KR20050029689A - 다이본더의 본드헤드를 정렬시키는 방법 - Google Patents

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Abstract

그리퍼(7)에 의해 집어 올려진 반도체 칩(1)이 경사지는 것을 방지하기 위하여, 반도체 칩 하부의 3개 이상의 지점에서의 높이가 기준면에 대하여 측정되며, 이로부터 경사도가 계산된다. 반도체 칩이 니들과 접촉할 때까지 반도체 칩이 하강하므로 높이 측정이 이루어질 수 있다.

Description

다이본더의 본드헤드를 정렬시키는 방법 {Method for aligning the bondhead of a Die Bonder}
본원발명은 청구범위 제1항의 전제부에 지정된 타입의 다이본더(Die Bonder)의 본드헤드(bondhead)를 정렬시키기 위한 방법과 관련된다.
다이본더는 반도체 칩을 운반재, 특히 리드 프레임(lead frame) 상에 접합시키는 장치이다. 이러한 장치는 예를 들어 EP 462596호에 개시되어 있다. 후속되는 와이어 접합이 어려움 없이 이루어질 수 있도록 하기 위하여, 다이본더의 본드헤드의 공간적 위치는, 반도체 칩이 수 마이크로미터의 제한된 공차 안에서 운반재 상에 면이 평행하게 접합되도록 설정되어야 한다. 반도체 칩이 기울어지는 것은 기술적 용어로 틸트(tilt)라고 불린다. 경사지는 것을 방지하기 위하여, 본드헤드가 두개의 직교하는 축 상에서 회전할 수 있게 하는 조정 나사가 본드헤드 상에 제공된다. 본드헤드는 반도체 칩을 수용하기 위한 그리퍼(gripper)를 포함하고 있으며, 이 그리퍼는 본드헤드에 대하여 올려지거나 내려질 수 있다. 여러 가지 디자인의 그리퍼가 공지되어 있는데, "러버 툴(rubber tool)"로 알려져 있는 고무재질의 노즐을 구비한 그리퍼가 많이 사용되고 있다. 고무 노즐은 요구되는 정확도로 제조될 수 없기 때문에, 고무 노즐이 매번 교환된 후에는 본드헤드가 다시 조정되어야 한다. 현재에는, 반도체 칩의 경사도를 측정하는 방법으로 이하의 3가지 방법이 알려져 있다.
1) 본드헤드에 룰러(ruler)가 부착되고, 본드헤드는 룰러와 프로세스 지지대(process support) 사이에 오직 최소의 간극이 존재할 때까지 프로세스 지지대 위로 하강하며, 조작자는 이 간극을 관찰하여 간극의 높이가 일정해질 때까지 본드헤드의 조정나사를 조작하는 방법.
이러한 방법에 의하여 측정되는 것은 반도체 칩의 경사도가 아니고, 고무 노즐이 아닌 본드헤드에 부착된 조정 게이지의 경사도이다. 또한 조작자에 의해 정확도가 달라지게 된다.
2) 반도체 칩이 접착된 후에 현미경을 사용하여 경사도를 측정하는 방법.
이러한 방법은 시간이 많이 소요된다.
3) 한국 특허공개공보 KR 1999-0037525호에 기술된 바와 같이 본드헤드의 조정이 프로세스와 센서에 의해 이루어지는 방법.
이러한 방법은 작은 치수의 반도체 칩에는 적합하지 않다.
본원발명의 목적은 다이본더의 본드헤드가 간단한 방법으로 조정될 수 있는 방법을 개발하는 것이다.
이러한 과제는 본원발명에 따라 청구범위 제1항 및 제2항의 특징에 의해 해결된다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본원발명은 반도체 칩 하부에 있는 3개 이상의 지점의 기준면에 대한 높이가 측정되고 이에 의해 경사도가 측정되는 방법을 제안하고 있다. 반도체 칩이 니들과 접촉할 때까지 반도체 칩이 하강함으로써 상기 높이가 측정될 수 있다. 이러한 과정을 통해, 바람직하게는 반도체 칩의 4개 코너의 높이가 측정된다.
이하에서는 도면에 기초하여 본원발명의 실시예가 좀 더 상세히 설명된다. 도면은 도식적으로 그려졌으며 척도는 고려하지 않았다.
도 1에는 기판(2) 상에 반도체 칩(1)을 배치하기 위한 다이본더의 평면도가 도식적으로 도시되어 있다. 직각 좌표시스템의 세 좌표축이 각각 X, Y, Z 로 표시되어 있으며, 여기서 Z 축은 수직방향에 해당한다. 다이본더는 기판을 X 방향 및 선택에 따라 Y 방향으로도 운반하기 위한 운반시스템(3)을 포함하고 있다. 이에 적당한 운반시스템은 예를 들어 유럽특허 EP 330831호에 개시되어 있다. 바람직하게는 반도체 칩이 웨이퍼 테이블(wafer table; 4) 상에 제공된다. 본드헤드를 구비한 픽 앤 플레이스 시스템(Pick and Place system; 5)은 웨이퍼 테이블(4)로부터 반도체 칩(1)을 차례로 집어서, 기판(2)으로 운반하여 기판(2) 상에 배치시킨다.
반도체 칩(1)이 기판(2) 상에 면이 평행하게 접착되도록 하기 위하여, 조립과정의 시작 전에 다이본더의 본드헤드가 조정된다. 이러한 조정을 통해, 집혀진 반도체 칩이 수평면에 면이 평행하게 이동하도록 본드헤드가 두개의 평행하게 연장하는 축에 대해 놓여진다.
본원발명의 원리는 도 2에 기초하여 설명된다. 도 2에는 다이본더의 본드헤드(6)의 측면이 도식적으로 도시되어 있다. 미리 결정된 축(8)을 따라 본드헤드(6)에 대하여 편향될 수 있고 상기 축(8) 상에서 회전할 수 있는 그리퍼(7)가 본드헤드(6)에 포함되어 있다. 본 실시예에서는 그리퍼(7)에 고무 노즐(9)이 장착되어 있다. 반도체 칩(1)을 집어서 잡고 있기 위하여 그리퍼(7)는 진공상태를 이용한다. 본드헤드(6)는 픽 앤 플레이스 시스템(5)에 의하여 웨이퍼 테이블(4)(도 1)과 기판 위의 접합 위치(도 1) 사이에서 X 및 Y 방향을 따라 이동하게 된다. 웨이퍼 테이블(4)로부터 반도체 칩(1)을 집어 올릴 때와 기판(2) 상에 반도체 칩(1)을 배치할 때, 그리퍼(7)는 미리 결정된 축(8)을 따라 본드헤드(6)에 대하여 편향되며, 이러한 그리퍼(7)의 편향이동은 스프링 또는 공압에 의한 힘에 반(反)하여 이루어진다. 본드헤드(6)는 그리퍼(7)의 편향을 측정하기 위한 센서(10)를 포함하고 있다. 센서(10)는 그리퍼(7)에 부착된 금속 판(11)과 본드헤드(6)에 부착된 코일(12)로 구성된 유도 센서(inductive sensor)인 것이 바람직하다. 집어 올려진 반도체 칩(1)이 기울어지는 것을 방지하기 위하여, 본드헤드(6)는 서로 직교하는 두 축(13,14) 상에서 회전할 수 있다. 각각의 축(13,14) 상에서의 본드헤드(6)의 회전은 조정 나사(15,16)에 의해 이루어지며, 이러한 조정 나사는 한 눈금의 회전이 예를 들어 0.1°의 회전에 상응하도록 눈금이 매겨져 있다.
또한 이러한 실시예에서는, 프로세스 판(process plate;17)에 대한 본드헤드(6)의 Z 방향 높이를 측정하기 위한 측정시스템도 제공된다.
제작과정에 있어서, 기판(2)은 프로세스 판(17) 상에서 접합위치에 놓여진다. 본드헤드(6)를 조절하기 위하여, 돌출한 니들(needle;18)을 구비한 플레이트(plate;19)가 배치되거나 또는 일시적으로 프로세스 판(17)에 고정된다. 본드헤드(6)의 조절은 이하에서 설명되는 처리 단계에 따라 이루어진다.
1) 본드헤드가 반도체 칩(1)을 집어 올린다.
2) 픽 앤 플레이스 시스템(5)이 본드헤드를 반도체 칩(1)은 니들(18)위에 위치하게 되는, 좌표 (X1,Y1)으로 표시되는 제 1 위치로 이동시킨다. 본드헤드(6)는, 바람직하게는 일정한 속도로 하강하며, 이로써 센서(10)의 출력 신호가 모니터된다. 우선 첫째로, 반도체 칩(1)에 힘이 작용하지 않고 따라서 그리퍼(7)에 힘이 작용하지 않으므로, 그리퍼(7)는 그 휴지 위치(resting position)인, 본드헤드(6)에 대하여 하부 한계 위치에 있게 된다. 도 2의 실시예에서, 금속 판(11)은 하부 한계 위치에서 본드헤드(6)의 정지면에 놓여 있다. 그리퍼(7)는 본드헤드(6)의 하강 이동을 따라 내려간다. 따라서 센서(10)의 출력 신호는 일정하다. 반도체 칩(1)의 하부가 니들(18)과 접촉하면, 본드헤드(6)의 Z축 높이는 계속 줄어드는 반면, 그리퍼(7)의 Z축 높이는 더 이상 변하지 않게 된다. 따라서 그리퍼(7)는 본드헤드(6)에 대하여 이동하게 된다. 이렇게 하여, 반도체 칩(1)의 하부가 니들(18)과 접촉하게 되자마자 센서(10)의 출력신호가 변하게 된다. 본드헤드(6)의 하강은 센서(10)의 출력신호 변화가 미리 결정된 한계값을 초과하게 되자마자 멈추고, 다시 본드헤드(6)가 상승하게 된다. 반도체 칩(1)이 니들(18)과 접촉하는 순간에서의 본드헤드(6)의 높이 Z1(X1,Y1)은 센서(10) 출력신호의 추이로부터 측정될 수 있다.
3) 단계 2)가 적어도 좌표 (X2,Y2)와 좌표 (X3,Y3)의 또 다른 두 지점에 대해 실행되어, 이에 상응하는 값 Z2(X2,Y2)와 Z3(X3,Y 3)가 측정된다. 상기 값 Z2(X2,Y2)와 Z3(X3,Y3)는 본드헤드(6)가 하강하여 반도체 칩(1)이 니들(18)과 접촉하게 되는 순간에서의 본드헤드(6) 높이에 해당한다.
4) 상기 값들 Z1(X1,Y1), Z2(X2,Y2), 및 Z3(X3,Y3)로부터 두개의 각 "α" 와 "β"가 결정되며, 이에 의해 각 "α"는 본드헤드(6)가 그 목표 위치와 관련하여 축(13) 상에서 회전된 각을 나타내며, 각 "β"는 본드헤드(6)가 그 목표 위치와 관련하여 축(14) 상에서 회전된 각을 나타낸다. 각 "α" 와 "β"의 표시는 조정 나사의 눈금 단위로 이루어지는 것이 바람직하다.
5) 조작자는 단계 4)에서 결정된 각 "α" 와 "β" 에 의해 두개의 조정 나사를 회전시킨다.
본드헤드(6)에서 프로세스 판(17)까지의 거리가 좌표 X와 Y에 종속될 수도 있다. 이러한 종속은 다이본더의 보정에 의해 해소될 수 있다. 만약 본드헤드(6)에서 프로세스 판(17)까지의 거리가 국부적으로 변한다면, 단계 4)에서 각 "α" 와 "β"가 결정되기에 앞서 측정된 높이 Z1(X1,Y1), Z2(X2 ,Y2), 및 Z3(X3,Y3)가 이에 상응하게 교정되어야 한다.
이제 반도체 칩(1)이 이상적으로 프로세스 판(17)에 면이 평행하게 정렬된다. 반도체 칩(1)의 경사가 완전히 제거됐다는 측정결과가 나올 때까지, 단계 2)에서 단계 5)가 선택적으로 반복될 수 있다.
유리하게, 니들(18)이 언제나 반도체 칩의 코너에서 반도체 칩(1)의 하부와 접촉하도록, 좌표 (X1,Y1), (X2,Y2), 및 (X3,Y3 )가 반도체 칩(1)의 치수에 따라 선택될 수 있다.
도 3에는 경사진 위치에 있는 반도체 칩(1)과 세개의 측정 높이 Z1(X1,Y1), Z2(X2,Y2), 및 Z3(X3,Y3) 뿐만 아니라, 결정되야 하는 각 "α" 와 "β"가 도시되어 있다. Y2 = Y1 이고 X3 = X2 인 경우에 각 "α" 와 "β"는 다음 식으로부터 구해진다.
식 (1);
식 (2);
각 "α" 와 "β"를 결정하기 위해서는, 두개의 측정된 높이의 차이가 언제나 중요하다. 이러한 이유로 해서, 측정된 높이 Z1, Z2, Z3 이 계통적 오차(systematic error)를 나타내는 것은 문제되지 않는다. 본드헤드(6)가 하강하여 반도체 칩(1)이 니들(18)과 접촉하게 되는 순간에서의 본드헤드(6)의 높이 Z(X,Y)는 식 (1)과 식 (2)의 차에 관한 다른 동등한 방법으로 센서(10)의 출력신호로부터 결정될 수 있다. 이하에 기술된 세 가지 방법에 대한 높이 Z(X,Y)의 결정은 도 4로부터 얻어질 수 있다. 도 4는 본드헤드(6)의 높이 Z와 관련하여 센서(10)의 출력신호 U(Z)를 도시하고 있다.
1) 하강하는 본드헤드(6)의 높이 ZA(X,Y)는 센서(10)의 출력신호 U가 미리 결정된 절대치 UA에 도달함으로써 결정된다.
2) 하강하는 본드헤드(6)의 높이 ZB(X,Y)는 센서(10)의 출력신호 U가 하강하기 시작하는 시점에서의 값, 즉 그리퍼(7)의 휴지 위치에 해당하는 값에 대하여 미리 결정된 값 UD만큼 증가함으로써 결정된다.
3) 휴지 위치로부터 그리퍼(7)의 편향이동은 그리퍼(7)와 본드헤드(6) 사이의 마찰력에 반하여 이루어진다. 이는 출력신호 U(Z)가 휴지 위치의 영역에서 비선형이라는 것을 의미한다. 출력신호 U(Z)의 형태는 교정 측정(calibration measurement)에 의해 결정될 수 있으며, 그 결과 높이 ZC(X,Y)는, 본드헤드(6)가 하강하여 반도체 칩(1)이 니들(18)과 접촉하게 되는 시점에서 본드헤드(6)의 유효 높이에 상응하는, 출력신호의 측정된 경로로부터 결정될 수 있다.
이러한 의미에서, "센서(10)의 출력신호로부터 반도체 칩(1)이 니들(18)과 접촉하게 되는 시점에서 본드헤드(6)의 높이 Z1(X1,Y1)의 결정" 이라는 명령은 상기의 방법중 하나 또는 이와 동등한 또 다른 방법에 의하여 높이 Z1(X1,Y1)를 구하라는 것을 의미한다. 즉, Z1(X1,Y1)=ZA 또는 Z1(X 1,Y1)=ZB 또는 Z1(X1,Y1)=ZC 일 수 있다.
본 명세서에 충분히 설명되어 있는 참조문헌과 한국특허출원 KR 2003-0046306 을 함께 살펴보면, 본드헤드가 그리퍼와 함께는 Z방향으로 상승하거나 하강할 수 없고 단지 그리퍼만 Z방향으로 이동할 수 있는, 그리퍼를 구비한 본드헤드가 공지되어 있다. 그리퍼의 이동은 공압에 의해 이루어진다. 본원발명은 이러한 경우에도 또한 사용될 수 있으며, 이 경우 그리퍼는 본드헤드 대신에 하강하게 된다. 하강하기 시작하는 때에, 본드헤드에 대한 그리퍼의 편향이동 변하므로 유도 센서의 출력신호가 변하게 된다. 높이 Z(X,Y)는, 니들이 반도체 칩과 접촉함으로 인해 그리퍼의 하강이동이 멈추게 되는 시점에서 결정된다. 이상적인 조건하에서는, 센서의 출력신호가 일정한 값에 도달했을 때에 이러한 높이에 도달하게 된다.
비록 본드헤드의 조정이 장착될 반도체 칩에 의하여 이루어지는 것이 바람직하지만, 플라스틱 또는 금속제의 판이 예를 들어 반도체 칩 대신에 집어 올려지고 이 판으로써 조정이 이루어질 수도 있다.
반도체 칩의 경사도를 결정하기 위해서는 세개의 높이를 측정하는 것으로 충분하다. 만약 예를 들어 반도체 칩의 4개 코너의 높이 같이 4개의 높이가 측정된다면, 측정오차는 최소한도로 줄어들 것이다.
지금까지, 반도체 칩(1)의 각 코너를 니들(18)위에 위치시키기 위하여 본드헤드(6)가 X 및 Y 방향으로 이동하는 다이본더를 예로 들어 본원발명을 설명하였다. 만약 기술적으로 가능한 본드헤드(6)의 운동이 이러한 이동에 부적당하다면, 돌출한 니들(18)을 구비한 플레이트(19)가 수동으로 이동하거나 또는 프로세스 판(17) 상의 플레이트(19)를 X 및 Y 방향에서 매우 정확하게 이동시키도록 플레이트(19)를 XY테이블에 장착함으로써 니들(18)이 본드헤드(6) 대신에 이동하는 것도 물론 가능하다.
또한, 니들(18)의 단부에 대한 반도체 칩(1)의 위치를 아는 것이 필요하다. 일반적으로, 다이본더는 두개의 카메라를 구비하는데, 제 1 카메라는 웨이퍼 테이블(4) 상에 제공된 반도체 칩(1)의 축(8)에 대한 위치를 결정하는데 사용되며, 접합 위치 위에 배치된 제 2 카메라는 기판(2)의 축(8)에 대한 위치를 결정하는데 사용된다. 따라서 니들(18)의 단부 위치는 제 2 카메라로 결정될 수 있다. 그러므로, 한편으로는 매우 큰 정밀도로 최적의 좌표 (X1,Y1), (X2,Y2), 및 (X3,Y3)를 선택하여 이동하기 위하여, 다른 한편으로는 하강시에 반도체 칩(1)이 니들(8)과 접촉하고 반도체 칩(1)의 가장자리의 위치가 세 좌표 (X1,Y1), (X2,Y2), 및 (X3,Y3)에 대하여 알려져서 두 각 "α"와 "β"가 정확히 계산될 수 있도록 하기 위하여 필요한 모든 정보를 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이 본원발명에 따른 본드헤드의 정렬방법은 반도체 칩 하부에 있는 3개 이상의 지점의 기준면에 대한 높이가 측정되고 이에 의해 경사도가 측정함으로써 이루어지므로, 조작자에 따라 정확도가 변하지 않으며, 공지 기술에 비해 시간이 덜 소모되며, 또한 작은 치수의 반도체 칩에 대해서도 적합한 간단한 방법을 제공하게 된다.
도 1은 다이본더의 도식적인 평면도,
도 2는 다이본더의 본드헤드와 본드헤드를 조정하기 위한 부속장치의 도식적인 측면도,
도 3은 측정된 값에 기초하여 경사도를 측정하는 것을 설명하는 도면, 및
도 4는 센서의 출력신호를 평가하기 위한 다양한 방법을 설명하기 위한 다이어그램을 도시하고 있다.

Claims (2)

  1. 다이본더가 그리퍼(7)를 구비한 본드헤드(6)를 포함하며,
    그리펴(7)가 미리 결정된 방향으로 본드헤드(6)에 대하여 편향될 수 있는,
    다이본더의 본드헤드를 조정하기 위한 방법에 있어서,
    1) 본드헤드(6)의 그리퍼(7)로 반도체 칩(1) 또는 판을 집어 올리는 단계;
    2) 반도체 칩(1)이 니들(18) 위에 위치하도록 결정된 좌표 (X1,Y1)로 특정되는 지점으로 본드헤드(6)를 이동시키는 단계;
    3) 그리퍼(7)가 본드헤드(6)에 대한 하부 한계 위치에 위치하도록 본드헤드(6)를 하강시키고, 본드헤드(6)에 대한 그리퍼(7)의 편향 정도에 종속하는 센서(10)의 출력신호를 모니터하는 단계;
    4) 반도체 칩(1)이 니들(18)과 접촉하는 시점에서의 본드헤드(6)의 높이 Z1(X1,Y1)을 센서(10)의 출력신호로부터 결정하는 단계;
    5) 두개 이상의, 또 다른 좌표 (X2,Y2)와 좌표 (X3,Y3)로 특정되는 지점에 대해서 상기 단계 2)에서 4)가 반복하여, 본드헤드(6)가 하강하여 반도체 칩(1)이 니들(18)과 접촉하게 되는 시점에서 좌표 (X2,Y2)와 좌표 (X3,Y3)의 위치에서의 본드헤드(6)의 높이에 해당하는 값 Z2(X2,Y2)와 Z3(X3,Y 3)를 측정하는 단계;
    6) 각 "α"는 본드헤드(6)가 그 목표 위치와 관련하여 축(13) 상에서 회전된 각을 나타내며, 각 "β"는 본드헤드(6)가 그 목표 위치와 관련하여 축(14) 상에서 회전된 각을 나타내도록, 값 Z1(X1,Y1), Z2(X2,Y 2), 및 Z3(X3,Y3)로부터 두 각 "α"와 "β"를 결정하는 단계;
    7) 단계 6)에서 결정된 각 "α"와 "β"에 따라 본드헤드(6)를 조정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이본더의 본드헤드 조정방법.
  2. 다이본더가 그리퍼(7)를 구비한 본드헤드(6)를 포함하며,
    그리펴(7)가 미리 결정된 방향으로 본드헤드(6)에 대하여 편향될 수 있는,
    다이본더의 본드헤드를 조정하기 위한 방법에 있어서,
    1) 본드헤드(6)의 그리퍼(7)로 반도체 칩(1) 또는 판을 집어 올리는 단계;
    2) 반도체 칩(1)이 니들(18) 위에 위치하도록 결정된 좌표 (X1,Y1)로 특정되는 지점으로 본드헤드(6)를 이동시키는 단계;
    3) 그리퍼(7)를 하강시키고, 본드헤드(6)에 대한 그리퍼(7)의 편향 정도에 종속하는 센서(10)의 출력신호를 모니터하는 단계;
    4) 반도체 칩(1)이 니들(18)과 접촉하는 시점에서의 그리퍼(7)의 높이 Z1(X1,Y1)을 센서(10)의 출력신호로부터 결정하는 단계;
    5) 두개 이상의, 또 다른 좌표 (X2,Y2)와 좌표 (X3,Y3)로 특정되는 지점에 대해서 상기 단계 2)에서 4)가 반복하여, 그리퍼(7)가 하강하여 반도체 칩(1)이 니들(18)과 접촉하게 되는 시점에서 좌표 (X2,Y2)와 좌표 (X3,Y3)의 위치에서의 그리퍼(7)의 높이에 해당하는 값 Z2(X2,Y2)와 Z3(X3,Y 3)를 측정하는 단계;
    6) 각 "α"는 본드헤드(6)가 그 목표 위치와 관련하여 축(13) 상에서 회전된 각을 나타내며, 각 "β"는 본드헤드(6)가 그 목표 위치와 관련하여 축(14) 상에서 회전된 각을 나타내도록, 값 Z1(X1,Y1), Z2(X2,Y 2), 및 Z3(X3,Y3)로부터 두 각 "α"와 "β"를 결정하는 단계;
    7) 단계 6)에서 결정된 각 "α"와 "β"에 따라 본드헤드(6)를 조정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이본더의 본드헤드 조정방법.
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