JP2017022391A - マイクロデバイス転写ヘッド - Google Patents

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Abstract

【課題】マイクロデバイス転写ヘッド及び１つ以上のマイクロデバイスを転写先基板に転写する方法を提供する。【解決手段】マイクロデバイス転写ヘッド及びヘッドアレイを開示する。一実施形態において、マイクロデバイス転写ヘッドは、ベース基板、側壁を有するメサ形構造体、メサ形構造体を覆って形成された電極、及び電極を覆う誘電体層を含む。マイクロデバイス転写ヘッド及びヘッドアレイに電圧を印加して、キャリア基板からマイクロデバイスをピックアップし、転写先基板上にマイクロデバイスをリリースすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロデバイスに関する。より具体的には、本発明の実施形態は、マイクロデバイス転写（transfer）ヘッド及び１つ以上のマイクロデバイスを転写先基板（receiving substrate）に転写する（transfer）方法に関する。
（関連出願の相互参照）
本願は、この参照により全開示が本明細書内に組み込まれる、２０１１年１１月１８日付で出願された米国特許仮出願第６１／５６１，７０６号、２０１２年２月３日付で出願された米国特許仮出願第６１／５９４，９１９号、及び２０１２年２月９日付で出願された米国特許仮出願第６１／５９７，１０９号の優先権を主張するものである。
集積化及びパッケージングの問題は、無線（ＲＦ）微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）マイクロスイッチ、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイシステム、及びＭＥＭＳ発振器又は水晶発振器などのマイクロデバイスの商品化の主な障害の一つである。
デバイスを転写する従来の技術には、転写ウェーハから転写先ウェーハへのウェーハ接着による転写が含まれる。このような一実施方法として、デバイスのアレイを転写ウェーハから転写先ウェーハに接着させた後に転写ウェーハを取り除く１つの工程を伴う「直接捺染」がある。このような実施の別の方法としては、２つの接着／剥離工程を必要とする「転写捺染」がある。転写捺染では、転写ウェーハがドナーウェーハからデバイスのアレイをピックアップし、次にデバイスのアレイを転写先ウェーハに接着した後に転写ウェーハを取り除くことができる。
転写工程においてデバイスを選択的に接着し剥離することのできる、幾つかの捺染工程の変型が開発されている。直接捺染及び転写捺染の従来技術並びにその変型のどちらにおいても、転写先ウェーハにデバイスを接着した後に、転写ウェーハがデバイスから剥離される。更に、デバイスのアレイを有する転写ウェーハ全体が転写工程に関わる。
マイクロデバイス転写ヘッド及び１つ以上のマイクロデバイスを転写先基板に転写する方法を提供する。
マイクロデバイス転写（transfer）ヘッド及びヘッドアレイ、並びに１つ以上のマイクロデバイスを転写先基板（receiving substrate）に転写する方法を開示する。例えば、転写先基板は、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）のような機能デバイスを有する基板、又は金属再配線を有する基板であることができるが、これらに限定されるものではない。
一実施形態において、マイクロデバイス転写ヘッドは、ベース基板、側壁を含むメサ形構造体、メサ形構造体を覆って形成された少なくとも１つの電極、及び電極を覆う誘電体層を含む。例えば、マイクロデバイス転写ヘッドは、単極又は双極の電極構造体を組み込むことができる。メサ形構造体は、ベース基板とは別個に、又はこれと一体的に形成することができる。側壁はテーパ形状であり、ベース基板から離れて、メサ形構造体の上面に突出することができ、電極は上面の上に形成される。電極リード線は、ベース基板内の配線と接触し、マイクロデバイス転写ヘッドを静電グリッパアセンブリの作動電子装置に接続するために、電極から延出することができる。電極リード線は、メサ形構造体の上面上の電極から、メサ形構造体の側壁に沿って伸びることができる。あるいは、電極リード線は、メサ形構造体の下を伸び、メサ形構造体の中を電極まで貫通するビアに接続することができる。
電極及び電極リード線は、堆積された誘電体層で覆うことができる。誘電体層の好適な材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）及び酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。誘電体層が堆積されるので、電極及び電極リード線は、プラチナ及び耐熱金属又はチタンタングステン（ＴｉＷ）などの耐熱金属合金のような高融点金属をはじめとする、高い堆積温度に耐え得る材料で形成することができる。
一実施形態において、マイクロデバイスを転写する方法は、転写ヘッドをキャリア基板に接続されたマイクロデバイスの上方に配置する工程を含む。マイクロデバイスが転写ヘッドと接触し、転写ヘッド内の電極に電圧が印加されてマイクロデバイスに対してグリップ圧力が生じる。転写ヘッドがマイクロデバイスをピックアップし、次にマイクロデバイスを転写先基板上にリリースする。電圧は、マイクロデバイスが転写ヘッドと接触する前、接触する過程、又は接触した後に、電極に印加することができる。電圧は、定電流電圧又は交流電圧であってよい。一実施形態では、交流電圧が双極電極構造体に印加される。
一実施形態では、マイクロデバイスをピックアップする前に、又はその過程で、マイクロデバイスをキャリア基板に接続する接着層内で相転移を生じさせる作業が追加的に実行される。
一実施形態において、接着層は、マイクロデバイスをピックアップする前に、又はその過程で加熱され、接着層内で固体から液体への相転移が生じる。作業条件次第では、マイクロデバイスと共に接着層のかなりの部分をピックアップし、転写することができる。ピックアップ時、転写時、転写先基板との接触時、並びにマイクロデバイス及び接着層の部分の転写先基板上でのリリース時に、接着層の部分の相を制御するための様々な作業を行うことができる。例えば、マイクロデバイスと共にピックアップされた接着層の部分は、転写先基板との接触時及び転写先基板上へのリリース作業時には液体状態に維持することができる。別の実施形態において、接着層の部分は、ピックアップされた後に固相にまで冷却させることができる。例えば、接着層の部分は、転写先基板と接触する前に、又は接触する過程で、固相であることができ、リリース作業の過程で再び液体状態に融解することができる。本発明の実施形態によれば、様々な温度サイクル及び物質相サイクルを実行することができる。
一実施形態において、マイクロデバイスのアレイを転写する方法は、転写ヘッドのアレイをマイクロデバイスのアレイの上方に配置する工程を含む。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し、転写ヘッドのアレイの一部分に電圧が選択的に印加される。電圧を選択的に印加する工程は、アレイ内の転写ヘッドの全てに、又はアレイ内の全てよりも少ない数の転写ヘッドに対応する部分に電圧を印加する工程を含むことができる。次に、マイクロデバイスのアレイの対応する部分が転写ヘッドのアレイの部分によってピックアップされ、マイクロデバイスのアレイ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。一実施形態において、転写ヘッド又はマイクロデバイスの何れかの接触面上に存在する可能性のある一切の微粒子を除去するために、接触しようとする過程においてマイクロデバイスのアレイの上で転写ヘッドのアレイを擦ることができる。
一実施形態において、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に接続する接着層の横方向の別個の場所のアレイ内で相転移が生じる。
一実施形態において、マイクロデバイス転写ヘッドアレイを製造する方法は、各メサ形構造体が側壁を含むメサ形構造体のアレイをベース基板上に形成する工程を含む。各メサ形構造体を覆って別個の電極が形成され、メサ形構造体のアレイ及び各電極を覆って誘電体層が堆積される。一実施形態において、誘電体層は、原子層成長法（ＡＬＤ）によって堆積され、ピンホールを含まないようにすることができる。誘電体層は、１つの誘電体層又は複数の誘電体層を含むことができる。対応する各々のメサ形構造体を覆う別個の電極を形成する前に、必要に応じて、ベース基板及びメサ形構造体のアレイを覆う共形不活性化層を成長させ又は堆積させてもよい。一実施形態において、誘電体層を覆って形成され、メサ形構造体の各々を囲む、導電性接地平面が形成される。
本発明の一実施形態に係る単極マイクロデバイス転写ヘッドの側面断面図である。 本発明の一実施形態に係る単極マイクロデバイス転写ヘッドの等角図である。 本発明の一実施形態に係る双極マイクロデバイス転写ヘッドの側面断面図である。 本発明の一実施形態に係る双極マイクロデバイス転写ヘッドの等角図である。 本発明の一実施形態に係る双極マイクロデバイス転写ヘッドの平面図である。 本発明の一実施形態に係る双極マイクロデバイス転写ヘッドの平面図である。 本発明の一実施形態に係る、導電性ビアを含む双極マイクロデバイス転写ヘッドの等角図である。 本発明の一実施形態に係る双極マイクロデバイス転写ヘッドアレイの等角図である。 本発明の一実施形態に係る、導電性接地平面を含む双極マイクロデバイス転写ヘッドアレイの等角図である。 本発明の一実施形態に係る、導電性接地平面を含む双極マイクロデバイス転写ヘッドアレイの側面断面図である。 キャリア基板からマイクロデバイスをピックアップし、転写先基板に転写する、本発明の一実施形態に係る方法を例示するフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る、双極電極の間に印加された交流電圧の模式図である。 本発明の一実施形態に係る、双極電極の間に印加されている定電圧の模式図である。 本発明の一実施形態に係る単極電極に印加された定電圧の模式図である。 キャリア基板からマイクロデバイスをピックアップし、転写先基板に転写する、本発明の一実施形態に係る方法を例示するフローチャートである。 キャリア基板からマイクロデバイスのアレイをピックアップし、少なくとも１つの転写先基板に転写する、本発明の一実施形態に係る方法を例示するフローチャートである。 マイクロＬＥＤデバイスのアレイと接触している、本発明の一実施形態に係るマイクロデバイス転写ヘッドのアレイの側面断面図である。 マイクロＬＥＤデバイスのアレイと接触している、本発明の一実施形態に係るマイクロデバイス転写ヘッドのアレイの側面断面図である。 マイクロＬＥＤデバイスのアレイをピックアップしている、本発明の一実施形態に係るマイクロデバイス転写ヘッドのアレイの側面断面図である。 マイクロＬＥＤデバイスのアレイの一部分をピックアップしている、本発明の一実施形態に係るマイクロデバイス転写ヘッドのアレイの側面断面図である。 マイクロＬＥＤデバイスのアレイを転写先基板の上方に配置している、本発明の一実施形態に係るマイクロデバイス転写ヘッドのアレイの側面断面図である。 転写先基板上に選択的にリリースされた、本発明の一実施形態に係るマイクロデバイスの側面断面図である。 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を克服するのに必要な圧力を示したグラフの図である。 本発明の一実施形態に係るピックアップ作業中に生じる、表面張力とギャップ距離の増加との関係のグラフの図である。 本発明の一実施形態に係る、様々な引き上げ速度のピックアップ作業中に生じる粘性圧力（viscous force pressure）とギャップ距離の増加との関係のグラフの図である。 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撤収されるときに転写ヘッドによってマイクロデバイスに加えられるグリップ圧力を示す、モデル解析によって得られたグラフの図である。 マイクロｐ−ｎダイオードの上面よりも狭い幅を有する接触開口部を含む、本発明の一実施形態に係る、様々なマイクロＬＥＤ構造体の側面断面図である。 マイクロｐ−ｎダイオードの上面よりも広い幅を有する接触開口部を含む、本発明の一実施形態に係る、様々なマイクロＬＥＤ構造体の側面断面図である。 マイクロｐ−ｎダイオードの上面と同じ幅を有する接触開口部を含む、本発明の一実施形態に係る、様々なマイクロＬＥＤ構造体の側面断面図である。
本発明の実施形態は、マイクロデバイス転写（transfer）ヘッド及びヘッドアレイ、並びにマイクロデバイス及びマイクロデバイスのアレイを転写先基板（receiving substrate）に転写（transfer）する方法について説明する。
例えば、転写先基板は、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）のような機能デバイスを有する基板、又は金属再配線を有する基板であることができるが、これらに限定されるものではない。実施形態によっては、本明細書内で説明するマイクロデバイス及びマイクロデバイスのアレイは、図２７〜図２９に図示したマイクロＬＥＤデバイス構造体、並びに関連する米国特許仮出願第６１／５６１，７０６号及び米国特許仮出願第６１／５９４，９１９号に記載されているものの何れかであることができる。本発明の実施形態の幾つかは特にマイクロＬＥＤについて説明しているが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、特定の実施形態はダイオード、トランジスタ、ＩＣ、及びＭＥＭＳのような他のマイクロデバイスにも適用できることが理解されるべきである。
種々の実施形態において、図を参照して説明がなされている。しかしながら、特定の実施形態は、これらの具体的な詳細のうちの１つ以上を伴わずに、又はその他の既知の方法及び構成との組み合わせで実施することができる。以下の説明において、本発明の完全な理解を提供するために、具体的な構成、寸法、及び工程などの数多くの具体的な詳細が明らかにされている。他の例では、本発明を不必要にあいまいにしないために、半導体の周知の工程及び製造技術について特に詳細な説明を行っていない。本明細書全体を通して「一実施形態（one embodiment）」、「一実施形態（an embodiment）」などへの言及は、その実施形態に関連して説明される特定の機構、構造、構成、若しくは特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通じて各所にある「一実施形態において」、「一実施形態」などの記述は、必ずしも本発明の同一の実施形態を指すものではない。更に、特定の機構、構造、構成、又は特性は、１つ以上の実施形態の中で任意の好適な方法で組み合わせることができる。
本明細書内で使用される「を覆う」、「に対して」、「との間」、及び「の上」という言葉は、他の層に対する１つの層の相対的な位置の言及である場合がある。別の層「を覆って」若しくは「の上に」、又は「に対して」接着された１つの層は、他方の層と直接接触している場合もあれば、１つ以上の介在層を有する場合もある。層と層「との間」の１つの層は、両方の層と直接接触している場合もあれば、１つ以上の介在層を有する場合もある。
本明細書内で使用される「マイクロ」デバイス又は「マイクロ」ＬＥＤ構造体という言葉は、本発明の実施形態に係る特定のデバイス又は構造体の記述的大きさを指す場合がある。本明細書内で使用されるとき、「マイクロ」デバイス又は構造体という言葉は、１〜１００μｍの尺度を指すことが意図されている。しかしながら、本発明の実施形態は必ずしもこれに限定されず、これら実施形態の特定の態様はより大きな尺度又は場合によってはより小さな尺度に適用できる場合があることが理解されるべきである。
一態様において、本発明の実施形態は、転写ヘッドのアレイを用いて既製のマイクロデバイスのアレイを大量転写する方法について説明する。例えば、既製のマイクロデバイスは、発光用ＬＥＤ、論理及びメモリ用シリコンＩＣ、及び無線（ＲＦ）通信用のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）回路などであり、かつこれらに限定されない特定の機能性を有することができる。実施形態によっては、ピックアップされる状態にあるマイクロＬＥＤデバイスのアレイは、１０μｍ×１０μｍのピッチ又は５μｍ×５μｍのピッチを有するとして記述されている。これらの密度では、例えば６インチ基板であれば、約１億６千５百万個の１０μｍ×１０μｍのピッチのマイクロＬＥＤデバイス、又は約６億６千万個の５μｍ×５μｍのピッチのマイクロＬＥＤデバイスを収容することができる。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するために、対応するマイクロＬＥＤデバイスのアレイのピッチに合致する転写ヘッドのアレイを含む転写工具を使用することができる。この方法では、マイクロディスプレイから大面積ディスプレイまでの任意の大きさの基板を含む異種機能集積システム（heterogeneously integrated system）内に、高速の転写速度で、マイクロＬＥＤデバイスを集積し、組み立てることが可能である。例えば、１ｃｍ×１ｃｍのマイクロデバイス転写ヘッドのアレイであれば、１００，０００個よりも多くの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、マイクロデバイス転写ヘッドのより大きなアレイであれば更に多くのマイクロデバイスを転写することが可能である。転写ヘッドのアレイ内の各転写ヘッドはまた、個別に制御可能とすることができ、これによりマイクロデバイスの選択的なピックアップ及びリリースが可能となる。
一態様において、本発明の実施形態は、特定の理論に限定されることなく、相反する電荷の引力を利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転写ヘッド及びヘッドアレイを説明する。本発明の実施形態によれば、マイクロデバイスに対する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はプルイン電圧が印加される。グリップ力は、帯電しているプレートの面積に比例するので、圧力として計算される。理想的な静電理論に従えば、単極電極と導電性基板との間の非導電性の誘電体層は、下記式（１）においてパスカル（Ｐａ）の単位で表されるグリップ圧力を生じさせる。
Ｐ＝［εo／２］［Ｖεr／ｄ］2−−−−−（１）
但し、εo＝８．８５×１０-12、Ｖはボルト（Ｖ）の単位で表される電極−基板間電圧、εrは誘電率、及びｄはメートル（ｍ）の単位で表される誘電体の厚さである。２本のグリップ電極を使用する双極グリッパでは、上記式の電圧（Ｖ）は電極ＡとＢとの間の電圧の半分、即ち［ＶA−ＶB］／２である。基板の電位は、平均電位、即ち［ＶA＝ＶB］／２に中心がある。この平均値は、通常、ＶA＝［−ＶB］となり、ゼロである。
別の態様において、本発明の実施形態は、特定の加工及び取扱い作業中にマイクロデバイスをキャリア基板上に維持することができ、またピックアップ作業時には、相転移を経てマイクロデバイスを保持できる一方で容易にリリースすることもできる媒質を提供する接着層を説明する。例えば、接着層は、ピックアップ作業前又は作業中に接着層が固体状態から液体状態へと相転移を経るように、再溶融可能又は再流動化可能とすることができる。液体状態では、接着層は、キャリア基板上にマイクロデバイスを保持できると共に、マイクロデバイスを容易にリリースできる媒質も提供する。特定の理論に限定されることなく、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ために必要なグリップ圧力を決定する上で、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べきであり、この力には、表面張力、毛管力、粘性効果、弾性回復力、ファンデルワールス力、スティクション、及び重力が挙げることができるが、これらに限定されない。
本発明の実施形態によれば、マイクロデバイスの寸法が特定の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着層の表面張力がマイクロデバイスを保持しているその他の力よりも優勢となる場合がある。図２３は、モデル解析によって得られた一実施形態のグラフの図であり、１５６．７℃の融解温度で５６０ｍＮ／ｍの表面張力を有する液体インジウム（Ｉｎ）接着層を前提として、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の力を克服するのに必要とされる圧力を示している。例えば、図２３を参照すると、１０μｍ×１０μｍ幅の例示的なマイクロデバイスは、１５６．７℃の融解温度で５６０ｍＮ／ｍの液体表面張力を有するインジウム接着層によって、約２．２気圧（ａｔｍ）の表面張力圧でキャリア基板上に保持される。これは、重力による圧力（幅１０μｍ×１０μｍ、高さ３μｍの例示的な窒化ガリウム（ＧａＮ）の一片には約１．８×１０-6ａｔｍが掛かる）よりも著しく大きい。
表面張力圧及び粘性効果も、ピックアップ作業時には動的である場合がある。図２４は、モデル解析によって得られた一実施形態のグラフの図であり、溶融インジウム（Ｉｎ）接着層によってキャリア基板上に保持された、１０μｍ×１０μｍ幅の例示的なマイクロデバイスをピックアップする作業中に生じる、表面張力とギャップ距離の増加との関係を示している。図２４内で参照されるギャップ距離は、マイクロデバイスの底部とキャリア基板との間の距離であり、Ｉｎ接着層の溶融していないときの厚さに対応する２μｍから始まっている。図２４に図示するように、２．２ａｔｍの表面張力圧は、ピックアップ作業の開始時のグリップ圧力によって初期の段階で克服される。次にマイクロデバイスがキャリア基板から持ち上げられると表面張力は急激に低下し、マイクロデバイスがキャリア基板から更に離れて持ち上げられるに従って圧力は横ばいとなる。
図２５は、モデル解析によって得られた一実施形態のグラフの図であり、溶融インジウム（Ｉｎ）接着層によってキャリア基板上に保持された、１０μｍ×１０μｍの例示的なマイクロデバイスの様々な引き上げ速度でのピックアップ作業中に生じる、粘性圧力（ａｔｍ）とギャップの距離（μｍ）の増加との関係を示している。図２５内で参照されるギャップ距離は、マイクロデバイスの底部とキャリア基板との間の距離であり、Ｉｎ接着層の溶融していないときの厚さに対応する２μｍから始まっている。図示のとおり、粘性圧力は、０．１ｍｍ／ｓのような、よりゆっくりとした持ち上げ速度のときよりも１，０００ｍｍ／ｓのような、より速い持ち上げ速度のときによりはっきりと表れる。とはいえ、図２５に図示した例示的な持ち上げ速度を用いた粘性効果から発生する圧力は、図２４で発生し図示されている表面張力圧よりも著しく小さい。このことは、表面張力圧が、ピックアップ作業時のグリップ圧力が克服しなければならない優勢な圧力であることを示唆している。
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導電性の上面との間に大きさ（ｇ）のエアギャップ（ｇ）が存在する場合、式（２）のグリップ圧力は以下のとおりとなる。
Ｐ＝［εo／２］［Ｖεr／（ｄ＋εrｇ）］2−−−−−（２）
微粒子の混入、反り、及び転写ヘッド若しくはマイクロデバイスの何れかの表面の位置ずれ、又は転写ヘッド若しくはマイクロデバイスの上の追加の層の存在（例えばマイクロデバイスの導電性の上面の周りの共形誘電体バリア層のリップ）を含みかつこれらに限定されない様々な原因により、エアギャップは存在し得ると考えられる。一実施形態において、共形誘電体バリア層のリップは、接触開口部が形成されたところにエアギャップを生じさせ、転写ヘッドの誘電体層の、リップが存在するところの有効厚さを増加させる。
上記式（１）及び（２）から分かるように、マイクロデバイス転写ヘッドとピックアップされるべきマイクロデバイスとの間にエアギャップが存在しない場合は、より低い電圧を利用することができる。しかし、エアギャップが存在する場合は、空気の静電容量が誘電体層の静電容量と競合する可能性のある直列静電容量が存在する。ピックアップされるべきマイクロデバイスのアレイに対応して、これらの上方にあるマイクロデバイス転写ヘッドのアレイのうちの任意のもの同士の間の空気の静電容量の可能性を補正するために、より高い動作電圧、誘電性材料のより高い誘電率、又はより薄い誘電性材料を使用して電界を最大化することができる。しかし、潜在的な誘電破壊及びアーク発生の故に、より高い電界の使用には限界がある。
図２６は、モデル解析によって得られた一実施形態のグラフの図であり、転写ヘッドがマイクロデバイスの導電性の上面から撤収されるときに、エアギャップの大きさの増加に対応して転写ヘッドによってマイクロデバイスに加えられるグリップ圧力を示している。
異なる線は、電界が一定に保たれた状態における、転写ヘッド上のＴａ2Ｏ5誘電体層の０．５μｍ〜２．０μｍの異なる厚さに対応している。図示のように、これらの条件下では、約１ｎｍ（０．００１μｍ）未満の大きさのエアギャップでは、グリップ圧力には有意な影響は見られず、条件によっては更に１０ｎｍ（０．０１μｍ）の大きさであっても有意な影響は見られない。しかし、条件を変更することにより、許容できるエアギャップを増加させたり減少させたりすることができることが理解されるべきである。このように、本発明の幾つかの実施形態によれば、ピックアップ作業時にエアギャップの一定の大きさの許容誤差は発生し得、マイクロデバイス転写ヘッドとマイクロデバイスの導電性の上面との実際の接触は必ずしも必要ではない。
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ために必要なグリップ圧力がキャリア基板上にマイクロデバイスを保持している圧力の合計（並びにエアギャップに起因する一切の圧力低下）を超えるべきであると仮定すると、グリップ圧力の方程式を解くことによって、動作電圧、誘電率、及びマイクロデバイス転写ヘッド内の誘電性材料の誘電体の厚さの相互関係を導き出すことが可能である。明瞭性を目的として、エアギャップの距離がゼロであると仮定すると、これは、単極電極については以下のとおりとなる。
ｓｑｒｔ（Ｐ×２／εo）＝Ｖεr／ｄ−−−−−（３）
本発明の実施形態に係るグリップ圧力、電圧、誘電率、及び誘電体の厚さの相互依存性を例示するために、２５Ｖ〜３００Ｖの範囲の動作電圧におけるＡｌ2Ｏ3誘電材料及びＴａ2Ｏ5誘電材料に関する２ａｔｍ（２０２６５０Ｐａ）及び２０ａｔｍ（２０２６５００Ｐａ）の望ましいグリップ圧力を得るための誘電体の厚さの値の計算値の例示的な範囲を、表１に提示する。提示した誘電率はおおよその値であり、形成方法次第で値は異なる場合があることが理解される。
Figure 2017022391
グリップ圧力は誘電体の厚さの逆二乗に比例するので、表１の誘電体の厚さの計算値は、所定の動作電圧において必要なグリップ圧力を実現するために形成できる最大厚さを表している。表１に提示された値よりも薄い厚さは所定の動作電圧においてより高いグリップ圧力を生じさせることができるが、より薄い厚さは誘電体層全体に印加される電界を増加させ、これにより、誘電材料には、短絡を生じさせずに印加電界に十分に耐え得る絶縁耐力を有することが要求される。表１に提示したグリップ圧力、電圧、誘電率、及び誘電体の厚さの値は、本質的に例示であり、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範囲の根拠を提供するために提示されていることが理解されるべきである。表１に提示したグリップ圧力、電圧、誘電率、及び誘電体の厚さの値の関係は、理想的な静電理論に従って例示されており、本発明の実施形態はこれらに限定されるものではない。
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る単極マイクロデバイス転写ヘッド及びヘッドアレイの側面図が提示されている。図示のとおり、各単極デバイス転写ヘッド１００は、ベース基板１０２、上面１０８及び側壁１０６を含むメサ形構造体１０４、メサ形構造体１０４を覆って形成され、上面１０９及び側壁１０７を含む、任意の不活性化層１１０、メサ形構造体１０４（及び任意の不活性化層１１０）を覆って形成された電極１１６、並びに電極１１６を覆う上面１２１を有する誘電体層１２０を含むことができる。ベース基板１０２は、シリコン、セラミックス、及びポリマーのように、構造的な支持を提供することのできる様々な材料から形成することができる。一実施形態において、ベース基板は、１０3〜１０18Ω・ｃｍの導電性を有する。ベース基板１０２は、更に、マイクロデバイス転写ヘッド１００を静電グリッパアセンブリの作動電子装置に接続する配線（図示せず）を含むことができる。
メサ形構造体１０４は好適な加工技術を用いて形成することができ、ベース基板１０２と同じ材料又は異なる材料から形成することができる。一実施形態において、メサ形構造体１０４は、例えばリソグラフィによるパターン形成及びエッチング技術、又は鋳造技術を用いることによってベース基板１０２と一体的に形成される。一実施形態において、メサ形構造体１０４のテーパ形状の側壁１０６を形成するために、異方性エッチング技術を利用することができる。別の実施形態において、メサ形構造体１０４は、ベース基板１０２の上面に堆積又は成長させ、パターン形成することができる。一実施形態において、メサ形構造体１０４は、シリコンなどの半導体基板を覆って形成され、パターン形成された、二酸化ケイ素などの酸化膜である。
一態様において、メサ形構造体１０４は、ピックアップ作業時に特定のマイクロデバイスをピックアップするための局所的な接触点を提供するように、ベース基板から離れて突出する輪郭を形成する。一実施形態において、メサ形構造体１０４は、約１μｍ〜５μｍ、より具体的には約２μｍの高さを有する。メサ形構造体１０４の具体的な寸法は、ピックアップされるべきマイクロデバイスの具体的な寸法並びにメサ形構造体を覆って形成される全ての層の厚さに依存してもよい。一実施形態において、ベース基板１０２上のメサ形構造体１０４のアレイの高さ、幅、及び平面性は、ピックアップ作業時に各マイクロデバイス転写ヘッド１００が対応する各マイクロデバイスと接触することができるように、ベース基板全体に亘って均一である。一実施形態において、各マイクロデバイス転写ヘッドの上面１２１の幅は、ピックアップ作業時に、転写ヘッドが、対応する目的のマイクロデバイスに隣接するマイクロデバイスと誤って接触することのないように、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の上面の幅よりも僅かに広く、ほぼ同じ幅で、又は僅かに狭い。下記に更に詳細に説明するように、追加の層１１０、１１２、１２０はメサ形構造体１０４を覆って形成できるので、メサ形構造体の幅は、各マイクロデバイス転写ヘッドの上面１２１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の上面の幅よりも僅かに広く、ほぼ同じに、又は狭くなるように、これを覆う層の厚さの主要因となる場合がある。
引き続き図１を参照して、メサ形構造体１０４は、平面であってもよい上面１０８と、側壁１０６とを有する。一実施形態において、側壁１０６は、例えば、最大１０度までのテーパ形状であってもよい。下記に更に説明するように、側壁１０６をテーパ形状にすると、電極１１６及び電極リード線１１４を形成する上で有益であり得る。次に、必要に応じて、ベース基板１０２及びメサ形構造体１０４のアレイを覆って不活性層１１０を堆積又は成長させることができる。不活性化層１１０は、化学気相成長法（ＣＶＤ）、スパッタリング、又は原子層成長法（ＡＬＤ）のような様々な好適な技術によって堆積することができる。一実施形態において、不活性化層１１０は、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、又は酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）などの、しかしこれらに限定されない０．５μｍ〜２．０μｍ厚の酸化物であってよい。
次に、メサ形構造体１０４のアレイ及び任意の不活性化層１１０を覆って導電層１１２を堆積し、パターン形成して電極１１６及び電極リード線１１４を形成することができる。例えば、基板を覆ってレジスト層を堆積させてパターン形成した後、金属層を堆積し、レジスト及び金属層のうちのレジスト上の部分を剥離することで所望のパターンを残す、リフトオフ技術を利用して電極１１６及び電極リード線１１４を形成することができる。
あるいは、金属層を堆積させた後にパターン形成及びエッチングを実施して所望のパターンを実現することもできる。電極リード線１１４は、電極１１６からメサ形構造体１０４の上面１０８（及び任意の不活性化層１１０の上面１０９）を覆って、メサ形構造体１０４の側壁１０６に沿って（かつ任意の不活性化層１１０の側壁１０７に沿って）伸びることができる。電極１１６及び電極リード線１１４を形成するために使用される導電層１１２は、単一の層であってもよく、又は複数の層であってもよい。金属、金属合金、耐熱金属、及び耐熱金属合金などの様々な導電性材料を用いて導電層１１２を形成することができる。一実施形態において、導電層１１２は、最大５，０００オングストローム（０．５μｍ）の厚さを有する。一実施形態において、導電層１１２は、プラチナ又は耐熱金属若しくは耐熱金属合金のような高融点金属を含む。例えば、導電層は、プラチナ、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、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、及びこれらの合金を含むことができる。一般に、耐熱金属及び耐熱金属合金はその他の金属よりも高い耐熱性及び耐摩耗性を呈する。一実施形態において、導電層１１２は、約５００オングストローム（０．０５μｍ）厚のチタンタングステン（ＴｉＷ）耐熱金属合金である。
次に、誘電体層１２０が、電極１１６及びベース基板１０２上のその他の露出層を覆って堆積される。一実施形態において、誘電体層１２０は、マイクロデバイス転写ヘッド１００に要求されるグリップ圧力を実現する好適な厚さ及び誘電率、並びに動作電圧で破壊されない十分な絶縁耐力を有する。誘電体層は、単一の層であってもよく、又は複数の層であってもよい。一実施形態において、誘電体層は０．５μｍ〜２．０μｍの厚さであるが、転写ヘッド１００及びその下に位置するメサ形構造体１０４の特定の形状次第で厚さが増減してもよい。好適な誘電材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）及び酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。上記の表１の参照に戻ると、２２Ｖ／μｍ〜７１Ｖ／μｍの電界（電圧を誘電体の厚さで除することによって決定される）が印加されたＡｌ2Ｏ3誘電体層、及び９Ｖ／μｍ〜２８Ｖ／μｍの電界が印加されたＴａ2Ｏ5誘電体層の実施形態が提示されていた。本発明の実施形態によれば、誘電体層１２０は、動作中の転写ヘッドの短絡を回避するように、印加電界よりも大きな絶縁耐力を有している。誘電体層１２０は、化学気相成長法（ＣＶＤ）、原子層成長法（ＡＬＤ）、及びスパッタリングのような物理的気相成長法（ＰＶＤ）などの様々な好適な技術によって堆積することができる。誘電体層１２０は、更に、堆積後にアニール処理することができる。一実施形態において、誘電体層１２０は、少なくとも４００Ｖ／μｍの絶縁耐力を持っている。このような高い絶縁耐力により、例示的な表１に提示した計算上の厚さよりも薄い誘電体層を使用することを可能とすることができる。ＡＬＤのような技術を利用して、均一で、共形で、稠密で、かつ／又はピンホールのない、良好な絶縁耐力を有する誘電体層を堆積することができる。また、複数の層を利用しても、このようなピンホールのない誘電体層１２０を実現することができる。また、異なる誘電材料からなる複数の層を利用して誘電体層１２０を形成することもできる。一実施形態において、下層に位置する導電層１１２は、誘電体層の堆積温度を選択する上での限定要因となることのないように、誘電体層材料の堆積温度よりも高い融解温度を持つプラチナ又は耐熱金属若しくは耐熱金属合金を含んでいる。一実施形態において、誘電体層１２０の堆積後、誘電体層１２０を覆うメッキ（図示せず）を形成することで、特定のスティクション係数をもたらして横方向の摩擦を加え、ピックアップ作業時にマイクロデバイスが転写ヘッドから払い落とされるのを防ぐことができる。このような実施形態において、追加のメッキが接触面として上面１２１を代替し、この面は、本明細書内で説明するアレイの寸法上の要件を保っている。更に、この追加のメッキは、マイクロデバイス転写ヘッドの誘電特性に影響する可能性があり、それによりマイクロデバイス転写ヘッドの操作性に影響する可能性がある。一実施形態において、この追加のメッキの厚さは、グリップ圧力に対して有意な影響を及ぼさないか、ほとんど及ぼさないように、最小限（例えば１０ｎｍ未満）であることができる。
図２は、メサ形構造体１０４を覆う、任意の不活性化層１１０を覆って形成された電極１１６及び電極リード線１１４の近接等角図である。明瞭性を目的として、上層の誘電体層１２０は図示しておらず、任意の不活性化層１１０及びメサ形構造体１０４は、単一のメサ形構造体／不活性化層１０４／１１０として図示している。不活性化層１１０及び誘電体層１２０が共に０．５μｍ厚である例示的な一実施形態において、その上に電極１１６が形成されているメサ形構造体／不活性化層１０４／１１０の上面１０８／１０９は、転写ヘッド１００の８μｍ×８μｍの上面を実現するために、約７μｍ×７μｍである。
一実施形態によれば、電極１１６は、パターン形成の許容誤差内に留まりながらも、メサ形構造体／不活性化層１０４／１１０の上面１０８／１０９の表面積を、可能な限り最大限覆っている。空きスペースの大きさを最小限にすることにより静電容量が増大し、その結果、マイクロデバイス転写ヘッドによって実現できるグリップ圧力を増加させることができる。図２にはメサ形構造体／不活性化層１０４／１１０の上面１０８／１０９の上に一定の大きさの空きスペースが図示されているものの、電極１１６は、上面１０８／１０９全体を覆うことができる。電極１１６はまた、上面１０８／１０９よりも僅かに大きくてもよく、メサ形構造体／不活性化層１０４／１１０の側壁１０６／１０７を部分的に下方に延伸して上面１０８／１０９を完全に覆うことを確実にすることができる。メサのアレイは様々に異なるピッチを有することができ、本発明の実施形態は、１０μｍピッチのメサ形構造体／不活性化層１０４／１１０の例示的な７μｍ×７μｍの上面に限定されないことが理解されるべきである。
ここで図３を参照すると、本発明の一実施形態に係る双極マイクロデバイス転写ヘッド１００及びヘッドアレイの側面図が提示されている。図示のとおり、双極デバイス転写ヘッド１００は、ベース基板１０２、上面１０８及び側壁１０６を含むメサ形構造体１０４、上面１０９及び側壁１０７を含む不活性化層１１０、メサ形構造体１０４を覆って形成された１対の電極１１６Ａ、１１６Ｂ及び電極リード線１１４Ａ、１１４Ｂ、任意の不活性化層１１０、並びに１対の電極１１６Ａ、１１６Ｂを覆う誘電体層１２０を含むことができる。
図４は、メサ形構造体１０４を覆う、任意の不活性化層１１０を覆って形成された電極１１６Ａ、１１６Ｂ及び電極リード線１１４Ａ、１１４Ｂの近接等角図である。明瞭性を目的として、上層の誘電体層１２０は図示しておらず、任意の不活性化層１１０及びメサ形構造体１０４は、単一のメサ形構造体／不活性化層１０４／１１０として図示している。図４は、電極リード線１１４Ａ、１１４Ｂがメサ形構造体／不活性化層１０４／１１０の反対側の側壁ではなく単一の側壁に沿って伸びるように図示されている点が、図３とは僅かに異なっている。本発明の実施形態によれば、電極リード線１１４Ａ、１１４Ｂは、任意の好適な側壁に沿って伸びることができる。メサ形構造体／不活性化層１０４／１１０の上面１０８／１０９が１０μｍピッチのメサのアレイに対応して約７μｍ×７μｍである例示的な実施形態において、電極は、電極１１６Ａ、１１６Ｂ間に分離をもたらしたままで、メサ形構造体／不活性化層１０４／１１０の上面１０８／１０９の表面積の大きさを、可能な限り最大限に覆うことができる。最小離隔距離は、電極からの電界の重畳を回避する一方で表面積を最大化する考慮によってバランスを取ることができる。例えば、電極１１６Ａ、１１６Ｂは０．５μｍ以下によって分離することができ、最小離隔距離は電極の高さによって限定することができる。一実施形態において、電極は１方向において上面１０８／１０９よりも僅かに長く、メサ形構造体／不活性化層１０４／１１０の側壁を部分的に下方に延伸して上面１０８／１０９を最大限覆うことを確実にしている。メサのアレイは様々に異なるピッチを有することができ、本発明の実施形態は、１０μｍピッチのメサ形構造体／不活性化層１０４／１１０の例示的な７μｍ×７μｍの上面に限定されないことが理解されるべきである。
ここで図５〜図６を参照すると、本発明の実施形態に係る双極マイクロデバイス転写ヘッドの電極１１６Ａ、１１６Ｂの平面図が提示されている。ここまでは、メサ形構造体１０４を、図５に示すような単一のメサ形構造体として説明してきた。しかし、本発明の実施形態は、これに限定されるものではない。図６に図示した実施形態では、各電極１１６が、トレンチ１０５によって分離された別個のメサ形構造体１０４Ａ、１０４Ｂの上に形成されている。任意の不活性化層１１０（図示せず）は、メサ形構造体１０４Ａ、１０４Ｂの双方を覆うことができる。
ここで図７を参照すると、本発明の一実施形態に係る別の方法の電極リード線の構成の等角図が提示されている。このような実施形態では、電極リード線１１４Ａ、１１４Ｂはメサ形構造体１０４の一部分の下を伸び、導電性ビア１１７Ａ、１１７Ｂがメサ形構造体１０４（及び図示していない、任意の不活性化層１１０）の中を貫通して電極１１６Ａ、１１６Ｂをそれぞれの電極リード線１１４Ａ、１１４Ｂに接続している。このような実施形態において、電極リード線１１４Ａ、１１４Ｂはメサ形構造体１０４の形成以前に形成することができ、電極リード線１１４Ａ、１１４Ｂ及び電極１１６Ａ、１１６Ｂと同じ導電性材料、又は異なる導電性材料で形成することができる。図７では双極電極構造についてビア１１７Ａ、１１７Ｂを図示しているものの、上述のビアはまた、単極電極構造体内に組み込むこともできることが理解されるべきである。
ここで図８〜図１０を参照すると、誘電体層を覆い、メサ形構造体のアレイを囲んで導電性接地平面が形成されている、本発明の一実施形態が図示されている。図８は、図４について前述した双極電極の構成を有するマイクロデバイス転写ヘッド１００のアレイの等角図である。明瞭性を目的として、任意の下層の不活性化層及び上層の誘電体層は図示していない。ここで、図９〜図１０を参照すると、導電性接地平面１３０が、誘電体層１２０を覆い、メサ形構造体１０４のアレイを囲んで形成されている。接地平面１３０の存在は、とりわけ高電圧を印加中に転写ヘッド１００間のアーク発生を防止する補助をする。
接地平面１３０は、電極又はビアを形成するために使用する導電性材料と同じ導電性材料、又は異なる導電性材料で形成することができる。また、接地平面１３０の形成後に誘電体層１２０に匹敵する質（例えば絶縁耐性）の誘電体層を堆積する必要がないので、接地平面１３０は、電極を形成するために使用する導電性材料よりも低い融解温度を有する導電性材料で形成することもできる。
図１１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、転写先基板に転写する、本発明の一実施形態に係る方法を例示するフローチャートである。作業１１１０において、転写ヘッドは、キャリア基板に接続されているマイクロデバイスの上方に配置される。上述の実施形態で説明したように、転写ヘッドは、メサ形構造体、メサ形構造体を覆う電極、及び電極を覆う誘電体層を備えている。したがって、上述の実施形態で説明したように、転写ヘッドは、単極電極又は双極電極の構成、並びにその他任意の構造上の変型を有することができる。次に、作業１１２０で、マイクロデバイスは、転写ヘッドと接触する。一実施形態において、転写ヘッドの誘電体層１２０がマイクロデバイスに接触する。別の実施形態において、転写ヘッドは、グリップ圧力に著しく影響することなく転写ヘッドとマイクロデバイスとを分離する、例えば１ｎｍ（０．００１μｍ）又は１０ｎｍ（０．０１μｍ）の好適なエアギャップを開けてマイクロデバイスの上方に配置される。作業１１３０において、電極に電圧が印加されることでマイクロデバイスに対してグリップ圧力が生じ、作業１１４０において、転写ヘッドがマイクロデバイスをピックアップする。次に、作業１１５０において、マイクロデバイスが転写先基板上にリリースされる。
図１１では作業１１１０〜１１５０が順次図示されているものの、実施形態はこれに限定されるものではなく、追加の作業を実行することもでき、特定の作業を異なる順序で実行することもできることが理解されるべきである。例えば、一実施形態において、マイクロデバイスが転写ヘッドと接触した後、転写ヘッド又はマイクロデバイスの何れかの接触面上に存在する一切の微粒子を取り除くために、転写ヘッドがマイクロデバイスの上面全域に亘って擦られる。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、又はその過程で、マイクロデバイスをキャリア基板に接続する接着層内で相転移を生じさせる作業が実行される。マイクロデバイスと共に接着層の一部分がピックアップされる場合、後続の加工工程中に接着層の一部分の相を制御する追加作業を実行することができる。
電極に電圧を印加してマイクロデバイスに対してグリップ圧力を生じさせる作業１１３０は、様々な順番で実行することができる。例えば、電圧は、マイクロデバイスが転写ヘッドと接触する前に、マイクロデバイスが転写ヘッドと接触する過程で、又はマイクロデバイスが転写ヘッドと接触した後に印加することができる。また、電圧は、接着層に相転移を生じさせる前に、その過程で、又はその後に印加することもできる。
図１２は、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と接触している状態で双極電極の間に印加されている交流電圧の模式図である。図示のように、電極１１６Ａに負の電圧が印加されるある特定の時点に電極１１６Ｂに正の電圧が印加され、その逆も同様であるように、別個の交流（ＡＣ）電圧源を各電極リード線１１４Ａ、１１４Ｂに適用して電極１１６Ａ、１１６Ｂの対の間に交流電圧を印加することができる。マイクロデバイスを転写ヘッドからリリースすることは、電圧源のスイッチを切る、電極の対の間に掛かる電圧を下げる、ＡＣ電圧の波形を変化させる、及び電圧源を接地するなど、様々な方法で達成することができる。図１３は、本発明の一実施形態に係る、双極電極に印加されている定電圧の模式図である。図示の特定の実施形態では、電極１１６Ａに負の電圧が印加されている一方で電極１１６Ｂには正の電圧が印加されている。図１４は、本発明の一実施形態に係る単極電極に印加されている定電圧の模式図である電極１１６には単一電圧のみが印加されているので、転写ヘッドが図１４に図示したマイクロデバイスをピックアップした後は、転写ヘッドがマイクロデバイスを保持できる時間は、誘電体層の放電率の関数とすることができる。図１４に図示した転写ヘッドからマイクロデバイスをリリースすることは、電圧源のスイッチを切る、電圧源を接地する、又は定電圧の極性を反転させることにより、達成することができる。
図１２〜図１４に図示した特定の実施形態において、マイクロデバイス２００は、図２７に図示した例２７Ｏである。図１２〜図１４に図示したマイクロデバイスは、図２７〜図２９に図示したマイクロＬＥＤデバイス構造体、並びに関連する米国特許仮出願第６１／５６１，７０６号及び米国特許仮出願第６１／５９４，９１９号に記載されているものの何れかであることができる。例えば、マイクロＬＥＤデバイス２００は、マイクロｐ−ｎダイオード２３５、２５０、及びマイクロｐ−ｎダイオード２３５、２５０と基板２０１上に形成された接着層２１０との間の金属被覆層２２０を含むことができる。一実施形態において、マイクロｐ−ｎダイオード２５０は、上部ｎドープ層２１４、１つ以上の量子井戸層２１６、及び下部ｐドープ層２１８を含んでいる。マイクロｐ−ｎダイオードは、直立の側壁又はテーパ形状の側壁を有するように製造することができる。特定の実施形態において、マイクロｐ−ｎダイオード２５０は、外向きに（上部から底部へ）テーパ形状の側壁２５３を有している。特定の実施形態において、マイクロｐ−ｎダイオード２３５は、内向きに（上部から底部へ）テーパ形状の側壁２５３を有している。金属被覆層２２０は、１つ以上の層を含むことができる。例えば、金属被覆層２２０は、電極層、及び電極層と接着層との間のバリア層を含むことができる。マイクロｐ−ｎダイオード及び金属被覆層は各々、上面、底面、及び側壁を有することができる。一実施形態において、マイクロｐ−ｎダイオード２５０の底面２５１は、マイクロｐ−ｎダイオードの上面２５２よりも広く、側壁２５３は上部から底部へと外向きにテーパ形状である。マイクロｐ−ｎダイオード２３５の上面は、ｐ−ｎダイオードの底面よりも広くてもよく、又はほぼ同じ幅であってもよい。一実施形態において、マイクロｐ−ｎダイオード２５０の底面２５１は、金属被覆層２２０の上面２２１よりも広い。マイクロｐ−ｎダイオードの底面は、金属被覆層の上面よりも広くてもよく、又は金属被覆層の上面とほぼ同じ幅であってもよい。
必要に応じて、マイクロｐ−ｎダイオード２３５、２５０及びその他の露出面を覆って共形誘電体バリア層２６０を形成することができる。共形誘電体バリア層２６０は、バリア層がその上に形成されるトポグラフィの外形を共形誘電体バリア層２６０が形成するように、マイクロｐ−ｎダイオード２３５、２５０、金属被覆層２２０、及び必要に応じて接着層２１０よりも薄くすることができる。一実施形態において、マイクロｐ−ｎダイオード２３５、２５０は、３μｍのように数マイクロメートルの厚さで、金属被覆層２２０は０．１μｍ〜２μｍ厚、及び接着層２１０は０．１μｍ〜２μｍ厚である。一実施形態において、共形誘電体バリア層２６０は、約５０〜６００オングストローム厚の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）である。共形誘電体バリア層２６０は、原子層成長法（ＡＬＤ）などの、かつこれに限定されない様々な好適な技術によって堆積させることができる。共形誘電体バリア層２６０は、ピックアップ工程中に隣接したマイクロｐ−ｎダイオード間にアークを発生させる帯電を防止することができるので、ピックアップ工程中に隣接するマイクロｐ−ｎダイオードが互いにくっつくことを防止することができる。また、共形誘電体バリア層２６０は、マイクロｐ−ｎダイオードの完全性に影響を及ぼす可能性のある混入物からマイクロｐ−ｎダイオードの側壁２５３、量子井戸層２１６、及び底面２５１を保護することもできる。例えば、共形誘電体バリア層２６０は、マイクロｐ−ｎダイオード２５０の側壁及び量子層２１６に対する接着層材料２１０のウィッキングの物理的な障壁として機能することができる。共形誘電体バリア層２６０はまた、マイクロｐ−ｎダイオード２５０が転写先基板上に定置された後にこれを絶縁することができる。一実施形態において、共形誘電体バリア層２６０は、マイクロｐ−ｎダイオードの側壁２５３にまで広がり、マイクロｐ−ｎダイオード内の量子井戸層２１６を覆うことができる。共形誘電体バリア層はまた、マイクロｐ−ｎダイオードの底面２５１にまで部分的に広がることができ、更には金属被覆層２２０の側壁にまで広がることができる。実施形態によっては、共形誘電体バリア層はまた、パターン形成された接着層２１０の側壁にまで広がっている。共形誘電体バリア層２６０内に接触開口部２６２を形成してマイクロｐ−ｎダイオードの上面２５２を露出させることができる。
図２７を参照すると、接触開口部２６２は、マイクロｐ−ｎダイオードの上面２５２よりも狭い幅を有することができ、共形誘電体バリア層２６０は、マイクロｐ−ｎダイオードの上面２５２の縁部の周りにリップを形成している。図２８を参照すると、接触開口部２６２はマイクロｐ−ｎダイオードの上面よりも僅かに広い幅を有することができる。このような実施形態において、共形誘電体バリア層２６０が量子井戸層２１６を覆って絶縁する一方で、接触開口部２６２は、マイクロｐ−ｎダイオードの上面２５２及びマイクロｐ−ｎダイオードの側壁２５３の上部部分を露出させている。図２９を参照すると、共形誘電体バリア層２６０は、マイクロｐ−ｎダイオードの上面とほぼ同じ幅を有することができる。共形誘電体バリア層２６０はまた、図２７〜２９に図示したマイクロｐ−ｎダイオードの底面２５１に沿って広げることもできる。
一実施形態において、共形誘電体バリア層２６０は、結合ヘッドの誘電体層１２０と同じ材料で形成されている。また、特定のマイクロＬＥＤデバイスの構造次第では、共形誘電体バリア層２６０は、接着層２１０の側壁並びにキャリア基板、及びポストが存在する場合にはポストにまで広げることができる。接着層２１０は、特定の加工及び取扱い作業の間にはマイクロＬＥＤデバイス２００をキャリア基板２０１上に維持でき、相転移を経ると、ピックアップ作業中にマイクロＬＥＤデバイス２００をその上に維持できると共にその上から容易にリリースできる媒質を提供できる材料から形成することができる。例えば、接着層は、ピックアップ作業前又は作業中に接着層が固体状態から液体状態へと相転移を経るように、再溶融可能又は再流動化可能とすることができる。液体状態では、接着層はキャリア基板上にマイクロＬＥＤデバイスを保持すると共に、マイクロＬＥＤデバイス２００を容易にリリースできる媒質も提供する。一実施形態において、接着層２１０は、約３５０℃未満、より具体的には約２００℃未満の液相線温度又は融解温度を有する。
このような温度では、接着層は、マイクロＬＥＤデバイスの他の構成要素に著しい影響を及ぼさずに相転移を経ることができる。例えば、接着層は、除去可能な金属若しくは金属合金、又は熱可塑性ポリマーで形成することができる。例えば、接着層は、インジウム、スズ、又はポリエチレン若しくはポリプロピレンのような熱可塑性ポリマーを含むことができる。例えば、接着層が温度の変化に応答して固体から液体への相転移を経る場合、ピックアップ作業時に接着層の一部分がマイクロＬＥＤデバイスの上に残ってもよい。このような実施形態において、後続の工程で転写先基板に転写されたときにマイクロＬＥＤデバイスに悪影響を及ぼさないように、接着層は導電性材料で形成されることが有益である可能性がある。この場合、転写中にマイクロＬＥＤデバイス上に残る導電性接着層の一部分は、転写先基板上の導体パッドにマイクロＬＥＤデバイスを接着させる補助をすることができる。ある特定の実施形態において、接着層は、１５６．７℃の融解温度を有するインジウムで形成することができる。接着層は、基板２０１全体に亘って横方向に連続していてもよく、又は横方向の別個の場所に形成することもできる。例えば、接着層の横方向の別個の場所は、マイクロｐ−ｎダイオード若しくは金属被覆層の底面よりも狭い幅又はこれとほぼ同じ幅を有することができる。実施形態によっては、マイクロｐ−ｎダイオードは、必要に応じて基板上のポスト２０２の上に形成することができる。
はんだの多くは一般的に固体状態において延性な材料であり、半導体表面及び金属表面に対して良好な濡れを呈するので、接着層２１０の材料には、はんだが好適であり得る。
一般的な合金は単一温度ではなくある温度範囲に亘って融解する。したがって、はんだ合金は、多くの場合、合金が液体の状態に留まる最低温度に対応する液相線温度、及び合金が固体の状態に留まる最高温度に対応する固相線温度によって特徴付けられる。本発明の実施形態に利用できる例示的な低融点はんだ材料のリストを表２に提示する。
Figure 2017022391
本発明の実施形態に利用できる例示的な熱可塑性ポリマーのリストを表３に提示する。
Figure 2017022391
図１５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、転写先基板に転写する、本発明の一実施形態に係る方法を例示するフローチャートである。作業１５１０において、転写ヘッドは、接着層によってキャリア基板に接続されたマイクロデバイスの上方に配置される。転写ヘッドは、本明細書内で説明する任意の転写ヘッドであってよい。マイクロデバイスは、図２７〜図２９に図示したマイクロＬＥＤデバイス構造体、並びに関連した米国特許仮出願第６１／５６１／７０６号及び米国特許仮出願第６１／５９４，９１９号に記載されたもののうちの何れかであってよい。次に、作業１５２０で、マイクロデバイスは、転写ヘッドと接触する。一実施形態において、転写ヘッドの誘電体層１２０がマイクロデバイスと接触する。別の実施形態において、転写ヘッドは、グリップ圧力に著しく影響することなく転写ヘッドとマイクロデバイスとを分離する、例えば１ｎｍ（０．００１μｍ）又は１０ｎｍ（０．０１μｍ）の好適なエアギャップを開けてマイクロデバイスの上方に配置される。作業１５２５において、接着層２１０内で固体状態から液体状態への相転移を生じさせる作業が実行される。例えば、作業には、Ｉｎ接着層を１５６．７℃の融解温度以上で加熱する工程を含むことができる。別の実施形態では、作業１５２５は、作業１５２０の前に実行することができる。作業１５３０において、電極に電圧が印加されてマイクロデバイスに対するグリップ圧力が生じ、作業１５４０において、マイクロデバイス及び接着層２１０のかなりの部分が転写ヘッドによってピックアップされる。例えば、接着層２１０のほぼ半分をマイクロデバイスと共にピックアップすることができる。別の実施形態では、接着層２１０は一切、転写ヘッドによってピックアップされない。作業１５４５において、マイクロデバイス及び接着層２１０の部分が転写先基板と接触する。次に、作業１５５０において、マイクロデバイス及び接着層２１０の部分が転写先基板上にリリースされる。マイクロデバイス及び接着層２１０の部分の、ピックアップ時、転写時、転写先基板との接触時、並びに転写先基板上でのリリース時に、接着層の部分の相を制御するための様々な作業を行うことができる。例えば、マイクロデバイスと共にピックアップされる接着層の部分は、接触作業１５４５の間及びリリース作業１５５０の間に液体状態を維持することができる。別の実施形態において、接着層の部分は、ピックアップされた後に固相にまで冷却させることができる。例えば、接着層の部分は、接触作業１５４５の間に固相であることができ、リリース作業１５５０の前又はその過程で再び液体状態に融解することができる。本発明の実施形態によれば、様々な温度サイクル及び物質相サイクルを実行することができる。
図１６は、キャリア基板からマイクロデバイスのアレイをピックアップし、少なくとも１つの転写先基板に転写する、本発明の一実施形態に係る方法を例示するフローチャートである。作業１６１０において、各転写ヘッドがメサ形構造体メサ形構造体を覆う電極、及び電極を覆う誘電体層を有する、転写ヘッドのアレイが、マイクロデバイスのアレイの上方に配置される。作業１６２０において、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。別の実施形態において、転写ヘッドのアレイは、グリップ圧力に著しく影響することなく転写ヘッドのアレイとマイクロデバイスのアレイとを分離する、例えば１ｎｍ（０．００１μｍ）又は１０ｎｍ（０．０１μｍ）の好適なエアギャップを開けてマイクロデバイスのアレイの上方に配置される。図１７は、マイクロＬＥＤデバイス２００のアレイと接触している、本発明の一実施形態に係るマイクロデバイス転写ヘッド１００のアレイの側面図である。図１７に図示したように、転写ヘッド１００のアレイのピッチ（Ｐ）は、マイクロＬＥＤデバイス２００のピッチと一致し、転写ヘッドのアレイのピッチ（Ｐ）は、転写ヘッド間の間隔（Ｓ）と転写ヘッドの幅（Ｗ）との合計である。
一実施形態において、マイクロＬＥＤデバイス２００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の間隔及び最大８μｍの幅を有する。ある例示的な実施形態において、直立した側壁を有するマイクロｐ−ｎダイオード２５０を想定すると、各マイクロＬＥＤデバイス２００の上面は、約８μｍの幅を有する。このような例示的な実施形態において、これに対応する転写ヘッド１００の上面１２１の幅は、隣接したマイクロＬＥＤデバイスとの不慮の接触を回避するために、約８μｍ以下である。別の実施形態において、マイクロＬＥＤデバイス２００のアレイは５μｍのピッチを有することができ、各マイクロＬＥＤデバイスは、２μｍの間隔及び最大３μｍの幅を有することができる。ある例示的な実施形態において、各マイクロＬＥＤデバイス２００の上面は、約３μｍの幅を有する。このような例示的な実施形態において、これに対応する転写ヘッド１００の上面１２１の幅は、隣接したマイクロＬＥＤデバイス２００との不慮の接触を回避するために、約３μｍ以下である。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの特定の寸法に限定されるものではなく、任意の好適な寸法であることができる。
図１８は、マイクロＬＥＤデバイス２００のアレイと接触している、本発明の一実施形態に係るマイクロデバイス転写ヘッドのアレイの側面図である。図１８に図示した実施形態において、転写ヘッドのピッチ（Ｐ）は、マイクロデバイスのアレイのピッチの整数倍である。図示した特定の実施形態において、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。このような実施形態において、転写ヘッドがより大きなピッチを有することにより、転写ヘッド間のアーク発生を防止することができる。
再び図１６を参照すると、作業１６３０において、転写ヘッド１００のアレイの一部分に選択的に電圧が印加される。このように、各転写ヘッド１００は、個別に操作することができる。作業１６４０において、転写ヘッドのアレイのうちの電圧が選択的に印加された部分によって、マイクロデバイスのアレイのうちのこれに対応する部分がピックアップされる。一実施形態において、転写ヘッドのアレイの一部分に選択的に電圧を印加するということは、転写ヘッドのアレイ内の全ての転写ヘッドに電圧を印加することを意味する。図１９は、本発明の一実施形態に係る、マイクロＬＥＤデバイス２００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全ての転写ヘッドの側面図である。別の実施形態では、転写ヘッドのアレイの一部分に選択的に電圧を印加するということは、転写ヘッドのアレイ内の全てよりも少ない数の転写ヘッド（例えば、転写ヘッドの部分集合）に電圧を印加することを意味する。図２０は、本発明の一実施形態に係るマイクロＬＥＤデバイス２００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部分集合の側面図である。図１９〜図２０に図示した特定の実施形態において、ピックアップ作業は、マイクロＬＥＤデバイス２００のマイクロｐ−ｎダイオード２５０、金属被覆層２２０、及び共形誘電体バリア層２６０の一部分をピックアップする工程を含む。図１９〜図２０に図示した特定の実施形態において、ピックアップ作業は、接着層２１０のかなりの部分をピックアップする工程を含む。結果的に、図１６〜図２２について説明した実施形態の何れもまた、図１５について説明したとおりの接着層２１０の部分の温度を制御する工程を伴うことができる。例えば、図１６〜図２２について説明した実施形態は、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に接続する接着層の複数の場所で固体状態から液体状態への相転移を生じさせる作業を実行する工程を含むことができる。一実施形態において、接着層の複数の場所は、同一の接着層の領域であってもよい。一実施形態において、接着層の複数の場所は、接着層の横方向の別個の場所であってもよい。
次に、作業１６５０において、マイクロデバイスのアレイの部分が、少なくとも１つの転写先基板上にリリースされる。したがって、マイクロＬＥＤのアレイを全て単一の転写先基板上にリリースすることもでき、又は複数の基板上に選択的にリリースすることもできる。例えば、転写先基板は、ディスプレイ基板、照明基板、トランジスタ若しくはＩＣのような機能デバイスを有する基板、又は金属再配線を有する基板であることができるが、これらに限定されるものではない。リリースは、図１２〜図１４について説明した方法の何れかによって印加電圧に作用することによって達成することができる。
図２１は、複数の駆動回路の接触子３１０を含む転写先基板３０１の上方に、対応するマイクロＬＥＤデバイス２００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の側面図である。次に、マイクロＬＥＤデバイス２００のアレイを転写先基板と接触させ、次に選択的にリリースすることができる。図２２は、駆動回路の接触子３１０の上から転写先基板３０１上に選択的にリリースされた、本発明の一実施形態に係る単一のマイクロＬＥＤデバイス２００の側面図である。別の実施形態では、１つより多くのマイクロＬＥＤデバイス２００がリリースされ、又はマイクロＬＥＤデバイス２００のアレイ全体がリリースされる。
本発明の様々な態様を利用するに当たって、マイクロデバイス転写ヘッド及びヘッドアレイを形成するため、並びにマイクロデバイス及びマイクロデバイスアレイを転写するために、上述の実施形態を組み合わせ、又は変型することが可能であることが、当業者にとっては明白となるであろう。本発明は、構造的機構及び／又は方法論的な行為に特有の言語で説明されているものの、添付の請求項に定義される発明は、必ずしも記載の特定の機構又は行為に限定されるものではないことが理解されるべきである。むしろ、記載の特定の機構及び行為は、本発明を例示する上で有用な、請求の発明の特に上手な実施であるとして理解されるべきである。

Claims (20)

  1. ベース基板と、
    側壁を含むメサ形構造体と、
    前記メサ形構造体を覆って形成された電極と、
    前記電極を覆う誘電体層と、を備える、マイクロデバイス転写ヘッド。
  2. 前記側壁が、テーパ形状であり、前記ベース基板から離れて前記メサ形構造体の上面へ突出し、前記電極が、前記上面の上に形成されている、請求項１に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  3. 前記メサ形構造体の前記上面上の前記電極から、前記メサ形構造体の側壁に沿って通る電極リード線を更に備える、請求項２に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  4. 前記誘電体層は、前記メサ形構造体の前記側壁に沿って前記電極リード線を覆う、請求項３に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  5. 前記メサ形構造体を通って前記電極を電極リード線に接続するビアを更に備える、請求項１に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  6. 前記誘電体層を覆って形成され、前記メサ形構造体を囲む、導電性接地平面を更に備える、請求項１に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  7. 前記メサ形構造体が、前記ベース基板と一体的に形成されている、請求項１に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  8. 前記電極が、プラチナ、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、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、及びそれらの合金からなる群から選択される材料を含む、請求項１に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  9. 前記電極は、ＴｉＷを含む、請求項１に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  10. 前記誘電体層は、Ａｌ2Ｏ3及びＴａ2Ｏ5からなる群から選択される誘電材料を含む、請求項１に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  11. 前記メサ形構造体の前記上面上に形成された１対の電極を更に備え、前記誘電体層は前記１対の電極を覆う、請求項２に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  12. １対の電極リード線の対を更に備え、各電極リード線が、前記メサ形構造体の前記上面上の対応する電極から、前記メサ形構造体の側壁に沿って伸びる、請求項１１に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  13. 前記誘電体層は、前記メサ形構造体の前記側壁に沿って前記１対の電極リード線を覆う、請求項１２に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  14. 前記メサ形構造体を通り、前記１対の電極のうちの１つを電極リード線に接続するビアを更に備える、請求項１１に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  15. ベース基板と、
    メサ形構造体のアレイであって、各メサ形構造体が側壁及び前記メサ形構造体を覆って形成された電極を含む、前記メサ形構造体のアレイと、
    前記メサ形構造体のアレイ及び各メサ形構造体を覆って形成された各電極を覆う誘電体層と、を備える、マイクロデバイス転写ヘッドアレイ。
  16. 前記誘電体層を覆い、前記メサ形構造体のそれぞれを囲んで形成されている導電性接地平面を更に含む、請求項１５に記載のマイクロデバイス転写ヘッドアレイ。
  17. 各メサ形構造体が、前記ベース基板と一体的に形成されている、請求項１５に記載のマイクロデバイス転写ヘッドアレイ。
  18. 各電極が、プラチナ、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、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、及びそれらの合金からなる群から選択される材料を含む、請求項１５に記載のマイクロデバイス転写ヘッドアレイ。
  19. 各電極は、ＴｉＷを含む、請求項１５に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
  20. 前記誘電体層は、Ａｌ2Ｏ3及びＴａ2Ｏ5からなる群から選択される誘電材料を含む、請求項１５に記載のマイクロデバイス転写ヘッド。
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