JP5370903B2 - 基板貼り合わせ方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハなどの基板を貼り合わせる方法に関するもので、特に基板間にボイド（気泡）の発生を防ぐ貼り合わせ方法に関するものである。

近年、携帯電話やＩＣカード等の電子機器の高機能化に伴い、その内部に実装される半導体デバイス（ＬＳＩ、ＩＣなど）の薄型化又は小型化が進んでいる。また、線幅を狭くすることなく記憶容量を増すために半導体ウエハを数層重ね合わせた三次元実装タイプの半導体デバイス、例えばＳＤカード又はＭＥＭＳなどが増えつつある。また光ディスクの分野においても多層化することで記憶容量を増加させている。このため多層化するための基板の貼り合わせ技術は高精度の位置あわせ技術と、ボイドの発生を防ぐ技術とが望まれている。

特許文献１の貼り合わせ装置は接着剤を中間剤として２枚の基板を上下より近づけ、真空雰囲気で圧着することでボイドの発生を防いでいた。この貼り合わせ装置の手順は上下の基板ホルダに基板を固定し、上下に向かい合わせ、真空雰囲気にして圧着している。

特開２０００−３１５３３８号公報

しかしながら、従来の貼り合わせ装置は基板を基板ホルダに固定する段階で上部の基板及び下部の基板の位置が決定し、圧着の工程までの移動及び機械的な誤差で十数μｍから数百μｍのずれが発生してしまう。このため、従来の貼り合わせ装置はより微細な基板構造、及び基板配線を貼り合わせる要望に対して十分な性能を持ち合わせてないという問題があった。

本発明の貼り合わせ装置は中間材を挟み込む２枚の基板の接合に際し、ボイドの発生を無くしさらに数十μｍ以下に精度良く貼り合わすことができる方法を提供することができる。中間材として接着シート、絶縁材又は樹脂などを挟み込むことが可能である。

第１の概念の基板貼り合わせ方法は、第１基板及び第２基板の周縁部に複数本のピンを配置するピン配置工程と、第１基板と第２基板とを位置合わせしてピンを配置したまま重ね合わせる重ね合わせ工程と、重ね合わせた第１基板と第２基板とに予備加圧をかける予備加圧工程と、この予備加圧工程中に第１基板と第２基板とのずれを観察部で観察しながら第１基板及び第２基板の周縁部からピンを抜くピン抜き工程と、を備える。
この構成により、第１基板と第２基板第１基板と第２基板との中間材にボイドが発生することを防ぐことができるとともに、ピンを抜く際に生じる第１基板と第２基板とのずれを防ぐことができる。

第２の概念の基板貼り合わせ方法は、第１基板保持部によって第１基板を保持し、第２基板保持部によって第２基板を保持する保持工程と、第１基板と第２基板とを位置合わせして重ね合わせる重ね合わせ工程と、第１基板と第２基板とを重ね合わせる前に、第１基板及び第２基板の周縁部に複数本のピンを配置するピン配置工程と、重ね合わせた第１基板と第２基板とに予備加圧をかける予備加圧工程と、この予備加圧工程中に、第１基板保持部と第２基板保持部とのずれを観察部で観察する観察工程と、予備加圧工程中に、第１基板及び第２基板の周縁部からピン抜き部を使ってピンを抜くピン抜き工程と、を備える。
この構成により、第１基板保持部と第２基板保持部とのずれを観察部で観察することでピンを抜く際に生じる第１基板と第２基板とのずれを防ぐことができる。

第３の概念の基板貼り合わせ方法は、第１基板保持部によって第１基板を保持し、第２基板保持部によって第２基板を保持する保持工程と、第１基板と第２基板とを位置合わせして重ね合わせる重ね合わせ工程と、第１基板と第２基板とを重ね合わせる前に、第１基板保持部及び第２基板保持部の周縁部に複数本のピンを配置するピン配置工程と、重ね合わせた第１基板と第２基板とに予備加圧をかける予備加圧工程と、この予備加圧工程中に、第１基板保持部と第２基板保持部とのずれを観察部で観察する観察工程と、予備加圧工程中に、第１基板保持部及び第２基板保持部の周縁部からピン抜き部を使ってピンを抜くピン抜き工程と、を備える。
この構成により、ピンを第１基板保持部と第２基板保持部との間に配置することでもボイドの発生を防ぐことができ、また、第１基板保持部と第２基板保持部とのずれを観察部で観察することでピンを抜く際に生じる第１基板と第２基板とのずれを防ぐことができる。

本発明のウエハ貼り合わせ装置は、半導体ウエハ間の中間材にボイドが発生することを防止し、半導体ウエハを高精度で重ね合わせることができる装置を提供することができる。

＜＜実施形態１＞＞
本発明のウエハ貼り合わせ装置１００は基板の配線の線幅精度にウエハを重ね合わせて貼り合わせを行う装置で、特に中間材５９を挟みボイドの発生を防ぎながら貼り合わすことができる装置を示す。なお貼り合わす基板は精密さを必要とする半導体ウエハＷについて示すが、他の基板も使用することができる。

＜ウエハ貼り合わせ装置の全体構成＞
図１はウエハ貼り合わせ装置１００の上面概略図である。
ウエハ貼り合わせ装置１００は、ウエハローダＷＬ及びウエハホルダローダＷＨＬを有している。ウエハローダＷＬ及びウエハホルダローダＷＨＬは、多関節ロボットであり六自由度方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θＸ，θＹ，θＺ）に移動可能である。さらにウエハローダＷＬはレールＲＡに沿ってＹ方向に長い距離移動可能であり、ウエハホルダローダＷＨＬはレールＲＡに沿ってＸ方向に長い距離移動可能である。

ウエハ貼り合わせ装置１００は、その周辺に半導体ウエハＷを複数枚収納するウエハストッカー１０を有している。ウエハ貼り合わせ装置１００は、第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とを貼り合わせるため、第１ウエハＷ１を収納するウエハストッカー１０−１と第２ウエハＷ２を収納するウエハストッカー１０−２とが用意されている。また、ウエハストッカー１０の近郊に半導体ウエハＷをプリアライメントするウエハプリアライメント装置２０が設けられている。ウエハローダＷＬによりウエハストッカー１０から取り出された半導体ウエハＷがウエハプリアライメント装置２０に送られる。ウエハプリアライメント装置２０の詳細は後述する。

ウエハ貼り合わせ装置１００は、ウエハホルダＷＨを複数枚収納するウエハホルダストッカー３０を有している。ウエハホルダＷＨは第１ウエハＷ１用の第１ウエハホルダＷＨ１を有し、第２ウエハＷ２に対しても第２ウエハホルダＷＨ２を有している。このため、ウエハ貼り合わせ装置１００は第１ウエハホルダＷＨ１用と、第２ウエハホルダＷＨ２用とのウエハホルダストッカー３０を収容するか、ウエハホルダストッカー３０内部を分割するなどして第１ウエハホルダＷＨ１と第２ウエハホルダＷＨ２とを分ける。ウエハホルダＷＨを分けることはウエハホルダＷＨに固定機能を内蔵させた場合に対応できる。なお、ウエハホルダＷＨは半導体ウエハＷを吸着し、ウエハ同士を貼り合わすための支持体として利用され、繰り返し何度も使用される部品である。ウエハホルダＷＨは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミック材料から構成される。特に窒化アルミニウムは熱伝導率が高いので半導体ウエハＷの加熱又は冷却に適している。

ウエハ貼り合わせ装置１００は、ウエハホルダストッカー３０の近郊にウエハホルダＷＨをプリアライメントするウエハホルダプリアライメント装置４０が設けられている。ウエハホルダローダＷＨＬによりウエハホルダストッカー３０から取り出されたウエハホルダＷＨがウエハホルダプリアライメント装置４０に送られる。ウエハホルダプリアライメント装置４０では、プリアライメントされたウエハホルダＷＨに対して、プリアライメントされた半導体ウエハＷがウエハローダＷＬにより載置される。ウエハホルダプリアライメント装置４０の詳細は後述する。

ウエハ貼り合わせ装置１００は、一対の半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨをアライメントし、２枚の半導体ウエハＷを半導体チップの線幅精度で重ね合わせるアライナー５０を有している。アライナー５０にはウエハホルダプリアライメント装置４０から半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨがウエハホルダローダＷＨＬにより送られてくる。このアライナー５０では第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とで精度良い重ねあわせと、第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とが接触しないようにピンＰを差し込んで予備加圧して固定具で固定する。アライナー５０の詳細な説明は後述する。予備加圧をかけ固定具で固定した第１ウエハホルダＷＨ１と第２ウエハホルダＷＨ２とはウエハホルダローダＷＨＬにより加熱加圧装置７０に送られる。

ウエハ貼り合わせ装置１００の加熱加圧装置７０では、真空雰囲気にして予備加圧をかけ、固定具で固定した第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２との間に挟みこんだピンＰを監視しながら抜き、加熱加圧することで精度良く及びボイドのない貼り合わせをすることができる。加熱加圧装置７０の詳細な説明は後述する。

ウエハ貼り合わせ装置１００は加熱加圧装置７０の隣に分離冷却ユニット８０を有している。分離冷却ユニット８０は、貼り合わされた半導体ウエハＷをウエハホルダＷＨから外すとともに、貼り合わされた半導体ウエハＷを所定温度まで冷却する。冷却された半導体ウエハＷはウエハローダＷＬにより分離冷却ユニット８０から取り出され、貼り合わせウエハ用ストッカー８５に送られる。冷却されたウエハホルダＷＨはウエハホルダローダＷＨＬにより分離冷却ユニット８０から取り出され、再びウエハホルダストッカー３０に戻される。

ウエハ貼り合わせ装置１００は、ウエハ貼り合わせ装置１００全体の制御を行う主制御装置９０が設けられている。主制御装置９０は、ウエハローダＷＬ、ウエハホルダローダＷＨＬ、ウエハプリアライメント装置２０、及びウエハホルダプリアライメント装置４０などの各装置を制御する制御装置と信号の受け渡しを行い全体の制御を行う。

＜ウエハプリアライメント装置２０の構成＞
図２（ａ）はウエハプリアライメント装置２０を示した上面図であり、図２（ｂ）はその概略断面図である。

ウエハプリアライメント装置２０は第１ＸＹθステージ２５を有している。第１ＸＹθステージ２５は矢印ＡＲＲの示すようにＸ方向、Ｙ方向及びθ方向にサーボ制御により移動及び回転可能である。また第１ＸＹθステージ２５は半導体ウエハＷを吸着するため真空チャック２３を有しており、不図示の真空ポンプで半導体ウエハＷを第１ＸＹθステージ２５に吸着したり離脱させたりすることができる。また、第１ＸＹθステージ２５は、半導体ウエハＷをウエハローダＷＬに受け渡しするために、不図示の３本のリフトピンを有している。

半導体ウエハＷは、その周囲の一部に半導体ウエハＷの結晶方向性を示すノッチＮＣが形成されている。また、貼り合わせられる半導体ウエハＷには数十ショット〜数百ショット程度に半導体チップ領域ＣＨが形成されている。半導体チップ領域ＣＨの周辺には、フォトリソグラフィ工程に必要なアライメントマークＡＭが複数形成されている。アライメントマークＡＭは十字形状及び円形状で形成されている。

第１ＸＹθステージ２５上には、ウエハ用アライメントカメラＣＡ１が固定されている。ウエハ用アライメントカメラＣＡ１は倍率が約１０倍から２５倍程度であり、必要に応じてオートフォカス機構を備えてもよい。第１ＸＹθステージ２５は、ウエハ用アライメントカメラＣＡ１がアライメントマークＡＭを観察できるように、ウエハ用アライメントカメラＣＡ１の直下にアライメントマークＡＭが来るようにＸ及びＹ方向に移動可能である。なお、本実施形態では、フォトリソグラフィ工程で使用されたアライメントマークＡＭを使用して半導体ウエハＷのプリアライメントを行うが、別のマークを使用してもよい。

第１ＸＹθステージ２５は、第１レーザ光波干渉式測長器（以下、第１干渉計という。）２２によって常時位置が検出される。第１干渉計２２で検出された第１ＸＹθステージ２５の位置は、ウエハプリアライメント制御装置２１に送られる。また、ウエハ用アライメントカメラＣＡ１が観察したアライメントマークＡＭの位置信号もウエハプリアライメント制御装置２１に送られる。

ウエハプリアライメント制御装置２１は、半導体ウエハＷが所定位置からＸ方向、Ｙ方向及びθ方向のずれ量を計算し、その計算結果に基づいて第１ＸＹθステージ２５を移動及び回転させる。これによりプリアライメントされた半導体ウエハＷは、設計基準値から例えば１０μｍ以下の範囲に位置決めされる。なお、ウエハプリアライメント制御装置２１は、ウエハ用アライメントカメラＣＡ１に２箇所以上のアライメントマークＡＭを観察させる。

＜ウエハホルダプリアライメント装置４０の構成＞
図３（ａ）はウエハホルダプリアライメント装置４０を示した上面図であり、図３（ｂ）は（ａ）の概略側面図である。

ウエハホルダプリアライメント装置４０は第２ＸＹθステージ４５を有している。第２ＸＹθステージ４５は矢印ＡＲＲの示すようにＸ方向、Ｙ方向及びθ方向にサーボ制御により移動及び回転可能である。また第２ＸＹθステージ４５はウエハホルダＷＨを吸着するため真空チャック４３を有しており、不図示の真空ポンプでウエハホルダＷＨを第２ＸＹθステージ４５に吸着したり離脱させたりすることができる。また、第２ＸＹθステージ４５は、ウエハホルダＷＨをウエハホルダローダＷＨＬと受け渡しするために、不図示の３本のホルダ用リフトピンを有している。さらに第２ＸＹθステージ４５は、ウエハホルダＷＨに形成された３つの孔部を介して半導体ウエハＷを受け渡しするためのウエハ用リフトピン４６を有している。

ウエハホルダＷＨは、絶縁体であるアルミナセラミックで円形形状に構成され、一部に切り欠け部ＮＴが形成されている。ウエハホルダＷＨの中央内部には、半導体ウエハＷを静電吸着するための印加電極ＥＬが内蔵されている。ウエハホルダＷＨの表面は研磨されており、その中央で半導体ウエハＷを静電吸着する。第２ＸＹθステージ４５には、印加電極ＥＬで直流を印加するための直流電源ＤＣが設けられている。

ウエハホルダＷＨはその周囲にフィディシャルマークＦＭを有している。フィディシャルマークＦＭは、ウエハホルダＷＨの中心を対称に一対設けられており、透明な石英ガラス上に十字形状又は円形状のマークが形成されている。ウエハホルダＷＨのフィディシャルマークＦＭ部分は開口部となっており、フィディシャルマークＦＭは、ウエハホルダＷＨを表裏面側の両方から観察できる。また、ウエハホルダＷＨには半導体ウエハＷのアライメントマークＡＭを監視するための監視窓ＳＷを設ける。監視窓ＳＷは加熱加圧装置７０においてピンの抜き取り工程でずれが発生しないように監視するための窓であり、熱で変性しにくい石英ガラスなどの透明な材料で形成される。図３（ａ）に示した監視窓ＳＷは２箇所であるが、３箇所以上を設置することもできる。

第２ＸＹθステージ４５上には、ウエハホルダ用アライメントカメラＣＡ２が固定されている。ウエハホルダ用アライメントカメラＣＡ２は倍率が約１０倍から２５倍程度であり、必要に応じてオートフォカス機構を備えてもよい。第２ＸＹθステージ４５は、ウエハホルダ用アライメントカメラＣＡ２がフィディシャルマークＦＭを観察できるように、ウエハホルダ用アライメントカメラＣＡ２の直下にフィディシャルマークＦＭが来るようにＸ及びＹ方向に移動可能である。

第２ＸＹθステージ４５は、第２レーザ光波干渉式測長器（以下、第２干渉計という。）４２によって常時位置が検出される。第２干渉計４２で検出された第２ＸＹθステージ４５の位置は、ウエハホルダプリアライメント制御装置４１に送られる。また、ウエハホルダ用アライメントカメラＣＡ２は２つのフィディシャルマークＦＭを観察し、観察されたフィディシャルマークＦＭの位置信号もウエハホルダプリアライメント制御装置４１に送られる。

ウエハホルダプリアライメント制御装置４１は、ウエハホルダＷＨが所定位置からＸ方向、Ｙ方向及びθ方向にどれだけの量ずれているかを計算し、その計算結果に基づいて第２ＸＹθステージ４５を移動及び回転させる。これによりプリアライメントされたウエハホルダＷＨは、設計基準値から例えば１０μｍ以下の範囲に位置決めされる。

所定位置からずれた量だけ移動及び回転されたウエハホルダＷＨは、正しい位置にプリアライメントされ、その位置で待機状態となる。ウエハホルダＷＨからウエハ用リフトピン４６が上昇し、そこにウエハプリアライメント装置２０でプリアライメントされた半導体ウエハＷを所定の位置になるよう載置して、ウエハ用リフトピン４６を下降し、ウエハホルダＷＨは印加電極ＥＬに印加することによって半導体ウエハＷを静電吸着する。

以上の動作により、プリアライメントされたウエハホルダＷＨにプリアライメントされた半導体ウエハＷが精度良く載置される。つまり、ウエハホルダＷＨのフィディシャルマークＦＭに対して半導体ウエハＷのアライメントマークＡＭを所定範囲内に位置決めすることができる。以上によりウエハホルダＷＨ上の半導体ウエハＷは、設計基準値から例えば２０μｍ以下の範囲に位置決めされる。このため、後述するアライナー５０でフィディシャルマークＦＭを基準としてアライメントマークＡＭを検出する際に問題なく高倍率の高精度アライメントカメラＣＡ３（図４参照）で観察することができる。

＜アライナー５０の構成＞
図４（ａ）は、アライナー５０を横から見た構成図である。図４（ｂ）は（ａ）に示す半導体ウエハＷの周縁に設置したピン挿入部６０の拡大図である。第１ウエハＷ１は第１ウエハホルダＷＨ１に載置した状態で、第２ウエハＷ２は第２ウエハホルダＷＨ２に載置した状態で、ウエハホルダローダＷＨＬによってウエハホルダプリアライメント装置４０からアライナー５０に送られる。

アライナー５０は、第１テーブル５４と第２テーブル５６とを有しており、第１テーブル５４のホルダ保持面と第２テーブル５６のホルダ保持面とは互いに向かい合うようになっている。第１ウエハホルダＷＨ１は第１テーブル５４に固定され、第２ウエハホルダＷＨ２は第２テーブル５６に固定される。つまり、第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とは互いの重ね合わせ面が向かい合うようにセットされる。第１テーブル５４は第１駆動装置５５に結合されており第１テーブル５４を微動させる機能を有する。第２テーブル５６は第２駆動装置５３により少なくともＸ、Ｙ方向に移動させられ、第２テーブル５６の移動量は第３レーザ光波干渉式測長器（以下、第３干渉計という）５２により測定される。なお、ウエハホルダローダＷＨＬによって送られてくる第１ウエハホルダＷＨ１も最初は第２テーブル５６に固定され、それから所定の測定を行った後に第２テーブル５６から第１テーブル５４に移されて固定される。

アライナー５０は、アライメントマークＡＭ及びフィディシャルマークＦＭを観察する高精度アライメントカメラＣＡ３が天井に配置されている。高精度アライメントカメラＣＡ３は倍率が約４０倍から１００倍程度であり、倍率が高い分視野が狭くなっている。

第３干渉計５２によって検出された第２テーブル５６の位置は、アライナー制御装置５１に送られる。また、高精度アライメントカメラＣＡ３が観察したアライメントマークＡＭ及びフィディシャルマークＦＭの位置信号もアライナー制御装置５１に送られる。アライナー制御装置５１はそれらの信号に基づいて、第１駆動装置５５又は第２駆動装置５３に駆動信号を送る。

さて、高精度アライメントカメラＣＡ３は、第１テーブル５４に保持された第１ウエハホルダＷＨ１のフィディシャルマークＦＭを第１ウエハホルダＷＨ１の裏面からも観察できるものであり、同ウエハホルダＷＨが保持された時にフィディシャルマークＦＭが顕微鏡の光学系の物面になるように調整されている。また、高精度アライメントカメラＣＡ３は、第２ウエハホルダＷＨ２のフィディシャルマークＦＭを第１ウエハホルダＷＨ１の裏面より観察する。フィディシャルマークＦＭの高さが異なるため、高さ方向の調節が必要になる。このため、高精度アライメントカメラＣＡ３は不図示のピエゾ素子を有しており、必要に応じて高さ方向の調整を行っている。

またアライナー５０は図４（ｂ）で示すように高精度に位置合わせを済ませたウエハホルダ及び半導体ウエハＷの間に必要に応じて中間材５９である接着シート、絶縁材及び樹脂などを挿入する不図示の中間材挿入装置を備える。この中間材挿入装置はウエハホルダプリアライメント装置４０とアライナー５０との間に配置されていてもよい。

半導体ウエハＷと中間材５９を備えた半導体ウエハＷとを接合する際に、半導体ウエハＷの周縁部が接合し後から半導体ウエハＷの中央部が接合すると、中間材５９と半導体ウエハとの間にボイドが発生した状態のまま接合されてしまう。このため、半導体ウエハＷの間にピンＰを配置するためのピン挿入装置６０を備える。ピンＰを挿入した半導体ウエハＷは不図示の固定具を取り付けて固定する。本実施形態のピンＰは先端を面取した円形を成し、排出時の急激な半導体ウエハＷ及びウエハホルダＷＨの動きを抑えることができる。固定具はウエハホルダＷＨに脱着するタイプを取り付けてもよいが、ウエハホルダＷＨに固定具を備えることもできるし、ウエハホルダＷＨ自体に固定機能を内蔵させてもよい。

ピン挿入部６０は、図４（ｂ）に示すようにピンＰと、ピンＰを挟み固定する第１クランプ６１と、ピンＰを駆動させる第１ピンアクチュエータ６２と、第１クランプ６１第１ピンアクチュエータ６２とを連結する第1支持アーム６４と、挿入量を検出する第１静電容量センサー６３とを備えている。ピン挿入部６０の配置は図５（ａ）で示すようにウエハホルダＷＨの周縁を１２０度ごとに均等に配置することでピンＰを半導体ウエハＷにバランスよく配置することができる。また、ピン挿入部６０の配置は図５（ｂ）に示すようにウエハホルダＷＨの周縁を９０度ごとに均等に配置する方法でもよい。

図６はアライナー５０の位置合わせからウエハホルダＷＨの固定までのフローチャートである。
ステップＳ１１において、第１ウエハホルダＷＨ１を第２のテーブル５６上に保持し、アライナー制御装置５１は第２の駆動装置５３を動作させて、高精度アライメントカメラＣＡ３により第１ウエハホルダＷＨ１上のフィディシャルマークＦＭを検出する。

ステップＳ１２において、アライナー制御装置５１は第２の駆動装置５３を動作させることで、第２テーブル５６を移動させて第１ウエハＷ１上のアライメントマークＡＭを検出する。

ステップＳ１３では、第３干渉計５２により第２テーブル５６の移動量を検出することで、第１ウエハホルダＷＨ１及び第１ウエハＷ１のフィディシャルマークＦＭとアライメントマークＡＭとの位置関係を求める。

ステップＳ１４において、アライナー５０は位置関係が定まった第１ウエハＷ１及び第１ウエハホルダＷＨ１を第２のテーブル５６より取り外し、ウエハホルダローダＷＨＬで第１テーブル５４に反転させて固定する

ステップＳ１５において、ウエハホルダローダＷＨＬは、空いた第２テーブル５６に第２ウエハＷ２を保持している第２ウエハホルダＷＨ２を送り込み、第２ウエハホルダＷＨ２を第２テーブル５６に固定する。アライナー制御装置５１は第２の駆動装置５３を動作させて、第３干渉計５２により第２テーブル５６の位置を計測しながら、高精度アライメントカメラＣＡ３に第２ウエハホルダＷＨ２のフィディシャルマークＦＭを観察させる。

ステップＳ１６において、アライナー制御装置５１は第２ウエハＷ２上のアライメントマークＡＭを順次、高精度アライメントカメラＣＡ３の視野内に移動させ、第３干渉計５２により第２テーブル５６の位置を計測する。

ステップＳ１７において、第３干渉計５２により第２テーブル５６の移動量を検出することで、第２ウエハホルダＷＨ２及び第２ウエハＷ２のフィディシャルマークＦＭとアライメントマークＡＭとの位置関係を求める。

ステップＳ１８において、アライナー制御装置５１は、第１ウエハＷ１上のアライメントマークＡＭと第２ウエハＷ２上のアライメントマークＡＭとの位置より重ね合わせ位置を調整する。このとき、アライナー制御装置５１は第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とのアライメントマークＡＭの位置誤差が最小になるように最小自乗法で計算を行う。この結果に基づいてアライナー制御装置５１は第２テーブル５６を移動させる。なお、２枚の半導体ウエハＷ上のアライメントマークＡＭの位置関係から最適化処理を行ったが、半導体ウエハＷを重ね合わせる位置及び半導体ウエハＷの姿勢を基準座標系にあらかじめ設定し各半導体ウエハＷの位置と姿勢を求めて良い。この場合には、アライメントマークＡＭの位置は２枚の半導体ウエハＷ間で異なっていても構わない。

ステップＳ１９において、第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２の位置関係が決められると、アライナー５０は中間材５９の挿入を行う。中間材５９は図４（ｂ）に示すように接着シート、絶縁材及び樹脂などを選択することができ、第２ウエハＷ２の上に載置される。また第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２は位置合わせ処理が終了しているため不透明な中間材５９を用いることができる。なお、透明な中間材を使用する場合は第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２の位置合わせ処理の前に中間材を挿入することもできる。この中間材はウエハホルダプリアライメント装置４０とアライナー５０との間で、第２ウエハＷ２の上に載置されてもよい。

ステップＳ２０において、中間材５９の挿入が終了した第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２はピンＰを挿入して移動中のずれが発生しないように固定処理する。固定処理は中間材５９が対向する半導体ウエハＷに接触しないようにピンＰを挿入する。ピンＰの挿入はピン挿入部６０により挿入量を第１静電容量センサー６３で観察しながら均等に挿入する。なお、ピンＰを挿入する際には多少の差異が生じても支障ないので第１静電容量センサー６３を用意しなくてもよい。

ステップＳ２１において、ピンを挿入した２つの半導体ウエハＷはアライナー制御装置５１で制御しながら駆動装置５３により互いに近接させずれが発生しない程度の予備圧力で加圧する。 このとき、アライナー制御装置５１は、移動する第２の第１テーブル５６のＸＹ面内の変動を第３干渉計５２により測定し、所定のずれの範囲内に収まるように第２の駆動装置５３にフィードバックをかけながら近接させる。そしてアライナー５０は固定具で第１ウエハホルダＷＨ１と第２ウエハホルダＷＨとをクランプする。

ステップＳ２２において、第１ウエハホルダＷＨ１と第２ウエハホルダＷＨとがクランプされたのち、ピンＰを固定していた第１クランプ６１を固定解除することでピン挿入部６０と切り離す。ピンＰの挿入されたクランプ後の第１ウエハホルダＷＨ１と第２ウエハホルダＷＨとは、ウエハホルダローダＷＨＬによってアライナー５０から加圧装置７０に送られる。

＜加熱加圧装置７０の構成＞
図７（ａ）は加熱加圧装置７０を横から見た構成図である。図７（ｂ）は半導体ウエハＷの周縁に設置したピン排出部６５の拡大図である。
第１ウエハＷ１は第１ウエハホルダＷＨ１にて−Ｚ方向に保持されている。第１ウエハホルダＷＨ１は第１トッププレートＴＰ１に支えられている。第１トッププレートＴＰ１はヒータ及び冷却配管を備えた高熱伝導の高い材料で構成された第１温度調整プレートＡＴ１に支えられている。さらに第１温度調整プレートＡＴ１は第１ベースプレートＢＰ１に支えられて、この第１ベースプレートＢＰ１は加熱加圧装置７０のフレーム７１に備え付けられている。第１トッププレートＴＰ１には第１トッププレートＴＰ１を貫通するように高精度監視カメラＣＡ４を設置している。第１ウエハホルダＷＨ１には高精度監視カメラＣＡ４で半導体ウエハＷのアライメントマークＡＭを監視するための監視窓ＳＷが形成されている。なお、高精度監視カメラＣＡ４は赤外線を用いることで第１ウエハＷ１の裏面から表面側のアライメントマークＡＭを観察することができる。

一方、第２ウエハＷ２は第２ホルダＷＨ２にてＺ方向に保持されている。第２ウエハホルダＷＨ２は第２トッププレートＴＰ２により着脱可能に支えられ、この第２トッププレートＴＰ２はヒータ及び冷却配管を備えた高熱伝導の高い材料で構成された第２温度調整プレートＡＴ２に支えられている。さらに第２温度調整プレートＡＴ２は第２ベースプレートＢＰ２に備え付けられている。第２ベースプレートＢＰ２は、内側加圧アクチュエータ７３と外側加圧アクチュエータ７５とで支えられている。

加熱加圧装置７０は真空配管７４を有しており、不図示の真空ポンプで吸引することで加熱加圧装置７０全体を真空雰囲気にする。加熱加圧制御装置７２は加熱加圧装置７０を真空雰囲気にした後、搬送された第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とに挿入したピンＰを高精度監視カメラＣＡ４で観察しながら抜くことで、半導体ウエハＷのずれを最小にする。加熱加圧制御装置７２は第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２を内側加圧アクチュエータ７３と外側加圧アクチュエータ７５とを個々に圧力を制御しながら加圧することができる。また加熱加圧制御装置７２は第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２をそれぞれ第１温度調整プレートＡＴ１及び第２温度調整プレートＡＴ内のヒータで制御しながら加熱する。

加熱加圧装置７０はアライナー５０で挿入したピンＰを抜くために、第１及び第２ウエハホルダＷＨの周縁に均等に配置したピン排出部６５を備える。ピン排出部６５は図５（ａ）に示したようにアライナー５０のピン挿入部６０と同様にウエハホルダの周縁を１２０度ごと、または図５（ｂ）に示したように９０度ごとに均等に配置する。ピン排出部６５はピン挿入部６０と同様にピンＰと、ピンＰを挟み固定する第２クランプ６６と、ピンを駆動する第２ピンアクチュエータ６７と、第２クランプ６６と第２ピンアクチュエータ６７とを連結する第２支持アーム６９と、排出量を検出する第２静電容量センサー６８とを備えている。加熱加圧制御装置７２で制御するピン排出部６５はピンＰをクランプ６６で挟み、高精度監視カメラＣＡ４で半導体ウエハＷのアライメントマークＡＭを監視しながら第２ピンアクチュエータ６７の排出速度を制御し、ずれが最小になるようにピンＰを排出する。

図８は加熱加圧装置７０における処理のフローチャートである。
ステップＳ３１において、加熱加圧装置７０はアライナー５０からピンを挿入した状態で搬送されてくるウエハホルダＷＨを第２トッププレートＴＰ２に載置して固定する。

ステップＳ３２において、加熱加圧装置７０はチャンバ内の空気を真空配管７４より真空ポンプで排気することでチャンバ内を真空にする。

ステップＳ３３において、加熱加圧制御装置７２は第２トッププレートＴＰ２に内側加圧アクチュエータ７３で予備加圧をかける。加熱加圧装置７０は内側加圧アクチュエータ７３で予備加圧を加えることで図７（ｂ）に示すように第２ウエハホルダＷＨの中央部が湾曲して凸形状になり、第２ウエハＷ２も連動して凸形状になる。加熱加圧装置７０は内側加圧アクチュエータ７３で予備加圧をすることで周縁部にかかる圧力を中心部より弱くすることでピンＰを抜きやすくさせ、ずれの発生を抑えることができる。また半導体ウエハＷの中心部に圧力を加えることで半導体ウエハＷの中心部が周縁部より突出するために中心部より接合されピンＰを制御しながら徐々に抜くことでボイドが発生することなく、接着シート、絶縁材又は樹脂を周縁部へ押し広げるように接着することができる。

ステップＳ３４において、加熱加圧制御装置７２は高精度監視カメラＣＡ４でフィディシャルマークＦＭ又は各アライメントマークＡＭの情報より、ずれが発生していないかを監視してずれの調整を行う。加熱加圧制御装置７２は数μｍのずれを感知すると、ずれを修正する制御値を算出する。加熱加圧制御装置７２は算出値よりどの方向からどれだけの量を移動させるかをピン排出部６５に伝える。

ステップＳ３５では、各ピン排出部６５のピンＰを徐々に抜く。１２０度ごと又は９０度ごとに設置したピン排出部６５は加熱加圧制御装置７２の制御値に基づいてピンＰを徐々に抜く。ピンＰのずれの方向によってピンＰの移動を停止したり、ピンＰの移動速度を遅くしたり速くしたりする。これにより第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２の位置ずれを防止する。

ステップＳ３６において、加熱加圧制御装置７２はフィディシャルマークＦＭ又は各アライメントマークＡＭが正しい位置にあるかどうかを判断する。ずれが発生している場合はステップ３４に戻りずれを修正する。正しい位置でずれが発生していない場合はステップＳ３７に移る。

ステップＳ３７では、全てのピンＰを抜いたかを判断する。全てのピンＰが抜けていない場合はステップ３４に戻りピンＰの排出と位置の調整とを行う。全てのピンＰが抜けた場合はステップＳ３８に移り、内側加圧アクチュエータ７３と外側加圧アクチュエータ７５とで半導体ウエハＷの全面で均一な圧力になるように加圧し、所定の圧力まで所定時間を加圧する。

ステップＳ３９において、加熱加圧装置７０は所定の圧力に達した段階で所定の温度に所定時間を加熱することで２枚の半導体ウエハＷを接合することができる。

＜＜実施形態２＞＞
実施形態１において半導体ウエハＷと半導体ウエハＷとの間にピンＰを挿入したが、本実施形態では図９に示すように半導体ウエハＷと半導体ウエハＷとが接触しない距離で第１ウエハホルダＷＨ１と第２ウエハホルダＷＨ２との間にピンＰを挿入する。このピンＰは図４で示すピンＰよりも径が太くなる。

ウエハホルダＷＨの間にピンＰを挿入する方法も、図９に示すように内側加圧アクチュエータ７３によりウエハホルダＷＨの中央部に圧力をかけることで、第２ウエハホルダＷＨ２と第２ウエハＷ２とが中央部で湾曲し、第１ウエハホルダＷＨ１と第２ウエハホルダＷＨ２とを近接させることで中央部より接合することができる。このようにして、ボイドの発生を防ぎながら高精度に半導体ウエハＷを接着することができる。さらにウエハホルダＷＨの間にピンＰを挿入する方法は半導体ウエハＷに直接ピンＰを挿入する必要がないために、ピンＰに接着材や樹脂が付着するおそれが少ない。

ピン挿入部６０は半導体ウエハＷの間に余分なゴミを挿入するおそれが少なくなり、またピン排出部６５はピンＰの排出時の抵抗を減らすことができるためにずれのおそれを減少させることができる。つまり、ウエハホルダＷＨの間にピンＰを挿入する方法は安定して半導体ウエハＷと半導体ウエハＷとを貼り付けすることができる。

本実施形態のピン挿入部及びピン排出部の構成は実施形態１と同様であり、ピンの厚みが違うだけで同様な構成である。またピンの挿入方法及び排出方法も同様に行うことができる。

ウエハ貼り合わせ装置１００の上面概略図である。 （ａ）は、ウエハプリアライメント装置２０の上面図である。 （ｂ）は、（ａ）の概略断面図である。 （ａ）は、ウエハホルダプリアライメント装置４０を示した上面図である。 （ｂ）は、（ａ）の概略断面図である。 （ａ）は、アライナー５０を示した構成図である。 （ｂ）は、半導体ウエハＷの周縁に設置したピン挿入部６０の拡大図である。 （ａ）は、ウエハホルダＷＨの周縁にピン挿入部６０を１２０度ごとに配置した図である。 （ｂ）は、ウエハホルダＷＨの周縁にピン挿入部６０を９０度ごとに配置した図である。 アライナー５０おける処理のフローチャートである。 （ａ）は、加熱加圧装置７０を横から見た構成図である。 （ｂ）は、半導体ウエハＷの周縁に設置したピン排出装置６５の拡大図である。 加熱加圧装置７０における処理のフローチャートである ウエハホルダＷＨの間にピンＰを挿入した図である

符号の説明

ＡＭ … アライメントマーク
ＣＡ１ … ウエハ用アライメントカメラ
ＣＡ２ … ウエハホルダ用アライメントカメラ
ＣＡ３ … 高精度アライメントカメラ
ＣＡ４ … 高精度監視カメラ
ＣＨ … 半導体チップ領域
ＤＣ … 直流電源
ＥＬ … 印加電極
ＦＭ … フィディシャルマーク
Ｐ … ピン
ＳＷ … 監視窓
ＴＰ１ … 第１トッププレート、ＴＰ２ … 第２トッププレート
Ｗ … 半導体ウエハ（Ｗ１ … 第１ウエハ、Ｗ２ … 第２ウエハ）
ＷＨ … ウエハホルダ（ＷＨ１ … 第１ウエハホルダ、ＷＨ２ … 第２ウエハホルダ）
ＷＬ … ウエハローダ、ＷＨＬ … ウエハホルダローダ
２０ … ウエハプリアライメント装置、２１ … ウエハプリアライメント制御装置
２２ … 第１干渉計、２５ … 第１ＸＹθステージ
３０ … ウエハホルダストッカー
４０ … ウエハホルダプリアライメント装置
４２ … 第２干渉計、４５ … 第２ＸＹθステージ
４６ … ウエハ用リフトピン
５０ … アライナー、５１ … アライナー制御装置
５２ … 第３干渉計
５３ … 第２駆動装置、５４ … 第１テーブル、５５ … 第１駆動装置、５６ … 第２テーブル
５９ … 中間材
６０ … ピン挿入部、６１ … 第１クランプ
６２ … 第１ピンアクチュエータ、６３ … 第１静電容量センサー
６４ … 第1支持アーム
６５ … ピン排出部、６６ … 第２クランプ
６７ … 第２ピンアクチュエータ、６８ … 第２静電容量センサー
６９ … 第２支持アーム
７０ … 加熱加圧装置
７２ … 加熱加圧制御装置
７３ … 内側加圧アクチュエータ、７５ … 外側加圧アクチュエータ
８０ … 分離冷却ユニット
９０ … 主制御装置
１００ … ウエハ貼り合わせ装置

Claims (22)

1. 被加工領域を有する第１基板と第２基板とを中間材を介して貼り合わせる基板貼り合わせ方法において、
   第１基板保持部によって前記第１基板を保持し、第２基板保持部によって前記第２基板を保持する保持工程と、
   前記第１基板と前記第２基板とを位置合わせして重ね合わせる重ね合わせ工程と、
   前記第１基板と前記第２基板とを重ね合わせる前に、前記第１基板保持部及び第２基板保持部の周縁部に複数本のピンを配置するピン配置工程と、
   重ね合わせた前記第１基板と前記第２基板とに予備加圧をかける予備加圧工程と、
   この予備加圧工程中に、前記第１基板保持部と前記第２基板保持部とのずれを観察部で観察する観察工程と、
   前記予備加圧工程中に、前記第１基板保持部及び前記第２基板保持部の周縁部からピン抜き部を作動して前記ピンを抜くピン抜き工程と、
   前記観察部により前記ずれが観察された場合、前記ずれを修正すべく前記ピン抜き部の作動を制御する制御工程と、
   を備えることを特徴とする基板貼り合わせ方法。
2. 前記ピン抜き工程において、前記基板のずれは、前記第１基板保持部及び前記第２基板保持部のの第１基準マーク又は前記第１基板及び前記第２基板の第２基準マークの少なくとも一方を観察部が観察することを特徴とする請求項１に記載の基板貼り合わせ方法。
3. 前記観察部は、前記第１基板及び前記第２基板の中心にして均等に複数配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の基板貼り合わせ方法。
4. 前記ピン抜き部とは、前記第１基板保持部と前記第２基板保持部の中央に移動可能な移動アームに取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
5. 被加工領域を有する第１基板と第２基板とを中間材を介して貼り合わせる基板貼り合わせ方法において、
   第１基板保持部によって前記第１基板を保持し、第２基板保持部によって前記第２基板を保持する保持工程と、
   前記第１基板と前記第２基板とを位置合わせして重ね合わせる重ね合わせ工程と、
   前記第１基板と前記第２基板とを重ね合わせる前に、前記第１基板及び第２基板の周縁部に複数本のピンを配置するピン配置工程と、
   重ね合わせた前記第１基板と前記第２基板とに予備加圧をかける予備加圧工程と、
   この予備加圧工程中に、前記第１基板保持部と前記第２基板保持部とのずれを観察部で観察する観察工程と、
   前記予備加圧工程中に、前記第１基板保持部及び前記第２基板保持部の周縁部からピン抜き部を作動して前記ピンを抜くピン抜き工程と、
   前記観察部により前記ずれが観察された場合、前記ずれを修正すべく前記ピン抜き部の作動を制御する制御工程と、
   を備えることを特徴とする基板貼り合わせ方法。
6. 被加工領域を有する第１基板と第２基板とを中間材を介して貼り合わせる基板貼り合わせ方法において、
   前記第１基板及び第２基板の周縁部に複数本のピンを配置するピン配置工程と、
   前記第１基板と前記第２基板とを位置合わせして前記ピンを配置したまま重ね合わせる重ね合わせ工程と、
   重ね合わせた前記第１基板と前記第２基板とに予備加圧をかける予備加圧工程と、
   この予備加圧工程中に、前記第１基板及び前記第２基板の周縁部からピン抜き部を作動して前記ピンを抜くピン抜き工程と、
   前記第１基板と前記第２基板とのずれを観察部で観察し、前記観察部により前記ずれが観察された場合、前記ずれを修正すべく前記ピン抜き部の作動を制御する制御工程と、
   を備えることを特徴とする基板貼り合わせ方法。
7. 前記第１基板は第１基板保持部によって保持され、前記第２基板は第２基板保持部によって保持されており、
   前記ピン抜き工程において、前記基板のずれは、前記第１基板保持部及び前記第２基板保持部に設けられた観察孔を介して前記観察部が観察することを特徴とする請求項６に記載の基板貼り合わせ方法。
8. 前記観察孔は、前記第１基板及び前記第２基板を中心にして均等に複数配置されていることを特徴とする請求項７に記載の基板貼り合わせ方法。
9. 前記ピン抜き工程は、前記観察部による前記第１基板と前記第２基板とのずれの観察結果に応じて、前記複数本のピンを抜く速度を可変することを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
10. 前記観察部が観察した前記ずれに基いて、前記ピン抜き部の作動を制御する制御値を算出する請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
11. 前記制御値は、前記複数本のピンのうち前記ピンの抜く方向及び前記ピンの移動量の少なくとも一方である請求項１０に記載の基板貼り合わせ方法。
12. 被加工領域を有する第１基板と第２基板とを中間材を介して貼り合わせる基板貼り合わせ装置において、
    第１基板保持部で保持された前記第１基板と第２基板保持部で保持された前記第２基板とを向かい合わせ、前記第１基板保持部及び第２基板保持部の周縁部に複数本のピンを挿入するピン挿入部と、
    前記複数本のピンを挿入後、前記第１基板と前記第２基板とが接合するように前記第１基板と前記第２基板とに予備加圧をかける加圧部と、
    前記予備加圧中に、前記第１基板保持部と前記第２基板保持部とのずれを観察する観察部と、
    前記予備加圧中に、前記第１基板保持部及び前記第２基板保持部の周縁部から前記ピンを抜くピン抜き部と、
    前記観察部により前記ずれが観察された場合、前記ずれを修正すべく前記ピン抜き部の作動を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする基板貼り合わせ装置。
13. 前記観察部が前記第１基板保持部及び前記第２基板保持部の第１基準マーク又は前記第１基板及び前記第２基板の第２基準マークの少なくとも一方で、前記基板のずれを観察する請求項１２に記載の基板貼り合わせ装置。
14. 前記観察部は、前記第１基板及び前記第２基板の中心にして均等に複数配置されている請求項１３に記載の基板貼り合わせ装置。
15. 前記ピン抜き部は、前記第１基板保持部と前記第２基板保持部の中央に移動可能な移動アームに取り付けられていることを特徴とする請求項１２ないし請求項１４のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。
16. 被加工領域を有する第１基板と第２基板とを中間材を介して貼り合わせる基板貼り合わせ装置において、
    １基板保持部で保持された前記第１基板と第２基板保持部で保持された前記第２基板とを向かい合わせ、前記第１基板及び第２基板の周縁部に複数本のピンを挿入するピン挿入部と、
    前記複数本のピンを挿入後、前記第１基板と前記第２基板とが接合するように前記第１基板と前記第２基板とに予備加圧をかける加圧部と、
    前記予備加圧中に、前記第１基板と前記第２基板とのずれを観察する観察部と、
    前記予備加圧中に、前記第１基板及び前記第２基板の周縁部から前記ピンを抜くピン抜き部と、
    前記観察部により前記ずれが観察された場合、前記ずれを修正すべく前記ピン抜き部の作動を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする基板貼り合わせ装置。
17. 被加工領域を有する第１基板と第２基板とを中間材を介して貼り合わせる基板貼り合わせ装置において、
    前記第１基板と前記第２基板とを向かい合わせ、前記第１基板及び第２基板の周縁部に複数本のピンを挿入するピン挿入部と、
    前記複数本のピンを挿入後、前記第１基板と前記第２基板とが接合するように前記第１基板と前記第２基板とに予備加圧をかける加圧部と、
    前記予備加圧中に、前記第１基板と前記第２基板とのずれを観察する観察部と、
    前記予備加圧中に、前記第１基板及び前記第２基板の周縁部から前記ピンを抜くピン抜き部と、
    前記観察部により前記ずれが観察された場合、前記ずれを修正すべく前記ピン抜き部の作動を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする基板貼り合わせ装置。
18. さらに、前記第１基板を保持する第１基板保持部及び前記第２基板を保持する第２基板保持部を備え、
    前記基板のずれは、前記第１基板保持部及び前記第２基板保持部に設けられた観察孔を介して前記観察部が観察することを特徴とする請求項１７に記載の基板貼り合わせ装置。
19. 前記観察孔は、前記第１基板及び前記第２基板を中心にして均等に複数配置されていることを特徴とする請求項１８に記載の基板貼り合わせ装置。
20. 前記ピン抜き部は、前記観察部による前記第１基板と前記第２基板とのずれの観察結果に応じて、前記複数本のピンを抜く速度を可変することを特徴とする請求項１７ないし請求項１９のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。
21. 前記観察部が観察した前記ずれに基いて、前記ピン抜き部の作動を制御する制御値を算出する請求項１２ないし請求項２０のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。
22. 前記制御値は、前記複数本のピンのうち前記ピンの抜く方向及び前記ピンの移動量の少なくとも一方である請求項２１に記載の基板貼り合わせ装置。