大面积光子晶体LED结构转移的装备设计及工艺研究

摘要

LED作为新一代的照明工具具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场，但是由于基于氮化镓制造的LED发出的光会在结构内部发生反射，使部分光无法发射出去，造成LED的取光效率偏低。而光子晶体结构能够大大提升LED出光效率，因此在氮化镓基上制作光子晶体成为一种制造高出光率LED的方法。
　　本论文提出了一种利用气辅助纳米压印技术，使复合模具上的光子晶体结构转移到晶圆级的外延片上的纳米压印工艺，以此作为制作大面积光予晶体的方法，并进行了设备研制。分别进行了自动化压印装备研制，三层复合模具设计以及将光子晶体结构转移到SiO2上的Bosch工艺研究等工作。
　　1.自动化压印装备的设计制造:该设备的研制包括机械结构设计、气路设计和电气控制系统三大部分。其中自动化压印装备的机械结构部分依据功能需求，分为上下物料机构，对正装置，压印装置，压印平台等。而气路系统的主要功能是驱动对正机构及其他辅助部件的正常运行。电气控制系统主要负责整个系统的集成控制，以西门子S7-300PLC为主要控制器，欧姆龙辅助控制器控制伺服电机，以工控机为连接体，实现S7-300PLC与位移平台的通信，实现自动化压印装备的动作逻辑的控制以及位移平台高分辨率的运动。
　　2.复合模具的制作:为了克服大面积压印过程中较大的压印力和脱模力，以及翘曲界面导致的压印产品留膜不均匀和产生气泡的问题，设计了气辅助纳米压印系统。制作透明气阀板，通过电磁阀控制气阀板上各个阀路的规律性开合，实现大面积压印过程中“摊开”式的压印和“撕开”式的脱模，有效的解决了压印脱模过程中机械力过大的问题，并且能够排出压印过程中可留在晶圆与模具之间的气泡。设计制作了“背衬层—弹性缓冲层—硬质结构层”的三层复合模具，通过这种复合模具可以将高分辨率的纳米结构附着在弹性缓冲层上，从而实现了宏观可变形而微观保持高精度微纳结构的目的。以此解决了在翘曲以及有污染颗粒的晶圆上实现纳米结构转移到问题。
　　3.纳米结构的转移的工艺研究:将光子晶体结构转移到涂覆在晶圆上的压印胶上之后，接下来需要将光子晶体结构由压印胶转移到由PECVD生长在外延片上的SiO2层上，这种转移我们采用了干法刻蚀。为保持侧壁的陡直，以保证光子晶体能够正常实现其功能，我们采用了Bosch工艺，即“刻蚀—钝化—刻蚀”的工艺步骤，以SF6为刻蚀气体C4F8为钝化气体，以压印胶的纳米结构为掩蔽，在两种气体以一定的比例和刻蚀时间交替轰击SiO2的作用下，实现光子晶体向SiO2的转移。再以类似的方式，将SiO2上的光子晶体结构转移到GaN上。之所以需要经过两步的光子晶体转移，是因为压印胶与GaN在Cl2作用下的刻蚀比过低，无法满足实验要求。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 LED的发展及应用

1．2 LED的工作原理及出光效率

1．2．1 LED的结构及发光原理

1．2．2 提升LED出光效率的方法

1．3 光子晶体制备的方法

1．4 纳米压印技术

1．4．1 纳米压印技术原理及其工艺

1．4．2 大面积纳米压印技术

1．4．3 纳米压印技术在LED领域的应用

1．4．4 制备大面积光子晶体LED国内外研究现状

1．5 论文研究内容及意义

1．5．1 论文选题思路

1．5．2 本论文的主要研究内容及应用前景

第2章 大面积光子晶体结构转移的基本原理

2．1 改进的大面积整片纳米压印原理

2．1．1 压印工艺流程设计

2．2 复合模具变形原理研究

2．2．1 复合模具变形的理论模型

2．2．2 复合模具有限元模型

2．2．3 仿真结果与讨论

2．3 光子晶体结构的制作依据

2．4 光子晶体结构的转移

2．5 本章小结

第3章 自动化纳米压印设备机械系统的设计

3．1 装备设计的总体要求

3．2 纳米压印装备各机构的主要功能

3．2．1 上下料机构

3．2．2 上下料机械臂

3．2．3 支撑平台

3．2．4 对正机构

3．2．5 压印头

3．2．6 复合模具

3．3 纳米压印装备误差控制方法

3．3．1 上下料的误差控制

3．3．2 上下料机械臂的误差控制

3．3．4 压印平台上的误差控制

3．4 本章小结

第4章 自动化纳米压印装备辅助系统的设计

4．1 控制系统的设计

4．2 气路系统的设计

4．3 装备动作流程设计

4．3．1 装备动作流程

4．3．2 保护程序的设计

4．4 自动化装备的搭建

4．5 本章小结

第5章 光子晶体结构转移的工艺研究

5．1 整片纳米压印技术

5．2 压印结构稳定性研究

5．3 SiO2刻蚀工艺研究

5．3．1 干法刻蚀原理

5．3．2 Bosch工艺对SiO2刻蚀的研究

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢