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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Handhaben
eines Halbleiterbauteils sowie die Verwendung dieser Vorrichtung
in einer Halbleiterfertigungsmaschine.
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In
der Halbleiterfertigung, insbesondere bei Die-Bondern, Die-Sortern
und Flip-Chip-Mountern ist es erforderlich, einzelne ungehäuste Halbleiterchips (Dice)
zu handhaben. Derartige Dice werden üblicherweise durch Sägen eines
fertig verarbeiteten Wafers gewonnen und können ein einzelnes Bauelement,
z. B. einen Transistor, oder auch eine komplexe Schaltung, wie beispielsweise
einen Mikroprozessor enthalten.
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Wegen
der empfindlichen Strukturen und den geringen Abmessungen eines
Dies werden an die Vorrichtungen zur Handhabung besonders hohe Anforderungen
gestellt. Insbesondere das Greifen eines Halbleiterbauteils, also
das Aufnehmen von einer Unterlage, stellt hohe Anforderungen an
das Handhabungssystem.
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Herkömmliche
mechanische Greifmechanismen sind in der Halbleitertechnik wegen
ihrer vergleichsweise groben Greifmechanik und hoher Greifkräfte nicht
verwendbar. Bekannt ist darüber
hinaus der Einsatz von Sauggreifern, magnetischen oder elektrostatischen
Kraftfeldern und stoffschlüssigen Greifmechanismen,
die mit Klebstoffen arbeiten. Bei Halbleiterbauteilen werden derzeit
beispielsweise Vakuumpipetten eingesetzt. Die genannten Techniken
setzen stets eine Berührung
des Greifers mit dem zu greifenden Bauteil voraus. Daher sind sie
bei der Handhabung von Mikrostrukturen, wie in der Halbleitertechnik
erforderlich, von vorne herein eher ungeeignet.
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Aus
dem Stand der Technik ist darüber
hinaus das Prinzip der Levitation bekannt. Danach können Flüssigkeitströpfchen oder
kleine Teilchen mit Hilfe von Luftpolstern in der Schwebe gehalten
werden (Druckluft-Levitation). Auch die Verwendung elektrischer
bzw. magnetischer Kräfte
ist möglich (magnetische
Levitation). Auch die akustische Levitation ist bekannt, wobei kleine
Teilchen A in den Druckknoten eines stehenden Ultraschallfeldes
berührungslos
gehalten werden. Die Schwerkraft G des Teilchens A wird dabei durch
die axiale Levitationskraft FL kompensiert,
so daß dieses
zu schweben scheint, vgl. 1. Das Ultraschallfeld
wird dabei durch die Schwingung B eines Schwingkörpers C erzeugt. Mit derartigen
Levitationstechniken ist es zwar möglich, das Teilchen 1 „in der
Schwebe" zu halten. Ein
Aufnehmen bzw. Greifen des Teilchens 1 ist damit jedoch nicht möglich.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine besonders einfache
und sichere Handhabung von Halbleiterbauteilen zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, bzw. ein Verfahren
nach Anspruch 8 gelöst.
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Danach
ist eine Vorrichtung zum Handhaben eines Halbleiterbauteils vorgesehen,
mit einer zum Erzeugen von Schallwellen ausgebildeten Schwingeinheit
zum Beaufschlagen des Halbleiterbauteils mit einer durch die Schallwellen
hervorgerufenen abstoßenden
Kraft und mit einer zum Erzeugen eines Unterdruckes ausgebildeten
Saugeinheit zum Beaufschlagen des Halbleiterbauteils mit einer durch
den Unterdruck hervorgerufenen anziehenden Kraft derart, daß das Halbleiterbauteil
berührungslos
angehoben, in einem Schwebezustand gehalten und wieder abgelegt
werden kann.
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Darüber hinaus
ist ein Verfahren zum Handhaben eines Halbleiterbauteils vorgesehen,
bei dem das Halbleiterbauteil mit einer durch Schallwellen hervorgerufenen
abstoßenden
Kraft und mit einer durch einen Unterdruck hervorgerufenen anziehenden
Kraft beaufschlagt wird derart, daß das Halbleiterbauteil berührungslos
angehoben, in einem Schwebezustand gehalten und wieder abgelegt
werden kann.
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Die
Begriffe „Die", „Chip" und „Halbleiterbauteil" werden nachfolgend
synonym verwendet. Unter einem Halbleiterbauteil werden jedoch nicht
nur Dice, sondern auch andere Bauteile verstanden, beispielsweise
Bauelemente, die mittels lötfähiger Anschlußflächen direkt
auf eine Leiterplatte (Flachbaugruppe) gelötet werden (SMD-Bauteile).
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Die
im Folgenden im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläuterten
Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
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Eine
Kernidee der Erfindung ist es, das Prinzip der akustischen Levitation
aufzugreifen und durch eine Kombination mit einer Saugtechnik zu
einer hocheffizienten Handhabungstechnologie weiterzuentwickeln.
Dabei wird nicht nur ein sicheres Aufnehmen, also ein Greifen eines
Halbleiterbauteils im Sinne eines berührungslosen Anhebens entgegen
der Schwerkraft ermöglicht,
sondern durch ein stabiles Kräftegleichgewicht
zwischen anziehenden und abstoßenden
Kräften
auch ein berührungsloses
Halten in einer Transportposition ermöglicht.
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Mit
der vorliegenden Erfindung sind daher berührungslose Handhabungen, einschließlich des Aufnehmens
(Greifens) von kleinsten Halbleiterbauteilen möglich, selbst wenn diese empfindlichste Strukturen
aufweisen. Da die Handhabung völlig
berührungslos
erfolgt, ist die Gefahr von Beschädigungen des Halbleiterbauteils
gegenüber
herkömmlichen,
auf Berührungen
beruhenden Handhabungstechniken sehr stark verringert.
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Besonders
gut eignet sich die vorliegende Erfindung für die Handhabung von im wesentlichen flachen
Halbleiterbauteilen mit geringem Gewicht, da sich diese besonders
gut für
die Anwendung der beiden durch die Erfindung kombinierten Grundprinzipien
akustische Levitation und Unterdruck eignen. Insbesondere eignet
sich die Technologie für
sehr dünne Dice,
bei denen Mikrobrüche
und andere Beschädigungen,
wie sie bei Transporttechniken herkömmlicher Art vorkommen können, unbedingt
verhindert werden müssen.
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Bei
der Frage, ob ein Halbleiterbauteil für eine Handhabung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
grundsätzlich
in Frage kommt, kommt es jedoch weniger auf die Gesamtform des Halbleiterbauteils
an. Wesentlich ist hingegen, daß das
Halbleiterbauteil wenigstens eine Schallwellenwirkfläche aufweist,
die für
eine akustische Levitation geeignet ist. Als Schallwellenwirkflächen eignen
sich besonders solche Flächen
eines Halbleiterbauteils, welche die auftreffenden Schallwellen
reflektiert.
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Die
erfindungsgemäße Technik
ist nicht zum Transport eines Halbleiterbauteils auf einer waagrechten
Transportbahn vorgesehen. Sie dient statt dessen dem Greifen des
Halbleiterbauteils in Z-Richtung im Sinne eines Anhebens entgegen
der Gewichtskraft. Es geht bei der vorliegenden Erfindung also im
wesentlichen um die Bewegung eines Halbleiterbauteils senkrecht
von unten nach oben bzw. von oben nach unten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
dient anders ausgedrückt
als „Senkrechtgreifer". Dieser wird auch
als Bondarm bezeichnet und vorteilhafterweise mit einer Bewegungseinheit zu
einem Transportsystem (Bondkopf) zusammengefaßt. Ein solcher Bondkopf kann
dann in einer Halbleiterfertigungsmaschine zum Einsatz kommen. Die Erfindung
wird dabei nicht nur im Wafer Back-End-Prozeß in der Chip-Handhabung (insbesondere
bei Die-Sortern) und dem Bonding (insbesondere bei Die-Bondern),
sondern auch bei der Bestückung
(insbesondere bei Flip-Chip-Mountern) eingesetzt.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen, die mit Hilfe
von Zeichnungen näher
erläutert
werden. Hierbei zeigen in vereinfachten schematischen Darstellungen:
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1 eine
Prinzipskizze zur akustischen Leviation (Stand der Technik);
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2 den
schematischen Aufbau einer Halbleiterfertigungsmaschine;
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3 eine
Handhabungsvorrichtung in Schnittdarstellung;
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4 die
Handhabungsvorrichtung aus 3 in einem
ersten Zustand;
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5 die
Handhabungsvorrichtung aus 3 in einem
zweiten Zustand;
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6 die
Handhabungsvorrichtung aus 3 in einem
dritten Zustand („Greifen").
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Gleiche
Bezugszeichen in den nachfolgend ausführlich beschriebenen Figuren
entsprechen Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Eine
Halbleiterfertigungsmaschine 1, im Beispiel ein Die-Bonder, umfaßt, vgl. 2,
einen Bondkopf 2 zum Transportieren eines Chips 10 auf
einer definierten Bahnkurve von einer Aufnahmeposition in eine Ablageposition.
Aufnahme- und Ablageposition sind
dabei je nach Verfahrensschritt individuell festlegbar. Der Bondkopf 2 umfaßt eine
Bewegungseinheit 3, vorzugsweise einen in mehreren Raumachsen operierenden
Manipulator, die von einer Antriebseinheit 4, vorzugsweise
einem Elektromotor, angetrieben wird. Der Bondkopf 2 umfaßt darüber hinaus
eine Steuereinheit 5 zur Ansteuerung der Bewegungseinheit 3 entsprechend
der Bahnkurve. Die Bewegungseinheit 3, die vorzugsweise
eine Bewegung in x-, y- und z-Richtung vollziehen kann, ist mit
einem Bondarm 6 verbunden, die als Senkrechtgreifer zum Aufnehmen
eines Chips in z-Richtung im Sinne eines Anhebens ausgebildet ist.
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Wie
in 2 dargestellt, umfaßt der Bondarm 6 eine
zum Erzeugen von Schallwellen ausgebildete Schwingeinheit 7 zum
Beaufschlagen des zu greifenden Chips 10 mit einer durch
die Schallwellen hervorgerufenen abstoßenden Kraft und eine zum Erzeugen
eines Unterdruckes ausgebildeten Saugeinheit 8 zum Beaufschlagen
des Chips 10 mit einer durch den Unterdruck hervorgerufenen
anziehenden Kraft.
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Der
Bondarm 6 umfaßt
darüber
hinaus eine Steuereinheit 9 zur Ansteuerung der Schwingeinheit 7 und/oder
der Saugeinheit 8. Diese Steuereinheit 9 kann
auch als Teil der Steuereinheit 5 des Bondkopfes 2 ausgebildet
sein. Die Steuereinheiten 5, 9 umfassen vorzugsweise
Computerhardware und/oder Computersoftware und verwirklicht die
ihr zugewiesenen Aufgaben in einer dem Fachmann geläufigen Art
und Weise.
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Die
Schwingeinheit 7 ist zur Durchführung einer akustischen Levitation
ausgebildet. Diese beruht auf den Kräften, die im Wechseldruckfeld
einer stehenden Ultraschallwellen auf den Chip 10 wirken, wobei
axiale und radiale Kräfte
auftreten. Anders ausgedrückt
resultieren die Levitationskräfte
bei der akustischen Levitation aus einer statischen Druckverteilung,
die durch den Ultraschall hervorgerufen wird. Zur Übertragung
der levitierenden Kräfte
wird eine Gasatmosphäre
oder Flüssigkeit
benötigt.
Im vorliegenden Fall wird vorzugsweise Umgebungsluft verwendet.
Die Bereitstellung von Druckluft oder speziellen Betriebsgasen ist
nicht zwingend erforderlich.
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Die
Schwingeinheit 7 umfaßt,
vgl. 3, einen Schwingkörper 11 mit einer
benachbart zu dem Chip 10 positionierbaren schallabgebenden
Fläche 12.
Der Schwingkörper 11 wird
auch als Sonotrode bezeichnet und ist vorzugsweise in Form und Größe dem Chip 10 angepaßt. Im vorliegenden
Fall ist der Schwingkörper 11 quaderförmig, wobei
die freie Stirnfläche
als schallabgebende Fläche 12 dient. Nach
der Positionierung des Schwingkörpers 11 über dem
zu handhabenden Chip 10 ist der Luftspalt 13 zwischen
der schallabgebenden Fläche 12 des Schwingkörpers 11 und
der Chipoberfläche 14 zumeist
zwischen 0,01 mm und 1,5 mm breit. Bei dem Chip handelt es sich
um ein rechteckiges Bauteil mit typischen Abmessungen zwischen 0,5
mm und 10 mm.
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Vorzugsweise
entspricht die Form und Größe der schallabgebenden
Fläche 12 im
wesentlichen der Form und Größe der in
Richtung Schwingkörper 11 weisenden
Oberfläche 14 des
zu handhabenden Chips 10. Die schallabgebende Fläche 12 des Schwingkörpers 11 ist
in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
viereckig und in etwa genauso groß wie die Oberfläche 14 des
Chips 10. Je nach Ausführung des
Systems kann die schallabgebende Fläche 12 aber auch größer oder
kleiner als die Oberfläche 14 des
Chips 10 sein. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Schwingkörper auch
andere Formen aufweisen. So können
beispielsweise auch zylinderförmige
Schwingkörper
verwendet werden. Die Form der schallabgebenden Fläche muß dabei
nicht mit der Geometrie des Schwingkörpers korrespondieren. So ist
es beispielsweise auch möglich,
einen zylinderförmigen
Schwingkörper
mit einer viereckigen schallabgebenden Fläche auszustatten.
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Zum
Erzeugen von Ultraschallwellen wird der Schwingkörper 11 in Schwingungen
versetzt. Dies kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen, beispielsweise
durch die Ankopplung einer Schwingungsquelle 15 über ein
Kopplungsorgan 16. Die Art und Weise der Ankopplung kann
dabei je nach Anwendungsfall variieren. Vorzugsweise ist das Kopplungsorgan 16 derart
ausgebildet, daß der
Schwingkörper 11 lösbar mit
der Schwingungsquelle 15 verbunden ist. So kann ein Austausch
des Schwingkörpers 11,
beispielsweise wenn ein anders geformtes oder anders dimensionierter
Chip 10 aufgenommen werden soll, auf besonders einfache
Art und Weise vonstatten gehen.
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Vorzugsweise
ist aus dem gleichen Grund auch die Schwingungsquelle 15 leicht
austauschbar, beispielsweise dann, wenn sich das Gewicht der zu handhabenden
Chips derart ändert,
daß Schwingungen
in andere Frequenzbereichen bereitgestellt werden müssen.
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Typische
Frequenzen, die bei der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen,
liegen zwischen 20 und 80 Kilohertz (Ultraschall). Als Schwingungsquelle 15 kommt
daher beispielsweise ein Piezoelement zur Anwendung, welches durch
Anlegen eines Wechselstromes periodisch deformiert und zu elastischen
Schwingungen angeregt wird. Der Schwingkörper 11 liegt dabei
mit seiner einen als Kontaktfläche 17 dienenden
einen Stirnseite über das
Kopplungsorgan 16 an der Schwingungsquelle 15 an.
Die Ultraschallschwingung wird von der Schwingungsquelle 15 aufgenommen,
durch den Schwingkörper 11 hindurchgeleitet
und als gerichtete Schallwellen an seiner freien Stirnfläche, der
schallabgebenden Fläche 12,
an die Umgebung abgegeben. Dabei wird die Ultraschallschwingung
als Longitudinalwelle von der Kontaktfläche 17 zur schallabgebenden
Fläche 12 durch
den Schwingkörper 11 hindurchgeleitet.
Anders ausgedrückt
schwingt der Schwingkörper 11 in
Richtung seiner Längsachse (z-Richtung 18),
wobei das Material des Schwingkörpers 11 in
Richtung der Längsachse
entsprechend der Wellenlänge
der verwendeten Ultraschallschwingung verdichtet bzw. gestreckt
wird. Der Schwingkörper 11 dient
mit anderen Worten zur Übertragung
der mechanischen Ultraschallschwingung von der Schwingungsquelle 15,
welche die mechanische Schwingungsenergie zur Verfügung stellt,
auf das sich zwischen Schwingkörper 11 und
Chip 10 befindende Medium, in vorliegenden Fall Luft. In
dem Luftspalt 13 zwischen Schwingkörper 11 und Chip 10 baut
sich eine zirkulierende Luftbewegung auf, welche eine Art Luftpolster
bildet. Hierdurch wird der Chip 10 von dem Schwingkörper 11 weggedrückt.
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In
den 4 und 5 ist der Schwingkörper 11 bei
einer Abwärtsbewegung
auf den Chip 10 zu bzw. bei einer Aufwärtsbewegung von dem Chip 10 weg
dargestellt. Dabei wird Luft aus dem Luftspalt 13 zwischen
Schwingkörper 11 und
Chip 10 verdrängt
bzw. strömt
von außen
in diesen Bereich nach.
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Die
schallabgebende Fläche 12 wird
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens im
wesentlichen parallel zu einer Schallwellenwirkfläche des
Chips, im dargestellten Beispiel der gesamten Oberfläche 14 des
Chips, positioniert. Dadurch wird ein „Verkanten" oder ein anderweitiges ungewolltes
Verhalten des Chips 10 bei der Handhabung vermieden. Darüber hinaus
erfolgt die Positionierung der schallabgebenden Fläche 12 zentral über dem Chip 10,
um ungewünschte
Seitwärtsbewegungen des
Chips 10 bei dem Greifvorgang zu vermeiden.
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Ausgehend
von der schallabgebenden Fläche 12 werden
die Schwingungen somit auf die Gasatmosphäre (Luft) übertragen und von dem zu handhabenden
Chip 10 zurückgeworfen,
der als Reflektor dient. Wenn der Abstand zwischen der schallabgebenden
Fläche 12 einerseits
und der Chipoberfläche 14 andererseits
einem ganzzahligen Vielfachen der halben Schallwellenlänge entspricht,
bilden sich stehende Schallwellen mit Energiemaxima und Energieminima
aus.
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Die
Saugeinheit 8 ist zum Anlegen eines Vakuums ausgebildet
derart, daß der
Chip 10 in Richtung der schallabgebenden Fläche 12 des
Schwingkörpers 11 angesaugt
wird. Hierzu umfaßt
die Saugeinheit 8 einer Anzahl benachbart zu dem Chip 10 positionierbarer
Saugöffnungen 19,
die symmetrisch in der schallabgebenden Fläche 12 des Schwingkörpers 11 angeordnet
sind, vgl. 3. Durch die symmetrische Anordnung
wird das Aufnehmen des Chips 10 vereinfacht, da keine radialen
Kräfte
berücksichtigt
werden müssen.
Je nach Ausbildung des zu handhabenden Chips 10 können eine,
drei, vier, fünf oder
mehr Saugöffnungen 19 vorgesehen
sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist ein einziger, mittig den Schwingkörper 11 durchtretender Druckkanal 20 vorgesehen, über welchen
ein Vakuum angelegt wird. Durch diese Anordnung der Saugöffnung 19 befindet
sich das Vakuum stets mittig zu dem durch die Schwingungen hervorgerufenen
Luftpolster.
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Das
Vakuum ist unter Verwendung einer Venturi-Düse mit einem Feinstdruckregler
(nicht abgebildet), die über
einen Anschlußschlauch 21 mit dem
Druckkanal 20 verbunden ist, dosierbar und an die aufzunehmenden
Chips 10 anpaßbar.
Anstelle von oder in Kombination mit einer Venturi-Düse können alle
geeigneten Pumpen zur Vakuumerzeugung verwendet werden, wie beispielsweise
Drehschieber-, Schrauben- oder Wälzkolben-Vakuumpumpen. Die
Art und Weise, wie ein Vakuum bereitgestellt wird, ist dem Fachmann
bekannt und für
die Erfindung nur von untergeordneter Bedeutung.
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Der
Druckkanal 20 verläuft
durch die Schwingungsquelle 15, die zu diesem Zweck eine
zentrale, in z-Richtung verlaufende Durchgangsöffnung aufweist. Die Integration
der Saugöffnungen 19 in
den Schwingkörper 11 hat
zur Folge, daß die
Handhabung des Chips 10 von einer Seite (der Chipoberseite 14)
aus erfolgen kann. Zusätzliche
Handhabungselemente, wie beispielsweise benachbart zu dem Chip 10 angeordnete
Reflektoren oder dergleichen, sind nicht erforderlich. Durch die
konstruktive Integration wesentlicher Teile von Schwingeinheit 7 und
Saugeinheit 8 ergibt sich vorteilhafterweise eine geringe
Anzahl zu montierender Teile des Gesamtsystems. So werden keine
Führungsgestelle
oder dergleichen zur Fixierung des Druckkanals 20 bzw.
der Saugöffnung 19 benötigt, da
der Druckkanal 20 durch die entsprechenden Öffnungen
in Schwingkörper 11 und Schwingungsquelle 15 gebildet
wird.
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Zum
Aufnehmen eines Chips 10 wird zunächst die akustische Levitation
aktiviert. Hierbei ist der Schwingkörper 11 vorzugsweise
derart positioniert, daß sich
der Chip 10 in einem Wellenmaximum einer stehenden Ultraschallwelle
befindet. Durch die von dem Schwingkörper 11 abgegebenen
Schallwellen wird das Gas zwischen dem Schwingkörper 11 und dem Chip 10 komprimiert
bzw. entspannt. Insgesamt wirkt auf den Chip 10 ein abstoßendes Moment. Anschließend wird
ein Vakuum zugeschaltet, welches diesen abstoßenden Effekt kompensiert.
Der Chip 10 wird in Richtung Schwingkörper 11 angezogen
und dadurch von seiner Unterlage 22 aufgenommen und in
eine stabile definierte Schwebeposition 23 überführt, in
der er dann berührungslos
gehalten wird. Die auf den Chip 10 in der Schwebeposition 23 einwirkenden
Kräfte
ermöglichen
einen stabilen Haltezustand, der einen Transport des Chips 10 auf
der erforderlichen Bahnkurve (x-, y-, z-Richtung) mit Hilfe des
Bondkopfes 2 erlaubt. Dabei sind anziehende Kräfte, hier
die durch den Unterdruck hervorgerufene Anziehungskraft FV, und abstoßende Kräfte, hier neben der Gewichtskraft
G die axiale Levitationskraft FL, im Gleichgewicht.
Somit kann der Chip 10 berührungslos angehoben, in einer
Schwebeposition 23 gehalten, sicher auf einer Bahnkurve
transportiert und wieder abgelegt werden.
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Die
für das
Anheben des Chips 10 erforderliche Ultraschallfrequenz
wird durch einen Fachmann entsprechend den Eigenschaften des Chips 10 ausgewählt. So
ist es mit Hilfe der Steuereinheit 9 u. a. möglich, die
Schwingungsquelle 15 derart anzusteuern, daß sie mit
unterschiedlicher Frequenz und/oder Amplitude schwingt. Darüber hinaus
läßt sich
der Unterdruck in Abhängigkeit
von den Erfordernissen der zu handhabenden Chips 10, falls
notwendig auch für jeden
Chip 10 individuell, einstellen.
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- 1
- Halbleiterfertigungsmaschine
- 2
- Bondkopf
- 3
- Bewegungseinheit
- 4
- Antriebseinheit
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Bondarm
- 7
- Schwingeinheit
- 8
- Saugeinheit
- 9
- Steuereinheit
- 10
- Chip
- 11
- Schwingkörper
- 12
- schallabgebende
Fläche
- 13
- Luftspalt
- 14
- Chipoberfläche
- 15
- Schwingungsquelle
- 16
- Kopplungsorgan
- 17
- Kontaktfläche
- 18
- Z-Richtung
- 19
- Saugöffnung
- 20
- Druckkanal
- 21
- Anschlußschlauch
- 22
- Unterlage
- 23
- Schwebeposition
- A
- Teilchen
- B
- Schwingung
- C
- Schwingkörper