JP5500302B2 - アライメント装置、アライメント方法および基板接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、アラインメント装置に関する。より詳細には、ウエハ等の基板を積層して接合する場合に、当該基板を相互に位置合わせするアラインメント装置に関する。

各々に素子および回路が形成された基板を積層した積層型の半導体装置がある（特許文献１参照）。積層型の半導体装置は、立体的な構造を形成することにより、実装面積を拡大することなく実効的に高い実装密度を有する。また、積層された基板相互の配線が短いので、動作速度の向上にも寄与するといわれている。

基板を貼り合わせる場合には、互いに平行に保持された一対の基板を、半導体回路の線幅精度で精密に位置合わせして積層した後、これを全体に加熱、加圧して圧接させる。このため、一対の基板を位置合わせして重ね合わせるアラインメント装置（特許文献２参照）と、重ね合わされた一対の基板を恒久的に接合するホットプレス装置（特許文献３参照）とを組み合わせた接合装置が用いられる。

特開平１１−２６１０００号公報 特開２００５−２５１９７２号公報 特開２００７−１１４１０７号公報

アラインメントの対象となる基板をアラインメント装置に装入する場合に、装置内における基板の位置にずれが生じる場合がある。このような装入位置の誤差はアラインメント装置自体の精度とは無関係に生じるので、実際に基板が装入された状態で計測しなければ補償できない。

そこで、アラインメント装置に顕微鏡を装備させて、装入された基板の位置を計測することが試みられている。しかしながら、顕微鏡を装備したアラインメント装置においても、顕微鏡の分解能に相応しい位置精度が得られない場合がある。

そこで、上記課題を解決すべく、本発明の第１の形態として、重ね合わされる一対の基板の位置を合わせるアラインメント装置であって、一対の基板の一方を保持する基板保持部と、一対の基板の他方を支持して、一方の基板の面に平行な方向に移動する移動ステージと、移動ステージ上に配され、一方の基板の画像を撮像する顕微鏡と、顕微鏡が撮像した画像に基づいて、一方の基板の位置を算出する位置算出部と、顕微鏡が画像を撮像したときの顕微鏡の傾きの大きさを検知する傾き検知部と、傾き検知部により検知された顕微鏡の傾きの大きさに基づいて、顕微鏡の位置の測定誤差を算出する測定誤差算出部と、位置算出部により算出された位置を、測定誤差算出により算出された測定誤差に基づいて補正した補正位置を算出する位置補正部とを備えるアラインメント装置が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本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、特許請求の範囲にかか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、アラインメント装置１００の機械的構造を模式的に示す断面図である。アラインメント装置１００は、枠体１１０の内側に配された基板固定部１２０、移動ステージ１５０および加圧部１６０を備える。

枠体１１０は、互いに平行で水平な天板１１２および底板１１６と、天板１１２および底板１１６を結合する複数の支柱１１４とを備える。天板１１２、支柱１１４および底板１１６は、それぞれ高剛性な材料により形成され、内部機構の動作に係る反力が作用した場合も変形を生じない。

基板固定部１２０は、天板１１２の下面に固定され、ウエハホルダ１２２に保持されたウエハ１３２を下面に保持する。ウエハ１３２は、静電吸着、真空吸着等により、ウエハホルダ１２２の下面に保持されて、後述するアラインメントの対象の一方となる。

移動ステージ１５０は、底板１１６の上に載置され、底板に対して固定されたガイドレール１５２に案内されつつＸ方向に移動するＸステージ１５４と、Ｘステージ１５４の上でＹ方向に移動するＹステージ１５６とを有する。これにより、移動ステージ１５０に搭載された部材を、ＸＹ平面上の任意の方向に移動できる。

加圧部１６０は、移動ステージ１５０上に搭載され、シリンダ１６２およびピストン１６４を有する。ピストン１６４は、外部からの指示に応じて、シリンダ１６２内をＺ方向に昇降する。

ピストン１６４の上面には、ウエハホルダ１２４が保持される。更に、ウエハホルダ１２４上にウエハ１３４が保持される。ウエハ１３４は、後述するアラインメントの対象の一方となる。

なお、ウエハ１３２、１３４の各々は、その表面（図上では下面）に、アラインメントの基準となるアラインメントマークＭを有する。ただし、アラインメントマークＭは、そのために設けられた図形等であるとは限らず、ウエハ１３２、１３４に形成された配線、バンプ、スクライブライン等でもあり得る。

アラインメント装置１００は、更に、一対の顕微鏡１４２、１４４と、反射鏡１７２とを有する。一方の顕微鏡１４２は、天板１１２の下面に、基板固定部１２０に対して所定の間隔をおいて固定される。

他方の顕微鏡１４４および反射鏡１７２は、移動ステージ１５０に、加圧部１６０と共に搭載される。これにより顕微鏡１４４および反射鏡１７２は、加圧部１６０と共に、ＸＹ平面上を移動する。移動ステージ１５０が静止状態にある場合、顕微鏡１４４および反射鏡１７２と加圧部１６０とは既知の間隔を有する。また、加圧部１６０の中心と顕微鏡１４４との間隔は、基板固定部１２０の中心と顕微鏡１４２との間隔に一致する。

アラインメント装置１００が図示の状態にある場合に、顕微鏡１４２、１４４を用いて、対向するウエハ１３４、１３２のアラインメントマークＭを観察できる。従って、例えば、顕微鏡１４２により得られた映像から、ウエハ１３４の正確な位置を知ることができる。また、顕微鏡１４４により得られた映像から、ウエハ１３２の正確な位置を知ることができる。

反射鏡１７２は、干渉計等の計測装置を用いて移動ステージ１５０の移動量を測定する場合に用いられる。なお、図１では、紙面に直角に配された反射鏡１７２が示されるが、Ｙ方向の移動を検出する他の反射鏡１７２も装備される。

図２は、アラインメント装置１００の動作を示す図である。同図に示すように、移動ステージ１５０がＸ方向に移動される。ここで、移動ステージ１５０の移動量を、加圧部１６０の中心と顕微鏡１４４の中心との間隔と同じにすることにより、ウエハ１３４はウエハ１３２の直下に搬送される。このとき、ウエハ１３２、１３４のアラインメントマークＭは、ひとつの鉛直線上に位置する。

図３は、アラインメント装置１００の他の動作を示す図である。同図に示すように、移動ステージ１５０を図２に示した位置に固定した状態で、加圧部１６０を動作させることにより、ピストン１６４を上昇させる。これにより、ウエハ１３４が上昇して、やがて、ウエハ１３２に密着する。更に、加圧部１６０により、ピストン１６４を上昇させる圧力を増すことにより、ウエハ１３２、１３４を相互に接合される。

図４は、顕微鏡１４４の振動による影響を説明する図である。顕微鏡１４４は、移動する移動ステージ１５０上に搭載され、移動ステージ１５０と共に移動する。このため、移動ステージ１５０の移動に伴う加速度が顕微鏡１４４に作用し、顕微鏡１４４が振動する場合がある。

このような振動は、顕微鏡１４４自体の撓み等によるものと、顕微鏡１４４および移動テーブル１５０の結合強度に拠るものとがある。また、顕微鏡１４４に振動が生じた場合は、静止後にも顕微鏡に傾きが残る場合もある。

顕微鏡１４４が振動した場合には顕微鏡１４４の観察対象領域がぶれるので、顕微鏡１４４により得られた画像に基づいて検出したウエハ１３２の位置も変化する。即ち、移動ステージ１５０の移動量を測定する場合に指標となる反射鏡１７２を基準にすると、振動により傾いた顕微鏡１４４が検出した間隔Ｌ_２が、顕微鏡１４４が移動ステージ１５０上で直立している場合の本来の間隔Ｌ_１として検知される。

このため、間隔Ｌ_２に基づいて移動ステージ１５０を移動させた場合、ウエハ１３２、１３４の相互の相対位置は、間隔Ｌ_１、Ｌ_２の誤差ΔＬの分ずれることになる。ここで、本実施形態に係るアラインメント装置１００は、この誤差ΔＬを補償する制御系２００を備える。

図５は、アラインメント装置１００の制御系２００の構造を示す図である。制御系２００は、傾き検知部２１０、測定誤差算出部２２０、上ウエハ位置算出部２３０、位置補正部２４０、移動量算出部２５０、移動ステージ駆動部２６０、加圧駆動部２７０、干渉計２８０および下ウエハ位置算出部２９０を含む。

傾き検知部２１０は、移動ステージ１５０の移動により振動する顕微鏡１４４が、ある時点において生じている傾きを検出する。測定誤差算出部２２０は、傾き検知部２１０が検出した傾きから、顕微鏡１４４による検出位置の測定誤差を算出する。

上ウエハ位置算出部２３０は、顕微鏡１４４から獲得したウエハマークＭの画像を含む映像から、上側に固定されたウエハ１３２の位置を算出する。位置補正部２４０は、測定誤差算出部２２０が算出した測定誤差を用いて、上ウエハ位置算出部２３０の算出したウエハ１３２の位置を補正する。

これらの一連の処理により、顕微鏡１４４の振動に起因する測定誤差を補償した、ウエハ１３２の正確な位置が判る。そこで、移動量算出部２５０は、下側のウエハ１３４を上側にウエハ１３２に位置合わせする場合に求められる移動ステージ１５０の移動量を算出する。

移動ステージ駆動部２６０は、算出された移動量に基づいて移動ステージ１５０を動作させ、図２に示したように、ウエハ１３２、１３４を位置合わせする。また、移動ステージ駆動部２６０は、移動ステージ１５０の移動が完了した場合に、その旨を加圧駆動部２７０に通知する。これにより、図３に示したように、ウエハ１３２、１３４が接合される。

なお、干渉計２８０は、光源２８２から反射鏡１７２に向かって出射された光を、ビームスプリッタ２８４を介して受光して、移動ステージ１５０の移動量を監視する。これにより、移動量算出部２５０が算出した移動量を正確に移動させることができる。

こうして、重ね合わされる一対のウエハ１３２、１３４の位置を合わせるアラインメント装置１００であって、一方のウエハ１３２を保持する基板固定部１２０と、他方のウエハ１３４を支持して、ウエハ１３２の面に平行な方向に移動する移動ステージ１５０と、移動ステージ１５０上に配され、一方のウエハ１３２の画像を撮像する顕微鏡１４４と、顕微鏡１４４が撮像した画像に基づいて、一方のウエハ１３２の位置を算出する上ウエハ位置算出部２３０と、顕微鏡１４４が画像を撮像したときの顕微鏡１４４の傾きの大きさを検知する傾き検知部２１０と、傾き検知部２１０により検知された顕微鏡１４４の傾きの大きさに基づいて、顕微鏡１４４の位置の測定誤差を算出する測定誤差算出部２２０と、上ウエハ位置算出部２３０により算出された位置を、測定誤差算出部２２０により算出された測定誤差に基づいて補正した補正位置を算出する位置補正部２４０とを備えるアラインメント装置１００が形成される。これにより、アラインメント装置１００に装入されたウエハ１３２、１３４を、正確に実測された位置に基づいて位置合わせすることができる。

図６は、傾き検知部２１０の構造を示す図である。この傾き検知部２１０は、顕微鏡１４４に対して固定された反射鏡１７４を含む。反射鏡１７４には、光源２８２から光が投射される。反射鏡１７４により反射された反射光は、ビームスプリッタ２８４を介して、干渉計２８０に入力される。

一方、移動ステージ１５０に対して固定された反射鏡１７２に対しても、光源２８２から光が投射される。反射鏡１７２により反射された反射光も、ビームスプリッタ２８４を介して干渉計２８０に入力される。これにより、干渉計２８０は、ふたつの反射光の干渉に基づいて、反射鏡１７４、１７２の間の距離の変化を高精度に検出する。

このように、傾き検知部２１０は、顕微鏡１４４に固定した反射鏡１７４、移動ステージ１５０に取り付けられた反射鏡１７２、および、反射鏡１７２、１７４で反射された光の干渉を検知する干渉計２８０を有し、光の干渉により傾きを検知してもよい。これにより、振動による顕微鏡１４４の傾きを高精度に検出できる。また、使用する部品の点数が少ないので、容易且つ廉価に実施できる。また、顕微鏡１４４の振動が納まらないうちに補正できるので、ウエハ１３２、１３４の位置合わせ作業のスループットを向上させることができる。

図７は、傾き検知部２１０の他の構造を示す図である。この傾き検知部２１０は、光源２８２、反射鏡１７４およびラインセンサ２１２を含む。

反射鏡１７４は、顕微鏡１４４に対して固定されて、顕微鏡１４４が振動した場合は、共に振動する。光源２８２は、枠体１１０の外側に配置され、反射鏡１７４に向かって光を投射する。ラインセンサ２１２は、枠体１１０に固定され、反射鏡１７４で反射された光を受光する。また、ラインセンサ２１２は、アラインメント装置１００の高さ方向に配列された多数の受光素子を有する。

振動により顕微鏡１４４が振動した場合、反射鏡１７４も共に振動する。このため、光源２８２から出射されて反射鏡１７４により反射された反射光の伝播方向は、振動による顕微鏡１４４の傾き角度に応じて変化する。ラインセンサ２１２においては、反射光の変位に従って、反射光を受光する受光素子が変わるので、顕微鏡１４４の揺動を容易且つ正確に検出できる。

このように、傾き検知部２１０は、顕微鏡１４４に固定した反射鏡１７４、および、反射鏡１７４で反射された光を受光するラインセンサ２１２を有し、ラインセンサ２１２の受光位置により傾きを検知してもよい。これにより、簡単な構造で、顕微鏡の揺動を正確に検出できる。

図８は、傾き検知部２１０の更に他の構造を示す図である。ただし、この傾き検知部２１０は、移動ステージ１５０が静止した状態における顕微鏡１４４の傾きを検出する。従って、図７までに示した他の実施形態に係る傾き検知部２１０と併用してもよい。

この傾き検知部２１０は、傾きテーブル格納部２４２を有する。また、この傾き検知部２１０を備えたアラインメント装置１００において、移動ステージ駆動部２６０は、駆動プロファイル格納部２５２に格納された駆動プロファイルに基づく制御を実行している。

即ち、駆動プロファイル格納部２５２は、移動ステージ１５０を移動させる場合に移動ステージ駆動部２６０が発生する駆動信号を定義した駆動プロファイルを、移動ステージの動作量に関連付けて格納する。従って、移動ステージ駆動部２６０は、駆動プロファイル格納部２５２を参照して、特定の駆動プロファイルに従って移動ステージ１５０を駆動する。

一方、アラインメント装置１００の物理的な仕様が特定されている場合、特定の駆動プロファイルに従って動作した移動ステージ１５０の上で顕微鏡１４４に発生する振動も特定することができる。そこで、傾きテーブル格納部２４２は、移動ステージ１５０の移動量に対応する顕微鏡１４４の傾きの大きさを、駆動プロファイルに関連付けて格納する。これにより、測定誤差算出部２２０は、駆動プロファイル格納部２５２と傾きテーブル格納部２４２とを参照して測定誤差を算出する。

このように、移動ステージ１５０は、駆動プロファイルに基づいて移動し、傾き検知部２１０は、駆動プロファイルに基づく移動ステージ１５０の移動量と顕微鏡１４４の傾きの大きさとを対応付けた傾きテーブル情報を傾きテーブル格納部２４２に有し、傾き検知部２１０は、顕微鏡１４４が画像を撮像したときの駆動プロファイルに基づく移動量に対応する傾きテーブル情報の顕微鏡１４４の傾きの大きさを読み出すことにより傾きを検知してもよい。これにより、実時間で実行する処理の負担を軽減して、応答性に優れた制御を実行できる。

図９は、傾き検知部２１０のまた更に他の構造を示す図である。ただし、この傾き検知部２１０は、移動ステージ１５０が静止した状態における顕微鏡１４４の傾きを検出する。従って、図７までに示した他の実施形態に係る傾き検知部２１０と併用してもよい。

この傾き検知部２１０は、加速度計２１４および移動距離算出部２１６を含む。加速度計２１４は、顕微鏡１４４に対して固定され、移動ステージ１５０の移動および顕微鏡１４４の振動により生じた顕微鏡１４４の変位を独立して検出する。移動距離算出部２１６は、加速度計２１４の出力を２回積分することにより、顕微鏡１４４の移動量を算出する。

一方、移動ステージ１５０の位置は、干渉計２８０により検知できる。従って、移動距離算出部２１６の算出した顕微鏡１４４の移動量から想定される移動ステージ１５０の位置と、干渉計２８０が検出した移動ステージ１５０の位置との差分が、顕微鏡１４４固有の変位量に相当する。こうして、測定誤差算出部２２０は、顕微鏡１４４の傾きに起因する測定誤差を検出できる。

このように、傾き検知部２１０は、顕微鏡１４４の加速度を計測する加速度計２１４を有し、加速度計２１４により計測された加速度に基づいて移動ステージ１５０の移動距離を算出し、算出した移動距離に対応した顕微鏡１４４の位置と、移動後の静止状態での移動ステージ１５０の位置に対応した顕微鏡１４４の位置とのずれに基づいて顕微鏡１４４の傾きの大きさを検知してもよい。

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。また、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。更に、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。

アラインメント装置１００の機械的構造を模式的に示す断面図である。 アラインメント装置１００の動作を示す図である。 アラインメント装置１００の他の動作を示す図である。 顕微鏡１４４の振動による影響を説明する図である。 アラインメント装置１００の制御系２００を示す図である。 傾き検知部２１０の構造を示す図である。 傾き検知部２１０の他の構造を示す図である。 傾き検知部２１０の更に他の構造を示す図である。 傾き検知部２１０のまた更に他の構造を示す図である。

１００ アラインメント装置、１１０ 枠体、１１２ 天板、１１４ 支柱、１１６ 底板、１２０ 基板固定部、１２２、１２４ ウエハホルダ、１３２、１３４ ウエハ、１４２、１４４ 顕微鏡、１５０ 移動ステージ、１５２ ガイドレール、１５４ Ｘステージ、１５６ Ｙステージ、１６０ 加圧部、１６２ シリンダ、１６４ ピストン、１７２、１７４ 反射鏡、２００ 制御系、２１０ 傾き検知部、２１２ ラインセンサ、２１４ 加速度計、２１６ 移動距離算出部、２２０ 測定誤差算出部、２３０ 上ウエハ位置算出部、２４０ 位置補正部、２４２ 傾きテーブル格納部、２５０ 移動量算出部、２５２ 駆動プロファイル格納部、２６０ 移動ステージ駆動部、２７０ 加圧駆動部、２８０ 干渉計、２８２ 光源、２８４ ビームスプリッタ、２９０ 下ウエハ位置算出部

Claims (21)

1. 重ね合わされる第１基板および第２基板の位置を合わせるアライメント装置であって、
   前記第１基板が有するアライメントマークを検出すべく移動する顕微鏡と、
   前記顕微鏡により得られた前記アライメントマークを含む映像に基づいて前記第１基板の位置を算出する位置算出部と、
   前記アライメントマークを検出すべく移動した前記顕微鏡に生じた振動により生じた前記顕微鏡の変位を検出する検出部と、
   算出された前記第１基板の位置を、前記顕微鏡の変位に基づいて補正する位置補正部と
   を備えるアライメント装置。
2. 前記第１基板を保持して固定する基板保持部を更に有する請求項１に記載のアライメント装置。
3. 前記顕微鏡を搭載して移動する移動ステージを更に備える請求項１または請求項２に記載のアライメント装置。
4. 前記移動ステージは、前記顕微鏡と共に前記第２基板を搭載する請求項３に記載のアライメント装置。
5. 前記移動ステージに設けられた第１反射鏡と、前記第１反射鏡を用いて前記移動ステージの移動量を検出する第１干渉計とを更に備える請求項３または請求項４に記載のアライメント装置。
6. 前記移動ステージに設けられた第１反射鏡と、前記顕微鏡に設けられた第２反射鏡と、前記第１反射鏡および前記第２反射鏡を用いて前記移動ステージに対する前記顕微鏡の変位を検出する第２干渉計を更に備える請求項３または請求項４に記載のアライメント装置。
7. 前記移動ステージの駆動プロファイルを予め格納して前記移動ステージを駆動し、当該駆動プロファイルに従って前記移動ステージが移動した場合に生じる前記顕微鏡の変位を前記位置補正部に参照させる駆動部を更に備える請求項３または請求項４に記載のアライメント装置。
8. 前記顕微鏡の変位を検出する加速度計を更に備える請求項２または請求項３に記載のアライメント装置。
9. 前記位置補正部は、前記移動ステージに対する前記顕微鏡の傾きを算出する傾き検出部を有する請求項３から７のいずれか一項に記載のアライメント装置。
10. 前記位置補正部は、前記顕微鏡の変位に基づいて検出した前記顕微鏡の傾きから前記位置算出部の測定誤差を算出する測定誤差算出部を有する請求項９に記載のアライメント装置。
11. 重ね合わされる第１基板および第２基板の位置を合わせるアライメント方法であって、
    前記第１基板が有するアライメントマークを検出すべく顕微鏡を移動する移動段階と、
    前記顕微鏡により得られた前記アライメントマークを含む映像に基づいて前記第１基板の位置を算出する位置算出段階と、
    前記アライメントマークを検出すべく移動した前記顕微鏡に生じた振動により生じた前記顕微鏡の変位を検出する検出段階と、
    算出された前記第１基板の位置を、前記顕微鏡の変位に基づいて補正する位置補正段階と
    を備えるアライメント方法。
12. 前記第１基板を保持して固定する基板保持段階を更に有する請求項１１に記載のアライメント方法。
13. 前記移動段階において、前記顕微鏡を移動ステージに搭載して移動する請求項１１または請求項１２に記載のアライメント方法。
14. 前記移動段階において、前記顕微鏡と共に前記第２基板を前記移動ステージに搭載して移動する請求項１３に記載のアライメント方法。
15. 前記位置算出段階は、前記移動ステージに設けられた第１反射鏡と、前記第１反射鏡を用いて前記移動ステージの移動量を検出する第１干渉計とを用いる段階を有する請求項１３または請求項１４に記載のアライメント方法。
16. 前記検出段階は、前記移動ステージに設けられた第１反射鏡と、前記顕微鏡に設けられた第２反射鏡と、前記第１反射鏡および前記第２反射鏡を用いて前記移動ステージに対する前記顕微鏡の変位を検出する第２干渉計を更に備える請求項１３または請求項１４に記載のアライメント方法。
17. 前記検出段階は、前記移動ステージの駆動プロファイルを予め格納して前記移動ステージを駆動し、当該駆動プロファイルに従って前記移動ステージが移動した場合に生じる前記顕微鏡の変位を前記位置補正段階において参照させる段階を更に備える請求項１３または請求項１４に記載のアライメント方法。
18. 前記検出段階は、加速度計により前記顕微鏡の変位を検出する段階を有する請求項１２または請求項１３に記載のアライメント方法。
19. 前記位置補正段階は、前記移動ステージに対する前記顕微鏡の傾きを算出する傾き検出段階を有する請求項１３から１７のいずれか一項に記載のアライメント方法。
20. 前記位置補正段階は、前記顕微鏡の変位に基づいて検出した前記顕微鏡の傾きから前記位置算出段階の測定誤差を算出する測定誤差算出段階を有する請求項１９に記載のアライメント方法。
21. 請求項１１から２０のいずれか一項に記載のアライメント方法により前記第１基板および前記第２基板をアライメントするアライメント段階と、
    前記アライメント段階においてアライメントされた前記第１基板および前記第２基板を重ね合わせて接合させる接合段階と
    を備える基板接合方法。

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