JP2014241416A - 基板貼り合せ装置および積層半導体装置製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加圧により基板を接合する場合に、基板縁の角の部分が応力集中により破壊されるおそれがある。
【解決手段】重ね合わされた複数の基板を加圧および加熱して貼り合わせる一対の加圧ユニットを備え、一対の加圧ユニットの各々は、複数の基板の一面を押圧する押圧板と、押圧板を介して複数の基板を加熱する加熱部と、複数の基板の一面の外周より内側の領域において加熱部を加圧することにより、加熱部および押圧板を介して複数の基板の一面を加圧する加圧部とを有する基板貼り合わせ装置が提供される。
【選択図】図６

Description

本発明は、基板貼り合せ装置、積層半導体装置製造方法及び積層半導体装置に関する。

特許文献１には、回路が形成された２枚のウェハを、加熱及び加圧により接合して、３次元積層半導体装置を製造するウェハ接合装置が記載されている。ウェハ接合装置は圧力プロファイル制御モジュールを用いて圧力の制御を行う。
特許文献１ 特開２００９−４９０６６号公報

しかしながら、ウェハの外周部分が冷えやすいので、熱を伝達するトッププレートがウェハの外周よりも外側まで延びている。この場合に、加圧過程において、トッププレートは、基板の外周より外側の部分が基板が載置された部分より大きく変形するので、基板縁の角の部分が応力集中により破壊されるおそれがある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、重ね合わされた複数の基板を加圧および加熱して貼り合わせる一対の加圧ユニットを備え、一対の加圧ユニットの各々は、複数の基板の一面を押圧する押圧板と、押圧板を介して複数の基板を加熱する加熱部と、複数の基板の一面の外周より内側の領域において加熱部を加圧することにより、加熱部および押圧板を介して複数の基板の一面を加圧する加圧部とを有する基板貼り合わせ装置が提供される。

本発明の第２の態様においては、上記基板貼り合せ装置により基板を貼り合せることを含む積層半導体装置製造方法が提供される。

本発明の第３の態様においては、上記積層半導体装置製造方法により製造された積層半導体装置が提供される。

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。

基板貼り合せ装置１０の全体構造を模式的に示す正面図である。 下部加圧ユニット１２の構造を概略的に示す断面図である。 中空加圧部が膨らむ状態を概念的に示す断面図である。 中空加圧部が凹む状態を概念的に示す断面図である。 下部ヒートモジュール４２の平面図である。 支柱部４１１の位置関係を示す下部ヒートモジュール４２の平面図である。 他の実施形態における支柱部４１１の位置関係を示す下部ヒートモジュール４２の平面図である。 積層半導体装置の製造方法を概略的に示す。

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、基板貼り合せ装置１０の全体構造を模式的に示す正面図である。基板貼り合せ装置１０は、上部加圧ユニット１１と、下部加圧ユニット１２と、昇降モジュール６０とを備える。上部加圧ユニット１１は、天井側に設置される上部押圧板３１と、上部ヒートモジュール４１と、上部圧力制御モジュール５１とを含む。下部加圧ユニット１２は、床面側に設置される下部押圧板３２と、下部ヒートモジュール４２と、下部圧力制御モジュール５２とを含む。基板貼り合せ装置１０は、基板貼り合せ過程における基板２２の酸化及び汚染を防ぐ目的で、一定の真空度及び一定のクリーン度に維持される真空室の内部に設置される。

接合すべき２枚の基板２２は、基板貼り合せ装置１０とは別途設けられるアライナーにより、接合すべき電極同士が接触するように位置合せされて重ね合わせられる。さらに、当該２枚の基板２２は、２つの基板ホルダ２４に挟まれることにより、位置ずれが起こらないように仮接合された状態で保持される。この状態にある基板２２及び基板ホルダ２４を「基板ホルダ対」と称する場合がある。ここでいう基板２２は、単体のシリコンウェハ、化合物半導体ウェハ、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あってよい。基板２２が、既に複数のウェハを積層して形成された積層基板であってもよい。

基板ホルダ対は、ロボットアームにより基板貼り合せ装置１０に搬入され、下部押圧板３２に載置される（図１）。基板ホルダ対は、昇降モジュール６０が上昇することにより上部押圧板３１と接触し、上部加圧ユニット１１と下部加圧ユニット１２に挟さまれ、加熱加圧状態で基板貼り合せが行われる。この貼り合せ過程において、上部押圧板３１と下部押圧板３２は、それぞれ基板ホルダ２４を介して、重ね合わせられた２枚の基板２２の上面及び下面を押圧する。上部ヒートモジュール４１と下部ヒートモジュール４２は、加熱部として、それぞれ上部押圧板３１と下部押圧板３２を介して２枚の基板２２を加熱する。上部圧力制御モジュール５１と下部圧力制御モジュール５２は、加圧部として、それぞれ上部ヒートモジュール４１と下部ヒートモジュール４２を加圧することにより、上部ヒートモジュール４１と下部ヒートモジュール４２および上部押圧板３１と下部押圧板３２を介して２枚の基板２２の上面及び下面を加圧する。

対向して設置される上部加圧ユニット１１と下部加圧ユニット１２は、同一の構造を備えるモジュールである。そこで、下部加圧ユニット１２を代表としてその構造を以下に説明する。

図２は、下部加圧ユニット１２の構造を概略的に示す断面図である。基板ホルダ対を載置するステージ部としての役割を担う下部押圧板３２は、炭化珪素からなる円形状のプレートであり、周縁部において下部ヒートモジュール４２にビス止めされる。下部押圧板３２の外縁は、基板ホルダ２４を介して下部押圧板３２に載置される基板２２の外縁の外側に位置する。即ち、下部押圧板３２は、基板２２の直径より大きい円盤状を有する。この構造により、下部押圧板３２は、基板２２を安定に保持できる。更に、図２に示す実施形態において、下部押圧板３２の外縁は、基板ホルダ２４の外縁の外側に位置する。

下部ヒートモジュール４２は、円筒状胴体の内部に、下部押圧板３２の基板ホルダ対を載置する面とは反対側の面に接する複数のヒータプレート４０１、４０２、４０３を備える。ヒータプレート４０１、４０２及び４０３は、下部押圧板３２を加熱して、更に下部押圧板３２を介して基板ホルダ対を加熱する。

ヒータプレート４０１、４０２及び４０３は、伝熱性のよい素材、例えば銅等から形成される。ヒータプレート４０１、４０２及び４０３は、それぞれの内部に電熱ヒータ４０４が埋め込まれている。電熱ヒータ４０４は導線４０５により電力が供給される。導線４０５は、高熱に耐えられる材料、例えばセラミックにより形成されるビーズ４０６により被覆される。

ヒータプレート４０１、４０２、４０３は、加熱制御時には電熱ヒータ４０４により加熱されてその熱を下部押圧板３２へ伝達させる。また、加熱終了後の冷却制御時には、クーラとして機能する冷却管４０７により冷却される。ヒータプレート４０１、４０２、４０３は、下部押圧板３２の中心を通る中心軸から放射状に形成されたフレーム４１０により支持、固定されている。

フレーム４１０は、複数の支柱部４１１の一端に連結されて支持されている。そして、各々の支柱部４１１の他端は、それぞれ圧力検出部４１２に連結されている。各圧力検出部４１２は、支柱部４１１が連結される面とは反対側の面において、下部圧力制御モジュール５２の中空加圧部５０１の外側で接するように設置される。圧力検出部４１２は、中空加圧部５０１が支柱部４１１を押圧する圧力を検出する。圧力検出部４１２は、ロードセルであってよい。

下部ヒートモジュール４２の内部空間は、下部押圧板３２の基板ホルダ対の載置面に対して平行に設置される遮熱プレート４２０により、上下に加熱空間と非加熱空間に分割される。遮熱プレート４２０は、ヒータプレート４０１、４０２、４０３によって熱せられる加熱空間の熱を、高温に弱い中空加圧部５０１、圧力検出部４１２等が設置される非加熱空間へできる限り伝えない機能を担う仕切り板である。遮熱プレート４２０には、支柱部４１１を貫通させる貫通孔が設けられている。すなわち、支柱部４１１は加熱空間と非加熱空間にまたがって存在する。また、遮熱プレート４２０には、導線４０５を貫通させる貫通孔も設けられている。

中空加圧部５０１は、中空の圧力制御部であり、その内部が流体により充填されている。流体としては、空気、水、オイルが用いられる。中空加圧部５０１は、内部に充填する流体量を、中空加圧部５０１と供給管５０３との間に設置されたバルブ５０２を制御することにより調整する。中空加圧部５０１は、内部に充填する流体量を調整することにより、内部流体の圧力を制御することができる。

中空加圧部５０１の内部流体の圧力は圧力センサ４３６によって検知され、監視される。例えば、想定される範囲を超える異常圧力を検出した場合には、加圧を停止する制御を行うことができる。

中空加圧部５０１は、ゴムシート等から形成される袋であってよい。中空加圧部５０１は、内部の流体量により膨張または収縮して、複数の圧力検出部４１２と接する面に対して圧力をコントロールすることができる。また、中空加圧部５０１は、複数の圧力検出部４１２と接する面側を変形板とし、昇降モジュール６０側と外周側を高剛性板として形成する箱状の形態であっても良い。このような形態であっても、内部を気密な袋状に保てば、外部から出入させる流体を制御して内圧を調整することができ、圧力検出部４１２と接する面に対して圧力をコントロールすることができる。特に、下部圧力制御モジュール５２が昇降モジュール６０から受ける圧力との関係において、バルブ５０２を介して内部に流入出させる流体量を調整すると、複数の圧力検出部４１２と接する面を、フラットにしたり、周縁部を凸状にしたり、中心部を凸状にコントロールすることができる。

図３および図４は、中空加圧部５０１の形状を概念的に示す断面図である。中空加圧部５０１は、下部板５１０と、上部板５１１と、その間に形成される中空室５１２とを有する。上述通り、中空室５１２には供給管５０３から供給される流体により充填される。上部板５１１には、外面周縁部において、上部板５１１の中心を中心とする同心円上に溝５１４が設けられる。溝５１４は、上部板５１１が変形した場合に、上部板５１１の周縁部の応力集中を緩和することができる。

図３は、中空室５１２に流体を導入して流体の圧力を高めた場合における上部板５１１の変形を概念的に示す図面である。中空加圧部５０１の内部流体の圧力が高いと、上部板５１１が膨らみ、中空室５１２の外部に向かって変形する。上部板５１１の中心部の変形が最も大きく、周縁部に向かって変形が徐々に小さくなる。

図４は、中空室５１２の流体圧力を下げた場合における上部板５１１の変形を概念的に示す図面である。中空加圧部５０１の内部流体の圧力が低いと、上部板５１１が凹み、中空室５１２の内部に向かって変形する。この場合も、上部板５１１の中心部の変形が最も大きく、周縁部に向かって変形が徐々に小さくなるが、図３の場合と違って、変形の方向が逆である。

図５は、ヒータプレート４０１、４０２、４０３の形状および配置を示す下部ヒートモジュール４２の平面図である。図５に示すように、下部押圧板３２の中心を通る中心軸を中心として、真中に位置する円形のヒータプレート４０１が１個、その外周部に扇形のヒータプレート４０２が６個、さらにその外周部に扇形のヒータプレート４０３が１２個配置されている。ヒータプレート４０２、４０３の扇形は、中心のヒータプレート４０１と同心円の弧を有する。ヒータプレート４０１、４０２、４０３によって覆われる平面領域は、下部押圧板３２に載置される基板２２の面積に対応する領域よりも広い。即ち、ヒータプレート４０１、４０２、４０３は、２枚の基板２２の下面の外側まで配されている。これにより、基板２２に対して均一に加熱することができる。図５に示す例において、ヒータプレート４０１、４０２、４０３は、基板ホルダ２４の外側まで配されている。

また、ヒータプレート４０１、４０２、４０３のそれぞれは、互いに平行を保って離間して配置される。これにより、ヒータプレート４０１、４０２、４０３がそれぞれに埋め込まれている電熱ヒータ４０４により熱せられて膨張しても、互いに接触することを回避できる。互いの間隔は、目標加熱温度等によって予め設定されるが、例えば、ヒータプレート４０１、４０２、４０３が銅により形成され、下部押圧板３２の径が約３５０ｍｍであって、目標加熱温度が４５０℃である場合には、５ｍｍ程度に設定される。

また、それぞれのヒータプレート４０１、４０２、４０３の加熱面は、互いに同じ面積を有する。したがって円形および扇形の形状は、互いに同じ面積となるように径、中心角等が設計される。また、図の例では径方向を３段に設定してそれぞれ個数を定めたが、径方向の段数も、一段あたりの個数も任意に設定することができる。さらにそれぞれのヒータプレート４０１、４０２、４０３の厚さも同一とすれば、それぞれの熱容量も同一となるので、より好ましい。

クーラとして機能する冷却管４０７は、ヒータプレート４０１、４０２、４０３のひとつ以上に当接して配され、ヒータプレート４０１、４０２、４０３を介して基板ホルダ対を冷却する。例えば、図示するようにヒータプレート４０２、４０３のいずれかと接するように冷却管４０７が張り巡らされ、その中を冷媒が循環するように外部のポンプが制御される。冷却管の素材としては、ヒータプレート４０１、４０２、４０３と同じ素材が好ましい。同じ素材でなくても、線膨張率が同じであれば、接触面において温度変化による熱摺動が生じないので、冷却管の素材として適用できる。冷却管４０７は、２枚の基板２２の下面の外側まで配される。

図６は、支柱部４１１の位置関係を示す下部ヒートモジュールの平面図である。フレーム４１０は、中心部分に設けられた円環部から放射状に複数の腕部を伸ばした形状をなす。そして、円環部でビス４０８によりヒータプレート４０１を固定し、腕部で同様にビス４０８によりヒータプレート４０２、４０３を固定している。ビス４０８は、図示するように、それぞれのヒータプレート４０１、４０２、４０３において中心線上、回転対称または左右対称となる位置に配置することが好ましい。

図６に示すように、本実施形態は、下部ヒートモジュール４２の外周側に配されるヒータプレート４０３は、２点鎖線で示した下部押圧板３２の外周よりも外側（図２においては、両側）まで配されている。この構造により、下部ヒートモジュール４２は、下部押圧板３２の外周、更に基板２２の外周をも加熱することができ、基板の外周部からの散熱を補うことができる。

中空加圧部５０１からの圧力は、複数の支柱部４１１およびフレーム４１０を介してヒータプレート４０１、４０２、４０３に伝達される。そして、ヒータプレート４０１、４０２、４０３が下部押圧板３２を押圧すると共に加熱する。中空加圧部５０１を支柱部４１１の軸方向に押圧力を発生させるアクチュエータとみなせば、この押圧力は、例えば一つのヒータプレート４０２を押圧する支柱部４１１に着目すると、支柱部４１１→ヒータプレート４０２→下部押圧板３２の順に伝達される。

複数の圧力検出部４１２は、それぞれの支柱部４１１に加えられる圧力を検出して、中空加圧部５０１の出力を監視することができる。そして、検出された圧力に応じて、中空加圧部５０１の圧力を調整したり、昇降モジュール６０の昇降を調整したりすることができる。また、想定される範囲を超える異常圧力を検出した場合には、加圧を停止する制御を行うこともできる。

図３に示すように、上部板５１１が上向きに膨らむ場合には、上部板５１１の中心部において上方への変形が最も大きく、周縁部に向かって変形が徐々に小さくなるので、中空加圧部５０１が下部押圧板３２に与える圧力が中心部で最も大きく、周辺部に向かって徐々に小さくなる。

一方、図４に示すように、上部板５１１が中空室５１２方向に凹む場合には、上部板５１１の中心部において下方への変形が最も大きく、周縁部に向かって変形が徐々に小さくなるので、中空加圧部５０１が下部押圧板３２に与える圧力が中心部で最も小さく、周辺部に向かって徐々に大きくなる。

また、中空加圧部５０１の内部流体の圧力を調整することにより、上部板５１１をフラットにすれば、中空加圧部５０１が支柱部４１１を通じて下部押圧板３２に与える圧力は、下部押圧板３２の面内において均一になる。即ち、中空加圧部５０１の内部流体の圧力を調整することによって、下部押圧板３２の面内の圧力分布を細かく調整することができる。よって、接合すべき基板２２の表面又は裏面の平坦度が低い場合でも、中空加圧部５０１による圧力の微調整により、基板２２の面内において均一な圧力をかけて、基板接合を行うことができる。

図６に示すように、支柱部４１１は全て２点鎖線で示した基板２２の外周より内側に配置されている。即ち、支柱部４１１は、基板ホルダ対における２枚の基板の下面の外周より内側の領域においてヒータプレート４０１、４０２、４０３を加圧することにより、ヒータプレート４０１、４０２、４０３および下部押圧板３２を介して２枚の基板の下面を加圧する。

ここで、支柱部４１１が基板２２の外周より外側にまで配置されたとすると、その外側に配置された支柱部４１１の圧力により、下部押圧板３２は、基板２２が載置された部分より、周辺部が盛り上がる。よって、２枚の基板２２のうち、下の基板２２の縁の下角には応力集中が起こりやすく、破壊されるおそれがある。これに対し、図６に示すように、支柱部４１１が全て基板２２の外周より内側に配置されていると、上述の破壊を防止できる。

図７は、他の実施形態における支柱部４１１の位置関係を示す下部ヒートモジュール４２の平面図である。この実施形態において、支柱部４１１は、全て２枚の基板２２に素子が形成された素子形成領域６１０の内側に配置される。即ち、支柱部４１１がヒータプレート４０１、４０２、４０３を加圧する領域は、２枚の基板２２に素子が形成された素子形成領域６１０内である。このような構造により、素子形成領域６１０における均一な加圧を確保しながら、上述の基板２２の縁の応力集中及び破壊を防ぐことができる。

また、図７において、破線はヒータプレート４０１、４０２、４０３によって覆われる平面領域の外周、即ち加熱領域の外周６２０を示す。この実施形態では、ヒータプレート４０１、４０２、４０３によって覆われる加熱領域は、素子形成領域６１０の外まで配されている。基板貼り合せ過程において、接合すべき素子形成領域６１０を均一に過熱するができれば、加熱領域の範囲を基板２２の外周より内側にすることもできる。

図８は、積層半導体装置を製造する製造方法の概略を示す。図８に示すように、積層半導体装置は、当該積層半導体装置の機能・性能設計を行うステップＳ１１０、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を製作するステップＳ１２０、積層半導体装置の基材である基板を製造するステップＳ１３０、マスクのパターンを用いたリソグラフィを含んで、基板２２に半導体装置を形成する基板処理ステップＳ１４０、上記の基板貼り合せ装置を用いて、処理された複数の基板２２を接合する基板貼り合せ工程等を含むデバイス組み立てステップＳ１５０、検査ステップＳ１６０等を経て製造される。なお、デバイス組み立てステップＳ１５０は、基板貼り合せ工程に続いて、ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む。

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。

１０ 基板貼り合せ装置、１１ 上部加圧ユニット、１２ 下部加圧ユニット、２２ 基板、２４ 基板ホルダ、３１ 上部押圧板、３２ 下部押圧板、４１ 上部ヒートモジュール、４２ 下部ヒートモジュール、５１ 上部圧力制御モジュール、５２ 下部圧力制御モジュール、６０ 昇降モジュール、４０１ ヒータプレート、４０２ ヒータプレート、４０３ ヒータプレート、４０４ 電熱ヒータ、４０５ 導線、４０６ ビーズ、４０７ 冷却管、４０８ ビス、４１０ フレーム、４１１ 支柱部、４１２ 圧力検出部、４２０ 遮熱プレート、４３６ 圧力センサ、５０１ 中空加圧部、５０２ バルブ、５０３ 供給管、５１０ 下部板、５１１ 上部板、５１２ 中空室、５１４ 溝、６１０ 素子形成領域、６２０ 加熱領域の外周

Claims (11)

1. 重ね合わされた複数の基板を加圧して貼り合せる加圧ユニットを備え、
   前記加圧ユニットは、
   前記複数の基板が載置される載置部と、
   前記載置部を介して前記複数の基板を加熱する加熱部と、
   前記複数の基板の一面の外周より内側の領域において前記加熱部を加圧することにより、前記加熱部および前記載置部を介して前記複数の基板の前記一面を加圧する加圧部と
   を有する基板貼り合せ装置。
2. 前記加圧部は、前記内側の領域に配置されている請求項１に記載の基板貼り合せ装置。
3. 前記加圧部が前記載置部を加圧する領域は、前記複数の基板に素子が形成された素子形成領域内である請求項１または２に記載の基板貼り合せ装置。
4. 前記加熱部は、素子形成領域外まで配されている請求項１から３のいずれか一項に記載の基板貼り合せ装置。
5. 前記加熱部は、前記複数の基板の外側まで配されている請求項４に記載の基板貼り合せ装置。
6. 前記加熱部は、前記載置部よりも外側まで配されている請求項４または５に記載の基板貼り合せ装置。
7. 前記載置部の外縁は、前記複数の基板の外縁またはその外側に位置する請求項６に記載の基板貼り合せ装置。
8. 前記加圧ユニットは、前記加熱部に当接して配され、前記複数の基板を冷却する冷却部をさらに有し、
   前記冷却部は、前記複数の基板の外縁またはその外側まで配される請求項７に記載の基板貼り合せ装置。
9. 前記加圧ユニットと、
   前記加圧ユニットに向かい合った他の加圧ユニットと
   を備え、
   前記加圧ユニットと前記他の加圧ユニットとの間で前記複数の基板を加圧する請求項１から８のいずれか一項に記載の基板貼り合せ装置。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の基板貼り合せ装置により基板を貼り合せることを含む積層半導体装置製造方法。
11. 請求項１０に記載の積層半導体装置製造方法により製造された積層半導体装置。

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