(57)【要約】【課題】被接合物間の平行度を直接測定、補正でき、高精度でかつ極めて短時間で平行度の調整を可能ならしめる接合方法および装置を提供する。【解決手段】上下に配された被接合物間に、反射により上下方向と側方向との間で光路を変換する反射面を有するミラー手段を挿入し、側方のビーム投受光手段からのビームをミラー手段を介して両被接合物に投光するとともに反射ビームを受光し、ビーム投受光手段における反射ビームの集光スポットの位置ずれ量に基づいて、両被接合物間の平行度を求め、該平行度が目標範囲内に調整した後、被接合物同士を接合することを特徴とする接合方法および装置【選択図】  図１
2004266191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下に配された被接合物の対向面間に、反射により上方向と側方向との間で光路を変換する反射面および下方向と側方向との間で光路を変換する反射面を有するミラー手段を挿入し、該ミラー手段の側方に配置したビーム投受光手段から、該ミラー手段を介して各対向面にビームを投光するとともに各対向面からの反射ビームを受光し、ビーム投受光手段における反射ビームの集光スポットの位置ずれ量に基づいて、各対向面の、前記位置ずれ量が零の場合の基準面に対する傾きを求め、該傾きから両対向面間の平行度を求め、該平行度が目標範囲内に入るように前記対向面の少なくとも一方の傾きを調整した後、被接合物同士を接合することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
投受光するビームとしてレーザー光を用いる、請求項１の接合方法。
【請求項３】
前記ミラー手段として９０度プリズムを用いる、請求項１または２の接合方法。
【請求項４】
上下に配される被接合物を保持する手段と、両被接合物の対向面間に挿入され、反射により上方向と側方向との間で光路を変換する反射面および下方向と側方向との間で光路を変換する反射面を有するミラー手段と、該ミラー手段の側方に配置され、ミラー手段を介して各対向面にビームを投光するとともに各対向面からの反射ビームを受光し、反射ビームの集光スポットの位置ずれ量に基づいて、各対向面の、前記位置ずれ量が零の場合の基準面に対する傾きを求め、該傾きから両対向面間の平行度を求めるビーム投受光手段と、求められた平行度が目標範囲内に入るように前記対向面の少なくとも一方の傾きを調整するために少なくとも一方の被接合物保持手段を駆動する平行度調整手段と、平行度調整後の被接合物同士を接合する接合手段と、を有することを特徴とする接合装置。
【請求項５】
前記ビーム投受光手段がレーザー光を投受光する手段からなる、請求項４の接合装置。
【請求項６】
前記ミラー手段が９０度プリズムからなる、請求項４または５の接合装置。
【請求項７】
前記ミラー手段が位置調整手段に支持されている、請求項４〜６のいずれかに記載の接合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップやウエハー、各種回路基板等の被接合物同士を接合する接合方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チップやウエハー、各種回路基板等の金属接合部を有する被接合物同士を接合するに際しては、被接合物同士の相対位置関係を所定の精度内に納めるとともに、両被接合物間の平行度を所定の精度内に調整することが要求される。従来の両被接合物間の平行度調整方法として、一方の被接合物を保持するステージと他方の被接合物を保持するツール間に感圧紙を挟み、押さえつけることで平行度を測定し、測定結果に基づいて平行度を調整する方法が知られている。また、オートフォーカス機能を有するカメラを両被接合物を保持するステージ面、ツール面間に挿入し、各面に付された複数の認識マークをオートフォーカス機能を利用して読み取ることにより各認識マークまでの距離を測定し、測定結果に基づいて平行度を求めて調整する方法も知られている。
【０００３】
一方、ある被測定面の傾き角度を測定する装置として、光源からの平行光線を被測定面に投光し、被測定面からの反射光をハーフミラー等を介して二次元イメージセンサに集光し、その集光スポットの位置に基づいて被測定面の傾き角度を測定する光学式角度測定装置が特許文献１に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３０４８３１号公報（特許請求の範囲）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の感圧紙による平行度調整方法においては、高い精度は望めず、かつ、作業者によりばらつきが生じるという問題がある。つまり、ステージ面とツール面の間に感圧紙を挿入してステージ面にツール面を押しつけることで、強く押されたところは色が濃く、弱いところは色が薄くなるので、どの方向にどのくらい傾いているかを判断し、その情報から平行度を調整するようにしているが、組み立てる物そのものの平行度の誤差は補正できないため、定量的な平行度の測定ができず、作業者のトライアンドエラーで得られた感による要素が大きく、また、測定精度そのものも低いという問題がある。作業時間も３０分〜１時間と、オートフォーカス法と比較しても非常に長く、高い生産性は望めない。
【０００６】
また、オートフォーカス機能を利用した方法では、高い精度は得られるものの、時間を要したり、接合する部品そのものを測定しずらいという問題がある。すなわち、通常、ステージ面、ツール面の各面にそれぞれ３点以上の認識マークを付し、それらマークまでの距離（高さ）をオートフォーカス機能を利用して測定するため、組み立てる物そのものの測定ができず、組み立てる物そのものの平行度の誤差まで補正することが困難であった。また、２面それぞれについて３点以上の高さ測定が必要となるため、平行度調整に少なくとも５分程度の時間を要していた。
【０００７】
そこで本発明の課題は、上記のような従来法における問題点に着目するとともに前記特許文献１に記載されているような光学式角度測定装置における測定方式が被接合物同士を接合する際の平行度測定にも適用可能であることに着目し、被接合物間の平行度を直接測定、補正でき、高精度でかつ極めて短時間で平行度の調整を可能ならしめる接合方法および装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る接合方法は、上下に配された被接合物の対向面間に、反射により上方向と側方向との間で光路を変換する反射面および下方向と側方向との間で光路を変換する反射面を有するミラー手段を挿入し、該ミラー手段の側方に配置したビーム投受光手段から、該ミラー手段を介して各対向面にビームを投光するとともに各対向面からの反射ビームを受光し、ビーム投受光手段における反射ビームの集光スポットの位置ずれ量に基づいて、各対向面の、前記位置ずれ量が零の場合の基準面に対する傾きを求め、該傾きから両対向面間の平行度を求め、該平行度が目標範囲内に入るように前記対向面の少なくとも一方の傾きを調整した後、被接合物同士を接合することを特徴とする方法からなる。
【０００９】
この接合方法においては、上記投受光するビームとしてレーザー光を用いることが好ましい。また、上記ミラー手段としては、９０度プリズムを用いることができる。
【００１０】
本発明に係る接合装置は、上下に配される被接合物を保持する手段と、両被接合物の対向面間に挿入され、反射により上方向と側方向との間で光路を変換する反射面および下方向と側方向との間で光路を変換する反射面を有するミラー手段と、該ミラー手段の側方に配置され、ミラー手段を介して各対向面にビームを投光するとともに各対向面からの反射ビームを受光し、反射ビームの集光スポットの位置ずれ量に基づいて、各対向面の、前記位置ずれ量が零の場合の基準面に対する傾きを求め、該傾きから両対向面間の平行度を求めるビーム投受光手段と、求められた平行度が目標範囲内に入るように前記対向面の少なくとも一方の傾きを調整するために少なくとも一方の被接合物保持手段を駆動する平行度調整手段と、平行度調整後の被接合物同士を接合する接合手段と、を有することを特徴とするものからなる。
【００１１】
この接合装置においては、上記ビーム投受光手段はレーザー光を投受光する手段からなることが好ましい。また、上記ミラー手段としては９０度プリズムから構成できる。また、ミラー手段が位置調整手段に支持されている構成を採用できる。
【００１２】
上記のような本発明に係る接合方法および装置においては、ビーム投受光手段により側方から投光されたビームは、ミラー手段による反射により上方または下方へ光路が変換され、被接合物の面に直接到達してそこで下方または上方に反射され、反射光の光路が再びミラー手段により側方へと変換され、該反射光の集光スポットの投光位置からのずれ量により、ある基準面に対する上記被接合物の面の傾きが測定される。そして、両被接合物の基準面からの傾きから、両被接合物間の平行度が求められ、その結果に基づいて平行度を所定の精度内に納めるよう調整することが可能となる。
【００１３】
この方法および装置においては、両被接合物の基準面に対する平行度を、レーザー等のビームにより直接、高精度で測定することが可能であるから、この測定結果に基づいて補正を行えば、高速で（つまり、短時間で）かつ高精度に両被接合物間の平行度を調整することが可能になる。
【００１４】
また、ミラー手段として９０度プリズムを用い、該９０度プリズムを両被接合物の測定対象面間に挿入すれば、測定用ビームを上下に振り分けることが可能になるから、１セットのセンサー手段（ビーム投受光手段）により両被接合物間の平行度を測定、調整することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施態様に係る接合装置１を示しており、被接合物としての基板３に被接合物としてのチップ２を接合する装置を示している。ここでチップ２とは、たとえば、ＩＣチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、ウエハーなど種類や大きさに関係なく基板と接合される側の全ての形態のものを指す。このチップ２上には、金属接合部として、たとえばバンプが形成されている。また、基板３とは、たとえば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板、チップ、ウエハーなど種類や大きさに関係なくチップと接合される側の全ての形態のものを指す。この基板３にも、金属接合部として、たとえば回路が形成されている。これらチップ２と基板３は位置を入れ替えてもかまわない。
【００１６】
基板３は、図示を省略したＸ、Ｙ方向（水平方向）、θ方向（回転方向）に調整可能なＸ、Ｙ、θテーブル上に取り付けられたステージ４に保持されている。チップ２は、ツール５に吸着等により保持されており、ツール５は、ツール５のＸ、Ｙ方向における傾きを調整することにより基板３とチップ２間の平行度を補正する平行度調整機構６に取り付けられている。平行度調整機構６には、Ｘ方向における傾きＸθを調整するためのＸθアーム７、Ｘθ固定アーム８、Ｘθサーボ９と、Ｙ方向における傾きＹθを調整するためのＹθアーム１０、Ｙθ固定アーム１１、Ｙθサーボ１２が設けられている。平行度調整機構６により平行度が調整された後、加圧シリンダ機構１３によってツール５が下降され、ツール５に保持されているチップ２が基板３に接合される。ツール５には、接合のための加熱手段や超音波印加手段が設けられていてもよい。
【００１７】
ステージ４とツール５との間には、上下２視野を有する、チップ２および基板３の位置認識用の２視野カメラ１４が進退可能に設けられ、２視野カメラ１４は、Ｘ、Ｙ方向（水平方向）、Ｚ方向（上下方向）に位置調整可能なＸ、Ｙ、Ｚテーブル１５に取り付けられている。この２視野カメラ１４による読み取り情報に基づいて、チップ２と基板３との間のＸ、Ｙ、θ方向における相対位置関係が、基板３側のステージ４の位置および回転調整によって、所定の精度内に納められる。
【００１８】
本実施態様では、２視野カメラ１４の先端に、ミラー手段としての９０度プリズム１６が取り付けられている。この９０度プリズム１６の側方には、ビーム投受光手段としてのレーザー角度センサ１７が設けられている。９０度プリズム１６は、レーザー角度センサ１７からの、およびレーザー角度センサ１７へのレーザー光１８（レーザービーム）の光路変換手段として機能し、直角に配置された上側の面１６ａが、レーザー角度センサ１７から投光されたレーザー光１８の光路を上方のチップ２方向へ変換し、チップ２からの反射光をレーザー角度センサ１７方向へと変換する。下側の面１６ｂは、レーザー角度センサ１７から投光されたレーザー光１８の光路を下方の基板３方向へ変換し、基板３からの反射光をレーザー角度センサ１７方向へと変換する。９０度プリズム１６をＸ、Ｙ、Ｚテーブル１５により上下方向に位置調整することで、そのときに必要な上下面１６ａ、１６ｂのいずれかの面を選択的に使用できる。したがって、Ｘ、Ｙ、Ｚテーブル１５は２視野カメラ１４の位置調整手段として使用できるとともに、ミラー手段の位置調整手段としても使用できる。なお、ミラー手段としては、９０度プリズム１６以外にも、２つの反射鏡を９０度の角度を持たせて配置した手段も使用可能である。
【００１９】
このように構成された第１実施態様においては、チップ２と基板３の位置合わせおよび両者間の平行度調整は次のように行われる。
チップ２と基板３間の相対位置関係を所定の精度内に納めるための、通常のアライメント動作を行う位置に２視野カメラ１４を進入させ、基板３とチップ２の位置を２視野カメラ１４で認識し、チップ２基準で基板３の位置を、ステージ４をＸ、Ｙ、θ方向に調整することにより、チップ２と基板３間の相対位置関係が所定の精度内となるように位置を補正する。
【００２０】
次に、基板３の角度測定を行う所定の位置にレーザー角度センサ１７のレーザー光１８が９０度プリズム１６の基板側反射面１６ｂに当たるとともに反射光も該面１６ｂに当たるよう、Ｘ、Ｙ、Ｚテーブル１５の座標位置を移動調整し、基板３からの反射光のレーザー角度センサ１７での集光スポットの位置ずれ量から、基板３の基準面に対する傾き角を測定する。
【００２１】
同様に、チップ２の角度測定を行う所定の位置にレーザー角度センサー１７のレーザー光１８が９０度プリズム１６の基板側反射面１６ａに当たるとともに反射光も該面１６ａに当たるよう、Ｘ、Ｙ、Ｚテーブル１５の座標位置を移動調整し、チップ２からの反射光のレーザー角度センサ１７での集光スポットの位置ずれ量から、チップ２の基準面に対する傾き角を測定する。
【００２２】
これらチップ２、基板３の角度測定結果から、両者間の平行度が０になるように平行度調整機構６で、チップ２側の傾き角が補正される。その結果、チップ２、基板３間の相対位置関係が予め決められた状態にて、両者間の平行度が精度良く調整され、この状態でチップ２が基板３に接合される。
【００２３】
従来から、基板にチップを高精度に実装する際に接合面の平行度が実装精度に大きく影響することが分かっており、平行度が狂う要因としては、
（１）基板、チップそのものの保持する面に対する接合面の平行度のばらつき、
（２）保持する際に基板とステージ、チップとツールとの間への異物の侵入、
（３）装置の熱変形、経時変化、
等が考えられ、（３）については定期的な調整で補える範囲であるが、（１）、（２）については接合する直前で測定補正することが必要とされている。
【００２４】
上記接合装置１では、・レーザー角度センサ１７を用いてチップ２と基板３間の平行度を直接測定しているので、角度５秒〜１０秒の極めて高い測定精度が得られ、たとえば１０ｍｍ角のチップの場合、平行度０．５μｍと従来のオートフォーカス法と同等の精度が得られ、１ｍｍ角程度の小さなチップの場合には、平行度０．０５μｍとオートフォーカス法に比べ１０倍程度高い精度が得られることになる。しかも、平行度を直接測定し、それに基づいてチップ２側で直接補正できるので、補正速度もオートフォーカス法の５分から１０秒程度と飛躍的に向上させることができる。
【００２５】
また、９０度プリズム１６を用いて上下の被接合物を１台のセンサ１７で測定することが可能となり、１台ずつ２台のセンサを使用する場合に比べコストも抑えられる。
【００２６】
さらに、上記接合装置１では、チップ２に対する基板３の実装位置で平行度を測定、補正することが可能となり、測定してからテーブル等を移動させる必要がないので、事前の高精度位置合わせ状態を保つことができ、結果的に高精度な位置合わせも可能となる。
【００２７】
このように、上記接合装置１においては、チップ２と基板３間の高精度な相対位置合わせを維持しつつ、短時間で高精度に平行度調整を行うことが可能となり、高精度実装を実現できる。
【００２８】
図２は、本発明の第２実施態様に係る接合装置２１を示している。本実施態様においては、前記第１実施態様に比べ、チップ２側と基板３側、つまり、上下両側に平行度調整機構２２、２３が設けられている。チップ２側の平行度調整機構２２は、Ｘ方向における傾き角Ｘθを調整する上部Ｘθゴニオステージ２４とＹ方向における傾き角Ｙθを調整する上部Ｙθゴニオステージ２５を有しており、基板３側の平行度調整機構２３は、Ｘ方向における傾き角Ｘθを調整する下部Ｘθゴニオステージ２６とＹ方向における傾き角Ｙθを調整する下部Ｙθゴニオステージ２７を有している。その他の構成は、図１に示した第１実施態様と実質的に同じであるので、図１と同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００２９】
このように構成された接合装置２１においては、チップ２側は、上部Ｘθゴニオステージ２４と上部Ｙθゴニオステージ２５を有する平行度調整機構２２により、基板３側は、下部Ｘθゴニオステージ２６と下部Ｙθゴニオステージ２７を有する平行度調整機構２３により、それぞれ別々に平行度調整できるので、たとえば、図示を省略した基板３側のＸ、Ｙ、θテーブルに平行になるように、チップ２と基板３の接合面を補正することが可能となる。その結果、たとえば、チップ２と基板３の接合面間に数μｍの隙間を持たせたまま、いずれか一方、あるいは両方を、Ｘ、Ｙ、θテーブルと平行な平面内で自由に移動させることも可能になり、さらに図示されていない平行度調整機構を上下させるＺ軸に対して常に接合面の角度を一定に保ちながらの接合動作等が可能になって、極めて有用で効率の良い手法の採用が可能となる。その他の作用、効果は、前記第１実施態様に準じる。
【００３０】
なお、上記接合装置１、２１共に、基準となるチップと基板との平行状態及びある面との平行状態の確認については、予めオートフォーカス方法やある平面を構成するテーブル面と同じように移動できるように固定されたピックテスターによって測定する方法で求めておくことが好ましい。これによって、Ｘ、Ｙ、Ｚテーブル１５が熱変形や経時変化により平行度に狂いが生じた場合、この基準を取り直すことで熱変形や経時変化を補正することができるようになる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る接合方法および装置によれば、ビーム投受光手段とミラー手段を備えた光学式角度測定装置を用いて両被接合物の傾きを測定し、被接合物間の平行度を直接測定、補正できるようにしたので、高精度でかつ極めて短時間で平行度の調整を行うことができる。これによって、生産性の大幅な向上を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様に係る接合装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施態様に係る接合装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１  接合装置
２  被接合物としてのチップ
３  被接合物としての基板
４  ステージ
５  ツール
６  平行度調整機構
７  Ｘθアーム
８  Ｘθ固定アーム
９  Ｘθサーボ
１０  Ｙθアーム
１１  Ｙθ固定アーム
１２  Ｙθサーボ
１３  加圧シリンダ機構
１４  ２視野カメラ
１５  Ｘ、Ｙ、Ｚテーブル
１６  ミラー手段としての９０度プリズム
１６ａ  上側の面
１６ｂ  下側の面
１７  ビーム投受光手段としてのレーザー角度センサ
１８  レーザー光
２１  接合装置
２２、２３  平行度調整機構
２４  上部Ｘθゴニオステージ
２５  上部Ｙθゴニオステージ
２６  下部Ｘθゴニオステージ
２７  下部Ｙθゴニオステージ
【図１】
2004266191.tif 000003
【図２】
2004266191.tif 000004