JP4471860B2 - ボンディング装置におけるキャリブレーション方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボンディング装置におけるキャリブレーション方法に関するものである。

従来、回路基板や機能回路が形成されたウェハーに半導体チップをボンディング、すなわち加熱圧着するチップボンディング技術は、広く実用化されており、チップボンディングのような実装においてはミクロン単位の精度が要求され、近年、その精度の向上がさらに要求されつつある。

従来の上記ボンディング装置として、例えば特許文献１が開示されている。
このボンディング装置は、例えば、ボンディングツールに真空吸着保持されている半導体チップのアライメントマーク（例えばバンプのパターン）を下方から検出するチップ用カメラと、ボンディングステージ上に載置されている回路基板のアライメントマーク（例えば回路パターン）を上方から検出する基板用カメラとを備え、ボンディングステージが所定位置に移動されるとともに、チップ用カメラと基板用カメラの移動制御系のキャリブレーションを行うことにより、さらに高精度のボンディングを行っており、ボンディングステージをボンディング位置と基板検出位置に移動させ、上記両カメラによりボンディングステージの基板支持テーブルに装着されているキャリブレーション用基準マークを検出し、これに基づいて得られる所定のパラメータで、両カメラの移動制御系に予め入力されたパラメータの補正更新が行われている。

これにより、カメラ同士間の相対的位置ずれを補正、すなわちカメラ間のキャリブレーションを可能とすることができ、したがって高精度のボンディングを行うことができる。
特開平９−８１０４号公報

しかし、上記従来の構成では、ボンディングステージ、および基板用カメラもしくはチップ用カメラが少なくとも２方向に移動自在となるよう構成され、基板用カメラとチップ用カメラが共通のキャリブレーション用基準マークを検出することができるボンディング装置に限定されており、ボンディングステージやカメラが移動しても、基板用カメラとチップ用カメラのカメラ視野が重なる（交差する）ことなく、両カメラの位置が直線的にならぶことがない機構、または両カメラが同じキャリブレーション用基準マークを検出することができない機構など、ボンディングステージまたはカメラの移動自由度が極めて少ないボンディング装置においては適用することができず、このような機構を備えたボンディング装置に関しては、従来と異なるカメラ間のキャリブレーション方法を考えなければならないという問題がある。

そこで本発明は、ボンディングステージまたはカメラの移動自由度が極めて少なくても高精度のボンディングを行うことができるボンディング装置におけるキャリブレーション方法を提供することを目的とする。

前記した目的を達成するために、本発明の請求項１記載のボンディング装置におけるキャリブレーション方法は、ウェハーが載置されているボンディングステージと、半導体チップの吸着およびボンディングを行うボンディングツールと、前記ボンディングツールで吸着された前記半導体チップのアライメントマークを検出するチップ用カメラと、前記ウェハーのアライメントマークを検出する基板用カメラとを備えたボンディング装置におけるキャリブレーション方法であって、前記チップ用カメラもしくは前記基板用カメラ、および前記ボンディングステージが一方向に移動自在に形成されており、前記ボンディングステージに設けられ少なくとも２つのキャリブレーション用基準マークを有するとともに超低熱膨張鋳鉄により形成されているキャリブレーション用治具の一方のキャリブレーション用基準マークを前記チップ用カメラにより検出させ、他方のキャリブレーション用基準マークを前記基板用カメラにより検出させることにより、前記ボンディングステージ、前記ボンディングツール、および前記基板用カメラの位置補正を行うことを特徴としたものである。

また、請求項２に記載のボンディング装置におけるキャリブレーション方法は請求項１に記載の発明であって、前記チップ用カメラおよび前記基板用カメラがそれぞれ、異なる視野方向で前記各キャリブレーション用基準マークを認識することを特徴としたものである。

本発明のボンディング装置におけるキャリブレーション方法は、一方向にしか移動することのできない、すなわち移動自由度が極めて少ないチップ用カメラもしくは基板用カメラ、およびボンディングステージを備えたボンディング装置において、ボンディングステージに設けられ少なくとも２つのキャリブレーション用基準マークを有するキャリブレーション用治具の一方のキャリブレーション用基準マークをチップ用カメラにより検出させ、他方のキャリブレーション用基準マークを基板用カメラにより検出させることにより、新たな移動制御系のパラメータが求められて補正更新されるため、ボンディングステージ、ボンディングツール、および基板用カメラの位置補正が行われ、カメラ同士間の相対的位置ずれを補正、すなわちカメラ間のキャリブレーションを可能とすることができ、したがって高精度のボンディングを行うことができる。

以下に本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
本発明のボンディング装置は、水平方向においてボンディングステージ（後述する）が移動する方向（ボンディングステージの長手方向）をＸ軸方向、水平方向においてＸ軸と直交する方向（ボンディングステージの短手方向）をＹ軸方向、Ｘ軸およびＹ軸と直交する鉛直方向をＺ軸方向とし、ウェハーが載置されているボンディングステージをＸ軸方向に移動させ、半導体チップが真空吸着されているボンディングツールをＹ軸方向に移動させ、ボンディングツールをウェハー上のボンディング位置に移動させることにより、ウェハー上に半導体チップをボンディングするものである。

図１、図２に示すように、本発明のボンディング装置は、ボンディングステージ３、ボンディングツール４、チップ用カメラ５、基板用カメラ６などから構成されている。
上記ボンディングステージ３は、矩形板状に形成され、Ｘ軸方向に移動自在なテーブル１と、テーブル１の上面における一方側に回路基板や機能回路などが形成されているウェハー２１が載置されるチップ支持テーブル２と、テーブル１の上面における他方側にキャリブレーション用治具７を嵌め込み固定するためのＬ字型の溝部８Ａが形成されている固定テーブル８から形成されている。

上記ボンディングツール４は、Ｚ軸回りに回転され、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動自在であり半導体チップ２２の真空吸着およびボンディングを行う。
上記チップ用カメラ５は、撮像方向が上方となるよう固定されており、ボンディングツール４で真空吸着された半導体チップ２２のアライメントマークを検出する。

上記基板用カメラ６は、撮像方向が下方となるよう設けられており、Ｙ軸方向に移動自在でありウェハー２１のアライメントマークを検出する。
図２から図４に示すように、上記キャリブレーション用治具７は、室温の上昇などによる環境条件の変化が発生しても形状がほとんど変化しない材料である超低熱膨張鋳鉄により平面視がＬ字型に形成されており、テーブル１の上面における他方側にＸ軸方向（ボンディングステージ３の移動方向と平行）に配置される長方形状（棒状）の第１板部１１と、第１板部１１の他端からＹ軸方向（ボンディングツール４の移動方向と平行）に且つその他端がボンディングステージ３から突出するように形成された長方形状（棒状）の第２板部１２から構成されている。なお、第１板部１１の一端をＡ部、第２板部１２の他端をＢ部、第１板部の他端（第２板部１２の一端）をＣ部と称する。

また、上記超低熱膨張鋳鉄としては、ねずみ鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、鋼などの熱膨張係数が１２×１０^−６／ｋ以下のものが用いられ、特に熱膨張係数が６×１０^−６／ｋ以下のものがよい。例えば、榎本鋳工所のインバー材やニレジスト、ノビナイトを用いることができる。

図５に示すように、第１板部１１の一端であるＡ部および第２板部１２の他端であるＢ部には貫通孔１７が形成されており、Ａ部の貫通孔１７の上部には基板用カメラ６により検出される円板状の透明ガラスにより形成された第１キャリブレーション用基準マーク１５が設けられ、Ｂ部の貫通孔１７の上部にはチップ用カメラ５により検出される円板状の透明ガラスにより形成された第２キャリブレーション用基準マーク１６が設けられている。

なお、上記キャリブレーション用治具７における第２板部１２の中間には段部が形成されて、他端側が一端側よりも上方に位置するように形成されているため、チップ用カメラ５により第２板部１２の他端に形成された第２キャリブレーション用基準マーク１６のフォーカスを行う際、チップ用カメラ５と第２キャリブレーション用基準マーク１６とを所定距離離すことができ、したがってフォーカスの精度が向上される。

また、図３に示すように、上記第１キャリブレーション用基準マーク１５の中心をａ、第２キャリブレーション用基準マーク１６の中心をｂ、第１キャリブレーション用基準マーク１５の中心ａを通るＸ軸方向の直線と第２キャリブレーション用基準マーク１６の中心ｂを通るＹ軸方向の直線との交点をｃとし、中心ａと交点ｃとの距離を第１マーク間基準距離Ｍ、中心ｂと交点ｃとの距離を第２マーク間基準距離Ｎとする。

次に、上記チップ用カメラ５と基板用カメラ６間のキャリブレーション方法を、図６のフローチャートに基づいて説明する。
なお、このボンディング装置には、図１に示すように、ボンディングツール４をその待機位置であるツール基準位置（ＸＡ，ＹＡ）からＹ軸方向に所定距離移動させる距離である第１基準距離Ｌ１、ボンディングステージ３をその待機位置であるステージ基準位置（ＸＢ，ＹＢ）からＸ軸方向に所定距離移動させる距離である第２基準距離Ｌ２、基板用カメラ６をその待機位置である基板用カメラ基準位置（ＸＣ，ＹＣ）からＹ軸方向に所定距離移動させる距離である第３基準距離Ｌ３、ボンディングツール４の待機位置からチップ用カメラ５のカメラ視野の中心までの距離（チップ用カメラ基準距離）におけるＸ成分のチップ用カメラ基準距離ＸＲ、そのＹ成分のチップ用カメラ基準距離ＹＲ、ボンディングツール４の待機位置から基板用カメラ６のカメラ視野の中心までの距離（基板用カメラ基準距離）におけるＸ成分である基板用カメラ基準距離ＸＳ、そのＹ成分である基板用カメラ基準距離ＹＳなどの移動制御系の初期パラメータが設定されており、これら初期パラメータは誤差のないものとする。なお、ボンディングツール４の代表座標位置は、ボンディングツール４の回転中心としている。
（ステップ−１）
まず、キャリブレーション用治具７をボンディングステージ３に固定する前に、キャリブレーション用治具７における上記第１マーク間基準距離Ｍおよび第２マーク間基準距離Ｎを、光学顕微鏡などを用いて測定する。
（ステップ−２）
次に、キャリブレーション用治具７を、例えばキャリブレーション用治具７のＸ軸方向の一辺とテーブル１のＸ軸方向の一辺が平行となるよう、ボンディングステージ３に固定する。

ここで、キャリブレーション用治具７をボンディングステージ３に固定する際、図７に示すように、キャリブレーション用治具７がボンディングステージ３に対して若干傾いて固定されている恐れがあるため、この傾き角度θ（ズレ）を計測する。
（ステップ−３）
すなわち、ボンディングステージ３をＸ軸方向に移動させるとともに基板用カメラ６をＹ軸方向に移動させ、図７に示すキャリブレーション用治具７における第１板部１１のＡ部の左上角Ａ´およびＣ部の右上角Ｃ´を基板用カメラ６によって検出することにより、固定されているキャリブレーション用治具７の座標を取得する。

なお、取得する座標は、上述した以外の角でもよく、固定されているキャリブレーション用治具７の傾き角度θが検出される２点であればよい。
（ステップ−４）
そして、取得したキャリブレーション用治具７の座標からキャリブレーション用治具７の傾き角度θを求め、座標変換式を用いて上記第１マーク間基準距離Ｍと第２マーク間基準距離Ｎを修正することにより、角度θ傾いた状態でボンディングステージ３に固定された状態のキャリブレーション用治具７のＸ軸方向におけるＡ部の中心ａとＢ部の中心ｂとの距離である第１修正マーク間距離Ｍ´、およびＹ軸方向におけるＡ部の中心ａとＢ部の中心ｂとの距離である第２修正マーク間距離Ｎ´を求める。
（ステップ−５）
ボンディングツール４とチップ用カメラ５の位置関係を明示し、経時変化等によるボンディングツール４とチップ用カメラ５との間の実距離とその設定距離のズレの補正および確認を行うため、チップ用カメラ５で第２キャリブレーション用基準マーク１６を認識（捕捉）し、ボンディングツール４の回転中心からチップ用カメラ５のカメラ視野の中心（ＸＤ，ＹＤ）までの距離であるチップ用カメラ補正距離ＹＲ´（Ｌ１´）を求める。（図８、図９参照）
詳述すると、まずボンディングステージ３をステージ基準位置（ＸＢ，ＹＢ）から初期パラメータである第２基準距離Ｌ２に基づいてＸ軸方向に移動させ、第２キャリブレーション用基準マーク１６をチップ用カメラ５のカメラ視野の中心付近で認識させる。

次に、ボンディングツール４をツール基準位置（ＸＡ，ＹＡ）から初期パラメータである第１基準距離Ｌ１に基づいてＹ軸方向に移動させ、チップ用カメラ５がボンディングツール４の回転によりその回転中心をチップ用カメラ５のカメラ視野の中心付近で認識するよう、ボンディングツール４の回転中心座標を求める。

これにより、ボンディングツールの回転中心座標と第２キャリブレーション用基準マーク１６の中心とのズレがわかり、チップ用カメラ５のカメラ視野の中心（ＸＤ，ＹＤ）とボンディングツール４の回転中心のズレ、すなわちＸ成分におけるチップ用オフセット量ＸＰおよびＹ成分におけるチップ用オフセット量ＹＰが求められるため、図８に示すように、上記Ｘ成分のチップ用カメラ基準距離ＸＲおよびＸ成分のチップ用オフセット量ＸＰによりＸ成分のチップ用カメラ補正距離ＸＲ´が求められ、上記Ｙ成分のチップ用カメラ基準距離ＹＲおよびＹ成分のチップ用オフセット量ＹＰによりＹ成分のチップ用カメラ補正距離ＹＲ´が求められる。なお、移動制御系の初期パラメータであるＸ成分のチップ用カメラ基準距離ＸＲおよびＹ成分のチップ用カメラ基準距離ＹＲは、上記新たに求められたＸ成分のチップ用カメラ補正距離ＸＲ´およびＹ成分のチップ用カメラ補正距離ＹＲ´に更新される。
（ステップ−６）
まず、（ステップ−４）で求められた第１修正マーク間距離Ｍ´および第２修正マーク間距離Ｎ´と、上記Ｘ成分におけるチップ用オフセット量ＸＰおよびＹ成分におけるチップ用オフセット量ＹＰとにより、第１キャリブレーション用基準マーク１５の目標中心座標を求める。

そして、基板用カメラ６を基板用カメラ基準位置（ＸＣ，ＹＣ）から第３基準距離Ｌ３に基づいてＹ軸方向に移動させ、基板用カメラ６で第１キャリブレーション用基準マーク１５を認識させるとともに、第１キャリブレーション用基準マーク１５の中心座標が上記目標中心座標となっているかどうかを確認し、基板用カメラ６のカメラ視野の中心と第１キャリブレーション用基準マーク１５の中心とのズレ、すなわちＸ成分における基板用オフセット量ＸＱおよびＹ成分における基板用オフセット量ＹＱを求める。

これにより、上記Ｘ成分における基板用カメラ基準距離ＸＳおよびＸ成分の基板用オフセット量ＸＱによりＸ成分の基板用カメラ補正距離ＸＳ´が求められ、上記Ｙ成分における基板用カメラ基準距離ＹＳおよびＹ成分の基板用オフセット量ＹＱによりＹ成分の基板用カメラ補正距離ＹＳ´が求められる。そして、移動制御系の初期パラメータであるＸ成分の基板用カメラ基準距離ＸＲおよびＹ成分の基板用カメラ基準距離ＹＲは、上記新たに求められたＸ成分の基板用カメラ補正距離ＸＲ´およびＹ成分の基板用カメラ補正距離ＹＲ´に更新される。
（ステップ−７）
そして、（ステップ−５）で求められた成分におけるチップ用オフセット量ＸＰおよび（ステップ−６）で求められたＸ成分における基板用オフセット量ＸＱにより、図１に示す第２基準距離Ｌ２は、図８に示す第２補正距離Ｌ２´に補正され、（ステップ−５）で求められたＹ成分におけるチップ用オフセット量ＹＰおよび（ステップ−６）で求められたＹ成分における基板用オフセット量ＹＱにより、図１に示す第１基準距離Ｌ１および第３基準距離Ｌ３は、図８に示す第１補正距離Ｌ１´および第３補正距離Ｌ３´に補正される。

これにより、移動制御系の初期パラメータである第１基準距離Ｌ１、第２基準距離Ｌ２、第３基準距離Ｌ３が第１補正距離Ｌ１´、第２補正距離Ｌ２´、第３補正距離Ｌ３´に補正されるため、次回動作時において、ボンディングツール４はツール基準位置（ＸＡ，ＹＡ）から第１補正距離Ｌ１´移動され、ボンディングステージ３はステージ基準位置（ＸＢ，ＹＢ）から第２補正距離Ｌ２´移動され、基板用カメラ６は基板用カメラ基準位置（ＸＣ，ＹＣ）から第１補正距離Ｌ１´移動され、したがってボンディングの精度が維持される。

上記手順をまとめると、ボンディングツール４の中心を基準として、ボンディングツール４とチップ用カメラ５のキャリブレーションを行うことによりボンディングツール４とチップ用カメラ５の位置精度が保証され、次にボンディングツール４と基板用カメラ６のキャリブレーションを行うことによりボンディングツール４とチップ用カメラ６の位置精度が保証されるため、チップ用カメラ５と基板用カメラ６の位置精度が保証されることとなる。

以上のように実施の形態によれば、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向のうちいずれか一つの軸方向にしか移動することのできない、すなわち移動自由度が極めて少ない基板用カメラ６およびボンディングステージ３と、固定されたチップ用カメラ５を備えたボンディング装置において、ボンディングステージ３に設けられ２つのキャリブレーション用基準マーク１５，１６を有するキャリブレーション用治具７の一方のキャリブレーション用基準マーク１６をチップ用カメラ５により検出させ、他方のキャリブレーション用基準マーク１５を基板用カメラ６により検出させることにより、新たな移動制御系のパラメータが求められて補正更新されるため、ボンディングステージ、ボンディングツール、および基板用カメラの位置補正が行われ、カメラ同士間の相対的位置ずれを補正、すなわちカメラ間のキャリブレーションを可能とすることができ、したがって高精度のボンディングを行うことができる。

また、実施の形態によれば、室温の上昇などによる環境条件の変化が発生しても形状がほとんど変化しない材料である超低熱膨張鋳鉄によりキャリブレーション用治具７が形成されているため、チップ用カメラ５により検出される第２キャリブレーション用基準マーク１６と、基板用カメラ６により検出される第１キャリブレーション用基準マーク１５を設けることができる。

例えば、異なるカメラにより検出される複数のキャリブレーション用基準マークがボンディングステージ３に直接形成されている場合、ボンディングステージ３を上述した理由により環境条件の変化に強い材料により形成するとコストがかかるが、本願のようにキャリブレーション用治具７のみを超低熱膨張鋳鉄で形成することによりコストを大幅に低減することができる。

また、実施の形態によれば、キャリブレーション用治具７は、Ｌ字型に形成されるとともに、その各端部にキャリブレーション用基準マーク１５，１６を有しているため、チップ用カメラ５により一方のキャリブレーション用基準マーク１６を検出させ、基板用カメラ６により他方のキャリブレーション用基準マーク１５を検出させる際、ボンディングステージ３および基板用カメラ６を移動させる距離を小さくすることができる。これにより、この移動によるボンディングステージ３および基板用カメラ６等の位置精度の低下を抑えることができ、また移動機構が小さくなるためボンディング装置を小型化することができる。

なお、実施の形態では、Ｌ字型に一体に形成されているキャリブレーション用治具７が用いられていたが、これに限ることは無く、図１１に示すように、Ｌ字型に形成され、ボンディングステージ３の溝部８Ａに配置される第１板部３１と、第１板部３１における端部に取り付け具３３により取り付けられる第２板部３２とから構成されるキャリブレーション用治具３４を用いてもよい。なお、第２板部３２は第１板部３１の所望の位置に取り付けることができ、キャリブレーション用治具３４を様々な形状に組み立てることができるため、他の装置にも用いることができる。また、第２板部３２の鉛直方向における高さ調整は、調整部材（例えば板材等）を介して第２板部３２を第１板部３１の端部に取り付けることにより行うことができる。

また、実施の形態では、キャリブレーション用治具７は、平面視がＬ字型に形成されているが、これに限ることは無く、例えばＩ字型でもよい。
また、実施の形態では、超低熱膨張鋳鉄によりキャリブレーション用治具７が形成されていたが、室温の上昇などによる環境条件の変化が生じても形状が極めて変化しにくい材料であればよい。

また、実施の形態では、チップ用カメラ５は固定されていたが、チップ用カメラ５と基板用カメラ６がそれぞれ、カメラ視野が交差せず、直線的に並ぶことなく、同じキャリブレーション用基準マークを検出しなければ、移動自在としてもよい。

本発明のボンディング装置におけるキャリブレーション方法は、ボンディング装置に代表される実装装置の実装を高精度にするとともに、高精度のボンディングが求められる装置の中で、環境条件の変化等、諸々の条件変化する機械的性質を緩和する方法として有用である。

本発明の実施の形態におけるボンディング装置の平面図である。 同ボンディング装置の斜視図である。 同キャリブレーション用治具の平面図である。 同キャリブレーション用治具の正面図である。 同キャリブレーション用治具におけるキャリブレーション用基準マーク部分の断面図である。 同ボンディング装置におけるキャリブレーション方法を説明するフロー図である。 同ボンディング装置にキャリブレーション用治具を取り付けた際の平面図である。 同ボンディング装置にキャリブレーション用治具が傾いて固定された際の平面図である。 同図８における第２キャリブレーション用基準マーク部分の拡大平面図である。 同図８における第１キャリブレーション用基準マーク部分の拡大平面図である。 同他のキャリブレーション用治具の斜視図である。

符号の説明

１ ボンディング装置
３ ボンディングステージ
４ ボンディングツール
５ チップ用カメラ
６ 基板用カメラ
７ キャリブレーション用治具
１５，１６ キャリブレーション用基準マーク
２１ ウェハー
２２ 半導体チップ

Claims (2)

1. ウェハーが載置されているボンディングステージと、半導体チップの吸着およびボンディングを行うボンディングツールと、前記ボンディングツールで吸着された前記半導体チップのアライメントマークを検出するチップ用カメラと、前記ウェハーのアライメントマークを検出する基板用カメラとを備えたボンディング装置におけるキャリブレーション方法であって、
   前記チップ用カメラもしくは前記基板用カメラ、および前記ボンディングステージが一方向に移動自在に形成されており、
   前記ボンディングステージに設けられ少なくとも２つのキャリブレーション用基準マークを有するとともに超低熱膨張鋳鉄により形成されているキャリブレーション用治具の一方のキャリブレーション用基準マークを前記チップ用カメラにより検出させ、他方のキャリブレーション用基準マークを前記基板用カメラにより検出させることにより、前記ボンディングステージ、前記ボンディングツール、および前記基板用カメラの位置補正を行うことを特徴とする
   ボンディング装置におけるキャリブレーション方法。
2. 前記チップ用カメラおよび前記基板用カメラがそれぞれ、異なる視野方向で前記各キャリブレーション用基準マークを認識することを特徴とする
   請求項１に記載のボンディング装置におけるキャリブレーション方法。

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