JP5549191B2 - 複数の基板を位置合わせして重ね合わせる重ね合わせ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の基板を位置合わせして重ね合わせる重ね合わせ装置に関する。

半導体装置の実効的な実装密度を向上させる技術のひとつとして、複数の半導体チップを積層させた立体構造がある。特に、半導体基板であるウェハの状態で複数枚を積層して、接合した後に個片化する手順により製造される半導体チップが、その生産性の高さから、近年注目を集めている。２枚のウェハを重ね合わせる場合、互いのアライメントマークを顕微鏡で測定しながら位置合わせをする（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００５−２５１９７２号公報

ウェハの直径が大きくなる傾向にある近年、重ねあわされる互いのウェハ全面においてサブミクロンの精度で高速に位置合わせを行うことが困難になってきている。特に、一方のウェハに対して他方のウェハを、位置合わせ指令に従って正確にかつ高速に移動させることができる位置合わせ装置が望まれている。

上記課題を解決するために、本発明の態様においては、複数の基板を位置合わせして重ね合わせる重ね合わせ装置であって、第１基板を保持する第１ステージと、第１基板に対向して配置される第２基板を保持する第２ステージと、対向方向に直交する方向へ移動可能な第３ステージと、第２ステージを重力方向に支持する支持機構と、第３ステージの移動に非接触で追従して第２ステージ及び支持機構が一体的に移動するように、第３ステージと支持機構の間に設けられた推力伝達部とを備える。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全て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また、発明となりうる。

重ね合わせ装置を概略的に示す断面図である。 重ね合わせ装置を概略的に示す上面図である。 上部テーブルの近傍を概略的に示す説明図である。 粗動ステージ部を示す斜視図である。 図２のＢ-Ｂに沿った概略断面図である。 自重キャンセラを示す斜視図である。 図６のＣ-Ｃに沿った概略断面図である。 図２のＢ-Ｂに沿った断面図であり、図５とは反対方向から見た部分的な詳細図である。 図２のＡ-Ａ線に沿った部分的な詳細断面図である。 微動ステージ部を概略的に示す上面図である。 重ね合わせ装置の他の構成を示す概略断面図である。 第１の基板ホルダを上方から見下ろした様子を示す斜視図である。 第１の基板ホルダを下方から見上げた様子を示す斜視図である。 重ね合わせ装置の制御フロー図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の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の全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る重ね合わせ装置１０を概略的に示す断面図である。重ね合わせ装置１０の全体的な構成としては、まず、床１５の上に除振部材１６を介して設置された粗動ベース部材１３上に、粗動ステージ部１４と、更にその上方に下部テーブル３５を含む微動ステージ部１８を備えている。また、粗動ベース部材１３に設けられた凹部１９には、除振部材２０を介して設置されたボディ２１には、下部テーブル３５の上方であって下部テーブル３５に対向する位置に上部テーブル２４が備えられている。従って、除振部材２０は防振部として機能し、上部テーブル２４が振動することを防いでいる。

粗動ベース部材１３は、その上面にＸ‐駆動部３３とＹ‐駆動部３４が設置されており、これらによりＸＹ‐ステージ部材３２がｘｙ方向に駆動される。したがって、ＸＹ‐ステージ部材３２は、図示しない制御部からの指示により、ｘｙ方向の所定位置へ移動できる。Ｘ‐駆動部３３、Ｙ‐駆動部３４及びＸＹ‐ステージ部材３２は、粗動ステージ部１４を構成する。なお、装置の鉛直方向をｚ軸方向とし、ｚ軸方向に直交する平面をｘｙ平面とする。

Ｙ‐駆動部３４は、Ｙ軸方向に沿った移動力を、ＸＹ‐ステージ部材３２及びＸ‐駆動部３３に与える一対のＹ‐リニアモータ５３と、ＸＹ‐ステージ部材３２及びＸ‐駆動部３３の移動を案内するＹ‐ガイド部材５６とを有する。すなわち、ＸＹ‐ステージ部材３２及びＸ‐駆動部３３は、ｙ軸方向に一体的に移動する。一対のＹ‐リニアモータ５３のマグネット５４は、それぞれｙ軸方向に沿って伸び、かつ互いに平行になるように、粗動ベース部材１３のｘ軸方向で互いに向かい合う一対の縁部１３ｂに固定されている。一対のＹ‐リニアモータ５３のそれぞれのコイル５５は、連結部材５０、５１に設けられており、それぞれのマグネット５４に非接触状態で係合する。

また、Ｙ‐ガイド部材５６は、一対マグネット５４間でｙ軸方向に沿って伸びるように、粗動ベース部材１３に固定されている。Ｙ‐ガイド部材５６には、一方の連結部材５０に設けられた係合部５７がエアベアリング５８を介して非接触状態で係合している。各Ｙ‐リニアモータ５３の駆動時に係合部５７がＹ‐ガイド部材５６に案内されることにより、ＸＹ‐ステージ部材３２及びＸ‐駆動部３３がｙ軸方向に沿って移動する。

連結部材５０、５１は、Ｘ‐駆動部３３を構成する２つのＸ‐ガイド部材４６を、それぞれの端部で互いに連結して一体化するための部材である。連結部材５０、５１の底面には、それぞれエアパッド５２が設けられている。これにより、連結部材５０、５１は、それぞれ粗動ベース部材１３の上面１３ａに接触することなく間隔をおいて設置されている。

ボディ２１は、微動ベース部材１７、これに平行に配置される上板部材２２、及び上板部材２２を微動ベース部材１７上で支持する柱部材２３とから構成され、これらは高い剛性をもって、一体的にフレームとして機能する。そして、上板部材２２に固定される上部テーブル２４は、その下面においてウェハである第１の基板１１を保持する。上部テーブル２４近傍の具体的な構成については後述する。

柱部材２３には、上部テーブル２４の下面に対して、予め定められた所定の位置にＸ‐干渉計２９が設置されている。具体的には、柱部材２３のうちｙｚ平面と平行となるように加工された面上であって、ｙ軸方向に離間した２箇所と、さらにそれぞれに対してｚ軸方向に離間した２箇所の合計４箇所に対して４つのＸ‐干渉計２９が設置されている。これら４つの干渉計の出力により、下部テーブル３５のｘ軸方向の位置、ｙ軸周りの回転方向及びｚ軸周りの回転方向の回転量を計測することができる。Ｘ‐干渉計２９は、下部テーブル３５の位置を計測する位置計測部を構成する。

微動ステージ部１８は、ＸＹ‐ステージ部材３２を貫通する自重キャンセラ３６により支持される。自重キャンセラ３６は、ボディ２１の微動ベース部材１７上に設置される。そして、微動ステージ部１８の下部テーブル３５の上面においてウェハである第２の基板１２を保持する。微動ステージ部１８近傍の具体的な構成については後述する。なお、重ね合わされる第１の基板１１と第２の基板１２は、その重ね合わされる互いの面において半導体素子が形成されており、重ね合わされた後に接合されることで、3次元的な電気回路構成を実現する。第１の基板１１及び第２の基板１２は、１枚のウェハであっても良いし、一方又は両方が既に積層されたウェハであっても良い。

図２は、重ね合わせ装置１０を概略的に示す上面図である。なお、図２においては、ボディ２１のうち、上板部材２２と柱部材２３、及びこれらに設置されている構造物を取り外した状態を示している。

Ｘ‐駆動部３３は、ｘ軸方向に沿った移動力を、ＸＹ‐ステージ部材３２に与える一対のＸ‐リニアモータ４３と、各Ｘ‐リニアモータ４３によるＸＹ‐ステージ部材３２の移動を案内する一対のＸ‐ガイド部材４６とを有する。

一対のＸ‐リニアモータ４３のマグネット４４は、粗動ベース部材１３の凹部１９に配置される微動ベース部材１７をｘ軸方向に跨ぎ、かつ、互いに平行になるように、粗動ベース部材１３の上面１３ａに配置されている。Ｘ‐リニアモータ４３のコイル４５は、ＸＹ‐ステージ部材３２に取り付けられており、それぞれのマグネット４４に非接触状態で係合する。また、一対のＸ‐ガイド部材４６は、一対のマグネット４４の間に、ｘ軸方向に沿って伸び、かつ、互いに平行になるように、粗動ベース部材１３の上面１３ａ上に配置されている。

２つのＸ‐ガイド部材４６及び２つのマグネット４４をそれぞれ連結する連結部材５０、５１は、エアパッド５２を介して粗動ベース部材１３の上面１３ａに設置されている。従って、マグネット４４及びＸ‐ガイド部材４６は、それぞれ粗動ベース部材１３及び微動ベース部材１７上に浮上している関係にある。

上述のように、柱部材２３には下部テーブル３５のｘ軸方向の位置等を計測するＸ‐干渉計２９が設置されているが、同様に、下部テーブル３５のｙ軸方向の位置等を計測するＹ‐干渉計３０も柱部材２３の予め定められた所定の位置に設置されている。具体的には、柱部材２３のうちｘｚ平面と平行となるように加工された面上であって、ｘ軸方向に離間した２箇所と、さらにそれぞれに対してｚ軸方向に離間した２箇所の合計４箇所に対して４つのＹ‐干渉計３０が設置されている。これら４つの干渉計の出力により、下部テーブル３５のｙ軸方向の距離、ｘ軸周りの回転方向及びｚ軸周りの回転方向の回転量を計測することができる。Ｙ‐干渉計３０は、下部テーブル３５の位置を計測する位置計測部を構成する。したがって、Ｘ‐干渉計２９とＹ‐干渉計３０から構成される位置計測部は、下部テーブル３５のｘ軸方向、ｙ軸方向、ｘ軸周りの回転方向、ｙ軸周りの回転方向及びｚ軸周りの回転方向の５自由度に関して位置を計測することができる。

対応する下部テーブル３５には、Ｘ‐移動鏡７４及びＹ‐移動鏡７５が取り付けられている。Ｘ‐移動鏡７４はＸ‐干渉計２９からの光を反射させるための鏡であり、Ｙ‐移動鏡７５はＹ‐干渉計３０からの光を反射させるための鏡である。Ｘ‐移動鏡７４の鏡面はｙｚ平面と平行な平面であり、Ｙ‐移動鏡７５の鏡面はｘｚ平面と平行な平面である。

このように位置計測部を構成すると、上部テーブル２４を基準として、下部テーブル３５の位置を相対的に、かつ正確に把握することができる。第２の基板１２を第１の基板１１に位置合わせをしながら重ね合わせるとき、第１の基板１１側を位置決め基準とした第２の基板１２側の位置計測が重要となるが、位置計測部はこのような相対的な関係を満たす。特に、ボディ２１は高い剛性をもった一体的なフレーム構造をなすので、このフレーム構造の面であって下部テーブル３５の側面に対向する面に位置計測部を設置することが好ましい。なお、本実施形態においては、位置計測部を干渉計を用いて構成したが、これに限らず、例えばレーザー測長計、マイクロセンサなどの、同様の機能を実現する位置センサまたは距離センサを用いても良い。

図３は、上部テーブル２４の近傍を概略的に示す説明図である。上述のように、上部テーブル２４は、上板部材２２に固定されている。上部テーブル２４の下面２４ａ上には、第１の基板１１を保持する第１の基板ホルダ２５が載置される。具体的には、下面２４ａには排気装置に連結された吸引口が複数設けられており、これにより第１の基板ホルダ２５を真空吸着して載置を実現している。なお、下面２４ａは、後述する位置合わせ制御における基準面となる。

第１の基板１１は第１の基板ホルダ２５に静電力により吸着される。ＥＳＣ端子２７が上板部材２２に備えられており、第１の基板ホルダ２５が上部テーブル２４に載置されると、ＥＳＣ端子２７と第１の基板ホルダ２５の端子が接触するように構成されている。そして、第１の基板ホルダ２５が上部テーブル２４に載置された後は、このＥＳＣ端子２７を経由して、第１の基板ホルダ２５に静電力を生じさせるための電力を供給する。

上部テーブル２４と上板部材２２との間には、第１の基板１１及び第１の基板ホルダ２５に作用する荷重を検出するためのロードセル２６が複数設けられている。また、微動ステージ部１８に保持される第２の基板１２を位置合わせ時に観察するための上部顕微鏡２８を備える。具体的な位置合せの動作については後述する。

図４は、粗動ステージ部について、それぞれの構造物を具体的に組み立てたときの斜視図である。同一の構造物には同一の番号を付して、その具体的な形状の一例を示す。

図示するように、ＸＹ‐ステージ部材３２は板状の部材からなる。そして、その中央部には、自重キャンセラ３６を貫通させるための貫通孔３７が形成されている。

図５は、図２のＢ-Ｂに沿った部分的な概略断面図である。具体的には、微動ベース部材１７より上部に配置されているＸＹ‐ステージ部材３２、自重キャンセラ３６及び下部テーブル３５周辺の構造物についての断面を概略的に表す図である。

一対のＸ‐ガイド部材４６のうち一方のＸ‐ガイド部材４６は、ＸＹ‐ステージ部材３２に設けられたエアパッド４７を介してＸＹ‐ステージ部材３２を支持している。他方のＸ‐ガイド部材４６には、ＸＹ‐ステージ部材３２に設けられた係合部４８が、エアベアリング４９を介して非接触状態で係合している。各Ｘ‐リニアモータ４３の駆動時に、係合部４８が他方のＸ‐ガイド部材４６に案内されることにより、ＸＹ‐ステージ部材３２が微動ベース部材１７上をｘ軸方向に沿って移動する。

貫通孔３７の内周部には、自重キャンセラ３６をその側方から非接触で支持する複数のエアパッド３８が設けられている。それぞれのエアパッド３８は多少の傾斜にも対応することができるので、自重キャンセラ３６が傾いたとしても、許容範囲内であればその傾きに追従して支持することができる。

自重キャンセラ３６は、微動ベース部材１７上に複数のエアパッド７０を介して載置されている。そして、上述のように、自重キャンセラ３６はＸＹ‐ステージ部材３２に複数のエアパッド３８を介して支持されている。すると、ＸＹ‐ステージ部材３２がＸ‐駆動部３３及びＹ‐駆動部３４によりｘｙ平面上で駆動されると、これに追従して自重キャンセラ３６も、微動ベース部材１７上を浮上した状態でｘｙ方向に移動することになる。つまり、エアパッド３８は、ＸＹ‐ステージ部材３２が駆動される推力を自重キャンセラ３６に伝達する役割を担う。具体的には、エアパッド３８によって形成される空気層が介在することにより、推力の伝達と非接触を同時に実現する。このように、自重キャンセラ３６と下部テーブル３５が、高速で移動されるＸＹ‐ステージ部材３２に非接触で追従できると、第１の基板１１と第２の基板１２の位置合わせを高速に行うことができ、かつ、ＸＹ‐ステージ部材３２のＺ方向の振動を下部テーブル３５に伝えることが無い。

自重キャンセラ３６は、シリンダ５９、ピストン６１及び球面座６３を備える。シリンダ５９は、横断面が矩形状をなした筒部材からなり、内部に圧力室６０を有する。制御部は、圧力室６０に接続される圧力調整装置を制御して、圧力室６０の圧力を、下部テーブル３５及びこれに取り付けられる構造物の自重と釣り合うように制御する。また、上述のエアパッド３８は、このシリンダ５９を非接触で支持しており、したがって、シリンダ５９は、ＸＹ‐ステージ部材３２の貫通孔３７に対して、上方へ開放するように貫通されている。また、シリンダ５９の上端にはアーム部材８９が取り付けられており、このアーム部材の先端部に、自重キャンセラ３６に対する下部テーブル３５の位置を検出するＺ‐干渉計６７が設置されている。

ピストン６１は、エアベアリング６２を介してシリンダ５９内に非接触状態で挿入されており、圧力室６０の圧力に応じてｚ軸方向に沿って移動できる。ピストン６１の上部は平板状に形成されており、その上面６１ａ上にエアベアリング６６を介して球面座６３が載置されている。球面座６３は、下部テーブル３５の下面３５ｂに一体的に取り付けられている球面部材６４と接触する台座である。凸球面７７は、球面座６３の凹球面６５とエアベアリング７８を介して対向する、球面部材６４の面である。エアベアリング６６及びエアベアリング７８の介在により、ピストン６１は球面座６３を、球面座６３は球面部材６４を、それぞれ非接触状態でｚ軸方向に支持する。また、球面部材６４が球面座６３の凹球面６５に沿って案内されることにより、下部テーブル３５は傾動できる。

下部テーブル３５は、板部材からなり、ＸＹ‐ステージ部材３２の上方に配置されている。上述のように、下部テーブル３５の上面３５ａには、第２の基板１２を保持する第２の基板ホルダ４１が載置される。上面３５ａ上には排気装置に連結された吸引口が複数設けられており、これにより第２の基板ホルダ４１を真空吸着して載置を実現している。第２の基板１２は第２の基板ホルダ４１に静電力により吸着される。ＥＳＣ端子７３が下部テーブル３５に備えられており、第２の基板ホルダ４１が下部テーブル３５に載置されると、ＥＳＣ端子７３と第２の基板ホルダ４１の端子が接触するように構成されている。そして、第２の基板ホルダ４１が下部テーブル３５に載置された後は、このＥＳＣ端子７３を経由して、第２の基板ホルダ４１に静電力を生じさせるための電力を供給する。

下部テーブル３５には、複数のプッシュアップピン４２を挿通する挿通孔７１がそれぞれ形成されている。また、これらの挿通孔７１の一部に対応するように、第２の基板ホルダ４１にも複数の挿通孔７２が形成されている。このように構成することにより、プッシュアップピン４２を、挿通孔７２及び挿通孔７２に対応する挿通孔７１の内部を通過するように伸長させて第２の基板１２を持ち上げ、第２の基板ホルダ４１から離脱させることができる。また、挿通孔７２に対応しない挿通孔７１に、プッシュアップピン４２を通過するように伸長させれば、第２の基板ホルダ４１を持ち上げ、下部テーブル３５から離脱させることができる。これら複数のプッシュアップピン４２は、その本体部がＸＹ‐ステージ部材３２上に固定されており、ピンの伸長及び収納は、制御部からの指令によって制御される。

ＸＹ‐ステージ部材３２には、下部テーブル３５とＸＹ‐ステージ部材３２との間のｘ軸及びｙ軸方向に沿った相対距離を測定するＸＹ‐渦電センサ３９と、ｚ軸方向に沿った相対距離を測定するＺ‐渦電センサ４０が設けられている。これらは、Ｘ‐駆動部３３及びＹ‐駆動部３４によりｘｙ平面上で共に駆動されるＸＹ‐ステージ部材３２と下部テーブル３５において、互いの相対位置を検出する計測部を形成する。

ＸＹ‐ステージ部材３２と下部テーブル３５の間には、アクチュエータとしてのボイスコイルモータである３つのＺ‐ＶＣＭ８６がｚ軸方向に駆動力が作用するように設置されている。下部テーブル３５には、それぞれのＺ‐ＶＣＭ８６のマグネット８７が固定されており、それらに係合するコイル８８はそれぞれＸＹ‐ステージ部材３２に固定されている。制御部がこれら３つのＺ‐ＶＣＭ８６を個別に制御することで、下部テーブル３５をｚ軸方向に平行移動させ、または、ｘ軸周り及びｙ軸周りに回転させることができる。具体的な動作については後述する。

下部テーブル３５には、第２の基板ホルダ４１の載置面の周辺部に、ＡＦセンサ７９と下部顕微鏡７６が設置されている。ＡＦセンサ７９は、上部テーブル２４と下部テーブル３５の相対的な傾きを検出するセンサである。また、下部顕微鏡７６は、上部テーブル２４に保持された第１の基板１１を位置合わせ時に観察するための顕微鏡である。

図６は、自重キャンセラ３６について、それぞれの構造物を具体的に組み立てたときの斜視図である。図５で示す自重キャンセラ３６と同一の構造物には同一の番号を付して、その具体的な形状の一例を示す。図５で示す自重キャンセラ３６と異なるのは、シリンダ５９とエアパッド７０の間に脚部材６８を有する点である。脚部材６８は、シリンダ５９の下部から微動ベース部材１７に向けて伸びている。

さらに、図７は、図６のＣ-Ｃに沿った概略断面図である。図示するビス穴にビスを通すことにより、シリンダ５９と脚部材６８、ピストン６１の上面６１ａを有する天板部とピストン部、下部テーブル３５と球面部材６４がそれぞれ一体化される。そして、シリンダ５９とピストン６１の間、ピストン６１と球面座６３の間、球面座６３と球面部材６４の間には、それぞれ、エアベアリング６２、６６、７８が設けられており、互いに非接触に保たれている。

図８は、図２のＢ-Ｂに沿った断面図であり、図５とは反対方向から見た部分的な詳細図である。ＸＹ‐ステージ部材３２と下部テーブル３５の間には、アクチュエータとしてのボイスコイルモータである２つのＹ‐ＶＣＭ８３がｙ軸方向に駆動力が作用するように設置されている。下部テーブル３５には、それぞれのＹ‐ＶＣＭ８３のマグネット８４が固定されており、それらに係合するコイル８５はそれぞれＸＹ‐ステージ部材３２に固定されている。制御部がこれら２つのＹ‐ＶＣＭ８３を個別に制御することで、下部テーブル３５をｙ軸方向に平行移動させ、または、ｚ軸周りに回転させることができる。

上述のように、自重キャンセラ３６は、エアベアリング６６、７８を介して、下部テーブル３５と下部テーブル３５に取り付けられた下部顕微鏡７６などの構造物を支持している。また、自重キャンセラ３６にはエアパッド７０が脚部材６８に取り付けられている。これらは一体となって、微動ベース部材１７上をＸＹ‐ステージ部材３２の移動に非接触で追従する。つまり、これらの構造物は全体として、空間的に隔離された移動体であると捉えることができる。このとき、この移動体全体の重心を重心Ｆとする。

自重キャンセラ３６の伸縮機構であるピストン６１が上下することにより、下部テーブル３５等の構造物も上下するので、これに伴い移動機構全体の重心Ｆの位置もＺ方向に上下する。エアパッド３８は、シリンダ５９の外周側面に対向してＸＹ‐ステージ部材３２の貫通孔３７に設けられているが、そのＺ方向の大きさは、上下する重心Ｆの移動範囲よりも大きい。つまり、エアパッド３８によって形成される空気層の範囲内に、常に重心Ｆが存在することになる。このように構成することで、Ｚ方向に関し、ＸＹ‐ステージ部材３２が駆動される推力を、常に移動体全体の重心付近で受けることができる。したがって、ＸＹ‐ステージ部材３２が高速で移動する場合においても、移動体にはｘ軸周りまたはｙ軸周りのモーメントが発生することが少なく、下部ステージ３５の姿勢を安定的に保つことができる。

図９は、図２のＡ-Ａ線に沿った部分的な詳細断面図である。ＸＹ‐ステージ部材３２と下部テーブル３５の間には、アクチュエータとしてのボイスコイルモータである１つのＸ‐ＶＣＭ８０がｘ軸方向に駆動力が作用するように設置されている。下部テーブル３５には、それぞれのＸ‐ＶＣＭ８０のマグネット８１が固定されており、それらに係合するコイル８２はそれぞれＸＹ‐ステージ部材３２に固定されている。制御部がこのＸ‐ＶＣＭ８０を制御することで、下部テーブル３５をｘ軸方向に平行移動さることができる。

Ｘ‐ＶＣＭ８０及びＹ‐ＶＣＭ８３の駆動力を作用させて下部テーブル３５をｘ軸方向、ｙ軸方向またはｚ軸周りの回転方向に移動させるとき、下部テーブル３５から球面部材６４及びエアベアリング７８を介して受ける力により、球面座６３がピストン６１の上面６１ａ上をｘｙ平面内で移動する。このとき、球面座６３とピストン６１との間には、エアベアリング６６が形成されているので、下部テーブル３５は、ピストン６１の上面６１ａ上をｘ軸方向及びｙ軸方向へ案内される。

また、Ｚ‐ＶＣＭ８６の駆動力を作用させて下部テーブル３５をｘ軸周りの回転方向またはｙ軸周りの回転方向に移動させるとき、球面部材６４がエアベアリング７８を介して球面座６３の凹球面６５に沿って案内され、これにより、下部テーブル３５はｘ軸周りまたはｙ軸周りに傾動する。さらに、Ｚ‐ＶＣＭ８６の駆動力を作用させて下部テーブル３５をｚ軸方向に移動させるときは、Ｚ‐ＶＣＭ８６の移動量に応じて自重キャンセラ３６のピストン６１がｚ軸方向に移動することで、下部テーブル３５とこれに一体的に取り付けられている構造物の自重を支持する。したがって、Ｚ‐ＶＣＭ８６の駆動力自体はそれほど大きくなくても、下部テーブル３５をｚ軸方向へ移動させることができる。なお、自重キャンセラ３６の脚部材６８の下面には、微動ベース部材１７との間にエアベアリング６９を形成するためのエアパッド７０が設けられている。なお、制御部は、下部テーブル３５をｘ軸周りまたはｙ軸周りに回転して傾動させるときには、第２の基板１２のうち、第１の基板１１と対向する面の重心を回転軸が通るようにＺ‐ＶＣＭ８６を駆動する。

図１０は、微動ステージ部を概略的に示す上面図である。特にここでは、下部テーブル３５を駆動するアクチュエータの配置とその作用について説明する。

上述のように、下部テーブル３５には下部顕微鏡７６などの構造物が取り付けられている。また、下部テーブル３５及び下部テーブル３５に取り付けられている構造物は、自重キャンセラ３６にその質量が支持されているものの、エアベアリング６６、７８の作用により、その他の構造物からは空間的に隔離されたユニットであると捉えることができる。このとき、下部テーブル３５及び下部テーブル３５に取り付けられている構造物全体からなるユニットの重心を重心Ｇとする。なお、このユニットは、上述の移動体に包含される関係にある。

Ｘ‐ＶＣＭ８０は、ｘ軸方向に駆動力が作用するように１つ設置されており、Ｙ‐ＶＣＭ８３は、ｙ軸方向に駆動力が作用するように２つ設置されており、Ｚ‐ＶＣＭ８６は、ｚ軸方向に駆動力が作用するように３つ設置されている。その具体的な設置位置としては、Ｘ‐ＶＣＭ８０については、そのｘ軸方向の駆動力が重心Ｇを通るように設置する。また、Ｙ‐ＶＣＭ８３については、ｙ軸方向にそれぞれが同一の駆動力を出力したときにｚ軸周りにモーメントを発生させないように設置する。例えば、ユニットに質量分布の偏りが無いと仮定すれば、重心Ｇを通るｙ軸に平行で対称な２つの直線方向にそれぞれの駆動力が出力されるように設置すればよい。また、Ｚ‐ＶＣＭ８６については、ｚ軸方向にそれぞれが同一の駆動力を出力したときにｘ軸周りまたはｙ軸周りにモーメントを発生させないように設置する。例えば、同様にユニットに質量分布の偏りが無いと仮定すれば、ｚ軸に平行でｘｙ平面上で重心Ｇを重心とする正三角形の頂点を通る３つの直線方向に、それぞれの駆動力が出力されるように設置すればよい。なお、制御部は、下部テーブル３５をｚ軸周りに回転するときには、重心Ｇを通るようにＸ‐ＶＣＭ８０及びＹ‐ＶＣＭ８３を駆動する。

このように、本実施形態によれば、それぞれのアクチュエータが直接的に下部テーブル３５にその駆動力を作用させることにより、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向の並進３自由度と、ｘ軸周り、ｙ軸周り及びｚ軸周りの回転３自由度の合計６自由度で下部テーブル３５を駆動することができる。制御部は、各アクチュエータを独立に駆動することで、下部テーブル３５の姿勢を６自由度で制御し、載置されている第２の第２の基板１２の位置を、静止した基準面である上部テーブル２４の下面２４ａに対してコントロールする。特に、アクチュエータの駆動力を直接的に下部テーブル３５に作用させることで、駆動力の出力指示に対して目標位置に到達するまでにかかる時間である応答性を向上させることができる。これにより、上部テーブル２４ａに対して下部テーブル３５を移動させながら、サブミクロンオーダーで基板同士の位置合わせを行う位置合わせ装置に、位置合わせに要する時間の短縮と、位置合わせ精度の向上をもたらす。なお、本実施形態においては、各々独立に駆動されるアクチュエータはひとつのアクチュエータであるとして説明したが、２つ以上のアクチュエータがあたかもひとつのアクチュエータとして機能するように構成しても良い。この場合は２つ以上のアクチュエータで出力を分担することができるので、求められる出力に対して小さな出力しか有さないアクチュエータを利用することができる。制御部はこれら２つ以上のアクチュエータをあたかもひとつのアクチュエータとして機能するように制御する。

ユニットの重心Ｇに対して上述のようにアクチュエータを設置することは、小さな駆動力で下部テーブル３５を駆動できるだけでなく、応答性の観点からも好ましい。ただし、アクチュエータの設置はこの位置に限られるものではなく、また、アクチュエータの個数もこれに限られるものではない。制御部により下部テーブル３５の姿勢を上述の自由度で制御できるように設置されていれば良い。その意味では、ｚ軸方向に駆動力を出力するアクチュエータは、同一直線状に配置されないように留意する。また、本実施形態においては、アクチュエータとしてボイスコイルモータを用いたが、これに限らない。下部テーブル３５に直接的に駆動力を作用させることができるアクチュエータであれば良い。例えば、回転モータなど駆動出力が回転力であっても、直線出力に変換する変換部を組み込んで、下部テーブル３５に直接的に駆動力を作用させるアクチュエータを実現しても良い。なお、駆動力を直線方向に直接的に出力するボイスコイルモータなどのリニアアクチュエータは、下部テーブル３５に対する応答性、制御性が優れているので好ましい。

なお、Ｘ‐駆動部３３及びＹ‐駆動部３４のｘ軸方向及びｙ軸方向の駆動量は、Ｘ‐ＶＣＭ８０及びＹ‐ＶＣＭ８３のｘ軸方向及びｙ軸方向の駆動量よりも大きい。したがって、ｘｙ平面内で大きく移動させるときには、Ｘ‐駆動部３３及びＹ‐駆動部３４により下部テーブル３５と一体的にＸＹ‐ステージ部材３２を移動させることが好ましく、わずかに移動させるときには、Ｘ‐ＶＣＭ８０及びＹ‐ＶＣＭ８３により下部テーブル３５のみを移動させることが好ましい。

図１１は、重ね合わせ装置の他の構成を示す概略断面図である。具体的には、上述の重ね合わせ装置のうち、自重キャンセラ３６のシリンダ５９とピストン６１との位置が逆転している。つまり、シリンダ５９は、ＸＹ‐ステージ部材３２の貫通孔３７に対して、下方へ開放するように貫通されている。なお、同一の構造物には同一の番号を付している。

球面座６３は、エアベアリング６６を介して、シリンダ５９の上面５９ｂ上に非接触状態で支持されている。ピストン６１は、エアベアリング６２を介してシリンダ５９内に非接触状態でその下方から挿入されている。ピストン６１の下端部６１ｂには、ＸＹ‐ステージ部材３２に形成された貫通孔９０を貫通して伸びるアーム部材９１が取り付けられている。そして、アーム部材９１の先端部には、Ｚ‐干渉計６７が設置されている。また、球面座６３とシリンダ５９との間にエアベアリング６６が形成されていることから、Ｘ‐ＶＣＭ８０及びＹ‐ＶＣＭ８３の駆動により下部テーブル３５がｘ軸方向及びｙ軸方向に移動するとき、下部テーブル３５から球面部材６４及びエアベアリング７８を介して受ける力により、球面座６３がシリンダ５９の上面５９ｂ上をｘｙ平面内で移動する。従って、下部テーブル３５は、シリンダ５９の上面５９ｂ上をｘ軸方向及びｙ軸方向へ案内される。

図１２は、第２の基板ホルダ４１を上方から見下ろした様子を示す斜視図である。図では、第２の基板ホルダ４１の上面には第２の基板１２が保持されている。また、図１３は、同じ第２の基板ホルダ４１を下方から見上げた様子を示す斜視図である。

第２の基板ホルダ４１は、ホルダ本体１１０、吸着子１１１および電圧印加端子１１３を有して、全体としては第２の基板１２よりも径がひとまわり大きな円板状をなす。ホルダ本体１１０は、セラミックス、金属等の高剛性材料により一体成形される。吸着子１１１は、鉄のような磁性体により形成され、第２の基板１２を保持する表面において、保持した第２の基板１２よりも外側である外周領域に複数配される。図の場合、２個を一組として１２０度毎に合計６個の吸着子１１１が配されている。電圧印加端子１１３は、第２の基板１２を保持する面の裏面に埋設される。

ホルダ本体１１０は、その表面において第２の基板１２を保持する領域が高い平坦性を有して、保持する第２の基板１２に接する。また、ホルダ本体１１０は、保持した第２の基板１２を吸着する領域の外側に、ホルダ本体１１０を表裏に貫通して形成された、それぞれ複数の位置決め穴１１２を有する。更に、ホルダ本体１１０は、保持した第２の基板１２を吸着する領域の内側に、ホルダ本体１１０を表裏に貫通して形成された、複数の挿通孔７２を有する。挿通孔７２にはプッシュアップピン４２が挿通され、第２の基板１２は第２の基板ホルダ４１から取り外される。

位置決め穴１１２は、位置決めピン等に嵌合して、第２の基板ホルダ４１の位置決めに与する。吸着子１１１は、第２の基板１２を保持する平面と略同じ平面内に上面が位置するように、ホルダ本体１１０に形成された陥没領域に配される。電圧印加端子１１３は、第２の基板１２を保持する表面に対して裏面において、ホルダ本体１１０に埋め込まれる。電圧印加端子１１３を介して電圧を印加することにより、第２の基板ホルダ４１と第２の基板１２との間に電位差を生じさせて、第２の基板１２を第２の基板ホルダ４１に吸着する。第２の基板ホルダ４１が下部テーブル３５に載置されているときには、電圧印加端子１１３はＥＳＣ端子７３に接触して電力の供給を受ける。

第１の基板ホルダ２５も第２の基板ホルダ４１とほぼ同様の構成である。第１の基板ホルダ２５が上部テーブル２４に載置されているときには、電圧印加端子１１３はＥＳＣ端子２７に接触して電力の供給を受ける。

図１４は、重ね合わせ装置１０における位置合わせ工程を説明するための制御フロー図である。各々のステップは、それぞれのセンサからの出力を受けて、またはそれぞれの駆動部に対して、制御部が制御を行う。

ステップＳ１０１では、第１の基板ホルダ２５を上部テーブル２４へ、第２の基板ホルダ４１を下部テーブル３５へ載置する。第１の基板１１は、重ね合わせ装置１０へ搬入される前に、プリアライナー装置において第１の基板ホルダ２５に載置され、静電吸着されている。したがって、重ね合わせ装置１０に搬入される段階では、第１の基板１１と第１の基板ホルダ２５は一体化されている。プリアライナー装置ではさらに、第１の基板１１を第１の基板ホルダ２５に載置する時に、第１の基板１１上に設けられた複数のアライメントマークを検出し、この情報を制御部に接続されている記憶部に記憶する。同様に、第２の基板１２も、プリアライナー装置において第２の基板ホルダ４１と一体化される。また、同時に第２の基板１２を第２の基板ホルダ４１に載置する時に、第２の基板１２上に設けられた複数のアライメントマークを検出し、この情報を制御部に接続されている記憶部に記憶する。

一体化された第１の基板１１と第１の基板ホルダ２５、及び、第２の基板１２と第２の基板ホルダ４１はそれぞれ重ね合わせ装置１０に搬入される。重ね合わせ装置１０への搬入は、ロボットアームにより行われる。ロボットアームの先端部である基板ホルダを保持するハンド部には、基板ホルダを保持したときに基板ホルダへ電力を供給する電力供給端子が設けられている。これにより、基板ホルダは静電吸着力を維持でき、上部テーブル２４または下部テーブル３５へ載置されるまで基板を固定しておくことができる。

ステップＳ１０２では、ＸＹ‐渦電センサ３９及びＺ‐渦電センサ４０を用いてＸＹ‐ステージ部材３２と下部テーブル３５の相対位置を検出する。検出された相対位置の情報は制御部に接続されている記憶部に記憶される。これにより、Ｘ‐駆動部３３及びＹ‐駆動部３４によりＸＹ‐ステージ部材３２を粗動させても、その移動量に伴って下部テーブル３５の位置を算出することができる。なお、このときＡＦセンサ７９を用いて下部テーブル３５に対する上部テーブル２４の傾きも検出する。

ステップＳ１０３では、記憶部に記憶された各々の位置情報に基づいて、基準面である上部テーブル２４の下面２４ａに対する下部テーブル３５の目標位置と、その目標位置へ至る駆動経路を決定する。目標位置については、例えば、第１の基板１１の複数のアライメントマークと、第２の基板１２の複数のアライメントマークが重ね合わされたときに、相互の位置ずれ量が最も小さくなるように統計的に決定されるグローバルアライメント法等を用いて演算され、決定される。駆動経路については、Ｘ‐駆動部３３及びＹ‐駆動部３４によるｘｙ方向への移動と自重キャンセラ３６によるｚ方向への移動の後に、Ｘ‐ＶＣＭ８０、Ｙ‐ＶＣＭ８３及びＺ‐ＶＣＭ８６による微調整のための駆動を組み合わせて決定される。

ステップＳ１０３で目標位置と駆動経路が決定されると、Ｘ‐駆動部３３及びＹ‐駆動部３４によるｘｙ方向への移動とＺ‐ＶＣＭ８６によるｚ方向への移動が行われ、およそ目標位置の近傍まで下部テーブル３５が移動される。そしてステップＳ１０４では、下部テーブル３５のｘ軸方向及びｙ軸方向の正確な位置を、Ｘ‐干渉計２９及びＹ‐干渉計３０により検出する。そして、目標位置と現在位置との差を算出しながら、ステップＳ１０５で、Ｘ‐ＶＣＭ８０及びＹ‐ＶＣＭ８３により微調整を行う。

さらに、ステップＳ１０６で、下部テーブル３５のｚ軸方向の正確な位置を、Ｚ‐干渉計６７により検出する。そして、目標位置と現在位置との差を算出しながら、ステップＳ１０７で、Ｚ‐ＶＣＭ８６により下部テーブル３５を上部テーブル２４方向へ漸進させる。このとき、制御部は、Ｚ‐ＶＣＭ８６の駆動による移動量に応じて、その移動量が等しくなるように自重キャンセラ３６の圧力室６０の圧力を調整して、自重キャンセラ３６が下部テーブル３５を含むユニット分の自重を支持するように制御する。

ステップＳ１０８では、ロードセル２６の出力を監視しており、下部テーブル３５が上部テーブル２４方向へ近づき、最初に第２の基板１２が第１の基板１１に接触する時点を検出する。ロードセル２６による検出がされない間は、ステップＳ１０４からステップＳ１０７を繰り返す。

ステップＳ１０９では、下部テーブル３５の傾きを検出する。ロードセル２６は上部テーブル２４と上板部材２２との間に複数設けられており、第１の基板１１に対する第２の基板１２の接触状態を圧力分布として検出できる。下部テーブル３５が傾いていると、第２の基板１２は第１の基板１１に対して点接触することになるので、特定の領域に荷重が集中する。ロードセル２６はこれを検出して下部テーブルの傾きを検出する。

ステップＳ１０９で下部テーブル３５に傾きがあると判断されるとステップＳ１１０へ進み、ロードセル２６の出力を用いて、Ｚ‐ＶＣＭ８６により下部テーブル３５の傾きを修正する。傾きの修正を終えると再度ステップＳ１０９へ進む。

ステップＳ１０９で傾きがないと判断されると、第１の基板１１と第２の基板１２は面と面で接触されたとして、ステップＳ１１１へ進み、第１の基板ホルダ２５の吸着子１１１と、第２の基板ホルダ４１の吸着子１１１を作用させて、２つの基板ホルダを互いにクランプさせる。つまり、第１の基板ホルダ２５と第２の基板ホルダ４１が、正確に位置合わせされた第１の基板１１と第２の基板１２を挟み込んで、一体的に固定された状態をつくりあげる。

ステップＳ１１２では、第１の基板ホルダ２５の離脱動作と、自重キャンセラ３６による下部テーブル３５のｚ軸方向への引き下げ動作を協調させ、一体化された第１の基板ホルダ２５、第２の基板ホルダ４１、第１の基板１１及び第２の基板１２を下部テーブル３５に載置された状態にする。そして、プッシュアップピン４２を動作させ、これらを下部テーブル３５から持ち上げた状態にして、ロボットアームにより重ね合わせ装置１０から搬出する。以上により、一連の位置合わせ工程を終了する。

以上、上記の実施形態では、下部テーブル３５を６つのアクチュエータで駆動して、並進３自由度と回転３自由度の６自由度で制御した。しかし、例えばｚ軸周りの回転駆動のみは上部テーブル２４側に持たせて、下部テーブル３５を５自由度で制御する構成としても、重ね合わせに必要な応答性は十分得られる。また、上記の実施形態では、伸縮機構がピストン６１で構成された例を示した。しかし、伸縮機構を例えばダイヤフラムやベローズ等で構成することができる。

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ることが可能であ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。

１０ 重ね合わせ装置、１１ 第１の基板、１２ 第２の基板、１３ 粗動ベース部材、１３ａ 上面、１３ｂ 縁部、１４ 粗動ステージ部、１５ 床、１６ 除振部材、１７ 微動ベース部材、１８ 微動ステージ部、１９ 凹部、２０ 除振部材、２１ ボディ、２２ 上板部材、２３ 柱部材、２４ 上部テーブル、２４ａ 下面、２５ 第１の基板ホルダ、２６ ロードセル、２７ ＥＳＣ端子、２８ 上部顕微鏡、２９ Ｘ‐干渉計、３０ Ｙ‐干渉計、３２ ＸＹ‐ステージ部材、３３ Ｘ‐駆動部、３４ Ｙ‐駆動部、３５ 下部テーブル、３５ａ 上面、３５ｂ 下面、３６ 自重キャンセラ、３７ 貫通孔、３８ エアパッド、３９ ＸＹ‐渦電センサ、４０ Ｚ‐渦電センサ、４１ 第２の基板ホルダ、４２ プッシュアップピン、４３ Ｘ‐リニアモータ、４４ マグネット、４５ コイル、４６ Ｘ‐ガイド部材、４７ エアパッド、４８ 係合部、４９ エアベアリング、５０、５１ 連結部材、５２ エアパッド、５３ Ｙ‐リニアモータ、５４ マグネット、５５ コイル、５６ Ｙ‐ガイド部材、５７ 係合部、５８ エアベアリング、５９ シリンダ、５９ｂ 上面、６０ 圧力室、６１ ピストン、６１ａ 上面、６１ｂ 下端部、６２ エアベアリング、６３ 球面座、６４ 球面部材、６５ 凹球面、６６ エアベアリング、６７ Ｚ‐干渉計、６８ 脚部材、６８ａ 下面、６９ エアベアリング、７０ エアパッド、７１ 挿通孔、７２ 挿通孔、７３ ＥＳＣ端子、７４ Ｘ‐移動鏡、７５ Ｙ‐移動鏡、７６ 下部顕微鏡、７７ 凸球面、７８ エアベアリング、７９ ＡＦセンサ、８０ Ｘ‐ＶＣＭ、８１ マグネット、８２ コイル、８３ Ｙ‐ＶＣＭ、８４ マグネット、８５ コイル、８６ Ｚ‐ＶＣＭ、８７ マグネット、８８ コイル、８９ アーム部材、９０ 貫通孔、９１ アーム部材、１１０ ホルダ本体、１１１ 吸着子、１１２ 位置決め穴、１１３ 電圧印加端子

Claims (11)

1. 複数の基板を位置合わせして重ね合わせる重ね合わせ装置であって、
   第１基板を保持する第１ステージと、
   前記第１基板に対向して配置される第２基板を保持し、前記第１基板と前記第２基板とを互いに重ね合わせるべく第１方向に移動する第２ステージと、
   前記第１方向に交差する第２方向に移動可能なステージ部材と、
   前記第２ステージを前記第１方向に支持し、前記ステージ部材と一体的に移動する自重キャンセラとを備え、
   前記ステージ部材および前記自重キャンセラは、互いに非接触で支持されていることを特徴とする重ね合わせ装置。
2. 前記ステージ部材が移動する場合に、前記自重キャンセラに対して少なくとも前記第２方向に非接触で力を作用させて、前記自重キャンセラを前記ステージ部材に追従させる第１エアパッドを備える請求項１に記載の重ね合わせ装置。
3. 前記ステージ部材は、前記自重キャンセラを挿通させるための貫通穴を備え、
   前記第１エアパッドは、前記自重キャンセラと前記貫通穴との間に設けられている請求項２に記載の重ね合わせ装置。
4. 前記ステージ部材は、重力方向に直交するＸＹ方向に駆動される粗動ステージであり、
   前記ステージ部材が前記ＸＹ方向に駆動されたときに、前記第１エアパッドを介して前記自重キャンセラと前記第２ステージが前記ステージ部材に追従する請求項２または請求項３に記載の重ね合わせ装置。
5. 前記ステージ部材に、前記第２ステージを駆動する駆動機構を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の重ね合わせ装置。
6. 前記自重キャンセラは、前記駆動機構が受ける前記第２ステージの自重を減少させる請求項５に記載の重ね合わせ装置。
7. 前記第１ステージを支持する枠体を更に有し、
   前記自重キャンセラは、前記枠体上に設置される請求項１から６のいずれか１項に記載の重ね合わせ装置。
8. 前記自重キャンセラは、前記枠体との間に第２エアパッドを備える請求項７に記載の重ね合わせ装置。
9. 前記枠体は、前記ステージ部材が駆動された場合でも、前記ステージ部材と非接触状態を保つ請求項７または８に記載の重ね合わせ装置。
10. 前記ステージ部材が駆動されるときに前記ステージ部材をガイドするガイド部と、
    前記ガイド部を支持する定盤とを更に備え、
    前記枠体は、前記定盤上に防振部を介して支持される請求項７から９のいずれか１項に記載の重ね合わせ装置。
11. 前記自重キャンセラに一体的に備えられた、前記第２ステージの高さを測定する測定器を備える請求項１から１０のいずれか１項に記載の重ね合わせ装置。

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