CN101553705A - 用于测量高度差的方法和装置 - Google Patents

Abstract

第一参考点(H)与第二参考点(S)之间的高度差的确定，其中，两个参考点(H、S)的至少一个处于装配在衬底(7)上的半导体芯片(8)上，所述确定过程包括：步骤A)从第一方向(2)拍摄第一图像，该第一方向(2)以预先确定的角度α₂倾斜于衬底的表面地延伸，其中，从第二方向(3)对衬底和半导体芯片进行照明，该第二方向(3)以预先确定的角度α₃倾斜于衬底的表面地延伸，B)从第二方向拍摄第二图像，其中，从第一方向(2)对衬底和半导体芯片进行照明，C)测定第一图像中参考点S与参考点H之间的第一间距，D)测定第二图像中参考点S与参考点H之间的第二间距，以及E)由第一间距与第二间距计算出高度差。

Description

用于测量高度差的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量第一参考点与第二参考点之间高度差的方法和装置，其中，两个参考点的至少一个处于装配在衬底上的半导体芯片上。

背景技术

在装配半导体芯片时，对于许多工艺而言，重要的是，半导体芯片与衬底之间形成的粘接剂层的厚度处于很窄的公差极限内。此外重要的是，装配在衬底上的半导体芯片没有倾斜位置(专业术语中公知为“tilt”)。为检验粘接剂层的厚度和半导体芯片的倾斜位置是否超过预先确定的极限值，必须从工艺中对装备的衬底进行抽样并借助检测显微镜测定厚度和倾斜位置。这种检验费力并只能延迟地提供结果。

另一个问题通常是在厚度为150μm以下的薄半导体芯片的情形下。这种薄的半导体芯片在装配之后有时发生拱起，也就是说，不再是平坦的。

由DE 10 2004 043084公知一种用于对装配在衬底上的半导体芯片倾斜位置进行测量的方法，其中，将光栅投影到半导体芯片和衬底上。光栅的线在半导体芯片的边沿上发生偏移。在至少三个部位上对偏移进行测量并从中计算出半导体芯片的倾斜位置。如果已知半导体芯片的厚度，那么也可以计算在半导体芯片与衬底之间形成的粘接剂层的平均厚度。这种方法不能应用于所有半导体芯片，这是因为半导体芯片通常含有使射中的光弯曲的结构。

在半导体芯片紧随装配后与衬底借助引线键合机布线时，具有优点的是，半导体芯片每个连接区域(Pad)的实时z高度是已知的，以便可以使用于引线的毛细管以尽可能高的速度下沉到连接区域上，而不在冲击时损坏连接区域。

发明内容

本发明的任务在于，研发装配半导体芯片的装置以及方法，凭借该方法能够以简单的方式确定半导体芯片可能的倾斜位置以及确定半导体芯片与衬底之间粘接剂层的厚度。

该任务依据本发明通过权利要求1和3的特征来解决。

依据本发明的方法实现了对第一参考点与第二参考点之间的高度差进行测量，其中，两个参考点的至少一个处于装配在衬底上的半导体芯片上。该方法的特征在于如下步骤：

A)从第一方向拍摄第一图像，该方向以预先确定的角度α₂倾斜于衬底的表面地延伸，其中，从第二方向对衬底和半导体芯片进行照明，该第二方向以预先确定的角度α₃倾斜于衬底的表面地延伸，其中，远心光学器件位于光路中，

B)从第二方向拍摄第二图像，其中，从第一方向对衬底和半导体芯片进行照明，其中，要么是所述的远心光学器件处于光路中，要么是另一远心光学器件处于光路中，

C)测定第一图像中第一参考点位置的第一坐标和第二参考点位置的第一坐标，并确定这两个坐标之间的第一差值(该第一差值相应于第一参考点与第二参考点之间的第一间距。两个参考点的第二坐标不起作用)，

D)测定第二图像中第一参考点位置的第一坐标和第二参考点位置的第一坐标，并确定这两个坐标之间的差值(该第二差值相应于第一参考点与第二参考点之间的第二间距。两个参考点的第二坐标不起作用)，以及

E)由从第一差值与第二差值计算出高度差。

角度α₂与角度α₃之间的差值|α₂-α₃|具有优点地最高为1°。

为确定半导体芯片的位置，在至少三个部位上对所装配的半导体芯片远离衬底的表面关于衬底的高度进行测量，并从中计算出半导体芯片的位置。步骤A和B对于每个半导体芯片仅需实施一次，而步骤C至E则对于要测量其距衬底的高度差的半导体芯片的每个部位都要实施。

半导体芯片的位置例如通过处于半导体芯片表面上的参考点与衬底的间距以及描述半导体芯片的表面在空间上如何定向的两个角度

和θ来限定。如果两个角度

和θ的至少一个不等于零，那么说明了半导体芯片的倾斜位置(tilt)。

然后，利用关于半导体芯片的尺寸和厚度的信息，可以对半导体芯片之下的任意位置处的粘接剂层的局部厚度进行计算。特别是可以计算出粘接剂层的最小厚度和最大厚度以及平均厚度的数值。

为确定半导体芯片的平坦度，而例如测量半导体芯片中心的一点与半导体芯片角点之间的高度差。

同样地，可以直接在对半导体芯片布线之前确定半导体芯片每个连接区域的实时z高度。

不同的装置可以用于依据本发明的方法。该装置例如可以包括两个照相机和两个远心光学器件，它们从不同的方向指向衬底和半导体芯片。但一种特别具有优点的装置仅包括唯一的照相机和设置在照相机之前的远心光学器件，以及三个彼此平行设置的半透镜和两个光源。所述三个半透镜和两个光源这样设置，使照相机可以从第一方向和第二方向拍摄衬底和半导体芯片的图像，其中，在从第一方向拍摄图像时，第二光源从第二方向对衬底和半导体芯片进行照明，并且其中在从第二方向拍摄图像时，第一光源从第一方向对衬底和半导体芯片进行照明。此外，该装置具有优点地还包括遮光板，该遮光板可以占据中断第一方向的第一位置，以及可以占据中断第二方向的第二位置，以避免虚影。

附图说明

下面借助实施例和附图对本发明进行详细说明。其中：

图1、2图解示出了测量原理；

图3示意地并以侧向视图示出适用的装置，用以从两个不同方向拍摄图像；以及

图4示出两张真实的图像。

具体实施方式

图1和2图解示出测量原理。图1示出物体平面1，照相机由该平面从两个不同方向2和3拍摄图像。物体平面1利用轴x和y展开一个笛卡儿坐标系。方向2与物体平面1围成角度α₂。方向3与物体平面1围成角度α₃并与y轴围成角度γ。衬底7处于物体平面1上(图2)，衬底7带有装配于其上的半导体芯片8(图2)。

图2在左侧示出由y轴和方向2所展开的平面4及在右侧示出由轴5和方向3所展开的平面6。粘接剂层9处于半导体芯片8与衬底7之间。

图3以侧向视图示意地示出适用的装置，以便从方向2拍摄图像和从方向3拍摄图像。该装置包括照相机10、远心光学器件11、三个彼此平行设置的半透镜12、13和14、两个光源15和16以及具有优点地包括可以占据两个位置的、由电机17驱动的遮光板18。此外，该装置包括图像处理模块19，图像处理模块19对由照相机10提供的图像进行分析处理并测定在衬底7及半导体芯片8上预先确定的结构的位置。三个半透镜12-14为分束器：如果从第一方向2拍摄图像，在衬底7上的物体平面1内被散射和反射的光通过第一分光束21到达照相机10，如果从第二方向3拍摄图像，则通过第二分光束22到达照相机10。第一半透镜12在高度上相对于另外两个半透镜13和14错开地设置并负责将两条分光束21和22汇成一条光束20。另外两个半透镜13和14反射相应的分光束21或22并还用于对由光源15和16发射的光进行耦合，以便从方向2或3对物体平面1进行照明。衬底7和半导体芯片8包括对射中光进行反射的金属结构，而衬底7或者其周围和半导体芯片8非金属的区域一般情况下对射中的光进行漫散射。角度α₂和α₃在不计装配公差的情况下具有优点地大小相等，从而金属结构在图像中与其周围反差很大地凸显出来。遮光板18要么占据图3中采用实线示出的位置P₁，要么占据采用虚线示出的位置P₂。远心光学器件11用于避免由于物体平面1倾斜于方向2或3延伸而造成的图像失真。远心光学器件11仅对平行于轴延伸的光束进行成像，从而放大与物体间距无关。远心光学器件的该特性例如可以参阅互联网百科全书“Wikipedia”。

为从方向2拍摄图像，遮光板18进入位置P₂，从而遮光板18中断分光束22，断开光源15并接通光源16。为从方向3拍摄图像，遮光板18进入位置P₁，从而遮光板18中断分光束21，断开光源16并接通光源15。遮光板18用于消除虚影。在没有遮光板18的情况下，物体平面1上散射的光也在由遮光板18中断的分光束上到达照相机10并作为不希望的虚影显现。

两条分光束21和22从物体平面1上的点O出发。如由图3所看到的那样，点O处于与第一半透镜12朝向照相机10的表面24相同的平面23上。第一半透镜12的表面24与第二半透镜13之间的间距A₂具有优点地大于第一半透镜12的表面24与第三半透镜14之间的间距A₃，这是为了使在照相机10的焦平面在两种情况下都通过点O。差值A₂-A₃取决于折射率n和第一半透镜12的厚度。适用A₂＝A₃+0.5*d*(1-1/n)。

图4包括两张真实图像，示出衬底7及半导体芯片8的概要(附图符号仅标注在左侧图像上)。左侧的图像从方向2(图2、3)拍摄并且右侧的图像从方向3(图2、3)拍摄。坐标轴x相应于图1的坐标轴x。坐标轴y在照相机10的图像中则相反地比坐标轴y’显得失真，即，在从方向2拍摄的图像中以系数sinα₂缩短或在从方向3拍摄的图像中以系数sinα₃缩短。图像处理模块19的任务是：确定衬底7上参考点S的y’坐标和半导体芯片8上参考点H的y’坐标。可以选取衬底7上的任意点作为参考点S并且可以选取半导体芯片8上的任意点作为参考点H。为了使图像处理模块19能以高精确度确定两个参考点S和H的y’位置，而在衬底7上选取结构25并在半导体芯片8上选取结构26，它们具有优点地具有如下的边沿，所述边沿沿y方向具有显著的亮度差异。结构25确定参考点S，结构26限定参考点H。为结构25例如分配矩形27并且参考点S被限定为矩形27的中心点。为结构26以相同的方式分配另一矩形并将参考点H限定为该另一矩形的中心点。但在该例子中，结构26为在专业术语中作为Fiducial(基准点)公知的交叉点28和参考点H被限定为该交叉点28的中心点。因为半导体芯片在每个角上均具有这种交叉点，所以箭头指示出所选取的交叉点。矩形27、参考点S和箭头不属于图像，但为便于理解而插入图像内。图像处理模块在从方向2拍摄的图像中测定矩形27的中心点的y’坐标y_S2’和交叉点28的中心点的y’坐标y_H2’并且在从方向2拍摄的图像中测定矩形27的中心点的y’坐标y_S3’和交叉点28的中心点的y坐标y_H3’。然后，在第一图像及在第二图像中分别计算参考点H与参考点S之间的第一间距Δy₂’＝y_H2’-y_S2’和第二间距Δy₃’＝y_H3’-y_S3’。两个间距Δy₂’和Δy₃’为在y’方向上测得的绝对间距。照相机10以像素单位提供Δy₂’和Δy₃’。它们可以通过乘以换算系数k₂或k₃而换算成米制单位。因此从图2中得出等式

k₂*Δy₂’＝Lsinα₂+Dcosα₂    (1)

k₃*Δy₃’＝Lsinα₃+Dcosα₃    (2)

以及距离D得出

D＝[k₂*Δy₂’/sinα₂-k₃*Δy₃’/sinα₃]/[cotα₂+cotα₃](3)。

距离D相应于交叉点28的位置处-也就是参考点H的位置处衬底7与半导体芯片8之间的高度差。

在参考点S和H方面还应注意如下所述：原则上重要的是，在一个图像上选取参考点S和参考点H并且图像处理模块在其它图像中寻找相同的参考点S和H。

为了可以确定半导体芯片的倾斜位置，必须测量三个部位上的高度差。也就是说，应在半导体芯片8上选取三个不同的参考点H并确定其关于衬底7的高度。衬底7上的参考点S可以是相同的参考点或者可以选取处于半导体芯片8上相应参考点H附近的三个不同参考点S。

在可以确定半导体芯片的倾斜位置之前，必须校准依据本发明的装置。角度α₂和α₃以及换算系数k₂和k₃的确定例如借助校准小片进行，其含有以预先精确规定的间距Δx＝Δy施加的参考标记，例如圆点。校准小片这样取向，使x方向与图3的图平面垂直地延伸。照相机10从方向2拍摄图像并且图像处理模块19测定像素单位点的中心之间的间距Δx’和Δy’。角度α₂由如下所述得出

α₂＝arcsin(Δy’/Δx’)    (4)。

用于以米制单位对单位像素进行换算的换算系数k₂由如下所述得出

k₂＝Δx/Δx’    (5)。

然后，照相机10从方向3拍摄图像并且图像处理模块19测定像素单位点的中心之间的间距Δx’和Δy’。角度α₃由如下所述得出

α₃＝arcsin(Δy’/Δx’)    (6)

并且用于以米制单位对单位像素进行换算的换算系数k₃由如下所述得出

k₃＝Δx/Δx’    (7)。

半透镜12-14在一定的公差内在角度γ(图1)不为零的情况下，与其理想位置有所偏差。如果角度γ的数值超过预先确定的最大值γ₀，那么角度γ在确定距离D时也应予以考虑。然后，距离D可以依据下列步骤进行测定：

1.矫正从方向3拍摄的图像，也就是说，将图像在y’方向上伸长：y’坐标乘以系数1/sinα3。

2.将伸长的图像转动角度-γ。

3.已转动的图像重新失真，也就是说，图像在y方向上缩短：y’坐标乘以系数sinα3。

4.距离D的确定这时以上面进一步介绍的方式利用从方向2拍摄的原始图像和从方向3拍摄的并依据前面的步骤1至3矫正的图像进行。

因为角度γ为相对角度，其说明两个方向2和3以多大的量环绕z轴相互扭转，所以可选地可以应用从方向3拍摄的原始图像，并且对于从方向2拍摄的图像实施步骤1至3，但其中以系数1/sinα₂伸长图像，然后以角度+γ转动和最后以系数sinα₂缩短，以确定距离D。

半导体芯片8的倾斜位置可以以如下方式确定，方法是采用所介绍的方法测量至少三个部位上的距离D。如果半导体芯片8的厚度已知，那么也可以测定表征粘接剂层的参数。该参数例如为粘接剂层的平均厚度，或者为粘接剂层厚度的最小值或最大值。这种评估例如由德国专利申请DE 10 2004 043084公知，其中有详细地介绍，因此在这里不再说明。

所介绍的方法也可以用于测量半导体芯片8表面的平坦度。特别是厚度低于150μm的薄半导体芯片装配后可能会拱起。拱起的程度例如可以通过半导体芯片8中心的一点与半导体芯片8的四个角点之间的高度差来表征。图4的半导体芯片8在中心包括金属交叉点29。图像处理模块19确定两张图像中交叉点29中心点的y’坐标并且然后计算出中心点关于参考点S的高度。如果在半导体芯片8的角点处的四个交叉点28关于参考点S的高度采用K₁、K₂、K₃和K₄标示并且交叉点29关于参考点S的高度采用k₅标示，那么拱起的程度W以如下方式得出

W＝K₅-[K₁+K₂+K₃+K₄]/4    (8)。

但拱起W的程度也可以按照其它方式确定。例如确定交叉点29与四个交叉点28之间的高度差ΔK₁、ΔK₂、ΔK₃和ΔK₄(以同确定衬底上的参考点S与半导体芯片8上的参考点H之间的高度差类似的方式，唯一的区别在于，在这里两个参考点S和H处于半导体芯片8上)。然后，拱起的程度以如下方式得出

W＝[ΔK₁+ΔK₂+ΔK₃+ΔK₄]/4    (9)。

拱起的程度W借助等式(8)和(9)的确定提供的优点是，自动地考虑到半导体芯片8的倾斜位置。

Claims (5)

1.用于测量第一参考点(H)与第二参考点(S)之间高度差的方法，其中，两个所述参考点(H、S)的至少一个处于装配在衬底(7)上的半导体芯片(8)上，其特征在于

从第一方向(2)拍摄第一图像，所述第一方向(2)以预先确定的角度α₂倾斜于所述衬底(7)的表面地延伸，其中，从第二方向对所述衬底(7)和所述半导体芯片(8)进行照明，所述第二方向以预先确定的角度α₃倾斜于所述衬底(7)的表面地延伸，其中，远心光学器件(11)处于光路中，

从所述第二方向(3)拍摄第二图像，其中，从所述第一方向对所述衬底(7)和所述半导体芯片(8)进行照明，其中，要么是所述的远心光学器件(11)处于光路中，要么是另一远心光学器件处于光路中，

测定所述第一图像中所述第一参考点(H)位置的第一坐标和所述第二参考点(S)位置的第一坐标并确定这两个所述坐标之间的第一差值，

测定所述第二图像中所述第一参考点(H)位置的第一坐标和所述第二参考点(S)位置的第一坐标并确定这两个所述坐标之间的第二差值，以及

由所述第一差值与所述第二差值计算出所述高度差。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述角度α₂与所述角度α₃之间的差值最高为1°。

3.用于测量第一参考点(H)与第二参考点(S)之间高度差的装置，其中，两个所述参考点(H、S)的至少一个处于装配在衬底(7)上的半导体芯片(8)上，所述装置包括：

唯一的照相机(10)；

设置在所述照相机(10)之前的远心光学器件(11)；

三个彼此平行设置的半透镜(12-14)，以及

两个光源(15、16)，

其中，三个所述镜(12-14)和两个所述光源(15、16)这样设置，使得所述照相机(10)能够从所述第一方向(2)和所述第二方向(3)拍摄所述衬底(7)和所述半导体芯片(8)的图像，其中，为从所述第一方向(2)拍摄图像，而能够从所述第二方向对所述衬底(7)和所述半导体芯片(8)进行照明，以及其中，为从所述第二方向(3)拍摄图像，而能够从所述第一方向对所述衬底(7)和所述半导体芯片(8)进行照明。

4.按权利要求3所述的装置，还包括遮光板(18)，所述遮光板(18)能占据第一位置，在所述第一位置中所述遮光板(18)中断所述第一方向(2)，并且所述遮光板(18)能占据第二位置，在所述第二位置中所述遮光板(18)中断所述第二方向(3)。

5.按权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述第一镜(12)朝向所述照相机(10)的表面(24)和能实现从所述第一方向(2)拍摄图像的所述第二镜(13)之间的间距大于所述第一镜(12)的所述表面(24)与能实现从所述第二方向(3)拍摄图像的所述第三镜(14)之间的间距。

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