传送微器件的方法

传送微器件的方法
【专利摘要】本发明公开了一种微器件传送头和头阵列。在实施例中，微器件传送头包括基底衬底、具有侧壁的台面结构、在台面结构之上形成的电极、以及覆盖电极的介电层。能够向微器件传送头和头阵列施加电压以从载体衬底拾起微器件并且将微器件释放到接收衬底上。
【专利说明】传送微器件的方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求来自2011年11月18日提交的第61/561，706号美国临时专利申请、2012年02月03日提交的第61/594，919号美国临时专利申请以及2012年02月09日提交的第61/597，109号美国临时专利申请的优先权的权益，这里通过引用将其全部公开内容并入于此。

【技术领域】
[0003]本发明涉及微器件。更具体而言，本发明的实施例涉及微器件传送头以及向接收衬底传送一个或多个微器件的方法。

【背景技术】
[0004]集成和封装问题是诸如为射频(RF)微机电系统(MEMS)微动开关、发光二极管(LED)显示系统、以及基于MEMS的振荡器或基于石英的振荡器的微器件的商业化的主要障碍之一。
[0005]用于传送器件的传统的技术包括通过晶片键合从传送晶片向接收晶片的传送。一个这样的实现方式是“直接印刷”，包含从传送晶片向接收晶片的器件阵列的一个键合步骤，跟着移除传送晶片。另一这样的实现方式是包含两个键合/去键合步骤的“传送印刷”。在传送印刷中，传送晶片可以从施主晶片中拾起器件阵列，并且然后将器件阵列键合到接收晶片，跟着移除传送晶片。
[0006]已经开发了某些印刷过程变型，其中器件能够在传送过程期间选择性地键合和去键合。在传统的和变型的直接印刷和传送印刷技术中，传送晶片在将器件键合到接收晶片之后从器件中去键合。此外，在传送过程中涉及到具有器件阵列的整个传送晶片。


【发明内容】

[0007]公开了一种微器件传送头和头阵列、以及一种向接收衬底传送一个或多个微器件的方法。例如，接收衬底可以是(但不限于)显示衬底、发光衬底、具有诸如为晶体管或集成电路(IC)的功能器件的衬底、或具有金属重分布线(redistribut1n line)的衬底。
[0008]在实施例中，微器件传送头包括基底衬底、包括侧壁一至少一个侧壁是在台面结构之上形成的电极——的台面结构、以及覆盖电极的介电层。例如，微器件传送头能够并入有单极或双极电极结构。台面结构能够与基底衬底分离地或全局地形成。侧壁能够呈锥形并且远离基底衬底向台面结构的顶表面突出，其中，电极形成在顶表面上。电极引线可以从电极延伸以便与基底衬底中的布线接触并且将微器件传送头连接到静电夹持器(gripper)组件的工作电子器件。电极引线能够从台面结构的顶表面上的电极并且沿着台面结构的侧壁延伸。电极引线能够可选地在台面结构之下延伸并且连接到穿过台面结构去往电极的过孔。
[0009]电极和电极引线可以覆盖有沉积的介电层。用于介电层的适当的材料包括(但不限于)氧化铝(Al2O3)和氧化钽(Ta205)。因为介电层是沉积的，因此电极和电极引线可以由能够耐高沉积温度的材料来形成，包括诸如为钼的高熔化温度金属以及难熔金属或诸如为钛钨(TiW)的难熔金属合金。
[0010]在实施例中，传送微器件的方法包括将传送头定位在被连接到载体衬底的微器件之上。微器件与传送头接触并且向传送头中的电极施加电压以产生对微器件的夹持压强。传送头拾起微器件并且然后将微器件释放到接收衬底上。在传送头接触微器件之前、同时或之后，能够向电极施加电压。电压能够是恒流电压、或交流电压。在实施例中，向双级电极结构施加交流电压。在实施例中，附加地执行操作以在拾起微器件之前或同时产生将微器件连接到载体衬底的键合层中的相变。
[0011 ] 在实施例中，在拾起微器件之前、或同时加热键合层以产生键合层中的从固态至液态的相变。取决于操作条件，能够拾起键合层的一大部分并且与微器件一起传送。当拾起、传送、接触接收衬底、以及释放微器件和键合层的一部分到接收衬底上时，能够执行各种操作以控制键合层的该部分的相。例如，当接触接收衬底时以及在到接收衬底上的释放操作期间，用微器件拾起的键合层的该部分能够维持在液态。在另一实施例中，在被拾起之后，能够允许键合层中的该部分冷却到固相。例如，在接触接收衬底之前或期间，键合层的该部分能够是固相，并且在释放操作期间再次熔化到液态。根据本发明的实施例，能够执行各种温度和材料相周期。
[0012]在实施例中，传送微器件阵列的方法包括将传送头阵列定位在微器件阵列之上。微器件阵列与传送头阵列接触，并且选择性地向传送头阵列的一部分施加电压。选择性地施加电压可以包括向阵列中的所有传送头、或向对应于少于阵列中的所有传送头的部分施加电压。然后使用传送头阵列的该部分来拾起微器件阵列的对应的部分，并且选择性地将微器件阵列的该部分释放在至少一个接收衬底上。在实施例中，当接触时传送头阵列可以在微器件阵列上摩擦，以便逐出可能存在于传送头或微器件中的一者的接触表面上的任意颗粒。在实施例中，在拾起微器件阵列之前，在键合层的将微器件阵列连接到载体衬底的横向上单独的位置的阵列中产生了相变。
[0013]在实施例中，制作微器件传送头阵列的方法包括在基底衬底上形成台面结构阵列，每个台面结构包括侧壁。在每个台面结构之上形成单独的电极，并且介电层被沉积在台面结构阵列和每个电极之上。在实施例中，介电层使用原子层沉积(ALD)来沉积，并且可以是无针孔的。介电层可以包括一个或多个介电层。在每个对应的台面结构上形成独立的电极之前，保形钝化层可以可选地在基底衬底和台面结构阵列之上生长或沉积。在实施例中，导电接地面形成在介电层上并且围绕每个台面结构。

【专利附图】

【附图说明】
[0014]图1是根据本发明的实施例的单极微器件传送头的截面侧视图图示。
[0015]图2是根据本发明的实施例的单极微器件传送头的等距视图图示。
[0016]图3是根据本发明的实施例的双极微器件传送头的截面侧视图图示。
[0017]图4是根据本发明的实施例的双极微器件传送头的等距视图图示。
[0018]图5-6是根据本发明的实施例的双极微器件传送头的顶视图图示。
[0019]图7是根据本发明的实施例的包括导电过孔的双极微器件传送头的等距视图图/Jn ο
[0020]图8是根据本发明的实施例的双极微器件传送头阵列的等距视图图示。
[0021]图9是根据本发明的实施例的包括导电接地面的双极微器件传送头阵列的等距视图图。
[0022]图10是根据本发明的实施例的包括导电接地面的双极微器件传送头阵列的截面侧视图。
[0023]图11是根据本发明的实施例的图示拾起微器件并且从载体衬底向接收衬底传送微器件的方法的流程图。
[0024]图12是根据本发明的实施例的在双极电极上施加的交流电压的示意图示。
[0025]图13是根据本发明的实施例的在双极电极上施加的恒定电压的示意图示。
[0026]图14是根据本发明的实施例的向单极电极施加的恒定电压的示意图示。
[0027]图15是根据本发明的实施例的图示拾起并且从载体衬底向接收衬底传送微器件的方法的流程图。
[0028]图16是根据本发明的实施例的图示拾起微器件阵列并且从载体衬底向至少一个接收衬底传送微器件阵列的方法的流程图。
[0029]图17是根据本发明的实施例的与微LED器件阵列接触的微器件传送头阵列的截面侧视图。。
[0030]图18是根据本发明的实施例的与微LED器件阵列接触的微器件传送头阵列的截面侧视图。
[0031]图19是根据本发明的实施例的拾起微LED器件阵列的微器件传送头阵列的截面侧视图。
[0032]图20是根据本发明的实施例的拾起微LED器件阵列的一部分的微器件传送头阵列的截面侧视图。
[0033]图21是根据本发明的实施例的其中微LED器件阵列定位在接收衬底之上的微器件传送头阵列的截面侧视图图示。
[0034]图22是根据本发明的实施例的选择性地释放到接收衬底上的微器件的截面侧视图。
[0035]图23是根据本发明的实施例的示出克服表面张力以拾起众多尺寸的微器件所需的压强的图形图示。
[0036]图24是根据本发明的实施例的表面张力与在拾起操作期间创建的增加的空隙距离之间的关系的图形图示。
[0037]图25是根据本发明的实施例的粘滞力压强与在以众多拉动速率的拾起操作期间创建的增加的空隙距离之间的关系的图形图示。
[0038]图26是根据本发明的实施例的通过建模分析来获取的图形图示，该图形图示示出了随着传送头从微器件抽出而由微器件上的传送头施加的夹持压强。
[0039]图27是根据本发明的实施例的包括具有比微p-n 二极管的顶表面更小的宽度的接触开口的各种微LED结构的截面侧视图。
[0040]图28是根据本发明的实施例的包括具有比微p-n 二极管的顶表面更大的宽度的接触开口的各种微LED结构的截面侧视图。
[0041]图29是根据本发明的实施例的包括具有与微p-n 二极管的顶表面相同的宽度的接触开口的各种微LED结构的截面侧视图。

【具体实施方式】
[0042]本发明的实施例描述了微器件传送头和头阵列、以及向接收衬底传送微器件和微器件阵列的方法。例如，接收衬底可以是(但不限于)显示衬底、发光衬底、具有诸如为晶体管或集成电路(IC)的功能器件的衬底、或具有金属重分布线的衬底。在某些实施例中，这里描述的微器件和微器件阵列可以是图27-29中图示的任意微LED器件结构、以及在相关的第61/561，706号美国临时申请和第61/594，919号美国临时申请中描述的那些。虽然具体地关于微LED描述了本发明的某些实施例，将意识到本发明的实施例不如此受限并且意识到特定实施例还可以应用到诸如为二极管、晶体管、1C、以及MEMS的其他微器件。
[0043]在众多实施例中，参照附图来做出描述。然而，可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下、或结合其他已知方法和配置来实践特定实施例。在下面的描述中，给出大量具体细节(诸如具体配置、尺寸和过程等)，以便提供对本发明的透彻理解。在其他例子中，没有特别详细地描述公知的半导体过程和制造技术，从而以免不必要地模糊本发明。通篇本说明书中“ 一个实施例”、“实施例”等等的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构、配置、或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因而，在通篇本说明书中的众多处出现的术语“在一个实施例中”、“实施例”等等不一定指本发明的相同的实施例。进而，在一个或多个实施例中，可以以任意适当的方式来组合特定特征、结构、配置、或特性。
[0044]如这里所使用的术语“在…之上”、“到”、“在…之间”以及“在…上”可以指一个层相对于其他层的相对的位置。一个层在另一层“之上”或在另一层“上”的一个层或键合“到”另一层的一个层可以是直接与该另一层接触或可以具有一个或多个居间层。在层“之间”的一个层可以直接与层接触或可以具有一个或多个居间层。
[0045]如这里所使用的术语“微”器件或“微” LED结构可以指根据本发明的实施例的特定器件或结构的说明性的大小。如这里所使用的，术语“微”器件或结构意指I到100μπι的级别。然而，将意识到本发明的实施例不必然如此受限，并且将意识到实施例的特定方面可以应用到更大的以及可能更小的大小级别。
[0046]在一个方面中，本发明的实施例描述了用传送头阵列大量传送预制作的微器件阵列的方式。例如，预制作的微器件可以具有具体的功能性，诸如(但不限于)用于发光的LED、用于逻辑和存储的硅1C、用于射频(RF)通信的砷化镓(GaAs)电路。在某些实施例中，将预备好拾起的微LED器件阵列描述为具有10 μ m χΙΟ μ m间距、或5 μ m χ5 μ m间距。以这些密度，例如，6英寸衬底能够容纳近似1.65亿个具有10 μ m χΙΟ μ m间距的微LED器件、或者容纳近似6.60亿个具有5 μ m χ5 μ m间距的微LED器件。包括与对应的微LED器件阵列的间距相匹配的传送头的阵列的传送工具能够用于拾起并且向接收衬底传送微LED器件阵列。以这一方式，有可能将微LED器件集成和组装到异质集成系统中，包括范围从微显示器到大面积显示器的任意大小的衬底，并且以高传送速率进行。例如，Icm xlcm的微器件传送头阵列能够拾起并且传送多于100，000个微器件，其中更大的微器件传送头阵列能够传送更多的微器件。传送头阵列中的每个传送头还可以独立地可控制，这实现了选择性拾起微器件和微器件的释放。
[0047]在一个方面中，不限于特定理论，本发明的实施例描述了根据静电夹持器的原理操作的使用相反电荷的吸引来拾起微器件的微器件传送头和头阵列。根据本发明的实施例，向微器件传送头施加吸附电压，以便生成对微器件的夹持力并且拾起微器件。夹持力与充电板面积成比例，因此计算为压强。根据理想的静电理论，单极电极与导电衬底之间的非导电介电层产生以帕斯卡(Pa)为单位的等式⑴中的夹持压强，其中，等式⑴为:
[0048]P = [o /2] [Vr/d]2------(1)
[0049]其中。=8.85.10_12，V =以伏特(V)为单位的电极-衬底电压，r =介电常数，以及d=以米(m)为单位的介电厚度。采用使用两个夹持电极的双极夹持器，以上等式中的电压(V)是电极A和B之间的电压的一半，[Va-Vb]/2。衬底电势集中在平均电势，[Va =Vb]/2。这一均值通常为零，其中Va = [_VB]。
[0050]在另一方面中，本发明的实施例描述了能够在特定处理和处置操作期间将微器件维持在载体衬底上的键合层，并且该键合层在经历相变之后提供微器件能够保持在其上、还在拾起操作期间从其易于释放的介质。例如，键合层可以是可重新熔化的或可回流的，使得键合层在拾起操作之前或在拾起操作期间经历从固态向液态的相变。在液态下，键合层可以将微器件保持就位在载体衬底上，同时还提供从其易于释放微器件的介质。不限于特定理论，在确定从载体衬底拾起微器件所需的夹持压强中，夹持压力应该超过将微器件保持到载体衬底的力，该力可以包括(但不限于)表面张力、毛细力、粘滞效应、弹性恢复力、范德瓦尔斯力、静摩擦和重力。
[0051]根据本发明的实施例，当微器件的尺寸减少到特定范围以下时，将微器件保持到载体衬底的液态键合层的表面张力可以变得比保持微器件的其他力占优势。图23是通过建模分析来获取的一个实施例的图形图示，该图形图示示出了克服表面张力以拾起各种尺寸的微器件所需的压强，假定液态铟(In)键合层在156.7°C的熔化温度具有560mN/m的表面张力。例如，参加图23，示例性的1ym XlOym宽的微器件保持在具有近似2.2个大气压(atm)的表面张压强的载体衬底上，其中铟键合层在156.7°C的该铟键合层的熔化温度具有560mN/m液体表面张力。这比由于重力的压强(对于示例性的10 μ m χΙΟ μ m宽χ3 μ m高的氮化镓(GaN)片，其为近似1.8xl0_6atm)大得多。
[0052]在拾起操作期间表面张力压强和粘滞效应还可以是动态的。图24是通过建模分析来获取的一个实施例的图形图示，该图形图示示出了在保持在具有熔化的铟(In)键合层的载体衬底上的示例性的10 μ m XlO μ m宽的微器件的拾起操作期间、表面张力与产生的增加的间隙距离之间的关系。在图24中提及的沿着X轴的间隙距离是微器件的底部和载体衬底之间的距离，并且起始于2 μ m，其对应于In键合层的未熔化的厚度。如图24中所图示的，在拾起操作开始时，通过夹持压强来初始地克服沿着I轴的2.2atm的表面张力压强。随着接着从载体衬底抬升微器件，表面张力迅速下降，随着进一步抬升微器件远离载体衬底，压强平稳。
[0053]图25是通过建模分析来获取的一个实施例的图形图示，该图形图示示出了对于保持在具有熔化的铟(In)键合层的载体衬底上的示例性的10 μ m χΙΟ μ m微器件而言在众多拉动速率下的粘滞力压强(atm)与在拾起操作期间创建的增加的间隙距离(ym)之间的关系。图25中提及的间隙距离是微器件的底部与载体衬底之间的距离，并且始于2μπι，其对应于In键合层的未熔化的厚度。如所图示的,相比诸如为0.lmm/s的较慢的抬升速度，在诸如为l，000mm/s的较快的抬升速度期间，粘滞力压强更加明显。然而，图24中图示的使用示例性的抬升速度从粘滞效应中生成的压强比在图24中生成和图示的表面张力压强小很多，这表明表面张力压强是在拾起操作期间必须由夹持压强来克服的主导压强。
[0054]如果在微器件传送头的介电层与微器件的顶部导电表面之间存在大小(g)的气隙，则等式(2)中的夹持压强是:
[0055]P=[。/2] [Vr/(d+rg)]2------(2)
[0056]设想气隙能够由于各种源而存在，包括(但不限于)颗粒污染、翘曲、以及传送头或微器件的任一表面的未对准，或传送头或微器件上的附加层的存在(诸如保形介电阻挡层的围绕微器件的顶部导电表面的唇部)。在实施例中，保形介电阻挡层的唇部可以产生其中形成接触开口的气隙并且增加其中存在唇部的传送头的介电层的有效厚度。
[0057]如从以上等式⑴和⑵中可见的，可以利用较低的电压，其中在微器件传送头与待拾起的微器件之间不存在气隙。然而，当存在气隙时，这提供了其中气体电容可以与介电层电容竞争的串联电容。为了补偿待拾起的对应的微器件阵列之上的任意微器件传送头阵列之间的气体电容的可能性，可以使用更高的操作电压、更高的介电材料的介电常数、或更薄的介电材料来最大化电场。然而，由于可能的介电击穿和电弧，更高的电场的使用具有限制。
[0058]图26是通过建模分析来获取的一个实施例的图形图示，该图形图示示出了随着传送头从微器件的顶部导电表面抽出而由传送头对微器件施加的对应于增加的气隙大小的夹持压强。不同的线对应于传送头上0.5 μ m与2.0 μ m之间的不同的Ta2O5介电层厚度，其中，电场保持恒定。如所图示的，在低于近似Inm (0.001 μ m)的气隙大小的这些条件下，并且对于某些条件甚至高达1nm(0.01ym),没有观察到对夹持压强的可感知的影响。然而，将意识到可容忍的气隙能够通过改变条件来增加或减少。因而，根据本发明的实施例，在拾起操作期间特定量的气隙容差是可能的并且可能不需要与微器件传送头接触以及微器件的顶部导电表面的实际接触。
[0059]现在假定从载体衬底拾起微器件所需的夹持压强应该超过将微器件保持在载体衬底上的压强的和(以及由于气隙的任意压强减少)，有可能通过求解夹持压强等式来取得微器件传送头中的介电材料的操作电压、介电常数、介电厚度之间的关系。为了清楚的目的，假定气隙距离为零，对于单极电极，这成为:
[0060]sqrt(P*2/。)= Vr/d------(3)
[0061]根据本发明的实施例，在表1中对于在25V与300V之间的操作电压之间的Al2O3和Ta2O5介电材料、针对期望的2atm(202650Pa)和20atm(2026500Pa)的夹持压强提供了所计算的介电厚度值的示例性的范围，从而图示夹持压强、电压、介电常数和介电厚度的相互依赖性。提供的介电常数是近似的，并且理解到值能够取决于形成方式而变化。
[0062]表1
[0063]

【权利要求】
1.一种传送微器件的方法,包括: 将传送头定位在被连接到载体衬底的微器件之上，所述传送头包括: 台面结构； 在所述台面结构之上的电极；以及 覆盖所述电极的介电层； 使所述微器件与所述传送头接触； 向所述电极施加电压以产生对所述微器件的夹持压强； 用所述传送头来拾起所述微器件；以及 将所述微器件释放到接收衬底上。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在拾起所述微器件之前执行用于产生将所述微器件连接到所述载体衬底的键合层的相变的操作。
3.根据权利要求1所述的方法，其中向所述电极施加电压包括向所述电极施加恒定电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述传送头包括在所述台面结构之上的一对电极，并且进一步包括在所述一对电极上施加电压以产生对所述微器件的所述夹持压强。
5.根据权利要求4所述的方法,其中向一对电极施加电压包括在所述一对电极上施加交流电压。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在使所述微器件与所述传送头接触之前向所述电极施加所述电压。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在使所述微器件与所述传送头接触的同时向所述电极施加所述电压。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在使所述微器件与所述传送头接触之后向所述电极施加所述电压。
9.根据权利要求2所述的方法，其中执行用于产生所述键合层的所述相变的所述操作包括将所述键合层从固态变为液态。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在使所述微器件与所述传送头接触之前将所述键合层从固态变为液态。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在使所述微器件与所述传送头接触之后将所述键合层从固态变为液态。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括使所述接收衬底与所述微器件和所述键合层的一大部分接触，其中所述键合层的所述一大部分处于所述液态。
13.—种传送微器件阵列的方法,包括: 将传送头阵列定位在微器件阵列之上，每个传送头包括: 台面结构； 在所述台面结构上的电极；以及 覆盖所述电极的介电层； 使所述微器件阵列与所述传送头阵列接触； 选择性地向所述传送头阵列的一部分施加电压； 用所述传送头阵列的所述部分来拾起所述微器件阵列的对应的部分；以及选择性地将微器件阵列的所述部分释放到至少一个接收衬底上。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在拾起所述微器件阵列之前执行用于产生将所述微器件阵列连接到所述载体衬底的键合层的多个位置的相变的操作。
15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在使所述微器件阵列与所述传送头阵列接触之后在所述微器件阵列上摩擦所述传送头阵列。
16.根据权利要求13所述的方法，其中选择性地向所述传送头阵列的一部分施加电压包括向所述传送头阵列中的每一个传送头施加电压。
17.根据权利要求13所述的方法，其中选择性地向所述传送头阵列的一部分施加电压包括向少于所述传送头阵列中的每一个传送头施加电压。
18.根据权利要求14所述的方法，其中执行用于产生所述键合层的横向上单独的位置的阵列的所述相变的所述操作包括将所述键合层从固态变为液态。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括在使所述微器件与所述传送头接触之前将所述键合层从固态变为液态。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括在使所述微器件与所述传送头接触之后将所述键合层从固态变为液态。
【文档编号】H05K13/04GK104054168SQ201280067419
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2012年11月7日 优先权日:2011年11月18日
【发明者】A·拜布尔, J·A·希金森, H-F·S·劳, 胡馨华 申请人:勒克斯维科技公司