JP5018004B2 - 顕微鏡、マーク検出方法、ウェハ接合装置、および、積層３次元半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は積層型半導体装置の製造装置に関するもので、特には積層基板間の高精度なアライメントを行うための、ＡＦ機構を有する顕微鏡に関するものである。

近年携帯型の電子機器、例えば携帯電話やノートパソコン、携帯型オーディオ機器、デジタルカメラの進歩が著しい。これに伴って、用いられる半導体装置に対してもチップ自体の性能向上に加え、チップの実装技術においても改良が求められ、特に、チップ実装面積の低減と半導体装置の高速駆動化の観点からの実装技術の改良が求められている。

チップ実装面積の低減のために、チップを積層することにより実装面積を増加させずに実装チップ量を増加させ、実効的な実装面積の低減をはかることが行われている。例えば、特開２００１−２５７３０７、２００２−０５０７３５号、特開２０００−３４９２２８にはこのような技術が開示されている。第１のものは、チップとチップやチップと実装基板をワイヤによって接続するワイヤボンド方式によるものである。第２のものは、チップの裏面に設けられたマイクロバンプを介して、チップとチップやチップと実装基板を接続するフリップチップ方式によるものである。第３のものは、ワイヤボンド方式、フリップチップ方式の双方を用いて、チップとチップやチップと実装基板を接続するものである。

半導体装置の高速駆動化のためには、チップの厚さを薄くし、貫通電極を用いることにより実現する方法が有力である。例えば、厚さをミクロン単位にして実装する例が特開２０００−２０８７０２に示されている。

ワイヤボンド方式は半導体ベアチップの周囲にワイヤを張る。このため半導体ベアチップ自体の占有面積以上の大きな占有面積を必要とし、またワイヤは１本づつ張るので時間がかかる。これに対して、フリップチップ方式では半導体ベアチップの裏面に形成されたマイクロバンプにより接続するため、接続のための面積を特には必要とすることがなく、半導体ベアチップの実装に必要な面積は半導体ベアチップ自体の占有面積にほぼ等しく出来る。また接続面が接続に必要な全てのバンプを有するように出来るため、配線基板との接続は一括して行える。従ってフリップチップ方式は半導体ベアチップの実装に必要な占有面積を極小化して高密度実装化し、電子機器の小型化を図ると共に工期短縮ためには最も適する方法となっている。

このようなチップと実装基板、及びチップとチップ間の接続方法の改良に加え、製造コスト面を低減する手段として、半導体チップが形成されたウェハを個々のチップに分離する前に再配線層や接続バンプの形成、場合によっては樹脂による封止が行われている。このウェハレベルでの処理が有効である半導体装置は、製造の歩留まりが高く、ピン数が少ない半導体装置であり、特にメモリーの生産に利点が多い。（NIKKEI MICRODEVICE 2000年2月号,56頁 及び NIKKEI ELECTRONICS 2003.9.1 P.127）。

一方、このように半導体装置をウェハレベルで製造するための製造装置の開発も鋭意なされている。例えば、貼り合わせるべきウェハの位置あわせを行って接合するための装置が文献により紹介されている。（P.Lindner等：2002 Electronic Component and Technology Conference P.1439）。他に、特開平９−１４８２０７号にも同様な技術が開示されている。

ところで、上記の様にウェハレベルでのウェハ積層・電極接合により積層型３次元半導体チップ（半導体装置）を製造する場合、貼り合わせるべきウェハ間の位置合わせが重要になり、貼り合わせるウェハ上のアライメントマークを高精度に、迅速に検出することが求められている。このようなマーク検出方法として従来提案されているものには以下のような方法がある。

特許文献１：近接して対向させられたウェハ間に２視野認識手段を挿入し、認識手段を光軸方向に移動させた時のマーク像のぼけ具合よりマークの合焦を判断する。（実際にはこれによりマークまでの距離を算出している）
特許文献２：基板上の第１マークを赤外線カメラの基準位置に合わせ、次いで素子を対向させ、基板と素子面の間隔を測定して素子面が赤外線カメラの焦点深度内に入るように調整して素子上の第２マークと第１マークを鮮明に観察する。

特許文献３：バンプ接合面の観察の際に、素子の非接合面の高さをレーザ変位計により測定し、素子の厚さだけ高さを調整した面に赤外線カメラの物面を合わせる。

また、半導体装置製造におけるリソグラフィ工程においては、顕微鏡を用いたマーク検出に関連する機能としてオートフォーカス（ＡＦ）機能が用いられている。この機能はアライメントマークの鮮明な像（ピントの合った像、又は焦点が合った像と呼ばれている）を迅速に得るための機能である。

この機能は具体的には、検出対象マークの顕微鏡光学系における位置（フォーカス状態）を検出し、その位置情報（フォーカス情報）を基にして、検出対象マークの形成面を正確に顕微鏡の物面に合わせるか、または顕微鏡の物体面をマーク形成面に合わせ、対象マークを鮮明に観察することを可能にする機能である。この機構の実現のために組み込まれる光学系をＡＦ光学系という。ＡＦ機能に関しては、単に観察対象物の光軸上の位置を検出するだけの機能をＡＦ機能と称することもあり、本願発明ではこの広い意味での機能を意味する。このＡＦ機構は、例えば、マスク上のパターンをウェハ面に投影する投影光学系の物面とウェハ面とを合わせる操作に用いられている。

ＡＦ機構に組み込まれる光学系には２つの方式がある。
第１のものは、アクティブ方式と呼ばれているものである。この方式の光学系は、顕微鏡の観察光学系に対する観察対象面（マーク形成面）の位置を測定するために、顕微鏡の観察光学系及び光源の他に、観察対象面に対して光束を照射する光学系又はスリット（指標）を投影するための光学系及び光源と、観察対象面より反射された反射光束又はスリット像を検出するための光学系及び光センサを有している。そして、観察対象面での光束の反射点の座標や反射した反射光束の進行ベクトルの始点と方向、またはスリット像の共役な位置座標の検出を行っている。即ち、観察対象面の位置が観察光学系の光軸上で変化すると、反射光束の状態が変化する、又はスリット像と観察対象面との位置関係が変化してスリット像を検出する光学系での再結像位置が変化することを利用している。（例えば、特開平６−１３２８２号公報、特開２００２−４０３２２号公報参照）。このアクティブ方式のひとつに三角測量法がある。

第２のものは、パッシブ方式と呼ばれている。この方式では、観察対象面に形成されたマークを直接観察光学系により観察する。この時、マークとＡＦ光学系を相対的に移動させてマーク像の特性、特に像のぼけの程度（空間周波数特性、コントラスト）をＡＦ光学系での位置の関数として測定し、その測定値が予め決めた値をとるマーク位置を求めるものである。ぼけ特性を測定する場合にはぼけが最も少ない像位置を検出する。一般的には像の空間周波数特性において最も高い空間周波数を有する像位置や像のコントラストが最も高くなる像位置を検出する。（例えば、特許文献１，特開平５−２１３１８号公報、特開２００３−２１８１３７号公報参照）。

さらに、光学系を使用せずに観察面の位置（マーク面の位置）を測定する方法としては、静電容量センサを使用する方法が知られている。（例えば、特開２００１−３３２５９５号公報参照）
特開２００１−３０８５９７号公報 特開２０００−２４３７６２号公報 特許第３３９５７２１号公報

半導体装置が形成された２体の基板を貼り合わせる場合、基板間のアライメントが重要であり、そのための方法が色々と提案されていることを上記のように記した。本願発明者は特許文献１〜３に記されたマーク検出法を検討した結果、以下のような問題点があることが判った。特許文献１に記された方法は、貼り合わせる基板間に２視野観察装置を挿入してそれぞれの基板に形成されたマークをそれぞれ観察するものであり、マーク間の相対的な位置関係を測定できるという点では優れた方法である。しかし、２視野観察装置には大きさ（厚さ）があり、近接して保持する２体の基板間隔の下限に制限が生じる。このため、２つのマークの相対的な位置関係を測定した後で２視野観察装置を取りはずして基板を重ね合わせると、基板の移動によりマークの相対的な位置関係が変化し、所定の精度で貼り合わせることが出来なかった。貼り合わせの位置精度を向上させるために２視野観察装置の厚さを薄くすることが考えられるが、観察像の歪みが大きくなり、マークの位置誤差が大きくなってしまう。次に、特許文献２に記された方法は、第１の基板にピントを合わせておき、この第１の基板と第２の基板との間隔を測定し、この間隔が所定の値（焦点深度内の値）になるように調整することにより２つのマークを同時に鮮明に観察するものである。この方法は、観察装置（光学系）の開口数が小さく、焦点深度が大きい場合には有効であるが、マークを高倍率で観察する場合には２つのマークを同時に検出することが出来なかった。さらに、第１の基板を観察光学系に対して合焦位置に配置する際に、予め定められた位置に配置しているが、この時も観察光学系の焦点深度が小さい（高い開口数を有する観察光学系の場合）と第１の基板上のマークでさえ観察することが困難になる。さらに、特許文献３に記された方法は、チップの表面高さとチップの厚さよりチップ裏面の高さ（顕微鏡の光軸上での位置）を求め、この情報に基づいてチップの裏面に形成されたマークを一度の画像取り込みにより観察するものである。この方法は、観察精度がそれほど高くない場合には有効であるが、高精度なマーク観察精度が求められる場合には一度の調整だけでは高精度なマーク検出に必要な鮮明なマーク像は得られなかった。また、レーザ変位計と赤外線顕微鏡とが別体になっているので、レーザ変位計と赤外顕微鏡の間隔を常に校正しておく必要がある。

このように従来の方法ではマークを高精度に検出できないために、貼り合わせる基板間の位置合わせに誤差が生じ、結果として貼り合わせ型３次元積層半導体装置をウェハレベルで製造することが困難になっていた。

本願発明は上記の様な問題を解決するためになされたもので、ウェハ裏面に形成されたアライメントマークの位置を迅速に、高精度に検出することを目的としている。本願発明の他の目的は、貼り合わせ型３次元半導体装置を高い歩留まりによりウェハレベルで製造するためのアライメント装置及び該半導体装置の製造方法を提供することである。

上記課題を解決する、本願発明の手段は、
オートフォーカス機能を有する顕微鏡であって、
対物レンズを共有する、アクティブ方式ＡＦ光学系及びパッシブ方式ＡＦ光学系と、
フォーカス状態の情報を出力する制御部と、
を有し、
該パッシブ方式ＡＦ光学系の光源に赤外線光源を用いた顕微鏡である。

本願発明のように、対物レンズを共有するアクティブ方式ＡＦ光学系とパッシブ方式ＡＦ光学系とを顕微鏡が有していれば、ウェハの表面（貼り合わせる面の反対面）の高さの測定をアクティブ方式ＡＦ光学系により行い、次いでウェハの厚さを考慮してパッシブ方式ＡＦ光学系を用いてピント合わせを行ってアライメントを行うことが可能になり、かつ２つのＡＦ系間に位置的なオフセット量が無いので、マーク（貼り合わせ面上）の位置検出精度が向上する。

さらに、この顕微鏡を用いたアライメント方法により積層型３次元半導体装置を製造する際の、重ね合わせウェハ間の位置あわせを行えば、容易にウェハの位置の測定及び高さの測定が高精度に、容易になされ、製造歩留まりの低下が防止される。

上述のように、ウェハの裏面に形成されたマークを対物レンズが共有されたアクティブ方式光学系とパッシブ方式ＡＦ光学系と備える顕微鏡を用いてマークを検出することにより、マークの３次元座標値を高精度に、簡単に測定することが可能になる。また、検出装置の装置構成としても、光学系の主要部分が１つになるので製作費用の点からも有効な検出装置となる。

図１〜図５を参照して本願発明の顕微鏡及びマーク検出方法の実施形態を説明する。
顕微鏡１０は観察光学系１００として、光源１１６、対物レンズ１１２（複数枚のレンズからなるレンズ系であり、落射照明系を構成している）、接眼系１９０（複数のレンズからなるレンズ系を含む）を主たる構成部材とし、ピントを合わせるためのアクティブ方式ＡＦ光学系とパッシブ方式ＡＦ光学系を有している。図中、符号１１０はアクティブ方式ＡＦ光学系の照明系及び検出系、符号１２０はパッシブ方式ＡＦ光学系の検出系である。

アクティブ方式ＡＦ光学系は照明系、対物レンズ１１２、検出系が主たる構成部材であり、照明系は光源１２１、スリット１２２、コンデンサ−レンズ１２４、光束制限マスク１３０を有し、検出系は結像レンズ１２６，第１の２次元センサ１２８を有している。ここでこれらの構成要素の働きを記す。（尚、説明を本質的な部分に限るために、ビームスプリッタに使用される偏光光学素子、ダイクロイック光学素子等の記載は省略されている。）

光源１２１から出た光束によりスリット１２２が照明され、スリット１２２より出た光束１５２は光束制限マスク１３０により光軸の片側の光束１５４のみが通過可能となり、さらにビームスプリッタ１６２を通過する。パッシブ方式ＡＦ光学系に関しては後述するが、パッシブ方式ＡＦ光学系にはビームスプリッタ１４２が配置されていて、アクティブ方式ＡＦ光学系の光軸をパッシブ方式ＡＦ光学系の光軸と合致するように折り曲げる役割を果たしている。ビームスプリッタ１６２を通過した光束１５４はビームスプリッタ１４２により反射され、対物レンズ１１２により集光され、スリット１２２の像が形成される。スリット１２２の像はコンデンサ−レンズ１２４及び対物レンズ１１２により形成されるが、形成される位置が顕微鏡の物面（より正確には観察光学系の物面であり、観察対象物のピントが合う面）になるようにスリット１２２の位置が調整されている。

図１では丁度観察対象物であるウェハのウェハ面１０１上にスリット像が結像された場合であり、顕微鏡の観察光学系１００で観察するとウェハ面１０１にピントの合った状態になっている。光束１５４はウェハ面１０１で反射し、光軸に対して入射時の光路と対称的な側の光路をとる。反射光１５５はビームスプリッタ１４２により反射され、さらにビームスプリッタ１６２により反射され、結像レンズ１２６により第１の２次元検出器１２８に集光する。図１ではウェハ面１０１上にスリット像が形成され、その像と共役な像が２次元検出器１２８上に形成された状態を示しているが、図２を用いてウェハ面１０１とスリット像の位置関係（ピント合わせ状態、合焦の程度）を説明する。

図２（ａ）はスリットの像Ｐがウェハ面上に形成された場合を示している（図１の場合と同じである）。この場合、反射光１５５は像点Ｐから出たような光路を進む。ただし、光束制限マスクにより光束が光軸の片側に制限されているので、入射した光束が通過する領域と反射した光束が通過する領域が重なることはない。図２（ｂ）はスリット像Ｐがウェハ面１０１よりも手前（光学系側）に形成された場合を示したもので、反射光束１５５はウェハの内部の虚像Ｐ’より出たような光路を進む。図２（ｃ）はスリット像Ｐがウェハ面１０１より後ろ（光学系より遠ざかる側）に形成された場合を示したもので、反射光束１５５はウェハ面１０１の手前の虚像Ｐ’より出たような光路を進む。そして、これらのような場合、検出系では出力にどのような差が出るのか、を示したのが図３である。

図３はアクティブ方式ＡＦ光学系でのスリット像の位置検出系の原理図であり、結像レンズ１２６と第１の２次元センサ１２８、及びスリット像の再結像に係わる光線が示されている。結像レンズ１２６とセンサ１２８の位置関係は、図２（ａ）のようにウェハ面１０１上にスリット像が形成された時に結像レンズ１２６を介した共役な像Ｆaが第１の検出器１２８上に形成されるようになされている。ところが、図２（ｂ）のように反射光束１５５が、ウェハ面１０１よりも遠くに形成された虚像Ｐ’より出たと見なされる場合、その虚像Ｐ’と共役な像は図３中のＦｂ点に形成される。逆に、図２（ｃ）のようにウェハ面１０１よりも近くに虚像Ｐ’が形成された場合、その虚像Ｐ’と共役な像は図３中のＦｃ点に形成される。

ところで前述のように、これらＦａ、Ｆｂ、Ｆｃに像を形成する光束は光束制限マスク１３０により光軸の片側のみを通過するようになされている。従って、Ｆａに像が形成される場合には第１の検出器１２８では結像レンズ１２７の光軸部に出力を有するようになるが、Ｆｂに結像される場合には第１の検出器１２８上の領域３０４に出力がなされ、逆にＦｃに像が形成される場合には第１の検出器１２８上の領域３０２に出力がなされる。従って、この出力領域とＰ‘と共役な像の位置の関係を予め計測して校正しておくと第１の検出器１２８からの出力を基に制御部１８２（図１）によって共役な像の位置が求められ、さらにウェハ面１０１とスリット像Ｐの位置関係（フォーカス状態）が定められ、出力される。

ウェハ面１０１とスリット像の位置関係は上記のように予め検出器１２８の出力を校正したものを用いる方法以外に、ウェハ面１０１を対物レンズ１１２の光軸上で走査してフォーカス状態に関する情報宇を得、第１の検出器１２８の出力が結像レンズ１２６の光軸相当部から出力される位置にウェハ面を配置する方法を採ることもできる。

次に、パッシブ方式ＡＦ光学系の説明を行う。パッシブ方式ＡＦ光学系の主要部材は、図１を参照して、対物レンズ１１２，ＡＦ接眼レンズ１１４、照明系１１６，合焦検出用ビームスプリッタ１４９，第２の２次元センサ１２９である。照明系１１６はビームスプリッタ１４７を介して対物レンズ１１２につながっている。先にも記したように、パッシブ方式ＡＦ方式ではウェハ面上に形成されたマークの像の特性（例えば空間周波数特性等の像のぼけ量）を光軸上の数点で測定して行うものである。本実施例では合焦検出用ビームスプリッタ１４７を用いて測定を行っている。以下にその説明を行う。観察光学系の接眼系１９０に形成される像のピントが正しく合った時に、ビームスプリッタ１４９により分割された２つの光束が第２の２次元センサ１２９上で同じ特性（例えば、像のぼけ）を有するように、ビームスプリッタ１４９及び第２の２次元センサ１２９の位置関係が調整されている。

例としては、点像の広がりが同じであるように、又は像のコントラストが同じ値を有するように調整しておく。（特許文献３参照）。 図５（ａ）はこのような状態を示すものである。このように調整された検出系において、像の位置Ｉが図５（ｂ）のように合焦位置よりも遠くに（即ち、ビームスプリッタ１４９から離れる側に）形成された場合を考えてみる。第２の２次元センサ１２９の２つの出力値は互いに異なる値になり、観察光学系１００の像のピントが正しくないことを示すようになる。例えば、図５（ｂ）で像Ｉを形成する光束が像Ｉ’を形成する光束よりもぼけが大きくなり、像Ｉを形成する光束がセンサ上でより大きなぼけを示すようになる。従って、この２つの像のぼけ出力と、対物レンズの観察物面とマーク像のずれを校正しておくと、一度の観察によりマークと対物レンズの観察物面の位置関係が測定できることになる。

パッシブ方式ＡＦの他の方式としては、マークを顕微鏡の光軸上で移動させながら、検出器１２９により検出されたマーク像のぼけ観察、例えば、フーリエ変換により空間周波数分布を検出してマーク像のフォーカス状態に関する情報を取得し、最も高次項迄含む像位置を検出する方法である。この方法を採用すると原理的にはビームスプリッタ１９４は不要である。

尚、光源であるが、パッシブ方式光学系の光源１１６にはウェハを通してマークの観察が出来るように赤外線を発する光源を用いる。また、この赤外光源は顕微鏡の光源を兼ねているが、顕微鏡に他の波長領域の光を用いる場合にはその光を発する光源を別途用意し、図１の光源１１６のようにビームスプリッタを介して組み込めば良い。

以上でアクティブ方式及びパッシブ方式光学系の構成要素とその動作が理解されたと思われるが、ここで、これらのアクティブ方式ＡＦ光学系とパッシブ方式ＡＦ光学系を備えた本願発明の顕微鏡を用いたマーク検出方法について説明を行う。

まず、アクティブ方式ＡＦ光学系により、ウェハ面とスリット像の位置関係が測定される、即ち記述のようにマーク形成面の反対面の位置が測定される。図４によりウェハ面１０１（マーク形成面の裏面）とスリット像の位置関係（フォーカス状態）が測定された後のマーク検出の手順を示す。図４（ａ）のように厚さｔを有するウェハのウェハ面１０１に対してスリット像Ｐが距離ｄだけ離れた位置に形成されたとする。ウェハの反対面に形成されたマーク４１２をパッシブ方式ＡＦ光学系によって更に精度良くピント合わせを行うために、制御部１８２より出力されたフォーカス状態に関する情報に従って不図示のステージ機構によりウェハがｔ＋ｄだけ、顕微鏡に対して相対的に移動させられ（図中、破線で示された状態）、マーク４１２がパッシブ方式ＡＦ光学系の動作範囲に入るようになされる。そして、この状態でパッシブ方式ＡＦ光学系を動作させてマークをよりピントが合った状態で観察する。このパッシブ方式ＡＦによりさらに鮮明なマーク像が得られ、所定の位置精度でのマーク位置の測定が可能になる。この場合、相対移動量ｔ＋ｄが小さいとそのままパッシブ方式ＡＦ光学系の動作範囲に入ることもある。さらに、図４（ａ）ではアクティブ方式ＡＦ光学系の観察物面（検出器面と共役な面）とパッシブ方式ＡＦ光学系の観察物面が同じ面になるように設計されているが、パッシブ方式ＡＦ光学系の観察物面とアクティブ方式ＡＦ光学系の観察物面を同一面にしなくても良い。

図４（ｂ）のように、パッシブ方式ＡＦ光学系の観察物面４６３の位置をウェハの厚さｔ分だけ光路長として遠ざけるようにずらせて構成すると（顕微鏡でウェハのマーク形成面にピントが合っている時のパッシブ方式ＡＦ光学系の結像光線４２０が図４（ｂ）中の破線により示されている）、ウェハ面１０１がアクティブ方式ＡＦ光学系の観察物面４６１に一致した時にはウェハを移動させる必要が無くなる。また、一致しなくてもピント合わせのためにウェハを移動させる量は少なくなる。この測定値を用いてウェハを移動させることにより迅速で高精度なマーク検出が可能になる。

次に、本願発明の顕微鏡を用いた３次元半導体製造の製造方法を説明する。図６を参照する。図６は本願発明を適用する、積層型３次元半導体装置の製造方法をフローチャートに示したもので、製造方法はＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５の工程からなっている。各工程を簡単に説明する。

Ｓ１：複数の半導体装置が形成されたウェハを所定の枚数準備するウェハ準備工程／
図７（ａ）を参照する。通常の半導体露光装置を用いてマスク上の回路パターンをレジストが塗布されたウェハ上に縮小投影し、レジストを現像した後にエッチングや不純物の熱拡散処理を行って回路素子５１３が形成されたウェハ５１１を得る。

Ｓ２：積層するウェハ間の位置関係を測定する、アライメント工程／
図７（ｂ）に示されたように、ホルダ２１０にウェハ２１１を保持する。ウェハ２１１にはアライメントマーク２２２、ホルダ２１０には基準マーク２３１が複数個形成されている。図８は２つのウェハ（一方のウェハはウェハが既に積層されたウェハ積層体である）間の位置合わせを行う方法を示すものである。

図８（ａ）のように、第１ウェハ２１１上のアライメントマーク２２２と第１ホルダ２１０上の基準マーク２３１に対して顕微鏡２３０を相対的に移動させて個々のマークを観察し、基準マーク２３１に対するアライメントマーク２２２の位置関係を把握する。基準マーク及びアライメントマークはそれぞれ複数個（例えば基準マーク２個、アライメントマーク１０個）であるため、ホルダ２１０に対するウェハ２１１の位置が確定されることになる。次にウェハ積層体（以後、第２ウェハとも記す）２１３と第２ホルダ２１２間の位置関係を調べる。

図８（ｂ）のように、第２ウェハ２１３のアライメントマーク２２４と第２ホルダ２１２上の基準マーク２３３に対して顕微鏡２３０を相対的に移動させて個々のマークを観察し、基準マーク２３３に対するアライメントマーク２２４の位置関係を把握する。基準マーク及びアライメントマークはそれぞれ複数個（例えば基準マーク２個、アライメントマーク１０個）であるため、ホルダ２１２に対する第２ウェハ２１３の位置が確定されることになる。ここで、第２ウェハ２１３のアライメントマークの検出方法を更に詳細に説明する。貼り合わされた第２ウェハ２１３は図９のように、最外ウェハ８０１のアライメントマーク４１２が貼り合わせ面上に形成されている状態でウェハホルダ２１２に保持されている。また、ウェハ上の電極は互いに接合されている。符号８９０はこの状態を示すものである。アライメントマーク４１２のシャープな像（ピントが合った像）を得るために合焦操作（ＡＦ機構を働かせる）を行う場合、次のような問題点がある。赤外光を利用したアクティブ方式ＡＦ光学系を用いてウェハを通したアライメントマーク２２４の検出を行うと、第２ウェハは積層体であるため、アライメントマークが多段に形成されており、動作範囲の広いアクティブ方式光学系では目的のマークを観察しているのか、どうかが不明である。記すまでもないが、可視光を用いたアクティブ方式光学系ではウェハを透過する観察は不可能である。逆に、パッシブ方式光学系を用いてピントを合わせると動作範囲が狭くなり、ＡＦ機能が正しく動作しない場合がある。そこで、本願発明の顕微鏡を用いる。

まず図９（ａ）のように、本願発明の顕微鏡のアクティブ方式ＡＦ光学系１１０により最外ウェハの外面８０３の位置合わせを行う。次いで、図９（ｂ）のようにＡＦ機能としての動作範囲は狭いが、位置検出精度が高いパッシブ方式ＡＦ光学系１２０によりアライメントマーク４１２の検出を行う。このためにウェハ８０１の厚さ分を考慮してウェハ積層体の高さ（光軸上の位置）を調整してアライメントマーク４１２がパッシブ方式のＡＦ光学系１２０の動作範囲に入るようにする。これによりウェハの貼り合わせ面に形成されたマークが好ましいピント状態で観察され、所定の精度を保ってその位置が把握される。

図８に戻って、積層型半導体装置の製造方法の説明を続ける。図８（ｃ）を参照する、上記のようにホルダ２１０に対して位置関係が定まったウェハ２１１と、同じくホルダ２１２に対して位置関係が定まった第２ウェハ２１３を対面させて近接保持し、顕微鏡２３０によりホルダ上の基準マーク２３１と２３３の位置関係を観察する。観察により２つの基準マークの位置関係が定まると、２つのウェハ間の位置関係が定まることになる。２つのウェハ間の位置関係が所定の関係になっていない場合には、不図示の位置決め装置により一方のウェハの位置が調整されて所定の位置関係になるように調整する。尚、符号９１０はマーク観察の為にホルダに設けられた窓である。

Ｓ３：位置関係が測定されたウェハを重ね合わせる、ウェハ重ね合わせ工程／
近接された２つのウェハの位置合わせが完了すると、不図示のウェハ上下移動機構により２つのウェハは図７（ｃ）の様に重ね合わされる。接触後、重ね合わされた位置関係を維持するためにホルダどうしを機械的に（例えばクランプ機構）仮固定、または接合力の弱い接着材により仮固定することが行われる（不図示）。仮固定されたホルダ及びウェハ積層体５６１は不図示のロボットアームにより、次の工程に搬送される。

Ｓ４：重ね合わされたウェハ上の接続電極どうしを接合する、電極接合工程／
図７（ｄ）を参照する。位置あわせされ、仮固定されたウェハ積層体５６１は加圧・加熱装置装着される。上部加圧子５５１と下部加圧子５５３とウェハ積層体５６１との平行度調整を行い、調整が完了すると２つの加圧子５５１，５５３によりウェハ積層体５６１が加圧される。同時に定められたシークエンスに従って、ホルダに内蔵されたヒータ５４１，５４３による加熱が行われる。所定の圧力を所定の時間加えることによりウェハ上の電極（金属バンプとパッド、金属バンプと金属バンプ）が接合される。この時、場合によっては、ウェハ間に樹脂を封入して加熱することもある。
このアライメント工程、ウェハ重ね合わせ工程、電極接合工程は積層すべきウェハの数だけの回数分繰り返す。場合によっては、積層接合後に、積層されたウェハを研削、研磨又はエッチングにより薄層化する工程や積層されたウェハ間に封止樹脂を封入することもある。

Ｓ５：所定の枚数積層されたウェハから個々の半導体装置を分離する、ダイシング工程
ウェハレベルで積層接合されたウェハをダイシングラインに従って切断し、チップとして分離する。例えば、図７（ｅ）の破線に従って切断する。切断は通常、ダイシングブレードを用いて切断するダイシングソー方式、レーザ光線によりウェハ表面を溶融させて割る方式、ダイヤモンドカッタにより切断ラインを引いて割る方法が採られている。しかしながら、ウェハ積層体をチップに分離する方式としてはダイシングソー方式が好ましい。

以上の説明により、本願発明の顕微鏡、マーク検出方法及び積層型半導体装置の製造方法が理解されたと思われる。

半導体装置の高密度化、高速駆動化は産業上必至の要請であり、そのための本願発明の利用は、従って、産業上必至である。

本願発明の顕微鏡の全体像を示す図である。 スリット像とウェハ面との位置関係と反射光束の関係を示す。 アクティブ方式ＡＦ光学系でのセンサへの入射光束と像のぼけの関係を示す図である。 アクティブ方式ＡＦ動作後の操作を示す図である。 パッシブ方式ＡＦでの、像のぼけと検出器出力との関係を示す図である。 本願発明の顕微鏡を適用する積層型半導体装置の製造工程を示す。 本願発明の積層型半導体装置の製造方法の図示である。 ウェハ積層時のアライメント工程を示す。 積層されたウェハのアライメントマークの検出方法を示す。

符号の説明

１００ ・・・ 観察光学系
１０１ ・・・ ウェハ面 １１２ ・・・ 対物レンズ
１１４ ・・・ ＡＦ接眼レンズ
１１６ ・・・ 照明系 １２１ ・・・ 光源
１２２ ・・・ スリット
１２４ ・・・ コンデンサ−レンズ
１２６ ・・・ 結像レンズ１２６， １２８ ・・・ 第１の２次元センサ
１２９ ・・・ 第２の２次元センサ
１３０ ・・・ 光束制限マスク
１６２，１４２ ・・・ ビームスプリッタ
１４９ ・・・ 合焦検出用ビームスプリッタ
１８２ ・・・ 制御部 １９０ ・・・ 接眼系１９０
２１０，２１２ ・・・ ウェハホルダ
２１３ ・・・ ウェハ積層体
２２２，２２４ ・・・ アライメントマーク
２３０ ・・・ 顕微鏡
２３１，２３３ ・・・ 基準マーク
４１２ ・・・ アライメントマーク

Claims (4)

1. オートフォーカス機能を有する顕微鏡であって、
   対物レンズを共有する、アクティブ方式ＡＦ光学系及びパッシブ方式ＡＦ光学系と、
   前記アクティブ方式ＡＦ光学系でのウェハの表面のフォーカス状態の情報を出力するとともに、前記パッシブ方式ＡＦ光学系での前記ウェハの裏面に形成されたマークのフォーカス状態の情報を出力する制御部と、
   を有し、
   該パッシブ方式ＡＦ光学系の光源が赤外線光源であり、
   前記パッシブ方式ＡＦ光学系の観察物面の位置が、前記アクティブ方式ＡＦの観察物面の位置よりも前記ウェハの厚さ分だけ光路長として遠ざけられて配される顕微鏡。
2. ウェハ面に形成されたアライメントマークを裏面より検出するマーク検出方法であって、
   請求項１に記載された顕微鏡を用いてアライメントマークを検出することを特徴とするマーク検出方法。
3. 一対のホルダのそれぞれに保持された二つのウェハを観察する顕微鏡と、
   前記顕微鏡の観察に基づいて前記二つのウェハの位置を決める位置決め装置と、
   前記位置決め装置により位置決めされた前記二つのウェハを重ね合わせるウェハ上下移動機構と、
   重ねあわされた前記二つのウェハを加圧する加圧装置と
   を備え、
   前記顕微鏡は、
   対物レンズを共有する、アクティブ方式ＡＦ光学系、及び、赤外線光源を有するパッシブ方式ＡＦ光学系と、
   前記アクティブ方式ＡＦ光学系での前記二つのウェハの一方の表面のフォーカス状態の情報を出力するとともに、前記パッシブ方式ＡＦ光学系での前記二つのウェハの前記一方の裏面に形成されたマークのフォーカス状態の情報を出力する制御部とを有し、
   前記パッシブ方式ＡＦ光学系の観察物面の位置が、前記アクティブ方式ＡＦの観察物面の位置よりも前記二つのウェハの前記一方の厚さ分だけ光路長として遠ざけられて配されるウェハ接合装置。
4. 複数の半導体装置が形成されたウェハを積層して３次元半導体装置を製造する方法であって、
   複数の半導体装置が形成されたウェハを所定の枚数だけ準備する、ウェハ準備工程、
   積層するウェハ間の位置関係を測定する、アライメント工程、
   位置関係が測定されたウェハを重ね合わせる、ウェハ重ね合わせ工程、
   重ね合わされたウェハ上の接続電極どうしを接合する、電極接合工程、
   所定の枚数積層されたウェハから個々の半導体装置を分離する、ダイシング工程
   を有し、
   前記アライメント工程において、対物レンズを共有する、アクティブ方式ＡＦ光学系及びパッシブ方式ＡＦ光学系を有する顕微鏡を用いて、前記アクティブ方式ＡＦ光学系でのウェハの表面のフォーカス状態の情報を出力するとともに、前記パッシブ方式ＡＦ光学系での前記ウェハの裏面に形成されたマークのフォーカス状態の情報を観察し、
   前記パッシブ方式ＡＦ光学系の観察物面の位置が、前記アクティブ方式ＡＦの観察物面の位置よりも前記ウェハの厚さ分だけ光路長として遠ざけられて配される積層３次元半導体装置の製造方法。

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