特許 7443041 光スポット像照射装置および転写装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-26

(45)【発行日】2024-03-05

(54)【発明の名称】光スポット像照射装置および転写装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/10 20060101AFI20240227BHJP

   B23K 26/067 20060101ALI20240227BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20240227BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20240227BHJP

【ＦＩ】

G02B27/10

B23K26/067

B23K26/082

G02B26/08 E

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2019224727

(22)【出願日】2019-12-12

(65)【公開番号】P2021092729

(43)【公開日】2021-06-17

【審査請求日】2022-07-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000219314

【氏名又は名称】東レエンジニアリング株式会社

(72)【発明者】

【氏名】新井 義之

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 一嘉

【審査官】山本 貴一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－０６７８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００５５０７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１７－５０４４８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２１４５４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１２５５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１４７０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０６２５７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００５／０１０００７２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１１／０７１８８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００６／００１３６８０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１６－５２３７１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５３５３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２４８６８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１４２０２２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００２－２２２７６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３００７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０１４１２５１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／１０

Ｂ２３Ｋ ２６／０６４－２６／０８２

Ｇ０２Ｂ ２６／００－２６／０８

Ｈ０１Ｌ ２１／５２，２１／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

平面基材上にマトリクス状に配列された複数のチップ群のうち、任意の位置にあるチップに対し、光スポット像照射装置により生成された光スポット像を照射することにより、当該チップを被転写面へ転写させるチップ転写装置であり、
前記光スポット像照射装置は、被照射面上に複数の光スポットよりなる光スポット像を照射し、レーザー光源と、該レーザー光源から出射されたレーザー光を複数の光線に分割する位相回折素子と、前記位相回折素子と前記被照射面との間に設けられ、前記複数の光線の焦点距離を変化させることに伴って前記複数の光線のピッチを変化させる可変焦点光学系と、前記複数の光線による前記光スポット像を前記被照射面の面内方向にシフトさせる光スポット像シフト手段と、を有することを特長とする、チップ転写装置。

【請求項2】

前記可変焦点光学系と前記被照射面の間に、前記可変焦点光学系による結像を、前記被照射面上に結像する結像光学系をさらに有し、前記結像光学系中に、前記光スポット像シフト手段たるガルバノミラー光学系が存することを特長とする、請求項１に記載のチップ転写装置。

【請求項3】

前記光スポット像シフト手段として、前記被照射面そのものを移動させる移動ステージを有することを特長とする、請求項１もしくは２のいずれかに記載のチップ転写装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、単一の光源から出射された光線を複数の光線に分割し、当該複数の光線に依る、複数の光スポットからなる光スポット像を被照射面上に照射する、光スポット像照射装置に関する。

【0002】

さらに本発明は、当該光スポット像を用いて平面上基材に載置されたチップを、被転写面上に転写するチップ転写装置に関する。

【背景技術】

【0003】

近年、半導体チップはコスト低減のために小型化され、この小型化した半導体チップを高精度に実装するための取組みが行われている。特に、ディスプレイに用いられるＬＥＤはマイクロＬＥＤと呼ばれる５０ｕｍ×５０ｕｍ以下の半導体チップを数ｕｍの精度で高速に実装することが求められている。

【0004】

この微小な半導体チップを高速で実装するにあたり、キャリア基板に接合された半導体チップのキャリア基板との接合面へレーザーを照射することによって半導体チップをキャリア基板から剥離、付勢させて被転写基板へと転写する、いわゆるレーザーリフトオフなる手法が採用されている。ただし、このレーザーリフトオフにも高速化が求められており、たとえば１回のレーザーの照射により複数の半導体チップを同時に転写されることができれば、レーザーリフトオフの高速化に寄与できる。

【0005】

複数の半導体チップを同時に転写する方法として、ライン状のレーザーをキャリア基板に照射して、キャリア基板上で列をなす半導体チップを同時に剥離させる手法、１つのレーザー光源から出射されたレーザー光を分岐させて複数の半導体チップの接合面に同時に照射し、キャリア基板から剥離させる手法、などが考えられる。このうち、１つのレーザー光源から出射されたレーザー光を分岐させる技術として、特許文献１には、ＲＦパワーを印加された音響光学素子へ単一のレーザービームを入射させることによってラマンナス回折によりレーザービームを複数のビームに分岐させ、集光レンズを透過させて被加工物表面に照射することによりライン状の加工を行うレーザー加工装置が示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００９－２４８１７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１のレーザー加工装置では、複数のビームのパワーに差が生じ、チップの転写が不安定になるおそれがあった。具体的には、音響光学素子により回折する光の強度はベッセル関数に従うため、ゼロ次光のパワーが最も強く、大きく回折する光であるほどパワーが弱くなるとため、分岐される複数のビームのパワーに差が生じるといった問題があった。

【0008】

本願発明は、上記問題点を鑑み、光線を分割し、被照射面上に、均一なパワーを有する光スポットからなる光スポット像を照射する光スポット像照射装置、およびそれを用いたチップ転写装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために本発明の光スポット像照射装置は、被照射面上に複数の光スポットよりなる光スポット像を照射する光スポット像照射装置であって、レーザー光源と、該レーザー光源から出射されたレーザー光を複数の光線に分割する位相回折素子と、前記位相回折素子と前記被照射面との間に設けられた可変焦点光学系と、を有することを特長としている。

【0010】

この光スポット像照射装置により、光線を分岐させ、被照射面の面内方向の任意の複数の位置に均一なパワーの光スポット像を照射することができる。具体的には、位相回折格子によって１本の光線を複数の光線に分岐させることによりそれぞれの光線のパワーが均等な光スポット像を形成することができ、また、可変焦点光学系を有することにより、任意のピッチで光スポット像を照射することができる。

【0011】

また、前記複数の光線による前記光スポット像を前記被照射面の面内方向にシフトさせる光スポット像シフト手段をさらに有すると良い。

【0012】

こうすることにより、一度のレーザー光の出射により照射する光スポット像の数より多く配列されている被照射物へ連続して光スポット像を照射することができる。

【0013】

また、前記可変焦点光学系と前記被照射面の間に、前記可変焦点光学系による結像を、前記被照射面上に結像する結像光学系をさらに有し、前記結像光学系中に、前記光スポット像シフト手段たるガルバノミラー光学系が存すると良い。

【0014】

こうすることにより、光スポット像を照射する位置を任意に調節することができる。

【0015】

また、前記光スポット像シフト手段として、前記被照射面そのものを移動させる移動ステージを有すると良い。

【0016】

こうすることにより、光スポット像を照射する位置を任意に調節することができる。

【0017】

また、上記課題を解決するために本発明の転写装置は、平面基材上にマトリクス状に配列された複数のチップ群のうち、任意の位置にあるチップに対し、請求項１乃至４のいずれかに記載の光スポット像照射装置により生成された光スポット像を照射することにより、当該チップを被転写面へ転写させることを特長としている。

【0018】

この転写装置により、光線を分岐させ、チップ群のうち二次元方向の任意の複数のチップに均一なパワーの光線を照射することができ、正確に各チップを転写することができる。具体的には、位相回折格子によって１本の光線を複数の光線へと分岐させることにより、それぞれの光線のパワーが均等である光スポット像を形成することができ、また、可変焦点光学系を有することにより、任意のピッチに配列された複数のチップへ同時に光スポット像を照射することができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明の光スポット像照射装置および転写装置により、光線を分割し、被照射面上に、均一なパワーを有する光スポットからなる光スポット像を照射することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の一実施形態における光スポット像照射装置を説明する図である。

【図2】本実施形態の光スポット像照射装置における実像面での光線の形態を説明する図である。

【図3】本発明の光スポット像照射装置を用いたチップ転写装置によりチップが順次転写される過程を説明する図である。

【図4】本実施形態の光スポット像照射装置により被照射面に光スポット像が順次照射される過程を説明する図である。

【図5】本発明の他の実施形態における光スポット像照射装置を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明の一実施形態における光スポット像照射装置について、図１を参照して説明する。図１（ａ）は光スポット像照射装置１の側面図であり、図１（ｂ）は、光スポット像照射装置１の上面図である。

【0022】

本実施形態の光線装置１は、光線を分岐させ、被照射面の面内方向の任意の複数の位置に光スポットよりなる光スポット像を照射するものであり、レーザー光源１１、ビームエキスパンダー１２、位相回折素子１３、ズームレンズ１４、コリメートレンズ１５、ガルバノミラー１６、およびＦθレンズ１７を有しており、レーザー光源１１から出射されたレーザー光Ｂはビームエキスパンダー１２、位相回折素子１３、ズームレンズ１４、コリメートレンズ１５、ガルバノミラー１６、Ｆθレンズ１７の順に経由して被照射面Ｓへと到達する。この間に、位相回折素子１３によって１本のレーザー光Ｂは複数の光線である光線束Ｂ１へと分岐される。

【0023】

なお、本説明では、鉛直方向をＺ軸方向、水平方向においてレーザー光源１１から光線が出射される方向をＸ軸方向、水平方向においてＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向と呼ぶ。

【0024】

レーザー光源１１は、１本のレーザー光Ｂを出射する装置であり、本実施形態ではＹＡＧレーザー、可視光レーザーなどのレーザー光を出射する。

【0025】

ビームエキスパンダー１２は、レーザー光源１１から出射されたレーザー光Ｂの径を拡張するためのレンズの組合わせであり、位相回折素子１３による分岐に適した径のレーザー光Ｂを位相回折素子１３に入射させるために、ビームエキスパンダー１２がレーザー光Ｂの径を調節する。

【0026】

位相回折素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ：ＤＯＥ）１３は、格子周期の異なる複数の回折格子が組合わされることにより構成され、光の回折現象を利用してレーザー光Ｂの形状を任意の形状に変換するものである。本実施形態で用いられる位相回折素子１３は、１本のレーザー光Ｂを所定平面上（Ｘ軸方向からレーザー光Ｂが入射した場合、ＹＺ平面上）に等ピッチのマトリクス状に配列された複数本の光線からなる光線束Ｂ１に変換する。ここで、上記の構成を有する位相回折素子１３では、光線の形状だけでなく光線のパワーも任意に設計可能であり、本実施形態では光線束Ｂ１を形成する各光線のパワーが均一となるよう、位相回折素子１３が設計されている。

【0027】

なお、ＤＯＥとは、レーザー光を回折格子によって回折パターンとして得られる複数の光束に分割するものであって、当該ＤＯＥから所定距離にある仮想面上に所望の回折パターンからなる光強度分布を得るものである。したがって、前記の所定距離以外の面上においてはその所望の光強度分布は得られないことが多い。よって、本明細書に言う、レーザー光を複数の光線に分割するとの表現は厳密には正しくないが、便宜上上記ＤＯＥによって複数個の回折パターンからなる光強度分布を得ることを、単に複数の光線に分割すると表現することとする。

【0028】

図２は図１（ａ）におけるａａ断面図であり、光線束Ｂ１の実像面である。上記の通り、本実施形態では位相回折素子１３がレーザー光ＢをＹＺ平面上に等ピッチのマトリクス状に配列された複数本の光線からなる光線束Ｂ１に変換し、実像面上では図２（ａ）でピッチＰ１で示すように光線束Ｂ１を形成する光線の本数分の光スポットがＹＺ平面上に等ピッチで並ぶ。なお、本説明では光線束Ｂ１を構成する光線は３×３個のマトリクス状に配列されているように図示しているが、光線の本数はこれより多くても構わない。

【0029】

ここで、本実施形態では上記の通り位相回折素子１３のすぐ下流には、本発明における可変焦点光学系であるズームレンズ１４が設けられている。この可変焦点光学系の焦点距離（ズームレンズ１４における倍率）を変化させることによって、光スポットのピッチの拡大もしくは縮小が可能であり、図２（ｂ）に光線の間隔がピッチＰ１’である光線束Ｂ１’で示すように、図２（ａ）のピッチＰ１と比較して光スポット像を形成する光線束の各光線のピッチを任意に変更、調節することが可能である。

【0030】

光スポット像の間隔を任意に調節して被照射面Ｓに照射する具体例として、本実施形態の光スポット像照射装置１を用いた半導体チップの転写装置の例を図３（ａ）および（ｂ）に示す。

【0031】

チップ２１と本説明における平面基材であるキャリア基板２２との接合部に光スポット像が照射されることにより、図３（ａ）に示すように、チップ２１がレーザーリフトオフされて被転写基板２３へ飛行し、被転写基板２３に転写される。具体的には、レーザー光の照射によりチップ２１とキャリア基板２２の接合部が分解され、ガスが発生し、このガスの発生によってチップ２１が付勢され、キャリア基板２２から被転写基板２３の方へ飛行する。たとえば、チップ２１がＧａＮチップの場合は、レーザー光の照射によりＧａとＮが分解しＮ２が発生し、膨張する事でチップ２１がキャリア基板２２からレーザーリフトオフされる。なお、この場合、チップ２１とキャリア基板２２の接合面が被照射面Ｓに相当し、本説明では被照射面Ｓ上で光線が照射された部位の集合を図１（ｂ）に示すように光スポット像２と呼ぶ。

【0032】

ここで、チップ２１がキャリア基板２２に等間隔で配列されている場合、このチップの間隔に合わせて光スポット像２の間隔を調節して照射することにより、効率的に複数のチップ２１を同時に転写することができる。具体的には、図３（ａ）のようにチップ２１がピッチＰ１の間隔で配列されている場合は被照射面Ｓにおける各光線の間隔がピッチＰ１である光線束Ｂ１を形成し、図３（ｂ）のようにチップ２１がピッチＰ１’の間隔で配列されている場合は被照射面Ｓにおける各光線の間隔がピッチＰ１’である光線束Ｂ１’を形成するようにズームレンズ１４が設定され、チップ２１の転写が行われることにより、効率的に複数のチップ２１を同時に転写することができる。

【0033】

一方、ズームレンズ１４によって各光線の間隔を調節することに伴い、被照射面Ｓに照射される光スポット像の面積も変化し、その面積が許容可能な範囲に入らない可能性がある。ここで、本実施形態では、被照射面Ｓに照射される光スポット像２を形成する光線束Ｂ１の各光線の寸法および形状が所定の寸法および形状となるよう、実像面における各光線の配置に合わせて開口（アパーチャ１９）が設けられたアパーチャ部材１８が設けられている。具体的には、図２（ａ）のように各光線の間隔がピッチＰ１である光線束Ｂ１に対しては、間隔がピッチＰ１となるようにアパーチャ１９が配列されたアパーチャ部材１８が用いられ、図２（ｂ）のように各光線の間隔がピッチＰ１’である光線束Ｂ１’に対しては、間隔がピッチＰ１’となるようにアパーチャ１９’が配列されたアパーチャ部材１８’が用いられるようにアパーチャ部材が交換または変形可能に設けられている。こうすることにより、用途に適したピッチに加え、用途に適した寸法および形状の光スポット像を被照射面Ｓへ照射することができる。

【0034】

図１に戻り、本実施形態では、可変焦点光学系であるズームレンズ１４を通過した後一度結像した光線束Ｂ１の各光線は、コリメートレンズ１５により平行光にされた後、Ｆθレンズ１７で集光されて被照射面Ｓで再度結像する。本説明では、光線を再度結像させる光学系を結像光学系と呼び、本実施形態では、コリメートレンズ１５とＦθレンズ１７の組合わせがこの結像光学系にあたる。また、本実施形態では、コリメートレンズ１５とＦθレンズ１７の間にガルバノミラー１６が設けられている。

【0035】

ガルバノミラー１６は、２枚のミラーを有し、これらミラーの位置および角度を制御することにより、入射される光線を任意の方向へ出射させる。本実施形態では、このガルバノミラー１６が、被照射面Ｓ上で光スポット像２が照射される位置を変化させる光スポット像シフト手段として機能する。このような光スポット像シフト手段を有することにより、一度のレーザー光Ｂの出射により照射する光スポット像２の数より多く配列されている被照射物へ連続して光スポット像２を照射することができる。

【0036】

図４は、光スポット像照射装置１により被照射面Ｓに光線が順次照射される過程を説明する図である。レーザー光源１１から出射され、位相回折素子１３による分岐を経てガルバノミラー１６で反射された光線束Ｂ１により、図４（ａ）に示すように被照射面Ｓへ複数の光スポット像２が同時に照射される。そして、ガルバノミラー１６の各ミラーの位置および角度を制御した後、レーザー光源１１から再度レーザー光Ｂを出射することにより、図４（ｂ）に示す通り、被照射面Ｓ上における光スポット像２の照射位置を変化させることができ、たとえば隣接するチップ２１をレーザーリフトオフすることができる。また、連続するレーザー光Ｂの出射による光線束Ｂ１の照射位置の間隔が図４（ｂ）に示すように隣り合う光スポット像２同士の間隔であるピッチＰ１となるようにレーザー光Ｂの出射が行われることにより、光スポット像の間隔を均一にすることができる。

【0037】

このようにガルバノミラー１６の各ミラーの位置および角度の制御およびレーザー光源１１からのレーザー光Ｂの出射を繰り返し行うことにより、図４（ｃ）のように順次マトリクス状の光スポット像２を照射することができ、その結果、マトリクス状にキャリア基板２２に配列および接合された複数のチップ２１からなるチップ群を高速で被転写基板２３に転写することが可能である。

【0038】

図５は、本発明の他の実施形態における光スポット像照射装置を説明する図である。本実施形態における光スポット像照射装置１では、被照射面Ｓ上で光線束Ｂ１による光スポット像２が照射される位置を変化させる光スポット像シフト手段として、被照射面Ｓを有する基材Ｗを吸着保持してＹ軸方向に移動させる、すなわち被照射面Ｓそのものを移動させることによって、レーザー光源１１、ビームエキスパンダー１２、位相回折素子１３、ズームレンズ１４、１組のリレーレンズ３２（結像光学系に相当）、およびミラー３３からなる光学系全体と基材Ｗとを相対移動させる移動ステージ３１を採用している。この移動ステージ３１により基材Ｗを移動させながら、レーザー光源１１からレーザー光Ｂを順次出射することにより、基材Ｗの被照射面ＳにおけるＹ軸方向の照射位置を変更しながら光線束Ｂ１を被照射面Ｓへ照射することができる。

【0039】

この実施形態では、光線束Ｂ１を形成する光線同士のピッチは、図１で説明した実施形態と同様、ズームレンズ１４の倍率を調節することにより調節することができる。また、光線束Ｂ１同士のＹ軸方向のピッチは、移動ステージ３１の移動速度とレーザー光源１１からのレーザー光Ｂの出射タイミングの少なくとも一方を調節することによって調節することができる。

【0040】

以上の光スポット像照射装置およびチップ転写装置により、光線を分岐させ、被照射面の二次元方向の任意の複数の位置に均一なパワーの光線を照射することが可能である。

【0041】

ここで、本発明の光スポット像照射装置およびチップ転写装置は、以上で説明した形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。たとえば、本発明の光スポット像照射装置は、半導体チップの転写用途に限らず他の用途に用いられても構わない。

【0042】

また、図５に示す光スポット像照射装置１において、光スポット像を照射する領域の面積が大きい場合、Ｙ軸方向の移動手段３１だけでなくＸ軸方向の移動手段を設けても良い。また、図１に示す光スポット像照射装置１でも、光スポット像を照射する領域の面積が大きい場合、被照射面Ｓを有する基材をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させる移動手段を設けても良い。また、一度の光線束の照射によって被照射面上の全ての被照射物に光スポット像を照射することができる場合は、光スポット像シフト手段は無くても構わない。

【0043】

また、位相回折素子によって形成される光スポット像は、必ずしも図２のようなマトリクス状に配列されたものでなくても構わない。たとえば千鳥状に配列されていても良い。

【符号の説明】

【0044】

１ 光スポット像照射装置
２ 光スポット像
１１ レーザー光源
１２ ビームエキスパンダー
１３ 位相回折素子
１４ ズームレンズ（可変焦点光学系）
１５ コリメートレンズ
１６ ガルバノミラー（光スポット像シフト手段）
１７ Ｆθレンズ
１８ アパーチャ部材
１８’ アパーチャ部材
１９ アパーチャ
１９’ アパーチャ
２１ チップ
２２ キャリア基板
２３ 被転写基板
３１ 移動ステージ（光スポット像シフト手段）
３２ リレーレンズ
３３ ミラー
Ｂ レーザー光
Ｂ１ 光線束
Ｂ１’ 光線束
Ｓ 被照射面
Ｗ 基材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】