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JP6752250B2 - ツール高さ調整装置およびこれを備えたチップ部品転写装置 - Google Patents

ツール高さ調整装置およびこれを備えたチップ部品転写装置 Download PDF

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Description

本発明は転写元基板上のチップ部品を転写先基板に転写する際に用いるチップ部品転写装置において、転写元基板上のチップ部品をピックアップする際に用いるピックアップツールのツール高さ調整装置に関する。
微細加工技術の進歩による半導体チップの小型化や、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。
このように小型のチップ部品が密に多数形成されると、チップ部品を他の基板に転写するのに際して、１つずつ転写するのは極めて非効率である。そこで、効率改善のために種々な手法が検討されており、その１つとして複数のチップ部品を同時にピックアップする手法がある（例えば特許文献１）。
図７は、転写元基板Ｂ０上に密に配されたチップ部品Ｃを複数同時にピックアップして、転写先基板Ｂ１上に間隔を開けて転写する例を示したものであり、チップ部品Ｃを保持するチップ保持部２１を複数有するピックアップツール２を用いて転写を行なう様子を示したものである。
図７（ａ）は、チップ保持部２１とチップ部品Ｃの位置合わせを行った状態を示し、その後、ピックアップツール２を降下させ、図７（ｂ）のようにチップ保持部２１をチップ部品Ｃに接触させ、チップ保持部２１がチップ部品Ｃを保持した状態でピックアップツール２を上昇させると、図７（ｃ）のように転写元基板Ｂ０から、チップ部品Ｃを複数同時にピックアップすることができる。この後、図７（ｄ）のようにピックアップツール２の下に転写先基板Ｂ１を配置した状態で、図７（ｅ）のようにピックアップツール２を降下してチップ部品Ｃを転写先基板Ｂ１と密着させてから、チップ保持部２１によるチップ部品Ｃの保持を解除して、図７（ｆ）のようにピックアップツール２を上昇させれば転写先基板Ｂ１へのチップ部品Ｃの転写が行なえる。
特表２０１５−５２９４００号公報 特開２００８−２０１８８３号公報
図７に示したようなチップ保持部２１がチップ部品Ｃを保持するのに際して、従来は真空吸着方式が用いられている。ずなわち、図８（ａ）に断面図を示すようなチップ保持部２１において、チップ保持部２１の吸着穴２Ｖが接触した状態で吸着穴２Ｖ内を減圧することでチップ保持部２１はチップ部品Ｃを吸着し、この状態でチップ保持部２１が上昇すれば転写元基板Ｂ０からチップ部品Ｃを剥離してピックアップすることができる。ここで、ピックアップツール２およびチップ保持部２１としては、機械的強度や加工性の観点から通常は金属が用いられている。
ところで、図７に示したように、複数同時にピックアップするようなチップ部品Ｃは数十μｍ角と極めて小さい。このため、金属製のチップ保持部２１が接触する際の圧力により、図８（ｂ）のようにクラックを生じるチップ部品Ｃもある。このようなチップ部品Ｃは、図８（ｃ）のようにピックアップ過程で破損して吸着保持できないものもあるが、クラックを生じたまま転写先基板Ｂ１に転写されても不都合を生じる。
そこで、このようなピックアップ時のチップ部品Ｃの破損の対策として、チップ保持部２１のチップ部品Ｃと接触する部分に柔軟部材２１Ｓを用いることが考えられる。図９（ａ）〜図９（ｃ）は柔軟部材２１Ｓを有するチップ保持部２１でチップ部品Ｃをピックアップする様子を示したものであり、柔軟部材２１Ｓが変形することで、チップ部品Ｃに急激に圧力が加わることはない。
また、微小なチップ部品Ｃを吸着するための吸着穴２Ｖの形成には極めて微細な加工が必要でありコストも高いことから、真空吸着以外の手法によるチップ部品Ｃの保持も考えられている。その1つがファンデルワールス力を用いるものであり、所謂ヤモリテープ（特許文献２）等の利用が該当する（図１０）。このような場合においても、チップ保持部２１でチップ部品Ｃと接触する部分は金属等とは異なり柔軟な部材となる。そこで、図１０に示したヤモリテープも柔軟部材２１Ｓと記している。図１０（ａ）〜図１０（ｃ）はファンデルワールス力でチップ部品Ｃを保持可能な柔軟部材２１Ｓを有するチップ保持部２１でチップ部品Ｃをピックアップする様子を示したものであり、図９（ａ）〜図９（ｃ）と同様、柔軟部材２１Ｓが変形することで、チップ部品Ｃに急激に圧力が加わることはない。
しかし、チップ保持部２１に柔軟部材を用いることにより、チップ部品Ｃの破損を防ぐことができる反面、チップ保持部２１の高さ位置調整において問題も生じている。すなわち、柔軟部材２１Ｓを用いるチップ保持部２１においてもチップ部品Ｃを確実に保持するためにはチップ部品Ｃとの相対距離を把握する必要があるが、その前提となるチップ保持部２１の高さ位置調整が従来方式では困難となっている。何故なら、従来方式では高さ位置が既知の面に接触したときの圧力変化を検出してチップ保持部２１の高さ位置を把握しているが、柔軟部材２１Ｓを用いることによりチップ保持部材２１と面が接触したときの圧力変化を検出することが難しくなっているからである。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、チップ保持部に接触に伴う圧力変化が小さい柔軟部材を用いたピックアップツールにおいて、チップ保持部の高さ位置調整が正確に行えるツール高さ調整装置を提供するものである。また、このツール高さ調整装置を備えたチップ部品転写装置も提供するものである。
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、チップ保持部を上下してチップ部品をピックアップするピックアップツールの、前記チップ保持部の高さ位置を調整するツール高さ調整装置であって、
透明板と、前記透明板の下側から、前記透明板上面に焦点を合わせて画像を取得する撮像手段と、前記ピックアップツールの上下駆動を制御する機能と、前記撮像手段の動作を制御する機能と、前記撮像手段が取得した画像を解析する機能とを有する制御手段とを備え、前記制御手段が、前記チップ保持部を前記透明板方向に接近させながら前記撮像手段が取得した画像を解析して、前記チップ保持部が前記透明板上面を有効に保持する高さ位置を検出する、ツール高さ調整装置である。
請求項２に記載の発明は、チップ保持部を上下してチップ部品をピックアップするピックアップツールの、前記チップ保持部の高さ位置を調整するツール高さ調整装置であって、
透明板と、前記透明板の下側から、前記透明板上面に焦点を合わせて画像を取得する撮像手段と、前記ピックアップツールの上下駆動を制御する機能と、前記撮像手段の動作を制御する機能と、前記撮像手段が取得した画像を解析する機能とを有する制御手段とを備え、前記制御手段が、前記チップ保持部を前記透明板に一旦密着させて、前記チップ保持部を前記透明板から離れる方向にピックアップツールを駆動させながら前記撮像手段が取得した画像を解析して、前記チップ保持部が前記透明板上面を有効に保持する高さ位置を検出する、ツール高さ調整装置である。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のツール高さ調整装置であって、
複数のチップ保持部が設けられたピックアップツールの、チップ保持部の高さ位置を調整するツール高さ調整装置である。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のツール高さ調整装置であって、
前記撮像手段が取得した画像を解析することにより、複数のチップ保持部によって形成される領域の、前記透明板上面に対する平行度を評価する機能を前記制御手段が有しているツール高さ調整装置である。
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のツール高さ調整装置であって、
前記チップ保持部に柔軟部材が用いられているピックアップツールの、チップ保持部の高さ位置を調整するツール高さ調整装置である。
請求項６に記載の発明は、転写元の基板からチップ部品をピックアップして、転写先の基板上に載置するチップ部品転写装置であって、
チップ部品を転写元の基板からピックアップするピックアップツールの、チップ保持部の高さ位置を調整するための、請求項１から請求項５のいずれかに記載のツール高さ調整装置を備えたチップ部品転写装置である。
チップ保持部に接触に伴う圧力変化が小さい柔軟部材を用いたピックアップツールにおいて、チップ保持部の高さ位置調整が正確に行え、ピックアップ対象のチップ部品を加圧により破損することもない。
本発明の実施形態に係るツール高さ調整装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るツール高さ調整装置の動作状態を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るツール高さ調整装置の撮像手段が取得した画像の例であり（ａ）チップ保持部が撮像手段の焦点から離れた状態、（ｂ）チップ保持部が撮像手段の焦点に接近段階の状態、（ｃ）チップ保持部が撮像手段の焦点に設けた面に接触した状態、（ｄ）チップ保持部が撮像手段の焦点に設けた面に密着した状態を示図である。 本発明の実施形態に係るツール高さ調整装置と転写元ステージ、転写元基板、チップ部品および転写先基板の関係を示す一例である。 本発明の実施形態のツール高さ調整装置において（ａ）撮像手段の焦点合わせを行う状態、（ｂ）撮像手段の焦点合わせに用いる焦点合わせ治具を示す図である。 本発明の実施形態に係るツール高さ調整装置の撮像手段が取得した画像であって、ピックアップツールに傾きが生じている例を示す図である。 微小なチップ部品を複数同時にピックアップして転写する例で（ａ）ピックアップツールとチップ部品との位置合わせ状態、（ｂ）ピックアップツールによるチップ部品保持状態、（ｃ）ピックアップツールによるチップ部品ピックアップ状態、（ｄ）ピックアップツールと転写先基板の位置合わせ状態、（ｅ）ピックアップツールによるチップ部品の転写先基板への配置、（ｆ）ピックアップツールによるチップ部品の転写完了状態を示す図である。 従来の真空吸着方式で微小なチップ部品をピックアップする際の問題点を説明するもので（ａ）チップ部品の上部にチップ保持部を配置した状態、（ｂ）チップ保持部をチップ部品に密着した状態、（ｃ）チップ保持部がチップ部品を吸着してピックアップする状態を示す図である。 柔軟部材を用いたチップ保持部で微小なチップ部品を吸着保持してピックアップする例を説明するもので（ａ）柔軟部材がチップ部品に接触した状態、（ｂ）柔軟部材をチップ部品に密着させて保持した状態、（ｃ）チップ保持部を上昇させチップ部品をピックアップした状態を示す図である。 柔軟部材が有する保持力でチップ部品を保持してピックアップする例を説明するもので（ａ）柔軟部材がチップ部品に接触した状態、（ｂ）柔軟部材をチップ部品に密着させて保持した状態、（ｃ）チップ保持部を上昇させチップ部品をピックアップした状態を示す図である。
本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係るツール高さ調整装置１の構成を示す断面図である。ツール高さ調整装置１は、ピックアップツール２のチップ保持部２１の高さ位置を調整するもので、透明板４、撮像手段５、制御手段１０を備えている。
ここで、ピックアップツール２は転写元ステージ３が保持する転写元基板Ｂ０からチップ部品Ｃをピックアップするものであり、複数個のチップ部品Ｃを同時にピックアップするよう複数のチップ保持部２１を有している。複数のチップ保持部２１によって形成される領域は、同一面上に存在する複数のチップ部品Ｃを同時に保持するため、面を形成している。また、チップ保持部２１は、チップ部品Ｃと接触する部分に図９、図１０に示したような柔軟部材２１Ｓを用いている。なお、チップ部品Ｃは５００μｍ角より小さい微小チップであれば特に材質や用途を限定せず、ＬＥＤチップ、無線チップ、ＭＥＭＳチップなどに用いられるチップ部品が対象となる。
ピックアップツール１における透明板４は、転写元ステージ３に設けられた透明板であり、透明板上面４１が転写元ステージ上面３１と平行になるように設けられている。透明板４としては、濁りのない透明性と、変形し難く、傷がつき難い材質が好適であり、ガラスや石英が望ましい。なお、転写元ステージ上面３１に対する透明板上面４１の高さは正確に掌握できれば任意に設定してよいが、０μｍ（透明板上面４１が転写元ステージ上面３１と同一平面を形成）から上下１０００μｍの範囲内が望ましい。
撮像手段５は、図１に示すように透明板４を介してピックアップツール２のチップ保持部２１が視野に入るように透明板４の下側に配置している。図１で、撮像手段５は、プリズム５１により光軸を曲げてから撮像装置５０が画像を取得する構成となっているが、透明板４の直下に充分なスペースを設けることが出来れば、プリズム５１を用いずに撮像装置５０が直接上方に視野を有する構成としてもよい。
制御手段１０は、図示しない駆動手段を介してピックアップツール２の上下駆動を制御する機能と、撮像手段５の動作を制御する機能と、撮像手段５が取得した画像を解析する機能を有している。ここで、ピックアップツール２の上下駆動においては、エンコーダ等を用いて上下移動距離を算出しながら上下駆動を制御することが可能である。撮像手段５の動作においては画像を取得するタイミングを制御でき、ピックアップツール２の上下駆動位置と連動して画像を取得することも可能である。また、撮像手段５が取得した画像の解析機能については汎用の画像解析ソフトウェアを利用してもよい。
以下、ツール高さ調整装置１を用いて、ピックアップツール２のチップ保持部２１の高さを調整する工程について説明する。
まず、撮像手段５（の撮像装置５０）については、予め焦点を透明板上面４１に合わせておく。この段階では、図１のように、チップ保持部２１は透明板上面４１から離れるようピックアップツール２は配置されている。
この状態から、制御手段１０はピックアップツール２を徐々に降下させ、図２のようにチップ保持部２１が透明板上面４１に密着した段階で停止させる。なお、チップ保持部２１が柔軟部材２１Ｓを用いていても、柔軟部材２１Ｓが充分圧職されるとピックアップツール２にも大きな圧力が加わるので、圧力検出によりチップ保持部２１が透明板上面４１に密着することを検知することは可能である。
ピックアップツール２が、図１の状態から図２の状態に至る間において、制御手段１０はピックアップツール２の移動距離と関連付けて、撮像手段５により画像を取得する。すなわち、チップ保持部２１が透明板上面４１に接近している状態で、距離と関連付けて画像を取得するものであり、取得した画像の例を図３に示す。図３において、図３（ａ）はチップ保持部２１が透明板上面４１から離れた状態であり、撮像手段５の焦点は透明板上面４１であるため、チップ保持部２１のイメージＩ２１はぼやけている。その後、ピックアップツール２を降下させているのに伴い、イメージＩ２１のコントラストは向上し（図３（ｂ））する。その後、図３（ｃ）のようにチップ保持部２１が透明板上面４１に接触してからも、図３（ｄ）のようにチップ保持部２１が透明板上面４１に密着して押圧するまでの間でも、イメージＩ２１のコントラストは向上する。これは、チップ保持部２１の表面が平滑でなく、微小な凹凸があるため光がチップ保持部２１と透明板４の間で乱反射してコントラストが悪化し、チップ保持部２１が透明板４に密着して行くことで乱反射が抑制され、コントラストが向上して鮮明な画像が得られるようになるためと考えられる。
ところで、チップ保持部２１がチップ部品Ｃをピックアップするのに際して、柔軟部材２１Ｓの先端しかチップ部材Ｃに達していない状態ではチップ部品Ｃを保持することは困難である。一方、柔軟部材２１Ｓを圧縮し過ぎる状態までチップ保持部２１をチップ部品Ｃに密着させると、チップ部品Ｃを破損する懸念もある。このため、チップ部品Ｃを有効に保持するのは、柔軟部材２１Ｓが適度に圧縮して透明板上面４１に密着た状態であることが判る。
そこで、本発明のツール高さ調整においても、チップ保持部２１が透明板上面４１に接触した状態から、透明板４に一定以上の圧力が印加されるまでの間に、チップ保持部２１が実質的に透明板上面４１に到達（して透明板上面４１を有効に保持）したと判定する高さ位置を検出することになる。すなわち、撮像手段５が取得した画像を制御手段１０が解析し、イメージＩ２１が、図３（ｃ）から図３（ｄ）に至る間で、チップ保持部２１が実質的に透明板上面４１に到達したと判定する。具体的には、制御手段１０は、ピックアップツール２を降下させる距離と関連付けて取得した画像のコントラスト等の評価項目について解析し、評価項目が一定基準に達した段階を、チップ保持部２１が実質的に透明板上面４１に到達したと判定する。
以上の工程により、ピックアップツール２の移動距離における高さの基準位置を設けることが出来る。例えば、図４のように転写元ステージ上面３１に対する透明板上面４１の高さｈ０をレーザーセンサ７等で測定しておけば、チップ保持部２１が転写元ステージ上面３１に実質的に到達する高さ位置を設定することが出来る。さらに、転写元ステージ上面に対する転写元基板Ｂ０の高さｈ１、転写元基板Ｂ０上のチップ部品Ｃの高さｈ２を測定しておけば、チップ保持部２１がチップ部品Ｃを有効に保持する高さ位置を設定することが可能になる。
また、透明板上面４１に対する転写先基板Ｂ１の高さも同様に測定しておけば、チップ部品の高さｈ２を考慮することにより、チップ部品Ｃを転写先基板Ｂ１に転写する際のチップ保持部２１を適正な高さに設定することも可能になる。
なお、ここまでの説明において、チップ保持部２１を透明版上面４１に接近させながらチップ保持部２１が実質的に透明板上面４１に到達する高さ位置を検出する実施形態について説明したが、チップ保持部２１を透明板上面４１から離す方向でもチップ保持部２１が透明板上面４１から実質的に離れる（透明板上面４１の保持を解除する）高さ位置を検出することも可能である。すなわち、チップ保持部２１を、透明板４１に印加する圧力が所定値に達する密着状態にしてから、チップ保持部２１を透明板上面４１から離れるようピックアップツール２を駆動して、移動距離と関連付けて、撮像手段５により画像を取得してもよい。この方法により、チップ保持部２１が透明板上面４１から実質的に離れる高さ位置が判るが、この高さ位置よりチップ保持部２１と透明板上面４１が接近すれば有効な保持が出来ることも判る。
ところで、撮像手段５の焦点を透明板上面４１に合わせるのに際しては、図５（ａ）のように、焦点合わせ用のマーク６Ｍが記された焦点合わせ治具６を用いればよい。ここで、図５（ｂ）のように、焦点合わせ治具６には複数のマーク６Ｍを配置して、撮像手段５の視野内に複数のマーク６Ｍが入った状態で位置合わせを行えば、透明板上面４１に対して垂直に光軸合わせを行うことも出来る。
撮像手段５の光軸を透明板上面４１に垂直に合わせることにより、複数のチップ保持部２１によって形成される領域と、透明板上面４１との平行度の評価も可能である。すなわち、複数のチップ保持部２１によって形成される領域が、透明板上面４１に対して傾きがある場合、視野内の複数のチップ保持部２１のイメージＩ２１のコントラストに差が生じる。この様子を示したのが図６であり、イメージ２１Ａに対応するチップ保持部２１Ａとイメージ２１Ｂに対応するチップ保持部２１Ｂでは、透明板上面４１との距離に差があることが判る。また、チップ保持部２１Ａに比べチップ保持部２１Ｂの方が透明板上面４１との距離が大きいことも判るので、この画像を参考にしてピックアップツール２の傾き等の調整も行うことができる。
ここまで、本実施形態ではチップ保持部２１が柔軟部材２１Ｓを用いることを前提としているが、本発明はこれに限定するものではなく、柔軟部材２１Ｓを用いないチップ保持部２１であっても適用可能である。すなわち、柔軟部材２１Ｓを用いずチップ部品Ｃを保持する面が平坦であれば、チップ保持部２１が透明板上面４１と接触した直後に、撮像手段５が取得する画像の（コントラスト等の）評価項目が判定基準に達するのでツール高さ調整に利用できる。
以上より、本発明のツール高さ調整装置を、図４に示すような転写元ステージ３が保持した転写元基板からチップ部品をピックアップして転写先基板に転写するようなチップ部品転写装置に用いることにより、チップ部品が微小であっても正確に保持して破損することなく転写を行なうことができる。
１ ツール高さ調整装置
２ ピックアップツール
３ 転写元ステージ
４ 透明板
５ 撮像手段
６ 焦点合わせ治具
７ レーザー測長器
１０ 制御手段
２１ チップ保持部
２１Ｓ 柔軟部材
３１ 転写元ステージ上面
４１ 透明板上面
５０ 撮像装置
５１ プリズム
６１ 焦点合わせ治具の下面
Ｂ０ 転写元基板
Ｂ１ 転写先基板
Ｃ チップ部品
Ｉ２１ チップ保持部イメージ

Claims (6)

  1. チップ保持部を上下してチップ部品をピックアップするピックアップツールの、前記チップ保持部の高さ位置を調整するツール高さ調整装置であって、
    透明板と、
    前記透明板の下側から、前記透明板上面に焦点を合わせて画像を取得する撮像手段と、
    前記ピックアップツールの上下駆動を制御する機能と、前記撮像手段の動作を制御する機能と、前記撮像手段が取得した画像を解析する機能とを有する制御手段とを備え、
    前記制御手段が、前記チップ保持部を前記透明板方向に接近させながら前記撮像手段が取得した画像を解析して、前記チップ保持部が前記透明板上面を有効に保持する高さ位置を検出する、ツール高さ調整装置。
  2. チップ保持部を上下してチップ部品をピックアップするピックアップツールの、前記チップ保持部の高さ位置を調整するツール高さ調整装置であって、
    透明板と、
    前記透明板の下側から、前記透明板上面に焦点を合わせて画像を取得する撮像手段と、
    前記ピックアップツールの上下駆動を制御する機能と、前記撮像手段の動作を制御する機能と、前記撮像手段が取得した画像を解析する機能とを有する制御手段とを備え、
    前記制御手段が、前記チップ保持部を前記透明板に一旦密着させて、前記チップ保持部を前記透明板から離れる方向にピックアップツールを駆動させながら前記撮像手段が取得した画像を解析して、前記チップ保持部が前記透明板上面を有効に保持する高さ位置を検出する、ツール高さ調整装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載のツール高さ調整装置であって、
    複数のチップ保持部が設けられたピックアップツールの、チップ保持部の高さ位置を調整するツール高さ調整装置。
  4. 請求項３に記載のツール高さ調整装置であって、
    前記撮像手段が取得した画像を解析することにより、複数のチップ保持部によって形成される領域の、前記透明板上面に対する平行度を評価する機能を前記制御手段が有しているツール高さ調整装置。
  5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のツール高さ調整装置であって、
    前記チップ保持部に柔軟部材が用いられているピックアップツールの、チップ保持部の高さ位置を調整するツール高さ調整装置。
  6. 転写元の基板からチップ部品をピックアップして、転写先の基板上に載置するチップ部品転写装置であって、
    チップ部品を転写元の基板からピックアップするピックアップツールの、チップ保持部の高さ位置を調整するための、請求項１から請求項５のいずれかに記載のツール高さ調整装置を備えたチップ部品転写装置。
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