JP2012104517A

JP2012104517A - 基板貼り合わせ装置、積層半導体装置の製造方法、及び、積層半導体装置

Info

Publication number: JP2012104517A
Application number: JP2010248965A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Tanaka; 慶一田中
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2012-05-31

Abstract

【課題】基板貼り合わせ装置の単位時間当たりの結合可能な基板の数が少ない。
【解決手段】基板貼り合わせ装置は、複数の基板を貼り合わせるための装置であって、複数の基板を重ね合わせた複数組の重ね合わせ基板を積層して収容する収容室と、収容室に収容された複数組の重ね合わせ基板を加熱することによって、複数組の重ね合わせ基板における基板同士が結合する温度に昇温して、重ね合わせ基板の温度を保持する加熱部とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、基板貼り合わせ装置、積層半導体装置の製造方法、及び、積層半導体装置に関する。

特許文献１には、２枚の基板が位置合わせされて重ね合わされた１組の重ね合わせ基板を、加熱及び加圧によって結合する基板貼り合わせ装置が開示されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２００９−４９０６６号公報

しかしながら、重ね合わせ基板を加熱及び加圧によって結合させるには、非常に長い時間を必要とする。このため、位置合わせされた重ね合わせ基板が、加熱部に搬入されるまでの待機時間が必要となる。従って、基板貼り合わせ装置の単位時間当たりの結合可能な基板の数が少ないといった課題がある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様の基板貼り合わせ装置は、複数の基板を貼り合わせる装置であって、前記複数の基板を重ね合わせた重ね合わせ基板を複数組積層して収容する収容室と、前記収容室に収容された前記複数組の重ね合わせ基板を加熱して、前記複数組の重ね合わせ基板における基板同士が結合する温度に昇温して、前記重ね合わせ基板の温度を保持する加熱部とを備える。

本発明の第２の態様の積層半導体装置の製造方法は、複数の基板を位置合わせして重ね合わせる段階と、前記複数の基板が重ね合わされた重ね合わせ基板を複数組積層する段階と、積層された前記複数組の重ね合わせ基板を収容室の加熱部に搬入する段階と、積層された前記複数組の重ね合わせ基板を前記加熱部にて加熱して、各組の前記重ね合わせ基板の基板同士を結合する段階と、結合された前記重ね合わせ基板を積層半導体装置に個片化する段階とを備える。

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。

基板貼り合わせ装置の全体構成図である。エアロック室の断面図である。加熱加圧装置の全体構成図である。積層半導体装置の製造方法のフローチャートである。位置合わせ工程を説明する図である。積層工程の初期状態を説明する図である。積層工程の完了状態を説明する図である。搬送工程を説明する図である。分離室への搬送を説明する図である。分離工程を説明する図である。分離室からの搬出を説明する図である。重ね合わせ基板の張り合わせ装置内での時間と温度との関係を示すタイムチャートである。基板ホルダに保持された基板の位置合わせ工程を説明する図である。基板ホルダに保持された基板が仮接合された重ね合わせ基板の断面図である。基板ホルダによって基板を保持された重ね合わせ基板を加熱加圧する加熱加圧装置の全体構成図である。

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、基板貼り合わせ装置の全体構成図である。基板貼り合わせ装置１０は、２枚の基板１１０を貼り合わせる。尚、基板貼り合わせ装置１０が３枚以上の基板１１０を貼り合わせるように構成してもよい。図１に示すように、基板貼り合わせ装置１０は、筐体１２と、常温部１４と、高温部１６とを備える。筐体１２は、常温部１４及び高温部１６を囲むように構成されている。

常温部１４は、複数の基板カセット２０、２２、２４と、ロボットアーム２６と、プリアライナ２８と、仮接合部３０と、ロボットアーム３２と、塗布部３４と、制御盤３６とを有する。

基板カセット２０、２２、２４は、基板貼り合わせ装置１０において結合される基板１１０、または、基板貼り合わせ装置１０において２枚の基板１１０が結合された重ね合わせ基板１１２を収容する。基板カセット２０、２２、２４は、筐体１２の外面に脱着自在に装着されている。これにより、複数の基板１１０を基板貼り合わせ装置１０に一括して装填できる。また、複数組の基板１１０を一括して回収できる。尚、基板貼り合わせ装置１０に装填される基板１１０は、単体のシリコンウエハ、化合物半導体ウエハ、ガラス基板等の他、それらに素子、回路、端子等が形成されたものでもよい。また、装填された基板１１０が、既に複数のウエハが積層された重ね合わせ基板１１２であってもよい。

ロボットアーム２６は、筐体１２の内部であって、基板カセット２０、２２、２４の近傍に配置されている。ロボットアーム２６は、基板カセット２０、２２、２４の基板１１０をプリアライナ２８に搬送する。ロボットアーム２６は、プリアライナ２８の基板１１０を、後述する仮接合部３０の固定ステージ４２及び移動ステージ４４の何れかに交互に搬送する。ロボットアーム２６は、基板１１０を裏返す機能を有する。これにより、ロボットアーム２６は、固定ステージ４２に搬送する基板１１０を裏返して搬送する。ロボットアーム２６は、結合されて移動ステージ４４まで搬送された重ね合わせ基板１１２を基板カセット２０、２２、２４の何れかに搬出する。

プリアライナ２８は、筐体１２の内部であって、ロボットアーム２６の近傍に配置されている。プリアライナ２８は、仮接合部３０に基板１１０を装填する場合に、高精度であるが故に、狭い仮接合部３０の調整範囲にそれぞれの基板１１０が装填されるように、ここの基板１１０の位置を仮合わせする。これにより、仮接合部３０における基板１１０の位置決めは、迅速且つ確実に完了する。

仮接合部３０は、枠体４０と、固定ステージ４２と、移動ステージ４４と、一対のシャッタ４６及びシャッタ４８とを有する。枠体４０は、固定ステージ４２、移動ステージ４４を囲むように構成されている。枠体４０の基板カセット２０、２２、２４側の面と高温部１６側の面は、開口されている。

固定ステージ４２は、枠体４０の内側であって、基板カセット２０、２２、２４の近傍に固定されている。固定ステージ４２の下面は、基板１１０を真空吸着する。移動ステージ４４は、枠体４０の内側であって、高温部１６側に配置されている。移動ステージ４４は、枠体４０の内部を水平方向及び鉛直方向に移動する。移動ステージ４４の上面は、基板１１０を真空吸着する。これにより、移動ステージ４４が移動することによって、固定ステージ４２に保持された基板１１０と、移動ステージ４４に保持された基板１１０とが位置合わせされ、仮接合される。基板１１０と基板１１０は、接着剤によって仮接合してもよく、プラズマによって仮接合してもよい。

シャッタ４６は、枠体４０の基板カセット２０、２２、２４側の面の開口を開閉する。シャッタ４８は、枠体４０の高温部１６側の面の開口を開閉する。枠体４０及びシャッタ４６、４８に囲まれた領域は、空気調整機等に連通されて、温度管理される。これにより、基板１１０の位置合わせの精度が向上する。

ロボットアーム３２は、筐体１２の内部であって、高温部１６の近傍に配置されている。ロボットアーム３２は、重ね合わせ基板１１２を真空吸着する。ロボットアーム３２は、移動ステージ４４によって位置合わせされた一対の基板１１０が重ね合わされた重ね合わせ基板１１２を真空吸着して、後述する高温部１６の積層室７０へと搬送して、積層する。ロボットアーム３２は、高温部１６にて結合された重ね合わせ基板１１２を１組ずつ、後述する高温部１６の分離室７４から移動ステージ４４へと搬送する。

塗布部３４は、ロボットアーム３２によって搬送される重ね合わせ基板１１２の下面に分離剤１１４を塗布する。これにより、重ね合わせ基板１１２と重ね合わせ基板１１２とが付着することを抑制する。

制御盤３６は、基板貼り合わせ装置１０の全体の動作を制御する制御部を有する。制御盤３６は、基板貼り合わせ装置１０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３６は、配備された他の機器と基板貼り合わせ装置１０とを接続する接続部を有する場合もある。

高温部１６は、重ね合わせ基板１１２の貼り合わせ工程において、高温且つ真空状態に設定される。高温部１６は、断熱壁５０と、エアロック室５２と、一対のシャッタ５４及びシャッタ５６と、第１搬送部の一例であるロボットアーム５８と、３個の収容室６０と、加熱部の一例である３個の加熱加圧装置６４と、第２搬送部の一例であるロボットアーム６６と、冷却室６８とを備える。尚、収容室６０及び加熱加圧装置６４の数は、３個に限定されるものではなく、適宜変更してよい。

断熱壁５０は、高温部１６を包囲する。これにより、断熱壁５０は、高温部１６の高い内部温度を維持するとともに、高温部１６から外部への熱輻射を遮断する。この結果、断熱壁５０は、高温部１６の熱が常温部１４に及ぼす影響を抑制できる。また、断熱壁５０は、高温部１６と外部との気体の流れを遮断する。これにより、断熱壁５０は、高温部１６の真空状態を維持する。

エアロック室５２は、常温部１４と高温部１６とを連結する。エアロック室５２の常温部１４側と高温部１６側とは、基板１１０及び重ね合わせ基板１１２を搬送可能に開口されている。

シャッタ５４は、エアロック室５２の常温部１４側の開口を開閉する。シャッタ５４は、上下に分離されている。シャッタ５４が開状態になると、エアロック室５２が、常温部１４と連通される。これにより、エアロック室５２は、常温部１４と略同じ気圧となり、常温部１４との間での重ね合わせ基板１１２の搬送ができる。

シャッタ５６は、エアロック室５２の高温部１６側の開口を開閉する。シャッタ５６は、上下に分離されている。シャッタ５６が開状態になると、エアロック室５２が、高温部１６と連通される。これにより、エアロック室５２は、高温部１６と略同じ気圧となり、高温部１６との間で重ね合わせ基板１１２の搬送ができる。尚、貼り合わせ工程において、シャッタ５４及びシャッタ５６の両方が開状態となることはない。

ロボットアーム５８は、エアロック室５２の積層室７０にて積層された複数組の重ね合わせ基板１１２を積層状態で収容室６０に配置された加熱加圧装置６４へと搬送する。

３個の収容室６０は、断熱壁５０の中心の周りに略等角度間隔で配置されている。収容室６０は、加熱加圧装置６４を包囲する。収容室６０は、２枚の基板１１０が重ね合わされた複数組の重ね合わせ基板１１２を積層状態で収容する。

加熱加圧装置６４は、収容室６０の内部に配置されている。加熱加圧装置６４は、収容室６０に収容された複数組の重ね合わせ基板１１２を積層状態で加熱する。これにより、加熱加圧装置６４は、複数組の重ね合わせ基板１１２における２枚の基板１１０同士が結合する温度まで昇温して、重ね合わせ基板１１２の温度を保持する。この結果、加熱加圧装置６４は、複数組の重ね合わせ基板１１２における２枚の基板１１０同士を略同時に結合する。

ロボットアーム６６は、加熱加圧装置６４にて結合された複数組の重ね合わせ基板１１２を積層状態で搬出する。ロボットアーム６６は、積層状態の重ね合わせ基板１１２を冷却室６８へと搬入する。重ね合わせ基板１１２が冷却室６８にて冷却されると、ロボットアーム６６は、重ね合わせ基板１１２を積層状態でエアロック室５２へと搬入する。ここで、重ね合わせ基板１１２の冷却時間が短い場合、ロボットアーム６６は、積層状態の複数組の重ね合わせ基板１１２を収容室６０の加熱加圧装置６４から直接エアロック室５２の分離室７４へと搬送してもよい。

冷却室６８は、ロボットアーム６６によって搬入される、結合された積層状態の複数組の重ね合わせ基板１１２を収容する。そして、冷却室６８は、搬入された重ね合わせ基板１１２を積層状態で冷却する。

図２は、エアロック室の断面図である。図２に示すように、エアロック室５２は、積層室７０と、隔離壁７２と、分離室７４とを備える。

積層室７０には、収容室６０に搬送するための複数組の重ね合わせ基板１１２が順に搬入されて積層される。積層室７０は、隔離壁７２の上方に設けられている。積層室７０は、積層台７６と、３本の積層ピン７８と、４本の位置合わせ部材８０とを備える。尚、積層ピン７８及び位置合わせ部材８０の本数は適宜変更してよい。

積層台７６は、積層室７０内に固定されている。積層台７６は、隔離壁７２の上方に配置されている。

３本の積層ピン７８は、積層台７６の上面に固定されている。３本の積層ピン７８は、載置される重ね合わせ基板１１２の中心から重ね合わせ基板１１２の半径以内の距離に配置されている。これにより、３本の積層ピン７８は、重ね合わせ基板１１２を支持できる。３本の積層ピン７８の上端部は、同じ高さに配置されている。これにより、３本の積層ピン７８が重ね合わせ基板１１２を水平に支持する。３本の積層ピン７８は、載置される重ね合わせ基板１１２の中心の周りに１２０°間隔で配置されている。積層ピン７８の高さは、ロボットアーム５８の厚みよりも大きい。これにより、ロボットアーム５８が、積層ピン７８上に配置された重ね合わせ基板１１２の下方に挿入できる。

位置合わせ部材８０は、円柱状に形成されている。位置合わせ部材８０は、積層台７６の上面に設けられている。位置合わせ部材８０は、載置された重ね合わせ基板１１２の中心から半径よりも遠い位置に配置されている。これにより、重ね合わせ基板１１２を４本の位置合わせ部材８０の内側に載置できる。４本の位置合わせ部材８０は、重ね合わせ基板１１２の中心の周りに略９０°間隔で配置されている。位置合わせ部材８０は、外側に傾斜している。これにより、積層される重ね合わせ基板１１２の中心と、既に積層されている重ね合わせ基板１１２の中心とが、平面視において、略同じ位置となるように、４本の位置合わせ部材８０によって案内される。位置合わせ部材８０は、太さが異なる筒が重ねられたテレスコピック構造を有する。これにより、位置合わせ部材８０は、略上下方向に沿って伸縮できる。重ね合わせ基板１１２を積層する場合、位置合わせ部材８０の上端部が、次に積層される重ね合わせ基板１１２の上面よりも上方となるように、位置合わせ部材８０が伸びる。これにより、位置合わせ部材８０によって重ね合わせ基板１１２を案内しつつ、積層時のロボットアーム３２の上下方向の移動を低減できる。また、所定の組数の重ね合わせ基板１１２を積層した後において、位置合わせ部材８０を縮めることにより、積層状態の複数組の重ね合わせ基板１１２を搬出するロボットアーム５８の上下方向の移動を低減できる。

隔離壁７２は、積層室７０と分離室７４との間に設けられている。隔離壁７２は、板状であって、略水平状態で配置されている。これにより、隔離壁７２は、積層室７０と分離室７４との間の空気及び温度等の流れを遮断する。

分離室７４は、複数組の重ね合わせ基板１１２を組毎に分離する。分離室７４は、隔離壁７２を挟み、積層室７０と反対側に配置されている。分離室７４は、分離台８２と、３本の支持ピン８４と、４本の分離部材８６とを備える。尚、支持ピン８４及び分離部材８６の本数は、適宜変更してよい。

分離台８２は、分離室７４内に固定されている。分離台８２は、積層台７６及び隔離壁７２の下方に配置されている。

３本の支持ピン８４は、分離台８２の上面に固定されている。３本の支持ピン８４は、載置される重ね合わせ基板１１２の中心から重ね合わせ基板１１２の半径以内の距離に配置されている。これにより、３本の支持ピン８４は、積層された重ね合わせ基板１１２を支持できる。３本の支持ピン８４の上端部は、同じ高さに配置されている。これにより、３本の支持ピン８４が重ね合わせ基板１１２を水平に支持する。３本の支持ピン８４は、載置される重ね合わせ基板１１２の中心の周りに１２０°間隔で配置されている。支持ピン８４の高さは、ロボットアーム６６の厚みよりも小さい。これにより、ロボットアーム６６は、支持ピン８４上に載置された重ね合わせ基板１１２の下方に挿入できる。

分離部材８６は、円柱状に形成されている。分離部材８６は、分離台８２の上面に設けられている。分離部材８６は、載置された重ね合わせ基板１１２の中心から半径よりも遠い位置に配置されている。これにより、重ね合わせ基板１１２を４本の分離部材８６の内側に配置できる。４本の分離部材８６は、重ね合わせ基板１１２の中心の周りに略９０°間隔で配置されている。分離部材８６は、点線で示すように下端部を中心として揺動する。分離部材８６は、重ね合わせ基板１１２の半径方向に沿って揺動する。これにより、分離部材８６は、揺動によって、積層された複数組の重ね合わせ基板１１２を積層方向と交差する方向に位置ずれを生じさせる。この結果、積層された重ね合わせ基板１１２が、互いに貼り付いていても、分離部材８６は重ね合わせ基板１１２を組毎に分離する。分離部材８６は、外側に傾斜している。これにより、分離部材８６が揺動すると、重ね合わせ基板１１２のそれぞれに作用する水平方向の力のタイミングをずらすことができるので、積層された重ね合わせ基板１１２が効率よく分離される。分離部材８６の外側への揺動領域は、内側の揺動領域よりも大きい。これにより、重ね合わせ基板１１２を搬入または搬出する場合、分離部材８６を外側に大きく傾斜させることによって、分離部材８６と重ね合わせ基板１１２との衝突が低減する。

図３は、加熱加圧装置の全体構成図である。図３に示すように、加熱加圧装置６４は、真空状態の収容室６０の内部に配置されている。加熱加圧装置６４は、押圧部８８と、固定部９０とを備える。

押圧部８８は、床に配置されている。押圧部８８は、押圧ステージ９２と、ヒータ部９４と、昇降部９６とを備えている。

押圧ステージ９２は、押圧部８８の最上面に配置されている。押圧ステージ９２は、円盤状に形成されている。押圧ステージ９２は、積層状態の重ね合わせ基板１１２を保持する。押圧ステージ９２の上面には、挿入溝９３が形成されている。挿入溝９３の上面は開口されている。挿入溝９３の深さは、ロボットアーム５８及びロボットアーム６６の厚みよりも小さい。これにより、ロボットアーム５８は、積層室７０から搬出した積層状態の重ね合わせ基板１１２が載置された状態で、押圧ステージ９２の挿入溝９３に挿入できる。この後、ロボットアーム５８は、下方に移動することにより、押圧ステージ９２に重ね合わせ基板１１２を載置して、挿入溝９３から退避できる。また、ロボットアーム６６は、押圧ステージ９２に積層状態の重ね合わせ基板１１２が載置されている状態で、挿入溝９３に挿入する。この後、ロボットアーム６６が、上方に移動すると、重ね合わせ基板１１２がロボットアーム６６に保持される。この後、ロボットアーム６６が、押圧ステージ９２から退避することによって、重ね合わせ基板１１２が押圧ステージ９２から搬出される。

ヒータ部９４は、押圧ステージ９２の下部に設けられている。ヒータ部９４は、電熱線等によって重ね合わせ基板１１２を加熱する。ヒータ部９４は、押圧ステージ９２を介して、積層された重ね合わせ基板１１２のうち、最下層の重ね合わせ基板１１２の下面を加熱する。この後、熱は、積層された重ね合わせ基板１１２を上方へと伝達する。尚、ヒータ部９４が、誘導加熱等によって重ね合わせ基板１１２を加熱するように構成してもよい。

昇降部９６は、ヒータ部９４の下部に設けられている。昇降部９６は、シリンダ９７と、ピストン９８とを有する。シリンダ９７に外部から液体が供給または排出されると、ピストン９８が上下方向に移動する。これにより、ピストン９８とともに、積層状態の重ね合わせ基板１１２が載置された押圧ステージ９２が上下方向に移動する。

固定部９０は、天井に固定されている。固定部９０は、押圧板１００と、ヒータ部１０２とを有する。

押圧板１００は、固定部９０の最下層に設けられている。押圧板１００の下面は、略水平である。これにより、押圧板１００の下面は、押圧部８８によって昇降される積層状態の重ね合わせ基板１１２の最上面を押圧する。

ヒータ部１０２は、押圧板１００の上部に設けられている。ヒータ部１０２は、電熱線等によって重ね合わせ基板１１２を加熱する。ヒータ部１０２は、押圧板１００を介して、積層された重ね合わせ基板１１２のうち、最上層の重ね合わせ基板１１２の上面を加熱する。この後、熱は、積層された重ね合わせ基板１１２を下方へと伝達する。これにより、積層された複数組の重ね合わせ基板１１２は、上から固定部９０によって加熱され、下から押圧部８８によって加熱されつつ、押圧部８８によって加圧される。この結果、各重ね合わせ基板１１２内の基板１１０と基板１１０とが結合される。尚、ヒータ部１０２が、誘導加熱等によって重ね合わせ基板１１２を加熱するように構成してもよい。

図４は、積層半導体装置の製造方法のフローチャートである。図５は、位置合わせ工程を説明する図である。図６は、積層工程の初期状態を説明する図である。図７は、積層工程の完了状態を説明する図である。図８は、搬送工程を説明する図である。図９は、分離室への搬送を説明する図である。図１０は、分離工程を説明する図である。図１１は、分離室からの搬出を説明する図である。

積層半導体装置の製造方法では、図４に示すように、まず、位置合わせ工程が実行される（Ｓ２００）。位置合わせ工程では、ロボットアーム２６が、筐体１２の装着された基板カセット２０、２２、２４の何れかに収納されている基板１１０をプリアライナ２８へと搬送する。プリアライナ２８では、仮接合部３０の移動ステージ４４の移動量よりも大きい移動量で基板１１０の位置を仮合わせする。ロボットアーム２６は、プリアライナ２８にて仮合わせされた基板１１０を搬出する。この後、ロボットアーム２６は、基板１１０の上下面を反転させた後、固定ステージ４２の下面へと基板１１０を搬送する。固定ステージ４２は、搬送された基板１１０を下面で保持する。

次に、ロボットアーム２６は、基板カセット２０、２２、２４の何れかに収納されている他の基板１１０をプリアライナ２８へと搬送する。プリアライナ２８では、移動ステージ４４の移動量よりも大きい移動量で基板１１０の位置を仮合わせする。ロボットアーム２６は、プリアライナ２８にて仮合わせされた基板１１０を搬出する。この後、ロボットアーム２６は、基板１１０の上下面を反転させることなく、移動ステージ４４の上面へと基板１１０を搬送する。移動ステージ４４は、搬送された基板１１０を上面で保持する。

図５に示すように、仮接合部３０では、一方の基板１１０を保持する移動ステージ４４が、他方の固定ステージ４２の下方へと移動する。次に、移動ステージ４４が、基板１１０同士が接触するまで上方へと移動する。これにより、移動ステージ４４に保持されている基板１１０と固定ステージ４２に保持されている基板１１０とが、位置合わせされて重ねあわされる。この後、重ね合わされた２枚の基板１１０が、加熱、接着剤またはプラズマ等によって仮接合される。これにより、２枚の基板１１０が位置合わせされて仮接合された重ね合わせ基板１１２が、作製される。重ね合わせ基板１１２は、移動ステージ４４によってロボットアーム３２の近傍へと移動する。

積層工程では（Ｓ２０２）、ロボットアーム３２が、移動ステージ４４上の重ね合わせ基板１１２を真空吸着する。シャッタ５４を開状態にした後、図６に示すように、ロボットアーム３２は、重ね合わせ基板１１２をエアロック室５２の積層室７０へと搬送する。ロボットアーム３２は、重ね合わせ基板１１２を積層ピン７８上に載置した後、真空吸着を解除する。これにより、重ね合わせ基板１１２は、積層ピン７８によって支持される。次に、図６に点線で示すように、位置合わせ部材８０の上端が、次に積層される重ね合わせ基板１１２の上面よりも上方となるように、位置合わせ部材８０が上方へと伸ばされる。この後、位置合わせ工程において仮接合された重ね合わせ基板１１２が、ロボットアーム３２によって積層室７０へと搬送される。２組目以降の重ね合わせ基板１１２の下面には、搬送経路中に配置されている塗布部３４によって、分離剤１１４が塗布される。そして、ロボットアーム３２は、位置合わせ部材８０の上端部を越えた後、下方へ移動して、２組目の重ね合わせ基板１１２を、位置合わせ部材８０の内側に載置された１組目の重ね合わせ基板１１２に積層する。ここで、重ね合わせ基板１１２の位置がずれている場合、外側に傾斜している位置合わせ部材８０によって、ロボットアーム３２が下方に移動するにつれて、重ね合わせ基板１１２の位置が補正される。この後、上述の工程が繰り返されることにより、図７に示すように、ロボットアーム３２が、２枚の基板１１０が重ね合わされた複数組の重ね合わせ基板１１２を順に積層するとともに、重ね合わせ基板１１２の積層組数に伴って位置合わせ部材８０が上方へと順次伸ばされる。尚、位置合わせ工程及び積層工程は、並列に実行される。

搬送工程では（Ｓ２０４）、図８に示すように、積層室７０に所定組数の重ね合わせ基板１１２が積層されると、位置合わせ部材８０が収容されて短縮される。シャッタ５４が閉状態となるとともに、シャッタ５６が開状態となる。これにより、積層室７０の気圧が、高温部１６の気圧と略等しくなる。ロボットアーム５８は、積層室７０に載置された積層状態の複数組の重ね合わせ基板１１２の下方に侵入した後、上方へ移動する。これにより、重ね合わせ基板１１２が、積層ピン７８から浮かされるとともに、ロボットアーム５８によって保持される。この後、ロボットアーム５８は、収容室６０の内部に配置されている加熱加圧装置６４へと搬入する。ロボットアーム５８は、挿入溝９３の上方に達すると、下方へと移動する。ロボットアーム５８が、挿入溝９３に挿入されて所定距離下方に移動すると、図３に示すように、積層された複数組の重ね合わせ基板１１２が、収容室６０の加熱加圧装置６４の押圧ステージ９２へと搬入される。ロボットアーム５８が挿入溝９３から退避する。

結合工程では（Ｓ２０６）、押圧ステージ９２が、積層状態の複数組の重ね合わせ基板１１２とともに、昇降部９６によって上方へと移動する。最上層の重ね合わせ基板１１２が固定部９０の押圧板１００に接して、積層状態の重ね合わせ基板１１２が、押圧部８８の押圧ステージ９２と固定部９０の押圧板１００とによって鉛直方向に押圧される。この後、重ね合わせ基板１１２に一定の圧力が加圧されるように昇降部９６を維持した状態で、押圧部８８のヒータ部９４及び固定部９０のヒータ部１０２によって、積層された複数組の重ね合わせ基板１１２を加熱する。重ね合わせ基板１１２の温度が、結合温度まで昇温されると、重ね合わせ基板１１２の温度が結合温度に維持されるように、ヒータ部９４、１０２が制御される。結合温度の一例は、２００℃〜３００℃である。この状態で、例えば、１０分〜１５分程度の結合時間が経過すると、各組の重ね合わせ基板１１２の基板１１０同士が結合される。この後、ヒータ部９４、１０２がオフ状態となるとともに、後述するように重ね合わせ基板１１２が収容室６０から搬出される。ここで、積層室７０にて重ね合わせ基板１１２が積層するための時間を積層時間とする。積層された重ね合わせ基板１１２が収容室６０に収容されている時間を収容時間とする。単位時間当たりの重ね合わせ基板１１２の結合枚数を増加させるためには、３個の加熱加圧装置６４があることを考慮すると、積層時間が収容時間よりも短いことが好ましい。

次に、冷却工程では（Ｓ２０８）、ロボットアーム６６が押圧ステージ９２の挿入溝９３に挿入した後、上方へと移動する。これにより、押圧ステージ９２によって保持されていた積層状態の重ね合わせ基板１１２が、ロボットアーム６６によって支持される。次に、ロボットアーム６６が、積層状態の重ね合わせ基板１１２を収容室６０から搬出した後、冷却室６８へと搬入する。冷却時間が経過すると、重ね合わせ基板１１２が冷却温度まで冷却される。

次に、分離工程では（Ｓ２１０）、図９に示すように、ロボットアーム６６が、冷却された積層状態の複数組の重ね合わせ基板１１２をエアロック室５２の分離室７４へと搬送する。ロボットアーム６６は、分離室７４の支持ピン８４上であって、分離部材８６の内側に積層状態の複数組の重ね合わせ基板１１２を載置した後、分離室７４から退避する。尚、基板１１０の熱容量が小さく、冷却時間が短い場合、ロボットアーム６６が、収容室６０の加熱加圧装置６４から分離室７４に直接搬送しつつ、冷却するように構成してもよい。この場合、ロボットアーム６６によって加熱加圧装置６４から分離室７４に搬送することが冷却工程（Ｓ２１０）に相当することになる。

次に、シャッタ５６が閉状態となる。この後、図１０に示すように、積層状態の重ね合わせ基板１１２の回りを囲む分離部材８６が、実線及び点線で示す間を揺動する。これにより、複数組の重ね合わせ基板１１２が互いに水平方向の位置ずれを起こす。この結果、重ね合わせ基板１１２が互いに付着していても分離される。図１１に示すように、分離部材８６が外側に最大限傾斜するとともに、シャッタ５６が開状態となる。ロボットアーム３２が分離室７４へと移動して、積層状態の複数組の重ね合わせ基板１１２のうち、最上層の重ね合わせ基板１１２を上から真空吸着して搬送する。ロボットアーム３２は、移動ステージ４４を介して、重ね合わせ基板１１２をロボットアーム２６へと受け渡す。ロボットアーム２６は、基板カセット２０、２２、２４の何れかに重ね合わせ基板１１２を収容する。

この後、個片化工程では（Ｓ２１２）、結合された重ね合わせ基板１１２が、１個の積層半導体装置に個片化される。これにより、積層半導体装置の製造が完了する。

図１２は、重ね合わせ基板の張り合わせ装置内での時間と温度との関係を示すタイムチャートである。このタイムチャートに基づいて、収容時間と積層時間の最適化について説明する。３個のタイムチャートは、異なる加熱加圧装置６４を経由する重ね合わせ基板１１２のタイムチャートである。各タイムチャートの縦軸は加熱加圧装置６４内での重ね合わせ基板１１２の温度Ｔｍ１、Ｔｍ２、Ｔｍ３を示す。タイムチャートの横軸は時間Ｔを示す。

積層時間Ｔａは、複数組の重ね合わせ基板１１２を積層するための時間である。例えば、積層時間Ｔａとは、積層室７０の内部で、１組目の重ね合わせ基板１１２を仮接合部３０から積層室７０に搬入してから、積層を完了して積層状態の複数組の重ね合わせ基板１１２を積層室７０から搬出するまでにかかる時間のことである。積層時間Ｔａの開始時間（例えば、Ｔｓ２）は、先のヒータ部９４、１０２の昇温時間の開始時間（例えば、Ｔｓ１）の前から開始している。これは、積層室７０から重ね合わせ基板１１２が搬出されると、積層室７０が空くので、次の重ね合わせ基板１１２の積層が開始できることによる。

収容時間Ｔｂは、収容室６０の内部に積層状態の複数組の重ね合わせ基板１１２が収容されている時間である。収容時間Ｔｂには、昇温時間及び保温時間が含まれる。昇温時間は、積層状態の重ね合わせ基板１１２が収容室６０に収容されてから結合温度Ｔｍｃになるまでに必要な時間である。保温時間は、重ね合わせ基板１１２が結合温度Ｔｍｃで保温されて各重ね合わせ基板１１２における基板１１０同士が結合に必要な時間である。保温時間の一例は、１０分〜１５分である。尚、保温時間の終了後、収容時間Ｔｂの終了までに冷却が開始されているのは、重ね合わせ基板１１２が収容室６０からロボットアーム６６によって搬出されるまでの間に、重ね合わせ基板１１２が冷却されることによる。

冷却時間は、冷却室６８において重ね合わせ基板１１２を冷却するために必要な時間である。本実施形態のように熱容量の大きい窒化アルミニウム（＝ＡｌＮ）等からなる基板ホルダを介さずに重ね合わせ基板１１２を積層すると、昇温時間及び冷却時間が極めて短くなる。各タイムチャートにおいて、冷却時間と次の昇温時間とが重複しているのは、先の重ね合わせ基板１１２が冷却室にて冷却されている間に、次の重ね合わせ基板１１２が加熱加圧装置６４に搬入されて加熱が開始されるためである。保温時間と冷却時間との間は、加熱加圧装置６４から冷却室６８へと搬送するために必要な時間である。

図１２に示すように、積層時間Ｔａは、昇温時間の開始時間までに終了していなければならない。また、積層時間Ｔａは、先の積層状態の重ね合わせ基板１１２が搬出された時間である、先の積層時間Ｔａが終了した後にしか開始できない。これらを考慮すると、加熱加圧装置６４が３個の場合、積層時間Ｔａは、収容時間Ｔｂの１／３以下であることが好ましい。これにより、積層室７０での重ね合わせ基板１１２の積層待ちに起因する、加熱加圧装置６４の空き時間を低減できるからである。更に、加熱加圧装置６４がＮ個の場合に、Ｎ個の加熱加圧装置６４によって、各組の重ね合わせ基板１１２における基板１１０同士を結合する工程を並列に実行することを考慮すると、積層時間Ｔａと収容時間Ｔｂとの関係は次の式を満たすことが好ましい。
Ｔａ≦Ｔｂ／Ｎ
更に、この積層時間Ｔａに基づいて、積層室７０にて積層される重ね合わせ基板１１２の組数を決定することが好ましい。これにより、重ね合わせ基板１１２が積層室７０で積層される時間が増大して、加熱加圧装置６４に重ね合わせ基板１１２が搬入されずに、加熱加圧装置６４が動作していない時間を低減できる。

上述したように、基板貼り合わせ装置１０では、複数積層された重ね合わせ基板１１２を収容室６０に収容して、ヒータ部９４、１０２が積層状態の複数組の重ね合わせ基板１１２を結合温度まで加熱して結合させる。これにより、複数組の重ね合わせ基板１１２を一度に結合することができるので、位置合わせされた重ね合わせ基板１１２の待機時間を短縮できる。この結果、基板貼り合わせ装置１０は、単位時間当たりに結合可能な基板の数を増加させることができる。また、加熱加圧装置６４での結合工程の時間を短縮できるので、加熱加圧装置６４の結合工程が長時間に及ぶことに起因する積層半導体装置の製造工程にかかる時間を短縮できる。

基板貼り合わせ装置１０では、積層室７０において重ね合わせ基板１１２を積層する。これにより、次の重ね合わせ基板１１２を積層室７０に搬入しつつ、加熱加圧装置６４によって先の積層状態の重ね合わせ基板１１２を加熱して結合することができる。この結果、加熱加圧装置６４は積層される複数組の重ね合わせ基板１１２を搬入するまで待機する必要がないので、加熱加圧装置６４内での重ね合わせ基板１１２の工程時間を増大させることがない。

基板貼り合わせ装置１０では、ロボットアーム５８によって積層室７０にて積層された重ね合わせ基板１１２を積層状態で、収容室６０へと搬入する。これにより、加熱加圧装置６４内で重ね合わせ基板１１２を積層する必要がないので、加熱加圧装置６４は重ね合わせ基板１１２の加熱を直ぐに開始できる。この結果、加熱加圧装置６４内での重ね合わせ基板１１２の工程時間を短縮することができる。

基板貼り合わせ装置１０では、ロボットアーム６６によって加熱加圧装置６４から積層状態の重ね合わせ基板１１２を搬出する。これにより、加熱加圧装置６４から迅速に重ね合わせ基板１１２を搬出することができるので、次の重ね合わせ基板１１２を搬入可能状態に必要な時間を短縮できる。この結果、加熱加圧装置６４を起因とする重ね合わせ基板１１２を搬送途中等で待機させる必要を低減できるので、積層半導体装置の製造工程にかかる時間を短縮できる。

基板貼り合わせ装置１０では、冷却時間が短い場合、ロボットアーム６６によって加熱加圧装置６４から分離室７４へと重ね合わせ基板１１２を直接搬送することができる。この結果、高温部１６での工程を簡略化することができるとともに、各重ね合わせ基板１１２に必要な工程時間を短縮することができる。

基板貼り合わせ装置１０では、分離部材８６の揺動によって、複数組の重ね合わせ基板１１２に積層方向と交差する方向に位置ずれを生じさせる。これにより、複数組の重ね合わせ基板１１２が互いに付着した場合でも、容易に、重ね合わせ基板１１２を組毎に分離できる。

基板貼り合わせ装置１０では、熱容量の大きい基板ホルダ等を介することなく、２枚の基板１１０からなる重ね合わせ基板１１２を積層している。このため、積層状態の重ね合わせ基板１１２の加熱及び冷却を短時間でできるとともに、加熱に要する消費電力を低減できる。一例として、基板ホルダが、１０ｍｍの厚み及び３５０ｍｍの直径を有する窒化アルミニウムとする。窒化アルミニウムの比熱は９７０［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］とし、窒化アルミニウムの密度は３．２６［ｇ／ｃｍ^３］とする。一方、基板１１０が、０．７ｍｍの厚み及び３００ｍｍの直径を有するシリコンとする。シリコンの比熱は、８２０［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］とし、シリコンの密度は２．３３［ｇ／ｃｍ^３］とする。これらの数値より、基板ホルダの熱容量は３０４０［Ｊ／Ｋ］（＝９７０×１７．５^２×π×１×３．２６／１０００）となる。基板１１０の熱容量は９４．５［Ｊ／Ｋ］（＝８２０×１５^２×π×０．０７×２．３３／１０００）となる。従って、基板ホルダの熱容量は、基板１１０の熱容量の約３２倍である。この結果、理論的には、基板ホルダを省略して基板１１０を積層すると消費電力は３２分の１となり、昇温時間及び冷却時間を３２分の１とすることができる。

次に、基板ホルダによって保持された基板を結合するための基板貼り合わせ装置について説明する。上述した実施形態と同様の構成には、同じ符号を付与して説明を省略する。図１３は、基板ホルダに保持された基板の位置合わせ工程を説明する図である。図１４は、基板ホルダに保持された基板が仮接合された重ね合わせ基板の断面図である。図１５は、基板ホルダによって基板を保持された重ね合わせ基板を加熱加圧する加熱加圧装置の全体構成図である。

図１３に示すように、ロボットアーム２６が、基板ホルダ１２０によって保持された一対の基板１１０を仮接合部３０の固定ステージ４２及び移動ステージ４４に装着する。次に、移動ステージ４４を移動させて、一対の基板１１０と基板１１０とを位置合わせする。

移動ステージ４４を上方に移動させて、移動ステージ４４に保持された基板１１０と、固定ステージ４２に保持された基板１１０とを接触させる。この状態で、図１４に示すように、上側の基板ホルダ１２０の止め溝１２４と下側の基板ホルダ１２０の止め溝１２４とを跨ぐように止め具１２６を取り付ける。これにより、基板ホルダ１２０に保持された一対の基板１１０、１１０が仮接合された重ね合わせ基板１１２が完成する。この後、ロボットアーム３２が、仮接合された重ね合わせ基板１１２を基板ホルダ１２０とともに、積層室７０へと搬送する。この工程を繰り返して、基板ホルダ１２０とともに重ね合わせ基板１１２が積層室７０で複数組積層されると、積層状態の重ね合わせ基板１１２が、ロボットアーム５８によって搬出される。この後、図１５に示すように、ロボットアーム５８は、積層状態の複数組の重ね合わせ基板１１２を収容室６０の内部に配置された加熱加圧装置６４の押圧ステージ９２に載置する。

次に、加熱加圧装置６４では、昇降部９６が、積層状態の重ね合わせ基板１１２とともに押圧ステージ９２を上方へと移動させる。最上層の重ね合わせ基板１１２の上面が押圧板１００に接すると、押圧ステージ９２と押圧板１００とによって重ね合わせ基板１１２を加圧しつつ、ヒータ部９４、１０２によって加熱する。これにより、加熱加圧装置６４は、複数組の重ね合わせ基板１１２を基板ホルダ１２０に保持された状態で加熱することになる。各重ね合わせ基板１１２内の基板１１０と基板１１０とが結合される。尚、基板ホルダ１２０の熱容量が大きく、ヒータ部９４、１０２のみでは、基板１１０を加熱することが困難である場合、積層された重ね合わせ基板１１２の側方に配置された複数の補助ヒータ部１２８によって、重ね合わせ基板１１２を加熱してもよい。この後、ロボットアーム６６が、重ね合わせ基板１１２を積層状態で収容室６０から冷却室６８へと搬送する。重ね合わせ基板１１２が冷却されると、ロボットアーム６６が、重ね合わせ基板１１２を分離室７４まで搬送する。次に、ロボットアーム３２及びロボットアーム２６が、重ね合わせ基板１１２を基板カセット２０、２２、２４まで搬出する。尚、基板カセット２０、２２、２４に搬出する前に、基板ホルダ１２０を基板１１０から取り外してもよい。

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。

上述の実施形態の一部を変更した例を説明する。上述の実施形態では、基板１１０と基板１１０との間に分離剤１１４を挟む例を示したが、分離剤１１４の代わりに熱伝導の高い金属板等を基板１１０と基板１１０との間に介在させてもよい。更には、分離剤１１４の代わりに、電熱線等を有する加熱部材を基板１１０と基板１１０との間に設けてもよい。

１０基板貼り合わせ装置
１２筐体
１４常温部
１６高温部
２０基板カセット
２２基板カセット
２４基板カセット
２６ロボットアーム
２８プリアライナ
３０仮接合部
３２ロボットアーム
３４塗布部
３６制御盤
４０枠体
４２固定ステージ
４４移動ステージ
４６シャッタ
４８シャッタ
５０断熱壁
５２エアロック室
５４シャッタ
５６シャッタ
５８ロボットアーム
６０収容室
６４加熱加圧装置
６６ロボットアーム
６８冷却室
７０積層室
７２隔離壁
７４分離室
７６積層台
７８積層ピン
８０位置合わせ部材
８２分離台
８４支持ピン
８６分離部材
８８押圧部
９０固定部
９２押圧ステージ
９３挿入溝
９４ヒータ部
９６昇降部
９７シリンダ
９８ピストン
１００押圧板
１０２ヒータ部
１１０基板
１１２重ね合わせ基板
１１４分離剤
１２０基板ホルダ
１２４止め溝
１２６止め具
１２８補助ヒータ部

Claims

複数の基板を貼り合わせる装置であって、
前記複数の基板を重ね合わせた重ね合わせ基板を複数組積層して収容する収容室と、
前記収容室に収容された前記複数組の重ね合わせ基板を加熱して、前記複数組の重ね合わせ基板における基板同士が結合する温度に昇温して、前記重ね合わせ基板の温度を保持する加熱部と
を備える基板貼り合わせ装置。
前記収容室に搬送するための前記複数組の重ね合わせ基板が順に搬入されて積層される積層室を
更に備える請求項１に記載の基板貼り合わせ装置。
前記積層室で積層された前記複数組の重ね合わせ基板を積層状態で、前記積層室から前記収容室へと搬入する第１搬送部を
更に備える請求項２に記載の基板貼り合わせ装置。
前記加熱部によって結合された前記複数組の重ね合わせ基板を積層状態で、前記加熱部から搬出する第２搬送部を
更に備える請求項１〜３の何れか１項に記載の基板貼り合わせ装置。
前記複数組の重ね合わせ基板を組毎に分離する分離室を更に備え、
前記第２搬送部は、積層状態の前記複数組の重ね合わせ基板を前記加熱部から前記分離室へと搬送する
を更に備える請求項４に記載の基板貼り合わせ装置。
積層状態の前記複数組の重ね合わせ基板に、積層方向と交差する方向に位置ずれを生じさせることにより、前記重ね合わせ基板を組毎に分離する分離部材
を更に備える請求項１〜５の何れか１項に記載の基板貼り合わせ装置。
前記加熱部は、積層状態の前記複数組の重ね合わせ基板が基板ホルダによって保持された状態で加熱する
請求項１〜６の何れか１項に記載の基板貼り合わせ装置。
複数の基板を位置合わせして重ね合わせる段階と、
前記複数の基板が重ね合わされた重ね合わせ基板を複数組積層する段階と、
積層された前記複数組の重ね合わせ基板を収容室の加熱部に搬入する段階と、
積層された前記複数組の重ね合わせ基板を前記加熱部にて加熱して、各組の前記重ね合わせ基板の基板同士を結合する段階と、
結合された前記重ね合わせ基板を積層半導体装置に個片化する段階と
を備える積層半導体装置の製造方法。
前記複数組の重ね合わせ基板を積層するための積層時間は、前記複数組の重ね合わせ基板が前記収容室に収容されている収容時間よりも短い
請求項８に記載の積層半導体装置の製造方法。
基板同士を結合する段階は、Ｎ個の加熱部によって並列に実行され、
前記複数組の重ね合わせ基板を積層するための積層時間Ｔａは、前記複数組の重ね合わせ基板が前記収容室に収容されている時間である収容時間をＴｂとすると、
Ｔａ≦Ｔｂ／Ｎ
である請求項８に記載の積層半導体装置の製造方法。
請求項８〜１０の何れか１項に記載の積層半導体装置の製造方法によって製造される積層半導体装置。