KR101585818B1 - 마이크로 소자 이송 헤드 히터 조립체 및 마이크로 소자의 이송 방법 - Google Patents

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안드레아스 비블
존 에이. 히긴슨
훙-파이 스티븐 로우
신-후아 후
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럭스뷰 테크놀로지 코포레이션
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Abstract

마이크로 소자 및 마이크로 소자들의 어레이의 이송 방법이 개시된다. 접합 층에 연결된 마이크로 소자를 수송하는 캐리어 기판이 접합 층의 액상선 온도 미만의 온도로 가열되고, 이송 헤드가 접합 층의 액상선 온도 초과의 온도로 가열된다. 이송 헤드로 마이크로 소자를 접촉시, 이송 헤드로부터의 열이 접합 층으로 전달되어 접합 층을 적어도 부분적으로 용융한다. 이송 헤드에 인가된 전압이 캐리어 기판으로부터 마이크로 소자를 픽업하는 그립력을 생성한다.

Description

마이크로 소자 이송 헤드 히터 조립체 및 마이크로 소자의 이송 방법{MICRO DEVICE TRANSFER HEAD HEATER ASSEMBLY AND METHOD OF TRANSFERRING A MICRO DEVICE}
관련 출원
본 출원은 2011년 11월 18일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 제61/561,706호, 2012년 2월 3일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 제61/594,919호, 2012년 2월 9일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 제61/597,109호 및 2012년 2월 10일에 출원된 미국 가출원 일련 번호 제61/597,658호로부터 우선권의 이득을 주장하며, 이들 전문은 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명은 마이크로 소자(micro device)에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 실시예들은 마이크로 소자 이송 헤드(micro device transfer head)를 사용하여 하나 이상의 마이크로 소자들을 수용 기판(receiving substrate)으로 이송하는 방법에 관한 것이다.
집적 및 패키징 문제는 무선 주파수(RF) 마이크로전기기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS) 마이크로스위치, 발광 다이오드(LED) 디스플레이 시스템, 및 MEMS 또는 석영-기반 오실레이터와 같은 마이크로 소자들의 상업화에 대한 주요 장애물 중 하나이다.
소자들을 이송하기 위한 전통적인 기술은 이송 웨이퍼로부터 수용 웨이퍼로의 웨이퍼 접합에 의한 이송을 포함한다. 그러한 일 구현예는 이송 웨이퍼로부터 수용 웨이퍼로의 소자들의 어레이의 일 접합 단계 - 그 후, 이송 웨이퍼는 제거됨 - 를 수반하는 "직접 인쇄(direct printing)"이다. 이의 다른 구현예는 접합/접합해제의 2개의 단계를 수반하는 "전사 인쇄(transfer printing)"이다. 전사 인쇄에서는, 이송 웨이퍼가 도너 웨이퍼로부터 소자들의 어레이를 픽업(pick up)하고, 이어서 소자들의 어레이를 수용 웨이퍼에 접합한 후, 이송 웨이퍼를 제거할 수 있다.
이송 공정 동안 소자가 선택적으로 접합 및 접합해제될 수 있는 일부 인쇄 공정 변형 형태가 개발되어 왔다. 전통적인 형태 및 변형 형태의 직접 인쇄 및 전사 인쇄 기술 둘 모두에서, 이송 웨이퍼는 소자를 수용 웨이퍼에 접합한 후에 소자로부터 접합해제된다. 게다가, 소자들의 어레이를 갖는 전체 이송 웨이퍼가 이송 공정에 수반된다.
마이크로 소자 이송 헤드 및 헤드 어레이, 및 하나 이상의 마이크로 소자들을 수용 기판으로 이송하는 방법이 개시된다. 예를 들어, 수용 기판은 디스플레이 기판, 조명 기판, 트랜지스터 또는 집적 회로(IC)와 같은 기능 소자를 갖춘 기판, 또는 금속 재배선을 갖춘 기판일 수 있지만 이로 한정되지 않는다.
일 실시예에서, 마이크로 소자 이송 헤드는 베이스 기판(base substrate), 측벽들을 포함하는 메사 구조체(mesa structure), 메사 구조체 위에 형성된 적어도 하나의 전극, 및 전극을 덮는 유전체 층을 포함한다. 예를 들어, 마이크로 소자 이송 헤드는 모노폴라(monopolar) 또는 바이폴라(bipolar) 전극 구조를 포함할 수 있다. 메사 구조체는 베이스 기판과 별개로 또는 일체로 형성될 수 있다. 측벽들은 테이퍼지고 베이스 기판으로부터 멀리 메사 구조체의 상부 표면으로 돌출될 수 있으며, 이때 전극은 상부 표면 상에 형성된다. 베이스 기판 내의 배선과 접촉시키고 마이크로 소자 이송 헤드를 정전기 그리퍼 조립체의 작동 전자장치에 연결하기 위하여 전극 리드가 전극으로부터 연장될 수 있다. 전극 리드들은 메사 구조체의 상부 표면 상의 전극으로부터 그리고 메사 구조체의 측벽을 따라 이어질 수 있다. 대안적으로, 전극 리드는 메사 구조체 아래로 이어지고 메사 구조체를 통해 전극으로 이어지는 비아(via)에 연결될 수 있다.
전극 및 전극 리드들은 침착된 유전체 층으로 덮일 수 있다. 유전체 층에 적합한 재료에는 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화탄탈(Ta2O5)이 포함되지만 이로 한정되지 않는다. 유전체 층이 침착되기 때문에, 전극 및 전극 리드들은 고용융 온도 금속, 예컨대 백금 및 내화 금속(refractory metal) 또는 내화 금속 합금, 예컨대 티타늄 텅스텐(TiW)을 비롯한 높은 침착 온도를 견딜 수 있는 재료로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 마이크로 소자의 이송 방법은 캐리어 기판에 연결된 마이크로 소자 위에 이송 헤드를 위치설정하는 단계를 포함한다. 마이크로 소자는 이송 헤드와 접촉되고, 마이크로 소자 상에 그립 압력(grip pressure)을 생성하기 위해 이송 헤드 내의 전극에 전압이 인가된다. 이송 헤드는 마이크로 소자를 픽업하고, 이어서 마이크로 소자를 수용 기판 상으로 릴리즈한다. 전압은 이송 헤드와 마이크로 소자의 접촉 전에, 접촉 동안에 또는 접촉 후에 전극에 인가될 수 있다. 전압은 정전류 전압 또는 교류 전류 전압일 수 있다. 일 실시예에서, 교류 전류 전압이 바이폴라 전극 구조에 인가된다. 일 실시예에서, 마이크로 소자를 픽업하기 전에 또는 픽업하는 동안에 마이크로 소자를 캐리어 기판에 연결하는 접합 층에서 상(phase) 변화를 일으키기 위해 작업이 추가로 수행된다.
일 실시예에서, 접합 층은 마이크로 소자를 픽업하기 전에 또는 픽업하는 동안에 접합 층에서 고체로부터 액체로의 상 변화를 일으키도록 가열된다. 작업 조건에 따라, 접합 층의 상당 부분이 픽업되고 마이크로 소자와 함께 이송될 수 있다. 마이크로 소자 및 접합 층의 부분을 픽업하고, 이송하고, 수용 기판과 접촉시키고, 수용 기판 상에 릴리즈할 때, 접합 층의 상기 부분의 상(phase)을 제어하기 위해 다양한 작업들이 수행될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 소자와 함께 픽업되는 접합 층의 부분은 수용 기판과 접촉시킬 때 그리고 수용 기판 상으로의 릴리즈 작업 동안 액체 상태로 유지될 수 있다. 다른 실시예에서, 접합 층의 상기 부분은 픽업된 후에 고상으로 냉각되게 둘 수 있다. 예를 들어, 접합 층의 상기 부분은 수용 기판과의 접촉 전에 또는 접촉 동안에 고상일 수 있고, 릴리즈 작업 동안에 액체 상태로 다시 용융될 수 있다. 다양한 온도 사이클 및 재료의 상(phase) 사이클이 본 발명의 실시예들에 따라 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 마이크로 소자들의 어레이의 이송 방법은 마이크로 소자들의 어레이 위에 이송 헤드들의 어레이를 위치설정하는 단계를 포함한다. 마이크로 소자들의 어레이는 이송 헤드들의 어레이와 접촉되고, 이송 헤드들의 어레이의 일부분에 전압이 선택적으로 인가된다. 전압을 선택적으로 인가하는 것은 어레이 내의 모든 이송 헤드들에, 또는 어레이 내의 모든 이송 헤드들보다 적은 이송 헤드에 대응하는 부분에 전압을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 이어서, 마이크로 소자들의 어레이의 대응하는 부분은 이송 헤드들의 어레이의 상기 부분과 함께 픽업되고, 마이크로 소자들의 어레이의 상기 부분이 적어도 하나의 수용 기판 상으로 선택적으로 릴리즈된다. 일 실시예에서, 이송 헤드들 또는 마이크로 소자들의 접촉 표면 상에 존재할 수 있는 임의의 입자를 제거하기 위하여, 이송 헤드들의 어레이를 접촉을 하면서 마이크로 소자들의 어레이 상에 문지를 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로 소자들의 어레이를 픽업하기 전에, 마이크로 소자들의 어레이를 캐리어 기판에 연결하는 접합 층의 측방향으로 분리된 위치들의 어레이에서 상 변화가 일어난다.
일 실시예에서, 마이크로 소자 이송 헤드 어레이의 제작 방법은 베이스 기판 상에 메사 구조체들의 어레이를 형성하는 단계를 포함하며, 이때 각각의 메사 구조체는 측벽들을 포함한다. 개별 전극이 각각의 메사 구조체 위에 형성되고, 유전체 층이 메사 구조체들의 어레이 및 각각의 전극 위에 침착된다. 일 실시예에서, 유전체 층은 원자 층 침착(atomic layer deposition, ALD)으로 침착되고, 핀-홀(pin-hole)이 없을 수 있다. 유전체 층은 하나 또는 다수의 유전체 층을 포함할 수 있다. 개별 전극을 각각의 대응하는 메사 구조체 위에 형성하기 전에, 컨포멀 패시베이션 층(conformal passivation layer)이 베이스 기판 및 메사 구조체들의 어레이 위에 선택적으로 성장되거나 침착될 수 있다. 일 실시예에서, 전도성 접지면(conductive ground plane)이 유전체 층 위에 그리고 각각의 메사 구조체를 둘러싸서 형성된다.
일 실시예에서, 마이크로 소자의 이송 방법은 접합 층에 연결된 마이크로 소자를 수송하는 캐리어 기판을 접합 층의 액상선 온도(liquidus temperature) 미만의 온도로 가열하는 단계, 및 이송 헤드를 접합 층의 액상선 온도 초과의 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 마이크로 소자는 이송 헤드와 접촉되고, 접합 층을 적어도 부분적으로 용융하기 위해 이송 헤드로부터 접합 층으로 열이 전달된다. 마이크로 소자 상에 그립 압력을 생성하기 위해 이송 헤드에 전압이 인가되고, 마이크로 소자는 이송 헤드로 픽업된다. 이어서, 마이크로 소자는 수용 기판과 접촉하게 배치되고 수용 기판 상으로 릴리즈될 수 있다. 수용 기판은 이송 공정을 보조하기 위하여 전역적으로 또는 국소적으로 가열될 수 있다.
일 실시예에서, 마이크로 소자들의 어레이의 이송 방법은 접합 층의 복수의 위치들에 연결된 마이크로 소자들의 어레이를 수송하는 기판을 접합 층의 액상선 온도 미만의 온도로 가열하는 단계, 및 이송 헤드들의 어레이를 접합 층의 액상선 온도 초과의 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 마이크로 소자들의 어레이는 이송 헤드들의 어레이와 접촉되고, 접합 층의 복수의 위치들의 부분들을 적어도 부분적으로 용융하기 위해 이송 헤드들의 어레이로부터 접합 층의 복수의 위치들로 열이 전달된다. 이송 헤드들의 어레이의 일부분에 전압이 선택적으로 인가되고, 마이크로 소자들의 어레이의 대응하는 부분이 이송 헤드들의 어레이의 상기 부분에 의해 픽업된다. 이어서, 마이크로 소자들의 어레이의 상기 부분이 적어도 하나의 수용 기판과 접촉하게 배치될 수 있고 그 위로 선택적으로 릴리즈될 수 있다. 수용 기판은 이송 공정을 보조하기 위하여 전역적으로 또는 국소적으로 가열될 수 있다.
일 실시예에서, 마이크로 소자 및 마이크로 소자들의 어레이는, 각각이 마이크로 p-n 다이오드 및 금속화 층(metallization layer)을 포함하며 금속화 층은 기판 상에 형성된 접합 층과 마이크로 p-n 다이오드 사이에 있는 마이크로 LED 소자들이다. 마이크로 LED 소자 및 마이크로 LED 소자들의 어레이를 픽업한다고 할 때, 이는 마이크로 p-n 다이오드, 금속화 층 및 접합 층의 일부분을 픽업하는 것을 포함할 수 있다. 컨포멀 유전체 장벽 층이 마이크로 p-n 다이오드의 측벽들 및 마이크로 p-n 다이오드의 저부 표면에 걸쳐 있을 수 있다. 컨포멀 유전체 장벽 층은 마이크로 p-n 다이오드의 저부 표면 아래에서 클리빙(cleave)될 수 있다.
<도 1>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 치수(dimension)의 마이크로 소자를 픽업하기 위해 표면 장력의 힘을 극복하는 데 필요한 압력을 나타낸 그래프 도면이다.
<도 2>
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 픽업 작업 동안에 생성된 표면 장력과 증가하는 갭 거리 사이의 관계의 그래프 도면이다.
<도 3>
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 인장 속도에서 픽업 작업 동안에 생성된 점성력 압력과 증가하는 갭 거리 사이의 관계의 그래프 도면이다.
<도 4>
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이송 헤드가 마이크로 소자로부터 인출됨에 따라 마이크로 소자 상에 이송 헤드에 의해 가해지는 그립 압력을 나타낸 모델링 분석에 의해 얻어진 그래프 도면이다.
<도 5>
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모노폴라 마이크로 소자 이송 헤드의 측단면도이다.
<도 6>
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모노폴라 마이크로 소자 이송 헤드의 등각도이다.
<도 7>
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 마이크로 소자 이송 헤드의 측단면도이다.
<도 8>
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 마이크로 소자 이송 헤드의 등각도이다.
<도 9 및 도 10>
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 마이크로 소자 이송 헤드의 평면도이다.
<도 11>
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 비아들을 포함하는 바이폴라 마이크로 소자 이송 헤드의 등각도이다.
<도 12>
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 마이크로 소자 이송 헤드 어레이의 등각도이다.
<도 13>
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 접지면을 포함하는 바이폴라 마이크로 소자 이송 헤드 어레이의 등각도이다.
<도 14>
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 접지면을 포함하는 바이폴라 마이크로 소자 이송 헤드 어레이의 측단면도이다.
<도 15>
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 기판으로부터 마이크로 소자를 픽업하고 수용 기판으로 이송하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
<도 16>
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전극을 가로질러 인가된 교류 전압의 개략도이다.
<도 17>
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전극을 가로질러 인가된 정전압의 개략도이다.
<도 18>
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 모노폴라 전극에 인가된 정전압의 개략도이다.
<도 19>
도 19는 마이크로 p-n 다이오드의 상부 표면보다 더 좁은 폭을 갖는 접촉 개구를 포함하는 다양한 마이크로 LED 구조체들의 측단면도이다.
<도 20>
도 20은 마이크로 p-n 다이오드의 상부 표면보다 더 넓은 폭을 갖는 접촉 개구를 포함하는 다양한 마이크로 LED 구조체들의 측단면도이다.
<도 21>
도 21은 마이크로 p-n 다이오드의 상부 표면과 동일한 폭을 갖는 접촉 개구를 포함하는 다양한 마이크로 LED 구조체들의 측단면도이다.
<도 22>
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡상된(wicked up) 접합 층의 측단면도이다.
<도 23a 및 도 23b>
도 23a 및 도 23b는 본 발명의 실시예들에 따른 캐리어 웨이퍼 및 마이크로 LED 소자들의 어레이의 평면도 및 측단면도를 포함한다.
<도 24>
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 기판으로부터 마이크로 소자를 픽업하고 수용 기판으로 이송하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
<도 25>
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 기판으로부터 마이크로 소자들의 어레이를 픽업하고 적어도 하나의 수용 기판으로 이송하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
<도 26>
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들의 어레이와 접촉한 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이의 측단면도이다.
<도 27>
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들의 어레이와 접촉한 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이의 측단면도이다.
<도 28>
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들의 어레이를 픽업한 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이의 측단면도이다.
<도 29>
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들의 어레이의 일부분을 픽업하는 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이의 측단면도이다.
<도 30>
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들의 어레이가 수용 기판 위에 위치된 상태의 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이의 측단면도이다.
<도 31>
도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 수용 기판 상으로 선택적으로 릴리즈된 마이크로 소자의 측단면도이다.
<도 32>
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 기판으로부터 마이크로 소자를 픽업하고 수용 기판으로 이송하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
<도 33a>
도 33a는 본 발명의 일 실시예에 따른 측방향으로 연속된 접합 층의 적어도 부분적으로 용융된 위치의 측단면도이다.
<도 33b>
도 33b는 본 발명의 일 실시예에 따른 측방향으로 연속된 접합 층의 적어도 부분적으로 용융된 위치들의 측단면도이다.
<도 34a>
도 34a는 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 층의 적어도 부분적으로 용융된 측방향으로 분리된 위치의 측단면도이다.
<도 34b>
도 34b는 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 층의 적어도 부분적으로 용융된 측방향으로 분리된 위치들의 측단면도이다.
<도 35a>
도 35a는 본 발명의 일 실시예에 따른 포스트 상에 있는 접합 층의 적어도 부분적으로 용융된 측방향으로 분리된 위치의 측단면도이다.
<도 35b>
도 35b는 본 발명의 일 실시예에 따른 포스트들 상에 있는 접합 층의 적어도 부분적으로 용융된 측방향으로 분리된 위치들의 측단면도이다.
<도 36>
도 36은 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 기판으로부터 마이크로 소자들의 어레이를 픽업하고 적어도 하나의 수용 기판으로 이송하는 방법을 예시하는 흐름도이다.
<도 37>
도 37은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들의 어레이와 접촉한 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이의 측단면도이다.
<도 38>
도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들의 어레이를 픽업한 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이의 측단면도이다.
<도 39>
도 39는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들의 어레이가 수용 기판 위에 위치된 상태의 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이의 측면도이다.
<도 40>
도 40은 본 발명의 일 실시예에 따른 수용 기판 상으로 선택적으로 릴리즈된 마이크로 LED 소자들의 어레이의 측면도이다.
본 발명의 실시예들은 마이크로 소자 이송 헤드 및 헤드 어레이와, 마이크로 소자 및 마이크로 소자들의 어레이를 수용 기판으로 이송하는 방법을 기술한다. 예를 들어, 수용 기판은 디스플레이 기판, 조명 기판, 트랜지스터 또는 집적 회로(IC)와 같은 기능 소자를 갖춘 기판, 또는 금속 재배선을 갖춘 기판일 수 있지만 이로 한정되지 않는다. 일부 실시예에서, 본 명세서에서 기술된 마이크로 소자 및 마이크로 소자들의 어레이는 도 19 내지 도 21에 예시된 임의의 마이크로 LED 소자 구조체, 및 관련된 미국 가출원 제61/561,706호 및 미국 가출원 제61/594,919호에 기술된 것들일 수 있다. 본 발명의 일부 실시예는 마이크로 LED들에 관하여 특정하여 기술되어 있지만, 본 발명의 실시예들은 그렇게 제한되지 않으며, 소정 실시예들은 또한 다이오드, 트랜지스터, IC, 및 MEMS와 같은 다른 마이크로 소자들에 적용가능할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
다양한 실시예들에서, 도면을 참조하여 기술된다. 그러나, 소정 실시예들은 이들 구체적 세부사항 중 하나 이상 없이, 또는 다른 알려진 방법 및 구성과 조합되어 실시될 수 있다. 하기의 설명에서는, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 구체적 구성, 치수 및 공정 등과 같은 많은 구체적 세부사항이 언급된다. 다른 경우에, 잘 알려진 반도체 공정 및 제조 기술은 본 발명을 불필요하게 불명료하게 하지 않도록 특별히 상세히 기술되지 않았다. 본 명세서 전반에 걸쳐 "하나의 실시예", "일 실시예" 등에 대한 언급은 그러한 실시예와 관련되어 기술되는 특정한 특징, 구조, 구성 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 곳에서 어구 "하나의 실시예에서", "일 실시예에서" 등의 언급은 반드시 본 발명의 동일한 실시예를 가리키지는 않는다. 또한, 특정한 특징, 구조, 구성 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "위에", "으로", "사이에" 및 "상에"는 하나의 층의 다른 층에 대한 상대 위치를 지칭할 수 있다. 다른 층 "위의" 또는 그것 "상의" 또는 다른 층"으로" 접합되는 하나의 층은 다른 층과 직접 접촉할 수 있거나 하나 이상의 개재하는 층을 구비할 수 있다. 층들 "사이의" 하나의 층은 그러한 층들과 직접 접촉할 수 있거나, 하나 이상의 개재하는 층을 구비할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "마이크로" 소자, "마이크로" LED 구조체는 본 발명의 실시예들에 따른 일정 소자 또는 구조체의 서술적인 크기를 지칭할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "마이크로" 소자 또는 구조체는 1 내지 100 ㎛의 스케일을 가리키는 것을 의미한다. 그러나, 본 발명의 실시예들이 반드시 그렇게 제한되지는 않으며, 실시예의 일정 태양이 더 큰 그리고 가능하게는 더 작은 크기의 스케일로 적용가능할 수 있다는 것이 인식되어야 한다.
일 태양에서, 본 발명의 실시예들은 이송 헤드들의 어레이로 사전제작된 마이크로 소자들의 어레이를 대량 이송하기 위한 방식을 기술한다. 예를 들어, 사전제작된 마이크로 소자는 발광용 LED, 로직 및 메모리용 실리콘(silicon) IC, 및 무선 주파수(RF) 통신용 비소화갈륨(GaAs) 회로와 같은, 그러나 이로 한정되지는 않는, 특수 기능을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 픽업할 준비가 되어 있는 마이크로 LED 소자들의 어레이는 10 ㎛ × 10 ㎛ 피치, 또는 5 ㎛ × 5 ㎛ 피치를 갖는 것으로서 기술된다. 이러한 밀도에서, 15.2 ㎝ (6 인치) 기판은, 예를 들어 10 ㎛ × 10 ㎛ 피치를 갖는 대략 1억6천5백만 개의 마이크로 LED 소자들, 또는 5 ㎛ × 5 ㎛ 피치를 갖는 대략 6억6천만 개의 마이크로 LED 소자들을 수용할 수 있다. 대응하는 마이크로 LED 소자들의 어레이의 피치의 정수배에 매칭되는 이송 헤드들의 어레이를 포함하는 이송 툴(transfer tool)이 마이크로 LED 소자들의 어레이를 픽업하고 수용 기판으로 이송하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 마이크로 LED 소자들을, 마이크로 디스플레이로부터 대면적 디스플레이에 이르는 임의의 크기의 기판들을 포함하는 불균질하게 집적된(heterogeneously integrated) 시스템들 내로 높은 이송 속도로 집적하고 조립하는 것이 가능하다. 예를 들어, 마이크로 소자 이송 헤드들의 1 ㎝ × 1 ㎝ 어레이가 100,000개 초과의 마이크로 소자들을 픽업하고 이송할 수 있으며, 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이가 더 대형일수록 더 많은 마이크로 소자들을 이송할 수 있다. 이송 헤드들의 어레이 내의 각각의 이송 헤드는 또한 독립적으로 제어가능할 수 있으며, 이는 마이크로 소자들의 선택적인 픽업 및 릴리즈를 가능하게 한다.
일 태양에서, 특정 이론으로 제한되지 않고서, 본 발명의 실시예들은 마이크로 소자들을 픽업하기 위해 반대 전하의 인력을 사용하는 정전기 그리퍼의 원리에 따라 작동하는 마이크로 소자 이송 헤드들 및 헤드 어레이들을 기술한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 마이크로 소자 상에 그립력(grip force)을 발생시키고 마이크로 소자를 픽업하기 위해 마이크로 소자 이송 헤드에 인입(pull-in) 전압이 인가된다. 그립력은 하전된 플레이트 면적에 비례하며, 따라서 압력으로서 계산된다. 이상적인 정전기 이론에 따르면, 모노폴라 전극과 전도성 기판 사이의 비전도성 유전체 층은 식 1에서 파스칼(Pa) 단위의 그립 압력을 생성한다:
[식 1]
P = [εo/2] [V εr /d]2
여기서, ε o = 8.85.10-12, V = 볼트(V) 단위의 전극-기판 전압, εr = 유전율, 및 d = 미터(m)의 유전체 두께. 2개의 그립 전극을 사용하는 바이폴라 그리퍼의 경우, 상기 식에서의 전압(V)은 전극 A와 전극 B 사이의 전압의 절반, 즉 [VA - VB]/2이다. 기판 퍼텐셜은 평균 퍼텐셜, [VA = VB]/2에 중심이 있다. 이 평균은 대체로 VA = [-VB]에서 영(0)이다.
다른 태양에서, 본 발명의 실시예들은, 일정 가공 및 취급 작업 동안 캐리어 기판 상에 마이크로 소자를 유지할 수 있고, 상 변화를 겪을 때, 마이크로 소자가 위에 유지될 수 있으면서도 픽업 작업 동안 여전히 또한 용이하게 릴리즈가능한 매체를 제공하는 접합 층을 기술한다. 예를 들어, 접합 층은 재용융가능하거나 재유동가능하여, 픽업 작업 전에 또는 픽업 작업 동안에 접합 층이 고체 상태에서 액체 상태로의 상 변화를 겪도록 할 수 있다. 액체 상태에서, 접합 층은, 마이크로 소자가 용이하게 릴리즈가능하게 되는 매체를 또한 제공하면서, 캐리어 기판 상의 정위치에 마이크로 소자를 유지할 수 있다. 특정 이론으로 제한되지 않고서, 캐리어 기판으로부터 마이크로 소자를 픽업하는 데 필요한 그립 압력을 결정함에 있어서, 그립 압력은 마이크로 소자를 캐리어 기판에 유지시키는 힘을 초과해야 하는데, 이러한 힘에는 표면 장력, 모세관력, 점성 효과, 탄성 회복력, 반데르 발스 힘, 정지마찰력(stiction) 및 중력이 포함될 수 있지만 이로 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 마이크로 소자의 치수가 일정 범위 미만으로 감소될 때, 마이크로 소자를 캐리어 기판에 유지시키는 액체 접합 층의 표면 장력은 마이크로 소자를 유지시키는 다른 힘에 비하여 지배적이 될 수 있다. 도 1은 156.7℃의 용융 온도에서 표면 장력이 560 mN/m인 액체 인듐(In) 접합 층임을 가정하여, 다양한 치수의 마이크로 소자를 픽업하기 위해 표면 장력의 힘을 극복하는 데 필요한 압력을 나타낸 모델링 분석에 의해 얻어진 일 실시예의 그래프 도면이다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 예시적인 10 ㎛ × 10 ㎛ 폭의 마이크로 소자는, 156.7℃의 용융 온도에서 액체 표면 장력이 560 mN/m인 인듐 접합 층에 의해, 대략 222.9 ㎪(2.2 대기압(atm))의 표면 장력 압력으로 캐리어 기판 상에 유지된다. 이는 중력으로 인한 압력보다 상당히 큰데, 이때 중력으로 인한 압력은 예시적인 10 ㎛ × 10 ㎛ 폭 × 3 ㎛ 높이의 질화갈륨(GaN) 조각의 경우 대략 0.18 Pa (1.8 × 10-6 atm)이다.
표면 장력 압력 및 점성 효과는 또한 픽업 작업 동안 동적일 수 있다. 도 2는 용융된 인듐(In) 접합 층에 의해 캐리어 기판 상에 유지된 예시적인 10 ㎛ × 10 ㎛ 폭의 마이크로 소자의 픽업 작업 동안 생성된 표면 장력 및 증가하는 갭 거리의 관계를 나타낸 모델링 분석에 의해 얻어진 일 실시예의 그래프 도면이다. 도 2에서 언급된 x축을 따른 갭 거리는 마이크로 소자의 저부와 캐리어 기판 사이의 거리이며, In 접합 층의 용융되지 않은 두께에 해당되는 2 ㎛에서 출발한다. 도 2에 예시된 바와 같이, y축을 따른 222.9 ㎪ (2.2 atm)의 표면 장력 압력은 픽업 작업의 시작시에 그립 압력에 의해 초기에 극복된다. 이어서, 마이크로 소자가 캐리어 기판으로부터 상승됨에 따라, 표면 장력은 급속히 떨어지며, 마이크로 소자가 캐리어 기판으로부터 더 멀리 상승됨에 따라 압력은 평탄하게 된다.
도 3은 용융된 인듐(In) 접합 층에 의해 캐리어 기판 상에 유지된 예시적인 10 ㎛ × 10 ㎛ 마이크로 소자에 대하여 다양한 인장 속도에서의 픽업 작업 동안 생성된 점성력 압력(atm) 및 증가하는 갭 거리(㎛)의 관계를 나타낸 모델링 분석에 의해 얻어진 일 실시예의 그래프 도면이다. 도 3에서 언급된 갭 거리는 마이크로 소자의 저부와 캐리어 기판 사이의 거리이며, In 접합 층의 용융되지 않은 두께에 해당되는 2 ㎛에서 출발한다. 예시된 바와 같이, 점성력 압력은 0.1 mm/s와 같은 더 느린 상승 속도에 대해서 보다 1,000 mm/s와 같은 더 빠른 상승 속도 동안에 더 현저해진다. 여전히, 도 3에 예시된 예시적인 상승 속도를 사용하여 점성 효과로부터 생성된 압력은 도 2에 예시된 생성된 표면 장력 압력보다 상당히 더 작은데, 이는 표면 장력 압력이 픽업 작업 동안 그립 압력에 의해 극복되어야만 하는 지배적인 압력이라는 것을 제시한다.
마이크로 소자 이송 헤드의 유전체 층과 마이크로 소자의 상부 전도성 표면 사이에 크기(g)의 에어 갭(air gap)이 존재한다면, 식 2에서의 그립 압력은 다음과 같다:
[식 2]
P = [εo/2] [V εr / (d+ εr g)]2
미립자 오염, 휨(warpage), 및 이송 헤드 표면 또는 마이크로 소자 표면의 오정렬(misalignment), 또는 이송 헤드 또는 마이크로 소자 상에의 추가 층, 예컨대 마이크로 소자의 상부 전도성 표면 주위의 컨포멀 유전체 장벽 층의 립(lip)의 존재를 포함하지만 이로 한정되지 않는 다양한 원인으로 인해 에어 갭이 존재할 수 있다는 것이 고려된다. 일 실시예에서, 컨포멀 유전체 장벽 층의 립은 접촉 개구가 형성되는 에어 갭을 생성할 수 있고, 립이 존재하는 이송 헤드의 유전체 층의 유효 두께를 증가시킬 수 있다.
상기 식 1 및 식 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 마이크로 소자 이송 헤드와 픽업하고자 하는 마이크로 소자 사이에 에어 갭이 존재하지 않는 경우에 더 낮은 전압이 이용될 수 있다. 그러나, 에어 갭이 존재할 때, 이는 공기 커패시턴스가 유전체 층 커패시턴스에 필적할 수 있는 직렬 커패시턴스를 제공한다. 픽업하고자 하는 대응하는 마이크로 소자들의 어레이 위의 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이 중 임의의 어레이 사이의 공기 커패시턴스의 가능성을 보상하기 위하여, 더 높은 작동 전압, 유전 재료에 대한 더 높은 유전율, 또는 더 얇은 유전 재료가 사용되어 전계(electric field)를 최대화할 수 있다. 그러나, 더 높은 전계의 사용은 가능한 유전 파괴(dielectric breakdown) 및 아크 발생(arcing)으로 인해 제한을 갖는다.
도 4는 증가하는 에어 갭 크기에 대응하여, 이송 헤드가 마이크로 소자의 상부 전도성 표면으로부터 인출됨에 따라 마이크로 소자 상에 이송 헤드에 의해 가해지는 그립 압력을 나타낸 모델링 분석에 의해 얻어진 일 실시예의 그래프 도면이다. 상이한 라인들은 이송 헤드 상의 0.5 ㎛ 내지 2.0 ㎛의 상이한 Ta2O5 유전체 층 두께에 대응하며, 이때 전계는 일정하게 유지된다. 예시된 바와 같이, 이들 조건에서는 에어 갭 크기가 대략 1 nm (0.001 ㎛)의 미만에서, 그리고 일부 조건의 경우에는 심지어 10 nm(0.01 ㎛)만큼이나 높은 정도에서도 그립 압력에 대한 상당한 영향은 관찰되지 않는다. 그러나, 조건들을 변화시킴으로써 허용가능한 에어 갭이 증가되거나 감소될 수 있다는 것은 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 픽업 작업 동안 일정량의 에어 갭 허용오차가 가능하고, 마이크로 소자 이송 헤드와 마이크로 소자의 상부 전도성 표면과의 실제의 접촉이 필요하지 않을 수 있다.
이제, 캐리어 기판으로부터 마이크로 소자를 픽업하는 데 필요한 그립 압력이 (에어 갭으로 인한 임의의 압력 감소뿐만 아니라) 캐리어 기판 상에 마이크로 소자를 유지하는 압력들의 합을 초과한다고 가정하면, 그립 압력에 대한 식들을 풀어서 마이크로 소자 이송 헤드 내의 유전 재료의 유전체 두께, 유전율, 및 작동 전압의 연관성을 도출하는 것이 가능하다. 명확성을 위하여, 모노폴라 전극에 대해 에어 갭 거리가 0이라고 가정하면, 이는 다음과 같이 된다:
[식 3]
sqrt (P*2/ εo) = V εr / d
본 발명의 일 실시예에 따른 그립 압력, 전압, 유전율 및 유전체 두께의 상호의존성을 예시하기 위하여, 25 V 내지 300 V의 작동 전압 사이에서 Al2O3 및 Ta2O5 유전 재료에 대한 202650 Pa (2 atm) 및 2026500 Pa (20 atm)의 원하는 그립 압력에 대해 계산된 유전체 두께 값의 예시적인 범위가 표 1에 제공되어 있다. 제공된 유전율은 대략적인 값이며, 이들 값은 형성 방식에 따라 달라질 수 있다는 것이 이해된다.
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그립 압력은 유전체 두께의 역제곱에 비례하기 때문에, 표 1에서의 계산된 유전체 두께는 설정된 작동 전압으로 필요한 그립 압력을 달성하기 위해 형성될 수 있는 최대 두께를 나타낸다. 표 1에 제공된 것들보다 얇은 두께는 설정된 작동 전압에서의 더 높은 그립 압력을 생성할 수 있지만, 더 얇은 두께는 유전체 층을 가로지르는 인가 전계를 증가시키는데, 이는 유전 재료가 단락되지 않고서 인가된 전계를 견디기에 충분한 유전 강도를 가질 것을 필요로 한다. 표 1에 제공된 그립 압력, 전압, 유전율 및 유전체 두께 값은 사실상 예시적이며, 본 발명의 실시예들에 따른 마이크로 소자 이송 헤드의 작업 범위에 대한 기초를 제공하기 위해 제공된다는 것이 이해되어야 한다. 표 1에 제공된 그립 압력, 전압, 유전율 및 유전체 두께 값들 사이의 관계는 이상적인 정전기 이론에 따라 예시되었으며, 본 발명의 실시예들은 그러한 것에 의해 제한되지 않는다.
이제 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모노폴라 마이크로 소자 이송 헤드 및 헤드 어레이의 측면도가 제공되어 있다. 도시된 바와 같이, 각각의 모노폴라 소자 이송 헤드(100)는 베이스 기판(102)과, 상부 표면(108) 및 측벽들(106)을 포함하는 메사 구조체(104)와, 메사 구조체(104) 위에 형성되고 상부 표면(109) 및 측벽들(107)을 포함하는 선택적인 패시베이션 층(110)과, 메사 구조체(104)(그리고 선택적인 패시베이션 층(110)) 위에 형성된 전극(116)과, 그리고 상부 표면(121)이 전극(116)을 덮는 유전체 층(120)을 포함할 수 있다. 베이스 기판(102)은 구조적 지지를 제공할 수 있는 실리콘, 세라믹 및 중합체와 같은 다양한 재료로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 베이스 기판은 103 내지 1018 ohm-㎝의 전도율을 갖는다. 베이스 기판(102)은 마이크로 소자 이송 헤드들(100)을 정전기 그리퍼 조립체의 작동 전자장치에 연결하기 위해 배선(미도시)을 추가로 포함할 수 있다.
메사 구조체(104)는 적합한 가공 기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 베이스 기판(102)과 동일하거나 그와 상이한 재료로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 메사 구조체(104)는, 예를 들어 리소그래피 패턴화 및 에칭, 또는 캐스팅 기술을 사용함으로써 베이스 기판(102)과 일체로 형성된다. 일 실시예에서, 메사 구조체(104)에 대한 테이퍼형 측벽들(106)을 형성하기 위해 이방성 에칭 기술이 이용될 수 있다. 다른 실시예에서, 메사 구조체(104)는 베이스 기판(102)의 상부 상에 침착되거나 성장되고, 패턴화될 수 있다. 일 실시예에서, 메사 구조체(104)는 실리콘과 같은 반도체 기판 위에 형성된 이산화규소와 같은 패턴화된 산화물 층이다.
일 태양에서, 메사 구조체들(104)은 픽업 작업 동안 특정 마이크로 소자를 픽업하기 위해 국소화된 접촉점을 제공하도록 베이스 기판으로부터 돌출되는 프로파일을 생성한다. 일 실시예에서, 메사 구조체들(104)은 대략 1 ㎛ 내지 5 ㎛, 또는 더 구체적으로는 대략 2 ㎛의 높이를 갖는다. 메사 구조체들(104)의 특정 치수는 메사 구조체들 위에 형성되는 임의의 층들의 두께뿐만 아니라, 픽업하고자 하는 마이크로 소자들의 특정 치수에 좌우될 수 있다. 일 실시예에서, 베이스 기판(102) 상의 메사 구조체들(104)의 어레이의 높이, 폭, 및 평면성은 베이스 기판을 가로질러 균일해서, 각각의 마이크로 소자 이송 헤드(100)가 픽업 작업 동안 각각의 대응하는 마이크로 소자와 접촉할 수 있게 한다. 일 실시예에서, 각각의 마이크로 소자 이송 헤드의 상부 표면(121)을 가로지르는 폭은 대응하는 마이크로 소자 어레이 내의 각각의 마이크로 소자의 상부 표면의 폭보다 약간 넓거나, 그와 대략 동일하거나, 그보다 좁아서, 이송 헤드가 픽업 작업 동안 의도된 대응하는 마이크로 소자에 인접한 마이크로 소자와 우연히 접촉되지 않게 한다. 하기에 추가로 상세히 기술되는 바와 같이, 추가 층들(110, 112, 120)이 메사 구조체(104) 위에 형성될 수 있기 때문에, 메사 구조체의 폭은 상부에 놓인 층들의 두께를 차지할 수 있어서 각각의 마이크로 소자 이송 헤드의 상부 표면(121)을 가로지르는 폭은 대응하는 마이크로 소자 어레이 내의 각각의 마이크로 소자의 상부 표면의 폭보다 약간 넓거나, 그와 대략 동일하거나, 그보다 좁게 된다.
도 5를 여전히 참조하면, 메사 구조체(104)는 평면일 수 있는 상부 표면(108) 및 측벽들(106)을 갖는다. 일 실시예에서, 측벽들(106)은, 예를 들어 최대 10도까지 테이퍼질 수 있다. 측벽들(106)이 테이퍼지게 하는 것은 하기에 추가로 기술된 바와 같이 전극들(116) 및 전극 리드들(114)을 형성하는 데 이로울 수 있다. 이어서, 패시베이션 층(110)이 베이스 기판(102) 및 메사 구조체들(104)의 어레이 위에 선택적으로 침착되거나 성장될 수 있다. 패시베이션 층(110)은 화학 증착(CVD), 스퍼터링, 또는 원자 층 침착(ALD)과 같은 다양한 적합한 기술에 의해 침착될 수 있다. 일 실시예에서, 패시베이션 층(110)은 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3) 또는 산화탄탈(Ta2O5)과 같은, 그러나 이로 한정되지 않는, 0.5 ㎛ 내지 2.0 ㎛ 두께의 산화물일 수 있다.
이어서, 전도성 층(112)이 메사 구조체들(104)의 어레이 및 선택적인 패시베이션 층(110) 위에 침착되고, 패턴화되어 전극들(116) 및 전극 리드들(114)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 전극들(116) 및 전극 리드들(114)을 형성하기 위해 리프트 오프(lift off) 기술이 이용될 수 있는데, 이 기술에서는 레지스트 층이 기판 위에 침착 및 패턴화된 후 금속 층이 침착되고, 레지스트 및 레지스트 상의 금속 층의 부분을 리프트 오프하여 원하는 패턴을 남긴다. 대안적으로, 원하는 패턴을 달성하기 위해, 금속 층 침착 후에 패턴화 및 에칭이 수행될 수 있다. 전극 리드들(114)이 전극(116)으로부터 메사 구조체(104)의 상부 표면(108) (및 선택적인 패시베이션 층(110)의 상부 표면(109)) 위로, 그리고 메사 구조체(104)의 측벽(106)을 따라 (그리고 선택적인 패시베이션 층(110)의 측벽(107)을 따라) 이어질 수 있다. 전극들(116) 및 전극 리드들(114)을 형성하는 데 사용되는 전도성 층(112)은 단일 층 또는 다수 층일 수 있다. 금속, 금속 합금, 내화 금속, 및 내화 금속 합금을 비롯한 다양한 전도성 재료가 전도성 층(112)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 전도성 층(112)은 최대 5,000 옹스트롬(0.5 ㎛)의 두께를 갖는다. 일 실시예에서, 전도성 층(112)은 고용융 온도 금속, 예컨대 백금 또는 내화 금속 또는 내화 금속 합금을 포함한다. 예를 들어, 전도성 층은 백금, 티타늄, 바나듐, 크롬, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 루테늄, 로듐, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 레늄, 오스뮴, 이리듐 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 내화 금속 및 내화 금속 합금은 일반적으로 다른 금속보다 더 높은 내열성 및 내마모성을 나타낸다. 일 실시예에서, 전도성 층(112)은 대략 500 옹스트롬(0.05 ㎛) 두께의 티타늄 텅스텐(TiW) 내화 금속 합금이다.
이어서, 유전체 층(120)이 전극들(116) 및 베이스 기판(102) 상의 다른 노출된 층들 위에 침착된다. 일 실시예에서, 유전체 층(120)은 마이크로 소자 이송 헤드(100)의 필요한 그립 압력을 달성하기에 적합한 두께 및 유전율을 가지며, 작동 전압에서 파괴되지 않기에 충분한 유전 강도를 갖는다. 유전체 층은 단일 층 또는 다수 층일 수 있다. 일 실시예에서, 유전체 층은 0.5 ㎛ 내지 2.0 ㎛ 두께이지만, 이송 헤드(100) 및 하부에 놓인 메사 구조체(104)의 특정 토폴로지(topography)에 따라 두께가 더 크거나 더 작을 수 있다. 적합한 유전 재료에는 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화탄탈(Ta2O5)이 포함될 수 있지만 이로 한정되지 않는다. 상기 표 1을 다시 참조하면, (전압을 유전체 두께로 나눔으로써 결정된) 인가 전계가 22 V/㎛ 내지 71 V/㎛인 Al2O3 유전체 층 및 인가 전계가 9 V/㎛ 내지 28 V/㎛인 Ta2O5 유전체 층의 실시예들을 제공하였다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 유전체 층(120)은 작업 동안 이송 헤드의 단락을 피하도록 하기 위하여 인가 전계보다 큰 유전 강도를 갖는다. 다양한 적합한 기술, 예컨대 화학 증착(CVD), 원자 층 침착(ALD) 및 물리 증착(PVD), 예컨대 스퍼터링에 의해 유전체 층(120)이 침착될 수 있다. 유전체 층(120)은 침착 후에 추가로 어닐링될 수 있다. 일 실시예에서, 유전체 층(120)은 400 V/㎛ 이상의 유전 강도를 갖는다. 그러한 높은 유전 강도는 예시적인 표 1에 제공된 계산된 두께보다 얇은 유전체 층의 사용을 가능하게 할 수 있다. 균일하고, 컨포멀하고, 치밀하고, 그리고/또는 핀-홀이 없는 유전체 층을 우수한 유전 강도를 갖고서 침착하기 위해 ALD와 같은 기술이 이용될 수 있다. 그러한 핀-홀 없는 유전체 층(120)을 달성하기 위해 다수 층이 또한 이용될 수 있다. 유전체 층(120)을 형성하기 위해, 상이한 유전 재료의 다수 층이 또한 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 하부에 놓인 전도성 층(112)은, 유전체 층의 침착 온도를 선택하는 데 있어서 제한 인자가 되지 않도록 하기 위하여, 유전체 층 재료(들)의 침착 온도 초과의 용융 온도를 갖는 백금 또는 내화 금속 또는 내화 금속 합금을 포함한다. 일 실시예에서, 유전체 층(120)의 침착 후에, 측방향 마찰을 추가하고 픽업 작업 동안 마이크로 소자들이 이송 헤드로부터 떨어져 부딪치는 것을 방지하도록 특정 정지마찰 계수를 제공하도록 얇은 코팅(미도시)이 유전체 층(120) 위에 형성될 수 있다. 그러한 실시예에서, 추가의 얇은 코팅은 접촉 표면으로서의 상부 표면(121)을 대체하며, 이 표면은 본 명세서에 기술된 치수적 어레이 요건을 유지한다. 더욱이, 추가 코팅은 마이크로 소자 이송 헤드의 작동성에 영향을 줄 수 있는 마이크로 소자 이송 헤드의 유전 특성에 영향을 줄 수 있다. 일 실시예에서, 추가 코팅 두께는 그립 압력에 대한 상당한 영향을 거의 내지는 전혀 갖지 않도록 하기 위하여 최소(예를 들어, 10 nm 미만)일 수 있다.
도 6은 메사 구조체(104)를 덮는 선택적인 패시베이션 층(110) 위에 형성된 전극(116) 및 전극 리드(114)의 확대 등각도이다. 명확성을 위하여, 상부에 놓인 유전체 층(120)은 예시되어 있지 않으며, 선택적인 패시베이션 층(110) 및 메사 구조체(104)는 단일 메사 구조체/패시베이션 층(104/110)으로서 예시되어 있다. 패시베이션 층(110) 및 유전체 층(120) 둘 모두가 0.5 ㎛ 두께인 예시적인 일 실시예에서, 전극(116)이 위에 형성되는 메사 구조체/패시베이션 층(104/110)의 상부 표면(108/109)은 이송 헤드(100)의 8 ㎛ × 8 ㎛ 상부 표면을 달성하기 위하여 대략 7 ㎛ × 7 ㎛이다. 일 실시예에 따르면, 전극(116)은 패턴화 허용오차 내에 유지하면서 가능한 한 메사 구조체/패시베이션 층(104/110)의 상부 표면(108/109)의 표면적의 최대량을 덮는다. 자유 공간의 양을 최소화하는 것은 커패시턴스, 및 그 결과로 생성된 마이크로 소자 이송 헤드에 의해 달성될 수 있는 그립 압력을 증가시킨다. 도 6에서는, 일정량의 자유 공간이 메사 구조체/패시베이션 층(104/110)의 상부 표면(108/109) 상에 예시되어 있지만, 전극(116)은 전체 상부 표면(108/109)을 덮을 수 있다. 전극(116)은 또한 상부 표면(108/109)보다 약간 클 수 있고, 메사 구조체/패시베이션 층(104/110)의 측벽들(106/107) 아래로 부분적으로 연장되어 상부 표면(108/109)의 완전한 커버리지를 보장할 수 있다. 메사 어레이는 여러 상이한 피치를 가질 수 있으며, 본 발명의 실시예들은 10 ㎛ 피치에서 메사 구조체/패시베이션 층(104/110)의 예시적인 7 ㎛ × 7 ㎛ 상부 표면으로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
이제 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 마이크로 소자 이송 헤드(100) 및 헤드 어레이의 측면도가 제공되어 있다. 도시된 바와 같이, 바이폴라 소자 이송 헤드(100)는 베이스 기판(102)과, 상부 표면(108) 및 측벽들(106)을 포함하는 메사 구조체(104)와, 상부 표면(109) 및 측벽들(107)을 포함하는 패시베이션 층(110)과, 메사 구조체(104) 및 선택적인 패시베이션 층(110) 위에 형성된 한 쌍의 전극들(116A, 116B) 및 전극 리드들(114A, 114B)과, 그리고 한 쌍의 전극들(116A, 116B)을 덮는 유전체 층(120)을 포함할 수 있다.
도 8은 메사 구조체(104)를 덮는 선택적인 패시베이션 층(110) 위에 형성된 전극들(116A, 116B) 및 전극 리드들(114A, 114B)의 확대 등각도이다. 명확성을 위하여, 상부에 놓인 유전체 층(120)은 예시되어 있지 않으며, 선택적인 패시베이션 층(110) 및 메사 구조체(104)는 단일 메사 구조체/패시베이션 층(104/110)으로서 예시되어 있다. 도 8은 전극 리드들(114A, 114B)이 메사 구조체/패시베이션 층(104/110)의 대향하는 측벽들 상에서보다는 단일 측벽을 따라 이어지는 것으로서 예시되어 있다는 점에서 도 7과 약간 상이하다. 전극 리드들(114A, 114B)은 본 발명의 실시예들에 따라 임의의 적합한 측벽을 따라 이어질 수 있다. 메사 구조체/패시베이션 층(104/110)의 상부 표면(108/109)이, 10 ㎛ 피치를 갖는 메사 어레이에 대응하여 대략 7 ㎛ × 7 ㎛인 예시적인 일 실시예에서, 이들 전극은 전극들(116A, 116B) 사이의 분리를 여전히 제공하면서 가능한 한 메사 구조체/패시베이션 층(104/110)의 상부 표면(108/109)의 표면적의 최대량을 덮을 수 있다. 분리 거리의 최소량은 전극들로부터의 전계의 중첩을 피하면서 표면적의 최대화를 고려함으로써 균형을 맞출 수 있다. 예를 들어, 전극들(116A, 116B)은 0.5 ㎛ 이하로 분리될 수 있으며, 최소 분리 거리는 전극들의 높이에 의해 제한될 수 있다. 일 실시예에서, 전극들은 일 방향으로 상부 표면(108/109)보다 약간 길고, 메사 구조체/패시베이션 층(104/110)의 측벽들 아래로 부분적으로 연장되어 상부 표면(108/109)의 최대 커버리지를 보장한다. 메사 어레이는 여러 상이한 피치를 가질 수 있으며, 본 발명의 실시예들은 10 ㎛ 피치에서 메사 구조체/패시베이션 층(104/110)의 예시적인 7 ㎛ × 7 ㎛ 상부 표면으로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
이제 도 9 및 도 10을 참조하면, 바이폴라 마이크로 소자 이송 헤드의 전극들(116A, 116B)의 평면도가 본 발명의 실시예들에 따라 제공되어 있다. 지금까지, 메사 구조체(104)는 도 9에 도시된 바와 같이 단일 메사 구조체로서 기술하였다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 그렇게 제한되지 않는다. 도 10에 예시된 실시예에서는, 각각의 전극(116)이 트렌치(105)에 의해 분리된 별개의 메사 구조체(104A, 104B) 상에 형성된다. 선택적인 패시베이션 층(110)(도시되지 않음)이 메사 구조체들(104A, 104B) 둘 모두를 덮을 수 있다.
이제 도 11을 참조하면, 대안적인 전극 리드 구성의 등각도가 본 발명의 일 실시예에 따라 제공된다. 그러한 일 실시예에서, 전극 리드들(114A, 114B)은 메사 구조체(104)의 일부분 아래로 이어지고, 전도성 비아들(117A, 117B)이 메사 구조체(104)(및 예시되지 않은 선택적인 패시베이션 층(110))를 통해 이어져서 전극들(116A, 116B)을 각각의 전극 리드들(114A, 114B)에 연결한다. 그러한 일 실시예에서, 전극 리드들(114A, 114B)은 메사 구조체(104)의 형성 전에 형성될 수 있고, 전극 리드들(114A, 114B) 및 전극들(116A, 116B)과 동일하거나 상이한 전도성 재료로 형성될 수 있다. 도 11에서는 비아들(117A, 117B)이 바이폴라 전극 구조에 대하여 예시되어 있지만, 전술된 비아 또는 비아들은 또한 모노폴라 전극 구조 내로 일체화될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
이제 도 12 내지 도 14를 참조하면, 전도성 접지면이 유전체 층 위에 그리고 메사 구조체들의 어레이를 둘러싸서 형성된 본 발명의 일 실시예가 예시되어 있다. 도 12는 도 8에 관하여 전술된 바와 같은 바이폴라 전극 구성을 갖는 마이크로 소자 이송 헤드들(100)의 어레이의 등각도이다. 명확성을 위하여, 선택적인 하부에 놓인 패시베이션 층 및 상부에 놓인 유전체 층은 예시하지 않았다. 이제 도 13 및 도 14를 참조하면, 전도성 접지면(130)이 유전체 층(120) 위에 그리고 메사 구조체들(104)의 어레이를 둘러싸서 형성된다. 접지면(130)의 존재는, 특히 고전압의 인가 동안 이송 헤드들(100) 사이의 아크 발생을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 접지면(130)은 전극 또는 비아를 형성하는 데 사용되는 전도성 재료와 동일하거나 또는 그와 같이 상이할 수 있는 전도성 재료로 형성될 수 있다. 접지면(130)은 또한 전극을 형성하는 데 사용되는 전도성 재료보다 낮은 용융 온도를 갖는 전도성 재료로 형성될 수 있는데, 그 이유는 접지면(130)의 형성 후에 유전체 층(120)에 필적하는 품질(예를 들어, 유전 강도)의 유전체 층을 침착하는 것이 필요하지 않기 때문이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 기판으로부터 마이크로 소자를 픽업하고 수용 기판으로 이송하는 방법을 예시하는 흐름도이다. 작업(1510)에서는, 캐리어 기판에 연결된 마이크로 소자 위에 이송 헤드가 위치설정된다. 이송 헤드는 상기 실시예들에서 기술된 바와 같이 메사 구조체와, 메사 구조체 위의 전극과, 그리고 전극을 덮는 유전체 층을 포함할 수 있다. 따라서, 이송 헤드는 상기 실시예들에서 기술된 바와 같은 임의의 다른 구조적 변형 형태뿐만 아니라, 모노폴라 또는 바이폴라 전극 구성을 가질 수 있다. 이어서, 작업(1520)에서 마이크로 소자가 이송 헤드와 접촉된다. 일 실시예에서, 마이크로 소자는 이송 헤드의 유전체 층(120)과 접촉된다. 대안적인 실시예에서, 이송 헤드는 마이크로 소자 위에 위치되되, 그들을 분리하는, 그립 압력에 상당한 영향을 미치지 않는, 예를 들어 1 nm(0.001 ㎛) 또는 10 nm(0.01 ㎛)의 적합한 에어 갭을 갖고서 위치된다. 작업(1530)에서, 마이크로 소자 상에 그립 압력을 생성하기 위해 전압이 전극에 인가되고, 작업(1540)에서 마이크로 소자가 이송 헤드로 픽업된다. 이어서, 작업(1550)에서 마이크로 소자가 수용 기판 상으로 릴리즈된다.
도 15에서는 작업(1510) 내지 작업(1550)이 순차적으로 예시되어 있지만, 실시예들은 그렇게 제한되지 않으며, 추가 작업들이 수행될 수 있고 일정 작업들이 상이한 순서로 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 일 실시예에서는, 마이크로 소자를 이송 헤드와 접촉시킨 후에, 이송 헤드 또는 마이크로 소자의 접촉 표면 상에 존재할 수 있는 임의의 입자를 제거하기 위하여 마이크로 소자의 상부 표면을 가로질러 이송 헤드를 문지른다. 다른 실시예에서, 마이크로 소자의 픽업 전에 또는 픽업 동안에 마이크로 소자를 캐리어 기판에 연결하는 접합 층에서 상 변화를 일으키기 위해 작업이 수행된다. 접합 층의 일부분이 마이크로 소자와 함께 픽업되는 경우, 후속 가공 동안 접합 층의 상기 부분의 상을 제어하기 위해 추가 작업들이 수행될 수 있다.
마이크로 소자 상에 그립 압력을 생성하기 위해 전압을 전극에 인가하는 작업(1530)은 다양한 순서로 수행될 수 있다. 예를 들어, 전압은 마이크로 소자를 이송 헤드와 접촉시키기 전에, 마이크로 소자를 이송 헤드와 접촉시키는 동안에, 또는 마이크로 소자를 이송 헤드와 접촉시킨 후에 인가될 수 있다. 전압은 또한 접합 층에서 상 변화의 발생 전에, 상 변화의 발생 동안에, 또는 상 변화의 발생 후에 인가될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 이송 헤드가 마이크로 소자와 접촉한 상태에서의 바이폴라 전극을 가로질러 인가된 교류 전압의 개략도이다. 예시된 바와 같이, 별개의 교류 전류(AC) 전압원이 각각의 전극 리드(114A, 114B)에 인가될 수 있어서 - 이때 교류 전압이 전극들(116A, 116B)의 쌍을 가로질러 인가됨 - 음전압이 전극(116A)에 인가될 때의 특정 시점에서, 양전압이 전극(116B)에 인가되게 하거나, 그 반대로 되게 한다. 이송 헤드로부터 마이크로 소자를 릴리즈하는 것은 전압원을 끄는 것, 전극들의 쌍을 가로지르는 전압을 저하시키는 것, AC 전압의 파형을 변화시키는 것, 및 전압원을 접지하는 것을 비롯한 다양한 방법으로 달성될 수 있다. 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 전극에 인가된 정전압의 개략도이다. 예시된 특정 실시예에서는, 음전압이 전극(116A)에 인가되는 한편, 양전압이 전극(116B)에 인가된다. 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 모노폴라 전극에 인가된 정전압의 개략도이다. 일단 이송 헤드가 도 18에 예시된 마이크로 소자를 픽업하면, 이송 헤드가 마이크로 소자를 유지할 수 있는 시간은 유전체 층의 방전율의 함수일 수 있는데, 그 이유는 단지 단일 전압이 전극(116)에 인가되기 때문이다. 도 14에 예시된 이송 헤드로부터 마이크로 소자를 릴리즈하는 것은 전압원을 끄거나, 전압원을 접지하거나, 또는 정전압의 극성을 역전시킴으로써 달성될 수 있다.
도 16 내지 도 18에 예시된 특정 실시예들에서, 마이크로 소자들(200)은 도 19의 예 19O에 예시된 것들이다. 그렇지만 도 16 내지 도 18에 예시된 마이크로 소자들은 도 19 내지 도 21에 예시된 임의의 마이크로 LED 소자 구조체 및 관련된 미국 가출원 제61/561,706호 및 미국 가출원 제61/594,919호에 기술된 것들에서 온 것일 수 있다. 예를 들어, 마이크로 LED 소자(200)는 마이크로 p-n 다이오드(235, 250) 및 금속화 층(220)을 포함할 수 있으며, 이때 금속화 층은 기판(201) 상에 형성된 접합 층(210)과 마이크로 p-n 다이오드(235, 250) 사이에 있다. 일 실시예에서, 마이크로 p-n 다이오드(250)는 상부 n-도핑된 층(214), 하나 이상의 양자 우물 층(216), 및 하부 p-도핑된 층(218)을 포함한다. 마이크로 p-n 다이오드는 직선형(straight) 측벽들 또는 테이퍼형 측벽들로 제작될 수 있다. 소정 실시예들에서, 마이크로 p-n 다이오드들(250)은 (위에서 아래로) 외향으로 테이퍼진 측벽들(253)을 갖는다. 소정 실시예들에서, 마이크로 p-n 다이오드들(235)은 (위에서 아래로) 내향으로 테이퍼진 측벽들(253)을 갖는다. 금속화 층(220)은 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속화 층(220)은 전극 층, 및 전극 층과 접합 층 사이의 장벽 층을 포함할 수 있다. 마이크로 p-n 다이오드 및 금속화 층은 각각 상부 표면, 저부 표면 및 측벽들을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로 p-n 다이오드(250)의 저부 표면(251)은 마이크로 p-n 다이오드의 상부 표면(252)보다 넓고, 측벽들(253)은 위에서 아래로 외향으로 테이퍼진다. 마이크로 p-n 다이오드(235)의 상부 표면은 p-n 다이오드의 저부 표면보다 넓거나, 대략 동일한 폭일 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로 p-n 다이오드(250)의 저부 표면(251)은 금속화 층(220)의 상부 표면(221)보다 넓다. 마이크로 p-n 다이오드의 저부 표면은 또한 금속화 층의 상부 표면보다 넓거나, 금속화 층의 상부 표면과 대략 동일한 폭일 수 있다.
컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 마이크로 p-n 다이오드(235, 250) 및 기타 노출된 표면들 위에 선택적으로 형성될 수 있다. 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 마이크로 p-n 다이오드(235, 250), 금속화 층(220) 및 선택적인 접합 층(210)보다 얇을 수 있어서, 컨포멀 유전체 장벽 층(260)이 그 위에 형성된 토포그래피(topography)의 아웃라인을 형성하게 된다. 일 실시예에서, 마이크로 p-n 다이오드(235, 250)는 수 마이크로미터의 두께, 예컨대 3 ㎛이고, 금속화 층(220)은 0.1 ㎛ 내지 2 ㎛ 두께이고, 접합 층(210)은 0.1 ㎛ 내지 2 ㎛ 두께이다. 일 실시예에서, 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 대략 50 내지 600 옹스트롬 두께의 산화알루미늄(Al2O3)이다. 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 원자 층 침착(ALD)과 같은, 그러나 이로 한정되지는 않는, 다양한 적합한 기술들에 의해 침착될 수 있다. 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 픽업 공정 동안 인접한 마이크로 p-n 다이오드들 사이의 전하 아크 발생(charge arcing)을 방지하여 픽업 공정 동안 인접한 마이크로 p-n 다이오드들이 함께 고착되는 것으로부터 보호할 수 있다. 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 또한 마이크로 p-n 다이오드들의 측벽들(253), 양자 우물 층(216) 및 저부 표면(251)을 마이크로 p-n 다이오드들의 완전성에 영향을 미칠 수 있는 오염으로부터 보호할 수 있다. 예를 들어, 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 접합 층 재료(210)가 마이크로 p-n 다이오드들(250)의 측벽들 및 양자 층(216) 위로 흡상(wicking)하는 것에 대한 물리적 장벽으로서 기능을 할 수 있다. 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 또한 일단 마이크로 p-n 다이오드들(250)이 수용 기판 상에 배치되면 이를 절연시킬 수 있다. 일 실시예에서, 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 마이크로 p-n 다이오드의 측벽들(253)에 걸쳐 이어지고, 마이크로 p-n 다이오드 내의 양자 우물 층(216)을 덮을 수 있다. 컨포멀 유전체 장벽 층은 또한 마이크로 p-n 다이오드의 저부 표면(251)에 부분적으로 걸쳐 이어질 뿐만 아니라, 금속화 층(220)의 측벽들에 걸쳐 이어질 수 있다. 일부 실시예에서, 컨포멀 유전체 장벽 층은 또한 패턴화된 접합 층(210)의 측벽들에 걸쳐 이어진다. 접촉 개구(262)가 컨포멀 유전체 장벽 층(260) 내에 형성되어 마이크로 p-n 다이오드의 상부 표면(252)을 노출시킬 수 있다. 일 실시예에서, 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 접합 헤드의 유전체 층(120)과 동일한 재료로 형성된다. 특정 마이크로 LED 소자 구조체에 따라, 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 또한 캐리어 기판과 존재한다면 포스트들뿐만 아니라 접합 층(210)의 측벽들에 걸쳐서 이어질 수 있다.
도 19를 참조하면, 접촉 개구(262)는 마이크로 p-n 다이오드의 상부 표면(252)의 폭보다 좁은 폭을 가질 수 있으며, 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 마이크로 p-n 다이오드의 상부 표면(252)의 에지들 주위에 립(lip)을 형성한다. 도 20을 참조하면, 접촉 개구(262)는 마이크로 p-n 다이오드의 상부 표면보다 약간 넓은 폭을 가질 수 있다. 그러한 일 실시예에서, 접촉 개구(262)는 마이크로 p-n 다이오드의 상부 표면(252) 및 마이크로 p-n 다이오드의 측벽들(253)의 상부 부분을 노출시키며, 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 양자 우물 층(들)(216)을 덮고 절연한다. 도 21을 참조하면, 컨포멀 유전체 층(260)은 마이크로 p-n 다이오드의 상부 표면과 대략 동일한 폭을 가질 수 있다. 컨포멀 유전체 층(260)은 또한 도 19 내지 도 21에 도시된 마이크로 p-n 다이오드의 저부 표면(251)을 따라 걸쳐 이어질 수 있다.
접합 층(210)은 일정 가공 및 취급 작업 동안 캐리어 기판(201) 상에 마이크로 LED 소자(200)를 유지할 수 있고, 상 변화를 겪을 때, 마이크로 LED 소자(200)가 위에 유지될 수 있으면서도 여전히 또한 픽업 작업 동안 용이하게 릴리즈가능할 수 있는 매체를 제공할 수 있는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 접합 층은 재용융가능하거나 재유동가능하여, 픽업 작업 전에 또는 픽업 작업 동안에 접합 층이 고체 상태에서 액체 상태로의 상 변화를 겪도록 할 수 있다. 액체 상태에서, 접합 층은 캐리어 기판 상의 정위치에 마이크로 LED 소자를 유지할 수 있으면서 또한 마이크로 LED 소자(200)가 용이하게 릴리즈가능한 매체를 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 접합 층(210)은 대략 350℃ 미만, 또는 더 구체적으로는 대략 200℃ 미만의 액상선 온도 또는 용융 온도를 갖는다. 그러한 온도에서, 접합 층은 마이크로 LED 소자의 다른 구성요소들에 실질적으로 영향을 미치지 않고 상 변화를 겪을 수 있다. 예를 들어, 접합 층은 금속 또는 금속 합금, 또는 제거가능한 열가소성 중합체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 접합 층은 인듐, 주석 또는 열가소성 중합체, 예컨대 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 접합 층은 전도성일 수 있다. 예를 들어, 접합 층이 온도 변화에 응하여 고체에서 액체로 상 변화를 겪는 경우에, 접합 층의 일부분은 픽업 작업 동안 마이크로 LED 소자 상에 남을 수 있다. 그러한 실시예에서는, 접합 층이 전도성 재료로 형성되어 이후에 수용 기판으로 이송될 때 마이크로 LED 소자에 악영향을 주지 않도록 하는 것이 이로울 수 있다. 이러한 경우에, 이송 동안 마이크로 LED 소자 상에 남아 있는 전도성 접합 층의 상기 부분은 마이크로 LED 소자를 수용 기판 상의 전도성 패드에 접합시키는 데 도움을 줄 수 있다. 구체적 실시예에서, 접합 층은, 용융 온도가 156.7℃인 인듐으로 형성될 수 있다. 접합 층은 기판(201)을 가로질러 측방향으로 연속적일 수 있거나, 또한 측방향으로 분리된 위치들에 형성될 수 있다. 예를 들어, 접합 층의 측방향으로 분리된 위치는 마이크로 p-n 다이오드의 저부 표면 또는 금속화 층보다 좁은 폭을 갖거나 그와 대략 동일한 폭인 폭을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 마이크로 p-n 다이오드들은 기판 상의 포스트들(202) 상에 선택적으로 형성될 수 있다.
솔더는 접합 층(210)에 적합한 재료일 수 있는데, 그 이유는 다수의 솔더가 일반적으로 그들의 고체 상태에서 연성 재료이고 반도체 및 금속 표면과의 양호한 습윤을 나타내기 때문이다. 통상적인 합금은 단일 온도로 용융되지 않고, 온도 범위에 걸쳐 용융된다. 따라서, 솔더 합금은 종종 합금이 액체로 남아 있는 최저 온도에 대응하는 액상선 온도, 및 합금이 고체로 남아 있는 최고 온도에 대응하는 고상선 온도에 의해 특징지어진다. 본 발명의 실시예들과 함께 이용될 수 있는 저융점 솔더 재료들의 예시적인 목록이 표 2에 제공되어 있다.
Figure 112014057100923-pct00049
본 발명의 실시예들과 함께 사용될 수 있는 열가소성 중합체들의 예시적인 목록이 표 3에 제공되어 있다.
Figure 112014057100923-pct00050
이제 도 22를 참조하면, 일부 실시예에 따라, 캐리어 기판(201) 상에 마이크로 p-n 다이오드들(250)의 어레이를 제작하는 동안 일정량의 접합 층이 금속화 층(220)의 측면을 따라, 그리고 마이크로 p-n 다이오드(250)의 저부 표면(251)을 따라 흡상되는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 마이크로 p-n 다이오드들(250)의 저부 표면(251) 및 금속화 층(220)의 측면을 따라 걸쳐 이어지는 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 후속 온도 사이클(특히, 접합 층 재료(210)의 액상선 또는 용융 온도를 초과하는 온도에서) 동안, 예컨대 캐리어 기판으로부터 마이크로 LED 소자들을 픽업하고 수용 기판 상에 마이크로 LED 소자들을 릴리즈하는 동안, 접합 층 재료(210)에 의한 오염으로부터 마이크로 p-n 다이오드들(250)의 측벽들(253) 및 양자 우물 층(216)을 보호하기 위한 물리적 장벽으로서 기능을 할 수 있다.
도 23a 및 도 23b는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 기판(201) 및 마이크로 LED 소자들의 어레이의 평면도 및 측단면도를 포함한다. 예시된 특정 실시예들에서, 어레이들은 마이크로 p-n 다이오드(250)를 포함하는 예 19N의 마이크로 LED 소자들로부터 제조된다. 그러나, 도 23a 및 도 23b는 예시적인 것으로 의미되고, 마이크로 LED 소자들의 어레이는 전술된 임의의 마이크로 LED 소자들로 형성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 도 23a에 예시된 실시예에서, 각각의 개별 마이크로 p-n 다이오드(250)는 마이크로 p-n 다이오드(250)의 상부 표면 및 저부 표면의 상이한 폭과, 상부 표면과 저부 표면 사이에 걸쳐 이어지는 대응하는 테이퍼형 측벽들에 해당하는 상이한 직경 또는 폭을 갖는 한 쌍의 동심원으로서 예시된다. 도 23b에 예시된 실시예에서, 각각의 개별 마이크로 p-n 다이오드(250)는 테이퍼형 또는 둥근 코너를 갖는 한 쌍의 동심 정사각형으로서 예시되며, 이때 각각의 정사각형은 마이크로 p-n 다이오드(250)의 상부 표면 및 저부 표면의 상이한 폭과, 상부 표면 및 저부 표면으로부터 이어지는 대응하는 테이퍼형 측벽들에 해당하는 상이한 폭을 갖는다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 테이퍼형 측벽들을 필요로 하지 않고, 마이크로 p-n 다이오드(250)의 상부 표면 및 저부 표면은 동일한 직경 또는 폭과 수직 측벽들을 구비할 수 있다. 도 23a 및 도 23b에 예시된 바와 같이, 마이크로 LED 소자들의 어레이는 피치(P), 각각의 마이크로 LED 소자 사이의 간격(S) 및 각각의 마이크로 LED 소자의 최대 폭(W)을 갖는 것으로 서술된다. 명확함과 간결함을 위해, x-치수(x-dimension)만이 평면도에 점선으로 예시되지만, 유사한 y-치수가 존재할 수 있고, 동일하거나 상이한 치수 값을 가질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 도 23a 및 도 23b에 예시된 특정 실시예들에서, x-치수 값과 y-치수 값은 평면도에서 동일하다. 일 실시예에서, 마이크로 LED 소자들의 어레이는 10 ㎛의 피치(P)를 가질 수 있으며, 이때 각각의 마이크로 LED 소자는 2 ㎛의 간격(S)과 8 ㎛의 최대 폭(W)을 갖는다. 다른 실시예에서, 마이크로 LED 소자들의 어레이는 5 ㎛의 피치(P)를 가질 수 있으며, 이때 각각의 마이크로 LED 소자는 2 ㎛의 간격(S)과 3 ㎛의 최대 폭(W)을 갖는다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이러한 특정 치수로 한정되지 않고, 임의의 적합한 치수가 사용될 수 있다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 기판으로부터 마이크로 소자를 픽업하고 수용 기판으로 이송하는 방법을 예시하는 흐름도이다. 작업(2410)에서, 접합 층에 의해 캐리어 기판에 연결된 마이크로 소자 위에 이송 헤드가 위치설정된다. 이송 헤드는 본 명세서에서 기술된 임의의 이송 헤드일 수 있다. 마이크로 소자는 도 19 내지 도 21에 예시된 임의의 마이크로 LED 소자 구조체, 및 관련된 미국 가출원 제61/561,706호 및 미국 가출원 제61/594,919호에 기술된 것들일 수 있다. 이어서, 작업(2420)에서 마이크로 소자가 이송 헤드와 접촉된다. 일 실시예에서, 마이크로 소자는 이송 헤드의 유전체 층(120)과 접촉된다. 대안적인 실시예에서, 이송 헤드는 마이크로 소자 위에 위치되되, 그들을 분리하는, 그립 압력에 상당한 영향을 미치지 않는, 예를 들어 1 nm(0.001 ㎛) 또는 10 nm(0.01 ㎛)의 적합한 에어 갭을 갖고서 위치된다. 작업(2425)에서, 고체 상태에서 액체 상태로의 접합 층(210)에서의 상 변화를 일으키기 위해 작업이 수행된다. 예를 들어, 이 작업은 156.7℃의 용융 온도 이상에서 In 접합 층을 가열하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 작업(2425)은 작업(2420) 이전에 수행될 수 있다. 작업(2430)에서, 마이크로 소자 상에 그립 압력을 생성하기 위해 전압이 전극에 인가되고, 작업(2440)에서 마이크로 소자 및 접합 층(210)의 상당 부분이 이송 헤드로 픽업된다. 예를 들어, 접합 층(210)의 대략 절반이 마이크로 소자와 함께 픽업될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 접합 층(210)의 어느 부분도 이송 헤드로 픽업되지 않는다. 작업(2445)에서, 마이크로 소자 및 접합 층(210)의 상기 부분이 수용 기판과 접촉하게 배치된다. 이어서, 작업(2450)에서 마이크로 소자 및 접합 층(210)의 상기 부분이 수용 기판 상으로 릴리즈된다. 마이크로 소자 및 접합 층(210)의 상기 부분을 픽업하고, 이송하고, 수용 기판과 접촉시키고, 수용 기판 상에 릴리즈할 때, 접합 층의 상기 부분의 상을 제어하기 위해 다양한 작업들이 수행될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 소자와 함께 픽업되는 접합 층의 상기 부분은 접촉 작업(2445) 동안 그리고 릴리즈 작업(2450) 동안 액체 상태로 유지될 수 있다. 다른 실시예에서, 접합 층의 상기 부분은 픽업된 후에 고상으로 냉각되게 둘 수 있다. 예를 들어, 접합 층의 상기 부분은 접촉 작업(2445) 동안 고상일 수 있고, 릴리즈 작업(2450) 전에 또는 그 동안에 액체 상태로 다시 용융될 수 있다. 다양한 온도 사이클 및 재료의 상 사이클이 본 발명의 실시예들에 따라 수행될 수 있다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 기판으로부터 마이크로 소자들의 어레이를 픽업하고 적어도 하나의 수용 기판으로 이송하는 방법을 예시하는 흐름도이다. 작업(2510)에서, 이송 헤드들의 어레이가 마이크로 소자들의 어레이 위에 위치설정되며, 이때 각각의 이송 헤드는 메사 구조체와, 메사 구조체 위의 전극과, 그리고 전극을 덮는 유전체 층을 갖는다. 작업(2520)에서, 마이크로 소자들의 어레이는 이송 헤드들의 어레이와 접촉된다. 대안적인 실시예에서, 이송 헤드들의 어레이는 마이크로 소자들의 어레이 위에 위치되되, 그것들을 분리하는, 그립 압력에 상당한 영향을 미치지 않는, 예를 들어 1 nm(0.001 ㎛) 또는 10 nm(0.01 ㎛)인 적합한 에어 갭을 갖고서 위치된다. 도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들(200)의 어레이와 접촉한 마이크로 소자 이송 헤드들(100)의 어레이의 측면도이다. 도 26에 예시된 바와 같이, 이송 헤드들(100)의 어레이의 피치(P)는 마이크로 LED 소자들(200)의 피치와 매칭되며, 이때 이송 헤드들의 어레이의 피치(P)는 이송 헤드들 사이의 간격(S) 및 이송 헤드의 폭(W)의 합이다.
일 실시예에서, 마이크로 LED 소자들(200)의 어레이는 10 ㎛의 피치를 가지며, 이때 각각의 마이크로 LED 소자는 2 ㎛의 간격과 8 ㎛의 최대 폭을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 직선형 측벽들을 갖는 마이크로 p-n 다이오드(250)를 가정하면, 각각의 마이크로 LED 소자(200)의 상부 표면은 대략 8 ㎛의 폭을 갖는다. 그러한 예시적인 실시예에서, 대응하는 이송 헤드(100)의 상부 표면(121)의 폭은 인접한 마이크로 LED 소자와의 의도하지 않은 접촉을 피하도록 하기 위해 대략 8 ㎛ 이하이다. 다른 실시예에서, 마이크로 LED 소자들(200)의 어레이는 5 ㎛의 피치를 가질 수 있으며, 이때 각각의 마이크로 LED 소자는 2 ㎛의 간격과 3 ㎛의 최대 폭을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 각각의 마이크로 LED 소자(200)의 상부 표면은 대략 3 ㎛의 폭을 갖는다. 그러한 예시적인 실시예에서, 대응하는 이송 헤드(100)의 상부 표면(121)의 폭은 인접한 마이크로 LED 소자(200)와의 의도하지 않은 접촉을 피하기 위해 대략 3 ㎛ 이하이다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이들 특정 치수로 한정되지 않고, 임의의 적합한 치수일 수 있다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들(200)의 어레이와 접촉한 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이의 측면도이다. 도 27에 예시된 실시예에서, 이송 헤드들의 피치(P)는 마이크로 소자들의 어레이의 피치의 정수배이다. 예시된 특정 실시예에서, 이송 헤드들의 피치(P)는 마이크로 LED 소자들의 어레이의 피치의 3배이다. 그러한 실시예에서, 더 큰 이송 헤드 피치를 갖는 것은 이송 헤드들 사이에서 아크 발생을 방지할 수 있다.
다시 도 25를 참조하면, 작업(2530)에서, 이송 헤드들(100)의 어레이의 일부분에 전압이 선택적으로 인가된다. 따라서, 각각의 이송 헤드(100)는 독립적으로 작동될 수 있다. 작업(2540)에서, 전압이 선택적으로 인가되어 있는 이송 헤드들의 어레이의 상기 부분으로 마이크로 소자들의 어레이의 대응하는 부분이 픽업된다. 일 실시예에서, 이송 헤드들의 어레이의 일부분에 전압을 선택적으로 인가하는 것은 이송 헤드들의 어레이 내의 각각의 모든 이송 헤드에 전압을 인가하는 것을 의미한다. 도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들(200)의 어레이를 픽업한 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이 내의 각각의 모든 이송 헤드의 측면도이다. 다른 실시예에서, 이송 헤드들의 어레이의 일부분에 전압을 선택적으로 인가하는 것은 이송 헤드들의 어레이 내의 각각의 모든 이송 헤드보다 적은 이송 헤드(예컨대, 이송 헤드들의 부분 세트)에 전압을 인가하는 것을 의미한다. 도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들(200)의 어레이의 일부분을 픽업하는 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이의 부분 세트의 측면도이다. 도 28 및 도 29에 예시된 특정 실시예에서, 픽업 작업은 마이크로 p-n 다이오드(250), 금속화 층(220), 및 마이크로 LED 소자(200)를 위한 컨포멀 유전체 장벽 층(260)의 일부분을 픽업하는 것을 포함한다. 도 28 및 도 29에 예시된 특정 실시예에서, 픽업 작업은 접합 층(210)의 상당 부분을 픽업하는 것을 포함한다. 따라서, 도 25 내지 도 31에 관하여 기술된 임의의 실시예는 또한 도 24에 관하여 기술된 바와 같이 접합 층(210)의 상기 부분의 온도를 제어하는 것을 동반할 수 있다. 예를 들어, 도 25 내지 도 31에 관하여 기술된 실시예는 마이크로 소자들의 어레이를 픽업하기 전에 마이크로 소자들의 어레이를 캐리어 기판(201)에 연결하는 접합 층의 복수의 위치들에서 고체 상태에서 액체 상태로의 상 변화를 일으키기 위한 작업을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 접합 층의 복수의 위치들은 동일한 접합 층의 영역들일 수 있다. 일 실시예에서, 접합 층의 복수의 위치들은 접합 층의 측방향으로 분리된 위치들일 수 있다.
이어서, 작업(2550)에서 마이크로 소자들의 어레이의 상기 부분이 적어도 하나의 수용 기판 상으로 릴리즈된다. 따라서, 마이크로 LED들의 어레이가 모두 단일 수용 기판 상으로 릴리즈되거나 다수의 기판 상으로 선택적으로 릴리즈될 수 있다. 예를 들어, 수용 기판은 디스플레이 기판, 조명 기판, 트랜지스터 또는 IC와 같은 기능 소자를 갖춘 기판, 또는 금속 재배선을 갖춘 기판일 수 있지만 이로 한정되지 않는다. 릴리즈는 도 16 내지 도 18에 관하여 기술된 임의의 방식으로 인가 전압에 영향을 줌으로써 달성될 수 있다.
도 30은 복수의 드라이버 접점들(310)을 포함하는 수용 기판(301) 위에 마이크로 LED 소자들(200)의 대응하는 어레이를 유지시키는 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이의 측면도이다. 이어서, 마이크로 LED 소자들(200)의 어레이가 수용 기판과 접촉하게 배치되고, 이어서 선택적으로 릴리즈될 수 있다. 도 31은 본 발명의 일 실시예에 따른 드라이버 접점(310) 위로 수용 기판(301) 상으로 선택적으로 릴리즈된 단일 마이크로 LED 소자(200)의 측면도이다. 다른 실시예에서, 하나 초과의 마이크로 LED 소자(200)가 릴리즈되거나, 또는 마이크로 LED 소자들(200)의 전체 어레이가 릴리즈된다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따른 캐리어 기판으로부터 마이크로 소자를 픽업하고 수용 기판으로 이송하는 방법을 예시하는 흐름도이다. 명확함을 위하여, 도 32는 도 33a 내지 도 35b에 예시된 다양한 구조적 구성에 관하여 기술하고 있지만, 본 발명의 실시예들은 그렇게 제한되지 않으며, 본 명세서에서 언급된 다른 구조적 구성으로 실시될 수 있다. 작업(3210)에서, 접합 층에 연결된 마이크로 소자를 수송하는 캐리어 기판이 선택적으로 접합 층의 액상선 온도 미만의 온도로 가열된다. 일 실시예에서, 캐리어 기판은 접합 층의 액상선 온도보다 1℃ 내지 10℃ 낮은 온도로 가열되지만, 더 낮거나 더 높은 온도가 사용될 수 있다. 캐리어 기판으로부터의 열은 캐리어 기판으로부터 접합 층으로 전달되어 또한 대략 동일한 온도에서 접합 층을 유지할 수 있다. 작업(3220)에서, 이송 헤드가 접합 층의 액상선 온도 초과의 온도로 가열된다. 예를 들어, 이송 헤드는 접합 층의 액상선 온도보다 1℃ 내지 150℃, 및 더 구체적으로는 1℃ 내지 50℃ 높은 온도로 가열될 수 있지만, 더 높은 온도가 사용될 수도 있다. 이어서, 작업(3225)에서 마이크로 소자가 이송 헤드와 접촉되고, 작업(3230)에서 이송 헤드(100)로부터 접합 층(210)으로 열이 전달되어 접합 층을 적어도 부분적으로 용융시킨다. 대안적으로, 마이크로 소자는 작업(3225)에서 이송 헤드와 접촉한 후, 작업(3220)에서 접합 층의 액상선 온도 초과의 온도로 이송 헤드를 가열하여, 작업(3230)에서 이송 헤드(100)로부터 접합 층(210)으로 열을 전달하여 접합 층을 적어도 부분적으로 용융되게 할 수 있다. 따라서, 도 32 및 도 36에 예시된 흐름도에서의 작업들의 순서는 순차적으로 번호가 매겨진 작업들과 상이한 순서로 수행될 수 있다는 것은 이해되어야 한다. 일 실시예에서, 이송 헤드 및 캐리어 기판은, 접합 층의 충분한 부분이 액상선 온도를 초과하여 가열된 이송 헤드와 마이크로 소자의 접촉시 신속하게 용융되어 마이크로 소자를 캐리어 기판에 유지시키는 표면 장력을 극복하는 그립력의 생성시 마이크로 소자가 이송 헤드로 픽업될 수 있도록 하는 온도로 가열된다. 마이크로 소자의 크기, 픽업 속도, 및 시스템의 열 전도율이 이들 온도를 결정하는 데 있어서의 인자들이다.
도 33a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자(200) 바로 아래에 있는 측방향으로 연속된 접합 층의 적어도 부분적으로 용융된 위치(215)의 측면도이다. 예시된 바와 같이, 마이크로 소자(200)의 바로 아래에 위치된 접합 층(210)의 위치(215) 내의 영역(211)은 더 어두운 음영으로 표시되어 영역(211)이 액체 상태임을 나타내며, 반면, 접합 층(210)의 더 밝게 음영처리된 부분들(213)은 고체 상태임을 나타낸다. 도 33a에 예시된 특정 실시예에서, 접합 층(210)의 영역(211)의 국소화된 용융은 마이크로 소자(200)를 수송하는 기판(201), 및 이송 헤드(100)를 수송하는 이송 헤드 조립체를 별개로 가열함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 캐리어 기판(201)은 선택적 가열 요소(heating element)(402)(점선으로 표시됨) 및 열 분배 판(heat distribution plate)(400)을 사용하여 접합 층의 액상선 온도보다 1℃ 내지 10℃ 낮은 온도로 전역적으로 가열될 수 있으며, 이송 헤드는 가열 요소(502) 및 열 분배 판(500)을 사용하여 접합 층의 액상선 온도보다 1℃ 내지 150℃, 및 더 구체적으로는 1℃ 내지 150℃ 높은 온도로 가열될 수 있다. 열은, 특히 IR 가열 램프, 레이저, 저항 가열 요소와 같은 다른 방식으로 가해질 수 있다. 기판(201)은 또한 국소적으로 가열될 수 있다.
도 33b는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자(200) 바로 아래에 있는 측방향으로 연속된 접합 층의 적어도 부분적으로 용융된 위치들의 측면도이다. 예시된 바와 같이, 마이크로 소자(200)의 바로 아래에 위치된 접합 층(210)의 상기 위치는 더 어두운 음영으로 표시되어 영역(211)이 액체 상태임을 나타낸다. 도 33b에 예시된 특정 실시예에서, 측방향으로 연속된 접합 층(210)의 실질적으로 전부는 액체 상태(211)이며, 이는 이송 헤드(100)의 별개의 가열을 필요로 하지 않고서, 마이크로 소자(200)를 수송하는 기판(201)을, 예를 들어 가열 요소(402) 및 열 분배 판(400)을 사용하여 접합 층(210)의 액상선 온도 이상으로 전역적으로 가열함으로써 달성될 수 있다.
도 34a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 LED 소자(200) 바로 아래에 있는 접합 층의 적어도 부분적으로 용융된 측방향으로 분리된 위치(215)의 측면도이다. 예시된 바와 같이, 마이크로 소자들(200)의 바로 아래에 있는 접합 층(210)의 위치들(215)은 측방향으로 분리된 위치들이며, 이때 이송 헤드(100)와 접촉하고 있는 마이크로 소자(200)의 바로 아래에 위치된 접합 층의 측방향으로 분리된 위치(215)는 적어도 부분적으로 용융되며, 이는 영역(211)의 음영으로 표시되어 있다. 도 33a와 유사하게, 접합 층(210)의 측방향으로 분리된 위치의 영역(211)의 국소화된 용융은 마이크로 소자(200)를 수송하는 기판(201), 및 이송 헤드(100)를 수송하는 이송 헤드 조립체를 별개로 가열함으로써 달성될 수 있다. 점선으로 표시된 가열 요소(402)가 국소화된 가열을 위해 선택적일 수 있다. 캐리어 기판(201)은 또한 국소적으로 가열될 수 있다.
도 34b는 본 발명의 일 실시예에 따른 접합 층의 적어도 부분적으로 용융된 측방향으로 분리된 위치들의 측면도이다. 예시된 바와 같이, 마이크로 소자들(200)의 아래에 위치된 접합 층(210)의 측방향으로 분리된 위치들(215)은 더 어두운 음영으로 표시되어 영역들(211)이 액체 상태임을 나타낸다. 도 34b에 예시된 특정 실시예에서, 접합 층(210)의 각각의 측방향으로 분리된 위치(215)의 실질적으로 전부는 용융되며, 이는 이송 헤드(100)의 별개의 가열을 필요로 하지 않고서, 마이크로 소자(200)를 수송하는 기판(201)을, 예를 들어 가열 요소(402) 및 열 분배 판(400)을 사용하여 접합 층(210)의 액상선 온도 이상으로 전역적으로 가열함으로써 달성될 수 있다.
도 35a는 본 발명의 일 실시예에 따른 포스트(202) 상에 있는 접합 층의 적어도 부분적으로 용융된 측방향으로 분리된 위치(215)의 측면도이다. 예시된 바와 같이, 마이크로 소자들(200)의 아래에 위치된 접합 층(210)의 위치들(215)은 측방향으로 분리된 위치들이며, 이때 이송 헤드(100)와 접촉하고 있는 마이크로 소자(200)의 아래에 위치된 접합 층의 측방향으로 분리된 위치(215)는 적어도 부분적으로 용융되며, 이는 영역(211)의 음영으로 표시되어 있다. 도 33a와 유사하게, 접합 층(210)의 측방향으로 분리된 위치(215)의 영역(211)의 국소화된 용융은 마이크로 소자(200)를 수송하는 기판(201), 및 이송 헤드(100)를 수송하는 이송 헤드 조립체를 별개로 가열함으로써 달성될 수 있다. 점선으로 표시된 가열 요소(402)가 국소화된 가열을 위해 선택적일 수 있다. 캐리어 기판(201)은 또한 국소적으로 가열될 수 있다.
도 35b는 본 발명의 일 실시예에 따른 포스트들(202) 상에 있는 접합 층의 적어도 부분적으로 용융된 측방향으로 분리된 위치들(215)의 측면도이다. 예시된 바와 같이, 마이크로 소자들(200)의 아래에 위치된 접합 층(210)의 측방향으로 분리된 위치들은 더 어두운 음영으로 표시되어 영역들(211)이 액체 상태임을 나타낸다. 도 35b에 예시된 특정 실시예에서, 접합 층(210)의 각각의 측방향으로 분리된 위치(215)는 용융되며, 이는 이송 헤드(100)의 별개의 가열을 필요로 하지 않고서, 마이크로 소자(200)를 수송하는 기판(201)을, 예를 들어 가열 요소(402) 및 열 분배 판(400)을 사용하여 접합 층(210)의 액상선 온도 이상으로 전역적으로 가열함으로써 달성될 수 있다.
도 32를 다시 참조하면, 작업(3240)에서 마이크로 소자(200) 상에 그립 압력을 생성하기 위해 이송 헤드(100) 내의 전극(들)(116)에 전압이 인가되고, 작업(3250)에서 마이크로 소자가 이송 헤드로 픽업된다. 전술된 바와 같이, 도 32 및 도 36에 예시된 흐름도에서의 작업들의 순서는 순차적으로 번호가 매겨진 작업들과 상이한 순서로 수행될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 소자 상에 그립 압력을 생성하기 위해 이송 헤드에 전압을 인가하는 작업(3240)은 작업들의 순서에서 더 일찍 수행될 수 있다. 일 실시예에서는, 작업(3245)에서 접합 층(210)의 상당 부분이 이송 헤드(100)에 의해 픽업된다. 예를 들어, 접합 층(210)의 대략 절반이 마이크로 소자(200)와 함께 픽업될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 접합 층(210)의 어느 부분도 이송 헤드로 픽업되지 않는다. 일 실시예에서, 컨포멀 유전체 장벽 층(260)의 일부분이 마이크로 소자(200)와 함께 픽업된다. 예를 들어, 마이크로 소자의 저부 표면(251)의 일부분 및 측벽들(253)에 걸쳐 이어지는 컨포멀 유전체 장벽 층의 일부분이 마이크로 소자와 함께 픽업된다. 측벽들(253)에 걸쳐 이어지는 컨포멀 유전체 장벽 층의 상기 부분은 마이크로 소자의 양자 우물 층(216)을 덮을 수 있다. 작업(3250)에서, 마이크로 소자 및 선택적으로 접합 층(210) 및 컨포멀 유전체 장벽 층(260)의 일부분이 수용 기판과 접촉하게 배치된다. 이어서, 작업(3260)에서 마이크로 소자 및 선택적으로 접합 층(210) 및 컨포멀 유전체 장벽 층(260)의 일부분이 수용 기판 상으로 릴리즈된다.
도 33a 내지 도 35b를 다시 참조하면, 예시된 특정 실시예에서, 마이크로 p-n 다이오드(250)의 저부 표면은 금속화 층(220)의 상부 표면보다 넓고, 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 마이크로 p-n 다이오드(250)의 측벽들, 마이크로 p-n 다이오드(250)의 저부 표면의 일부분 및 금속화 층(220)의 측벽들에 걸쳐 이어진다. 일 태양에서, 마이크로 p-n 다이오드(250) 아래를 둘러싸는 컨포멀 유전체 장벽 층(260)의 상기 부분은, 마이크로 p-n 다이오드(250)의 측벽들 상에 컨포멀 유전체 장벽 층(260)이 이송 헤드(100)에 의한 픽업 작업 동안 치핑(chipping)되거나 파단(breaking)되는 것으로부터 보호한다. 금속화 층(220) 또는 접합 층(210)에 인접하여, 특히 날카로운 각을 갖는 코너 및 위치에서 컨포멀 유전체 장벽 층(260) 내에 응력점(stress point)이 생성될 수 있다. 이송 헤드(100)와 마이크로 LED 소자의 접촉시에 그리고/또는 접합 층에서의 상 변화 발생시에, 이들 응력점은 컨포멀 유전체 장벽 층(260) 내의 자연적인 파단점이 되고, 이들 파단점에서 컨포멀 유전체 층이 클리빙될 수 있다. 일 실시예에서, 컨포멀 유전체 장벽 층(260)은 이송 헤드와 마이크로 LED 소자를 접촉시킨 후에 그리고/또는 접합 층에서 상 변화를 일으킨 후에 자연적인 파단점에서 클리빙되는데, 이는 마이크로 p-n 다이오드 및 금속화 층을 픽업하기 전이나 또는 픽업하는 동안일 수 있다. 액체 상태에서, 접합 층(210)은 이송 헤드(100)와 마이크로 LED 소자를 접촉시키 것과 관련된 압축력에 응하여 하부에 놓인 구조체 위로 평활해질 수 있다. 일 실시예에서, 이송 헤드와 마이크로 LED 소자를 접촉시킨 후, 접합 층에서 상 변화를 일으키기 전에 마이크로 LED 소자의 상부 표면을 가로질러 이송 헤드를 문지른다. 문지름(rubbing)은 이송 헤드 또는 마이크로 LED 소자의 접촉 표면 상에 존재할 수 있는 임의의 입자를 제거할 수 있다. 문지름은 또한 컨포멀 유전체 장벽 층에 압력을 전달할 수 있다. 따라서, 이송 헤드(100)로부터 컨포멀 유전체 장벽 층(260)에 압력을 전달하는 것과 접합 층의 액상선 온도를 초과하여 접합 층을 가열하는 것 둘 모두가 마이크로 p-n 다이오드(250) 아래의 위치에서 컨포멀 유전체 장벽 층(260)을 클리빙하는 데 기여할 수 있고, 마이크로 LED 소자 및 양자 우물 층의 완전성을 보존할 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로 p-n 다이오드(250)의 저부 표면은, 컨포멀 유전체 장벽 층(260)이 마이크로 p-n 다이오드(250)의 저부 표면 상에 형성되고 파단점을 생성할 공간이 있을 정도로 금속화 층(220)의 상부 표면보다 넓지만, 이 거리는 또한 리소그래픽 허용오차에 의해 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로 p-n 다이오드(250)의 양측에서 0.25 ㎛ 내지 1 ㎛ 거리가 50 옹스트롬 내지 600 옹스트롬 두께의 컨포멀 유전체 장벽 층(260)을 수용한다.
마이크로 소자 및 접합 층(210)의 상기 부분을 픽업하고, 이송하고, 수용 기판과 접촉시키고, 수용 기판 상에 릴리즈할 때, 접합 층의 상기 부분의 상을 제어하기 위해 다양한 작업들이 수행될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 소자와 함께 픽업되는 접합 층의 상기 부분은 접촉 작업(3250) 동안 및 릴리즈 작업(3260) 동안 액체 상태로 유지될 수 있다. 다른 실시예에서, 접합 층의 상기 부분은 픽업된 후에 고상으로 냉각되게 둘 수 있다. 예를 들어, 접합 층의 상기 부분은 접촉 작업(3250) 동안 고상일 수 있고, 릴리즈 작업(3260) 전에 또는 그 동안에 액체 상태로 다시 용융될 수 있다. 다양한 온도 사이클 및 재료의 상 사이클이 본 발명의 실시예들에 따라 수행될 수 있다.
도 33a의 마이크로 소자를 픽업하고, 이송하고, 수용 기판과 접촉시키고, 릴리즈할 때 접합 층의 상기 부분의 상 제어를 보여주는 예시적인 실시예가 도 36에 예시된 하기의 방법 및 도 37 내지 도 40에 예시된 구조적 구성에서 추가로 상세히 기술되어 있지만, 본 발명의 실시예들은 그렇게 제한되지 않으며, 다른 구조적 구성으로 실시될 수 있다. 작업(3610)에서, 접합 층의 복수의 위치들에 연결된 마이크로 소자들의 어레이를 수송하는 기판이 선택적으로 접합 층의 액상선 온도 미만의 온도로 가열된다. 캐리어 기판으로부터의 열은 캐리어 기판으로부터 접합 층으로 전달되어 또한 대략 동일한 온도에서 접합 층을 유지할 수 있다. 작업(3620)에서, 이송 헤드가 접합 층의 액상선 온도 초과의 온도로 가열된다. 이어서, 작업(3625)에서 마이크로 소자들의 어레이가 이송 헤드들의 어레이와 접촉되고, 작업(3630)에서 접합 층의 복수의 위치들의 부분들을 적어도 부분적으로 용융하기 위해 이송 헤드들(100)의 어레이로부터 접합 층(210)의 복수의 위치들로 열이 전달된다. 대안적으로, 마이크로 소자들의 어레이는 작업(3625)에서 이송 헤드들의 어레이와 접촉한 후, 작업(3620)에서 접합 층의 액상선 온도 초과의 온도로 이송 헤드들의 어레이를 가열하여, 작업(3630)에서 이송 헤드들(100)의 어레이로부터 접합 층(210)의 복수의 위치들로 열을 전달하여 접합 층의 복수의 위치들의 부분들을 적어도 부분적으로 용융되게 할 수 있다. 따라서, 도 32 및 도 36에 예시된 흐름도에서의 작업들의 순서는 순차적으로 번호가 매겨진 작업들과 상이한 순서로 수행될 수 있다는 것은 이해되어야 한다.
도 37은 도 33a의 마이크로 LED 소자들의 어레이와 접촉한 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이의 측면도인데, 여기서는 본 발명의 일 실시예에 따라 접합 층의 복수의 위치들이 적어도 부분적으로 용융되어 있으며, 이는 어둡게 음영처리된 영역들(211)로 표시되어 있다. 도 37에 예시된 특정 실시예에서, 접합 층(210)의 영역들(211)의 국소화된 용융은 마이크로 소자들(200)을 수송하는 캐리어 기판(201), 및 이송 헤드들(100)의 어레이를 별개로 가열함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 도 33a에 관하여 기술된 바와 같이, 캐리어 기판(201)은 가열 요소(402) 및 열 분배 판(400)을 사용하여 접합 층의 액상선 온도보다 1℃ 내지 10℃ 낮은 온도로 가열될 수 있으며, 이송 헤드들(100)의 베이스 어레이는 가열 요소(502) 및 열 분배 판(500)을 사용하여 접합 층의 액상선 온도보다 1℃ 내지 150℃, 및 더 구체적으로는 1℃ 내지 150℃ 높은 온도로 가열될 수 있다. 열은, 특히 IR 가열 램프, 레이저, 저항 가열 요소와 같은 다른 방식으로 가해질 수 있다. 캐리어 기판(201)은 또한 국소적으로 가열될 수 있다.
도 36을 다시 참조하면, 이어서, 작업(3640)에서 대응하는 마이크로 소자들(200)의 어레이 상에 그립 압력을 생성하기 위해 이송 헤드들(100)의 어레이의 일부분에서 전극(들)(116)에 전압이 선택적으로 인가되고, 작업(3645)에서 마이크로 소자들(200)의 어레이의 대응하는 부분이 이송 헤드들(100)의 어레이의 상기 부분에 의해 픽업된다. 전술된 바와 같이, 도 32 및 도 36에 예시된 흐름도에서의 작업들의 순서는 순차적으로 번호가 매겨진 작업들과 상이한 순서로 수행될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 소자 상에 그립 압력을 생성하기 위해 이송 헤드에 전압을 인가하는 작업(3640)은 작업들의 순서에서 더 일찍 수행될 수 있다. 일 실시예에서는, 작업(3645)에서 접합 층(210)의 복수의 위치들의 상당 부분이 마이크로 소자들(200)의 어레이와 함께 픽업된다. 예를 들어, 접합 층(210)의 복수의 위치들의 대략 절반이 마이크로 소자들(200)의 어레이와 함께 픽업될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 접합 층(210)의 어느 부분도 마이크로 소자들(200)의 어레이와 함께 픽업되지 않는다. 일 실시예에서, 컨포멀 유전체 장벽 층(260)의 일부분이 마이크로 소자들(200)과 함께 픽업된다. 예를 들어, 마이크로 소자들의 저부 표면들(251)의 일부분 및 측벽들(253)에 걸쳐 이어지는 컨포멀 유전체 장벽 층의 일부분이 마이크로 소자들과 함께 픽업된다. 측벽들(253)에 걸쳐 이어지는 컨포멀 유전체 장벽 층의 상기 부분은 각각의 마이크로 소자 내의 양자 우물 층(216)을 덮을 수 있다. 도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들(200)의 어레이를 픽업한 마이크로 소자 이송 헤드들(100)의 어레이의 측면도인데, 여기서는 접합 층의 복수의 위치들의 상당 부분이 마이크로 LED 소자들(200)의 어레이와 함께 액체 상태(211)에서 픽업된다.
작업(3650)에서, 픽업된 마이크로 소자들(200)의 어레이의 대응하는 부분 및 선택적으로 접합 층(210)의 상기 부분 및 컨포멀 유전체 장벽 층(260)의 상기 부분이 수용 기판과 접촉하게 배치된다. 접합 층(210)은 기판과 접촉할 때 고체 상태(213) 또는 액체 상태(211)일 수 있다. 이어서, 작업(3660)에서 마이크로 소자들의 어레이의 상기 부분 및 선택적으로 접합 층(210)의 상기 부분 및 컨포멀 유전체 장벽 층(260)의 상기 부분이 적어도 하나의 수용 기판 상으로 선택적으로 릴리즈된다. 따라서, 마이크로 소자들의 어레이가 모두 단일 수용 기판 상으로 릴리즈되거나 다수의 기판 상으로 선택적으로 릴리즈될 수 있다. 수용 기판은 디스플레이 기판, 조명 기판, 트랜지스터 또는 IC와 같은 기능 소자를 갖춘 기판, 또는 금속 재배선을 갖춘 기판일 수 있지만 이로 한정되지 않는다. 릴리즈는 전압원을 끄거나, 전압원을 접지하거나, 또는 정전압의 극성을 역전시킴으로써 달성될 수 있다.
도 39는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 LED 소자들의 어레이가 복수의 드라이버 접점들(310)을 포함하는 수용 기판(301) 위에 위치된 상태의 마이크로 소자 이송 헤드들의 어레이의 측면도인데, 여기서 픽업된 접합 층의 부분들은 액체 상태(211)이다. 도 40은 본 발명의 일 실시예에 따른 드라이버 접점들(310) 위에 수용 기판(301) 상으로 선택적으로 릴리즈된 마이크로 LED 소자들의 어레이의 측면도이다. 다른 실시예에서는, 단일 마이크로 LED 소자(200) 또는 마이크로 LED 소자들(200)의 일부분이 릴리즈된다. 마이크로 소자들(200)을 수용 기판(301) 상으로 릴리즈시에, 접합 층의 대응하는 부분들은 고체 상태(213)로 냉각되게 한다.
일 실시예에서, 수용 기판(301)은 이송 공정을 보조하기 위하여 접합 층(210)의 액상선 온도 초과 또는 미만의 온도로 가열될 수 있다. 수용 기판(301)은 또한 국소적으로 또는 전역적으로 가열될 수 있다. 일 실시예에서, 수용 기판은 캐리어 기판과 유사한 열 분배 판(600) 및 가열 요소(602)로 전역적으로 가열된다. 열은, 특히 IR 가열 램프, 레이저, 저항 가열 요소와 같은 다른 방식으로 가해질 수 있다. 일 실시예에서, 국소형 레이저(localized laser)가 수용 기판(301)의 상부 표면 위에 제공되어 접합 층 또는 수용 기판에 국소화된 가열을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서는, 국소형 레이저가 수용 기판(301)의 저부 표면 아래에 제공되어, 접합 층 또는 수용 기판이 후면으로부터 국소적으로 가열될 수 있게 한다. 예를 들어, 레이저에 의한 수용 기판(301)의 국소화된 가열이 이용되는 경우, 접합 층의 액상선 온도 미만 또는 초과의 온도가 달성될 수 있다. 예를 들어, 접점(310)과 인접한 수용 기판(301)의 국소 영역이 접합 층의 액상선 온도 이상으로 국소적으로 가열되어, 접합 및 이어지는 접합부의 냉각 고화를 용이하게 할 수 있다. 마찬가지로, 수용 기판(301)은 접합 층의 액상선 온도 미만의 승온에서 국소적으로 또는 전역적으로 유지될 수 있거나, 또는 실온으로 유지되게 둘 수 있다.
마이크로 소자 및 접합 층(210)의 상기 부분을 픽업하고, 이송하고, 수용 기판과 접촉시키고, 수용 기판 상에 릴리즈할 때, 접합 층의 상기 부분의 상을 제어하기 위해 다양한 작업들이 수행될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 소자와 함께 픽업되는 접합 층의 상기 부분은 접촉 작업(3650) 동안 그리고 릴리즈 작업(3660) 동안 액체 상태로 유지될 수 있다. 다른 실시예에서, 접합 층의 상기 부분은 픽업된 후에 고상으로 냉각되게 둘 수 있다. 예를 들어, 접합 층의 상기 부분은 접촉 작업(3650) 동안 고상일 수 있고, 릴리즈 작업(3660) 전에 또는 그 동안에 액체 상태로 다시 용융될 수 있다. 다양한 온도 사이클 및 재료의 상 사이클이 본 발명의 실시예들에 따라 수행될 수 있다.
본 발명의 다양한 태양들을 이용함에 있어서, 마이크로 소자 이송 헤드 및 헤드 어레이를 형성하고 마이크로 소자 및 마이크로 소자 어레이를 이송하기 위해 상기 실시예들의 조합 또는 변형이 가능하다는 것이 당업자에게 명백해질 것이다. 본 발명이 구조적 특징 및/또는 방법론적 동작에 대해 특정한 표현으로 기술되어 있지만, 첨부된 특허청구범위에 정의된 본 발명은 반드시 기술된 구체적 특징 또는 동작으로 제한되지는 않는다는 것은 이해되어야 한다. 대신에, 개시된 구체적 특징 및 동작은 본 발명을 예시하는 데 유용한 청구된 발명의 특히 세련된 구현으로서 이해되어야 한다.

Claims (24)

  1. 이송 헤드 조립체(transfer head assembly)로서,
    히터 조립체; 및
    정전기 이송 헤드들의 어레이를 지지하는 베이스 기판(base substrate)을 포함하며,
    각각의 정전기 이송 헤드는 x-치수(x-dimension) 및 y-치수 둘 모두에서 1 내지 100 ㎛ 스케일의 메사 구조체(mesa structure)를 포함하며, 상기 히터 조립체는 156.7℃ 초과의 온도로 각각의 정전기 이송 헤드를 가열하도록 구성되는, 이송 헤드 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 히터 조립체는 가열 요소(heating element) 및 열 분배 판(heat distribution plate)을 포함하는, 이송 헤드 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 각각의 정전기 이송 헤드의 상기 메사 구조체를 덮는 유전체 층을 추가로 포함하는, 이송 헤드 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 각각의 정전기 이송 헤드는 모노폴라 전극(monopolar electrode) 구성을 포함하는, 이송 헤드 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 각각의 정전기 이송 헤드는 바이폴라 전극(bipolar electrode) 구성을 포함하는, 이송 헤드 조립체.
  6. 제3항에 있어서, 각각의 메사 구조체는 상기 베이스 기판과 함께 통합적으로 형성되는, 이송 헤드 조립체.
  7. 제3항에 있어서, 상기 유전체 층은 두께가 0.5 내지 2.0 ㎛인, 이송 헤드 조립체.
  8. 제3항에 있어서, 각각의 메사 구조체는 두께가 1 내지 5 ㎛인, 이송 헤드 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 각각의 정전기 이송 헤드는 1 내지 100 ㎛ 스케일의 개별 마이크로 소자(separate micro device)에 개별 정전기 그립 압력(grip pressure)을 인가하도록 구성된, 이송 헤드 조립체.
  10. 제5항에 있어서, 각각의 정전기 이송 헤드는 한 쌍의 메사 구조체를 포함하며, 각각의 메사 구조체는 x-치수 및 y-치수 둘 모두에서 1 내지 100 ㎛ 스케일인, 이송 헤드 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 각각의 메사 구조체는 상기 베이스 기판과 함께 통합적으로 형성되는, 이송 헤드 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 각각의 메사 구조체 및 상기 베이스 기판은 실리콘(silicon)을 포함하는, 이송 헤드 조립체.
  13. 제12항에 있어서, 각각의 정전기 이송 헤드의 상기 한 쌍의 메사 구조체를 덮는 유전체 층을 추가로 포함하는, 이송 헤드 조립체.
  14. 이송 툴(transfer tool)로서,
    이송 헤드 조립체; 및
    캐리어 기판 히터 조립체
    를 포함하며, 상기 이송 헤드 조립체는,
    히터 조립체; 및
    정전기 이송 헤드들의 어레이를 지지하는 베이스 기판
    을 포함하고,
    각각의 정전기 이송 헤드는 x-치수 및 y-치수 둘 모두에서 1 내지 100 ㎛ 스케일의 메사 구조체를 포함하며, 상기 히터 조립체는 156.7℃ 초과의 온도로 각각의 정전기 이송 헤드를 가열하도록 구성되는, 이송 툴.
  15. 제14항에 있어서, 상기 캐리어 기판 히터 조립체는 146.7℃로 캐리어 기판을 가열하도록 구성되는, 이송 툴.
  16. 제14항에 있어서, 상기 캐리어 기판 히터 조립체는 349℃로 캐리어 기판을 가열하도록 구성되는, 이송 툴.
  17. 제14항에 있어서, 상기 캐리어 기판 히터 조립체는 캐리어 기판 가열 요소 및 캐리어 기판 열 분배 판을 포함하는, 이송 툴.
  18. 제14항에 있어서, 수용 기판(receiving substrate) 히터 조립체를 추가로 포함하는, 이송 툴.
  19. 제18항에 있어서, 상기 수용 기판 히터 조립체는 146.7℃로 수용 기판을 가열하도록 구성되는, 이송 툴.
  20. 제18항에 있어서, 상기 수용 기판 히터 조립체는 349℃로 수용 기판을 가열하도록 구성되는, 이송 툴.
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