JP2008096605A - Alignment microscope, method for detecting mark and method for manufacturing stacked semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve such a problem that it is necessary to layer many wafers where a predetermined circuit is formed in order to manufacture a stacked semiconductor device, and it is important to accurately detect the position of an alignment mark in order to align the wafers to be layered when layering many wafers, and such an effect becomes an important element in the yield of manufacture, and especially, it is difficult to accurately and rapidly detect the alignment mark, because the alignment mark must be detected through the wafer when layering a next wafer on a wafer layered body where the wafers have been already layered to form layer structure. <P>SOLUTION: AF optical systems of both an active type AF optical system and a passive type AF optical system are attached to a microscope for detecting a mark, and the position of a surface opposite from a mark forming surface is detected by the active type AF optical system, and by using the result of the above detection, the mark forming surface is moved to the action range of the passive type AF optical system. At such a time, infrared light is for the passive type AF optical system. Thus, the mark is rapidly and accurately detected to secure positional accuracy in sticking. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は積層型半導体装置の製造装置に関するもので、特には積層基板間の高精度なアライメントを行うための、AF機構を有する顕微鏡に関するものである。   The present invention relates to an apparatus for manufacturing a stacked semiconductor device, and more particularly to a microscope having an AF mechanism for highly accurate alignment between stacked substrates.

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。     In recent years, portable electronic devices such as mobile phones, notebook computers, portable audio devices, and digital cameras have made remarkable progress. Along with this, in addition to improving the performance of the chip itself as well as the performance of the chip itself, improvements in the chip mounting technology are also required, especially from the viewpoint of reducing the chip mounting area and driving the semiconductor device at high speed. There is a need for improved packaging technology.

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、特開2001−257307、2002−050735号、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、ワイヤボンド方式、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。   In order to reduce the chip mounting area, stacking chips is used to increase the amount of mounted chips without increasing the mounting area, thereby reducing the effective mounting area. For example, JP-A-2001-257307, 2002-050735, and JP-A-2000-349228 disclose such a technique. The first one is based on a wire bond system in which a chip and a chip or a chip and a mounting substrate are connected by a wire. The second one is based on a flip chip method in which a chip and a chip or a chip and a mounting substrate are connected via a micro bump provided on the back surface of the chip. In the third method, the chip and the chip or the chip and the mounting substrate are connected by using both the wire bond method and the flip chip method.

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開2000−208702に示されている。   In order to increase the driving speed of a semiconductor device, a method realized by reducing the thickness of the chip and using a through electrode is effective. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-208702 shows an example of mounting with a thickness of micron.

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。この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。また接続面が接続に必要な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ためには最も適する方法となっている。   In the wire bond method, a wire is stretched around the semiconductor bare chip. For this reason, a large occupied area larger than the occupied area of the semiconductor bare chip itself is required, and it takes time because the wires are stretched one by one. On the other hand, in the flip chip method, since the connection is made by the micro bump formed on the back surface of the semiconductor bare chip, the area for connection is not particularly required, and the area necessary for mounting the semiconductor bare chip is the semiconductor bare chip. It can be almost equal to its own area. Further, since the connection surface can have all the bumps necessary for connection, connection with the wiring board can be performed in a lump. Therefore, the flip-chip method is the most suitable method for minimizing the area occupied by mounting the semiconductor bare chip to achieve high-density mounting, reducing the size of the electronic device and shortening the construction period.

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)。   In addition to the improvement of the chip-mounting substrate and the connection method between the chip and the chip, as a means for reducing the manufacturing cost, a rewiring layer or Connection bumps are formed, and in some cases, sealing with resin is performed. A semiconductor device in which processing at the wafer level is effective is a semiconductor device having a high manufacturing yield and a small number of pins, and has many advantages especially in memory production. (NIKKEI MICRODEVICE February 2000, page 56 and NIKKEI ELECTRONICS 2003.9.1 P.127).

一方、このように半導体装置をウェハレベルで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文献により紹介されている。(P.Lindner等:2002 Electronic Component and Technology Conference P.1439)。他に、特開平9−148207号にも同様な技術が開示されている。   On the other hand, development of a manufacturing apparatus for manufacturing a semiconductor device at the wafer level is also eagerly performed. For example, the literature introduces an apparatus for aligning and bonding wafers to be bonded. (P. Lindner et al .: 2002 Electronic Component and Technology Conference P.1439). In addition, a similar technique is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-148207.

ところで、上記の様にウェハレベルでのウェハ積層・電極接合により積層型3次元半導体チップ(半導体装置)を製造する場合、貼り合わせるべきウェハ間の位置合わせが重要になり、貼り合わせるウェハ上のアライメントマークを高精度に、迅速に検出することが求められている。このようなマーク検出方法として従来提案されているものには以下のような方法がある。   By the way, when manufacturing a laminated type three-dimensional semiconductor chip (semiconductor device) by wafer lamination / electrode bonding at the wafer level as described above, alignment between wafers to be bonded is important, and alignment on the wafer to be bonded is performed. It is required to detect a mark quickly with high accuracy. Conventionally proposed such mark detection methods include the following methods.

特許文献1:近接して対向させられたウェハ間に2視野認識手段を挿入し、認識手段を光軸方向に移動させた時のマーク像のぼけ具合よりマークの合焦を判断する。(実際にはこれによりマークまでの距離を算出している)
特許文献2:基板上の第1マークを赤外線カメラの基準位置に合わせ、次いで素子を対向させ、基板と素子面の間隔を測定して素子面が赤外線カメラの焦点深度内に入るように調整して素子上の第2マークと第1マークを鮮明に観察する。
Patent Document 1: A two-field recognizing unit is inserted between wafers facing each other in close proximity, and the focus of the mark is determined based on the degree of blurring of the mark image when the recognizing unit is moved in the optical axis direction. (Actually, this calculates the distance to the mark)
Patent Document 2: The first mark on the substrate is aligned with the reference position of the infrared camera, then the elements are opposed to each other, and the distance between the substrate and the element surface is measured to adjust the element surface to be within the depth of focus of the infrared camera. Then, the second mark and the first mark on the element are clearly observed.

特許文献3:バンプ接合面の観察の際に、素子の非接合面の高さをレーザ変位計により測定し、素子の厚さだけ高さを調整した面に赤外線カメラの物面を合わせる。   Patent Document 3: When observing the bump bonding surface, the height of the non-bonding surface of the element is measured with a laser displacement meter, and the object surface of the infrared camera is aligned with the surface whose height is adjusted by the thickness of the element.

また、半導体装置製造におけるリソグラフィ工程においては、顕微鏡を用いたマーク検出に関連する機能としてオートフォーカス(AF)機能が用いられている。この機能はアライメントマークの鮮明な像(ピントの合った像、又は焦点が合った像と呼ばれている)を迅速に得るための機能である。   In a lithography process in manufacturing a semiconductor device, an autofocus (AF) function is used as a function related to mark detection using a microscope. This function is a function for quickly obtaining a clear image (referred to as an in-focus image or an in-focus image) of the alignment mark.

この機能は具体的には、検出対象マークの顕微鏡光学系における位置(フォーカス状態)を検出し、その位置情報(フォーカス情報)を基にして、検出対象マークの形成面を正確に顕微鏡の物面に合わせるか、または顕微鏡の物体面をマーク形成面に合わせ、対象マークを鮮明に観察することを可能にする機能である。この機構の実現のために組み込まれる光学系をAF光学系という。AF機能に関しては、単に観察対象物の光軸上の位置を検出するだけの機能をAF機能と称することもあり、本願発明ではこの広い意味での機能を意味する。このAF機構は、例えば、マスク上のパターンをウェハ面に投影する投影光学系の物面とウェハ面とを合わせる操作に用いられている。   Specifically, this function detects the position (focus state) of the detection target mark in the microscope optical system, and based on the position information (focus information), the formation surface of the detection target mark is accurately determined by the object surface of the microscope. Or the object surface of the microscope is aligned with the mark forming surface, and the target mark can be clearly observed. An optical system incorporated for realizing this mechanism is called an AF optical system. Regarding the AF function, the function of simply detecting the position of the observation object on the optical axis is sometimes referred to as the AF function, and in the present invention, this function is meant in a broad sense. This AF mechanism is used for, for example, an operation of aligning the object surface of the projection optical system that projects the pattern on the mask onto the wafer surface and the wafer surface.

AF機構に組み込まれる光学系には2つの方式がある。
第1のものは、アクティブ方式と呼ばれているものである。この方式の光学系は、顕微鏡の観察光学系に対する観察対象面(マーク形成面)の位置を測定するために、顕微鏡の観察光学系及び光源の他に、観察対象面に対して光束を照射する光学系又はスリット(指標)を投影するための光学系及び光源と、観察対象面より反射された反射光束又はスリット像を検出するための光学系及び光センサを有している。そして、観察対象面での光束の反射点の座標や反射した反射光束の進行ベクトルの始点と方向、またはスリット像の共役な位置座標の検出を行っている。即ち、観察対象面の位置が観察光学系の光軸上で変化すると、反射光束の状態が変化する、又はスリット像と観察対象面との位置関係が変化してスリット像を検出する光学系での再結像位置が変化することを利用している。(例えば、特開平6−13282号公報、特開2002−40322号公報参照)。このアクティブ方式のひとつに三角測量法がある。
There are two types of optical systems incorporated in the AF mechanism.
The first is what is called the active method. In order to measure the position of the observation target surface (mark formation surface) with respect to the observation optical system of the microscope, this type of optical system irradiates the observation target surface with a light beam in addition to the observation optical system and light source of the microscope. An optical system and a light source for projecting an optical system or a slit (index), and an optical system and an optical sensor for detecting a reflected light beam or a slit image reflected from the observation target surface are included. Then, the coordinates of the reflection point of the light beam on the surface to be observed, the start point and direction of the traveling vector of the reflected light beam reflected, or the conjugate position coordinates of the slit image are detected. That is, when the position of the observation target surface changes on the optical axis of the observation optical system, the state of the reflected light beam changes or the positional relationship between the slit image and the observation target surface changes to detect the slit image. This utilizes the fact that the re-imaging position of the lens changes. (For example, refer to JP-A-6-13282 and JP-A-2002-40322). One of the active methods is triangulation.

第2のものは、パッシブ方式と呼ばれている。この方式では、観察対象面に形成されたマークを直接観察光学系により観察する。この時、マークとAF光学系を相対的に移動させてマーク像の特性、特に像のぼけの程度(空間周波数特性、コントラスト)をAF光学系での位置の関数として測定し、その測定値が予め決めた値をとるマーク位置を求めるものである。ぼけ特性を測定する場合にはぼけが最も少ない像位置を検出する。一般的には像の空間周波数特性において最も高い空間周波数を有する像位置や像のコントラストが最も高くなる像位置を検出する。(例えば、特許文献1,特開平5−21318号公報、特開2003−218137号公報参照)。   The second is called a passive system. In this method, a mark formed on the observation target surface is directly observed by an observation optical system. At this time, the mark and the AF optical system are relatively moved to measure the characteristics of the mark image, particularly the degree of blurring of the image (spatial frequency characteristics, contrast) as a function of the position in the AF optical system. A mark position having a predetermined value is obtained. When measuring the blur characteristic, the image position with the least blur is detected. In general, the image position having the highest spatial frequency in the spatial frequency characteristics of the image and the image position having the highest contrast of the image are detected. (For example, see Patent Document 1, Japanese Patent Laid-Open No. 5-21318, Japanese Patent Laid-Open No. 2003-218137).

さらに、光学系を使用せずに観察面の位置(マーク面の位置)を測定する方法としては、静電容量センサを使用する方法が知られている。(例えば、特開2001−332595号公報参照)
特開2001−308597号公報 特開2000−243762号公報 特許第3395721号公報
Furthermore, as a method for measuring the position of the observation surface (the position of the mark surface) without using an optical system, a method using a capacitance sensor is known. (For example, refer to JP 2001-332595 A)
JP 2001-308597 A JP 2000-243762 A Japanese Patent No. 3395721

半導体装置が形成された2体の基板を貼り合わせる場合、基板間のアライメントが重要であり、そのための方法が色々と提案されていることを上記のように記した。本願発明者は特許文献1〜3に記されたマーク検出法を検討した結果、以下のような問題点があることが判った。特許文献1に記された方法は、貼り合わせる基板間に2視野観察装置を挿入してそれぞれの基板に形成されたマークをそれぞれ観察するものであり、マーク間の相対的な位置関係を測定できるという点では優れた方法である。しかし、2視野観察装置には大きさ(厚さ)があり、近接して保持する2体の基板間隔の下限に制限が生じる。このため、2つのマークの相対的な位置関係を測定した後で2視野観察装置を取りはずして基板を重ね合わせると、基板の移動によりマークの相対的な位置関係が変化し、所定の精度で貼り合わせることが出来なかった。貼り合わせの位置精度を向上させるために2視野観察装置の厚さを薄くすることが考えられるが、観察像の歪みが大きくなり、マークの位置誤差が大きくなってしまう。次に、特許文献2に記された方法は、第1の基板にピントを合わせておき、この第1の基板と第2の基板との間隔を測定し、この間隔が所定の値(焦点深度内の値)になるように調整することにより2つのマークを同時に鮮明に観察するものである。この方法は、観察装置(光学系)の開口数が小さく、焦点深度が大きい場合には有効であるが、マークを高倍率で観察する場合には2つのマークを同時に検出することが出来なかった。さらに、第1の基板を観察光学系に対して合焦位置に配置する際に、予め定められた位置に配置しているが、この時も観察光学系の焦点深度が小さい(高い開口数を有する観察光学系の場合)と第1の基板上のマークでさえ観察することが困難になる。さらに、特許文献3に記された方法は、チップの表面高さとチップの厚さよりチップ裏面の高さ(顕微鏡の光軸上での位置)を求め、この情報に基づいてチップの裏面に形成されたマークを一度の画像取り込みにより観察するものである。この方法は、観察精度がそれほど高くない場合には有効であるが、高精度なマーク観察精度が求められる場合には一度の調整だけでは高精度なマーク検出に必要な鮮明なマーク像は得られなかった。また、レーザ変位計と赤外線顕微鏡とが別体になっているので、レーザ変位計と赤外顕微鏡の間隔を常に校正しておく必要がある。   As described above, when two substrates on which semiconductor devices are formed are bonded to each other, alignment between the substrates is important, and various methods have been proposed. As a result of examining the mark detection methods described in Patent Documents 1 to 3, the inventor of the present application has found the following problems. In the method described in Patent Document 1, a two-field observation device is inserted between substrates to be bonded to observe marks formed on the respective substrates, and the relative positional relationship between the marks can be measured. This is an excellent method. However, the two-field observation apparatus has a size (thickness), and a lower limit is imposed on the lower limit of the distance between the two substrates held close to each other. For this reason, if the two-field observation device is removed after the relative positional relationship between the two marks is measured and the substrate is overlaid, the relative positional relationship between the marks changes due to the movement of the substrate, and the paste is applied with a predetermined accuracy. I could not match. Although it is conceivable to reduce the thickness of the two-field observation apparatus in order to improve the bonding position accuracy, the distortion of the observation image increases and the mark position error increases. Next, in the method described in Patent Document 2, the first substrate is brought into focus, the distance between the first substrate and the second substrate is measured, and the distance is a predetermined value (depth of focus). The two marks are simultaneously and clearly observed by adjusting so as to be within the range. This method is effective when the numerical aperture of the observation device (optical system) is small and the depth of focus is large, but when observing the mark at a high magnification, the two marks cannot be detected simultaneously. . Further, when the first substrate is placed at the in-focus position with respect to the observation optical system, the first substrate is placed at a predetermined position. At this time, the depth of focus of the observation optical system is small (a high numerical aperture). It is difficult to observe even the mark on the first substrate. Further, the method described in Patent Document 3 obtains the height of the chip back surface (position on the optical axis of the microscope) from the surface height of the chip and the thickness of the chip, and is formed on the back surface of the chip based on this information. The mark is observed by capturing the image once. This method is effective when the observation accuracy is not so high, but when high-precision mark observation accuracy is required, a clear mark image necessary for high-precision mark detection can be obtained with only one adjustment. There wasn't. Further, since the laser displacement meter and the infrared microscope are separate, it is necessary to always calibrate the distance between the laser displacement meter and the infrared microscope.

このように従来の方法ではマークを高精度に検出できないために、貼り合わせる基板間の位置合わせに誤差が生じ、結果として貼り合わせ型3次元積層半導体装置をウェハレベルで製造することが困難になっていた。   As described above, since the mark cannot be detected with high accuracy by the conventional method, an error occurs in the alignment between the substrates to be bonded, and as a result, it becomes difficult to manufacture the bonded three-dimensional stacked semiconductor device at the wafer level. It was.

本願発明は上記の様な問題を解決するためになされたもので、ウェハ裏面に形成されたアライメントマークの位置を迅速に、高精度に検出することを目的としている。本願発明の他の目的は、貼り合わせ型3次元半導体装置を高い歩留まりによりウェハレベルで製造するためのアライメント装置及び該半導体装置の製造方法を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and has an object to quickly and accurately detect the position of the alignment mark formed on the back surface of the wafer. Another object of the present invention is to provide an alignment apparatus for manufacturing a bonded three-dimensional semiconductor device at a wafer level with a high yield, and a method for manufacturing the semiconductor device.

上記課題を解決する、本願発明の手段は、
オートフォーカス機能を有する顕微鏡であって、
対物レンズを共有する、アクティブ方式AF光学系及びパッシブ方式AF光学系と、
フォーカス状態の情報を出力する制御部と、
を有し、
該パッシブ方式AF光学系の光源に赤外線光源を用いた顕微鏡である。
The means of the present invention for solving the above-described problems is as follows.
A microscope having an autofocus function,
An active AF optical system and a passive AF optical system sharing an objective lens;
A control unit that outputs focus state information;
Have
This is a microscope using an infrared light source as a light source of the passive AF optical system.

本願発明のように、対物レンズを共有するアクティブ方式AF光学系とパッシブ方式AF光学系とを顕微鏡が有していれば、ウェハの表面(貼り合わせる面の反対面)の高さの測定をアクティブ方式AF光学系により行い、次いでウェハの厚さを考慮してパッシブ方式AF光学系を用いてピント合わせを行ってアライメントを行うことが可能になり、かつ2つのAF系間に位置的なオフセット量が無いので、マーク(貼り合わせ面上)の位置検出精度が向上する。   If the microscope has an active AF optical system and a passive AF optical system that share the objective lens as in the present invention, the height measurement of the wafer surface (opposite surface to be bonded) is active. It is possible to perform alignment by performing focusing using the AF system and then focusing using the passive AF system in consideration of the thickness of the wafer, and a positional offset amount between the two AF systems. Therefore, the position detection accuracy of the mark (on the bonding surface) is improved.

さらに、この顕微鏡を用いたアライメント方法により積層型3次元半導体装置を製造する際の、重ね合わせウェハ間の位置あわせを行えば、容易にウェハの位置の測定及び高さの測定が高精度に、容易になされ、製造歩留まりの低下が防止される。   Furthermore, if the alignment between the stacked wafers is performed when manufacturing the stacked three-dimensional semiconductor device by the alignment method using the microscope, the wafer position and the height can be easily measured with high accuracy. This is facilitated and a reduction in manufacturing yield is prevented.

上述のように、ウェハの裏面に形成されたマークを対物レンズが共有されたアクティブ方式光学系とパッシブ方式AF光学系と備える顕微鏡を用いてマークを検出することにより、マークの3次元座標値を高精度に、簡単に測定することが可能になる。また、検出装置の装置構成としても、光学系の主要部分が1つになるので製作費用の点からも有効な検出装置となる。 As described above, the mark formed on the back surface of the wafer is detected using a microscope equipped with an active optical system and a passive AF optical system in which the objective lens is shared, thereby obtaining a three-dimensional coordinate value of the mark. It becomes possible to measure easily with high accuracy. In addition, since the detection system has only one main part of the optical system, the detection apparatus is effective from the viewpoint of manufacturing cost.

図1〜図5を参照して本願発明の顕微鏡及びマーク検出方法の実施形態を説明する。
顕微鏡10は観察光学系100として、光源116、対物レンズ112(複数枚のレンズからなるレンズ系であり、落射照明系を構成している)、接眼系190(複数のレンズからなるレンズ系を含む)を主たる構成部材とし、ピントを合わせるためのアクティブ方式AF光学系とパッシブ方式AF光学系を有している。図中、符号110はアクティブ方式AF光学系の照明系及び検出系、符号120はパッシブ方式AF光学系の検出系である。
An embodiment of a microscope and a mark detection method of the present invention will be described with reference to FIGS.
The microscope 10 includes, as the observation optical system 100 , a light source 116, an objective lens 112 (a lens system made up of a plurality of lenses, constituting an epi-illumination system), and an eyepiece system 190 (a lens system made up of a plurality of lenses). ) As a main component, and has an active AF optical system and a passive AF optical system for focusing. In the figure, reference numeral 110 denotes an illumination system and detection system of an active AF optical system, and reference numeral 120 denotes a detection system of a passive AF optical system.

アクティブ方式AF光学系は照明系、対物レンズ112、検出系が主たる構成部材であり、照明系は光源121、スリット122、コンデンサ−レンズ124、光束制限マスク130を有し、検出系は結像レンズ126,第1の2次元センサ128を有している。ここでこれらの構成要素の働きを記す。(尚、説明を本質的な部分に限るために、ビームスプリッタに使用される偏光光学素子、ダイクロイック光学素子等の記載は省略されている。)   The active AF optical system is mainly composed of an illumination system, an objective lens 112, and a detection system. The illumination system includes a light source 121, a slit 122, a condenser lens 124, and a light beam limiting mask 130, and the detection system is an imaging lens. 126 and a first two-dimensional sensor 128. Here, the function of these components is described. (In order to limit the explanation to the essential part, the description of the polarizing optical element, the dichroic optical element, etc. used in the beam splitter is omitted.)

光源121から出た光束によりスリット122が照明され、スリット122より出た光束152は光束制限マスク130により光軸の片側の光束154のみが通過可能となり、さらにビームスプリッタ162を通過する。パッシブ方式AF光学系に関しては後述するが、パッシブ方式AF光学系にはビームスプリッタ142が配置されていて、アクティブ方式AF光学系の光軸をパッシブ方式AF光学系の光軸と合致するように折り曲げる役割を果たしている。ビームスプリッタ162を通過した光束154はビームスプリッタ142により反射され、対物レンズ112により集光され、スリット122の像が形成される。スリット122の像はコンデンサ−レンズ124及び対物レンズ112により形成されるが、形成される位置が顕微鏡の物面(より正確には観察光学系の物面であり、観察対象物のピントが合う面)になるようにスリット122の位置が調整されている。   The slit 122 is illuminated by the light beam emitted from the light source 121, and the light beam 152 emitted from the slit 122 can pass only the light beam 154 on one side of the optical axis by the light beam limiting mask 130, and further passes through the beam splitter 162. Although a passive AF optical system will be described later, a beam splitter 142 is disposed in the passive AF optical system, and the optical axis of the active AF optical system is bent so as to coincide with the optical axis of the passive AF optical system. Playing a role. The light beam 154 that has passed through the beam splitter 162 is reflected by the beam splitter 142 and condensed by the objective lens 112, and an image of the slit 122 is formed. The image of the slit 122 is formed by the condenser lens 124 and the objective lens 112. The position where the slit 122 is formed is the object surface of the microscope (more precisely, the object surface of the observation optical system, and the surface on which the object to be observed is in focus). ), The position of the slit 122 is adjusted.

図1では丁度観察対象物であるウェハのウェハ面101上にスリット像が結像された場合であり、顕微鏡の観察光学系100で観察するとウェハ面101にピントの合った状態になっている。光束154はウェハ面101で反射し、光軸に対して入射時の光路と対称的な側の光路をとる。反射光155はビームスプリッタ142により反射され、さらにビームスプリッタ162により反射され、結像レンズ126により第1の2次元検出器128に集光する。図1ではウェハ面101上にスリット像が形成され、その像と共役な像が2次元検出器128上に形成された状態を示しているが、図2を用いてウェハ面101とスリット像の位置関係(ピント合わせ状態、合焦の程度)を説明する。 FIG. 1 shows a case where a slit image is formed on the wafer surface 101 of the wafer, which is the object to be observed, and the wafer surface 101 is in focus when observed with the observation optical system 100 of the microscope. The light beam 154 is reflected by the wafer surface 101 and takes an optical path that is symmetrical to the optical path at the time of incidence relative to the optical axis. The reflected light 155 is reflected by the beam splitter 142, further reflected by the beam splitter 162, and condensed on the first two-dimensional detector 128 by the imaging lens 126. Although FIG. 1 shows a state in which a slit image is formed on the wafer surface 101 and an image conjugate with the slit image is formed on the two-dimensional detector 128, FIG. The positional relationship (focusing state, degree of focus) will be described.

図2(a)はスリットの像Pがウェハ面上に形成された場合を示している(図1の場合と同じである)。この場合、反射光155は像点Pから出たような光路を進む。ただし、光束制限マスクにより光束が光軸の片側に制限されているので、入射した光束が通過する領域と反射した光束が通過する領域が重なることはない。図2(b)はスリット像Pがウェハ面101よりも手前(光学系側)に形成された場合を示したもので、反射光束155はウェハの内部の虚像P’より出たような光路を進む。図2(c)はスリット像Pがウェハ面101より後ろ(光学系より遠ざかる側)に形成された場合を示したもので、反射光束155はウェハ面101の手前の虚像P’より出たような光路を進む。そして、これらのような場合、検出系では出力にどのような差が出るのか、を示したのが図3である。   FIG. 2A shows a case where an image P of the slit is formed on the wafer surface (the same as the case of FIG. 1). In this case, the reflected light 155 travels along the optical path as if it came from the image point P. However, since the light beam is restricted to one side of the optical axis by the light beam limiting mask, the region through which the incident light beam passes and the region through which the reflected light beam pass do not overlap. FIG. 2B shows a case in which the slit image P is formed in front of the wafer surface 101 (on the optical system side), and the reflected light beam 155 follows an optical path that is emitted from the virtual image P ′ inside the wafer. move on. FIG. 2C shows a case where the slit image P is formed behind the wafer surface 101 (the side away from the optical system), and the reflected light beam 155 appears from the virtual image P ′ in front of the wafer surface 101. Follow the light path. In these cases, FIG. 3 shows what kind of difference occurs in the output in the detection system.

図3はアクティブ方式AF光学系でのスリット像の位置検出系の原理図であり、結像レンズ126と第1の2次元センサ128、及びスリット像の再結像に係わる光線が示されている。結像レンズ126とセンサ128の位置関係は、図2(a)のようにウェハ面101上にスリット像が形成された時に結像レンズ126を介した共役な像Faが第1の検出器128上に形成されるようになされている。ところが、図2(b)のように反射光束155が、ウェハ面101よりも遠くに形成された虚像P’より出たと見なされる場合、その虚像P’と共役な像は図3中のFb点に形成される。逆に、図2(c)のようにウェハ面101よりも近くに虚像P’が形成された場合、その虚像P’と共役な像は図3中のFc点に形成される。   FIG. 3 is a principle diagram of the position detection system of the slit image in the active AF optical system, showing the imaging lens 126, the first two-dimensional sensor 128, and the light rays related to the re-imaging of the slit image. . The positional relationship between the imaging lens 126 and the sensor 128 is such that when a slit image is formed on the wafer surface 101 as shown in FIG. 2A, a conjugate image Fa via the imaging lens 126 is the first detector 128. It is designed to be formed on top. However, as shown in FIG. 2B, when it is considered that the reflected light beam 155 is emitted from the virtual image P ′ formed farther than the wafer surface 101, the image conjugate with the virtual image P ′ is the point Fb in FIG. Formed. On the contrary, when the virtual image P ′ is formed near the wafer surface 101 as shown in FIG. 2C, an image conjugate with the virtual image P ′ is formed at the Fc point in FIG.

ところで前述のように、これらFa、Fb、Fcに像を形成する光束は光束制限マスク130により光軸の片側のみを通過するようになされている。従って、Faに像が形成される場合には第1の検出器128では結像レンズ127の光軸部に出力を有するようになるが、Fbに結像される場合には第1の検出器128上の領域304に出力がなされ、逆にFcに像が形成される場合には第1の検出器128上の領域302に出力がなされる。従って、この出力領域とP‘と共役な像の位置の関係を予め計測して校正しておくと第1の検出器128からの出力を基に制御部182(図1)によって共役な像の位置が求められ、さらにウェハ面101とスリット像Pの位置関係(フォーカス状態)が定められ、出力される。   By the way, as described above, the light flux that forms an image on Fa, Fb, and Fc passes through only one side of the optical axis by the light flux limiting mask 130. Accordingly, when an image is formed on Fa, the first detector 128 has an output on the optical axis portion of the imaging lens 127, but when the image is formed on Fb, the first detector 128 has an output. If an image is formed on Fc, the output is made to the region 302 on the first detector 128. Therefore, if the relationship between the output region and the position of the conjugate image with P ′ is measured and calibrated in advance, the control unit 182 (FIG. 1) generates a conjugate image based on the output from the first detector 128. The position is obtained, and the positional relationship (focus state) between the wafer surface 101 and the slit image P is determined and output.

ウェハ面101とスリット像の位置関係は上記のように予め検出器128の出力を校正したものを用いる方法以外に、ウェハ面101を対物レンズ112の光軸上で走査してフォーカス状態に関する情報宇を得、第1の検出器128の出力が結像レンズ126の光軸相当部から出力される位置にウェハ面を配置する方法を採ることもできる。   The positional relationship between the wafer surface 101 and the slit image can be obtained by scanning the wafer surface 101 on the optical axis of the objective lens 112 in addition to the method using the previously calibrated output of the detector 128 as described above. It is also possible to adopt a method of arranging the wafer surface at a position where the output of the first detector 128 is output from the optical axis equivalent portion of the imaging lens 126.

次に、パッシブ方式AF光学系の説明を行う。パッシブ方式AF光学系の主要部材は、図1を参照して、対物レンズ112,AF接眼レンズ114、照明系116,合焦検出用ビームスプリッタ149,第2の2次元センサ129である。照明系116はビームスプリッタ147を介して対物レンズ112につながっている。先にも記したように、パッシブ方式AF方式ではウェハ面上に形成されたマークの像の特性(例えば空間周波数特性等の像のぼけ量)を光軸上の数点で測定して行うものである。本実施例では合焦検出用ビームスプリッタ147を用いて測定を行っている。以下にその説明を行う。観察光学系の接眼系190に形成される像のピントが正しく合った時に、ビームスプリッタ149により分割された2つの光束が第2の2次元センサ129上で同じ特性(例えば、像のぼけ)を有するように、ビームスプリッタ149及び第2の2次元センサ129の位置関係が調整されている。   Next, the passive AF optical system will be described. The main members of the passive AF optical system are an objective lens 112, an AF eyepiece 114, an illumination system 116, a focus detection beam splitter 149, and a second two-dimensional sensor 129 with reference to FIG. The illumination system 116 is connected to the objective lens 112 via a beam splitter 147. As described above, in the passive AF method, the characteristics of the image of the mark formed on the wafer surface (for example, the amount of blur of the image such as spatial frequency characteristics) are measured at several points on the optical axis. It is. In this embodiment, measurement is performed using a focus detection beam splitter 147. This will be described below. When the image formed on the eyepiece 190 of the observation optical system is correctly focused, the two light beams divided by the beam splitter 149 have the same characteristics (for example, image blur) on the second two-dimensional sensor 129. Thus, the positional relationship between the beam splitter 149 and the second two-dimensional sensor 129 is adjusted.

例としては、点像の広がりが同じであるように、又は像のコントラストが同じ値を有するように調整しておく。(特許文献3参照)。 図5(a)はこのような状態を示すものである。このように調整された検出系において、像の位置Iが図5(b)のように合焦位置よりも遠くに(即ち、ビームスプリッタ149から離れる側に)形成された場合を考えてみる。第2の2次元センサ129の2つの出力値は互いに異なる値になり、観察光学系100の像のピントが正しくないことを示すようになる。例えば、図5(b)で像Iを形成する光束が像I’を形成する光束よりもぼけが大きくなり、像Iを形成する光束がセンサ上でより大きなぼけを示すようになる。従って、この2つの像のぼけ出力と、対物レンズの観察物面とマーク像のずれを校正しておくと、一度の観察によりマークと対物レンズの観察物面の位置関係が測定できることになる。 As an example, adjustment is performed so that the spread of the point images is the same or the contrast of the images has the same value. (See Patent Document 3). FIG. 5A shows such a state. Consider a case in which the position I of the image is formed farther than the in-focus position (that is, on the side away from the beam splitter 149) as shown in FIG. The two output values of the second two-dimensional sensor 129 are different from each other, indicating that the image of the observation optical system 100 is not correctly focused. For example, in FIG. 5B, the light beam forming the image I becomes more blurred than the light beam forming the image I ′, and the light beam forming the image I shows a larger blur on the sensor. Therefore, if the blur output of the two images and the deviation between the observation surface of the objective lens and the mark image are calibrated, the positional relationship between the mark and the observation surface of the objective lens can be measured by one observation.

パッシブ方式AFの他の方式としては、マークを顕微鏡の光軸上で移動させながら、検出器129により検出されたマーク像のぼけ観察、例えば、フーリエ変換により空間周波数分布を検出してマーク像のフォーカス状態に関する情報を取得し、最も高次項迄含む像位置を検出する方法である。この方法を採用すると原理的にはビームスプリッタ194は不要である。   As another method of the passive AF, as the mark is moved on the optical axis of the microscope, the mark image detected by the detector 129 is observed for blur, for example, the spatial frequency distribution is detected by Fourier transform to detect the mark image. This is a method for acquiring information on the focus state and detecting the image position including the highest order term. In principle, the beam splitter 194 is unnecessary when this method is employed.

尚、光源であるが、パッシブ方式光学系の光源116にはウェハを通してマークの観察が出来るように赤外線を発する光源を用いる。また、この赤外光源は顕微鏡の光源を兼ねているが、顕微鏡に他の波長領域の光を用いる場合にはその光を発する光源を別途用意し、図1の光源116のようにビームスプリッタを介して組み込めば良い。   In addition, although it is a light source, the light source which emits infrared rays is used for the light source 116 of a passive system optical system so that a mark can be observed through a wafer. This infrared light source also serves as the light source of the microscope. However, when light in another wavelength region is used for the microscope, a light source for emitting the light is separately prepared, and a beam splitter is provided as the light source 116 in FIG. It can be built in.

以上でアクティブ方式及びパッシブ方式光学系の構成要素とその動作が理解されたと思われるが、ここで、これらのアクティブ方式AF光学系とパッシブ方式AF光学系を備えた本願発明の顕微鏡を用いたマーク検出方法について説明を行う。   The components of the active and passive optical systems and their operations are considered to be understood as described above. Here, a mark using the microscope of the present invention equipped with these active and passive AF optical systems is used. A detection method will be described.

まず、アクティブ方式AF光学系により、ウェハ面とスリット像の位置関係が測定される、即ち記述のようにマーク形成面の反対面の位置が測定される。図4によりウェハ面101(マーク形成面の裏面)とスリット像の位置関係(フォーカス状態)が測定された後のマーク検出の手順を示す。図4(a)のように厚さtを有するウェハのウェハ面101に対してスリット像Pが距離dだけ離れた位置に形成されたとする。ウェハの反対面に形成されたマーク412をパッシブ方式AF光学系によって更に精度良くピント合わせを行うために、制御部182より出力されたフォーカス状態に関する情報に従って不図示のステージ機構によりウェハがt+dだけ、顕微鏡に対して相対的に移動させられ(図中、破線で示された状態)、マーク412がパッシブ方式AF光学系の動作範囲に入るようになされる。そして、この状態でパッシブ方式AF光学系を動作させてマークをよりピントが合った状態で観察する。このパッシブ方式AFによりさらに鮮明なマーク像が得られ、所定の位置精度でのマーク位置の測定が可能になる。この場合、相対移動量t+dが小さいとそのままパッシブ方式AF光学系の動作範囲に入ることもある。さらに、図4(a)ではアクティブ方式AF光学系の観察物面(検出器面と共役な面)とパッシブ方式AF光学系の観察物面が同じ面になるように設計されているが、パッシブ方式AF光学系の観察物面とアクティブ方式AF光学系の観察物面を同一面にしなくても良い。   First, the positional relationship between the wafer surface and the slit image is measured by the active AF optical system, that is, the position of the surface opposite to the mark forming surface is measured as described. FIG. 4 shows a mark detection procedure after the positional relationship (focus state) between the wafer surface 101 (the back surface of the mark forming surface) and the slit image is measured. Assume that the slit image P is formed at a position separated by a distance d from the wafer surface 101 of the wafer having a thickness t as shown in FIG. In order to focus the mark 412 formed on the opposite surface of the wafer more accurately by the passive AF optical system, the wafer is t + d by a stage mechanism (not shown) according to information on the focus state output from the control unit 182. The mark 412 is moved relative to the microscope (in the state indicated by the broken line in the figure) so as to enter the operating range of the passive AF optical system. In this state, the passive AF optical system is operated to observe the mark in a more focused state. With this passive AF, a clearer mark image can be obtained, and the mark position can be measured with a predetermined position accuracy. In this case, if the relative movement amount t + d is small, the operation range of the passive AF system may be entered as it is. Further, in FIG. 4A, the active AF optical system observation surface (the surface conjugate with the detector surface) and the passive AF optical system observation surface are designed to be the same surface. The observation object surface of the system AF optical system and the observation object surface of the active AF optical system may not be the same surface.

図4(b)のように、パッシブ方式AF光学系の観察物面463の位置をウェハの厚さt分だけ光路長として遠ざけるようにずらせて構成すると(顕微鏡でウェハのマーク形成面にピントが合っている時のパッシブ方式AF光学系の結像光線420が図4(b)中の破線により示されている)、ウェハ面101がアクティブ方式AF光学系の観察物面461に一致した時にはウェハを移動させる必要が無くなる。また、一致しなくてもピント合わせのためにウェハを移動させる量は少なくなる。この測定値を用いてウェハを移動させることにより迅速で高精度なマーク検出が可能になる。   As shown in FIG. 4B, if the position of the observation surface 463 of the passive AF optical system is shifted so as to be away from the optical path length by the thickness t of the wafer (the focus is formed on the mark formation surface of the wafer by the microscope). When the wafer surface 101 coincides with the observation surface 461 of the active AF optical system, the imaging light beam 420 of the passive AF optical system when matched is indicated by a broken line in FIG. There is no need to move the Even if they do not match, the amount of movement of the wafer for focusing is reduced. By moving the wafer using this measured value, it becomes possible to detect the mark quickly and with high accuracy.

次に、本願発明の顕微鏡を用いた3次元半導体製造の製造方法を説明する。図6を参照する。図6は本願発明を適用する、積層型3次元半導体装置の製造方法をフローチャートに示したもので、製造方法はS1,S2,S3,S4,S5の工程からなっている。各工程を簡単に説明する。   Next, a manufacturing method for manufacturing a three-dimensional semiconductor using the microscope of the present invention will be described. Please refer to FIG. FIG. 6 is a flowchart showing a manufacturing method of a stacked three-dimensional semiconductor device to which the present invention is applied. The manufacturing method includes steps S1, S2, S3, S4, and S5. Each process will be briefly described.

S1:複数の半導体装置が形成されたウェハを所定の枚数準備するウェハ準備工程/
図7(a)を参照する。通常の半導体露光装置を用いてマスク上の回路パターンをレジストが塗布されたウェハ上に縮小投影し、レジストを現像した後にエッチングや不純物の熱拡散処理を行って回路素子513が形成されたウェハ511を得る。
S1: Wafer preparation step of preparing a predetermined number of wafers on which a plurality of semiconductor devices are formed /
Reference is made to FIG. A wafer 511 on which circuit elements 513 are formed by reducing and projecting a circuit pattern on a mask on a resist-coated wafer using a normal semiconductor exposure apparatus, developing the resist, and performing etching or thermal diffusion treatment of impurities. Get.

S2:積層するウェハ間の位置関係を測定する、アライメント工程/
図7(b)に示されたように、ホルダ210にウェハ211を保持する。ウェハ211にはアライメントマーク222、ホルダ210には基準マーク231が複数個形成されている。図8は2つのウェハ(一方のウェハはウェハが既に積層されたウェハ積層体である)間の位置合わせを行う方法を示すものである。
S2: Alignment process for measuring positional relationship between wafers to be stacked /
As shown in FIG. 7B, the wafer 211 is held in the holder 210. A plurality of alignment marks 222 are formed on the wafer 211, and a plurality of reference marks 231 are formed on the holder 210. FIG. 8 shows a method for aligning two wafers (one wafer is a wafer stack on which the wafers are already stacked).

図8(a)のように、第1ウェハ211上のアライメントマーク222と第1ホルダ210上の基準マーク231に対して顕微鏡230を相対的に移動させて個々のマークを観察し、基準マーク231に対するアライメントマーク222の位置関係を把握する。基準マーク及びアライメントマークはそれぞれ複数個(例えば基準マーク2個、アライメントマーク10個)であるため、ホルダ210に対するウェハ211の位置が確定されることになる。次にウェハ積層体(以後、第2ウェハとも記す)213と第2ホルダ212間の位置関係を調べる。   As shown in FIG. 8A, the microscope 230 is moved relative to the alignment mark 222 on the first wafer 211 and the reference mark 231 on the first holder 210 to observe the individual marks. The positional relationship of the alignment mark 222 with respect to is grasped. Since there are a plurality of reference marks and alignment marks (for example, two reference marks and 10 alignment marks), the position of the wafer 211 relative to the holder 210 is determined. Next, the positional relationship between the wafer stack (hereinafter also referred to as a second wafer) 213 and the second holder 212 is examined.

図8(b)のように、第2ウェハ213のアライメントマーク224と第2ホルダ212上の基準マーク233に対して顕微鏡230を相対的に移動させて個々のマークを観察し、基準マーク233に対するアライメントマーク224の位置関係を把握する。基準マーク及びアライメントマークはそれぞれ複数個(例えば基準マーク2個、アライメントマーク10個)であるため、ホルダ212に対する第2ウェハ213の位置が確定されることになる。ここで、第2ウェハ213のアライメントマークの検出方法を更に詳細に説明する。貼り合わされた第2ウェハ213は図9のように、最外ウェハ801のアライメントマーク412が貼り合わせ面上に形成されている状態でウェハホルダ212に保持されている。また、ウェハ上の電極は互いに接合されている。符号890はこの状態を示すものである。アライメントマーク412のシャープな像(ピントが合った像)を得るために合焦操作(AF機構を働かせる)を行う場合、次のような問題点がある。赤外光を利用したアクティブ方式AF光学系を用いてウェハを通したアライメントマーク224の検出を行うと、第2ウェハは積層体であるため、アライメントマークが多段に形成されており、動作範囲の広いアクティブ方式光学系では目的のマークを観察しているのか、どうかが不明である。記すまでもないが、可視光を用いたアクティブ方式光学系ではウェハを透過する観察は不可能である。逆に、パッシブ方式光学系を用いてピントを合わせると動作範囲が狭くなり、AF機能が正しく動作しない場合がある。そこで、本願発明の顕微鏡を用いる。   As shown in FIG. 8B, the microscope 230 is moved relative to the alignment mark 224 of the second wafer 213 and the reference mark 233 on the second holder 212 to observe individual marks. The positional relationship of the alignment mark 224 is grasped. Since there are a plurality of reference marks and alignment marks (for example, two reference marks and 10 alignment marks), the position of the second wafer 213 with respect to the holder 212 is determined. Here, the method for detecting the alignment mark of the second wafer 213 will be described in more detail. As shown in FIG. 9, the bonded second wafer 213 is held by the wafer holder 212 in a state where the alignment mark 412 of the outermost wafer 801 is formed on the bonded surface. The electrodes on the wafer are bonded to each other. Reference numeral 890 indicates this state. When performing a focusing operation (using an AF mechanism) to obtain a sharp image (focused image) of the alignment mark 412, there are the following problems. When the alignment mark 224 passing through the wafer is detected using an active AF optical system using infrared light, the alignment mark is formed in multiple stages because the second wafer is a laminate, and the operating range is Whether the target mark is observed in a wide active optical system is unclear. Needless to say, an active optical system using visible light cannot be observed through the wafer. Conversely, when focusing is performed using a passive optical system, the operating range is narrowed, and the AF function may not operate correctly. Therefore, the microscope of the present invention is used.

まず図9(a)のように、本願発明の顕微鏡のアクティブ方式AF光学系110により最外ウェハの外面803の位置合わせを行う。次いで、図9(b)のようにAF機能としての動作範囲は狭いが、位置検出精度が高いパッシブ方式AF光学系120によりアライメントマーク412の検出を行う。このためにウェハ801の厚さ分を考慮してウェハ積層体の高さ(光軸上の位置)を調整してアライメントマーク412がパッシブ方式のAF光学系120の動作範囲に入るようにする。これによりウェハの貼り合わせ面に形成されたマークが好ましいピント状態で観察され、所定の精度を保ってその位置が把握される。   First, as shown in FIG. 9A, the outer surface 803 of the outermost wafer is aligned by the active AF optical system 110 of the microscope of the present invention. Next, as shown in FIG. 9B, the alignment mark 412 is detected by the passive AF optical system 120 having a narrow operation range as the AF function but high position detection accuracy. For this purpose, the height (position on the optical axis) of the wafer stack is adjusted in consideration of the thickness of the wafer 801 so that the alignment mark 412 falls within the operating range of the passive AF optical system 120. Thereby, the mark formed on the bonding surface of the wafer is observed in a preferable focus state, and the position thereof is grasped with a predetermined accuracy.

図8に戻って、積層型半導体装置の製造方法の説明を続ける。図8(c)を参照する、上記のようにホルダ210に対して位置関係が定まったウェハ211と、同じくホルダ212に対して位置関係が定まった第2ウェハ213を対面させて近接保持し、顕微鏡230によりホルダ上の基準マーク231と233の位置関係を観察する。観察により2つの基準マークの位置関係が定まると、2つのウェハ間の位置関係が定まることになる。2つのウェハ間の位置関係が所定の関係になっていない場合には、不図示の位置決め装置により一方のウェハの位置が調整されて所定の位置関係になるように調整する。尚、符号910はマーク観察の為にホルダに設けられた窓である。   Returning to FIG. 8, the description of the manufacturing method of the stacked semiconductor device will be continued. Referring to FIG. 8C, the wafer 211 whose positional relationship is determined with respect to the holder 210 as described above and the second wafer 213 whose positional relationship is also determined with respect to the holder 212 are faced and held close to each other. The positional relationship between the reference marks 231 and 233 on the holder is observed with the microscope 230. When the positional relationship between the two reference marks is determined by observation, the positional relationship between the two wafers is determined. If the positional relationship between the two wafers is not a predetermined relationship, the position of one wafer is adjusted by a positioning device (not shown) so that the predetermined positional relationship is obtained. Reference numeral 910 denotes a window provided in the holder for mark observation.

S3:位置関係が測定されたウェハを重ね合わせる、ウェハ重ね合わせ工程/
近接された2つのウェハの位置合わせが完了すると、不図示のウェハ上下移動機構により2つのウェハは図7(c)の様に重ね合わされる。接触後、重ね合わされた位置関係を維持するためにホルダどうしを機械的に(例えばクランプ機構)仮固定、または接合力の弱い接着材により仮固定することが行われる(不図示)。仮固定されたホルダ及びウェハ積層体561は不図示のロボットアームにより、次の工程に搬送される。
S3: Wafer superimposition process for superimposing wafers whose positional relationship has been measured /
When the alignment of the two adjacent wafers is completed, the two wafers are superimposed as shown in FIG. 7C by a wafer vertical movement mechanism (not shown). After the contact, in order to maintain the superimposed positional relationship, the holders are temporarily fixed (for example, a clamp mechanism) or temporarily fixed by an adhesive having a weak bonding force (not shown). The temporarily fixed holder and wafer stack 561 are transported to the next step by a robot arm (not shown).

S4:重ね合わされたウェハ上の接続電極どうしを接合する、電極接合工程/
図7(d)を参照する。位置あわせされ、仮固定されたウェハ積層体561は加圧・加熱装置装着される。上部加圧子551と下部加圧子553とウェハ積層体561との平行度調整を行い、調整が完了すると2つの加圧子551,553によりウェハ積層体561が加圧される。同時に定められたシークエンスに従って、ホルダに内蔵されたヒータ541,543による加熱が行われる。所定の圧力を所定の時間加えることによりウェハ上の電極(金属バンプとパッド、金属バンプと金属バンプ)が接合される。この時、場合によっては、ウェハ間に樹脂を封入して加熱することもある。
このアライメント工程、ウェハ重ね合わせ工程、電極接合工程は積層すべきウェハの数だけの回数分繰り返す。場合によっては、積層接合後に、積層されたウェハを研削、研磨又はエッチングにより薄層化する工程や積層されたウェハ間に封止樹脂を封入することもある。
S4: Electrode joining process for joining the connection electrodes on the superimposed wafers /
Reference is made to FIG. The aligned and temporarily fixed wafer stack 561 is mounted with a pressurizing / heating device. The parallelism adjustment of the upper pressurizer 551, the lower pressurizer 553, and the wafer laminate 561 is performed. When the adjustment is completed, the wafer laminate 561 is pressurized by the two pressurizers 551 and 553. At the same time, heating is performed by the heaters 541 and 543 incorporated in the holder according to the sequence determined. By applying a predetermined pressure for a predetermined time, the electrodes (metal bump and pad, metal bump and metal bump) on the wafer are bonded. At this time, in some cases, the resin may be sealed between the wafers and heated.
This alignment process, wafer overlay process, and electrode bonding process are repeated as many times as the number of wafers to be laminated. In some cases, a sealing resin may be encapsulated between the laminated wafers or a process of thinning the laminated wafers by grinding, polishing, or etching after lamination bonding.

S5:所定の枚数積層されたウェハから個々の半導体装置を分離する、ダイシング工程
ウェハレベルで積層接合されたウェハをダイシングラインに従って切断し、チップとして分離する。例えば、図7(e)の破線に従って切断する。切断は通常、ダイシングブレードを用いて切断するダイシングソー方式、レーザ光線によりウェハ表面を溶融させて割る方式、ダイヤモンドカッタにより切断ラインを引いて割る方法が採られている。しかしながら、ウェハ積層体をチップに分離する方式としてはダイシングソー方式が好ましい。
S5: A dicing process for separating individual semiconductor devices from a predetermined number of stacked wafers. Wafers stacked and bonded at the wafer level are cut according to a dicing line and separated as chips. For example, cutting is performed according to the broken line in FIG. In general, a dicing saw method in which cutting is performed using a dicing blade, a method in which the wafer surface is melted and split by a laser beam, and a method in which a cutting line is drawn by a diamond cutter are used. However, a dicing saw method is preferable as a method for separating the wafer stack into chips.

以上の説明により、本願発明の顕微鏡、マーク検出方法及び積層型半導体装置の製造方法が理解されたと思われる。   From the above description, it is considered that the microscope, the mark detection method, and the manufacturing method of the stacked semiconductor device of the present invention have been understood.

半導体装置の高密度化、高速駆動化は産業上必至の要請であり、そのための本願発明の利用は、従って、産業上必至である。   Increasing the density and driving speed of semiconductor devices is an inevitable demand in the industry, and the use of the present invention for that purpose is therefore inevitable in the industry.

本願発明の顕微鏡の全体像を示す図である。It is a figure which shows the whole image of the microscope of this invention. スリット像とウェハ面との位置関係と反射光束の関係を示す。The positional relationship between the slit image and the wafer surface and the relationship between the reflected light beams are shown. アクティブ方式AF光学系でのセンサへの入射光束と像のぼけの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the incident light beam to the sensor in an active system AF optical system, and the blur of an image. アクティブ方式AF動作後の操作を示す図である。It is a figure which shows operation after active system AF operation | movement. パッシブ方式AFでの、像のぼけと検出器出力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between image blurring and detector output in passive AF. 本願発明の顕微鏡を適用する積層型半導体装置の製造工程を示す。The manufacturing process of the laminated semiconductor device to which the microscope of the present invention is applied will be described. 本願発明の積層型半導体装置の製造方法の図示である。It is illustration of the manufacturing method of the laminated semiconductor device of this invention. ウェハ積層時のアライメント工程を示す。The alignment process at the time of wafer lamination | stacking is shown. 積層されたウェハのアライメントマークの検出方法を示す。A method for detecting alignment marks of stacked wafers will be described.

符号の説明Explanation of symbols

100 ・・・ 観察光学系
101 ・・・ ウェハ面 112 ・・・ 対物レンズ
114 ・・・ AF接眼レンズ
116 ・・・ 照明系 121 ・・・ 光源
122 ・・・ スリット
124 ・・・ コンデンサ−レンズ
126 ・・・ 結像レンズ126, 128 ・・・ 第1の2次元センサ
129 ・・・ 第2の2次元センサ
130 ・・・ 光束制限マスク
162,142 ・・・ ビームスプリッタ
149 ・・・ 合焦検出用ビームスプリッタ
182 ・・・ 制御部 190 ・・・ 接眼系190
210,212 ・・・ ウェハホルダ
213 ・・・ ウェハ積層体
222,224 ・・・ アライメントマーク
230 ・・・ 顕微鏡
231,233 ・・・ 基準マーク
412 ・・・ アライメントマーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Observation optical system 101 ... Wafer surface 112 ... Objective lens 114 ... AF eyepiece lens 116 ... Illumination system 121 ... Light source 122 ... Slit 124 ... Condenser lens 126 ... Imaging lenses 126, 128 ... First two-dimensional sensor 129 ... Second two-dimensional sensor 130 ... Light flux limiting masks 162, 142 ... Beam splitter 149 ... Focus detection Beam splitter 182 ... Control unit 190 ... Eyepiece system 190
210, 212 ... Wafer holder 213 ... Wafer stack 222, 224 ... Alignment mark 230 ... Microscope 231, 233 ... Reference mark 412 ... Alignment mark

Claims (3)

オートフォーカス機能を有する顕微鏡であって、
対物レンズを共有する、アクティブ方式AF光学系及びパッシブ方式AF光学系と、
フォーカス状態の情報を出力する制御部と、
を有し、
該パッシブ方式AF光学系の光源が赤外線光源である
ことを特徴とする顕微鏡。
A microscope having an autofocus function,
An active AF optical system and a passive AF optical system sharing an objective lens;
A control unit that outputs focus state information;
Have
A microscope characterized in that a light source of the passive AF optical system is an infrared light source.
ウェハ面に形成されたアライメントマークを裏面より検出するマーク検出方法であって、
請求項1に記載された顕微鏡を用いてアライメントマークを検出する
ことを特徴とするマーク検出方法。
A mark detection method for detecting an alignment mark formed on a wafer surface from the back surface,
A mark detection method, comprising: detecting an alignment mark using the microscope according to claim 1.
複数の半導体装置が形成されたウェハを積層して3次元半導体装置を製造する方法であって、
複数の半導体装置が形成されたウェハを所定の枚数だけ準備する、ウェハ準備工程、
積層するウェハ間の位置関係を測定する、アライメント工程、
位置関係が測定されたウェハを重ね合わせる、ウェハ重ね合わせ工程、
重ね合わされたウェハ上の接続電極どうしを接合する、電極接合工程、
所定の枚数積層されたウェハから個々の半導体装置を分離する、ダイシング工程
を有し、
前記アライメント工程において、請求項1に記載の顕微鏡を使用する
ことを特徴とする積層3次元半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a three-dimensional semiconductor device by laminating wafers on which a plurality of semiconductor devices are formed,
Preparing a predetermined number of wafers on which a plurality of semiconductor devices are formed, a wafer preparation step,
An alignment process for measuring the positional relationship between wafers to be laminated,
A wafer superposition process, which superimposes wafers whose positional relationship has been measured,
An electrode joining process for joining the connection electrodes on the stacked wafers;
A dicing process for separating individual semiconductor devices from a predetermined number of stacked wafers;
The method for manufacturing a stacked three-dimensional semiconductor device, wherein the microscope according to claim 1 is used in the alignment step.
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