JP2021150393A - 半導体製造装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの実施形態は、貼合基板における各基板の位置を正確に把握できる半導体製造装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】一つの実施形態によれば、基板ステージと第１の計測機構と第２の計測機構とを有する半導体製造装置が提供される。基板ステージは、貼合基板が載置される。貼合基板は、第１の基板及び第２の基板が貼り合わせられた基板である。貼合基板は、半導体装置の製造に用いられる。基板ステージは、回転可能である。第１の計測機構は、第１の基板のエッジ及び第２の基板のエッジを第１の方向から計測する。第２の計測機構は、第１の基板のエッジ及び第２の基板のエッジを第２の方向から計測する。第２の方向は、第１の基板の法線に対する角度が第１の方向と異なる。【選択図】図２

Description

本実施形態は、半導体製造装置及び半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置を製造するために、複数の基板が貼り合わせられて、貼合基板が構成されることがある。このとき、貼合基板における各基板の位置を正確に把握することが望まれる。

特開２０１７−１０８０５５号公報

一つの実施形態は、貼合基板における各基板の位置を正確に把握できる半導体製造装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、基板ステージと第１の計測機構と第２の計測機構とを有する半導体製造装置が提供される。基板ステージは、貼合基板が載置される。貼合基板は、第１の基板及び第２の基板が貼り合わせられた基板である。貼合基板は、半導体装置の製造に用いられる。基板ステージは、回転可能である。第１の計測機構は、第１の基板のエッジ及び第２の基板のエッジを第１の方向から計測する。第２の計測機構は、第１の基板のエッジ及び第２の基板のエッジを第２の方向から計測する。第２の方向は、第１の基板の法線に対する角度が第１の方向と異なる。

図１は、実施形態における貼合基板の構成を示す図である。 図２は、実施形態にかかる半導体製造装置の構成を示す図である。 図３は、実施形態にかかる半導体製造装置における基板ステージ及び貼合基板の方位を示す図である。 図４は、実施形態における下の基板のエッジ位置の計測結果を示す図である。 図５は、実施形態における下の基板のエッジ位置の計測結果を示す図である。 図６は、実施形態における下の基板の中心位置を示す図である。 図７は、実施形態における上の基板のエッジ位置の計測結果を示す図である。 図８は、実施形態における上の基板のエッジ位置の計測結果を示す図である。 図９は、実施形態における上の基板の中心位置を示す図である。 図１０は、実施形態における回転中心位置、下の基板の中心位置、上の基板の中心位置を示す図である。 図１１は、実施形態における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。 図１２は、実施形態の第１の変形例にかかる半導体製造装置の構成を示す図である。 図１３は、実施形態の第１の変形例における貼合基板の中心位置を示す図である。 図１４は、実施形態の第１の変形例における他の貼合基板の中心位置を示す図である。 図１５は、実施形態の第２の変形例における基板の方位と基板のエッジ位置との関係を示す図である。 図１６は、実施形態の第３の変形例における半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体製造装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（実施形態）
実施形態にかかる半導体製造装置は、半導体デバイスの製造に用いられる装置であり、例えば、複数の基板が貼り合わせられた貼合基板を処理する際のアライメントに使用され得る。

例えば、半導体デバイスの製造技術の一つとして、複数の基板が貼り合わせられた貼合基板をダイシング処理で複数の貼合デバイスに個片化する技術がある。この技術では、各基板が、薄い円板形状であり、その上に多数の半導体チップが形成される。その後、複数の基板同士を貼り合わせて、貼合基板を形成する。貼合基板をダイシング処理で複数の貼合デバイスに個片化する。各貼合デバイスは、最終的に製品となるデバイスであり、複数の半導体チップが貼り合わせられた構成を有する。この技術を用いることで、それぞれの基板を独立に並行して作ることができるようになることから、単一基板上にデバイスを形成する場合に比べてその製造期間を短縮できることなどのメリットがある。

この貼合デバイスの製造フローにおいて、基板同士を貼り合せて貼合基板とした後、さらに後続の半導体デバイス構造を形成する工程が存在する。具体的には、貼合基板を構成する上下基板のパターンの重なり具合を計測する検査工程や、基板外周部を切削する工程や、貼合後にさらに半導体構造を作りこむために必要なパターニングを行うリソグラフィ工程などがある。基板外周部を切削する工程は、切削用の刃を基板外周にあてがい、基板の回転中心に沿って基板を回転させることで外周を削る工程である。これらの工程で使われる装置には、処理対象の基板及び／又は基板内の領域の位置決め又はアライメント処理等の動作において、貼合基板における各基板の中心位置及び／又は貼合基板の中心位置が用いられ得る。このため、貼合基板における各基板の中心位置及び／又は貼合基板の中心位置が所定の精度で決められることが望ましい。

半導体製造装置では、貼合基板の処理を想定していない場合、その位置決めは、基板がほぼ理想的な円形であることを想定したものになり得る。典型的なフローの例としては、基板の切り欠き位置（いわゆる「ノッチ」）や、円形基板の外周位置を複数点検出して基板上のパターンの大まかな位置を算出するプリアライメント処理を行い、次に、基板上のパターンの位置を検出するアライメント処理を行って、より精度のよい光学系で高精度に位置決めするアライメント処理が行われる。

一方、貼合基板ＢＳは、図１に示すように、通常、上下の基板サイズの公差や、上下の基板にパターニングされたパターン同士の合わせに有限の誤差がのっており、真上から見た場合は上下の基板がずれていて理想的な円形になっていない形状（以下、ずれ基板形状と呼ぶ）であることが多い。図１は、貼合基板ＢＳの構成を示す図である。以下では、貼合基板ＢＳが基板ステージに載置された状態において、便宜的に、貼合基板ＢＳにおける基板ステージと反対側に位置する基板を上の基板ＳＢ１と呼び、基板ステージの側に位置する基板を下の基板ＳＢ２と呼ぶことにする。

図１（ａ）、図１（ｂ）では、上の基板ＳＢ１におけるノッチＮＴを通る中心線ＳＬ１とそれに垂直な中心線ＳＬ２とをそれぞれ実線で示し、上の基板ＳＢ１の中心位置ＳＣ１を中心線ＳＬ１と中心線ＳＬ２との交点として示す。下の基板ＳＢ２におけるノッチＮＴを通る中心線ＳＬ３とそれに垂直な中心線ＳＬ４とをそれぞれ点線で示し、下の基板ＳＢ２の中心位置ＳＣ２を中心線ＳＬ３と中心線ＳＬ４との交点として示す。基板ステージの回転中心ＷＣの位置を×で示している。

貼合基板ＢＳにおいて、上下の基板ＳＢ１，ＳＢ２の方位が一致している場合には、図１（ａ）に示すように、中心線ＳＬ１，ＳＬ３が互いに一致し、基板ＳＢ１，ＳＢ２の中心位置ＳＣ１，ＳＣ２を結ぶ線が中心線ＳＬ１，ＳＬ３にほぼ一致する。一方、貼合基板ＢＳ’において、上下の基板ＳＢ１，ＳＢ２の方位がずれている場合には、図１（ｂ）に示すように、中心線ＳＬ１，ＳＬ３が互いに角度θを成し、基板ＳＢ１，ＳＢ２の中心位置ＳＣ１，ＳＣ２を結ぶ線が例えば中心線ＳＬ３に対して角度θを成す。これ以降の議論は、図１（ａ）の配置を元に進めるが、上下の基板ＳＢ１，ＳＢ２の方位がずれている場合については、上下の基板ＳＢ１，ＳＢ２の一方の各角度にθを加えることで図１（ｂ）の配置に対応させることができるため、一般性は失われない。

図１（ａ）に示す貼合基板ＢＳは、基板搬送系により移動し半導体製造装置１（図２参照）の基板ステージに載せられる。半導体製造装置１は、基板ステージ上の基板の位置／方位を装置側で大まかに把握し、所定の位置に位置決めされるように装置内の座標系を補正するプリアライメント処理を行う。半導体製造装置１は、プリアライメント処理の結果を用いて、さらに高精度に位置合わせするアライメント処理を行う。

例えば、半導体製造装置１は、図２に示すように構成され得る。図２は、半導体製造装置１の構成を示す図である。半導体製造装置１は、基板ステージ１０、計測機構２０、計測機構３０、及びコントローラ４０を有する。以下では、基板ステージ１０の載置面１０ａに垂直な方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な平面内で互いに直交する２方向をＸ方向及びＹ方向とする。図２以降では、簡略化のため、各基板におけるノッチＮＴの図示を省略する。

コントローラ４０は、半導体製造装置１の各部を統括的に制御する。コントローラ４０は、中央演算部４１、動作制御部４２、演算部４３、及び演算部４４を有する。中央演算部４１は、コントローラ４０の各部を統括的に制御する。

基板ステージ１０は、載置面１０ａに貼合基板ＢＳが載置される。基板ステージ１０は、静電チャック又は真空チャックなどの所定の吸着機構を有してもよく、吸着機構を介して貼合基板ＢＳを吸着し保持してもよい。基板ステージ１０の径は、基板ＳＢ１，ＳＢ２の径より小さくてもよい。これにより、照射部２１から受光部２２へ向かう光に対して、基板ステージ１０が干渉しないようにすることができる。基板ステージ１０は、回転中心ＷＣを通りＺ方向に延びる軸を回転軸ＡＸとして回転可能に構成されている。

計測機構２０は、プリアライメント処理において、貼合基板ＢＳにおける各基板ＳＢ１，ＳＢ２の位置を計測する。計測機構２０は、貼合基板ＢＳの上（＋Ｚ方向）から各基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジを計測する。計測機構２０は、基板のエッジが配されるべき位置に対して＋Ｚ側に配された照射部２１と、基板のエッジが配されるべき位置に対して−Ｚ側に配された受光部２２とを有する。

コントローラ４０の中央演算部４１は、照射部２１を制御して、照射部２１から計測光が出射されるようにする。受光部２２は、２次元的に配列された複数の画素を有し得る。受光部２２は、計測光を受光すると、複数の画素信号をコントローラ４０の演算部４３へ供給する。演算部４３は、受けた複数の画素信号に応じて、計測光の受光強度の２次元分布を示す受光強度分布データを生成して中央演算部４１へ供給する。中央演算部４１は、受光強度分布データに応じて、貼合基板ＢＳのエッジ位置を求めることができる。

計測機構３０は、アライメント処理において、デバイスパターンの配置位置を決定するために、貼合基板ＢＳ上の基準位置を計測する。計測機構３０は、基準位置として貼合基板ＢＳ上の基準マークを計測してもよい。計測機構３０は、貼合基板ＢＳの斜め上方（−Ｘ及び＋Ｚ方向）から貼合基板ＢＳ上の基準位置を計測する。計測機構３０は、所定の基準位置に対して−Ｘ及び＋Ｚ側に配された照射部３１と、所定の基準位置に対して＋Ｘ及び＋Ｚ側に配された受光部３２とを有する。

コントローラ４０の中央演算部４１は、照射部３１を制御して、照射部３１から計測光が出射されるようにする。受光部３２は、２次元的に配列された複数の画素を有し得る。受光部３２は、計測光を受光すると、複数の画素信号をコントローラ４０の演算部４４へ供給する。演算部４４は、受けた複数の画素信号に応じて、計測光の受光強度の２次元分布を示す受光強度分布データを生成して中央演算部４１へ供給する。中央演算部４１は、受光強度分布データに応じて、貼合基板ＢＳ上における基準位置（例えば、基準マークの位置）を求めることができる。

コントローラ４０の動作制御部４２は、中央演算部４１からの制御に従い、基板ステージ１０が貼合基板ＢＳを保持した状態で基板ステージ１０を回転中心ＷＣ周り（回転軸ＡＸ周り）に回転させる。これにより、貼合基板ＢＳの方位を変更することができる。

例えば、図３に示すように、基板ステージ１０の回転中心ＷＣを中心にした正規直交系としてｘｙ軸を定義するものとする。図３は、基板ステージ１０及び基板ＢＳの方位を示す図である。ｘ軸は、基板ステージ１０の回転中心ＷＣに対してＸ方向に延びた軸である。ｙ軸は、基板ステージ１０の回転中心ＷＣに対してＹ方向に延びた軸である。ｘｙ軸は、基板ステージ１０が回転してもＸＹＺ軸に対して固定された位置関係を維持する。

図３（ａ）に示すように、プリアライメント処理を開始する時点において、貼合基板ＢＳにおける各基板ＳＢ１，ＳＢ２のノッチＮＴの位置が未知であるため、基板ステージ１０上に載置された貼合基板ＢＳの外周のうちｘ軸と交差する位置を基準エッジ位置ＳＰとする。この状態を基板ステージ１０の回転角０°とし、貼合基板ＢＳの方位を方位０°と呼ぶことにする。この状態から、基板ステージ１０の回転中心ＷＣに対して左周りに回転角βで回転すると、図３（ｂ）に示すように、基準エッジ部分ＳＰが回転中心ＷＣに関してｘ軸と角度βを成す状態になる。この状態の貼合基板ＢＳの方位を方位βと呼ぶことにする。

図２に示す計測機構２０において、貼合基板ＢＳのエッジとｘ軸との交点位置近傍に対して、照射部２１が＋Ｚ側に配され、受光部２２が−Ｚ側に配され得る。計測機構２０では、照射部２１から出射された光が−Ｚ方向に進み貼合基板ＢＳのエッジで少なくとも一部が遮蔽されながらさらに−Ｚ方向に進み受光部２２で受光される。計測機構２０は、照射部２１から−Ｚ方向に進み受光部２２で受光される光の強度の分布に応じて、貼合基板ＢＳのエッジのｘ位置を検出可能である。

半導体製造装置１が基板ＳＢ１，ＳＢ２を基板ステージ１０上の回転中心ＷＣ周りに回転させることで、エッジのＸ位置が変化し、受光部２２で受光される光の強度の分布も変化する。これに応じて、半導体製造装置１は、基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジのＸ位置を取得可能であるようにも考えられる。

ここで、もし、貼合基板ＢＳを構成する上下の基板ＳＢ１，ＳＢ２がぴったり重なり合わさっている場合、もしくは上下の基板ＳＢ１，ＳＢ２の一方が他方よりも十分大きくＺ方向から見ると真円（基板１枚の外形）に見える場合を考える。この場合、半導体製造装置１は、計測機構２０が基板エッジのｘ位置を少なくとも３つの方位に対して検出することで、基板ステージ１０の回転中心ＷＣを前述の真円の中心に合わせ、ノッチＮＴを検出することでノッチＮＴの向きを所定の方向に合わせ、プリアライメントを完了することができる。

しかし、上下の基板ＳＢ１，ＳＢ２の重ね合わさり方は、実際には、図１（ａ）に示すように、有限の誤差ｄを伴っており、その外形はＺ方向から見ると真円ではないずれ基板形状を有する。そのため、上述の少なくとも３つの方位に対してエッジ位置を検出する方法では、基板の回転中心を基板の外形（ずれ基板形状）に対して一意に定めることが難しく、プリアライメントを完了させることができない可能性がある。あるいは、プリアライメントを完了させたとしても再現性に乏しい非理想的な位置を基板の中心と認識し、その次に高精度な位置決めを行うアライメント処理において基板上のデバイスパターン配置のための基準位置を正確に計測できない可能性がある。

すなわち、貼合基板ＢＳの処理をする工程において、計測機構２０による一方向の計測によりプリアライメントを行う場合、貼合基板ＢＳにおける各基板ＳＢ１，ＳＢ２の位置を正確に把握できない可能性がある。これにより、貼合基板及び貼合デバイスの製造歩留りが低下したり、プリアライメント後の処理が適切に行われない場合に後述するような半導体製造設備の汚染が発生したりする可能性がある。

そこで、本実施形態では、半導体製造装置１において、計測機構２０と異なる方向から各基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジを検出する計測機構５０を追加することで、貼合基板ＢＳにおける各基板ＳＢ１，ＳＢ２の位置計測の高精度化を図る。

具体的には、半導体製造装置１は、図２に示すように、計測機構５０をさらに有する。計測機構５０は、プリアライメント処理において、貼合基板ＢＳにおける各基板ＳＢ１，ＳＢ２の位置を計測する。計測機構５０は、貼合基板ＢＳの側方（−Ｙ方向）から各基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジを検出する。計測機構５０は、基板のエッジが配されるべき位置に対して−Ｙ側に配された照射部５１と、基板のエッジが配されるべき位置に対して＋Ｙ側に配された受光部５２とを有する。

コントローラ４０は、演算部４５をさらに有する。中央演算部４１は、照射部５１を制御して、計測機構５０から計測光が出射されるようにする。受光部５２は、２次元的に配列された複数の画素を有し得る。受光部５２は、計測光を受光すると、複数の画素信号をコントローラ４０の演算部４５へ供給する。演算部４５は、受けた複数の画素信号に応じて、計測光の受光強度の２次元分布を示す受光強度分布データを生成して中央演算部４１へ供給する。中央演算部４１は、受光強度分布データに応じて、貼合基板ＢＳのエッジのｘ位置を求めることができる。

半導体製造装置１では、貼合基板ＢＳのずれ基板形状に対して、計測機構２０及び計測機構５０により貼合基板ＢＳの表面の法線（Ｚ方向）に対して異なる角度からも各基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジ位置を計測する。すなわち、計測機構２０がＺ方向に沿った計測光で基板のエッジ位置を検出し、計測機構５０がＹ方向に沿った計測光で基板のエッジ位置を検出する。これにより、基板のエッジ位置に対する３次元的な情報を得ることができるので、半導体製造装置１は、基板ステージ１０の回転中心ＷＣを基準にして上下の基板ＳＢ１，ＳＢ２の中心位置を算出することができる。

具体的には、半導体製造装置１は、図４〜図１０に示すように、上下の基板ＳＢ１，ＳＢ２の位置を計測してそれらの中心位置を算出する。図４、図５は、下の基板のエッジ位置の計測結果を示す図である。図６は、下の基板の中心位置を示す図である。図７、図８は、上の基板のエッジ位置の計測結果を示す図である。図９は、上の基板の中心位置を示す図である。図１０は、回転中心位置、下の基板の中心位置、上の基板の中心位置を示す図である。

プリアライメント処理を開始する時点において、各基板ＳＢ１，ＳＢ２の中心線及び中心位置、中心線を決める基準エッジ位置ＳＰ（図３参照）は未知であるが、図４〜図９では、便宜的に、各基板ＳＢ１，ＳＢ２の中心線ＳＬ１１，ＳＬ１２，ＳＬ１３，ＳＬ１４を示している。上の基板ＳＢ１における基準エッジ位置ＳＰを通る中心線ＳＬ１１とそれに垂直な中心線ＳＬ１２とをそれぞれ実線で示し、上の基板ＳＢ１の中心位置ＳＣ１を中心線ＳＬ１１と中心線ＳＬ１２との交点として示す。下の基板ＳＢ２における基準エッジ位置ＳＰを通る中心線ＳＬ１３とそれに垂直な中心線ＳＬ１４とをそれぞれ点線で示し、下の基板ＳＢ２の中心位置ＳＣ２を中心線ＳＬ１３と中心線ＳＬ１４との交点として示す。基板ステージ１０の回転中心ＷＣの位置を×で示している。

図４（ａ）、図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）、図８（ａ）、図９（ａ）は、貼合基板ＢＳのＸＹ平面図を示し、計測機構２０の計測結果に対応している。図４（ｂ）、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）、図８（ｂ）、図９（ｂ）は、貼合基板ＢＳのＸＺ断面図を示し、計測機構５０の計測結果に対応している。

図４〜図６では、基板ステージ１０の回転中心ＷＣが貼合基板ＢＳに対して図１（ａ）のような状態にある場合において、回転中心ＷＣに対する下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２を決める手順を示す。図４〜図６では、複数のパラメータα_下，Ｄ_下ｍａｘ，Ｄ_下ｍｉｎ，Ｄ_ｉｓｔ下を計測し、これらのパラメータを用いて下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２を決定する。

図７〜図９では、基板ステージ１０の回転中心ＷＣが貼合基板ＢＳに対して図１（ａ）のような状態にある場合において、回転中心ＷＣに対する上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１を決める手順を示す。図７〜図９では、複数のパラメータα_上，Ｄ_上ｍａｘ，Ｄ_上ｍｉｎ，Ｄ_ｉｓｔ上を計測し、これらのパラメータを用いて上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１を決定する。

図４は、貼合基板ＢＳを回転中心ＷＣ周りに回転させ、計測機構２０及び計測機構５０を用いることで、下の基板ＳＢ２が＋ｘ側に最も突出する時の状態として、方位α_下と、＋ｘ側のエッジの回転中心ＷＣからの距離Ｄ_下ｍａｘとが計測されることを示す。この時、下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２は回転中心ＷＣと共にｘ軸上に位置する。図４では、方位α_下の角度として、約−１０°が例示されている。

図５は、貼合基板ＢＳを回転中心ＷＣ周りに回転させ、計測機構２０及び計測機構５０を用いることで、下の基板ＳＢ２が−ｘ側に最も突出する時の状態として、方位α_下＋１８０°と、＋ｘ側のエッジの回転中心ＷＣからの距離Ｄ_下ｍｉｎとが計測されることを示す。この時、下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２は回転中心ＷＣと共にｘ軸上に位置する。図５では、方位α_下＋１８０°の角度として、約１７０°が例示されている。

図４（ａ）の下の基板ＳＢ２と図５（ａ）の下の基板ＳＢ２とを重ねて書くと図６（ａ）となり、図４（ｂ）、図５（ｂ）を併せて示すと、図６（ｂ）、図６（ｃ）となる。図６（ａ）〜図６（ｃ）に対して、幾何学的考察から、回転中心ＷＣと下の基板ＳＣ２の中心ＳＣ２との距離Ｄ_ｉｓｔ下は、次の数式１で示すように求められる。
Ｄ_ｉｓｔ下＝（Ｄ_下ｍａｘ−Ｄ_下ｍｉｎ）／２・・・数式１

また、下の基板ＳＢ２の半径Ｒ_下は、次の数式２で示すように求められる。
Ｒ_下＝（Ｄ_下ｍａｘ＋Ｄ_下ｍｉｎ）／２・・・数式２

図７は、貼合基板ＢＳを回転中心ＷＣ周りに回転させ、計測機構２０及び計測機構５０を用いることで、上の基板ＳＢ１が＋ｘ側に最も突出する時の状態として、方位α_上と、＋ｘ側のエッジの回転中心ＷＣからの距離Ｄ_上ｍａｘとが計測されることを示す。この時、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１は回転中心ＷＣと共にｘ軸上に位置する。図７では、方位α_上の角度として、約＋２００°が例示されている。

図８は、貼合基板ＢＳを回転中心ＷＣ周りに回転させ、計測機構２０及び計測機構５０を用いることで、上の基板ＳＢ１が−ｘ側に最も突出する時の状態として、方位α_上−１８０°と、＋ｘ側のエッジの回転中心ＷＣからの距離Ｄ_上ｍｉｎとが計測されることを示す。この時、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１は回転中心ＷＣと共にｘ軸上に位置する。図８では、方位α_上−１８０°の角度として、約＋２０°が例示されている。

図７（ａ）の上の基板ＳＢ１と図８（ａ）の上の基板ＳＢ１とを重ねて書くと図９（ａ）となり、図７（ｂ）、図８（ｂ）を併せて示すと、図９（ｂ）、図９（ｃ）となる。図６（ａ）〜図６（ｃ）に対して、幾何学的考察から、回転中心ＷＣと上の基板ＳＣ１の中心ＳＣ１との距離Ｄ_ｉｓｔ上は、次の数式３で示すように求められる。
Ｄ_ｉｓｔ上＝（Ｄ_上ｍａｘ−Ｄ_上ｍｉｎ）／２・・・数式３

また、上の基板ＳＢ１の半径Ｒ_上は、次の数式４で示すように求められる。
Ｒ_上＝（Ｄ_上ｍａｘ＋Ｄ_上ｍｉｎ）／２・・・数式４

図１０は、基板ステージ１０の回転中心ＷＣ、下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１の位置関係を示している。図１０では、回転中心ＷＣに対する下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２の位置関係が、回転中心ＷＣから見た下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２の方位Ｄｉｒ_下と、回転中心ＷＣから中心ＳＣ２までの距離Ｄ_ｉｓｔ下とで表現されている。すなわち、下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２の位置は、回転中心ＷＣを基準として、方位Ｄｉｒ_下を数式５に示すように求め、距離Ｄ_ｉｓｔ下を数式１に示すように求めることで、決定される。
Ｄｉｒ_下＝−α_下・・・数式５

また、図１０では、回転中心ＷＣに対する上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１の位置関係が、回転中心ＷＣから見た下の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１の方位Ｄｉｒ_上と、回転中心ＷＣから中心ＳＣ１までの距離Ｄ_ｉｓｔ上とで表現されている。すなわち、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１の位置は、回転中心ＷＣを基準として、方位Ｄｉｒ_上を数式６に示すように求め、距離Ｄ_ｉｓｔ上を数式３に示すように求めることで、決定される。
Ｄｉｒ_上＝−α_上・・・数式６

次に、プリアライメント処理を含む半導体装置の製造方法について図１１を用いて説明する。図１１は、半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

上の基板ＳＢ１と下の基板ＳＢ２とに対して、それぞれ、パターニング処理が施される（Ｓ１）。上の基板ＳＢ１と下の基板ＳＢ２とにそれぞれ所定のデバイスパターンが形成される。基板搬送系は、上の基板ＳＢ１と下の基板ＳＢ２とをそれぞれ基板貼合装置（図示せず）へ搬送する。基板貼合装置は、貼合処理を行う（Ｓ２）。基板貼合装置は、上ステージで上の基板ＳＢ１を吸着し、下ステージで下の基板ＳＢ２を吸着し、上ステージと下ステージとを互いに近づけることなどにより、上の基板ＳＢ１と下の基板ＳＢ２とを貼り合わせ、貼合基板ＢＳを形成する。基板搬送系は、貼合基板ＢＳを基板貼合装置から搬出し、半導体製造装置１へ搬送する。貼合基板ＢＳが基板ステージ１０上に載置されると、半導体製造装置１は、貼合基板ＢＳにおける各基板ＳＢ１，ＳＢ２の位置／方位を装置側で大まかに把握し、所定の位置にくるように装置内の座標系を補正するプリアライメント処理を行う（Ｓ３）。半導体製造装置１は、より高精度な位置決めのためのアライメント処理が必要か否か判断し（Ｓ４）、必要でないと判断すると（Ｓ４でＮｏ）、アライメント処理（Ｓ５）をスキップし、必要であると判断すると（Ｓ４でＹｅｓ）、アライメント処理（Ｓ５）を行う。半導体製造装置１は、プリアライメント処理及びアライメント処理の結果に応じて、貼合基板ＢＳにおける各基板ＳＢ１，ＳＢ２の中心位置を決定し（Ｓ６）、各基板ＳＢ１，ＳＢ２の中心位置に応じて、所定の処理（Ｓ７）を行う。所定の処理として、各基板ＳＢ１，ＳＢ２における貼合面と反対側の面に所定のデバイスパターンを形成するパターニング処理が行われ得る。

このとき、上の基板ＳＢ１を処理する際には、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１を用いて位置決めを行って（例えば、中心ＳＣ１を基板ステージ１０の回転中心ＷＣと一致させて）処理をしてもよい。下の基板ＳＢ２を処理する際には、下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２を用いて位置決めを行って（例えば、中心ＳＣ２を基板ステージ１０の回転中心ＷＣと一致させて）処理をしてもよい。

あるいは、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１を貼合基板ＢＳの中心と定義し直してもよい。上の基板ＳＢ１を処理する際には、貼合基板ＢＳの中心ＳＣ１を用いて位置決めを行って（例えば、中心ＳＣ１を基板ステージ１０の回転中心ＷＣと一致させて）処理をしてもよい。また、下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２を貼合基板ＢＳの中心と定義し直してもよい。下の基板ＳＢ２を処理する際には、貼合基板ＢＳの中心ＳＣ２を用いて位置決めを行って（例えば、中心ＳＣ２を基板ステージ１０の回転中心ＷＣと一致させて）処理をしてもよい。

あるいは、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１と下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２との中点ＳＣ１２（図１０参照）を貼合基板ＢＳの中心と定義し直してもよい。上の基板ＳＢ１を処理する際には、貼合基板ＢＳの中心ＳＣ１２を用いて位置決めを行って（例えば、中心ＳＣ１２を基板ステージ１０の回転中心ＷＣと一致させて）処理をしてもよい。下の基板ＳＢ２を処理する際にも、貼合基板ＢＳの中心ＳＣ１２を用いて位置決めを行って（例えば、中心ＳＣ１２を基板ステージ１０の回転中心ＷＣと一致させて）処理をしてもよい。

他の複数の基板についても処理を行うべきであれば（Ｓ８でＹｅｓ）、処理をＳ１に戻し、他の複数の基板についてＳ１以降の処理を行う。他の複数の基板についても処理を行うべきでなければ（Ｓ８でＮｏ）、処理を終了する。

以上のように、本実施形態では、半導体製造装置１において、計測機構２０に加えて、計測機構２０と異なる方向から各基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジを検出する計測機構５０を追加的に設ける。すなわち、貼合基板ＢＳのずれ基板形状に対して、計測機構２０及び計測機構５０により貼合基板ＢＳの表面の法線（Ｚ方向）に対して異なる角度からも各基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジ位置を計測する。すなわち、計測機構２０がＺ方向に沿った計測光で基板のエッジ位置を検出し、計測機構５０がＹ方向に沿った計測光で基板のエッジ位置を検出する。これにより、基板のエッジ位置に対する３次元的な情報を得ることができるので、貼合基板ＢＳにおける各基板ＳＢ１，ＳＢ２の位置計測を高精度化できる。したがって、貼合基板及び貼合デバイスの製造歩留りを向上でき、製造される半導体装置の単価を容易に削減できる。また、プリアライメント後の処理を適切に行うことができ、半導体製造設備の汚染の発生を抑制できる。

なお、図１１に示すプリアライメント処理（Ｓ３）において、計測機構２０による基板のエッジ位置の計測と計測機構５０による基板のエッジ位置の計測とは、並行して行われてもよいし、順次に行われてもよい。順次に行われる場合、計測機構２０による基板のエッジ位置の計測を互いに略等間隔で並ぶ３以上のエッジ位置に行って回転範囲を限定し、計測機構５０による基板のエッジ位置の計測をその限定された回転範囲で行ってもよい。これにより、プリアライメント処理のスループットを向上させることができる。

あるいは、図１１に示す所定の処理（Ｓ７）では、貼合基板ＢＳの外周を切削する処理を行ってもよい。貼合基板ＢＳの外周を切削する際には、貼合基板ＢＳにおける各基板ＳＢ１，ＳＢ２の外周に近い部分のデバイス構造を破壊することがないような貼合基板ＢＳの中心を新たに定めて、その中心を回転中心ＷＣに一致させて処理を行ってもよい。この場合、半導体製造装置１０１は、図１２に示すように、切削機構１６０をさらに有していてもよい。図１２は、実施形態の第１の変形例にかかる半導体製造装置１０１の構成を示す図である。

切削機構１６０は、切削部材１６１を有する。切削部材１６１は、砥石又はダイシングブレードなどである。切削部材１６１は、各基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジに対する＋Ｘ側に配され得る。切削部材１６１は、各基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジに対する＋Ｘ側から−Ｘ方向に近づけて接触可能に構成されている。

コントローラ１４０は、動作制御部１４６をさらに有する。動作制御部４２は、中央演算部４１からの制御に従い、基板ステージ１０が貼合基板ＢＳを保持した状態で基板ステージ１０を回転中心ＷＣ周り（回転軸ＡＸ周り）に継続的に回転させる。動作制御部１４６は、中央演算部４１からの制御に従い、切削部材１６１を各基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジに対する＋Ｘ側から−Ｘ方向に近づけて接触させる。これにより、各基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジが切削部材１６１で切削され得る。

このとき、基板ステージ１０の回転中心ＷＣと上下の基板の中心ＳＣ１，ＳＣ２の３つが一致しにくいため、上下いずれか、もしくは両方の基板にとっては偏心した状態で切削をしてしまう可能性がある。これにより、外周の切削範囲を上下それぞれの基板についてみると、いずれか、もしくは両方の基板は、想定しているよりも基板の内側まで切削すると、デバイス構造を破壊したり、デバイス構造内の金属が露出して半導体製造設備を汚染したりする可能性がある。あるいは、想定しているよりも外側までしか切削しないことになり、デバイス構造の存在しないチップを生産する可能性がある。

それに対して、コントローラ１４０は、図１３又は図１４に示すように、基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジを切削する際に、基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジに近い部分のデバイス構造を破壊することがないような回転中心ＷＣを新たに定める。図１３は、貼合基板の中心位置を示す図である。図１４は、他の貼合基板の中心位置を示す図である。

図１３は、貼合基板の中心位置を示す図である。図１３では、上の基板ＳＢ１の外周線ＳＢ１ａとパターン形成領域の外周線ＳＢ１ｂとを実線で示している。外周線ＳＢ１ｂは、外周線ＳＢ１ａの内側に位置している。下の基板ＳＢ２の外周線ＳＢ２ａとパターン形成領域の外周線ＳＢ２ｂとを点線で示している。外周線ＳＢ１ｂは、外周線ＳＢ１ａの内側に位置している。コントローラ１４０は、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１と下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２を結ぶ線上に、これら中心間の距離Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２}を２等分する位置に中心ＳＣ１２を定める。そして、コントローラ１４０は、中心ＳＣ１２を回転中心ＷＣに一致させて切削処理が行われるように制御する。この切削処理により、一点鎖線で示す基板の外周線ＢＳａとパターン形成領域の外周線ＢＳｂとを有する貼合基板ＢＳを、パターン形成領域の面積が大きくなるように形成することができる。

図１４は、他の貼合基板の中心位置を示す図である。図１３に示す貼合基板ＢＳでは、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１と下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２と距離Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２}が例えばｄ１であるが、図１４に示す貼合基板ＢＳでは、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１と下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２と距離Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２}が例えばｄ２であり異なる。

図１４では、上の基板ＳＢ１の外周線ＳＢ１ａとパターン形成領域の外周線ＳＢ１ｂとを実線で示している。外周線ＳＢ１ｂは、外周線ＳＢ１ａの内側に位置している。下の基板ＳＢ２の外周線ＳＢ２ａとパターン形成領域の外周線ＳＢ２ｂとを点線で示している。外周線ＳＢ１ｂは、外周線ＳＢ１ａの内側に位置している。コントローラ１４０は、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１と下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２との中点ＳＣ１２を貼合基板ＢＳの中心ＳＣ１２と新たに定める。コントローラ１４０は、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１と下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２と距離Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２}を２等分する位置に中心ＳＣ１２を定める。そして、コントローラ１４０は、中心ＳＣ１２を回転中心ＷＣに一致させて切削処理が行われるように制御する。この切削処理により、一点鎖線で示す基板の外周線ＢＳａとパターン形成領域の外周線ＢＳｂとを有する貼合基板ＢＳを、パターン形成領域の面積が大きくなるように形成することができる。

図１３、図１４に示されるように、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１と下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２との中点ＳＣ１２を貼合基板ＢＳの中心ＳＣ１２と定めることで、パターン形成領域の面積が大きくなるように切削処理後の貼合基板ＢＳを形成することができる。

あるいは、図１５に示すように、プリアライメント処理において、計測機構２０による基板の方位を計測し、計測機構５０により上下の基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジ位置の差Δｘを計測してもよい。図１５は、実施形態の第２の変形例における基板の方位と基板のエッジ位置との関係を示す図である。

上下の基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジ位置の差Δｘは、図４（ｂ）に示すように、計測機構５０は、エッジ位置の差Δｘを、基板ＳＢ１の＋ｘ側のエッジ位置と基板ＳＢ２の＋ｘ側のエッジ位置との差として計測可能である。コントローラ４０は、計測機構５０から複数の画素信号を受け、受けた複数の画素信号に応じて、計測光の受光強度の２次元分布を示す受光強度分布データを生成する。コントローラ４０は、受光強度分布データに応じて、貼合基板ＢＳにおける上下の基板ＳＢ１，ＳＢ２のエッジ位置の差Δｘを求めることができる。

また、コントローラ４０は、計測機構２０から複数の画素信号を受け、受けた複数の画素信号に応じて、計測光の受光強度の２次元分布を示す受光強度分布データを生成する。コントローラ４０は、受光強度分布データに応じて、貼合基板ＢＳの方位を求めることができる。

そして、コントローラ４０は、図１５に示すような貼合基板ＢＳの方位に応じたエッジ位置の差Δｘの変化を示す情報を生成する。コントローラ４０は、この情報を数式７に示すような関数の形態で生成してもよい。
Δｘ＝Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２}×ｃｏｓ（γ−γ_０）＋（Ｒ_下−Ｒ_上）・・・数式７

数式７において、Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２}は、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１と下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２との距離を示し、γは、貼合基板ＢＳの方位を示し、γ_０は、下の基板ＳＢ２が上の基板ＳＢ１に対して＋方向に最も突出する時の方位を示す。コントローラ４０は、実測値を数式７に当てはめることで、Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２}、γ_０、Ｒ_下、Ｒ_上をそれぞれ求めてもよい。

また、この方法では、上の基板ＳＢ１の中心ＳＣ１と下の基板ＳＢ２の中心ＳＣ２との距離Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２}が所定の値以上である場合は処理を中断することができる。

このように、実施形態の第２の変形例の方法により、簡易にプリアライメント処理を行うことができる。

あるいは、実施形態において、上下の基板の中心位置の間の距離、および半径が算出される。これにより、上下の基板がずれた形状は一義的に定まる。ここで、この基板をこの装置上で処理するか否かは、前述のように、この基板が偏心した状態で後続の処理をする際の許容範囲を超えているか否かに依存する。そこでこの装置の処理フローにおいて、例えば実施例１の「上下の基板の中心位置の間の距離」について、予め定めておいた許容範囲に対して実測値を比較し、実測値が範囲内であれば処理を行い、もし範囲外であれば処理を中止する、といった判定を行うステップを入れる。これにより、製造歩留りを上げることが可能になる。また、処理を中止した基板については、上下の基板を分離し、再度貼り合わせる、といったリワーク処理を行うことで無駄にならなくすることが可能になる。

この場合、半導体装置の製造方法が、図１６に示すように、以下の点で実施形態と異なる。

Ｓ１〜Ｓ６が行われた後、Ｓ１１では、Ｓ６の結果から、上下の基板ＳＢ１，ＳＢ２の中心ＳＣ１，ＳＣ２を合わせるために下の基板ＳＢ２に与えるべきオフセット量Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２}と、下の基板ＳＢ２にオフセットを与える際の方位ｗ１（ここでは図１０の定義において、１８０°を新たに基準の０°とする）を算出する。具体的には、実施形態で算出されたパラメータと余弦定理とを用いて、オフセット量Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２}が次の数式８示すように算出され、方位ｗ１が数式９に示すように算出される。
Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２}＝√（Ｄ_ｉｓｔ上 ^２＋Ｄ_ｉｓｔ下 ^２−２×Ｄ_ｉｓｔ上×Ｄ_ｉｓｔ下×ｃｏｓ（Ｄｉｒ_上−Ｄｉｒ_下））・・・数式８
ｗ１＝−（−α_下）＋δ・・・数式９

数式９において、ｗ１は、ＳＣ２からＳＣ１をみる時の角度で、ＳＣ２からＷＣをみた時の角度を水平（０°）と考えた時はδである。δは余弦定理を用いて数式１０で定まる値である。実際にはＳＣ２からＷＣをみた時の角度は−（−α_下）であることから、δに−（−α_下）を加えた角度が、求めたい方位ｗ１である。
δ＝cos^-1｛（Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２} ^２＋Ｄ_ｉｓｔ下 ^２−Ｄ_ｉｓｔ上 ^２）/（2×Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２}×Ｄ_ｉｓｔ下）｝・・・数式１０

なお、図１５に示す実施形態の第２の変形例に従えば、Ｄ_{ＳＣ１，ＳＣ２}とγ_０がオフセットとその方位となっており、より直接的に求まる。

Ｓ１２では、Ｓ１１で求めたオフセット量が許容範囲内にあるかが判定される。例として、上下基板の中心を±１００μｍ程度の精度で合わせたい場合は、許容範囲として±１００μｍを採用し、その範囲に収まっている場合（Ｓ１２でＹｅｓ）は基板を処理し（Ｓ１３）、超えている場合（Ｓ１２でＮｏ）は基板の処理をしないことにする。

基板の処理をしない場合は、他に処理すべき基板がなければ（Ｓ１４でＮｏ）、処理を終了する。他の処理すべき基板があれば（Ｓ１４でＹｅｓ）、このオフセット量が生じないよう、Ｓ１におけるパターニング処理にフィードバックをかけるためのパラメータを求める（Ｓ１５）。例えば、オフセット量が２００μｍの場合、上下基板のいずれかに２００μｍのオフセット量を与えるか、上下に等しく１００μｍのオフセット量を与えてパターニング処理を行えば、オフセット量を略ゼロにすることが期待できる。なお、上下基板を貼る際はいずれかを反転させるため、上側もしくは下側基板のいずれかに与えるオフセットの符号を反転させる必要はなく、共通の値を与えればよい。

このように、実施形態の第３の変形例の方法によれば、上下基板の中心が大きくずれている場合は処理を中止することができる。これにより、貼合基板及び貼合デバイスの製造歩留まりをさらに向上できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，１０１ 半導体製造装置、１０ 基板ステージ、２０，３０，５０ 計測機構、４０，１４０ コントローラ、１６０ 切削機構。

Claims (9)

1. 第１の基板及び第２の基板が貼り合わせられ半導体装置の製造に用いられる貼合基板が載置され、回転可能である基板ステージと、
   前記第１の基板のエッジ及び前記第２の基板のエッジを第１の方向から計測する第１の計測機構と、
   前記第１の基板のエッジ及び前記第２の基板のエッジを前記第１の基板の法線に対する角度が前記第１の方向と異なる第２の方向から計測する第２の計測機構と、
   を備えた半導体製造装置。
2. 前記第１の方向は、前記第１の基板の表面の法線に沿った方向であり、
   前記第２の方向は、前記第１の基板の表面に沿った方向である
   請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 前記第１の計測機構の計測結果と前記第２の計測機構の計測結果に応じて、前記第１の基板の中心位置及び前記第２の基板の中心位置を決定するコントローラをさらに備えた
   請求項１又は２に記載の半導体製造装置。
4. 前記第１の基板の外周及び前記第２の基板の外周の少なくとも一方を切削する切削機構をさらに備え、
   前記コントローラは、前記第１の基板の中心位置及び前記第２の基板の中心位置に応じて前記貼合基板の中心位置を決定し、前記貼合基板の中心位置に応じて前記切削機構を制御する
   請求項３に記載の半導体製造装置。
5. 第１の基板及び第２の基板が貼り合わせられ半導体装置の製造に用いられる貼合基板における前記第１の基板のエッジ及び前記第２の基板のエッジを計測することと、
   前記計測の結果に応じて、前記第１の基板の中心位置及び前記第２の基板の中心位置を決定することと、
   を備えた半導体装置の製造方法。
6. 前記計測は、
   前記第１の基板のエッジ及び前記第２の基板のエッジを第１の方向から計測することと、
   前記第１の方向からの計測の結果に応じて、前記第１の基板のエッジ及び前記第２の基板のエッジを前記第１の基板の法線に対する角度が前記第１の方向と異なる第２の方向から計測することと、
   を含む
   請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記第１の方向は、前記第１の基板の表面の法線に沿った方向であり、
   前記第２の方向は、前記第１の基板の表面に沿った方向である
   請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記第１の基板の中心位置及び前記第２の基板の中心位置に応じて、前記第１の基板及び前記第２の基板の間の貼合ずれを求めることと、
   前記貼合ずれが許容範囲に収まっていることに応じて、前記貼合基板の処理が可能であると判定し、前記貼合ずれが前記許容範囲から外れていることに応じて、前記貼合基板の処理が不可であると判定することと、
   をさらに備えた
   請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記第１の基板の中心位置及び前記第２の基板の中心位置に応じて、前記第１の基板及び前記第２の基板の間の貼合ずれを求めることと、
   前記貼合ずれに応じて処理条件を補正し、補正された処理条件で前記貼合基板を処理することと、
   をさらに備えた
   請求項５に記載の半導体装置の製造方法。

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