JP5454239B2 - 基板貼り合せ装置、基板貼り合せ方法、積層半導体装置製造方法及び積層半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板貼り合せ装置、基板貼り合せ方法、積層半導体装置製造方法及び積層半導体装置に関する。

半導体装置の実装密度を高める目的で、電子回路が形成された複数の基板を積層した積層型の半導体装置が注目されている。複数の基板を積層する場合に、基板同士を位置合せして貼り合せる基板貼り合せ装置を用いる。当該基板貼り合わせ装置の基板同士の位置合せにおいて、基板を保持したステージの相対位置を干渉計で計測して当該ステージの位置を制御する（例えば、特許文献１を参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２００９−２３１６７１号公報

基板貼り合せ装置において、接合すべき２枚の基板の表面に傾斜があるときは、当該表面同士が平行になるように、基板を保持するステージの少なくとも一方を傾ける。それに伴って、ステージに設けられた干渉計用の反射鏡も同時に傾斜するので、反射鏡における光線の当たる位置が基板の面方向にずれることになる。よって、ステージが基板の面方向に移動していないにもかかわらず、干渉計で見た基板の面方向の見かけ上の位置がずれて計測されてしまい、基板同士の位置を誤検出するおそれがある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、本体と、第１基板を保持する保持面を有し、本体に対して保持面の面方向の移動を禁止されるとともに、保持面を傾斜可能な第１ステージと、第２基板を保持する保持面を有し、第１ステージに対向して配され、本体に対し移動可能な第２ステージと、第２基板が第１基板に当接することにより第１ステージの保持面が傾斜した傾斜量に応じて、第２ステージにおける第２基板の面方向の位置を補正する位置補正部とを備える基板貼り合せ装置が提供される。

本発明の第２の態様においては、本体に対して保持面の面方向の移動を禁止されるとともに、保持面を傾斜可能な第１ステージの保持面に載置された第１基板に、第１ステージに対向して配され、本体に対し移動可能な第２ステージの保持面に保持された第２基板を重ね合わせるステップと、第２基板が第１基板に当接することにより第１ステージの保持面が傾斜した傾斜量に応じて、第２ステージにおける第２基板の面方向の位置を補正するステップとを備える基板貼り合せ方法が提供される。

本発明の第３の態様においては、上記基板貼り合せ方法により基板を貼り合せることを含む積層半導体装置製造方法が提供される。

本発明の第４の態様においては、上記積層半導体装置製造方法により製造された積層半導体装置が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

一実施形態である基板貼り合せ装置１００の全体構造を模式的に示す平面図である。 ステージ装置１４０の構造を概略的に示す正面図である。 第２ステージ１４２の構造を概略的に示す平面図である。 第１顕微鏡３４２により第２基板１２３の表面に設けられたアラインメントマークを観察する概念図である。 第２顕微鏡３４４により第１基板１２２の表面に設けられたアラインメントマークを観察する概念図である。 干渉計の配置を概略的に示す斜視図である。 基板貼り合せ方法の一実施形態のフローチャートである。 第１基板１２２と第２基板１２３の位置合せ過程を概略的に示す。 第１基板１２２と第２基板１２３を重ね合わせる過程を概略的に示す。 正確に重ね合せた場合の第１基板１２２と第２基板１２３位置関係を示す。 第１固定鏡３７４の傾斜により、干渉計３７０の光線が照射する位置のずれδを示す。 干渉計３７０の光線が照射する第１固定鏡３７４の位置のずれδにより生ずる重ね合せのずれを概念的に示す。 積層半導体装置の製造方法を概略的に示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、基板貼り合せ装置１００の全体構造を模式的に示す平面図である。基板貼り合せ装置１００は、筐体１０２と、常温部１０４と、高温部１０６と、基板カセット１１２、１１４、１１６とを備える。常温部１０４および高温部１０６は、共通の筐体１０２の内部に設けられる。

基板カセット１１２、１１４、１１６は、筐体１０２の外部に、筐体１０２に対して脱着自在に装着される。基板カセット１１２、１１４、１１６は、基板貼り合せ装置１００において接合される第１基板１２２および第２基板１２３を収容する。基板カセット１１２、１１４、１１６により、複数の第１基板１２２および第２基板１２３が一括して基板貼り合せ装置１００に装填される。また、基板貼り合せ装置１００において接合された第１基板１２２および第２基板１２３が一括して回収される。

常温部１０４は、筐体１０２の内側にそれぞれ配された、プリアライナ１２６、ステージ装置１４０、基板ホルダラック１２８および基板取り外し部１３０と、一対のロボットアーム１３２、１３４とを備える。筐体１０２の内部は、基板貼り合せ装置１００が設置された環境の室温と略同じ温度が維持されるように温度管理される。

プリアライナ１２６は、高精度であるが故に狭いステージ装置１４０の調整範囲に第１基板１２２または第２基板１２３の位置が収まるように、個々の第１基板１２２または第２基板１２３の位置を仮合わせする。これにより、ステージ装置１４０が確実に位置決めをすることができる。

基板ホルダラック１２８は、複数の上基板ホルダ１２４および複数の下基板ホルダ１２５を収容して待機させる。上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５は、それぞれ、第１基板１２２および第２基板１２３を静電吸着により保持する。

ステージ装置１４０は、貼り合せの対象である第１基板１２２と第２基板１２３における接合すべき電極同士の位置を合わせて、重ね合わせる。ステージ装置１４０を包囲して断熱壁１４５およびシャッタ１４６が設けられる。断熱壁１４５およびシャッタ１４６に包囲された空間は空調機等に連通して温度管理され、ステージ装置１４０における位置合わせ精度を維持する。ステージ装置１４０は、第１ステージ１４１と、基板又は基板ホルダを搬送できる第２ステージ１４２を有する。ステージ装置１４０についての詳細な説明は、他の図面を用いて後述する。

基板取り外し部１３０は、高温部１０６の加圧部２４０から搬出された上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５に挟まれて貼り合わされた第１基板１２２および第２基板１２３（以下、積層基板と記載することがある）を取り出す。上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５から取り出された積層基板は、ロボットアーム１３４、１３２および第２ステージ１４２により基板カセット１１２、１１４、１１６のうちのひとつに戻されて収容される。積層基板を取り出された上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５は、基板ホルダラック１２８に戻されて待機する。基板取り外し部１３０は、基板ホルダラック１２８の上方に配される。

なお、基板貼り合せ装置１００に装填される第１基板１２２および第２基板１２３は、単体のシリコンウエハ、化合物半導体ウェハ、ガラス基板等の他、それらに素子、回路、端子等が形成されたものであってよい。また、装填された第１基板１２２および第２基板１２３が、既に複数のウェハを積層して形成された積層基板である場合もある。

一対のロボットアーム１３２、１３４のうち、基板カセット１１２、１１４、１１６に近い側に配置されたロボットアーム１３２は、基板カセット１１２、１１４、１１６、プリアライナ１２６およびステージ装置１４０の間で第１基板１２２および第２基板１２３を搬送する。一方、基板カセット１１２、１１４、１１６から遠い側に配置されたロボットアーム１３４は、ステージ装置１４０、基板ホルダラック１２８、基板取り外し部１３０およびエアロック２２０の間で、第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を搬送する。

ロボットアーム１３４は、基板ホルダラック１２８に対して、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５の搬入および搬出も担う。また、ロボットアーム１３４は、第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５を裏返す機能も有する。これにより、第１基板１２２において回路等が形成された面を第２基板１２３において回路等が形成された面に対向させて貼り合せる。

高温部１０６は、断熱壁１０８、エアロック２２０、ロボットアーム２３０および複数の加圧部２４０を有する。断熱壁１０８は、高温部１０６を包囲して、高温部１０６の高い内部温度を維持すると共に、高温部１０６の外部への熱輻射を遮断する。これにより、高温部１０６の熱が常温部１０４に及ぼす影響を抑制する。

ロボットアーム２３０は、加圧部２４０のいずれかとエアロック２２０との間で第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を搬送する。エアロック２２０は、常温部１０４側と高温部１０６側とに、交互に開閉するシャッタ２２２、２２４を有する。

第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５が常温部１０４から高温部１０６に搬入される場合、まず、常温部１０４側のシャッタ２２２が開かれ、ロボットアーム１３４が第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５をエアロック２２０に搬入する。次に、常温部１０４側のシャッタ２２２が閉じられ、高温部１０６側のシャッタ２２４が開かれる。

続いて、ロボットアーム２３０が、エアロック２２０から第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を搬出して、加圧部２４０のいずれかに装入する。加圧部２４０は、上基板ホルダ１２４と下基板ホルダ１２５に挟まれた状態で加圧部２４０に搬入された第１基板１２２及び第２基板１２３を加熱および加圧する。これにより第１基板１２２と第２基板１２３が接合されて、貼り合わされる。なお、加圧部２４０は、第１基板１２２及び第２基板１２３を加熱せずに加圧することで第１基板１２２及び第２基板１２３を貼り合せてもよい。

高温部１０６から常温部１０４に積層基板を搬出する場合は、上記の一連の動作を逆順で実行する。これらの一連の動作により、高温部１０６の内部雰囲気を常温部１０４側に漏らすことなく、第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を高温部１０６に搬入または搬出できる。

このように、基板貼り合せ装置１００内の多くの領域において、上基板ホルダ１２４が第１基板１２２を保持した状態で、又は下基板ホルダ１２５が第２基板１２３を保持した状態で、ロボットアーム１３４、２３０および第２ステージ１４２により搬送される。第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４又は第２基板１２３を保持した下基板ホルダ１２５が搬送される場合、ロボットアーム１３４、２３０は、真空吸着、静電吸着等により上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５を吸着して保持してよい。

図２は、ステージ装置１４０の構造を概略的に示す。ステージ装置１４０は、本体３１０の内側に配された第１ステージ１４１と第２ステージ１４２の他に、制御部１４８と、平行基準マーク１５２と、ロードセル３２２と、第１顕微鏡３４２と、第２顕微鏡３４４と、干渉計３７０と、第１固定鏡３７４と、第２固定鏡３７６とを備える。

本体３１０は、互いに平行で水平な天板３１２および底板３１６と、天板３１２および底板３１６を結合する複数の支柱３１４とを備える。天板３１２、支柱３１４および底板３１６は、それぞれ高剛性な材料により形成され、内部機構の動作に係る反力が作用した場合も変形を生じない。なお、基板貼り合せ装置１００に組み込まれた場合は、支柱３１４相互の間は断熱壁１４５により封止される。

第１ステージ１４１は、３個以上のロードセル３２２を介して、天板３１２の下面に固定される。図２において、第１ステージ１４１の下面が上基板ホルダ１２４又は第１基板１２２を保持する保持面となる。この実施形態では、第１ステージ１４１は、真空吸着により第１基板１２２を下面に保持する上基板ホルダ１２４を吸着する。当該吸着方法は、静電吸着であってもよい。上基板ホルダ１２４は、静電吸着により第１基板１２２を吸着して保持する。

ロードセル３２２は、第２ステージ１４２が上昇して、第１ステージ１４１との間に第１基板１２２と第２基板１２３を重ね合わせて挟むときに、第１ステージ１４１が第２ステージ１４２から受ける圧力を計測する。計測したデータは制御部１４８に送信して記憶する。制御部１４８は、ロードセル３２２が弾性変形をする範囲において、ロードセル３２２から取得した計測データと予め入力されたロードセル３２２のばね定数から、ロードセル３２２の変位量を算出する。また、制御部１４８は、３個以上のロードセル３２２の変位量に基づいて、第１ステージ１４１の傾斜の中心の位置および傾斜角度等を算出して記憶することができる。

第２ステージ１４２は、第１ステージ１４１に対向して昇降部３６０に配される。昇降部３６０は、底板３１６の上に載置され、底板に対して固定されたガイドレール３５２に案内されつつＸ方向に移動するＸステージ３５４と、Ｘステージ３５４の上でＹ方向に移動するＹステージ３５６の上に載置される。よって、制御部１４８の制御により、第２ステージ１４２に搭載された部材を、ＸＹ平面上の任意の方向に移動でき、Ｚ方向にも移動できる。Ｚ方向の移動距離は変位センサー３７２により検知できる。変位センサー３７２が検出したデータが制御部１４８にフィードバックされる。

図２において、第２ステージ１４２の上面が下基板ホルダ１２５又は第２基板１２３を保持する保持面となる。この実施形態では、第２ステージ１４２は、真空吸着等により下基板ホルダ１２５を保持し、下基板ホルダ１２５は、静電吸着により第２基板１２３を保持する。昇降部３６０は、制御部１４８からの指示に応じて、第２ステージ１４２をＺ方向に昇降する。昇降部３６０の駆動形式の例として、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）による駆動、シリンダー及びピストンによる駆動等が挙げられる。第２ステージ１４２は、粗動微動分離駆動機構を有してよい。

図３は、第２ステージ１４２の構造を概略的に示す平面図である。第２ステージ１４２は、回転中心Ｏを有する。第２ステージ１４２は、回転中心Ｏを原点とし、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸を回転軸として回転する機能を有する。

第２ステージ１４２の上面には、図３に示すように、３つの平行基準マーク１５２が設けられる。３つの平行基準マーク１５２は、一直線にならないように設けられる。例えば、図３に示すように、３つの平行基準マーク１５２は下基板ホルダ１２５を保持する領域の外側において、中心Ｏに対して互いに約９０°間隔をおいて配置されてよい。

平行基準マーク１５２は、第２ステージ１４２の平行基準位置を設定するのに用いられる。平行基準マーク１５２は、３つより多く設けられても良い。平行基準マーク１５２の上面は、高精度に平面に加工され、アラインメント用マークが設けられる。全ての平行基準マーク１５２の上面は、第２ステージ１４２に対して同じ高さを有するように設定される。

第１顕微鏡３４２は、天板３１２の下面に、第１ステージ１４１に対して既知の間隔をおいて固定される。第１顕微鏡３４２は、オートフォーカスセンサーを有する。第１顕微鏡３４２は、第１マーク観察部の一例である。

図４は、第１顕微鏡３４２により第２基板１２３の表面に設けられたアラインメントマークを観察する概念図である。図４に示すように、第１顕微鏡３４２は、第２ステージ１４２に保持された第２基板１２３の表面に設けられたアラインメントマークを観察して、その位置、距離を計測する。第１顕微鏡３４２により計測される位置、距離のデータは、制御部１４８に送信される。

第１顕微鏡３４２は、平行基準マーク１５２の上面に設けられるアラインメントマークを観察して、その位置、距離を計測する。第１顕微鏡３４２により計測される位置、距離のデータは、制御部１４８に送信される。制御部１４８は、受信したデータに基づいて、各平行基準マーク１５２に対して第１顕微鏡３４２が計測した距離が一定になるように第２ステージ１４２を制御することにより、第２ステージ１４２を水平にすることができる。

第２顕微鏡３４４は、第２ステージ１４２に固定され、第２ステージ１４２と共に移動する。第２顕微鏡３４４は、オートフォーカスセンサーを有する。第２顕微鏡３４４は、第２マーク観察部の一例である。

図５は、第２顕微鏡３４４により第１基板１２２の表面に設けられたアラインメントマークを観察する概念図である。図５に示すように、第２顕微鏡３４４は、第１ステージ１４１に保持された第１基板１２２の表面に設けられたアラインメントマークを観察して、その位置、距離を計測することができる。第２顕微鏡３４４により計測される位置、距離のデータは、制御部１４８に送信される。制御部１４８は、受信したデータに基づいて、第２ステージ１４２を制御する。

図６は、ステージ装置１４０に設けられる干渉計の配置を概略的に示す斜視図である。図６には、干渉計から照射する光線を矢印付き破線により示す。ステージ装置１４０には、干渉計３７０、干渉計３８０及び干渉計３９０が設けられる。

干渉計３７０は、それぞれ第１ステージ１４１及び第２ステージ１４２に固定された第１固定鏡３７４及び第２固定鏡３７６に光を照射して、第１固定鏡３７４及び第２固定鏡３７６から反射される光の干渉により、第１ステージ１４１に対する第２ステージ１４２のＸ方向の相対位置及びＹ軸を回転軸とする相対的な傾斜量を検知できる。干渉計３８０は、第１ステージ１４１に対する第２ステージ１４２のＺ軸を回転軸とする相対的な回転量を検知できる。干渉計３９０は、それぞれ第１ステージ１４１及び第２ステージ１４２に固定された第３固定鏡３９２及び第４固定鏡３９４に光を照射して、第３固定鏡３９２及び第４固定鏡３９４から反射される光の干渉により、第１ステージ１４１に対する第２ステージ１４２のＹ方向の相対位置及びＸ軸を回転軸とする相対的な傾斜量を検知できる。干渉計３７０、干渉計３８０および干渉計３９０は、検出したデータを制御部１４８にフィードバックする。

図２の制御部１４８は、干渉計３７０、干渉計３８０、干渉計３９０、変位センサー３７２、第１顕微鏡３４２及び第２顕微鏡３４４により送信されるデータに基づいて、第２ステージ１４２を精密に制御する。制御部１４８は、上記データに基づいて、上基板ホルダ１２４を介して第１ステージ１４１に保持された第１基板１２２の表面と、下基板ホルダ１２５を介して第２ステージ１４２に保持された第２基板１２３の表面との間の間隔を計算することができる。制御部１４８は、第２ステージ１４２が平行基準位置からの傾斜量に基づいて、第１基板と第２基板との間の横ずれを計算することができ、且つ計算結果により第２ステージ１４２の位置を補正することができる。

図７は、基板貼り合せ方法の一実施形態のフローチャートである。この基板貼り合せ方法は、基板設置ステップＳ０１０と、平行基準設定ステップＳ０２０と、第１基板観察ステップＳ０３０と、第２基板観察ステップＳ０４０と、位置合せステップＳ０５０と、重ね合わせステップＳ０６０と、位置補正ステップＳ０７０と、貼り合せステップＳ０８０とを備える。

図８から図１０は、この基板貼り合せ方法の一部ステップにおける第１基板１２２と第２基板１２３との相対位置を概略的に示す。これらの図面において、ステージ装置１４０に備える構成のいくつかを省略するとともに、第２基板１２３の表面の傾斜を誇張して表している。第１基板１２２および第２基板１２３は、表面に回路を形成する段階、および、表面または裏面を研磨する段階等において、厚みにばらつきが生じて、上基板ホルダ１２４、下基板ホルダ１２５等に保持された状態で表面が傾斜する場合がある。

ステップＳ０１０において、第１基板１２２及び第２基板１２３をステージ装置１４０に設置する。まず、ロボットアーム１３２により、基板カセット１１２、１１４、１１６のいずれかに収容されている一枚の第１基板１２２がプリアライナ１２６に搬入され、外形基準により位置決めされる。ロボットアーム１３４は、一枚の上基板ホルダ１２４を第２ステージ１４２に搭載する。上基板ホルダ１２４を搭載した第２ステージ１４２は、ロボットアーム１３２の近傍まで移動する。ロボットアーム１３２は、この上基板ホルダ１２４に第１基板１２２を搭載する。これにより、上基板ホルダ１２４が第１基板１２２を保持する。

第２ステージ１４２が再びロボットアーム１３４の側に移動する。ロボットアーム１３４は、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を裏返して、第１ステージ１４１に近接させる。第１ステージ１４１は、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を真空吸着により保持する。

次に、ロボットアーム１３４は、下基板ホルダ１２５を第２ステージ１４２に搭載する。下基板ホルダ１２５を搭載した第２ステージ１４２は、ロボットアーム１３２の近傍まで移動する。ロボットアーム１３２は、この下基板ホルダ１２５に、プリアライナ１２６において外形基準で位置決めされた第２基板１２３を搭載する。これにより、下基板ホルダ１２５は第２基板１２３を保持する。さらに、第２ステージ１４２は、下基板ホルダ１２５を真空吸着により保持する。第２ステージ１４２は、下基板ホルダ１２５及び第２基板１２３を載置して、第１ステージ１４１の直下に移動する。

ステップＳ０２０において、第２ステージ１４２に取り付けられた各平行基準マーク１５２に対して、第１顕微鏡３４２が計測した距離が一定になるように第２ステージ１４２を制御することにより、第２ステージ１４２を水平に調整して、その位置を第２ステージ１４２の平行基準位置として設定する。

ステップＳ０３０において、図５に示すように、第２顕微鏡３４４により、第１ステージ１４１に保持された第１基板１２２の表面に設けられた複数のアラインメントマークを観察して、第１基板１２２の表面のＸ、Ｙ方向の位置、Ｚ軸まわりの向き、Ｘ、Ｙ軸まわりの傾斜等を計測する。第２顕微鏡３４４により計測したデータを制御部１４８に送信する。

ステップＳ０４０において、図４に示すように、第１顕微鏡３４２により、第２ステージ１４２に保持された第２基板１２３の表面に設けられた複数のアラインメントマークを観察して、第２基板１２３の表面のＸ、Ｙ方向の位置、Ｚ軸まわりの向き、Ｘ、Ｙ軸まわりの傾斜等を計測する。第１顕微鏡３４２により計測したデータを制御部１４８に送信する。

ステップＳ０５０において、図８に示すように、制御部１４８は、干渉計３７０、干渉計３８０、干渉計３９０、変位センサー３７２、第１顕微鏡３４２及び第２顕微鏡３４４により送信されるデータに基づいて、第１基板１２２及び第２基板１２３の位置を計算して、第２ステージ１４２を移動して、第１基板１２２と第２基板１２３における接合すべき電極同士の位置が合うように位置合せする。上記の移動は、Ｘ−Ｙ軸面内で平行移動、Ｚ軸の回転移動を含む。制御部１４８は、このときの第１ステージ１４１と第２ステージ１４２の位置が第１基板１２２と第２基板１２３との接合すべき相対位置と記憶する。

ステップＳ０６０において、第２ステージ１４２をＺ方向に上昇させて、第１基板１２２と第２基板１２３とを重ね合わせる。この場合に、第１基板１２２と第２基板１２３の表面に傾斜があると、図９に示すように、重ね合わせる過程において第１基板１２２と第２基板１２３の表面が均等に接触することができない。第１基板１２２と第２基板１２３の表面の傾斜を全て第１ステージの傾きにより吸収させながら、第２ステージをＺ方向にだけ上昇させると、図１０のように、第１基板１２２と第２基板１２３を正確に重ね合わせることができる。

しかし、第１ステージ１４１の傾斜に伴って、第１固定鏡３７４も傾斜する。第１固定鏡３７４の傾斜により、干渉計３７０の光線が照射する第１固定鏡３７４の位置がδ分だけ左にずれる。このずれδは、後述の重ね合せのずれをもたらす。

図１１は、第１固定鏡３７４の傾斜により、干渉計３７０の光線が照射する位置のずれδを示す。傾斜する前の第１ステージ１４１及び第１固定鏡３７４は、破線で示し、傾斜後の第１ステージ１４１及び第１固定鏡３７４は、実線で示す。図１１に示す例において、傾斜軸は、紙面に垂直して、第１基板表面の中心Ｏを通るＹ軸であり、傾斜角度はθとする。

第１ステージ１４１が傾斜する前に、干渉計３７０の光線が第１固定鏡３７４の鏡面３７５の点ａに照射するとし、第１ステージ１４１が傾斜した後に、干渉計３７０の光線が第１固定鏡３７４の鏡面３７５の点ｂに照射するとする。光線の照射点が点ａから点ｂまで左にずれることにより、光路がδだけ短くなる。従って、干渉計３７０は、見かけ上、第１ステージ１４１が左方向に距離δを移動したものと誤って検出することになる。

干渉計３７０の検出データを受信した制御部１４８は、第１ステージ１４１が接合位置からずれていると判断し、それに合わせるべく第２ステージ１４２をＺ方向に上昇させながら左方向に距離δを移動させるとすれば、図１２に示すように、第２基板１２３は第１基板１２２に対して左方向に距離δずれた状態で第１基板１２２と重ね合わされることになる。

第１ステージ１４１が傾斜する場合の距離δは、第１ステージ１４１のＸ、Ｙ、Ｚ軸のシフト及び傾斜等６自由度を考慮して、計算することができるが、図１１に示す場合には、次の計算式となる。

ここで、ｖは傾斜軸Ｏと干渉計３７０の光線との高さ方向の距離である。ｗは傾斜軸Ｏから傾斜前の鏡面３７５までの距離である。

制御部１４８は、各干渉計から取得したデータに基づいて、第１ステージ１４１の傾斜中心の位置、傾斜角度θ、ｖ及びｗを算出する。よって、制御部１４８は、上記データに基づいて式（１）により距離δを算出することができる。

ステップＳ０７０において、制御部１４８は、上述の誤った判断に基づく制御により第２ステージ１４２がずれた方向と反対の方向（図１２では右方向）に第２ステージ１４２を距離δだけ移動して、重ね合せの位置を補正する。この補正により、図１０に示すように、第１ステージ１４１が傾斜した状態で、第１基板１２２と第２基板１２３は正確な位置で重ね合わせることができる。

ステップＳ０７０の位置補正は、ステップＳ０６０の重ね合せて同時に行ってもよい。第２ステージ１４２を上昇させ、第１基板１２２と第２基板１２３を重なり合う過程で第１ステージ１４１が傾斜していく。この場合に制御部１４８は、第１ステージ１４１の傾斜角θに合わせて、随時対応するδを計算して、第１ステージ１４１の横変位からδ分だけ差し引いて、第２ステージ１４２の面方向の位置を制御することにより、重ね合せつつ位置を補正することができる。この場合、位置補正が第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面が軽く接触する状態で行われるので、第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面との摩擦によるダメージを防ぐことができる。

ステップＳ０８０において、上基板ホルダ１２４に対する第１ステージ１４１の吸着が解除され、当接した第１基板１２２および第２基板１２３を挟んだ上基板ホルダ１２４と下基板ホルダ１２５は、第２ステージ１４２に保持されて降下する。当接した第１基板１２２および第２基板１２３を挟んだ上基板ホルダ１２４と下基板ホルダ１２５は、ロボットアーム１３４によりエアロック２２０に搬送される。エアロック２２０に搬送された第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５は加圧部２４０に装入される。加圧部２４０において加熱および加圧されることにより、第１基板１２２および第２基板１２３は互いに貼り合わされて一体になる。

ステージ装置１４０において、重ね合わせた第１基板１２２および第２基板１２３を加圧および加熱してこれらを接合することにより、加圧部２４０を省略した基板貼り合せ装置１００を形成することもできる。なお、上記実施形態において上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を用いたが、これらの一方または両方を用いずに、第１基板１２２および第２基板１２３の一方または両方を直接第１ステージ１４１等に保持させてもよい。また、ステージ装置１４０は、平行基準マーク１５２、第１基板１２２と第２基板１２３のアラインメントマークに基づいて、第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面とを平行にすべく第２ステージ１４２を傾ける傾斜機構をさらに備えてもよい。制御部１４８は、上記傾斜機構による第２ステージ１４２の保持面の傾斜量に応じて、第２ステージ１４２における第２基板１２３の面方向の位置をさらに補正してよい。

図１３は、積層半導体装置を製造する製造方法の概略を示す。図１３に示すように、積層半導体装置は、当該積層半導体装置の機能・性能設計を行うステップＳ１１０、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を製作するステップＳ１２０、積層半導体装置の基材である基板を製造するステップＳ１３０、マスクのパターンを用いたリソグラフィを含む基板処理ステップＳ１４０、上記の基板貼り合せ方法を用いた基板貼り合せ工程等を含むデバイス組み立てステップＳ１５０、検査ステップＳ１６０等を経て製造される。なお、デバイス組み立てステップＳ１５０は、基板貼り合せ工程に続いて、ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００ 基板貼り合せ装置、１０２ 筐体、１０４ 常温部、１０６ 高温部、１０８ 断熱壁、１１２ 基板カセット、１１４ 基板カセット、１１６ 基板カセット、１２２ 第１基板、１２３ 第２基板、１２４ 上基板ホルダ、１２５ 下基板ホルダ、１２６ プリアライナ、１２８ 基板ホルダラック、１３０ 基板取り外し部、１３２ ロボットアーム、１３４ ロボットアーム、１４０ ステージ装置、１４１ 第１ステージ、１４２ 第２ステージ、１４５ 断熱壁、１４６ シャッタ、１４８ 制御部、１５２ 平行基準マーク、２２０ エアロック、２２２ シャッタ、２２４ シャッタ、２３０ ロボットアーム、２４０ 加圧部、３１０ 本体、３１２ 天板、３１４ 支柱、３１６ 底板、３２２ ロードセル、３４２ 第１顕微鏡、３４４ 第２顕微鏡、３５２ ガイドレール、３５４ Ｘステージ、３５６ Ｙステージ、３６０ 昇降部、３７０ 干渉計、３７２ 変位センサー、３７４ 第１固定鏡、３７５ 鏡面、３７６ 第２固定鏡、３８０ 干渉計、３９０ 干渉計、３９２ 第３固定鏡、３９４ 第４固定鏡

Claims (26)

1. 第１基板と第２基板とを互いに貼り合せる基板貼り合せ装置であって、
   前記第１基板を保持する第１ステージと、
   前記第２基板を前記第１基板に対向するように保持し、前記第１基板と前記第２基板とを互いに接触させるべく前記第１ステージに対して相対移動可能な第２ステージと、
   前記第１ステージおよび前記第２ステージの少なくとも一方に対して固定された固定鏡を有し、前記固定鏡からの反射光の干渉により前記第１ステージおよび前記第２ステージの前記少なくとも一方の位置を検出する干渉計と、
   前記第１基板と前記第２基板との接触により前記第１ステージおよび前記第２ステージの前記少なくとも一方が傾斜したとき、前記干渉計による検出結果に基づいて、その傾斜量に応じて前記第１基板と前記第２基板との相対位置を補正する位置補正部と、
   を備える基板貼り合せ装置。
2. 前記位置補正部は、前記第１ステージの傾斜量に応じて、前記第２ステージにおける前記第２基板の面方向の位置を補正する請求項１に記載の基板貼り合せ装置。
3. 前記固定鏡は、前記第１ステージに対して固定された第１固定鏡と、前記第２ステージに対して固定された第２固定鏡と、を有し、
   前記干渉計は、前記第１固定鏡と前記第２固定鏡との相対位置から前記第１ステージと前記第２ステージとの相対位置を検出する請求項１または２に記載の基板貼り合せ装置。
4. 前記位置補正部は、前記干渉計の検出結果に基づいて補正量を算出し、前記第１ステージと前記第２ステージとの見かけ上の位置ずれ量を前記補正量から差し引く補正を行う請求項３に記載の基板貼り合せ装置。
5. 前記位置補正部は、前記第１ステージが傾くことによって前記第１固定鏡が傾いたことにより生じた見かけ上の位置ずれ量を前記補正量から差し引く請求項４に記載の基板貼り合せ装置。
6. 前記位置補正部は、前記第１基板の表面の中心を通り、前記表面に沿って伸びる軸の周りに前記第１ステージが回転したときの相対位置のずれ量を前記見かけ上の位置ずれ量とし、前記補正量から差し引く請求項４または５に記載の基板貼り合せ装置。
7. 前記位置補正部は、前記干渉計から取得したデータに基づいて、前記見かけ上の位置ずれ量を算出する請求項４から６のいずれか一項に記載の基板貼り合せ装置。
8. 前記第１ステージの傾斜角度を検出する角度検出部を備え、
   前記位置補正部は、前記角度検出部により検出された前記第１ステージの傾斜角度に基づいて、前記見かけ上の位置ずれ量を算出する請求項４から６のいずれか一項に記載の基板貼り合せ装置。
9. 前記角度検出部は、前記第１基板と前記第２基板とが互いに接触したときに前記第１ステージが前記第２ステージから受ける圧力を計測する圧力計測部を有し、前記圧力計測部で計測された圧力から前記第１ステージの傾斜角度を算出する請求項８に記載の基板貼り合せ装置。
10. 前記位置補正部は、前記見かけ上の位置ずれの方向と反対方向に前記第２ステージを移動することで補正を行う請求項４から９のいずれか一項に記載の基板貼り合せ装置。
11. 前記位置補正部は、前記第１基板と前記第２基板とが接触した後、前記第２ステージが前記第１ステージに向けて移動することにより変化する前記第１ステージの傾斜量に応じて、前記見かけ上の位置ずれの方向と反対方向に前記第２ステージを随時移動することで補正を行う請求項４から１０のいずれか１項に記載の基板貼り合せ装置。
12. 前記第２ステージに取り付けられ、前記第２ステージの平行基準となる平行基準マークと、
    前記平行基準マークおよび前記第２基板の表面に設けられたアラインメントマークを観察する第１マーク観察部と、
    前記第１基板の表面に設けられたアラインメントマークを観察する第２マーク観察部と、
    前記平行基準マークおよび前記アラインメントマークに基づいて、前記第１基板の表面と前記第２基板の前記表面とを平行にすべく前記第２ステージを傾ける傾斜機構と、
    をさらに備える請求項１から１１のいずれか一項に記載の基板貼り合せ装置。
13. 前記位置補正部は、前記傾斜機構による前記第２ステージの傾斜量に応じて、前記第２ステージにおける前記第２基板の面方向の位置をさらに補正する請求項１２に記載の基板貼り合せ装置。
14. 第１基板と第２基板とを互いに貼り合せる基板貼り合せ方法であって、
    前記第１基板を第１ステージに保持する第１保持工程と、
    前記第２基板を前記第１基板に対向するように第２ステージに保持する第２保持工程と、
    前記第１基板と前記第２基板とを互いに位置合わせして接触させるべく前記第１ステージに対し前記第２ステージを相対移動させる位置合わせ工程と、
    前記第１ステージおよび前記第２ステージの少なくとも一方に対して固定された固定鏡からの反射光の干渉により前記第１ステージおよび前記第２ステージの前記少なくとも一方の位置を干渉計により検出する位置検出工程と、
    前記位置合わせ工程において前記第１基板と前記第２基板との接触により前記第１ステージおよび前記第２ステージの少なくとも一方が傾斜したとき、前記干渉計による干渉結果に基づいて、その傾斜量に応じて前記第１基板と前記第２基板との相対位置を補正する位置補正工程と、
    を含む基板貼り合せ方法。
15. 前記位置補正工程は、前記第１ステージの傾斜量に応じて、前記第２ステージにおける前記第２基板の面方向の位置を補正する請求項１４に記載の基板貼り合せ方法。
16. 前記干渉計は、前記固定鏡として、前記第１ステージに対して固定された第１固定鏡と、前記第２ステージに対して固定された第２固定鏡とを有し、
    前記位置補正工程は、前記第１固定鏡と前記第２固定鏡との相対位置から前記第１ステージと前記第２ステージとの相対位置を検出する請求項１４または１５に記載の基板貼り合せ方法。
17. 前記位置補正工程は、前記干渉計の検出結果に基づいて補正量を算出し、前記第１ステージと前記第２ステージとの見かけ上の位置ずれ量を前記補正量から差し引く補正を行う請求項１６に記載の基板貼り合せ方法。
18. 前記位置補正工程は、前記第１ステージが傾くことによって前記第１固定鏡が傾いたことにより生じた見かけ上の位置ずれ量を前記補正量から差し引く請求項１７に記載の基板貼り合せ方法。
19. 前記位置補正工程は、前記第１基板の表面の中心を通り、前記表面に沿って伸びる軸の周りに前記第１ステージが回転したときの相対位置のずれ量を前記見かけ上の位置ずれ量とし、前記補正量から差し引く請求項１７または１８に記載の基板貼り合せ方法。
20. 前記位置補正工程は、前記干渉計から取得したデータに基づいて、前記見かけ上の位置ずれ量を算出する請求項１７から１９のいずれか一項に記載の基板貼り合せ方法。
21. 前記第１ステージの傾斜角度を検出する角度検出工程を含み、
    前記位置補正工程は、前記角度検出工程により検出された前記第１ステージの傾斜角度に基づいて、前記見かけ上の位置ずれ量を算出する請求項１７から１９のいずれか一項に記載の基板貼り合せ方法。
22. 前記角度検出工程は、前記第１基板と前記第２基板とが互いに接触したときに前記第１ステージが前記第２ステージから受ける圧力を計測する圧力計測工程を有し、前記圧力計測工程で計測された圧力から前記第１ステージの傾斜角度を算出する請求項２１に記載の基板貼り合せ方法。
23. 前記位置補正工程は、前記見かけ上の位置ずれの方向と反対方向に前記第２ステージを移動することで補正を行う請求項１７から２２のいずれか一項に記載の基板貼り合せ方法。
24. 前記位置補正工程は、前記第１基板と前記第２基板とが接触した後、前記第２ステージが前記第１ステージに向けて移動することにより変化する前記第１ステージの傾斜量に応じて、前記見かけ上の位置ずれの方向と反対方向に前記第２ステージを随時移動することで補正を行う請求項１７から２３のいずれか１項に記載の基板貼り合せ方法。
25. 請求項１４から２４のいずれか一項に記載の基板貼り合せ方法により基板を貼り合せることを含む積層半導体装置製造方法。
26. 請求項２５に記載の積層半導体装置製造方法により製造された積層半導体装置。

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