质量转移工具
背景技术
本发明涉及微型器件。更具体地，本发明的实施例涉及用于从承载衬 底转移微型器件的系统和方法。
集成和封装问题对于微型器件诸如射频(RF)微电子机械系统 (MEMS)微型开关、发光二极管(LED)显示系统和MEMS或基于石英 的振荡器的商业化的来说是主要障碍之一。
用于转移器件的传统技术包括通过晶圆键合从转移晶圆转移到接收晶 圆。一种此类具体实施为“直接印刷”，其涉及器件阵列从转移晶圆到接 收晶圆的一次键合步骤以及随后移除转移晶圆。其他此类具体实施为涉及 两次键合/解除键合步骤的“转印”。在转印中，转移晶圆可从供体晶圆拾 取器件阵列，并且随后将器件阵列键合到接收晶圆，随后移除转移晶圆。
已开发出一些印刷工艺变型，其中可在转移过程期间对器件选择性地 键合和解除键合。在直接印刷和转印技术的传统和变型两者中，在将器件 键合到接收晶圆之后将转移晶圆从器件解除键合。此外，在该转移过程中 涉及具有器件阵列的整个转移晶圆。
发明内容
本发明公开了质量转移工具和操作该质量转移工具的方法。在一个实 施例中，质量转移工具包括关节运动式转移头组件，该关节运动式转移头 组件具有静电电压源连接件和支撑静电转移头阵列的衬底。衬底能够可释 放地附接到转移头组件的安装表面并且能够与静电电压源连接件电连接。 例如，安装表面可包括用于向衬底施加吸力的与真空源耦接的真空口。在 一个实施例中，静电电压源连接件可包括压在衬底上的弹性导体。质量转 移工具还可包括承载衬底保持器、接收衬底保持器和致动器组件，该致动 器组件调整关节运动式转移头组件和承载衬底保持器或接收衬底保持器之 间的空间关系。例如，致动器组件可在至少六个自由度上调整空间关系。 更具体地，致动器组件可包括第一致动器子组件和第二致动器子组件，第 一致动器子组件与关节运动式转移头组件耦接以在至少四个自由度上调整 关节运动式转移头组件位置，第二致动器子组件与承载衬底保持器耦接以 在至少两个自由度上调整承载衬底保持器位置。第二致动器子组件还可与 接收衬底保持器耦接以在至少两个自由度上调整接收衬底保持器位置。或 者，接收衬底保持器可与单独的致动器子组件耦接。甚至更具体地，第一 致动器组件可包括第一弯曲部，其与关节运动式转移头组件耦接以在正交 于静电转移头阵列的接触表面的方向上约束关节运动式转移头组件的移 动。第一致动器组件还可包括与关节运动式转移头组件耦接的第二弯曲 部，该第二弯曲部包括基本上平行于第一弯曲表面取向的第二弯曲表面。
在一个实施例中，质量转移工具可包括一个或多个加热器以加热衬 底、承载衬底保持器和接收衬底保持器。例如，关节运动式转移头可包括 加热器，并且承载衬底保持器和接收衬底保持器可各自耦接至加热器。
在一个实施例中，质量转移工具可包括第一位置传感器，该第一位置 传感器相对于安装表面固定以检测承载衬底在承载衬底保持器上的位置。 质量转移工具还可包括第二位置传感器，该第二位置传感器相对于承载衬 底保持器固定以检测关节运动式转移头组件位置。另外，质量转移工具可 包括第三位置传感器，该第三位置传感器与致动器组件耦接以检测第一弯 曲表面的挠曲。这些位置传感器中的每个位置传感器可为光谱干扰激光位 移计。在又一个实施例中，质量转移工具可包括测力计，该测力计与承载 衬底保持器耦接以测量施加到承载衬底保持器的力。
在一个实施例中，质量转移工具可包括一个或多个成像设备诸如相 机。例如，相对于关节运动式转移头组件固定的第一成像设备可具有第一 成像平面。另外，质量转移工具还可包括相对于承载衬底保持器固定的第 二成像设备，该第二成像设备可具有第二成像平面。基准标记可位于成像 设备的第一成像平面和第二成像平面之间。以举例的方式，基准标记可为 透明板的一部分的不对称图案。
在一个实施例中，一种操作质量转移工具的方法包括建立包括x轴和 x-y平面的参考系，并且将支撑静电转移头阵列的衬底与参考系对齐。在一 个实施例中，通过设定x-y基准面并且设定z基准面来建立参考系。可通过 将第一成像设备和第二成像设备和基准标记对齐来设定x-y基准面，该基准 标记位于第一成像设备和第二成像设备之间。例如，可通过将具有第一成 像平面的第一成像设备和具有第二成像平面的第二成像设备与基准标记对 齐来设定x-y基准面，该基准标记位于第一成像平面和第二成像平面之间。 以举例的方式，成像设备可为相机。第一成像平面和第二成像平面可平行 于x-y平面。可通过发送位于第一位置传感器和第二位置传感器之间的并且 平行于具有x-y基准面的x-y平面的第一共面表面和第二共面表面来设定z 基准面。例如，可通过分别利用第一位置传感器和第二位置传感器来感测z 量计的第一表面和第二表面来设定z基准面。位置传感器均可具有正交于 x-y平面的感测方向，并且第一表面和第二表面可为共面的并且平行于x-y 平面。以举例的方式，位置传感器可为光谱干扰激光位移传感器。z量计能 够可释放地附接到质量转移工具的安装表面。例如，z基准面可与静电转移 头阵列的接触表面相距100微米或更少。
在一个实施例中，通过使关节运动式转移头组件进行关节运动和旋转 来使衬底与参考系对齐。使关节运动式转移头组件进行关节运动以将静电 转移头阵列平行于x-y平面对齐。进行关节运动可包括检测与衬底上的四个 参考点中的每个参考点的距离并且移动关节运动式转移头组件直到与这四 个参考点中的每个参考点的距离相等。可利用具有正交于x-y平面的感测方 向的第一位置传感器诸如光谱干扰激光位移传感器来检测这些参考点。可 旋转关节运动式转移头组件以将穿过衬底的第一参考标记和第二参考标记 的参考线平行于x轴对齐。这种旋转可包括利用具有平行于x-y平面的第一 成像平面的第一成像设备诸如相机来检测第一参考标记和第二参考标记。 第一参考标记和第二参考标记可为静电转移头。
在一个实施例中，建立参考系包括将关节运动式转移头组件加热到后 续转移操作中使用的温度。例如，将关节运动式转移头组件的安装表面加 热到约100摄氏度至350摄氏度的温度范围。在一个实施例中，在将支撑 静电转移头阵列的衬底与参考系对齐时，将该衬底加热到约100摄氏度至 350摄氏度的温度范围。
在一个实施例中，一种操作质量转移工具的方法包括利用致动器组件 调整关节运动式转移头组件和承载衬底保持器之间的空间关系。由与关节 运动式转移头组件耦接的静电转移头阵列来接触承载衬底保持器上的承载 衬底上的微型器件阵列。通过关节运动式转移头组件的静电电压源连接件 向静电转移头阵列施加电压，并且从承载衬底拾取微型器件阵列。
调整空间关系可包括确定承载衬底在承载衬底保持器上的取向并且使 与关节运动式转移头组件耦接的衬底的取向匹配于该取向。确定承载衬底 的取向可包括利用具有正交于x-y平面的第一感测方向的第一位置传感器诸 如光谱干扰激光位移传感器来检测与承载衬底上的四个参考点中的每个参 考点的距离。此外，具有平行于x-y平面的第一成像平面的第一成像设备诸 如相机可检测承载衬底上的第一参考标记和第二参考标记。在一个实施例 中，第一成像设备还可通过确定焦距来检测与承载衬底上的四个参考点中 的每个参考点的距离。匹配衬底和承载衬底的取向包括使关节运动式转移 头组件进行旋转和关节运动。使关节运动式转移头组件旋转以将穿过衬底 的第一参考标记和第二参考标记的参考线平行于穿过承载衬底的第一参考 标记和第二参考标记的线对齐。该旋转可包括利用具有平行于x-y平面的相 应第一成像平面和第二成像平面的第一成像设备和第二成像设备来检测第 一参考标记和第二参考标记。使关节运动式转移头组件进行关节运动以将 静电转移头阵列平行于承载衬底对齐。进行关节运动可包括利用具有正交 于x-y平面的第一感测方向的第一位置传感器来检测与承载衬底上的四个参 考点中的每个参考点的距离并且移动关节运动式转移头组件直到衬底平行 于承载衬底。
在一个实施例中，使承载衬底与微型器件阵列接触包括感测接触。例 如，可通过使用第一位置传感器诸如光谱干扰激光位移传感器感测与关节 运动式转移头组件耦接的弯曲部的挠曲来感测接触。在一个实施例中，光 谱干扰激光位移传感器能够区分弯曲部的50纳米的挠曲。或者，可基于施 加到承载衬底保持器的负荷的变化来感测接触，该负荷由与承载衬底保持 器耦接的测力计进行测量。在一个实施例中，测力计能够以至少微克的精 确度进行测量。
拾取微型器件可包括基于与关节运动式转移头组件耦接的弯曲部的挠 曲来感测微型器件阵列从承载衬底的移除。可由与致动器组件耦接的第一 位置传感器诸如光谱干扰激光位移传感器来感测该挠曲。或者，可基于施 加到承载衬底保持器的负荷的变化来感测微型器件阵列从承载衬底的移 除，该负荷由与承载衬底保持器耦接的测力计进行测量。在一个实施例 中，测力计能够以至少微克的精确度进行测量。在一个实施例中，在从承 载衬底拾取微型器件阵列之后，例如通过对静电转移头或承载衬底的光学 检查来确认微型器件阵列到静电转移头阵列的附接。
在一个实施例中，一种操作质量转移工具的方法包括使用微型器件阵 列来接触与接收衬底保持器耦接的接收衬底。可按若干种方式来感测接 触。例如，可通过使用第一位置传感器诸如与致动器组件耦接的光谱干扰 激光位移传感器感测与关节运动式转移头组件耦接的弯曲部的挠曲来感测 接触。或者，可基于施加到接收衬底保持器的负荷的变化来感测接触，该 负荷由与接收衬底保持器耦接的测力计进行测量。在一个实施例中，测力 计能够以至少微克的精确度进行测量。
在一个实施例中，可从静电转移头阵列移除电压。可随后从接收衬底 上的微型器件阵列移除静电转移头阵列。可按若干种方式来感测静电转移 头从微型器件的移除。例如，可通过使用第一位置传感器诸如与致动器组 件耦接的光谱干扰激光位移传感器感测与关节运动式转移头组件耦接的弯 曲部的挠曲来感测移除。或者，可基于施加到接收衬底保持器的负荷的变 化来感测移除，该负荷由与接收衬底保持器耦接的测力计进行测量。在一 个实施例中，测力计能够以至少微克的精确度进行测量。在一个实施例 中，在从微型器件移除静电转移头之后，例如通过对静电转移头或接收衬 底的光学检查来确认微型器件阵列从静电转移头阵列的释放。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的质量转移工具的透视图图示。
图2是根据本发明的实施例的质量转移工具的上部组件部分的透视图 图示，该质量转移工具具有关节运动式转移头组件。
图3是根据本发明的实施例的质量转移工具的上部组件部分的透视图 图示，该质量转移工具具有关节运动式转移头组件。
图4是根据本发明的实施例的质量转移工具的上部组件部分的横截面 透视图图示，该质量转移工具具有关节运动式转移头组件，该横截面图沿 图2的线A-A获取。
图5是根据本发明的实施例的弯曲部的透视图图示。
图6A是根据本发明的实施例的质量转移工具的关节运动式转移头组 件的一部分的横截面透视图图示，该质量转移工具具有静电电压源连接 件。
图6B是根据本发明的实施例的衬底的示意性侧视图图示，该衬底支撑 附接到安装表面并且与一个或多个静电电压源连接件电连接的静电转移头 阵列。
图7是根据本发明的实施例的质量转移工具的下部组件部分的透视图 图示，该质量转移工具具有承载衬底保持器和接收衬底保持器。
图8是根据本发明的实施例的质量转移工具的下部组件部分的横截面 透视图图示，该质量转移工具具有承载衬底保持器和接收衬底保持器，该 横截面图沿图7的线B-B获取。
图9是根据本发明的实施例的质量转移工具的上部组件部分的透视图 图示，该批量转移工具具有三脚架致动器。
图10是根据本发明的实施例的质量转移工具的下部组件部分的透视图 图示，该质量转移工具具有传感器。
图11是根据本发明的实施例的质量转移工具的上部组件部分的侧视示 意图，该质量转移工具具有关节运动式转移头组件。
图12A是示出根据本发明的实施例的将支撑静电转移头阵列的衬底与 参考系对齐的方法的流程图。
图12B是示出根据本发明的实施例的建立参考系的方法的流程图。
图12C是示出操作质量转移工具以转移根据本发明实施例所示的微型 器件阵列的方法的流程图。
图13A是根据本发明的实施例的设定x-y基准面的方法的侧视示意 图。
图13B是根据本发明的实施例的设定x-y基准面的方法的透视示意 图。
图14A是根据本发明的实施例的设定z基准面的方法的侧视图图示。
图14B是根据本发明的实施例的设定z基准面的方法的侧视图图示。
图15A是根据本发明的实施例的将衬底与参考系对齐的方法的透视示 意图。
图15B是根据本发明的实施例的将衬底与参考系对齐的方法的透视示 意图。
图17是示出操作质量转移工具以拾取根据本发明实施例所示的微型器 件阵列的方法的流程图。
图18是根据本发明的实施例的调整关节运动式转移头组件和承载衬底 保持器之间的空间关系的示意图。
图16A至16C是根据本发明的实施例的使用质量转移工具来匹配取向 并且使衬底接触承载衬底的方法的侧视示意图。
图19A是根据本发明的实施例的在已调整关节运动式转移头组件和承 载衬底保持器之间的空间关系之后，定位在承载衬底上的微型器件阵列上 方的静电转移头阵列的横截面侧视图图示。
图19B是根据本发明的实施例的与微型器件阵列接触的静电转移头阵 列的横截面侧视图图示。
图19C是根据本发明的实施例的拾取微型器件阵列的静电转移头阵列 的横截面侧视图图示。
图19D是根据本发明的实施例的释放到接收衬底上的微型器件阵列的 横截面侧视图图示。
图20是可根据本发明实施例使用的示例性计算机系统150的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例描述用于从承载衬底转移微型器件或微型器件阵列的 系统和方法。在一些实施例中，本文所述的微型器件或微型器件阵列可以 是相关美国专利申请13/372,222、13/436,260和13/458,932中所示和描述的 任何微型LED器件结构。尽管具体地针对微型LED器件描述了本发明的一 些实施例，但应当理解，本发明的实施例并不限于此，并且某些实施例还 可适用于其他微型LED器件以及其他微型器件诸如二极管、晶体管、IC和 MEMS。
在各种实施例中，参考附图进行描述。然而，某些实施例可在不存在 这些具体细节中的一个或多个细节或者与其他已知方法和构型相结合的情 况下实施。在以下描述中，示出许多具体细节诸如特定构型、尺寸和工艺 等以提供对本发明的彻底理解。在其他情况下，未对众所周知的工艺和制 造技术进行特别详细地描述，以免不必要地模糊本发明。整个本说明书中 所提到的“一个实施例”、“实施例”等是指结合实施例所描述的特定特 征、结构、构型或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，整个 本说明书的各处的短语“一个实施例”、“实施例”等的出现不必指代本 发明的同一实施例。此外，特定特征、结构、构型或特性可以任何适当的 方式结合在一个或多个实施例中。
如本文所使用的术语“微型”器件或“微型”LED结构可指代根据本 发明的实施例的某些器件或结构的描述性尺寸。如本文所用，术语“微 型”器件或结构是指1μm到100μm的尺度。然而，应当理解，本发明的实 施例未必受此限制，该实施例的特定方面可适用于更大和可能更小的尺 度。在一个实施例中，微型器件阵列中的单个微型器件和静电转移头阵列 中的单个静电转移头均具有1μm到100μm的最大尺寸，例如长度或宽度。 在一个实施例中，每个静电转移头的顶部接触表面具有1μm到100μm或更 具体地3μm到10μm的最大尺寸。在一个实施例中，微型器件阵列和相应 静电转移头阵列的间距为(1μm到100μm)×(1μm到100μm)，例如 10μm×10μm间距或5μm×5μm间距。
在一个方面，本发明的实施例描述了利用静电转移头阵列批量转移预 构造的微型器件阵列的方式。例如，预构造的微型器件可具有专用功能， 诸如但不限于：用于发光的LED、用于逻辑器和存储器的硅IC和用于射频 (RF)通信的砷化镓(GaAS)电路。在一些实施例中，待拾取的微型LED器件 阵列具有微型尺寸的间距，诸如10μm×10μm间距或5μm×5μm间距。在 这些密度下，例如6英寸的衬底可以10μm×10μm的间距容纳约1.65亿个 微型LED器件，或以5μm×5μm的间距容纳约6.60亿个微型LED器件。 可使用包括匹配相应微型LED器件阵列的整数倍间距的静电转移头阵列的 质量转移工具来拾取微型LED器件阵列并将微型LED器件阵列转移到接收 衬底。这样，可以高转移速率将微型LED器件集成并装配到异类集成系统 中，该异类集成系统包括从微型显示到大面积显示的范围的任何尺寸的衬 底。例如，1cm×1cm的静电转移头阵列可拾取并转移100,000个以上的微 型器件，更大的静电转移头阵列能够转移更多的微型器件。
在另一方面，本发明的实施例描述了使用支撑静电转移头阵列的衬底 向微型器件施加静电力来促进微型器件的批量转移的系统和方法。在一个 实施例中，衬底可被移除或重新附接到系统，即衬底可为可替换的。由于 衬底是可移除的，所以可更容易地检查、清洁和整修系统和衬底。假定衬 底可具有与静电转移头阵列的磨损速率相对应的使用寿命，则衬底的移除 允许在静电转移头阵列失效之前更换旧衬底。因此，具有可替换衬底的系 统可改善系统寿命并提高系统可靠性。
在另一方面，本发明的实施例描述了在高于室温的高温下转移微型器 件阵列的系统和方法。在一些实施例中，可在高温下执行从承载衬底拾取 微型器件阵列和/或将微型器件阵列放置在接收衬底上，例如以在将微型器 件阵列连接到承载衬底的键合层中产生相变或者在将微型器件阵列放置在 接收衬底上期间产生相变或使键合层产生合金。在一些实施例中，在从承 载衬底转移到接收衬底期间的一个或多个操作在高温下执行的情况下，质 量转移工具的对齐操作也在高操作温度下执行以补偿由于热膨胀引起的转 移工具部件的偏移。
在另一方面，本发明的实施例描述了使用致动器组件和提供与系统部 件位置相关的反馈的各种传感器来促进微型器件的批量转移的系统和方 法。致动器组件可包括任何数目的致动器，该致动器能够生成系统部件的 相对于一个或多个参考系和其他系统部件的运动。例如，致动器组件可使 支撑静电转移头阵列的衬底和微型器件阵列在承载衬底上在至少六个自由 度上相对于彼此移动。此外，致动器组件可用于系统部件的精确对齐和移 动。为了实现精确的运动控制，可使用各种传感器来向计算机系统或控制 器提供与系统部件的位置和定位相关的反馈。例如，传感器能够以约50纳 米的精确度来检测系统部件的位置，并且可根据这些位置来控制(即致 动)致动器。因此，组合的致动器组件和传感器使得能够在微米尺度上调 整系统部件的空间关系。例如，可以约1微米内的误差将静电转移头阵列 平行于微型器件阵列的位置对齐。因此，应当理解，如下所述的具有致动 器组件和传感器的系统能够以高工艺吞吐量和产率精确地拾取并转移微型 器件阵列。
在又一方面，本发明的实施例描述了使用传感器感测系统部件之间的 接触的施加或移除来促进微型器件的批量转移的系统和方法。例如，位置 传感器或测力计可感测静电转移头阵列和微型器件阵列之间的接触。此 外，可根据接触来控制(即致动)致动器。位置传感器或测力计可相似地 感测微型器件阵列从承载衬底的移除。因此，应当理解，具有用于感测在 系统部件之间施加的接触的传感器的系统能够以高工艺吞吐量和产率精确 地拾取并转移微型器件阵列。
现在参见图1，其根据本发明的实施例示出了质量转移工具的透视图 图示。质量转移工具100根据上述方面进行操作。为此，质量转移工具100 包括一个或多个组件，该一个或多个组件具有各种部件和子组件，该各种 部件和子组件具有使用静电转移头阵列来促进微型器件的批量转移的功 能。例如，质量转移工具100可包括上部组件102，该上部组件具有关节运 动式转移头组件106以接收包含静电转移头阵列的衬底，如下文将进一步 描述的。关节运动式转移头组件106可包括允许更换衬底并且允许向静电 转移头传递电压以使用静电力来促进微型器件的拾取的特征，如下文将进 一步描述的。
质量转移工具100还可包括下部组件104，该下部组件具有承载衬底 保持器108和接收衬底保持器124。承载衬底保持器108可被配置为保持支 撑微型器件阵列的承载衬底。此外，接收衬底保持器124可被配置为保持 用于接收所转移的微型器件的接收衬底。因此，可使用静电转移头阵列将 微型器件阵列从承载衬底转移到接收衬底，如下文将进一步描述的。
应当理解，对上部组件102和下部组件104的任何标引仅仅是为了易 于描述，并且质量转移工具100的部件和子组件可为上部组件102和下部 组件104中的任一者或两者的一部分。例如，上部组件102和下部组件104 两者均可包括致动器组件110的部件。致动器组件110移动质量转移工具 100的各种部件，并且更具体地，其可调整部件之间的空间关系以使用衬底 上的静电转移头阵列来促进微型器件的转移。例如，可调整关节运动式转 移头组件106以及承载衬底保持器108和接收衬底保持器124，使得由附接 到关节运动式转移头组件的衬底支撑的静电转移头阵列紧密地顺应由承载 衬底保持器保持的承载衬底或由接收衬底保持器保持的接收衬底。这些类 型的调整需要在多个自由度上精确移动。例如，关节运动式转移头组件106 可由致动器组件110的具有至少四个自由度的三脚架致动器111移动。类 似地，承载衬底保持器108可由致动器组件110的具有至少两个自由度的 x-y平台112移动。因此，可使由附接到关节运动式转移头组件的衬底支撑 的静电转移头阵列，以及由承载衬底保持器保持的承载衬底和由接收衬底 保持器保持的接收衬底支撑的微型器件阵列在六个自由度上相对于彼此精 确地移动。应当理解，致动器组件110是许多可能的构造中的一种构造， 并且其可包括任何数目的部件。例如，尽管图1所示的具体实施例仅示出 下部组件104中的x-y平台112，但设想上部组件102中的关节运动式转移 头组件106可安装在除x-y平台112之外或作为x-y平台112的替代物的x- y平台上。因此，根据本发明的实施例设想了多种构型，其能够在至少六个 自由度上调整部件之间的空间关系。
除了共享致动器组件110的部件之外，上部组件102和下部组件104 还可包括旨在感测系统部件之间的空间关系(例如接触)并且连同致动器 组件110一起工作以促进系统部件的对齐的各种传感器。例如，可使用对 齐工具130使俯视成像设备126和仰视成像设备128彼此对齐以便建立能 够在内部调整部件的参考系。类似地，位置传感器(未示出)可集成在质 量转移工具100内并且相对于滑架120和关节运动式转移头组件106安装 以进一步建立能够在内部调整部件的参考系。各种传感器还可用于检测部 件在参考系内的位置并且向能够接收并处理输入的计算机系统150提供反 馈以便相应地控制系统部件。下文将更详细地描述这些传感器和其他传感 器。
各种部件和子组件可按各种方式耦接，例如，通过使用台架113、基 座114、侧梁116、托架118和其他结构连接器。因此，应当理解，图1所 示的质量转移工具100未详尽列举根据本发明的范围可作为系统的一部分 的所有部件，该描述也不应视为就这一点而言具有限制性。已经在较高层 面上描述了质量转移工具100，现在将更具体详细地论述质量转移工具100 部件和结构。
现在参见图2，其根据本发明的实施例示出质量转移工具的上部组件 部分的底部透视图图示，该质量转移工具包括关节运动式转移头组件。如 上论述，质量转移工具100可包括关节运动式转移头组件106以接收支撑 静电转移头204阵列的可替换衬底200。衬底200被示为附接到关节运动式 转移头组件106。更具体地，衬底200附接到关节运动式转移头组件106的 安装表面202。衬底200可由能够提供结构支撑的多种材料诸如硅、陶瓷和 聚合物形成。在一个实施例中，衬底200还包括与静电转移头204阵列连 接的接线或通孔。每个转移头还可包括台面结构、可形成在台面结构上方 或与台面结构一体式形成的电极、以及覆盖电极的电介质层。静电转移头 204阵列可形成为具有被选择来与放置在承载衬底(未示出)上的微型器件 的整数倍间距匹配的间距，如下所述。在一个实施例中，静电转移头204 阵列是相关美国专利申请13/372,277、13/466,966、13/481,592、13/543,675 和13/543,684中描述的转移头阵列中的任一种转移头，这些专利申请中的 每个专利申请以引用方式并入本文。衬底200还可包括一个或多个参考标 记206以允许衬底200的准确定位和对齐，如下所述。
关节运动式转移头组件可由外壳210包围。外壳210可通过将关节运 动式转移头组件106与外部物体分离来保护该关节运动式转移头组件。此 外，外壳210可支撑致动器组件110部件的部件，诸如弯曲部和轴向致动 器，其将在下文中进一步描述的。这些致动器组件110部件可促进关节运 动式转移头组件106的移动。在至少一个实施例中，外壳210和关节运动 式转移头组件106可相对于彼此移动。除了通过各种致动器来与关节运动 式转移头组件106耦接之外，外壳210还可耦接至安装板212，该安装板是 其他致动器组件110部件的一部分或耦接至该其他致动器组件110部件。 例如，安装板212可耦接至三脚架111以允许外壳210和关节运动式转移 头组件106的致动。
如上论述，质量转移工具100可包括各种传感器以测量和检测距离， 并且因此提供帮助调整致动器组件110的控制反馈。图2示出被包括在关 节运动式转移头组件106中的一个此类传感器，即位置传感器208。位置传 感器208可具有位置传感器引线214以直接或间接地与计算机系统150传 送信号。位置传感器208可在与安装表面202大致共面的远端终止。此 外，位置传感器208的远端可相对于安装表面202固定。因此，位置传感 器208可相对于安装表面202检测与表面的距离。例如，当关节运动式转 移头组件106和承载衬底保持器108之间的空间关系由致动器组件110调 整时，位置传感器208可提供与关节运动式转移头组件106的安装表面202 和承载衬底保持器108之间的距离相关的反馈。这个反馈可为性的，例如 用于向用户提供质量转移工具状态的视觉显示，或其可为用于控制致动器 组件110的运动的正反馈回路的一部分。
除了感测关节运动式转移头组件106和承载衬底保持器108之间的空 间关系之外，位置传感器208可用于感测其他部件之间的空间关系。例 如，位置传感器208可用于直接或间接地感测由附接到安装表面202的衬 底200支撑的静电转移头204阵列和由承载衬底保持器108保持的承载衬 底之间的距离。
在一个实施例中，位置传感器208可包括光谱干扰激光位移计，诸如 由Keyence Corporation of Osaka,Japan制造的微型头部光谱干扰激光位移 计。光谱干扰激光位移计的使用提供绝对位移测量的优点，而不需要计量 器校准。此类性能可在本文所述的应用中提供增加效率的益处，因为当例 如在操作期间更换衬底200时不太需要耗时的质量转移工具对齐。此外， 光谱干扰激光位移计可感测多个表面而不需要感测位置之间的重新校准。 然而，本领域的技术人员将会知道，位置传感器208可包括其他类型的传 感器，包括接近传感器、光学传感器和超声波传感器。
现在参见图3，其根据本发明的实施例示出质量转移工具的上部组件 部分的透视图图示，该质量转移工具具有关节运动式转移头组件。在该图 示中，衬底200未附接到安装表面202。因此，如上所述，在至少一个实施 例中，衬底200能够可释放地附接和脱离安装表面202。在一个实施例中， 安装表面202可包括与真空源(未示出)耦接的至少一个真空口302以用 于在紧贴安装表面202放置的物体上汲取吸力。更具体地，当衬底200紧 贴安装表面202定位时，通过真空口302来汲取吸力以在一个或多个真空 通道304内形成负压。如图所示，真空通道304可形成为相交线图案以形 成吸力区域。因此，通过真空通道304和周围大气之间的压力差抵靠安装 表面202来推动衬底200。因此，衬底200附接到安装表面202。当真空源 断开或真空通道304中的负压不足以保持衬底200时，释放附接并且可移 除衬底200。
虽然安装表面202可如图3所示为基本平坦的，但应当理解，安装表 面202可相反具有各种轮廓。例如，在一个实施例中，安装表面202可为 楔形的或具有其他轮廓以提供衬底200可抵靠的参考特征。即，就楔形安 装表面202和楔形衬底200而言，衬底200将已知为每当被移除并安装在 楔形轮廓内时以相同的角取向进行取向。
现在参见图4，其根据本发明的实施例示出质量转移工具的上部组件 部分的一部分的横截面透视图图示，该质量转移工具具有关节运动式转移 头组件，该横截面是沿图2的线A-A获取的。衬底200被示为附接到关节 运动式转移头组件106的安装表面202。在一个实施例中，安装表面202与 加热器400热耦接。例如，加热器400可包括一个或多个加热元件402诸 如加热棒，其响应于电流的施加而产生热。加热元件402可增加温度以向 衬底200传热。例如，可通过金属块(未示出)来传导热量。或者，可穿 过居间气隙通过对流或辐射加热来向衬底200传送热量。在一个方面，加 热器400可被配置为将安装表面202的温度升高到约50摄氏度至500摄氏 度的范围。更具体地，加热器400可被配置为将安装表面202的温度升高 到约100摄氏度至350摄氏度的范围。应当理解，可在本公开范围内设想 其他温度和温度范围。
应当理解，安装表面202的加热将导致向由衬底200支撑的静电转移 头204阵列传热，并且因此可将热量传递到静电转移头阵列接触的微型器 件阵列。该热量可促进从承载衬底移除微型器件和/或将微型器件放置在接 收衬底上，如下文进一步描述的。
如上所述，关节运动式转移头组件106或其一部分可通过致动器组件 110的一个或多个部件耦接至质量转移工具100的包围结构诸如外壳210。 例如，关节运动式转移头组件106可通过弯曲部404耦接至质量转移工具 100的外壳210。弯曲部404可沿着弯曲部的内边缘固定到关节运动式转移 头组件106。同样，弯曲部404可沿着外边缘或通过紧固件孔固定到质量转 移工具100的外壳210。因此，关节运动式转移头组件106能够通过弯曲部 404的挠曲相对于外壳210移动。例如，可限定关节运动式转移头组件106 的上表面的板416能够相对于安装在外壳210上的位置传感器414移动。 此外，如下文解释的，转移头组件106的移动可在正交于安装表面202的 方向上被约束，因为在至少一个实施例中，安装表面202可平行于弯曲表 面。然而，在一些实施例中，安装表面202可被形成为具有不平坦表面。 因此，在至少一个实施例中，弯曲部404可在正交于静电转移头204阵列 的接触表面205阵列(见图6B)的方向上约束转移头组件106的移动，这 些接触表面可平行于或可不平行于安装表面202。
在一个实施例中，第二弯曲部404’可用于以下文描述的方式进一步约 束关节运动式转移头组件106的移动。弯曲部404’可包括与弯曲部404类 似的形状和构型。此外，弯曲部404’可耦接至与弯曲部404相同或不同的 结构。在一个实施例中，弯曲部404’的弯曲表面可基本上平行于弯曲部 404的弯曲表面进行取向。因此，弯曲部404和弯曲部404’可在同一方向上 约束安装表面202的移动。
应当理解，转移头组件106的移动可按至少两种方式实现。首先，如 果关节运动式转移头组件106被驱动以使得由附接的衬底200支撑的静电 转移头阵列被驱动到另一个物体或表面(例如支撑在承载衬底上的微型器 件阵列)中，则冲击产生的反作用力将对安装表面202施加偏置负荷，该 偏置负荷可转化为弯曲部404的挠曲。第二，具有安装表面202的关节运 动式转移头组件106可由另一个致动器部件(诸如致动器组件110的轴向 致动器406部件)驱动。在一个实施例中，轴向致动器406可包括线性致 动器。例如，轴向致动器406可包括音圈致动器。在音圈致动器中，可使 电流通过轴向致动器406的音圈产生驱动永磁体以使得轴向致动器线性延 伸的磁场。应当理解，可使用其他致动器，诸如线性马达、液压活塞或产 生轴向运动的其他致动器。在一个方面，弯曲部404沿单个方向约束转移 头组件106的移动，使得甚至可使用向转移头组件赋予大量侧向负荷的致 动器来执行轴向致动器406的功能。
现在参见图5，其根据本发明的实施例示出弯曲部的透视图图示。在 该实施例中，弯曲部404具有圆盘构型，该圆盘构型包括外边缘502、内边 缘504和这两者间的弯曲表面506。沿着弯曲表面506，可形成一个或多个 狭槽508以增加开槽区域的局部柔性。例如，布置在内边缘504和外边缘 502之间的环形区中的若干个同心形成的狭槽508可形成弯曲表面510。弯 曲表面510可将弯曲部挠曲约束在单个方向上。更具体地，弯曲表面510 可将内边缘504相对于外边缘502的运动约束在沿着内边缘504和外边缘 502两者同心定位所围绕的轴线的方向上。
现在参见图6A，其根据本发明的实施例示出质量转移工具的关节运动 式转移头组件的一部分的横截面图图示，该质量转移工具具有静电电压源 连接件。静电电压源连接件410可用于与静电转移头204阵列生成静电 力。在一个实施例中，静电电压源连接件410可包括弹性导体602，该弹性 导体具有触点604、弯头606和基座夹子608。基座夹子608可附接到质量 转移工具100的接线以将电压传送到触点604。基座夹子608和触点604可 放置在弹性导体602的终端处并且由弯头606分开。弯头606可为弹性导 体602提供弯曲表面。由于弯头606的形状以及用于构造静电电压源连接 件410的材料的选择，弯头606可被弹性压缩。换句话讲，弯头606可在 衬底200被附接到安装表面202并按压触点604上时弯曲。衬底200可通过 经由形成在安装表面202中的真空口302在衬底200上汲取吸力而被附接 到安装表面202，如上所述，并且该吸力可提供施加到衬底200的保持力以 及弹性导体602上的压缩负荷两者。因此，弯头606弯曲，这是因为施加 到衬底200的保持力在触点604处传输到弹性导体602，从而生成足以在弯 头606中造成材料挠曲和弯曲的负荷。当移除衬底200时，弯头606可松 弛，从而允许触点604远离基座夹子608延伸超过安装表面202。因此，弯 头606储存能量以允许触点604利用足以在质量转移工具100的操作期间 维持电接触的力压在衬底200上。因而，在至少一个实施例中，弯头606 还可充当用于在通过经由真空口302中断真空来移除吸力时移除衬底200 的顶出机构。
应当理解，弯头606仅表示提供弹性结构以确保弹性导体602恰当地 接触衬底200的一种方式。提供弹性结构的其他潜在形状包括螺旋形、弓 形、Z字形和有利于整个结构的弹性形变的其他形状。此外，可使用其他结 构诸如弹簧加载的触销来取代弹性结构从而确保在静电电压源连接件和衬 底之间形成充分的电接触。
在一个实施例中，静电电压源连接件410可部分地或全部地由导电材 料形成。例如，静电电压源连接件410可由铍铜合金形成。材料可被冲 压、弯曲、缠绕或以其他方式处理以形成弹性导体602的弹性结构。
图6B是根据本发明的实施例的衬底200的示意性侧视图图示，该衬底 支撑附接到安装表面202并且与一个或多个静电电压源连接件410电连接 的静电转移头204阵列。电压源连接件410可连接到单个电压源或不同的 电压源。这一个或多个电压源可施加恒定电压或交流电压。在一个实施例 中，向每个静电转移头中的双极性电极结构施加交流电压。如图所示，这 一个或多个静电电压源连接件410到静电转移头204阵列的电耦接可例如 通过通孔结构207或从触点604通过衬底200引导到静电转移头204阵列的 接线形成。或者，电耦接可利用从触点604开始并且在衬底200上方引导 到静电转移头204阵列的接线形成。
现在参见图7，其根据本发明的实施例示出质量转移工具的下部组件 部分的顶部透视图图示，该质量转移工具具有承载衬底保持器和接收衬底 保持器。下部组件104部分包括承载衬底保持器108，该承载衬底保持器与 质量转移工具100的滑架120耦接并且可被配置为保持支撑微型器件阵列 的承载衬底706。在一个实施例中，承载衬底706安置在承载衬底保持器 108的凹口内。例如，承载衬底保持器108可包括形成在上表面中的埋头 孔，该埋头孔的轮廓符合并且略大于承载衬底706的轮廓。
在另选实施例中，承载衬底706可被有效地保持在承载衬底保持器 108内。例如，承载衬底706可安置在保持表面上，如下文进一步描述的， 该保持表面包括与真空源耦接的真空口。可在将承载衬底706放置于保持 表面上方时通过真空口向承载衬底706施加吸力。应当理解，可在本公开 范围内设想有效地保持承载衬底706的另选方法。例如，承载衬底保持器 108可包括卡盘诸如机械虎钳，该机械虎钳具有压在承载衬底706的表面上 以将承载衬底706保持在承载衬底保持器108内的夹持器。这些另选实施 例中的每个另选实施例可起到将承载衬底706的位置保持并稳定在承载衬 底保持器108内的功能。
在一个实施例中，存在与承载衬底保持器108耦接的测力计704。例 如，承载衬底保持器108可使用各种紧固件被紧固到测力计704的板。因 此，测力计704可测量施加到承载衬底保持器108的力。当没有向承载衬 底保持器108施加负荷时，测力计704可测量承载衬底保持器108的重 量。当将承载衬底706放置在承载衬底保持器108上时，测力计704可随 后测量承载衬底706和承载衬底保持器108的累计重量。此外，如果施加 附加力诸如如果关节运动式转移头组件106的静电转移头204阵列由轴向 致动器406驱动到承载衬底706中，则测力计704可测量累计重量和由关 节运动式转移头组件106施加到承载衬底保持器108的力。应当理解，可 在本公开范围内使用各种规格的测力计，但在至少一个实施例中，测力计 704能够以至少微克的精确度进行测量。
应当理解，承载衬底保持器108可包括本描述的范围内的附加特征。 例如，承载衬底保持器108可包括起重螺丝(未示出)，其可被调整以使 由承载衬底保持器108保持的承载衬底706倾斜或以其他方式调整承载衬 底取向。本领域的技术人员将在本公开范围内设想该特征和其他特征。
仍参见图7，下部组件104部分可包括接收衬底保持器124，该接收衬 底保持器与质量转移工具100的滑架120耦接。在一个实施例中，接收衬 底714安置在接收衬底保持器124的凹口内。例如，接收衬底保持器124 可包括形成在上表面中的埋头孔，该埋头孔的轮廓符合并且略大于接收衬 底714的轮廓。
在可供选择的实施例中，接收衬底714可被有效地保持在接收衬底保 持器124内。例如，如下文进一步描述的，保持表面可包括与真空源耦接 的真空口。可在接收衬底714放置于保持表面上方时通过真空口向接收衬 底714施加吸力。应当理解，可在本公开范围内设想有效地保持接收衬底 的另选方法。例如，接收衬底保持器124可包括卡盘诸如机械虎钳，该机 械虎钳具有压在接收衬底的表面上以将接收衬底714保持在接收衬底保持 器124内的夹持器。这些另选实施例中的每个另选实施例可起到将接收衬 底714的位置保持并稳定在接收衬底保持器124内的功能。
在一个实施例中，存在与接收衬底保持器124耦接的测力计712。例 如，接收衬底保持器124可使用各种紧固件被紧固到测力计712的板。因 此，测力计712可测量施加到接收衬底保持器124的力。当没有向接收衬 底保持器124施加负荷时，测力计712可测量接收衬底保持器124的重 量。因此，当将接收衬底714放置在接收衬底保持器124上时，测力计712 可随后测量接收衬底714和接收衬底保持器124的累计重量。此外，如果 施加附加力，诸如如果关节运动式转移头组件106的静电转移头204阵列 由轴向致动器406驱动到接收衬底714中，则测力计可测量累计重量和由 关节运动式转移头组件106施加到接收衬底保持器124的力。应当理解， 可在本公开范围内使用各种规格的测力计，但在至少一个实施例中，测力 计712能够以至少微克的精确度进行测量。
应当理解，接收衬底保持器124可包括本描述的范围内的附加特征。 例如，接收衬底保持器124可包括起重螺丝(未示出)，其可被调整以使 由接收衬底保持器124保持的接收衬底714倾斜或以其他方式调整接收衬 底取向。本领域的技术人员将在本公开范围内设想该特征和其他特征。
现在参见图8，其根据本发明的实施例示出质量转移工具的下部组件 部分的横截面透视图图示，该质量转移工具具有承载衬底保持器和接收衬 底保持器，该横截面图沿图7的线B-B获取。在一个实施例中，承载衬底 保持器108接收保持表面802上的承载衬底706。保持表面802可为斜面， 或者其可为另一种形状或形状组合。例如，保持表面802可为平坦表面。 此外，如上所述，保持表面802可包括施加有效地保持承载衬底706的真 空的真空口(未示出)。
当由承载衬底保持器108保持时，承载衬底706可与热分配板804并 置。热分配板804可例如由金属诸如铝或碳化硅形成以用于实现热传导。 因此，可易于通过热分配板804将热量从加热器806转移到承载衬底706， 以促进将微型器件从承载衬底706转移到静电转移头204阵列。加热器806 可为具有多种不同构型的加热元件。例如，加热器806可为电圆盘加热 器。或者，加热器806可为辐射加热器。在一个实施例中，从加热器806 转移到承载衬底706的热量可使承载衬底706的温度增加到约100摄氏度 至200摄氏度的温度范围。在另一个实施例中，承载衬底706的温度可增 加到约140摄氏度至180摄氏度的温度范围。在又一个实施例中，接收衬 底714的温度可增加到约150摄氏度的温度。
在一个实施例中，接收衬底保持器124接收保持表面810上的接收衬 底714。保持表面810可为斜面，或者其可为另一种形状或形状组合。例 如，保持表面810可为平坦表面。此外，如上所述，保持表面810可包括 真空口(未示出)以施加有效地保持承载衬底706的真空。
当由接收衬底保持器124保持时，接收衬底714可与热分配板812并 置。热分配板812可例如由具有良好导热特性的金属诸如铝或碳化硅形 成。因此，可易于将热量从加热器814转移到接收衬底714以促进将微型 器件从静电转移头204阵列转移到接收衬底714。加热器814可为具有多种 不同构型的加热元件。例如，加热器814可为电圆盘加热器。或者，加热 器814可为辐射加热器。在一个实施例中，从加热器814转移到接收衬底 714的热量可使接收衬底714的温度增加到介于室温和约250摄氏度之间的 温度范围。在另一个实施例中，接收衬底714的温度可增加到约100摄氏 度至200摄氏度的温度范围。在另一个实施例中，接收衬底714的温度可 增加到约150摄氏度的温度。
根据以上描述，将显而易见的是，为了使用由附接到关节运动式转移 头组件106的衬底200支撑的静电转移头204阵列来将微型器件阵列从由 承载衬底保持器108保持的承载衬底706转移到由接收衬底保持器124保 持的接收衬底714，可相对于这些衬底保持器移动关节运动式转移头组件 106。更具体地，可调整各种质量转移工具100部件之间的相对运动和空间 关系以促进微型器件阵列的转移。更具体地，可在六个自由度上调整关节 运动式转移头组件106和承载衬底保持器108之间的空间关系，从而允许 这些部件和其固定或耦接的任何部件之间的空间中的完整关节运动。空间 关系调整可由各种致动器组件110部件来进行。
如上论述，下部组件104可包括与承载衬底保持器108耦接的致动器 组件110部件以相对于参考点诸如台架113、基座114或侧梁116调整承载 衬底保持器108。例如，下部组件104可包括致动器组件110部件，其具有 沿着两条轴线线性移动的致动器。这些致动器可为与滑架120耦接的x-y平 台112，使得由安装在滑架120上的承载衬底保持器108保持的承载衬底 200可在两个自由度上在完全控制下在单个平面中平移。这些平台可因此向 滑架和与滑架耦接的部件赋予平移运动。此类致动器将单独地在两个自由 度上允许静电转移头204阵列和承载衬底706之间的调整。
现在参见图9，其根据本发明的实施例示出具有三脚架致动器的质量 转移工具的上部组件部分的透视图图示。在一个实施例中，上部组件102 可包括致动器组件110部件以相对于参考点诸如台架113、基座114或侧梁 116调整关节运动式转移头组件106，所述致动器组件部件与关节运动式转 移头组件106耦接。上部组件102部分可包括一个或多个致动器，所述一 个或多个致动器提供至少一个自由轴。例如，致动器可为具有三个线性致 动器902的三脚架致动器111的一部分。就三个线性致动器而言，可单独 地缩回或延伸每个线性致动器902以使安装板212相对于基板906围绕一 个轴线旋转。类似地，可一前一后地移动所有致动器902以使安装板212 沿着与基板906正交的轴线进行线性运动。
应当理解，在具有附加线性运动轴线的情况下，可不仅仅相对于基板 906在翻转、倾斜、延伸或缩回方向上移动安装板212。例如，就具有六个 线性致动器的六脚致动器(未示出)而言，可实现旋转运动以围绕与基板 906正交的轴线旋转安装板212。当然，这个旋转运动还可通过在基板906 和质量转移工具100的另一部分之间添加旋转致动器(未示出)诸如步进 电机来实现。因此，本领域的技术人员将会知道，可添加任何数目的致动 器以增加安装板212和基板906之间的自由度。
线性致动器902可包括线性电机、液压活塞和能够产生线性运动的其 他致动器。本领域的技术人员将会知道，一个自由轴提供一个自由度，这 是因为某个点沿着该轴线的移动可根据其在该轴线上的位置而被限定，即 其轴向位置具有单个自由度。线性致动器902还可包括与安装板212耦接 的端部和与基板906耦接的端部。基板906可用于经由托架118将三脚架 致动器111固定到台架113，从而形成用于安装板212的移动的参考点。线 性致动器902可通过紧固件、铰链或其他链系来与这些板耦接。因此，线 性致动器902沿着其相应轴线的致动导致安装板212上的点与基板906上 的点之间的相对位置的改变。这样，每个线性致动器902相对于基板906 向安装板212提供至少一个自由度。如上所述，关节运动式转移头组件106 可固定到安装板212，并且因此三脚架致动器111可用于相对于基板906、 台架113或其他系统部件移动关节运动式转移头组件106。
应当理解，在本公开范围内，致动器组件110可包括与上述致动器不 同的致动器。例如，以上描述参考了被动致动器例如弯曲部404，以及主动 致动器例如三脚架致动器111、轴向致动器406和x-y平台112。然而，本 领域的技术人员将理解，可被包括在致动器组件110中的其他致动器提供 对关节运动式转移头组件106和承载衬底保持器108之间的空间关系的附 加控制。以举例的方式而非限制的方式，致动器组件110可包括：电机、 气动致动器、液压活塞、继电器、梳齿驱动器、压电致动器和热双压电晶 片。
根据先前的描述，应当理解，系统部件之间的移动，并且更具体地， 关节运动式转移头组件106和承载衬底保持器108与接收衬底保持器124 之间的移动可由致动器组件110提供。由致动器组件110提供的精确运动 可由计算机系统150基于来自整个质量转移工具100的各种传感器的反馈 输入来控制。下文将进一步论述这些各种传感器及其操作模式。
现在参见图10，其根据本发明的实施例示出具有传感器的质量转移工 具的下部组件部分的透视图图示。质量转移工具可包括一个或多个成像设 备126,128。例如，成像设备126可与上部组件102耦接并且位于关节运动 式转移头组件106附近。在一个实施例中，成像设备126可相对于关节运 动式转移头组件106固定。另外，成像设备128可耦接至下部组件104并 且位于承载衬底保持器108附近。在一个实施例中，成像设备128可相对 于承载衬底保持器108固定。因此，在一个实施例中，用于观察新的感兴 趣位置的任一成像设备的移动导致相关的关节运动式转移头组件106或承 载衬底保持器108的对应移动。这样，关节运动式转移头组件106和承载 衬底保持器108之间的相对运动可基于成像设备126,128的移动来确定。
成像设备128可包括具有足以观察由衬底200支撑的静电转移头204 阵列中的单个静电转移头的分辨率和调焦范围的相机。例如，该相机可具 有允许分辨小于1微米的尺寸的图像分辨率。成像设备126可包括具有足 以观察由承载衬底704支撑的单个微型器件的分辨率和调焦范围的相机。
在另选实施例中，多个成像设备可位于上部组件102和下部组件104 中的每一者上。例如，每个子组件可包括高放大率相机126,128和低放大率 相机1002,1004。以举例的方式而非限制的方式，低放大率相机1102,1004 可用于向计算机系统150提供反馈输入以用于控制致动器组件110的粗略 调整和移动，而高放大率相机126,128可用于向计算机系统150提供反馈输 入以用于控制致动器组件110的精细调整和移动。
应当理解，成像设备126,128仅表示用于提供与上部子组件102和下部 子组件104或与其附接的部件的位置相关的反馈的一种替代形式。可在本 公开范围内设想其他设备。例如，除了利用成像设备之外，质量转移工具 100可包括用于对齐关节运动式转移头组件106和承载衬底保持器108的电 容性接近传感器。根据以下关于质量转移工具100的功能的论述，其他替 代形式将显而易见。
成像设备126,128可促进识别系统部件上的感兴趣的特征和位置，例 如衬底200上的参考标记206，以便生成可用于为致动器组件110建立参考 点并且控制致动器组件110的运动的数据。在一个实施例中，为了促进在 成像设备126,128之间建立参考点，质量转移工具100可包括对齐工具 130。在一个实施例中，对齐工具包括基准标记1006。例如，基准标记 1006可为由对齐托架1010支撑的透明板1008(例如，玻璃)的一部分。 更具体地，具有基准标记1006的板1008可定位在仰视成像设备128和俯 视成像设备126之间。在一个实施例中，板1008可定位在两个平面之间， 其中一个平面与仰视成像设备128的成像平面大致重合并且另一个平面与 俯视成像设备126的成像平面大致重合。成像平面可被限定为与数码相机 的电荷耦合器件(CCD)图像传感器表面共面。因此，基准标记1006可由仰 视成像设备128和俯视成像设备126两者同时或在不同时间处观察。
应当理解，基准标记1006可使用若干种不同方法形成。例如，基准标 记1006可使用油墨或激光印刷工艺被印刷在板1008上。或者，基准标记 1006可被蚀刻到板1008中，例如使用酸性蚀刻剂诸如含氟化合物。另外， 腐蚀性或研磨性蚀刻剂可用于形成基准标记1006。
在一个实施例中，基准标记1006包括不对称图案。例如，基准标记 1006可类似数字“1”的上部部分，其中具有远离该数字的竖直部分的朝向 左侧的弯曲部，但没有朝向右侧的弯曲部。或者，基准标记1006可为十字 图案，其中竖线和横线在除线条的中线之外的点处相交。因此，当在高放 大率下观察时，基准标记1006提供与其取向相关的信息。例如，如果数字 “1”的弯曲部已知为指向质量转移工具100的前方，则当在相机下观察 时，基准标记1006将提供与图像相对于质量转移工具取向的取向相关的信 息。
尽管成像传感器126,128可促进参考标记的识别以建立参考系并且启 动致动器组件110的移动以便对齐部件，如下文将进一步描述的，但应当 理解，可被包括在质量转移工具100中的附加位置传感器提供与质量转移 工具部件的相对位置相关的反馈。上文已经描述了一个此类位置传感器 208。在另一个实施例中，位置传感器1011可安装在承载衬底保持器108 附近以提供帮助调整致动器组件110的反馈输入。例如，位置传感器1011 可在与保持表面802(图8)或承载衬底保持器108的表面大致共面的远端 终止。因此，位置传感器可相对于承载衬底保持器108来检测与表面的距 离。例如，位置传感器可在这些部件相对于彼此调整时提供与由承载衬底 保持器108保持的承载衬底706和附接到关节运动式转移头组件106的衬 底200之间的距离相关的反馈。
除了检测系统部件的相对位置之外，质量转移工具的各种传感器还可 用于感测系统部件的挠曲和接触。参见图11，其根据本发明的实施例示出 质量转移工具的上部组件部分的侧视示意图，该质量转移工具具有关节运 动式转移头组件。该视图提供先前在以上图4中示出的质量转移工具部分 的示意图。衬底200附接到关节运动式转移头组件106的安装表面202。关 节运动式转移头组件106包括板416，该板通过一个或多个弯曲部404,404’ 耦接至质量转移工具的外壳210。应当理解，关节运动式转移头组件106的 两个部分都可移动，但弯曲部404,404’将其隔离，使得与衬底200的接触将 使得移动板416移动，同时弯曲部404,404’挠曲并且抑制传输到外壳210的 任何力。因此，板416可相对于外壳210移动。此外，位置传感器414可 与外壳210耦接。位置传感器414可相对于外壳210固定，使得检测梁感 测板416并且提供与板和周围部分之间的距离1102的变化相关的反馈。当 由位置传感器414检测到的距离1102改变时，可确定弯曲部404,404’已经 挠曲，从而指示已经实现或移除衬底200和另一个结构(例如承载衬底706 或接收衬底714)之间的接触。在一个实施例中，位置传感器414可为光谱 干扰激光位移传感器，其能够检测弯曲部404的50纳米的挠曲，或板416 和外壳210之间的50纳米的相对移动。
如上所述，在另选实施例中，与承载衬底保持器108耦接的测力计 704(图7)可感测施加到承载衬底保持器108的负荷，并且提供与这些负 荷相关的反馈以控制致动器组件110。例如，施加到承载衬底保持器108的 负荷将在静电转移头204阵列接触承载衬底706时增大。负荷的增大可由 测力计704测量，并且测力计704可向计算机系统150提供反馈输入以控 制致动器组件110。如上所述，测力计704可例如与上面安装有承载衬底保 持器108的滑架210集成。本领域的技术人员将认识到，测力计704可按 其他方式和位置进行安装以感测何时向由承载衬底保持器108保持的承载 衬底706施加负荷。同样，与接收衬底保持器124耦接的测力计712可感 测施加到接收衬底保持器124的负荷并且提供与这些负荷相关的反馈以控 制致动器组件110。
已经描述了质量转移工具100的部件和结构的一些方面，下文将描述 操作质量转移工具100的方法的一些实施例。更具体地，将描述对齐质量 转移工具部件的方法和使用质量转移工具转移微型器件的方法。应当理 解，以下方法可在本描述的范围内组合地并且以任何次序执行。此外，不 是所有操作都需要执行。例如，转移方法可在每当微型器件被转移时发 生，而与此相比，对齐方法可较不频繁地执行。
此外，以下操作质量转移工具的方法的实施例可由处理逻辑器执行， 该处理逻辑器可包括硬件(例如，电路、专用逻辑器、可编程逻辑器、微 码等)、软件(诸如在处理设备上运行的指令)或其组合。在一个实施例 中，这些方法由包括质量转移工具100和计算机系统150的质量转移工具 系统来执行。计算机系统150可在质量转移工具100外部或被集成到质量 转移工具中。
现在参见图17，其根据本发明的实施例示出操作质量转移工具以拾取 微型器件阵列的方法的流程图。出于举例说明的目的，以下对图17的描述 还参考了图18至19D中所示的实施例。在操作1701处，可调整与衬底 200耦接的关节运动式转移头组件106和保持承载衬底706的承载衬底保持 器108之间的空间关系。可利用致动器组件110调整关节运动式转移头组 件106和承载衬底保持器108之间的空间关系。空间关系的调整可由与关 节运动式转移头组件106和承载衬底保持器108耦接的一个或多个致动器 (诸如线性或旋转致动器)的致动或移动来实现。此外，在此上下文中， 空间关系可不仅指代关节运动式转移头组件106相对于承载衬底保持器108 的位置，而且还指代关节运动式转移头组件106相对于承载衬底保持器108 的位置或取向。更具体地，空间关系可由质量转移工具部件之间的自由度 来限定。
图18是根据本发明的实施例示出的调整关节运动式转移头组件和承载 衬底保持器之间的空间关系的示意图。其示出了图17的操作1701的一个 方面。关节运动式转移头组件106被示为能够在四个自由度上移动。更具 体地，关节运动式转移头组件106可在z轴1802上线性移动，或者其可围 绕x轴1804、y轴1806和z轴1802以x旋转、y旋转或z旋转来旋转。类 似地，承载衬底保持器108被示为能够在两个自由度上移动。更具体地， 承载衬底保持器108可沿着x’轴1808和y’轴1810线性移动。在至少一个 实施例中，x轴可与x’轴对齐并且y轴可与y’轴对齐。因此，关节运动式 转移头组件106和承载衬底保持器108之间的空间关系被示为具有六个自 由度，假定如果每个部件的位置在所示出的六个自由度内已知，则能够描 述关节运动式转移头组件106和承载衬底保持器108之间的相对位置。因 此，此空间关系可通过在其相应自由度上移动任一部件来进行调整。例 如，可通过移动承载衬底保持器108所附接到的x-y平台112来沿着x’轴 1808在一个自由度上移动承载衬底保持器108。这样，可由质量转移工具 100的致动器组件110中的各种致动器中的任一种致动器来调整该空间关 系。应当理解，该调整将调整关节运动式转移头组件106和承载衬底保持 器108之间的以及与其耦接的部件诸如衬底200和承载衬底706之间的空 间关系。此外，尽管图18所示的具体实施例示出关节运动式转移头组件 106的四个自由度和承载衬底保持器108的两个自由度，但应当理解，根据 本发明的实施例设想了用于在至少六个自由度上调整部件之间的空间关系 的其他构型。例如，关节运动式转移头组件106还可安装在x-y平台上。
图19A是根据本发明的实施例的在已经调整关节运动式转移头组件和 承载衬底保持器之间的空间关系之后，定位在承载衬底706上的微型器件 708阵列上方的静电转移头204阵列的横截面侧视图图示。再次参见图 17，在操作1705处，使由衬底200支撑的静电头204阵列与承载衬底706 上的微型器件阵列接触。图19B是根据本发明的实施例的与微型器件708 阵列接触的静电转移头204阵列的横截面侧视图图示。如图所示，静电转 移头204阵列的间距是微型器件708阵列的间距的整数倍。可通过使用致 动器组件110的一个或多个致动器使关节运动式转移头组件106朝向承载 衬底保持器108移动来实现接触。应当理解，由于衬底200和承载衬底706 的精确对齐，在衬底200和承载衬底706基本上彼此平行取向时形成接 触。因此，在接触点处存在相向表面的最小侧面负荷或弯曲。这是有益 的，因为其可防止静电头204阵列与设置在承载衬底表面上的一个或多个 微型器件之间发生失配。其还降低了对静电204头阵列和一个或多个微型 器件造成损坏的风险。
给定静电转移头204阵列和微型器件的小尺寸和结构特性，准确地感 测何时已经在静电转移头204阵列和承载衬底706上的微型器件阵列之间 形成接触可为重要的。能够以许多方式控制接触。例如，可使用驱动接触 方法，其中基于这些部件之间的所计算出的位置差异来将关节运动式转移 头组件106朝向承载衬底706移动预定距离。在一个实施例中，主动反馈 控制可用于感测何时形成接触并且提供用于控制致动器组件110的运动的 相关信号。上文描述了用于感测接触的各种实施例，诸如感测弯曲部的挠 曲或关节运动式转移头组件的移动，以及感测由与承载衬底保持器耦接的 测力计测量的负荷的变化。
在操作1710处，可通过经由静电电压源连接件410向静电转移头204 阵列施加电压来激活静电转移头204阵列。可在接触承载衬底706之前、 期间或之后向静电转移头204的电极施加电压。在一个实施例中，该电压 可为恒定电压或交流电压。电压的施加在微型器件上形成夹持压力以实现 对微型器件的拾取。在一个实施例中，可通过施加介于约25V和300V之 间的工作电压来产生用于微型器件拾取的大于1个大气压的足够夹持压力 (例如，2至20个大气压)。
在一个实施例中，可任选地向承载衬底上的微型器件阵列施加热量， 例如以在将微型器件阵列保持到承载衬底的键合层中产生相变。例如，可 从关节运动式转移头106中的加热器400和/或与承载衬底保持器108连接 的加热器806施加热量。
仍参见图17，在操作1715处，可从承载衬底706拾取微型器件阵列。 图19C是根据本发明的实施例的拾取微型器件708阵列的静电转移头阵列 的横截面侧视图图示。在一个实施例中，致动器诸如轴向致动器406用于 将关节运动式转移头组件106远离承载衬底706移动，因此导致拾取由附 接到安装表面202的静电转移头204阵列夹持的微型器件阵列。或者，拾 取可利用被动致动器诸如弯曲部404实现，该被动致动器在另一个致动器 例如轴向致动器406断电时施加回缩力。在此类实施例中，断电使正被施 加到关节运动式转移头组件106的延伸力移除，并且因此关节运动式转移 头组件106基于弯曲部404的固有弹簧力从承载衬底表面806缩回。
可采用与上述用于感测接触的形成的方式类似的方式来感测微型器件 阵列的拾取。在一个实施例中，与致动器组件110或外壳210耦接的位置 传感器414可检测弯曲部404的挠曲或关节运动式转移头组件106的移 动。在一个实施例中，由与承载衬底保持器耦接的测力计测量的负荷的变 化可指示微型器件阵列的拾取。
图19D是根据本发明的实施例的释放到接收衬底714上的微型器件 708阵列的截面侧视图图示。在释放微型器件708阵列之前，可将微型器件 708阵列下降到接收衬底714上，直到其接触接收衬底。接收衬底714和微 型器件708阵列之间的接触可通过质量转移工具的致动来实现。此外，可 使用位置传感器或测力计来感测接触，如上文参照操作1705所描述的。
可在高温下执行将微型器件阵列放置在接收衬底上，例如以在微型器 件708阵列上和/或接收衬底706上的键合层中产生相变，或者在将微型器 件阵列放置于接收衬底上期间产生相变或使键合层形成合金。
在微型器件阵列与接收衬底714接触之后，通过静电电压源连接件 410向静电转移头204阵列施加的电压可被移除或改变，从而导致将微型器 件阵列释放到接收衬底714上。
可随后使关节运动式转移头组件106远离接收衬底714移动。可采用 与上述用于感测拾取的方式类似的方式在远离接收衬底移动时感测静电转 移头阵列从微型器件阵列的移除。此外，可使用位置传感器或测力计来感 测静电转移头阵列从微型器件阵列的移除，如上文参照操作1715所描述 的。
在一个实施例中，仰视成像设备128可用于检查静电转移头204阵列 以用于检查微型器件是否存在。更具体地，在拾取之后，可通过使用致动 器组件110将关节运动式转移头组件106和衬底200移动到成像设备128上 方的位置来由仰视成像设备128观察微型器件是否存在。可在高放大率和 低放大率两者下执行观察，如本领域中所公知的。
图12A是示出根据本发明的实施例的将支撑静电转移头阵列的衬底与 参考系对齐的方法的流程图。在操作1201处，建立包括x轴和x-y平面的 参考系。该参考系可用于实现质量转移工具100内的各种部件的对齐。更 具体地，该参考系允许系统部件相对于参考几何形状以及相对于彼此移 动。可监视这些部件的移动并且将其输入到控制致动器组件110的计算机 系统150。在操作1220处，使用质量转移工具100的各种传感器将支撑静 电转移头204阵列的衬底200与所建立的参考系对齐。在一个实施例中， 在将衬底与参考系对齐之前，将支撑静电转移头204阵列的衬底200可释 放地附接到关节运动式转移头组件106的安装表面202并且连接到一个或 多个静电电压源连接件410。
图12B是示出根据本发明的实施例的建立参考系的方法的流程图。在 操作1203处，通过将第一成像设备和第二成像设备与第一成像设备和第二 成像设备之间的基准标记对齐来设定x-y基准面。在操作1205处，通过发 送位于第一位置传感器和第二位置传感器之间的并且平行于具有x-y基准面 的x-y平面的第一共面表面和第二共面表面来设定z基准面。在一个实施例 中，x-y基准面和z基准面用于限定参考系。
图12C是示出根据本发明实施例所示的操作质量转移工具以转移微型 器件阵列的方法的流程图。在操作1230处，使用质量转移工具100的各种 传感器来确定承载衬底706在承载衬底保持器108上的取向。在操作1240 处，确定接收衬底714在接收衬底保持器124上的取向。在操作1245处， 使衬底200的取向与承载衬底706匹配。在操作1250处，从承载衬底706 拾取微型器件阵列。在操作1255处，使衬底200的取向与接收衬底714匹 配。在操作1260处，将微型器件阵列释放在接收衬底上。应当理解，图 12C中所描述的操作可被进一步细分或按另一种次序执行。
以下描述将提供关于图12A至12B所示的对齐过程和图12C所示的转 移过程的操作的附加细节。该描述将偶尔往回参见图12A至12C以阐明正 为之提供附加细节的特定操作。然而，应当理解，以下细节可在本描述的 范围内应用于另选的对齐和操作方法，并且可独立于上述全部操作方法来 执行。
参见图13A，其根据本发明的实施例示出设定x-y基准面的方法的侧 视示意图。该图示描述了图12B的操作1203的一个方面。所示出的质量转 移工具的该部分包括俯视成像设备1302和仰视成像设备1304，这两者均可 包括例如相机。板1008可设置在仰视成像设备1304和俯视成像设备1302 之间。更具体地，板1008可在仰视成像设备1304的成像平面1308和俯视 成像设备1302的成像平面1316之间进行取向。如上所述，板1008包括基 准标记1006，并且仰视成像设备1304和俯视成像设备1302可通过致动器 组件110的一个或多个致动器的致动来移动以同时观察基准标记1006。
当仰视成像设备1304和俯视成像设备1302同时观察基准标记1006， 并且基准标记1006在来自成像设备的相应图像内居中并聚焦时，成像设备 将被对齐。因此，在该位置中，基准标记1006成为参考点，可根据该参考 点来比较仰视相机1304或俯视相机1302的移动以确定成像设备在与成像 平面平行的平面中的相对位置。在一个实施例中，当仰视成像设备1304相 对于承载衬底保持器108固定并且俯视成像设备1302相对于关节运动式转 移头组件106固定时，基准标记1006成为参考点，可根据该参考点比较关 节运动式转移头组件106或承载衬底保持器108的移动以确定这些部件在x 轴和y轴方向上的相对位置。
参见图13B，其根据本发明的实施例示出设定x-y基准面的方法的透 视示意图。该图示也描述了图12B的操作1203的一个方面。可将仰视成像 设备1304和俯视成像设备1302移动到适当位置，使得其两者均观察到板 1008上的基准标记1006，如参照图13A所描述的。在图13B中，基准标记 1006在同时由成像设备1302,1304居中并聚焦时建立x-y基准面1320。此 外，确定x轴1322和y轴1324在x-y基准面1320内相交。在一个实施例 中，x轴1322和y轴1324与仰视成像设备所耦接的x-y平台的运动轴相对 应。此外，x轴1322和y轴1324限定x-y平面1326，该x-y平面穿过x轴 1322、y轴1324和x-y基准面1320。因此，可根据上述方法来建立具有x 轴1322和x-y平面1326的参考系。如上所述，尽管一些实施例被描述并图 示为仅在下部组件104中包括x-y平台112，但设想上部组件102中的关节 运动式转移头组件106可安装在除了x-y平台112之外或作为x-y平台112 的替代形式的x-y平台上。在此类实施例中，x轴1322和y轴1324可与俯 视成像设备所耦接的x-y平台的运动轴相对应。
参见图14A，其根据本发明的实施例示出设定z基准面的方法的侧视 图图示。该图示描述了图12B的操作1205的一个方面。俯视位置传感器 1402正在朝向参考系的x-y平面1326的向下方向1404观察。同时，仰视 位置传感器1406正在以与向下方向相反的向上方向1408观察。因此，仰 视位置传感器1406和俯视位置传感器1402的方向彼此大致平行，并且可 与x-y平面1326大致正交。如上所述，位置传感器可为能够确定与物体的 绝对距离的光谱干扰激光位移传感器。
量计1410能够可释放地附接到关节运动式转移头组件106的安装表面 202并且定位在仰视位置传感器1406和俯视位置传感器1402之间。量计 1410可被称为“z量计”，因为其用于建立参考系中的z基准面。可采用与 将衬底200附接到安装表面202类似的方式实现z量计1410的附接。例 如，可通过安装表面202的真空口在z量计1410上汲取吸力。
如图14A所示，当z量计1410不与x-y平面1326平行时，即当z量计 1410在参考系内倾斜时，仰视位置传感器1406可感测与第一表面1412的 距离，并且俯视位置传感器1402可感测与第二表面1414的距离。这些表 面可为例如形成在z量计1410的外表面中的两个埋头孔的基座。可使具有 埋头孔的表面1412,1414彼此共面。在一个实施例中，这些表面是共面的， 因为每个埋头孔延伸穿过z量计1410的一半厚度。
在一个实施例中，第一表面1412和第二表面1414与表面平面1416共 面。例如，在一个实施例中，z量计1410可由具有通孔的两个硅晶圆形 成。这两个硅晶圆被键合，使得通往通孔的开口相邻于另一个晶圆的表 面。因此，通孔的基座将是另一个晶圆的表面，并且因为这些晶圆是彼此 并置的，所以其键合表面是共面的。因此，通孔的基座也是共面的，并且 可用作z量计1410的埋头孔。在另一个实施例中，第一表面1412和第二表 面1414不共面。例如，表面1412和1414可由厚度均匀且已知的层分开。
当z量计1410不与x-y平面1326平行时，从相应的仰视位置传感器 1406和俯视位置传感器1402到第一表面1412和第二表面1414的距离将是 沿着z轴至不同位置，因为它们存在于非平行平面上的不同点处。因此， 在仰视位置传感器1406和俯视位置传感器1402之间没有共同的z基准面。
因此，在安装z量计1410之前或之后，使得关节运动头组件106的安 装表面202平行于x-y平面1326以促进建立参考系的z基准面。为此，仰 视位置传感器1406可检测与安装表面202、z量计1410或已知平行于安装 表面202的任何其他结构上的两个或更多个点的距离。可随后由致动器组 件110将关节运动式转移头组件106翻转并倾斜，直到与各测量点的距离 和与仰视位置传感器1406的距离相同。当发生这种情况时，安装表面202 可与仰视位置传感器1406的检测方向正交，并且因此安装表面202大致平 行于x-y平面1326。一旦安装表面平行于x-y平面1326取向，就可建立z 基准面。
参见图14B，其根据本发明的实施例示出质量转移工具的一部分的侧 视图图示。该图示描述了图12B的操作1205的一个方面。此处，表面平面 已知为平行于x-y平面1326，因为已经通过相对于仰视位置传感器1406移 动关节运动式转移头组件106来将安装表面202或z量计1410平行于x-y 平面1326对齐，如上所述。因此，从仰视位置传感器1406到第一表面 1412的距离和从俯视位置传感器1402到第二表面1414的距离可被记录为 当表面平面1416平行于x-y平面1326时与表面平面1416的已知距离。假 定第一表面1412和第二表面1414共面，则表面平面1416可在这个取向上 被建立为z基准面1420，并且可随后使用仰视位置传感器1406或俯视位置 传感器1402测量与z基准面1420的距离。
一旦建立了z基准面1420，则连同x轴1322和x-y平面1326一起， 得知用于移动质量转移工具100的部件的参考系。例如，z量计1410现在 可从安装表面移除并且由支撑转移头204阵列的衬底200替换。可使用上 述任何方式将衬底200附接到关节运动式转移头组件106的安装表面602。 在一个实施例中，使用真空来将衬底200保持在安装表面202上并且压缩 触点604的弯头606以将衬底200与一个或多个电压源连接件410连接。在 一个实施例中，z量计1410可被形成为使得表面平面1416在与由衬底200 支撑的静电转移头204阵列的接触表面205(图6B)重合的位置的约100 微米内。因此，当z量计1410由衬底200替换时，z基准面1420与静电转 移头204阵列大致重合，使得使用仰视传感器1406和俯视传感器1402的 后续调整基本上更容易执行。
现在参见图15A，其根据本发明的实施例示出将衬底与参考系对齐的 方法的透视示意图。其示出了图12A的操作1220的一个方面。在建立参考 系之后，可将衬底200与参考系对齐。在一个实施例中，在建立参考系之 后对齐衬底200，然后将衬底200附接到关节运动式转移头组件106的安装 表面202。基于上述方法来得知参考系。更具体地，基于x轴1322、y轴 1324和x-y平面1326的识别或分配来建立参考系。此外，可基于质量转移 工具100的各种传感器来确定衬底200相对于参考系1502的位置。例如， 仰视成像设备1406可观察衬底200的第一对齐标记1504，并且基于仰视成 像设备1406在观察第一对齐标记1504时和在观察与x-y基准面1320重合 的基准标记1006时的位置差异，可确定第一对齐标记1504沿着x轴1322 和y轴1324的相对位置。应当理解，可例如根据由致动器子组件110的编 码器提供的数据来确定此类位置差异。更具体地，用于移动仰视成像设备 1406的x-y平台112或成像设备所耦接的滑架120可包括旋转编码器以提 供与x-y平台112的位置相关的数据，从而提供仰视成像设备1406的位 置。同样，可相对于x-y基准面1320确定第二对齐标记1506的位置。
如果已识别出衬底表面上的至少两个对齐标记1504,1506，则可计算贯 穿第一对齐标记1504和第二对齐标记1506的对齐轴线1508。此外，可在 对齐轴线1508和参考系的轴线(例如，x轴1322)之间进行比较，以确定 衬底200相对于围绕z轴1510的参考系1502的取向。
应当理解，第一对齐标记1504和第二对齐标记1506可为设置在衬底 200上的任何已知标记。例如，在一个实施例中，可使用油墨或激光印刷或 甚至蚀刻向衬底200添加对齐标记。或者，对齐标记可为来自静电转移头 204阵列的两个或更多个静电转移头。例如，沿着阵列204的外边缘的两个 静电转移头可形成与阵列204的外边缘重合并允许参考阵列204的外边缘 的对齐轴线1508。
还可使用仰视位置传感器1406来确定衬底200和x-y平面1326之间的 角度关系。衬底200表面上的两个或更多个点可由仰视位置传感器1406来 检测。例如，在一个实施例中，衬底200表面上的四个点可由仰视位置传 感器1406来检测。与这些点的距离可用于计算穿过这些点的平面，即与衬 底200的表面重合的平面。该表面可为例如静电转移头204阵列上的接触 表面205，诸如在电极阵列上方的电介质层。因此，可在衬底表面和参考系 1502的x-y平面1326之间进行比较，以确定衬底200相对于围绕x轴1322 和y轴1324的参考系1502的取向。
参见图15B，其根据本发明的实施例示出将衬底与参考系对齐的方法 的透视示意图。其示出了图12A的操作1220的一个方面。基于参考系 1502和衬底200之间的关系，可将衬底200与参考系1502对齐。更具体 地，可在若干个自由度内调整关节运动式转移头组件106，以便将衬底200 的对齐轴线1508平行于x轴1322对齐，并且以便将衬底表面平行于x-y平 面1326对齐。这可通过使用致动器组件110的各种致动器将关节运动式转 移头组件106翻转、倾斜和旋转来实现。
在另选实施例中，衬底200与参考系1502的对齐可包括利用成像设备 观察衬底200上的两个或更多个点例如对齐标记1504,1506，以确定衬底 200平行于成像设备的成像平面。更具体地，仰视成像设备可观察衬底200 上的至少两个点，并且可确定用于检测这些点的焦距。例如，成像设备可 观测第一静电头或对齐标记1504并且将其对焦。当第一静电头对焦时，图 像具有第一焦距。成像设备可随后用于通过将成像设备移动到同一平面中 的新位置来观察第二静电头或对齐标记1506。如果静电头或对齐标记 1504,1506与成像平面的距离相同，则将不需要重新聚焦，因为焦距对于每 一者都将是相同的。然而，如果成像设备必须重新聚焦以将第二静电头对 焦，则焦距是不同的，并且支撑静电头阵列的衬底表面不与成像平面平 行。关节运动式转移头组件106可因此被翻转并倾斜，直到成像设备不需 要当在多个位置之间移动以观察衬底200上的参考点时重新聚焦。当发生 这种情况时，不需要重新聚焦，并且因此衬底200平行于参考系的对应平 面。
现在已经描述了将衬底200与参考系1502对齐的方法，现在应当理 解，参考系可用于实现质量转移工具100内的各种部件的对齐。更具体 地，该参考系允许系统部件相对于参考几何形状以及相对于彼此移动。可 监视这些部件的移动并且将其输入到控制致动器组件110的计算机系统 150。以举例的方式，在建立参考系之后，安装在附接到x-y平台112的滑 架120上的承载衬底保持器108的移动可由x-y平台112的编码器确定。因 此，如果x-y平台112沿着y轴移动3英寸，则编码器将确定承载衬底保持 器108的位置已经在y轴方向上改变3英寸。类似地，如果关节运动式转 移头组件106已经在移动期间保持静止，则将得知承载衬底保持器108和 关节运动式转移头组件106之间的位置变化为在y轴方向为3英寸。这是 建立参考系的重要性的基本演示，并且指示参考系可用于确定整个系统的 许多不同部件之间的相对位置。同样，以下描述将更详细地描述图12C所 示的方法的有关方面，其利用使部件相对于彼此移动的能力来将微型器件 阵列从承载衬底转移到接收衬底。
再次参见图12C，在操作1230处，可确定承载衬底706的取向。例 如，可将承载衬底保持在保持表面802上，该保持表面施加真空以保持并 稳定承载衬底706。或者，机械夹持机构或摩擦配合可用于保持承载衬底 706。可使用与上述用于确定附接到安装表面202的衬底200的取向的类似 方法来确定承载衬底706取向。例如，俯视成像设备可观察承载衬底706 上的若干个标记以确定这些标记与参考系的x-y基准面1320的相对距离。 此确定可用于确定围绕参考系的z轴的承载衬底706的取向。此外，俯视 位置传感器1402可用于检测承载衬底706的表面上的若干个点，以便确定 围绕参考系的x轴和y轴的承载衬底706的取向。例如，俯视位置传感器 1402可用于检测承载衬底706的表面上的四个点。因此，可针对承载衬底 706确定对齐轴线和表面取向以确定承载衬底706在参考系内的关系。
在操作1240处，可采用与上文参照图12C的操作1230描述的类似方 式来确定接收衬底714的取向。例如，可采用与上文参照承载衬底706描 述的类似的方式将接收衬底714保持在接收衬底保持器上。
在确定承载衬底706和接收衬底124的取向之后，可执行将微型器件 从承载衬底706转移到接收衬底124。在一些实施例中，可在高温下执行将 微型器件阵列从承载衬底转移到接收衬底，例如以在将微型器件阵列连接 到承载衬底的键合层中产生相变，或在将微型器件阵列放置于接收衬底上 时产生相变或使键合层产生合金。
图16A至16C是根据本发明的实施例的使用质量转移工具匹配取向并 且使衬底接触承载衬底的方法的侧视示意图。这些图示出了图12C的操作 1240和1245的附加方面。出于举例说明目的，夸大了承载衬底706关于衬 底200和承载衬底保持器108的保持表面的取向差异。
现在参见图16A，衬底200被示为附接到关节运动式转移头组件 106。衬底200的取向被示为已经与参考系对齐。更具体地，该衬底被示为 具有分别与参考系的x轴和x-y平面对齐的对齐轴线和表面。应当理解，在 至少一个实施例中，该衬底可与参考系的其他参考几何形状对齐。
承载衬底706被示为安装在承载衬底保持器108上。不同于衬底200， 承载衬底706的取向不与参考系对齐。因此，衬底200和承载衬底706的 取向不对齐。然而，可确定这些取向之间的失配。例如，基于与参考系的 对齐来得知衬底200和承载衬底706的取向，如上所述。因此，可执行比 较以确定承载衬底706和衬底200之间的取向偏移。
应当理解，还可确定承载衬底保持器108的取向，而不是承载衬底 706的取向。更具体地，可检测大致平行于承载衬底706的表面的承载衬底 保持器108上的表面点以限定承载衬底保持器108的取向。可随后执行比 较以确定承载衬底保持器108和衬底200之间的取向偏移。
参见图16B，可调整关节运动式转移头组件106和承载衬底保持器108 之间的空间关系以将衬底200和承载衬底706对齐。其示出了图12C的操 作1245的一个方面。更具体地，在如图16A所示确定承载衬底706的取向 之后，可通过一个或多个致动器来移动关节运动式转移头组件106，直到衬 底200取向转变为匹配承载衬底706的取向。随后，衬底200和承载衬底 706彼此接近，并且其相向表面平行。
参见图16C，使由衬底200支撑的静电转移头204阵列与承载衬底706 上的微型器件阵列接触。其示出了图12C的拾取操作1250的一个方面。这 可通过使用致动器组件110的一个或多个致动器使关节运动式转移头组件 106朝向承载衬底保持器108移动来实现。应当理解，由于衬底200和承载 衬底706的精确对齐，在衬底200和承载衬底706基本上彼此平行取向时 形成接触。因此，在接触点处存在相向表面的最小侧面负荷或弯曲部。这 是有益的，因为其可防止静电头204阵列和设置在承载衬底表面上的一个 或多个微型器件之间发生失配。其还降低了对静电204头阵列和一个或多 个微型器件造成损坏的风险。可采用多种方式并且使用多种传感器来执行 拾取操作1250。例如，可与上文参照图17所述的拾取操作相似地执行拾取 操作1250。
再次参见图12C，可执行操作1255和1260以将所拾取的微型器件转 移到接收衬底714。可采用与上文以及以上图17所述的操作1245和1250 类似的方式来执行这些操作。更具体地，在操作1255处，可调整关节运动 式转移头组件106和接收衬底保持器124之间的空间关系，以使由静电转 移头204阵列拾取的微型器件阵列接近接收衬底714的表面。此外，可通 过质量转移工具100的进一步致动来实现接收衬底714和微型器件阵列之 间的接触。可使用位置传感器、测力计和其他传感器以与上述那些方式类 似的方式来感测微型器件708阵列和接收衬底714之间的接触。在一些实 施例中，可在高温下执行将微型器件阵列放置在接收衬底上，例如以在将 微型器件阵列放置在接收衬底上期间产生相变或使键合层产生合金。
在操作1260处，当微型器件阵列与接收衬底714接触时，可移除通过 静电电压源连接件410施加到静电转移头204阵列的电压。此类移除还可 移除夹持压力以将微型器件阵列释放到接收衬底714上。
在释放微型器件阵列之后，实现将微型器件从承载衬底706转移到接 收衬底714。随后，可将关节运动式转移头组件106远离接收衬底714移 动。微型器件阵列的移动和移除感测两者均可采用与上述那些方式类似的 方式来实现。另外，静电转移头204阵列可由仰视成像设备128检查以确 认微型器件阵列是否释放，其方式类似于上述方式。
应当理解，质量转移工具的各种部件可在上述操作期间被加热。例 如，在一个实施例中，安装表面202和/或支撑静电转移头204阵列的衬底 200可在操作1201到1260中的任一操作期间被加热到约100摄氏度至350 摄氏度的温度范围。例如，感测、对齐和匹配操作中的任一者可在用于将 微型器件从承载衬底转移到接收衬底的操作温度下执行。在一个实施例 中，操作温度是用于产生相变或使键合层产生合金的高温。在一个实施例 中，当在操作1203和1205中设定x-y基准面和z基准面时，安装表面202 被加热到约100摄氏度至350摄氏度的温度范围。在一个实施例中，当将 衬底与参考系对齐时，安装表面202和衬底200被加热到约100摄氏度至 350摄氏度的温度范围。在一个实施例中，当确定承载衬底或接收衬底的取 向并且使衬底的取向与承载衬底或接收衬底的取向匹配时，安装表面202 和衬底200被加热到约100摄氏度至350摄氏度的温度范围。在一个实施 例中，当接触、拾取或释放微型器件阵列时，安装表面202和衬底200被 加热到约100摄氏度至350摄氏度的温度范围。在一个实施例中，当在操 作1203和1205中设定x-y基准面和x基准面时，承载衬底被加热到从室温 至约200摄氏度的温度范围。在一个实施例中，当确定承载衬底或接收衬 底的取向并且使衬底的取向与承载衬底或接收衬底的取向匹配时，承载衬 底或接收衬底被加热到从室温至约200摄氏度的温度范围。在一个实施例 中，当承载衬底706上的微型器件阵列由静电转移头204阵列接触时，承 载衬底706可被加热到从室温至约200摄氏度的温度范围。在一个实施例 中，当接收衬底714由静电转移头204阵列接触时，接收衬底714可被加 热到约100摄氏度至200摄氏度的温度范围。这些仅仅是实例，并且应当 理解，质量转移工具100的这些或其他部件可在上述方法的范围内被加热 到这些或不同温度范围。
现在参见图20，本发明的实施例的部分包含驻留于例如计算机控制系 统的机器可用介质中的非暂态机器可读和机器可执行指令或由这些指令控 制。图20是可根据本发明实施例使用的示例性计算机系统150的示意图。 应当理解，计算机系统150是示例性的，并且本发明的实施例可在多个不 同计算机系统上或内部操作或者由其控制，这些计算机系统包括通用联网 计算机系统、嵌入式计算机系统、路由器、交换机、服务器设备、客户端 设备、各种中间设备/节点、独立计算机系统等等。
图20的计算机系统150包括用于传送信息的地址/数据总线2010，以 及耦接至总线2010的用于处理信息和指令的中央处理器单元2001。系统 150还包括：数据存储特征部诸如计算机可用易失性存储器2002，例如耦 接至总线1210以用于为中央处理器单元2001存储信息和指令的随机存取 存储器(RAM)；计算机可用非易失性存储器2003，例如耦接至总线2010以 用于为中央处理器单元2001存储静态信息和指令的只读存储器(ROM)；以 及耦接至总线2010以用于存储信息和指令的数据存储设备2004(例如，磁 盘或光盘，以及磁盘驱动器)。本实施例的系统2012还包括具有字母数字 键和功能键的可选的数字字母混合输入设备1206，该数字字母混合输入设 备耦接至总线2010以用于向中央处理器单元2001传送信息和命令选择。 系统150还任选地包括耦接至总线2010以用于向中央处理器单元1201传 送用户输入信息和命令选择的可选的光标控制设备2007。本实施例的系统 2012还包括耦接至总线210以用于显示信息的可选的显示设备2005。
数据存储设备2004可包括非暂态机器可读存储介质2008，其上存储 有体现本文所述的方法或操作中的任何一者或多者的一个或多个指令集 (例如，软件2009)。软件2009还可完全或至少部分地驻留在易失性存储 器2002、非易失性存储器2003内，和/或这在由计算机系统150执行期间 驻留在处理器2001内；易失性存储器2002、非易失性存储器2003和处理 器2001还构成非暂态机器可读存储介质。
在前述的说明书中，已经参照具体的示例性实施例描述了本发明。显 而易见的是，可在不脱离以下权利要求提及的本发明的更广泛的实质和范 围的情况下对实施例做出各种修改。因此，说明书和附图应被认为是出于 示例性目的而非限制性目的。