JP2006210785A - 半導体位置合わせ装置および位置合わせ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステージに用いられているボールねじが熱膨張することにより、ボンドヘッドの移動量が変化したり、チップサブあるいはＰＤＩＣ認識カメラ取り付け部分も安定した位置合わせ精度の維持ができないといった問題点を解決する。
【解決手段】ターゲット１１の画像登録による微小ＬＤチップ認識カメラ９に登録した基準位置と、チップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５に登録した位置の相対位置と微小ＬＤチップ認識カメラ９に登録した基準位置に対して、ＸＹＺ軸を移動によるチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５の基準位置からＬＤチップ吸着コレット２の先端丸孔中心距離となる累積リードずれ量をあわせて補正することにより、微小ＬＤ吸着コレット孔中心位置とチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５の基準位置、微小ＬＤチップ認識カメラ９の基準位置の総合相対ずれ量を算出し、この算出値に基づいてずれ量を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小ＬＤチップをチップサブあるいはＰＤＩＣチップ上に搭載接合する際のスタックボンド精度安定化に関するものである。

従来の装置構成について図面を参照しながら説明する。図７に示す従来の構成において、ボンドステージ７に搭載されたチップサブあるいはＰＤＩＣチップ１９上の任意の位置に微小ＬＤチップ２０を搭載するために、ボンドステージ７上に搭載されたチップサブあるいはＰＤＩＣチップ１９を、固定配置したチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５で、チップサブあるいはＰＤＩＣチップ１９上の配線パターンを読み取る。さらにボンディングヘッド１に取り付けられた微小ＬＤチップ吸着コレット２に吸着された微小ＬＤチップ２０の裏面を、固定配置した微小ＬＤチップ認識カメラ９によって微小ＬＤチップ２０裏面の配線パターンを読み取り、読み取ったパターンを画像処理し、演算の結果に基づき微小ＬＤチップ２０または、チップサブあるいはＰＤＩＣチップ１９をあるいはその両方を、ＸＹ軸ステージ２１およびＸＺ軸ステージ２２によって移動させて位置を合わせて搭載接合を行う。このようなスタックボンドが従来提案されている。

あるいは、特許文献１のような半導体位置合わせの構造および方法も提案されている。この特許文献１には、装着対象物である半導体チップおよび基板等の認識を行う認識カメラを少なくとも２以上有するチップボンディング装置において、ターゲットに設けられた特定マークを第１の認識カメラおよび他の認識カメラにて画像取込を行い基準位置を設定し、その後ターゲット、第１の認識カメラおよび他の認識カメラを基準位置に移動させ、特定マークの画像取込を行い、その際の各々の認識カメラの取込画像に於ける特定マークと基準位置とのずれ量を測定し、該ずれ量により装着対象物の相対的移動量を補正する、といった技術が記載されている。
特開平７−７０２８号公報

上記のような従来の構成および方法では、次のような課題があった。まず、図７のような構成において、ボンドヘッドＸステージおよびボンドステージＸＹステージに用いられているボールねじが、動作中に装置から発せられる熱やボールねじ自身の摩擦熱等により膨張し、周辺の温度状況とともにボンドヘッドの移動量が変化していた。また、チップサブあるいはＰＤＩＣ認識カメラ取り付け部分も熱膨張の影響を受け、総合精度として±３．８μｍレベルの安定した位置合わせ精度の維持ができず、搭載接合位置ばらつきの要因となっていた。

また、特許文献１のような構造および方法においてもレンズ間の熱膨張によるずれ量は、補正できたとしても、実動作位置と異なることとボンドヘッドの微小ＬＤ吸着コレット先端孔中心からチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識レンズ基準位置間移動時の累積リードずれの補正までは行っておらず、不完全な位置合わせであった。

本発明は、位置合わせ装置を構成する一部の部品の熱膨張に起因する位置合わせのずれの発生を防止することを実現した半導体位置合わせ装置および位置合わせ方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、ボンディングヘッド側面にチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラを固定し、ＸＹＺステージ上に搭載して、微小ＬＤ吸着コレットおよびチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラが同時動作可能な構成としている。また、ＰＤＩＣを搭載するボンドステージはチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラの下方に配置される。また、微小ＬＤチップ認識カメラはカメラ光軸上に可動するターゲットが配置される構成されており、微小ＬＤチップ吸着コレットの下方に配置される。このような構成のボンディング装置において、基準位置設定のために、ターゲットに設けられた丸孔をバックライトで発光させ、白発光丸孔画像を微小ＬＤチップ認識カメラで取り込み基準位置設定を行う。次に、ＸＹＺ軸を移動させてチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラでターゲットに設けられた丸孔をバックライトで発光させることで白発光丸孔画像を取り込み基準位置設定を行うことで、ターゲットに対して微小ＬＤチップ認識カメラとチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラの相対位置演算を行う。

その後、ターゲットを微小ＬＤチップ認識カメラの光軸上から移動させ、ＸＹＺ軸をＬＤチップ吸着コレット先端が微小ＬＤチップ認識カメラの光軸上に来るように移動させ、丸孔内面を発光させることで白発光丸孔画像を微小ＬＤチップ認識カメラで取り込む。

その際のチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ基準位置からＬＤチップ吸着コレット先端丸孔中心距離は累積リードずれ量を含んだＸＹステージ移動距離となり、微小ＬＤ吸着コレット孔中心位置とチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識レンズ基準位置、微小ＬＤ認識レンズ基準位置の正確な総合相対ずれ量を算出することが可能となる。

本発明によれば、微小ＬＤチップ認識カメラとチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラとターゲットの相対的なずれ量検出と微小ＬＤ吸着コレット中心位置からチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ基準位置間移動時の累積リードずれ量検出を行うため、熱膨張補正動作を設定ボンディング回数、または設定時間経過ごとに行うことで正確な半導体位置合わせが可能となる。

また、微小ＬＤチップ吸着コレット孔中心とチップサブおよびＰＤＩＣチップ認識カメラの基準位置移動時の累積ずれ量が検出されることより、微小ＬＤチップ吸着コレットによる微小ＬＤチップの吸着位置決めについても、チップサブおよびＰＤＩＣチップ認識カメラ基準位置と合わせることで位置決めが可能となり、位置決め時に微小ＬＤチップを単眼鏡等で目視確認による位置設定や目視確認を考慮した微小ＬＤ吸着コレット先端形状にする必要がなく微小ＬＤチップに対して等分布荷重が印加できる形状にすることも可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態における半導体位置合わせ装置の構成を示す斜視図、図６は図１に示す半導体位置合わせ装置における高さ方向の構成を示す平面図である。

図１に示す構成において、ボンドヘッド部は、ボンディングヘッド１、微小ＬＤチップ吸着コレット２、θ軸モータ３を有しており、このボンドヘッド部側面にはＺ軸微動ステージ４、チップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５が取り付けられている。微小ＬＤチップ吸着コレット２先端からチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５までのＺ軸寸法差は、Ｚ軸微動ステージ４を用い、チップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５のＷＤ（Working distance）と同様の寸法としている。また、前記機構のすべては、ＸＹＺ軸ステージ６上に搭載されている。

ボンドステージ７はボンドヘッド部と相対する位置に固定されている。ターゲット部は、ＸＹＺ軸微動ステージ８に取り付けられた微小ＬＤ認識カメラ９と、微小ＬＤ認識カメラ９からＷＤだけ離れた位置に可動機構１０を持つ微小ＬＤチップ吸着コレット２の吸着丸孔と同サイズの丸孔を有する厚みｔ＝０．０５〜０．１ｍｍ厚のターゲット１１とにより構成されている。ターゲット孔位置は微小ＬＤチップ認識カメラ９のモニタ１２中央になるように調整している。

ボンドステージ７中心に対するターゲット部の位置は、ターゲット部のＸＹＺ軸微動ステージ８のＸＹ軸を用いターゲット１１および微小ＬＤチップ認識カメラ９から微小ＬＤチップ吸着孔中心位置からチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５中心までの寸法と同様の位置に配置している。

次に、本実施形態の半導体位置合わせ方法について説明する。

図２は微小ＬＤチップ認識カメラ基準位置の登録方法を説明するための説明図、図３はチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ基準位置の登録方法を説明するための説明図、図４は微小ＬＤチップ吸着コレット孔中心位置登録方法を説明するための説明図、図５は各チップ基準画像の登録方法を説明するための説明図であり、図２（ａ）〜図５（ａ）は斜視図、図２（ｂ）〜図５（ｂ）は側面図である。

まず、微小ＬＤチップ認識カメラ９の基準位置の登録を行う。すなわち、図２に示すように、微小ＬＤチップ認識カメラ９の光軸上にターゲット１１を移動させ、ターゲット１１の丸孔が微小ＬＤチップ認識カメラ９の中央に配置するように位置合わせを行い、ターゲット１１のＸＹ調整と微小ＬＤ認識カメラ９のＺ軸調整によりターゲット１１の丸孔に焦点を合わせる。その際、微小ＬＤチップ認識カメラ９の同軸照明はＯＦＦし、ターゲット１１の丸孔が微小認識カメラに対してバックライト光となるように背面からチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５の同軸照明光を当てる。これにより、微小ＬＤチップ認識カメラ９に取り込んだ白発光丸孔画像１３の重心位置を微小ＬＤ認識カメラ９の基準位置１４として登録する。なお、白発光丸孔画像１３を取り込む際には、重心位置ばらつき低減のため真円度確認を行う。

次に、図３のような構成において、チップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５の基準位置の登録を行う。すなわち、図３に示すように、微小ＬＤチップ認識カメラ９の光軸上にターゲット１１を移動した状態を保持したままで、ターゲット１１の丸孔がチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５の中央部分に配置するようにＸＹＺ軸ステージ６を移動させ、ターゲット１の丸孔の焦点を合わせる。その際、チップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５の同軸照明はＯＦＦし、ターゲット１１の丸孔がチップサブあるいはＰＤＩＣ認識カメラ５に対してバックライト光となるように、背面から微小ＬＤチップ認識カメラ９の同軸照明光を当てる。これにより、チップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５に取り込んだ白発光丸孔画像１５の重心位置をチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５の基準位置１６として登録する。

次に、微小ＬＤチップ認識カメラ９の光軸上からターゲット１１を移動させ、光軸をフリーな状態とする。すなわち、図４に示すように、ボンドヘッド部を搭載したＸＹＺ軸ステージ６を移動し、ボンドヘッド部の微小ＬＤチップ吸着コレット２先端丸孔を発光させ、白発光丸孔画像１７を微小ＬＤチップ認識カメラ９により取り込みを行う。その際、微小ＬＤチップ認識カメラ９の同軸照明ＯＦＦ状態とし、微小ＬＤチップ吸着コレット２孔外輪を認識しないようにする。なお、ＸＹＺ軸ステージ６のＸＹ軸移動軌跡１８は、実際のボンディング軌跡と同一のものとし、移動した後のチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５の位置はボンドステージ７の中心位置とＸＹ位置、および焦点が合致する配置とする。

以上により、微小ＬＤチップ吸着コレット２の位置は、微小ＬＤチップ認識カメラ９に登録した基準位置１４に対するずれ量と、微小ＬＤチップ認識カメラ９の基準位置１６とチップサブあるいはＰＤＩＣチップ１９の基準位置の相対ずれ量を算出し、ＸＹＺ軸ステージ６のＸＹ累積リード移動量を演算することで、微小ＬＤチップ吸着コレット２の孔中心点とチップサブおよびＬＤＰＤチップ認識レンズ基準点間移動時の累積リードずれ量が明確になる。

次に、搭載接合する各チップ基準パターンの登録を行う。本実施の形態では、チップサブあるいはＰＤＩＣチップ１９上の配線パターンおよび、微小ＬＤチップ２０裏面の配線パターンの登録方法について図５を用いて説明する。まず、チップサブあるいはＰＤＩＣチップ１９上の配線パターンの基準点はチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５の基準位置１４に合わせ画像登録する。また、微小ＬＤチップ２０裏面の配線パターンの基準位置１６は微小ＬＤチップ認識カメラ９の基準位置１６に合わせ画像登録する。なお、各カメラに対して配線パターン傾き角度はθ＝０°となるように登録する。

微小ＬＤチップ２０およびチップサブあるいはＰＤＩＣチップ１９の位置合わせにおいて、各登録画面に対する基準点のＸＹθのずれ量を画像処理にて演算し、それに微小ＬＤチップ吸着コレット２中心からチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５の基準位置間移動時の累積リードずれ量を加えた位置が搭載接合位置となる。

また、微小ＬＤチップ吸着コレット２孔中心からチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５基準位置までの距離が５０ｍｍの場合、微小ＬＤチップ吸着コレット２孔中心からチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５基準位置のオフセット量は、例えば、ボールねじの熱膨張係数１２×１０^−６／℃、温度変化２５℃〜３５℃の場合、理論熱膨張は、５０ｍｍ×（３５℃−２５℃）×１２×１０^−６／℃＝０．００６ｍｍとなる。よって、微小ＬＤチップ吸着コレット２の孔中心からチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５基準位置１４までの距離は５０．００６ｍｍ、ずれ量は０．００６ｍｍとなり、２５℃時のずれ量を基準にするとばらつきは０〜０．００６ｍｍの片方向ずれとなってしまう。

そこで、ＸＹステージのボールねじ近傍に温度センサーを取り付け、温度をモニタリングし最大、最小温度時のずれ位置データを収集し、ずれ量のレンジが必要とする精度範囲に入っていれば、それの平均ずれ量（中心値）を設定しておくことで、熱膨張補正時間の短縮をすることも可能である。

また、基準位置設定形状は、すべて同径の白発光丸孔に統一し、微小ＬＤチップ認識カメラ９、チップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５とターゲット１１の相対的なずれ量検出と微小ＬＤ吸着コレット２中心位置からチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ５の基準位置１４間の距離算出に基づく補正を行うため、特殊なターゲットを用いない補正が可能となる。

また、微小ＬＤチップ吸着コレット２の孔が詰まった場合には、微小ＬＤ吸着コレット２孔中心位置が異なる場合があるので、白発光丸孔画像を取り込む際には、重心位置ばらつき低減のため真円度確認を行う必要がある。

以上のように、本発明のかかる半導体位置合わせ構成および方法は、±３．８μｍ以下のスタックボンドに有用であり、特にボンドステージが移動不可能な装置に用いるのに適している。

本発明の一実施の形態における半導体位置合わせ装置を示す斜視図 本実施の形態における微小ＬＤチップ認識カメラ基準位置の登録方法を説明するための説明図 本実施の形態におけるチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ基準位置登録方法を説明するための説明図 本実施の形態における微小ＬＤチップ吸着コレット孔中心位置登録方法を説明するための説明図 本実施の形態における各チップ基準画像登録方法を説明するための説明図 図１の平面図 従来における半導体位置合わせ装置および位置合わせ方法を示す斜視図

符号の説明

１ ボンディングヘッド
２ 微小ＬＤチップ吸着コレット
３ θ軸モータ
４ Ｚ軸微動ステージ
５ チップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ
６ ＸＹＺ軸ステージ
７ ボンドステージ
８ ＸＹＺ軸微動ステージ
９ 微小ＬＤチップ認識カメラ
１０ 可動機構
１１ ターゲット
１２ モニタ
１３，１５，１７ 白発光丸孔画像
１４，１６ 基準位置
１８ ＸＹ軸移動軌跡
１９ チップサブあるいはＰＤＩＣチップ
２０ 微小ＬＤチップ
２１ ＸＹ軸ステージ
２２ ＸＺ軸ステージ

Claims (5)

1. ボンディングヘッド側面にチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラを固定し、ＸＹＺステージ上に搭載して、微小ＬＤ吸着コレットおよび前記チップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラが同時動作可能な構成とし、前記ボンディングヘッドに相対する位置でかつ前記チップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ側にボンドステージを固定配置し、前記微小ＬＤ吸着コレット側に可動するターゲットを光軸上に持つ微小ＬＤチップ認識カメラを固定配置したことを特徴とする半導体位置合わせ装置。
2. 基準位置設定に使用する画像の形状を、すべて同径の白発光丸孔に統一することを特徴とする請求項１記載の半導体位置合わせ装置。
3. 前記微小ＬＤチップ吸着コレット孔中心から前記チップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラ基準位置間の距離と前記微小ＬＤチップ認識カメラ基準位置から前記ボンドステージ中心間の距離が、各カメラの焦点距離が合致した状態で配置されていることを特徴とする請求項１記載の半導体位置合わせ装置。
4. ターゲットに設けられた丸孔をバックライトで発光させることによって形成した白発光丸孔画像を、微小ＬＤチップ認識カメラによって取り込み基準位置設定を行い、ＸＹＺ軸を移動させてチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラによって前記ターゲットに設けられた丸孔をバックライトで発光させることによって白発光丸孔画像を取り込み基準位置設定を行い、その後、前記ターゲットを前記微小ＬＤチップ認識カメラの光軸上から移動させ、ＸＹＺ軸を移動させてＬＤチップ吸着コレット先端の丸孔内面を発光させることによって白発光丸孔画像を前記微小ＬＤチップ認識カメラで取り込み、前記微小ＬＤチップ認識カメラに登録した基準位置と前記チップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識カメラに登録した位置の相対位置と前記微小ＬＤチップ認識カメラに登録した基準位置に対して、ＸＹＺ軸を移動させてＬＤチップ吸着コレット先端丸孔を発光させた白発光丸孔画像を得ることが可能な位置に移動させ、その際のＸＹステージの基準位置間移動時の累積リードずれ量補正より、微小ＬＤ吸着コレット孔中心位置とチップサブあるいはＰＤＩＣチップ認識レンズ基準位置、微小ＬＤ認識レンズ基準位置の正確な相対ずれ量を算出することを特徴とする半導体位置合わせ方法。
5. 前記微小ＬＤ吸着コレットの白発光丸孔画像を取り込み時に、真円度確認を行うことを特徴とする請求項４記載の半導体位置合わせ方法。

Images