一种可定位温控的微区加热阵列及其选择性转移半导体微纳集成元件的使用方法与流程

本发明涉及一种微区加热阵列技术，尤其涉及一种用于半导体微纳集成元件的选择性转移的可定位温控微区加热阵列技术，可对微纳集成阵列中指定位置的单个或多个位置上的元件进行转移、移除、焊接和修补的操作。

背景技术：

自20世纪60年代以来，大规模集成电路的元件集成度按照moore定律以平均每18个月增加一倍的速度飞速发展，器件的小型化、高密度集成化渐成趋势。然而，集成和封装问题是诸如射频微机电系统(mems)微开关、发光二极管显示系统、mems或石英振荡器等微型集成器件商业化的主要障碍之一。其中，单元的转移以及良率对这种小尺寸、高密度的集成器件至关重要。传统的转移技术使用逐一固晶方法。这种逐一固晶的方法不仅在芯片的巨量转移过程中非常受限，而且在集成单元的排列整齐度、高一致性、高重复性方面也有所欠缺，容易出现死点情况。针对芯片的巨量转移，目前在led领域有利用“静电力”、“凡德瓦力”和“磁力”对巨量的microled单元进行抓取，以及利用激光选择性释放、流体自组装技术及转印技术来实现大批量单元的转移工作。然而，上述的集成技术只适用于一次性的转移和组装过程，单元集成后无法进行选择性转移。针对坏点，也无法做到定位移除、焊接和修补，难以保证芯片的良率和后期维护的工作。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可定位温控的微区加热阵列及其选择性转移半导体微纳集成元件的使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可定位温控的微区加热阵列，包括微区加热阵列和程序控制系统，所述的微区加热阵列包括：电极层i、电极层ii、n个微区加热单元，n≧64，其中，电极层i包括了n个电极i的阵列和引线i部分，电极层ii包括了n个电极ii的阵列和引线ii部分；

所述的微区加热单元的结构包括：衬底；设置于衬底上的电极i；设置于电极i上的加热层i，所述的加热层i为电致发热材料；覆盖于衬底、电极i、加热层i的绝缘层i，绝缘层i的主要目的是隔离电极i和电极ii，绝缘层i设有镂空部分，镂空部分露出部分或全部的加热层i；设置于绝缘层i之上的电极ii，电极ii不覆盖绝缘层i的镂空部分；设置于电极ii上的加热层ii，所述的加热层ii为电致发热材料；设置于绝缘层i和电极ii之上的绝缘层ii，绝缘层ii未覆盖绝缘层i的镂空部分，绝缘层ii设有镂空部分露出加热层ii；设置于绝缘层i的镂空部分和绝缘层ii的镂空部分中的粘结层，所述的粘结层为熔点低于电极i和电极ii的导电材料和热塑性材料，所述的粘结层与加热层i和加热层ii直接接触，组成形成触点；

所述的程序控制系统为程序编辑的电路控制系统，连通单个或多个微区加热单元的电极i和电极ii形成回路，对连通的微区加热单元施加指定的电学信号，进行调控温度，融化和凝固粘结层来选择性转移微区加热单元上面对应的半导体微纳集成元件。

为了在所述的微区加热单元内获得更好的隔热性，所述的绝缘层i和绝缘层ii优选低热传导介电材料，包括：sio2、gan、aln、tio2、zno、zro2、tho2、al2o3、cr2o3、ceo2、alf3、cef3、hff4、scf3、yf3、scf3、thf3、laf3、mgf2、zns、ta2o5中的一种或几种。

优选地，所述的粘结层为熔点低于300℃的导电材料和热塑性材料，包括：in、bi、sn、ag、cu、au、ga、sn中的一种或几种的合金，以及pmma、pom、pbt、pcl、pet、pc、pe、peek、pla、pp、ps、pvdc中的一种或几种组合。

所述的微区加热阵列可以使用外部电路作为电极层i、电极层ii中的一部分，将n个微区加热单元集成形成阵列，也可以使用原位制造的方法，在衬底上直接制作出电极层i、电极层ii和n个微区加热单元形成微区加热阵列。

为了使微区加热单元之间具有更好的隔热作用，优选地，所述的衬底有单个或多个独立的台阶，台阶上设置微区加热单元。

为了使所述的可定位温控的微区加热阵列同时具备独立的温控驱动功能和独立的半导体微纳集成元件驱动功能，并通过调节电信号的正负极性或电信号的强弱来区别上述两种功能的使用方法，温控驱动和半导体微纳集成元件驱动的控制回路可以共用一组回路，也可以单独设置两组及以上的控制回路，其中共用一组回路的情况，需要将可定位温控的微区加热阵列与半导体微纳集成元件的电极相连形成回路。

进一步地，温控驱动和半导体微纳集成元件驱动共用一组回路，共用一组触点，所述的加热层i和加热层ii为导电的电致发热材料，包括ito、azo、igzo，所述的微区加热阵列、程序控制系统以及半导体微纳集成元件中的一个或几个引入整流元件。半导体微纳集成元件中的一个或几个引入整流元件包括半导体微纳集成元件npn和pnp结构。进一步优选地，所述的整流元件为齐纳二极管。

进一步地，温控驱动和半导体微纳集成元件驱动设置成单独两组及以上的控制回路，共用一组触点，所述的加热层i和加热层ii为导电的电致发热材料，包括ito、azo、igzo，所述的加热层i、加热层ii中的一个或者两个，至少增加一个电极，加热层i和加热层ii有单独的控制回路，不需要外接半导体微纳集成元件来进行温控，使可定位温控的微区加热阵列的温控驱动由一组回路控制，半导体微纳集成元件驱动由另一组回路控制。

进一步地，温控驱动和半导体微纳集成元件驱动设置成单独两组及以上的控制回路，不共用触点，所述的加热层i和加热层ii可以是导电的电致发热材料，也可以是不导电的电致发热材料，所述的微区加热单元调整为至少有一个触点参与温控驱动，半导体微纳集成元件驱动由另外的两个及以上的电极完成，使可定位温控的微区加热阵列的温控驱动由一组回路控制，半导体微纳集成元件驱动由另一组回路控制。

进一步地，所述的微区加热阵列可以是上述的被动式驱动，也可以在主动式驱动电路上安置发热层和粘结层。

上述所述的一种可定位温控的微区加热阵列，其选择性转移半导体微纳集成元件的使用方法包括：指定位置的元件从一个位置移动到另一个位置的转移工艺；指定位置的元件从原有位置移除的移除工艺；在指定位置上焊接元件的焊接工艺；对指定位置的元件进行修补的修补工艺。

所述的可定位温控的微区加热阵列可用于单个或批量半导体微纳集成元件的选择性转移工艺中，优选地，程序控制系统连通指定位置的单个或多个微区加热单元，指定位置的微区加热单元加热粘结层，粘结层融化；可定位温控的微区加热阵列与一组接收衬底上的半导体微纳集成元件接触，半导体微纳集成元件压入融化的粘结层中；程序控制系统断开微区加热单元的连接通路，粘结层凝固；可定位温控的微区加热阵列拾取指定位置的半导体微纳集成元件，并与另一组接收衬底接触；程序控制系统连通指定位置的单个或多个微区加热单元，指定位置的微区加热单元加热粘结层，粘结层融化；可定位温控的微区加热阵列与接收衬底分开，完成半导体微纳集成元件的放置过程。

所述的可定位温控的微区加热阵列可用于单个或批量半导体微纳集成元件的选择性焊接工艺中，优选地，可定位温控的微区加热阵列与半导体微纳集成元件对准接触，使半导体微纳集成元件的电极与粘结层对准，对于倒置的半导体微纳集成元件，可选用一次转移技术，使半导体微纳集成元件的电极暴露在外面；程序控制系统连通指定位置的单个或多个微区加热单元，指定位置的微区加热单元加热粘结层，粘结层融化；程序控制系统断开微区加热单元的连接通路，粘结层凝固；完成指定位置的半导体微纳集成元件的焊接过程。

所述的可定位温控的微区加热阵列可用于单个或批量半导体微纳集成元件的选择性移除工艺中，优选地，可定位温控的微区加热阵列上焊接了半导体微纳集成元件，程序控制系统连通指定位置的单个或多个微区加热单元，指定位置的微区加热单元加热粘结层，粘结层融化；利用转移技术拾取粘结层融化位置的半导体微纳集成元件，完成半导体微纳集成元件移除过程，其中所述的转移技术可以是无选择性的转移技术。

所述的可定位温控的微区加热阵列可用于单个或批量半导体微纳集成元件的选择性修补工艺中，优选地，可定位温控的微区加热阵列上焊接了半导体微纳集成元件，程序控制系统连通指定位置的单个或多个微区加热单元，启动半导体微纳集成元件驱动功能，测试坏点并确定位置；利用上述的可定位温控的微区加热阵列对半导体微纳集成元件的选择性移除工艺，移除坏点位置的半导体微纳集成元件；利用上述的可定位温控的微区加热阵列对半导体微纳集成元件的选择性焊接工艺，在移除的坏点位置上焊接新的半导体微纳集成元件；完成半导体微纳集成元件的选择性修补。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种可定位温控的微区加热阵列，可以对阵列中指定位置进行温度控制；所述的可定位温控的微区加热阵列同时具备独立的温控驱动功能和独立的半导体微纳集成元件驱动功能；可选择性转移半导体微纳集成元件，解决了大批量、有选择性的转移、去除、焊接、和修补半导体元件的问题；有利于提高生产良率和后期维护的工作。

附图说明

现将仅通过示例参考附图来描述本发明的一些优选实施例，其中：

图1示出了概括根据本发明的一种微区加热单元的示例性结构图；

图2示出了衬底具有独立台阶的微区加热单元；

图3示出了一种8×8的微区加热阵列的示意图和透视图；

图4示出了，温控驱动和半导体微纳集成元件驱动共用一组回路，共用一组触点，由不同的电信号来单独控制温控驱动和半导体微纳集成元件驱动的电路示意图；

图5示出了另一种8×8的微区加热阵列的示意图和透视图；

图6示出了，温控驱动和半导体微纳集成元件驱动设置成单独两组回路控制，共用一组触点，单独控制温控驱动和半导体微纳集成元件驱动的电路示意图；

图7示出了可定位温控的微区加热阵列对指定位置的粘结层进行加热的示意图；

图8示出了可定位温控的微区加热阵列对microled元件的选择性转移过程；

图9示出了可定位温控的微区加热阵列键合的红、蓝、绿三色microled元件的分布；

图10示出了利用可定位温控的微区加热阵列制备红、蓝、绿三色microled发光模组的过程；

图11示出了可定位温控的微区加热阵列锁定microled坏件位置；

图12示出了利用可定位温控的微区加热阵列修复microled坏件的过程。

图示说明：100、微区加热单元；101、衬底；102、电极i；103、加热层i；104、绝缘层i；105、电极ii；106、加热层ii；110、绝缘层ii；111、覆盖于电极i和绝缘层i上的绝缘层ii；112、覆盖于加热层i和绝缘层i上的绝缘层ii；113、覆盖于电极ii上的绝缘层ii；114、覆盖于加热层ii上的绝缘层ii；115、覆盖于衬底台阶和绝缘层i上的绝缘层ii；107a、粘结层i；107b、粘结层ii；200、微区加热阵列；210、电极层i，包括211-218字线；220、电极层ii，包括221-228位线；001、程序控制系统；002、半导体微纳集成元件；003、整流元件；300、microled元件；301、microled电极i；302、microled电极ii；400、原始基底；500、接收基底；310、红色microled元件；320、绿色microled元件；330、蓝色microled元件；340、坏件。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

实施例一

本发明提供一种微区加热单元。其结构如图1所示，衬底101的尺寸为20μm×60μm；电极i102的厚度为200nm，宽度为10μm，可与外部线路连接；加热层i103的厚度为30nm，尺寸为12μm×17μm；绝缘层i104的厚度为30nm，镂空尺寸为10μm×15μm；电极ii105的厚度为200nm，宽度为10μm，可与外部线路连接；加热层ii106的厚度为30nm，尺寸为12μm×17μm；绝缘层ii110的厚度为30nm，镂空尺寸为10μm×15μm，包含覆盖于电极i102和绝缘层i104上的绝缘层ii111，覆盖于加热层i103和绝缘层i104上的绝缘层ii112，覆盖于电极ii105上的绝缘层ii113，覆盖于加热层ii106上的绝缘层ii114；在加热层i103和加热层ii106上的镂空部分分别设置粘结层i107a和粘结层ii107b，粘结层i107a的长、宽、高为13μm、8μm、100nm，粘结层ii107b的长、宽、高为13μm、8μm、70nm。

实施例二

本发明提供一种微区加热单元。其结构如图2所示，衬底101的尺寸为20μm×60μm，有长、宽、高分别为17μm、12μm、100nm的凸出的台阶；其结构如图1所示，衬底101的尺寸为20μm×60μm；电极i102的厚度为200nm，宽度为10μm，可与外部线路连接；加热层i103的厚度为30nm，尺寸为12μm×17μm；绝缘层i104的厚度为30nm，镂空尺寸为10μm×15μm；电极ii105的厚度为200nm，宽度为10μm，可与外部线路连接；加热层ii106的厚度为30nm，尺寸为12μm×17μm；绝缘层ii110的厚度为30nm，镂空尺寸为10μm×15μm，包含覆盖于电极i102和绝缘层i104上的绝缘层ii111，覆盖于加热层i103和绝缘层i104上的绝缘层ii112，覆盖于电极ii105上的绝缘层ii113，覆盖于加热层ii106上的绝缘层ii114；在加热层i103和加热层ii106上的镂空部分分别设置粘结层i107a和粘结层ii107b，粘结层i107a的长、宽、高为13μm、8μm、100nm，粘结层ii107b的长、宽、高为13μm、8μm、70nm。

实施例三

本发明提供一种微区加热单元。其结构如图1和图2所示，衬底101采用si基片；利用电子束蒸发的方法，在si衬底上沉积cr/au合金薄膜，通过光刻的方式制备出cr/au合金的电极i102；利用薄膜沉积和刻蚀的方法在电极i102上制备ito材料的加热层i103；利用薄膜沉积的方法制备gan薄膜，通过刻蚀的方法进行镂空，形成绝缘层i104；利用电子束蒸发的方法，在绝缘层i104上沉积cr/au合金薄膜，通过光刻的方式制备出cr/au合金的电极ii105；利用薄膜沉积和刻蚀的方法制备ito材料的加热层ii106；利用薄膜沉积的方法制备gan薄膜，通过刻蚀的方法进行镂空，形成绝缘层ii110；粘结层采用ausn合金。

实施例四

本发明提供一种微区加热单元。其结构如图1和图2所示，衬底101采用al2o3基片；利用电子束蒸发的方法，在al2o3衬底上沉积tiw合金薄膜，通过刻蚀的方式制备出tiw合金的电极i102；利用薄膜沉积和刻蚀的方法在电极i102上制备igzo材料的加热层i103；利用薄膜沉积的方法制备aln薄膜，通过刻蚀的方法进行镂空，形成绝缘层i104；利用电子束蒸发的方法，在绝缘层i104上沉积tiw合金薄膜，通过光刻的方式制备出tiw合金的电极ii105；利用薄膜沉积和刻蚀的方法制备igzo材料的加热层ii106；利用薄膜沉积的方法制备aln薄膜，通过刻蚀的方法进行镂空，形成绝缘层ii110；粘结层采用inbisn合金。

实施例五

本发明提供一种8×8的微区加热阵列，温控驱动和半导体微纳集成元件驱动共用一组回路，共用一组触点。微区加热阵列的结构如图3所示，采用原位制造的方法，在衬底上直接制作出电极层i210、电极层ii220和64个微区加热单元100形成微区加热阵列200。为方便理解微区加热阵列中电极层i和电极层ii的分布，图3中右侧给出了透视图，其中电极层i210为梳状结构。电极层i和电极层ii与程序控制系统相连。为了示意发接收指令的微区加热单元位置，图中标注出211-218字线和221-228位线。

实施例六

本发明提供一种8×8的可定位温控的微区加热阵列，温控驱动和半导体微纳集成元件驱动共用一组回路，共用一组触点，由不同的电信号来单独控制温控驱动和半导体微纳集成元件驱动。微区加热阵列结构如图3所示，信号控制的示意电路如图4所示。图4选取了图3中第一排第一列的微区加热单元，进行电路控制的展示，其中001为程序控制系统，002为半导体微纳集成元件，003为整流元件。将图中整流元件003与微区加热单元100集成一体，可通过在微区加热单元两电极之间引入齐纳二极管来实现；将图中整流元件003与半导体微纳集成元件002集成一体，可通过采用npn和pnp结构的半导体微纳集成元件来实现。如图4所示，粘结层ii107b接电路正极，电压降主要在粘结层i107a和粘结层ii107b上，实现对单元温度的调控；粘结层i107a接电路正极时，电压降主要在半导体微纳集成元件002，实现对半导体微纳集成元件驱动。

实施例七

本发明提供一种8×8的可定位温控的微区加热阵列，温控驱动和半导体微纳集成元件驱动设置成单独两组回路控制，共用一组触点，其结构如图5所示，采用原位制造的方法，在衬底上直接制作出电极层i210、电极层ii220和64个微区加热单元100形成微区加热阵列200。其中电极层ii220分为220a和220b，为方便理解微区加热阵列中电极层i和电极层ii的分布，图5中右侧给出了透视图，其中电极层i210和电极层ii220为梳状结构。电极层i210和电极层ii220与程序控制系统相连。220a与220b连通、210与220b连通可控制回路控制温控的驱动，220a与210连通可控制半导体微纳集成元件的驱动。图6选取了图5中第一排第一列的微区加热单元，进行电路控制的展示。221a与221b、211与221b连通，电压降主要在粘结层i107a和粘结层ii107b上实现对单元温度的调控；221a与211连通，电压降主要在半导体微纳集成元件002，实现对半导体微纳集成元件驱动。

实施例八

本发明提供一种microled的选择性转移技术。如图7所示，8×8的可定位温控的微区加热阵列中对指定位置的粘结层进行加热，图中黑色区域为加热融化的粘结层，微区加热阵列200中的粘结层i107a和粘结层ii107b与microled元件300中的microled电极i301和microled电极ii302电极对准后接触。microled电极i301和microled电极ii302压入融化的粘结层中，程序控制系统断开微区加热单元的连接通路，粘结层凝固，微区加热阵列200离开microled元件300的原始基底400，微区加热阵列200指定位置拾取位置的microled元件300并与接收基底500对准后接触，融化指定位置的微区加热单元的粘结层，microled元件300从微区加热阵列200上剥离，完成microled元件的转移。如图7示出了microled元件的选择性转移位置。图8从侧视上演示了选择性转移过程。

实施例九

本发明提供一种选择性转移技术制备红、蓝、绿三色microled发光模组的技术。图9显示了8×8的可定位温控的微区加热阵列中红、蓝、绿三色microled元件的分布。310为红色microled元件，320为绿色microled元件，330为蓝色microled元件。图10从侧视上演示了选择性转移过程。红色microled元件310与指定位置的微区加热单元100对准，程序控制系统对焊接的位置发出升温指令来融化粘结层i107a和粘结层ii107b，红色microled元件310中的红色microled电极i311和红色microled电极ii312压入融化的粘结层中，程序控制系统发送降温指令来凝固指定位置的粘结层，红色microled元件310离开原始基底400，留在微区加热阵列200的指定位置上，绿色microled元件320和蓝色microled元件330的焊接过程与上述红色microled元件310的焊接过程相同。

实施例十

本发明提供一种microled集成阵列的选择性修补技术。通过程序控制系统驱动microled集成阵列，进行电学性能检测，锁定坏件位置。图11显示了坏件340的位置。图12从侧视上演示了修补过程。程序控制系统对坏件位置的粘结层i107a和粘结层ii107b发送升温指令，粘结层i107a和粘结层ii107b融化，坏件被接收基底500拾取，与微区加热阵列200分离，达到去除坏件的目的。将新的microled元件300通过焊接技术焊接至原坏件位置。程序控制系统对坏件位置的粘结层i107a和粘结层ii107b发送升温指令，待microled元件300对准和接触后，程序控制系统发送降温指令，完成对坏件的修补。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。