CN105247670B - 用于对齐衬底的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使第一衬底(14)与第二衬底(14’)对齐并且相接触的方法以及具有至少四个检测单元(3，3’，3”，3’”)的对应装置，其中：a)至少两个第一检测单元(3，3”)能够至少沿所述X方向和沿所述Y方向行进，以及b)至少两个第二检测单元(3’，3’”)能够仅仅沿所述Z方向行进。

Description

用于对齐衬底的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于使第一衬底与第二衬底对齐并且相接触的方法以及对应装置。
背景技术
电子电路、例如微芯片或存储结构单元以及微机械和微流体组件的小型化持续发展了数十载。为了进一步增加这些功能群的密度，数年前以其堆叠开始。为此，在衬底、例如晶圆上产生功能群。晶圆然后相互对齐并且相互接合，这在少量几个过程步骤中引起大产率以及主要引起以高密度上下堆叠的功能群。
在大多数情况下，不同晶圆的功能群也具有不同功能性。因此，第一晶圆的功能群能够是微芯片，而第二晶圆的功能群能够是存储器芯片。在实际连接过程之前，进行晶圆的相互对齐。晶圆上的功能群越小，则两个晶圆的对齐过程必须越准确，以便取得必要的准确性和对应的少量废弃物。
两个晶圆能够相互对齐的准确性关键取决于对齐设备的光学和机械配件及其使用。
在光学配件的情况下，主要注意放大倍率、但特别是分辨率足够高以便尽可能精准地探测衬底上的对齐标记。另外，在放大倍率和分辨率对应高的情况下尽可能大的景深区是合乎需要的。
在机械组件的情况下，主要是电机和轴承有决定性意义。电机必须对高负荷进行加速、移位和制动，但是在这种情况下，它们还必须允许尽可能准确并且主要是可再现的位置操控。为了保证这点，特殊类型的轴承是必要的。这些轴承负责尽可能无摩擦地支承待移位的负荷。一直到现在，优选地使用空气轴承，其允许两个组件相互之间的非接触移位。
主要在真空环境中，可以有利地弃用尽可能多的电机，并且因而还弃用所需的支承，以便提高其余电机的准确性和可再现性。
在现有技术中，已经存在对齐系统，例如AT405775B中所公开的那些对齐系统。但是，它们示出一些严重缺点。因此，专利文献AT405775B中的下试样支架和上试样支架之间的行进距离很长，这在进行实际聚集过程时能够导致两个衬底相互之间对应不准确的定位。
另外，值得期望的是，在真空环境中执行对齐过程。因而，上述空气轴承的使用是困难且有问题的。
因此，在文献PCT/EP2013/062473中公开了另一个对齐系统。在这个文献中，长行进距离的问题通过如下方式得到解决：相互对齐的衬底沿两个标记的连接轴侧向移动。与AT405775B中的实施方式相反，光学器件没有安置在衬底的前面、而是安置在其侧向，使得行进距离能够急剧减小。通过行进距离的径向缩短，PCT/EP2013/062473中的对齐设备能够使用主要适合于真空的完全不同的电机和轴承。
发明内容
因此，本发明的目的是给出用于使衬底对齐并且相接触的装置和方法，用以使尤其是真空下的衬底的更准确并且更有效对齐和接触是可能的。
这个目的利用如下所述的特征来实现。在下中给出本发明的有利扩展方案。本申请所给出特征的所有组合也落入本发明的框架之内。在所给出的值域的情况下，位于所提及边界之内的值也作为边界值来公开，并且能够按照任何组合来要求保护。根据本发明的一种用于采用下列步骤使第一衬底与第二衬底对齐并且相接触的方法：将所述第一衬底固定到第一容纳件上并且将所述第二衬底固定到设置成与所述第一容纳件相对的第二容纳件上，其中所述第一衬底和第二衬底以所述第一衬底的第一接触面与所述第二衬底的第二接触面之间的间距A设置在所述第一容纳件与第二容纳件之间，由至少四个检测单元来检测所述第一衬底的第一标记和所述第二衬底的第二标记，其中：a) 至少两个第一检测单元能够至少沿X方向以及沿横向于所述X方向延伸的Y方向行进，以及b) 至少两个第二检测单元在检测时仅仅沿横向于X和Y方向延伸的Z方向行进，借助所述第一衬底和所述第二衬底移动经过所述第一容纳件和所述第二容纳件，沿X方向和横向于所述X方向延伸的Y方向相对于所述第二衬底来对齐所述第一衬底，以及使已对齐衬底的接触面沿所述Z方向相接触。根据本发明还提供一种用于使第一衬底与第二衬底对齐并且相接触的装置，所述装置具有：用于固定和移动所述第一衬底的第一容纳件和设置成与所述第一容纳件相对、用于固定和移动所述第二衬底的第二容纳件，其中所述第一衬底和第二衬底能够以所述第一衬底的第一接触面与所述第二衬底的第二接触面之间的间距A沿X方向、横向于X方向延伸的Y方向以及横向于所述X和Y方向延伸的Z方向在所述第一容纳件与第二容纳件之间对齐；至少四个检测单元，其中：a) 至少两个第一检测单元能够至少沿所述X方向和沿所述Y方向行进，以及b) 至少两个第二检测单元能够仅仅沿所述Z方向行进；接触部件，其用于使相对于所述第二衬底对齐的所述第一衬底与所述第二衬底沿所述Z方向相接触；以及控制装置，其用于控制和检测所述第一衬底和所述第二衬底借助所述第一容纳件和所述第二容纳件的移动以及用于控制和检测所述至少四个检测单元的移动以及用于控制和检测所述接触部件的移动。
本发明涉及这种类型的装置和方法、尤其是真空环境下使两个衬底、优选地两个晶圆尽可能最佳地相互对齐以及在进行对齐之后使它们相接触。
在这种情况下，本发明尤其基于如下思路：对于两个衬底相互之间的正确对齐，仅要求具有至少三个自由度的、尤其是一个唯一的试样支架(用于固定第一衬底的第一容纳件)，而第二试样支架(用于固定第二衬底的第二容纳件)优选地仅具有一个唯一的、但是为此精确度高的自由度。将精确度高的自由度理解为：用于控制试样支架的电机能够对应精确地定位试样支架。另外，按照本发明的实施方式提供至少两个检测单元，其仅具有一个唯一的自由度，尤其是沿Z方向。
X方向、Y方向和Z方向分别横向于彼此(尤其是垂直于彼此)延伸，使得在此尤其形成笛卡尔坐标系。
因此，按照本发明的实施方式减少参与对齐的组件的总体所需自由度的数量，其是在两个衬底相互之间进行精确度高的对齐所需的。
按照本发明，尤其使用校准衬底、优选地使用两个校准衬底，以便针对衬底经过容纳件的移动对检测单元实行调整。
按照本发明的实施方式主要示出新颖且具备创造性的设备，利用该设备，衬底的对齐和接触首次在真空中可以具有高精确性。
本发明由具有至少四个检测单元(尤其为光学器件)的对齐设备(装置)、分别具有试样支架的两个对齐单元(第一容纳件或上容纳件以及第二容纳件或下容纳件)以及具有用于移动检测单元的光学器件和试样支架的电机的对应X平移单元、Y平移单元和Z平移单元来组成。对齐室对大气能够是开放的，或者优选地位于能够抽空的空间中。
如果检测单元位于对齐室外部，则对齐室具有对应窗口，经过其进行检测。通过将光学器件(或者一般来说是检测单元)定位在对齐室内部，避免窗口所引起的光学误差(其可能通过经过窗口的射束的透射来形成)。可设想的例如是光路的由于非平坦切割窗口侧而造成的偏差、因窗口的粗糙表面造成的散射的图像、强度损失、特定波长的吸收或者折射效应。但是，光学器件在对齐室外部的安装也提供优点。光学器件是更易于接近的，并且不必设计用于真空环境。另外，电机(借助于其来移动光学器件)也不必设计用于真空操作。
在一相当特殊的实施方式中，窗口在两侧不是平坦的，而是其本身实施为光学元件，这主动促成在该室内结构的放大倍率和/或分辨率的改进。通过窗口的对应精确度高的制造，窗口的折射性质因而能够被主动使用，并且适宜地影响光路，而不是使光路扭曲或削弱光路。例如，可设想的是，窗口本身实施为双凸透镜、双凹透镜、凸凹透镜或凹凸透镜。还可设想的是，窗口的大部分在两侧实施为平坦的，以及实际透镜元件与边缘分开位于窗口内部部分中。
尤其是，至少两个优选地位于对齐室的同一侧上、优选地位于下边缘处的光学器件仅限于一个唯一的平移自由度(即，沿z方向)，并且因此尤其限于纯线性移动。
衬底、优选晶圆固定到试样支架上。试样支架安装在容纳件上。这些容纳件一般而言具有多个平移单元和/或旋转单元，它们允许试样支架的平移和/或旋转并且因而允许衬底、尤其是晶圆的平移和/或旋转。优选地，存在恰恰两个容纳件，尤其是第一容纳件或上容纳件和第二容纳件或下容纳件。
上容纳件具有多个自由度，优选地一个用于X方向、一个用于Y方向，尤其是还有旋转自由度。还可设想的是，两个另外的旋转自由度和/或沿z方向的一个平移自由度。
下容纳件优选地具有沿Z方向的恰恰一个平移自由度。通过弃用其他自由度，下容纳件能够产生晶圆沿Z方向的准确度高并且主要是可很准确再现的位置操控。
下文中，出发点是：组件、尤其是容纳件始终仅以一个平移自由度位于按照本发明的装置和/或对齐室的底侧，而具有高于最大数量的自由度的组件、尤其是容纳件位于对齐室的顶侧(优选的实施)。另外，在光学器件的情况下，区分左光学器件和右光学器件和/或能够相对设置的检测单元。但是，也可设想的是，仅以一个自由度将组件安装在顶侧处，或者部分地在顶侧和底侧处。
按照本发明的对齐过程开始于在第一容纳件、尤其是上容纳件的试样支架上加载第一校准衬底。第一校准衬底在该校准衬底的彼此相对的两侧上具有至少两个标记。
在第一校准步骤中，将第一校准衬底向左移位，直到其左标记位于左上光学器件和左下光学器件的可见范围中。在这个校准步骤中，左下光学器件的位置一般离左标记还太远，而不能清晰地将它示出。因此，通过精确度高且主要可再现的移位，使左下光学器件接近校准衬底的左标记，直到左标记位于左下光学器件的景深区中。由于左下光学器件因限于Z方向的移动自由度而不能在水平平面中移位，所以通过校准衬底的借助于X和Y平移单元的平移移动，使衬底的左标记与左下光学器件的光轴重合。
能够作为检测数据来精准地检测平移单元的移动，并且将其传递给控制装置，所述控制装置用来控制该装置的组件。
在第二校准步骤中，左上光学器件朝着校准衬底的左标记取向，使得其光轴与左标记尽可能精准地对齐。左上光学器件能够固定在这个位置中。存储左下光学器件的Z位置，以便以后能够将其再次移动到同一位置。
在一优选实施方式中，确定两个相对光轴的相交点，或者两个光轴的定向使得它们在标记中相交。
优选地，通过由左上光学器件和右下光学器件对左标记的聚焦来确保：左标记位于两个光学器件的景深区(正确地实际上为深焦区)中。但是，两个景深区具有有限延伸范围，并且因而能够开启光轴的相交点所在的相交点区。相交点的位置能够由具有对应小景深区的光学器件极大地限制。由于景深区的减小，尤其是光学器件的分辨率也增加，这对标记的确定同样具有积极影响。
按照本发明，光学器件尤其控制成使得标记相对于光轴的位置能够由光学器件来识别、检测和存储。因此，原则上值得追求的是负责标记尽可能放置在中央，并且因此尽可能接近光轴，或者至少停在位于光轴周围的区域内。光轴与标记的完美对齐可能是非常时间密集的并且因此在大规模生产中也是极昂贵的过程。因此优选的是，仅在相应光学器件的可见范围(英语：field of view)中得到标记，并且然后确定并且存储标记相对于光轴的x距离和y距离。
另外，按照本发明尤其考虑：所使用的屏幕传感器(用以相应光学器件的图像)以及光学器件本身具有从光轴到边缘增加的少许失真，并且因而，标记越远离光轴，所记录图像允许标记位置的越差的测量。
因此，根据本发明，尤其是尽可能快地、尽可能接近光轴来引导标记，而没有使标记的中心和光轴完美地重合。标记优选地要停留在其中的区域表示为F’。按照本发明，标记因而应当至少位于光学器件的可见范围F中，但是仍然更优选地位于区域F’中。
通过这个优选过程（其中光轴尽可能准确地但不精准地固定左标记），确定能够参照的左零点，但是光轴没有准确地切入左标记中。
在相当特殊但是难以实现或者由于时间和成本原因而不合乎需要的一实施方式中，两个光轴均精准地以左标记为中心。两个左光轴的相交点则至少位于两个左光学器件的景深区之内并且优选地甚至精准地位于左标记的中心。在这种理想情况下，左相交点优选地精准地对应于左零点。
因此，两个相对的检测单元尤其作为检测对来一起工作。左下光学器件这时能够再次达到起始位置，其中它不阻止稍后引入对齐室的下衬底的加载。
在第三校准步骤，第一校准衬底向右行进，直到其右标记位于右上光学器件和右下光学器件的可见范围中。在这个校准步骤中，右下光学器件的位置优选地远离右标记以移动衬底，使得首先进行大致定位。接着，通过精确度高且主要可再现的移位，使右下光学器件接近右标记，直到右标记位于右下光学器件的景深区中。由于右下光学器件不能在水平平面内、即沿X方向和Y方向移位，所以通过校准衬底经由上平移单元的平移移动，使右标记接近右下光学器件的光轴，理想情况下重合，然而由于时间和/或成本的原因理想情况不一定合乎需要。
在第四校准步骤，右上光学器件朝着校准衬底的右标记取向，如同左光学器件的校准中一样，左上光学器件朝左标记取向。首要的是，仅有意义的又是，右标记位于右上光学器件的可见范围中。优选地，右标记的位置应当再次尽可能接近右上光学器件的光轴，以便使因图像传感器和/或光学器件的可能失真引起的位置确定的可能的测量准确度最小。按照一实施方式，规定使右标记和右上光学器件的光轴完全重合。
右上光学器件固定在这个位置中，并且在直到对齐的理想情况下必须不再移动。存储左下光学器件的Z位置(检测数据)，以便能够使它以后再次移动到完全相同的位置。
通过这个优选过程（其中光轴尽可能准确但未精准地固定左标记），确定能够参照的左零点，但是光轴没有准确地切入左标记。
在相当特殊但是难以实现或者由于时间和成本原因而不合需要的一实施方式中，两个光轴精准地以右标记为中心。两个右光轴的相交点则至少位于两个右光学器件的景深区之内并且优选地甚至精准地位于右标记的中心。在这种理想情况下，右相交点优选精准地对应于右零点。
因此，两个相对的检测单元尤其作为检测对一起工作。右下光学器件这时能够再次达到起始位置，其中它不阻止以后引入对齐室的下衬底的加载。
利用这四个校准步骤，两个检测对的光轴的校准结束，并且这些标记的景深区为已知(检测数据)。它们能够转移/转换到尤其在尺寸上与第一校准衬底相似的衬底上。
两个光轴优选地按照使得它们切入以后的接合平面的方式来定向。如已经所述的那样，由于相交点的精准确定仅对于较大时间开销是可能的，所以至少按照本发明进行对齐，使得以后的接合平面位于光学器件的景深区内(当它们位于由前一校准过程所确定的那些位置时)。
在对测试衬底的标记进行聚焦时，光学器件优选地通过上光学器件和下光学器件来聚焦，其方式使得标记(如以上在校准步骤中已经进一步详细所述的那样)精准地在两个光学器件中居中。如果看来标记在两个光学器件中居中，则两个光学器件均与标记精准地对齐，使得这些光学器件的相交点在标记中相遇。
就两个光学器件之一没有在中心检测到标记而言，通过软件、固件或硬件存储标记与光轴之间的偏移，并且因而能够用于以后的换算。如果对应软件、固件或硬件因此存储后一接合平面中光轴的相交点之间的距离，则能够弃用后一接合平面中光轴的精准相交点，并且使用偏移，以便仍然能够将两个衬底精准地相互对齐。
下光学器件能够对应地移行到其存储的Z位置上。在理想情况下，这个校准必须仅执行单次。但是，如果在系统处发生变化、例如一个或多个光学器件的交换、机械部件的交换或者可能甚至仅对齐室的净化，则可需要进行重新校准。尤其是，当进行和/或确定左侧和/或右侧的光轴的相交点的移位时，则始终实行校准。
作为下一个步骤，校准在上光学器件与第二校准衬底之间进行，所述第二校准衬底提供有多个标记(换言之，标记矩阵)，尤其是以便检测第一容纳件的平移单元和/或第一检测单元的平移单元的X-Y移动，以及对应地校准它们。
下文中，不再按照先前部分进行的相同方式区分一方面光轴到标记的精准调整以及另一方面在光轴与标记之间的接近的方式。按照本发明，用于确定标记的位置的两种方法中的每种方法是可能的。为了使按照本发明的实施方式保持为尽可能简单，下文中，仅多次提到标记的精准检测。以上公开的特征类似地适用于以下实施方式。在第一校准步骤中，第二校准衬底在左上光学器件之下移动，直到标记之一准确地位于左上光学器件的光轴的中心。然后，进行由上容纳件对第二校准衬底的固定，使得第二校准衬底在后续校准步骤期间保持在同一X-Y位置。
在第二校准步骤，左上光学器件借助检测单元的X和Y平移单元将第二校准衬底的左侧上的标记矩阵的标记向下指向，并且将左上光学器件定位在每个标记上方，使得当前操控的标记设置在左上光学器件的光轴中心。
第二校准衬底的标记矩阵的标记尤其通过沉积过程来产生，并且彼此之间具有准确度高地、尤其是等距的间距和/或准确已知的间距。标记矩阵的标记之间的间距小于100μm、优选地小于10 μm、更优选地小于1 μm以及最优选地小于100 nm。标记矩阵的标记之间的间距的偏差或误差尤其小于左上光学器件的光学器件电机的分辨率边界和/或准确性。
控制单元的X-Y位置尤其由中央控制装置作为检测数据来存储。所述中央控制装置将它们与对应标记的所存放值有关系。因此，得到两个位置图，即具有理想X和Y位置的理想/预设位置图以及能够与其相关并且给出左上光学器件的实际X和Y坐标(或位置)的真实位置图。两个位置图均(能够)经由双射图相互链接。通过内插，能够产生连续位置图，以便确定真实X和Y位置，其启动理想X和Y位置上方的左上光学器件。
在第三校准步骤，第二校准衬底在右上光学器件之下移动，直到标记之一准确地位于右上光学器件的光轴的中心。然后，进行由上容纳件对第二校准衬底的固定，使得第二校准衬底在后续校准步骤期间保持在同一X-Y位置。
用于右上光学器件的第四校准步骤对应于第二校准步骤，转移到右侧。
按照本发明的最终校准步骤涉及下容纳件的z平移单元。按照本发明，下容纳件尤其仅提供有沿z方向的一个平移自由度。由此确保下容纳件的精确度高的引导。就在沿z方向移动下容纳件时可能沿x方向和/或y方向有偏差而言，尤其通过相对于z轴倾斜下容纳件的运动方向或者通过位置的误差，按照本发明的一优选实施方式来观察下容纳件的x-y平面内的一个或多个标记的运动。尤其是，下容纳件沿x方向和/或y方向在一个或多个标记处的移位作为沿z方向的位置的函数来确定。尤其是，该函数作为线性函数来内插。这样，在控制装置或者软件、固件或硬件中已知，当衬底在路径Z之上移动时，当衬底在路径z上行进时衬底通过哪一个路径x和/或y移位。
在第一实施方式中，所观测标记在整个路径z之上始终保持在光学器件的可见范围中以及在其景深区中。但是，这对沿z方向的显著行进距离而言，仅当景深区对应大时，才是可能的。这仅对于具有小放大倍率和分辨能力的光学器件才是可能的(若存在的话)。
在第二优选实施方式中，上光学器件沿z轴随衬底一起运动。由于上光学器件按照本发明尤其还具有z平移单元，所以这是有利的。这个校准步骤优选地在所有其他上述校准步骤之前实施，因而光学器件在后续校准步骤中不再必须沿z方向移动。
另外，按照本发明可设想：上光学器件和衬底沿正和负z方向移位多次，以及通过对多个这种循环取平均来确定最优函数。
在甚至更有效且更优选的第三实施方式中，使用具有至少四个、尤其是准确地是四个标记的校准衬底。顶侧上两个标记，分别是校准衬底的左侧一个和右侧一个，以及底侧上的两个标记，同样分别是校准衬底的左侧一个和右侧一个。
校准衬底具有精准已知或者测量的厚度。厚度至少在标记附近是最准确已知的。在这种情况下，校准衬底的厚度至少在标记附近更准确地已知为100 μm、优选地更准确地已知为10 μm、更优选地更准确地已知为1 μm、最优选地更准确地已知为100 nm，其中最优选地更准确地已知为10 nm、其中最优选地更准确地已知为1 nm。
就分别相对的标记沿x方向和/或y方向彼此间的移位而言，测量两个相对标记在x和y方向上的相对间距。误差在这种情况下尤其小于100 μm、优选地小于10 μm、更优选地小于1 μm、最优选地小于100 nm，以最优选的方式小于10 nm、最优选地小于1 nm。
为了确定z平移单元沿x方向和/或y方向、沿预设路径的偏差，与按照本发明的两个先前所述实施方式相反，上光学器件尤其聚焦在上标记上。然后，在称作部分校准步骤的移动中，在与校准衬底的厚度对应的距离上将z平移单元接近上光学器件。在该接近期间，z平移单元沿x方向和/或y方向的移位能够通过上标记(以及对于在该过程期间下标记也位于景深区的情况，通过下标记)的移位来测量。在上光学器件聚焦下标记之后，光学器件行进，直到上标记再次位于焦点上。由于两个标记沿x方向和/或y方向的相对间距从不改变，所以上光学器件能够在沿z方向移位之后再次相对于其中在这个部分校准步骤之前发现它的上标记设定成相同位置。就光学器件在每个新的部分校准步骤之前相对于上标记重新定位而言，通过上光学器件的z移动可能产生的x移位和/或y移位对平移单元的x移位和/或y移位的确定而言是不重要的。这个部分校准步骤能够在任意距离上重复进行。
换言之，上光学器件和校准衬底逐步地以及交替地沿将要测量的路径移动，其中，光学器件在新校准步骤之前始终再次朝着校准衬底的标记定向。
按照本发明，恰恰相反的过程也是可设想的，即，上光学器件首先聚焦在下标记上，以及校准衬底然后运动离开上光学器件。
在完成校准衬底的z移位后，然后上光学器件遵循相同的过程。
当上标记和下标记在校准衬底的运动期间始终设置在上光学器件的景深区内部时，校准步骤特别有效。在按照本发明的这个实施方式中，校准衬底是透明的。另外，校准衬底选择成尽可能薄但厚至尽可能防止弯曲所需。校准衬底尤其具有小于2000 μm、优选地小于1000 μm、更优选地小于500 μm、最优选地小于100 μm的厚度。当左上光学器件对左光学器件以及上右光学器件执行上述测量、尤其同时对右侧执行测量时，对z平移单元沿x和y方向的偏差的校准特别有效。
如果这个校准步骤也已经结束，则关于衬底在沿正或负z方向移动时沿x方向和/或y方向移位多少的精准预测是可能的。
在利用校准衬底的所有校准过程已经结束之后，衬底的处理能够开始。下文中，在按照本发明的先前正确校准的实施方式中示出优选面对面对齐过程。在面对面对齐过程的情况下，标记位于两个衬底的相互接合的接触面处。面对面对齐过程应该用作示例性对齐过程。面对面对齐过程也是适当示例，因为它示出最复杂对齐过程。这归因于在面对面对齐过程中，在接近光学器件的衬底期间标记是不可达到的，即，按照几乎盲目地使衬底接近。
执行背对背过程、面对背过程和背对面过程也是可设想的。在背对背过程中，对齐标记始终位于衬底的外侧处。按照本发明的实施方式用于这种对齐过程虽然原则上是可设想的，但是并不代表任何难题，因为标记在任何时间点都是完全可达到的、尤其是在使这两个衬底彼此接近期间。因此，通过对应地定位光学器件，标记在对齐过程期间的就地测量是可设想的。背对面或面对背对齐过程是其中覆盖衬底的标记的任何对齐过程，因为它位于后一接合界面的方向上，同时能够连续观测第二标记。
在按照本发明的第一过程步骤，第一衬底加载到对齐室中第一容纳件上并且尤其固定在第一容纳件上。衬底的取向在加载到外部预对齐器（英语：Prealigner）之前进行或者在室内部由内部对齐器进行。在这种情况下，衬底相对于其典型特征、例如平坦侧(英语：flat)或凹口（英语：Notch）来定位或取向。
然后，第一容纳件的平移单元使所加载衬底向左行进，直到左标记位于左下光学器件的可见范围(英语：field of view，FOV)中。为了能够对左标记清晰地成像，左标记必须位于左光学器件的景深区中。左光学器件在前一校准过程中在大致景深区中尤其相对于相似、优选地相同尺寸的校准衬底来校准。左下光学器件的所存储Z位置能够用来将左下光学器件移入完全相同的Z位置中。左下光学器件的接近能够尤其与上部加载的衬底的移动同时进行，以便节省时间并且优化过程。
就上衬底的左标记在停留在左下光学器件的景深区中之后不是准确地位于左下光学器件的光轴中而言，通过尤其采用上容纳件精确地控制第一衬底，使两个光轴相互重合。然后，上容纳件的编码器位置(检测数据)的存储能够对所有自由度进行。当前编码器位置因而明确与左上标记关联。
按照本发明，编码器位置理解为如下任何量，其提供与对象、尤其是衬底的位置和/或取向有关的信息。落入其中的例如是直接从电机电子器件中读出的电机的电机位置、通过干涉方法确定的对象的位置、借助于光学测量系统、例如干涉计等确定的对象的位置或者经由长度标度确定的位置。对象的位置例如理解为借助于干涉计准确度高地测量的、衬底静止地固定在其上的平移单元的位置。
在按照本发明的第二过程步骤，第一过程步骤对尤其准确相对的右侧上的第一衬底的右标记类似地执行。第二过程步骤也能够在第一过程步骤之前实施。
在这些过程步骤之后，所有编码器位置对上衬底的两个标记而言是已知的。作为参考点，能够使用左零点、右零点或者根据左零点和右零点计算出的零点。但是，优选地，使用左光学器件和/或右光学器件的光轴的相交点所定义的物理零点之一。
在按照本发明的第三过程步骤，另一个第二衬底加载到对齐室中第二容纳件的试样支架上，并且尤其是固定到所述试样支架处，尤其是固定在其中心。然后，上容纳件的平移单元之一使第一衬底向右行进足够远，使得左上光学器件具有刚加载的第二(下)衬底的左标记的清楚示图。在这种情况下，左上光学器件优选地应当已经定位成使得它在可见范围中具有下衬底的左标记。下衬底由下容纳件的平移单元升高，直到左标记位于左上光学器件的景深区中。然后，进行左上光学器件沿X方向和/或Y方向的移位，以便使左上光学器件的光轴与下衬底的左标记重合。存储左上光学器件相对于左零点的移位(检测数据)。
在按照本发明的第四过程步骤，第三过程步骤对于尤其准确地相对的右侧上第二衬底的右标记类似地执行。第四过程步骤也能够在第三过程步骤之前实施。
在按照本发明的第五过程步骤，第一容纳件和第二容纳件、尤其是上容纳件和下容纳件的所有自由度的所有所确定位置用作检测数据，以便将两个衬底相对于其左标记和右标记相互对齐。在这种情况下，对齐过程本身尤其与检测单元无关地、即没有进一步使用光学器件的情况下进行。一般来说，使用下容纳件和/或上容纳件的所有平移单元和/或旋转单元，以便相互对齐两个衬底。
按照本发明可设想的对齐顺序如下所述。首先，加载上衬底。使该衬底行进，直到左下光学器件和/或右下光学器件的左标记和右标记中心地聚焦。对应地存储编码器位置。然后，下衬底的加载和左标记和/或右标记的聚焦借助上光学器件来进行。由于下衬底不能沿x方向和/或y方向移动，所以标记必须至少位于左上光学器件和/或上右光学器件的可见范围(英语：field of view)中。由于能够确定这些标记与光轴的间距，所以精准地确定上衬底相对于光轴的编码器位置，并且能够使上衬底行进，上衬底能够在任何时间行进到所需的x位置和/或y位置，使得上衬底的标记精准地定位在下衬底的标记之上。优选地，这个过程期间两个衬底之间的z间距已经尽可能小。
在按照本发明的第六过程步骤，使两个衬底相接触。该接触优选地、尤其仅仅通过由下容纳件的平移单元对下衬底的升高来进行。由于下容纳件仅具有一个唯一的准确度高的平移单元，并且因此下衬底仅仅沿Z方向移动—尤其是能够仅仅沿Z方向移动，所以在接近期间没有实现X偏差和/或Y偏差或者至少仅实现可忽略的X偏差和/或Y偏差。在沿z方向向下衬底的接近过程期间，上衬底沿x方向和/或y方向的偏差在这种情况下小于10 μm、优选地小于1 μm、更优选地小于100 nm、最优选地小于10 nm、以最优选的方式小于1 nm。
在按照本发明的第七过程步骤，进行上衬底与下衬底的固定(尤其为接合)。两个衬底相互之间以机械方式、静电方式、磁方式、电方式的固定或者借助膜或粘合剂执行的两个衬底相互之间的固定会是可设想的。两个衬底之间的Si-Si和/或SiO2-SiO2直接接合也是特别优选的。衬底能够相互之间固定或者相对于下试样支架来固定。但是，特别优选地，试样支架仅用于在对齐过程期间容纳衬底，以及进行两个衬底相互之间的固定，使得试样支架在移开衬底叠层之后保持在对齐设备中，并且因而立即可用于下一个对齐过程。
特别优选地，使用专利文献PCT/EP2013/056620所示的方法，以便将衬底以磁的方式相互固定。通过这种特殊固定方法，特别优选的是，能够弃用重、昂贵并且难以操纵的试样支架，或者使试样支架留在对齐设备中，以便能够在移开衬底叠层之后立即再次使用它。
在另一个特殊实施方式中，至少一个衬底在按照本发明的实施方式中被加载于试样支架上，使得进行第二衬底与固定到试样支架上的衬底的对齐，并且两个衬底均特别优选地相对于试样支架固定。通过这个过程，两个衬底能够相互对齐，固定到试样支架，并且直接(即，固定到试样支架上)传输到另一个过程室中。特别优选地，进一步传输到接合室中，然后在所述接合室中尤其采用两个衬底的加压来执行接合步骤。
按照一个尤其重要的发明方面规定：所选侧、尤其是下侧或上侧的所有组件的Z定位能够利用极高精确性并且主要是可再现性来执行。z位置的操控以小于10 μm、优选地小于1 μm、更优选地小于100 nm、最优选地小于10 nm的准确度来进行。这主要归因于弃用另外的自由度，所述另外的自由度可能对Z定位的准确性和可再现性造成负面影响。
衬底理解为半导体工业中使用的产品衬底或承载衬底。承载衬底用作不同加工步骤中、特别是背面薄化功能衬底期间功能衬底(产品衬底)的增强。衬底尤其是具有平面区域(“flat”)或(凹口“notch”)的晶圆。
按照本发明的装置的功能组件、例如滑块、电机、光学器件、保持装置优选地构建于壳体中。壳体尤其对环境是能够气密密封的。壳体优选地具有能够实现达到功能组件的盖板。尤其是，水闸设置在壳体的至少一侧上。对应流槽能够在水闸上游和/或下游。当流槽在水闸之前和/或之后使用时，与壳体的环境中不同的气氛能够优选地设置在壳体中。该气氛优选地是低压气氛。
在按照本发明的对齐过程期间，对齐室的壳体内部的压力尤其等于1巴、优选地小于10-1毫巴、更优选地小于10-3毫巴、最优选地小于10-5毫巴、以最优选的方式小于10-8毫巴。
在按照本发明的对齐过程期间，壳体外部的压力等于1巴、优选地小于10-1毫巴、更优选地小于10-3毫巴、最优选地小于10-5毫巴、以最优选的方式小于10-8毫巴。
所有衬底能够经由水闸或盖板来引入内部空间。优选地，衬底经由水闸传输到内部空间中。
在一特殊实施方式中，借助机器人来进行衬底和/或由相互对齐的衬底所组成的衬底叠层从壳体的传输。
能够用来单独移动检测单元的检测设备的准确性优于1 mm、优选地优于100 μm、更优选地优于10 μm、甚至更优选地优于1 μm、更优选地优于100 nm、以最优选的方式优于10 nm。
在对齐单元中，用于两个衬底之一的第一容纳件尤其仅仅位于顶侧。尤其是试样支架位于第一容纳件上，作为第一容纳件的组成部分。试样支架具有至少三个、尤其是六个自由度，沿X方向、Y方向和Z方向的至少三个平移自由度，以及可能围绕X轴、Y轴和Z轴的三个旋转自由度，下面以角α、β和γ表示。平移自由度用来使试样支架并且因而使衬底在由X方向和Y方向所张成的X-Y平面内行进以及用来使两个衬底沿Z方向相互接近。按照本发明，围绕X轴、Y轴和Z轴的旋转可能性用来执行楔形误差补偿和/或衬底的取向。围绕X轴、Y轴和Z轴的旋转尤其是以小旋转角的旋转，使得人们也可称之为倾斜。
按照本发明，试样支架能够用作衬底的支架，其尤其具有下列不同固定机构：
●真空试样支架
●静电试样支架
●具有粘合表面的试样支架
●基于Venturi和Bernoulli效应的试样支架
●磁试样支架
●具有机械固定件和/或夹持机构的试样支架
在真空环境中使用按照本发明的实施方式时，真空试样支架和/或Venturi和/或Bernoulli试样支架仅受限地使用，在极端情况中根本不使用。
在实际对齐过程之前，按照本发明，检测部件的校准是有利的。如已经所述，为此，至少校准两个相对光学器件，使得在每侧一个标记至少位于上光学器件和下光学器件的可见范围中，优选地在尽可能接近上光学器件和/或下光学器件的光轴的区域中。
在一优选实施方式中，校准的目的尤其在于将两个、分别相对的检测装置的光轴的相交点放置在校准衬底的标记的中心。这种校准优选地对检测单元的所有检测设备分开进行。
通过所述校准，尤其确保检测单元的相对的(上和下)检测设备具有共同的焦点区。
在一更优选实施方式中，相对的检测设备的光轴按照共线方式相互对齐。为此，这些检测设备中的至少一个尤其优选通过设置在测角计上而分别具有上部旋转自由度。
按照本发明，检测设备的光轴的一相交点或者该相交点尤其设置成使得将要在检测位置沿X方向、Y方向和Z方向对齐的衬底的对应标记至少能够被聚焦和/或能够设置或者设置在这个点。按照本发明，通过这个措施，行进距离进一步最小化。
这些光轴的相交点优选地位于焦平面中和/或至少位于光学器件的景深区中。分辨率和景深区是相互并发的两个参数。分辨率越大，则景深区越小，反过来也是一样。如果因此使用具有高分辨率能力的光学器件，则这些光学器件具有对应的小景深区。因此，上衬底和下衬底的对齐标记必须同时停留在极小景深区内，以便能够仍然被清晰地成像。因此，按照本发明，光轴的相交点设置在对应检测设备的景深区中。
按照本发明，有利的是，按照使得衬底的接触面和/或标记设置在景深区内相应检测单元的检测位置中的方式来校准检测设备。因此，按照本发明能够弃用二次聚焦。
对衬底和/或检测部件的移动的控制借助尤其是软件支持的控制装置来进行。
通过本发明，尤其在系统的校准之后有可能将第一衬底固定在第一容纳件(试样支架)上以及将第二衬底固定在第二容纳件上。第一容纳件以及沿X和Y方向是活动的、在空间上尤其与第一容纳件关联的检测单元尤其对称地分别使第一衬底行进到尤其与对齐单元相对侧向设置的、分开的不同检测位置。
本发明还主要基于如下思路：按照使得分别彼此相向定向、尤其分别在对齐单元的相对侧上的两个检测设备检测衬底的标记的X-Y位置的方式来构造对齐过程所需的检测部件，其中检测单元之一分别沿X和Y方向是固定的/不可活动的。尤其是，衬底之一、尤其是在空间上与不可活动检测单元关联(优选地设置在不可活动检测单元之间)的衬底沿X和Y方向同样也是固定的/不可活动的。在按照本发明的方法中，两个衬底的行进距离因而总体上最小化。
就在按照本发明的方法中两个容纳件之一和/或每个检测对的相应检测单元尤其仅仅沿Z轴移动而言，能够以极高准确性和可再现性来使用平移单元。就沿X方向和/或Y方向来进行漂移而言，按照本发明能够有利地测量和补偿漂移。
按照本发明，将衬底在检测之前一直到对齐沿Z方向的间距设定成恒定的和/或最小化，尤其是小于1 cm、优选地小于1 mm以及更优选地小于100 μm。
本发明的优点主要在于：也能够在真空中操作该装置。由于按照本发明上容纳件和/或下容纳件的比较短的行进距离并且因而第一(下)衬底和/或第二(上)衬底的比较短的行进距离，能够将适合真空的机械组件用于滑块/轴承/步进电机。因此，首次有可能在真空集群、优选地高真空集群中安装接合模块和对齐模块，以及在能够抽空的区域内进行从对齐模块到接合模块的衬底传输，而无需衬底暴露于大气。
按照本发明的另一个优点主要在于两个衬底相互之间的较高定位准确性，这能够归因于：两个容纳件之一、尤其为下容纳件仅具有一个平移单元，并且因而沿x方向和/或y方向的误差在接近第二衬底期间得到显著抑制。在这种情况下，平移单元沿x方向和/或y方向的机械作用能够通过设计而在已显著地被忽略。
另一个优点在于可见光的使用可能性。两个衬底通过施加在其接合侧的标记进行的对齐在许多情况下也可借助红外光来进行。纯硅几乎根本不吸收红外光、尤其是近红外范围中的红外光。该问题主要存在于：至少在标记的区域中由纯硅包围的衬底仅存在于极少情况中。在所有情况中的多数情况中，硅衬底随变化最不同的金属层得到衰减。但是，金属很好地吸收红外辐射并且因此充当红外光的屏障。衬底上功能单元的封装密度越高、沉积越多的金属层以及对对应衬底的处置越复杂，则将红外光学器件用于面对面对齐越不可能。按照本发明的方法允许使用可见波长范围中的光。特别优选地，因而也能够使用明显更好的探测器和光学元件。大多数情况下，红外光学器件的光学元件对环境参数、例如空气湿度反应非常灵敏、极易碎，并且必须以对应紧凑的方式来构建。
与此相应地，这些光学元件的价格高。按照本发明的装置的核心方面之一以及按照本发明的过程因而在于：能够进行对表面的直接观测，以及在对齐过程中，不能依靠晶圆的透明度。
因此，按照本发明能够放弃对透射技术的使用。另外，能够测量所有衬底、即便是对于宽范围的电磁谱而言不透明的衬底，这是因为能够发现表面上的标记，而无需透射衬底。然而，可设想使用电磁谱的所有已知且适当波长范围来识别标记。尤其是公开红外光、特别优选的是近红外光的使用（即便对其的使用具有次要重要性）。
在所有附图中，这些容纳件始终在壳体内示出。当然也可设想，容纳件并且因而平移单元和/或旋转单元位于壳体外部，并且通过对应真空执行来控制位于壳体内部的试样支架。同样的情况也适用于检测部件。在最佳、但是在技术上当然难以实现的实施方式中，只有将要相互对齐的两个衬底位于真空中。
按照本发明的实施方式优选地连同其他模块一起在真空集群中、甚至更优选地在高真空集群中、其中最优选地在超高真空群集中使用。其他模块能够是例如下列模块中的一个或多个：
●加热模块
●冷却模块
●涂层模块
●接合模块
●剥离模块
●检验模块
●层压模块
●表面处理模块
●等离子体模块
在一特殊实施方式中，相互对齐的衬底利用专利文献PCT/EP2013/056620中提到的方法来夹持在一起，在这方面对其进行引用。夹持方法将小磁体用于快速、有效且简易地固定相互对齐且相互接触的两个衬底。这两个衬底也能够通过分子力预先固定。但是，该夹持也能够按照纯机械方式进行。
就装置特征存在和/或在后续的附图说明中公开而言，它们也应该被认为能作为方法特征来公开，反过来也是一样。
附图说明
本发明的另外优点、特征和细节从对优选实施方式的后续描述以及基于附图来得出。附图在如下图中示出：
图1a是按照本发明的装置在第一实施方式中的示意性横截面图，
图1b是按照本发明的装置在第二实施方式中的示意性横截面图，
图1c是按照本发明的装置在第三实施方式中的示意性横截面图，
图2a是按照本发明的方法在采用第一校准衬底的第一校准步骤中的示意性示图，
图2b是按照本发明的方法在采用第一校准衬底的第二校准步骤中的示意性示图，
图2c是按照本发明的方法在采用第一校准衬底的第三校准步骤中的示意性示图，
图2d是按照本发明的方法在采用第一校准衬底的第四校准步骤中的示意性示图，
图2e是按照本发明的方法在采用第一校准衬底的第五校准步骤中的示意性示图，
图2f是按照本发明的方法在采用第一校准衬底的第六校准步骤中的示意性示图，
图3a是按照本发明的方法在采用第二校准衬底的第一校准步骤中的示意性示图，
图3b是按照本发明的方法在采用第二校准衬底的第二校准步骤中的示意性示图，
图3c是按照本发明的方法在采用第二校准衬底的第三校准步骤中的示意性示图，
图4a是按照本发明的方法在用于将第一衬底固定在第一容纳件上的第一方法步骤中的示意性示图，
图4b是按照本发明的方法在用于检测第一衬底的位置的第二方法步骤中的示意性示图，
图4c是按照本发明的方法在用于检测第一衬底的位置的第三方法步骤中的示意性示图，
图4d是按照本发明的方法在用于检测第二衬底的位置的第四方法步骤中的示意性示图，
图4e是按照本发明的方法在用于检测第二衬底的位置的第五方法步骤中的示意性示图，
图4f是按照本发明的方法在用于对齐这些衬底的第六方法步骤中的示意性示图，
图4g是按照本发明的方法在用于使这些衬底接触的第七方法步骤中的示意性示图，
图5a是其相交点没有位于标记的中心的两个光学器件的校准状态的示意性示图，
图5b是其相交点位于标记的中心的两个光学器件的校准状态的示意性示图，
图6a是按照本发明的第三校准方法在第一部分校准步骤中的示意性示图，
图6b是按照本发明的第三校准方法在第二部分校准步骤中的示意性示图，
图6c是按照本发明的第三校准方法在第三部分校准步骤中的示意性示图，
图7是按照本发明的装置的一实施方式的示意性透视外部示图，以及
图8是具有按照本发明的装置的集群系统的示意性示图。
具体实施方式
附图中，采用分别标识的这些参考标号按照本发明的实施方式来表征本发明的优点和特征，其中，具有相同的功能或者具有相同效果的功能的组件和/或特征采用相同参考标号来表征。
图1a-1c示出按照本发明的对齐设备1、1’、1”的三个实施例的示意性横截面，其包括：
-采取左上光学器件的形式或者具有左上光学器件的第一检测单元3。
- 采取左下光学器件的形式或者具有左下光学器件的第二检测单元3’，以及
- 采取右上光学器件的形式或者具有右上光学器件的另一个第一检测单元3”，以及
- 采取右下光学器件的形式或者具有右下光学器件的另一个第二检测单元3’”，
- 采取上容纳件的形式或者具有上容纳件的第一容纳件4，以及
- 采取下容纳件5的形式或者具有下容纳件5的第二容纳件5。
通过X平移单元8、Y平移单元9和Z平移单元10，第一检测单元3、3”能够沿所有三个空间方向X、Y和Z移动。在特殊实施方式中，也仍然可设想的是，内建旋转单元，其允许光轴围绕相互正交的三个轴进行旋转。在一特殊实施方式中，实际光学器件则安装在例如测角器上。为了简化该示图，这些旋转单元在附图中未示出。
尤其设置在下部的两个第二检测单元3’、3’”仅仅具有Z平移单元，使得所述第二检测单元能够仅仅沿Z方向移动。第一容纳件4至少具有一个Y平移单元9、π旋转单元11以及X平移单元8。额外使用旋转单元和/或Z平移单元同样是可设想的。
X平移单元8具有较大的最大行进距离，其尤其为沿Y方向的最大行进距离的两倍、优选地为四倍。行进距离尤其在-0.1 mm与0.1 mm之间，优选地在-1 mm与1 mm之间，更优选地在-5 mm与5 mm之间，最优选地在-50 mm与50 mm之间，以最优选的方式在-150 mm与150mm之间。
对于按照本发明的方法，Y平移单元9能够具有小许多、但为此而能够较高度分辨的行进距离。行进距离小于50 mm，优选地小于10 mm，更优选地小于5 mm，最优选地小于1mm。
所使用的所有平移单元的定位能力的分辨率尤其优于100 μm，优选地优于10 μm，更优选地优于1 μm，最优选地优于100 nm，其中按照最优选方式优于10 nm。
π旋转单元11允许加载的校准衬底13、13’和/或衬底14、14’绕其表面法线旋转。旋转能力主要用来补偿被错误地预先调整一些角度的校准衬底13、13’和/或衬底14、14’。所使用的所有旋转单元的定位能力的分辨率尤其优于1°，优选地优于0.1°，更优选地优于0.01°，最优选地优于0.001°，按照最优选方式优于0.0001°。必须能够操控π旋转单元11的旋转角比较小，因为π旋转单元11仅用于优选地已经理想地加载的衬底的极小取向校正。π旋转单元11的旋转角因此尤其小于10°、优选地小于5°、更优选地小于1°。
Y平移单元9、π旋转单元11以及X平移单元8的、在附图中看作是最佳的序列能够随意改变(若需要的话)。另一个特别优选的实施方式是π旋转单元11固定到X和/或Y平移单元8、9上和/或X和/或Y平移单元8、9固定到π旋转单元11上。
图1a示出按照本发明的第一对齐设备1，其中所有检测单元3、3’、3”和3’”以及所有容纳件4、5位于气氛15之下。所提及的组件最多通过框架2(其一般向大气开放、在特殊情况下封闭但不是真空密封的)相互连接。
图1b示出按照本发明的第二且优选的对齐设备1’，其中第一容纳件4、第二容纳件5以及第二检测单元3’、3’”位于真空室6(或壳体)中，而第一检测单元3、3”安装在真空室6外部支承框架2处。窗口7允许经由第一检测单元3、3”的光学器件在真空室6的内部进行检测。
图1c示出按照本发明的第三对齐设备1”，其中所有发明相关/按照权利要求的组件位于真空室6’内部。
图2a示出按照本发明、用于校准第一和第二检测单元3、3’、3”和3’”的全部四个检测设备和/或光学器件的光轴的相交点的第一校准步骤，其开始于将第一校准衬底13固定到第一容纳件4处。用于固定校准衬底13的试样支架为了清楚起见而未绘出。
校准衬底13具有尤其分别在校准衬底13的侧向周边轮廓的外边缘区域的相对侧上的两个标记17。校准衬底13的材料对检测设备3、3’、3”和3'”所使用的电磁辐射而言是透明的。主要可设想可见光、红外辐射、UV辐射或者能够用于探测对齐标记的任何其他可设想电磁辐射的使用。但是，这优选地是可见光。标记17位于校准衬底13的两个表面13i、13a其中之一处或者位于其中心(相对于校准衬底13的轴向)。
在根据图2b、按照本发明的第二校准步骤中，第一容纳件4通过其X平移单元8沿负X方向(即，在图2b中向左)移动校准衬底13，直到左标记17位于左下光学器件的可见范围中。就标记17一般而言没有位于左下光学器件的景深区(英语：depth of focus，DOF)中而言，下光学器件3’通过Z平移单元10对应地行进。
如果左标记17处于左下光学器件的可见范围和景深区中，则能够通过第一容纳件4的X平移单元8和/或Y平移单元9和/或π旋转单元11进行左标记17相对于对应的第二检测单元3’、这里为左下光学器件的光轴OA的精准定位。
由于按照本发明左下光学器件不能沿X方向和/或Y方向移动，所以标记17的标记对齐的任务由第一容纳件4的平移单元和旋转单元相对于左下光学器件3’的光轴OA来执行。能够检测平移单元和旋转单元的移动，以及将检测数据传递给中央控制单元供进一步处理和控制。
在图2c所示的按照本发明的、采用第一校准衬底13的第三校准步骤，校准衬底13的左标记17采用设置在左边的第一检测单元3、在这里为左上光学器件来检测。与左下光学器件相反，第一检测单元3具有至少三个平移自由度。
因此，左上光学器件3将其X平移单元8、其Y平移单元9及其Z平移单元10用于移动光学器件3，以便检测可见范围和景深区中的左标记17。就左上光学器件3相对校准衬底13位于极小高度而言，不需要Z位置的变化或者仅需要Z位置的少许变化。
在左下光学器件和左上光学器件的光轴OA与左标记17对齐之后，第一容纳件4的所有平移单元和旋转单元的对应编码器位置、第一检测单元3的平移单元的所有编码器位置以及第二检测单元3’的Z平移单元的编码器位置能够作为检测数据来存储。左上光学器件3的所存储的编码器位置以及左下光学器件3’的z平移单元的编码器位置优选地设置为零点。检测数据由控制装置来处理。
图2d至2e中，上述校准过程相对于第一校准衬底的右标记17对应地进行。在校准四个检测单元3、3’、3”和3”’和上容纳件4或者朝上容纳件4进行校准之后，校准衬底17移行进入按照图2f的其起始位置，并且能够再次从按照本发明的对齐设备1”中移除。
图2f示出按照本发明的对齐单元1”的第一校准之后的最终状态。
在一有利实施方式中，每侧具有恰恰一个标记17的校准衬底13由校准衬底13’替换，在以下区段中对校准衬底13’进行更详细说明。在每侧，这个校准衬底13’不仅具有标记17，而且具有带多个标记17’的完整标记场18、即标记矩阵。标记矩阵由沿x和y方向设置在预给定和已知的X和Y位置的多个标记17’组成。第二校准衬底13’的标记17’能够尤其与第一校准衬底13的标记17相同或不同。
重要的是要提及，也可能采用校准衬底13’来实施已按照图2a-2c提及的第一校准步骤。这样，省却了校准衬底13的昂贵生产。
图3a-3c示出按照本发明、用于对两个第一检测单元3、3"相互之间进行校准、因此对左上光学器件和右上光学器件进行校准的过程的步骤。
在根据图3a、按照本发明的第一校准步骤，加载校准衬底13’。标记场18的标记17通过高分辨率写入过程、例如电子写入方法来加入校准衬底13’中。标记17’又位于校准衬底13’的表面或者其中心(相对于校准衬底13’的法线方向)。标记场18的标记17’优选地通过光刻、电子束光刻或者离子束光刻过程来产生。
标记场18的优点在于不同标记17’相互之间的非常精确且精准的取向和/或定位。标记17’与其理想X位置和/或Y位置的偏差小于100 μm，优选地小于10 μm，更优选地小于1μm，最优选地小于100 nm，以最优选的方式小于10 nm。因此，标记场18表示理想位置图，相对该理想位置图，能够以较小位置分辨率来执行设备的校准。标记场18的各个标记17’尤其小于500×500 μm，优选地小于300×300 μm，更优选地小于100×100 μm，最优选地小于50×50 μm，以最优选的方式小于10×10 μm。
在图3b所示的按照本发明、采用第二校准衬底13’的第二校准步骤，第二校准衬底13’沿负X方向移动，直到标记场18的大部分、优选地是标记场18的几何中点设置在左上光学器件3的可见范围中。
左上光学器件3在前一校准过程中采用第一校准衬底13、相对于第一校准衬底13的标记17来校准。因此，第一检测单元3相对于其X和Y位置位于起始位置(优选地为零点)。与左下光学器件相反，左上光学器件具有沿X和Y方向移动的可能性。
为了取得对X-Y位置的正确、快速、精确且主要可再现的操控，通过标记场18的每个标记17’的中心采用左上光学器件的光轴OA来检测，标记场18的所有标记17’采用第一检测单元3(左上光学器件)来接连扫描。第一检测单元3的所有位置特征、即至少X平移单元8的X位置和Y平移单元9的Y位置、优选地还有Z平移单元10的Z位置被指配给每个这样达到的X-Y位置。因此，第一检测单元3的位置被检测到标记场18的标记17’的精确度高的、假定是理想的值。位置的这样得到的值能够作为位置图来存储，并且此外针对左上光学器件用于内插。
在图3c所示的按照本发明、采用第二校准衬底13’的第三校准步骤，对校准衬底13’的右侧的标记场18并且因而对第一检测单元3”(右上光学器件)的校准进行相同过程。
因此，全部四个光学器件3、3’、3”和3’”的所有校准步骤结束。
校准不是每个取向过程都必需的，而是仅以规则间隔或者确定在对齐过程中的偏差时必需。该确定能够尤其由度量衡模块来进行。
在根据图4a、按照本发明的对齐过程的一实施方式的第一步骤，第一衬底14在对齐设备1”中加载有左对齐标记和右对齐标记17”。在这种情况下，第一检测单元和第二检测单元3、3’、3”和3’”优选地沿Z方向的位置尽可能远离第一衬底14，以便简化第一衬底14的加载。
在根据图4b、按照本发明的对齐过程的第二步骤，第一衬底14向右移动，使得左标记17”位于第二检测单元3’(左下光学器件)的可见范围中。左下光学器件能够同时或紧接着沿Z方向移行到所存储零位置，并且因而应当具有景深区中的标记17”。对于标记17”不位于景深区中的情况，检测单元3’的z位置对应地围绕这个零点改变，直到产生标记17”的清晰图像。Z位置的可能校正将通过左下光学器件3’的方法沿Z方向实行。由于第二检测单元3’不能沿X方向和/或Y方向移动，所以必须通过第一(上)容纳件4的X平移单元8和/或Y平移单元9使衬底14的左标记17”与左下光学器件3’的光轴OA重合。在成功检测之后，系统存储第一容纳件4的平移和旋转单元的对应编码器位置，尤其存储在控制装置中。
作为下一个步骤，用于确定上容纳件4的平移单元和旋转单元的编码器位置的类似步骤按照图4c相对于第一衬底14和另外的第二检测单元3’”(右下光学器件)的右标记17来进行。
在根据图4d、按照本发明的对齐过程的第四步骤，第二衬底14’固定在第二(下)支架5上，并且使其沿Z方向接近第一衬底14。为了清楚起见而未绘出试样支架。
按照本发明，第二容纳件5尤其仅具有Z平移单元10，使得衬底14’既不能沿X方向也不能沿Y方向移动。
由于前一步骤，第一衬底14位于右侧，其程度使得下衬底14’的左标记17”能够由第一检测单元3(左上光学器件)来检测。第一检测单元3沿X方向和/或Y方向移动，以便使第二衬底14’的左标记17”与其光轴重合或者检测X-Y位置。由于按照图3b的校准步骤中的第一检测单元3被校核/校准到理想位置图，所以第一检测单元3的实际X-Y位置能够被确定并且能够成像到理想X-Y位置。X平移单元8和Y平移单元9的编码器位置被存储并且指配给第二衬底14’的左标记17”。
在图4e所示的按照本发明的对齐过程的一实施方式的第四步骤，对另外的第一检测单元3”进行移位，以便检测第二衬底14’的右标记17”和/或使所述右标记17”与右上光学器件的光轴重合。在此之前，第一衬底14向左移位，以便向右上光学器件提供对第二衬底14’的右标记17”的自由视图并且使该检测成为可能。
作为备选方案，该检测也能够从倾斜方向来进行，使得不需要第一衬底14的移位。
在确定所有必要参数之后，尤其在没有借助光学设备、例如检测单元3、3’、3”、3’”的情况下，两个衬底14、14'的对齐在根据图4f、按照本发明的第五步骤中执行。通过两个第一检测单元3、3”的X-Y位置，第二衬底14’的标记17”相对于左光学器件与右光学器件之间的连接线和/或相对于第一和第二检测单元3、3’、3”、3’”的检测对的光轴的X间距是已知的。通过第一容纳件4的编码器位置，上衬底14的标记17”相对于所述连接线或所述光轴的X-Y位置是已知的。由于第二衬底14’沿X和Y方向是固定的，所以，进行上衬底14的位置的计算以及然后的操控，使得第一衬底14的标记17”精准地位于第二衬底14’的对应标记17”之上。
在根据图4g、按照本发明的对齐过程的第七步骤，优选仅仅通过第二容纳件5的Z平移单元10的移动以最终使两种衬底14、14’相接触，以便避免使上衬底14的已经开始的最佳X-Y位置错误地相接触。
两个图5a和图5b还示出光学器件3、3’到标记17上的两个基本可能校准的示意性示图。
图5a示出两个光轴的调整的最佳、在此更快并且更经济的过程。两个光轴3、3’没有相交点，或者相交点至少没有位于标记17内。光轴在标记17的中心的左边和/或右边切入以后的接合平面B。相应地，标记17显现成在光学器件3、3’中和/或对应数字化的传感器数据中移位。按照本发明，确定对齐标记17的图像之间的距离，以便确定光轴相对于标记17的偏移。因此，将光轴绝对准确地校准到一点上不是必要的。能够使用偏移，以便针对两个衬底的以后校准确定精准的位置。
图5b中，看到最佳但不太合乎需要、在此更时间密集和更昂贵的校准，其中光学器件3、3’的两个光轴的相交点精准地达到标记17中。相应地，在光学器件3、3’和/或对应数字化的传感器数据中看到：标记17准确地位于数字化图像的中心。
图6a-6c示出用于按照本发明、用于z平移单元10在沿z轴的移动期间沿x-y方向的偏差的第三校准方法的循环的三个部分校准步骤。对应方法基于校准衬底13”的左侧示出。
具有上标记17”o和下标记17”u的校准衬底13”位于左上光学器件3之下。左上光学器件3定位成使得至少聚焦上标记17o”(如果左上光学器件3的景深区应当足够大和/或校准衬底13”足够薄，则下标记17”u也能够已经聚焦)。在这个位置中，光学器件具有垂直位置5(左标度)和水平位置2.6(下标度)。校准衬底13”位于垂直位置1和水平位置1中。
校准衬底13”按照图6b移动到垂直位置1.8，并且在这种情况下经过水平位置从1到0的移位。在横截面示图中，只能看到沿x同和z轴的移位。相应地，校准衬底13”也仍然能够沿y轴移位。通过校准衬底13”与上光学器件3的这种接近，下标记17u”进入焦点(同时上标记17”o从景深区移行，并且因而不再被聚焦)。
在校准衬底13”的接近期间所产生的沿x方向和/或y方向的移位由软件来存储。校准衬底13”保持在垂直位置1.8和水平位置0上，而左上光学器件3又聚焦上标记17”o。在这种情况下，上光学器件3还将其水平位置从原始2.6调整到1.4，以便使标记17”o再次处于相对于光轴OA相同的间距，如同在按照图6a的第一部分校准步骤中一样。刚刚描述的部分校准步骤这时能够以任意频率重复，以便沿z方向行驶对应大的距离、确定z平移单元10沿x方向和/或y方向的相应移位，以及将其作为函数关系来存储。
图7示出按照本发明的对齐设备1’的等距示图，其中所有元件位于真空室6’内。在这种情况下，衬底13、13’、14、14’经由水闸19来加载和卸载。
图8通过将按照本发明的实施方式1”作为多个模块之一来示出集群23、优选地为真空集群、更优选地为高真空集群23。衬底13、13’、14、14’以及相互对齐的两个衬底14、14’的成品衬底叠层21经由机器人22在不同模块之间传输，以便实施不同加工步骤。
用于对齐衬底的装置和方法
参考标号列表
1, 1’, 1’’　　对齐设备
2　　支承框架
3, 3’’　　第一检测单元
3’, 3’’’　　第二检测单元
4　　第一容纳件
5　　第二容纳件
6, 6’, 6’’　　真空室
7　　窗口
8　　X平移单元
9　　Y平移单元
10　　Z平移单元
11　　π旋转单元
12　　对齐室
13, 13’, 13’’　　校准衬底
13i, 13a　　校准衬底表面
14　　第一衬底
14’　　第二衬底
15　　大气区域
16　　真空区域
17, 17’, 17”o, 17”u　　标记
18　　标记场
19　　水闸
20　　盖板
21　　衬底叠层
22　　机器人
23　　真空集群
OA　　光轴
DOF　　景深区，英语：Depth of Focus
A　　间距
F　　可见范围(英语：Field of View)
F’　　标记的优选停留区域。

Claims (19)

1.一种用于采用下列步骤使第一衬底(14)与第二衬底(14’)对齐并且相接触的方法：
- 将所述第一衬底(14)固定到第一容纳件(4)上并且将所述第二衬底(14’)固定到设置成与所述第一容纳件(4)相对的第二容纳件(5)上，其中，所述第一衬底和第二衬底(14，14’)以所述第一衬底(14)的第一接触面与所述第二衬底(14’)的第二接触面之间的间距A设置在所述第一容纳件与第二容纳件(4，5)之间，
- 由至少四个检测单元(3，3’，3”，3’”)来检测所述第一衬底(14)的第一标记(17)和所述第二衬底(14’)的第二标记(17’)，其中：
a) 至少两个第一检测单元(3，3”)能够至少沿X方向以及沿横向于所述X方向延伸的Y方向行进，以及
b) 至少两个第二检测单元(3’，3’”)在检测时仅仅沿横向于X和Y方向延伸的Z方向行进，
- 借助所述第一衬底(14)和所述第二衬底(14’)移动经过所述第一容纳件(4)和所述第二容纳件(5)，沿X方向和横向于所述X方向延伸的Y方向相对于所述第二衬底(14’)来对齐所述第一衬底(14)，以及
- 使已对齐衬底(14，14’)的接触面沿所述Z方向相接触。
2.如权利要求1所述的方法，其中，固定到所述第二容纳件(5)处的第二衬底(14’)能够仅仅沿Z方向行进。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述对齐在小于1巴的真空中进行。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述对齐在小于10-3巴的真空中进行。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述对齐在小于10-5巴的真空中进行。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述对齐在小于10-7巴的真空中进行。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述对齐在小于10-9巴的真空中进行。
8.如权 利要求1-7中的任一项所述的方法，其中，所述至少四个检测单元在所述对齐之前采用至少一个第一校准衬底(13)来校准。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述检测单元采用至少一个第一校准衬底(13) 再加上采用构造成与所述第一校准衬底(13)不同的第二校准衬底(13’) 来校准。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述第一校准衬底(13)用于校准能够设置成分别相对的检测单元的光轴和/或用于相对于所述第一校准衬底(13)来校准所述检测单元的景深。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述第二校准衬底(13’)用于相对于所述第一容纳件(4)上所述第一衬底(14)沿所述X方向和所述Y方向的移动来校准所述第一检测单元(3，3”)。
12.如权利要求1-7中的任一项所述的方法，其中，由控制装置来执行对所述第一衬底(14)和所述第二衬底(14’)借助于所述第一容纳件(4)和所述第二容纳件(5)的移动的控制和检测以及对所述至少四个检测单元(3，3’，3”，3’”)的移动的控制和检测以及对用于使已对齐衬底(14，14’)的接触面沿所述Z方向相接触的部件的移动的控制和检测。
13.一种用于使第一衬底(14)与第二衬底(14’)对齐并且相接触的装置，所述装置具有：
- 用于固定和移动所述第一衬底(14)的第一容纳件(4)和设置成与所述第一容纳件(4)相对、用于固定和移动所述第二衬底(14’)的第二容纳件(5)，其中所述第一衬底和第二衬底(14，14’)能够以所述第一衬底(14)的第一接触面与所述第二衬底(14’)的第二接触面之间的间距A沿X方向、横向于X方向延伸的Y方向以及横向于所述X和Y方向延伸的Z方向在所述第一容纳件与第二容纳件(4，5)之间对齐，
- 至少四个检测单元(3，3’，3”，3’”)，其中：
a) 至少两个第一检测单元(3，3”)能够至少沿所述X方向和沿所述Y方向行进，以及
b) 至少两个第二检测单元(3’，3’”)能够仅仅沿所述Z方向行进，
- 接触部件，其用于使相对于所述第二衬底(14’)对齐的所述第一衬底(14)与所述第二衬底(14’)沿所述Z方向相接触，以及
- 控制装置，其用于控制和检测所述第一衬底(14)和所述第二衬底(14’)借助所述第一容纳件(4)和所述第二容纳件(5)的移动以及用于控制和检测所述至少四个检测单元(3，3’，3”，3'”)的移动以及用于控制和检测所述接触部件的移动。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述第一容纳件(4)具有能够按照线性方式行进的X平移单元、能够按照线性方式行进的Y平移单元以及能够按照线性方式行进的Z平移单元。
15.如权利要求13所述的装置，其中，所述第二容纳件(5)具有能够按照线性方式行进的Z平移单元。
16.如权利要求13至15中的任一项所述的装置，其中，所述第一检测单元(3，3”)相对于所述第一容纳件(4)侧向设置，和/或所述第二检测单元(3’，3’”)相对于所述第二容纳件(5)侧向设置。
17.如权利要求13至15中的任一项所述的装置，其中，所述第一检测单元(3，3”)分别具有能够按照线性方式行进的X平移单元、能够按照线性方式行进的Y平移单元以及能够按照线性方式行进的Z平移单元。
18.如权利要求13至15中的任一项所述的装置，其中，所述第二检测单元(3’，3’”)分别具有能够按照线性方式行进的Z平移单元。
19.如权利要求13至15中的任一项所述的装置，其中，相应的第一检测单元(3，3”)和相应的第二检测单元(3’，3’”)能够彼此相对地设置。
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