專利名稱：用于拾起和放置芯片裸片的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種被布置為在元件組裝過程中拾起和放置元件的操縱器裝置。
背景技術(shù)：
一元件放置的示例是在裸片放置的領(lǐng)域中。在當(dāng)前的被設(shè)計(jì)用來將裸片快速(數(shù)量級裸片/秒)且準(zhǔn)確(數(shù)量級10微米)地放置在基底上的貼片設(shè)備(die-bondequipment)中，準(zhǔn)確度取決于諸多機(jī)器參數(shù)。通常，用于獲得準(zhǔn)確放置的策略如下所示I、由向下看的相機(jī)(以觀察基底)和拾取工具組成的接合頭(bond head)。
2、從供體基底拾起裸片(例如晶圓)。3、將該裸片移動(dòng)至上視相機(jī)(upward looking camera)以測量該裸片相對于該拾取工具的方向，并校正任何偏差(misalignment)。4、將該接合頭移動(dòng)至基底上的放置位置。利用相機(jī)的圖像來得到接合頭的位置信
肩、O5、移動(dòng)該接合頭以將該裸片定位在該放置位置的上方。6、放置該裸片。需要步驟5的原因是該拾取工具與相機(jī)不能位于該接合頭上面的相同位置。因此在測量該放置位置之后，需要這樣的步驟在該步驟期間和之后，不能核實(shí)該位置?；谙鄼C(jī)單元和拾取工具的尺寸，這個(gè)“盲”區(qū)(“blind”st印)大約為5到10厘米長。這個(gè)盲區(qū)的準(zhǔn)確度取決于這些承載體和計(jì)量學(xué)的準(zhǔn)確度，并且需要復(fù)雜的校準(zhǔn)方案。因此在實(shí)際中總體的放置準(zhǔn)確度可能仍然太低。需要進(jìn)一步降低放置誤差。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種被布置為在元件組裝過程中拾起和放置元件的操縱器裝置，所述操縱器裝置包括Z向行程部，被布置為相對于基底上的放置位置沿著Z軸放置元件；致動(dòng)系統(tǒng)，被布置為使元件相對于所述放置位置對準(zhǔn)；拾取頭，被布置在所述Z向行程部上用來拾取元件并將所述元件放置在所述放置位置上；以及對準(zhǔn)系統(tǒng)，被聯(lián)接到所述致動(dòng)系統(tǒng)；其中所述對準(zhǔn)系統(tǒng)包括圖像檢測系統(tǒng)，被布置在第一離軸位置(A，在圖2中)上，并被布置為接收來自所述元件的光。所述對準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)一步包括成像系統(tǒng)，所述成像系統(tǒng)包括被布置在第二離軸位置(B)處的弧形凹球面鏡；折疊式反射鏡，被布置在光路中，用于將光折疊至第三離軸位置(C);以及弧形凸球面鏡，被布置在所述第三離軸位置(C)并具有將所述元件成像在所述圖像檢測系統(tǒng)上的曲率。成像系統(tǒng)對成角度的圖像檢測進(jìn)行校正。因此，元件的全部視場將聚焦到圖像檢測系統(tǒng)上。用于對元件進(jìn)行成像的光學(xué)裝置，通過用光源取代相機(jī)或用分束器接入光，也可用來照明元件。


圖I示出了機(jī)器組織(machine setup)中圖像檢測系統(tǒng)的示意圖；圖2示出了在圖I中所提及的成像系統(tǒng)的實(shí)施例的詳細(xì)視圖；圖3示出了根據(jù)另一方面的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式請看圖1，提出了一種芯片裸片(chip die)操縱器裝置1，其在本領(lǐng)域中被稱為“接合頭”，所述“接合頭”具有用于提供裸片2和基底6的并置視野(collocated view)并放置在相同位置的光學(xué)系統(tǒng)。有了該系統(tǒng)，放置位置5可以用已經(jīng)位于所需放置位置處的裸片2來測量。通過能看到裸片的下面的光學(xué)系統(tǒng)，可消除上述盲區(qū)5。這大致上是“瞄準(zhǔn)射擊”原則，其中，在檢測之后，不需要用致動(dòng)器3進(jìn)行額外的XY移動(dòng)。剩下的唯一移動(dòng)是利用Z向行程部(Z-stroke)4進(jìn)行實(shí)際放置。該移動(dòng)可以依靠機(jī)械可重復(fù)性實(shí)現(xiàn)。因此，放 置準(zhǔn)確度確實(shí)不再取決于機(jī)械的準(zhǔn)確度。注意到CN1738526公開了一種固定的相機(jī)布置，該相機(jī)布置借由半透明鏡，在某一角度下同時(shí)對裸片以及基底上的放置位置進(jìn)行成像。然而，成角度的相機(jī)位置所需的焦深要求是不容易解決的。此外，在前述公開出版物中公開的對裸片和放置位置同時(shí)進(jìn)行相機(jī)配準(zhǔn)仍會導(dǎo)致放置誤差，該放置誤差被認(rèn)為是過高的。相應(yīng)地，可以從放置準(zhǔn)確度中消除機(jī)器準(zhǔn)確度，從而使該系統(tǒng)通過選擇更準(zhǔn)確的視覺傳感器來朝著更高準(zhǔn)確度的方向按比例繪制(scale)。另外，相比于非并置測量系統(tǒng)，減少了校準(zhǔn)工作。圖I示出了共軸視覺系統(tǒng)的一個(gè)配置。圖像檢測系統(tǒng)9被安放為與工具成某一角度。通過使用半透明鏡10或立方分束器(beamsplitter cube), —個(gè)相機(jī)可用來觀看基底6的頂部和裸片的底部。為了減少兩視圖間的干擾，可以添加在基底與裸片視圖之間切換的快門。然而，也可使用獨(dú)立的對準(zhǔn)系統(tǒng)來對放置位置5和裸片2進(jìn)行成像。另夕卜，當(dāng)裸片尺寸遠(yuǎn)大于相機(jī)的視場時(shí)，可添加第二相機(jī)90以用來提高圍繞垂直的Z軸的旋轉(zhuǎn)測量的準(zhǔn)確度。相應(yīng)地，公開了一種被布置用來在元件組裝過程中拾起和放置元件的操縱器裝置1，該操縱器裝置I包括被布置為相對于基底6上的放置位置5沿著Z軸放置的Z向行程部4 ;被布置為使元件2相對于放置位置5對準(zhǔn)的致動(dòng)系統(tǒng)3 ;被布置在Z向行程部4上的用來拾取元件2并將元件2放置在放置位置5上的拾取頭7 ；以及與致動(dòng)系統(tǒng)3聯(lián)接的對準(zhǔn)系統(tǒng)8 ;其中對準(zhǔn)系統(tǒng)8包括被布置在第一離軸位置A上并用來接收來自放置位置5的光的圖像檢測系統(tǒng)9。該致動(dòng)系統(tǒng)原則上可以使用任何參考坐標(biāo)，并且通常被設(shè)計(jì)用來在垂直于Z軸的平面上運(yùn)動(dòng)。一個(gè)示例為XY致動(dòng)器，該XY致動(dòng)器控制在這樣的參考系中的XY和R(XYZ)運(yùn)動(dòng)在該參考系中，線形Z向行程部限定了 Z向。該組織不需要在放置動(dòng)作期間在基底6平面內(nèi)的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，就能夠使裸片與基底6對準(zhǔn)。將裸片放置到基底6上唯一所需的運(yùn)動(dòng)是Z向移動(dòng)。該Z向移動(dòng)可以被校準(zhǔn)，例如通過在透明的基底6上方進(jìn)行虛擬放置。帶參考標(biāo)識的這種透明的基底6允許利用下方的相機(jī)來核實(shí)實(shí)際的放置。該透明基底可以被放置在機(jī)器中的專屬位置，從而允許在規(guī)則的裸片放置之間進(jìn)行核實(shí)測量?；谠撔?zhǔn)，可以計(jì)算出在真正的基底6上方的確切位置。通過使用第二 Z向行程部，可以利用第二 Z向致動(dòng)器在基底6的局部高度上改變放置動(dòng)作的Z向位置，而無需改變Z向致動(dòng)器4的放置形成部的機(jī)械Z向位置。另外，這些Z向致動(dòng)器中的任何一個(gè)都可以用來將圖像聚焦到圖像檢測器上。
圖2給出了在圖I中所提及的對準(zhǔn)系統(tǒng)8的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。該系統(tǒng)8包括含有Schwarzschild(史瓦茲齊德)放大物鏡的成像系統(tǒng)11，該Schwarzschild放大物鏡被改良成在某一角度下對物體平面進(jìn)行成像。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，成像系統(tǒng)11包括被布置在第二離軸位置B的弧形凹球面鏡13和用來將光路折疊(fold)至第三離軸位置C的折疊式反射鏡14 ；以及被布置在第三離軸位置C的弧形凸球面鏡15，該弧形凸球面鏡15具有將中心位置5成像在圖像檢測系統(tǒng)9上的曲率。在某一角度下的檢查會導(dǎo)致圖像作為焦距的函數(shù)而發(fā)生偏移。因此，聚焦距離的可重復(fù)性是重要的。可以通過幾種方式來實(shí)現(xiàn)聚焦的可重復(fù)性I、致力于圖像對比度，需要小的焦點(diǎn)深度(高數(shù)值孔徑(NA))2、通過將一個(gè)或更多個(gè)(激光)點(diǎn)、線或其它圖案投射到裸片和基底上來進(jìn)行三角測量3、通過利用兩個(gè)或更多個(gè)相機(jī)觀看裸片和基底上的相同區(qū)域來進(jìn)行三角測量 4、瞳孔掩蔽5、干涉測量技術(shù)6、共焦技術(shù)如前所述，在裸片的尺寸大于相機(jī)的視場的情況下，可以使用第二相機(jī)90來提高旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)確度。然而在實(shí)際中僅有一個(gè)相機(jī)可以以高的可重復(fù)性放置在相同的焦距處。第二相機(jī)90的焦距的波動(dòng)會導(dǎo)致在一個(gè)方向上測量誤差增大。這仍然允許垂直于該方向的準(zhǔn)確位置測量。兩個(gè)相機(jī)一起將導(dǎo)致三個(gè)參數(shù)的測量剛好能來測量側(cè)臥位和圍繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)。盡管原則上，弧形可完全圍繞Z軸延伸，但是通過半圓形部分的弧形可獲得芯片裸片2操縱器裝置I的緊湊設(shè)計(jì)。圖3示出了用于緊湊化設(shè)計(jì)的具有第二折疊式反射鏡17的實(shí)施例。此外，半透明鏡10被布置在圖像檢測系統(tǒng)9和放置位置5之間的光路中，以使放置位置5和元件2在圖像檢測系統(tǒng)9中基本重合地成像。方便地，通過Z向行程部4的Z向致動(dòng)將元件2對準(zhǔn)在焦點(diǎn)上。此外，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能，優(yōu)選對裸片和基底的位置進(jìn)行獨(dú)立成像。為此，可在通向中心位置5的光路中設(shè)置快門16，并且可在通向裸片的光路中設(shè)置快門16。在使用中，操縱器裝置的操作可如下所示 I、從供體基底拾起裸片(例如晶圓)。2、如果無需校準(zhǔn)，則繼續(xù)執(zhí)行步驟113、利用Z向行程部將裸片對準(zhǔn)在焦點(diǎn)上，其中僅有該Z向行程部將以可重復(fù)性使用4、利用圖像檢測系統(tǒng)測量裸片的位置和方向。5、移動(dòng)裸片至校準(zhǔn)基底6、利用另一個(gè)Z向行程部將基底對準(zhǔn)在焦點(diǎn)上7、利用圖像檢測系統(tǒng)測量校準(zhǔn)基底的位置和方向8、利用Z向行程部將裸片放置在校準(zhǔn)基底上，其中僅有該Z向行程部將以可重復(fù)性使用。9、利用校準(zhǔn)基底下方的相機(jī)來測量放置的結(jié)果，并計(jì)算用于將來放置的所需校正值10、從校準(zhǔn)基底提起裸片11、利用圖像檢測系統(tǒng)測量裸片的位置和方向12、將裸片移動(dòng)至基底上的放置位置13、利用另一個(gè)Z向行程部將基底對準(zhǔn)在焦點(diǎn)上14、利用圖像檢測系統(tǒng)測量基底的位置和方向 15、如有必要，借助X向致動(dòng)器、Y向致動(dòng)器和旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器來調(diào)整裸片的位置或方向16、利用Z向行程部將裸片放置在基底上，其中僅有該Z向行程部將以可重復(fù)性使用。盡管在附圖和前述說明書中詳細(xì)闡明并描述了本發(fā)明，但是這種闡明和描述應(yīng)被認(rèn)為是解釋性的或示例性的而不是限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例。特別是，盡管所公開的實(shí)施例示出了不具有光功率的折疊式反射鏡，但是包括有具有光功率的折疊式反射鏡的實(shí)施例應(yīng)視為落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。另外，在所公開的實(shí)例中的元件是在裸片放置過程中的裸片，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以放置其他需要高準(zhǔn)確度的放置系統(tǒng)，如表面安裝器件、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件等。可以理解所公開的實(shí)施例有其他變型，并可由本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)施請求保護(hù)的本發(fā)明時(shí)，通過研究附圖、公開的內(nèi)容和所附的權(quán)利要求書獲得。在權(quán)利要求中，單詞“包括”并不排除其他構(gòu)件或步驟，并且不定冠詞“一(a)”或“某一(an)”并不排除復(fù)數(shù)。單個(gè)單元可實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中所陳述的多個(gè)項(xiàng)目的功能。彼此不同的從屬權(quán)利要求中陳述了某些測量的這一事實(shí)并不表明不能有利地利用這些測量的組合。權(quán)利要求中的任何參考標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制范圍。
權(quán)利要求
1.一種操縱器裝置(I)，被布置為在元件組裝過程中拾起和放置元件，包括 Z向行程部(4)，被布置為相對于基底(6)上的放置位置(5)沿著Z軸放置元件； 致動(dòng)系統(tǒng)(3)，被布置為使所述元件(2)相對于所述放置位置(5)對準(zhǔn)； 拾取頭(7)，被布置在所述Z向行程部(4)上用來拾取元件(2)并將所述元件(2)放置在所述放置位置(5)上；以及 對準(zhǔn)系統(tǒng)(8)，被聯(lián)接到所述致動(dòng)系統(tǒng)(3);其中 所述對準(zhǔn)系統(tǒng)(8)包括 圖像檢測系統(tǒng)(9)，被布置在第一離軸位置(A)上，并被布置為接收來自所述放置位置(5)和所述元件⑵的光；以及 成像系統(tǒng)(11)，包括弧形凹球面鏡(13)，被布置在第二離軸位置(B)處并相對于所述放置位置(5)定心；折疊式反射鏡(14)，被布置在所述凹球面鏡(13)和所述放置位置(5)之間的光路中，用于將所述光路折疊至第三離軸位置(C);以及弧形凸球面鏡(15)，被布置在所述第三離軸位置(C)并具有將所述放置位置(5)和所述元件(2)成像在所述圖像檢測系統(tǒng)(9)上的曲率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的元件(2)操縱器裝置，其中所述弧形是半圓形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的元件(2)操縱器裝置，進(jìn)一步包括半透明鏡或立方分束器(10)，所述半透明鏡或立方分束器(10)被布置在所述圖像檢測系統(tǒng)(9)和所述放置位置(5)之間的光路中，以使所述放置位置(5)和所述元件(2)在所述圖像檢測系統(tǒng)(9)中基本重合地成像。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的元件(2)操縱器裝置，其中在通向所述中心位置(5)的所述光路中設(shè)置快門(16)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的元件(2)操縱器裝置，其中在通向所述裸片的所述光路中設(shè)置快門(16)。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種被布置在為芯片制造過程中拾起和放置芯片裸片2的芯片裸片2操縱器裝置，其中成像系統(tǒng)11包括弧形凸球面鏡13，被布置在第二離軸位置B并相對于中心位置5定心；折疊式反射鏡4，被布置在凸球面鏡13和中心位置5之間的光路中，用于將光路折疊至第三離軸位置C；以及弧形凹球面鏡15，被布置在第三離軸位置C并具有將中心位置5和元件2中至少一個(gè)成像在圖像檢測系統(tǒng)9上的曲率。成像系統(tǒng)11對中心位置5的成角度的圖像檢測進(jìn)行校正。
文檔編號B25J9/16GK102791440SQ201180012753
公開日2012年11月21日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月7日
發(fā)明者利昂·凡·道仁, 基斯·墨德麥爾, 歐文·約翰·凡·斯維特, 阿德里亞努斯·約翰尼斯·皮德勒斯·瑪利亞·弗米爾 申請人:荷蘭應(yīng)用自然科學(xué)研究組織Tno