WO2015170645A1 - ボンディング装置およびボンディング方法 - Google Patents

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bonding
camera
collet
reference mark
offset
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滋 早田
嶺 安東
安 佐藤
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株式会社新川
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Definitions

  • the present invention relates to a bonding apparatus and a bonding method for bonding a chip on a substrate.
  • bonding apparatuses for bonding chips such as semiconductor elements on a substrate.
  • a chip is held and moved by a bonding tool such as a collet and bonded onto a substrate.
  • a bonding tool such as a collet and bonded onto a substrate.
  • it is required to confirm the position of the chip picked up by the bonding tool with respect to the bonding tool and the state of the chip (presence of cracks, dirt, etc.) before bonding. .
  • a bottom camera for imaging a bonding tool that picks up a chip is provided immediately below the movement path of the bonding tool, and bonding is performed based on an image captured by the bottom camera. The tip position and tip status with respect to the tool were confirmed.
  • a position detection camera facing the work surface is provided in the vicinity of the bonding tool, and the chip mounting portion on the substrate is imaged by the position detection camera, and the chip mounting portion is based on the obtained image. It has also been proposed to detect the position of. In some cases, it has been proposed that the position detection camera and the bonding tool are arranged on the bonding head with a predetermined offset. In such a bonding apparatus, the offset amount between the bonding tool and the position detection camera changes due to a change in temperature or a secular change due to wear. Such a change in the offset amount causes an error in the bonding position.
  • Patent Documents 1 to 6 are disclosed in Patent Documents 1 to 6 and the like.
  • the position detection camera is moved above the reference member, Measure the positional relationship with the position detection camera, move the tool onto the reference member according to the pre-stored offset amount, measure the positional relationship between the reference member and the tool with the bottom camera, and based on these measurement results
  • a technique for obtaining an accurate offset amount is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a technique using an image sensor in a camera as a reference member.
  • Patent Documents 3 and 4 disclose techniques for providing a dedicated camera in addition to the position detection camera and the bottom camera in order to correct the shift in the distance between the cameras and the offset amount.
  • Patent Documents 5 and 6 disclose techniques for correcting a shift in the inter-camera distance and an offset amount based on images obtained by the position detection camera and the bottom camera.
  • Patent Documents 1 and 2 are basically assumed to be applied to a wire bonding apparatus, and a chip such as a semiconductor element is mounted on a substrate like a die bonding apparatus or a flip chip bonding apparatus. It was not assumed to be applied to a bonding apparatus for bonding to the substrate.
  • the techniques of Patent Documents 1 and 2 are based on the premise that a dedicated camera is provided for offset detection.
  • Patent Documents 3 and 4 assume a bonding apparatus that bonds a chip to a substrate.
  • the techniques of Patent Documents 3 and 4 in addition to the position detection camera for measuring the chip mounting position and the bottom camera for measuring the chip held by the bonding tool, the measurement of the offset amount and the like is further performed. Therefore, it was necessary to provide a dedicated camera.
  • the techniques of Patent Documents 5 and 6 are not configured to use a dedicated camera, it is necessary to execute a complicated and time-consuming process for measuring an offset amount or the like.
  • a bonding apparatus for bonding a chip onto a substrate and a bonding apparatus capable of easily detecting an offset between a bonding tool and a position detection camera without providing a dedicated camera for offset detection. It aims to provide a method.
  • the bonding apparatus of the present invention is a bonding apparatus for bonding a chip on a substrate, a first camera disposed toward a bonding work surface, a bonding tool disposed with an offset from the first camera, A bonding head that moves while holding the substrate integrally, a second camera provided toward the bonding tool to detect the position of the chip held by the bonding tool with respect to the bonding tool, and within the field of view of the second camera And a control unit that controls the movement of the bonding head, and the control unit moves the bonding head based on the position of the reference mark recognized by the first camera, The bonding tool for the reference mark recognized by the two cameras Based on the location, to calculate a value of the offset, characterized in that.
  • the offset value calculated by the control unit is fed back to the next bonding process for bonding.
  • the first camera or the second camera emits a strobe corresponding to the camera at an imaging timing when the imaging target passes through the field of view of the camera as the bonding head moves. The imaging object is imaged without stopping the bonding head, and the control unit calculates an offset value based on the captured image obtained without stopping the bonding head.
  • control unit detects the position of the chip with respect to the bonding tool based on the image captured by the second camera for detecting the position of the bonding tool with respect to the reference mark.
  • the second camera is an infrared camera that images infrared rays.
  • a reference mark is arrange
  • the second camera includes a mechanism for partially changing a focal position in the field of view.
  • Another bonding method is a bonding head that moves while integrally holding a first camera arranged toward a bonding work surface and a bonding tool arranged with an offset from the first camera; And a second camera provided toward the bonding tool to detect the position of the chip held by the bonding tool with respect to the bonding tool.
  • Steps and recognized referennes Based on the position of the bonding tool with respect to the mark, characterized in that it comprises a step of calculating the value of the offset, the.
  • the offset can be easily detected by the first camera disposed toward the bonding work surface provided in the conventional bonding apparatus and the second camera disposed toward the bonding tool side.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a bonding apparatus 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the bonding apparatus 10 is a die bonding apparatus that aligns and bonds a semiconductor chip 100 (die), which is an electronic component, with a mounting portion of a substrate 104.
  • die semiconductor chip 100
  • the bonding apparatus 10 includes a chip supply unit 12, an intermediate stage 14 for mounting a chip, a bonding stage unit 16 for supporting a substrate 104, a bonding head 18, and a collet attached to the bonding head 18 via a Z-axis drive mechanism 23. 22, the top camera 24 as the first camera, the bottom camera 28 as the second camera, the reference member 30 installed in the vicinity of the bottom camera 28, the XY table 26 for moving the bonding head 18, and the driving of the entire bonding apparatus 10
  • the control part 40 which controls is provided.
  • the wafer 102 is mounted on the stage 20 in a state where the semiconductor chip 100 diced into a grid pattern and finely cut is attached to the film on the back surface.
  • the semiconductor chip 100 is transferred to and placed on the intermediate stage 14 by a transfer head (not shown).
  • the bonding stage unit 16 is a stage for bonding the semiconductor chip 100 to the mounting part of the substrate 104.
  • the bonding stage unit 16 is provided with a moving mechanism 17 for moving the substrate 104 in the horizontal direction, a heater (not shown) for heating the substrate 104, and the like, and these are driven and controlled by the control unit 40. ing.
  • the collet 22 and the top camera 24 are attached to the bonding head 18 by a predetermined offset distance.
  • the collet 22 is a bonding tool that sucks and holds the semiconductor chip 100 placed on the intermediate stage 14, transports it to the bonding stage unit 16, and bonds it to the substrate 104 provided on the bonding stage unit 16.
  • the collet 22 has a rectangular parallelepiped shape or a truncated cone shape, and its central axis is arranged in a vertical direction perpendicular to the work surface on which the intermediate stage 14 and the bonding stage unit 16 are installed.
  • the collet 22 can move at least from the position directly above the intermediate stage 14 to the position just above the bonding stage section 16 by the movement of the bonding head 18.
  • the collet 22 is attached to the bonding head 18 via a Z-axis drive mechanism 23 that controls vertical movement and a ⁇ -axis drive mechanism (not shown) that controls rotation. Linear movement to the axis and rotation around the Z axis are possible.
  • the top camera 24 is a camera for measuring the position of the mounting portion of the substrate 104 supported by the bonding stage portion 16.
  • the top camera 24 has a vertically downward optical axis, and can image the work surface side on which the substrate 104 or the like is placed.
  • the top camera 24 is also used for measuring the offset distance, as will be described in detail later.
  • the bonding head 18 to which the collet 22 and the top camera 24 are attached is attached to an XY table 26 and is movable in the XY directions.
  • the bottom camera 28 is fixedly installed directly below the moving path of the collet 22, that is, between the intermediate stage 14 and the bonding stage unit 16.
  • the bottom camera 28 has a vertically upward optical axis.
  • the bottom camera 28 is disposed so as to face the collet 22 and the top camera 24, and can image the front end surface (bottom surface) of the collet 22.
  • a reference member 30 is fixedly installed in the vicinity of the bottom camera 28, a reference member 30 is fixedly installed.
  • the reference member 30 is a member used as a reference when measuring the offset distance between the collet 22 and the top camera 24, and is provided with reference marks 32 having the same shape at the same position on both the front and back surfaces.
  • the reference member 30 is installed at such a position that the reference member 30 does not hinder the imaging of the collet 22 by the bottom camera 28 and the reference mark 32 is located in the field of view of the bottom camera 28.
  • the reference member 30 is installed such that the reference mark 32 is positioned at the lower end of the depth of field of the bottom camera 28 (end on the bottom camera 28 side). Is done.
  • the installation at this position is to prevent interference with the collet 22. That is, in the present embodiment, the bottom camera 28 images the collet 22 in order to measure the position of the semiconductor chip 100 with respect to the collet 22 and the offset distance. At this time, the collet 22 descends to near the center height of the depth of field of the bottom camera 28.
  • the reference mark 32 is placed below the depth of field of the bottom camera 28. It is located at the end.
  • the bottom camera 28 has a low magnification and a wide depth of field, so that interference between the collet 22 and the reference member 30 within the depth can be prevented. Further, even when the reference mark 32 is installed at a position slightly deviated from the depth of field, if the image of the reference mark 32 serving as a reference is registered with a blurred image that is not in focus, it will be described later. Degradation of the measurement accuracy of offset distance can be suppressed.
  • the shape of the reference mark 32 is not particularly limited as long as the position and orientation in the camera field of view can be recognized by the camera. Therefore, the reference mark 32 may be a rectangular mark constituted by a rectangular block as shown in FIG. 3A, or a cross-shaped through hole formed in the rectangular block as shown in FIG. A configured cross-shaped mark may be used. Moreover, the mark which attached the cross-shaped pattern by chromium plating etc. to glass may be sufficient. Furthermore, the mark which attached the cross-shaped pattern by chromium plating etc. to the lens itself of a bottom camera may be sufficient.
  • reference numeral 54 is a schematic diagram of an image (hereinafter referred to as “second image 54”) obtained when the collet 22 is imaged by the bottom camera 28.
  • the reference member 30 does not interfere with the recognition of the collet 22 by the bottom camera 28 and the reference mark 32 is positioned within the field of view of the bottom camera 28. Therefore, it is desirable that the reference mark 32 be positioned near the end of the field of view of the bottom camera 28 as shown in FIG.
  • the semiconductor chip 100 placed on the intermediate stage 14 is sucked and held by the collet 22 and bonded to the mounting portion of the substrate 104.
  • the position of the semiconductor chip 100 sucked and held by the collet 22 with respect to the collet 22 is set by the bottom camera 28 and the position of the mounting portion on the substrate 104 is set to the top in order to ensure the mounting position accuracy.
  • the camera 24 recognizes each.
  • the collet 22 and the substrate 104 are moved and aligned based on the positions recognized by the respective cameras 24 and 28, and then the semiconductor chip 100 is bonded to the mounting portion of the substrate 104.
  • the alignment between the collet 22 and the substrate 104 has been performed on the assumption that the offset distance between the collet 22 and the top camera 24 is always constant.
  • the offset distance changes slightly due to temperature changes and secular changes.
  • an error corresponding to the amount of change occurs, leading to deterioration in bonding position accuracy.
  • the offset distance is measured based on images obtained by the top camera 24 and the bottom camera 28 that are also mounted in the conventional bonding apparatus 10.
  • the measurement of the offset distance is performed in parallel with the normal bonding process to prevent the processing time from being prolonged.
  • the control unit 40 stores an offset reference distance D, a first reference position, and a second reference position in advance.
  • the offset reference distance D is a design or current offset distance between the collet 22 and the top camera 24. Originally, the offset distance should be the reference distance D, but in reality, a slight error ⁇ o occurs due to a temperature change or a secular change.
  • the first reference position is a state in which the top camera 24 is positioned directly above the bottom camera 28, that is, the optical axis of the top camera 24 and the optical axis of the bottom camera 28 coincide. This is the position of the reference mark 32 in the image obtained by the top camera 24 in the state.
  • an image obtained when the top camera 24 captures the bottom camera 28 side is referred to as a first image 52.
  • the first image 52 may be imaged by a reflective illumination (coaxial illumination or the like) method using the illumination of the top camera 24, or may be imaged by a backlight method using the coaxial illumination of the bottom camera 28. Good.
  • the second reference position is a state where the collet 22 is positioned directly above the bottom camera 28, that is, a state where the center axis of the collet 22 and the optical axis of the bottom camera 28 coincide.
  • the second image 54 may be captured by a reflective illumination (coaxial illumination or the like) method using the illumination of the bottom camera 28.
  • the top camera 24 is moved almost directly above the bottom camera 28 and the first image 52 is acquired.
  • the reference mark 32 in the first image 52 is shifted by ⁇ a from the first reference position.
  • the shift amount ⁇ a of the reference mark 32 in the first image 52 can be obtained by analyzing the first image 52.
  • the top camera 24 and the collet 22 are moved by the offset reference distance D as shown in FIG.
  • the offset distance between the top camera 24 and the collet 22 is the offset reference distance D (that is, there is no error ⁇ o)
  • the position of the collet 22 relative to the reference mark 32 in the second image 54 is also the second reference position.
  • the collet 22 should look like a broken-line rectangle 22_1 in the second image 54, which is shifted by ⁇ a.
  • ⁇ b ⁇ o ⁇ a as viewed from the second reference position.
  • the amount of deviation ⁇ b of the collet 22 can be obtained by analyzing the second image 54.
  • the shift amount ⁇ a of the reference mark 32 in the first image 52 becomes zero, that is, the first image 52.
  • the bonding head 18 may be moved by the offset reference distance D after the bonding head 18 has been moved so that the reference mark 32 inside is positioned at the first reference position. In this case, the positional deviation amount ⁇ b of the collet 22 with respect to the reference mark 32 in the second image 54 becomes the error amount ⁇ o as it is.
  • the amount of movement of the bonding head 18 after obtaining the first image 52 is not the offset reference distance D, but is a distance that takes into account the deviation ⁇ a of the reference mark 32 in the first image 52. That is, it may be D ⁇ a. Also in this case, after moving by the distance D ⁇ a, the positional deviation amount ⁇ b of the collet 22 with respect to the reference mark 32 in the obtained second image 54 becomes the error amount ⁇ o as it is.
  • the collet 22 is always imaged by the bottom camera 28 to obtain the second image 54 in measuring the offset distance.
  • the second image 54 is acquired after the semiconductor chip 100 is picked up by the collet 22 and before the semiconductor chip 100 is bonded to the substrate 104, that is, the collet 22 sucks and holds the semiconductor chip 100. Do it while you are.
  • the measurement of the offset distance and the position measurement of the semiconductor chip 100 are simultaneously performed in one imaging process. Thereby, the special process added for offset distance measurement can be reduced, and prolongation of processing time can be prevented.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a bonding flow by the bonding apparatus 10 of the present embodiment.
  • FIG. 8 shows a flow of bonding processing when the offset distance is acquired using the principle explained in FIG.
  • the control unit 40 moves the bonding head 18 to position the collet 22 directly above the intermediate stage 14 (S10). In this state, the collet 22 is lowered, the semiconductor chip 100 is sucked and held at the tip of the collet 22, and picked up (S12). If the semiconductor chip 100 can be sucked and held, the collet 22 is raised to a specified height to prevent interference.
  • control unit 40 moves the bonding head 18 to position the top camera 24 directly above the bottom camera 28, that is, on the reference member 30 (S14). Then, in this state, the top camera 24 captures the bottom camera 28 side and acquires the first image 52 (S16). Based on the first image 52, the control unit 40 calculates a deviation amount ⁇ a of the reference mark 32 in the first image 52. Then, based on the obtained ⁇ a, the bonding head 18 is moved so that the reference mark 32 in the first image 52 is located at the first reference position, that is, in the state of FIG. Move (S18).
  • the control unit 40 moves the bonding head 18 by a specified offset reference distance D (S20). By this movement, the collet 22 is positioned almost directly above the bottom camera 28. If it will be in this state, the collet 22 will be imaged with the bottom camera 28, and the 2nd image 54 will be acquired (S22). At the time of this imaging, the collet 22 is lowered to a substantially central height of the depth of field of the bottom camera 28. Based on the second image 54, the control unit 40 calculates the offset distance error amount ⁇ o, the positional deviation amount of the semiconductor chip 100 with respect to the collet 22, and the like (S24). In this case, as described with reference to FIG.
  • the control unit 40 performs the calculation of the positional deviation amount of the semiconductor chip 100 with respect to the collet 22, the quality determination of the semiconductor chip 100, and the like based on the obtained second image 54 as in the related art.
  • the control unit 40 stores the offset distance error amount ⁇ o obtained at this time, the positional deviation amount of the semiconductor chip 100, and the like.
  • control unit 40 moves the top camera 24 onto the mounting portion of the substrate 104 (S26). And based on the image obtained with the top camera 24, the exact position of a mounting part is calculated. Subsequently, the control unit 40 moves the bonding head 18 to move the collet 22 to a position directly above the mounting portion (S28). In this movement control, the offset distance error amount ⁇ o obtained in step S24 and the positional deviation amount of the semiconductor chip 100 are taken into consideration and correction is made so that the collet 22 is positioned immediately above the mounting portion. Finally, the collet 22 is lowered to the vicinity of the substrate 104, and the semiconductor chip 100 is bonded to the mounting portion of the substrate 104 (S30).
  • step S10 bonding of one semiconductor chip 100 is completed.
  • the process returns to step S10, and bonding of the next semiconductor chip 100 is performed.
  • the error amount ⁇ o of the offset distance is calculated based on the images captured by the top camera 24 and the bottom camera 28 that are conventionally provided in the bonding apparatus 10. Therefore, it is not necessary to provide a dedicated camera for offset measurement, and the cost increase of the bonding apparatus 10 can be effectively prevented.
  • the imaging process of the collet 22 by the bottom camera 28 that is essential for calculating the positional deviation of the semiconductor chip 100 with respect to the collet 22 is essential for calculating the offset distance error amount ⁇ o. This is an imaging process of the collet 22 by the bottom camera 28.
  • the error amount ⁇ o of the offset distance is measured by using an essential process, it is possible to effectively prevent the processing time from being prolonged.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the flow of bonding processing when the offset distance is acquired using the principle explained in FIG.
  • the step of finely adjusting the position of the top camera (S18) can be omitted, and the processing time can be further shortened.
  • the pickup of the semiconductor chip 100 by the collet 22 (S12) and the acquisition of the first image 52 by the top camera 24 (S16) are performed in parallel. It is also possible to do this. That is, when acquiring the first image 52, the bonding head 18 must naturally be stationary. As described above, making the bonding head 18 stationary only for obtaining the first image 52 causes a long processing time. On the other hand, when the semiconductor is picked up, the bonding head 18 must be stationary.
  • the first image 52 is acquired by the top camera 24 during the pick-up period in which the bonding head 18 is always kept stationary, useless processing time is not required, and prolongation of the processing time can be effectively prevented. Therefore, when the collet 22 is positioned directly above the intermediate stage 14, the positions of the top camera 24 and the bottom camera 28 are set so that the bottom camera 28 is positioned directly below the top camera 24. The acquisition of the first image 52 may be performed in parallel. With such a configuration, the bonding head 18 only moves in the same manner as in the conventional bonding process, and no dedicated processing time is required for offset measurement.
  • the bonding apparatus 10 of the intermediate stage 14 type that temporarily places the semiconductor chip 100 supplied from the chip supply unit 12 on the intermediate stage 14 is taken as an example.
  • the technique may be applied to a direct pickup type bonding apparatus 10 that directly bonds the semiconductor chip 100 picked up from the wafer 102 to the substrate 104.
  • a die bonding apparatus has been exemplified.
  • the technique of the present embodiment is applicable to other bonding apparatuses, for example, flip chip bonding apparatuses, as long as the bonding apparatus handles chip-shaped components. May be.
  • the present invention can be applied to a similar process in which a single piece of not only a semiconductor chip but also a MEMS device, a biodevice, a semiconductor package, or the like is arranged on another object.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a direct pickup type die bonding apparatus 10 to which the technology of the present embodiment is applied.
  • the die bonding apparatus 10 is different from the bonding apparatus 10 of FIG. 1 in that the intermediate stage 14 is omitted.
  • the wafer 102 is provided with a dicing tape or the like, and a push-up unit 60 is provided on the back surface of the dicing tape.
  • the collet 22 sucks and holds the semiconductor chip 100 pushed upward by the pushing unit 60 and transports it onto the substrate 104. In the middle of the movement from the wafer 102 to the substrate 104, the bottom camera 28 and the reference member 30 may be provided.
  • the example has been described in which the collet 22 and the top camera 24 are paused immediately above the bottom camera 28 in order to acquire the first image and the second image, respectively.
  • the first image and the second image may be acquired without causing the collet 22 and the top camera 24 to stand still by causing the top camera 24 and the bottom camera 28 to emit strobe light.
  • the illumination built in the top camera 24 at the timing when the top camera 24 passes right above the bottom camera 28 that is, the imaging timing when the reference member 30 as the imaging target passes through the field of view of the top camera 24.
  • the first camera 24 obtains the first image.
  • the illumination built in the bottom camera 28 is strobe light. While making it light-emit, it images with the bottom camera 28 and acquires a 2nd image.
  • the strobe light emission time t1 is desirably 1 ⁇ s or less, and in order to perform light emission in such a short time, it is desirable to use LED illumination as illumination of the cameras 24 and 28. Furthermore, if the exposure time t2 of the cameras 24 and 28 is set longer than the strobe light emission time t1, substantial exposure will be performed only during the strobe light emission time t1. In other words, the acquisition timing of the first image and the second image can be adjusted by adjusting even the flash emission timing.
  • the control unit 40 uses the encoder attached to the XY table as a trigger for causing each illumination built in the top camera 24 and the bottom camera 28 to emit strobe light.
  • the timing at which the collet 22 and the top camera 24 pass directly above the bottom camera 28 is obtained. This makes it possible to acquire and correct a change in the offset amount between the collet 22 and the top camera 24 without affecting the tact time in the normal bonding sequence of the apparatus.
  • offset measurement is performed each time a single semiconductor chip 100 is bonded.
  • offset measurement may not be performed every time, and may be performed only at a specific timing. Good.
  • the offset measurement may be performed only when a specified time elapses, when a specified number of chips have been bonded, when the bonding apparatus is started, or when the wafer 102 is replaced.
  • the bottom camera 28 may be an infrared camera (particularly a near infrared camera), and the collet 22 may be recognized by an infrared light source.
  • Near-infrared light passes through silicon, which is a material of the semiconductor chip 100, to some extent, so that the shape of the collet 22 covered with the semiconductor chip 100 can be recognized by using an infrared camera. Further, by using an infrared camera, not only the surface crack of the semiconductor chip 100 but also the crack inside the chip can be detected.
  • the reference mark 32 is arranged at the end of the depth of field of the bottom camera 28 in order to prevent interference between the collet 22 and the reference member 30.
  • a sufficient depth of field may not be obtained, and a sufficient distance between the reference member 30 and the collet 22 may not be ensured.
  • the bottom camera 28 may have a double focus configuration having two working distances (focus positions).
  • an optical member that changes the working distance (focal position) may be partially disposed or removed between the imaging element of the bottom camera 28 and the subject.
  • a hole or a cutout may be provided in a part of the cover glass 55 of the bottom camera 28, and the cover glass 55 at a portion facing the reference mark 32 may be removed.
  • the working distance becomes longer when the light passes through the cover glass 55 than when the light does not pass through the cover glass 55. Therefore, in the case of the configuration as shown in FIG. 11, most of the field of view of the bottom camera 28 where the cover glass 55 is provided is compared with a portion where the cover glass 55 is not provided (a portion facing the reference mark 32). Thus, the focal position can be separated from the bottom camera 28.
  • a cover glass 55 that partially covers the front surface of the image sensor 56 may be provided.
  • the distance S * from the rear main plane of the lens to the imaging device (image plane) is equivalent to shortening by b ⁇ d (1-1 / n).
  • FIG. 13 is a configuration diagram of the bottom camera 28 in this case
  • FIG. 14 is a perspective view of the optical member 58 disposed in the bottom camera 28.
  • the optical member 58 in this example includes a prism or mirror 58a having a reflection surface of 45 ° with respect to the optical axis of the bottom camera 28, and a glass block 58b in which the reference mark 32 is formed. . Inside the glass block 58b, a plurality of dotted marks functioning as the reference marks 32 are arranged at equal intervals in the vertical direction.
  • This dot mark can be formed in the glass block 58b by using, for example, an ultrashort pulse laser such as a femtosecond laser.
  • an ultrashort pulse laser such as a femtosecond laser.
  • the reference member 30 may be operated. In this case, for example, with the reference member 30 retracted to the retracted position in advance, the collet 22 is lowered to the working distance (focal position) of the bottom camera 28 to take an image, and then the collet 22 is raised. In this state, the reference member 30 is moved to the reference position before retraction, and an image is taken. Then, the two obtained images may be combined to specify the position of the collet 22 with respect to the reference mark 32 of the reference member 30.
  • a change in the offset amount between the collet 22 and the top camera 24 can be acquired without adding a new camera and without adding a complicated and time-consuming process. it can.

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Abstract

　ボンディング装置１０は、ボンディング作業面に向かって配置されたトップカメラ２４と、トップカメラ２４とオフセットを有して配置されるコレット２２と、を一体的に保持しつつ移動するボンディングヘッド１８と、コレット２２に保持された半導体チップ１００のコレット２２に対する位置を検出するべく、コレット２２側に向かって設けられたボトムカメラ２８と、ボトムカメラ２８の視野内に配置されたリファレンスマーク３２と、制御部４０と、を備え、制御部４０は、トップカメラ２４で認識されたマーク３２の位置に基づいて、ボンディングヘッド１８を移動させたあと、ボトムカメラ２８で認識されたリファレンスマーク３２に対するコレット２２の位置に基づいて、オフセットの値を算出する。これにより、専用のカメラを設けることなく、ボンディングツールと位置検出用カメラのオフセットを容易に検出できるボンディング装置を提供する。

Description

ボンディング装置およびボンディング方法
　本発明は、チップを基板上にボンディングするボンディング装置およびボンディング方法に関する。
　半導体素子等のチップを、基板上にボンディングさせるボンディング装置として、従来からダイボンディング装置や、フリップチップボンディング装置等が知られている。かかるボンディング装置では、コレット等のボンディングツールでチップを保持、移動させ、基板上にボンディングしている。ここで、高精度にボンディングを行うためには、ボンディングツールによりピックアップされたチップのボンディングツールに対する位置や、当該チップの状況（クラックや汚れの有無等）を、ボンディング前に確認することが求められる。そこで、従来から、ダイボンディング装置等では、ボンディングツールの移動経路の真下位置に、チップをピックアップしたボンディングツールを撮像するボトムカメラを設けており、当該ボトムカメラで撮像された画像に基づいて、ボンディングツールに対するチップの位置やチップの状況を確認していた。
　また、高精度にボンディングを行うためには、基板上にあるチップの装着位置も正確に検出することが要求される。そこで、従来から、ボンディングツールの近傍に、作業面側に向いた位置検出用カメラを設け、当該位置検出用カメラで基板上のチップ装着部を撮像し、得られた画像に基づいてチップ装着部の位置を検出することも、従来から提案されている。一部では、この位置検出用カメラとボンディングツールを、規定のオフセット分だけ離してボンディングヘッドに配置することが提案されている。かかるボンディング装置では、ボンディングツールと位置検出用カメラのオフセット量が、温度変化や摩耗による経年変化等に起因して変化する。こうしたオフセット量の変化は、ボンディング位置の誤差を招く。
　そこで、オフセット量を検出するための技術が特許文献１～６等に開示されている。例えば、特許文献１には、ボンディング部品の位置を検知する位置検知用カメラと、ボンディングを行うツールとがオフセットされたボンディング装置において、位置検知用カメラをリファレンス部材の上方に移動させてリファレンス部材と位置検知用カメラとの位置関係を測定し、また予め記憶されたオフセット量に従ってツールをリファレンス部材上に移動させ、リファレンス部材とツールとの位置関係をボトムカメラで測定し、これらの測定結果に基づいて正確なオフセット量を求める技術が開示されている。
　また、特許文献２には、リファレンス部材として、カメラ内の撮像素子を用いた技術が開示されている。また、特許文献３，４には、カメラ間距離のズレや、オフセット量を補正するために、位置検出用カメラやボトムカメラとは別に、専用のカメラを設ける技術が開示されている。さらに、特許文献５，６には、位置検出用カメラおよびボトムカメラで得られた画像に基づいて、カメラ間距離のズレやオフセット量を補正する技術が開示されている。
特許第２９８２０００号公報 特許第４１０５９２６号公報 特許第４１２８５４０号公報 特許第５３４４１４５号公報 特許第２７８００００号公報 特開２００６－２１０７８５号公報
　しかし、特許文献１，２の技術は、基本的に、ワイヤボンディング装置に適用することを想定しており、ダイボンディング装置や、フリップチップボンディング装置のように、半導体素子等のチップを、基板上にボンディングさせるボンディング装置に適用することは想定されていなかった。また、特許文献１，２の技術は、いずれも、オフセット検出のために専用のカメラを設けることを前提としていた。
　特許文献３，４の技術は、チップを基板上にボンディングさせるボンディング装置を想定している。しかし、特許文献３，４の技術では、チップ装着位置を測定するための位置検出用カメラおよびボンディングツールに保持されたチップを測定するためのボトムカメラとは別に、さらに、オフセット量等の測定のために専用のカメラを設ける必要があった。特許文献５，６の技術は、専用のカメラを用いる構成ではないが、オフセット量等の測定のために複雑で時間のかかる処理を実行する必要があった。
　そこで、本発明では、チップを基板上にボンディングさせるボンディング装置であって、オフセット検出のために専用のカメラを設けることなく、ボンディングツールと位置検出用カメラのオフセットを容易に検出できるボンディング装置およびボンディング方法を提供することを目的とする。
　本発明のボンディング装置は、チップを基板上にボンディングするボンディング装置であって、ボンディング作業面に向かって配置された第一カメラと、第一カメラとオフセットを有して配置されるボンディングツールと、を一体的に保持しつつ移動するボンディングヘッドと、ボンディングツールに保持されたチップのボンディングツールに対する位置を検出するべく、ボンディングツール側に向かって設けられた第二カメラと、第二カメラの視野内に配置されたリファレンスマークと、ボンディングヘッドの移動を制御する制御部と、を備え、制御部は、第一カメラで認識されたリファレンスマークの位置に基づいて、ボンディングヘッドを移動させたあと、第二カメラで認識されたリファレンスマークに対するボンディングツールの位置に基づいて、オフセットの値を算出する、ことを特徴とする。
　他の好適な態様では、制御部で算出したオフセットの値を次のボンディング処理にフィードバックしてボンディングする。他の好適な態様では、第一カメラまたは第二カメラは、ボンディングヘッドの移動に伴って撮像対象物がカメラの視野内を通過する撮像タイミングで、当該カメラに対応するストロボを発光させることで、ボンディングヘッドを停止させることなく撮像対象物を撮像し、制御部は、ボンディングヘッドを停止させることなく得られた撮像画像に基づいて、オフセットの値を算出する。
　他の好適な態様では、制御部は、リファレンスマークに対するボンディングツールの位置を検出するための第二カメラにより撮像された画像に基づいて、チップのボンディングツールに対する位置を検出する。
　他の好適な態様では、第二カメラは、赤外線を撮像する赤外線カメラである。また、別の好適な態様では、リファレンスマークは、第二カメラの被写界深度の端部に配置される。他の好適な態様では、第二カメラは、視野内の焦点位置を部分的に異ならせる機構を備える。
　他の本発明であるボンディング方法は、ボンディング作業面に向かって配置された第一カメラおよび第一カメラとオフセットを有して配置されるボンディングツールを一体的に保持しつつ移動するボンディングヘッドと、ボンディングツールに保持されたチップのボンディングツールに対する位置を検出するべくボンディングツール側に向かって設けられた第二カメラと、を備えたボンディング装置によるボンディング方法であって、第一カメラで、第二カメラの視野内に設置されたリファレンスマークの位置を認識するステップと、認識されたリファレンスマークの位置に基づいてボンディングヘッドを移動させた後、第二カメラで、リファレンスマークに対するボンディングツールの位置を認識するステップと、認識されたリファレンスマークに対するボンディングツールの位置に基づいて、オフセットの値を算出するステップと、を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、従来のボンディング装置でも設けられていたボンディング作業面に向かって配置された第一カメラとボンディングツール側に向かって設けられた第二カメラで、オフセットを容易に検出できる。
本発明の実施形態であるボンディング装置の構成を示す図である。 ボトムカメラ周辺の構成を示す図である。 リファレンス部材の一例を示す図である。 オフセット測定の原理を説明する図である。 オフセット測定の原理を説明する図である。 オフセット測定の原理を説明する図である。 オフセット測定の原理を説明する図である。 ボンディング処理の流れを説明するフローチャートである。 他のボンディング処理の流れを説明するフローチャートである。 他のボンディング装置の構成を示す図である。 他のボトムカメラ周辺の構成を示す図である。 他のボトムカメラの構成を示す図である。 他のボトムカメラ周辺の構成を示す図である。 他のボトムカメラに用いられる光学部材の斜視図である。
　以下、本発明の実施形態であるボンディング装置１０について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態であるボンディング装置１０の構成を示す図である。このボンディング装置１０は、電子部品である半導体チップ１００（ダイ）を基板１０４の装着部に位置合わせをしてボンディングするダイボンディング装置である。
　ボンディング装置１０は、チップ供給部１２、チップを載置する中間ステージ１４、基板１０４を支持するボンディングステージ部１６、ボンディングヘッド１８、当該ボンディングヘッド１８にＺ軸駆動機構２３を介して取り付けられたコレット２２および第一カメラとしてのトップカメラ２４、第二カメラとしてのボトムカメラ２８、ボトムカメラ２８近傍に設置されたリファレンス部材３０、ボンディングヘッド１８を移動させるＸＹテーブル２６、および、ボンディング装置１０全体の駆動を制御する制御部４０を備えている。
　チップ供給部１２には、碁盤目状にダイシングされ細かく切断された半導体チップ１００が裏面のフィルムに貼り付いた状態のウェーハ１０２がステージ２０上に載置されている。この半導体チップ１００は、図示しない移送ヘッドにより、中間ステージ１４に移送され、載置される。
　ボンディングステージ部１６は、基板１０４の装着部に半導体チップ１００をボンディングするステージである。このボンディングステージ部１６には、基板１０４を水平方向に移動させる移動機構１７や、当該基板１０４を加熱するヒータ（図示せず）等が設けられており、これらは、制御部４０により駆動制御されている。
　ボンディングヘッド１８には、コレット２２およびトップカメラ２４が、規定のオフセット距離分だけ離れて取り付けられている。コレット２２は、中間ステージ１４に載置された半導体チップ１００を、吸着保持してボンディングステージ部１６まで搬送し、ボンディングステージ部１６に設けられた基板１０４にボンディングするボンディングツールである。コレット２２は、直方体形状または円錐台形状で、その中心軸は、中間ステージ１４やボンディングステージ部１６が設置された作業面に対して垂直な鉛直方向に配置されている。コレット２２は、ボンディングヘッド１８の移動により、少なくとも中間ステージ１４の真上からボンディングステージ部１６の真上までは移動できるようになっている。また、このコレット２２は、上下動を司るＺ軸駆動機構２３及び回転動を司るθ軸駆動機構（図示せず）を介してボンディングヘッド１８に取り付けられており、ボンディングヘッド１８に対して、Ｚ軸への直線移動およびＺ軸回りの回動が可能となっている。
　トップカメラ２４は、ボンディングステージ部１６に支持された基板１０４の装着部の位置を測定するためのカメラである。トップカメラ２４は、鉛直方向下向きの光軸を有しており、基板１０４等が載置される作業面側を撮像できる。このトップカメラ２４は、後に詳説するように、オフセット距離の測定にも用いられる。コレット２２およびトップカメラ２４が取り付けられたボンディングヘッド１８は、ＸＹテーブル２６に取り付けられており、ＸＹ方向に移動可能となっている。
　ボトムカメラ２８は、コレット２２の移動経路の真下、すなわち、中間ステージ１４とボンディングステージ部１６との間に固定設置されている。このボトムカメラ２８は、鉛直上向きの光軸を有している。換言すれば、ボトムカメラ２８は、コレット２２およびトップカメラ２４と対向して配置されており、コレット２２の先端面（底面）を撮像できる。
　ボトムカメラ２８の近傍には、リファレンス部材３０が固定設置されている。リファレンス部材３０は、後に詳説するように、コレット２２およびトップカメラ２４のオフセット距離を測定する際に基準となる部材で、表裏両面の同一位置に同形状のリファレンスマーク３２を設けたものである。リファレンス部材３０は、当該リファレンス部材３０がボトムカメラ２８によるコレット２２の撮像を阻害せず、また、リファレンスマーク３２がボトムカメラ２８の視野内に位置するような位置に設置されている。
　より具体的には、リファレンス部材３０は、図２に示すように、そのリファレンスマーク３２がボトムカメラ２８の被写界深度の下側端部（ボトムカメラ２８側端部）に位置するように設置される。かかる位置に設置するのは、コレット２２との干渉を防止するためである。すなわち、本実施形態では、コレット２２に対する半導体チップ１００の位置測定およびオフセット距離測定のために、ボトムカメラ２８でコレット２２を撮影する。このとき、コレット２２は、ボトムカメラ２８の被写界深度の中央高さ付近まで下降する。この下降するコレット２２との干渉を避けつつも、ボトムカメラ２８によるリファレンスマーク３２の認識を可能にするために、本実施形態では、リファレンスマーク３２を、ボトムカメラ２８の被写界深度の下側端部に位置させている。ここで、一般に、ボトムカメラ２８は、低倍率であり、被写界深度が広いため、深度内におけるコレット２２とリファレンス部材３０との干渉を防止できる。また、リファレンスマーク３２を被写界深度から多少外れたところに設置した場合であっても、フォーカスがあっていないボケた画像で基準となるリファレンスマーク３２の画像を登録しておけば、後述するオフセット距離の測定精度の劣化は抑制できる。
　リファレンスマーク３２の形状は、カメラ視野内での位置および姿勢をカメラで認識できるのであれば、特に限定されない。したがって、リファレンスマーク３２は、図３（ａ）に示すような矩形ブロックで構成される矩形状マークでも良く、図３（ｂ）に示すように矩形ブロック内に形成された十文字状の貫通孔で構成される十文字状マークでも良い。また、ガラスにクロムメッキ等で十文字状のパターンを付けたマークであっても良い。さらに、ボトムカメラのレンズ自体にクロムメッキ等で十文字状のパターンを付けたマークであっても良い。なお図３において、符号５４は、ボトムカメラ２８でコレット２２を撮像した際に得られる画像（以下「第二画像５４」という）の模式図である。
　また、良好なボンディング処理のためには、リファレンス部材３０がボトムカメラ２８によるコレット２２の認識を阻害せず、かつ、リファレンスマーク３２がボトムカメラ２８の視野内に位置する必要がある。そのため、リファレンスマーク３２は、図３に示すようにボトムカメラ２８の視野の端部近傍に位置することが望ましい。
　こうしたボンディング装置１０では、中間ステージ１４に載置された半導体チップ１００をコレット２２で吸引保持し、基板１０４の装着部にボンディングする。このとき、装着の位置精度を担保するために、ボンディングに先だって、コレット２２に吸引保持された半導体チップ１００のコレット２２に対する位置をボトムカメラ２８で、また、基板１０４上の装着部の位置をトップカメラ２４で、それぞれ認識する。そして、それぞれのカメラ２４，２８で認識した位置に基づいて、コレット２２や基板１０４を移動させて位置合わせしたうえで、半導体チップ１００を基板１０４の装着部にボンディングする。
　ここで、従来、こうしたコレット２２と基板１０４との位置合わせは、コレット２２とトップカメラ２４とのオフセット距離が、常に一定であるとの前提で行われていた。しかし、実際には、オフセット距離は、温度変化や経年変化により微妙に変化する。そして、オフセット距離が予め規定されたオフセット基準距離Ｄから変化すると、当該変化量分の誤差が生じることになり、ボンディングの位置精度悪化を招いていた。
　そこで、一部では、オフセット測定のために専用のカメラを設けたり、複雑な工程を設けたりして、オフセット距離を測定することが提案されている。しかし、こうした従来の技術では、専用のカメラ追加に伴うコスト増加や、複雑で時間のかかる工程追加に伴う処理時間の長期化等の問題があった。
　そこで、本実施形態では、従来のボンディング装置１０でも搭載されていたトップカメラ２４およびボトムカメラ２８で得られる画像に基づいてオフセット距離の測定を行う。また、こうしたオフセット距離測定を通常のボンディング工程と並行して行うことで処理時間の長期化防止も図っている。このオフセット距離測定のフロー説明の前に、本実施形態におけるオフセット距離測定の原理について図４、図５等を参照して簡単に説明する。
　まず、オフセット距離を測定するために、制御部４０は、予め、オフセット基準距離Ｄと、第一基準位置と、第二基準位置とを記憶している。オフセット基準距離Ｄは、コレット２２とトップカメラ２４との設計上または現在のオフセット距離である。本来であれば、オフセット距離は、この基準距離Ｄとなるべきであるが、実際は、温度変化や経年変化により若干の誤差Δｏが生じる。
　第一基準位置は、図４（ａ）に示すように、トップカメラ２４をボトムカメラ２８の真上に位置させた状態、すなわち、トップカメラ２４の光軸とボトムカメラ２８の光軸が一致する状態で、トップカメラ２４により得られる画像内におけるリファレンスマーク３２の位置である。なお、以下では、このトップカメラ２４でボトムカメラ２８側を撮像した際に得られる画像を第一画像５２と呼ぶ。この第一画像５２は、トップカメラ２４の照明を用いて反射型の照明（同軸照明等）方式で撮像してもよいし、ボトムカメラ２８の同軸照明を用いてバックライト方式で撮像してもよい。
　第二基準位置は、図４（ｂ）に示すように、コレット２２をボトムカメラ２８の真上に位置させた状態、すなわち、コレット２２の中心軸とボトムカメラ２８の光軸が一致する状態で、ボトムカメラ２８により得られる第二画像５４内におけるコレット２２のリファレンスマーク３２に対する位置である。第二画像５４は、ボトムカメラ２８の照明を用いて反射型の照明（同軸照明等）方式で撮像してもよい。
　次に、図５に示すように、コレット２２とトップカメラ２４のオフセット距離がＤ＋Δｏの場合を考える。この場合において、図５（ａ）に示すように、トップカメラ２４をボトムカメラ２８の略真上に移動させ、第一画像５２を取得する。このとき、トップカメラ２４の光軸とボトムカメラ２８の光軸との間にズレ量Δａがある場合、第一画像５２内におけるリファレンスマーク３２は、第一基準位置からΔａだけズレることになる。この第一画像５２内でのリファレンスマーク３２のズレ量Δａは、第一画像５２を解析することで取得できる。
　次に、この状態から、図５（ｂ）に示すように、トップカメラ２４およびコレット２２を、オフセット基準距離Ｄだけ移動させたとする。このとき、トップカメラ２４およびコレット２２のオフセット距離が、オフセット基準距離Ｄであれば（すなわち誤差Δｏが無ければ）、第二画像５４内におけるコレット２２のリファレンスマーク３２に対する位置も、第二基準位置からみてΔａだけズレ、第二画像５４内において、コレット２２は、破線の矩形２２＿１のように見えるはずである。しかし、オフセット距離に誤差量Δｏが生じている場合、第二画像５４内におけるコレット２２のリファレンスマーク３２に対する位置は、第二基準位置からみてΔｂ＝Δｏ－Δａだけズレることになる。このコレット２２のズレ量Δｂは、第二画像５４を解析することで取得できる。そして、第一画像５２および第二画像５４から得られるΔａおよびΔｂを加算することでオフセット距離の誤差量Δｏが得られる（Δｏ＝Δａ＋Δｂ）。
　なお、図５に例示した例では、第一画像５２内でのリファレンスマーク３２のズレ量Δａを解消しない状態のままボンディングヘッド１８を、オフセット基準距離Ｄだけ移動させているため、オフセット距離の誤差量Δｏは、Δｏ＝Δａ＋Δｂとなる。しかし、図６（ｂ）に示すように、オフセット基準距離Ｄ分の移動に先立って、第一画像５２内でのリファレンスマーク３２のズレ量Δａがゼロになるように、すなわち、第一画像５２内におけるリファレンスマーク３２が、第一基準位置に位置するように、ボンディングヘッド１８を移動させた後、ボンディングヘッド１８をオフセット基準距離Ｄだけ移動させてもよい。この場合、第二画像５４内におけるコレット２２のリファレンスマーク３２に対する位置ズレ量Δｂが、そのまま、誤差量Δｏとなる。
　また、図７に示すように、第一画像５２取得後のボンディングヘッド１８の移動量をオフセット基準距離Ｄとするのではなく、第一画像５２内におけるリファレンスマーク３２のズレ量Δａを考慮した距離、すなわち、Ｄ－Δａとしてもよい。この場合も、距離Ｄ－Δａだけ移動した後に、得られる第二画像５４内におけるコレット２２のリファレンスマーク３２に対する位置ズレ量Δｂが、そのまま、誤差量Δｏとなる。
　ここで、これまでの説明で明らかな通り、本実施形態では、オフセット距離測定にあたって、必ず、ボトムカメラ２８でコレット２２を撮像し、第二画像５４を得ている。本実施形態では、この第二画像５４の取得を、コレット２２による半導体チップ１００のピックアップ後、かつ、半導体チップ１００の基板１０４へのボンディング前、すなわち、コレット２２が半導体チップ１００を吸引保持している間に行う。そして、得られた第二画像５４に基づいて、オフセット距離だけでなく、コレット２２に対する半導体チップ１００の位置も測定する。換言すれば、本実施形態では、一度の撮像処理で、オフセット距離の測定と半導体チップ１００の位置測定を同時に行う。これにより、オフセット距離測定のために追加される特別な工程を減らすことができ、処理時間の長期化を防止できる。
　次に、このボンディング装置１０によるボンディングの流れについて図８を参照して説明する。図８は、本実施形態のボンディング装置１０によるボンディングの流れを示すフローチャートである。図８は、図６で説明した原理を利用してオフセット距離を取得する場合のボンディング処理の流れである。
　半導体チップ１００を基板１０４上にボンディングする際には、まず、制御部４０は、ボンディングヘッド１８を移動させて、コレット２２を中間ステージ１４の真上に位置させる（Ｓ１０）。その状態で、コレット２２を下降させ、当該コレット２２の先端で半導体チップ１００を吸引保持し、ピックアップする（Ｓ１２）。そして、半導体チップ１００を吸引保持できれば、干渉防止のために、コレット２２を規定の高さまで上昇させる。
　次に、制御部４０は、ボンディングヘッド１８を移動させてトップカメラ２４をボトムカメラ２８の真上、すなわち、リファレンス部材３０の上に位置させる（Ｓ１４）。そして、この状態で、トップカメラ２４でボトムカメラ２８側を撮像し、第一画像５２を取得する（Ｓ１６）。制御部４０は、この第一画像５２に基づいて、第一画像５２内におけるリファレンスマーク３２のズレ量Δａを演算する。そして、この得られたΔａに基づいて、第一画像５２内におけるリファレンスマーク３２が、第一基準位置に位置するように、すなわち、図７（ｂ）の状態になるように、ボンディングヘッド１８を移動させる（Ｓ１８）。
　第一画像５２内におけるリファレンスマーク３２のズレ量Δａがゼロになれば、続いて、制御部４０は、ボンディングヘッド１８を規定のオフセット基準距離Ｄだけ移動させる（Ｓ２０）。この移動により、コレット２２が、ボトムカメラ２８のほぼ真上に位置することになる。この状態になれば、ボトムカメラ２８によりコレット２２を撮像し、第二画像５４を取得する（Ｓ２２）。なお、この撮像の際には、コレット２２を、ボトムカメラ２８の被写界深度の略中央高さまで下降させる。制御部４０は、この第二画像５４に基づいて、オフセット距離の誤差量Δｏおよびコレット２２に対する半導体チップ１００の位置ズレ量等を算出する（Ｓ２４）。この場合、オフセット距離の誤差量Δｏは、図７を参照して説明した通り、得られた第二画像５４内におけるコレット２２のリファレンスマーク３２に対する位置ズレ量Δｂとなる（Δｏ＝Δｂ）。また、制御部４０は、従来技術と同様に、得られた第二画像５４に基づいて、コレット２２に対する半導体チップ１００の位置ズレ量の演算や、半導体チップ１００の良否判断等も行う。画像解析の結果、半導体チップ１００にクラック等の欠陥が生じていると判断できた場合には、当該半導体チップ１００のボンディング処理を中止する。半導体チップ１００に欠陥が無い場合、制御部４０は、このとき得られたオフセット距離の誤差量Δｏおよび半導体チップ１００の位置ズレ量等を記憶しておく。
　続いて、制御部４０は、トップカメラ２４を基板１０４の装着部上に移動させる（Ｓ２６）。そして、トップカメラ２４で得られた画像に基づいて、装着部の正確な位置を算出する。続いて、制御部４０は、ボンディングヘッド１８を移動させて、コレット２２を装着部の真上まで移動させる（Ｓ２８）。この移動制御に際しては、ステップＳ２４で得られたオフセット距離の誤差量Δｏおよび半導体チップ１００の位置ズレ量を考慮し、コレット２２が装着部の真上に位置するように補正する。そして最終的に、コレット２２を基板１０４近傍まで下降させて、半導体チップ１００を基板１０４の装着部にボンディングする（Ｓ３０）。一つの半導体チップ１００のボンディングが完了すれば、ステップＳ１０に戻り、次の半導体チップ１００のボンディングを行う。なお、次のボンディング処理では、測定により得られた真のオフセット距離、すなわち、規定のオフセット距離Ｄに、誤差量Δｏを加算したＤ＋Δｏを、新たなオフセット距離（Ｄ＝Ｄ＋Δｏ）としてフィードバックさせることが望ましい。
　以上の説明から明らかな通り、本実施形態では、ボンディング装置１０に従来から設けられているトップカメラ２４およびボトムカメラ２８で撮像された画像に基づいてオフセット距離の誤差量Δｏを算出している。したがって、オフセット測定のために専用のカメラを設ける必要がなく、ボンディング装置１０のコストアップを効果的に防止できる。また、本実施形態では、コレット２２に対する半導体チップ１００の位置ズレ等の演算のために必須となるボトムカメラ２８によるコレット２２の撮像工程が、そのまま、オフセット距離の誤差量Δｏの演算のために必須となるボトムカメラ２８によるコレット２２の撮像工程となっている。換言すれば、もともと必須の工程を利用してオフセット距離の誤差量Δｏの測定を行っているため、処理時間の長期化も効果的に防止できる。
　次に、他のボンディング処理の流れについて図９を参照して説明する。図９は、図７で説明した原理を利用してオフセット距離を取得する場合のボンディング処理の流れを示すフローチャートである。
　このボンディング処理では、トップカメラ２４で第一画像５２を取得（Ｓ１６）した後、トップカメラ２４を第一基準位置に位置させる微調整工程（Ｓ１８）はなく、第一画像５２内におけるリファレンスマーク３２のズレ量Δａを演算（Ｓ３２）すれば、即座に、ボンディングヘッドをＤ－Δａだけ移動させている（Ｓ３４）。そして、その後得られる第二画像５４内におけるコレット２２のリファレンスマーク３２に対する位置ズレ量Δｂを、オフセットの誤差量Δｏとして算出している。
　かかる構成とすることにより、トップカメラの位置を微調整する工程（Ｓ１８）を省略でき、処理時間をより短縮できる。特に、トップカメラ２４の位置を微調整する工程が不要なこの構成によれば、コレット２２による半導体チップ１００のピックアップ（Ｓ１２）と、トップカメラ２４による第一画像５２の取得（Ｓ１６）とを並行して行うことも可能となる。すなわち、第一画像５２を取得する際には、当然、ボンディングヘッド１８は静止していなければならない。このように、第一画像５２取得のためだけに、ボンディングヘッド１８を静止させることは、処理時間の長期化を招く。一方、半導体をピックアップさせる際には、ボンディングヘッド１８は、必ず静止させなければならない。このボンディングヘッド１８を必ず静止させるピックアップ期間に、トップカメラ２４による第一画像５２の取得を行えば無駄な処理時間がかかることはなく、処理時間の長期化を効果的に防止できる。そこで、コレット２２を中間ステージ１４の真上に位置させた際、トップカメラ２４の真下にボトムカメラ２８が位置するようにトップカメラ２４およびボトムカメラ２８の位置を設定し、半導体チップ１００のピックアップと第一画像５２の取得を並行して行ってもよい。かかる構成とすれば、ボンディングヘッド１８は、従来のボンディング処理と同様の動きをするだけであり、オフセット測定のために専用の処理時間は不要となる。
　なお、これまでの説明では、チップ供給部１２から供給される半導体チップ１００を一時的に中間ステージ１４に載置する中間ステージ１４方式のボンディング装置１０のみを例に挙げたが、本実施形態の技術は、ウェーハ１０２からピックアップした半導体チップ１００を直接基板１０４にボンディングするダイレクトピックアップ方式のボンディング装置１０に適用してもよい。また、これまでの説明では、ダイボンディング装置を例示しているが、本実施形態の技術は、チップ状の部品を取り扱うボンディング装置であれば、他のボンディング装置、例えば、フリップチップボンディング装置に適用してもよい。また、半導体チップだけでなくＭＥＭＳデバイス、バイオデバイス、半導体パッケージ等のある個片を別の物に配設する同様のプロセスにおいても適用することができる。
　図１０は、本実施形態の技術を適用したダイレクトピックアップ方式のダイボンディング装置１０の概略構成図である。このダイボンディング装置１０は、図１のボンディング装置１０と異なり、中間ステージ１４が省略されている。ウェーハ１０２は、ダイシングテープ等の設置されており、このダイシングテープの裏面には、突き上げユニット６０が設けられている。コレット２２は、この突き上げユニット６０によって上方に突き上げられた半導体チップ１００を吸引保持し、基板１０４上へ搬送する。このウェーハ１０２から基板１０４への移動の途中に、ボトムカメラ２８およびリファレンス部材３０を設けておくようにしてもよい。
　また、これまでの説明では、第一画像、第二画像を取得するために、コレット２２およびトップカメラ２４をそれぞれ、ボトムカメラ２８の真上で一時停止させる例を説明した。しかし、トップカメラ２４およびボトムカメラ２８の照明をストロボ発光させることで、コレット２２およびトップカメラ２４を静止させることなく、第一画像、第二画像を取得するようにしてもよい。
　例えば、トップカメラ２４が、ボトムカメラ２８の真上を通過するタイミング（すなわち撮像対象物であるリファレンス部材３０がトップカメラ２４の視野内を通過する撮像タイミング）で、トップカメラ２４に内蔵された照明をストロボ発光させるとともに、トップカメラ２４で撮像して、第一画像を取得する。また、コレット２２が、ボトムカメラ２８の真上を通過するタイミング（すなわち撮像対象物であるコレット２２がボトムカメラ２８の視野内を通過する撮像タイミング）で、ボトムカメラ２８に内蔵された照明をストロボ発光させるとともに、ボトムカメラ２８で撮像して、第二画像を取得する。このとき、ストロボ発光時間ｔ１は、１μｓ以下とすることが望ましく、また、こうした短時間での発光を行うために、カメラ２４，２８の照明として、ＬＥＤ照明を用いることが望ましい。さらに、カメラ２４，２８の露光時間ｔ２を、ストロボ発光時間ｔ１よりも長くしておけば、ストロボ発光されている時間ｔ１の間だけ、実質的な露光されるようになる。換言すれば、ストロボ発光のタイミングさえ調整することで、第一画像および第二画像の取得タイミングを調整できる。
　また、第一画像及び第二画像を取得する際にトップカメラ２４及びボトムカメラ２８に内蔵された各照明をストロボ発光させるトリガとして、制御部４０は、ＸＹテーブルに取り付けられたエンコーダからボンディングヘッド１８のコレット２２の位置を検出することにより、コレット２２及びトップカメラ２４がボトムカメラ２８の真上を各々通過するタイミングを取得している。これにより、装置の通常のボンディングシーケンスおいてタクトタイムに影響を与えること無く、コレット２２とトップカメラ２４とのオフセット量の変化を取得し補正することができる。
　ここで、トップカメラ２４およびコレット２２の移動速度をｖ、トップカメラ２４およびボトムカメラ２８の倍率をβとした場合、カメラ２４，２８の撮像素子における画像のぶれ量Δａは、Δａ＝β×ｖ×ｔ１となる。ぶれ量Δａが１画素未満となるように、移動速度ｖやストロボ発光時間ｔ１を調整すれば、コレット２２およびトップカメラ２４を静止させた場合と同等の画像が得られる。また、例え、ぶれ量Δａが１画素以上であったとしても、各種パラメータ（β，ｖ，ｔ１）の値が既知であれば、そのぶれ量Δａの平均値をとることによって、そのぶれを補正し、真値を求めることは容易に可能になる。その結果、コレット２２およびトップカメラ２４を停止させることなく、第一画像および第二画像を取得することができるため、装置の処理時間をより短縮させることができる。
　また、これまでの説明では、一つの半導体チップ１００のボンディング処理の度にオフセット測定を行っている例を挙げたが、オフセット測定は、毎回行わなくてもよく、特定のタイミングでのみ行ってもよい。例えば、オフセット測定は、規定の時間が経過した際や、規定の個数分のチップのボンディングが終了した際、ボンディング装置の起動の際、ウェーハ１０２の交換の際にのみ行うようにしてもよい。
　また、これまでの説明では、コレット２２よりも半導体チップ１００のほうが小さい場合のみを例示したが、半導体チップ１００がコレット２２の底面よりも大きく、コレット２２の底面全体が半導体チップ１００で覆われる場合もある。かかる場合には、コレット２２に対する半導体チップ１００の位置ズレ量や、リファレンスマーク３２に対するコレット２２の位置ズレ量Δｂを検出することができない。そこで、こうした問題を避けるために、ボトムカメラ２８を赤外線カメラ（特に近赤外線カメラ）とし、赤外光源でコレット２２を認識するようにしてもよい。近赤外線は、半導体チップ１００の素材であるシリコンをある程度、透過するため、赤外線カメラを用いることで、半導体チップ１００で覆われたコレット２２の形状も認識できる。また、赤外線カメラを用いることで、半導体チップ１００の表面のクラックだけでなく、チップ内部のクラックも検出することが可能となる。
　また、本実施形態では、コレット２２とリファレンス部材３０との干渉防止のために、リファレンスマーク３２をボトムカメラ２８の被写界深度の端部に配置している。しかし、カメラによっては、十分な被写界深度が得られず、リファレンス部材３０とコレット２２との間の距離を十分に確保できない場合もある。かかる問題を避けるために、ボトムカメラ２８を、二つのワーキングディスタンス（焦点位置）を有するダブルフォーカス構成にしてもよい。ダブルフォーカス構成とするためには、例えば、ボトムカメラ２８の撮像素子と被写体との間に、ワーキングディスタンス（焦点位置）を変化させる光学部材を部分的に配置または除去すればよい。
　例えば、図１１に示すように、ボトムカメラ２８のカバーガラス５５の一部に孔または切欠を設け、リファレンスマーク３２に対向する部分のカバーガラス５５を除去してもよい。ここで、ワーキングディスタンス（焦点位置）は、カバーガラス５５を透過した場合のほうが、カバーガラス５５を透過しない場合に比べて長くなる。そのため、図１１のような構成とした場合、ボトムカメラ２８の視野のうち、カバーガラス５５が設けられた大部分は、カバーガラス５５が設けられていない部分（リファレンスマーク３２の対向部分）に比べて焦点位置を、ボトムカメラ２８から離すことができる。具体的には、カバーガラス５５の厚さをｄ、屈折率ｎとした場合、ワーキングディスタンス（焦点位置）の延びる量ａは、ａ≒ｄ（１－１／ｎ）となる。したがって、例えば、カバーガラス５５の厚みｄ＝１．５ｍｍ、屈折率ｎ＝１．５２であれば、ワーキングディスタンス（焦点位置）は、ａ≒０．５ｍｍ延びる。つまり、カバーガラス５５の影響を受けないリファレンスマーク３２と、カバーガラス５５の影響を受けるコレット２２と、をそれぞれワーキングディスタンス（焦点位置）に設置したとしても、両者は距離ａだけ離れることになる。その結果、両者の干渉を防止しつつも、リファレンスマーク３２およびコレット２２の両者にフォーカスを合わせることが可能となる。
　また、別の形態として、図１２に示すように、撮像素子５６の前面を部分的に覆うカバーガラス５５を設けてもよい。この場合、レンズの後側主平面から撮像素子（像面）までの距離Ｓ＊は、ｂ≒ｄ（１－１／ｎ）だけ短くなったことに等しい。この場合、物体面の位置の変化量ａは、倍率をβとすると、ａ≒ｂ／β２となる。したがって、例えば、倍率β＝０．７、カバーガラスの厚みｄ＝１ｍｍ、屈折率ｎ＝１．５２とすれば、ａ≒０．６９となる。よって、この場合でも、カバーガラス５５の影響を受けないリファレンスマーク３２と、カバーガラス５５の影響を受けるコレット２２と、をそれぞれワーキングディスタンス（焦点位置）に設置したとしても、両者は距離ａだけ離すことができ、両者の干渉を防止することができる。
　また、ワーキングディスタンス（焦点位置）を変化させるのではなく、リファレンスマーク３２までの光路を屈曲させる光学部材をリファレンス部材３０として配置してもよい。図１３は、この場合におけるボトムカメラ２８の構成図であり、図１４は、当該ボトムカメラ２８に配置される光学部材５８の斜視図である。この例の光学部材５８は、ボトムカメラ２８の光軸に対して４５°の反射面を有したプリズムまたはミラー５８ａと、内部にリファレンスマーク３２が形成されたガラスブロック５８ｂと、を有している。ガラスブロック５８ｂの内部には、リファレンスマーク３２として機能する点状マークが、鉛直方向に等間隔で複数並んでいる。この点状マークは、例えば、フェムト秒レーザなどの超短パルスレーザを用いることでガラスブロック５８ｂ内に形成できる。この光学部材５８を、ボトムカメラ２８の視野端部に配置すると、撮像素子からリファレンスマーク３２までの光路が屈曲する。そして、これにより、リファレンス部材３０を、本来のワーキングディスタンス（焦点位置）からずらして配置することが可能となり、コレット２２とリファレンス部材３０との干渉を防止することができる。また、図１４に示すように、リファレンスマーク３２である点状マークを鉛直方向に並べて配置すれば、トップカメラ２４のフォーカス位置が変化しても、いずれかの点状マークにフォーカスを合わせることができる。
　また、干渉を防止するためには、リファレンス部材３０を稼働式としてもよい。この場合は、例えば、リファレンス部材３０を予め、退避位置に退避させた状態で、コレット２２をボトムカメラ２８のワーキングディスタンス（焦点位置）まで下降させて画像撮像を行い、その後、コレット２２を上昇させた状態でリファレンス部材３０を退避前の基準位置まで移動させて画像撮像を行う。そして、得られた二つの画像を合成し、リファレンス部材３０のリファレンスマーク３２に対するコレット２２の位置を特定するようにしてもよい。
　いずれにしても、本実施形態によれば、新規なカメラを追加することなく、また、別途複雑で時間のかかる工程を追加することなく、コレット２２とトップカメラ２４とのオフセット量の変化を取得できる。
　１０　ボンディング装置、１２　チップ供給部、１４　中間ステージ、１６　ボンディングステージ部、１７　移動機構、１８　ボンディングヘッド、２０　ステージ、２２　コレット、２３　Ｚ軸駆動機構、２４　トップカメラ、２６　ＸＹテーブル、２８　ボトムカメラ、３０　リファレンス部材、３２　リファレンスマーク、４０　制御部、５２　第一画像、５４　第二画像、５５　カバーガラス、５６　撮像素子、５８　光学部材、６０　突き上げユニット、１００　半導体チップ、１０２　ウェーハ、１０４　基板。

Claims (8)

  1. 　チップを基板上にボンディングするボンディング装置であって、
    　ボンディング作業面に向かって配置された第一カメラと、前記第一カメラとオフセットを有して配置されるボンディングツールと、を一体的に保持しつつ移動するボンディングヘッドと、
    　前記ボンディングツールに保持されたチップのボンディングツールに対する位置を検出するべく、前記ボンディングツール側に向かって設けられた第二カメラと、
    　前記第二カメラの視野内に配置されたリファレンスマークと、
    　前記ボンディングヘッドの移動を制御する制御部と、
    　を備え、前記制御部は、
    　前記第一カメラで認識されたリファレンスマークの位置に基づいて、前記ボンディングヘッドを移動させたあと、前記第二カメラで認識されたリファレンスマークに対する前記ボンディングツールの位置に基づいて、前記オフセットの値を算出するボンディング装置。
  2. 　請求項１に記載のボンディング装置であって、
    　前記制御部で算出した前記オフセットの値を次のボンディング処理にフィードバックしてボンディングするボンディング装置。
  3. 　請求項１または２に記載のボンディング装置であって、
    　前記第一カメラまたは第二カメラは、前記ボンディングヘッドの移動に伴って撮像対象物がカメラの視野内を通過する撮像タイミングで、当該カメラに対応するストロボを発光させることで、前記ボンディングヘッドを停止させることなく前記撮像対象物を撮像し、
    　前記制御部は、前記ボンディングヘッドを停止させることなく得られた撮像画像に基づいて、前記オフセットの値を算出するボンディング装置。
  4. 　請求項１に記載のボンディング装置であって、
    　前記制御部は、前記リファレンスマークに対する前記ボンディングツールの位置を検出するための第二カメラにより撮像された画像に基づいて、前記チップのボンディングツールに対する位置を検出するボンディング装置。
  5. 　請求項４に記載のボンディング装置であって、
    　前記第二カメラは、赤外線を撮像する赤外線カメラであるボンディング装置。
  6. 　請求項１に記載のボンディング装置であって、
    　前記リファレンスマークは、前記第二カメラの被写界深度の端部に配置されるボンディング装置。
  7. 　請求項１に記載のボンディング装置であって、
    　前記第二カメラは、視野内の焦点位置を部分的に異ならせる機構を備えるボンディング装置。
  8. 　チップを基板上にボンディングするボンディング方法であって、
    　ボンディング作業面に向かって配置された第一カメラおよび前記第一カメラとオフセットを有して配置されるボンディングツールを一体的に保持しつつ移動するボンディングヘッドと、
    　前記ボンディングツールに保持されたチップのボンディングツールに対する位置を検出するべく前記ボンディングツール側に向かって設けられた第二カメラと、
    　を備えるボンディング装置を用意するステップと、
    　前記第一カメラで、前記第二カメラの視野内に設置されたリファレンスマークの位置を認識するステップと、
    　前記認識されたリファレンスマークの位置に基づいて前記ボンディングヘッドを移動させた後、前記第二カメラで、前記リファレンスマークに対するボンディングツールの位置を認識するステップと、
    　前記認識されたリファレンスマークに対するボンディングツールの位置に基づいて、前記オフセットの値を算出するステップと、
    　を含むボンディング方法。
PCT/JP2015/062813 2014-05-07 2015-04-28 ボンディング装置およびボンディング方法 WO2015170645A1 (ja)

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