用於測量高度差的方法和裝置的製作方法
2023-10-08 05:52:24
專利名稱：用於測量高度差的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量第一參考點與第二參考點之間高度差的 方法和裝置，其中，兩個參考點的至少一個處於裝配在襯底上的半導 體晶片上。
背景技術：
在裝配半導體晶片時，對於許多工藝而言，重要的是，半導體芯 片與襯底之間形成的粘接劑層的厚度處於很窄的公差極限內。此外重 要的是，裝配在襯底上的半導體晶片沒有傾斜位置(專業術語中公知 為"tilt")。為檢驗粘接劑層的厚度和半導體晶片的傾斜位置是否超 過預先確定的極限值，必須從工藝中對裝備的襯底進行抽樣並藉助檢 測顯微鏡測定厚度和傾斜位置。這種檢驗費力並只能延遲地提供結果。
另一個問題通常是在厚度為150 pm以下的薄半導體晶片的情形 下。這種薄的半導體晶片在裝配之後有時發生拱起，也就是說，不再 是平坦的。
由DE 10 2004 043084公知一種用於對裝配在襯底上的半導體芯 片傾斜位置進行測量的方法，其中，將光柵投影到半導體晶片和襯底 上。光柵的線在半導體晶片的邊沿上發生偏移。在至少三個部位上對 偏移進行測量並從中計算出半導體晶片的傾斜位置。如果已知半導體 晶片的厚度，那麼也可以計算在半導體晶片與襯底之間形成的粘接劑 層的平均厚度。這種方法不能應用於所有半導體晶片，這是因為半導 體晶片通常含有使射中的光彎曲的結構。
在半導體晶片緊隨裝配後與襯底藉助引線鍵合機布線時，具有優點的是，半導體晶片每個連接區域(Pad)的實時Z高度是已知的，以 便可以使用於引線的毛細管以儘可能高的速度下沉到連接區域上，而 不在衝擊時損壞連接區域。
發明內容
本發明的任務在於，研發裝配半導體晶片的裝置以及方法，憑藉 該方法能夠以簡單的方式確定半導體晶片可能的傾斜位置以及確定半 導體晶片與襯底之間粘接劑層的厚度。
該任務依據本發明通過權利要求1和3的特徵來解決。
依據本發明的方法實現了對第一參考點與第二參考點之間的高度 差進行測量，其中，兩個參考點的至少一個處於裝配在襯底上的半導
體晶片上。該方法的特徵在於如下步驟
A) 從第一方向拍攝第一圖像，該方向以預先確定的角度(X2傾斜
於襯底的表面地延伸，其中，從第二方向對襯底和半導體晶片進行照
明，該第二方向以預先確定的角度013傾斜於襯底的表面地延伸，其中， 遠心光學器件位於光路中，
B) 從第二方向拍攝第二圖像，其中，從第一方向對襯底和半導體 晶片進行照明，其中，要麼是所述的遠心光學器件處於光路中，要麼 是另一遠心光學器件處於光路中，
C) 測定第一圖像中第一參考點位置的第一坐標和第二參考點位 置的第一坐標，並確定這兩個坐標之間的第一差值(該第一差值相應 於第一參考點與第二參考點之間的第一間距。兩個參考點的第二坐標 不起作用)，
D) 測定第二圖像中第一參考點位置的第一坐標和第二參考點位 置的第一坐標，並確定這兩個坐標之間的差值(該第二差值相應於第 一參考點與第二參考點之間的第二間距。兩個參考點的第二坐標不起
作用)，以及
E) 由從第一差值與第二差值計算出高度差。角度(X2與角度ot3之間的差值I a2 - a3 I具有優點地最高為1°。
為確定半導體晶片的位置，在至少三個部位上對所裝配的半導體 晶片遠離襯底的表面關於襯底的高度進行測量，並從中計算出半導體 晶片的位置。步驟A和B對於每個半導體晶片僅需實施一次，而步驟 C至E則對於要測量其距襯底的高度差的半導體晶片的每個部位都要 實施。
半導體晶片的位置例如通過處於半導體晶片表面上的參考點與襯 底的間距以及描述半導體晶片的表面在空間上如何定向的兩個角度cp 和e來限定。如果兩個角度cp和e的至少一個不等於零，那麼說明了 半導體晶片的傾斜位置(tilt)。
然後，利用關於半導體晶片的尺寸和厚度的信息，可以對半導體 晶片之下的任意位置處的粘接劑層的局部厚度進行計算。特別是可以 計算出粘接劑層的最小厚度和最大厚度以及平均厚度的數值。
為確定半導體晶片的平坦度，而例如測量半導體晶片中心的一點 與半導體晶片角點之間的高度差。
同樣地，可以直接在對半導體晶片布線之前確定半導體晶片每個 連接區域的實時z高度。
不同的裝置可以用於依據本發明的方法。該裝置例如可以包括兩 個照相機和兩個遠心光學器件，它們從不同的方向指向襯底和半導體 晶片。但一種特別具有優點的裝置僅包括唯一的照相機和設置在照相 機之前的遠心光學器件，以及三個彼此平行設置的半透鏡和兩個光源。 所述三個半透鏡和兩個光源這樣設置，使照相機可以從第一方向和第 二方向拍攝襯底和半導體晶片的圖像，其中，在從第一方向拍攝圖像時，第二光源從第二方向對襯底和半導體晶片進行照明，並且其中在 從第二方向拍攝圖像時，第一光源從第一方向對襯底和半導體晶片進 行照明。此外，該裝置具有優點地還包括遮光板，該遮光板可以佔據 中斷第一方向的第一位置，以及可以佔據中斷第二方向的第二位置， 以避免虛影。
下面藉助實施例和附圖對本發明進行詳細說明。其中 圖1、 2圖解示出了測量原理；
圖3示意地並以側向視圖示出適用的裝置，用以從兩個不同方向 拍攝圖像；以及
圖4示出兩張真實的圖像。
具體實施例方式
圖1和2圖解示出測量原理。圖1示出物體平面1，照相機由該平 面從兩個不同方向2和3拍攝圖像。物體平面1利用軸x和y展開一 個笛卡兒坐標系。方向2與物體平面1圍成角度a2。方向3與物體平 面1圍成角度a3並與y軸圍成角度Y。襯底7處於物體平面l上(圖2)， 襯底7帶有裝配於其上的半導體晶片8 (圖2)。
圖2在左側示出由y軸和方向2所展開的平面4及在右側示出由 軸5和方向3所展開的平面6。粘接劑層9處於半導體晶片8與襯底7 之間。
圖3以側向視圖示意地示出適用的裝置，以便從方向2拍攝圖像 和從方向3拍攝圖像。該裝置包括照相機IO、遠心光學器件ll、三個 彼此平行設置的半透鏡12、 13和14、兩個光源15和16以及具有優點 地包括可以佔據兩個位置的、由電機17驅動的遮光板18。此外，該裝 置包括圖像處理模塊19，圖像處理模塊19對由照相機IO提供的圖像 進行分析處理並測定在襯底7及半導體晶片8上預先確定的結構的位置。三個半透鏡12-14為分束器如果從第一方向2拍攝圖像，在襯底
7上的物體平面1內被散射和反射的光通過第一分光束21到達照相機 10，如果從第二方向3拍攝圖像，則通過第二分光束22到達照相機10。 第一半透鏡12在高度上相對於另外兩個半透鏡13和14錯開地設置並 負責將兩條分光束21和22匯成一條光束20。另外兩個半透鏡13和 14反射相應的分光束21或22並還用於對由光源15和16發射的光進 行耦合，以便從方向2或3對物體平面1進行照明。襯底7和半導體 晶片8包括對射中光進行反射的金屬結構，而襯底7或者其周圍和半 導體晶片8非金屬的區域一般情況下對射中的光進行漫散射。角度a2
和Cl3在不計裝配公差的情況下具有優點地大小相等，從而金屬結構在
圖像中與其周圍反差很大地凸顯出來。遮光板18要麼佔據圖3中採用 實線示出的位置Pp要麼佔據採用虛線示出的位置P2。遠心光學器件 11用於避免由於物體平面1傾斜於方向2或3延伸而造成的圖像失真。 遠心光學器件11僅對平行於軸延伸的光束進行成像，從而放大與物體
間距無關。遠心光學器件的該特性例如可以參閱網際網路百科全書 "Wikipedia"。
為從方向2拍攝圖像，遮光板18進入位置P2，從而遮光板18中 斷分光束22，斷開光源15並接通光源16。為從方向3拍攝圖像，遮 光板18進入位置Pp從而遮光板18中斷分光束21，斷開光源16並接 通光源15。遮光板18用於消除虛影。在沒有遮光板18的情況下，物 體平面1上散射的光也在由遮光板18中斷的分光束上到達照相機10 並作為不希望的虛影顯現。
兩條分光束21和22從物體平面1上的點O出發。如由圖3所看 到的那樣，點O處於與第一半透鏡12朝向照相機10的表面24相同的 平面23上。第一半透鏡12的表面24與第二半透鏡13之間的間距A2 具有優點地大於第一半透鏡12的表面24與第三半透鏡14之間的間距 A3，這是為了使在照相機10的焦平面在兩種情況下都通過點O。差值 A2_ A3取決於折射率n和第一半透鏡12的厚度。適用A2 = A3 + 0.5 * d* (l-l/n)。
圖4包括兩張真實圖像，示出襯底7及半導體晶片8的概要(附 圖符號僅標註在左側圖像上)。左側的圖像從方向2 (圖2、 3)拍攝 並且右側的圖像從方向3 (圖2、 3)拍攝。坐標軸x相應於圖1的坐 標軸x。坐標軸y在照相機10的圖像中則相反地比坐標軸y'顯得失真， 即，在從方向2拍攝的圖像中以係數sinct2縮短或在從方向3拍攝的圖 像中以係數sirm3縮短。圖像處理模塊19的任務是確定襯底7上參 考點S的y，坐標和半導體晶片8上參考點H的y'坐標。可以選取襯底 7上的任意點作為參考點S並且可以選取半導體晶片8上的任意點作為 參考點H。為了使圖像處理模塊19能以高精確度確定兩個參考點S和 H的y，位置，而在襯底7上選取結構25並在半導體晶片8上選取結構 26，它們具有優點地具有如下的邊沿，所述邊沿沿y方向具有顯著的 亮度差異。結構25確定參考點S，結構26限定參考點H。為結構25 例如分配矩形27並且參考點S被限定為矩形27的中心點。為結構26 以相同的方式分配另一矩形並將參考點H限定為該另一矩形的中心 點。但在該例子中，結構26為在專業術語中作為Fiducial (基準點) 公知的交叉點28和參考點H被限定為該交叉點28的中心點。因為半 導體晶片在每個角上均具有這種交叉點，所以箭頭指示出所選取的交 叉點。矩形27、參考點S和箭頭不屬於圖像，但為便於理解而插入圖 像內。圖像處理模塊在從方向2拍攝的圖像中測定矩形27的中心點的 y'坐標y^和交叉點28的中心點的y'坐標yH2'並且在從方向2拍攝的 圖像中測定矩形27的中心點的y'坐標ys3'和交叉點28的中心點的y 坐標yH3，。然後，在第一圖像及在第二圖像中分別計算參考點H與參 考點S之間的第一間距Ay2， = yH2，- ys2，和第二間距Ay3， = yH3，- yS3，。 兩個間距Ay2，和Ay3，為在y，方向上測得的絕對間距。照相機10以像素 單位提供Ay2，和Ay3，。它們可以通過乘以換算係數k2或k3而換算成米 制單位。因此從圖2中得出等式
k2 *Ay2，= L sina2 + D cosa2 (1) k3 *Ay3，= L si夠+ D cosa3 (2)以及距離D得出
formula see original document page 10(3)。
距離D相應於交叉點28的位置處一也就是參考點H的位置處襯 底7與半導體晶片8之間的高度差。
在參考點S和H方面還應注意如下所述原則上重要的是，在一 個圖像上選取參考點S和參考點H並且圖像處理模塊在其它圖像中尋 找相同的參考點S和H。
為了可以確定半導體晶片的傾斜位置，必須測量三個部位上的高 度差。也就是說，應在半導體晶片8上選取三個不同的參考點H並確 定其關於襯底7的高度。襯底7上的參考點S可以是相同的參考點或 者可以選取處於半導體晶片8上相應參考點H附近的三個不同參考點 S。
在可以確定半導體晶片的傾斜位置之前，必須校準依據本發明的
裝置。角度012和(X3以及換算係數k2和k3的確定例如藉助校準小片進
行，其含有以預先精確規定的間距Ax: Ay施加的參考標記，例如圓 點。校準小片這樣取向，使x方向與圖3的圖平面垂直地延伸。照相 機10從方向2拍攝圖像並且圖像處理模塊19測定像素單位點的中心 之間的間距Ax'和厶y'。角度a2由如下所述得出
formula see original document page 10(4)。
用於以米制單位對單位像素進行換算的換算係數k2由如下所述得
出
formula see original document page 10 (5)。
然後，照相機10從方向3拍攝圖像並且圖像處理模塊19測定像 素單位點的中心之間的間距Ax'和Ay'。角度a3由如下所述得出formula see original document page 11 並且用於以米制單位對單位像素進行換算的換算係數k3由如下所 述得出
formula see original document page 11
半透鏡12-14在一定的公差內在角度y (圖1)不為零的情況下， 與其理想位置有所偏差。如果角度y的數值超過預先確定的最大值Yo， 那麼角度Y在確定距離D時也應予以考慮。然後，距離D可以依據下 列步驟進行測定
1. 矯正從方向3拍攝的圖像，也就是說，將圖像在y，方向上伸長 y'坐標乘以係數1/sina3。
2. 將伸長的圖像轉動角度i。
3. 已轉動的圖像重新失真，也就是說，圖像在y方向上縮短y' 坐標乘以係數sina3。
4. 距離D的確定這時以上面進一步介紹的方式利用從方向2拍攝 的原始圖像和從方向3拍攝的並依據前面的步驟1至3矯正的圖像進 行。
因為角度Y為相對角度，其說明兩個方向2和3以多大的量環繞z 軸相互扭轉，所以可選地可以應用從方向3拍攝的原始圖像，並且對 於從方向2拍攝的圖像實施步驟1至3，但其中以係數1/sinot2伸長圖 像，然後以角度+Y轉動和最後以係數si皿2縮短，以確定距離D。
半導體晶片8的傾斜位置可以以如下方式確定，方法是採用所介 紹的方法測量至少三個部位上的距離D。如果半導體晶片8的厚度已 知，那麼也可以測定表徵粘接劑層的參數。該參數例如為粘接劑層的 平均厚度，或者為粘接劑層厚度的最小值或最大值。這種評估例如由 德國專利申請DE 10 2004 043084公知，其中有詳細地介紹，因此在這
裡不再說明。所介紹的方法也可以用於測量半導體晶片8表面的平坦度。特別
是厚度低於150nm的薄半導體晶片裝配後可能會拱起。拱起的程度例 如可以通過半導體晶片8中心的一點與半導體晶片8的四個角點之間 的高度差來表徵。圖4的半導體晶片8在中心包括金屬交叉點29。圖 像處理模塊19確定兩張圖像中交叉點29中心點的y，坐標並且然後計 算出中心點關於參考點S的高度。如果在半導體晶片8的角點處的四 個交叉點28關於參考點S的高度採用Id、 K2、 K3和K4標示並且交叉 點29關於參考點S的高度採用ks標示，那麼拱起的程度W以如下方 式得出
W = K5 - [K,+K2+K3+K4]/4 (8)。
但拱起W的程度也可以按照其它方式確定。例如確定交叉點29 與四個交叉點28之間的高度差ABd、 AK2、 AK3和AIQ (以同確定襯 底上的參考點S與半導體晶片8上的參考點H之間的高度差類似的方 式，唯一的區別在於，在這裡兩個參考點S和H處於半導體晶片8上)。 然後，拱起的程度以如下方式得出
W = [AKi+AK2+AK3+AK4]/4 (9)。
拱起的程度W藉助等式(8)和(9)的確定提供的優點是，自動 地考慮到半導體晶片8的傾斜位置。
權利要求
1.用於測量第一參考點(H)與第二參考點(S)之間高度差的方法，其中，兩個所述參考點(H、S)的至少一個處於裝配在襯底(7)上的半導體晶片(8)上，其特徵在於從第一方向(2)拍攝第一圖像，所述第一方向(2)以預先確定的角度α2傾斜於所述襯底(7)的表面地延伸，其中，從第二方向對所述襯底(7)和所述半導體晶片(8)進行照明，所述第二方向以預先確定的角度α3傾斜於所述襯底(7)的表面地延伸，其中，遠心光學器件(11)處於光路中，從所述第二方向(3)拍攝第二圖像，其中，從所述第一方向對所述襯底(7)和所述半導體晶片(8)進行照明，其中，要麼是所述的遠心光學器件(11)處於光路中，要麼是另一遠心光學器件處於光路中，測定所述第一圖像中所述第一參考點(H)位置的第一坐標和所述第二參考點(S)位置的第一坐標並確定這兩個所述坐標之間的第一差值，測定所述第二圖像中所述第一參考點(H)位置的第一坐標和所述第二參考點(S)位置的第一坐標並確定這兩個所述坐標之間的第二差值，以及由所述第一差值與所述第二差值計算出所述高度差。
2. 按權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述角度0t2與所述角 度013之間的差值最高為1°。
3. 用於測量第一參考點(H)與第二參考點(S)之間高度差的裝 置，其中，兩個所述參考點(H、 S)的至少一個處於裝配在襯底(7) 上的半導體晶片(8)上，所述裝置包括唯一的照相機(10);設置在所述照相機(10)之前的遠心光學器件(11);三個彼此平行設置的半透鏡(12-14)，以及 兩個光源(15、 16)，其中，三個所述鏡(12-14)和兩個所述光源(15、 16)這樣設置， 使得所述照相機(10)能夠從所述第一方向(2)和所述第二方向(3) 拍攝所述襯底(7)和所述半導體晶片(8)的圖像，其中，為從所述 第一方向(2)拍攝圖像，而能夠從所述第二方向對所述襯底(7)和 所述半導體晶片(8)進行照明，以及其中，為從所述第二方向(3) 拍攝圖像，而能夠從所述第一方向對所述襯底(7)和所述半導體晶片 (8)進行照明。
4. 按權利要求3所述的裝置，還包括遮光板(18),所述遮光板 (18)能佔據第一位置，在所述第一位置中所述遮光板(18)中斷所述第一方向(2)，並且所述遮光板(18)能佔據第二位置，在所述第 二位置中所述遮光板(18)中斷所述第二方向(3)。
5. 按權利要求3或4所述的裝置，其特徵在於，所述第一鏡(12) 朝向所述照相機(10)的表面(24)和能實現從所述第一方向(2)拍 攝圖像的所述第二鏡(13)之間的間距大於所述第一鏡(12)的所述 表面(24)與能實現從所述第二方向(3)拍攝圖像的所述第三鏡(14) 之間的間距。
全文摘要
第一參考點(H)與第二參考點(S)之間的高度差的確定，其中，兩個參考點(H、S)的至少一個處於裝配在襯底(7)上的半導體晶片(8)上，所述確定過程包括步驟A)從第一方向(2)拍攝第一圖像，該第一方向(2)以預先確定的角度α2傾斜於襯底的表面地延伸，其中，從第二方向(3)對襯底和半導體晶片進行照明，該第二方向(3)以預先確定的角度α3傾斜於襯底的表面地延伸，B)從第二方向拍攝第二圖像，其中，從第一方向(2)對襯底和半導體晶片進行照明，C)測定第一圖像中參考點S與參考點H之間的第一間距，D)測定第二圖像中參考點S與參考點H之間的第二間距，以及E)由第一間距與第二間距計算出高度差。
文檔編號G01B11/06GK101553705SQ200780045453
公開日2009年10月7日 申請日期2007年11月19日 優先權日2006年12月7日
發明者派屈克·布萊辛, 斯特凡·貝勒, 史蒂芬·朔爾策, 羅蘭德·斯塔爾德, 馬丁·文阿克斯 申請人:Esec公司