KR101946138B1 - 자기유도 기반의 이송 매체를 이용한 전자 소자의 이송방법 - Google Patents

자기유도 기반의 이송 매체를 이용한 전자 소자의 이송방법 Download PDF

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Abstract

전자 소자를 이종 기판으로 전사하기 위한 방법으로 자기유도 방식을 이송 매체에 적용하여, 형성된 코일 도선에 유도된 자기장에 의해 전자 소자를 픽업하고 이송 및 릴리즈하여 전사 공정의 효율 및 전자 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

자기유도 기반의 이송 매체를 이용한 전자 소자의 이송방법{Transporting Method of using Transporting Means based on Magnetic Induction}
본 발명은 이송 매체를 이용한 전자 소자의 이송방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기유도 기반의 이송 매체를 이용하고, 이에 대한 소자의 이송방법에 관한 것이다.
최근 마이크로 내지 나노 크기의 전자 소자, 광소자 및 열전 소자 등을 오리지널 기판(original substrate), 즉, 소자가 증착 또는 성장된 기판에서 분리하여 이종 기판(dissimilar substrate)으로 전사(transfer)함으로써, 다양한 소자를 한 기판에 집적하거나 무기물 기반의 유연 소자를 제작하는 방법이 제안된다.
이러한 전사 방법에서는 오리지널 기판으로부터 전자 소자를 안전하고 정확하게 픽업(pick-up)하고 이종 기판으로 이송(delivery)한 후 이종 기판에 릴리즈(release)하는 과정이 요구된다. 이를 위해 이송 매체가 적용되고 있다.
일반적인 이송 매체로 poly(dimethylsiloxane)(PDMS) 와 같은 낮은 탄성 계수(elastic modulus)와 우수한 접착력(adhesiveness)을 지닌 물질 기반의 스템프(stamp)가 적용되고 있다. 그러나 PDMS 스템프를 이송 매체로 적용할 경우 전사가 필요한 전자 소자를 오리지널 기판에서 선택적으로 픽업하는 것이 불가능하다. 또한 반복적인 전사에 의해 PDMS 스템프의 접착력이 감소되어 접착력 유지를 위해 O2 플라즈마(plasma) 또는 오존(ozone) 처리를 지속적으로 병행해 주어야 하는 문제가 있다.
최근 전기적으로 대전시켜 정전기적 인력을 이용하는 정전기 그리퍼(electrostatic gripper)를 이송 매체로 적용한 사례가 있다. 이는 메사(mesa) 형태의 패턴(pattern) 상부에 금속층과 유전층을 형성하고 외부에서 금속층에 전압을 인가해 줌으로서, 정전기를 유발시키는 방법이다. 즉, 정전기에 의해 소자를 픽업 또는 릴리즈하게 된다. 그러나 정전기 발생을 위한 높은 전압의 인가는 유전체층을 파괴할 수 있어 정확한 픽업 능력이 저하되며, 아킹(arcing)으로 인한 소자 손상이 유발될 수 있다. 또한 외부 습도에 따라 정전기 의한 대전 전위가 변할 수 있는 문제가 있으며, 먼지와 같은 이물이 쉽게 부착될 수 있어 표면이 오염되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명에서는, 기존의 이송 매체가 지니는 문제점을 개선하고 효과적으로 전자 소자를 이종 기판으로 전사하기 위한 방법으로 자기장을 적용한 자기유도 방식을 이송 매체에 적용하고자 한다.
대한민국 공개특허공보 제2013-0118888호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 자기유도 기반의 이송 매체를 제공하고 이를 이용한 소자의 이송방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명은 성장용 기판 상에 자기 구조체가 구비된 전자 소자를 형성하는 단계; 상기 전자 소자를 전사 기판에 접합하고, 상기 성장용 기판을 상기 전자 소자로부터 분리하는 단계; 이송 매체에 전류를 주입을 통해 자기장을 유도하여 상기 전사 기판에 접합된 전자 소자를 픽업하는 단계; 및 상기 이송 매체에 픽업된 상기 전자 소자를 수용 기판 상에 릴리즈(release)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기유도 기반의 전자 소자 이송방법을 제공한다.
본 발명에 자기유도 기반의 이송 매체 및 이송방법에 따라 자기유도 기반의 이송 매체를 제작하기 위해 자기 구조체를 형성하고 자기 구조체에 유도된 자기장에 의해 전자 소자의 픽업, 이송 및 릴리즈 함과 더불어 전자 소자의 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전자 소자의 전사에 관련한 내용으로 종래의 PDMS를 이용한 방법의 접착력 감소 문제 및 정전기 그리퍼를 이용한 방법의 아킹과 같은 치명적인 단점들을 개선할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유도 기반의 전자소자의 이송을 위한 이송 헤드를 도시한 투시도 및 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자의 구조를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 성장용 기판 상에 형성된 전자 소자를 도시한 개략도이다.
도 5는 전사 기판 상에 전자 소자를 전사하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 자기 구조체가 구비된 전자 소자의 이송방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 또는 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 본 발명의 기술에 있어 일부 실시예는 전자 소자들에 관하여 특정하여 개시하나, 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 축소된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
실시예
도 1 내지 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기유도 기반의 전자소자의 이송을 위한 이송 헤드를 도시한 투시도 및 사시도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 자기유도 기반의 이송 헤드는 이송 기판(100) 및 이송 매체(110)를 가진다. 이송 매체는(110)는 코일 도선(111)과 보호층(112)을 가지며 교차가 필요한 코일 도선(111)의 일부분은 동일하지 않은 평면에 위치한다.
또한, 코일 도선(111)에 패턴의 형태는 원형 또는 다각형의 형태를 포함할 수 있으며 코일 도선(111) 패턴은 전자빔 증착(e-beam), 스퍼터링(sputtering) 등의 증착 방법과 다양한 형태의 마스크를 통해 형성될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
또한, 코일 도선(111)에 의해 정의되는 중심부에는 자성체가 구비될 수 있다. 자성체는 코일 도선에 의한 전류의 영향에 따라 자기장을 형성할 수 있다. 상기 자성체는 상자성 또는 연질자성재료(soft magnetic materials) 기반 물질을 포함한다. 코일 도선(111)의 중앙부에 위치하는 자성체는 철, 순철, 규소철, 퍼멀로이(permalloy), 슈퍼멀로이(supermalloy), 퍼멘듀어(permendur) 또는 센더스트(sendust)가 될 수 있으며, 적어도 어느 하나의 자성 재료를 포함할 수 있다. 상자성 또는 연질자성재료는 보자력이 작고 투자율이 높아 이송 매체(110)에 높은 자속밀도를 유도하여 큰 기자력을 발생시킬 수 있다. 또한, 코일 도선(111)의 권수 및 전류 밀도의 증가에 따라 높은 기자력을 형성할 수 있다. 이러한 물질을 형성시킴으로써 전자 소자의 픽업, 이송 및 릴리즈 공정에 도움을 줄 수 있다.
도 2를 참조하면, 코일 도선(111)이 돌출된 메사 패턴의 형상을 가지는 이송 매체(110)의 측면에 형성되어 나선형 형상을 가진다. 코일 도선(111)의 형성은 전자 소자를 픽업하고자 하는 위치나 구조에 따라 달라질 수 있으며, 코일 도선(111)이 형성되는 위치나 구조는 한정되지 않는다.
보호층(112)은 코일 도선(111)의 상부에 형성된다. 상기 코일 도선(111)에 전류가 흘러 발생하는 기전력에 의하여 수행되는 반복적인 픽업 및 이송 작업에 대하여 상기 코일 도선(111)의 마모 및 부반응을 방지하기 위해 구성된다. 상기 보호층(112)은 무기 또는 유기물 기반의 유전체로 구성될 수 있다.
또한, 상기 도 1 및 도 2에서는 코일 도선(111)의 일부가 상호간에 단락되는 것처럼 도시되나 교차하는 부분은 상호 다른 평면 상에 배치되어 전기적 단락이 일어나지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 자기 유도를 위한 코일 도선(111)은 전자 소자의 픽업, 이송 및 릴리즈를 개별적으로 제어하기 위해 어레이(array)되어 패터닝(patterning)됨이 바람직하다. 또한, 코일 도선(111)의 말단부는 외부와 전기적인 연결이 원활할 수 있도록 설계될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 전자 소자는 발광 다이오드임이 바람직하다. 즉, 성장용 기판(200) 상에 화합물 단결정 성장 공정인 MOCVD 공정 등이 사용되어, 버퍼층(210), 제1 반도체층(220), 활성층(230) 및 제2 반도체층(240)이 순차적으로 구비된다.
또한, 제2 반도체층(240) 상에는 반사 전극층(250)이 형성되며, 반사 전극층(250), 제2 반도체층(240) 및 활성층(230)을 관통하여 자기 구조체(300)가 구비된다. 즉, 자기 구조체(300)는 제1 반도체층(220)의 내부까지 신장된 형태로 제공된다. 형성된 자기 구조체(300)는 패시베이션층(310)과 자화층(320)을 포함한다. 자화층(320)은 패시베이션층(310) 상에 형성되며, 패시베이션층(310)은 자화층(320)이 반도체층들(220, 240) 또는 활성층(230)과 직접 접촉되는 현상을 방지한다. 자화층(320)은 특정 방향으로 자화될 수 있다. 또한, 제1 반도체층(220) 상에는 제1 전극(211)이 형성된다. 상술한 제1 반도체층(220), 활성층(230) 및 제2 반도체층(240)은 발광 구조체(260)를 형성한다.
제1 반도체층(220) 및 제2 반도체층(240)에서 공급되는 전자 및 정공은 활성층(230)으로 유입된다. 활성층(230)에서는 전자 및 정공에 대한 양자구속효과를 통해 발광 동작이 수행된다.
따라서, 발광 동작을 수행하는 발광 다이오드인 전자 소자는 발광 구조체(260)와 자기 구조체(300)를 가진다. 또한, 상기 자기 구조체(300)는 라인(line) 패턴, 홀(hole) 패턴 또는 닷(dot) 패턴 등의 다양한 형태를 가질 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 성장용 기판 상에 형성된 전자 소자를 도시한 개략도이다.
상기 도 3에서 개시된 전자 소자(400)는 각각 분할된 형태로 성장용 기판(200) 상에 구비된다. 이는 성장용 기판(200)을 이용한 화합물 단결정의 성장 공정 및 자기 구조체(300)의 형성 이후에 각각의 막질의 분리를 통해 형성될 수 있다. 이는 칩 분할 공정으로 명명될 수 있다. 식각 등이 공정을 통해 발광 동작을 수행하는 전자 소자(400)는 각각 개별적으로 분할된 형태로 제공된다. 전자 소자(400)는 상기 도 3에 도시된 발광 구조체(260)와 자기 구조체(300)를 가진다. 또한, 전자 소자(400)를 구성하는 발광 구조체(260)와 자기 구조체(300)는 인접한 전자 소자를 구성하는 발광 구조체 및 자기 구조체와 물리적으로 분리된 상태로 제공된다.
또한, 각각의 전자 소자(400)을 구성하는 자기 구조체는 특정 방향으로 자화된 상태이며, 그 상태는 지속적으로 유지된다.
제공되는 전자 소자(400)는 직경이 수 um 내지 수백 um의 사이즈를 가짐이 바람직하다.
도 5는 전사 기판 상에 전자 소자를 전사하는 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 전사 기판(500)이 구비되고, 전사 기판(500) 상에 앵커 구조체(510)가 구비된다.
전사 기판(500)은 물질이나 형태를 한정하지 않는다. 예를 들어 GaN과 같은 광소자 또는 유리를 전사 기판(500)으로 사용할 수 있다. 따라서, 전사 기판(500)의 종류는 본 발명과 깊은 연관성이 없는 바, 이를 한정하지 않는다.
전사 기판(500) 상에 구비된 각각의 앵커 구조체(510)는 패턴화된 형태로 제공되며, 상기 도 4에 개시된 전자 소자(400)와 각각 매칭되는 구조를 가짐이 바람직하다. 다만, 상기 앵커 구조체(510)는 신축성 있는 재질인 고분자 재료로 구성됨이 바람직하다. 따라서, 상기 앵커 구조체(510)는 PDMS와 같은 신축성을 가진 고분자 재료일 수 있다. 이를 통해 앵커 구조체(510)는 전사 소자(400)를 용이하게 파지할 수 있으며, 전자 소자(400)가 쉽게 이탈되는 현상을 방지할 수 있다.
따라서, 상기 앵커 구조체(510)는 리프트 오프 과정 중 전자 소자(400)의 이탈 및 배열 유지를 위해 무기 또는 유기물일 수 있으며, 상변태가 가능한 물질도 적용 가능하다.
이어서, 전사 기판(500) 상에는 전자 소자(400)가 형성된 성장용 기판(200)이 도입된다. 성장용 기판(200)으로부터 소정 높이로 돌출된 각각의 전자 소자(400)는 앵커 구조체(510) 상에 접합된다. 또한, 전자 소자(400)와 성장용 기판(200) 사이의 분리 공정이 수행된다.
전자 소자(400)와 성장용 기판(200) 사이의 분리는 레이저 리프트 오프 공정 또는 화학적 리프트 오프 공정 등을 통해 수행될 수 있다. 이를 통해 전자 소자(400)는 전사 기판(500) 상에 실장되고, 성장용 기판(200)은 전자 소자(400)로부터 분리된다. 따라서, 앵커 구조체(510) 상에는 개별적인 전자 소자(400)가 실장된다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 자기 구조체가 구비된 전자 소자의 이송방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6을 참조하면, 전자 소자(400) 상에 이송 헤드가 구비되고, 이송 헤드를 구성하는 이송 기판(100) 및 이송 기판(100)으로부터 돌출된 형태를 가지는 이송 매체(110)가 준비된다. 또한, 특정 방향으로 자화된 자기 구조체가 형성된 전자 소자(400)가 이송 매체(110)의 하부에 준비된다.
각각의 이송 매체(110)의 배면 또는 특정 영역에는 제어 회로부(10)가 구비된다. 상기 제어 회로부(10)는 전원 P1 내지 P5, 임피던스 R1 내지 R5 및 스위치 S1 내지 S5를 가진다. 상기 전원 P1 내지 P5는 교류전원(AC) 및 직류전원(DC) 중 어느 하나일 수 있으며, 이를 한정하지 않는다.
또한, 제어 회로부(10)를 구성하는 전원, 임피던스 및 스위치의 개수와 배치관계는 이송 매체(110)의 코일 도선의 양상 및 이송하고자 하는 전자 소자(400)의 수에 따라 달리 설정될 수 있다.
전자 소자(400)에 대한 픽업이 수행되지 않는 상태에서 스위치 S1 내지 S5는 개방됨이 바람직하다. 따라서, 스위치 S1 내지 S5의 개방에 의해 전원 P1 내지 P5는 코일 도선과 전기적으로 절연된 상태이다.
이송 매체(110) 하부에는 전자 소자(400)가 배치된다. 각각의 전자 소자(400)는 전사 기판(500) 상에 준비된다. 전자 소자(400)는 내부 또는 특정 영역에 자기 구조체를 포함한다. 또한, 전자 소자(400)와 전사 기판(500) 사이에는 앵커 구조체(510)가 구비된다.
상기 이송 매체(110)와 스위치의 단락을 통해 이송 매체(110)와 제어 회로부(10)는 전기적으로 연결되고, 이송 매체(110)에 주입된 전류에 의해 자기장이 유도된다. 유도된 자기장은 전자 소자(400)에 구축되어 있는 자기 구조체에 인력을 가하여 전자 소자(400)의 픽업, 이송 및 릴리즈를 가능하게 한다. 따라서, 어레이 내의 일부 코일 도선에만 선택적으로 자기장을 인가 또는 비인가함에 따라 선택적으로 전자 소자(400)를 픽업 이송 및 릴리즈할 수 있다.
도 7을 참조하면, 자기유도 기반의 이송 매체(110)를 이용하여 자기 구조체가 구비된 전자 소자(400)를 픽업한다.
전자 소자(400)의 픽업은 이송 매체(110)에 전기적으로 연결된 전원을 통해 이송 매체(110)로 전류가 공급되고, 이에 따른 유도 자계의 발생과 전사 소자(400)에 구비된 자기 구조체와의 인력에 의해 수행된다.
다만, 전자 소자(400)가 픽업되기 위해서는 자기장에 의한 전자 소자(400)와 이송 매체(110)간의 접착력보다 작은 힘으로 전자 소자(400)는 전사 기판(500)에 부착될 필요가 있다. 따라서, 전자 소자(400)가 픽업되기 위해 선택된 전자 소자(400)와 상응하는 이송 매체(110)에 유도 자계에 의한 인력이 작용되고, 전사 기판(500) 상에 형성된 앵커 구조체(510)는 열의 인가 등을 통해 감소된 접착력을 가질 수 있다.
예컨대, 상기 앵커 구조체(510)가 PDMS 등의 탄성 고분자인 경우, 해당하는 앵커 구조체(510)에 전사 기판(500)으로부터 선택적으로 열을 인가하여 앵커 구조체(510)의 접착력을 감소시킬 수 있다.
이를 통해 이송 헤드의 이송 매체(110)로 전자 소자(400)는 픽업되고 이송된다.
도 8을 참조하면, 전자 소자(400)를 픽업한 이송 헤드는 수용 기판(600) 상에 배치된다. 수용 기판(600) 상에 배치된 이송 헤드의 전자 소자(400)는 수용 기판(600) 상에 실장된다. 수용 기판(600) 상에 실장되기 위해 이송 헤드의 제어 회로부(10)의 스위치는 개방된다. 이를 통해 전자 소자(400)와 이송 헤드는 분리될 수 있다. 또한, 제어 회로부(10)의 스위치는 단락 상태를 유지하고, 이송 헤드로 공급되는 전류의 방향이 변경될 수 있다. 즉, 전자 소자(400)를 픽업하기 위해 이송 매체(110)에 공급되는 전류의 방향과 반대 방향의 전류가 이송 매체(110)에 인가될 수 있다. 전류 방향의 변경은 이송 매체(110)에서 발생되는 유도 자계의 방향을 변경한다. 따라서, 픽업 및 이송 시에는 인력이 작용되도록 설정된 유도 자계는 상기 도 8에서는 전류 방향의 변경을 통해 전자 소자(400)와 척력이 작용하도록 할 수 있다.
이를 통해 수용 기판 상에 발광 동작을 수행하는 전자 소자를 용이하게 이송할 수 있다. 수용 기판은 디스플레이용 기판일 수 있으며, 개별적인 전자 소자는 디스플레이 장치에서 하나의 화소로 기능할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자기유도 기반의 이송 매체를 적용하여 소자를 정확하게 이종 기판으로 전사할 수 있으며, 종래의 PDMS를 이용한 방법의 접착력 감소 문제 및 정전기 그리퍼를 이용한 방법의 아킹으로 인한 소자 손상, 공정 효율 저하 등의 문제점을 개선할 수 있다. 또한 차세대 디스플레이 장치, 고집적 메모리 및 비메모리 장치, MEMS와 같은 응용분야에 광범위하게 적용될 수 있다.
100 : 이송 기판 110 : 이송 매체
200 : 성장용 기판 260 : 발광 구조체
300 : 자기 구조체 400 : 전자 소자
500 : 전사 기판 510 : 앵커 구조체
600 : 수용 기판

Claims (10)

  1. 성장용 기판 상에 자기 구조체가 구비된 전자 소자를 형성하는 단계;
    상기 전자 소자를 전사 기판에 접합하고, 상기 성장용 기판을 상기 전자 소자로부터 분리하는 단계;
    이송 매체에 전류를 주입을 통해 자기장을 유도하여 상기 전사 기판에 접합된 전자 소자를 픽업하는 단계; 및
    상기 이송 매체에 픽업된 상기 전자 소자를 수용 기판 상에 릴리즈(release)하는 단계를 포함하고,
    상기 전자 소자는 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 제2 반도체층을 포함하고,
    상기 자기 구조체는 자화층과 패시베이션층을 포함하고,
    상기 자기 구조체의 자화층은 상기 제2 반도체층 및 상기 활성층을 관통하고 상기 제1 반도체층까지 신장되게 형성되며,
    상기 자기구조체의 패시베이션층은 상기 자화층이 반도체층들 또는 활성층과 직접 접촉되지 않도록 상기 자화층을 둘러싸고,
    상기 이송 매체는 전류의 인가에 따라 유도자계를 발생하기 위한 코일 도선; 및 상기 코일 도선 상부에 형성된 보호층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기유도 기반의 전자 소자 이송방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 자기 구조체가 형성된 상기 전자소자를 형성하는 단계에서 상기 자기 구조체는 특정 방향으로 자화되는 것을 특징으로 하는 자기유도 기반의 전자 소자 이송방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전자 소자를 상기 전사 기판에 접합하는 단계는, 상기 전사 기판 상에 형성된 앵커 구조체에 상기 전자 소자를 도입하는 것을 특징으로 하는 자기유도 기반의 전자 소자 이송방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 이송 매체는 복수개로 구비되고, 복수개의 전자 소자들에 대해 선택적인 픽업 및 릴리즈 동작을 수행하는 것을 특징을 하는 자기유도 기반의 전자 소자 이송방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복수개의 이송 매체에 공급되는 전류를 제어하기 위해 전류를 공급하는 복수개의 제어 회로부가 각각의 상기 이송 매체마다 개별적으로 구비되는 것을 특징으로 하는 자기유도 기반의 전자 소자 이송방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전자 소자를 릴리즈하는 단계는, 상기 이송 매체에 공급되는 전류를 차단하여 상기 유도된 자기장을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기유도 기반의 전자 소자 이송방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전자 소자를 릴리즈하는 단계는, 상기 전자 소자의 픽업시에 공급된 전류와 반대 방향의 전류를 상기 이송 매체에 공급하여 상기 이송 매체와 상기 전자 소자 사이에 척력을 유도하는 것을 특징으로 하는 자기유도 기반의 전자 소자 이송방법.
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