JP5740153B2

JP5740153B2 - 位置検出装置、基板重ね合わせ装置、及び光軸合わせ方法

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Publication number: JP5740153B2
Application number: JP2010511895A
Authority: JP
Inventors: 大瀧　達朗; 達朗大瀧
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: JPWO2009139189A1; WO2009139189A1

Description

本発明は、基板重ね合わせ装置などに用いられる精密な位置検出装置に関する。特に対物光学系を一対有する位置検出装置、これを備えた基板重ね合わせ装置に関する。なお、本出願は、下記の日本出願に関連する。文献の参照による組み込みが認められる指定国については、下記の出願に記載された内容を参照により本出願に組み込み、本出願の一部とする。
特願２００８−１２７８２７出願日２００８年０５月１５日

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。

半導体ウエハを重ね合わせするには、表裏の半導体ウエハの電極同士を合致させる必要があるため、サブミクロン単位で位置合わせする必要があり、その技術が半導体ウエハを重ね合わせる上で重要な技術となっている。

特許文献１のウエハ貼り合わせ装置の位置検出装置は、ウエハ貼り合わせ装置の上部に設置した基準顕微鏡及び測定用顕微鏡を用いている。特許文献１の位置検出装置は、あらかじめ基準顕微鏡を用いて、ウエハホルダのフィディシャルマーク及び半導体ウエハのアライメントマークを測定した後に、測定用顕微鏡を用いて測定することで、基準顕微鏡で計測した基準位置座標系における半導体ウエハのアライメントマークの位置座標を取得している。
特開２００５−２５１９７２号公報

しかしながら、従来の位置検出装置は基準顕微鏡及び測定用顕微鏡が貼り合わせ装置の天井部に配置しているために、下部のステージにウエハホルダ及び半導体ウエハを載置して、フィディシャルマーク及びアライメントマークを計測した後に、計測済みウエハホルダ及び半導体ウエハを一旦取り外して、上部のステージへ固定して、裏面より再度上部ステージに固定したウエハホルダのフィディシャルマークの位置を検出していた。このため、ウエハホルダ及び半導体ウエハの位置検出には多くの時間と手間がかかっていた。

本発明の位置検出装置はこのような課題を解決するためになされたものであり、第１対物光学系と第２対物光学系とを有していても、それらの光軸の位置ずれ補正して精度良い位置検出を行うことができる。またこの位置検出装置を使用した処理能力の高い高精度なウエハ貼り合わせ装置を提供することができる。

第１の観点の位置検出装置は、第１対物光学系と、第１対物光学系を通過した光束を受光する第１撮像部と、第１対物光学系に対向して配置された第２対物光学系と、第２対物光学系を通過した光束を受光する第２撮像部と、第１対物光学系の光軸と第２対物光学系の光軸との相対的な位置ずれを調整する調整部と、を備える。

第２の観点の基板重ね合わせ装置は、第１アライメントマークを有する第１基板と第２アライメントマークを有する第２基板とを重ね合わせる基板重ね合わせ装置において、第１アライメントマークを検出する第１対物光学系と、第１対物光学系を通過した光束を受光する第１撮像部と有する第１位置検出部と、第１対物光学系と対向して配置され第２アライメントマークを検出する第２対物光学系と、第２対物光学系を通過した光束を受光する第２撮像部と有する第２位置検出部と、第１対物光学系の光軸と第２対物光学系の光軸との相対的な位置ずれを調整する調整部と、を備える。

第３の観点の光軸合わせ方法は、第１対物光学系と第１対物光学系を通過した光束を受光する第１撮像部とを有する第１位置検出部と、第１対物光学系と対向して配置される第２対物光学系と第２対物光学系を通過した光束を受光する第２撮像部とを有する第２位置検出部とを有する位置検出装置の光軸合わせ方法において、第１対物光学系と第２対物光学系とに調整光を照射する工程と、第２撮像部に照射された調整光に基づいて、第１対物光学系と第２対物光学系との位置ずれ量を算出する工程と、算出された位置ずれ量に基づいて第２位置検出部を第２対物光学系と直交する方向に移動させる工程と、を備える。

第４の観点の光軸合わせ方法は、第１対物光学系と第１対物光学系を通過した光束を受光する第１撮像部と有する第１位置検出部と、第１対物光学系と対向して配置される第２対物光学系と第２対物光学系を通過した光束を受光する第２撮像部と有する第２位置検出部とを有する位置検出装置の光軸合わせ方法において、第１対物光学系と第２対物光学系との間に反射素子を配置する工程と、第１対物光学系に調整光を入射し、反射素子で反射された調整光を第１対物光学系に再び入射させる工程と、第１撮像部に入射した調整光に基づいて、調整光と第１対物光学系又は第１撮像部との軸ずれ量を算出する工程と、算出された位置ずれ量に基づいて第１対物光学系又は第１撮像部との軸ずれを調整する工程と、を備える。

第５の観点の位置検出装置は、第１対物光学系と、第１対物光学系を通過した光束を受光する第１撮像部と、第１対物光学系に対向して配置された第２対物光学系と、第２対物光学系を通過した光束を受光する第２撮像部と、第１対物光学系の光軸と第２対物光学系の光軸との位置ずれ量を算出する位置ずれ量算出部と、を備える。

第６の観点の基板重ね合わせ装置は、第１アライメントマークを有する第１基板と第２アライメントマークを有する第２基板とを重ね合わせる基板重ね合わせ装置において、第１アライメントマークを検出する第１対物光学系と、第１対物光学系を通過した光束を受光する第１撮像部と有する第１位置検出部と、第１対物光学系と対向して配置され第２アライメントマークを検出する第２対物光学系と、第２対物光学系を通過した光束を受光する第２撮像部と有する第２位置検出部と、第１位置検出部の光軸と第２位置検出部の光軸との位置ずれ量を算出する位置ずれ量算出部と、を備える。

第７の観点の光軸合わせ方法は、第１対物光学系と第１対物光学系を通過した光束を受光する第１撮像部とを有する第１位置検出部と、第１対物光学系と対向して配置される第２対物光学系と第２対物光学系を通過した光束を受光する第２撮像部とを有する第２位置検出部とを有する位置検出装置の光軸合わせ方法において、第１対物光学系と第２対物光学系とに調整光を照射する工程と、第２撮像部に照射された調整光に基づいて、第１対物光学系と第２対物光学系との位置ずれ量を算出する工程と、算出された位置ずれ量を補正値として記憶する工程と、第１対物光学系および第２対物光学系の少なくとも一方による計測値に補正値を加える工程と、を備える。

本発明の位置検出装置は、第１対物光学系と第２対物光学系とを有しており、その第１対物光学系の光軸と第２対物光学系の光軸との位置ずれを把握することで、精度のよい位置検出を行うことができる。また、特に半導体ウエハの重ね合わせ装置において、短時間に高精度に基板を重ね合わすことができる。

位置検出装置７０の概略側面図である。ずれ検出方法及びずれの補正方法のフローチャートである。（ａ）は、視野絞り４７にピンホールＰを形成した図である。（ｂ）は、視野絞り４７に十字状のスリットＳを形成した図である。（ｃ）は、視野絞り４７に４つの開口部ＨＯを形成した図である。ウエハ貼り合わせ装置１００の上面概略図である。半導体ウエハＷの上面図である。（ａ）は、ウエハホルダＷＨの上面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。アライナー１５０の側面の構成図である。アライナー１５０の動作のフローチャートである。

１０第１位置検出装置、１１第１対物光学部、１２第１撮像部、１３第１対物レンズ、１４第１結像レンズ、１５第１ハーフミラー、１６第２ハーフミラー、２０第２位置検出装置、２１第２対物光学部、２２第２撮像部、２３第２対物レンズ、２４第２結像レンズ、２５第３ハーフミラー、４０調整光学系、４１光源、４３ファイバ、４６ウエハ用リフトピン、４７視野絞り、４８開口絞り、５０第１落射照明部、５１照明光源、４２、４４、５２、５３、５７、５８レンズ、４５コリメータレンズ、５５第２落射照明部、５６照明光源、６０位置ずれ量算出部、６５反射ミラー、７０位置検出装置、１００ウエハ貼り合わせ装置、１１０ウエハストッカー、１２０ウエハプリアライメント装置、１３０ウエハホルダストッカー、１４０ウエハホルダプリアライメント装置、１５０アライナー、１５１第１レーザー光波干渉式測長器、１５２第２レーザー光波干渉式測長器、１５４第１テーブル、１５３第２駆動装置、１５５第１駆動装置、１５６第２テーブル、１６０アライナー制御部、１７０加熱加圧装置、１８０分離冷却ユニット、１８５貼り合わせウエハ用ストッカー、１９０主制御装置、ＡＭアライメントマーク、ＣＨ半導体チップ領域、ＥＬ印加電極、ＦＭフィディシャルマーク、ＮＣノッチ、ＮＴ切り欠け部、ＯＡ１、ＯＡ２、ＯＡ４光軸、Ｐピンホール、ＳＡ遮光領域、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

＜＜第１実施形態＞＞
＜位置検出装置７０＞
図１は位置検出装置７０の概略側面図である。位置検出装置７０は図１に示すように、重ね合わせる２枚の第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２を図面の中央に配置すると、第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２の下部には第１位置検出装置１０を備え、第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２の上部には第２位置検出装置２０を備えている。

第１位置検出装置１０は第１対物光学部１１と、調整光学系４０と、第１落射照明部５０と、第１撮像部１２とから構成される。第２位置検出装置２０は第２対物光学部２１と、第２落射照明部５５と、第２撮像部２２とから構成される。第１撮像部１２と第２撮像部２２とには、コンピュータなどからなる位置ずれ量算出部６０と接続されている。また位置ずれ量算出部６０は、第２対物光学部２１をＸＹ平面で移動させる駆動部６９に接続されている。

第１位置検出装置１０の第１対物光学部１１は、第１ウエハＷ１側の第１対物レンズ１３と、第１撮像部１２側の第１結像レンズ１４とを有している。第１対物レンズ１３と第１結像レンズ１４との間には調整光学系４０からの光を反射する第１ハーフミラー１５と、第１落射照明部５０からの光を反射する第２ハーフミラー１６とが配置されている。なお、以下の実施形態において「レンズ」については、単レンズによって構成されていても、複数枚のレンズ群によって構成されていても、光学系を構成すればいずれであっても良い。

第１位置検出装置１０の第１落射照明部５０は照明光源５１と、レンズ５２と、レンズ５３とから構成されている。照明光源５１は可視光であり、レンズ５２及びレンズ５３を通過して平行光となり、第１対物光学部１１内の第２ハーフミラー１６に反射して第１ウエハＷ１方向に進む。視野絞りと開口絞りを描いていないが、第１落射照明部５０は第１ウエハＷ１のアライメントマーク及びその周辺を可視光でケーラー照明している。

第１ウエハＷ１で反射された照明光は、第１対物レンズ１３を通過して第１ハーフミラー１５及び第２ハーフミラー１６を透過し、第１結像レンズ１４により、ＣＣＤカメラなどの第１撮像部１２に結像する。このようにして、第１ウエハＷ１のアライメントマークなどの像が観察される。

第２位置検出装置２０の第２対物光学部２１は、第２ウエハＷ２側に第２対物レンズ２３と、第２撮像部２２側に第２結像レンズ２４とを有している。第２対物レンズ２３と第２結像レンズ２４との間には、第２落射照明部５５からの光を反射する第３ハーフミラー２５が配置されている。

第２位置検出装置２０の第２落射照明部５５は、照明光源５６と、レンズ５７とレンズ５８とから構成されている。照明光源５６は可視光であり、レンズ５７及びレンズ５８を通過して平行光となり、第２対物光学部２１内の第３ハーフミラー２５に反射して第２ウエハＷ２方向に進み、第２ウエハＷ２のアライメントマーク及びその周辺を可視光で照明している。

第２ウエハＷ２で反射された照明光は、第２対物レンズ２３を通過して第３ハーフミラー２５を透過し、第２結像レンズ２４により第２撮像部２２に結像する。このようにして、第２ウエハＷ２のアライメントマークなどの像が観察される。

第１対物光学部１１及び第２対物光学部２１が、それぞれ第１ウエハＷ１のアライメントマーク及び第２ウエハＷ２のアライメントマークを観察する際に、第１対物光学部１１の光軸ＯＡ１と第２対物光学部２１の光軸ＯＡ２とが位置ずれ（ＸＹ方向）していると、正確に第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２との位置関係が判断できない。

このため、調整光学系４０が射出する基準光を使って第１対物光学部１１の光軸ＯＡ１と第２対物光学部２１の光軸ＯＡ２と位置ずれ量（ＸＹ方向）を測定する。第１対物光学部１１側に設けられた調整光学系４０は、光源４１とレンズ４２と、ファイバ４３と、レンズ４４と、コリメータレンズ４５と、ピンホールなどの視野絞り４７と、開口絞り４８とから構成されている。調整光学系４０は第２対物光学部２１側に設けられてもよい。光源４１からの光は可視光又は可視光波長内の単波長の光である。

第１対物光学部１１の光軸ＯＡ１と第２対物光学部２１の光軸ＯＡ２との位置ずれ量は以下のようにして測定することができる。なお、以下の説明は調整光学系４０の光軸ＯＡ４と第１対物光学部１１の光軸ＯＡ１とが一致していることが前提となっている。

まず、第１対物光学部１１の光軸ＯＡ１と第２対物光学部２１との間の光路から、第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２が取り外される。そして光源４１が点灯し、光源４１からの基準光はレンズ４２により集光されてファイバ４３に入射する。ファイバ４３内を通過した可視光はレンズ４４に向けて射出され、視野絞り４７を通過した後コリメータレンズ４５を通過して平行光となる。開口絞り４８を通過した基準光は、第１対物光学部１１内の第１ハーフミラー１５で反射する。第１ハーフミラー１５で反射した基準光は、第２ハーフミラー１６を透過し、第１対物レンズ１３を通過して第２対物レンズ２３に進む。さらに基準光は、第２対物レンズ２３を通過し、第３ハーフミラー２５を透過して第２撮像部２２に入射する。第２撮像部２２における基準光の入射位置の画像信号は位置ずれ量算出部６０に送られる。位置ずれ量算出部６０は、基準光の画像信号から第２対物光学部２１の光軸ＯＡ２がどれだけ位置ずれしているかを算出する。位置ずれ量算出部６０はこの位置ずれ量を駆動部６９に送り、駆動部６９は第２対物光学部２１をＸＹ方向に移動させ、調整光学系４０の光軸ＯＡ４と第２対物光学部２１の光軸ＯＡ２との位置ずれ量を調整する。調整光学系４０の光軸ＯＡ４と第１対物光学部１１の光軸ＯＡ１とがすでに一致していることから、第１対物光学部１１の光軸ＯＡ１と第２対物光学部２１の光軸ＯＡ２とが調整されたことになる。

第１対物光学部１１の光軸ＯＡ１と第２対物光学部２１の光軸ＯＡ２とが、絶対基準のＺ軸から倒れていた場合でも、例えば第１対物レンズ１３及び第２対物レンズ２３の集光位置が合っていれば、第１撮像部１２及び第２撮像部２２で測定される基準光のずれが生じないので、光軸の倒れに影響されずに光軸ずれが測定できる。

また、位置検出装置７０は試料の厚さが厚い場合には、第１対物レンズ１３と第２対物レンズ２３との焦点面が光軸方向に離れることになるが、基準光が細いために焦点面の離れが影響しないで第１対物レンズ１３から第２対物レンズ２３へと基準光が通過する。つまり、試料の厚さが厚い場合においても位置検出装置７０は光軸ずれを精密測定できる。

図２は、位置ずれ量を測定し、その位置ずれ量を補正するフローチャートである。以下はフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ０１からステップＳ０６において、最初に調整光学系４０の光軸ＯＡ４と第１対物光学部１１の光軸ＯＡ１とが一致しているかを計測する。
ステップＳ０１において、第１ウエハＷ１及び第２ウエハＷ２の代わりに反射ミラー６５（図１参照）を挿入する。反射ミラー６５の反射面は第１位置検出装置１０の第１撮像部１２側に向いている。なお、反射ミラー６５は水平が保たれていれば良く、Ｚ方向の位置に関して影響がない。

ステップＳ０２において、位置ずれ量算出部６０は調整光学系４０の光源４１を点灯させる。光源４１を点灯させることで、視野絞り４７を通過した基準光が第１ハーフミラー１５に反射して、第２ハーフミラー１６、第１対物レンズ１３の順に通過して、挿入した反射ミラー６５に投影される。反射ミラー６５に投影された基準光は第１撮像部１２側に反射して、第１対物レンズ１３、第２ハーフミラー１６、第１ハーフミラー１５、第１結像レンズ１４の順に通過して第１撮像部１２側に入射する。

ステップＳ０３において、位置ずれ量算出部６０は第１撮像部１２で検出した基準光から、第１対物光学部１１の光軸ＯＡ１と調整光学系４０の光軸ＯＡ４との位置ずれ量を算出する。基準光は細い光で形成されているため、距離及びレンズを通過しても、基準光による像の径があまり変化しない。また、径が拡大したとしても位置ずれ量算出部６０は像の中心の位置を計測することで、正確に中心位置を計測することができ、第１撮像部１２の中心位置と比較することができる。

ステップＳ０４において、位置ずれ量算出部６０は第１対物光学部１１の光軸ＯＡ１と調整光学系４０の光軸ＯＡ４との位置ずれが発生しているかを判断する。位置ずれが発生している場合であればステップＳ０５へ進み位置ずれを修正する。位置ずれが発生していない場合はステップ０６へ移る。

ステップＳ０５において、位置ずれ量算出部６０は第１対物光学部１１の第１ハーフミラー１５の角度を調整する。これにより、位置ずれ量算出部６０は反射ミラー６５に投影されたピンホール像の中心位置と第１撮像部１２の中心位置とを合致させることができ、第１位置検出装置１０の位置調整をすることができる。第１ハーフミラー１５の角度を調整するのではなく、位置ずれ量算出部６０は視野絞り４７を光源４１からの光路に交差する方向に移動させて調整することもできる。

ステップＳ０６において、位置ずれ量算出部６０はステップＳ０１で挿入した反射ミラー６５を退避させる。反射ミラー６５を退避させることにより、基準光は第２位置検出装置２０に入射する。

ステップＳ０７において、位置ずれ量算出部６０は第２位置検出装置２０に入射した基準光から、第２対物光学部２１の光軸ＯＡ２と調整光学系４０の光軸ＯＡ４との位置ずれ量を算出する。基準光は第２対物光学部２１の第２対物レンズ２３、第３ハーフミラー２５、第２結像レンズ２４の順に通過し、その基準光の像を第２撮像部２２で検出する。

ステップＳ０８において、位置ずれ量算出部６０は第２対物光学部２１の光軸ＯＡ２と調整光学系４０の光軸ＯＡ４との位置ずれが発生しているかを判断する。位置ずれが発生している場合はステップＳ０９へ進み位置ずれを修正する。位置ずれが発生していない場合はステップ１０へ移る。

ステップＳ０９において、位置ずれ量算出部６０は第２対物光学部２１の光軸ＯＡ２と調整光学系４０の光軸ＯＡ４とを一致させるように調整する。第２対物光学部２１の調整は、駆動部６９が第２対物光学部２１をＸＹ方向に移動させることで、光源４１からの基準光の中心位置と第２撮像部２２の中心位置とを合致させることができる。

ステップＳ１０において、位置ずれ量算出部６０は調整光学系４０の光源４１を消灯させる。第１対物光学部１１の光軸ＯＡ１と第２対物光学部２１の光軸ＯＡ２との位置調整が終了したため、必要のない光源４１を消灯する。

以上より、位置検出装置７０は第１位置検出装置１０の計測値と第２位置検出装置２０の計測値とがずれることなく正確な値で位置を検出することができる。このため、位置検出装置７０は次に説明するウエハ貼り合せ装置において効果を発揮する。

なお、本実施形態では図２のフローチャートのステップＳ０７からステップＳ１０までのステップにより、第２対物光学部２１の光軸ＯＡ２と調整光学系４０の光軸ＯＡ４との位置ずれを、駆動部６９で第２対物光学部２１を移動させて修正した。しかし、駆動部６９を第１対物光学部１１に設けて第１対物光学部１１を移動させて修正するように構成しても良い。また、駆動部６９で第２対物光学部２１を移動させることなく、ステップＳ０７でピンホール像の中心位置と第２撮像部２２の中心位置との位置ずれ量を計測して、位置ずれ量を補正値として、第２位置検出装置２０または第１位置検出装置１０の少なくとも一方の計測値に補正値を加える方法でもよい。この場合はステップＳ０９において駆動部６９で第２対物光学部２１を移動させる必要がないために、処理工程が短くて済む。

図３は、基準光を形成する視野絞り４７の例を示した図である。
図３（ａ）で示される視野絞り４７は、遮光領域ＳＡの中央にピンホールＰを空けた視野絞り４７である。遮光領域ＳＡの中央にピンホールＰを空けた視野絞り４７は、第１撮像部１２及び第２撮像部２２において円形の像となって結像される。このため基準光の中心を求めるために、例えば円形の像の重心を計測すればよい。

図３（ｂ）に示される視野絞り４７は、遮光領域ＳＡに十字状のスリットＳを形成した視野絞り４７である。この十字状のスリットＳを形成した視野絞り４７は、第１撮像部１２及び第２撮像部２２において十字状の像となって結像される。このため基準光の中心を求めるために、例えば十字状の像の中心が計測される。

図３（ｃ）に示される視野絞り４７は、遮光領域ＳＡに４つの開口部ＨＯを形成した視野絞り４７である。この４つの開口部ＨＯの中心が調整光学系４０の光軸ＯＡ４の中心となっている。この４つの開口部ＨＯを形成した視野絞り４７は、第１撮像部１２及び第２撮像部２２において４つの点像となって結像される。このため基準光の中心を求めるために、例えば４つの点像の重心を計測すればよい。４つの開口部ＨＯでなく、３以上の開口であれば調整光学系４０の光軸ＯＡ４を求めることができる。

また、第１位置検出装置１０の調整光学系４０は視野絞り４７を用いて細い基準光を形成したが、細い基準光を得るために可視光の指向性の高いレーザー光を用いても良い。この場合のレーザー光はビームエキスパンダを介して直接平行光束を第１対物光学部１１内の第１ハーフミラー１５に入射させる。

＜＜第２実施形態＞＞
＜ウエハ貼り合わせ装置の全体構成＞
図４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方向に長い距離を移動可能であり、ウエハホルダローダＷＨＬはレールＲＡに沿ってＸ方向に長い距離を移動可能である。

ウエハ貼り合わせ装置１００は、半導体ウエハＷを複数枚収納するウエハストッカー１１０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１１０−１と第２ウエハＷ２を収納するウエハストッカー１１０−２とが用意されている。また、ウエハストッカー１１０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１２０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１１０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１２０に送られる。さらに、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１３０と、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１４０と、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１５０と、加熱加圧装置１７０と、分離冷却ユニット１８０と、主制御装置１９０とで構成されている。

半導体ウエハＷは、図５で示すように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て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。

ウエハプリアライメント装置１２０は、アライメントカメラ（不図示）で２箇所以上のアライメントマークＡＭを観察し、半導体ウエハＷがステージの所定位置からのＸ方向、Ｙ方向及びθ方向のズレ量を計算し、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１２０は半導体ウエハＷを設計基準値から１０μｍから５０μｍの範囲に位置決めされる。

なお、ウエハプリアライメント装置１２０は設計上のアライメントマークＡＭと、アライメントカメラによって観察された実際のアライメントマークＡＭとの関係において、その重ね合わせ誤差がどの半導体チップ領域ＣＨに関しても平均的に小さくなるように、最小二乗法を用いて設計上の半導体チップ領域ＣＨ配列を補正して、実際の半導体チップ領域ＣＨの位置を求めている。

再び図４に戻り、ウエハホルダストッカー１３０は、ウエハホルダＷＨを複数枚収納することができる。ウエハホルダＷＨは薄い半導体ウエハＷを支持するためである。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１３０を収容するか、ウエハホルダストッカー１３０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る場合などに対応できる。

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（Ａｌ２Ｏ３）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１３０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１４０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１３０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１４０に送られる。

図６（ａ）はウエハホルダＷＨの上面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図６（ａ）で示すように、ウエハホルダＷＨは円形で一部に切り欠け部ＮＴが形成されて、周囲に２箇所のフィディシャルマークＦＭを有している。ウエハホルダＷＨのフィディシャルマークＦＭは、石英ガラスの母材にクロムなどで描かれている。すなわちフィディシャルマークＦＭはウエハホルダＷＨの表側及び裏側からでも観察することができる。また、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、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は絶縁体であるアルミナセラミックで構成され、図６（ｂ）で示すように、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。

ウエハホルダプリアライメント装置１４０はアライメントカメラで２つのフィディシャルマークＦＭを観察し、ウエハホルダＷＨがステージの所定位置からＸ方向、Ｙ方向及びθ方向のずれ量を修正する。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１０μｍ以下から５０μｍの範囲に位置決めされる。

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３箇所の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１２０からの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２０μｍから１００μｍの範囲に位置決めされる。このため、後述するアライナー１５０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を検出する際に実施形態１で説明した位置検出装置７０でさらに精度よく観察することができる。

アライナー１５０にはウエハホルダプリアライメント装置１４０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。アライナー１５０は第１実施形態で示した位置検出装置７０を設置することで、効率よく半導体チップの線幅精度で第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とを重ね合わせることができる。線幅精度で第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とを重ね合わせた後は、位置がずれないように予備加圧をかけて固定具で保持する。固定具で保持した第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１７０に送られる。なお、アライナー１５０の詳細な説明は後述する。

ウエハ貼り合わせ装置１００の加熱加圧装置１７０では、真空雰囲気にしたあと加熱加圧することで第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とを精度良く貼り合わせをすることができる。

ウエハ貼り合わせ装置１００の分離冷却ユニット１８０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１８０から取り出され、貼り合わせウエハ用ストッカー１８５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１８０から取り出され、再びウエハホルダストッカー１３０に戻される。

ウエハ貼り合わせ装置１００の主制御装置１９０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１２０、及びウエハホルダプリアライメント装置１４０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。

＜アライナー１５０の構成＞
図７は、アライナー１５０を横から見た構成図である。アライナー１５０は、第１テーブル１５４と第２テーブル１５６とを有しており、第１テーブル１５４の上部に第１駆動装置１５５が設置され、第２テーブル１５６の下部に第２駆動装置１５３が設置されている。第１駆動装置１５５の横には第１レーザー光波干渉式測長器（以下、第１干渉計という）１５１が設置されており、第２駆動装置１５３の横には第２レーザー光波干渉式測長器（以下、第２干渉計という）１５２が設置されている。また、第１駆動装置１５５の横には天井に第２位置検出装置２０が２箇所設置されており、第２駆動装置１５３の横には床に第１位置検出装置１０が２箇所設置されている。アライナー１５０はアライナー制御部１６０を有していて、第１駆動装置１５５と第２駆動装置１５３とＺ方向の移動手段（不図示）との制御や、第１干渉計１５１と、第２干渉計１５２と、第１位置検出装置１０と第２位置検出装置２０との制御をしている。

第１テーブル１５４のホルダ保持面と第２テーブル１５６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１４０からアライナー１５０に送られてくる。

第１ウエハホルダＷＨ１は第１テーブル１５４に固定され、第２ウエハホルダＷＨ２は第２テーブル１５６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１５４は第１駆動装置１５５により少なくともＸ、Ｙ方向に移動させられ、第１テーブル１５４の移動量は第１干渉計１５１により測定される。第２テーブル１５６は第２駆動装置１５３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１５６の移動量は第２干渉計１５２により測定される。

第１位置検出装置１０及び第２位置検出装置２０とは天井及び床に固定されるため、移動しない。このため、第１実施形態で示した位置検出装置７０の位置調整が行われると、ウエハホルダＷＨのフィディシャルマークＦＭ及び半導体ウエハＷのアライメントマークＡＭを正確に検出することができ、検出位置における第１干渉計１５１及び第２干渉計１５２の値が信用できる。

本実施形態では第１テーブル１５４及び第２テーブル１５６の両側にそれぞれ２個の位置検出装置７０を天井及び床に配置されているため、テーブルの移動量はウエハの半径程度の移動量を持たせればよく、両側の位置検出装置７０を用いて効率よくフィディシャルマークＦＭ及びアライメントマークＡＭを計測していく。位置検出装置７０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。

複数のアライメントマークＡＭ及びフィディシャルマークＦＭを精度よく計測した位置情報は、アライナー制御部１６０に送られ、第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とが精度よく重なり合うよう配置させる。

半導体チップの線幅精度で第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とが重なる位置に配置したアライナー１５０は、例えば、第１テーブル１５４をＺ方向に下降させることで、第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２と近接させる。

近接した第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とは固定具で保持され、次の工程の加熱加圧装置１７０に送られる。

本実施形態のウエハ貼り合わせ装置１００はアライナー１５０において、第１実施形態の位置検出装置７０を用いることで、ウエハごとに位置検出装置７０の精度を調整することができるため、精密な貼り合わせを行うことができる。

図８はアライナー１５０の動作のフローチャートを示している。以下はフローチャートに基づいて動作の説明をする。

ステップＳ２１において、アライナー制御部１６０は第１位置検出装置１０と、第２位置検出装置２０とを作動させ、位置精度を調整する。位置精度に問題がある場合は、第１実施形態の位置ずれ量算出部６０により調整する。

ステップＳ２２において、アライナー制御部１６０はウエハホルダローダＷＨＬで搬送されてきた第１ウエハホルダＷＨ１を第１テーブル１５４の所定位置に保持する。

ステップＳ２３において、アライナー制御部１６０はウエハホルダローダＷＨＬで搬送されてきた第２ウエハホルダＷＨ２を第２テーブル１５６の所定位置に保持する。

ステップＳ２４において、アライナー制御部１６０は第１ウエハホルダＷＨ１のフィディシャルマークＦＭ及び第１ウエハＷ１のアライメントマークＡＭを第１位置検出装置１０で精密に計測する。フィディシャルマークＦＭ及びアライメントマークＡＭの観察には第１テーブル１５４を動かし、第１位置検出装置１０でフィディシャルマークＦＭ及びアライメントマークＡＭを捉え、その位置を第１干渉計１５１で計測する。なお、第１位置検出装置１０の視野を確保するために、第２テーブル１５６に保持した第２ウエハホルダＷＨ２を移動させて、第１位置検出装置１０の視野からはずす。例えば、アライナー制御部１６０は図７のＹ方向に第２ウエハホルダＷＨ２を移動させることで、円形の第２ウエハホルダＷＨ２が第１位置検出装置１０の視野から外れる。

ステップＳ２５において、アライナー制御部１６０は第２ウエハホルダＷＨ２のフィディシャルマークＦＭ及び第２ウエハＷ２のアライメントマークＡＭを第２位置検出装置２０で精密に計測する。フィディシャルマークＦＭ及びアライメントマークＡＭの観察には第２テーブル１５６を動かし、第２位置検出装置２０でフィディシャルマークＦＭ及びアライメントマークＡＭを捉え、その位置を第１干渉計１５１で計測する。なお、第２位置検出装置２０の視野を確保するために、第１テーブル１５４に保持した第１ウエハホルダＷＨ１を移動させて、第２位置検出装置２０の視野からはずす。例えば、アライナー制御部１６０は図７のＹ方向に第１ウエハホルダＷＨ１を移動させることで、円形の第１ウエハホルダＷＨ１が第２位置検出装置２０の視野から外れる。また、アライナー制御部１６０はウエハプリアライメント装置１２０でフィディシャルマークＦＭ及びアライメントマークＡＭの位置情報を得ているために、視野の狭い第１位置検出装置１０及び第２位置検出装置２０でもすばやく検出視野に移動させることができる。

ステップＳ２６において、アライナー制御部１６０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との位置より半導体チップの線幅精度に重ね合わせ位置を調整する。このとき、アライナー制御部１６０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、第１位置検出装置１０が第２ウエハホルダＷＨ２のフィディシャルマークＦＭを観察しながら、また第２位置検出装置２０が第１ウエハホルダＷＨ１のフィディシャルマークＦＭを観察しながら、アライナー制御部１６０が第１テーブル１５４及び第２テーブル１５６を移動させる。

ステップＳ２７において、アライナー制御部１６０は、第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とを近接させる。第１ウエハＷ１と第２ウエハＷ２とを近接するには、テーブル位置を保持したまま第１テーブル１５４または第２テーブル１５６をＺ方向に移動させる。この際も、第１位置検出装置１０が第２ウエハホルダＷＨ２のフィディシャルマークＦＭを観察している。また第２位置検出装置２０が第１ウエハホルダＷＨ１のフィディシャルマークＦＭを観察している。第１位置検出装置１０と第２位置検出装置２０との光軸が一致しているため、正確に第１ウエハホルダＷＨ１と第２ウエハホルダＷＨ２とを重ね合わせることができる。

ステップＳ２８において、アライナー制御部１６０は、固定具で第１ウエハホルダＷＨ１と第２ウエハホルダＷＨ２とを保持してずれないようにする。保持した第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によってアライナー１５０から加熱加圧装置１７０に送られる。

なお、第１実施形態の位置検出装置７０を本実施形態のアライナー１５０に用いる場合には、第２対物光学部２１を移動させる、または位置ずれ量を補正値として計測値に加える方法の他に、ステップＳ２６において、第１テーブル１５４または第２テーブル１５６の少なくとも一方の、ＸＹ方向の移動目標量に、位置ずれ量を補正値として加えても良い。

Claims

第１対物光学系と、
前記第１対物光学系を通過した光束を受光する第１撮像部と、
前記第１対物光学系に対向して配置された第２対物光学系と、
前記第２対物光学系を通過した光束を受光する第２撮像部と、
基準光に対する前記第１対物光学系の光軸の位置ずれ量を測定して、前記基準光の調整光学系の光軸と前記第１対物光学系の光軸の位置ずれ量を調整し、前記基準光に対する前記第２対物光学系の光軸の位置ずれ量を測定して、前記調整光学系の光軸と前記第２対物光学系の光軸の位置ずれ量を調整することにより、前記第１対物光学系の光軸と前記第２対物光学系の光軸の相対的な位置ずれを調整する調整部と、
を備えることを特徴とする位置検出装置。
前記調整部は、前記第２対物光学系の光軸と直交する方向に前記第２撮像部及び前記第２対物光学系を移動させることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
前記調整部は、位置ずれ量を補正値として記憶することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
前記調整光学系は、
基準光源と、
前記基準光源から照射された前記基準光の視野を絞る指標板と、
前記第１対物光学系と前記第１撮像部との間に配置され、前記第１対物光学系に前記基準光を反射させる反射光学系と、
を有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の位置検出装置。
第１アライメントマークを有する第１基板と第２アライメントマークを有する第２基板とを重ね合わせる基板重ね合わせ装置において、
前記第１アライメントマークを検出する第１対物光学系と、前記第１対物光学系を通過した光束を受光する第１撮像部と有する第１位置検出部と、
前記第１対物光学系と対向して配置され前記第２アライメントマークを検出する第２対物光学系と、前記第２対物光学系を通過した光束を受光する第２撮像部と有する第２位置検出部と、
基準光に対する前記第１対物光学系の光軸の位置ずれ量を測定して、前記基準光の調整光学系の光軸と前記第１対物光学系の光軸の位置ずれ量を調整し、前記基準光に対する前記第２対物光学系の光軸の位置ずれ量を測定して、前記調整光学系の光軸と前記第２対物光学系の光軸の位置ずれ量を調整することにより、前記第１対物光学系の光軸と前記第２対物光学系の光軸との相対的な位置ずれを調整する調整部と、
を備えることを特徴とする基板重ね合わせ装置。
前記調整部は、前記第２対物光学系の光軸と直交する方向に前記第２位置検出部を移動させることを特徴とする請求項５に記載の基板重ね合わせ装置。
前記調整部は、位置ずれ量を補正値として、前記第１基板と前記第２基板とを重ね合わせる際に、前記第１位置検出部と前記第２位置検出部との検出結果に加えることを特徴とする請求項５に記載の基板重ね合わせ装置。
前記調整光学系は、
基準光源と、
前記基準光源から照射された前記基準光の視野を絞る指標板と、
前記第１対物光学系と前記第１撮像部との間に配置され、前記第１対物光学系に前記基準光を反射させる反射光学系と、
を有することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の基板重ね合わせ装置。
前記第１位置検出部の光軸と第２位置検出部の光軸とが位置合わせされた後、前記第１基板と前記第２基板とが重ね合わされることを特徴とする請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の基板重ね合わせ装置。
第１対物光学系と前記第１対物光学系を通過した光束を受光する第１撮像部とを有する第１位置検出部と、前記第１対物光学系と対向して配置される第２対物光学系と前記第２対物光学系を通過した光束を受光する第２撮像部とを有する第２位置検出部とを有する位置検出装置の光軸合わせ方法において、
前記第１対物光学系と前記第２対物光学系とに基準光を照射する工程と、
基準光に対する前記第１対物光学系の光軸の位置ずれ量を測定して、前記基準光の調整光学系の光軸と前記第１対物光学系の光軸の位置ずれ量を調整し、前記基準光に対する前記第２対物光学系の光軸の位置ずれ量を測定して、前記調整光学系の光軸と前記第２対物光学系の光軸の位置ずれ量を調整する工程であって、前記第２位置検出部を前記第２対物光学系と直交する方向に移動させる工程と、
を備えることを特徴とする光軸合わせ方法。
前記基準光を照射する工程は、指標板を使って基準光源から照射された基準光の視野を絞り、前記視野が絞られた基準光を前記第１対物光学系と前記第１撮像部との間に入射させることを特徴とする請求項１０に記載の光軸合わせ方法。
第１対物光学系と前記第１対物光学系を通過した光束を受光する第１撮像部と有する第１位置検出部と、前記第１対物光学系と対向して配置される第２対物光学系と前記第２対物光学系を通過した光束を受光する第２撮像部と有する第２位置検出部とを有する位置検出装置の光軸合わせ方法において、
前記第１対物光学系と前記第２対物光学系との間に反射素子を配置する工程と、
前記第１対物光学系に基準光を入射し、前記反射素子で反射された前記基準光を前記第１対物光学系に再び入射させる工程と、
前記第１撮像部に入射した基準光に基づいて、前記基準光の調整光学系の光軸と前記第１対物光学系又は前記第１撮像部との軸ずれ量を算出して、前記基準光の調整光学系の光軸と前記第１対物光学系又は前記第１撮像部との光軸の位置ずれ量を調整する工程と、
前記第１対物光学系と前記第２対物光学系との間に配置された反射素子を取り去る工程と、
前記第２撮像部に入射した基準光に基づいて、前記調整光学系の光軸と前記第２対物光学系又は前記第２撮像部との軸ずれ量を算出して、前記調整光学系の光軸と前記第２対物光学系又は前記第２撮像部との光軸の位置ずれ量を調整することにより、前記第１対物光学系の光軸と前記第２対物光学系の光軸との相対的な位置ずれを調整する工程と、を備えることを特徴とする光軸合わせ方法。
前記第１対物光学系に基準光を入射する際に、指標板を使って基準光の視野を絞り、且つ開口絞りを使って前記第１撮像部に入射する像のコントラストを調整することを特徴とする請求項１２に記載の光軸合わせ方法。