JP2006114842A - ボンディング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ボンディング装置において、ボンディングにおける位置ずれをより少なくすることである。
【解決手段】ボンディングツール１２と一体となって移動するツールモニタ１８を用いてボンディングにおける位置ずれを求める。第２カメラ２８と第１カメラ２６の＋Ｘｃのずれと、ボンディングツール１２の高さ方向の移動による＋Ｘｎのずれは、位置決めにおいてΔＸ＝（Ｘｎ−Ｘｃ）を補正すればよい。ターゲット３２と補正用カメラ３０を用い、補正用カメラ３０から見たターゲット３２の位置である第１位置偏差Ｘ1、第２カメラ２８からみたターゲット３２の位置である第２位置偏差Ｘ2、第１カメラ２６からみた高さＺ2におけるチップ１０uの位置である第３位置偏差Ｘ3、補正用カメラ３０から見た高さＺ1におけるチップ１０dの位置である第４位置偏差Ｘ4とに基づき、補正量ΔＸを求めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボンディング装置に係り、特に、ボンディングツールの位置と基板の位置との位置決め機構を有するボンディング装置に関する。
ＬＳＩ等のチップのボンディングパッドと基板のボンディングリードを接続する実装方法として、ワイヤボンディングの他にフェースダウンボンディングが行われる。フェースダウンボンディングは、チップの裏面側をボンディングツールで保持し、保持されたチップの表面側、すなわち電極パッドが配列される側の面と、基板の配線面とを向かい合わせ、チップの電極パッドの位置と基板のボンディングリードの位置とを位置決めし、熱エネルギあるいは超音波エネルギを用いて接続する方法である。フェースダウンボンディング装置として、フリップチップボンダーやＣＯＦ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｆｉｌｍ）ボンダー等が用いられる。
フェースダウンボンディングにおける位置決めには、互いに向かい合うチップの表面の電極パッドと基板表面のボンディングリードとを観察することが必要なため、チップの位置測定用のカメラと基板の位置測定用のカメラが用いられる。例えば、基板の上方からボンディングツールを下降させてチップを実装する場合には、基板位置測定用カメラとして上方から下方を観察する下向きカメラを用い、チップ位置測定用カメラとしては下方から上方を観察する上向きカメラを用いる。
２つのカメラについての配置方法の１つは、下向きカメラを基板の高さ位置より上方に設け、これとは別に上向きカメラを基板の高さ位置より下方に設けることができる。また、特許文献１には、２つの反射面を有するプリズム型ミラーを用い、光線をプリズム型ミラーの上方向と下方向とに分けて、チップ表面と基板表面を同時に観察できる光学装置が開示されている。この場合には、チップと基板との間にこの光学装置を挿入配置して、チップと基板とを同時に観察することができる。このようなカメラは、プローブカメラと呼ばれることがある。
どの方法をとるにせよ、上記の例でいえば、チップを観察する光軸は上向きであり、基板を観察する光軸は下向きであり、別々の光軸であるので、これらの光軸がずれると、位置決めに影響を及ぼし、ボンディングにおける位置ずれの原因となる。光軸のずれは、例えばボンディング作業における温度上昇等の影響や、経時変化によって光学系等の設定がずれることにより生ずる。以下に、光軸のずれがボンディングにおける位置ずれにどのように影響を及ぼすかを説明する。
最初に、光軸がずれていないときの通常のチップと基板との位置決めの仕方を図１４に示す。説明を単純にするため、図に示すＸ方向の位置決めのみを考える。チップ１０はボンディングツール１２に保持され、基板１４はキャリア１６に保持される。ボンディングツール１２及びキャリア１６は、それぞれ図示されていない駆動装置によりＸ方向の任意の位置に移動可能である。チップ１０と基板１４とを観察する上下カメラ２０は、チップ１０と基板１４の間に配置され、上向きの光軸２２を有する第１カメラ２６によりチップ１０の位置を、下向きの光軸２４を有する第２カメラ２８により基板１４の位置を測定できる。なお、位置あるいは位置間の距離の測定に際して各カメラの倍率を考慮する必要があるが、以下では、特に断らない限り、カメラにより測定される位置間距離を実際の距離、すなわち物体面上の距離に換算して説明を進めることとする。
図１４は、上向きの光軸２２と下向きの光軸２４とが正確に軸あわせされている場合である。この場合には、第１カメラ２６の視野の中心と第２カメラ２８の視野の中心とが一致しているので、その位置にそれぞれチップ１０の基準位置と基板１４の基準位置を合わせればよい。ボンディングのための基準位置としては、チップ１０の電極パッドのエッジ位置と、それに対応する基板１４のボンディングリードのエッジ位置等を選ぶことができる。図１４において、仮に、上向きの光軸２２を第１カメラ２６の視野の中心位置を表すものとし、下向きの光軸２４を第２カメラ２８の視野の中心を表すものとする。その状態でチップ１０と基板１４の位置を測定したところ図１４の破線で示すようにずれていたとする。この場合には、まず基板１４の基準位置が第２カメラ２８の視野の中心を表す下向きの光軸２４に一致するまでキャリア１６を移動する。そして、チップ１０の基準位置が第１カメラ２６の視野の中心を表す上向きの光軸２２に一致するまでボンディングツール１２を移動する。こうしてチップ１０と基板１４とが位置決めされ、他の原因がなければ、ボンディングにおける位置ずれはおこらない。
何らかの原因で、第１カメラ２６の視野の中心を表す上向きの光軸２２と第２カメラ２８の視野の中心を表す上向きの光軸２４とがずれてしまうと、図１４の方法では不十分である。すなわち、基板１４の基準位置を第２カメラ２８の視野の中心を表す下向きの光軸２４に一致させ、さらにチップ１０の基準位置が第１カメラ２６の視野の中心を表す上向きの光軸２２に一致させたとしても、チップ１０は所望の基板１４の位置にボンディングされない。図１５は、光軸２４を基準に光軸２２が＋Ｘｃずれた場合について、基板１４の基準位置を第２カメラ２８の視野の中心を表す下向きの光軸２４に一致させた状態を示す図である。チップ１０が破線の状態の位置にあるとして、これを第１カメラ２６の視野の中心を表す上向きの光軸２２に一致させたとしても、その光軸２２は光軸２４に対し＋Ｘｃずれているので、それに合わせたチップ１０の基準位置は基板１４の基準位置に対し＋Ｘｃずれてしまう。
したがってボンディングにおける位置ずれを起こすことなく、正確な位置にボンディングを行うには、何らかの方法で第２カメラ２８の視野の中心を表す光軸２４を基準とする第１カメラ２６の視野の中心を表す光軸２２のずれ量＋Ｘｃを測定することが必要である。そして測定されたずれ量＋Ｘｃに基づき、チップ１０の基準位置を第１カメラ２６の視野の中心を基準として−Ｘｃだけ補正した位置に合わせることで、２カメラ間で光軸のずれがあっても正確なボンディングを行うことができる。
第１カメラと第２カメラのずれ量の測定方法として、特許文献２には、高さの異なる２つの表面又は基準表面にそれぞれ基準マークを配置し、予めこの高さの異なる２つの基準マークの間における位置関係を調整して整列させ、これを基準とする方法が開示されている。すなわち、チップ表面と基板表面を同時に観察できる光学装置をこの予め位置関係を整列させた２つの基準マークの間に挿入し、第１カメラと第２カメラのずれ量を測定する。
また、特許文献３には、光軸が互いに向かい合う方向を有する第１認識カメラと第２認識カメラを有する半導体位置合わせ装置において、第１認識カメラの高さと第２認識カメラの高さの間に設けられたターゲットを基準として、２つの認識カメラにおける基準位置の変化を検出する方法が開示されている。すなわち、ターゲットをはさんで第１認識カメラと第２認識カメラを同軸上に位置できるようにこれらを相対移動させ、ターゲットを基準として第１認識カメラと第２認識カメラの基準位置を測定し記憶する。次に通常のボンディング作業を行い、その後再び先の基準位置測定と同じ測定を行い、その測定位置が記憶された基準位置から変化しているかをみることで、２つの認識カメラにおける基準位置の変化が検出できる。
特開２００１−１７６９３４号公報 特公平６−２８２７２号公報 特許第２７８００００号
チップや基板に対する多ピン化及び細密化の傾向が進展するにつれ、フェースダウンボンディング装置において、基板上にチップをより高精度に配置することが要求されてきている。基板上にチップをより高精度に配置するには、ボンディングにおける位置ずれをより少なくすることが必要である。したがって、上記のように２カメラ間のずれをより正確に検出することが必要である。
２カメラ間のずれを検出する従来技術の方法のうち、特許文献２の方法は、２つのターゲットが必要で、さらにこれらターゲット間の位置関係の調整整列作業を要し、構成が複雑で作業に時間を要する。
また、特許文献３の方法は、正確なずれ検出を行うために認識カメラの合焦位置が制約される。すなわち、この方法においては、ターゲットを認識する際に、第１認識カメラの合焦位置も第２認識カメラの合焦位置もターゲット上にあることが必要である上に、ボンディングの際の位置決めにおいてはチップを認識するカメラの合焦位置はチップ上に、基板を認識するカメラの合焦位置は基板上にあることが必要である。
また、特許文献２及び特許文献３の方法では、ターゲットを用いることで基準位置を設けることができるが、ターゲット自身の位置が、例えばボンディング作業における温度上昇等の影響や、経時変化によってずれてくることがあり、場合によっては十分な位置基準とならないことがある。
さらに、特許文献２及び特許文献３の方法では、ターゲットを用いてカメラ間のずれを検出する処理と、実際のボンディング処理とが分離し、ボンディング作業中のリアルタイムにおいて位置ずれを求めることができない。
それに加え、特許文献２及び特許文献３の方法では、ボンディング作業におけるボンディングツールの高さ方向の移動に伴う位置ずれに対処できない。
このボンディングツールの移動による位置ずれとは、次のようなものである。すなわち、ボンディング作業において、ボンディングツールが位置決め高さから基板上のボンディング高さまで光軸に平行に移動しないときは、ボンディングにおける位置ずれが生ずる。これにより、仮に、第１カメラの光軸と第２カメラの光軸のずれ量＋Ｘｃが正確に測定できてその補正を行ったとしても、基板上にチップを正確に配置することができないことが生ずる。その様子を図１６に示す。
図１６において、上向きの光軸２２と下向きの光軸２４とが正確に軸あわせされている。この場合に、ボンディングツール１２が、基板上の高さから第１カメラ２６の合焦位置の高さまで光軸２２と平行に移動してくれれば、図１４で説明したように、第２カメラ２８の視野の中心に基板１４の基準位置を合わせ、ついで第１カメラ２６の視野の中心にチップ１０の基準位置と基板１４の基準位置を合わせればよい。いま、ボンディングツール１２が基板上の高さから第１カメラ２６の合焦位置の高さまで移動する間に、その位置が＋Ｘｎずれるものとする。このとき、基板１４の基準位置を第２カメラ２８の視野の中心を表す下向きの光軸２４に一致させ、さらにチップ１０の基準位置が第１カメラ２６の視野の中心を表す上向きの光軸２２に一致させたとしても、チップ１０は所望の基板１４の位置ではなく、基板１４上で−Ｘｎの位置にボンディングされてしまい、ボンディングにおける位置ずれが起こる。
したがって基板１４上の正確な位置にチップ１０を配置するには、何らかの方法でボンディングツール１２の移動によるずれ量、すなわち、基板上の高さにおける位置を基準として、第１カメラ２６の合焦位置の高さまで移動する間にずれる量＋Ｘｎを測定することが必要である。そしてずれ量＋Ｘｎが測定されれば、基板１４上で−Ｘｎの位置にボンディングされないように、チップ１０の基準位置を第１カメラ２６の視野の中心を基準として＋Ｘｎだけ補正した位置に合わせることで、ボンディングにおける位置ずれを抑制し、基板１４上の正確な位置にチップ１０を配置することができる。
特許文献１及び特許文献２の方法では、ボンディングツールの移動によるずれ量を知ることができない。しかし、一般的には、試しボンディングを行うことでずれ量＋Ｘｎを測定できる。すなわち、ずれ量＋Ｘｎがわかっていないとしても、基板１４の基準位置を第２カメラ２８の視野の中心を表す下向きの光軸２４に一致させ、さらにチップ１０の基準位置が第１カメラ２６の視野の中心を表す上向きの光軸２２に一致させてボンディングを行えば、上記のように、基板１４上でチップ１０は−Ｘｎずれる。したがって試しボンディングによって検出されるずれ量の符号を反転すれば、ボンディングツールの移動によるずれ量＋Ｘｎを求めることができる。
しかし、試しボンディングによって測定できるのは、チップの裏面側の外形と基板との間のずれ量であり、チップの電極パッドと基板のボンディングリードとの間のずれ量を正確に測定することはできない。また、ボンディング作業中に試しボンディングを行うには基板及びチップを無駄にする可能性があり、オフラインで試しボンディングを行うのは効率がよくない。
このように、従来技術においては、２カメラ間のずれ量を測定するには位置基準に用いるターゲットを含む装置の構成に制約があり、また、ボンディングツールの移動によるずれ量を正確に測定することができない。したがって、ボンディングにおけるチップと基板の位置決めに際し、これらのずれ量のより正確な補正が困難で、ボンディングにおける位置ずれをより少なくすることができない。また、ターゲットの位置の経時変化により十分な精度でずれ量を検出できない。また、ボンディング作業中のリアルタイムにおいてずれ量を求めることができない。
本発明の目的は、かかる従来技術の課題を解決し、ボンディングにおける位置ずれをより少なくすることができるボンディング装置を提供することである。他の目的は、ボンディングにおけるチップと基板の位置決めに際し、位置決め用の２カメラ間のずれ量とともにボンディングツールの移動のずれ量も補正できるボンディング装置を提供することである。また、他の目的は、ずれ量の補正において、ターゲット位置の経時変化の影響を抑制できるボンディング装置を提供することである。また、他の目的は、ボンディング作業中のリアルタイムにおいてずれ量を求めることを可能にするボンディング装置を提供することである。以下の解決手段のそれぞれは、上記目的の少なくとも１つに貢献するものである。
１．本発明の原理
以下に、ボンディングにおける位置ずれをより少なくすることができる本発明の原理、特に、ボンディングにおけるチップと基板の位置決めに際し、位置決め用の２カメラ間のずれ量とともにボンディングツールの移動のずれ量も補正できる原理を説明する。ここでは、図１４−１６で説明したと同様に、１次元方向、すなわちＸ方向の位置決めについて説明するが、１次元のベクトルを２次元のベクトルに置き換えて、２次元の位置決めに拡張することは容易である。また、図１４−１６と同様に、位置あるいは位置間の距離の測定に際して各カメラの倍率を考慮する必要があるが、以下においても、特に断らない限り、カメラにより測定される位置間距離を実際の距離、すなわち物体面上の距離に換算して説明を進めることとする。
最初に、位置決め用の２カメラ間のずれ量とともにボンディングツールの移動のずれ量が存在する場合において、ボンディングにおける位置ずれをなくすために、チップと基板の位置決めについて補正すべき補正量ΔＸを明らかにする。各要素の配置、ずれ量及び補正量について図１４−１６と同じ座標系と記号を用いると、上記のように、２カメラのずれ量＋Ｘｃに対する補正量は−Ｘｃであり、ボンディングツールの移動によるずれ量＋Ｘｎに対する補正量は＋Ｘｎである。そして、この２つがともに存在するときは、図１５にさらに＋Ｘｎのボンディングツールの移動によるずれが起こった場合でも、図１６にさらに＋Ｘｃの光軸ずれが起こった場合でも同じ結論になることからも理解できるように、その場合の補正すべき補正量は、（−Ｘｃ＋Ｘｎ）である。したがって、位置決め用の２カメラ間のずれ量とともにボンディングツールの移動のずれ量が存在する場合において、ボンディングにおける位置ずれをなくすために必要な位置決めに対する補正量ΔＸは、次の式（１）で与えられる。
ΔＸ＝−Ｘｃ＋Ｘｎ ・・・（１）
本発明に係るボンディング装置は、基板とボンディングツールに保持されたチップの位置決めを行う機能に加えて、ボンディングにおける位置ずれを補正するための補正量ΔＸを求める補正機能を有する。すなわち、位置決め及びボンディングを行う位置決め・ボンディングポジションと別に、補正量ΔＸを求めるための補正ポジションが設定される。補正ポジションには、補正用の位置基準であるターゲットと、補正用カメラとが設けられ、チップの位置を測定する第１カメラと、基板の位置を測定する第２カメラとは、補正ポジションに移動可能である。そして、ボンディングツール１２には、これと一体となって移動するツールモニタ１８が接続され、ボンディングツール１２は位置決め・ボンディングポジションにおいて上下に移動し、ツールモニタ１８は補正ポジションで上下移動する。
図１は、位置決め・ボンディングポジション及び補正ポジションにおける各要素の位置関係を示す図である。図１４−１６と共通の要素には同一の符号を付してある。座標系は、ボンディングが行われるボンディング面に平行な面をＸＹ面とし、ボンディングツール１２が上下方向に移動する方向をＸＹ面に垂直なＺ方向として、Ｘ軸とＺ軸を示してある。図１においては、補正ポジションを詳細に示し、位置決め・ボンディングポジションは、補正ポジションよりＸ軸方向に遠い位置に示してある。
Ｚ軸方向の高さＺ1とＺ2はそれぞれ、位置決め・ボンディングポジションにおける基板１４の高さとボンディングツール１２に保持されるチップ１０の高さである。なお、位置決め・ボンディングポジションにおいて位置決めを行うときは上下カメラ２０がそのポジションに移動し、第１カメラ２６の合焦位置はボンディングツールに保持されるチップの面上に、すなわちＺ2の高さのところに設定され、第２カメラ２８の合焦位置は基板の面上に、すなわちＺ1の高さのところに設定される。
図１においては、ボンディングツール１２に保持されるチップ１０の高さと、ツールモニタ１８の先端部の高さとは同じとしてある。すなわち、位置決め・ボンディングポジションにおいてチップ１０が高さＺ1にあるときは、補正ポジションにおいてツールモニタ１８の先端は高さＺ1にあり、位置決め・ボンディングポジションにおいてチップ１０が高さＺ2にあるときは、補正ポジションにおいてツールモニタ１８の先端は高さＺ2にある。したがって、ツールモニタ１８の先端の動きは、位置決め・ボンディングポジションと補正ポジションとの間の距離を隔てているが、ボンディングツール１２に保持されるチップ１０の動きと同じである。つまり、位置決め・ボンディングポジションにおけるチップ１０の位置の変化は、そのまま補正ポジションでツールモニタ１８の動きを測定することでリアルタイムで取得することができる。
図１に示されるように、補正ポジションの所定位置に、補正用カメラ３０と補正用の位置基準であるターゲット３２が配置される。ターゲット３２は、高さＺ1の位置、すなわち基板１４のボンディング高さと同じ高さの位置に設けられる。補正用カメラ３０はターゲット３２を観察できるように、ターゲット３２を合焦位置としてターゲット３２の下方に上向きに配置される。なお、図１において、ターゲット３２は、水平面、すなわちＸＹ面内に長手軸を有する基準ピンを用い、その先端を補正用の位置基準としてあるが、補正用の位置基準としては、補正用カメラ３０及び第２カメラ２８の双方から位置基準が撮像できるものであればよい。
次に、補正量ΔＸを求めるための各要素の動作とそのときのＸ軸上の位置関係を説明する。補正量ΔＸを求める処理は、位置決め・ボンディングポジションにおけるボンディング処理と平行して同時的に補正ホジションで行われる。最初に、位置決め・ボンディングポジションにおいて、高さＺ2にあるチップ１０uと、高さＺ1にある基板１４との位置を上下カメラ２０で測定する。すなわち、ボンディングツール１２を基板１４から上方に引き上げ、チップ１０の面の高さをＺ2にする。上記のように、この高さに第１カメラ２６の合焦位置があり、ちょうどチップ１０uを撮像するのに適している。なお、添え字ｕは、高さＺ2にあることを示し、後述の高さＺ1にあるときには添え字ｄを付して区別するためである。このとき、ツールモニタ１８は、ボンディングツール１２uに保持されたチップ１０uの高さと同じＺ2の位置にある。
その状態で、第１カメラ２６と第２カメラ２８を一組として位置決め・ボンディングポジションから所定距離移動して補正ポジションに移し、第２カメラ２８及び補正用カメラ３０でターゲット３２を撮像し、第１カメラ２６で高さＺ2におけるツールモニタ１８uを撮像する。
次に、各要素の位置関係を計算するため、座標系は図１に示すように紙面の右側方向を＋Ｘ方向にとり、各要素の位置は、各カメラの撮像中心を基準として考えることとする。図１には、以下で説明するＸ1，Ｘ2，Ｘ3，Ｘ4，Ｘｃ，Ｘｎをベクトルとして、その正方向を矢印の方向で示した。ここで、第２カメラ２８の撮像中心を表す光軸２４の位置をＸbとし、これを基準に各要素のＸ軸上の位置関係を表すものとする。いま、Ｘ2を光軸２４の位置（Ｘb）からみたターゲット３２の先端位置までの距離とすれば、ターゲット３２の先端位置は、Ｘb＋Ｘ2である。Ｘ2は第２カメラ２８の撮像データから求めることができる。
また、Ｘ1を補正用カメラ３０の撮像中心を表す光軸３１からみたターゲット３２の先端位置までの距離とすれば、補正用カメラ３０の撮像中心を表す光軸３１の位置は、Ｘb＋Ｘ2−Ｘ1である。Ｘ1の符号がマイナスになっているのは、図１の例でベクトルＸ1の正方向の向きが−Ｘ方向だからである。Ｘ3は補正用カメラ３０の撮像データから求めることができる。
また、Ｘｃを第２カメラ２８の撮像中心を表す光軸２４からみた第１カメラ２６の撮像中心を表す光軸２２までの距離とすると、第１カメラ２６の撮像中心を表す光軸２２の位置は、Ｘb＋Ｘｃである。そして、Ｘ3を第１カメラ２６の撮像中心を表す上向きの光軸２２からみた高さＺ2におけるツールモニタ１８uの基準位置までの距離とすると、高さＺ2におけるツールモニタ１８uの基準位置は、Ｘb＋Ｘｃ＋Ｘ3である。Ｘ3は第１カメラ２６の撮像データから求めることができる。
これらの処理が終了すれば、位置決め・ボンディングポジションにおいてボンディングが行われるが、その前に、第１カメラ２６と第２カメラ２８及びターゲット３２を適当に退避させる。そして、位置決め・ボンディングポジションにおいて、ボンディングツール１２を下げ、基板１４の高さＺ1と同じ高さに、ボンディングツール１２dに保持されたチップ１０dの高さをもってきて、基板１４にチップ１０dを接触させ、加圧加熱等によりボンディングを行う。
このとき、ボンディングツール１２のＺ軸方向の移動による位置ずれＸｎが生ずるが、その位置ずれＸｎは、ツールモニタ１８の動きに忠実に反映される。つまり、位置ずれＸｎを生じた高さＺ1におけるチップ１０dの位置に対応し、高さＺ1におけるツールモニタ１８dもＸｎの位置ずれを生ずる。その状態で、ツールモニタ１８dを補正用カメラ３０で撮像する。Ｘ4を補正用カメラ３０の撮像中心を表す光軸３１からみた高さＺ1におけるツールモニタ１８dの基準位置までの距離とすれば、高さＺ1におけるツールモニタ１８dの基準位置は、Ｘb＋Ｘ2−Ｘ1＋Ｘ4である。Ｘ4は補正用カメラ３０の撮像データから求めることができる。
ここで、ボンディングツール１２の移動による位置ずれＸｎ、つまりこれと一体となって移動するツールモニタ１８の移動による位置ずれＸｎを、高さＺ1におけるツールモニタ１８dの基準位置（Ｘb＋Ｘ2−Ｘ1＋Ｘ4）からみた高さＺ2におけるツールモニタ１８uの基準位置までの距離とすれば、高さＺ2におけるツールモニタ１８uの基準位置は、Ｘb＋Ｘ2−Ｘ1＋Ｘ4＋Ｘｎである。
先ほど第１カメラ２６により得られた高さＺ2におけるツールモニタ１８uの基準位置は、Ｘb＋Ｘｃ＋Ｘ3であるので、これをＸb＋Ｘ2−Ｘ1＋Ｘ4＋Ｘｎと等しいとおいて、
Ｘb＋Ｘｃ＋Ｘ3＝Ｘb＋Ｘ2−Ｘ1＋Ｘ4＋Ｘｎ
となり、さらに、Ｘｃ＝Ｘ2−Ｘ1＋Ｘ4＋Ｘｎ−Ｘ3
となる。ここから、補正量ΔＸ＝−Ｘｃ＋Ｘｎを導くと、式（２）となる。
−Ｘｃ＋Ｘｎ＝ΔＸ＝Ｘ3−（Ｘ2−Ｘ1＋Ｘ4） ・・・（２）
式（２）の右辺の成分であるＸ3，Ｘ2，Ｘ1，Ｘ4は、それぞれ撮像データから求められる位置偏差量であるので、補正量ΔＸ＝−Ｘｃ＋Ｘｎは、各撮像データに基づいて求めることができる。このように、本発明の構成によれば、２カメラのずれ量＋Ｘｃとボンディングツールの移動によるずれ量＋Ｘｎとを独立して測定しなくても、ツールモニタ１８の移動を用いて得られる４つの位置偏差量の測定から、必要な補正量ΔＸを求めることができる。
また、Ｘ3，Ｘ2，Ｘ1，Ｘ4は、１つの位置基準と、ボンディングツール１２と一体となって移動するツールモニタ１８上の基準位置を用いることでそれぞれのカメラの撮像データから求めることができる。したがって、従来技術のように、予め位置関係を調整整列された２つのターゲットを用いる必要もなく、あるいはターゲットに対する第１カメラ及び第２カメラの合焦位置に対する制約もない。
また、上記のような構成のターゲット３２を用いることで、ずれ量の補正において、ターゲット位置の経時変化の影響を抑制できる。すなわち、第１に、ターゲット３２の先端位置の測定は、補正ポジションにおいて補正用カメラ３０及び第２カメラ２８によって行われるが、これは同じターゲット３２の先端位置を上下方向から撮像することで処理できるので、略同時に実行できる。これ以外にターゲット３２の測定は必要ないので、ターゲット３２の位置は、この２つの撮像処理の間でほとんど変化せず、したがって、ターゲット３２の位置における経時変化の影響を抑制できる。
また、第２に、ターゲット３２の先端位置の撮像処理が終われば、ターゲット３２の先端位置が求められ、この計算値を保存して以後の位置ずれ算出に用いるので、ターゲット３２は適当な位置に退避しても構わない。つまり、ボンディング作業の温度の影響等を受けないところにターゲット３２を退避させ、ターゲット３２の先端位置の再現精度に影響を及ぼさないようにできる。
また、上記のように位置決め・ボンディングポジションにおいて移動するボンディングツール１２と一体に接続されるツールモニタ１８を補正ポジションで移動する構成とするので、位置決め・ボンディングポジションにおいてボンディングを行いながら、補正ポジションで平行して同時的に、位置ずれを求めることができる。このように、ボンディング作業中のリアルタイムにおいてずれ量を求めることができる。
なお、Ｘ1の測定において、ボンディングツールの高さ位置を基板１４の高さ位置Ｚ1としなくても、撮像データからＸ3，Ｘ2，Ｘ1，Ｘ4が求められ式（２）を計算することができる。上述したように、Ｘ3，Ｘ2，Ｘ1，Ｘ4を求めるにあたっては、従来技術のような装置上の制約がないので、この場合でも式（２）の計算値に基づいて位置決めの補正を行えば、従来に比してより正確に補正が行え、ボンディングにおける位置ずれをより抑制することができる。
ただし、ボンディングツールの高さ位置を基板１４の高さ位置Ｚ1としない場合には、ボンディングツールの上下方向の移動によるずれに伴う補正が十分でないことがあるので、より好ましくは試しボンディングを併用することがよい。例えば、式（２）で求められた補正量に基づいて位置決めを補正し、さらにこの補正を行った状態で試しボンディングを行って、この補正後におけるボンディングツールの上下方向の移動によるずれに伴う補正量を別途求める。このように試しボンディングを併用することで、ボンディングにおける位置ずれをさらに抑制することができる。
２．課題解決手段
本発明に係るボンディング装置は、ボンディングツール又はボンディングツールに保持されたボンディング対象物又はボンディングツールに保持された測定用部材の少なくとも１つをボンディングツールに関する対象物として、ボンディングツールに関する対象物の位置を測定する第１カメラと基板の位置を測定する第２カメラとを含む位置決め機構を有し、位置決め機構により、ボンディングツールに保持されたボンディング対象物をボンディング作業面に配置された基板の決められた位置に位置決めしてボンディングを行うボンディング装置において、位置決め機構は、さらに、ボンディングツールと一体となって移動するツールモニタであって、ボンディングツールと予め定められた位置関係を保ち、ボンディング対象物の移動と同じ移動を行うツールモニタと、位置基準を有し両側から観察可能なターゲットと、ターゲットの一方側に予め定められた位置関係で配置される補正用カメラと、補正用カメラにより、ターゲットを撮像し、撮像データよりターゲットの位置基準と補正用カメラの撮像基準位置との間の第１位置偏差を求める第１測定手段と、予め定められた位置関係で第２カメラをターゲットの他方側に配置し、第２カメラによりターゲットを撮像し、撮像データよりターゲットの位置基準と第２カメラの撮像基準位置との間の第２位置偏差を求める第２測定手段と、予め定められた位置関係で第１カメラをツールモニタに向かい合わせ、第１カメラによりツールモニタを撮像し、撮像データよりツールモニタの基準位置と第１カメラの撮像基準位置との間の第３位置偏差を求める第３測定手段と、予め定められた位置関係でツールモニタをターゲットの他方側に配置し、補正用カメラにより、ツールモニタを撮像し、撮像データよりツールモニタの基準位置と補正用カメラの撮像基準位置との間の第４位置偏差を求める第４測定手段と、第１位置偏差と第２位置偏差と第３位置偏差と第４位置偏差とに基づき、ボンディングにおける位置ずれを算出する算出手段と、算出結果に基づきボンディングにおける位置ずれを補正する補正手段と、を備え、第１測定手段におけるターゲットの撮像と、第２測定手段におけるターゲットの撮像とは、略同時に行われることを特徴とする。
また、本発明に係るボンディング装置において、ボンディングツールが上下移動してボンディング動作を行うボンディングポジションと、ツールモニタが上下移動するところに設けられ、ボンディングツールのボンディング動作に応じて第１位置偏差から第４位置偏差を求めるための各撮像が行われる補正ポジションと、ボンディングポジションにおけるボンディングツールの移動及び補正ポジションにおけるツールモニタの移動を妨げない位置に第１カメラ及び第２カメラを退避させる退避ポジションと、が設けられることが好ましい。
また、第１測定手段及び第２測定手段及び第３測定手段は、ボンディングツールが基板より引き上げられている位置にあるときに、それぞれ第１位置偏差、第２位置偏差、第３位置偏差を求め、第４測定手段は、ボンディングツールが基板の高さの位置にあるときに第４位置偏差を求めることが好ましい。
また、本発明に係るボンディング装置において、ターゲットの撮像データ又はそれに基づくデータを記憶する記憶手段を備え、ターゲットは、その撮像データ又はそれに基づくデータが記憶された後に、撮像位置から退避可能であることが好ましい。
また、ターゲットは、基板が配置される高さと略同じ高さに配置されることが好ましい。
また、第４測定手段は、基板が配置される高さと略同じ高さにボンディングツールに関する対象物を配置したときのツールモニタの位置を用いて第４位置偏差を求めることが好ましい。
上記構成により、第１カメラと第２カメラとを有する位置決め機構は、その位置ずれを補正するために、さらに位置基準を有するターゲットと、補正用カメラとを備え、ボンディングツールと一体となって移動するツールモニタを用いる。そして、ターゲットの位置基準と補正用カメラの撮像基準位置との間の第１位置偏差と、ターゲットの位置基準と第２カメラの撮像基準位置との間の第２位置偏差と、ツールモニタの基準位置と第１カメラの撮像基準位置との間の第３位置偏差と、ツールモニタの基準位置と補正用カメラの撮像基準位置との間の第４位置偏差とを求める。第１位置偏差から第４位置偏差は、本発明の原理で説明したＸ1，Ｘ2，Ｘ3，Ｘ4に対応するので、これらに基づいてボンディングにおける位置ずれを求めてそれを補正する。したがって、ボンディングにおける位置ずれをより少なくすることができる。
このとき、ターゲットは第２カメラと補正用カメラとによって撮像されるが、この撮像を略同時に行うことにしたので、補正作業を行う間におけるターゲットの位置の経時変化が撮像データに基づく位置偏差の算出に影響することを抑制できる。例えば、ボンディング装置がヒータ等を有している場合等は、高い環境温度によって補正作業を行う間においてもターゲットの位置が変化することがある。そのような経時変化についても、ターゲットに必要な撮像の全てを、略同時に行うことで、撮像データの取得時刻の差による影響をなくすことができる。
また、ボンディングツールが移動するボンディングポジションと、ツールモニタが移動する補正ポジションと、第１カメラ、第２カメラの退避ポジションを設け、ボンディングツールのボンディング動作に応じて各撮像を行うものとしたので、ボンディング動作とリアルタイムでボンディングにおける位置ずれを求めることができる。
また、ボンディングツールが引き上げられている位置にあるときと、基板の高さ位置にあるときを用いて、各位置偏差を求めることとしたので、ボンディング動作におけるボンディングツールの実際の位置にそのまま対応して位置ずれを求めることができる。
また、ターゲットは、撮像データ等が記憶された後に撮像位置から退避するものとしたので、第４位置偏差を求める際に、ボンディングツールに関する対象物の高さ位置の設定の妨げとならず、例えば、ターゲットの撮像位置の高さにボンディングツールに関する対象物の高さを正確に設定することも可能となる。さらに、ターゲットをボンディングツールから十分離して退避させることで、例えばボンディングツールが高温の場合等における温度の影響がターゲットに及ばないようにできる。
また、基板が配置される高さと略同じ高さにターゲットを配置する。基板が配置される高さと略同じ高さにボンディングツールに関する対象物を配置したときのツールモニタの位置を用いて第４位置偏差を求める。これにより、本発明の原理において説明したように、ツールモニタの測定を介して、ボンディングツールの高さ方向の移動によるずれ＋Ｘｎと、位置決め用の２カメラ間のずれ＋Ｘｃとがともに存在するときの補正量ΔＸ＝−Ｘｃ＋Ｘｎを求め、これらを補正する。したがって、ボンディングにおける位置ずれをより少なくすることができる。
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。なお、以下の説明においては、図１４−１６及び図１と同様の要素には同一の符号を付した。以下において、ボンディング装置は、バンプを有するＬＳＩチップをフィルム基板にフェースダウンボンディングするＣＯＦ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｆｉｌｍ）ボンディング装置として説明するが、チップはＬＳＩチップ以外の半導体素子あるいは電子デバイスであってもよく、基板はガラエポ基板、フィルムの開口領域にボンディングリードを張り出させたテープ基板等を用いてもよい。ＣＯＦ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｆｉｌｍ）ボンディング装置は、ボンディングツールを加熱し、その熱によりバンプと基板とがボンディングされるものとして説明するが、その他に基板側を加熱してもよく、ボンディングツールと基板の双方を加熱するものとしてもよい。また、超音波エネルギを併用して、加熱温度を低くするボンディング装置であってもよい。
図２はＣＯＦ用のボンディング装置５０の構成図である。ボンディング装置５０は、チップ１０の裏側を吸引等で保持するボンディングツール１２と、ボンディングツール１２と接続部１７を介して一体として移動するツールモニタ１８と、基板１４を保持して搬送するキャリア１６と、チップ１０を供給する供給ステーション５２と、基板１４とチップ１０との位置を検出する上下カメラ６０と、ボンディングにおける位置ずれを補正するために用いられる補正用カメラ３０と、ターゲット移動機構５４に保持された位置基準としてのターゲット３２と、これらの要素の動作を制御する制御装置部１００とを備える。
チップ１０は、ＬＳＩチップであって、その各入出力端子のパッドには金を主成分とするバンプが設けられている。基板１４は、電子部品用プラスチックフィルムに導体パターンが配線されているフィルム基板で、チップ１０のバンプが接続される配線パターン部分には、錫を主成分とした金属層が設けられる。この錫を主成分とした金属層の上に金を主成分とするバンプを位置決めし、約５００℃程度の温度で加圧することで、ボンディングを行うことができる。すなわち、ＣＯＦ用のボンディング装置５０は、チップ１０と基板４との間の位置決めと、加熱加圧によりチップ１０を基板１４にボンディングする機能を有するボンディング装置である。
ボンディングツール１２は、先端にチップ保持部分を有する４角錐形状の部材で、中心にはチップ保持部分に通ずる真空吸引穴が設けられ、制御装置部１００の制御によりチップ保持部分においてチップ１０の吸引保持を行うことができる。また、ボンディングツール１２は、内部にヒータを内蔵し、例えばチップ１０を約５００℃程度に加熱することができる。温度の制御も制御装置部１００により行われる。
ボンディングツール１２は、図示されていない移動機構に搭載されており、制御装置部１００の制御の下で、図２に示すＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動することができる。具体的には、供給ステーション５２からチップ１０をピックアップする位置であるピックアップポジション９０と、チップ１０と基板１４との間の位置決めを行い、その後ボンディングを行う位置である位置決め・ボンディングポジション９２との間を移動することができる。それぞれのポジションにおいて、ボンディングツール１２はＺ方向の上下移動を行うことができ、各ポジション間において水平移動あるいは斜め移動を行うことができる。
ツールモニタ１８は、ボンディングツール１２に保持されたチップ１０の位置の動きを補正ポジション９４で再現する機能を有する部材である。補正ポジション９４は、ボンディングにおける位置ずれを求めるポジションである。ツールモニタ１８は、接続部１７を介してボンディングツール１２と一体化し、したがって、ボンディングツール１２が位置決め・ボンディングポジション９２で上下移動するのに応じて補正ポジション９４において上下動する。
ツールモニタ１８は、概略ボンディングツール１２をより小型にした形状で、その先端は矩形形状で、チップ１０の高さと略同じに設定される。先端は平坦な面に加工され、必要があれば適当な基準マークを設けてもよい。ツールモニタ１８の先端は、これ以外のものであっても、チップ１０の位置の変化を忠実に再現できる寸法、形状であればよい。たとえば、半球状の先端とすることができる。かかるツールモニタ１８は、金属材料あるいはセラミック材料等を所定の加工を施して用いることができる。
キャリア１６は、基板１４を保持する治具で、図示されていないコンベヤ等の搬送機構によりＹ方向に搬送される。搬送の制御は、制御装置部１００により行われ、基板１４は供給口から搬送されて位置決め・ボンディングポジション９２に止まる。位置決め・ボンディングポジション９２においてチップ１０と基板１４との間の位置決め及びチップ１０のボンディングが行われた後は、搬出口に向けて搬送され、同時に次の基板が搬送されてきて位置決め・ボンディングポジション９２に止まる。
上下カメラ６０は、内部に２台のカメラを備える光学部品である。図３に上下カメラ６０の内部構成を示す。上下カメラ６０は、適当なハウジングの内部に第１カメラ２６と第２カメラ２８と、反射鏡６２，６４と、両面反射鏡６６とを備える。第１カメラ２６と第２カメラ２８は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を有する撮像装置で、その開口部がともに＋Ｘ軸方向に向けられ、上下カメラ６０のＸ方向の中心軸に対し対称の位置に配置される。反射鏡６２，６４は、その反射面がそれぞれＸ軸に対しＺ軸を軸として−４５度及び＋４５度の傾きを有し、上下カメラ６０のＸ方向の中心軸に対し対称に配置される。両面反射鏡６６は、両面反射面が、ＸＹ面に対し４５度の傾きを有し、上下カメラ６０のＸ方向の中心軸と反射鏡６２と反射鏡６４とを結ぶ線が交差する位置に配置される。
かかる内部構成の上下カメラ６０の作用を説明する。第１カメラ２６の撮像中心を表す光軸は、その開口部から＋Ｘ方向に向かい、反射鏡６２で９０度方向が変更されて−Ｙ方向に向かい、両面反射鏡６６の上側反射面で９０度方向が変更され＋Ｚ方向に向かう。つまり、上向きの光軸２２となって、上下カメラ６０の外部に向かう。一方、第２カメラ２８の撮像中心を表す光軸は、その開口部から＋Ｘ方向に向かい、反射鏡６２で９０度方向が変更されて＋Ｙ方向に向かい、両面反射鏡６６の下側反射面で９０度方向が変更され−Ｚ方向に向かう。つまり、下向きの光軸２４となって、上下カメラ６０の外部に向かう。
このように、上下カメラ６０は、第１カメラ２６の撮像中心を表す光軸２２を上向きに、第２カメラ２８の撮像中心を表す光軸２４を下向きとして、外部に向かわせる機能を有する。上下カメラ６０は、予め光軸２２と光軸２４とを方向が逆で、その軸が組み立て時には一致するようにハウジング内に組み付けられる。
第１カメラ２６と第２カメラ２８を同じ性能のものとするときは、上下カメラ６０の高さ位置は、基板１４の高さ位置Ｚ1と、基板１４との位置決めにおけるチップ１０の高さ位置Ｚ2との中間の高さ位置に設定される。そして、基板１４とボンディングツール１２に保持されたチップ１０の位置決めにおいては、第１カメラ２６がチップ１０の表面に合焦し、第２カメラ２８が基板１４の表面に合焦するように、全体の光学系が設計される。
上下カメラ６０は、通常はボンディング作業の妨げにならない退避ポジション９６に退避しており、制御装置部１００の制御により、その位置からＸ方向に移動可能である。具体的には、位置決め・ボンディングポジション９２及び補正ポジション９４に移動することができる。
補正用カメラ３０は、ＣＣＤを有する撮像装置で、補正ポジション９４に配置される。その開口部は上向き、すなわち＋Ｚ方向を向き、その高さ位置は、基板１４の表面の高さＺ1に合焦位置がくるように設定される。あるいは、補正用カメラ３０をテレセントリック光学系としてもよい。
ターゲット３２は、ターゲット移動機構５４に保持され、先端が位置基準となる基準ピンである。ターゲット３２は、ワイヤボンディングに用いられるキャピラリのように、先端が先細りとなるテーパ状のピンで、先端は、例えば直径１５μｍ程度の円形面又は半球状に正確に仕上げられたものを用いることができる。ターゲット３２は、その長手軸がＸＹ平面に平行に配置される。ターゲット３２の長手軸の方向は、図２に示すように、例えばＹ軸に平行とすることができる。かかるターゲット３２は、金属材料やセラミック材料を所定の形状に加工したものを用いることができる。
ターゲット移動機構５４は、ターゲット３２を制御装置部１００の制御の下で、Ｚ方向に移動させる機構で、例えばモータ等を用いることができる。ターゲット３２の移動範囲は、基板１４の高さ位置Ｚ1と、補正用カメラ３０の上部との間である。
ターゲットは、補正用カメラ３０と第２カメラ２８の双方から位置基準として観察できれば、基準ピン形状以外のものでもよい。他の例として、図４に示す薄い透明板の上に位置基準となるクロスヘアパターンが設けられたターゲット３３を用いてもよい。このターゲット３３は、薄いプラスチック板、薄いガラス板等の薄い透明板に、エッチング等でクロスヘアパターンを設けたものである。位置基準は、十分な精度で持って測定できる安定したパターンであれば、クロスヘアパターン以外のパターンであってもよい。クロスヘアパターン等の位置基準は、ターゲット３３の上面、すなわちボンディングツール１２に向かい合う面に設けられ、その高さ位置を基板１４の高さ位置Ｚ1に設定されることがよい。その他のターゲットとして、例えば、ターゲット３２の母材を薄く不透明な板とし、その両面に位置基準を設けたものでもよい。
次に、制御装置部１００の構成を説明する。制御装置部１００は、ボンディング装置を構成する各要素を制御する機能を有し、特に上下カメラ６０内部の第１カメラ２６と第２カメラ２８及び補正用カメラ３０から撮像データを取得し、これらのデータに基づいて位置決め及び位置決めにおける補正を行う機能を有する装置で、一般的なコンピュータで構成できる。
具体的には、位置決め・ボンディングポジション９２における位置決め処理とボンディング処理を行う機能と、これに連動して、補正ポジション９４において、上下カメラ６０の動作を制御し、補正用カメラ３０と上下カメラ６０の３つのカメラから必要な撮像データを取得し、これらのデータを処理して、ボンディングにおける位置ずれを算出する機能を有する。また、ターゲット移動機構５４動作の制御により、ターゲット３２を撮像が終わった後退避させる機能を有する。ここで、位置決め・ボンディングポジション９２における機能は、上下カメラ６０とボンディングツール１２と必要な場合キャリア１６の動作を制御し、上下カメラ６０から必要な撮像データを取得し、補正ポジション９４において算出されたボンディングにおける位置ずれを補正するように、基板１４とボンディングツール１２に保持されたチップ１０の相対的な位置決めを行い、ボンディング作業を実行させる機能を含む。これらの機能に対応する処理を行うには、ソフトウエアを用いることができ、対応する位置ずれ補正プログラム及びボンディングプログラムを実行することで所定の処理を行うことができる。処理の一部をハードウエアで実行させることもできる。
制御装置部１００は、ＣＰＵ１０２と、キーボード等の入力部１０４と、表示盤等のディスプレイである出力部１０６と、記憶装置１０８と、ボンディングツール１２の動作を制御するボンディングツール制御部１１０と、補正用カメラ３０の撮像動作を制御し撮像データを受け取る補正用カメラ制御部１１２と、ターゲット３２の上下移動を制御するターゲット制御部１１４と、上下カメラ６０の動作を制御し、その内部の第１カメラ２６と第２カメラ２８の撮像動作を制御し撮像データを受け取る上下カメラ制御部１１６とを含み、これらは内部バスで相互に結ばれる。
ＣＰＵ１０２は、位置ずれ補正部１２０と、位置決め部１２２と、ボンディング処理部１２４とを含む。位置ずれ補正部１２０の中の第１位置偏差測定モジュール１３０乃至位置ずれ算出モジュール１３８は、本発明の原理で説明したＸ1，Ｘ2，Ｘ3，Ｘ4に相当する４つの位置偏差ベクトルを算出し、２次元の補正量Δ（Ｘ，Ｙ）を求める機能を有する。これらについて、図５乃至図１３を用いて説明する。
図５は、ボンディング装置５０の構成要素のうち、上下カメラ６０、キャリア１６に保持された基板１４、ターゲット３２とその下部にある補正用カメラ３０及びチップ１０を保持したボンディングツール１２と、これに一体となって接続されるツールモニタ１８の平面配置を模式的に示す図である。図６は、これらの構成要素の側面配置を模式的に示す図である。図５及び図６は、ボンディング装置５０の初期状態を示す。すなわち、基板１４は位置決め・ボンディングポジション９２にあり、ターゲット３２及び補正用カメラ３０は補正ポジション９４に設けられている。また、上下カメラ６０は退避ポジション９６にあり、ボンディングツール１２はピックアップポジション９０等にあってもよいが、初期状態であることを示すために位置決め・ボンディングポジション９２の隣に後退しているものとしてある。
この初期状態から、ＣＰＵ１０２のボンディング処理部１２４の機能により、まず位置決め・ボンディングポジション９２にボンディングツール１２が移動される。それとともに、高さＺ2に引き上げられ、ついで位置決め部１２２の機能により上下カメラ６０が位置決め・ボンディングポジション９２に配置され、第２カメラ２８及び第１カメラ２６によって、基板１４と、ボンディングツール１２uに保持されたチップ１０uの位置がそれぞれ測定され、前に取得した位置ずれ補正量ΔＸ（Ｘ，Ｙ）を用いて位置決めが行われる。このとき、補正ポジション９４においては、ボンディングツール１２uの移動に連動して、高さＺ2にツールモニタ１８uの先端が位置する。位置決め・ボンディングポジション９２における、ボンディングツール１２、ツールモニタ１８、上下カメラ６０の配置状態を図６において破線で示した。なお、補正量ΔＸ（Ｘ，Ｙ）を用いての位置決めの詳細は後述する。
それに引き続き、第１位置偏差測定モジュール１３０、第２位置偏差測定モジュール１３２、第３位置偏差測定モジュール１３４によって、補正ポジション９４における位置ずれ算出のための処理が行われる。これらの処理はほぼ同時に行われるが、便宜上第１位置偏差測定モジュール１３０から第２位置偏差測定、第３位置偏差測定の順序で処理が行われるものとして説明する。
これらの処理のために、上下カメラ６０が補正ポジション９４に移動され、ターゲット３２が基板１４の高さＺ1の高さに設定される。具体的には、制御装置部１００の機能、特に最初に補正に関する処理を行う第１位置偏差測定モジュール１３０の機能により、次のことが実行される。すなわち、上下カメラ制御部１１６に指令を与え、上下カメラ６０を補正ポジション９４に移動させる。上下カメラ６０の高さ位置は、第１カメラ２６が上記のようにツールモニタ１８uの先端面の高さＺ2に合焦し、第２カメラ２８は基板１４の高さＺ1に合焦するように設定される。さらにターゲット制御部１１４に指令を与え、ターゲット移動機構５４を駆動してターゲット３２を基板１４の高さ位置であるＺ1の高さにセットする。図７は、そのようにして設定された補正ポジション９４における各要素の配置状況を示す図である。
その状態において、第１位置偏差測定モジュール１３０は、さらに、ターゲット３２を補正用カメラ３０で撮像させ、その撮像データに基づいて第１位置偏差を求める機能を有する。具体的には、補正用カメラ制御部１１２に指令を与え、撮像指示を出させ、撮像データを取得させ、取得した撮像データを第１位置偏差測定モジュール１３０に転送させる。そして、転送された撮像データに基づいて第１位置偏差を求める。
図８は、補正用カメラ３０により撮像された撮像データから第１位置偏差（Ｘ1，Ｙ1）を求める様子を説明する図である。撮像データは、実際には補正用カメラ３０が上向き（＋Ｚ方向）にターゲット３２とチップ１０を撮像したデータであるが、図８では説明の便宜上、補正ポジション９４の上方から見たときのデータに変換して示してある。同様に、以下の図１０、図１２等の撮像データにおいても補正ポジション９４の上方から見たときのデータに統一して示してある。図８の撮像データ１５０において、視野の中央に補正用カメラ３０の撮像中心を示す十字パターン１５２があり、その左下に、基板１４の高さ位置Ｚ1におけるターゲット３２の撮像されたパターン１５４がある。補正用カメラ３０の撮像中心を示す十字パターン１５２の交点は、補正用カメラ３０の撮像基準位置であり、ターゲットのパターン１５４の先端は、ターゲット３２の位置基準Ｐ0を示すものである。
第１位置偏差（Ｘ1，Ｙ1）は、十字パターン１５２の交点を基準位置として、基準位置から、ターゲットのパターン１５４の位置基準Ｐ0に向かうベクトルで与えられる。１次元の場合には、補正用カメラ３０の撮像中心を表す光軸３１の位置からみたターゲット３２の位置基準までの距離となり、本発明の原理で説明したＸ1となる。
第２位置偏差測定モジュール１３２は、補正ポジション９４の図７の状態において、ターゲット３２を第２カメラ２８で撮像させ、その撮像データに基づいて第２位置偏差を求める機能を有する。具体的には、上下カメラ制御部１１６に指令を与え、第２カメラ２８に撮像指示を出させ、撮像データを取得させ、取得した撮像データを第２位置偏差測定モジュール１３２に転送させる。そして、転送された撮像データに基づいて第２位置偏差を求める。
図９は、第２カメラ２８により撮像された撮像データから第２位置偏差（Ｘ2，Ｙ2）を求める様子を説明する図である。図９の撮像データ１５６において、視野の中央に第２カメラ２８の撮像中心を示す十字パターン１５８があり、その右上にターゲット３２の撮像されたパターン１６０がある。第２カメラ２８の撮像中心を示す十字パターン１５８の交点は、第２カメラ２８の撮像基準位置であり、ターゲットのパターン１６０の先端は、ターゲット３２の位置基準Ｐ1を示すものである。
第２位置偏差（Ｘ2，Ｙ2）は、第２カメラ２８の撮像中心を示す十字パターン１５８の交点を基準位置として、基準位置から、ターゲットのパターン１６０の位置基準Ｐ1に向かうベクトルで与えられる。１次元の場合には、第２カメラ２８の撮像中心を表す光軸２４の位置からみたターゲット３２の位置基準までの距離となり、本発明の原理で説明したＸ2となる。
第３位置偏差測定モジュール１３４は、補正ポジション９４の図７の状態において、ツールモニタ１８uの先端を第１カメラ２６で撮像させ、その撮像データに基づいて第３位置偏差を求める機能を有する。具体的には、上下カメラ制御部１１６に指令を与え、第１カメラ２６に撮像指示を出させ、撮像データを取得させ、取得した撮像データを第３位置偏差測定モジュール１３４に転送させる。そして、転送された撮像データに基づいて第３位置偏差を求める。
図１０は、第１カメラ２６により撮像された撮像データから第３位置偏差（Ｘ3，Ｙ3）を求める様子を説明する図である。図１０の撮像データ１６２において、視野の中央に第１カメラ２６の撮像中心を示す十字パターン１６４があり、その右上に、高さＺ2におけるツールモニタ１８uの撮像された基準パターン１６６uのエッジがある。ここで上記のように、添え字のｕは、後述の第４位置偏差を求めるときのチップと高さ位置が異なることを区別するために用いている。ツールモニタ１８uの基準パターンとしては、後述する第４位置偏差測定のときと同じものが用いることができればよい。例えば、ツールモニタ１８の先端面に刻んだ特定の形状パターン、あるいはツールモニタ１８の特定のエッジ形状パターンを用いることができる。第１カメラ２６の撮像中心を示す十字パターン１６４の交点は、第１カメラ２６の撮像基準位置であり、ツールモニタの基準パターン１６６uのエッジは、ツールモニタ１８uの基準位置を示すものである。
第３位置偏差（Ｘ3，Ｙ3）は、第１カメラ２６の撮像中心を示す十字パターン１６４の交点を基準位置として、基準位置から、高さＺ2におけるツールモニタ１８uの基準パターン１６６uのエッジに向かうベクトルで与えられる。１次元の場合には、第１カメラ２６の撮像中心を表す光軸２２の位置からみた高さＺ2におけるツールモニタ１８uの基準位置までの距離となり、本発明の原理で説明したＸ3となる。
上記において、第１位置偏差を求める処理と、第２位置偏差を求める処理とは、ともに高さＺ1にあるターゲット３２の撮像処理を含む。ターゲット３２は、本発明の原理で説明したように、第１カメラ２６の光軸２２と第２カメラの光軸２４との間の位置ずれＸｃと、ボンディングツール１２が上下するときの位置ずれＸｎに対応するツールモニタの位置ずれＸｎを求めるときの位置基準となるものであるので、位置ずれ補正処理の間においてその位置が変化しないことが求められる。
実際には、ターゲット３２を保持するターゲット移動機構５４の保持の経時変化や、高温のボンディングツール１２からの熱で、ターゲット３２の位置は位置ずれ補正処理の間に補正処理に影響を及ぼす程度の変化を生ずることがある。そこで、第１位置偏差を求めるためのターゲット３２の撮像処理と、第２位置偏差を求めるためのターゲット３２の撮像処理とは、同時に行うことが好ましい。具体的には、上下カメラ制御部１１６からの第２カメラ２８に対する撮像指示と、補正用カメラ制御部１１２からの補正用カメラ３０に対する撮像指示とを、可能ならば同時に、同時処理ができないときは、できるだけ近接した時間で行う。そして、撮像したデータを記憶装置１０８等に一旦記憶し、その後、各位置偏差を求める画像データ処理及び必要な演算処理を行う。
第１位置偏差から第３位置偏差を求める処理に引き続き、少なくとも第１位置偏差から第３位置偏差を求めるための各撮像処理が終わると、位置決め・ボンディングポジション９２においてボンディング処理が行われ、補正ポジション９４において第４位置偏差を求める処理が行われる。ボンディング処理においては、ボンディングツール１２が基板に向かって下降するが、補正ポジションにおいてもツールモニタ１８が下降する。したがって、まず補正ポジション９４においてツールモニタ１８の下降を妨げない処理を行った後、ボンディングツール１２の下降処理が行われる。
具体的には、上下カメラ制御部１１６に指令を与え、上下カメラ６０を退避ポジション９６に移動させる。そして、ターゲット制御部１１４に指令を与え、ターゲット移動機構５４を駆動してターゲット３２を補正用カメラ３０の上部側に近づけるように降下させる。その後、ボンディングツール制御部１１０に指令を与え、ボンディングツール１２の高さが、基板１４の高さであるＺ1にチップ１０のボンディング面がくるように降下させる。その後、加圧加熱によりボンディングが行われる。なお、ボンディングの詳細は後述する。このとき、補正ポジション９４においては、ボンディングツール１２dの移動に連動して、高さＺ1にツールモニタ１８dの先端が位置する。図１１は、そのようにして設定された補正ポジション９４における各要素の配置状況を示す図である。
ターゲット３２を基板１４の高さであるＺ1から補正用カメラ３０の上部側に近づけるように降下させるのは、１つには高さＺ1にボンディングツール１２が降下する妨げにならないようにするためである。これにより、チップ１０のボンディング面が高さＺ1に正しく設定することができる。もう１つの目的は、降下してくるボンディングツール１２からターゲット３２をできるだけ離して、高温のボンディングツール１２からの熱の影響を退避中であってもより少なくするためである。また、補正用カメラ３０の上部側に近づけるのは、このようにしても、補正用カメラ３０の合焦位置からターゲット３２が外れることで、補正用カメラ３０によるボンディングツール１２の撮像を妨げることにならないからである。また、ターゲット３２の退避を水平方向の移動でなく、高さ方向の移動により行うこととしたのは、ターゲット３２の退避の前後におけるＸＹ平面内の位置の再現性が、水平方向の移動の方法に比べれば、より良いからである。
それに引き続き、第４位置偏差測定モジュール１３６は、さらに、ツールモニタ１８dの先端を補正用カメラ３０で撮像させ、その撮像データに基づいて第４位置偏差を求める機能を有する。具体的には、補正用カメラ制御部１１２に指令を与え、補正用カメラ３０に撮像指示を出させ、撮像データを取得させ、取得した撮像データを第４位置偏差測定モジュール１３４に転送させる。そして、転送された撮像データに基づいて第４位置偏差を求める。
図１２は、補正用カメラ３０により撮像された撮像データから第４位置偏差（Ｘ4，Ｙ4）を求める様子を説明する図である。図１２の撮像データ１５０において、視野の中央に補正用カメラ３０の撮像中心を示す十字パターン１５２がある。これは図８における補正用カメラ３０の視野の場合と同じである。そして、その右上に、高さＺ1におけるツールモニタ１８dの撮像された基準パターン１６８dのエッジがある。ここで添え字のｄは、前述の第３位置偏差を求めるときのチップと高さ位置が異なることを区別するために用いている。ツールモニタ１８dの基準パターンとしては、前述の第３位置偏差測定のときと同じものを用いる。補正用カメラ３０の撮像中心を示す十字パターン１５２の交点は、補正用カメラ３０の撮像基準位置であり、ツールモニタの基準パターン１６８dのエッジは、ツールモニタ１８dの基準位置を示すものである。なお、図８で測定したターゲット３２の位置基準Ｐ0を参考のために示してある。
第４位置偏差（Ｘ4，Ｙ4）は、補正用カメラ３０の撮像中心を示す十字パターン１５２の交点を基準位置として、基準位置から、高さＺ1におけるツールモニタ１８dの基準パターン１６８dのエッジに向かうベクトルで与えられる。１次元の場合には、補正用カメラ３０の撮像中心を表す光軸３１の位置からみた高さＺ1におけるツールモニタ１８dの基準位置までの距離となり、本発明の原理で説明したＸ4となる。
このようにして、ボンディング処理と平行してリアルタイムに求められた第１位置偏差（Ｘ1，Ｙ1）、第２位置偏差（Ｘ2，Ｙ2）、第３位置偏差（Ｘ3，Ｙ3）及び第４位置偏差（Ｘ4，Ｙ4）は、位置ずれ算出モジュール１３８に送られる。位置ずれ算出モジュール１３８は、これらのデータを用いてボンディングにおける位置ずれを補正する補正量Δ（Ｘ，Ｙ）を求める機能を有する。補正量Δ（Ｘ，Ｙ）は、本発明の原理で説明した式（２）を２次元に拡張した（３）式で与えられる。
Δ（Ｘ，Ｙ）＝（Ｘ3，Ｙ3）−［（Ｘ2，Ｙ2）−（Ｘ1，Ｙ1）＋（Ｘ4，Ｙ4）］
・・・・（３）
次に、位置決め部１２２は、ボンディングにおける位置ずれのないように、上記のようにして求められた補正量Δ（Ｘ，Ｙ）を用いて、基板１４とチップ１０とを位置決めする機能を有する。具体的には、次のボンディング作業に反映される。すなわち、補正量Δ（Ｘ，Ｙ）が求められ、ボンディング処理も終了すると、ボンディング処理部１２４は、ボンディングツール制御部１１０に指令を与え、チップ保持を解除してボンディングツール１２を上昇させる。したがって、チップ１０は基板１４上にボンディングされたまま残る。そして、ボンディングツール１２をピックアップポジション９０へ移動させ、所定のシーケンスで次の新しいチップ１０を供給ステーション５２からピックアップし、再び位置決め・ボンディングポジション９２に戻る。また、図示されていないキャリア制御部に指示を与え、位置決め・ボンディングポジション９２においてボンディング済みの基板１４を排出させ、新しい基板１４を供給させる。
そして、ボンディングツール１２に保持されたチップ１０の表面の高さ位置をＺ2に設定する。また、上下カメラ制御部１１６に指令を与え、上下カメラ６０も位置決め・ボンディングポジション９２に移動させる。そして、上下カメラ６０に含まれる第１カメラ２６及び第２カメラ２８に撮像指示を出し、第１カメラ２６に対し、ボンディングツール１２に保持されたチップ１０の撮像と、第２カメラ２８に基板１４の撮像を行わせ、それらの撮像データを位置決め部１２２に転送させる。転送された撮像データと、先ほど求められた補正量Δ（Ｘ，Ｙ）とに基づき、位置ずれを補正し、その結果をボンディングツール制御部１１０に指令を与え、それにしたがって、基板１４の基準位置と、ボンディングツール１２に保持されたチップ１０の基準位置とを位置決めする。なお、位置決めのときのチップ１０を保持するボンディングツール１２と、基板１４と、上下カメラ６０の位置関係は、上記の図６において破線で示した。
図１３は、第１カメラ２６の視野の中で、補正量Δ（Ｘ，Ｙ）の処理を行って位置決めする様子を説明する図である。現実には、位置決め・ボンディングポジション９２における第１カメラ２６の視野におけるチップ１０uの基準パターンと、補正ポジション９４における第１カメラ２６の視野におけるツールモニタ１８uの基準パターンとは同じでないことが多いが、説明の便宜上、これらを同一とする。つまり、補正ポジション９４から位置決め・ボンディングポジション９２へ移動したとき、位置決め・ボンディングポジション９２における第１カメラ２６の撮像データが、補正ポジション９４における図１０と同じとする。
この場合、第１カメラ２６の撮像中心を表す十字パターン１６４の交点と、チップ１０u（ツールモニタ１８u）の基準位置である基準パターン１６６ｕのエッジとの間が、第３位置偏差（Ｘ3，Ｙ3）だけ離れている。いま、説明を簡単にするために、基板１４の基準位置は第２カメラ２８の撮像中心に一致しているものとする。この場合、第１カメラ２６の撮像中心とチップ１０の基準位置との位置決めは、第３位置偏差（Ｘ3，Ｙ3）分を補正するのではなく、第１カメラ２６の撮像中心からみて、補正量Δ（Ｘ，Ｙ）の位置にチップ１０の基準位置を移動させて行う。このようにすることで、式（３）に従ったボンディングにおける位置ずれを補正する位置決めを行うことができる。
補正量Δ（Ｘ，Ｙ）との関係を示すため、図１３に、図８、図９、図１２でそれぞれ求められた第１位置偏差（Ｘ1，Ｙ1）、第２位置偏差（Ｘ2，Ｘ2）、第４位置偏差（Ｘ4，Ｘ4）もあわせて図示した。なお、基板１４の基準位置が第２カメラ２８の撮像中心に一致していないときは、その不一致分だけ第１カメラ２６の基準位置をずらすことで同様な補正を行うことができる。
ボンディングにおける位置ずれを補正する位置決めを行ったのち、ボンディング処理部１２４は、チップ１０を基板１４にボンディングする機能を有する。具体的には、次のいくつかの機能を含む。位置決め・ボンディングポジション９２において上記の位置決めが行われた後、上下カメラ制御部１１６に指令を与え、上下カメラ６０を退避ポジション９６に退避させる。次にボンディングツール制御部１１０に指令を与え、チップ１０を保持したボンディングツール１２を降下させ、基板１４にチップ１０のバンプを接触させ、加圧加熱によりボンディングを行わせる。ボンディング処理が終了すれば、ボンディングツール１２の真空吸引を止めてボンディングツール１２を上昇させる。
このように、ボンディングツール１２と一体として移動し、補正ポジション９４で移動するツールモニタ１８を用いるので、位置決め・ボンディングポジション９２におけるボンディング処理と平行してリアルタイムでボンディングにおける位置ずれを求めることができる。したがって、全体のボンディング処理を高速にでき、またボンディングの位置決めを精度よく行うことができる。
また、ターゲット３２の撮像処理を略同時に行うようにすることで、位置基準であるターゲット３２の補正処理の間における位置の経時変化の影響を抑制できる。すなわち、一旦ターゲット３２の位置に関するデータ収集が終われば、そのデータによって、環境あるいは時間的に変化することのない仮想的に普遍的なターゲット３２の位置を定めることができる。そして、以後は、この仮想的なターゲット３２の位置に基づいて位置ずれの補正量を求めることができる。
また、このように一旦仮想的なターゲット３２の位置が定まれば、ターゲット３２を任意のところに退避させてもよい。したがって、ツールモニタ１８を基板１４の高さＺ1の位置に下降させることを妨げないところにターゲット３２を退避させることができる。このことで、第４位置偏差を求める際に、ツールモニタ１８、ひいてはチップ１０を保持したボンディングツール１２を基板１４の高さＺ1の位置に正しく下降させることができる。また、このことで、ターゲット３２が高温のボンディングツール１２に近づいて、その位置精度を劣化させることもない。
したがって、ボンディングにおけるチップと基板の位置決めに際し、２カメラ間のずれ量及びボンディングツールの移動によるずれ量を正確に補正して、ボンディングにおける位置ずれをより少なくすることができる。
本発明の原理を説明する図である。 本発明に係る実施の形態におけるボンディング装置の構成図である。 上下カメラの内部構成を示す図である。 ターゲットの平面図である。 本発明に係る実施の形態におけるボンディング装置の平面配置を模式的に示す図である。 本発明に係る実施の形態におけるボンディング装置の側面配置を模式的に示す図である。 本発明に係る実施の形態において第１位置偏差から第３位置偏差を求めるときの側面配置図である。 本発明に係る実施の形態において第１位置偏差を求めるときの撮像データの様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態において第２位置偏差を求めるときの撮像データの様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態において第３位置偏差を求めるときの撮像データの様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態において第４位置偏差を求めるときの側面配置図である。 本発明に係る実施の形態において第４位置偏差を求めるときの撮像データの様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態において補正量Δ（Ｘ，Ｙ）の処理を行って位置決めするときの撮像データの様子を示す図である。 ２つのカメラの光軸がずれていないときのチップと基板との位置決めの仕方を示す図である。 ２つのカメラの光軸がずれたときのチップと基板との位置決めの仕方を示す図である。 ２つのカメラの光軸がずれていないが、ボンディングツールの移動によるずれが起こるときのチップと基板との位置決めの仕方を示す図である。
符号の説明
１０，１０u，１０d チップ、１２，１２u，１２d ボンディングツール、１４ 基板、１６ キャリア、１７ 接続部、１８，１８u，１８d ツールモニタ、２０，６０ 上下カメラ、２２，２４，３１ 光軸、２６ 第１カメラ、２８ 第２カメラ、３０ 補正用カメラ、３２，３３ ターゲット、５０ ボンディング装置、５２ 供給ステーション、５４ ターゲット移動機構、６２，６４ 反射鏡、６６ 両面反射鏡、９０ ピックアップポジション、９２ 位置決め・ボンディングポジション、９４ 補正ポジション、９６ 退避ポジション、１００ 制御装置部、１０２ ＣＰＵ、１０４ 入力部、１０６ 出力部、１０８ 記憶装置、１１０ ボンディングツール制御部、１１２ 補正用カメラ制御部、１１４ ターゲット制御部、１１６ 上下カメラ制御部、１２０ 位置ずれ補正部、１２２ 位置決め部、１２４ ボンディング処理部、１３０ 第１位置偏差測定モジュール、１３２ 第２位置偏差測定モジュール、１３４ 第３位置偏差測定モジュール、１３６ 第４位置偏差測定モジュール、１３８ 位置ずれ算出モジュール、１５０，１５６，１６２ 撮像データ、１５２，１５８，１６４ 十字パターン、１５４，１６０ ターゲットのパターン、１６６u，１６８d 基準パターン。

Claims (6)

  1. ボンディングツール又はボンディングツールに保持されたボンディング対象物又はボンディングツールに保持された測定用部材の少なくとも１つをボンディングツールに関する対象物として、ボンディングツールに関する対象物の位置を測定する第１カメラと基板の位置を測定する第２カメラとを含む位置決め機構を有し、位置決め機構により、ボンディングツールに保持されたボンディング対象物をボンディング作業面に配置された基板の決められた位置に位置決めしてボンディングを行うボンディング装置において、
    位置決め機構は、さらに、
    ボンディングツールと一体となって移動するツールモニタであって、ボンディングツールと予め定められた位置関係を保ち、ボンディング対象物の移動と同じ移動を行うツールモニタと、
    位置基準を有し両側から観察可能なターゲットと、
    ターゲットの一方側に予め定められた位置関係で配置される補正用カメラと、
    補正用カメラにより、ターゲットを撮像し、撮像データよりターゲットの位置基準と補正用カメラの撮像基準位置との間の第１位置偏差を求める第１測定手段と、
    予め定められた位置関係で第２カメラをターゲットの他方側に配置し、第２カメラによりターゲットを撮像し、撮像データよりターゲットの位置基準と第２カメラの撮像基準位置との間の第２位置偏差を求める第２測定手段と、
    予め定められた位置関係で第１カメラをツールモニタに向かい合わせ、第１カメラによりツールモニタを撮像し、撮像データよりツールモニタの基準位置と第１カメラの撮像基準位置との間の第３位置偏差を求める第３測定手段と、
    予め定められた位置関係でツールモニタをターゲットの他方側に配置し、補正用カメラにより、ツールモニタを撮像し、撮像データよりツールモニタの基準位置と補正用カメラの撮像基準位置との間の第４位置偏差を求める第４測定手段と、
    第１位置偏差と第２位置偏差と第３位置偏差と第４位置偏差とに基づき、ボンディングにおける位置ずれを算出する算出手段と、
    算出結果に基づきボンディングにおける位置ずれを補正する補正手段と、
    を備え、
    第１測定手段におけるターゲットの撮像と、第２測定手段におけるターゲットの撮像とは、略同時に行われることを特徴とするボンディング装置。
  2. 請求項１に記載のボンディング装置において、
    ボンディングツールが上下移動してボンディング動作を行うボンディングポジションと、
    ツールモニタが上下移動するところに設けられ、ボンディングツールのボンディング動作に応じて第１位置偏差から第４位置偏差を求めるための各撮像が行われる補正ポジションと、
    ボンディングポジションにおけるボンディングツールの移動及び補正ポジションにおけるツールモニタの移動を妨げない位置に第１カメラ及び第２カメラを退避させる退避ポジションと、
    が設けられることを特徴とするボンディング装置。
  3. 請求項２に記載のボンディング装置において、
    第１測定手段及び第２測定手段及び第３測定手段は、ボンディングツールが基板より引き上げられている位置にあるときに、それぞれ第１位置偏差、第２位置偏差、第３位置偏差を求め、
    第４測定手段は、ボンディングツールが基板の高さの位置にあるときに第４位置偏差を求めることを特徴とするボンディング装置。
  4. 請求項１に記載のボンディング装置において、
    ターゲットの撮像データ又はそれに基づくデータを記憶する記憶手段を備え、
    ターゲットは、その撮像データ又はそれに基づくデータが記憶された後に、撮像位置から退避可能であることを特徴とするボンディング装置。
  5. 請求項１に記載のボンディング装置において、
    ターゲットは、基板が配置される高さと略同じ高さに配置されることを特徴とするボンディング装置。
  6. 請求項１に記載のボンディング装置において、
    第４測定手段は、基板が配置される高さと略同じ高さにボンディングツールに関する対象物を配置したときのツールモニタの位置を用いて第４位置偏差を求めることを特徴とするボンディング装置。

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