技术领域
[0001] 本
发明涉及光学晶体技术，更具体地，涉及一种具有纳米微透镜阵列的白光光子晶体及其制备方法。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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
[0006] 为克服现有缺陷，本发明提出一种具有纳米微透镜阵列的白光光子晶体及其制备方法。
[0007] 根据本发明的一个方面，提出了一种具有纳米微透镜数组的白光光子晶体，包括：具有图样的
石英材料的光刻掩膜板，其上布置铬金属层；光刻掩膜板上涂布负型
光刻胶，负型光刻胶上布置镍
铁合金电
镀液，形成具有
纳米级微透镜的金属屏蔽层；金属屏蔽层的图样中布置经
烘烤后形成红、绿、蓝三色纳米微透镜的红绿蓝三色透明
荧光胶，红绿蓝三色透明荧光胶印刷至金属屏蔽层的多重量子井上。
[0008] 根据本发明的另一方面，提出了一种具有纳米微透镜数组的白光光子晶体的制备方法，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，然后进行剥膜和翻模，制作纳米级微透镜的金属屏蔽层；步骤2，将红、绿、蓝三色耐高温透明荧光胶，分别倒入排列图样不同的金属屏蔽层上，并使用高
精度的自动印刷机印刷到多重量子井的不同区域上；步骤3，进行烘烤，然后以脉冲式激光进行快速
退火，制成制作二维光子晶体。
[0009] 本发明的主要目是将纳米级微透镜数组应用到光子晶体中，通过纳米微透镜数组的设计，可以实现光子晶体的效应，并可以调整发光
角度，且直接生成白光，进而降低纳米压印及后续封装的成本，可应用于
晶圆级封装(WLP：Wafer Level Packaging)中。
附图说明
[0010] 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；
[0011] 图2为多重
量子阱(Multi-Quantum Well，MQW)红、绿、蓝三色纳米微
透镜印刷区域的
概念图(二维光子晶体)；
[0012] 图3为低温氧化铟
锡镀层上红、绿、蓝三色纳米微透镜印刷区域的概念图(三维光子晶体)；
[0013] 图4为白光光子晶体的结构透视图。
[0014] 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
[0015] 下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种具有纳米微透镜阵列的白光光子晶体及其制备方法进行详细描述。
[0016] 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。
[0017] 总的来说，本发明以电子束直写(Electron beam direct writing)配合纳米机电(NEMS)方式制作纳米级微透镜金属屏蔽，再以高温透明胶
水(Glue)配置红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)荧光粉，以金属屏蔽(Metal mask)在多重量子阱(Multi-Quantum Well，MQW)处印刷红、绿、蓝三色荧光胶，经烘烤后形成红、绿、蓝三色纳米微透镜；之后进行快速退火制程，以物理或
化学气相沉积方式镀上低温透明的氧化铟锡
薄膜，完成以纳米微透镜组成二维及三维白光光子晶体的结构。
[0018] 根据本发明第一实施例，提供一种具有纳米微透镜数组的白光光子晶体的结构，该结构包括：具有图样的石英材料的光刻掩膜板(Photo mask)，其上布置铬金属层；光刻掩膜板涂布负型光刻胶；其上布置镍铁合金电镀液(镍铁比例为7-9∶3-1)，形成具有纳米级微透镜的金属屏蔽(Metal mask)层；金属屏蔽层的图样排列中布置经烘烤后形成红、绿、蓝三色纳米微透镜的红绿蓝三色透明荧光胶，红绿蓝三色透明荧光胶印刷至金属屏蔽(Metal mask)层的多重量子井上。
[0019] 其中，铬金属层厚度为10-30纳米；负型光刻胶(Negative photo resist)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。
[0020] 其中，高温透明胶水为经过改质(Modification)的聚丙酰酸甲酯(Poly methyl methacrylate)与聚酰亚胺(Polyimide)的接枝型共聚物(Graft copolymer)，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％)。
[0021] 在另一个实施例中，以耐高温荧光粉
溶剂配置红、绿、蓝荧光粉溶液，高温荧光粉溶剂为N-甲基吡咯烷
酮(NMP：N-methyl-2-pyrrolidone)，将经过改质(Modification)的聚甲基丙酰酸甲酯(Poly methyl methacrylate)、聚酰亚胺(Polyimide)及聚硅氧烷(Polysiloxane)的接枝型共聚物(Graft copolymer)与相容剂(Compatibilizer)(改质硅烷：Modified silane)、抗沉降剂(Anti-coagulating agent)(
水溶性线性聚丙烯酰胺：Water Soluble Linear Polyacrylamide)以及红色荧光粉、绿色荧光粉和蓝色荧光粉进行混合制备而成.具体比例如下：N-甲基吡咯烷酮∶接枝型共聚物∶改质硅烷∶聚丙烯酰胺∶红色荧光粉；绿色荧光粉∶蓝色荧光粉＝(50-80)∶(10-40)∶(1-20)∶(0.1-20)∶(
0.001-0.1)∶(0.001-0.3)∶(0.003-0.5)(重量百分比)。
[0022] 进一步，该结构还包括另一片金属屏蔽层，其上进行低温氧化铟锡(Low temperature indium tin oxide)镀层沉积作为
支撑层，便于另一层不同排列型式的纳米级微透镜数组印刷于低温氧化铟锡层的上，低温氧化铟锡层的厚度为40-100纳米；另一层金属屏蔽层的不同图样排列中布置红绿蓝三色耐高温透明荧光胶。其中，高温透明胶水为经过改质(Modification)的聚丙酰酸甲酯(Poly methyl methacrylate)与聚酰亚胺(Polyimide)的接枝型共聚物(Graft copolymer)，与红色荧光粉的配比为(1∶0.002-0.015wt％)，与绿色荧光粉的配比为(1∶0.003-0.018wt％)，与蓝色荧光粉的配比为(1∶0.004-0.017wt％)。
[0023] 在根据本发明的另一个实施例中，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，将红、绿、蓝三色耐高温透明荧光胶，分别倒入排列图样不同的金属屏蔽层上，并以高精度的自动印刷机印刷至多重量子井的不同区域上；步骤3，进行烘烤，然后以脉冲式激光进行快速退火，制成制作二维光子晶体。
[0024] 进一步，本发明的另一实施例的方法还包括：步骤4，以另一片金属屏蔽层进行低温氧化铟锡(Low temperature indium tin oxide)的镀层沉积，作为支撑层，便于另一层不同排列型式的纳米级微透镜数组印刷于低温氧化铟锡层的上；步骤5，对低温氧化铟锡镀层的纳米薄膜进行脉冲激光快速退火；步骤6，将红绿蓝三色耐高温透明荧光胶，分别倒入排列图样不同的金属屏蔽层上，并以高精度的自动印刷机印刷至低温氧化铟锡镀层的不同区域上；步骤7，进行烘烤，然后以脉冲式激光进行快速退火，制作完成三维光子晶体。
[0025] 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；
[0026] 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。
[0027] 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)；
[0028] 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)；
[0029] 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)。
[0030] 步骤2，将红、绿、蓝三色耐高温透明荧光胶，分别倒入排列图样不同的金属屏蔽层上，并以高精度的自动印刷机(印刷至多重量子井的不同区域上。其中，高温透明胶水为经过改质(Modification)的聚丙酰酸甲酯(Poly methyl methacrylate)与聚酰亚胺(Polyimide)的接枝型共聚物(Graft copolymer)，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％)。
[0031] 其中，将红绿蓝三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，并以高精度的自动印刷机(制作倒转芯片
凸块用的印刷机)印刷至多重量子井(Multi-quantum well)的不同区域上。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)，刮刀进刀速度为(0.01-1厘米/秒)，刮刀进回刀速度为(0.01-1厘米/秒)。
[0032] 步骤3，进行烘烤，然后以脉冲式激光进行快速退火，制成制作二维光子晶体。其中，烘烤分为十个阶段：第一段升温(由室温升温至100-120℃；升温速率：5-30℃/分钟)，第二段恒温(保持100-120℃持续5-20分钟)，第三段升温(由100-120℃升温至250-350℃；升温速率：5-30℃/分钟)，第四段恒温(保持250-350℃持续5-20分钟)，第五段降温(由250-350℃降温至180-250℃；降温速率：5-30℃/分钟)，第六段恒温(保持180-250℃持续5-20分钟)，第七段降温(由180-250℃降温至110-180℃；降温速率：
5-30℃/分钟)，第八段恒温(保持110-180℃持续5-20分钟)，第九段降温(由110-180℃降温至40-110℃；降温速率：5-30℃/分钟)，第十段恒温(保持110-180℃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，可使圆柱状的三色荧光胶形成具有
曲率的半球形纳米级的微透镜数组相关排列方式如图2所示。
[0033] 其中，为消除三色纳米微透镜内的内
应力，以脉冲式激光进行快速退火，以消除纳米微透镜的内应力，避免日后内应力释放造成透镜微开裂(Micro-crack)进而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)，制得二维光子晶体(Two dimension photonic crystal)。
[0034] 步骤4，以另一片金属屏蔽层进行低温氧化铟锡(Low temperature indium tin oxide)的镀层沉积，作为支撑层，便于另一层不同排列型式的纳米级微透镜数组印刷于低温氧化铟锡层的上。其中，制作三维光子晶体在上述制备
基础上，以另一片金属屏蔽进行低温氧化铟锡(Low temperature indium tin oxide)的镀层沉积，该镀层的主要目的为提供支撑层，便于另一层不同排列型式的纳米级微透镜数组印刷于低温氧化铟锡层的上，低温氧化铟锡层的厚度为40-100纳米。
[0035] 步骤5，对低温氧化铟锡镀层的纳米薄膜进行脉冲激光快速退火。其中，为消除低温氧化铟锡镀层纳米薄膜的内应力，需进行脉冲激光快速退火制程，其退火时间为1-100毫秒(每颗芯片)。
[0036] 步骤6，将红绿蓝三色耐高温透明荧光胶，分别倒入排列图样不同的金属屏蔽层上，并以高精度的自动印刷机印刷至低温氧化铟锡镀层的不同区域上。其中，高温透明胶水为经过改质(Modification)的聚丙酰酸甲酯(Poly methyl methacrylate)与聚酰亚胺(Polyimide)的接枝型共聚物(Graft copolymer)，与红色荧光粉的配比为(1∶0.002-0.015wt％)，与绿色荧光粉的配比为(1∶0.003-0.018wt％)，与蓝色荧光粉的配比为(1∶0.004-0.017wt％)。
[0037] 其中，将红绿蓝三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，并以高精度的自动印刷机(制作倒转芯片凸块用的印刷机)印刷至低温氧化铟锡镀层的不同区域上。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)，刮刀进刀速度为(0.01-1厘米/秒)，刮刀进回刀速度为(0.01-1厘米/秒)
[0038] 步骤7，进行烘烤，然后以脉冲式激光进行快速退火，制作完成三维光子晶体。其中，烘烤包括十个阶段：第一段升温(由室温升温至100-120℃；升温速率：5-30℃/分钟)，第二段恒温(保持100-120℃持续5-20分钟)，第三段升温(由100-120℃升温至250-350℃；升温速率：5-30℃/分钟)，第四段恒温(保持250-350℃持续5-20分钟)，第五段降温(由250-350℃降温至180-250℃；降温速率：5-30℃/分钟)，第六段恒温(保持180-250℃持续5-20分钟)，第七段降温(由180-250℃降温至110-180℃；降温速率：
5-30℃/分钟)，第八段恒温(保持110-180℃持续5-20分钟)，第九段降温(由110-180℃降温至40-110℃；降温速率：5-30℃/分钟)，第十段恒温(保持110-180℃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使圆柱状的三色荧光胶形成具有曲率的半球形纳米级的微透镜数组相关排列方式如图3所示。
[0039] 其中，为消除三色纳米微透镜内的内应力，以脉冲式激光进行快速退火，以消除纳米微透镜的内应力，以避免日后内应力释放造成透镜微开裂(Micro-crack)进而影响白光光子晶体的光学性质，处理时间为1-100毫秒。
[0040] 如图4所示，通过上述步骤，制作完成三维光子晶体(Three dimension photonic crystal)，而制作三维光子晶体的芯片总体
亮度，要比二维光子晶体亮度高10-15％以上。
[0041] 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。
