JP7443041B2 - Optical spot image irradiation device and transfer device - Google Patents
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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。 The present invention provides light spot image irradiation in which a light ray emitted from a single light source is divided into a plurality of light rays, and a light spot image consisting of a plurality of light spots is irradiated onto a surface to be irradiated by the plurality of light rays. Regarding equipment.
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。 Furthermore, the present invention relates to a chip transfer device that uses the light spot image to transfer a chip placed on a flat substrate onto a transfer surface.
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。 In recent years, semiconductor chips have been miniaturized to reduce costs, and efforts are being made to mount these miniaturized semiconductor chips with high precision. In particular, for LEDs used in displays, it is required that semiconductor chips, called micro-LEDs, measuring 50 um x 50 um or less be mounted at high speed with an accuracy of several um.
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。 When mounting these minute semiconductor chips at high speed, the semiconductor chip is peeled off from the carrier substrate by irradiating a laser beam onto the bonding surface of the semiconductor chip bonded to the carrier substrate, and is biased and transferred to the transfer substrate. A so-called laser lift-off method is used. However, this laser lift-off is also required to be faster, and for example, if a plurality of semiconductor chips can be transferred simultaneously by one laser irradiation, this can contribute to faster laser lift-off.
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。
A method for simultaneously transferring multiple semiconductor chips is to irradiate the carrier substrate with a line-shaped laser and peel off the semiconductor chips arranged in a row on the carrier substrate at the same time, and to split the laser light emitted from one laser light source. A possible method is to simultaneously irradiate the bonding surfaces of multiple semiconductor chips and peel them off from the carrier substrate. Among these, as a technique for branching a laser beam emitted from one laser light source,
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。
However, in the laser processing apparatus of
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。 In view of the above problems, the present invention provides a light spot image irradiation device that divides a light beam and irradiates a light spot image consisting of a light spot with uniform power onto a surface to be irradiated, and a chip transfer device using the same. The purpose is to provide
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。 In order to solve the above problems, a light spot image irradiation device of the present invention is a light spot image irradiation device that irradiates a light spot image consisting of a plurality of light spots onto a surface to be irradiated, and includes a laser light source and a laser light source. The laser beam is characterized by having a phase diffraction element that splits a laser beam emitted from the laser beam into a plurality of light beams, and a variable focus optical system provided between the phase diffraction element and the irradiated surface.
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。 With this light spot image irradiation device, it is possible to branch a light beam and irradiate a light spot image with uniform power to any plurality of positions in the in-plane direction of the irradiated surface. Specifically, by splitting one light beam into multiple light beams using a phase diffraction grating, it is possible to form a light spot image with equal power for each light beam, and by having a variable focus optical system, , it is possible to irradiate a light spot image at an arbitrary pitch.
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。 Further, it is preferable to further include a light spot image shifting means for shifting the light spot image formed by the plurality of light beams in an in-plane direction of the irradiated surface.
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。 By doing so, it is possible to successively irradiate the irradiated object with more light spot images than the number of light spot images to be irradiated by one laser beam emission.
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。 Further, an imaging optical system is further provided between the variable focus optical system and the irradiated surface for forming an image formed by the variable focus optical system on the irradiated surface, and in the imaging optical system. Preferably, there is a galvanometer mirror optical system as the light spot image shifting means.
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。 By doing so, the position where the light spot image is irradiated can be arbitrarily adjusted.
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。 Further, it is preferable that the light spot image shifting means include a moving stage that moves the irradiated surface itself.
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。 By doing so, the position where the light spot image is irradiated can be arbitrarily adjusted.
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。
Moreover, in order to solve the above-mentioned problem, the transfer device of the present invention provides a transfer device according to any one of
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。 With this transfer device, it is possible to branch a light beam and irradiate a plurality of arbitrary chips in a two-dimensional direction among a group of chips with a light beam of uniform power, and it is possible to accurately transfer each chip. Specifically, by splitting a single light beam into multiple light beams using a phase diffraction grating, it is possible to form a light spot image in which the power of each light beam is equal. By having this, it is possible to simultaneously irradiate a plurality of chips arranged at an arbitrary pitch with a light spot image.
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。 With the light spot image irradiation device and transfer device of the present invention, a light beam can be divided and a light spot image consisting of light spots having uniform power can be irradiated onto a surface to be irradiated.
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。
A light spot image irradiation device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1(a) is a side view of the optical spot
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。
The
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。 In this description, the vertical direction will be referred to as the Z-axis direction, the horizontal direction in which the light beam is emitted from the laser light source 11 will be referred to as the X-axis direction, and the horizontal direction perpendicular to the X-axis direction will be referred to as the Y-axis direction.
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。 The laser light source 11 is a device that emits one laser beam B, and in this embodiment, emits a laser beam such as a YAG laser or a visible laser.
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。
The
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。
The phase diffraction element (DOE) 13 is configured by combining a plurality of diffraction gratings with different grating periods, and converts the shape of the laser beam B into an arbitrary shape by using a light diffraction phenomenon. It is something. The
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。 Note that a DOE is a device that divides a laser beam into a plurality of light beams obtained as a diffraction pattern using a diffraction grating, and obtains a light intensity distribution consisting of a desired diffraction pattern on a virtual plane located at a predetermined distance from the DOE. It is something. Therefore, in many cases, the desired light intensity distribution cannot be obtained on a surface other than the predetermined distance. Therefore, although the expression used in this specification to say that a laser beam is divided into a plurality of light beams is not strictly correct, for convenience, obtaining a light intensity distribution consisting of a plurality of diffraction patterns by the above-mentioned DOE is simply referred to as a plurality of light beams. It is expressed as dividing into.
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。
FIG. 2 is an aa cross-sectional view in FIG. 1(a), and is a real image plane of the light beam B1. As described above, in this embodiment, the
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。
Here, in this embodiment, as described above, the
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。
As a specific example of irradiating the irradiated surface S with the interval between the light spot images arbitrarily adjusted, an example of a semiconductor chip transfer apparatus using the light spot
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。
By irradiating a light spot image onto the joint between the
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。
Here, when the
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。
On the other hand, as the interval between each light beam is adjusted by the
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。
Returning to FIG. 1, in this embodiment, each ray of the ray bundle B1, which is once imaged after passing through the
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。
The
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。
FIG. 4 is a diagram illustrating a process in which the light spot
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。
By repeatedly controlling the position and angle of each mirror of the
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。
FIG. 5 is a diagram illustrating a light spot image irradiation device in another embodiment of the present invention. In the light spot
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。
In this embodiment, the pitch between the light rays forming the light beam B1 can be adjusted by adjusting the magnification of the
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。 With the above-described light spot image irradiation device and chip transfer device, it is possible to branch the light beam and irradiate the light beam with uniform power to any plurality of positions in the two-dimensional direction of the irradiated surface.
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。 Here, the light spot image irradiation device and the chip transfer device of the present invention are not limited to the embodiments described above, but may have other embodiments within the scope of the present invention. For example, the optical spot image irradiation device of the present invention may be used not only for semiconductor chip transfer purposes but also for other purposes.
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。
Further, in the light spot
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。 Furthermore, the light spot images formed by the phase diffraction element do not necessarily have to be arranged in a matrix as shown in FIG. For example, they may be arranged in a staggered manner.
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
1 Light spot
15
17
32
Claims (3)
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。 A light spot image generated by a light spot image irradiation device is irradiated onto a chip located at an arbitrary position among a plurality of chip groups arranged in a matrix on a flat base material, thereby covering the chip. It is a chip transfer device that transfers to the transfer surface,
The light spot image irradiation device irradiates a light spot image consisting of a plurality of light spots onto a surface to be irradiated, and includes a laser light source and a phase diffraction element that splits the laser light emitted from the laser light source into a plurality of light beams. , a variable focus optical system that is provided between the phase diffraction element and the irradiated surface and changes the pitch of the plurality of light rays by changing the focal length of the plurality of light rays, and the plurality of light rays. A chip transfer device comprising: a light spot image shifting means for shifting the light spot image according to the invention in an in-plane direction of the irradiated surface .
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