CN114068779B - 应用于直下式背光led芯片的复合型衬底及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底及其制备方法，所述应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底，包括蓝宝石基板，所述蓝宝石基板上设置有纳微米图形，所述纳微米图形包括设置在蓝宝石基板上的六棱锥反射层和介电绝缘层。本复合衬底能够显著提升光的出光效率和增加LED的亮度。所述一种应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底的制备方法，包括清洗、涂覆反射层、涂胶、一次干法刻蚀、清洗、沉积介电绝缘层、一次涂胶，曝光、显影、二次干法刻蚀、二次涂胶，曝光、显影、沉积DBR反射层等步骤。通过本发明制备的复合衬底具有加工精度高，产品稳定性好，出光效率高的优点，可广泛应用于LED衬底制造领域。
Description
技术领域
本发明涉及LED衬底制造领域，尤其是涉及一种应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底及其制备方法。
背景技术
LED作为一种新兴固体照明光源，具有体积小、寿命长、可靠性好、节能环保等特点，已在照明和显示领域广泛应用。目前显示行业多采用侧入式和直下式两种入光方式，相比侧入式，直下式入光方式光源的成本低，光效利用率高，利用场合更为广泛。
目前的直下式LED图形化衬底，其提升LED器件光提取效率的手段，大多为利用图案界面改变光的入射角度，抑制LED内部全反射；同时传统图形化衬底的图形多为周期性排列的圆锥或圆柱，并无针对提高轴向出光的光学结构设计，光的提取效率难以进一步提高。但随着LED显示行业迅猛发展，消费市场对产品品质及亮度的要求缺越来越高，尤其在Mini/Micro LED直下式背光显示领域，目前亟需面积更小、亮度更高LED产品，仅依靠传统图形化衬底LED芯片已很难满足需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底及其制备方法，解决现有图形化蓝宝石衬底出光效率低的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底，包括蓝宝石基板，所述蓝宝石基板上设置有周期性排列的第一纳微米图形和第二纳微米图形，所述第二纳微米图形的四周等距离分布有三个或者四个第一纳微米图形且第一纳微米图形小于第二纳微米图形；所述第一纳微米图形和第二纳微米图形包括设置在蓝宝石基板上的六棱锥反射层和包覆在六棱锥反射层外部的介电绝缘层，所述介电绝缘层为圆台状结构。
进一步的，相邻两所述第一纳微米图形间的距离为0.1～10μm，相邻两第二纳微米图形的距离为0.1～10μm。
优选的，所述第一纳微米图形的底宽为0.5～5μm，所述第二纳微米图形的底宽为0.5～5μm；所述第一纳微米图形和第二纳微米图形的高度与底宽的比值均为0.62～0.68。
为提高直射光线反射效率，所述介电绝缘层的顶部还设置有DBR反射层。
为提高六棱锥反射层的反射率，所述六棱锥反射层的材料为Au、Ag、Ni、Pt中的一种或者几种金属的合金；所述介电绝缘层的材料为SiO2、Si3N4和h-BN中的一种。
为保证上述应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底加工的精度，本发明还提供了一种应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一平面蓝宝石基板，并清洗洁净；
2)在蓝宝石基板上形成一层反射层；
3)在反射层上涂覆一层光刻胶，然后使用分布有与第一纳微米图形和第二纳微米图形相适配的六棱柱结构的软模板对光刻胶进行纳米压印，在光刻胶上形成与第一纳微米图形和第二纳微米图形相适配的六棱柱状胶柱；
4)以六棱柱状胶柱为阻挡层对反射层进行ICP刻蚀，从而在蓝宝石基板上形成一组分别与第一纳微米图形和第二纳微米图形相适配的六棱锥反射层；
5)清洗去除多余的光刻胶，并在形成有六棱锥反射层的蓝宝石基板表面沉积一层SiO2、Si3N4或h-BN，形成介电层；
6)在介电层表面涂覆一层负向光刻机，并通过曝光、显影在六棱锥反射层的上方形成一组光刻胶柱；
7)以光刻胶柱作为阻挡层对介电层进行ICP刻蚀，从而形成一组包覆在六棱锥反射层上的介电绝缘层；
8)在沉积有介电绝缘层的蓝宝石基板表面涂覆一层负向光刻胶，并通过曝光、显影去除介电绝缘层上方的光刻胶；
9)使用化学气相沉积法在介电绝缘层及其光刻胶的表面沉积DBR反射层；之后通过清洗去除表面剩余的光刻胶，得应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底。
为保证蓝宝石清洗干净，所述步骤1)中的清洗过程包括：蓝宝石基板先经过丙酮刷洗5～10分钟，然后在90℃的浓H2SO4与H2O2体积比为3:1或5:2的混合溶液中清洗10～15分钟，再用80℃的去离子水清洗8～10分钟，最后用25℃的去离子水清洗5～10分钟，然后高速甩干3～10分钟。
优选的，所述步骤9)中DBR反射层的厚度为0.5～2.0μm。
所述步骤2)中光刻胶的厚度为0.5～5.0μm，光刻胶为紫外压印光刻胶。
优选的，所述步骤4)中干法刻蚀的参数为：上电极功率为100-2000W，下电极功率为100-1500W，BCL3流量为50-200sccm，CHF3流量为0-20sccm，刻蚀温度为10-50℃，氦气压力为1-10mTorr，刻蚀时间为500-3000s。
本发明的有益效果：本发明通过在蓝宝石基板制作两种形状相同但大小不一致的纳微米图形，与传统单一纳微米图形相比，此图形化蓝宝石衬底可有效减少光在衬底上的折射及光损失，增加光在衬底上的反射，进而提升光的出光效率和增加LED的亮度。所述第一纳微米图形和第二纳微米图形内部的六棱锥反射层，光线可在六棱锥光学结构中多次反射后出光，从而增加光折射到空气中的几率。所述DBR反射层，能够提高直射光线反射效率，进一步提高复合衬底轴向出光效率；所述介电绝缘层为透明介电材料，其包覆在六棱锥反射层外部，在保证光线透过的同时防止六棱锥反射层直接与外部接触，避免六棱锥反射层氧化，同时保证复合衬底的绝缘性，提高芯片稳定性。所述应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底的制备方法具有加工精度高，获得的复合衬底性能稳定，产品一致性高的优点。
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
附图说明
图1为本发明中应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底的俯视图一。
图2为本发明中应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底的俯视图二。
图3为本发明的工艺流程图。
图4为本发明中蓝宝石基板上形成反射层的剖视图。
图5为本发明在反射层表面涂覆光刻机的剖视图。
图6为本发明中在反射层表面形成一组六棱柱状胶柱的剖视图。
图7为本发明中在蓝宝石基板表面形成一组六棱锥反射层的剖视图。
图8为本发明中在形成有六棱锥反射层的蓝宝石基板表面形成介电层的剖视图。
图9为本发明中在介电层表面涂覆一层光刻胶的剖视图。
图10为本发明中在介电层表面形成一组光刻胶柱的剖视图。
图11为本发明中在六棱锥反射层上形成介电绝缘层的剖视图。
图12为本发明中在沉积有介电绝缘层的蓝宝石基板表面涂覆一层负向光刻胶的剖视图。
图13为本发明中去除介电绝缘层上方的光刻胶后的剖视图。
图14为本发明中在介电绝缘层及其光刻胶的表面沉积DBR反射层的剖视图。
图15为本发明中应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底的局部剖视图。
具体实施方式
实施例，一种应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底，如图15所示，包括蓝宝石基板100，所述蓝宝石基板100上设置有周期性排列的第一纳微米图形101和第二纳微米图形102，所述第一纳微米图形101和第二纳微米图形102包括设置在蓝宝石基板100上的六棱锥反射层201和包覆在六棱锥反射层201外部的介电绝缘层401。所述介电绝缘层401的顶部还设置有DBR反射层600。所述第一纳微米图形101的底宽为0.5～5μm，所述第二纳微米图形102的底宽为0.5～5μm；所述第一纳微米图形101和第二纳微米图形102的高度与底宽的比值均为0.62～0.68。从而在蓝宝石基板100上形成两种大小、高度不同的纳微米图形，定义尺寸小的为第一纳微米图形101，尺寸大的为第二纳微米图形102。通过两种尺寸的纳微米图形配合，可有效减少光在衬底上的折射及光损失，增加光在复合衬底上的反射，进而提升光的出光效率和增加LED的亮度。所述第一纳微米图形和第二纳微米图形内部的六棱锥反射层，光线可在六棱锥光学结构中多次反射后出光，从而增加光折射到空气中的几率。所述DBR反射层，能够提高直射光线反射效率，进一步提高复合衬底轴向出光效率。
六棱锥反射层201的材料为Au、Ag、Ni、Pt中的一种或者几种金属的合金；所述介电绝缘层401为圆台状结构，介电绝缘层401的材料为SiO2、Si3N4和h-BN中的一种。
所述第一纳微米图形101和第二纳微米图形102在蓝宝石基板100上的排列方式可以是：1、第二纳微米图形102的四周等距离分布有三个第一纳微米图形101，如图1所示；2、第二纳微米图形102的四周等距离分布有四个第一纳微米图形101，如图2所示。相邻两所述第一纳微米图形101间的距离为0.1～10μm，相邻两第二纳微米图形102间的距离为0.1～10μm。优选的，相邻两所述第一纳微米图形101间的距离为3μm，相邻两第二纳微米图形102间的距离为3μm。通过第一纳微米图形101和第二纳微米图形102的配合，从而减少光在衬底上的折射及光损失，增加光在复合衬底上的反射，进而提升光的出光效率和增加LED的亮度。
上述应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底结构的制备方法，工艺流程如图3所示，具体制备方法包括以下步骤：
1)清洗：提供一平面蓝宝石基板100，蓝宝石基板100先经过丙酮刷洗5～10分钟，然后在90℃的浓H2SO4与H2O2体积比为3:1或5:2的混合溶液中清洗10～15分钟，再用80℃的去离子水清洗8～10分钟，最后用25℃的去离子水清洗5～10分钟，然后高速甩干3～10分钟。
2)涂覆反射层：在蓝宝石基板100上采用表面涂覆或旋涂工艺，将含有纳米反射材料的液体通过滴管滴在干净的蓝宝石基板100上，使纳米材料均匀附着在蓝宝石基板100表面，或者通过蓝宝石基板100旋转使含有纳米反射材料的液体均匀附着在蓝宝石基板100表面，然后通过加热使液体蒸发，从而在蓝宝石基板100上形成一层厚度为0.5～2.0μm的反射层200，如图4所示。
3)涂胶，纳米压印：利用涂胶机高速旋转使光刻胶涂层300均匀的分布在反射层200上，如图5所示，所述光刻胶优选紫外压印光刻胶，光刻胶涂层102膜厚为0.5～3.0μm。然后使用分布有与第一纳微米图形101和第二纳微米图形102相适配的六棱柱结构的软模板对光刻胶进行纳米压印，在光刻胶上形成与第一纳微米图形101相适配的第一六棱柱状胶柱301和与第二纳微米图形102相适配的第二六棱柱状胶柱302，如图6所示。
4)一次干法刻蚀：以第一光刻胶柱301和第二光刻胶柱302为阻挡层，使用ICP干法刻蚀技术对反射层200进行刻蚀，从而在蓝宝石基板100上形成两组分别与第一纳微米图形101和第二纳微米图形102相适配的六棱锥反射层201，如图7所示，此步骤使用干法刻蚀机上电极功率为100-2000W，下电极功率为100-1500W，BCL3流量为50-200sccm，CHF3流量为0-20sccm，刻蚀温度为10-50℃，氦气压力为1-10mTorr，刻蚀时间为100-2000s。
5)清洗、沉积介电层：采用浓H2SO4和H2O2混合溶液清洗去除多余的光刻胶，其中浓H2SO4和H2O2比例为3:1。；然后采用等离子化学气相沉积的方法在六棱锥反射层201及其蓝宝石基板100上沉积一层SiO2、Si3N4或h-BN，构成介电层400，如图8所示。
6)一次涂胶，曝光、显影：利用涂胶机高速旋转使负性光刻胶涂层500均匀的分布在介电层400上，如图9所示，所述负性光刻胶涂层102膜厚为0.5～3.0μm。使用光刻机和显影机分别对负性光刻胶涂层500曝光、显影，使用特制掩膜板对光刻胶进行曝光，特制掩膜板露出六棱锥反射层201上方的光刻胶，使六棱锥反射层201上方的区域曝光，曝光时间为50～400毫秒，再使用行业内常规的显影机进行显影，利用负性光刻胶未曝光区域会与显影液发生反应而去除，从而在介电层400上形成一组与第一纳微米图形101相适配的第一负性光刻胶柱501和一组与第二纳微米图形102相适配的第二负性光刻胶柱502，如图10所示。
7)二次干法刻蚀：以第一负性光刻胶柱501和第二负性光刻胶柱502作为阻挡层对介电层400进行ICP干法刻蚀，从而形成一组包覆在六棱锥反射层201上的介电绝缘层401，如图11所示。刻蚀方式和步骤4)参数相同。
8)二次涂胶，曝光、显影：利用涂胶机高速旋转使负性光刻胶涂层500均匀的分布在蓝宝石基板100和介电绝缘层401上，如图12所示，所述负性光刻胶涂层102膜厚为0.5～3.0μm。使用光刻机和显影机分别对负性光刻胶涂层500曝光、显影，去除介电绝缘层401上方的光刻胶，如图13所示。
9)沉积DBR反射层：使用化学气相沉积法在介电绝缘层401及其负性光刻胶涂层500的表面沉积DBR反射层600，如图14所示；然后采用SPM(硫酸和双氧水)除负性光刻胶涂层500，从而得到应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底，如图15所示。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底，包括蓝宝石基板，其特征在于：所述蓝宝石基板上设置有周期性排列的第一纳微米图形和第二纳微米图形，所述第二纳微米图形的四周等距离分布有三个或者四个第一纳微米图形且第一纳微米图形小于第二纳微米图形；所述第一纳微米图形和第二纳微米图形包括设置在蓝宝石基板上的六棱锥反射层和包覆在六棱锥反射层外部的介电绝缘层，所述介电绝缘层为圆台状结构；
所述介电绝缘层的顶部还设置有DBR反射层。
2.如权利要求1所述的应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底，其特征在于：相邻两所述第一纳微米图形间的距离为0.1～10μm，相邻两第二纳微米图形间的距离为0.1～10μm。
3.如权利要求2所述的应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底，其特征在于：所述第一纳微米图形的底宽为0.5～5μm，所述第二纳微米图形的底宽为0.5～5μm；所述第一纳微米图形和第二纳微米图形的高度与底宽的比值均为0.62～0.68。
4.如权利要求1所述的应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底，其特征在于：所述六棱锥反射层的材料为Au、Ag、Ni、Pt中的一种或者几种金属的合金；所述介电绝缘层的材料为SiO2、Si3N4和h-BN中的一种。
5.一种应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)提供一平面蓝宝石基板，并清洗洁净；2)在蓝宝石基板上形成一层反射层；
3)在反射层上涂覆一层光刻胶，然后使用分布有与第一纳微米图形和第二纳微米图形相适配的六棱柱结构的软模板对光刻胶进行纳米压印，在光刻胶上分别形成与第一纳微米图形和第二纳微米图形相适配的六棱柱状胶柱；
4)以六棱柱状胶柱为阻挡层对反射层进行ICP刻蚀，从而在蓝宝石基板上形成两组分别与第一纳微米图形和第二纳微米图形相适配的六棱锥反射层；
5)清洗去除多余的光刻胶，并在形成有六棱锥反射层的蓝宝石基板表面沉积一层SiO2、Si3N4或h-BN，形成介电层；
6)在介电层表面涂覆一层负向光刻胶，并通过曝光、显影在六棱锥反射层的上方形成一组光刻胶柱；
7)以光刻胶柱作为阻挡层对介电层进行ICP刻蚀，从而形成一组包覆在六棱锥反射层上的介电绝缘层；
8)在沉积有介电绝缘层的蓝宝石基板表面涂覆一层负向光刻胶，并通过曝光、显影去除介电绝缘层上方的光刻胶；
9)使用化学气相沉积法在介电绝缘层及其光刻胶的表面沉积DBR反射层；之后通过清洗去除表面剩余的光刻胶，得一种应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底。
6.如权利要求5所述的应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的清洗过程包括：蓝宝石基板先经过丙酮刷洗5～10分钟，然后在90℃的浓H2SO4与H2O2体积比为3:1或5:2的混合溶液中清洗10～15分钟，再用80℃的去离子水清洗8～10分钟，最后用25℃的去离子水清洗5～10分钟，然后高速甩干3～10分钟。
7.如权利要求5所述的应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤9)中DBR反射层的厚度为0.5～2.0μm。
8.如权利要求5所述的应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中光刻胶的厚度为0.5～5.0μm，光刻胶为紫外压印光刻胶。
9.如权利要求5所述的应用于直下式背光LED芯片的复合型衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中干法刻蚀的参数为：上电极功率为100-2000W，下电极功率为100-1500W，BCL3流量为50-200sccm，CHF3流量为0-20sccm，刻蚀温度为10-50℃，氦气压力为1-10mTorr，刻蚀时间为500-3000s。
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