。
完成以上步骤可实现二维光子晶体(Two dimension photoniccrystal)贴布于LED晶圆上。
最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。
Claims (12)
1.一种具有白光光子晶体的发光二极管的制备方法，包括：
步骤1，通过电子束直写配合纳米机电方式制作纳米级微结构金属屏蔽层；
步骤2，以高温透明胶水配置黄、红、绿、蓝荧光粉，将金属屏蔽层在塑料基材处印刷各色荧光胶，经烘烤后形成各色纳米微结构；
步骤3，将聚丙烯塑料薄膜披覆在光子晶体上，形成保护膜，实现白光光子晶体贴布；
步骤4，将未切割的LED晶圆置于三轴干膜光阻贴附机上，去除塑料基材与保护膜，经过烘烤和脉冲激光退火，将光子晶体贴附于LED芯片上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤1包括：使用电子束直写方式制作光刻掩膜板，光刻掩膜板涂布负型光刻胶并置于深紫外光曝光系统中进行深紫外光曝光制程，之后进行显影制程，通过反应性离子蚀刻对光刻掩膜板进行蚀刻，以镍铁合金电镀液进行电铸，然后进行剥膜制程，进行翻模，制作纳米级微透镜的金属屏蔽层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤2包括：
步骤21，将塑料基材置于卷带机上，通过真空输送带加热配合双轴延伸来消除塑料基材的原始内应力；
步骤22，通过耐高温透明胶水来配置黄、红、绿、蓝荧光胶，并涂布到图样不同的金属屏蔽层上，通过自动印刷机印刷至塑料基材上；
步骤23，通过烘烤和快速退火，制得二维光子晶体。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤4包括：将光子晶体贴布置于三轴干膜光刻胶贴附机上，去除聚丙烯保护膜和塑料基材，并实现LED晶圆与纳米微结构光子晶体的假性黏合；通过烘烤和快速退火，完全固化的各色高温透明荧光胶与LED晶圆表面高度黏合。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤1中，使用电子束直写方式在石英材料的光刻掩膜板的铬金属层上进行图样制作，铬金属层厚度为10-30纳米。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤1中，将光刻掩膜板置于深紫外光曝光系统中并对已涂布负型光刻胶的光刻掩膜板进行深紫外光曝光制程，其中，曝光能量为500-1000KJ，曝光时间为0.1-0.8ms；其中，负型光刻胶为SU-8；厚度为0.6-2.0微米，使用真空旋转涂布方式，其转速为5000-10000rpm，前烤温度为70-120℃，时间为20-50分钟。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，步骤1中，以镍铁合金电镀液进行电铸制程，温度为45-70℃，镍铁比例为7-9∶3-1(重量比)；剥膜制程中氢氧化钠浓度：5-10％，显影时间：50-80秒，温度：50-80℃。
8.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤21中，将塑料基材置于卷带机上，卷带机输送速度为1-20厘米/秒，输送带全线真空，真空度为，0.001-0.000001托尔，，输送带分五至八个区域加热配合双轴延伸来消除塑料基材的原始内应力。
9.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤22中，高温透明胶水为经过改质的聚丙酰酸甲酯与聚酰亚胺的接枝型共聚物，与黄色荧光粉配比为1∶0.004-0.020wt％，与红色荧光粉的配比为1∶0.001-0.015wt％，与绿色荧光粉的配比为1∶0.002-0.018wt％，与蓝色荧光粉的配比为1∶0.003-0.017wt％。
10.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤22中，将黄红绿蓝四色耐高温透明荧光胶，倒入排列图样不同的金属屏蔽上，通过自动印刷机印刷至塑料基材上。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，将塑料基材上的纳米微结构光子晶体贴布卷材置于卷带机上，卷带机输送速度为1-20厘米/秒，输送带全线真空，真空度为0.001-0.000001托尔，不加温状态下贴附聚丙烯保护膜。
12.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤4中，将光子晶体贴布置于三轴干膜光刻胶贴附机之上，上面的页时钟旋转的第一滚轮去除聚丙烯保护膜，下面的逆时钟旋转的第二滚轮为去除塑料基材，中间的逆时钟旋转的第三滚轮为LED晶圆输送前进滚轮，光子晶体贴布卷材置于第三滚轮之上。
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| CN102339914B (zh) | 2013-07-24 |
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