JP2005210128A5 - - Google Patents

Description

接合ツールの位置合わせ用装置及び方法

本発明は、半導体ダイボンディング機械に見出だされるピックアンドプレイスツールのような接合ツールの位置合わせを、特に力センサーを利用して測定する装置及び方法に関する。

半導体組立体及び製造プロセスにおけるダイボンディング操作では、接合ツールは第１位置でダイ（半導体集積回路デバイスである半導体チップのような電子デバイスとし得る）をピックアップし、かつダイを、該ダイが接合されるべき第２位置に移動させる。通常、ダイは回路基板又は別のダイのような基板に接合される。接合位置では、接合ツールは、該ダイが基板又は別のダイに接触するまで下向きに（これはＺ方向として知られている）移動する。接合操作の間に必要とされる接合力を加えるために、接合ツールは更に下向きに駆動されてダイに要求された力を働かせる。

この接合力を制御するための装置及び方法は、多数の要件を要する。例えば、これら装置及び方法は、広範囲に接合力を加えることができ、フィードバック及び制御が可能であり、かつ接合力の要求された変化に即座に応答できることが好ましい。

ダイの傾き及び接合厚さの仕様に関しては厳しい要求が存在する。接合ツールは、通常、接合されるべきダイに接触するために使用されるコレットを有する。コレットは、ダイを保持する接触面を形成するコレットの先端に加えられる（ゴム材料のような）コンプライアント材料を備え、ステンレス鋼又はタングステンカーバイトのような金属でしばしば作られる。コレットは、それを通じて、保持力を空気吸引によって与えることができる吸引開口を含む。接合ツールのコレットの接触面は、ピックされ配置されるべきダイ上に接合力が均等に配分されるように、ピックアップ面及び配置面に平行であるべきである。そしてダイは接合位置上に正確に配置することができる。

接合ツールが適切に位置合わせされない場合、その結果、接触面は配置面に対して実質的に平行ではなく、ダイクラック又は許容し得ない配置エラーが生じ得る。良好な結果を出すために、現代的なダイボンダーの接合ツールは１６ミクロンより良好なレベリングを達成するために注意深く設定する必要がある。換言するなら、接合ツールで担持される時のダイ上の最下点とダイ上の最上点との間の鉛直距離は１６ミクロンより小さくなければならない。

接合ツールを位置合わせする１つの方法は、接合ツール上に円形スタンプを装着し、次いで、完全に平らなアンビルブロック上にスタンプを加えることである。カーボン紙は円形スタンプのインプリントを得るために、アンビルブロック上に配置される。インプリントの真円度又は完全性をチェックすることによって、操作者は接合ツールが許容し得る水準を達成するために正確に設定されているか否かを視覚的に測定できる。インプリントが不完全な円を示す場合、操作者はインプリントから解釈されるような接合ツールの傾斜方向により接合ツールの位置合わせを補正し得る。この方法は、操作者の目標に対する視覚的な測定に依存するから、手動であり、あまり正確ではない。

“ボンダー、特にダイボンダーの接合ヘッドを位置合わせする方法及び装置”と題する特許文献１には接合ツールを位置合わせする別の方法が開示されている。この特許文献１では、２つの平坦な平行面を設けた位置合わせプレートが支持面上に配置される。この位置合わせプレートは、半導体チップが担持材料に接合される接合面に面平行に設定される。それから、測定装置が校正され、その後に位置合わせプレートが測定装置の上方で若干の距離を置いて支持される。接合装置のこの位置合わせは、測定装置からの信号が校正中に得られる信号に等しくなるまで調節される。

この方法の欠点は、接合ツールが位置合わせされるべき毎に予め校正が必要であることである。温度、湿度等のような外部的影響を異なる方法で被る別々のコイルを使用するから、この位置合わせ装置によって使用される誘導範囲検出方法は位置合わせが測定される毎に予め校正を要する。各コイルは他のコイルに影響を与え、かくして精度に影響を与え得る磁場を形成する。さらにまた、接合ツールは特に準備した位置合わせプレートをピックアップし、かつ位置合わせが測定される毎に位置合わせプレートを測定装置上に移動させなければならない。明らかに、接合の間に接合ツールの位置合わせを維持するための閉鎖ループ制御は可能でない。
米国特許第６，１７９，９３８号明細書 米国特許第６，１９０，４９７号明細書

本発明の目的は、上述した従来技術の幾つかを回避しながらも、位置合わせツールの迅速且つ正確な位置合わせを測定するためのセンサーを供することである。

本発明の第１態様によれば、力センサーを備え、前記力センサーは、前記接合ツールによって生成された力を前記力センサー上で測定するように構成され、前記力センサーは複数の力検出区域を備え、各検出区域は、該検出区域上で作用している前記接合ツールの一部からの力の量を別々に検出するように構成される接合ツールを位置合わせさせる装置が提供される。

本発明の第２態様によれば、複数の力検出区域を備え、各検出区域は、該検出区域で作用している前記接合ツールの一部からの力の量の力を別々に検出するように構成される力センサーを供する段階と、前記接合ツールをして前記力センサー上に力を生成せしめる段階と、前記接合ツールによって前記力センサー上に生成された力を測定する段階と、各検出区域によって測定された力の量に基づいて前記接合ツールの位置合わせを調節する段階と、を備える接合ツールを位置合わせする方法が提供される。

以下、便宜のために、本発明の一実施例を図示する添付図面を参照しつつ、本発明をより詳細に説明する。図面及び関連する説明は、特許請求の範囲で定義された本発明の上位概念での特定による一般性に優先するものと解釈してはならない。

ここで、本発明の好ましい実施形態による装置及び方法の実施形態を添付の図面を参照して説明する。

図１は本発明の好ましい実施形態による接合ツールの位置合わせを検出するために使用可能な圧電力センサー１０の等角図である。この圧電力センサー１０は、硬化エポキシ樹脂１６に埋設され、かつ圧電力センサー１０の反対側の平坦な面まで貫通延在する圧電特性を有する複数のセラミックファイバー１２を備える。この実施形態では、圧電力センサー１０は中空の中央部１５を具備するリング形態に組立製造される。このリング形態は本願明細書に言及する装置のための特定の装着方法に適しているが、圧電力センサー１０が他の形態を取り得ることも理解すべきである。

図１では、リングは該リングの各区域でセラミックファイバー１２の集成体を具備する４つの等しい区域である１／４半体に名目上分割可能である。４つのセラミックファイバー１２の束は各区域内で一まとめにされる。従って、他の３つの区域に対する圧電力センサー１０の各検出区域に働く力を決定することが可能である。

図２ａ及び図２ｂは、図１の圧電力センサー１０を組立製造し得る１つの方法を概略的に示す。最初に図２ａを参照すると、圧電力センサー１０の中空の中央部を形造るのに使用される中心シャフト１４を有する型１８が準備される。次いでセラミックファイバー１２から成るストリップは、型１８内に挿入される。図２ｂに示すように、その後、エポキシ１６が型１８内に加えられ、かつ硬化することを許容される。埋設されたセラミックファイバー１２を具備する円筒形状硬化エポキシ１６は型１８及び中央シャフト１４から取り除かれ、それから、図１に示す複数のセラミックリングを形成するためにさいの目に刻まれ且つ研磨される。クロム−金電極は、それから、ファイバー１２を含有する４つの検出区域を覆うように塗布される。その後、ファイバー１２の圧電特性を引き出すために、上昇された温度で電界（electric field）がセラミックファイバー１２に加えられる。

図３ａ及び図３ｂは、図１の圧電力センサー１０を構成するために実施することができるモールド成形装置２０の横断面及び側面図をそれぞれ示す。モールド成形装置２０の基部２２は、ステンレス鋼製である。テフロン（登録商標）から成る２つの部片２４は組み立てられてその中心に中空の型１８の形状を有する立方体を構成する。組立後、テフロン（登録商標）から成る２つの部片２４はねじ２６で互いに固定される。

型１８の内径と同じ外形を有する円形ディスク２８は型１８の底部に挿入される。テフロン（登録商標）製中央シャフト１４は型１８の中央部内に挿入される。中央シャフト１４は構成すべき圧電力センサー１０の中空の中央部と同じ直径を有し、かつ好ましくは鋼が埋設される。円形ディスク２８は中央シャフト１４の直径と同じ直径を有する内部インサートを有する。円形ディスク２８は、セラミックファイバー１２の束の各々の直径と同じ直径を有する４つのグループの小さな孔も含む。こうして、円形ディスク２８は中央シャフト１４及びセラミックファイバー１２のグループの両方を挿入且つ位置決めするのに適切なサイズとされたインサートを有する。

円形ディスク内に中央シャフト１４及びセラミックファイバー１２を挿入した後で、中央シャフト１４及びセラミックファイバー１２の位置に対応する穴が形成された頂部プレート３２が型１８を覆い且つセラミックファイバーを位置合わせするために使用される。次いで型１８は、複合ロッドを形成するためにエポキシ樹脂材料１６で充填される。エポキシ材料１６が全体的に硬化した後で、頂部プレート３２は取り外される。ねじ２６は螺合を解かれテフロン（登録商標）から成る２つの部片２４は分離される。次いで円筒形状の複合ロッドはモールド成形装置２０から取り外され、かつ中央シャフト２４はその中心から引き抜かれる。その後、複合ロッドは図１に示すようなリング形態の４つのセンサー１０を形成するためにサイの目刻みすることができる。

この実施形態では、圧電力センサー１０は中空の中央部を具備するリングを備え、かつ各検出区域は実質的に等しいサイズから成る。別々の区域を備える適切なセンサーを組立製造することができる複合ウェハーの他の実施形態は“超音波トランスデューサ”と題する特許文献２の特に図４及び図５に開示されている。しかしながら、本願明細書に記載した実施形態は、包括的であることを意味せず、センサーの異なる区域に働く力分布を検出するように構成される力センサーから成る他の実施形態も可能である。

図４は、複数の別々の導電体を備えるポリイミドフィルム４０のような伝達材料の平面図である。ポリイミドフィルム４０は、圧電力センサー１０からの出力を検出するための圧電力センサー１０に連結すべき印刷回路基板４２の形態をした電子回路上に横置される。ポリイミドフィルム４０は導電材料製の４つの検出領域４４、４５、４６、４７を含み、そこでは圧電力センサー１０の各検出区域に対応するセラミックファイバー１２の各グループが位置づけられる。力が圧電力センサー１０の面に作用する際、ポリイミドフィルム４０上に形成された信号出力端子４８に接続される電子回路である印刷回路基板４２上の信号処理プロセッサーに接続された（channeled）それぞれの検出領域４４、４５、４６、４７に電流が発生する。信号出力端子４８の４つの出力チャンネルのそれぞれを通じて流れる電流の相対的強度に基づいて、圧電力センサー１０の各区域に作用する相対的な力が決定可能である。

図５は、本発明の好ましい実施形態による圧電力センサー１０を組み込んだ位置合わせステーション（alignment station）５０の形態をした接合ツールを位置合わせするための装置の側横断面図である。位置合わせステーション５０は接合ツールから間隔を置いて配置され、かつスタンドアローンデバイスであってよい。圧電力センサー１０は複数の力検出区域を有し、各検出区域は該検出区域上に作用する接合ツールの一部からの所定量の力を検出するように別々に調整される。

位置合わせステーション５０は、印刷回路基板４２が装着されるベースプレート５２を備える。ポリイミドフィルム４０の層は印刷回路基板４２の頂部にある。力検出センサー１０は、各検出区域にあるそのセラミックファイバーの各グループが、ポリイミドフィルム４０の検出領域４４、４５、４６、４７内のそれぞれの電極と位置合わせされるようにポリイミドフィルム４０の層の頂部に位置づけられる。同様に、ポリイミドフィルム４０の別の層は、全てのその検出領域の電気接地用の１つの共通電極を有する圧電力センサー１０の頂部に位置づけられる。付勢部材である検出頂部プレート５４はポリイミドフィルム４０の頂部層の頂部に配置され、これにより、圧電力センサー１０、ポリイミドフィルム４０及び印刷回路基板４２を頂部プレート５４とベースプレート５２との間に挟む。付勢部材である頂部プレート５４をベースプレート５２に固定し、かつ圧電力センサー１０の頂部検出面に予荷重を与えるためにボルト５６が使用される。この予荷重は、慣用の圧電センサーでは、働く力と生じる電流との間に実質的な直線関係を得るために、通常、必要である。

接合ツールの位置合わせを測定するために、位置合わせステーション５０が半導体ダイス用配置面に面平行な面上に固定される。接合ツールのコレットは、それを頂部プレート５４上に降下させることによって位置合わせステーション５０上に位置決め可能であり、かつ所定の力が頂部プレート５４上に働く。好ましくは、頂部プレート５４はコレットの接触面より大きいが出来るだけ近い接触面領域を有する。圧電力センサー１０は、頂部プレート５４を通じて圧電力センサー１０の各検出区域上に伝達された力を検出する。全ての検出区域を通じて等しい力分布が存在すると、接合ツールは適切に位置合わせされている。１つ以上の検出区域が他の検出区域よりより大きな力を検出すると、接合ツールは適切に位置合わせされておらず、コレットを、より大きな力を検出する単数又は複数の区域の方向に向かってそれを移動させることによって調節する必要がある。実質的に等しい力分布が検出されるまで調節が行われる。

図６は本発明の好ましい実施形態による圧電力センサー１０を組み込んだダイピックアンドプレースツール（die pick and place tool）６０の形態をした接合ツールの横断面図である。圧電力センサー１０は接合ツールに連結される。図６の配置構成では、別々の位置合わせステーション５０は必要ではなく、ピックアンドプレースツール６０の位置合わせの閉鎖ループフィードバックを得ることができる。

ピックアンドプレースツール６０はコレット組立体６２を含む。圧電力センサー１０はコレット組立体６２に連結され、これにより圧電力センサー１０の各検出区域は、接合力を面上に加える際に発生し、コレット組立体の一部に作用する反力を検出するように構成される。圧電力センサー１０は好ましくは、コレット組立体６２と接合面との間の接触点と反対側の軸線方向でコレット組立体６２に連結される。さらにまた、コレット組立体６２は好ましくは、圧電力センサー１０上に予荷重を働かせるが、この予荷重の必要性は図５に関して上述した。

コレット組立体６２及び力センサー１０は、スライダーであるボールブラッシング６８上でスライド可能なスライダーマウント６６上に支持される。スライダーマウント６６は、接合力をより多く制御するように接合力を調節し、かつピックアンドプレースツール６０によってピックされ、且つ配置されたダイスが損傷するのを回避するために、コレット組立体６２を、接合力作用ユニットブラケット（bond force actuation unit bracket）６４に対してスライド可能にする。

接合力モータコイル（bond force motor coil）７０は、接合力モータコイルマウント（bond force motor coil mount）７２によって接合力作用ユニットブラケット６４上に装着される。接合力モータコイル７０に隣接して、接合力モータ強磁性プレート（bond force motor ferromagnetic plate）７４、接合力モータマグネット７６及び接合力モータ強磁性コア（bond force motor ferromagnetic core）７８が位置する。接合力モータの種々の構成要素７０、７２、７４、７６、７８は、コレット組立体６２上に制御可能な接合力を与えるリニアモータを実質的に構成する。圧縮ばね８０は、接合器シャフト（bonder shaft）８２の形態をした支持基準（support datum）に当接する際に、コレット組立体６２に予荷重を与えるように働く。ピックアンドプレースツール６０は、接合器シャフトを通じて接合機の接合ヘッドに接続されている。

この配置構成を使用して、圧電力センサー１０はコレット組立体６２によってそれに働く力を連続的に監視することができる。コレット組立体６２が面を押さない場合、圧電力センサー１０はそれに作用するコレット組立体６２から生成される予荷重を被る。コレット組立体６２が、ピックアップサイト又は接合サイトのダイのような、平坦な水平面に当接する時に、圧電力センサー１０の各検出区域の力の配分を検出することができる。ピックアンドプレイスツール６０が或る許容差を越えた不均等な力分布のために適切に位置合わせされない場合には、警報を即座に生成することができ、かつピックアンドプレイスツール６０は手動により、あるいはピックアンドピレイスツール６０を再位置合わせさせるように構成された適切な付加機構によって自動的に再位置合わせさせることができる。

この実施形態は図５の別々の位置合わせステーション５０及び従来技術のデバイスに関して利点を有する。ピックアンドプレイスツールの位置合わせに関するリアルタイム閉鎖ループフィードバックが得られ、あらゆる位置合わせ誤差をも即座に修正し得る。ピックアンドプレイスツールの位置合わせに要する時間は、位置合わせがチェックされる毎に別々のステーションにピックアンドプレイスツールを移動させる必要がないことによっても減じられる。

本願明細書で説明した本発明は、特に説明した以外の変形、変更及び／又は付加が可能である。また、本発明は、上述の説明の精神及び範囲内に該当する全てのこうした変形、変更及び／又は付加を含む。

本発明の好ましい実施形態による接合ツールの位置合わせを検出するために使用可能な圧電力センサーの等角図である。 図１の圧電力センサーを組立製造し得る１つの方法を概略的に示す図である。 図１の圧電力センサーを組立製造し得る１つの方法を概略的に示す図である。 図１の圧電力センサーを構成するために実施することができるモールド成形装置の横断面である。 図１の圧電力センサーを構成するために実施することができるモールド成形装置の側面図である 圧電力センサーの出力を検出するための印刷回路基板上に載置されたポリイミドフィルムの平面図である。 本発明の好ましい実施形態による圧電力センサーを組み込んだ位置合わせステーションの側横断面図である。 本発明の好ましい実施形態による圧電力センサーを組み込んだダイピックアンドプレースツールの横断面図である。

符号の説明

１０ 圧電力センサー
１２ セラミックファイバー
１４ 中心シャフト
１６ 硬化エポキシ樹脂
１８ 型
２０ モールド成型装置
２２ 基部
２４ 部片
２６ ねじ
２８ 円形ディスク
３２ 頂部プレート
４０ ポリイミドフィルム
４２ 印刷回路基板
４４、４５、４６、４７ 検出領域
４８ 信号出力端子
５０ 位置合わせステーション
５２ ベースプレート
５４ 頂部検出プレート
５６ ボルト

Claims (23)

1. 接合ツールを位置合わせさせる装置であって、
   力センサーを備え、
   前記力センサーは、前記接合ツールによって生成された力を前記力センサー上で測定するように構成され、
   前記力センサーは複数の力検出区域を備え、
   各検出区域は、該検出区域上で作用している前記接合ツールの一部からの力の量を別々に検出するように構成される装置。
2. 前記検出区域に働く力を圧電的に検出するために、各検出区域に含まれる圧電セラミック材料から成る集成体を含む、請求項１に記載の装置。
3. 複数の別々の導電体を備えた伝達材料を含み、
   該伝達材料は、前記導電体の位置が前記力検出区域の位置と一致するように前記力センサーに連結されており、且つ前記伝達材料は、それぞれの出力端子に対する各々それぞれの検出区域によって生じるチャンネル電流に連結されている、請求項１に記載の装置。
4. 前記伝達材料は電子回路に連結されており、前記出力端子は、各検出区域によって生じる電流を測定するために前記電子回路に接続されている、請求項３に記載の装置。
5. 前記伝達材料は、複数の別々の導電体を備えて作製されたポリイミドフィルムである、請求項３に記載の装置。
6. 前記力センサーは前記接合ツールから間隔を置いて配置された位置合わせステーションに設置され、及び
   前記接合ツールは位置合わせのために前記位置合わせステーション上に位置決め可能である、請求項１に記載の装置。
7. 前記力センサーの検出面に連結され、これにより前記力センサーに予荷重を働かせる付勢部材を含む、請求項６に記載の装置。
8. 前記力センサーは前記接合ツールに連結される、請求項１に記載の装置。
9. 前記接合ツールはコレット組立体を含み、及び
   前記力センサーは前記コレット組立体に連結され、
   これにより、各検出区域は、接合面上で前記接合ツールによって力を加える際に、前記コレット組立体の一部に作用する反力を検出するように構成される、請求項８に記載の装置。
10. 前記力センサーは、前記コレット組立体と前記接合面との間の接触点と軸線方向で反対側の前記コレット組立体に連結される、請求項９に記載の装置。
11. 前記コレット組立体は、前記力センサーに予荷重を働かせる、請求項９に記載の装置。
12. 前記力センサーは、中空の中央部を備える、請求項１に記載の装置。
13. 各検出領域は実質的に等しいサイズとされている、請求項１に記載の装置。
14. 接合ツールを位置合わせする方法であって、
    複数の力検出区域を備え、各検出区域は、該検出区域で作用している前記接合ツールの一部からの力の量を別々に検出するように構成される力センサーを供する段階と、
    前記接合ツールをして前記力センサー上に力を生成せしめる段階と、
    前記接合ツールによって前記力センサー上に生成された力を測定する段階と、
    各検出区域によって測定された力の量に基づいて前記接合ツールの位置合わせを調節する段階と、を備える方法。
15. 前記検出区域内に圧電素子セラミック材料から成る集成体を設置することによって各検出区域に働く力を圧電的に検出する段階を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 各々それぞれの検出区域によって生じる電流を、処理のためにそれぞれの出力端子に伝達する、請求項１４に記載の方法。
17. 前記出力端子を電子回路に接続することによって、各検出区域で生じた電流を測定する段階を含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記力センサーが位置合わせのために設置されるところで、前記接合ツールから間隔を置いて配置された位置合わせステーション上に前記接合ツールを位置決めする段階を含む、請求項１４に記載の方法。
19. 付勢部材を使用して前記力センサーに予荷重を働かせる段階を含む、請求１８に記載の方法。
20. 前記力センサーは前記接合ツールに接続される、請求項１４に記載の方法。
21. 前記接合ツールはコレット組立体を含み、及び
    前記接合ツールによる力を面に加える際に、各検出区域が前記コレット組立体の一部に作用する反力の量を検出するように、前記力センサーが前記コレット組立体に連結される、請求項２０に記載の装置。
22. 前記力センサーを、前記コレット組立体と前記接合面との間の接触点と軸線方向で反対側の前記コレット組立体に連結する段階を含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記コレット組立体を使用して前記力センサーに予荷重を働かせる段階を含む、請求２１に記載の方法。