JP5375020B2 - 接合評価方法、接合評価装置、基板貼り合わせ装置、接合評価ゲージおよび積層型半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、評価ゲージに関し、特に、当該評価ゲージを用いた接合評価方法、積層型半導体装置、接合評価装置および基板貼り合わせ装置に関する。

特許文献１には、素子を形成されたウエハを積層して積層型半導体デバイスを製造することが記載されている。
特開２００７−１０３２２５号公報

そこで、上記課題を解決すべく、本発明の第１の態様として、一対の基板を接合する場合の接合精度を評価する接合評価方法であって、一定の周期で繰り返す繰り返しパターンを有する評価パターン層を挟んで一対の基板を接合する接合段階と、一対の基板の一方を透過する偏光を評価パターン層に照射して、評価パターン層から出射した光の偏光状態の変化を測定する偏光測定段階とを含む接合評価方法が提供される。

また、本発明の第２の態様として、一定の周期で繰り返す繰り返しパターンを有する評価パターン層と、評価パターン層を挟んで接合された一対の基板とを含む接合基板を保持する基板保持部と、保持部に保持された接合基板の評価パターン層に、一対の基板の一方を透過する偏光を照射する偏光照明部と、評価パターン層からの出射光における偏光状態の変化を測定する偏光測定部とを備える接合評価装置が提供される。

更に、本発明の第３の態様として、上記の接合評価装置と、一対の基板の一方を他方に対して位置合わせして接合する接合装置と、接合装置により接合された一対の基板を加熱および加圧して貼り合わせる加熱加圧装置と、を備える基板貼り合わせ装置が提供される。

また更に、本発明の第４の態様として、一対の基板の接合精度を評価する接合評価ゲージであって、一定の周期で繰り返す繰り返しパターンを有する評価パターン層と評価パターン層を挟んで接合された一対の基板と、を有して、一対の基板の一方を透過する偏光を評価パターン層に照射した場合に、評価パターン層から出射された出射光の偏光状態が変化する接合評価ゲージが提供される。

また更に、本発明の第５の態様として、一定の周期で繰り返す繰り返しパターンを有する評価パターン層と少なくとも一方が半導体基板であって、評価パターン層を挟んで接合された一対の基板と、を有して、一対の基板の一方を透過した偏光を評価パターン層に照射した場合に、評価パターンから出射される偏光の偏光状態が変化する積層型半導体装置が提供される。

上記の発明の概要は、発明の全ての特徴を列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となり得る。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。以下に記載する実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせ全てが発明の解決に必須であるとは限らない。

図１は、接合装置１００の全体構造を模式的に示す平面図である。接合装置１００は、共通の筐体１０１の内部に形成された常温部１０２および高温部２０２を含む。

常温部１０２は、筐体１０１の外部に面して、複数の基板カセット１１１、１１２、１１３と、制御盤１２０とを有する。制御盤１２０は、接合装置１００全体の動作を制御する制御部を含む。また、制御盤１２０は、接合装置１００の電源投入、各種設定等をする場合にユーザが外部から操作する操作部を有する。更に、制御盤１２０は、配備された他の機器と接合装置１００とを接続する接続部を含む場合もある。

基板カセット１１１、１１２、１１３は、接合装置１００において接合される基板１８０、あるいは、接合装置１００において貼り合わされた基板１８０を収容する。また、基板カセット１１１、１１２、１１３は、筐体１０１に対して脱着自在に装着される。これにより、複数の基板１８０を接合装置１００に一括して装填できる。また、接合装置１００において接合された基板１８０を一括して回収できる。

なお、接合装置１００に装填される基板１８０は、単体のシリコンウエハ、化合物半導体ウエハ、ガラス基板等の他、それらに素子、回路、端子等が形成されたものでもよい。また、装填された基板１８０が、既に複数のウエハを積層して形成された積層基板である場合もある。

常温部１０２は、筐体１０１の内側にそれぞれ配された、プリアライナ１３０、アライナ１４０、ホルダストッカ１５０および評価部１６０と、一対のロボットアーム１７１、１７２とを備える。プリアライナ１３０は、アライナ１４０に基板を装填する場合に、高精度であるが故に狭いアライナ１４０の調整範囲にそれぞれの基板１８０が装填されるように、個々の基板１８０の位置を仮合わせする。これにより、アライナ１４０における基板１８０の位置決めは迅速且つ確実に完了する。

アライナ１４０は、上ステージ１４１、下ステージ１４２および干渉計１４４を含む。上ステージ１４１および下ステージ１４２は、基板１８０単独または基板１８０を保持した基板ホルダ１９０を搬送する。

また、アライナ１４０の周囲には、断熱壁１４５およびシャッタ１４６が配される。断熱壁１４５およびシャッタ１４６に包囲された空間は空調機等に連通して精密に温度管理され、アライナ１４０における位置合わせ精度を維持する。ホルダストッカ１５０は、複数の基板ホルダ１９０を収容して待機させる。

一対のロボットアーム１７１、１７２のうち、基板カセット１１１、１１２、１１３に近い側に配置されたロボットアーム１７１は、基板カセット１１１、１１２、１１３、プリアライナ１３０およびアライナ１４０の間で基板１８０を搬送する。基板カセット１１１、１１２、１１３から遠い側に配置されたロボットアーム１７２は、アライナ１４０、評価部１６０およびエアロック２２０の間で基板１８０および基板ホルダ１９０を搬送する。また、ロボットアーム１７２は、ホルダストッカ１５０に対する基板ホルダ１９０の搬入および搬出も担う。

更に、ロボットアーム１７２は、接合する基板１８０の一方を裏返す機能も有する。なお、ロボットアーム１７１、１７２、２３０は、真空吸着、静電吸着等により基板ホルダ１９０を吸着して保持する。また、基板ホルダ１９０は、例えば静電吸着により基板１８０を吸着して保持する。評価部１６０の構造と動作については別途後述する。

高温部２０２は、断熱壁２１０、エアロック２２０、ロボットアーム２３０および複数の加熱加圧部２４０を有する。断熱壁２１０は、高温部２０２を包囲して、高温部２０２の高い内部温度を維持すると共に、高温部２０２から外部への熱輻射を遮断する。これにより、高温部２０２の熱が常温部１０２に及ぼす影響を抑制できる。

ロボットアーム２３０は、加熱加圧部２４０のいずれかとエアロック２２０との間で基板１８０および基板ホルダ１９０を搬送する。エアロック２２０は、常温部１０２側と高温部２０２側とに、交互に開閉するシャッタ２２２、２２４を有する。

基板１８０および基板ホルダ１９０が常温部１０２から高温部２０２に搬入される場合、まず、常温部１０２側のシャッタ２２２が開かれ、ロボットアーム１７２が基板１８０および基板ホルダ１９０をエアロック２２０に搬入する。次に、常温部１０２側のシャッタ２２２が閉じられ、高温部２０２側のシャッタ２２４が開かれる。

続いて、ロボットアーム２３０が、エアロック２２０から基板１８０および基板ホルダ１９０を搬出して、加熱加圧部２４０のいずれかに装入する。加熱加圧部２４０は、基板ホルダ１９０に挟まれた状態で加熱加圧部２４０に搬入された基板１８０を加熱した状態で加圧する。これにより基板１８０は恒久的に接合される。

高温部２０２から常温部１０２に基板１８０および基板ホルダ１９０を搬出する場合は、上記の一連の動作を逆順で実行する。これらの一連の動作により、高温部２０２の内部雰囲気を常温部１０２側に漏らすことなく、基板１８０および基板ホルダ１９０を高温部２０２に搬入または搬出できる。

図２ａから図２ｅまでは、２つの基板を接合する接合装置１００における基板１８０および基板ホルダ１９０の状態の変遷を示す図である。以下、図２ａから図２ｅまでを参照しつつ、接合装置１００の動作を説明する。

図２ａに示すように、接合装置１００が稼動を開始する当初、貼り合わせの対象となる基板１８０の各々は個別に収容されている。基板ホルダ１９０も、例えばホルダストッカに各々個別に収容されている。接合装置１００が稼動を開始すると、基板１８０は、図２ｂに示すように、一枚ずつ基板ホルダ１９０に保持される。

基板ホルダ１９０が２枚目である場合は、図２ｃに示すように、１枚目の基板１８０に対向するように、例えば干渉計により位置を監視しつつステージを移動させ、基板１８０に対して位置合わせする。位置合わせされた基板１８０は、仮接合される。

アライナにおいて位置決めされた基板１８０および基板ホルダ１９０は、図２ｄに示すように、例えば側面に形成された溝１９１に嵌められた複数の止め具１９２により連結されて、位置決めされた状態を維持する。連結された一対の基板１８０および基板ホルダ１９０は、一体に搬送されて要求に応じて加熱加圧部２４０に装入される。

なお、本実施例では、アライナ１４０における位置合わせ精度を、評価部において評価する。このような場合は、アライナ１４０において位置合わせして仮接合された基板１８０を、加熱加圧部２４０に搬入する前に基板ホルダ１９０から取り出して、評価部に搬入する。このとき、基板１８０および基板ホルダ１９０は、見かけ上、図２ｅに示す形態となる。

図３は、アライナおける位置合わせの精度を評価する場合に用いる評価ゲージ１８の構造を模式的に示す断面図である。評価ゲージ１８は、透明基板１８１、半導体基板１８３、評価パターン１８２、１８４およびアライメントパターン１８６、１８７を含む。

半導体基板１８３は、接合装置１００において接合する基板１８０と同等の部材が用いられる。具体的には、Ｓｉウエハ等を任意に選択できる。一方、透明基板１８１は、後述する検査光に対する透過率が高い材料で形成される。可視帯域の検査光を用いる場合は、例えば石英基板を用いることができる。また、赤外帯域の検査光を用いる場合は、Ｓｉウエハを透明基板１８１として用いることもできる。

なお、図３では、１組の評価パターン１８２、１８４およびアライメントパターン１８６、１８７を拡大して描いているが、透明基板１８１および半導体基板１８３の各々には、複数組の評価パターン１８２、１８４およびアライメントパターン１８６、１８７が形成される。

一組の評価パターン１８２、１８４は、例えば、積層型半導体装置の単一のダイと同程度の大きさとして、基板１８０上と同じように配置してもよい。また、基板１８０に形成される素子の中で使用されていない領域に小型の評価パターン１８２、１８４を形成してもよい。

図４は、１組の評価パターン１８２、１８４およびアライメントパターン１８６、１８７を抜き出して示す平面図である。評価パターン１８２、１８４のそれぞれは、互いに同じ一定のピッチ２ｐで形成された複数の線形パターンを含む。線状パターンは、評価パターン１８２、１８４の繰り返し方向について見た場合の例えばデューティが２５％となる線幅を有する。

アライメントパターン１８６、１８７は、互いに相補的な形状を有して、評価パターン１８２、１８４の近傍に配置される。一方のアライメントパターン１８６の評価パターン１８２に対する間隔Ｄ_１は、他方のアライメントパターン１８７の評価パターン１８４に対する間隔Ｄ_２に対して、評価パターン１８２、１８４のピッチ２ｐの半分に相当するｐの差を有する。

図５は、透明基板１８１および半導体基板１８３を接合した場合の評価パターン１８２、１８４の断面図である。透明基板１８１および半導体基板１８３は、アライナ１４０において、アライメントパターン１８６、１８７が相互に一致するように位置合わせされ、更に、圧接して仮接合される。

透明基板１８１および半導体基板１８３が仮接合された場合、アライメントパターン１８６、１８７は互いに重なって一体となる。一方、評価パターン１８２、１８４は、アライメントパターン１８６、１８７に対する間隔Ｄ_１、Ｄ_２が異なるので、線状パターンが交互に配列される。

図６は、合成された評価パターン１８２、１８４を、透明基板１８１側から見た様子を示す平面図である。図示のように、アライメントパターン１８６、１８７は一体化している。一方、評価パターン１８２、１８４は、互いに入れ子状態になり、線形パターンをピッチｐで繰り返す複合パターン１８８を形成する。こうして形成された複合パターン１８８を含む透明基板１８１および半導体基板１８３を、アライナ１４０の位置合わせ精度を評価する評価ゲージ１８として使用する。

図７は、評価ゲージ１８を用いてアライナ１４０の位置合わせ精度を評価する評価部１６０の構造を模式的に示す図である。評価ゲージ１８を搭載する評価ステージ１６８と、評価ステージ１６８を移動または揺動させるＸ駆動部１６３、Ｙ駆動部１６５およびθ駆動部１６７と、評価ゲージ１８に照射する検査光を発生する光源１６２と、評価ゲージ１８により検査光に生じた回折光を観察する撮像部１６４とを有する。

撮像部１６４は、光源１６２が発生した検査光を平行光にして評価ゲージ１８に入射させる曲面反射鏡１６９を含む。これにより、評価ゲージ１８の各部に対して、検査光は同じ入射角度で入射する。従って、評価ゲージ１８の全面において、同じ条件で回折光を生じる。なお、図中に点線で示すように、撮像部１６４は、観察する回折光の次数に応じて複数設けてもよい。

評価ゲージ１８は、透明基板１８１側を上面にして、評価ステージ１６８に搭載される。評価ステージ１６８も、基板ホルダ１９０等と同様に、静電吸着、真空吸着等により、評価ゲージ１８を吸着して固定する。光源１６２は、予め指定された特定帯域または特定波長の検査を出射する。

評価ステージ１６８は、互いに積層されたＸ駆動部１６３、Ｙ駆動部１６５およびθ駆動部１６７に支持される。Ｘ駆動部１６３は、案内部１６１に沿って、図中に矢印Ｘで示す方向に評価ステージ１６８を移動させる。Ｙ駆動部１６５は、Ｘ駆動部１６３上で、図中に矢印Ｙで示す方向に評価ステージ１６８を移動させる。

更に、θ駆動部１６７は、Ｙ駆動部１６５上で球面座に支持された評価ステージ１６８を揺動させる。これら、Ｘ駆動部１６３、Ｙ駆動部１６５およびθ駆動部１６７の動作により、光源１６２から出射された検査光を、評価ステージ１６８上の評価ゲージ１８に対して任意の入射角で照射できる。従って、検査光の照射角度などの光学条件を変化させて、評価ゲージ１８において任意の回折光を発生させることができる。

なお、光源１６２、曲面反射鏡１６９および撮像部１６４は、テレセントリックな光学系を形成していてもよい。これにより、評価ゲージ１８の全面において、検査光の評価ゲージ１８および撮像部１６４に対する入射角度が同じになり、均一な条件で回折光を一度に観察できる。なお、テレセントリック光学系になっていない場合は、均一な条件で評価ゲージ１８全体を一度に観察することはできないが、評価ゲージ１８の領域毎に分割して観察することはできる。ただし、評価の作業効率は低下する。

図８は、検査光を照射された評価ゲージ１８において生じる現象を示す部分拡大断面図である。図８は、図６において点線Ａで囲った領域を拡大して描かれる。

既に説明した通り、個々の評価パターン１８２、１８４および複合パターン１８８は、いずれも一定のピッチを有する繰り返しパターンをなす。ここで、評価パターン１８２、１８４はそれぞれピッチ２ｐを有する。また、評価ゲージ１８の透明基板１８１および半導体基板１８３が理想的に位置合わせされた場合、評価パターン１８２、１８４を合成して形成された複合パターン１８８は、ピッチｐでデューティが５０％の繰り返しパターンを形成する。

ここで、波長λの検査光をピッチｐの繰り返しパターンに入射した場合、下記の式１が満足される条件下で反射回折光が生じる。

同様の条件下で、ピッチ２ｐの繰り返しパターンが回折光を生じる条件は、下記の式２のように表すことができる。

一方、ピッチｐの繰り返しパターンに入射した検査光の回折光が相殺し合って回折光が生じない条件は、下記の式３により表すことができる。

上記の式２および式３において、例えば次数ｎがｎ＝２ｍ＋１となる場合、両者は同じ条件となるので、図９に示すように、ピッチ２ｐに対する０次回折光および偶数次回折光が発生し、奇数次回折光は生じない。

図１０は、評価パターン１８２、１８４の変形を示す部分拡大断面図である。図示のように、何らかの理由により透明基板１８１および半導体基板１８３の位置にずれが生じた場合、各々がピッチ２ｐを有する評価パターン１８２、１８４を重ねて形成した複合パターン１８８のピッチは変化する。即ち、理想的なピッチｐに対して位置ずれ量Δｐが増減したピッチ（ｐ±Δｐ）となる。

図１１は、評価パターン１８２、１８４により生じる、ピッチ２ｐに対する回折光強度を示す図である。上記のように、ピッチｐの繰り返しパターンのピッチが乱れると、１次回折光を打ち消す条件は成立しなくなり、それまでにはなかった１次回折光が現れる。従って、１次回折光の強度の変化を観測することにより位置ずれの有無が判り、アライナ１４０における位置合わせ精度を評価できる。即ち、ピッチ２ｐに対する１次回折光強度が増加し、２次回折光が減少する。

また、評価部１６０において、ピッチ２ｐに対する１次回折光を受光できる角度位置にθ駆動部１６７を設定して、局所的な位置ずれ量の分布をウエハ一括で把握できる。位置ずれが無い場合にはゼロであった１次回折光が現れるので、１次回折光の変化を観察すると変化を検出し易い。しかし、１次回折光が増えると同時に２次回折は減少するので、２次回折光を観察しても良い。更に、透明基板１８１および半導体基板１８３の位置にずれの増加に応じたピッチｐに対する１次回折光の減少を計測してもよい（ピッチｐに対する１次回折光は、光学条件が同じピッチ２ｐに対する２次回折光と区別できない）。

図１２は、基板１８０のずれ量とピッチ２ｐに対する１次回折光強度の関係を、ＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）法により算出した結果を示すグラフである。なお、ＲＣＷＡ法では、電磁波としての入射光を波長毎に平面波に展開し、解析的に回折効率を求める。

検査光としては単色光を用いることが好ましく、ここではＥ線（波長５４６ｎｍ（ＴＥ偏光））を用いることとした。また、透明基板１８１として石英ウエハ、半導体基板１８３としてＳｉウエハを用いるものとした。

石英ウエハの屈性率は１．４６、厚さは７２５μｍとした。また、透明基板１８１および半導体基板１８３に形成した評価パターン１８２、１８４は、屈折率が１．５２、厚さ２００ｎｍのレジストにより形成するものとした。更に、Ｓｉウエハは、屈折率４．０９−０．０３ｉ、厚さ７２５μｍとした。

図示のように、２ｐ周期が０．３μｍの場合の、１次回折光に着目する。理想的に位置合わせされて位置ずれが全く無い場合は、１次回折光が全く生じない。

しかしながら、位置ずれ量が２０ｎｍを越えた領域では、位置ずれにより複合パターン１８８のピッチがｐからずれるので、１次回折光が明瞭に現れる。更に、位置ずれ量の増加につれて、１次回折光の強度が高くなる。これにより、２ｐ周期が０．３μｍの評価パターン１８２、１８４を用意して、評価部１６０において１次回折光の強度の増加を観察することにより、位置ずれ量を瞬時に把握できる。

なお、上記のように、１次回折光強度は、位置ずれ量が大きくなった場合に高くなる。このため、理想的な位置合わせが行われた場合に、１次回折光が全く現れない。しかしながら、１次回折光を有効に検出するには、光源１６２の出射強度か、撮像部１６４の感度を適切に設定しなければならない。

そこで、１次回折光の強度を参照して位置ずれを評価する場合は、光源１６２または撮像部１６４を較正する場合に使用できるように、意図的なピッチをずらした参照パターンを、評価パターン１８２、１８４と共に設けておくことが好ましい。このような参照パターンを設けることにより、何らかの理由で撮像部１６４の感度が無い場合と、位置合わせが理想的であった場合とを区別できる。

図１３は、基板１８０のずれ量と２次回折光強度の関係を、ＲＣＷＡ法により算出した結果を示すグラフである。なお、用いた透明基板１８１、半導体基板１８３および評価パターン１８２、１８４の材料と仕様は、図１２に示した計算と共通である。

ここで、２ｐ周期が０．７μｍの場合の、２次回折光に着目する。理想的に位置合わせされて位置ずれが全く無い場合は、評価パターン１８２、１８４により形成された複合パターン１８８が、ピッチｐの繰り返しパターンを形成する。この複合パターン１８８に対応して、グラフには強い２次回折光が生じている。

しかしながら、位置ずれ量が８０ｎｍを越えた領域では、位置ずれにより複合パターン１８８のピッチがｐからずれるので、２次回折光が明瞭に減少する。更に、位置ずれ量の増加につれて、２次回折光の強度は暫減する。

従って、２ｐ周期が０．７μｍの評価パターン１８２、１８４を用意して、評価部１６０において２次回折光の強度の減少を観察することにより、位置ずれ量を瞬時に把握できる。なお、評価部１６０に、複数の撮像部１６４を設けて、１次回折光強度と、２次回折光強度とを同時に観察してもよい。

図１４は、接合精度の具体的な評価方法を模式的に示す図である。即ち、特定の回折光に着目した場合、位置ずれ量の有無または位置ずれ量の多寡は、明暗の差となって観測される。従って、図７に示したように、評価の対象となる基板１８０全体に検査光を照射して、撮像部１６４により基板１８０を一括して観察することにより、基板１８０全体の位置ずれ量の分布を瞬時に把握できる。

ここに示した例では、明るく見える素子領域１８９において位置ずれ量が大きい。これにより、位置ずれの分布に一定の傾向があることが一目瞭然となる。

即ち、所期の条件に対して、回折強度と位置ずれ量との関係を、理論的、実験的に予め同定しておくことにより、評価対象の位置ずれ量を定量化できる。また、生産ライン検査に用いる場合は、予め把握した関係に基づいて、合否判断基準を提供できる。

図１５は、評価パターン１８２、１８４の他の形態を示す平面図である。図示のように、この評価ゲージ１８においては、複合パターン１８８の繰り返し方向が互いに直交する２種類の複合パターンが、ひとつの評価ゲージに混在する。これにより、アライナ１４０における位置合わせ精度の分布を二次元的に把握することができる。

なお、回折光は、複合パターン１８８の繰り返し方向に発生する。従って、繰り返し方向の異なる複合パターン１８８を同時に計測する場合は、評価部１６０に、複数の光源１６２と複数の撮像部１６４とを設けることが望ましい。

また、複合パターン１８８に対して、単一の光源１６２から検査光を垂直に照射することにより、繰り返し方向の異なる複合パターン１８８において、同時に回折光を発生させることもできる。この場合は、撮像部１６４を複数設ければ足りる。

なお、繰り返し方向の種類は、互いに直交する２種類に限られるわけではない。従って、接合装置１００あるいはアライナ１４０において基板１８０に生じる蓋然性が高いストレスに対応した繰り返し方向を有する多種の評価パターン１８２、１８４を形成してもよい。

図１６は、評価パターン１８２、１８４の他の形態を示す平面図である。この形態では、素子が形成される素子領域１８９の間に生じるスクライブライン上に、評価パターン１８２、１８４により形成された複合パターン１８８が配される。

このような配置により、素子領域１８９に素子が形成されている積層半導体装置の製造工程において、複合パターン１８８を用いて位置合わせ精度を評価できる。また、素子領域１８９がダイシングにより切り分けられた場合にはスクライブラインは消滅するので、基板１８０の利用効率を低下させることなく評価できる。

なお、複合パターン１８８の配置はスクライブライン上に限られない。基板１８０縁部近傍の素子領域１８９の外側はもちろん、素子領域１８９の内側において使用されていない領域に複合パターンを配することもできる。更に、素子領域１８９に形成された素子に重ねて複合パターン１８８を形成することもできる。

このように、繰り返しパターンを含む評価ゲージ１８を用いることにより、アライナ１４０における位置合わせ精度の分布を包括的且つ瞬時に把握できる。従って、アライナ１４０の保守、点検において、アライナの状態を容易且つ迅速に把握できる。

また、評価パターン１８２、１８４を用いた評価方法は、評価作業に要する時間が短いので、評価部１６０を接合装置１００に実装することにより、生産工程上でアライナ１４０の位置合わせ精度を評価できる。従って、顕著な位置ずれが生じた基板１８０は、次の工程に送らずに、再びアライナ１４０に装填する等の対策ができる。これにより、材料の歩留りを向上させて積層型半導体装置の生産性を向上させることができる。

更に、製品となった積層型半導体装置の検品にも評価パターン１８２、１８４を用いた評価方法を適用することができる。即ち、接合装置１００において加熱加圧部２４０で加熱加圧されて製品となった積層型半導体装置に対して、評価パターン１８２、１８４を用いた評価をすることにより、加熱加圧部２４０において発生した位置ずれも評価できる。換言すれば、評価ゲージ１８を用いた評価部１６０および評価方法により、加熱加圧部２４０の動作精度も評価できる。

図１７は、評価部１６０の他の構造を模式的に示す図である。なお、この評価部１６０において、図７に示した評価部１６０と共通の要素には同じ参照番号を付して、重複する説明を省く。評価部１６０は、評価ゲージ１８に対して、互いに対称に形成された光路を含む照明光学系２６１および撮像光学系２６３を備える。

照明光学系２６１は、光源１６２、偏光フィルタ２６２および曲面反射鏡１６９を含む。光源１６２から出射された照明光は、偏光フィルタ２６２および曲面反射鏡１６９を経て、評価ゲージ１８に透明基板１８１側から照射される。

偏光フィルタ２６２は、光源１６２から入射した照明光のうち、予め設定された特定の偏光面を有する直線偏光に限って透過させる。これにより、評価ゲージ１８に入射する照明光を直線偏光とすることができる。ただし、偏光フィルタ２６２は、照明光の光路上からはずすこともできる。

また、偏光フィルタ２６２は、照明光学系２６１の光路上に挿入されている場合に、当該偏光フィルタ２６２の面内で回転させることもできる。これにより、評価ゲージ１８に照射される直線偏光の偏光面を任意に設定できる。

曲面反射鏡１６９は、光源１６２および評価ゲージ１８に対してテレセントリックな光学系を形成する。これにより、曲面反射鏡１６９に反射された照明光は、評価ゲージ１８の各領域に対してテレセントリックな光として入射する。

光源１６２、偏光フィルタ２６２および曲面反射鏡１６９は個別に移動させることができる。これにより、後述する測定対象に応じて、照明光の照射角度を変更することもできる。

撮像光学系２６３は、曲面反射鏡１６９、偏光フィルタ２６４および撮像部１６４を含む。評価ゲージ１８に反射された照明光は、曲面反射鏡１６９および偏光フィルタ２６４を経て撮像部１６４に入射する。曲面反射鏡１６９は、評価ゲージ１８および撮像部１６４に対してテレセントリックな光学系を形成する。

偏光フィルタ２６４は、評価ゲージ１８により反射された照明光のうち、予め設定された特定の偏光面を有する直線偏光に限って透過させ、撮像部１６４に入射させる。ただし、偏光フィルタ２６４は、撮像光学系２６３の光路上からはずすこともできる。

また、偏光フィルタ２６４は、撮像光学系２６３の光路上に挿入されている場合に、当該偏光フィルタ２６４の面内で回転させることもできる。これにより、撮像部１６４に撮像される直線偏光の偏光面を任意に選択できる。

評価ゲージ１８は、図１５に示した評価ゲージ１８と同様に、複数の素子領域１８９を有する。素子領域１８９の各々は、オリエンテーションフラットに対して繰り返し方向が平行または直交する繰り返しパターンを含む複合パターン１８８を有する。

また、複合パターン１８８は、図３から図６までを参照して説明したように、ピッチ２ｐの評価パターン１８２、１８４およびアライメントパターン１８６、１８７を各々が有する透明基板１８１および半導体基板１８３を接合して形成される。従って、透明基板１８１および半導体基板１８３を接合した場合に位置ずれが生じていなければ、複合パターン１８８のピッチはｐとなる。

偏光フィルタ２６２、２６４を照明光の光路から外した評価部１６０に、上記のような評価ゲージ１８を装填して、透明基板１８１および半導体基板１８３の位置ずれを評価することができる。即ち、図８から図１１を参照して説明したように、光源１６２から出射された検査光を評価ゲージ１８に入射させ、評価ゲージ１８において発生した特定次数の回折光強度を撮像部１６４により測定することにより、評価ゲージ１８を形成する透明基板１８１および半導体基板１８３の位置ずれを検出することができる。

図１８は、一対の偏光フィルタ２６２、２６４をいずれも有効にした状態の評価部１６０の光学的構造を模式的に示す図である。なお、図１７と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

図示のように、照明光学系２６１において、評価ゲージ１８に対する照明光の入射角度が複合パターン１８８に対して４５°の角度をなすように、光源１６２、偏光フィルタ２６２および曲面反射鏡１６９が配される。これにより、照明光の偏光面も、複合パターン１８８に４５°の角度をなす。

また、撮像光学系２６３においては、複合パターン１８８における構造性複屈折（後述）により楕円偏光となった光が、曲面反射鏡１６９および偏光フィルタ２６４を介して撮像部１６４に入射するように、曲面反射鏡１６９、偏光フィルタ２６４および撮像部１６４が配される。具体的には、照明光学系２６１から入射した照明光の正反射による反射光を受光する位置に配される。

ここで、偏光フィルタ２６２、２６４は、透過する直線偏光の偏光面が互いに直交するように配され、クロスニコルを形成する。

直線偏光が微細な繰り返しパターンに傾斜した入射角で入射した場合、複合パターン１８８の繰り返しパターンに平行な成分と直交する成分とは、振幅と位相とが個別に変化する構造性複屈折（ｆｏｒｍ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）を生じる。このため、複合パターン１８８からの出射光は、楕円偏光となる。なお、楕円偏光の、振動面が入射した直線偏光に対して垂直な成分（以下、偏光垂直成分と呼ぶ）は、複合パターン１８８を形成する材料の光学的特性（屈折率）、複合パターン１８８の形状等に依存して変化する。なお、楕円偏光の、入射した直線偏光に対して平行な成分も複合パターン１８８を形成する材料の光学的特性（屈折率）、複合パターン１８８の形状等に依存して変化するが、元の信号強度に対する変化割合は偏光垂直成分の場合に比べて小さいので、観察するには、偏光垂直成分の方が好ましい。

一方、撮像光学系２６３の偏光フィルタ２６４は、偏光垂直成分に限って透過する。複合パターン１８８における偏光垂直成分は、複合パターン１８８を形成するレジスト材料と、複合パターン１８８を形成する線形パターンの間隙（例えば空気により満たされる）との割合などに応じて変化する。

図１９は、評価ゲージ１８におけるレジスト層１８５の断面形状を模式的に示す図である。図１９（Ｒ）に示すように、透明基板１８１および半導体基板１８３に位置ずれがなく、複合パターン１８８を形成するレジスト層１８５の変形もない理想的な評価ゲージ１８の場合、透明基板１８１および半導体基板１８３の間隙において、レジスト層１８５および空隙が同じ割合で交互に配される。

これに対して、図１９（Ｓ１）に示す評価ゲージ１８では、図１１に示した場合と同様に、透明基板１８１および半導体基板１８３に位置ずれが生じている。以下の説明において、位置ずれ量はＳ１により示す。また、図１９（Ｓ２）に示す評価ゲージ１８では、透明基板１８１側に形成されていたレジスト層１８５において、レジスト層１８５を構成するパターンの一部が加圧によって潰れることにより、その潰れたパターンの線幅が大きくなる変形がレジスト層に生じている。以下の説明において、パターンの変形量は図示のＳ２により示す。

更に、図１９（Ｓ３）に示す評価ゲージ１８では、透明基板１８１側に形成されていたレジスト層１８５の断面形状が変化する変形が生じている。また更に、図１９（Ｓ４）に示す評価ゲージ１８では、加圧によってレジスト層１８５全体が潰れることにより、レジスト層１８５を構成するパターンの線幅が変化する変形が生じている。また、図１９（Ｓ５）に示す評価ゲージ１８では、加圧によってレジスト層１８５全体が潰れることにより、レジスト層１８５を構成するパターン全体にその断面形状が変化する変形が生じている。なお、以下の説明において、それぞれの変形量をＳ３、Ｓ４およびＳ５により示す。

図２０は、図１９（Ｓ１）に示す位置ずれを有する評価ゲージ１８について撮像部１６４が計測した、偏光垂直成分の強度と位置ずれ量Ｓ１との関係を光学シミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。図２０に示されたグラフのｘ軸はパターンの変形を示す位置ずれ量Ｓ１であり、ｙ軸は検出された偏光垂直成分の強度である。図示のように、位置ずれ量Ｓ１の変化に従って直線偏光強度が変化するが、その変化は小さいことが判る。

図２１は、レジスト層１８５が図１９（Ｓ２）に示す変形を有する評価ゲージ１８について撮像部１６４が計測した、偏光垂直成分の強度と変形量Ｓ２との関係を光学シミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。図２１に示されたグラフのｘ軸はパターンの変形量Ｓ２であり、ｙ軸は検出された偏光垂直成分の強度である。図示のように、変形量Ｓ２の変化に従って偏光垂直成分の強度が大きく変化していることがわかる。

以下同様に、図２２、図２３および図２４は、レジスト層１８５が図１９（Ｓ３）、図１９（Ｓ４）および図１９（Ｓ５）に示す変形を有する評価ゲージ１８について撮像部１６４が計測した、偏光垂直成分の強度と変形量Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５との関係を光学シミュレーションにより計算した結果を示すグラフである。図２２、図２３および図２４に示されたグラフのｘ軸はそれぞれパターンの変形量Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５であり、ｙ軸はそれぞれ検出された偏光垂直成分の強度である。図示のように、変形量Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５の変化に従って、偏光垂直成分の強度が変化する。

透明基板１８１および半導体基板１８３に形成した評価ゲージパターンが、変形することなく正しく形成されていることを接合前に確認しておけば、図１９のＳ２、Ｓ３，Ｓ５の変形は小さく、無視することができる。この場合は、変形は位置ずれ量Ｓ１および変形量Ｓ４となる。

ピッチ２ｐの回折光強度は、位置ずれ量Ｓ１の変化に対して変化し、変形量Ｓ４の変化に対してはほとんど変化しない性質があるので、予め接合の合わせズレと回折光強度の関係を求めておけば、回折光強度から、合わせズレの大きさを求めることができる。

一方、偏光垂直成分の強度は、位置ずれ量Ｓ１の変化に対しては小さく変化し、変形量Ｓ４の変化に対して大きく変化する。高い精度を求めない場合は、位置ずれ量Ｓ１の変化に対する変化を無視して、あらかじめ変形量Ｓ４と偏光垂直成分の強度との関係を求めておけば、直線偏光と垂直な成分の強度から、変形量Ｓ４を求めることができる。

高い精度が必要な場合は、位置ずれ量Ｓ１の変化に対する偏光垂直成分強度の変化と、変形量Ｓ４の変化に対する偏光垂直成分強度の変化を予め求めておき、まず回折光強度から位置ずれ量Ｓ１を求め、次にその位置ずれ量Ｓ１の変化に対する偏光垂直成分強度の変化量を求め、偏光垂直成分強度の変化量全体からその位置ずれ量Ｓ１の変化に対する偏光垂直成分の変化量を引くと変形量Ｓ４に対する偏光垂直成分の変化量が得られるので、それから変形量Ｓ４を高い精度で求めることができる。

位置ずれ量Ｓ１および変形量Ｓ４と回折光強度および偏光垂直成分強度の関係は、予め実験的に求めてもよいし、光学シミュレーションで求めておいても良い。また、評価ゲージ１８と同じ構造を有して、レジスト層１８５の位置ずれまた変形が既知である参照ゲージを用意することにより求めてもよい。

一方、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ５が無視できない場合については、Ｓ２とＳ３は分離するのが難しく、同様にＳ４とＳ５も分離するのが難しいので、Ｓ１、Ｓ２／Ｓ３、Ｓ４／Ｓ５の３種類に分類して、これらの量を求めるのが現実的である。この場合、パラメータが３つなので、３種類の光学条件で測定を行えば、これらの量を求めることができる。例えば、ピッチ２ｐの１次回折光、３次回折光、偏光変化、の３種類の測定を行えばよい。

なお、上記の例では、透明基板１８１および半導体基板１８３の位置ずれを併せて評価する目的で、ピッチ２ｐの評価パターン１８２、１８４を形成した透明基板１８１および半導体基板１８３を接合する構造とした。しかしながら、評価の対象を、レジスト層１８５の線幅および断面形状の変形に限る場合は、他の構造としてもよい。

図２５は、評価部１６０の別の構造を模式的に表す図である。なお、図７および図１７と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

図２５に示す評価部１６０は、図７に示した評価部１６０に対して、回折光観察の光学系に抜き差し可能な変更フィルタ２６２および２６４を加え、θ駆動部１６７を動かして照明光の正反射光が撮像部１６４に入射するように構成したものである。このような構造により、変更フィルタ２６２、２６４の抜き差し、およびθ駆動部１６７の制御だけで、共通の光学系により回折光と偏光垂直成分とを観察することができ、評価部１６０を小型かつ安価に構成することができる。

図２６は、評価ゲージ１８の他の構造を示す断面図である。同図に示すように、この評価ゲージ１８は、ピッチｐの評価パターン１８２およびアライメントパターン１８６を有する透明基板１８１と、アライメントパターン１８７を有する半導体基板１８３とを貼り合わせて形成される。このような構造の評価ゲージ１８を用いることにより、偏光垂直成分の測定結果において、透明基板１８１および半導体基板１８３の位置ずれに関係なく、レジスト層１８５の線幅および断面形状の変形を精度よく検知できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示していない限り、また、前の処理の出力を後の処理で用いない限り、任意の順序で実現し得ることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

接合装置１００全体の構造を模式的に示す平面図である。 基板１８０の状態の変遷を模式的に示す図である。 基板１８０の状態の変遷を模式的に示す図である。 基板１８０の状態の変遷を模式的に示す図である。 基板１８０の状態の変遷を模式的に示す図である。 基板１８０の状態の変遷を模式的に示す図である。 評価パターン１８２、１８４の断面図である。 評価パターン１８２、１８４の平面図である。 合成された評価パターン１８２、１８４の断面図である。 合成された評価パターン１８２、１８４の平面図である。 評価部１６０の構造を模式的に示す図である。 評価パターン１８２、１８４における現象を示す部分拡大断面図である。 評価パターン１８２、１８４により生じる回折光強度を示す図である。 評価パターン１８２、１８４の変形を示す部分拡大断面図である。 評価パターン１８２、１８４により生じる回折光強度を示す図である。 基板１８０のずれ量と１次回折光強度の関係を示すグラフである。 基板１８０のずれ量と２次回折光強度の関係を示すグラフである。 接合精度の評価方法を模式的に示す図である。 評価パターン１８２、１８４の他の形態を示す平面図である。 評価パターン１８２、１８４の他の形態を示す平面図である。 評価部１６０の他の構造を模式的に示す図である。 評価部１６０の光学的構造を模式的に示す図である。 評価用レジスト層１８５のモデルを模式的に示す断面図である。 撮像部１６４が検出する偏光強度の変化を示すグラフである。 撮像部１６４が検出する偏光強度の変化を示すグラフである。 撮像部１６４が検出する偏光強度の変化を示すグラフである。 撮像部１６４が検出する偏光強度の変化を示すグラフである。 撮像部１６４が検出する偏光強度の変化を示すグラフである。 評価部１６０の他の構造を模式的に示す図である。 評価ゲージ１８の他の構造を示す断面図である。

符号の説明

１８ 評価ゲージ、１００ 接合装置、１０１ 筐体、１０２ 常温部、１１１、１１２、１１３ 基板カセット、１２０ 制御盤、１３０ プリアライナ、１４０ アライナ、１４１ 上ステージ、１４２ 下ステージ、１４４ 干渉計、１４５、２１０ 断熱壁、１４６、２２２、２２４ シャッタ、１５０ ホルダストッカ、１６０ 評価部、１６１ 案内部、１６２ 光源、１６３ Ｘ駆動部、１６４ 撮像部、１６５ Ｙ駆動部、１６７ θ駆動部、１６８ 評価ステージ、１６９ 曲面反射鏡、１７１、１７２、２３０ ロボットアーム、１８０ 基板、１８１ 透明基板、１８２、１８４ 評価パターン、１８３ 半導体基板、１８５ レジスト層、１８６、１８７ アライメントパターン、１８８ 複合パターン、１８９ 素子領域、１９０ 基板ホルダ、１９１ 溝、１９２ 止め具、２０２ 高温部、２２０ エアロック、２４０ 加熱加圧部、２６１ 照明光学系、２６２、２６４ 偏光フィルタ、２６３ 撮像光学系

Claims (22)

1. 一対の基板の間に評価パターン層を挟んで前記一対の基板を接合する接合段階と、
   前記接合段階で接合された前記一対の基板の一方を透過する偏光を前記評価パターン層に照射して、前記評価パターン層から出射した光の偏光状態を測定する偏光測定段階と、
   前記偏光測定段階で測定された偏光状態の変化に基づいて、前記評価パターン層の形状の変形を評価することで、前記一対の基板の接合精度を評価する評価段階とを含む接合評価方法。
2. 前記偏光測定段階において、前記偏光は直線偏光であり、
   前記偏光状態は、前記評価パターン層から出射した光における、前記直線偏光に垂直な偏光成分である偏光垂直成分の強度により測定する
   請求項１に記載の接合評価方法。
3. 前記評価段階では、前記偏光測定段階において測定した前記偏光垂直成分の強度が、予め定めた基準強度との差が大きい場合に、前記評価パターン層の変形が大きいと評価する請求項２に記載の接合評価方法。
4. 前記偏光測定段階は、予め求めた接合精度および偏光状態の変化の関係を参照して、計測した偏光状態の変化に応じて接合精度を決定する決定段階を更に含む請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の接合評価方法。
5. 前記一対の基板の一方を透過する検査光を前記評価パターン層に照射して、前記評価パターン層において生じた回折光の強度を測定する回折光測定段階を更に含む請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の接合評価方法。
6. 偏光垂直成分の強度および回折光強度と接合精度との予め求めた関係と、
   測定した偏光状態の変化および回折光の強度に応じて接合精度を決定する決定段階と を更に含む請求項５に記載の接合評価方法。
7. 前記決定段階は、前記一対の基板相互の位置ずれと前記パターン層の変形とに分離して接合精度を決定する請求項６に記載の接合評価方法。
8. 接合された一対の基板の位置ずれ量を前記回折光強度から求め、当該位置ずれ量に対応した偏光状態の変化量を、測定した偏光状態の変化量から減じることにより、評価パターンの変形に起因する偏光状態の変化量を抽出する段階を更に含む請求項６に記載の接合評価方法。
9. 前記偏光測定段階は、前記接合段階の後に加熱加圧された前記一対の基板に対して実行される請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の接合評価方法。
10. 評価パターン層と前記評価パターン層を挟んで接合された一対の基板とを含む接合基板を保持する基板保持部と、
    前記保持部に保持された接合基板の前記評価パターン層に、前記一対の基板の一方を透過する偏光を照射する照明部と、
    前記評価パターン層からの出射光の偏光状態を測定し、測定された偏光状態の変化に基づいて、前記評価パターン層の形状の変形を評価することで、前記一対の基板の接合精度を評価する光測定評価部と
    を備える接合評価装置。
11. 前記照明部は、直線偏光を照射し、
    前記光測定評価部は、前記評価パターン層から出射した光における、前記直線偏光に垂直な偏光成分である偏光垂直成分の強度を測定する請求項１０に記載の接合評価装置。
12. 前記光測定評価部は、予め求めた接合精度および偏光状態の変化の関係を格納した参照部と、前記参照部を参照して計測した偏光状態の変化に応じて接合精度を決定する決定部とを含む請求項１０または請求項１１に記載の接合評価装置。
13. 前記保持部に保持された接合基板の前記評価パターン層に、前記一対の基板の一方を透過する検査光を照射する検査光照明部と、
    前記評価パターン層において生じた回折光の強度を測定する回折光測定部と
    を更に備える請求項１２に記載の接合評価装置。
14. 前記決定部は、接合精度と偏光状態の変化および回折光強度との予め求めた関係と、測定した偏光状態の変化および回折光の強度と、に応じて接合精度を評価する評価部を更に含む請求項１３に記載の接合評価装置。
15. 前記決定部は、接合された前記一対の基板の位置ずれとパターン変形とに分離して接合精度を決定する請求項１４に記載の接合評価装置。
16. 前記決定部は、接合された一対の基板の位置ずれ量を前記回折光強度から求め、当該位置ずれ量に対応した偏光状態の変化量を、測定した偏光状態の変化量から減じることにより、評価パターンの変形に起因する偏光状態の変化量を抽出する変形抽出部を更に含む請求項１４に記載の接合評価装置。
17. 前記照明部はテレセントリック光学系を含み、前記評価パターン層に対してテレセントリックな前記偏光を照射する請求項１０から請求項１６のいずれか１項に記載の接合評価装置。
18. 前記評価パターン層から出射された光を前記光測定評価部に入射させるテレセントリック光学系を更に備える請求項１０から請求項１７のいずれか１項に記載の接合評価装置。
19. 請求項１０から請求項１８までのいずれか１項に記載の接合評価装置と、
    前記一対の基板の一方を他方に対して位置合わせする位置合わせ装置と、
    前記位置合わせ装置により位置合わせされた前記一対の基板を加圧して貼り合わせる加圧装置と、
    を備える基板貼り合わせ装置。
20. 前記位置合わせ装置は、当該位置合わせ装置により位置合わせされた前記一対の基板を前記接合評価装置により評価した場合に、前記一対の基板の位置合わせ精度が所与の評価基準を満たすように調整される請求項１９に記載の基板貼り合わせ装置。
21. 前記加圧装置は、前記位置合わせ装置により位置合わせされた前記一対の基板を前記接合評価装置により評価した場合に、前記一対の基板の位置合わせ精度が所与の評価基準を満たした場合に当該一対の基板を貼り合わせる請求項１９または請求項２０に記載の基板貼り合わせ装置。
22. 前記評価装置は、前記加圧装置が貼り合わせた前記一対の基板の接合精度を評価する請求項１９から請求項２１までのいずれか１項に記載の基板貼り合わせ装置。

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