JP2020526030A - 発光ダイオード（ｌｅｄ）のマストランスファー装置および製造方法 - Google Patents

発光ダイオード（ｌｅｄ）のマストランスファー装置および製造方法 Download PDF

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Abstract

実施形態は、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を含む製品を製作するのに有用なマストランスファー方法に関する。ＬＥＤアレイは、複数のＬＥＤデバイスのビームアシストリリース（ＢＡＲ）により、高速かつ柔軟な形態でソース基板からターゲット基板にトランスファーされる。ＢＡＲマストランスファー手法では、ソース基板の性能確認済みダイ（ＫＧＤ）データファイルを利用して、機能的に良好なダイのみをトランスファーし、再作業および歩留まり損失を回避することもできる。【選択図】図７

Description

本出願は、２０１７年６月２６日に出願された米国非仮特許出願第６２／５２５，１０５号であり、その内容が本明細書に参照により組み込まれる。
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスに関する。より詳細には、本発明の実施形態は、製造プロセス中に複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスをソース表面からターゲット表面に効率的にトランスファーさせる方法および装置を含む技術に関する。一例では、本方法は一般的なＬＥＤデバイスのトランスファーおよび配置に役立ち、特に一辺が数ミクロンの大きさであり得るマイクロＬＥＤ（μＬＥＤ）デバイスのマストランスファーに役立つ。マイクロＬＥＤは、とりわけ金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などの技術を利用して、支持基板上に成長される。個々のデバイスを最終的に照明またはディスプレイ用途で使用する前に、ＬＥＤデバイスをテストして、マストランスファー装置を駆動してＬＥＤデバイスを高速で歩留まりよく配置できる、性能確認済みダイ（ＫＧＤ：Ｋｎｏｗｎ Ｇｏｏｄ Ｄｉｅ）データを確立することが望ましい。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、従来の光源の代替技術として使用されてきた。例えば、ＬＥＤは、サイネージ、交通信号、自動車尾灯、携帯電子機器ディスプレイ、およびテレビに見出される。従来の光源と比較したＬＥＤの様々な利点には、効率の向上、長寿命、可変発光スペクトル、および様々なフォームファクタに組み込む能力、が挙げられ得る。
非常に成功しているが、ＬＥＤを製造するための改善された技術が大いに望まれている。
米国特許出願第６２／５２２，５７６号
"Ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｏｆ ＩＴＯ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ" Ａ．Ｒｉｓｃｈ ＆ Ｒ．Ｈｅｌｌｍａｎ，Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｄｉａ１２（２０１１）１３３−１４０
ＬＥＤ製造プロセス中、半導体産業で利用されるような大量生産プロセスを使用して、ＬＥＤ構造が基板上に形成される。基本的なＬＥＤ構造を形成するために、洗浄、堆積、リソグラフィ、エッチング、およびメタライゼーションなどのプロセスステップが使用される。量産規模の製造および低コストを実現するために、これらのプロセスを使用して多数のデバイスが基板上に同時に形成される。所望のＬＥＤのタイプに応じて、様々な基板および材料が使用される。例えば、ＵＶ放出ＬＥＤは典型的には窒化ガリウム（ＧａＮ）から作製され、窒化ガリウム（ＧａＮ）は、通常は、サファイア上のヘテロエピタキシャル層、または水素化物気相成長（ＨＶＰＥ）もしくはアモノサーマル法のいずれかを使用して作製された自立ＧａＮ基板から作製されてきた。他の色については、ＧａＡｓまたはＧａＰ基板を使用できる。近年、別の出発基板タイプとして、支持基板上に層がトランスファーされたＧａＮ、ＧａＡｓまたは他のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料が利用可能になっている。これら、および場合によっては他のＬＥＤ構造は、本発明にて開示された装置および方法を使用してマストランスファーされて、ソース面密度を有するソース表面（通常は基板）から、多くの場合に異なるターゲット面密度を有するターゲット表面への、これらＬＥＤデバイス構造の迅速かつ正確な配置がもたらされ得る。
このような密度変換は、通常はアレイ状に配置されたＬＥＤデバイスのソース基板を、多数の可能なターゲット基板構成に使用するために必要である。テレビ、ラップトップ画面、コンピュータモニタ、携帯電話、機器、自動車、ウェアラブルディスプレイは、プログラム可能な面密度のマストランスファー装置および方法を必要とするほんの数例である。
ほとんどのマイクロＬＥＤデバイスの「印刷」方法は、半導体産業を含む多くの産業で成功裏に使用されている「ピックアンドプレース」製造方法のスループットバージョンである。半導体産業では、個々の集積回路ダイは多くの場合、トレイから掴み取られ、最終的な相互接続基板、インターポーザなどに置かれる。マイクロＬＥＤ製造のための改善されたピックアンドプレース・マストランスファー戦略を追求している企業の例には、Ｃｕｐｅｒｔｉｎｏ ＣａｌｉｆｏｒｎｉａのＡｐｐｌｅ Ｉｎｃ．、およびＣｏｒｋ ＩｒｅｌａｎｄのＸ−Ｃｅｌｅｐｒｉｎｔが挙げられる。両社は、複数のＬＥＤデバイスを掴み取り、ターゲット表面の少なくとも一部に置く変形例を開発している。これらの方法の使用に対する適合性は、スループット、性能確認済みダイのマイクロＬＥＤデバイスのみを印刷するオプション、およびトランスファー歩留まりによって特徴付けられる。現在の手法は、これらの各基準において限定を受けている。例えば、Ｘ−Ｃｅｌｅｐｒｉｎｔは最近、マイクロトランスファー印刷機能のいくつかの詳細について開示している（ＳＰＩＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｗｅｓｔ ２０１７ ｐａｐｅｒ １０１２４−４４ ａｎｄ ＳＩＤ ２０１７ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｐａｐｅｒ １９．４）。スループットは１時間あたり約１００万個のＬＥＤを超えると主張しており、本方法は、存在しない、ＫＧＤデバイスを印刷する能力に限定されている。代わりに、同社は一連の印刷後修復方法を提案している。これらの限定は、物理的なピックアンドプレース手法の根本的な結果であり、更に改善することは難しいと考えられている。
物理的なスタンプピックアンドプレース方式では、特定のデバイスアレイをソース基板から持ち上げ、アレイをターゲット基板内の特定の場所に置くということを認識することにより、機能的に良好なダイのみをピックアンドプレース方式でトランスファーするためにＫＧＤテストデータを利用することの固有の難しさを理解できる。これは、ダイの機能性のレベルに関係なく、基本的にソースアレイの「ブラインド」印刷である。ＫＧＤデータを利用する唯一のソリューションは、ターゲット基板へのトランスファーの前に、非機能的なダイの除去ステップを追加し、引き続き、欠落しているダイを後で配置することによりスループットを下げることであろう。
次の４ｋ ＵＨＤ ＴＶディスプレイの例は、これらの従来のピックアンドプレース方式が、商業的に競争力のあるマイクロＬＥＤ製造の効果的なソリューションになるには、いかに不十分であるかを示す役割りを担う。このディスプレイは、８３０万個のＲＧＢ画素または約２５００万個のサブ画素を含む。１時間あたり１００万個のサブ画素のトランスファーレートでは、Ｘ−Ｃｅｌｅｐｒｉｎｔシステムは１つの４ｋ ＵＨＤ ＴＶを完全に配置するのに約２５時間かかるであろう。大規模なテレビ製造ラインでは、テレビ１台／分の製造レートであることを想定すると、非実用的な数のマイクロトランスファー印刷システム（１５００以上）が必要である。更に、トランスファー後の印刷修復は実効的なスループットを大幅に低下させ、相当の再作業が必要になる。トランスファーエラーおよび非機能ダイのトランスファーから、１０ｐｐｍの非機能のマイクロＬＥＤレートを想定すると、各ＴＶは、何らかの修復を必要とする不良サブ画素を平均２５０個有することになる。トランスファー後の修復への依存は、非実用的であるだけでなく、高価であり、歩留まりと品質の課題をはらんでいる。
ソース基板のＫＧＤデータファイルを生成し、選択された機能的仕様のセットを満たすＫＧＤデバイスのみを、かなり低いトランスファーエラーレートで柔軟かつ迅速にトランスファーするための新しい手法および方法が必要である。速い配置速度、精度、および最終デバイスの機能的歩留まりが、商業的に競争力のあるマイクロＬＥＤ製造を実現するために必要な、ほんのいくつかの要件である。
本発明に記載されているマストランスファー装置および方法は、レーザービームなどのエネルギービームを使用して、ダイ／位置の一致基準を満足すること基づいて、ＫＧＤダイをソース基板からターゲット基板に迅速にリリースすることを介して、商業的に競合するマイクロＬＥＤ製造の要件に対処する。本発明の特定の好ましい実施形態によると、特定のサブ画素場所からフットプリントと呼ばれる特定のサブ画素内のＸ−Ｙエリアへの配置精度を緩和する垂直ＬＥＤ構造を使用することにより、スループットおよび一致数を大幅に改善できる。不一致のままである特定の画素は、ソース基板を２番目の場所に移動させることで配置できる。このような移動は、全てのサブ画素が一致し配置されるまで繰り返される。本発明では、画素およびサブ画素は、ＬＥＤデバイスが組み立てられるサイトを示すために同じ意味で用いられる。
マストランスファー装置は、ＫＧＤデータファイルを利用して、事前設定された基準に従って機能しないＬＥＤのトランスファーを回避する。製造環境において実用的であるためには、機能テスト方法は、高密度マイクロＬＥＤソース基板アレイを迅速にテストする必要がある。例えば、１０μｍ×１０μｍのマイクロＬＥＤのアレイを有する６インチ基板は、エッジを５ｍｍ除外して、約１億５０００万個のＬＥＤデバイスを含む。そのようなアレイの非直接接触での機能テスト手法は、本発明者によって開発され、「Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ（ＬＥＤ） Ｔｅｓｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」と題する、米国特許出願第６２／５２２，５７６号に記載されており、あらゆる目的のために参照として本明細書に組み込まれる。
このマストランスファー方法によって得られる主な利点は、１時間あたりＬＥＤが１億〜２億５０００万個を超えると推定されるＫＧＤ ＬＥＤデバイスを高速で配置する能力である。このことにより、本方法が、ターゲット製品を事実上エラーのない形で、かつ大量製品製造ラインと互換性のあるレートで作製できるようになる。
本発明に記載される装置および方法は、ビームアドレス指定リリース（ＢＡＲ）マストランスファー機器および方法として記載される。
ＬＥＤ構造の簡略化した断面を示す。 ＬＥＤ量産プロセス中の、ＬＥＤデバイス構造を含むＬＥＤソース基板を示す。 図３Ａは、ストリートによって分離された個片化されたＬＥＤデバイスを有するＬＥＤソース基板の上面図（Ａ）を示す。 図３Ｂは、ストリートによって分離された個片化されたＬＥＤデバイスを有するＬＥＤソース基板の断面図（Ｂ）を示す。 本発明の一実施形態による、ストリートによって分離された個片化されたＬＥＤデバイスを有するＬＥＤソース基板の断面図を示し、ＬＥＤデバイスのビーム誘導リリースを更に示す。 本発明の別の実施形態による、ストリートによって分離された個片化されたＬＥＤデバイスを有するＬＥＤソース基板の断面図を示し、ＬＥＤデバイスのビーム誘導リリースを更に示す。 埋め込み共通コンタクトおよび誘電体層を有する、支持基板上の４つのＬＥＤデバイスを含むＬＥＤデバイス層の一部に近接したフィールドプレートを利用する、本発明の特定の実施形態によるソース基板アセンブリのテストステップを示す。 本発明の特定の実施形態によるテストステップを使用した、測定、ビン／ヒストグラム分析、およびＬＥＤ機能のｇｏ／ｎｏｇｏ判定の生成を示す。 本発明の特定の実施形態による、ビームアドレス指定リリース（Ｂｅａｍ Ａｄｄｒｅｓｓｅｄ Ｒｅｌｅａｓｅ）（ＢＡＲ）マストランスファーシステムのブロック図を示す。 本発明の特定の実施形態による、ビームアドレス指定リリース（ＢＡＲ）マストランスファーシステム内で使用するための多角形ビームスキャンシステムを示す。 本発明の特定の実施形態による、ビームアドレス指定リリース（ＢＡＲ）マストランスファーシステム内で使用するための、ｆシータレンズを有するガルバノメータＸ−Ｙミラービームスキャンシステムを示す。 本発明の特定の実施形態による、ビームリリースレーザー源として有用な特定のレーザーシステム用の、パルス繰り返しレートに応じたパルスエネルギーを示す。 本発明の特定の実施形態による、ＬＥＤデバイスのリリースのための基本スキャンプロセスを説明している。 本発明の特定の実施形態による、ＬＥＤデバイスのリリースのためにスキャンプロセスを受けているターゲット基板画素アレイを示す。 本発明の特定の実施形態による、ＬＥＤデバイスのリリースのために、スキャンプロセスを受けている、２つのフットプリントパターンを有するターゲット基板画素アレイを示す。 本発明の特定の実施形態による、ＬＥＤデバイスのリリースのためにスキャンプロセスを受けているターゲット基板画素アレイを示す。 本発明の特定の実施形態による、ＬＥＤデバイスのリリースのために、スキャンプロセスを受けている、２つのフットプリントパターンを有するターゲット基板画素アレイを示す。 本発明の特定の実施形態による、ソース基板とターゲット基板の重ね合わせ、およびフットプリントパターンを示す。 本発明の特定の実施形態による、ＬＥＤデバイスのリリースのためにスキャンプロセスを受けている、ソース基板とターゲット基板の重ね合わせを示す。 本発明の特定の実施形態による、ＬＥＤデバイスのリリースのためのスキャンプロセスの後のターゲット基板を示す。 本発明の特定の実施形態による、ターゲット基板を配置するためのビームアドレス指定リリース（ＢＡＲ）マストランスファーシステムのプロセスフローチャートを示す。 本発明のある種の実施形態で使用される、ＬＥＤデバイスのアドレス指定回路を示す。 本発明の特定の実施形態による、画素フットプリントエリア内のＬＥＤデバイスを共通Ｖｓｓバックプレーンに接続するＴＦＴアクティブマトリックスバックプレーンの断面を示す。 本発明の特定の実施形態による、画素フットプリントエリア内のＬＥＤデバイスを２つのエリアコンタクト間で接続するための異方性相互接続方法の断面図を示す。 コンタクトパターンを用いて２つの表面を選択的に接触させるために、異方性コンタクトフィルム（ＡＣＦ）をどのように使用し得るかを示す。
ＬＥＤの更なる説明は、本明細書の全体にわたって、より具体的には以下に示される。一例では、ＬＥＤの１つのタイプは、ダイオードの発光層が有機化合物で形成される有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）である。ＯＬＥＤの長所の１つは、有機発光層をフレキシブル基板上に印刷する能力である。ＯＬＥＤは薄くフレキシブルなディスプレイに組み込まれており、携帯電話およびデジタルカメラなどのポータブル電子デバイスのディスプレイを作製するために多くの場合使用される。
別のタイプのＬＥＤは半導体ベースのＬＥＤであり、ダイオードの発光層は、より厚い半導体ベースのクラッド層の間に挟まれた１つ以上の半導体ベースの量子井戸層を含む。ＯＬＥＤと比較した半導体ベースのＬＥＤの長所は、効率向上と長寿命を含み得る。ワットあたりのルーメン（ｌｍ／Ｗ）で表される発光効率が高いことは、半導体ベースのＬＥＤ照明の主な長所の１つであり、よって他の光源と比較してエネルギーまたは電力使用量を低減できる。輝度（明るさ）は、所与の方向に対して光源の単位面積あたりに放出される光量であり、平方メートルあたりのカンデラ（ｃｄ／ｍ2）で測定され、一般にＮｉｔ（ｎｔ）とも称される。輝度は動作電流の増加と共に増加するが、発光効率は電流密度（Ａ／ｃｍ2）に依存し、最初は電流密度が増加するにつれて増加し、最大値に達し、次に、「効率低下」として知られる現象に起因して減少する。「内部量子効率（ＩＱＥ）として知られる、光子を内部で生成する能力を含む、多くの要因がＬＥＤデバイスの発光効率に寄与する。内部量子効率は、ＬＥＤデバイスの品質と構造の関数である。外部量子効率（ＥＱＥ）は、放出された光子の数を、注入された電子の数で割ったものとして定義される。ＥＱＥは、ＩＱＥとＬＥＤデバイスの光抽出効率の関数である。ＬＥＤデバイスのＩＱＥおよびＥＱＥは、動作電流密度（注入電流密度、または順方向電流密度とも称される）が低い場合は、動作電流密度が増加するにつれて最初は増加し、その後、動作電流密度が増加するにつれて、効率低下として知られる現象で次第に弱まり始める。電流密度が低い場合は、非放射再結合と呼ばれる、光の発生を伴わずに電子と正孔が再結合する、欠陥または他のプロセスの強い影響に起因して、効率は低い。これら欠陥が飽和するにつれて、放射再結合が支配的になり、効率が増加する。注入電流密度が低い値、典型的には１．０〜１０Ａ／ｃｍ2、を超えると、「効率低下」または効率の緩やかな低下が始まる。
半導体ベースのＬＥＤは、標識およびサイネージとして使用される低電力ＬＥＤ、光パネルおよび自動車尾灯などの中電力ＬＥＤ、ならびに固体照明および液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）バックライトなどの高電力ＬＥＤを含む、多用な用途で一般的に使用されている。ある用途では、高出力の半導体ベースのＬＥＤ照明デバイスは、一般に、４００〜１，５００ｍＡで動作する場合があり、１，０００，０００ｃｄ／ｍ2を超える輝度を示す場合がある。高出力の半導体ベースのＬＥＤ照明デバイスは、典型的には、ＬＥＤデバイスの効率曲線特性のピーク効率のかなり右側の電流密度で動作する。低電力の半導体ベースのＬＥＤの標識およびサイネージ用途では、多くの場合、約２０〜１００ｍＡの動作電流で約１００ｃｄ／ｍ2の輝度を呈する。低出力の半導体ベースのＬＥＤ照明デバイスは、典型的には、ＬＥＤデバイスの効率曲線特性のピーク効率における電流密度で、またはその右側の電流密度で動作する。発光を増加させるために、ＬＥＤダイのサイズが拡大されてきており、１ｍｍ2のダイがかなり一般的なサイズになっている。ＬＥＤダイのサイズをより大きくすると、その結果、電流密度が低下する可能性があり、それにより、数百ｍＡから１アンペア以上のより大きい電流の使用が可能になり、それにより、このようなより大きい電流でのＬＥＤダイに関連する効率低下の影響が軽減される。
ＬＥＤは、時計、スマートフォンおよびラップトップ、ならびにコンピュータモニタおよびＴＶディスプレイなどのポータブルデバイスで長年にわたって使用されてきたが、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のディスプレイ技術向けの代替白色光源としては間接的にのみ使用されてきた。これらは「ＬＥＤ」テレビなどと呼ばれているが、実際のＬＥＤは、主として、以前使用されていた冷蛍光ランプ（ＣＦＬ）のバックライト光源の代わりにバックライトを照らすＧａＮベースの白色ＬＥＤであった。カラー画素の生成は、介在するカラーフィルタを使用して他の色をブロックすることによって色が生成される光減算処理によって機能するＬＣＤ技術に引き続き基づいている。例えば、赤色画素は、バックライトＬＥＤの白色スペクトルの緑色および青色の部分をブロックする赤色フィルタによって生成される。グレースケール（画素の光強度）は、２つの交差する偏光子の間に光路に沿って置かれた液晶セルを通して偏光を変調することにより生成される。
ＬＥＤバックライト駆動のＬＣＤディスプレイ技術は、ＣＦＬでバックライト照射したものよりも、効率および信頼性がより高いが、この技術は依然として電力効率がよくない。その理由は単純であり、ＬＥＤ白色バックライトデバイスは、外部量子効率（ＬＥＤデバイスに注入された電気的キャリアあたりに放出される光子）の点では、かなり効率的であり得るが、このＬＣＤディスプレイ技術の残りの部分には多くの非効率性がある。最初の偏光子は、偏光されていない白色バックライトの半分弱をカットし、次に、残りの光の２／３を差し引くことにより各画素が色付けされる（ＧＢなしのＲは赤色、ＲＢなしのＧは緑色、ＲＧなしのＢは青色）。その他の損失には、画素フィルファクタ、およびフィルム／ＬＣＤセルの吸収ならびに散乱が含まれる。したがって、総光出力は白色ＬＥＤバックライト強度の約１／６未満である。
特に、バッテリ寿命が重要な要素である携帯型のバッテリ駆動デバイスでは、電力効率がよりよく、より明るいディスプレイ技術を求める傾向がある。マイクロＬＥＤは、より高い電力効率を実現するための有望な技術である。マイクロＬＥＤディスプレイでは、画素エリア内に置かれた小型ＬＥＤデバイスが直接駆動されて、直接発光する形態で光が生成される。（ｉ）青色からＵＶのＬＥＤ（すなわち、ＧａＮベース）を、カラー蛍光体または量子ドットカラー変換層と共に利用した光子ダウンコンバージョンによる画素カラーの生成、および／または、（ｉｉ）色を直接生成するＬＥＤの使用（すなわち、赤色用のＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ ｆｏｒ ｒｅｄ、ＧａＰ、緑色用のＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＰ、および青色用のＺｎＳｅ、ＩｎＧａＮ、ＳｉＣ）、のいずれかによって色を生成できる。いずれの場合も、マイクロＬＥＤディスプレイの直接発光／直視により、電力効率が６倍以上に改善される。
マイクロＬＥＤベースのディスプレイを実現するための基本技術はよく知られているが、製造および品質管理には多数の課題が存在する。課題の１つは、画素の使用を確定する前に、製造プロセス中に数百万個のマイクロＬＥＤデバイスを費用効果が高く効率的な形態で機能テストすることである。もう１つは、ソースまたは支持基板からターゲット表面、プレート、またはエリアへのマイクロＬＥＤデバイスの柔軟、高速、かつエラーのないマストランスファーである。したがって、マイクロＬＥＤデバイスのＫＤＧデータファイル駆動マストランスファーを、マイクロＬＥＤの大規模製造プロセスと互換性のある形態で可能にすることが望まれる。本発明の更なる詳細は、本明細書の全体にわたって、より具体的には以下に見出すことができる。
本発明の実施形態は、ＬＥＤデバイス製作プロセス、およびピックアンドプレース手法を行わないＬＥＤデバイスのマストランスファーの方法について説明する。具体的には、本発明のいくつかの実施形態は、高輝度ＬＥＤ、中出力ＬＥＤ、低出力ＬＥＤ、およびマイクロＬＥＤデバイスをマストランスファーする方法に関し得る。
様々な実施形態では、図面を参照して説明される。しかし、ある種の実施形態は、これらの具体的な詳細の１つ以上を伴うことなく、または他の既知の方法および構成と組み合わせて実施してもよい。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、具体的な構成、寸法、およびプロセスなど、多数の具体的な詳細が述べられている。その他の場合、本発明を不必要に曖昧にしないように、周知の半導体プロセスおよび製造技術は特に詳細には記載されていない。本明細書の全体にわたって、「一実施形態」を参照することは、実施形態に関連して記載される特徴、構造、構成、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体にわたって、様々な場所における「一実施形態では」という語句の出現は、必ずしも本発明の同じ実施形態を参照するわけではない。更には、特徴、構造、構成、または特性を、１つ以上の実施形態において任意の適切な形で組み合わせてもよい。
本明細書で使用される、「にわたる（ｓｐａｎｎｉｎｇ）」、「上方に（ｏｖｅｒ）」、「へと（ｔｏ）」、「間に（ｂｅｔｗｅｅｎ）」、および「上に（ｏｎ）」という用語は、他の層に対する１つの層の相対位置を参照し得る。ある層が、別の層「にわたる（ｓｐａｎｎｉｎｇ）」、「上方に（ｏｖｅｒ）」、もしくは「上に（ｏｎ）」、または別の層「に接着された（ｂｏｎｄｅｄ ｔｏ）」もしくは「に接触している（ｉｎ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｔｈ）」場合、他の層と直接接触していてもよく、または１つ以上の介在層を有していてもよい。ある層が、層の「間にある」場合、層と直接接触していてもよく、または１つ以上の介在層を有していてもよい。
本発明のある種の実施形態は、更なる処理の前に、ＬＥＤデバイス構造層が成長基板からトランスファーされ支持基板またはプレートアセンブリに接着される、ＬＥＤデバイスアセンブリについて記載する。本発明の実施形態によると、ＢＡＲマストランスファーステップは、トランスファーの前、または１つ以上のトランスファーの後のいずれかに適用できる。複数のＬＥＤ構造が異なる基板にトランスファーされ、場合によっては接着される、様々な可能な構成を簡素化するために、結果として得られる基板（成長基板、支持基板、またはアセンブリ）は、ＢＡＲ装置内のデバイスのソースとして利用される場合は、いずれの場合でもソース基板と称するもとのする。例えば、ＭＯＣＶＤ成長中にＬＥＤ構造を支持する基板も、ＢＡＲマストランスファー装置内で直接使用される場合は、ソース基板と称されるが、リリース、および支持プレートへの取り付け後に、このようなプレート、およびＬＥＤデバイス層を機械的に支持するために使用される任意の他の基板またはプレートも、ソース基板と称されることになる。加えて、支持基板は、ＢＡＲ装置内でソース基板として取り付けられるプラスチックフィルムなどの可撓性シートであり得る。ソース基板という用語は、一般に、機械的支持体としての役割りを暗示するために使用され、本明細書の全体にわたって、ＢＡＲマストランスファー装置の一部として記載される基板である。
本発明の特定の実施形態に応じて、支持基板は透明であり、追加コーティングを有することができる。これらは、以下でより詳細に記載するように、ＢＡＲマストランスファープロセスを直接サポートするか、または特定のＬＥＤ製造プロセスステップの要件の一部として存在するかの、いずれかである。
図１を参照すると、代表的なＬＥＤ１０４は、ｎ型カソード層１００、活性層（通常は、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）、または一連のＭＱＷサブ層）１０１、ｐ型層１０２、およびｐ型コンタクト１０３を形成する堆積層から構成される。このＬＥＤ構造は簡略化されており、バッファ層、ブロッキング層、ｎ型コンタクト層などの多くの追加層は簡略化のために示されていない。電気的には、ＬＥＤは、アノードとしての層１０３（または接触点１０６）を通して、およびカソードとしての層１００（または接触点１０５）を通して接触されることになる。いくつかのＬＥＤ構造では、ｎ型層およびｐ型層もコンタクト層とすることができ、したがって、具体的に別途記載しない限り、本発明の目的のために互換的に命名できる。アノードからカソードへの順方向（正電圧）バイアスを使用してＬＥＤデバイスに電流を流すことにより、アクティブ領域を通って流れるキャリアからの放射再結合プロセスから光が生成される。光を放出する放射再結合プロセスを最大限にするために、活性層１０１の設計は最適化されている。ＬＥＤ構造を逆バイアスすると、光が生成されることはない。ブレークダウンと呼ばれる過程によりデバイスが損傷を受ける、または破壊されることを避けるために、ＬＥＤでは逆バイアス電圧を限定することが重要である。安全な逆バイアス領域内では、僅かなリーク電流がデバイスを流れる。
ＬＥＤの製造では、ＬＥＤデバイスは、半導体業界で一般的な、基板ベースの大量生産プロセスと同様の方法を使用して大量生産で作製されている。図２を参照すると、図１に記載されたＬＥＤ構造が、好適な成長基板または支持基板２０１上に堆積されて、ＬＥＤ基板２００が作製される。所望のＬＥＤのタイプ、品質、および色に応じて、様々な基板材料タイプを使用できる。例は、ＧａＰ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板であり、またはサファイアおよび炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのヘテロエピタキシャル成長基板も可能である。層がトランスファーされた半導体の層状テンプレート基板が、更に別のタイプの成長基板である。次に、ＬＥＤ構造を成長させて、下側コンタクト２０２（この例ではｎ型またはカソード）、活性領域２０３、および上側コンタクト２０４（この例ではｐ型またはアノード）を形成する。
図２のＬＥＤ基板は、複数の個片化されていないＬＥＤ構造を含む。エッチング、リソグラフィ、パッシベーション、および堆積などのプロセスステップを使用して、ＬＥＤ製造シーケンス内で、所望のサイズおよび機能を有する個々のＬＥＤデバイスを分離できる。図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、例えばトレンチ３０８を形成するためのプロセス、例えばエッチングを使用して、所望のＬＥＤデバイスを支持基板３０１上に置いたままで分離できる。これらのエッチング構造（「ストリート」と呼ばれることもある）を基板上に作製して、正方形デバイスなどの個々に分離された構造を形成する場合、多数のＬＥＤデバイス３０９が電気的に分離され、リリースおよびパッケージングに利用可能である。この例では、トレンチ３０８は下部共通コンタクト層３０２を貫通してエッチングされることはなく、したがって共通電位３１０に接続され得る。したがって、各ＬＥＤデバイス３０９を、電圧源３０６を使用してｐ型層３０４およびｐ型コンタクト層３０５に個々に接触させることができる。次に、接触されたデバイスから光３０７が測定されて、その機能を評価できる。この例では、上部発光ＬＥＤ構造が示されており、上部コンタクト３０５は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明電極である。下部発光構造などの他の構造も可能である。この場合、支持構造は好ましくは透明な場合があり、ｐ型コンタクト層は金属層などの光反射層である場合がある。もちろん、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
図４は、ＬＥＤデバイス４０１などの複数の完全に個片化されたＬＥＤデバイスが、界面４０３を備える透明なソース基板４０２の表面上にあるＬＥＤソースアセンブリ４００を示す。ＬＥＤデバイス層がリリースされ、その後接着される場合、ソース基板は、ＭＯＣＶＤ成長基板、または石英基板もしくはガラス基板などの両面研磨（ＤＳＰ）サファイア基板とすることができる。レーザー４０４などのエネルギービームは、ビーム誘導リリース効果４０６によって、ＬＥＤデバイス４０５をリリースするものとして示されている。ＤＳＰサファイア基板上に成長させたＧａＮ ＬＥＤデバイスを使用する単なる例として、ＵＶレーザーパルスを使用して、サファイア／ＧａＮ界面においてＧａＮを分解してデバイスをリリースすることにより、リリースが行われる。もちろん、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
図４のＬＥＤデバイスアレイ構造は、同様のレーザーリフトオフ（ＬＬＯ）プロセス、またはＬＥＤデバイス層を界面４０３の近くで分離する化学リフトオフ（ＣＬＯ）プロセスを介して、二次基板上に完全な層としてリリースすることもできる。ここで、二次基板は、個々のＬＥＤデバイスをトランスファーするための支持体として使用される場合、ソース基板と称される。もちろん、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
図５に示すような、ビーム特性に敏感なリリース層を組み込むことで、リリースプロセスの改善を実現できる。ソースアセンブリ５００は、ソース基板５０２上にあるＬＥＤデバイス５０１などの複数のＬＥＤデバイスを有する。この実施形態では、ＬＥＤデバイスは、接着層５０４内に存在するリリース層５０３を使用して支持基板に結合される。レーザー５０５などのエネルギービームは、ビーム誘導リリース効果５０７によって、ＬＥＤデバイス５０６をリリースするものとして示されている。この例では、リリース層５０７は、リリース効果が激しくならないように、または必要とするビームパルスエネルギーがより少なくなるように最適化できる。ソースアセンブリ５００がＬＥＤ形成前に接着された基板である場合は、ＬＥＤデバイス形成後に事前に化学的またはレーザーによるリフトオフ工程は不要である。組み込まれたリリース層を有するＭＯＣＶＤ済み基板は、直接、ＢＡＲマストランスファー用のソース基板になることができる。
エネルギービーム５０５からのＬＥＤデバイスの更なる保護が望まれる場合、介在する金属層または他の反射層を、リリース層５０３と、ＬＥＤデバイス５０１などのＬＥＤデバイスとの間に組み込むことができる。
層トランスファー方法を使用したソース基板の使用はまた、リリース後に追加の金属工程または他の仕上げ工程を必要とすることなく、完全に処理されたＬＥＤデバイスのマストランスファーを可能にする。通常のサファイア上ＧａＮプロセスでは、依然としてリリース後のコンタクト形成が必要になるが、ＭＯＣＶＤ処理およびリリースの前に、ＬＥＤデバイス上に埋め込み金属層を形成できる。図５を参照すると、ＬＥＤデバイス５０６は金属コンタクト５０８を含み得る。モリブデンは、その適合性ゆえに、好適な金属コンタクト層の一例である。もちろん、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
３５５ｎｍ〜１０６４ｎｍのＹＡＧレーザー線に好適なリリース層の例は、フェムト秒からピコ秒のパルスで容易にアブレーションできるＩＴＯおよび他の酸化物である。ＩＴＯをアブレーションするプロセスは、「Ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｏｆ ＩＴＯ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ」，Ａ．Ｒｉｓｃｈ ＆ Ｒ．Ｈｅｌｌｍａｎ，Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｄｉａ１２（２０１１）１３３−１４０に記載されている。この研究には、３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、および１０６４ｎｍが含まれ、そこでは０．５Ｊ／ｃｍ2のプロセスに対応する、約１０μＪのエネルギーの単一パルスを約４２μｍのスポットサイズにて使用して、５０〜１００ｎｍのＩＴＯがアブレーションされた。１パルスでリリースする能力、ビームを十分に集束させて、隣接するＬＥＤデバイスに影響を与えずに、ターゲットＬＥＤデバイスを確実にリリースすることを可能にするタイトなビーム集束、およびＸＹ位置の精度と再現性は、ＢＡＲマストランスファー用途において重要なリリースビーム光学系および他の適合性のための特性のいくつかである。もちろん、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
図５のＬＥＤデバイスアレイ構造は、ＬＥＤデバイス層をリリース層５０３の近くで分離する同様のレーザーリフトオフ（ＬＬＯ）プロセスを介して、または接着層５０４を選択的に除去する化学リフトオフ（ＣＬＯ）プロセスを用いて、二次基板上に完全な層としてリリースすることもできる。ＣＬＯプロセスが使用される場合、リリース層５０３は必要ではない場合があり、化学プロセスを使用して複数のＬＥＤデバイスを二次基板上にリリースすることにより、リフトオフプロセスが生じ得る。例えば、フッ化水素（ＨＦ）酸を含む浴は、二酸化ケイ素を含む接着層５０４を選択的にエッチングして、エッチング液によって浸食されない材料で作られた二次基板上にＬＥＤデバイス層５０１をリリースできる。テフロンは、ＨＦでエッチングされない好適な二次基板材料の一例である。ここで、二次基板は、個々のＬＥＤデバイスをトランスファーするための支持体として使用される場合、ソース基板と称される。ＬＬＯマストランスファープロセスが望ましい別の実施形態では、ＬＥＤデバイス層のＣＬＯリフトオフ後のテフロン中間基板を、光学的に透明な第３の基板に接着することができる。ここで、この第３の基板はソース基板と称され、第３の基板とＬＥＤデバイス層との間に配置されたＢＡＲマストランスファーリリース層を使用したレーザーリフトオフ・マストランスファープロセスを可能にする。もちろん、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
ソースアセンブリ５００が、ＭＯＣＶＤ成長基板からのＬＥＤデバイス５０１の以前にリリースされた層から、製作され、二次基板５０２上に接着される実施形態では、ＢＡＲマストランスファーリリース層５０３は高温ＭＯＣＶＤおよび他のＬＥＤデバイス形成プロセスにさらされる必要がないので、ＢＡＲマストランスファーリリース層５０３の選択は、それほど制限されない可能性がある。例えば、リリース層は、高温安定性の範囲が限定された有機または無機のリリース層であり得る。日本の大阪にある、日東電工株式会社によって製造された、ＥＬＥＰ ＨＯＬＤＥＲ ＵＶ剥離テープ、およびＮＷＳ−Ｙ５Ｖ熱剥離テープなどの剥離テープ製品に機能が同様の有機ＵＶまたは熱リリース層を利用できる。この用途で効果を有し、高スループットのアセンブリをサポートするためには、低いＵＶフルエンスおよびサーマルバジェット調合物を有する薄膜が必要である。無機リリース層は、好ましくは、ＢＡＲ照射の時点で、効率的に分解して低接着性の状態にできる薄層である。もちろん、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
本明細書の残りの部分では、次のソースアセンブリが想定される。
ａ．ソース基板は、直径１５０ｍｍ、厚さ１ｍｍのＤＳＰサファイア基板であり、個々のＬＥＤデバイスのアドレス指定が可能な３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、または１０６４ｎｍのレーザー源を用いて、０．５Ｊ／ｃｍ2のパルスプロセスでリリース可能なリリース層（ＲＬ）を有する。
ｂ．１５μｍｘ１５μｍのＬＥＤデバイスアレイ（デバイス幅１０μｍ、縦型デバイス構造、デバイス間に５μｍのギャップまたはストリート）。上部がアノード、下部がカソードである。
ｃ．ＬＥＤデバイスアレイは、サイズが１０５ｍｍ×１０５ｍｍの正方形アレイであり、７０，０００×７０，０００個のＬＥＤデバイスまたは４９００万個の個々のＬＥＤを含む。
ｄ．リリースされたＬＥＤデバイスは、完成したデバイスとして完全にコンタクト可能である。
ソース基板上にＬＥＤデバイスを形成した後、特定の所定基準を満たすためにＬＥＤデバイスのテストを実施できる。図６は、「Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ （ＬＥＤ） Ｔｅｓｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」と題する、米国特許出願第６２／５２２，５７６号に記載されているような電気光学テストを使用して、ソース基板上の個々のＬＥＤデバイスの機能を決定するテストを受けているソースＬＥＤ基板を示す。このテスト方法では、フィールドプレートおよび下部電極を利用して、ソース基板上の複数のＬＥＤデバイスに電流を容量的に注入し、その応答をカメラなどのセンサを使用して測定する。テスト構成６００を図６Ａに示し、フィールドプレート６０１がソース基板６０２を覆って、ＬＥＤデバイス６０３などの複数のＬＥＤデバイス構造の上方に存在し、界面領域６０４によって分離されており、界面領域はフィールドプレート６０１からＬＥＤデバイス６０３などのＬＥＤデバイスへの容量結合をサポートすることができる。最下層のＬＥＤデバイス構造層（本発明で説明する例ではｎ型層）の下で、誘電体層６０５および電極６０６が支持基板容量結合デバイスを完成させている。電極６０６は、電圧源６０７に接続されている。フィールドプレートは、個別の電圧源６０８と、フィールドプレート電極６０９とに接続されている。この例では、カメラ６１０がフィールドプレートの上方に配置されて、テスト中の複数のＬＥＤデバイスの発光応答をキャプチャする。この例では、デバイス間の分離が完全であるように示されているが、本方法はｎ型層の完全な分離が有っても無くても依然として機能する。
この機能テストの測定結果を、注入電流密度Ｊ（Ａ／ｃｍ2）の関数として、各ＬＥＤデバイスの発光に比例する値として図６Ｂ（１）に示す。複数のＬＥＤデバイスの結果が収集され、更なる分析のために、ＬＥＤの位置に応じた値としてマトリックス（ｉ，ｊ）に保存される。例えば、図６Ｂ（２）に示すようなマトリックス（ｉ，ｊ）のヒストグラムは、プロセスに関する洞察を示し得る。いったんＬＥＤデバイス（ｉ，ｊ）のデータ値が収集されると、閾値またはテスト基準のセットを適用して、おそらく、測定されている各ＬＥＤに対して、０または１のＤａｔａn（ｉ，ｊ）値（０＝不良デバイス、１＝正常デバイス）を追加して、機能の決定を生成できる。例えば、所望の最小閾値がデータに適用される場合、発光しないまたは弱く発光するデバイスは不良デバイスとしてラベル付けされる得る。図６Ｂ（３）は、特定のＪ値にて、（ｉ，ｊ）データに適用された閾値の結果の一例を示す。選択された閾値の範囲外にある３つのＬＥＤデバイスは「不良」画素としてラベル付けされ、それらの場所は、結果として得られる、性能確認済みダイ（ＫＧＤ）データベースファイルに記録される。もちろん、複数の閾値、およびデータ値のセットに適用される他の基準または合否基準が、機能テスト、修復戦略、およびプロセス歩留まり分析（原因および補正）においても役立ち得る。単なる例として、ＬＥＤデバイスのＤａｔａn（ｉ，ｊ）データに複数の閾値を適用して、各ＬＥＤデバイスに対してビン番号ラベルを生成させて、ＬＥＤを機能において一致させ、同様の特性を持つデバイスを基準または基準セットに従ってリリースする戦略を推進できる。ランダムアクセスレーザーリフトオフ、または他の個々のＬＥＤデバイスのリリース方法により、各（ｉ，ｊ）ＬＥＤデバイスに対するビンラベルマトリックス値に基づいて、同様のビン番号を有するＬＥＤデバイスを集約できる。これは、過度に異なる機能特性を有するＬＥＤデバイスを使用することによって生じるディスプレイの不均一性を限定するのに役立つ。複数の閾値を利用して、歩留まりおよびプロセス制御に役立つ統計値を生成することもできる。例えば、ビンデータに適用される標準偏差および他の統計分析は、歩留まりおよびプロセス安定性の指標となり得る。これら取得された量の突然の変化は、プロセスの逸脱を示す可能性がある。もちろん、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
ＫＧＤファイルは不良ダイの位置のリストと同じくらい単純であり得るが、ターゲットディスプレイ内でのリリース用に、ＬＥＤデバイスを、近いまたは均一な応答となるように一致させるなどの、より洗練された基準がある場合があると理解されている。事前定義されたビンの範囲値内の特性を有するデバイスに一致するように、ビニングが調整される。
良／不良のＫＧＤファイルがソース基板のテストから生成されると想定すると、ビームアドレス指定リリース（ＢＡＲ）マストランスファーツールのプリントヘッド上に基板を取り付けて、ターゲットアレイに複数のＬＥＤデバイスを配置できる。ＢＡＲマストランスファーシステムのブロック図７００を図７に示す。ＢＡＲシステムは、ＫＧＤファイル７０２を受信するコンピュータ７０１から構成され、コンピュータは、対応するソース基板７０３上に存在する複数のＬＥＤデバイスをリリースするアルゴリズムを実行する役割りを担う。アルゴリズムは、ＫＧＤファイルデータ、ソースおよびターゲットアレイのピッチおよび寸法、ならびに高速かつ高歩留まりでターゲット基板に配置するための選択および一致基準などの入力パラメータを利用する。ソース基板７０３は、レーザーシステム７０６からのレーザービーム７０５を導くことができるスキャンヘッド７０４に取り付けられている。以下で更に説明するように、ビームは事前に選択された条件に従って個々のＬＥＤデバイスにアドレス指定される。ビームは、特定のＬＥＤデバイスを、ギャップ媒体７０８を横切ってソース基板７０３からターゲット基板７０７にリリースできるように調整されている。ＬＥＤデバイスのトランスファーは、ソース基板７０３から分離させる動作、そしてターゲット基板７０７上の所定位置にて結合させる動作として、矢印７０９で示される。この特定の実施形態では、ソース基板とターゲット基板との間の相対移動は、ステージ／移動システム７１０を使用して達成される。
ＢＡＲマストランスファーシステムのスキャンヘッドハードウェアは、高スループットおよび高歩留まりの動作をサポートする市販のシステムを使用できる。スキャンヘッドのＸ−Ｙスキャンは、（ｉ）１つの次元を持つ回転式ポリゴンミラースキャナと、第２の次元を持つ検流計ミラーもしくはメカニカルスキャン、または（ｉｉ）２つのスキャン次元のそれぞれの次元を持つ２次元レーザースキャナ、例えば検流計モーター駆動ミラー、を使用して実現できる。図８Ａは、レーザービーム８０１を表面８０２に向けてスキャンする回転ポリゴンミラースキャナ８００の図を示す。このようなシステムは、アメリカ合衆国アリゾナ州フェニックスにあるＬｉｎｃｏｌｎ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙなどの会社から入手可能である。図８Ｂは、入力レーザービーム８０４をスキャンするＸ−Ｙスキャンヘッド８０３を示し、二軸検流計ミラーアセンブリ８０５および光学レンズ８０６を使用してターゲット表面８０７をスキャンする。このようなシステムは、アメリカ合衆国アリゾナ州フェニックスにあるＬｉｎｃｏｌｎ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ、およびドイツプッフハイムにあるＳｃａｎｌａｂ ＧｍｂＨなどの会社から入手可能である。スループットを損なうことなくランダムアクセスのアドレス指定を可能にするために、光学ｆシータレンズに結合されたＸ−Ｙ検流計がスキャンヘッドの効果的なソリューションとなり得る。例えば、２５５ｍｍのｆシータレンズなどの近テレセントリックレンズに結合されたＳｃａｎｌａｂ ＩｎｔｅｌｌｉＳＣＡＮ１０では、約２０〜３０μｍのスポットサイズ、および最大８０００ｍｍ／秒のスキャン速度にて、１８０ｍｍ×１８０ｍｍのスキャンエリアが可能になる。このようなシステムは、アメリカ合衆国カリフォルニア州サンタ・クララにある、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｉｎｃ．のＰｏｗｅｒＬｉｎｅ Ｐｉｃｏ ｓｅｒｉｅｓ ｌａｓｅｒ ｍａｒｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍとして利用可能である。他のテレセントリックレンズレーザースキャナは、日本の大阪にあるＫｅｙｅｎｃｅ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＭｏｄｅｌ ＭＤ−Ｔ１０００が入手可能である。ＭＤ−Ｔ１０００は、８０ｍｍ×８０ｍｍのフルテレセントリックスキャン性能、約２０μｍのスポットサイズ、および最大１２，０００ｍｍ ／秒のスキャン速度を有する。
Ｘ−Ｙ検流計ベースのスキャナはより柔軟性があるが、多くの場合、より長い作動距離と、より小さい開口数とを有するスキャンレンズを使用することにより、大きなスキャンエリアが実現される。その結果、像平面でのスポットサイズが大きくなる。回転ミラースキャナでは、像平面フィールドの近くに配置されたリニアレンズを使用して、光ビームを１次元で、よりよく集束させる手助けをすることができる。ビームサイズを更に小さくして、所望のＬＥＤデバイスエリア内のビームエネルギーをより適切に局在化することが望まれる場合、ビームは、像平面に近接した機械的マスクまたは光学アポダイザを使用して先端を切り取ることができる。マスクは、所望のＬＥＤデバイスのトランスファーパターンに一致する所望のパターンの開口を有し、ターゲット基板に対してＸ、Ｙおよび回転軸が空間的に調整されることになる。このビーム空間フィルタリング方法は、レーザーシステムの変調速度が遅い場合、またはスキャン方向に沿ってビーム強度プロファイルを効果的に「不鮮明化（ｓｍｅａｒ）」する、より長いパルス幅を有する場合にも必要になる場合がある。この例では、スキャン方向に垂直なスリットと、ほぼＬＥＤデバイスのサイズである開口部とを有するメカニカルマスクが、隣接するエリアに波及してＬＥＤデバイスの誤ったトランスファーを引き起こし得る光エネルギーを除去することになる。もちろん、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
ソース基板からターゲット基板へのＬＥＤデバイスのトランスファーは、様々なスキャンおよび移動方法を使用して実現できる。一例は、スキャンパターンが一方向（例えばＸ軸）に移動し、一方、スキャンヘッドおよびターゲット基板は別方向（例えばＹ軸）に移動する。多角形回転ミラーを利用するレーザースキャナは、そのような実施形態において機能し得る。別の例では、ソース基板をサイトと呼ばれる場所に移動し、選択されたサイトのＬＥＤデバイスを、Ｘ−Ｙスキャンヘッドが配置するようにさせる。ＫＧＤ ＬＥＤデバイスを、以前にＫＧＤ ＬＥＤデバイスに一致されなかった１つ以上の画素に一致させるためのマイクロジョグ（サイト内での小さなＸ−Ｙ移動）が必要になる場合がある。ＬＥＤデバイスがサイトにいったん配置されると、新しいエリアにサイトが移動する。ターゲット基板が完全に配置されるまで、このプロセスが繰り返される。後続の例では一般に、上記のＸ−Ｙスキャンヘッドの実施形態を利用することになるが、ターゲット基板に対するＫＧＤ ＬＥＤデバイスの他の相対的な位置決めは、本発明の変形形態、修正形態、および代替形態を使用して実現できることを認識されたい。
レーザーシステムは、焦点を合わせ、スキャンヘッドのビーム位置と同期した柔軟で正確なリリースタイミングをサポートできるビームを導くことができなければならない。Ｑスイッチレーザーはリリース機能を実行するには十分であり得るが、比較的高いパルスごとのエネルギー変動、タイミングジッタ、長いパルス幅、およびパルスエネルギーに対するパルス間持続時間の影響の全てが、この一般的なマーキングおよび切断レーザー技術をＢＡＲマストランスファーの用途にとって不向きにしている。特に好適なレーザーは、アメリカ合衆国カリフォルニア州ミルピタスにあるＬｕｍｅｎｔｕｍ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ＬＬＣのＰｉｃｏＢｌａｄｅ ２ Ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ Ｌａｓｅｒなどのパッシブモードロックレーザーシステムである。レーザーは、５０Ｋｈｚ〜８Ｍｈｚの繰り返しレートにて、高い周波数分解能を有してトリガーおよび同期できる。時間間隔ごとに超短レーザーパルスが放出され、これがリリース層をアブレーションして、各レーザーパルスごとに個々のＬＥＤデバイスをリリースすることにより、リリースプロセスとしての役割りを担う。もちろん、他の実施形態では、レーザーパルスごとに複数のＬＥＤデバイスがリリースされるように設計できる。
デジタル信号が個々のパルスを選択して、要求に応じてレーザーを出すことができる。この「パルスオンデマンド（Ｐｕｌｓｅ−ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ）」（ＰｏＤ）により、コンピュータによって使用される動作領域が、ターゲット基板上へのリリース用の所望のＫＧＤ ＬＥＤデバイスのみを選択できる。ターゲットリリース層および取り囲む材料に対する熱影響部（ＨＡＺ）の影響が最小となるアブレーションプロセスを保証すると、ＰｉｃｏＢｌａｄｅ ２レーザーパルス幅は約１０ｐｓである。固有の熱拡散定数が約１ｃｍ2／秒である典型的な材料の場合、ＨＡＺは０．０５μｍ未満となる。図９は、ＰｉｃｏＢｌａｄｅ ２の高電力バージョンでの、パルスエネルギーとパルス繰り返し周波数の関係を示す。５３２ｎｍプロセスと１０μＪの最小パルスエネルギーとを想定すると、このレーザーシステムは１ＭＨｚを超えるパルス繰り返しレートを可能にし得る。もちろん、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
基本的なＬＥＤデバイスのリリーススキャンプロセス１０００を、リリースレーザースキャンを受けているソース基板およびターゲット基板の断面として図１０に示す。ソース基板１００１は、ギャップ媒体１００３を有してターゲット基板１００２上に配置されている。ギャップ媒体は、ソース基板をターゲット基板から分離するギャップを有する空気または別の界面媒体であり得る。もちろん、２つの基板間が実際に接触すること（隙間なし）は、別の可能な実施形態である。
単一のレーザーパルスに、アドレス指定されたＬＥＤデバイスを確実にかつ一意にリリースさせるという目標は、ビームスポットサイズ、エネルギーレベルと安定性、および位置合わせ精度と再現性に最小限の要件を課す。約１５μｍ以上のＬＥＤデバイスピッチを選択的にリリースするには、ガウス分布に従う約２０μｍのスポットサイズが十分なはずである。ソース基板内のマスク、またはアポダイザ／ビーム整形器は、いかなる浮遊エネルギーも、隣接するＬＥＤデバイスの望ましくない部分的または完全なリリースを生じさせる可能性を防ぐためにも有効であり得る。もちろん、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
レーザービームは、ＬＥＤデバイス１００４などの複数のＬＥＤデバイスにわたってスキャンされる。この例では、スキャンシステムからレーザーへの同期が行われて、スキャンプロセス１００５を通して、各ソース基板ＬＥＤデバイスの位置の上でビーム位置がスキャンされながら、レーザーパルスがレーザーシステムによって放出される。コンピュータからのデジタル信号が、レーザーシステムから出るレーザーパルスをゲート制御する（ＰｉｃｏＢｌａｄｅ ２システムのパルスオンデマンドまたはＰｏＤを利用して）。この例では、ＫＧＤデータおよび一致アルゴリズムにより、ビーム位置１００７および１０１０のＬＥＤデバイスはリリースされ、ビーム位置１００６、１００８、１００９、および１０１１のＬＥＤデバイスはリリースされないことが決定している。スキャンプロセス１００５を使用してビームが左から右にスキャンされるにつれて、ＰｏＤゲート信号が生成され、次のようにレーザーパルス放出が制御される：１００６／ＯＦＦ、１００７／ＯＮ、１００８／ＯＦＦ、１００９／ＯＦＦ、１０１０／ＯＮ、１０１１／ＯＦＦ。ビームが放出され、ＬＥＤデバイスリリースプロセスが生じる２つの例１００７および１０１０では、ＬＥＤデバイス１０１２はソース基板１００１からターゲット基板１００２にトランスファーされる。材料１０１３をターゲット基板に追加して、トランスファーされたＬＥＤデバイス１０１２の捕捉または保持を促進してもよい。
スキャン速度は、次の条件に従ってパルス繰り返しレートと同期されると想定される。ＰLED＝スキャン方向に沿ったＬＥＤピッチ（ｍ）
Ｐpixel＝スキャン方向に沿った画素ピッチ（ｍ）
Ｆl＝レーザーパルス繰り返しレート（Ｈｚ）
スキャン速度＝ＰLED×Ｆl
単なる例として、ターゲット基板のターゲット画素アレイ１１００を図１１Ａに示す。この例の各画素１１０１は、Ｘが７５μｍ、Ｙが１２０μｍの画素ピッチを有する。リリースレーザーは、スキャンパス１１０２などのＸ軸方向にスキャンされる。正方形の１５μｍピッチを有する前述したソース基板アセンブリ、および５００ＫＨｚのレーザーパルス周波数の場合、各レーザーパルスを、一軸に沿って各ソース基板ＬＥＤデバイスの位置と一致させるために必要なスキャン速度は７，５００ｍｍ／秒である。この例では、レーザーパルス５つごとに１つを選択して、特定のＬＥＤデバイスをＸ軸上のターゲットＬＥＤ画素エリアにリリースしてもよい（７５μｍ画素ピッチ／１５μｍＬＥＤデバイスピッチ）。このＰｏＤトリガー信号を、５００ＫＨｚで動作するレーザーに対して有効にするための一致基準は、次の一組の条件である。レーザーがスキャンする各ＬＥＤ位置に対して：
ａ．ソースＬＥＤの場所はＫＧＤである
ｂ．ターゲット画素の位置はフットプリントエリア内にある
フットプリントエリアは、ＬＥＤデバイスの中心位置がトランスファーされることが可能な画素エリア内のエリアである。フットプリントエリアの中心位置は、画素エリア内のＸFP，ＹEPであり、範囲ΔＸFP，ΔＹFPを有する。図１１Ａの例では、および、ＸFP，ＹFPがターゲット基板画素の物理的中心であると想定すると、図１１Ｂは、フットプリント１１０３が、３０μｍのΔＸFP、および４２．５μｍのΔＹFPの範囲（ＬＥＤデバイス画素ピッチはそれぞれ、２および２．５）を有する例を示す。もちろん、範囲ΔＸFP、ΔＹFPは画素位置１１０４のようにゼロである場合があり、それにより、スキャンヘッド／ソース基板とターゲット基板との間のＸ−Ｙ移動を最小限に抑えるために、各方向のターゲット基板の画素ピッチをＬＥＤデバイスピッチの整数倍にする必要性が生じる。これは、ＬＥＤデバイスの正確な配置が必要な場合に必要になり得る。横型ＬＥＤデバイスアーキテクチャは、ΔＸFP＝０，ΔＹFP＝０を有するフットプリントプロセスが必要となり得る場合の１つであり得る。
最小の画素フットプリントエリアを有するＫＧＤ ＬＥＤデバイスの配置プロセスにより、ＢＡＲマストランスファー方法の柔軟性およびスループットを大幅に増加させることができる。最大限の効果を得るには、最小のフットプリント範囲は、少なくとも２つの可能なＬＥＤデバイスを収容する必要がある。これがＸおよびＹで生じる場合、各ターゲット画素エリアへのリリース用に選択できる４つのＬＥＤデバイスが存在することになる。各画素エリア上に移すＬＥＤデバイスの特定の位置を緩和することで、大幅な利点が得られる。１つは、Ｘ−Ｙ位置の精度を緩和できることであり、それによりシステムハードウェアが簡素化され、歩留まりが増加する。もう１つは、各フットプリント内に複数のＬＥＤデバイスがあることにより、スキャンヘッドを物理的に再び位置合わせする必要なく、より完全にスキャンヘッドをサイトに配置できることである。例えば、以下で説明する４ｋ−ＵＨＤの例で使用されるソース基板に対する１００ｐｐｍの非ＫＧＤレート（不良または利用不可のＬＥＤデバイスの割合）は、各サイト内で平均２４個のＬＥＤデバイスが一致／リリースできない。これら残りの画素の各々の上にＫＧＤ ＬＥＤデバイスを並べるために、マイクロジョギングを行う必要があり、したがってスループットが低下する。フットプリント内の２×２ ＬＥＤデバイスアレイが、このエラーレートを非常に低下させることができる。ソース基板内の各非ＫＧＤ ＬＥＤデバイスのランダムな位置を想定すると、この実効的なエラーレート数は１００ｐｐｍ4、すなわち１×１０-16に低下する。マイクロジョギングを必要とせずに１００億個以上のサイトを印刷でき、したがってスループットが増加する。
いったんソース基板がサイトＬＥＤデバイスの配置に利用されると、ＫＧＤファイルは、リリースされたＬＥＤデバイスの位置で更新され、実効的な非ＫＧＤレートは増加し、リリースパターンを含み始めるようになる。スループットの最適化には、ＫＧＤとフットプリントとの一致を最大化して、サイト間の位置合わせを促進することが含まれる。いったん非ＫＧＤレートが十分に高くなり、サイトのマイクロジョギングが、所定の基準に照らして非常に多くなった場合、ソース基板は、新しいソース基板およびＫＧＤファイルに交換される。
かなり大きなフットプリントエリアを用いるプロセスは、ＢＡＲマストランスファープロセスを高速化し、ソース基板のＫＧＤデータベースファイルに記載されているような、利用不可のＬＥＤデバイスに対処するのに手助けをすることができる。次の例では、図１１Ｂのフットプリント１１０３を有する図１１Ａの例を想定している。
図１２は、ターゲット基板の画素位置にビームを配置する２つの可能なスキャンパターンを示す。図１２Ａは、ターゲット画素アレイ１２００の一方向スキャンを示し、各画素ラインスキャン１２０２の後にリトレースパス１２０１が設けられて、別の一方向スキャン（この場合は左から右）のためにスキャンシステムを再配置する。リトレースは双方向スキャンよりも長いが、スキャンヒステリシスの低減など、モーションダイナミクスを改善するという実用的な長所があり得る。潜在的に高速なスキャンパターンは、ターゲット基板上のターゲット画素アレイ１２０３のＸ−Ｙスキャンのための、図１２Ｂに示すような双方向スキャンパターンである。各スキャンパス１２０４の終わりに、新しいスキャン開始点１２０６への短いジョグ１２０５が行われ、次のスキャンは前のスキャンパスとは反対の方向にある。新しいスキャンパスの各々のタイミングはレーザーシステムと同期され、可能なレーザーパルスの各々がスキャンパスに沿ってＬＥＤデバイスに整列される。もちろん、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
図１３は、本発明の好ましい実施形態による、ソース基板からターゲット基板へのトランスファープロセス１２００の上面図を示す。ターゲット基板は、その画素１３０１の各々が、ＬＥＤデバイスのソース基板アレイ１３０２からのＬＥＤデバイスによって、各画素内の許容フットプリント１３０３内に配置されることを要求する。この例のフットプリントは、１３０４に示すように、４つの可能なＬＥＤデバイスがリリース用に選択されることを可能にする。黒いＬＥＤデバイスは、フットプリントエリアのリリース条件を満たしている。以下で更に説明するように、リリース用に選択された特定のＬＥＤデバイスの場所も利用可能であり（ＫＤＧであって以前にリリースされていない）、スループットが最適化されるであろう。
図１４は、本発明の好ましい実施形態による、ソース基板からターゲット基板へのトランスファープロセス１４００の上面図を示す。スキャンパスとビームリリース基準は、Ｘ−Ｙ位置、およびＫＧＤデータベースファイルに基づいて計算された。１４０１などの交差線を付けた（ｈａｓｈｅｄ）ＬＥＤデバイスの位置は、リリースされたＬＥＤデバイスの位置を示す。フットプリント内に位置１４０２、１４０３、および１４０４（両方の位置）などの利用不可のＬＥＤデバイスがいくつかある場合、アルゴリズムは、代替のＬＥＤデバイス位置と一致するようにビームリリースを変更して、画素位置に配置してもよい。ビームスキャン１４０５およびパルスパターン１４０６は、下部の画素行がどのように配置されるかを示す。この例では、ビームは７５００ｍｍ／秒でスキャンされ、２μ秒ごとに各ＬＥＤデバイスの中心位置を横切る。レーザーは、５００ＫＨｚの受動モード同期に設定され、ＰｏＤが有効かどうかに応じて、各ＬＥＤデバイスの中心位置と一致させて１０ｐ秒のレーザーパルスを２μ秒ごとに送信する。パルスパターン１４０６の黒い長方形は、対応するＬＥＤデバイスをリリースさせる放出パルスであり、白いボックスは、ＰｏＤ制御信号を使用してレーザーから放出されないように命令されたパルスである。画素１４０４は、スキャンパス１４０５中にリリースされず、下側のＬＥＤデバイス行に位置する代替のＬＥＤデバイスをリリースするために個別のスキャンパス（図示せず）を必要とするであろう。
図１５は、ＬＥＤデバイス１５０１などのＬＥＤデバイスが配置された結果として得られたターゲット基板画素アレイ１５００を示す。
この例では、最適なＢＡＲマストランスファースループットを次のように推定できる。
ａ．ＬＥＤリリースレート＝５００ＫＨｚ×（１５μｍＬＥＤデバイスピッチ／７５μｍ画素ピッチ）＝１００ｋ ＬＥＤ／秒
ｂ．スキャン時間＝１０５ｍｍ／７，５００ｍｍ／秒＝１４ｍ秒
ｃ．リトレース時間（双方向スキャンを想定）＝５ｍ秒
ｄ．画素／スキャン＝１０５μｍ／７５μｍ画素ピッチ＝１４，０００画素
ｅ．スループット＝１４，０００画素／１９ｍ秒＝７４ｋ画素／秒、または２６５Ｍ画素／時間
したがって、７０ＭのＬＥＤデバイスのソース基板は、そのＬＥＤデバイスが大部分リリースされたら変更する必要がある。上記の１時間あたり２６５ＭのＬＥＤデバイスのリリースレートでは、１５〜１６分ごとに新しいソース基板をロードする必要がある。利用不可のＬＥＤデバイスの数が増加することに起因して、ＬＥＤデバイスが全てリリースされる前にリリースレートが低下し始めることになるので、スループットを最適化するためには、ソース基板の再配置頻度を増加させるための早期交換のための追加の時間およびコストを、ＬＥＤデバイスの利用可能性の低下と比較検討する最適化アルゴリズムに従って、ソース基板を早期に交換することが要求されることになる。ディスプレイに完全に配置するためには、ソース基板の交換時間、およびサイト間の移動時間などの他のパラメータがスループット計算の因子になる。
各サイトスキャン内でスキャンヘッド位置とリリースシーケンとを事前に決定して、ソース基板から利用可能な大部分のＫＧＤ ＬＥＤデバイスを効率的にリリースするアルゴリズムは、人工知能（ＡＩ）および深層学習の概念から恩恵を受ける最適化の問題である。ソース基板が使用されるにつれて、以前にリリースしたため、利用不可のソースＬＥＤデバイスパターンが生成されることになり、それにより、スキャンヘッドを再配置して、サイト内の画素上の以前は利用不可であったＫＧＤデバイスと一致させるためのマイクロジョグの頻度が増加し得る。ＡＩ／深層学習を使用する最適化アルゴリズムは、サイトのマイクロジョギングの総数を減らす一方で、ソース基板デバイスの利用率とスループットを最大化するのに手助けをする場合がある。
基本的なＢＡＲマストランスファープロセスのフローチャートを図１６に示す。ソース基板および対応するＫＧＤファイルが、スキャンヘッドおよびコンピュータに読み込まれると（ステップ１）、コンピュータはスキャンヘッドをターゲット基板の最初の印刷位置に位置合わせする（ステップ２）。次に、リリース基準と一致するＬＥＤデバイスの判定が計算され（ステップ３）、次に、スキャンヘッドおよびレーザーシステムは、所望のＬＥＤデバイスをターゲット基板上にリリースするように、レーザービームパルスをアドレス指定するように指示される（ステップ４）。リストが使い果たされると、リリースされたＬＥＤデバイスを、ソース基板上の不良または利用不可のＬＥＤデバイス位置のリストに追加するために、ＫＧＤファイルが更新される（ステップ５）。ソース基板上の残留ＬＥＤデバイスの数と位置が所定の基準を満たさない場合（ステップ６）、ソース基板は交換され、その対応するＫＧＤファイルがロードされる（ステップ６Ａ）。配置する場所が更にある場合は、Ｘ−Ｙの場所が変更され（ステップ７Ａ）、ＢＡＲマストランスファーサイクルがステップ３から繰り返される。
実施例１．
４ｋ−ＵＨＤ解像度（３８４０Ｈ×２１６０Ｖ １６：９）ＢＡＲマストランスファー性能の見積もり
以下は、１５μｍピッチの１０５ｍｍ×１０５ｍｍのＬＥＤデバイスアレイを備えるソース基板を使用した上記のレーザー条件で予想される最適なスループットである。ソース基板の交換時間とサイト間の移動時間は考慮していないので、スループットはやや低下することになる。
ａ．サブ画素ピッチ：１２５μｍ（Ｈ）ｘ３７５μｍ（Ｖ）
ｂ．サイト数：１１，６５０ｃｍ2ディスプレイ／１１０．２５ｃｍ2＝１０６サイト／ディスプレイ
ｃ．スキャンラインあたりの画素（Ｈ）：１０５ｍｍ／１２５μｍ＝スキャンあたり８４０画素
ｄ．サイトあたりのスキャンライン数：１０５ｍｍ／３７５μｍ＝２８０ライン
ｅ．サイトのスループット：２８０スキャンライン×１９ミリ秒＝５．３２秒／サイト
ｆ．サイトあたりの合計画素数：２８０スキャン／サイト×スキャンあたり８４０画素＝２３５，２００画素／サイト
ｇ．ディスプレイあたりの合計時間：５．３２秒／サイト×１０６サイト／ディスプレイ＝５６４秒／ディスプレイ
ｈ．画素スループット＝１６０Ｍ画素／時間
上記の例のＢＡＲマストランスファー手法のディスプレイあたり約１０分のスループットを、同様のディスプレイについてのピックアンドプレース手法の約２５時間と比較すると、約１２５倍速いことから、この方法のスループットの顕著な改善の可能性が評価できる。
実施例２．
５．５インチＨＤＴＶ携帯電話ディスプレイ（１９２０Ｈ×１０８０Ｖ １６：９）ＢＡＲマストランスファー性能の見積もり
以下は、１５μｍピッチの１０５ｍｍ×１０５ｍｍのＬＥＤデバイスアレイを備えるソース基板を使用した上記のレーザー条件で予想される最適なスループットである。ソース基板の交換時間とサイト間の移動時間は考慮していないので、スループットはやや低下することになる。
ａ．スキャン時間：６８．５ｍｍ／７５００ｍｍ／秒＝９．１３ｍ秒（ディスプレイの垂直方向にスキャン）
ｂ．サブ画素ピッチ：２１．１μｍ（Ｈ）×６３．４μｍ（Ｖ）
ｃ．サイト数：１．１６サイト／ディスプレイ
ｄ．スキャンラインあたりの画素（Ｖ）：６８．５ｍｍ／６３．４μｍ＝スキャンあたり１０８０画素
ｅ．サイトあたりのスキャンライン数：１０５ｍｍ／２１．１μｍ＝４９７５ライン
ｆ．サイトのスループット：４９７５スキャンライン×１３．１３ミリ秒＝６５．３秒／サイト
ｇ．サイトあたりの合計画素数：４９７５スキャン／サイト×スキャンあたり１０８０画素＝５．３７Ｍ画素／サイト
ｈ．ディスプレイあたりの合計時間：６５．３秒／サイト×１．１６サイト／ディスプレイ＝７５．７秒／ディスプレイ
ｉ．画素スループット＝２９６Ｍ画素／時間
上記の例では、複数の可能なＬＥＤデバイスをリリース用に選択することを可能にする有限面積のフットプリントについて一般的に記載している。この手法は、ＬＥＤデバイスおよび相互接続設計に関する特定の制限および条件を課す。画素内でのＬＥＤデバイスの位置の柔軟な位置合わせを可能にする設計の１つが、垂直ＬＥＤ設計と、後述のような、異方性コンタクトフィルムを使用したトップ／ボトムエリアコンタクト方法である。図１７Ａは、画素エリア内の各個々のＬＥＤデバイス１７０１にバイアスを印加するために使用できる、アクティブマトリックス薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）画素バックプレーン回路１７００を示す。ディスプレイ上にディスプレイパターンを生成するために、各画素ＬＥＤデバイスは２つのトランジスタＭ１およびＭ２によって制御される。トランジスタＭ１は、ＶｓｃａｎがＭ１をオンにしたときにＶｄａｔａラインから電圧を受け取り、Ｖｄａｔａに関連する電圧Ｖｇを蓄積コンデンサＣｓに伝達するゲートトランジスタである。次に、このバイアス電圧Ｖｇは、ソースフォロワとして接続された第２のトランジスタＭ２を制御して、電圧Ｖｄｄから供給される電流を発生させる。したがって、ＬＥＤデバイスを流れる電流レベルは、この回路でアドレス指定可能であり、画素に対するグレースケール輝度レベルを可能にする。
ＬＥＤデバイス１７０１は、コンタクト１７０２によってアクティブマトリックスＴＦＴバックプレーンに接続されたアノード（「＋」で示される）を有する。ＬＥＤデバイスはまた、コンタクト１７０４によってバックプレーン１７０３および電圧Ｖｓｓを介して接続されたカソード（「−」で示される）も有する。
図１７Ａで表される回路の物理的な実現の一例を図１７Ｂに示す。この積層ディスプレイ構造１７０５では、ＴＦＴバックプレーン１７０６が、層１７０７内に含まれているＴＦＴ回路を有する。アノードコンタクト１７０２は、エリアコンタクト層１７０８に接続することになる。この層は、範囲１７１０で示されるエリア内にあるリリースされたＬＥＤデバイス１７０９に接触する能力を有する。範囲１７１０は、フットプリントの範囲ΔＸFP、ΔＹFPと関連付けられているが同義ではない。その理由は、フットプリントはリリースされたＬＥＤデバイスの中心の許容位置を示す一方で、範囲１７１０は総接着面積だからである。ＬＥＤデバイス１７０９は、フットプリント内のＬＥＤデバイスの任意の位置が、上部コンタクトおよび下部コンタクトを依然として可能にする方法を示すために、中心から外れた位置に示されている。カソードコンタクト１７０４は、Ｖｓｓバックプレーン１７１２上の共通コンタクト１７１１と、エリアコンタクト層１７１３とを使用して作製される。
エリアコンタクト層１７０８および１７１３は、ＬＥＤデバイスのアノードおよびカソードを下にあるＶｓｓおよびＴＦＴバックプレーンコンタクトに確実に接触させる能力を持たなければならないが、ＶｓｓおよびＴＦＴバックプレーンコンタクトに広く接触（短絡）しない。図１８は、エリアコンタクト層１７０８および１７１３に対して、導電性粒子を含浸させた特殊な材料を使用することで、これをどのように実現できるかを示す。
図１８は、図１７に示す材料１７０８および１７１３などのエリアコンタクト材料が、ＬＥＤデバイスに選択的に接触するためにどのように使用され得るかの例を示す。図１８は、アセンブリ１８００として、ＬＥＤデバイスに接触する２つのプレートを示す。コンタクト面１８０２を有する上部プレート１８０１と、コンタクト面１８０４を有する下部プレート１８０３とがある。各コンタクト面は、上部コンタクト面１８０６および下部コンタクト面１８０７を有するＬＥＤデバイス１８０５に電気的に接続される必要がある。エリアコンタクト材料１８０８および１８０９は、温度、圧力などの外部特性の関数として、その導電率を変化させることができる材料である。単なる例として、ＬＥＤデバイス１８０５は、下部エリアコンタクト材料１８０９上にリリースされたと想定される。接着プロセスまたは積層プロセスを使用して上部プレート１８０１を下部プレート１８０３上に固定すると、エリアコンタクト材料の特性が非導電状態から導電状態に変化する（ＬＥＤデバイス１８０５の上方１８１０、および下方１８１１の領域）。この作用により、コンタクト１８０２および１８０３が高インピーダンス状態のままであることを保証しながら、一般的かつ製造可能な形態でＬＥＤ用の回路が完成することになる。
好適なエリアコンタクト材料の一例は、温度および圧力によって非導電性状態から導電性状態に変化し得る異方性導電膜（ＡＣＦ）である。材料は、金属粒子を含浸させた熱硬化性樹脂で構成されている。図１９は、この材料を使用して、コンタクトパターンがどのように実現され得るかを示す。この例は、デバイスをプリント回路基板に接触させる用途を示すが、図１８で記載した用途で機能するように材料を適合させることができる。ＡＣＦ材料の製造業者には、いずれも日本の東京にある、Ｄｅｘｅｒｉａｌｓ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎおよびＨｉｔａｃｈｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．が含まれる。ＡＣＦ材料を介してＬＥＤデバイス発光を改善するためには、特別な配合物が必要になる場合がある。例えば、導電性粒子は、透明結合剤中のＩＴＯ粒子などの透明導電性酸化物粒子を含んでいてもよい。もちろん、他の材料、変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
ゼロでないフットプリント範囲のＢＡＲマストランスファープロセスでは、垂直ＬＥＤデバイス構造の代わりに、横型ＬＥＤデバイス構造の使用が可能である。手法の１つは、垂直方向にコンタクトポストを持つように横方向デバイスを準備することである。デバイスがマルチレベルのコンタクトエリアの内部で押し付けられるトランスファー後の積層／封止ステップ中に、個別の接触が発生することになる。一方の端子はより深いコンタクトレベルに接触し、もう一方の端子はより浅いコンタクトレベルに個別に接触することになる。
上記の例では、ターゲット基板がディスプレイのバックプレーンである場合を一般的に説明しているが、これは必須ではない。ターゲット基板は、リリースされたＬＥＤデバイスを受け取る面としての役割りを担う任意の好適な表面であり得る。それにより、ターゲット基板は、ロールツーロールツールまたは他の印刷ツールのＬＥＤキャリアになることができ、ＬＥＤキャリアは、ターゲット基板上に構成されたＬＥＤデバイスをキャプチャし、それを最終表面上に印刷できる。いずれの場合でも、ＢＡＲマストランスファーツールの目的は、ソース基板からターゲット基板への面密度変換を迅速かつ効率的な実行であり続ける。
ＬＥＤデバイスの光出力は、特定の実施形態に応じて反射材料または透明導電性電極を使用して、いずれかの方向または両方向（上または下）であり得る。
ＢＡＲマストランスファー方法の以前の例は、ソース基板ＬＥＤデバイスピッチから異なるターゲット基板画素ピッチへの面密度変換を伴うが、これは必須ではない。拡張現実（ＡＲ）、仮想現実（ＶＲ）、およびマイクロプロジェクタに向けたマイクロディスプレイなどの用途に対しても、１：１の面密度変換が可能である。１：１の面密度変換では、スキャンプロセス中に全ての画素がリリースされる。１５ｕｍのＬＥＤデバイスピッチ、および５００ＫＨｚのレーザー繰り返しレートの例を挙げると、スキャン速度は依然として７，５００ｍｍ ／秒であるが、リリースプロセスでは全てのパルスが選択される。ＫＧＤファイル情報は実行中はそれほど重要ではないが、それでも、欠陥のあるＬＥＤデバイスを含むＬＥＤデバイスアレイの分離を回避するために利用できる。
ＢＡＲマストランスファー後のリリースプロセスの完全性と、リリースされたＬＥＤデバイスの機能とのテストは、積層化または他の封止プロセスの前に、光学的、電気的、および電気光学的な、検査およびテスト方法を使用して行われてもよい。検査およびテストの結果に基づいて、再作業を試みることもできる。
上記は特定の実施形態の完全な説明であるが、様々な修正形態、代替構成、および等価物が使用されてもよい。上記は選択されたステップシーケンスを使用して記載されたが、記載されたステップの任意の要素ならびに他の要素の任意の組み合わせが使用されてもよい。加えて、実施形態に応じて、特定のステップを組み合わせ、および／または削除してもよい。更に、記載と例は平面上のＧａＮ ＬＥＤデバイスに向けられているが、光子放出デバイスを含む任意の平面または曲面が、ＢＡＲマストランスファー方法を使用してトランスファーできる。例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、シリコンフォトニクスデバイス、および他の面発光デバイスを、本発明を使用してマストランスファーできる。加えて、別の例では、ＩＩ−ＶＩ族半導体材料および関連するデバイスも使用できる。上記は、発光デバイスのマストランスファー用途について記載してきたが、センサ、ＭＥＭＳ、および他のマイクロエレクトロニクスまたは光電子デバイスなどの、他のデバイスをトランスファーするために、ＢＡＲマストランスファー装置および方法を使用することもできる。例えば、本発明の実施形態によると、加速度計、位置センサ、磁気ならびに容量センサ、および光学検出器を、ソース基板上で利用可能にして、ターゲット基板上にリリースできる。もちろん、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。したがって、上記の説明および図面は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (21)

  1. ソース基板上に配置された複数の発光デバイス構造をターゲット基板にトランスファーする装置であって、前記発光デバイス構造は、表面からアクセス可能な第１のコンタクト層、および前記発光デバイス構造上に含まれる第２のコンタクト層を有し、前記発光デバイス構造は、リリースプロセスを用いてリリースされ、縦型発光デバイス構造、または横型発光デバイス構造のいずれかから選択されることが可能であり、前記装置は、
    リリースされることが可能な利用可能な前記発光デバイスに関する情報を含む性能確認済みダイ（ＫＧＤ）コンピュータファイルの読み取りおよび更新が可能であり、かつ、スキャンデバイス、ソース基板とターゲット基板との相対運動、およびレーザー源制御を制御できる、コンピュータデバイスと、
    リリースプロセスを通して、前記ソース基板から前記発光デバイスを分離するのに十分な光のパルスを放出ができるレーザー源と、
    前記ソース基板の少なくとも一部に位置するスキャンエリア内の内部にレーザー光を向けることができるスキャンデバイスと、
    前記発光デバイス構造を含む前記ソース基板の少なくとも一部を、界面領域を介在させて前記ターゲット基板の少なくとも一部に近接させて配置する、垂直運動および制御デバイスと、
    前記ソース基板を前記ターゲット基板に相対的に移動させることができる支持および運動システムと、を備え、
    ビームアドレス指定可能なリリースプロセスが、複数の発光デバイスをリリースさせ、前記ターゲット基板上の所定位置に固定される、装置。
  2. 前記発光デバイス構造は、リリース層と呼ばれる中間層を用いて前記ソース基板上に取り付けられる、請求項１に記載の装置。
  3. 前記リリース層はＩＴＯであり、前記レーザー源は、３５５ｎｍ、５３２ｎｍ、または１０６４ｎｍの受動モードロックレーザーである、請求項２に記載の装置。
  4. 前記界面領域は、ギャップ媒体である、請求項１に記載の装置。
  5. 前記ギャップ媒体は、気体または真空を含む、請求項４に記載の装置。
  6. 前記ギャップ媒体は液体を含む、請求項４に記載の装置。
  7. 前記ＫＧＤコンピュータファイルは、以前にリリースされた前記発光デバイスの各々の位置を用いて更新される、請求項１に記載の装置。
  8. 前記スキャンデバイスは、追加の発光デバイスリリースプロセスのために新しいターゲットエリアにインデックス付けされる、請求項１に記載の装置。
  9. 前記ソース基板と前記ターゲット基板との間の前記近接は実際の接触である、請求項１に記載の装置。
  10. 光学デバイスを製造する方法であって、前記方法は、
    発光ダイオード構造、すなわち、ターゲット基板へのトランスファーのためにソース基板上に配置された複数の発光デバイス構造とを準備することであって、前記発光デバイス構造は、表面からアクセス可能な第１のコンタクト層、および前記発光デバイス構造上に含まれる第２のコンタクト層を有し、前記発光デバイス構造は、リリースプロセスを用いてリリースされ、縦型発光デバイス構造、または横型発光デバイス構造のいずれかから選択されることが可能である、ことと、
    コンピュータデバイスを使用して、性能確認済みダイ（ＫＧＤ）コンピュータファイルを読み取って更新して、リリースされることが可能な利用可能な前記発光デバイスに関する情報を含む前記リリースプロセスを指示することと、
    レーザー源を使用して、リリースプロセスを通して、前記ソース基板から前記発光デバイスを分離するのに十分な光のパルスを放出することと、
    前記ソース基板の少なくとも一部の上に配置されたスキャンエリアの少なくとも一部の上の内部にレーザー光を導き、リリース用の個々の発光デバイスをアドレス指定することと、
    前記発光デバイス構造を含む前記ソース基板の少なくとも一部を、界面領域を介在させて前記ターゲット基板の少なくとも一部に近接させて配置することと、
    前記ソース基板を前記ターゲット基板に対して移動させることと、
    複数の発光デバイスをリリースして、前記ターゲット基板上の所定位置に前記複数の発光デバイスを固定することと、を含む方法。
  11. 前記複数の発光デバイスの各々が、１０ミクロン×１０ミクロンのサイズを有する、請求項１０に記載の方法。
  12. レーザー光が、前記複数の発光デバイスの各々のサイズよりも大きいスポットサイズを有し、レーザーデバイスは、前記複数の発光デバイスの各々を選択的にリリースするプロファイルを有する、請求項１０に記載の方法。
  13. レーザーパルスの繰り返しレートは、１００キロヘルツから８メガヘルツの間である、請求項１０に記載の方法。
  14. 前記レーザー光は、前記ソース基板の裏側を通って、前記複数の発光デバイスの各々の中央領域に向かって導かれる、請求項１０に記載の方法。
  15. リリースされた前記複数の発光デバイスの各々は、前記ターゲット基板にトランスファーされる、請求項１０に記載の方法。
  16. 前記ターゲット基板は、前記発光デバイスの各々について許容可能な空間位置の所定パターンを有する、請求項１０に記載の方法。
  17. 前記所定パターンは、アレイまたは他の空間構成のためである、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記空間位置の各々がフットプリントである、請求項１６に記載の方法。
  19. 前記ターゲット基板は、ＫＧＤである複数の発光デバイスを含む、請求項１０に記載の方法。
  20. 前記発光デバイスの各々が、ガリウム含有材料を含む、請求項１０に記載の方法。
  21. 電子デバイスを製造する方法であって、前記方法は、
    ターゲット基板へのトランスファーのためにソース基板上に配置された複数のセンサデバイス構造を準備することであって、前記センサデバイス構造は、表面からアクセス可能な第１のコンタクト層、および、少なくとも、前記センサデバイス構造上に含まれる第２のコンタクト層を有し、前記センサデバイス構造はリリースプロセスを用いてリリースされることが可能である、ことと、
    コンピュータデバイスを使用して、性能確認済みダイ（ＫＧＤ）コンピュータファイルを読み取って更新して、リリースされることが可能な利用可能な前記センサデバイスに関する情報を含む前記リリースプロセスを指示することと、
    レーザー源を使用して、リリースプロセスを通して、前記ソース基板から前記センサデバイスを分離するのに十分な光のパルスを放出することと、
    前記ソース基板の少なくとも一部に配置されたスキャンエリアの内部にレーザー光を導いて、リリース用の個々のセンサデバイスをアドレス指定することと、
    前記センサデバイス構造を含む前記ソース基板の少なくとも一部を、界面領域を介在させて前記ターゲット基板の少なくとも一部に近接させて配置することと、
    前記ソース基板を前記ターゲット基板に対して移動させることと、
    複数のセンサデバイスをリリースして、前記ターゲット基板上の所定位置に前記複数のセンサデバイスを固定することと、を含む方法。
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