JP5170621B2 - 揺動体拘束機構および基板貼り合わせ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の基板の基板貼り合わせ装置に関し、特に、貼り合わせ基板同士の平行度の調整に関するものである。

携帯電話、ノートパソコン、ディジタルカメラ等の携帯電子機器の製造にとって、メモリやＭＰＵ等の電子部品を高密度に実装する技術は最重要技術である。このための技術としてフリップチップ実装技術の開発が従来から行われており、最近ではこの技術を利用して半導体チップを積層して更なる高密度電子装置を得るための開発が盛んに行われている。このフリップチップ技術による実装では半導体チップを配線基板に接合する際や半導体チップを半導体チップ上に接合する際に、接合する面同士を平行にすることが重要である。特に大きな基板を貼り合わせる場合、例えば、ウェハレベルでの半導体チップ積層工程、ＭＥＭＳ製造工程、液晶基板の貼り合わせ工程等では貼り合わせ基板同士の平行度調整は重要である。

平行度の調整は基本的には２軸回りの回転調整であり、２軸周りの回転の直接制御（例えば、特許文献１を参照）、基板面内２点での基板間間隔調整、スイベル機構、球面座を用いた倣い機構が一般的に使用されている。これらの機構の中で、球面座を用いた倣い機構が機構的に簡便であり、改良も多く提案されている。球面座を使用した場合、いかなる方向にも傾きの調整が可能であるが、基板間の面内位置あわせ（ウェハの面内座標位置合わせ）を行う場合には面に垂直な軸の回りの回転は抑えた方が良いことが多い。このための技術が、例えば、特許文献２、特許文献３に開示されている。
特許第２７８３２３５号公報 特開２０００−４９１９９号公報 特開２００１−１３５６４８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、貼り合わせ基板の面積よりも大きな面積を有する基板保持機構が必要になり、装置全体の大きさが大きくなってしまう、という問題点を有している。また、特許文献２に開示された技術では、倣い機構を形成する球面座の球心位置が貼り合わせ面上にはないので、貼り合わせる基板が大きくなった場合、貼り合わせ面の傾き誤差が貼り合わせ面の横ずれを引き起こしてしまう。このために、基板間の位置ずれが大きくなってしまうという問題点がある。さらに、特許文献３に開示された技術では、一方向には変形しにくい弾性体により、揺動体を保持する技術が開示されているが、弾性体を変形させると必ず反力が発生し、この反力が倣い動作の障害となるという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、他軸への反力が発生しない揺動体拘束機構、および該揺動体拘束機構を用いた基板貼り合わせ装置を提供することを目的としている。

このような目的達成のため、本発明に係る揺動体拘束機構は、球面座に沿って運動する揺動体の運動を拘束する揺動体拘束機構であって、前記揺動体に形成された円筒面形状の切り込み面と、先端が球面形状であって前記切り込み面に当接する押し部材とを有している。

なお、上述の揺動体拘束機構において、前記押し部材がボールローラであることが好ましい。

また、本発明に係る基板貼り合わせ装置は、上部基板保持部材と、下部基板保持部材と、前記下部基板保持部材を支持する、球面座と球面形状を有する揺動体からなる傾き制御部材と、前記傾き制御部材を基板面と平行な面内で移動させるＸＹステージと、前記傾き制御部材を前記基板面に垂直方向に移動させるＺステージと、貼り合わせ基板同士の位置合わせを行うアライメント部材とを有し、前記傾き制御部材は、前記揺動体に形成された円筒面形状の切り込み面と、先端が球面形状で前記切り込み面に当接する押し部材とからなる揺動体拘束機構を有している。

本願発明では、揺動体の動きを２軸回りの回転に拘束しているため、基板間の傾き角を精度よく調整でき、貼り合わせ基板間の面内位置ずれも生じることもない。これにより、高精度な位置合わせを要求される貼り合わせに対して有効に使用できる。

本願発明に係る揺動体拘束機構の実施形態について、図１および図２を用いて説明する。ここで、図１は本願発明の揺動体拘束機構における揺動体１１３の斜視図であり、図２は図１における破線ＡＡでの揺動体１１３および球面座１１１の断面を示す図である。揺動体１１３は、球面形状の面１１７を有し、この面１１７が球面座１１１の球面上を本来的には自由に揺動出来るようになっている。しかし、本願発明では、この３軸回りの自由度のうち、Ｚ軸回りの回転の自由度を抑えている。この回転拘束のために、揺動体１１３の外面の一部に円筒面形状を有する切り込み面１１９を形成し、この切り込み面１１９に当接する押し部材１１５を配置して揺動体拘束機構を形成している。図１では、円筒面１１９はＹ軸に平行な円筒の表面の一部になっている。押し部材１１５は揺動体１１３の周囲に、向かい合う形で対になって配置されていて、先端部１２１は球面形状になっている。

ここで、この揺動体拘束機構の作用を説明する。押し部材１１５は取りつけ部材１２５を介して球面座１１１に保持されている。この時、押し部材１１５は不図示の機構（例えばバネ）により取りつけ部材１２５から切り込み面１１９に向かって適切な力で押しつけられている。

Ｙ軸回りの回転：揺動体１１３がＹ軸回りに回転しようとすると、切り込み面１１９は円筒の中心軸の回りに回転しようとする。この場合、押し部材１１５の先端部１２１は球面形状になっていて、先端部１２１と円筒面１１９との位置関係に変化が生じることはない。したがって、揺動体１１３と押し部材１１５の間に新たな力関係が生じることなく、自由に回転できる。

Ｘ軸回りの回転：揺動体１１３がＸ軸回りに回転しようとした場合の、回転軸は揺動体１１３の表面近くを通るため、切り込み面１１９と押し部材１１５の先端部１２１との位置関係はほとんど変化せず、従って、切り込み面１１９が押し部材１１５より回転を抑制する力を受けることはない。即ち、Ｘ軸の回りに自由に回転できる。

Ｚ軸回りの回転：揺動体１１３がＺ軸回りに回転しようとした場合の、切り込み面１１９と押し部材１１５の先端部１２１との位置関係を図５により説明する。図５は揺動体１１３がＺ軸回りに回転した時に、円筒面を模した境界５０１，５０３と押し部材を模した球体５２１，５２３の関係がどのようになるかということを見易くしたものである。円筒面５０３がδだけ回転して円筒面５１３になり、円筒面５０１がδだけ回転して円筒面５１１になると、この円筒面に押し当てられた球体５２３は球体５３３の位置に移動しようとし、球体５２１は球体５３１の位置に移動しようとする。しかしながら、球体は円筒面に対してバネ等により押しつけられているため、円筒面に対して回転使用とする方向とは反対方向にトルクを与えることになる。従って、バネを適切に調整することにより、Ｚ軸回りの回転角を所望の角度に制限することが可能になる。

以上、各軸の回りの回転について記した。まとめてみると、本願発明の揺動体拘束機構は、揺動体をＸ、Ｙ軸回りには自由に回転させるが、Ｚ軸回りの回転には拘束力を加える機能を有していることが判る。この機能により、揺動体上に保持された基板等の傾きを容易に調整することができる。

図３には、揺動体拘束機構の他の例を示した。図１と異なっている点は、押し部材が先端に球面形状を有する棒ではなく、ボールを有するボールローラ３１１を使用していることである。ボールローラ３１１では、ボールの位置が完全に固定されているため、Ｚ軸回りの回転に対して大きな逆方向トルクを発生させることができる。ボールローラ３１１は例えば、ミスミ社の型番ＢＣＳＢ、ＢＣＨＬなどのボールローラを用いることができる。

次に、本願発明の基板貼り合わせ装置を図４を用いて説明する。基板貼り合わせ装置は、上部基板保持部４０５、下部基板保持部４０６、２視野顕微鏡４１７、ＸＹステージ４０９、ティルトステージ（傾き制御部材）４０７、Ｚステージ４４１より構成されている。ここで図６を用いて、ティルトステージ４０７の構造と動作を説明する。まず、主たる部材は、球面座１１１に倣って運動する揺動体１１３、円筒面形状の切り込み面１１９、切り込み面１１９に当接する押し部材１１５、押し部材１１５を切り込み面１１９に当接させるバネ６１９、押し部材１１５及びバネ６１９を保持する取りつけ部材１２３，１２５、角度調整を行う調整端子６０１、バランスバネ６２５である。

次に、このティルトステージ４０７の動作を記す。揺動体１１３と、切り込み面１１９、押し部材１１５の作用は、図１および図２を用いて既に行った説明と同じであるので、ここでは省略する。本実施例のティルトステージ４０７は揺動体１１３の上面に静電吸着板６５１を有し、貼り合わせる基板（ウェハ）を静電吸着して保持することができる。吸着された基板の傾き制御を次に説明する。一方の取りつけ部材１２３上には、調整端子６０１を支持する支持部材６１７と、揺動体の対極位置の取りつけ部材１２５上にはバネ６２５を支持するバネ支持部材６１５が配置されている。揺動体１１３の軸回りの角度を調整する時には、調整端子６０１をネジ、又は電歪素子により上下させる。調整端子６０１が下に下がると揺動体１１３は右向きの回転を起こす。一方、揺動体１１３の対極にはバネ６２５があって、揺動体１１３を常に左回転させる力を与えている。このため、揺動体１１３は調整端子６０１とバネ６２５からほぼ釣り合った力を受けながら微小角度であっても安定して回転する。この調整端子６０１とバネ６２５の組み合わせは、球面座上に９０度回転した位置に他の１組が取りつけられている。このため、Ｘ軸回りの回転も同様に高精度に制御できることになる。

図４に戻って、ウェハの搬送を基にして、本願発明の基板貼り合わせ装置とその他の関連装置の説明を行う。ＣＭＰ（化学的機械的研磨法）等により表面の平坦化処理、貼り合わせ面の汚れ、異物、酸化層が除去されて清浄活性化処理が完了したウェハは不図示の搬送装置により開かれたゲートバルブ４２３を通って搬送台４２７上にセットされる。ウェハ受け渡しの際には搬送台４２７に設けられたリフトピン４２５を介して受け渡される。ウェハが搬送台４２７にセットされると、ゲートバルブ４２３が閉じられ、真空装置４３１が稼働を始めてチャンバ内を真空雰囲気にする。所定の真空度に達するとゲートバルブ４２１が開かれ、ウェハ４０１は搬送装置４３５により搬送台４２７から下部基板保持部４０６に搬送される。（このウェハを４０３と記す）。次に同様な操作を経て、接合されるべき電極を有する他方のウェハ４０１が上部基板保持部４０５に保持される。上下の保持板にはウェハを静電的に吸着する静電吸着機構が設けられている。接合すべき電極を有するウェハがそれぞれ保持板に保持されると、近接したウェハ４０１，４０３間に２視野顕微鏡４１７を挿入してウェハ間の位置合わせ情報を得る。位置あわせ情報が得られると、ＸＹステージ４０９、ティルトステージ（傾き制御部材）４０７を駆動させてウェハ上の電極間の位置合わせを行う。

位置合わせが完了すると、重ね合わせ装置を動作させる。重ね合わせ装置は、上部下部の基板保持部４０５，４０６、上部固定梁４１５、基盤４１３上のＺステージ（高さ方向）４４１である。位置あわせ情報により、Ｚステージ４４１が動作し、２枚のウェハは重ね合わされる。重ね合わせ時には仮固定用の樹脂が塗布されていて、次工程である加圧工程まで搬送可能になされている。このアライメント装置・重ね合わせ装置が置かれる雰囲気は電極表面の再酸化を防止するために真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気である。従って、このチャンバには真空装置４３３が取りつけられていたり、不図示の不活性ガス供給路と制御バルブが取りつけられている。

この実施例のように、本願発明の揺動体拘束機構を有するティルトステージ（傾き制御部材）を基板貼り合わせ装置に使用することにより、従来の面に平行な軸の周りに回転させた際にその回転による干渉で面に垂直な軸周りの回転が生じてしまい、位置合わせの精度が低下してしまう問題点が解消され、高精度で位置合わせが可能な基板貼り合わせ装置が得られる。

半導体装置の高密度実装化及び高速動作化は半導体装置にとって今後とも続く大きな流れであり、その実現のために必要となる本願発明は、従って今後の半導体装置の製造に利用されることは必至である。

本願発明の揺動体に掲載された円筒面形状の切り込み面を示す斜視図である。 本願発明の揺動体及び揺動体拘束機構の断面を示す図である。 揺動体とボールローラを示す図である。 本願発明の基板貼り合わせ装置の構成を示す図である。 本願発明の揺動体拘束機構の回転拘束動作を示す図である。 本願発明の傾き制御部材の実施例を示す図である。

符号の説明

１１１ 球面座 １１３ 揺動体
１１５ 押し部材 １１９ 切り込み面
３１１ ボールローラ
４０５ 上部基板保持部 ４０６ 下部基板保持部
４０７ ティルトステージ（傾き制御部材）
４０９ ＸＹステージ ４４１ Ｚステージ

Claims (3)

1. 球面座に沿って運動する揺動体の運動を拘束する揺動体拘束機構であって、
   前記揺動体に形成された円筒面形状の切り込み面と、
   先端が球面形状であって前記切り込み面に当接する押し部材とを有することを特徴とする揺動体拘束機構。
2. 前記押し部材がボールローラであることを特徴とする請求項１に記載の揺動体拘束機構。
3. 基板貼り合わせ装置であって、
   上部基板保持部材と、
   下部基板保持部材と、
   前記下部基板保持部材を支持する、球面座と球面形状を有する揺動体からなる傾き制御部材と、
   前記傾き制御部材を基板面と平行な面内で移動させるＸＹステージと、
   前記傾き制御部材を前記基板面に垂直方向に移動させるＺステージと、
   貼り合わせ基板同士の位置合わせを行うアライメント部材とを有し、
   前記傾き制御部材は、前記揺動体に形成された円筒面形状の切り込み面と、先端が球面形状で前記切り込み面に当接する押し部材とからなる揺動体拘束機構を有することを特徴とする基板貼り合わせ装置。

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