JP4364810B2 - ダイ接合ツールの位置合わせ用装置及び方法 - Google Patents

ダイ接合ツールの位置合わせ用装置及び方法 Download PDF

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Description

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ースツールのようなダイ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、ダイ接合ツールは第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、ダイ接合ツールは、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、ダイ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。ダイ接合ツールは、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。ダイ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。
ダイ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ダイ接合ツールは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、ダイ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。
ダイ接合ツールを位置合わせする1つの方法は、ダイ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、操作者はダイ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ダイ接合ツールの傾斜方向によりダイ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にはダイ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、ダイ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、ダイ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、接合の間にダイ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、ダイ接合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、前記ダイ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、前記力検出区域は互いに離隔され、各力検出区域は、それぞれの力検出区域と接触しているダイ接合ツールの一部分によって加えられる圧縮力にのみ実質的に感応し、当該力検出区域と接触していないダイ接合ツールの他の部分によって加えられる圧縮力には実質的に感応しないように構成されており、前記装置は、個々に検出された力の間の相違に応答して、前記ダイ接合ツールの所望の位置合わせ状態からのずれを示す位置合わせ信号を発生する、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た力センサーであって、前記力検出区域は互いに離隔され、各力検出区域は、それぞれの力検出区域と接触しているダイ接合ツールの一部分によって加えられる圧縮力にのみ実質的に感応し、当該力検出区域と接触していないダイ接合ツールの他の部分によって加えられる圧縮力には実質的に感応しないように構成された、力センサーを供する段階と、 前記力センサーをして、個々に検出された力の間の相違に応答して、前記ダイ接合ツールの所望の位置合わせ状態からのずれを示す位置合わせ信号を発生させる、段階と、前記ダイ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、前記ダイ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、前記ダイの前記接触面への前記ダイ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ダイ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の形態をしたダイ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はダイ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ダイ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、働く力と検出された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。
ダイ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。ダイ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、ダイ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、ダイ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の形態をしたダイ接合ツールの横断面図である。圧電力センサー10はダイ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の軸線に関し、コレット組立体62と接合面との間の接触点とは反対側でコレット組立体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。ピックアンドプレースツール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ースツール60は手動により、あるいはピックアンドプレースツール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。ピックアンドプレー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。ピックアンドプレー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ー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ダイ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 (19)

  1. ダイ接合ツールをダイの接触面に位置合わせさせる装置であって、
    力センサーと、
    複数の別々の導電体を備えた伝達材料と、
    を備え、
    前記力センサーは前記ダイ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、且つ、前記ダイ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とされており、
    前記力センサーは、前記ダイ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、互いに離隔された複数の力検出区域を備え、
    前記伝達材料は、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
    複数の前記力検出区域において検出された出力は、前記複数の導電体に対応したそれぞれの出力端子を介して電子回路接続されており、
    これにより、各力検出区域は、それぞれの力検出区域と接触しているダイ接合ツールの一部分によって加えられる圧縮力にのみ感応し、当該力検出区域と接触していないダイ接合ツールの他の部分によって加えられる圧縮力には感応しないように構成されており、
    前記装置は、個々に検出された力の間の相違に応答して、前記ダイ接合ツールの正しい位置合わせ状態からのずれを示す位置合わせ信号を発生する、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. 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1に記載の装置。
  4. 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1に記載の装置。
  5. 前記力センサーは前記ダイ接合ツールに連結される、請求項1に記載の装置。
  6. 前記ダイ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、接合面上で前記ダイ接合ツールによって圧縮力を加える際に、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、請求項に記載の装置。
  7. 前記力センサーは、前記コレット組立体の軸線に関し、前記コレット組立体と前記接合面との間の接触点とは反対側で前記コレット組立体に連結される、請求項に記載の装置。
  8. 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、請求項に記載の装置。
  9. 前記力センサーは、中空の中央部を備えるリング形態をなし、且つ、前記力センサーは、前記リングの前記検出区域内に前記圧電セラミック材料から成る集成体を備えた、請求項2に記載の装置。
  10. 各検出領域は等しいサイズとされている、請求項1に記載の装置。
  11. ダイ接合ツールをダイの接触面に位置合わせする方法であって、
    力センサーと、複数の別々の導電体を備えた伝達材料と、を準備する段階と、
    前記力センサーを、前記ダイ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し、且つ、前記ダイ接合ツールを、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とする段階と、
    を備え、
    前記力センサーは、前記ダイ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、互いに離隔された複数の力検出区域を備え、
    前記伝達材料は、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
    複数の前記力検出区域において検出された出力は、前記複数の導電体に対応したそれぞれの出力端子を介して電子回路接続されており、これにより、各力検出区域は、それぞれの力検出区域と接触しているダイ接合ツールの一部分によって加えられる圧縮力にのみ感応し、当該力検出区域と接触していないダイ接合ツールの他の部分によって加えられる圧縮力には感応しないように構成された、方法において、
    前記力センサーをして、個々に検出された力の間の相違に応答して、前記ダイ接合ツールの正しい位置合わせ状態からのずれを示す位置合わせ信号を発生させる段階と、
    前記ダイ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、
    前記ダイ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、前記ダイの前記接触面への前記ダイ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。
  12. 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11に記載の方法。
  13. 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、請求項11に記載の方法。
  14. 前記力センサーは前記ダイ接合ツールに接続される、請求項11に記載の方法。
  15. 前記ダイ接合ツールはコレット組立体を含み、及び
    前記ダイ接合ツールによる圧縮力を接合面に加える際に、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14に記載の方法。
  16. 前記力センサーを、前記コレット組立体の軸線に関し、前記コレット組立体と前記接合面との間の接触点とは反対側で前記コレット組立体に連結する段階を含む、請求項15に記載の方法。
  17. 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、請求項15に記載の方法。
  18. 各検出区域の検出領域は、前記ダイ接合ツールと前記力センサーとの間の接触面積よりも全体として小さい、請求項1に記載の装置。
  19. 各検出区域はセラミックファイバーの束から成り、各束の一端は作動の際に前記ダイ接合ツールと係合するように位置決めされ、
    各束の検出領域は、前記ダイ接合ツールの、前記力センサーとの全接触領域よりも全体として小さい、請求項1に記載の装置。
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