JP4701537B2 - 素子の転写方法及び画像表示装置の製造方法 - Google Patents

素子の転写方法及び画像表示装置の製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子などの素子を転写する素子の転写方法に関するものであり、さらには、この転写方法を応用して微細加工された素子をより広い領域に転写する素子の配列方法、および画像表示装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
各種製品の小型化、高機能化に伴い、それを構成する内部素子の小型化、高集積化が急速に進んでいる。それに伴い、実装技術においても、微細な素子の取り扱い、あるいは超並列実装などの点で変革が求められている。例えば、数百万個の微細な(例えば300μm角の)液晶素子を各画素とし、それをひとつづつ並べてディスプレイ装置として組み上げる研究が行われているが、従来の実装技術では素子が小さすぎるため取り扱いが困難であるし、また素子の数が多いために膨大な実装コストを要し現実的ではない。
【0003】
そこで各素子を集積度高く形成し、各素子を広い領域に転写などによって離間させながら移動させ、画像表示装置などの比較的大きな表示装置を構成する技術が開発されており、例えば米国特許5438241号に記載される薄膜転写法や、特開平11-142878号に記載される表示用トランジスタアレイパネルの形成方法などの技術が知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような転写技術により画像表示装置を製造する場合、転写対象となる素子のみが選択的に、且つ確実に転写される必要がある。また、効率的な転写、精度の良い転写も要求される。
【0005】
例えば、第一基板上に並べて形成された複数の素子を第二基板上に転写する場合、第一基板上において転写対象となる素子の位置を正確に把握し、これを確実に第二基板上に転写する必要がある。これを実現するためには、各素子の中にアライメントマークを形成するか、若しくは各素子の形状自体をアライメントマークとして各素子の位置決めして転写することが考えられる。
【0006】
しかしながら、前記方法のうち、素子の中に形成されたアライメントマークを用いる場合には、各素子の中に本来の機能には不必要なアライメントマークを形成しなければならず、その大きさの分だけ素子を形成する際に有効に使われる面積が小さくなるため製作コストが増大し、また素子自体も大型化するため製品の小型化が妨げられるという問題が生ずる。一方、各素子の形状自体をアライメントマークとする場合には、素子の形状が制約されるために素子本来の機能を設計する際に制約が生じ、設計に要するコストが増大する。
【0007】
また、いずれの場合においても各素子の大きさが小さくなるほど個々の認識が困難になり、位置決めに高価な装置を必要とする。特に、各素子の大きさが100μm程度以下になると、個々の素子を認識して転写する方法は現実的でない。さらに、大量の素子を個別に転写する場合、個々の素子のアライメントマークあるいは形状を認識しながら転写を行うと、極めて時間を要する工程となり、生産性を大きく損ない製造コストも著しく増大する。
【0008】
本発明は、かかる従来の実情に鑑みて提案されたものであり、素子本来の機能や形状を制限することなく素子を位置決め可能とし、高速且つ安価に素子を転写することが可能な素子の転写方法を提供することを目的とする。また、本発明は、例えば100μm以下の微細な素子でも容易に精度良く転写することが可能な素子の転写方法を提供することを目的とする。さらには、基板上の素子のうち転写対象となる素子のみを確実に転写することができ、効率的且つ精度良く素子を拡大転写することが可能な素子の配列方法、画像表示装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明の素子の転写方法は、第一基板上に配列された素子を第二基板上に転写する転写方法において、上記第一基板上の素子が形成されていない領域に位置合わせ用のアライメントマークを素子の形成と同時に形成し、当該アライメントマークを位置合わせの基準として素子を第二基板上に転写することを特徴とする。
【0010】
上記転写方法においては、上記アライメントマークを基準として各素子の転写が行われるので、精度の高い転写が実現される。このとき、各素子にアライメントマークを形成する必要がなく、各素子は本来の機能に必要な大きさで済む。また、転写の際に各素子の形状を認識する必要がなく、各素子の形状に制約が生ずることもない。さらに、アライメントマークの大きさには制約がなく、これを基準にすれば個々の検出が困難な微細な素子であっても容易に転写される。
【0011】
また、本発明の素子の配列方法は、第一基板上に配列された複数の素子を第二基板上に配列する素子の配列方法において、前記第一基板上で前記素子が配列された状態よりは離間した状態となるように前記素子を転写して一時保持用部材に該素子を保持させる第一転写工程と、前記一時保持用部材に保持された前記素子をさらに離間して前記第二基板上に転写する第二転写工程を有し、上記第一転写工程においては、上記第一基板上の素子が形成されていない領域に位置合わせ用のアライメントマークを形成し、当該アライメントマークを位置合わせの基準として素子を一時保持用部材上に転写することを特徴とするものである。上記配列方法においては、上記転写方法の利点をそのままに、素子の転写が効率的且つ確実に行われるので、素子間の距離を大きくする拡大転写を円滑に実施することができる。
【0012】
さらに、本発明の画像表示装置の製造方法は、発光素子をマトリクス状に配置した画像表示装置の製造方法において、第一基板上で発光素子が配列された状態よりは離間した状態となるように前記発光素子を転写して一時保持用部材に前記発光素子を保持させる第一転写工程と、前記一時保持用部材に保持された前記発光素子をさらに離間して第二基板上に転写する第二転写工程と、前記各発光素子に接続させる配線を形成する配線形成工程とを有し、上記第一転写工程においては、上記第一基板上の発光素子が形成されていない領域に位置合わせ用のアライメントマークを形成し、当該アライメントマークを位置合わせの基準として発光素子を一時保持用部材上に転写することを特徴とするものである。
【0013】
上記画像表示装置の製造方法によれば、上記転写方法、配列方法によって発光素子がマトリクス状に配置され、画像表示部分が構成される。すなわち、密な状態すなわち集積度を高くして微細加工を施して作成された発光素子を、効率よく、且つ精度良く離間して再配置することができ、生産性が大幅に改善され製造コストも削減される。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した素子の転写方法、及び素子の配列方法、画像表示装置の製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。先ず、基本となる素子の転写方法について詳述する。ここでは、サファイア基板(第一基板)上のGaN発光素子を、紫外線(UV)硬化性接着剤を塗布した第二基板に離間して転写し固定する場合を例にして説明する。
【0015】
転写に際しては、先ず、素子が形成された第一基板と、UV硬化性接着剤を塗布した第二基板とを用意する。第一基板としては、例えばサファイア基板を用い、この上に例えばGaN系の発光層を結晶成長させる。選択成長により素子を形成する場合には、サファイア基板上に選択的に成長したGaN系の発光層がそのまま素子として使用される。このとき、サファイア基板の不要部分(素子が成長形成されない領域)にも例えば十字のパターンを成長させ、これをアライメントマークとする。GaN系の発光層を全面に成長させる場合には、成長後、例えば反応性イオンエッチング(RIE)などの手法により発光層をエッチングし、各素子に分離する。この各素子に分離する工程において、同じく素子が形成されない領域の発光層に十字のパターンをエッチングし、これをアライメントマークとする。
【0016】
図1は、素子が形成された第一基板の一例を示すものである。図示の通り、第一基板(サファイア基板)1上には、所定形状(ここでは矩形状)のGaN系発光層が素子2として配列形成されている。素子2は図1(b)に示すようにマトリクス状に配列されており、本例ではその配列数は12個×9個である。また、上記第一基板1の素子2が形成されない領域には、十字のパターンがアライメントマーク3として形成されている。このアライメントマーク3は、上記選択成長により形成した場合には、GaN系発光層が十字形状に成長したパターンとして、また全面成長及びエッチングにより形成した場合には、GaN系発光層が十字形状にエッチングされずに残ったパターンとして形成されている。いずれの場合にも、上記アライメントマーク3は、第一基板1の裏面側から透過して観察したときに、そのエッジをはっきりと認識することができる。一方、第二基板には、第一基板1と同様に例えばサファイア基板を用い、この上にUV硬化性接着剤を例えばスピンコートなどにより塗布しておくが、ここでは図示は省略する。
【0017】
上記第一基板1上の素子2を第二基板上に転写するには、レーザ照射によるレーザアブレーションを利用する。レーザアブレーションは、レーザ光を吸収した物質の急激な体積増加を利用して剥離する方法である。例えば、一般に、高分子物質は紫外光の吸収効率が高く、紫外線レーザを照射することで効率的にアブレーションを起こすことが知られている。素子2がGaN系材料などの窒化物半導体からなる半導体素子である場合、レーザ光の照射によって素子2と第一基板1の界面でGaN系材料に含まれる窒素がガス化し、素子2は第一基板1から分離される。
【0018】
本例では、転写対象となる素子2に対応して開口部を形成したマスクを用い、第一基板1の裏面側からこのマスクを介してレーザ光を照射し、転写対象となる素子にのみ上記のレーザアブレーションを起こし、第一基板1から剥離して第二基板上に転写し、第二基板上のUV硬化性接着剤を硬化してこれを固定する。
【0019】
図2は、用いるマスクの一例を示すものである。マスク4は、第一基板1との最初の位置合わせ(原点出し)のためのアライメントマーク5と、第一基板1上の転写対象となる素子2にのみ選択的にエキシマレーザを照射するための開口部6とを有する。本例は、横方向に4倍に転写、縦方向に3倍に転写する場合のマスクの例である。第一基板1上の図中破線で囲まれる12個の素子2が、マスク4の開口部6のうち図中左上の開口部6Aを通過するエキシマレーザによって1つずつ第一基板1から選択的に剥離される。
【0020】
上記マスク4を用いて第一基板1上の素子2を第二基板上に転写するには、実施に際しては、例えばこれらの相対位置を調整し、レーザ照射と紫外線照射を同時に行う転写装置を用いる。転写装置は、例えば図3に示すように、第一基板1をセットする第一ステージ11、第二基板7をセットする第二ステージ12、マスク4をセットするマスクステージ13を備え、さらにはエキシマレーザを照射する光学系及びUV照射手段を備える。
【0021】
ここで、第一ステージ11は、GaN系発光層からなる素子2が形成された面が図中下向きになるようにして上記第一基板1を真空吸着し、これを固定するものである。第二ステージ12は、第二基板7のUV硬化性接着剤形成面が図中上向きになるようにして真空吸着し、これを保持するものであり、上記第一ステージ11に固定された第一基板1との相対位置(x,y方向)及び距離(z方向)を変更する位置調整機構を有する。マスクステージ13は、マスク4を真空吸着して保持するものであり、やはり上記第一ステージ11に固定された第一基板1との相対位置(x,y方向)及び距離(z方向)を変更する位置調整機構を有する。
【0022】
エキシマレーザを照射する光学系は、レーザ光源(図示は省略する。)からのエキシマレーザの向きを変更する反射ミラー14、マスクパターンを縮小投影するレンズ群15、アライメントマークを検出するためのマーク検出機構16、このマーク検出機構16に対応して設置されるハーフミラー17とから構成される。この光学系により、マスク4のマスクパターンに応じてエキシマレーザが第一基板1の裏面側から素子2に照射される。また、上記マーク検出機構16により、上記第一基板1上のアライメントマークと上記マスク4のアライメントマークとを検出し、第一基板1とマスク4の最初の位置合わせ(原点出し)を行う。
【0023】
上記転写装置を用いて第一基板1上の素子2を第二基板7上に転写するが、以下、その手順について説明する。転写に際しては、先ず、マスク4をマスクステージ13にセットし、第一基板1、第二基板7を第一ステージ11、第二ステージ12にそれぞれセットする。そして、第二ステージ12を調整して、第一基板1と第二基板7の相対位置(x,y,z方向)を調整する。
【0024】
次に、第一基板1とマスク4との位置合わせを行う。このとき、マスク4に形成された開口部6によって第一基板1から剥離される素子2が決まるので、これらを高精度に位置合わせする必要がある。例えば、マスク4の開口部6の位置が転写されるべき素子2の位置とずれている場合、他の素子2が不用意に剥離されたり、複数の素子2が剥離されるなどの不都合が生ずる。そこで、上記第一基板1上に形成されたアライメントマーク3と、マスク4に形成されたアライメントマーク5をマーク検出機構16によって検出しながら、これらが一致するように第一基板1とマスク4を高精度に位置合わせする。第一基板1とマスク4の位置合わせは、このとき一度だけ行えばよく、以下の工程はこの位置を基準(原点)として行う。
【0025】
上記位置合わせの後、これを原点として、1)マスクステージの移動、2)エキシマレーザの照射による素子の剥離、3)UV照射による第二基板上のUV硬化性接着剤の硬化(剥離された素子の保持)、4)第二基板の交換(移動)という一連の工程を繰り返し行い、第一基板に配列された全ての素子を複数の第二基板上、あるいは第二基板の異なる領域上に離間して転写する。
【0026】
これら一連の工程を図4を参照して説明する。図4に示すように、第一基板1上の素子2を第二基板7上に拡大転写するには、第一基板1上に配列される素子2のうち転写対象となる素子2のみにエキシマレーザを照射し、これを剥離するとともに、第二基板7上のUV硬化性接着剤層8にUV光を照射してこれを硬化し、転写された素子2を固定する。図4(a)は、第1のステップとして第一基板1上の素子2Aのみを選択的に転写する工程を示している。先の転写装置において、アライメントマークを用いて正確に第一基板1とマスク4の位置合わせを行っているので、この第1のステップでは、マスク4の開口部6を通過したエキシマレーザは、転写対象となる素子2Aにのみ照射される。その結果、第一基板1と素子2Aの界面でレーザアブレーションが起こり、素子2Aが第一基板1から剥離されて第二基板7上に転写される。
【0027】
第2のステップでは、図4(b)に示すように、マスク4を素子1つ分だけ移動し、レーザアブレーションによる転写を行う。このマスク4の移動は、上記最初の位置合わせ(原点出し)位置を基準にして機械的に行う。また、このとき第二基板7は、新たな基板に交換する。あるいは、第二基板7として第一基板1よりも面積の大きなものを用い、第1のステップとは異なる領域を第一基板1と対向させる。この第2のステップで転写されるのは、図4(b)に示す通り、隣接する素子2Bである。
【0028】
次いで、図4(c)に示す第3のステップ、図4(d)に示す第4のステップを行う。これら第3のステップや第4のステップにおいても、先の第2のステップと同様、マスク4を素子1つ分ずつ移動し、レーザアブレーションによる転写を繰り返す。第3のステップで転写されるのは素子2C、第4のステップで転写されるのは素子2Dである。以下、行を変えて同様のステップを繰り返す。
【0029】
図1に示す第一基板1では、第一基板1上の図中破線で囲まれる12個の素子2が、マスク4の開口部6のうち図中左上の開口部6Aを通過するエキシマレーザによって1つずつ第一基板1から選択的に剥離され、第二基板7上に転写される。この一連の操作を示すものが図5である。図5(A)に示すように第一基板1とマスク4の最初の位置合わせを行って素子2Aを転写した後、図5(B)〜図5(D)に示すように、マスク4を素子1つ分ずつ移動して素子2B、素子2C、素子2Dを順次転写する。次に、マスク4を図中下方に一行分ずらし、同様の転写を繰り返す。図5(E)〜図5(H)に示すステップでは、それぞれ素子2E、2F、2G、2Hが転写される。以下、同様のマスク4の移動を行い、図5(I)〜図5(L)に示すステップで、素子2I、素子2J、素子2K、素子2Lの転写を行う。以上により、横方向に4倍、縦方向に3倍の拡大転写が行われる。
【0030】
以上が本発明の基本的な転写方法の一例であるが、かかる転写方法によれば、各素子2にアライメントマークを形成する必要がないため、各素子2は本来の機能に必要な大きさで済み、材料を有効利用することができ、素子を形成する際の製作コストを低減することができる。また、素子2の小型化により、それを用いる製品自体の省資源化及び小型化を実現することができる。例えば、図6に示すように、各素子2の中にアライメントマークMKを形成すると、有効に使える面積は斜線領域に限られる。
【0031】
また、本発明の転写方法では、転写の際に各素子2の形状を認識する必要がないため、各素子2の形状に制約が生ずることはない。したがって、素子2の設計コストを低減することができる。例えば、図7に示すように、各素子2に切り込みKKを入れ、素子2の形状自体を検出し、すなわち上記切り込みKKをアライメントマークとして利用し転写を行う場合には、素子2の形状に制約が生ずる。
【0032】
さらに、本発明の転写方法では、アライメントマーク3がアライメントに必要な大きさをもっていれば良いので、通常の装置では検出が困難な100μm以下の極めて小さな素子であっても個々に転写することが可能である。また、大量の素子2を個別に転写する場合にも、個々の素子2の位置決めをせずに実施することが可能であるため、転写速度を向上し製作コストを低減することができる。
【0033】
なお、上記の例では、十字形状のアライメントマーク3を素子2とは別に形成しているが、図8に示すように、素子の配列自体をアライメントマークとして利用することも可能である。例えば、4つの素子S、S、S、Sを図8に示すように配置したときに、これらの素子のエッジで囲まれる領域(図中斜線領域)は、十字形状となる。そこで、この領域(素子S、S、S、Sのエッジ)をアライメントマークとして使用する。この場合、アライメントマークを別途形成する必要がなく、工程をさらに簡略化することができる。
【0034】
次に、上記転写方法の応用例として、二段階拡大転写法による素子の配列方法及び画像表示装置の製造方法について説明する。本例では、先ず、高集積度をもって第一基板上に作成された素子を第一基板上で素子が配列された状態よりは離間した状態となるように一時保持用部材に転写し、次いで一時保持用部材に保持された前記素子をさらに離間して第二基板上に転写する二段階の拡大転写を行う。なお、本例では転写を2段階としているが、素子を離間して配置する拡大度に応じて転写を三段階やそれ以上の多段階とすることもできる。
【0035】
図9は二段階拡大転写法の基本的な工程を示す図である。まず、図9の(a)に示す第一基板20上に、例えば発光素子のような素子22を密に形成する。素子を密に形成することで、各基板当たりに生成される素子の数を多くすることができ、製品コストを下げることができる。第一基板20は例えば半導体ウエハ、ガラス基板、石英ガラス基板、サファイア基板、プラスチック基板などの種々素子形成可能な基板であるが、各素子22は第一基板20上に直接形成したものであっても良く、他の基板上で形成されたものを配列したものであっても良い。
【0036】
次に図9の(b)に示すように、第一基板20から各素子22が図中破線で示す一時保持用部材21に転写され、この一時保持用部材21の上に各素子22が保持される。ここで隣接する素子22は離間され、図示のようにマトリクス状に配される。すなわち素子22はx方向にもそれぞれ素子の間を広げるように転写されるが、x方向に垂直なy方向にもそれぞれ素子の間を広げるように転写される。このとき離間される距離は、特に限定されず、一例として後続の工程での樹脂部形成や電極パッドの形成を考慮した距離とすることができる。一時保持用部材21上に第一基板20から転写した際に第一基板20上の全部の素子が離間されて転写されるようにすることができる。この場合には、一時保持用部材21のサイズはマトリクス状に配された素子12の数(x方向、y方向にそれぞれ)に離間した距離を乗じたサイズ以上であれば良い。また、一時保持用部材21上に第一基板20上の一部の素子が離間されて転写されるようにすることも可能である。
【0037】
このような第一転写工程の後、図9の(c)に示すように、一時保持用部材21上に存在する素子22は離間されていることから、各素子22毎に素子周りの樹脂の被覆と電極パッドの形成が行われる。素子周りの樹脂の被覆は電極パッドを形成し易くし、次の第二転写工程での取り扱いを容易にするなどのために形成される。電極パッドの形成は、後述するように、最終的な配線が続く第二転写工程の後に行われるため、その際に配線不良が生じないように比較的大き目のサイズに形成されるものである。なお、図9の(c)には電極パッドは図示していない。各素子22の周りを樹脂23が覆うことで樹脂形成チップ24(本発明の表示素子に相当する。)が形成される。素子22は平面上、樹脂形成チップ24の略中央に位置するが、一方の辺や角側に偏った位置に存在するものであっても良い。
【0038】
次に、図9の(d)に示すように、第二転写工程が行われる。この第二転写工程では一時保持用部材21上でマトリクス状に配される素子22が樹脂形成チップ24ごと更に離間するように第二基板25上に転写される。
【0039】
第二転写工程においても、隣接する素子22は樹脂形成チップ24ごと離間され、図示のようにマトリクス状に配される。すなわち素子22はx方向にもそれぞれ素子の間を広げるように転写されるが、x方向に垂直なy方向にもそれぞれ素子の間を広げるように転写される。第二転写工程のよって配置された素子の位置が画像表示装置などの最終製品の画素に対応する位置であるとすると、当初の素子22間のピッチの略整数倍が第二転写工程によって配置された素子22のピッチとなる。ここで第一基板20から一時保持用部材21での離間したピッチの拡大率をnとし、一時保持用部材21から第二基板25での離間したピッチの拡大率をmとすると、略整数倍の値EはE=nxmであらわされる。拡大率n、mはそれぞれ整数であっても良く、整数でなくともEが整数となる組み合わせ(例えばn=2.4でm=5)であれば良い。
【0040】
第二基板25上に樹脂形成チップ24ごと離間された各素子22には、配線が施される。この時、先に形成した電極パッド等を利用して接続不良を極力抑えながらの配線がなされる。この配線は例えば素子22が発光ダイオードなどの発光素子の場合には、p電極、n電極への配線を含み、液晶制御素子の場合は、選択信号線、電圧線や、配向電極膜などの配線等を含む。
【0041】
図9に示した二段階拡大転写法においては、第一転写後の離間したスペースを利用して電極パッドや樹脂固めなどを行うことができ、そして第二転写後に配線が施されるが、先に形成した電極パッド等を利用して接続不良を極力抑えながらの配線がなされる。従って、画像表示装置の歩留まりを向上させることができる。また、本例の二段階拡大転写法においては、素子間の距離を離間する工程が2工程であり、このような素子間の距離を離間する複数工程の拡大転写を行うことで、実際は転写回数が減ることになる。すなわち、例えば、ここで第一基板20から一時保持用部材21での離間したピッチの拡大率を2(n=2)とし、一時保持用部材21から第二基板25での離間したピッチの拡大率を2(m=2)とすると、仮に一度の転写で拡大した範囲に転写しようとしたときでは、最終拡大率が2×2の4倍で、その二乗の16回の転写すなわち第一基板のアライメントを16回行う必要が生ずるが、本例の二段階拡大転写法では、アライメントの回数は第一転写工程での拡大率2の二乗の4回と第二転写工程での拡大率2の二乗の4回を単純に加えただけの計8回で済むことになる。即ち、同じ転写倍率を意図する場合においては、(n+m)=n+2nm+mであることから、必ず2nm回だけ転写回数を減らすことができることになる。従って、製造工程も回数分だけ時間や経費の節約となり、特に拡大率の大きい場合に有益となる。
【0042】
次に、上記二段階拡大転写法において表示素子として用いられる樹脂形成チップ24について説明する。図10及び図11に示すように、樹脂形成チップ24は略平板上でその主たる面が略正方形状とされる。この樹脂形成チップ24の形状は樹脂23を固めて形成された形状であり、具体的には未硬化の樹脂を各素子22を含むように全面に塗布し、これを硬化した後で縁の部分をダイシング等で切断することで得られる形状である。
【0043】
略平板状の樹脂23の表面側と裏面側にはそれぞれ電極パッド26,27が形成される。これら電極パッド26,27の形成は全面に電極パッド26,27の材料となる金属層や多結晶シリコン層などの導電層を形成し、フォトリソグラフィー技術により所要の電極形状にパターンニングすることで形成される。これら電極パッド26,27は発光素子である素子22のp電極とn電極にそれぞれ接続するように形成されており、必要な場合には樹脂23にビアホールなどが形成される。
【0044】
ここで電極パッド26,27は樹脂形成チップ24の表面側と裏面側にそれぞれ形成されているが、一方の面に両方の電極パッドを形成することも可能である。電極パッド26,27の位置が平板上ずれているのは、最終的な配線形成時に上側からコンタクトをとっても重ならないようにするためである。電極パッド26,27の形状も正方形に限定されず他の形状としても良い。
【0045】
このような樹脂形成チップ24を構成することで、素子22の周りが樹脂23で被覆され平坦化によって精度良く電極パッド26,27を形成できるとともに素子22に比べて広い領域に電極パッド26,27を延在でき、次の第二転写工程での転写を吸着治具で進める場合には取り扱いが容易になる。後述するように、最終的な配線が続く第二転写工程の後に行われるため、比較的大き目のサイズの電極パッド26,27を利用した配線を行うことで、配線不良が未然に防止される。
【0046】
上記素子22はGaN系の発光ダイオードであり、たとえばサファイア基板上に結晶成長される素子である。このようなGaN系の発光ダイオードでは、基板を透過するレーザ照射によってレーザアブレーションが生じ、GaNの窒素が気化する現象にともなってサファイア基板とGaN系の成長層の間の界面で膜剥がれが生じ、素子分離を容易なものにできる特徴を有している。
【0047】
その構造については、図12(a)及び(b)に示すように、GaN系半導体層からなる下地成長層31上に選択成長された六角錐形状のGaN層32が形成されている。なお、下地成長層31上には図示しない絶縁膜が存在し、六角錐形状のGaN層32はその絶縁膜を開口した部分にMOCVD法などによって形成される。このGaN層32は、成長時に使用されるサファイア基板の主面をC面とした場合にS面(1−101面)で覆われたピラミッド型の成長層であり、シリコンをドープさせた領域である。このGaN層32の傾斜したS面の部分はダブルへテロ構造のクラッドとして機能する。GaN層32の傾斜したS面を覆うように活性層であるInGaN層33が形成されており、その外側にマグネシウムドープのGaN層34が形成される。このマグネシウムドープのGaN層34もクラッドとして機能する。
【0048】
このような発光ダイオードには、上記電極パッド26,27と接続されるp電極35とn電極36が形成されている。p電極35はマグネシウムドープのGaN層34上に形成されるNi/Pt/AuまたはNi(Pd)/Pt/Auなどの金属材料を蒸着して形成される。n電極36は前述の図示しない絶縁膜を開口した部分でTi/Al/Pt/Auなどの金属材料を蒸着して形成される。なお、下地成長層31の裏面側からn電極取り出しを行う場合は、n電極36の形成は下地成長層31の表面側には不要となる。
【0049】
このような構造のGaN系の発光ダイオードは、青色発光も可能な素子であって、特にレーザアブレーションよって比較的簡単にサファイア基板から剥離することができ、レーザビームを選択的に照射することで選択的な剥離が実現される。なお、GaN系の発光ダイオードとしては、平板上や帯状に活性層が形成される構造であっても良く、上端部にC面が形成された角錐構造のものであっても良い。また、他の窒化物系発光素子や化合物半導体素子などであっても良い。
【0050】
次に、図13から図19までを参照しながら、図9に示す発光素子の配列方法の具体的手法について説明する。先ず、図13に示すように、第一基板41の主面上には複数の発光ダイオード42がマトリクス状に形成されている。発光ダイオード42の大きさは約20μm程度とすることができる。第一基板41の構成材料としてはサファイア基板などのように光ダイオード42に照射するレーザの波長の透過率の高い材料が用いられる。発光ダイオード42にはp電極などまでは形成されているが最終的な配線は未だなされておらず、素子間分離の溝42gが形成されていて、個々の発光ダイオード42は分離できる状態にある。この溝42gの形成は例えば反応性イオンエッチングで行う。また、上記第一基板41の発光ダイオード42が形成されていない領域には、配列される発光ダイオード42の位置合わせの基準となるアライメントマーク40が形成されている。このアライメントマーク40は、例えば十字形状のパターンとして形成される。このような第一基板41を一時保持用部材43に対峙させて図13に示すように選択的な転写を行う。
【0051】
一時保持用部材43の第一基板41に対峙する面には剥離層44と接着剤層45が2層になって形成されている。ここで一時保持用部材43の例としては、ガラス基板、石英ガラス基板、プラスチック基板などを用いることができ、一時保持用部材43上の剥離層44の例としては、フッ素コート、シリコーン樹脂、水溶性接着剤(例えばポリビニルアルコール:PVA)、ポリイミドなどを用いることができる。また一時保持用部材43の接着剤層45としては紫外線(UV)硬化型接着剤、熱硬化性接着剤、熱可塑性接着剤のいずれかからなる層を用いることができる。一例としては、一時保持用部材43として石英ガラス基板を用い、剥離層44としてポリイミド膜4μmを形成後、接着剤層45としてのUV硬化型接着剤を約20μm厚で塗布する。
【0052】
一時保持用部材43の接着剤層45は、硬化した領域45sと未硬化領域45yが混在するように調整され、未硬化領域45yに選択転写にかかる発光ダイオード42が位置するように位置合わせされる。硬化した領域45sと未硬化領域45yが混在するような調整は、例えばUV硬化型接着剤を露光機にて選択的に200μmピッチでUV露光し、発光ダイオード42を転写するところは未硬化でそれ以外は硬化させてある状態にすればよい。このようなアライメントの後、転写対象位置の発光ダイオード42に対しレーザを第一基板41の裏面から照射し、当該発光ダイオード42を第一基板41からレーザアブレーションを利用して剥離する。GaN系の発光ダイオード42はサファイアとの界面で金属のGaと窒素に分解することから、比較的簡単に剥離できる。照射するレーザとしてはエキシマレーザ、高調波YAGレーザなどが用いられる。
【0053】
このとき、上記アライメントマーク40を発光ダイオード42の位置決めの基準としてレーザ照射を行い、転写対象となる発光ダイオード42のみをレーザアブレーションにより剥離し、一時保持用部材43上に転写する。具体的には、上記アライメントマーク40とレーザを選択的に照射するためのマスク(図示は省略する。)に設けられたアライメントマークとを用い、第一基板41とマスクとの最初の位置合わせ(原点出し)をし、順次発光ダイオード42にレーザ光を照射してこれを剥離する。この場合の転写方法は、先の図4あるいは図5に示すプロセスと同様である。また、本例では、図14に示すように、上記アライメントマーク40もレーザアブレーションにより剥離し一時保持用部材43上に転写する。これは、後の転写工程においてもアライメントマークとして利用するためである。
【0054】
このレーザアブレーションを利用した剥離によって、選択照射にかかる発光ダイオード42はGaN層と第一基板41の界面で分離し、反対側の接着剤層45にp電極部分を突き刺すようにして転写される。他のレーザが照射されない領域の発光ダイオード42については、対応する接着剤層45の部分が硬化した領域sであり、レーザも照射されていないために、一時保持用部材43側に転写されることはない。なお、図13では1つの発光ダイオード42だけが選択的にレーザ照射されているが、nピッチ分だけ離間した領域においても同様に発光ダイオード42はレーザ照射されているものとする。このような選択的な転写によっては発光ダイオード42第一基板41上に配列されている時よりも離間して一時保持用部材43上に配列される。
【0055】
発光ダイオード42は一時保持用部材43の接着剤層45に保持された状態で、発光ダイオード42の裏面がn電極側(カソード電極側)になっていて、発光ダイオード42の裏面には樹脂(接着剤)がないように除去、洗浄されているため、図14に示すように電極パッド46を形成すれば、電極パッド46は発光ダイオード42の裏面と電気的に接続される。
【0056】
接着剤層45の洗浄の例としては酸素プラズマで接着剤用樹脂をエッチング、UVオゾン照射にて洗浄する。かつ、レーザにてGaN系発光ダイオードをサファイア基板からなる第一基板41から剥離したときには、その剥離面にGaが析出しているため、そのGaをエッチングすることが必要であり、NaOH水溶液もしくは希硝酸で行うことになる。その後、電極パッド46をパターニングする。このときのカソード側の電極パッドは約60μm角とすることができる。電極パッド46としては透明電極(ITO、ZnO系など)もしくはTi/Al/Pt/Auなどの材料を用いる。透明電極の場合は発光ダイオードの裏面を大きく覆っても発光をさえぎることがないので、パターニング精度が粗く、大きな電極形成ができ、パターニングプロセスが容易になる。
【0057】
上記電極パッド46の形成の後、ダイシングプロセスにより発光ダイオード42毎に硬化した接着剤層45を分断し、各発光ダイオード42に対応した樹脂形成チップとする。ここで、ダイシングプロセスは、機械的手段を用いたダイシング、あるいはレーザビームを用いたレーザダイシングにより行う。ダイシングによる切り込み幅は画像表示装置の画素内の接着剤層45で覆われた発光ダイオード42の大きさに依存するが、例えば20μm以下の幅の狭い切り込みが必要なときには、上記レーザビームを用いたレーザによる加工を行うことが必要である。このとき、レーザビームとしては、エキシマレーザ、高調波YAGレーザ、炭酸ガスレーザなどを用いることができる。
【0058】
図15は一時保持用部材44から発光ダイオード42及びアライメントマーク40を第二の一時保持用部材47に転写し、発光ダイオード42のアノード電極(p電極)側のビアホール50を形成した後、アノード側電極パッド49を形成し、樹脂からなる接着剤層45をダイシングした状態を示している。このダイシングの結果、素子分離溝51が形成され、発光ダイオード42は素子ごとに区分けされたものになる。素子分離溝51はマトリクス状の各発光ダイオード42を分離するため、平面パターンとしては縦横に延長された複数の平行線からなる。素子分離溝51の底部では第二の一時保持用部材47の表面が臨む。第二の一時保持用部材47は、一例としてプラスチック基板にUV粘着材が塗布してある、いわゆるダイシングシートであり、UVが照射されると粘着力が低下するものを利用できる。
【0059】
このプロセスの例として、接着剤層45の表面を酸素プラズマで発光ダイオード42の表面が露出してくるまでエッチングする。ビアホール50の形成は、やはりエキシマレーザ、高調波YAGレーザ、炭酸ガスレーザなどを用いて行う。このとき、ビアホールは約3〜7μmの径を開けることになる。アノード側電極パッドはNi/Pt/Auなどで形成する。ダイシングプロセスは上記の通り、レーザビームを用いたダイシングにより行う。その切り込み幅は画像表示装置の画素内の樹脂からなる接着剤層45で覆われた発光ダイオード42の大きさに依存する。一例として、エキシマレーザにて幅約40μmの溝加工を行い、チップの形状を形成する。
【0060】
次に、機械的手段を用いて発光ダイオード42が第二の一時保持用部材47から剥離される。このとき、第二の一時保持用部材47上には剥離層48が形成されている。この剥離層48は例えばフッ素コート、シリコーン樹脂、水溶性接着剤(例えばPVA)、ポリイミドなどを用いて作成することができる。このような剥離層48を形成した一時保持部材47の裏面から例えばYAG第3高調波レーザを照射する。これにより、例えば剥離層48としてポリイミドを形成した場合では、ポリイミドと石英基板の界面でポリイミドのアブレーションにより剥離が発生して、各発光ダイオード42は第二の一時保持部材47から上記機械的手段により容易に剥離可能となる。
【0061】
図16は、第二の一時保持用部材47上に配列している発光ダイオード42を吸着装置53でピックアップするところを示した図である。このときの吸着孔55は画像表示装置の画素ピッチにマトリクス状に開口していて、発光ダイオード42を多数個、一括で吸着できるようになっている。このときの開口径は、例えば約φ100μmで600μmピッチのマトリクス状に開口されて、一括で約300個を吸着できる。このときの吸着孔55の部材は例えば、Ni電鋳により作製したもの、もしくはステンレス(SUS)などの金属板52をエッチングで穴加工したものが使用され、金属板52の吸着孔55の奥には、吸着チャンバ54が形成されており、この吸着チャンバ54を負圧に制御することで発光ダイオード42の吸着が可能になる。発光ダイオード42はこの段階で樹脂43で覆われており、その上面は略平坦化されており、このために吸着装置53による選択的な吸着を容易に進めることができる。
【0062】
本例では、第二の一時保持用部材47上に転写された発光ダイオード42と上記吸着装置53の位置合わせにも、上記アライメントマーク40を用いる。上記アライメントマーク40は、上記発光ダイオード42と同時に第二の一時保持用部材47上に転写されたものであるので、相対位置精度は第一基板41上での状態が維持されている。そこで、このアライメントマーク40を位置決めの基準として上記吸着装置53の最初の位置決めを行えば、正確な転写を行うことが可能である。
【0063】
図17は発光ダイオード42を第二基板60に転写するところを示した図である。第二基板60に装着する際に第二基板60にあらかじめ接着剤層56が塗布されており、その発光ダイオード42下面の接着剤層56を硬化させ、発光ダイオード42を第二基板60に固着して配列させることができる。この装着時には、吸着装置53の吸着チャンバ54が圧力の高い状態となり、吸着装置53と発光ダイオード42との吸着による結合状態は解放される。接着剤層56はUV硬化型接着剤、熱硬化性接着剤、熱可塑性接着剤などによって構成することができる。発光ダイオード42が配置される位置は、一時保持用部材43、47上での配列よりも離間したものとなる。そのとき接着剤層56の樹脂を硬化させるエネルギーは第二基板60の裏面から供給される。UV硬化型接着剤の場合はUV照射装置にて、熱硬化性接着剤の場合はレーザにて発光ダイオード42の下面のみ硬化させ、熱可塑性接着剤場合は、同様にレーザ照射にて接着剤を溶融させ接着を行う。
【0064】
また、第二基板60上にシャドウマスクとしても機能する電極層57を配設し、特に電極層57の画面側の表面すなわち当該表示装置を見る人がいる側の面に黒クロム層58を形成する。このようにすることで画像のコントラストを向上させることができると共に、黒クロム層58でのエネルギー吸収率を高くして、選択的に照射されるビーム73によって接着剤層56が早く硬化するようにすることができる。この転写時のUV照射としては、UV硬化型接着剤の場合は約1000mJ/cm2を照射する。
【0065】
図18はRGBの3色の発光ダイオード42、61、62を第二基板60に配列させ絶縁層59を塗布した状態を示す図である。図16および図17で用いた吸着装置53をそのまま使用して、第二基板60にマウントする位置をその色の位置にずらすだけでマウントすると、画素としてのピッチは一定のまま3色からなる画素を形成できる。絶縁層59としては透明エポキシ接着剤、UV硬化型接着剤、ポリイミドなどを用いることができる。3色の発光ダイオード42、61、62は必ずしも同じ形状でなくとも良い。図18では赤色の発光ダイオード61が六角錐のGaN層を有しない構造とされ、他の発光ダイオード42、62とその形状が異なっているが、この段階では各発光ダイオード42、61、62は既に樹脂形成チップとして樹脂43で覆われており、素子構造の違いにもかかわらず同一の取り扱いが実現される。
【0066】
次に、図19に示すように、発光ダイオード42の電極パッド46,49や第二基板60上の電極層57に対応して、これらを電気的に接続するために開口部(ビアホール)65、66、67、68、69、70を形成し、さらに配線を形成する。この開口部の形成も例えばレーザビームを用いて行う。
【0067】
このときに形成する開口部すなわちビアホールは、発光ダイオード42、61、62の電極パッド46、49の面積を大きくしているので、ビアホール形状は大きく、ビアホールの位置精度も各発光ダイオードに直接形成するビアホールに比べて粗い精度で形成できる。例えば、このときのビアホールは約60μm角の電極パッド46、49に対し、約φ20μmのものを形成できる。また、ビアホールHの深さは配線基板と接続するもの、アノード電極と接続するもの、カソード電極と接続するものの3種類の深さがあるので、形成に当たっては例えばレーザのパルス数でこれを制御し、最適な深さを開口する。
【0068】
絶縁層59に開口部65、66、67、68、69、70を形成した後、発光ダイオード42、61、62のアノード、カソードの電極パッドと第二基板60の配線用の電極層57を接続する配線63、64、71を形成する。その後、保護層を配線上に形成し、画像表示装置のパネルは完成する。このときの保護層は図18の絶縁層59と同様、透明エポキシ接着剤などの材料が使用できる。この保護層は加熱硬化し配線を完全に覆う。この後、パネル端部の配線からドライバーICを接続して駆動パネルを製作することになる。
【0069】
上述のような発光素子の配列方法においては、一時保持用部材43に発光ダイオード42を保持させた時点で既に、素子間の距離が大きくされ、その広がった間隔を利用して比較的サイズの電極パッド46、49などを設けることが可能となる。それら比較的サイズの大きな電極パッド46、49を利用した配線が行われるために、素子サイズに比較して最終的な装置のサイズが著しく大きな場合であっても容易に配線を形成できる。また、本例の発光素子の配列方法では、発光ダイオード42の周囲が硬化した接着剤層45で被覆され平坦化によって精度良く電極パッド46,49を形成できるとともに素子に比べて広い領域に電極パッド46,49を延在でき、次の第二転写工程での転写を吸着治具で進める場合には取り扱いが容易になる。
【0070】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明の転写方法によれば、素子の位置決めを素子本来の機能や形状を制限することなく安価に且つ高速に行うことができ、微細な素子を容易に転写することが可能である。
【0071】
また、本発明の素子の配列方法によれば、上記転写方法の利点をそのまま生かして素子の転写を効率的、確実に行うことができ、素子間の距離を大きくする拡大転写を円滑に実施することが可能である。同様に、本発明の画像表示装置の製造方法によれば、密な状態すなわち集積度を高くして微細加工を施して作成された発光素子を、効率よく離間して再配置することができ、したがって精度の高い画像表示装置を生産性良く製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】素子及びアライメントマークを形成した第一基板の一例を示すものであり、(a)は概略断面図、(b)は概略平面図である。
【図2】マスクの一例を示す概略平面図である。
【図3】転写装置の位置構成例を示す模式図である。
【図4】転写プロセスの一例を示す概略断面図である。
【図5】マスクの移動操作を操作順に示す模式的な平面図である。
【図6】各素子にアライメントマークを形成した状態を示す模式的な平面図である。
【図7】各素子の形状自体をアライメントマークとして利用した例を示す模式的な平面図である。
【図8】素子の配列自体をアライメントマークとして利用する例を示す模式的な平面図である。
【図9】素子の配列方法を示す模式図である。
【図10】樹脂形成チップの概略斜視図である。
【図11】樹脂形成チップの概略平面図である。
【図12】発光素子の一例を示す図であって、(a)は断面図、(b)は平面図である。
【図13】第一転写工程を示す概略断面図である。
【図14】電極パッド形成工程を示す概略断面図である。
【図15】第二の一時保持用部材への転写後の電極パッド形成工程及びダイシング工程を示す概略断面図である。
【図16】吸着工程を示す概略断面図である。
【図17】第二転写工程を示す概略断面図である。
【図18】絶縁層の形成工程を示す概略断面図である。
【図19】ビアホール形成及び配線形成工程を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1 第一基板
2 素子
3 アライメントマーク
4 マスク
7 第二基板
8 UV硬化性接着剤層
11 第一ステージ
12 第二ステージ
13 マスクステージ
16 マーク検出機構
40 アライメントマーク
41 第一基板
42 発光ダイオード
43 一時保持用部材
47 第二の一時保持用部材
53 吸着装置
60 第二基板

Claims (14)

  1. 第一基板上に配列された素子を第二基板上に転写する転写方法において、上記第一基板上の素子が形成されていない領域に位置合わせ用のアライメントマークを上記素子の形成と同時に形成し、当該アライメントマークを位置合わせの基準として素子を第二基板上に転写する素子の転写方法。
  2. 上記アライメントマークを第二基板上に転写し、第二基板上に転写された素子の位置合わせの基準とする請求項1記載の素子の転写方法。
  3. 上記アライメントマークを上記第一基板上に配列される全ての素子の位置合わせの基準とする請求項1記載の素子の転写方法。
  4. 上記アライメントマークを位置合わせの基準として第一基板上に配列される素子のうち転写対象となる素子のみを選択的に第二基板上に転写する請求項1記載の素子の転写方法。
  5. 上記素子を第一基板上での配列間隔よりも離間して第二基板上に転写する請求項1記載の素子の転写方法。
  6. 転写対象となる素子に対応して開口部を形成したマスクを用い、第一基板の裏面側から当該マスクを介してレーザ光を照射し、転写対象となる素子を第一基板から剥離して第二基板上に転写する請求項1記載の素子の転写方法。
  7. 上記アライメントマークを基準として上記第一基板とマスクの位置合わせを行う請求項記載の素子の転写方法。
  8. 上記第一基板のアライメントマークと位置合わせするためのアライメントマークが上記マスクに形成されている請求項記載の素子の転写方法。
  9. 上記アライメントマーク同士を位置合わせして第一基板とマスクの位置合わせした後、これを原点として上記マスクを順次移動し、転写対象となる素子を順次第二基板上に転写する請求項記載の素子の転写方法。
  10. 上記素子は窒化物半導体を用いた半導体素子である請求項記載の素子の転写方法。
  11. 第一基板上に配列された複数の素子を第二基板上に配列する素子の配列方法において、前記第一基板上で前記素子が配列された状態よりは離間した状態となるように前記素子を転写して一時保持用部材に該素子を保持させる第一転写工程と、前記一時保持用部材に保持された前記素子をさらに離間して前記第二基板上に転写する第二転写工程を有し、上記第一転写工程においては、上記第一基板上の素子が形成されていない領域に位置合わせ用のアライメントマークを形成し、当該アライメントマークを位置合わせの基準として素子を一時保持用部材上に転写する素子の配列方法。
  12. 上記第一転写工程において上記第一基板上のアライメントマークを一時保持用部材に転写し、第二転写工程において当該アライメントマークを位置合わせの基準として素子を第二基板上に転写する請求項11記載の素子の配列方法。
  13. 発光素子をマトリクス状に配置した画像表示装置の製造方法において、第一基板上で発光素子が配列された状態よりは離間した状態となるように前記発光素子を転写して一時保持用部材に前記発光素子を保持させる第一転写工程と、前記一時保持用部材に保持された前記発光素子をさらに離間して第二基板上に転写する第二転写工程と、前記各発光素子に接続させる配線を形成する配線形成工程とを有し、上記第一転写工程においては、上記第一基板上の発光素子が形成されていない領域に位置合わせ用のアライメントマークを形成し、当該アライメントマークを位置合わせの基準として発光素子を一時保持用部材上に転写する画像表示装置の製造方法。
  14. 上記第一転写工程において上記第一基板上のアライメントマークを一時保持用部材に転写し、第二転写工程において当該アライメントマークを位置合わせの基準として発光素子を第二基板上に転写する請求項13記載の画像表示装置の製造方法。
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