顺应性的微型器件转移头部的制作方法

顺应性的微型器件转移头部的制作方法
【专利摘要】本发明公开了顺应性的微型器件转移头部和头部阵列。在一个实施例中，微型器件转移头部包括弹簧部分，该弹簧部分可挠曲到位于基部衬底和弹簧部分之间的空间中。
【专利说明】顺应性的微型器件转移头部

【技术领域】
[0001] 本发明涉及微型器件。更具体地，本发明的实施例涉及微型器件转移头部和将微 型器件阵列转移到不同的衬底的方法。

【背景技术】
[0002] 集成和封装问题是微型器件商业化的主要障碍中的一个，诸如射频（RF)微机电 系统（MEMS)微型开关的集成、发光二极管（LED)集成到图像显示系统上以及MEMS或基于 石英的振荡器。
[0003] 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。一个此 类具体实施是"直接印刷"，其涉及一个键合步骤，即将器件阵列从转移晶圆键合到接收晶 圆，之后去除转移晶圆。另一个此类具体实施是"转印"，其涉及两个键合/解键合步骤。在 转印中，转移晶圆可从供体晶圆拾取器件阵列，并且然后将该器件阵列键合到接收晶圆，之 后是去除转移晶圆。
[0004] 已经开发出一些印刷工艺变型，在这些变型中，可在转移过程期间对器件选择性 地进行键合和解键合。在传统的直接印刷和转印技术及其变型中，在将器件键合到接收晶 圆之后，转移晶圆仍必须从器件解键合。此外，在该转移过程中，涉及具有器件阵列的整个 转移晶圆。


【发明内容】

[0005] 公开顺应性的微型器件转移头部，和将微型器件阵列转移到不同的衬底的方法。 例如，接收衬底可为但不限于显示衬底、照明衬底、具有功能器件诸如晶体管的衬底或者具 有金属重布线路的衬底。
[0006] 在一个实施例中，微型器件转移头部包括基部衬底和弹簧构件。弹簧构件包括弹 簧锚定件和弹簧部分，其中弹簧锚定件耦接到基部衬底，弹簧部分可挠曲到位于弹簧部分 和基部衬底之间的空间中。弹簧部分还包括电极。电介质层覆盖电极的顶表面。弹簧部分 还可包括远离基部衬底突起的台面结构，其中台面结构具有渐缩的侧壁，并且电极在台面 结构的顶表面上形成。台面结构可单独形成或者与弹簧部分一体形成。
[0007] 电极引线可从电极延伸以便接触位于基部衬底中的布线，并将微型器件转移头部 连接至静电夹持器组件的工作的电子器件。电极引线可以从位于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。或者，电极引线可在台面结构下面延伸，并且连接至穿过 台面结构延伸至电极的通孔。弹簧部分可另外包括第二电极和电极引线。
[0008] 在一个实施例中，微型器件转移头部包括传感器以测量弹簧部分的挠曲量。传感 器可耦接到弹簧构件或者在弹簧构件内形成。传感器可包括两个电极，其中一个电极形成 在弹簧构件的底表面上，并且第二电极在弹簧构件的弹簧部分下面的空间内形成在第一电 极的正下方。传感器可测量应变或电容，以确定弹簧部分的挠曲量。通过传感器测量的挠 曲量可指示例如转移头部是否已经接触微型器件，或是否在微型器件的表面和转移头部的 表面之间存在污染。在一个实施例中，传感器被配置成测量弹簧部分的谐振频率，以便确定 微型器件是否已经被转移头部拾取。
[0009] 在弹簧部分下方的空间可为位于基部衬底的表面中的腔体。另选地，弹簧部分可 通过弹簧锚定件升高至基部衬底上方。弹簧构件可为具有耦接到基部衬底或弹簧锚定件的 第一端和悬置在腔体上方的第二端的弹簧臂，其中弹簧锚定件包括第一端，并且弹簧部分 包括第二端。台面结构可形成于弹簧臂的第二端上。弹簧构件可包括多个弹簧臂。另选地， 弹簧部分也可完全覆盖腔体。台面结构可在腔体中心的上方形成于弹簧部分的顶表面上。
[0010] 在一个实施例中，用于选择性地转移微型器件的方法包括使顺应性的微型器件转 移头部的阵列与微型器件阵列接触，其中每个转移头部包括挠曲传感器。然后可测量每个 转移头部的挠曲量，并且每个转移头部可基于由转移头部中的传感器检测的挠曲量被选择 性地激活，使得只有挠曲指示为与微型器件的表面接触的那些转移头部被激活，以便拾取 对应的微型器件。
[0011] 在一个实施例中，用于选择性地拾取微型器件阵列的方法包括微型器件转移头部 阵列，其中每个转移头部包括位于弹簧部分的背面上的电极，以及在腔体底部、与背面电极 相反的对应电极。背面电极或相反电极中的一个可被电介质层覆盖以阻止短接。当转移头 部被压下时，可在两个电极间施加电压从而将转移头部锁定在所述压下位置。为启用选择 性转移，阵列中的转移头部可首先被压下并且被锁定在所述压下位置。然后可从转移头部 的一部分选择性地去除电压，从所述压下位置释放所选择的转移头部，使得它们拾取微型 器件。转移头部阵列可定位在在承载衬底上的微型器件阵列的上方并与其接触，使得只有 被选择性释放的转移头部接触并拾取微型器件的对应部分。

【专利附图】

【附图说明】
[0012] 图1是根据本发明的实施例的双极性悬臂式微型器件转移头部的横截面侧视图 和等轴图解。
[0013] 图2是根据本发明的实施例的单极性悬臂式微型器件转移头部的等轴图解。
[0014] 图3是根据本发明的实施例的双极性悬臂式微型器件转移头部的等轴图解。
[0015] 图4是根据本发明的实施例包括导电通孔的悬臂式双极性微型器件转移头部的 等轴图解。
[0016] 图5A至图5B是根据本发明的实施例的双极性悬臂式微型器件转移头部的顶部朝 下式图解。
[0017] 图6A至图6D是根据本发明的实施例的悬臂式微型器件转移头部的传感器部件的 横截面侧视图。
[0018] 图7是根据本发明的实施例的双极性悬臂式微型器件转移头部阵列的等轴图解。
[0019] 图8是根据本发明的实施例的包括导电接地层的双极性悬臂式微型器件转移头 部阵列的等轴图解。
[0020] 图9是根据本发明的实施例的包括导电接地层的双极性悬臂式微型器件转移头 部阵列的横截面侧视图。
[0021] 图10是根据本发明的实施例的包括多个弹簧臂的双极性微型器件转移头部的等 轴图解。
[0022] 图11是根据本发明的实施例的双极性隔膜式微型器件转移头部的横截面侧视图 图解。
[0023] 图12是根据本发明的实施例的隔膜式微型器件转移头部的俯视等轴图解。
[0024] 图13A至图13E是根据本发明的实施例的双极性隔膜式微型器件转移头部的横截 面侧视图图解。
[0025] 图14A至图14E是根据本发明的实施例的用于形成双极性隔膜式微型器件转移头 部的方法的横截面侧视图图解。
[0026] 图15A至图15K是根据本发明的实施例的用于形成双极性隔膜式微型器件转移头 部的方法的横截面侧视图图解。
[0027] 图16A至图16D是根据本发明的实施例的升高的微型器件转移头部的横截面侧视 图图解。
[0028] 图17是示出根据本发明的实施例的拾取微型器件并将微型器件从承载衬底转移 到接收衬底的方法的流程图。
[0029] 图18是示出根据本发明的实施例的拾取微型器件阵列并将微型器件阵列从承载 衬底转移到至少一个接收衬底的方法的流程图。
[0030] 图19是示出根据本发明的实施例的拾取微型器件阵列并将微型器件阵列从承载 衬底转移到至少一个接收衬底的方法的流程图。
[0031] 图20是示出根据本发明的实施例的拾取微型器件阵列的所选择的部分，并将微 型器件阵列的所选择的部分从承载衬底转移到至少一个接收衬底的方法的流程图。
[0032] 图21是示出根据本发明的实施例的方法的流程图，其中方法是基于来自在每个 微型器件转移头部中的一个或多个传感器的信息，拾取微型器件阵列的一部分，并将微型 器件阵列的该部分从承载衬底转移到至少一个接收衬底。
[0033] 图22A至图22B是根据本发明的实施例的与微型LED器件阵列接触的微型器件转 移头部阵列的横截面侧视图图解。
[0034] 图23是根据本发明的实施例的拾取微型LED器件的微型器件转移头部阵列的横 截面侧视图图解。
[0035] 图24是根据本发明的实施例的拾取微型LED器件的一部分的微型器件转移头部 阵列的横截面侧视图图解。
[0036] 图25是根据本发明的实施例的带有微型LED器件阵列的微型器件转移头部阵列 的横截面侧视图图解，其中微型LED器件定位在接收衬底上方。
[0037] 图26是根据本发明的实施例的释放到接收衬底上的微型器件阵列的横截面侧视 图图解。
[0038] 图27是根据本发明的实施例的包括接触开口的多种微型LED结构的横截面侧视 图图解，其中接触开口具有比微型P_n二极管的顶表面更小的宽度。
[0039] 图28是根据本发明的实施例的包括接触开口的多种微型LED结构的横截面侧视 图图解，其中接触开口具有比微型P_n二极管的顶表面更大的宽度。
[0040] 图29是根据本发明的实施例的包括接触开口的多种微型LED结构的横截面侧视 图图解，其中接触开口具有与微型P_n二极管的顶表面相同的宽度。
[0041] 图30是微型器件转移头部阵列的横截面侧视图图解，示出转移头部的弹簧部分 在拾取操作期间的挠曲的变化程度。
[0042] 图31是微型器件转移头部阵列的横截面侧视图图解，其中转移头部的位置已被 锁定在所述压下位置中。

【具体实施方式】
[0043] 本发明的实施例描述顺应性的微型器件转移头部和头部阵列，以及将微型器件和 微型器件阵列从承载衬底转移到接收衬底的方法。接收衬底可为但不限于显示衬底、照明 衬底、带有功能器件诸如晶体管或集成电路（1C)的衬底或者具有金属重布线路的衬底。在 一些实施例中，本文描述的微型器件和微型器件阵列可为微型LED器件，诸如在图26至图 28中示出的结构，以及在以引用方式并入本文的相关的美国专利申请号13/372,222中描 述的那些结构。虽然本发明的一些实施例具体针对微型LED描述，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其他微型器件诸如二极管、晶体管、集成电路 (1C)和 MEMS。
[0044] 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配置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"、"实施例"等是指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之中。因此，整个说明书中多处出现短语"在一 个实施例中"、"实施例"等不一定是指本发明的相同实施例。此外，特定的特征、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。
[0045] 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。
[0046] 如本文使用的，术语"微型"器件或"微型" LED结构可以指根据本发明的实施例的 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lOOum的 尺度。但是，应当理解本发明的实施例并不限于此，并且实施例的某些方面可适用于较大以 及可较小尺寸的尺度。
[0047] 在一个方面，本发明的实施例描述用顺应性的转移头部的阵列进行预制微型器件 阵列的质量传递的方式。例如，预制微型器件可具有具体功能性，诸如但不限于用于光发 射的LED、用于逻辑电路和存储器的硅1C以及用于射频（RF)通信的砷化镓（GaAs)电路。 在一些实施例中，准备用于拾取的微型LED器件阵列被描述为具有10 y mX 10 y m节距，或 5 ii mX 5 ii m节距。在这些密度下，例如，6英寸的衬底可以10 ii mX 10 ii m节距容纳约1. 65 亿个微型LED器件，或以5 y mX 5 y m节距容纳约6. 60亿个微型LED器件。转移工具，包括 与对应的微型LED器件阵列的节距的整数倍相匹配的顺应性的转移头部阵列，可用于拾取 微型LED器件阵列并将其转移至接收衬底。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的微型器件转移头部阵列可以拾取并转移100, 000个以上的微型器件，更大 的微型器件转移头部阵列能够转移更多的微型器件。顺应性的转移头部阵列中的每个顺应 性的转移头部还可为独立地可控制的，这允许微型器件的选择性拾取和释放。
[0048] 在一个方面，本发明的实施例描述顺应性的微型器件转移头部和转移方法，其中 相比于不顺应的转移头部阵列，微型器件转移头部阵列允许具有改善的与微型器件阵列的 接触。将其中每个转移头部包括弹簧构件的顺应性的微型器件转移头部阵列降低到微型器 件阵列上，直到转移头部与微型器件接触。顺应性的转移头部的弹簧构件部件可补偿微型 器件的高度变化，或补偿在微型器件顶部上的颗粒污染。例如，在无弹簧构件的情况下，转 移头部阵列可以不接触阵列中的每个和每一微型器件。不规则的微型器件高度或在单个微 型器件的顶表面上的颗粒可阻止转移头部的其余接触在阵列中的微型器件的其余。因此， 气隙可在那些转移头部和微型器件之间形成。由于该气隙，目标施加的电压可不产生足够 的静电力来克服气隙，导致不完整的拾取过程。根据本发明的实施例，相比与单个转移衬底 上的较短的微型器件相关联的弹簧构件，与更高或污染的微型器件相关联的弹簧构件可挠 曲更多。这样，弹簧构件还可补偿微型器件的高度变化，从而协助每个顺应性的转移头部与 每个微型器件接触，并且确保每个预期的微型器件被拾取。
[0049] 在一个方面，顺应性的微型器件转移头部结构包括传感器，以便当转移头部与微 型器件接触时，传感器监控弹簧构件的挠曲量。传感器可用于多种原因。在一个应用中，传 感器可用于确定是否已经与相应的微型器件接触。在另一个应用中，传感器可用于检测不 规则形状的或污染的微型器件。这样，可确定是否要继续尝试拾取不规则的或污染的微型 器件。另外，可确定在重新尝试拾取操作之前，是否要对转移头部阵列或微型器件阵列施加 清洁操作。在另一个应用中，传感器可用于检测微型器件是否附接到转移头部，以及是否已 被成功地拾取。
[0050] 在另一个方面，用于选择性地转移微型器件的方法包括使顺应性的微型器件转移 头部阵列与微型器件阵列接触，其中每个转移头部包括挠曲传感器。每个转移头部的挠曲 量可通过挠曲传感器测量，以确定转移头部是否已经接触微型器件，从而指示在微型器件 的表面上存在污染或不规则部分，或指示不存在微型器件。由此，每个转移头部可根据通过 挠曲传感器检测的挠曲量被选择性地激活，使得只有挠曲指示为与微型器件的表面接触的 那些转移头部被激活，以拾取对应的微型器件。
[0051] 在另一个方面，用于选择性地转移微型器件的方法包括压下阵列中的顺应性的 转移头部，将转移头部锁定在所述压下位置，以及然后将转移头部的一部分从所述压下位 置选择性地释放，使得每个释放的转移头部可接触并拾取微型器件阵列中的对应的微型器 件。
[0052] 现在参见图1，根据本发明的实施例，示出带有单极电极的顺应性的转移头部100 的等轴视图以及顺应性的转移头部阵列的对应横截面侧视图。图2是图1所示的弹簧构件 110的特写等轴视图。本文所公开的微型器件转移头部的弹簧构件特征可利用多种结构执 行，其中多种结构允许转移头部的挠曲。示例性实施例包括悬臂梁（参见，例如图1)、多个 弹簧臂（参见，例如图10)、隔膜（参见，例如图11)以及升高的平台（参见，例如图16A至 图16D)。其他结构可允许顺应性的转移头部。转移头部的特定实施例的另外特征可通过 弹簧构件的结构确定，诸如台面结构的添加、电极引线的放置以及挠曲传感器的类型和位 置。因此，虽然特征--诸如基部衬底、弹簧构件、一个或多个电极以及电介质层的材料和 特性--参考图1和图2示出的悬臂式弹簧构件结构描述，应当理解，某些特征同样适用于 随后描述的其他弹簧构件结构实施例。
[0053] 每个转移头部可包括基部衬底102、弹簧构件110和电介质层113,弹簧构件110 包括耦接到基部衬底102的弹簧锚定件120和包括电极116的弹簧部分122,电介质层113 覆盖电极的顶表面。弹簧部分122可挠曲到位于弹簧部分122和基部衬底102之间的空间 112中。电介质层113未在图1至图2中的等轴视图图解中示出，使得下面的元件可以示 出。弹簧部分122可包括弹簧臂124和台面104,该台面104包括顶表面108和渐缩的侧壁 106。
[0054] 基部衬底102可由能够提供结构支撑的多种材料诸如硅、陶瓷和聚合物形成。在 一个实施例中，基部衬底102具有在103和1018ohm-cm之间的电导率。基部衬底102可另 外包括互连部130,以便通过电极引线114将微型器件转移头部100连接至静电夹持器组件 的工作的电子器件。
[0055] 再次参见图1，弹簧构件110的弹簧部分122可挠曲到使弹簧部分122与基部衬 底102分离的空间112中。在一个实施例中，弹簧构件110的一端包括弹簧锚定件120,借 助该弹簧锚定件120,弹簧构件110耦接到基部衬底102,并且另一端包括悬置在空间112 上方的弹簧部分122。在一个实施例中，弹簧部分122包括弹簧臂124、台面结构104、电极 116和电极引线114。弹簧臂124由具有弹性模量的材料形成，其中弹性模量允许弹簧部 分122在微型器件转移过程的工作温度范围上挠曲到空间112中。在一个实施例中，弹簧 臂124由与基部衬底102相同或不同的材料形成，例如，半导体材料诸如硅或电介质材料诸 如二氧化硅和氮化硅。在一个实施例中，弹簧臂124从基部衬底102 -体形成，诸如在空间 112的蚀刻期间。在另一个实施例中，弹簧臂124由沉积、生长或键合在基部衬底102上的 材料层形成。
[0056] 在一个实施例中，弹簧臂124的材料和尺寸被选择成当转移头部100的顶表面在 最高至350°C的操作温度下经受最高至lOatm的压力时，允许弹簧部分122挠曲到空间112 中约0.5 iim。参见图2,根据本发明的实施例，弹簧臂124具有厚度T、宽度W和长度L。在 一个实施例中，弹簧臂124由硅形成并且具有最高至1 y m的厚度T。弹簧臂124的厚度T 可大于或小于1 U m，这取决于形成弹簧臂124的材料的弹性模量。在一个实施例中，弹簧臂 124的宽度W足够适应另外的弹簧部分和转移头部元件，诸如电极116和台面结构104。在 一个实施例中，弹簧臂124的宽度W可对应于待拾取的微型器件的尺寸。例如，在微型器件 为3-5 y m宽的情况下，弹簧臂的宽度也可以为3-5 y m，并且在微型器件为8-10 y m宽的情 况下，弹簧臂的宽度也可以为8-10 ym。给定形成弹簧臂124的材料的模量，弹簧臂124的 长度L足够长以允许弹簧部分122的挠曲，但长度L小于转移头部阵列中的转移头部100 的节距。在一个实施例中，弹簧臂124的长度L可为8至30i!m。
[0057] 在图1和图2中示出的悬臂式弹簧构件110的弹簧部分122还包括远离基部衬底 102突起的台面结构104。台面结构104具有渐缩的侧壁106和顶表面108。台面结构104 可利用任何合适的处理技术形成，并且可由与弹簧臂124相同或不同的材料形成。在一个 实施例中，台面结构104与弹簧臂124-体形成，例如通过利用浇铸或光刻图案化和蚀刻技 术。在一个实施例中，各向异性的蚀刻技术可用于为台面结构104形成渐缩的侧壁106。在 另一个实施例中，台面结构104可沉积或生长以及图案化在基部衬底102的顶部上。在一个 实施例中，台面结构104为形成在硅质弹簧臂124上的图案化的氧化物层，诸如二氧化硅。
[0058] 在一个方面，台面结构104产生远离于基部衬底突起的轮廓，以便提供局部接触 点从而在拾取操作期间拾取特定的微型器件。在一个实施例中，台面结构104具有约1 y m 至5 y m，或更具体地约2 y m的高度。台面结构104的具体尺寸可取决于待拾取的微型器件 的具体尺寸，以及在台面结构上形成的任何层的厚度。在一个实施例中，位于基部衬底102 上的台面结构阵列104的高度、宽度和平面性在整个基部衬底是均匀的，使得每个微型器 件转移头部1〇〇能够在拾取操作期间与每个对应的微型器件接触。在一个实施例中，横跨 每个微型器件转移头部的顶表面126的宽度稍大于、大约等于或小于在对应的微型器件阵 列中的每个微型器件的顶表面的宽度，使得转移头部不在拾取操作期间意外地接触与预期 的对应微型器件相邻的微型器件。如下文更详细的描述，由于另外的层可形成于台面结构 104上（例如钝化层111、电极116和电介质层113)，因此台面结构的宽度可占据覆盖层的 厚度，使得横跨每个微型器件转移头部的顶表面126的宽度稍大于、大约等于或小于在对 应的微型器件阵列中的每个微型器件的顶表面的宽度。
[0059] 仍参见图1和图2,台面结构104具有顶表面108和侧壁106,其中顶表面108可 为平面的。例如，在一个实施例中，侧壁106可渐缩最高至10度。渐缩侧壁106可有利于 形成电极116和电极引线114,如下文所进一步描述。钝化层111可覆盖基部衬底102和弹 簧臂阵列124以及台面结构104。在一个实施例中，钝化层可为0. 5 ii m至2. Oil m厚的氧化 物诸如但不限于氧化硅（Si02)、氧化铝A1203)或氧化钽（Ta 205)。
[0060] 根据实施例，弹簧构件110还包括电极116和电极引线114。在一个实施例中，电 极116形成在台面结构104的顶表面108上。在一个示例性实施例中，电极116在其上形 成的台面结构104的顶表面108为约7 y mX7 y m，以便实现转移头部100的8 y mX8 y m 的顶表面。根据实施例，电极116尽可能地覆盖台面结构104的顶表面108的最大表面积 量，同时保持在图案化容限之内。自由空间的量的最小化增大了可通过微型器件转移头部 实现的电容和所得的夹持压力。虽然一定量的自由空间在图1和图2中的台面结构104的 顶表面108上不出，但电极116可覆盖整个顶表面108。电极116还可稍大于顶表面108， 并且部分地或完全地向台面结构104的侧壁106下方延伸，从而确保顶表面108的完整覆 盖。应当理解，台面阵列可具有多种不同的节距，并且本发明的实施例不限于节距10 U m的 台面结构104的示例性7 ii mX7 ii m的顶表面。
[0061] 电极引线114可从台面结构104的顶表面108上方的电极116延伸，朝着台面结 构的侧壁106向下延伸，沿着弹簧臂124的顶表面延伸，并且在弹簧锚定件120上方延伸。 在一个实施例中，电极引线114连接至位于基部衬底102中的互连部130,其可穿过基部衬 底延伸到基部衬底的背面。
[0062] 包括金属、金属合金、难烙金属以及难烙金属合金的多种导电材料可用于形成电 极116和电极引线114。在一个实施例中，电极116具有最高至5,000A (0.5 iim)的厚度。 在一个实施例中，电极116包括高熔融温度的金属诸如钼或难熔金属或难熔金属合金。例 如，电极可包括钼、钛、银、铬、锫、银、钥、钌、铭、铪、钽、鹤、铼、锇、铱以及它们的合金。难熔 金属和难熔金属合金通常表现出比其他材料高的耐热性和耐磨损性。在一个实施例中，电 极116各自为约500A (〇.〇5ym)厚的钛钨（TiW)难熔金属合金层。
[0063] 在一个实施例中，电介质层113覆盖电极116。电介质层113还可覆盖在转移头 部100和基部衬底102上的其他暴露层。在一个实施例中，电介质层113具有合适的厚度 和介电常数，以用于实现微型器件转移头部1〇〇的所需夹持压力，以及足够的电介质强度， 从而不在操作电压下击穿。电介质层113可为单层或多层。在一个实施例中，电介质层为 0. 5 y m至2. 0 y m厚，虽然该厚度可以或多或少地取决于转移头部100和下面的台面结构 104的具体形貌特征。合适的电介质材料可包括但不限于氧化铝（A1 203)和氧化钽（Ta205)。 根据本发明的实施例，电介质层113具有比施加的电场更大的电介质强度，以避免转移头 部在操作期间发生短接。电介质层113可通过多种合适的技术诸如化学气相沉积（CVD)、原 子层沉积（ALD)和物理气相沉积（PVD)诸如溅射进行沉积。电介质层113可以在沉积后另 外进行退火。在一个实施例中，电介质层113具有至少为400V/iim的电介质强度。这样的 高电介质强度可允许使用较薄的电介质层。技术诸如ALD可用于沉积具有良好的电介质强 度的均匀的、共形的、致密的和/或无针孔的电介质层。多层也可用于实现此类无针孔电介 质层。不同电介质材料的多层也可用于形成电介质层113。在一个实施例中，下面的电极 116包括钼或难熔金属或难熔金属合金，它们具有比一种或多种电介质层材料的沉积温度 高的熔融温度，以便不成为选择电介质层113的沉积温度的限制因素。在一个实施例中，在 电介质层113的沉积之后，薄型涂层（未示出）可形成于电介质层113上方，以提供特定的 静摩擦力系数，以便增加侧向摩擦并且阻止微型器件在拾取操作期间被撞落转移头部。在 该实施例中，另外的薄型涂层将顶表面126替换为接触表面，并且该表面保持本文所述的 维数阵列要求。此外，另外的涂层可影响微型器件转移头部的介电性能，这可以影响微型器 件转移头部的可操作性。在一个实施例中，另外的涂层的厚度可为最小（例如小于l〇nm)， 以便对夹持压力几乎没有可测量的影响。
[0064] 弹簧部分122可挠曲到位于弹簧部分122和基部衬底102之间的空间112中。在 一个实施例中，空间112是位于基部衬底102的表面中的腔体。在另一个实施例中，弹簧部 分122升高至基部衬底102上方从而产生空间112。在一个实施例中，空间112在弹簧部 分122的弹簧臂124下面延伸。空间112还可包括位于基部衬底102的顶表面之下的底切 部分。空间112的尺寸被选择为允许弹簧部分122挠曲到空间112中，如上相对于弹簧臂 124讨论的。
[0065] 图3是根据本发明的实施例具有双极电极的弹簧构件110的特写等轴视图。在一 个实施例中，电极116A和116B覆盖台面结构104。为清楚起见，覆盖的电介质层未示出。 在一个实施例中，电极116A和电极116B形成在覆盖台面结构104的钝化层（未示出）上 方。在一个示例性实施例中，在台面结构104的顶表面108为与具有10 y m节距的台面阵列 对应的约7 U mX 7 y m的情况下，电极可以尽可能地覆盖台面结构104的顶表面108的最大 表面积量，同时仍提供电极116A、116B之间的分离。出于对最大化表面积同时避免来自电 极的重叠电场的考虑，分离距离的最小量可被平衡。例如，电极116A、116B可以分开0. 5iim 或更小的距离，并且最小分离距离可由电极的高度限制。在一个实施例中，电极在一个方向 比顶表面108更长，并且部分或完全地朝台面结构104的侧壁106向下延伸以确保顶表面 108的最大覆盖。应当理解，台面阵列可具有多种不同的节距，并且本发明的实施例不限于 节距为10 U m的台面结构104的示例性7 y mX7 y m的顶表面。
[0066] 电极引线114A和电极引线114B分别连接至在台面结构104的顶表面108上的电 极116A和电极116B。电极114可朝着台面结构104的单个倾斜的侧壁106向下并且沿着 弹簧臂124的顶表面延伸到弹簧锚定件120。侧壁106的倾斜帮助沉积并蚀刻金属以形成 电极引线114。在一个实施例中，电极引线114A和电极引线114B各自位于弹簧臂124的 边缘的附近，以便允许在弹簧臂124的顶表面上在电极引线之间形成弹簧臂传感器（未示 出）。电极引线114AU14B可由与电极116AU16B相同或不同的导电材料形成。
[0067] 现在参见图4,提供根据本发明的实施例的具有双极电极的弹簧构件110的等轴 视图，其中双极电极具有另选的电极引线配置。在该实施例中，电极引线114AU14B在台面 结构104的一部分下面延伸，并且导电通孔117AU17B穿过台面结构104 (以及未示出的可 选的钝化层）延伸，将电极116A、116B连接至相应的电极引线114A、114B。在该实施例中， 导电通孔117AU17B可在台面结构104形成之前形成，并且可由与电极引线114A、114B和 电极116AU16B相同或不同的导电材料形成。在图4中，虽然通孔117AU17B参照双极电 极结构示出，但应当理解，上述一个或多个通孔还可集成到单极电极结构中。
[0068] 现在参见图5A至图5B，提供根据本发明的实施例的双极性微型器件转移头部的 电极116AU16B的顶视图图解。现在为止，台面结构104已被描述为如图5A所示的单个台 面结构。然而，本发明的实施例不限于此。在图5B示出的实施例中，每个电极116被形成 在通过沟槽105分离的独立台面结构104AU04B上。可选的钝化层（未示出）可覆盖两个 台面结构104A、104B。
[0069] 图6A至图6D各自示出组装了一个或多个传感器的微型器件转移头部100的实施 例。在转移头部的操作期间，传感器可用于多种用途。例如，在传感器用于测量转移头部的 挠曲量的情况下，该信息可用于确定（1)是否已经与待拾取的微型器件接触，（2)在微型器 件上是否存在污染，或者微型器件是否已被损坏或变形，或（3)微型器件是否已被拾取。
[0070] 图6A至图6B示出根据本发明的实施例的包括应变传感器128A/128B的转移头部 的横截面侧视图。在一个实施例中，应变传感器128A/128B是能够测量弹簧部分122到空 间112中的挠曲量的应变仪。在拾取操作期间，当转移头部接触微型器件的表面时，其可响 应于接触压力而挠曲一些量。通过测量弹簧部分122的挠曲量，并将其与已知指示与微型 器件表面的清洁接触的挠曲量相比较，应变传感器128A/128B可指示转移头部100是否已 接触在阵列中的微型器件的顶表面，并且由此准备执行拾取操作。过小的挠曲的检测可指 示微型器件不存在于阵列中的该位置上，而过大的挠曲的检测可指示由于存在污染颗粒或 以其他方式损坏或变形的微型器件，因此微型器件的表面和转移头部的表面之间分离地或 不完全地接触。在这两种情况下，可对转移头部施加电压，以便不试图拾取不存在或损坏的 微型器件。在检测到污染的情况下，在重新试图进行拾取操作之前，可对转移头部、微型器 件或它们的相应阵列施加清洁操作。
[0071] 在另一个实施例中，应变传感器128A/128B能够测量弹簧部分122的谐振频率。承 载转移头部元件诸如台面结构104、电极（未示出）和电介质层（未示出）的重量的弹簧臂 124将具有自然谐振频率。在拾取在转移头部的表面上的微型器件时，由于微型器件的另外 的重量，谐振频率将改变。在一个实施例中，应变传感器128A/128B可检测弹簧部分122的 谐振频率的变化，该变化指示微型器件已被转移头部成功地拾取。
[0072] 在一个实施例中，传感器128A/B可以直接形成在基部衬底102之上或之中。在一 个实施例中，传感器128A/B可形成在弹簧层132之上或之中，其中弹簧层132形成在衬底 102上方。例如，弹簧层132是硅，在这种情况下，钝化层（未示出）形成在应变传感器128A 和弹簧锚定件120与弹簧部分122的界面之间，以便隔离传感器。在另一个实施例中，弹簧 层132是氧化物层或氮化物层。参见图6A，在一个实施例中，应变传感器128A在弹簧锚定 件120与弹簧部分122的界面上方形成在弹簧层132上。当弹簧部分122挠曲到空间112 中时，沿着弹簧臂124的应变是不均匀的；弹簧臂124在弹簧部分122与弹簧锚定件120的 界面处经受最大的应变量。在一个实施例中，应变传感器128A跨越弹簧锚定件120与弹簧 部分122的界面，以便受到与弹簧部分122的挠曲相关联的应力的最大量。
[0073] 在一个实施例中，应变传感器128A包括压电材料。压电材料响应于施加的机械应 力而积聚电荷。沿着压电式传感器的应变表面的电荷积聚可以产生与应变量相关的可测量 的电压。由此，由于弹簧部分122挠曲到空间112中，因此随着在弹簧锚定件120和弹簧部 分122的界面处的应变增加，在应变传感器的上表面和下表面之间的电压亦增加，从而允 许计算弹簧部分122的挠曲量。压电材料包括例如结晶材料诸如石英和陶瓷材料诸如锆钛 酸铅（PTZ)。
[0074] 在另一个实施例中，应变传感器128A包括压敏电阻材料。压敏电阻材料的电阻率 响应于施加的机械应力而变化。由此，应变传感器128A可以受到电流，使得当弹簧部分122 挠曲到空间112中时，随着在弹簧锚定件120和弹簧部分122的界面处的应变增加，应变传 感器128A的电阻率增加，从而导致传感器两端电压的可测量增加。挠曲量可根据电压变化 进行计算。压敏电阻材料包括例如多晶硅、非晶硅、单晶硅或锗。
[0075] 在一个实施例中，应变传感器128B形成在基部衬底102的表面内，该表面在弹簧 锚定件120和弹簧部分122的界面处，如图6B所示。在一个实施例中，弹簧锚定件120和 弹簧部分122的弹簧臂124由硅形成。在一个实施例中，弹簧锚定件120和弹簧部分122 的界面的一部分被掺杂以形成压敏电阻式应变传感器128B。例如，硅表面可掺杂硼用于P 型材料，或掺杂砷用于N型材料。当掺杂的传感器区域应变时，电荷载流子的变化的移动性 引起压阻效应。
[0076] 在另一方面，应变传感器128AU28B用于测量弹簧部分122的谐振频率。在一个 实施例中，弹簧部分122在由形成弹簧部分122的元件的重量部分地确定的谐振频率处振 荡。该振荡导致在弹簧锚定件120和弹簧部分122的界面处的对应地振荡的应变量。在微 型器件已被转移头部拾取之后，微型器件的另外的重量将改变弹簧部分122的谐振频率， 导致在弹簧锚定件120和弹簧部分122的界面处的振荡应变发生改变，该改变可由应变传 感器128测量。这样，应变传感器128A、128B可用于确定在拾取操作期间，转移头部是否已 经成功地拾取微型器件。
[0077] 参见图6C，根据本发明的实施例，相反电极形成在弹簧部分122和大块衬底102中 的每一个上。在一个实施例中，面向空间112的弹簧臂124的底表面包括背面电极134。在 一个实施例中，背面电极134定位在与在顶表面上形成的台面结构104相反的弹簧臂124 的底表面上。在一个实施例中，相反电极138形成在基部衬底102上，直接与在空间112内 的背面电极134相反。在一个实施例中，电介质层136覆盖相反电极138。在另一个实施例 中，电介质层136覆盖背面电极134。
[0078] 在一个实施例中，电极134和电极138用作电容传感器。随着两个平行的导体之 间的距离减小，这两个导体之间的电容增力卩。在一个实施例中，在电极134和电极138间施 加电压。随着弹簧部分122在空间112内被朝向基部衬底102压下，电极134和电极138 之间的距离减小，导致两者间的电容增加。这样，弹簧部分122的挠曲量可根据横跨电介质 层136和空间112的电极134和电极138之间的电容的变化进行计算。当弹簧部分122在 空间112内被完全压下时，电介质136阻止电极间的短接。相反电极134、138可由任何合 适的导电材料形成，诸如上面相对于电极116讨论的那些材料。
[0079] 在另一个应用中，电极134和电极138可用于测量弹簧部分122的谐振频率。如 上面讨论的，在一个实施例中，弹簧部分122在由形成弹簧部分122的元件的重量部分地确 定的谐振频率处振荡。该振荡可导致电极134和电极138间的对应地振荡的电容。在微型 器件已被转移头部拾取之后，微型器件的另外的重量将改变弹簧部分122的谐振频率，从 而导致由电极134和电极138测量的振荡电容的变化。这样，电极134和电极138可用于 确定在拾取操作期间，转移头部是否已经成功地拾取微型器件。
[0080] 在图6C所示结构的另一个应用中，电极134和电极138连同电介质136能够将弹 簧部分122锁定在完全压下位置。在一个实施例中，在进行拾取操作之前，转移头部阵列可 被压下至一点，在该点处，背面电极134接触电介质136的表面。然后可以在相反电极138 和背面电极134间施加电压，对电介质136的两端施加电压，从而将弹簧部分122锁定在所 述压下位置。在所述压下位置，转移头部可"挠曲"，使得形貌特征减小并且转移头部不在用 于拾取的位置。然后电介质两端的电压可选择性地去除以用于选择转移头部，这允许弹簧 臂被释放并且返回至未挠曲的中性位置。该位置可对应于"所选择的"位置，其具有较高的 形貌特征，并且"所选择的"转移头部在用于拾取微型器件的位置上。
[0081] 在图6D示出的实施例中，转移头部100同时包括应变传感器128A和电极134、 138。应变传感器128A和电极134U38可具有不同的功能。例如，应变传感器128A可测量 挠曲，而电极134U38测量弹簧部分122的谐振频率，或反之亦然。在另一个实施例中（未 示出），转移头部100同时包括应变传感器128B和电极134、138,其中应变传感器128B在 弹簧锚定件120和弹簧部分122之内形成。
[0082] 现在参见图7至图9,示出本发明的实施例，其中导电的接地层在电介质层上方形 成并且围绕转移头部阵列。图7是如先前参照图3描述的，具有双极电极配置的顺应性的 微型器件转移头部阵列100的等轴视图图解。为清楚起见，可选的下层钝化层和覆盖的电 介质层未示出。现在参见图8至图9,导电的接地层140在电介质层113上方形成并且围绕 转移头部阵列1〇〇。接地层140的存在可有助于阻止在转移头部100之间形成电弧放电，尤 其在施加高电压期间。接地层140可由导电材料形成，该导电材料可与用于形成电极或通 孔的导电材料相同或不同。接地层140还可由这样的导电材料形成：相比于用于形成电极 的导电材料，其具有较低的熔融温度，因为在接地层140形成之后，不需要对电介质层113 沉积具有能与之相比的质量（例如电介质强度）的电介质层。
[0083]图10是根据本发明的实施例的弹簧构件结构的等轴视图，其中弹簧部分包括多 个弹簧臂。在一个实施例中，弹簧构件110包括弹簧部分122和多个弹簧锚定件120A-120D。 在一个实施例中，弹簧部分122包括在弹簧平台144上形成的台面结构104、四个弹簧臂 124A-124D、形成双极电极的两个电极116A-116B以及两根电极引线114A-114B。弹簧平台 144提供结构基座以用于形成台面结构104和转移头部的另外的元件（例如电极和电介质 层）。
[0084] 在一个实施例中，多个弹簧臂124A-124D允许当弹簧部分122挠曲到下面的空间 112中时，顶表面108和在上面形成的另外的器件部件保持水平。在拾取操作期间，转移头 部的水平顶表面可改善与微型器件的顶表面的接触。在一个实施例中，当在弹簧锚定件120 处附接到基部衬底之前，每个弹簧臂124从弹簧平台144的拐角延伸，并且与弹簧平台144 的边缘平行地延伸。通过沿着弹簧平台144的一个边缘的长度延伸，弹簧臂124A-124D具 有足够的长度以允许弹簧部分122以期望的程度挠曲到下面的空间112中。在一个实施例 中，弹簧臂124具有比其宽度W更小的厚度T，以确保弹簧部分122响应施加于顶表面108 的压力而朝下挠曲到下面的空间112中，同时经受最小的扭转/侧向变形。弹簧臂124的 具体尺寸取决于形成该弹簧臂124的材料的模量。弹簧臂124可由上面参照图1至图2中 的弹簧臂124讨论的材料中的任一种形成。
[0085] 另外，台面结构104可具有上文相对于在悬臂式结构的弹簧部分上形成的台面结 构讨论的特性。在一个实施例中，台面结构104与弹簧平台144整体形成。在另一个实施 例中，台面结构104形成在弹簧平台144上方。
[0086] 仍参考图10所示实施例，电极引线114AU14B从相应的电极116AU16B朝台面结 构104的倾斜侧壁106向下各自延伸，并且沿着相应的弹簧臂124AU24B各自延伸到弹簧 锚定件120AU20B。在一个实施例中，电极引线114经由位于基部衬底中的互连部，将微型 器件转移头部连接至静电夹持器组件的工作的电子器件。应当理解，其他电极和电极引线 配置可结合具有多个弹簧臂的弹簧构件使用，诸如单极电极（图2)和电极引线通孔（图 4)，如上相对于具有单臂式悬臂结构的弹簧构件讨论的。
[0087] 现在参见图11，提供根据本发明的实施例的顺应性的微型器件转移头部200的 侧视图图解，其中微型器件转移头部200具有弹簧构件和双极电极以及对应的转移头部阵 列，该弹簧构件具有隔膜结构。如图所示，双极性器件转移头部200可包括基部衬底202、包 括弹簧锚定件220和弹簧部分222的弹簧构件，其中弹簧锚定件220耦接到基部衬底202并 且弹簧部分222包括电极216A/216B，以及覆盖电极216A/216B的顶表面的电介质层213。 弹簧部分222可挠曲到位于弹簧部分222和基部衬底202之间的空间212中。在本发明的 一个实施例中，弹簧部分222另外包括弹簧层266和台面结构204,该台面结构204具有顶 表面208和渐缩的侧壁206。
[0088] 基部衬底202可由能够提供结构支撑的多种材料诸如硅、陶瓷和聚合物形成，如 上参照基部衬底102描述的。基部衬底202可另外包括互连部230,以便经由电极引线214A 或214B将微型器件转移头部200连接至静电夹持器组件的工作的电子器件。
[0089] 图12示出根据本发明的实施例的具有隔膜结构的弹簧构件210的顶部朝下式视 图。在一个实施例中，弹簧锚定件220包括在弹簧部分222和基部衬底202的界面处的弹 簧部分222的全长周边。在一个实施例中，弹簧部分222包括相对于弹簧锚定件220定位 在中央的台面结构204。为清楚起见，弹簧构件210的其他元件已从图12省略。
[0090] 重新参照图11，弹簧部分222包括弹簧层266,台面结构204,电极216A、216B以 及电极引线214A、214B。弹簧层266由具有弹性模量的材料形成，弹性模量允许弹簧部分 222在微型器件转移过程的工作温度范围内挠曲到空间212中。在一个实施例中，弹簧层 266由与基部衬底202相同或不同的材料形成，例如，半导体材料诸如硅或电介质材料诸如 二氧化娃和氮化娃。在一个实施例中，弹簧层266从基部衬底202 -体形成，诸如，在空间 212的蚀刻期间。在另一个实施例中，弹簧层266由键合到基部衬底202的表面上的材料层 形成。可选的钝化层（未不出）可形成于弹簧层266上方，以使弹簧层266与电极216隔 离。在一个实施例中，弹簧层266的厚度为0. 5 y m至2 y m。
[0091] 在一个实施例中，电极216A、216B形成在弹簧层266上方，并且形成在台面结构 204的顶表面208上方。电极引线214A、214B可从电极216A、216B沿着弹簧层266的顶表 面209并且在弹簧锚定件220上方延伸。在一个实施例中，电极引线214A、214B连接至位 于基部衬底202中的互连部230。电极216A、216B和电极引线214A、214B的材料和尺寸可 与如上参照电极116和电极引线114描述的相同。
[0092] 电介质层213形成于表面上方。在一个实施例中，电介质层213具有合适的厚度 和介电常数，以用于实现微型器件转移头部的所需夹持压力，并且具有足够的电介质强度， 以便不在操作电压下击穿。电介质层213可为单层或多层，并且可为与可选的钝化层相同 或不同的材料。合适的电介质材料可包括但不限于氧化铝（A1 203)和氧化钽（205)，如上参 照电介质层113描述的。在一个实施例中，电介质层213的厚度为0. 5 y m至2 y m。在一个 实施例中，在台面结构204上方的电介质层123的顶表面226对应于顺应性的微型器件转 移头部200的顶表面。
[0093] 在一个实施例中，空间212是位于基部衬底202的表面中的腔体。在一个实施例 中，弹簧部分222完全覆盖空间212。弹簧部分222可挠曲到空间212中。空间212的深度 由针对弹簧部分222期望的挠曲量确定，而空间212的宽度由转移头部阵列的节距确定，如 上参照空间112讨论的。空间212的宽度小于转移头部的节距，但大于每个转移头部200 的顶表面226。
[0094] 在一个实施例中，转移头部200还包括背面电极234和相反电极238。在一个实施 例中，背面电极234在台面结构204下面形成于弹簧部分222的下表面上。在一个实施例 中，相反电极238形成于空间212之内，与背面电极234相反。在一个实施例中，电介质层 236覆盖相反电极238。在另一个实施例中，电介质层覆盖背面电极234。电极234和电极 238可以操作以便感测弹簧部分222的挠曲，从而监控弹簧部分222的谐振频率，和/或将 弹簧部分222锁定在挠曲位置，如上参照图6C中的背面电极134、相反电极138和电介质 136描述的。
[0095] 图13A至图13E示出具有隔膜结构的弹簧构件的另外的实施例的横截面视图。在 图13A中，根据本发明的实施例，形成弹簧构件210的弹簧部分222的材料层成形为形成台 面结构204。在图13B中，根据本发明的实施例，弹簧部分222还包括沟槽215。沟槽215 可减小使弹簧部分222挠曲到空间212中所需的压力。在图13C中，根据本发明的实施例， 台面结构204形成于弹簧层266上方。在一个实施例中，电极216A、216B形成于台面结构 204上方，并且电介质层213覆盖电极216A、216B。
[0096] 在图13D中，顺应性的转移头部包括应变传感器228A。在一个实施例中，应变传感 器228A在弹簧锚定件220和弹簧部分222的界面上方形成于电介质层213上。在拾取操 作期间，当弹簧部分222挠曲到空间212中时，弹簧部分222和电介质层213挠曲，从而使 应变传感器228A进行应变。由此，隔膜式弹簧构件210在拾取操作期间的挠曲程度可被测 量。此外，应变传感器228A可用于检测弹簧部分222的谐振频率的变化，该变化指示微型 器件已被转移头部拾取。应变传感器228A可由压电的材料或压敏电阻材料形成，如上参照 图6A中的应变传感器128A描述的。
[0097] 在图13E中，顺应性的转移头部包括应变传感器228B。在一个实施例中，应变传感 器228B形成于硅弹簧层266内，跨越弹簧锚定件220和弹簧部分222的界面。在拾取操作 期间，当弹簧部分222挠曲到空间212中时，弹簧部分222的弹簧层266部分挠曲，从而使 应变传感器228B进行应变。由此，弹簧构件210在拾取操作期间的挠曲程度可被测量。此 夕卜，如上参照应变传感器128A、128B和228A讨论的，应变传感器228B可用于检测弹簧部分 222的谐振频率的变化，该变化指示微型器件已被转移头部拾取。在一个实施例中，应变传 感器228B由压敏电阻材料形成，如上相对于图6B中的应变传感器128B描述的。在一个实 施例中，在弹簧层266是娃的情况下，应变传感器228B可通过掺杂弹簧层266的一部分来 形成。
[0098] 图14A至图14E示出根据本发明的实施例的用于形成微型器件转移头部的方法。 在一个实施例中，提供具有有源区1454的基部衬底1402,如图14A所示。包括互连部1452 和内埋的电极1438的电介质层1456形成于基部衬底1402上方。互连部1452和电极1438 各自连接至基部衬底1402中的有源区1454。金属隆起块1450形成于每个互连部1452上 方。在一个实施例中，基部衬底1402具有上文相对于基部衬底202讨论的特性。在一个实 施例中，基部衬底1402是硅。有源区1454可为N型或P型掺杂的。互连部1452和内埋的 电极1438可为任何合适的导电材料，诸如铝或铜。金属隆起块1450可为任何合适的导电 材料，诸如铜或金。在一个实施例中，金属隆起块1450为2iim厚。
[0099] 接着，提供具有氧化物层1462和弹簧层1466的操作衬底1460,如图14B所示。 可以使用SOI衬底，其中操作衬底1460是硅圆片，氧化物层1462是氧化硅，并且弹簧层 1466是硅。在一个实施例中，氧化物层1462为约2 iim厚。在一个实施例中，弹簧层1466 为0.5iim至liim厚。在一个实施例中，弹簧层1466经由金属垫1464耦接到金属隆起块 1450。在一个实施例中，金属垫1464是金并且最高至liim厚。在一个实施例中，背面电极 1434形成于金属垫1464之间弹簧层1466的表面上。背面电极1434可为任何合适的导电 材料，如上相对于图11中的背面电极234讨论的。
[0100] 根据实施例，弹簧层1466经由金属垫1464结合于金属隆起块1452,从而在弹簧层 1466的表面和电介质层1450的表面之间产生空间1412。在一个实施例中，随后形成的包 括弹簧层1466的弹簧部分将可挠曲到空间1412中。在一个实施例中，空间1412为约2 iim 厚，对应于金属隆起块1452的2 iim的厚度。在一个实施例中，背面电极1434在内埋的电 极1438上方对齐。
[0101] 在一个实施例中，操作衬底1460然后被去除。操作衬底1460可通过任何适当的 方法去除，诸如化学-机械抛光（CMP)或湿法蚀刻。在一个实施例中，氧化物层1462被图 案化以便在弹簧层1466的表面上形成台面结构1404,如图14C所示。氧化物层1462可通 过在本领域已知的任何合适的方法进行图案化。在一个实施例中，从与台面结构1404相邻 的弹簧层1466的表面完全去除氧化物层1462。然后，钝化层1411可形成于弹簧层1466的 顶表面和台面结构1404上方，如图14D所不。钝化层1411将金属电极1416与弹簧层1466 电隔离以阻止短接。在一个实施例中，钝化层1411为500A厚。钝化层1411可为任何合 适的绝缘电介质材料，诸如A1203或Ta205。在另一个实施例中，对氧化物层1462进行蚀刻 以保留氧化物材料的薄的部分，该部分覆盖弹簧层1466在台面结构1404之间的表面。在 这种情况下，钝化层1411可以省略。
[0102] 然后金属层被覆盖沉积在钝化层1411的表面上方，并且被图案化以形成电极 1416A、1416B和信号线1417。电极1416和信号线1417可由导电材料形成，诸如上文相对 于电极116A、116B讨论的那些导电材料。
[0103] 然后，电介质层1413被覆盖沉积在表面上方，如图14D所示。在一个实施例中，电 介质层1413具有合适的厚度和介电常数以用于实现微型器件转移头部的所需夹持压力， 并具有足够的电介质强度以便不在操作电压下击穿。电介质层1413可为单层或多层，并且 可为与钝化层1411相同或不同的材料。合适的电介质材料可包括但不限于氧化铝（A1 203) 和氧化钽（Ta205)，如上相对于电介质层113、213描述的。电介质层1413为0. 5iim至2iim 厚。在一个实施例中，电介质层1413是0.5 iim厚的A1203层。在一个实施例中，电介质层 1413通过原子层沉积（ALD)进行沉积。
[0104] 图14D示出具有弹簧构件的微型器件转移头部的实施例，其中弹簧构件具有隔膜 结构。在图14D中的结构可被进一步处理以形成具有其他弹簧构件结构的转移头部。例 如，弹簧层1466、钝化层1411以及电介质层1413的一部分可被图案化，以限定具有多个弹 簧臂结构的弹簧构件，如在图14E的横截面中示出的。弹簧层1466、钝化层1411以及电介 质层1413也可被图案化以形成悬臂结构，诸如上文中相对于图1至图2描述的悬臂结构。
[0105] 在图14D和图14E的每一个中示出的实施例中，背面电极1434和内埋的电极1438 形成电容传感器，如上相对于图6C中的背面电极134和相反电极138,以及图11中的背面 电极234和相反电极238描述的。在另一个实施例中，背面电极1434和内埋的电极1438 允许将弹簧部分锁定在所挠曲的位置，如上相对于图6C中的背面电极134和相反电极138， 以及图11中的背面电极234和相反电极238描述的。
[0106] 图15A至图15K示出根据本发明的实施例的用于形成具有弹簧构件的微型器件转 移头部的方法的剖视图，其中弹簧构件具有隔膜结构。提供操作衬底1560,如图15A所示。 操作衬底1560可由能够提供结构支撑以用于器件层的后续形成的多种材料诸如硅、陶瓷 和聚合物形成。在一个实施例中，操作衬底1560是硅圆片。
[0107] 接着，根据在图15B中示出的本发明的实施例，在操作衬底1560的表面中将台面 腔体1561图案化。台面腔体可通过任何合适的工艺形成，诸如光刻法和蚀刻。在一个实施 例中，图案化层1562形成在操作衬底1560的一个表面上方以用于台面腔体1561的图案 化。在一个实施例中，图案化层1562为光致抗蚀剂。在另一个实施例中，图案化层1562为 硬掩膜材料，诸如氧化娃或氮化娃。在一个实施例中，台面腔体1561以与微型器件转移头 部阵列的节距对应的间隔隔开，例如5 y m至10 y m，对应于待拾取微型器件阵列的整数倍。 每个台面腔体1561的尺寸由转移头部在添加另外的器件部件诸如电极和电介质层之后的 顶表面的期望尺寸确定，如上相对于图1至图2和图11描述的。在一个实施例中，台面腔 体1561为7 ii mX 7 ii m宽和2 ii m深。在蚀刻台面腔体1561之后，可以去除图案化层1562， 如图15C所示。
[0108] 然后，根据在图15D中示出的本发明的实施例，弹簧层1566形成于图案化的操作 衬底1560的表面上方。弹簧层1566可为任何材料，该材料适于形成在微型器件转移头部中 的隔膜式弹簧构件的结构基础。弹簧层1566的材料和尺寸被选择以允许随后形成的转移 头部的弹簧部分在转移过程的操作条件下挠曲期望的量，如上相对于弹簧层266讨论的。 弹簧层1566可为氧化物层或氮化物层。在一个实施例中，弹簧层1566是在硅质操作衬底 1560的表面上的生长的热氧化物。在另一个实施例中，弹簧层1566通过等离子体增强化学 气相沉积（PECVD)形成。在一个实施例中，弹簧层1566为0. 5 y m至3 y m厚。
[0109] 在一个实施例中，将沟槽1515蚀刻在弹簧层1566的表面中。沟槽1515可减小使 转移头部的弹簧部分挠曲所需的压力，其中转移头部的弹簧部分是随后形成的，包括弹簧 层1566。在另一个实施例中，在形成弹簧层1566之后，用材料诸如氧化物或氮化物（未示 出）填充每个台面腔体1561的剩余的体积，以便与弹簧层1566的下表面呈平面。
[0110] 然后提供具有凹坑1519的基部衬底1502,如图15E所示。基部衬底1502可为上 文相对于基部衬底202描述的材料中的任一种。在一个实施例中，凹坑1519各自为至少 20 iim宽和2 iim深。在一个实施例中，凹坑1519的节距与台面腔体1561的节距相匹配。
[0111] 然后，上面具有弹簧层1566的操作衬底1560被耦接到基部衬底1502,如图15F所 示。弹簧层1566和基部衬底1502可通过任何合适的方法诸如晶圆键合进行耦接。在一个 实施例中，在弹簧层1566中的台面腔体1561与凹坑1519平行以便包封空间1512。然后去 除操作衬底1560,保留键合到基部衬底1502的表面的弹簧层1566,如图15G所示。操作衬 底1560可通过任何合适的方法或工艺去除，诸如CMP和湿法蚀刻。操作衬底1560的去除 保留了弹簧层1566的隔膜，其中弹簧层1566具有覆盖每个空间1512的台面结构1504。
[0112] 然后，将金属层1563形成于弹簧层1566的表面上方，如图15H所不。金属层1563 可由任何合适的金属或金属层形成，其中金属或金属层良好地附着于下面的弹簧层1566， 如上相对于用于电极116、216的材料讨论的。在一个实施例中，金属层1563通过溅射沉积 而形成。金属层1563最高至0.5 iim厚。在一个实施例中，金属层1563为500A厚的TiW 层。
[0113] 然后，根据本发明的实施例，金属层1563被图案化以形成电极。金属层1563可通 过在金属层1563的表面上形成掩膜1565来图案化，如图151所不。然后对金属层1563进 行蚀刻以形成电极1516a、1516B和电极引线1514A、1514B，如图15J所示。
[0114] 接着，将电介质层1513形成于弹簧层1566和电极1516上方。电介质层1513具 有如上相对于电介质层113、213描述的属性。在一个实施例中，电介质层1513为0. 5 y m 厚的A1203层。在一个实施例中，电介质层1513通过原子层沉积（ALD)进行沉积。
[0115] 图16A至图16D示出微型器件转移头部结构的剖视图，其中弹簧部分升高至基部 衬底的表面上方。在一个实施例中，弹簧部分1622包括弹簧层1624以产生具有悬臂结构 的弹簧构件1610。弹簧层1624升高至基部衬底1602的顶表面上方以产生空间1612,如图 16A所示。弹簧部分1622可挠曲到空间1612中。弹簧部分1622还包括一个或多个电极 1616。电介质层1613覆盖弹簧构件1610。
[0116] 在另一个实施例中，弹簧部分1622通过弹簧锚定件1620A和弹簧锚定件1620B升 高至基部衬底1602的顶表面上方，如图16B所示。弹簧部分1622另外包括电极1616A和 电极1616B。电介质层1613形成于弹簧构件1610的顶表面上方。空间1612形成于弹簧部 分1622和基部衬底1602之间。弹簧部分1622可挠曲到空间1612中。
[0117] 在另一个实施例中，弹簧部分1622还包括在弹簧层1624上的台面结构1604。在 图16C中，示出具有悬臂结构的弹簧构件1610的实施例，其中弹簧部分包括台面结构1604。 在图16D中，示出具有工作台结构的弹簧构件1610的实施例，其中弹簧部分包括台面结构 1604。
[0118] 图17是示出根据本发明的实施例的从承载衬底拾取微型器件并将其转移到接收 衬底的方法的流程图。在操作1710处，顺应性的转移头部定位在连接至承载衬底的微型器 件上方。顺应性的转移头部可包括基部衬底、包括弹簧锚定件和弹簧部分的弹簧构件，以及 覆盖电极的顶表面的电介质层，其中弹簧锚定件耦接到基部衬底，弹簧部分包括电极，其中 弹簧部分可挠曲到位于弹簧部分和基部衬底之间的空间中，如在上述实施例中描述的。转 移头部可具有单极电极配置或双极电极配置和悬臂式弹簧构件结构或隔膜式弹簧构件结 构，以及如在上述实施例中描述的任何其他结构变型。在操作1720处，微型器件与顺应性 的转移头部接触。在一个实施例中，微型器件与转移头部的电介质层接触。在另选的实施 例中，转移头部以合适的气隙定位在微型器件上方，该气隙将它们分离不显著地影响夹持 压力，例如lnm(0. 001 ii m)或10nm(0. 01 ii m)。在操作1730处，对电极施加电压以便在微型 器件上产生夹持压力，并且在操作1740处，微型器件被转移头部拾取。然后，在操作1750 处，微型器件被释放到接收衬底上。
[0119] 虽然操作1710-1750已在图17中按顺序示出，但应当理解，实施例不限于此，并且 可以执行另外的操作，以及某些操作可按照不同的顺序执行。例如，在一个实施例中，在使 微型器件接触转移头部之后，将转移头部在微型器件的整个顶表面上摩擦，以便分离可存 在于转移头部的接触面或微型器件的接触面上的任何颗粒。在另一个实施例中，执行操作 以产生键合层的相变，从而在拾取微型器件之前或此时，将微型器件连接至承载衬底。如果 键合层的一部分被微型器件拾取，则可执行另外的操作以便在后续的处理期间控制键合层 的该部分的相。
[0120] 对电极施加电压以便在微型器件上产生夹持压力的操作1730可按照各种次序执 行。例如，可在微型器件接触转移头部前、在微型器件接触转移头部时或在微型器件接触转 移头部后施加电压。也可在产生键合层的相变之前、之时或之后施加电压。
[0121] 微型器件可为在图27至图29中示出的微型LED器件结构中的任一种，以及在相 关的美国专利申请号13/372,222中描述的那些。例如，参见图27,微型LED器件300可包 括微型P_n二极管335、350和金属化层320,其中金属化层在微型p-n二极管335、350和 形成于衬底301上的键合层310之间。在一个实施例中，微型p-n二极管335、350包括顶 部n-掺杂层314、一个或多个量子阱层316以及下部p-掺杂层318。微型p-n二极管可 构造为具有直的侧壁或渐缩的侧壁。在某些实施例中，微型P-n二极管350具有向外渐缩 的侧壁353 (从顶部至底部）。在某些实施例中，微型p-n二极管335具有向内渐缩的侧壁 353 (从顶部至底部）。金属化层320可包括一层或多层。例如，金属化层320可包括电极 层和在电极层与键合层之间的阻隔层。微型P-n二极管和金属化层可各自具有顶表面、底 表面和侧壁。在一个实施例中，微型P-n二极管350的底表面351比该微型p-n二极管的 顶表面352宽，并且侧壁353从顶部到底部向外渐缩。微型p-n二极管335的顶表面可以 比该p-n结二极管的底表面宽，或具有大约相同的宽度。在一个实施例中，微型p-n二极管 350的底表面351比金属化层320的顶表面321更宽。微型p-n二极管的底表面还比金属 化层的顶表面宽，或与金属化层的顶表面具有相同的宽度。
[0122] 共形的电介质阻隔层360可任选地形成于微型p-n二极管335、350和其他暴露的 表面上方。共形的电介质阻隔层360可以比微型p-n二极管335、350更薄，比金属化层320 更薄，并且任选地比键合层310更薄，使得共形的电介质阻隔层360形成形貌特征的轮廓， 其中电介质阻隔层360被形成在该形貌特征上。在一个实施例中，微型p-n二极管335、350 为几微米厚，诸如3 ii m，金属化层320为0. 1 ii m至2 ii m厚，并且键合层310为0. 1 ii m至 2iim厚。在一个实施例中，共形的电介质阻隔层360为约50至600埃厚的氧化铝（A120 3)。 共形的电介质阻隔层360可通过多种合适的技术诸如但不限于原子层沉积（ALD)进行沉 积。在拾取过程期间，共形的电介质阻隔层360可阻止在相邻的微型p-n二极管之间产生电 荷电弧放电，并且因此阻止相邻的微型P-n二极管在拾取过程期间粘合在一起。共形的电 介质阻隔层360还可阻止微型p-n二极管的侧壁353、量子阱层316和底表面351被污染， 污染可影响微型P-n二极管的完整性。例如，共形的电介质阻隔层360可用作物理屏障，从 而使键合层材料310朝着微型p-n二极管350的侧壁和量子阱层316向上进行芯吸。一旦 微型p-n二极管350被放置在接收衬底上，共形的电介质阻隔层360还可隔离该微型p-n 二极管350。在一个实施例中，共形的电介质阻隔层360跨越微型p-n二极管的侧壁353， 并且可覆盖在微型P-n二极管中的量子阱层316。共形的电介质阻隔层还可部分地跨越微 型P-n二极管的底表面351，以及跨越金属化层320的侧壁。在一些实施例中，共形的电介 质阻隔层还跨越图案化的键合层310的侧壁。可在共形的电介质阻隔层360中形成接触开 口 362,从而暴露微型p-n二极管的顶表面352。
[0123] 参见图27,接触开口 362可具有比微型p-n二极管的顶表面352的宽度更小的宽 度，并且共形的电介质阻隔层360形成唇缘，该唇缘围绕微型p-n二极管的顶表面352的边 缘。参见图28,接触开口 362可具有比微型p-n二极管的顶表面的宽度稍大的宽度。在该 实施例中，接触开口 362使微型p-n二极管的顶表面352和微型p-n二极管的侧壁353的上 部暴露，同时共形的电介质阻隔层360覆盖并隔离（多层）量子阱层316。参见图29,共形 的电介质层360可与微型p-n二极管的顶表面具有大约相同的宽度。共形的电介质层360 还可沿着微型P-n二极管的底表面351跨越，如图27至图29所示。
[0124] 在一个实施例中，共形的电介质阻隔层360由与顺应性的转移头部的电介质层 113、213相同的材料形成。根据特定的微型LED器件结构，共形的电介质阻隔层360还可跨 越键合层310的侧壁，以及承载衬底和柱子（当存在时）。键合层310可由这样的材料形 成：在某些处理和抓握操作期间，可将微型LED器件300保持在承载衬底301上，并且在经 历相变时可提供介质，其中在拾取操作期间，微型LED器件300可保持在介质上但也可易于 释放。例如，键合层可为可再熔融或可回流的，使得在拾取操作之前或之中，键合层发生从 固态到液态的相变。在液态时，键合层可将微型LED器件保持在承载衬底上适当的位置，同 时提供介质，其中微型LED器件300易于从该介质释放。在一个实施例中，键合层310具有 液相线温度或熔融温度，该温度低于约350°C，或更具体地低于约20(TC。在此类温度下，在 基本上不影响微型LED器件的其他部件的情况下，键合层可发生相变。例如，键合层可由金 属或金属合金形成，或由能够去除的热塑性聚合物形成。例如，键合层可包括铟、锡或热塑 性聚合物诸如聚乙烯或聚丙烯。在一个实施例中，键合层可为导电的。例如，在拾取操作期 间，在键合层响应于温度变化而发生从固态到液态的相变的情况下，键合层的一部分可保 持在微型LED器件上。在该实施例中，键合层由导电材料形成可为有利的，这使得微型器件 在随后被转移到接收衬底时，不对微型LED器件造成不利影响。在这种情况下，在转移期间 保留在微型LED器件上的导电键合层的部分可有助于将微型LED器件键合于接收衬底上的 导电垫。在具体的实施例中，键合层可由铟形成，其具有156. 7°C的熔融温度。键合层可侧 向连续地横跨衬底301，或还可形成于侧向独立的位置上。例如，键合层的侧向独立位置可 具有比微型P_n二极管的底表面或金属化层的宽度更小或与之大约相同的宽度。在一些实 施例中，微型P_n二极管可任选地形成在衬底上的柱子302上。
[0125] 焊料可为适于键合层310的材料，因为通常许多焊料在其固态状态下是延性材 料，并且表现出与半导体和金属表面的良好湿润。典型的合金不是在单个温度下熔融而在 一个温度范围内熔融。因此，焊料合金通常通过液相线温度和固相线温度来表征，其中液 相线温度对应于合金保持为液体的最低温度，固相线温度对应于合金保持为固体的最高温 度。可与本发明的实施例一起使用的低熔点焊料材料的示例性列表在表1中提供。
[0126]表 1:
[0127]

【权利要求】
1. 一种微型器件转移头部，包括： 基部衬底； 弹簧构件，所述弹簧构件包括： 耦接到所述基部衬底的弹簧锚定件；和 包括电极的弹簧部分，其中所述弹簧部分可挠曲到位于所述弹簧部分和所述基部衬底 之间的空间中；以及 覆盖所述电极的顶表面的电介质层。
2. 根据权利要求1所述的微型器件转移头部，其中所述弹簧部分还包括远离所述基部 衬底突起的台面结构，其中所述台面结构具有渐缩的侧壁，并且所述电极在所述台面结构 的顶表面上形成。
3. 根据权利要求2所述的微型器件转移头部，其中所述台面结构与所述弹簧部分一体 形成。
4. 根据权利要求2所述的微型器件转移头部，还包括电极引线，所述电极引线从位于 所述台面结构的顶表面上的所述电极延伸到所述弹簧构件的所述弹簧锚定件。
5. 根据权利要求4所述的微型器件转移头部，其中所述电极引线沿着所述弹簧构件的 顶表面延伸。
6. 根据权利要求5所述的微型器件转移头部，其中所述电介质层覆盖沿着所述弹簧构 件的顶表面的所述电极引线。
7. 根据权利要求4所述的微型器件转移头部，还包括穿过所述台面结构的通孔，所述 通孔将所述电极连接至所述电极引线。
8. 根据权利要求1所述的微型器件转移头部，还包括传感器以测量所述弹簧部分的挠 曲量。
9. 根据权利要求8所述的微型器件转移头部，其中所述传感器耦接到所述弹簧构件。
10. 根据权利要求8所述的微型器件转移头部，其中所述传感器在所述弹簧构件内形 成。
11. 根据权利要求8所述的微型器件转移头部，其中所述传感器包括第一电极和第二 电极，所述第一电极位于所述弹簧部分的底表面上，所述第二电极在所述空间内的所述基 部衬底上形成并且与所述第一电极相反。
12. 根据权利要求8所述的微型器件转移头部，其中所述传感器选自电容传感器和应 变仪。
13. 根据权利要求2所述的微型器件转移头部，其中所述空间是位于所述基部衬底的 所述表面中的腔体。
14. 根据权利要求13所述的微型器件转移头部，其中所述弹簧构件是具有耦接到所述 基部衬底的第一端和悬置在所述腔体上方的第二端的弹簧臂，其中所述第一端包括所述弹 簧锚定件，并且所述第二端包括所述弹簧部分。
15. 根据权利要求13所述的微型器件转移头部，其中所述弹簧构件完全覆盖所述腔 体。
16. 根据权利要求15所述的微型器件转移头部，其中所述台面结构在所述腔体的中心 之上形成。
17. 根据权利要求2所述的微型器件转移头部，还包括位于所述台面结构的顶表面上 的第二电极以形成电极对，其中所述电介质层覆盖所述电极对。
18. 根据权利要求1所述的微型器件转移头部，其中所述弹簧部分通过所述弹簧锚定 件升高至所述基部衬底上方。
19. 根据权利要求18所述的微型器件转移头部，其中所述弹簧构件是弹簧臂。
20. 根据权利要求1所述的微型器件转移头部，其中所述弹簧构件包括多个弹簧臂。
21. -种微型器件转移头部阵列，包括： 基部衬底；和 转移头部阵列，每个转移头部包括： 基部衬底； 弹簧构件，所述弹簧构件包括： 耦接到所述基部衬底的弹簧锚定件；和 包括电极的弹簧部分，其中所述弹簧部分可挠曲到位于所述弹簧部分和所述基部衬底 之间的空间中；以及 覆盖所述电极的顶表面的电介质层。
22. 根据权利要求21所述的微型器件转移头部阵列，其中每个转移头部的所述空间是 位于所述基部衬底中的腔体。
23. 根据权利要求22所述的微型器件转移头部阵列，其中所述弹簧构件是具有耦接到 所述基部衬底的第一端和悬置在所述腔体上方的第二端的弹簧臂，其中所述第一端包括所 述弹簧锚定件并且所述第二端包括所述弹簧部分。
24. 根据权利要求22所述的微型器件转移头部阵列，其中所述弹簧构件完全覆盖所述 腔体。
25. 根据权利要求21所述的微型器件转移头部阵列，其中每个转移头部还包括传感器 以测量所述弹簧部分的挠曲量。
26. -种转移微型器件阵列的方法，包括： 压下转移头部阵列中的每个转移头部，每个转移头部包括： 基部衬底； 弹簧构件，所述弹簧构件包括： 耦接到所述基部衬底的弹簧锚定件；和 包括电极的弹簧部分，其中所述弹簧部分可挠曲到位于所述弹簧部分和所述基部衬底 之间的空间中；以及 覆盖所述电极的顶表面的电介质层； 对每个转移头部施加电压以保持所述压下位置； 从所述转移头部的一部分去除所述电压，以使所述转移头部的所述部分从所述压下位 置选择性地释放，从而形成选择性释放的转移头部阵列； 将所述选择性释放的转移头部阵列定位在微型器件阵列之上； 使所述微型器件阵列与所述选择性释放的转移头部阵列接触； 拾取所述微型器件阵列的一部分，所述微型器件阵列的所述部分对应于所述选择性释 放的转移头部阵列中的转移头部的所述释放部分；以及 将所述微型器件阵列的所述部分释放到至少一个接收衬底上。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述转移头部还包括： 位于所述弹簧部分的所述底表面上的背面电极； 位于所述空间内的所述基部衬底上并且与所述背面电极相反的相反电极；和 在所述相反电极的表面上方形成的电介质层。
【文档编号】H01L21/677GK104335339SQ201380027965
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年5月1日 优先权日:2012年5月8日
【发明者】A·比布尔, J·A·希金森, 胡馨华 申请人:勒克斯维科技公司