KR20170033421A

KR20170033421A - 스트레인 증폭을 위한 마이크로 픽업 어레이 피봇 마운트 설계

Info

Publication number: KR20170033421A
Application number: KR1020177005013A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 피. 배서스트; 폴 아거스 팍스; 나일 알렉산더 라이트
Original assignee: 애플 인크.
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2017-03-24
Also published as: US20160094161A1; CN106794984B; US9705432B2; KR101884577B1; CN106794984A; WO2016053546A1

Abstract

기판을 구비한 이송 헤드 어셈블리를 정렬하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 일 실시예에서, 피봇 마운트는 폐루프 모션 제어 시스템에서 피드백 신호를 생성하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 피봇 마운트는 피봇 마운트의 피봇 플랫폼과 베이스 사이에서 연장되는 일차 스프링 암 및 이차 스프링 암을 포함한다. 이차 스프링 암은 일차 스프링 암보다 낮은 강도(stiffness)를 갖는 것을 특징으로 하고, 스트레인 감지 요소는 이차 스프링 암을 따라 위치된다.

Description

스트레인 증폭을 위한 마이크로 픽업 어레이 피봇 마운트 설계{MICRO PICK UP ARRAY PIVOT MOUNT DESIGN FOR STRAIN AMPLIFICATION}

실시예들은 정렬 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 실시예들은 정전기 이송 헤드 어레이를 목표 기판에 정렬하기 위한 일체형 스트레인 감지 요소들을 구비한 마이크로 픽업 어레이 피봇 마운트에 관한 것이다.

무선 주파수(RF) 마이크로전기기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS) 마이크로스위치, 발광 다이오드(LED) 디스플레이 시스템 및 MEMS 또는 석영-기반 오실레이터와 같은 소형 디바이스들의 상업화의 실행가능성은 대체로 이러한 디바이스들의 제조와 연관된 난이도 및 비용에 의해 제약 받는다. 소형 디바이스 제조 프로세스는 전형적으로 소형 디바이스가 하나의 웨이퍼로부터 다른 웨이퍼로 이송되는 프로세스를 포함한다. 이러한 하나의 구현예에서, 이송 웨이퍼는 공여 웨이퍼(donor wafer)에서 소형 디바이스들의 어레이를 픽업하고 소형 디바이스들을 수용 웨이퍼에 접합시킬 수 있다. 두개의 평탄면들을 평행 배향으로 정렬하기 위한 방법 및 장치가 설명되었으며 소형 디바이스 이송에 적용될 수 있다.

피봇 마운트 및 이송 기구가 설명된다. 일 실시예에서, 피봇 마운트는 피봇 플랫폼, 베이스, 일차 스프링 암, 일차 스프링 암보다 낮은 강도(stiffness)를 갖는 것으로 특성화되는 이차 스프링 암 및 이차 스프링 암을 따른 스트레인 감지 요소를 포함한다. 일차 스프링 암은 일차 내부 기부에서 피봇 플랫폼에 고정되고, 일차 외부 기부에서 베이스에 고정되며, 일차 외부 기부와 일차 내부 기부 사이에 걸쳐 있는 대응하는 일차 축 길이를 특징으로 한다. 이차 스프링 암은 이차 내부 기부에서 피봇 플랫폼에 고정되고, 이차 외부 기부에서 베이스에 고정되며, 이차 외부 기부와 이차 내부 기부 사이에 걸쳐 있는 대응하는 이차 축 길이를 특징으로 한다. 일차 스프링 암과 이차 스프링 암의 상대적 강도는 스프링 암 설계의 길이, 폭, 또는 두께를 조정함으로써 선택될 수 있다. 예를 들어, 일차 축 길이는 이차 축 길이보다 클 수 있다. 일차 축 길이를 따른 평균 폭은 이차 축 길이를 따른 평균 폭보다 넓을 수 있다. 일차 스프링 암 및 이차 스프링 암은 또한 그들 각자의 축 길이를 따라 동일한 평균 두께를 공유할 수 있다. 일 실시예에서, 일차 스프링 암 및 이차 스프링 암은 동일한 재료로 형성된다. 예를 들어, 각각은 동일한 실리콘 기판으로 형성될 수 있고, 각각은 일체로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 이차 스프링 암은 자신의 축 길이를 따라 일차 스프링 암보다 낮은 평균 두께를 갖는다. 이러한 방식으로, 스프링 암들의 두께를 조정함으로써 상대적 강도가 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 일차 스프링 암 및 이차 스프링 암의 상대적 강도는 이차 스프링 암을 선택적으로 에칭함으로써 조정된다. 일 실시예에서, 일차 스프링 암 및 이차 스프링 암의 상대적 강도는 구별되는 특징부를 구비한 하나 이상의 층을 부가함으로써 조정된다. 피봇 마운트는 복수의 일차 스프링 암 및 이차 스프링 암을 포함할 수 있다.

일차 스프링 암 및/또는 이차 스프링 암은 축 길이를 따라 하나 이상의 스위치백(switch-back)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 이차 스프링 암은 이차 축 길이를 따라 스위치백을 포함함으로써 스위치백에 바로 인접된 이차 스프링 암의 제1 빔 세그먼트 및 제2 빔 세그먼트가 서로 평행하다. 일 실시예에서, 제1 스트레인 감지 요소는 제1 빔 세그먼트에 있고, 제2 스트레인 감지 요소는 제2 빔 세그먼트에 있다. 또한 제1 및 제2 기준 게이지들이 제1 및 제2 빔 세그먼트들에서 제1 및 제2 스트레인 감지 요소들에 인접하게 위치될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 빔 세그먼트는 제1 빔 세그먼트에 비해 길다. 이차 스프링 암은 이차 축 길이를 따라 복수의 스위치백을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 이차 스프링 암은 이차 축 길이를 따라 제1 길이를 갖는 복수의 빔 세그먼트 및 이차 축 길이를 따라 제1 길이보다 긴 제2 길이를 갖는 빔 세그먼트를 포함한다. 일차 스프링 암은 일차 축 길이를 따라 복수의 스위치백을 또한 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 한 쌍의 이차 스프링 암이 한 쌍의 일차 스프링 암 사이에 측방향으로 있고, 각각의 이차 스프링 암은 일차 스프링 암 각각보다 낮은 강도를 갖는 것을 특징으로 한다.

피봇 마운트는 이송 기구 내로 일체화될 수 있다. 일 실시예에서, 이송 기구는 관절형 이송 헤드 어셈블리, 피봇 마운트 및 피봇 마운트의 피봇 플랫폼 상으로 장착가능한 마이크로 픽업 어레이(MPA)를 포함한다. MPA는 정전기 이송 헤드들과 같은 이송 헤드들의 어레이를 포함한다. 일 실시예에서, 각각의 이송 헤드는 x- 및 y-차원 모두에서 1-100 μm의 최대 치수에 의해 특성화되는 국부적인 접촉 지점을 갖는다. 일 실시예에서, 피봇 플랫폼은 복수의 유연성 전압 접촉을 포함하고, 마이크로 픽업 어레이는 피봇 플랫폼의 복수의 유연성 전압 접촉과 정합하도록(mate) 배열된 복수의 전압 접촉을 포함한다.

도 1은 일 실시예에 따른 대량 이송 기구의 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른, 이송 헤드 어셈블리 상으로 장착된 마이크로 픽업 어레이 및 피봇 마운트의 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른, 이송 헤드 어셈블리, 피봇 마운트 및 마이크로 픽업 어레이의 분해 측단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 마이크로 픽업 어레이의 개략적 평면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 일 실시예에 따른, 유연성 전압 접촉을 포함하는 피봇 마운트를 형성하는 방법의 측단면도이다.
도 6a는 일 실시예에 따른, 피봇 마운트 및 일차 스프링 암의 일차 축 길이의 평면도이다.
도 6b는 일 실시예에 따른, 피봇 마운트 및 이차 스프링 암의 이차 축 길이의 평면도이다.
도 6c는 일 실시예에 따른 도 6b의 상세부 B의 확대 평면도이다.
도 6d는 일 실시예에 따른 도 6b의 상세부 B의 확대 평면도이다.
도 6e는 일 실시예에 따른 도 6d의 상세부 D의 확대 평면도이다.
도 6f 내지 도 6h는 일 실시예에 따른, 층 두께를 감소시킴으로써 강도를 조정하는 방법을 도 6a 및 도 6b의 단면 A-A를 따라 도시한 측단면도이다.
도 6i 및 도 6j는 일 실시예에 따른, 층 빌드업(build-up)을 이용해 강도를 조정하는 방법을 도 6a 및 도 6b의 단면 A-A를 따라 도시한 측단면도이다.
도 7은 일 실시예에 따른, 다양한 구조적 특징부 및 전기적 라우팅을 포함하는 피봇 마운트의 평면도이다.
도 8a는 본체 내의 스트레인 성분들의 도면이다.
도 8b는 얇은 구조물 내의 스트레인 성분들의 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 순수 굽힘(pure bending) 상태의 스프링 암의 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 동시적 굽힘 및 비틀림(torsion) 상태의 스프링 암의 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 일 실시예에 따른, 균일한 z 변위를 가지고 편향된 피봇 마운트의 피봇 플랫폼의 사시도이다.
도 11c는 일 실시예에 따른, 균일한 z 변위를 가지고 편향된 피봇 플랫폼에 대한 x 방향의 법선 스트레인(normal strain)에 대한 스트레인 모델의 사시도이다.
도 11d는 일 실시예에 따른, 균일한 z 변위를 가지고 편향된 피봇 플랫폼에 대한 y 방향의 법선 스트레인에 대한 스트레인 모델의 사시도이다.
도 11e는 일 실시예에 따른, 균일한 z 변위를 가지고 편향된 피봇 플랫폼에 대한 등가 스트레인 크기에 대한 스트레인 모델의 사시도이다.
도 11f는 일 실시예에 따른, 균일한 z 변위를 가지고 편향된 피봇 플랫폼에 대한 표면 전단 스트레인에 대한 스트레인 모델의 사시도이다.
도 12는 일 단부는 고정되고, 자유 단부는 횡방향으로 인가되는 힘과 굽힘 모멘트를 동시에 받으며, 양 단부는 제로 기울기 경계 조건을 갖는, 길이 L을 갖는 최적화된 빔의 개략도이다.
도 13은 일 단부는 고정되고, 자유 단부는 횡방향으로 인가되는 힘과 굽힘 모멘트를 동시에 받으며, 양 단부는 제로 기울기 경계 조건(zero slope boundary condition)을 갖는, 길이 L을 갖는 최적화된 빔에 대한 전단력 및 굽힘 모멘트를 도시한 도면이다.
도 14는 일 실시예에 따른, 스트레인 증폭 이차 스프링 암 구조물의 상세도를 갖는 평면도로서, 각각의 빔 세그먼트가 내부 기부에서 시작하여 외부 기부로 순차적으로 레이블되어 있다.
도 15a는 일 실시예에 따른, 도 14의 이차 스프링 암 구조물의 축 길이를 따라 굽힘 모멘트를 도시한 도면이다.
도 15b는 일 실시예에 따른, 도 14의 이차 스프링 암 구조물의 축 길이를 따라 굽힘 모멘트를 도시한 도면으로서, 인가된 하중은 도 15a에 가정된 하중에 대해 동일한 크기 및 반대 감지를 갖는다.
도 16은 일 실시예에 따른, 상관된 스트레인 센서들을 포함하는 스트레인 증폭 이차 스프링 암의 상세도를 갖는 평면도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 피봇 마운트의 평면도이다.
도 18a는 일 실시예에 따른, 이송 헤드 어셈블리를 조절하기 위한 제어 스킴의 개략도이다.
도 18b는 일 실시예에 따른, 합성된 출력 신호를 생성하는 방법의 개략도이다.
도 18c는 일 실시예에 따른, 합성된 출력 신호를 생성하는 방법의 개략도이다.
도 19는 일 실시예에 따른, 마이크로 픽업 어레이를 목표 기판에 대해 정렬하는 방법의 흐름도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 컴퓨터 시스템의 개략도이다.

실시예들은 베이스, 피봇 플랫폼, 피봇 플랫폼과 베이스 사이에 연장되는 일차 스프링 암 및 피봇 플랫폼과 베이스 사이에 연장되는 이차 스프링 암을 포함하는 피봇 마운트를 설명한다. 이차 스프링 암은 일차 스프링 암에 비해 낮은 강도를 갖는 것을 특징으로 하고, 스트레인 감지 요소들은 이차 스프링 암을 따라 위치된다. 이러한 방식으로, 피봇 마운트가 피봇 플랫폼의 접촉면에 대해 직교되는 방향으로 이동되는 경우, 스프링 암들의 표면에는 법선 스트레인이 생성된다. 이차 스프링 암은 일차 스프링 암에 비해 낮은 강도를 가지므로, 이차 스프링 암은 주어진 피봇 플랫폼 변위에 대해 보다 큰 스트레인을 겪는다. 이차 스프링 암을 따라 스트레인 감지 요소들을 위치시킴으로써, 보다 큰 스트레인의 양이 측정된다. 따라서, 일 실시예에서, 일차 스프링 암은 예컨대 MPA를 지지하고 이송 기구의 픽 앤드 플레이스(pick and place) 동작 도중 편향의 동작량을 달성하기 위해 피봇 마운트에 강도를 제공하는 한편, 이차 스프링 암은 스트레인 증폭 및 따라서 신호 증폭을 제공하여 피봇 마운트의 보다 높은 감도를 가능하게 한다.

피봇 마운트는 이송 기구와 목표 기판 사이에 6의 공간 자유도를 가지고 정확하고 반복 가능한 정렬을 위해 대량 이송 기구의 관절형 헤드 어셈블리에 결합될 수 있다. 2개의 평면 표면을 정확히 정렬하면, 고정밀 x-y 스테이지 및 회전식으로 위치된 기판 척의 사용을 통해 측방향(x 및 y) 정렬 및 회전(θz) 정렬을 달성하기가 비교적 간단하다. 나머지 3의 자유도, θx, θy(또는 "틸트" 및 "팁") 및 z는 독립적으로 제어하기가 어렵다. 팁 및 틸트 각에 대한 임의의 변경은 필연적으로 회전 중심에 있지 않은 임의의 지점으로 거리 z를 변경시킨다. 두 평면 사이의 평행도는 수동 피봇 마운트를 사용하여 달성될 수 있지만, 두 표면이 우선적으로 평행하지 않다면 두 평면 표면 사이의 압력 분포는 중심이 맞지 않거나 균일하지 않을 것이다. 본 명세서에 설명된 실시예들에 따른 피봇 마운트를 포함하는 이송 기구는 압력 분포를 재분배하여 균일한 압력장을 달성할 수 있다. 피봇 마운트 이차 스프링 암의 고-스트레인(high-strain) 위치에 스트레인 감지 요소(스트레인 게이지)를 배치함으로써 폐루프 모션 제어 시스템의 동작을 위해 위치 오류의 피드백 신호가 생성되고 이송 도구에 입력될 수 있다. 스트레인은 후크의 법칙을 통해 응력 상태와 관련되기 때문에 피봇 마운트에 작용하는 변위와 힘은 스트레인을 측정함으로써 알 수 있다.

일 양상에서, 실시예들은 피봇 마운트에 강도를 제공하는 일차 스프링 암 및 스트레인 증폭 및 따라서 신호 증폭을 제공하는 이차 스프링 암을 포함하여, 피봇 마운트의 높은 감도를 가능하게 하는 피봇 마운트 구성을 설명한다. 일 실시예에서, 이차 스프링 암의 길이는 일차 스프링 암의 길이보다 작다. 일차 및 이차 스프링 암에 대한 편향량(amount of deflection)이 주어진 피봇 플랫폼 변위와 동등한 그러한 구성에서, 주어진 하중으로 인한 스트레인은 일차 스프링 암에서보다 이차 스프링 암에서 더 크다. 결과적으로, 변위 감지 디바이스로서의 피봇 마운트의 감도가 증가된다.

일 양상에서, 실시예들은 높은 스트레인 감지 감도를 달성하고 높은 신호 대 잡음비를 갖는 피드백 신호를 생성하는 피봇 마운트 구성을 설명한다. 결과적으로 피봇 마운트는 향상된 유효 분해능을 가지는 위치 피드백 신호를 이송 기구에 제공할 수 있다. 내부 및 외부 기부 근처, 또는 스프링 암의 축 길이를 따라 스위치백의 대향 측부들 상에 스트레인 감지 요소들을 배치함으로써 동일 및 반대의 스트레인 응답이 측정된다. 이러한 방식으로 주어진 플랫폼 변위에 대한 스트레인 신호가 효과적으로 배가될 수 있다. 이러한 구성은 또한 주어진 스트레인 신호에 대한 잡음을 감소시킬 수 있다. 내부 및 외부 기부와 스위치백에서의 차동 감지에 기인하여, 측정된 노이즈가 효과적으로 취소된다. 따라서, 보다 높은 스트레인 감지 감도는 더 높은 신호 대 잡음비로 달성될 수 있고, 위치 피드백 신호의 증가된 유효 분해능이 이송 기구에 제공될 수 있다.

다른 양상에서, 실시예들은 스프링 암이 일 단부에서 피봇 플랫폼에 고정되고 다른 단부에서 베이스에 고정되는 기부에서 스프링 암에 인가되는 비틀림을 최소화하는 피봇 마운트 스프링 암 구성을 설명한다. 이로써 스프링 암의 고-스트레인 영역에서 보다 균일한 굽힘 모멘트가 생성되며, 스프링 암의 스트레인 변화 및 비틀림이 감소되어, 스트레인 감지 요소가 기부 근처의 고-스트레인 영역에 위치할 수 있다. 그에 비해, 스프링 암이 굽힘 및 비틀림 하중 둘 모두를 겪는 다른 구성에서, 최대 스트레인 영역에는 굽힘과 비틀림이 모두 포함될 수 있다. 스프링 암의 비틀림은 x 및 y 방향 모두의 성분을 갖는 스프링 암의 표면에 스트레인으로 나타나기 때문에 표면 스트레인 감지에 대해 기생(parasitic)이다. 스프링 암을 통해 분배된 총 스트레인 에너지는 주어진 피봇 플랫폼 변위에 대해 일정하기 때문에 스트레인 감지 요소에 수직인 스트레인 성분의 존재는 스트레인 감지 요소와 정렬된 스트레인 성분의 비율을 감소시킨다. 결과적으로, 비틀림 영역 근처에 위치한 스트레인 감지 요소는 더 낮은 유효 피드백 신호 및 감도를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 피봇 마운트는 균일한 굽힘 모멘트를 가지고 스프링 암의 기부에 경계 조건을 생성하도록 배열되며, 스트레인은 기부에 실질적으로 수직하고 고-스트레인 영역의 스프링 암의 축 길이에 평행할 수 있는 스트레인 감지 요소 내의 스트랜드(strand)에 실질적으로 평행하다. 이러한 구성은 주어진 피봇 플랫폼 변위로부터의 실질적으로 모든 스트레인 에너지를 스트레인 감지 요소와 정렬된 스트레인 성분들로 지향시킨다. 결과적으로, 보다 높은 스트레인이 측정될 수 있고 주어진 피봇 플랫폼 변위에 대한 감지 피드백 신호 강도가 증가될 수 있다. 기부에서의 비틀림 모멘트의 감소는 추가적으로 스프링 암의 강도 요구조건에 더 많은 자유를 허용할 수 있다. 결과적으로 감소된 강도 요구조건은 보다 큰 굽힘을 허용하여 스프링 암 표면에서의 법선 스트레인 및 감지 피드백 신호 강도를 증가시킨다.

다른 양상에서, 기부의 스프링 암에 인가되는 비틀림 모멘트의 감소는 또한 스트레인 감지 요소에 인접하게 위치된 기준 게이지(들)의 유효성을 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서, 각각의 스트레인 감지 요소는 스트레인 감지 요소의 계측 방향 표면에서 법선 스트레인만 인식하고(see), 계측 방향에 측방향인 표면에서는 법선 스트레인을 인식하지 않는 스프링 암의 고-스트레인 영역에 위치된다. 이는 기준 스트레인 게이지가 각각의 스트레인 감지 요소에 인접하게 위치되도록 허용함으로써 기준 게이지가 피봇 플랫폼의 기계적 하중에 기인한 스트레인을 인식하지 않는 결과를 가져온다. 이는 다시 기준 게이지가 시스템의 온도 변화를 보상하여 신호 대 잡음비를 증가시키도록 허용한다. 스트레인 감지 요소와 기준 게이지가 인접하므로 이들은 동일한 온도에 노출되며, 이는 스트레인 감지 요소와 대응하는 기준 게이지 모두에서 열 스트레인(thermal strain)이 동일함을 의미한다. 기준 스트레인 게이지는 기계적 하중으로 인한 스트레인에 영향을 받지 않으므로 그들이 생성한 스트레인 임의의 신호는 온도(노이즈로서)에서 기인할 수 있고, 이는 배경 잡음으로서 이어서 인접한 스트레인 감지 요소에 의해 측정된 스트레인으로부터 감산된다. 일 실시예에서, 기준 게이지 내의 스트랜드는 스트레인 감지 요소 내의 스트랜드에 수직으로 배향된다. 이러한 구성에서, 스프링 암의 표면에서의 법선 스트레인은 스트레인 감지 요소의 스트랜드에 실질적으로 평행하고, 기준 스트레인 게이지의 스트랜드에 수직이다. 따라서, 스프링 암의 표면에서의 법선 스트레인이 기부에 실질적으로 수직인 스프링 암에서 비틀림 모멘트를 감소시키고 균일한 굽힘 모멘트를 생성함으로써, 기준 스트레인 게이지가 보다 정확해질 수 있고, 보다 높은 스트레인 감지 감도가 더 높은 신호 대 잡음비로 달성될 수 있다.

다른 양상에서, 실시예들은 분산된 상관 쌍으로의 스트레인 감지 요소의 배치를 기술한다. 일 실시예에서, 스트레인 감지 요소의 상관 쌍(및 존재하는 경우, 기준 게이지)은 센서를 형성한다. 센서는 분산된 상관 센서로 배열될 수도 있다. 일 실시예에서, 각각의 센서는 하나 이상의 상관 센서들을 포함한다. 이러한 방식으로, 스트레인 감지 요소 또는 센서의 손실이 있어도 피봇 마운트의 사용이 금지되지 않으며, 이송 기구를 사용한 피봇 마운트 사용 수명이 연장될 수 있다. 본질적으로, 동일한 신호 쌍을 가짐으로써 중복성(redundancy)이 얻어진다. 예를 들어, 스트레인 감지 요소 또는 센서의 상관 쌍은 각각 동일한 z-편향을 감지할 수 있다. 다른 상황에서, 상관 쌍은 동일하거나, 같지만 반대인 θx, θy(또는 "틸트" 및 "팁")를 감지할 수 있다. 어느 경우든 상관 스트레인 감지 요소 또는 센서 중 하나의 손실은 피봇 플랫폼에서 생성되는 전체적 신호 대 잡음비를 감소시킬 수 있지만, 나머지 신호 대 잡음비는 이송 도구의 동작에 여전히 적합하다.

또 다른 양상에서, 실시예들은 피봇 마운트의 피봇 플랫폼 상에 장착되는 마이크로 픽업 어레이(MPA)에 전압 접점의 낮은 접촉 저항 연결을 제공하기 위해 유연성 전압 접점을 갖는 피봇 마운트를 설명한다. 상기 유연성 전압 접점은 피봇 플랫폼으로부터 돌출하여 피봇 플랫폼 위로 상승될 수 있으나 유연성이므로 MPA가 상기 피봇 마운트 피봇 플랫폼 상에 고정되는 경우, 예컨대 피봇 마운트 플랫폼 상의 정전기 클램프 접점을 사용하여 MPA 접점에 압력을 가하게 된다.

도 1을 참조하면, 대량 이송 기구의 사시도가 도시된다. 대량 이송 기구(100)는 캐리어 기판 홀더(104)에 의해 유지되는 캐리어 기판으로부터 마이크로 디바이스들의 어레이를 픽업하고, 수용 기판 홀더(106)에 의해 유지되는 수용 기판 상으로 마이크로 디바이스들의 어레이를 이송 및 릴리스하기 위한 이송 헤드 어셈블리(200)를 포함할 수 있다. 대량 이송 기구의 실시예들은 2012년 9월 7일 출원되고 발명의 명칭이 "Mass Transfer Tool"인 미국 특허 공개 제2014/0071580호에 설명되어 있다. 대량 이송 기구(100) 및 이송 헤드 어셈블리(200)의 동작은 컴퓨터(108)에 의해 적어도 부분적으로 제어될 수 있다. 컴퓨터(108)는 피봇 마운트 상에 위치된 다양한 센서들, 스트레인 감지 요소들 및 기준 게이지들로부터 수신된 피드백 신호들에 기초하여 이송 헤드 어셈블리(200)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 이송 헤드 어셈블리(200)는 MPA(103)를 운반하는 피봇 마운트와 연관된 센서들로부터 수신된 피드백 신호들에 기초하여, 적어도 3의 자유도, 예컨대, 팁핑, 틸팅 및 z 방향 이동을 갖는 연관된 MPA(103)를 조정하기 위한 액추에이터 어셈블리를 포함할 수 있다. 유사하게, 캐리어 기판 홀더(104) 및 수용 기판 홀더(106)는 예컨대 수평면 내에서 직교하는 축들을 따라, 적어도 2의 자유도를 갖는 대량 이송 기구(100)의 x-y 스테이지(110)에 의해 이동될 수 있다. 예컨대 대량 이송 기구(100), 구조적 성분 및 이송 헤드 어셈블리(200), 캐리어 기판 홀더(104) 또는 수용 기판 홀더(106) 사이에 추가의 액추에이터가 제공되어 이러한 서브 어셈블리들 중 하나 이상을 위해 x, y 또는 z 방향의 이동을 제공할 수 있다. 예를 들어, 갠트리(112)는 이송 헤드 어셈블리(200)를 지지하고, 이송 헤드 어셈블리(200)를 상부 빔을 따라, 예컨대 x-y 스테이지(110)의 모션 축에 평행한 방향으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 이송 헤드 어셈블리(200)에 의해 지지되는 MPA(103) 상의 정전기 이송 헤드들의 어레이 및 캐리어 기판 홀더(104)에 의해 유지되는 캐리어 기판에 의해 지지되는 마이크로 장치들의 어레이는 3개의 모든 공간 치수 내에서 서로에 대해 정확하게 이동될 수 있다.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 이송 헤드 어셈블리(200)의 사시도가 도시된다. 이송 헤드 어셈블리(200)는 피봇 마운트(300)에 의해 지지되는 MPA(103)를 사용하여 기판, 예컨대, 수용 기판 또는 캐리어 기판으로 또는 그로부터 마이크로 디바이스를 이송하기 위해 대량 이송 기구(100)와 조합하여 사용될 수 있다. 더 구체적으로, 이송 헤드 어셈블리(200)는 MPA(103)의 작은 이동, 예컨대 중립 위치를 중심으로 약 5 mrad 미만의 모션에 대한 무시할 수 있는 측방향 또는 수직 방향 기생 모션(parasitic motion)을 제공할 수 있다. 따라서, 이송 헤드 어셈블리(200)는 대량 이송 기구(100)에 통합되어 MPA(103)를 대량 이송 기구(100)에 대해 조정할 수 있다. 따라서, 이송 헤드 어셈블리(200)는 예컨대 상부 빔 또는 지지체를 따른 위치에서 대량 이송 기구(100)의 섀시에 고정될 수 있다.

도시된 바와 같이, 피봇 마운트(300)는 베이스(302), 피봇 플랫폼(304), 복수의 일차 스프링 암(306) 및 복수의 이차 스프링 암(307)을 포함할 수 있으며, 이송 헤드 어레이(115)를 지지하는 MPA(103)는 피봇 플랫폼(304)에 장착된다. 일 실시예에서, 이송 헤드 어레이(115)는 정전기 이송 헤드 어레이(115)이며, 여기서 각각의 이송 헤드는 정전 원리에 따라 동작하여 대응하는 마이크로 디바이스를 픽업하고 이송한다. 일 실시예에서, 각각의 정전기 이송 헤드는 x 및 y 치수 모두에서 1 내지 100㎛의 최대 치수에 의해 특성화되는 국부적인 접촉 지점을 갖는다. 일 실시예에서, 피봇 마운트(300)는 플렉스 회로(308)와 같은 하나 이상의 전기적 연결을 통해 통신하고 피드백 신호를 대량 이송 기구(100)에 전송할 수 있다. 후술되는 바와 같이, 피드백은 이송 헤드 어셈블리(200)의 작동 및 공간 배향을 조절하기 위한 제어 루프에 사용되는 다양한 센서, 스트레인 감지 요소 및 기준 게이지로부터의 아날로그 신호를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 피드백 신호는 아날로그 신호가 스트레인 감지 요소로부터 위치 감지 모듈까지 이동해야 하는 거리를 제한함으로써 신호 열화를 감소시키기 위해 피봇 마운트(300) 근처에 위치한 위치 감지 모듈로 전송된다. 일 실시예에서, 위치 감지 모듈은 이송 헤드 어셈블리(200) 내에 위치된다.

이제 도 3을 참조하면, 이송 헤드 어셈블리(200), 피봇 마운트(300) 및 MPA(103)의 분해 측단면도가 제공된다. 일반적으로, 피봇 마운트(300)는 이송 헤드 어셈블리(200) 상에 장착된다. 이는 이송 헤드 어셈블리(200)에 대해 피봇 마운트를 가압하기 위한 탭 또는 립(lip), 접합, 진공 또는 정전기 클램핑을 사용하는 것과 같은 다양한 방식을 사용하여 달성될 수 있다. 편향 캐비티(202)는 z-축을 따라 피봇 플랫폼(200)의 특정 z-편향 거리를 허용하도록 이송 헤드 어셈블리(200)에 형성될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 피봇 마운트(300)는 전방 표면(312)으로부터 후방 표면(314)까지 피봇 마운트의 본체를 통과하여 형성된 채널(310)을 포함할 수 있다. 채널(310)은 일차 스프링 암(306), 이차 스프링 암(307) 및 피봇 플랫폼(304)뿐만 아니라 이하의 설명에서 더 상세히 설명되는 유연성 전압 접점(316)을 정의하는 것을 포함하여 피봇 마운트(300)의 다양한 유연성 특징부를 형성하는데 사용될 수 있다. 유연성 전압 접점(316)은 MPA(103)의 전압 접점(120)에 낮은 접촉 저항 연결을 제공할 수 있다. 도시된 실시예에서, 유연성 전압 접점(316)은 피봇 플랫폼으로부터 돌출되어 피봇 플랫폼 위로 상승된다. 서로 대향하는 정전기 클램프 접점(318, 122)을 이용해 피봇 마운트(300)의 피봇 플랫폼 상에 MPA(103)를 클램핑하면, 유연성 전압 접점(316)은 MPA 접점(120)에 압력을 가한다. 추가적인 특징부들이 피봇 마운트(300) 상에 또는 내에 위치될 수 있다. 예를 들어, 스트레인 감지 요소(320)(스트레인 게이지) 및 기준 게이지(340)는 이하의 설명에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 이차 스프링 암(307)의 고-스트레인 영역에 위치될 수 있다. 스트레인 감지 요소(320) 및 기준 게이지(340)는 또한 일차 스프링 암(306)의 고-스트레인 영역에 위치될 수 있다.

이제 도 4를 참조하면, MPA(103)의 개략적인 평면도가 일 실시예에 따라 도시된다. 일 실시예에서, MPA의 후면의 정전기 클램프 접점(122)의 면적은 MPA의 전방 표면 상의 이송 헤드 어레이(115)의 면적보다 크다. 이러한 방식으로, 이송 헤드 어레이(115) 내의 이송 헤드를 가로지르는 정렬 및 평면성은 이송 헤드 어셈블리의 정렬에 의해 조절될 수 있다. 이러한 실시예에서, 이송 헤드 어레이(115)에 동작 전압을 공급하기 위한 복수의 전압 접점(120)은 이송 헤드 어레이(115)의 주변부 외측에 위치된다.

이제 도 5a 내지 도 5e를 참조하면, 유연성 전압 접점(316)을 포함하는 피봇 마운트(300)를 형성하는 방법에 대한 측단면도가 도시되어 있다. 프로세싱 시퀀스는 도 5a에 도시된 바와 같이 상부 산화물 층(330) 및 하부 산화물 층(332)을 포함하는 상업적으로 이용 가능한 실리콘 웨이퍼(301)로 시작할 수 있다. 다음의 설명은 실리콘 웨이퍼와 관련하여 이루어지나, 실시예들은 이에 한정되지 않고, 특히 탄화 규소, 질화 알루미늄, 스테인레스 강 및 알루미늄 등의 다른 적합한 기판들이 피봇 마운트(300)를 형성하는데 사용될 수 있다. 이어서, 도 5b에 도시된 실시에에서, 상부 산화물 층(330)이 제거되고, 하부 산화물 층(330)이 남게 된다. 도 5c를 참조하면, 이어서 웨이퍼(301)의 상부 및 하부 표면이 추가로 산화됨에 따라, 상부 산화물 층(334) 및 이전의 하부 산화물 층(332)보다 두껍고 상부 산화물 층(334)보다 두꺼운 하부 산화물 층(336)이 생성된다. 예를 들어, 이는 습식 열 산화 동작으로 달성될 수 있다. 산화물 층(334, 336)의 형성 후에, 유연성 전압 접점을 위한 스트레인 게이지(320), 기준 게이지(340), 정전기 클램프 접점(318) 및 전극(317)을 형성하기 위해 다양한 층들이 상부 산화물 층(334) 위에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 이들 다양한 층은 하나 이상의 금속 퇴적 프로세스에 의해 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 유연성 전압 접점을 위한 전극(317)은 스트레인 게이지(320), 기준 게이지(340) 및 정전기 클램프 접점(들)(318)을 형성하는데 사용되는 다른 금속화 층보다 두껍다. 도 5e를 참조하면, 하부 산화물 층(336)이 제거되고 채널(310)이 실리콘 웨이퍼(301) 및 상부 산화물 층(334)을 통과하도록 에칭됨으로써 일차 스프링 암(306), 이차 스프링 암(307), 피봇 플랫폼(304) 및 유연성 전압 접점(316)을 정의한다. 도 5e에 도시된 바와 같이, 유연성 전압 접점(316)을 위한 전극(317)을 포함하는 접점 표면은 피봇 플랫폼으로부터 돌출하여, 스트레인 게이지(320), 기준 게이지(340) 및 정전기 클램프 접점(들)(318)을 포함하는 주변의 피봇 플랫폼 위로 상승된다. 이것은 채널(310)의 형성 중에 실리콘 웨이퍼(301) 내의 잔류 응력을 해제한 결과일 수 있다. 일 실시예에서, 잔류 응력은 도 5a 내지 도 5c에 설명되고 도시된 산화 및 제거 동작 동안 실리콘 웨이퍼(301)에 생성된 것이다. 실시예들에 따르면, 유연성 전압 접점(316)을 형성하는 채널(310)은 스위치백 또는 권선 윤곽과 같은 다양한 구성을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 유연성 전압 접점(316)을 형성하는 채널은 적은 면적 내에서 높은 양의 유연성을 달성할 수 있는 나선형 구성으로 제조된다.

다시 도 4를 참조하면, MPA(103)의 전압 접점(120)은 피봇 마운트(300)의 피봇 플랫폼(304) 내의 유연성 전압 접점(316)과 정렬된다. MPA가 예컨대 피봇 마운트 플랫폼 상의 정전기 클램프 접점을 사용하여 피봇 마운트 피봇 플랫폼 상에 고정되면, 유연성 전압 접점(316)은 낮은 접촉 저항 연결을 달성하기 위해 MPA 전압 접점(120) 위에 압력을 가한다.

도 6a 내지 도 7은 피봇 마운트(300)의 다양한 구조적 양상을 도시한다. 일 실시예에서, 피봇 마운트(300)는 베이스(302), 피봇 플랫폼(304), 복수의 일차 스프링 암(306) 및 복수의 이차 스프링 암(307)을 포함한다. 도 6a를 참조하면, 일 실시예에서, 각각의 일차 스프링 암(306)은 대응하는 내부 기부(350)에서 피봇 플랫폼(304)에 고정되고, 대응하는 외부 기부(352)에서 베이스(302)에 고정된다. 각각의 일차 스프링 암(306)은 스위치백에 인접한 일차 스프링 암의 한 쌍의 길이가 서로 평행하도록 일차 스프링 암의 축 길이(354)를 따라 적어도 하나의 스위치백을 포함한다. 도 6a에 도시된 실시예에서, 각각의 일차 스프링 암(306)은 스프링 암의 내부 길이를 따른 내부 스위치백(356) 및 스프링 암의 외부 길이를 따른 외부 스위치백(358)을 포함한다. 일 실시예에서, (스프링 암(306)의 축 길이(354)를 따라) 피봇 플랫폼(304)으로부터 연장되는 스프링 암의 내부 길이(370)는 내부 기부(350)에 수직이다. 일 실시예에서, (스프링 암(306)의 축 길이(354)를 따라) 베이스(302)로부터 연장되는 스프링 암의 외부 길이(372)는 외부 기부(352)에 수직이다.

이제 도 6b를 참조하면, 일 실시예에서, 각각의 이차 스프링 암(307)은 대응하는 내부 기부(351)에서 피봇 플랫폼(304)에 고정되고 대응하는 외부 기부(353)에서 베이스(302)에 고정된다. 각각의 이차 스프링 암(307)은 스위치백에 인접한 이차 스프링 암의 한 쌍의 길이가 서로 평행하도록 이차 스프링 암의 축 길이(355)를 따라 적어도 하나의 스위치백을 포함한다.

도 6c 및 도 6d는 실시예들에 따른 도 6b의 상세부 B의 확대 평면도이다. 도 6c에 도시된 실시예에서, 각각의 이차 스프링 암(307)은 이차 스프링 암의 내부 길이를 따른 내부 스위치백(357)과 이차 스프링 암의 외부 길이를 따른 외부 스위치백(359)을 포함한다. 각각의 이차 스프링 암(307)은 내부 및 외부 스위치백(357, 359) 사이의 이차 스프링 암의 길이를 따라 하나 이상의 중간 스위치백(349A, 349B)을 추가적으로 포함할 수 있다. 도 6c에 도시된 바와 같이, (이차 스프링 암(307)의 축 길이(355)를 따라) 피봇 플랫폼(304)으로부터 연장되는 이차 스프링 암의 내부 길이(371)는 내부 기부(351)에 수직이다. 일 실시예에서, (이차 스프링 암(307)의 축 길이(355)를 따라) 베이스(302)로부터 연장되는 스프링 암의 외부 길이(373)는 외부 기부(353)에 수직이다. 도시된 실시예에서, 일차 스프링 암 및 이차 스프링 암의 축 길이를 따른 각각의 스위치백은 스위치백에 인접한 스프링 암의 길이의 평행한 쌍을 생성한다.

도 6d에 도시된 실시예에서, 중간 스위치백(349A)에 바로 인접한 이차 스프링 암의 일부는 서로 평행한 이차 스프링 암의 제1 길이(361A) 및 제2 길이(363A)를 포함한다. 중간 스위치백(349B)에 바로 인접한 이차 스프링 암의 일부는 서로 평행한 이차 스프링 암의 제1 길이(361B) 및 제2 길이(363B)를 포함한다. 유사하게, 내부 기부(351)에 바로 인접한 이차 스프링 암의 일부는 제1 길이(365)를 포함하고, 외부 기부(353)에 바로 인접한 이차 스프링 암의 일부는 서로 평행한 이차 스프링 암의 제2 길이(367)를 포함한다. 도 14를 간단히 참조하면, 일 실시예에서, 각각의 일차 스프링 암 및 이차 스프링 암은 0과 동일한 기울기 θ의 경계 조건에 의해 특성화되는 종점(endpoint)을 갖는 일련의 스프링 암 세그먼트를 포함하는 것을 특징으로 한다. 도 15a 및 도 15b와 관련하여 더 상세하게 기술된 바와 같이, 스프링 암 세그먼트의 종점은 국부적 최대 또는 국부적 최소 굽힘 모멘트에 대응하며, 변형된 스프링 암 세그먼트의 기울기는 피봇 플랫폼의 주어진 편향에 대해 양과 음(positive and negative) 사이에서 부호가 변화한다. 도 6d 및 도 14에 도시된 특정 실시예들에서, 길이(365)는 이차 스프링 암 세그먼트(1) 내에 있고, 길이(361A)는 이차 스프링 암 세그먼트(2) 내에 있고, 길이(363A, 363B)는 이차 스프링 암 세그먼트(3) 내에 있고, 길이(361B)는 이차 스프링 암 세그먼트(4) 내에 있고, 길이(367)는 이차 스프링 암 세그먼트(5) 내에 있다. 도시된 특정 실시예에서, 이차 스프링 암(307)은 직각의 오메가(Ω) 형상을 특징으로 하며, 각각의 이차 스프링 암 세그먼트는 서로 평행한 축 길이를 갖고, 이차 스프링 암 세그먼트(3)는 이차 스프링 암 세그먼트들(1, 2, 4, 5) 보다 길다.

실시예들에 따라, 스트레인 감지 요소는 스위치백 또는 기부에 인접한 이차 스프링 암의 길이를 따라 위치될 수 있다. 또한, 기준 게이지는 스트레인 감지 요소에 인접하여 위치될 수 있다. 도 6e는 일 실시예에 따른 도 6d의 상세부 D의 확대 평면도이다. 도 6e에 도시된 특정 실시예에서, 제1 스트레인 감지 요소(320)는 중간 스위치백(349B)에 인접한 이차 스프링 암의 제1 길이(361B)에 위치되고, 제2 스트레인 감지 요소(320)는 중간 스위치백(349B)에 인접한 이차 스프링 암의 제2 길이 제2 길이(363B)에 위치된다. 또한, 제1 기준 게이지(340)는 제1 길이(361B)에서 제1 스트레인 감지 요소(320)에 인접하게 위치되고, 제2 기준 게이지(340)는 제2 길이(363B)에서 제2 스트레인 감지 요소(320)에 인접하게 위치된다. 도 6d을 다시 참조하면, 기준 게이지(340)는 또한 내부 및 외부 기부(351, 353) 근처에 위치되고 그에 대해 수직인 길이들(365, 367) 및 중간 스위치백(349A)에 인접한 길이들(361A, 363A)에서 스트레인 감지 요소(320)에 인접하게 위치된다. 도시된 바와 같이, 스트레인 감지 요소(320) 및 기준 게이지(340)는 기판을 패터닝함으로 인해 일부 응력 집중이 존재할 수 있는 기생(stray) 스트레인 영역을 피하기 위해 기부 및 스위치백으로부터 소정 거리 떨어져 위치된다. 스트레인 감지 요소(320) 및 기준 게이지의 배치에 관한 더 상세한 설명은 도 14 내지 도 16과 관련한 이하의 설명에서 제공된다.

다시 도 6e을 참조하면, 도시된 특정 실시예에서, 중간 스위치백(349B)에 인접한 이차 스프링 암의 제1 및 제2 길이(361B, 363B)를 따른 스트레인 감지 요소(320) 및 기준 게이지(340)가 보다 상세히 예시된다. 일 실시예에서, 스트레인 감지 요소(320)는 이차 스프링 암(307)의 변형을 측정하는 스트레인 게이지일 수 있다. 스트레인 게이지는 재료 변형에 따라 달라지는 전기 저항을 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 스트레인 게이지는 이차 스프링 암(307)이 변형되는 경우에 변형될 수 있다. 즉, 스트레인 게이지 설계는 필요한 정밀도, 안정도, 주기 내구성 등을 달성하기 위해 캐리어 기판으로부터의 마이크로 디바이스의 이송과 연관된 환경 및 동작 조건에 기초하여 선택될 수 있다. 따라서, 스트레인 게이지는 이러한 목표를 달성하기 위해 다양한 재료로 형성되고 수많은 방법으로 스프링 암과 일체화될 수 있다. 그러한 몇 가지 실시예가 아래에서 설명된다.

스트레인 게이지는 이차 스프링 암(307)과 별도로 형성되어 그것에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 스트레인 게이지는 폴리실리콘으로 형성된 포일을 지지하고, 이차 스프링 암(307)으로부터 포일을 전기적으로 절연하는 절연 가요성 백킹(insulative flexible backing)을 포함한다. 예를 들어, 포일은 사문형 패턴으로 배열될 수 있다. 부착 가능한 스트레인 게이지의 예시로서, 미국 펜실베니아주, 맬번에 본사를 둔 Vishay Precision Group에서 생산한 Series 015DJ 범용 스트레인 게이지가 있다. 이차 스프링 암(307)과 별도로 형성되는 스트레인 게이지는 다양한 프로세스를 사용하여 이차 스프링 암(307)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 스트레인 게이지 백킹은 접착제 또는 기타 접합 작업으로 이차 스프링 암(307)에 직접 부착될 수 있다. 보다 구체적으로, 스트레인 게이지 백킹은 솔더, 에폭시, 또는 솔더 및 고온 에폭시의 조합을 사용하여 이차 스프링 암(307)의 표면에 고정될 수 있다.

다른 실시예에서, 스트레인 게이지는 사문형 패턴과 같은 원하는 패턴으로 이차 스프링 암(307) 상에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 스트레인 게이지는 퇴적 프로세스를 사용하여 이차 스프링 암(307) 상에 직접 형성될 수 있다. 예를 들어, 콘스탄탄 구리-니켈 트레이스가 이차 스프링 암(307) 상에 사문형 패턴으로 직접 스퍼터링될 수 있다. 사문형 패턴을 갖는 스퍼터링된 스트레인 게이지의 스트랜드의 치수는 폭이 약 8 마이크로미터이며 스트랜드 길이 간 거리가 약 8 마이크로미터일 수 있고 약 105 나노미터의 두께로 퇴적될 수 있다.

다른 실시예에서, 이차 스프링 암(307)의 재료는 일체형 스트레인 게이지를 형성하기 위하여 변경될 수 있다. 보다 구체적으로, 이차 스프링 암(307)은 스프링 암의 도핑 영역이 압전저항 거동을 나타내도록 도핑될 수 있다. 일 예로서, 이차 스프링 암(307)의 표면은 도핑된 실리콘일 수 있다. 도핑된 재료는 인가되는 스트레인에 따라 변경되는 치수를 갖는 사문형 패턴일 수 있다. 따라서, 스트레인 게이지는 완전히 일체화되어 이차 스프링 암(307)의 남은 부분과 물리적으로 구분되지 않을 수 있다.

캐리어 기판으로부터 마이크로 디바이스를 이송하는 동안, 이차 스프링 암(307) 및 스트레인 감지 요소(320)는 상승된 온도에 노출될 수 있으며, 따라서 온도 보상이 필요할 수 있다. 일 실시예에서, 스트레인 감지 요소(320)(스트레인 게이지)는 자가-온도 보상될 수 있다. 보다 구체적으로, 스트레인 게이지 재료는 이송 프로세스의 동작 조건을 넘어서는 온도-유발되는 명백한 스트레인을 제한하도록 선택될 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 온도 보상을 위한 다른 방식들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 온도 보상은 기준 게이지 기술을 사용하여 달성될 수 있다.

일 실시예에서, 스트레인 감지 요소(320)는 스프링 암의 표면에서 예측된 법선 스트레인의 방향으로 정렬되는 길이방향 스트랜드의 패턴(예컨대, 사문형)을 갖는 이차 스프링 암(307) 상의 스트레인 게이지일 수 있다. 도 6d 및 도 6e를 참조하면, 일 실시예에서, 기준 게이지 기술은 기준 게이지(340)를 활용하여 스트레인 감지 요소(320)를 보상한다. 특히, 기준 게이지(340)는 동일한 스트레인 영역에서 스트레인 감지 요소(320)에 인접하여 위치될 수 있다. 스트레인 감지 요소(320)의 스트랜드가 인가된 스트레인의 방향과 정렬될 수 있지만, 기준 게이지(340)의 스트랜드는 스트레인 감지 요소(320)의 스트랜드 및 인가된 스트레인의 방향에 수직으로 연장될 수 있다. 대안적으로, 기준 게이지(340)는 이차 스프링 암(307)의 고-스트레인 영역에 위치된 스트레인 감지 요소(320)와 이격된 피봇 마운트(300)의 비(non)-스트레인 영역에 위치될 수 있다. 예를 들어, 기준 게이지(340)는 베이스(302) 또는 피봇 플랫폼(304) 상에 위치될 수 있다. 각각의 구성에서, 스트레인 감지 요소(320)는 이차 스프링 암(307)에 인가되는 스트레인을 검출하고, 기준 게이지(340)는 피봇 마운트(300)에 대한 열 영향으로부터의 스트레인을 검출한다. 따라서, 스트레인 감지 요소(320) 및 기준 게이지(340)의 스트레인의 비교치를 사용하여 이차 스프링 암(307)의 열 팽창과 관련된 스트레인을 결정 및 보상할 수 있다.

특히, 기준 게이지(340)의 스트랜드(341)는 스트레인 감지 요소(320)의 스트랜드(321)에 수직으로 배향된다. 다음의 설명에서 더 명백해지듯이, 피봇 마운트의 동작 중에 이차 스프링 암의 제1 및 제2 길이(361B, 363B)에서 생성되는 표면에서의 법선 스트레인은 스트레인 감지 요소의 스트랜드(321)에 실질적으로 평행하고, 기준 스트레인 게이지의 스트랜드(341)에 수직이다. 피봇 마운트의 동작 중에 발생하는 표면에서의 법선 스트레인이 스트레인 감지 요소(320)의 스트랜드에 실질적으로 평행한 스트레인 감지 요소에 대해, 설명된 다른 위치들(예컨대, 365, 361A, 363A, 367)에서 유사한 스트레인 관계가 발견된다.

실시예들에 따르면, 하나 이상의 이차 스프링 암(307)은 하나 이상의 일차 스프링 암(306)보다 낮은 강도를 갖는 것을 특징으로 한다. 이와 같이, 일차 스프링 암보다 이차 스프링 암에서 보다 큰 스트레인의 양이 측정될 수 있고, 이에 따라 스트레인 신호 증폭이 생성된다. 일차 스프링 암 및 이차 스프링 암의 상대 강도는 스프링 암의 길이, 폭 또는 두께 또는 스프링 암의 재료를 조정함으로써 선택될 수 있다. 예를 들어, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 일차 축 길이(354)는 이차 축 길이(355)보다 클 수 있다. 일차 축 길이(354)를 따른 평균 폭은 이차 축 길이(355)를 따른 평균 폭보다 넓을 수 있다. 일차 스프링 암(306) 및 이차 스프링 암(307)은 또한 각각의 축 길이를 따라 동일한 평균 두께를 공유할 수 있다. 일 실시예에서, 일차 스프링 암 및 이차 스프링 암은 동일한 재료로 형성된다. 예를 들어, 각각은 동일한 실리콘 기판으로 형성될 수 있고, 각각은 일체로 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 이차 스프링 암(307)은 그것의 축 길이(355)를 따라 평균 두께를 가지며 이는 일차 스프링 암(306)이 그것의 축 길이(354)를 따라 갖는 것보다 낮다. 이러한 방식으로, 스프링 암들의 두께를 조정함으로써 상대적 강도가 선택될 수 있다. 도 6f 내지 도 6h는 일 실시예에 따른, 층 두께를 감소시킴으로써 강도를 조정하는 방법을 도 6a 및 도 6b의 단면 A-A를 따라 도시한 측단면도이다. 도 6f를 참조하면, 프로세스는 베이스(302), 피봇 플랫폼(304), 일차 스프링 암(306) 및 이차 스프링 암(307)을 포함하는 실리콘 기판과 같은 패턴화된 베이스 기판(301)으로 시작될 수 있다. 이어서 도 6g에 도시된 바와 같이, 이차 스프링 암(307)의 두께를 선택적으로 에칭 제거함으로써 상대 두께가 변조될 수 있고, 따라서 일차 스프링 암(306)이 이차 스프링 암(307)보다 두꺼운 도 6h에 예시된 피봇 플랫폼 구성이 생성된다.

일 실시예에서, 구별되는 특징부들을 갖는 하나 이상의 추가적인 층이 이차 스프링 암(307)에 대해 비교되는 일차 스프링 암(306)을 따라 형성된다. 도 6i 및 도 6j는 일 실시예에 따른, 층 빌드업을 이용해 강도를 조정하는 방법을 도 6a 및 도 6b의 단면 A-A를 따라 도시한 측단면도이다. 도 6i를 참조하면, 프로세스는 베이스(302), 피봇 플랫폼(304), 일차 스프링 암(306) 및 제1 두께의 이차 스프링 암(307)을 포함하는 실리콘 기판과 같은 패턴화된 베이스 기판(301)으로 시작될 수 있다. 이어서, 도 6i 및 도 6j에 도시된 바와 같이 보강재 층(601)이 베이스 기판(301) 상에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 보강재 층(601)은 예컨대 웨이퍼 접합에 의해 베이스 기판(301)에 접합된다. 보강재 층(601)은 원하는 강도를 달성하기 위해 베이스 기판(301)과 동일한 재료 또는 상이한 재료로 형성될 수 있다. 마찬가지로, 보강재 층(601)의 두께는 변조될 수 있다. 도시된 바와 같이, 보강재 층(601)은 베이스(302), 피봇 플랫폼(304) 및 제2 두께의 일차 스프링 암(306)을 포함하며, 베이스 기판(301)과 유사하게 패턴화될 수 있다. 일 실시예에서, 보강재 층(601)의 갭 또는 감소된 두께는 두께를 변조하기 위해 이차 스프링 암(307)이 베이스 기판(301) 내에 존재하는 곳에 존재한다. 도시된 실시예에서, 복합 피봇 마운트 구조물은 베이스 기판(301) 및 보강재 층(601)을 접합함으로써 형성된다. 결과적인 구조물은 제1 및 제2 두께의 합계를 포함하는 총 두께를 갖는 일차 스프링 암(306)을 포함하고, 이차 스프링 암은 제1 두께만을 갖는다.

도 7은 일 실시예에 따른 전기 라우팅을 포함하는 피봇 마운트를 도시한 평면도이다. 도시된 바와 같이, 배선은 다양한 컴포넌트들의 동작을 위해 피봇 마운트의 상부 표면 상에 라우팅될 수 있다. 일 실시예에서, 배선(380)은 스트레인 감지 요소(320) 및 기준 게이지(340)의 동작을 위해 제공된다. 일 실시예에서, 배선(382)은 정전기 클램프 접점(318)의 동작을 위해 제공된다. 실시예에서, 배선(384)은 유연성 전압 접점(316)의 동작을 위해 제공된다. 도시된 특정 실시예에서, 배선(384)은 유연성 전압 접점(316)을 위한 전극(317)과 연결되고, 여기서, 전극은 유연성 전압 접점을 형성하는 나선형 채널(310) 내에 나선형 패턴을 형성한다. 배선(380, 382 및 384)은 베이스(302), 일차 스프링 암(306), 이차 스프링 암(307) 및 피봇 플랫폼(304)을 포함하는 피봇 마운트의 하나 이상의 부분 위에 연장될 수 있다. 배선(380, 382 및 384)은 스퍼터링 또는 전자빔 증착과 같은 적합한 기술을 사용하여 형성될 수 있거나, 피봇 마운트에 접합되는 와이어일 수 있다.

배선(380, 382, 및 384)은 피봇 마운트의 베이스(302)의 에지에서 플렉스 회로(308)와 같은 전기적 연결부로 라우팅될 수 있다. 예를 들어, 플렉스 회로(308)를 통해 동작 전압이 인가되어 MPA를 피봇 마운트(300) 상에 클램핑하도록 정전기 클램프 접점(318)을 작동시킬 수 있다. 마이크로 디바이스를 픽업하기 위한 그립 압력을 제공하도록 정전기 이송 헤드들의 어레이에 동작 전압을 전달하는 유연성 전압 접점(316)을 동작시키기 위해 다른 동작 전압이 가요성 회로(308)를 통해 인가될 수 있다. 또한, 플렉스 회로(308)는 피드백 신호를 스트레인 감지 요소(320) 및 기준 게이지(340)로부터 위치 감지 모듈 또는 컴퓨터(108)로 전달하여 이송 헤드 어셈블리(200)의 작동 및 공간 배향을 조절할 수 있다.

이제 도 8a을 참조하면, 몸체의 임의의 지점에서의 스트레인은 9개의 스트레인 성분에 의해 설명될 수 있다. 이들은 3개의 법선 스트레인(εx, εy, εz) 및 6개의 전단 스트레인 성분(εxy, εxz, εyx, εyz, εzx 및 zy)을 포함한다. 얇은 구조물의 스트레인 성분이 도 8b에 도시된다. 얇은 피봇 마운트 구조물의 경우, 표면 상의 전단 스트레인(εzx 및 εzy) 및 평면 외(out-of-plane) 법선 스트레인(εz)은 중요하지 않다. 이러한 최적화는 평면 응력으로 알려져 있다. 따라서, 일 실시예에서 피봇 마운트의 표면 상의 스트레인 게이지들(스트레인 감지 요소 및 기준 게이지)은 법선 스트레인 εx 및 εy의 성분을 측정할 것이다. 일 실시예에서, 피봇 마운트는 순수한 εx 또는 순수한 εy 중에 하나만으로 로딩된 스트레인 영역을 포함하고, 실질적으로 이용 가능한 모든 스트레인을 측정 가능한 스트레인으로 유도한다.

이제 도 9 및 도 10을 참조하면, 평면 응력의 최적화는 실시예들에 따라 실현되는 것과 같이 도시된다. 도 9는 일 실시예에 따른 순수 굽힘 상태의 스프링 암의 도면이다. 이러한 실시예에서, 순수 굽힘을 받는 스프링 암은 스프링 암 축 길이와 정렬된 단일 법선 스트레인 성분을 가질 수 있다. 기준 게이지(340)는 스프링 암 축 길이에 수직으로 배향될 수 있고 굽힘으로 인한 임의의 스트레인을 측정하지 않을 수 있다. 도 10은 굽힘 및 비틀림 모두에서의 스프링 암을 도시한다. 이러한 구성에서, 법선 스트레인 성분 및 전단 스트레인 성분이 다수의 방향에서 생성된다. 이러한 경우, 스트레인 게이지(320) 및 기준 게이지(340) 모두는 비-제로 스트레인을 측정할 수 있으며, 이는 온도 변화를 보상하기 위한 기준 게이지(340)의 능력을 감소시킬 수 있다.

피봇 마운트 내에서의 스트레인 제한을 도시하기 위해, 피봇 플랫폼(304)의 균일한 z 변위를 갖는 피봇 마운트와 피봇 마운트 내에 위치된 스트레인 필드에 대한 모델링 데이터가 함께 도 11a 내지 도11e에 도시된다. 도 11a를 참조하면, 피봇 마운트(300)의 피봇 플랫폼(304)은 균일한 z 변위로 편향된다. 이러한 편향은 대량 이송 기구를 이용한 정상적 픽 앤드 플레이스 동작 동안 통상적일 수 있지만, 도 11a에 도시된 변형의 양은 설명할 목적으로 과장되어 있다. 도 11a에 도시된 특정 실시예에서, 외부 스위치백(358)에 인접한 스프링 암의 제1 길이(366) 및 내부 스위치백(356)에 인접한 스프링 암의 제1 길이(360)를 따른 일차 스프링 암(306)은 음의 곡률을 가지며 표면에서 음(압축)의 법선 스트레인의 조건에 있다. 도 11a에 도시된 특정 실시예에서, 외부 스위치백(358)에 인접한 스프링 암의 제2 길이(364) 및 내부 스위치백(356)에 인접한 스프링 암의 제2 길이(362)를 따른 일차 스프링 암(306)은 양의 곡률을 가지며, 표면에서 양(인장)의 법선 스트레인의 조건에 있다.

도 11b를 참조하면, 피봇 마운트(300)의 피봇 플랫폼(304)은 도 11a와 관련하여 설명된 바와 같이 균일한 z 변위로 편향된다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 이차 스프링 암(307)은 표면에서 음(압축)의 법선 스트레인의 상태에 있는 길이(361A, 363B, 367)와, 표면에서 양(인장)의 법선 스트레인의 상태에 있는 길이(365, 363A, 361B)를 포함한다.

실시예들에 따르면, 피봇 마운트 구조물은 고-스트레인 감지 감도를 달성하고, 일차 스프링 암보다 낮은 강도를 갖는 이차 스프링 암 상에 스트레인 감지 요소를 위치시킴으로써 높은 신호 대 잡음비를 갖는 피드백 신호를 생성한다. 이러한 방식으로 이차 스프링 암은 주어진 피봇 플랫폼 변위에 대해 일차 스프링 암보다 큰 스트레인을 받아 보다 높은 스트레인 신호가 생성된다. 스트레인 감지 감도 및 피드백 신호는 내부 및 외부 기부 및/또는 스위치백의 대향 측부들에서와 같이 동일하면서 반대인 스트레인 응답이 측정되는 이차 스프링 암의 위치에 스트레인 감지 요소를 위치시킴으로써 더 증가될 수 있다. 이러한 방식으로, 주어진 플랫폼 변위에 대한 스트레인 신호는 효과적으로 배가될 수 있으며, 잡음을 효과적으로 제거하기 위해 차동 감지가 사용될 수 있기 때문에 주어진 스트레인 신호에 대한 잡음도 감소시킬 수 있다.

도 11c를 참조하면, 피봇 마운트의 외부 표면에서의 x 방향의 법선 스트레인(εx)을 도시하는 도 11a 및 도 11b에 도시된 z 변위에 대해 모델링 데이터가 제공된다. 도시된 바와 같이, 균일한 z 변위의 조건에 있는 경우에, 베이스 및 피봇 플랫폼 사이에서 x-방향으로 연장되는 이차 스프링 암의 길이를 따라 높은 εx 스트레인 영역이 위치되는 한편, 베이스와 피봇 플랫폼 사이에서 y-방향으로 연장되는 이차 스프링 암을 따라서 위치되는 εx 스트레인은 최소이거나 전무하다. 또한, 고-스트레인 영역은 일차 스프링 암보다는 이차 스프링 암에 집중되어 있다. 구체적으로, 가장 높은 εx를 갖는 표면에서 양(인장)의 법선 스트레인 조건의 영역은 길이(365, 363A, 361B)에 위치되며, 가장 높은 εx를 갖는 표면에서 음(압축)의 법선 스트레인 조건의 영역은 길이(361A, 363B, 367)에 위치된다.

도 11c에 도시된 실시예에서, 스위치백(349A)에 인접한 길이(361A, 363A)가 동일하면서 반대인 법선 스트레인을 갖고, 스위치백(349B)에 인접한 길이(361B, 363B)가 동일하면서 반대인 법선 스트레인을 갖는다. 일 실시예에서, 내부 기부(351)에 인접한 길이(365) 및 외부 기부(353)에 인접한 길이(367)는 동일하면서 반대인 법선 스트레인을 갖는다.

일 실시예에서, 한 쌍의 인접한 이차 스프링 암은 한 쌍의 일차 스프링 암 사이에 위치된다. 예를 들어, 한 쌍의 인접한 이차 스프링 암은 서로의 미러 이미지(mirror image)로서, 스트레인 게이지의 추가적인 중복성을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 길이(361A)에서의 스트레인은 한 쌍의 인접한 미러 이미지 이차 스프링 암들에서 동일하다. 한 쌍의 인접한 미러 이미지 이차 스프링 암의 길이(363B, 367, 365, 363A, 361B)는 또한 동일한 대응하는 스트레인을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 한 쌍의 대향 이차 스프링 암은 피봇 플랫폼의 대향 측부들 상에 위치된다. 예를 들어, 한 쌍의 대향 이차 스프링 암은 서로의 미러 이미지로서, 스트레인 게이지의 추가적인 중복성을 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 길이(361A)에서의 스트레인은 한 쌍의 대향 미러 이미지 이차 스프링 암에서 동일하다. 한 쌍의 대향 미러 이미지 이차 스프링 암의 길이(363B, 367, 365, 363A, 361B)는 또한 동일한 대응 스트레인을 가질 수 있다.

도 11c를 참조하면, 피봇 마운트의 외부 표면에서의 y 방향의 법선 스트레인(εy)을 도시하는 도 11a 및 도 11b에 도시된 z 변위에 대해 모델링 데이터가 제공된다. 도시된 바와 같이, 균일한 z 변위의 조건에 있는 경우에, 베이스 및 피봇 플랫폼 사이에서 y-방향으로 연장되는 이차 스프링 암의 길이를 따라 높은 εy 스트레인 영역이 위치되는 한편, 베이스와 피봇 플랫폼 사이에서 x-방향으로 연장되는 이차 스프링 암을 따라서 위치되는 εy 스트레인은 최소이거나 전무하다. 또한, 고-스트레인 영역은 일차 스프링 암보다는 이차 스프링 암에 집중되어 있다. 구체적으로, 가장 높은 εy를 갖는 표면에서 양(인장)의 법선 스트레인 조건의 영역은 길이(365, 363A, 361B)에 위치되며, 가장 높은 εx를 갖는 표면에서 음(압축)의 법선 스트레인 조건의 영역은 길이(361A, 363B, 367)에 위치된다. 따라서, 도 11d에 도시된 가장 높은 εy 영역은, 90도 회전된 도 11c에 도시된 가장 높은 εx 영역과 유사하다. 또한, 동일하면서 반대인 법선 스트레인 및 스프링 암의 미러 이미지에 관한 설명은 90도 회전된 도 11d에서와 동일하다.

도 11e는 도 11a 및 도 11b에 도시된 z 변위에 대한 εx 및 εy 모두에서의 피봇 마운트의 외부 표면에서의 등가 스트레인 크기에 대한 모델링 데이터를 도시한다. 도시된 바와 같이, 실질적으로 동일한 스트레인 크기가 각각의 이차 스프링 암에서 측정된다. 도 11f는 도 11a 및 도 11b에 도시된 z 변위에 대한 피봇 마운트의 외부 표면에서의 전단 스트레인에 대한 모델링 데이터를 도시한다. 도시된 바와 같이, 표면에는 실질적으로 측정 가능한 전단 스트레인이 없다. 따라서, 도 11c 내지 도 11e에 제공된 모델링 데이터는, 스프링 암의 고-스트레인 영역에서 실질적으로 균일한 굽힘 모멘트를 갖는 피봇 마운트 구조물을 도시하며, 여기서 스트레인은 스프링 암의 축 길이에 실질적으로 평행하다.

도 12는 일 단부는 고정되고, 자유 단부는 횡방향으로 인가되는 힘 F과 굽힘 모멘트 M _L 를 동시에 받으며, 양 단부는 제로 기울기 경계 조건을 갖는, 길이 L을 갖는 최적화된 빔의 개략도이다. 도시된 경우에서, 양 단부에서의 경계 조건은 변형된 빔의 기울기 θ가 제로가 되게 한다. 본질적으로 도 12에 예시된 빔 및 하중은, 하중이 가해진 경우의 피봇 마운트의 일차 스프링 암 및 이차 스프링 암을 포함하는 개별 스프링 암 세그먼트를 단순화 및 최적화한 것이다. 설명된 실시예들에서의 피봇 마운트 스프링 암 구조물들은 스위치백을 포함하지만, 이차 스프링 암 내의 각각의 빔 세그먼트의 기본 거동은 도 12에 도시된 최적화된 빔에 의해 단순화된 형태로 표현될 수 있다. 피봇 마운트 내의 일차 및 이차 스프링 암 모두는 각각 스위치백과 직렬로 배열되어 각각의 직렬 빔 세그먼트 사이에 결합(union)을 형성하는 그러한 최적화된 빔들 중 2개 이상으로 생각할 수 있다. 또한, 도 12의 최적화된 빔의 단부들은 스프링 암의 내부 및 외부 기부와 유사하게 비슷하다(analogous).

인가된 힘 F에 대해, 각각의 단부에서 제로 기울기의 경계 조건을 만족하는 도 12에 도시된 빔의 단부에 지점 x = L에 인가된 모멘트 M _L 는 다음과 같이 나타낼 수 있다:

또한, 도 12에 예시된 길이 L의 빔의 지점 x = L에서의 변위 δ는 다음과 같이 주어지는 것으로 볼 수 있다:

여기서 E는 빔의 영의 모듈(Young's Modulus)이고 I는 중립 축에 대한 단면의 관성 모멘트이다. 빔의 굽힘 응력 σ은 다음과 같이 주어진다:

여기서 M은 빔의 길이를 따른 지점에서의 굽힘 모멘트이고, y는 중립면으로부터의 거리이다. 이 방정식은 이 응력이 y = c 지점에서 최대가 되는 것을 보여 주며, 여기서 c는 중립면으로부터 빔의 외부 표면까지의 거리이다.

도 13을 참조하면, 도 12에 예시된 최적화된 빔에 대한 전단력 및 굽힘 모멘트 다이어그램이 도시된다. 이러한 다이어그램들은 재료 방법의 기본 메커니즘을 사용하여 유도된다. 굽힘 모멘트 다이어그램을 참조하면, 굽힘 모멘트는 빔의 각각의 단부에서 동일하지만 반대 부호임이 분명하며, 또한 굽힘 모멘트의 절대값은 빔의 단부들에서 최대이다. 굽힘 모멘트 M의 값이 빔의 단부들에서 최대이므로 응력 σ 또한 도 12에 예시된 빔의 단부들에서 최대이거나, 또는 M = M _L 인 경우에 최대가 될 것이다. 굽힘 모멘트가 양의 값을 갖는 빔의 영역은 양의 응력 또는 인장 응력을 가질 것이다. 대응하여, 굽힘 모멘트가 음의 값을 갖는 빔의 영역들은 음의 응력 또는 압축 응력을 가질 것이다. 전단력 및 굽힘 모멘트의 부호는 빔에 적용되는 하중의 감지에 의존한다. 적용된 하중의 감지가 반전되면 전단력 및 굽힘 모멘트의 부호가 반전되지만, 전단력 및 굽힘 모멘트의 절대값은 변경없이 유지될 것이다. 따라서, 적용된 하중의 감지가 반전되면 생성되는 응력의 부호도 또한 반전될 것이다.

응력은 후크의 법칙을 통해 스트레인 ε과 관련될 수 있다.

방정식 3과 4를 결합함으로써 빔 외부 표면의 스트레인은 다음과 같이 표현될 수 있다:

방정식 2를 재배열하고 방정식 1에 결과를 삽입하면:

빔의 단부에서의 굽힘 모멘트에 대한 방정식 7의 표현식을 방정식 5에 삽입함으로써, 주어진 하중에 대해 x = L 위치의 빔의 표면에서의 법선 스트레인

은 다음과 같음을 알 수 있다:

중립 축 c로부터 스프링 암의 표면까지의 거리 및 편향 δ이 일차 및 이차 스프링 암 모두에 대해 동일할 것이라는 것을 인식함에 따라, 스트레인에 대한 상기 표현식은 다음의 비례(proportionality)와 같이 표현될 수 있으며, 여기서 생성되는 스트레인 ε은 빔의 길이 L 제곱에 반비례한다:

따라서, 최적화된 스트레인 증폭 이차 스프링 암 구조물은 피봇 마운트의 일차 스프링 암보다 실질적으로 짧은 전체 길이 L을 가질 것이다. 예를 들어, 피봇 마운트의 이차 스프링 암이 일차 스프링 암의 합성 길이의 절반인 경우, 이차 스프링 암에 주어진 하중으로 인해 생성되는 스트레인은 일차 스프링 암의 스트레인의 4배가 될 것이다. 따라서, 일차 스프링 암의 전체 길이의 절반 길이를 갖는 이차 스프링 암 상에 배치된 스트레인 게이지는 피봇 마운트 플랫폼의 동일한 변위에 대해 일차 스프링 암 상의 대응 위치에 배치된 스트레인 게이지보다 4배 큰 신호를 생성할 수 있다. 달리 말하면, 변위 감지 디바이스로서의 피봇 마운트의 감도는 그러한 구조물을 통합함으로써 4배로 개선될 수 있다.

도 14를 참조하면, 일 실시예에 따른, 내부 기부에서 시작하여 외부 기부까지 순차적으로 라벨링되는 각각의 빔 세그먼트를 갖는 스트레인 증폭 이차 스프링 암 구조물의 상세도가 예시된다. 또한, 각각의 빔 세그먼트의 종점들이 식별된다. 예를 들어, 스프링 암 빔 세그먼트(1)는 대응하는 종점(1a 및 1b)을 갖는다. 추가적으로, 종점(1a)은 이차 스프링 암의 내부 기부에 대응하고, 종점(5b)은 이차 스프링 암의 외부 기부에 대응하는 것은 명백할 것이다.

도 15a를 참조하면, 일 실시예에 따라, 피봇 마운트 플랫폼에 인가되는 하중으로부터 생성되는, 14에 도시된 스트레인 증폭 이차 스프링 암 구조물의 길이를 따라 굽힘 모멘트 다이어그램이 예시된다. 도 13에 예시된 다이어그램들과 같이, 이 다이어그램은 재료 방법의 기본 메커니즘을 사용하여 유도된다. 도시된 굽힘 모멘트 다이어그램은 도 14에 예시된 이차 스프링 암 구조물에 대해 정의된 개별 빔 세그먼트들에 대응하는 영역들로 분할된다. 다이어그램을 참조하면, 굽힘 모멘트의 절대값은 종점들(1a, 2b, 3a, 3b, 4a, 5b)에서 최대이다. 더 나아가, 스트레인의 절대값은 또한 종점들(1a, 2b, 3a, 3b, 4a 및 5b)에서 최대이다.

전단력 및 굽힘 모멘트의 부호는 빔에 적용되는 하중의 감지에 의존한다. 적용된 하중의 감지가 반전되면 전단력 및 굽힘 모멘트의 부호가 반전되지만, 전단력 및 굽힘 모멘트의 절대값은 변경없이 유지될 것이다. 따라서, 인가된 하중의 감지가 반전되면, 생성되는 응력과 이에 따라 스트레인의 부호 또한 반전될 것이다. 도 15b를 참조하면, 일 실시예에 따라, 도 15a에 도시된 것과 반대 감지를 가지고 동일한 하중이 인가된 경우의 도 14의 이차 스프링 암에 대한 굽힘 모멘트 다이어그램이 도시된다. 이 두 경우의 하중에 대한 굽힘 모멘트는 종점들(1a, 3b 및 4a)의 그룹 간에 동일하며 굽힘 모멘트 또한 종점들(2b, 3a 및 5b)의 그룹 간에 동일하다는 점에 유의한다. 또한, 굽힘 모멘트의 크기 및 그에 따른 스트레인 응답은 종점들(1a, 3b 및 4a)의 그룹과 종점들(2b, 3a 및 5b)의 그룹 간에 항상 동일하지만 반대 부호임을 유의한다. 상관된 스트레인 응답을 받는 스트레인 게이지로부터의 신호를 결합함으로써, 스트레인 게이지의 "상관 쌍" 또는 일반적으로 "상관 그룹"을 형성할 수 있다.

실시예들에 따라, 국부적 스트레인의 일정량이 국부적 응력 집중에 기인하여 피봇 마운트 내의 다양한 위치에서 발견되지만, 이들은 스트레인 게이지가 국부적인 스트레인 영역들로부터 이격되어 위치되기 때문에 스트레인 측정에 영향을 주지 않는다. 예를 들어, 국부적 응력 집중은 종점들(1a, 2b, 3a, 3b, 4a 및 5b) 근처의 스위치백 또는 기부를 정의하는 채널(310)의 단부에서 발견될 수 있다. 따라서, 스트레인은 세그먼트 종점에서 이론적인 최댓값에 도달할 수 있지만, 일 실시예에서 스트레인 게이지 및 기준 게이지는 종점들(1a, 2b, 3a, 3b, 4a 및 5b)로부터 특정 거리 떨어져서 위치함으로써, 이들은 국부적 응력 집중과 연관된 프린지(fringe) 스트레인 영역에 위치하지 않고 여전히 가장 높은 스트레인의 영역에 또는 그 근처에 위치된다.

스트레인 감지 요소(320) 및 기준 게이지(340)는 생성되는 감지 신호가 상관되도록 센서들 내에 배열될 수 있다. 센서 내의 부재하거나 깨진 게이지의 신호가 신호들의 나머지 세트로부터 근사될 수 있는 경우, 센서들의 세트는 상관적 또는 의존적인 것으로 간주된다. 이들 측정을 계산하기 위해서는 원하는 위치 측정과 동일한 수의 독립 스트레인 신호의 최소 세트가 요구된다. 최소 요구 세트를 초과하는 상관 스트레인 신호는 위치 계산에 포함될 수 있으며 측정의 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 사용될 수 있다. 스트레인 게이지(320, 340) 또는 센서 고장이 발생하면 비록 신호 대 잡음비가 감소할지라도 위치 출력을 유지하도록 계산이 조정될 수 있다. 이러한 방식으로 상관 신호들은 개선된 신호 대 잡음비 뿐만 아니라 중복성도 제공한다.

도 16을 참조하면, 일 실시예에 따른, 24개의 상관된 스트레인 센서를 포함하는 피봇 마운트가 도시된다. 구체적으로, 도 16은 48개의 전체 스트레인 감지 요소(320)(스트레인 게이지) 및 48개의 전체 기준 게이지(340)를 포함하는 위에 설명된 도 7과 유사한 예시적인 도면이다. 이러한 구성에서, 스위치백의 대향 측부들 또는 내부/외부 기부 상의 한 쌍의 스트레인 감지 요소(스트레인 게이지) 및 기준 게이지가 단일 스트레인 센서에 대응될 수 있다. 전술된 바와 같이, 스위치백의 대향 측부들 또는 내부/외부 기부 상의 이들 스트레인 감지 요소(320) 쌍들이 동일한 크기의 반대 스트레인 유형을 측정한다. 따라서, 이들 스트레인 게이지들(또한 대응하는 기준 게이지들(340)) 쌍들은 또한 다른 스트레인 센서들과 상관될 수 있는 스트레인 센서로서 간주될 수 있다. 도 16에 도시된 스트레인 센서는 피봇 플랫폼이 x-축을 중심으로 회전하는지, y-축을 중심으로 회전하는지, 또는 수직 변위를 받는지 여부에 의존하는 선형적 의존 세트(상관 쌍)일 수 있다. 아래의 표 1은 예시적인 실시예의 특정 상관 쌍을 설명한다.

[표 1]

상기 예시적인 실시예에서, 24개의 채널(신호) 동작에 대해 몇 개의 상관 쌍이 설명되며, 각각의 채널은 스트레인 게이지 및 기준 게이지 쌍에 의해 생성된 신호에 대응한다. 정상 동작 중, 정상 동작 중에 동작하는 예시적인 피봇 마운트에 의해 생성된 피드백 신호는 변환 행렬에 의해 합성된 출력 신호로 변환될 수 있다. 피봇 마운트 피드백 신호를 합성된 출력 신호로 변환하기 위한 일반화된 변환 행렬은 n개의 스트레인 신호 입력을 3개의 위치 측정 출력(예컨대, 틸트, 팁, z)에 대한 방정식(10)으로 표현된다:

지금까지 피봇 마운트의 실시예들이 x-방향 또는 y-방향을 따라 연장되는 이차 스프링 암을 갖는 정사각 구성으로 설명되었지만, 실시예들은 이와 같이 제한되지 않는다. 사실, 스트레인 감지 요소 및 기준 게이지는 여러 방향을 따라 위치될 수 있다. 도 17에 도시된 실시예에서, 피봇 마운트(300)는 베이스(302), 피봇 플랫폼(304), 일차 스프링 암(306) 및 이차 스프링 암(307)을 포함한다. 전술한 바와 같이, 각각의 이차 스프링 암(307)은 대응하는 내부 기부(351)에서 피봇 플랫폼(304)에 고정되고, 대응하는 외부 기부(353)에서 베이스(302)에 고정된다. 도 17에 도시된 피봇 마운트는, 이차 스프링 암(306, 307)이 일반적인 정사각 구성보다는 오히려 일반적인 정삼각 구성으로 배열된다는 점에서, 본 명세서에 설명된 피봇 마운트의 다른 실시예들과 상이하다. 결과적으로, 측정된 스트레인은 εx 및 εy 방향 내에서만 위치하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 동일하면서 반대인 스트레인, 고-스트레인 영역에서의 균일한 굽힘 모멘트 및 분산된 상관 쌍이라는 동일한 결과가 달성된다. 따라서, 실시예가 εx 및 εy 방향으로 스트레인을 생성 및 측정하는 것에 대해 특정하여 설명되었지만, 실시예들은 그렇게 제한되지 않으며, 피봇 마운트 피드백 신호는 다양한 기하학적 구조에 대한 합성 출력 신호로 변환될 수 있다.

실시예들에 따르면, 이송 헤드 어셈블리(200)는 피봇 마운트(300)에 걸친 압력의 원하는 양 및/또는 원하는 분포가 피봇 마운트(300) 스트레인 감지 요소(320)에 의해 감지될 때까지 MPA(103)의 배향을 조정할 수 있다. 따라서, MPA(103) 상의 이송 헤드 어레이(115)는 정합 기판 상의 마이크로 디바이스들의 어레이와 능동적으로 정렬될 수 있다. 예를 들어, 정렬을 표현하는 공간 배향은 마이크로 디바이스들의 어레이를 통과하는 평면에 평행한 이송 헤드 어레이(115)를 통과하는 평면을 포함하도록 미리 결정될 수 있다. 대안적으로, 정렬을 표현하는 공간 배향은 평행하지 않은 평면을 포함할 수도 있지만, 어레이를 함께 가져오는 경우에 이송 헤드 어레이(115)의 일부분만이 각각의 마이크로 디바이스들과 접촉하도록 각도가 주어진 것과 같이 소정의 미리 결정된 상호 배향일 수 있다. 좀 더 상세하게는, 이송 헤드 어레이(115)와 마이크로 디바이스들의 어레이의 정렬을 표현하는 공간 배향은 임의의 미리 결정된 공간 배향일 수 있다. 이러한 공간 배향은 피봇 마운트(300)에 걸친 압력 분포와 같은 시스템 특성을 결정하기 위해 모니터링, 감지 및 측정될 수 있다. 따라서, 측정된 시스템 특성은 정렬을 표현하기 위해 프록시로서 사용될 수 있다. 능동적 정렬은 마이크로 디바이스의 이송 속도를 증가시킬 수 있는데, 마이크로 디바이스를 픽업하는 동안과, 유사하게 릴리스하는 동안 미세 정렬이 달성될 수 있기 때문이다. 또한, 능동적 정렬은 이송 헤드 어레이(115)의 기생 병진 이동 없이 즉시적으로(on-the-fly) 이루어질 수 있으며, 그렇지 않으면 마이크로 디바이스들의 어레이를 오염시키고 손상시킬 수 있다. 이러한 즉시적인 조정은 공여 기판, 예컨대 캐리어 기판 및/또는 디스플레이 기판, 예컨대 수용 기판이 표면 불량 및 비평면 윤곽을 포함하는 경우에 유용할 수 있다.

도 18a를 참조하면, 일 실시예에 따른 이송 헤드 어셈블리를 조절하기 위한 제어 기법의 개략도가 도시된다. 좀 더 상세하게는, 제어 루프는 위치 및 스트레인 입력의 조합을 처리하는 다수의 서브-루프를 포함할 수 있다. 이송 헤드 어셈블리의 액추에이터는 먼저 서브 루프에 의해 초기 원하는 위치를 향하도록 구동될 수 있고, MPA(103) 및 목표 기판 사이의 접촉이 감지되면, 이어서, 초기 원하는 위치가 변경됨으로써 MPA(103)를 원하는 응력 상태로 이동하여 예컨대, MPA(103)에 걸쳐 고르게 압력을 분배하고/하거나 피봇 마운트(300) 이차 스프링 암(307)의 편향에 기초하여 피봇 마운트(300) 상의 하나 이상의 위치에서 원하는 레벨의 압력을 달성하게 할 수 있다.

일차 입력(1802)은 MPA(103)의 초기 원하는 상태에 대응하는 기준 신호들의 세트를 정의할 수 있다. 보다 구체적으로, 일차 입력(1802)은 마이크로 디바이스 어레이 또는 기판 표면의 예상 위치에 대하여 MPA(103)의 목표 공간 위치를 정의할 수 있다. 일차 입력(1802)은 여러 개의 내부 루프들 중 하나에 공급될 수 있으며, 이들 각각은 개별 액추에이터에 대응할 수 있다. 예를 들어, x-액추에이터 내부 루프(1804)는 이송 헤드 어셈블리의 x-액츄에이터, 따라서 MPA(103)가 원격 회전 중심을 중심으로 팁핑할 수 있도록 제어하기 위한 제어 루프에 대응할 수 있다. 유사하게, y-액추에이터 내부 루프(1806)는 이송 헤드 어셈블리의 y-액츄에이터, 따라서 MPA(103)가 원격 회전 중심을 중심으로 틸팅할 수 있도록 제어하기 위한 제어 루프에 대응할 수 있다. 또한, z-액츄에이터 내부 루프(1808)는 이송 헤드 어셈블리의 z-액추에이터, 따라서 z-축을 따른 MPA(103)의 위치를 제어하기위한 제어 루프에 대응할 수 있다. 따라서, 내부 루프들의 조합은 MPA(103)의 팁, 틸트 및 z-공간 배향을 조정하는 액추에이터의 제어를 허용한다.

일 실시예에서, 이송 헤드 어셈블리(200) 액츄에이터의 내부 루프 제어는 일차 출력(1810)을 생성한다. 보다 구체적으로, 일차 출력(1810)은 액추에이터 이동으로 인한 이송 헤드 어셈블리(200)의 순간적 기하학적 구성일 수 있다. 기하학적 구성은 개별적 이송 헤드 어셈블리(200) 컴포넌트들의 공간 위치를 추적하는 인코더 또는 다른 센서들에 의해 공급되는 데이터로부터 추론될 수 있다. 즉, 기하학적 구성은 팁 위치, 틸트 위치 및 z-위치와 같은 개별적인 기하학적 구성들의 조합을 포함할 수 있다. 일차 출력(1810)은 또한 이송 헤드 어셈블리(200) 컴포넌트들의 알려진 물리적 치수로부터 추론되듯, MPA(103)의 공간 위치와 관련될 수 있다. 대안적으로, MPA(103) 표면 위치는, 예컨대 일차 출력(1810)에 직접적으로 포함될 수 있는 공간 배향 피드백을 제공하기 위해 레이저 마이크로미터, 가속도계 등을 사용하여 직접 감지될 수 있다. 따라서, MPA(103)의 위치는 일차 출력(1810)이 달성되었는지, 즉, 의도된 일차 입력(1802)과 동일한지를 결정하기 위해 추론되거나 감지될 수 있다. 그러나, 일차 입력(1802)의 위치 명령을 달성하기 위해 MPA(103)가 목표 기판을 향해 구동될 수 있으나, 어떤 경우에는 MPA(103)가 목표 기판에 접촉할 수 있다. 또한, 일단 접촉이 검출되면, 일차 입력(1802)은 피봇 마운트(300)에 걸쳐 원하는 압력 분포를 가지고 피봇 마운트(300)의 중립 팁 및 틸트 변형을 달성하기 위해 몇몇 액츄에이터 외부 루프로부터의 추가적인 명령에 의해 변경될 수 있다. 따라서, MPA 어레이(103)는 서브마이크로미터 범위의 정밀도 내에서, 예컨대 약 250 nm 미만 정도에서 팁 편향, 틸트 편향 및 z-압축 목표로 구동될 수 있다.

MPA(103)의 이송 헤드 어레이(115)와 마이크로 디바이스 사이의 접촉이 이루어진 후에, MPA(103)는 피봇 마운트(300)로부터의 압력 피드백에 기초하여 미세 조정될 수 있다. 보다 구체적으로, MPA(103)의 미세 조정은 접촉 교란(1812)에 대한 시스템 인식에 응답하여 가능해질 수 있다. 일 실시예에서, 인에이블 로직은 MPA(103)가 원하는 일차 입력(1802)을 달성하기 전에 접촉 교란(1812)이 감지되는지 결정하기 위해 포함되며, 만약 접촉 교란(1812)이 감지된 경우에는 이송 헤드 어셈블리(200)의 미세 조정을 허용하도록 추가적인 제어 루프가 닫힐 수 있다. 보다 구체적으로, 일차 입력(1802)의 초기 위치 목표를 향하기 보다는, 팁 편향, 틸트 편향 및 z-압축 목표를 향하도록 MPA(103)를 구동하기 위해 추가적인 제어 루프가 닫힐 수 있다.

일 실시예에서, 예컨대, MPA(103)의 접촉으로 정합 기판이 정렬에서 벗어나는 경우에 접촉 교란(1812)이 감지된다. 예를 들어, MPA(103) 및 정합 기판이 완벽한 정렬로 접촉하는 경우, 일차 출력(1810)은 일차 입력(1802)과 동일할 수 있고, 이어서, 마이크로 디바이스는 추가적인 조정을 요구하지 않고 이송 헤드 어레이(115)에 의해 그립(grip)될 수 있다. 그러나, MPA(103)와 정합 기판이 완벽하게 정렬되지 않으면, 피봇 마운트(300) 상의 각각의 스트레인 감지 요소(320)로부터의 변위 또는 스트레인 측정은 서로 실질적으로 상이할 수 있고/있거나 원하는 레벨의 압력이 달성되지 않을 수 있다. 즉, 일 실시예에서, 예상되거나 원해지는 팁, 틸트 및 압축 상태는 정전기 그립을 개시하기 전에 충족되어야 한다. 원하는 상태가 달성되지 않으면, 변위 또는 스트레인 측정이 피드백 신호(1814)로서 공급될 수 있다.

일 실시예에서, 피드백 신호(1814)는 스트레인 감지 요소(320) 및 기준 게이지(340)로부터의 아날로그 신호에 대응한다. 위의 예시적인 실시예에서, 피드백 신호(1814)는 48개의 별도의 스트레인 감지 요소(320) 및 48개의 기준 게이지(340)로부터의 24개의 감지 신호를 포함할 수 있다. 피드백 신호(1814)는 아날로그 신호를 각각의 스트레인 감지 요소의 스트레인 상태를 나타내는 합성된 출력 신호로 변환하기 위해 신호 조절 및 조합 로직(signal conditioning and combination logic)(1815)에 의해 조절될 수 있다. 또한, 이들 합성 출력 신호는 위에서 설명한 방정식(10)과 같은 변환 행렬 방정식에 의해 표현되는 피봇 마운트(300) 압축 합성 출력 신호, 피봇 마운트(300) 틸트 편향 합성 출력 신호 및 피봇 마운트(300) 팁 편향 합성 출력 신호 중 하나 이상을 합성하기 위해 신호 조절 및 조합 로직(1815)에 의해 조합될 수 있다. 합성된 출력 신호는 동적 제어 인에이블 로직(1816)에 대한 입력으로서 제공될 수 있다. 더 구체적으로, 동적 제어 인에이블 로직(1816)은 접촉 교란(1812)이 팁, 틸트 또는 z-방향 중 하나 이상에서 발생했는지를 결정하기 위해 하나 이상의 합성된 출력 신호를 관찰할 수 있다. 예를 들어, 비-제로 압축 신호가 신호 조절 및 조합 로직(1815)에 의해 미리 결정된 한계를 초과하도록 합성되면, 동적 제어 인에이블 로직(1816)은 접촉 교란(1812)을 인식할 수 있다.

접점 교란(1812)이 존재하는 것을 관찰하는 것에 응답하여, 동적 제어 인에이블 로직(1816)은 각각의 외부 루프를 닫을 수 있으며, 각각의 외부 루프는 일차 입력(1802)의 위치 명령을 변경하기 위한 출력 명령을 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 외부 루프를 닫는 것은 초기 위치 명령을 달성하기 위해 액추에이터를 구동하기보다 원하는 압력 및 배향의 상태를 달성하도록 액추에이터를 구동할 수 있다. 예를 들어, 동적 제어 인에이블 로직(1816)이 압축 접촉 교란(1812)이 존재하는 것을 관찰한 경우에, z-액추에이터 외부 루프(1818)는 z-액추에이터를 조정함으로써 접촉 교란(1812)에 응답하여 닫힐 수 있다. 유사하게, 동적 제어 인에이블 로직(1816)은 x-액추에이터 외부 루프(1820) 또는 y-액추에이터 외부 루프(1822)를 각각 인에이블함으로써 팁 편향 신호 또는 틸트 편향 신호에 응답할 수 있다.

편향 및 압축 피드백 신호는 각각의 외부 루프에 제공되는 편향 명령 입력(1840)과의 비교를 위해, 합성된 출력 신호로서 신호 조절 및 조합 로직(1815)을 통과하여 각각의 외부 루프로 향할 수 있다. 일 실시예에서, 피봇 마운트(300) 편향 명령 입력(1840)은 피봇 마운트(300) 또는 MPA(103)에 걸쳐 원하는 압력 분포에 대응할 수 있다. 따라서, 피봇 마운트(300) 편향 명령 입력(1840)은 피봇 마운트(300)의 팁 편향, 틸트 편향 및 z-압축 목표를 표현할 수 있다. 이들 목표들은 피봇 마운트(300)에 걸친 순간적 압력 분포를 나타내는 신호 조절 및 조합 로직(1815)으로부터의 합성 출력 신호와 비교되어 차이를 결정할 수 있다. 그 차이는, 만약 있다면, 각각의 이송 헤드 어셈블리(200) 액츄에이터를 구동하기 위해 이어서 에러 신호로서 공급될 수 있다. 예를 들어, 피봇 마운트(300)의 팁핑이 접촉 교란(1812)으로서 감지되고 동적 제어 인에이블 로직(1816)이 팁핑이 허용량을 초과하는 것을 관찰하면, x-액추에이터 외부 루프(1820)는 닫힐 수 있고 팁핑 편향 신호는 피봇 마운트(300) 팁 편향 명령(1840)과 비교되어 피봇 마운트(300)를 원하는 응력 상태로 팁핑할 모션 제어 신호를 생성할 수 있다. 모션 제어 신호는 서보 필터에 공급될 수 있고, 역운동학적 계산(inverse kinematics calculation)을 거쳐 외부 루프 명령 출력(1830)을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 모션 제어 신호는 또한 하나 이상의 모션 합산 노드(1850)에서 다른 이송 헤드 어셈블리 모션 제어 신호와 더해질 수 있다. 이것은 예를 들어, 팁핑을 유발하기 위해 다수의 액추에이터의 이동이 요구되는 경우일 수 있다.

제어 루프를 닫기 위해, 외부 루프 명령 출력(1830)은 일차 입력(1802)과 조합되어 액추에이터 내부 루프들로 다시 전달될 수 있다. 예를 들어, 팁핑 외측 루프 명령(1830)은 x-액추에이터에 대한 일차 입력(1802)과 합산되어 x-액츄에이터 내부 루프(1804)를 통과함으로써, 피봇 마운트(300)가 더 균일한 압력 분포의 물리적 상태를 향하여 팁핑하는 방식으로 x-액추에이터를 제어할 수 있다. 각각의 외부 루프 명령은 접촉 교란(1812)이 감지되었던 임의의 액추에이터 내부 루프를 향하도록 통과될 수 있다.

위의 제어 방법은 이송 헤드 어셈블리(200)가 피봇 마운트(300) 및 그에 따른 MPA(103)에 걸친 압력 분포가 균일하고 원하는 압력량을 달성하는 위치로 이동될 때까지 수행되고 반복될 수 있다. 따라서, 이송 헤드 어셈블리(200)는 MPA(103) 상의 정전기 이송 헤드 어레이(115)의 어레이를 정합 기판상의 마이크로 디바이스들의 어레이와 접촉시키도록 제어될 수 있다. 위에서 설명한 제어 시스템을 사용하여, MPA(103)와 정합 기판 사이의 정렬이 초기에 완벽하지 않은 경우 - 이는 거의 모든 이송 동작에 해당함 -, 정렬을 미세 조정하도록 압력 분포 제어가 구현될 수 있다. 제어 방법은 접촉 외란(1812)을 감지하기 위해, 적절한 외부 루프(들)를 인에이블하고, 적절한 외부 루프 제어 명령을 액추에이터에 공급하도록 신속하게 예컨대 약 50ms 정도로 수행될 수 있으며, 따라서 완벽한 접촉이 정전기 이송 헤드 어레이(115)와 마이크로 디바이스들의 어레이 사이에서 빠르게 달성되어, 캐리어 기판과 수용 기판 사이의 효율적인 전달을 가능하게 할 수 있다.

이제 도 18b를 참조하면, 일 실시예에서, 합성 출력 신호를 생성하는 방법에 대한 개략도가 제공된다. 도시된 바와 같이, 피드백 신호(1814)는 신호 조절 및 조합 로직(1815)에 의해 수신되고 이는 피봇 마운트(300)로부터의 입력 피드백 신호(1814)를 조합하고 합성 출력 신호를 생성한다. 가장 단순한 경우에, 피봇 마운트(예컨대, 도 16과 관련하여 상술한 센서들(1-24))로부터 수신된 피드백 신호들은 변환 행렬을 이용한 곱셈에 의해 선형적으로 조합되어 출력 측정들(합성 출력 신호들)의 세트를 형성한다.

도 18c에 도시된 실시예를 참조하면, 보다 복잡한 구현예에서, 스트레인 센서들의 상관 세트는 신호 품질을 위해 검사될 수 있다. 도시된 바와 같이, 피드백 신호(1814)는 신호 조절 및 조합 로직(1815)에 의해 수신된다. 1815A에서, 피드백 신호(1814)는 이들이 미리 정의된 정상 동작 범위 내에 있는지를 결정하기 위해 검사된다 정상 동작 범위를 벗어나는 센서들(게이지(320, 340) 포함)은 불량 센서로서 플래깅(flagging)된다. 이어서, 불량 센서 신호가 거부되어 변환 행렬의 변경이 요구될 수 있다. 1815B에서 신호들은 정상 동작 범위 내의 변동인지에 대해 검사된다. 정상적으로 동작하는 센서보다 크거나 작은 변동을 갖는 센서들(게이지(320, 340) 포함)은 불량 센서로서 플래깅된다. 1815C에서, 불량으로 플래깅된 센서들에 기초하여 나머지 신호들로부터의 출력을 합성할 수 있는 변환 행렬이 선택되고, 변환 행렬은 생성되는 센서 신호 벡터를 합성 출력 신호(위치 측정 출력)로 변환하는데 사용된다. 이러한 방식으로, 합성 출력 신호는 출력 실패를 유발하는 센서 불량 대신 감소된 신호 대 잡음비로 유지된다.

도 19를 참조하면, 일 실시예에 따른, 이송 헤드 어셈블리(200) 상의 피봇 마운트(300)와 결합된 MPA(103)를 목표 기판에 대해 정렬하는 방법의 흐름도가 도시된다. 방법은 예컨대 픽업 또는 배치 동작 중 마이크로 디바이스들이 캐리어 기판으로부터 수용 기판으로 이송되면서 수행될 수 있다. 동작 1902에서, 대량 이송 기구(100)는 일차 입력(1302)에 따라, 예를 들어, 캐리어 기판 홀더(104)에 의해 유지되는 캐리어 기판 또는 수용 기판 홀더(106)에 의해 유지되는 목표 기판을 향해 z-축을 따라 이송 헤드 어셈블리(200)를 이동시킨다. 보다 구체적으로, MPA(103) 및 피봇 마운트(300)는 z-축을 따라 목표 기판을 향해 이동된다. z-축(510)을 따른 MPA(103)의 이동은 대량 이송 기구(100) 또는 기판 홀더의 다양한 액츄에이터들을 작동시킴으로써 달성될 수 있다.

초기에, MPA(103) 또는 피봇 마운트(300)에 인가되는 압축 하중이 없을 수 있다. 이 초기 상태는 마이크로 디바이스들의 어레이가 정전기 이송 헤드 어레이로부터 물리적으로 분리되는 이동 범위에 대응할 수 있다. 이러한 이송 중에, MPA(103) 및 목표 기판은 오정렬된 표면을 가질 수 있지만, 피봇 마운트(300)의 압력 분포 상태가 균일할 수 있기 때문에 즉, 모든 스트레인 감지 요소가 제로 스트레인을 나타내는 신호를 출력할 수 있기 때문에 이러한 오정렬에 대한 표시가 없을 수 있다.

동작 1904 및 동작 1906에서, 정전기 이송 헤드 어레이(103)의 정전기 이송 헤드는 마이크로 디바이스와 접촉할 수 있는 한편, 다른 정전기 이송 헤드는 대응하는 마이크로 디바이스로부터 분리된 상태를 유지할 수 있다. 즉, MPA(103)가 목표 기판과 정렬되지 않은 상태에서 접촉이 이루어질 수 있다. 이러한 위치 오정렬은 피봇 마운트(300)에서의 불균일한 압력 분포로서 감지될 수 있다. 예를 들어, 피봇 마운트(300)상의 하나의 스트레인 감지 요소(320)로부터의 제1 스트레인 출력값 및 피봇 마운트(300)의 다른 스트레인 감지 요소(320)로부터의 상이한 제2 스트레인 출력값은 다를 수 있다. 스트레인 신호는 피드백 신호(1814)로서 제공되고, 접촉 교란(1812)을 나타내는 신호 조절 및 조합 로직(1815)에 의해, 합성된 출력 신호(예컨대, 팁 편향, 틸트 편향 및 압축 신호)로 조절되고 조합될 수 있다.

동적 인에이블 제어 로직(1816)은 접촉 교란(1812)이 존재하는 것을 관찰할 수 있고, 접촉 교란(1812)의 레벨에 따라, 피봇 마운트(300)에 걸친 압력 분포가 균일하도록 MPA(103)의 배향을 조정하기 위해 이송 헤드 어셈블리(200)의 다양한 액츄에이터를 작동시키기 위한 구동 신호를 결정하기 위해 액추에이터 외부 루프를 활성화할 수 있다. 예를 들어, 동작 1908에서, 임계치 초과의 접촉 교란(1812)으로서 인식되는 팁 신호에 응답하여, x-액추에이터 외부 루프(1820)는 x-액추에이터 내부 루프(1804)로 명령 신호(1830)를 공급하여, 원격 회전 중심에 대해 MPA(103)를 팁핑하도록 x-액추에이터를 작동시킬 수 있다. 유사하게, 동작 1910에서, 임계치 초과의 접촉 교란(1812)으로서 인식되는 틸트 편향 신호에 응답하여, y-액추에이터 외부 루프(1822)는 y-액추에이터 내부 루프(1806)에 명령 신호를 공급하여, 원격 회전 중심에 대해 MPA(103)를 틸팅하도록 y-액추에이터(708)를 작동시킬 수 있다.

동작 1912에서, 팁 및 틸트 편향 신호에 기초한 x- 및 y-액츄에이터의 작동에 응답하여, MPA(103)는 목표 기판과의 정렬 상태로 회전될 수 있다. 또한, 원격 회전 중심이 MPA(103)의 접촉면과 공존(co-located)하여, 정전기 이송 헤드 어레이(115)는 원격 회전 중심에 대해 순수 회전을 경험할 수 있다. 따라서, MPA(103)가 목표 기판과 정렬됨에 따라, 정전기 이송 헤드 어레이(115)는 최소한의 기생 측방향 모션을 경험할 수 있고, 마이크로 디바이스들은 손상없는 상태로 유지될 수 있다.

합성 출력 신호(팁, 틸트 및 z-압축 신호)에 따른 이송 헤드 어셈블리(200)의 작동은 정전기 이송 헤드 어레이(115)가 목표 기판 상의 마이크로 디바이스들과 접촉할 때까지 계속될 수 있다. 보다 구체적으로, 작동은 일차 출력(1810)이 일차 입력(1802)에 의해 설정된 한계 내에 들 때까지 계속될 수 있으며, 그 지점에서 작동이 정지될 수 있다. 상술한 바와 같이, 일차 출력(1810)은 원하는 피봇 마운트(300) 상태에 도달하도록 변경되는 위치 출력일 수 있다. 예를 들어, 이송 헤드 어셈블리(200)의 작동은 일차 위치 입력이 달성되고/되거나 피봇 마운트(300)에 걸친 압력 분포가 균일할 때까지 계속될 수 있다.

정전기 이송 헤드 어레이(115)와 마이크로 디바이스 사이의 접촉이 이루어진 후에, 마이크로 디바이스들의 어레이 상에 그립 압력을 생성하기 위해, 전압이 정전기 이송 헤드 어레이(115)에 인가될 수 있다. 정전기 전압은 정전기 이송 헤드 어레이(115), 유연성 전압 접점(316) 및 전압 접점(120)에 인가될 수 있다. 추가적인 전기 접점 및 커넥터는 이송 헤드 어셈블리(200) 내에 일체화될 수 있고, 컴퓨터(108)로부터의 제어 신호에 기초하여 전압 공급에 의해 전력이 공급될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터(108)는 픽업 프로세스 동안 피봇 마운트(300) 상의 각각의 스트레인 감지 요소에 의해 미리 정의된 변형이 동시에 감지되는 경우, 정전기 이송 헤드 어레이(115)가 활성화되도록 지시하는 제어 알고리즘을 구현할 수 있다. 결과적으로, 정전기 이송 헤드 어레이(115)의 어레이는 전체 어레이 표면이 접촉하고 균일한 압력이 어레이에 걸쳐 인가된 후에 마이크로 디바이스들의 어레이에 그립 압력을 인가할 수 있다.

정전기 이송 헤드 어레이(115)를 이용하여 마이크로 디바이스들을 그립한 후에, 마이크로 디바이스들은 캐리어 기판으로부터 픽업될 수 있다. 픽업 동안, 정전기 이송 헤드 어레이(115)에 공급되는 정전기 전압은 지속될 수 있고, 따라서 마이크로 디바이스들의 어레이는 정전기 이송 헤드 어레이(115) 상에 유지되어 캐리어 기판으로부터 제거될 수 있다.

픽업 동작 도중, 가열 요소는 피봇 마운트(300) 및/또는 MPA(103)를 향해 열을 지향시킬 수 있다. 따라서, 픽업 도중 마이크로 디바이스들은 MPA(103)상의 정전기 이송 헤드 어레이(115)와의 접촉을 통해 가열될 수 있다. 예를 들어, 피봇 마운트(300)에 인접한 가열 요소는 저항 가열되어 MPA(103)로, 또한 따라서 정전기 이송 헤드 어레이(115)를 통해 마이크로 디바이스들로 열을 전달할 수 있다. 열 전달은 캐리어 기판으로부터 마이크로 디바이스들의 어레이를 픽업하기 전, 도중 및 후에 발생할 수 있다.

픽업 프로세스가 도 19와 관련하여 설명되었지만, 유사한 방법론이 수용 기판 홀더(106)에 의해 유지되는 디스플레이 기판과 같은 수용 기판 상으로의 마이크로 디바이스의 배치를 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 디바이스들이 정전기 이송 헤드 어레이(115)에 의해 그립될 때, 대량 이송 기구(100)는 MPA(103)를 수용 기판 위로 이동시키고 MPA를 수용 기판의 목표 영역에 정렬할 수 있다. MPA(103)는 정전기 이송 헤드 어레이(115)에 의해 유지되는 마이크로 디바이스들의 어레이가 목표 영역과 균일하게 접촉할 때까지 위에 설명한 제어 시퀀스를 사용하여 수용 기판쪽으로 전진되고 정렬될 수 있다. 균일한 접촉은 피봇 마운트(300)의 스트레인 상태를 감지함으로써 추론될 수 있다. 후속적으로, 전압이 정전기 이송 헤드 어레이(115)로부터 제거되어 마이크로 디바이스들을 수용 기판 상에 릴리스하고 이송 동작을 완료할 수 있다.

도 20을 참조하면, 일 실시예에 따라 사용될 수 있는 컴퓨터 시스템의 개략도가 도시되어 있다. 실시예의 일부분들은, 예를 들어, 컴퓨터(108)의 기계 사용 가능 매체 내에 존재하는 비일시적 기계 판독 가능 및 기계 실행 가능 명령어들을 포함하거나 그에 의해 제어된다. 컴퓨터(108)는 예시적인 것으로서, 실시예들은 범용 네트워크 컴퓨터 시스템, 내장된 컴퓨터 시스템, 라우터, 스위치, 서버 디바이스, 클라이언트 디바이스, 다양한 중간 디바이스/노드, 독립형 컴퓨터 시스템 등을 포함하는 다수의 상이한 컴퓨터 시스템 상 또는 내에서 동작하거나 또는 그러한 시스템에 의해 제어될 수 있다. 또한, 예컨대 신호 조절 및 조합 로직(1815) 및 동적 제어 인에이블 로직(1816)과 같은 제어 시스템의 일부 컴포넌트를 위에서 따로 분리하여 별개로 설명하였으나, 컴퓨터(108)는 이들 컴포넌트들을 직접 일체화하거나 유사한 기능을 충족하는 추가 컴포넌트들을 포함할 수 있다.

도 20의 컴퓨터(108)는 정보를 통신하기 위한 어드레스/데이터 버스(2002), 및 정보 및 명령어들을 프로세싱하기 위해 버스(2002)에 결합된 중앙 프로세서(2004)를 포함한다. 컴퓨터(108)는 또한, 예컨대, 랜덤 액세스 메모리(RAM)(2006)와 같은 중앙 프로세서(2004)를 위해 정보 몇 명령어들을 저장하기 위해 버스(2002)에 결합된 컴퓨터 사용 가능 휘발성 메모리, 예컨대, 판독 전용 메모리(ROM)와 같은 중앙 프로세서(2004)를 위해 고정 정보 및 명령어들을 저장하기 위해 버스(2002)에 결합된 컴퓨터 사용 가능 비-휘발성 메모리(2008) 및 정보 및 명령어들을 저장하기 위한 버스(2002)에 결합된 데이터 저장 디바이스(2010)(예컨대, 자기 또는 광학 디스크 및 디스크 드라이브) 와 같은 데이터 저장 특징부들을 포함한다. 본 실시예의 컴퓨터(108)는 또한 중앙 프로세서(2004)로 정보 및 명령 선택을 통신하기 위한 버스(2002)에 결합되는 문자 숫자식 키들 및 기능키들을 포함하는 선택적인 문자 숫자식 입력 디바이스(2012)를 포함한다. 컴퓨터(108)는 또한 선택적으로 중앙 프로세서(2004)로 사용자 입력 정보 및 명령 선택을 통신하기 위한 버스(2002)에 결합된 선택적 커서 제어(2014) 디바이스를 포함한다. 본 실시예의 컴퓨터(108)는 또한 정보를 디스플레이 하기 위한 버스(2002)에 결합된 선택적 디스플레이 디바이스(2016)를 포함한다.

데이터 저장 디바이스(2010)는 본 명세서에서 설명하는 하나 이상의 기법들 또는 동작들 중 임의의 하나 이상을 구현하는 하나 이상의 명령어들의 세트(예를 들어 소프트웨어(2020))가 저장되는 비일시적 기계 판독 가능 저장 매체(2018)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 소프트웨어(2020)는 프로세서(2004)에 의해 수행되는 경우에, 컴퓨터(108)가 MPA(103)를 목표 기판과 정렬시키기 위한 상술한 제어 기법에 따라 대량 이송 기구(100) 또는 원격 센터 로봇(500)를 제어하게 하는 명령어들을 포함할 수 있다. 소프트웨어(2020)는 또한, 완전히 또는 적어도 부분적으로, 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리(2008) 내에 및/또는 컴퓨터 (108)에 의해 소프트웨어의 실행 동안 프로세서(2004) 내에 존재할 수 있고, 휘발성 메모리(2006), 비휘발성 메모리(2008) 및 프로세서(2004)는 또한 비일시적 기계 판독 가능 저장 매체를 구성한다.

실시예의 다양한 양상을 이용함에 있어서, 일체화된 스트레인 감지 요소를 갖는 피봇 마운트를 형성하기 위해 위의 실시예들의 조합 또는 변형이 가능하다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 실시예들이 구조적 특징 및/또는 방법론적 동작에 특정한 언어로 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 설명된 특정 특징 또는 동작에 반드시 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 개시된 특정 특징 및 동작은 예시를 위해 유용한 청구 범위의 실시예들로서 대신 이해되어야 한다.

Claims

피봇 마운트로서,
피봇 플랫폼;
베이스;
일차 내부 기부(primary inner root)에서 상기 피봇 플랫폼에 고정되고, 일차 외부 기부에서 상기 베이스에 고정되고, 상기 일차 외부 기부와 일차 내부 기부 사이에 걸쳐 있는 대응하는 일차 축 길이에 의해 특성화되는 일차 스프링 암;
이차 내부 기부에서 상기 피봇 플랫폼에 고정되고, 이차 외부 기부에서 상기 베이스에 고정되고, 상기 이차 외부 기부와 이차 내부 기부 사이에 걸쳐 있는 이차 축 길이에 의해 특성화되는 이차 스프링 암; 및
상기 이차 스프링 암을 따른 스트레인 감지 요소를 포함하며,
상기 이차 스프링 암은 상기 일차 스프링 암보다 낮은 강도(stiffness)를 갖는 것으로 특성화되는, 피봇 마운트.
제1항에 있어서, 상기 일차 축 길이는 상기 이차 축 길이보다 큰, 피봇 마운트.
제2항에 있어서, 상기 일차 축 길이를 따른 상기 일차 스프링 암의 평균 폭은 상기 이차 축 길이를 따른 상기 이차 스프링 암의 평균 폭보다 넓은, 피봇 마운트.
제3항에 있어서, 상기 일차 축 길이를 따른 상기 일차 스프링 암의 평균 두께는 상기 이차 축 길이를 따른 상기 이차 스프링 암의 평균 두께와 실질적으로 동일한, 피봇 마운트.
제3항에 있어서, 상기 일차 스프링 암 및 상기 이차 스프링 암은 동일한 재료로 형성되는, 피봇 마운트.
제3항에 있어서, 상기 이차 스프링 암은 상기 이차 축 길이를 따라 스위치백(switch-back)을 포함함으로써 상기 스위치백에 바로 인접한 상기 이차 스프링 암의 제1 빔 세그먼트 및 제2 빔 세그먼트가 서로 평행한, 피봇 마운트.
제6항에 있어서, 상기 스트레인 감지 요소는 상기 이차 스프링 암의 상기 제1 빔 세그먼트에서의 제1 스트레인 감지 요소이고; 상기 피봇 마운트는 상기 이차 스프링 암의 상기 제2 빔 세그먼트에서의 제2 스트레인 감지 요소를 더 포함하는, 피봇 마운트.
제7항에 있어서, 상기 이차 스프링 암의 상기 제1 빔 세그먼트에서의 상기 제1 스트레인 감지 요소에 인접한 제1 기준 게이지, 및 상기 이차 스프링 암의 상기 제1 빔 세그먼트에서의 상기 제1 스트레인 감지 요소에 인접한 제2 기준 게이지를 더 포함하는, 피봇 마운트.
제6항에 있어서, 상기 이차 축 길이를 따른 복수의 스위치백을 더 포함하는, 피봇 마운트.
제9항에 있어서, 상기 이차 축 길이를 따른 상기 복수의 스위치백은 평행한, 피봇 마운트.
제9항에 있어서, 상기 제2 빔 세그먼트는 상기 제1 빔 세그먼트보다 긴, 피봇 마운트.
제3항에 있어서, 상기 이차 스프링 암은 상기 이차 축 길이를 따른 복수의 스위치백, 상기 이차 축 길이를 따른 제1 길이의 복수의 빔 세그먼트, 및 상기 이차 축 길이를 따른 상기 제1 길이보다 긴 제2 길이의 빔 세그먼트를 포함하는, 피봇 마운트.
제1항에 있어서, 상기 일차 축 길이를 따른 상기 일차 스프링 암의 평균 두께는 상기 이차 축 길이를 따른 상기 이차 스프링 암의 평균 두께보다 큰, 피봇 마운트.
제2항에 있어서,
한 쌍의 일차 스프링 암 사이에 측방향으로 한 쌍의 이차 스프링 암을 포함하며, 상기 이차 스프링 암들 각각은 상기 일차 스프링 암들 각각보다 낮은 강도를 갖는 것으로 특성화되는, 피봇 마운트.
이송 기구로서,
관절형(articulating) 이송 헤드 어셈블리;
상기 관절형 이송 헤드 어셈블리 상에 장착 가능한 피봇 마운트 - 상기 피봇 마운트는,
피봇 플랫폼;
베이스;
일차 내부 기부에서 상기 피봇 플랫폼에 고정되고, 일차 외부 기부에서 상기 베이스에 고정되고, 상기 일차 외부 기부와 일차 내부 기부 사이에 걸쳐 있는 대응하는 일차 축 길이에 의해 특성화되는 일차 스프링 암;
이차 내부 기부에서 상기 피봇 플랫폼에 고정되고, 이차 외부 기부에서 상기 베이스에 고정되고, 상기 이차 외부 기부와 이차 내부 기부 사이에 걸쳐 있는 이차 축 길이에 의해 특성화되는 이차 스프링 암; 및
상기 이차 스프링 암을 따른 스트레인 감지 요소를 포함하며,
상기 이차 스프링 암은 상기 일차 스프링 암보다 낮은 강도를 갖는 것으로 특성화됨 - ; 및
상기 피봇 마운트의 상기 피봇 플랫폼 상에 장착 가능한 마이크로 픽업 어레이 - 상기 마이크로 픽업 어레이는 이송 헤드들의 어레이를 포함함 - 를 포함하는, 이송 기구.
제15항에 있어서, 상기 이차 스프링 암은 상기 이차 축 길이를 따른 복수의 스위치백, 상기 이차 축 길이를 따른 제1 길이의 복수의 빔 세그먼트, 및 상기 이차 축 길이를 따른 상기 제1 길이보다 긴 제2 길이의 빔 세그먼트를 포함하는, 이송 기구.
제15항에 있어서, 각각의 이송 헤드는 x- 및 y-치수 모두에서 1 내지 100 μm의 최대 치수에 의해 특성화되는 국부적 접촉 지점을 갖는, 이송 기구.
제15항에 있어서, 상기 일차 축 길이는 상기 이차 축 길이보다 큰, 이송 기구.
제18항에 있어서, 상기 일차 축 길이를 따른 상기 일차 스프링 암의 평균 폭은 상기 이차 축 길이를 따른 상기 이차 스프링 암의 평균 폭보다 넓은, 이송 기구.
제15항에 있어서, 상기 피봇 플랫폼은 복수의 유연성 전압 접점을 포함하고, 상기 마이크로 픽업 어레이는 상기 피봇 플랫폼의 상기 복수의 유연성 전압 접점과 정합(mate)하도록 배열된 복수의 전압 접점을 포함하는, 이송 기구.
제15항에 있어서, 상기 일차 축 길이를 따른 상기 일차 스프링 암의 평균 두께는 상기 이차 축 길이를 따른 상기 이차 스프링 암의 평균 두께보다 큰, 이송 기구.