CH643959A5

CH643959A5 - Verfahren und vorrichtung zur automatischen lageerkennung von halbleiterchips.

Info

Publication number: CH643959A5
Application number: CH259479A
Authority: CH
Inventors: Guenter Dr Doemens
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1978-04-14
Filing date: 1979-03-20
Publication date: 1984-06-29
Also published as: GB2019687B; JPS54139471A; GB2019687A; US4238780A

Description

Die Erfindung betrifft ein opto-elektronisches, berührungsloses Verfahren zur weitgehend muster- und oberflä-cheneigenschaftenunabhängigen, automatischen Lageerkennung eines Halbleiterchips, insbesondere für die Justierung bei Automaten für die Drahtmontage und bei der Übernahme von Halbleiterelementen an Legier-/Klebeautomaten. Dabei sind unter Legier-/Klebeautomaten Geräte zu verstehen, bei denen der Chip von dem Wafer auf den Systemträger übertragen wird.

Unter Halbleiterchips sollen Einzelhalbleiter und integrierte Schaltkreise verstanden werden. Zur Vereinfachung wird im folgenden Text nur noch von Chip gesprochen.

Die genaue opto-elektronische Erfassung von Mass, Form und Lage wird häufig durch folgende Umstände erschwert: zu geringer Kontrast zwischen Objekt und Umgebung, starke zeitliche und örtliche Schwankungen des Kontrastes und starke örtliche Helligkeitsunterschiede in der Umgebung der gesuchten Objekte.

In der DE-OS 2 404 183 ist eine Vorrichtung zur Erkennung der Lage eines Musters beschrieben und dargestellt. Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, dass die Mustererkennung typenspezifisch ist, das heisst, dass bei jedem neuen Muster bzw. Typ umgerüstet werden muss. Ausserdem müssen diese Muster, die im wesentlichen in der Aluminiumstruktur liegen, durch technologische Schwankungen das Reflektionsverhalten ändern und erschweren dadurch eine sichere Erkennung. Ausserdem handelt es sich bei dieser Mustererkennung um ein aufwendiges Verfahren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs definierte Verfahren zu realisieren, das typenunabghängig, weitgehend oberflächenunabhängig und mit vergleichsweise geringem Aufwand herzustellen ist. Ausserdem ist es das Ziel der Erfindung, die eingangs erwähnten, erschwerenden Umstände weitgehend zu umgehen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 definierte Verfahren gelöst.

Ritzkante ist die durch den Ritz- oder Sägevorgang auf den Wafer entstandene Begrenzung des Chips. Systemkante ist die äusserste reguläre Struktur auf dem Chip, die im allgemeinen die gesamte aktive Fläche des Chips in Form eines Vierecks umschliesst und im allgemeinen durch einen Übergang von Silizium auf Siliziumoxid entsteht.

Mit der Erfindung ist es möglich, eine weitgehend muster-und damit typenunabhängige, von Reflektionseigenschaften der Oberfläche unbeeinflusste Lageerkennung mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit durchzuführen.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die zeilenabschnittsweise Auswertung des Bildinhaltes in einem oder in mehreren nebeneinander angeordneten oder ineinander verschachtelten, senkrecht zur Abtastrichtung verlaufenden Spalten. Die Ergebnisse dieser eingangs erläuterten spalten* und zeilenweisen Bildverarbeitung werden bezüglich ihrer Lage in Spalteinrichtung (Zeilennummer) in einer Recheneinheit, vorzugsweise einem Mikroprozessor, gespeichert und damit über eine entsprechend logische Betrachtung quer zu den Spalten fehlerhafte Ergebnisse von den Ergebnissen, die der gesuchten Kante richtig zugeordnet wurden, unterschieden. Auf diese Weise wird erreicht, auch die Lage von Chips zu erkennen, die durch örtlich begrenzte Beschädigungen (zum Beispiel Muschelausbruch) oder durch störende

Partikel von ihrer Idealform abweichen. Ausserdem wird mit dieser Lösung noch eine erhöhte Erkennungssicherheit geschaffen. Die dabei eliminierten Störungen resultieren insbesondere aus optischen Störungen aus der Umgebung des Chips.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung zur Bestimmung des Winkels und der beiden Lagekoordinaten des Chips wird das Verfahren in mehreren - vorzugsweise drei - Gesichtsfeldern mit gleichen oder unterschiedlichen, vorzugsweise orthogonalen Abtastrichtungen ausgeführt. Diese Lösung dient der Bestimmung der translatorischen und geringfügig rotatorischen Lageabweichung.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur Bestimmung der Ritzkante ein eindeutiges optisches Bild durch Ausnutzung der Höhenausdehnung des Chips erzeugt. Dies geschieht z.B. dadurch, dass eine parallele Beleuchtung unter einer Richtung verwendet wird, die wenige Grad zur Senkrechten geneigt ist und in der Projektion auf die Chip-oberfläche etwa parallel zur Diagonale verläuft, wobei die Betrachtung unter dem Reflektionswinkel erfolgt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass sich auf diese Weise entlang der Ritzkante ein schmaler Schattensaum ergibt, der absolut dunkel erscheint und dadurch die Erkennung der Ritzkante im Sinne des beschriebenen Verfahrens erleichtert.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung findet zur Erfassung der Systemkante vorzugsweise eine parallele Auflichtbeleuchtung Verwendung, so dass die Systemkante aufgrund ihrer Böschung das Licht so reflektiert, dass es nur noch sehr abgeschwächt in das optische System zurückgelangt und dadurch so als schmale, dunkle Linie erscheint. Diese Beleuchtung gestattet es, auch die Systemkante zur Auswertung hinreichend deutlich sichtbar zu machen.

Weiter erstrebt die Erfindung eine erhöhte Erkennungssicherheit und einen weiteren Bereich der erfassbaren Ausbildungen von Systemkanten. Dazu dient eine wirkungsvollere elektronische Erfassung der Rauheit, sowie eine logische Überwachung der Ergebnisse anhand eines Orthogonalitäts-kriteriums sowie eine Formuntersuchung des Verlaufs der Differenz der zeilenweisen Integrale im Bereich der Ritz- und Systemkante. Ausserdem soll bei der Lagebestimmung für Einzelhalbleiter und kleine integrierte Schaltkreise das Verfahren durch Verwendung von nur zwei orthogonal aufeinander angeordneten Gesichtsfeldern durch optische Verfahren in einem Fernsehbild angeordnet werden, so dass die Erkennungszeit wesentlich verkürzt wird.

Diese Aufgabe wird in besonders einfacher Weise dadurch gelöst, dass für die elektronische Erfassung eines rauhen Bereiches entsprechend für jede Zeile zugeordneten elektronische Signale dadurch erzeugt werden, dass eine Differenzierung in Zeilenrichtung und eine anschliessende Betragsbildung sowie eine Zeilen- bzw. zeilenabschnittsweise Integration erfolgt und dass diese Folgen von zeilenweise zugeordneten Spannungswerten zueinander in verschiedene Phasenlagen gebracht werden und dass diese vorzugsweise durch eine Summenbildung zusammengefasst werden. Durch diese Erweiterung werden rauhe Bereiche, die singulare glatte Stellen aufweisen, besser zu einer geschlossenen Fläche zusammengefasst.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Systemkante durch eine Formerkennung der zeilenweisen Integrale bzw. deren Differenz im Bereich der Ritz- und Systemkante durchgeführt. Diese Formerkennung wird am einfachsten über eine Ritzkantenerkennung ausgelöst.

Zur Ermittlung der Ritzkante wird mit paralleler oder anderer Auflichtbeleuchtung gearbeitet, die sowohl bei der Ritzkante als auch bei der Systemkante aufgrund der Böschungen bzw. Reflexionsunterschiede hinreichende Konturen liefert und das Videosignal des Bildwandlers aus einer

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zeilenweisen Abtastung, die annähernd parallel zu den gesuchten Kanten verläuft, zeilenweise integriert, ferner die Differenz aufeinanderfolgender zeilenweiser Integrale gebildet, anschliessend dieses Ergebnis mit einem der Rauheit proportionalen Signal gewichtet und das daraus resultierende Signal über einen Komparator zur Bestimmung der Ritzkante anhand der zeilenweisen Differenz der Integrale einen Maximalwertdetektor (bzw. Minimalwertdetektor) aktiviert und über dessen Ergebnismeldung die Ritzkante bestimmt und davon ausgelöst ein Minimalwertdetektor (bzw. Maximalwertdetektor) die Lage der Systemkante ebenfalls anhand des Verlaufs der Differenz der zeilenweisen Integrale bestimmt. Dadurch können Systemkanten mit höherer Sicherheit und gleichzeitig geringerer Ausprägung der Kontur gefunden werden. Zusätzlich darf die Systemkante einen universellen Charakter, wie zum Beispiel Hell-Dunkel-Hellübergang oder Dunkel/Hell bzw. Hell/Dunkel-Übergang, aufweisen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können bei einem Verfahren mit drei Gesichtsfeldern, von denen zwei zum Beispiel auf der Längsseite und eines auf der Querseite angeordnet sind, zur Vermeidung von Fehlerkennungen in jedem der drei Gesichtsfelder anhand von jeweils zwei Spalten ein Winkel je Gesichtsfeld berechnet und die Ergebnisse der Gesichtsfelder untereinander verglichen und ferner ebenfalls ein Winkel aus den beiden Gesichtsfeldern an der Längskante bestimmt werden und dieser mit dem errechneten Winkel aus der Querkante verglichen werden. Da die Systemkante bzw. Ritzkante eines integrierten Schaltkreises orthogonal zueinander verlaufen, müssen bei einer richtigen Erkennung diese Winkel gleich sein. Die Hauptanforderung an ein automatisches Lageerkennungssystem ist neben der Erkennungsgenauigkeit eine möglichst geringe Rate an falsch erkannten Systemen, die zu einem Stillstand der Maschine führen können. Zur Vermeidung von Fehlerkennungen werden Winkelbetrachtungen herangezogen, die den orthogonalen Verlauf der Ritz- bzw. Systemkante zur Grundlage haben.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann bei einem Verfahren zur Lagebestimmung, vorzugsweise bei Einzelhalbleitern und kleinen integrierten Schaltkreisen mit zwei orthogonal angeordneten Gesichtsfeldern, das Verfahren so gestaltet werden, dass durch entsprechende optische Abbildung, Ausblendung, Bilddrehung bzw. Verschiebung diese Gesichtsfelder auf eine einzige Fernsehkamera untereinander angeordnet werden, so dass in einem Fernsehbild beide Koordinaten gleichzeitig bestimmt werden können. Auf diese Weise wird erreicht, dass durch die gleichzeitige Auswertung in einem Fernsehbild die Auswertzeit deutlich verkürzt wird, ohne dass dabei der elektronische Aufwand erhöht werden muss (nur 1 TV-Kamera, 1 Auswerteelektronik). Ferner erhöht sich die Zuverlässigkeit der Anlage bei einer gleichzeitigen Verringerung der Herstellkosten.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist die im Patentanspruch 12 definierte Vorrichtung vorgesehen.

Dadurch ist gewährleistet, dass die jeweiligen Kanten immer parallel oder annähernd parallel zu der Abtastrichtung des entsprechenden Bildwandlers verlaufen. Ein drittes Gesichtsfeld zur Erfassung des Drehwinkels wird durch Verfahren des zweiten Gesichtsfeldes erzeugt. Aufgrund dieser Anordnung können handelsübliche Fernsehkameras zur zellenförmigen Abtastung Verwendung finden. Es ist aber auch möglich, Halbleiterbildwandler (zum Beispiel Charge-cou-pled-devices) einzusetzen.

Weitere Vorrichtungen zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 sind Gegenstand der Patentansprüche 13 und 14.

Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Anordnung zur automatischen

Lageerkennung der Koordinaten x, y und des Drehwinkels y,

Fig. 2 eine Beleuchtungsanordnung zur Ausnützung der Höhenausdehnung eines Chips,

Fig. 3 einen Ausschnitt eines Halbleiterelementes mit Schattensaum,

Fig. 3a eine perspektivische Darstellung der Beleuchtungsanordnung,

Fig. 4 die Bildauswertung im Bereich der Integrationslänge,

Fig. 5 ein Schaltungsprinzip für die Bildauswertung zur Lageerkennung von Schaltkreisen,

Fig. 5a Auswertung des Differenzsignals durch Ausnützung der geringen Breite der System- bzw. Ritzkante,

Fig. 6 die Bildauswertung durch analoge und digitale Bildverarbeitung,

Fig. 8 ein erweitertes Schaltungsprinzip zur Lageerkennung der Systemkante durch universelle Erfassung der Rauheit und Formerkennung im Bereich der Ritz- und Systemkante,

Fig. 9 zur Erzeugung einer geschlossenen Fläche im rauhen Bereich: Rauheitssignale in unterschiedlicher Phasenlage und deren Zusammenfassung,

Fig. 10 eine mögliche Schaltungsanordnung zur Zusammenfassung der Rauheitssignale,

Fig. 11 die Formerkennung im Bereich der Ritz- und Systemkante, sowie zulässige, unterschiedliche Ausbildungen der Systemkante,

Fig. 12 eine mögliche Überwachung des Orthogonalitäts-kriteriums zur Vermeidung von Fehlerkennungen und

Fig. 13 die Lagebestimmung in xy-Richtung in einem einzigen Gesichtsfeld durch entsprechende Anordnung der Einzelgesichtsfelder.

Die Fig. 1 zeigt zwei Bildwandler FS1/FS2, deren Abtastrichtungen orthogonal zueinander sind, eine Optik 1 und einen Chip 2 mit drei Gesichtsfeldern und beispielsweise jeweils vier Abtastspalten. Die Ritzkante ist mit 4 und die Systemkante mit 5 bezeichnet. Die Signale der Bildwandler gehen auf eine entsprechende Auswerteelektronik 6, die spaltenweise die Lage der Kanten in Form von Zeilennummern erfasst und diese an den Mikroprozessor 7 zur Verarbeitung senkrecht zur Spaltenrichtung und zur Ermittlung von xO, yO und y weitergibt. Ein Ausführungsbeispiel für die analoge Auswerteelektronik 6 wird anhand der Fig. 5 erläutert. Als Mikroprozessor kann beispielsweise ein SMP 8080 Verwendung finden, der im Siemens-Datenbuch 76/77 Mikroprozessor Bausteine System SAB 8080 aufgeführt ist. Die Ritzkante 4 bzw. die Sysemkante 5 läuft parallel bzw. nahezu parallel zu der jeweiligen Zeilenrichtung und senkrecht oder nahezu senkrecht zu den Spaltenrichtungen. Die Gesichtsfelder FS1' bzw. FS2' sind den Bildwandlern FS1 bzw. FS2 zugeordnet.

Bei der Erfindung wird eine zeilenförmige Abtastung des Bildes vorgenommen, wobei die Zeilen parallel oder annähernd parallel zur Richtung der gesuchten Kante verlaufen. Über eine Zeile oder über einen Zeilenabschnitt wird die Intensität aufintegriert und die integralen Spannungswerte von jeweils aufeinanderfolgenden Zeilen subtrahiert. Zu den Differenzspannungen Au tragen nur die Bildanteile bei, die einen Intensitätsgradienten senkrecht zur Zeilenrichtung aufweisen und den Betrag dieses Gradienten in Zeilenrichtung über eine gewisse Strecke in etwa beibehalten. Durch eine weitere Differenzbildung oder durch eine zusätzliche elektronische Breitenbewertung werden scharfkantige Linien (System-, Ritzkante) von breiten Übergängen hervorgehoben.

Die Lage der Kante erhält man über einen Zeilenzähler mit Komparator. Durch die Integration in Zeilenrichtung ist die Auswertung weitgehend unabhängig von Störungen im Kantenverlauf. Ferner können hierdurch noch Kanten erkannt werden, deren Kontrasthub deutlich unter der Rau-

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schamplitude des Videosignales liegt. Die Genauigkeit der Lageerkennung kann noch durch Mittelwertbildung aus mehreren Ergebnissen erfolgen, die bei einer parallelen Abtastung und Auswertung in verschiedenen Bereichen des Bildes anfallen.

Bei der Drahtmontage von integrierten Schaltkreisen ist die Lage des Chips auf dem Systemträger in x, y und y zu erfassen. Ist eine hinreichend geringe Lagetoleranz zwischen Ritzkante und System vorhanden, so bietet sich der Einsatz des vorgeschlagenen Verfahrens zur Lageerkennung der Ritzkante an. Unter bestimmten Bedingungen kann jedoch auch die Lage der Systemkante direkt erfasst werden. Der Chip wird dazu auf zwei Bildwandler (z.B. Fernsehkamera FS1, FS2 - wie in Fig. 1 gezeigt) abgebildet, deren Abtastrichtun-gen senkrecht aufeinanderstehen, so dass eine parallele Abtastung von orthogonalen Kanten möglich ist.

Die Erfassung des Drehwinkels y erfolgt über ein drittes Gesichtsfeld, das durch das Verfahren des ersten Gesichtsfeldes FS1' um den Betrag L erfolgen kann. Die Grösse des Ver-fahrweges L ist einstellbar und richtet sich nach der jeweiligen Chipgrösse. Das Verfahren erfolgt zweckmässigerweise über einen nicht dargestellten drehbaren Spiegel im Strahlengang der Optik.

Da die Umgebung des Chips aufgrund verschiedener Klebe- und Legierverfahren bezüglich der Helligkeitsverteilung extrem unterschiedlich ausfallen kann, wird zur Erhöhung der Erkennsicherheit ein Schattenwurfverfahren (Fig. 2) durchgeführt. Dabei wird der Chip 8 mit der Höhe h, der auf dem Systemträger 9 auflegiert oder aufgeklebt ist, mit parallelem Licht beleuchtet. Die Beleuchtungsrichtung a ist um wenige Grad zur Senkrechten geneigt. Unter der Betrachtungsrichtung a' erscheint dann an der Chipkante ein Schattensaum 10 mit der Breite b. Betrachtungs- und Beleuchtungswinkel sind im allgemeinen gleich. Die Breite des Schattensaums b ist gegeben durch die Funktion b = 2hsina

Um den notwendigen Schattensaum an beiden Seiten einer Chipecke zu erzeugen, verläuft die Betrachtungs- bzw. Beleuchtungsrichtung bezogen auf die Chipebene ungefähr unter 45° zu der Chipkante, wie aus Fig. 3 zu ersehen ist. Zum besseren Verständnis zeigt Fig. 3a Beleuchtungsrichtung,

Chip und erzeugten Schattensaum in perspektivischer Darstellung.

Neben der Integration und Differenzbildung wird noch eine elektronische Bewertung der Rauheit der Oberfläche durchgeführt, die zweckmässigerweise über eine Differenzierung in Zeilenrichtung und anschliessender Betragsbildung und Zeilen- bzw. zeilenabschnittsweiser Integration erfolgen kann. Die Systemkante befindet sich immer in einem optisch «glatt» erscheinenden Bereich und ist durch einen Hell-Dun-kel-Übergang gekennzeichnet. Störende Hell-Dunkel-Über-gänge aus dem Signal der ersten Differenz, die nicht der Systemkante zuzuordnen sind, werden durch den relativ rauh erscheinenden Systemträger, sowie von rauhen Kleberändern hervorgerufen. Durch eine Gewichtung der ersten Differenz mit einem nach oben beschriebener Art zeilenweise gewonnenen Rauheitssignal (z.B. durch Division) ist eine sichere, elektronische Erkennung der Systemkante durchführbar.

In Fig. 4 zeigt das obere Feld einen Typenausschnitt eines Chips 8 mit dessen Randumgebung, die im allgemeinen durch einen Systemträger 9 und unregelmässig geformte Kleb- bzw. Legiermasse 10 gebildet ist. Ferner ist die mit Ausbrüchen versehene Ritzkante 4 und die dahinterliegende Systemkante 5 zu sehen, sowie die Kontaktierfelder 11, 12. Die Lage der Zeilen 13 sowie der Bereich «1» der Integration ist ebenfalls angedeutet.

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Der Kurvenverlauf im Diagramm a zeigt das Ergebnis der zeilenweisen Integration im obigen Bildausschnitt über die angegebene Integrationslänge «1».

Im nächsten Schritt b wird die Differenz von den integra-5 len Spannungswerten gebildet, die benachbarten Zeilen zugeordnet sind. Durch die in den Diagrammen a und b dargestellte Operation werden geradlinige Kanten, die annähernd parallel zur Abtastrichtung verlaufen, im Verhältnis zu anderen Bildelementen, wie beispielsweise unregelmässig 10 geformte Konturen, der Umgebung hervorgehoben.

Die Systemkante ist durch ihre Charakteristik («Böschung») immer als Hell-Dunkel-Übergang zu erkennen, wenn die Abtastrichtung aus der Umgebung des Chips kommt. Die Ritzkante erscheint aufgrund der Schattenbe-15 leuchtung unter den gleichen Abtastbedingungen immer als Dunkel-Hell-Übergang. Je nach Art der zu findenden Kante kann die Polarität des Signals im Diagramm b beschnitten werden. Im gezeigten Fall wird die Systemkante gesucht. Ihr Hell-Dunkel-Übergang ist im Diagramm b den Negativbe-20 reich zuzuordnen. Der Positivbereich braucht deshalb für die weitere Bildbearbeitung nicht berücksichtigt zu werden.

In dem so verarbeiteten Bildinhalt können aufgrund sehr intensiver Störungen der Umgebung noch Signale enthalten sein, deren Höhe das Differenzsignal an der Stelle der 25 gesuchten Systemkante deutlich überschreitet. Zur Unterdrückung dieser Strömung wird deshalb als weiteres Kriterium die Glattheit der Oberfläche herangezogen, in der sich die Systemkante im Gegensatz zu den rauh und unregelmässig geformten Bildelementen der Umgebung (Systemträger, 30 Kleber) befindet. Dazu wird das aus dem Bildwandler kommende Signal differenziert, gleichgerichtet und ebenfalls wieder im Bereich der Integrationslänge 1 zeilenweise integriert. Die sich so ergebenden integralen Spannungswerte zeigt Diagramm c. Der Verlauf UR ist ein Mass für die Rauheit der 35 Oberfläche. Das Signal b wird nun mit dem Verlauf der Rauheit als Signal c so gewichtet, dass das Signal b in rauhen Bereichen abgeschwächt und in glatten Bereichen verstärkt wird. Dies kann durch eine Division von Signal b durch Signal c erfolgen. Das Ergebnis dieser Gewichtung zeigt der 40 Signalverlauf d. Durch eine weitere Differenzbildung von Spannungen, die benachbarten Zeilen im Signal d zuzuordnen sind, ergibt sich eine nochmalige Verstärkung von scharfkantigen Übergängen, wie es die Systemkante darstellt.

Das Endergebnis dieser zeilenweisen Bildverarbeitung, 45 die aus Zeit- und Aufwandsgründen vorzugsweise analog erfolgt, zeigt das Signal e. Der Vergleich mit dem Übersichtsbild am Kopf der Fig. 4 ergibt, wie der gesamte Bildinhalt auf eine schmale, sehr deutlich hervortretende Linie komprimiert wurde, die örtlich mit der Systemkante zusammenfällt und 50 deren Lage nun über eine Zeilennummer (Fig. 1) weiter verarbeitbar ist.

Die Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des prinzipiellen Signalverlaufs. Das ankommende Videosignal U(x)

eines zeilenförmig arbeitenden Bildwandlers teilt sich in zwei 55 Kanäle auf. Der obere dient zur Hervorhebung der geradlinigen Kanten aus unregelmässig geformten Konturen entsprechend Fig. 4, Signalverlauf a und b.

Der untere Kanal dient zur elektronischen Erfassung der unterschiedlichen Rauheiten. Dazu wird nach einer Differen-60 zierung des Videosignals U(x) dieses Ergebnis gleichgerichtet (U) und dann zeilenweise integriert. Eine Verknüpfung der beiden Kanäle durch Division b/c liefert nach einer nochmaligen zeilenweisen Differenzbildung im Bereich der gesuchten Systemkante bzw. Ritzkante eine schmale, im Vergleich zu 65 dem davor liegenden Bildinhalt sehr intensive Linie. Diese Differenzbildung entspricht der Differenzbildung im oberen Kanal nach der Integration. Das Ergebnis stellt in Fig. 4 der Kurvenverlauf e dar. Die örtliche Lage ist über einen Zeilen

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zähler 14 zu der gesuchten Ritz- bzw. Systemkante in bezug zu bringen.

Im Rahmen der Erfindung wird im oberen Kanal nach der Differenzbildung der zeilenweisen Integrale ein Kriterium eingeführt, das die geringe Breite des Differenzsignals im Bereich der System- bzw. Ritzkante heranzieht und damit weite Bereiche des Bildinhalts - insbesondere der Umgebung - unterdrückt. Dies geschieht vorzugsweise dadurch, dass das Signal b entsprechend der Fig. 5a auf einen Komparator gegeben wird. Überschreitet das Signal eine Spannungsschwelle 15, so wird ein Tor - bestehend aus einem Analogschalter - geöffnet und nach einer festen Zeit x wieder geschlossen. Die Zeit x ist so lange, wie das Differenzsignal im Bereich der gesuchten Systemkante maximal andauert. Das Differenzsignal wird nun entsprechend diesen Zeiten über den Analogschalter durchgelassen. Dadurch bleibt das Differenzsignal im Bereich der gesuchten Systemkante voll erhalten. Im übrigen Bereich wird es weitgehend beschnitten. Es entstehen dadurch noch wenige Bildausschnitte, die entsprechend der Zeit x bereit sind. Durch eine weitere Elektronik kann noch unterschieden werden, welche Bildausschnitte entsprechend der Zeit x durch Beschneidung eines breiteren Signals entstanden sind und weiche Differenzsignale beinhalten, deren Breite der der Systemkante entspricht. Die elektronische Bildung der integralen Spannungswerte nach Fig. 5 kann z.B. mit einem entsprechend beschalteten Operationsverstärker des Typs AM 450-2 der Firma Datei in Verbindung mit einem Analogschalter AH 0015 CD der Firma National Semiconductor durchgeführt werden.

Die Differenzbildung der zeilenweisen Integrale entsprechend Fig. 4, Signalverlauf b und e, kann beispielsweise mit je zwei Sample and Hold-Bausteinen SHM-Ic-1 der Firma Datei erfolgen. Die Differenzierung und Gleichrichtung im unteren Kanal kann ebenfalls mit den genannten Operationsverstärkern und entsprechenden Beschallungen realisiert werden.

Die weitere Bildauswertung erfolgt digital in einem Mikroprozessor. Diesen werden je Spalte die Zeilennummern der als Systemkante durch die analoge Auswertung bewerteten Orte mitgeteilt. Durch parallele Vergleiche der Spalteninhalte werden fehlerhaft bewertete Orte ausgeschieden. Fehlerhaft bewertete Stellen treten mit geringer Wahrscheinlichkeit nebeneinander in zwei benachbarten Spalten auf, wie aus der Fig. 6 zu ersehen ist. Die Bestimmung der Ablage x, y und der Drehwinkel y des Chips erfolgt durch Auswertung der Ergebnisse der drei Einzelgesichtsfelder, deren Anordnung aus der Fig. 7 ersichtlich ist.

Fig. 6 knüpft in der linken Hälfte A an die Fig. 4 und 5 vorzugsweise mit analoger Bildverarbeitung an und zeigt die weitere Informationsverarbeitung, die insbesondere digital in einem Mikroprozessor softwaremässig erfolgt.

Das Feld a in der Fig. 6 zeigt noch einmal ein Gesichtsfeld, z.B. FS1 nach Fig. 1, mit der zeilenförmigen Abtastung 13, den Spalten senkrecht dazu sowie des Chipausschnitts 8 mit Systemkante 5 und Ritzkante 4. Das Feld b demonstriert den daraus spaltenweise reduzierten Bildinhalt. Dieser kann neben der gesuchten System- bzw. Ritzkante noch Linien enthalten, die durch die vorzugsweise analoge Bildauswertung entstanden sind und nicht der Systemkante zuzuordnen sind. Durch einen Vergleich der Lage der Linien in den verschiedenen Spalten zueinander werden die Linien eliminiert (Feld c), die nicht auf einer Geraden, wie sie die Systemkante darstellt, anzuordnen sind.

Als letzter Schritt (Feld d) wird eine Spalte herausgegriffen und die Zeilennummern der gefundenen Kante an dieser Stelle als Ergebnis zur endgültigen Bestimmung von x, y und y mit dem entsprechenden Ergebnis aus den zwei anderen Feldern (z.B. FS2', FSI' in Fig. 1) herangezogen. In die Berechnung von x, y, y aus dem Ergebnis der drei Einzelfelder (Zeilennummer und Spaltennummer) geht noch die Grösse des Verfahrweges L (Fig. 1) ein.

Fig. 7 zeigt noch einmal zusammengefasst die Lage der drei Gesichtsfelder, die Abtastrichtung 16, die jeweilige Zeilenrichtung 13 mit der Integrationslänge 1, die Spaltenanordnung, z.B. 4, und den Verfahrweg L. In den einzelnen Spalten sind die Ergebnisse der vorzugsweise analogen Bildbearbeitung am Beispiel der Ermittlung der Systemkante eingetragen.

Die Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung des prinzipiellen Signalverlaufs. Das ankommende Videosignal U(x) eines zeilenförmig arbeitenden Bildwandlers teilt sich in zwei Kanäle auf. Der obere dient zur Hervorhebung der geradlinigen Kanten aus unregelmässig geformten Konturen.

Der untere Kanal dient zur elektronischen Erfassung der unterschiedlichen Rauheiten. Dazu wird nach einer Differenzierung des Videosignals U(x) dieses Ergebnis gleichgerichtet |U| und dann zeilenweise integriert und dieses Ergebnis in unterschiedliche Phasenlagen gebracht und anschliessend zusammengefasst, am einfachsten durch eine Summenbildung (Fig. 10). Eine Verknüpfung der beiden Kanäle durch Division b/c hebt geradlinige Kanten im glatten Bereich hervor und unterdrückt eventuelle Störungen im rauhen Bereich. Mit dem so gewichteten Signal der zeilenweisen Differenz der Integrale wird über einen Komparator K der Beginn des Bereichs Ritzkante/Systemkante festgestellt und das ursprüngliche, nicht gewichtete zeilenweise Differenzsignal der Integrale auf eine Formerkennungsschaltung über einen in der Figur nur symbolisch dargestellten Schalter S1 durchgeschaltet.

Die Formerkennung F umfasst ein Extremwertbestimmungsglied oder -glieder für die durchgeschalteten zeilenweisen Integrale bzw. deren Differenzen. Diese bestehen vorzugsweise aus einem Maximalwertdetektor Ml für die Bestimmung der Ritzkante und einem von diesem Ergebnis über Schalter S2 aktivierten Minimalwertdetektor M2 für die ■ gesuchte Systemkante. Je nach Signalverlauf kann anstelle des Maximalwertdetektors Ml ein Minimalwertdetektor M2 treten und umgekehrt. Als Ergebnis E liegt dann eine Zeilennummer für die Lage der Systemkante vor.

Im ersten Diagramm der Fig. 9 wird der Verlauf des Rauheitsintegrals Ur senkrecht zur Integrationsrichtung bzw. Zeilenrichtung dargestellt. Deutlich sind Einbrüche in einem an sich rauhen Bereich festzustellen, die bei einer Gewichtung der zeilenweisen Differenz der Integrale eine nicht hinreichende Abschwächung dieses Signals erzielen würden.

Darunter ist das gleiche Signal mit unterschiedlichen Phasenlagen, von denen nur eine gestrichelt dargestellt ist, wiedergegeben. Unter diesem Bild ist gezeigt, wie durch Zusammenfassung (X) der verschiedenen Phasenlagen lokale Einbrüche im Verlauf des Rauheitsintegrals UR aufgefüllt werden.

Über den Diagrammen dieser Figur ist der Ausschnitt eines Chips Ch mit Ritzkante R, Systemkante S, Integrationslänge 1 und dessen Umgebung aufgezeichnet, der dem Signalverlauf in den Diagrammen in etwa entspricht.

Fig. 10 zeigt eine mögliche Schaltungsanordnung zur Zusammenfassung der unterschiedlichen Phasenlagen der Rauheitssignale. Zweckmässigerweise werden die Phasenlagen Ay durch Verzögerung um jeweils eine Fernsehzeile mit Sample and Hold-Stufen realisiert.

Fig. 11 zeigt drei Beispiele I—III für prinzipiell mögliche Ausbildungen des Chips und dessen Umgebung im Bereich der Ritzkante und Systemkante. Ferner ist ortsmässig zugeordnet der Verlauf der Differenz der zeilenweisen Integrale in diesem Bereich für die drei Beispiele dargestellt. Der jeweilige Verlauf zeigt, dass für alle drei Beispiele I—III die Systemkante über eine Maximalwert- MA bzw. Minimalwertbestimmung MI eindeutig gefunden werden kann, xi ist der

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Zeitbereich in dem der Maximalwertdetektor, aktiviert durch den Komparator K, wirksam ist, X2 ist der Bereich in dem der Minimalwertdetektor MI - aktiviert durch das Ergebnis des vorangegangenen Maximalwertdetektors MA - wirksam ist.

Fig. 12 zeigt einen Chip Ch mit den drei Gesichtsfeldern A, B, C und deren spaltenweise Unterteilung sowie die Lage der Systemkante y2A • ■ • y:,c in den einzelnen Spalten. Die Überprüfung des Orthogonalitätskriteriums besteht beispielsweise darin, dass innerhalb jedes Gesichtsfeldes aus der Lage der Systemkante in zwei Spalten ein Winkel berechnet wird und dass kontrolliert wird, ob diese drei berechneten Winkel untereinander übereinstimmen. Der Winkel ccA berechnet sich beispielsweise nach

= are tan y2A ~ y4A

Ferner wird noch kontrolliert, ob der Winkel gebildet aus einer Spalte im Gesichtsfeld B und einer Spalte im Gesichtsfeld C beispielsweise nach der Gleichung

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Die Berechnung der anderen Winkel erfolgt entsprechend anhand von Yiß, Y4B für das Gesichtsfeld B sowie Y]C, Y3C für 25 das Gesichtsfeld C.

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mit dem Winkel oca aus dem Gesichtsfeld A übereinstimmt. Mit L ist in der Fig. 12 der Verfahrwert bezeichnet.

Im Gegensatz zu integrierten Schaltkreisen ist bei Einzelhalbleitern eine Winkellagenbestimmung y im allgemeinen nicht erforderlich.

Fig. 13 zeigt einen Chip und dessen Umgebung mit zwei orthogonal aufeinander angeordneten Gesichtsfeldern zur Lagebestimmung in x- und y-Richtung sowie eine Aufteilung dieser beiden Gesichtsfelder durch entsprechende optische Abbildung, Bilddrehung bzw. Verschiebung in ein gemeinsames Fernsehbild (13b), so dass innerhalb eines Fernsehbildes sowohl die Lage in x- als auch n y-Richtung bestimmt werden kann. Der Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, dass die Erkennungszeit deutlich verkürzt wird und die Zuverlässigkeit der Anlage durch eine Verringerung der Auswerteelektronik verbessert wird.

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9 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Opto-elektronisches, berührungsloses Verfahren zur weitgehend muster- und oberflächeneigenschaftenunabhängi-gen, automatischen Lageerkennung eines Halbleiterchips, insbesondere für die Justierung bei Automaten für die Drahtmontage und bei der Übernahme von Halbleiterchips an Legier-/Klebeautomaten, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagebestimmung des Chips über eine geradlinige Ritz- bzw. Systemkante durch eine zeilenförmige aus der Umgebung des Chips (2) kommende und über dieses hinweggehende Abtastung (16) vorgenommen wird, wobei die Zeilen (13) parallel oder nahezu parallel zur Richtung der gesuchten geradlinigen Kante (4, 5) verlaufen und die momentanen Intensitäten der Helligkeitswerte zeilenweise oder zeilenabschnittsweise aufintegriert werden, die daraus resultierenden Werte gespeichert und die Differenz aus dem Ergebnis von aufeinanderfolgenden Zeilen gebildet und nur die Polarität daraus zur weiteren Auswertung herangezogen wird, die der gesuchten Kante entspricht und weiter dieses Ergebnis mit einem Faktor, der der Rauheit der jeweiligen Stelle im Bild entspricht, gewichtet wird, dass Differenzen in einem rauhen Bereich deutlich abgeschwächt und Differenzen in einem glatten Bereich deutlich hervorgehoben werden und dass durch eine zusätzliche elektronische Breitenbewertung scharfkantige Linien von breiten Übergängen hervorgehoben und daraus über eine Zeilenzählung ein Signal zur Lagekorrektur des Chips gewonnen und zur Lagekorrektur ausgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zeilenabschnittsweise Auswertung des Bildinhaltes in einem oder in mehreren nebeneinander angeordneten oder ineinander verschachtelten senkrecht zur Abtastrichtung verlaufenden Spalten erfolgt und dass die Ergebnisse dieser spalten- und zeilenweisen Bildverarbeitung bezüglich ihrer Lage in Spaltenrichtung in einer Recheneinheit (7), vorzugsweise einem Mikroprozessor, gespeichert werden und dass damit über eine entsprechende logische Betrachtung quer zu den Spalten fehlerhafte Ergebnisse von den Ergebnissen, die der gesuchten Kante lagerichtig zugeordnet wurden, unterschieden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Drehwinkels (<p) und der beiden Lagekoordinaten (x, y) des Chips das Verfahren in mehreren, vorzugsweise drei Gesichtsfeldern (FS1', FS2'), in denen die Fernsehzeilen orthogonal zu der jeweiligen Richtung der Lagebestimmung angeordnet sind, ausgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Ritzkante ein eindeutiges optisches Bild durch Ausnützung der Höhenausdehnung des Chips (h, Fig. 2) erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Systemkante eine parallele Auflichtbeleuchtung verwendet wird, so dass die Systemkante aufgrund ihrer Böschung das Licht so reflektiert, dass es nur noch sehr abgeschwächt in das optische System zurückgelangt und dadurch so als schmale, dunkle Linie erscheint.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausnützung der Höhenausdehnung des Chips parallele Belichtung unter einer Richtung vorgesehen ist, die wenige Grad zur Senkrechten geneigt ist und in der Projektion auf die Halbleiterelementoberfläche etwa parallel zur Diagonalen verläuft, wobei die Betrachtung unter dem Reflektionswinkel erfolgt (Fig. 2).
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die elektronische Erfassung eines rauhen Bereiches entsprechend für jede Zeile zugeordnete elektronische Signale dadurch erzeugt werden, dass eine Differenzierung in Zeilenrichtung und eine anschliessende Betragsbildung sowie eine zeilen- bzw. zeilenabschnittsweise Integration erfolgt und dass diese Folgen von zeilenweise zugeordneten Spannungswerten zueinander in verschiedene Phasenlagen gebracht und diese vorzugsweise durch eine Summenbildung zusammengefasst werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemkante durch eine Formerkennung des Verlaufes der Differenz der zeilenweisen Integrale bzw. der Integrale selbst im Bereich der Ritz- und Systemkante erfasst wird, und dass vorzugsweise diese Formerkennung von der Erkennung der Ritzkante ausgelöst wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Ritzkante mit paralleler Auflichtbeleuchtung gearbeitet wird, die sowohl bei der Ritzkante als auch bei der Systemkante aufgrund der Böschungen bzw. Reflexionsunterschiede hinreichende Konturen liefert und dass das Videosignal eines Bildwandlers aus einer zeilenweisen Abtastung, die annähernd parallel zu den gesuchten Kanten verläuft, zeilenweise integriert wird, ferner die Differenz aufeinanderfolgender zeilenweiser Integrale gebildet wird, anschliessend dieses Ergebnis mit einem der Rauheit proportionalen Signal gewichtet wird und dass das daraus resultierende Signal über einen Komparator zur Bestimmung der Ritzkante anhand der zeilenweisen Differenz der Integrale einen Maximalwertdetektor aktiviert und dass über dessen Ergebnismeldung die Ritzkante bestimmt wird und davon ausgelöst ein Minimalwertdetektor die Lage der Systemkante ebenfalls anhand des Verlaufs der Differenz der zeilenweisen Integrale bestimmt.
10. Verfahren nach Anspruch 1 mit drei Gesichtsfeldern, von denen zwei zum Beispiel auf der Längsseite und eines auf der Querseite des Chips angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Fehlerkennungen in jedem der drei Gesichtsfelder anhand von jeweils zwei Spalten ein Winkel vom Gesichtsfeld berechnet und die Ergebnisse der Gesichtsfelder untereinander verglichen, ferner ebenfalls ein Winkel aus den beiden Gesichtsfeldern an der Längsseite bestimmt wird und dieser mit dem errechneten Winkel aus der Querkante verglichen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 mit zwei orthogonal angeordneten Gesichtsfeldern, dadurch gekennzeichnet, dass durch entsprechende optische Abbildung, Ausblendung, Bilddrehung bzw. Verschiebung diese Gesichtsfelder auf einen einzigen Bildwandler, vorzugsweise eine Fernsehkamera, abgebildet werden, so dass in einem Bild bzw. Fernsehbild beide Koordinaten gleichzeitig bestimmt werden können (Fig. 13).
12. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Optik vorgesehen ist, die zwei Kanten der Ecke eines Chips durch optische Abbildung, Ausblendung, Bilddrehung und Verschiebung nacheinander in zwei Gesichtsfeldern auf einem Bildwandler so abbildet, dass die zeilenförmige Abtastrichtung in den einzelnen Gesichtsfeldern parallel zu den gesuchten Kanten verlaufen und dass ein drittes Gesichtsfeld vorgesehen ist, das durch Verfahren des zweiten Gesichtsfeldes in Zeilenrichtung entlang der Chipkante um eine feste Strecke durch optische bzw. mechanische Mittel entsteht (Fig. 13).
13. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass eine Optik vorgesehen ist, die zwei Kanten in der Ecke eines Chips in einem ersten, bzw. zweiten Gesichtsfeld auf je einem Bildwandler abbildet, deren Abtastrichtung orthogonal zueinander liegen und dass ein drittes Gesichtsfeld vorgesehen ist, das durch Verfahren des zweiten Gesichtsfeldes in Zeilenrichtung entlang der Chipkante um eine feste Strecke durch optische bzw. mechanische Mittel entsteht (Fig. 1).
14. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung in

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zwei oder mehreren Bereichen mit einem einzigen Bildwandler erfolgt, dessen Abtastrichtung frei wählbar ist und in dessen Gesichtsfeld die zwei oder mehreren Bereiche beinhaltet sind.