CN104661953A - 微型器件稳定柱 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于稳定微型器件阵列的方法和结构。该微型器件阵列形成于由热固性材料形成的稳定柱阵列上。每个微型器件包括底表面，该底表面比该底表面正下方的对应稳定柱宽。

Description

微型器件稳定柱
相关专利申请
本专利申请是于2012年9月24日提交的共同未决的美国专利申请13/625,825的部分继续申请，该专利申请以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及微型器件。更具体地，本发明的实施例涉及承载衬底上的微型器件的稳定性。
背景技术
对于微型器件诸如射频(RF)微电子机械系统(MEMS)微型开关、发光二极管(LED)显示系统和MEMS或基于石英的振荡器的商业化，集成和封装问题是主要障碍之一。
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。一种这样的具体实施为“直接印刷”，其涉及器件阵列从转移晶圆到接收晶圆的一次键合步骤以及随后移除转移晶圆。其他这样的具体实施为包含两次键合/解键合步骤的“转印”。在转印过程中，转移晶圆可从供体晶圆拾取器件阵列，并且随后将器件阵列键合至接收晶圆，随后移除转移晶圆。
已开发出一些印刷工艺变型，其中可在转移过程中对器件选择性地键合和解键合。在直接印刷和转印技术的传统和变型两者中，在将器件键合至接收晶圆之后将转移晶圆从器件解键合。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
本发明公开了形成待拾取的微型器件阵列的结构和方法。在一个实施例中，结构包括稳定层，该稳定层包括稳定柱阵列，并且该稳定层由热固性材料诸如环氧树脂或苯并环丁烯(BCB)形成，其与固化期间的10％或更小的体积收缩相关联，或更具体地与固化期间的约6％或更小的体积收缩相关联。微型器件阵列位于稳定柱阵列上，其中每个微型器件包括底表面，该底表面比底表面正下方的对应稳定柱宽。底部导电触点阵列可形成于微型器件阵列的底表面上。顶部导电触点阵列可形成于微型器件阵列的顶部上。在一个实施例中，稳定柱阵列由1μm至100μm或更具体地1μm至20μm的节距分隔。
稳定层可被键合至承载衬底。粘合增进剂层可形成于承载衬底和稳定层之间以增加粘附力。牺牲层也可定位于稳定层和微型器件阵列之间，其中稳定柱阵列也延伸穿过牺牲层的厚度。在一个实施例中，牺牲层由材料诸如氧化物或氮化物形成。蚀刻停止检测层诸如钛也可定位于牺牲层和微型器件阵列之间，其中稳定柱阵列延伸穿过蚀刻停止检测层的厚度。粘合增进剂层也可形成于稳定层和牺牲层之间以增加粘附力，其中稳定柱阵列也延伸穿过粘合增进剂层的厚度。
微型器件阵列可为微型LED器件，并且可被设计为发出特定波长，诸如红光、绿光、或蓝光。在一个实施例中，每个微型LED器件包括由p掺杂半导体层形成的器件层、p掺杂半导体层上方的一个或多个量子阱层、和n掺杂半导体层。例如，在微型LED器件被设计为发出红光的情况下，p掺杂层可包含GaP并且n掺杂层可包含AlGaInP。器件层布置也包括欧姆接触层，诸如n掺杂半导体层上方的GaAs。
稳定柱阵列可对中于微型器件阵列下方的x-y中心，或者可偏心于微型器件阵列下方的x-y中心。每个稳定柱可横跨在两个相邻微型器件的边缘下方。另外，两个或更多个稳定柱可形成于每个微型器件下方。
在一个实施例中，形成微型器件阵列包括：在器件层上方形成稳定柱阵列，将稳定柱阵列和器件层转移到承载衬底，并且使器件层图案化以在稳定柱阵列上方形成对应的微型器件阵列。图案化牺牲层也可被移除以在每个微型器件下方形成开放空间。形成稳定柱阵列可包括在器件层上方形成包括开口阵列的图案化牺牲层，并且在图案化牺牲层上方和开口阵列内形成稳定层以形成稳定柱阵列。在一个实施例中，开口阵列形成于器件层上的导电触点阵列正上方。
将稳定柱阵列和器件层转移到承载衬底可包括将稳定层键合至承载衬底。可在将稳定层键合至承载衬底之前软烘烤稳定层，之后在将稳定层键合至承载衬底期间或之后硬烘烤稳定层。也可在将稳定层键合至承载衬底之后并且在图案化器件层以形成微型器件阵列之前，将生长衬底从器件层移除。在一个实施例中，在移除生长衬底之后将导电触点层沉积在器件层上方，使导电触点层退火以形成与器件层的欧姆接触，并使其图案化以在稳定柱阵列正上方的器件层上形成导电触点阵列。例如，退火可在300℃或更高的温度下执行。
在一个实施例中，方法包括使牺牲层图案化以在牺牲层中形成开口阵列，从而暴露形成于器件层上的导电触点阵列，其中器件层包括n掺杂半导体层、p掺杂半导体层、和介于n掺杂半导体层与p掺杂半导体层之间的量子阱层。然后将热固性材料施加在牺牲层上方和开口阵列内，并且固化热固性材料以使该热固性材料硬化。可由UV能量或热来执行固化。固化也可实现热固性材料的至少70％的交联。在固化期间，热固性材料可另外经受10％或更小的体积收缩。在一个实施例中，可利用经固化的热固性材料将支撑器件层的生长衬底键合至承载衬底。在一个实施例中，使牺牲层图案化并且牺牲层下方的蚀刻停止检测层被图案化以形成开口阵列，从而暴露导电触点阵列。在一个实施例中，利用视觉观察对完成蚀穿蚀刻停止检测层进行检测。
在一个实施例中，结构包括稳定层，该稳定层包括稳定柱阵列和稳定柱阵列上的微型芯片阵列，其中每个微型芯片包括底表面，该底表面比底表面正下方的对应稳定柱宽。底部导电触点阵列可形成于微型芯片阵列的底表面上。每个微型芯片也可包括与导电触点中的一个导电触点电连接的接触垫。在一个实施例中，稳定柱阵列由1μm至100μm或更具体地1μm至20μm的节距分隔。稳定层可由热固性材料诸如环氧树脂或苯并环丁烯(BCB)形成，其与固化期间的10％或更小的体积收缩相关联，或更具体地与固化期间的约6％或更小的体积收缩相关联。
稳定层可被键合至承载衬底。粘合增进剂层可形成于承载衬底和稳定层之间以增加粘附力。牺牲层也可定位于稳定层和微型芯片阵列之间，其中稳定柱阵列也延伸穿过牺牲层的厚度。在一个实施例中，牺牲层由材料诸如氧化物或氮化物形成。蚀刻停止检测层诸如钛也可定位于牺牲层和微型芯片阵列之间，其中稳定柱阵列延伸穿过蚀刻停止检测层的厚度。粘合增进剂层也可形成于稳定层和牺牲层之间以增加粘附力，其中稳定柱阵列也延伸穿过粘合增进剂层的厚度。在一个实施例中，每个微型芯片位于多个稳定柱上。每个微型芯片也可包括完全延伸穿过微型芯片的通孔，其中该通孔不位于稳定柱正上方。
在一个实施例中，形成微型芯片阵列的方法包括：在包括集成电路的器件层上方形成稳定柱阵列，将稳定柱阵列和器件层转移到承载衬底，并且使器件层图案化以在稳定柱阵列上方形成对应的微型芯片阵列。微型芯片阵列中的每个微型芯片可形成于稳定柱阵列中的一个或多个稳定柱上方。图案化牺牲层也可被移除以在每个微型器件下方形成开放空间。形成稳定柱阵列可包括在器件层上方形成包括开口阵列的图案化牺牲层，并且在图案化牺牲层上方和开口阵列内形成稳定层以形成稳定柱阵列。在一个实施例中，开口阵列形成于器件层上的导电触点阵列正上方。在一个实施例中，开口的数量大于导电触点的数量。
将稳定柱阵列和器件层转移到承载衬底可包括将稳定层键合至承载衬底。可在将稳定层键合至承载衬底之前软烘烤稳定层，之后在将稳定层键合至承载衬底期间或之后硬烘烤稳定层。可在将器件层转移到承载衬底之后并且在使器件层图案化以形成微型芯片阵列之前使器件层减薄。也可蚀刻每个微型芯片以包括完全延伸穿过该微型芯片的通孔，其中该通孔不位于稳定柱正上方。
附图说明
图1A是根据本发明的一个实施例的本体LED衬底上的图案化导电触点层的横截面侧视图图示。
图1B是根据本发明的一个实施例的本体LED衬底上的图案化导电触点层的横截面侧视图图示。
图2是根据本发明的一个实施例的形成于本体LED衬底上方的牺牲层的横截面侧视图图示。
图3A-图3D是根据本发明的实施例的形成于本体LED衬底上方的图案化牺牲层的横截面侧视图图示。
图4A是根据本发明的一个实施例的形成于本体LED衬底的图案化牺牲层中的开口上方或开口内的稳定层的横截面侧视图图示。
图4B是根据本发明的一个实施例的形成于本体LED衬底的图案化牺牲层中的开口上方或开口内的模制稳定层的横截面侧视图图示。
图5A-图5B是根据本发明的实施例将本体LED衬底与承载衬底放在一起的横截面侧视图图示。
图5C是根据本发明的一个实施例的键合至承载衬底的本体LED衬底的横截面侧视图图示。
图6是根据本发明的一个实施例的移除生长衬底的横截面侧视图图示。
图7是根据本发明的一个实施例的移除蚀刻停止层的横截面侧视图图示。
图8A-图8B是根据本发明的实施例的形成于器件层上方的图案化导电触点层的横截面侧视图图示。
图9是根据本发明的一个实施例的形成于稳定柱阵列上的微型LED器件阵列的横截面侧视图图示。
图10A-图10B是根据本发明的实施例在移除牺牲层之后形成于稳定柱阵列上的微型LED器件阵列的横截面侧视图图示。
图10C是根据本发明的一个实施例已拾取微型器件阵列之后的包括稳定柱的稳定层的顶视图图像。
图11A是根据本发明的一个实施例的在移除牺牲层之后形成于稳定柱阵列上的微型LED器件阵列的横截面侧视图图示。
图11B是根据本发明的实施例的稳定柱位置的示意性顶视图图示。
图12A是根据本发明的一个实施例的在移除牺牲层之后形成于稳定柱阵列上的微型LED器件阵列的横截面侧视图图示。
图12B是根据本发明的实施例的稳定柱位置的示意性顶视图图示。
图13A是根据本发明的一个实施例的在移除牺牲层之后形成于稳定柱阵列上的微型LED器件阵列的横截面侧视图图示。
图13B是根据本发明的实施例的稳定柱位置的示意性顶视图图示。
图14A是根据本发明的一个实施例的定位在承载衬底上的微型器件阵列上方的静电转移头阵列的横截面侧视图图示。
图14B是根据本发明的一个实施例的与微型器件阵列接触的静电转移头阵列的横截面侧视图图示。
图14C是根据本发明的一个实施例的拾取微型器件阵列的静电转移头阵列的横截面侧视图图示。
图14D是根据本发明的一个实施例的与接收衬底接触的微型器件阵列的横截面侧视图图示。
图14E是根据本发明的一个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示。
图15A-图23B是根据本发明的一个实施例的用于在稳定柱阵列上制造微型芯片阵列的序列的横截面侧视图和顶视图图示。
具体实施方式
本发明的实施例描述了用于稳定微型器件阵列诸如承载衬底上的微型发光二极管(LED)器件和微型芯片以使其待拾取和转移到接收衬底的方法和结构。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或集成电路(IC)的衬底、或者具有金属再分配线路的衬底。尽管特别针对包括p-n二极管的微型LED器件描述了本发明的一些实施例，但应当理解，本发明的实施例不受此限制，并且某些实施例也可适用于其他微型半导体器件，这种微型半导体器件以这种方式被设计以便以受控方式执行预定电子功能(例如，二极管、晶体管、集成电路)或光子功能(LED、激光器)。特别针对包括电路的微型芯片描述了本发明的其他实施例。例如，微型芯片可基于用于逻辑器或存储器应用的硅或SOI晶圆，或基于用于射频通信应用的GaAs晶圆。
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具体细节或者与其他已知方法和构型相结合的情况下被实施。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彻底理解。在其他情况下，未对熟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”(“one embodiment,”“an embodiment”)等是指结合实施例所描述的特定特征、结构、构型或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，整个专利申请各处的短语“在一个实施例中”、“一个实施例”等的出现不一定指代本发明的同一实施例。此外，特定特征、结构、构型或特性可以任何适当的方式在一个或多个实施例中被组合。
本文所使用的术语“在……上方”、“横跨”、“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”、“横跨”另一层、或在另一层“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。
本文所使用的术语“微型”器件、“微型”芯片或“微型”LED器件可指根据本发明的实施例的特定器件、芯片或结构的描述性尺寸。如本文所用，术语“微型器件”具体地包括“微型LED器件”和“微型芯片”。如本文所用，术语“微型”器件或结构意指1μm至100μm的尺度。然而，应当理解，本发明的实施例未必受此限制，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两者均具有1μm到100μm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1μm至100μm、或更具体地3μm至20μm的最大尺寸。在一个实施例中，微型器件阵列和对应的静电转移头阵列的节距为(1μm至100μm)×(1μm至100μm)，例如20μm×20μm的节距或5μm×5μm的节距。
在以下实施例中，描述了预制微型器件阵列与转移头部阵列的质量传递。例如，预制微型器件可具有专用功能，诸如但不限于：用于发光的LED、用于逻辑器和存储器的硅IC、和用于射频(RF)通信的砷化镓(GaAs)电路。在一些实施例中，待拾取的微型LED器件阵列被描述成具有20μm×20μm的节距，或5μm×5μm的节距。在这些密度下，例如，6英寸的衬底可10μm×10μm的节距容纳约1.65亿个微型LED器件，或以5μm×5μm的节距容纳约6.60亿个微型LED器件。包括与对应的微型LED器件阵列的节距的整数倍相匹配的转移头部阵列的转移工具可用于拾取微型LED器件阵列并将其转移到接收衬底。这样，可以高转移速率将微型LED器件集成并装配到异类集成系统中，包括范围从微型显示器到大面积显示器的任何尺寸的衬底。例如，1cm×1cm的微型器件转移头部阵列可拾取并转移超过100,000个的微型器件，其中更大的微型器件转移头部阵列能够转移更多的微型器件。
在一个方面，本发明的实施例描述了用于稳定微型器件阵列诸如承载衬底上的微型发光二极管(LED)器件以使其待拾取和转移到接收衬底的结构。在一个实施例中，微型器件阵列保持在承载衬底上的稳定柱阵列上的适当位置。在一个实施例中，稳定柱由粘合性键合材料形成。这样，稳定柱阵列可使微型器件阵列保持在承载衬底上的适当位置，同时也提供易于从中拾取微型器件阵列的结构。在一个实施例中，粘合性键合材料包括热固性材料，诸如但不限于苯并环丁烯(BCB)或环氧树脂。在一个实施例中，热固性材料可与固化期间的10％或更小的体积收缩相关联，或更具体地与固化期间的约6％或更小的体积收缩相关联。这样，粘合性键合材料在固化期间的低体积收缩不会导致稳定柱阵列和微型器件阵列之间的剥离，并且可实现稳定柱阵列与由稳定柱阵列支撑的微型器件阵列之间的均匀粘合。
在不限于特定理论的情况下，本发明的实施例利用了转移头部和头部阵列，所述转移头部和头部阵列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操作。根据本发明的实施例，吸合电压被施加到转移头部以在微型器件上生成握持压力并且拾取该微型器件。根据本发明的实施例，从稳定柱拾取微型器件所需的最小量的拾取压力可由以下因素确定：形成稳定柱的粘合性键合材料与微型器件(或任何中间层)之间的粘合强度，以及稳定柱的顶表面和微型器件之间的接触面积。例如，必须被克服才能拾取微型器件的粘合强度与如在下式(1)中所提供的由转移头部所产生的最小拾取压力相关：
P1A1＝P2A2      (1)
其中P1为需要由转移头部产生的最小握持压力，A1为转移头部接触表面和微型器件接触表面之间的接触面积，A2为稳定柱的顶表面上的接触面积，并且P2为稳定柱的顶表面上的粘合强度。在一个实施例中，转移头部产生大于1个大气压的握持压力。例如，每个转移头部可生成2个大气压或更大大气压，或甚至20个大气压或更大大气压的握持压力，而不会因电介质击穿导致形成短路。与由转移头部产生的握持压力相比，由于对应稳定柱的顶表面面积更小，因此可实现更大的压力。
在一个实施例中，可再熔或可回流的键合层被放置在每个微型器件和稳定柱之间。在此类实施例中，可对键合层施加热以在拾取操作之前或期间，或在将微型器件放置在接收衬底期间产生从固态到液态的相变。在液态下，键合层可将微型器件保持在稳定柱上的适当位置，同时还提供易于释放微型器件的介质。在这种情况下，将微型器件保持到稳定柱的液态键合层的表面张力可能变得比保持微型器件的其他力更具优势。这些表面张力可相对小于与稳定柱中的粘合性键合材料相关联的粘附力，并且因此需要较小的握持压力来进行拾取。将键合层部分拾取并转移到接收衬底也可有助于将微型器件键合至接收衬底。
在另一个实施例中，键合层由通过低拉伸强度来表征的材料形成。例如，铟通过约4MPa的拉伸强度来表征，该拉伸强度可小于或接近金/BCB键合界面之间的10MPa或更小的粘合强度，并且在用粘合增进剂AP3000进行处理时其显著低于金/BCB键合界面之间的示例性的30MPa的粘合强度(利用螺栓牵拉试验确定)，粘合增进剂AP3000是可得自陶氏化学公司的1-甲氧基-2-丙醇中的有机硅烷化合物。在一个实施例中，键合层由于低拉伸强度而在拾取操作期间裂开，并且在拾取操作期间没有产生相变。但相变仍可在将微型器件放置到接收衬底期间在键合层的与微型器件一起被拾取的这一部分中产生，以有助于将微型器件键合至接收衬底。
在另一方面，本发明的实施例描述了形成待拾取的微型器件阵列的方式，其中导电触点层可形成于微型器件的顶表面和底表面上，并且被退火以提供欧姆接触。在导电触点被形成于微型器件的顶表面上的情况下，稳定层由能够承受相关联的沉积和退火温度的材料形成。例如，导电触点可能需要在200℃至350℃之间的温度下退火以形成与微型器件的欧姆接触。这样，可利用本发明的实施例基于用于发射各种不同可见光波长的各种不同半导体组合物来形成微型LED器件阵列。例如，包括由用于发射不同波长(例如，红色、绿色和蓝色波长)的不同材料形成的有源器件层的微型LED生长衬底全部可在所述实施例的操作的常规序列内进行处理。
在以下描述中，针对在稳定柱阵列上形成微型器件阵列描述了示例性处理序列。具体地，针对形成微型LED器件阵列和微型芯片阵列描述了示例性处理序列。虽然分别示出和描述了两种处理序列，但应当理解，这两种示例性处理序列共享类似的特征和方法。在可能的情况下，类似的特征在附图和以下描述中用类似的注释示出。
图1A是根据本发明的一个实施例的本体LED衬底上的图案化导电触点层的横截面侧视图图示。具体地，图1A所示的本体LED衬底是设计用于发射红光(例如620nm-750nm波长)的本体LED衬底。应当理解，虽然在以下描述中所示和所述的具体实施例参考了红光发射LED器件的形成，但以下序列和描述也适用于其他LED器件诸如绿光(例如，495nm-570nm波长)发射LED器件或蓝光(例如，450nm-495nm波长)发射LED器件的形成，所述绿光发射LED器件由材料诸如氮化铟镓(InGaN)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、磷化铝镓铟(AlGaInP)和磷化铝镓(AlGaP)形成，所述蓝光发射LED器件由材料诸如氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)和硒化锌(ZnSe)形成。
在一个实施例中，本体LED衬底100包括形成于生长衬底102上的器件层105。可选的蚀刻停止层104可形成于器件层105和生长衬底之间以有助于生长衬底102的后续移除。器件层105可包括掺杂半导体层108(例如，n掺杂)、一个或多个量子阱层110、以及掺杂半导体层112(例如，p掺杂)。器件层105可在掺杂半导体层108和生长衬底102之间任选地包括欧姆层106，以有助于后续形成与器件层的欧姆接触。蚀刻停止层104和器件层105可通过各种技术形成于生长衬底102上。在一个实施例中，可通过一种或多种异质外延生长技术来形成蚀刻停止层104和器件层105。可随后使用合适的技术诸如先进行溅射或电子束物理沉积然后进行蚀刻或抬离以形成导电触点120阵列从而在本体LED衬底器件层105上方形成导电触点层。
在所示的具体实施例中，生长衬底102由GaAs形成，并且可为约500μm厚。蚀刻停止层104可由InGaP形成并且为约2,000埃厚。欧姆层106可由GaAs形成并且为约500埃厚。在一个实施例中，n掺杂层108由AlGaInP形成，并且为约1μm至3μm厚。一个或多个量子阱层110可具有约0.5μm的厚度。在一个实施例中，p掺杂层112由GaP形成，并且为约1μm至2μm厚。
在一个实施例中，导电触点120阵列具有约0.1μm-2μm的厚度，并且可包括多个不同的层。例如，导电触点120可包括反射镜层122、粘合/阻隔层123、扩散阻隔层124、键合层125和用于欧姆接触的电极层121。在一个实施例中，电极层121可形成与p掺杂GaP层112的欧姆接触，并且可由高功函数金属诸如镍形成。在一个实施例中，反射镜层122诸如银形成于电极层121上方以反射可见波长的传输。在一个实施例中，钛被用作粘合/阻隔层123，并且铂被用作对键合层125的扩散阻隔124。键合层125可由可选择用于键合至接收衬底和/或实现与稳定柱的必需拉伸强度或粘附力或表面张力的各种材料形成。在形成层121-125之后，可使衬底叠层退火以形成欧姆接触。例如，p侧欧姆接触可通过使衬底叠层在510℃下退火10分钟来形成。
在一个实施例中，键合层125由导电材料(纯金属和合金两者)形成，该导电材料可利用金属进行扩散，从而在接收衬底上形成接触垫(例如，金、铟或锡接触垫)并且具有高于200℃的液相线温度，诸如锡(231.9℃)或铋(271.4℃)，或高于300℃的液相线温度，诸如金(1064℃)或银(962℃)。在一些实施例中，可利用用于形成稳定柱的粘合性键合材料针对其较差粘附力而选择键合层125诸如金。例如，已知贵金属诸如金用于实现与BCB的较差粘附力。这样，产生了足够的粘附力以在加工和处理期间将微型LED器件阵列保持在稳定柱上，以及在拾取另一个微型LED器件时将相邻的微型LED器件保持在适当的位置，但也不产生过大的粘附力，以便可在转移头部上利用20个大气压或更小大气压、或更具体地5至10个大气压的已施加拾取压力来实现拾取。
在图1A所示的实施例中，在键合层125具有高于用于形成p侧欧姆接触的退火温度的液相线温度的情况下，可在形成包括键合层125的图案化导电触点层120之后执行退火(例如在510℃下进行10分钟)。在键合层125具有低于用于形成p侧欧姆接触的退火温度的液相线温度的情况下，可在退火之后形成键合层125。
图1B为类似于图1A的根据本发明的实施例的本体LED衬底上的图案化导电触点层的横截面侧视图图示。在键合层125由具有低于待形成的p侧欧姆接触或n侧欧姆接触的液相线温度的退火温度的材料形成的情况下，尽管图1B所示的实施例并不限制于此，但图1B所示的实施例尤其有用，并且在键合层125由具有高于待形成的p侧欧姆接触或n侧欧姆接触的退火温度的液相线温度的材料形成的情况下，也可以使用该实施例。在此类实施例中，电极层121和反射镜层122可如参照图1所述相似地形成。同样，粘合/阻隔层123和扩散阻隔124可如参照图1A所述相似地形成，其中一个不同之处在于层123,124可任选地环绕层121,122的侧壁。在形成层121-124之后，可使衬底叠层退火以形成欧姆接触。例如，p侧欧姆接触可通过使衬底叠层在510℃下退火10分钟来形成。在使层121-124退火以形成p侧欧姆接触之后，可形成键合层125。在一个实施例中，键合层125具有比层121-124更小的宽度。
在一个实施例中，键合层125具有约350℃或更低或更具体地约200℃或更低的液相线温度或熔融温度。在此类温度下，键合层可经受相变，而不会显著影响微型LED器件的其他部件。在一个实施例中，所得的键合层可以是导电的。根据一些实施例，键合层125可为焊料材料，诸如基于铟、铋或锡的焊料，包括纯金属和金属合金。在一个具体实施例中，键合层125为铟。
现在参见图2，根据本发明的一个实施例，牺牲层140形成于本体LED衬底100和导电触点120阵列上方。在一个实施例中，牺牲层140的厚度介于约0.5微米和2微米之间。在一个实施例中，牺牲层由氧化物(例如SiO2)或氮化物(例如SiNx)形成，虽然也可使用可选择性地相对于其他层被移除的其他材料。在一个实施例中，牺牲层140通过溅射、低温等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或电子束蒸发进行沉积以产生低质量层，该低质量层与通过其他方法诸如原子层沉积(ALD)或高温度PECVD而沉积的更高质量层相比是可易于移除的。
仍然参见图2，可在形成牺牲层140之前形成蚀刻停止检测层130。在一个实施例中，蚀刻停止检测层130为钛。蚀刻停止检测层130可通过各种技术诸如溅射或电子束蒸发而形成，并且具有在蚀刻期间用于进行视觉观察的合适厚度，例如100-300埃。
在形成牺牲层140之后，可形成粘合增进剂层144以增加稳定层150(尚未形成)与牺牲层140的粘附力。增加牺牲层140和稳定层150之间的粘附力可防止因器件层105的异质外延生长导致的器件层105的应力而在层间发生剥离。100-300埃的厚度可足以增加粘附力。
对于牺牲层140和BCB稳定层两者具有良好粘附性的特定金属包括但不限于钛和铬。例如，溅射或蒸发的钛或铬可实现与BCB的大于40MPa的粘合强度(螺栓牵拉)。
现在参见图3A，根据本发明的一个实施例，牺牲层140被图案化以在导电触点120阵列上方形成开口142阵列。如果存在粘附层144和/或蚀刻停止检测层130，则这些层也可被图案化以形成通过层144,140,130的开口142阵列，从而暴露导电触点120阵列。根据本发明的实施例，SiO2或SiNx牺牲层140可为透明的，并且可能不易于利用视觉观察来确定端点蚀刻检测。在存在钛蚀刻停止检测层130的情况下，可在SiO2或SiNx牺牲层140的蚀刻期间视觉地观察到指示钛的暗灰色。用于蚀刻SiO2或SiNx牺牲层140的相同蚀刻化学物质(例如，HF蒸气或CF4或SF6等离子体)也蚀穿钛蚀刻停止检测层130。在蚀穿层130之后，与钛相关联的暗灰色消失，并且下面的导电触点120上的键合层125(例如，金)的颜色可见。这样，停止检测层130允许较小的柱开口过程检测以确保完整和均匀的开口142。
如将在下面的描述中变得更显而易见的是，牺牲层140中的开口142的高度、长度以及宽度对应于待形成的稳定柱的高度、长度以及宽度(面积)，从而形成必须克服才能拾取稳定柱阵列上的待拾取的微型LED器件阵列的粘合强度。在一个实施例中，开口142使用光刻技术形成并且具有约1μm×1μm的长度和宽度，但所述开口可以更大或更小，只要所述开口具有小于待形成的导电触点120和/或微型LED器件的宽度(或面积)的宽度(或面积)。
图3B是根据一个实施例的位于导电触点120阵列上方的开口142阵列的图示，其中开口142阵列偏心于对应导电触点120阵列的x-y中心。如将在以下描述中变得更显而易见的是，在偏心开口142中产生的稳定柱也将偏心于对应的微型器件。图3C是根据一个实施例的形成于单个导电触点120上方的多个开口142的图示。例如，多个开口142可在导电触点120的对角处。图3D是根据一个实施例的横跨在两个导电触点120的边缘上方和之间的开口142的图示。如将在以下描述中变得更显而易见的是，在开口142中产生的稳定柱横跨在两个导电触点120下方和之间，并且每个导电触点可由多于一个稳定柱支撑。
根据本发明的实施例，由粘合性键合材料形成的稳定层150随后形成于图案化牺牲层140上方，如图4A所示。根据一些实施例，粘合性键合材料为热固性材料诸如苯并环丁烯(BCB)或环氧树脂。在一个实施例中，热固性材料可与固化期间的10％或更小的体积收缩相关联，或更具体地与固化期间的约6％或更小的体积收缩相关联，以便不会与待形成微型器件上的导电触点120剥离。就BCB稳定层而言，为了增加对底层结构的粘附力，除粘合增进剂层144之外或作为另外一种选择，可利用粘合增进剂诸如可得自陶氏化学公司的AP3000对底层结构进行处理，以便适应底层结构。例如，可将AP3000旋涂到底层结构上，然后进行软烘烤(例如，100℃)或旋转干燥以在将稳定层150施加在图案化牺牲层140上方之前去除溶剂。
在一个实施例中，尽管也可采用其他施加技术，但稳定层150被旋涂或喷涂在图案化牺牲层140上方。在施加稳定层150之后，可对稳定层进行预烘烤以去除溶剂。在一个实施例中，稳定层150的厚度大于图案化牺牲层140中的开口142的高度。这样，填充开口142的稳定层的厚度将成为稳定柱152，并且被填充开口142上方的稳定层150厚度的其余部分可用于将本体LED衬底100以粘合方式键合至承载衬底。
根据图4B所示的另一个实施例，可使用模制技术诸如注射成型将稳定层150形成于图案化牺牲层140上方。在此类实施例中，稳定层150可在注射成型期间完全固化。稳定层150也可基本上为厚的以便用作承载衬底。
现在参见图5A-图5C所示的实施例，图4A所示的本体LED衬底利用稳定层150键合至承载衬底160(诸如硅)上。在图5A所示的实施例中，稳定层150被施加在本体LED衬底的表面上方。另选地或除此之外，在图5B所示的实施例中，稳定层150被施加在承载衬底160的表面上方。根据所选择的特定材料，稳定层150可被热固化，或利用施加UV能量来固化。
为了增加与稳定层150的粘附力，可在将本体LED衬底100键合至承载衬底160之前将粘合增进剂层162施加到承载衬底160上，这与上文相对于粘合增进剂层144所述相似。同样，除了粘合增进剂层144之外或作为另外一种选择，可将粘合增进剂诸如AP3000施加到承载衬底160或粘合增进剂层162的表面。
在一个实施例中，稳定层150在范围介于150℃和300℃之间的温度或温度曲线下被固化。在稳定层150由BCB形成的情况下，固化温度不应超过约350℃，该温度代表BCB开始降解的温度。根据包含键合层125材料的实施例，所述材料通过大于250℃的液相线温度来表征(例如，金、银、铋)，BCB稳定层150的完全固化可在介于250℃和300℃之间的固化温度下在约1小时或更少的时间内实现。其他键合层125材料诸如锡(231.9℃)可能需要在介于200℃和231.9℃的液相线温度下在10-100小时内才能完全固化。根据包含键合层125材料的实施例，所述材料通过低于200℃的液相线温度来表征(例如，铟)，BCB稳定层150可仅部分被固化(例如，70％或更大)。在此类实施例中，BCB稳定层150可在介于150℃和键合层的液相线温度(例如，对于铟为156.7℃)之间的温度下固化约100小时以实现至少70％的固化。
根据本发明的实施例，不需要实现稳定层的100％完全固化。更具体地，稳定层150可被固化到足够的固化百分比(例如，对于BCB为70％或更大)，在该百分比下，稳定层150将不再回流。此外，已经发现，此类部分固化(例如，70％或更大)的BCB稳定层150可具有与承载衬底160和图案化牺牲层140(或任何一个或多个中间层)的足够的粘合强度。因此，无论是哪种键合层125材料，在一个实施例中，稳定层的固化程度介于70％和完全固化之间，并且仅需被固化到足以抵抗下文参照图10A-图13B所述的HF蒸气蚀刻释放过程。
仍然参见图5A-图5C，蚀刻停止检测层130也可或作为另外一种选择用作阻隔层，从而防止导电触点120阵列中的层扩散进入牺牲层140。例如，在导电触点120尚未被扩散阻隔层围绕或在其包括键合层125的情况下，当固化稳定层150时，阻隔层130可防止某些材料从导电触点扩散进入牺牲层140。在一个实施例中，阻隔层130防止键合层125材料扩散进入周围的牺牲层140。例如，阻隔层130可防止金键合层125扩散进入周围的牺牲氧化物层140。在应用中，根据本发明实施例的防止扩散的措施可有助于移除牺牲层140。已经发现，在下文参照图10A和图10B进一步详述的牺牲层140的移除过程中，与不包括阻隔层130的实施例相比，包括阻隔层130可导致更少的残余和更短的蚀刻时间。据信，该结果可归因于防止键合层125材料扩散进入牺牲层140。
现在参见图6，其根据本发明的一个实施例示出了生长衬底102的移除。可通过多种方法来实现移除，包括激光剥离(LLO)、磨削、和蚀刻，这具体取决于生长衬底102的材料选择。在所示的具体实施例中，在生长衬底102由GaAs形成的情况下，可通过蚀刻或磨削及选择性蚀刻的组合连同蚀刻停止层104上的选择性蚀刻停止来实现移除。例如，GaAs生长衬底102可利用H2SO4+H2O2溶液、NH4OH+H2O2溶液、或CH3OH+Br2化学物质移除，从而停留在例如由InGaP形成的蚀刻停止层104上。蚀刻停止层104可随后被移除以暴露欧姆层106，如图7所示。在蚀刻停止层由InGaP形成的实施例中，可通过在HCl+H3PO4的溶液中进行湿法蚀刻来移除蚀刻停止层。
现在参见图8A-图8B所示的实施例，导电触点层170形成于器件层105上方。在所示的具体实施例中，导电触点层170形成于欧姆层106上。导电触点层170可由各种导电材料形成，包括金属、导电氧化物和导电聚合物。在一个实施例中，可使用合适的技术诸如溅射或电子束物理沉积来形成导电触点层170。例如，导电触点层170可包括BeAu金属合金，或Au/GeAuNi/Au层的金属叠层。导电触点层170也可为铟锡氧化物(ITO)。导电触点层也可为一个或多个金属层与导电氧化物的组合。在一个实施例中，在形成导电触点层170之后，衬底叠层被退火以在导电触点层170和欧姆层106之间形成欧姆接触。在稳定层由BCB形成的情况下，退火温度可低于约350℃，在该温度下BCB降解。在一个实施例中，退火在200℃和350℃之间或更具体地在约320℃下执行约10分钟。
在一个实施例中，键合层125材料(例如，铟)通过低于形成欧姆接触的退火温度的液相线温度来表征。在此类实施例中，键合层125可由已固化的稳定层150、牺牲层140和扩散/阻隔层124,123包封，如图8B所示。另外，即使稳定层150尚未完全固化，稳定层150也可在退火期间快速固化并包封液化的键合层125。在一个实施例中，根据退火时间和温度来选择蚀刻停止检测层130(如果存在)和键合层125材料，使得发生最少的材料扩散，以便使键合层125的熔融温度不会显著升高(例如，高于350℃)。在一个实施例中，如果键合层125具有低于形成欧姆接触的退火温度的液相线温度，则不存在蚀刻停止检测层。如上所述，实施例描述了将承载衬底上的待拾取的微型器件阵列转移到接收衬底的方式。如果升高的温度与用于液化键合层材料的转移过程相关联，则这些升高的温度可能影响静电转移头组件的对准。因此，在一个实施例中，当位于承载衬底上时，键合层材料的液相线温度保持低于350℃。
仍然参见图8A-图8B，蚀刻停止检测层130也可或作为另外一种选择用作阻隔层，从而防止导电触点120阵列中的层扩散进入牺牲层140。例如，在导电触点120尚未被扩散阻隔层围绕，或在其包括键合层125的情况下，阻隔层130可防止某些材料在导电触点层170的形成和/或退火期间从导电触点扩散进入牺牲层140，所述形成和/或退火用于在导电触点层170和欧姆层106之间形成欧姆接触。在一个实施例中，阻隔层130防止键合层125材料扩散进入周围的牺牲层140。例如，阻隔层130可以防止金键合层125扩散进入周围的牺牲氧化物层140。在应用中，根据本发明的实施例的防止扩散可有助于移除牺牲层140。已经发现，在下文参照图10A和图10B进一步详述的牺牲层140的移除过程中，与不包括阻隔层130的实施例相比，包括阻隔层130可导致更少的残余和更短的蚀刻时间。据信，该结果可归因于防止键合层125材料扩散进入牺牲层140。
现在参见图9，导电触点层170和器件层105层106,108,110,112被图案化并被蚀刻以形成侧向分开的微型器件175阵列。这时，所得结构对于处理和清洁操作仍然稳固，以便为后续的牺牲层移除和静电拾取准备衬底。在微型器件阵列具有5微米节距的示例性实施例中，每个微型器件可具有4.5μm的最小宽度(例如，沿层170的顶表面)，并且相邻微型器件之间具有0.5μm的节距。应当理解，5微米的节距是示例性的，而本发明的实施例涵盖1μm至100μm的任何节距，以及更大和可能更小的节距。可使用对于特定材料来说合适的蚀刻化学物质来完成对层170,106,108,110和112的蚀刻。例如，可在一个操作中利用在牺牲层140上停止的BCl3和Cl2化学物质来对AlGaInP n掺杂层108、一个或多个量子阱层110a GaP和p掺杂层112进行干法蚀刻。
如果存在蚀刻停止检测层130，则用于蚀穿器件层105的蚀刻化学物质也可移除蚀刻停止检测层130。当存在蚀刻停止检测层130时，可利用光学显微镜来视觉地检测通过器件层105的蚀刻停止检测。在所示的具体实施例中，用于红色LED的器件层105可表现出不透明的橙色/红色/黄色变型。一旦器件层105被蚀穿，钛蚀刻停止检测层130的暗灰色就可在整个晶圆上闪烁，从而提供对已完成蚀穿器件层105的指示。如果钛蚀刻停止检测层130被蚀穿，并且如果牺牲层140和稳定层150为透明的，则可随后观察到一个或多个不透明的粘附层144,162(例如，Cr、Ti)或衬底160(例如，Si)的外观。
在形成侧向分开的微型器件175之后，即可将牺牲层140移除。图10A-图10B是根据本发明的实施例在移除牺牲层之后形成于稳定柱阵列上的微型LED器件阵列的横截面侧视图图示。图10A和图10B基本上类似，其中唯一的不同之处在于层在导电触点120内的布置。在所示实施例中，牺牲层140被完全移除，从而导致在每个微型器件175下方存在开放空间146。用于蚀刻SiO2或SiNx牺牲层140的合适的蚀刻化学物质(例如，HF蒸气或CF4或SF6等离子体)还会移除钛蚀刻停止检测层130(如果存在)。
在一个实施例中，微型器件175阵列位于稳定柱152阵列上并且仅由稳定柱152阵列支撑。此外，稳定层150的顶表面可包括腔体154，该腔体的宽度对应于导电触点120的近似宽度。如果键合层125在拾取操作期间液化，则腔体154可用于包含键合层125并且有助于防止该键合层扩散到相邻的微型器件175。
图10C是根据本发明的一个实施例拾取微型器件阵列之后的包括稳定柱的稳定层的顶视图图像。如图所示，稳定柱152阵列沿腔体154中的x-y方向对中。如上所述，腔体具有沿x-y方向的对应于导电触点120的近似宽度的宽度。因此，在10A-图10C所示的实施例中，稳定柱阵列在微型器件175阵列下方对中。
现在参见图11A，其提供了根据本发明的一个实施例在移除牺牲层之后的微型LED器件阵列的横截面侧视图图示。具体地，稳定柱152阵列偏心于微型LED器件175阵列的对应导电触点120阵列的x-y中心。例如，可使用上文参照图3B所述的开口142阵列来形成图11A所示的特定结构。
图11B是根据本发明的实施例的稳定柱位置的示意性顶视图图示。如图所示，稳定柱152偏心于对应腔体154的x-y中心，所述腔体的尺寸对应于导电触点120的近似尺寸。因此，在图11A-图11B所示的实施例中，稳定柱阵列在微型器件175阵列下方偏心于x-y中心。在一个实施例中，在下文描述的拾取操作期间，当转移头部阵列接触微型器件阵列时，偏心稳定柱152可准备形成力矩，其中微型器件由于来自转移头部阵列的所施加的向下压力而稍微倾斜。这种稍微倾斜可有助于克服稳定柱152和微型器件175阵列之间的粘合强度。此外，这种对克服粘合强度的帮助可潜在地允许利用较低的握持压力来拾取微型器件阵列。因此，这可允许以较低电压来操作转移头部阵列，并且对覆盖需要实现静电握持压力的每个转移头部的电介质层强加不严格的电介质强度要求。
现在参见图12A，其提供了根据本发明的一个实施例在移除牺牲层之后的微型LED器件阵列的横截面侧视图图示。具体地，为微型LED器件175阵列中的每个对应导电触点120分配两个或更多个稳定柱152。在一个实施例中，每个导电触点120与该导电触点对角处的两个稳定柱152相关联。例如，可使用参照图3C所述的开口142阵列来形成图12A所示的特定结构。
图12B是根据本发明的实施例的稳定柱位置的示意性顶视图图示。如图所示，稳定柱152位于对应腔体154的对角处，所述腔体的尺寸对应于导电触点120的近似尺寸。因此，在图12A-图12B所示的实施例中，稳定柱152阵列在微型器件175阵列下方偏心于x-y中心。在一个实施例中，在下文描述的拾取操作期间，当转移头部阵列接触微型器件阵列时，偏心稳定柱152可准备形成力矩，其中微型器件由于从转移头部阵列的所施加的向下压力而稍微倾斜。在一个实施例中，利用多于一个稳定柱152支撑微型器件175可允许形成更小的稳定柱，这也可减小稳定柱152和微型器件175之间接触面积的大小，并且减小需要在拾取操作期间克服的总粘合强度。
现在参见图13A，其提供了根据本发明的一个实施例在移除牺牲层之后的微型LED器件阵列的横截面侧视图图示。具体地，稳定柱152横跨在两个相邻导电触点120的边缘下方和之间。例如，可使用参照图3D所述的开口142阵列来形成图13A所示的特定结构。虽然图13A中并未示出，但每个导电触点120均可由多于一个稳定柱152支撑。
图13B是根据本发明的实施例的稳定柱位置的示意性顶视图图示。如图所示，稳定柱152横跨在两个相邻腔体154的边缘之间，所述腔体的尺寸对应于导电触点120的近似尺寸。因此，在图13A-图13B所示的实施例中，稳定柱152阵列在微型器件175阵列下方偏心于x-y中心。在一个实施例中，在下文描述的拾取操作期间，当转移头部阵列接触微型器件阵列时，偏心稳定柱152可准备形成力矩，其中微型器件由于从转移头部阵列的所施加的向下压力而稍微倾斜。在一个实施例中，使两个相邻腔体154的边缘之间的稳定柱152阵列错开也可以减小稳定柱152和微型器件175之间接触面积的大小，并且减小需要在拾取操作期间克服的总粘合强度。
图14A-图14E是根据本发明的一个实施例从承载衬底拾取微型器件阵列并将其转移到接收衬底的方法的横截面侧视图图示。图14A是根据发明的一个实施例的微型器件转移头部204阵列的横截面侧视图图示，该微型器件转移头部阵列由衬底200支撑并且定位于稳定在承载衬底160上的稳定层160的稳定柱152上的微型器件175阵列上方。微型器件175阵列随后与转移头部204阵列接触，如图14B所示。如图所示，转移头部204阵列的节距是微型器件175阵列的节距的整数倍。如果稳定柱152阵列在微型器件阵列下方偏心于x-y中心，则这可在微型器件175阵列和稳定柱152阵列之间产生力矩。电压被施加到转移头部204阵列。电压可从与转移头部通孔207阵列电连接的转移头部组件206内的工作电路施加。随后利用转移头部204阵列拾取微型器件175阵列，如图14C所示。随后将微型器件175阵列放置为与接收衬底上的接触垫302(例如，金、铟或锡)接触，如图14D所示。之后将微型器件175阵列释放到接收衬底300上的接触垫302上，如图14E所示。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或IC的衬底、或者具有金属再配电线路的衬底。
在一个实施例中，在拾取微型器件阵列之前或当拾取微型器件阵列时，执行操作以在将微型器件175阵列连接到稳定柱的键合层中产生相变。例如，键合层可具有小于350℃或更具体地小于200℃的液相线温度。在一个实施例中，键合层为诸如铟或铟合金的材料。如果利用微型器件拾取键合层的一部分，则可在后续处理期间执行另外的操作以控制键合层的该部分的相。例如，可从定位于转移头部组件206、承载衬底160和/或接收衬底300内的热源向键合层施加热。
可以不同的次序执行施加电压以在微型器件阵列上产生握持压力的操作。例如，可在微型器件阵列与转移头部阵列接触之前，在微型器件与转移头部阵列接触时，或者在微型器件与转移头部阵列接触之后施加电压。还可在键合层中产生相变之前、之时或之后施加电压。
在一个实施例中，在将微型器件175阵列放置为如图14D所示与接触垫接触之后，执行操作以利用接触垫302扩散键合层125。例如，可从位于转移头部组件206和/或接收衬底300内的热源施加热以允许扩散，并且随后微型器件175阵列连接到接收衬底300。
在转移头部204包括双极电极的情况下，可在每个转移头部204中的一对电极两端施加交流电压，使得当在负电压施加于该对电极中的一个电极，正电压施加于其中另一电极(并且反之亦然)的特定时间点处产生拾取压力。从转移头部204释放微型器件阵列可借助各种方法来实现，包括关闭电压源、降低硅电极对两端的电压、改变交流电压的波形以及将电压源接地。
现在参见图15A-图23B，其示出了根据本发明实施例的用于制造被保持在稳定柱阵列上的适当位置的微型芯片阵列的序列。微型芯片阵列的处理序列可基本上类似于上文相对于微型LED器件阵列所述的处理序列，使得微型芯片阵列待拾取并转移到接收衬底。根据本发明的实施例，微型芯片可包括用于控制外部器件的电路。例如，当被放置在显示衬底或照明衬底上时，微型芯片可包括用于控制一个或多个LED器件的电路。
图15A是横截面侧视图图示，并且图15B是示出了根据本发明的实施例的包括电路的器件晶圆的图15A的顶视图图示。根据本发明的实施例，器件晶圆400可由各种材料形成，具体取决于所需的功能。例如，在一个实施例中，器件晶圆400为用于逻辑器或存储器的硅晶圆或绝缘体上硅(SOI)晶圆。在一个实施例中，器件晶圆400为用于射频(RF)通信的砷化镓(GaAs)晶圆。这些仅仅是示例性的，该发明设想的实施例既不限于硅或GaAS晶圆，也不是限于逻辑器、存储器或RF通信的实施例。
在一个实施例中，器件晶圆400包括有源器件层406、可选的掩埋氧化物层404和底部区域402。为清楚起见，以下描述相对于SOI器件晶圆400进行，该器件晶圆包括有源器件层406、掩埋氧化物层404和底部硅层402，尽管可使用其他类型的器件晶圆，包括本体半导体晶圆。在一个实施例中，当被放置在显示衬底或照明衬底上时，有源器件层406可包括用于控制一个或多个LED器件的工作电路。在一些实施例中，可在有源器件层内执行后端处理。因此，在一个实施例中，有源器件层406包括：有源硅层407，其包括诸如器件晶体管；金属堆积层408，其包括互连件409、键合垫410和钝化件412。
现在参见图16A-图17B，导电触点420阵列可形成于有源器件层406上方。导电触点420阵列可与在后端处理期间在有源器件层406中形成的接触垫410接触。导电触点420阵列也可包括假触点，其没有与在后端处理期间形成的接触垫接触。参见图16A-图16B，导电层421首先形成于硅有源器件层406上方。导电层421可由各种材料形成，这取决于底层结构。在一个实施例中，导电层421是用于形成键合层材料425的种子层。在一个实施例中，种子层包括Ti/TiW/Ag或Ti/TiW/Cu叠层，但也可使用其他材料。在一个实施例中，种子层421的厚度小于1μm。
参见图17A-图17B，在形成种子层421之后，可形成键合层425。键合层425可由可选择用于键合至接收衬底和/或实现与稳定柱的必需拉伸强度或粘附力或表面张力的各种材料形成。可以类似于上文针对键合层125所述的方式来形成键合层425。
在一个实施例中，键合层425通过镀覆形成。在此类实施例中，可利用预镀覆的盐酸(HCl)氧化物带来清洁种子层421，并使薄正性光致抗蚀剂图案化以形成镀覆区域。在一个实施例中，镀覆约1μm-2μm的键合层材料，例如铟或金。然后剥去抗蚀剂并利用湿法蚀刻来移除种子层421的暴露部分，从而形成导电触点420阵列。
现在参见18A-图18B，根据本发明的一个实施例，牺牲层440形成于有源器件层406和导电触点420阵列上方。在一个实施例中，牺牲层440的厚度介于约0.5微米和2微米之间。在一个实施例中，牺牲层由氧化物(例如SiO2)或氮化物(例如SiNx)形成，但也可使用可选择性地相对于其他层被移除的其他材料。可以类似于上文针对牺牲层140所述的方式来形成牺牲层440。此外，可以类似于上面所述的层130,144的方式可选地形成蚀刻停止检测/阻隔层430和粘合增进剂层444中的一者或两者。仍然参见图18A-图18B，根据本发明的一个实施例，牺牲层440和可选层130,144被图案化以在导电触点阵列上方形成开口442阵列。与如上所述类似，层430可用作端点蚀刻检测层以确保完整和一致的开口442。
如上文相对于开口142所述，牺牲层440中的开口442的高度、长度以及宽度对应于待形成的稳定柱的高度、长度以及宽度(面积)，从而形成必须克服才能拾取稳定柱阵列上的待拾取的微型芯片阵列的粘合强度。在存在导电触点420的情况下，开口可具有小于导电触点420和/或待分离的微型芯片的宽度(或面积)的宽度(或面积)。
到目前为止，图16A-图18B已描述了导电触点420阵列的形成，以及导电触点阵列上方的牺牲层440中的开口442阵列的形成。应当理解，导电触点420的形成未必是必需的。例如，在其他实施例中，没有形成导电触点420阵列，并且牺牲层440中的开口442阵列形成于有源器件层406上方。这样，开口442阵列可暴露接触垫410。在一个实施例中，假开口442也可形成于有源器件层上方，从而暴露有源器件层的不包括接触垫的一部分。
在形成开口442之后，稳定层450随后形成于图案化牺牲层440上方，如图19A-图19B所示。可以类似于上述稳定层150的方式来形成稳定层450。在一个实施例中，稳定层450由热固性粘合性键合材料形成，诸如如上所述的BCB或环氧树脂。例如，在固化热固性材料期间相关联的低体积收缩可为有用的形式，从而保持稳定层450和待形成的微型芯片之间的粘附性。
现在参见图20A-图20B，器件晶圆400被键合至具有稳定层450的承载衬底460(诸如硅)。在19A-图20B所示的实施例中，稳定层450被施加在器件晶圆400的表面上方。另选地或除此之外，稳定层450可被施加在承载衬底460的表面上方。类似于上文中的先前讨论，可以类似于粘合增进剂层162的方式施加粘合增进剂层462。根据所选择的特定材料，稳定层450可随后如先前针对稳定层150所述的那样被固化。在稳定层450由热塑性材料或其他粘合剂形成的情况下，不需要进行热固化操作。
在将器件晶圆400键合至承载衬底460之后，器件晶圆可以减薄。在图21A-图21B所示的具体实施例中，器件晶圆400为SOI晶圆。可使用包括磨削和蚀刻的各种方法使底部衬底402减薄，这取决于特定晶圆。在一个实施例中，底部衬底402通过磨削和蚀刻的组合被仅部分地移除。在另一个实施例中，底部衬底402通过对掩埋氧化物层404的磨削和蚀刻的组合而被完全移除。在另一个实施例中，底部衬底和掩埋氧化物层404被完全移除，从而停留在有源器件层406上。
现在参见图22A-图22B，器件晶圆被图案化以形成侧向分开的微型芯片475阵列。可通过各种蚀刻方法来执行图案化，从而停留在牺牲层450上。在一个实施例中，使用正性光致抗蚀剂光刻法和DRIE来执行蚀刻，以在侧向分开的微型芯片475阵列之间形成开口409。在一个实施例中，还可通过微型芯片475形成一个或多个通孔407。
如果存在蚀刻停止检测层430，则用于蚀穿器件晶圆400的蚀刻化学物质也可将从开口409,407暴露的蚀刻停止检测层430移除。在一个实施例中，当存在蚀刻停止检测层430时，可利用光学显微镜来视觉地检测通过器件晶圆400的蚀刻停止检测。一旦器件晶圆400被蚀穿，钛蚀刻停止检测层430的暗灰色就可在整个晶圆上闪烁，从而提供对完成蚀穿器件晶圆400的指示。如果钛蚀刻停止检测层430被蚀穿，则在牺牲层440和稳定层450为透明的情况下，就可随后观察到一个或多个不透明粘附层444,462(例如，Cr、Ti)或衬底460(例如，Si)的外观。
这时，所得结构对于处理和清洁操作仍然稳固，以便为后续的牺牲层移除和静电拾取准备衬底。在一个示例性实施例中，微型芯片阵列具有100μm的最大宽度和1μm至100μm的节距，以及更大和可能更小的节距。
在形成侧向分开的微型芯片475之后，即可将牺牲层440移除。图23A-图23B示出了根据本发明的实施例在移除牺牲层之后形成于稳定柱阵列上的微型芯片475。在所示实施例中，牺牲层440被完全移除，从而导致在微型芯片475下方存在开放空间446。用于蚀刻SiO2或SiNx牺牲层440的合适的蚀刻化学物质(例如，HF蒸气或CF4或SF6等离子体)还会移除钛蚀刻停止检测层430(如果存在)。通过微型芯片475形成的通孔407可有助于实现牺牲层400的完全移除，并且为蒸气蚀刻化学物质提供多个路径以在微型芯片475下方进行蚀刻。在一个实施例中，稳定层450的顶表面可包括多个腔体454，其中该腔体的宽度对应于多个导电触点420的近似宽度。如果键合层425在拾取操作期间液化，则腔体454可用于包含键合层并且有助于防止键合层125扩散到相邻的微型器件475。在其他实施例中，键合层425没有在拾取操作期间液化。
根据本发明的实施例，每个微型芯片475由一个或多个稳定柱452支撑。在图23A所示的具体实施例中，微型芯片475由多个稳定柱支撑。稳定柱452可与有源器件层406接触，或另选地与导电触点420接触。此外，导电触点420可与有源器件层406的键合垫410电连接。导电触点420也可为假触点，并且接触有源器件层406的不包括键合垫410的表面。这样，稳定柱452和导电触点420为微型器件475提供了支撑结构。此外，导电触点420可有助于在微型芯片转移过程期间键合至接收衬底和/或实现与稳定柱425的必需拉伸强度或粘附力或表面张力。
稳定柱452的布置并不限于图23A-图23B所示的那些。在其他实施例中，先前参照图11A-图13B的微型LED器件所述的任何布置也可适用于微型芯片475。
此外，先前参照图14A-图14E所述的从承载衬底拾取微型器件阵列并将其从承载衬底转移到接收衬底的方法也适用于微型芯片475的转移。
在利用本发明的各个方面的过程中，对本领域的技术人员将显而易见的是，对于稳定承载衬底上的微型器件阵列以及对于转移微型器件阵列，以上实施例的组合或变型是可能的。尽管以特定于结构特征和/或方法行为的语言描述了本发明，但应当理解，所附权利要求书中所限定的本发明不必限于所述的特定特征或行为。本发明所公开的特定特征和行为旨在被理解为受权利要求书保护的本发明的特别得体的具体实施，该受权利要求书保护的本发明的特别得体的具体实施用于示出本发明。

Claims (73)

1.一种结构，包括：
包括稳定柱阵列的稳定层，其中所述稳定层由热固性材料形成；
所述稳定柱阵列上的微型器件阵列；
其中每个微型器件包括底表面，所述底表面比所述底表面正下方的对应稳定柱宽。
2.根据权利要求1所述的结构，还包括所述微型器件阵列的所述底表面上的底部导电触点阵列。
3.根据权利要求2所述的结构，还包括所述微型器件阵列的顶部上的顶部导电触点阵列。
4.根据权利要求1所述的结构，其中所述热固性材料包含环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的结构，其中所述热固性材料包含苯并环丁烯(BCB)。
6.根据权利要求1所述的结构，其中所述稳定柱阵列由1μm至100μm的节距分隔。
7.根据权利要求1所述的结构，其中所述稳定柱阵列由1μm至10μm的节距分隔。
8.根据权利要求1所述的结构，其中所述稳定层键合至承载衬底。
9.根据权利要求8所述的结构，还包括介于所述承载衬底和所述稳定层之间的粘合增进剂层。
10.根据权利要求1所述的结构，还包括介于所述稳定层和所述微型器件阵列之间的牺牲层，其中所述稳定柱阵列延伸穿过所述牺牲层的厚度。
11.根据权利要求10所述的结构，其中所述牺牲层包含氧化物或氮化物。
12.根据权利要求10所述的结构，还包括介于所述牺牲层和所述微型器件阵列之间的蚀刻停止检测层，其中所述稳定柱阵列延伸穿过所述蚀刻停止检测层的厚度。
13.根据权利要求12所述的结构，其中所述蚀刻停止检测层包含钛。
14.根据权利要求10所述的结构，还包括介于所述稳定层和所述牺牲层之间的粘合增进剂层，其中所述稳定柱阵列延伸穿过所述粘合增进剂层的厚度。
15.根据权利要求1所述的结构，其中所述微型器件阵列为微型LED器件阵列。
16.根据权利要求15所述的结构，其中每个微型LED器件包括器件层，所述器件层包括：
p掺杂半导体层；
所述p掺杂半导体层上方的量子阱层；以及
n掺杂半导体层。
17.根据权利要求16所述的结构，其中所述p掺杂层包含GaP。
18.根据权利要求16所述的结构，其中所述n掺杂层包含AlGaInP。
19.根据权利要求16所述的结构，其中所述器件层还包括所述n掺杂半导体层上方的欧姆接触层。
20.根据权利要求19所述的结构，其中所述欧姆接触层包含GaAs。
21.根据权利要求16所述的结构，其中所述量子阱层包括多个量子阱层。
22.根据权利要求15所述的结构，其中所述微型LED器件被设计为发射红光，并且所述器件层包含选自砷化铝镓(AlGaAs)、磷化镓砷(GaAsP)、磷化铝镓铟(AlGaInP)和磷化镓(GaP)的材料。
23.根据权利要求15所述的结构，其中所述微型LED器件被设计为发射绿光，并且所述器件层包含选自氮化铟镓(InGaN)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、磷化铝镓铟(AlGaInP)和磷化铝镓(AlGaP)的材料。
24.根据权利要求15所述的结构，其中所述微型LED器件被设计为发射蓝光，并且所述器件层包含选自氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)和硒化锌(ZnSe)的材料。
25.根据权利要求1所述的结构，其中所述稳定柱阵列在所述微型器件阵列下方对中于x-y中心。
26.根据权利要求1所述的结构，其中所述稳定柱阵列在所述微型器件阵列下方偏心于x-y中心。
27.根据权利要求1所述的结构，其中每个稳定柱横跨在两个相邻微型器件的边缘下方。
28.根据权利要求1所述的结构，还包括每个微型器件下方的两个稳定柱。
29.一种形成微型器件阵列的方法，包括：
在器件层上方形成稳定柱阵列；
将所述稳定柱阵列和所述器件层转移到承载衬底；以及
使所述器件层图案化以在所述稳定柱阵列上方形成对应的微型器件阵列。
30.根据权利要求29所述的方法，其中在器件层上方形成所述稳定柱阵列包括：
在所述器件层上方形成包括开口阵列的图案化牺牲层；
在所述图案化牺牲层上方和所述开口阵列内形成稳定层以形成所述稳定柱阵列。
31.根据权利要求30所述的方法，其中将所述稳定柱阵列和所述器件层转移到所述承载衬底包括将所述稳定层键合至所述承载衬底。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括完全移除所述图案化牺牲层。
33.根据权利要求30所述的方法，还包括：
在所述器件层上的导电触点阵列正上方形成所述图案化牺牲层的所述开口阵列。
34.根据权利要求31所述的方法，还包括在将所述稳定层键合至所述承载衬底之后并且在使所述器件层图案化以形成所述微型器件阵列之前，将生长衬底从所述器件层移除。
35.根据权利要求34所述的方法，还包括在移除所述生长衬底之后将导电触点层沉积在所述器件层上方。
36.根据权利要求35所述的方法，还包括使所述导电触点层退火以形成与所述器件层的欧姆接触。
37.根据权利要求36所述的方法，还包括使所述导电触点层图案化以在所述稳定柱阵列正上方的所述器件层上形成导电触点阵列。
38.根据权利要求36所述的方法，还包括使所述导电触点层在300℃或更高的温度下退火。
39.根据权利要求31所述的方法，还包括在将所述稳定层键合至所述承载衬底之前软烘烤所述稳定层。
40.根据权利要求30所述的方法，还包括在将所述稳定层键合至所述承载衬底期间或之后硬烘烤所述稳定层。
41.一种方法，包括：
使牺牲层图案化以在所述牺牲层中形成开口阵列，从而暴露形成于器件层上的导电触点阵列，其中所述器件层包括：
n掺杂半导体层；
p掺杂半导体层；以及
介于所述n掺杂半导体层和所述p掺杂半导体层之间的量子阱层；
将热固性材料施加在所述牺牲层上方和所述开口阵列内；以及
固化所述热固性材料以使所述热固性材料硬化。
42.根据权利要求41所述的方法，其中固化包括施加UV能量。
43.根据权利要求41所述的方法，其中固化包括施加热。
44.根据权利要求41所述的方法，其中固化包括实现所述热固性材料的至少70％的交联。
45.根据权利要求41所述的方法，其中所述热固性材料在固化期间经受10％或更小的体积收缩。
46.根据权利要求41所述的方法，还包括利用经固化的热固性材料将支撑所述器件层的生长衬底键合至承载衬底。
47.根据权利要求41所述的方法，还包括使所述牺牲层和所述牺牲层下方的蚀刻停止检测层图案化以形成所述开口阵列，从而暴露所述导电触点阵列。
48.根据权利要求47所述的方法，还包括利用视觉观察对完成蚀穿所述蚀刻停止检测层进行检测。
49.一种结构，包括：
包括稳定柱阵列的稳定层；
所述稳定柱阵列上的微型芯片阵列；
其中每个微型芯片包括底表面，所述底表面比所述底表面正下方的对应稳定柱宽。
50.根据权利要求49所述的结构，还包括所述微型芯片阵列的所述底表面上的底部导电触点阵列。
51.根据权利要求50所述的结构，其中每个微型芯片包括与所述导电触点中的一个导电触点电连接的接触垫。
52.根据权利要求49所述的结构，其中所述稳定层由热固性材料形成。
53.根据权利要求52所述的结构，其中所述热固性材料包含苯并环丁烯(BCB)。
54.根据权利要求49所述的结构，其中所述稳定柱阵列由1μm至100μm的节距分隔。
55.根据权利要求49所述的结构，其中所述稳定柱阵列由1μm至10μm的节距分隔。
56.根据权利要求49所述的结构，其中所述稳定层键合至承载衬底。
57.根据权利要求49所述的结构，还包括介于所述稳定层和所述微型器件阵列之间的牺牲层，其中所述稳定柱阵列延伸穿过所述牺牲层的厚度。
58.根据权利要求57所述的结构，其中所述牺牲层包含氧化物或氮化物。
59.根据权利要求57所述的结构，还包括介于所述牺牲层和所述微型器件阵列之间的蚀刻停止检测层，其中所述稳定柱阵列延伸穿过所述蚀刻停止检测层的厚度。
60.根据权利要求59所述的结构，其中所述蚀刻停止检测层包含钛。
61.根据权利要求57所述的结构，还包括介于所述稳定层和所述牺牲层之间的粘合增进剂层，其中所述稳定柱阵列延伸穿过所述粘合增进剂层的厚度。
62.根据权利要求49所述的结构，其中每个微型芯片具有1μm至100μm的最大宽度。
63.根据权利要求62所述的结构，其中每个微型芯片位于多个稳定柱上。
64.根据权利要求63所述的结构，其中每个微型芯片包括完全延伸穿过所述微型芯片的通孔，其中所述通孔不位于稳定柱正上方。
65.一种形成微型芯片阵列的方法，包括：
在包括集成电路的器件层上方形成稳定柱阵列；
将所述稳定柱阵列和所述器件层转移到承载衬底；以及
使所述器件层图案化以在所述稳定柱阵列上方形成微型芯片阵列，其中所述微型芯片阵列中的每个微型芯片形成于所述稳定柱阵列中的一个或多个稳定柱上方。
66.根据权利要求65所述的方法，其中在所述器件层上方形成所述稳定柱阵列包括：
在所述器件层上方形成包括开口阵列的图案化牺牲层；以及
在所述图案化牺牲层上方和所述开口阵列内形成稳定层以形成所述稳定柱阵列。
67.根据权利要求66所述的方法，其中将所述稳定柱阵列和所述器件层转移到所述承载衬底包括将所述稳定层键合至所述承载衬底。
68.根据权利要求67所述的方法，其中将所述稳定层键合至所述承载衬底包括固化所述稳定层。
69.根据权利要求67所述的方法，还包括完全移除所述图案化牺牲层。
70.根据权利要求66所述的方法，还包括：
在所述器件层上的导电触点阵列正上方形成所述图案化牺牲层中的所述开口阵列。
71.根据权利要求70所述的方法，其中所述开口阵列中的开口的数量大于所述导电触点阵列中的导电触点的数量。
72.根据权利要求65所述的方法，还包括使所述器件层图案化以形成完全延伸穿过微型芯片的通孔阵列，其中每个通孔不位于稳定柱正上方。
73.根据权利要求65所述的方法，还包括在将所述器件层转移到所述承载衬底之后并且在使所述器件层图案化以形成所述微型芯片阵列之前使所述器件层减薄。
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