JP4281044B2 - 微小部品の配置方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に半導体チップ等の微小部品を整列配置するための微小部品の配置方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化に対する要求がますます大きくなっており、微小な半導体チップ等を基板上に実装するための技術が必要となってきている。しかし、半導体チップを個別に基板上の所望位置に配置する際に、直径10〜数100μmの微小なチップ部品を保持することは困難であり、多数の微小なチップ部品を個別に保持して整列・配置することは事実上不可能である。そこで、従来より、微小なチップ部品を個別に保持することなく整列・配置するための種々の方法が提案されているが、いずれも配置形状の制約や配置方法が複雑であるなどの実用上の問題があった。
【0003】
このような問題点に鑑み、University of California, BerkeleyのSmith,Sらにより、所謂、Fluidic Self−Assembly法(流体式自己整合法、以下、FSA法と略記する)が提案されている(米国特許第5,904,545号明細書、IEEE Photonics Tech, Letters Vol.6, No.6 P.706,’94参照)。
【0004】
ここで、FSA法とは、上面にて開口する少なくとも一つのリセス部が形成された基板を流体中に設置し、前記基板の上方から微小部品を散布して前記リセス部内へ個別に収容させることにより微小部品を自己整合的に配置する方法である。以下、FSA法の概略について、微小部品としてのGaAsブロックをSi基板上に実装する場合を例として、図15乃至16を参照しつつ説明する。
GaAsからなるLEDブロック(以下、GaAsブロックと称する)501は、図15に示すように、縦断面が略台形状を呈するように異方性エッチングにより側面がテーパ状に整形されている。また、GaAsブロック501の大きさは、例えば、底面の直径が100μm、厚さ30μm程度に設定されている。尚、GaAsブロック501の窄まった側がp型GaAs層501a、拡がった側がn型GaAs層501bとなっている。
【0005】
一方、Si基板511上面には、図15に示すように、上面にSiO2層514が形成されるとともに、GaAsブロック501を個別に収容可能な大きさで開口するリセス部515が所定間隔を配して形成されている。また、リセス部515は、GaAsブロック501の厚さ方向の形状(立体形状)に整合するように、下方に向かって窄まる縦断面略台形状をなすテーパ状の窪みとなっている。そして、FSA法では、図16に示すような装置51を用いて、以下の各工程を実施することによりGaAsブロック501をSi基板511上へ整列・配置する。
【0006】
まず、Si基板511を、容器52内に貯留された流体としての液体のメタノール中に、水平よりもやや傾斜させた状態で基板ホルダ55に保持させて設置する。続いて、GaAsブロック501をSi基板511の上方に設けられた配管53の放出口53dからメタノールと共に放出・散布する。GaAsブロック501は重力によってメタノール中を落下してSi基板511表面に到達し、その後、傾斜して設置されたSi基板511のSiO2層514上を滑落し、その滑落の途中でリセス部515内に捕捉・収容される。そして、リセス部515内に収容されたGaAsブロック501は、ファンデルワールス力によりSi基板511に固着する。これは、GaAsブロック501が基板表面のSiO2層514上では滑りやすく、リセス部515内周面のSiには固着し易いという性質を利用したものである。また、リセス部515の内周面は、下方に向かって窄まるテーパ状となっているので、GaAsブロック501は、常に、縦断面略台形状の窄まった側が下向きとなって、p型GaAs層501aがリセス部515の底面に接触するように固着するので、GaAsブロック501の電気的極性が逆向きに配置されることが防止される。
【0007】
このように、従来のFSA法によれば、基板上の所定位置に微小部品を常に正しい上下向きで整列・配置することができる。また、微小部品としての半導体ブロックを製造する際に、格子定数のマッチした基板上(例えば、GaAsブロックに対してはGaAs基板上)で成長させて製造することができるため、実装用の基板(例えば、Si基板)上で直接成長させる方法に比べて、高品質な半導体ブロックを容易に製造することができる。また、半導体結晶面全体を半導体ブロック作成に使える点や半導体ブロックを切り離した基板を再利用可能である点等、種々の利点がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のFSA法では、微小部品(GaAsブロック501)及び微小部品が収容される実装用基板のリセス部(Si基板511のリセス部515)の厚さ方向にそれぞれ特殊なテーパ構造を形成する必要があり、微小部品及び基板上のリセス部の加工が困難であるという欠点があった。特に、微小部品をテーパ状に形成するための異方性エッチングは、GaN等の六方晶系等の材料には適用できず、SiOやGaAs等の面心立方晶系等の材料に制約されるという問題がある。さらに、微小部品の上下向きを判別可能とすべく厚さ方向に特殊な構造を形成するためには、微小部品の平面サイズに対して所定以上の厚さを確保することが必要となり、半導体結晶の形成に時間がかかる点、材料の使用効率が悪い点、及び微小部品の小型化に限界がある点等の問題があった。
【0009】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、平板状の微小部品を基板上に所定の向きで自己整合的に配置することが可能な微小部品の配置方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項1に記載の微小部品の配置方法は、上面に開口形成された少なくとも一つのリセス部を有する基板を流体中に設置し、前記基板の上方から微小部品を散布して前記リセス部内へ個別に収容させることにより微小部品を自己整合的に配置する方法であって、前記微小部品は、反転対称性をもたない平面形状を有する平板状ブロックからなり、前記基板のリセス部は、前記平板状ブロックの平面形状に整合するように開口していることを特徴とする。
【0011】
従って、平板状ブロックは反転対称性をもたない平面形状に形成され、且つ基板のリセス部は、上下に正しい向きにおける(すなわち、表裏が正しい状態で)平板状ブロックの平面形状にのみ整合するように開口しているので、平板状ブロックは、上下正しい向きとなっている状態でのみ基板上のリセス部内に収容可能となる。
よって、微小部品を平板状ブロックとして形成しつつ、微小部品を自己整合的に基板上に配置することができるので、基板装置の薄型化を図ることが可能となる。また、平板状ブロックの平面形状及び基板のリセス部の開口形状を一般的なエッチング処理等により加工できるので、基板装置を容易に製造することができる。
【0012】
さらに、請求項1に記載の微小部品の配置方法は、前記平板状ブロックには、その平板状ブロックと平行な平面内の一方向において前記流体に対する流体抵抗を相対的に小さくする所定形状が形成され、前記基板は、前記所定形状部分に整合する前記リセス部の開口部分を下方側に向けて傾斜配置されることを特徴とする。
従って、平板状ブロックは、所定形状部分を基板傾斜方向の下方側に向けて基板上を滑落し、基板は、所定形状部分に整合するリセス部の開口部分を下方側に向けて傾斜配置されているので、平板状ブロックの平面内における方向と基板上のリセス部の方向とが一致する。よって、平板状ブロックがリセス部に収容され易く、微小部品の自己整合的な配置をより効率的に行うことができる。
【0013】
また、請求項2に記載の微小部品の配置方法は、前記所定形状が、尖形状、紡錘状、又は流線形状のいずれかの形状であることを特徴とする。
従って、前記平板状ブロックが、尖形状、紡錘状、又は流線形状のいずれかの形状をなすので、平板状ブロックと平行な平面内の一方向において流体に対する流体抵抗を容易且つ確実に小さくし、平板状ブロックを一定方向に向けて基板上を滑落させることができる。
【0014】
また、請求項3に記載の微小部品の配置方法は、前記微小部品が、互いに平面形状が異なる複数種類の平板状ブロックからなり、前記基板には前記複数種類の平板状ブロックの各平面形状にそれぞれ整合するように開口する複数種類のリセス部が形成されていることを特徴とする。
従って、複数種類の平板状ブロックを、同一基板上におけるそれぞれの所定位置に自己整合的に配置することができる。例えば、赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ発する3種類の発光ダイオード(平板状ブロック)を、上面に各色の発光ダイオードの平面形状にそれぞれ整合するように開口形成された複数種類のリセス部を設けた基板上に自己整合的に配置することにより、極めて効率的にフルカラーLEDディスプレイを製造することができる。
【0015】
また、請求項4に記載の微小部品の配置方法は、前記微小部品が、電子部品であることを特徴とする。
従って、平板状の電子部品を、所望の正しい向きで基板上のリセス部内に確実に収容させることにより、基板上に自己整合的に配置することができる。
【0016】
また、請求項5に記載の微小部品の配置方法は、前記電子部品が、半導体チップであることを特徴とする。
従って、平板状の半導体チップを、所望の向きで基板上のリセス部内に確実に収容させることにより、基板上に自己整合的に配置することができる。
【0017】
また、請求項6に記載の微小部品の配置方法は、前記半導体チップが、発光素子であることを特徴とする。
従って、平板状の発光素子を、所望の向きで基板上のリセス部内に確実に収容させることにより、基板上に自己整合的に配置することができる。
【0038】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した微小部品の配置方法及び基板装置の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明の第一の実施形態について、図1乃至5を参照しつつ説明する。第一の実施形態は、反転対称性をもたない平面形状を有する平板ブロック状の微小部品を、上面に微小部品の平面形状に整合するように開口形成された少なくとも一つのリセス部を設けた基板上に、自己整合的に整列配置する方法である。
【0039】
最初に、本実施形態における微小部品の配置方法の実施に使用される微小部品配置装置1の概略構成について、図1を参照しつつ説明する。
微小部品配置装置1は、図1に示すように、容器2と、ポンプ4を備えた循環装置3とから構成されている。
容器2は、流体としての液体メタノールを貯留するタンク状部材であり、底部2aは漏斗状に形成されて循環装置3の第一配管部3aへと連通している。また、容器2内には、微小部品10が実装される基板20を支持するための基板ホルダ5が容器2内壁より突設されている。さらに、基板ホルダ5下面には、音波振動を発生する音波振動子6が取付けられている。
【0040】
循環装置3は、容器2の底部2aに落下した微小部品10を回収するために容器底部2aに連通された第一配管部3aと、上下方向に配設されて下端が第一配管部3aに連通し、第一配管部3aにより回収された微小部品10を上方へメタノールにより流体輸送する第二配管部3bと、第二配管部3bの上端に連通し、微小部品10をメタノールと共に容器2内へ導いて先端の放出口3dから散布するための第三配管部3cと、循環装置3内でメタノールを流動させるために第二配管部3b内へ窒素ガスを送り込むポンプ4とを備えている。
ポンプ4は、逆止弁4aを介して第二配管部3aの下端において上向きに接続され、第三配管部3c方向へ向かって窒素ガスを送り込むように構成されている。従って、ポンプ4から送り込まれた窒素ガスの気泡によって第二配管部3a内のメタノールが上方に向かって流動し、容器2内に貯留されたメタノールが配管3の第一配管部3a、第二配管部3b、及び第三配管部3cを経て再び容器2内へ循環される。
【0041】
次に、上述した微小部品配置装置1において使用される微小部品10としてのGaAsブロック101及び実装用の基板11としてのSi基板111の詳細構成について説明する。
最初に、GaAs、AlGaAs等からなる発光ダイオード(LED)であるGaAsブロック101の作製方法について、図2を参照しつつ説明する。
まず、GaAs基板102上に、剥離層としてのAlAs層103をMOCVD法やMBE法等により0.5μm程度の厚さに形成し、続いて、AlAs層103上に、MOCVD法やMBE法等によりGaAsデバイス層104を4μm程度の厚さに成長させる(図2(a)参照)。MOCVD法におけるGaAsデバイス層104の成長過程において、n型GaAs層、p型GaAs層が下から上へ順に積層形成されるようにドーピング処理が施される。また、形成されたGaAsデバイス層104上には、リフトオフ法等により所望のパターンで下部電極105が形成され、アニールによりオーミック電極とする。
【0042】
次に、GaAsデバイス層104上に、図3(a)に示すGaAsブロック101(結果物)の平面形状と同一パターンでフォトレジストを塗布し、露光、現像することによりマスク部106aを形成する(図2(b))。そして、GaAsデバイス層104の非マスク部106bをウェットエッチングによりAlAs層103に達するまで取り除いて切り離し溝107を形成する(図2(c))。次に、AlAs層103をフッ酸溶液、又は塩酸溶液にて選択エッチングする(リフトオフ法)ことにより、切り離し溝107によって区切られた各GaAsデバイス層104の各ブロックをAlAs層103から分離し、その後、マスク部106aをアセトンあるいはリムーバーにより除去する。これにより分離された多数のGaAsブロック101が作製される(図2(d)参照)。
【0043】
作製されたGaAsブロック101は、図3(a)に示すように、反転対称性をもたない平面形状を有する平板ブロック状に形成されている。より詳細には、GaAsブロック101は、一辺が100μm程度の略正方形の平面形状を有し、厚さ4μm程度の平板状ブロックとなっている。また、その略正方形の一辺の中心から一方の頂点側へ寄った位置(図3(a)では右寄りの位置)に切り欠き部101aが形成されている。ここで、GaAsブロック101を反転させて裏返しとした場合、切り欠き部101aの位置が中心から反対側に寄った位置(図3(b)では左寄りの位置)となり、GaAsブロック101の平面形状は反転の前後で異なっており、反転対称性を有しないことがわかる。
【0044】
一方、実装基板としてのSi基板111は、図4に示すように、基板本体をなすSi層112上に、下部配線層113と、SiO2層114とが順に積層されて形成されている。下部配線層113は、GaAsブロック101に通電を行うために設けられ、Cu,Au等の導電性材料により形成される。SiO2層114は、下部配線層113上に積層される絶縁層であり、Si基板111の上面部分を形成している。
また、SiO2層114には、GaAsブロック101を個別に収容可能な大きさで開口する複数のリセス部115が所定間隔を配して形成されている。また、リセス部115の底面部には下部配線層113が露出しており、リセス部115内に収容されたGaAsブロック101の下部電極105が下部配線層113に物理的に接触して電気的接続が図られる構造となっている。
【0045】
尚、上記説明では、先にGaAsブロック101へ下部電極105を形成することとしたが、Si基板111のリセス部115へ収容させた後、下部電極105を作製するようにしてもよい。例えば、エッチングによりGaAsブロック101の上部表面側から下側の層に向かって孔を形成した後、下側表面に下部電極105を形成する。この場合、下部電極105と電気的に接続される電気配線は、上部電極と同様に、Si基板111の上面側に設けることができるので、下部配線層113は不要となる。
【0046】
また、各リセス部115は、図3(c)に示すように、GaAsブロック101の平面形状(図3(a))に整合するように開口している。すなわち、各リセス部115内周の輪郭は、平面視略正方形を呈し、その略正方形の一辺には中心に対して右寄りの位置に凸部115aが形成されている。従って、GaAsブロック101は、n型GaAs層101bを上側にし、且つp型GaAs層101aを下側にした状態となっている場合にのみ、各リセス部115内に収容可能となっている。
ここで、Si基板111における各リセス部115は、図5に示す各工程を経て形成される。まず、SiO2層114上に、各リセス部115として開口形成される部分以外にフォトレジストを塗布し、露光することによりマスク部116aを形成する(図5(a)、(b))。そして、SiO2層114の非マスク部116bをCF4等のドライエッチングにより下部配線層113に達するまで取り除き、さらにマスク部116aをアセトン、又はリムーバにて溶解除去することにより、Si基板111におけるリセス部115の加工が完了する。
【0047】
次に、微小部品配置装置1を用いてGaAsブロック101をSi基板111上に配置するための各工程及び各部の作用について図1及び図3を参照しつつ説明する。
まず、Si基板111を、リセス部115が形成された上面を上に向け且つ所定角度(例えば、水平方向に対して12度程度)に傾斜させた姿勢で、メタノールを貯留する容器2内に設けられた基板ホルダ5に取付ける(図1参照)。また、容器2内のメタノール中には、予め、多数のGaAsブロック101を投入しておく。
【0048】
このような状態でポンプ4を作動させると、第二配管部3bに窒素ガスの気泡が送り込まれることにより第二配管部3b内のメタノールが第三配管部3c側に向かって流動し始める。そして、配管3内をメタノールと共に多数のGaAsブロック101が流体輸送されて第三配管部3c先端の吐出口3dから放出されることにより、傾斜配置されたSi基板111(図1では基板11、以下同様)の高い側に保持された上方側端部111H(図1では端部11H、以下同様)近傍の上方に散布されてメタノール中を落下していく。Si基板111上に落下したGaAsブロック101は、重力により、上方側端部111Hから低い側に保持された下方側端部111L(図1では端部11L、以下同様)に向かって滑落する。このとき、Si基板111の上面が滑り易いSiO2により形成されているので、GaAsブロック101はSi基板111上を円滑に滑落する。そして、多数のGaAsブロック101がSi基板111上を滑落する過程において、一部のGaAsブロック101が、いずれかのリセス部115により個別に捕捉・収容されてファンデルワールス力によりリセス部115内に固着する(図3、図4参照)。
【0049】
ここで、上述したように、GaAsブロック101は反転対称性をもたない平面形状を有する平板ブロック状をなしており、且つSi基板111上のリセス部115はGaAsブロック101の平面形状に整合するように開口しているので、各GaAsブロック101は、常に、n型GaAs層101b側を上向きとし且つp型GaAs層101aを下向きとする所定の向き(すなわち、表裏が正しい状態)で自己整合的に各リセス部115内に収容される。
また、基板ホルダ5下面側に装着された音波振動子6によりSi基板111に音波振動が与えられることにより、GaAsブロック101のSi基板111上における滑落移動がより円滑化され、且つリセス部115に捕捉される確率(GaAsブロック101の充填効率)の向上が図られるようになっている。
【0050】
一方、GaAsブロック101が裏返し、すなわち、p型GaAs層101a側が上向きで且つn型GaAs層101b側が下向きに反転した状態でSi基板111上を滑落する場合は、GaAsブロック101の平面形状とリセス部115内周の輪郭形状とが整合しないため、GaAsブロック101はリセス部115内に捕捉・収容されない。そして、リセス部115において捕捉されなかったGaAsブロック101は、傾斜配置されたSi基板111の下方側端部111Lより漏斗状の容器底部2aに落下して第一配管部3a内に吸い込まれ、第二配管部3bを介して上方の第三配管部3cへメタノールによって流体輸送されることにより循環・再利用される。
【0051】
このようにGaAsブロックが各リセス部115内に収容・配置された後、下部電極105と下部配線層113との接着や図示しない上部電極の形成及び接続等の必要な処理が行われることにより、所望の構成を有する基板装置が作製される。
上述したことから明らかなように、本実施形態によれば、GaAsブロック101は、厚さ方向に特殊な形状を設けることなく基板上に自己整合的に配置することができるので、従来技術において厚さ方向にテーパ状を形成する場合のように特殊な異方性エッチングを用いて加工する必要がなく、一般的なエッチング処理等によりGaAsブロックを容易に加工することができる。これにより、GaAsブロック等の微小部品が搭載される基板の製造工数及びコストを大幅に低減することが可能となる。
【0052】
また、従来のFSA法では、厚さ方向をテーパ形状とすることにより上下の向きを判別可能とするために、例えば、微小部品が平面視正方形状の場合には1辺の長さ100μmに対して、厚さを30μm程度以上(つまり、長さに対して厚さが約3分の1以上)とする必要があったが、本実施形態では、強度が許す限り微小部品を薄型とすることができる。例えば、微小部品の平面形状を正方形状とした場合、1辺の長さ100μmに対して厚さ4μm程度、また、1辺の長さ25μmに対して厚さ1μm程度の平板状ブロックを、本実施形態の配置方法により基板上に良好に配置可能であることが、本発明者らによる実験によって確認されている。
従って、本実施形態によれば、1辺の長さ(平面形状が正方形の場合)又は直径(平面形状が円形の場合)を10〜数100μm程度に、厚さを長さ又は直径の10分の1程度にそれぞれ設定した薄型の平板状ブロックを、基板上に自己整合的に配置することが可能となる。
【0053】
次に、本発明の第一の実施形態の第一の変形例について図6を参照しつつ説明する。尚、第一の実施形態と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
本変形例では、図6(a)に示すように、GaAsブロック121の一辺において中心から一方の頂点側へ寄った位置に切り欠き部121aを設けて反転対称性をもたない平面形状に整形されるのに加えて、平面内の一方向に尖った形状を有する尖形部121bを更に設けることにより、全体を略ホームベース状に形成した点を特徴とする。尚、図6(b)は、GaAsブロック121を反転させた状態を示す平面図であり、図6(a)とは形状が一致しないことから、GaAsブロック121の平面形状が反転対称性をもたないことがわかる。
【0054】
また、本変形例のSi基板131は、図6(c)に示すように、上面に設けたリセス部135が、第一の実施形態と同様、GaAsブロック121の平面形状に整合するように開口している。すなわち、GaAsブロック121の尖形部121bに整合する輪郭形状を有する尖形部分135bが形成されている。さらに、複数形成されたリセス部135の各尖形部分135bがSi基板111上で一定方向を向くように形成されている。
このような構成を有する本変形例のGaAsブロック121とSi基板131とを用いて、微小部品配置装置1により本発明の配置方法を実施する。
まず、Si基板131を、各リセス部135の尖形部分135b側が低くなるように傾斜させて容器2内のメタノール中に配置してポンプ4の運転を開始する。
【0055】
GaAsブロック121は、第三配管部3cの放出口3dからメタノールと共に散布されてSi基板131上に落下し、さらにメタノールによる流体抵抗の作用により徐々に尖形部121b側を、傾斜配置されたSi基板131の低い側へ方向を変えながら滑落していく。ここで、上述したように各リセス部135は尖形部分115bが低い側に向けられ、GaAsブロック121の向きとリセス部135の向きとが一致するため、GaAsブロック121は、効率的にリセス部135に捕捉・収容される(図6(b))。
【0056】
次に、第一の実施形態の第二の変形例について、図7を参照しつつ説明する。本変形例は、図7(a)に示すように、GaAsブロック141の平面形状を、頂角が底角よりも小さい二等辺三角形状としたものである。本変形例のGaAsブロック141では、底辺141aに対向する頂点141bにおいてメタノールに対する流体抵抗が相対的に小さいので、GaAsブロック141における頂点141bを、傾斜配置されたSi基板151の下方側端部151Lに向けながら滑落していく。従って、各リセス部155における頂点141bに整合して開口する側が低くなるようにSi基板151を傾斜配置することにより、GaAsブロック141の平面内における向きとリセス部155の向きとが一致するため、GaAsブロック141は、効率的にリセス部155に捕捉・収容される(図7(b))。
【0057】
次に、第一の実施形態の第三の変形例について、図8を参照しつつ説明する。本変形例は、本発明を3種類のLEDブロックを基板上に配置したフルカラーLEDディスプレイ基板の製造に適用したものである。
微小部品としての赤色GaAsブロック161R、緑色GaAsブロック161G、及び青色GaAsブロック161Bは、図8(a)に示すように、それぞれ互いに異なる平面形状を呈しており、且つ、反転対称性を有しない平面形状に形成されている。より詳細には、各GaAsブロック161R,161G,161Bは、ともに平面形状が略正方形状を呈しているが、一辺の中心からの距離が互いに異なる位置に切り欠き部161Ra、161Ga、161Baがそれぞれ形成されている。また、Si基板171上には、各色のGaAsブロック161R,161G,161Bの上面を上に向けた状態で整合するように3種類のリセス部175R,175G,175Bが所定配置パターンで開口形成されている。
【0058】
そして、予め、容器2のメタノール中に各色のGaAsブロック161R,161G,161Bを混在させて投入した後、ポンプ4の運転を開始する。すると、各GaAsブロック161R,161G,161Bは、第三配管部3cの放出口3dからメタノールと共に散布されてSi基板171上に落下し、さらに傾斜配置されたSi基板171上を滑落していく。ここで、各色のGaAsブロック161Rに対応するリセス部175Rに、GaAsブロック161Gはリセス部175Gに、GaAsブロック161Bはリセス部175Bのみにそれぞれ収容される。また、各色のGaAsブロック161R,161G,161Bは反転対称性をもたない平面形状となっているため、裏返しに反転した状態ではいずれのリセス部175R,175G,175Bにも収容されない。
【0059】
よって、本変形例によれば、フルカラーLEDディスプレイを構成する各色のGaAsブロック161R,161G,161Bを同一工程にて、それぞれSi基板171上の所定位置に自己整合的に整列配置することができる。
尚、GaAsブロック161R,161G,161Bを1種類ずつ容器2内に投入してSi基板171への配置工程を3回繰り返すようにしても構わないことは勿論である。
また、基板上に配置される微小部品の種類は、3種類には限られず、2種類又は4種類以上であっても構わない。要するに、微小部品が、互いに平面形状が異なる複数種類の平板状ブロックからなり、基板には複数種類の平板状ブロックの各平面形状にそれぞれ整合するように開口する複数種類のリセス部が形成されていればよいのである。
【0060】
次に、本発明の第二の実施形態について図9乃至10を参照しつつ説明する。本実施形態では、図10(a)に示すように、GaAsブロック201が平面視円形状の平板状ブロックをなし、その上面にGaAsブロック201とは形状の異なる構造物206が設けられて微小部品が構成されている。より詳細には、GaAsブロック201の上面に、フォトレジスト又は感光性ポリイミドからなるリング状若しくは枠状等の中空状の構造物206(以下、リング状構造物206と称する)が設けられることにより、凹状の窪みを有する突起状構造が形成されている。
【0061】
次に、本実施形態におけるGaAsブロック201及び構造物206の作製方法について、図9を参照しつつ説明する。
まず、GaAs基板202上にAlAs層203を0.5μmの厚さで積層し、さらにMOCVD法によりGaAsデバイス層204を4μm程度の厚さに成長させる(図9(a))。次に、GaAsデバイス層204より、円盤状のGaAsブロック201として残す部分以外を除去し、切り離し溝205を形成する(図9(b))。すなわち、GaAsブロック201の周囲となる部分にフォトレジストを塗布し、露光によるパターニングを行い、これをマスクとしてウェットエッチングを施すことによってAlAs層203に達する深さまでGaAs層204を削り取る。
【0062】
そして、エッチング後に残ったGaAsブロック201部分の上面に感光性ポリイミドを用いてリング状構造物206を積層形成する(図9(c))。あるいは、リング状構造物206をフォトレジストを用いて積層形成した場合には、後工程に耐えうるようにするため、例えば200℃で熱処理を施す。
次に、塩酸又はフッ酸により剥離層としてのAlAs層203を選択的にエッチングして分離することによりリング状構造物206が設けられたGaAsブロック201が完成する(図9(d))。尚、GaAsブロック201は、リング状構造物206が設けられた上面側がn型GaAs層201bであり、下面側がp型GaAs層201aとなるようにMOCVD法における成長過程においてドーピング処理が施されている。
【0063】
また、実装用基板としてのSi基板211に設けられたリセス部215は、円盤状のGaAsブロック201に整合するように円形状に開口する窪みとなっている。尚、リセス部215は、第一の実施形態と同様に一般的なエッチング処理により形成することが可能である。
このような構成を有する本実施形態のGaAsブロック201とSi基板211とを用いて、微小部品配置装置1により本発明における微小部品の配置方法を実施する。
【0064】
GaAsブロック201が容器2内のメタノール中に散布されると、図10(b)に示すように、メタノールとの摩擦作用によりGaAsブロック201はリング状構造物206を設けた面を上側に向けて落下していく。そして、Si基板211上に到達したGaAsブロック201は、Si基板211上を滑落する過程で、リング状構造物206を上側にしてリセス部215内に捕捉・収容される。また、リセス部215の底面がGaAsブロック201のp型GaAs層201a下面と同様に平坦状となっているため、リセス部215内に収容されたGaAsブロック201はファンデルワールス力によりSi基板211へ強固に固着する。
【0065】
尚、本実施形態によれば、大部分のGaAsブロック201を上下に正しい向きに揃えてSi基板211上に配置することができるのであるが、ある一定の確率で上下逆向きに配置されてしまうことが発生しうる。上述したようにGaAsブロック201がSi基板211へ固着するのは、ファンデルワールス力の働きによるものであるが、ファンデルワールス力の大きさはGaAsブロック201とSi基板211との接触状態によって異なる。
つまり、GaAsブロック201が正しい向き(リング状構造物206が上向き)でリセス部215に収容された場合、GaAsブロック201下面がリセス部215底面に密着するため、大きなファンデルワールス力が発生して強固に固着する。これに対し、GaAsブロック201が上下逆向き(リング状構造物206が下向き)にリセス部215内に収容された場合、GaAsブロック201とリセス部215底面との密着がリング状構造物206によって妨げられるため、発生するファンデルワールス力は小さく、GaAsブロック201のSi基板211に対する固着力は弱い。
【0066】
ここで、微小部品配置装置1は、基板ホルダ5の下面に音波振動を発生する音波振動子6を備えているので、GaAsブロック201の収容状態の違いにおける固着力の差を利用し、リセス部215内に上下逆向きに収容されたGaAsブロック201のみを音波振動により除去することができる。尚、音波振動は、振動強度を徐々に大きくしていった場合に逆向きに収容されたGaAsブロック201がリセス部215から離脱を開始する振動強度よりも大きく、且つ正しい向きで収容されたGaAsブロック201がリセス部215から離脱を開始する振動強度よりも小さく設定されることが好ましい。
【0067】
上述したことから明らかなように、本実施形態によれば、第一の実施形態と同様に、常に、GaAsブロック201を上下に正しい向き(すなわち、表裏が正しい状態)でSi基板211上のリセス部215内に収容させることにより、自己整合的に整列配置することができる。
また、リング状構造物206は、Si基板211上への配置後は不要となるが、フォトレジスト材料又はポリイミド等の有機物により形成されているので、酸素プラズマによるエッチング、アッシングなどにより簡単に除去することができるので、後工程への障害とはならない。
【0068】
但し、リング状構造物206が残存しても問題が生じない場合には、リング状構造物206を金属等の材料により形成してもよく、あるいはGaAsブロック201自体の上面を凹状構造に加工しても構わない。
次に、第二の実施形態の種々の変形例について、図11乃至13を参照しつつ説明する。
第一の変形例は、図11(a)に示すように、円盤状のGaAsブロック201の上面に設けられたリング状構造物226の一部分に径内方向から径外方向に至る切り欠き部226aを形成したものである。
【0069】
本変形例の微小部品(すなわち、構造物226を設けたGaAsブロック201)をメタノール中に設置されたSi基板211上に散布すると、図11(b)に示すように、第二の実施形態と同様にリング状構造物226を上向きにしてSi基板211上に到達する。そして、Si基板211上を滑落する間に、流体としてのメタノールの摩擦作用により切り欠き部226aが傾斜配置されたSi基板211の上方側端部211Hを向くように方向を変えつつリセス部215内に収容されていく。従って、GaAsブロック201を円盤状に形成しつつ、平面内における向きを揃えて配置することができる(図11(b))。
また、第二の変形例では、図12(a)に示すように、GaAsブロック241を平面視長方形の平板ブロック状に形成するとともに、上面の長手方向一端部に直方体状の構造物246を設けた微小部品なっている。また、Si基板251上面にはGaAsブロック241の平面形状に整合するように平面視長方形状に開口するリセス部255が形成されている。
【0070】
本変形例のGaAsブロック241をメタノール中に設置されたSi基板251上に散布すると、第二の実施形態と同様に直方体状の構造物246を上向きにしてメタノール中を落下してSi基板251上に到達する。そして、Si基板251上を滑落する間に、流体としてのメタノールの摩擦作用により直方体状の構造物246が、傾斜配置されたSi基板251の上方側端部211Hを向くように方向を変えていく。換言すれば、構造物246が設けられていない流体抵抗が相対的に小さい側を下方側に向けてSi基板251上を滑落する。従って、GaAsブロック241を上下に正しい向きとし、且つ、平面内における向きを揃えてリセス部255内に収容させて、基板上に整列配置することができる(図12(b))。
尚、構造物246の形状は、円柱状等の直方体状以外のいかなる形状に構成することも可能である。
【0071】
また、図13(a)〜(c)にそれぞれ示す第三〜第五の変形例も第二の変形例と同様の作用・効果を奏するものである。すなわち、平面視長方形状のGaAsブロック241の上面には流体抵抗が平面内の一方向において小さくなるように設定された突起状の構造物266,276,286がそれぞれ設けられて微小部品が構成されている。そして、各変形例において、微小部品配置装置1を用いて本発明の方法を実施すると、GaAsブロック241は、構造物266(又は276,286)が設けられて流体抵抗が相対的に大きい上面を上向きにしてメタノール中を落下するとともに、GaAsブロック241の平面内においてメタノールに対する流体抵抗が相対的に小さい側を、傾斜配置されたSi基板の下方側端部251Lに向けて滑落していく(図13(a)〜(c)で滑落方向を矢印にて示す)。従って、第二の変形例と同様に、GaAsブロック241を上下に正しい向きとし、且つ、平面内における向きを揃えてリセス部255内に収容させて、Si基板251上に整列配置することができる。
【0072】
また、図13(d)に示す第六の変形例は、GaAsブロック241を平面視長方形の平板ブロック状に形成するとともに、GaAsブロック241の上面部分を覆うようにGaAsブロック241よりも長さ及び幅が大きく設定された平板状の構造物296を設けることにより微小部品を構成したものである。本変形例では、構造物296が設けられた面において流体抵抗が相対的に大きくなるため、構造物296が設けられた上面を上向きにしてメタノール中を落下し、常に、GaAsブロック241を上下に正しい向きでSi基板251上に配置することができる。また、リセス部255の開口を平板状の構造物296の平面形状と略一致する大きさに形成することにより、リセス部255の開口より一回り小さい平面形状を有するGaAsブロック241との間にクリアランスが確保されるので、GaAsブロック241は構造物296が設けられていない下面側がリセス部255内に円滑に収容される。
【0073】
ここで、本変形例では、GaAsブロック241の長手方向両端部における構造物296の形状が同一であるため、メタノールに対する流体抵抗の大きさが同一であり、GaAsブロック241の長手方向における向きを選択的に配置することができない。よって、本変形例は、GaAsブロック241の長手方向における向きが任意である場合に適している。一方、本変形例は、構造物296の形状が極めて単純であるため、加工が容易であるという利点がある。
尚、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【0074】
例えば、前記各実施形態では、微小部品としてのLEDブロック(GaAsブロック)をSi基板上に自己整合的に配置する例を示したが、単なる例示に過ぎず、微小な半導体チップ等の他のいかなる微小な電子部品(直径又は1辺の長さが10〜数100μm程度)を、Si基板以外の他のいかなる基板上に配置する場合にも適用可能である。例えば、レーザダイオード、VCSELなどの他の発光素子や、HEMT、HBT、RTD、抵抗素子、ピエゾ素子等の電子部品を基板上に配置する場合にも本発明を適用することができる。また、本発明の微小部品の配置方法による応用製品としては、LEDディスプレイ、ピエゾ素子アレー、OE−IC(Opto−Electronic IC)等が考えられる。
【0075】
また、前記実施形態では、容器2内に貯留されたメタノール中にて微小部品を落下させるようにしたが、メタノール以外の種々の流体を用途に応じて適宜選択して使用することが可能である。
また、前記各実施形態では、基板ホルダ5下面に音波振動を発生する音波振動子6を設ける構成としたが、超音波振動を発生する超音波振動子を設ける構成としても良い。
また、Si基板111等においてリセス部115の内壁を形成するSiO2は、微小部品のリセス部115内への収容後にエッチング等の処理を施すことにより除去しても構わない。
【0076】
また、第一の実施形態の第一の変形例ではGaAsブロック121の平面形状を、第二の実施形態の第四の変形例では、GaAsブロック241上面に設けられた構造物276の形状をそれぞれ尖形状に形成したが、紡錘型や流線形状等に形成しても構わない。要するに、GaAsブロックと平行な平面内の一方向において流体抵抗を相対的に小さくする所定形状に形成すればよい。
また、第二の実施形態等では、GaAsブロックの一方の面に構造物を設けることにより流体抵抗が上面側で相対的に大きく、下面側で相対的に小さくなるように構成したが、微小部品自体の形状を加工してもよい。
【0077】
また、前記各実施形態では、微小部品としての平板状ブロックの上面と下面、あるいは平面内の方向において流体抵抗を異ならせることにより、平板状ブロックの流体中における落下あるいは基板上における滑落時に一定の向きとするようにしたが、浮力等の流体に対する他の物理的特性を上下の面あるいは平面内で異ならせるようにしてもよい。
また、前記各実施形態で示した微小部品としての平板状ブロックの平面形状は単なる例示に過ぎず、用途に応じて種々の形状を採用することが可能である。
【0078】
また、前記各実施形態では、窒素ガスの気泡により流体(すなわち、メタノール)中の微小部品を微小部品配置装置1内で循環させる構成としたが、配管部の一部を熱して流体の熱対流を発生させて循環させるように構成してもよい。さらに、微小部品を循環させるための特殊な構成を設けることなく、単に微小部品を実装用基板の上方から散布して微小部品を下流側へ流した後、これらを回収し、その後、回収した微小部品を再散布するというバッチ処理的な方法を採用しても構わない。
【0079】
また、リセス部を有するSi基板111の作製は、上述した図5に示す方法には限られず、例えば、図14に示す他の方法により行うことも可能である(但し、当該他の方法では下部配線層113を設けないものとする)。まず、Si層112上にSiO2層114を所定の厚さで形成する(図14(a),(b))。次に、SiO2層114上にレジストを塗布する(図14(c))。続いて、リセス部115となる部分以外のレジストを露光・現像する(図14(d))。レジストが積層されていない部分のSiO2層114及びSi層112を所定の深さまでドライエッチングにより除去し、凹状の窪みを形成する(図14(e))。そして、アセトン又はリムーバによりレジストを除去することにより、Si基板111におけるリセス部115の加工が完了する(図14(f))。尚、図14(b)で所定の厚さのSiO2層114を形成する代わりに、ポリイミド層を所定の厚さで形成し、ポリイミド層の表面のみにSiO2層を形成するようにしてもよい。いずれの場合も、Si基板111の少なくとも表面部分がSiO2となっているので、微小部品(平板状ブロック)の滑り易さを確保することができる。
【0080】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、微小部品を平板状に形成しつつ上下方向あるいは平面内の一方向において常に所定の向きで基板上のリセス部内に収容させることにより、微小部品を基板上に自己整合的に配置することができるという効果を奏する。また、微小部品の平面形状及び基板のリセス部の開口形状を一般的なエッチング処理等により加工できるので、微小部品が実装された基板装置を容易且つ安価に製造することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明における微小部品の配置方法を実施するための微小部品配置装置の全体構成を示す模式的説明図である。
【図2】 第一の実施形態におけるGaAsブロックの作製方法を示す説明図である。
【図3】 (a)は第一の実施形態におけるGaAsブロックの平面図であり、(b)はGaAsブロックを反転させた時の平面図、(c)はGaAsブロックがSi基板のリセス部に捕捉・収容される様子を示す斜視説明図である。
【図4】 第一の実施形態におけるGaAsブロック及びSi基板の縦断面構造を示す断面説明図であり、(a)、(b)はそれぞれGaAsブロックがリセス部に収容される前後の状態を示している。
【図5】 Si基板にリセス部を形成するための各工程を示す断面説明図である。
【図6】 (a)は第一の実施形態の第一の変形例におけるGaAsブロックの平面図であり、(b)はGaAsブロックを反転させた時の平面図、(c)はGaAsブロックがSi基板のリセス部に捕捉・収容される様子を示す斜視説明図である。
【図7】 (a)は第一の実施形態の第二の変形例におけるGaAsブロックの外観斜視図であり、(b)はGaAsブロックがSi基板のリセス部に捕捉・収容される様子を平面視にて示す説明図である。
【図8】 (a)は第一の実施形態の第三の変形例におけるGaAsブロックの平面図であり、(b)はGaAsブロックがSi基板のリセス部に捕捉・収容される様子を平面視にて示す説明図である。
【図9】 第二の実施形態におけるGaAsブロックの作製方法を示す説明図である。
【図10】 (a)は第二の実施形態におけるGaAsブロックの外観斜視図であり、GaAsブロックがSi基板のリセス部に捕捉・収容される様子を示す斜視説明図である。
【図11】 (a)は第二の実施形態の第一の変形例におけるGaAsブロックの外観斜視図であり、(b)はGaAsブロックがSi基板のリセス部に捕捉・収容される様子を示す斜視説明図である。
【図12】 (a)は第二の実施形態の第二の変形例におけるGaAsブロックの外観斜視図であり、(b)はGaAsブロックがSi基板のリセス部に捕捉・収容される様子を平面視にて示す説明図である。
【図13】 第二の実施形態の種々の変形例を示す外観斜視図であり、(a)は第三の変形例を、(b)は第四の変形例を、(c)は第五の変形例を、(d)は第六の変形例をそれぞれ示している。
【図14】 Si基板にリセス部を形成するための他の方法における各工程を示す断面説明図である。
【図15】 従来技術におけるGaAsブロック及びSi基板の縦断面構造を示す断面説明図である。
【図16】 従来技術においてFSA法を実施するための装置の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
10…微小部品(平板状ブロック)、101,121,141,161R,161G,161B,201,241…GaAsブロック(微小部品、平板状ブロック、電子部品、半導体チップ、発光素子)、11…基板、111,131,151,171,211,251…Si基板(基板)、115,135,155,175R,175G,175B,215,255…リセス部、206,226,246,266,276,286,296…構造物。
Claims (6)
- 上面に開口形成された少なくとも一つのリセス部を有する基板を流体中に設置し、前記基板の上方から微小部品を散布して前記リセス部内へ個別に収容させることにより微小部品を自己整合的に配置する方法であって、
前記微小部品は、反転対称性をもたない平面形状を有する平板状ブロックからなり、前記基板のリセス部は、前記平板状ブロックの平面形状に整合するように開口し、
前記平板状ブロックには、その平板状ブロックと平行な平面内の一方向において前記流体に対する流体抵抗を相対的に小さくする所定形状が形成され、
前記基板は、前記所定形状部分に整合する前記リセス部の開口部分を下方側に向けて傾斜配置されることを特徴とする微小部品の配置方法。 - 前記所定形状は、尖形状、紡錘状、又は流線形状のいずれかの形状であることを特徴とする請求項1に記載の微小部品の配置方法。
- 前記微小部品は、互いに平面形状が異なる複数種類の平板状ブロックからなり、前記基板には前記複数種類の平板状ブロックの各平面形状にそれぞれ整合するように開口する複数種類のリセス部が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の微小部品の配置方法。
- 前記微小部品は、電子部品であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の微小部品の配置方法。
- 前記電子部品は、半導体チップであることを特徴とする請求項4に記載の微小部品の配置方法。
- 前記半導体チップは、発光素子であることを特徴とする請求項5に記載の微小部品の配置方法。
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