JP6574410B2 - 半導体デバイスのウェハ接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスのウェハ接合方法に関し、より詳細にはダイシングや劈開によって分割された半導体デバイスの不定形のウェハの接合方法に関する。

半導体デバイスのウェハ接合は、光デバイス及び電子デバイス等の３次元集積技術分野で利用されている。特に小型高密度集積化が進む光通信用送受信デバイスにおいて、ウェハ接合はウェハレベルチップサイズパッケージ（Wafer Level Chip Size Package：ＷＬ−ＣＳＰ）への応用が期待されている。

ＷＬ−ＣＳＰでは、レーザ共振器及びフォトダイオード等を形成した化合物半導体ウェハと、導波路及びレンズ等の光学部品、並びに気密封止用の構造を形成したシリコン及びガラス等のウェハとを接合することにより、３次元集積された半導体チップそのものがパッケージとなるように素子を作製する。

このウェハ接合において、例えば、導波路及びレンズ等の光学部品を集積したウェハと、レーザ共振器及びフォトダイオード等を形成したウェハとを接合する際には、ウェハ同士の平面位置ずれが±数μｍ以内程度の高精度な位置合わせが必要となる場合がある。

図１は、従来の半導体デバイスのウェハ接合の方法を説明する図である。図１（ａ）はウェハ接合の方法を説明する上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩＢ−ＩＢにおける断面図である。なお図１（ａ）は、説明のため、被接合ウェハの位置をずらしている。図１に記載の半導体デバイスの接合方法は、例えば、導波路やレンズ等の光学部品の被接合ウェハ１０１とフォトダイオードが形成された被接合ウェハ１０２とを、ウェハアライメント装置（非特許文献１および２参照）を用いて赤外（ＩＲ）透過光や反射光による画像認識を使用して接合する方法である。ウェハアライメント装置は、少なくとも２カ所、ＩＲ光源（１０３−１、１０３−２）とＩＲカメラ（１０４−１、１０４−２）とを対抗させ、ＩＲ光源からのＩＲ光を被接合ウェハ１０１に垂直に当てて、２枚の被接合ウェハ１０１及び１０２を透過したＩＲ光を、ＩＲカメラにより認識する。２枚の被接合ウェハ１０１及び１０２それぞれには、画像認識の対象となるアライメント用マークパタン又はバーニアパタンを形成し、ＩＲカメラにより認識した２枚の被接合ウェハそれぞれのマークが一致するように被接合ウェハの位置を調整する。ここで、各被接合ウェハ上にそれぞれ最低２カ所、アライメント用マークを形成する必要がある。図１においては、被接合ウェハ１０１上にアライメント用マーク１０５−１及び１０５−２を形成し、被接合ウェハ１０２上にアライメント用マーク１０６−１、１０６−２を形成している。

本方法は、ＩＲ光源１０３−１から、アライメント用マーク１０５−１に対してＩＲ光を照射する。また、ＩＲ光源１０３−２から、アライメント用マーク１０５−２に対してＩＲ光を照射する。ＩＲ光は、被接合ウェハ１０１のアライメント用マーク１０５−１及び１０５−２が形成された部分、さらには被接合被接合ウェハ１０２のアライメント用マーク１０６−１及び１０６−２が形成された部分を透過する。被接合ウェハ１０１のアライメント用マーク１０５−１が形成された部分及び被接合ウェハ１０２のアライメント用マーク１０６−１が形成された部分を透過したＩＲ光は、ＩＲカメラ１０４−１により画像認識される。また、被接合ウェハ１０１のアライメント用マーク１０５−２が形成された部分及び被接合ウェハ１０２のアライメント用マーク１０６−２が形成された部分を透過した透過したＩＲ光は、ＩＲカメラ１０４−２により画像認識される。認識された画像を確認しながら、アライメント用マーク１０５−１と１０６−１とが一致するように、またアライメント用マーク１０５−２と１０６−２とが一致するように被接合ウェハ１０１及び１０２の位置を調整する。本方法により、アライメント調整を行うことで、被接合ウェハの高精度な位置合わせを行うことができる。

"suss.com-Suss Wafer Bonder"インターネット〈ホームページ：https://www.suss.com/jp/products-solutions/products/wafer-bonder/ba8-gen4-pro/overview.html〉 "BA8 Gen4 Pro-SUSS Micro Tec" インターネット〈ホームページ：https://www.suss.com/fileadmin/user_upload/datasheets/SUSS_DS_BA8Gen4Pro.pdf

非特許文献１および２に記載のウェハアライメント装置は、対応するウェハサイズ、形状及びウェハを配置する位置が定められており、装置仕様から大きく外れたサイズや不定形のウェハについては、対応していない。図２は、被接合ウェハのサイズ形状が装置仕様から外れる場合について説明する図である。各ＩＲ光源は可動範囲があり、被接合ウェハの大きさが小さい場合、２つのＩＲ光源を被接合ウェハに照射しようとしても、ＩＲ光源の可動範囲に届かない。したがって、２つのＩＲ光源を被接合ウェハに照射することができないため、図１に記載の方法のような高精度な位置合わせを行うことができなかった。

ここで、非特許文献１および２に記載のウェハアライメント装置に対応させるために、対応するサイズに形成したガラス基板上に不定形の被接合ウェハを仮固定する方法がある。図３は、対応するサイズに形成したガラス基板上に不定形のウェハ接合の方法を説明する図である。図３（ａ）はウェハ接合の方法を説明する上面図であり、図３（ｂ）及び図３（ｃ）は図３（ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢにおける断面図である。図３のアライメント方法においては、マーク認識のためにカメラの可動範囲内、つまりガラス基板の中心から外れた位置に被接合ウェハを固定する必要がある。この場合、ウェハ接合時の荷重によって、図３（ｃ）のように被接合ウェハが傾いてしまうため、被接合ウェハが位置合わせを行った位置からずれてしまう。

一方で、研究用途ではダイシングや壁開によって分割された不定形のウェハが使用されることも多い。しかし、図１〜３に記載の従来技術のように、各被接合ウェハ上にアライメント用マークを形成し、アライメント装置を用いてＩＲ透過光や反射光による画像認識で位置合わせを行う方法では、装置の制約から不定形の被接合ウェハの高精度な位置合わせを行うことができないという課題があった。

このような課題を解決するために、本発明の第１の態様は、半導体デバイスのウェハ接合方法であって、半導体露光装置用マークが形成された第１のウェハを、第１のガラス基板に固定するステップと、前記第１のガラス基板上に、縮小投影型半導体露光装置を用いて前記半導体露光装置用マークを基準としたアライメント用マークを、少なくとも２カ所形成するステップと、半導体露光装置用マークが形成された第２のウェハを、第２のガラス基板に固定するステップと、前記第２のガラス基板上に、縮小投影型半導体露光装置を用いて前記半導体露光装置用マークを基準としたアライメント用マークを、前記第１のガラス基板上のアライメント用マークに対応する位置に形成するステップと、前記アライメント用マークを透過したＩＲ光源からの透過光の画像認識により、前記第１のウェハと前記第２のウェハとの位置合わせを行うステップと、前記第１のウェハと前記第２のウェハとの接合を行うステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様の半導体デバイスのウェハ接合方法であって、前記第１のガラス基板の前記第１のウェハとの接合部、及び前記第２のガラス基板の前記第２のウェハとの接合部には、それぞれ犠牲層が形成され、前記第１のウェハと前記第２のウェハとの接合を行った後に、それぞれの前記犠牲層を除去するステップをさらに含むことを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様の半導体デバイスのウェハ接合方法であって、前記第１のウェハは、前記第１のガラス基板の中央に配置され、前記第２のウェハは、前記第２のガラス基板の中央に配置されることを特徴とする。

本発明は、市販のウェハアライメント装置により、不定形の被接合ウェハ同士の高精度な位置合わせを行うことができる。特に、不定形のウェハの接合時においても、±数μｍ程度の高精度な位置合わせを実現することができる。

従来の半導体デバイスのウェハ接合の方法を説明する図である。（ａ）はウェハ接合の方法を説明する上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＢ−ＩＢにおける断面図である。 被接合ウェハのサイズ形状が装置仕様から外れる場合について説明する図である。 対応するサイズに形成したガラス基板上に不定形のウェハ接合の方法を説明する図である。（ａ）はウェハ接合の方法を説明する上面図であり、（ｂ）及び（ｃ）はは（ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢにおける断面図である。 本発明の一実施形態にかかるウェハ接合の方法を説明する図である。（ａ）はウェハ接合の方法を説明する上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢにおける断面図である。 本実施形態のウェハ接合方法におけるウェハをガラス基板へ固定する工程を示す図である。（ａ）〜（ｄ）は、それぞれの工程を示している。 本実施形態のウェハ接合方法におけるウェハをガラス基板へ固定する工程を示す図である。（ａ）〜（ｄ）は、それぞれの工程を示している。 本実施形態において、ウェハ同士を接合する際の位置合わせを行う工程を説明する図である。（ａ）〜（ｄ）は、それぞれの工程を示している。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図４は、本発明の一実施形態にかかるウェハ接合の方法を説明する図である。図４（ａ）はウェハ接合の方法を説明する上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢにおける断面図である。なお図４（ａ）は、説明のため、ウェハの位置をずらしている。図４に記載の半導体デバイスのウェハ接合方法は、例えば、ダイシングや劈開によって分割された半導体デバイスの不定形の被接合ウェハ４０１と４０２とを、従来の非特許文献１および２に記載のウェハアライメント装置を用いて赤外（ＩＲ）透過光や反射光による画像認識を使用して接合する方法である。不定形の被接合ウェハ４０１は定形のガラス基板４０３に固定され、不定形の被接合ウェハ４０２は定形のガラス基板４０４に固定され、被接合ウェハ４０１と４０２とを向かい合わせたうえで被接合ウェハ同士を接合する。ウェハアライメント装置は、少なくとも２カ所、ＩＲ光源（４０９−１、４０９−２）とＩＲカメラ（４１０−１、４１０−２）とを対抗させ、ＩＲ光源からのＩＲ光を被接合ウェハ４０２が固定されたガラス基板４０４に垂直に当てて、２枚のガラス基板４０３及び４０４を透過したＩＲ光を、ＩＲカメラにより認識する。２枚のガラス基板４０３及び４０４それぞれには、画像認識の対象となるアライメント用マークパタン又はバーニアパタンを形成し、ＩＲカメラにより認識した２枚のガラス基板それぞれのマークが一致するように被接合ウェハの位置を調整する。ここで、各ガラス基板上にそれぞれ最低２カ所、アライメント用マークを形成する必要がある。図４においては、ガラス基板４０３上にアライメント用マーク４０７−１及び４０７−２を形成し、ガラス基板４０４上にアライメント用マーク４０８−１、４０８−２を形成している。

被接合ウェハ４０１は、接着剤によりガラス基板４０３に固定されている。ガラス基板４０３の被接合ウェハ４０１を固定する部分には、特定の薬品に溶解する樹脂等の犠牲層４１１を塗布して、被接合ウェハの接合後ガラス基板４０３を剥離可能としている。また、被接合ウェハ４０２も、接着剤によりガラス基板４０４に固定されている。ガラス基板４０４の被接合ウェハ４０２を固定する部分にも、特定の薬品に溶解する樹脂等の犠牲層４１２を塗布して、被接合ウェハの接合後ガラス基板４０４を剥離可能としている。

ここで、本発明のウェハ接合方法の工程を説明する。図５および図６は、本実施形態のウェハ接合方法におけるウェハをガラス基板へ固定する工程を示す図である。図５（ａ）〜図５（ｄ）および図６（ａ）〜図６（ｄ）は、それぞれの工程における、図４（ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢにおける断面図を示している。

まず、図５を参照して被接合ウェハ４０１とガラス基板４０３との接合について説明する。最初に、被接合ウェハ４０１の接合面の反対側の面に、ウェハ位置認識用の半導体露光装置用マークであるｉ線ステッパ用マーク４０５−１及び４０５−２を形成する（図５（ａ））。ｉ線ステッパ用マーク４０５−１及び４０５−２は、被接合ウェハ４０１の最低２か所以上に、公知のフォトリソグラフィおよび真空蒸着法、リフトオフ法、エッチング技術等を用いてパタニングする。ｉ線ステッパ用マーク４０５−１及び４０５−２は、周囲とのコントラストがとれれば絶縁膜、金属膜、及び半導体のいずれであっても良い。

次に、被接合ウェハ４０１の接合面と反対側の面（ｉ線ステッパ用マーク４０５−１及び４０５−２をパタニングした面）に、ＵＶ硬化接着剤４１３を塗布し、ガラス基板４０３に貼り付けた上で、ＵＶ光を照射し、接着剤を硬化して、ガラス基板４０３上に被接合ウェハ４０１を仮固定する（図５（ｂ））。その際、被接合ウェハ４０１が、ガラス基板４０３の中央に配置されるように、位置合わせ用治具で位置合わせを行った上で仮固定する。なお、ガラス基板４０３の大きさは、ウェハ接合用のアライメント用マークを形成する余地があるサイズであれば良く、本実施形態においては、６インチのガラス基板を用いている。ここで、６インチのガラス基板４０３としては、犠牲層４１１がコートされているものを用い、被接合ウェハ４０１をガラス基板４０３から剥離可能とする。なお、犠牲層４１１としては、熱可塑性樹脂及びリムーバ等の特定の薬品に溶解する樹脂等、例えば住友３Ｍ社製のLight-To-Heat-Conversion（ＬＴＨＣ）Release Coating等を用いることができる。

次に、被接合ウェハ４０１を仮固定したガラス基板４０３上にレジスト４１５を塗布し（図５（ｃ））、ガラス基板４０３上の部分にウェハ接合用のアライメント用マーク４１７−１及び４１７−２を形成する（図５（ｄ））。レジスト４１５は、公知のスピンコート法を用いて塗布し、ウェハ接合用のアライメント用マーク４１７−１及び４１７−２は、縮小投影型半導体露光装置（ｉ線ステッパ）を用いた公知のフォトリソグラフィ及び真空蒸着法、並びにリフトオフ法によって形成する。このとき、アライメント用マーク４１７−１及び４１７−２は、ＩＲ光源およびＩＲカメラの可動範囲内に形成することとする。さらに、被接合ウェハ４０１上に形成したｉ線ステッパ用マーク４０５−１及び４０５−２を、ｉ線ステッパで認識させることで、被接合ウェハ４０１とガラス基板４０３との貼り付けの位置関係に関わらず、被接合ウェハ４０１とアライメント用マークアライメント用マーク４１７−１及び４１７−２との位置関係は、ｉ線ステッパのパタニング精度と同等の制度を有することができる。

次に、図６を参照して被接合ウェハ４０２とガラス基板４０４との接合について説明する。図６の接合方法についても、図５の接合方法と同様のプロセスを行っている。簡単に説明すると、最初に、被接合ウェハ４０２の接合面と反対側の面に、ｉ線ステッパのウェハ位置認識用マークであるｉ線ステッパ用マーク４０６−１及び４０６−２を形成する（図６（ａ））。

次に、被接合ウェハ４０２の接合面と反対側の面（ｉ線ステッパ用マーク４０６−１及び４０６−２をパタニングした面）に、ＵＶ硬化接着剤４１４を塗布し、ガラス基板４０４に貼り付けた上で、ＵＶ光を照射し、接着剤を硬化して、ガラス基板４０４上に被接合ウェハ４０２を仮固定する（図６（ｂ））。その際、被接合ウェハ４０２が、ガラス基板４０４の中央に配置されるように、位置合わせ用治具で位置合わせを行った上で仮固定する。

次に、被接合ウェハ４０２を仮固定したガラス基板４０４上にレジスト４１６を塗布し（図６（ｃ））、ガラス基板４０４上の部分にウェハ接合用のアライメント用マーク４１８−１及び４１８−２を形成する（図６（ｄ））。ここで、アライメント用マーク４１８−１及び４１８−２は、アライメント用マーク４１７−１及び４１７−２に対応する位置に形成する。つまり、アライメント用マーク４１８−１及び４１８−２とｉ線ステッパ用マーク４０６−１及び４０６−２との距離が、第１のガラス基板上のアライメント用マーク４１７−１及び４１７−２とｉ線ステッパ用マーク４０５−１及び４０５−２との距離と同一になるように形成する。

図７は、本実施形態において、ウェハ同士を接合する際の位置合わせを行う工程を説明する図である。図７（ａ）〜図７（ｄ）は、それぞれの工程における、図４（ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢにおける断面図を示している。

まず、ガラス基板４０３上の被接合ウェハ４０１、又はガラス基板４０４上の被接合ウェハ４０２に、公知のスピンコート法を用いて接着剤を塗布する（本実施形態においては被接合ウェハ４０２、図７（ａ））。接着剤は熱硬化性樹脂接着剤、又はＵＶ硬化樹脂接着剤等を用いれば良く、例えばベンゾシクロブテン（Benzocyclobutene：ＢＣＢ）等が該当する。

次に、非特許文献１および２に記載のウェハアライメント装置により、ガラス基板同士の位置合わせ行う（図７（ｂ））。

位置合わせは、まず、ガラス基板４０３の非接合ウェハ４０１を固定した面とガラス基板４０４の非接合ウェハ４０３を固定した面とを向かい合わせる。次に、ＩＲ光源４０９−１から、アライメント用マーク４１７−１に対してＩＲ光を照射する。また、ＩＲ光源４０９−２から、アライメント用マーク４１７−２に対してＩＲ光を照射する。ＩＲ光は、ガラス基板４０３のアライメント用マーク４１７−１及び４１７−２が形成された部分、さらにはガラス基板４０４のアライメント用マーク４１８−１及び４１８−２が形成された部分を透過する。ガラス基板４０３のアライメント用マーク４１７−１が形成された部分及びガラス基板４０４のアライメント用マーク４１８−１が形成された部分を透過したＩＲ光は、ＩＲカメラ４１０−１により画像認識される。また、ガラス基板４０４のアライメント用マーク４１７−２が形成された部分及びガラス基板４０４のアライメント用マーク４１８−２が形成された部分を透過したＩＲ光は、ＩＲカメラ４１０−２により画像認識される。認識された画像を確認しながら、アライメント用マーク４１７−１と４１８−１とが一致するように、またアライメント用マーク４１７−２と４１８−２とが一致するようにガラス基板４０３及び４０４の位置を調整する。

ここで、被接合ウェハ４０１と被接合ウェハ４０２との位置合わせ精度は、アライメント用マーク４１７−１、４１７−２、４１８−１及び４１８−２のパタニング位置精度と、ガラス基板同士の位置合わせ精度とをあわせたものになる。ガラス基板同士の位置合わせ精度は、ウェハアライメント装置における定形のウェハの位置合わせ精度で決まり、一般的に±数μｍ程度である。一方で、アライメント用マークのパタニング精度は、およそ数十ｎｍであり、ガラス基板同士の位置合わせ精度に比べて無視できるほど小さい。従って、本実施形態による方法で位置合わせを行った場合、被接合ウェハ４０１および被接合ウェハ４０２上に直接アライメント用マークを形成して位置合わせを行った場合と同等の精度で位置合わせを行うことができる。なお、ガラス基板中央に非接合ウェハを固定する際の精度は、治具の精度程度で十分であり、別途マーク等による位置合わせは必要ない。

次に、位置合わせしたガラス基板４０３及び４０４を接近させることにより被接合ウェハ４０１と被接合ウェハ４０２とを貼り合わせ、加熱、加圧又はＵＶ照射によって接着剤４１９を硬化させてウェハ接合を行う（図７（ｃ））。最後に、犠牲層４１１及び４１２をレーザ加熱により、又はリムーバ等の薬品により除去し、接合した被接合ウェハ４０１と被接合ウェハ４０２とをガラス基板４０３および４０４から剥離する（図７（ｄ））。これにより、高精度に位置合わせがされた接合ウェハを得ることができる。

１０１、１０２、２０１、２０２、３０１、３０２、４０１、４０２ ウェハ
１０３−１、１０３−２、２０３−１、２０３−２、３０７、４０９−１、４０９−２ ＩＲ光源
１０４−１、１０４−２、２０４−１、２０４−２、３０８、４１０−１、４１０−２ ＩＲカメラ
１０５−１、１０５−２、１０６−１、１０６−２、３０５、３０６、４０７−１、４０７−２、４０８−１、４０８−２ アライメント用マーク
３０３、３０４、４０３、４０４ ガラス基板
３０９ 接着剤
４０５−１、４０５−２、４０６−１、４０６−２ ｉ線ステッパ用マーク
４１１、４１２ 犠牲層
４１３−１、４１３−２、４１９ 接着剤

Claims (3)

1. 半導体露光装置用マークが形成された第１のウェハを、第１のガラス基板に固定するステップと、
   前記第１のガラス基板上に、縮小投影型半導体露光装置を用いて前記半導体露光装置用マークを基準としたアライメント用マークを、少なくとも２カ所形成するステップと、
   半導体露光装置用マークが形成された第２のウェハを、第２のガラス基板に固定するステップと、
   前記第２のガラス基板上に、縮小投影型半導体露光装置を用いて前記半導体露光装置用マークを基準としたアライメント用マークを、前記第１のガラス基板上のアライメント用マークに対応する位置に形成するステップと、
   前記アライメント用マークを透過したＩＲ光源からの透過光の画像認識により、前記第１のウェハと前記第２のウェハとの位置合わせを行うステップと、
   前記第１のウェハと前記第２のウェハとの接合を行うステップと
   を含むことを特徴とする半導体デバイスのウェハ接合方法。
2. 前記第１のガラス基板の前記第１のウェハとの接合部、及び前記第２のガラス基板の前記第２のウェハとの接合部には、それぞれ犠牲層が形成され、
   前記第１のウェハと前記第２のウェハとの接合を行った後に、それぞれの前記犠牲層を除去するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイスのウェハ接合方法。
3. 前記第１のウェハは、前記第１のガラス基板の中央に配置され、前記第２のウェハは、前記第２のガラス基板の中央に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体デバイスのウェハ接合方法。

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