JP2014045199A

JP2014045199A - 接合装置、接合方法

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Publication number: JP2014045199A
Application number: JP2013211026A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Tanimoto; 昭一谷元; Isao Sugaya; 功菅谷; Akinori Ito; 彰則伊藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2014-03-13

Abstract

【課題】ウェハ全面に亘って位置合わせ精度が劣化しない接合装置と、接合方法を提供すること。
【解決手段】複数の接続部が形成された２体の基板ＷＡ，ＷＢの当該接続部を対向させ、かつ位置合わせしたのち、前記２体の基板を接合する接合装置１であって、前記２体の基板にそれぞれ直接的又は間接的に接触するそれぞれの部材１１２Ａ，１１２Ｂは、前記基板に略平行な面の少なくとも１面に静止摩擦力を低減する静止摩擦低減手段を有する接合装置１。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の接続部（例えば、半導体デバイス）が形成された少なくとも２枚の基板（例えば、半導体ウェハ）の接合装置および接合方法に関する。

半導体回路の微細化が進んで来たが、４５ｎｍノードのデバイス製造の準備は遅れつつある。その主原因は、ゲート用絶縁体用Ｈｉｇｈ−ｋ材料、配線用Ｌｏｗ−ｋ材料の開発遅れ、デバイス発熱量の増大、などである。また、必要な露光装置の開発期間長期化、価格高騰などの問題が予想されており、従来から続いて来た回路の微細化の速度は、今後は落とさざるを得ない状況にある。

このような状況下においても、半導体デバイスの動作速度向上、機能高度化、大容量化などの市場要求が続いており、これに応えて行かなければならない。

これらの問題を解決する有力な手段の一つとして、ウェハの３次元積層が挙げられる。半導体基板内部に貫通した導線を設けたウェハを積層して導線を接続・薄加工することにより、回路の脱線長を短く出来、デバイスの高速化と低発熱化を実現出来る。また、ウェハ積層の層数を増すことにより、回路の機能を高め、メモリも容量を増やすことが出来る。

ウェハの３次元積層を行なうには、回路形成が終わったウェハ表面に接合電極を形成し、２枚のウェハ、あるいは既に積層されたウェハと更に積層する次のウェハの電極同士が合うように位置決めして接触させることが必要である。これを行なうのがウェハ接合装置である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３０２８５８号公報

従来の接合装置では、２枚のウェハ上のパターンを相対的に位置合わせし、その後に２枚のウェハを重ねたものに加圧し、加熱することにより、２枚のウェハ上にある電極を接合して一体化する。しかしながら、加圧や加熱を行う時に、２枚のウェハの相対関係をずらす力が働いて位置あわせがずれるという問題がある。

上記課題を解決するため、本発明は、複数の接続部が形成された２体の基板の当該接続部を対向させ、かつ位置合わせしたのち、前記２体の基板を接合する接合装置であって、前記２体の基板にそれぞれ直接的又は間接的に接触するそれぞれの部材は、前記基板に略平行な面の少なくとも１面に静止摩擦力を低減する静止摩擦低減手段を有することを特徴とする接合装置を提供する。

また、本発明は、複数の接続部が形成された２体の基板の当該接続部を対向させ、かつ位置合わせしたのち仮固定する工程と、前記２体の基板を加熱する工程と、前記加熱に際して、前記２体の基板の静止摩擦力より前記２体の基板にそれぞれ直接的又は間接的に接触するそれぞれの部材の静止摩擦力を小さくしたことを特徴とする接合方法を提供する。

本発明によれば、ウェハ全面に亘って位置合わせ精度が劣化しない接合装置と、接合方法を提供することができる。

実施の形態にかかる接合装置における基板（ウェハ）接合の工程フローを示す。ウェハ接合に用いる加圧・加熱装置部のブロック図を示す。（ａ）は、第１実施例にかかる接合装置の部分図を示し、（ｂ）は、（ａ）の変形例を示し、（ｃ）は、（ｂ）の変形例をそれぞれ示している。第２実施例にかかる接合装置の部分図を示す。第３実施例にかかる接合装置の部分図を示す。

次に、本発明の一実施の形態にかかる接合装置について図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施の形態にかかる接合装置における基板（以後、ウェハと記す）接合の工程フローを示す。図２は、ウェハ接合に用いる加圧・加熱装置部のブロック図を示す。なお、以下の説明では、複数の半導体デバイスが形成されている半導体ウェハの電極部を接合する場合を代表として説明するが、ウェハは半導体ウェハに限られないし、接合する部位も電極部に限られないことは言うまでもない。

実施の形態にかかる接合装置１は、大きく２つの装置部に分けられる。一つは、２枚のウェハの電極部分を対向させて位置合わせする不図示のアライメント装置部であり、他の一つはアライメント装置部で位置合わせされた２枚のウェハに加圧及び加熱を行い電極部分を接合する後述する加圧・加熱装置部２である。アライメント装置部と加圧・加熱装置部２の間は、不図示のウェハキャリア等の搬送装置によって位置合わせされ仮留された２枚のウェハが搬送される。以下、図２に示す接合装置１に基づく接合工程について図１、図２を参照しつつ説明する。

（ステップＳ１）
ウェハＷＡの裏面（デバイスが形成されていない面）を不図示のウェハ搬送装置を介してウェハホルダ１２Ａに吸着する。ここでの吸着は、静電気力による静電吸着あるいは真空引きによる真空吸着が使用される。静電吸着の場合ウェハホルダ１２Ａは静電チャックが、真空吸着の場合ウェハホルダ１２Ａは真空チャックが使用される。なお、静電吸着力や真空吸着力は、それぞれの制御部によって制御され吸着力を発生したり停止したりすることが可能に構成されている。

ウェハホルダ１２ＡにウェハＷＡを吸着後、ウェハホルダ１２Ａ上に形成されている位置合わせマーク１３Ａ１、１３Ａ２とウェハＷＡ上に形成されている不図示の位置合わせマークあるいはデバイスの所定パターンとの相対位置関係を計測する。測定結果は不図示の制御装置に送られ、制御装置によりウェハＷＡと位置合わせマーク１３Ａ１、１３Ａ２の相対位置関係が求められ相対位置情報として記憶される。

（ステップＳ２）
ウェハＷＢの裏面（デバイスが形成されていない面）を不図示のウェハ搬送装置を介してウェハホルダ１２Ｂに吸着する。ここでの吸着は、ウェハＷＡと同様である。

ウェハホルダ１２ＢにウェハＷＢを吸着後、ウェハホルダ１２Ｂ上に形成されている位置合わせマーク１４Ｂ１、１４Ｂ２とウェハＷＢ上に形成されている不図示の位置合わせマークあるいはデバイスの所定パターンとの相対位置関係を計測する。測定結果は不図示の制御装置に送られ、制御装置によりウェハＷＢと位置合わせマーク１４Ｂ１、１４Ｂ２の相対位置関係が求められ相対位置情報として記憶される。

（ステップＳ３）
ウェハＷＡをウェハホルダ１２Ａに吸着した状態のまま、ウェハホルダ１２Ａを回転しウェハＷＡの表面（デバイスが形成されている面）をウェハＷＢの表面に略平行となるように向ける。なお、ウェハＷＡを動かすかウェハＷＢを動かすか、あるいは両方を動かすかは接合装置１の設計により適宜変更される。

（ステップＳ４）
ウェハＷＡとウェハＷＢの表面どうしを近接させて対向させる。この時のウェハ間のギャップは、ウェハＷＡ、ＷＢを相対移動しても互いに接触しない程度の距離に設定する。例えば、ギャップ値として１０μｍから５０μｍの間の一定値になるようにする。このギャップにおいて、ウェハホルダ１２Ａ上の位置合わせマーク１３Ａ１とウェハホルダ１２Ｂ上の位置合わせマーク１４Ｂ１は、一つの計測系により相対位置測定が可能な状態となる。また、位置合わせマーク１３Ａ２と位置合わせマーク１４Ｂ２も一つの計測系により相対位置測定が可能な状態となる。

（ステップＳ５）
ステップＳ１とステップＳ２で得られたウェハＷＡの位置合わせマーク１２Ａ１、１２Ａ２に対する相対位置情報と、ウェハＷＢの位置合わせマーク１４Ｂ１、１４Ｂ２に対する相対位置情報を用いて、ウェハＷＡとウェハＷＢの接合すべきパターン（例えば、電極部）の水平面内の位置を不図示のアクチュエータ装置によりウェハホルダ１２Ａ、１２Ｂを駆動して位置合わせする。

（ステップＳ６）
ウェハＷＡとウェハＷＢの位置合わせが完了した後、ウェハＷＡとウェハＷＢの間を縮めて接合部位を接触させ、与圧を加えたあとでウェハホルダ１２Ａとウェハホルダ１２Ｂとを不図示の固定冶具で仮留めする。この状態で、ウェハホルダ１２Ａとウェハホルダ１２Ｂとは一つのブロックＭとして扱われる。

（ステップＳ７）
仮留されたブロックＭを不図示の搬送装置を介して加圧・加熱装置部に搬送し、加圧・加熱装置部２内に載置する。この際、仮留されたウェハホルダ１２Ａとウェハホルダ１２Ｂとがずれないように十分注意して搬送、載置する。

図２に示すように、加圧・加熱装置部２は、ヒータ部（トッププレートとも言う）１１Ａと、ヒータ部（トッププレートとも言う）１１Ｂと、加圧部１５とがコラム１０で密閉構造にされている。ウェハホルダ１２Ａとウェハホルダ１２Ｂを仮留したブロックＭは、ヒータ部１１Ａとヒータ部１１Ｂの間に挿入され、ブロックＭが挿入されるとコラム１０内は減圧される。

次に、ウェハホルダ１２Ａ、１２Ｂ、及びヒータ部１１Ａ、１１Ｂを介してウェハＷＡ、ウェハＷＢを押し付けるべく加圧部１５で加圧する。更に、ヒータ部１１Ａ、１１Ｂでウェハホルダ１２Ａ、１２Ｂを介してウェハＷＡ、ＷＢをそれぞれ均一に加熱して、ウェハＷＡとウェハＷＢの接触部を接合する。なお、加圧力、加熱温度、持続時間等は、不図示の制御装置で制御する。これにより、ウェハＷＡとウェハＷＢとが完全に接合される。なお、接触部が金属電極の場合、金属電極の材料として銅などが挙げられる。また、接触部として加熱硬化型の樹脂材なども挙げられる。

なお、加圧し始めてから加熱するか、加熱し始めてから加圧するかは適宜選択可能である。また、加圧や加熱が始まった時点でウェハの静電吸着あるいは真空吸着を中止するか否かは適宜選択可能である。

（ステップＳ８）
加圧・加熱が終わった後、コラム１０内の加熱部分等に冷却水を導入してブロックＭを冷却し、接合されたウェハＷＡ、ＷＢを内包するブロックＭを取り出す。

（ステップＳ９）
ブロックＭから仮留冶具を取り外し、ウェハＷＡからウェハホルダ１２Ａを、ウェハＷＢからウェハホルダ１２Ｂを取り外す。

以上の工程によって、接合装置１はウェハＷＡとウェハＷＢとが所定の位置関係を保持した状態で電極同士を接合する。

以後、接合されたウェハＷＡとウェハＷＢとを不図示の試料ホルダに載置し、試料ホルダを次の処理工程に搬出する。

以上で、実施の形態にかかる接合装置１による、ウェハＷＡとウェハＷＢの接合が終了する。

従来の接合装置では、ステップＳ７の加圧及び加熱処理工程で、所定の位置合わせした状態のウェハＷＡとウェハＷＢの電極部にずれが発生し、接合不良が発生する問題があった。そして、この問題は、主に加熱時におけるウェハＷＡとウェハホルダ１２Ａ、ウェハＷＢとウェハホルダ１２Ｂあるいはヒータ部１１Ａ、１１Ｂの熱膨張の差に起因して、ウェハＷＡとウェハＷＢの位置関係がずれてしまうことにある。

例えば、ウェハＷＡとウェハＷＢ間の静止摩擦力に比べウェハＷＡとウェハホルダ１２Ａ間、ウェハＷＢとウェハホルダ１２Ｂ間の静止摩擦力が大きい場合、熱膨張の違いによる変形によりウェハＷＡとウェハＷＢの接触部部がずれることに原因している。本実施の形態にかかる接合装置１では、上記ずれの発生を抑制することを可能にして接合不良の発生を抑止している。

以下、実施の形態にかかる接合装置の各実施例について図面を参照しつつ説明する。

（第１実施例）
図３（ａ）は、第１実施例にかかる接合装置の部分図を示している。図３（ｂ）、図３（ｃ）は第１実施例の変形例をそれぞれ示している。工程は図１と同様であり説明を省略し、主としてステップＳ７時点に関して説明する、また図２に示すコラム１０は同様の構成であり同じ符号を付し、説明する。

図３（ａ）において、ウェハホルダ１１２Ａは、ウェハＷＡが吸着、接触する面に静止摩擦力を低減するためのＤＬＣ（ダイアモンド・ライク・カーボン）膜Ｘが形成されている。また、ウェハホルダ１１２Ｂは、ウェハＷＢが吸着、接触する面に静止摩擦力を低減するためのＤＬＣ膜Ｘが形成されている。

このように、ウェハＷＡとウェハホルダ１１２Ａ、ウェハＷＢとウェハホルダ１１２Ｂのそれぞれの接触面にＤＬＣ膜を設けることによって、ウェハＷＡとウェハホルダ１１２Ａ間の静止摩擦力、及びウェハＷＢとウェハホルダ１１２Ｂ間の静止摩擦力をウェハＷＡとウェハＷＢ間の接触摩擦力、あるいはウェハホルダ１１２Ａとヒータ部１１Ａ間の静止摩擦力、及びウェハホルダ１１２Ｂとヒータ部１１Ｂ間の静止摩擦力より小さくすることができ、加熱時の熱膨張差に起因するウェハＷＡとウェハＷＢのずれの発生を防止することができる。即ち、ウェハＷＡとウェハＷＢの接触面がずれる前に、ウェハＷＡとウェハホルダ１１２Ａの接触面、ウェハＷＢとウェハホルダ１１２Ｂの接触面がずれることによって熱膨張差を解消し、ウェハＷＡとウェハＷＢの接触面のずれを防止することができる。

図３（ｂ）は（ａ）の変形例であり、ウェハホルダ１１２Ａのヒータ部１１Ａと接触する面、及びウェハホルダ１１２Ｂのヒータ部１１Ｂと接触する面にＤＬＣ膜を形成した場合を示している。この場合、ウェハＷＡとウェハＷＢの接触面の静止摩擦力より、ウェハホルダ１１２Ａとヒータ部１１Ａの接触面の静止摩擦力およびウェハホルダ１１２Ｂとヒータ部１１Ｂの接触面の静止摩擦力を小さくすることができ、加熱時の熱膨張差に起因するウェハＷＡとウェハＷＢのずれの発生を防止することができる。

図３（ｃ）は（ｂ）の変形例であり、ヒータ部１１１Ａのウェハホルダ１２Ａと接触する面、及びヒータ部１１１Ｂのウェハホルダ１２Ｂと接触する面にＤＬＣ膜を形成した場合を示している。この場合も、ウェハＷＡとウェハＷＢの接触面の静止摩擦力より、ウェハホルダ１２Ａとヒータ部１１１Ａの接触面の静止摩擦力およびウェハホルダ１２Ｂとヒータ部１１１Ｂの接触面の静止摩擦力を小さくすることができ、加熱時の熱膨張差に起因するウェハＷＡとウェハＷＢのずれの発生を防止することができる。

このように、静止摩擦力を低減するＤＬＣ膜を、ウェハホルダ１１２Ａとヒータ部１１１Ａの少なくとも１つの面、及びウェハホルダ１１２Ｂとヒータ部１１１Ｂの少なくとも１つの面に設けることによって、ＤＬＣを設けた界面の静止摩擦力をウェハＷＡとウェハＷＢの接触面の静止摩擦力に比べて小さくし、ウェハ接合時のずれを防止する接合装置１を構成することができる。

また、ＤＬＣ膜を形成した場合、加圧、加熱後にウェハＷＢとウェハホルダ１１ＡあるいはウェハＷＢとウェハホルダ１１Ｂに発生する固着を防止することができる。また、ＤＬＣは硬度が高いためウェハホルダ１１Ａやウェハホルダ１１Ｂの表面の傷の発生を防止することができる。また、ウェハホルダ１１Ａ、１１Ｂへのごみの付着を防止すること、あるいはウェハホルダの耐久性を向上させる効果も期待できる。

なお、静止摩擦力を低下する静止摩擦力低減手段は、ＤＬＣ以外の無機材料膜を使用することも可能である。また、第１実施例において、ウェハの静電吸着あるいは真空吸着を停止する時期は適宜選択可能である。また、加圧し加熱し始めた時点でウェハの静電吸着あるいは真空吸着を停止することがウェハとウェハホルダ間の静止摩擦力を低減できるためより好ましい。

（第２実施例）
図４は、第２実施例にかかる接合装置の部分図を示す。

第２実施例にかかる接合装置１では、位置合わせされた図４に示すブロックＭが図２に示すコラム１０に挿入され加圧・加熱処理される。工程は図１と同様であり説明を省略する。

第２実施例では、ブロックＭに加圧部１５で加圧された後で、ウェハＷＡとウェハホルダ１２Ａ間の静電吸着力、及びウェハＷＢとウェハホルダ１２Ｂ間の静電吸着力を静電気制御部３０により停止する。これにより、ウェハＷＡとウェハホルダ１２Ａ及びウェハＷＢとウェハホルダ１２Ｂに対する静電吸着力が無くなり、ウェハＷＡとウェハホルダ１２Ａ、及びウェハＷＢとウェハホルダ１２Ｂそれぞれの界面の静止摩擦力を低下させることができる。この結果、ウェハＷＡとウェハＷＢの接触面の静止摩擦力より、ウェハＷＡとウェハホルダ１２Ａの界面の接触摩擦力、及びウェハＷＢとウェハホルダ１２Ｂの界面の静止摩擦力を小さくすることができ、以降の加熱の際の熱膨張差によるウェハＷＡとウェハＷＢのずれの発生を防止することができる。

（第３実施例）
図５は、第３実施例にかかる接合装置の部分図を示す。

第３実施例にかかる接合装置１では、ウェハホルダが真空吸着の場合における静止摩擦力低減手段を有する接合装置１を示している。工程は図１と同様であり説明を省略する。なお、図２におけるウェハＷＡを吸着するウェハホルダと、ウェハＷＢを吸着するウェハホルダの構成は同様であり、以下の説明ではウェハＷＢにかかる部分に関してのみ説明し、ウェハＷＡにかかる部分については説明を省略する。

図５において、ウェハＷＢと不図示のウェハＷＡとの位置合わせ後、２つのウェハホルダは仮留めされ、加圧・加熱装置部２（図２参照）に搬送されるまでは、ウェハＷＢはウェハホルダ１８に静電気力と不図示のウェハＷＡとの間の静止摩擦力によって保持される。加圧・加熱装置部２のコラム１０内に運ばれた後、配管接合部２５により、ウェハホルダ１８内に設けられた穴１９は配管２０と接合される。穴１９は配管接合部２５から続いて途中で分岐し、分岐した穴はウェハＷＢ全体に分散した穴に繋がっている。

符号２４は排気部、２２は不活性ガス供給部である。不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの気体が用いられる。また、符号２１は給気弁、２３は排気弁であり、配管接合部２５がウェハホルダ１８に取り付くまでは閉じている。配管接合部２５が穴１９と接合されると、排気部２４に繋がる弁２３が開き、配管２０と穴１９の中が排気される。この排気によりウェハＷＢはウェハホルダ１８に真空吸着され、静電吸着が停止される。この排気後、ウェハＷＢとウェハＷＡとからなるブロックＭ（図２参照）はコラム１０内に載置され、コラム１０内の雰囲気が排気される。雰囲気の排気後、ウエブロックＭは加圧部１５により加圧される。

次に、排気弁２３が閉じ、給気弁２１が開く。給気弁２１より不活性ガスが配管２０と穴１９に流入し、ウェハＷＢの裏面には不活性ガスの圧力が加わる。これにより、ウェハＷＢとウェハホルダ１８の間の静止摩擦力が減少する。この後で、仮留めしたウェハＷＢとウェハＷＡ全体を加熱し、接触部を接合する。

この構成と図１の工程に従うと、加熱時の各部の線膨張係数の造いと温度ムラによる応力が発生しても、ウェハＷＢとウェハホルダ１８の間、あるいはウェハＷＡとウェハホルダの間か滑り、ウェハＷＡとウェハＷＢの間は滑らないようにできる。加熱が終了すると、給気弁２１が閉じ、雰囲気は大気圧に戻される。

なお、不活性ガスをウェハＷＢの裏面に噴出させることで、ウェハＷＢとウェハホルダ１８との間にある微小なごみを除去でき、ウェハＷＢとウェハＷＡとをより平坦に接合することも可能になる。

また、上記第１実施例から第３実施例は、互いに排他的な実施を求めるものではなく同時に実施したり、組み合わせて実施したりすることも可能である。

以上述べたように、本実施の形態にかかる接合装置では、ウェハ同士の接合面の静止摩擦力より、ウェハとウェハホルダ間の静止摩擦力、あるいはウェハホルダとヒータ部（トッププレート）間の静止摩擦力を小さくすることができ、接合時にウェハ相互のずれを防止することができる。

なお、上記説明では、静止摩擦力低減手段は両ウェハに関する部材にそれぞれ設けられている場合について説明したが、静止摩擦力低減手段が一方のウェハに関する部材にのみ設けられていても良い。

また、実施例１から実施例３において、静電吸着あるいは真空吸着を解除するタイミングは、少なくとも加熱する前までに行うことが好ましい。

また、ウェハ同志を位置合わせして仮留めした後に加わる温度変化や加速度などの外乱の影響を受けるために、仮留めを行うアライメント装置と加圧・加熱装置部に至る搬送部分、あるいは加圧・加熱部の加圧・加熱前の温度を揃えて、温度ムラや温度変化を最小にした装置構成とすることがより望ましい。また、搬送時にウェハおよびウェハホルダに衝撃が加わらない構成にすることが望ましい。

なお、上述の実施の形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。

１接合装置
１０コラム
１１Ａ、１１Ｂ、１１１Ａ、１１１Ｂヒータ部（トッププレート）
１２Ａ、１２Ｂ、１１２Ａ、１１２Ｂ、１８ウェハホルダ
１３Ａ１、１３Ａ２、１４Ｂ１、１４Ｂ２位置合わせマーク
１５加圧部
１９穴
２０配管
２１給気弁
２２不活性ガス供給部
２３排気弁
２４排気部
２５配管接合部
３０静電気制御部
ＷＡ、ＷＢウェハ
ＸＤＬＣ（ダイアモンド・ライク・カーボン）
Ｍブロック

Claims

複数の接続部が形成された２体の基板の当該接続部を対向させ、かつ位置合わせしたのち、前記２体の基板を接合する接合装置であって、
前記２体の基板にそれぞれ直接的又は間接的に接触するそれぞれの部材は、前記基板に略平行な面の少なくとも１面に静止摩擦力を低減する静止摩擦低減手段を有することを特徴とする接合装置。