(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面にマークを有する半導体素子を、上面にマークを有する基板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、
前記半導体素子を前記基板に対して相対的に移動させる移動機構と、
前記基板の上面に対して垂直以外の第１の所定角度で前記基板及び前記半導体素子を観察し、その観察像を出力する観察光学系と、
前記観察光学系の出力する前記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と、
該画像認識装置が認識した前記マークが、前記観察像において所定の目標位置関係になるように前記移動機構を制御する制御装置とを備える半導体素子実装装置において、
前記観察光学系の観察方向以外の方向から第２の所定角度で前記半導体素子の上面と前記基板の上面に照射パターンを照射するパターン照射系を備え、
前記画像認識装置は、前記半導体素子の上面と前記基板の上面に照射された前記照射パターンの相対位置を認識し、
前記制御装置は、認識された前記照射パターンの相対位置から前記半導体素子の上面と前記基板の上面の高さの差を検出して、前記所定の目標位置関係を補正することを特徴とする半導体素子実装装置。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【発明の詳細な説明】
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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