JP2006310480A - 半導体装置の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、チップ認識カメラと基板認識カメラ相互における軸間の距離補正をなし、ボンディング精度の向上を図れる半導体装置の製造装置と製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造装置として、互いに同軸上に配置され互いに撮像視野を向き合わせて取付け固定される裏面認識カメラ１５およびチップ認識カメラ１８と、これら認識カメラ間に取出したチップ４を介在させるピックアップ反転ツール８と、このピックアップ反転ツールからチップを受け取るボンディングツール１７を備え、チップを基板２１にボンディングさせるボンディングヘッド１６と、基板に対向して設けられ撮像範囲が変動自在な基板認識カメラ２３と、ボンディングヘッドに取付けられボンディングツールとともに移動する補正用ターゲットＳとを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品としてのチップを基板（もしくは、フレーム）にボンディングして作られる半導体装置の製造装置および製造方法に関する。

半導体ウエハから作られたチップ（電子部品）を、バンプ（突起電極）を介して実装基板の表面（もしくは、フレーム：以下同じ）にフェースダウン（電極を下向き）方向に超音波を印加してボンディング（実装）をなすことで半導体装置が得られる。このような半導体装置を製造する製造装置として、フリップチップボンダなどのボンディング装置が知られている。

上記フリップチップボンダにおいて、ウエハステージ上に供給されるダイシングされた半導体ウエハをウエハ認識カメラで撮像し、その撮像結果からピックアップ位置を補正されたピックアップ反転ツールがチップをピックアップする。そして、ピックアップ反転ツールを上下に反転させ、裏面認識カメラでチップを撮像する。その撮像結果にもとづいて、ボンディングヘッドのボンディングツールへチップが受け渡される。

ここでチップは、チップ認識カメラで撮像され、撮像結果からチップの位置ずれ量が算出される。一方、基板ステージ上の基板は基板認識カメラで撮像され、撮像結果から基板の位置ずれ量が求められる。そして、ボンディングツールに保持されたチップの位置ずれ量および基板の位置ずれ量から、基板に対するチップのボンディング位置が算出され、その位置を補正したうえでチップが基板にボンディングされる。

［特許文献１］には、チップのボンディング位置算出を行う間に予め教示された位置にチップを移動し、撮像にもとづいて算出されたボンディング位置にチップを位置決めしてボンディングする技術と、ピップアップ反転ツールの斜め下方にチップ認識カメラを配置し、チップがピックアップ反転ツールから離脱したときにチップを撮像する技術が開示されている。したがって、ボンディングヘッドの動作を停止させずにボンディングツールに保持されたチップを撮像でき、認識に要する時間を短縮できる、とある。
特開２００４−１０３６０３号公報

ところで、製造装置を停止した状態から運転を開始すると、あるいは運転継続中でも、認識カメラを構成する鏡筒の温度変化や、認識カメラを支持する支持部材の温度変化の影響で、認識カメラ位置が微妙に変化してしまう。すなわち、製造装置の環境の変化、あるいは運転継続により、認識カメラ相互における軸間の距離が変化してボンディング精度に影響が出る虞れがある。

理想的には、チップ認識カメラと基板認識カメラを同軸上に配置し、これらの間に補正用ターゲットを介在させ、各認識カメラにより補正用ターゲットを同時に撮像し認識する。それぞれの撮像結果にもとづいて各認識カメラの位置の補正ができれば、チップを基板にボンディングする際の位置ずれがなく、ボンディング精度が飛躍的に増大する。

しかしながら、実際には、ピックアップ反転ツールがチップをピックアップし反転した状態で、そのチップを撮像する裏面認識カメラが上方部位に取付けられ、ピックアップ反転ツールからボンディングツールに受け渡されたチップを認識するチップ認識カメラが下方部位に取付けられる。

当初は、裏面認識カメラの軸線から外れた位置にチップ認識カメラの軸線を設定して、裏面認識カメラでチップを認識したあと、チップの位置を移動してチップ認識カメラに対向させ認識していた。したがって、チップを移動するための一動作が必要であったが、この動作を不要として駆動機構の簡素化を図るため、裏面認識カメラとチップ認識カメラを同軸上の上下部位に取付けるように変っている。

しかしながら、上述した［特許文献１］では、チップ認識カメラと基板認識カメラ相互における軸間の距離の補正をなす考えはない。そして、現在用いられている半導体装置の製造装置では、既に、チップ認識カメラと同軸上に裏面認識カメラが配置されていて、チップ認識カメラと同軸上に基板認識カメラを配置することは不可能な構成となっている。

本発明は上記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、電子部品と基板とを別個の撮像手段で撮像し認識して位置合わせすることと、上記撮像手段を同一の軸線上に配置できない構成であることを前提として、各撮像手段相互における軸間の距離の補正を確実になして、ボンディング精度の向上を図れる半導体装置の製造装置および製造方法を提供しようとするものである。

上記目的を達成するため本発明の半導体装置の製造装置は、互いに同軸上に配置され互いに撮像視野を向き合わせて取付けられる第１の撮像手段および第２の撮像手段と、第１の撮像手段と第２の撮像手段との間に所定の箇所から取出した電子部品を介在させるピックアップ反転ツールと、ピックアップ反転ツールから電子部品を受け取るボンディングツールを備えボンディングツールを基板位置まで移動して電子部品を基板にボンディングさせるボンディングヘッドと、基板に対向して設けられ撮像範囲が変動自在な第３の撮像手段と、ボンディングヘッドに取付けられボンディングツールとともに移動する補正用ターゲットとを具備する。

上記目的を達成するため本発明の半導体装置の製造方法は、所定時間以上運転停止したあと基板に電子部品をボンディングして半導体装置を製造する運転を開始したとき、もしくは運転開始したあと所定時間経過後、もしくは運転中において所定時間毎に、ボンディングヘッドを移動しボンディングヘッドに取付けられた補正用ターゲットを第２の撮像手段に対向して位置させる第１の工程と、第２の撮像手段により補正用ターゲットを撮像して認識しその撮像結果から補正用ターゲットに対する第２の撮像手段の位置ずれ量を算出する第２の工程と、ボンディングヘッドを移動し補正用ターゲットを第３の撮像手段に対向させる第３の工程と、第３の撮像手段により補正用ターゲットを撮像して認識しその撮像結果から補正ターゲットに対する第３の撮像手段の位置ずれ量を算出する第４の工程と、予め記憶された第２の撮像手段から第３の撮像手段までのボンディングヘッドの移動量と補正用ターゲットに対する認識結果をもとに第２の撮像手段から第３の撮像手段までの距離のずれ量を算出する第５の工程と、第２の撮像手段から第３の撮像手段までの距離のずれ量の算出結果に応じてボンディングを移動補正する第６の工程とを具備する。

本発明によれば、電子部品と基板とを別個に撮像する撮像手段を同一の軸線上に配置できない構成であっても、各撮像手段相互における軸間の距離の補正を確実になして、ボンディング精度の向上を図れる等の効果を奏する。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体装置の製造装置を示していて、この製造装置は電子部品（以下、「チップ」と呼ぶ）の供給部としてのウエハステージ１を備えている。このウエハステージ１はベース２ａ上に順次設けられたＸＹテーブル２およびθテーブル３を有し、θテーブル３上には多数のチップ４に分割され図示しないシートに粘着された半導体ウエハ５が載置される。

上記チップ４はピックアップ反転ユニット７によって取出されるようになっている。このピックアップ反転ユニット７は、略Ｌ字状に成形されたピックアップ反転ツール８を有している。ピックアップ反転ツール８は、先端部にチップ４を真空吸着するノズル９を備え、基端部はＺ方向に移動自在なＺテーブル１０に設けられた取付け部１１を介して、同図に実線で示す状態から二点鎖線で示す状態、すなわち水平方向に１８０度の範囲で回転駆動させられるように取付けられる。上記Ｚテーブル１０は、Ｚガイド１２に沿ってＺ方向に駆動されるようになっている。

上記半導体ウエハ５は、ウエハステージ１の上方に配置されたウエハ認識カメラ１３によって撮像される。このウエハ認識カメラ１３の撮像信号にもとづいて上記ピックアップ反転ツール８によってピックアップされるチップ４の位置決めが行われる。すなわち、半導体ウエハ５を載置するウエハステージ１をＸＹテーブル２およびθテーブル３によりＸ方向とＹ方向、およびθ方向に位置決めするようになっている。

図１に二点鎖線位置から実線で示す状態に反転するピックアップ反転ツール８にピックアップされたチップ４は、チップ４の上方部位に取付け固定される裏面認識カメラ（第１の撮像手段）１５によって撮像される。この裏面認識カメラ１５による認識結果にもとづいて、チップ４は後述するボンディング機構２０を構成するボンディングヘッド１６のボンディングツール１７に受け渡されるようになっている。

なお説明すると、ピックアップ反転ツール８によってピックアップされ上下面が反転されると、この上方部位に移動していたボンディングツール１７が下降し、チップ４を吸着する。チップ４は、ピックアップ反転ツール８からボンディングツール１７に受け渡されることになる。

ボンディングツール１７のチップ４吸着位置で、かつチップ４の下方部位には、チップ認識カメラ（第２の撮像手段）１８が配置される。ボンディングツール１７にチップ４が受け渡され、ピックアップ反転ツール８が元の二点鎖線で示す位置に戻ったあと、チップ４はボンディングツール１７に吸着保持された状態でチップ認識カメラ１８によって撮像される。このチップ認識カメラ１８と上記裏面認識カメラ１５は、互いに図示しない支持手段に取付け固定されるとともに、互いに同軸（Ｌａ）上に配置される。

後述するように上記チップ４が実装される基板２１は、ボンディングステージ（基板ステージ）２２上に載置され、この上方部位に配置される基板認識カメラ（第３の撮像手段）２３によって撮像される。
上記基板認識カメラ２３は、Ｚテーブル２４ａに取付け支持されてＺ方向に沿って駆動可能であり、上記Ｚテーブル２４ａはＹテーブル２４ｂによってＹ方向に沿って駆動可能である。そして、Ｙテーブル２４ｂによってＸ方向に沿って駆動可能であるので、上記基板認識カメラ２３はボンディングステージ２２上の基板２１に対して相対的にＸ、Ｙ、Ｚ方向に駆動可能である。

つぎに、上記ボンディング機構２０について詳述すると、ボンディング機構２０はベース２５を有する。このベース２５上には、Ｘテーブル２６がＸ方向に沿って駆動可能に設けられている。Ｘテーブル２６には、Ｙテーブル２７がＹ方向に沿って駆動可能に設けられ、Ｙテーブル２７にはＺテーブル２８がＺ方向に駆動可能に設けられている。

上記Ｚテーブル２８には、上記ボンディングツール１７を備えた上記ボンディングヘッド１６が設けられている。ボンディングヘッド１６はＺテーブル２８の上面に設けられたθ調整機構２９を有する。Ｚテーブル２８の下面には、上記θ調整機構２９によってθ方向に位置決め可能な一対の板状部材（一方のみ図示）からなるヘッド本体３０が設けられている。なお、上記θ方向は、上記Ｘ方向とＹ方向とがなす平面に直交する軸線を中心にした回転方向である。

上記ヘッド本体３０の先端に超音波ホーン３１が取付けられ、この超音波ホーン３１の先端にチップ４を吸着する上記ボンディングツール１７が設けられる。さらに、ヘッド本体３０は駆動部材と加圧アクチュエータおよび荷重センサを備えている。
加圧アクチュエータが作動して荷重センサが押圧されると、駆動部材を介して超音波ホーン３１とボンディングツール１７が下降して、ボンディングツール１７に吸着保持されるチップ４を基板２１に接触させ、加圧するとともに超音波振動を発生させてボンディングするようになっている。

ボンディング機構２０におけるＺテーブル２８には、上記ボンディングヘッド１６とともに、後述する補正用ターゲットＳを備えたターゲット機構４０が取付けられる。上記ターゲット機構４０はＺテーブル２８の側部に取付けられ、下方に延長される。そして、この下端部は水平方向に折曲され、折曲部に上記補正用ターゲットＳが設けられている。

この半導体装置の製造装置は、メインコントローラ（制御手段）５０を備えている。上記メインコントローラ５０は画像認識制御部を内蔵しており、この画像認識制御部には上記ウエハ認識カメラ１３、裏面認識カメラ１５、チップ認識カメラ１８および基板認識カメラ２３が電気的に接続されている。

さらに、上記メインコントローラ５０は、ウエハステージ１の駆動を制御するウエハステージ制御部、ピックアップ反転ユニット７の駆動を制御するピックアップ制御部、ボンディングステージ２２の駆動を制御するボンディングステージ制御部、基板認識カメラ２３の駆動を制御するカメラ移動制御部およびボンディングヘッド１６の駆動を制御するボンディングヘッド制御部を備えている。

上記補正用ターゲットＳを有するターゲット機構４０は、ボンディングヘッド１６とともにＺテーブル２２に取付けられている。したがって、メインコントローラ５０に接続されるボンディングヘッド制御部によって、ボンディングヘッド１６と同時に移動を制御されるようになっている。

このようにして構成される半導体装置の製造装置であり、朝一番の始動にあたって、以下に述べるようなチップ認識カメラ１８と基板認識カメラ２３間の位置ずれを算出して、これらチップ認識カメラ１８と基板認識カメラ２３相互における軸間の距離の補正をなす。あるいは、起動してから数分後に行う、あるいは運転中においても所定時間毎に行うとよい。

すなわち、たとえば製造装置を所定時間以上停止したあと運転を再開すると、もしくは起動してから数分後において、あるいは運転中においても、各認識カメラ１８，２３自体の温度変化と、カメラの支持手段における温度変化の影響で、各認識カメラ１８，２３のカメラ軸が極く微妙な範囲で位置ずれを起す虞れがある。そのまま半導体装置を製造すると、チップ４の基板２１に対するボンディング位置精度に狂いが生じる。

以下、チップ認識カメラ１８と基板認識カメラ２３相互における軸間の距離を補正する手段について、図２および図３に模式的に示す動作図と、図４のフローチャート図から説明する。
メインコントローラ５０は、上記したような朝一番の始動等のタイミングでボンディングヘッド制御部を制御し、ボンディングヘッド１６を移動する。図２に模式的に示すように、ボンディングヘッド１６とともにターゲット機構４０が移動して、ターゲット機構４０に設けられる補正用ターゲットＳがチップ認識カメラ１８の軸線Ｌａ上に到達した状態でボンディングヘッド１６の移動を停止する。

すなわち、図４におけるステップＴ１で、ボンディングヘッド１６を駆動して、チップ認識カメラ１８の直上に補正用ターゲットＳを位置させる操作を行う。このとき、上記ピックアップ反転ユニット７におけるピックアップ反転ツール８は、先端に設けられるピックアップ部８ａを上記ウエハステージ１の上方部位に位置させていて、チップ認識カメラ１８の軸線Ｌａ上に存在しない。

つぎに、ステップＴ２に移って、チップ認識カメラ１８は補正用ターゲットＳを撮像し、その撮像信号を上記メインコントローラ５０へ送る。撮像信号を受けたメインコントローラ５０は、撮像信号を認識して撮像結果からチップ認識カメラ１８の軸線Ｌａに対する位置ずれ量を算出する。

つぎに、ステップＴ３に移って、メインコントローラ５０はボンディングヘッド制御部を制御し、ボンディングヘッド１６とともにターゲット機構４０を移動する。すなわち、チップ認識カメラ１８が補正用ターゲットＳを撮像し、ボンディングヘッド１６とターゲット機構４０を予め設定され記憶された軸線Ｌａから軸線Ｌｂまでの距離を移動する。

ボンディングヘッド１６およびターゲット機構４０の移動を終了したあと、ステップＴ４に移って、図３に模式的に示すように、基板認識カメラ２３で補正用ターゲットＳを撮像し、その撮像信号をメインコントローラ５０に送る。メインコントローラ５０では撮像結果にもとづいて補正用ターゲットＳを認識し、補正ターゲットＳに対する基板認識カメラ２３の位置ずれ量を算出する。

そして、ステップＴ５に移って、メインコントローラ５０は駆動機構のエンコーダより算出され、予め記憶されたボンディングヘッド１６の軸Ｌａから軸Ｌｂまでの移動量と、補正用ターゲットＳに対する認識結果をもとに、チップ認識カメラ１８と基板認識カメラ２３のずれ量を算出する。

そのあと、ステップＴ６に移って、チップ認識カメラ１８に対する基板認識カメラ２３の位置を調整する。すなわち、チップ認識カメラ１８に対する基板認識カメラ２３相互間における軸間の距離の補正をなす。

このように、補正用ターゲットＳを用いてチップ認識カメラ１８と基板認識カメラ２３相互間における軸間の距離の補正をなしてから、実際のボンディング作用が開始される。再び図１に示すように、ダイシングされウエハステージ１上に供給された半導体ウエハ５をウエハ認識カメラ１３で撮像し、その撮像結果からピックアップ位置を補正して、ピックアップ反転ツール８によってピックアップする。

そのあと、ピックアップ反転ツール８は上下面を反転し、一旦停止する。この状態で、裏面認識カメラ１５はチップ４を撮像し、撮像結果にもとづいてボンディングヘッド１６を構成するボンディングツール１７が移動してきてチップ４を吸着する。ピックアップ反転ツール８はボンディングツール１７にチップを受け渡したあと、元の二点鎖線に示す状態、すなわち１８０度回転する。したがって、ボンディングツール１７に下面が吸着されるチップ４とチップ認識カメラ１８との間には何らの介在物も存在しない。

メインコントローラ５０はチップ認識カメラ１８に撮像の指令を出し、チップ認識カメラ１８はチップ４を撮像して、その撮像信号をメインコントローラ５０へ送る。その一方で、メインコントローラ５０は基板認識カメラ２３に撮像の指令を出し、基板認識カメラ２３はボンディングステージ２２上の基板２１を撮像して、その撮像信号をメインコントローラ５０へ送る。

チップ認識カメラ１８によって撮像されたチップ４の撮像信号と、基板認識カメラ２３によって撮像された基板２１の撮像信号は、上記画像認識制御部で処理される。基板２１上におけるチップ４のボンディング位置が決定され、その決定にもとづいてボンディングヘッド１６、つまりチップ４が位置決めされる。先に述べたように、補正用ターゲットＳを移動してチップ認識カメラ１８と基板認識カメラ２３相互における軸間の距離を補正しているので、チップ４のボンディング位置を極めて高精度に捉えることができる。

実際のボンディング処理は、ボンディングヘッド１６に備えられる加圧アクチュエータが作動し、その作動子が荷重センサを押圧する。荷重センサが押圧されると、駆動部材を介して超音波ホーンの先端部に設けられたボンディングツール１７が下降する。

上記ボンディングツール１７の先端に吸着保持されるチップ４が基板２１の指示された部位に接触し、かつ揺動部材の作用でチップ４を基板２１に所定の圧力で加圧する。同時に、超音波ホーンが超音波振動をなし、チップ４は基板２１にボンディングされることとなる。

このように、チップ４と基板２１をそれぞれ別個の認識カメラ１８，２３で認識して、基板２１に対するチップ４のボンディング位置の位置合せをなすフリップチップボンダにおいては、チップ認識カメラ１８の直上部位に裏面認識カメラ１５が設置されて、チップ認識カメラ１８と基板認識カメラ２３を同軸上に位置できない構成となっている。

しかしながら、補正用ターゲットＳをボンディングヘッド１６に備えて、チップ認識カメラ１８の軸Ｌａから基板認識カメラ２３の軸Ｌｂへ移動することにより、認識カメラ相互における軸間の距離の補正ができ、ボンディング精度の向上化を図れる。認識カメラ１８，２３が経時変化の影響を受けたとしても、またボンディングヘッド１６自体が経時変化の影響を受けたとしても、ボンディング精度を高く保持できることとなる。

また、本発明は上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。そして、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。

本発明の実施の形態に係る、フリップチップボンダ要部の概略斜視図。 同実施の形態に係る、補正用ターゲットを用いたチップ認識カメラと基板認識カメラ相互における軸間の距離を補正する第１段階を説明する図。 同実施の形態に係る、補正用ターゲットを用いたチップ認識カメラと基板認識カメラ相互における軸間の距離を補正する第２段階を説明する図。 補正用ターゲットを用いたチップ認識カメラと基板認識カメラ相互における軸間の距離を補正するフローチャート図。

符号の説明

２１…基板、４…チップ（電子部品）、８…ピックアップ反転ツール、１７…ボンディングツール、１５…裏面認識カメラ（第１の撮像手段）、１８…チップ認識カメラ（第２の撮像手段）、２３…基板認識カメラ（第３の撮像手段）、Ｓ…補正用ターゲット、５０…メインコントローラ（制御手段）。

Claims (3)

1. 互いに同軸上に配置され、互いに撮像視野を向き合わせて取付けられる第１の撮像手段および第２の撮像手段と、
   これら第１の撮像手段と第２の撮像手段との間に、所定の箇所から取出した電子部品を介在させるピックアップ反転ツールと、
   このピックアップ反転ツールから上記電子部品を受け取るボンディングツールを備え、ボンディングツールを基板位置まで移動して、電子部品を基板にボンディングさせるボンディングヘッドと、
   上記基板に対向して設けられ、撮像範囲が変動自在な第３の撮像手段と、
   上記ボンディングヘッドに取付けられ、ボンディングツールとともに移動する補正用ターゲットと
   を具備することを特徴とする半導体装置の製造装置。
2. 上記補正用ターゲットを上記第２の撮像手段の撮像位置に移動し撮像して認識させたあと、上記補正用ターゲットを上記第３の撮像手段の撮像位置に移動し撮像して認識させ、予め設定された第２の撮像手段から第３の撮像手段まで距離と、第２の撮像手段および第３の撮像手段による補正用ターゲットの認識結果をもとに、第２の撮像手段に対する第３の撮像手段の位置ずれ量を算出して上記ボンディングヘッドを移動補正する制御手段とを具備することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造装置。
3. 所定時間以上運転停止したあと、基板に電子部品をボンディングして半導体装置を製造する運転を開始したとき、もしくは運転開始したあと所定時間経過後、もしくは運転中において所定時間毎に、
   ボンディングヘッドを移動し、ボンディングヘッドに取付けられた補正用ターゲットを第２の撮像手段に対向して位置させる第１の工程と、
   上記第２の撮像手段により上記補正用ターゲットを撮像して認識し、その撮像結果から補正用ターゲットに対する第２の撮像手段の位置ずれ量を算出する第２の工程と、
   上記ボンディングヘッドを移動し、補正用ターゲットを第３の撮像手段に対向させる第３の工程と、
   上記第３の撮像手段により補正用ターゲットを撮像して認識し、その撮像結果から補正ターゲットに対する第３の撮像手段の位置ずれ量を算出する第４の工程と、
   予め記憶された第２の撮像手段から第３の撮像手段までのボンディングヘッドの移動量と、補正用ターゲットに対する認識結果をもとに、第２の撮像手段から第３の撮像手段までの距離のずれ量を算出する第５の工程と、
   第２の撮像手段から第３の撮像手段までの距離のずれ量の算出結果に応じて、上記ボンディングヘッドを移動補正する第６の工程と
   を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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