JP2011100901A - 半導体デバイスの製造方法および搬送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板ホルダに塵埃をなるべく付着させないような技術が求められている。
【解決手段】複数の半導体基板を接合して製造される半導体デバイスの製造方法であって、重ね合わされた複数の半導体基板を加熱して接合する接合ステップと、接合ステップにより接合された複数の半導体基板を冷却室で冷却する冷却ステップと、接合ステップに先立って複数の半導体基板を冷却室に載置し、複数の半導体基板の温度と冷却室の温度差によって生じる熱泳動により複数の半導体基板に付着した塵埃を除去する塵埃除去ステップとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスの製造方法および搬送装置に関する。

各々に素子、回路等が形成された半導体基板を積層して製造された積層型半導体デバイスがある（特許文献１参照）。半導体基板を積層する場合には、基板ホルダに保持された一対の半導体基板を、半導体回路の線幅精度で精密に位置決めして積層した後、基板全体を加熱加圧して接合させる。このとき、一対の半導体基板を加熱加圧して恒久的な接合を実現する加熱加圧装置（特許文献２参照）が用いられる。

特開平１１−２６１０００号公報

特開２００７−１１５９７８号公報

半導体処理工程は原則としてクリーンルーム内で行われるものの、半導体基板を取り扱う装置、器具には、駆動、摺動、流動等の発塵原因となる動作部が所々に存在する。基板ホルダに保持された一対の半導体基板を、それぞれの回路領域を対向させて積層して基板全体を加熱加圧する場合において、基板ホルダと加熱加圧装置の加熱プレートの間に塵埃が存在すると、半導体基板が均一に加熱加圧されなくなる。これにより、半導体基板の回路領域が均一に接合されなくなり、回路動作に不良をきたす場合がある。

また、基板ホルダと加熱プレートの間に塵埃に起因する固着が生じて、基板ホルダの加熱プレートからの分離が困難になる場合もある。これらより、半導体基板および基板ホルダに塵埃をなるべく付着させないような技術が求められている。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様における半導体デバイスの製造方法は、複数の半導体基板を接合して製造される半導体デバイスの製造方法であって、重ね合わされた複数の半導体基板を加熱して接合する接合ステップと、接合ステップにより接合された複数の半導体基板を冷却室で冷却する冷却ステップと、接合ステップに先立って複数の半導体基板を冷却室に載置し、複数の半導体基板の温度と冷却室の温度差によって生じる熱泳動により複数の半導体基板に付着した塵埃を除去する塵埃除去ステップとを有する。

また、上記課題を解決するために、本発明の第２の態様における搬送装置は、重ね合わされた複数の半導体基板を少なくとも加熱加圧装置および冷却室に搬送する搬送装置であって、複数の半導体基板を保持する保持部と、保持部で保持した前記複数の半導体基板を加熱加圧装置に搬入し、加熱して接合された複数の半導体基板を加熱加圧装置から搬出して冷却室に搬入するよう制御する制御部とを備え、制御部は、複数の半導体基板を加熱加圧装置に搬入する前に冷却室に搬入し、複数の半導体基板の温度と冷却室の温度差によって生じる熱泳動により複数の半導体基板に付着した塵埃が除去された後で、加熱加圧装置に搬入することを特徴とする。

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

貼り合わせ装置の全体構造を概略的に示す平面図である。 上基板ホルダを概略的に示す平面図である。 下基板ホルダを概略的に示す平面図である。 仮接合装置において、基板ホルダ対の形成直前の状態を概略的に示す断面図である。 仮接合装置において、基板ホルダ対の形成直後の状態を概略的に示す断面図である。 加熱加圧装置の構造を概略的に示す断面図である。 冷却装置の構造を概略的に示す断面図である。 貼り合わせ装置の制御手順を示すフローチャートである。

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

図１は、本実施形態に係る半導体デバイスの製造方法を実施する貼り合わせ装置１００の全体構造を概略的に示す平面図である。貼り合わせ装置１００は、共通の筐体１０１の内部に形成された大気環境部１０２および真空環境部２０２を含む。

大気環境部１０２は、筐体１０１の外部に面して、複数の基板カセット１１１、１１２、１１３と、制御盤１２０とを有する。貼り合わせ装置１００に含まれる各装置の各要素は、貼り合わせ装置１００全体の制御および演算を司る制御盤１２０、または要素ごとに設けられた制御演算部が、統合制御、協調制御をすることにより動作する。また、制御盤１２０は、貼り合わせ装置１００の電源投入、各種設定等をする場合にユーザが外部から操作する操作部を有する。更に、制御盤１２０は、配備された他の機器と接続する接続部を含む場合もある。

基板カセット１１１、１１２、１１３は、貼り合わせ装置１００において接合される基板１８０、あるいは、貼り合わせ装置１００において接合された基板１８０を収容する。また、基板カセット１１１、１１２、１１３は、筐体１０１に対して脱着自在に装着される。これにより、複数の基板１８０を一括して貼り合わせ装置１００に装填できる。また、貼り合わせ装置１００において接合された基板１８０を一括して回収できる。

大気環境部１０２は、筐体１０１の内側にそれぞれ配置された、プリアライナ１３０、仮接合装置１４０、基板ホルダラック１５０および基板取り外し部１６０と、一対のロボットアーム１７１、１７２とを備える。筐体１０１の内部は、貼り合わせ装置１００が設置された環境の室温と略同じ温度が維持されるように温度管理される。これにより、仮接合装置１４０の精度が安定するので、位置決めを精確にできる。

仮接合装置１４０は、対向する２枚の基板１８０に対して精確に位置合わせをして互いに重ね合わせる装置であるので、その調整範囲は非常に狭い。そこで、仮接合装置１４０への搬入に先立ち、仮接合装置１４０の調整範囲に基板１８０の位置が収まるように、プリアライナ１３０で個々の基板１８０の位置をおよそ把握する。仮接合装置１４０へは、プリアライナ１３０でおよそ把握した位置に基づいて向きを調整しつつロボットアーム１７２で搬入する。これにより、仮接合装置１４０における位置決めを確実にすることができる。

仮接合装置１４０は、固定ステージ１４１、移動ステージ１４２および干渉計１４３を含む。また、仮接合装置１４０を包囲して断熱壁１４４およびシャッタ１４５が設けられる。断熱壁１４４およびシャッタ１４５に包囲された空間は空調機等に連通して温度管理され、仮接合装置１４０における位置合わせ精度を維持する。

仮接合装置１４０において、移動ステージ１４２は、基板１８０および基板１８０を保持した基板ホルダ１９０を搬送する。これに対して、固定ステージ１４１は固定された状態で、基板１８０および基板ホルダ１９０を保持する。なお、固定ステージ１４１は移動ステージ１４２よりも上方に位置する。

移動ステージ１４２に保持された基板１８０および基板ホルダ１９０と、固定ステージ１４１に保持された基板１８０および基板ホルダ１９０は、接合面が対向するように配置される。そして、移動ステージ１４２の精密な移動による位置合わせ後、接合面同士が接触されて仮接合される。以下においては、仮接合された２つの基板１８０およびこれらを挟持する２つの基板ホルダ１９０をまとめて基板ホルダ対と呼ぶ。仮接合の具体的な処理および構成については後述する。

基板ホルダラック１５０は、複数の基板ホルダ１９０を収容して待機させる。なお、基板ホルダ１９０は、静電吸着により基板１８０を保持するが、具体的な構成については後述する。

基板取り外し部１６０は、後述する加熱加圧装置２４０で加熱加圧された後の基板ホルダ１９０から、当該基板ホルダ１９０に挟まれて接合された基板１８０を取り出す。基板ホルダ１９０から取り出された基板１８０は、ロボットアーム１７２、１７１および移動ステージ１４２により基板カセット１１３に戻されて収容される。また、基板１８０を取り出された基板ホルダ１９０は、基板ホルダラック１５０に戻されて待機する。

なお、貼り合わせ装置１００に装填される基板１８０は、既に回路パターンが複数周期的に形成されている単体のシリコンウエハ、化合物半導体ウエハ等である。また、装填された基板１８０が、既に複数のウエハを積層して形成された積層基板である場合もある。

一対のロボットアーム１７１、１７２のうち、基板カセット１１１、１１２、１１３に近い側に配置されたロボットアーム１７１は、基板カセット１１１、１１２、１１３、プリアライナ１３０および仮接合装置１４０の間で基板１８０を搬送する。また、ロボットアーム１７１は、接合する基板１８０の一方を裏返す機能も有する。これにより、基板１８０において回路、素子、端子等が形成された面を対向させることができる。

一方、基板カセット１１１、１１２、１１３から遠い側に配置されたロボットアーム１７２は、仮接合装置１４０、基板ホルダラック１５０、基板取り外し部１６０およびロードロックチャンバ２２０の間で基板ホルダ対を搬送する。また、ロボットアーム１７２は、基板ホルダラック１５０に対する基板ホルダ１９０の搬入および搬出も担う。

真空環境部２０２は、断熱壁２１０、ロードロックチャンバ２２０、ロボットアーム２３０、複数の加熱加圧装置２４０および冷却装置２５０を有する。断熱壁２１０は、真空環境部２０２を包囲して、真空環境部２０２の内部温度を維持すると共に、真空環境部２０２の外部への熱輻射を遮断する。これにより、真空環境部２０２の熱が大気環境部１０２に及ぼす影響を抑制できる。

ロボットアーム２３０は、基板ホルダ対を搬送する搬送装置であり、ロボットアーム２３０の動作を制御するロボットアーム制御部２３２と、基板ホルダ対を保持する保持部２３４を備える。そして、保持した基板ホルダ対を、ロードロックチャンバ２２０、加熱加圧装置２４０および冷却装置２５０の間で搬送する。

ロードロックチャンバ２２０は、大気環境部１０２側と真空環境部２０２側とに、交互に開閉するシャッタ２２２、２２４を有する。基板ホルダ対が大気環境部１０２から真空環境部２０２に搬入される場合、まず、大気環境部１０２側のシャッタ２２２が開かれ、ロボットアーム１７２が基板ホルダ対をロードロックチャンバ２２０に搬入する。次に大気環境部側のシャッタ２２２を閉じ、ロードロックチャンバ２２０内の空気を排出することで、真空状態にする。

ここで、ロードロックチャンバ２２０にはヒータ２２１が設けられており、基板ホルダ対は、冷却装置２５０に搬入されるのに先立って予備加熱される。即ち、ロードロックチャンバ２２０において雰囲気を交換する時間を利用して、熱泳動の効果を得るのに好ましい温度に加熱される。

ロードロックチャンバ２２０内が真空状態になった後、真空環境部２０２側のシャッタ２２４が開かれ、ロボットアーム２３０が基板ホルダ対を搬出する。このような真空環境部２０２への搬入動作により、大気環境部１０２の内部雰囲気を真空環境部２０２側に漏らすことなく、基板ホルダ対を真空環境部２０２に搬入できる。

次にロボットアーム２３０は、搬出した基板ホルダ対を加熱加圧装置２４０ではなく、冷却装置２５０に搬入する。冷却装置２５０内の温度は、搬入される基板ホルダ対の温度よりも低く、この温度差によって生じる熱泳動により基板ホルダ対に付着している塵埃が除去される。具体的な処理および構成については後述する。

冷却装置２５０での塵埃除去後、ロボットアーム２３０は冷却装置２５０から基板ホルダ対を搬出して、複数の加熱加圧装置２４０のいずれかに搬入する。加熱加圧装置２４０は、基板ホルダ１９０に挟まれた状態で搬入された基板１８０を加熱加圧する。これにより基板１８０は恒久的に接合される。

基板１８０の接合後、基板ホルダ対は、冷却装置２５０に搬入され、一定の温度まで冷却される。これにより、加熱後に大気環境部１０２に戻す基板ホルダ対からの輻射熱を抑制して、大気環境部１０２の温度管理を容易にする。

加熱加圧装置２４０は、基板ホルダ対を加熱する本体と、本体を配置する加熱加圧チャンバとを含む。また冷却装置２５０は、基板ホルダ対を冷却する本体と、本体を配置する冷却チャンバとを含む。そしてロボットアーム２３０はロボットアームチャンバに設置される。

すなわち、真空環境部２０２を構成する加熱加圧チャンバ、冷却チャンバ、ロボットアームチャンバ、ロードロックチャンバ２２０は、それぞれ個別に仕切られ、別々に雰囲気を調整することができる。また、図に示すように、真空環境部２０２は、ロボットアームチャンバを中心として、複数の加熱加圧チャンバ、冷却チャンバおよびロードロックチャンバ２２０が円周方向に並べて配置されている。

真空環境部２０２から大気環境部１０２に基板ホルダ対を搬出する場合は、まず真空環境部２０２側のシャッタ２２４が開かれ、ロボットアーム２３０が基板ホルダ対をロードロックチャンバ２２０に搬入する。次に、真空環境部２０２側のシャッタ２２４が閉じられ、大気環境部１０２側のシャッタ２２２が開かれる。

ここで、２枚の基板１８０が重ね合わされて一体化されるまでの流れを簡単に説明する。貼り合わせ装置１００が稼動を開始すると、ロボットアーム１７１により基板１８０が一枚ずつプリアライナ１３０に搬入され、プリアラインされる。このとき、まず、接合面が下向きとなる基板１８０からプリアラインをする。

プリアラインに並行して、ロボットアーム１７２は、基板１８０を保持する面を下向きにして収納されている基板ホルダ１９０を基板ホルダラック１５０から取り出して、載置面が下向きである固定ステージ１４１に搬送する。固定ステージ１４１は、搬送されてきた基板ホルダ１９０を真空吸着により固定する。なお、固定ステージ１４１は、移動ステージ１４２よりも上方に位置する。

その後、ロボットアーム１７１は、プリアラインされた基板１８０をプリアライナから取り出して、搬送途中で反転機構を用いて接合面を下向きにして、移動ステージ１４２から突出された複数のプッシュアップピン上に仮置きする。プッシュアップピン上に仮置きされた基板１８０は、プッシュアップピンによって固定ステージ１４１側に持ち上げられて、既に固定ステージ１４１に固定されている基板ホルダ１９０の載置面に押し当てられる。基板ホルダ１９０は、固定ステージ１４１から電力を供給されて、基板１８０を静電吸着して固定する。

次に接合面が上向きとなる基板１８０がプリアラインされる。これに並行して、ロボットアーム１７２は、基板１８０を保持する面が上向きである基板ホルダ１９０を基板ホルダラック１５０から取り出して、載置面が上向きである移動ステージ１４２に搬送する。移動ステージ１４２は、搬送されてきた基板ホルダ１９０を真空吸着により固定する。なお、基板１８０を保持する面が上向きである基板ホルダ１９０が移動ステージ１４２に搬送されるときには、プッシュアップピンは、移動ステージ１４２のステージ面から退避している。

その後、ロボットアーム１７１は、プリアラインされた基板１８０をプリアライナから取り出して、既に移動ステージ１４２に固定されている基板ホルダ１９０の載置面に載置する。基板ホルダ１９０は、移動ステージ１４２から電力を供給されて、基板１８０を静電吸着して固定する。このようにして、それぞれのステージに基板ホルダ１９０と基板１８０が、互いの接合面が対向するように固定される。

互いの接合面が対向するように固定されると、移動ステージ１４２を、干渉計１４３によりその位置を監視しつつ精密に移動させて、載置された基板１８０の接合面を固定ステージ１４１に保持された基板１８０の接合面に対して位置合わせする。位置合わせが完了すると、移動ステージ１４２を固定ステージ１４１側へ移動させ、接合面同士を接触させて仮接合する。仮接合は、向かい合う２つの基板ホルダ１９０のそれぞれに設けられた吸着機構を作用させて一体化することにより実現する。

仮接合されて一体化された基板ホルダ対は、ロボットアーム１７２によりロードロックチャンバ２２０に搬送される。そしてロードロックチャンバ２２０に搬送された基板ホルダ対は、ヒータ２２１により予備加熱される。

予備加熱された後、基板ホルダ対はロボットアーム２３０により、加熱加圧装置２４０ではなく、冷却装置２５０に搬入される。基板ホルダ対は予備加熱されているので、冷却装置２５０内に載置されることにより、冷却装置２５０内の雰囲気と基板ホルダ対との間に温度差を生じる。そしてこの温度差によって生じる熱泳動により、基板ホルダ対に付着している塵埃を除去することができる。

熱泳動とは、温度勾配で生じる力であり、この温度勾配の中の粒子物を高温域から低温域に移動させる力をいう。すなわち、熱泳動により塵埃などの粒子物は低温域に吸い付けられることになる。従って上記の場合、基板ホルダ対を低温の冷却装置２５０に搬入することで、基板ホルダ対に付着した塵埃が冷却装置２５０に吸い付けられて、基板ホルダ対から塵埃が除去される。

ここでそもそも基板ホルダ対を冷却装置２５０に入れるということは、基板ホルダ対の温度が下がることになるので、加熱加圧前にあえて基板ホルダ対を冷却装置２５０に入れるという構成は従来とられていなかった。加熱加圧前に基板ホルダ対が冷却されると、それだけ加熱に時間がかかってしまうからである。本実施形態では、熱泳動という現象に着目して、塵埃除去をするために、あえて加熱加圧前の基板ホルダ対を冷却装置２５０に搬入する構成をとっており、この点に特徴を有する。

塵埃の除去後、基板ホルダ対はロボットアーム２３０により、加熱加圧装置２４０に搬入される。そして加熱加圧装置２４０において加熱および加圧されることにより、２つの基板１８０は互いに接合されて恒久的に一体となる。

接合後、基板ホルダ対は冷却装置２５０に搬入され、一定の温度まで冷却される。その後基板ホルダ対は、ロードロックチャンバ２２０を介して真空環境部２０２から搬出されて、基板取り外し部１６０に運び込まれる。そして、貼り合わされた基板１８０は、基板取り外し部１６０で上下の基板ホルダ１９０から取り外される。

基板取り外し部１６０で取り外された基板１８０は、基板カセット１１３に搬送して収容される。この場合、移動ステージ１４２は、ロボットアーム１７２からロボットアーム１７１への搬送にも携わる。また、基板ホルダ１９０は、ロボットアーム１７２により基板ホルダラック１５０へ戻される。

次に、２つの基板ホルダ１９０について説明する。ここでは、２つの基板ホルダ１９０のうち、固定ステージ１４１に載置される方を上基板ホルダ１９１、移動ステージ１４２に載置される方を下基板ホルダ１９２として説明する。図２は、基板１８０を保持した上基板ホルダ１９１を概略的に示す平面図である。上基板ホルダ１９１は、ホルダ本体１９３およびマグネットユニット１９５を有しており、全体としては基板１８０よりも径がひとまわり大きな円板状をなす。ホルダ本体１９３は、セラミックス、金属等の高剛性材料により一体成形される。

ホルダ本体１９３は、基板１８０を保持する領域をその表面に備える。この保持領域は研磨されて高い平坦性を有する。基板１８０の保持は、静電力を利用した吸着により行われる。具体的には、ホルダ本体１９３に埋め込まれた電極に、ホルダ本体１９３の裏面に設けられた電圧印加端子を介して電圧を加えることにより、上基板ホルダ１９１と基板１８０との間に電位差を生じさせて、基板１８０を上基板ホルダ１９１に吸着させる。なお、基板１８０の吸着面は、回路領域が設けられた面とは反対の面である。

マグネットユニット１９５は、基板１８０を保持する表面において、保持した基板１８０よりも外側である外周領域に複数配置される。図の場合、２個を一組として１２０度毎に合計６個のマグネットユニット１９５が配されている。具体的な構成については後述する。

図３は、基板１８０を保持した下基板ホルダ１９２を概略的に示す平面図である。下基板ホルダ１９２は、ホルダ本体１９４および吸着ユニット１９６を有しており、全体としては基板１８０よりも径がひとまわり大きな円板状をなす。ホルダ本体１９４は、セラミックス、金属等の高剛性材料により一体成形される。

ホルダ本体１９４は、基板１８０を保持する領域をその表面に備える。この保持領域は研磨されて高い平坦性を有する。基板１８０の保持は、静電力を利用した吸着により行われる。具体的には、ホルダ本体１９４に埋め込まれた電極に、ホルダ本体１９４の裏面に設けられた電圧印加端子を介して電圧を加えることにより、下基板ホルダ１９２と基板１８０との間に電位差を生じさせて、基板１８０を下基板ホルダ１９２に吸着させる。なお、基板１８０の吸着面は、回路領域が設けられた面とは反対の面である。

吸着ユニット１９６は、基板１８０を保持する表面において、保持した基板１８０よりも外側である外周領域に複数配置される。図の場合、２個を一組として１２０度毎に合計６個の吸着ユニット１９６が配されている。

吸着ユニット１９６は、上基板ホルダ１９１のマグネットユニット１９５とそれぞれ対応するように配置されている。そして、基板１８０を保持した上基板ホルダ１９１と、基板１８０を保持した下基板ホルダ１９２を、互いに向かい合わせてマグネットユニット１９５と吸着ユニット１９６を作用させると、２つの基板１８０を重ね合わせた状態で挟持して固定することができる。

図４は、仮接合装置１４０において、基板ホルダ対の形成直前の状態を概略的に示す断面図である。具体的には、基板１８０を保持した上基板ホルダ１９１が、仮接合装置１４０の固定ステージ１４１に真空吸着固定され、基板１８０を保持した下基板ホルダ１９２が、仮接合装置１４０の移動ステージ１４２に真空吸着固定された状態の断面図である。特に、図２および図３で示すそれぞれＡ−Ａ線に沿った断面図を表す。

移動ステージ１４２は、下基板ホルダ１９２に保持された基板１８０に対して上基板ホルダ１９１に保持された基板１８０を積層する方向であるＺ軸方向と、Ｚ軸にそれぞれ直交するＸ軸、Ｙ軸方向に移動することができる。仮接合装置１４０は、上基板ホルダ１９１に保持された基板１８０を観察できるように仮接合装置１４０に配置された第１顕微鏡と、下基板ホルダ１９２に保持された基板１８０を観察できるように仮接合装置１４０に配置された第２顕微鏡とを用いて、２つの基板１８０を位置合わせする。

具体的には、それぞれの顕微鏡により、観察対象となる各基板のアライメントマークを撮像して、撮像された撮像データを画像処理することで、アライメントマークの精確な位置を検出する。そして、対応するアライメントマーク同士の位置ずれ量を演算して、その位置ずれ量に応じて移動ステージ１４２を移動させて、２つの基板１８０を対向させる。

これにより、上基板ホルダ１９１に保持された基板１８０の回路領域のそれぞれが、下基板ホルダ１９２に保持された基板１８０の対応する回路領域のそれぞれに対向する。なお、位置ずれ量の演算は、例えば、２つの基板１８０それぞれの複数のアライメントマークが重ね合わされたときに、相互の位置ずれ量が最も小さくなるように統計的に決定されるグローバルアライメント法等を用いて演算される。

２つの基板１８０を位置合わせするとき、すなわち、移動ステージ１４２をＸＹ平面内で移動させるときには、２つの基板１８０が接触しないように、両者の間に若干の隙間を形成する。この状態においてマグネットユニット１９５が吸着ユニット１９６に結合しないように、移動ステージ１４２は、複数の結合規制ユニット１４６を備える。

結合規制ユニット１４６は、主に、柱状の部材であるプッシュピン１４７とこれを駆動するシリンダー部１４８を備える。プッシュピン１４７は、伸長位置において、下基板ホルダ１９２に設けられた挿通孔と、これに一致するように位置合わせされて配設されているマグネットユニット１９５に設けられた挿通孔の内部を通って、その先端がマグネットユニット１９５より突出する。収納位置においては、シリンダー部１４８の内部にその一部が収納されて、それぞれの挿通孔から退避する。つまり、プッシュピン１４７は、それぞれの挿通孔の内部で、シリンダー部１４８の駆動によりＺ軸方向に進退する。

図４に示すような、２つの基板１８０が相対的にＸＹ方向に移動され得るときには、プッシュピン１４７は、吸着ユニット１９６の上面に接触するように伸長位置に制御され、吸着ユニット１９６のマグネットユニット１９５への結合を阻止する。つまり、吸着ユニット１９６は吸着子１９７とこれを固定する板バネ１９８を備えるが、板バネ１９８が弾性変形して吸着子１９７がマグネットユニット１９５へ結合しないように、プッシュピン１４７が吸着子１９７を上方から押さえつけて、板バネ１９８の弾性変形を抑制する。

なお、仮接合装置１４０による２つの基板１８０の位置合わせは、最終的な微調整段階においては、プッシュピン１４７の先端が吸着ユニット１９６の上面を摺動する程度の移動量において実行される。それ以外の段階である、例えば顕微鏡によるアライメントマークの観察段階においては、２つの基板１８０は、ＸＹＺ軸方向へ相対的に大きく離れた状態となるので、吸着ユニット１９６がマグネットユニット１９５へ予期せず結合することはない。したがって、プッシュピン１４７は、マグネットユニット１９５の磁力が吸着ユニット１９６へ及び、かつ、両者の結合を規制したいときに、伸長位置に制御され、それ以外のときには収納位置に制御される。

図５は、仮接合装置１４０において、基板ホルダ対の形成直後の状態を概略的に示す断面図である。具体的には、図５の状態から、２つの基板１８０の表面が接触するように移動ステージ１４２をＺ軸方向に駆動した状態を示して、さらに、プッシュピン１４７が収納位置に制御されて、吸着ユニット１９６がマグネットユニット１９５に結合した状態を示す。

図４の状態から図５の状態へ移行する過程において、２つの基板１８０が位置合わせされ、結合部材であるマグネットユニット１９５と被結合部材である吸着ユニット１９６が結合する。そして、上基板ホルダ１９１と下基板ホルダ１９２が一体化され、基板ホルダシステムとしての基板ホルダ対を形成する。

仮接合装置１４０においてＺ軸方向は重力方向であり、移動ステージ１４２は、固定ステージ１４１よりも下方に位置する。すると、重力方向に対する各面の関係は、上から下へ順に、上基板ホルダ１９１の基板１８０の保持面、２つの基板１８０の接合面、下基板ホルダ１９２の基板１８０の保持面が位置することになる。

図４の状態から図５の状態へ移行する過程において、プッシュピン１４７を収納位置に移動させる動作に伴って、板バネ１９８が弾性変形して、吸着ユニット１９６がマグネットユニット１９５に結合する。このとき、吸着ユニット１９６の吸着子１９７は、ある程度の衝撃を伴ってマグネットユニット１９５に結合する。この結合衝撃も、発塵原因の１つとなる。即ち、結合衝撃によって、吸着ユニット１９６およびマグネットユニット１９５から微細な塵埃が発生して、基板ホルダ対等に付着する。

図６は、加熱加圧装置２４０の構造を概略的に示す断面図である。加熱加圧装置２４０は、加熱加圧チャンバ２４１の底部から順次積層された定盤２４２および加熱プレート２４３と、加熱加圧チャンバ２４１の天井面から垂下された圧下部２４４および加熱プレート２４３とを有する。加熱プレート２４３の各々はヒータを内蔵する。また、加熱加圧チャンバ２４１の側面のひとつには搬入口２４５が設けられる。

加熱加圧装置２４０には、仮接合された基板ホルダ対が搬入される。搬入された基板ホルダ対は、定盤２４２の加熱プレート２４３上面に載置される。加熱加圧装置２４０は、加熱プレート２４３を昇温させると共に、圧下部２４４を降下させて上側の加熱プレート２４３を押し下げる。これにより、加熱プレート２４３の間に挟まれた基板ホルダ対が加熱および加圧され、基板１８０は恒久的に接着される。

ここで基板ホルダ１９０に塵埃が付着していて塵埃が基板ホルダ１９０と加熱プレート２４３に挟まれた状態だと、加熱および加圧が均一に行われなくなる。これにより２つの基板１８０の回路領域が均一に接合されなくなり、回路動作に不良をきたす場合がある。また、基板ホルダ１９０と加熱プレート２４３の間に塵埃に起因する固着が生じて、基板ホルダ対の加熱プレート２４３からの分離が困難になる場合もある。

図７は冷却装置２５０の構造を概略的に示す断面図である。冷却装置２５０は、基板ホルダ対を一組ずつ載置する２つの冷却室２５１を有する。冷却室２５１には、冷却台２５２および載置台２５３が備えられており、基板ホルダ対は載置台２５３の上に載置される。また、冷却室２５１は開閉部２５４を備え、基板ホルダ対を搬入または搬出できる。冷却台２５２の内部には、冷媒を流通させる冷媒管２５５が埋設される。冷媒管２５５は、筐体１０１の外部に配置された熱交換器２５６に連通する。

更に、冷却台２５２および熱交換器２５６の間で、冷媒管２５５の各々には循環ポンプ２５７が装着される。これにより、冷却台２５２および熱交換器２５６の間で冷媒を循環させ、冷却台２５２および冷却室２５１の温度を下げることができる。このような構成により、熱泳動によって基板ホルダ対に付着した塵埃を除去することができ、また基板ホルダ対を冷却することもできる。

ここで、基板ホルダ対の上部の基板ホルダ１９０の塵埃を除去するためには、基板ホルダ対の上部に冷却部が存在することが望ましい。そこで冷却室２５１の天井部にも、冷媒管２５５が埋設された冷却台２５２を設置している。２つの冷却室２５１の間に位置する冷却台２５２は、下に位置する冷却室２５１の天井部を兼ねることになるので、その分冷媒管２５５の数を多くするかまたは冷媒管２５５を太くするようにしてもよい。なお、冷媒としては、熱容量の大きな水等の液体を好ましく例示できるが、これに限定されるわけではない。

なお、ここでは冷却台２５２内に冷媒管２５５を埋設する例を挙げて説明しているが、冷却室２５１の壁にも冷媒管２５５を埋設するようにしても良い。また、冷媒管２５５を埋設した冷却プレートを別途設け、基板ホルダ対の近傍に冷却プレートを配置してもよい。このように構成することで、塵埃の除去および冷却の効率を高めることができる。

また、熱泳動により基板ホルダ対から冷却室２５１に移動した塵埃を処理するために、冷却室２５１内に交換可能な粘着シートを備えるよう構成してもよい。塵埃は冷却室２５１内の冷却部分に集まるので、冷却台２５２、または構成によって冷却室２５１の壁、冷却プレートに粘着シートを備えるのが好ましい。

基板ホルダ対が、加熱加圧される前にロードロックチャンバ２２０から冷却装置２５０に搬入される場合、まず載置台２５３に載置される。そして、基板ホルダ対と冷却室２５１の温度差によって生じる熱泳動により、基板ホルダ対に付着した塵埃が除去される。その後、基板ホルダ対は冷却装置２５０から搬出され、加熱加圧装置２４０に搬入される。

基板ホルダ対が冷却室２５１から搬出されたときに、冷却室２５１から加熱加圧装置２４０への移動経路上の温度よりも低温の状態だと、熱泳動により、その経路上に存在する塵埃が付着しやすくなることが考えられる。この点を考慮すると、基板ホルダ対は、冷却室２５１から搬出されるときは冷却室２５１から加熱加圧装置２４０への移動経路上の温度より高温の状態で搬出されることが望ましい。

そこで、基板ホルダ対の温度が、冷却装置２５０から加熱加圧装置２４０に移動する経路上の温度よりも低くなる前に、基板ホルダ対を搬出するように構成してもよい。このように構成することで、基板ホルダ対が冷却装置２５０から加熱加圧装置２４０へ移動する間に、移動経路上に存在する塵埃が付着しにくくなるという効果を得ることができる。

このための手法の一つとして、冷却室２５１から加熱加圧装置２４０への移動経路上の温度を取得するように構成することができる。この場合、ロードロックチャンバ２２０で予備加熱をするときに、基板ホルダ対の温度を、取得した温度よりも高くなるよう加熱する。これにより、基板ホルダ対を冷却室２５１に載置して温度が低下しても、冷却室２５１から加熱加圧装置２４０への移動経路上の温度よりも低くなる前に搬出するよう制御することができる。

基板ホルダ対の温度が、取得した移動経路上の温度よりも低くなる前に搬出する手法としては、冷却室２５１の温度センサ２５８で基板ホルダ対の温度変化を監視して、取得した経路上の温度よりも低くなる前に搬出することが考えられる。また別の手法として、温度センサ２５８を用いずに、冷却室２５１に載置した場合の基板ホルダ対の時間経過と温度変化の関係を予め測定しておき、時間で制御するよう構成してもかまわない。なお、冷却室２５１から加熱加圧装置２４０への移動経路上の温度の取得については、経路上に温度センサを設置して取得しても良く、また経路上の温度が一定であればその値を取得するようにしても良い。

また、ロードロックチャンバ２２０で予備加熱をするときに、取得した移動経路上の温度に、基板ホルダ対に付着した塵埃を熱泳動により除去するための時間冷却室２５１に載置した場合に低下する温度を加えた温度まで加熱するよう構成することもできる。これにより、基板ホルダ対の温度変化を監視することなく、塵埃を熱泳動により除去するための時間が経過するどうかを監視するだけで、冷却室２５１から搬出したときに、経路上の温度よりも高い状態とすることができる。

また別の手法として、冷却室２５１から加熱加圧装置２４０への移動経路上の温度を取得せずに実現することもできる。即ち、ロードロックチャンバ２２０で予備加熱をするときに、基板ホルダ対に付着した塵埃を熱泳動により除去するための時間冷却室に載置した場合に低下する温度に相応する熱量を加えるよう構成することもできる。

基板ホルダ対が加熱加圧された後に冷却装置２５０に搬入される場合、冷却装置２５０における基板ホルダ対の冷却は、大気環境部１０２の雰囲気温度、即ち、例えば室温を目標温度とする。そして、冷却室２５１が有する温度センサ２５８によって基板ホルダ対の温度を監視して、目標温度になった時点で冷却室２５１から搬出する。

なお、温度センサ２５８を用いずに、冷却時間により管理することもできる。即ち、加熱加圧装置２４０における加熱温度の目標温度は予め決まっている。また、冷却装置２５０の冷却性能も予め判っている。従って、基板ホルダ対を、例えば室温である目標温度まで冷却するのに求められる冷却時間を予め想定することができる。

このような管理により、目標温度近傍、例えば目標温度の前後１度程度まで冷却できる。冷却が完了すると、基板ホルダ対は、冷却装置２５０から排出される。

ここで、基板ホルダ対の塵埃を除去して冷却室２５１から搬出した後であって、加熱加圧装置２４０で加熱加圧された後に冷却室２５１に搬入する前に、冷却室２５１の温度を変更するようにしてもよい。即ち、基板ホルダ対の塵埃を除去して冷却室２５１から搬出した後、冷却室２５１の温度を低下させておくことで、基板ホルダ対の冷却にかかる時間を短縮することができる。

図８は、貼り合わせ装置１００の制御手順を示すフローチャートである。各制御は、制御盤１２０が主体となり、貼り合わせ装置１００に含まれる各装置が備える制御部との協調制御、統合制御により実行される。貼り合わせ装置１００が動作を開始すると、まずステップＳ１０１において、ロボットアーム１７１が、基板カセット１１１、１１２の何れかから接合面が下向きになる基板１８０を１枚搬出して、プリアライナ１３０に搬入する。プリアライナ１３０において、基板１８０はプリアライメントされる。なお、本実施形態では、基板カセット１１１、１１２に個別の基板１８０が装填されており、基板カセット１１３には接合された基板１８０が回収される。

次にステップＳ１０２において、ロボットアーム１７２が、基板ホルダラック１５０から基板１８０を保持する面を下向きにして収納されている基板ホルダ１９０を１枚搬出して、仮接合装置１４０の固定ステージ１４１に搬入する。固定ステージ１４１は、搬入された基板ホルダ１９０を真空吸着により固定する。

ステップＳ１０３において、ロボットアーム１７１が、プリアライメントされた基板１８０をプリアライナ１３０から搬出して、反転機構を用いて接合面を下向きにして、移動ステージ１４２に搬入する。移動ステージ１４２に搬入された基板１８０は、仮接合装置１４０により、基板ホルダ１９０に静電吸着して固定される。

ステップＳ１０４において、ロボットアーム１７１が、接合面が上向きになる基板１８０をプリアライナに搬入する。ステップＳ１０５において、ロボットアーム１７２が、基板１８０を保持する面が上向きである基板ホルダ１９０を基板ホルダラック１５０から取出して、移動ステージ１４２に搬入する。

ステップＳ１０６において、ロボットアーム１７１が、プリアラインされた基板１８０をプリアライナ１３０から搬出して、移動ステージ１４２に搬入する。移動ステージ１４２に搬入された基板１８０は、仮接合装置１４０により、基板ホルダ１９０に静電吸着して固定される。そして、基板ホルダ１９０に固定された２つの基板１８０は、仮接合装置１４０により、位置合わせをして仮接合される。

ステップＳ１０７において、ロボットアーム１７２が、基板ホルダ対をロードロックチャンバ２２０に搬入する。ステップＳ１０８において、ロボットアーム２３０が、ロードロックチャンバ２２０により予備加熱された基板ホルダ対を冷却室２５１に搬入する。ここで、基板ホルダ対の温度と冷却室の温度差によって生じる熱泳動により基板ホルダ対に付着した塵埃が除去される。

ステップＳ１０９では、塵埃除去するステップＳ１０８と基板１８０を接合するステップＳ１１２の間に基板ホルダ対が移動する経路である、冷却室２５１から加熱加圧装置２４０への移動経路上の温度Ｔ１を取得する。Ｔ１の取得は、経路上に温度センサを設置して取得しても良く、また経路上の温度が一定であればその値を取得するようにしても良い。ステップＳ１１０では、冷却室２５１内の温度センサ２５８を用いて基板ホルダ対の温度Ｔ２を取得する。

ステップＳ１１１では、取得した基板ホルダ対の温度Ｔ２と、冷却室２５１から加熱加圧装置２４０への移動経路上の温度Ｔ１との差が、例えば１度といった閾値Ｔ０以内になったかを確認する。取得した基板ホルダ対の温度Ｔ２と移動経路上の温度Ｔ１との差が閾値Ｔ０以内になっていない場合は、ステップＳ１１０に戻り、再び基板ホルダ対の温度を取得する。基板ホルダ対は冷却室２５１に載置されているので、取得する温度は下がっていくことになる。

そして、取得した基板ホルダ対の温度Ｔ２と移動経路上の温度Ｔ１との差が、閾値Ｔ０以内になった場合はステップＳ１１２へと進み、ロボットアーム２３０が、基板ホルダ対を冷却室２５１から搬出して、加熱加圧装置２４０に搬入する。このように構成することで、基板ホルダ対を冷却室２５１から搬出したときに、基板ホルダ対の温度を、冷却室２５１から加熱加圧装置２４０への移動経路上の温度よりも高温にすることができるので、経路上に存在する塵埃が付着しにくくなるという効果を得ることができる。

ステップＳ１１２では、ロボットアーム２３０が、基板ホルダ対を冷却室２５１から搬出して、加熱加圧装置２４０に搬入する。搬入された基板ホルダ対は、加熱加圧装置２４０の加熱加圧により接合される。ステップＳ１１３では、ロボットアーム２３０が、加熱加圧装置２４０により接合された基板ホルダ対を冷却室２５１に搬入する。ステップＳ１１４では、ロボットアーム２３０が、冷却室２５１により大気環境部１０２の雰囲気温度にまで冷却された基板ホルダ対をロードロックチャンバ２２０に搬入する。

ステップＳ１１５では、ロボットアーム１７２が、基板ホルダ対を基板取り外し部１６０に搬入する。ステップＳ１１６では、ロボットアーム１７２、１７１および移動ステージ１４２が、基板取り外し部１６０により基板ホルダ１９０から取り出された基板１８０を基板カセット１１３に収容する。そして、制御が終了する。

上記実施形態では、基板ホルダ対を冷却室２５１に搬入する場合、載置台２５３に載置する構成としていたがこれに限られない。基板ホルダ対に付着した塵埃を除去する場合は載置台２５３に載置することが好ましいが、加熱加圧後に冷却する場合は冷却台２５２に直接載置した方が早く冷却することができると考えられる。

そこで、２つの冷却室２５１のうち片方だけに載置台２５３を設置して、塵埃を除去する場合は載置台がある冷却室に、加熱加圧後は載置台がない冷却室に搬入する構成としてもかまわない。また、載置台を出し入れ可能な構造として、塵埃を除去する場合は載置台を出して、加熱加圧後は載置台を収納することで基板ホルダ対を冷却台２５２上に直接載置する構成としても良い。

また上記実施形態では、冷却装置２５０を真空環境部２０２に設置した例を挙げて説明したが、大気環境部１０２に設置するよう構成してもかまわない。この場合、仮接合装置１４０により仮接合された後、仮接合されて一体化された２つの基板１８０と２つの基板ホルダ１９０は、ロボットアーム１７２により、大気環境部１０２に設置された冷却装置２５０に搬入される。そして、基板ホルダ対と冷却装置２５０内の温度差によって生じる熱泳動により、基板ホルダ対に付着した塵埃が除去される。

塵埃の除去後、基板ホルダ対はロボットアーム１７２により、ロードロックチャンバ２２０に搬入される。その後、基板ホルダ対は、ロボットアーム２３０により、複数の加熱加圧装置２４０のうちの１つに搬入される。そして、加熱加圧装置２４０において加熱および加圧されることにより、２つの基板１８０は互いに接合されて恒久的に一体となる。

接合された基板１８０は基板ホルダ１９０とともに、ロボットアーム２３０によりロードロックチャンバ２２０に搬入される。そしてロボットアーム１７２により、基板ホルダ対は、冷却装置２５０に搬入される。冷却後、基板ホルダ対は、基板取り外し部１６０に搬入され、基板１８０が基板ホルダ１９０から取り外される。そして、基板取り外し部１６０により基板ホルダ１９０から取り出された基板１８０は、ロボットアーム１７２、１７１および移動ステージ１４２により、基板カセット１１３に収容される。

このような構成とすることで、ロードロックチャンバ２２０を介して真空環境部２０２に基板ホルダ対を搬入する前に、これらに付着した塵埃を除去することができる。また、真空環境部２０２ではなく大気環境部１０２に冷却装置２５０を配置することで、その分真空環境部２０２にスペースができる。そのスペースに、処理に時間のかかる加熱加圧装置２４０を配置して加熱加圧装置２４０の数を増やすことにより、全体のスループットの向上が期待できる。

また上記実施形態では、基板１８０を基板ホルダ１９０で保持して搬送する例を挙げて説明したがこれに限られない。即ち、基板ホルダ１９０を用いずに基板１８０を直接搬送する構成としてもかまわない。

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

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

１００ 貼り合わせ装置、１０１ 筐体、１０２ 大気環境部、１１１、１１２、１１３ 基板カセット、１２０ 制御盤、１３０ プリアライナ、１４０ 仮接合装置、１４１ 固定ステージ、１４２ 移動ステージ、１４３ 干渉計、１４４ 断熱壁、１４５ シャッタ、１４６ 結合規制ユニット、１４７ プッシュピン、１４８ シリンダー部、１５０ 基板ホルダラック、１６０ 基板取り外し部、１７１、１７２ ロボットアーム、１８０ 基板、１９０ 基板ホルダ、１９１ 上基板ホルダ、１９２ 下基板ホルダ、１９３、１９４ ホルダ本体、１９５ マグネットユニット、１９６ 吸着ユニット、１９７ 吸着子、１９８ 板バネ、２０２ 真空環境部、２１０ 断熱壁、２２０ ロードロックチャンバ、２２１ ヒータ、２２２、２２４ シャッタ、２３０ ロボットアーム、２３２ ロボットアーム制御部、２３４ 保持部、２４０ 加熱加圧装置、２４１ 加熱加圧チャンバ、２４２ 定盤、２４３ 加熱プレート、２４４ 圧下部、２４５ 搬入口、２５０ 冷却装置、２５１ 冷却室、２５２ 冷却台、２５３ 載置台、２５４ 開閉部、２５５ 冷媒管、２５６ 熱交換器、２５７ 循環ポンプ、２５８ 温度センサ

Claims (9)

1. 複数の半導体基板を接合して製造される半導体デバイスの製造方法であって、
   重ね合わされた前記複数の半導体基板を加熱して接合する接合ステップと、
   前記接合ステップにより接合された前記複数の半導体基板を冷却室で冷却する冷却ステップと、
   前記接合ステップに先立って前記複数の半導体基板を前記冷却室に載置し、前記複数の半導体基板の温度と前記冷却室の温度差によって生じる熱泳動により前記複数の半導体基板に付着した塵埃を除去する塵埃除去ステップと
   を有する半導体デバイスの製造方法。
2. 前記塵埃除去ステップの後であって、前記冷却ステップの前に、前記冷却室の温度を変更する温度変更ステップを有する請求項１に記載の半導体デバイスの製造方法。
3. 前記塵埃除去ステップは、前記複数の半導体基板の温度が、前記塵埃除去ステップと前記接合ステップの間に前記複数の半導体基板が移動する経路上の温度よりも低くなる前に、前記複数の半導体基板を前記冷却室から搬出することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイスの製造方法。
4. 前記塵埃除去ステップに先立って、前記複数の半導体基板を加熱する予備加熱ステップを有する請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
5. 前記塵埃除去ステップと前記接合ステップの間に前記複数の半導体基板が移動する経路上の温度を取得する温度取得ステップを更に備え、
   前記予備加熱ステップは、前記複数の半導体基板の温度を、前記温度取得ステップで取得した温度よりも高くなるよう加熱することを特徴とする請求項４に記載の半導体デバイスの製造方法。
6. 前記予備加熱ステップは、前記複数の半導体基板に付着した塵埃を熱泳動により除去するための時間に低下する前記複数の半導体基板の温度に相応する熱量を、前記複数の半導体基板に加えること特徴とする請求項４に記載の半導体デバイスの製造方法。
7. 前記予備加熱ステップは、前記塵埃除去ステップに先立って前記複数の半導体基板が搬入されるロードロックチャンバ内で、前記複数の半導体基板を予備加熱することを特徴とする請求項４から６のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
8. 前記複数の半導体基板は、基板ホルダにより保持されている請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
9. 重ね合わされた複数の半導体基板を少なくとも加熱加圧装置および冷却室に搬送する搬送装置であって、
   前記複数の半導体基板を保持する保持部と、
   前記保持部で保持した前記複数の半導体基板を前記加熱加圧装置に搬入し、加熱して接合された前記複数の半導体基板を前記加熱加圧装置から搬出して前記冷却室に搬入するよう制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記複数の半導体基板を前記加熱加圧装置に搬入する前に前記冷却室に搬入し、前記複数の半導体基板の温度と前記冷却室の温度差によって生じる熱泳動により前記複数の半導体基板に付着した塵埃が除去された後で、前記加熱加圧装置に搬入することを特徴とする搬送装置。

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