转移并键合微型器件阵列的方法

文档序号:7036726阅读:238来源:国知局
转移并键合微型器件阵列的方法
【专利摘要】本发明描述了静电转移头阵列组件和将微型器件阵列转移并键合到接收衬底的方法。在一个实施例中,方法包括:利用支撑静电转移头阵列的静电转移头组件从承载衬底拾取微型器件阵列,使接收衬底与微型器件阵列接触,从静电转移头组件转移能量以将微型器件阵列键合到接收衬底,以及将微型器件阵列释放到接收衬底上。
【专利说明】转移并键合微型器件阵列的方法
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2013年1月7日提交的美国临时专利申请序列号61/749,892的 优先权,并且其为于2012年3月30日提交的美国专利申请13/436, 260的部分继续申请, 该专利申请为于2012年2月13日提交的现作为美国专利8,349, 116的美国专利申请 13/372, 422的部分继续中请,并且要求于2012年2月10日提交的美国临时专利申请序列 号61/597, 658和于2012年2月9日提交的美国临时专利申请序列号61/597, 109的优先 权,其全部公开内容以引用方式并入本文。 【背景技术】 【技术领域】
[0003] 本发明涉及微型器件。更具体地,本发明的实施例涉及用于将微型器件阵列转移 并键合到接收衬底的方法。
[0004] 背景信息
[0005] 集成和封装问题是微型器件商业化的主要障碍之一,所述微型器件为诸如射频 (RF)微机电系统(MEMS)微型开关、发光二极管(LED)显示和照明系统、MEMS或基于石英的 振荡器。
[0006] 用于转移器件的传统技术包括通过晶圆键合从转移晶圆转移到接收晶圆。此类实 施包括"直印"和"转印",涉及晶圆键合/解键合步骤,在该步骤中在将器件键合到接收晶 圆之后,将转移晶圆从该器件解键合。此外,在该转移过程中涉及具有器件阵列的整个转移 晶圆。
[0007] 用于器件转移的其他技术包括具有弹性印模的转印。在一个此类实施中,将具有 与源晶圆上的器件的节距相匹配的杆的弹性印模阵列与源晶圆上的该器件的表面形成紧 密接触,并且利用范德华相互作用进行键合。然后,可从源晶圆拾取该器件阵列,转移到接 收衬底,并且释放到该接收衬底上。
【发明内容】

[0008] 本文描述了静电转移头阵列组件和将微型器件阵列转移并键合到接收衬底的方 法。在一个实施例中,方法包括:利用支撑静电转移头阵列的静电转移头组件从承载衬底上 拾取微型器件阵列,使接收衬底与该微型器件阵列接触,从该静电转移头组件转移能量以 将该微型器件阵列键合到接收衬底,以及将该微型器件阵列释放到接收衬底上。在一个实 施例中,每个微型器件具有1-100 μ m的最大宽度。静电转移头阵列中的每个静电转移头还 可拾取单个微型器件。
[0009] 在一个实施例中,使接收衬底与该微型器件阵列接触包括针对每个相应的微型器 件使微型器件键合层与接收衬底键合层接触。根据本发明的实施例,使用诸如热键合或热 压键合(TCB)的键合技术从静电转移头组件转移能量以将微型器件阵列键合到接收衬底。 例如,可从静电转移头组件、承载衬底保持器或接收衬底保持器转移热量。此外,经转移的 能量可被利用以使用多种键合机制将微型器件阵列键合到接收衬底,在多种键合机制中可 液化或可不液化一个或多个键合层。
[0010] 在一个实施例中,能量的转移由微型器件键合层和接收衬底键合层形成低共熔合 金。在一个实施例中,能量的转移将接收衬底键合层溶解以形成金属间化合物层,所述金属 间化合物层具有的环境熔融温度高于接收衬底键合层的环境熔融温度。在一个实施例中, 能量的转移导致微型器件键合层和接收衬底键合层之间的固态扩散。在将微型器件阵列释 放到接收衬底上之后,还可执行退火。
[0011] 在一些实施例中,接收衬底键合层具有比微型器件键合层低的环境液相线温度。 在一个实施例中,接收衬底键合材料包括诸如铟或锡的材料,并且微型器件键合层包括诸 如金、银、铝、铋、铜、锌和镍的材料。微型器件键合层还可比接收衬底键合层宽。
[0012] 在一个实施例中,从承载衬底拾取微型器件阵列开始直至将它们被释放到接收衬 底上为止,将支撑静电转移头阵列的衬底保持在室温以上。例如,可将支撑静电转移头阵列 的衬底保持在诸如铟或锡的接收衬底键合层的环境液相线温度以上。 【专利附图】

【附图说明】
[0013] 图1包括根据本发明的一个实施例的承载衬底和微型LED器件阵列的顶视图和横 截面侧视图的图解;
[0014] 图2为根据本发明的一个实施例,将微型器件阵列转移并键合到接收衬底的方法 的流程图;
[0015] 图3A-3G为根据本发明的一个实施例将微型器件阵列转移并键合到接收衬底的 方法的横截面侧视图的图解。
[0016] 图3H-3J为根据本发明的一个实施例将微型器件键合到接收衬底的横截面侧视 图的图解。 【具体实施方式】
[0017] 本发明的实施例描述将微型器件阵列转移并键合到接收衬底的静电转移头组件 和方法。例如,接收衬底可为但不限于显示衬底、照明衬底、具有诸如晶体管或集成电路的 功能器件的衬底、或者具有金属配电线路的衬底。尽管具体地针对微型LED器件描述了本 发明的一些实施例,但应当理解,本发明的实施例并不限于此,并且某些实施例还可适用于 诸如二极管、晶体管、裸芯片、芯片、集成电路和MEM的其他微型器件。
[0018] 在各种实施例中,参照附图进行描述。然而,某些实施例可在不存在这些具体细节 中的一个或多个或者与其他已知方法和构型相结合的情况下实施。在以下的描述中,示出 诸如特定构型、尺寸和工艺等许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。在其他情况下,未 对众所周知的半导体工艺和制造技术进行特别详细地描述,以免不必要地模糊本发明。整 个说明书中所提到的"一个实施例"是指,结合实施例所描述的特定特征、结构、构型或特性 包括在本发明的至少一个实施例中。因此,整个说明书中多处出现短语"在一个实施例中" 不一定是指本发明的相同实施例。此外,特定特征、结构、构型或特性可以任何适当的方式 结合在一个或多个实施例中。
[0019] 本文所使用的术语"在...上方"、"到"、"在...之间"和"在...上"可指一层相 对于其他层的相对位置。一层在另一层"上方"或"上"或者键合"到"另一层可为直接与其 他层接触或可具有一个或多个中间层。一层在多层"之间"可为直接与该多层接触或可具 有一个或多个中间层。一层与另一层"接触"可为直接与其他层接触或通过一个或多个中 间层。
[0020] 在不限于特定理论的情况下,本发明的实施例描述支撑静电转移头阵列的静电转 移头组件,所述静电转移头组件根据静电夹使用异性电荷相吸来拾取微型器件的原理进行 工作。根据本发明的实施例,将吸合电压施加于静电转移头以在微型器件上产生夹持压力 并拾取该微型器件。本文所使用的术语"微型"器件或"微型"LED器件可指根据本发明 实施例的某些器件或结构的描述性尺寸。如本文所用,术语"微型"器件或结构是指1到 ΙΟΟμπι的尺度。然而,本发明的实施例并不一定限于此,并且实施例的某些方面可适用于 更大和可能更小的尺度。在一个实施例中,微型器件阵列中的单个微型器件和静电转移头 阵列中的单个静电转移头均具有1到1〇〇 μ m的最大尺寸,例如长度或宽度。在一个实施 例中,每个微型器件或静电转移头的顶接触面具有1到ΙΟΟμπι的最大尺寸。在一个实施 例中,每个微型器件或静电转移头的顶接触面具有3到20 μ m的最大尺寸。在一个实施例 中,微型器件阵列的节距和相应的静电转移头阵列的节距为(1到100 μ m) X (1到100 μ m), 例如20 μ mX 20 μ m或5 μ mX 5 μ m的节距。在这些密度下,例如,6英寸的承载衬底可以 10 μ mX 10 μ m的节距容纳约1. 65亿个微型LED器件,或以5 μ mX 5 μ m的节距容纳约6. 60 亿个微型LED器件。转移工具,其包括静电转移头组件以及与对应的微型LED器件阵列的 节距的整数倍相匹配的静电转移头阵列,它们可用于拾取该微型LED器件并将其转移并键 合到接收衬底。这样,可以高转移速率将微型LED器件集成并装配到不同类的集成的系统 中,包括从微型显示到大面积显示的范围的任何尺寸的衬底。例如,lcmX lcm的静电转移头 阵列可拾取、转移并键合100, 〇〇〇个以上的微型器件,更大的静电转移头阵列能够转移更 多的微型器件。
[0021] 在一个方面,本发明的实施例描述了用于在大约十分之一秒到几秒中将微型器件 阵列从承载衬底转移到接收衬底,并且在四分之一(1/4)的转移时间中将该微型器件阵列 键合到承载衬底的系统和方法。在一个实施例中,能量从静电转移头组件转移并通过微型 器件阵列以将该微型器件阵列键合到接收衬底。例如,可利用通过微型器件转移的微型器 件键合层将微型器件键合到接收衬底,可利用接收衬底键合层对微型器件键合层或接收衬 底上的键合层进行键合。微型器件和接收衬底之间的键合还可为导电的。例如,键合可针 对微型LED器件的阳极或阴极。
[0022] 根据本发明的实施例,通过将能量施加于一个或多个键合层来促成键合。然而,升 高的温度和热循环可导致微型器件中多层的相互扩散和劣化、键合层(微型器件键合层和 接收衬底键合层两者)的氧化、以及静电转移头组件和接收衬底或承载衬底中的结构的机 械变形。静电转移头组件中的结构的机械变形还可导致系统部件的不对准,该系统部件可 在一微米或更小范围内对准。在某些实施例中,接收衬底可为包括薄膜晶体管的显示衬底。 此类衬底如果经受过高的温度,可能很容易翘曲。因此,本发明的实施例描述了用于施加 能量以形成可行的电键合,同时减轻升高的温度和热循环对系统部件的副作用的系统和方 法。根据本发明的实施例,从静电转移头组件转移能量以使用诸如热键合或热压键合(TCB) 的键合技术将微型器件阵列键合到接收衬底。此外,经转移的能量可被利用以使用多种键 合机制将微型器件阵列键合到接收衬底,在多种键合机制中可液化或可不液化一个或多个 键合层。例如,在一个实施例中,瞬态液相键合或低共熔合金键合可伴有键合层或键合层之 间交界面的液化。在一个实施例中,可在键合层之间执行固态扩散键合而不进行液化。
[0023] 现在参见图1,根据本发明的实施例示出了承载衬底和微型LED器件阵列的顶视 图和横截面侧视图图解。在示出的特定实施例中,将单个微型LED器件150示出为具有锥 形或圆形角的一对同心方形,其中每个方形具有不同的宽度,该不同的宽度对应于微型p-n 二极管的顶表面和底表面以及跨越该顶表面和底表面的对应的锥形侧壁的不同的宽度。然 而,本发明的实施例不需要锥形侧壁,并且微型P-n二极管的顶表面和底表面可具有相同 的直径、或宽度以及垂直的侧壁。如图所示,将微型LED器件阵列描述为在每个微型LED器 件和各个微型LED器件的最大宽度(W)之间具有节距(P)、间距(S)。为了清楚简洁起见, 尽管应当理解,类似的y维度可能存在并且可具有相同或不同的维度值,但在顶视图图解 中通过虚线仅示出X维度。在示出的特定实施例中,X维度值和y维度值相同。在一个实施 例中,微型LED器件阵列可具有1到100 μ m的节距(P)以及1到100 μ m的最大宽度(W)。 可将间距(S)最小化,以便将准备在承载衬底上拾取的微型LED器件的数量最大化。在一 个实施例中,节距(P)为10 μ m,间距(S)为2 μ m,并且宽度(W)为8 μ m。在另一个实施例 中,节距(P)为5μπι,间距(S)为2μπι,并且宽度(W)为3μπι。然而,本发明的实施例并不 限于这些特定尺寸,并且可利用任何适当的尺寸。
[0024] 在图1示出的特定实施例中,微型器件为微型LED器件。例如,微型LED器件150 可包括微型P-n二极管和顶部导电接触层130、底部导电接触层120,其中该底部导电接触 层120位于微型p-n二极管和形成在承载衬底101上的键合层110之间。在一个实施例中, 微型p-n二极管包括顶部η-掺杂层114、一个或多个量子阱层116和下部p-掺杂层118。 在其他实施例中,可将层114、116的掺杂颠倒。导电接触层120、130可包括一个或多个层。 例如,导电接触层120、130可包括与微型p-n二极管形成欧姆接触的电极层。在一个实施例 中,底部导电接触层120包括电极层和位于该电极层和键合层110之间的阻隔层。阻隔层 例如在键合到接收衬底期间,可避免键合层和电极层中的其他层之间的扩散或合金化。在 一个实施例中,阻隔层可包括诸如钯、钼、镍、钽、钛和钛钨的材料。导电接触层120U30可 为不透明的或对于可见波长范围(例如,380nm-750nm)为透明的。导电接触层120U30可 任选地包括诸如银或镍的反射层。在一个实施例中,微型p-n二极管的底表面比导电接触 层120的顶表面宽。在一个实施例中,导电接触层的底表面比键合层110的顶表面宽。共 形的电介质阻隔层(未示出)可任选地形成在微型P-n二极管和其他暴露的表面上方。
[0025] 根据本发明的实施例,键合层110可由在从静电转移头组件转移能量时用于将微 型器件键合到接收衬底的多种材料形成。键合层110的厚度可取决于键合技术、键合机制 和材料选择。在一个实施例中,键合层的厚度介于100埃和2 μ m之间。在一个实施例中, 键合层110可由在低温下用于将微型器件键合到接收衬底的低温焊接材料形成。示例性的 低温焊接材料可为基于铟、铋或锡的焊料,包括纯金属和金属合金。表1中提供了本发明的 实施例可利用的低熔点焊接材料的示例性列表,其中化学组成按组分的重量百分比列出。
[0026] 复1 :
[0027]
【权利要求】
1. 一种方法,包括: 利用支撑静电转移头阵列的静电转移头组件从承载衬底拾取微型器件阵列; 使接收衬底与所述微型器件阵列接触; 从所述静电转移头组件转移能量以将所述微型器件阵列键合到所述接收衬底;以及 将所述微型器件阵列释放到所述接收衬底上。
2. 根据权利要求1所述的方法,其中使所述接收衬底与所述微型器件阵列接触包括针 对每个相应的微型器件使微型器件键合层与接收衬底键合层接触。
3. 根据权利要求2所述的方法,其中从所述静电转移头组件转移能量以将所述微型器 件阵列键合到所述接收衬底包括由所述微型器件键合层和所述接收衬底键合层形成低共 烙合金。
4. 根据权利要求2所述的方法,其中从所述静电转移头组件转移能量以将所述微型器 件阵列键合到所述接收衬底包括液化所述接收衬底键合层并形成金属间化合物层,所述金 属间化合物层具有的环境熔融温度高于所述接收衬底键合层的环境熔融温度。
5. 根据权利要求2所述的方法,其中从所述静电转移头组件转移能量以将所述微型器 件阵列键合到所述接收衬底包括在所述微型器件键合层和所述接收衬底键合层之间的固 态扩散。
6. 根据权利要求2所述的方法,还包括在将所述微型器件阵列释放到所述接收衬底上 之后对所述接收衬底进行退火。
7. 根据权利要求2所述的方法,其中所述接收衬底键合层具有比所述微型器件键合层 低的环境液相线温度。
8. 根据权利要求7所述的方法,其中每个微型器件键合层比每个接收衬底键合层宽。
9. 根据权利要求7所述的方法,其中: 所述接收衬底键合层包括选自铟和锡的材料;并且 所述微型器件键合层包括选自金、银、铝、铋、铜、锌和镍的材料。
10. 根据权利要求2所述的方法,其中每个微型器件具有1-100 μ m的最大宽度。
11. 根据权利要求10所述的方法,其中所述静电转移头阵列中的每个静电转移头拾取 单个微型器件。
12. 根据权利要求1所述的方法,其中从所述静电转移头组件转移能量以将所述微型 器件阵列键合到所述接收衬底包括热压键合。
13. 根据权利要求12所述的方法,其中转移能量包括从所述静电转移头组件转移热 量。
14. 根据权利要求13所述的方法,还包括将热量从接收衬底保持器转移至所述接收衬 底。
15. 根据权利要求2所述的方法,其中支撑所述静电转移头阵列的衬底在以下序列期 间保持在室温以上: 利用支撑所述静电转移头阵列的所述静电转移头组件从所述承载衬底拾取所述微型 器件阵列; 使所述接收衬底与所述微型器件阵列接触; 从所述静电转移头组件转移能量以将所述微型器件阵列键合到所述接收衬底;以及 将所述微型器件阵列释放到所述接收衬底上。
16. 根据权利要求15所述的方法,其中支撑所述静电转移头阵列的所述衬底保持在铟 的环境液相线温度以上。
17. 根据权利要求15所述的方法,其中支撑所述静电转移头阵列的所述衬底保持在锡 的环境液相线温度以上。
18. 根据权利要求15所述的方法,其中支撑所述静电转移头阵列的所述衬底保持在所 述接收衬底键合层的环境液相线温度以上。
【文档编号】H01L21/60GK104115266SQ201380008866
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年2月6日 优先权日:2012年2月9日
【发明者】A·拜布尔, J·A·希金森, 胡馨华, H-F·S·劳 申请人:勒克斯维科技公司
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