JP2014533890A - 電気的絶縁層を持つマイクロｌｅｄ構造体及びマイクロｌｅｄ構造体のアレイの形成方法 - Google Patents

Abstract

マイクロデバイスとマイクロデバイスのアレイを製造して、転写先基板に転写する方法を説明する。一実施形態では、ｐ−ｎダイオード層をエッチングして複数のマイクロｐ−ｎダイオードを形成する際に、電気的絶縁層をエッチング停止層として利用している。一実施形態では、マイクロデバイスを形成して、転写先基板に転写させる間、導電中間接合層を利用している。

Description

本発明は、マイクロ半導体デバイスに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの、マイクロデバイスアレイを形成し、異なる基板に転写する方法に関する。

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年２月１３日に出願した米国特許出願第１３／３７２，４２２号の一部継続出願であり、２０１１年１１月１８日に出願した米国仮特許出願第６１／５６１，７０６号、２０１２年２月３日に出願した米国仮特許出願第６１／５９４，９１９号、２０１２年２月９日に出願した米国仮特許出願第６１／５９７，１０９号、２０１２年２月１０日に出願した米国仮特許出願第６１／５９７，６５８号に基づく優先権を主張し、これらの出願の全開示を参照により本願明細書に引用する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）を原料とする発光ダイオード（ＬＥＤ）は、白熱灯及び、蛍光灯に代わって将来の効率の高い照明用途で使用されると期待されている。現行のＧａＮ系ＬＥＤデバイスは、異種基板材料上のヘテロエピタキシャル成長法により作製される。一般的なウェーハレベルのＬＥＤデバイス構造体は、サファイア成長用基板の上に形成される下部のｎ型にドープされた（ｎ型）ＧａＮ層、単一量子井戸（ＳＱＷ）又は多重量子井戸（ＭＷＱ）、並びに、上部のｐ型にドープされた（ｐ型）ＧａＮ層を含み得る。

一実装形態では、ウェーハレベルのＬＥＤデバイス構造体は、上部のｐ型ＧａＮ層と量子井戸層を通じて、ｎ型ＧａＮ層にエッチング処理することで、サファイア成長用基板上でメサ・アレイ（array of mesas）へとパターン形成される。上部のｐ電極は、メサ・アレイの最上部のｐ型ＧａＮ表面上に形成され、ｎ電極は、メサ・アレイと接触するｎ型ＧａＮ層の一部分の上に形成される。メサ形ＬＥＤデバイスは、最終製品内のサファイア成長用基板上に残留する。

別の実装形態では、ウェーハレベルのＬＥＤデバイス構造体を、成長用基板からシリコンなどのアクセプタ基板へと転写させる。これには、ＧａＮ／サファイア複合構造体よりも簡単にダイシングして個々のチップを形成し易いという利点がある。この実施形態では、ウェーハレベルのＬＥＤデバイス構造体は、恒久的な接合層によりアクセプタ（シリコン）基板に恒久的に接合されている。例えば、メサ・アレイのｐ型ＧａＮ表面上に形成されたｐ型電極は、恒久的な接合層によりアクセプタ（シリコン）基板に接合することができる。次いで、サファイア成長用基板を除去して、反転したウェーハレベルのＬＥＤデバイス構造体を露出し、これを薄化加工して、メサ・アレイを露出させる。次に、露出したｎ型ＧａＮでｎ接触部を作製し、更に、ｐ電極と電気的に接触するシリコン基板上にｐ接触部を作製する。メサ形ＬＥＤデバイスは、最終製品のアクセプタ基板上に残る。更に、ＧａＮ／シリコン複合基板をダイシングして、個々のチップを形成できる。

マイクロ発光ダイオード（ＬＥＤ）及び転写先基板（receiving substrate）に転写する（転写する）ためのマイクロＬＥＤアレイを形成する方法について述べている。例えば、転写先基板は、限定されないが、ディスプレイ基板、照明基板、トランジスタ、若しくは集積回路（ＩＣ）などの機能デバイスを有する基板、又は金属再配線付き基板が可能である。一実施形態では、マイクロＬＥＤ構造体は、マイクロｐ−ｎダイオード、マイクロｐ−ｎダイオードの底面下の反射金属スタック、反射金属スタックの側壁の一部分に広がり、反射金属スタックを横方向に取り囲む電気的絶縁スペーサを含む。反射金属スタックは、マイクロｐ−ｎダイオードと基板上に形成された接合層との間にある。一実施形態では、接合層は約３５０℃以下、更に詳細には約２００℃以下の液相線温度を持つ。一実施形態では、接合層は合金接合層である。例えば、インジウム銀（ＩｎＡｇ）合金でもよい。形成方法によっては、接合層は均一な濃度でも、又は傾斜濃度でも持つことができる。

電気的絶縁スペーサが、金属スタックの底面の一部分に広がってもよい。電気的絶縁スペーサは、マイクロｐ−ｎダイオードの底面の一部分に広がってもよい。共形誘電バリア層は、マイクロｐ−ｎダイオードの側壁に広がってもよく、マイクロｐ−ｎダイオードの底面に部分的に広がってもよい。

一実施形態では、マイクロＬＥＤアレイの形成方法は、第１の基板スタックを第２の基板スタック上の接合層に接合することを含む。第１の基板スタックは、成長用基板上に形成されたｐ−ｎダイオード層と、ｐ−ｎダイオード層上の複数の分離反射金属スタックと、ｐ−ｎダイオード層の複数の分離反射金属スタックの間に横方向にパターン形成された電気的絶縁層と、を含んでもよい。一実施形態では、ｐ−ｎダイオード層上の複数の分離反射金属スタックをパターン形成してから、第１の基板スタックを第２の基板スタック上の接合層に接合する前に、電気的絶縁層を成膜させることができる。電気的絶縁層は、パターン形成して複数の分離反射金属スタックを露出させる複数の開口部を形成することができ、その後パターン形成された電気的絶縁層と複数の分離反射金属スタック上に第１の導電接合層を成膜させる。

第１の基板スタックは、パターン形成された電気的絶縁層及び複数の分離反射金属スタック上の第１の導電接合層を含むことができる。第１の基板スタックを第２の基板スタックに接合することには、第１の導電接合層を第２の導電接合層に接合することを含む。一実施形態では、第１の導電接合層と第２の導電接合層は同一材料で形成され、共に溶融接合される。例えば、この２つの接合層の材料は、約３５０℃以下、更に詳細には約２００℃以下の液相線温度を持ってもよい。一実施形態では、第１の導電接合層及び第２の導電接合層はインジウムで形成される。

一実施形態では、第１の導電接合層と第２の導電接合層を接合すると、合金接合層が形成される。合金接合層を形成するこの２つの接合層は、約３５０℃以下、更に詳細には約２００℃以下の液相線温度を持つ合金を形成することができる。例として、第１の導電接合層は銀を、第２の導電接合層はインジウムを含んでもよい。代替として、第１の導電接合層がインジウムを、第２の導電接合層が銀を含んでもよい。接合層の相対的な厚さを制御して、合金接合層の液相線温度を使用可能な範囲に保つことができる。一実施形態では、第１の導電接合層及び第２の導電接合層の一方の厚さが、第１の導電接合層及び第２の導電接合層の他方の厚さの５％以下となっている。２つの接合層を接合すると、導電接合層の一方又は両方が、導電接合層がお互いに接触する箇所で生じる合金接合層内に完全に取り込まれる可能性がある。

そして第１の基板が除去され、ｐ−ｎダイオードがエッチング処理されて貫通し、複数の分離反射金属スタック上に複数のマイクロｐ−ｎダイオードが形成され、複数のマイクロｐ−ｎダイオード間にパターン形成された電気的絶縁層が横方向に露出する。一実施形態では、プラズマエッチング技術を使用して、ｐ−ｎダイオード層を貫通してエッチング処理を行い、複数のマイクロｐ−ｎダイオードを形成する。この複数のマイクロｐ−ｎダイオードは、最上面、底面、先細形状の側壁を含むことができ、底面は最上面よりも広い。複数のマイクロｐ−ｎダイオードを形成した後で、パターン形成された電気的絶縁層をエッチング処理して複数のマイクロｐ−ｎダイオード各々の底面を露出させることができる。こうして、側壁と複数のマイクロｐ−ｎダイオード各々の底面の一部分の上に、共形誘電バリア層を形成することができる。共形誘電体層は、複数のマイクロｐ−ｎダイオードそれぞれの内の量子井戸層の側面を覆うことができる。

一実施形態では、１つ以上のマイクロＬＥＤを転写先基板に転写させる方法は、その上にマイクロＬＥＤ構造体のアレイを搭載したキャリア基板上に転写ヘッドを配置することを含む。各マイクロＬＥＤ構造体は、マイクロｐ−ｎダイオードと、マイクロｐ−ｎダイオードの底面の下側の反射金属スタックと、反射金属スタックの側壁の一部分に広がり、反射金属スタックを横方向に取り囲む電気的絶縁スペーサと、を含み、反射金属スタックは、マイクロｐ−ｎダイオードとキャリア基板上の接合層との間にある。少なくともマイクロＬＥＤ構造体１つについて、接合層内で相転移が生成するように操作を実行する。例えば、この操作には、３５０℃以下である接合層の液相線温度、更に詳細には２００℃以下の液相線温度を有する接合層を、その接合層の液相線温度以上に加熱することを含んでもよい。この接合層はまた、Ａｇ−Ｉｎ合金接合層などの合金接合層、Ｉｎ−Ｉｎ接合層などの溶融接合の接合層でもよい。

マイクロＬＥＤ構造体の少なくとも１つのために、マイクロｐ−ｎダイオード、反射金属スタック、及び電気的絶縁スペーサが転写ヘッドでピックアップされる。いくつかの実施形態では、接合層の厚さの約半分などの、大部分もピックアップされる。いくつかの実施形態では、マイクロｐ−ｎダイオードの側壁及び底面に広がる共形誘電バリア層もピックアップされる。そして、転写ヘッドでピックアップされたマイクロＬＥＤ構造体は、転写先基板上に置かれる。静電気の原理に従って、転写ヘッドがマイクロＬＥＤ構造体にピックアップ圧力をもたらすということを含む、様々な原理に従って、転写ヘッドは動作することができる。接合層に熱を加えて、局所伝熱、キャリア基板を介した伝熱、転写ヘッドを介した伝熱、それらの組合せを含む様々な熱源により相転移を生じさせることもできる。

一実施形態では、マイクロＬＥＤデバイスなどのマイクロデバイスの製作方法は、３５０℃以下、更に詳細には２００℃以下の液相線温度を有する、中間導電性接合層により第１の基板スタックを第２の基板スタックに接合することを含む。そして、第１の基板スタック内の、量子井戸層を含んでもよいｐ−ｎダイオード層などのアクティブデバイス層は、パターン形成されて複数のマイクロデバイスを形成する。次いで、中間導電性接合層の領域が液相線温度以上まで加熱され、複数のマイクロデバイスの少なくとも１つが転写ヘッドにより、中間導電性接合層の一部分と共にピックアップされる。マイクロデバイス及び中間導電性接合層の一部分は、転写先基板上の導電受容接合層の上に置かれ、中間導電性接合層と導電受容接合層が接合されて、１５０℃より高い、更に詳細には２００℃より高い、又は２５０℃より高い液相線温度を有する永久合金接合層を形成する。例えば、中間導電性接合層は、純金属層、合金接合層、又は溶融接合層であってもよい。

本発明の一実施形態に係るバルクＬＥＤ基板の断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るパターン形成された反射金属スタック層の断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る複数の分離反射金属スタックの間の上方及び横方向に形成された電気的絶縁層を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る複数の分離反射金属スタックの間に横方向にパターン形成された電気的絶縁層を示す平面図と断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る複数の分離反射金属スタックの間に横方向にパターン形成された電気的絶縁層を示す平面図と断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る複数の分離反射金属スタックの間に横方向にパターン形成された電気的絶縁層を示す平面図と断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るパターン形成された電気的絶縁層及び複数の分離反射金属スタックの上方に形成された、粘着層及び導電接合層を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るパターン形成された電気的絶縁層及び複数の分離反射金属スタックの上方に形成された、粘着層及び導電接合層を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るパターン形成された電気的絶縁層及び複数の分離反射金属スタックの上方に形成された、粘着層及び導電接合層を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るパターン形成された粘着層及び導電接合層を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るパターン形成された粘着層及び導電接合層を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るパターン形成された粘着層及び導電接合層を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る接合層を含むキャリア基板の断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る接合層を含むキャリア基板の断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る接合層を含むキャリア基板の断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る接合層を含むキャリア基板の断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る接合層を含むキャリア基板の断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る成長用基板とキャリア基板の接合に関する断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る成長用基板とキャリア基板の接合に関する断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るＡｇ−Ｉｎの二元状態図である。 本発明の一実施形態に係るＡｕ−Ｉｎの二元状態図である。 本発明のある実施形態に係るＡｌ−Ｉｎの二元状態図である。 本発明のある実施形態に係る成長用基板及びキャリア基板の接合前の様々な可能な構造体を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る成長用基板とキャリア基板の接合後の想定される様々な可能な構造体の断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る接合構造体から除去された成長用基板の断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る薄化加工後のｐ−ｎダイオード層の断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るｐ−ｎダイオード層のエッチング処理によるマイクロｐ−ｎダイオードの形成について説明する断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るｐ−ｎダイオード層のエッチング処理によるマイクロｐ−ｎダイオードの形成について説明する断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るパターン形成した電気的絶縁層をエッチング処理して複数のマイクロｐ−ｎダイオード各々の底面を露出させたところを示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤアレイ中の接触開口部の形成について説明する断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤアレイ中の接触開口部の形成について説明する断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤアレイ中の接触開口部の形成について説明する断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤアレイ中の接触開口部の形成について説明する断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤアレイ中の接触開口部の形成について説明する断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るキャリア基板上のマイクロＬＥＤ構造体のアレイの断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るキャリア・ウェーハ及びマイクロｐ−ｎダイオードを含むマイクロＬＥＤ構造体のアレイについて説明する平面図及び断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るキャリア・ウェーハ及びマイクロｐ−ｎダイオードを含むマイクロＬＥＤ構造体のアレイについて説明する平面図及び断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤ構造体をピックアップして、キャリア基板から転写先基板まで転写させる方法について説明する図である。 本発明の一実施形態に係るキャリア基板からマイクロＬＥＤ構造体をピックアップする転写ヘッドの断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤ構造体を有する転写先基板を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロデバイスのアレイの製造方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る導電接合層を有する転写先基板を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る転写先基板に接合されたマイクロＬＥＤ構造体を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る様々な寸法のマイクロデバイスをピックアップするために、表面張力に打ち勝つのに必要な圧力を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るピックアップ操作中に生成する、表面張力と増加するギャップ距離との間の関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る様々な引張り速度でのピックアップ操作中に生成する、粘着力圧力と増加するギャップ距離との間の関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る転写ヘッドがマイクロデバイスから引き抜かれる時に、転写ヘッドによりマイクロデバイスにもたらせられるグリップ圧力を示すモデル分析により得られるグラフである。 本発明の一実施形態に係る２極型・マイクロデバイス転写ヘッドの断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るキャリア基板から転写先基板に、マイクロデバイスをピックアップして転写する方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るキャリア基板から少なくとも１つの転写先基板に、マイクロデバイスのアレイをピックアップして転写する方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤデバイスのアレイと接触するマイクロデバイス転写ヘッドのアレイを示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤデバイスのアレイと接触するマイクロデバイス転写ヘッドのアレイを示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤデバイスのアレイをピックアップするマイクロデバイス転写ヘッドのアレイを示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤデバイスのアレイの一部分をピックアップするマイクロデバイス転写ヘッドのアレイを示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る転写先基板上に配置されたマイクロＬＥＤデバイスのアレイを有するマイクロデバイス転写ヘッドのアレイを示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る転写先基板上に、選択的にリリースされたマイクロデバイスを示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るキャリア基板から転写先基板に、マイクロデバイスをピックアップして転写する方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る横方向に連続した接合層の、少なくとも部分的に溶融した箇所を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る横方向に連続した接合層の、少なくとも部分的に溶融した箇所を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る接合層の少なくとも部分的に溶融して横方向に分離された箇所を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る接合層の少なくとも部分的に溶融して横方向に分離された、箇所を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るポスト上の接合層の少なくとも部分的に溶融して横方向に分離された箇所を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るポスト上の接合層の少なくとも部分的に溶融して横方向に分離された箇所を示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るキャリア基板から少なくとも１つの転写先基板に、マイクロデバイスのアレイをピックアップして転写する方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤデバイスのアレイと接触するマイクロデバイス転写ヘッドのアレイを示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤデバイスのアレイをピックアップするマイクロデバイス転写ヘッドのアレイを示す断面側面図である。 本発明の一実施形態に係る転写先基板上に配置された、マイクロＬＥＤデバイスのアレイを有するマイクロデバイス転写ヘッドのアレイを示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る転写先基板上に選択的にリリースされたマイクロＬＥＤデバイスのアレイを示す側面図である。

本発明の実施形態では、マイクロ半導体デバイス及び転写先基板に転写するためのマイクロ発光ダイオード（ＬＥＤ）などのマイクロ半導体デバイス・アレイを形成する方法について述べている。例えば、転写先基板は、限定されないが、ディスプレイ基板、照明基板、トランジスタ、若しくは集積回路（ＩＣ）などの機能デバイスを有する基板、又は金属再配線付き基板が可能である。本発明の実施形態は、ｐ−ｎダイオードを含むマイクロＬＥＤに関して具体的に説明しているが、本発明の実施形態はこれに限定されず、更に、特定の実施形態は、所定の電子機能（例えば、ダイオード、トランジスタ、集積回路）、又はフォトニック機能（ＬＥＤ、レーザ）を制御された様式で実行するように設計された他のマイクロ半導体デバイスにも適用可能であることを理解するべきである。

種々の実施形態では、図面を参照して説明する。だが、特定の実施形態は、これらの具体的な詳細の１つ以上を使用することなく、又は、他の公知の方法及び構成を併用することで実施可能である。以下の説明では、本発明に関する深い理解を提供するために、具体的な構成、寸法、及びプロセスなどの多数の具体的な詳細について説明する。他の例では、本発明を不必要に曖昧とさせないために、公知の半導体プロセスや製造技術について、具体的に説明していない。本明細書を通じた「一実施形態（one embodiment）」、「一実施形態（an embodiment）」等への言及は、本実施形態と関連して述べる特定の機能、構造、構成、又は特徴は、本発明に関する少なくとも一実施形態の中に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の種々の場所における語句「一実施形態（one embodiment）」、「一実施形態（an embodiment）」等の出現は必ずしも、本発明の同じ実施形態について言及するものではない。更に、特定の機能、構造、構成、又は特徴は、１つ以上の実施形態の中で何らかの適切な方法により組み合わせることが可能である。

本明細書で使用される用語「広がる（spanning）」、「〜の上方に（over）」、「〜への（to）」、「〜間の（between）、及び「〜上に（on）」は、他の層に対するある層の相対位置について言及する場合がある。ある層が別の層に「広がる」、「の上方に」若しくは「上に」あること、又は別の層「へと」接合することは、別の層と直接接触する、又は１つ以上の介在層を有することが想定される。層「間の」ある層は、層に直接接触する、又は１つ以上の介在層を含むことがある。

本明細書で使用される用語「マイクロ」デバイス、「マイクロ」ｐ−ｎダイオード、又は「マイクロ」ＬＥＤ構造体は、本発明の実施形態に係るあるデバイス、又は構造体の記述的なサイズを言及する場合がある。本明細書において、用語「マイクロ」デバイス、又は構造は、１から１００μｍまでのスケールを言及することを意味する。だが、本発明の実施形態はこれに限定されず、実施形態の特定の態様は、これより大きいか、これよりも小さなサイズ・スケールにも適用可能であることを理解するべきである。

一態様では、本発明の実施形態は、バルク型ＬＥＤ基板を、ピックアップして転写先基板に転写するように準備されたマイクロＬＥＤ構造体アレイに処理する方法について述べている。これにより、マイクロＬＥＤ構造体を異種機能集積システム（heterogeneously integrated system）に統合し、組み立てることが可能である。マイクロＬＥＤ構造体は、個別に、纏めて、又は完全なアレイとしてピックアップされ、転写されてもよい。したがって、マイクロＬＥＤ構造体アレイ内のマイクロＬＥＤ構造体は、ピックアップされて、マイクロディスプレイから大型ディスプレイまで任意のサイズのディスプレイ基板などの転写先基板へ高速転写速度で転写するよう準備される。いくつかの実施形態では、ピックアップのために準備されるマイクロＬＥＤ構造体アレイは、１０μｍ×１０μｍピッチ、又は５μｍ×５μｍピッチであるものとして説明している。これらの密度において、例えば、１５．２ｃｍ（６インチ）基板は、１０μｍ×１０μｍピッチで約１億６千５百万個のマイクロＬＥＤ構造体、及び５μｍ×５μｍピッチでは約６億６千万個のマイクロＬＥＤ構造体を収容できる。したがって、所定機能を有する高密度な製造済みマイクロデバイス構造が、ピックアップし転写先基板に転写するように準備された様式で製造可能である。本明細書で述べた方法は、マイクロＬＥＤ構造体に限定されず、他のマイクロデバイスの製造においても使用可能である。

別の態様では、本発明の実施形態は、各マイクロｐ−ｎダイオードが接合層の対応する箇所の上方に形成されるマイクロＬＥＤ構造体及びマイクロＬＥＤアレイについて説明している。接合層の対応する箇所は、横方向に分離された箇所であってもよく、又は横方向に分離された箇所でなくてもよい。マイクロＬＥＤのピックアップ工程中は、マイクロＬＥＤに対応する接合層の対応する箇所の上で操作が実行可能であるが、そのピックアップ工程中に接合層の対応する箇所はピックアップ工程の助けとなる相転移を起こす。例えば、接合層の対応する箇所は、温度サイクルに反応して固体から液体に変化する場合がある。液体状態では、接合層の対応する箇所は、表面張力によりマイクロｐ−ｎダイオードをキャリア基板上で定位置に保持しながら、同時に、マイクロｐ−ｎダイオードが容易にリリース可能な媒体も提供する。更に、液体状態は、ピックアップ工程中に転写ヘッドがマイクロＬＥＤ構造体と接触する場合、転写ヘッドがもたらす力を吸収するためのクッション又は衝撃吸収材としても機能することができる。このようにして、液体状態は、転写ヘッドがもたらす圧縮力に反応して、下にある面全体を平滑化することで、マイクロＬＥＤアレイ、又は転写ヘッドアレイにおける形状の不均一性を補正できる。他の実施形態では、接合層の対応する箇所が相転移を完全には起こさないことがある。例えば、接合層の対応する箇所は、部分的に固体状態であるものの、温度サイクルに反応して実質的に十分な柔軟性を有する場合がある。別の実施形態では、接合層の対応する箇所は、温度サイクルのなどの操作に反応して、結晶相転移を起こすこともある。

別の態様では、本発明の実施形態は、ｐ−ｎダイオード層のエッチング処理して複数のマイクロｐ−ｎダイオードを形成する際に電気的絶縁層がエッチング処理停止層の役目をする、マイクロＬＥＤ構造体、及びマイクロＬＥＤ構造体のアレイの形成方法について説明している。その結果、電気的絶縁層は、マイクロｐ−ｎダイオードの側壁、及びマイクロｐ−ｎダイオード内の量子井戸層を、マイクロＬＥＤデバイスの機能性を劣化させる恐れがある導電汚染から保護する役目を果たすことができる。一実施形態では、電気的絶縁層は、成長用基板をキャリア基板に接合中、ｐ−ｎダイオードに沿って生じる接合層のウィッキングに対する物理的障壁の役割をする。一実施形態では、電気的絶縁層は、ｐ−ｎダイオード層をエッチング処理して複数のマイクロｐ−ｎダイオードを形成する間、導電接合層などの下にある導電層の再分配又は再スパッタリングに対する物理的障壁の役目を果たす。

本発明の実施形態に係る、ｐ−ｎダイオード層をエッチング処理した後、電気的絶縁層がパターン形成され、反射金属スタックの側壁の一部分に広がる、マイクロＬＥＤ構造体の反射金属スタックを横方向に取り囲む電気的絶縁スペーサを形成する。電気的絶縁スペーサは、反射金属スタック内の層を酸化から保護することができる。例えば、銀（Ａｇ）層を反射金属化スタック内の反射鏡として利用することができる。電気的絶縁スペーサは、反射鏡層を含む反射金属スタックの側壁の一部分に広がり、反射鏡層の色を変え、反射鏡層の反射特性に影響を及ぼす可能性がある酸化から、反射鏡層を保護することができる。

別の態様において、本発明の実施形態は、成長用基板を接合する前に、接合層が成長用基板とキャリア基板との片方、又は両方の上に形成された、１つ以上の界面接合層によりキャリア基板に接合された成長用基板と、キャリア基板との間の接着力を増す方法について記載している。接合層は、熱可塑性物質高分子化合物、金属、ハンダなどの様々な材料で形成することができる。成長用基板とキャリア基板それぞれの上の接合層が形成される場合、接合層は同じ材料で形成しても、又は異なる材料で形成してもよい。一実施形態では、同じ材料の導電接合層が成長用基板とキャリア基板上に形成され共に溶融接合されている。例えば、２つのインジウム（又は、代替でインジウム合金）接合層が、共に溶融接合することができる。別の実施形態では、成長用基板上に形成された第１の導電接合層を、キャリア基板上に形成された第２の導電接合層に接合することにより導電合金接合層が形成されるが、第１の接合層と第２の接合層は異なる材料で形成されている。本発明の実施形態に係る、得られた接合層は、単独層、溶融接合層、又は合金接合層のどれであっても、３５０℃以下、更に詳細には約２００℃以下の溶融温度、すなわち液相線温度を持つ。液体状態では、接合層は、表面張力によりマイクロＬＥＤ構造体をキャリア基板上で定位置に保持しながら、同時に、マイクロＬＥＤ構造体が容易にリリース可能な媒体も提供する。このようにして、単独層として、溶融接合か又は合金接合かにより成長用基板の上かキャリア基板の上かどちらかに形成される接合層は、マイクロＬＥＤ構造体を形成中に粘着性を提供しながら、マイクロＬＥＤ構造体を除去することができる暫定的な媒体として採用可能な十分に低温の液相線温度、つまり溶融温度を保つことができる。

ここで図１を参照すると、半導体デバイス層１１０は基板１０１上に形成可能である。一実施形態では、半導体デバイス層１１０は、１つ以上の層を含むことが可能であり、所定の電子機能（例えば、ダイオード、トランジスタ、集積回路）、又はフォトニック機能（ＬＥＤ、レーザ）を制御された様式で実行するよう設計されている。半導体デバイス層１１０は、所定機能の中で制御された様式で実行するよう設計可能であるが、半導体デバイス層１１０は、完全に機能的でない可能性があることを理解するべきである。例えば、アノード又はカソードなどの接触部は、まだ形成されていない場合がある。簡潔さのため及び本発明の実施形態を曖昧とさせないために、以下では、従来の異種機能材料成長条件に従って成長用基板１０１上で成長させたｐ−ｎダイオード層１１０としての半導体デバイス層１１０について説明している。

ｐ−ｎダイオード層１１０は、スペクトルの所定領域に対応するバンドギャップを有する化合物半導体を含むことができる。例えば、ｐ−ｎダイオード層１１０は、ＩＩ〜ＶＩ族材料（例えば、ＺｎＳｅ）、又はＩＩＩ〜Ｖ族窒化物材料（例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ及びその合金）を含むＩＩＩ〜Ｖ族材料及びＩＩＩ〜Ｖリン化物材料（例えば、ＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、及びその合金）を含んでもよい。成長用基板１０１は、限定されないが、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、及びサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）などの任意の適切な基板を含むことができる。

特定の実施形態では、成長用基板１０１は、サファイアであり、ｐ−ｎダイオード層１１０は、ＧａＮから形成される。サファイアはＧａＮに対して大きな格子定数と熱膨張係数不整合を有するにも関わらず、サファイアはコストが合理的に低く、広範囲で利用可能であり、その透明性は、エキシマレーザに基づくリフトオフ（ＬＬＯ）法と相性がいい。別の実施形態では、ＳｉＣなどの別な材料もＧａＮ ｐ−ｎダイオード層１１０用の成長用基板１０１として使用可能である。サファイアのように、ＳｉＣ基板は透過性でよい。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などの、幾つかの成長法は、ｐ−ｎダイオード層１１０の成長において使用可能である。例えば、ＧａＮは、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）及びアンモニア（ＮＨ₃）前駆物質をサファイア成長用基板１０１と共に反応チャンバへと同時に導入し、８００℃から１，０００℃などの高温まで加熱することで成長可能である。図１Ａで説明した特定の実施形態では、ｐ−ｎダイオード層１１０は、バルクＧａＮ層１１２、ｎ型層１１４、量子井戸１１６、並びに、ｐ型層１１８を含むことが可能である。バルクＧａＮ層１１２は、シリコン若しくは酸素汚染によりｎ型にドープされている、又はシリコンのようなドナーにより意図的にドープ可能である。同様に、ｎ型ＧａＮ層１１４は、シリコンなどのドナーでドープ可能であり、ｐ型層１１８は、マグネシウムなどのアクセプタでドープ可能である。種々の代替的なｐ−ｎダイオード構成を用いて、ｐ−ｎダイオード層１１０を形成できる。同様に、種々の単一量子井戸（ＳＱＷ）又は多重量子井戸（ＭＱＷ）構成を用いて、量子井戸１１６を形成できる。更に、必要に応じて、種々のバッファ層も含められる。一実施形態では、サファイア成長用基板１０１は、厚さが約２００μｍであり、バルクＧａＮ層１１２は、厚さが約０．５μｍ〜５μｍであり、ｎ型層１１４は、厚さが約０．１μｍ〜３μｍであり、量子井戸層１１６は、厚さが約０．３μｍ未満であり、ｐ型層１１８は、厚さが約０．１μｍ〜１μｍである。

次に、反射金属スタック層１２０を、ｐ−ｎダイオード層１１０の上方に形成可能である。図１Ａで説明するように、反射金属スタック層１２３は、電極層１２２、及び任意選択でバリア層１２４を含んでもよく、他の層が含まれてもよい。電極層１２２とバリア層１２４は多数の層を含んでもよい。一実施形態では反射金属スタック層は、厚さが約０．１μｍ〜２μｍである。電極層１２２は、ｐ型ＧａＮ層１１８とオーム接触してもよいし、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔのような仕事関数が大きい金属で形成してもよい。一実施形態では、電極層１２２は、光放射に対して反射的であり、ｐ−ｎダイオード層１１０に向けて光を反射する鏡として、機能することができる。例えば、Ａｇ又はＮｉ層を反射特性のために電極層１２２に含ませてもよい。Ａｇなどの電極層もまた酸化されやすい場合がある。下にある電極層１２２を酸化から保護することと、電極層１２２、又はｐ−ｎダイオード１１０への不純物の拡散を防ぐことと、を含む様々な理由により、バリア層１２４は、反射金属スタック層１２３に任意選択で含まれてもよい。例えば、バリア層１２４は、限定されないが、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｔｉ、及びＴｉＷを含んでもよい。特定の実施形態では、バリア層１２４は、接合層からのｐ−ｎダイオード層１１０内への成分の拡散を抑止できる。バリア層１２４は、構成要素が、例えば下記接合層から、電極層１２２に拡散するのを防止できる。

本発明の特定の実施形態に係る、ｐ−ｎダイオード層１１０及び反射金属スタック層１２３は、成長用基板１０１上で成長させてから、図２Ａ〜図２Ｅで説明され、以下でより詳細に説明するように、キャリア基板２０１へ転写される。以下の図面と説明でより詳細に説明するように、反射金属スタック層１２３は、キャリア基板２０１に転写される前にパターン形成可能である。キャリア基板２０１及び接合層２１０はまた、ｐ−ｎダイオード層１１０及び反射金属スタック層１２３をキャリア基板２０１に転写する前に、パターン形成可能である。したがって、本発明の実施形態は、続いて転写先基板に転写するためのマイクロＬＥＤアレイ形成中に、多様な変形形態として実装可能である。

ここで図１Ｂを参照すると反射金属スタック層１２３は、キャリア基板２０１に転写する前にパターン形成可能である。ある実施形態では、図１Ｂの構造体は、ｐ−ｎダイオード層１１０の上方にパターン形成されたフォトレジスト層を形成してから、反射金属スタック層１２３を成膜することで実現可能である。そして、フォトレジスト層を（フォトレジスト層上の反射金属スタック層の一部分と共に）リフトオフし、図１Ｂに示すように反射金属スタック層１２０の横方向に分離された箇所を残す。ある実施形態では、反射金属スタック層１２０の横方向に分離された箇所のピッチは、マイクロＬＥＤアレイにピッチに対応して、５μｍ、１０μｍ、又は、これよりも大きいサイズが可能である。例えば、５μｍのピッチは、２μｍ間隔で分離された反射金属スタック層１２０の３μｍ幅の横方向に分離された箇所から形成され得る。１０μｍピッチは、２μｍ間隔を空けた反射金属スタック１２０の８μｍ幅の横方向に分離された箇所から形成され得る。だが、これらの寸法は例示的であり、本発明の実施形態はこれに限定されない。いくつかの実施形態では、反射金属スタック１２０の横方向に分離された箇所の幅は、以下の説明と図面においてより詳細に論じられるマイクロｐ−ｎダイオード１５０の底面の幅よりも狭いか、又は、これに等しい。

ここで図１Ｃを参照すると、電気的絶縁層１２６が、複数の横方向に分離反射金属スタック１２０の上、及びその間に横方向に成膜されている。一実施形態では、電気的絶縁層１２６は、０．１μｍから１．０μｍの厚さの二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化ケイ素、ポリイミドなどの材料で形成される。電気的絶縁層１２６は、ピックアップ操作中に溶融する接合層又は合金接合層の液相線温度よりも高い温度で成膜される。例えば、接合層又は合金接合層の溶融中に、電気的絶縁層１２６がｐ−ｎダイオード層（例えば、ＧａＮ）とバリア層１２４（例えばＴｉＷ）に接着するように、３５０℃より高い温度で電気的絶縁層１２６を成膜させてもよい。

図１Ｄの平面図と断面側面図に示すように、電気的絶縁層１２６は、次にパターン形成されて、複数の分割した反射金属スタック１２０を露出する複数の開口部１２５を形成する。例示した特定の実施形態では、開口部１２５の幅は複数の分離反射金属スタック１２０の幅よりも小さいので、電気的絶縁層１２６の一部分はそれぞれの反射金属スタック１２０の上にリップ部を形成する。

電気的絶縁層１２６は、図１Ｅに示すように、それぞれの反射金属スタック１２０上にリップ部を形成しないようにパターン形成することもできる。例えば、リソグラフパターン形成技術、又は化学機械研磨（ＣＭＰ）を使用して、複数の複数の分離反射金属スタック１２０と同じ幅を有する開口部１２５をパターン形成することができる。

図１Ｆに示すように、分離反射金属スタック１２０の間で電気的絶縁層１２６は横方向に等方的に成膜しながら、反射金属スタック１２０がマスクされる自己整合成膜プロセスで、電気的絶縁層１２６をパターン形成することもできる。図１Ｅ、図１Ｆに示す実施形態それぞれでは、パターン形成された電気的絶縁層１２６は、複数の分離反射金属スタック１２０の間に横方向にあり、電極層１２２を含む複数の分離反射金属スタック１２０の側壁に部分的に広がっている。

いくつかの実施形態に係る、図１Ｅ、図１Ｆに示す成長用基板１０１スタックは、キャリア基板２０１スタックにいつでも接合することができる。例えば、成長用基板１０１スタックは、図２Ａ〜図２Ｅに関して以下の説明のように、接合層２１０を含むキャリア基板２０１スタックに接合することができる。他の実施形態では、パターン形成された電気的絶縁層１２６や複数の分離反射金属スタック１２０の上に追加層を１層又はいくつかの層を形成することができる。例えば、粘着推進層、及び／又は接合層のなどの追加層を形成することができる。図１Ｇ〜図１Ｉを参照すると、図１Ｅ、図１Ｆのパターン形成された電気的絶縁層１２６及び複数の分離反射金属スタック１２０の上に接合層１２８が形成される。接合層１２８は、以下の表１と表２に関して記載されている材料のいずれからでも形成することができ、その材料のいくつかは溶融接合層又は合金接合層を形成するために、もし存在していれば、接合層２１０の成分に依存する場合がある。例えば、接合層１２８が接合層２１０に合金接合される場合は、接合層１２８は純粋な金属、又は表１で与えられた化学組成の１つである金属合金でもよい。一実施形態では、接合層１２８には導電性があり、厚さは約５００〜２０００オングストロームである。導電接合層１２８を成膜する前に、粘着層１２９をオプションとして形成して、導電接合層１２８の電気的絶縁層１２６（例えばＳｉＯ₂）への粘着力を増加させることができる。例えば、粘着層１２９は、厚さが１００〜１０００オングストローム、更に詳細には約３００オングストローム以下にして、Ｔｉ、ＴｉＷ、Ｃｒ、又はＮｉから形成することができる。

ここで図１Ｊ〜１Ｌを参照すると、図１Ｇ〜１Ｉの接合層１２８及び粘着層１２９はそれぞれパターン形成されてもよい。例示した特定の実施形態では、接合層１２８がキャリア基板上の対応する接合層と接触しない領域で、電気的絶縁層１２６の上から、接合層１２８及び粘着層１２９が除去されている。

図２Ａ〜図２Ｅは、成長用基板１０１スタックを接合するための接合層２１０を有するキャリア基板２０１の種々の実施形態について説明する断面側面図である。接合層２１０は、以下の表１と表２に関して記載されている材料のいずれかで形成してもよく、材料のいくつかは、溶融合接合層又は合金接合層を形成するために、もし存在していれば、接合層１２８成分に依存する場合もある。例えば、接合層２１０が接合層１２８に合金接合されている場合は、接合層２１０は純粋な金属、又は表１で与えられた化学組成の１つである金属合金でもよい。接合層２１０の前に、任意選択で、粘着層２０８を形成してもよい。例えば、粘着層２０８は厚さが１００〜１０００オングストローム、更に詳細には約３００オングストローム以下にして、Ｔｉ、ＴｉＷ、Ｃｒ、又はＮｉで形成してもよい。図２Ａは、接合前にはパターン形成されていない、キャリア基板２０１、接合層２１０、及び粘着層２０８を示す。図２Ｂ〜図２Ｄでは、側壁２０４を有し、トレンチ２０６で分離された複数のポスト２０２を形成するようパターン形成されたキャリア基板２０１を図示している。ポスト２０２は、種々の材料及び技術から形成可能である。一実施形態では、ポスト２０２は、エッチング処理、又はエンボス加工プロセスによりキャリア基板２０１をパターン形成することで、キャリア基板２０１と一体的に形成可能である。例えば、キャリア基板２０１は、ポスト２０２を一体的に形成したシリコン基板でよい。別の実施形態では、ポストをキャリア基板２０１の上に形成できる。例えば、ポスト２０２を、めっき技術及びフォトレジスト・リフトオフ技術により形成可能である。ポストは、半導体、金属、高分子、誘電体等を含む適切な材料から形成できる。

ポスト２０２は、マイクロｐ−ｎダイオード１５０、の幅と等しいか、又は、これよりも狭い最大幅を有し、これは、以下の説明と図面において明らかとなるであろう。一実施形態では、トレンチポスト２０２は、接合層２１０の厚さの少なくとも２倍の高さである。一実施形態では、接合層２１０は、厚さが約０．１μｍ〜２μｍでよく、トレンチポストは、高さが少なくとも０．２μｍ〜４μｍである。図２Ｂで説明する特定の実施形態では、共形の接合層２１０が、ポスト２０２の上方に、側壁２０４上に、そして、トレンチ２０６の中に形成される。図２Ｃで説明する特定の実施形態では、接合層２１０及び粘着層２０８は、側壁２０４上には顕著な量に成膜されることなく、ポスト２０２の最上面の上、及びトレンチ２０６内にのみ形成されるよう異方性成膜される。図２Ｄで説明する特定の実施形態では、接合層２１０及び粘着層２０８は、ポスト２０２の最上面の上のみにおいて形成される。この様な構成は、同じパターンのフォトレジストでポスト２０２、粘着層２０８、及び接合層２１０をパターン形成することで形成可能である。図２Ｅで説明する特定の実施形態では、接合層２１０の横方向に分離された箇所は、粘着層及び接合層のブランケット層をパターン形成されたフォトレジスト層の上方に成膜してから、図２Ｅで説明する接合層２１０の横方向に分離された箇所を残しつつ、（フォトレジスト層上の粘着層及び接合層の一部分と共に）リフトオフするフォトレジスト・リフトオフ法により形成可能である。だが、他の処理技術も利用できる。

図２Ｂ〜図２Ｅ及び図１Ｂ〜図１Ｌについて先に述べたように、本発明の特定の実施形態は、横方向に分離された反射金属スタック１２０、及び／又は接合層１２８、２１０の横方向に分離された箇所を含む。共形の接合層２１０が、ポスト２０２の上方、側壁２０４の上、及びトレンチ２０６内で形成される図２Ｂに関して、ポスト２０２の上の接合層の特定の箇所は、トレンチ２０６により横方向に分離されている。したがって、共形の接合層２１０が連続的であっても、ポスト２０２の上の接合層２１０の箇所は、横方向に分離された箇所である。同様に、図２Ｅの接合層２１０の個々の離散した箇所は、これらの間隔により横方向に隔てられる。ポスト２０２が存在する場合、接合層２１０の厚さとポスト２０２の高さとの関係は、接合層２１０の横方向の箇所の間隔に考慮される。

上記の接合層１２８及び２１０は、熱可塑性高分子化合物、金属、ハンダなどの様々な適切な材料で形成することができる。接合層は単独でも、又は溶融接合、又は合金接合により互いに接合されていても、マイクロＬＥＤ構造体をキャリア基板に接着することができる。一実施形態では、得られた接合層の有する液相線温度、すなわち溶融温度は、約３５０℃より下、更に詳細には約２００℃より下である。そのような温度の下で、得られた接合層では相転移が行われるが、マイクロＬＥＤ構造体の他の構成要素に実質的に影響を及ぼすことはない。一実施形態では、得られた接合層は導電性を示すこともある。例えば、温度の変化に反応して得られた接合層が固体から液体への相転移を起こす場合、得られた接合層の一部分は、以下の説明でより詳細に論ずるピックアップ操作中にマイクロＬＥＤ構造体の上に残ったままである場合がある。このような実施形態では、続いて転写先基板に転写する際、得られた接合層がマイクロＬＥＤ構造体に悪影響をもたらさないよう、接合層を導電性の材料から形成する方が有益である場合がある。この場合、転写操作中のマイクロＬＥＤ構造体に残留する得られた接合層の一部分が、マイクロＬＥＤ構造体を転写先基板上の導電性パッドへと接合する際に役立つことがある。

はんだは、その多くが一般に固体状態の時に延性のある材料であり、半導体及び金属表面との良好なぬれ性を示すことから、接合層１２８、２１０に適した材料とすることができる。一般的な合金は、ある１つの温度ではなく、ある温度範囲において溶融する。したがって、はんだ合金は、合金が液体状態に留まる最低温度に対応する液相線温度及び合金が固体状態に留まる最高温度に対応する固相線温度により、特徴付けられることが多い。本発明の実施形態で使用可能な低融点はんだ材料に関する例示的リストを、表１で示す。化学的成分は組成物の重量パーセントで記載している。上記のように接合層１２８、２１０が互いに接合されて合金接合層を形成した場合、接合層１２８、２１０は純粋な金属か、表１に記載された化学組成の１つである金属合金になることができる。

本発明の実施形態で使用可能な熱可塑性高分子の例示的リストを表２で示す。

本発明の実施形態に係る、接合層１２８、２１０は、均一の厚さで形成され、特定の組成に応じた種々の適切な方法により成膜可能である。例えば、はんだ組成物は、スパッタリング、電子ビーム（Ｅビーム）蒸着による成膜、又はシード層を用いためっき処理により、均一な厚さを得ることができる。

ここで図３Ａ、図３Ｂを参照すると、成長用基板１０１及びキャリア基板２０１は、熱及び／又は圧力下で接合可能である。図３Ｂは、図１Ｌのパターン形成された構造体と図２Ａのパターン形成されていない構造体との接合を説明しているが、この説明は一例であり、本発明の実施形態に係る、図１Ａ〜図１Ｌ及び図２Ａ〜２Ｅのどのような組合せも考慮されると認識するべきである。更に、成長用基板１０１及びキャリア基板２０１は、接合層１２８、又は２１０の一層だけを利用して互いに接合することができる。

一実施形態では、図３Ａ、図３Ｂに示す基板の接合中に、導電接合層１２８が導電接合層２１０に、又は逆に導電接合層２１０が導電接合層１２８に拡散して、層１２８、２１０を合金接合層に変換することができる。上記のように、得られた接合層の機能の１つは、マイクロｐ−ｎダイオードを含むマイクロＬＥＤ構造体をキャリア基板上の定位置に保持することであるが、マイクロＬＥＤ構造体がいつでもリリース可能な媒体も提供している。いくつかの実施形態では、導電接合層１２８、２１０の一方が、３５０℃より高い、更に詳細には２００℃より高い溶融温度、つまり液相線温度を持つ材料で形成されるが、得られた合金接合層は、マイクロＬＥＤをピックアップすることができる媒体を提供するために、３５０℃以下、更に詳細には２００℃以下の溶融温度、つまり液相線温度を持つことを特徴とする。したがって、接合層１２８と接合層２１０とが相互拡散して所望の合金濃度を達成するために、特定の組成物及び厚さを持つ導電接合層１２８、２１０が形成される。一実施形態では、液体状態と固体状態の２相の平衡を経過することなく、特定の組成及び温度で共晶合金が直接固体状態から液体状態に変換する、共晶合金接合を達成するために、接合層１２８及び接合層２１０の組成物及び厚さが選択される。

本発明の実施形態に係る、接合層１２８、２１０により作られた接合界面は、接合層２１０を単独で使用する接合界面よりも強くすることができる。接合界面強度を増やせば、例えば以下より詳細に述べる成長用基板１０１を除去する間に、システムの構造的完全性が補強される。例えば、レーザリフトオフ技術を使用して成長用基板を除去する場合、システムは加熱され機械的な衝撃の波を受ける。そのため、成長用基板１０１とキャリア基板２０１との間の層間剥離がおこり、ｐ−ｎダイオード層１１０にクラックが生じる可能性が生じる。本発明の実施形態に係る、接合層１２８、２１０の共晶接合は、そのような層間剥離を防止する強い接合界面を生成することができるので、それによりｐ−ｎダイオード層１１０の完全性を維持することができる。

図４Ａは、本発明の一実施形態に係る、モル分量で表した銀−インジウム（Ａｇ−Ｉｎ）二元状態図である。重ね合わせられた垂直線と水平線は、２００℃（４７３°Ｋ）の液相線温度を持つＡｇ−Ｉｎ合金接合層の例の場合、合金が０．９３モルのＩｎと０．０７モルのＡｇを含むということを示す。Ａｇの分子量が１０７．８６８２ｇ／モルで密度が１０．４９ｇ／ｃｃ、Ｉｎの分子量が１１４．８１８ｇ／モルで密度が７．３１ｇ／ｃｃと仮定すると、導電接合層１２８、２１０の相対的な厚さは、合金接合層中にＡｇ−Ｉｎの完全相互拡散を仮定することにより決定することができる。例えば、厚さが１．５μｍのＩｎ導電接合層２１０は、最大７４０オングストロームの厚さまでＡｇ導電接合層１２８と相互拡散することができ、溶融温度が２００℃の合金接合層を形成する。別の例では、厚さが２．０μｍのＩｎ導電接合層２１０が、最大９８６オングストロームの厚さまでＡｇ導電接合層１２８と相互拡散することができ、溶融温度が２００℃の合金接合層を形成する。こうして、この例では、導電接合層１２８の厚さは、導電接合層２１０の厚さの５％以下になる。この特定の実施形態は、より低い融点温度材料（Ｉｎ、１５６．７℃）を含む接合層２１０と、より高い融点温度材料（Ａｇ、９６２℃）と、を含む接合層１２８について記載しているが、より高い融点温度材料を含む接合層２１０と、より低い融点温度材料と、を含む接合層１２８という反対の構成でも可能である。

導電接合層２１０材料（例えば、Ｉｎ）内に導電接合層１２８の材料（例えば、Ａｇ）を均一に拡散したプロファイルは、室温と得られる合金の液相線温度との間の温度プロファイルを利用して実現できる。相互拡散が起こるために、接合操作は接合層１２８、２１０の液相線温度の低い方の温度より高い温度で行うことができる。例えば、導電接合層１２８がＡｇで形成され、導電接合層２１０がＩｎ（液相線温度は１５６．７℃）で形成される場合、接合温度プロファイルは、合金接合層内の一定濃度共晶濃度を生成するために、十分な長さの時間約１６０℃で積層構造を保持することを含めることもできる。しかし、濃度が一定である必要はないし、接合層の上面（接合層１２８の以前の箇所）の方が合金接合層の底面よりもＡｇ濃度が高い、濃度の傾斜が合金接合層内に残る可能性がある。

二元Ａｇ−Ｉｎ合金接合層システムの特定の例を述べたが、本発明の実施形態はＡｇ−Ｉｎ合金接合システムのみに限定するものでなく、他の適切なシステム、例えばこれに限定しないが、表１に記載された組成物に基づくシステムも得られることが理解される。例えば、表１に掲載した合金接合システムの他にも、本発明の一実施形態に係る、図４Ｂ、図４Ｃに示すモル分量で表した二元状態図に基づいた、Ａｕ−ＩｎとＡｌ−Ｉｎ合金接合システムが得られる。

図５Ａは、成長用基板１０１とキャリア基板２０１を接合する前の、様々な非限定的に考えられる構造を並べて表示した断面側面図である。図５Ｂは、成長用基板１０１とキャリア基板２０１を接合した後、様々な非限定的に考えられる構造を並べて表示した断面側面図である。表３に基板の特定の組合せを記載する。例えば、図５Ａに示した特定の実施形態の例Ａは、図２Ａに示すキャリア基板を図１Ｇに示す成長用基板に接合したものを示す。以下の記述は、導電接合層１２８と導電接合層２１０を合金接合して、合金接合層２１１を形成することに関する。本発明の実施形態は合金接合に限定しないこと、代表的な接合層は溶融接合層、又は上記の他の接合層でもよいことを理解するべきである。

更に図５Ｂを参照すると、例示した実施形態の特徴の１つは、キャリア基板２０１スタックに接合された成長用基板１０１スタックの形状が、接合操作中に合金接合層２１１に埋め込まれている（又は浮き出されている）ということである。例えば、反射金属スタック１２０の真下の電気的絶縁層１２６を含む形状が合金接合層２１１に埋め込まれている（又は浮き出されている）。これは、均一な高さを持つマイクロＬＥＤ構造体のアレイを形成するのを支援することができる。けれども、本発明のいくつかの実施形態は、そのようなことは要求していないし、接合プロセス中に形状が合金接合層２１１に埋め込まれている（又は浮き出されている）ということも要求していない。

例示した実施形態の別の特徴としては、電気的絶縁層１２６がｐ−ｎダイオード層１１０と下部の金属層（例えば、粘着層１２９、合金接合層２１１、粘着層２０８）との間の物理的なバリアになっていることである。このため、電気的絶縁層１２６は、ｐ−ｎダイオード層１１０に続いて形成されたマイクロｐ−ｎダイオードの底面に沿って金属汚染に対するバリアになっている。図５Ｂの例Ｂ、Ｃ、Ｇ、Ｈを参照すると、他の顕著な特徴は、接合操作中に導電接合層１２８と接触しない導電接合層２１０の部分は、合金接合層２１１に含まれないことである。また、他の顕著な特徴は、必要ではないが、接合層１２８及び粘着層１２９、並びに接合層２１０は、接合しようとしている箇所にのみ存在するように、接合する前にパターン形成することができるということ。

ここで図６を参照すると、成長用基板１０１は、接合された構造から除去されている。成長用基板１０１は、化学的エッチング法、又はこの成長用基板が透明であれば、エキシマレーザに基づくリフトオフ（ＬＬＯ）などの適切な方法で除去できる。一実施形態では、透明なサファイア成長用基板１０１からのＧａＮ ｐ−ｎダイオード層１１０のＬＬＯは、紫外線レーザ、例えば、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、又は、ＫｒＦエキシマレーザからの短パルス（例えば、数十ナノ秒）を透明なサファイア成長用基板１０１を貫いて１０１／１１０層界面を照射することで実現される。界面でのＧａＮ ｐ−ｎダイオード層１１０の吸収が、界面の局所化された加熱をもたらし、これにより、界面のＧａＮにおける液体Ｇａ金属及び窒素ガスへの分解が発生する。所望の領域が照射されたら、透明なサファイア基板１０１は、ホットプレートの上でＧａを再溶融することで除去できる。

本発明のいくつかの実施形態によれば、接合層１２８と接合層２１０とを共晶合金接合すると、接合界面強度が増加し、成長用基板１０１を除去する際、例えば、成長用基板が熱と機械的衝撃の波動を受けるレーザリフトオフの際、システムの構造のより一層の完全性を提供できる。接合界面強度が増加すれば、成長用基板を除去する際に発生する層間剥離から保護することができ、それによりｐ−ｎダイオード層１１０の完全性を維持することができる。

ここで図７を参照すると、ｐ−ｎダイオード層１１０が、望ましい厚さまで薄化加工されている。図１Ａの拡大ｐ−ｎダイオード層１１０に再度戻ると、薄化加工後に動作可能なｐ−ｎダイオードが残留するよう、所定量のバルク状ＧａＮ層１１２（ｎ型でよい）、又はｎ型ＧａＮ層１１４の一部分を除去する。下部の構造体に応じ、薄化加工プロセスは、研磨、ウェットエッチング処理、又はドライエッチング処理などの適切な方法を用いて実施できる。例えば、研磨、及び／又は、所望の厚さまでの時限エッチングの併用が実行可能である。ピラーのようなパターン形成された下部の構造体が存在する状況では、このパターン形成された構造体の損傷を防止するため、所望の厚さまでの時限エッチングが実施可能である。

ここで図８Ａを参照すると、ｐ−ｎダイオード層１１０をエッチングして分離されたマイクロｐ−ｎダイオード１５０を形成するために、薄化加工したｐ−ｎダイオード層１１０上にパターン形成したマスク層１４０を形成することができる。マスク層１４０は、フォトレジストやフォトレジストよりもＧａＮエッチング条件に対して耐性の高い、金属（例えば、クロム、ニッケル）、又は誘電体（窒化ケイ素、酸化ケイ素）のような様々な材料から作ることができる。ＧａＮｐ−ｎダイオード層１１０のエッチングは、反応性イオンエッチング、（ＲＩＥ）、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）、化学支援イオンビームエッチング（ＣＡＩＢＥ）のような、ドライプラズマエッチング技術を利用して行うことができる。エッチングの化学物質は、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃、又はＳｉＣｌ₄のような化学種を含んだハロゲンベースでもよい。

例示したように、電気的絶縁層１２６は、ガリウム窒素ｐ−ｎダイオード層１１０をエッチング中はエッチング停止層として働く。その結果、電気的絶縁層はマイクロｐ−ｎダイオード１５０の側壁１５３と、その中にある量子井戸構造と、を、下にある導電合金接合層２１１、そしてもし存在すれば粘着層１２９と２０８による汚染から保護する。例えば、ドライプラズマエッチングの化学物質は、被覆された導電合金接合層２１１、又は接着層１２９と２０８からの金属ではなく、電気的絶縁層１２６（例えば、ＳｉＯ₂）に出会うので、金属によるｐ−ｎダイオード１５０の側壁上への再スパッタリングは排除される。

図８Ａで説明した特定の実施形態では、マイクロｐ−ｎダイオード層１５０は、外側に向かって１５°まで先細形状の側壁１５３（マイクロｐ−ｎダイオード層１５０の最上部から底部まで）を有し得る。例えば、塩素系エッチング化学物質を用いたＲＩＥを利用できる。あるいは、側壁１５３は垂直でもよい。例えば、垂直側壁を得るために、塩素系化学物質を用いるＩＣＰ−ＲＩＥが利用できる。図１６の説明で明らかとなるように、ピックアップされた後、転写先基板に転写される一連のマイクロＬＥＤ構造体の上方に共通接触部を形成する際、いくつかの実施形態では、外側に向かって先細形状の側壁は有利となることがある。一実施形態では、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の間のピッチは、５μｍ、１０μｍ、又はこれよりも大きなサイズが可能である。例えば、ピッチが５μｍのマイクロｐ−ｎダイオード１５０アレイは、２μｍ間隔を空けた３μｍ幅のマイクロｐ−ｎダイオードから形成できる。ピッチが１０μｍのマイクロｐ−ｎダイオード１５０アレイは、２μｍ間隔を空けた８μｍ幅のマイクロｐ−ｎダイオードから形成できる。ｐ−ｎダイオード層１１０をエッチング処理して複数の分割されたマイクロｐ−ｎダイオード１５０が完成すると、パターン形成したマスク層１４０を除去することができ、図８Ｂに示すように複数のマイクロｐ−ｎダイオード１５０の最上面１５２が露出する。あるいは、パターン形成したマスク層１４０は後で除去することもできる。

ここで図８Ｃを参照すると、電気的絶縁層１２６がパターン形成されて、マイクロＬＥＤ構造体のアレイの反射金属スタック１２０を横方向に取り囲む、電気的絶縁スペーサ１２７を形成する。電気的絶縁スペーサ１２７はまた、分離反射金属スタック１２０の側壁の一部分に広がり、分離反射金属スタック内の反射鏡層を、反射鏡層の色が変わり、反射鏡層の反射特性に影響する可能性がある酸化から保護することができる。例えば、銀（Ａｇ）層は、反射金属スタック内の反射鏡層として利用することができる。

一実施形態では、もし除去されていなければ、パターン形成したマスク層１４０を、電気的絶縁層１２６をエッチバックして横方向に分離された電気的絶縁スペーサ１２７を形成する操作と同時に除去することが可能である。あるいは、エッチング液の選択性が電気的絶縁層１２６とパターン形成したマスク層１４０とで異なると、図９Ａ、図９Ｂについて説明するように、パターン形成したマスク層１４０はマイクロｐ−ｎダイオード１５０に残って、共形誘電バリア層内に接触開口部を形成するのに利用することができる。

更に図８Ｃを参照すると、マイクロＬＥＤアレイは、キャリア基板２０１、キャリア基板上の合金接合層２１１（横方向に分離されていても、されていなくてもよい）の複数の箇所、及び合金接合層２１１の複数の箇所の上方にあるそれぞれの複数の分離されたマイクロｐ−ｎダイオード１５０を含む。複数の分離された反射金属スタック１２０は、それぞれの複数の分離されたマイクロｐ−ｎダイオード１５０と合金接合層２１１の複数の箇所との間に形成される。複数の電気的絶縁スペーサ１２７が、複数の分離反射金属スタック１２０の側壁を横方向に取り囲み、それに広がっている。この複数の電気的絶縁スペーサ１２７は、それぞれの複数の反射金属スタック１２０の底面の一部分に広がっていてもよい。複数の電気的絶縁スペーサ１２７は、それぞれの複数のマイクロｐ−ｎダイオード１５０の底面の一部分に広がっていてもよい。いくつかの実施形態では、実施例Ｂ〜Ｄ及び実施例Ｇ〜Ｉで図示するように、キャリア基板はそれぞれ複数のピラー２０２を含み、そのピラーの上に、合金接合層２１１の横方向に分離された箇所が形成される。

いくつかの実施形態では、マイクロｐ−ｎダイオード１５０は、最上面１５２及び底面１５１を含み、反射金属スタック１２０は、最上面及び底面を含み、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の底面１５１は、反射金属スタック１２０の最上面よりも広い。いくつかの実施形態では、複数のマイクロｐ−ｎダイオード１５０それぞれは、対応する複数のピラー２０２それぞれの最上面とほぼ同じ幅を有する底面１５１を含む。他の実施形態では、複数のマイクロｐ−ｎダイオード１５０はそれぞれ、複数のピラー２０２それぞれの最上面よりも広い底面１５１を含む。マイクロｐ−ｎダイオード１５０の底面の幅と、その下のピラー２０２の最上面との関係が、ピックアップ工程に影響する場合がある。例えば、合金接合層２１１がピックアップ工程中に固体から液体までの相転移を示す場合、マイクロｐ−ｎダイオード１５０は本質的に液体層上に浮いている。液体の合金接合層２１１における表面張力が、マイクロｐ−ｎダイオード１５０をピラー２０２の上の定位置に維持する。特に、ピラー２０２の最上面の幅がｐ−ｎダイオード１５０の底面の幅よりも狭い、又はほぼ同じである場合、ピラー２０２の最上面の縁部に関連する表面張力によって、マイクロｐ−ｎダイオード１５０を定位置に維持することがより容易にできる。

いくつかの実施形態では、複数のマイクロｐ−ｎダイオード１５０は、パターン形成されていない合金接合層２１１の上方に配置される。例えば、実施例Ａ及び実施例Ｆで説明するように、合金接合層２１１は、キャリア基板上の均一層でよく、更に、合金接合層２１１の対応する複数の箇所は、互いに横方向に分離されていない。他の実施形態では、複数のマイクロｐ−ｎダイオード１５０は、パターン形成された接合層２１１の上方に配置される。例えば、実施例Ｂ〜実施例Ｅ及び実施例Ｇ〜実施例Ｊで説明するように、パターン形成された合金接合層は、接合層２１１の複数の横方向に分離された箇所を含み得る。一実施形態では、複数のマイクロｐ−ｎダイオード１５０はそれぞれ、合金接合層２１１の複数の横方向に分離された箇所について対応する最上面とほぼ同じである、又はこれより広い幅を有する底部表面１５１を含む。

前述のように、合金接合層は、ピックアップ工程中のマイクロＬＥＤ構造体と転写ヘッドとの接触に関連する圧縮力を吸収できる。これにより、合金接合層は、圧縮力を吸収して、横方向に膨張できる。各マイクロＬＥＤ構造体を、例えば、２μｍのような僅かな間隔距離を持たせてパターン形成する場合、ピックアップ工程中に隣接するマイクロＬＥＤ構造体を阻害しないために、各マイクロＬＥＤ構造体から横方向に突出する合金接合層の量を抑えるものとする。トレンチ２０６がポスト２０２間に配置される特定の実施形態では、トレンチは、隣接するマイクロＬＥＤ構造体を阻害せずに溶融した（合金）接合層が流れ込める（合金）接合層のタンクの役割を果たすことができる。

いくつかの実施形態では、図８ＣのマイクロＬＥＤ構造体は、ピックアップして、例えば図２０でより詳細を説明する転写ヘッド３００を用いて転写先基板に転写できるように準備されている。他の実施形態では、ピックアップし転写先基板に転写する前に、マイクロｐ−ｎダイオード１５０のいずれかのアレイから、薄い共形誘電バリア層を形成できる。ここで図９Ａ〜図１０Ｃを参照すると、薄い共形誘電バリア層１６０を、図８Ｃのマイクロｐ−ｎダイオード１５０のいずれかのアレイの上方に形成可能である。一実施形態では、薄い共形誘電バリア層１６０は、ピックアッププロセス中に隣り合ったマイクロｐ−ｎダイオード１５０間のアーク放電から保護可能であり、これにより、隣り合ったマイクロｐ−ｎダイオード１５０は、ピックアッププロセス中におけるダイオード同士の密着から保護される。更に、薄い共形誘電バリア層１６０は、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の側壁１５３、量子井戸層１１６、及び底面１５１を、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の完全性に影響をもたらす恐れのある汚染から保護可能である。例えば、薄い共形誘電バリア層１６０は、キャリア基板からマイクロデバイスをピックアップして、転写先基板の上にマイクロデバイスをリリースする間などのその後の温度サイクル（特に、接合層材料２１０／２１１の液相線温度、つまり溶融温度より高い温度で）中に、接合層材料２１０（又は合金接合層２１１）がマイクロｐ−ｎダイオード１５０の側壁及び量子層１１６へウィッキングすることに対する物理的バリアとして機能可能である。更に、薄い共形誘電バリア層１６０は、転写先基板上に配置した後でマイクロｐ−ｎダイオード１５０を防護できる。一実施形態では、薄い共形誘電バリア層１６０は、約５０〜６００オングストロームの厚さのアルミニウム酸化物（Ａｌ₂Ｏ₃）である。共形誘電バリア層１６０は、限定されないが、例えば、原子層堆積法（ＡＬＤ）のような種々の適切な方法で成膜可能である。

ここで図９Ａ、図９Ｂを参照すると、薄い共形誘電バリア層１６０は、パターン形成したマスク層１４０がまだ除去されていない、図８Ｃのマイクロｐ−ｎダイオード１５０のいずれのアレイの上でも形成することができる。薄い共形誘電バリア層１６０は、マイクロｐ−ｎダイオード１５０のいずれかのアレイの上方に形成可能であり、マスク層１４０の露出面、並びに、ｐ−ｎダイオード１５０の側壁１５３及び底面１５１に共形であり、全体に広がる。共形誘電バリア層１６０は、電気的絶縁スペーサ１２７、合金接合層２１１の露出面、並びに、粘着層１２９が存在すれば、これの露出面全体にも広がる。そして、マスク層１４０は、その上に形成される薄い共形誘電バリア層１６０の一部分をリフトオフ技術でリフトオフしながら、除去されて、接触開口部１６２を含む図９Ｂにおいて説明する構造が得られる。図９Ｂで説明する特定の実施形態では、共形誘電バリア層１６０は、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の最上面１５２上に形成されない。

図１０Ａ〜図１０Ｃを参照すると、薄い共形誘電体層は、更に、図８Ｃのマイクロｐ−ｎダイオード１５０のアレイの上方に形成し、その後、パターン形成を行って接触開口部１６２を生成可能である。図１０Ａで説明したように、薄い共形誘電バリア層１６０は、マイクロｐ−ｎダイオード１５０のいずれかのアレイの上方に形成可能であり、ｐ−ｎダイオード１５０の露出した最上面及び側壁と共形であり、並びに、これら全体に広がる。更に、誘電バリア層１６０は、ｐ−ｎダイオード１５０の露出底面、電気的絶縁スペーサ１２７の露出表面及び合金接合層２１１の露出表面、並びに存在する場合、接着層１２９の露出表面にも、全体に広がってもよい。そして、ブランケットフォトレジスト層を、ｐ−ｎダイオード・アレイ、及びキャリア基板２０１の上方に形成してから、パターン形成して、各マイクロｐ−ｎダイオード１５０の上方に開口部を形成可能である。更に、薄い共形誘電バリア層１６０をエッチング処理して、各マイクロｐ−ｎダイオード１５０の最上面上に接触開口部１６２を形成できる。接触開口部１６２は、パターン形成されたフォトレジストの除去後の図１０Ｂ〜図１０Ｃに図示されている。図１０Ｂで説明するように、接触開口部１６２には、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の最上面よりも僅かに広い幅を有することができる。図１０Ｂで図示する実施形態では、接触開口部１６２は、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の最上面、及びマイクロｐ−ｎダイオード１５０の側壁の上部を露出するが、誘電バリア層１６０は、量子井戸層１１６を覆い、防護する。図１０Ｃで示すように、接触開口部１６２は、マイクロｐ−ｎダイオード１５００の最上面よりも僅かに狭い幅を有することができる。幅の差分は、フォトレジストのパターン形成における位置決め公差のための調整によるものであってよい。これにより、共形誘電バリア層１６０は、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の最上面及び側壁の周囲にリップ部を形成できる。図１０Ｃの例Ａからの典型的なマイクロＬＥＤ構造体のアレイを図１１に示す。

図１２Ａ〜図１２Ｂは、本発明の一実施形態に係るキャリア基板２０１及びマイクロＬＥＤ構造体アレイについて説明する平面図及び断面側面図である。図示の特定の実施形態において、アレイは、図１１のマイクロＬＥＤ構造体から生成されている。だが、図１２Ａ〜図１２Ｂは、例示目的であり、マイクロＬＥＤ構造体アレイは、前述のマイクロＬＥＤ構造体アレイのいずれからも形成できることを、理解するべきである。図１２Ａで説明する実施形態では、各マイクロｐ−ｎダイオード１５０は、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の最上面及び底面、並びに、最上面と底面との間に広がる先細形状の側壁、の種々の幅に対応する種々の半径、又は、幅を有する１組の同心円として示している。図１２Ｂで説明する実施形態では、各マイクロｐ−ｎダイオード１５０は、先細、又は、角を丸めた１組の同心状正方形として示しており、各正方形は、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の最上面及び底面、並びに、最上面と底面との間に広がる先細形状の側壁の種々の幅に対応した別々の幅を有する。だが、本発明の実施形態は、先細形状の側壁を必要とせず、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の最上面及び底面は、同じ直径、又は、幅で、並びに、垂直な側壁を有してもよい。図１２Ａ〜図１２Ｂで示すように、マイクロＬＥＤ構造体アレイは、ピッチ（Ｐ）、各マイクロＬＥＤ構造体同士の間隔（Ｓ）、及び各マイクロＬＥＤ構造体の最大幅（Ｗ）を有するものとして、記載されている。明瞭さ及び簡潔さのために、この平面図では、ｘ次元のみを点線で示しているが、同様のｙ次元も存在すると理解されたい。ｙ次元には、同じ、又は異なる寸法値を持たせてもよい。図１２Ａ〜図１２Ｂで示した特定の実施形態では、ｘ次元及びｙ次元の値は、この平面図において同一である。一実施形態では、マイクロＬＥＤ構造体アレイは、ピッチ（Ｐ）が１０μｍでよく、各マイクロＬＥＤ構造体は、間隔（Ｓ）が２μｍであり、最大幅（Ｗ）が８μｍでよい。別の実施形態では、マイクロＬＥＤ構造体アレイは、ピッチ（Ｐ）が５μｍでよく、各マイクロＬＥＤ構造体は、間隔（Ｓ）が２μｍであり、最大幅（Ｗ）が３μｍでよい。だが、本発明の実施形態は、これらの限定的な寸法に制限されず、適切な任意の寸法も利用可能である。

マイクロＬＥＤ構造体を転写先基板に転写する方法に関する実施形態を、図１３において説明する。このような実施形態では、マイクロＬＥＤ構造体アレイを上に配置したキャリア基板を提供している。上記のように、各々のマイクロＬＥＤ構造体は、マイクロｐ−ｎダイオードと、マイクロｐ−ｎダイオードの底面の下側の反射金属スタックと、反射金属スタックの側壁の部分を横方向に取り囲み、それに広がる電気的絶縁スペーサと、を含み、反射金属スタックは、マイクロｐ−ｎダイオードとキャリア基板上の接合層との間にある。上述のように、接合層は単一接合層でも、合金接合層でも、溶融接合層でもよい。電気的絶縁スペーサは、任意選択で、反射金属スタックの底面の一部分に広がってもよく、及び／又はマイクロｐ−ｎダイオードの底面の一部分に広がってもよい。共形誘電バリア層は、任意選択で、マイクロｐ−ｎダイオードの側壁に広がってもよい。共形誘電バリア層は、追加で、分離された各マイクロｐ−ｎダイオードの底面の一部分に広がることができる。操作１３１０で、少なくとも１つのマイクロＬＥＤ構造体の接合層において、相転移を発生させる。例えば、この相転移は、接合層を形成する材料の融点、又は、液相線温度よりも高い温度で接合層を加熱する工程に関連してもよい。次に、操作１３２０で、マイクロｐ−ｎダイオード、反射金属スタック、電気的絶縁スペーサ、任意選択で、少なくとも１つのマイクロＬＥＤ構造体における共形誘電バリア層の一部分、任意選択で接合層の一部分が、転写ヘッドでピックアップされてから、操作１３３０で転写先基板上に配置される。

実施形態に係る操作１３２０に関する一般的な説明を、図１４において提供する。この操作では、転写ヘッド３００が、マイクロｐ−ｎダイオード１５０、反射金属スタック１２０、電気的絶縁スペーサ１２７、少なくとも１つのマイクロＬＥＤ構造体における共形誘電バリア層１６０の一部分、及び合金接合層２１１の一部分をピックアップする。ピックアップされた例ＡのマイクロＬＥＤ構造体は、図示している他の典型的なマイクロＬＥＤ構造体と比べて、わずかに大きくしている。図示の特定の実施形態では、共形誘電バリア層２６０を形成したが、他の実施形態では、共形誘電バリア層が存在しないこともある。いくつかの実施形態では合金接合層２１１の約半分などの合金接合層２１１の一部分を、マイクロＬＥＤ構造体と共にリフトオフ可能である。例Ａのマイクロｐ−ｎダイオード１５０を含む特定のマイクロＬＥＤ構造体について説明しているが、本明細書で述べたマイクロｐ−ｎダイオード１５０のいずれを含むマイクロＬＥＤ構造体のいずれかを、ピックアップ可能であることを理解されたい。更に、図１４で説明する実施形態は、１つのマイクロＬＥＤ構造体をピックアップする転写ヘッド３００を示しているが、他の実施形態では、転写ヘッド３００又は複数の転写ヘッド３００は、一群のマイクロＬＥＤ構造体をピックアップ可能である。

更に、図１４を参照すると、図示の特定の実施形態では、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の底面は、反射金属スタック１２０の最上面よりも広く、共形誘電バリア層１６０は、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の側壁、マイクロｐ−ｎダイオードの底面１５０の一部分に広がる。一態様において、マイクロｐ−ｎダイオード１５０より下方を覆う共形誘電バリア層１６０の一部は、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の側壁上の共形誘電バリア層１６０を転写ヘッド３００によるピックアップ操作中のチッピング、又は、破断から保護する。電気的絶縁スペーサ１２７又は合金接合層２１１に隣接し、とりわけ、隅部及び鋭角を成す位置にある共形誘電バリア層１６０内で、応力点が発生し得る。マイクロＬＥＤ構造体と転写ヘッド３００との接触時、及び／又は、合金接合層中の相転移の発生時に、これらの応力点は、共形誘電バリア層１６０における自然な切断点となり、ここから共形誘電体層が切断できる。一実施形態では、マイクロＬＥＤ構造体と転写ヘッドとの接触、及び／又は、合金接合層における相転移の発生の後に、共形誘電バリア層１６０が、この自然な切断点で切断される。この切断は、マイクロｐ−ｎダイオード及び反射金属スタックのピックアップの前又はその最中に起こりうる。前述のように、液体状態では、マイクロＬＥＤと転写ヘッドとの接触に関連する圧縮力に反応して、合金接合層は、下部の構造体の上方に平滑化可能である。一実施形態では、マイクロＬＥＤ構造体と転写ヘッドとの接触後、合金接合層中に相転移が発生する前に、転写ヘッドはマイクロＬＥＤ構造体の最上面を摩擦する。摩擦することにより、転写ヘッド、又は、マイクロＬＥＤ構造体いずれかの接触面上に存在しうる任意の小片を取り除くことがある。更に、摩擦することにより、圧力を共形誘電バリア層に伝達することができる。したがって、転写ヘッド３００から共形誘電バリア層１６０までの圧力の伝達、及び合金接合層の液相線温度より高温での合金接合層の加熱は共に、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の下側で共形誘電バリア層１６０を切断することに寄与し、マイクロＬＥＤ構造体及び量子井戸層の完全性を維持できる。

一実施形態では、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の底面は反射金属スタック１２０の上面よりも広く、共形誘電バリア層１６０がマイクロｐ−ｎダイオード１５０の底面上に生成されるスペースができる程度まで、電気的絶縁スペーサ１２７はマイクロｐ−ｎダイオードの底面の下でエッチバックされて、切断点を形成する。だが、この距離は、リソグラフィーの公差によっても決められる。一実施形態では、マイクロｐ−ｎダイオード１５０のそれぞれの側の０．２５μｍから１μｍまでの距離は、厚さが５０オングストロームから６００オングストロームまでの共形誘電バリア層１６０に適合する。

図１４の例Ａに示す特定の実施形態では、パターン形成されていない薄い粘着層１２９も、粘着層１２９の一部分がマイクロＬＥＤ構造体と共にピックアップされた状態で、切断される。電気的絶縁スペーサ１２９、又は合金接合層２１１に隣接する粘着層１２９内にも、応力点が生成され得る。マイクロＬＥＤ構造体と転写ヘッド３００との接触時、及び／又は、合金接合層中の相転移の発生時に、これらの応力点は、粘着層１２９における自然な切断点となり、ここから粘着層が切断できる。一実施形態では、マイクロＬＥＤ構造体と転写ヘッドとの接触、及び／又は、合金接合層における相転移の発生の後に、粘着層１２９がこの自然な切断点で切断される。この切断は、マイクロｐ−ｎダイオード及び反射金属スタックのピックアップの前、又はその最中に起こりうる。他の実施形態では、例Ｃ〜例Ｅ、例Ｈ〜例Ｊなどの、パターン形成された粘着層１２９は、切断されることなしに、マイクロＬＥＤ構造体と共にピックアップされ得る。

本発明の実施形態に係るピックアップ及び配置操作１３２０、１３３０を支援するために、種々の適切な転写ヘッドを利用できる。例えば、マイクロＬＥＤ構造体をピックアップするために、転写ヘッド３００は、真空、磁力、粘着、又は、静電気原理に従って、ピックアップ圧力をマイクロＬＥＤ構造体にもたらし得る。

図１５は、本発明の実施形態に係る複数のマイクロＬＥＤ構造体を配置した転写先基板４００について説明する図である。例えば、転写先基板は、限定されないが、ディスプレイ基板、照明基板、トランジスタなどの機能デバイスを備えた基板、又は、金属再配線付き基板が可能である。図示の特定の実施形態において、ドライバ接触部４１０の上方に、各マイクロＬＥＤ構造体を配置できる。次に、共通の接触線４２０を、一連のマイクロｐ−ｎダイオード１５０の上方に形成可能である。図示のように、マイクロｐ−ｎダイオード１５０の先細形状の側壁は、連続した接触線を形成し易くする形状を提供することができる。一実施形態では、共通の接触線４２０を、一連の赤色発光、緑色発光、又は、青色発光マイクロＬＥＤの上方に形成できる。特定の実施形態では、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明接触材料から、共通の接触線４２０を形成できるであろう。一実施形態では、複数のマイクロＬＥＤを、赤色発光マイクロＬＥＤ、緑色発光マイクロＬＥＤ及び青色発光マイクロＬＥＤを含む３つのＬＥＤからなるピクセル群に配列できる。

一実施形態では、ｐ−ｎダイオード１５０は、厚さが約０．１μｍ〜３μｍの最上部のｎ型層１１４、厚さが約０．３μｍ未満の量子井戸層１１６（ＳＱＷ、又は、ＭＱＷでよい）、並びに、厚さが約０．１μｍ〜１μｍの下部のｐ型層１１８を、含むことができる。一実施形態では、最上部のｎ型層１１４は、厚さが０．１μｍ〜６μｍでよい（前述のバルク層１１２を含めるか、又は、置き換えてもよい）。特定の実施形態では、ｐ−ｎダイオード１５０は、厚さが３μｍ未満で、幅が１０μｍ未満でよい。

図１６は、本発明の一実施形態に係るマイクロデバイスのアレイの製造方法を示すフローチャートである。操作１６００では、３５０℃以下、更に詳細には、２００℃以下の液相線温度を有する、中間導電接合層により、第１基板スタックが第２基板スタックに接合される。中間接合層は、図４Ｃに関するアルミニウムと同様に、上述の表１に記載した材料のいずれからでも形成することができる。例えば、中間接合層は、純金属層、又は合金接合層であってもよい。一実施形態では、中間接合層は、インジウム又は錫を含んでおり、インジウムベース又は錫ベースはんだ材料でもよい。中間導電接合層は更に、ビスマス、銀、金、ガリウム、亜鉛、銅、アルミニウム、鉛、カドミウムなどの構成要素も含むことができる。

一実施形態では、中間導電接合層は、第１の基板スタックの第１の導電接合層を、第２の基板スタックの第２の導電接合層に接合することにより形成される。例えば、同じ材料で形成する場合は、第１の導電接合層と第２の導電接合層を溶融接合することにより、これを実現することができる。第１の導電接合層を、異なる材料で形成された第２の導電接合層に合金接合することにより、中間導電接合層を形成することもできる。そのような場合には、接合層の組成物及び厚さを制御して、中間導電接合層の所望の液相線温度を達成することができる。第１の導電接合層を第２の導電接合層に接合することには、この２つの導電接合層を、２つの導電接合層のうちの１つの液相線温度以上に高温で、２つの導電接合層を保持することも含む。

操作１６１０では、第１の基板スタックのアクティブデバイス層がパターン形成され、複数のマイクロデバイスが形成される。図１Ａ〜図１２Ｂに関して説明したように、マイクロＬＥＤデバイスを形成するために、アクティブデバイス層は量子井戸層はもちろん、ｐ−ｎダイオード層を含むことができる。複数のマイクロデバイスを形成した後で、操作１６２０にて、中間導電接合層の領域が、その液相線温度以上に加熱される。例えば、加熱には下にある基板、及び／又は転写ヘッドからの熱の伝達を含むことができる。転写ヘッドにより、複数のマイクロデバイスの少なくとも１つが中間導電接合層の一部と共にピックアップされる。一実施形態では、中間導電接合層の大部分がピックアップされる。

図１７は、本発明の一実施形態に係る、受容導電接合層４１２及び接触パッド４１０を有する転写先基板４００を示す断面側面図である。図示のように、転写ヘッド３００は、マイクロデバイス及び合金接合層２１１として示す中間導電接合層の大部分をピックアップする。操作１６４０にて、マイクロデバイス及び、中間導電接合層２１１の部分は、転写先基板上の導電受容接合層４１２上に置かれる。ここで図１８を参照すると、操作１６５０にて、中間導電接合層が導電受容接合層に接合され、１５０℃より高い液相線温度を持つ永久合金接合層４２０を形成する。マイクロデバイスは図示のように、転写ヘッド３００によりリリースされる。本発明の実施形態に係る、永久合金接合層４２０の液相線温度は、制御回路のフリップチップ接続又は保護封止などの後処理パッケージング操作に、十分耐えうるものである。そのようなプロセスは、最大２００℃、或いは更に２５０℃の温度で行なう可能性がある。したがって、一実施形態では、永久合金接合層の液相線温度は２００℃より高く、或いは更に２５０℃である。

導電受容接合層４１２は、中間導電接合層２１１よりも高い液相線温度を持つことができる。一実施形態では、中間導電接合層２１１はインジウム、又は錫ベースの材料であり、導電受容接合層４１２は、銀又は金のような液相線温度がより高い材料である。一実施形態では、永久合金接合層４２０は、後処理パッケージング操作に耐え、耐久性のあるデバイスを提供するために、中間導電接合層２１１よりも高い液相線温度を持つ。

導電受容接合層４１２及びマイクロデバイスによりピックアップされた中間導電接合層２１１の部分の、厚さ及び組成物は制御されて、永久合金接合層４２０内で所望の合金濃度を達成する。本発明の実施形態に係る、接合層２１１、４１２により作られた接合界面は、単独の接合層を使用する接合界面よりも強くすることができる。接合界面強度が増加すれば、後処理中及び所望の使用中に、マイクロデバイスに対して構造上の完全性を更に持たせることができる。

本発明の実施形態では、分離された導電受容接合層４１２から永久合金接合層４２０を形成することを説明しているが、実施形態はそれには限定しない。一実施形態では、中間導電接合層２１１が、コンタクト４１０の一部分を有する永久合金接合層４２０を形成しているが、コンタクトは金属でもよい。別の実施形態では、コンタクト４１０は、インジウム−錫酸化物のような導電非金属材料である。例えば、インジウム、又はインジウム合金中間導電接合層２１１は、インジウム−錫酸化物コンタクト４１０を有する粘着接合を形成し、インジウム−錫酸化物に拡散することができる。

一実施形態では、中間導電接合層２１１を導電受容接合層４１２に接合することは、中間導電接合層２１１及び導電受容接合層４１２を、中間導電接合層２１１の液相線温度より高い高温で保持することも含み得る。中間導電接合層２１１を導電受容接合層４１２に接合することは、転写ヘッド３００を用いて中間導電接合層に熱を伝えることも含むことができる。

特定の実施形態では、中間導電接合層の相当な部分が、対応するマイクロデバイスと共に転写先基板上へリリースされている。そのような実施形態では、相当な部分は、永久合金接合層を形成する際に、受容導電接合層の液相線温度を変化させるのに十分な量の中間導電接合層に対応することができる。他の実施形態では、相当な部分は、転写先基板への接合に影響を及ぼす顕著な量に対応することができる。

図１６〜図１８は、単一のマイクロデバイスの転写を説明しているが、この方法はマイクロデバイスのアレイの転写についても適用できる。例えば、操作１６２０は、中間導電接合層の複数の領域を加熱して、液相線温度以上にすることを含んでもよい。操作１６３０は、対応する複数のマイクロデバイス、及び対応する中間導電接合層の複数の領域を、対応する複数の転写ヘッドでピックアップすることを含んでもよい。操作１６４０は、複数のマイクロデバイス、及び中間接合層の複数の部分を、転写先基板上の導電受容接合層の対応する複数の位置の上に配置することを含んでもよい。操作１６５０は、中間導電接合層の複数の部分を、導電受容接合層の対応する複数の位置に接合して、１５０℃より高い、更に詳細には２００℃より高い又は２５０℃より高い液相線温度を持つ対応する複数の永久合金接合層を形成することを含んでもよい。

別の態様では、本発明の実施形態は、転写ヘッドのアレイで、事前に製作したマイクロデバイスのアレイを大量に転写する方法を説明している。対応するマイクロＬＥＤデバイスのアレイのピッチの整数倍に合致する転写ヘッドのアレイを含む転写ツールを使用して、マイクロＬＥＤデバイスのアレイをピックアップして、転写先基板に転写させることができる。このようにして、マイクロディスプレイから大面積ディスプレイに至るどのような寸法の基板でも含む、異種統合システムに、マイクロＬＥＤデバイスを統合して組み立てることが、しかも、高速な転写速度でできる。例えば、１ｃｍ四方のマイクロデバイスの転写ヘッドは、１０万個を超えるマイクロデバイスをピックアップして転写することができ、マイクロデバイスの転写ヘッドのアレイが更に大きければ、更に多くのマイクロデバイスを転写することができる。更に、転写ヘッドのアレイ内の各転写ヘッドは、独立に制御することも可能であり、それによりマイクロデバイスを選択的にピックアップしてリリースすることができる。

特定の理論に限定せずに、本発明の実施形態は、反対の極性の電荷の引力を使用してマイクロデバイスをピックアップする静電グリッパの原理に従って動作する、マイクロデバイスの転写ヘッド及びヘッドのアレイについて説明している。本発明の実施形態に係る、マイクロデバイスにグリップ力を発生させてマイクロデバイスをピックアップするために、マイクロデバイス転写ヘッドに、引き込み電圧が印加される。グリップ力は荷電プレート面積に比例するので、圧力として計算できる。理想的な静電理論によれば、単極電極と導電基板との間の非導電誘電体層は、パスカル（Ｐａ）単位で式（１）に示すグリップ圧力を生成する。
Ｐ＝［ε_o／２］［Ｖε_r／ｄ］²−−−−−（１）
ここで、ε_o＝８．８５．１０^-12、Ｖはボルト（Ｖ）単位の電極−基板間の電圧、ε_rは誘電定数、ｄはメートル（ｍ）単位の誘電体の厚さを示す。２つのグリップ電極を使用する２極型グリッパでは、上記式の電圧（Ｖ）は、電極Ａと電極Ｂとの間の半分の電圧になる［Ｖ_A−Ｖ_B］／２。基板の電位は、平均電位［Ｖ_A＝Ｖ_B］／２が中心となる。この平均値は、通常Ｖ_A＝［−Ｖ_B］の場合はゼロになる。

別の態様では、本発明の実施形態は、特定の処理及び取り扱い操作中にはキャリア基板上でマイクロデバイスを保持することができ、相転移が起こると、その上で引き続きマイクロデバイスを保持し、ピックアップ操作中にいつでもリリース可能な媒体を提供する、接合層を説明している。例えば、接合層がピックアップ操作前、又は操作中に、固体から液体状態へ相転移するように、接合層は再溶融、つまりリフローすることができるものでもよい。液体状態では、接合層はキャリア基板上にマイクロデバイスを保持しているが、マイクロデバイスをいつでもリリースできる媒体も提供している。特定の理論に限定されずに、キャリア基板からマイクロデバイスをピックアップするのに必要なグリップ圧力を決定する場合は、グリップ圧力はマイクロデバイスをキャリア基板に保持する力を超える必要があり、それは限定はしないが、表面張力、毛細管力、粘性効果、弾性復元力、ファンデルワース力、摩擦力、及び重力を含むことができる。

本発明のいくつかの実施形態に係る、マイクロデバイスの寸法がある範囲よりも小さくなると、マイクロデバイスをキャリア基板に保持する液体接合層の表面張力が、マイクロデバイスを保持する他の力よりも支配的になる。図１９Ａは、１５６．７℃の融点温度で、５６０ｍＮ／ｍの表面張力を有する液体インジウム（Ｉｎ）接合層を仮定して、様々な寸法のマイクロデバイスをピックアップするために、表面張力に打ち勝つのに必要な圧力を示す、モデル解析により得られた一実施形態のグラフを示す。例えば、図１９Ａを参照すると、例として示す１０μｍ角の幅のマイクロデバイスは、１５６．７℃の融点温度で、５６０ｍＮ／ｍの表面張力を有するインジウム接合層により、約０．２２ＭＰａ（２．２気圧（ａｔｍ））の表面張力圧力でキャリア基板上に保持される。この圧力は、例として示す１０μｍ角、高さ３μｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）片に対して約０．１８Ｐａ（１．８×１０^-6ａｔｍ）となる重力による圧力よりも顕著に大きい。

ピックアップ操作中は、表面張力及び粘性効果は、絶えず変化する。図１９Ｂは、溶融インジウム（Ｉｎ）接合層でキャリア基板上に保持された、例として示す１０μｍ角幅のマイクロデバイスのピックアップ操作中に生じる増加中のギャップの距離と、表面張力との関係を示すモデル解析により得られた、一実施形態を示すグラフである。図１９Ｂに参照するｘ軸に沿ったギャップの距離は、マイクロデバイスの底とキャリア基板との間の距離であり、Ｉｎ接合層の溶融していない時の厚さに相当する２μｍで始まる。図１９Ｂに示すように、ｙ軸に沿った０．２２Ｍｐａ（２．２ａｔｍ）の表面張力圧力は、ピックアップ操作開始時のグリップ圧力よりも最初は遥かに大きい。その後、マイクロデバイスがキャリア基板から持ち上げられるにつれ、表面張力は急速に低下する。マイクロデバイスがキャリア基板から更に持ち上げられると、表面張力は横這いになる。

図１９Ｃは、溶融インジウム（Ｉｎ）接合層でキャリア基板上に保持された、例示の１０μｍ角のマイクロデバイスに対して、様々な引張り速度でピックアップ操作中に生じる、粘性力圧力（ａｔｍ）と増大するギャップ寸法（μｍ）との関係を示す、モデル解析により得られた一実施形態を示すグラフである。図１９Ｃに示すギャップ寸法は、マイクロデバイスの底とキャリア基板間の距離であり、Ｉｎ接合層の溶融していない時の厚さに相当する２μｍで始まる。図示のように、粘性力圧力は０．１ｍｍ／ｓなどの持ち上げ速度が遅い時よりも１，０００ｍｍ／ｓなどの持ち上げ速度が速い時の方が、顕著である。それでも、図１９Ｃに例として示す持ち上げ速度を使用した粘性効果から生成された圧力は、図１９Ｂに示す発生した表面張力圧力よりも顕著に小さい。このことは、ピックアップ操作中に発生するグリップ圧力が打ち勝つ必要がある主要な圧力は、表面張力圧力であるということを示唆している。

サイズ（ｇ）のエアーギャップが、マイクロデバイス転写ヘッドの誘電体層とマイクロデバイスの一番上の導電表面との間にある場合、グリップ圧力は式（２）になる。
Ｐ＝［ε_o／２］［Ｖε_r／（ｄ＋ε_rｇ）］²−−−−−（２）

エアーギャップが存在する原因としては、限定はしないが、粒子汚染、反り、転写ヘッド又はマイクロデバイスのいずれかの表面の調整不良、マイクロデバイスの一番上の導電表面の周囲の共形誘電バリア層のリップ部などの、転写ヘッド又はマイクロデバイス上の追加層の存在、を含む様々なものが考えられる。一実施形態では、共形誘電バリア層のリップ部は、コンタクト開口部が形成されているところにエアーギャップを生成することと、リップ部が存在するところで転写ヘッドの誘電体層の実効的な厚さを増やすことの両方を生じ得る。

上記式（１）、式（２）からわかるように、マイクロデバイスの転写ヘッドと、ピックアップしようとするマイクロデバイスとの間にエアーギャップが存在しない場合は、低電圧が利用できる。けれども、エアーギャップが存在すると、空気の静電容量が誘電体層の静電容量と競合する、直列静電容量が現れる。マイクロデバイスの転写ヘッドのアレイのいずれかと、ピックアップしようとする対応するマイクロデバイスのアレイの間に存在する可能性がある、空気の静電容量を補償するためには、より高い動作電圧、より大きい誘電体材料の誘電定数、又はより薄い誘電体材料を使用して電界を最大化することができる。けれども、高電界の使用は、誘電破壊及びアーク放電が起こる可能性があるので制限がある。

図１９Ｄは、転写ヘッドがマイクロデバイスの一番上の導電表面から引き上げられる際に、増加するエアーギャップ寸法に対する転写ヘッドによってマイクロデバイスにもたらされるグリップ圧力を示す、モデル解析により得られた一実施形態のグラフを示す。異なる線は、電界を一定に保ちながら、転写ヘッド上のＴａ₂Ｏ₅誘電体層の厚さを０．５μｍと２．０μｍとの間の異なる厚さに変えたものに対応する。図示したように、エアーギャップ寸法が約１ｎｍ（０．００１μｍ）より小さい条件でも、いくつかの条件では、１０ｎｍ（０．０１μｍ）という大きい条件でも、グリップ圧力への目立った効果は見られない。けれども、条件を変えることにより、許容エアーギャップは増えたり減ったりするということは理解するべきである。したがって、本発明のいくつかの実施形態に係る、ピックアップ操作中に、一定量のエアーギャップの許容は可能であるので、マイクロデバイス転写ヘッドとマイクロデバイスの一番上の導電表面が実際に接触することが必要ではない場合もある。

ここで、キャリア基板からマイクロデバイスをピックアップするのに必要なグリップ圧力が、マイクロデバイスをキャリア基板上に保持する圧力の合計（並びにエアーギャップによるあらゆる圧力低下）を越えると仮定すると、このグリップ圧力方程式を解くことにより、動作電圧、マイクロデバイス転写ヘッド内の誘電体材料の誘電定数及び誘電体の厚さの間の相互関係を導くことができる。明確にするために、エアーギャップの距離をゼロとすると、モノポーラ電極に対して下式が得られる。
ｓｑｒｔ（Ｐ^*２／ε_o）＝Ｖε_r／ｄ−−−−−（３）

本発明の一実施形態に係る、グリップ圧力、電圧、誘電定数、誘電体の厚さの相互依存性を示すために、所望のグリップ圧力が０．２０ＭＰａ（２ａｔｍ）及び２．０３ＭＰａ（２０ａｔｍ）で、誘電体材料がＡｌ₂Ｏ₃及びＴａ₂Ｏ₅で、動作電圧が２５Ｖと３００Ｖとの間の場合の誘電体厚さの計算値の範囲の例を表４に示す。提供された誘電定数は近似値であり、形成方法により数値が変わることは理解するべきである。

グリップ圧力は、誘電体厚さの２乗の逆数に比例するので、表４の誘電体厚さの計算値は、設定した動作電圧で必要なギャップ圧力を達成するために形成できる、厚さの最大値を表す。表４に記載した厚さよりも薄い場合は、設定した動作電圧でグリップ圧力が高くなるが、厚さが薄いと誘電体層に印加される電界が大きくなり、短絡を起こさずに印加された電界に持ちこたえられる十分な誘電強度を有する誘電体材料が必要となる。表４に記載されたグリップ圧力、電圧、誘電定数、誘電体の厚さの数値は、例を示すものであり、本発明の実施形態に係るマイクロデバイス転写ヘッドの動作領域の根拠を提供するためのものであることを理解するべきである。表４に記載されたグリップ圧力、電圧、誘電定数、誘電体の厚さの数値の関係は、理想的な静電原理に従って示されているものであり、本発明の実施形態はそれによる制限は受けない。

図２０は、本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤ構造体をピックアップするために、静電原理に従って動作する、２極型マイクロデバイス転写ヘッド及びヘッドアレイを説明する断面側面図である。図示のように、マイクロデバイス転写ヘッド３００は、ベース基板３０２と、最上面３０８及び側壁３０６を持つメサ構造体３０４と、メサ構造体３０４の上に形成され、最上面３０９及び側壁３０７を含む任意のパッシベーション層３１０と、メサ構造体３０４（及び、任意選択のパッシベーション層３１０）上に形成された一対の電極３１６Ａ及び３１６Ｂと、電極３１６Ａ及び３１６Ｂを覆う最上面３２１を有する誘電体層３２０と、を含むことができる。ベース基板３０２は、構造担持を提供可能とするシリコン、セラミックス、及び高分子などの種々の材料から形成できる。一実施形態では、ベース基板は１０³と１０¹⁸Ω−ｃｍとの間の導電率を有する。ベース基板３０２は、マイクロデバイス転写ヘッド３００を静電グリッパ装置の運転電子機器に接続する配線（図示せず）を、更に含むことが可能である。

メサ構造体３０４は、ピックアップ操作中に特定のマイクロデバイスをピックアップするために、局所的接触点を提供できるようにするため、ベース基板から突き出る断面形状を生成する。一実施形態では、メサ構造体３０４は、約１μｍから５μｍの、更に詳細には、約２μｍの高さを持つ。メサ構造体３０４の特定寸法は、ピックアップしようとするマイクロデバイスの特定の寸法、並びにメサ構造体上に形成される全ての層の厚さに依存することがある。一実施形態では、ベース基板３０２上のメサ構造体３０４のアレイの高さ、幅、平面性がベース基板全体で均一なので、各マイクロデバイス転写ヘッド３００はピックアップ操作中に、各対応するマイクロデバイスと接触することができる。一実施形態では、各マイクロデバイス転写ヘッドの最上面３２１全体の幅が、対応するマイクロデバイスアレイ内の各マイクロデバイス最上面の幅よりも、わずかに大きいか、殆ど同じか、小さくなるので、ピックアップ操作中は、転送ヘッドは、意図する対応するマイクロデバイスに隣接するマイクロデバイスと意図しない接触をすることがない。

メサ構造体３０４は、平面でもよい最上面３０８、及び側壁３０６を備える。一実施形態では、側壁３０６は、例えば最大１０°の先細形状でもよい。側壁３０６を先細形状にすると、電極３１６及び電極リード３１４を形成する際に便利になる。パッシベーション層３１０は、気相成長法（ＣＶＤ）、スパッタリング、又は原子層堆積法（ＡＬＤ）のなどの適切な技術により成膜させることができる。一実施形態では、パッシベーション層３１０は、限定はしないが、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、又は五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）などの、厚さが０．５μｍ〜２μｍの酸化物でもよい。電極３１６Ａ、３１６Ｂは単一層でも多層でもよい。金属、金属合金、高融点金属、及び高融点金属合金を含む様々な導電材料を使用して、電極３１６Ａ、３１６Ｂを形成することができる。一実施形態では、電極３１６Ａ、３１６Ｂは最大５，０００オングストローム（０．５μｍ）の厚さを持つ。一実施形態では、電極３１６Ａ、３１６Ｂは、プラチナなどの融点の高い金属、すなわち高融点金属、又は高融点金属合金を含む。例えば、電極３１６Ａ、３１６Ｂは、プラチナ、チタン、ヴァナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジン、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、及びその合金を含んでもよい。高融点金属及び高融点金属合金は、普通は他の金属よりも高い耐熱性及び耐摩耗性を示す。一実施形態では、電極３１６Ａ、３１６Ｂは約５００オングストローム（０．０５μｍ）の厚さを持つチタニウムタングステン（ＴｉＷ）高融点金属合金である。

誘電体層３２０は、マイクロデバイス転写ヘッド３００に必要なグリップ圧力を達成するための適切な厚さ及び誘電定数と、動作電圧で破壊が起きないような誘電強度と、を備える。誘電体層は、単一層でも多層でもよい。一実施形態では、誘電体層は０．５μｍ〜２．０μｍの厚さであるが、この厚さは転写ヘッド３００及び下部のメサ構造体３０４の特定のトポグラフィにほぼ依存する。適切な誘電体材料は、限定しないが、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）及び五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）を含むことができる。上記表４に戻ると、２２Ｖ／μｍから７１Ｖ／μｍの電界（電圧を誘電体厚さで除して得られる）を印加したＡｌ₂Ｏ₃の誘電体層と、９Ｖ／μｍから２８Ｖ／μｍの電界を印加したＴａ₂Ｏ₅の誘電体層が記載されている。本発明の実施形態に係る、操作中に転写ヘッドの短絡を避けるために、誘電体層３２０は印加電界の強度よりも大きい誘電強度を備える。誘電体層３２０は、気相成長法（ＣＶＤ）、又は原子層堆積法（ＡＬＤ）、スパッタリングなどの物理的気相成長法（ＰＶＤ）などの適切な技術により成膜することができる。誘電体層３２０は、成膜してからアニールすることができる。一実施形態では、誘電体層３２０は少なくとも４００Ｖ／μｍの誘電強度を持つ。誘電強度がそのように高ければ、表４に例示する厚さの計算値よりも薄い誘電体層を使用することができる。ＡＬＤなどの技術を使用して、均一で、等角の、高密度の、そして又はピンホールがない誘電体層を、高い誘電強度を持たせて成膜させることができる。多層構造を利用してそのようなピンホールのない誘電体層３２０を達成することもできる。異なった誘電材料を持つ多層構造を利用して、誘電体層３２０を形成することもできる。一実施形態では、下部の電極３１６Ａ、３１６Ｂは、誘電体層の成膜温度を選択する際に制限要素にはならないようにするため、誘電体層材料の成膜温度以上の融点を持つプラチナ、高融点金属、又は高融点金属合金を含む。

図２１〜図３７に対応する以下の説明は、マイクロＬＥＤ及びマイクロＬＥＤデバイスのアレイをピックアップする様々な方法を説明する。特定のマイクロＬＥＤデバイスが説明され、図２１〜図３７で図示されるが、マイクロＬＥＤデバイスは、図１〜図１５に関して上記で以前に図示し、説明したマイクロデバイス構造体のいずれかであることができることを理解するべきである。更に、図２１〜図３７に対応した以下の説明では、接合層２２０に対して参照する。以下の説明及び図２１〜図３７では、接合層２２０は、図１〜１８に関して接合層２１０、溶融接合の接合層、合金接合層２１１、及び中間接合層をさすことを理解するべきである。

図２１は、本発明の一実施形態に係るキャリア基板から転写先基板に、マイクロデバイスをピックアップして転写する方法を示すフローチャートである。操作２１１０では、転写ヘッドが、キャリア基板に接続されたマイクロデバイスの上に配置される。転写ヘッドは、メサ構造体、メサ構造体上の電極、及び上記のいくつかの実施形態で説明したように、電極を覆う誘電体層で構成することができる。次に操作２１２０にて、マイクロデバイスは転写ヘッドと接触する。一実施形態では、マイクロデバイスは、転写ヘッドの誘電体層３２０と接触する。代替の実施形態では、グリップ圧力には顕著に大きな影響を与えない、両者を分離する適切なエアーギャップ、例えば１ｎｍ（０．００１μｍ）又は１０ｎｍ（０．０１μｍ）、を有するマイクロデバイス上に、転写ヘッドが配置される。操作２１３０では、電極に電圧が印加され、マイクロデバイス上にグリップ圧力が生成され、操作２１４０にて、マイクロデバイスは転写ヘッドによりピックアップされる。操作２１５０では、マイクロデバイスは転写先基板上にリリースされる。

図２１により、操作２１１０〜操作２１５０を順番に説明してきたが、実施形態はそれには限定されず、操作を追加して行うこともできるし、特定の操作は異なる順番で行うこともできるということは理解するべきである。例えば、一実施形態では、マイクロデバイスが転写ヘッドと接触した後で、転写ヘッドかマイクロデバイスかどちらかの接触表面上にある可能性がある、任意の粒子も除去するために、転写ヘッドはマイクロデバイスの最上面全体で摩擦される。別の実施形態では、マイクロデバイスをピックアップする前、又はピックアップ中に、マイクロデバイスをキャリア基板に接続する接合層内で相転移を生成させる操作が行われる。もし接合層の一部分がマイクロデバイスと共にピックアップされると、その後のプロセスで接合層の部分の相を制御する操作が追加される。

電極に電圧を印加してマイクロデバイス上にグリップ圧力を生成するという操作２１３０は、順番を色々変えて行うことができる。例えば、マイクロデバイスが転写ヘッドと接触する前、マイクロデバイスが転写ヘッドと接触中、又はマイクロデバイスが転写ヘッドと接触後に、電圧を印加することができる。電圧は、接合層内で相転移が生成される前、生成中、生成後にも印加することができる。

転写ヘッドが２極型電極を含む場合には、ピックアップ圧力を生成するために、ある特定の時点で、負の電圧が電極３１６Ａに印加された時は、正の電圧が電極３１６Ｂに印加されるように、又正の電圧が電極３１６Ａに印加された時は、負の電圧が電極３１６Ｂに印加されるように、交流電圧が１対の電極３１６Ａと３１６Ｂに印加される。マイクロデバイスを転写ヘッドからリリースするのは、電源をオフにする、電極対に印加される電圧を下げる、交流電圧の波形を変える、及び電源を接地することを含む、様々な方法で実現される。

図２２は、本発明の一実施形態に係る、マイクロデバイスのアレイをピックアップして、キャリア基板から少なくとも１つの転写先基板に移行させる方法を示すフローチャートである。操作２２１０では、転写ヘッドのアレイがマイクロデバイスのアレイの上に置かれる。各転写ヘッドは、メサ構造体、メサ構造体の上の電極、及び電極を覆う誘電体層を備える。操作２２２０では、マイクロデバイスのアレイが転写ヘッドのアレイと接触する。代替の実施形態では、転写ヘッドのアレイがマイクロデバイスのアレイの上に配置され、グリップ圧力にはあまり顕著に影響を与えない、両者を分離する適切なエアーギャップ、例えば１ｎｍ（０．００１μｍ）又は１０ｎｍ（０．０１μｍ）を有する。図２３は、本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤデバイス１００のアレイと接触するマイクロデバイス転写ヘッド３００のアレイを示す側面図である。図２３に示すように、転写ヘッド３００のアレイのピッチ（Ｐ）は、マイクロＬＥＤデバイス１００のピッチと一致している。ここで、転写ヘッドのアレイのピッチ（Ｐ）とは、転写ヘッド間の間隔（Ｓ）と転写ヘッドの幅（Ｗ）との和である。

一実施形態では、マイクロＬＥＤデバイス１００のアレイは１０μｍのピッチを有し、各マイクロＬＥＤデバイスは２μｍの間隔及び８μｍの最大幅を有する。例示的実施形態では、真っ直ぐな側壁を有するマイクロｐ−ｎダイオード１５０を仮定すると、各マイクロＬＥＤデバイス１００の最上面は幅が約８μｍとなる。そのような例示的実施形態では、対応する転写ヘッド３００の最上面３２１（図２０参照）の幅は、隣接するマイクロＬＥＤデバイスと意図しない接触しないように、約８μｍ以下である。別の実施形態では、マイクロＬＥＤデバイス１００のアレイは、５μｍのピッチを有し、各マイクロＬＥＤデバイスは２μｍの間隔及び３μｍの最大幅を持つ。例示的実施形態では、各マイクロＬＥＤデバイス１００の最上面は約３μｍの幅を持つ。そのような例示的実施形態では、対応する転写ヘッド３００の最上面３２１の幅は、隣接するマイクロＬＥＤデバイス１００と意図しない接触しないように、３μｍ以下である。だが、本発明の実施形態は、これらの限定的な寸法に制限されず、適切な任意の寸法も利用可能である。例えば、転写ヘッド３００の最上面３２１は、マイクロＬＥＤデバイス１００の最上面よりもわずかに大きく、図１２Ａ、図１２Ｂに関して記載したマイクロＬＥＤアレイのピッチ（Ｐ）よりも小さい。

図２４は、本発明の一実施形態に係る、マイクロＬＥＤデバイス１００のアレイと接触するマイクロデバイス転写ヘッドのアレイを示す側面図である。図２４に示す実施形態では、転送ヘッドのピッチ（Ｐ）は、マイクロデバイスのアレイのピッチの整数倍になっている。説明する特定の実施形態では、転写ヘッドのピッチ（Ｐ）は、マイクロＬＥＤデバイスのアレイのピッチの３倍である。そのような実施形態では、転写ヘッドのピッチが大きければ、転写ヘッド間のアーク放電から保護することができる。

再度図２２を参照すると、操作２２３０にて、転写ヘッド１００のアレイの一部分に電圧が選択的に印加される。したがって、各転写ヘッド３００を独立して操作することができる。操作２２４０では、電圧が選択的に印加された転写ヘッドのアレイの部分に対応する、マイクロデバイスのアレイの部分がピックアップされる。一実施形態では、転写ヘッドのアレイの一部分に電圧を選択的に印加するということは、転写ヘッドのアレイ内の各転写ヘッドに電圧を印加することを意味する。図２５は、本発明の一実施形態に係る、マイクロＬＥＤデバイス１００のアレイをピックアップするマイクロデバイス転写ヘッドのアレイ内のすべての転写ヘッドを示す側面図である。別の実施形態では、転写ヘッドのアレイの一部分に電圧を選択的に印加するということは、転写ヘッドのアレイ内ですべての転写ヘッド（例えば、転写ヘッドのサブセット）に電圧を印加することを意味する。図２６は、本発明の一実施形態に係る、マイクロＬＥＤデバイス１００のアレイの一部分をピックアップする、マイクロデバイス転写ヘッドのアレイのサブセットを示す側面図である。図２５及び図２６に示す特定の実施形態では、ピックアップ操作は、マイクロＬＥＤデバイス１００のマイクロｐ−ｎダイオード１５０、反射金属スタック１２０、電気的絶縁スペーサ１２７、及び共形誘電バリア層１６０の一部分をピックアップすることを含む。図２５及び図２６に示す特定の実施形態では、ピックアップ操作は、接合層２２０の大部分をピックアップすることを含む。したがって、図２３〜図２８に関して説明した実施形態はいずれも、接合層２２０の部分の温度の制御も伴う。例えば、図２３〜図２８に関して説明した実施形態のいくつかは、マイクロデバイスのアレイをピックアップする前に、マイクロデバイスのアレイをキャリア基板２０１に接続する接合層の複数の箇所で、固体状態から液体状態への相変位を生成する操作を行うことを含んでもよい。一実施形態では、接合層の複数の箇所は同じ接合層の領域にあってもよい。一実施形態では、接合層の複数の箇所は、接合層の横方向に分離された箇所でもよい。

その後、操作２２５０では、マイクロデバイスのアレイの部分は、少なくとも１つの転写先基板の上へリリースされる。こうして、マイクロＬＥＤのアレイは、すべて１つの転写先基板上にリリースすることができるか、又は多数の基板上に選択的にリリースされることもできる。例えば、転写先基板は、限定はしないが、表示基板、照明基板、トランジスタ又はＩＣなどの機能デバイス付き基板、又は金属の再配分線付き基板であってもよい。リリースするのは、前記のように印加電圧を作用させて実現してもよい。

いくつかの実施形態に係る、図１６〜図１８で説明したのと同様に、リリースするのは、接合層２２０を導電受容接合層と合金接合して、永久合金接合層を形成することを伴ってもよい。特定の実施形態では、接合層２２０の大部分が、対応するマイクロＬＥＤデバイスと共に転写先基板上にリリースされる。そのような実施形態では、大部分が、永久合金接合層を形成する際に、中間導電接合層の液相線温度を変化させるのに十分な量の中間導電接合層に対応することができる。他の実施形態では、大部分が、転写先基板への接合に影響を及ぼす顕著な量に対応することができる。

図２７は、複数のドライバコンタクト４１０を含む転写先基板４００の上で、対応するマイクロＬＥＤデバイス１００のアレイを保持するマイクロデバイス転写ヘッドのアレイを示す側面図である。マイクロＬＥＤデバイス１００のアレイは、転写先基板と接触するように接地され、その後選択的にリリースすることができる。図２８は、本発明の実施形態に係る、ドライバコンタクト４１０の上の転写先基板４００上に選択的にリリースされた、単一のマイクロＬＥＤデバイス１００を示す側面図である。別の実施形態では、１つより多くのマイクロＬＥＤデバイス１００がリリースされるか、マイクロＬＥＤデバイス１００のアレイ全体がリリースされている。

図２９は、本発明の一実施形態に係るキャリア基板から転写先基板に、マイクロデバイスをピックアップして転写する方法を示すフローチャートである。明確にするために、図３０Ａ〜図３２Ｂに示す様々な構造構成と比較して図２９を説明するが、本発明の実施形態は制限されず、本明細書に関連する他の構造構成についても実行可能である。操作２９１０では、接合層に接続されているマイクロデバイスを搭載したキャリア基板を、接合層の液相線温度より低い温度まで任意選択的に加熱する。一実施形態では、キャリア基板は、接合層の液相線温度より低い１℃から１０℃の温度まで加熱されるが、それより低い、又はそれより高い温度も使用してもよい。キャリア基板からの熱は、キャリア基板から接合層に伝えられるが、接合層をほぼ同じ温度に保つこともできる。操作２９２０では、転写ヘッドを接合層の液相線温度より高い温度まで加熱する。例えば、転写ヘッドは接合層の液相線温度より高い１℃から１５０℃の温度、更に詳細には、１℃から５０℃の温度まで加熱されるが、更に高温にしてもよい。操作２５２９では、マイクロデバイスが転写ヘッドと接触して、熱が転写ヘッド３００から接合層２２０に伝えられる。その結果、操作２９３０では、接合層が少なくとも部分的に溶融する。代替として、操作２９２５で、マイクロデバイスが転写ヘッドと接触することができて、その後操作２９２０で転写ヘッドを接合層の液相線温度の温度より高い温度まで加熱すれば、熱が転写ヘッド３００から接合層２２０に伝えられて、操作２９３０で接合層が少なくとも部分的に溶融する。したがって、図２９及び図３３に示すフローチャートの操作の順番は、数字の順番の操作とは異なる順番で行うことができる、ということを理解するべきである。一実施形態では、液相線温度より高く加熱されているマイクロデバイスが、転写ヘッドと接触すると、接合層の十分な部分が急速に溶融する温度まで、転写ヘッド及びキャリア基板が加熱される。その結果、マイクロデバイスをキャリア基板に保持する表面張力に打ち勝つグリップ圧力を生成すると、マイクロデバイスを転写ヘッドによりピックアップすることができる。マイクロデバイスの寸法、ピックアップ速度、システムの熱伝導率は、その温度を決定する際の要因である。

図３０Ａは、本発明の一実施形態に係る、マイクロＬＥＤデバイス１００の直下の横方向に連続した接合層の、少なくとも部分的に溶融した箇所２１５を示す側面図である。図示のように、マイクロデバイス２００の直下にある接合層２２０の箇所２１５内の領域２０９は、領域２１１が液体状態にあることを示す暗い陰影付けで描かれているが、接合層２２０の明るく陰影付けした部分２１３は、固体状態にある。図３３Ａに示す特定の実施形態では、接合層２２０の領域２０９の局所溶融は、マイクロデバイス１００を搭載する基板２０１と、転写ヘッド３００を搭載する転写ヘッドアセンブリとを個別に加熱することにより実現できる。例えば、キャリア基板２０１は、オプションの加熱要素６０２（破線で示す）と、熱分配板６００とにより、接合層の液相線温度より低い１℃から１０℃の温度まで全体的に加熱される。転写ヘッドは、加熱要素５０２及び熱分配板５００により、接合層の液相線温度より高い１℃から１５０℃の温度、更に詳細には、１℃から１５０℃の温度まで加熱される。赤外線（ＩＲ）加熱ランプ、レーザ、抵抗加熱素子などの、別の方法でも加熱することができる。基板２０１を局所加熱することもできる。

図３０Ｂは、本発明の一実施形態に係る、マイクロＬＥＤデバイス１００の直下の横方向に連続した接合層の、少なくとも部分的に溶融した箇所を示す側面図である。図示のように、マイクロデバイス２００の直下にある接合層２２０の箇所は、領域２０９が液体状態にあることを示す暗い陰影付けで描かれている。図３０Ｂに示す特定の実施形態では、横方向に連続した接合層２２０の実質的に全てが液体状態２０９になる。これは、マイクロデバイス１００を搭載した基板２０１を、接合層２２０の液相線温度まで、又はそれより高い温度まで、例えば加熱素子６０２及び熱分配板６００により、全体加熱することより実現することができる。転写ヘッド３００を個別加熱する必要はない。

図３１Ａは、本発明の別の実施形態に係る、マイクロＬＥＤデバイス１００の直下の、少なくとも部分的に溶融した横方向に分離された接合層の箇所２１５を示す側面図である。図示のように、マイクロデバイス１００の直下にある接合層２２０の箇所２１５は、横方向に分離された箇所であり、転写ヘッド３００と接触しているマイクロＬＥＤデバイス１００の直下の接合層の横方向に分離された箇所２１５は、少なくとも部分的に溶融しており、陰影付けした領域２０９で示される。図３０Ａと同様に、接合層２２０の横方向に分離された箇所の領域２０９の局所溶融は、マイクロデバイス１００を搭載した基板２０１と、転写ヘッド３００を搭載した転写ヘッドアセンブリとを個別に加熱することによりにより実現できる。加熱要素６０２は、局所加熱用に任意選択でもよく、破線で示される。キャリア基板２０１もまた、局所加熱することもできる。

図３１Ｂは、本発明の一実施形態に係る接合層の少なくとも部分的に溶融して横方向に分離された、箇所を示す断面側面図である。図示のように、マイクロデバイス１００の下側にある接合層２２０の横方向に分離された箇所２１５は、領域２０９が液体状態にあることを示す暗い陰影付けで描かれている。図３１Ｂに示す特定の実施形態では、接合層２２０の各横方向に分離された箇所２１５の実質的に全ては溶融状態にあり、それは、マイクロデバイス１００を搭載した基板２０１を、接合層２２０の液相線温度以上まで、例えば加熱素子６０２及び熱分配板６００により、全体加熱することより実現することができる。転写ヘッド３００を個別加熱する必要はない。

図３２Ａは、本発明の一実施形態に係る、ポスト２０２上の接合層の少なくとも部分的に溶融した横方向に分離された箇所２１５を示す側面図である。図示のように、マイクロデバイス１００の下側にある接合層２２０の箇所２１５は、横方向に分離された位置であり、転写ヘッド３００と接触しているマイクロＬＥＤデバイス１００の下部の接合層の横方向に分離された箇所２１５は、少なくとも部分的に溶融しており、陰影付けした領域２０９で示される。例Ｂの図１０Ｃと同様に、接合層２２０は、合金接合層２１１の領域及び接合層２１０の領域を含むことができる。図３０Ａと同様に、接合層２２０の横方向に分離された箇所２１５の領域２０９の局所溶融は、マイクロデバイス１００を搭載した基板２０１、及び転写ヘッド３００を搭載した転写ヘッドアセンブリを個別に加熱するにより実現できる。加熱要素６０２は、局所加熱用の任意選択でもよく、破線で示される。キャリア基板２０１もまた、局所加熱することもできる。

図３２Ｂは、本発明の実施形態に係る、ポスト２０２上の接合層の少なくとも部分的に溶融した横方向に分離された箇所２１５を示す側面図である。図示のように、マイクロＬＥＤデバイス１００の下部の接合層２２０の横方向に分離された箇所は、領域２０９が液体状態であることを示す暗い陰影付けで表している。図３２Ｂに示す特定の実施形態では、接合層２２０の横方向に分離された各箇所２１５は溶融状態にあるが、それは、マイクロデバイス１００を搭載した基板２０１を、接合層２２０の液相線温度以上の温度で、例えば加熱素子６０２及び熱分配板６００により、全体加熱することより実現することができる。転写ヘッド３００を個別加熱する必要はない。

ここで再び図２９を参照すると、操作２９４０では、転写ヘッド３００内の電極３１６に電圧が印加され、マイクロデバイス１００にグリップ圧力が生成される。操作２９５０では、マイクロデバイスが転写ヘッドによりピックアップされる。上記のように、図２９及び図３３に示すフローチャート内の操作の順番は、連続して付けた数字とは異なる順番で行うことができる。例えば、転写ヘッドに電圧を印加して、マイクロデバイスにグリップ圧力を生成する操作２９４０は、連続操作の順番の前の方で行うことができる。一実施形態では、操作２９４５では、接合層２２０の大部分は、転写ヘッド３００でピックアップされる。例えば、接合層２２０の約半数は、マイクロデバイス１００によりピックアップされる。代替の実施形態では、接合層２２０は転写ヘッド３００でピックアップされない。操作２９５０では、マイクロデバイス、及び任意選択で接合層２２０の一部分は、転写先基板と接触して配置される。操作２９６０では、マイクロデバイス、並びに任意選択で接合層２２０の一部分及びお共形誘電バリア層１６０が、転写先基板上に移動される。

ピックアップしたり、転写したり、転写先基板と接触させたり、並びに転写先基板上にマイクロデバイス及び接合層２２０（又は、合金接合層２１１）の一部分をリリースする際、様々な操作を行って、接合層の部分の相を制御することができる。例えば、マイクロデバイスと共にピックアップした接合層の部分は、操作２９５０の接触中、そして操作２９６０のリリース中、液体状態に保つことができる。別の実施形態では、接合層の部分は、ピックアップされた後で固相になるまで冷却することができる。例えば、接合層の部分は、操作２９５０の接触中は固相状態で、操作２９６０のリリースの前、またはリリース中は、再び液相状態に溶融させることができる。本発明のいくつかの実施形態に係る、様々な温度及び材料で相サイクルを行うことができる。

図３０Ａのマイクロデバイスをピックアップし、転写し、転写先基板と接触させ、リリースする場合、接合層（又は、合金接合層）の部分の位相を制御することを、例示的実施形態について、図３３及び図３４〜図３７に示す構造構成に示された以下の方法により追加的に詳細に説明するが、本発明の実施形態は限定的ではなく、他の構造構成で実施することができる。操作３３１０では、接合層の複数の箇所に接続されるマイクロデバイスのアレイを搭載した基板が、接合層の液相線温度より低い温度まで任意選択で加熱される。キャリア基板からの熱は、キャリア基板から接合層に伝えられ、接合層をほぼ同じ温度に維持することもできる。操作３３２０では、転写ヘッドが、接合層の液相線温度より高い温度にまで加熱される。操作３３２５では、マイクロデバイスのアレイが、転写ヘッドのアレイと接触する。操作３３３０では、熱が転移ヘッド３００のアレイから接合層２２０の複数の箇所に伝えられ、接合層の複数の位置の部分を少なくとも部分的に溶融する。代替として、操作３３２５にてマイクロデバイスのアレイが転写ヘッドのアレイと接触することができると、その後の操作３３２０で、転写ヘッドのアレイが接合層の液相線温度より高い温度まで加熱され、その結果操作３３３０にて熱が転移ヘッド３００のアレイから接合層２２０の複数の箇所に伝えられ、接合層の複数の箇所の部分を少なくとも部分的に溶融する。したがって、図２９及び図３３に示すフローチャート内の操作は、数字の順番の操作とは異なる順番で実行することができる、ということを理解するべきである。

図３４は、本発明の一実施形態に係る、図３０ＡのマイクロＬＥＤデバイスのアレイと接触するマイクロデバイスの転写ヘッドのアレイを示す側面図であり、接合層２２０（又は、合金接合層２１１）の複数の箇所が、暗く陰影付けした領域２０９により示されるように、少なくとも部分的に溶融している。図３４に示す特定の実施形態では、接合層２２０の領域２０９の局所溶融は、マイクロデバイス１００と転写ヘッド３００のアレイを搭載したキャリア基板２０１を個別に加熱することにより実現することができる。例えば、図３０Ａに関して記載したように、キャリア基板２０１は、加熱要素６０２及び熱分配板６００により接合層の液相線温度より低い１℃〜１０℃の温度まで加熱することができ、転写ヘッド３００の基板アレイは、加熱要素５０２及び熱分配板５００により、接合層の液相線温度より高い１℃〜１５０℃の温度、更に詳細には、の１℃〜１５０℃まで加熱することができる。赤外線（ＩＲ）加熱ランプ、レーザ、抵抗加熱素子などの他の方法でも加熱することができる。キャリア基板２０１は局所加熱することもできる。

図３３を再度参照すると、その後操作３３４０では、転写ヘッド３００のアレイの一部分で電極１１６に、選択的に電圧が印加され、対応するマイクロデバイス１００のアレイにグリップ圧力が生成される。操作３３４５では、マイクロデバイス１００のアレイの対応する部分が、転写ヘッド３００のアレイの部分によりピックアップされる。上述のように、図２９及び図３３で説明したフローチャートの操作は、数字の順番とは異なる順番で行うことができる。例えば、転写ヘッドに電圧を印加して、マイクロデバイス上にグリップ圧力を生成するという操作３３４０は、操作の順番の前の方で行うことができる。一実施形態では、操作３３４５で接合層２２０の複数の箇所の大部分が、マイクロデバイス１００のアレイによりピックアップされる。例えば、接合層２２０の複数の位置のほぼ半分が、マイクロデバイス１００のアレイによりピックアップすることができる。代替の実施形態では、マイクロデバイス１００のアレイによりピックアップされる接合層２２０はない。図３５は、本発明の実施形態に係る、マイクロＬＥＤデバイス１００のアレイをピックアップする、マイクロデバイス転写ヘッド３００のアレイを示す側面図である。接合層の複数の箇所の大部分が、マイクロＬＥＤデバイス１００のアレイと共に液体状態２０９でピックアップされる。

操作３３５０では、マイクロデバイス１００のアレイの対応する部分、及び任意選択でピックアップされた接合層２２０の部分が、転写先基板と接触して配置される。接合層２２０は、基板と接触する時は、固体状態２１３か、液体状態２０９のどちらでもよい。操作３３６０では、マイクロデバイスのアレイの部分、及び任意選択でピックアップされた接合層の部分が、少なくとも１つの転写先基板上に選択的にリリースされる。こうして、マイクロデバイスのアレイは、全てが１つの転写先基板上にリリースすることも、又は多数の基板上に選択的に移動することもできる。転写先基板は、限定はしないが、表示基板、照明基板、トランジスタ又は集積回路（ＩＣ）などの機能素子を持つ基板、又は金属再分布ラインを有する基板でもよい。リリースは、電源をオフにする、電源を接地する、又は定電圧の極性を反転させることにより、実現することができる。

いくつかの実施形態に係る、図１６〜図１８について説明したのと同様に、接合層２２０と導電受容接合層が合金接合して、永久合金接合層を形成することに伴って、リリースすることも伴ってもよい。特定の実施形態では、接合層２２０の大部分が、対応するマイクロＬＥＤデバイスにより転写先基板上へリリースされる。そのような実施形態では、大部分が、永久合金接合層を形成する時に、導電受容接合層の液相線温度を変更するのに十分な量の接合層に対応している。他の実施形態では、大部分が、転写先基板への接合に影響する、顕著な量に対応している。

図３６は、本発明の実施形態に係る、複数のドライバコンタクト４１０を含む、転写先基板４００上に置かれたマイクロＬＥＤデバイスのアレイを有する、マイクロデバイス転写ヘッドのアレイを示す側面図である。ピックアップされた接合層の部分は、液体状態２０９になっている。図３７は、本発明の一実施形態に係る、ドライバコンタクト４１０を介して転写先基板４００上に選択的にリリースされた、マイクロＬＥＤデバイスのアレイを示す側面図である。別の実施形態では、単一マイクロＬＥＤデバイス１００、又はマイクロＬＥＤデバイス１００の一部分がリリースされている。マイクロＬＥＤデバイス１００が転写先基板４００上にリリースすると、接合層の対応部分は冷却されて固体状態２１３になることができる。

一実施形態では、転写先基板４００は接合層２２０の液相線温度より高い温度まで、又はより低い温度まで加熱可能で、転写プロセスを支援する。転写先基板４００は、局所加熱、又は全体加熱することもできる。一実施形態では、キャリア基板と同様に、転写先基板は加熱要素７０２及び熱分配板７００により、全体加熱される。赤外線（ＩＲ）加熱ランプ、レーザ、抵抗加熱素子などの、別の方法でも加熱することができる。一実施形態では、転写先基板４００の最上面の上に局所レーザが提供され、接合層、又は転写先基板を局所加熱することができる。別の実施形態では、転写先基板４００の底面の下に局所レーザが提供されているので、背面から接合層、又は転写先基板を局所加熱することもできる。例えばレーザにより、転写先基板４００が局所加熱されているところでは、接合層は液相線温度より低い温度、又はよりも高い温度にすることが実現できる。例えば、コンタクト４１０に隣接する転写先基板４００の局所領域は、接合層の液相線温度まで、又はより高い温度まで局所加熱されるので、容易に接合を行い、その後で冷却して接合を固体化することができる。同様に、転写先基板４００は、局所的に、若しくは全体が、接合層の液相線温度以下の高温状態を維持することができ、又は室温を保つこともできる。

転写先基板上のマイクロデバイス及び、接合層２２０の部分をピックアップし、転写し、転写先基板と接触させ、リリースする際に、接合層の部分の相を制御するために、様々な操作を行うことができる。例えば、マイクロデバイスによりピックアップされた接合層の部分は、接触操作３３５０中及び移動操作３３６０中に、液体状態に保つことができる。別の実施形態では、接合層の部分はピックアップされた後で、固相になるまで冷却することができる。例えば、接合層の部分は、操作３３５０の接触中は固相状態にでき、操作３３６０のリリース前、又はリリース中は、液体状態に再溶融することができる。本発明の実施形態に係る、様々な温度及び材料の相サイクルを行うことができる。

本発明の種々の態様を利用する際、ピックアップし転写先基板に転写するために準備されたマイクロＬＥＤ構造体アレイを形成するために、上記実施形態の組合せ又は変形形態が実施可能であることが当業者には明らかであろう。本発明を構造特徴及び／又は方法論に特定されるような言葉で論じてきたが、添付の特許請求の範囲内で定義される本発明は、記載した特定の特徴又は行為に限定されるとは限らないと理解されたい。開示した特定の機能及び行為は、本発明を説明する上で有用な請求項に係る発明に関するとりわけ適切な実施形態として理解されよう。

Claims (30)

1. マイクロＬＥＤアレイの形成方法であって
   接合層により第１の基板スタックを第２の基板スタックに接合する工程であって、
   前記第１の基板スタックが、
   前記第１の基板上に形成されたｐ−ｎダイオード層と、
   前記ｐ−ｎダイオード層上の複数の分離反射金属スタックと、前記ｐ−ｎダイオード層上の前記複数の分離反射金属スタック間の横方向のパターン形成された電気的絶縁層と、備える、工程と、
   前記第１の基板を除去する工程と、
   前記複数の分離反射金属スタック上に複数のマイクロｐ−ｎダイオードを形成するために、前記ｐ−ｎダイオード層を貫通してエッチング処理し、前記パターン形成された電気的絶縁層を前記複数のマイクロｐ−ｎダイオード間に横方向に露出させる工程と、を含む、方法。
2. 前記第１の基板スタックは、前記パターン形成された電気的絶縁層上の第１の導電接合層と、前記複数の分離反射金属スタックとを含み、前記第２の基板スタックは、第２の導電接合層を含み、
   前記第１の基板スタックを、前記第２の基板スタックに接合する工程は、前記第１の導電接合層を前記第２の導電接合層に接合して、合金接合層を形成することを更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の導電接合層及び前記第２の導電接合層のうちの１つが、３５０℃より低い液相線温度を有し、前記合金接合層は３５０℃より低い液相線温度を有する、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の導電接合層及び前記第２の導電接合層のうちの１つは、２００℃より低い液相線温度を持ち、前記合金接合層は２００℃より低い液相線温度を持つ、請求項２に記載の方法。
5. 前記第１の導電接合層及び前記第２の導電接合層のうちの１つは、インジウム及び錫からなる群から選択された材料を含む、請求項３に記載の方法。
6. 前記第１の導電接合層及び前記第２の導電接合層のうちの１つは、前記第１の導電接合層及び前記第２の導電接合層のうちの他の１つの厚さの５％以下の厚さを持つ、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１の導電接合層は、前記第１の導電接合層が前記第２の導電接合層と接触する箇所で、前記合金接合層に完全に取り込まれる、請求項２に記載の方法。
8. 前記第１の導電接合層を前記第２の導電接合層と接合する工程が、前記第１の導電接合層及び前記第２の導電接合層を、前記第１の導電接合層及び前記第２の導電接合層のうちの１つの液相線温度以上の高温度で、前記第１の導電接合層及び前記第２の導電接合層を維持する工程を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記ｐ−ｎダイオード層上で反射金属スタック層をパターン形成して、前記ｐ−ｎダイオード層上に、前記複数の分離反射金属スタックを形成する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記複数の分離反射金属スタック上に前記電気的絶縁層を成膜させる工程を更に含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記電気的絶縁層をパターン形成して、前記複数の分離反射金属スタックを露出する、複数の開口部を形成する工程を更に含む、請求項１０に記載の方法。
12. 第１の導電接合層を、前記パターン形成された電気的絶縁層と、前記複数の分離反射金属スタックとの上に成膜させる工程を更に含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ｐ−ｎダイオード層の前記エッチング処理工程を停止した後で、前記パターン形成された電気的絶縁層をエッチング処理して、前記複数のマイクロｐ−ｎダイオード各々の底面を露出する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記複数のマイクロｐ−ｎダイオードそれぞれの側面と前記底面上に共形誘電バリア層を成膜させる工程を更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記共形誘電バリア層は、前記マイクロｐ−ｎダイオード内の量子井戸層の側面を覆う、請求項１３に記載の方法。
16. 前記ｐ−ｎダイオード層をエッチング処理して前記複数のマイクロｐ−ｎダイオードを形成する工程は、プラズマエッチングを含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記複数のマイクロｐ−ｎダイオードそれぞれは、最上面、底面、及び先細形状の側壁を含み、前記底面は前記最上面よりも広い、請求項１６に記載の方法。
18. マイクロＬＥＤ構造体であって、
    マイクロｐ−ｎダイオードと、
    前記マイクロｐ−ｎダイオードの底面の下の反射金属スタックと、
    前記反射金属スタックの側壁の一部に広がり、前記反射金属スタックを横方向に取り囲む電気的絶縁スペーサと、を備え、
    前記反射金属スタックは、基板上に形成された前記マイクロｐ−ｎダイオードと接合層との間にあり、前記接合層は約３５０℃より低い液相線温度を有する、マイクロＬＥＤ構造体。
19. 前記電気的絶縁スペーサは、前記反射金属スタックの底面の一部分に広がる、請求項１８に記載のマイクロＬＥＤ構造体。
20. 前記電気的絶縁スペーサは、前記マイクロｐ−ｎダイオードの前記底面の一部分に広がる、請求項１９に記載のマイクロＬＥＤ構造体。
21. 前記マイクロｐ−ｎダイオードの側壁に広がり、前記マイクロｐ−ｎダイオードの前記底面に部分的に広がる共形誘電バリア層を更に備えた、請求項２０に記載のマイクロＬＥＤ構造体。
22. 前記接合層は、インジウム−銀（ＩｎＡｇ）合金を含む、請求項１８に記載のマイクロＬＥＤ構造体。
23. 前記接合層は、最上面と底面と銀濃度傾斜を持ち、前記銀は、前記接合層の前記最上面の方が前記底面よりも濃度が高い、請求項２２に記載のマイクロＬＥＤ構造体。
24. マイクロＬＥＤを転写先基板に転写する方法であって、
    転写ヘッドを、キャリア基板上に配置されたマイクロＬＥＤ構造体のアレイを持つ前記キャリア基板上に配置する工程であって、各マイクロＬＥＤ構造体が、
    マイクロｐ−ｎダイオードと、
    前記マイクロｐ−ｎダイオード底面の下の反射金属スタックと、
    前記反射金属スタックの側壁の一部部分に広がり、前記反射金属スタックを横方向に取り囲む電気的絶縁スペーサと、を含み、
    前記反射金属スタックは、前記マイクロｐ−ｎダイオードと前記キャリア基板上の接合層との間にある、配置する工程と、
    前記マイクロＬＥＤ構造体の少なくとも１つのために、前記接合層内で相転移を生成する操作を実行する工程と、
    転写ヘッドにより、前記マイクロＬＥＤ構造体のための前記マイクロｐ−ｎダイオードと、前記反射金属スタックと、前記電気的絶縁スペーサとをピックアップする工程と、
    マイクロＬＥＤ構造体のための前記マイクロｐ−ｎダイオードと、前記反射金属スタックと、前記電気的絶縁スペーサと、を転写先基板上に配置する工程と、を含む、方法。
25. 前記操作は、前記接合層の液相線温度より高く前記接合層を加熱することを含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記液相線温度は２００℃より低い、請求項２５に記載の方法。
27. 前記接合層の実質的な部分をピックアップする工程を更に含む、請求項２４に記載の方法。
28. 各マイクロＬＥＤ構造体は、前記マイクロｐ−ｎダイオードの側壁に広がる共形誘電バリア層を更に含み、
    前記転写ヘッドにより、前記マイクロＬＥＤ構造体のために、前記マイクロｐ−ｎダイオードと、前記反射金属スタックと、前記電気的絶縁スペーサと、前記共形誘電バリア層とをピックアップする工程と、
    前記マイクロＬＥＤ構造体のために、前記マイクロｐ−ｎダイオードと、前記反射金属スタックと、前記電気的絶縁スペーサと、前記共形誘電バリア層とを前記転写先基板上に配置する工程と、を更に含む、請求項２４に記載の方法。
29. 前記転写ヘッドは静電気の原理に従って、前記マイクロＬＥＤ構造体上でピックアップ圧力をもたらす、請求項２４に記載の方法。
30. 前記転写ヘッドにより前記接合層に熱を伝える工程を更に含む、請求項２５に記載の方法。

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