JP6098148B2 - アライメント装置、貼り合わせ装置および位置合わせ方法 - Google Patents

Description

本発明は、アライメント装置、位置合わせ方法、及び、積層半導体装置に関する。

アライメントマークを顕微鏡等によって観察して位置を取得することにより、貼り合わされる一対の基板の位置合わせするアライメント装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
［特許文献１］ 特開２００９−２４５９６３号公報

しかしながら、アライメントマークの位置によって基板と基板とを位置合わせするので、アライメントマークとバンプ等の接続部とが予め定められた位置関係からずれていると、基板上に形成された接続部同士が適切に位置合わせされないといった課題がある。

本発明の第１の態様においては、第１の部材と第２の部材とを互いに位置合わせするアライメント装置であって、前記第１の部材に設けられた構造物の実測の位置である構造物実測位置と、前記１の部材に配された、前記第２の部材との位置合わせに用いられるアライメントマークの実測の位置であるマーク実測位置と、前記構造物の設計上の位置である構造物設計位置とに関係する位置関係情報を取得する取得部と、取得した位置関係情報、及び、前記第１の部材のアライメントマークの位置、前記第２の部材のアライメントマークの位置を用いて、前記第１の部材及び前記第２の部材とを位置合わせする位置合わせ部とを備え、前記位置合わせ部は、前記構造物が前記第２の部材の予め定められた位置に重なるように、前記第１の部材と前記第２の部材との位置合わせするアライメント装置を提供する。

本発明の第２の態様においては、第１の部材と第２の部材とを互いに位置合わせする位置合わせ方法であって、前記第１の部材に設けられた構造物の実測の位置である構造物実測位置と、前記１の部材に配された、前記第２の部材との位置合わせに用いられるアライメントマークの実測の位置であるマーク実測位置と、前記構造物の設計上の位置である構造物設計位置とに関連する位置関係情報を取得する取得段階と、取得した位置関係情報、及び、前記第１の部材のアライメントマークの位置、前記第２の部材のアライメントマークの位置を用いて、前記第１の部材及び前記第２の部材とを位置合わせする位置合わせ段階とを備え、前記位置合わせ段階では、前記構造物が前記第２の部材の予め定められた位置に重なるように、前記第１の部材と前記第２の部材との位置合わせするを提供する。

本発明の第３の態様においては、上述のアライメント装置によって位置合わせされた一対の基板を個片化することによって製造された積層半導体装置を提供する。

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。

基板貼り合わせ装置１０の全体構成図である。 基板貼り合わせ装置１０による貼り合わせ基板９５の貼り合せ工程を説明する図である。 基板貼り合わせ装置１０による貼り合わせ基板９５の貼り合せ工程を説明する図である。 基板貼り合わせ装置１０による貼り合わせ基板９５の貼り合せ工程を説明する図である。 基板貼り合わせ装置１０による貼り合わせ基板９５の貼り合せ工程を説明する図である。 アライメント装置２８の側面図である。 アライメント装置２８の制御系を説明するブロック図である。 アライメント装置２８による位置合わせ工程のフローチャートである。 アライメント装置２８による位置合わせ工程のフローチャートである。 バンプＢａ同士の位置合わせに必要なバンプ移動量を説明する図である。 本実施形態を適用する基板９０をクラスタＣｌに分割した状態を説明する図である。 １個のクラスタＣｌ内でのアライメントマークＭとバンプＢａの位置ずれを説明する図である。

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、基板貼り合わせ装置１０の全体構成図である。基板貼り合わせ装置１０は、２枚の基板９０、９０を貼り合わせて、貼り合わせ基板９５を製造する。尚、基板貼り合わせ装置１０が、３枚以上の基板９０を貼り合わせて、貼り合わせ基板９５を製造してもよい。

図１に示すように、基板貼り合わせ装置１０は、大気環境部１４と、真空環境部１６と、制御部１８と、複数の基板カセット２０とを備える。

大気環境部１４は、環境チャンバ１２と、基板ホルダラック２２と、ロボットアーム２４、３０、３１と、プリアライナ２６と、アライメント装置２８と、レール３２とを有する。環境チャンバ１２は、大気環境部１４を囲むように形成されている。環境チャンバ１２に囲まれた領域は、空気調整機等に連通されて、温度管理される。これにより、基板９０と基板９０との位置合わせの精度が向上する。

基板カセット２０は、基板貼り合わせ装置１０において貼り合わされる基板９０及び貼り合わせ基板９５を収容する。基板貼り合わせ装置１０によって貼り合わされる基板９０は、単体のシリコンウエハ等の半導体基板、化合物半導体ウエハ、ガラス基板等の他、それらに素子、回路、端子等が形成されていてもよい。

基板ホルダラック２２は、重ね合わせ基板９２及び貼り合わせ基板９５を上下方向から保持する複数対の基板ホルダ９４を収容する。尚、重ね合わせ基板９２とは、貼り合わされる前の重ね合わされた一対の基板９０のことである。基板ホルダ９４は、基板９０を静電吸着により保持する。尚、基板ホルダ９４は基板９０を真空吸着により保持してもよい。基板ホルダラック２２は、真空環境部１６から搬送された貼り合わせ基板９５を基板ホルダ９４から分離する。

ロボットアーム２４は、基板カセット２０に装填されている基板９０と、基板ホルダラック２２に装填されている基板ホルダ９４をプリアライナ２６に搬送する。ロボットアーム２４は、プリアライナ２６上で基板９０を保持した基板ホルダ９４を、後述するアライメント装置２８の移動ステージ３８へと搬送する。ロボットアーム２４は、連続して搬送する２組の基板９０及び基板ホルダ９４のうち、一方を裏返して、移動ステージ３８へと搬送する。ロボットアーム２４は、基板ホルダラック２２によって基板ホルダ９４から分離された貼り合わせ基板９５を基板カセット２０の何れかに搬送する。

プリアライナ２６は、アライメント装置２８に基板９０を装填する場合に、高精度であるがゆえに、狭いアライメント装置２８の調整範囲にそれぞれの基板９０が装填されるように、個々の基板９０の基板ホルダ９４に対する位置を仮合わせする。これにより、アライメント装置２８における基板９０の位置決めが、迅速且つ正確にできる。

アライメント装置２８は、ロボットアーム２４とロボットアーム３０との間に配置されている。アライメント装置２８は、一対の基板９０を位置合わせする。アライメント装置２８は、枠体３４と、固定ステージ３６と、移動ステージ３８とを有する。移動ステージ３８は、水平面及び鉛直方向に移動する。これにより、移動ステージ３８は、ロボットアーム２４によって裏返されて搬送された基板９０及び基板ホルダ９４を固定ステージ３６へと受け渡す。また、移動ステージ３８は、ロボットアーム２４から裏返されることなく搬送された基板９０及び基板ホルダ９４を移動させて、固定ステージ３６の基板９０と位置合わせする。その他のアライメント装置２８の詳細は後述する。

ロボットアーム３０は、移動ステージ３８によって位置合わせされた一対の基板９０を含む基板ホルダ９４を真空吸着して、真空環境部１６へと搬送する。ロボットアーム３０は、貼り合わせ基板９５を真空環境部１６からロボットアーム３１へと搬送する。ロボットアーム３１は貼り合わせ基板９５をレール３２に沿って基板ホルダラック２２へと搬送する。

真空環境部１６は、基板貼り合わせ装置１０の貼り合わせ工程において、高温且つ真空状態に設定される。真空環境部１６は、ロードロック室４８と、一対のアクセスドア５０及びゲートバルブ５２と、ロボットアーム５４と、３個の収容室５５と、３個の加熱加圧装置５６と、ロボットアーム５８と、冷却室６０とを備える。尚、加熱加圧装置５６の個数は、３個に限定されるものではなく、適宜変更してもよい。

ロードロック室４８は、大気環境部１４と真空環境部１６とを連結する。ロードロック室４８は、真空状態及び大気圧に設定できる。ロードロック室４８の大気環境部１４側及び真空環境部１６側には、一対の基板ホルダ９４に保持された重ね合わせ基板９２及び貼り合わせ基板９５を搬送可能に開口が形成されている。

アクセスドア５０は、ロードロック室４８の大気環境部１４側の開口を開閉する。ゲートバルブ５２は、ロードロック室４８の真空環境部１６側の開口を開閉する。ロボットアーム５４は、ロボットアーム３０によりロードロック室４８に搬入された重ね合わせ基板９２を何れかの加熱加圧装置５６へと搬入する。

収容室５５はゲートバルブ５７を有し、ゲートバルブ５７を介してロボットチャンバ５３と連結されている。収容室５５は、重ね合わせ基板９２及び貼り合わせ基板９５を搬入及び搬出するために、ゲートバルブ５７を開閉する。

３個の加熱加圧装置５６は、ロボットアーム５４を中心として放射状に配置されている。加熱加圧装置５６は、重ね合わせ基板９２を挟みつつ加熱及び加圧して貼り合わせる。加熱加圧装置５６は、ロードロック室４８から搬入された重ね合わせ基板９２を貼り合わせることができる。また、加熱加圧装置５６は貼り合わせ基板９５を冷却することもできる。

ロボットアーム５８は、ロボットチャンバ５３の中心に回動可能に配置されている。これにより、ロボットアーム５８は、貼り合わせ基板９５を加熱加圧装置５６から冷却室６０へと搬送する。また、ロボットアーム５８は、貼り合わせ基板９５を冷却室６０からロードロック室４８へと搬送する。

冷却室６０は、冷却機能を有する。これにより、冷却室６０は、ロボットアーム５８によって接合された貼り合わせ基板９５を冷却する。冷却室６０は、ゲートバルブ５７を介してロボットチャンバ５３と連結されている。制御部１８は、基板貼り合わせ装置１０の全体の動作を制御する。

図２から図５は、基板貼り合わせ装置１０による貼り合わせ基板９５の貼り合せ工程を説明する図である。貼り合わせ工程では、まず、ロボットアーム２４が、基板ホルダ９４を基板ホルダラック２２からプリアライナ２６へと搬送する。ロボットアーム２４は、基板９０を基板カセット２０の何れかからプリアライナ２６の基板ホルダ９４上に搬送する。プリアライナ２６は、基板ホルダ９４に対する基板９０の位置を仮合わせする。この後、基板ホルダ９４が、基板９０を保持する。

次に、図２に示すように、ロボットアーム２４は、基板９０及び基板ホルダ９４を裏返して、プリアライナ２６から移動ステージ３８へ搬送する。移動ステージ３８は、基板９０及び基板ホルダ９４を固定ステージ３６へと受け渡す。同様に、ロボットアーム２４は、基板ホルダ９４、基板９０の順でプリアライナ２６に搬送する。これにより、基板ホルダ９４が、基板９０を保持する。この後、図３に示すように、ロボットアーム２４は、裏返すことなく、基板９０及び基板ホルダ９４を移動ステージ３８へと搬送する。

次に、移動ステージ３８は、基板９０及び基板ホルダ９４を保持しつつ、基板９０及び基板ホルダ９４を保持する固定ステージ３６の下方へと移動する。これにより、移動ステージ３８の基板９０と、固定ステージ３６の基板９０とが互いに位置合わせされる。

次に、図４に示すように、移動ステージ３８が、上方へと移動して、移動ステージ３８の基板９０の上面と固定ステージ３６の基板９０の下面とが合わされる。この後、ロボットアーム３０が、移動ステージ３８上の重ね合わせ基板９２を基板ホルダ９４で挟んだ状態で、ロードロック室４８へと搬送する。ロボットアーム５４は、重ね合わせ基板９２をロードロック室４８から加熱加圧装置５６へと搬入する。

次に、加熱加圧装置５６は、重ね合わせ基板９２を結合温度まで加熱した後、結合温度を維持しつつ、重ね合わせ基板９２を上下方向から加圧する。これにより、重ね合わせ基板９２の一対の基板９０が、貼り合わされて貼り合わせ基板９５となる。この後、貼り合わせ基板９５を、一定の温度まで冷却した後、ロボットアーム５８が、貼り合わせ基板９５を冷却室６０へと搬入する。冷却室６０は貼り合わせ基板９５を更に冷却する。ロボットアーム５８は、冷却された貼り合わせ基板９５を基板ホルダ９４とともに、冷却室６０からロードロック室４８へと搬送する。

次に、ロボットアーム３０が、貼り合わせ基板９５をロードロック室４８から搬出して、ロボットアーム３１へ受け渡す。ロボットアーム３１は、基板ホルダラック２２へと貼り合わせ基板９５を搬送する。図５に示すように、貼り合わせ基板９５が、基板ホルダラック２２によって、基板ホルダ９４から分離される。この後、ロボットアーム２４が、貼り合わせ基板９５を基板カセット２０の何れかに搬出する。これにより、基板貼り合わせ装置１０による貼り合わせ工程が終了して、貼り合わせ基板９５が完成する。この後、図５に示す点線に沿って、貼り合わせ基板９５が個片化されて積層半導体装置９６が完成する。

図６は、アライメント装置２８の側面図である。図６に矢印で示すＸＹＺをアライメント装置２８のＸＹＺ方向とする。

アライメント装置２８は、上述した枠体３４、固定ステージ３６、及び、移動ステージ３８に加えて、観察部の一例である上顕微鏡７０と、観察部の一例である下顕微鏡７２とを有する。

枠体３４は、固定ステージ３６及び移動ステージ３８を囲むように形成されている。枠体３４は、天板７４と、底板７５と、側壁７６とを有する。天板７４及び底板７５は、互いが平行となるように水平に配置されている。側壁７６は、天板７４及び底板７５を結合する。側壁７６の基板カセット２０側の面と、側壁７６の真空環境部１６側の面は、基板９０、重ね合わせ基板９２及び貼り合わせ基板９５を搬入及び搬出可能に、開口されている。

固定ステージ３６は、天板７４の下面に固定されている。固定ステージ３６は、移動ステージ３８よりも高い位置に設けられている。固定ステージ３６の下面は、基板９０を保持した状態でロボットアーム２４により裏返されて移動ステージ３８により載置された基板ホルダ９４を真空吸着する。尚、固定ステージ３６の下面は基板ホルダ９４を静電吸着してもよい。

移動ステージ３８は、底板７５の上面に載置されている。移動ステージ３８は、ガイドレール７８と、Ｘステージ８０と、Ｙステージ８２と、昇降部８４と、微動ステージ８５と、吸着部８６とを有する。

ガイドレール７８は、底板７５に固定されている。ガイドレール７８は、Ｘ方向に延びる。Ｘステージ８０は、底板７５上に配置されている。Ｘステージ８０は、ガイドレール７８に案内されつつＸ方向に移動する。Ｙステージ８２は、Ｘステージ８０上に配置されている。Ｙステージ８２は、Ｘステージ８０上のガイドレールに沿ってＹ方向に移動する。昇降部８４は、Ｙステージ８２の上面に固定されている。昇降部８４は、吸着部８６を上下に昇降させる。微動ステージ８５は、吸着部８６をＸＹ方向に移動させるとともに、吸着部８６を鉛直軸の周りで回転させる。尚、微動ステージ８５のＸＹ方向の移動は、Ｘステージ８０及びＹステージ８２の移動に比べて、微小ピッチでありかつ可動範囲も小さい。

吸着部８６の上面は、基板９０を保持した基板ホルダ９４を真空吸着する。吸着部８６に吸着された基板９０に配されたバンプＢａは、固定ステージ３６に吸着された基板９０に配されたバンプＢａと電気的に接合される。バンプＢａは、構造物の一例であって、接続部の一例である。尚、吸着部８６の上面は、基板ホルダ９４を静電吸着してもよい。また、吸着部８６は、ロボットアーム２４によって裏返され、固定ステージ３６に受け渡す基板９０及び基板ホルダ９４をピンによって浮かせつつ保持する。吸着部８６は、昇降部８４の上面に固定されている。吸着部８６は、Ｘステージ８０、Ｙステージ８２及び昇降部８４によって、ＸＹＺ方向に移動される。これにより、吸着部８６によって吸着された基板９０が、固定ステージ３６に吸着された基板９０と位置合わせされた後、重ね合わされた状態で仮接合される。基板９０と基板９０は、接着剤によって仮接合してもよく、プラズマによって仮接合してもよい。尚、基板９０と基板９０は、単に重ね合わせただけでもよい。

上顕微鏡７０は、天板７４に固定されている。上顕微鏡７０は、固定ステージ３６と間隔をあけて配置されている。上顕微鏡７０は、移動ステージ３８の吸着部８６に吸着された基板９０に形成されたアライメントマークＭを観察して撮像する。吸着部８６に吸着された基板９０に配されたアライメントマークＭは、基板９０の位置を算出して、固定ステージ３６の基板９０と貼り合わせにおける位置合わせに用いられる。アライメントマークＭは、上顕微鏡７０によって観察できる基板９０の上面に形成されている。上顕微鏡７０は、撮像したアライメントマークＭの画像を出力する。

下顕微鏡７２は、Ｙステージ８２上に固定されている。下顕微鏡７２は、昇降部８４と間隔をあけて配置されている。従って、下顕微鏡７２は、昇降部８４及び吸着部８６とともに、ＸＹ方向に移動する。下顕微鏡７２は、固定ステージ３６に吸着された基板９０に形成されたアライメントマークＭを観察して撮像する。アライメントマークＭは、下顕微鏡７２によって観察できる基板９０の下面に形成されている。下顕微鏡７２は、撮像したアライメントマークＭの画像を出力する。

図７は、アライメント装置２８の制御系を説明するブロック図である。図７に示すように、アライメント装置２８は、制御部１００と、格納部１０２とを更に備える。尚、制御部１００は、制御部１８が兼ねてもよい。制御部１００の一例は、コンピュータである。制御部１００は、取得部１１０と、位置関係算出部１１２と、位置合わせ部１１４とを有する。制御部１００は、格納部１０２に格納された位置合わせプログラムを読み込むことによって、取得部１１０、位置関係算出部１１２、及び、位置合わせ部１１４として機能する。

取得部１１０は、上顕微鏡７０及び下顕微鏡７２と情報を送受信可能に接続されている。取得部１１０は、同じ数のアライメントマークＭを上顕微鏡７０及び下顕微鏡７２に観察させて、アライメントマークＭの画像を生成させる。取得部１１０は、アライメントマークＭの画像を上顕微鏡７０及び下顕微鏡７２から取得する。アライメントマークＭの画像は、アライメントマークＭの実測の位置であるマーク実測位置に関係する位置関係情報の一例である。

また、取得部１１０は、バンプＢａを基板９０に形成するバンプ製造装置１２０及びバンプＢａ等のパターンを露光する露光装置１２２等の外部機器と情報を送受信可能に接続されている。取得部１１０は、バンプ製造装置１２０または露光装置１２２等の外部機器からアライメントマークＭに対するバンプＢａのバンプ実測相対位置及びバンプ設計位置を取得する。バンプ実測相対位置の一例は、実際に観察された実測によるアライメントマークＭに対するバンプＢａの相対位置である。バンプ設計位置の一例は、設計上の理想的な基板９０上のバンプＢａの位置である。バンプ実測相対位置及びバンプ設計位置は、各基板９０毎に取得してもよく、同じ製造工程に最初の基板９０だけを取得してもよく、同じ製造工程の最初の複数枚の基板について取得してもよい。取得部１１０は、基板９０と関連付けられたバンプ実測相対位置及びバンプ設計位置を取得する。取得部１１０は、取得したアライメントマークＭの画像、及び、バンプＢａのバンプ実測相対位置及びバンプ設計位置を位置関係算出部１１２に出力する。バンプ実測相対位置は、バンプの実測の位置であるバンプ実測位置と関連する位置関係情報の一例である。

位置関係算出部１１２は、上顕微鏡７０及び下顕微鏡７２が撮像したアライメントマークＭの画像を取得部１１０から取得する。位置関係算出部１１２は、取得したアライメントマークＭの画像からアライメントマークＭのマーク実測位置を算出する。マーク実測位置とは、固定ステージ３６及び移動ステージ３８の基準点からの位置である。基準点の一例は、固定ステージ３６及び移動ステージ３８の中心である。位置関係算出部１１２は、基準点からの位置と、上顕微鏡７０及び下顕微鏡７２の視野の中心に対するアライメントマークＭの位置からマーク実測位置を算出する。位置関係算出部１１２は、格納部１０２からアライメントマークＭのマーク設計位置を取得する。位置関係算出部１１２は、アライメントマークＭをマーク設計位置の近傍に移動させるために必要な移動ステージ３８による基板９０の移動量であるマーク移動量を、マーク実測位置及びマーク設計位置から算出する。ここで、製造工程上の誤差及び基板９０の撓み等の要因によって、全てのアライメントマークＭを正確にマーク設計位置に移動させることはできない。従って、位置関係算出部１１２は、移動後の全てのアライメントマークＭの位置とマーク設計位置との相違が、小さくなるようにマーク移動量を算出する。

位置関係算出部１１２は、アライメントマークＭに対する実測されたバンプＢａの位置であるバンプ実測相対位置及びバンプ設計位置を取得部１１０から取得する。位置関係算出部１１２は、算出したアライメントマークＭの実測位置と、取得したバンプＢａのバンプ実測相対位置から、基準点に対するバンプＢａの実測の位置であるバンプ実測位置を算出する。

位置関係算出部１１２は、バンプＢａをバンプ設計位置の近傍に移動させるために必要な移動ステージ３８による基板９０の移動量であるバンプ移動量を、バンプ実測位置及びバンプ設計位置から算出する。上述の要因によって、全てのバンプＢａを設計位置に正確に移動させることはできない。従って、位置関係算出部１１２は、移動後の全てのバンプＢａの位置であるバンプ移動位置とバンプ設計位置との相違が、小さくなるようにバンプ移動量を算出する。

位置関係算出部１１２は、マーク移動量及びバンプ移動量から移動量を算出して位置合わせ部１１４に出力する。移動量は、バンプＢａ同士を位置合わせするのに必要な移動ステージ３８の移動量である。換言すれば、移動量は、固定ステージ３６の基板９０のバンプＢａと移動ステージ３８の基板９０のバンプＢａとの相対位置関係の一例である。

位置合わせ部１１４は、位置関係算出部１１２から取得した移動量を取得する。位置合わせ部１１４は、取得した移動量に基づいて、移動ステージ３８を移動させて、バンプＢａ同士を位置合わせする。

格納部１０２は、アライメントマークＭのマーク設計位置を格納する。また、格納部１０２は、制御部１００を機能させる位置合わせプログラムを格納する。

図８は、アライメント装置２８による位置合わせ工程のフローチャートである。図９は、アライメントマークＭ同士の位置合わせに必要なマーク移動量を説明する図である。図１０は、バンプＢａ同士の位置合わせに必要なバンプ移動量を説明する図である。

図８に示すように、位置合わせ工程では、取得部１１０は、バンプ実測相対位置及びバンプ設計位置をバンプ製造装置１２０または露光装置１２２等の外部機器から取得して、位置関係算出部１１２へと出力する（Ｓ１０）。取得部１１０は、アライメントマークＭの画像を上顕微鏡７０及び下顕微鏡７２から取得して、位置関係算出部１１２へと出力する（Ｓ１２）。

位置関係算出部１１２は、取得したアライメントマークＭの画像から、アライメントマークＭのマーク実測位置を算出する（Ｓ１４）。位置関係算出部１１２は、アライメントマークＭのマーク設計位置を格納部１０２から取得する（Ｓ１６）。

位置関係算出部１１２は、バンプ実測相対位置、バンプ設計位置、マーク実測位置、及び、マーク設計位置から移動量を算出する（Ｓ１８）。

移動量の算出では、まず、位置関係算出部１１２は、マーク移動量を算出する。図９に示すように、本実施形態では、３個のアライメントマークＭのマーク移動量を算出する例について説明する。ここでは、まず、移動ステージ３８の基板９０のマーク移動量を算出する方法を説明する。移動ステージ３８の基板９０の３個のアライメントマークＭのマーク設計位置、マーク実測位置の座標をそれぞれ（ＸＭｄａｎ、ＹＭｄａｎ）、（ＸＭｄｂｎ、ＹＭｄｂｎ）とする。また、実測位置の３個のアライメントマークＭをマーク移動量だけ移動させた後の位置であるマーク移動位置の座標を（ＸＭｄｃｎ、ＹＭｄｃｎ）とする。ただし、ｎ＝１、２、３である。マーク移動量を（ＳＭｄｘ、ＳＭｄｙ、θＭｄ）とする。尚、ＳＭｄｘは、移動ステージ３８のＸ方向の移動量である。ＳＭｄｙは、移動ステージ３８のＹ方向の移動量である。θＭｄは、鉛直軸の周りの移動ステージ３８の回転角度である。

マーク実測位置及びマーク移動位置の関係が、移動ステージ３８がＸＹθに移動できることに対応して、マーク移動量を用いて次式で表される。

さらに、式（２）の残差平方和を最少とするマーク移動量（ＳＭｄｘ、ＳＭｄｙ、θＭｄ）を算出する。

以上により、位置関係算出部１１２は、式（１）、式（２）を用いて、全てのマーク設計位置に対する全てのマーク移動位置の差が統計的に最少になるマーク移動量（ＳＭｄｘ、ＳＭｄｙ、θＭｄ）を算出する。

次に、移動量の算出では、位置関係算出部１１２は、移動ステージ３８の基板９０のバンプ移動量を算出する。図１０に示すように、本実施形態では、３個のバンプＢａのマーク移動量を算出する例について説明する。移動ステージ３８の基板９０の３個のバンプＢａのバンプ設計位置、バンプ実測位置の座標をそれぞれ（ＸＢｄａｎ、ＹＢｄａｎ）、（ＸＢｄｂｎ、ＹＢｄｂｎ）とする。また、バンプ実測位置の３個のバンプＢａをバンプ移動量だけ移動させた後の位置であるバンプ移動位置の座標を（ＸＢｄｃｎ、ＹＢｄｃｎ）とする。ただし、ｎ＝１、２、３である。バンプ移動量を（ＳＢｄｘ、ＳＢｄｙ、θＢｄ）とする。尚、ＳＢｄｘは、移動ステージ３８のＸ方向の移動量である。ＳＢｄｙは、移動ステージ３８のＹ方向の移動量である。θＢｄは、鉛直軸の周りの移動ステージ３８の回転角度である。

位置関係算出部１１２は、下記の式（３）、式（４）を用いて、全てのバンプ設計位置に対する全てのバンプ移動位置の差が統計的に最少になるバンプ移動量（ＳＢｄｘ、ＳＢｄｙ、θＢｄ）を算出する。

位置関係算出部１１２は、固定ステージ３６の基板９０のアライメントマークＭのマーク設計位置、マーク実測位置、マーク移動位置の座標をそれぞれ（ＸＭｕａｎ、ＹＭｕａｎ）、（ＸＭｕｂｎ、ＹＭｄｂｎ）、（ＸＭｕｃｎ、ＹＭｕｃｎ）として、式（１）及び式（２）を用いて同様にマーク移動量（ＳＭｕｘ、ＳＭｕｙ、θＭｕ）を算出する。

位置関係算出部１１２は、固定ステージ３６の基板９０のバンプＢａのバンプ設計位置、バンプ実測位置、バンプ移動位置の座標をそれぞれ（ＸＢｕａｎ、ＹＢｕａｎ）、（ＸＢｕｂｎ、ＹＢｄｂｎ）、（ＸＢｕｃｎ、ＹＢｕｃｎ）として、式（１）及び式（２）を用いて同様にバンプ移動量（ＳＢｕｘ、ＳＢｕｙ、θＢｕ）を算出する。

位置関係算出部１１２は、それぞれ算出した２個のマーク移動量及び２個のバンプ移動量を式（５）に代入して、移動量（Ｓｘ、Ｓｙ、θ）を算出して、位置合わせ部１１４に出力する。

位置合わせ部１１４は、位置関係算出部１１２から取得した移動量に合わせて、移動ステージ３８を移動させる（Ｓ２０）。これにより、固定ステージ３６の基板９０のバンプＢａと移動ステージ３８の基板９０のバンプＢａとが、位置合わせされる。この後、位置合わせ部１１４は、移動ステージ３８を上昇させることにより、バンプＢａ同士を接触させる。

上述したように、アライメント装置２８では、位置関係算出部１１２は、アライメントマークＭとバンプＢａとの位置関係情報である実測相対位置から、バンプ同士を位置合わせするのに必要な移動量を算出している。これにより、アライメント装置２８は、バンプＢａがアライメントマークＭを基準とすることなく配されていても、正確にバンプ同士を位置合わせできる。

次に、上述した実施形態の一部を変更したアライメント装置２８について説明する。本実施形態によるアライメント装置２８では、バンプＢａのバンプ実測位置の一部を仮想的に算出する。

図１１は、本実施形態を適用する基板９０をクラスタＣｌに分割した状態を説明する図である。図１２は、１個のクラスタＣｌ内でのアライメントマークＭとバンプＢａの位置ずれを説明する図である。

図１１に示すように、本実施形態のアライメント装置２８では、位置関係算出部１１２が、最初の組の基板９０を仮想的な複数のクラスタＣｌに分割する。ここでは、分割されたクラスタＣｌの数を４個とする。各クラスタＣｌには、３個のアライメントマークＭａ１からＭａ３、・・、Ｍｄ３からＭｄ３が形成されている。取得部１１０は、クラスタＣｌごとに複数のアライメントマークＭを上顕微鏡７０及び下顕微鏡７２に観察させて撮像させる。位置関係算出部１１２は、例えば、取得部１１０からクラスタＣｌａのアライメントマークＭａの画像を取得すると、アライメントマークＭａ１からＭａ３のマーク実測位置を算出する。図１２に示すように、位置関係算出部１１２は、アライメントマークＭａ１からＭａ３のマーク実測位置からクラスタ中心ＭＣを算出する。

次に、位置関係算出部１１２は、取得部１１０を介して、外部機器からバンプＢａのバンプ実測相対位置を取得する。位置関係算出部１１２は、アライメントマークＭのマーク実測位置及びバンプ実測相対位置から実測されたバンプＢａのクラスタ内での位置であるバンプ実測位置を算出する。バンプ設計位置及びバンプ実測位置をそれぞれ（ＸＢ２ａｎ、ＹＢ２ａｎ）、（ＸＢ２ｂｎ、ＹＢ２ｂｎ）とする。ただし、ｎ＝１、２・・である。位置関係算出部１１２は、クラスタ毎にバンプ設計位置とバンプ実測位置との誤差であるクラスタ誤差を算出する。クラスタ誤差を（ＳＤｘ、ＳＤｙ、θＤ）とする。ＳＤｘ及びＳＤｙは、クラスタ誤差のＸＹ成分である。θＤは、クラスタＣｌの中心を通る鉛直軸の周りのクラスタ誤差の角度成分である。

バンプ実測位置からクラスタ誤差だけ修正したバンプの位置をバンプ修正位置（ＸＢ２ｃｎ、ＹＢ２ｃｎ）とする。バンプ実測位置（ＸＢ２ｂｎ、ＹＢ２ｂｎ）とバンプ修正位置（ＸＢ２ｃｎ、ＹＢ２ｃｎ）との関係は、次の式（６）で表すことができる。

さらに、式（７）の残差平方和を最少とするクラスタ誤差（ＳＢ２ｘ、ＳＢ２ｙ、θＢ２）を算出する。

以上より、位置関係算出部１１２は、下記の式（６）、式（７）を用いて、クラスタＣｌ内の全てのバンプ設計位置に対する全てのバンプ修正位置の差が統計的に最少になるクラスタ誤差（ＳＢ２ｘ、ＳＢ２ｙ、θＢ２）を算出する。

位置関係算出部１１２は、他のクラスタのクラスタ誤差を同様に算出する。位置関係算出部１１２は、２組目以降の基板９０において、１組目のアライメントマークＭと設計位置が同じアライメントマークＭのマーク実測位置を算出した後、クラスタ誤差、バンプ実測相対位置、及び、マーク実測位置から、各クラスタＣｌ内のバンプＢａの仮想のバンプ実測位置を算出する。これにより、位置関係算出部１１２は、バンプのバンプ実測位置の算出に必要な時間を低減できる。この後、位置関係算出部１１２は、仮想のバンプのバンプ実測位置を上述したバンプ実測位置として適用して、バンプ同士を位置合わせするのに必要な移動量を上述の方法によって算出する。

尚、位置関係算出部１１２は、いずれかのクラスタＣｌのバンプ実測位置と、１組目の同じクラスタＣｌのバンプ実測位置との誤差であるバンプ位置誤差が、予め定められたバンプ位置閾値未満の場合、仮想のバンプ実測位置を算出するようにしてもよい。これにより、位置関係算出部１１２は、１組目の基板９０のバンプ実測位置と、相関関係のあるバンプ実測位置の基板９０のみに仮想のバンプ実測位置を算出することになり、バンプの実測位置の算出時間を短縮しつつ、位置合わせの精度を維持できる。

また、位置関係算出部１１２は、１組目と２組目以降のいずれかの基板９０のアライメントマークＭのマーク実測位置に相関関係がある場合、アライメントマークＭの実測位置の算出を減らしてもよい。例えば、位置関係算出部１１２は、１組目と２組目以降のいずれかの基板９０のアライメントマークＭのマーク実測位置との間のマーク位置誤差がマーク位置閾値未満の場合、１組目と２組目の基板９０のアライメントマークＭのマーク実測位置に相対関係があると判定する。

更に、位置関係算出部１１２は、マーク実測位置に相対関係があると判定すると、２組目以降の基板９０において、算出するアライメントマークＭのマーク実測位置の個数を、最初の組の個数よりも減らす。この場合、上顕微鏡７０及び下顕微鏡７２は、最初の組で観察したアライメントマークＭに対応するアライメントマークＭを２組目以降の基板９０において観察する。位置関係算出部１１２は、２組目以降の基板９０では、観察したアライメントマークＭから残りのアライメントマークＭの仮想のマーク実測位置を算出する。これにより、位置関係算出部１１２は、アライメントマークＭを実測する時間を低減することができるので、移動量を算出する時間を低減できる。

上述の実施形態では、取得部１１０が、バンプ実測相対位置を位置関係情報として取得する例を示したが、バンプを配する工程において、基準としたバンプ基準マークに関する情報をバンプ実測位置に関連する位置関係情報として取得してもよい。バンプ基準マークに関する情報の一例は、アライメントマークＭに対する実測されたバンプ基準マークの相対位置の情報である。位置関係算出部１１２は、バンプ基準マークからバンプ実測相対位置またはバンプ実測位置を算出する。

上述の実施形態では、バンプが形成されている半導体基板同士を位置合わせする例を示したが、他の２つの部材を位置合わせするアライメント装置に上述の実施形態の技術を適用してもよい。例えば、ナノインプリントにおいて、原版と基板とを互いに位置合わせするアライメント装置に上述の技術を適用してもよい。ナノインプリントのアライメント装置は、原版に設けられた構造物の実測の位置である構造物実測位置と、原版に配された、基板との位置合わせに用いられるアライメントマークの実測の位置であるマーク実測位置とに関係する位置関係情報を取得する取得部と、取得した位置関係情報、及び、原版のアライメントマークの位置、基板のアライメントマークの位置を用いて、原版及び基板とを位置合わせする位置合わせ部とを備える。ナノインプリントのアライメント装置では、位置合わせ部は、構造物が基板の予め定められた位置に重なるように、原版と基板とを位置合わせする。この場合、構造物を構造物基準マークとして機能させてもよく、また、構造物とは別に構造物基準マークを設けてもよい。尚、構造物の設計上の位置である構造物設計位置と、構造物の実測位置との位置ずれに基づいて位置合わせしてもよい。

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。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。

１０ 基板貼り合わせ装置、 １２ 環境チャンバ、 １４ 大気環境部、 １６ 真空環境部、 １８ 制御部、 ２０ 基板カセット、 ２２ 基板ホルダラック、 ２４ ロボットアーム、 ２６ プリアライナ、 ２８ アライメント装置、 ３０ ロボットアーム、 ３１ ロボットアーム、 ３２ レール、 ３４ 枠体、 ３６ 固定ステージ、 ３８ 移動ステージ、 ４８ ロードロック室、 ５０ アクセスドア、 ５２ ゲートバルブ、 ５３ ロボットチャンバ、 ５４ ロボットアーム、 ５５ 収容室、 ５６ 加熱加圧装置、 ５７ ゲートバルブ、 ５８ ロボットアーム、 ６０ 冷却室、 ７０ 上顕微鏡、 ７２ 下顕微鏡、 ７４ 天板、 ７５ 底板、 ７６ 側壁、 ７８ ガイドレール、 ８０ Ｘステージ、 ８２ Ｙステージ、 ８４ 昇降部、 ８５ 微動ステージ、 ８６ 吸着部、 ９０ 基板、 ９２ 重ね合わせ基板、 ９４ 基板ホルダ、 ９５ 貼り合わせ基板、 ９６ 積層半導体装置、 １００ 制御部、 １０２ 格納部、 １１０ 取得部、 １１２ 位置関係算出部、 １１４ 位置合わせ部、 １２０ バンプ製造装置、 １２２ 露光装置

Claims (12)

1. 第１の部材の位置情報を用いて、前記第１の部材及び第２の部材を互いに位置合わせするアライメント装置であって、
   前記位置情報は、
   前記第１の部材のアライメントマークのマーク位置と、
   前記第１の部材に設けられた構造物の位置である構造物位置と前記マーク位置との相対位置と、
   前記構造物の設計上の位置である構造物設計位置と前記構造物位置とのずれ量と
   を含むアライメント装置。
2. 前記第１の部材は、第１の半導体基板であり、前記第２の部材は、第２の半導体基板であり、前記構造物は、前記第１の半導体基板に設けられ、前記第２の半導体基板と電気的に接続される接続部である請求項１に記載のアライメント装置。
3. 前記位置情報から前記第１の部材の前記構造物と、前記第２の部材の構造物との相対位置関係を算出して出力する位置関係算出部と、
   前記相対位置関係に基づいて、前記第１の部材と前記第２の部材とを位置合わせする請求項１に記載のアライメント装置。
4. 前記位置関係算出部は、前記第１の部材において、前記アライメントマークの設計上の位置であるマーク設計位置と前記マーク位置との相違が小さくなるマーク移動量と、前記構造物設計位置と前記構造物位置との相違が小さくなる構造物移動量とをそれぞれ算出し、前記マーク移動量および前記構造物移動量に基づいて、前記第１の部材の前記構造物が前記第２の部材の前記構造物に予め定められた位置で重なり合うように前記第１の部材と前記第２の部材との位置合わせを行う請求項３に記載のアライメント装置。
5. 前記位置関係算出部は、前記第２の部材において前記マーク移動量と前記構造物移動量とを算出し、前記第１の部材および前記第２の部材のそれぞれの前記マーク移動量および前記構造物移動量に基づいて、前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方の移動量を算出する請求項４に記載のアライメント装置。
6. 前記アライメントマークを観察して画像を出力する観察部を備える請求項３から５のいずれか一項に記載のアライメント装置。
7. 前記第１の部材と前記第２の部材の複数の組の位置合わせする場合において、
   前記位置関係算出部は、前記第１の部材を複数のクラスタに分割して、クラスタごとに前記構造物設計位置に対する前記構造物位置の誤差を算出して、他の組の部材の前記マーク位置、前記位置情報及び前記誤差から仮想の構造物実測位置を算出する請求項６に記載のアライメント装置。
8. 前記位置関係算出部は、前記部材の最初の組で算出した前記マーク位置の個数より、前記部材の後の組で算出する前記マーク位置の個数を減らす請求項７に記載のアライメント装置。
9. 前記観察部は、前記部材の最初の組で前記マーク位置の算出に用いた前記アライメントマークに対応するアライメントマークを前記部材の後の組で観察する請求項８に記載のアライメント装置。
10. 前記第１の部材及び前記第２の部材を互いに位置合わせする位置合わせ部を備え、
    前記位置合わせ部は、前記ずれ量を補正量として用いる請求項１に記載のアライメント装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のアライメント装置を備え、前記アライメント装置で位置合わせされた前記第１の部材および前記第２の部材を互いに貼り合わせる貼り合わせ装置。
12. 第１の部材の位置情報を用いて、前記第１の部材及び第２の部材を互いに位置合わせする位置合わせ方法であって、
    前記位置情報は、
    前記第１の部材のアライメントマークのマーク位置と、
    前記第１の部材に設けられた構造物の位置である構造物位置と前記マーク位置との相対位置と、
    前記構造物の設計上の位置である構造物設計位置と前記構造物位置とのずれ量
    を含む位置合わせ方法。

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