JP5614081B2 - 基板位置合わせ装置、基板位置合わせ方法、基板貼り合わせ装置、積層半導体装置製造方法及び積層半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板位置合せ装置、基板貼り合せ装置、積層半導体装置製造方法及び積層半導体装置に関する。

半導体装置の実装密度を高める目的で、電子回路が形成された複数の基板を積層した積層型の半導体装置が注目されている。複数の基板を積層する場合に、基板同士を位置合せして重ね合せる基板位置合せ装置を用いる。基板位置合せ装置は、接合すべき２枚の基板をそれぞれ上のステージと下のステージにロードしてから、顕微鏡により基板に設けられたマークを観察して、基板の位置合せをする。（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１ 特開２００９−２３１６７１号公報

基板位置合せ装置が接合すべき２枚の基板を１枚ずつステージにロードすることに時間がかかる。なお、２枚の基板ともステージに載置してから、基板の位置検出及び位置合せが始まるので、位置合せプロセス全体の時間が長くなる。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、一の基板を保持する第１のテーブルと、第１のテーブルに対向して配され、他の基板を保持する第２のテーブルと、第１のテーブルに対向して配され、第１のテーブルに保持された一の基板の表面に設けられた指標を観察する第１の顕微鏡と、第２のテーブルに対向して配され、第２のテーブルに保持された他の基板の表面に設けられた指標を観察する第２の顕微鏡と、第１の顕微鏡による一の基板の指標の観察結果および第２の顕微鏡による他の基板の指標の観察結果に基づいて、一の基板と他の基板とを位置合わせする制御部と、第１のテーブルおよび第２のテーブルの少なくとも一方に隣接して配され、第１のテーブルまたは第２テーブルに一の基板または他の基板が保持される工程から一の基板および他の基板が位置合わせされて搬出される工程までの間に、次に位置合わせされる一の基板および他の基板の少なくとも一方を受け取る第３のテーブルとを備える基板位置合せ装置が提供される。

本発明の第２の態様においては、一の基板を第１のテーブルに保持する第１保持ステップと、他の基板を、前記第１のテーブルに対向して配された第２のテーブルに保持する第２保持ステップと、前記第１のテーブルに保持された前記一の基板の表面に設けられた指標を、前記第１のテーブルに対向して配された第１の顕微鏡で観察する第１観察ステップと、前記第２のテーブルに保持された前記他の基板の表面に設けられた指標を、前記第２のテーブルに対向して配された第２の顕微鏡で観察する第２観察ステップと、前記第１の顕微鏡による前記一の基板の指標の観察結果および前記第２の顕微鏡による前記他の基板の指標の観察結果に基づいて、前記一の基板と前記他の基板とを位置合わせする位置合わせステップと、前記第１保持ステップ、前記第２保持ステップ、第１観察ステップ、第２観察ステップおよび前記位置合わせステップが実行されている間に、次に位置合わせされる一の基板および他の基板の少なくとも一方を第３のテーブルで受け取る受取ステップとを備える基板位置合せ方法が提供される。

本発明の第３の態様においては、上記基板位置合せ装置と、位置合わせされた前記一の基板および前記他の基板を加圧する加圧部とを備える基板貼り合せ装置が提供される。

本発明の第４の態様においては、上記基板貼り合せ装置により基板を貼り合せることを含む積層半導体装置製造方法が提供される。

本発明の第５の態様においては、上記積層半導体装置製造方法により製造された積層半導体装置が提供される。

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。

一実施形態である基板貼り合せ装置１００の全体構造を模式的に示す平面図である。 ステージ装置１４０の構造を概略的に示す正面図である。 第１基板１２２を第１テーブル１４１に載置する過程を概略的に示す。 第２基板１２３を第２テーブル１４２に載置する過程を概略的に示す。 第１基板１２２及び第２基板１２３に設けられる指標の位置関係を示す平面図である。 第１顕微鏡３４４により第１基板１２２の表面の指標、第２顕微鏡３４２により第２基板１２３の表面の指標を観察する概念図である。 第１基板１２２及び第２基板１２３を観察すると同時に、他の第１基板１２２を第３テーブル１４３に載置する過程を概略的に示す。 第１テーブル１４１に保持される第１基板１２２と第２テーブル１４２に保持される第２基板１２３を重ね合わせる過程を概略的に示す。 ホルダ対を搬出して、新しい第２基板１２３を第２テーブル１４２に載置する過程を概略的に示す。 第１顕微鏡３４４により第１基板１２２の表面の指標、第３顕微鏡３４６により第２基板１２３の表面の指標を観察すると同時に、新しい第１基板１２２を第１テーブル１４１に載置する過程を概略的に示す。 第３テーブル１４３に保持される第１基板１２２と第２テーブル１４２に保持される第２基板１２３を重ね合わせる過程を概略的に示す。 他の実施形態のステージ装置１４０において、第１基板１２２を第１テーブル１４１に載置する目的で、第３テーブル１４４に仮置きする過程を概略的に示す。 第１基板１２２を第１テーブル１４１に載置する過程を概略的に示す。 第１基板１２２を第１テーブル１４１に載置すると同時に、第２基板１２３を第２テーブル１４２に載置する過程を概略的に示す。 第１顕微鏡３４４により第１基板１２２の表面の指標、第２顕微鏡３４２により第２基板１２３の表面の指標を観察する概念図である。 第１基板１２２と第２基板１２３を重ね合わせると同時に、他の第１基板１２２を第３テーブル１４４に仮置きする過程を概略的に示す。 ホルダ対を搬出すると同時に、他の第１基板１２２を第１テーブル１４１に載置する過程を概略的に示す。 積層半導体装置を製造する製造方法のフローチャートである。

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、基板貼り合せ装置１００の全体構造を模式的に示す平面図である。基板貼り合せ装置１００は、筐体１０２と、常温部１０４と、高温部１０６と、基板カセット１１２、１１４、１１６とを備える。常温部１０４および高温部１０６は、共通の筐体１０２の内部に設けられる。

基板カセット１１２、１１４、１１６は、筐体１０２の外部に、筐体１０２に対して脱着自在に装着される。基板カセット１１２、１１４、１１６は、基板貼り合せ装置１００において接合される第１基板１２２および第２基板１２３を収容する。基板カセット１１２、１１４、１１６により、複数の第１基板１２２および第２基板１２３が一括して基板貼り合せ装置１００に装填される。また、基板貼り合せ装置１００において接合された第１基板１２２および第２基板１２３が一括して回収される。

なお、基板貼り合せ装置１００に装填される第１基板１２２および第２基板１２３は、単体のシリコンウエハ、化合物半導体ウェハ、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あってよい。また、装填された第１基板１２２および第２基板１２３が、既に複数のウェ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１０４は、筐体１０２の内側にそれぞれ配された、プリアライナ１２６と、基板ホルダラック１２８と、基板ホルダアライナ１２９と、ステージ装置１４０と、搬送アーム１３４とを備える。常温部１０４の内部は、基板貼り合せ装置１００が設置された環境の室温と略同じ温度が維持されるように温度管理される。常温部１０４は、大気中で第１基板１２２および第２基板１２３を搬送する。

プリアライナ１２６は、高精度であるが故にステージ装置１４０の狭い調整範囲に第１基板１２２または第２基板１２３の位置が収まるように、個々の第１基板１２２または第２基板１２３の位置を仮合わせする。この場合に、プリアライナ１２６は第１基板１２２等の外形を観察することにより、第１基板１２２等の位置決めを行う。これにより、ステージ装置１４０が第１基板１２２および第２基板１２３の位置を確実に位置決めすることができる。

基板ホルダラック１２８は、複数の上基板ホルダ１２４および複数の下基板ホルダ１２５を収容して待機させる。基板貼り合せ装置１００において、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５は、それぞれ、第１基板１２２および第２基板１２３を静電吸着により保持する。

基板ホルダアライナ１２９は、第１基板１２２及び第２基板１２３がそれぞれ上基板ホルダ１２４及び下基板ホルダ１２５における予め定められた位置に載置できるように、上基板ホルダ１２４及び下基板ホルダ１２５の位置を合わせる。基板ホルダアライナ１２９は、上基板ホルダ１２４及び下基板ホルダ１２５の外形を観察することにより、上基板ホルダ１２４等の位置決めを行う。基板ホルダアライナ１２９は、位置合せが完成した上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５に、搬送アーム１３４が搬入した第１基板１２２又は第２基板１２３を載置させる場所でもある。上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５は、その上に載置された第１基板１２２又は第２基板１２３を静電吸着により保持して相対位置を維持する。基板ホルダアライナ１２９は、第１基板１２２又は第２基板１２３を保持した上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５を反転する。

搬送アーム１３４は、レール１３６に沿って移動する。搬送アーム１３４は、基板カセット１１２、基板カセット１１４、基板カセット１１６、プリアライナ１２６、基板ホルダラック１２８、基板ホルダアライナ１２９、ステージ装置１４０及びエアロック２２０の間で、第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５を搬送する。

ステージ装置１４０は、貼り合せの対象である第１基板１２２と第２基板１２３における接合すべき電極同士の位置を合わせて、重ね合わせる。ステージ装置１４０は、基板位置合せ装置の一例である。ステージ装置１４０により位置合せされ、重ね合わせされた第１基板１２２と第２基板１２３は、上基板ホルダ１２４と下基板ホルダ１２５に挟まれ、位置止め機構により仮止めされる。上基板ホルダ１２４と下基板ホルダ１２５及びそれらに挟まれた第１基板１２２と第２基板１２３の組合せは、「ホルダ対」と記載されることがある。その後、ホルダ対は、搬送アーム１３４により高温部１０６に搬入される。

ステージ装置１４０は、第１テーブル１４１と、第２テーブル１４２と、第３テーブル１４３とを有する。ステージ装置１４０を包囲して断熱壁１４５およびシャッタ１４６が設けられる。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温度管理され、ステージ装置１４０における位置合わせ精度を維持する。ステージ装置１４０については、また他の図面を用いて詳細に説明する。

高温部１０６は、断熱壁１０８、エアロック２２０、搬送アーム２３０、複数の加熱室２４０および冷却室２５０を有する。断熱壁１０８は、高温部１０６を包囲して、高温部１０６の外部への熱輻射を遮断する。これにより、高温部１０６の熱が常温部１０４に及ぼす影響を抑制する。高温部１０６は、その内部が一定の真空状態に維持される。これにより、高温部１０６に搬入された基板の汚染及び酸化を抑えることができる。

搬送アーム２３０は、加熱室２４０、冷却室２５０とエアロック２２０との間で第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を搬送する。

エアロック２２０は、常温部１０４と高温部１０６とを連結する。エアロック２２０は、常温部１０４側と高温部１０６側とに、交互に開閉するシャッタ２２２、２２４を有する。

第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５から構成されるホルダ対が常温部１０４から高温部１０６に搬入される場合、まず、常温部１０４側のシャッタ２２２が開かれ、搬送アーム１３４がホルダ対をエアロック２２０に搬入する。次に、常温部１０４側のシャッタ２２２が閉じられ、エアロック２２０内部が真空に引かれる。エアロック２２０内部の真空度が、高温部１０６側の真空度になったら、高温部１０６側のシャッタ２２４が開かれる。

続いて、搬送アーム２３０が、エアロック２２０からホルダ対を搬出して、加熱室２４０のいずれかに装入する。加熱室２４０は、ホルダ対を加熱および加圧して、第１基板１２２と第２基板１２３を貼り合せる。その後、搬送アーム２３０が、加熱室２４０からホルダ対を搬出して、冷却室２５０に装入して冷却する。加熱室２４０は、ホルダ対を加熱するだけで、第１基板１２２と第２基板１２３を貼り合せてもよい。

冷却室２５０は、接合された第１基板１２２および第２基板１２３を上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５から分離することができる。接合された第１基板１２２および第２基板１２３は、「積層基板」と記載されることがある。

高温部１０６から常温部１０４にホルダ対を搬出する場合は、常温部１０４から高温部１０６に搬入する場合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１０６の内部雰囲気を常温部１０４側に漏らすことなく、ホルダ対を高温部１０６に搬入または搬出できる。

高温部１０６から搬出された積層基板は、搬送アーム１３４により基板カセット１１２、１１４、１１６のうちのひとつに戻されて収容される。上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５は、搬送アーム１３４により基板ホルダラック１２８に戻されて待機する。

基板貼り合せ装置１００内の多くの領域において、上基板ホルダ１２４が第１基板１２２を保持した状態で、又は下基板ホルダ１２５が第２基板１２３を保持した状態で、搬送アーム１３４および搬送アーム２３０により搬送される。第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４又は第２基板１２３を保持した下基板ホルダ１２５が搬送される場合、搬送アーム１３４、２３０は、真空吸着又は静電吸着により上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５を吸着して保持する。

図２は、ステージ装置１４０の構造を概略的に示す。ステージ装置１４０は、本体３１０の内側に配された第１テーブル１４１、第２テーブル１４２及び第３テーブル１４３のほかに、制御部１４８と、第１顕微鏡３４４と、第２顕微鏡３４２と、第３顕微鏡３４６と、干渉計３７０と、第１固定鏡３７４と、第２固定鏡３７６とを有する。

本体３１０は、互いに平行で水平な天板３１２および底板３１６と、天板３１２および底板３１６を結合する複数の支柱３１４とを備える。天板３１２、支柱３１４および底板３１６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。

第１テーブル１４１は、天板３１２の下面に固定される。第１テーブル１４１は、真空吸着により第１基板１２２を下面に保持する上基板ホルダ１２４を真空吸着により吸着する。当該吸着方法は、静電吸着であってもよい。上基板ホルダ１２４は、静電吸着により第１基板１２２を吸着して保持する。第１テーブル１４１は、上基板ホルダ１２４を介して、第１基板１２２における第２基板１２３と接合すべき面が下方に向かって露出する向きで第１基板１２２を保持する。

第３テーブル１４３は、第１テーブル１４１に隣接して配され、天板３１２の下面に固定される。第３テーブル１４３は、第１基板１２２を下面に保持する上基板ホルダ１２４を真空吸着により吸着する。当該吸着方法は、静電吸着であってもよい。上基板ホルダ１２４は、静電吸着により第１基板１２２を吸着して保持する。第３テーブル１４３は、上基板ホルダ１２４を介して、第１基板１２２における第２基板１２３と接合すべき面が下方に向かって露出する向きで第１基板１２２を保持する。

第２テーブル１４２は、第１テーブル１４１及び第３テーブル１４３に対向して昇降部３６０の上に配される。昇降部３６０は、底板３１６の上に載置され、底板に対して固定されたガイドレール３５２に案内されつつＸ方向に移動するＸステージ３５４と、Ｘステージ３５４の上でＹ方向に移動するＹステージ３５６の上に載置される。よって、制御部１４８の制御により、第２テーブル１４２は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動することができる。Ｚ方向の移動距離は変位センサー３７２により検知する。変位センサー３７２が検出したデータが制御部１４８にフィードバックされる。

第２テーブル１４２は、真空吸着等により下基板ホルダ１２５を保持する。下基板ホルダ１２５は、静電吸着により第２基板１２３を保持する。第２テーブル１４２は、下基板ホルダ１２５を介して、第２基板１２３における第１基板１２２と接合すべき面が上方に向かって露出する向きで第２基板１２３を保持する。これにより、第２テーブル１４２に保持された第２基板１２３における第１基板１２２と接合すべき面は、第１テーブル１４１又は第３テーブル１４３に保持された第１基板１２２における第２基板１２３と接合すべき面に、対向するように配置される。

第２テーブル１４２は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸を回転軸として回転する機能を有する。第２テーブル１４２は、この回転機構により、第１テーブル１４１又は第３テーブル１４３に保持された第１基板１２２における第２基板１２３と接合すべき面に平行になるように、第２テーブル１４２に保持された第２基板１２３における第１基板１２２と接合すべき面の傾斜を調整することができる。

昇降部３６０は、制御部１４８からの指示に応じて、第２テーブル１４２をＺ方向に昇降する。昇降部３６０に配された第２テーブル１４２は、第１テーブル１４１又は第３テーブル１４３に近接および離間して、第２基板１２３を第１基板１２２に重ね合わせることができる。昇降部３６０の駆動形式の例として、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）による駆動、シリンダー及びピストンによる駆動等が挙げられる。第２テーブル１４２は、粗動微動分離駆動機構を有してよい。第２テーブル１４２は、重ね合わされた第１基板１２２、第２基板１２３および両基板を挟み仮止めした上基板ホルダ１２４と下基板ホルダ１２５を保持して降下し、搬送アーム１３４に受け渡す。

第１顕微鏡３４４は、第２テーブル１４２に配置され、第２テーブル１４２と共に第１テーブル１４１に対向して移動する。第１顕微鏡３４４は、オートフォーカスセンサーを有する。第１顕微鏡３４４は、第１テーブル１４１に保持された第１基板１２２の表面に設けられた指標を観察する。第１顕微鏡３４４の観察データは、制御部１４８に送信される。

第２顕微鏡３４２は、第２テーブル１４２に対向して、天板３１２の下面に、第１テーブル１４１に対して既知の間隔をおいて固定される。第２顕微鏡３４２は、オートフォーカスセンサーを有する。第２顕微鏡３４２は、第２テーブル１４２に保持された第２基板１２３の表面に設けられた指標を観察する。第２顕微鏡３４２の観察データは、制御部１４８に送信される。

第３顕微鏡３４６は、第２テーブル１４２に対向して、天板３１２の下面に、第３テーブル１４３に対して既知の間隔をおいて固定される。第３顕微鏡３４６は、オートフォーカスセンサーを有する。第３顕微鏡３４６は、第２テーブル１４２に保持された第２基板１２３の表面に設けられた指標を観察する。第３顕微鏡３４６の観察データは、制御部１４８に送信される。

干渉計３７０は、それぞれ第１テーブル１４１及び第２テーブル１４２に固定された第１固定鏡３７４及び第２固定鏡３７６に光を照射して、第１固定鏡３７４及び第２固定鏡３７６から反射される光の干渉により、第１テーブル１４１に対する第２テーブル１４２の相対位置を検知する。干渉計３７０は、検出したデータを制御部１４８にフィードバックする。

制御部１４８は、干渉計３７０、変位センサー３７２、第１顕微鏡３４４、第２顕微鏡３４２及び第３顕微鏡３４６の位置情報を記憶しており、干渉計３７０、変位センサー３７２、第１顕微鏡３４４、第２顕微鏡３４２及び第３顕微鏡３４６により送信されるデータに基づいて、上基板ホルダ１２４を介して第１テーブル１４１又は第３テーブル１４３に保持された第１基板１２２と、下基板ホルダ１２５を介して第２テーブル１４２に保持された第２基板１２３との相対位置を算出できる。制御部１４８は、算出した結果に基づいて、第２テーブル１４２を精密に制御して、第１基板１２２と第２基板１２３の位置合せをして、重ね合せることができる。

図３から図１１は、ステージ装置１４０を用いて、基板の位置合せを行う基板位置合せ方法の各過程を示す。この基板位置合せ方法は、第１保持ステップと、第２保持ステップと、第１観察ステップと、第２観察ステップと、第３保持ステップと、第１位置合わせステップと、第３観察ステップと、第２位置合わせステップとを備える。

図３は、第１保持ステップにおいて、第１基板１２２を第１テーブル１４１に保持する過程を概略的に示す。例えば、搬送アーム１３４は、１枚の第１基板１２２を基板カセット１１２から取り出して、プリアライナ１２６に投入する。プリアライナ１２６は、第１基板１２２の位置合せをする。その間、搬送アーム１３４は、基板ホルダラック１２８から１枚の上基板ホルダ１２４を取り出して、基板ホルダアライナ１２９に搬入する。基板ホルダアライナ１２９は、上基板ホルダ１２４の位置合せをする。

プリアライメントが終了すると、搬送アーム１３４は、プリアライナ１２６から第１基板１２２を取り出して、基板ホルダアライナ１２９に待機する上基板ホルダ１２４に載置する。上基板ホルダ１２４は、静電吸着により第１基板１２２を吸着する。基板ホルダアライナ１２９は、第１基板１２２を吸着した上基板ホルダ１２４を反転する。

搬送アーム１３４は、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を基板ホルダアライナ１２９から取り出して、第１テーブル１４１に搬送する。第１テーブル１４１は、真空吸着により、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を吸着して保持する。

図４は、第２保持ステップにおいて、第２基板１２３を第２テーブル１４２に保持する過程を概略的に示す。例えば、搬送アーム１３４は、１枚の第２基板１２３を基板カセット１１４から取り出して、プリアライナ１２６に投入する。プリアライナ１２６は、第２基板１２３のプリアライメントをする。その間、搬送アーム１３４は、基板ホルダラック１２８から１枚の下基板ホルダ１２５を取り出して、基板ホルダアライナ１２９に搬入する。基板ホルダアライナ１２９は、下基板ホルダ１２５の位置合せをする。

プリアライメントが終了すると、搬送アーム１３４は、プリアライナ１２６から第２基板１２３を取り出して、基板ホルダアライナ１２９に待機する下基板ホルダ１２５に載置する。下基板ホルダ１２５は、静電吸着により第２基板１２３を吸着する。

搬送アーム１３４は、第２基板１２３を保持した下基板ホルダ１２５を基板ホルダアライナ１２９から取り出して、第２テーブル１４２に搬送する。第２テーブル１４２は、真空吸着により、第２基板１２３を保持した下基板ホルダ１２５を吸着して保持する。

図５は、第１基板１２２及び第２基板１２３に設けられる指標の位置関係の一例を示す。図５は、第１テーブル１４１における第１基板１２２が置かれるべき位置に第１基板１２２が置かれ、第２テーブル１４２における第２基板１２３が置かれるべき位置に第２基板１２３が置かれ、第１基板１２２及び第２基板１２３が位置合せされた場合を示す。図５は、上に位置する第１基板１２２については裏面から透視して、下に位置する第２基板１２３については表面を観察する平面図である。

図５における十字マークは、基板の表面に形成されるアライメント用指標を表す。白抜き指標ａ、ｂ、ｃは、上に位置する第１基板１２２の表面に形成される指標であり、黒塗り指標ｅ、ｆ、ｇは、下に位置する第２基板１２３の表面に形成される指標である。図５に示すように、第１基板１２２に形成される指標と第２基板１２３に形成される指標は、両基板の中心Ｏに対して、対称的な位置に配される。即ち、指標ａと指標ｅ、指標ｂと指標ｆ、指標ｃと指標ｇの間は、それぞれ基板の中心Ｏに対して対称的な位置に配される。また、図５に示すように、第１顕微鏡３４４と第２顕微鏡３４２は、両基板の中心Ｏに対して対称的な位置に、それぞれ第２テーブル１４２及び天板３１２に配される。

図５に示すように、第１基板１２２に形成された指標が第２基板１２３に形成された指標と中心Ｏに対して対称的な位置に配され、第１顕微鏡３４４が第２顕微鏡３４２と中心Ｏに対して対称的な位置に配される場合に、第１顕微鏡３４４が指標ａを観察する位置に移動すると、第２顕微鏡３４２は指標ｅを観察できる位置にあることになる。よって、第１顕微鏡３４４による指標ａの観察と第２顕微鏡３４２による指標ｅの観察は、同時に行うことができる。

図６は、第１観察ステップにおいて、第１基板１２２の表面に設けられた指標ａを第１顕微鏡３４４で観察する過程、及び第２観察ステップにおいて、第２基板１２３の表面に設けられた指標ｅを第２顕微鏡３４２で観察する過程を概略的に示す。制御部１４８は、第２テーブル１４２および第１顕微鏡３４４を制御して、第１顕微鏡３４４の焦点を指標ａに合わせて、第２顕微鏡３４２を制御して第２顕微鏡３４２の焦点を指標ｅに合わせる。

図６に示すように、第１顕微鏡３４４が順次指標ｂ、指標ｃを観察する位置に移動すると、第２顕微鏡３４２は順次指標ｆ、指標ｇを観察できる位置にあり、第１顕微鏡３４４により第１基板１２２を観察する第１観察ステップと第２顕微鏡３４２により第２基板１２３を観察する第２観察ステップが、同時に進行できる。また、第１基板１２２と第２基板１２３がそれぞれ一枚ずつ観察され、第１観察ステップと第２観察ステップが前後にして進行されても良い。

図７に示すように、第１観察ステップ及び第２観察ステップの進行中に、次に位置合わせされる他の第１基板１２２を第３テーブル１４３に保持する第３保持ステップも進行する。第３保持ステップにおいて、第１保持ステップと同様に、搬送アーム１３４は、まずプリアライメントされた第１基板１２２を位置合せされた上基板ホルダ１２４に載置する。搬送アーム１３４は、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を基板ホルダアライナ１２９から取り出して、第３テーブル１４３に搬送する。第３テーブル１４３は、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を真空吸着して保持する。このステップにより、第３テーブル１４３は、第１顕微鏡３４４により観察されるべく次の処理に供される第１基板１２２を保持する。

図８は、第１位置合わせステップにおいて、第１テーブル１４１に保持される第１基板１２２と第２テーブル１４２に保持される第２基板１２３を重ね合わせる過程を概略的に示す。制御部１４８は、第１顕微鏡３４４による第１基板１２２の指標の観察結果及び第２顕微鏡３４２による第２基板１２３の指標の観察結果に基づいて、上基板ホルダ１２４を介して第１テーブル１４１に保持された第１基板１２２と、下基板ホルダ１２５を介して第２テーブル１４２に保持された第２基板１２３との相対位置を算出する。制御部１４８は、算出した結果に基づいて、第２テーブル１４２を精密に制御して、第１基板１２２と第２基板１２３の位置合せをして、重ね合せる。重ね合わされた第１基板１２２と第２基板１２３は、上基板ホルダ１２４及び下基板ホルダ１２５に設けられた位置止め機構により仮止めされて、位置ずれが防止される。

図９は、ホルダ対を搬出して、新しい第２基板１２３を第２テーブル１４２に載置する過程を概略的に示す。第２テーブル１４２は、仮止めされたホルダ対を保持して降下する。搬送アーム１３４は、第２テーブル１４２からホルダ対を搬出して、エアロック２２０に投入する。その後、第２保持ステップと同様に、搬送アーム１３４は、新しい第２基板１２３を保持した下基板ホルダ１２５を第２テーブル１４２に搬送して、第２テーブル１４２に載置する。

図１０は、第３観察ステップにおいて、第１顕微鏡３４４により第１基板１２２の表面の指標、第３顕微鏡３４６により第２基板１２３の表面の指標を観察する過程を概略的に示す。この場合も、図６に示すように、第１基板１２２に形成された指標が第２基板１２３に形成された指標と中心Ｏに対して対称的な位置に配され、第１顕微鏡３４４が第３顕微鏡３４６と中心Ｏに対して対称的な位置に配される状態であれば、第１顕微鏡３４４による第１基板１２２における指標の観察と第３顕微鏡３４６による第２基板１２３における指標の観察は、同時に行うことができる。また、図１０に示すように、第３観察ステップの進行中に、新しい第１基板１２２を第１テーブル１４１に保持する次の第１保持ステップが進行できる。

図１１は、第２位置合わせステップにおいて、第３テーブル１４３に保持される第１基板１２２と第２テーブル１４２に保持される第２基板１２３を重ね合わせる過程を概略的に示す。制御部１４８は、第１顕微鏡３４４による第１基板１２２の指標の観察結果及び第３顕微鏡３４６による第２基板１２３の指標の観察結果に基づいて、上基板ホルダ１２４を介して第３テーブル１４３に保持された第１基板１２２と、下基板ホルダ１２５を介して第２テーブル１４２に保持された第２基板１２３との相対位置を算出できる。制御部１４８は、算出した結果に基づいて、第２テーブル１４２を精密に制御して、第１基板１２２と第２基板１２３の位置合せをして、重ね合せる。重ね合わされた第１基板１２２と第２基板１２３は、上基板ホルダ１２４に設けられた磁石と下基板ホルダ１２５に設けられた磁性体との間の磁力により仮止めされて、位置ずれが防止される。

第２テーブル１４２は、ホルダ対を保持して降下する。搬送アーム１３４は、第２テーブル１４２からホルダ対を搬出して、エアロック２２０に投入する。次に、図４に示すように、新しい第２保持ステップに進み、搬送アーム１３４は、新しい第２基板１２３を保持した下基板ホルダ１２５を第２テーブル１４２に搬送して、第２テーブル１４２に載置する。その後、図５から図１１に示すように、基板の位置合せ過程を繰り返すことができる。

上述の実施形態では、図７に示すように、第１観察ステップ及び第２観察ステップの実行中に、第３保持ステップが実行される例が挙げられたが、第３保持ステップは、第１保持ステップ、第２保持ステップ、第１観察ステップ、第２観察ステップ又は、第１位置合わせステップ、又は、ホルダ対がステージ装置１４０から搬出される工程のいずれかの実行中に実行されて良い。つまり、第３保持ステップは、第１基板１２２がステージ装置１４０に搬入されてからホルダ対がステージ装置１４０から搬出がされるまでの間に実行される。さらに、第３観察ステップも、第２保持ステップ、第１観察ステップ、第２観察ステップ又は第１位置合わせステップのいずれかの実行中に実行されて良い。また、図１０に示すように、第３観察ステップの実行中に、次の第１保持ステップが実行される例が挙げられたが、この第１保持ステップは、第２位置合わせステップの実行中に実行しされても良い。このように、第３テーブル１４３が設けられたことにより、基板位置合せプロセスにおいて、複数のステップを同時に実行することができるようになり、基板位置合せの時間が大きく短縮することができる。

上述の実施形態では、第３テーブル１４３が第１テーブル１４１に隣接して配され、天板３１２の下面に固定されるが、第３テーブル１４３は、第２テーブル１４２に隣接して第１テーブル１４１に対向する向きに配されてもよい。この場合、第３テーブル１４３は、第２テーブル１４２のように、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動でき、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸を回転軸として回転できる機能を有してよい。第３顕微鏡３４６は、第３テーブル１４３に配置され、第３テーブル１４３と共に第１テーブル１４１に対向して移動できてよい。第３テーブル１４３は、第２テーブル１４２に載置される第２基板１２３の次に、位置合せに供される第２基板１２３を受け取り、第１テーブル１４１に保持された第１基板１２２と位置合せして、重ね合わせてもよい。このような構成を有するステージ装置１４０においても、基板位置合せプロセスの複数のステップが同時に進行することができるので、基板位置合せの時間が大きく短縮することができる。

なお、図６に示すように、第１基板１２２及び第２基板１２３に設けられる指標の位置が対称的な位置にある場合には、上述の実施形態のように、複数の基板観察ステップが同時に進行できるので、更に基板位置合せの時間を短縮できる。

図１２から図１７は、他の実施形態のステージ装置１４０を用いて、基板の位置合せを行う基板位置合せ方法の各過程を示す。図１２に示すように、この実施形態では、第３テーブル１４４は、第２テーブル１４２に隣接して第１テーブル１４１に対向する向きに配される。第３テーブル１４４は、第１基板１２２を保持する上基板ホルダ１２４を仮置きして、上方に押し上げる押上ピン４０２を有する。第３テーブル１４４は、制御部１４８の制御により、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動することができる。

この実施形態の基板位置合せ方法は、第１保持ステップと、第２保持ステップと、第１観察ステップと、第２観察ステップと、位置合わせステップと、受取ステップとを備える。図面を用いて、この実施形態を説明するが、前述の実施形態と重複する内容については、説明を省略する場合がある。

図１２は、第１基板１２２を第１テーブル１４１に載置する目的で、第３テーブル１４４に仮置きする過程を概略的に示す。搬送アーム１３４は、まずプリアライメントされた第１基板１２２を位置合せされた上基板ホルダ１２４に載置する。搬送アーム１３４は、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を基板ホルダアライナ１２９から取り出して、第３テーブル１４４に搬送して、押上ピン４０２に仮置きする。

図１３に示すように、第３テーブル１４４は、制御部１４８の制御により、第１テーブル１４１の直下に移動する。図１４に示すように、押上ピン４０２は、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を第１テーブル１４１へ向けて押し上げて第１テーブル１４１に受け渡す。第１テーブル１４１は、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を真空吸着する。この間、搬送アーム１３４は、第２基板１２３を保持した下基板ホルダ１２５を第２テーブル１４２に載置する。

即ち、図１２に示すように、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を押上ピン４０２に仮置きした後、搬送アーム１３４が第２基板１２３を保持した下基板ホルダ１２５を第２テーブル１４２に載置する準備作業に取り掛かることができるので、第１保持ステップの実行過程において、第２保持ステップも同時に実行することができる。

図１５は、第１顕微鏡３４４により第１基板１２２の表面に設けられた指標を観察する第１観察ステップ、及び第２顕微鏡３４２より第２基板１２３の表面に設けられた指標を観察する第２観察ステップを概略的に示す。図６に示すように、第１基板１２２に形成された指標が第２基板１２３に形成された指標と中心Ｏに対して対称的な位置に配され、第１顕微鏡３４４が第２顕微鏡３４２と中心Ｏに対して対称的な位置に配される場合に、第１観察ステップ及び第２観察ステップは同時に実行することができる。

図１６は、位置合わせステップ及びそれと同時に実行される受取ステップを概略的に示す。制御部１４８は、第１顕微鏡３４４による第１基板１２２の指標の観察結果及び第２顕微鏡３４２による第２基板１２３の指標の観察結果に基づいて、上基板ホルダ１２４を介して第１テーブル１４１に保持された第１基板１２２と、下基板ホルダ１２５を介して第２テーブル１４２に保持された第２基板１２３との相対位置を算出して、第１基板１２２と第２基板１２３の位置合せをして、重ね合せる。重ね合わされた第１基板１２２と第２基板１２３は、上基板ホルダ１２４及び下基板ホルダ１２５に設けられた位置止め機構により仮止めされて、位置ずれが防止される。それと同時に、第３テーブル１４４は、次の位置合せに供される第１基板１２２を受け取る。

図１７に示すように、第２テーブル１４２は、仮止めされたホルダ対を保持して降下する。搬送アーム１３４は、第２テーブル１４２からホルダ対を搬出して、エアロック２２０に投入する。それと同時に、第３テーブル１４４は、第１テーブル１４１の直下に移動する。押上ピン４０２は、図１４に示すように、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を第１テーブル１４１へ向けて押し上げて第１テーブル１４１に当接させて、第１テーブル１４１に受け渡す。即ち、ホルダ対を搬出する過程と同時に、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を第１テーブル１４１に当接させる当接ステップを実行することができる。

上述の実施形態では、受取ステップが位置合わせステップと同時に実行した例が挙げられたが、受取ステップは、第１観察ステップ、第２観察ステップおよび位置合わせステップのいずれかの実行中に、同時に実行してよい。ステージ装置１４０において、第３テーブル１４４が設けられたことにより、基板位置合せプロセスの複数のステップが同時に進行することができるので、基板位置合せの時間が大きく短縮することができる。

上記実施形態においてはテーブルが三つの例を示したが、テーブルの数はこれに限られない。他の例として、上下のテーブルが二対またはそれ以上であってよい。上下のテーブルが二対以上ある場合に、下のテーブルのいずれか一つは図１２に示す第３テーブル１４４と同じ構成を有して、上のテーブルに基板を受け渡す機能を有してよい。

図１８は、積層半導体装置を製造する製造方法の概略を示す。図１８に示すように、積層半導体装置は、当該積層半導体装置の機能・性能設計を行うステップＳ１１０、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を製作するステップＳ１２０、積層半導体装置の基材である基板を製造するステップＳ１３０、マスクのパターンを用いたリソグラフィを含む基板処理ステップＳ１４０、上記の基板貼り合せ装置を用いた基板貼り合せ工程等を含むデバイス組み立てステップＳ１５０、検査ステップＳ１６０等を経て製造される。なお、デバイス組み立てステップＳ１５０は、基板貼り合せ工程に続いて、ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む。

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。

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」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中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。

１００ 基板貼り合せ装置
１０２ 筐体
１０４ 常温部
１０６ 高温部
１０８ 断熱壁
１１２ 基板カセット
１１４ 基板カセット
１１６ 基板カセット
１２２ 第１基板
１２３ 第２基板
１２４ 上基板ホルダ
１２５ 下基板ホルダ
１２６ プリアライナ
１２８ 基板ホルダラック
１２９ 基板ホルダアライナ
１３４ 搬送アーム
１３６ レール
１４０ ステージ装置
１４１ 第１テーブル
１４２ 第２テーブル
１４３ 第３テーブル
１４４ 第３テーブル
１４５ 断熱壁
１４６ シャッタ
１４８ 制御部
２２０ エアロック
２２２ シャッタ
２２４ シャッタ
２３０ 搬送アーム
２４０ 加熱室
２５０ 冷却室
３１０ 本体
３１２ 天板
３１４ 支柱
３１６ 底板
３４２ 第２顕微鏡
３４４ 第１顕微鏡
３４６ 第３顕微鏡
３５２ ガイドレール
３５４ Ｘステージ
３５６ Ｙステージ
３６０ 昇降部
３７０ 干渉計
３７２ 変位センサー
３７４ 第１固定鏡
３７６ 第２固定鏡
４０２ 押上ピン

Claims (19)

1. それぞれに回路が形成された第１半導体基板と第２半導体基板とを互いに位置合わせする基板位置合わせ装置であって、
   前記第１半導体基板を保持する第１テーブルと、
   前記第２半導体基板が前記第１半導体基板に対向するように、前記第２半導体基板を保持する第２テーブルと、
   前記第１半導体基板に設けられた第１指標を観察する第１顕微鏡と、
   前記第２半導体基板に設けられた第２指標を観察する第２顕微鏡と、
   前記第１半導体基板と前記第２半導体基板とを互いに位置合わせすべく、前記第１指標の位置および前記第２指標の位置に基づいて、前記第１テーブルおよび前記第２テーブルのいずれか一方の移動を制御する制御部と、
   前記第１テーブルに保持された前記第１半導体基板および前記第２テーブルに保持された前記第２半導体基板が位置合わせされて前記第１テーブルおよび前記第２テーブルから搬出される搬出工程が完了する前に、次に位置合わせされる第３半導体基板を受け取る第３テーブルと、
   を備える基板位置合わせ装置。
2. 前記搬出工程が完了する前に、前記第３テーブルに保持された前記第３半導体基板の位置が検出される請求項１に記載の基板位置合わせ装置。
3. 前記第３テーブルは、前記第２テーブルに対向する向きに配され、
   前記制御部は、前記第２テーブルを前記第１テーブルに対して移動させ、
   前記第２テーブルは、前記第１テーブルとの間での位置合わせ、および、前記第３テーブルとの間での位置合わせに共用される請求項２に記載の基板位置合わせ装置。
4. 前記制御部は、前記第１指標の位置と前記第２指標の位置とに基づいて前記第２テーブルを移動させ、
   前記第３テーブルは、前記第１テーブルに隣接して配され、前記第３半導体基板の第３指標は、前記第１顕微鏡により観察される請求項３に記載の基板位置合わせ装置。
5. 前記第３テーブルに保持された前記第３半導体基板は、前記第１半導体基板および前記第２半導体基板が搬出された後に前記第２テーブルに保持された第４半導体基板と位置合わせされる請求項４に記載の基板位置合わせ装置。
6. 前記第２テーブルに保持された前記第４半導体基板に設けられた第４指標を観察する第３顕微鏡を備え、
   前記制御部は、前記第３指標の位置と前記第４指標の位置とに基づいて前記第２テーブルを移動させる請求項５に記載の基板位置合わせ装置。
7. 前記第２テーブルは、前記第１テーブルに近接および離間して、前記第２半導体基板を前記第１半導体基板に重ね合わせる昇降機構を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の基板位置合わせ装置。
8. 前記第２テーブルは、前記第２半導体基板の面方向を前記第１半導体基板の面方向に平行に調整する調整機構をさらに備える請求項７に記載の基板位置合わせ装置。
9. 前記第１テーブルは、前記第１半導体基板が下方に向くように保持し、
   前記第３テーブルは、前記第２テーブルに隣接して前記第１テーブルに対向する向きに配され、前記第３半導体基板を受け取り、前記第１テーブルへ向けて上昇する請求項１に記載の基板位置合わせ装置。
10. それぞれに回路が形成された第１半導体基板と第２半導体基板とを互いに位置合わせする基板位置合わせ方法であって、
    前記第１半導体基板を第１テーブルに保持する第１保持ステップと、
    前記第２半導体基板が前記第１半導体基板に対向するように、前記第２半導体基板を第２テーブルに保持する第２保持ステップと、
    前記第１テーブルおよび前記第２テーブルのいずれか一方を移動させることにより前記第１半導体基板と前記第２半導体基板とを互いに位置合わせする位置合わせステップと、
    前記位置合わせされた前記第１半導体基板および前記第２半導体基板を前記第１テーブルおよび前記第２テーブルから搬出する搬出ステップと、
    前記搬出ステップが完了する前に、次に位置合わせされる第３半導体基板を第３テーブルに保持する第３保持ステップと、
    を含み、
    前記位置合わせステップは、
    前記第１半導体基板に設けられた第１指標を第１顕微鏡で観察する第１観察ステップと、
    前記第２半導体基板に設けられた第２指標を第２顕微鏡で観察する第２観察ステップと、
    を含み、
    前記位置合わせステップは、前記第１指標の位置および前記第２指標の位置に基づいて、前記第１テーブルおよび前記第２テーブルのいずれか一方の移動を制御する基板位置合わせ方法。
11. 前記第１保持ステップおよび前記第２保持ステップの少なくとも一方が開始してから前記搬出ステップが完了する間に、前記第３テーブルに保持された前記第３半導体基板の位置が検出される請求項１０に記載の基板位置合わせ方法。
12. 前記搬出ステップの後に、第４半導体基板を前記第２テーブルに保持する第４保持ステップと、
    前記第３テーブルに保持された前記第３半導体基板と前記第２テーブルに保持された第４半導体基板とを互いに位置合わせする第２位置合わせステップと、
    を含む請求項１０または１１に記載の基板位置合わせ方法。
13. 前記位置合わせステップは、前記第１指標の位置と前記第２指標の位置とに基づいて前記第２テーブルを移動させ、
    前記第２位置合わせステップは、
    前記第３半導体基板に設けられた第３指標を観察する第３観察ステップを含み、前記第３観察ステップは、前記第１顕微鏡により前記第３指標を観察する請求項１２に記載の基板位置合わせ方法。
14. 前記第２テーブルに保持された前記第４半導体基板に設けられた第４指標を第３顕微鏡で観察する第４観察ステップを含み、
    前記第２位置合わせステップは、前記第３指標の位置と前記第４指標の位置とに基づいて前記第２テーブルを移動させる請求項１３に記載の基板位置合わせ方法。
15. 請求項１から９のいずれか一項に記載の基板位置合わせ装置と、
    位置合わせされた前記第１半導体基板および前記第２半導体基板を接合する接合部と、
    を備える基板貼り合わせ装置。
16. 請求項１５に記載の基板貼り合わせ装置により基板を貼り合わせることを含む積層半導体装置製造方法。
17. 請求項１６に記載の積層半導体装置製造方法により製造された積層半導体装置。
18. それぞれに回路が形成された第１半導体基板と第２半導体基板とを互いに位置合わせする基板位置合わせ装置であって、
    前記第１半導体基板を保持する第１テーブルと、
    前記第２半導体基板が前記第１半導体基板に対向するように、前記第２半導体基板を保持する第２テーブルと、
    前記第１半導体基板に設けられた第１指標を観察する第１顕微鏡と、
    前記第２半導体基板に設けられた第２指標を観察する第２顕微鏡と、
    前記第１半導体基板と前記第２半導体基板とを互いに位置合わせすべく、前記第１指標の位置および前記第２指標の位置に基づいて、前記第１テーブルおよび前記第２テーブルのいずれか一方の移動を制御する制御部と、
    前記第１テーブルに保持された前記第１半導体基板および前記第２テーブルに保持された前記第２半導体基板が位置合わせされて前記第１テーブルおよび前記第２テーブルから搬出される搬出工程が完了する前に、次に位置合わせされる第３半導体基板を搬入する搬送部と、
    を備える基板位置合わせ装置。
19. それぞれに回路が形成された第１半導体基板と第２半導体基板とを互いに位置合わせする基板位置合わせ方法であって、
    前記第１半導体基板を第１テーブルに保持する第１保持ステップと、
    前記第２半導体基板が前記第１半導体基板に対向するように、前記第２半導体基板を第２テーブルに保持する第２保持ステップと、
    前記第１テーブルおよび前記第２テーブルのいずれか一方を移動させることにより前記第１半導体基板と前記第２半導体基板とを互いに位置合わせする位置合わせステップと、
    前記位置合わせされた前記第１半導体基板および前記第２半導体基板を前記第１テーブルおよび前記第２テーブルから搬出する搬出ステップと、
    前記搬出ステップが完了する前に、次に位置合わせされる第３半導体基板を搬入する搬入ステップと、
    を含み、
    前記位置合わせステップは、
    前記第１半導体基板に設けられた第１指標を第１顕微鏡で観察する第１観察ステップと、
    前記第２半導体基板に設けられた第２指標を第２顕微鏡で観察する第２観察ステップと、
    を含み、
    前記位置合わせステップは、前記第１指標の位置および前記第２指標の位置に基づいて、前記第１テーブルおよび前記第２テーブルのいずれか一方の移動を制御する基板位置合わせ方法。

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