轉移并鍵合微型器件陣列的方法
【專利摘要】本發明描述了靜電轉移頭陣列組件和將微型器件陣列轉移并鍵合到接收襯底的方法。在一個實施例中，方法包括：利用支撐靜電轉移頭陣列的靜電轉移頭組件從承載襯底拾取微型器件陣列，使接收襯底與微型器件陣列接觸，從靜電轉移頭組件轉移能量以將微型器件陣列鍵合到接收襯底，以及將微型器件陣列釋放到接收襯底上。
【專利說明】轉移并鍵合微型器件陣列的方法
[0001] 相關申請
[0002] 本申請要求于2013年1月7日提交的美國臨時專利申請序列號61/749,892的 優先權，并且其為于2012年3月30日提交的美國專利申請13/436, 260的部分繼續申請， 該專利申請為于2012年2月13日提交的現作為美國專利8,349, 116的美國專利申請 13/372, 422的部分繼續中請，并且要求于2012年2月10日提交的美國臨時專利申請序列 號61/597, 658和于2012年2月9日提交的美國臨時專利申請序列號61/597, 109的優先 權，其全部公開內容以引用方式并入本文。 【背景技術】 【技術領域】
[0003] 本發明涉及微型器件。更具體地，本發明的實施例涉及用于將微型器件陣列轉移 并鍵合到接收襯底的方法。
[0004] 背景信息
[0005] 集成和封裝問題是微型器件商業化的主要障礙之一，所述微型器件為諸如射頻 (RF)微機電系統（MEMS)微型開關、發光二極管（LED)顯示和照明系統、MEMS或基于石英的 振蕩器。
[0006] 用于轉移器件的傳統技術包括通過晶圓鍵合從轉移晶圓轉移到接收晶圓。此類實 施包括"直印"和"轉印"，涉及晶圓鍵合/解鍵合步驟，在該步驟中在將器件鍵合到接收晶 圓之后，將轉移晶圓從該器件解鍵合。此外，在該轉移過程中涉及具有器件陣列的整個轉移 晶圓。
[0007] 用于器件轉移的其他技術包括具有彈性印模的轉印。在一個此類實施中，將具有 與源晶圓上的器件的節距相匹配的桿的彈性印模陣列與源晶圓上的該器件的表面形成緊 密接觸，并且利用范德華相互作用進行鍵合。然后，可從源晶圓拾取該器件陣列，轉移到接 收襯底，并且釋放到該接收襯底上。
【發明內容】
[0008] 本文描述了靜電轉移頭陣列組件和將微型器件陣列轉移并鍵合到接收襯底的方 法。在一個實施例中，方法包括：利用支撐靜電轉移頭陣列的靜電轉移頭組件從承載襯底上 拾取微型器件陣列，使接收襯底與該微型器件陣列接觸，從該靜電轉移頭組件轉移能量以 將該微型器件陣列鍵合到接收襯底，以及將該微型器件陣列釋放到接收襯底上。在一個實 施例中，每個微型器件具有1-100 μ m的最大寬度。靜電轉移頭陣列中的每個靜電轉移頭還 可拾取單個微型器件。
[0009] 在一個實施例中，使接收襯底與該微型器件陣列接觸包括針對每個相應的微型器 件使微型器件鍵合層與接收襯底鍵合層接觸。根據本發明的實施例，使用諸如熱鍵合或熱 壓鍵合（TCB)的鍵合技術從靜電轉移頭組件轉移能量以將微型器件陣列鍵合到接收襯底。 例如，可從靜電轉移頭組件、承載襯底保持器或接收襯底保持器轉移熱量。此外，經轉移的 能量可被利用以使用多種鍵合機制將微型器件陣列鍵合到接收襯底，在多種鍵合機制中可 液化或可不液化一個或多個鍵合層。
[0010] 在一個實施例中，能量的轉移由微型器件鍵合層和接收襯底鍵合層形成低共熔合 金。在一個實施例中，能量的轉移將接收襯底鍵合層溶解以形成金屬間化合物層，所述金屬 間化合物層具有的環境熔融溫度高于接收襯底鍵合層的環境熔融溫度。在一個實施例中， 能量的轉移導致微型器件鍵合層和接收襯底鍵合層之間的固態擴散。在將微型器件陣列釋 放到接收襯底上之后，還可執行退火。
[0011] 在一些實施例中，接收襯底鍵合層具有比微型器件鍵合層低的環境液相線溫度。 在一個實施例中，接收襯底鍵合材料包括諸如銦或錫的材料，并且微型器件鍵合層包括諸 如金、銀、鋁、鉍、銅、鋅和鎳的材料。微型器件鍵合層還可比接收襯底鍵合層寬。
[0012] 在一個實施例中，從承載襯底拾取微型器件陣列開始直至將它們被釋放到接收襯 底上為止，將支撐靜電轉移頭陣列的襯底保持在室溫以上。例如，可將支撐靜電轉移頭陣列 的襯底保持在諸如銦或錫的接收襯底鍵合層的環境液相線溫度以上。 【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 圖1包括根據本發明的一個實施例的承載襯底和微型LED器件陣列的頂視圖和橫 截面側視圖的圖解；
[0014] 圖2為根據本發明的一個實施例，將微型器件陣列轉移并鍵合到接收襯底的方法 的流程圖；
[0015] 圖3A-3G為根據本發明的一個實施例將微型器件陣列轉移并鍵合到接收襯底的 方法的橫截面側視圖的圖解。
[0016] 圖3H-3J為根據本發明的一個實施例將微型器件鍵合到接收襯底的橫截面側視 圖的圖解。 【具體實施方式】
[0017] 本發明的實施例描述將微型器件陣列轉移并鍵合到接收襯底的靜電轉移頭組件 和方法。例如，接收襯底可為但不限于顯示襯底、照明襯底、具有諸如晶體管或集成電路的 功能器件的襯底、或者具有金屬配電線路的襯底。盡管具體地針對微型LED器件描述了本 發明的一些實施例，但應當理解，本發明的實施例并不限于此，并且某些實施例還可適用于 諸如二極管、晶體管、裸芯片、芯片、集成電路和MEM的其他微型器件。
[0018] 在各種實施例中，參照附圖進行描述。然而，某些實施例可在不存在這些具體細節 中的一個或多個或者與其他已知方法和構型相結合的情況下實施。在以下的描述中，示出 諸如特定構型、尺寸和工藝等許多具體細節以提供對本發明的透徹理解。在其他情況下，未 對眾所周知的半導體工藝和制造技術進行特別詳細地描述，以免不必要地模糊本發明。整 個說明書中所提到的"一個實施例"是指，結合實施例所描述的特定特征、結構、構型或特性 包括在本發明的至少一個實施例中。因此，整個說明書中多處出現短語"在一個實施例中" 不一定是指本發明的相同實施例。此外，特定特征、結構、構型或特性可以任何適當的方式 結合在一個或多個實施例中。
[0019] 本文所使用的術語"在...上方"、"到"、"在...之間"和"在...上"可指一層相 對于其他層的相對位置。一層在另一層"上方"或"上"或者鍵合"到"另一層可為直接與其 他層接觸或可具有一個或多個中間層。一層在多層"之間"可為直接與該多層接觸或可具 有一個或多個中間層。一層與另一層"接觸"可為直接與其他層接觸或通過一個或多個中 間層。
[0020] 在不限于特定理論的情況下，本發明的實施例描述支撐靜電轉移頭陣列的靜電轉 移頭組件，所述靜電轉移頭組件根據靜電夾使用異性電荷相吸來拾取微型器件的原理進行 工作。根據本發明的實施例，將吸合電壓施加于靜電轉移頭以在微型器件上產生夾持壓力 并拾取該微型器件。本文所使用的術語"微型"器件或"微型"LED器件可指根據本發明 實施例的某些器件或結構的描述性尺寸。如本文所用，術語"微型"器件或結構是指1到 ΙΟΟμπι的尺度。然而，本發明的實施例并不一定限于此，并且實施例的某些方面可適用于 更大和可能更小的尺度。在一個實施例中，微型器件陣列中的單個微型器件和靜電轉移頭 陣列中的單個靜電轉移頭均具有1到1〇〇 μ m的最大尺寸，例如長度或寬度。在一個實施 例中，每個微型器件或靜電轉移頭的頂接觸面具有1到ΙΟΟμπι的最大尺寸。在一個實施 例中，每個微型器件或靜電轉移頭的頂接觸面具有3到20 μ m的最大尺寸。在一個實施例 中，微型器件陣列的節距和相應的靜電轉移頭陣列的節距為（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的節距。在這些密度下，例如，6英寸的承載襯底可以 10 μ mX 10 μ m的節距容納約1. 65億個微型LED器件，或以5 μ mX 5 μ m的節距容納約6. 60 億個微型LED器件。轉移工具，其包括靜電轉移頭組件以及與對應的微型LED器件陣列的 節距的整數倍相匹配的靜電轉移頭陣列，它們可用于拾取該微型LED器件并將其轉移并鍵 合到接收襯底。這樣，可以高轉移速率將微型LED器件集成并裝配到不同類的集成的系統 中，包括從微型顯示到大面積顯示的范圍的任何尺寸的襯底。例如，lcmX lcm的靜電轉移頭 陣列可拾取、轉移并鍵合100, 〇〇〇個以上的微型器件，更大的靜電轉移頭陣列能夠轉移更 多的微型器件。
[0021] 在一個方面，本發明的實施例描述了用于在大約十分之一秒到幾秒中將微型器件 陣列從承載襯底轉移到接收襯底，并且在四分之一（1/4)的轉移時間中將該微型器件陣列 鍵合到承載襯底的系統和方法。在一個實施例中，能量從靜電轉移頭組件轉移并通過微型 器件陣列以將該微型器件陣列鍵合到接收襯底。例如，可利用通過微型器件轉移的微型器 件鍵合層將微型器件鍵合到接收襯底，可利用接收襯底鍵合層對微型器件鍵合層或接收襯 底上的鍵合層進行鍵合。微型器件和接收襯底之間的鍵合還可為導電的。例如，鍵合可針 對微型LED器件的陽極或陰極。
[0022] 根據本發明的實施例，通過將能量施加于一個或多個鍵合層來促成鍵合。然而，升 高的溫度和熱循環可導致微型器件中多層的相互擴散和劣化、鍵合層（微型器件鍵合層和 接收襯底鍵合層兩者）的氧化、以及靜電轉移頭組件和接收襯底或承載襯底中的結構的機 械變形。靜電轉移頭組件中的結構的機械變形還可導致系統部件的不對準，該系統部件可 在一微米或更小范圍內對準。在某些實施例中，接收襯底可為包括薄膜晶體管的顯示襯底。 此類襯底如果經受過高的溫度，可能很容易翹曲。因此，本發明的實施例描述了用于施加 能量以形成可行的電鍵合，同時減輕升高的溫度和熱循環對系統部件的副作用的系統和方 法。根據本發明的實施例，從靜電轉移頭組件轉移能量以使用諸如熱鍵合或熱壓鍵合（TCB) 的鍵合技術將微型器件陣列鍵合到接收襯底。此外，經轉移的能量可被利用以使用多種鍵 合機制將微型器件陣列鍵合到接收襯底，在多種鍵合機制中可液化或可不液化一個或多個 鍵合層。例如，在一個實施例中，瞬態液相鍵合或低共熔合金鍵合可伴有鍵合層或鍵合層之 間交界面的液化。在一個實施例中，可在鍵合層之間執行固態擴散鍵合而不進行液化。
[0023] 現在參見圖1，根據本發明的實施例示出了承載襯底和微型LED器件陣列的頂視 圖和橫截面側視圖圖解。在示出的特定實施例中，將單個微型LED器件150示出為具有錐 形或圓形角的一對同心方形，其中每個方形具有不同的寬度，該不同的寬度對應于微型p-n 二極管的頂表面和底表面以及跨越該頂表面和底表面的對應的錐形側壁的不同的寬度。然 而，本發明的實施例不需要錐形側壁，并且微型P-n二極管的頂表面和底表面可具有相同 的直徑、或寬度以及垂直的側壁。如圖所示，將微型LED器件陣列描述為在每個微型LED器 件和各個微型LED器件的最大寬度（W)之間具有節距（P)、間距（S)。為了清楚簡潔起見， 盡管應當理解，類似的y維度可能存在并且可具有相同或不同的維度值，但在頂視圖圖解 中通過虛線僅示出X維度。在示出的特定實施例中，X維度值和y維度值相同。在一個實施 例中，微型LED器件陣列可具有1到100 μ m的節距（P)以及1到100 μ m的最大寬度（W)。 可將間距（S)最小化，以便將準備在承載襯底上拾取的微型LED器件的數量最大化。在一 個實施例中，節距（P)為10 μ m，間距（S)為2 μ m，并且寬度（W)為8 μ m。在另一個實施例 中，節距（P)為5μπι，間距（S)為2μπι，并且寬度（W)為3μπι。然而，本發明的實施例并不 限于這些特定尺寸，并且可利用任何適當的尺寸。
[0024] 在圖1示出的特定實施例中，微型器件為微型LED器件。例如，微型LED器件150 可包括微型P-n二極管和頂部導電接觸層130、底部導電接觸層120,其中該底部導電接觸 層120位于微型p-n二極管和形成在承載襯底101上的鍵合層110之間。在一個實施例中， 微型p-n二極管包括頂部η-摻雜層114、一個或多個量子阱層116和下部p-摻雜層118。 在其他實施例中，可將層114、116的摻雜顛倒。導電接觸層120、130可包括一個或多個層。 例如，導電接觸層120、130可包括與微型p-n二極管形成歐姆接觸的電極層。在一個實施例 中，底部導電接觸層120包括電極層和位于該電極層和鍵合層110之間的阻隔層。阻隔層 例如在鍵合到接收襯底期間，可避免鍵合層和電極層中的其他層之間的擴散或合金化。在 一個實施例中，阻隔層可包括諸如鈀、鉬、鎳、鉭、鈦和鈦鎢的材料。導電接觸層120U30可 為不透明的或對于可見波長范圍（例如，380nm-750nm)為透明的。導電接觸層120U30可 任選地包括諸如銀或鎳的反射層。在一個實施例中，微型p-n二極管的底表面比導電接觸 層120的頂表面寬。在一個實施例中，導電接觸層的底表面比鍵合層110的頂表面寬。共 形的電介質阻隔層（未示出）可任選地形成在微型P-n二極管和其他暴露的表面上方。
[0025] 根據本發明的實施例，鍵合層110可由在從靜電轉移頭組件轉移能量時用于將微 型器件鍵合到接收襯底的多種材料形成。鍵合層110的厚度可取決于鍵合技術、鍵合機制 和材料選擇。在一個實施例中，鍵合層的厚度介于100埃和2 μ m之間。在一個實施例中， 鍵合層110可由在低溫下用于將微型器件鍵合到接收襯底的低溫焊接材料形成。示例性的 低溫焊接材料可為基于銦、鉍或錫的焊料，包括純金屬和金屬合金。表1中提供了本發明的 實施例可利用的低熔點焊接材料的示例性列表，其中化學組成按組分的重量百分比列出。
[0026] 復1 ：
[0027]
【權利要求】
1. 一種方法，包括： 利用支撐靜電轉移頭陣列的靜電轉移頭組件從承載襯底拾取微型器件陣列； 使接收襯底與所述微型器件陣列接觸； 從所述靜電轉移頭組件轉移能量以將所述微型器件陣列鍵合到所述接收襯底；以及 將所述微型器件陣列釋放到所述接收襯底上。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中使所述接收襯底與所述微型器件陣列接觸包括針 對每個相應的微型器件使微型器件鍵合層與接收襯底鍵合層接觸。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中從所述靜電轉移頭組件轉移能量以將所述微型器 件陣列鍵合到所述接收襯底包括由所述微型器件鍵合層和所述接收襯底鍵合層形成低共 烙合金。
4. 根據權利要求2所述的方法，其中從所述靜電轉移頭組件轉移能量以將所述微型器 件陣列鍵合到所述接收襯底包括液化所述接收襯底鍵合層并形成金屬間化合物層，所述金 屬間化合物層具有的環境熔融溫度高于所述接收襯底鍵合層的環境熔融溫度。
5. 根據權利要求2所述的方法，其中從所述靜電轉移頭組件轉移能量以將所述微型器 件陣列鍵合到所述接收襯底包括在所述微型器件鍵合層和所述接收襯底鍵合層之間的固 態擴散。
6. 根據權利要求2所述的方法，還包括在將所述微型器件陣列釋放到所述接收襯底上 之后對所述接收襯底進行退火。
7. 根據權利要求2所述的方法，其中所述接收襯底鍵合層具有比所述微型器件鍵合層 低的環境液相線溫度。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中每個微型器件鍵合層比每個接收襯底鍵合層寬。
9. 根據權利要求7所述的方法，其中： 所述接收襯底鍵合層包括選自銦和錫的材料；并且 所述微型器件鍵合層包括選自金、銀、鋁、鉍、銅、鋅和鎳的材料。
10. 根據權利要求2所述的方法，其中每個微型器件具有1-100 μ m的最大寬度。
11. 根據權利要求10所述的方法，其中所述靜電轉移頭陣列中的每個靜電轉移頭拾取 單個微型器件。
12. 根據權利要求1所述的方法，其中從所述靜電轉移頭組件轉移能量以將所述微型 器件陣列鍵合到所述接收襯底包括熱壓鍵合。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中轉移能量包括從所述靜電轉移頭組件轉移熱 量。
14. 根據權利要求13所述的方法，還包括將熱量從接收襯底保持器轉移至所述接收襯 底。
15. 根據權利要求2所述的方法，其中支撐所述靜電轉移頭陣列的襯底在以下序列期 間保持在室溫以上： 利用支撐所述靜電轉移頭陣列的所述靜電轉移頭組件從所述承載襯底拾取所述微型 器件陣列； 使所述接收襯底與所述微型器件陣列接觸； 從所述靜電轉移頭組件轉移能量以將所述微型器件陣列鍵合到所述接收襯底；以及 將所述微型器件陣列釋放到所述接收襯底上。
16. 根據權利要求15所述的方法，其中支撐所述靜電轉移頭陣列的所述襯底保持在銦 的環境液相線溫度以上。
17. 根據權利要求15所述的方法，其中支撐所述靜電轉移頭陣列的所述襯底保持在錫 的環境液相線溫度以上。
18. 根據權利要求15所述的方法，其中支撐所述靜電轉移頭陣列的所述襯底保持在所 述接收襯底鍵合層的環境液相線溫度以上。
【文檔編號】H01L21/60GK104115266SQ201380008866
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年2月6日 優先權日:2012年2月9日
【發明者】A·拜布爾, J·A·希金森, 胡馨華, H-F·S·勞 申請人:勒克斯維科技公司