CN1983539A - 高精度晶粒键合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种晶粒键合装置和键合方法，其中，该装置包括：键合头，其在半导体晶粒供应源和晶粒键合位置之间移动；拾取工具，其安装于该键合头上以在该晶粒键合位置处夹持待键合的晶粒；光学组件，其被设置来观察该晶粒键合位置的方位。该键合头被设置以便于位于光学组件和晶粒键合位置之间的、由拾取工具所夹持的晶粒的方位能被光学组件所观察，藉此能将晶粒的方位和晶粒键合位置的方位对齐定位。

Description

高精度晶粒键合装置
技术领域
本发明涉及一种在半导体封装过程中，于装配表面上精确地贴附晶粒并在其中产生键合连接的装置。
背景技术
在半导体晶粒或芯片的生产过程中，很多个半导体晶粒一起形成于单个的晶圆上。其次晶圆被切割以将各个晶粒分离。然后这些半导体晶粒中的每个晶粒通过应用晶粒键合工序应该被单独地装配在支撑表面上，进行进一步的处理。其后，在该晶粒和外部设备之间产生电性连接，再后来将晶粒使用模塑料灌封以保护它们免受环境的干扰。
现有技术中，所述的晶粒键合工序使用晶粒键合机，通常由键合臂从晶圆上拾取每个单独的晶粒，然后将其传送到衬底上，以在衬底上完成晶粒的贴附。图1是现有技术中晶粒键合机100的立体示意图。该晶粒键合机100通常包括具有空气喷嘴104的晶粒键合头102，以产生吸力从固定晶粒106的的晶圆平台108上拾取半导体晶粒106。然后将晶粒106传送并键合到衬底110上。
为了在衬底110上正确而且准确地放置晶粒106，使用视觉系统进行视图定位，该视觉系统通常包括设置于晶圆平台108上方的第一光学系统112和设置于衬底上方的第二光学系统114。完成视图定位以捕获晶圆平台108上的晶粒106和衬底110的图像。根据晶粒106被捕获的图像将会完成键合头102和空气喷嘴104的定位，为达此目的，其参考晶粒106上的定位图案或基准标记。由于晶粒106上的定位图案或基准标记设置于该晶粒朝向第一光学系统112、第二光学系统114的上侧，这些晶粒键合机100允许第一光学系统112在键合头102移动就位拾取晶粒106以前来捕获晶粒106的图像，并在放置晶粒106于衬底110以前根据所拍衬底110的图像调整晶粒106的方位。
该方法存在的问题是：在晶粒106的图像被捕获之后，晶粒拾取处理期间可能引起的晶粒106的任何错误或不期望的移动不能由该视觉系统修正或补偿。例如，作为错误的结果，空气喷嘴104的吸附表面和晶粒106不能共面。而空气喷嘴104和晶粒106的共面性是拾取过程中主要因素之一。当不能实现这样的共面时，在拾取过程中晶粒106的位置和角度可能漂移和转动。在晶粒106由键合头102拾取之后和放置于衬底110之前进行晶粒106的视觉定位以避免晶粒拾取过程中所引入的错误，这是令人期望的。
而且，在两个不同的位置使用两个单独的光学系统识别晶粒106和衬底110的所述现有的晶粒键合机100需要校准(calibration)。该校准需要将由光学系统所观察的坐标和控制键合头102定位的键合头工作台(未示)的坐标联系起来。任何校准错误将会对两个光学系统112、114和键合头工作台之间存在的坐标关系的准确性产生直接的不利影响，而且这将影响晶粒键合放置精度。
同时，在机器操作期间，键合装置的温度通常变化。因此，键合头工作台和光学系统112、114当机器快速运转时可能被各自的马达加热，当机器减速运转或停止时可能冷却下来。热膨胀或收缩将改变校准期间在光学系统和键合头工作台之间建立的前述关系，因此也影响了放置精度。通常，两个光学系统112、114分隔得越远，校准错误越严重。这是因为该校准方法通常包括使用键合头工作台以将校准图案从一个光学系统发送到另一个光学系统。因此，这种移动的距离应该被精确的规定。距离越长，热量错误和工作台移动错误的影响就越大。
相反，某些晶粒键合机可能采用一种移动式光学系统，该移动式光学系统能从晶圆平台108的位置移动到衬底110的位置。这种设计的优点是：晶粒定位图案和衬底定位图案二者的图像能使用仅仅一个光学系统捕获，以致于用于两个单独的光学系统的校准不需要被执行。但是，当光学系统在平台108的位置和衬底110的位置之间移动时，被引入的这种移动式光学系统的移动错误将会影响放置精度。
当处理的晶粒在长度方向很大或很长时，通常较佳地使用一种具有小视场(small field of view)的光学系统。这意味着如果光学系统不能捕获整个晶粒的图像，那么它首先需要在晶粒106的一个角落捕获定位图案，并然后移动到晶粒106的对角处捕获定位图案。以这种方式，晶粒的中心位置和晶粒的旋转角度能被算出。小视场将会给视觉系统提供更高的分辨率，并因此提供更高的图形辨识(PR：patternrecognition)精度。但是，光学系统的移动精度也会在晶粒键合期间的整个放置精度中扮演重要的角色。如同上面所解释的，如果光学系统的定位不是足够的精确，那么可能引入另一种潜在的错误源。如何将用于视觉定位的光学系统的移动最小化以避免由于该光学系统的移动所引入的不精确，是令人期望的。
发明内容
因此，本发明的目的在于在实现更高水平的晶粒键合精度的同时，寻求克服前述现有技术中的至少一部分缺点。
一方面，本发明提供一种晶粒键合装置，该装置包括：键合头，其在半导体晶粒供应源和晶粒键合位置之间移动；拾取工具，其安装于该键合头上以在该晶粒键合位置处夹持待键合的晶粒；光学组件，其被设置来观察该晶粒键合位置的方位；其中，该键合头被设置以便于位于光学组件和晶粒键合位置之间的、由拾取工具所夹持的晶粒的方位能被光学组件所观察，藉此能将晶粒的方位和晶粒键合位置的方位对齐定位。
另一方面，本发明还提供一种用于键合晶粒的方法，该方法包含有以下步骤：使用光学组件观察晶粒键合位置，以确定该晶粒键合位置的方位；使用安装于键合头的拾取工具从半导体晶粒供应源拾取晶粒；在光学组件和晶粒键合位置之间定位由拾取工具所夹持的晶粒；当晶粒位于光学组件和晶粒键合位置之间时，使用光学组件观察晶粒，以确定该晶粒的方位；将该晶粒的方位和该晶粒键合位置的方位对齐定位；以及此后，在晶粒键合位置键合晶粒。
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
根据本发明所述的晶粒键合装置几个实施例的实例现将参考附图加以描述，其中：
图1时现有技术中晶粒键合机的立体示意图。
图2是根据本发明较佳实施例所述的包含有两个光学系统的晶粒键合装置的立体示意图。
图3是图2所描述的晶粒键合装置的平面图。
图4是根据本发明另一较佳实施例所述的包含有单个光学系统的晶粒键合装置的立体示意图。
图5是根据本发明又一较佳实施例所述的包含有窄形键合头的晶粒键合装置的立体示意图。
具体实施方式
图2是根据本发明较佳实施例所述的包含有两个光学系统26、28的晶粒键合装置的立体示意图。该装置包含有中空的键合头10，通过该键合头10的本体具有垂直延伸的孔洞12。该键合头10支撑和控制有一拾取工具14，例如夹体，该拾取工具被配置来通过真空吸力或握紧力从位于晶圆平台18处的半导体晶粒供应源拾取晶粒16。
该键合头10在晶圆平台18和晶粒键合位置之间移动。当晶粒16被拾取之后，然后将该晶粒放置于设置在衬底20上的晶粒键合位置，晶粒在此被键合。拾取工具14包含有真空喷嘴或握紧器(gripper)，其形成时宽度小于晶粒16，以便于晶粒16的四个角不被拾取工具14所覆盖。拾取工具14贴附安装于键合头10最好采用支撑结构的方式，例如在孔洞12底端横向穿越孔洞12开口的横梁22。
键合头10由一三轴式工作台(未示)驱动，以便于其被驱动而在平行于衬底20平面的X和Y轴上、和与其垂直的Z轴上移动。键合头10同时围绕Z轴转动，以便于在键合操作期间晶粒16的方位角得到调整，以将晶粒16的方位与晶粒键合位置对齐定位。
孔洞12的形状最好是圆柱形，其纵轴定位最好大体垂直于衬底20的平面，尤其是在晶粒键合位置。一光学组件，可能为双光学组件24(dual-optics assembly)的形式，其包含有第一光学系统26、第二光学系统28，该光学组件被设置来观察衬底20上晶粒键合位置的方位。在图2中，在已经确定晶粒键合位置的方位之后，双光学组件24设置于键合头10的孔洞12的一处开口的上方，双光学组件24的观察轴线和孔洞12的纵轴对齐定位以便于捕获位于孔洞12相对的另一开口处的、由拾取工具14固定的晶粒16的图像。孔洞12应该具有足够的宽度以便于第一光学系统26、第二光学系统28二者能够同时通过孔洞12观察晶粒16。因此，键合头10被如此设置以便于位于光学组件和晶粒键合位置之间的、由拾取工具14所固定的晶粒16的方位被光学组件所观察。
图3是图2所描述的晶粒键合装置的平面图。双光学组件24其外形被显示，并且其观察轴线和孔洞12的纵轴相对齐定位，以致于由拾取工具14所固定的晶粒16能通过孔洞12被观察。俯视晶粒16，形成于晶粒16角落的定位图案，可能为基准标记30的形式，其被光学系统26、28同时观察。这些定位图案以普通形式形成以通过视觉系统帮助晶粒16定位。每个光学系统26、28最好被布置来观察晶粒16的一端，键合头10被设置以便于晶粒16的每个端部能够被各个光学系统26、28同时观察。横梁22应该非常窄，尤其其宽度应该窄于晶粒16的长度，以便于不会阻挡光学系统观察基准标记30。
首先，键合头10从晶圆平台18上拾取晶粒。同时，设置于衬底上方的双光学组件24捕获衬底20上晶粒键合位置的图像以确定其方位。然后将键合头10移动到衬底20上方但是位于该双光学组件24下方的一位置处，以便于晶粒16在双光学组件24和晶粒键合位置之间由拾取工具14所夹持固定。由光学组件36通过孔洞12能够观察到基准标记30，以便于捕获晶粒16上的基准标记30的图像进行视觉定位。观察基准标记30之后，晶粒16的当前方位得以确定，在此之后，键合头10或拾取工具14被移动来进行补偿，以将晶粒的方位和晶粒键合位置的方位对准定位。这可能包含有沿着X和Y轴的移动、或者围绕Z轴的θ旋转，以相对于衬底20定位晶粒16而实现衬底20的精确放置的正确定位。
双光学组件24的位置可能固定在衬底20上方的一位置处，或者可能不固定，其是根据放置衬底20的衬底工作台的设计。如果衬底工作台可在X和Y方向上移动，那么该双光学组件24的位置较佳地为固定。但是，如果衬底工作台仅仅能在X方向上移动(即指引方向)，那么如果衬底20包含有几行和几列的焊盘，则双光学组件24可能需要在Y方向移动以便于捕获位于不同行上的衬底焊盘的图像。但是，为了保持高的放置精度，在捕获衬底20的图像之后和在捕获晶粒16的图像之前，双光学组件24在其上将要键合晶粒的焊盘的上方保持静止是重要的。这意味着在捕获衬底20的图像之后和在捕获晶粒16的图像之前，双光学组件24在X-Y平面上不会移动，以便于衬底20的图像和晶粒16的图像均参考同一个光学工作台坐标。因此，平台的移动错误能够避免或者最小化。
图4是根据本发明另一较佳实施例所述的包含有单个光学系统32的晶粒键合装置的立体示意图。该装置包含有中空的键合头10，通过该键合头10具有垂直延伸的孔洞12。该键合头10包含有固定晶粒16的拾取工具14，该晶粒从晶圆平台18被运送到衬底20。拾取工具14由延伸穿越孔洞12的横梁22所支持。
在本实施例中，存在仅仅包含有一个光学系统32的单光学组件，以观察晶粒16上的基准标记30。因此，较合适地讲，该单个的光学系统32应在晶粒16的两端之间移动以分别观察设置于晶粒16角落的基准标记30。同时，通常该单个的光学系统32仍然位于衬底20上方保持静止以使其运动最小化。当键合头10保持基本静止的时候，用于该单个的光学系统32的驱动机构(未示)需要沿着X和/或Y轴驱动该光学系统32。另外可选择的是，当系统32保持静止时，键合头10可相对于单个的光学系统32移动。本实施例操作的其他方面和图2所描述的实施例基本相类似，它们不再重复。
图5是根据本发明又一较佳实施例所述的包含有窄形键合头34的晶粒键合装置的立体示意图。当晶粒16的长度很长以致于要在键合头中形成的孔洞的尺寸大得不可能实施，可能要代替使用这种窄形键合头34。在本实施例中，晶粒键合装置包含有键合头34，键合头的本体在拾取工具14沿着光学组件的视场安装到键合头34的位置处比晶粒16的长度窄，以致于晶粒16延伸超越键合头34侧边的局部被光学组件所观察到。当拾取工具14拾取长晶粒16时，晶粒16的四角应该延伸超出键合头34的端缘，以致于光学组件能够从键合头34的上方捕获基准标记30的图像。键合头34在位于晶圆平台18的半导体晶粒供应源和衬底20之间移动，以将晶粒16键合到衬底20上。
虽然在拾取工具14固定晶粒16的位置键合头34应该比晶粒16的长度窄，但是键合头34的整体不需要是相同的宽度。在图5所描述的实施例中，键合头34沿着平行于晶粒键合位置平面的平面的截面面积大体为三角形。拾取工具14相邻于该三角形的顶点装配以保证该拾取工具14被大体装配在键合头34的最窄部位。朝向键合头34的后部位置，键合头34的宽度可能较大，以有助于和其他机构的联接。
以双光学组件36形式存在的光学组件最好设置于键合头34的上方以观察晶粒16。双光学组件36包含有彼此相邻设置的第一光学系统38和第二光学系统40，以观察晶粒16的对角。和上面描述的第一实施例相比，这两个光学系统38、40空间上最好相互分隔的更远，以适合于较长的晶粒16，同时也使得它们能够向下查看键合头34的边侧而避免其视场被键合头34所阻挡。如前所述，光学系统38、40同时观察设置于晶粒16对角的校准标记30。键合流程大体与前述的实施例相同，在此不再重复。
虽然本发明的这个实施例使用双光学组件36阐述，值得注意的是，如图3所使用的单个光学组件同样适用。但是，在这种情况下，驱动单个光学组件从位于晶粒16一端上方的位置移动到位于晶粒16另一端上方的位置，以在晶粒16的对角处观察基准标记30。
上述本发明较佳实施例的优点在于：使用同一个光学组件能够捕获衬底定位图案和晶粒定位图案两者的图像，以致于不同光学组件之间转换的错误得以消除。当两个不同的光学组件被使用来分别捕获晶粒和衬底定位图案的图像时，需要校准来查明两个不同的光学坐标系统之间的关系，其被用来显示出一种光学组件的坐标信息和另一种光学组件的坐标信息的关系。校准的精度将会直接影响转换精度，从而影响放置的精度。
虽然双光学组件24、36包含有两组镜头和摄像机，其完成校准不可缺少以查明它们各个光学系统之间的关系，和现有的应用相比该校准错误将会相对小。这是因为两个光学系统紧紧挤在一起，其意味着热膨胀问题会在系统之间的预定关系上具有最小的影响。例如，通过采用预定尺寸的校准镜(pre-scaled calibration glass)，该校准镜允许双光学组件24、36在该校准镜上同时捕获分离的定位图案的图像，使用者在没有X-Y工作台帮助移动光学系统的情形下能够轻易地校准两个光学系统。这意味着在现有的校准方法中普遍遇到的移动错误得以消除。
同样值得注意的是，晶粒16的视觉定位发生在衬底20上的晶粒键合位置的上方。在捕获衬底20的图像之后，双光学组件24、36能驻留在同一个X-Y坐标处以等待键合头10、34将晶粒16传送到键合位置。这意味着光学组件24、36不在X-Y平面中移动的情形下能够捕获晶粒定位图案的图像。这也会消除光学组件24、36遇到的任何移动错误，并因而提高放置精度。
非常有益地，由于晶粒16的视觉定位发生在晶粒拾取工序之后，在晶粒拾取工序中晶粒16的任何不期望的移动将不会影响放置精度。
另外，通过采用双光学组件24、36，能够同时捕获晶粒16多个角落处定位图案或基准标记30的图像。双光学组件24、36的移动得以消除。因此，在不影响放置精度的情形下，整个拾取放置工序的周期时间得以减少。
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 (20)

1、一种晶粒键合装置，该装置包括：
键合头，其在半导体晶粒供应源和晶粒键合位置之间移动；
拾取工具，其安装于该键合头上以在该晶粒键合位置处夹持待键合的晶粒；以及
光学组件，其被设置来观察该晶粒键合位置的方位；
其中，该键合头被设置以便于位于光学组件和晶粒键合位置之间的、由拾取工具所夹持的晶粒的方位能被光学组件所观察，藉此能将晶粒的方位和晶粒键合位置的方位对齐定位。
2、如权利要求1所述的晶粒键合装置，其中，该拾取工具的宽度小于晶粒的长度，以致于位于由该拾取工具所夹持的晶粒的角落处的定位图案没有被拾取工具所覆盖。
3、如权利要求1所述的晶粒键合装置，该装置包含有孔洞，该孔洞延伸穿越该键合头，以便于光学组件通过该孔洞观察由拾取工具所夹持的晶粒。
4、如权利要求3所述的晶粒键合装置，该装置包含有支撑结构，该支撑结构在键合头的一开口处横向延伸于该孔洞以支撑该拾取工具，其中，该支撑结构的宽度窄于晶粒的长度，以致于位于由该拾取工具所夹持的晶粒的角落处的定位图案没有被支撑结构所覆盖。
5、如权利要求3所述的晶粒键合装置，其中，该孔洞的形状大体为圆柱形。
6、如权利要求5所述的晶粒键合装置，其中，该孔洞的纵轴大体垂直于晶粒键合位置的平面。
7、如权利要求1所述的晶粒键合装置，其中，该光学组件包括双光学系统，以致于每个光学系统被设置来观察晶粒的一端。
8、如权利要求7所述的晶粒键合装置，其中，该键合头被设置以便于晶粒的每一端能同时被每个光学系统观察。
9、如权利要求1所述的晶粒键合装置，其中，该光学组件包括单个的光学系统。
10、如权利要求9所述的晶粒键合装置，其中，该单个的光学系统从观察晶粒一端的一位置处移动到观察晶粒另一端的另一位置处。
11、如权利要求1所述的晶粒键合装置，其中，沿着光学组件的视场，该键合头在拾取工具安装位置的宽度窄于由拾取工具所夹持晶粒的长度，以便于晶粒延伸超出键合头的边侧的部位能被光学组件观察。
12、如权利要求11所述的晶粒键合装置，其中，该键合头沿着平行于晶粒键合位置平面的平面的截面面积大体为三角形的形状。
13、如权利要求12所述的晶粒键合装置，其中，该拾取工具相邻于所述三角形的顶点安装。
14、一种用于键合晶粒的方法，该方法包含有以下步骤：
使用光学组件观察晶粒键合位置，以确定该晶粒键合位置的方位；
使用安装于键合头的拾取工具从半导体晶粒供应源拾取晶粒；
在光学组件和晶粒键合位置之间定位由拾取工具所夹持的晶粒；
当晶粒位于光学组件和晶粒键合位置之间时，使用光学组件观察晶粒，以确定该晶粒的方位；
将该晶粒的方位和该晶粒键合位置的方位对齐定位；以及此后，在晶粒键合位置键合晶粒。
15、如权利要求14所述的用于键合晶粒的方法，其中，该键合头包含有在其中延伸的孔洞，该使用光学组件观察晶粒的步骤还包含有下述步骤：
将该孔洞和该光学组件对齐定位，以通过该孔洞观察晶粒。
16、如权利要求15所述的用于键合晶粒的方法，其中，该孔洞的形状大体为圆柱形。
17、如权利要求16所述的用于键合晶粒的方法，其中，该孔洞的纵轴大体垂直于晶粒键合位置的平面，该将该孔洞和该光学组件对齐定位的步骤还包含有：
将该孔洞的纵轴和该光学组件的观察轴线对齐定位。
18、如权利要求14所述的用于键合晶粒的方法，其中，该使用光学组件观察晶粒的步骤还包含有下述步骤：
将键合头的边侧和光学组件对齐定位，以观察由拾取工具夹持的晶粒延伸超出键合头边侧的部位。
19、如权利要求18所述的用于键合晶粒的方法，其中，沿着光学组件的视场，该键合头在拾取工具安装位置的宽度窄于由拾取工具所夹持晶粒的长度。
20、如权利要求19所述的用于键合晶粒的方法，其中，该键合头沿着平行于晶粒键合位置平面的平面的截面面积大体为三角形的形状。
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