TWI397790B - Visual method and device for positioning bonding tool - Google Patents

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Description

用於定位鍵合工具的視覺方法及裝置
本發明涉及半導體器件的裝配，尤其是涉及用於半導體裝配的鍵合工具的位置偏差的確定和該偏差的修正。
鍵合工具，如晶粒鍵合機的鍵合頭的三維定位直接影響鍵合質量。對於晶粒鍵合頭，在晶粒鍵合操作過程中其位置影響晶粒的放置精度，和已鍵合晶粒下方的黏合劑(adhesive)的鍵合線濃度(bond line thickness)。所以，鍵合工具的水準和垂直位置的精確控制是極其重要的。不幸的是，在鍵合操作過程中，由於外部原素如熱膨脹的原因，鍵合過程中鍵合頭的三維位置在不同的工作條件下將會變化。
在現有技術中，一些方法被利用來解決這個問題。其中一個方法是在鍵合工具附近安裝溫度感測器，但是當機器經過一段時間停機再重新啟動鍵合操作時，測量出的溫度通常和鍵合工具的位置沒有良好關聯。
另一種類型的定位控制方法描述在專利號為5,909,837、發明名稱為“無接觸鍵合工具加熱器”的美國專利中，該專利教導了在鍵合工具對面使用發熱的加熱元件，該加熱元件和鍵合工具的端部並置並隔開。該加熱元件用來將鍵合工具保持在特定的溫度範圍內，並透過估計由於鍵合工具離開其加熱元件而延展的時間和長度所引起的鍵合工具的冷卻量，進行一些努力來計算補償原素。而且，由於鍵合工具自身的溫度沒有被監測，並且當鍵合工具從該加熱元件被延展時不能得到精確地控制，所以這種方法是不準確的。
還有另一種方法公開於專利號為6,555,401、發明名稱為“透過測量導線鍵合的特徵進行控制鍵合處理品性的方法”的美國專利中。在這種方法中，在鍵合裝配以前得到鍵合盤的第一圖像，以尋找鍵合盤的中心，在獲得已鍵合後的材料的第二圖像以前命令鍵合工具將材料鍵合到鍵合盤的中心。鍵合後的材料和鍵合盤中心的座標相比較以計算目前的任何偏差，該偏差然後能被修正。這種方法的缺點是它不能測量鍵合工具的垂直位置，因為從所獲得的第二圖像上僅僅能夠觀察到該材料的水準偏差。
由於所述的現有定位控制方法的缺陷，在鍵合操作過程中實時精確地監測鍵合工具的位置偏差並將其修正的難題仍然沒有得到解決。
因此，本發明的目的在於提供一種視覺系統(vision system)來測量和修正在鍵合操作過程中鍵合工具的三維位置，其是精確的且避免了現有技術中部分的前述不足。
於是，本發明一方面提供一種用於在鍵合操作過程中修正鍵合工具的位置偏差的裝置，該裝置包含有：設定在鍵合工具上的第一基準標記和第二基準標記，第二基準標記和第一基準標記相互隔開，其中當第一基準標記和第二基準標記在參考位置處被照射時，自第一基準標記發出第一成像路徑(imaging path)，而自第二基準標記發出第二成像路徑；光學系統，其沿著第一成像路徑和第二成像路徑設定，該光學系統用來觀察第一基準標記和第二基準標記的圖像；以及處理器，其用於計算鍵合工具的當前位置，並將當前位置和期望位置相比較，以便於透過移動鍵合工具到期望位置而將鍵合工具的位置偏差修正。
本發明另一方面提供一種用於在鍵合操作過程中修正鍵合工具的位置偏差的方法，該方法包含有以下步驟：將鍵合工具定位在參考位置處，該鍵合工具包含有設定在鍵合工具上的第一基準標記和第二基準標記，第二基準標記和第一基準標記相互隔開；照射第一基準標記和第二基準標記，以便於自第一基準標記發出第一成像路徑，而自第二基準標記發出第二成像路徑；沿著第一成像路徑和第二成像路徑設定光學系統，以便於該光學系統觀察第一基準標記和第二基準標記的圖像；使用處理器從圖像中計算鍵合工具的當前位置，並將鍵合工具的當前位置和期望位置相比較；其後移動鍵合工具到期望位置，以將位置偏差修正。
參閱後附的描述本發明實施例的附圖，隨後來詳細描述本發明是很方便的。附圖和相關的描述不能理解成是對本發明的限制，本發明的特點限定在申請專利範圍中。
在鍵合操作過程中，本發明較佳實施例所述的鍵合工具定位控制方法在兩個階段中起作用，即校準(calibration)和跟隨的測量。校準的結果是光學系統的一系列參數，該參數被需要來測量鍵合操作過程中鍵合工具的三維位置。校準和測量使用同一個裝置完成。
圖1是用來確定和修正鍵合工具10，如晶粒鍵合機的夾體的位置偏差的裝置的概略配置的立體示意圖。鍵合工具10包含有兩個設定在其表面上(如在夾體的表面上)的界標或基準標記12、13，它們以小於180度的預定角度相互分隔。來自照明系統(圖中未示)的同軸光線(coaxial light)投射在基準標記12、13上以產生高對比度的圖像進行圖像記錄(pattern registration)。斜置的第一反射面或鏡面14被設定來反射第一基準標記12的圖像，而斜置的第二反射面或鏡面16被設定來反射第二基準標記13的圖像。
如圖1所示，當鍵合工具10移動到預定參考位置時，照明系統照射第一基準標記12和第二基準標記13。第一基準標記12和第二基準標記13的高對比度圖像沿著各自的、自基準標記12、13發出的第一和第二成像路徑18、20被傳送。然後，第一和第二成像路徑18、20可能被第三反射面或鏡面22朝向一光學系統反射，該光學系統沿著第一和第二成像路徑18、20設定以便於觀察該圖像。雖然該光學系統可以如實施例所述的包括單個的CCD攝像機24以同時觀察第一基準標記12和第二基準標記13的圖像，但是不同的攝像機可以用來觀察這兩個成像路徑18、20，這也是可以想到的。
自基準標記12、13發出的成像路徑18、20較佳地位於一個水準面上。第三鏡面22較佳地與該水準面成45度角設定。CCD攝像機24因此可以垂直設定在第三鏡面22的上方以捕獲透過成像路徑18、20傳送的圖像。
利用CCD攝像機24的圖像識別系統識別基準標記12、13的中心位置。然後，和該圖像識別系統相連的處理器應用視覺校準算法(如下所述)來記錄這兩個中心位置以計算鍵合頭的三維位置。鍵合工具10的當前位置和它的用於完成精確鍵合的期望位置進行比較，其後鍵合工具10可能被移動到該期望位置以修正其位置偏差。
圖2是圖1所示裝置的概略配置的俯視示意圖。第一基準標記12和第二基準標記13的中心較佳地圍繞鍵合工具10的中央縱向軸線以位於10°和170°之間的角度α相互隔開，但特別合適地是圍繞鍵合工具10的中央縱向軸線以位於70°和110°之間的角度α相互隔開。第一鏡面14和第二鏡面16被如此設定以便於第一和第二成像路徑18、20被反射並將基準標記12、13的圖像投射朝向第三鏡面22，接著該第三鏡面22反射成像路徑18、20並將基準標記12、13的圖像傳送到設定在第三鏡面22上方的CCD攝像機24，以便於基準標記12、13的圖像能夠同時被CCD攝像機24觀察。在CCD攝像機24位置處，第一和第二成像路徑18、20大體相互平行。
圖3是表明基準標記12、13的鍵合工具的側視示意圖。第一基準標記12的中心表示為，第二基準標記13的中心表示為。鍵合工具10執行鍵合的端部表示為，和、之間的關係可以分別用向量和表示。通過位置和，以及它們所被知曉的關係到的向量，可以計算出的位置。
圖4所示為由CCD攝像機24所捕獲的、用於確定鍵合工具10的三維位置的圖像28的示例示意圖。第一基準標記12的中心的位置通過關係式所表示。第二基準標記13的中心的位置通過關係式所表示。
在校準過程中，首先鍵合工具10移動到預定參考位置，如圖1和圖2所示，在此基準標記12、13能夠被CCD攝像機24所觀察。,,可以使用來確定計算出三點的位置，其中在所捕獲的圖像28中是鍵合工具10的端部的三維位置，和分別是基準標記12、13中心的二維位置。
使用針孔攝像機模型，其中A 1 是攝像機參數矩陣，下面的公式可以用於左側第一基準標記12的圖像：
當用於右側第二基準標記13的圖像時，類似地，合併和，。
簡化符號，，其可以表達成矩陣的形式：
根據上述公式，校準過程的目的是通過一些被測量的鍵合工具的物理位置(x ,y ,z )和相應的基準標記的圖像座標(r 1 ,s 1 )、(r 2 ,s 2 )獲得A 的16個元素的值。
透過首先將鍵合工具10停止於預定參考位置處完成校準。第一鍵合工具位置(x ,y ,z )從鍵合機器的馬達計數(motor counts)中獲得。圖像28被抓取，從該圖像中基準標記12、13的中心被抓取，它們的座標(r 1 ,s 1 )和(r 2 ,s 2 )被獲得。
一旦獲得資料集(x ,y ,z ,r 1 ,s 1 ,r 2 ,s 2 )，鍵合工具10可以在預定參考位置附近被稍微移動或偏離到第二鍵合工具位置，然後停止以獲得另一個位置值(x ,y ,z )。重復上述的步驟以在預定參考位置附近獲得另一組資料集(x ,y ,z ,r 1 ,s 1 ,r 2 ,s 2 )。鍵合工具10再一次被稍微移動或偏離，以獲得又一組位置值(x ,y ,z )，又一次重復該步驟。如上所述，大家應該獲得至少四組關於鍵合工具10在預定參考位置附近的數據集，以便於完成校準。
校準完成之後，A 的16個元素需要從上述所獲得的矩陣中完成變數a 11 -a 44 。其後，鍵合操作可以啟動了。
在鍵合過程中，鍵合工具10將會定期地移動到預定參考位置，在此基準標記12、13的圖像28將會被CCD攝像機24捕獲。在抓取圖像28之後，通過圖像識別系統執行搜索以尋找基準標記12、13的中心，從而獲得它們的座標(r 1 ,s 1 )和(r 2 ,s 2 )。其測量方法可以如下：
上式可以表達為：
由於a 11 -a 44 的值通過校準已經獲得，且座標(r 1 ,s 1 )和(r 2 ,s 2 )從所捕獲的圖像28中被計算出，所以鍵合工具的端部位置(x ,y ,z )能夠立即被計算出。然後(x ,y ,z )的值和鍵合工具10的期望端部位置相比較，以便於該端部位置可以通過鍵合機器修正到期望位置，從而相應地補償鍵合工具10由於熱膨脹或其他因素引起的任意位置偏差。
值得欣賞的是，根據本發明較佳實施例所述的用於確定鍵合工具10位置的上述方法能夠以有效的、低成本的模式測量鍵合頭的三維位置。和道統的如上所述的控制鍵合工具10位置的方法相比較，所獲得的結果同樣也是更加有效和精確的。
此處描述的本發明在所具體描述的內容基礎上很容易產生變化、修正和/或補充，可以理解的是所有這些變化、修正和/或補充都包括在本發明的上述描述的精神和範圍內。
10．．．鍵合工具
12．．．第一基準標記
13．．．第二基準標記
14．．．第一鏡面
16．．．第二鏡面
18．．．第一成像路徑
20．．．第二成像路徑
22．．．第三鏡面
24．．．CCD攝像機
28．．．圖像
根據本發明所述的用於確定鍵合工具的位置偏差以便於修正該位置偏差的裝置和方法的實例現將參考附圖加以詳細描述，其中：
圖1是用於確定和修正鍵合工具的位置偏差的裝置的概略配置的立體示意圖。
圖2是圖1所示裝置的概略配置的俯視示意圖。
圖3是表明基準標記(fiducial marks)的鍵合工具的側視示意圖。
圖4所示為由CCD攝像機所捕獲的、用於確定鍵合工具的三維位置的圖像的示例示意圖。
10．．．鍵合工具
12．．．第一基準標記
13．．．第二基準標記
14．．．第一鏡面
16．．．第二鏡面
18．．．第一成像路徑
20．．．第二成像路徑
22．．．第三鏡面
24．．．CCD攝像機

Claims (15)

  1. 一種用於在鍵合操作過程中修正鍵合工具的位置偏差的裝置，該裝置包含有：設定在鍵合工具上的第一基準標記和第二基準標記，第二基準標記和第一基準標記相互隔開，其中當第一基準標記和第二基準標記在參考位置處被照射時，自第一基準標記發出第一成像路徑，而自第二基準標記發出第二成像路徑；光學系統，其沿著第一成像路徑和第二成像路徑設定，該光學系統用來觀察第一基準標記和第二基準標記的圖像；第一反射面，用來朝向光學系統反射來自第一基準標記的第一光學路徑；第二反射面，用來朝向光學系統反射來自第二基準標記的第二光學路徑；以及處理器，其用於計算鍵合工具的當前位置，並將當前位置和期望位置相比較，以便於透過移動鍵合工具到期望位置而將鍵合工具的位置偏差修正。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，該裝置還包含有：第三反射面，用來朝向光學系統分別反射來自第一反射面和第二反射面的第一成像路徑和第二成像路徑。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中光學系統包括單個CCD攝像機，該單個CCD攝像機用來同時觀察第一基準標記和第二基準標記的圖像。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中第一基準標記和第二基準標記的中心圍繞鍵合工具的中央縱向軸線以位於10°和170°之間的角度相互隔開。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的裝置，其中第一基準標記和第二基準標記的中心圍繞鍵合工具的中央縱向軸線以位於70°和110°之間的角度相互隔開。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中第一成像路徑和第二成像路徑在光學系統的位置大體相互平行。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，該鍵合工具是晶粒鍵合機，而第一基準標記和第二基準標記設定在晶粒鍵合機的夾體上。
  8. 一種用於在鍵合操作過程中修正鍵合工具的位置偏差的方法，該方法包含有以下步驟：將鍵合工具定位在參考位置處，該鍵合工具包含有設定在鍵合工具上的第一基準標記和第二基準標記，第二基準標記和第一基準標記相互隔開；照射第一基準標記和第二基準標記，以便於自第一基準標記發出第一成像路徑，而自第二基準標記發出第二成像路徑；沿著第一成像路徑和第二成像路徑設定光學系統，以便於觀察第一基準標記和第二基準標記的圖像；使用處理器從圖像中計算鍵合工具的當前位置，並將鍵合工具的當前位置和期望位置相比較；使用第一反射面朝向光學系統反射來自第一基準標記的第一光學路徑；使用第二反射面朝向光學系統反射來自第二基準標記的第二光學路徑；其後移動鍵合工具到期望位置，以將位置偏差修正。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的方法，該方法還包含有以下步驟：使用第三反射面朝向光學系統分別反射來自第一反射面和第二反射面的第一成像路徑和第二成像路徑。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中光學系統包括單個CCD攝像機，該單個CCD攝像機用來同時觀察第一基準標記和第二基準標記的圖像。
  11. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中第一基準標記和第二基準標記的中心圍繞鍵合工具的中央縱向軸線以位於10°和170°之間的角度相互隔開。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中第一基準標記和第二基準標記的中心圍繞鍵合工具的中央縱向軸線以位於70°和110°之間的角度相互隔開。
  13. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中第一成像路徑和第二成 像路徑在光學系統的位置大體相互平行。
  14. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中，該鍵合工具是晶粒鍵合機，而第一基準標記和第二基準標記設定在晶粒鍵合機的夾體上。
  15. 如申請專利範圍第8項所述的方法，該方法還包含有以下步驟：將鍵合工具定位在參考位置處，在執行鍵合操作以前，透過觀察第一基準標記和第二基準標記在超過一個偏差位置處的圖像，校準光學系統的參數。
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