(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップを保持するチップ保持ツールと、チップが実装される基板を保持する基板保持ステージとを有するチップ実装装置において、チップ保持ツールおよび基板保持ステージの少なくとも一方を、チップまたは基板の位置をサーボモータを用いて粗調整する粗動テーブル上に設けるとともに、該粗動テーブルに、粗調整後の粗動テーブルの位置における前記サーボモータの振動である±１パルス分に相当する量のばらつきを無くすために、前記サーボモータの制御を積分制御から比例制御へ変更した後または該サーボモータをオフにした後に粗動テーブルを固定するロック手段を設け、かつ、前記粗動テーブル上に、粗動テーブルが固定された状態でチップまたは基板の位置を微調整する微動手段を設けたことを特徴とするチップ実装装置。
【請求項２】
微動手段がピエゾ素子を備えている、請求項１のチップ実装装置。
【請求項３】
チップまたは基板の調整位置検出手段としてリニアスケールを有しており、該リニアスケールがその長手方向中央部の所定の基準位置で固定されて該基準位置両側への伸縮が許容されている、請求項１のチップ実装装置。
【請求項４】
チップ保持ツールに保持されたチップに付されたアライメントマークと、チップ保持ツールの下方に配されている基板保持ステージに保持された基板に付されたアライメントマークとを認識手段で認識し、両アライメントマークの位置ずれ量を補正して目標精度範囲内に納めるように前記チップ保持ツールおよび基板保持ステージの少なくとも一方の平行移動制御および回転制御を行うチップ実装装置におけるアライメント方法において、チップ保持ツールおよび基板保持ステージの少なくとも一方をサーボモータを用いた粗動テーブルにより駆動してチップまたは基板の位置を粗調整した後、該粗動テーブルの粗調整位置を、前記サーボモータの振動である±１パルス分に相当する量のばらつきを無くすために、前記サーボモータの制御を積分制御から比例制御へ変更した後または該サーボモータをオフにした後に粗動テーブルを固定するロック手段により固定し、固定された粗動テーブル上で、チップ保持ツールおよび基板保持ステージの少なくとも一方を微動手段により駆動してチップまたは基板の位置を微調整することを特徴とする、チップ実装装置におけるアライメント方法。
【請求項５】
アライメントマークを認識する認識手段にカメラを用いる、請求項４のチップ実装装置におけるアライメント方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップ実装装置およびその装置におけるアライメント方法に関し、とくに所定のアライメントを高精度にかつ迅速に行うことができるようにしたチップ実装装置およびその装置におけるアライメント方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、周知のように、チップ実装装置においては、チップ保持ツールが保持しているチップ（例えば、半導体チップ）の位置と、その下方に配されている基板保持ステージに支持されている基板（例えば、液晶基板等）の位置とを精密に位置決めした状態においてチップ保持ツールを降下させてチップ実装を行うようにしている。
【０００３】
たとえば、チップ実装に先立って、チップ保持ツールまたは基板保持ステージのどちらか一方を移動させてチップと基板とを粗位置決めし、次いで、たとえば、チップおよび基板に付されている所定のアライメントマークを認識手段で認識し、両アライメントマークの位置ずれ量を目標精度範囲内に納めるようにチップ保持ツールまたは基板保持ステージを駆動制御することによってチップと基板との精密位置合わせを行っている。
【０００４】
このような方法では、通常、上述のように粗位置決めした状態においては、両アライメントマークの位置ずれ量が大きいので、１回のアライメントでは、位置ずれ量を目標精度範囲内にすることが困難であり、複数回のアライメントが余儀なくされている。アライメントにおいては、チップ保持ツールまたは基板保持ステージが装着されている可動テーブルを駆動し、可動テーブルをＸ軸方向、Ｙ軸方向またはＸＹ両軸方向へ移動（以下、単に平行移動という。）させるとともに、回転軸周りに回転させて、すなわち、平行移動と回転とを同時、交互またはランダム（以下、単に、並行的という。）に行って所定のアライメントを行うようにしている。
【０００５】
しかしながら、上記の如く平行移動と回転とを並行的に行うアライメントによると、前回のアライメントによって平行移動誤差が設定範囲内になっていても、次に回転制御を実施すると、回転軸心の振れ（θ軸心の振れ）が発生するために、平行移動誤差が再び目標精度範囲を外れてしまい、軸心の振れ誤差以下の精度を出すことができないことがある。また、目標精度を達成すべくアライメントを繰り返す回数が増加するために、タクトタイムが長くなるといった問題を生じることもある。
【０００６】
さらに、可動テーブルの位置制御のための駆動には、サーボモータを使用することが多いが、サーボモータの制御においては、サーボモータの回転位置を目標位置に制御するために、通常、サーボモータが±１パルス分必ず振動している状態にある。したがって、この±１パルスの振動に相当する分、制御位置にばらつきが生じることになり、位置決め精度に自ずと限界が生じて、現実的には、サブミクロンレベルでの位置決めは困難であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の目的は、上記のような従来装置における問題点および従来のアライメントにおける精度限界に鑑み、確実にサブミクロンレベルの高精度のアライメントが可能で、かつ、その高精度アライメントを迅速に行うことができるようにした、チップ実装装置およびその装置におけるアライメント方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るチップ実装装置は、チップを保持するチップ保持ツールと、チップが実装される基板を保持する基板保持ステージとを有するチップ実装装置において、チップ保持ツールおよび基板保持ステージの少なくとも一方を、チップまたは基板の位置をサーボモータを用いて粗調整する粗動テーブル上に設けるとともに、該粗動テーブルに、粗調整後の粗動テーブルの位置における前記サーボモータの振動である±１パルス分に相当する量のばらつきを無くすために、前記サーボモータの制御を積分制御から比例制御へ変更した後または該サーボモータをオフにした後に粗動テーブルを固定するロック手段を設け、かつ、前記粗動テーブル上に、粗動テーブルが固定された状態でチップまたは基板の位置を微調整する微動手段を設けたことを特徴とするものからなる。
【０００９】
本発明においてチップとは、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せる側の全ての形態を示す。また、本発明において基板とは、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せる側の全ての形態を示す。
【００１０】
上記粗動テーブルとしては、従来の可動テーブルに相当するものを使用できるが、本発明では該粗動テーブルが、粗調整後の粗動テーブルの位置を固定できるロック手段を有している。この粗動テーブルは、従来の可動テーブルの如く、比較的大きなストロークや回転制御範囲を有している。一方微動手段は、粗動テーブルによる位置調整後にさらに目標位置に近づけるよう微調整するものであるから、小ストロークのものでよい。そのような微動手段として、たとえばピエゾ素子を有するものを用いることができる。ピエゾ素子使用により、印加電圧に対応して微小変位（微小膨張または微小縮小）を高精度で実現でき、その微小変位を利用してチップ保持ツールまたは基板保持ステージを微小にかつ高精度に位置調整できる。
【００１１】
また、上記チップ実装装置には、チップまたは基板の調整位置検出手段としてリニアスケール（たとえばガラスリニアスケール）を用いることができる。リニアスケールの熱変形（熱膨張や熱収縮）まで考慮してより高精度のアライメントを実現するためには、リニアスケールがその長手方向中央部の所定の基準位置で固定されて該基準位置両側への伸縮が許容された状態で設置されていることが好ましい。このような設置状態では、たとえばリニアスケールの両側が固定されている場合に比べ、位置決め目標位置またはその極近傍位置である基準位置のみ固定されており、その基準位置付近での位置ずれやリニアスケールの熱変形は極めて小さく抑えられるから、より高精度の位置検出が可能となる。より高精度の検出位置がフィードバックされてチップまたは基板の位置が調整されることにより、一層高精度に目標位置へと制御することが可能になる。
【００１２】
本発明に係るチップ実装装置におけるアライメント方法は、チップ保持ツールに保持されたチップに付されたアライメントマークと、チップ保持ツールの下方に配されている基板保持ステージに保持された基板に付されたアライメントマークとを認識手段で認識し、両アライメントマークの位置ずれ量を補正して目標精度範囲内に納めるように前記チップ保持ツールおよび基板保持ステージの少なくとも一方の平行移動制御および回転制御を行うチップ実装装置におけるアライメント方法において、チップ保持ツールおよび基板保持ステージの少なくとも一方をサーボモータを用いた粗動テーブルにより駆動してチップまたは基板の位置を粗調整した後、該粗動テーブルの粗調整位置を、前記サーボモータの振動である±１パルス分に相当する量のばらつきを無くすために、前記サーボモータの制御を積分制御から比例制御へ変更した後または該サーボモータをオフにした後に粗動テーブルを固定するロック手段により固定し、固定された粗動テーブル上で、チップ保持ツールおよび基板保持ステージの少なくとも一方を微動手段により駆動してチップまたは基板の位置を微調整することを特徴とする方法からなる。アライメントマークを認識する手段としては、どのような形態であってもよく、たとえば二視野カメラを用いることができる。本発明における認識手段とは、たとえば、ＣＣＤカメラ、赤外線カメラ、Ｘ線カメラ、センサーなど種類や大きさに関係なくアライメントマークを認識できる手段であればどのような形態であってもよい。また、認識手段は、二視野の認識手段に限定されない。例えば、チップ、基板が赤外線を含む光線透過に適したものである場合は、チップと基板を近接させた状態で上部又は下部に赤外線カメラ等を１台設置し、反対側に光源を設けて（同軸照明でも可能）アライメントマークを読み取る方法が適している場合もある。
【００１３】
上記のような本発明に係るチップ実装装置およびそのアライメント方法においては、先ず粗動テーブルによる粗調整が行われ、その粗調整位置がロック手段により固定される。この粗調整により、概略目標精度近傍へのアライメントが達成される。この粗調整は、従来くり返し行われていたアライメントのうちの最初のアライメントに相当し、これに要する時間は比較的短くて済む。粗調整が行われると、その粗動テーブルの粗調整位置が固定され、粗動テーブル上に設けられた微動手段によりさらに目標制御位置への微調整が行われる。粗動テーブルの粗調整位置が固定されることにより、たとえば粗動テーブルの駆動にサーボモータが使用されている場合にあっても、サーボモータの振動±１パルス分に相当する制御位置のばらつきは無くなり、以降に行う微調整における制御位置ばらつき要因も無くなる。
【００１４】
微動手段は、大きなストロークは不要で、微小位置制御専用の手段に構成されているから、従来の可動テーブルのみでは達成し得なかった高精度の微調整が可能になる。しかも、上述の如く制御位置のばらつき要因の無い状態にて微調整が行われるから、一回の微調整で精度良く目標制御位置に調整される。すなわち、本発明においては、実質的に１回の粗調整と、１回の微調整の２段階の制御のみで、極めて高精度の位置決めが可能になり、従来達成し得なかったサブミクロンレベル（たとえば、０．１μｍ）の精度でのアライメント、チップ実装が可能になる。また、２段階の制御のみで、従来のように多数回のアライメントをくり返す必要がないので、迅速に目標精度を達成でき、タクトタイムが大幅に短縮される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１ないし図３は、本発明の一実施態様に係るチップ実装装置を示している。図１および図２において、チップ実装装置１は、吸着等によりチップ２（たとえば、半導体チップ）を保持するヘッド３と、その下方に設けられ、回路基板や液晶基板等からなる基板４を吸着等により保持する基板保持ステージ５を有している。ヘッド３は、ブロック６と、その下端に設けられたチップ保持ツール７（以下、単に「ツール」と言うこともある。）を備えている。
【００１６】
ヘッド３は、可動テーブル８に固定されており、該可動テーブル８は、上部フレーム９に装着されているサーボモータ１０の駆動制御によって、上部フレーム９に固着されている一対の縦レール１１に沿ってＺ軸方向に昇降制御されるようになっている。チップ２と基板４との位置合わせは、たとえば、チップ２側については昇降制御のみとし、基板４側でＸ、Ｙ軸方向の平行移動制御および回転軸周りの回転方向（θ方向）の制御を行うようにすることができる。あるいは、チップ２側を平行移動制御および回転制御できるようにしてもよく、さらにチップ２側と基板４側の両方を平行移動制御および回転制御できるようにしてもよい。チップ２側に、上記Ｚ軸方向への昇降制御に加え、Ｘ、Ｙ軸方向への平行移動制御機能やθ方向への回転制御機能をもたせる場合には、たとえば、上部フレーム９の上端を、平行移動制御および／または回転制御が可能な可動テーブル（図示略）に装着すればよい。
【００１７】
基板保持ステージ５は、微動手段１２上に保持されており、基板保持ステージ５の位置は、その上に保持されている基板４とともに、微動手段１２により微調整されるようになっている。微動手段１２は、本実施態様では、微動テーブル１３と、該微動テーブル１３を微小に駆動するピエゾ素子１４とを有するものに構成されている。ピエゾ素子１４は、印加電圧に対応して微小に伸縮量を制御できるものである。本実施態様では、図３にも示すように、ピエゾ素子１４は微動テーブル１３中に、基板保持ステージ５の四辺に対してたとえば２個ずつ配置されており、各ピエゾ素子１４の印加電圧を制御することにより、微動テーブル１２に対し、基板保持ステージ５とそれに保持されている基板４を、Ｘ、Ｙ軸方向に平行移動できるとともに、各ピエゾ素子１４の駆動制御量の組み合わせにより、θ方向に回転制御できるようになっている。本実施態様ではピエゾ素子１４を２個ずつ配置したが、２個以外、単数あるいは３個以上の複数であってもよい。
【００１８】
微動手段１２の微動テーブル１３は、粗動テーブル１５上に設けられている。粗動テーブル１５は、Ｘ軸方向に移動制御するＸ軸テーブル１６と、Ｙ軸方向に移動制御するＹ軸テーブル１７と、θ方向に回転制御する回転テーブル１８とを備えている。また、粗動テーブル１５は、Ｚ軸方向に傾きを調整して基板保持ステージ５とチップ保持ツール７との間の平行度、あるいは基板４とチップ２との間の平行度を調整できるよう、さらに平行度調整手段（図示略）を備えていることが好ましい。このような粗動テーブル１５における各テーブル１６、１７、１８は、サーボモータによって駆動されるようになっている。
【００１９】
ヘッド３と基板保持ステージ５との間には、本実施態様では、上下２方向のアライメントマーク２２、２３を認識する認識手段１９が、出没可能に設けられている。認識手段１９は、平行移動制御および昇降制御が可能な可動テーブル２０に装着されている。可動テーブル２０は、図示を省略した昇降テーブルと、この昇降テーブルに装着された平行移動テーブル２１とで構成されている。
【００２０】
認識手段１９により、チップ２に付されているアライメントマーク２２と、基板４に付されているアライメントマーク２３が、それぞれ検知される。チップ２に付されている一対のアライメントマーク２２間のピッチと、基板４に付されているアライメントマーク２３間のピッチは、同一のピッチＬとなっている。このピッチＬは、認識手段１９の各視野に収まる大きさに設定されている。認識手段１９により検出された各アライメントマーク２２、２３のデータに基づいて、チップ２と基板４との位置合わせが行われる。
【００２１】
なお、本実施態様においては、チップ２と基板４との位置合わせを行うに際し、とくに基板４側の位置が制御されるようになっている。その際、調整位置の検出に、リニアスケール、たとえばガラスリニアスケールを用いることができる。この調整位置検出手段としてのリニアスケールは、たとえば、図４に示すように粗動テーブル１５のとくにＸ軸テーブル１６やＹ軸テーブル１７に取り付けることができる。このとき、リニアスケール３１、３２は、それぞれ、その長手方向中央部の基準位置で固定され（固定点３３）、該基準位置両側への伸縮（たとえば、熱膨張や熱収縮）が許容された状態で取り付けられることが好ましい。この取付基準点３３は、基板４を保持すべき基準位置の中心３４に対応する位置に設定することが好ましく、この中心３４に対応する位置に、同じくリニアスケール３１、３２のスケール読み取りセンサ（図示略）を設けておくことが好ましい。このようなリニアスケール３１、３２の取り付け方により、リニアスケールが両端で固定されている場合に比べ、たとえリニアスケール３１、３２に熱変形が生じたとしてもその変形は基準点３３を所定位置に固定した状態で行われることになり、該熱変形等の位置検出精度に及ぼす影響は無視できる程小さく抑えられ、高検出精度が確保されることになる。
【００２２】
上記のように構成されたチップ実装装置１において、本発明に係るアライメント方法は次のように実施される。
認識手段１９により、ヘッド３に保持されているチップ２のアライメントマーク２２と、基板保持ステージ５に保持されている基板４のアライメントマーク２３とがそれぞれ撮像、位置検出され、両者の位置ずれ量が検出される。この位置ずれ量を０に近づけるように、つまり、チップ２と基板４との所定の位置合わせが行われるように、基板保持ステージ５側の位置が調整、制御される。
【００２３】
まず、上記位置ずれ量に基づいて、基板保持ステージ５あるいは基板４の目標制御位置が定められ、それに基づいて粗動テーブル１５の各テーブル１６、１７、１８による平行移動制御および回転制御が行われる。この粗調整においては、各テーブル駆動用のサーボモータがパルス制御されて目標制御位置へと制御されるが、サーボモータの制御特性から、最終目標位置に対し±１パルス分に相当する量だけのばらつきが生じる。
【００２４】
本発明においては、上記粗調整後に、ロック手段により粗動テーブル１５による粗調整位置が固定される。このロック手段には、周知の任意の手段を採用できる。たとえば、Ｘ軸テーブル１６、Ｙ軸テーブル１７、回転テーブル１８のそれぞれにロック手段を設けて各テーブルを固定してもよく、あるいは単に粗調整後の微動テーブル１３の位置を固定するようにしてもよい。とくに本実施態様では、後続の微調整において、微動テーブル１３に対してピエゾ素子１４により基板保持ステージ５の位置を微調整する微動手段１２を使用しているので、粗調整位置において先ず微動テーブル１３の位置が固定されればよい。
【００２５】
上記粗調整位置のロック手段による固定に関しては、次のような制御方法を採用できる。通常サーボモータを用いた位置制御においては、積分制御が行われるが、積分制御のままでは前述した±１パルス分の振動が常に生じている状態になるので、これを一旦比例制御に変更してから固定するようにすればよい。あるいは、粗調整後に完全にサーボモータをオフにし、その状態にて固定するようにしてもよい。
【００２６】
粗調整位置固定後に、微動手段１２による精密な微調整が行われる。図３に示したように配置された各ピエゾ素子１４に、それぞれ適切な電圧が印加され、各ピエゾ素子１４の伸縮作動により基板保持ステージ５、ひいてはその上に保持されている基板４の位置が微調整される。
【００２７】
この微調整においては、その前段階で既に粗調整が行われているので、小さなストローク分の位置調整でよく、かつ、ピエゾ素子１４を用いた極めて高精度の専用微調整手段に構成されているから、一回の微調整で極めて高精度の位置決めが可能となる。しかも、既に制御された粗調整位置を前提にした微調整であり、かつ、その前提となる粗調整位置に関しては位置固定によってサーボモータの±１パルス分に相当する変動要因も除去されているので、一層高精度の位置決めが可能となっている。その結果、一回の粗調整、一回の微調整のみで、従来の可動テーブルでは達成し得なかったサブミクロンレベル（たとえば、０．１μｍ）の精度での位置制御が可能になり、位置制御精度が大幅に向上される。
【００２８】
また、調整回数が少なくて済むので、従来のアライメントを多数回くり返していた場合に比べ、位置制御精度が向上されつつ、目標位置に到達するまでの制御時間が大幅に短縮され、チップ実装におけるタクトタイムが大幅に短縮される。
【００２９】
なお、上記実施態様では微動手段１２を基板４の位置調整側のみに設けたが、チップ２の位置調整側に設けることも可能であり、両方に設けることも可能である。また、チップ２や基板４に付されるアライメントマークについては、印刷マーク等、いかなる形態のものであってもよい。
【００３０】
【発明の効果】
このように、本発明によれば、粗動テーブルによる粗調整位置をロックした状態で微動手段により微調整を行うようにしたので、チップと基板とのアライメントを高精度にかつ迅速に行うことができるようになり、従来達成し得なかったサブミクロンレベルの位置合わせが可能になるとともに、チップ実装におけるタクトタイムの大幅な短縮が可能になる。
【００３１】
【産業上の利用可能性】
本発明は、チップを基板に実装するあらゆるチップ実装装置およびその装置におけるアライメントに適用でき、高精度の位置合わせとタクトタイムの大幅な短縮をともに達成できる。したがって、実装製品の品質の向上、生産性の向上をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の一実施態様に係るチップ実装装置の概略斜視図である。
【図２】  図２は、図１の装置のチップ保持ツール側を斜め下方からみた斜視図である。
【図３】  図３は、図１の装置の微動手段部を上方からみた平面図である。
【図４】  図４は、図１の装置の粗動テーブルの一部にリニアスケールを取り付けた場合の斜視図である。
【図１】
0004937482.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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