JP3865459B2

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Publication number: JP3865459B2
Application number: JP13872397A
Authority: JP
Inventors: 裕中村; 哲男肥塚; 均小森谷; 彰彦矢吹; 隆生平原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2017-05-28
Also published as: JPH10332345A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小さな半導体素子を基板上に正確に位置決めした上で取り付ける半導体素子実装装置に関し、特に位置決めを、半導体素子と基板の上面に位置決めのためのマークを設け、斜め方向からそのマークを観察した像に基づいてマークを合わせることにより行う半導体素子実装装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板や他の取り付け部材に半導体素子を取り付けてモジュールを組み立てることが行われている。このような場合、半導体素子を基板や取り付け部材に対して正確に位置決めした上ではんだ付けなどにより固定する。正確な位置決めを行うため、従来は半導体素子と基板や取り付け部材の上面に位置合わせ用のマークを設け、上部から顕微鏡などで観察しながらマークを合わせていた。装置の自動化を図るため、通常は顕微鏡の観察像をＴＶカメラで取り込んで画像処理することによりマークを認識している。
【０００３】
上記のような上面に設けたマークを合わせる場合、上面に垂直な方向から観察するのが好ましい。しかし、図１に示すような、半導体基板１００に第１の半導体素子１０２と第２の半導体素子１０３を所定の位置関係で取り付ける場合で、例えば半導体素子の一辺が１mm以下である素子が小型の場合などは、位置決めする状態で素子を吸着して取り付け位置に搬送する搭載アームがこれらの半導体素子の上部の空間に存在するため、半導体素子の上面を垂直な方向から観察することはできない。そこで、このような場合には、斜めの方向から観察することにより位置決めするようにしていた。
【０００４】
図２は、取り付ける半導体素子が小さく、斜めの方向から観察するようにした従来の半導体素子実装装置の構成を示す図である。図２に示すように、基板１００は搭載ステージ１に真空吸着されて固定される。搭載ステージ１は少なくとも水平面内のＸ軸とＹ軸の２軸方向に移動可能な移動機構に取り付けられている。取り付ける半導体素子１０５は、搭載アーム３に真空吸着され、搭載アーム３の移動機構２により基板１００上に搬送される。移動機構２は、搭載アーム３が基板１００上に移動すると、搭載アーム３を降下させて半導体素子１０５を基板１００に接触するか、接触する直前の状態まで近接させる。この状態で斜めから観察光学系の顕微鏡４で半導体素子１０５の部分の像をＴＶ（ＣＣＤ）カメラ５に投影する。画像処理装置６は、ＴＶカメラ５の捕らえた半導体素子１０５の部分の画像を処理してモニタ８に表示すると共に、半導体素子１０５と基板１００に設けられたマークを認識してその位置を主制御装置７に送る。主制御装置７は、送られたマークの位置から、マークが所定の位置関係、すなわち半導体素子１０５が基板１００に対して所定の位置に配置されるようにステージ制御装置９に必要な移動量と回転量を指示する。ステージ制御装置９はこの指示された量だけ、搭載ステージ１及び搭載アームの移動機構２を回転させるように制御する。実際には、搭載ステージ１が回転するものや搭載ームの移動機構２が回転だけでなくＸ軸とＹ軸の方向に移動して位置決めを行うものなど各種の変形例がある。図１に示す光モジュールの場合には、位置決めが終了した後には、搭載ステージ１に設けられたヒータで、基板１００の上面に塗られたはんだを加熱して半導体素子１０５を基板１００に固定している。
【０００５】
図３は、図２に示すような斜めからマークの像を観察する場合の画像を説明する図であり、左側が横方向からみた位置関係を、右側が観察像を示す。図３の（１）に示すように、基板１００のマーク１１１と半導体素子１０５のマーク１１２の位置が合った時には、観察像において、基板１００のマーク１１１と半導体素子１０５のマーク１１２の中心を通過する観察方向に垂直で素子の上面に平行な直線間の距離はａだけ離れて見える。図３の（２）に示すように、マーク１１１と１１２の位置がずれている時には、上記の距離はａ’になる。従って、この距離が所定の値ａになるように搭載ステージ１を移動させて、位置調整を行っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、基板１００は搭載ステージ１に保持されるが、基板１００の厚さのばらつきなどのために基板１００の上面の位置はばらつく。また、半導体素子１０５は搭載アーム３に吸着された状態で基板１００に接触又は近接され、その状態でマークの位置が検出されるが、半導体素子１０５を基板１００に接触させて停止させる場合には、半導体素子１０５の厚さのばらつきや基板１００の上面に塗られたはんだの厚さのばらつきなどのために半導体素子１０５の上面の位置はばらつく。また半導体素子１０５を基板１００に近接させて停止させる場合には、搭載アーム３の移動誤差などにより、同様に半導体素子１０５の上面の位置はばらつく。基板１００と半導体素子１０５の上面の位置がばらつき、基板１００と半導体素子１０５の上面位置の差が図３の（１）に示した状態に対して誤差を有すると、図３の（３）に示すように、たとえマーク１１１と１１２が合っていても、マーク１１１とマーク１１２の中心を通過する直線間の距離はａと異なるａ''になる。すなわち、上面位置の差が増加するとマーク１１２がマーク１１１に対して左側にずれたのと同じように直線間の距離が増加し、逆に上面位置の差が減少するとマーク１１２がマーク１１１に対して右側にずれたのと同じように直線間の距離が減少する。従って、上面位置の差が予定の値と異なる場合には、直線間の距離を所定の値ａになるように調整したのではマーク１１１と１１２は合っておらず、すなわち半導体素子１０５は基板１００に対してずれており、正確な位置決めができないという問題があった。なお、上記の説明では基板の上面を水平面とした場合、水平面内の観察方向に垂直な方向の位置決めについては説明していないが、この方向の位置は基板と素子のマークのこの方向の間隔が所定の距離になるようにすることで位置決めでき、この距離は基板と素子の上面の位置の差には関係しないので、ここでは説明を省略する。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するためのもので、半導体素子実装装置における位置決め精度を向上させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
図４は、本発明の原理を説明する図であり、図５は本発明の半導体素子実装装置の原理構成図である。
図４及び図５に示すように、本発明の半導体素子実装装置では、従来の構成に加えて、観察する方向以外の方向から半導体素子と基板の上面にパターンを照射し、パターンの像を観察することにより半導体素子と基板の上面の高さの差を検出し、高さの差に応じて半導体素子と基板の上面に設けられたマークの目標とする位置関係を補正することを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明の半導体素子実装装置は、上面にマーク１１２ａ、１１２ｂを有する半導体素子１０５を、上面にマーク１１１ａ、１１１ｂを有する基板１００に位置決めして取り付ける半導体素子実装装置であって、半導体素子１０５を基板１００に対して相対的に移動させる移動機構と、基板１００の上面に対して垂直以外の第１の所定角度で基板１００及び半導体素子１０５を観察し、その観察像を出力する観察光学系４、５１と、観察光学系の出力する観察像を画像処理して前記マークを認識する画像認識装置６と、画像認識装置が認識したマーク１１１ａ、１１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂが、観察像において所定の目標位置関係になるように移動機構を制御する制御装置７とを備える半導体素子実装装置において、観察光学系の観察方向以外の方向から第２の所定角度で半導体素子の上面１０５と基板１００の上面に照射パターン１２１、１２２を照射するパターン照射系１１、１２、１５を備え、画像認識装置６は、半導体素子１０５の上面と基板１００の上面に照射された照射パターン１２１、１２２の相対位置を認識し、制御装置７は、認識された照射パターンの相対位置から半導体素子の上面と基板の上面の高さの差を検出して、所定の目標位置関係を補正することを特徴とする。
【００１０】
パターン照射系の照射方向は、図５に示すような観察光学系の観察方向の反対側の方向であることが望ましい。
図４に示すように、基板１００の上には位置決め用のマーク１１１ａと１１１ｂが設けられており、素子１０５の上にも位置決め用のマーク１１２ａと１１２ｂが設けられており、アパーチャ１２のパターンを照射して基板１００の上と素子１０５の上に２個のマーク１２１と１２２をそれぞれ照射する。この様子を横から見た図が図５である。図５に示すように、光源１１からの照射光は、アパーチャ１２を照射する。アパーチャ１２にはマークに相当するパターンが設けられており、投影レンズ１５でアパーチャ１２のパターンを基板１００及び素子１０５の表面に投影する。観察光学系を構成する投影レンズ４と撮像素子５１を有する。投影レンズ４は素子１０５と基板１００の部分の像を撮像素子５１に投影し、撮像素子５１は投影された観察像を画像処理装置６に送る。画像処理装置６は観察像からマークの位置を検出して主制御装置７に送る。主制御装置７には、マークの位置から素子面の基板面に対する高さを検出する素子面位置検出部７１が設けられている。
【００１１】
図５に示すように、素子１０５の上面が上方に移動した場合、マーク１２１の位置は変わらないが、マーク１２２の位置は左側の１２２’で示す位置に移動する。従って、マーク１２２の撮像素子５１上の投影位置は図示のように移動する。素子１０５の上面が下方に移動した場合には、マーク１２２の撮像素子５１上の投影位置は逆方向に移動する。このように、マーク１２２の撮像素子５１上の投影位置は素子１０５の上面位置に応じて変化する。従って、マーク１２２の撮像素子５１上の投影位置を検出すれば、素子１０５の上面位置が検出できる。位置合わせ用のマーク１１１と１１２が合っている状態で、素子１０５の上面位置が移動すると、マーク１１２の位置は図示のように１１２’の位置に移動し、それに応じて撮像素子５１上の投影位置が変化するので、上記のように検出した素子１０５の上面位置に応じてマーク１１２が投影される撮像素子５１上の位置を変化させれば、位置合わせ用のマーク１１１と１１２が合っている状態になる。実際には、基板１００の上面位置も変動するので、マーク１１１と１２１の撮像素子５１上の投影位置も変化する。従って、実際には、撮像素子５１上のマーク１２１と１２２の投影位置の差で基板１００と素子１０５の上面の高さの差を検出し、それに応じてマーク１１１と１１２の投影位置の差の調整目標値を変更する。
【００１２】
照射パターンとして半導体素子の上面に照射される素子上マークを２個以上とし、基板の上面にも２個の基板上マークを照射し、制御装置７は、２個以上の素子上マークと２個の基板上マークの相互位置から、半導体素子の上面の基板の上面に対する傾きを検出するようにしてもよい。
本発明では、ななめから観察する場合に誤差を生じる原因となる半導体素子の上面の位置を検出して補正する。半導体素子の上面の位置の検出には触針を接触させる方式や静電容量方式など各種考えられるが、本発明では、光切断法を応用して、基板と素子の上面にマークを照射してその照射位置を位置合わせ用のマークを観察する観察光学系で観察するようにしている。これにより、観察光学系や画像処理装置をそのまま使用できるので、低コストで半導体素子の上面の位置が検出できるようになる。また、このようなパターンを照射する方式は、半導体素子の上部の空間を使用する必要がなく、装置の配置の点からも利点が多い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図６は、本発明の第１実施例の半導体素子実装装置の全体構成を示す図である。図示のように、第１実施例の半導体素子実装装置は図２に示した従来の装置と類似の構成を有しており、高さ検出のためのパターンを照射するパターン照射系１０が新たに設けられており、画像処理装置６が高さ検出のためのパターンを認識し、主制御装置７が高さ検出のためのパターンから素子面の基板面に対する高さを検出して位置合わせ用のマークの調整目標位置を変更する点が異なる。従って、異なる点についてのみ説明し、他の部分の説明は省略する。
【００１４】
図６に示すように、パターン照射系１０は、鏡筒１３と光源ユニット１４と顕微鏡の対物レンズ１５から構成されている。図７は、パターン照射系１０及び観察光学系の部分の詳細図である。
観察光学系の顕微鏡光学系４は、光軸が基板１００の上面に対して４５°をなすように配置されている。顕微鏡光学系４は、光源ユニット４４に設けられたランプ４１からの照明光をコンデンサレンズ４７で効率よく鏡筒４３に導くようになっている。コンデンサレンズ４７を通過した照明光は、ビームスプリッタ４６で基板１００及び素子１０５に向かうように反射される。ビームスプリッタ４６を通過した光は鏡筒４３の表面で吸収されるようになっている。ビームスプリッタ４６からの照明光は、５倍程度の対物レンズ４５を介して素子１０５及び基板１００の上に投影される。これにより素子１０５及び基板１００の上面が照明され、観察できるようになる。これは、通常の顕微鏡の落射照明と同じである。対物レンズ４５はこのようにして照明された素子１０５及び基板１００の像をＣＣＤ素子５１の面に投影する。ＣＣＤ素子５１は投影された素子１０５及び基板１００の映像を画像処理装置６に出力する。以上の構成は従来のものと同じである。
【００１５】
パターン照射系１０は、観察光学系の反対側に、光軸が基板１００の上面に対して４５°をなすように配置されている。パターン照射系１０では、光源ユニット１４に設けられたランプ１１からの照明光をコンデンサレンズ１７で効率よく鏡筒１３に導くようになっている。コンデンサレンズ１７を通過した照明光は、ビームスプリッタ１６で左上側に向かって反射される。通過した光は鏡筒の表面で吸収されるようになっている。ビームスプリッタ１６で左上側に向かって反射された照明光は、アパーチャ１２に入射する。アパーチャ１２は、マークの部分が照明光を反射して他の部分が照明光を通過させるか、マークの部分が照明光を通過して他の部分が照明光を反射させるようになっている。アパーチャ１２を通過した光は鏡筒１３の上部で吸収されるので、マークの部分が照明光を反射して他の部分が照明光を通過させる場合には、明るいマークが投影され、マークの部分が照明光を通過して他の部分が照明光を反射させる場合には、暗いマークが投影されることになる。いずれを使用するかは、位置合わせ用のマークに応じて定める。対物レンズ１５はアパーチャ１２の像を素子１０５及び基板１００の上に投影する。
【００１６】
図８は、第１実施例におけるアパーチャ１２のパターンと、照射パターンを示す図であり、（１）がアパーチャパターンを、（２）が照射パターンを示す。図示のように、基板１００の上面には２個のマーク１１１ａと１１１ｂを設け、素子１０５の上面には２個のマーク１１２ａと１１２ｂを設ける。これら位置合わせ用のマークは、基板及び素子の表面が照明光をよく反射する場合には光らないマークとし、照明光を反射しにくい場合には光をよく反射するメタルなどのマークとする。図８の（１）に示すように、アパーチャ１２には４個のマークが設けられており、図８の（２）に示すように、素子１０５の上面には２個の照射マーク１２２ａと１２２ｂが、基板１００の上面には２個の照射マーク１２１ａと１２１ｂが照射される。
【００１７】
図８の（２）に示すような位置合わせ用マーク及び照射マークから素子１０５を基板１００に対して位置合わせする処理について説明する。図９は、素子１０５がＸ軸を中心として回転して傾いた場合の上面図と側面図である。図９の（１）に示すように、素子１０５の上面が基板１００の上面と平行であれば、観察像におけるマーク１２１ａと１２１ｂを結ぶ直線とマーク１２２ａと１２２ｂを結ぶ直線は平行であり、その間の距離は素子１０５の上面の基板１００の上面に対する高さに応じて変化する。ここで、図９の（２）に示すように、素子１０５の上面が基板１００の上面に対してＹ軸を中心として回転し傾いたとすると、マーク１２２ａと１２２ｂの素子１０５の上面における投影位置が変化する。従って、観察像においてもマーク１２２ａと１２２ｂを結ぶ直線はマーク１２１ａと１２１ｂを結ぶ直線に対して傾く。従って、マーク１２２ａと１２２ｂを結ぶ直線のマーク１２１ａと１２１ｂを結ぶ直線に対する傾き具合を検出すれば素子の上面の傾き具合が検出できる。
【００１８】
そこで、位置調整を行う場合には、まず画像処理装置６にてパターンマッチング処理により各マークの位置を認識する。その上で、照射マーク１２２ａと１２２ｂを結ぶ直線のマーク１２１ａと１２１ｂを結ぶ直線に対する傾き具合を検出する。素子が基板に接触しない状態で保持されており、搭載アーム３の移動機構又は搭載ステージの回転機構により素子の基板に対する傾きが変化できるようになっている場合には、これらの直線が平行になるように、すなわち素子１０５が基板１００に対して平行になるように調整する。相対的な傾きを調整する機構がない場合や、素子が基板の表面に接触された状態に保持されていて傾きを調整できない場合には、そのままの状態に保持して後で傾きの分を補正するため、傾き量を記憶する。ここでは傾きの調整はおこなわず、傾き量を記憶する代わりに、照射マーク１２２ａと１２２ｂを結ぶ直線のマーク１２１ａと１２１ｂを結ぶ直線に対する間隔を、照射マーク１２２ａと１２２ｂの位置で検出し、あらかじめ決定されている基準となる値との差を補正値として記憶するものとする。これは、照射マーク１２２ａと１２２ｂのＸ軸方向の位置は位置合わせ用マーク１１２ａと１１２ｂの位置と同じにしており、それぞれの位置での高さとして補正すれば実質的に同じ補正が行えるためである。
【００１９】
次に、素子１０５上の位置合わせ用マーク１１２ａと１１２ｂの位置を補正する。この補正は、マーク１１２ａと１１２ｂの位置に上記の補正値の１／２を乗じた値を加えることにより行う。これは図５に示すように、投影光学系とパターン照射系の光軸が垂直方向に対してα（４５°）傾いているため、素子１０５の上面の位置の変化に対する照射マーク１２２ａと１２２ｂの位置の変化は、マーク１１２ａと１１２ｂの位置の２倍になるためである（投影光学系とパターン照射系の角度がそれぞれ同じなら、他の角度でも２倍になる）。このような補正を行った後の値について、マーク１１１ａと１１ｂを結ぶ直線とマーク１１２ａと１１２ｂを結ぶ直線の平行具合を算出する。平行でない場合には、基板に対して素子がＺ軸のまわりに回転していることを意味するので、平行になるように、搭載アーム３を回転させる。回転した後は、同様にパターンマッチングによりマークの位置を認識する。傾いている場合には、この回転により照射パターンの位置も微少量であるが変化するので、同じ処理を行って補正量を算出し、マーク１１２ａと１１２ｂの位置を補正する。この状態で、マーク１１１ａと１１ｂを結ぶ直線とマーク１１２ａと１１２ｂを結ぶ直線が所定の間隔になるように搭載ステージ１をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させて位置決めが完了する。その状態で搭載ステージ１に設けられたヒータを動作させて基板１００に塗られたはんだを溶融させて素子１０５を固定する。
【００２０】
第１実施例では、Ｙ軸の回りの回転による傾きだけを問題にした。この方向の傾きは、位置合わせ用のマークの位置での素子面の高さと照射マークが照射される位置での素子面の高さの差になって現れ、照射マークで検出した素子面の高さで補正すると素子がＺ軸まわりに回転している場合正確な補正が行えないという問題を生じる。第２実施例では、更にＸ軸の回りの回転による傾きも検出して補正を行う。
【００２１】
第２実施例の半導体素子実装装置では、照射パターンが第１実施例と異なる。図１０は第２実施例における照射パターンを示す図であり、（１）はアパーチャパターンを、（２）は照射パターンを示す。図１０の（１）に示すように、アパーチャでは、第１実施例の１直線上に４個配列されたマークに加えて、この直線上でない上下位置に２個のマークが設けられ、図１０の（２）に示すように、この２個のマークが素子１０５の上面にマーク１２２ｃと１２２ｄとして投影される。
【００２２】
図１１は、この２個のマークによるＸ軸のまわりの回転による傾きの検出を説明する図であり、Ｘ軸に垂直な平面内の照射マークの光路を示す図である。図示のように、素子１０５の上面がＸ軸のまわりの回転して傾くと、マーク１２２ｃと１２２ｄの素子面での投影位置が変化し、これに応じて観察方向から見たマーク１２２ｃと１２２ｄの間隔がＤらｄに変化する。従って、マーク１２２ｃと１２２ｄの間隔を検出すればＸ軸のまわりの回転による傾きが検出できる。Ｘ軸のまわりの回転による傾きにマーク１２２ａと１２２ｂから位置合わせ用マーク１１２ａと１１２ｂまでの距離を乗ずれば、マーク１２２ａと１２２ｂとマーク１１２ａと１１２ｂの間の高さの差が算出できる。従って、前述と同様の方法で算出したマーク１２２ａと１２２ｂの位置での基準の高さとの差に、この差を加えれば位置合わせ用マーク１１２ａと１１２ｂの基準の高さとの差が求まる。この基準の高さとの差に応じてマーク１１１ａと１１１ｂを結ぶ直線との差を補正すれば、Ｘ軸のまわりの回転による傾きの分を補正できる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体素子実装装置において、位置決めを、半導体素子と基板の上面に位置決めのためのマークを設け、斜め方向からそのマークを観察し、その像に基づいて位置合せを行う場合に、より高精度に位置決めをすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用して組み立てる半導体素子と基板の例を示す図である。
【図２】従来の半導体素子実装装置の構成を示す図である。
【図３】従来例の問題点を示す図である。
【図４】本発明の原理を説明する図である。
【図５】本発明の半導体素子実装装置の原理構成図である。
【図６】本発明の第１実施例の半導体素子実装装置の全体構成を示す図である。
【図７】第１実施例の半導体素子実装装置の照明光学系の構成を示す図である。
【図８】第１実施例の照明パターンを示す図である。
【図９】第１実施例における検出量を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施例の照明パターンを示す図である。
【図１１】第２実施例における光軸を含む平面内での回転成分の検出原理を説明する図である。
【符号の説明】
１…搭載ステージ
２…搭載アームの移動機構
３…搭載アーム
４…顕微鏡光学系
５…ＴＶカメラ
６…画像処理装置
７…主制御装置
８…表示装置
９…ステージ制御装置
１００…基板
１０２、１０３…半導体素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor element mounting apparatus that is mounted after a small semiconductor element is accurately positioned on a substrate, and in particular, positioning is provided with a mark for positioning on the upper surface of the semiconductor element and the substrate, and the mark is observed from an oblique direction. The present invention relates to a semiconductor element mounting apparatus which is performed by aligning marks based on the obtained image.
[0002]
[Prior art]
A module is assembled by attaching a semiconductor element to a substrate or other attachment member. In such a case, the semiconductor element is accurately positioned with respect to the substrate and the mounting member and then fixed by soldering or the like. In order to perform accurate positioning, conventionally, alignment marks are provided on the top surfaces of the semiconductor element and the substrate or mounting member, and the marks are aligned while observing with a microscope or the like from above. In order to automate the apparatus, the mark is usually recognized by capturing an observation image of a microscope with a TV camera and processing the image.
[0003]
When aligning the marks provided on the upper surface as described above, it is preferable to observe from a direction perpendicular to the upper surface. However, in the case where thefirst semiconductor element 102 and thesecond semiconductor element 103 are attached to thesemiconductor substrate 100 in a predetermined positional relationship as shown in FIG. 1, for example, an element whose one side is 1 mm or less is small. In some cases, the upper surface of the semiconductor element cannot be observed from a vertical direction because a mounting arm that adsorbs the element in a positioned state and transports it to the mounting position exists in the space above these semiconductor elements. Therefore, in such a case, positioning is performed by observing from an oblique direction.
[0004]
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a conventional semiconductor element mounting apparatus in which a semiconductor element to be attached is small and is observed from an oblique direction. As shown in FIG. 2, thesubstrate 100 is fixed to themounting stage 1 by vacuum suction. Themounting stage 1 is attached to a moving mechanism that can move at least in the two-axis directions of the X axis and the Y axis in the horizontal plane. Thesemiconductor element 105 to be attached is vacuum-sucked to themounting arm 3 and is transferred onto thesubstrate 100 by themoving mechanism 2 of themounting arm 3. When themounting arm 3 moves onto thesubstrate 100, themoving mechanism 2 lowers themounting arm 3 to bring thesemiconductor element 105 into contact with thesubstrate 100 or close to the state immediately before the contact. In this state, the image of the portion of thesemiconductor element 105 is projected onto the TV (CCD)camera 5 from the oblique direction with the microscope 4 of the observation optical system. The image processing device 6 processes the image of the portion of thesemiconductor element 105 captured by theTV camera 5 and displays it on the monitor 8, and recognizes the mark provided on thesemiconductor element 105 and thesubstrate 100 and controls the position thereof. Send todevice 7. Themain controller 7 determines the amount of movement necessary for the stage controller 9 from the position of the sent mark so that the mark is in a predetermined positional relationship, that is, thesemiconductor element 105 is disposed at a predetermined position with respect to thesubstrate 100. Specify the amount of rotation. The stage control device 9 controls themounting stage 1 and the mountingarm moving mechanism 2 to rotate by the instructed amount. Actually, there are various modifications such as one in which themounting stage 1 rotates and one in which the mountingmechanism moving mechanism 2 moves in the X-axis and Y-axis directions for positioning. In the case of the optical module shown in FIG. 1, after positioning is completed, thesemiconductor element 105 is fixed to thesubstrate 100 by heating the solder applied to the upper surface of thesubstrate 100 with a heater provided on themounting stage 1. ing.
[0005]
FIG. 3 is a diagram for explaining an image when the mark image is observed obliquely as shown in FIG. 2. The left side shows the positional relationship seen from the horizontal direction, and the right side shows the observation image. As shown in FIG. 3A, when themark 111 of thesubstrate 100 and themark 112 of thesemiconductor element 105 are aligned, the observation image passes through the center of themark 111 of thesubstrate 100 and themark 112 of thesemiconductor element 105. The distance between the straight lines perpendicular to the viewing direction and parallel to the top surface of the element appears to be a distance apart. As shown in (2) of FIG. 3, when the positions of themarks 111 and 112 are shifted, the distance is a ′. Accordingly, the position adjustment is performed by moving themounting stage 1 so that the distance becomes a predetermined value a.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, thesubstrate 100 is held on themounting stage 1, but the position of the upper surface of thesubstrate 100 varies due to variations in the thickness of thesubstrate 100. Further, thesemiconductor element 105 is in contact with or close to thesubstrate 100 while being attracted to themounting arm 3, and the position of the mark is detected in this state. However, when thesemiconductor element 105 is brought into contact with thesubstrate 100 and stopped. The position of the upper surface of thesemiconductor element 105 varies due to variations in the thickness of thesemiconductor element 105 and variations in the thickness of the solder applied to the upper surface of thesubstrate 100. Further, when thesemiconductor element 105 is stopped close to thesubstrate 100, the position of the upper surface of thesemiconductor element 105 similarly varies due to a movement error of themounting arm 3 or the like. If the positions of the upper surfaces of thesubstrate 100 and thesemiconductor element 105 vary and the difference between the positions of the upper surfaces of thesubstrate 100 and thesemiconductor element 105 has an error with respect to the state shown in FIG. As shown, even if themarks 111 and 112 match, the distance between the straight lines passing through the centers of themarks 111 and 112 is a ″ different from a. That is, when the difference in the upper surface position increases, the distance between the straight lines increases in the same manner as themark 112 is shifted to the left side with respect to themark 111, and conversely, when the difference in the upper surface position decreases, themark 112 moves from themark 111. The distance between the straight lines decreases in the same way as if they were shifted to the right. Therefore, when the difference in the upper surface position is different from the predetermined value, themarks 111 and 112 do not match if the distance between the straight lines is adjusted to the predetermined value a. There is a problem that accurate positioning cannot be performed. In the above description, when the upper surface of the substrate is a horizontal plane, positioning in a direction perpendicular to the observation direction in the horizontal plane is not described, but the position in this direction is the distance between the substrate and the element mark in this direction. Positioning can be performed by setting the distance to be a predetermined distance, and this distance is not related to the difference between the positions of the substrate and the upper surface of the element, so that the description thereof is omitted here.
[0007]
The present invention is intended to solve such a problem, and an object thereof is to improve positioning accuracy in a semiconductor element mounting apparatus.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of the present invention, and FIG. 5 is a diagram illustrating the principle of the semiconductor device mounting apparatus according to the present invention.
As shown in FIGS. 4 and 5, in the semiconductor device mounting apparatus of the present invention, in addition to the conventional configuration, the semiconductor device and the upper surface of the substrate are irradiated with a pattern from a direction other than the observation direction, and the pattern image is observed. And detecting a difference in height between the upper surface of the semiconductor element and the substrate and correcting a target positional relationship between the marks provided on the upper surface of the semiconductor element and the substrate in accordance with the difference in height. .
[0009]
That is, the semiconductor element mounting apparatus of the present invention is a semiconductor element mounting apparatus in which thesemiconductor element 105 having themarks 112a and 112b on the upper surface is positioned and attached to thesubstrate 100 having themarks 111a and 111b on the upper surface. And an observation optical system that observes thesubstrate 100 and thesemiconductor element 105 at a first predetermined angle other than perpendicular to the upper surface of thesubstrate 100 and outputs an observation image thereof. 4, 51, an image recognition device 6 that recognizes the mark by performing image processing on the observation image output from the observation optical system, andmarks 111a, 111b, 112a, and 112b recognized by the image recognition device are predetermined in the observation image. In a semiconductor device mounting apparatus including acontrol device 7 that controls a moving mechanism so as to achieve a target positional relationship, an observation optical system The image recognition apparatus 6 includes apattern irradiation system 11, 12, 15 that irradiates theirradiation patterns 121, 122 onto theupper surface 105 of the semiconductor element and the upper surface of thesubstrate 100 at a second predetermined angle from a direction other than the observation direction. Thecontroller 7 recognizes the relative positions of theirradiation patterns 121 and 122 irradiated to the upper surface of thesubstrate 105 and the upper surface of thesubstrate 100, and thecontrol device 7 determines the height of the upper surface of the semiconductor element and the upper surface of the substrate from the relative position of the recognized irradiation pattern. A difference is detected, and a predetermined target positional relationship is corrected.
[0010]
The irradiation direction of the pattern irradiation system is preferably the direction opposite to the observation direction of the observation optical system as shown in FIG.
As shown in FIG. 4, positioning marks 111 a and 111 b are provided on thesubstrate 100, and positioning marks 112 a and 112 b are also provided on theelement 105, and the pattern of theaperture 12 is changed. Irradiate and irradiate twomarks 121 and 122 on thesubstrate 100 and theelement 105, respectively. FIG. 5 is a side view of this state. As shown in FIG. 5, the irradiation light from thelight source 11 irradiates theaperture 12. Theaperture 12 is provided with a pattern corresponding to a mark, and theprojection lens 15 projects the pattern of theaperture 12 onto the surface of thesubstrate 100 and theelement 105. It has the projection lens 4 and the image pick-upelement 51 which comprise an observation optical system. The projection lens 4 projects an image of theelement 105 and the portion of thesubstrate 100 onto theimage sensor 51, and theimage sensor 51 sends the projected observation image to the image processing device 6. The image processing device 6 detects the position of the mark from the observation image and sends it to themain control device 7. Themain controller 7 is provided with an elementsurface position detector 71 that detects the height of the element surface with respect to the substrate surface from the position of the mark.
[0011]
As shown in FIG. 5, when the upper surface of theelement 105 moves upward, the position of themark 121 does not change, but the position of themark 122 moves to the position indicated by 122 ′ on the left side. Therefore, the projection position of themark 122 on theimage sensor 51 moves as shown in the figure. When the upper surface of theelement 105 moves downward, the projection position of themark 122 on theimage sensor 51 moves in the reverse direction. Thus, the projection position of themark 122 on theimage sensor 51 changes according to the position of the upper surface of theelement 105. Therefore, if the projection position of themark 122 on theimage sensor 51 is detected, the upper surface position of theelement 105 can be detected. When the position of the upper surface of theelement 105 is moved while the alignment marks 111 and 112 are aligned, the position of themark 112 moves to theposition 112 ′ as shown in the figure, and the projection on theimage sensor 51 is accordingly performed. Since the position changes, if the position on theimage sensor 51 on which themark 112 is projected is changed according to the upper surface position of theelement 105 detected as described above, the alignment marks 111 and 112 are aligned. It becomes a state. Actually, since the position of the upper surface of thesubstrate 100 also varies, the projection positions of themarks 111 and 121 on theimage sensor 51 also change. Therefore, actually, a difference in height between the upper surfaces of thesubstrate 100 and theelement 105 is detected based on a difference between projection positions of themarks 121 and 122 on theimage sensor 51, and a difference in projection position between themarks 111 and 112 is detected accordingly. Change the adjustment target value.
[0012]
As the irradiation pattern, two or more element marks are irradiated on the upper surface of the semiconductor element, and two substrate marks are also irradiated on the upper surface of the substrate. The inclination of the upper surface of the semiconductor element with respect to the upper surface of the substrate may be detected from the mutual position of the marks on the substrate.
In the present invention, the position of the upper surface of the semiconductor element that causes an error when observing from the lick is detected and corrected. Various methods such as a stylus contact method and a capacitance method can be considered for detecting the position of the upper surface of the semiconductor element. In the present invention, a light cutting method is applied to irradiate a mark on the upper surface of the substrate and the element. The irradiation position is observed with an observation optical system for observing the alignment mark. As a result, since the observation optical system and the image processing apparatus can be used as they are, the position of the upper surface of the semiconductor element can be detected at low cost. Further, the method of irradiating such a pattern does not need to use the space above the semiconductor element, and has many advantages from the standpoint of device arrangement.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 6 is a diagram showing the overall configuration of the semiconductor element mounting apparatus according to the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the semiconductor element mounting apparatus of the first embodiment has a configuration similar to that of the conventional apparatus shown in FIG. 2, and apattern irradiation system 10 for irradiating a pattern for height detection is newly provided. The image processing device 6 recognizes a pattern for height detection, and themain control device 7 detects the height of the element surface with respect to the substrate surface from the pattern for height detection, and is used for alignment. The difference is that the adjustment target position of the mark is changed. Therefore, only different points will be described, and description of other parts will be omitted.
[0014]
As shown in FIG. 6, thepattern irradiation system 10 includes alens barrel 13, alight source unit 14, and anobjective lens 15 of a microscope. FIG. 7 is a detailed view of thepattern irradiation system 10 and the observation optical system.
The microscope optical system 4 of the observation optical system is arranged so that the optical axis forms 45 ° with respect to the upper surface of thesubstrate 100. The microscope optical system 4 efficiently guides illumination light from the lamp 41 provided in the light source unit 44 to the lens barrel 43 by the condenser lens 47. The illumination light that has passed through the condenser lens 47 is reflected by the beam splitter 46 toward thesubstrate 100 and theelement 105. The light that has passed through the beam splitter 46 is absorbed by the surface of the lens barrel 43. The illumination light from the beam splitter 46 is projected onto theelement 105 and thesubstrate 100 through theobjective lens 45 of about 5 times. Thereby, the upper surfaces of theelement 105 and thesubstrate 100 are illuminated and can be observed. This is the same as the epi-illumination of a normal microscope. Theobjective lens 45 projects the image of theelement 105 and thesubstrate 100 thus illuminated onto the surface of theCCD element 51. TheCCD element 51 outputs the projected image of theelement 105 and thesubstrate 100 to the image processing device 6. The above configuration is the same as the conventional one.
[0015]
Thepattern irradiation system 10 is disposed on the opposite side of the observation optical system so that the optical axis forms 45 ° with respect to the upper surface of thesubstrate 100. In thepattern irradiation system 10, illumination light from thelamp 11 provided in thelight source unit 14 is efficiently guided to thelens barrel 13 by the condenser lens 17. The illumination light that has passed through the condenser lens 17 is reflected by the beam splitter 16 toward the upper left side. The passed light is absorbed by the surface of the lens barrel. The illumination light reflected toward the upper left side by the beam splitter 16 enters theaperture 12. Theaperture 12 is configured such that the mark portion reflects the illumination light and the other portion transmits the illumination light, or the mark portion passes the illumination light and the other portion reflects the illumination light. Since the light that has passed through theaperture 12 is absorbed by the upper part of thelens barrel 13, when the mark portion reflects the illumination light and the other portion passes the illumination light, a bright mark is projected and the mark portion If the light passes through the illumination light and the other part reflects the illumination light, a dark mark is projected. Which one is used is determined according to the alignment mark. Theobjective lens 15 projects the image of theaperture 12 onto theelement 105 and thesubstrate 100.
[0016]
FIG. 8 is a diagram showing the pattern of theaperture 12 and the irradiation pattern in the first embodiment, where (1) shows the aperture pattern and (2) shows the irradiation pattern. As shown, twomarks 111 a and 111 b are provided on the upper surface of thesubstrate 100, and twomarks 112 a and 112 b are provided on the upper surface of theelement 105. These alignment marks are marks that do not shine when the substrate and the surface of the element reflect illumination light well, and marks that reflect light well when the illumination light is difficult to reflect. As shown in FIG. 8 (1), theaperture 12 is provided with four marks, and as shown in FIG. 8 (2), twoirradiation marks 122a and 122b are formed on the upper surface of theelement 105. However, the upper surface of thesubstrate 100 is irradiated with twoirradiation marks 121a and 121b.
[0017]
A process for aligning theelement 105 with respect to thesubstrate 100 from the alignment mark and the irradiation mark as shown in FIG. FIG. 9 is a top view and a side view when theelement 105 is rotated and tilted about the X axis. As shown in FIG. 9A, if the upper surface of theelement 105 is parallel to the upper surface of thesubstrate 100, the straight line connecting themarks 121a and 121b and the straight line connecting themarks 122a and 122b in the observation image are parallel, The distance varies depending on the height of the upper surface of theelement 105 with respect to the upper surface of thesubstrate 100. Here, as shown in FIG. 9B, if the upper surface of theelement 105 rotates and tilts around the Y axis with respect to the upper surface of thesubstrate 100, the projected positions of themarks 122a and 122b on the upper surface of theelement 105 are as follows. Change. Accordingly, even in the observed image, the straight line connecting themarks 122a and 122b is inclined with respect to the straight line connecting themarks 121a and 121b. Accordingly, if the inclination degree of the straight line connecting themarks 122a and 122b with respect to the straight line connecting themarks 121a and 121b is detected, the inclination degree of the upper surface of the element can be detected.
[0018]
Therefore, when performing position adjustment, first, the image processing device 6 recognizes the position of each mark by pattern matching processing. Then, the degree of inclination of the straight line connecting the irradiation marks 122a and 122b with respect to the straight line connecting themarks 121a and 121b is detected. When the element is held without contacting the substrate and the inclination of the element with respect to the substrate can be changed by the moving mechanism of the mountingarm 3 or the rotating mechanism of the mounting stage, these straight lines are parallel to each other. That is, adjustment is performed so that theelement 105 is parallel to thesubstrate 100. If there is no mechanism to adjust the relative tilt, or if the tilt cannot be adjusted because the device is held in contact with the surface of the substrate, the tilt is not changed and the tilt is corrected later. Therefore, the amount of inclination is stored. Here, the inclination is not adjusted, and instead of storing the amount of inclination, the interval between the straight lines connecting the irradiation marks 122a and 122b and the straight line connecting themarks 121a and 121b is detected at the positions of the irradiation marks 122a and 122b and determined in advance. It is assumed that the difference from the reference value being stored is stored as a correction value. This is because the positions of the irradiation marks 122a and 122b in the X-axis direction are the same as the positions of the alignment marks 112a and 112b, and substantially the same correction can be performed if the heights at the respective positions are corrected. is there.
[0019]
Next, the positions of the alignment marks 112a and 112b on theelement 105 are corrected. This correction is performed by adding a value obtained by multiplying the position of themarks 112a and 112b by 1/2 of the correction value. As shown in FIG. 5, since the optical axes of the projection optical system and the pattern irradiation system are inclined by α (45 °) with respect to the vertical direction, the irradiation marks 122a and 122b are subject to changes in the position of the upper surface of theelement 105. This is because the change in position is twice the positions of themarks 112a and 112b (if the angles of the projection optical system and the pattern irradiation system are the same, the other angles are also doubled). For the value after such correction, the degree of parallelism between the straight line connecting themarks 111a and 11b and the straight line connecting themarks 112a and 112b is calculated. If not parallel, it means that the element is rotating around the Z-axis with respect to the substrate, so the mountingarm 3 is rotated so as to be parallel. After the rotation, the mark position is similarly recognized by pattern matching. If it is tilted, the position of the irradiation pattern is changed by a slight amount due to this rotation. Therefore, the same processing is performed to calculate the correction amount, and the positions of themarks 112a and 112b are corrected. In this state, the positioning is completed by moving the mountingstage 1 in the X-axis direction and the Y-axis direction so that the straight line connecting themarks 111a and 11b and the straight line connecting themarks 112a and 112b are at a predetermined interval. In this state, the heater provided on the mountingstage 1 is operated to melt the solder applied to thesubstrate 100 to fix theelement 105.
[0020]
In the first embodiment, only the inclination due to the rotation around the Y axis is a problem. The inclination in this direction appears as a difference between the height of the element surface at the position of the alignment mark and the height of the element surface at the position where the irradiation mark is irradiated, and the height of the element surface detected by the irradiation mark. If the correction is performed, there arises a problem that accurate correction cannot be performed when the element rotates around the Z axis. In the second embodiment, the inclination due to the rotation around the X axis is also detected and corrected.
[0021]
In the semiconductor element mounting apparatus of the second embodiment, the irradiation pattern is different from that of the first embodiment. FIG. 10 is a diagram showing an irradiation pattern in the second embodiment, where (1) shows an aperture pattern and (2) shows an irradiation pattern. As shown in (1) of FIG. 10, in the aperture, in addition to the four marks arranged on one straight line in the first embodiment, two marks are provided at upper and lower positions not on the straight line. As shown in (2), these two marks are projected on the upper surface of theelement 105 asmarks 122c and 122d.
[0022]
FIG. 11 is a diagram for explaining detection of inclination by rotation around the X axis by the two marks, and is a diagram showing an optical path of an irradiation mark in a plane perpendicular to the X axis. As shown in the figure, when the upper surface of theelement 105 rotates and tilts around the X axis, the projection positions of themarks 122c and 122d on the element surface change, and accordingly, themarks 122c and 122d viewed from the observation direction change accordingly. The interval changes from D to d. Therefore, if the interval between themarks 122c and 122d is detected, the inclination due to the rotation around the X axis can be detected. The height difference between themarks 122a and 122b and themarks 112a and 112b can be calculated by multiplying the inclination of the rotation around the X axis by the distance from themarks 122a and 122b to the alignment marks 112a and 112b. Therefore, if this difference is added to the difference between the reference heights at the positions of themarks 122a and 122b calculated by the same method as described above, the difference between the reference heights of the alignment marks 112a and 112b can be obtained. If the difference from the straight line connecting themarks 111a and 111b is corrected according to the difference from the reference height, the amount of inclination due to rotation around the X axis can be corrected.
[0023]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the semiconductor device mounting apparatus, positioning is performed by providing a positioning mark on the top surface of the semiconductor device and the substrate, observing the mark from an oblique direction, and based on the image. When performing alignment, positioning can be performed with higher accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of a semiconductor element and a substrate assembled by applying the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a conventional semiconductor element mounting apparatus.
FIG. 3 is a diagram illustrating a problem of a conventional example.
FIG. 4 is a diagram illustrating the principle of the present invention.
FIG. 5 is a principle configuration diagram of a semiconductor element mounting apparatus according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an overall configuration of a semiconductor device mounting apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an illumination optical system of the semiconductor device mounting apparatus according to the first embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing an illumination pattern of the first embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a detection amount in the first embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing an illumination pattern according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram for explaining the principle of detecting a rotation component in a plane including the optical axis in the second embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OFSYMBOLS 1 ... Mountingstage 2 ... Mountingarm moving mechanism 3 ... Mounting arm 4 ... Microscopeoptical system 5 ... TV camera 6 ...Image processing device 7 ... Main control device 8 ... Display device 9 ...Stage control device 100 ...Substrate 102, 103 ... Semiconductor element

Claims

Translated fromJapanese

請求項１に記載の半導体素子実装装置であって、
前記パターン照射系の照射方向は、前記観察光学系の観察方向の反対側の方向である半導体素子実装装置。The semiconductor element mounting apparatus according to claim 1,
The semiconductor element mounting apparatus, wherein an irradiation direction of the pattern irradiation system is a direction opposite to an observation direction of the observation optical system.

請求項２に記載の半導体素子実装装置であって、
前記照射パターンは、前記半導体素子の上面に照射される２個以上の素子上マークと、前記基板の上面に照射される２個の基板上マークであり、
前記制御装置は、前記２個以上の素子上マークと前記２個の基板上マークの相互位置から、前記半導体素子の上面の前記基板の上面に対する傾きを検出する半導体素子実装装置。The semiconductor element mounting apparatus according to claim 2,
The irradiation pattern is two or more element marks irradiated on the upper surface of the semiconductor element, and two substrate marks irradiated on the upper surface of the substrate,
The said control apparatus is a semiconductor element mounting apparatus which detects the inclination with respect to the upper surface of the said board | substrate with respect to the upper surface of the said board | substrate from the mutual position of the said 2 or more element mark and the said 2 board | substrate mark.