TW201400399A - 適用的微裝置轉印頭 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種適用的微裝置轉印頭及頭陣列。在實施例中，微裝置轉印頭包括彈簧部分，該彈簧部分可偏轉至基底基板與彈簧部分之間的間隔內。

Description

適用的微裝置轉印頭
本發明係關於微裝置。更特定言之，本發明之實施例係關於微裝置轉印頭及轉移微裝置陣列至不同基板之方法。
整合問題及包裝問題係商業化微裝置(諸如射頻(RF)微電機系統(microelectromechanical systems；MEMS)微動開關之整合、發光二極體(LED)整合至圖像顯示系統上及基於MEMS振盪器或基於石英振盪器)之主要障礙之一。
用於轉移裝置之傳統技術包括藉由晶圓結合自轉移晶圓至接收晶圓之轉移。一種此實施係「直接印刷」，該「直接印刷」涉及裝置陣列自轉移晶圓至接收晶圓之一個結合步驟，隨後移除轉移晶圓。另一種此實施係「轉移印刷」，該「轉移印刷」涉及兩個結合/去結合步驟。在轉移印刷中，轉移晶圓可自供體晶圓拾取裝置陣列，且隨後將該裝置陣列結合至接收晶圓，然後移除轉移晶圓。
已開發一些印刷製程變型，其中可在轉移製程期間將裝置選擇性結合及去結合。然而，在傳統的直接印刷技 術及轉移印刷及該兩種技術之變型中，轉移晶圓必須在將裝置結合至接收晶圓之後自裝置去結合。此外，在轉移製程中涉及具有裝置陣列之整個轉移晶圓。
揭示一種適用的微裝置轉印頭及轉移微裝置陣列至不同基板之方法。舉例而言，接收基板可為但不限於顯示基板、照明基板、具有諸如電晶體之功能裝置之基板或具有金屬再分配線之基板。
在實施例中，微裝置轉印頭包括基底基板及彈簧構件。彈簧構件包括：彈簧錨，該彈簧錨耦接至基底基板；及彈簧部分，該彈簧部分可偏轉至在彈簧部分與基底基板之間的間隔內。彈簧部分亦包含電極。介電層覆蓋電極之頂部表面。彈簧部分可進一步包含檯面結構，該檯面結構突出離開基底基板，其中檯面結構具有錐形側壁且電極係形成於檯面結構之頂部表面上。檯面結構可與彈簧部分單獨或整體地形成。
電極引線可自電極延伸以與基底基板中之接線接觸且連接微裝置轉印頭至靜電夾持元件之工作電子器件。電極引線可自檯面結構之頂表面上之電極且沿著檯面結構之側壁而行進。電極引線或者可在檯面結構下面行進且連接至穿過檯面結構行進至電極之穿孔。彈簧部分可另外包含第二電極及電極引線。
在實施例中，微裝置轉印頭包含感測器以量測彈簧部分之偏轉量。感測器可耦接至彈簧構件或形成於彈簧構 件內。感測器可包含兩個電極，一個電極形成於彈簧構件之底部表面上，且第二電極在下伏於彈簧構件之彈簧部分的間隔內形成在第一電極正下面。感測器可量測應變或電容以決定彈簧部分之偏轉量。藉由感測器量測之偏轉量可指示，例如，轉印頭是否已與微裝置接觸或在微裝置之表面與轉印頭之間是否存在污染。在實施例中，感測器經配置以量測彈簧部分之共振頻率以決定微裝置是否已藉由轉印頭拾取。
下伏於彈簧部分之間隔可為在基底基板之表面中的孔穴。或者，彈簧部分可藉由彈簧錨高出基底基板。彈簧構件可為彈簧臂，該彈簧臂具有耦接至基底基板或彈簧錨之第一端及懸掛在孔穴上方之第二端，其中彈簧錨包含第一端且彈簧部分包含第二端。檯面結構可形成於彈簧臂之第二端上。彈簧構件可包含多個彈簧臂。或者，彈簧部分亦可完全覆蓋孔穴。檯面結構可形成於彈簧部分之頂部表面上，在孔穴之中心之上。
在實施例中，用於選擇性轉移微裝置之方法包括以下步驟：使適用的微裝置轉印頭陣列與微裝置陣列接觸，每一適用的微裝置轉印頭包含偏轉感測器。隨後可量測每一轉印頭之偏轉量，且每一轉印頭可基於藉由轉印頭中之感測器偵測之偏轉量而選擇性啟動，以使得僅啟動轉印頭之偏轉指示與微裝置表面接觸的彼等轉印頭以拾取對應微裝置。
在實施例中，用於選擇性拾取微裝置陣列之方法包括微裝置轉印頭陣列，其中每一轉印頭包括在彈簧部分之背側上的電極及在孔穴之底部處、與背側電極相對的對應電 極。背側電極或相對電極中之一者可藉由介電層覆蓋以防止短路。當降低轉印頭時，可在兩個電極兩端施加電壓以將轉印頭鎖定在降低位置。為賦能選擇性轉移，在陣列中之轉印頭可首先經降低且鎖定在降低位置。可隨後自一部分轉印頭選擇性移除電壓，以自降低位置釋放選擇之轉印頭，以便該等轉印頭準備好拾取微裝置。轉印頭陣列可定位在載體基板上之微裝置陣列上方，且與微裝置陣列接觸以便僅選擇性釋放之轉印頭接觸且拾取對應部分的微裝置。
100‧‧‧轉印頭
102‧‧‧基底基板
104‧‧‧檯面
104A‧‧‧檯面結構
104B‧‧‧檯面結構
105‧‧‧溝槽
106‧‧‧側壁
108‧‧‧頂部表面
110‧‧‧彈簧構件
111‧‧‧鈍化層
112‧‧‧間隔
113‧‧‧介電層
114‧‧‧電極引線
114A‧‧‧電極引線
114B‧‧‧電極引線
116‧‧‧電極
116A‧‧‧電極
116B‧‧‧電極
117A‧‧‧導電穿孔
117B‧‧‧導電穿孔
120‧‧‧彈簧錨
120A‧‧‧彈簧錨
120B‧‧‧彈簧錨
120C‧‧‧彈簧錨
120D‧‧‧彈簧錨
122‧‧‧彈簧部分
124‧‧‧彈簧臂
124A‧‧‧彈簧臂
124B‧‧‧彈簧臂
124C‧‧‧彈簧臂
124D‧‧‧彈簧臂
126‧‧‧頂部表面
128‧‧‧應變感測器
128A‧‧‧應變感測器
128B‧‧‧應變感測器
130‧‧‧互連線
132‧‧‧彈簧層
134‧‧‧背側電極
136‧‧‧介電層
138‧‧‧相對電極
140‧‧‧接地面
144‧‧‧彈簧平臺
200‧‧‧微裝置轉印頭
200A‧‧‧轉印頭
200B‧‧‧轉印頭
200C‧‧‧轉印頭
200D‧‧‧轉印頭
202‧‧‧基底基板
204‧‧‧檯面結構
206‧‧‧錐形側壁
208‧‧‧頂部表面
209‧‧‧頂部表面
210‧‧‧彈簧構件
212‧‧‧間隔
213‧‧‧介電層
214A‧‧‧電極引線
214B‧‧‧電極引線
215‧‧‧凹槽
216‧‧‧電極
216A‧‧‧電極
216B‧‧‧電極
220‧‧‧彈簧錨
222‧‧‧彈簧部分
226‧‧‧頂部表面
228A‧‧‧應變感測器
228B‧‧‧應變感測器
230‧‧‧互連線
234‧‧‧背側電極
236‧‧‧介電層
238‧‧‧相對電極
266‧‧‧彈簧層
300‧‧‧微LED裝置
300A‧‧‧微裝置
300B‧‧‧微裝置
300D‧‧‧微裝置
301‧‧‧基板
302‧‧‧支柱
310‧‧‧結合層
314‧‧‧摻雜層
316‧‧‧量子阱層
318‧‧‧摻雜層
320‧‧‧金屬化層
321‧‧‧頂部表面
335‧‧‧微p-n型二極體
350‧‧‧微p-n型二極體
351‧‧‧底部表面
352‧‧‧頂部表面
353‧‧‧側壁
360‧‧‧保形介電障壁層
362‧‧‧接觸開口
400‧‧‧污染顆粒
401‧‧‧接收基板
410‧‧‧驅動器接觸
1402‧‧‧基底基板
1404‧‧‧檯面結構
1411‧‧‧鈍化層
1412‧‧‧間隔
1413‧‧‧介電層
1416‧‧‧金屬電極
1416A‧‧‧電極
1416B‧‧‧電極
1417‧‧‧訊號線
1434‧‧‧背側電極
1438‧‧‧埋入電極
1450‧‧‧金屬凸塊
1452‧‧‧互連線
1454‧‧‧活性區
1456‧‧‧介電層
1460‧‧‧處理基板
1462‧‧‧氧化層
1464‧‧‧金屬墊
1466‧‧‧彈簧層
1502‧‧‧基底基板
1504‧‧‧檯面結構
1512‧‧‧間隔
1513‧‧‧介電層
1514A‧‧‧電極引線
1514B‧‧‧電極引線
1515‧‧‧凹槽
1516A‧‧‧電極
1516B‧‧‧電極
1519‧‧‧凹坑
1560‧‧‧處理基板
1561‧‧‧檯面孔穴
1562‧‧‧圖案化層
1563‧‧‧金屬層
1565‧‧‧掩模
1566‧‧‧彈簧層
1602‧‧‧基底基板
1604‧‧‧檯面結構
1610‧‧‧彈簧構件
1612‧‧‧間隔
1613‧‧‧介電層
1616‧‧‧電極
1616A‧‧‧電極
1616B‧‧‧電極
1620A‧‧‧彈簧錨
1620B‧‧‧彈簧錨
1622‧‧‧彈簧部分
1624‧‧‧彈簧層
T‧‧‧厚度
W‧‧‧寬度
L‧‧‧長度
1710‧‧‧操作
1720‧‧‧操作
1730‧‧‧操作
1740‧‧‧操作
1750‧‧‧操作
1810‧‧‧操作
1820‧‧‧操作
1825‧‧‧操作
1830‧‧‧操作
1840‧‧‧操作
1845‧‧‧操作
1850‧‧‧操作
1910‧‧‧操作
1920‧‧‧操作
1930‧‧‧操作
1940‧‧‧操作
1950‧‧‧操作
2010‧‧‧操作
2020‧‧‧操作
2030‧‧‧操作
2040‧‧‧操作
2050‧‧‧操作
2060‧‧‧操作
2110‧‧‧操作
2120‧‧‧操作
2130‧‧‧操作
2140‧‧‧操作
2150‧‧‧操作
2160‧‧‧操作
2170‧‧‧操作
2180‧‧‧操作
第1圖為根據本發明之實施例之雙極性懸臂微裝置轉印頭的橫截面側視圖及等角圖解。
第2圖為根據本發明之實施例之單極性懸臂微裝置轉印頭的等角圖解。
第3圖為根據本發明之實施例之雙極性懸臂微裝置轉印頭的等角圖解。
第4圖為根據本發明之實施例之包括導電穿孔的懸臂雙極性微裝置轉印頭的等角圖解。
第5A圖至第5B圖為根據本發明之實施例之雙極性懸臂微裝置轉印頭的自頂向下圖解。
第6A圖至第6D圖為根據本發明之實施例之懸臂微裝置轉印頭的感測器元件的橫截面側視圖圖解。
第7圖為根據本發明之實施例之雙極性懸臂微裝置轉印頭陣列的等角圖解。
第8圖為根據本發明之實施例之包括導電接地面 的雙極性懸臂微裝置轉印頭陣列的等角圖解。
第9圖為根據本發明之實施例之包括導電接地面之雙極性懸臂微裝置轉印頭陣列的橫截面側視圖圖解。
第10圖為根據本發明之實施例之包含多個彈簧臂的雙極性微裝置轉印頭的等角圖解。
第11圖為根據本發明之實施例之雙極性膜微裝置轉印頭的橫截面側視圖圖解。
第12圖為根據本發明之實施例之膜微裝置轉印頭的俯視(overhead)等角圖解。
第13A圖至第13E圖為根據本發明之實施例之雙極性膜微裝置轉印頭的橫截面側視圖圖解。
第14A圖至第14E圖為根據本發明之實施例用於形成雙極性膜微裝置轉印頭的方法的橫截面側視圖圖解。
第15A圖至第15K圖為根據本發明之實施例用於形成雙極性膜微裝置轉印頭的方法的橫截面側視圖圖解。
第16A圖至第16D圖為根據本發明之實施例之升高的微裝置轉印頭的橫截面側視圖圖解。
第17圖為根據本發明之實施例圖示自載體基板拾取及轉移微裝置至接收基板的方法的流程圖。
第18圖為根據本發明之實施例圖示自載體基板拾取及轉移微裝置陣列至至少一個接收基板之方法的流程圖。
第19圖為根據本發明之實施例圖示自載體基板拾取及轉移微裝置陣列至至少一個接收基板之方法的流程 圖。
第20圖為根據本發明之實施例圖示自載體基板拾取及轉移微裝置陣列之選擇部分至至少一個接收基板之方法的流程圖。
第21圖為根據本發明之實施例圖示基於來自每一微裝置轉印頭中之一或多個感測器之資訊自載體基板拾取及轉移一部分微裝置陣列至至少一個接收基板之方法的流程圖。
第22A圖至第22B圖為根據本發明之實施例微裝置轉印頭陣列與微LED裝置陣列接觸的橫截面側視圖圖解。
第23圖為根據本發明之實施例拾取微LED裝置陣列之微裝置轉印頭陣列的橫截面側視圖圖解。
第24圖為根據本發明之實施例拾取一部分之微LED裝置陣列的微裝置轉印頭陣列的橫截面側視圖圖解。
第25圖為根據本發明之實施例具有定位於接收基板之上的微LED裝置陣列之微裝置轉印頭陣列之橫截面側視圖圖解。
第26圖為根據本發明之實施例之釋放至接收基板上的微裝置陣列的橫截面側視圖圖解。
第27圖為根據本發明之實施例之各種微LED結構之橫截面側視圖圖解，該各種微LED結構包括具有小於微p-n二極體之頂部表面之寬度的接觸開口。
第28圖為根據本發明之實施例之各種微LED結 構之橫截面側視圖圖解，該各種微LED結構包括具有大於微p-n二極體之頂部表面之寬度的接觸開口。
第29圖為根據本發明之實施例之各種微LED結構之橫截面側視圖圖解，該各種微LED結構包括具有與微p-n二極體之頂部表面相同之寬度的接觸開口。
第30圖為圖示在拾取操作期間轉印頭之彈簧部分之偏轉的不同程度的微裝置轉印頭陣列之橫截面側視圖圖解。
第31圖為其中一部分轉印頭已鎖定在降低位置中之微裝置轉印頭陣列之橫截面側視圖圖解。
本發明之實施例描述適用的微裝置轉印頭及頭陣列，及自載體基板轉移微裝置及微裝置陣列至接收基板的方法。接收基板可為但不限於顯示基板、照明基板、具有諸如電晶體或積體電路(IC)之功能裝置之基板或具有金屬再分配線之基板。在一些實施例中，本文描述之微裝置及微裝置陣列可為微LED裝置，諸如在第26圖至第28圖中圖示之結構及在相關美國專利申請案第13/372,222號中描述之彼等裝置，該美國專利申請案係以引用之方式併入本文。儘管具體關於微LED而描述本發明之一些實施例，但應瞭解，本發明之實施例不受限於此且某些實施例亦可能可適應於其他微裝置，諸如二極體、電晶體、積體電路(IC)及MEMS。
在各種實施例中，參考圖式進行描述。然而，某些實施例可無需一或多個該等具體細節或結合其他已知方法 及設置而實踐。在以下描述中，闡述大量具體細節，諸如具體設置、尺寸及製程等，以提供本發明之透徹理解。在其他例子中，沒有特別詳細描述熟知的半導體製程及製造技術，以免不必要地模糊本發明。本說明書全文對「一個實施例」、「實施例」等之提及意指與實施例有關而描述之特定特徵結構、結構、設置或特性係包括在本發明之至少一個實施例內。因此，在本說明書全文各個位置處之用語「在一個實施例中」、「實施例」等之出現未必指本發明之相同實施例。此外，在一或多個實施例中可以任何適當方式結合特定特徵結構、結構、設置或特性。
如本文所使用之術語「在...之上」、「至」、「在...之間」及「於...上」可指一層相對於其他層之相對位置。「在」另一層「之上」或「於」另一層「上」或結合「至」另一層之一層可直接與另一層接觸或可具有一或多個中間層。「在」層「之間」的一層可直接與該等層接觸或可具有一或多個中間層。
如本文所使用之術語「微」裝置或「微」LED結構可指根據本發明之實施例之某些裝置或結構之描述性大小。如本文所使用，術語「微」裝置或結構意指1μm至100μm之尺度。然而，應瞭解，本發明之實施例不必受此限制，且實施例之某些態樣可適應於較大的大小尺度及可能較小的大小尺度。
在一個態樣中，本發明之實施例描述以適用的轉印頭陣列大量轉移預製造微裝置陣列之方式。舉例而言，預 製造微裝置可具有特定功能，該等預製造微裝置諸如但不限於用於發光之LED、用於邏輯系統及記憶體之矽IC，及用於射頻(RF)通訊之砷化鎵(GaAs)電路。在一些實施例中，將準備用於拾取之微LED裝置陣列描述為具有10×10間距或5×5間距。在該等密度下，例如，6吋基板可容納具有10×10間距之近似1.65億微LED裝置或具有5×5間距之近似6.60億微LED裝置。轉移工具可用來拾取及轉移微LED裝置陣列至接收基板，該轉移工具包括與對應微LED裝置陣列之間距之整數倍數匹配的適用的轉印頭陣列。以此方式，有可能將微LED裝置整合且裝配成為異質整合系統，包括範圍自微顯示器至大面積顯示器之任何大小之基板，且在高轉移速率下整合且裝配。舉例而言，1cm×1cm之微裝置轉印頭陣列可拾取且轉移多於100,000個微裝置，且較大的微裝置轉印頭陣列能夠轉移更多微裝置。在適用的轉印頭陣列中之每一適用的轉印頭亦可為獨立可控制，此賦能微裝置之選擇性拾取及釋放。
在一個態樣中，本發明之實施例描述適用的微裝置轉印頭及轉移之方法，其中與不適用的轉印頭陣列相比，微裝置轉印頭陣列賦能與微裝置陣列之改良接觸。將適用的微裝置轉印頭陣列降落至微裝置陣列上直至轉印頭與微裝置接觸，其中每一轉印頭包括彈簧構件。適用的轉印頭之彈簧構件元件可補償在微裝置之高度上的變化或補償在微裝置之頂部上的顆粒污染。舉例而言，在無彈簧構件之情況下，轉印頭陣列將有可能不與陣列中之每一個微裝置接觸。不規則的微裝置高度或單個微裝置之頂部表面上的顆粒可阻止剩餘 的轉印頭與陣列中之剩餘的微裝置接觸。因此，氣隙可形成在彼等轉印頭與微裝置之間。藉由此氣隙，目標施加電壓將有可能不產生充分的靜電力來克服氣隙，從而導致不完全的拾取製程。根據本發明之實施例，與較高的微裝置或污染之微裝置相關聯之彈簧構件可偏轉超過與單個轉移基板上之較短微裝置相關聯之彈簧構件。以此方式，彈簧構件亦可補償在微裝置之高度上的變化，以協助每一適用的轉印頭與每一微裝置接觸，且彈簧構件亦可確保拾取每一所欲微裝置。
在一個態樣中，適用的微裝置轉印頭結構包括感測器，該感測器在使轉印頭與微裝置接觸時監視彈簧構件之偏轉量。可因各種原因使用感測器。在一個應用中，感測器可用來決定是否已與各個微裝置進行接觸。在另一應用中，感測器可用來偵測不規則成形或污染之微裝置。以此方式，可決定是否繼續嘗試拾取不規則或污染之微裝置。另外，可決定在再嘗試拾取操作之前是否應用清洗操作至轉印頭陣列或微裝置陣列。在另一應用中，感測器可用來偵測微裝置是否經附接至轉印頭且是否已成功地拾取該微裝置。
在另一態樣中，用於選擇性轉移微裝置之方法包括以下步驟：使適用的微裝置轉印頭陣列與微裝置陣列接觸，每一適用的微裝置轉印頭包含偏轉感測器。每一轉印頭之偏轉量可藉由偏轉感測器量測以決定轉印頭是否已接觸微裝置、指示污染或不規則性在微裝置表面上的存在或指示微裝置之不存在。就此而言，每一轉印頭可基於藉由偏轉感測器偵測之偏轉量而選擇性啟動，以便僅啟動轉印頭之偏轉指 示與微裝置表面接觸的彼等轉印頭以拾取對應微裝置。
在另一態樣中，用於選擇性轉移微裝置之方法包括降低陣列中之適用的轉印頭、鎖定轉印頭於降低位置且隨後自降低位置選擇性釋放一部分轉印頭，以便每一釋放之轉印頭可接觸且拾取微裝置陣列中之對應微裝置。
現在參考第1圖，根據本發明之實施例圖示具有單極電極之適用的轉印頭100之等角視圖及適用的轉印頭陣列之對應橫截面側視圖。第2圖為第1圖中圖示之彈簧構件110之特寫等角視圖。本文揭示之微裝置轉印頭之彈簧構件特徵結構可使用賦能轉印頭之偏轉的各種結構而執行。示例性實施例包括懸臂梁(例如，見第1圖)、多個彈簧臂(例如，見第10圖)、膜(例如，見第11圖)及升高平臺(例如，見第16A圖至第16D圖)。其他結構對賦能適用的轉印頭而言可為可能的。轉印頭之特定實施例之額外特徵結構可藉由彈簧構件之結構而決定，諸如檯面結構之添加、電極引線之放置及偏轉感測器之類型及位置。因此，儘管參閱第1圖及第2圖中圖示之懸臂彈簧構件結構描述特徵結構，諸如基底基板、彈簧構件、一或多個電極及介電層之材料及特性，但應理解，某些特徵結構可同樣適用於隨後描述之其他彈簧構件結構實施例。
每一轉印頭可包括基底基板102、彈簧構件110及覆蓋電極之頂部表面的介電層113，該彈簧構件110包含耦接至基底基板102之彈簧錨120及包含電極116之彈簧部分122。彈簧部分122可偏轉至在彈簧部分122與基底基板102 之間的間隔112內。在第1圖至第2圖之等角視圖圖解中未圖示介電層113，以便可圖示下層元件。彈簧部分122可包括彈簧臂124及檯面104，該檯面104包括頂部表面108及錐形側壁106。
基底基板102可由各種材料形成，諸如能夠提供結構支撐之矽、陶瓷及聚合物。在實施例中，基底基板102具有在103 ohm-cm與1018 ohm-cm之間的電導率。基底基板102可另外包括互連線130以經由電極引線114連接微裝置轉印頭100至靜電夾持器元件之工作電子器件。
再次參考第1圖，彈簧構件110之彈簧部分122可偏轉至間隔112內，該間隔112使彈簧部分122與基底基板102分離。在實施例中，彈簧構件110之一個端包含彈簧錨120，彈簧構件110係藉由該彈簧錨120耦接至基底基板102，且另一端包含懸掛在間隔112上方之彈簧部分122。在實施例中，彈簧部分122包含彈簧臂124、檯面結構104、電極116及電極引線114。彈簧臂124係由具有彈性模數之材料形成，該彈性模數使彈簧部分122能夠在微裝置轉移製程之工作溫度範圍內偏轉至間隔112內。在實施例中，彈簧臂124係由與基底基板102相同或不同的材料形成，例如，諸如矽之半導體材料或諸如二氧化矽及氮化矽之介電材料。在實施例中，彈簧臂124係與基底基板102整體地形成，諸如，在間隔112之蝕刻期間。在另一實施例中，彈簧臂124係由沉積、生長或結合至基底基板102上之材料層形成。
在實施例中，彈簧臂124之材料及尺寸係經選擇 以在轉印頭100之頂部表面在多達350℃之操作溫度下受到多達10atm之壓力時使彈簧部分122能夠偏轉近似0.5μm至間隔112內。參考第2圖，根據本發明之實施例，彈簧臂124具有厚度T、寬度W及長度L。在實施例中，彈簧臂124係由矽形成且具有多達1μm之厚度T。彈簧臂124之厚度T可大於或小於1μm，此取決於形成彈簧臂124之材料的彈性模數。在實施例中，彈簧臂124之寬度W足以容納額外的彈簧部分及轉印頭元件，諸如電極116及檯面結構104。在實施例中，彈簧臂124之寬度W可對應於待拾取之微裝置之大小。舉例而言，在微裝置為3μm至5μm寬的情況中，彈簧臂之寬度亦可為3μm至5μm，且在微裝置為8μm至10μm寬的情況中，彈簧臂之寬度亦可為8μm至10μm。彈簧臂124之長度L係足夠長以在給定形成彈簧臂124之材料之模數的情況下賦能彈簧部分122之偏轉，但該長度L小於轉印頭陣列中之轉印頭100之間距。在實施例中，彈簧臂124之長度L可自8μm至30μm。
在第1圖及第2圖中圖示之懸臂彈簧構件110之彈簧部分122進一步包括突出遠離基底基板102之檯面結構104。檯面結構104具有錐形側壁106及頂部表面108。檯面結構104可使用任何合適的處理技術形成，且可由與彈簧臂124相同或不同的材料形成。在一個實施例中，檯面結構104係例如藉由使用澆鑄技術或微影圖案化技術及蝕刻技術而與彈簧臂124整體地形成。在實施例中，可利用各向異性蝕刻技術形成檯面結構104之錐形側壁106。在另一實施例中，可 將檯面結構104沉積或生長及圖案化於基底基板102之頂部上。在實施例中，檯面結構104為形成於矽彈簧臂124上之圖案化氧化層，諸如二氧化矽。
在一個態樣中，檯面結構104在拾取操作期間產生突出遠離基底基板之輪廓以便提供局部接觸點來拾取特定微裝置。在實施例中，檯面結構104具有近似1μm至5μm的高度，或更具體而言近似2μm的高度。檯面結構104之特定尺寸可取決於待拾取之微裝置之特定尺寸，以及形成於檯面結構之上的任何層之厚度。在實施例中，基底基板102上之檯面結構104之陣列的高度、寬度及平坦度橫越基底基板係均勻的，以便在拾取操作期間每一微裝置轉印頭100能夠與每一對應微裝置接觸。在實施例中，橫越每一微裝置轉印頭之頂部表面126之寬度稍大於、近似相同或小於對應微裝置陣列中之每一微裝置之頂部表面的寬度，以便在拾取操作期間轉印頭不會無意中與鄰近於所欲對應微裝置之微裝置接觸。如下文進一步詳細描述，由於額外層(例如，鈍化層111、電極116及介電層113)可形成於檯面結構104之上，故檯面結構之寬度可解釋上覆層之厚度，以便橫越每一微裝置轉印頭之頂部表面126的寬度稍大於、近似相同或小於對應微裝置陣列中之每一微裝置之頂部表面的寬度。
仍參閱第1圖及第2圖，檯面結構104具有頂部表面108及側壁106，該頂部表面108可為平坦的。在實施例中，例如，側壁106可呈最高10度之錐形。錐形側壁106可有利於形成電極116及電極引線114，如下文進一步描述。鈍 化層111可覆蓋基底基板102及彈簧臂124及檯面結構104之陣列。在實施例中，鈍化層可為0.5μm至2.0μm厚度的氧化物，諸如但不限於氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)或氧化鉭(Ta2O5)。
彈簧構件110根據實施例進一步包含電極116及電極引線114。在實施例中，電極116係形成於檯面結構104之頂部表面108上。在示例性實施例中，檯面結構104之頂部表面108為近似7μm×7μm以實現轉印頭100之8μm×8μm頂部表面，電極116係形成在檯面結構104之頂部表面108上。根據實施例，電極116儘可能覆蓋檯面結構104之頂部表面108之最大量的表面面積，同時保持在圖案化公差內。最小化自由空間之量增加電容及所得緊握壓力，該緊握壓力可藉由微裝置轉印頭實現。儘管在第1圖及第2圖中於檯面結構104之頂部表面108上圖示一定量的自由空間，但電極116可覆蓋整個頂部表面108。電極116亦可稍微大於頂部表面108，且部分或全部延伸沿著檯面結構104之側壁106向下以確保完全覆蓋頂部表面108。應瞭解，檯面陣列可具有各種不同間距，且本發明之實施例不局限於10μm間距之檯面結構104之示例性7μm×7μm頂部表面。
電極引線114可自檯面結構104之頂部表面108上之電極116、沿著檯面結構之側壁106向下、沿著彈簧臂124之頂部表面且在彈簧錨120之上而行進。在實施例中，電極引線114連接至基底基板102中之互連線130，該電極引線114可行進穿過基底基板至基底基板之背側。
可使用包括金屬、金屬合金、耐火金屬及耐火金屬合金之各種導電材料來形成電極116及電極引線114。在實施例中，電極116具有多達5000Å(0.5μm)之厚度。在實施例中，電極116包括諸如鉑或耐火金屬或耐火金屬合金之高熔融溫度金屬。舉例而言，電極可包括鉑、鈦、釩、鉻、鋯、鈮、鉬、釕、銠、鉿、鉭、鎢、錸、鋨、銥及前述各者之合金。耐火金屬及耐火金屬合金大體顯示出比其他金屬更高的耐熱性及耐磨性。在實施例中，電極116每一者為近似500Å(0.05μm)厚的鈦鎢(TiW)耐火金屬合金層。
在實施例中，介電層113覆蓋電極116。介電層113亦可覆蓋轉印頭100及基底基板102上之其他暴露層。在實施例中，介電層113具有合適厚度及介電常數用於實現微裝置轉印頭100之要求緊握壓力，且具有足夠介電強度以不在操作電壓下擊穿。介電層113可為單層或多個層。在實施例中，介電層的厚度為0.5μm至2.0μm，然而厚度可取決於轉印頭100及下層檯面結構104之具體表面拓撲而更大或更小。合適介電材料可包括但不限於氧化鋁(Al2O3)及氧化鉭(Ta2O5)。根據本發明之實施例，介電層113具有大於所施加電場之介電強度以便避免在操作期間轉印頭短路。可藉由各種合適技術沉積介電層113，諸如化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)及諸如濺射之物理氣相沉積(PVD)。沉積之後可另外將介電層113退火。在一個實施例中，介電層113具有至少400V/μm之介電強度。此高介電強度可允許使用更薄的介電層。可利用諸如ALD之技術沉積具有良好介電強度之均 勻、保形、密度高及/或無針孔之介電層。亦可利用多個層實現此無針孔介電層。亦可利用不同介電材料之多個層形成介電層113。在實施例中，下層電極116包括具有高於一或多種介電層材料之沉積溫度之熔融溫度的鉑或耐火金屬或耐火金屬合金，以便不成為選擇介電層113之沉積溫度之限制因素。在實施例中，在介電層113之沉積之後，可將薄塗層(未圖示)形成於介電層113之上以便提供特定黏滯力係數，來添加側面摩擦且使微裝置免於在拾取操作期間被撞下轉印頭。在此實施例中，額外薄塗層替代頂部表面126作為接觸表面，且此表面滿足本文描述之空間陣列需求。此外，額外塗層可影響微裝置轉印頭之介電性質，此可影響微裝置轉印頭之可操作性。在實施例中，額外塗層厚度可為極小(例如低於10nm)以便對緊握壓力具有很少甚至沒有可感知作用。
彈簧部分122可偏轉至在彈簧部分122與基底基板102之間的間隔112內。在實施例中，間隔112為在基底基板102之表面中之孔穴。在另一實施例中，彈簧部分122高出基底基板102以產生間隔112。在實施例中，間隔112延伸在彈簧部分122之彈簧臂124下面。間隔112亦可包含在基底基板102之頂部表面下方的底切部分。選擇間隔112之尺寸以使彈簧部分122能夠偏轉至間隔112內，如上相對於彈簧臂124所述。
第3圖為根據本發明之實施例之具有雙極電極之彈簧構件110的特寫等角視圖。在實施例中，電極116A及電極116B覆蓋檯面結構104。為了清晰起見，未圖示上覆介電 層。在實施例中，電極116A及電極116B係形成在覆蓋檯面結構104之鈍化層(未圖示)之上。在示例性實施例中，在檯面結構104之頂部表面108為對應於具有10μm間距之檯面陣列的近似7μm×7μm的情況中，電極可儘可能覆蓋檯面結構104之頂部表面108之最大量的表面面積，同時仍提供在電極116A與電極116B之間的分隔。最小量的分隔距離可藉由考慮最大化表面面積來平衡，同時避免與電極之電場重疊。舉例而言，可將電極116A、電極116B分隔0.5μm或更少，且最小分隔距離可由電極之高度而限制。在實施例中，電極在一個方向上比頂部表面108長，且部分或全部延伸沿著檯面結構104之側壁106向下以確保頂部表面108之最大覆蓋。應瞭解，檯面陣列可具有各種不同間距，且本發明之實施例不局限於10μm間距之檯面結構104之示例性7μm×7μm頂部表面。
電極引線114A及電極引線114B分別連接至檯面結構104之頂部表面108上之電極116A及電極116B。電極114可沿著檯面結構104之單個傾斜側壁106向下且沿著彈簧臂124之頂部表面行進至彈簧錨120。側壁106之傾斜有助於沉積及蝕刻金屬以形成電極引線114。在實施例中，電極引線114A及電極引線114B每一者係定位鄰近於彈簧臂124之邊緣，以便允許在電極引線之間的彈簧臂感測器(未圖示)形成於彈簧臂124之頂部表面上。電極引線114A、電極引線114B可由與電極116A、電極116B相同或不同的導電材料形成。
現在參考第4圖，提供根據本發明之實施例之具有雙極電極之彈簧構件110的等角視圖，該雙極電極具有替代電極引線設置。在此實施例中，電極引線114A、電極引線114B行進在部分檯面結構104下面，且導電穿孔117A、導電穿孔117B行進穿過檯面結構104(及未圖示之可選鈍化層110)，連接電極116A、電極116B至各個電極引線114A、電極引線114B。在此實施例中，導電穿孔117A、導電穿孔117B可在形成檯面結構104之前形成，且可由與電極引線114A、電極引線114B及電極116A、電極116B相同或不同的導電材料形成。儘管在第4圖中關於雙極電極結構而圖示穿孔117A、穿孔117B，但應瞭解，亦可將上述穿孔或多個穿孔整合進入單極電極結構。
現在參考第5A圖至第5B圖，根據本發明之實施例提供雙極性微裝置轉印頭之電極116A、電極116B的頂視圖圖解。至此，檯面結構104係已描述為如第5A圖所示之單個檯面結構。然而，本發明之實施例不受限於此。在第5B圖圖示之實施例中，每一電極116係形成於藉由溝槽105分隔之分隔檯面結構104A、104B上。可選鈍化層(未圖示)可覆蓋兩個檯面結構104A、104B。
第6A圖至第6D圖每一者圖示併入一或多個感測器之微裝置轉印頭100之實施例。感測器可在轉印頭之操作期間服務各種用途。舉例而言，在感測器係用來量測轉印頭之偏轉量的情況中，此資訊可用來決定：(1)是否已與待拾取之微裝置進行接觸；(2)微裝置上是否存在污染或者微裝置 是否已受損害或變形；或(3)微裝置是否已被拾取。
第6A圖至第6B圖圖示根據本發明之實施例之包含應變感測器128A/128B之轉印頭之橫截面側視圖。在實施例中，應變感測器128A/128B係能夠量測彈簧部分122至間隔112內之偏轉量的應變儀。當轉印頭在拾取操作期間接觸微裝置之表面時，轉印頭回應於接觸壓力可偏轉某一量。藉由量測彈簧部分122之偏轉量且比較該偏轉量與已知為指示與微裝置表面之完全接觸之偏轉量，應變感測器128A/128B可指示轉印頭100是否已與陣列中之微裝置之頂部表面接觸且因此準備好執行拾取操作。偵測到太少偏轉可指示微裝置不存在於陣列中之彼位置，而偵測到太多偏轉則由於存在污染顆粒或另外受損或變形之微裝置，而可指示在微裝置之表面與轉印頭之表面之間的分隔或不完全接觸。在兩者情況下，可不施加電壓至轉印頭以免嘗試拾取不存在或受損之微裝置。在其中偵測到污染之情況中，可在再嘗試拾取操作之前對轉印頭、微裝置或轉印頭及微裝置之各個陣列應用清洗操作。
在另一實施例中，應變感測器128A/128B係能夠量測彈簧部分122之共振頻率。彈簧臂124將具有固有共振頻率，該彈簧臂124支承諸如檯面結構104、電極(未圖示)及介電層(未圖示)之轉印頭元件之重量。在拾取轉印頭之表面上之微裝置之後，共振頻率將由於微裝置之額外重量而改變。在實施例中，應變感測器128A/128B可偵測在彈簧部分122之共振頻率中之改變，該改變指示已藉由轉印頭成功 地拾取微裝置。
在實施例中，感測器128A/B可直接形成於基底基板102上或基底基板102中。在實施例中，感測器128A/B可形成於彈簧層132上或彈簧層132中，該彈簧層132形成在基板102之上。舉例而言，彈簧層132為矽，在此情況下鈍化層(未圖示)係形成在應變感測器128A與彈簧錨120及彈簧部分122之介面之間，以使感測器絕緣。在另一實施例中，彈簧層132為氧化物層或氮化物層。參考第6A圖，在實施例中，應變感測器128A係越過彈簧錨120及彈簧部分122之介面而形成於彈簧層132上。當彈簧部分122偏轉至間隔112內時，沿著彈簧臂124之應變係不均勻的；彈簧臂124在彈簧部分122及彈簧錨120之介面處經歷最大量的應變。在實施例中，應變感測器128A跨越彈簧錨120及彈簧部分122之介面，以便經受與彈簧部分122之偏轉相關聯之最大量的應力。
在實施例中，應變感測器128A包含壓電材料。壓電材料響應於施加之機械應力而累積電荷。電荷沿著壓電感測器之應變表面之累積可產生與應變數有關之可量測電壓。就此而言，當彈簧部分122偏轉至間隔112內時，在應變感測器之上表面與下表面之間的電壓隨著在彈簧錨120及彈簧部分122之介面處之應變的增加而增加，以賦能計算彈簧部分122之偏轉量。例如，壓電材料包括諸如石英之晶體材料及諸如鈦酸鋯鉛(PZT)之陶瓷材料。
在另一實施例中，應變感測器128A包含壓阻材 料。壓阻材料之電阻率響應於施加之機械應力而改變。就此而言，應變感測器128A可易受電流影響，以便當彈簧部分122偏轉至間隔112內時，應變感測器128A之電阻率隨著在彈簧錨120及彈簧部分122之介面處的應變增加而增加，從而導致在感測器兩端的電壓的可量測增加。可由電壓中之改變而計算偏轉量。壓阻材料包括，例如，多晶矽、非晶矽、單晶矽或鍺。
在實施例中，應變感測器128B係形成在彈簧錨120與彈簧部分122之介面處之基底基板102的表面內，如第6B圖所示。在實施例中，彈簧部分122之彈簧錨120及彈簧臂124係由矽形成。在實施例中，彈簧錨120及彈簧部分122之介面之部分係經摻雜以形成壓阻應變感測器128B。舉例而言，矽表面可摻雜硼用於p型材料或摻雜砷用於n型材料。當摻雜感測器區域受到應變時，電荷載子之變化遷移率導致壓阻效應。
在另一態樣中，應變感測器128A、應變感測器128B係用來量測彈簧部分122之共振頻率。在實施例中，彈簧部分122在藉由形成彈簧部分122之元件之重量部分決定之共振頻率下振動。振動引起在彈簧錨120及彈簧部分122之介面處的應變之相應振動量。在已藉由轉印頭拾取微裝置之後，微裝置之額外重量將改變彈簧部分122之共振頻率，引起在彈簧錨120及彈簧部分122之介面處的振動應變之變化，該等變化可藉由應變感測器128量測。以此方式，應變感測器128A、應變感測器128B可用來決定轉印頭在拾取操 作期間是否已成功地拾取微裝置。
參考第6C圖，根據本發明之實施例，相對電極係形成於彈簧部分122及大塊基板102中之每一者上。在實施例中，面向間隔112之彈簧臂124之底部表面包含背側電極134。在實施例中，背側電極134係定位在與形成於頂部表面上之檯面結構104相對之彈簧臂124之底部表面上。在實施例中，相對電極138係形成於基底基板102上，與間隔112內之背側電極134正對。在實施例中，介電層136覆蓋相對電極138。在另一實施例中，介電層136覆蓋背側電極134。
在實施例中，電極134及電極138充當電容感測器。在兩個並行導體之間的電容量隨著在導體之間的距離降低而增加。在實施例中，電壓係施加在電極134及電極138兩端。當彈簧部分122在間隔112內朝向基底基板102降低時，在電極134與電極138之間的距離降低，導致在電極134與電極138之間的電容增加。以此方式，彈簧部分122之偏轉量可由在橫越介電層136與間隔112之電極134與電極138之間的電容的變化來計算。當彈簧部分122完全降低在間隔112內時，介電層136防止在電極之間的短路。相對電極134、相對電極138可由任何合適導電材料形成，諸如上文相對於電極116論述之彼等材料。
在另一應用中，電極134及電極138可用來量測彈簧部分122之共振頻率。如上所述，在實施例中，彈簧部分122在藉由形成彈簧部分122之元件之重量部分決定之共振頻率下振動。振動可在電極134與電極138之間引起相應 振動電容。在微裝置已藉由轉印頭拾取之後，微裝置之額外重量將改變彈簧部分122之共振頻率，從而引起藉由電極134及電極138量測之振動電容之變化。以此方式，電極134及電極138可用來決定轉印頭是否已在拾取操作期間成功地拾取微裝置。
在第6C圖圖示之結構之又一應用中，電極134及電極138連同介電層136係能夠將彈簧部分122鎖定在完全降低之位置中。在實施例中，在拾取操作之前，轉印頭陣列可降低到背側電極134接觸介電層136之表面的點。隨後可將電壓施加在相對電極138與背側電極134之間，橫越介電層136，將彈簧部分122鎖定在降低之位置中。在降低之位置中，轉印頭可經「偏轉」以便減少表面拓撲且轉印頭不在用於拾取之位置中。在介電層兩端之電壓可隨後選擇性移除用於選擇轉印頭，此允許釋放彈簧臂且彈簧臂返回至未偏轉的中性位置。此位置可對應於「選擇」位置，該「選擇」位置具有較高的表面拓撲且「選擇」轉印頭處於用於拾取微裝置之位置中。
在第6D圖圖示之實施例中，轉印頭100既包含應變感測器128A又包含電極134、電極138。應變感測器128A及電極134、電極138可具有不同功能。舉例而言，應變感測器128A可量測偏轉而電極134、電極138量測彈簧部分122之共振頻率，或反之亦然。在另一實施例(未圖示)中，轉印頭100既包含形成於彈簧錨120及彈簧部分122內之應變感測器128B又包含電極134、電極138。
現在參考第7圖至第9圖，圖示本發明之實施例，其中導電接地面係形成於介電層之上且環繞轉印頭陣列。第7圖為具有如先前關於第3圖所描述之雙極電極設置之適用的微裝置轉印頭100之陣列的等角視圖圖解。為了清晰起見，未圖示可選下層鈍化層及上覆介電層。現在參考第8圖至第9圖，導電接地面140係形成在介電層113之上且環繞轉印頭100之陣列。接地面140之存在可幫助防止在轉印頭100之間產生電弧，尤其在施加高電壓期間。接地面140可由導電材料形成，該導電材料可與用來形成電極或穿孔之導電材料相同或不同。接地面140亦可由具有比用來形成電極之導電材料低的熔融溫度之導電材料形成，因為不必要在形成接地面140之後沉積具有相當品質(例如介電強度)之介電層至介電層113。
第10圖為根據本發明之實施例其中彈簧部分包含多個彈簧臂之彈簧構件結構的等角視圖。在實施例中，彈簧構件110包含彈簧部分122及多個彈簧錨120A-120D。在實施例中，彈簧部分122包含形成於彈簧平臺144上之檯面結構104、四個彈簧臂124A-124D、形成雙極電極之兩個電極116A-116B及兩個電極引線114A-114B。彈簧平臺144提供用於形成檯面結構104及轉印頭之額外元件(例如，電極及介電層)之結構基礎。
在實施例中，當彈簧部分122偏轉至下層間隔112內時，多個彈簧臂124A-124D使頂部表面108及形成於頂部表面108上之額外裝置元件能夠保持水準。轉印頭之水 平頂部表面可在拾取操作期間改良與微裝置之頂部表面的接觸。在實施例中，每一彈簧臂124在於彈簧錨120處附接至基底基板之前自彈簧平臺144之一角延伸且平行於彈簧平臺144之邊緣行進。藉由行進彈簧平臺144之一邊緣之長度，彈簧臂124A-124D具有足夠長度以賦能彈簧部分122至下層間隔112內之期望程度之偏轉。在實施例中，彈簧臂124具有小於彈簧臂之寬度W的厚度T以確保：彈簧部分122回應於施加至頂部表面108之壓力而向下偏轉至下層間隔112內，同時經歷最小扭轉變形/橫向變形。彈簧臂124之具體尺寸取決於形成彈簧臂之材料的模數。彈簧臂124可由上文相對於第1圖至第2圖中之彈簧臂124論述之任何材料形成。
另外，檯面結構104可具有上文相對於形成於懸臂結構彈簧部分上之檯面結構而論述之特性。在實施例中，檯面結構104係與彈簧平臺144整體地形成。在另一實施例中，檯面結構104係形成在彈簧平臺144之上。
仍然參考第10圖圖示之實施例，電極引線114A、電極引線114B每一者自各個電極116A、電極116B沿著檯面結構104之傾斜側壁106向下且沿著各個彈簧臂124A、彈簧臂124B而行進至彈簧錨120A、彈簧錨120B。在實施例中，電極引線114經由基底基板中之互連線連接微裝置轉印頭至靜電夾持器元件之工作電子器件。應理解，其他電極及電極引線設置可連同具有多個彈簧臂之彈簧構件一起使用，諸如單極電極(第2圖)及電極引線穿孔(第4圖)，如上相對於具有單臂懸臂結構之彈簧構件所述。
現在參考第11圖，提供根據本發明之實施例之具有彈簧構件(該彈簧構件具有膜結構及雙極電極)之適用的微裝置轉印頭200連同對應轉印頭陣列一起的側視圖圖解。如圖所示，雙極性裝置轉印頭200可包括基底基板202、包含耦接至基底基板202之彈簧錨220及包含電極216A/216B之彈簧部分222的彈簧構件，及覆蓋電極216A/216B之頂部表面的介電層213。彈簧部分222可偏轉至在彈簧部分222與基底基板202之間的間隔212內。在本發明之實施例中，彈簧部分222另外包含彈簧層266及檯面結構204，檯面結構204具有頂部表面208及錐形側壁206。
如上相對於基底基板102所述，基底基板202可由各種材料形成，諸如能夠提供結構支撐之矽、陶瓷及聚合物。基底基板202可另外包括互連線230以經由電極引線214A或電極引線214B連接微裝置轉印頭200至靜電夾持器元件之工作電子器件。
第12圖圖示根據本發明之實施例具有膜結構之彈簧構件210的自頂向下視圖。在實施例中，彈簧錨220包含在彈簧部分222及基底基板202之介面處的彈簧部分222之整個周長。在實施例中，彈簧部分222包含檯面結構204，該檯面結構204係相對於彈簧錨220而中心定位。為清晰起見，第12圖已省略彈簧構件210之其他元件。
返回參考第11圖，彈簧部分222包含彈簧層266、檯面結構204、電極216A、電極216B及電極引線214A、電極引線214B。彈簧層266係由具有彈性模數之材料形成， 該彈性模數使彈簧部分222能夠在微裝置轉移製程之工作溫度範圍內偏轉至間隔212內。在實施例中，彈簧層266係由與基底基板202相同或不同的材料形成，例如，諸如矽之半導體材料或諸如二氧化矽及氮化矽之介電材料。在實施例中，彈簧層266係諸如在蝕刻間隔212期間與基底基板202整體地形成。在另一實施例中，彈簧層266係由結合至基底基板202之表面上的材料層形成。可選鈍化層(未圖示)可形成在彈簧層266之上以使彈簧層266與電極216絕緣。在實施例中，彈簧層266的厚度為自0.5μm至2μm。
在實施例中，電極216A、電極216B係形成在彈簧層266之上且在檯面結構204之頂部表面208之上。電極引線214A、電極引線214B可自電極216A、電極216B沿著彈簧層266之頂部表面209且在彈簧錨220之上行進。在實施例中，電極引線214A、電極引線214B連接至基底基板202中之互連線230。電極216A、電極216B及電極引線214A、電極引線214B之材料及尺寸可與上文相對於電極116及電極引線114所描述者相同。
介電層213係形成在表面之上。在實施例中，介電層213具有合適厚度及介電常數用於實現微裝置轉印頭之要求緊握壓力，且具有足夠介電強度以不在操作電壓下擊穿。介電層213可為單層或多個層，且可為與可選鈍化層相同或不同的材料。合適的介電材料可包括但不限於氧化鋁(Al2O3)及氧化鉭(Ta2O5)，如上相對於介電層113所述。在實施例中，介電層213的厚度為自0.5μm至2μm。在實施例中， 介電層123在檯面結構204之上的頂部表面226對應於適用的微裝置轉印頭200之頂部表面。
在實施例中，間隔212為基底基板202之表面中的孔穴。在實施例中，彈簧部分222完全覆蓋間隔212。彈簧部分222可偏轉至間隔212內。間隔212之深度係藉由對彈簧部分222所期望之偏轉量決定，同時間隔212之寬度係藉由轉印頭陣列之間距決定，如上相對於間隔112所述。間隔212之寬度係小於轉印頭之間距，但大於每一轉印頭200之頂部表面226。
在實施例中，轉印頭200進一步包含背側電極234及相對電極238。在實施例中，背側電極234係形成於在檯面結構204下面的彈簧部分222之下表面上。在實施例中，相對電極238係形成在與背側電極234相對的間隔212內。在實施例中，介電層236覆蓋相對電極238。在另一實施例中，介電層覆蓋背側電極234。電極234及電極238可經操作以便感測彈簧部分222之偏轉、監視彈簧部分222之共振頻率及/或鎖定彈簧部分222於偏轉位置中，如上相對於第6C圖中之背側電極134、相對電極138及介電層136所述。
第13A圖至第13E圖圖示具有膜結構之彈簧構件之額外實施例之橫截面圖。在第13A圖中，根據本發明之實施例，形成彈簧構件210之彈簧部分222之材料的層係經成形以形成檯面結構204。在第13B圖中，根據本發明之實施例，彈簧部分222進一步包含凹槽215。凹槽215可減少使彈簧部分222偏轉至間隔212內所要求的壓力。在第13C圖中， 根據本發明之實施例，檯面結構204係形成在彈簧層266之上。在實施例中，電極216A、電極216B係形成在檯面結構204之上，且介電層213覆蓋電極216A、電極216B。
在第13D圖中，適用的轉印頭包含應變感測器228A。在實施例中，應變感測器228A形成於介電層213上，在彈簧錨220及彈簧部分222之介面之上。當彈簧部分222在拾取操作期間偏轉至間隔212內時，彈簧部分222及介電層213偏轉，以使應變感測器228A產生應變。因此，可量測膜彈簧構件210在拾取操作期間之偏轉程度。另外，應變感測器228A可用來偵測在彈簧部分222之共振頻率中之變化，該等變化指示微裝置已藉由轉印頭拾取。應變感測器228A可由壓電材料或壓阻材料形成，如上相對於第6A圖中之應變感測器128A所述。
在第13E圖中，適用的轉印頭包含應變感測器228B。在實施例中，應變感測器228B係形成在矽彈簧層266內，跨越彈簧錨220及彈簧部分222之介面。當彈簧部分222在拾取操作期間偏轉至間隔212內時，彈簧部分222之彈簧層266部分偏轉，以使應變感測器228B產生應變。因此，可量測膜彈簧構件210在拾取操作期間之偏轉程度。另外，如上相對於應變感測器128A、應變感測器128B及應變感測器228A所述，應變感測器228B可用來偵測在彈簧部分222之共振頻率中之變化，該等變化指示已藉由轉印頭拾取微裝置。在實施例中，應變感測器228B可由壓阻材料形成，如上相對於第6B圖中之應變感測器128B所述。在其中彈簧層266 為矽的實施例中，應變感測器228B可藉由摻雜一部分彈簧層266而形成。
第14A圖至第14E圖圖示根據本發明之實施例用於形成微裝置轉印頭之方法。在實施例中，提供具有活性區1454之基底基板1402，如第14A圖所示。包含互連線1452及埋入電極1438之介電層1456係形成在基底基板1402之上。互連線1452及電極1438每一者連接至基底基板1402中之活性區1454。金屬凸塊1450係形成在每一互連線1452之上。在實施例中，基底基板1402具有上文相對於基底基板202所論述之特性。在實施例中，基底基板1402為矽。活性區1454可經n型摻雜或p型摻雜。互連線1452及埋入電極1438可為任何合適的導電材料，諸如Al或Cu。金屬凸塊1450可為任何合適的導電材料，諸如Cu或Au。在實施例中，金屬凸塊1450的厚度為2μm。
接下來，提供具有氧化層1462及彈簧層1466之處理基板1460，如第14B圖所示。可使用SOI基板，其中處理基板1460為矽晶圓，氧化層1462為氧化矽，且彈簧層1466為矽。在實施例中，氧化層1462的厚度為近似2μm。在實施例中，彈簧層1466的厚度為0.5μm至1μm。在實施例中，彈簧層1466係經由金屬墊1464耦接至金屬凸塊1450。在實施例中，金屬墊為Au且厚度多達1μm。在實施例中，背側電極1434係在金屬墊1464之間形成於彈簧層1466之表面上。背側電極1434可為任何合適的導電材料，如上相對於第11圖中之背側電極234所述。
根據實施例，彈簧層1466係經由金屬墊1464結合至金屬凸塊1452，以在彈簧層1466之表面與介電層1450之表面之間產生間隔1412。在實施例中，隨後形成的、包含彈簧層1466的彈簧部分將可偏轉至間隔1412內。在實施例中，對應於金屬凸塊1452之2μm厚度，間隔1412的厚度為近似2μm。在實施例中，背側電極1434係在埋入電極1438之上對準。
在實施例中，隨後移除處理基板1460。處理基板1460可藉由任何適當方法移除，諸如化學機械研磨(CMP)或濕式蝕刻。在實施例中，氧化層1462經圖案化以於彈簧層1466之表面上形成檯面結構1404，如第14C圖所示。氧化層1462可藉由在此技術領域熟知的任何適當方法圖案化。在實施例中，氧化層1462係自鄰近於檯面結構1404之彈簧層1466之表面完全移除。鈍化層1411可隨後形成在彈簧層1466及檯面結構1404之頂部表面之上，如第14D圖所示。鈍化層1411電絕緣金屬電極1416與彈簧層1466以防止短路。在實施例中，鈍化層1411的厚度為500Å。鈍化層1411可為任何合適的絕緣介電材料，諸如Al2O3或Ta2O5。在另一實施例中，氧化層1462經蝕刻以留下薄的部分氧化物材料覆蓋在檯面結構1404之間的彈簧層1466之表面。在此情況下，可省略鈍化層1411。
金屬層隨後經毯覆沉積在鈍化層1411之表面之上且經圖案化以形成電極1416A、電極1416B及訊號線1417。電極1416及訊號線1417可由導電材料形成，諸如上 文相對於電極116A、電極116B論述之彼等導電材料。
介電層1413隨後經毯覆沉積在表面之上，如第14D圖所示。在實施例中，介電層1413具有合適厚度及介電常數用於實現微裝置轉印頭之要求緊握壓力，且具有足夠介電強度以不在操作電壓下擊穿。介電層1413可為單層或多個層，且可為與可選鈍化層1411相同或不同的材料。合適的介電材料可包括但不限於氧化鋁(Al2O3)及氧化鉭(Ta2O5)，如上相對於介電層113、介電層213所述。介電層1413的厚度為自0.5μm至2μm。在實施例中，介電層1413為0.5μm厚的Al2O3層。在實施例中，介電層1413係藉由原子層沉積(ALD)沉積。
第14D圖圖示具有彈簧構件之微裝置轉印頭之實施例，該彈簧構件具有膜結構。第14D圖中之結構可經進一步處理以形成具有其他彈簧構件結構之轉印頭。舉例而言，一部分的彈簧層1466、鈍化層1411及介電層1413係經圖案化以界定具有多彈簧臂結構之彈簧構件，如藉由第14E圖之橫截面所圖示。彈簧層1466、鈍化層1411及介電層1413亦可經圖案化以形成懸臂結構，諸如上文相對於第1圖至第2圖描述之彼者。
在於第14D圖及第14E圖中之每一圖中所圖示之實施例中，背側電極1434及埋入電極1438形成電容感測器，如上相對於第6C圖中之背側電極134及相對電極138及第11圖中之背側電極234及相對電極238所述。在另一實施例中，背側電極1434及埋入電極1438使彈簧部分能夠鎖 定在偏轉位置中，如上相對於第6C圖中之背側電極134及相對電極138及第11圖中之背側電極234及相對電極238所述。
第15A圖至第15K圖圖示根據本發明之實施例用於形成具有彈簧構件之微裝置轉印頭之方法的橫斷面視圖，該彈簧構件具有膜結構。如第15A圖所示，提供處理基板1560。處理基板1560可由各種材料形成，諸如能夠為後續形成裝置層提供結構支撐之矽、陶瓷及聚合物。在實施例中，處理基板1560為矽晶圓。
接下來，根據第15B圖中圖示之本發明之實施例，檯面孔穴1561經圖案化於處理基板1560之表面中。檯面孔穴可藉由任何合適的製程形成，諸如光微影及蝕刻。在實施例中，圖案化層1562係形成在處理基板1560之一個表面之上用於圖案化檯面孔穴1561。在實施例中，圖案化層1562為光阻。在另一實施例中，圖案化層1562為硬掩膜材料，諸如氧化矽或氮化矽。在實施例中，檯面孔穴1561係以對應於微裝置轉印頭陣列之間距的間隔而隔開，例如5μm至10μm，對應於待拾取之微裝置陣列之整數倍數。每一檯面孔穴1561之尺寸係藉由在添加額外裝置元件(諸如電極及介電層)之後的轉印頭之頂部表面之期望尺寸而決定，如上相對於第1圖至第2圖及第11圖所述。在實施例中，檯面孔穴1561的寬度為7μm×7μm且深度為2μm。在蝕刻檯面孔穴1561之後，可移除圖案化層1562，如第15C圖所示。
根據第15D圖圖示之本發明之實施例，彈簧層1566係隨後形成在圖案化處理基板1560之表面之上。彈 簧層1566可為適於形成微裝置轉印頭中之膜彈簧構件之結構基礎的任何材料。彈簧層1566之材料及尺寸經選擇以使得隨後形成之轉印頭之彈簧部分能夠在轉移製程之操作條件下偏轉期望量，如上相對於彈簧層266所述。彈簧層1566可為氧化物層或氮化物層。在實施例中，彈簧層1566為矽處理基板1560之表面上的生長熱氧化物。在另一實施例中，彈簧層1566係藉由電漿增強化學氣相沉積(PECVD)形成。在實施例中，彈簧層1566的厚度為0.5μm至3μm。
在實施例中，凹槽1515蝕刻至彈簧層1566之表面內。凹槽1515可減少偏轉隨後形成之包含彈簧層1566之轉印頭彈簧部分所要求之壓力。在另一實施例中，在形成彈簧層1566之後，每一檯面孔穴1561之剩餘容積係以諸如氧化物或氮化物(未圖示)之材料填充以與彈簧層1566之下表面成平面。
如第15E圖所示，隨後提供具有凹坑1519之基底基板1502。基底基板1502可為上文相對於基底基板202描述之任何材料。在實施例中，凹坑1519每一者的寬度為至少20μm且深度為2μm。在實施例中，凹坑1519之間距與檯面孔穴1561之間距匹配。
在上面具有彈簧層1566之處理基板1560隨後耦接至基底基板1502，如第15F圖所示。彈簧層1566及基底基板1502可藉由諸如晶圓結合之任何合適製程來耦接。在實施例中，彈簧層1566中之檯面孔穴1561與凹坑1519對準以封閉間隔1512。隨後移除處理基板1560，留下結合至基底 基板1502之表面的彈簧層1566，如第15G圖所示。處理基板1560可藉由任何合適的製程或多個製程移除，諸如CMP及濕式蝕刻。處理基板1560之移除留下具有覆蓋每一間隔1512之檯面結構1504之彈簧層1566的膜。
金屬層1563隨後係形成在彈簧層1566之表面之上，如第15H圖所示。金屬層1563可由很好地黏附至下層彈簧層1566的任何合適的金屬或金屬層形成，如上相對於用於電極116、電極216之材料所述。在實施例中，金屬層1563係藉由濺射沉積形成。金屬層1563的厚度多達0.5μm。在實施例中，金屬層1563為500Å厚的TiW層。
根據本發明之實施例，金屬層1563隨後經圖案化以形成電極。金屬層1563可藉由於金屬層1563之表面上形成掩模1565而圖案化，如第15I圖所示。金屬層1563隨後經蝕刻以形成電極1516a、電極1516B及電極引線1514A、電極引線1514B，如第15J圖所示。
接下來，介電層1513係形成在彈簧層1566及電極1516之上。介電層1513具有上文相對於介電層113、介電層213描述之性質。在實施例中，介電層1513為0.5μm厚的Al2O3層。在實施例中，介電層1513係藉由原子層沉積(ALD)沉積。
第16A圖至第16D圖圖示其中彈簧部分高出基底基板之表面的微裝置轉印頭結構之橫截面圖。在實施例中，彈簧部分1622包含彈簧層1624以產生具有懸臂結構之彈簧構件1610。彈簧層1624高出基底基板1602之頂部表面 以產生間隔1612，如第16A圖所示。彈簧部分1622可偏轉至間隔1612內。彈簧部分1622進一步包含一或多個電極1616。介電層1613覆蓋彈簧構件1610。
在另一實施例中，彈簧部分1622係藉由彈簧錨1620A及彈簧錨1620B高出基底基板1602之頂部表面，如第16B圖所示。彈簧部分1622另外包含電極1616A及電極1616B。介電層1613係形成在彈簧構件1610之頂部表面之上。間隔1612係形成在彈簧部分1622與基底基板1602之間。彈簧部分1622可偏轉至間隔1612內。
在另一實施例中，彈簧部分1622進一步包含彈簧層1624上之檯面結構1604。第16C圖圖示具有懸臂結構之彈簧構件1610之實施例，其中彈簧部分包含檯面結構1604。第16D圖圖示具有台結構之彈簧構件1610之實施例，其中彈簧部分包含檯面結構1604。
第17圖為圖示根據本發明之實施例自載體基板拾取及轉移微裝置至接收基板之方法的流程圖。在操作1710處，適用的轉印頭係定位在連接至載體基板之微裝置之上。適用的轉印頭可包含：基底基板；彈簧構件，該彈簧構件包括耦接至基底基板之彈簧錨及包含電極之彈簧部分，其中彈簧部分可偏轉至在彈簧部分與基底基板之間的間隔內；及介電層，該介電層覆蓋電極之頂部表面，如上文實施例中所述。轉印頭可具有單極電極設置或雙極電極設置及懸臂彈簧構件結構或膜彈簧構件結構以及任何其他結構變型，如上文實施例中所述。在操作1720處，微裝置係與適用的轉印頭 接觸。在實施例中，微裝置係與轉印頭之介電層接觸。在替代實施例中，轉印頭係以分隔轉印頭之合適氣隙(例如1nm(0.001μm)或10nm(0.01μm))定位在微裝置之上，該合適氣隙不會顯著影響緊握壓力。在操作1730處，施加電壓至電極以於微裝置上產生緊握壓力，且在操作1740處，以轉印頭拾取微裝置。在操作1750處，隨後將微裝置釋放至接收基板上。
儘管已在第17圖中依序圖示操作1710至操作1750，但應瞭解，實施例未受限於此且可執行附加操作且可以不同循序執行某些操作。舉例而言，在一個實施例中，在微裝置與轉印頭接觸之後，轉印頭係摩擦微裝置之頂部表面以去除任何顆粒，該等顆粒可存在於轉印頭或微裝置之任一者之接觸表面上。在另一實施例中，執行操作以在拾取微裝置之前或拾取微裝置同時在連接微裝置至載體基板之結合層中產生相變。若以微裝置拾取部分結合層，則可執行額外操作以在隨後處理期間控制該部分結合層之相。
可以各種循序執行施加電壓至電極以於微裝置上產生緊握壓力之操作1730。舉例而言，可在微裝置與轉印頭接觸之前、微裝置與轉印頭接觸同時或在微裝置與轉印頭接觸之後施加電壓。亦可在於結合層中產生相變之前、於結合層中產生相變同時或於結合層中產生相變之後施加電壓。
微裝置可為在第27圖至第29圖中圖示之微LED裝置結構及在相關美國專利申請案第13/372,222中描述之彼等中之任微裝置。舉例而言，參考第27圖，微LED裝置 300可包括微p-n型二極體335、微p-n型二極體350及金屬化層320，且金屬化層在微p-n型二極體335、微p-n型二極體350與形成於基板301上之結合層310之間。在實施例中，微p-n型二極體335、350包括頂部n摻雜層314、一或多個量子阱層316及下部p摻雜層318。微p-n型二極體可製造有直側壁或錐形側壁。在某些實施例中，微p-n型二極體350具有向外錐形側壁353(自上而下)。在某些實施例中，微p-n型二極體335具有向內錐形側壁353(自上而下)。金屬化層320可包括一或多個層。舉例而言，金屬化層320可包括電極層及在電極層與結合層之間的障壁層。微p-n型二極體及金屬化層每一者可具有頂部表面、底部表面及側壁。在實施例中，微p-n型二極體350之底部表面351比微p-n型二極體之頂部表面352寬，且側壁353係自上而下向外呈錐形。微p-n型二極體335之頂部表面可比p-n型二極體之底部表面寬，或近似為相同寬度。在實施例中，微p-n型二極體350之底部表面351係比金屬化層320之頂部表面321寬。微p-n型二極體之底部表面亦可比金屬化層之頂部表面寬，或近似為與金屬化層之頂部表面相同的寬度。
保形介電障壁層360可視需要形成在微p-n型二極體335、微p-n型二極體350及其他暴露表面之上。保形介電障壁層360可比微p-n型二極體335、微p-n型二極體350、金屬化層320更薄且視需要比結合層310更薄，以便保形介電障壁層360形成表面拓撲之外形，該保形介電障壁層360係形成於該表面拓撲上。在實施例中，微p-n型二極體 335、微p-n型二極體350的厚度為若干微米，諸如3μm，金屬化層320的厚度為0.1μm至2μm，且結合層310的厚度為0.1μm至2μm。在實施例中，保形介電障壁層360為近似50埃至600埃厚的氧化鋁(Al2O3)。保形介電障壁層360可藉由各種合適技術而沉積，諸如但不限於原子層沉積(ALD)。保形介電障壁層360可防止拾取製程期間在鄰近微p-n型二極體之間的電荷產生電弧，且從而防止鄰近微p-n型二極體在拾取製程期間黏結在一起。保形介電障壁層360亦可保護微p-n型二極體之側壁353、量子阱層316及底部表面351免受污染，該污染可影響微p-n型二極體之完整性。舉例而言，保形介電障壁層360可充當結合層材料310沿著微p-n型二極體350之側壁及量子層316向上之毛細作用的實體障壁。保形介電障壁層360一旦置放在接收基板上亦可使微p-n型二極體350絕緣。在實施例中，保形介電障壁層360跨越微p-n型二極體之側壁353，且可覆蓋微p-n型二極體中之量子阱層316。保形介電障壁層亦可部分跨越微p-n型二極體之底部表面351，以及跨越金屬化層320之側壁。在一些實施例中，保形介電障壁層亦跨越圖案化結合層310之側壁。接觸開口362可形成在保形介電障壁層360中以暴露微p-n型二極體之頂部表面352。
參考第27圖，接觸開口362可具有比微p-n型二極體之頂部表面352更小之寬度，且保形介電障壁層360在微p-n型二極體之頂部表面352之邊緣周圍形成唇部。參考第28圖，接觸開口362可具有比微p-n型二極體之頂部表面 稍大之寬度。在此實施例中，接觸開口362暴露微p-n型二極體之頂部表面352及微p-n型二極體之側壁353之上部分，同時保形介電障壁層360覆蓋且使一或多個量子阱層316絕緣。參考第29圖，保形介電層360可具有與微p-n型二極體之頂部表面近似相同的寬度。保形介電層360亦可沿著第27圖至第29圖中圖示之微p-n型二極體之底部表面351跨越。
在實施例中，保形介電障壁層360係由與適用的轉印頭之介電層113、介電層213相同的材料形成。取決於特定微LED裝置結構，保形介電障壁層360亦可跨越結合層310之側壁以及載體基板及支柱(若存在)。結合層310可由可在某些處理及搬運操作期間將微LED裝置300維持於載體基板301上之材料形成，且在經歷相變後提供媒體，微LED裝置300可保持於該媒體上，而該微LED裝置300亦在拾取操作期間自該媒體可容易釋放。舉例而言，結合層可為可重熔或可迴焊，以使得結合層在拾取操作之前或在拾取操作期間經歷自固體至液態之相變。在液體狀態下，結合層可將微LED裝置保持在載體基板上適當位置，同時亦提供媒體，微LED裝置300係自該媒體可容易釋放。在實施例中，結合層310具有低於近似350℃之液相線溫度或熔融溫度，或更具體而言低於近似200℃。在此等溫度下，結合層可經歷相變而不實質上影響微LED裝置之其他元件。舉例而言，結合層可由金屬或金屬合金或可移除之熱塑性聚合物形成。舉例而言，結合層可包括銦、錫或諸如聚乙烯或聚丙烯之熱塑性聚合物。在實施例中，結合層可為導電的。舉例而言，在結 合層回應於溫度之變化而經歷自固體至液體之相變的情況中，部分結合層可在拾取操作期間保持於微LED裝置上。在此實施例中，結合層由導電材料形成可為有利的，以便當隨後將該結合層轉移至接收基板時，該結合層不會不利地影響微LED裝置。在此情況中，在轉移期間保持在微LED裝置上之部分導電結合層可說明將微LED裝置結合至接收基板上之導電墊。在具體實施例中，結合層可由銦形成，銦具有156.7℃之熔融溫度。結合層可橫向連續橫越基板301，或亦可形成於橫向分隔位置中。舉例而言，結合層之橫向分隔位置可具有一寬度，該寬度係小於微p-n型二極體或金屬化層之底部表面的寬度或與微p-n型二極體或金屬化層之底部表面的寬度近似相同。在一些實施例中，微p-n型二極體可視需要形成於基板上之支柱302上。
焊料可為用於結合層310之合適材料，因為許多焊料在焊料之固態中大體為韌性材料且與半導體表面及金屬表面顯示出良好濕潤性。典型合金不是熔融在單個溫度下，而是熔融在溫度範圍中。因此，焊料合金經常以對應於合金保持液態之最低溫度之液相線溫度及對應於合金保持固態之最高溫度之固相線溫度為特徵。表1提供可與本發明之實施例一起使用之低熔融焊料材料之示例性清單。
表2提供可與本發明之實施例一起使用之熱塑性聚合物之示例性清單。
第18圖為圖示根據本發明之實施例自載體基板拾取及轉移微裝置至接收基板之方法的流程圖。在操作1810處，適用的轉印頭係定位在用結合層連接至載體基板之微裝置之上。適用的轉印頭可為本文描述之任何轉印頭。微裝置可為第27圖至第29圖中圖示之微LED裝置結構及在相關美國臨時申請案第61/561,706號及美國臨時申請案第61/594,919號中描述之彼等微LED裝置結構中之任何者。在操作1820處，微裝置隨後與轉印頭接觸。在實施例中，微裝置係與轉印頭之介電層113、介電層213接觸。在替代實施例中，轉印頭係以分隔轉印頭之合適氣隙(例如1nm(0.001μm)或10nm(0.01μm))定位在微裝置之上，該合適氣隙不會顯著影響緊握壓力。在操作1825處，執行操作以在結合層310中產生自固體至液態之相變。舉例而言，操作可包括在156.7 ℃之熔融溫度下或高於156.7℃之熔融溫度下加熱In結合層。在另一實施例中，可在操作1820之前執行操作1825。在操作1830處，以適用的轉印頭拾取微裝置。舉例而言，可施加電壓至電極以於微裝置上產生緊握壓力。在操作1840處，亦可以轉印頭拾取大部分的結合層310。舉例而言，可與微裝置一起被拾取近似一半的結合層310。在替代實施例中，全部結合層310皆不用轉印頭拾取。微裝置及視需要一部分結合層310經置放與接收基板接觸。在操作1850處，隨後將微裝置釋放至接收基板上。根據本發明之實施例，當拾取、轉移、接觸接收基板且釋放微裝置及部分結合層310於接收基板上時，可執行各種操作來控制部分結合層之相。舉例而言，在接觸接收基板期間及在釋放操作1850期間，可將與微裝置一起拾取之部分結合層維持在液體狀態下。在另一實施例中，部分結合層在經拾取之後可允許冷卻至固相。舉例而言，部分結合層可在接觸接收基板期間處於固相，且在釋放操作1850之前或釋放操作1850期間再次熔融為液態。可根據本發明之實施例執行各種溫度及材料相週期。
第19圖為圖示根據本發明之實施例自載體基板拾取及轉移微裝置陣列至至少一個接收基板之方法的流程圖。在操作1910處，適用的轉印頭陣列係定位在微裝置陣列之上。適用的轉印頭可為本文描述之任何轉印頭。在操作1920處，微裝置陣列係與轉印頭陣列接觸。在替代實施例中，轉印頭陣列係以分隔轉印頭陣列之合適氣隙(例如1nm(0.001μm)或10nm(0.01μm))定位在微裝置陣列之上，該合適氣隙 不顯著影響緊握壓力。第22A圖為根據本發明之實施例微裝置轉印頭200之陣列與微LED裝置300之陣列接觸的側視圖圖解。如第22A圖圖示，轉印頭200之陣列的間距(P)匹配微LED裝置300之間距，且轉印頭陣列之間距(P)為在轉印頭之間的一或多個間隔(S)與轉印頭之寬度(W)的總和。
在一個實施例中，微LED裝置300之陣列具有10μm之間距，且每一微LED裝置具有2μm之間隔及8μm之最大寬度。在示例性實施例中，假定具有直側壁之微p-n型二極體350，每一微LED裝置300之頂部表面具有近似8μm之寬度。在此示例性實施例中，對應轉印頭200之頂部表面226之寬度為近似8μm或更小，以避免與鄰近微LED裝置進行非故意接觸。在另一實施例中，微LED裝置300之陣列具有5μm之間距，且每一微LED裝置具有2μm之間隔及3μm之最大寬度。在示例性實施例中，每一微LED裝置300之頂部表面具有近似3μm之寬度。在此示例性實施例中，對應轉印頭200之頂部表面226之寬度為近似3μm或更小，以避免與鄰近微LED裝置300進行非故意接觸。然而，本發明之實施例不局限於該等具體尺寸，且可為任何適當尺寸。
第22B圖為根據本發明之實施例與微LED裝置300陣列接觸的微裝置轉印頭陣列的側視圖圖解。在第22B圖圖示之實施例中，轉印頭之間距(P)為微裝置陣列之間距的整數倍數。在圖示之特定實施例中，轉印頭之間距(P)為微LED裝置陣列之間距的3倍。在此實施例中，具有較大轉印頭間距可防止轉印頭之間的產生電弧。
再次參考第19圖，在操作1930處，選擇性施加電壓至部分的轉印頭200之陣列。因此，可獨立操作每一轉印頭200。在操作1940處，用部分的轉印頭陣列拾取對應部分的微裝置陣列，選擇性施加電壓至該部分的轉印頭陣列。在一個實施例中，選擇性施加電壓至部分的轉印頭陣列意指施加電壓至轉印頭陣列中之每個轉印頭。第23圖為根據本發明之實施例在拾取微LED裝置300之陣列的微裝置轉印頭陣列中之每個轉印頭之側視圖圖解。在另一實施例中，選擇性施加電壓至部分的轉印頭陣列意指施加電壓至少於轉印頭陣列中之每個轉印頭(例如，一個子集的轉印頭)。第24圖為根據本發明之實施例拾取部分的微LED裝置300之陣列的微裝置轉印頭陣列之子集的側視圖圖解。在第23圖至第24圖圖示之特定實施例中，拾取操作包括拾取微LED裝置300之微p-n型二極體350、金屬化層320及部分的保形介電障壁層360。在第23圖至第24圖圖示之特定實施例中，拾取操作包括拾取大部分的結合層310。因此，關於第19圖及第22A圖至第24圖所描述之任何實施例亦可伴隨有控制部分結合層310之溫度，如關於第18圖所描述。舉例而言，關於第19圖及第22A至第24圖所描述之實施例可包括執行操作以在拾取微裝置陣列之前在連接微裝置陣列至載體基板301之結合層之複數個位置中產生自固態至液態之相變。在實施例中，結合層之複數個位置可為相同結合層之區域。在實施例中，結合層之複數個位置可為結合層之橫向分隔位置。
在操作1950處，隨後將部分的微裝置陣列釋 放至至少一個接收基板上。因此，可將微LED陣列全部釋放至單個接收基板上或選擇性釋放至多個基板上。舉例而言，接收基板可為但不限於顯示基板、照明基板、具有諸如電晶體或IC之功能裝置之基板或具有金屬再分配線之基板。
第25圖為固持對應的微LED裝置300之陣列於包括複數個驅動器接觸410之接收基板401之上的微裝置轉印頭陣列之側視圖圖解。隨後微LED裝置300之陣列可置放成與接收基板接觸且隨後選擇性釋放。第26圖為根據本發明之實施例在驅動器接觸410之上將整體的微LED裝置300之陣列釋放至接收基板401上的側視圖圖解。在另一實施例中，選擇性釋放微LED裝置300之陣列之子集。
在第22A圖至第26圖所圖示之特定實施例中，微裝置300為第27圖中圖示之彼等微裝置，實例27O。然而，在第22A圖至第26圖圖示之微裝置可來自在第27圖至第29圖圖示之微LED裝置結構及在相關美國專利申請案第13/372,222號中描述之彼等中的任何微裝置。
第20圖為圖示根據本發明實施例用於自載體基板拾取及轉移微裝置陣列至至少一個接收基板之方法的流程圖。在操作2010處，適用的轉印頭陣列係定位在微裝置陣列之上。適用的轉印頭可為本文描述之任何轉印頭。在操作2020處，微裝置陣列係與轉印頭陣列接觸。
在操作2030處，感測器元件係用來量測每一轉印頭之彈簧部分之偏轉程度。感測器可量測：彈簧部分之偏轉係在期望範圍內或者偏轉超出期望量或降到期望量之 下。第30圖圖示轉印頭200A-200D之陣列在微裝置300A、微裝置300B、微裝置300D之陣列之上接觸的橫截面圖。在實施例中，轉印頭200A係與微裝置300A之表面接觸，以使彈簧部分向間隔212內偏轉量D。在另一實施例中，轉印頭200B係與微裝置300B之表面上的污染顆粒400接觸，以使彈簧部分向間隔212內偏轉量D+ X。在另一實施例中，在對應於轉印頭200C之陣列位置中不存在微裝置，以便轉印頭200C不向間隔212內偏轉任何量。在又一實施例中，微裝置300D之表面係不規則的或受損的，以使得轉印頭200D之偏轉超出期望範圍之外。
在操作2040處，選擇性施加電壓至已在目標範圍內偏轉之彼等轉印頭，該目標範圍係認定為指示微裝置拾取之良好接觸。在實施例中，引入電壓(Pull In Voltage)不施加至已偏轉至大於偏轉之目標量之程度的轉印頭、已偏轉小於偏轉之目標量的轉印頭，或兩者兼具。在實施例中，引入電壓係施加至陣列中之全部轉印頭。在操作2050處，拾取對應於選擇性啟動之部分微裝置轉印頭之部分微裝置。在操作2060處，隨後將部分的微裝置陣列釋放至至少一個接收基板上。
第21圖為圖示根據本發明之實施例自載體基板拾取及轉移微裝置陣列至至少一個接收基板之方法的流程圖。陣列中之每一轉印頭具有：基底基板；彈簧構件，該彈簧構件包括耦接至基底基板之彈簧錨及包含電極之彈簧部分，其中彈簧部分可偏轉至在彈簧部分與基底基板之間的間 隔內；及覆蓋電極之頂部表面之介電層，如上述實施例中所述。在操作2110處，完全降低微裝置轉印頭陣列中之每一轉印頭。轉印頭陣列可藉由以下方式降低：例如，將轉印頭陣列定位在平整表面上方，以充分的壓力使陣列與平整表面接觸以降低每一轉印頭直至每一轉印頭之背側電極134、背側電極234接觸覆蓋基底基板102、基底基板202上之相對電極138、相對電極238的介電層136、介電層236。
在操作2120處，每一轉印頭係藉由在每一組電極兩端施加電壓以鎖定每一轉印頭於降低位置中而鎖定於降低位置中。在平整表面已用來降低轉印頭陣列的情況中，轉印頭可隨後自平整表面移除。在操作2130處，自一部分轉印頭移除鎖定電壓以自降低位置釋放該部分轉印頭。選擇性釋放之轉印頭隨後準備好拾取微裝置。第31圖圖示微裝置轉印頭200之陣列之橫截面圖，其中一部分轉印頭200A、轉印頭200D係鎖定在降低位置中，且一部分轉印頭200B、轉印頭200C已自降低位置選擇性釋放。
在操作2140處，選擇性釋放之轉印頭陣列係定位在微裝置陣列之上。在操作2150處，微裝置陣列係與選擇性釋放之轉印頭陣列接觸。在此操作下，僅已自降低位置選擇性釋放之彼等轉印頭接觸微裝置陣列中之對應微裝置。仍鎖定在降低位置中之彼等轉印頭不接觸對應微裝置之表面。在替代實施例中，選擇性釋放之轉印頭陣列係以分隔轉印頭陣列之合適氣隙定位在微裝置陣列之上，該合適氣隙不顯著地影響在選擇性釋放之轉印頭與對應部分之微裝置之間 的緊握壓力。陣列可藉由例如1nm(0.001μm)或10nm(0.01μm)之氣隙距離分隔。
在操作2160處，可隨後施加電壓至轉印頭200之陣列。在實施例中，引入電壓係施加至陣列中之全部轉印頭。在另一實施例中，引入電壓僅施加至已自降低位置選擇性釋放之轉印頭。在操作2170處，以已自降低位置選擇性釋放之部分的轉印頭陣列拾取對應部分之微裝置陣列。在操作2180處，隨後將部分的微裝置陣列釋放至至少一個接收基板上。
在利用本發明之各種態樣中，對於熟習此項技術者而言將變得顯而易見的是，上述實施例之組合或變異可能用於形成微裝置轉印頭及頭陣列且用於轉移微裝置及微裝置陣列。儘管已用特定於結構特徵及/或方法動作之語言描述本發明，但應理解，附加申請專利範圍中界定之本發明未必局限於所描述之具體特徵結構或行為。而是將所揭示之具體特徵結構及動作理解為對說明本發明有用之所主張發明之尤其得體實施。
104‧‧‧檯面
106‧‧‧側壁
108‧‧‧頂部表面
110‧‧‧彈簧構件
112‧‧‧間隔
114A‧‧‧電極引線
114B‧‧‧電極引線
116A‧‧‧電極
116B‧‧‧電極
120‧‧‧彈簧錨
122‧‧‧彈簧部分
124‧‧‧彈簧臂

Claims (27)

  1. 一種微裝置轉印頭，包含：一基底基板；一彈簧構件，包括：一彈簧錨，耦接至該基底基板；及一彈簧部分，包含一電極，其中該彈簧部分可偏轉至該彈簧部分與該基底基板之間的一間隔內；及一介電層，覆蓋該電極之一頂部表面。
  2. 如請求項1所述之微裝置轉印頭，其中該彈簧部分進一步包含突出離開該基底基板之一檯面結構，其中該檯面結構具有錐形側壁且該電極係形成於該檯面結構之一頂部表面上。
  3. 如請求項2所述之微裝置轉印頭，其中該檯面結構係與該彈簧部分整體地形成。
  4. 如請求項2所述之微裝置轉印頭，進一步包含一電極引線，該電極引線自該檯面結構之該頂部表面上之該電極行進至該彈簧構件之該彈簧錨。
  5. 如請求項4所述之微裝置轉印頭，其中該電極引線沿著該彈簧構件之一頂部表面行進。
  6. 如請求項5所述之微裝置轉印頭，其中該介電層沿著該彈簧構件之該頂部表面覆蓋該電極引線。
  7. 如請求項4所述之微裝置轉印頭，進一步包含穿過該檯面結構連接該電極至該電極引線之一穿孔。
  8. 如請求項1所述之微裝置轉印頭，進一步包含一感測器以量測該彈簧部分之一偏轉量。
  9. 如請求項8所述之微裝置轉印頭，其中該感測器係耦接至該彈簧構件。
  10. 如請求項8所述之微裝置轉印頭，其中該感測器係形成在該彈簧構件內。
  11. 如請求項8所述之微裝置轉印頭，其中該感測器包含：一第一電極，該第一電極在該彈簧部分之一底部表面上；及一第二電極，該第二電極在該間隔內形成於該基底基板上且與該第一電極相對。
  12. 如請求項8所述之微裝置轉印頭，其中該感測器係選自由一電容感測器及一應變儀構成之一群組。
  13. 如請求項2所述之微裝置轉印頭，其中該間隔為在該基底基板之該表面內之一孔穴。
  14. 如請求項13所述之微裝置轉印頭，其中該彈簧構件為一彈簧臂，該彈簧臂具有耦接至該基底基板之一第一端及懸掛在該孔穴上方之一第二端，其中該第一端包含該彈簧錨且該第二端包含該彈簧部分。
  15. 如請求項13所述之微裝置轉印頭，其中該彈簧構件完全地覆蓋該孔穴。
  16. 如請求項15所述之微裝置轉印頭，其中該檯面結構係形成在該孔穴之一中心之上。
  17. 如請求項2所述之微裝置轉印頭，進一步包含在該檯面結構之該頂部表面上之一第二電極以形成一對電極，其中該介電層覆蓋該對電極。
  18. 如請求項1所述之微裝置轉印頭，其中該彈簧部分係藉由該彈簧錨而高出該基底基板。
  19. 如請求項18所述之微裝置轉印頭，其中該彈簧構件為一彈簧臂。
  20. 如請求項1所述之微裝置轉印頭，其中該彈簧構件包含複數個彈簧臂。
  21. 一種微裝置轉印頭陣列，包含：一基底基板；及一轉印頭陣列，每一者包含：一基底基板；一彈簧構件，包括：一彈簧錨，耦接至該基底基板；及一彈簧部分，包含一電極，其中該彈簧部分可偏轉至在該彈簧部分與該基底基板之間的一間隔內；及一介電層，覆蓋該電極之一頂部表面。
  22. 如請求項21所述之微裝置轉印頭陣列，其中每一轉印頭之該間隔為該基底基板中之一孔穴。
  23. 如請求項22所述之微裝置轉印頭陣列，其中該彈簧構件為一彈簧臂，該彈簧臂具有耦接至該基底基板之一第一端及懸掛在該孔穴上方之一第二端，其中該第一端包含該彈簧錨且該第二端包含該彈簧部分。
  24. 如請求項22所述之微裝置轉印頭陣列，其中該彈簧構件完全地覆蓋該孔穴。
  25. 如請求項21所述之微裝置轉印頭陣列，其中每一轉印頭進一步包含一感測器以量測該彈簧部分之一偏轉量。
  26. 一種轉移一微裝置陣列之方法，該方法包含以下步驟：降低一轉印頭陣列中之每一轉印頭，每一轉印頭包含：一基底基板；一彈簧構件，包括：一彈簧錨，耦接至該基底基板；及一彈簧部分，包含一電極，其中該彈簧部分可偏轉至在該彈簧部分與該基底基板之間的一間隔內；及一介電層，覆蓋該電極之一頂部表面；施加一電壓至每一轉印頭以維持該降低位置；自一部分的該等轉印頭移除該電壓以自該降低位置選擇性釋放該部分之該等轉印頭而形成一選擇性釋放之轉印頭陣列；在一微裝置陣列之上定位該選擇性釋放之轉印頭陣列；使該微裝置陣列與該選擇性釋放之轉印頭陣列接觸；拾取對應於該選擇性釋放之轉印頭陣列中之該釋放部分之轉印頭之一部分的該微裝置陣列；及釋放該部分之該微裝置陣列至至少一個接收基板上。
  27. 如請求項26所述之方法，其中該轉印頭進一步包含：一背側電極，在該彈簧部分之該底部表面上； 一相對電極，在該間隔內之該基底基板上且與該背側電極相對；及一介電層，形成在該相對電極之該表面之上。
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