高精度键合头定位方法及设备

技术领域

本发明涉及在拾取和放置操作中定位用于键合电子器件(例如半导体芯片)的键合头。

背景技术

半导体器件及电路的尺寸和图案越来越小，其特征尺寸小至3nm至7nm。输入/输出连接器的尺寸也越来越小，这就要求在进行拾取和放置操作时具备非常高的安装精度。为了增加键合产量，使用视觉系统(1)来确定器件被拾取后位于键合头处的位置，以及(2)确定在键合该器件之前其在衬底上的相应键合位置。

可能必须根据所拾取器件和键合位置之间的计算偏移量在XY-θ方向上调整键合头。这样，能够避免夹持在键合头上的半导体器件与工件夹具上的衬底之间的任何相对定位误差。

例如，发明名称为“在衬底上安装倒装芯片的方法”的美国专利7,597,234描述了使用两个光学系统来对准键合头。参考标记附着在键合头的侧面，以使用仰视光学系统测量所夹持的半导体芯片的实际位置，并使用俯视光学系统测量衬底的键合位置的实际位置。在成像期间，参考标记对于相应的光学系统是可见的。

然而，当参考标记与半导体器件或衬底不在同一高度或水平时，所述的光学系统必须检查键合头上的半导体器件和相应参考标记，以及衬底和相应参考标记。光学系统的光学分辨率受到其景深的限制，因此无法获得高度或水平显著不同的物体的高分辨率图像。

在不受前述现有技术所用方法中有关光学系统景深的限制的情况下，提高键合机的光学对准精度是有益的。

发明内容

因此，本发明的目的是寻求提供一种在键合机中将电子器件对准衬底的方法和设备，该方法和设备考虑了键合机的机械结构的变化以及高分辨率光学系统的有限景深。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于将管芯安装在键合点的方法，该方法包括以下步骤：用键合头拾取管芯，所述键合头包括用于夹持所述管芯并将所述管芯键合于所述键合点的夹头；当所述夹头夹持所述管芯时，使用第一光学系统观察并确定所述管芯相对于所述键合头的位置和方向；当第二光学系统的焦平面被配置为与所述第二光学系统相距第一距离时，使用所述第二光学系统观察并确定所述键合点的位置和方向；将所述键合头移动到所述第二光学系统附近，并且当所述第二光学系统的焦平面被配置为与所述第二光学系统相距第二距离时，使用所述第二光学系统观察并确定所述键合头的位置和方向，所述第二距离不同于所述第一距离；然后，在将所述管芯放置在所述键合点之前，调整所述管芯的位置和方向以校正所述管芯与所述键合点之间的相对偏移量。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于将管芯安装在键合点的设备，其包括：键合头，所述键合头包括用于夹持所述管芯并将所述管芯键合于所述键合点的夹头；第一光学系统，操作用于当所述夹头夹持所述管芯时观察并确定所述管芯相对于所述键合头的位置和方向；第二光学系统，操作用于当其焦平面被配置为与其相距第一距离时观察并确定所述键合点的位置和方向；其中，所述第二光学系统还操作用于：当所述键合头移动到所述第二光学系统附近，并且所述第二光学系统的焦平面被配置为与所述第二光学系统相距第二距离时，观察并确定所述键合头的位置和方向，所述第二距离不同于所述第一距离；在将所述管芯放置在所述键合点之前，能够调整所述管芯的位置和方向以校正所述管芯与所述键合点之间的相对偏移量。

在下文中，将参照示出了本发明的具体优选实施例的附图方便地更详细地描述本发明。附图和相关描述的特殊性不应被理解为取代由权利要求书所限定的本发明的广泛定义的普遍性。

附图说明

现在将参照附图描述根据本发明的用于对准半导体器件的示例性设备和方法，其中。

图1为根据本发明优选实施例的键合系统的示意性概述图。

图2为键合系统的键合头的剖视图，其示出了位于键合头上的参考标记。

图3A至图3F示出了使用图1的键合系统的示例性半导体器件对准工艺。

图4为键合头的实施例的剖视图，该键合头包括其内部的中空空间。

图5为键合头的实施例的剖视图，该键合头包括其内部的分光器和反射镜。

图6为键合头实施例的剖视图，该键合头包括用于改变俯视光学系统所观察的图像的焦距的透镜。

图7为包括照相底板的键合头的实施例的剖视图。

图8A至图8C为键合头实施例的剖视图，该键合头使用两种不同波长或颜色的光为俯视光学系统建立两个独立的聚焦距离。

具体实施方式

图1为根据本发明优选实施例的用于将半导体芯片或管芯安装在键合点的键合系统10的示意性概述图。键合系统10通常包括用于夹持电子器件(例如半导体管芯12)的管芯夹持器14、配置为用于从管芯夹持器14拾取管芯12并将管芯12键合到衬底24上的键合头16、呈仰视光学系统18形式的第一光学系统和呈俯视光学系统20形式的第二光学系统。衬底24布置于键合台22上。

在操作中，包括用于夹持管芯的夹头的键合头16从管芯夹持器14拾取半导体管芯12，并且将管芯12移动到仰视光学系统18上方的位置，以便在管芯12由键合头16的夹头夹持时确定管芯12相对于键合头16的方向和位置。同时，俯视光学系统20固定在衬底24上方，并检查衬底24上的通常包括键合垫的键合点，以确定键合点的位置和方向，管芯12适于键合在键合垫上。然后，键合头16将管芯12输送到衬底24上方并邻近俯视光学系统20，以确定键合头16的方向和位置。必要时，可能要通过重新定向和平移管芯12来调整管芯12的位置，以校正相对偏移量并将其与键合点的方向和位置对准。一旦对准，就通过夹头将管芯12键合到衬底24上的键合点上。

图2是键合系统10的键合头16的剖视图，其示出了位于键合头16上的各个基准标记，例如参考标记36、38。键合头16包括参考标记光学元件(例如光学透镜30)、以及反射镜32和夹头34。在键合头16进行拾取和放置操作期间，夹头34通常可通过真空抽吸夹持管芯12。

从如图2右侧所示的反射镜32的平面图来看，反射镜32的对角处的一组基准标记(例如反射镜参考标记36)居中位于键合头16上或内部，以确定键合头16的方向。当确定键合头16的结构相对于键合点发生变化时，将反射镜参考标记36居中定位在键合头16上比例如将参考标记定位在键合头16的侧面的精度更高。

此外，从如图2右侧所示夹头34的仰视图来看，另一组基准标记(例如夹头参考标记38)位于夹头34的对角处，并且真空吸口39位于夹头34的中心，通过真空吸力将管芯12夹持在该中心。然而，应当理解，可以使用支持键合头16方向和位置的任何形状来代替。此外，如果管芯12没有阻挡夹头参考标记38的中心位置，则夹头参考标记38不必位于夹头34的拐角处，并且当夹头34夹持管芯12时，夹头参考标记能够布置为对仰视光学系统18可见。

图3A至图3F示出了使用图1的键合系统10的示例性半导体器件对准工艺。

以下描述说明了该工艺的常规原理。图像中物体的位置和角方向可以表示为(x，y，θ)，其中x和y分别是成像系统的像平面沿x轴和y轴的平面坐标，而θ是物体与x轴的角度偏移量。进而，可以将键合头16的物理坐标(相对于诸如夹头参考标记38的参考标记测量的)表示为(X，Y，Θ)。当光学系统的像平面或焦平面与物体的平面平行对准时，通过仿射变换(包括缩放、旋转和平移)将(x，y，θ)和(X，Y，Θ)相关联，其可以表示为：

其中s是成像系统的分辨率(以像素为单位)，

在图3A中，键合头16正在搬运管芯12并将其夹持于仰视光学系统18上方。图3A右侧示出了如仰视光学系统18观察到的图像。管芯12相对于第一基准标记以角度Θ′定向，第一基准标记呈位于夹头34上的夹头参考标记38的形式。

可以使用以下公式确定管芯12相对于夹头参考标记38的图像坐标以及由此管芯12相对于键合头16的物理坐标：

其中，s'是仰视光学系统18的分辨率(以像素为单位)，

因而，根据上述图像可以计算出夹持于夹头34上的管芯12的中心坐标X’，Y’及其角度方向。

在图3B中，俯视光学系统20正观察呈衬底24上的键合垫40形式的键合点。图3A中示出的管芯12即将键合到该键合垫40上。图3B右侧示出了键合垫40的图像，如由俯视光学系统20可以看到的，该图像位于与俯视光学系统20相距第一距离的俯视光学系统20的焦平面上。键合垫40相对于俯视光学系统20(参见图3F)以角度Θ”定向，并同样计算出键合垫40的中心坐标X”，Y”。记录键合垫40相对于俯视光学系统20坐标的坐标和方向。

在图3C中，键合头16已将管芯12移动到键合垫40上方即将键合管芯12的位置，并且邻近且位于俯视光学系统20的下方。在键合头16的该位置，如从图3C右边的图像中可以看出的，俯视光学系统20捕获位于反射镜32对角处的反射镜参考标记36的图像，该图像位于与俯视光学系统20相距第二距离的俯视光学系统20的焦平面上。因此，第二距离处的俯视光学系统20的焦平面位于与反射镜参考标记36相同的高度。记录反射镜参考标记36(虚拟生成)相对于俯视光学系统20的坐标和方向。

对虚拟生成的反射镜参考标记36的引用源于以下事实：键合头16的尖端处设有一组夹头参考标记38，且键合头16的本体内设有一组反射镜参考标记36(Rv，参见图5)。将光学组件恰当地构造于键合头16的内部，这样，当俯视光学系统20观察时，反射镜参考标记36(Rv，其进一步在Rv_i处生成虚拟参考标记)的图像经由所述光学系统在衬底24的水平处对准俯视光学系统20的虚拟焦平面。由于反射镜参考标记36通过仿射变换与夹头参考标记38垂直相关，因此，即使夹头参考标记38被隐藏而不能被俯视光学系统20观察到，也可以在俯视光学系统20处检查键合头16的对准。

基于键合垫40相对于反射镜参考标记36的图像坐标(表示为(X”，Y”，Θ”)，可以将键合头16的物理坐标计算如下：

因此，当键合头16静止在俯视光学系统20和键合垫40之间的位置时，键合系统10的处理器(未示出)可以将键合垫40的图像与代表键合头16的实际位置的反射镜参考标记36重叠。如图3D右侧图像所示，这种设置说明了键合头16与键合垫40之间的相对偏移量，并且能够用于将夹持在键合头16上的管芯12相对于键合垫40对准。

此后，处理器将管芯12的图像和夹头参考标记38(如图3E所示)与叠加在反射镜参考标记(如图3F所示)上的键合垫40的图像进行比较。由于反射镜参考标记36的位置被设计为垂直对应于夹头参考标记38的位置，因此可以精确地确定管芯12和键合垫之间在X，Y和角度方向上的偏移量。基于所确定的偏移量，可以将管芯12的中心X'，Y'调整到键合垫40的中心X”，Y”上方的位置，并且可以将管芯12的角度方向Θ'通过键合头16旋转以使其与键合垫40的角度方向对准。这样，可以将对准的管芯12精确地放置并键合到键合垫40上。

更具体地，在键合之前，可以如下所述相应地调整键合头16的位置和角度：

ΔX＝X"-X'；

ΔY＝Y"-Y'；

ΔΘ＝Θ"-Θ'。

图4为键合头50的实施例的剖视图，键合头50包括其内部的中空空间52。在键合头16中形成中空空间52允许俯视光学系统20从键合头16一直看到夹头34，以便直接观察夹头参考标记38，而无需如上所述创建虚拟标记。然而，如果在键合头16的中空空间52内存在阻挡了俯视光学系统20视线的诸如加热器之类的其他部件，则该方法不可行。在这种情况下，取而代之的是，应该在键合头50内部构造光学组件，以便中空空间52形成从俯视光学系统20到光学组件的光路。

例如，图5为键合头50的实施例的剖视图，键合头50包括构造于键合头16上的光学组件，该光学组件包括键合头50内部的分光器56和反射镜58，并且该剖视图示出了分光器56与反射镜58的原理。优选地，反射镜58涂覆有指示键合头50的位置和方向的反射镜参考标记(未示出)，并通过光学组件将俯视光学系统20的焦平面配置于第二距离处，即反射镜参考标记所在的位置。

光线64从键合头50的顶部引入键合头50，穿过中空空间52到达键合头50内部的分光器56上。一些光线64通过分光器56透射到处于基准高度Rv处的反射镜58上，该基准高度Rv与第一分光器56相距距离D1。反射镜58具有用于确定键合头50的位置的反射镜参考标记。

尽管入射光线64实际上没有穿过反射镜58，但是在反射镜58之外产生了虚拟光线66，这些虚拟光线66在虚拟焦平面62处(高度Rv_i)朝衬底24的某个位置汇聚，虚拟焦平面62与反射镜58之间的距离为D2。应当理解，距离D2是距离D1的两倍。在这种设置中，当俯视光学系统20的景深允许其检查衬底上的键合垫的方向时，俯视光学系统20还能够在键合头50位于俯视光学系统20和衬底24之间时观察反射镜58上的反射镜参考标记。因此，当键合头50位于该衬底位置的上方时，在对准过程中可以通过俯视光学系统20观察键合头50的位置。

图6为键合头70的实施例的截面图，键合头70包括光学组件，该光学组件包括用于改变俯视光学系统20观察到的图像的焦距的透镜72。透镜72是聚光镜，并且可以安装于键合头70的中空空间52(见图5)之内。来自键合头70顶部的光线78穿过透镜72到达反射镜74，反射镜74上有第二基准标记，其呈用于确定键合头70的位置和方向的反射镜参考标记(未示出)的形式。反射镜74布置在基准位置Rv处。

尽管光线78实际上没有穿过反射镜74，但是产生了虚拟光线80，这些虚拟光线80在虚拟焦平面76处朝衬底24上的某一位置会聚。如图6所示，反射镜74和虚拟焦平面76之间的距离D2应是透镜72和反射镜74之间的距离D1的两倍。在这种设置中，当俯视光学系统20能够检查衬底上键合垫的方向时，俯视光学系统20还能够在键合头70位于俯视光学系统20和衬底24之间时观察反射镜74上的参考标记，以便在对准过程中可以通过俯视光学系统20观察键合头70的位置。

图7为键合头82的实施例的剖视图，键合头82包括光学组件，该光学组件包括键合头82内部的照相底板86。照相底板86具有指示键合头82位置的参考标记(未示出)。当键合头82移动到俯视光学系统20和衬底之间的位置时，俯视光学系统20将能够观察照相底板86。照相底板86可以与衬底相隔距离D2。当入射激光束84对准照相底板86时，重建照相底板86上的参考标记的全息图像，并通过俯视光学系统20在基准高度Rr处虚拟检测其图像。键合头82的对准因此可以通过出现在照相底板86上的参考标记实现。

图8A至图8C是键合头89的实施例的剖视图，键合头89位于俯视光学系统20下方，使得两种不同波长或两种不同颜色的光聚焦于距聚光镜90不同距离处，该聚光镜90包含于俯视光学系统20中。例如，红光96可以聚焦到衬底所在的距俯视光学系统20第一距离的焦平面97，而蓝光95可以聚焦到距俯视光学系统20第二距离的焦平面98上的参考标记。因此，使用不同波长或颜色的光来获取相应的焦平面97、98以进行检查。

有几种方法可以达到上述目的。在图8A中，聚光镜90被设计成具有轴向色差特性，以使不同波长或颜色的光聚焦在沿聚光镜90的光轴不同距离的焦平面97、98上。在此设置中，由于可以通过光学设计确保从蓝光95和红光96获得的图像的对准，因此不需要进一步的机械调整。

在图8B中，二色分光器91用于沿着两个不同的光路引导两种波长或颜色的光，这两个光路具有不同的光学长度。然后，通过两个独立的成像传感器92a、92b捕获从两种不同颜色获得的图像。在该示例中，沿着第一焦平面97的图像由第一成像传感器92a捕获，而沿着第二焦平面98的图像由第二成像传感器92b捕获。在这一系统中，可以预先校准成像传感器92a、92b的坐标(偏移量和方向)。

在图8C中，包括在俯视光学系统20中的分光器91将两种波长或颜色的光分到两个独立的双色镜93a、93b。双色镜93a、93b布置为将两种不同波长或颜色的光95、96反射回同一照相机94。双色镜93a、93b位于距分光器91不同距离处，使得不同波长或颜色的光能够分别聚焦于距俯视光学系统20第一距离和第二距离的两个焦平面97、98处。

应当理解，可以通过根据本发明的优选实施例的键合系统10测量并消除键合头16相对于衬底24的定位误差，从而进一步提高键合精度。

因为可以在定位键合头16位置的衬底24的高度上创建虚拟参考标记，所以，尽管键合头50可以设计成包括中空空间52，并且中空空间52还可以包括透明或L形的中间层，但是从俯视光学系统20到夹头34的视线不是绝对必要的。特别地，该方法可以处理当安装具有热和力要求的大型半导体芯片时不可能有中空空间52的情况。

由于参考标记36、38的各种捕获图像仅需要短时间和短距离的相对测量，因此可以调整键合头16，而在对准期间该测量不会受到热误差和其他系统误差的过度影响。此外，键合系统10避免了使用昂贵材料来构造机器结构，也避免需要对整个机器进行非常严格的温度控制。

虽然，以上已对本发明进行了具体描述，但是，还可以对本发明做出各种变化、修改和/或添加。应当理解，本发明涵盖落入上述说明书的精神和保护范围之内的所述变化、修改和/或添加。