JP5971367B2 - 基板重ね合わせ装置および基板重ね合わせ方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板重ね合わせ装置に関する。

複数の基板を積層して貼り合わせた積層型半導体装置がある（特許文献１参照）。基板を貼り合わせる場合は、それぞれが半導体装置を形成された複数の基板を重ね合わせて相互に貼り付ける。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２００５−２５１９７２号公報

積層型半導体装置を製造する場合は、半導体装置の線幅レベルの精度で基板を位置合わせすることが求められる。しかしながら、経時変化、環境変化による影響もあるので、重ね合わせ装置における位置合わせ精度を検証することが求められる。

上記課題を解決すべく、本発明の一態様として、複数の基板のうちの一の基板を保持する第１ステージと、第１ステージに対向して配されるとともに第１ステージに対して相対移動可能であって、複数の基板のうちの他の基板を保持する第２ステージと、第１ステージおよび第２ステージが複数の基板を挟んだ状態で一の基板および他の基板を位置合わせする場合に、一の基板および他の基板のアライメントマークを観測するとともに、重ね合わされた複数の基板が第１ステージから離間しており第２ステージに保持された状態におけるアライメントマークを観測する観測部とを備える基板重ね合わせ装置が提供される。

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。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得る。

製造ライン１００の模式的平面図である。 重ね合わせ装置２００の模式的断面図である。 重ね合わせ装置２００の模式的断面図である。 観測部２８０の配置を示す図である。 重ね合わせ装置２００の模式的断面図である。 加圧装置３３０の模式的断面図である。 重ね合わせ装置２００の模式的断面図である。 製造ライン１０１の模式的平面図である。 重ね合わせ装置２０１の模式的断面図である。 重ね合わせ装置２０１の模式的断面図である。 製造ライン１０３の模式的平面図である。 観測部２８１の模式的平面図である。 評価顕微鏡２８４の動作を説明する模式図である。

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、積層半導体装置の製造ライン１００の模式的平面図である。製造ライン１００は、共通のカバー１３０の内部に形成された常温部１０２および高温部３０２を含む。

常温部１０２は、カバー１３０の一端面に、制御部１１０および複数のＦＯＵＰ（Ｆｒｏｎｔ Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｐｏｄ）１２２、１２４、１２６を備える。制御部１１０は、製造ライン１００全体の動作を制御する制御部を含む。また、制御部１１０は、製造ライン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含む。更に、制御部１１０は、付加的に配備された他の機器と接続する接続部を含む場合もある。

一部のＦＯＵＰ１２４、１２６は、重ね合わせに供する複数の基板１２１を収容して、製造ライン１００に装填される。製造ライン１００において基板１２１を重ね合わせて製造された積層基板１２３は、他のＦＯＵＰ１２２に収容して製造ライン１００から搬出される。これにより、複数の基板１２１を一括して製造ライン１００に装填し、且つ、複数の積層基板１２３を一括して製造ライン１００から搬出できる。

なお、上記重ね合わせ装置２００において重ね合わせに供される基板１２１は、シリコン単結晶ウエハ、化合物半導体ウエハ等の半導体ウエハの他、ガラス基板等でもあり得る。また、重ね合わせに供される基板１２１の少なくとも一方は複数の素子を含む場合がある。更に、重ね合わせに供される基板１２１の一方または両方は、それ自体が既にウエハを重ね合わせて製造された積層基板１２３である場合がある。

常温部１０２は、ローダ１４０、１６２、１６４、プリアライナ１５０、ホルダラック１７０および重ね合わせ装置２００を含む。常温部１０２の内部は、製造ライン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。これにより、重ね合わせ装置２００の動作精度が安定するので、基板１２１を重ね合わせる場合の位置合わせ精度が向上される。

ＦＯＵＰ１２２、１２４、１２６に面して配されたローダ１４０は、ＦＯＵＰ１２４、１２６から基板を搬出する。また、ローダ１４０は、ＦＯＵＰ１２２に対して積層基板１２３を搬入する。このように、ローダ１４０は、基板１２１または積層基板１２３を直接に搬送する。

プリアライナ１５０は、ローダ１４０がＦＯＵＰ１２４、１２６から搬出した基板１２１を、基板ホルダ１２５に搭載する。基板ホルダ１２５は、ホルダラック１７０から、ローダ１６４、１６２によりプリアライナ１５０まで搬送される。

基板ホルダ１２５は、剛性が高く、耐熱性を有する材料で形成され、平坦な保持面を有する。また、基板ホルダ１２５は、静電チャック等の保持機能を有し、基板１２１または積層基板１２３を保持する。これにより、基板１２１または積層基板１２３を、基板ホルダ１２５と一体的に取り扱うことができる。

基板１２１の多くは薄く脆い材料で形成されるので、剛性の高い基板ホルダ１２５と一体的に取り扱うことにより操作が容易になる。なお、基板ホルダ１２５の材料としては、アルミナ等のセラミックスを好適な材料として例示できる。

また、プリアライナ１５０においては、基板ホルダ１２５に対する基板１２１の簡単な位置合わせも実行される。これにより、基板１２１の基板ホルダ１２５に対する搭載位置および搭載方向が一定になり、後述する重ね合わせ装置２００における位置合わせの負担が軽減される。プリアライナ１５０において基板ホルダ１２５に搭載された基板１２１は、重ね合わせ装置２００に沿って配されたローダ１６２により、基板ホルダ１２５と共に搬送され、重ね合わせ装置２００に搬入される。

重ね合わせ装置２００は、枠体２１０の内側に配された固定ステージ組立体２４０および移動ステージ組立体２５０を有する。固定ステージ組立体２４０は枠体２１０に対して固定され、下向きに基板ホルダ１２５および基板１２１を保持する。移動ステージ組立体２５０は、基板ホルダ１２５および基板１２１を搭載して、重ね合わせ装置２００の内部で、固定ステージ組立体２４０に対して相対移動する。

枠体２１０の外面は壁材２２０により閉鎖され、周囲からの輻射熱が重ね合わせ装置２００に及ぼす影響を絶っている。壁材２２０の内側には干渉計２６０が配され、移動ステージ組立体２５０に搭載された反射鏡を利用して、移動ステージ組立体２５０の位置を高精度に測定する。これにより、一対の基板１２１を高精度に位置合わせできる。

重ね合わせ装置２００において重ね合わせされた基板１２１は、ローダ１６２により重ね合わせ装置から搬出され、ローダ１６４によりロードロック３２０に搬入される。ロードロック３２０に搬入された基板１２１は、次に説明する高温部３０２において処理される。

ローダ１６４の近傍にはホルダラック１７０が配される。ホルダラック１７０は、複数の基板ホルダ１２５を収容する。また、ホルダラック１７０は、基板ホルダ１２５を冷却する機能を有する場合もある。

高温部３０２は、断熱壁３１０に包囲され、高い内部温度を維持すると共に、外部への熱輻射を遮断している。高温部３０２は、ロードロック３２０、加圧装置３３０およびローダ３４０を備える。ロードロック３２０は、交互に開閉するシャッタ３２２、３２４を有し、高温部３０２の高温雰囲気が常温部１０２に漏洩することを防止する。

ロードロック３２０に搬入された基板１２１は、ローダ３４０により複数ある加圧装置３３０のいずれかに搬入される。加圧装置３３０は、重ね合わせされた基板１２１を加圧して、基板１２１を恒久的に貼り合わせる。こうして、基板１２１は、積層基板１２３となる。

積層基板１２３は、ローダ３４０により加圧装置３３０から搬出され、高温部３０２側からロードロック３２０に搬入される。積層基板１２３は、常温部１０２側のローダ１６４により、ロードロック３２０から搬出され、ホルダラック１７０の天板上で、基板ホルダ１２５から取り外される。こうして積層基板１２３および基板ホルダ１２５は分離され、基板ホルダ１２５はホルダラック１７０に、積層基板１２３はＦＯＵＰ１２２に、それぞれ搬送される。

図２は、重ね合わせ装置２００の模式的断面図である。既に説明した通り、重ね合わせ装置２００は、枠体２１０の内側に配された、固定ステージ組立体２４０および移動ステージ組立体２５０を有する。枠体２１０は、高剛性な材料により形成され、重ね合わせ装置２００の動作に伴う反力が作用した場合も変形しない。

固定ステージ組立体２４０は、ロードセル２４５、固定ステージ２４８および観測部２８０を有する。観測部２８０は、位置合わせ顕微鏡２８２および評価顕微鏡２８４を更に含む。

固定ステージ２４８は、複数のロードセル２４５を介して、枠体２１０の天井面から懸架される。固定ステージ２４８は、静電チャック２４９を内蔵して、基板１２１を保持した基板ホルダ１２５を下面に吸着して保持する。

複数のロードセル２４５は、固定ステージ２４８に対して下方から上向きにかかった負荷を検出する。これにより、制御部１１０は、複数のロードセル２４５の検出結果を比較して、固定ステージ２４８が傾くような負荷が生じたことを検知できる。

更に、固定ステージ２４８は、光学的に透明な複数の透明部２４７を有する。透明部２４７は、固定ステージ２４８を厚さ方向に貫通して形成される。なお、基板ホルダ１２５にも、固定ステージ２４８の透明部２４７の位置に対応した透明部１２７が形成される。これにより、図中に点線で示す通り、固定ステージ２４８の上面側から、透明部２４７を通じて、固定ステージ２４８の下面側を観察できる。

透明部１２７、２４７は、基板ホルダ１２５または固定ステージ２４８を貫通した穴ではなく、少なくとも赤外線に対して光学的に透明な材料により充填されている。これにより、基板ホルダ１２５および固定ステージ２４８において基板１２１または基板ホルダ１２５を保持する下面は平坦になる。

例えばシリコン単結晶基板は赤外線を透過する。よって、基板１２１がシリコン単結晶基板またはシリコン単結晶基板を材料して製造された回路である場合は、固定ステージ２４８の下方を赤外線で照明することにより、位置合わせ顕微鏡２８２は、基板１２１を透過してアライメントマークを観察できる。また、固定ステージ２４８が基板１２１を保持している場合であっても、位置合わせ顕微鏡２８２は、固定ステージ２４８に保持された基板１２１の下方まで観察できる。よって、位置合わせ顕微鏡２８２は、微動ステージ２５８が固定ステージ２４８の直下に移動した場合に、微動ステージ２５８上に保持された基板１２１のアライメントマークを観測できる。

位置合わせ顕微鏡２８２は、枠体２１０の上面に、下向きに固定される。位置合わせ顕微鏡２８２の直下において、枠体２１０には貫通穴２１２が形成される。よって、位置合わせ顕微鏡２８２は、貫通穴２１２を通じて、枠体２１０の内部を観察できる。

更に、位置合わせ顕微鏡の直下には、固定ステージ２４８の透明部２４７が配される。また、図中に点線で示す通り、位置合わせ顕微鏡２８２は、固定ステージ２４８に保持された基板１２１の下面付近に焦点を有する。よって、位置合わせ顕微鏡２８２は、枠体２１０および固定ステージ２４８を通じて、固定ステージ２４８の下面側を観察できる。一対の位置合わせ顕微鏡２８２の間に配された評価顕微鏡２８４については、次の図を参照して後述する。

移動ステージ組立体２５０は、移動定盤２５２、粗動ステージ２５４、球面座２５６および微動ステージ２５８を含む。移動定盤２５２は、枠体２１０の内側底面に配されたガイドレール２５１上に、移動可能に配される。粗動ステージ２５４は、移動定盤２５２に対して、図中に矢印で示すＸ方向およびＹ方向に水平に移動する。

微動ステージ２５８は、球面座２５６に支持され、粗動ステージ２５４に対して、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に並進すると共に、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸周りに回転する。ただし、微動ステージ２５８の移動範囲は、数μｍから数十μｍ程度と小さい。また、微動ステージ２５８は、静電チャック２５９を内蔵し、基板１２１を保持した基板ホルダ１２５を上面に吸着して保持する。よって、基板ホルダ１２５および基板１２１を保持した状態で移動ステージ組立体２５０が動作しても、基板ホルダ１２５および基板１２１が微動ステージ２５８から脱落することはない。

なお、基板１２１に設けるアライメントマークは、当初からアライメントマークとして用いることを目的にして基板１２１の表面に形成されたものに限られない。例えば、基板１２１上に形成または実装された半導体装置、配線、ビアホール等を利用してもよい。

図３は、重ね合わせ装置２００の模式的断面図である。図３は、図２に示す矢印Ａの方向から見た様子を示す。ここで、矢印Ａの示す方向は、移動ステージ組立体２５０の枠体２１０に対する移動方向と平行になる。なお、図３において、図２と同じ要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

図３において、図２の観測部２８０において重なってひとつに見えていた評価顕微鏡２８４が複数配列されている様子が判る。また、評価顕微鏡２８４の直下においては、枠体２１０に貫通穴２１２が、固定ステージ２４８および基板ホルダ１２５には透明部２４７、１２７がそれぞれ配されていることが判る。

これにより、評価顕微鏡２８４もまた、枠体２１０の上から、固定ステージ２４８に保持された基板１２１を観察できる。また、基板１２１がシリコン単結晶基板である場合に、固定ステージ２４８の下方を赤外線で照明することにより、固定ステージ２４８が基板１２１を保持している場合であっても、評価顕微鏡２８４は、固定ステージ２４８に保持された基板１２１の下方まで観察できる。

図４は、観測部２８０の平面図であり、位置合わせ顕微鏡２８２および評価顕微鏡２８４の配置を示す。図３に矢印Ｃで示したように、枠体２１０を上方から見下ろした様子で示す。図４において、図２および図３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、観測部２８０における位置合わせ顕微鏡２８２および評価顕微鏡２８４は、矢印Ａの方向についても、矢印Ｂの方向についても、いずれも異なる位置に配される。また、位置合わせ顕微鏡２８２は、移動ステージ組立体２５０の移動方向と平行な矢印Ａの方向に配列されている。これに対して、評価顕微鏡２８４は、矢印Ａと直交する矢印Ｂの方向に配列されている。

これにより、位置合わせ顕微鏡２８２は、評価顕微鏡２８４の間隔Ｄ_２よりも広い間隔Ｄ_１をおいて配置できる。よって、位置合わせ顕微鏡２８２は、より高い精度で基板１２１を位置合わせできる。また、評価顕微鏡２８４の間隔を狭くすることにより、重ね合わせ装置２００の矢印Ｂ方向の幅を小型化できる。

図５は、重ね合わせ装置２００の断面図であり、図２と同じ方向から見た様子を示す。ただし、図２に示した状態に対して、移動ステージ組立体２５０の位置が変化して、固定ステージ２４８および微動ステージ２５８が互いに対向している。図５において、他の図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。

図示の状態では、微動ステージ２５８が固定ステージ２４８に対向すると共に、微動ステージ２５８が上昇している。これにより、固定ステージ２４８に保持された基板１２１は、微動ステージ２５８に保持された基板１２１に接触する直前まで接近している。よって、一対の基板１２１の表面は、いずれも位置合わせ顕微鏡２８２の被写界深度に含まれている。換言すれば、位置合わせ顕微鏡２８２は、重ね合わせ直前の基板１２１の間隔よりも広い被写界深度を有する。

上記の状態で、基板１２１の各々の表面に形成されたアライメントマークを位置合わせ顕微鏡２８２で観察することにより、一対の基板１２１の相対位置を計測できる。よって、制御部１１０は、計測された相対位置のずれを解消すべく微動ステージ２５８を移動させる。これにより、一対の基板１２１を位置合わせできる。

更に、一対の基板１２１が位置合わせされた状態で、微動ステージ２５８を更に上昇させることにより、位置合わせされた基板１２１を重ね合わせることができる。ここで、位置合わせされる一対の基板１２１は既に近接しているので、その状態から微動ステージ２５８を上昇させても位置合わせがずれは殆ど生じない。また、基板１２１が相互に接触した場合に、基板を傷つける衝撃が生じることもない。

こうして、一対の基板１２１は、重ね合わせ装置２００において、位置合わせして重ね合わされる。既に説明した通り、製造ライン１００においては、重ね合わされた一対の基板１２１は加圧装置３３０において加圧されて相互に固定される。

なお、上記の例では、観測部２８０は、位置合わせ顕微鏡２８２および評価顕微鏡２８４を個別に有している。しかしながら、位置合わせおよび評価に兼用できる共用顕微鏡により観測部を形成することもできる。

即ち、焦点深度の深い光学系を有する顕微鏡を用いることにより、位置合わせ顕微鏡２８２および評価顕微鏡２８４を兼用させることもできる。顕微鏡の被写界深度が深ければ、固定ステージ２４８と微動ステージ２５８が互いに離間して基板１２１を位置合わせする場合であっても、また、固定ステージ２４８と微動ステージ２５８が互いに近接して基板１２１および基板ホルダ１２５が相互に重ね合わされた状態であっても、いずれの場合も、ひとつの顕微鏡で基板１２１上のアライメントマークを観測できる。また、顕微鏡が、少なくとも図中のＺ方向に移動可能に設けられている場合であって、固定ステージ２４８が顕微鏡の直下から退避する構造を有する場合も、位置合わせ顕微鏡２８２と評価顕微鏡２８４を兼用できる。

図６は、加圧装置３３０の断面図である。加圧装置３３０は、筐体３３２の底部から順次積層された定盤３３８およびヒータプレート３３６と、筐体３３２の天井面から垂下された圧下部３３４およびヒータプレート３３６とを有する。ヒータプレート３３６の各々はヒータを内蔵する。また、筐体３３２の側面のひとつには開口３３１が設けられる。

加圧装置３３０には、既に位置合わせして重ね合わされた基板１２１と、基板１２１を挟む一対の基板ホルダ１２５が搬入される。搬入された基板ホルダ１２５および基板１２１は、定盤３３８のヒータプレート３３６上面に載置される。

加圧装置３３０は、まず、ヒータプレート３３６を昇温させると共に、圧下部３３４を降下させて上側のヒータプレート３３６を押し下げる。これにより、ヒータプレート３３６の間に挟まれた基板ホルダ１２５および基板１２１が加熱および加圧されて接着され、基板１２１は積層基板１２３となる。製造された積層基板１２３は、既に説明した通り、ＦＯＵＰ１２２に順次格納される。

なお、上記のような用途に鑑みて、基板ホルダ１２５には、加圧装置３３０における加熱および加圧を繰り返し受けても劣化しない強度と耐熱性が求められる。また、ヒータプレート３３６による加熱温度が高い場合は、基板１２１の表面が雰囲気と化学的に反応する場合がある。そこで、基板１２１を加熱加圧する場合は、筐体３３２の内部を排気して真空環境とすることが好ましい。このため、開口３３１を気密に閉鎖する開閉可能な扉を設けてもよい。

更に、加圧装置３３０には、更に、加熱、加圧した後の積層基板１２３を冷却する冷却部を設けてもよい。これにより、室温までに至らなくても、ある程度冷却した積層基板１２３を搬出して、迅速にＦＯＵＰ１２２に戻すことができる。

図１に示した製造ライン１００は、上記のような一連の処理を繰り返して、積層基板１２３を連続的に製造する。しかしながら、製造ライン１００各部の経時変化および環境の変化により、重ね合わせ装置２００の位置合わせ精度が変化する場合がある。また、加圧装置３３０の劣化により、加圧装置３３０における加圧で、基板１２１の位置合わせがずれてしまう場合がある。

そこで、重ね合わせ装置２００による基板の重ね合わせが終了した後、あるいは、加圧装置３３０により基板１２１が積層基板１２３になった後に、改めて、基板１２１の位置合わせ状態を評価することが求められる。このような位置合わせの評価は、評価顕微鏡２８４を用いて重ね合わせ装置２００において実行できる。

図７は、重ね合わせ装置２００の模式的断面図であり、図３と同じ方向から見た様子を示す。図７において、他の図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。

ただし、図３に示した状態と比較すると、微動ステージ２５８には、積層基板１２３が搭載されている。また、固定ステージ２４８には、基板ホルダ１２５、基板１２１または積層基板１２３は保持されていない。

図示の状態では、固定ステージ２４８の下面近傍に焦点を有する位置合わせ顕微鏡２８２で積層基板１２３の内部を観察しようとすると、積層基板１２３の上面が固定ステージ２４８に接触する場合が生じる。しかしながら、評価顕微鏡２８４は、降下した微動ステージ２５８に搭載された積層基板１２３の接合面付近に焦点を有する。

よって、赤外線により照明しつつ、評価顕微鏡２８４により、積層基板１２３の接合面におけるアライメントマークを観察できる。アライメントマークは、重ね合わせされた基板１２１の各々に設けられているので、上記のような観察により、積層基板１２３の位置合わせ精度を検知できる。

換言すれば、評価顕微鏡２８４は、重ね合わされ、且つ、固定ステージ２４８から離間した基板１２１を焦点深度内に含む光学系を有する。よって、評価顕微鏡２８４により基板１２１または積層基板１２３を観察する場合に、基板１２１または積層基板１２３が、固定ステージ２４８、位置合わせ顕微鏡２８２等に接触することはない。

これにより、例えば、重ね合わせ装置２００において重ね合わせされた基板１２１を、評価顕微鏡２８４により改めて観察することにより、位置合わせ状態を確認できる。これにより、位置合わせ精度が想定された閾値よりも低い場合は、当該基板１２１を加圧装置に回すことなく、破棄あるいは再重ね合わせに供することができる。

また、微動ステージ２５８を移動させることにより、微動ステージ２５８上の積層基板１２３の任意に領域を評価顕微鏡２８４で観察できる。よって、特定の位置の位置合わせ精度にとどまらず、積層基板１２３上の広い範囲で位置合わせ精度を検証できる。また、積層基板１２３における位置合わせ精度の分布を知ることもできる。

更に、加圧装置３３０において積層基板１２３にされた状態で、評価顕微鏡２８４により評価することにより、加圧装置３３０の状態を評価することができる。即ち、重ね合わせ装置２００においては正確に位置合わせされている基板が加圧装置３３０において位置ずれを生じた場合は、加圧装置３３０に、温度分布、圧力分布等の偏りが生じていることが判る。

上記のような用途に鑑みて、評価顕微鏡２８４の解像度は、位置合わせ顕微鏡２８２の解像度よりも高いことが望ましい。また、上記のような評価は、製品に求められる品質に応じて、基板１２１または積層基板１２３の全数に対して実行してもよい。また、評価は、一部の基板１２１または積層基板１２３に対して実行してもよい。

更に、評価顕微鏡２８４による基板１２１または積層基板１２３の評価には、固定ステージ２４８は全く関与しない。よって、評価顕微鏡２８４を用いる場合は、評価顕微鏡２８４の視野から固定ステージ２４８を退避させてもよい。

図８は、製造ライン１０１の平面図である。製造ライン１０１は、下記に説明する部分を除くと、製造ライン１００と同じ構造を有する。そこで、製造ライン１００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。

製造ライン１０１は、カバー１３０の側面に、開口１３２を有する。また、製造ライン１０１は、開口１３２を閉鎖または開放するシャッタ１３４を備える。シャッタ１３４が開いた場合、開口１３２は、ホルダラック１７０の側方において、常温部１０２を外部に連通させる。

開口１３２の外側には、中継ユニット１８０が配される。中継ユニット１８０は、一対の開口１８１、１８３を有する筐体１８２と、筐体１８２に収容されたローダ１８４とを備える。ローダ１８４は、開口１８１、１８３の一方の外側から、他方の外側まで、基板１２１または積層基板１２３を搬送する。

また、中継ユニット１８０は、一方の開口１８１が、カバー１３０の開口１３２に連通するように設置される。中継ユニット１８０の他方の開口１８３には、隣接して設置された重ね合わせ装置２０１の開口２１７が連通される。これにより、中継ユニット１８０のローダ１８４は、製造ライン１０１と重ね合わせ装置２０１との間で、基板１２１または積層基板１２３を搬送する。

即ち、ローダ１８４は、製造ライン１０１のローダ１６４と、基板ホルダ１２５、基板１２１または積層基板１２３を受け渡すことができる。よって、ローダ１８４は、製造ライン１０１の重ね合わせ装置２００が重ね合わせた基板１２１、または、加圧装置３３０において製造された積層基板１２３を、重ね合わせ装置２０１に搬送することができる。また、重ね合わせ装置２０１から、製造ライン１０１に、基板１２１または積層基板１２３を搬送できる。

これにより、例えば、重ね合わせ装置２００において重ね合わせされた基板１２１を、重ね合わせ装置２０１の評価顕微鏡２８４により改めて観察して、位置合わせ状態を確認できる。位置合わせ精度が想定された閾値よりも低い場合は、当該基板１２１を加圧装置３３０に搬送することなく、破棄あるいは再び重ね合わせに供することができる。また、製造ライン１０１の整備をユーザに奨めることができる。

また、加圧装置３３０において積層基板１２３にされた状態で、評価顕微鏡２８４により評価することにより、加圧装置３３０の状態を評価することができる。即ち、重ね合わせ装置２００においては正確に位置合わせされている基板が加圧装置３３０において位置ずれを生じた場合は、加圧装置３３０に、温度分布、圧力分布等の偏りが生じていることが判る。よって、加圧装置３３０の交換か整備をユーザに奨めることができる。

更に、中継ユニット１８０のローダ１８４は、ローダ１８４以外のものがない筐体１８２の内部で基板１２１または積層基板１２３を搭載した基板ホルダ１２５を搬送する。よって、中継ユニット１８０において基板１２１または積層基板を保持した基板ホルダ１２５に大きな加速度を与え、その後に評価顕微鏡２８４により基板１２１または積層基板１２３の位置ずれを計測することにより、基板ホルダ１２５の保持力を評価することができる。

また更に、製造ライン１０１において、重ね合わせ装置２００が何らかの理由で可動できない場合に、一時的に重ね合わせ装置２０１を接続して、製造ライン１０１の稼働を継続できる。これにより、製造ライン１０１の稼働率を向上させ、積層基板１２３の生産性を向上させることができる。

図９は、重ね合わせ装置２０１の断面図である。重ね合わせ装置２０１は、下記に説明する部分を除くと、重ね合わせ装置２００と同じ構造を有する。そこで、重ね合わせ装置２００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。

重ね合わせ装置２０１は、上下三段に別れた空間を有する枠体２１１の内側に形成される。枠体２１１は、側面にハンドル２１３を有する。また、枠体２１１は、下面に、キャスタ２１９を有する。これにより、重ね合わせ装置２０１は、ハンドル２１３を押しあるいは引いて、移動させることができる。

重ね合わせ装置２０１において、枠体２１１の中段の内側は、重ね合わせ装置２００の枠体２１０の内側と同じ構造物を有する。ただし、図中左側において、枠体２１１の一端に開口２１７が形成される。開口２１７は、開閉するシャッタ２１５を有する。シャッタ２１５が開いている場合、開口２１７は、基板１２１または積層基板１２３を通過させることができる大きさを有する。

なお、重ね合わせ装置２０１において、降下した微動ステージ２５８上面の床面からの高さＨは、後述する製造ライン１０１における基板ホルダ１２５、基板１２１または積層基板１２３の搬送パスと同じ高さを有する。これにより、重ね合わせ装置２０１に対する基板１２１または積層基板１２３の搬入または搬出が容易になる。

重ね合わせ装置２０１において、枠体２１１の上段には、位置合わせ顕微鏡２８２および評価顕微鏡２８４を含む観測部２８０と共に、制御部１１１が収容される。これにより、位置合わせ顕微鏡２８２および評価顕微鏡２８４が、枠体２１１により保護される。なお、制御部１１１は、この重ね合わせ装置２０１の動作を制御すると共に、後述する製造ライン１０１と通信して、製造ライン１０１と重ね合わせ装置２０１とを連携して動作させる。

重ね合わせ装置２０１において、枠体２１１の下段には、電源部１１３および光源部１１５が収容される。電源部１１３は、変圧器等を含んで、重ね合わせ装置２０１の各部に電力を供給する。なお、電源部１１３に電池を実装して、重ね合わせ装置２０１が、外部から電力を供給されることなく、単独で動作するようにしてもよい。

光源部１１５は、電源部１１３から電力の供給を受けて赤外線を発生する。光源部１１５が発生した赤外線は、固定ステージ２４８および微動ステージ２５８に保持された基板１２１または積層基板１２３を照明する。これにより、位置合わせ顕微鏡２８２および評価顕微鏡２８４により、シリコン単結晶基板等を透過してアライメントマーク等を観察できる。

よって、図示の状態でも、位置合わせ顕微鏡２８２により、固定ステージ２４８に保持された基板１２１のアライメントマークを観測できる。また、微動ステージ２５８が固定ステージ２４８の直下に移動した場合、位置合わせ顕微鏡２８２は、微動ステージ２５８に保持された基板１２１のアライメントマークを観測できる。

図１０は、重ね合わせ装置２０１の断面図であり、図９に示す矢印Ｅの方向から見た様子を示す。図９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１０には、微動ステージ２５８に保持された基板ホルダ１２５および積層基板１２３を評価顕微鏡２８４で観察する状態を示す。微動ステージ２５８および積層基板１２３の状態は、図７に示した重ね合わせ装置２００と同じ状態にある。

即ち、評価顕微鏡２８４は、貫通穴２１２および透明部２４７を通じて、固定ステージ２４８の下方を観察する。更に、評価顕微鏡２８４は、基板ホルダ１２５の透明部１２７を通じて、積層基板１２３の内部を観察できる。

ここで、評価顕微鏡２８４は、降下して固定ステージ２４８から離間した微動ステージ２５８に保持された積層基板１２３の接合面に焦点を有する。また、重ね合わせ装置２０１における積層基板１２３は、光源部１１５から供給される赤外線により照明される。

よって、評価顕微鏡２８４は、基板ホルダ１２５および積層基板１２３を透過して、接合面に位置するアライメンマークを観察できる。また、微動ステージ２５８が上昇して固定ステージ２４８および微動ステージ２５８の間に基板１２１または積層基板１２３が挟まれた状態であっても、位置合わせ顕微鏡２８２または評価顕微鏡２８４により基板１２１のアライメントマークを観測できる。

なお、積層基板１２３における位置合わせの評価をする場合は、積層基板１２３を形成する基板１２１は既に接着されている。よって、上側の基板ホルダ１２５を取り外した状態で評価顕微鏡２８４により観察してもよい。

図１１は、製造ライン１０３の平面図である。製造ライン１０３は、下記に説明する部分を除くと、図１に示した製造ライン１００および図７に示した製造ライン１０１と同じ構造を有する。そこで、製造ライン１００、１０１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。

製造ライン１０３において、常温部１０２内でロードロック３２０の近傍に配されたローダ１６４は、他の製造ライン１００、１０１に比較すると、図中左側に寄せて配置される。このため、ホルダラック１７０は、図中右側に寄せて配置される。

また、製造ライン１０３においては、カバー１３０の外側に配された重ね合わせ装置２０１が、中継ユニット１８０を介在させることなく開口１３２に結合される。このため、製造ライン１０１に比較すると、重ね合わせ装置２０１は、向きを９０°変えている。重ね合わせ装置２０１に対する基板１２１または積層基板１２３の搬入および搬出は、常温部１０２のローダ１６４が担う。

このような配置により、中継ユニット１８０を省略して、製造ライン１０３の要素数を削減できる。また、それにより、製造ライン１０３を稼働させる場合の制御が簡略化される。また、重ね合わせ装置２０１が配置された側において、カバー１３０の側面が広く空くので、常温部１０２内部の重ね合わせ装置２００および高温部３０２の加圧装置３３０の保守性が高くなる。

なお、上記の例では、重ね合わせ装置２０１は、製造ライン１０３に対して着脱自在な構造を有する。しかしながら、製造ライン１０３のカバー１３０と重ね合わせ装置２０１の外殻を一体化してもよい。その場合は、シャッタ２１５等を省略できる。

図１２は、他の観測部２８１の構造を模式的に示す図である。観測部２８１は、下記に説明する部分を除くと、図４に示した観測部２８０と同じ構造を有する。そこで、観測部２８０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。

観測部２８１は、評価顕微鏡２８４の配置に固有の構造を有する。即ち、観測部２８１において、一対の評価顕微鏡２８４は、固定ステージ２４８の接線方向に、互いに直交して水平に配置される。

図１３は、観測部２８１の模式的な平面図である。観測部２８１において、一対の評価顕微鏡２８４は、固定ステージ２４８に保持された基板ホルダ１２５および基板１２１と略同じ高さに水平に配置される。また、微動ステージ２５８が固定ステージ２４８に対向している場合には、微動ステージ２５８に搭載された基板ホルダ１２５および基板１２１とも略同じ高さに位置することになる。換言すれば、評価顕微鏡２８４は、互いに重ね合わされた一対の基板１２１と、その一対の基板を挟む一対の基板ホルダ１２５を一望できる視野を有する。

これにより、評価顕微鏡２８４は、固定ステージ２４８に保持された基板１２１または基板ホルダ１２５の縁部の位置を観測できる。また、微動ステージ２５８が固定ステージ２４８に対向している場合には、微動ステージ２５８に保持された基板ホルダ１２５または基板１２１の縁部の位置を観測できる。

これにより、例えば、重ね合わせ装置２００による重ね合わせの直後と、加圧装置３３０による加圧の直後として基板ホルダ１２５の相対位置をそれぞれ観測することにより、加圧装置３３０において生じた基板１２１のずれを評価できる。また、ローダ１６２、１６４による搬送の前後で基板ホルダ１２５の相対位置を観測することにより、搬送による基板１２１のずれを評価できる。

また、これらの評価は、固定ステージ２４８および微動ステージ２５８が対向している場合であっても、側方から基板ホルダ１２５または基板１２１を観測して、基板１２１の位置合わせ精度を評価できる。また、基板１２１にアライメントマークが存在していない場合であっても、基板１２１の位置合わせを評価できる。

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。

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、後の処理で用いる場合でない限り、任意の順序で実現しうることに留意されたい。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、１０１、１０３ 製造ライン、１０２ 常温部、１１０、１１１ 制御部、１１３ 電源部、１１５ 光源部、１２１ 基板、１２２、１２４、１２６ ＦＯＵＰ、１２３ 積層基板、１２５ 基板ホルダ、１２７、２４７ 透明部、１３０ カバー、１３２、１８１、１８３、２１７、３３１ 開口、１３４、２１５、３２２、３２４ シャッタ、１４０、１６２、１６４、１８４、３４０ ローダ、１５０ プリアライナ、１７０ ホルダラック、１８０ 中継ユニット、１８２、３３２ 筐体、２００、２０１ 重ね合わせ装置、２１０、２１１ 枠体、２１２ 貫通穴、２１３ ハンドル、２１９ キャスタ、２２０ 壁材、２４０ 固定ステージ組立体、２４５ ロードセル、２４８ 固定ステージ、２４９、２５９ 静電チャック、２５０ 移動ステージ組立体、２５１ ガイドレール、２５２ 移動定盤、２５４ 粗動ステージ、２５６ 球面座、２５８ 微動ステージ、２６０ 干渉計、２８０、２８１ 観測部、２８２ 位置合わせ顕微鏡、２８４ 評価顕微鏡、３０２ 高温部、３１０ 断熱壁、３２０ ロードロック、３３０ 加圧装置、３３４ 圧下部、３３６ ヒータプレート、３３８ 定盤

Claims (11)

1. 第１の基板を保持する第１ステージと、
   前記第１ステージに対向して配されるとともに前記第１ステージに対して相対移動可能であって、第２の基板を保持する第２ステージと、
   前記第１ステージに保持された前記第１の基板と前記第２ステージに保持された前記第２の基板とを互いに位置合わせするときに、互いに離間した前記第１の基板および前記第２の基板の少なくとも一方のアライメントマークを観測する位置合わせ顕微鏡と、
   互いに重ね合された前記第１の基板および前記第２の基板が前記第１ステージの下方で前記第２ステージに保持され且つ前記第１ステージから離間した状態で、前記第１ステージに形成された透明部を通じて前記アライメントマークを観測する評価顕微鏡と、
   を備える基板重ね合わせ装置。
2. 前記評価顕微鏡は、前記第２ステージの位置が前記位置合わせ顕微鏡により前記第２の基板の前記アライメントマークを観察するときの位置にある状態で、前記アライメントマークを観察する請求項１に記載の基板重ね合わせ装置。
3. 前記評価顕微鏡は、前記第２ステージの少なくとも一部が前記第１ステージの下方に配置されている状態で、前記アライメントマークを観察する請求項１または２に記載の基板重ね合わせ装置。
4. 前記位置合わせ顕微鏡は、互いに離間して配置された前記第１の基板および前記第２の基板の両方の前記アライメントマークを焦点深度内に含み、
   前記評価顕微鏡は、前記第１の基板および前記第２の基板が互いに重ね合された状態で前記第１の基板および前記第２の基板の両方の前記アライメントマークを焦点深度内に含む請求項１から３のいずれか一項に記載の基板重ね合わせ装置。
5. 前記第２ステージは、前記第１の基板と前記第２の基板との重ね合わせ面に平行な第１の方向および前記第１の方向に直交する第２の方向に移動自在であり、
   前記評価顕微鏡は、前記第１の方向に沿って複数個配されている請求項１から４のいずれか一項に記載の基板重ね合わせ装置。
6. 前記評価顕微鏡の分解能は、前記位置合わせ顕微鏡の分解能より高い請求項１から５のいずれか一項に記載の基板重ね合わせ装置。
7. 重ね合わされた前記第１の基板および前記第２の基板が前記第２ステージに保持されており前記第１ステージから離間した状態で前記アライメントマークを前記評価顕微鏡により観測する場合に、前記第１ステージが前記第１の基板および前記第２の基板の面方向に退避する請求項１から６のいずれか１項に記載の基板重ね合わせ装置。
8. 前記評価顕微鏡は、前記第１ステージに保持された前記第１の基板と前記第２ステージに保持された前記第２の基板とが互いに離間した状態における前記アライメントマークを焦点深度内に含み、かつ、前記第１の基板および前記第２の基板とが重ね合わされた状態における前記アライメントマークを焦点深度内に含むべく焦点深度位置が可変である請求項１に記載の基板重ね合わせ装置。
9. 第１の基板を第１ステージに保持する第１保持ステップと、
   第２の基板を、前記第１ステージに対向して配されるとともに前記第１ステージに対して相対移動可能な第２ステージに保持する第２保持ステップと、
   前記第１ステージに保持された前記第１の基板と前記第２ステージに保持された前記第２の基板とを重ね合わせる前に前記第１の基板および前記第２の基板の相対位置を計測する第１計測ステップと、
   互いに重ね合わされた前記第１の基板および前記第２の基板が前記第１ステージの下方で前記第２ステージ上に保持され且つ前記第１ステージから離間した状態で、前記第１ステージに形成された透明部を通じて前記相対位置を第２の計測手段によって計測する第２計測ステップと
   を含む基板重ね合わせ方法。
10. 第１の基板を保持する第１ステージと、
    前記第１ステージに対向して配されるとともに前記第１ステージに対して相対移動可能であって、第２の基板を保持する第２ステージと、
    前記第１ステージに保持された前記第１の基板と前記第２ステージに保持された前記第２の基板とを互いに位置合わせして重ね合わせた状態で前記第１の基板および前記第２の基板の相対位置を計測する光学系を有する重ね合わせ計測部と、互いに重ね合わされ接合された前記第１の基板および前記第２の基板が前記第１ステージの下方で前記第２ステージ上に保持され且つ前記第１ステージから離間した状態で、前記第１ステージに形成された透明部を通じて前記相対位置を計測する光学系を有する評価計測部とを有する計測部と
    を備える基板重ね合わせ装置。
11. 第１の基板を第１ステージに保持する第１保持ステップと、
    第２の基板を、前記第１ステージに対向して配されるとともに前記第１ステージに対して相対移動可能な第２ステージに保持する第２保持ステップと、
    前記第１ステージに保持された前記第１の基板と前記第２ステージに保持された前記第２の基板とを互いに位置合わせして重ね合わせた状態で、
    第１の計測手段によって前記第１の基板および前記第２の基板の相対位置を計測する第１計測ステップと、
    互いに重ね合わされ接合された前記第１の基板および前記第２の基板が前記第１ステージの下方で前記第２ステージ上に保持され且つ前記第１ステージから離間した状態で、前記第１ステージに形成された透明部を通じて前記相対位置を第２の計測手段によって計測する第２計測ステップと
    を含む基板重ね合わせ方法。

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