CN101740348A - 用于定位键合工具的视觉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于在键合操作过程中修正键合工具的位置偏差的装置，该装置包含有：设置在键合工具上的第一基准标记和第二基准标记，第二基准标记和第一基准标记相互隔开，其中当第一基准标记和第二基准标记在参考位置处被照射时，自第一基准标记发出第一成像路径，而自第二基准标记发出第二成像路径；光学系统，其沿着第一成像路径和第二成像路径设置，该光学系统用来观察第一基准标记和第二基准标记的图像；以及处理器，其用于计算键合工具的当前位置，并将当前位置和期望位置相比较，以便于通过移动键合工具到期望位置而将键合工具的位置偏差修正。

Description

用于定位键合工具的视觉系统

技术领域

本发明涉及半导体器件的装配，尤其是涉及用于半导体装配的键合工具的位置偏差的确定和该偏差的修正。

背景技术

键合工具，如晶粒键合机的键合头的三维定位直接影响键合质量。对于晶粒键合头，在晶粒键合操作过程中其位置影响晶粒的放置精度，和已键合晶粒下方的黏合剂(adhesive)的键合线厚度(bondline thickness)。所以，键合工具的水平和垂直位置的精确控制是极其重要的。不幸的是，在键合操作过程中，由于外部因素如热膨胀的原因，键合过程中键合头的三维位置在不同的工作条件下将会变化。

在现有技术中，一些方法被利用来解决这个问题。其中一个方法是在键合工具附近安装温度感测器，但是当机器经过一段时间停机再重新启动键合操作时，测量出的温度通常和键合工具的位置没有良好关联。

另一种类型的定位控制方法描述在专利号为5,909,837、发明名称为“无接触键合工具加热器”的美国专利中，该专利教导了在键合工具对面使用发热的加热元件，该加热元件和键合工具的端部并置并隔开。该加热元件用来将键合工具保持在特定的温度范围内，并通过估计由于键合工具离开其加热元件而延展的时间和长度所引起的键合工具的冷却量，进行一些努力来计算补偿因素。而且，由于键合工具自身的温度没有被监测，并且当键合工具从该加热元件被延展时不能得到精确地控制，所以这种方法是不准确的。

还有另一种方法公开于专利号为6,555,401、发明名称为“通过测量导线键合的特征进行控制键合处理品质的方法”的美国专利中。在这种方法中，在键合装配以前得到键合盘的第一图像，以寻找键合盘的中心，在获得已键合后的材料的第二图像以前命令键合工具将材料键合到键合盘的中心。键合后的材料和键合盘中心的座标相比较以计算目前的任何偏差，该偏差然后能被修正。这种方法的缺点是它不能测量键合工具的垂直位置，因为从所获得的第二图像上仅仅能够观察到该材料的水平偏差。

由于所述的现有定位控制方法的缺陷，在键合操作过程中实时精确地监测键合工具的位置偏差并将其修正的难题仍然没有得到解决。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种视觉系统(vision system)来测量和修正在键合操作过程中键合工具的三维位置，其是精确的且避免了现有技术中部分的前述不足。

于是，本发明一方面提供一种用于在键合操作过程中修正键合工具的位置偏差的装置，该装置包含有：设置在键合工具上的第一基准标记和第二基准标记，第二基准标记和第一基准标记相互隔开，其中当第一基准标记和第二基准标记在参考位置处被照射时，自第一基准标记发出第一成像路径(imaging path)，而自第二基准标记发出第二成像路径；光学系统，其沿着第一成像路径和第二成像路径设置，该光学系统用来观察第一基准标记和第二基准标记的图像；以及处理器，其用于计算键合工具的当前位置，并将当前位置和期望位置相比较，以便于通过移动键合工具到期望位置而将键合工具的位置偏差修正。

本发明另一方面提供一种用于在键合操作过程中修正键合工具的位置偏差的方法，该方法包含有以下步骤：将键合工具定位在参考位置处，该键合工具包含有设置在键合工具上的第一基准标记和第二基准标记，第二基准标记和第一基准标记相互隔开；照射第一基准标记和第二基准标记，以便于自第一基准标记发出第一成像路径，而自第二基准标记发出第二成像路径；沿着第一成像路径和第二成像路径设置光学系统，以便于该光学系统观察第一基准标记和第二基准标记的图像；使用处理器从图像中计算键合工具的当前位置，并将键合工具的当前位置和期望位置相比较；其后移动键合工具到期望位置，以将位置偏差修正。

参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。

附图说明

根据本发明所述的用于确定键合工具的位置偏差以便于修正该位置偏差的装置和方法的实例现将参考附图加以详细描述，其中：

图1是用于确定和修正键合工具的位置偏差的装置的概略配置的立体示意图。

图2是图1所示装置的概略配置的俯视示意图。

图3是表明基准标记(fiducial marks)的键合工具的侧视示意图。

图4所示为由CCD摄像机所捕获的、用于确定键合工具的三维位置的图像的示例示意图。

具体实施方式

在键合操作过程中，本发明较佳实施例所述的键合工具定位控制方法在两个阶段中起作用，即校准(calibration)和跟随的测量。校准的结果是光学系统的一系列参数，该参数被需要来测量键合操作过程中键合工具的三维位置。校准和测量使用同一个装置完成。

图1是用来确定和修正键合工具10，如晶粒键合机的夹体的位置偏差的装置的概略配置的立体示意图。键合工具10包含有两个设置在其表面上(如在夹体的表面上)的界标或基准标记12、13，它们以小于180度的预定角度相互分隔。来自照明系统(图中未示)的同轴光线(coaxial light)投射在基准标记12、13上以产生高对比度的图像进行图像记录(pattern registration)。斜置的第一反射面或镜面14被设置来反射第一基准标记12的图像，而斜置的第二反射面或镜面16被设置来反射第二基准标记13的图像。

如图1所示，当键合工具10移动到预定参考位置时，照明系统照射第一基准标记12和第二基准标记13。第一基准标记12和第二基准标记13的高对比度图像沿着各自的、自基准标记12、13发出的第一和第二成像路径18、20被传送。然后，第一和第二成像路径18、20可能被第三反射面或镜面22朝向一光学系统反射，该光学系统沿着第一和第二成像路径18、20设置以便于观察该图像。虽然该光学系统可以如实施例所述的包括单个的CCD摄像机24以同时观察第一基准标记12和第二基准标记13的图像，但是不同的摄像机可以用来观察这两个成像路径18、20，这也是可以想到的。

自基准标记12、13发出的成像路径18、20较佳地位于一个水平面上。第三镜面22较佳地与该水平面成45度角设置。CCD摄像机24因此可以垂直设置在第三镜面22的上方以捕获通过成像路径18、20传送的图像。

利用CCD摄像机24的图像识别系统识别基准标记12、13的中心位置。然后，和该图像识别系统相连的处理器应用视觉校准算法(如下所述)来记录这两个中心位置以计算键合头的三维位置。键合工具10的当前位置和它的用于完成精确键合的期望位置进行比较，其后键合工具10可能被移动到该期望位置以修正其位置偏差。

图2是图1所示装置的概略配置的俯视示意图。第一基准标记12和第二基准标记13的中心较佳地围绕键合工具10的中央纵向轴线以位于10°和170°之间的角度α相互隔开，但特别合适地是围绕键合工具10的中央纵向轴线以位于70°和110°之间的角度α相互隔开。第一镜面14和第二镜面16被如此设置以便于第一和第二成像路径18、20被反射并将基准标记12、13的图像投射朝向第三镜面22，接着该第三镜面22反射成像路径18、20并将基准标记12、13的图像传送到设置在第三镜面22上方的CCD摄像机24，以便于基准标记12、13的图像能够同时被CCD摄像机24观察。在CCD摄像机24位置处，第一和第二成像路径18、20大体相互平行。

图3是表明基准标记12、13的键合工具的侧视示意图。第一基准标记12的中心表示为第二基准标记13的中心表示为

键合工具10执行键合的端部表示为

和

之间的关系可以分别用向量

和

表示。通过位置和

以及它们所被知晓的关系到的向量，可以计算出

的位置。

图4所示为由CCD摄像机24所捕获的、用于确定键合工具10的三维位置的图像28的示例示意图。第一基准标记12的中心的位置通过关系式

所表示。第二基准标记13的中心

的位置通过关系式

所表示。

在校准过程中，首先键合工具10移动到预定参考位置，如图1和图2所示，在此基准标记12、13能够被CCD摄像机24所观察。

可以使用来确定计算出三点的位置，其中在所捕获的图像28中

是键合工具10的端部的三维位置，和分别是基准标记12、13中心的二维位置。

使用针孔摄像机模型

其中A₁是摄像机参数矩阵，下面的公式可以用于左侧第一基准标记12的图像：

$L.H.S.=\left(\begin{array}{cc}{A}_{1a}& A_{1b}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\stackrel{\mathrm{\ρ}}{C}+{\stackrel{\mathrm{\ρ}}{V}}_1\\ 1\end{array}\right)=A_{1a}\stackrel{\mathrm{\ρ}}{C}+A_{1a}{\stackrel{\mathrm{\ρ}}{V}}_1+A_{1b}=\left(\begin{array}{cc}{A}_{1a}& A_{1a}{\stackrel{\mathrm{\ρ}}{V}}_1\end{array}+A_{1b}\right)\left(\begin{array}{c}\stackrel{\mathrm{\ρ}}{C}\\ 1\end{array}\right)=A_1^{\′}\left(\begin{array}{c}\stackrel{\mathrm{\ρ}}{C}\\ 1\end{array}\right)$

所以，

当用于右侧第二基准标记13的图像时，类似地，

合并

和

简化符号，

其可以表达成矩阵的形式：

$\left(\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}& a_{14}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}& a_{24}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}& a_{34}\\ a_{41}& a_{42}& a_{43}& a_{44}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{r}_1\\ s_1\\ r_2\\ s_2\end{array}\right)$

根据上述公式，校准过程的目的是通过一些被测量的键合工具的物理位置(x，y，z)和相应的基准标记的图像座标(r₁，s₁)、(r₂，s₂)获得A的16个元素的值。

通过首先将键合工具10停止于预定参考位置处完成校准。第一键合工具位置(x，y，z)从键合机器的马达计数(motor counts)中获得。图像28被抓取，从该图像中基准标记12、13的中心被抓取，它们的座标(r₁，s₁)和(r₂，s₂)被获得。

一旦获得数据集(x，y，z，r₁，s₁，r₂，s₂)，键合工具10可以在预定参考位置附近被稍微移动或偏离到第二键合工具位置，然后停止以获得另一个位置值(x，y，z)。重复上述的步骤以在预定参考位置附近获得另一组数据集(x，y，z，r₁，s₁，r₂，s₂)。键合工具10再一次被稍微移动或偏离，以获得又一组位置值(x，y，z)，又一次重复该步骤。如上所述，大家应该获得至少四组关于键合工具10在预定参考位置附近的数据集，以便于完成校准。

校准完成之后，A的16个元素需要从上述所获得的矩阵中完成变量a₁₁-a₄₄。其后，键合操作可以启动了。

在键合过程中，键合工具10将会定期地移动到预定参考位置，在此基准标记12、13的图像28将会被CCD摄像机24捕获。在抓取图像28之后，通过图像识别系统执行搜索以寻找基准标记12、13的中心，从而获得它们的座标(r₁，s₁)和(r₂，s₂)。其测量方法可以如下：

$\left(\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}& a_{14}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}& a_{24}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}& a_{34}\\ a_{41}& a_{42}& a_{43}& a_{44}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{r}_1\\ s_1\\ r_2\\ s_2\end{array}\right)$

上式可以表达为：

$\left(\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\\ a_{41}& a_{42}& a_{43}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{r}_1-a_{14}\\ s_1-a_{24}\\ r_2-a_{34}\\ s_2-a_{44}\end{array}\right)$

因此，

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)={\left[\begin{array}{cc}\left(\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{21}& a_{31}& a_{41}\\ a_{12}& a_{22}& a_{32}& a_{42}\\ a_{13}& a_{23}& a_{33}& a_{43}\end{array}\right)& \left(\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\\ a_{41}& a_{42}& a_{43}\end{array}\right)\end{array}\right]}^{-1}\·\left[\begin{array}{cc}\left(\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{21}& a_{31}& a_{41}\\ a_{12}& a_{22}& a_{32}& a_{42}\\ a_{13}& a_{23}& a_{33}& a_{43}\end{array}\right)& \left(\begin{array}{c}{r}_1-a_{14}\\ s_1-a_{24}\\ r_2-a_{34}\\ s_2-a_{44}\end{array}\right)\end{array}\right]$

由于a₁₁-a₄₄的值通过校准已经获得，且座标(r₁，s₁)和(r₂，s₂)从所捕获的图像28中被计算出，所以键合工具的端部位置(x，y，z)能够立即被计算出。然后(x，y，z)的值和键合工具10的期望端部位置相比较，以便于该端部位置可以通过键合机器修正到期望位置，从而相应地补偿键合工具10由于热膨胀或其他因素引起的任意位置偏差。

值得欣赏的是，根据本发明较佳实施例所述的用于确定键合工具10位置的上述方法能够以有效的、低成本的方式测量键合头的三维位置。和传统的如上所述的控制键合工具10位置的方法相比较，所获得的结果同样也是更加有效和精确的。

此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。

Claims (17)

1.一种用于在键合操作过程中修正键合工具的位置偏差的装置，该装置包含有：

设置在键合工具上的第一基准标记和第二基准标记，第二基准标记和第一基准标记相互隔开，其中当第一基准标记和第二基准标记在参考位置处被照射时，自第一基准标记发出第一成像路径，而自第二基准标记发出第二成像路径；

光学系统，其沿着第一成像路径和第二成像路径设置，该光学系统用来观察第一基准标记和第二基准标记的图像；以及

处理器，其用于计算键合工具的当前位置，并将当前位置和期望位置相比较，以便于通过移动键合工具到期望位置而将键合工具的位置偏差修正。

2.如权利要求1所述的装置，该装置还包含有：

第一反射面，用来朝向光学系统反射来自第一基准标记的第一光学路径；

第二反射面，用来朝向光学系统反射来自第二基准标记的第二光学路径。

3.如权利要求2所述的装置，该装置还包含有：

第三反射面，用来朝向光学系统分别反射来自第一反射面和第二反射面的第一光学路径和第二光学路径。

4.如权利要求1所述的装置，其中光学系统包括单个CCD摄像机，该单个CCD摄像机用来同时观察第一基准标记和第二基准标记的图像。

5.如权利要求1所述的装置，其中第一基准标记和第二基准标记的中心围绕键合工具的中央纵向轴线以位于10°和170°之间的角度相互隔开。

6.如权利要求5所述的装置，其中第一基准标记和第二基准标记的中心围绕键合工具的中央纵向轴线以位于70°和110°之间的角度相互隔开。

7.如权利要求1所述的装置，其中第一成像路径和第二成像路径在光学系统的位置大体相互平行。

8.如权利要求1所述的装置，其中，该键合工具是晶粒键合机，而第一基准标记和第二基准标记设置在晶粒键合机的夹体上。

9.一种用于在键合操作过程中修正键合工具的位置偏差的方法，该方法包含有以下步骤：

将键合工具定位在参考位置处，该键合工具包含有设置在键合工具上的第一基准标记和第二基准标记，第二基准标记和第一基准标记相互隔开；

照射第一基准标记和第二基准标记，以便于自第一基准标记发出第一成像路径，而自第二基准标记发出第二成像路径；

沿着第一成像路径和第二成像路径设置光学系统，以便于观察第一基准标记和第二基准标记的图像；

使用处理器从图像中计算键合工具的当前位置，并将键合工具的当前位置和期望位置相比较；其后

移动键合工具到期望位置，以将位置偏差修正。

10.如权利要求9所述的方法，该方法还包含有以下步骤：

使用第一反射面朝向光学系统反射来自第一基准标记的第一光学路径；使用第二反射面朝向光学系统反射来自第二基准标记的第二光学路径。

11.如权利要求10所述的方法，该方法还包含有以下步骤：

使用第三反射面朝向光学系统分别反射来自第一反射面和第二反射面的第一光学路径和第二光学路径。

12.如权利要求9所述的方法，其中光学系统包括单个CCD摄像机，该单个CCD摄像机用来同时观察第一基准标记和第二基准标记的图像。

13.如权利要求9所述的方法，其中第一基准标记和第二基准标记的中心围绕键合工具的中央纵向轴线以位于10°和170°之间的角度相互隔开。

14.如权利要求13所述的方法，其中第一基准标记和第二基准标记的中心围绕键合工具的中央纵向轴线以位于70°和110°之间的角度相互隔开。

15.如权利要求9所述的方法，其中第一成像路径和第二成像路径在光学系统的位置大体相互平行。

16.如权利要求9所述的方法，其中，该键合工具是晶粒键合机，而第一基准标记和第二基准标记设置在晶粒键合机的夹体上。

17.如权利要求9所述的方法，该方法还包含有以下步骤：

将键合工具定位在参考位置处，在执行键合操作以前，通过观察第一基准标记和第二基准标记在超过一个偏差位置处的图像，校准光学系统的参数。

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