JP5061515B2 - ウェハ接合装置及びウェハ接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のウェハを重ね合わせて接合するウェハ接合装置及びウェハ接合方法に関する。特に、複数のウェハ中心部から接合を開始するウェハ接合装置及びウェハ接合方法に関する。

半導体集積回路を使用するノートパソコンや携帯電話などは、近年、ますます高度の機能を備えるようになっている。この結果、半導体集積回路の高密度化、高機能化の要求が高まっている。

半導体集積回路の高密度化、高機能化のための一つの方法は、ウェハを積層することである。ウェハの積層を行うには、たとえば、一方のウェハの表面に接着層として機能するレジストをスピンコートしたものを、他方のウェハと接触させ加圧することによって接合する。

このため、加圧などを行いながらウェハの接合を行う装置が開発されている（たとえば、特許文献１）。

しかし、空気中で上記のような接合を行うと、ウェハとレジストとの間に気泡が生成されてしまうという問題点があった。

また、ウェハの全面にわたり、一様に高い接合度でウェハを接合するのは容易ではなかった。

特開2005-302858号公報

したがって、ウェハを空気中で接合する場合でも、ウェハとレジストとの間に気泡を生成させず、しかも、ウェハの全面にわたり、一様に高い接合度でウェハを接合することのできる、ウェハ接合装置に対するニーズがある。

本発明の第１の態様によるウェハ接合装置は、上部ユニットと下部ユニットの間に、接合される複数のウェハを配置し、上部ユニットと下部ユニットの間で加圧ユニットによって加圧を行いながらウェハの接合を行うウェハ接合装置であって、上部ユニットと下部ユニットのそれぞれは、ウェハを吸着する吸着面を有する吸着板を備え、上部ユニットと下部ユニットの少なくとも一方は、ウェハを吸着したまま前記吸着面のプロファイルを変形することができるように構成され、ウェハを吸着したまま吸着面のプロファイルを変形することができるように構成されたユニットは、内部圧力を調整できる中空部を含み、当該中空部の内部圧力を調整することにより前記吸着板が変形することを特徴とする。

本発明のウェハ接合装置によれば、ウェハを吸着したまま、上部ユニットと下部ユニットの少なくとも一方の吸着面のプロファイルを変形しながら、ウェハの接合を行うことができる。したがって、ウェハとレジストとの間に気泡を生成させず、しかも、ウェハの全面にわたり、一様に高い接合度でウェハを接合するようにウェハの接合を行うことができる。

また、当該中空部の内部圧力を調整することにより、容易に上部ユニットまたは下部ユニットの吸着面のプロファイルを変形することができる。

本発明の他の実施形態によれば、ウェハ吸着板に複数のウェハ吸着孔を設け、容器内において吸着板の吸着孔に対応する位置にダクトを設け、ダクト内の圧力を低下させることにより、ウェハを吸着するように構成したことを特徴とする。

したがって、ダクト内の圧力を低下させることによって、空気中においては、確実にウェハをウェハ吸着板に吸着させることができる。
本発明の第２の態様によるウェハ接合法は、本発明のいずれかの実施形態によるウェハ接合装置を使用してウェハを接合する方法であって、ウェハを吸着したまま吸着面のプロファイルを変形することができるように構成されたユニットのプロファイルをウェハの中心部が凸になるように変形して、ウェハ同士の中心部を接触させて上部ユニットと下部ユニットとの間で加圧し、加圧しながら、ウェハの中心部から周縁部に接触面積を拡大し、ウェハ全体が接触した後にさらに所定時間加圧する、ウェハを接合する方法である。
本発明の第３の態様によるウェハ接合法は、本発明のいずれかの実施形態によるウェハ接合装置を使用してウェハを接合する方法であって、前記加圧ユニットによる加圧時に、吸着面のプロファイルを変形することができるように構成された前記ユニットに保持されたウェハの中心部が他のウェハに接触するように、前記中空部の内部圧力を第１の値まで上昇させることによって前記ユニットの吸着面のプロファイルを変形させ、その後、前記ユニットに保持されたウェハの全体が前記他のウェハに接触するように前記中空部の内部圧力を変化させるウェハ接合方法である。

本発明によれば、ウェハを空気中で接合する場合でも、ウェハとレジストとの間に気泡を生成させず、しかも、ウェハの全面にわたり、一様に高い接合度でウェハを接合することのできる、ウェハ接合装置が得られる。

図１は、本発明の一実施形態による、ウェハ接合装置全体の構成を示す図である。

ウェハ接合装置は、それぞれ、表面にウェハＷを保持する上部ユニット２００と下部ユニット１００とを備える。上部ユニット２００および下部ユニット１００は、真空吸着孔または静電チャックなどにより、ウェハＷを保持する。

下部ユニット１００は、テーブル３０１に固定され、テーブル３０１は、ウェハ接合装置のフレーム３０５に固定されている。

上部ユニット２００は、テーブル３０２に固定され、テーブル３０２は、駆動装置３０３に固定され、駆動装置３０３は、フレーム３０５に固定されている。駆動装置３０３は、加圧ユニットとして機能し、たとえば、空気圧によって駆動されるシリンダであってもよい。駆動装置３０３によって、テーブル３０２および上部ユニット２００が下降し、上部ユニット２００と下部ユニット１００との間で二つのウェハＷが加圧される。一方のウェハの表面に接合用のレジストをスピンコートなどによって塗布しておき、加圧することによって二つのウェハＷを接合することができる。

テーブル３０２に、駆動装置３０３の速度を制御するように、オイルを封入したショックアブゾーバ３０２１を設けてもよい。ショックアブゾーバ３０２１の機能については、後で説明する。

図２は、下部ユニット１００の構成を示す図である。

下部ユニット１００は、下部ユニットのベース１１３と固定用リング１１１とを含む。下部ユニットのベース１１３と固定用リング１１１との間に吸着板１０１を固定する。下部ユニットのベース１１３と固定用リング１１１とは、ボルトによって固定してもよい。下部ユニットのベース１１３は、中空部１１５を有する。吸着板１０１は、一例として塩化ビニル樹脂からなり、直径は３９９ミリメータ、厚さは１０ミリメータである。一例として、吸着板１０１の、中心から１９０ミリメータより外側の部分が、下部ユニットのベース１１３と固定用リング１１１との間で固定されるようにしてもよい。

吸着板１０１の周縁部には、吸着孔１０１１が設けられている。吸着孔１０１１は、吸着板１０１の中心を中心とする２個の同心円上に配置してもよい。図２の平面図において、上記２個の同心円を点線で示す。２個の同心円の半径は、一例として１３６ミリメータおよび１４０ミリメータである。吸着孔１０１１の直径は、一例として、０．８ミリメータであり、数は、３６０個である。

吸着板１０１の中空部１１５側の面の、吸着孔１０１１に対応する位置には、ダクト１０３が設けられている。ダクト１０３は、配管１０７によってマニホールド１０５に接続されている。マニホールド１０５は、図示しない配管によって図示しない真空ポンプに接続されている。真空ポンプによって、ダクト１０３内の真空度を上げることにより、吸着板１０１の周縁部に設けた吸着孔１０１１によってウェハＷを吸着板に吸着することができる。

吸着板１０１の、外面の周縁部において、吸着板１０１の中心を中心とする同心円上に溝１０１３を設けてもよい。一例として、溝の幅は１０ミリメータ、深さは６ミリメータである。溝の位置が、下部ユニットのベース１１３と固定用リング１１１との間で吸着板１０１を固定する位置の近傍となるように、一例として、溝の幅方向中央の同心円の半径は、１７５ミリメータである。この溝１０１３によって、吸着板１０１の中心が後に説明するように変位した場合であっても、吸着板１０１の周縁部の集中荷重が避けられる。

下部ユニットのベース１１３の中空部１１５には、配管１０９が接続され、中空部１１５内の圧力を制御できるように構成されている。中空部１１５内の圧力は、図示しない電空レギュレータによって制御するようにしてもよい。

図３は、中空部１１５内の圧力の変化に対する、吸着板１０１の変位を示す図である。吸着板１０１は、塩化ビニル樹脂からなり、厚さは１０ミリメータである。横軸は、吸着板１０１の中心からの距離を表わす。縦軸は、吸着板１０１の、鉛直方向の変位を表わす。具体的に、中空部１１５内の圧力を、１０、２０、３０、４０および５０キロ・パスカルとした場合の、吸着板１０１の変位を示している。たとえば、中空部１１５内の圧力が、３０キロ・パスカルの場合には、吸着板１０１の中心部は、１．２５ミリ・メータ変位（上昇）する。

一般的に樹脂からなる吸着板の厚さは、５ミリメータから２０ミリメータであるのが好ましい。この厚さであれば、中空部１１５内の圧力を制御した場合の変位量が適切である。また、接合されるウェハの面には、約５マイクロメータの凹凸が存在するが、上記範囲の厚さの吸着板は、この凹凸を吸収することができる。

上記実施形態においては、吸着板１０１が吸着孔１０１１を備えて、ウェハを吸着する構成について説明した。他に、吸着板は、静電チャックを備えたセラミックプレートであってもよい。一例として、吸着板は、２ミリメータの厚さのセラミック板と３ミリメータの厚さのセラミック板から構成し、２ミリメータの厚さのセラミック板の裏面にＣＶＤなどの手法で、正極と負極の二つの金属パターンを形成して静電チャックとしてもよい。正極と負極との間に約６００ボルトの電圧をかける。上記の厚さであれば、中空部１１５内の圧力を制御した場合の変位量が適切である。また、接合されるウェハの面には、約５マイクロメータの凹凸が存在するが、上記範囲の厚さの吸着板は、この凹凸を吸収することができる。

さらに、静電チャックを備えたセラミックプレートにヒータを設けてもよい。この場合には、吸着板１０１は、ウェハを把持し、加熱し、また、ウェハを把持したまま変形するバルーンとして機能する。

上記実施形態においては、下部ユニット１００のみが変形する実施形態について説明した。他の実施形態として、上部ユニット２００にも、下部ユニット１００の吸着板１０１と同様の吸着板を設け、吸着板が同様に変形できるように構成してもよい。

表１は、本発明の一実施形態によるウェハ接合装置の操業条件を示す表である。駆動装置３０３は、空気圧駆動のシリンダであり、電空レギュレータ１（不図示）によって圧力が制御される。下部ユニット１００の中空部１１５の圧力は、電空レギュレータ２（不図示）によって制御される。

段階１において、電空レギュレータ２により、下部ユニット１００の中空部１１５の出力圧力を３０．７３５キロ・パスカルとする。下部ユニット１００の中空部１１５の実圧力は、２７キロ・パスカルとなり、中空部１１５は、拡張を開始する。段階１においては、空気圧駆動のシリンダには圧力をかけず、シリンダは上昇位置にある。したがって、上部ユニット２００に保持されたウェハと吸着板１０１に保持されたウェハとは接触していない。段階１は、５０秒間継続される。

段階２において、空気圧駆動のシリンダの出力圧力を１０００キロ・パスカルとする。この結果、空気圧駆動のシリンダは下降を開始する。シリンダの下降速度は、エアバルブによって制限されているので、ウェハ同士が接触するまで２０秒を要する。この間、中空部１１５は、拡張する。その後、上部ユニット２００に保持されたウェハと吸着板１０１に保持されたウェハとが接触する。下部ユニット１００の中空部１１５の出力圧力は３０．７５キロ・パスカルに維持する。下部ユニット１００の中空部１１５の実圧力は、２７キロ・パスカルのままである。段階２は、２５秒間継続される。

シリンダを下降させてウェハ同士を接触させる際に、オイルを封入したショックアブゾーバ３０２１を、下部ユニット１００の固定用リング１１１に接触させてシリンダの速度を制御するようにしてもよい。

段階３において、空気圧駆動のシリンダの出力圧力は、１０００キロ・パスカルに維持する。また、下部ユニット１００の中空部１１５の出力圧力は３０．７５キロ・パスカルに維持する。後に説明するように、吸着板１０１に保持されたウェハと上部ユニット２００に保持されたウェハとの接触状態が変化し、下部ユニット１００の中空部１１５の実圧力は２９キロ・パスカルに増加する。段階３は、２５秒間継続される。

段階４において、下部ユニット１００の中空部１１５の出力圧力を０とする。また、空気圧駆動のシリンダの出力圧力は、２５０キロ・パスカルまで減少させる。空気圧駆動のシリンダの出力圧力を減少させるのは、下部ユニット１００の中空部１１５の出力圧力を下げたときに、シリンダの出力圧力が高いまま維持されると、ウェハの周縁部のみを押しつけてしまうからである。

図４は、加圧下における、吸着板１０１と上部ユニット２００の状態を示す図である。図４（Ａ）は、加圧初期の状態を示し、図４（Ｂ）は、加圧終期の状態を示す。

図４（Ａ）に示すように、加圧初期においては、吸着板１０１の中心部のウェハが上部ユニット２００のウェハと接触する。加圧初期は、段階２に対応する。

図４（Ｂ）に示すように、加圧終期においては、吸着板１０１のウェハ全体が上部ユニット２００のウェハと接触する。加圧終期は、段階３に対応する。

ウェハ全体が接触した状態において、ウェハ周縁部（外周部）の圧力は、上部ユニット２００と下部ユニット１００との間の距離を微調整することにより調整することができる。すなわち、エンドストローク調整でウェハ周縁部の圧力を制御することができる。このことは、ウェハの中心部と周縁部とにおいて、独立の圧力制御を行うことができることを意味する。

上部ユニット２００にも変形可能な吸着板を設けた実施形態においては、初期段階で、
両方の吸着板を変位させて、上記の実施形態と同様にウェハの中心部から接合を開始し、徐々に周縁部まで接合領域を拡げて行く。

このように、本発明の一実施形態によるウェハ接合装置によれば、ウェハの中心部から接合を開始し、徐々に周縁部まで接合領域を拡げて行くことができる。このように接合を行うことにより、大気雰囲気で接合を行っても、接合されるウェハの間に空気が入るこむことはない。また、ウェハの中心部から周縁部にしごくように接合を行うので、ウェハの接合性が向上する。さらに、このような接合方法を行うためにウェハの保持部材（吸着板１０１）を変形させても、ウェハを確実に保持することができる。

図５は、上部ユニット２００に保持されたウェハと吸着板１０１に保持されたウェハとのアライメントの方法を説明するための図である。上部ユニット２００に保持されたウェハ（上ウェハと呼称する）と吸着板１０１に保持されたウェハ（下ウェハと呼称する）とは、大まかにアライメントされているものとする。上部ユニット２００とテーブル３０２には、赤外線顕微鏡４０１用の２個の開口部２００１を設けている。図５においては、１個の開口部２００１のみを図示する。ここで、本アライメント方法を使用する場合には、上部ユニット２００のウェハ吸着チャックは、ガラスまたは赤外線が透過する材質を使用する。また、下部ユニット１００は、Ｘ−Ｙおよび回転ステージに設置し、Ｘ方向、Ｙ方向および回転方向の位置調整ができるように構成する。

２個の開口部２００１に赤外線顕微鏡４０１を入れて、上ウェハに焦点を合わせ、上ウェハの基準マークＦＭを確認し位置を記録する。

つぎに、下ウェハに焦点を合わせ、下ウェハの基準マークＦＭを確認し位置を記録する。

記録した上ウェハの基準マークＦＭ位置と下ウェハの基準マークＦＭ位置とに基づいて、両方の位置を一致させるようにＸ−Ｙおよび回転ステージを調整する。以上の方法により、絶対値で１マイクロメータ程度の精度でアライメントを行うことができる。

本発明の一実施形態によれば、ウェハの中心部から接合を開始し、徐々に周縁部まで接合領域を拡げて行くことができるので、大気雰囲気で接合を行っても、接合されるウェハの間に空気が入るこむことはない。また、ウェハの中心部から周縁部にしごくように接合を行うので、ウェハの接合性が向上する。さらに、このような接合方法を行うためにウェハの保持部材を変形させても、ウェハを確実に保持することができる。

本発明の一実施形態による、ウェハ接合装置全体の構成を示す図である。 下部ユニットの構成を示す図である。 中空部内の圧力の変化に対する、吸着板の変位を示す図である。 加圧下における、吸着板と上部ユニットの状態を示す図である。 上部ユニットに保持されたウェハと吸着板に保持されたウェハとのアライメントの方法を説明するための図である。

符号の説明

１０１…下部ユニット、１０１…吸着板、１０３…ダクト、１０５…マニホールド、２００…上部ユニット

Claims (9)

1. 上部ユニットと下部ユニットの間に、接合される複数のウェハを配置し、上部ユニットと下部ユニットの間で加圧ユニットによって加圧を行いながらウェハの接合を行うウェハ接合装置であって、上部ユニットと下部ユニットのそれぞれは、ウェハを吸着する吸着面を有する吸着板を備え、上部ユニットと下部ユニットの少なくとも一方は、ウェハを吸着したまま前記吸着面のプロファイルを変形することができるように構成され、
   ウェハを吸着したまま吸着面のプロファイルを変形することができるように構成されたユニットは、内部圧力を調整できる中空部を含み、当該中空部の内部圧力を調整することにより前記吸着板が変形することを特徴とするウェハ接合装置。
2. ウェハ吸着板に複数のウェハ吸着孔を設け、前記中空部内において吸着板の吸着孔に対応する位置にダクトを設け、ダクト内の圧力を低下させることにより、ウェハを吸着するように構成したことを特徴とする請求項１に記載のウェハ接合装置。
3. 複数の吸着孔およびダクトを、吸着板の周縁部に沿って設けたことを特徴とする請求項２に記載のウェハ接合装置。
4. 前記ダクトの複数箇所に複数の配管を接続し、当該複数の配管を、マニホールドを介して真空ポンプに接続し、当該真空ポンプによって前記ダクト内の圧力を低下させることを特徴とする請求項２または３に記載のウェハ接合装置。
5. ウェハの位置測定用の顕微鏡を備えた請求項１から４のいずれかに記載のウェハ接合装置。
6. ユニットを設置する位置調整用のステージを備え、前記顕微鏡によるウェハの位置の測定結果に基づいて、前記ステージの位置を調整するように構成された請求項５に記載のウェハ接合装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載されたウェハ接合装置を使用してウェハを接合する方法であって、ウェハを吸着したまま吸着面のプロファイルを変形することができるように構成されたユニットのプロファイルをウェハの中心部が凸になるように変形して、ウェハ同士の中心部を接触させて上部ユニットと下部ユニットとの間で加圧し、加圧しながら、ウェハの中心部から周縁部に接触面積を拡大し、ウェハ全体が接触した後にさらに所定時間加圧する、ウェハを接合する方法。
8. 請求項１から６のいずれかに記載されたウェハ接合装置を使用してウェハを接合する方法であって、
   前記加圧ユニットによる加圧時に、吸着面のプロファイルを変形することができるように構成された前記ユニットに保持されたウェハの中心部が他のウェハに接触するように、前記中空部の内部圧力を第１の値まで上昇させることによって前記ユニットの吸着面のプロファイルを変形させ、
   その後、前記ユニットに保持されたウェハの全体が前記他のウェハに接触するように前記中空部の内部圧力を変化させるウェハ接合方法。
9. 前記中空部の内部圧力を前記第１の値とした状態で、前記加圧ユニットの圧力を第１の加圧値として前記上部ユニットに吸着したウェハと前記下部ユニットに吸着したウェハを接触させ、
   前記第１の加圧値で加圧を行いながら、前記中空部の内部圧力を前記第１の値よりも高い第２の値で所定時間保持し、
   前記中空部の圧力をゼロとするとともに、前記加圧ユニットの圧力を前記第１の加圧値よりも低い第２の加圧値とする、請求項８に記載のウェハ接合方法。

Images