JP5359009B2 - 半導体基板の貼り合わせ装置 - Google Patents

Description

本発明は、一の半導体基板を他の半導体基板に貼り合わせる半導体基板の貼り合わせ装置に関する。特に、少なくとも一方の半導体基板を保持する基板保持テーブルの傾斜が調整される半導体基板の貼り合わせ装置に関する。

半導体基板などの基板同士の貼り合わせにおいて、半導体基板の貼り合わせ装置が用いられる。この半導体基板の貼り合わせ装置は、２つの基板保持テーブルを備え、少なくとも一方の基板保持テーブルの傾斜はステージ装置によって調整される。このステージ装置は、一般的に、水平面内におけるＸＹ方向の位置決めを行うＸＹステージ上に搭載され、ＸＹステージによりＸＹ方向について半導体基板の位置決めがなされた後、回動（θ）方向及び鉛直（Ｚ）方向の位置決めを行うと共に、傾斜の調整を行うものである。

ここで、半導体基板同士を貼り合わせる際には、貼り合わせ不良や破損を防ぐため、半導体基板の高い平行度が要求される。従来、このような半導体基板同士の平行度を出す技術として、例えば、特許文献１に開示されたものがある（なお、この特許文献１に開示の技術は、半導体基板同士の貼り合わせに関するものではなく、半導体チップとＴＡＢテープとのボンディングに関するものである）。この装置は、基板保持テーブル（プレート１６）の下面に球面状の軸受部を設け、その軸受部を介して基板保持テーブルを傾動（回動）できるものであって、基板保持テーブルの下面の２点（Ｘ軸及びＹ軸周りに相当する点）に微小な半球面状のボールを設け、そのボールにカム機構を当接させると共に基板保持テーブルの側面にスプリングを張架して鉛直下方向に基板保持テーブルを付勢させた状態で、カム機構を鉛直方向にモータ等で駆動させて基板保持テーブルの傾斜調整を行うものである。このような傾斜調整により、基板保持テーブル（チップ搭載ステージ２０）をボンディングツールの下面の平行度に倣い合わせている。
特開平９−６４０９４号公報

しかしながら、上記した装置では、傾斜調整の際の基板保持テーブルの回動方向とカム機構等による駆動力を作用させる方向とが異なっている。このため、基板保持テーブルの下面に設けられた半球面状のボールと、そのボールに当接されるカム機構との間でズレが発生してしまい、基板保持テーブルに所望の駆動力が伝達されずに基板保持テーブルの傾斜調整を精度良く行えないことがあった。このため、両半導体基板の平行度を十分に高くすることができずに過度な力が作用して半導体基板を破損させたり、貼り合わせ不良が生じたりするおそれがあった。

本発明は、上記した事情に鑑みて為されたものであり、一の半導体基板に対する他の半導体基板の平行度を高くして両半導体基板を貼り合わせることが可能な半導体基板の貼り合わせ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体基板の貼り合わせ装置は、第１の半導体基板と第２の半導体基板とを互いに貼り合わせるための半導体基板の貼り合わせ装置であって、第１の半導体基板を保持する保持面を有する第１の基板保持テーブルと、第２の半導体基板を第１の半導体基板に対向するように保持し、第１の半導体基板と第２の半導体基板とを互いに貼り合わせるべく第１の基板保持テーブルに対して相対的に移動可能な第２の基板保持テーブルと、第１の基板保持テーブルの保持面に沿って伸びる一の軸の周りに第１の基板保持テーブルを回動させるための第１アクチュエータとを備え、第１アクチュエータから第１の基板保持テーブルに与えられる駆動力の作用方向は、駆動力により第１の基板保持テーブルが回動させられる際に駆動力の作用点が描く弧の接線方向にほぼ沿うことを特徴としている。

この半導体基板の貼り合わせ装置では、第１アクチュエータから第１の基板保持テーブルに与えられる駆動力の作用方向は、駆動力により第１の基板保持テーブルが回動させられる際に駆動力の作用点が描く弧の接線方向にほぼ沿うようにしている。このため、第１の半導体基板を保持する第１の基板保持テーブルの回動方向とその第１の基板保持テーブルを移動させる第１アクチュエータの駆動力の作用方向とが同じ方向となり、第１の基板保持テーブルを移動させる駆動力の作用点のズレをなくし、高精度な傾斜調整を行うことができる。なお、本半導体基板の貼り合わせ装置では、第１アクチュエータが駆動開始する初期位置状態又は駆動状態の少なくともいずれか一方の状態において、駆動力の作用方向が接線方向にほぼ沿うようになっており、この「接線方向にほぼ沿う」とは、接線方向に対して±１度の範囲内で沿うことを意味する。

本発明に係る半導体基板の貼り合わせ装置において、第１アクチュエータは伸縮変形可能であり、第１アクチュエータの伸縮変形により駆動力が第１の基板保持テーブルに作用し、第１アクチュエータの伸縮範囲内に、駆動力の作用方向が接線方向に沿う伸縮位置が存在することが好ましい。これにより、第１の半導体基板を保持する第１の基板保持テーブルの回動方向とその第１の基板保持テーブルを移動させる第１アクチュエータの駆動力の作用方向とを容易に同じ方向とすることができる。

本発明に係る半導体基板の貼り合わせ装置において、第１の基板保持テーブルは、保持面と反対側に位置する裏面に球面状の軸受部を有することが好ましい。これにより、第１の基板保持テーブルの回動を容易に行わせることができる。また、この軸受部が非接触の流体軸受からなることが更に好ましく、非接触の流体軸受により、第１の基板保持テーブルの回動における摩擦の発生を低減でき、第１アクチュエータの駆動力による第１の基板保持テーブルの回動に対して不要な力が加わることを防止して、精密な回動を行うことができる。

本発明に係る半導体基板の貼り合わせ装置は、第１の基板保持テーブルの保持面に沿って伸び且つ保持面上で一の軸に交差する他の軸の周りに第１の基板保持テーブルを回動させるための第２アクチュエータを更に備え、この第２アクチュエータから第１の基板保持テーブルに与えられる駆動力の作用方向は、駆動力により第１の基板保持テーブルが回動させられる際に駆動力の作用点が描く弧の接線方向にほぼ沿うことが好ましい。このようにすれば、第１の半導体基板を保持する第１の基板保持テーブルの回動方向とその第１の基板保持テーブルを移動させる第１及び第２アクチュエータの駆動力の作用方向とが同じ方向となり、第１の基板保持テーブルを移動させる駆動力のそれぞれの作用点のズレをなくし、一の軸及び一の軸に交差する他の軸周りに、より高精度な傾斜調整を行うことができる。なお、本半導体基板の貼り合わせ装置では、第２アクチュエータが駆動開始する初期位置状態又は駆動状態の少なくともいずれか一方の状態において、駆動力の作用方向が接線方向にほぼ沿うようになっており、この「接線方向にほぼ沿う」とは、接線方向に対して±１度の範囲内で沿うことを意味する。

本発明に係る半導体基板の貼り合わせ装置において、第２アクチュエータは伸縮変形可能であり、第２アクチュエータの伸縮変形により駆動力が第１の基板保持テーブルに作用し、第２アクチュエータの伸縮範囲内に、駆動力の作用方向が接線方向に沿う伸縮位置が存在することが好ましい。これにより、第１の半導体基板を保持する第１の基板保持テーブルの回動方向とその第１の基板保持テーブルを移動させる第２アクチュエータの駆動力の作用方向とを容易に同じ方向とすることができる。

本発明に係る半導体基板の貼り合わせ装置において、第１の基板保持テーブルは、第１アクチュエータに連係される第１作動部と、第２アクチュエータに連係される第２作動部とを有し、第１作動部は、保持面に沿って伸び且つ一の軸に直交する線分上に配置され、第２作動部は、保持面に沿って伸び且つ他の軸に直交する線分上に配置されていることが好ましい。このようにすれば、第１アクチュエータの駆動力を第１作動部へ直接作用させて第１の基板保持テーブルの一の軸周りの傾斜調整を行えると共に、第２アクチュエータの駆動力を第２作動部へ直接作用させて第１の基板テーブルの他の軸周りの傾斜調整を行えるので、従来のカム機構に比べて簡易な構成で傾斜調整を行うことができる。

本発明に係る半導体基板の貼り合わせ装置において、一の軸及び他の軸が互いに直交することが好ましい。これにより、第１の基板保持テーブルの一の軸及び他の軸周りの回動を更に正確に行うことができる。

本発明に係る半導体基板の貼り合わせ装置は、一の軸と他の軸との交点を通り保持面に対して垂直に延出した軸線の周りに第１の基板保持テーブルを回動させるθ駆動手段を更に備えたことが好ましい。このようにすれば、θ駆動手段が第１の基板保持テーブルを直接回動させるので、被駆動体が軽量となり回動運動の応答性が高くなる。

本発明に係る半導体基板の貼り合わせ装置において、第１アクチュエータ、第２アクチュエータ、及びθ駆動手段は、気体の供給及び排出によって駆動するベローズアクチュエータであることが好ましい。このようにすれば、熱や磁性による影響を受けやすい半導体基板に対して、電動アクチュエータからなるモータなどを用いる場合と比べて、熱や磁性の影響を与えることなく傾斜調整を行うことができる。更に、流体圧の変化に基づいて傾斜調整を行うので、微小な傾斜の調整を行うことができる。

本発明に係る半導体基板の貼り合わせ装置は、保持面に垂直な方向へ第１の基板保持テーブルを移動させるＺ駆動手段を備え、このＺ駆動手段はキネマティックカップリングによって第１の基板保持テーブルに連係していることが好ましい。このような連係方法によれば、Ｚ駆動手段で発生した鉛直方向以外の力やモーメントが第１の基板保持テーブルへ及ぶことを防止でき、鉛直方向の力のみを第１の基板保持テーブルに伝達できるので、高精度な傾斜調整を行うことができる。

本発明に係る半導体基板の貼り合わせ装置において、Ｚ駆動手段はエアベアリングシリンダであることが好ましい。駆動方向へのガイドとなるエアベアリングを有するシリンダからＺ駆動手段が構成されるので、鉛直方向以外の力が加わった場合の影響を軽減して鉛直方向へぶれのない移動をさせることができ、高精度な傾斜調整を行うことができる。また、軸受部としてエアベアリングを利用しているので鉛直方向への移動の際に発生する摩擦を軽減でき、高精度な移動制御が可能となる。

本発明によれば、一の半導体基板に対する他の半導体基板の平行度を高くして両半導体基板を貼り合わせることが可能な半導体基板の貼り合わせ装置を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る半導体基板の貼り合わせ装置１の構成を模式的に示す概略図である。図１に示すように、半導体基板の貼り合わせ装置１は、除振器１２、定盤１４、ボディー１６、上部ステージ２０、下部ステージ３０、及び制御装置９０を備えている。

除振器１２は、半導体基板の貼り合わせ装置１へ伝わる振動を取り除く。この除振器１２の上に、定盤１４が設けられている。ボディー１６は、側壁部と上壁部とを有し、定盤１４上で密閉空間を形成する。

上部ステージ２０は、ボディー１６の上壁部の内面に搭載されている。上部ステージ２０は、ＸＹθステージ２２とウェハテーブル（第２の基板保持テーブル）２４とを有している。ウェハテーブル２４は、貼り合わせの対象である半導体基板（第２の半導体基板）Ｗｕを、静電吸着や真空吸着により保持する。ＸＹθステージ２２は、水平面内でウェハテーブル２４に保持された半導体基板ＷｕのＸＹθ方向の位置決めを行う。各半導体基板Ｗｄ，Ｗｕは、図示の例では、それぞれ従来よく知られたウェハで構成されている。

下部ステージ３０は、定盤１４上に搭載されている。下部ステージ３０は、ＸＹステージ３２とステージ装置３４とを有している。ステージ装置３４は、ウェハテーブル（第１の基板保持テーブル）３６、チルトテーブル（第１の基板保持テーブル）３８、支持テーブル４５、第１アクチュエータ４６、第２アクチュエータ４８、θ駆動機構（θ駆動手段）５０、及びＺ駆動機構（Ｚ駆動手段）５２を備えている。

このステージ装置３４は、第１アクチュエータ４６、第２アクチュエータ４８、及びθ駆動機構５０の駆動でチルトテーブル３８を移動させることによって、載置面３６ａ（すなわち、載置面３８ａ上に搭載されたウェハテーブル３６に保持される半導体基板Ｗｄ）の傾斜角度調整及び回動角度調整が行われる。また、キネマティックカップリングによって支持テーブル４５の下面に連係されたＺ駆動機構５２によって、高さ位置（鉛直方向）の調整が行われる。なお、図３及び図４に示すように、水平面内で互いに９０度をなすようにＸ軸（他の軸）及びＹ軸（一の軸）を設定し、鉛直方向にＺ軸を定めて３次元直交座標系を設定し、以下必要な場合にＸＹＺ座標系を用いて説明する。

ウェハテーブル３６は、図１及び図２に示すように、貼り合わせの対象である半導体基板Ｗｄをその上面（保持面）で保持する。このウェハテーブル３６は、静電力によりウェハを吸着する静電チャックＥＳＣと、静電チャックＥＳＣを真空吸着する真空チャックＶＡＣとを有している。

チルトテーブル３８は、図３〜図５に示すように、略矩形状のテーブルであり、ウェハテーブル３６を載置するための平面状の載置面３８ａを上面側に有し、凸状球面からなる軸受面３８ｂで囲まれる球面状の軸受部３８ｃを下面（裏面）側に有する。この軸受部３８ｃの鉛直方向の中心軸線Ｌは、チルトテーブル３８の中心軸線と一致し、チルトテーブル３８の回動中心Ｏを通りチルトテーブル３８の水平面に対して垂直に延出した軸線である。

チルトテーブル３８の下面側端部３８ｄには、中心軸線Ｌから見てＸ軸方向の位置に、作動部（第１作動部）６０が設けられる。図３及び図５に示すように、作動部６０は、支持テーブル４５よりも低い位置でＸ軸方向斜め下方へ突出する第１の作動片６０ｃと、第１の作動片６０ｃの端部と下面側端部３８ｄとを連結させるため鉛直方向に延びる連結部６０ｄとを有している。

また、チルトテーブル３８の下面側端部３８ｄには、中心軸線Ｌから見てＹ軸方向の位置に、作動部（第２作動部）６２が設けられている。図３に示すように、作動部６２は、作動部６０と同様、支持テーブル４５よりも低い位置でＹ軸方向斜め下方へ突出する第２の作動片６２ｃと、第２の作動片６２ｃの端部と下面側端部３８ｄとを連結させるため鉛直方向に延びる連結部６２ｄとを有している。

また、チルトテーブル３８の一の角部には図４に示すように切欠部３８ｅが形成されている。この切欠部３８ｅ近辺のチルトテーブル３８の下面の位置には、作動部６４が設けられ、鉛直下方に延びる第３の作動片６４ｃを形成している。なお、第１の作動片６０ｃ、第２の作動片６２ｃ、及び、第３の作動片６４ｃは矩形板とされている。

矩形状の支持テーブル４５は、エアベアリングシリンダである３つのＺ駆動機構５２の上端に形成されている。図５に示すように、支持テーブル４５の上面の略中央部には、チルトテーブル３８の軸受部３８ｃを支持するために凹状の球面とされた軸受面４５ｂが形成されている。

また、支持テーブル４５には、軸受面４５ｂを形成するように多孔部４５ｃが埋設され、軸受面４５ｂには多数の微小な孔が形成されている。この多孔部４５ｃからは、パイプＰ４５が導出されて外部の空気圧源（図示せず）と接続されている。空気圧源は、多孔部４５ｃへ圧縮空気を供給し、その圧縮空気が軸受面４５ｂの多数の孔から軸受面３８ｂに対して吹きつけられる。これによって、軸受面３８ｂと軸受面４５ｂとの間に空気膜が形成され、軸受部３８ｃは、軸受面４５ｂから抵抗を受けることなく非接触状態で支持されることとなる。

第１アクチュエータ４６は、複数の矩形板から構成される支持部材６６と、この支持部材６６内に各々が対向して配置される２つのベローズアクチュエータ６８，７０とを備え、図５に示すように、斜め方向に傾けた状態で支持テーブル４５に固定されている。なお、第１アクチュエータの配置方向の詳細については後述する。

支持部材６６は、矩形板状の２つの支持片６６ａ，６６ｂと、これら支持片６６ａ，６６ｂを連結させる矩形板状の連結部６６ｃと、この連結部６６ｃを支持テーブル４５に固定する固定部６６ｄとを有している。図５に示すように、支持片６６ａは、第１の作動片６０ｃの図示右斜め上方に第１の作動片６０ｃと略平行になるように配置される。また、支持片６６ｂは、第１の作動片６０ｃを基準線として支持片６６ａと線対称になるよう図示左斜め下方に第１の作動片６０ｃと略平行になるように配置される。

ベローズアクチュエータ６８は、支持片６６ａと第１の作動片６０ｃとの間に配置され、ベローズアクチュエータ７０は、支持片６６ｂと第１の作動片６０ｃとの間に配置される。また、ベローズアクチュエータ６８とベローズアクチュエータ７０とは、第１の作動片６０ｃを基準として対向するように配置され、ベローズアクチュエータ６８の先端とベローズアクチュエータ７０の先端とで第一の作動片６０ｃを挟み込むようになっている。

また、ベローズアクチュエータ６８は、図６に示すように、図示上方に伸縮可能なベローズ６８ａと、ベローズ６８ａの下端側の開口部を封止する円板状の作動板６８ｂとを備える。ベローズ６８ａの上端側の開口部は支持片６６ａに固定されることにより封止される。これによって、ベローズアクチュエータ６８の内部空間６８ｃは、ベローズ６８ａと支持片６６ａと作動板６８ｂとによって密閉され、その気密性が保たれている。

作動板６８ｂの中央部には、上方へ延びるシャフト６８ｄが形成され、このシャフト６８ｄは、支持片６６ａに設けられたボス６６ｅのガイド穴に挿入されることによって上下方向に移動可能とされている。また、作動板６８ｂの中央部には、第１の作動片６０ｃへ向かって突出する半球面状の押圧部６８ｅが形成され、第１の作動片６０ｃの上面６０ａと当接する。

ベローズアクチュエータ６８の内部空間６８ｃからは、パイプＰ６８が導出され、外部に設けられたサーボ弁６８ｆと接続されている。このサーボ弁６８ｆを制御することで、内部空間６８ｃ内の空気を供給及び排出することができ、内部空間６８ｃの気圧変化に伴って、作動板６８ｂの下方への移動量、つまり駆動力を任意に制御することができる。このベローズアクチュエータ６８の下方への駆動力は、押圧部６８ｅと第１の作動片６０ｃの上面６０ａとの当接点（作用点）を介して、第１の作動片６０ｃ及びチルトテーブル３８に伝達されるようになっている。

ベローズアクチュエータ７０は、上述のベローズアクチュエータ６８と同様の構成を有し、ベローズ７０ａと作動板７０ｂとを備え、ベローズ７０ａの下端側の開口部は支持片６６ｂに固定されることにより封止される。これによって、ベローズアクチュエータ７０の内部空間７０ｃも、その気密性が保たれている。

作動板７０ｂの中央部には、下方へ延びるシャフト７０ｄが形成され、このシャフト７０ｄは、支持片６６ｂに設けられたボス６６ｆのガイド穴に挿入されることによって上下方向に移動可能とされている。また、作動板７０ｂの中央部には、第１の作動片６０ｃへ向かって突出する半球面状の押圧部７０ｅが形成され、第１の作動片６０ｃの下面６０ｂと当接する。

ベローズアクチュエータ７０の内部空間７０ｃからは、パイプＰ７０が導出され、外部に設けられたサーボ弁７０ｆと接続されている。このサーボ弁７０ｆを制御することで、内部空間７０ｃ内の空気を供給及び排出することができ、内部空間７０ｃの気圧変化に伴って、作動板７０ｂの上方への移動量、つまり駆動力を任意に制御することができる。このベローズアクチュエータ７０の上方への駆動力は、押圧部７０ｅと第１の作動片６０ｃの下面６０ｂとの当接点（作用点）を介して、第１の作動片６０ｃ及びチルトテーブル３８に伝達されるようになっている。従って、第１の作動片６０ｃは、図５に示すように、２つのベローズアクチュエータ６８，７０の内部空間６８ｃ，７０ｃの気圧変化の関係によって、斜め方向へ上下動するようになっている。各ベローズアクチュエータ６８，７０からチルトテーブル３８に駆動力が作用することにより、チルトテーブル３８に保持されたウェハテーブル３６及び該ウェハテーブル３６に保持された半導体基板Ｗｄは、チルトテーブル３８と一体的に回動中心Ｏの周りに回動する。

第２アクチュエータ４８は、第１アクチュエータ４６と同様の構成を有し、複数の矩形板から構成される支持部７２と、この支持部７２内に各々が対向して配置される２つのベローズアクチュエータ７４，７６とを備え、図３に示すように、斜め方向に傾けた状態で支持テーブル４５に固定されている。なお、第２アクチュエータの配置方向の詳細については、第１アクチュエータの配置方向と併せて後述する。

θ駆動機構５０は、図４に示すように、第３の作動片６４ｃを間に挟み込むようにＸＹ平面方向に離間し互いに平行に配置された支持片５６ａと支持片５６ｂとを有する断面コ字型の支持部材５６と、支持片５６ａと第３の作動片６４ｃとの間に配置されたベローズアクチュエータ７８と、支持片５６ｂと第３の作動片６４ｃとの間に配置されたベローズアクチュエータ８０とを有する。そして、チルトテーブル３８に直接固定された第３の作動片６４ｃが、ベローズアクチュエータ７８の半球面状の先端とベローズアクチュエータ８０の半球面状の先端とで挟み込まれるようになっている。ベローズアクチュエータ７８，８０は、ベローズアクチュエータ６８，７０と同様の構成を有しており、ここではその説明を省略する。また、支持部材５６は、支持片５６ａと支持片５６ｂとを連結する矩形板状の連結部５６ｃを有し、この連結部５６ｃは、ベースプレート８２の上面８２ａに固定されている。

Ｚ駆動機構５２は３つのエアベアリングシリンダから構成され、図５及び図７に示すように、ベースプレート８２上の三角形の３つの角部に応じた３箇所に配置される。なお、３つの角部は、Ｚ駆動機構５２より上部に配置される全ての部品の重心をその内側に含むような三角形の角部であればよい。また、Ｚ駆動機構５２を構成するエアベアリングシリンダは、ベースプレート８２面上に載置されるシリンダチューブ５２ａと、図示省略のエアベアリングを介して非接触状態でシリンダチューブ５２ａ内に収納され上下動可能なピストン５２ｂと、ピストン５２ｂの上面に回動可能に保持された球体からなる接続球５２ｃとを備えている。そして、接続球５２ｃの一部は、支持テーブル４５の下面に設けられたＶ溝４５ｅに回動可能な状態で嵌め込まれる。回動可能な接続球５２ｃによって接続されているため、エアベアリングシリンダで発生した鉛直方向以外の力やモーメントは支持テーブル４５へ伝達されないようになっている。このような接続は一般的にキネマティックカップリングといわれるものであり、不要な力やモーメントの伝達が防止される。また、Ｚ駆動機構５２を構成するエアベアリングシリンダからは、パイプＰ５２が導出されて外部の空気圧源（図示せず）と接続され、その空気圧源から空気を供給または排出することによって、Ｚ駆動機構５２を鉛直方向へ移動可能としている。

なお、図３及び図４では、チルトテーブル３８より上部の構成の図示を省略しているが、かかる構成のステージ装置３４が、ベースプレート８２を介してＸＹステージ３２に搭載されている。

制御装置９０は、ステージ装置３４の制御も含めて、半導体基板の貼り合わせ装置１の制御を行う。

次に、第１アクチュエータ４６及び第２アクチュエータ４８の配置方向について詳細に説明する。なお、図７及び図８では、チルトテーブル３８と半導体基板Ｗｄとの間のウェハテーブル３６等は説明の便宜上、図示を省略している。

まず、第１アクチュエータ４６と第２アクチュエータ４８のＸＹ座標系における配置関係について説明する。図３及び図７に示すように、第１アクチュエータ４６及び第２アクチュエータ４８は鉛直方向に延出した中心軸線Ｌ周りに互いに略９０度の角度をなして配置されている。そして、第１アクチュエータ４６はＸ軸上に配置されてＹ軸周りの傾斜調整を行い、第２アクチュエータ４８はＹ軸上に配置されてＸ軸周りの傾斜調整を行うようになっている。

次に、第１アクチュエータ４６のＸＺ座標系における配置関係について説明する。図７及び図８等に示すように、第１アクチュエータ４６は、チルトテーブル３８が球面状の軸受部３８ｃによって回動する際の中心Ｏと同心であって第１アクチュエータ４６の駆動力が作用する作用点（押圧部６８ｅ、７０ｅと第１の作動片６０ｃとの当接点）を外周に含むＸＺ座標面に設けられた円の円周Ｌ１上に設けられている。そして、第１アクチュエータ４６は、各ベローズアクチュエータ６８，７０の各シャフト６８ｄ，７０ｄの伸長方向がそれぞれチルトテーブル３８が回動させられる際の駆動力の作用点が描く弧である円周Ｌ１の作用点における接線方向に沿うように、チルトテーブル３８等に対して斜め方向に配置されている。これにより、各ベローズアクチュエータ６８，７０の各ベローズ６８ａ，７０ａは、それぞれ円周Ｌ１の作用点における接線方向に沿って伸縮する。従って、各ベローズアクチュエータ６８，７０からチルトテーブル３８に作用する駆動力の作用方向は、円周Ｌ１の作用点における接線方向に沿う。なお、回動中心Ｏは、図５に示すように、半導体基板Ｗｕと半導体基板Ｗｄとを貼り合わせる際に半導体基板Ｗｕに対して半導体基板Ｗｄの平行度を倣いあわせる場合の半導体基板Ｗｄの回動中心である。図示の例では、伸縮変形が各ベローズ６８ａ，７０ａにそれぞれ生じていない無負荷の状態すなわち初期状態（図９に示す状態である。）に各ベローズ６８ａ，７０ａがそれぞれおかれた状態から駆動力をチルトテーブル３８に作用させるとき、各ベローズアクチュエータ６８，７０駆動力の作用方向はその作用時における作用点での円周Ｌ１の接線方向に一致し、各ベローズ６８ａ，７０ａの内部空間６８ｃ，７０ｃ内に供給される空気から受ける圧力によって各ベローズ６８ａ，７０ａがそれぞれ伸縮変形した状態すなわち駆動状態から駆動力をチルトテーブル３８に作用させるときは、駆動力の作用方向はその作用時における作用点での円周Ｌ１の接線方向に対して±１度の範囲内で沿う。駆動力の作用方向が前記接線方向に対して１度よりも大きい角度で傾斜すると、後述するように適切な大きさの駆動力を作動片６０ｃに与えることができないが、本実施例によれば、接線方向に対して±１度の範囲内で沿うことから、適切な大きさの駆動力を与えることができる。すなわち、各ベローズ６８ａ，７０ａの伸縮範囲内に、前記駆動力の作用方向が前記接線方向に一致する伸縮位置が存在し、図示の例では、該伸縮位置は、前記初期状態での伸縮位置である。

また、第２アクチュエータ４８のＹＺ座標系における配置関係について説明する。図７に示すように、第２アクチュエータ４８は、チルトテーブル３８が球面状の軸受部３８ｃによって回動する際の中心Ｏと同心であって第２アクチュエータ４８の駆動力が作用する作用点（押圧部７４ｅ，７６ｅと第２の作動片６２ｃとの当接点）を外周に含むＹＺ座標面に設けられた円の円周Ｌ２上に設けられている。そして、第２アクチュエータ４８は、ベローズアクチュエータ７４，７６の駆動力の作用方向が、第１のチルトテーブル３８が回動させられる際の駆動力の作用点が描く別の弧である円周Ｌ２の作用点における接線方向に沿うように、チルトテーブル３８等に対して斜め方向に配置されている。尚、ベローズアクチュエータ７４，７６の駆動力の作用方向は、第１アクチュエータ４６と同様、初期位置状態から駆動力を作用させるときはその作用時における作用点での円周Ｌ２の接線方向に沿い、駆動状態から駆動力を作用させるときはその作用時における作用点での円周Ｌ２の接線方向に対して±１度の範囲内で沿っている。

続いて、このように斜めに配置された第１アクチュエータ４６及び第２アクチュエータ４８で傾斜調整を行う半導体基板の貼り合わせ装置１による半導体基板の貼り合わせについて以下、説明する。

まず、上部ステージ２０のウェハテーブル２４に貼り合わせの対象である半導体基板Ｗｕを保持し、ＸＹθステージ２２により半導体基板ＷｕのＸＹθ方向の位置決めを行う。次に、下部ステージ３０のウェハテーブル３６に貼り合わせの対象である半導体基板Ｗｄを保持し、ＸＹステージ３２により半導体基板ＷｄのＸＹ方向の位置決めを行う。次に、θ駆動機構５０によりチルトテーブル３８を移動し、中心軸線Ｌ（Ｚ軸）周りの半導体基板Ｗｄの回動方向の位置決めを行う。これらの位置決めは、レーザ干渉計や顕微鏡など、図示しない光学系からの検出信号に基づいて、制御装置９０により自動制御される。

この状態から、半導体基板Ｗｕ，Ｗｄの貼り合わせに移る。まず、Ｚ駆動機構５２により、支持テーブル４５を上昇させる。支持テーブル４５の上昇により、ウェハテーブル３６に保持された半導体基板Ｗｄが半導体基板Ｗｕに当接する。この当接の際に発生する両半導体基板Ｗｕ，Ｗｄへの荷重分布を図示省略の複数の圧力センサで読み取り、その検出値を制御装置９０へ送る。制御装置９０は、この複数の圧力センサで読み取られた検出値が均一になるように、第１アクチュエータ４６及び第２アクチュエータ４８による傾斜調整を行う。調整の結果、検出圧力値が均一、つまり、半導体基板Ｗｕに対して半導体基板Ｗｄが平行と判断されれば、傾斜調整を終える。傾斜調整の終了後、Ｚ駆動機構５２を更に上昇して、半導体基板Ｗｄに所定の圧力が一定期間付勢されるように保持し、半導体基板Ｗｕ，Ｗｄの貼り合わせを完了させる。このように両半導体基板Ｗｕ，Ｗｄの平行度が高い状態で貼り合わせが行われると、半導体基板Ｗｕ，Ｗｄ同士の機械的又は電気的な接合が確実に行われる。

ここで、第１アクチュエータ４６と第２アクチュエータ４８とが半導体基板Ｗｕ，Ｗｄの貼り合わせの際にチルトテーブル３８の傾斜調整を行うため、駆動力を伝達する動作について、他の配置の場合と比較して説明する。

まず、図１０及び図１１に示す比較例について説明する。本比較例のステージ装置１３４は、傾斜調整を行う第１，第２アクチュエータの配置方向及びそれに伴う作動片の形状以外は、本実施形態に係るステージ装置３４と同様であり、チルトテーブル１３８、支持テーブル１４５、第１アクチュエータ１４６、第２アクチュエータ（図示せず）、Ｚ駆動機構１５２、第４の作動片１６０ｃを有する作動部１６０等から構成されている。このチルトテーブル１３８は点Ｏを中心として回動するように、下面に設けられた軸受部１３８ｂを介して支持テーブル１４５に支持されている。そして、傾斜調整の際、例えば、半導体基板ＷｄをＲ方向へ回動させるため、第１アクチュエータ１４６によってチルトテーブル１３８をＲ方向へ回動させるなどしてＹ軸周りの傾斜調整を行うことができるようになっている。

第１アクチュエータ１４６及び第２アクチュエータ（図示せず）は、本実施形態における第１アクチュエータ４６及び第２アクチュエータ４８と同様、それぞれ２つのベローズアクチュエータを有し、２つのベローズアクチュエータの間に第４の作動片１６０ｃ等が挟み込まれる構成となっている。第１アクチュエータ１４６の配置方向としては、図１０及び図１１に示すように、一方のベローズアクチュエータを第４の作動片１６０ｃの上方に、他方のベローズアクチュエータを第４の作動片１６０ｃを挟んでその下方に配置し、Ｚ軸方向である鉛直方向にベローズアクチュエータの駆動力が作用するように配置されている。なお、第２アクチュエータの配置方向も第１アクチュエータ１４６と同様、鉛直方向に駆動力が作用する方向としている。また、第４の作動片１６０ｃは、第１アクチュエータ１４６の駆動力の作用方向と直角の方向、すなわち、Ｘ軸方向と平行な方向に延びるように構成されている。

この比較例のステージ装置１３４で傾斜調整を行う場合、例えば、図示Ｒ方向へチルトテーブル１３８を回動する場合、第１アクチュエータ１４６の上方のベローズアクチュエータ内に空気が供給され、第４の作動片１６０ｃを図１１に示す矢印Ａ方向へ移動させるように駆動力が作用する。

ところが、第４の作動片１６０ｃはチルトテーブル１３８に固定されており、チルトテーブル１３８の回動方向に沿って、点Ｏを中心とした回動を行う。そのため、第４の作動片１６０ｃは、鉛直下方（矢印Ａ方向）へ移動するのではなく、点Ｏを中心とした同心円の外周に沿って移動することになる。そして、この移動の軌跡は、図１１に示す矢印Ａ２と略平行の方向に沿っている。従って、第４の作動片１６０ｃに伝達された駆動力の内、Ａ２方向の駆動分力が主に第４の作動片１６０ｃを介してチルトテーブル１３８に伝達されて傾斜調整が行われる。なお、第４の作動片１６０ｃの回動運動における移動距離は微小な軌跡であり、ここでは直線とみなして説明する。

一方、第４の作動片１６０ｃの移動方向と略直角である矢印Ａ１方向への駆動分力は、第４の作動片１６０ｃの移動方向と異なった方向への駆動力であるため、第４の作動片１６０ｃに伝達されるもののチルトテーブル１３８の回動には使用されない。すなわち、第４の作動片１６０ｃと上方のベローズアクチュエータとの当接点において、摩擦力として消費されてしまうことになる。この摩擦により、当接点にある押圧部が経時的に磨耗し、ベローズアクチュエータの駆動力が正確に第４の作動片１６０ｃへ伝達されず、駆動力が作用する作用点でのズレ発生の原因となる。

次に、本実施形態に係るステージ装置における第１アクチュエータ４６と第２アクチュエータ４８の配置方向について図７〜図９を用いて説明する。第１アクチュエータ４６の配置方向としては、図８に示すように、一方のベローズアクチュエータを第１の作動片６０ｃの図示右斜め上方に、他方のベローズアクチュエータを第１の作動片６０ｃを挟んで図示左斜め下方に配置し、点Ｏを中心とする同心円の円周Ｌ１における接線方向にベローズアクチュエータ６８，７０の駆動力が作用するように配置されている。また、第２アクチュエータ４８の配置方向は、図７に示すように、第１アクチュエータ４６同様、点Ｏを中心とする同心円の円周Ｌ２における接線方向にベローズアクチュエータの駆動力が作用するように斜めに配置されている。

本実施形態に係るステージ装置３４で傾斜調整を行う場合、例えば、図示Ｒ方向へチルトテーブル３８を回動する場合、第１アクチュエータ４６の右斜め上方のベローズアクチュエータ６８内に空気が供給され、第１の作動片６０ｃを図９に示す矢印Ｂ方向へ移動させるように駆動力が作用する。

第１の作動片６０ｃはチルトテーブル３８に固定されており、チルトテーブル３８の回動方向に沿って、点Ｏを中心とした回動を行う。そのため、第１の作動片６０ｃは、点Ｏを中心とした同心円の外周に沿って回動する。この移動の軌跡は、図９に示す矢印Ｂと略平行の方向に沿っている。従って、第１の作動片６０ｃに伝達された駆動力は、そのままチルトテーブル３８の回動による傾斜調整に使用されることになる。

また、図７に示すように、第２アクチュエータ４８の配置方向は、第１アクチュエータ４６と同様であり、点Ｏを中心とする同心円の円周Ｌ２上に第２アクチュエータ４８は設けられ、第２アクチュエータ４８の駆動力の作用方向が同心円の円周Ｌ２の接線方向に沿うように、第２アクチュエータ４８を配置する。なお、その他の構成については、ここではその説明を省略するが、このような構成により、第１アクチュエータ４６と同様の効果を奏する。

従って、本実施形態に係る半導体基板の貼り合わせ装置１においては、比較例などに比べ、回動Ｒ方向等と駆動力が作用する方向とは略同一となり、余分な方向へ力が拡散することが少なくなり、駆動力の効率的な利用が可能となる。また、回動方向と駆動力が作用する方向とが略同一なので、ベローズアクチュエータと作動片との当接部における摩擦の発生が減少し、摩擦に伴う押圧部の磨耗を抑えることも可能となる。その結果、作用点における押圧部のズレを長期に渡って防止することができ、高精度な傾斜調整を長期にわたって継続させることができる。更に、押圧部の磨耗を抑えることにより、磨耗によるコンタミの発生も抑えることができ、半導体基板へのコンタミの付着を防止して歩留まりを向上させることもできる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、第１アクチュエータ４６、第２アクチュエータ４８、θ駆動機構５０、及びＺ駆動機構５２を空気圧を使った駆動機構とし、空気圧の変動によりベローズアクチュエータ等を駆動する構成としたが、これらを油圧など他の流体を使った駆動機構から構成されるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、半導体基板Ｗｄを上昇させて半導体基板Ｗｕに当接させているが、上部ステージ２０にＺ駆動機構を設けて半導体基板Ｗｕを下降させて半導体基板Ｗｄに当接させるようにしてもよいし、下部ステージ３０と上部ステージ２０との双方にＺ駆動機構を設けて半導体基板Ｗｕと半導体基板Ｗｄとを当接させるようにしてもよい。要するに、ウェハテーブル２４，３６が相対的に接近離間可能であればよい。

更に、上記実施形態では、第１アクチュエータ４６及び第２アクチュエータ４８が駆動開始する初期位置状態で駆動力の作用方向が接線方向に沿い、駆動状態で駆動力の作用方向が接線方向に対して±１度の範囲内で沿うようにしているが、第１アクチュエータ４６又は第２アクチュエータ４８の少なくともどちらかが初期位置状態又は駆動状態にある場合において、駆動力の作用方向が接線方向に±１度の範囲内で沿っていれば上述した効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、半導体基板Ｗｄ，Ｗｕがそれぞれウェハで構成された例を示したが、これに代えて、ウェハを分割することにより形成されるチップ、例えば本実施形態に係る貼り合わせ装置１を用いて積層された複数のウェハからなる積層体、及び、積層された複数の前記チップからなる積層体等で、半導体基板Ｗｄ，Ｗｕをそれぞれ構成することができる。

本実施形態に係る半導体基板の貼り合わせ装置の構成を模式的に示す概略図である。 ウェハテーブルとチルトテーブルの構成を示す部分拡大図である。 ステージ装置（チルトテーブルより上部の構成を図示略）の斜視図である。 ステージ装置（チルトテーブルより上部の構成を図示略）の別の角度から見た斜視図である。 図３のV-V線に沿う断面図である。 図５の第１アクチュエータの部分拡大図である。 チルトテーブルの回動中心に対する第１アクチュエータ及び第２アクチュエータの配置図である。 チルトテーブルの回動中心に対する第１アクチュエータの断面配置図である。 第１アクチュエータの駆動力の方向と、接線方向との関係を示す図である。 比較例におけるチルトテーブルの回動中心に対する第１アクチュエータの断面配置図である。 比較例における第１アクチュエータの駆動力の方向と、接線方向との関係を示す図である。

符号の説明

１…貼り合わせ装置、２２…ウェハテーブル（第２の基板保持テーブル）、３６…ウェハテーブル（第１の基板保持テーブル）、３８…チルトテーブル（第１の基板保持テーブル）、３８ｃ…軸受部、４６…第１アクチュエータ、４８…第２アクチュエータ、５０…θ駆動機構（θ駆動手段）、５２…Ｚ駆動機構（Ｚ駆動手段）、５２ｃ…接続球、４５ｅ…Ｖ溝、６０…第１作動部、６２…第２作動部、６８，７０，７４，７６，７８，８０…ベローズアクチュエータ、Ｌ…軸線、Ｌ１，Ｌ２…円周、Ｏ…回動中心、Ｒ…回動方向、Ｗｕ…半導体基板（第２半導体基板）、Ｗｄ…半導体基板（第１半導体基板）。

Claims (12)

1. 第１の半導体基板と第２の半導体基板とを互いに貼り合わせるための半導体基板の貼り合わせ装置であって、
   前記第１の半導体基板を保持する保持面を有する第１の基板保持テーブルと、
   前記第２の半導体基板を前記第１の半導体基板に対向するように保持し、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とを互いに貼り合わせるべく前記第１の基板保持テーブルに対して相対的に移動可能な第２の基板保持テーブルと、
   該第１の基板保持テーブルの前記保持面に沿って伸びる一の軸の周りに前記第１の基板保持テーブルを回動させるための第１アクチュエータと、を備え、
   前記第１アクチュエータから前記第１の基板保持テーブルに与えられる駆動力の作用方向は、該駆動力により前記第１の基板保持テーブルが回動させられる際に前記駆動力の作用点が描く弧の接線方向にほぼ沿い、前記第１のアクチュエータの前記駆動力の作用点が描く弧が前記第１の基板保持テーブルの回動中心を中心とする円の一部であることを特徴とする半導体基板の貼り合わせ装置。
2. 前記第１アクチュエータは伸縮変形可能であり、該第１アクチュエータの伸縮変形により前記駆動力が前記第１の基板保持テーブルに作用し、前記第１アクチュエータの伸縮範囲内に、前記駆動力の作用方向が前記接線方向に沿う伸縮位置が存在することを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の貼り合わせ装置。
3. 前記第１の基板保持テーブルは、前記保持面と反対側に位置する裏面に球面状の軸受部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体基板の貼り合わせ装置。
4. 前記軸受部は、非接触の流体軸受からなることを特徴とする請求項３に記載の半導体基板の貼り合わせ装置。
5. 前記第１の基板保持テーブルの前記保持面に沿って伸び且つ該保持面上で前記一の軸に交差する他の軸の周りに前記第１の基板保持テーブルを回動させるための第２アクチュエータを更に備え、
   該第２アクチュエータから前記第１の基板保持テーブルに与えられる駆動力の作用方向は、該駆動力により前記第１の基板保持テーブルが回動させられる際に前記駆動力の作用点が描く弧の接線方向にほぼ沿うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体基板の貼り合わせ装置。
6. 前記第２アクチュエータは伸縮変形可能であり、該第２アクチュエータの伸縮変形により前記駆動力が前記第１の基板保持テーブルに作用し、前記第２アクチュエータの伸縮範囲内に、前記駆動力の作用方向が前記接線方向に沿う伸縮位置が存在することを特徴とする請求項５に記載の半導体基板の貼り合わせ装置。
7. 前記第１の基板保持テーブルは、前記第１アクチュエータに連係される第１作動部と、前記第２アクチュエータに連係される第２作動部とを有し、前記第１作動部は、前記保持面に沿って伸び且つ前記一の軸に直交する線分上に配置され、前記第２作動部は、前記保持面に沿って伸び且つ前記他の軸に直交する線分上に配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体基板の貼り合わせ装置。
8. 前記一の軸及び前記他の軸は、互いに直交することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の半導体基板の貼り合わせ装置。
9. 前記一の軸と前記他の軸との交点を通り前記保持面に対して垂直に延出した軸線の周りに前記第１の基板保持テーブルを回動させるθ駆動手段を更に備えたことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか一項に記載の半導体基板の貼り合わせ装置。
10. 前記第１アクチュエータ、前記第２アクチュエータ、及び前記θ駆動手段は、気体の供給及び排出によって駆動するベローズアクチュエータであることを特徴とする請求項９に記載の半導体基板の貼り合わせ装置。
11. 前記保持面に垂直な方向へ前記第１の基板保持テーブルを移動させるＺ駆動手段を更に備え、該Ｚ駆動手段は、キネマティックカップリングによって、前記第１の基板保持テーブルに連係していることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の半導体基板の貼り合わせ装置。
12. 前記Ｚ駆動手段は、エアベアリングシリンダであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体基板の貼り合わせ装置。
    

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