JP2005251972A - ウェハ重ね合わせ方法及びウェハ重ね合わせ装置 - Google Patents

Abstract

【解決課題】 複数の半導体装置を有するウェハを積層し、チップの高密度化、高速駆動を図る場合、相互の電極接合の位置合わせが重要になる。従来よりもウェハのサイズが大きくなって場合、ウェハ全面で高精度に接合する電極の位置あわせは従来の方法では精度が不足となっている。
【解決手段】 一方のウェハ上のアライメントマークを基準顕微鏡により測定する。他方のウェハに対しては、ウェハ上のアライメントマークとホルダ上の基準マークの位置位置関係を測定し、次いで、基準マークを測定用顕微鏡（基準顕微鏡との位置関係は既知）で検出する。この結果、基準マークを仲介させてウェハ上のアライメントマークと基準顕微鏡との位置関係が把握でき、互いの位置を合わせるようにウェハを移動して重ね合わせると、高精度な位置合わせが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体ウェハの積層工程における重ね合わせ方法に関するもので、特には高精細な半導体装置が形成されたウェハを積層する工程等に用いられる、アライメント技術を中心とする重ね合わせ方法及びそのための重ね合わせ装置に関するものである。

近年携帯型の電子機器、例えば携帯電話やノートパソコン、携帯型オーディオ機器、デジタルカメラの進歩が著しい。これに伴って、用いられる半導体装置に対してもチップ自体の性能向上に加え、チップの実装技術においても改良が求められ、特に、チップ実装面積の低減と半導体装置の高速駆動化の観点からの実装技術の改良が求められている。
チップ実装面積の低減のために、チップを積層することにより実装面積を増加させずに実装チップ量を増加させ、実効的な実装面積の低減をはかることが行われている。例えば、 特許文献１（特開２００１−２５７３０７）、特許文献２（２００２−０５０７３５号）、特許文献３（特開２０００−３４９２２８）にはこのような技術が開示されている。第１のものは、チップとチップやチップと実装基板をワイヤによって接続するワイヤボンド方式によるものである。第２のものは、チップの裏面に設けられたマイクロバンプを介して、チップとチップやチップと実装基板を接続するフリップチップ方式によるものである。第３のものは、ワイアボンド方式、フリップチップ方式の双方を用いて、チップとチップやチップと実装基板を接続するものである。

半導体装置の高速駆動化のためには、チップの厚さを薄くし、貫通電極を用いることにより実現する方法が有力である。例えば、厚さをミクロン単位にして実装する例が特許文献４（特開２０００−２０８７０２）に示されている。

ワイヤボンド方式は半導体ベアチップの周囲にワイヤを張るため半導体ベアチップ自体の占有面積以上の大きな占有面積を必要とし、またワイヤは１本づつ張るので時間がかかる。これに対して、フリップチップ方式では半導体ベアチップの裏面に形成されたマイクロバンプにより接続するため、接続のための面積を特には必要とすることがなく、半導体ベアチップの実装に必要な面積は半導体ベアチップ自体の占有面積にほぼ等しく出来る。また１つの面が全てのバンプを有するように出来るため、配線基板との接続は一括して行える。従ってフリップチップ方式は半導体ベアチップの実装に必要な占有面積を極小化して高密度実装化し、電子機器の小型化を図ると共に工期短縮のためには最も適する方法となっている。

このようなチップと実装基板、及びチップとチップ間の接続方法の改良に加え、製造コスト面を低減する手段として、半導体チップが形成されたウェハを個々のチップに分離する前に再配線層や接続バンプの形成、場合によっては樹脂による封止が行われている。このウェハレベルでの処理が有効である半導体装置は、製造の歩留まりが高く、ピン数が少ない半導体装置であり、特にメモリーの生産に利点が多い。（NIKKEI MICRODEVICE 2000年2月号,56頁 及び NIKKEI ELECTRONICS 2003.9.1 P.127）。

一方、このような半導体装置を製造するための製造装置の開発も鋭意なされている。例えば、貼り合わせるべきウェハの位置あわせを行って接合するための装置が学術文献１により紹介されている。（P.Lindner等：2002 Electronic Component and Technology Conference P.1439）。他に、特許文献５（特開平９−１４８２０７号）にも同様な技術が開示されている。

このような、半導体装置を貼り合わせて素子の高密度化、高速動作化を図る技術においては貼り合わせる半導体装置間の位置あわせ（アライメント）が重要な技術の１つである。従来のこの種の技術としては、貼り合わせる半導体装置の２つの面を同時に観察して（例えば、２視野カメラ、２視野顕微鏡を用いて観察して）位置を合わせる方法と、貼り合わせる２つの面を一定間隔だけ隔てた２点で別々に観察し、互いの位置関係を計算して位置を合わせる方法がある。２面を同時に観察する方法では出来るだけ２面間の間隔を狭めて観察することが重要であり、例えば特許文献６（特開平１０−１６３２５３号）にこの点の改良技術が開示されている。また、異なる２点で２つの面を別々に観察して位置を関係付けるには２点間の距離の測定精度と観察系自体の精度が重要であり、例えば特許文献７（特開平４−２０６５３４号）にこの点の改良技術が開示されている。
特開２００１−２５７３０７号 特開２００２−０５０７３５号 特開２０００−３４９２２８号 特開２０００−２０８７０２号 特開平９−１４８２０７号 特開平１０−１６３２５３号 特開平４−２０６５３４号

学術文献

P.Lindner等：2002 Electronic Component and Technology Conference P.1439

しかしながら、従来より行われている方法ではウェハの直径が８インチ、１２インチと大きくなっていくとウェハ全面において位置あわせ精度をサブミクロンに合わせることは位置測定精度及び位置あわせ装置の駆動精度が不足して不可能であることが明らかになってきた。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、２枚のウェハをサブミクロンの位置精度で貼り合わせるための重ね合わせ方法及びそのための装置を提供することを目的としている。

本発明では、上記目的を達成するために以下の手段を用いている。
複数の半導体装置を有する第１、第２のウェハを重ね合わせる、重ね合わせ方法であって、
複数の基準マークを周辺部に有する第１のホルダに前記第１のウェハを固定する、第１のウェハ固定工程、
前記第１のウェハ上のアライメントマークと前記基準マークの位置関係を測定する、第１の測定工程、
第２のホルダに前記第２のウェハを固定する、第２のウェハ固定工程、
前記第２のウェハを保持する前記第２のホルダをＸ,Ｙ方向に移動可能な第２のテーブルに固定する、第２のホルダ固定工程、
前記第２のホルダに保持された前記第２のウェハ上のアライメントマークの基準座標系中での位置座標を測定する、第２の測定工程、
前記第１のウェハを保持する前記第１のホルダを第１のテーブルに固定する、第１のホルダ固定工程、
前記基準マークの前記基準座標系中での位置座標を測定する、第３の測定工程、
前記第３の測定工程で測定された前記基準マークの位置座標及び前記第１の測定工程で測定された前記位置関係を基に、前記第１のウェハ上のアライメントマークの前記基準座標系での位置座標を求める、位置座標決定工程、
前記位置座標決定工程及び前記第２の測定工程での結果に基づいて、第１，第２のウェハの重ね合わせ位置を調整する、位置調整工程、
前記第１、第２のホルダを相対的にＺ方向に移動させて第１の、第２のウェハを近接させる近接化工程、
前記第１、第２のウェハを接触させた状態で前第１、第２のホルダを重ね固定する、重ね固定工程
を有することを特徴とする、重ね合わせ方法である。

このように、一方のウェハを複数のアライメントマークの測定値を基に基準座標に位置付けし、他方のウェハも複数の基準マークを介して複数のアライメントマークとの位置関係より基準座標系に位置あわせを行っているので、2つのウェハを高精度に重ねあわせることができる。
本発明では、上記の方法中の、第１及び第２の測定工程において、干渉計測法により前記位置関係又は位置座標を測定することもある。干渉計測法によりテーブルの移動量を測定すると、高精度にテーブルの位置座標の測定が可能になる。これにより、アライメントマークの位置座標の測定精度が向上し、重ね合わせ精度が他の手段、例えば、リニアスケールを用いた測定に比して精度が桁違いに精度が向上する。特に、長い距離を測定する場合には精度の差が顕著になる。

また本発明では、第１のウェハ上のアライメントマーク又は第２のウェハ上のアライメントマークのうち、少なくとも一方のアライメントマークは前記半導体装置の製造時にアライメント用として付与され、使用されたアライメントマークを用いることもある。所謂前工程においてウェハ上に半導体装置を作りつける場合、各層間の重ね合わせ精度を確保するためにアライメントマークがウェハ上に設けられる。半導体装置を有するウェハどうしを重ね合わせる工程において、このアライメントマークを用いることにより改めてマークを刻む工程を必要とせず、製造費用とその時間が不要になる。

また本発明では、上記第１の測定工程及び前記第２の測定工程の少なくとも一方の測定工程において３つ以上のアライメントマーク位置を測定し、前記位置調整工程において、最適化処理を行って重ね合わせ位置を調整することもある。半導体装置を製造する前工程において、半導体装置形成面は一般的には加工に伴って応力が発生し、形成面が歪む。従って、例えば、2点のみのアライメントマーク位置を測定して互いに重ね合わせた場合、2つのウェハに形成された半導体装置の接合部分が正しく重ならないことがある。2つのアライメントマークの位置どうしは若干の位置ずれを生じても全体としては正しく接合できることがある。このために、全体的な位置座標を見ながら位置あわせ位置の最適化を行う。実際の最適化の方法に関しては後述する。

また本発明では、前記ウェハ固定工程において、前記第１のホルダと第２のホルダを、真空吸着力、磁力、静電力、機械的固定力、高分子樹脂の粘着力のいずれか、又はこれらの組み合わせにより重ね固定することもある。重ね合わされたウェハを挟み込んだ第1、第２のホルダは次の工程に搬送するために互いに固定される必要があるが、電気的な制御が容易な磁力、静電力に加えて、真空吸着力が利用可能である。これらの力は、ウェハをホルダに保持するためにも使用する力であり、配管や機構系を特に設計しなくてもよい。また、機械的な固定力を用いると、次工程への搬送が容易になる。さらに、より簡単には接着力の利用も可能であり、機械的な固定法と同様に次工程への搬送が容易になる。

また本発明では、上記第３の測定工程において使用する測定手段間の距離を必要に応じて測定するベースライン測定工程を実施することもある。 これによって、熱的な要因や経時的な要因によってベースライン長（測定手段間の距離）に変動があった場合でも、基準マークの測定位置計測に誤差が生じないようにできる。

また本発明では、第１の測定工程、第２の測定工程及び第３の測定工程の少なくとも１つ工程において、前記第１の又は第２のホルダを基準座標系の所定の位置範囲内に位置づける、粗アライメント工程を実施することもある。ウェハにはオリエンテーションフラットやノッチがつけられており、これらを目安に第１のテーブルや第２のテーブルに粗く位置あわせして固定する。これによって、測定手段の視野内にアライメントマークや基準マークが入るようになり、測定時間の短縮による工程時間の短縮効果やテーブルが移動すべき距離の短縮によるテーブル駆動機構の簡素化が可能になる。

また本発明では、上記近接化工程中に前記第２のテーブルのＸ、Ｙ方向への変位を干渉測定法により測定し、測定結果を基に該第２のテーブルのＸ、Ｙ方向への変位を防止しながら第１の，第２のウェハを近接させることもある。互いに重ねあわせるウェハどうしの位置合わせを行ってから両方のウェハ近接させるが、この近接過程においてウェハの位置座標が変化する場合がある。このような場合には、ウェハが近接する工程中にウェハが移動する方向と直行する方向の動きを測定し、その結果に基づいてウェハの位置座標を補正することにより重ね合わせ精度が確保される。

本発明では、先の目的を達成するために、以下の装置を提供する。
複数の半導体装置を有する第１、第２のウェハを重ね合わるための装置であって、
第１のホルダを保持する第１のテーブル、
第２のホルダを保持する第２のテーブル、
前記第１のテーブルと前記第２のテーブルを相対的にＺ、θzのそれぞれの方向に移動させる相対移動機構、
前記第２のテーブルをＸ、Ｙのそれぞれの方向に移動させる第２の駆動装置、
前記第２のテーブルの移動量を測定する距離測定手段、
前記第２のテーブル上のマーク及び該テーブルに保持されているウェハ上のアライメントマーク位置を測定する基準顕微鏡
第１のテーブルに保持されているホルダ上の複数の基準マーク位置を測定する複数の、測定用顕微鏡、
を有する重ね合わせ装置である。

本装置は、特に上記重ね合わせ方法に適したものであり、一連の工程を実施できる。
また本発明では、上記測定装置として、干渉計を用いて測定精度を上げることも行っている。先にも記したように、干渉計による移動距離の測定は、測定精度において他の測定手段より格段に優れている。

また本発明では、第２の駆動装置は気体軸受けを有することもある。気体軸受けは非接触でテーブルを駆動できるので、機械的な安定性及び位置決め精度に優れている。
また、本発明では、第２の駆動装置にエアシリンダを使用することもある。エアシリンダは他の電磁駆動機構と異なって電磁石又は永久磁石を移動させる必要がなく、全体として計量化が図れ、また加減速に対して高速に対応できる。

また本発明では、第２のテーブルの移動量は重ね合わせるウェハの直径と同程度か、それよりも大きいようになしている。ウェハ上のアライメントマークは場合によっては、中心を挟んで互いに縁部に配置されることもある。この場合のアイメントマークも測定可能とするために、テーブルの移動量をウェハの直径よりも大きくしておくと便利なこともある。これに対応して、移動量を計測する測定系の測定範囲もウェハの直径よりも長くしておく。

また本発明では、上記第１のテーブルの移動量を測定する第１の干渉計をさらに備えることも良い。重ね合わせの際に、装置全体の熱変形や経時変化によりウェハを保持するテーブルが変位する事もあるので、本手段により、その変位を補償するためにテーブルの変位を精度良く測定することができる。

また本発明では、前記重ね合わせ位置の最適化を行う演算手段を有することもある。
２つの重ね合わせるウェハのアライメントマークは、設計上の位置は同じであっても製造時の処理のために位置が変化している。この場合、ウェハ全体として適切に位置あわせされるように、最適化処理を行って２組のアライメントマーク位置の位置あわせを行って重ね合わせる。これによって、ウェハ全体として適切な重ね合わせが実現できる。

本発明を用いることによって、半導体装置が形成されたウェハを、精度良く重ね合わせることが可能になる。特に、半導体装置の製造工程での表面変形が有っても、もっとも適切な重ね合わせ位置の決定が出来、変形の影響が無いように重ねあわせが実現される。

図１は、本願発明の重ね合わせ装置に本願発明の重ね合わせ方法で使用する部材を保持した状態を示す装置構成の概念図である。
同図は、第１のウェハ１を第１のホルダ３に、第２のウェハ２を第２のホルダ４に固定し、ホルダ３，４を第１のテーブル５、第２のテーブル６にそれぞれ保持した状態を表している。

各ウェハは重ね合わせ面とは反対の面が周知の真空吸着又は静電吸着により各ホルダに保持されているが、同図には真空吸着用の吸引孔及び吸引装置、静電吸着用の電極及び電源部は省略されている。第１のテーブル５のホルダ保持面と第２のテーブル６のホルダ保持面は互いに向かい合うようになっていて、ウェハを保持したホルダを固定すると、ウェハの重ね合わせ面が向かい合うようになる。 第１のテーブル５は第１の駆動装置１０に結合されているが、この装置の機能は設計上の自由を有している。例えば、請求項９に記載の「第１、第２のテーブル（ウェハ）を相対的Ｚ、θzの方向に移動させる機能」や第１のホルダを微動させる機能を有することがある。場合によっては、該装置は不要なこともある。第２のテーブル６は第２の駆動装置９により少なくともＸ、Ｙ方向に移動させられ、第２のテーブル６の移動量は距離測定装置、例えば干渉計１１により測定される。
先の記載の通り、請求項９に記載の「第１、第２のテーブル（ウェハ）を相対的Ｚ、θzの方向に移動させる機能」がこの第２の駆動装置９に組み込まれることもある。第１、第２のウェハにはアライメントマークが形成され、またホルダには基準マーク２２が形成されていている。これらのマークはウェハの位置あわせに際してその位置が観察されるが、そのための観察装置として基準顕微鏡７及び測定用顕微鏡８が配置され、基準顕微鏡７と測定用顕微鏡８の位置関係は所定の配置になされている。基準顕微鏡７は第２のテーブル４が所定の高さ位置に位置したときに基準マーク及びアライメントマークが顕微鏡の光学系の物面になるように調整されており、他方の測定用顕微鏡８は、第１のテーブル５に保持された第１のホルダ３の基準マーク２２をホルダの裏面より観察するものであり、同ホルダが保持された時に基準マーク２２が顕微鏡の光学系の物面になるように調整されている。この構成では積層されたウェハを更に重ねる場合には、第２のウェハ２の厚さが異なっているため、第２のホルダ２の基準マーク２２の高さ方向の調節が必要になることがある。このため、不図示のピエゾ素子が設けられており、必要に応じて高さ方向の調整を行っている。

尚、本発明には本質的ではないが、重ね合わせるウェハ等の位置を定めるために、基準顕微鏡７を原点にし、テーブル６の移動方向をＸ及びＹ軸とした基準座標系（Ｘ、Ｙ）を設定している。 従って、上記測定顕微鏡８の位置は基準座標系中で所定の座標値を有している。２つのウェハを重ね合わせる場合、原点と回転角を合わせる事になるので、アライメントマークは最低限２つでよい。図２参照。

以下に、本重ね合わせ装置の動作を示し、本願発明の重ね合わせ方法の説明を行う。

まず、第１のホルダ３上の基準マーク２２とホルダに保持された第１のウェハ１の位置関係を求める。
図３のように、周辺部に複数の基準マーク２２を有する第１のホルダ３に、重ね合わせるべき一方のウェハ１を周知の真空吸着又は静電吸着により固定する。 この第１のホルダ３を第２のテーブル６上に保持し、図４（ａ）のように基準顕微鏡７によりホルダ３の基準マーク２２を検出する。次いで、図４（ｂ）のように、第２の駆動装置９により第２のテーブル６を移動させて第１のウェハ１上のアライメントマーク２３を検出する。この時、移動量計測手段、例えば干渉計１１により第２のテーブル６の移動量が検出され、基準マーク２２とアライメントマーク２３との位置関係が求まる。

なお、本装置においては、上記の測定が可能なように第２のテーブル６の移動範囲を重ね合わせるウェハの直径と同程度か、それよりも大きくしている。
また、本実施例では、ホルダ１に固定されたウェハ１上のアライメントマーク２３とホルダ上の基準マーク２２の位置関係を、本発明による重ね合わせ装置を用いて求めているが、他の測定装置、例えば光波座標測定器等を用いて測定しても良い。

更にまた、本発明では重ねあわせ時のウェハ上のアライメントマークとして、半導体装置製造時にウェハ上に形成されたアライメントマークを用いることにより、新たなマークを設ける工程を省略して費用の低減を図ることも行われている。

次に、第２のウェハ２のアライメントマークの位置座標を基準座標系中で測定する。
第１のウェハを第１のホルダへ保持したのと同様にして、第２のウェハ２を第２のホルダ４に保持する。位置関係が定まった第１のウェハ１と第１のホルダ３を第２のテーブル４より取り外し、第２のウェハ２を保持している第２のホルダ４を第２のテーブル６に固定する。 第２の駆動装置９を動作させて第２のウェハ２上のアライメントマークを順次、基準顕微鏡７の視野内に移動させ、移動量を距離測定装置、例えば干渉計１１により計測する。これにより基準顕微鏡７の光軸と各アライメントマークの位置関係を得る。（図４(b)と同じ動作である。） この結果、基準座標系での第２のウェハ２上のアライメントマークの位置が定まる。

第２のウェハ２のアライメントマークの座標が求まると、第１のウェハ１を保持する第１のホルダ３を第１のテーブル５に固定し、第１のウェハ１のアライメントマークの基準座標系での位置座標を求める。以下に、その手順を記す。

図５に示すように、基準座標系中での座標位置が既知である測定用顕微鏡８の視野内にホルダ３の基準マーク２２が入るようにあらかじめ粗調整を行い、基準マーク２２を観察する。本発明の請求項７に記載の「ホルダを基準座標系の所定の位置範囲内に位置づける」とは、「ホルダが保持するウェハ上のアライメントマークが測定用顕微鏡の視野内に、またはホルダ上の基準マークが基準顕微鏡や測定用顕微鏡の視野内に入るように位置づける」という意味である。この粗調整には、ウェハのオリエンテーションフラットやノッチを基準にした位置調整を行う。具体的な方法としては、例えば、津田・引間による特開平９−２８３６０４に開示された技術により行うことができる。しかしながら、この粗調整によっても基準マーク２２が測定顕微鏡８の観測視野内に入らない場合もある。そのために、第１の駆動装置は第１のテーブル５を微少量移動させる駆動機構を備えている。そして、基準マーク２２が測定用顕微鏡８の観察視野内に入らない場合には第１のテーブル５の位置を調整する。この駆動機構に関しては、例えばピエゾ素子を用いて構成することが出来る。例えば、田中による特開２００２−３５９１７０に開示の技術により構成できる。

測定用顕微鏡８にはその光軸との関係が定まった指標が視野内に配置されており（実際には指標が顕微鏡の像面と共役な位置に配置されている）、視野内の像を観察すると基準マーク２２と測定用顕微鏡８の光軸の位置関係が求められる。先に記したように、測定用顕微鏡の基準座標系における位置座標は既知であるから、測定用顕微鏡８の光軸に対する基準マーク２２の位置より基準マーク２２の基準座標系における位置座標が定まる。ウェハ１上のアライメントマーク２３と基準マーク２２との位置関係は先の第１の測定工程において測定されている。従って、基準マーク２２の基準座標系における位置座表を介して、ウェハ１のアライメントマーク２３の基準座標系での位置座標が決まる。

第１のウェハ１上のアライメントマーク座標と第２のウェハ上のアライメントマークの座標が決められると、次にこの第１，第２のウェハの重ね合わせ位置を調整する。その方法を以下に説明する。重ね合わせ位置調整は第２の駆動装置９及び相対移動機構を用いておこなう。例えば、相対移動機構が第１の駆動装置１０に組み込まれている場合には、第２の駆動装置９を用いて第２のウェハを平行移動させ、第１の駆動装置１０を用いて第１のウェハを回転させる。

この時平行移動すべき平行移動量及び回転させるべき回転量の算出は以下のように行う。
第２のウェハを移動させる量を（Ｔｘ、Ｔｙ）とし、回転させる量をθとすると、測定されたアライメントマークの位置座標（Ｘm，Ｙm）と変換された位置座標（Ｘc，Ｙc）との間には次の関係式がある。
従って、２つのアライメントマークの位置座標を用いることにより、上式より移動量（Ｔx、Ｔy）及びθの値が定まる。 このＴx、Ｔy、θを用いて駆動装置６及び相対移動機構を働かせると、第１のウェハ１、第２のウェハ２を互いに重ねあわせる位置が調整されたことになる。

ところで、ウェハは一般的にはウェハプロセッシングの前工程により回路面には面内変形が生じている。このような変形を有するウェハどうしを高精度に重ね合わせる場合には、ウェハ上のアライメントマークを３つ以上の複数個準備し、互いに変形したウェハどうしの重ね合わせがもっとも精度良く行われるように互いの位置関係の最適化を行う。以下に最適化の例を示す。

第２のウェハ上の測定されたアライメントマークの、基準座標系での位置座標を（Axi,Ayi）とする。iはアライメントマークの数分だけ用意する。ウェハを回転させて、平行移動させるとアライメントマークの変換後の座標(Mxi,Myi)は、先の記載と同様に、以下のようになる。
次に、第１のウェハ上のアライメントマークの、基準座標系での位置座標を(Dxi,Dyi)とし、最小自乗法によりθ、Ｔx、Ｔyを求める。即ち、
関数Ｆ(θ、Ｔx、Ｔy) ＝ Σ((Dxi-Mxi)² + (Dyi-Myi)²)が最小値になるようにθ
、Ｔx、Ｔyを定める。

本装置には制御機能の一部として最適化演算手段が組み込まれていて、上記最適演算を行うようになされている。例えば、プログラムされたＤＳＰが制御系３０に組み込まれている。

尚、上記説明では、ウェハ間の重ね合わせ位置を決める際には、２枚のウェハ上のアライメントマークの位置関係から最適化処理を行ったが、ウェハを重ね合わせる位置及びウェハの姿勢を基準座標系にあらかじめ設定し、各ウェハの位置と姿勢、即ち各Ｔｘ、Ｔｙ、θの最適値を求めて良い。この場合には、アライメントマークの位置は２枚のウェハ間で異なっていても構わない。
第１、第２のウェハの位置関係が決められると、２つのウェハを第２の駆動装置９により互いに近接させる。 このとき、移動する第２のテーブル６のXY面内の変動を干渉計１１により測定し、所定のズレの範囲内に収まる様に第２の駆動装置９にフィードバックをかけながら近接させる。図６参照。しかし、ウェハの間隔が十分狭く、近接によりウェハ間の位置ずれが小さい場合には面内変動の観察は不要である。

不図示のロードセルの出力値により、ウェハ間の接触を確認した後、ウェハ１，２を接触状態で保持したままでホルダ３と４を固定する。このために使用する部材を図７に示す。図７中、４２は２つのホルダを結合する接続部であり、ベローズになっている。ゴム材からなる接続端部４３をもう一方のホルダ面に押し当て、排気穴４１から排気することにより２つのホルダを固定する。図7中の接続は真空吸着以外でも良く、接続端部に電極を配置して静電吸着を行ったり、電磁石を配して磁力吸着を用いても良い。また、一時的な粘着力を有する高分子樹脂を中間に介して固定してもよい。さらには、機械的固定力を図８のような構成にして利用しても良い。図８（a）は第１のホルダ３を示すものであり、切り欠き８２を有している。この切り欠き８２は図中では１つであるが、実際には複数個、例えば周囲に３個設けられている。図８（ｂ）には、第２のホルダ４上の固定機構を示すものである。この機構は、Ｔ字型部材８４とこの部材を回転可能に保持する回転受け８５、さらにＴ字型部材の軸の周りに巻かれ、Ｔ字の上面に固定されたゴム管８３を有している。ウェハを保持した２つのホルダが近接すると、第２のホルダのＴ字型部材を回転して第１のホルダの切り欠き部８２に入れ込む。ここで空気を導入管８６より入れることによりゴム管は膨張して第１のホルダ３を加圧する。圧力が適切な値になると、導入管は空気挿入機構より切り離されて２つのウェハを保持したまま、搬送可能になる。この機構は、例えば自転車の空気圧保持機構を使用すればできる。

以上で、２つのウェハの位置あわせを行って重ねあわせる方法とそのために用いられる装置の構成を記したが、装置の保守に関わる操作をさらに説明しておく。
上述した第１のウェハ１の位置座標決定工程においては、基準顕微鏡７及び測定用顕微鏡８の、基準座標系における位置は既知として座標を決めている。しかしながら、熱的な原因や経時的な原因によりその座標は変化することがある。本発明では、そのような場合に対応するために、必要に応じて以下に記すような校正工程を有している。

先ず、図９(a)に示されているように基準顕微鏡７により第２のテーブル６上のフィデューシャルマーク２１をその視野内におく。次いで、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、第２のテーブル６を移動させて測定用顕微鏡８の視野内に先のフィデューシャルマーク２１をおく。この時、干渉計１１により第２のテーブル６の移動量を測定することで基準顕微鏡７と測定用顕微鏡８の位置関係の校正が可能になる。この時、基準顕微鏡７と測定用顕微鏡８の物面はＺ軸上で同一にはなっていないので、基準顕微鏡７でフィデューシャルマーク２１を観察した後、第２のテーブル６を若干Ｚ軸方向（上方に）移動させて観察する。

図１０を基に、本発明の好適な第２のテーブル６とその駆動装置である第２の駆動装置９を説明する。
第２のテーブル６は基盤９２に対して、エアベアリングを介して支持体９１により保持されている。即ち、保持体９１の基盤に面する下面にはエアベアリングが配置されており、第２のテーブル６は基盤に対して非接触で保持されている。この第２のテーブル６は第２の駆動装置９に取り付けられている。第２の駆動装置９は基盤９２に固定された駆動ガイド９３とこのガイドに案内されたスライダ９４を有している。さらにスライダ９４上に固定された第２のガイド９５とこれに案内される第２のスライダ９６を有し、第２のテーブル６が第２のスライダ９６に取り付けられている。このスライダ９４、９６はエアシリンダにより駆動させられる。その具体的な構成例を図１１に示した。図１１中、１２１がスライダであり、１１１がガイドである。受圧板１１６を挟んでＰ１，Ｐ２の圧力を制御させることによりガイドに対してスライダを移動させる機構になっている。

以上の説明で、本発明の重ね合わせ方法及びその装置が理解されるとはずであるが、確認のために重ね合わせ方法のフローチャートを記しておく。
先にも記したように、本工程の内、Ｓ１，Ｓ２は本発明の装置を用いなくても良く、また順序としてもＳ６の前ならどこでも良い。

半導体装置を積層することによって実効的に素子の高密度化を行うことは産業上の顕著な傾向である。この積層には、ウェハ同士のアライメントが必要であり、そのための、より高精度な方法及び装置が求められている。従って、本発明は半導体産業上、必至の技術である。

本発明のウェハ重ね合わせ装置の構成部材と配置例を示す図である。 本発明での基準座標系を示す図である。 本発明のホルダにウェハを保持した状態を示す図である。 本発明での、ウェハのアライメントマークとホルダの基準マークの位置を測定する工程を示す図である。 本発明での、測定用顕微鏡による、ウェハ上の基準マーク検出工程を示す図である。 本発明の近接工程の概念図である。 本発明の、ホルダを固定する部材を説明する図である。 本発明の、ホルダを互いに機械的に固定する部材の例を示す図である。 本発明での、基準顕微鏡と測定用顕微鏡の位置関係を校正する工程を示す図である。 本発明のテーブル及び駆動装置の例を示す図である。 本発明に適したエアシリンダの例を示す図である。 本発明のウェハ重ね合わせ方法のフローチャートを示す図である。

符号の説明

１、２ ・・・・・ ウェハ
３，４ ・・・・・ ホルダ
５，６ ・・・・・ テーブル
７ ・・・・・ 基準顕微鏡
８ ・・・・・ 測定用顕微鏡
９、１０・・・・・ 駆動装置
１１ ・・・・・ 距離測定手段
２１ ・・・・・ フィデューシャルマーク
２２ ・・・・・ 基準マーク
２３ ・・・・・ アライメントマーク
３０ ・・・・・ 制御系
４１ ・・・・・ 排気口
４２ ・・・・・ 接続部
４３ ・・・・・ 接続部端
８２ ・・・・・ 切り欠き
８３ ・・・・・ ゴム管
８４ ・・・・・ Ｔ字型部材
８５ ・・・・・ 回転受け
８６ ・・・・・ 空気道入管
９１ ・・・・・ 支持体
９２ ・・・・・ 基盤
９３、９５ ・・・・・ ガイド
９４、９６ ・・・・・ スライダ
１１１ ・・・・・ ガイド
１２１ ・・・・・ スライダ
１１６ ・・・・・ 受圧板

Claims (15)

1. 複数の半導体装置を有する第１、第２のウェハを重ね合わせる、重ね合わせ方法であって、
   複数の基準マークを周辺部に有する第１のホルダに前記第１のウェハを固定する、第１のウェハ固定工程、
   前記第１のウェハ上のアライメントマークと前記基準マークの位置関係を測定する、第１の測定工程、
   第２のホルダに前記第２のウェハを固定する、第２のウェハ固定工程、
   前記第２のウェハを保持する前記第２のホルダをＸ,Ｙ方向に移動可能な第２のテーブルに固定する、第２のホルダ固定工程、
   前記第２のホルダに保持された前記第２のウェハ上のアライメントマークの基準座標系中での位置座標を測定する、第２の測定工程、
   前記第１のウェハを保持する前記第１のホルダを第１のテーブルに固定する、第１のホルダ固定工程、
   前記基準マークの前記基準座標系中での位置座標を測定する、第３の測定工程、
   前記第３の測定工程で測定された前記基準マークの位置座標及び前記第１の測定工程で測定された前記位置関係を基に、前記第１のウェハ上のアライメントマークの前記基準座標系での位置座標を求める、位置座標決定工程、
   前記位置座標決定工程及び前記第２の測定工程での結果に基づいて、前記第１，第２のウェハの重ね合わせ位置を調整する、位置調整工程、
   前記第１、第２のホルダを相対的にＺ方向に移動させて第１の、第２のウェハを近接させる近接化工程、
   前記第１、第２のウェハを接触させた状態で前第１、第２のホルダを重ね固定する、重ね固定工程
   を有することを特徴とする、重ね合わせ方法。
2. 請求項１に記載の重ね合わせ方法であって、
   前記第１の測定工程又は第２の測定工程において、
   干渉計測法により前記位置関係、又は位置座標を測定することを特徴とする、重ね合わせ方法。
3. 請求項１又は２に記載の重ね合わせ方法であって、
   前記第１のウェハ上のアライメントマーク又は第２のウェハ上のアライメントマークのうち、少なくとも一方のアライメントマークは前記半導体装置の製造時にアライメント用として付与され、使用されたアライメントマークであることを特徴とする、重ね合わせ方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の重ね合わせ方法であって、前記第１の測定工程及び第２の測定工程の少なくとも一方の測定工程において３つ以上のアライメントマークの位置を測定し、前記位置調整工程において最適化処理を行って重ね合わせ位置を調整することを特徴とする、重ね合わせ方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の重ね合わせ方法であって、前記ウェハ固定工程において、前記第１のホルダと第２のホルダを、真空吸着力、磁力、静電力、機械的固定力、高分子樹脂の粘着力のいずれか、又はこれらの組み合わせにより重ね固定することを特徴とする、重ね合わせ方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の重ね合わせ方法であって、
   前記第３の測定工程において使用する測定手段間の距離を必要に応じて測定するベースライン測定工程を有することを特徴とする、重ね合わせ方法。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の重ね合わせ方法であって、
   前記第１の測定工程、第２の測定工程及び第３の測定工程の少なくとも１つの工程において、
   前記第１の又は第２のホルダを基準座標系の所定の位置範囲内に位置づける、粗アライメント工程を有することを特徴とする、重ね合わせ方法。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の重ね合わせ方法であって、
   前記近接化工程中に前記第２のテーブルのＸ、Ｙ方向への変位を干渉測定法により測定し、測定結果を基に該第２のテーブルのＸ、Ｙ方向への変位を防止しながら第１の，第２のウェハを近接させることを特徴とする、重ね合わせ方法。
9. 複数の半導体装置を有する第１の、第２のウェハを重ね合わるための重ね合わせ装置であって、
   第１のホルダを保持する第１のテーブル、
   第２のホルダを保持する第２のテーブル、
   前記第１のテーブルと前記第２のテーブルを相対的にＺ、θzのそれぞれの方向に移動させる相対移動機構、
   前記第２のテーブルをＸ、Ｙのそれぞれの方向に移動させる第２の駆動装置、
   前記第２のテーブルの移動量を測定する測定手段、
   前記第２のテーブル上のマーク及び該テーブルに保持されているウェハ上のアライメントマーク位置を測定する基準顕微鏡
   第１のテーブルに保持されているホルダ上の複数の基準マーク位置を測定する複数の測定用顕微鏡、
   を有することを特徴とする、重ね合わせ装置
10. 請求項９記載の重ね合わせ装置であって、
    前記第２のテーブルの移動量を測定する測定手段として、干渉計を有することを特徴とする、重ね合わせ装置。
11. 請求項９又は１０に記載の重ね合わせ装置であって、
    第２の駆動装置は気体軸受けを有していることを特徴とする、重ね合わせ装置。
12. 請求項９乃至１１のいずれかに記載の重ね合わせ装置であって、
    第２の駆動装置はエアシリンダを有することを特徴とする、重ね合わせ装置。
13. 請求項９乃至１２のいずれかに記載の重ね合わせ装置であって、
    第２のテーブルの移動量は重ね合わせるウェハの直径と同程度か、それよりも大きいことを特徴とする、重ね合わせ装置。
14. 請求項９乃至１３のいずれかに記載の重ね合わせ装置であって、
    前記第１のテーブルの移動量を測定する第１の干渉計をさらに有することを特徴とする、重ね合わせ装置。
15. 請求項９乃至１４のいずれかに記載の重ね合わせ装置であって、
    前記重ね合わせ位置の最適化を行う演算手段を有することを特徴とする、重ね合わせ装置。