JP2021092730A - 光スポット像照射装置および転写装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】被照射面Ｓ上に複数の光スポットよりなる光スポット像２を照射する光スポット像照射装置１であって、レーザー光源１１と、レーザー光源１１から出射されたレーザー光Ｂを複数の光線Ｂ１に分割する位相回折素子１３と、位相回折素子１３と被照射面Ｓとの間に設けられた可変焦点光学系１４および結像光学系と、可変焦点光学系１４と結像光学系の間に設けられた、通過する複数の光線Ｂ１の空間的光エネルギー分布を制限するアパーチャ部材１８と、を有する。【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

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レーザーアブレーションを生じさせ、これにより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。

一方、このレーザーリフトオフの手法を、たとえば１ｍｍ□程度の比較的大きな面積を有する半導体チップにも適用することが検討されている。この場合、直径数十ｕｍ程度の小さなスポット径のレーザー光をキャリア基板と半導体チップの接合面に一度照射したとしても、レーザー光が照射された箇所においてはレーザーアブレーションが生じるも他の大部分では半導体チップがキャリア基板に接合したままであるため、半導体チップはキャリア基板から剥離できず、むしろそこで半導体チップに欠けが生じるおそれがある。そのため、半導体チップの接合面の複数箇所に同時にレーザー光を照射することによってレーザーアブレーションが生じる面積を大きくし、半導体チップがキャリア基板から剥離できるようにする必要がある。

半導体チップの接合面の複数箇所に同時にレーザー光を照射してキャリア基板から剥離させる方法として、たとえば、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の複数箇所に同時に照射する手法が考えられる。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。

特開２００９−２４８１７３号公報

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。

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。

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および結像光学系と、該可変焦点光学系と該結像光学系の間に設けられた、通過する前記複数の光線の空間的光エネルギー分布を制限するアパーチャ部材と、を有することを特長としている。

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、アパーチャ部材により、照射対象の形状および面積に応じた光スポット像を照射することができる。

また、アパーチャの形状が異なる複数の前記アパーチャ部材が交換可能に設けられていると良い。

こうすることにより、任意の面積の被照射面に光スポット像を照射することができる。

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。

こうすることにより、複数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。

また、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。

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。

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しても良い。

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。

また、平面基材上に配置されたチップに対し、請求項１乃至５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。

この転写装置により、光線を分岐させ、所定の面積を有するチップの接合面に均一なパワーの光線を照射することができ、正確にチップを転写することができる。具体的には、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、アパーチャ部材により、被照射面の面積に応じた光スポット像を照射することができる。

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。

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。 本実施形態の光スポット像照射装置における実像面でアパーチャ部材によって空間的エネルギー分布が制限されて光線が通過する形態を説明する図である。 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転写される過程を説明する図である。 本実施形態の光スポット像照射装置における実像面でアパーチャ部材によって空間的エネルギー分布が制限されて光線が通過する形態を説明する図である。 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。 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。

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。また、ズームレンズ１４とコリメートレンズ１５との間に設けられた、光線束Ｂ１の一部を遮断し、空間的エネルギー分布を制限するアパーチャ部材１８によって光線束Ｂ２へと制限された状態で被照射面Ｓへと到達する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。また、この光線束Ｂ１の実像面に沿って、アパーチャ部材１８が配置されている。

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。

このマトリクス状に配列された光スポットの一部をアパーチャ部材１８が遮断することによって被照射面Ｓへ到達する光スポットの数を任意に制限する。アパーチャ部材１８は樹脂、金属から形成されており、略中央に所定の面積、形状の開口（アパーチャ１９）を有している。光線束Ｂ１を形成する複数の光線のうち、このアパーチャ１９を通る光線のみ、被照射面Ｓへと到達する。すなわち、アパーチャ部材１８は、このアパーチャ部材１８を通過する複数の光線の空間的エネルギー分布を制限する働きをする。なお、図２（ａ）の実施例では、光線束Ｂ１は８×８本の光線から構成されているのに対し、４×４本の光線から構成される光線束Ｂ２のみアパーチャ部材１８を通過するよう、アパーチャ１９が形成されている。

図２（ｂ）は、アパーチャ１９とは形状、面積が異なるアパーチャ１９’を有するアパーチャ部材１８’をアパーチャ部材１８に代えて光線束Ｂ１の実像面に配置した場合の光線束Ｂ１の空間的エネルギー分布が制限される様子を表した図である。光線束Ｂ１は図２（ａ）における光線束Ｂ１と同様、光線のピッチがＰ１である８×８本の光線から構成されているのに対し、アパーチャ１９’によって２×３本の光線のみから構成される光線束Ｂ２’がアパーチャ部材１８’を通過する。このように、異なる形状、面積のアパーチャを有する複数のアパーチャ部材が交換可能に設けられていることにより、位相回折素子１３によって同一の光線束Ｂ１を形成させた場合であっても、用途に適した配列の光スポット像を被照射面Ｓに照射することができる。

用途に適した配列の光スポット像を被照射面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。

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。

ここで、チップ２１が安定してレーザーリフトオフされるためには、チップ２１とキャリア基板２２の接合部の全面に均等に光スポットが照射される必要がある。すなわち、被照射面Ｓ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必要である。ここで、異なる形状、面積のアパーチャを有する複数のアパーチャ部材が交換可能に設けられていることにより、図３（ａ）のように比較的大きなチップ２１をレーザーリフトオフする場合は比較的大きなアパーチャを通過した光線束Ｂ２を照射し、図３（ｂ）のように比較的小さなチップ２１をレーザーリフトオフする場合は比較的小さなアパーチャを通過した光線束Ｂ２’を照射することにより、あらゆる大きさのチップ２１に対して安定したレーザーリフトオフを行うことができる。

また、本実施形態では上記の通り位相回折素子１３のすぐ下流であってアパーチャ部材１８の上流側に位置する箇所には、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、光スポットの面積およびピッチの拡大もしくは縮小が可能であり。これにより、図４のピッチＰ１’を有する光線束Ｂ１’が示すように、図２（ａ）のピッチＰ１を有する光線束Ｂ１と比較して光線束の各光線のピッチおよび光スポットの面積を任意に変更、調節することが可能である。

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、一部がアパーチャ部材１８に遮断された光線束Ｂ２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。

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。

図５は、光スポット像照射装置により被照射面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Ｂ２の各光線は、図５（ａ）に示すように被照射面Ｓであるチップ２１とキャリア基板２２の接合部に同時に照射され、チップ２１がレーザーリフトオフされ、被転写基板２３に転写される。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５（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。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５（ｃ）のように順次チップ２１を被転写基板２３へ転写させることができ、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。

図６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、アパーチャ部材１８、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Ｂ２を被照射面Ｓへ照射することができる。

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。

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。

また、図６に示す光スポット像照射装置１において、チップなどがＸ軸方向にも配列されている場合、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、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。

また、アパーチャ部材のアパーチャの形状は、必ずしも四角形状である必要はなく、チップなどの照射対象の形状に応じて、たとえば円状であっても良い。

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
１８’’ アパーチャ部材
１９ アパーチャ
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
Ｂ２ 光線束
Ｂ２’ 光線束
Ｂ２’’ 光線束
Ｓ 被照射面
Ｗ 基材

Claims (6)

1. 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および結像光学系と、該可変焦点光学系と該結像光学系の間に設けられた、通過する前記複数の光線の空間的光エネルギー分布を制限するアパーチャ部材と、を有することを特長とする光スポット像照射装置。
2. アパーチャの形状が異なる複数の前記アパーチャ部材が交換可能に設けられていることを特長とする、請求項１に記載の光スポット像照射装置。
3. 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光スポット像照射装置。
4. 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３に記載の光スポット像照射装置。
5. 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３もしくは４のいずれかに記載の光スポット像照射装置。
6. 平面基材上に配置されたチップに対し、請求項１乃至５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チップ転写装置。

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