JP2021141181A - チップ転写装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザーリフトオフ法により転写基板に搭載された複数のチップ部品を転写先基板に転写するるチップ転写において、転写基板の交換に要する時間が短く、生産性に優れたチップ転写装置を提供すること。【解決手段】 転写先基板を保持する基板ステージと、複数のチップ部品が配置された前記転写基板の周縁部を把持して前記転写基板を保持し、前記チップ部品を前記転写先基板と対向配置させる、転写基板保持手段と、前記転写基板越しに前記チップ部品に向けてレーザー光を照射するレーザー光学系と、前記転写基板保持手段への転写基板脱着を行う転写基板脱着部とを備え、前記転写基板保持手段を複数有し、一つの転写基板保持手段が前記基板ステージ上に位置するとき、他の少なくとも一つの転写基板保持手段が転写基板脱着部に位置するチップ転写装置を提供する。【選択図】 図２

Description

本発明は、複数のチップ部品を転写基板から転写先基板に転写するチップ転写装置に関する

微細加工技術の進歩による半導体チップの微小化や、ＬＥＤの発光効率向上によるＬＥＤチップの小型化が進んでいる。このため、半導体チップやＬＥＤチップ等のチップ部品を、１枚のウェハ基板に、密に多数形成できるようになってきている。

近年、ウェハ基板に密に形成されダイシングされたチップ部品や、ウェハ基板上の配置状態のままで転写基板に転写されたチップ部品を、所定の間隔を開けて配線基板等の転写先基板に再配列し、高速高精度に実装する用途がある。例えば、画像表示装置として注目されているマイクロＬＥＤディスプレイ製造においては、数百万個のＬＥＤチップを、間隔を開けＴＦＴ基板の所定位置に実装する必要がある。

ここで、ウェハ基板を含む転写基板上に高密度に配列された個々のチップ部品は、チップ部品の電極と転写先基板の電極との電気的接合を確保するため、誤差が数μｍ程度の高精度に転写される必要がある。しかも多数のチップ部品を高速に転写する必要がある。

このような高速、高精度にチップ部品の転写を行い、転写先基板に所定の間隔を空け、高精度に実装するプロセスが種々検討されている。なかでも、レーザーリフトオフ法（以後ＬＬＯ法と記す）については多くの検討がなされている（例えば特許文献１）。

図７ではＬＬＯ法により転写基板２から転写先基板Ｂにチップ部品Ｃを転写配置する例を示している。すなわち、右端のチップ部品Ｃにレーザー光Ｌを照射して、転写先基板Ｂに転写する状態を示している。ここで、右端のチップ部品Ｃは転写先基板Ｂの所定位置上部に位置合わせされている。ここで、レーザー光Ｌの波長はチップ部品Ｃが転写基板２から剥離するのに適した範囲から選ばれる。例えば、転写基板２を透過しつつチップ部品Ｃの素材に吸収される波長を用いれば、温度上昇に伴い素材が分解して生じたガスにより転写基板２からチップ部品Ｃは剥離される。

図８は、レーザー光Ｌの照射により転写基板２から剥離した右端のチップ部品Ｃが転写先基板Ｂに転写された状態を示している。ここで、右端のチップ部品Ｃは直下に転写されるため、転写先基板Ｂの所定位置に配置される。なお、転写に伴うチップ部品の直下への移動距離を、チップ部品厚みより大きくしておけば、転写先基板Ｂにチップ部品Ｃが転写されていても転写基板２を水平方向に移動させることは可能である。

図９は、転写基板２と転写先基板Ｂの相対位置を変化させ、転写基板２とは異なるピッチでチップ部品Ｃを転写先基板Ｂに転写するときの位置合わせの様子を示したものである。位置合わせに際しては、事前に取得した転写基板アライメントマーク２Ｍと転写先基板アライメントマーク（図示せず）の位置情報に基づいて、転写基板２乃至は転写先基板Ｂの位置調整を行っている。

特開２０１０−１６１２２１号公報

実際にＬＬＯ法を行うチップ転写装置の一例を示したのが図１０に示すが、転写基板２を保持する転写基板保持手段６と転写先基板Ｂを保持する基板ステージ３が面内方向移動可能になって転写基板２と転写先基板Ｂの相対位置が調整可能なのに加えて、レーザー光Ｌを照射するレーザー光学系４にガルバノスキャナを用いることも可能である。

ガルバノスキャナを用いることにより、レーザー光Ｌの照射位置の（転写基板面内位置での）移動が容易になる。このため、マウンター等の従来装置に比べて、チップ部品を転写先基板上に配置する速度が格段に向上する。すなわち、転写基板２に配置されているチップ部品Ｃの全てを転写する時間も短くなっている。

ところで、図１０に示すチップ転写装置１００においては、転写基板２をＬＬＯ法を行う所定位置に配置するために、以下のような手順を進めている。すなわち、図１１に示すように、転写基板２を保持していない転写基板保持手段６に、転写基板供給手段５が転写基板２を移送して転写基板２を受け渡す（図１２）。その際、図１３（ａ）のように転写基板保持手段６と転写基板２に間隔がある状態で位置合わせを行ってから、図１３（ｂ）のように転写基板保持手段６が転写基板２を保持する。なお、図１３（ａ）および図１３（ｂ）の状態を下側から、すなわちチップ部品Ｃ側から見た様子を示したのが図１４（ａ）および図１４（ｂ）である。

図１２に示した状態から、チップ保持手段６は、図１５のようにレーザーリフトオフを行う位置に移動する。

また、図１５の状態で、転写基板保持手段６が保持する転写基板２の転写すべきチップ部品Ｃを転写先基板Ｂに転写した後は、転写基板保持手段６は図１２に示した位置に戻り、転写基板２を転写基板供給手段５に受け渡し、（チップ部品Ｃが搭載された）新たな転写基板２が転写基板供給手段５によって運ばれてくるのを待つ。

図１１、図１２および図１５に示した手順と、この逆の手順による転写基板保持手段６への転写基板２の脱着に要する時間は、１枚の転写基板２に搭載されているチップ部品Ｃを全てを転写する時間に比べれば短い。

しかし、レーザーリフトオフ法によるチップ転写装置では、前述のとおり転写基板２に配置されているチップ部品Ｃの全てを転写する時間の短縮化は進んでおり、転写基板脱着に要する時間は無視できないものになってきている。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、転写基板の交換に要する時間が短く、生産性に優れたチップ転写装置を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
転写基板に搭載された複数のチップ部品を転写先基板に転写するチップ転写装置であって、
前記転写先基板を保持する基板ステージと、複数のチップ部品が配置された前記転写基板の周縁部を把持して前記転写基板を保持し、前記チップ部品を前記転写先基板と対向配置させる、転写基板保持手段と、前記転写基板越しに前記チップ部品に向けてレーザー光を照射するレーザー光学系と、前記転写基板保持手段への転写基板脱着を行う転写基板脱着部とを備え、
前記転写基板保持手段を複数有し、一つの転写基板保持手段が前記基板ステージ上に位置するとき、他の少なくとも一つの転写基板保持手段が転写基板脱着部に位置するチップ転写装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のチップ転写装置であって、
前記転写基板脱着部で、前記転写基板保持手段が保持する転写基板の厚みを測定する機能を有しているチップ転写装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のチップ転写装置であって、
前記厚み測定の結果に応じて、前記転写基板を前記転写先基板と対向させて状態での、前記転写基板を保持する転写基板保持手段と前記基板ステージとの間隔を調整する転写装置である。

請求項４に記載の発明は。請求項１から請求項３のいずれかに記載の転写装置であって、
前記転写基板脱着部で、転写基板保持手段に対して転写基板の位置合わせを行ってから、前記転写基板保持手段が前記転写基板を保持するチップ転写装置である。

本発明の転写装置により、転写基板の交換に要する時間が短縮され、チップ転写を実施する時間的比率が増すことで、生産性が向上する。

本発明の実施形態におけるチップ転写装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態におけるチップ転写装置の転写基板脱着に係る構成要素を示す断面図である。 レーザーリフトオフ法により、チップ部品を転写基板から転写先基板に転写する際の転写基板厚み誤差の影響を説明する図である。。 本発明のチップ転写装置の転写基板保持手段入れ替え機構を示す上面図で、（ａ）実施形態の回転駆動機構を示し、（ｂ）スライド駆動機構を示す。 本発明のチップ転写装置の転写基板保持手段入れ替え機構を示す上面図で、（ａ）回転駆動機構の別例を示し、（ｂ）３つの転写基板保持手段を備えた例を示す。 本発明の応用例である複数個所でレーザーリフトオフ転写を行うチップ転写装置の構成を示す図である。 レーザーリフトオフ法により、チップ部品を転写基板から転写先基板に転写する状態を示す図である。 レーザーリフトオフ法により、転写基板から剥離した転写先基板に転写された状態を示す図である。 レーザーリフトオフ法で、転写基板と異なるピッチで転写先基板にチップ部品を転写する際の相対位置について説明する図である。 レーザーリフトオフ法を行うチップ転写装置の一例を示す図である。 チップ転写装置の転写基板保持手段に転写基板を受け渡す状態を示す図である。 チップ転写装置の転写基板保持手段に転写基板が受け渡された状態を示す図である。 転写基板と転写基板保持手段の相対位置関係を説明する図であり、（ａ）転写基板と転写基板保持手段が間隔を空けて位置合わせをした状態、（ｂ）転写基板が転写基板保持手段に保持された状態を示す。 転写基板と転写基板保持手段の相対位置関係をチップ部品側からみて説明する図であり、（ａ）転写基板と転写基板保持手段が間隔を空けて位置合わせをした状態、（ｂ）転写基板が転写基板保持手段に保持された状態を示す。 チップ転写装置の転写基板保持手段がレーザーリフトオフを行う位置に移動した状態を示す図である。

本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態であるチップ転写装置１の構成を示す図である。また、図２はチップ転写装置１の転写基板脱着に係る構成要素を図１のＸ方向から見た断面図である。

チップ転写装置１は、図１４に示すような、転写基板２の片面に配置されている複数のチップ部品Ｃを転写先基板ＢにＬＬＯ法で転写するものである。ここで、転写基板２としてはチップ部品Ｃを形成する半導体プロセスで使用されるウェハでもよいが、ウェハ基板の配列状態のままのチップ部品を転写されたガラスやセラミックスからなる基板であってもよく、チップ部品Ｃとの間に粘着層が形成されていてもよい。また、転写基板２の周縁部は位置決め用の切欠き部部（ノッチまたはオリフラ）が設けてある。

チップ部品ＣとしてはＬＥＤチップや半導体ＩＣチップが対象であり、チップサイズとしては一辺が数十μｍから数百μｍが適用可能である。また、転写先基板Ｂとしては、チップ部品としてＬＥＤチップが用いられる場合はＴＦＴ基板が用いられ、チップ部品としてＩＣチップが用いられる場合は配線基板やインターポーザーが用いられる。

本実施形態のチップ転写装置１では、フレーム基台１１、フレーム側部１２、フレーム上板１３、基板ステージ３、レーザー光学系４、転写基板保持手段６（６Ａおよび６Ｂ）、アライメントカメラ８、ロボットハンド９０、プリアライナー９１、レーザー変位計９２、プリアライメントカメラ９８を構成要素としている。

フレーム基台１１、フレーム側部１２およびフレーム上板１３は、ＬＬＯ法を実施する際に用いる、基板ステージ３、レーザー光学系４、基板保持手段６、等を所定の位置に安定的に固定するための枠組みを形成する構造物である。図１では、フレーム基台１１、フレーム側部１２およびフレーム上板１３という構成にしているが、ＬＬＯ法に用いる各構成要素を安定的に固定できるものであれば、この構成に限られるものではない。

基板ステージ３は転写先基板Ｂを保持して、面内各方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に位置調整する機能を有している。更に、基板ステージ３は、Ｚ方向を軸とする回転角や上下位置（Ｚ方向）を調整する機能を有していてもよい。

転写基板保持手段６は、転写基板２を、チップ部品Ｃが転写先基板Ｂと対向する向きで保持するものであり、ＬＬＯ法でチップ部品Ｃを転写先基板Ｂに転写する際に障害とならないよう、（チップ部品Ｃが配置されていない）転写基板２の周縁部を保持する。また、転写基板保持手段６は、ＸＹ面内方向および上下方向（Ｚ方向）に位置調整する機能を備えていてもよい。

図１のチップ転写装置１では、転写基板保持手段６Ａと転写基板保持手段６Ｂの２つの転写基板保持手段６を備えている。

レーザー光学系４は、転写基板保持手段６が保持する転写基板２越しにチップ部品Ｃ方向にレーザー光Ｌを照射するものである。図１のチップ転写装置１におけるレーザー光学系４は、ガルバノスキャナの構造を有している。すなわち、レーザー光源４０から照射されたレーザー光は、ガルバノメータの原理によって駆動されるＹスキャンミラー４３とＸスキャンミラー４４により、ＸＹ各方向に高精度にレーザー光Ｌをスキャンする。このため、転写基板２の所定位置に高精度にレーザー光を照射することが可能である。

アライメントカメラ８は転写基板２のアライメントマーク２Ｍを認識する機能を更に備えており、転写先基板Ｂのアライメントマークを認識する機能を備えていることが望ましい。

基板ステージ３、レーザー光学系４、転写基板保持手段６は図示しない制御部と接続されており、夫々が制御された動作を行うことで、転写先基板Ｂの所定位置にチップ部品Ｃを順次転写することが可能である。

本実施形態のチップ転写装置１は２つの転写基板保持手段６、すなわち転写基板保持手段６Ａと転写基板保持手段６Ｂを有している。図１では、転写基板保持手段６Ａが基板ステージ３の上に配置され、ＬＬＯ法に供される状態になっており、転写基板保持手段６Ｂは基板ステージ３から離れて配置されている。この状態をＸ方向から見た断面図が図２である。

本実施形態において、転写基板保持手段６Ａと転写基板保持手段６Ｂは駆動機構６０により位置を入れ替える構成となっている。

基板ステージ３から離れたている転写基板保持手段６（図２の状態では転写基板保持手段６Ｂ）の周辺には、ロボットハンド９０、プリアライナー９１、レーザー変位計９２およびプリアライメントカメラ９８が配置されており、転写基板脱着部９を構成している。

ロボットハンド９０は図示しない転写基板カセットから基板２を取り出して搬送するものであるが、転写基板２を所定位置で脱着する機能および保持した転写基板２を反転する機能も有している。

プリアライナー９１は、転写基板２の位置および方向（面内回転方向の角度）を設定値に合わせるものである。

レーザー変位計９２は、Ｚ方向における転写基板２の上面高さの相対位置を測定する機能を有しており、更に分光干渉機能により転写基板２の厚み測定もできることが望ましい。厚み測定ができれば、転写基板２の下面高さも知ることが出来る。

プリアライメントカメラ９８は転写基板２のアライメントマーク２Ｍの位置を認識するものであり、転写基板保持手段６（図２の例では転写基板保持手段６Ｂ）に対する転写基板２の相対位置を高精度に掌握することが出来る。

以下、チップ転写装置１において、転写基板２を脱着する動作について説明する。そこで、まずは図１および図２のように、転写基板保持手段６Ａが基板ステージ３の上に配置された直後、すなわち転写基板保持手段６Ｂが基板ステージ３の上から離れて転写基板脱着部９に移動した直後以降の各部の動作について説明する。

まず、基板ステージ３の上に配置された転写基板保持手段６Ａの側では、アライメントカメラ８の観察結果に基づいて、転写基板２と転写先基板Ｂの位置合わせが行われ、転写先基板Ｂの所定位置と対向した箇所のチップ部品Ｃを転写基板２から剥離するようレーザー光学系４はレーザー光をスキャンしながら必要箇所に照射する。レーザー光のスキャンにより、転写先基板の所定位置と対向するチップ部品Ｃを全て転写した後は、転写先基板Ｂの所定位置にチップ部品Ｃが配置されるよう、転写基板２と転写先基板Ｂの相対位置を移動してから、先に記したのと同様にレーザー光学系４はレーザー光をスキャンしながら必要箇所に照射する。このような動作を、転写基板２の全ての（良品である）半導体チップＣを転写するまで行う。

一方、転写基板保持手段６Ｂは、チップ部品Ｃの転写が完了した転写済基板２Ｖを保持している場合は、ロボットハンド９０に転写済基板２Ｖを受け渡し、ロボットハンド９０は転写済基板２Ｖを所定の回収箇所に収容する。

その後、ロボットハンド９０は、転写基板カセットから新たな転写基板２を取り出し、プリアライナー９１まで移動して、プリアライナー９１に一定の誤差内で転写基板２を配置する。次に。プリアライナー９１がロボットハンドによって搬送された転写基板２の位置および向きを高精度に調整する。

ここで、プリアライナー９１と転写基板保持手段６Ｂの相対位置が既知であれば、ロボットハンド９０により、転写基板保持手段６Ｂに転写基板２を所定位置で所定の向きで保持させることが出来る。

更に、プリアライメントカメラ９８を用いることにより、転写基板保持手段６Ｂに対する転写基板２の位置および向きを高精度に掌握することができる。ここで、転写基板保持手段６Ｂと転写基板２の位置関係は、転写基板保持手段６Ｂが基板ステージ３から離れた状態で計測されるため、高精度計測のための時間を割くこともできる。このように、転写基板保持手段６Ｂに対する転写基板２の位置関係を高精度に掌握することにより、転写基板保持手段６Ｂが基板ステージ３の上に移動させてから、転写基板２を所定位置に高精度に配置することが可能になる。

また、転写基板保持手段６Ｂに保持された転写基板２は、レーザー変位計９２により転写基板厚２ｄを測定することが出来る。転写基板厚２ｄを知ることにより、ＬＬＯ法で、転写基板２とチップ部品Ｃの界面に適切なビームプロファイラのレーザー光を照射することが出来るので、チップ部品Ｃを転写基板２から確実に剥離させることが可能になる。すなわち、図３に示すように、転写基板厚２ｄが転写基板設計厚２Ｄに対して誤差２δを有しているとき、転写基板厚２ｄに合わせて（転写基板２とチップ部品Ｃの界面のビームプロファイルが適正になるように）レーザー光を集光させることが出来る。これに対して、転写基板厚２ｄを測定していなかったら、転写基板設計厚２Ｄを前提としてレーザー光を集光するため、転写基板厚み誤差２δによって転写基板２とチップ部品Ｃの界面のビームプロファイルがチップ部品Ｃを剥離するのに不適にとなる可能性がある。

また、転写基板厚２ｄを測定して基板ステージ３と転写基板保持手段６の間隔を調整することで、（転写前の）チップ部品Ｃと転写先基板Ｂの距離を所定の値に均一に保つことが可能である。

ところで、転写基板脱着部９における転写基板保持手段６Ｂへの転写基板脱着（転写済基板２Ｖの脱離＋新たな転写基板２の保持）に要する時間は、転写基板保持手段６Ａ側で転写作業を完了するまでの時間に比べて短い。したがって、転写基板脱着部９では転写基板保持手段６Ａでの転写作業が完了するまで待機状態となる。

その後、転写基板保持手段６Ａ側で転写作業が完了した後に、転写基板保持手段６Ａと転写基板保持手段６Ｂの位置を入れ替え、上に説明した内容を転写基板保持手段６Ａと転写基板保持手段６Ｂを読み替えた動作が進む。

本実施形態のチップ転写装置１では、転写基板保持手段６Ａと転写基板保持手段６Ｂは、図４（ａ）に上面図を示すような位置関係（転写基板脱着部９はＰ２に配置）で、回転駆動機構６０Ｒによって、入れ替えを行っているが、転写基板保持手段６の入れ替え機構はこれに限定されるものではない。

例えば、図４（ｂ）のようにスライド駆動機構６０Ｓのようにしてもよい。図４（ｂ）のような直線的な移動であれば、動転写基板保持手段６Ａと転写基板保持手段６Ｂの入れ替えに要する必要面積をを小さくすることが可能となる。ただし、図４（ｂ）におけるＰ２とＰ３それぞれに転写基板脱着部９を配置する必要がある。図５（ａ）についても、図４（ａ）では１回転分の面積が必要であったものを半回転分に減らすメリットはあるものの、図５（ａ）におけるＰ１とＰ３それぞれに転写基板脱着部９を配置する必要がある。

なお、転写基板保持手段６は２つに限定されるものではなく３つ以上あってもよい。図５（ｂ）は３つの転写基板保持手段６を備えた形態を示すものであり、転写基板保持手段６Ａが転写作業を行っている間に転写基板保持手段６Ｂか転写基板保持手段６Ｃの何れか一方が転写基板脱着を行っても良いし、Ｐ２とＰ３の何れか一か所を転写基板脱離に特化して他を転写基板保持に特化するような構成にすることも可能である。

また、複数の転写基板６毎に、保持する転写基板２および配置されるチップ部品Ｃの仕様が異なるようにしてもよい。例えば、本発明のチップ転写装置をマイクロＬＥＤディスプレイの製造に利用する場合において、転写基板保持手段６別に転写基板２に配置されたＬＥＤチップの発光色が異なるような構成にしてもよい。

更に、転写基板保持手段６別に転写基板２の厚みが異なる場合においても、転写基板厚２ｄを測定することが可能であるため、夫々の転写基板２に対してチップ部品Ｃとの界面に適正なビームプロファイルのレーザー光を照射することができる。

以上の説明において、転写基板保持手段６を複数備えるとともに転写基板脱着部９を設ける構成としているが、基板ステージ３を同様な構成としてもよい。すなわち、入れ替え可能な複数の基板ステージ３を備えるとともに転写先基板Ｂの脱着部を設けるような構成としてもよい。このようにすることで、転写先基板Ｂの交換に要する時間も短縮でき、チップ転写装置としての生産性を更に向上させることが出来る。

また、比較的高価である（高出力）レーザー光源４０の稼働率を向上させる観点から、図６に示すような複数個所でＬＬＯ法を行うチップ転写装置１０２として、複数個所それぞれの転写基板保持手段６（６α、６β）を前述したような構成にしても良い。このようにすることで装置コストに対する生産性が向上するため、ＬＥＤディスプレイのように多数のチップ部品を実装するような用途においてコストダウンが図れる。

１ チップ転写装置
２ 転写基板
２Ｄ 転写基板設計厚
２ｄ 転写基板厚
２δ 転写基板厚み誤差
２M 転写基板アライメントマーク
２Ｖ 転写済基板
３ 基板ステージ
４ レーザー光学系
５ 転写基板供給手段（転写基板排出手段）
６ 転写基板保持手段
８ アライメントカメラ
９ 転写基板脱着部
１１ フレーム基台
１２ フレーム側部
１３ フレーム上板
９０ ロボットハンド
９１ プリアライナー
９２ レーザー変位計
９８ プリアライメントカメラ
Ｂ 転写先基板
Ｃ チップ部品

Claims (4)

1. 転写基板に搭載された複数のチップ部品を転写先基板に転写するチップ転写装置であって、
   前記転写先基板を保持する基板ステージと、
   複数のチップ部品が配置された前記転写基板の周縁部を把持して前記転写基板を保持し、前記チップ部品を前記転写先基板と対向配置させる、転写基板保持手段と、
   前記転写基板越しに前記チップ部品に向けてレーザー光を照射するレーザー光学系と、
   前記転写基板保持手段への転写基板脱着を行う転写基板脱着部とを備え、
   前記転写基板保持手段を複数有し、一つの転写基板保持手段が前記基板ステージ上に位置するとき、他の少なくとも一つの転写基板保持手段が転写基板脱着部に位置するチップ転写装置。
2. 請求項１に記載のチップ転写装置であって、
   前記転写基板脱着部で、前記転写基板保持手段が保持する転写基板の厚みを測定する機能を有しているチップ転写装置。
3. 請求項２に記載のチップ転写装置であって、
   前記厚み測定の結果に応じて、前記転写基板を前記転写先基板と対向させて状態での、前記転写基板を保持する転写基板保持手段と前記基板ステージとの間隔を調整する転写装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の転写装置であって、
   前記転写基板脱着部で、転写基板保持手段に対して転写基板の位置合わせを行ってから、前記転写基板保持手段が前記転写基板を保持するチップ転写装置。

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