CN114023669A - 一种MicroLED巨量转移的自调平装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体相关技术领域，其公开了一种MicroLED巨量转移的自调平装置及其应用，该装置包括：下晶圆运动台，包括具有XYZ三方向自由度的第一支架以及滑台；上晶圆运动台，包括具有XYZ三方向自由度的第二支架以及吸附结构；基板直驱自调平微云台，包括球形电机以及自调平微云台，球形电机设于滑台上，自调平微云台在球形电机的带动下实现X、Y或Z方向的旋转或锁紧；自调平微云台包括同步调节盘以及下晶圆吸附盘，同步调节盘表面设有多个顶柱，顶柱的上方分别设有力传感器，下晶圆吸附盘设有与顶柱对应的孔洞以使力传感器突出于下晶圆吸附盘表面。本申请不受转移头面积的限制，可以实现大平面转移过程中的平行度，显著提高转移效率。

Description

一种MicroLED巨量转移的自调平装置及其应用
技术领域
本发明属于半导体相关技术领域，更具体地，涉及一种MicroLED巨量转移的自调平装置及其应用。
背景技术
微型发光二极管(MicroLED，亦称μLED)是将传统LED的尺寸微缩至50μm以下，并在单个芯片上与驱动电路高度集成的新一代的无机自发光显示技术，相比传统的显示技术具有亮度更高，功耗更低，寿命更长，响应快速和可靠性更高等独特优势，在高分辨率显示、生物医疗、可见光通信、穿戴电子等领域具有广泛应用。目前μLED技术的发展难点之一在于巨量转移过程，需要将数百万颗尺寸达微米级的μLED从外延生长的衬底上转移到电路基板上，但目前的巨量转移工艺及其装置都无法满足高良率(～99.9999％)、高精度(±0.5μm)和高速率(1M/h)的要求。
针对以上问题，中国专利CN109712928B公开了一种适用于微型器件的高精度转印设备及***，通过静电吸片产生的静电吸附力可以实现对微型器件的吸附和释放。这种以静电作为转印的能量来源使得转印设备的功耗较低，且可以适应不同形式器件的转印，同时转印头可以在移动装置的控制下进行水平面和竖直面的移动，对不同规格的转印衬底进行转移，提高转移效率，降低了生产成本。中国专利CN109216400B公开了一种MicroLED阵列器件的巨量转移装置及相关方法，通过在MicroLED阵列器件的外延衬底上形成磁性纳米薄膜层作为MicroLED阵列器件的一个电极，从而能够直接采用磁力对MicroLED阵列器件吸附，该方式无需额外增加设置磁性层，避免了磁性层的制作以及去除的工艺，简化了MicroLED阵列器件的转移方法，提高了巨量转移效率。
以上两种方法克服了传统机械方式难以拾取、容易损坏芯片的不足，但受转移头尺寸的大小使得转移效率受到一定的制约，同时作用力调控需要在特定范围内实现，从而达到缩小了工艺窗口，增加了工业成本。中国专利CN111584689A公开了一种MicroLED巨量转移装置及其转移方法，采用掩模光照与传送带转移实现多阵列MicroLED辐照转移，转移时位于蓝宝石衬底上的MicroLED被激光辐照转移至传送带的粘性层上。该方式通过光辐照产生转移芯片的作用力，然后采用掩模、光斑聚焦阵列化等方式实现选择性，阵列化光斑的方式，提高了巨量转移装置及方法的效率。
激光转移技术基于激光与物质的作用机理，利用界面区域材料吸收光束能量引起快速物理变化或化学反应产生驱动力来调控界面状态，以克服表层材料与MicroLED的粘附力，具有对器件损伤小、高度可选择性、响应快速高效等优势，且激光相对于其他技术而言在修复方面具有优势，可以将坏点融掉，对于提高良率具有很大的作用，在合适的工艺参数下可达到较高的良率、精度和转移速率，目前成为极具潜力的巨量转移解决方案。然而，激光转移虽然能够满足高速、选择性转移，但转移精度影响因素较多，需要研究激光参数(如激光能量密度、脉冲频率、光斑大小等)、转移装置的几何参数(如极板间距、芯片间距)等多种参数问题，且激光设备昂贵，相对而言成本会较高。尤其在转移过程中，供体基板与接收基板需与激光光斑协同运动，且二者的间距与相对平行度直接影响了巨量转移的良率及精度，是目前工艺适配的巨量转移装置开发的技术核心及难点。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种MicroLED巨量转移的自调平装置及其应用，本申请不受转移头面积的限制，可调整在误差允许的平行度范围内实现大平面转移，显著提高转移效率，并且解决了MicroLED非接触激光巨量转移中因基板间距引起转移偏差的难题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种MicroLED巨量转移的自调平装置，所述装置包括：下晶圆运动台，包括具有XYZ三方向自由度的第一支架以及设于所述第一支架上的滑台，以使所述滑台在所述第一支架沿X、Y或Z方向运动；上晶圆运动台，包括具有XYZ三方向自由度的第二支架以及设于所述第二支架上的吸附结构，所述吸附结构位于所述滑台的上方；所述吸附结构包括上晶圆吸附盘，所述上晶圆吸附盘用于吸附上晶圆；基板直驱自调平微云台包括球形电机以及自调平微云台，所述球形电机设于所述滑台上，自调平微云台在所述球形电机的带动下实现X、Y或Z方向的旋转或锁紧；自调平微云台包括同步调节盘以及设于所述同步调节盘上方的下晶圆吸附盘，所述同步调节盘表面设有多个顶柱，所述顶柱的上方分别设有力传感器，所述下晶圆吸附盘设有与所述顶柱对应的孔洞以使所述力传感器突出于所述下晶圆吸附盘表面。
优选地，所述自调平微云台还包括导柱和调高螺母，所述导柱固定于所述下晶圆吸附盘下表面，所述同步调节盘上设有与所述导柱对应的孔洞，以防止所述下晶圆吸附盘与所述同步调节盘的位置错动，所述调高螺母用于调节所述顶柱的高度，从而控制上下晶圆的间距。
优选地，所述球形电机包括球形定子、球关节、球形外壳、多个永磁体、绕在永磁体表面的电线绕组及内置传感器，其中，所述球关节设于所述球形定子外部，所述球关节包括球部、设于球部表面的顶盖转轴以及设于所述顶盖转轴上方的顶盖，所述自调平微云台设于所述顶盖上；所述多个永磁体均布于并贯通所述球形外壳，所述内置传感器用于反馈与控制球形电机的性能。
优选地，所述第二支架包括帽型支架，所述吸附结构还包括真空吸盘转接件以及套设于真空吸盘转接件一端的旋转位移台，所述旋转位移台上设有多个微调顶丝，所述上晶圆吸附盘设于所述真空吸盘转接件的端部，所述多个微调顶丝用于调节所述上晶圆吸附盘的平行度。
优选地，所述第一支架包括第一X方向运动导轨、第一Y方向运动导轨、第一Z方向运动导轨，所述第一X方向运动导轨和第一Y方向运动导轨设于所述第一Z方向运动导轨下方，所述滑台设于所述第一Z方向运动导轨上。
优选地，所述第二支架为龙门式结构，所述第二支架包括第二X方向运动导轨、第二Y方向运动导轨、第二Z方向运动导轨，所述吸附结构设于所述第二Z方向运动导轨上。
优选地，所述装置还包括控制***，用于控制所述下晶圆运动台、上晶圆运动台以及基板直驱自调平微云台的工作。
优选地，所述装置还包括固定支撑底座，用于支撑所述下晶圆运动台、上晶圆运动台以及基板直驱自调平微云台。
按照本发明的另一个方面，提供了一种MicroLED巨量转移的自调平装置的应用，所述装置应用于激光转移MicroLED中。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种MicroLED巨量转移的自调平装置及其应用：
1.本申请通过球形电机以及自调平微云台可以实现所吸附的上晶圆和下晶圆的平行度自调，进而可以保证非接触转移过程中转移精度，即使上晶圆吸附盘和下晶圆吸附盘的面积很大也能保持很好的平行度，因此一次可以转移更多的MicroLED，因此显著提高了转移效率；
2.通过顶柱以及设于顶柱上的力传感器可以克服由于上晶圆吸附盘和下晶圆吸附盘粗糙度造成的误差，保证了转移精度，并通过球形电机可以将下晶圆吸附盘的位姿得以固定，进而避免了不同批次转移时的频繁调节，转移效率显著提高。
3.通过永磁体的通断来控制自调平微云台的运动，响应及时。
4.本申请中的装置非常适用于激光转移MicroLED中，可以实现供体/接收基板高精度相对运动或整体运动，实现了微器件的巨量转移，有效的提高了生产效率，推动了商业进程。
附图说明
图1是MicroLED巨量转移的自调平装置的整体结构图；
图2是MicroLED巨量转移的自调平装置的下晶圆运动台的结构图；
图3是MicroLED巨量转移的自调平装置的上晶圆运动台的结构图；
图4是基板直驱自调平微云台及下晶圆运动台的结构图；
图5A是球形电机的整体结构图；
图5B是球形电机的剖视图；
图6是控制***的控制示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
100-固定支撑底座，101-大理石基座，102-橡胶垫，103-抽屉滑轨，104-滑轨支架，105-结构钢支架，106-脚轮，107-可调整垫脚，108-储物柜；
200-下晶圆运动台，201-干涉防撞装置，202-滑台，203-第一Z方向运动导轨，204-拖链，205-封装罩，206-固定件，207-第一X方向运动导轨，208-直线电机，209-防撞限位，210-防撞限位，211-伺服电机，212-螺杆螺母机构；
300-上晶圆运动台，301-龙门大理石，302-Y轴拖链挡板，303-Y轴拖链，304-封装罩，305-固定件，306-防撞限位，307-真空吸盘转接件，308-上晶圆吸附盘，309-旋转位移台，310-微调顶丝，311-第二X方向运动导轨，312-帽型支架，313-防撞限位，314-伺服电机，315-Z轴拖链，316-干涉防撞装置；
400-基板直驱自调平微云台，401-球形电机，402-调高螺母，403-顶柱，404-同步调节盘，405-导柱，406-下晶圆吸附盘；
501-顶盖，502-球形外壳，503-永磁体，504-球形电机底座，505-球形定子，506-电线绕组，507-球关节，508-顶盖转轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1及图2，本发明提供了一种MicroLED巨量转移的自调平装置，包括下晶圆运动台200、上晶圆运动台300、基板直驱自调平微云台400、固定支撑底座100以及控制***(如图6所示)。下晶圆运动台200和上晶圆运动台300固定于固定支撑底座100上。下晶圆运动台200用于下晶圆(也即接收基板)的固定及运动。上晶圆运动台300用于上晶圆(也即供体基板)的固定及运动。下晶圆运动台200、上晶圆运动台300和基板直驱自调平微云台400通过控制***实现晶圆承载及运动功能。下晶圆运动台200和上晶圆运动台300在控制***作用下可保持两晶圆在同心位置处保持相对静止并进行整体平移，从而满足激光工艺的运动需求，其运动精度由运动组件的制造精度和控制组件的控制精度决定；
如图1所示，固定支撑底座100包括大理石基座101、橡胶垫102、抽屉滑轨103、滑轨支架104、结构钢支架105、脚轮106、可调整垫脚107、储物柜108，可调整垫脚107和脚轮106安装在结构钢支架105下面的四个底角上，以起到整个运动平台的固定支撑和搬运作用；四个可调整垫脚107通过螺纹进行长度的改变，以微调大理石基座101上平面的水平程度；大理石基座101架在结构钢支架105的橡胶垫102上，提供运动平台各运动方向的基准；滑轨支架104安装在结构钢支架105上并固定安装抽屉滑轨103，储物柜108固定在抽屉滑轨103上，并置于结构钢支架105的空余处，作为设备储物使用。
如图2所示，下晶圆运动台200，安装在大理石基座101上，并用固定件206固定，下晶圆运动台200包括具有XYZ三方向自由度的第一支架以及设于所述第一支架上的滑台202，以使所述滑台202在所述第一支架沿X、Y或Z方向运动。
进一步的，本实施例中，所述第一支架包括第一X方向运动导轨207、第一Y方向运动导轨、第一Z方向运动导轨203，所述第一X方向运动导轨和第一Y方向运动导轨设于所述第一Z方向运动导轨203下方，所述滑台设于所述第一Z方向运动导轨上。第一Z方向运动导轨203可以为螺杆螺母机构212。第一X方向运动导轨207和第一Y方向运动导轨的端部均设有防撞限位209。第一Z方向运动导轨203端部设有防撞限位210。该下晶圆运动台200还包括直线电机208、伺服电机211、干涉防撞装置201、拖链204及封装罩205等组成，下晶圆运动台200的运动结构组件提供下晶圆在X\Y\Z三个方向的高精度平动自由度。
如图3所示，上晶圆运动台300优选为龙门式结构，所述第二支架包括第二X方向运动导轨311、第二Y方向运动导轨、第二Z方向运动导轨，所述吸附结构设于所述第二Z方向运动导轨上。第二X方向运动导轨311和第二Y方向运动导轨的端部设有防撞限位306，第二Z方向运动导轨的端部设有防撞限位313。第二支架还包括龙门大理石301及其固定件305、Y轴拖链挡板302和Y轴拖链303、315是Z轴拖链、帽型支架312、伺服电机314、微调顶丝310、干涉防撞装置316及封装罩304等组成X\Y\Z三个方向的高精度平动自由度和水平方向的手动旋转自由度；所述吸附结构还包括真空吸盘转接件307以及套设于真空吸盘转接件307一端的旋转位移台，所述旋转位移台309上设有多个微调顶丝310，所述上晶圆吸附盘308设于所述真空吸盘转接件307的端部，所述多个微调顶丝310用于调节所述上晶圆吸附盘308的平行度。
如图4所示，基板直驱自调平微云台400安装在下晶圆运动台200上，包括球形电机401以及自调平微云台，所述球形电机401设于所述滑台上，自调平微云台在所述球形电机的带动下实现X、Y或Z方向的旋转或锁紧；自调平微云台包括同步调节盘404以及设于所述同步调节盘404上方的下晶圆吸附盘406，所述同步调节盘404表面设有多个顶柱403，所述顶柱403的上方分别设有力传感器，所述下晶圆吸附盘406设有与所述顶柱403对应的孔洞以使所述力传感器突出于所述下晶圆吸附盘406表面。
所述自调平微云台还包括导柱405和调高螺母402，所述导柱405固定于所述下晶圆吸附盘406下表面，所述同步调节盘404上设有与所述导柱405对应的孔洞，以防止所述下晶圆吸附盘406与所述同步调节盘404的位置错动，所述调高螺母402用于调节所述顶柱403的高度，从而控制上下晶圆的间距。顶柱403的数量优选为3个，3个顶柱403均布于同步调节盘404外周。
自调平微云台在球形电机的驱动下可提供下晶圆分别绕X、Y、Z方向三个方向的旋转自由度，当上晶圆与下晶圆同心对准后，缓慢移动上晶圆与顶柱403接触，此时球形电机通过不同方向的转动自适应调节下晶圆的位姿，直到上晶圆与三个顶柱403完全接触时认为两晶圆保持平行，此时完成自调平过程。本申请中上晶圆吸附盘和下晶圆吸附盘均采用可拆卸的连接方式，以便于不同的需要更换不同大小的上晶圆吸附盘和下晶圆吸附盘。
如图5A和5B所示，球形电机401包括球形定子505、球关节507、球形外壳502、多个永磁体503、绕在永磁体表面的电线绕组506及内置传感器，其中，所述球关节507设于所述球形定子505外部，所述球关节507包括球部、设于球部表面的顶盖转轴508以及设于所述顶盖转轴508上方的顶盖501，所述自调平微云台设于所述顶盖上；所述多个永磁体503均布于并贯通所述球形外壳502。该球形电机通过球形电机底座504连接在滑台202上。电线绕组506通电后球关节507在电枢作用下可绕球形定子505做X、Y或Z三个方向的转动；所述内置传感器用于反馈和电机控制，例如，可以为转轴惯性传感器、转速传感器、位置传感器、温度传感器等电机参数传感器，分别用于监测电机转速、温度、转轴角度等性能参数。
工作过程中，该MicroLED巨量转移的自调平装置操作步骤如下：
步骤1：将上晶圆吸附于上晶圆吸附盘308上，将下晶圆吸附于下晶圆吸附盘406上；
步骤2：控制上晶圆运动台300和下晶圆运动台200沿XY方向运动，使得两吸附盘同心对准；
步骤3：获取上晶圆吸附盘308和下晶圆吸附盘406的加工误差，获取平行度平衡间距，旋转调高螺母402，同步调节多个顶柱403的高度，直至各顶柱处的间距与所述加工误差相抵消，即实现了调平；
步骤4：获取调平时多个顶柱端部力传感器的示值，每次转移MicroLED保持该示值不变即可保证每次转移时的平行度。
综上所述，本申请不受转移头面积的限制，可以实现大平面转移过程中的平行度，显著提高转移效率，并且解决了MicroLED巨量转移时基板间距引起转移偏差的难题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种MicroLED巨量转移的自调平装置，其特征在于，所述装置包括：
下晶圆运动台，包括具有XYZ三方向自由度的第一支架以及设于所述第一支架上的滑台，以使所述滑台在所述第一支架沿X、Y或Z方向运动；
上晶圆运动台，包括具有XYZ三方向自由度的第二支架以及设于所述第二支架上的吸附结构，所述吸附结构位于所述滑台的上方；所述吸附结构包括上晶圆吸附盘，所述上晶圆吸附盘用于吸附上晶圆；
基板直驱自调平微云台包括球形电机以及自调平微云台，所述球形电机设于所述滑台上，自调平微云台在所述球形电机的带动下实现X、Y或Z方向的旋转或锁紧；自调平微云台包括同步调节盘以及设于所述同步调节盘上方的下晶圆吸附盘，所述同步调节盘表面设有多个顶柱，所述顶柱的上方分别设有力传感器，所述下晶圆吸附盘设有与所述顶柱对应的孔洞以使所述力传感器突出于所述下晶圆吸附盘表面。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述自调平微云台还包括导柱和调高螺母，所述导柱固定于所述下晶圆吸附盘下表面，所述同步调节盘上设有与所述导柱对应的孔洞，以防止所述下晶圆吸附盘与所述同步调节盘的位置错动，所述调高螺母用于调节所述顶柱的高度，从而控制上下晶圆的间距。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述球形电机包括球形定子、球关节、球形外壳、多个永磁体、绕在永磁体表面的电线绕组及内置传感器，其中，所述球关节设于所述球形定子外部，所述球关节包括球部、设于球部表面的顶盖转轴以及设于所述顶盖转轴上方的顶盖，所述自调平微云台设于所述顶盖上；所述多个永磁体均布于并贯通所述球形外壳；所述内置传感器，用于反馈与控制球形电机的性能。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二支架包括帽型支架，所述吸附结构还包括真空吸盘转接件以及套设于真空吸盘转接件一端的旋转位移台，所述旋转位移台上设有多个微调顶丝，所述上晶圆吸附盘设于所述真空吸盘转接件的端部，所述多个微调顶丝用于调节所述上晶圆吸附盘的平行度。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一支架包括第一X方向运动导轨、第一Y方向运动导轨、第一Z方向运动导轨，所述第一X方向运动导轨和第一Y方向运动导轨设于所述第一Z方向运动导轨下方，所述滑台设于所述第一Z方向运动导轨上。
6.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于，所述第二支架为龙门式结构，所述第二支架包括第二X方向运动导轨、第二Y方向运动导轨、第二Z方向运动导轨，所述吸附结构设于所述第二Z方向运动导轨上。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括控制***，用于控制所述下晶圆运动台、上晶圆运动台以及基板直驱自调平微云台的工作。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括固定支撑底座，用于支撑所述下晶圆运动台、上晶圆运动台以及基板直驱自调平微云台。
9.一种权利要求1～8任意一项所述的MicroLED巨量转移的自调平装置的应用，其特征在于，所述装置应用于激光转移MicroLED中。
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