JP4574871B2 - アライメント装置および組立て装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のチップを組み合わせる際に、互いの位置合わせをするアライメント装置および組立て装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体回路が搭載されたチップ同士を対向して貼り合わせたり、リードフレームあるいはパッケージにチップを搭載したり、それらをプリント基板に搭載する際には、チップあるいはパッケージなどが所望の位置に高精度で搭載されるように、相互の位置合わせ（アライメント）を行ってから貼り付けなどの組立て作業が行われる。
【０００３】
図５に、アライメントを行う装置の一例を示してある。このアライメント装置９０はチップ同士を貼り合わせる場合を例に説明しているが、パッケージやプリント基板とチップなどを貼り合わせる場合も同様である。このアライメント装置９０は、直交する２つの反射面９２ａおよび９２ｂを備えた直角プリズム９２と、これらの反射面９２ａおよび９２ｂからの画像を同時に得ることができる撮影レンズ（カメラレンズ）９８およびＣＣＤ等を用いたカメラ９９とが破線で示す直線Ｃに沿って配置されている。したがって、直交プリズム９２を交点として直線Ｃに直交する方向（本図では、直線Ｎ）に延びた第１の光路７１および第２の光路７２からの画像を、直交プリズム９２で直角に曲げ、直線Ｃに沿って平行した光路７３および７４を通してカメラ９９に導くことができる。このため、第１の光路７１の方向にアライメントする第１のチップ８０と、それを保持する保持台８７とを設け、第２の光路７２の方向に第２のチップ８１と、それを保持する保持台８８とを設けることにより、これら第１および第２のチップ８０および８１の位置合わせを行い精度良く貼り合わせることができる。
【０００４】
具体的には、カメラ９９で得られた２つのチップ８０および８１の画像をモニター９７に出力して位置合わせする。このため、モニター９７に表示される撮像素子面９６には、予め、アライメントすべき平面座標の原点位置と座標軸ＸＹの校正作業がなされたマークが表示されており、それにあわせて各々のチップ８０および８１の位置を調整することになる。たとえば、図６に示してあるように、中心線Ｋを境に左右にそれぞれのチップ８０および８１が表示され、校正されたアライメント補助線Ｌなども同時に表示される。したがって、各々のチップ８０および８１に設けられたアライメントマーク８０Ｍおよび８１Ｍが、相互にあるいはアライメント補助線などに対して所定の位置になるように各々のチップ保持台８７および８８の位置あるいは角度などを調整する。
【０００５】
そして、２つのチップ８０および８１のアライメント作業が終了すると、アライメント装置９０をチップ保持台８７および８８が移動する直線Ｎ上から取り外し、その後、双方のチップ８０およびチップ８１が接合するように双方あるいは一方のチップ保持台を移動する。このようにして、２つのチップ８０および８１を所望の位置で貼り合せることができる。この際、移動ステージの移動方向と直線Ｎが平行に保たれることは言うまでもない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このアライメント装置９０を用いた方法では、図６に示したように、貼り合せる２つのチップ８０および８１のアライメントマーク８０Ｍおよび８１Ｍをモニター９７の画面９６の上に表示し、予め校正された補助線などを用いて相対的に位置合わせするものである。すなわち、オペレータがマニュアル操作により目視で、２つのチップ８０および８１が所望の位置にあることを判断し、アライメントが一致していることを判断する際に、作業者の熟練度、誤認等の不確実さの入り込む余地がある。また、校正された補助線などのマークの校正精度にアライメントの精度が大きく依存する。したがって、アライメント作業において、人為的なミスが生じ易く、それを回避するためには、熟練したオペレータが必要となり、効率良く作業を行うことができない。また、アライメント作業を自動化することは難しい。さらに、アライメント装置などをセットするときに補助線などを校正する作業を省くことができない。また、その校正された位置にアライメントされる対象のチップなどを設置する必要があり、その時点でも誤差が発生する可能性がある。
【０００７】
そこで、本発明においては、作業者の熟練度、誤認等の不確実さの入り込む余地がなく、自動化が可能なアライメント装置を提供することを目的としている。また、位置合わせ用の補助線などの校正が必要な補助的なマークを用いなくてもチップ同士あるいは、チップとその他の部材の位置合わせを確実に高精度で行うことができるアライメント装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明のアライメント装置では、空間的に離れて配置された２つの対向する面を同一の光軸上に重ねて出力できる光学素子を設けることで、２つの画像を直接的に重ねて表示し、アライメントの一致を判断できるようにしている。すなわち、本発明のアライメント装置は、直線上に配置され、対向する方向から入射された第１および第２の画像をそれぞれ導くことができる第１および第２の光路と、第１および第２の光路に直交する第３の光路と、この第３の光路に第１の画像と第２の画像を重ねて導く光学手段とを有する。
【０００９】
第１の画像と第２の画像を重ねて表示することにより、第１および第２の画像を相対的に見比べて位置合わせをする必要はなくなる。たとえば、第１の画像の表示されたマークと、第２の画像の表示されたマークとを重ねるように直接的な、あるいは、絶対的な位置合わせをすることが可能となる。さらに、相互のマークの位置決めをするために校正された補助線などは不要となり、校正された位置に予めチップなどを搭載する手間も要らない。したがって、本発明のアライメント装置であれば、作業者の熟練度、誤認等の不確実さの入り込む余地がなく、さらにアライメント作業を自動化することも可能となる。そして、校正などの作業も不要であり、アライメント作業を大幅に簡略化できる。
【００１０】
さらに、本発明のアライメント装置は、アライメントする対象となる一方の物体を透過して他の物体を見て、第１あるいは第２の画像を重ねて表示する方式ではない。このため、重ね合わせる対象物の一方が透過性のものである必要はなく、また、対象物の一方に透過性のマークを設けるといった制限は一切不要であり、重ね合わせる対象物の双方をそのままの状態で、直接的に重ね合わせて表示することができる。
【００１１】
したがって、第３の光路に第１および第２の画像が重なり合った画像を取得可能な画像素子を配置することにより、重なり合った画像をモニターなどに表示して、マークあるいはその他の特定の部分が合致するようにマニュアルで位置合わせすることができ、熟練したオペレータでなくても高精度でミス無く位置合わせすることができる。さらに、その重なり合った画像をコンピュータなどの情報処理装置によって画像処理することにより、マークあるいはその他の特定の部分が重なるように自動的に位置合わせすることも可能であり、アライメントする作業を自動化することも可能となる。
【００１２】
したがって、本発明のアライメント装置を用い、このアライメント装置の第１の光路の延長方向にチップなどの第１の対象物を保持可能な第１の保持手段を設け、第２の光路の延長方向に第２の対象物を保持可能な第２の保持手段を設けた組立て装置を提供することが可能である。そして、アライメントが終了した後に、第１および第２の保持手段が移動する経路に対しアライメント装置を抜き差し可能とし、第１の保持手段および／または第２の保持手段を第１および／または第２の光路の方向に直線的に動かすことにより第１および第２の対象物を所望の位置で貼り合わせることができる。
【００１３】
第３の光路に第１の画像と第２の画像を重ねて導く光学手段は、ダイクロイックプリズムである。
【００１４】
ダイクロイックプリズムに、第１の色の第１の画像を第３の光路に反射する第１の反射面と、第２の色の第２の画像を第３の光路に反射する第２の反射面とを設けることにより、異なった色の第１の画像と第２の画像を第３の光路に重ねて導く。さらに、アライメント装置は、第１の光路の方向に第１の色の光を照射する第１の光源と、第２の光路の方向に第２の色の光を照射する第２の光源と、第１の光路に設置された像反転プリズムと、第２の光路に設置された素子であって、第１の色の光による像反転プリズムを経た第１の画像と第２の色の光により得られた第２の画像との光路差を補正する素子と、第３の光路に配置されたカメラレンズと、カメラレンズを介して第１および第２の画像が重なり合った画像を取得可能な画像素子アレイとを有する。第１の画像と第２の画像が異なる色で表示されるので、第１および第２の対象物のどちらを表示しているかが判別しやすくなり、位置調整がさらに容易になる。
【００１５】
さらに、ダイクロイックプリズムを介して第３の光路の方向に第３の色の第３の画像を透過させて、第１および第２の画像に第３の画像を重ねて出力することができる。したがって、第３の画像として格子模様（升目）を表示することが可能であり、この格子を位置合わせのガイドとして利用することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。図１に、アライメント装置１０と、それを用いた組立て装置１の概要を示してある。本例の組立て装置１は、第１のチップ８０を保持する第１の保持台８７と、これに対向する位置（図の右側）に、第２のチップ８１を保持する第２の保持台８８とを備えている。これらの保持台８７および８８は、第１および第２のチップ８０および８１を直線Ｎに沿って、直線的に動かし貼り合わせられることができるようになっている。そして、保持台８７および８８の間に、直方体状のハウジング９１に収納されたアライメント装置１０が設置されており、保持台８７および８８を直線Ｎに沿って直線的に移動する際は、その移動経路からアライメント装置１０を取り除けるようになっている。
【００１７】
本例のアライメント装置１０は、直線Ｎに沿って第１の保持台８７に取り付けられた第１のチップ８０の第１の画像を取得可能な第１の光路６１と、直線Ｎに沿って第２の保持台８８に取り付けられた第２のチップ８１の第２の画像を取得可能な第２の光路６２とを備えている。さらに、これら第１および第２の画像を直線Ｎと直交する直線Ｃに沿って延びた第３の光路６３と、この第３の光路６３の方向に重ねて導くことが可能な光学素子２１を備えている。そして、光学素子２１により第３の光路６３に出力された画像はカメラレンズ９８を介して撮像素子９９に集光され、電気信号に変換されてモニター９７の画面９６に表示される。
【００１８】
本例の光学素子２１は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ素子）であり、第１の光路６１からの第１の偏光の光、たとえばＳ偏光の光を、第１の光路６１に直交する第３の光路６３の方向に反射する反射面２２を備えている。さらに、直線Ｃに沿った第３の光路６３と対峙する第４の光路６４の方向には、１／４波長板(π／２位相差フィルム)２３ａとミラー２３ｂが貼り付けられている。このため、第２の光路６２からのＳ偏光の光は、反射面２２によって第４の光路６４の方向に反射された後、１／４波長板２３ａを通ってミラー２３ｂにより反射され、１／４波長板２３ａを通って反射面２２に到達する。そして、Ｓ偏光の光は１／４波長板２３ａを２回通過することによりＰ偏光になるので、反射面２２を透過し、第３の光路６３の方向に出力される。このため、直線Ｎの方向から入力された光は、直線Ｃの方向に光軸が一致するように重ねて出力される。
【００１９】
したがって、本例のアライメント装置１０によると、第１の保持台８７に保持されたチップ８０の面８０ａの第１の画像は、第１の光路６１の上の適当な位置、たとえば、ハウジング９１の内部あるいは窓に設置されたＳ偏光板２５ａを介してＰＢＳ２１に導かれ、第３の光路６３に出力される。一方、第２の保持台８８に保持されたチップ８１の面８１ａの第２の画像は、第２の光路６２の上の適当な位置、たとえば、ハウジング９１の内部あるいは窓に設置されたＳ偏光板２５ｂを介してＰＢＳ２１に導かれ、第４の光路６４に出力された後、Ｐ偏光に変換されて第３の光路６３に出力される。この結果、２つのチップ８０および８１の対向する面８０ａおよび８１ａを示す第１および第２の画像は直線Ｃを軸として、重ね合わされた状態でカメラレンズ９８に導かれ、重なった映像として撮像素子９９を介してモニター９７の画面９６に表示される。
【００２０】
したがって、図２に示すように、画面９６には、チップ面８０ａを示す第１の画像と、チップ面８１ａを示す第２の画像が重なって表示され、各チップ面８０ａおよび８１ａに予め付されているアライメントマーク８０Ｍおよび８１Ｍも重なって表示される。このため、これらのマーク８０Ｍおよび８１Ｍを一致させることにより、直線Ｎの上に位置する２つのチップ８０および８１の相対的な角度と偏差（偏芯）などを揃えることができる。したがって、第１の保持台８７と第２の保持台８８を直線Ｎに沿って相対的に移動することにより、チップ８０および８１を所定の位置で貼り合わせることができる。
【００２１】
このように、本例のアライメント装置１０では、画面９６に２つのチップ面８０ａおよび８１ａを重ね合わせて表示することができる。このため、補助線などを用いなくても作業者は、２つのチップ面８０ａおよび８１ａの相対的な位置をアライメントマークを重ね合わせることで直接的にセットすることが可能であり、熟練度、誤認等の不確実さを排除することができ、人為的なミスの発生を防止できる。さらに、画面９６に２つのチップ面８０ａおよび８１ａを重ね合わせて表示できるので、重なり合う面の向きおよび位置を直に一致させることが可能となる。このため、チップ８０および８１を各々の保持台８７および８８の所定の位置に、所定の向きで精度良く予め装着する必要はなく、画面９６でマーク８０Ｍおよび８１Ｍの位置を合わせるだけでアライメント作業を終了させることができる。そして、このアライメントマーク８０Ｍおよび８１Ｍを合わせる作業は撮像素子９９からの画像をコンピュータなどの情報処理装置に導くことにより自動化することも可能である。
【００２２】
また、本例のアライメント装置１０では、２つのチップ面８０ａおよび８１ａの画像を光学的に重ね合わせて表示している。このため、実際にアライメントマークが透過して見えるようにチップ同士を重ね合わせたり、他方のアライメントマークが透過して見えるように、チップの構造や性質を限定する必要はなく、どのようなチップあるいはパッケージ、さらには配線基板などであっても位置合わせを簡単に、そして確実に行うことができる。
【００２３】
また、本例の組立て装置１では、アライメント装置１０のＰＢＳ素子２１を両チップ８０および８１の中点位置に、すなわち、第１および第２の光路６１および６２の長さが等しい位置に挿入するように設定することも可能である。しかしながら、上述したように第２の光路６２から入力される光は第４の光路６４を経てから第３の光路６３に出力されるために光路差が生じ、レンズ９８による倍率や収差性能が異なる可能性がある。したがって、光路差をキャンセルできるように、偏光ＰＢＳ素子２１の一辺の長さの半分だけ、第２の光路６２を利用する右側のチップ８１に寄った位置にＰＢＳ素子２１が位置するようにアライメント装置１０をセットし、左側の第１の光路６１が右側の第２の光路６２よりも長くなるようにしている。
【００２４】
図３に、第３の光路６３に第１および第２の画像を重ねて出力する光学素子としてダイクロイックプリズム３１を用いたアライメント装置１０と、それを用いた組立て装置１を示してある。本例の組立て装置１も上記と同様に、直線Ｎに沿って移動可能な第１の保持台８７および第２の保持台８８を有し、これらの間に抜き差し可能なアライメント装置１０が設置されている。そして、直線Ｎに沿った第１の光路６１からの第１の画像と、第２の光路６２からの第２の画像とを、直線Ｎに直交する直線Ｃの方向に延びた第３の光路６３の方向に重ねて出力するように、ダイクロイックプリズム３１が配置され、第３の光路６３に設置されたレンズ９８および撮像素子９９によって重ねられた画像がモニター９７の表示画面９６に出力される。
【００２５】
このため、本例のダイクロイックプリズム３１には、第１の光路６１から入射される赤色Ｒの画像を第３の光路６３に反射する反射面３２Ｒと、第２の光路６２から入射される青色Ｂの画像を第３の光路６３に反射する反射面３２Ｂとが設けられている。そして、第１の光路６１には、赤色光をチップ面８０ａに照射する照明用のＬＥＤ１７Ｒと、台形状の像反転プリズム４１とが配置されており、チップ面８０ａの赤色の第１の画像がダイクロイックプリズム３１の反射面３２Ｒにより第３の光路６３に導かれる。一方、第２の光路６２には、青色光をチップ面８１ａに照射する照明用のＬＥＤ１７Ｂと、像反転プリズム４１との光路差を補正するガラス（補正素子）４２が配置されており、チップ面８１ａの青色の第２の画像がダイクロイックプリズム３１の反射面３２Ｂにより第３の光路６３に導かれる。
【００２６】
したがって、本例のアライメント装置１０においても、貼り合わせようとする２つのチップ８０および８１の対向した面８０ａおよび８１ａの第１および第２の画像が重ねられた画像を、カメラレンズ９８および撮像素子９９を介して取り込み、モニター９７の画面９６に表示することができる。このため、上記のアライメント装置と同様に、各々のチップ面８０ａおよび８１ａのアライメントマーク８０Ｍおよび８１Ｍを直に重ね合わせることにより位置合わせを行うことができる。さらに、本例では、アライメントマーク８０Ｍが赤色で表示され、アライメントマーク８１Ｍが青色で表示されるので、いずれのチップの画像であるかが色で判別できる。したがって、位置合わせするために動かそうとする方のチップを容易に判別することができ、より位置合わせし易い画面表示を得ることができる。
【００２７】
また、図４のように、アライメント装置１０の第１の光路６１および第２の光路６２の途中にリレーレンズ４６および４７をそれぞれ設け、各リレーレンズ４６および４７による途中の結像面の共役面を取り込むようにしても良い。図４に示したアライメント装置１０においては、さらに、第３の光路６３と対峙する第４の光路６４の方向のリレーレンズ４６および４７の結像面に対応する位置に、升目を表示するチャート４８を設置し、これを照射する緑色のＬＥＤ１７Ｇを設置してある。このため、カメラレンズ９８を通して、撮像素子９９により、チップ面８０ａおよび８１ａを重ね合わせた画像に、さらに、チャート４８を重ね合わせた画像を得ることが可能であり、それらが重なり合った画像を画面９６に表示することができる。このような画像を表示することにより、アライメントマーク８０Ｍおよび８１Ｍを位置合わせする際に微調整が定量的にやり易くなる。
【００２８】
これらのアライメント装置１０および組立て装置１により説明したように、空間的に離れて配置された２つのチップ８０および８１の面８０ａおよび８１ａの画像を第３の光路に重ね合わせて出力することにより、これらの画像を１つの画像に合成して表示し、アライメント状態を判断することができる。このため、直接的で直感的なアライメント作業が可能となり、誤認によるミスを防止し、作業速度を向上することができ、組立て作業全体の効率を向上することができる。また、モニター画面を半分づつに分割しないので視認性も向上するというメリットも得られる。さらに、アライメントマークを直に合わせるという作業により位置合わせが可能なので、画像処理によって自動化することも可能となる。
【００２９】
なお、上記のダイクロイックプリズムを用いた例では、第１および第２の光路から入射する色の光を赤色および青色にセットしてあるが、それぞれの光路から入射する色の光はダイクロイックプリズムで区別して処理できる色であれば良く、赤色および青色に限定されるものではない。たとえば、第１の光路から緑色の画像を入力し、第２の光路から赤色の画像を入力するなどの変形が可能である。また、リレーレンズはビームスプリッタを用いた例でも採用することが可能である。さらに、アライメントおよび組立ての対象物はチップ同士に限定されることはなく、チップとそれを保持するパッケージ、パッケージと実装用の配線基板などであっても良い。そして、本発明のアライメント装置では上述したように光学的にそれらの画像を合成しているので、アライメント作業の対象物が透過性でなくても、貼り合わせる部分を重ね合わせて表示し直接的にアライメントの状況を確認することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のアライメント装置および組立て装置では、第１および第２の光路から得られる画像を第３の光路に重ねて出力できるので、貼り合せる２つの面を実際に重ね合わせる状態で、アライメント状態を判断できる。このため、直感的なアライメント作業ができ、信頼性の高いアライメント装置、およびそれを用いた組立て装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アライメント装置および組立て装置の概略構成を示す図である。
【図２】 図１に示したアライメント装置により得られるモニター画面を示す図である。
【図３】 本発明のアライメント装置および組立て装置の異なる例を示す図である。
【図４】 本発明のアライメント装置および組立て装置のさらに異なる例を示す図である。
【図５】 従来のアライメント装置および組立て装置の概略構成を示す図である。
【図６】 図５に示すアライメント装置のモニター画面を示す図である。
【符号の説明】
１ 組立て装置
１０、９０ アライメント装置
１７Ｒ 赤色のＬＥＤ
１７Ｂ 青色のＬＥＤ
１７Ｇ 緑色のＬＥＤ
２１ ビームスプリッタ
２２ 反射面
２３ａ １／４波長板、２３ｂ ミラー
３１ ダイクロイックプリズム
３２ 反射面
４１ 像反転プリズム、４２ 補正素子（ガラス）
４６、４７ リレーレンズ
４８ チャート
６１ 第１の光路
６２ 第２の光路
６３ 第３の光路
６４ 第４の光路
８０ 第１のチップ、８０ａ 対向面
８１ 第２のチップ、８１ａ 対向面
８０Ｍ 第１のチップのアライメントマーク
８１Ｍ 第２のチップのアライメントマーク
８７、８８ チップの保持台
９６ 画面
９７ モニター
９８ カメラレンズ
９９ 撮像素子

Claims (4)

1. 直線上に配置され、対向する方向から入射された第１および第２の画像をそれぞれ導くことができる第１および第２の光路と、
   前記第１および第２の光路に直交する第３の光路と、
   この第３の光路に前記第１の画像と前記第２の画像を重ねて導く光学手段とを有し、
   前記光学手段は、ダイクロイックプリズムであり、このダイクロイックプリズムは、第１の色の前記第１の画像を前記第３の光路に反射する第１の反射面と、前記第１の色とは異なる第２の色の前記第２の画像を前記第３の光路に反射する第２の反射面とを備えており、さらに、
   前記第１の光路の方向に前記第１の色の光を照射する第１の光源と、
   前記第２の光路の方向に前記第２の色の光を照射する第２の光源と、
   前記第１の光路に設置された像反転プリズムと、
   前記第２の光路に設置された素子であって、前記第１の色の光による前記像反転プリズムを経た前記第１の画像と前記第２の色の光により得られた前記第２の画像との光路差を補正する素子と、
   前記第３の光路に配置されたカメラレンズと、
   前記カメラレンズを介して前記第１および第２の画像が重なり合った画像を取得可能な画像素子アレイとを有するアライメント装置。
2. 請求項１において、前記ダイクロイックプリズムは、前記第３の光路の方向に第３の色の第３の画像を透過するアライメント装置。
3. 請求項２において、前記第３の画像は格子模様であるアライメント装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のアライメント装置と、前記第１の光路の延長方向に第１の対象物を保持可能な第１の保持手段と、前記第２の光路の延長方向に第２の対象物を保持可能な第２の保持手段とを有し、
   前記第１の保持手段および／または前記第２の保持手段を前記第１および／または第２の光路の方向に直線的に動かして前記第１および第２の対象物を貼り合わせ可能な組立て装置であって、
   前記アライメント装置が、前記第１および第２の保持手段が移動する経路に対し抜き差し可能である組立て装置。

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