CN112992704A - 具有芯片固持器运动台的芯片键合头设备 - Google Patents

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CN112992704A
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holder
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容忠尚
梁栢健
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Abstract

本发明提供了一种芯片键合头设备，其具有联接于芯片键合头运动台的芯片键合头主体、安装在所述芯片键合头主体上的芯片固持器运动台以及使用时能操作以将半导体芯片固定于衬底的芯片固持器。所述芯片固持器能够通过独立于所述芯片键合头运动台的所述芯片固持器运动台定位。

Description

具有芯片固持器运动台的芯片键合头设备
技术领域
本发明涉及一种用于将半导体芯片高精度地键合于表面上的芯片键合头设备及方法。
背景技术
在高精度半导体封装设备中，视觉系统通常用于确定关键位置，例如在键合期间芯片相对于衬底的位置。芯片位置与衬底之间的偏移通过移动支撑芯片固持工具的键合头来补偿，以确保芯片在衬底上的安置精度。
然而，在现有设备中，芯片在衬底上的安置精度及其安置速度会受到限制。这是因为芯片位置的补偿通常是通过控制芯片固持键合头的运动台来进行的。一般来说，不会将键合头的芯片固持工具的尖端定位在芯片键合头运动台的控制点处。因此，即使在补偿之后，视觉系统所识别的芯片位置也可能无法实现亚微米级精度。
与现有技术相比，提供更准确和快速的芯片安置将会大有裨益。
发明内容
因此，本发明的目的是寻求提供一种至少能克服现有技术中上述问题中的一些问题的设备。
根据本发明的第一方面，提供了一种芯片键合头设备，包括：芯片键合头主体，其联接于芯片键合头运动台；安装在所述芯片键合头主体上的芯片固持器运动台；在使用时能操作以将半导体芯片固定于衬底的芯片固持器，所述芯片固持器能够通过独立于所述芯片键合头运动台的所述芯片固持器运动台定位。从第一方面认识到，现有芯片键合头设备的问题在于难以实现芯片在衬底上的高精度安置。这可能是由于以下事实：所述芯片键合头主体携带的所述芯片固持器与驱动所述芯片键合头主体的所述运动台之间的距离可能比较大，这意味着所述运动台的移动会导致所述芯片固持器的不期望的定位。特别地，在所述运动台的驱动下，可能无法实现所述芯片固持器的亚微米级定位精度。同样，驱动所述运动台的控制系统会引发不稳定操作，在此情况下，所述芯片固持器的定位不同于预期位置。
因此，提供了一种设备。该设备可以是芯片键合头设备，其可包括芯片键合头主体。所述芯片键合头主体可以联接于、安装在或被携带于芯片键合头运动台上。所述设备可以包括芯片固持器运动台。所述芯片固持器运动台可以联接于、安装在或被携带于所述芯片键合头主体上。所述设备可以包括芯片固持器。所述芯片固持器可以联接于、安装在或被携带于所述芯片固持器运动台上。并且，该芯片固持器可用于将半导体芯片固定、安置或定位于衬底上。可以通过所述芯片固持器运动台定位所述芯片固持器。以此方式，提供一种双运动台设置，其中一个运动台移动所述芯片键合头主体（包括所述芯片固持器），另一个第二运动台移动所述芯片固持器。这使得所述芯片键合头主体定位于所述衬底上的芯片安置位置的附近，并且所述芯片固持器运动台可以将所述芯片固持器精确地定位在所述安置位置处。这样，减小了所述芯片固持器本身与所述芯片固持器运动台之间的距离，意味着所述芯片固持器运动台的移动可以使所述芯片固持器的定位更加准确。特别地，在所述芯片固持器运动台的驱动下，所述芯片固持器可以实现亚微米级定位精度。同样，驱动所述芯片固持器运动台的所述控制系统可以更快速和准确地将所述芯片固持器定位在预期位置。
在一个实施例中，所述芯片键合头运动台联接于所述芯片键合头主体的第一端，并且所述芯片固持器运动台安装在所述芯片键合头主体的远离所述第一端的第二端处。因此，所述芯片键合头运动台可以朝向所述芯片键合头主体的一端定位，而所述芯片固持器运动台可以朝向所述芯片键合头主体的另一端定位。这意味着可以通过更靠近所述芯片固持器的所述芯片固持器运动台来纠正由所述芯片键合头运动台导致的所述芯片键合头的不准确定位。
在一个实施例中，所述芯片固持器运动台在使用时能操作以相对于所述芯片键合头主体和所述芯片键合头运动台中的至少一个移位所述芯片固持器。因此，所述芯片固持器运动台可以改变所述芯片固持器相对于所述芯片键合头主体和/或所述芯片键合头运动台的位置。
在一个实施例中，所述芯片固持器运动台在使用时能操作以使所述芯片固持器沿平面上的多于一个的轴线移位。因此，所述芯片固持器运动台可以使所述芯片固持器沿所述平面的一个或两个轴线移位或移动。
在一个实施例中，所述芯片固持器运动台在使用时能操作以使所述芯片固持器沿着与所述芯片键合头运动台共用的至少一个轴线移位。所述芯片键合头运动台可以使所述芯片键合头主体沿着平面上的多于一个的轴线以及横向于所述平面的轴线移位。所述芯片固持器运动台可以使所述芯片固持器沿与所述芯片键合头运动台相同的一个或多个轴线移位。
在一个实施例中，与在使用时能操作以使所述芯片键合头主体移位的所述芯片键合头运动台相比，所述芯片固持器运动台在使用时能操作以更精准地使所述芯片固持器移位。因此，与所述芯片键合头运动台对所述芯片键合头主体的定位操作相比，所述芯片固持器运动台可以更精准地定位所述芯片固持器。
在一个实施例中，所述芯片固持器运动台的位移范围小于所述芯片键合头运动台的位移范围。因此，与所述芯片键合头运动台相比，所述芯片固持器运动台可具有更小的移动位置范围。
在一个实施例中，所述芯片固持器运动台具有由所述芯片键合头主体保持的机台支撑结构和能够相对于所述机台支撑结构移位的可移动结构。因此，所述芯片键合头运动台可以具有附接到所述芯片键合头主体的机台支撑或固定结构以及相对于所述机台支撑结构可移动的可移动或可移位结构。
在一个实施例中，所述芯片固持器运动台包括至少一个致动器，所述致动器在使用时能操作以使所述可移动结构相对于所述机台支撑结构移位。因此，可以提供一个或多个致动器，其在操作时相对于所述机台支撑结构移动或重新定位所述可移动结构。
在一个实施例中，所述至少一个致动器在使用时能操作以使所述可移动结构沿多于一个的轴线移位。因此，所述致动器可用于沿所述平面上的一个或多个轴线移动所述可移动结构。
在一个实施例中，所述至少一个致动器在使用时能操作以使所述可移动结构围绕至少一个轴线旋转。因此，所述致动器可用于使所述可移动结构围绕横向于所述平面延伸的轴线旋转或枢转。
在一个实施例中，所述芯片固持器运动台包括：轴承和挠曲部中的至少一个，其将所述可移动结构与所述机台支撑结构联接并且在使用时能操作以促进所述可移动结构相对于所述机台支撑结构移动。因此，可以提供轴承和/或挠曲部以辅助或使得所述可移动结构相对于所述机台支撑结构移动。
在一个实施例中，所述芯片固持器运动台包括能操作以指示所述可移动结构位置的位置标识器。因此，可以提供标识器，所述标识器可以提供信息以帮助标识所述可移动结构的位置或定位。
在一个实施例中，所述芯片固持器由所述可移动结构携带。因此，所述芯片固持器可以安装在所述可移动结构上或由所述可移动结构携带。
在一个实施例中，所述芯片固持器位于所述可移动结构上并面向所述衬底。因此，可以定位所述芯片固持器使得其一旦移向所述衬底，就将所述芯片固持器所固持的芯片抵靠所述衬底。
在一个实施例中，所述位置标识器包括线性编码器，所述线性编码器具有分别安装在所述可移动结构和所述机台支撑结构上的相应组件。因此，可以提供一个或多个线性编码器以提供所述可移动结构相对于所述机台支撑结构的位置信息。
在一个实施例中，所述可移动结构包括穿过所述可移动结构的至少一个检查光路，所述检查光路定位为对由所述芯片固持器固持的所述半导体芯片的至少一部分进行成像。因此，可以通过所述可移动结构中的检查光路进行成像，以此来确定所述半导体芯片的位置。
在一个实施例中，所述检查光路包括所述可移动结构中的空隙。
在一个实施例中，所述设备包括至少一个成像装置，所述成像装置在使用时能操作以对由所述芯片固持器固持的所述半导体芯片的至少一部分进行成像，从而提供所述半导体芯片的位置和定向信息中的至少一个。因此，所述成像装置可以对所述半导体芯片进行成像以提供有关所述半导体芯片的位置和/或定向信息。
在一个实施例中，所述设备包括控制器，所述控制器在使用时能操作以通过使用所述芯片键合头运动台操纵所述键合头主体的位置来将所述芯片固持器定位在键合位置附近，并且通过使用所述芯片固持器运动台操纵所述芯片固持器的位置而响应于位置和定向信息中的至少一个来校正所述芯片固持器所固持的所述半导体芯片的位置和定向中的至少一个。因此，可以操作所述芯片键合头运动台以将所述键合头主体定位在靠近键合位置处，并且所述芯片固持器运动台可以将所述芯片固持器更精确地定位在所述键合位置处。
根据本发明的第二方面，提供了一种方法，包括：通过使用芯片键合头运动台操纵键合头主体的位置来将第一方面所述的芯片键合头设备的芯片固持器定位于键合位置附近；通过使用所述芯片固持器运动台操纵芯片头的位置来校正所述芯片固持器所固持的半导体芯片的位置和定向中的至少一个；在所述键合位置处键合所述半导体芯片。
通过说明书部分、所附权利要求和附图，这些以及其他特点、方面和优点将得到更好的理解。
附图说明
现在将参考附图仅通过示例来描述本发明的实施例。
图1示意性地示出了根据本发明第一实施例的芯片键合头设备。
图2是根据第一实施例的芯片键合头设备的侧视图。
图3是根据本发明第二实施例的芯片键合头设备的侧视图。
图4是根据第二实施例的可移动平台及机台支撑结构的平面图。
图5是根据第一实施例的可移动平台和机台支撑结构的俯视图。
附图中，相同部件由相同的附图标记表示。
具体实施方式
在更详细地讨论实施例之前，首先做一个概述。本发明实施例提供了一种设备，其具有安装在运动台上的主体，并且另一个运动台安装在携带有固持器的该主体上。两个运动台可彼此独立地操作以将固持器定位在预期位置。通常，携带有固持器的运动台的位置控制比携带有主体的运动台的位置控制更精确。与使用单个运动台相比，两个运动台的方法有助于更准确、更快速地定位固持器。例如，一个实施例包括至少一个运动台系统。该运动台系统包括：能够沿X轴和Y轴方向以及旋转方向（通常围绕Z轴）移动的微型运动台；在XY方向上用于微型运动台的编码器标尺以及用于微型运动台的编码器读取头。微型运动台安装在键合头模块上，并包括XY致动器，例如音圈电机、空气轴承以及XY标尺。读取头安装在其他模块上，例如光学系统。由于微型运动台的位置由光学系统上的参考读取头控制，因而微型运动台相对于光学系统的位置受到控制。所以，即使微型运动台和视觉系统受到不同的横向振动，也能实时保持光学系统经由光路观察和确定的微型运动台的位置。因此，微型运动台的位置始终位于视觉系统所查看的位置。这种方法可以在将芯片放置到键合位置上之前在对芯片和键合位置之间的相对偏移进行校正的过程中提高芯片的位置及定向精度。
芯片键合头设备
图1示意性地示出了根据本发明第一实施例的芯片键合头设备。其设置有芯片键合头运动台2，芯片键合头主体1的一端附接至该运动台。芯片键合头运动台2通常构造成使芯片键合头主体1沿X、Y和Z轴移位。其还设置有芯片固持器运动台3，其附接至芯片键合头主体1的另一端。芯片固持器运动台3能够沿X轴、Y轴移动并绕Z轴作旋转运动。芯片固持器运动台3携带有芯片固持器4和位置编码器标尺5。通过芯片键合头主体1将芯片固持器运动台3有效地安装在芯片键合头运动台2上。运动台携带有光学系统7。该光学系统7携带有读取编码器标尺5的编码器读取头6。
在操作中，通常使用光学系统运动台将光学系统7定位于安置位置处，在该安置位置将芯片（未示出）安置于衬底（未示出）上。光学系统7对衬底上的安置位置进行成像。芯片键合头运动台2将芯片键合头主体1移动到拾取位置，并使用芯片固持器4拾取芯片。在拾取芯片后，芯片由芯片固持器4所固持，芯片键合头运动台2将键合头主体1（以及芯片固持器运动台3和固持芯片的芯片固持器4一起）定位于安置位置处的光学系统7的附近。当固持芯片的芯片固持器4靠近安置位置时，光学系统7特别是编码器读取头6检测编码器标尺5的当前读数。然后，芯片键合头运动台2停止移动芯片键合头主体1，并启动芯片固持器运动台3以将芯片固持器运动台3及固持芯片的芯片固持器4定位于安置位置。当读取编码器标尺5时，通过编码器读取头6提供的反馈来实现对芯片固持器运动台3的控制。一旦处于正确位置，则芯片固持器4可以在正确的安置位置处将芯片安置于衬底上。
通过芯片键合头运动台2（用于移动芯片键合头主体1的位置）以及一个单独的、独立控制的芯片固持器运动台3（用于调节芯片固持器4的位置）可以更精准地定位芯片。特别地，已经发现，如果没有芯片固持器运动台3，则难以实现芯片的亚微米级安置精度。这是因为，光学系统7检测到，当试图实现较高定位精度时，芯片键合头运动台2的移动会导致芯片键合头主体1（以及芯片固持器4）的位置不同于预期位置。这会导致要再次启动芯片键合头运动台2以进一步移动芯片键合头主体1（以及芯片固持器4）从而校正偏差，这仍然可能使芯片固持器4的位置与预期位置不同。芯片键合头主体1的挠曲或引起芯片键合头主体1移动的热效应可能会使得这一问题变得更加复杂。但是，通过提供单独的运动台，可以更加准确、更加快捷地实现芯片固持器4在安置位置处的定位。特别地，芯片固持器运动台3的尺寸和运动位移可明显小于芯片键合头运动台2的尺寸和运动位移，这意味着芯片固持器运动台3的位置可以更精确地控制并且不易受芯片键合头主体1所受机械和热效应的影响。
夹头基准标记
图2是根据本发明第一实施例的芯片键合头设备的侧视图。其设置类似于图1所示设置，并且该视图聚焦于光学系统7A和芯片固持器运动台3A的设置。可以看出，芯片固持器运动台3A连接至芯片键合头主体1A。芯片固持器运动台3A具有：固定在芯片键合头主体1A上的机台支承结构20A；以及相对于机台支承结构20A可移动的可移动平台30A。设置有多个空气轴承11A，以便于可移动平台30A相对于机台支撑结构20A移动。在可移动平台30A上设置有多个微型XY线圈9A，其与设置在机台支撑结构20A上的相应数量的微型XY磁体10A相互作用。多个编码器标尺5A位于面向光学系统7A视场的表面上。
芯片固持器（夹头）4A位于可移动平台30A的主面上，面向衬底17A，将在衬底上安置芯片16A。芯片固持器4A能操作以拾取芯片16A并保持芯片16A的位置。芯片固持器4A具有透过可移动平台30A中的孔口40A而对于光学系统可见的多个夹头基准标记19A。光学系统7A具有对夹头基准标记19A进行成像的照相机50A。读取头6A安装在光学系统7A上。
在操作中，光学系统7A通过其运动台定位，以在要安置芯片的位置处对衬底17A上的衬底基准标记18A进行成像。换言之，在将芯片键合头主体1A移动到该处以进行调节和安置之前，使用光学系统7A通过衬底基准标记18A确定衬底17A的目标键合位置。
定位芯片键合头主体1A以在拾取位置拾取芯片。然后，芯片键合头运动台2将芯片键合头主体1A移动至靠近安置位置，以使可移动平台30A进入光学系统7A的视场12A。一旦在芯片键合头运动台2的控制下使芯片键合头主体1A停止移动，则光学系统7A通过对夹头基准标记19A进行成像来确定芯片16A的位置。根据编码器读取头6A的反馈和对夹头基准标记19A的成像，适当地给微型XY线圈9A通电以将可移动平台30A移动到正确位置。一旦将芯片16A正确地定位和/或定向在安置位置，就通过使芯片键合头主体1A沿Z方向朝着衬底17A移动来将芯片16A安置在衬底17A上。
换言之，基于读取头6A提供的信息来控制芯片固持器运动台3A。因此，芯片固持器运动台3A上的芯片16A和芯片固持器4A相对于光学系统7A的位置受到控制。由光学系统7A经由光路12A和运动台通过以孔口40A形式形成的中空特征来识别芯片16A的位置，以对夹头基准标记19A进行成像。即使键合头运动台2和框架光学系统7A的相对位置发生独立的横向变化，也可以实时将该位置保持在亚微米级精度。在最坏的情况下，框架光学系统7A可以坐落于第二运动台上，以使芯片固持器运动台3A的位置由不同的参考框架控制。因此，可以将芯片键合头运动台2和光学系统定位在两个不同的参考框架中，而不需要已知位置关系。为了消除这种不确定性，如果可以移动光学系统运动台，则可以参考安装在框架光学系统7A上的读取头6A或光学系统运动台来进一步控制芯片键合头运动台2的位置。在芯片固持器运动台3A沿XY方向移动以补偿由视觉系统所识别的误差之后，芯片16A的位置会在由框架光学系统7A再次识别的目标区域内移动。然后，芯片固持器运动台3A向下驱动芯片16A，并且能够实现亚微米级的键合精度。
芯片基准标记
图3示出了本发明的第二实施例。除了芯片固持器4B小于上述芯片固持器4A从而使得芯片基准标记15B能够由光学系统7B直接成像之外，该实施例与图2所示实施例相同。由此，通过给微型XY线圈9B通电使可移动平台30B绕Z轴旋转以顺应芯片16B绕Z轴的任何旋转偏移，从而将芯片16B与衬底17B相对齐。
图4示出了由光学系统7B观察到的可移动平台30B的平面图，光学系统7B构造为通过运动台以孔口14B形式形成的中空特征对芯片16B的芯片基准标记15B进行成像。可以看出，微型XY磁体10B和微型XY线圈9B分别位于可移动平台30B每侧，以便沿X轴和Y轴运移动（由空气轴承11B辅助），并且使可移动平台30B能绕Z轴旋转。通过编码器标尺5B对可移动平台30B的当前位置进行反馈。
图5示出了可移动平台和机台支撑结构的其他设置。在这种设置中，不具备空气轴承，而是提供了一个或多个挠曲部11C，其在使可移动平台30C能相对于机台支撑结构20C移动的同时，将可移动平台30C支撑在机台支撑结构20C之内。
尽管已参照某些实施例对本发明进行了相当详细的描述，但其他实施例也是可行的。特别地，可以通过音圈电机或压电致动器来致动可移动平台。
因此，所附权利要求书的精神和范围不应局限于本文所包含的实施例的描述。

Claims (18)

1.一种芯片键合头设备，包括：
芯片键合头主体，其联接于芯片键合头运动台；
芯片固持器运动台，其安装在所述芯片键合头主体上；以及
芯片固持器，其在使用时能操作以将半导体芯片固定于衬底，所述芯片固持器能够通过独立于所述芯片键合头运动台的所述芯片固持器运动台定位。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述芯片键合头运动台联接于所述芯片键合头主体的第一端，并且所述芯片固持器运动台安装在所述芯片键合头主体的远离所述第一端的第二端处。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述芯片固持器运动台在使用时能操作以使所述芯片固持器相对于所述芯片键合头主体和所述芯片键合头运动台中的至少一个移位。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述芯片固持器运动台在使用时能操作以使所述芯片固持器沿平面上的多于一个的轴线移位。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述芯片固持器运动台在使用时能操作以使所述芯片固持器沿着与所述芯片键合头运动台共同的至少一个轴线移位。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，与在使用时能操作以使所述芯片键合头主体移位的所述芯片键合头运动台相比，所述芯片固持器运动台在使用时能操作以更精准地使所述芯片固持器移位。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述芯片固持器运动台的位移范围小于所述芯片键合头运动台的位移范围。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述芯片固持器运动台具有由所述芯片键合头主体保持的机台支撑结构和能够相对于所述机台支撑结构移位的可移动结构。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述芯片固持器运动台包括至少一个致动器，所述致动器在使用时能操作以使所述可移动结构相对于所述机台支撑结构移位。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述至少一个致动器在使用时能操作以使所述可移动结构沿着多于一个的轴线移位。
11.根据权利要求8所述的设备，其中，所述芯片固持器运动台包括：轴承和挠曲部中的至少一个，其将所述可移动结构与所述机台支撑结构联接并且在使用时能操作以促进所述可移动结构相对于所述机台支撑结构移动。
12.根据权利要求8所述的设备，其中，所述芯片固持器运动台包括能操作以指示所述可移动结构的位置的位置标识器。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述位置标识器包括线性编码器，所述线性编码器具有分别安装在所述可移动结构和所述机台支撑结构上的相应组件。
14.根据权利要求8所述的设备，其中，所述可移动结构包括穿过所述可移动结构的至少一个检查光路，所述检查光路定位为对由所述芯片固持器固持的所述半导体芯片的至少一部分进行成像。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述检查光路包括所述可移动结构中的空隙。
16.根据权利要求1所述的设备，其包括至少一个成像装置，所述成像装置在使用时能操作以对由所述芯片固持器固持的所述半导体芯片的至少一部分进行成像，从而提供所述半导体芯片的位置和定向信息中的至少一个。
17.根据权利要求1所述的设备，包括控制器，所述控制器在使用时能操作以通过使用所述芯片键合头运动台操纵所述芯片键合头主体的位置来将所述芯片固持器定位在键合位置附近，并且通过使用所述芯片固持器运动台操纵所述芯片固持器的位置而响应于位置信息和定向信息中的至少一个来校正所述芯片固持器所固持的所述半导体芯片的位置和定向中的至少一个。
18.一种方法，包括：
通过使用芯片键合头运动台操纵键合头主体的位置来将权利要求1所述的芯片键合头设备的芯片固持器定位于键合位置附近；
通过使用所述芯片固持器运动台操纵芯片头的位置来校正所述芯片固持器所固持的半导体芯片的位置和定向中的至少一个；以及
在所述键合位置处键合所述半导体芯片。
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