JP3838561B2 - 実装装置および実装方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２視野光学系を備えた実装装置および実装方法に関し、とくに、この光学系を薄く構成し、被接合物間に挿入するためのスペースを小さくでき、実装精度の向上、タクトの短縮をともに可能とする実装装置および実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被接合物間に２視野光学系を進退可能に挿入し、両被接合物側のアライメントマークを読み取り、読み取り情報に基づいて両被接合物の相対位置を所定の精度範囲内に納まるよう修正し、位置合わせされた被接合物同士を接合するようにした実装装置が知られている。たとえば、被接合物としてのチップと基板を上下に対向配置し、チップと基板間に２視野カメラを挿入して、チップ側と基板側のアライメントマークを読み取るようにした実装装置が知られている。
【０００３】
たとえば、特許第２８１１８５６号公報には、図８に示すように、チップ１０１と基板１０２との間に上下別々にミラー１０３、１０４を設け、ミラー１０３、１０４での反射を介してカメラ１０５、１０６によりチップ１０１側と基板１０２側のアライメントマークをそれぞれ読み取るようにした構造が開示されている。
【０００４】
しかしながら、上記の従来構造においては、上下別々にミラー機構を重ねてアライメントマークを読み取るようにしているため、光学系が厚くなり、チップ１０１と基板１０２との間に大きな隙間を形成することが必要である。また、カメラ１０５、１０６も上下に重ねて配置されているため、上記隙間は、少なくともこれらカメラ１０５、１０６の厚み以下には小さくできない構造となっている。アライメント後の接合時には、アライメント時の間隔から実際に接合する位置までチップ１０１を保持しているヘッドを下降させる必要があるが、たとえば光軸がこの下降動作の軸（移動機構の軸）に対して傾いていると、この下降時に基板１０２に対するチップ１０１の位置ずれが発生する。ヘッドの移動軸方向（つまり、上下軸方向〔Ｚ方向〕）における移動代が大きければ大きいほど、この位置ずれも大きくなり、この位置ずれによる誤差が実装精度に大きな影響を及ぼすことになる。また、上記下降動作におけるＺ方向ストロークが長くなる分、実装タクトにも影響が出ることになる。実装分野では、１チップあたり１〜３秒程度の実装速度が要求されるので、通常このストロークが約５ｃｍ違うと約０．５秒程度のロスが発生し、このロスは、生産性への影響においては実に１６％〜５０％にも及ぶ。
【０００５】
また、上記従来技術においては、精度の上では、ミラー１０３、１０４を調整して、たとえば、各調整ネジ１０７で傾きを調整できるようにして上下の光軸を合わせるようにしているが、この調整のためにミラー支持部には摺動部や回動部が存在することとなっている。摺動部や回動部を持てば、それはある程度のガタや機械誤差を有し、たとえば約４μｍ程度のガタや機械誤差を有することになるから、数μｍの精度を要求されるチップ実装装置においては精度上大きな影響を及ぼすことになる。
【０００６】
さらに、このように上下の光軸を合わせるために各ミラーを調整ネジで傾きを調整できるようにすると、この調整ネジが光学系の温度変化（たとえば、５℃程度の温度変化）に伴って熱膨張し、該熱膨張により長さが変わってしまうため、ミラーの位置や傾きが変化し、その分実装精度に影響（例えば、５℃程度の温度変化で５μｍ程度の影響）を及ぼしてしまうこととなっている。
【０００７】
上記特許第２８１１８５６号公報には、さらに、図９に示すように、回動可能な両面ミラー１１１を設け、上下のアライメントマークを交互に読み取ることができるように両面ミラー１１１を回動させてストッパーネジ１１２等によりミラー１１の傾きを所定の傾きに調整して、カメラ１１３で読み取るようにした構造も開示されている。しかし、このような両面ミラー１１１回動機構を備えた実装装置においても、図８に示した構造と同様に、ミラー回動機構が必要となるため上下被接合物間の間隔を小さくすることは困難であり、前記同様の接合動作時の光軸のずれによる位置ずれや、ミラーの回動に要する時間および長いストロークによるタクトへの影響の問題があり、さらに、ストッパーネジ１１２による傾き機構のガタや機械誤差に起因する、あるいは、ネジ１１２の熱膨張に伴う実装精度への影響の問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記のような従来技術における問題点に着目し、両被接合物間に挿入される光学系を薄く構成でき、それによって両被接合物が接合される際の位置ずれを抑えることのできる、実装精度、タクト上極めて有利な、かつ、調整ネジのガタや機械誤差による実装精度への影響のおそれがなく、しかも、光学系の熱膨張による光軸のずれ等についても、そのおそれを除去できるか極めて小さく抑えることができる、高精度実装が可能な実装装置および実装方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る実装装置は、対向する被接合物間に両被接合物方向に光軸を有する２視野光学系を挿入して両被接合物側の位置合わせ用マークを読み取り、読み取り情報に基づいて両被接合物の相対位置を所定の精度範囲内に入るように補正するとともに、２視野光学系を退避させて被接合物同士を接合する実装装置において、前記２視野光学系内に、２個の９０度プリズムが、背面合わせにされた固定の相対位置関係にて、対向する被接合物間に進退される光学系ベース板に固定されており、前記２個の９０度プリズムにより前記両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の各光軸が通る光路に、各被接合物側からの位置合わせ用マーク情報を認識するマーク認識手段が設けられており、前記マーク認識手段が前記光学系ベース板の外側に配置されており、前記２個の９０度プリズムにより前記両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の、前記２個の９０度プリズムから前記マーク認識手段に至るまでの光路に設けられた光学部品が、同一の前記光学系ベース板に固定されており、前記２個の９０度プリズムの一方の９０度プリズムと一方の被接合物との間の光軸と、他方の９０度プリズムと他方の被接合物との間の光軸とのずれをキャリブレーションするために、被接合物同士を接合するための移動機構と一体的に前記両光軸間に移動され、各光軸を介して読み取り可能な基準マークを有するキャリブレーション用治具を有し、該キャリブレーション用治具は前記両光軸のそれぞれの位置に移動され、各位置で該キャリブレーション用治具上の同一の基準マークが読み取られ、かつ、キャリブレーション時の温度を検知可能な温度センサーが設けられていることを特徴とするものからなる。
【００１１】
すなわち、本発明においては、従来装置で使用していたようなミラーは使用せず、代わりに、背面合わせにされた２個の９０度プリズムを使用し、位置や傾き調整機構を持たない状態で、該２個の９０度プリズムを光学系ベース板に直接固定したものであり、この構成により、必要な光軸、光路を形成する２視野光学系を薄く構成できるようにしたものである。上記マーク認識手段を上記光学系ベース板の外側に、とくに両被接合物の保持手段と干渉しない外側の位置に配置すれば、マーク認識手段の厚みはもはや両被接合物間の間隔の律則とはならず、該間隔を容易にマーク認識手段の厚み以下にすることが可能となり、２視野光学系挿入のための両被接合物間の間隔をさらに小さくすることが可能となる。
【００１２】
また、従来のミラーを用いた機構では、ミラーを別部材で固定したり調整部材で傾き等を調整したりする必要があり、それら別部材の熱膨張の影響を受けて位置ずれが生じ、実装精度を低下させる要因となっていたが、本発明では、上記背面合わせにされた２個の９０度プリズムを、直接光学系ベース板に固定することにより、これら別部材の熱膨張による影響を実質的に除去できる。とくに、光学系ベース板を９０度プリズムと実質的に同じ熱膨張率を有する材料で構成しておけば、ベース板、プリズムともに低熱膨張でかつ熱膨張差の生じない状態で光学系を構成でき、光学系における熱膨張による影響をより完全に排除できる。さらに、２個の９０度プリズムにより両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の、該２個の９０度プリズムからマーク認識手段に至るまでの光路に設けられた光学部品（たとえば、ハーフミラーや上記９０度プリズム以外のプリズムからなる光学部品）を、同一の光学系ベース板に固定した構成とすることにより、各光学部品間でのずれも小さく抑えることが可能となり、熱膨張による光学系への影響をより一層完全に排除できる。
【００１３】
また、本発明においては、背面合わせにされた２個の９０度プリズムは初期的に一定の位置関係にて直接光学系ベース板に固定されるが、この場合、両９０度プリズム間に介在する蒸着膜や接着剤層の厚み分、各々の９０度プリズムの光軸は必然的に一定分ずれることになる。本発明では上述したように調整機構は持っておらず、この光軸のずれが許容されたまま使用されることになるが、両被接合物のアライメントにおいては、この光軸のずれはキャリブレーションによってキャンセルすることができ、該キャリブレーションによってアライメントの精度、ひいては、アライメント後の実装精度が、極めて高精度に保たれる。２個の９０度プリズムの一方の９０度プリズムと一方の被接合物との間の光軸と、他方の９０度プリズムと他方の被接合物との間の光軸とのずれをキャリブレーションするためには、被接合物同士を接合するための移動機構と一体的に上記両光軸間に移動され、各光軸を介して読み取り可能な基準マークを有するキャリブレーション用治具を設け、該キャリブレーション用治具を上記両光軸のそれぞれの位置に移動させ、各位置で該キャリブレーション用治具上の同一の基準マークを読み取ることにより、両光軸間のずれを予め決まった値として得ることができ、そのずれ量をアライメント動作にフィードバックすることにより、上記光軸間のずれを許容したまま高精度のアライメントを行うことが可能となる。
【００１４】
このようなキャリブレーションは、そのときの温度の影響、たとえば前記光学系ベース板の温度や周囲の雰囲気温度の影響を受ける可能性があるので、そのような影響も考慮してより高精度にキャリブレーションするために、キャリブレーション時の温度を検知可能な温度センサーを設けておくのである。温度センサーを光学系ベース板に取り付けておけば、光学系への熱的影響も正確にかつタイムリーに検知できるようになる。
【００１５】
上記光学系ベース板や前記２個の９０度プリズム周囲には、該２個の９０度プリズムに両被接合物側からのアメイメントマーク情報（位置合わせ用マーク情報）を取り込むために、マーク読み取り口を形成した構成とすることができる。また、被接合物保持手段等に内蔵されたヒータ等から光学系への熱的影響をより抑制するために、前記２個の９０度プリズムに至る、少なくとも一方の被接合物側の位置合わせ用マークの読み取り口の周辺にカバーが設けられ、該カバーが該被接合物側からの輻射熱の反射板に構成されている構造を採用することもできる。別部材としての反射板カバーを設ける以外、たとえば光学系ベース板の読み取り口における表面を、極めて表面粗さの小さい鏡面に仕上げ、その面に輻射熱の反射機能を持たせることも可能である。そして、被接合物を加熱する場合、その加熱による温度上昇により、上２個の９０度プリズムに至るマークとプリズム間の空気が熱され、位置合わせ用マークの読み取り口と被接合物との間にゆらぎ現象が生じ、位置合わせ用マークの読み取り画像の認識精度が低下することがある。このような画像認識精度の低下を防止するためには、少なくとも一方の被接合物側の位置合わせ用マークの読み取り口と、該被接合物との間に対し、エアブロー手段を設けておくことが好ましく、該手段によるエアブローにより、ゆらぎ現象を抑制することができる。また、このエアブローにより、上述の輻射熱反射板で処理できないマーク読み取り口を冷却することにもなり、反射板領域もカバーすれば、輻射熱反射板の蓄熱を防止することにも兼用できる。
【００１６】
同軸落射光を付与する場合光軸間にハーフミラー等を設けた場合には、画像解像度が低下し、ハレーションを起こすなどの問題の発生が懸念される。すなわち、２個の９０度プリズムにより両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の、前記２個の９０度プリズムから各マーク認識手段に至るまでの各光路に対し、該各光路外から該各光路と同光軸にて、該各光路および前記２個の９０度プリズムと前記両被接合物との間の各光路における同軸落射光が付与されている構成とすることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る実装方法は、対向する被接合物間に両被接合物方向に光軸を有する２視野光学系を挿入して各被接合物側の位置合わせ用マークをマーク認識手段により読み取り、読み取り情報に基づいて両被接合物の相対位置を所定の精度範囲内に入るように補正するとともに、２視野光学系を退避させて被接合物同士を接合する実装方法において、前記２視野光学系内に、２個の９０度プリズムを、背面合わせにされた固定の相対位置関係にて、対向する被接合物間に進退される光学系ベース板に固定し、前記２個の９０度プリズムにより前記両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の各光軸が通る光路にて、前記マーク認識手段により各被接合物側からの位置合わせ用マーク情報を認識し、前記光学系ベース板の外側から前記マーク認識手段により各被接合物側からの位置合わせ用マーク情報を認識し、前記２個の９０度プリズムの一方の９０度プリズムと一方の被接合物との間の光軸と、他方の９０度プリズムと他方の被接合物との間の光軸とのずれを、基準マークを有するキャリブレーション用治具を両光軸間で被接合物同士を接合するための移動機構と一体的に前記両光軸のそれぞれの位置に移動させ、該キャリブレーション用治具における同一の基準マークを両マーク認識手段で認識することにより、前記移動機構の移動軸に対する両光軸間のずれを予め決まった値として得てそのずれ量に基づきキャリブレーションするとともに、キャリブレーションを２視野光学系における一定の温度変化毎に行うことを特徴とする方法からなる。
【００１８】
この実装方法においても、アライメント時に両被接合物間の間隔を小さくするために、前記光学系ベース板の外側から前記マーク認識手段により各被接合物側からの位置合わせ用マーク情報を認識する。
【００１９】
また、前記２個の９０度プリズムの一方の９０度プリズムと一方の被接合物との間の光軸と、他方の９０度プリズムと他方の被接合物との間の光軸とのずれを、基準マークを有するキャリブレーション用治具を両光軸間で被接合物同士を接合するための移動機構と一体的に移動させ、該キャリブレーション用治具における同一の基準マークを両マーク認識手段で認識することにより、前記移動機構の移動軸に対する両光軸間のずれをキャリブレーションする。また、このキャリブレーションは、２視野光学系における一定の温度変化毎に行い、これによって温度変化に対応させてより正確なキャリブレーションが可能となる。
【００２０】
また、ゆらぎ現象の発生による、位置合わせ用マークの読み取り画像の認識精度の低下を抑えるために、前記２個の９０度プリズムに至る、少なくとも一方の被接合物側の位置合わせ用マークの読み取り口と、該被接合物との間に対し、エアブローを行うことが好ましい。
【００２１】
また、光学系への熱的影響をより確実に抑えるために、前記２個の９０度プリズムに至る、少なくとも一方の被接合物側の位置合わせ用マークの読み取り口の周辺において、該被接合物側からの輻射熱を反射させるようにすることが好ましい。
【００２２】
さらに、ハレーション等の発生を防止するためには、前記２個の９０度プリズムにより前記両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の、前記２個の９０度プリズムから前記マーク認識手段に至るまでの各光路に対し、該各光路外から該各光路と同光軸にて、該各光路および前記２個の９０度プリズムと前記両被接合物との間の各光路における同軸落射光を付与することが好ましい。すなわち、画像のコントラスト向上、認識精度の向上のために、このような同軸落射光の付与が有効である。同軸落射光は、たとえばハーフミラーを用いて付与することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１〜図６は、本発明の第１実施態様に係る実装装置１を示している。本実施態様は、互いに接合される被接合物として、一方は上側に配置されたチップ２で他方は下側に配置された基板３である場合を示しており、両被接合物が上下に対向配置される場合を示している。チップ２には基板３との相対位置合わせ用のアライメントマーク４が付されており、基板３にはチップ２との相対位置合わせ用のアライメントマーク５が付されている。チップ２は一方の被接合物保持手段としてのヘッド６に保持されており、基板３は他方の被接合物保持手段としてのステージ７に保持されている。本実施態様では、ヘッド６はＺ方向（上下方向）に位置調整できるようになっており、ステージ７はＸ、Ｙ方向（水平方向）および／または回転方向（θ方向）に位置調整できるようになっている。ただし、上記のような基板保持手段は、一般には、平行移動および／または回転可能に装着されるが、必要に応じて、それらと昇降（Ｚ方向移動）とを組み合わせた態様に装着してもよい。また、チップ保持手段側についても、昇降動作のみならず、平行移動および／または回転動作を行うことができる装置形態であってもよい。
【００２４】
なお、上記において、チップ２とは、たとえば、ＩＣチップ、半導体チップ、ＴＣＰ、ＦＰＣ、ＣＯＦ、光素子、表面実装部品、ウエハーなど、種類や大きさに関係なく、基板３と接合させる側の全てのものをいう。また、基板３とは、たとえば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板、チップ、ウエハーなど、種類や大きさに関係なく、チップ２と接合される側の全てのものをいう。
【００２５】
アライメント時には、所定の間隔をもって対向するチップ２と基板３との間に、２視野光学系１０が挿入され、チップ２側のアライメントマーク４および基板３側のアライメントマーク５が読み取られ、読み取り情報に基づいて、たとえば基板３側のステージ７の位置が補正され、チップ２と基板３の相対位置が所定の精度範囲内に入るようにアライメントされる。
【００２６】
本実施態様では、この２視野光学系１０は次のように構成されている。
図１および図２に示すように、対向するチップ２と基板３との間に光学系ベース板１１が進退可能に挿入される。光学系ベース板１１は、本実施態様ではガラスの平板から構成されている。この光学系ベース板１１に対し、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂが、背面合わせにされた固定の相対位置関係にて、直接固定されている。２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂは、図３に示すように、接着剤層１３を介して背面同士が互いに接合されており、プリズム内における全反射を利用して、一方の９０度プリズム１２ａが光軸１４ａを介してチップ２側のアライメントマーク４の読み取り用に、他方の９０度プリズム１２ｂが光軸１４ｂを介して基板３側のアライメントマーク５の読み取り用に、それぞれ使用される。接着剤層１３が介在するため、その厚みに相当する分、両光軸１４ａ、１４ｂはずれたままになっているが、この光軸のずれのキャリブレーションについては後述する。
【００２７】
２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂは、上記の如く、背面合わせにされた２個一対の形態にて、光学系ベース板１１上に直接固定されるが、この固定の形態については特に限定されず、たとえば、光学系ベース板１１に接着等により直接固定してもよく、また、図４に示すように、金具１５、ネジ１６を介してプリズム１２ａ、１２ｂを挟み込むように光学系ベース板１１に固定してもよい。２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂは光学系ベース板１１に対し一定の位置関係に固定され、相対位置の調整機構は設けられていない。
【００２８】
図１、図２に示すように、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂによりチップ２側からの光軸１４ａおよび基板３側からの光軸１４ｂが９０度方向変換された後の各光軸１７ａ、１７ｂが通る光路に、チップ２側、基板３側からのアライメントマーク情報を認識するマーク認識手段としてのカメラ１８ａ、１８ｂが設けられている。カメラ１８ａ、１８ｂは、たとえばＣＣＤカメラからなる。本実施態様では、カメラ１８ａ、１８ｂは、ともに、光学系ベース板１１の外側に配置されており、ヘッド６およびステージ７とも干渉しない位置に配置されている。また本実施態様では、カメラ１８ａ、１８ｂは、互いに対向するように配置されており、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂにより９０度方向変換された後の直線状の各光軸１７ａ、１７ｂ上に配置されている。さらに本実施態様では、９０度プリズム１２ａ、１２ｂと各カメラ１８ａ、１８ｂとの間に、結像用のレンズ１９ａ、１９ｂが配置されており、レンズ１９ａ、１９ｂは同一の光学系ベース板１１上に固定されている。
【００２９】
図３に示したように、本発明においては、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂと両被接合物との間の光軸１４ａ、１４ｂはずれたままとされるが、この光軸１４ａ、１４ｂのずれは次のようにキャリブレーションされる。本発明における被接合物同士を接合するための移動機構と一体的に光軸１４ａ、１４ｂ間に移動されるキャリブレーション用治具として、たとえば図５に示すように、接合時に下降されるヘッド６に、該ヘッド６と一体的に移動されるＬ字状のキャリブレーション用治具２０が取り付けられる。キャリブレーション用治具２０上には、透明ガラス板２１が固定されており、ガラス板２１には基準マーク２２が付されている。この基準マーク２２は、ガラス板２１が２視野光学系１０の下方に位置されている時には上方から直接読み取ることができ、ガラス板２１が２視野光学系１０の上方に位置されている時には下方からキャリブレーション用治具２０に設けられた覗き口（図示略）等を通して読み取ることができるようになっている。図５に示すように、キャリブレーション用治具２０をヘッド６と一体的に移動させることにより、ガラス板２１および基準マーク２２を、両光軸１４ａ、１４ｂ間で、ヘッド６の移動軸（つまり、接合動作のための移動機構の移動軸）に完全に沿わせて移動させることができる。したがって、両光軸１４ａ、１４ｂの位置に相当する上下位置にて、同一の基準マーク２２を読み取ることにより、ヘッド６の移動軸に対して、両光軸１４ａ、１４ｂ間のずれを正確に認識することができる。このように認識した両光軸１４ａ、１４ｂ間のずれをアライメント操作にフィードバックすれば、両光軸１４ａ、１４ｂ間のずれを許容した状態でも、問題なく高精度にアライメントすることができるようになる。
【００３０】
また、２視野光学系１０への熱的影響を極力小さく抑えるために、たとえば図６に示すように、光学系ベース板１１上に光学部品を覆うカバー２３を設けた構造とすることもできる。カバー２３には、たとえば上方に位置するチップ２側のアライメントマークを読み取れるようにするために、光軸１４ａに対してマーク読み取り口２４ａを開口しておき、下方に位置する基板３側のアライメントマークを読み取れるようにするためには、たとえば光学系ベース板１１に光軸１４ｂに対してマーク読み取り口２４ｂを開口しておけばよい。このようなカバー２３を設けても、図示したように、厚みＬが少なくとも３０ｍｍ程度になるカメラ１８ａ、１８ｂを光学系ベース板１１の外側に配置しておくことで、２視野光学系１０の光学系ベース板１１部分での厚みｔとしては、たとえば２０ｍｍ未満に抑えることが可能であり、対向するチップ２と基板３との間隔を２０ｍｍ以下の十分に小さい間隔に抑えることが可能となる。
【００３１】
また、２視野光学系１０への熱的影響の度合を検知するために、この２視野光学系１０に対して、たとえば図６に示すように光学系ベース板１１に、温度センサー２５を設けておくこともできる。この温度センサー２５による検知温度は、とくにキャリブレーション時やアライメント時に有効に活用できる。たとえば、前述の図５に示したようなキャリブレーションを、一定の温度変化毎に実施すれば、常に高精度を維持できる。また、そのキャリブレーションによる光軸のずれ量を一定の温度変化毎に記憶させておくと、実際にアライメントを行う際の温度を温度センサー２５で検知し、その検知温度に対応する補正量をフィードバックすることにより、アライメント時の温度が変化した場合にも極めて高精度でアライメントを実施することが可能になる。すなわち、温度変化とは無関係に高精度アライメントを保証することが可能になる。
【００３２】
また、２視野光学系１０への熱的影響を一層抑制するために、図６に例示するように、少なくとも一方のマーク読み取り口２４ａと、一方の被接合物（図示例ではチップ２）との間に対しエアブローを行うエアブロー手段２６を設けることもできる。このようなエアブロー手段２６によるエアブローによって、たとえばヘッド６側に設けられたヒータによる加熱によりこの部分にゆらぎ現象が発生しようとする場合にあっても、その発生を適切に防止することができ、読み取り画像認識精度の低下を適切に防止することができる。また、エアブローにより、ヒータ側から２視野光学系１０への熱伝導も抑えることができ、２視野光学系１０による高い読み取り精度を確保できる。このエアブロー手段２６は、必要に応じて、基板３側との間隙に対しても設けることができる。
【００３３】
さらに、チップ２や基板３の保持手段に加熱手段が設けられている場合には、それらからの輻射熱による影響も考えられるが、前述のカバー２３、とくに少なくともそのマーク読み取り口２４ａの周囲部分を、輻射熱の反射板に構成しておけば、効率よく輻射熱の影響を抑えることが可能になる。また、下側のマーク読み取り口２４ｂの周囲部分に対しては、たとえば光学系ベース板１１の下面に鏡面仕上げを施しておくことにより、光学系ベース板１１の表面自体を輻射熱の反射面に構成することが可能となる。
【００３４】
このように、上記第１実施態様においては、２視野光学系１０を、背面合わせにされた２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂを光学系ベース板１１に直接固定し、カメラ１８ａ、１８ｂを光学系ベース板１１の外側でかつチップ２と基板３の保持手段と干渉しない位置に配置した構成としたので、カメラ１８ａ、１８ｂの厚みの低減が困難な場合にあっても、対向するチップ２と基板３間に挿入される２視野光学系１０部分の厚みを極めて小さく抑えることが可能になる。したがって、アライメント時におけるチップ２と基板３の間隔を、たとえば２０ｍｍ以下の小さな間隔に設定することができ、従来少なくとも１００ｍｍ必要であった間隔に比べ、大幅に小さくすることが可能になる。その結果、光軸の傾きに起因する実装精度の低下を大幅に低減できるとともに、アライメント後の接合のためのヘッド移動ストロークが大幅に小さくなるため、実装のためのタクトを大幅に短縮することができる。
【００３５】
また、実装精度に関しても、従来のようなミラーの傾きや位置調整のための摺動部や調整ネジ等を持たず、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂは一定の形態で光学系ベース板１１に直接固定されているので、調整機構のガタや熱膨張の影響を受けることがない。とくに、調整機構の熱膨張により、従来装置ではたとえば実装精度にて５μｍ／５℃程度の影響を受けるおそれがあったのに対し、本発明では、たとえ２視野光学系１０が熱膨張の影響を受けたとしても、高々、０．２μｍ／５℃程度の極めて低い影響に抑えることができる。また、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂ以外の他の光学部品も同一の光学系ベース板１１に固定することで、さらに熱膨張に起因する影響を小さく抑えることが可能となる。とくに、光学系ベース板１１を、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂと同様の熱膨張率を有するガラスから構成し、それに９０度プリズム１２ａ、１２ｂを直接固定すれば、さらに熱膨張に起因する影響を小さく抑えることが可能となる。
【００３６】
また、本発明では、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂの光軸１４ａ、１４ｂは、両プリズム１２ａ、１２ｂ間の接着剤層の厚みのために必然的にずれてしまい、そのずれが許容されたまま２視野光学系１０が構成されるととなっているが、このずれは図５に示したようなキャリブレーションによって完全に補正できるので、このずれに伴うアライメント精度、ひいては実装精度への影響は、完全に除去される。したがって、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂの光軸１４ａ、１４ｂにずれがあるにもかかわらず、極めて高精度の実装が可能になる。
【００３７】
さらに、前述したように、エアブロー機能や輻射熱の反射機能をもたせれば、一層熱的な影響を小さく抑えることが可能になり、より高精度の実装を達成できる。また、温度変化ごとに上記キャリブレーションを行えば、条件や雰囲気温度の変化に対応させて、より一層熱的影響を小さく抑えることが可能になる。
【００３８】
図７は、本発明の第２実施態様に係る実装装置３１の２視野光学系３２の平面図を示している。本実施態様においては、背面合わせにされた２個の９０度プリズム３３ａ、３３ｂが光学系ベース板３４に直接固定されている。マーク認識手段としてのカメラ３５ａ、３５ｂは光路３６ａ、３６ｂの終端に設けられているが、各光路３６ａ、３６ｂは、２個の９０度プリズム３３ａ、３３ｂにより両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の光軸３７ａ、３７ｂと、該光軸３７ａ、３７ｂがハーフミラー３８ａ、３８ｂにより９０度方向変換された光軸３９ａ、３９ｂとを有する光路に形成されている。光軸３９ａ、３９ｂ上には、結像用レンズ４０ａ、４０ｂが設けられている。これら９０度プリズム３３ａ、３３ｂ、ハーフミラー３８ａ、３８ｂ、結像用レンズ４０ａ、４０ｂは同一の光学系ベース板３４上に一定の位置関係にて固定されており、カメラ３５ａ、３５ｂの本体部のみが、２視野光学系３２を薄く構成するために、光学系ベース板３４の外側に配置されている。
【００３９】
これら２個の９０度プリズム３３ａ、３３ｂからカメラ３５ａ、３５ｂに至るまでの各光路３６ａ、３６ｂに対し、該各光路外から該各光路と同光軸にて、つまり、光軸３７ａ、３７ｂと同光軸にて、該各光路３６ａ、３６ｂおよび２個の９０度プリズム３３ａ、３３ｂと両被接合物との間の各光路における照射光および反射光の強度を高める同軸落射光４１ａ、４１ｂが付与されている。同軸落射光４１ａ、４１ｂは、本実施態様では、光ファイバー光源からなる同軸落射光源４２ａ、４２ｂから供給され、同軸落射光源４２ａ、４２ｂからの照射光がミラー４３ａ、４３ｂによって９０度方向変換され、ハーフミラー３８ａ、３８ｂを通して光軸３７ａ、３７ｂに対し同軸落射光として付与されている。
【００４０】
このように同軸落射光４１ａ、４１ｂを光路の外側から付与することにより、光路内にハーフミラーをおいて同軸落射光を付与する場合に比べ、ハーフミラーによる画像解像度の低下を抑えることができ、ハレーションの発生を防止することができる。上記のような同軸落射光源４２ａ、４２ｂ、ミラー４３ａ、４３ｂを配置することにより、２視野光学系３２の基本構成に影響を与えることなく、光路３６ａ、３６ｂ外から効率よく光を補強する（同軸落射光を付加する）ことができ、その結果、２視野光学系３２の画像読み取り機能、精度の向上をはかることができる。その他の構成、作用、効果は前述の第１実施態様に準じる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る実装装置および実装方法によれば、２個の９０度プリズムを背面合わせにして光学系ベース板に直接固定した構造を用いて２視野光学系を構成することにより、両被接合物間に挿入される２視野光学系をを薄く構成することが可能になり、実装精度の大幅な向上、タクトの大幅な短縮を実現することができる。また、背面合わせにされた２個の９０度プリズムの光軸のずれを許容したままの２視野光学系となるが、この光軸間のずれはキャリブレーションによってキャンセルできるので、キャリブレーションにより高い実装精度が確保される。
【００４２】
また、この２視野光学系は機械的な可動部分や調整部分を持たないので、光学系における熱的影響を受けにくくなり、熱的な変化に伴う光軸のずれ、ひいては実装位置のずれを抑えることができ、さらに実装精度を高めることができる。とくにエアブローや輻射熱の反射機能を持たせておけば、さらに熱的影響を小さく抑えることができる。さらに、温度センサーを設けることにより、熱的影響をタイムリーに正確に測定したり、温度変化毎の上記キャリブレーションが可能となり、一層実装精度を向上することが可能となる。
【００４３】
さらに、２視野光学系に光路外から同軸落射光を付与すれば、光路内にハーフミラーを使用する場合などに比べハレーションや画像解像度の低下を効果的に防止して高精度の認識精度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様に係る実装装置の斜視図である。
【図２】図１の実装装置における２視野光学系の平面図である。
【図３】図１の実装装置における２個の９０度プリズムの拡大正面図である。
【図４】２個の９０度プリズムの光学系ベース板への固定方法の一例を示す概略構成図である。
【図５】図１の実装装置における２個の９０度プリズムの光軸のずれのキャリブレーション方法の一例を示す概略構成図である。
【図６】図１の実装装置におけるエアブローおよび温度センサー取付けの一例を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第２実施態様に係る実装装置における２視野光学系の平面図である。
【図８】従来の実装装置における２視野光学系の概略構成図である。
【図９】従来の実装装置における別の２視野光学系の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 実装装置
２ 一方の被接合物としてのチップ
３ 他方の被接合物としての基板
４ チップ側の位置合わせ用アライメントマーク
５ 基板側の位置合わせ用アライメントマーク
６ 一方の被接合物保持手段としてのヘッド
７ 他方の被接合物保持手段としてのステージ
１０ ２視野光学系
１１ 光学系ベース板
１２ａ、１２ｂ ９０度プリズム
１３ 接着剤層
１４ａ、１４ｂ プリズムの被接合物側の光軸
１５ 金具
１６ ネジ
１７ａ、１７ｂ ９０度プリズムにより９０度方向変換された後の光軸
１８ａ、１８ｂ マーク認識手段としてのカメラ
１９ａ、１９ｂ 結像用レンズ
２０ キャリブレーション用治具
２１ 透明ガラス板
２２ 基準マーク
２３ カバー
２４ａ、２４ｂ マーク読み取り口
２５ 温度センサー
２６ エアブロー手段
３１ 実装装置
３２ ２視野光学系
３３ａ、３３ｂ ９０度プリズム
３４ 光学系ベース板
３５ａ、３５ｂ マーク認識手段としてのカメラ
３６ａ、３６ｂ 光路
３７ａ、３７ｂ ９０度プリズムにより９０度方向変換された後の光軸
３８ａ、３８ｂ ハーフミラー
３９ａ、３９ｂ ハーフミラーにより９０度方向変換された光軸
４０ａ、４０ｂ 結像用レンズ
４１ａ、４１ｂ 同軸落射光
４２ａ、４２ｂ 同軸落射光源
４３ａ、４３ｂ ミラー
【発明の属する技術分野】
本発明は、２視野光学系を備えた実装装置および実装方法に関し、とくに、この光学系を薄く構成し、被接合物間に挿入するためのスペースを小さくでき、実装精度の向上、タクトの短縮をともに可能とする実装装置および実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被接合物間に２視野光学系を進退可能に挿入し、両被接合物側のアライメントマークを読み取り、読み取り情報に基づいて両被接合物の相対位置を所定の精度範囲内に納まるよう修正し、位置合わせされた被接合物同士を接合するようにした実装装置が知られている。たとえば、被接合物としてのチップと基板を上下に対向配置し、チップと基板間に２視野カメラを挿入して、チップ側と基板側のアライメントマークを読み取るようにした実装装置が知られている。
【０００３】
たとえば、特許第２８１１８５６号公報には、図８に示すように、チップ１０１と基板１０２との間に上下別々にミラー１０３、１０４を設け、ミラー１０３、１０４での反射を介してカメラ１０５、１０６によりチップ１０１側と基板１０２側のアライメントマークをそれぞれ読み取るようにした構造が開示されている。
【０００４】
しかしながら、上記の従来構造においては、上下別々にミラー機構を重ねてアライメントマークを読み取るようにしているため、光学系が厚くなり、チップ１０１と基板１０２との間に大きな隙間を形成することが必要である。また、カメラ１０５、１０６も上下に重ねて配置されているため、上記隙間は、少なくともこれらカメラ１０５、１０６の厚み以下には小さくできない構造となっている。アライメント後の接合時には、アライメント時の間隔から実際に接合する位置までチップ１０１を保持しているヘッドを下降させる必要があるが、たとえば光軸がこの下降動作の軸（移動機構の軸）に対して傾いていると、この下降時に基板１０２に対するチップ１０１の位置ずれが発生する。ヘッドの移動軸方向（つまり、上下軸方向〔Ｚ方向〕）における移動代が大きければ大きいほど、この位置ずれも大きくなり、この位置ずれによる誤差が実装精度に大きな影響を及ぼすことになる。また、上記下降動作におけるＺ方向ストロークが長くなる分、実装タクトにも影響が出ることになる。実装分野では、１チップあたり１〜３秒程度の実装速度が要求されるので、通常このストロークが約５ｃｍ違うと約０．５秒程度のロスが発生し、このロスは、生産性への影響においては実に１６％〜５０％にも及ぶ。
【０００５】
また、上記従来技術においては、精度の上では、ミラー１０３、１０４を調整して、たとえば、各調整ネジ１０７で傾きを調整できるようにして上下の光軸を合わせるようにしているが、この調整のためにミラー支持部には摺動部や回動部が存在することとなっている。摺動部や回動部を持てば、それはある程度のガタや機械誤差を有し、たとえば約４μｍ程度のガタや機械誤差を有することになるから、数μｍの精度を要求されるチップ実装装置においては精度上大きな影響を及ぼすことになる。
【０００６】
さらに、このように上下の光軸を合わせるために各ミラーを調整ネジで傾きを調整できるようにすると、この調整ネジが光学系の温度変化（たとえば、５℃程度の温度変化）に伴って熱膨張し、該熱膨張により長さが変わってしまうため、ミラーの位置や傾きが変化し、その分実装精度に影響（例えば、５℃程度の温度変化で５μｍ程度の影響）を及ぼしてしまうこととなっている。
【０００７】
上記特許第２８１１８５６号公報には、さらに、図９に示すように、回動可能な両面ミラー１１１を設け、上下のアライメントマークを交互に読み取ることができるように両面ミラー１１１を回動させてストッパーネジ１１２等によりミラー１１の傾きを所定の傾きに調整して、カメラ１１３で読み取るようにした構造も開示されている。しかし、このような両面ミラー１１１回動機構を備えた実装装置においても、図８に示した構造と同様に、ミラー回動機構が必要となるため上下被接合物間の間隔を小さくすることは困難であり、前記同様の接合動作時の光軸のずれによる位置ずれや、ミラーの回動に要する時間および長いストロークによるタクトへの影響の問題があり、さらに、ストッパーネジ１１２による傾き機構のガタや機械誤差に起因する、あるいは、ネジ１１２の熱膨張に伴う実装精度への影響の問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記のような従来技術における問題点に着目し、両被接合物間に挿入される光学系を薄く構成でき、それによって両被接合物が接合される際の位置ずれを抑えることのできる、実装精度、タクト上極めて有利な、かつ、調整ネジのガタや機械誤差による実装精度への影響のおそれがなく、しかも、光学系の熱膨張による光軸のずれ等についても、そのおそれを除去できるか極めて小さく抑えることができる、高精度実装が可能な実装装置および実装方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る実装装置は、対向する被接合物間に両被接合物方向に光軸を有する２視野光学系を挿入して両被接合物側の位置合わせ用マークを読み取り、読み取り情報に基づいて両被接合物の相対位置を所定の精度範囲内に入るように補正するとともに、２視野光学系を退避させて被接合物同士を接合する実装装置において、前記２視野光学系内に、２個の９０度プリズムが、背面合わせにされた固定の相対位置関係にて、対向する被接合物間に進退される光学系ベース板に固定されており、前記２個の９０度プリズムにより前記両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の各光軸が通る光路に、各被接合物側からの位置合わせ用マーク情報を認識するマーク認識手段が設けられており、前記マーク認識手段が前記光学系ベース板の外側に配置されており、前記２個の９０度プリズムにより前記両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の、前記２個の９０度プリズムから前記マーク認識手段に至るまでの光路に設けられた光学部品が、同一の前記光学系ベース板に固定されており、前記２個の９０度プリズムの一方の９０度プリズムと一方の被接合物との間の光軸と、他方の９０度プリズムと他方の被接合物との間の光軸とのずれをキャリブレーションするために、被接合物同士を接合するための移動機構と一体的に前記両光軸間に移動され、各光軸を介して読み取り可能な基準マークを有するキャリブレーション用治具を有し、該キャリブレーション用治具は前記両光軸のそれぞれの位置に移動され、各位置で該キャリブレーション用治具上の同一の基準マークが読み取られ、かつ、キャリブレーション時の温度を検知可能な温度センサーが設けられていることを特徴とするものからなる。
【００１１】
すなわち、本発明においては、従来装置で使用していたようなミラーは使用せず、代わりに、背面合わせにされた２個の９０度プリズムを使用し、位置や傾き調整機構を持たない状態で、該２個の９０度プリズムを光学系ベース板に直接固定したものであり、この構成により、必要な光軸、光路を形成する２視野光学系を薄く構成できるようにしたものである。上記マーク認識手段を上記光学系ベース板の外側に、とくに両被接合物の保持手段と干渉しない外側の位置に配置すれば、マーク認識手段の厚みはもはや両被接合物間の間隔の律則とはならず、該間隔を容易にマーク認識手段の厚み以下にすることが可能となり、２視野光学系挿入のための両被接合物間の間隔をさらに小さくすることが可能となる。
【００１２】
また、従来のミラーを用いた機構では、ミラーを別部材で固定したり調整部材で傾き等を調整したりする必要があり、それら別部材の熱膨張の影響を受けて位置ずれが生じ、実装精度を低下させる要因となっていたが、本発明では、上記背面合わせにされた２個の９０度プリズムを、直接光学系ベース板に固定することにより、これら別部材の熱膨張による影響を実質的に除去できる。とくに、光学系ベース板を９０度プリズムと実質的に同じ熱膨張率を有する材料で構成しておけば、ベース板、プリズムともに低熱膨張でかつ熱膨張差の生じない状態で光学系を構成でき、光学系における熱膨張による影響をより完全に排除できる。さらに、２個の９０度プリズムにより両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の、該２個の９０度プリズムからマーク認識手段に至るまでの光路に設けられた光学部品（たとえば、ハーフミラーや上記９０度プリズム以外のプリズムからなる光学部品）を、同一の光学系ベース板に固定した構成とすることにより、各光学部品間でのずれも小さく抑えることが可能となり、熱膨張による光学系への影響をより一層完全に排除できる。
【００１３】
また、本発明においては、背面合わせにされた２個の９０度プリズムは初期的に一定の位置関係にて直接光学系ベース板に固定されるが、この場合、両９０度プリズム間に介在する蒸着膜や接着剤層の厚み分、各々の９０度プリズムの光軸は必然的に一定分ずれることになる。本発明では上述したように調整機構は持っておらず、この光軸のずれが許容されたまま使用されることになるが、両被接合物のアライメントにおいては、この光軸のずれはキャリブレーションによってキャンセルすることができ、該キャリブレーションによってアライメントの精度、ひいては、アライメント後の実装精度が、極めて高精度に保たれる。２個の９０度プリズムの一方の９０度プリズムと一方の被接合物との間の光軸と、他方の９０度プリズムと他方の被接合物との間の光軸とのずれをキャリブレーションするためには、被接合物同士を接合するための移動機構と一体的に上記両光軸間に移動され、各光軸を介して読み取り可能な基準マークを有するキャリブレーション用治具を設け、該キャリブレーション用治具を上記両光軸のそれぞれの位置に移動させ、各位置で該キャリブレーション用治具上の同一の基準マークを読み取ることにより、両光軸間のずれを予め決まった値として得ることができ、そのずれ量をアライメント動作にフィードバックすることにより、上記光軸間のずれを許容したまま高精度のアライメントを行うことが可能となる。
【００１４】
このようなキャリブレーションは、そのときの温度の影響、たとえば前記光学系ベース板の温度や周囲の雰囲気温度の影響を受ける可能性があるので、そのような影響も考慮してより高精度にキャリブレーションするために、キャリブレーション時の温度を検知可能な温度センサーを設けておくのである。温度センサーを光学系ベース板に取り付けておけば、光学系への熱的影響も正確にかつタイムリーに検知できるようになる。
【００１５】
上記光学系ベース板や前記２個の９０度プリズム周囲には、該２個の９０度プリズムに両被接合物側からのアメイメントマーク情報（位置合わせ用マーク情報）を取り込むために、マーク読み取り口を形成した構成とすることができる。また、被接合物保持手段等に内蔵されたヒータ等から光学系への熱的影響をより抑制するために、前記２個の９０度プリズムに至る、少なくとも一方の被接合物側の位置合わせ用マークの読み取り口の周辺にカバーが設けられ、該カバーが該被接合物側からの輻射熱の反射板に構成されている構造を採用することもできる。別部材としての反射板カバーを設ける以外、たとえば光学系ベース板の読み取り口における表面を、極めて表面粗さの小さい鏡面に仕上げ、その面に輻射熱の反射機能を持たせることも可能である。そして、被接合物を加熱する場合、その加熱による温度上昇により、上２個の９０度プリズムに至るマークとプリズム間の空気が熱され、位置合わせ用マークの読み取り口と被接合物との間にゆらぎ現象が生じ、位置合わせ用マークの読み取り画像の認識精度が低下することがある。このような画像認識精度の低下を防止するためには、少なくとも一方の被接合物側の位置合わせ用マークの読み取り口と、該被接合物との間に対し、エアブロー手段を設けておくことが好ましく、該手段によるエアブローにより、ゆらぎ現象を抑制することができる。また、このエアブローにより、上述の輻射熱反射板で処理できないマーク読み取り口を冷却することにもなり、反射板領域もカバーすれば、輻射熱反射板の蓄熱を防止することにも兼用できる。
【００１６】
同軸落射光を付与する場合光軸間にハーフミラー等を設けた場合には、画像解像度が低下し、ハレーションを起こすなどの問題の発生が懸念される。すなわち、２個の９０度プリズムにより両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の、前記２個の９０度プリズムから各マーク認識手段に至るまでの各光路に対し、該各光路外から該各光路と同光軸にて、該各光路および前記２個の９０度プリズムと前記両被接合物との間の各光路における同軸落射光が付与されている構成とすることが好ましい。
【００１７】
本発明に係る実装方法は、対向する被接合物間に両被接合物方向に光軸を有する２視野光学系を挿入して各被接合物側の位置合わせ用マークをマーク認識手段により読み取り、読み取り情報に基づいて両被接合物の相対位置を所定の精度範囲内に入るように補正するとともに、２視野光学系を退避させて被接合物同士を接合する実装方法において、前記２視野光学系内に、２個の９０度プリズムを、背面合わせにされた固定の相対位置関係にて、対向する被接合物間に進退される光学系ベース板に固定し、前記２個の９０度プリズムにより前記両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の各光軸が通る光路にて、前記マーク認識手段により各被接合物側からの位置合わせ用マーク情報を認識し、前記光学系ベース板の外側から前記マーク認識手段により各被接合物側からの位置合わせ用マーク情報を認識し、前記２個の９０度プリズムの一方の９０度プリズムと一方の被接合物との間の光軸と、他方の９０度プリズムと他方の被接合物との間の光軸とのずれを、基準マークを有するキャリブレーション用治具を両光軸間で被接合物同士を接合するための移動機構と一体的に前記両光軸のそれぞれの位置に移動させ、該キャリブレーション用治具における同一の基準マークを両マーク認識手段で認識することにより、前記移動機構の移動軸に対する両光軸間のずれを予め決まった値として得てそのずれ量に基づきキャリブレーションするとともに、キャリブレーションを２視野光学系における一定の温度変化毎に行うことを特徴とする方法からなる。
【００１８】
この実装方法においても、アライメント時に両被接合物間の間隔を小さくするために、前記光学系ベース板の外側から前記マーク認識手段により各被接合物側からの位置合わせ用マーク情報を認識する。
【００１９】
また、前記２個の９０度プリズムの一方の９０度プリズムと一方の被接合物との間の光軸と、他方の９０度プリズムと他方の被接合物との間の光軸とのずれを、基準マークを有するキャリブレーション用治具を両光軸間で被接合物同士を接合するための移動機構と一体的に移動させ、該キャリブレーション用治具における同一の基準マークを両マーク認識手段で認識することにより、前記移動機構の移動軸に対する両光軸間のずれをキャリブレーションする。また、このキャリブレーションは、２視野光学系における一定の温度変化毎に行い、これによって温度変化に対応させてより正確なキャリブレーションが可能となる。
【００２０】
また、ゆらぎ現象の発生による、位置合わせ用マークの読み取り画像の認識精度の低下を抑えるために、前記２個の９０度プリズムに至る、少なくとも一方の被接合物側の位置合わせ用マークの読み取り口と、該被接合物との間に対し、エアブローを行うことが好ましい。
【００２１】
また、光学系への熱的影響をより確実に抑えるために、前記２個の９０度プリズムに至る、少なくとも一方の被接合物側の位置合わせ用マークの読み取り口の周辺において、該被接合物側からの輻射熱を反射させるようにすることが好ましい。
【００２２】
さらに、ハレーション等の発生を防止するためには、前記２個の９０度プリズムにより前記両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の、前記２個の９０度プリズムから前記マーク認識手段に至るまでの各光路に対し、該各光路外から該各光路と同光軸にて、該各光路および前記２個の９０度プリズムと前記両被接合物との間の各光路における同軸落射光を付与することが好ましい。すなわち、画像のコントラスト向上、認識精度の向上のために、このような同軸落射光の付与が有効である。同軸落射光は、たとえばハーフミラーを用いて付与することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１〜図６は、本発明の第１実施態様に係る実装装置１を示している。本実施態様は、互いに接合される被接合物として、一方は上側に配置されたチップ２で他方は下側に配置された基板３である場合を示しており、両被接合物が上下に対向配置される場合を示している。チップ２には基板３との相対位置合わせ用のアライメントマーク４が付されており、基板３にはチップ２との相対位置合わせ用のアライメントマーク５が付されている。チップ２は一方の被接合物保持手段としてのヘッド６に保持されており、基板３は他方の被接合物保持手段としてのステージ７に保持されている。本実施態様では、ヘッド６はＺ方向（上下方向）に位置調整できるようになっており、ステージ７はＸ、Ｙ方向（水平方向）および／または回転方向（θ方向）に位置調整できるようになっている。ただし、上記のような基板保持手段は、一般には、平行移動および／または回転可能に装着されるが、必要に応じて、それらと昇降（Ｚ方向移動）とを組み合わせた態様に装着してもよい。また、チップ保持手段側についても、昇降動作のみならず、平行移動および／または回転動作を行うことができる装置形態であってもよい。
【００２４】
なお、上記において、チップ２とは、たとえば、ＩＣチップ、半導体チップ、ＴＣＰ、ＦＰＣ、ＣＯＦ、光素子、表面実装部品、ウエハーなど、種類や大きさに関係なく、基板３と接合させる側の全てのものをいう。また、基板３とは、たとえば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板、チップ、ウエハーなど、種類や大きさに関係なく、チップ２と接合される側の全てのものをいう。
【００２５】
アライメント時には、所定の間隔をもって対向するチップ２と基板３との間に、２視野光学系１０が挿入され、チップ２側のアライメントマーク４および基板３側のアライメントマーク５が読み取られ、読み取り情報に基づいて、たとえば基板３側のステージ７の位置が補正され、チップ２と基板３の相対位置が所定の精度範囲内に入るようにアライメントされる。
【００２６】
本実施態様では、この２視野光学系１０は次のように構成されている。
図１および図２に示すように、対向するチップ２と基板３との間に光学系ベース板１１が進退可能に挿入される。光学系ベース板１１は、本実施態様ではガラスの平板から構成されている。この光学系ベース板１１に対し、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂが、背面合わせにされた固定の相対位置関係にて、直接固定されている。２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂは、図３に示すように、接着剤層１３を介して背面同士が互いに接合されており、プリズム内における全反射を利用して、一方の９０度プリズム１２ａが光軸１４ａを介してチップ２側のアライメントマーク４の読み取り用に、他方の９０度プリズム１２ｂが光軸１４ｂを介して基板３側のアライメントマーク５の読み取り用に、それぞれ使用される。接着剤層１３が介在するため、その厚みに相当する分、両光軸１４ａ、１４ｂはずれたままになっているが、この光軸のずれのキャリブレーションについては後述する。
【００２７】
２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂは、上記の如く、背面合わせにされた２個一対の形態にて、光学系ベース板１１上に直接固定されるが、この固定の形態については特に限定されず、たとえば、光学系ベース板１１に接着等により直接固定してもよく、また、図４に示すように、金具１５、ネジ１６を介してプリズム１２ａ、１２ｂを挟み込むように光学系ベース板１１に固定してもよい。２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂは光学系ベース板１１に対し一定の位置関係に固定され、相対位置の調整機構は設けられていない。
【００２８】
図１、図２に示すように、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂによりチップ２側からの光軸１４ａおよび基板３側からの光軸１４ｂが９０度方向変換された後の各光軸１７ａ、１７ｂが通る光路に、チップ２側、基板３側からのアライメントマーク情報を認識するマーク認識手段としてのカメラ１８ａ、１８ｂが設けられている。カメラ１８ａ、１８ｂは、たとえばＣＣＤカメラからなる。本実施態様では、カメラ１８ａ、１８ｂは、ともに、光学系ベース板１１の外側に配置されており、ヘッド６およびステージ７とも干渉しない位置に配置されている。また本実施態様では、カメラ１８ａ、１８ｂは、互いに対向するように配置されており、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂにより９０度方向変換された後の直線状の各光軸１７ａ、１７ｂ上に配置されている。さらに本実施態様では、９０度プリズム１２ａ、１２ｂと各カメラ１８ａ、１８ｂとの間に、結像用のレンズ１９ａ、１９ｂが配置されており、レンズ１９ａ、１９ｂは同一の光学系ベース板１１上に固定されている。
【００２９】
図３に示したように、本発明においては、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂと両被接合物との間の光軸１４ａ、１４ｂはずれたままとされるが、この光軸１４ａ、１４ｂのずれは次のようにキャリブレーションされる。本発明における被接合物同士を接合するための移動機構と一体的に光軸１４ａ、１４ｂ間に移動されるキャリブレーション用治具として、たとえば図５に示すように、接合時に下降されるヘッド６に、該ヘッド６と一体的に移動されるＬ字状のキャリブレーション用治具２０が取り付けられる。キャリブレーション用治具２０上には、透明ガラス板２１が固定されており、ガラス板２１には基準マーク２２が付されている。この基準マーク２２は、ガラス板２１が２視野光学系１０の下方に位置されている時には上方から直接読み取ることができ、ガラス板２１が２視野光学系１０の上方に位置されている時には下方からキャリブレーション用治具２０に設けられた覗き口（図示略）等を通して読み取ることができるようになっている。図５に示すように、キャリブレーション用治具２０をヘッド６と一体的に移動させることにより、ガラス板２１および基準マーク２２を、両光軸１４ａ、１４ｂ間で、ヘッド６の移動軸（つまり、接合動作のための移動機構の移動軸）に完全に沿わせて移動させることができる。したがって、両光軸１４ａ、１４ｂの位置に相当する上下位置にて、同一の基準マーク２２を読み取ることにより、ヘッド６の移動軸に対して、両光軸１４ａ、１４ｂ間のずれを正確に認識することができる。このように認識した両光軸１４ａ、１４ｂ間のずれをアライメント操作にフィードバックすれば、両光軸１４ａ、１４ｂ間のずれを許容した状態でも、問題なく高精度にアライメントすることができるようになる。
【００３０】
また、２視野光学系１０への熱的影響を極力小さく抑えるために、たとえば図６に示すように、光学系ベース板１１上に光学部品を覆うカバー２３を設けた構造とすることもできる。カバー２３には、たとえば上方に位置するチップ２側のアライメントマークを読み取れるようにするために、光軸１４ａに対してマーク読み取り口２４ａを開口しておき、下方に位置する基板３側のアライメントマークを読み取れるようにするためには、たとえば光学系ベース板１１に光軸１４ｂに対してマーク読み取り口２４ｂを開口しておけばよい。このようなカバー２３を設けても、図示したように、厚みＬが少なくとも３０ｍｍ程度になるカメラ１８ａ、１８ｂを光学系ベース板１１の外側に配置しておくことで、２視野光学系１０の光学系ベース板１１部分での厚みｔとしては、たとえば２０ｍｍ未満に抑えることが可能であり、対向するチップ２と基板３との間隔を２０ｍｍ以下の十分に小さい間隔に抑えることが可能となる。
【００３１】
また、２視野光学系１０への熱的影響の度合を検知するために、この２視野光学系１０に対して、たとえば図６に示すように光学系ベース板１１に、温度センサー２５を設けておくこともできる。この温度センサー２５による検知温度は、とくにキャリブレーション時やアライメント時に有効に活用できる。たとえば、前述の図５に示したようなキャリブレーションを、一定の温度変化毎に実施すれば、常に高精度を維持できる。また、そのキャリブレーションによる光軸のずれ量を一定の温度変化毎に記憶させておくと、実際にアライメントを行う際の温度を温度センサー２５で検知し、その検知温度に対応する補正量をフィードバックすることにより、アライメント時の温度が変化した場合にも極めて高精度でアライメントを実施することが可能になる。すなわち、温度変化とは無関係に高精度アライメントを保証することが可能になる。
【００３２】
また、２視野光学系１０への熱的影響を一層抑制するために、図６に例示するように、少なくとも一方のマーク読み取り口２４ａと、一方の被接合物（図示例ではチップ２）との間に対しエアブローを行うエアブロー手段２６を設けることもできる。このようなエアブロー手段２６によるエアブローによって、たとえばヘッド６側に設けられたヒータによる加熱によりこの部分にゆらぎ現象が発生しようとする場合にあっても、その発生を適切に防止することができ、読み取り画像認識精度の低下を適切に防止することができる。また、エアブローにより、ヒータ側から２視野光学系１０への熱伝導も抑えることができ、２視野光学系１０による高い読み取り精度を確保できる。このエアブロー手段２６は、必要に応じて、基板３側との間隙に対しても設けることができる。
【００３３】
さらに、チップ２や基板３の保持手段に加熱手段が設けられている場合には、それらからの輻射熱による影響も考えられるが、前述のカバー２３、とくに少なくともそのマーク読み取り口２４ａの周囲部分を、輻射熱の反射板に構成しておけば、効率よく輻射熱の影響を抑えることが可能になる。また、下側のマーク読み取り口２４ｂの周囲部分に対しては、たとえば光学系ベース板１１の下面に鏡面仕上げを施しておくことにより、光学系ベース板１１の表面自体を輻射熱の反射面に構成することが可能となる。
【００３４】
このように、上記第１実施態様においては、２視野光学系１０を、背面合わせにされた２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂを光学系ベース板１１に直接固定し、カメラ１８ａ、１８ｂを光学系ベース板１１の外側でかつチップ２と基板３の保持手段と干渉しない位置に配置した構成としたので、カメラ１８ａ、１８ｂの厚みの低減が困難な場合にあっても、対向するチップ２と基板３間に挿入される２視野光学系１０部分の厚みを極めて小さく抑えることが可能になる。したがって、アライメント時におけるチップ２と基板３の間隔を、たとえば２０ｍｍ以下の小さな間隔に設定することができ、従来少なくとも１００ｍｍ必要であった間隔に比べ、大幅に小さくすることが可能になる。その結果、光軸の傾きに起因する実装精度の低下を大幅に低減できるとともに、アライメント後の接合のためのヘッド移動ストロークが大幅に小さくなるため、実装のためのタクトを大幅に短縮することができる。
【００３５】
また、実装精度に関しても、従来のようなミラーの傾きや位置調整のための摺動部や調整ネジ等を持たず、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂは一定の形態で光学系ベース板１１に直接固定されているので、調整機構のガタや熱膨張の影響を受けることがない。とくに、調整機構の熱膨張により、従来装置ではたとえば実装精度にて５μｍ／５℃程度の影響を受けるおそれがあったのに対し、本発明では、たとえ２視野光学系１０が熱膨張の影響を受けたとしても、高々、０．２μｍ／５℃程度の極めて低い影響に抑えることができる。また、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂ以外の他の光学部品も同一の光学系ベース板１１に固定することで、さらに熱膨張に起因する影響を小さく抑えることが可能となる。とくに、光学系ベース板１１を、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂと同様の熱膨張率を有するガラスから構成し、それに９０度プリズム１２ａ、１２ｂを直接固定すれば、さらに熱膨張に起因する影響を小さく抑えることが可能となる。
【００３６】
また、本発明では、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂの光軸１４ａ、１４ｂは、両プリズム１２ａ、１２ｂ間の接着剤層の厚みのために必然的にずれてしまい、そのずれが許容されたまま２視野光学系１０が構成されるととなっているが、このずれは図５に示したようなキャリブレーションによって完全に補正できるので、このずれに伴うアライメント精度、ひいては実装精度への影響は、完全に除去される。したがって、２個の９０度プリズム１２ａ、１２ｂの光軸１４ａ、１４ｂにずれがあるにもかかわらず、極めて高精度の実装が可能になる。
【００３７】
さらに、前述したように、エアブロー機能や輻射熱の反射機能をもたせれば、一層熱的な影響を小さく抑えることが可能になり、より高精度の実装を達成できる。また、温度変化ごとに上記キャリブレーションを行えば、条件や雰囲気温度の変化に対応させて、より一層熱的影響を小さく抑えることが可能になる。
【００３８】
図７は、本発明の第２実施態様に係る実装装置３１の２視野光学系３２の平面図を示している。本実施態様においては、背面合わせにされた２個の９０度プリズム３３ａ、３３ｂが光学系ベース板３４に直接固定されている。マーク認識手段としてのカメラ３５ａ、３５ｂは光路３６ａ、３６ｂの終端に設けられているが、各光路３６ａ、３６ｂは、２個の９０度プリズム３３ａ、３３ｂにより両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の光軸３７ａ、３７ｂと、該光軸３７ａ、３７ｂがハーフミラー３８ａ、３８ｂにより９０度方向変換された光軸３９ａ、３９ｂとを有する光路に形成されている。光軸３９ａ、３９ｂ上には、結像用レンズ４０ａ、４０ｂが設けられている。これら９０度プリズム３３ａ、３３ｂ、ハーフミラー３８ａ、３８ｂ、結像用レンズ４０ａ、４０ｂは同一の光学系ベース板３４上に一定の位置関係にて固定されており、カメラ３５ａ、３５ｂの本体部のみが、２視野光学系３２を薄く構成するために、光学系ベース板３４の外側に配置されている。
【００３９】
これら２個の９０度プリズム３３ａ、３３ｂからカメラ３５ａ、３５ｂに至るまでの各光路３６ａ、３６ｂに対し、該各光路外から該各光路と同光軸にて、つまり、光軸３７ａ、３７ｂと同光軸にて、該各光路３６ａ、３６ｂおよび２個の９０度プリズム３３ａ、３３ｂと両被接合物との間の各光路における照射光および反射光の強度を高める同軸落射光４１ａ、４１ｂが付与されている。同軸落射光４１ａ、４１ｂは、本実施態様では、光ファイバー光源からなる同軸落射光源４２ａ、４２ｂから供給され、同軸落射光源４２ａ、４２ｂからの照射光がミラー４３ａ、４３ｂによって９０度方向変換され、ハーフミラー３８ａ、３８ｂを通して光軸３７ａ、３７ｂに対し同軸落射光として付与されている。
【００４０】
このように同軸落射光４１ａ、４１ｂを光路の外側から付与することにより、光路内にハーフミラーをおいて同軸落射光を付与する場合に比べ、ハーフミラーによる画像解像度の低下を抑えることができ、ハレーションの発生を防止することができる。上記のような同軸落射光源４２ａ、４２ｂ、ミラー４３ａ、４３ｂを配置することにより、２視野光学系３２の基本構成に影響を与えることなく、光路３６ａ、３６ｂ外から効率よく光を補強する（同軸落射光を付加する）ことができ、その結果、２視野光学系３２の画像読み取り機能、精度の向上をはかることができる。その他の構成、作用、効果は前述の第１実施態様に準じる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る実装装置および実装方法によれば、２個の９０度プリズムを背面合わせにして光学系ベース板に直接固定した構造を用いて２視野光学系を構成することにより、両被接合物間に挿入される２視野光学系をを薄く構成することが可能になり、実装精度の大幅な向上、タクトの大幅な短縮を実現することができる。また、背面合わせにされた２個の９０度プリズムの光軸のずれを許容したままの２視野光学系となるが、この光軸間のずれはキャリブレーションによってキャンセルできるので、キャリブレーションにより高い実装精度が確保される。
【００４２】
また、この２視野光学系は機械的な可動部分や調整部分を持たないので、光学系における熱的影響を受けにくくなり、熱的な変化に伴う光軸のずれ、ひいては実装位置のずれを抑えることができ、さらに実装精度を高めることができる。とくにエアブローや輻射熱の反射機能を持たせておけば、さらに熱的影響を小さく抑えることができる。さらに、温度センサーを設けることにより、熱的影響をタイムリーに正確に測定したり、温度変化毎の上記キャリブレーションが可能となり、一層実装精度を向上することが可能となる。
【００４３】
さらに、２視野光学系に光路外から同軸落射光を付与すれば、光路内にハーフミラーを使用する場合などに比べハレーションや画像解像度の低下を効果的に防止して高精度の認識精度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様に係る実装装置の斜視図である。
【図２】図１の実装装置における２視野光学系の平面図である。
【図３】図１の実装装置における２個の９０度プリズムの拡大正面図である。
【図４】２個の９０度プリズムの光学系ベース板への固定方法の一例を示す概略構成図である。
【図５】図１の実装装置における２個の９０度プリズムの光軸のずれのキャリブレーション方法の一例を示す概略構成図である。
【図６】図１の実装装置におけるエアブローおよび温度センサー取付けの一例を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第２実施態様に係る実装装置における２視野光学系の平面図である。
【図８】従来の実装装置における２視野光学系の概略構成図である。
【図９】従来の実装装置における別の２視野光学系の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 実装装置
２ 一方の被接合物としてのチップ
３ 他方の被接合物としての基板
４ チップ側の位置合わせ用アライメントマーク
５ 基板側の位置合わせ用アライメントマーク
６ 一方の被接合物保持手段としてのヘッド
７ 他方の被接合物保持手段としてのステージ
１０ ２視野光学系
１１ 光学系ベース板
１２ａ、１２ｂ ９０度プリズム
１３ 接着剤層
１４ａ、１４ｂ プリズムの被接合物側の光軸
１５ 金具
１６ ネジ
１７ａ、１７ｂ ９０度プリズムにより９０度方向変換された後の光軸
１８ａ、１８ｂ マーク認識手段としてのカメラ
１９ａ、１９ｂ 結像用レンズ
２０ キャリブレーション用治具
２１ 透明ガラス板
２２ 基準マーク
２３ カバー
２４ａ、２４ｂ マーク読み取り口
２５ 温度センサー
２６ エアブロー手段
３１ 実装装置
３２ ２視野光学系
３３ａ、３３ｂ ９０度プリズム
３４ 光学系ベース板
３５ａ、３５ｂ マーク認識手段としてのカメラ
３６ａ、３６ｂ 光路
３７ａ、３７ｂ ９０度プリズムにより９０度方向変換された後の光軸
３８ａ、３８ｂ ハーフミラー
３９ａ、３９ｂ ハーフミラーにより９０度方向変換された光軸
４０ａ、４０ｂ 結像用レンズ
４１ａ、４１ｂ 同軸落射光
４２ａ、４２ｂ 同軸落射光源
４３ａ、４３ｂ ミラー
Claims (8)
- 対向する被接合物間に両被接合物方向に光軸を有する２視野光学系を挿入して両被接合物側の位置合わせ用マークを読み取り、読み取り情報に基づいて両被接合物の相対位置を所定の精度範囲内に入るように補正するとともに、２視野光学系を退避させて被接合物同士を接合する実装装置において、前記２視野光学系内に、２個の９０度プリズムが、背面合わせにされた固定の相対位置関係にて、対向する被接合物間に進退される光学系ベース板に固定されており、前記２個の９０度プリズムにより前記両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の各光軸が通る光路に、各被接合物側からの位置合わせ用マーク情報を認識するマーク認識手段が設けられており、前記マーク認識手段が前記光学系ベース板の外側に配置されており、前記２個の９０度プリズムにより前記両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の、前記２個の９０度プリズムから前記マーク認識手段に至るまでの光路に設けられた光学部品が、同一の前記光学系ベース板に固定されており、前記２個の９０度プリズムの一方の９０度プリズムと一方の被接合物との間の光軸と、他方の９０度プリズムと他方の被接合物との間の光軸とのずれをキャリブレーションするために、被接合物同士を接合するための移動機構と一体的に前記両光軸間に移動され、各光軸を介して読み取り可能な基準マークを有するキャリブレーション用治具を有し、該キャリブレーション用治具は前記両光軸のそれぞれの位置に移動され、各位置で該キャリブレーション用治具上の同一の基準マークが読み取られ、かつ、キャリブレーション時の温度を検知可能な温度センサーが設けられていることを特徴とする実装装置。
- 前記２個の９０度プリズムに至る、少なくとも一方の被接合物側の位置合わせ用マークの読み取り口と、該被接合物との間に対し、エアブロー手段が設けられている、請求項１の実装装置。
- 前記２個の９０度プリズムに至る、少なくとも一方の被接合物側の位置合わせ用マークの読み取り口の周辺にカバーが設けられ、該カバーが該被接合物側からの輻射熱の反射板に構成されている、請求項１または２の実装装置。
- 前記２個の９０度プリズムにより前記両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の、前記２個の９０度プリズムから前記各マーク認識手段に至るまでの各光路に対し、該各光路外から該各光路と同光軸にて、該各光路および前記２個の９０度プリズムと前記両被接合物との間の各光路における同軸落射光が付与されている、請求項１〜３のいずれかに記載の実装装置。
- 対向する被接合物間に両被接合物方向に光軸を有する２視野光学系を挿入して各被接合物側の位置合わせ用マークをマーク認識手段により読み取り、読み取り情報に基づいて両被接合物の相対位置を所定の精度範囲内に入るように補正するとともに、２視野光学系を退避させて被接合物同士を接合する実装方法において、前記２視野光学系内に、２個の９０度プリズムを、背面合わせにされた固定の相対位置関係にて、対向する被接合物間に進退される光学系ベース板に固定し、前記２個の９０度プリズムにより前記両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の各光軸が通る光路にて、前記マーク認識手段により各被接合物側からの位置合わせ用マーク情報を認識し、前記光学系ベース板の外側から前記マーク認識手段により各被接合物側からの位置合わせ用マーク情報を認識し、前記２個の９０度プリズムの一方の９０度プリズムと一方の被接合物との間の光軸と、他方の９０度プリズムと他方の被接合物との間の光軸とのずれを、基準マークを有するキャリブレーション用治具を両光軸間で被接合物同士を接合するための移動機構と一体的に前記両光軸のそれぞれの位置に移動させ、該キャリブレーション用治具における同一の基準マークを両マーク認識手段で認識することにより、前記移動機構の移動軸に対する両光軸間のずれを予め決まった値として得てそのずれ量に基づきキャリブレーションするとともに、キャリブレーションを２視野光学系における一定の温度変化毎に行うことを特徴とする実装方法。
- 前記２個の９０度プリズムに至る、少なくとも一方の被接合物側の位置合わせ用マークの読み取り口と、該被接合物との間に対し、エアブローを行う、請求項５の実装方法。
- 前記２個の９０度プリズムに至る、少なくとも一方の被接合物側の位置合わせ用マークの読み取り口の周辺において、該被接合物側からの輻射熱を反射させる、請求項５または６の実装方法。
- 前記２個の９０度プリズムにより前記両被接合物側からの各光軸が９０度方向変換された後の、前記２個の９０度プリズムから前記マーク認識手段に至るまでの各光路に対し、該各光路外から該各光路と同光軸にて、該各光路および前記２個の９０度プリズムと前記両被接合物との間の各光路における同軸落射光を付与する、請求項５〜７のいずれかに記載の実装方法。
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