CN109712928B - 适用微型器件的高精度转印设备及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用微型器件的高精度转印设备及系统，涉及半导体制造设备技术领域。本申请实施例提供的转印设备，可以适用于对微型器件的转印，通过静电吸片产生的静电吸附力可以实现对微型器件的吸附和释放，以静电作为转印的能量来源，使得转印设备的转印功耗较低，且可以适应不同形式器件的转印。同时，转印头可以在移动装置的控制下，进行水平面或竖直面上的移动，可以对不同规格的转印衬底进行转印，可以适应微型器件的巨量转移，提高转移效率，降低生产成本。

Description

适用微型器件的高精度转印设备及系统

技术领域

本发明涉及半导体制造设备技术领域，具体而言，涉及一种适用微型器件的高精度转印设备及系统。

背景技术

近年来micro-LED由于在功耗、亮度、响应速度、对比度、色彩饱和度、显示密度等方面具有LED以及OLED无法比拟的优势，引起了国内外的广泛关注和深入研究。在先进技术的发展和市场的需求推动下，micro-LED全彩显示及柔性电子已进入开发推广阶段，但仍面临着无机电子材料无法在柔性基体上直接生长和加工，三色micro-LED无法在同一衬底上实现图形化集成制备等问题。为解决这些难题,研究者发展了转印技术，将无机薄膜电子器件从其生长基体上剥离并印制到柔性基体上，实现可延展柔性无机电子器件的制备和集成，但小尺寸器件的巨量转移仍然是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用微型器件的高精度转印设备及系统。

本发明提供的技术方案如下：

一种适用微型器件的高精度转印设备，包括转印室以及设置在所述转印室内的基台、支架和转印头，其中：

所述基台上设置有多个样品台；

所述转印头与所述基台相对设置，所述转印头通过移动装置、悬臂梁与所述支架连接；所述移动装置用于控制所述转印头在竖直方向上升或下降，并控制所述悬臂梁沿水平方向移动；

所述转印头包括主控板、与所述主控板连接的静电吸片点控板、与所述静电吸片点控板连接的多个升降杆、设置在所述升降杆一端的静电吸片以及与所述静电吸片连接的静电发生器；其中，所述主控板用于根据外部指令生成控制指令，所述静电吸片点控板用于根据所述控制指令控制所述升降杆上升或下降，并控制所述静电发生器通电或断电，以使所述静电吸片产生静电吸附力或消除静电吸附力；所述升降杆可微调图形化的所述静电吸片水平高度，从而实现器件的图形化转移。

进一步地，所述静电吸片包括：

基底；

基于所述基底制作的界面层；

基于所述界面层制作的第一电极和第二电极，其中，所述第一电极和第二电极用于与所述静电发生器连接，所述第一电极由沿第一方向延伸的第一部分和沿第二方向延伸到第二部分首尾相接形成，所述第二电极由沿所述第一方向延伸的第三部分和沿所述第二方向延伸的第四部分首尾相接形成，所述第一部分和第三部分间隔排列，所述第二部分和第四部分间隔排列；

覆盖所述界面层、所述第一电极和第二电极的介质层。

进一步地，所述升降杆通过微型衬台与所述基底连接，所述微型衬台上设置有与所述第一电极和第二电极连接的电极外接孔柱，所述电极外接孔柱通过外接电极端与所述静电发生器连接。

进一步地，所述基台用于放置多个基板，所述基台上还设置有多个基板卡位螺，所述基板卡位螺用于与所述基板卡接固定。

进一步地，所述基板卡位螺为中空结构，所述中空结构内设置有红外测距仪，所述红外测距仪用于测量所述转印头与所述基板及器件之间的距离。

进一步地，该高精度转印设备还包括多个真空吸附升降鞘，所述真空吸附升降鞘设置在所述基台上，所述真空吸附升降鞘用于承托所述基板并通过升降控制所述基板的高度，在所述基板到达预设高度时吸附固定所述基板。

进一步地，该高精度转印设备还包括：

设置在所述转印室内的多个摄像设备，所述摄像设备用于采集采集转印过程中所述静电吸片与器件的影像信息，用于精确寻址转移器件。

进一步地，该高精度转印设备还包括：

与所述主控板、摄像装置连接的控制终端，所述控制终端用于接收所述转印室内的影像，并根据外部输入生成所述外部指令。

进一步地，所述转印室还设置有自动升降门。

本发明还提供了一种适用微型器件的高精度转印系统，该高精度转印系统包括上述的高精度转印设备，及与所述高精度转印设备连接的控制终端。

本申请实施例提供的转印设备，可以适用于对微型器件的转印，通过静电吸片产生的静电吸附力可以实现对微型器件的吸附和释放，以静电作为转印的能量来源，使得转印设备的转印功耗较低，且可以适应不同形式器件的转印。同时，转印头可以在移动装置的控制下，进行水平面或竖直面上的移动，可以对不同规格的转印衬底进行转印，可以适应微型器件的巨量转移，提高转移效率，降低生产成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种转印设备的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的一种转印设备中转印头的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的一种转印设备中静电吸片的剖面示意图。

图4为实施例提供的一种转印设备中静电吸片的平面示意图。

图5为本申请实施例提供的一种转印设备中静电吸片与升降杆的连接示意图。

图6为本申请实施例提供的一种转印设备中基台的俯视示意图。

图标：10-高精度转印设备；101-基台；102-支架；103-转印头；104-移动装置；105-悬臂梁；131-升降杆；132-静电吸片；133-基底；134-界面层；135-第一电极；136-第二电极；137-介质层；138-微型衬台；139-电极外接孔柱；1310-外接电极端；111-基板卡位螺；112-红外测距仪；113-真空吸附升降鞘；121-滑槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了将微型器件大批量转移到各种应用需求的面板上，提高转移的精度和良率，国内外研究机构和企业开发了大量的器件转印技术，例如，静电吸附、范德华力转印、雷射激光烧蚀转移、流体装配与定位技术等，在工艺方面开展转印胶粘性转换等研究，通过表介面修饰等方式来实现器件转印的拾起与放置。

目前Micro LED巨量转移设备体量小精度控制低，在生产时范德华力转印冲压技术既耗时又会产生良率问题。流体装配技术解决了这些限制，可以每小时5000万个器件的填充率大规模并联装配μLED，但精度控制差，工艺繁琐，成本高。在实际的转印产业化生产中设备的低成本、高效率、高良率及高精度是Micro LED器件质量的重要保障。而目前MicroLED制造成本居高不下，原因在于相关转移技术瓶颈仍待突破，例如，随着器件尺寸的降低，市面上的一些巨量转移技术及设备已不能满足工艺需求。一般传统的LED的封装体其光源尺寸为3000μm，可借由SMT(Surface Mount Technology，表面贴装技术)设备即可达到转移的作用。当光源尺寸在100μm时也可借由固晶机(Die Bonder)设备达到芯片转移。当光源尺寸不断缩小时，现在的转移(Pick&Place)设备其精密度及准确度将面临严重考验。MicroLED制程的设备的精密度需小于±1.5μm才能精确的转移至目标背板，目前现况转移设备(Pick&Place)的精密度是±34μm(Multi-chip per Transfer)，覆晶固晶机(Flip ChipBonder)的精密度是±1.5μm(每次移转为单一芯片)，皆无法达到Micro LED巨量转移的精密度规格需求。

为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种适用微型器件的高精度转印设备10，如图1所示，包括：转印室(图中未示出)、设置在所述转印室内的基台101、支架102和转印头103。

所述基台101上设置有多个样品台。样品台上可以放置器件样品和转印衬底，转印头103可以将器件样品转移至转印衬底上，器件样品可以为微型LED器件。

所述转印头103与所述基台101相对设置，所述转印头103通过移动装置104、悬臂梁105与所述支架102连接；所述移动装置104用于控制所述转印头103在竖直方向上升或下降，并控制所述悬臂梁105沿水平方向移动。

转印头103作为器件转印的主要设备，需要将器件样品转移至转印衬底的不同位置，为了方便转印头103的移动，通过设置移动装置104可以控制转印头103在水平和竖直平面上移动。移动装置104可以包括驱动设备和升降设备，驱动设备作为转印头103移动的动力来源，可以采用电机等驱动形式，升降设备可以为皮带、齿条或其他形式，升降设备在驱动设备的驱动下可以上升或下降，从而带动转运头上升或下降。此外，移动装置104还可以驱动悬臂梁105在支架102上运动，支架102上可以开设可容纳悬臂梁105的滑槽121，悬臂梁105设置在滑槽内的一端可以设置有驱动轮或其他形式的移动结构，驱动轮或移动结构可以在滑槽内滑动，从而带动悬臂梁105在水平面内运动，进而使得转印头103可以在水平面内运动。

如图2所示，所述转印头103包括主控板(图中未示出)、与所述主控板连接的静电吸片132点控板(图中未示出)、与所述静电吸片132点控板连接的多个升降杆131、设置在所述升降杆131一端的静电吸片132以及与所述静电吸片132连接的静电发生器；所述静电吸片132点控板用于控制所述升降杆131上升或下降，并控制所述静电发生器通电或断电，以使所述静电吸片132产生静电吸附力或消除静电吸附力。

转印头103上的多个升降杆131可以在静电吸片132点控板的控制下升降，升降杆131可以呈矩阵式排列。在进行器件转移过程中，转印头103可以在移动装置104和控制下在水平面和竖直面上进行移动，在移动到待转移器件上方预设高度后，升降杆131可以继续在静电吸片132点控板的控制下进行下降。可以根据转移要求，预先设定升降头上的哪些升降杆131需要继续下降。处于下降状态的升降杆131的前端在接近待转移器件后，可以控制静电发生器通电，使得与静电发生器连接的静电吸片132产生静电，从而可以依靠静电吸附力将待转移器件吸附到静电吸片132上。在静电吸片132完成对待转移器件的吸附后，转印头103可以上升一定高度，并且可以在移动装置104的控制下向预设方向移动。转印头103在移动到转印衬底上方且调整到预设位置后，转印头103可以下降到预设高度，在距离转印衬底一定高度后，吸附有待转移器件的升降杆131可以下降，在待转移器件被放置到转印衬底上后，可以控制静电发生器断电，使升降杆131上的静电吸片132失去静电吸附力，待转移器件就可以与静电吸片132分离，从而完成待转移器件的转印。所述升降杆131可微调图形化的所述静电吸片132水平高度，从而实现器件的图形化转移。

如图3和图4所示，本申请实施例中的静电吸片132包括基底133、界面层134、第一电极135、第二电极136和介质层137。

界面层134基于所述基底133制作，位于基底133一侧。第一电极135和第二电极136基于所述界面层134制作的，其中，所述第一电极135和第二电极136用于与外部电源连接，如图所示，所述第一电极135由沿第一方向延伸的第一部分和沿第二方向延伸到第二部分首尾相接形成，所述第二电极136由沿所述第一方向延伸的第三部分和沿所述第二方向延伸的第四部分首尾相接形成，所述第一部分和第三部分间隔排列，所述第二部分和第四部分间隔排列。介质层137覆盖所述界面层134和所述第一电极135和第二电极136。

静电吸片132的面积可以为10μm2～1mm2，静电吸片132的平面形状可以为矩形。界面层134的厚度可以为500nm～20μm，电极的厚度可以为50nm～5μm，宽度为0.5～10μm。可以选择铝、铜等作为电极材料。可选择氧化法、反应溅射法和化学气相沉积法制备介质层137，介质层137可以选择具有高介电性能和高击穿场强的氧化铪、氧化锆、氧化硅等介电材料。第一电极135和第二电极136在界面层134上排布成螺旋形，形成环形双极性电极，可以增强静电吸片132的平均切向吸附力，以保证吸附力的均匀性，实现对样品的平稳吸附。

如图5所示，升降杆131的前端可以设置微型衬台138，静电吸片132可以固定在微型衬台138上，第一电极135和第二电极136与外部连接的部分可以设置在静电吸片132的边缘。微型衬台138上可以设置与所述第一电极135和第二电极136连接的电极外接孔柱139，所述电极外接孔柱139通过外接电极端1310与所述外部电源连接。通过倒装过孔的方式进行电极引线，可以实现电路集成，并节省静电吸片132和微型衬台138的占用空间。本方案设置静电吸片132连接升降杆131，可通过点控系统控制静电吸片132水平高度的改变，从而实现静电吸片132的选择性工作和器件的图形化转移。本方案的静电吸片132数量和尺寸可根据工艺需求定制。

在本申请实施例中，所述基台101用于放置多个基板，为了实现对基板的有效固定，如图6所示，所述基台101上设置有多个基板卡位螺111，所述基板卡位螺111用于与所述基板卡接固定。基板上可以设置有与基板卡位螺111相对应的卡槽或通孔，在将基板放置在基台101上时，可以通过卡槽、通孔与基板卡位螺111的卡接，将基板固定在基台101上。

为了在转印过程中实现对转印头103的监控，所述基板卡位螺111为中空结构，所述中空结构内设置有红外测距仪112，所述红外测距仪112用于测量所述转印头103与所述基板及器件之间的距离。通过设置红外测距仪112，可以通过红外测距的形式测量转印头103与基台101之间距离。

此外，所述转印室内还可以设置多个摄像设备，所述摄像设备用于采集转印过程中所述静电吸片132与器件的影像信息，用于精确寻址转移器件。在本申请实施例中，还可以设置控制终端，红外测距仪112测量得到的距离信息以及摄像设备采集到的影像数据都可以发送至控制终端，通过控制终端可以了解转印过程中的高精度转印设备10的工作状态。

在转印过程中，需要将转印衬底从高精度转印设备10外部放入到转印室内的基台101上，同时，完成转移的转印衬底也需要从转印室内取出进行后续流程。如果通过人工进行搬运，其工作效率是很低的。为了提高高精度转印设备10的工作效率，可以使用机械臂进行转印衬底的转移，为了方便进行机械臂的传片，所述基台101上还可以设置有多个真空吸附升降鞘113，所述真空吸附升降鞘113用于承托所述基板并通过升降控制所述基板的高度，在所述基板到达预设高度时吸附固定所述基板。真空吸附升降鞘113可以在驱动设备的驱动下上升或下降，进而实现对基板的抬升或降低。真空吸附升降鞘113可以设置为圆柱管，半径可以为10-100μm，管壁厚度可以为0.1-0.8mm，高度可以为5-20cm。圆柱管远离基板的一端可以与真空抽取设备连接。在基板到达预设高度时，真空抽取设备通过抽取空气在圆柱管与基板接触的区域形成负压区域，从而将基板吸附固定在圆柱管上。在需要将基板移走时，控制真空抽取设备停止工作，使得圆柱管与基板接触的区域不再形成负压区域，基板处于可活动状态，从而方便将基板移走。

所述转印室还设置有自动升降门，自动升降门可以通过对机械臂或工作人员的感应进行升降，或者可以在接收到开关指令时打开或关闭。

综上所述，本申请实施例提供的高精度转印设备10，可以适用于对微型器件的转印，通过静电吸片132产生的静电吸附力可以实现对微型器件的吸附和释放，以静电作为转印的能量来源，使得高精度转印设备10的转印功耗较低，且可以适应不同形式器件的转印。同时，转印头103可以在移动装置104的控制下，进行水平面或竖直面上的移动，可以对不同规格的转印衬底进行转印，可以适应微型器件的巨量转移，提高转移效率，降低生产成本。

本发明还提供了一种适用微型器件的高精度转印系统，该高精度转印系统包括上述的高精度转印设备10，及与所述高精度转印设备10连接的控制终端。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种适用微型器件的高精度转印设备，其特征在于，包括转印室以及设置在所述转印室内的基台、支架和转印头，其中：

所述基台上设置有多个样品台；

所述转印头与所述基台相对设置，所述转印头通过移动装置、悬臂梁与所述支架连接；所述移动装置用于控制所述转印头在竖直方向上升或下降，并控制所述悬臂梁沿水平方向移动；

所述转印头包括主控板、与所述主控板连接的静电吸片点控板、与所述静电吸片点控板连接的多个升降杆、设置在所述升降杆一端的静电吸片以及与所述静电吸片连接的静电发生器；其中，所述主控板用于根据外部指令生成控制指令，所述静电吸片点控板用于根据所述控制指令控制所述升降杆上升或下降，并控制所述静电发生器通电或断电，以使所述静电吸片产生静电吸附力或消除静电吸附力；所述升降杆可微调图形化的所述静电吸片水平高度，从而实现器件的图形化转移；

所述静电吸片包括：

基底；

基于所述基底制作的界面层；

基于所述界面层制作的第一电极和第二电极，其中，所述第一电极和第二电极用于与所述静电发生器连接，所述第一电极由沿第一方向延伸的第一部分和沿第二方向延伸到第二部分首尾相接形成，所述第二电极由沿所述第一方向延伸的第三部分和沿所述第二方向延伸的第四部分首尾相接形成，所述第一部分和第三部分间隔排列，所述第二部分和第四部分间隔排列；

覆盖所述界面层、所述第一电极和第二电极的介质层。

2.根据权利要求1所述的适用微型器件的高精度转印设备，其特征在于，所述升降杆通过微型衬台与所述基底连接，所述微型衬台上设置有与所述第一电极和第二电极连接的电极外接孔柱，所述电极外接孔柱通过外接电极端与所述静电发生器连接。

3.根据权利要求1所述的适用微型器件的高精度转印设备，其特征在于，所述基台用于放置多个基板，所述基台上还设置有多个基板卡位螺，所述基板卡位螺用于与所述基板卡接固定。

4.根据权利要求3所述的适用微型器件的高精度转印设备，其特征在于，所述基板卡位螺为中空结构，所述中空结构内设置有红外测距仪，所述红外测距仪用于测量所述转印头与所述基板及器件之间的距离。

5.根据权利要求3所述的适用微型器件的高精度转印设备，其特征在于，该高精度转印设备还包括多个真空吸附升降鞘，所述真空吸附升降鞘设置在所述基台上，所述真空吸附升降鞘用于承托所述基板并通过升降控制所述基板的高度，在所述基板到达预设高度时吸附固定所述基板。

6.根据权利要求5所述的适用微型器件的高精度转印设备，其特征在于，该高精度转印设备还包括：

设置在所述转印室内的多个摄像设备，所述摄像设备用于采集转印过程中所述静电吸片与器件的影像信息，用于精确寻址转移器件。

7.根据权利要求6所述的适用微型器件的高精度转印设备，其特征在于，该高精度转印设备还包括：

与所述主控板、摄像装置连接的控制终端，所述控制终端用于接收所述转印室内的影像，并根据外部输入生成所述外部指令。

8.根据权利要求1所述的适用微型器件的高精度转印设备，其特征在于，所述转印室还设置有自动升降门。

9.一种适用微型器件的高精度转印系统，其特征在于，该高精度转印系统包括权利要求1至8任意一项所述的高精度转印设备，及与所述高精度转印设备连接的控制终端。

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