JP2005293570A

JP2005293570A - 圧電素子を用いた駆動機構におけるクリープ補正方法及び装置

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Publication number: JP2005293570A
Application number: JP2005070326A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamauchi; 朗山内; Masuaki Okada; 益明岡田
Original assignee: BONDOTEKKU KK
Current assignee: BONDOTEKKU KK
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】
従来、圧電素子を位置決め機構として使用する場合には、クリープやヒステリシスの問題から伸縮量を読み取るセンサーとフィードバック制御系が必要となっていたが、構造的にも複雑で大きなものとなってしまい、コスト高となってしまう。
【解決手段】
そこで本発明は、圧電駆動素子を用いた位置決め機構において、伸縮量を計測するセンサーやフィードバック系を用いずにクリープやヒステリシスを補正して停止させる方法及び装置を提供することを目的とするものであり、目標とする圧電伸縮量に対する目標電圧に対し、一旦オーバーシュートさせて目標電圧に戻す制御方法からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を用いた駆動機構における位置決め装置や平行調整機構を持った接合装置、成型装置に関する。

従来、圧電素子は、目標電圧が印加され、伸縮して位置決めされるが、図９に示すようにクリープ現象により、時間とともに除々に伸縮して位置がずれてしまうという問題と、図１０に示すように開始点からの移動距離により非線形なヒステリシスを持つため、位置決め機構として構成する場合には、必ず、位置を計測するセンサーを別途設けて、フィードバック制御している。センサーとしては、静電容量センサーやガラススケールがついたリニアスケールによる読み取りが主であり、ひずみゲージを圧電素子に貼り付けることで、直接位置を検出していないので正確ではないが簡易補正として用いられることもある。

従来、圧電素子を位置決め機構として使用する場合には、クリープやヒステリシスの問題から伸縮量を読み取るセンサーとフィードバック制御系が必要となっていたが、計測センサーを駆動系にプラスしてやる必要があり、構造的にも複雑で大きなものとなってしまう。また、それに伴う配線や制御系も必要となり、コンパクト、シンプルな構造でなくなり、容易に扱えず、また、コスト高となってしまう。

そこで本発明は上記のごとき事情に鑑みてなされたものであって、圧電素子を用いた位置決め機構において、伸縮量を計測するセンサーやフィードバック系を用いずにクリープやヒステリシスを補正して停止させる方法及び装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明に係る接合方法及び接合装置双方の手段を一括して以降に説明する。上記課題を解決するために本発明に係る接合方法及び接合装置は、圧電素子を用いた位置決め機構において、目標とする圧電素子の伸縮量に対する目標電圧に対し、一旦オーバーシュートさせて目標電圧に戻す制御方法からなる。（請求項１）また、圧電素子と電圧印加手段を有し、圧電素子を用いた位置決め機構において、目標とする圧電素子の伸縮量に対する目標電圧に対し、一旦オーバーシュートさせて目標電圧に戻す位置決め装置からなる。（請求項１１）圧電素子に目標電圧を印加して停止させても、図９に示すようにクリープ現象により、除々に位置が動いてずれてしまう。しかし、図９に示すように目標電圧に対して一旦オーバーシュートさせて目標電圧に戻してやることで停止させることができる。これは、プラスに電圧を印加したときにはプラス方向のクリープが続き、マイナスに印加した時は、マイナス方向にクリープが続く。これを印加した方向と逆方向に一定量戻してやることでプラスマイナスのクリープを相殺することができるためである。特にクリープは直前の状態に影響されるため逆にかける電圧は小さくても良く、少しオーバーシュートさせて戻してやることで達成できる。図９にはプラス方向へ伸ばす動作によるオーバーシュートを示しているが、マイナス方向へ縮小させる場合は、マイナス方向のオーバーシュートを与えてやればよい。本発明により、圧電素子の伸縮量を読み取るセンサーやフィードバック系は不要となるので、シンプルな構造でコンパクト、コストダウンが達成できる。

また、最適なオーバーシュート量を開始点と移動距離のパラメータからグラフ化し、多項式近似して求める方法からなる。（請求項２）最適なオーバーシュート量を開始点と移動距離のパラメータからグラフ化し、多項式近似して求める位置決め装置からなる。（請求項１２）クリープを停止させるために必要な最適なオーバーシュート量を開始点と移動距離のパラメータからグラフ化し、多項式近似して求めることで、どこからどこまで移動しても自動的に計算して制御することができる。そのためいちいち経験則に従う必要がなくなる。

また、圧電素子が持つヒステリシスを開始点と移動距離のパラメータからグラフ化し、多項式近似を行った結果を目標電圧とする方法からなる。（請求項３）また、圧電素子が持つヒステリシスを開始点と移動距離のパラメータからグラフ化し、多項式近似を行った結果を目標電圧とする位置決め装置からなる。（請求項１３）図１０に示すようにピエゾ素子（圧電素子）が持つヒステリシスを多項式近似することで、補正することができる。ピエゾ素子とは、電圧印加により伸縮する圧電素子を示し、圧電素子に含む。また、圧電素子の材質は問わない。これをクリープ補正と合わせて使用することで、ヒステリシスとクリープ双方を補正できるので、センサーによるフィードバック系がなくとも高精度な位置決め機構として使用することができる。クリープ補正だけでも位置は停止するので繰り返し精度が要求されるものには使用できるが、絶対精度が要求されるものには、ヒステリシス補正も合わせて補正してやることが有効である。

また、前記位置決め機構が、水平方向及び／または回転方向の位置決めテーブルである方法からなる。（請求項４）また、前記位置決め機構が、水平方向及び／または回転方向の位置決めテーブルである位置決め装置からなる。（請求項１４）圧伝素子を使用した位置決め機構をアライメントテーブル（位置決めテーブル）に使用する場合などは、アライメント後接合や成型するまでに時間差があるため、クリープによりずれが発生するためクリープを停止させる本方式は有効である。また、ヒステリシスも補正した方が補正回数も減少できるためより有効である。特にアライメントテーブルには補正回数を削減するために絶対精度が要求されるため、有効な手段である。

また、前記位置決めテーブルが、画像認識手段を用いてステージ上の材料上のマークを位置認識してアライメントする方法からなる。（請求項５）また、前記位置決めテーブルが、画像認識手段を用いてステージ上の材料上のマークを位置認識してアライメントする位置決め装置からなる。（請求項１５）画像認識によりアライメントするアライメントテーブルに使用する場合は、画像処理でアライメントテーブル上の材料上のマークを認識することで、ピエゾ伸縮量の誤差を読み取り補正することもできるが、それだけではフィードバック系としては遅い。そのためクリープやヒステリシス補正を加えることにより補正回数の減少により高速化できるため効果的である。
また、前記位置決め機構が、ステージの平行調整機構である方法からなる。（請求項６）また、前記位置決め機構が、ステージの平行調整機構である位置決め装置からなる。（請求項１６）平行調整機構などの位置決め機構においては、微小なサブミクロン台まで修正できるピエゾ素子は有効であるが、一度調整した平行度は狂わしたくないので、少なくともクリープは抑える必要がある。そのため、本方式は有効である。また、ヒステリシスも補正すれば絶対位置精度が上がるため調整回数も減少してより有効である。ステージとは、接合や成型などのために材料を保持するものであり、実施例では保持ツールと呼んでいる。
また、前記位置決め機構が真空中に配置されている方法からなる。（請求項７）また、前記位置決め機構が真空中に配置されている位置決め装置からなる。（請求項１７）真空中においては、複雑な構造物や配線が多いものはチャンバー中に配置することと、真空度を上げるためにはできるだけ減らしてシンプルとしたいところである。そのため、センサーやフィードバック系をなくして省配線できる本方式は特に有効である。また、シュウドウ面をないピエゾ素子を用いた位置決め機構は、ボールガイドが着いたモータ駆動のものと比べて真空中に配置しても真空度の妨げにならず有効である。
また、前記位置決め機構が接合装置における水平方向及び／または回転方向の位置決めテーブルまたはステージの平行調整機構である方法からなる。（請求項８）また、前記位置決め機構が水平方向及び／または回転方向の位置決めテーブルまたはステージの平行調整機構である位置決め装置からなる接合装置からなる。（請求項１８）対向保持された被接合物（材料）同士を位置をアライメントして加圧接合する接合装置においては、位置あわせのためのアライメントテーブルと両被接合物を加圧するための平行調整が重要なポイントとなる。そのため、本方式が有効な装置である。また、いくら高精度にアライメントしておいても平行度がでていないと接触時にずれが発生するため、平行調整は有効な手段である。

また、前記位置決め機構が成型装置における水平方向及び／または回転方向の位置決めテーブルまたはステージの平行調整機構である方法からなる。（請求項９）また、前記位置決め機構が水平方向及び／または回転方向の位置決めテーブルまたはステージの平行調整機構である位置決め装置からなる成型装置からなる。（請求項１９）対向保持された成型型と被成型材料（材料）同士を位置をアライメントして加圧成型する成型装置においては、位置あわせのためのアライメントテーブルと成型型と被成型材料を加圧し、かつナノインプリントのような微小厚みを成型するための平行調整が重要なポイントとなる。そのため、本方式が有効な装置である。

また、前記接合装置または成型装置の材料がウエハーである方法からなる。（請求項１０）、また、前記接合装置の材料がウエハーである接合装置からなる。（請求項２０）また、前記成型装置の材料がウエハーである成型装置からなる。（請求項２１）材料として、大面積からなる面で接合したり成型するウエハーでは、特に平行調整や半径方向に大きな位置決めを行うためには高精度な位置分解能を持ったアライメントテーブルが必要となり有効な手段である。また、特に半導体やＭＥＭＳに用いられるウエハーではナノレベルの微細パターンが要望され、本方式が有効である。

従来、圧電素子を位置決め機構として使用する場合には、クリープやヒステリシスの問題から伸縮量を読み取るセンサーとフィードバック制御系が必要となっていたが、伸縮量を計測するセンサーやフィードバック系を用いずにクリープやヒステリシスを補正して停止させることにより、シンプルでコンパクトな構造で、かつ、コストダウンが可能となる。

以下に本発明の望ましい実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、図６に示す位置決め機構なるピエゾ素子をアクチュエータとして使用する拡大機構のついたピエゾテーブルを解説する。ピエゾテーブルは中央に可動ステージ６０がバネ支持５９に四方から支持された状態で保持されている。矢印方向に可動ステージ６０を移動させるための駆動系として、ピエゾ素子５８が駆動バー５３に連結点５２に連結され、支点５１を支点として作用点５５は拡大移動され可動ステージを移動させる構造となっている。

図７にピエゾ素子を伸縮させて可動ステージを移動させる方法を示す。また、これをＸＹ２軸に組み合わせた構造とするには、ＸＹ２軸を組み合わせる場合は図８に示すように２つのピエゾテーブルを９０°ずらして対向配置する。連結方法としては、可動ステージ部（Ｄ）を上下に連結する方法と、固定ベース６１を連結する方法がある。Ａ，Ｂ点をＡ'、Ｂ'点に連結することで組み合わせできる。

本実施例では、拡大機構を用いたピエゾ位置決め機構としたが、直接ピエゾ素子の伸縮による位置決め機構としてもよい。

（第２実施形態）
図１に本発明の一実施形態に係る第２の実施の形態について、ナノインプリント装置からなる成型装置を示す。この実施形態では基材となる樹脂をコーティングしたウエハーと転写型となるシリコンウエハーをエッチング加工したものを用い、同寸法からなるウエハーに対して一括して成型する成型装置として例に上げる。

まず、装置構成について記述する。転写型となる上ウエハーを保持する転写型保持ツール３２からなるヘッド７と下ウエハーを保持する基材保持ツール３３からなるステージ８が減圧チャンバー１１中に配置され、ステージはトルク制御式昇降駆動モータ１が連結されたＺ軸昇降機構２とＺ軸昇降機構２を回転させるθ軸機構３と、ステージ部をＸＹ水平方向へアライメント移動させるＸＹアライメントテーブル６により、Ｘ、Ｙ、θ方向のアライメント移動手段とＺ方向の昇降手段からなる。圧力検出手段４により検出された接合時の加圧力をトルク制御式昇降駆動モータ１にフィ−ドバックすることで位置制御と圧力制御が切り替えながら行えるようになっている。また、図３に示すように、圧力検出手段４は圧力検出素子３１を円周上に等間隔に３箇所配置してあり、保持ツールの平行調整用に使用したり、振動加圧時の振幅測定にも使用する。ヘッド荷重制御に使用する場合は、３つの総和を持ってサーボモータへフィードバックする。また、成型時の接触検出にも利用できる。ＸＹアライメントテーブル６は真空中でも使用できる手段を使用するが、Ｚ、θ軸機構は減圧チャンバー外部に設置するため、Ｏリング５により移動可能にヘッド部と外部を遮断されている。ヘッド及びステージの転写型と基材の保持手段としては、メカニカルなチャッキング方式であっても良いが、静電チャックを設けることが好ましい。また、加熱のためのヒータを備え、保持手段、加熱手段の２つの機能を備える。

図３に示すように、各保持ツールの少なくとも一方にはピエゾアクチュエータ３０が円周上に３箇所配置され、平行調整を行う。また、ヘッド部は成型時または型抜き時に超音波領域を含む振動を併用するため、ヘッド７は支柱３７、転写型保持ツール３２、振動子３０から構成され、振動子による振動が転写型保持ツールに伝達され、振動を転写型保持ツールが保持する転写型へ伝達する。図３に示すように、振動子となるピエゾアクチュエータ３０は並列に３箇所円周上に等間隔で配置されており、位相を制御して波が流れるようなウェーブ動作や振幅も増減してうずまき動作など３次元的な動作をさせることができる。支柱３７は転写型保持ツールや振動子の振動を殺さないように保持する手段からなる。また、接触面積に比例して加圧力を制御してやることが好ましい。また、ウエハーのような大面積を成型する場合は、横振動タイプの振動ヘッドでは横振動させるには接触面積が大きくては不可能であるが、縦振動タイプの振動ヘッドであれば、大面積な成型も可能となる。

減圧手段としては、排気管１５に真空ポンプ１７がつながれ、排気弁１６により開閉と流量調整が行われ、真空度を調整可能な構造となっている。また、吸入側は、吸気管１８に吸入ガス切り替え弁２０が連結され吸気弁１９により開閉と流量調整が行われる。吸入ガスとしては封入ガスを２種類連結でき、例えばＡｒと窒素をつなぐことができる。もう一つは大気解放用の大気または窒素がつながれる。真空度や封入ガス濃度は吸気弁１９と排気弁１６の開閉含めた流量調整により最適な値に調整可能となっている。また、真空圧力センサーを減圧チャンバー内に設置することで自動フィードバックすることもできる。

アライメント用の光学系からなるアライメントマーク認識手段がヘッド上方に減圧チャンバー外部に配置される。認識手段の数は最低１つあれば良く、チップのような小さなものを認識するのであれば、アライメントマークがθ方向成分も読みとれる形状や２つのマークを１視野内に配置することで１つの認識手段でも十分読み取ることができるが、本実施例のようにウエハーのような半径方向に大きなものは両端に２つ配置した方がθ方向の精度を高く読み取ることができるので好ましい。また、認識手段は水平方向や焦点方向へ移動可能な手段を設けて、任意の位置のアライメントマークを読みとれるようにしても良い。また、認識手段は、例えば可視光やＩＲ（赤外）光からなる光学レンズをともなったカメラからなる。減圧チャンバーには認識手段の光学系が透過できる材質、例えばガラスからなる窓が配置され、そこを透過して減圧チャンバー中の転写型や基材のアライメントマークを認識する。例えば転写型となる上ウエハー、基材となる下ウエハーの対向する表面にアライメントマークが施され位置精度良く認識することができる。アライメントマークは特定の形状であることが好ましいが、ウエハー上に施された回路パターンなどの一部を流用しても良い。また、マークとなるものが無い場合はオリフラなどの外形を利用することもできる。両ウエハーを近接させた状態で上下ウエハー上の両アライメントマークを読み取り、ステージ側でＸ、Ｙ、θ方向へアライメント移動を行う。ナノレベルにより高精度にファインアライメントする場合は、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、上部からヘッドを透過して両ウエハー上のアライメントマークを赤外透過して同時認識し、Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。認識手段が焦点方向に移動手段を持つ場合は上下個別に認識することもできるが、近接させて同時認識した方が精度上より好ましい。ファインアライメントする場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。画像認識手段としてはサブピクセルアルゴリズムを使用することで赤外線の解像度以上の認識精度を得ることが可能となる。また、近接させてアライメントしておけば接合時に必要なＺ移動量は最低限の数μｍ以内となるため、Ｚ移動に対するガタや傾きを最小限に押さえられ高精度なナノレベルの位置合わせ精度を達成することができる。

次に動作フローを図２を参照しながら解説する。まず、〔１〕に示すように、減圧チャンバーの前扉を開いた状態で転写型となる上ウエハーと基材となる下ウエハーをステージとヘッドに保持させる。これは人手でも良いが、基材はカセットから自動でローディングしても良い。次に〔２〕に示すように、前扉を閉め、減圧チャンバー内を減圧する。気泡を巻き込まないように１０^−３Torr以下に減圧することが好ましい。続いて〔３〕に示すように上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態で認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、上部からヘッドを透過して両ウエハー上のアライメントマークを同時認識してＸ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。この場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。続いて〔４〕に示すように、ステージを上昇させ、両ウエハーを接触させ、位置制御から圧力制御へと切り替え加圧する。圧力検出手段により接触を検出し高さ位置を認識しておいた状態で、圧力検出手段の値をトルク制御式昇降駆動モータにフィードバックし設定圧力になるように圧力コントロールする。初期加圧が加えられた状態でまず、円周上に等間隔で配置された圧力素子の値が均一になるようにピエゾアクチュエータで上下の被加圧物間で平行調整を行う。高精度な位置決めが必要な場合は、事前に平行調整を行っておき、その値を記憶して平行調整された状態で接触させる。次に前述のような３次元的な動作を含む任意の振動を印加し、接触界面での応力が増加することにより低荷重で成型加工が進む。加圧力は接触面積の増加に伴い比例して増加させてやることが好ましい。また、お互いに密着し合う面形状をした接触表面には小さなゴミとなるパーティクルが存在し、パーティクル周辺に隙間ができ、大きくボイドとなって成型されない部分が現れる。これを回避するには振動を印加することで、パーティクル部に応力が集中するため砕けるか、基材内に埋没させることができる。また、ガラスなど基材が硬い場合には必要に応じて押し付け成型時に数百℃〜５百℃程度の加熱を加える。熱硬化型樹脂の場合は、押し付け後、２００℃程度の加熱により硬化させ、冷却してから型抜きを行う。続いて〔５〕に示すように、振動を印加しながらステージを下降させ、型抜きを行う。また、紫外線硬化型樹脂の場合は、上部から、紫外線透過材からなるヘッド、転写型を透過して、紫外線照射し硬化させ、型抜きを行う。このときに３次元的なウエーブ動作を加えることで斜めに順次抜き取ることができるので、型抜きがし易くなる。続いて〔６〕に示すように、ステージを待機位置に戻し、減圧チャンバー内を大気解放する。続いて前扉を開けて成型された基材となる下ウエハーを取り出す。人手でも良いが自動でカセットにアンローディングすることが好ましい。

前記実施例では転写型、基材としてウエハーを上げたが、チップや基板形状であっても良く、いかなる形態のものでも良い。

転写形が石英ガラスのように透明材質からなるものの場合は、認識手段は可視光でも良く、また、基材も赤外透過する材料である必要性は無い。その場合、転写型を透過して基材側アライメントマーク及び転写型表面のアライメントマークを読み取ることができ、好適である。

被接合物の保持手段としては静電チャック方式が望ましいが、メカニカルにチャッキングする方式でも良い。また、大気中でまず真空吸着保持させておいて密着させた後、メカニカルチャックする方法が密着性が上がり好ましい。

実施例ではステージ側がアライメント移動手段と昇降軸を持ち、アライメント移動手段、昇降軸はヘッド側、ステージ側にどのように組み合わせられても良く、また、重複しても良い。また、ヘッド及びステージを上下に配置しなくとも左右配置や斜めなど特に配置方向に依存しない。

振動周波数は特に超音波の領域でなくとも良い。特に縦振動タイプにおいては、低周波でも十分効力を発揮する。

図３に示すように圧力検出素子をピエゾアクチュエータと対向するステージ側へ配置したが、ピエゾアクチュエータと同側へ持っていって配置しても良い。また、ピエゾアクチュエータと圧力検出配置を反対にしてもよい。また、支柱で連結して支柱をＯリングで封止し、圧力検出素子を減圧チャンバー外へ配置することで温度変化によるドリフトを受けないので高精度に検出ことができる。

平行調整するタイミングとしては、事前に調整した値を保持しておくこともできる。また、各接触時に平行調整したり、加圧時に修正したりすることでより緻密に行うこともできる。また、高精度に位置あわせする必要がある場合は、アライメント前に平行調整しておくことが好ましい。

アライメントテーブルとして、圧電素子を用いたＸＹ方向の位置決め機構を用いたが、回転方向をプラスしてもよい。また、テーブル構成としては、複数の圧電素子からなるインチングアーム方式やウォーキングテーブルタイプ（特開２００１−０７６０９８）でもかまわなく、本発明に含む。

（第３実施形態）
以下に本発明の望ましい第２の実施の形態について、図面を参照して説明する。図４に本発明の一実施形態に係る表面活性化後に減圧中で振動印加して接合する接合装置を示す。この実施形態では第１の被接合物である上ウエハーと第２の被接合物である下ウエハーを接合するための装置として例に上げる。

まず、装置構成について記述する。ヘッド７の一部である上ウエハーを保持する保持ツール２５と下ウエハーを保持するステージ８が減圧チャンバー１１中に配置され、ヘッドはトルク制御式昇降駆動モータ１が連結されたＺ軸昇降機構２とＺ軸昇降機構２を回転させるθ軸機構３と、ヘッド部をＸＹ水平方向へアライメント移動させるＸＹアライメントテーブル６により、Ｘ、Ｙ、θ方向のアライメント移動手段とＺ方向の昇降手段からなる。保持ツール保持部２４中に配置された圧力検出手段４により検出された接合時の加圧力をトルク制御式昇降駆動モータ１にフィ−ドバックすることで位置制御と圧力制御が切り替えながら行えるようになっている。また、図３に示すように、圧力検出手段４は圧力検出素子３１を円周上に等間隔に３箇所配置してあり、保持ツールの平行調整用に使用したり、振動加圧時の振幅測定にも使用する。ヘッド荷重制御に使用する場合は、３つの総和を持ってサーボモータへフィードバックする。また、被接合物同士の接触検出にも利用できる。ＸＹアライメントテーブル６は真空中でも使用できる手段を使用するが、Ｚ、θ軸機構は減圧チャンバー外部に設置するため、ベローズ５により移動可能にヘッド部と外部を遮断されている。ステージ８は接合位置と待機位置間をスライド移動手段２９によりスライド移動することができる。スライド移動手段には高精度なガイドと位置を認識するリニアスケールが取り付けられており、接合位置と待機位置間の停止位置を高精度に維持することができる。また、移動手段としては、減圧チャンバー内部に組み込んだかたちとしているが、移動手段を外部に配置し、パッキンされた連結棒で連結することで外部にシリンダやリニアサーボモータなどを配置することが可能である。また、真空中にボールネジを配置し、外部にサーボモータを設置することでも対応できる。移動手段はいかなる移動手段であっても良い。ヘッド及びステージの被接合物保持手段としては、メカニカルなチャッキング方式であっても良いが、静電チャックを設けることが好ましい。また、加熱のためのヒータを備え、プラズマ電極ともなっており、保持手段、加熱手段、プラズマ発生手段の３つの機能を備える。

図３に示すように、各保持ツールの少なくとも一方にはピエゾアクチュエータ３０が円周上に３箇所配置され、平行調整を行う。また、ヘッド部は接合時に超音波領域を含む振動を併用するため、ヘッド７は保持ツール保持部２４、保持ツール２５、振動子２６から構成され、振動子による振動が保持ツールに伝達され、振動を保持ツールが保持する被接合物へ伝達する。図３に示すように、振動子となるピエゾアクチュエータ３０は並列に３箇所円周上に等間隔で配置されており、位相を制御して波が流れるようなウェーブ動作や振幅も増減してうずまき動作など３次元的な動作をさせることができる。保持ツール保持部は保持ツールや振動子の振動を殺さないように保持する手段からなる。また、接合が進むにつれ接合面積に比例して加圧力を制御してやることが好ましい。また、ウエハーのような大面積を接合する場合は、横振動タイプの振動ヘッドでは横振動させるには接合面積が大きくては不可能であるが、縦振動タイプの振動ヘッドであれば、大面積な面接合も可能となる。

減圧手段としては、排気管１５に真空ポンプ１７がつながれ、排気弁１６により開閉と流量調整が行われ、真空度を調整可能な構造となっている。また、吸入側は、吸気管１８に吸入ガス切り替え弁２０が連結され吸気弁１９により開閉と流量調整が行われる。吸入ガスとしてはプラズマの反応ガスを２種類連結でき、例えばＡｒと酸素や酸素と窒素をつなぐことができる。もう一つは大気解放用の大気または窒素がつながれる。真空度や反応ガス濃度は吸気弁１９と排気弁１６の開閉含めた流量調整により最適な値に調整可能となっている。また、真空圧力センサーを減圧チャンバー内に設置することで自動フィードバックすることもできる。

アライメント用の光学系からなるアライメントマーク認識手段がステージ待機位置の上方とヘッド下方に減圧チャンバー外部に配置される。認識手段の数は最低ステージ、ヘッド側に１つずつあれば良く、チップのような小さなものを認識するのであれば、アライメントマークがθ方向成分も読みとれる形状や２つのマークを１視野内に配置することで１つの認識手段でも十分読み取ることができるが、本実施例のようにウエハーのような半径方向に大きなものは両端に２つずつ配置した方がθ方向の精度を高く読み取ることができるので好ましい。また、認識手段は水平方向や焦点方向へ移動可能な手段を設けて、任意の位置のアライメントマークを読みとれるようにしても良い。また、認識手段は、例えば可視光やＩＲ（赤外）光からなる光学レンズをともなったカメラからなる。減圧チャンバーには認識手段の光学系が透過できる材質、例えばガラスからなる窓が配置され、そこを透過して減圧チャンバー中の被接合物のアライメントマークを認識する。被接合物上には例えば各上ウエハー、下ウエハーの対向する表面にアライメントマークが施され位置精度良く認識することができる。アライメントマークは特定の形状であることが好ましいが、ウエハー上に施された回路パターンなどの一部を流用しても良い。また、マークとなるものが無い場合はオリフラなどの外形を利用することもできる。ステージ待機位置で上下ウエハー上の両アライメントマークを読み取り、接合位置へステージを移動させ、ヘッド側でＸ、Ｙ、θ方向へアライメント移動を行う。待機位置の読みとり結果を接合位置で反映させるため、ステージの待機位置と接合位置の相対移動距離ベクトルは繰り返し同じ結果となるよう精度が必要である。そのため、ガイドには高精度な繰り返し精度を持つものを使用し、かつ、両サイドでの位置認識を高精度に読み取るリニアスケールを配置している。リニアスケールを移動手段にフィードバックすることで停止位置精度を高める方法と移動手段が簡易なシリンダのようなものやボルトナット機構のようなバックラッシュのあるものである場合は、リニアスケールを両停止位置で読み取り、行き過ぎや行き足りない分をヘッド側アライメント移動手段を移動させる時に考慮して補正することで容易に高精度を達成することができる。また、ナノレベルにより高精度にファインアライメントする場合は、粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを赤外透過して同時認識し、再度Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。認識手段が焦点方向に移動手段を持つ場合は上下個別に認識することもできるが、近接させて同時認識した方が精度上より好ましい。ファインアライメントする場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。画像認識手段としてはサブピクセルアルゴリズムを使用することで赤外線の解像度以上の認識精度を得ることが可能となる。また、近接させてアライメントしておけば接合時に必要なＺ移動量は最低限の数μｍ以内となるため、Ｚ移動に対するガタや傾きを最小限に押さえられ高精度なナノレベルの位置合わせ精度を達成することができる。

次に動作フローを図５を参照しながら解説する。まず、１に示すように、減圧チャンバーの前扉を開いた状態で上ウエハーと下ウエハーをステージとヘッドに保持させる。これは人手でも良いが、カセットから自動でローディングしても良い。次に２に示すように、前扉を閉め、減圧チャンバー内を減圧する。不純物を取り除くために１０^−３Torr以下に減圧することが好ましい。続いて３、４に示すように、プラズマ反応ガスである例えばＡｒを供給し、例えば１０^−２Torr程度の一定の真空度でプラズマ電極にプラズマ電源を印加し、プラズマを発生させる。発生されたプラズマイオンは電源側に保持されたウエハーの表面に向かって衝突し、表面の酸化膜や有機物層などの付着物がエッチングされることにより表面活性化される。また、酸素や窒素を反応ガスとして使って親水化処理し、ＯＨ基により表面活性化することもできる。同時に両ウエハーを洗浄することも可能であるが、１つのマッチングボックスを切り替えることで交互に洗浄することもできる。続いて５に示すようにステージ待機位置でヘッド側、ステージ側の各々の認識手段で真空中で上下ウエハー上のアライメントマークを読み取り、位置を認識する。続いて６に示すように、ステージは接合位置へスライド移動する。この時の認識された待機位置とスライド移動した接合位置の相対移動はリニアスケールを用いて高精度に行われる。ナノレベルの高精度が要求される場合は７に示す工程を追加する。粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを同時認識して再度Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。この場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。続いて８に示すように、ヘッドを下降させ、両ウエハーを接触させ、位置制御から圧力制御へと切り替え加圧する。圧力検出手段により接触を検出し高さ位置を認識しておいた状態で、圧力検出手段の値をトルク制御式昇降駆動モータにフィードバックし設定圧力になるように圧力コントロールする。初期加圧が加えられた状態でまず、円周上に等間隔で配置された圧力素子の値が均一になるようにピエゾアクチュエータで上下の被接合物間で平行調整を行う。高精度な位置決めが必要な場合は、表面活性化する前に事前に平行調整を行っておき、その値を記憶して平行調整された状態で接触させることもできる。次に前述のような３次元的な動作を含む任意の振動を印加し、接合界面での応力が増加することにより低荷重で接合が進む。加圧力は接合面積の増加に伴い比例して増加させてやることが好ましい。また、ウエハーのようにお互いに密着し合う面形状をした被接合物の接合表面には小さなゴミとなるパーティクルが存在し、低温で固層のまま接合するとパーティクル周辺に隙間ができ、大きくボイドとなって接合されない。これを除去するには接合時に振動を印加することで、パーティクル部に応力が集中するため砕けるか、基材内に埋没させることができる。また、界面の隙間からなる空隙においても振動を印加することで膨張収縮させ、空隙を接触させることで、すでに表面活性化された界面は接合されるようになり、ボイドが軽減する。超音波振動では面同士は接合できないが、接合力は表面活性化によって接合されるので振動は、パーティクルを粉砕及び／又は埋没させ、また、空隙を接触させるために使用する。真空中であるのでパーティクルさえ無くなれば隙間なく接合することができる。また、必要に応じて接合時に加熱を加える。また、残留応力を除去したり接合強度をアップするために振動接合後、加熱する場合は、常温で接触させた後、昇温させることで精度をキープさせた状態で加熱することもできる。続いて９に示すように、ヘッド側保持手段を解放し、ヘッドを上昇させる。続いて１０に示すように、ステージを待機位置に戻し、減圧チャンバー内を大気解放する。続いて１１に示すように、前扉を開けて接合された上下ウエハーを取り出す。人手でも良いが自動でカセットにアンローディングすることが好ましい。

前記実施例では被接合物としてウエハーを上げたが、チップと基板であっても良い。ウエハーのような大きな接合面積であれば、被接合物はウエハーやチップ、基板に限らずいかなる形態のものでも良い。

振動ヘッドをヘッドとは別にステージ待機位置とヘッド位置の中間に配置し、アライメントして上部被接合物と下部被接合物をヘッドで装着した後、ステージを移動させ、振動ヘッドにより上部より加圧、振動を印加して接合しても良い。そうすることで保持ツールで被接合物を保持する手段やプラズマ電極機能が不要となり、保持ツールの設計が容易になる。

また、プラズマ洗浄を別装置で行い、本装置では接合だけを行ってもよい。その場合はステージの待機位置への移動手段は不要となる。

実施例ではヘッド側がアライメント移動手段と昇降軸を持ち、ステージ側がスライド軸を持ったが、アライメント移動手段、昇降軸、スライド軸はヘッド側、ステージ側にどのように組み合わせられても良く、また、重複しても良い。また、ヘッド及びステージを上下に配置しなくとも左右配置や斜めなど特に配置方向に依存しない。

ステージをスライドさせた状態でプラズマ洗浄する場合は、ヘッドとステージの電極形状、周囲の形状が似かよっているため電界環境は似かよっている。そのため、プラズマ電源を自動調整するマッチングボックスは個別のものを使用しなくとも、一つのもので電極を切り替え、順次ヘッド側、ステージ側と洗浄することができる。そうすることでコンパクト、コストダウンを達成できる。

本実施例ではＡｒプラズマによる表面活性化を上げたが、酸素や窒素を反応ガスとしてプラズマを使用し、親水化により表面をＯＨ基で表面活性化させ、水素結合させ、加熱により強固に共晶結合させる方法も使用できる。本方式は特にＳｉやガラス、ＳＩＯ２、セラミック系を含む酸化物に有効である。

ピエゾアクチュエータと同側へ持っていって配置したが、図３に示すように圧力検出素子をピエゾアクチュエータと対向するステージ側へ配置した方が、被接合物を介して検出できるので好ましい。また、ピエゾアクチュエータと圧力検出配置を反対にしてもよい。また、支柱で連結して支柱をＯリングで封止し、圧力検出素子を減圧チャンバー外へ配置することで温度変化によるドリフトを受けないので高精度に検出ことができる。

平行調整するタイミングとしては、事前に調整した値を保持しておくこともできる。また、各接触時に平行調整したり、加圧時に修正したりすることでより緻密に行うこともできる。また、高精度に位置あわせする必要がある場合は、アライメント前に平行調整しておくことが好ましい。また、表面活性化して接合する場合は、表面活性化処理前に平行調整しておく必要がある。

成型装置構成図成型動作フロー図圧力検出素子とピエゾアクチュエータ配置図振動加圧接合装置構成図接合動作フロー図ピエゾ素子をアクチュエータとするバネ支持構造のピエゾテーブル図ピエゾテーブルの移動方式説明図１軸ピエゾテーブルのＸＹ２軸連結方式図圧電素子のクリープ現象と停止方法図圧電素子のヒステリシスと補正動作図

符号の説明

１トルク制御式昇降駆動モータ
２Ｚ軸昇降機構
３ θ軸回転機構
４圧力検出手段
５ベローズ
６ＸＹアライメントテーブル
７ヘッド
８ステージ（プラズマ電極、ヒータ、保持手段）
９下ウエハー
１０上ウエハー
１１減圧チャンバー
１２ヘッド側ウエハー認識カメラ
１３ステージ側ウエハー認識カメラ
１４ガラス窓
１５排気管
１６排気弁
１７真空ポンプ
１８吸気管
１９吸気弁
２０吸入ガス切り替え弁
２１Ａｒ
２２Ｏ２
２３大気
２４保持ツール保持部
２５保持ツール（プラズマ電極、ヒータ、保持手段）
２６振動子
２７上アライメントマーク
２８下アライメントマーク
２９スライド移動手段
３０ピエゾアクチュエータ
３１圧力検出素子
３２転写型保持ツール
３３基材保持ツール
３４転写型
３５基材
３６Ｏリング
３７支柱
３８平行粗銅調整部
３９アライメントマーク認識カメラ
４０フレーム
５１支点
５２連結点
５３駆動バー
５４フリー端
５５作用点
５６フリー端
５７支点保持ベース
５８ピエゾ素子
５９バネ支持
６０可動ステージ
６１固定ベース
６２上部部材
６３下部部材
７０可動ステージ

Claims

圧電素子を用いた位置決め機構において、目標とする圧電素子の伸縮量に対する目標電圧に対し、一旦オーバーシュートさせて目標電圧に戻す制御方法。
最適なオーバーシュート量を開始点と移動距離のパラメータからグラフ化し、多項式近似して求める請求項１に記載の方法。
圧電素子が持つヒステリシスを開始点と移動距離のパラメータからグラフ化し、多項式近似を行った結果を目標電圧とする請求項１または２に記載の方法。
前記位置決め機構が、水平方向及び／または回転方向の位置決めテーブルである請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
前記位置決めテーブルが、画像認識手段を用いてステージ上の材料上のマークを位置認識してアライメントする請求項４に記載の方法。
前記位置決め機構が、ステージの平行調整機構である請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
前記位置決め機構が真空中に配置されている請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
前記位置決め機構が接合装置における水平方向及び／または回転方向の位置決めテーブルまたはステージの平行調整機構である請求項４〜７のいずれかに記載の方法。
前記位置決め機構が成型装置における水平方向及び／または回転方向の位置決めテーブルまたはステージの平行調整機構である請求項４〜７のいずれかに記載の方法。
前記接合装置または成型装置の材料がウエハーである請求項８または９に記載の方法。
圧電素子と電圧印加手段を有し、圧電素子を用いた位置決め機構において、目標とする圧電素子の伸縮量に対する目標電圧に対し、一旦オーバーシュートさせて目標電圧に戻す位置決め装置。
最適なオーバーシュート量を開始点と移動距離のパラメータからグラフ化し、多項式近似して求める請求項１１に記載の位置決め装置。
圧電素子が持つヒステリシスを開始点と移動距離のパラメータからグラフ化し、多項式近似を行った結果を目標電圧とする請求項１１または１２に記載の位置決め装置。
前記位置決め機構が、水平方向及び／または回転方向の位置決めテーブルである請求項１１〜１３のいずれかに記載の位置決め装置。
前記位置決めテーブルが、画像認識手段を用いてステージ上の材料上のマークを位置認識してアライメントする請求項１４に記載の位置決め装置。
前記位置決め機構が、ステージの平行調整機構である請求項１１〜１３のいずれかに記載の位置決め装置。
前記位置決め機構が真空中に配置されている請求項１１〜１６のいずれかに記載の位置決め装置。
前記位置決め機構が水平方向及び／または回転方向の位置決めテーブルまたはステージの平行調整機構である請求項１４〜１７のいずれかに記載の位置決め装置からなる接合装置。
前記位置決め機構が水平方向及び／または回転方向の位置決めテーブルまたはステージの平行調整機構である請求項１４〜１７のいずれかに記載の位置決め装置からなる成型装置。
前記接合装置の材料がウエハーである請求項１８に記載の接合装置。
前記成型装置の材料がウエハーである請求項１９に記載の成型装置。