JP7443042B2

JP7443042B2 - 光スポット像照射装置および転写装置

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Publication number: JP7443042B2
Application number: JP2019224767A
Authority: JP
Inventors: 義之新井; 一嘉鈴木
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2024-03-05
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: JP2021092731A

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。

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。

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、を少なくとも備え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、光スポット像シフト手段により被照射面上で光スポット像が照射される位置をシフトさせることにより、被照射面の面内方向の任意の位置に光スポット像を照射することができる。

また、前記位相回折素子は、前記レーザー光をそのレーザー光の進行方向に相対して見たときに、規則的に配列された複数の光線に分割するものであると良い。

こうすることにより、被照射面上に容易にマトリクス状の光スポット像を形成することができる。

また、前記位相回折素子と前記被照射面との間に、可変焦点光学系がさらに設けられていると良い。

こうすることにより、位相回折格子により分割された複数の光線による、被照射面上におけるスポット像のピッチを任意に変更することができる。

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。

こうすることにより、光スポット像のシフト方向のシフトピッチ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、光スポット像のシフト方向のシフトピッチを任意に調節することができる。
。

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、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、光スポット像シフト手段により被照射面上で光スポット像が照射される位置を変化させることにより、チップ群のうち二次元方向の任意の複数のチップに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の光線の形態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より被照射面に光スポット像が順次照射される過程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。

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（ＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔ：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を所定方向（Ｘ軸方向からレーザー光Ｂが入射した場合、Ｚ軸方向）に等ピッチで１列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。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Ｚ軸方向に等ピッチで１列に配列された複数本の光線からなる光線束Ｂ１に変換するため、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Ｚ軸方向に等ピッチで並ぶ。

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、光スポットの面積およびピッチの拡大もしくは縮小が可能であり、図２（ｂ）のピッチＰ１’で示すように、図２（ａ）のピッチＰ１と比較して光スポットを形成する光線束Ｂ１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。

また、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。こうすることにより、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。ここで、光線束Ｂ１の各光線のピッチは上記の通りズームレンズ１４の設定により変化するため、アパーチャ部材１８はアパーチャ１９のピッチが調節可能な構成となっている。

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。

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３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Ｂ１の各光線は、被照射面Ｓに同時に照射される。ここで、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光スポット像２と呼ぶ。レーザー光源１１からの一度のレーザー光Ｂによる光スポット像２の形状は、位相回折素子１３の構成に依存し、本実施形態では図３（ａ）に示すように被照射面Ｓ上で光スポットが１列に配列された形状となる。この光スポットの配列のピッチＰ１は、ズームレンズ１４の倍率を調節することにより制御可能である。

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３（ｂ）に示す通り、被照射面Ｓ上における光線束Ｂ１の配列方向（Ｘ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）に光スポット像２の照射位置を変化させて被照射面Ｓに照射させることができる。このときの光スポット像２の照射位置の変化量であるピッチＰ２は、ガルバノミラー１６の制御によって任意に設定可能である。

このようにガルバノミラー１６が光スポット像シフト手段となってガルバノミラー１６の各ミラーの位置および角度を制御しながら順次レーザー光源１１からレーザー光Ｂを出射することにより、被照射面Ｓ上に図３（ｃ）のようなマトリクス状の光スポット像を形成することが可能である。また、マトリクスの行方向および列方向における照射位置のピッチＰ１およびＰ２は、それぞれ位相回折素子１３、ガルバノミラー１６によって任意に調節可能である。すなわち、被照射面Ｓの面内方向の任意の位置に光スポット像を照射することが可能である。

一方、このように被照射面Ｓ上にマトリクス状の光スポット像を形成することは、１本の光線を照射位置をガルバノミラーで制御しながら繰り返し照射することによっても実施することは可能であるが、本発明のようにパワーが均等な複数本の光線に分岐させて照射することにより、より高速に複数位置に光線を照射することが可能となる。

なお、光線束Ｂ１の照射位置を変化させる方向は必ずしも被照射面Ｓ上における光線束Ｂ１の各光線の配列方向と直交する方向である必要は無く、たとえば斜め方向に変化させることにより、千鳥状の光スポット像を形成することも可能である。

以上の光スポット像照射装置１は、キャリア基板（本発明でいう平面基材）に接合された半導体チップをレーザーリフトオフによって被転写基板へ転写させるチップ転写装置に適用することが可能である。

図４は、上記の光スポット像照射装置１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。チップ転写装置内では、被転写基板２３が保持され、その上方に、複数のチップ２１からなるチップ群がＸＹ方向にマトリクス状に配列および接合されたキャリア基板２２が、チップ２１との接合面が被転写基板２３と対向するように配置される。ここで、チップ２１とキャリア基板２２の接合面が上記説明における被照射面Ｓにあたる。

このようにキャリア基板２２および被転写基板２３とが配置された状態において光スポット像照射装置１（図１参照）のレーザー光源１１からレーザー光Ｂが出射されることにより、チップ２１とキャリア基板２２の各接合部に光線束Ｂ１の各光線が照射される。なお、レーザー光源１１から出射されるレーザー光ＢはＹＡＧレーザーであり、各光線のパワーが均一になるよう、位相回折素子１３によって調節され、また、光線束Ｂ１の各光線のピッチがマトリクス状のチップ群を形成するチップ２１のＸ軸方向の配列のピッチと等しくなるよう、ズームレンズ１４によって調節されている。

チップ２１とキャリア基板２２の接合部に光スポット像が照射されることにより、図４（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。

また、本実施形態では、チップ２１のＸ軸方向の配列のピッチと等しいピッチの光線束Ｂ１による光スポット像が照射されることにより、Ｘ軸方向に並んだ複数のチップ２１を同時にレーザーリフトオフさせることができる。

そして、光スポット像の照射位置のシフト量がマトリクス状のチップ群を形成するチップ２１のＹ軸方向のピッチと等しくなるようガルバノミラーが制御され、順次光スポット像が照射されることにより、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように順次チップ２１がレーザーリフトオフされ、その結果、チップ群を高速で被転写基板２３へ転写することができる。

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。

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。

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、位相回折素子によって形成される光スポット像は、必ずしも複数の光線が一列に配列されたものでなくても構わない。たとえば二列に配列されていても良い。このようにレーザー光をそのレーザー光の進行方向に相対して見たときに、規則的に配列された複数の光線に分割することにより、被照射面上に容易にマトリクス状の光スポット像を形成することができる。一方、光スポット像は必ずしも複数の光線が直線状に配列されたものに限られない。

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）
１７Ｆθレンズ
１８アパーチャ部材
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
Ｓ被照射面
Ｗ基材

Claims

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、焦点距離を変化させることによって前記光スポットの面積およびピッチの拡大もしくは縮小を行う可変焦点光学系と、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、を少なくとも備えて前記被照射面にマトリクス状に前記光スポット像を形成し、
前記位相回折素子は、前記レーザー光を、前記光スポットが前記被照射面上で前記マトリクスの行方向に等ピッチで１列に配列されるパワーが均等な複数の光線に分割し、
前記マトリクスの前記行方向における前記光スポットのピッチを前記可変焦点光学系によって制御し、前記マトリクスの列方向における前記光スポットのピッチを前記光スポット像シフト手段によって制御することを特長とする光スポット像照射装置。
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。
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１もしくは２に記載の光スポット像照射装置。
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３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。