CN111480220A - 用于半导体芯片的真空拾取头 - Google Patents

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CN111480220A CN201880081148.9A CN201880081148A CN111480220A CN 111480220 A CN111480220 A CN 111480220A CN 201880081148 A CN201880081148 A CN 201880081148A CN 111480220 A CN111480220 A CN 111480220A
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Abstract

为了通过使用吸力将半导体器件从载体衬底拾取并放置到目标衬底来制造设备，拾取头阵列的拾取头子集被选择性地操作，以通过吸力将半导体器件的子集附着到拾取头的子集。附着到拾取头的半导体器件的子集被放置在目标衬底上方或目标衬底上，并被释放到目标衬底上。可以通过释放或逆转吸力来将半导体器件从拾取头分离。吸力可以由拾取头中的可控膜(例如压电弯曲器)产生。

Description

用于半导体芯片的真空拾取头
背景
本公开涉及使用真空拾取和转移工艺来将显示器元件从初始衬底拾取并放置到接收衬底。
为了用非常小的发光二极管(LED)(例如微型发光二极管(mLED)或垂直腔面发射激光器(VCSEL))来填充显示器，可能需要将LED从该LED被制造于其上的原生衬底(nativesubstrate)转移到形成显示器的一部分的目标衬底或“显示器衬底”。这种小的半导体器件可以以它们之间的限定间隔距离被组装，或者在目标衬底上被紧密地封装在一起。由于这些器件的尺寸较小(例如，在1μm2和20μm2之间)，常规的拾取和放置技术是不合适的。
概述
实施例涉及选择性地施加吸力作为转移介质，用于拾取并放置半导体器件(例如微型LED或VCSEL)。一些实施例将拾取头的阵列放置在载体衬底上的半导体器件上方或半导体器件上，并且响应于将拾取头的阵列放置在半导体器件上方或半导体器件上，选择性地操作拾取头的子集，以通过吸力将半导体器件的子集附着到拾取头的子集。附着有半导体器件的拾取头在目标衬底上方或目标衬底上被对准。当至少拾取头的子集在目标衬底上方或目标衬底上时，半导体器件被释放到目标衬底上。可以通过释放或逆转吸力来释放半导体器件。
在一些实施例中，每个拾取头内部的膜，例如压电弯曲器(piezoelectricbender)，被用来响应于引起压电弯曲器变形的控制信号来生成吸力。
一些实施例涉及拾取头的阵列和致动器。拾取头的阵列具有孔并被选择性地操作以通过经由孔提供的吸力来将载体衬底上的半导体器件的子集附着到被操作的拾取头上。通过从拾取头的阵列释放半导体器件的子集，半导体器件的子集被分离到目标衬底上。致动器耦合到拾取头的阵列。致动器将拾取头的阵列放置在载体衬底上的半导体器件上方或半导体器件上，并且将附着有半导体器件的子集的至少拾取头的子集放置在目标衬底上方或目标衬底上。
在涉及方法、制造系统和电子显示器的所附权利要求中具体公开了根据本发明的实施例，其中，在一个权利要求类别(例如方法)中提到的任何特征也可以在另一个权利要求类别(例如制造系统、电子显示器、系统、存储介质和计算机程序产品)中被要求保护。所附权利要求中的从属性或往回引用仅出于形式原因被选择。然而，也可以要求保护由对任何前面权利要求的有意往回引用(特别是多项引用)而产生的任何主题，使得权利要求及其特征的任何组合被公开并且可以被要求保护，而不考虑在所附的权利要求中选择的从属性。可以被要求保护的主题不仅包括如在所附的权利要求中阐述的特征的组合，而且还包括在权利要求中的特征的任何其他组合，其中，在权利要求中提到的每个特征可以与权利要求中的任何其他特征或其他特征的组合相结合。此外，本文描述或描绘的任何实施例和特征可以在单独的权利要求中和/或以与本文描述或描绘的任何实施例或特征的任何组合或以与所附权利要求的任何特征的任何组合被要求保护。
在实施例中，一种方法可以包括：
将拾取头的阵列放置在载体衬底上的半导体器件上方或半导体器件上；
响应于将拾取头的阵列放置在半导体器件上方或半导体器件上，选择性地操作拾取头的子集，以通过吸力将半导体器件的子集附着到拾取头的子集；
将附着有半导体器件的子集的至少拾取头的子集放置在目标衬底上方或目标衬底上；以及
响应于将至少拾取头的子集放置在目标衬底上方或目标衬底上，将半导体器件的子集释放到目标衬底上。
在实施例中，一种方法可以包括：
在释放半导体器件的子集之前，用拾取头将半导体器件与目标衬底上的位置对准。
目标衬底可以是显示器衬底；并且半导体器件可以是微型发光二极管(mLED)。
可以通过操作膜来产生吸力，该膜将拾取头的子集的真空腔室置于低于环境压力的压力，真空腔室连接到半导体器件的子集所附着到的拾取头中的孔。
孔中的每一个可以具有至少1μm2的面积。
半导体器件中的每一个可以包括在面向拾取头的表面上的弹性层，用于附着到拾取头。
拾取头中的每一个可以包括适形尖端(conformable tip)，对应的半导体器件附着到该适形尖端上。
适形尖端可以限定面积至少为100nm2的孔。
选择性地操作拾取头的子集可以包括向拾取头的子集中的压电弯曲器施加电压信号。
在实施例中，一种制造系统可以包括：
拾取头的阵列，拾取头具有孔并被选择性地操作来：
通过经由孔提供的吸力，将载体衬底上的半导体器件的子集附着到被操作的拾取头上，以及
通过从拾取头的阵列释放半导体器件的子集，将半导体器件的子集分离到目标衬底上；以及
致动器，其耦合到拾取头的阵列，并且被配置成：
将拾取头的阵列放置在载体衬底上的半导体器件上方或半导体器件上；以及
将附着有半导体器件的子集的至少拾取头的子集放置在目标衬底上方或目标衬底上。
致动器中的每一个可以包括：
框架，其限定真空腔室；
膜，其在真空腔室中产生低于环境压力的压力以引起吸力；以及
尖端，其限定连接到真空腔室的孔，以通过吸力拾取半导体器件。
膜可以是压电弯曲器，其响应于所施加的电压信号在真空腔室中产生压力。
孔中的每一个可以具有至少1μm2的面积。
半导体器件中的每一个可以包括在面向拾取头的表面上的弹性层，用于附着到拾取头。
拾取头中的每一个可以包括适形尖端，对应的半导体器件附着到该适形尖端上。
适形尖端可以限定面积至少为100nm2的孔。
选择性地操作拾取头的子集可以包括向拾取头的子集中的压电弯曲器施加电压信号。
目标衬底可以是显示器衬底；并且半导体器件可以是微型发光二极管(mLED)。
在实施例中，通过一种方法(特别是本文公开的方法)制造了一种电子显示器，该方法可以包括：
将拾取头的阵列放置在载体衬底上的半导体器件上方或半导体器件上；
响应于将拾取头的阵列放置在半导体器件上方或半导体器件上，选择性地操作拾取头的子集，以通过吸力将半导体器件的子集附着到拾取头的子集；
将附着有半导体器件的子集的至少拾取头的子集放置在显示器衬底上方或显示器衬底上；以及
响应于将至少拾取头的子集放置在显示器衬底上方或显示器衬底上，将半导体器件的子集释放到显示器衬底上。
可以通过操作膜来产生吸力，该膜将拾取头的子集的真空腔室置于低于环境压力的压力，真空腔室连接到半导体器件的子集所附着到的拾取头中的孔。
在根据本发明的实施例中，一个或更多个计算机可读非暂时性存储介质可以体现软件，该软件在被执行时可操作来执行根据本发明或任何上面提到的实施例的方法。
在根据本发明的实施例中，一种系统可以包括：一个或更多个处理器；以及耦合到处理器并包括由处理器可执行的指令的至少一个存储器，处理器当执行指令时可操作来执行根据本发明或任何上面提到的实施例的方法。
在根据本发明的实施例中，优选地包括计算机可读非暂时性存储介质的一种计算机程序产品，当在数据处理系统上被执行时可以可操作来执行根据本发明或任何上面提到的实施例的方法。
附图简述
图1是示出根据一个实施例的显示器制造系统的示意图。
图2A是示出根据一个实施例的显示器制造系统的拾取头阵列的示意图。
图2B是示出根据一个实施例的显示器制造系统的拾取头阵列的示意图。
图3A是示出根据一个实施例的显示器制造系统的拾取头阵列的示意图。
图3B是示出根据一个实施例的显示器制造系统的拾取头阵列的示意图。
图4是示出根据一个实施例的使用拾取头来拾取并放置半导体器件的工艺的流程图。
图5A至图5E是示出根据一个实施例的使用拾取头来拾取并放置半导体器件的示意图。
图6是示出根据一个实施例的使用拾取头阵列制造电子显示器的工艺的流程图。
图7A至图7G是示出根据一个实施例的使用拾取头阵列来拾取并放置多个半导体器件的示意图。
图8是示出根据一个实施例的微型LED的示意图。
附图仅出于说明的目的而描绘了本公开的实施例。
详细描述
实施例涉及使用单独的拾取头的阵列来拾取并放置半导体器件(例如发光二极管(LED)或VCSEL)，该拾取头的阵列使用吸力来选择性地附着到半导体器件和从半导体器件分离。
制造系统综述
图1是示出根据一个实施例的显示器制造系统100的框图。系统100通过将半导体器件112从载体衬底114组装到目标衬底118来制造电子显示器。在一些实施例中，半导体器件112是不同颜色的发光二极管(LED)晶片(die)，或者是单独的VCSEL。载体衬底114保持半导体器件112，用于被拾取头阵列104拾取。目标衬底118可以是显示器衬底，或者可以是便于与显示器衬底键合(bond)的中间载体衬底。系统100将半导体器件112放置在显示器衬底的像素位置处，然后将半导体器件112键合到显示器衬底。在一些实施例中，半导体器件112是具有降低的光输出发散和小的发光面积的微型LED。在其他实施例中，半导体器件是VCSEL。系统100提供对小尺寸半导体器件的选择性拾取和放置，但是可以用于组装其他类型的半导体器件。
除了其他部件，系统100可以包括腔室102，腔室102限定了用于在腔室102内拾取并放置半导体器件112的内部环境。系统100还包括拾取头阵列104、成像设备108、致动器122、载体台(carrier stage)116、目标台(target stage)120和激光器126。载体台116保持具有半导体器件112的载体衬底114。目标台120保持目标衬底118，以从载体衬底114接收一些或全部半导体器件112。控制器106耦合到成像设备108和(例如，经由致动器122)耦合到拾取头阵列104，并控制成像设备108和拾取头阵列104的操作。例如，控制器106使拾取头阵列104拾取位于载体衬底114上的一个或更多个半导体器件112，并将该一个或更多个半导体器件放置在目标衬底118上。
拾取头阵列104包括多个拾取头124。每个拾取头124可以从载体衬底114拾取半导体器件112，并将该半导体器件放置在目标衬底118上。每个拾取头124包括孔，并经由孔提供吸力，以从载体衬底114拾取半导体器件112。在用吸力附着并拾取半导体器件112之后，拾取头124与目标衬底118上的位置对准。拾取头124将半导体器件112与拾取头124分开，并将半导体器件112放置在目标衬底118上的位置处。可以通过释放用于附着的吸力，或者通过施加将半导体器件112推离拾取头124的反向吸力来实现与拾取头124的分开。
致动器122是机电部件，其基于来自控制器106的指令控制拾取头阵列104的移动。例如，致动器122可以移动拾取头阵列104或单个拾取头124，该移动具有多达六个自由度(包括向上和向下、向左和向右、向前和向后、偏航(yaw)、俯仰(pitch)和滚动(roll))。致动器122可以被实施为例如旋转马达、线性马达或液压缸。
成像设备108有助于从载体衬底114拾取半导体器件的视觉对准，以及在目标衬底118上放置半导体器件的对准。例如，成像设备108生成拾取头阵列104和载体衬底114的图像，并将图像提供给控制器106。在一些实施例中，成像设备是照相机或其他光学设备。拾取头阵列104可以包括透明材料(例如，玻璃或聚二甲基硅氧烷(PDMS))以允许透视对准(see-through alignment)。在一些实施例中，成像设备108是环境扫描电子显微镜(ESEM)，以提供没有试样涂层(specimen coating)的图像，并且腔室102是包括高压水蒸气气氛的ESEM腔室。在各种实施例中，可以使用其他类型的成像设备来促进对准。对于大于0.5um的放置精度，可以使用光学系统，而对于小于0.5um的放置精度，可以使用SEM系统。
控制器106控制拾取头阵列104的操作。控制器106可以选择性地操作拾取头124的子集，以将半导体器件112的子集附着到拾取头124的子集，用于拾取和放置工艺。控制器106可以基于图像将拾取头阵列104中的拾取头124与载体衬底114对准，并且拾取安装在载体衬底114上的一个或更多个半导体器件112。在另一个示例中，成像设备108生成拾取头阵列104中的一个或更多个拾取头124以及目标衬底118的图像，并将图像提供给控制器106。控制器106可以基于图像将拾取头124与显示器衬底118对准，并将附着到拾取头124的半导体器件112放置在显示器衬底118上。
在一些实施例中，载体台116和/或目标台120可以被调节，以便于与拾取头阵列104精确对准。例如，载体台116和/或目标台120可以包括三个自由度。自由度可以包括向左和向右、向后和向前以及偏航旋转自由度。载体衬底114随着载体台116移动，并且显示器衬底118随着目标台120移动。
系统100可以包括一个或更多个载体衬底114。例如，不同的载体衬底114可以承载不同颜色的LED晶片。载体衬底114保持被单个化(singulated)的半导体器件112，用于转移到显示器衬底118。系统可以包括一个或更多个目标衬底118。在一些实施例中，例如当目标衬底118是用于接收半导体器件112的显示器衬底时，目标台120包括加热器，用于在拾取头104将半导体器件112放置在显示器衬底118上之后，将半导体器件112的电触点焊盘导热键合到显示器衬底118。在其他实施例中，目标衬底118是中间载体衬底，其用于(例如，使用直接键合工艺而不是经由吸力转移)促进半导体器件112与单独的显示器衬底118的直接键合。
激光器126生成激光束以执行激光剥离(LLO)工艺，该工艺将生长衬底与半导体器件112的外延层分开。可以在生长(或“原生”)衬底上制造多个半导体器件112，并使用(例如，化学)蚀刻进行单个化。蚀刻之后，激光器126施加破坏外延层中的键合的光束。例如，如果外延层包括GaN，那么激光可以破坏Ga和N之间的键合。N被蒸发，并且可以施加热(例如，在30℃)来熔化剩余的Ga，从而允许移除衬底。在一些实施例中，生长衬底是蓝宝石衬底、玻璃衬底或对来自激光器126的光透明的其他衬底，并且光通过生长衬底被施加以被外延层吸收。
在一些实施例中，载体衬底114可以包括载带(carrier tape)或其他粘合层，以利用粘合力将半导体器件112保持在适当位置。在一些实施例中，可以使用(例如，O2)等离子体蚀刻来降低半导体器件112与载体衬底112之间的粘合度。在一些实施例中，对载体衬底114上的半导体器件112的子集应用降低的粘合度，以便于拾取那些器件，同时确保其他未被选择的器件保留在载体衬底114上。
图2A是示出根据一个实施例的拾取头104的示意图。拾取头阵列200以及本文讨论的其他拾取头阵列是系统100的拾取头阵列104的示例。拾取头阵列200包括多个拾取头124。每个拾取头124可以包括孔210。拾取头124可以被选择性地操作，以通过经由孔210提供的吸力将载体衬底114上的一些或全部半导体器件112附着到拾取头124上，并且通过从拾取头阵列200释放半导体器件来将附着到拾取头124的半导体器件分离到目标衬底118上。
每个拾取头124包括限定真空腔室204的框架202、相对于真空腔室204外部的环境压力改变真空腔室204中的压力的膜206、以及限定孔210的非适形尖端(non-conformabletip)208，孔210连接到真空腔室204以通过由真空腔室204中的压力改变而引起的吸力来拾取半导体器件112。
在一些实施例中，膜206可以是压电弯曲器(piezo bender)，其(例如通过弯曲)变形以在真空腔室204中产生低于真空腔室204外部的环境压力的压力。每个拾取头124的膜206可以由来自控制器106的电压信号选择性地控制。膜206可以被置于不同的状态，以改变真空腔室204中的压力，从而在尖端208处附着和分离半导体器件112。例如，膜206处于未弯曲状态，其中真空腔室204中的压力与环境压力相同或基本上相同。当拾取头阵列104在拾取期间被放置在半导体器件118上方或半导体器件118上时，诸如膜216的选定膜被放置在弯曲状态，以在真空腔室204中产生低于环境压力的压力，并将选定的半导体器件118附着到拾取头124。如结合图4中的工艺400更详细讨论的，并在图5D中所示出的，膜216还可以包括另一种弯曲状态，其中膜216在真空腔室204中产生高于环境压力的压力，以确保被选择用于分离的半导体器件118被成功分离。
在一些实施例中，框架202由弹性材料制成。在一些实施例中，拾取头阵列200包括限定拾取头124的框架202的单个框架部分。拾取头阵列200可以附加地或替代地包括限定拾取头124的尖端208的单个尖端部分。
取决于半导体器件112的邻界材料(interfacing material)，拾取头124的尖端208可以是适形的或非适形的。适形的拾取头可以包括顺从的(compliant)邻界表面材料，而非适形的拾取头可以包括固体的、不顺从的邻界表面材料。在一些实施例中，半导体器件112和拾取头124之间的界面的至少一侧是适形的。在图2A中，拾取头124各自包括非适形的尖端。半导体器件112包括弹性层212，该弹性层212是适形的，以便于半导体器件112经由吸力与非适形尖端208的附接。在一些实施例中，非适形尖端208限定了面积至少为1μm2的孔210。
图2B是示出根据一个实施例的显示器制造系统100的拾取头阵列218的示意图。拾取头阵列218的拾取头124包括适形尖端220，而不是像拾取头阵列200所示的那样包括非适形尖端208。适形尖端220便于半导体器件112的附着，而无需在半导体器件112上形成弹性层212。在一些实施例中，适形尖端220限定了面积至少为100nm2的孔210。上面关于拾取头阵列200的讨论可以适用于拾取头阵列218的其他部件。
图3A是示出根据一个实施例的显示器制造系统100的拾取头阵列300的示意图。拾取头阵列300的拾取头124包括空气压力调节器306，而不是如上关于拾取头阵列200或218所述的包括膜206。拾取头阵列300包括限定微尺度真空腔室304的拾取头124，微尺度真空腔室304连接到由真空控制单元312控制的可单独寻址的微通道。在一些实施例中，真空控制单元312与控制器106集成在一起。阵列300的每个拾取头124包括限定真空腔室304的框架302、相对于真空腔室304外部的环境压力降低真空腔室304中的压力的压力调节器306、以及限定孔310的非适形尖端308，该孔310连接到真空腔室304以通过由真空腔室304中的压力改变而引起的吸力来拾取半导体器件112。半导体器件112包括弹性层212，该弹性层212是适形的，以便于半导体器件112经由吸力与非适形尖端308的附接。在一些实施例中，框架302由弹性材料制成。
图3B是示出根据一个实施例的显示器制造系统100的拾取头阵列318的示意图。拾取头阵列318的拾取头124包括适形尖端314，而不是像拾取头阵列300所示的那样包括非适形尖端308。适形尖端314便于半导体器件112的附着，而无需在半导体器件112上形成弹性层212。在一些实施例中，适形尖端314限定了面积至少为100nm2的孔310。上面关于拾取头阵列300的讨论可以适用于拾取头阵列318的其他部件。
图4是示出根据一个实施例的用于使用拾取头阵列104来拾取并放置半导体器件112的工艺400的流程图。工艺400可以由系统100执行，以将半导体器件112(例如，mLED或VCSEL)从载体衬底114转移到目标衬底118。参考图5A、图5B、图5C、图5D和图5E对工艺400进行讨论，图5A、图5B、图5C、图5D和图5E示出了根据一个实施例的用拾取头124来拾取并放置半导体器件112的示意图。在一些实施例中，载体衬底114是载体薄膜，并且目标衬底是中间载体衬底，其便于将半导体器件112放置到目标显示器衬底。在其他实施例中，目标衬底118是显示器衬底，或者是半导体器件112被放置并键合到其上的其他最终衬底。
拾取头124的阵列被放置410在载体衬底114上的半导体器件112上方或半导体器件112上。例如，控制器106控制致动器122将拾取头阵列104中的拾取头124与载体衬底114上的半导体器件112对准，以拾取选定的半导体器件112。在一些实施例中，当拾取头阵列104被放置在半导体器件112上方或半导体器件112上时，成像设备108生成图像以便于对准。
拾取头阵列104可以包括一体式主体(unitary body)，其中拾取头124中的每一个一起移动。在另一个示例中，拾取头阵列104包括拾取头124，它们被单独控制以拾取并放置半导体器件112。
参考图5A，使用成像设备108将拾取头124的尖端508与载体衬底114上的半导体器件112对准。膜506可以处于未弯曲状态或静止状态。将拾取头124或拾取头阵列104与半导体器件112对准可以包括操纵拾取头124的位置(例如，向左或向右、向前或向后移动)和/或操纵台(stage)的位置(例如，向左或向右、向后或向前、或沿着偏航旋转自由度移动载体台116或目标台120)。
对准后，拾取头124朝向半导体器件112降低，以位于半导体器件112上方或半导体器件112上。尖端508可以放置在半导体器件112附近而不接触半导体器件112，或者可以接触半导体器件。
响应于将拾取头124的阵列放置在半导体器件112上方或半导体器件112上，选择性地操作420拾取头124的子集，以通过吸力将半导体器件112的子集附着到拾取头124的子集。例如，控制器106向拾取头阵列200或218的选定膜206发送控制信号，使得拾取头124在真空腔室204中产生低于真空腔室204外部的环境压力的压力。可以选择一些或全部半导体器件112进行拾取。在另一个示例中，控制器106向拾取头阵列300或318的选定压力调节器306发送控制信号，以在真空腔室304中产生低于真空腔室304外部的环境压力的压力。
参考图5B，膜506被置于弯曲状态，这使得拾取头124的真空腔室中的压力低于真空腔室外部的环境压力。这导致吸力被施加到半导体器件112，这使得半导体器件112与拾取头124的尖端508附接。
附着有半导体器件112的子集的拾取头124被放置430在目标衬底118上方或目标衬底118上。带有半导体器件112的拾取头124从载体衬底114上抬起，并使用致动器122放置在目标衬底118上方或目标衬底118上。在一些实施例中，当拾取头阵列104被放置在目标衬底118上方或目标衬底118上时，成像设备108生成图像，以便于对准。参考图5C，拾取头124带着附着的半导体器件112被抬离载体衬底114，并被放置在目标衬底118上方或目标衬底118上。
响应于将拾取头放置在目标衬底118上方或目标衬底118上，将半导体器件112的子集释放430到目标衬底118上。参考图5D，半导体器件112被放置在目标位置510处，然后从拾取头124的尖端508分开。通过控制膜或压力单元，拾取头124可以逆转(reverse)用于拾取的低压条件，或者在真空腔室中产生相对于环境压力的高压条件，以释放半导体器件112。在一些实施例中，如图5D所示，膜506被置于第二弯曲状态，以在真空腔室204中产生高于环境压力的压力，从而分离半导体器件112。膜506在不同方向弯曲以实现低压和高压条件，这可以通过向膜206施加正偏压或负偏压来被控制。在其他实施例中，通过将膜506展平至未弯曲状态，膜506将真空腔室中的低压逆转至环境压力或基本上环境压力。这里，在拾取期间施加到膜206的电压电平不再被施加以引起向未弯曲状态的转变。参考图5E，拾取头124被抬离放置在目标衬底118的目标位置510上的半导体器件112。膜506可以返回到未弯曲状态或静止状态，用于另一个拾取和放置工艺。
在一些实施例中，如果目标衬底118是器件衬底，则可以在放置半导体器件112之后执行键合工艺。键合工艺将半导体器件112附着到目标衬底118，并且还可以用于在半导体器件112和目标衬底118之间形成电子触点。键合工艺可以包括半导体器件112与目标衬底118之间的低温焊料合金(例如，锡银(SnAg)或铜锡(CuSn))的回流(reflow)。
图4所示的工艺400仅仅是说明性的，并且可以对该工艺进行各种改变。例如，可以对不同颜色的LED重复工艺400，以组装包括由不同颜色的LED形成的子像素的显示设备。在每次循环中，拾取头104可以从包括单一颜色的LED的载体衬底114拾取LED的子集，并将LED的子集放置到目标衬底118上。
图6是示出根据一个实施例的用拾取头阵列104制造电子显示器的工艺600的流程图。工艺600可以由系统100执行以制造具有显示器衬底和耦合到显示器衬底的LED的显示器。在该示例中，载体衬底114是载体薄膜，并且目标衬底118是显示器衬底。半导体器件112是放置在显示器衬底上以形成像素的LED。像素可以包括单个不同颜色LED的子像素。参考图7A、图7B、图7C、图7D、图7E、图7F和图7G对工艺600进行讨论，图7A、图7B、图7C、图7D、图7E、图7F和图7G示出了根据一个实施例的用拾取头阵列104制造显示设备的示意图。
在原生衬底或生长衬底上制造610LED阵列。LED可以包括微型LED。在一些实施例中，制造原生衬底上的LED阵列，使得它们具有共同的结构并发射共同颜色的光。为了组装显示器，可以在不同的原生衬底上制造不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的多个LED阵列。参照图7A，半导体器件晶圆(wafer)702包括在生长衬底704上制造的LED阵列。
LED阵列中的LED被单个化620。单个化LED可以包括使用机械划片工艺或激光划片工艺，例如烧蚀划片或隐形划片工艺或者蚀刻工艺。单个化将LED阵列分成了可以被拾取并放置在显示器衬底上的单个LED。
LED阵列被转移630到载体衬底114。参考图7B，半导体器件晶圆702被分隔成生长衬底704上的LED 706，然后被放置在载体衬底104上。此外，例如使用激光剥离工艺将生长衬底704与LED 706分开。在一些实施例中，载体衬底114包括提供粘合力的载体薄膜或其他材料，该粘合力将半导体器件晶圆702键合到载体衬底114。
LED阵列与拾取头阵列104中的拾取头124的尖端508的阵列对准640。参考图7C，阵列中的相邻LED 706之间的距离被间距P分隔开，间距P等于拾取头阵列104中的相邻拾取头124之间的距离。因此，载体衬底114上的LED 706阵列提供了由拾取头阵列104进行的有效的平行拾取。替代地或附加地，拾取头阵列104的拾取头124可以被调节以符合载体衬底114上LED的间距P。
在一些实施例中，LED结合单个化在空间上被分隔开。例如，可以使用受控的晶圆扩展(wafer expansion)来执行隐形划片，以沿着由通过物镜聚焦的激光形成的划片线来分隔LED。相反，在机械划片期间中，由于从切口(例如，由基于金刚石的切割轮形成的切口)移除材料导致的受控的晶片分隔，所以可以几乎不使用晶圆扩展或根本不使用晶圆扩展。
返回图6，选择650LED的子集用于转移到目标衬底118。例如，可以选择一组LED用于转移到显示器衬底，以形成显示器的多个像素的子像素。在一些实施例中，控制器106使用拾取头阵列104选择一个或更多个LED进行转移。
拾取头阵列104可以接近载体衬底的任何位置处的一个或更多个LED。在一些实施例中，可以使用预编程序列，或者可以由控制器106存储并使用电子晶圆图(wafer map)。取决于所选择的拾取头124，可以以各种图案(例如，条带、宽间隔阵列、紧密封装阵列等)同时转移多个半导体器件。在一些实施例中，从多个源选择多个半导体器件，然后以特定图案将其放置在目标衬底上。在一些实施例中，多个选定的LED包括功能(functional)晶片，并且非功能晶片不被选择用于转移。可以基于在转移之前测试半导体器件来确定功能晶片。
可以从一个晶圆源或从多个晶圆源中拾取可以被紧密封装在最终的接收衬底上的器件。可以从晶圆表面采集任何和全部功能晶片。
减小660选定的LED子集和载体衬底114之间的粘合力。如上所讨论的，载体衬底114可以包括载带。载带可以是粘合层，其在单个化之后将各个LED保持在适当的位置。可以使用预释放工艺来减小由载体衬底114施加到LED的粘合力，以便于用拾取头阵列104进行拾取。
在一些实施例中，预释放工艺可以包括在拾取头阵列104被放置在LED上方或LED上之前，利用激光束点在半导体器件下方进行局部加热。可以使用经校准的衍射元件(线性地或以有序阵列的方式)将多个LED精确瞄准到多个目标位置。在一些实施例中，载体衬底在接下来的器件拾取开始之前被冷却。在一些实施例中，可以在预释放工艺中使用几微米到10几微米数量级的最小光束尺寸，其中焦点在半导体器件和载带之间的界面处。在一些实施例中，例如对划片激光的激活波长透明的载带可以具有优先吸收激光能量的粘合层，使得能够降低带在局部面积的粘性。在一些实施例中，载带吸收在630处的激光划片工艺期间通过载带施加的激光，以导致粘合层在局部面积中粘合力或粘性降低。在其他实施例中，等离子体蚀刻可以用于预释放工艺。
可以使用带有衬底材料内的参考点和电子晶圆图的索引反向查找照相机(例如，成像设备108)来执行在拾取之前要从载带或衬底预释放的半导体器件的识别(identification)。这样，系统100跟踪已经从载体衬底转移的半导体器件，并跟踪已经填充有半导体器件的目标衬底。
半导体器件可以放置在限定的空间图案内，该空间图案可以包括固定的间隔距离(例如，间距P)或紧密的封装顺序。空间图案可以取决于显示器衬底的特征和像素数量。半导体器件可以从一个或更多个载体衬底上被拾取，以在目标显示器衬底上生成最终组件。这些半导体器件可以由不同的(例如，红色、绿色和蓝色)原生衬底制成，并且根据空间图案被放置在显示器衬底上。可以使用对准技术(例如在半导体晶圆的光刻(photolithographic)处理期间使用的掩模(mask)对准器)来实现空间图案。
拾取头阵列104的拾取头124的子集通过吸力将LED的子集附着670到拾取头124的子集。可以在拾取头124被放置在载体衬底114上的LED上方或LED上之后，基于与所选择的LED子集的对准来选择拾取头124的子集。参考图7D，拾取头124被间距P分隔开，并且被带往LED 706，以利用吸力从载体衬底114拾取被间距P分隔开的LED 706。
返回图6，拾取头阵列104的拾取头124的子集将LED的子集释放680到目标衬底118上，在这个示例中，目标衬底118是显示器衬底。目标位置是显示器的多个像素的子像素的位置。图4的工艺400的讨论可以应用于工艺600的670和680。
参考图7E，拾取头阵列104将附着的LED 706携带至目标显示器衬底118，用于放置在显示器衬底118的目标位置708处。在一些实施例中，目标位置708包括由间距P分隔开的触点焊盘，这些触点焊盘与LED 706上的触点焊盘形成电触点。在其他实施例中，显示器衬底118的目标位置708之间的距离可以不同于间距P，并且拾取阵列104根据目标位置708之间的距离来调整相邻拾取头124之间的间隔。参考图7F，拾取头阵列104与显示器衬底118分开，以将LED 706放置在显示器衬底118上。在一些实施例中，显示器衬底118包括与LED 706的触点键合的触点焊盘。拾取头阵列104可以包括加热元件，该加热元件对附着到拾取头阵列104的LED 706进行加热，以将LED 706的触点键合到显示器衬底118的触点焊盘。在一些实施例中，使用热压(TC)键合将LED 706键合到显示器衬底118。拾取头阵列104可以被配置成施加力以将LED 706压靠在显示器衬底118上，同时施加热。
图6中所示的工艺600仅仅是说明性的，并且可以对该工艺进行各种改变。例如，在670处拾取的多个LED可以在680处被放置在多个不同的目标衬底118上，而不是单个目标衬底118上。在另一个示例中，可以对半导体器件晶圆702重复工艺600，其中每个半导体器件晶圆702具有不同颜色的LED。在每个拾取和放置周期中，可以将与特定颜色相关联的子像素放置在显示器衬底上，并且可以使用具有不同类型LED的多个拾取和放置周期来制造电子显示器的每个像素。参考图7G，显示器衬底118在显示器衬底118上填充有不同颜色的多个LED 706，以形成电子显示器的子像素。
图8是根据一个实施例的微型LED 800的横截面示意图。本文描述的“μLED”、“微型LED”或“mLED”是指具有小的有源发光面积(例如，小于2,000μm2)并且还可以产生准直光输出的特定类型的LED。准直光输出增加了从小的有源发光面积发射的光的亮度水平。如本文所讨论的，使用吸力来拾取并放置半导体器件不限于拾取并放置微型LED，并且可以应用于其他类型的发光器件。此外，微型LED 800只是可以使用的微型LED的一个示例，也可以使用其他类型的微型LED，例如具有不同形状因数的微型LED或者不产生准直光的微型LED。
除了其他部件，mLED 800还可以包括具有设置在衬底802上的半导体外延层804的LED衬底802(或“衬底802”)、设置在外延层804上的介电层814、设置在介电层814上的p触点816以及设置在外延层804上的n触点818。外延层804被成形为台面(mesa)806。台面806的结构中包括有源(或发光)层808(或“有源发光面积”)。台面806在与mLED 800的光传输面或发光面810相对的一侧具有截顶(truncated top)。台面806还具有接近抛物线的形状，以形成用于在mLED 800内生成的光的反射外壳。箭头812示出了从有源层808发射的光如何以足以使光逸出mLED器件800的角度(即，在全内反射的角度内)从p触点816和台面806的内壁朝向发光面810反射离开。p触点816和n触点818将mLED 800连接到显示器衬底。
当与未成形的或标准的LED相比时，mLED 800的抛物线形结构导致mLED 800在低照明角度的提取效率提高。标准LED晶片通常提供120°的发射半峰全宽(FWHM)角。这是由漫反射表面的朗伯反射率决定的。相比之下，mLED 800可以被设计成提供小于标准LED晶片的受控发射角FWHM(例如大约60°)。mLED 800的这种提高的效率和准直输出只需要纳米安培的驱动电流就可以产生人眼可见的光。
mLED 800可以包括小于标准无机LED(ILED)的有源发光面积，例如小于2000μm2。mLED 800对来自有源发光面积的光输出进行定向并提高光输出的亮度水平。mLED 800的直径可以小于50μm，在晶圆处理步骤期间，抛物线结构(或类似结构)被直接蚀刻到LED晶片上，以形成从发光面810射出的类准直光束。
如本文所使用的，“定向光”包括准直光和类准直光。例如，定向光可以是从LED的光生成区域发射的光，并且至少一部分所发射的光被引导至具有半角的光束中。这可以提高LED在光束方向上的亮度。
当沿着如图8所示的水平平面切割时，mLED 800可以包括圆形横截面。mLED 800可以具有在晶圆处理步骤期间被直接蚀刻到LED晶片上的抛物线结构。抛物线结构可以包括mLED 800的发光区域，并且反射一部分所生成的光，以形成从发光面810发射的类准直光束。
衬底802可以是在其上形成外延层804的生长衬底。在一些实施例中，例如使用LLO工艺将衬底802与外延层804分开。在其他实施例中，例如当衬底802对于由mLED 800发射的光812透明时，衬底802不与外延层804分开。
为了说明的目的提出了实施例的前述描述；它并不旨在是无遗漏的或将专利权限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开，许多修改和变化是可能的。
在说明书中使用的语言主要出于可读性和指导的目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制创造性主题。因此，意图是专利权的范围不受该详细描述限制，而是受基于此的申请所发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开内容意图对本专利权的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附的权利要求中阐述了本专利权的范围。

Claims (35)

1.一种方法，包括：
将拾取头的阵列放置在载体衬底上的半导体器件上方或所述半导体器件上；
响应于将所述拾取头的阵列放置在所述半导体器件上方或所述半导体器件上，选择性地操作拾取头的子集，以通过吸力将所述半导体器件的子集附着到所述拾取头的子集；
将附着有所述半导体器件的子集的至少所述拾取头的子集放置在目标衬底上方或所述目标衬底上；以及
响应于将至少所述拾取头的子集放置在所述目标衬底上方或所述目标衬底上，将所述半导体器件的子集释放到所述目标衬底上。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在释放所述半导体器件的子集之前，用所述拾取头将所述半导体器件与所述目标衬底上的位置对准。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：
所述目标衬底是显示器衬底；并且
所述半导体器件是微型发光二极管(mLED)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过操作膜来产生所述吸力，所述膜将所述拾取头的子集的真空腔室置于低于环境压力的压力，所述真空腔室连接到所述半导体器件的子集所附着到的所述拾取头中的孔。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述孔中的每一个具有至少1μm2的面积。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述半导体器件中的每一个包括在面向所述拾取头的表面上的弹性层，用于附着到所述拾取头。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述拾取头中的每一个包括适形尖端，对应的半导体器件附着到所述适形尖端上。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述适形尖端限定面积至少为100nm2的孔。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，选择性地操作所述拾取头的子集包括向所述拾取头的子集中的压电弯曲器施加电压信号。
10.一种制造系统，包括：
拾取头的阵列，所述拾取头具有孔并被选择性地操作来：
通过经由所述孔提供的吸力，将载体衬底上的半导体器件的子集附着到被操作的拾取头上，以及
通过从所述拾取头的阵列释放所述半导体器件的子集，将所述半导体器件的子集分离到目标衬底上；以及
致动器，其耦合到所述拾取头的阵列，并且被配置成：
将所述拾取头的阵列放置在所述载体衬底上的所述半导体器件上方或所述半导体器件上，以及
将附着有所述半导体器件的子集的至少所述拾取头的子集放置在所述目标衬底上方或所述目标衬底上。
11.根据权利要求10所述的制造系统，其中，所述致动器中的每一个包括：
框架，其限定真空腔室；
膜，其用于在所述真空腔室中产生低于环境压力的压力，以引起所述吸力；以及
尖端，其限定连接到所述真空腔室的孔，以通过所述吸力拾取半导体器件。
12.根据权利要求11所述的制造系统，其中，所述膜是响应于所施加的电压信号在所述真空腔室中产生所述压力的压电弯曲器。
13.根据权利要求11所述的制造系统，其中，所述孔中的每一个具有至少1μm2的面积。
14.根据权利要求10所述的制造系统，其中，所述半导体器件中的每一个包括在面向所述拾取头的表面上的弹性层，用于附着到所述拾取头。
15.根据权利要求10所述的制造系统，其中，所述拾取头中的每一个包括适形尖端，对应的半导体器件附着到所述适形尖端上。
16.根据权利要求15所述的制造系统，其中，所述适形尖端限定面积至少为100nm2的孔。
17.根据权利要求10所述的制造系统，其中，选择性地操作所述拾取头的子集包括向所述拾取头的子集中的压电弯曲器施加电压信号。
18.根据权利要求10所述的制造系统，其中：
所述目标衬底是显示器衬底；并且
所述半导体器件是微型发光二极管(mLED)。
19.一种通过一种方法制造的电子显示器，所述方法包括：
将拾取头的阵列放置在载体衬底上的半导体器件上方或所述半导体器件上；
响应于将所述拾取头的阵列放置在所述半导体器件上方或所述半导体器件上，选择性地操作拾取头的子集，以通过吸力将所述半导体器件的子集附着到所述拾取头的子集；
将附着有所述半导体器件的子集的至少所述拾取头的子集放置在显示器衬底上方或所述显示器衬底上；以及
响应于将至少所述拾取头的子集放置在所述显示器衬底上方或所述显示器衬底上，将所述半导体器件的子集释放到所述显示器衬底上。
20.根据权利要求20所述的电子显示器，其中，通过操作膜来产生所述吸力，所述膜将所述拾取头的子集的真空腔室置于低于环境压力的压力，所述真空腔室连接到所述半导体器件的子集所附着到的所述拾取头中的孔。
21.一种方法，包括：
将拾取头的阵列放置在载体衬底上的半导体器件上方或所述半导体器件上；
响应于将所述拾取头的阵列放置在所述半导体器件上方或所述半导体器件上，选择性地操作拾取头的子集，以通过吸力将所述半导体器件的子集附着到所述拾取头的子集；
将附着有所述半导体器件的子集的至少所述拾取头的子集放置在目标衬底上方或所述目标衬底上；以及
响应于将至少所述拾取头的子集放置在所述目标衬底上方或所述目标衬底上，将所述半导体器件的子集释放到所述目标衬底上。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
在释放所述半导体器件的子集之前，用所述拾取头将所述半导体器件与所述目标衬底上的位置对准；
可选地，其中：
所述目标衬底是显示器衬底；并且
所述半导体器件是微型发光二极管(mLED)。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中，通过操作膜来产生所述吸力，所述膜将所述拾取头的子集的真空腔室置于低于环境压力的压力，所述真空腔室连接到所述半导体器件的子集所附着到的所述拾取头中的孔；
可选地，其中，所述孔中的每一个具有至少1μm2的面积。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，其中，所述半导体器件中的每一个包括在面向所述拾取头的表面上的弹性层，用于附着到所述拾取头。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的方法，其中，所述拾取头中的每一个包括适形尖端，对应的半导体器件附着到所述适形尖端上；
可选地，其中，所述适形尖端限定面积至少为100nm2的孔。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，其中，选择性地操作所述拾取头的子集包括向所述拾取头的子集中的压电弯曲器施加电压信号。
27.一种制造系统，包括：
拾取头的阵列，所述拾取头具有孔并被选择性地操作来：
通过经由所述孔提供的吸力，将载体衬底上的半导体器件的子集附着到被操作的拾取头上，以及
通过从所述拾取头的阵列释放所述半导体器件的子集，将所述半导体器件的子集分离到目标衬底上；以及
致动器，其耦合到所述拾取头的阵列，并且被配置成：
将所述拾取头的阵列放置在所述载体衬底上的所述半导体器件上方或所述半导体器件上，以及
将附着有所述半导体器件的子集的至少所述拾取头的子集放置在所述目标衬底上方或所述目标衬底上。
28.根据权利要求27所述的制造系统，其中，所述致动器中的每一个包括：
框架，其限定真空腔室；
膜，其用于在所述真空腔室中产生低于环境压力的压力，以引起所述吸力；以及
尖端，其限定连接到所述真空腔室的孔，以通过所述吸力拾取半导体器件。
29.根据权利要求28所述的制造系统，其中，所述膜是响应于所施加的电压信号在所述真空腔室中产生所述压力的压电弯曲器；和/或
其中，所述孔中的每一个具有至少1μm2的面积。
30.根据权利要求27至29中任一项所述的制造系统，其中，所述半导体器件中的每一个包括在面向所述拾取头的表面上的弹性层，用于附着到所述拾取头。
31.根据权利要求27至30中任一项所述的制造系统，其中，所述拾取头中的每一个包括适形尖端，对应的半导体器件附着到所述适形尖端上；
可选地，其中，所述适形尖端限定面积至少为100nm2的孔。
32.根据权利要求27至31中任一项所述的制造系统，其中，选择性地操作所述拾取头的子集包括向所述拾取头的子集中的压电弯曲器施加电压信号。
33.根据权利要求27至32中任一项所述的制造系统，其中：
所述目标衬底是显示器衬底；并且
所述半导体器件是微型发光二极管(mLED)。
34.一种电子显示器，其通过根据权利要求21至26中任一项的方法或通过包括以下步骤的方法制造：
将拾取头的阵列放置在载体衬底上的半导体器件上方或所述半导体器件上；
响应于将所述拾取头的阵列放置在所述半导体器件上方或所述半导体器件上，选择性地操作拾取头的子集，以通过吸力将所述半导体器件的子集附着到所述拾取头的子集；
将附着有所述半导体器件的子集的至少所述拾取头的子集放置在显示器衬底上方或所述显示器衬底上；以及
响应于将至少所述拾取头的子集放置在所述显示器衬底上方或所述显示器衬底上，将所述半导体器件的子集释放到所述显示器衬底上。
35.根据权利要求34所述的电子显示器，其中，通过操作膜来产生所述吸力，所述膜将所述拾取头的子集的真空腔室置于低于环境压力的压力，所述真空腔室连接到所述半导体器件的子集所附着到的所述拾取头中的孔。
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