JPWO2017168534A1 - 基板貼り合わせ装置および基板貼り合わせ方法 - Google Patents

基板貼り合わせ装置および基板貼り合わせ方法 Download PDF

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Abstract

第１の基板の表面および第２の基板の表面のそれぞれの一部を互いに接触させ、表面の接触した接触領域が一部から拡大するように、第１の基板と第２の基板とを互いに貼り合わせる基板貼り合わせ装置であって、少なくとも接触領域が拡大していく過程において、第１の基板および第２の基板の間に閾値以上の位置ずれが生じないように、第１の基板および第２の基板の少なくとも一方の温度を調節する温度調節部を備える。【選択図】図１２

Description

本発明は、基板貼り合わせ装置および基板貼り合わせ方法に関する。
２つの基板の表面を活性化し、活性化した表面同士を接触させることにより２つの基板を貼り合わせる装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２０１３−２５８３７７号公報
２つの基板に温度差を生じさせることにより、基板間の歪み量の差による位置ずれを補正する場合、基板同士を接触させたときに生じる熱伝達により温度差が小さくなってしまう。このため、温度差による補正が適切に行われていない状態で２つの基板が貼り合わされてしまう。
本発明の第１の態様においては、第１の基板の表面および第２の基板の表面のそれぞれの一部を互いに接触させ、表面の接触した接触領域が一部から拡大するように、第１の基板と第２の基板とを互いに貼り合わせる基板貼り合わせ装置であって、少なくとも接触領域が拡大していく過程において、第１の基板および第２の基板の間に閾値以上の位置ずれが生じないように、第１の基板および第２の基板の少なくとも一方の温度を調節する温度調節部を備える基板貼り合わせ装置が提供される。
本発明の第２の態様においては、第１の基板の表面および第２の基板の表面のそれぞれの一部を互いに接触させ、表面の接触した接触領域が一部から拡大するように、第１の基板と第２の基板とを互いに貼り合わせる基板貼り合わせ方法であって、少なくとも接触領域が拡大していく過程において、第１の基板および第２の基板の間に閾値以上の位置ずれが生じないように、第１の基板および第２の基板の少なくとも一方の温度を調節する温度調節段階を含む基板貼り合わせ方法が提供される。
上記の発明の概要は、発明の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発明となり得る。
基板貼り合わせ装置１００の模式図である。 基板２１０の模式的平面図である。 基板２１０を重ね合わせる手順を示す流れ図である。 基板２１１を保持した基板ホルダ２２１の模式的断面図である。 基板２１３を保持した基板ホルダ２２３の模式的断面図である。 貼り合わせ部３００の模式的断面図である。 貼り合わせ部３００の模式的断面図である。 貼り合わせ部３００の模式的断面図である。 貼り合わせ部３００の模式的断面図である。 貼り合わせ過程における基板２１１、２１３の状態を示す模式図である。 貼り合わせ部３００の模式的断面図である。 貼り合わせ過程における基板２１１、２１３の状態を示す模式図である。 貼り合わせ過程における基板２１１、２１３の状態を示す模式図である。 貼り合わせ基板２３０における位置ずれを示すグラフである。 貼り合わせ部３００における温度調節方法を示す模式図である。 貼り合わせ基板２３０のずれ量および倍率の分布を示すグラフである。 貼り合わせ基板２３０のずれ量および倍率の分布を示すグラフである。 貼り合わせ基板２３０のずれ量および倍率の分布を示すグラフである。 貼り合わせ基板２３０のずれ量および倍率の分布を示すグラフである。 貼り合わせ基板２３０のずれ量および倍率の分布を示すグラフである。 貼り合わせ基板２３０のずれ量および倍率の分布を示すグラフである。 貼り合わせ過程における基板２１１、２１３の状態を示す模式図である。 貼り合わせ過程における基板２１１、２１３の状態を示す模式図である。 貼り合わせ過程における基板２１１、２１３の状態を示す模式図である。 貼り合わせ過程における基板２１１、２１３の状態を示す模式図である。 貼り合わせ過程における基板２１１、２１３の状態を示す模式図である。 貼り合わせ過程における基板２１１、２１３の状態を示す模式図である。
以下、発明の実施の形態を説明する。下記の実施形態は、請求の範囲に係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１００の模式的平面図である。基板貼り合わせ装置１００は、筐体１１０と、筐体１１０の外側に配された基板カセット１２０、１３０および制御部１５０と、筐体１１０の内部に配された搬送部１４０、貼り合わせ部３００、およびプリアライナ５００を備える。筐体１１０の内部は温度管理されており、例えば、室温に保たれる。
一方の基板カセット１２０には、これから重ね合わせる複数の基板２１０が収容されており、他方の基板カセット１３０には、基板２１０を重ね合わせて作製された複数の貼り合わせ基板２３０が収容される。
搬送部１４０は、筐体１１０の内部における搬送機能を担う。搬送部１４０は、単独の基板２１０、基板ホルダ２２０、基板２１０を保持した基板ホルダ２２０、基板２１０を積層して形成した貼り合わせ基板２３０等を搬送する。
制御部１５０は、基板貼り合わせ装置１００の各部を相互に連携させて統括的に制御する。また、制御部１５０は、外部からのユーザの指示を受け付けて、貼り合わせ基板２３０を製造する場合の製造条件を設定する。
貼り合わせ部３００は、各々が基板２１０を保持して対向する一対のステージを有し、制御部１５０の制御の下に、ステージに保持した基板２１０を相互に位置合わせした後、互いに接触させて貼り合わせる。これにより、貼り合わせ基板２３０が形成される。
基板ホルダ２２０は、アルミナセラミックス等の硬質材料により形成され、基板２１０を吸着して保持する。基板貼り合わせ装置１００の内部において、基板ホルダ２２０は個々に基板２１０を保持して、基板２１０と一体的に取り扱われる。
貼り合わせ基板２３０を基板貼り合わせ装置１００から搬出するとき、貼り合わせ基板２３０は基板ホルダ２２０から分離され、基板ホルダ２２０は次に貼り合わされる基板２１０を保持すべくプリアライナ５００に搬送される。
プリアライナ５００は、搬送部１４０と協働して、基板貼り合わせ装置１００に搬入された基板２１０を基板ホルダ２２０に基板を保持させる。
基板貼り合わせ装置１００は、基板２１０として素子、回路、端子等が形成された基板の他に、未加工のシリコンウエハ、Ｇｅを添加したＳｉＧｅ基板、Ｇｅ単結晶基板、ＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ−ＶＩ族等の化合物半導体ウエハ、および、ガラス基板等を貼り合わせることもできる。また、回路が形成された回路基板と未加工の基板とを貼り合わせることも、回路基板同士、未加工基板同士等、同種の基板を貼り合わせることもできる。更に、貼り合わされる基板２１０は、それ自体が、既に複数の基板を積層して形成された貼り合わせ基板２３０であってもよい。
図２は、基板貼り合わせ装置１００において貼り合わされる基板２１０の模式的平面図である。基板２１０は、ノッチ２１４と、複数の回路領域２１６および複数のアライメントマーク２１８とを有する。
ノッチ２１４は、全体として略円形の基板２１０の周縁に形成されており、基板２１０を基板ホルダ２２０に保持するときの位置合わせ用の指標、回路領域２１６の配列方向等を知るための指標、または、１枚の基板２１０に互いに異なる回路領域２１６が形成されている場合は、回路領域２１６を区別するための指標として用いられる。
回路領域２１６は、基板２１０の表面に、基板２１０の面方向に周期的に配される。回路領域２１６の各々には、フォトリソグラフィ技術等より形成された半導体装置、配線、保護膜等が設けられる。回路領域２１６には、基板２１０を他の基板２１０、リードフレーム等に電気的に接続する場合に接続端子となるパッド、バンプ等の接続部を含む構造物も配される。
アライメントマーク２１８は、例えば、回路領域２１６相互の間に配されたスクライブライン２１２に重ねて配され、基板２１０を積層対象である他の基板２１０と位置合わせする場合に指標として利用される。アライメントマーク２１８は、回路領域２１６の内側に配してもよいし、回路領域２１６に形成された構造物の一部をアライメントマーク２１８として利用してもよい。
図３は、基板貼り合わせ装置１００において基板２１０を貼り合わせて貼り合わせ基板２３０を作製する手順を示す流れ図である。基板貼り合わせ装置１００の内部においては、基板２１０を１枚ずつ基板ホルダ２２０に保持させた状態で操作する。よって、制御部１５０は、まず、プリアライナ５００に、基板カセット１２０から取り出した基板２１０を一枚ずつ基板ホルダ２２０に保持させる。次いで、制御部１５０は、相互に貼り合わせる複数の基板２１０を、基板ホルダ２２０と共に貼り合わせ部３００に搬入させる（ステップＳ１０１）。
次に、制御部１５０は、基板２１０に設けられたアライメントマーク２１８を検出する（ステップＳ１０２）。また、制御部１５０は、検出したアライメントマーク２１８の位置に基づいて、貼り合わせる複数の基板２１０の相対位置を検出する（ステップＳ１０３）。
次に、制御部１５０は、基板２１０の表面を活性化する（ステップＳ１０４）。基板２１０は、例えば、基板２１０の表面をプラズマに暴露して清浄化することにより活性化できる。これにより、基板２１０を他の基板２１０に接触させた場合に、基板２１０同士が相互に接着されて一体化する。なお、基板２１０は、研磨等の機械的な処理により活性化することができる。
また、例えば液体または気体のエッチャントを用いて基板２１０の表面を化学的に清浄化することにより活性化することができる。また、基板２１０は、プラズマに暴露する方法の他に、不活性ガスを用いたスパッタエッチング、イオンビーム、または、高速原子ビーム等によりを活性化することもできる。イオンビームや高速原子ビームを用いる場合は、貼り合わせ部３００を減圧下において生成することが可能である。
更に、紫外線照射、オゾンアッシャー等により基板２１０を活性化することもできる。複数種類の活性化方法を併用してもよい。基板２１０の表面の活性化後、基板２１０の表面を親水化装置により親水化してもよい。
次に、制御部１５０は、貼り合わせる基板２１０の温度調節を開始する（ステップＳ１０５）。ここで実行される温度調節は、例えば、二つの基板２１０の歪み量の差による表面に沿った面方向の位置ずれを補正するための温度調節であり、二つの基板２１０の間に温度差を生じさせる。また、基板２１０の反り等の変形を、温度調節以外の方法を併せて補正してもよい。これにより、個々の基板２１０に固有の歪みがある場合であっても、複数の基板２１０を精度よく位置合わせできる。
尚、位置ずれとは、二つの基板２１０の間の相対位置のずれであり、後述するように二つの基板２１０が互いに位置合わせされたときの位置に対するずれ、もしくは、一方の基板２１０の位置を基準としたときの一方の基板２１０に対する他方の基板２１０のずれである。位置ずれは、二つの基板２１０の間で互いに対応する構造物同士やアライメントマーク同士の相対位置ずれとして現れる。位置ずれには、基板２１０の面内での基板２１０自体の移動および回転によって生じるずれ、および、二つの基板２１０に生じる後述する歪み量の差によって生じるずれが含まれ、基板２１０全体に生じるずれだけでなく基板２１０に部分的に生じるずれも含まれる。
次に、制御部１５０は、貼り合わせる複数の基板２１０を相互に位置合わせする（ステップＳ１０６）。位置合わせは、ステップＳ１０３において検出した基板２１０の相対位置に基づいて、一方の基板２１０を他方の基板２１０に対して相対移動させることにより実行される。
次に、制御部１５０は、基板２１０に貼り合わせの起点を形成すべく、位置合わせした基板２１０のそれぞれの表面の一部を相互に接触させる（ステップＳ１０７）。互いに接触した一部は、基板２１０同士が接触した領域である接触領域であり、貼り合わせを開始するときに形成される接触領域である。接触する一部は、点接触していることが好ましい。
貼り合わせる一対の基板２１０における貼り合わせの起点を形成する際、一方の基板２１０の一部を他の基板２１０の一部に向けて押すことにより、基板２１０の間に挟まれた雰囲気ガス等を押し出し、基板２１０の表面同士を直接に接触させる。このため、雰囲気ガスの粘性が高い場合、基板２１０の活性が低い場合は、二つの基板２１０を互いに接触させるまでに時間を要する場合がある。
この接触により、活性化された二つの基板２１０の接触領域が、水素結合のような化学結合により結合する。二つの基板２１０を一部で接触させた後、二つの基板２１０が互いに接触した状態を維持する。このとき、基板２１０同士を押し付けることにより、接触した一部の面積を大きくすることにより接触領域を広げてもよい。接触状態を維持した状態で所定の時間が経過すると、二つの基板２１０の貼り合わせの過程で基板２１０間に位置ずれが生じない大きさの結合力が二つの基板２１０の間に確保される。これにより、基板２１０の互いに接触した一部に貼り合わせの起点が形成される。
なお、基板２１０の面方向について複数箇所に貼り合わせの起点が形成された場合、複数の起点に挟まれた領域に残された気泡を貼り合わせの過程で排出できなくなり、最終的に完成した貼り合わせ基板２３０にボイドが生じる場合がある。そこで、基板２１０を貼り合わせる場合は、基板２１０の１箇所に貼り合わせの起点を形成して、当該貼り合わせの起点から接触領域を拡げることにより基板２１０全体を貼り合わせることが好ましい。
そこで、貼り合わせ部３００で基板２１０を貼り合わせる場合は、例えば、貼り合わせる基板２１０の一方に隆起部分を形成し、当該隆起部分を他方の基板２１０に接触させることにより、予め決定したひとつの位置に貼り合わせの起点を形成する。よって、基板２１０を貼り合わせる場合は、複数箇所に同時に起点が形成されて気泡等が基板２１０間に閉じ込められることを防止する目的で、起点が形成されるまでの間、基板の隆起部分の形状を維持し続けることが好ましい。
次に、制御部１５０は、一部が相互に押し付けられた基板２１０において起点が形成されたか否かを調べる（ステップＳ１０８）。これにより、基板２１０に貼り合わせの起点が形成されたことが検知された場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、制御部１５０は、少なくとも一方の基板２１０の保持を解除して解放する（ステップＳ１０９）。
このとき、基板２１０の一部に貼り合わせの起点が形成されると、起点では二つの基板２１０が上記した結合力により結合されているため、貼り合わせる複数の基板２１０の相対位置は、基板２１０の面方向について固定される。よって、制御部１５０が貼り合わせる基板２１０の少なくとも一方の保持を解除しても、接触領域が拡大していく過程で、二つの基板２１０間に位置ずれが生じることが抑制される。
一方の基板２１０の保持の解除により、基板２１０が相互に吸着しあって貼り合わされることが許容される。このとき、二つの基板２１０の表面がそれぞれ活性化後に親水化されている場合は、表面の水酸基の水素分子間の分子間力により、二つの基板２１０が互いに吸着し合う。
これにより、二つの基板２１０の接触領域は、起点から隣接する領域に順次拡がり、やがて、基板２１０全体が貼り合わされた状態となり、貼り合わせ基板２３０が形成される。よって、制御部１５０は、基板２１０に対する温度制御を終了し（ステップＳ１１０）、搬送部１４０に貼り合わせ基板２３０を貼り合わせ部３００から搬出させ（ステップＳ１１１）、基板ホルダ２２０を分離させた上で基板カセット１３０に収容させる。
ステップＳ１０８において基板２１０に起点が形成されていない場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）は、制御部１５０は、両方の基板２１０の保持を継続しつつ、貼り合わせの起点を形成すべく、基板２１０の一部を押し付け続ける。
図４は、ステップＳ１０１において貼り合わせ部３００に搬入される１枚の基板２１１が基板ホルダ２２１に保持された状態を示す模式的断面である。基板ホルダ２２１は、静電チャック、真空チャック等を有して基板２１１を保持面２２２に吸着して保持する。
基板ホルダ２２１の保持面２２２は、中央側が高く、周縁が低い湾曲した形状を有する。よって、保持面２２２に吸着された基板２１１も、中央側が突出した形状に湾曲する。また、基板ホルダ２２１が基板２１１を保持し続けている間は、基板２１０の凸状の形状が維持される。なお、基板ホルダ２２１の保持面２２２の形状は、球面、放物面、円筒面等であってもよい。
なお、保持面２２２に基板２１１が吸着された場合、湾曲した基板２１１においては、図中に一点鎖線で示す基板２１１の厚さ方向の中心部Ａに比較して、基板２１１の図中上面では、基板２１１の表面が面方向に拡大変形される。また、基板２１１の図中下面においては、基板２１１の表面が面方向に縮小変形される。
よって、基板２１１を基板ホルダ２２１に保持させることにより、基板２１１の表面に形成された回路領域２１６の、設計仕様に対する面内の倍率も拡大される。
図５は、他の基板２１３を基板ホルダ２２３に保持させた状態を示す模式的断面である。基板ホルダ２２３は、平坦な保持面２２４と、静電チャック、真空チャック等、基板２１３を吸着する機能とを有する。基板ホルダ２２３に吸着して保持された基板２１３は、保持面２２４に密着して、保持面２２４の形状に倣って平坦になる。
よって、貼り合わせ部３００において、図４に示した基板ホルダ２２１に保持されて凸状に変形した基板２１１を、図５に示した基板ホルダ２２３に平坦な状態で保持された基板２１３に接触させた場合、基板２１１、２１３は、中央の一点において接触する。また、基板ホルダ２２１、２２３の各々が基板２１１、２１３を保持している間は、基板２１１、２１３の周縁側の領域は、互いに離れた状態を保つ。
なお、上記の例では、凸状に変形させた基板２１１と平坦な基板２１３との組み合わせを例にあげた。しかしながら、例えば、基板２１１、２１３を両方とも凸状に変形させた場合、基板２１１、２１３を互いに曲率が異なる凸状と凹状に変形させた場合、基板２１１、２１３を、中心軸が平行ではない円筒状に変形させた場合も、貼り合わせ部３００において、基板２１１、２１３を一点で接触させることができる。
図６は、貼り合わせ部３００の構造を示す模式的断面図である。また、図６は、基板２１１、２１３および基板ホルダ２２１、２２３が搬入された直後の貼り合わせ部３００の状態を示す図でもある。貼り合わせ部３００は、枠体３１０、上ステージ３２２および下ステージ３３２を備える。
枠体３１０は、水平な床面３０１に対して平行な底板３１２および天板３１６と、床板に対して垂直な複数の支柱３１４とを有する。底板３１２、支柱３１４および天板３１６は、貼り合わせ部３００の他の部材を収容する直方体の枠体３１０を形成する。
上ステージ３２２は、天板３１６の図中下面に下向きに固定される。上ステージ３２２は、真空チャック、静電チャック等の保持機能を有して、基板ホルダ２２１を保持する保持部を形成する。図示の状態において、上ステージ３２２には、既に、基板２１１を保持した基板ホルダ２２１が保持されている。
下ステージ３３２は、上ステージ３２２に対向して配置され、底板３１２の上面に配されたＸ方向駆動部３３１に重ねられたＹ方向駆動部３３３の図中上面に搭載される。下ステージ３３２は、上ステージ３２２に保持された基板２１１に対向して、基板２１３を保持する保持を形成する。図示の状態において、下ステージ３３２には、既に、基板２１３を保持した基板ホルダ２２３を保持する。
なお、図示の状態では、湾曲した保持面２２２を有する基板ホルダ２２１が、図中下側に位置する上ステージ３２２に、平坦な保持面２２４を有する基板ホルダ２２３に保持された基板２１３が、図中下側に位置する下ステージ３３２に、それぞれ保持されている。しかしながら、上ステージ３２２および下ステージ３３２と、基板ホルダ２２１、２２３との組み合わせはこれに限らない。また、上ステージ３２２および下ステージ３３２の両方に、平坦な基板ホルダ２２３または湾曲した基板ホルダ２２１を搬入してもよい。
貼り合わせ部３００において、Ｘ方向駆動部３３１は、底板３１２と平行に、図中に矢印Ｘで示す方向に移動する。Ｙ方向駆動部３３３は、Ｘ方向駆動部３３１上で、底板３１２と平行に、図中に矢印Ｙで示す方向に移動する。これら、Ｘ方向駆動部３３１およびＹ方向駆動部３３３の動作を組み合わせて、下ステージ３３２は、底板３１２と平行に二次元的に移動する。これにより、下ステージ３３２に搭載した基板２１３を、上ステージ３２２に保持した基板２１１に対して位置合わせできる。
また、下ステージ３３２は、底板３１２に対して垂直に、矢印Ｚで示す方向に昇降する昇降駆動部３３８により支持される。下ステージ３３２は、Ｙ方向駆動部３３３に対して昇降できる。これにより、貼り合わせ部３００は、下ステージ３３２に搭載した基板２１３を、上ステージ３２２に保持した基板２１３に押し付ける押し付け部の一例である。
Ｘ方向駆動部３３１、Ｙ方向駆動部３３３および昇降駆動部３３８による下ステージ３３２の移動量は、干渉計等を用いて精密に計測される。また、Ｘ方向駆動部３３１およびＹ方向駆動部３３３は、粗動部と微動部との２段構成としてもよい。これにより、高精度な位置合わせと、高いスループットとを両立させて、下ステージ３３２に搭載された基板２１１の移動を、制御精度を低下させることなく高速に貼り合わせできる。
Ｙ方向駆動部３３３には、顕微鏡３３４および活性化装置３２６が、それぞれ下ステージ３３２の側方に更に搭載される。顕微鏡３３４は、上ステージ３２２に保持された下向きの基板２１３の下面を観察できる。活性化装置３３６は、上ステージ３２２に保持された基板２１３の下面を清浄化するプラズマを発生する。
なお、貼り合わせ部３００は、底板３１２に対して垂直な回転軸の回りに下ステージ３３２を回転させる回転駆動部、および、下ステージ３３２を揺動させる揺動駆動部を更に備えてもよい。これにより、下ステージ３３２を上ステージ３２２に対して平行にすると共に、下ステージ３３２に保持された基板２１１を回転させて、基板２１１、２１３の位置合わせ精度を向上させることができる。
更に、貼り合わせ部３００は、一対の顕微鏡３２４、３３４と、一対の活性化装置３２６、３３６とを有する。一方の顕微鏡３２４および活性化装置３２６は、天板３１６の下面において、上ステージ３２２の側方に固定される。顕微鏡３２４は、下ステージ３３２に保持された基板２１３の上面を観察できる。活性化装置３２６は、下ステージ３３２に保持された基板２１３の上面を清浄化するプラズマを発生する。
また、他方の顕微鏡３３４および活性化装置３３６は、Ｙ方向駆動部３３３において、下ステージ３３２の側方に搭載される。顕微鏡３３４は、上ステージ３２２に保持された基板２１１の下面を観察できる。活性化装置３３６は、上ステージ３２２に保持された基板２１１の下面を清浄化するプラズマを発生する。
顕微鏡３２４、３３４は、ステップＳ１０２において次のような手順で使用できる。制御部１５０は、図６に示すように、顕微鏡３２４、３３４の焦点を相互に合わせることにより、顕微鏡３２４、３３４の相対位置を較正する。
制御部１５０は、図７に示すように、Ｘ方向駆動部３３１およびＹ方向駆動部３３３を動作させて、顕微鏡３２４、３３４により基板２１１、２１３の各々に設けられたアライメントマーク２１８を検出させる（図３のステップＳ１０２）。制御部１５０は、アライメントマーク２１８を検出するまでの、Ｘ方向駆動部３３１およびＹ方向駆動部３３３による下ステージ３３２の移動量を把握している。
こうして、相対位置が既知である顕微鏡３２４、３３４で基板２１１、２１３のアライメントマーク２１８の位置を検出することにより、基板２１１、２１３の相対位置が判る（図３のステップＳ１０３）。これにより、重ね合わせる基板２１１、２１３を位置合わせする場合には、基板２１１、２１３間の表面に沿った面方向の位置ずれ量が所定の値よりも小さくなるように、基板２１１、２１３の相対的な移動量および回転量を含む相対移動量を算出すればよい。所定の値は、基板２１１、２１３の相互の貼り合わせが完了したときに、基板２１１，２１３間に電気的な導通が可能となるずれ量であり、基板２１１、２１３にそれぞれ接続部等の構造物が設けられている場合は、構造物同士が少なくとも一部で接触するときのずれ量である。所定の値は、例えば1.0μｍ以下であり、より好ましくは、0.5μｍ以下である。基板２１１，２１３間の位置ずれが閾値以上になった場合は、接続部同士が接触しない又は適切な電気的導通が得られない、もしくは接合部間に所定の接合強度が得られない。
ただし、貼り合わせ基板２３０を形成する個々の基板２１１、２１３には、個別に歪みが生じている場合がある。このため、基板２１１、２１３間の相対的な位置ずれ量が統計的に最小になるように、下ステージ３３２を平行移動させ、且つ、回転させても、この基板２１１、２１３間の歪み量の差によって生じる位置ずれにより、二つの基板２１１、２１３のアライメントマーク２１８の多くが一致しない場合がある。このため、基板２１１、２１３がそれぞれ個別に異なる歪みを有する場合は、ステップＳ１０６において、相対移動量を計算しても、基板２１１、２１３の位置ずれ量が所定の値よりも小さくならない場合がある。
基板２１１、２１３に生じる歪みには、基板２１１、２１３の反り、撓み等、基板２１１、２１３全体で一定の傾向を有する歪みすなわちＸ方向およびＹ方向のシフト成分、基板の中心周りの回転成分、および、基板の中心から放射方向に歪む倍率成分と、直交成分と、それら以外の非線形成分とが含まれる。直交成分は、例えば基板の中心を通る線分で分けた二つの領域で線分に沿って互いに反対方向に生じた歪みである。なお、倍率成分には、Ｘ方向およびＹ方向に同じ量だけ変形する等方倍率と、異なる量で変形する非等方倍率とが含まれ、非等方倍率は非線形成分に含まれる。
これらの歪みは、基板２１１、２１３におけるアライメントマーク２１８や回路領域２１６を形成するプロセスにより生じた応力、基板２１１、２１３の結晶配向に起因する異方性、スクライブライン２１２、回路領域２１６等の配置等に起因する周期的な剛性の変化等により生じる。また、基板２１１、２１３を貼り合わせる前に歪みが生じていない場合であっても、接触領域が拡大していく貼り合わせの過程で、既に接触した領域である接触領域と未だ接触していない領域である非接触領域との境界で基板２１１、２１３が変形して歪みを生じる場合もある。
このような基板２１１、２１３の歪み量の差により生じる基板２１１、２１３間の面方向の位置ずれを、少なくとも一方の基板の温度調節により補正する（ステップＳ１０５）。つまり、基板２１１、２１３の少なくとも一方の温度を調節することによって熱膨張または熱収縮を生じさせることにより、基板２１１、２１３の少なくとも一方の全体の大きさを変化させて、他方の基板との位置ずれを補正する。
温調により位置ずれを補正するとき、制御部１５０は、位置ずれを解消する補正量を、図示しない算出部に算出させる。算出部は、ステップＳ１０３で検出した二つの基板２１１、２１３の相対位置すなわち位置ずれ量に基づいて、一方の基板に対する他方の基板の拡大率または縮小率を算出する。このとき、接触領域が拡大する過程で基板２１１、２１３の少なくとも一方に生じる歪みによる位置ずれ量を予測または計測し、そのずれ量と、ステップＳ１０３で検出した位置ずれ量とに基づいて、拡大率または縮小率を算出してもよい。
次に、算出部は、補正対象となる基板２１１、２１３の熱膨張率を用いて、そのような拡大率または縮小率で基板を拡大または縮小するために求められる目標温度差を算出する。このとき、温度差と補正量との関係を対応付けたテーブルを予め記憶しておき、目標温度差の算出時にこのテーブルを参照してもよい。
尚、温調による補正に加えて、保持面２２２が湾曲または屈曲した基板ホルダ２２１に基板２１１を保持させることにより、基板２１１の位置ずれを補正することもできる。
更に、貼り合わせ部３００において、基板２１１、２１３を搭載する上ステージ３２２および下ステージ３３２の少なくとも一方に、基板２１１、２１３を機械的に変形させるアクチュエータを設けて、基板２１１、２１３の少なくとも一方を変形させて補正することもできる。これにより、貼り合わせ部３００は、基板２１１、２１３の位置ずれを、位置ずれの原因となる歪みの成分（線形成分、非線形成分）を問わず補正できる。
図８は、貼り合わせ部３００が基板２１１、２１３を活性化する動作（図３のステップＳ１０４）を示す。制御部１５０は、下ステージ３３２の位置を初期位置にリセットした後に水平に移動させることにより、活性化装置３２６、３３６が生成したプラズマを基板２１１、２１３の表面に端から順に照射する。これにより、基板２１１、２１３のそれぞれの表面が清浄化され、化学的な活性が高くなる。このため、基板２１１、２１３は、互いに接触した場合に、自律的に吸着して貼り合わされる状態になる。
なお、活性化装置３２６、３３６は、顕微鏡３２４、３３４の各々から遠ざかる方向にプラズマＰを放射する。これにより、プラズマが照射された基板２１１、２１３から発生した破片が顕微鏡３２４を汚染することが防止される。
本実施例では、貼り合わせ部３００は、基板２１１、２１３を活性化する活性化装置３２６、３２６を備えているが、貼り合わせ部３００とは別に設けた活性化装置３２６、３２６を用いて予め活性化した基板２１１、２１３を貼り合わせ部３００に搬入することにより、貼り合わせ部３００の活性化装置３２６を省略した構造にすることもできる。
また、基板２１１、２１３の少なくとも一方を活性化するステップＳ１０４と、基板２１１、２１３のいずれかを温度調節するステップＳ１０５とは、順番を入れ換えてもよい。即ち、上記の説明のように、基板２１１、２１３を活性化（ステップＳ１０４）した後に、基板２１１、２１３の少なくとも一方を温度調節（ステップＳ１０５）してもよいし、先に基板２１１、２１３の少なくとも一方を温度調節した後（ステップＳ１０５）に、基板２１１、２１３を活性化（ステップＳ１０４）してもよい。
図９は、貼り合わせ部３００が基板２１１、２１３を位置合わせする動作（図３のステップＳ１０６）を示す。制御部１５０は、最初に検出した顕微鏡３２４、３３４の相対位置と、ステップＳ１０２において検出した基板２１１、２１３のアライメントマーク２１８の位置とに基づいて、下ステージ３３２を移動させる。このとき、二つの基板２１１、２１３の間で互いに対応するアライメントマーク２１８同士の面方向の位置が一致するように、もしくは、アライメントマーク２１８同士の相対的な位置ずれ量が前記した所定の値よりも小さくなるように、下ステージ３３２を移動させてもよい。
図１０は、図９に示したステップＳ１０６の状態における基板２１１、２１３の様子を模式的に示す図である。図示のように、それぞれが基板ホルダ２２１、２２３を介して上ステージ３２２および下ステージ３３２に保持された基板２１１、２１３は、互いに位置合わせされた状態で対向する。
図１１は、貼り合わせ部３００が下ステージ３３２に保持された基板２１３を、上ステージ３２２に保持された基板２１１に押し付ける動作（図３のステップＳ１０７）を示す。制御部１５０は、昇降駆動部３３８を動作させて下ステージ３３２を上昇させることにより基板２１１、２１３を相互に接触させる。
図１２は、図１０に示したステップＳ１０７からステップＳ１０８にかけての基板２１１、２１３の様子を模式的に示す図である。図示のように、上ステージ３２２に保持された基板２１１の中央部が隆起しているので、下ステージ３３２が上ステージ３２２に接近すると、まず、基板２１１、２１３の中央部が接触する。更に、制御部１５０が昇降駆動部３３８の動作を継続することにより、基板２１１、２１３の中央部が相互に接触し、図２２に示すように、基板２１１、２１３に貼り合わせの起点２１９が形成される。尚、図２２から図２７は、それぞれ基板２１１、２１３の断面図である。また、基板２１１、２１３にそれぞれ示されている点線は、基板２１１、２１３の断面内における径方向の位置を示しており、基板２１１、２１３の中心から径方向に沿って等しい間隔をおき、且つ、二つの基板２１１、２１３間で互いに対応する位置に示されている。
この状態では、基板ホルダ２２１は、基板２１１、２１３の中央部以外の部分が接触しないように基板２１１を保持しており、基板２１１の周縁部は基板２１３から離れている。
図１３は、図３に示したステップＳ１０９における基板２１１、２１３の状態を示す図である。ステップＳ１０９においては、上ステージ３２２に保持された基板ホルダ２２１による保持が解除され、基板２１１が解放される。
基板２１１、２１３の表面は活性化されているので、一部が密着して貼り合わせの起点２１９が形成されると、基板２１１、２１３同士の分子間力により、隣接する領域が自律的に相互に吸着される。よって、例えば、上ステージ３２２における基板２１１の保持を開放することにより、基板２１１、２１３の接触領域は、隣接する領域に順次拡がる。
換言すれば、上ステージ３２２において基板２１１の保持が解除されるまでは、基板２１１、２１３の周縁部における接触が規制されている。このため、基板２１１が上ステージ３２２に保持されている間は、基板２１１、２１３の接触領域の拡大も抑制される。
基板ホルダ２２１からの基板２１１の解除により、基板２１１、２１３の接触領域が順次拡がっていくボンディングウェイブが発生する。やがて、ボンディングウェイブが基板２１１、２１３の周縁部に達したとき、基板２１１、２１３は、略全面にわたって貼り合わされる。二つの基板２１１、２１３が貼り合わされた状態では、基板２１１、２１３が全面的に水素結合のような化学結合により結合されている。こうして、基板２１１、２１３は、貼り合わせ基板２３０を形成する。
ステップＳ１０７の段階で上ステージ３２２に保持された状態の基板２１１は、中央付近が周縁付近よりも突出した状態で保持されている。よって、基板２１１、２１３が貼り合わされた領域の拡大は、基板２１１、２１３の中央から外縁に向かって拡大する。このため、貼り合わせる前の段階で基板２１１、２１３に挟まれていた雰囲気ガス、例えば大気は、基板２１１、２１３が貼り合わされた領域の面積が拡がる過程で、基板２１１、２１３の内側から外側に向かって押し出され、貼り合わされた基板２１１、２１３の間に気泡が残ることが防止される。
基板２１１、２１３が重ね合わされる過程で、基板２１１、２１３の間から気泡等を円滑に押し出すには、基板２１１、２１３の接触が開始された時点で、基板２１１、２１３の間に、気泡の移動を妨げない広さを有し、基板２１１、２１３の周縁で連続した隙間が形成されていることが好ましい。よって、保持面２２２が湾曲した基板ホルダ２２１に吸着させることによる基板２１１の変形は、ステップＳ１０７（図３）で基板２１３に接触させる段階において、気泡の押し出しが可能な一定の湾曲が残るような変形手順を選択することが好ましい。また、重ね合わせの段階で基板２１１の湾曲が少なくなることが予測される場合は、気泡を通す間隙を確保する目的で、下ステージ３３２に保持される基板２１３を保持する基板ホルダ２２３として、保持面２２４が湾曲した基板ホルダを用いてもよい。
また、上記の例では、ステップＳ１０９に、上ステージ３２２に保持された基板２１１の保持を解除した。しかしながら、同ステップにおいては、下ステージ３３２による保持を解除してもよいし、両方のステージにおいて基板２１１、２１３の保持を解除してもよい。
ただし、保持を解除した基板２１１は、基板ホルダ２２１からの吸着による歪みの補正も解除されることになる。よって、ステップＳ１０９において基板の保持を解除する場合は、基板間の位置ずれの原因となる面方向の歪みや反りの変形量が相対的に少なく、補正量がより小さい方の基板２１１、２１３の保持を解除することが好ましい。
また、ステップＳ１０９において基板２１１の保持を解除するタイミングは、ステップＳ１０８において判断される貼り合わせの起点２１９が形成されたか否かに依存する。換言すれば、保持部としての基板ホルダ２２１は、基板２１１、２１３の一部に貼り合された領域が形成されるまでの期間、基板２１１、２１３を保持し続ける。また、貼り合わせ部３００は、制御部１５０の制御の下に、基板２１１、２１３の一部に貼り合された領域が形成されるまでの期間、基板２１１、２１３を押し付け続ける。
ステップＳ１０９において基板２１１の保持を解除するタイミングは、ステップＳ１０７の後に基板２１１、２１３に形成される貼り合わせの起点２１９を検知して、検知結果に基づいて決定できる。貼り合わせの起点検知は、例えば、一部または全部が透明なステージを用いて、基板２１１、２１３を透過する波長で基板２１１、２１３を光学的に観察してもよい。また、下ステージ３３２を上昇させる昇降駆動部３３８の機械的負荷または電気的な負荷の変動を検出して、起点２１９の形成を判断する判断部を制御部１５０に実装し、この判断部による判断結果に基づいて起点２１９が形成されたことを判断してもよい。
また、貼り合わせ部３００における判断部としての制御部１５０は、ステップＳ１０８において、基板２１１、２１３の一部を押し付け始めてから、予め定めた時間が経過した場合に、基板２１１、２１３の一部が貼り合わされて起点２１９が形成されたと判断してもよい。判断の閾値となる時間は、例えば、貼り合わせる基板２１１、２１３と同じ仕様の基板を貼り合わせて、起点２１９が確実に形成される時間を予め決定しておいてもよい。
また、制御部１５０が、貼り合わせの起点２１９が形成されたと判断する時間は、基板２１１、２１３のロット毎または基板の種類毎に変更してもよい。時間の変更は、制御部１５０を通じて、貼り合わせの対象毎に手動で変更してもよいし、貼り合わせる基板２１１、２１３の種類と関連付けて保存した情報を参照して自動的に設定してもよい。
なお、貼り合わせ部３００においては、前記したように算出した温度差に基づいて、貼り合わせる基板２１１、２１３の少なくとも一方の温度を調節することにより、基板２１１、２１３の倍率差による位置ずれを補正する。
貼り合わされる基板２１１、２１３に温度差を設けた場合、基板２１１、２１３において起点２１９を形成する過程および接触領域が拡大していく過程で、基板２１１、２１３の接触領域において、基板２１１、２１３のうち温度が高い方の基板から温度が低い方の基板へと熱が伝わり、基板２１１、２１３の間の温度差が設定した温度差からずれる。温度が低い基板の接触領域から非接触領域に当該基板内を熱が伝わることにより非接触領域の温度が変化し、図２３に点線で示すように、非接触領域に変形が生じる。非接触領域に熱変形が生じると、図２４に示すように、両基板２１１、２１３の非接触領域同士を貼り合わせたときに、領域２３１において基板２１１、２１３間に位置ずれが生じる。この位置ずれは、図２４において、基板２１１、２１３間で互いに対応する点線の位置がずれていることで示されている。この変形には、基板２１１、２１３の面方向に沿った伸縮変形や反り変形が含まれる。
そこで、基板２１１、２１３の一部が接触して接触領域が形成されて、その一部における２１１、２１３温度差が小さくなり始めてから、その温度差が予め定めた許容範囲の値よりも小さくなる前に、すなわち、接触領域からの熱伝達により二つの基板２１１、２１３の非接触領域の温度が変化して非接触領域の間の温度差が所定の範囲を超える前に、すなわち、基板２１１、２１３の少なくとも一方の非接触領域に変形が生じることにより、非接触領域の間に閾値以上の位置ずれが生じる前に、基板２１１、２１３の一方の保持を解除して、接触領域の拡大を開始させる。拡大する接触領域の外周にはボンディングウェイブが発生して、基板２１１、２１３の接触領域が拡がっていく。
ここで、基板２１１、２１３において接触領域となった部分では、基板２１１、２１３間の温度差が減少しても、基板２１１、２１３相互の機械的な結合により、ずれの発生または拡大は抑制される。一方、基板２１１、２１３が未だ接触していないボンディングウェイブの外側になる基板２１１、２１３の非接触領域では、隣接する接触領域において接触した基板２１１、２１３の間の熱伝導により基板２１１、２１３間の温度差が減少する。このため、基板２１１、２１３の温度差が予め設定した許容範囲よりも多く減少すると、基板２１１、２１３にずれが生じる。
なお、非接触領域における温度差の変化は、基板２１１、２１３における貼り合わせ面の平坦性等の状態、接触領域の拡大が開始されるまでに基板２１１、２１３の接触状態が継続する時間、基板２１１、２１３の厚さ、熱伝導率等の諸特性に基づいて予測できる。よって、上記の適切な許容範囲を予め設定することができる。
また、上記の基板２１１、２１３の間の温度差は、互いに接触する面において生じていればよく、基板２１１、２１３全体に温度差が生じていなくてもよい。よって、基板２１１、２１３の接触を検出してから温度差が予め定めた許容範囲の値よりも小さくなる前に接触領域の拡大を開始させることにより、図２５に示すように、実効的な基板２１１、２１３の温度差を維持して、位置ずれを生じることなく基板２１１、２１３を貼り合わせることができる。
図１４は、温度差を有する基板２１１、２１３を貼り合わせる場合に貼り合わせ基板２３０に生じた接合後の平均倍率と非線形ずれ量の一例を示すグラフである。平均倍率は、貼り合わされた基板２１１、２１３の面内の複数箇所における基板２１１、２１３間の倍率差の平均である。非線形ずれ量は、基板２１１、２１３の接触から貼り合わせ完了までの過程で生じた非線形成分の歪みによる基板２１１、２１３間のずれ量である。
図示の例では、貼り合わせ開始の当初、倍率差および非線形ずれ量が生じていない基板２１１、２１３に５℃の温度差を形成し、二つの基板２１１、２１３のうち一方の基板に対して他方に正の倍率変形を生じさせている。グラフの横軸には、ステップＳ１０７（図３参照）に基板２１１、２１３の一部を接触させてから、ステップＳ１０９（図３参照）に基板２１１、２１３の保持を解除するまでの待機時間が示される。平均倍率および非線形ずれ量のそれぞれのグラフの変化率は、貼り合わされる二つの基板２１１、２１３の熱伝達率によって変化する。
図示のグラフには、５℃の温度差を設定した基板２１１、２１３を貼り合わせるにあたって、基板２１１、２１３の一部を接触させてから、１秒後、２秒後、５秒後および１０秒後に一方の基板２１１の保持を解除して基板２１１、２１３全体を貼り合わせた場合の、貼り合わせ基板２３０の平均倍率と、非線形ずれ量とをプロットした。
図示のように、基板２１１の保持を解除するまでの待機時間すなわち基板２１１の一部を基板２１３に接触させた状態を維持した時間が長くなるほど、基板２１１、２１３を貼り合わせた後の平均倍率は減少する。これは、基板２１１、２１３を押し付けた状態の待機時間が長くなるにつれて、基板２１１、２１３の温度が高い方から低い方へと熱が伝達され、二つの基板２１１、２１３の温度がほぼ等しくなることにより、二つの基板２１１、２１３の熱による変形量もほぼ等しくなるためであると推測される。よって、温度差による倍率補正が施された基板を他の基板に貼り合わせるとき、すなわち、温度差により倍率差が所定の値よりも小さくなっている二つの基板を貼り合わせるときに、待機時間が長くなるほど、貼り合わせ前に一方の基板に生じさせた変形が基板間の熱伝達により解消されて倍率差が大きくなる。
一方、時間の経過と共に、互いに接触した二つの基板２１１、２１３の一方から他方への熱の伝達量が大きくなるので、基板２１１の保持を解除するまでの待機時間が長くなるほど、基板２１１、２１３を貼り合わせた後の非線形ずれ量も大きくなる。よって、温度差による倍率補正と、非線形ずれ量の抑制という観点からは、基板２１１の保持を解除するまでの待機時間は、短い方が好ましいと考えられる。また、二つの基板２１１、２１３に設定する温度差が大きいほど熱伝達が早いため、補正量が大きくなるに従って、待機時間を短くすることが好ましく、補正精度が高いほど待機時間を短くすることが好ましい。
ただし、ステップＳ１０７（図３参照）において、貼り合わせの起点２１９が形成される前すなわち二つの基板２１１、２１３間に所定の結合力が確保される前に一方の基板２１１の保持を解除した場合、貼り合わせ過程で基板２１１、２１３間に位置ずれが生じる。よって、起点２１９を形成する観点では、所定の結合力が生じるまで待機時間を確保する必要がある。従って、基板２１１、２１３を貼り合わせる場合は、基板２１１、２１３に起点２１９が形成された後であって、且つ、基板２１１、２１３の温度差が予め定められた閾値よりも小さくなる前すなわち基板２１１、２１３の少なくとも一方に変形が生じることにより基板２１１、２１３間の倍率差および非線形ずれ量を含むずれ量が閾値以上になる前に、一方の基板２１１を解放して接触領域の拡大を開始することが好ましい。
上記の接触領域の拡大を開始するときのずれ量の閾値は、基板２１１、２１３の相互の貼り合わせが完了したときに、基板２１１，２１３間に電気的な導通が可能となるずれ量であり、基板２１１、２１３にそれぞれ接続部等の構造物が設けられている場合は、構造物同士が少なくとも一部で接触するときのずれ量である。基板２１１，２１３間の位置ずれが閾値以上になった場合は、接続部同士が接触しない又は適切な電気的導通が得られない、もしくは接合部間に所定の接合強度が得られない。つまり、閾値は、基板２１１、２１３の貼り合わせが完了した際の位置ずれの許容範囲の最大値すなわち許容値であり、例えば基板２１１、２１３の種類、接合プロセス、および、基板貼り合わせ装置１００毎に、予め定められている。例えば、基板２１１、２１３間の温度差を小さくして４℃に設定することにより、平均倍率を小さくすることによって、待機時間が１秒で非線形ずれ量を小さくすることができる。
貼り合わせる基板２１１、２１３に貼り合わせの起点２１９が形成されるに足る待機時間を予め測定または算出して、当該待機時間の間に減少する基板２１１、２１３の温度差を見込んで、基板２１１、２１３の貼り合わせを開始する時点での温度差を、二つの基板２１１、２１３のずれ量の補正に必要となる目標温度差よりも大きくしておいてもよい。この場合、基板２１１、２１３に当初設定される温度差は、例えば、待機時間後にステップＳ１０９を開始した時点で、基板２１１、２１３の倍率が補償される温度差となるように決定してもよい。この場合、基板２１１、２１３の接触により温度差が、目標温度差を含む所定の範囲を下回る前に、接触領域の拡大を開始することが好ましい。
また、基板２１１、２１３の温度差による倍率補正の観点からすると、基板２１１、２１３の貼り合わせが完了した時点、即ち、基板２１１、２１３に形成され起点２１９からの接触領域の拡大が終了した時点で、基板２１１、２１３間の温度差が所定の範囲内に入るように、予め温度差を大きく設定しておいてもよい。所定の範囲は、二つの基板２１１、２１３の前記した位置ずれ量の許容範囲に対応して設定され、温度差が所定の範囲を超えると、基板２１１、２１３の接続部同士が接触しない又は適切な電気的接続を得ることができない、もしくは接合部間に所定の接合強度が得られない。設定する温度差、および、一方の基板の保持を解除するタイミングは、後述するように、接触領域の拡大中に基板２１１、２１３間の伝熱により生じる温度の変化量を考慮して、設定される。
図１５は、貼り合わせ部３００において基板２１１、２１３の温度調節をする温度調節部の一例を示す模式図である。前記したように、起点形成時に二つの基板２１１、２１３の接触により熱伝達が生じ、基板２１１、２１３間の温度差が設定した温度差よりも小さくなる。この現象は、基板２１１、２１３の接触領域が拡大する過程でも同様に生じる。このため、温度調節部は、基板２１１、２１３が互いに接触してから貼り合わせが完了するまでの間において、温度差を付けた基板２１１、２１３の少なくとも一方の基板と外部との熱の交流を制御し、基板２１１、２１３の温度差を所定の範囲内に維持する。外部には、他方の基板、および、基板２１１、２１３の雰囲気ガス等が含まれる。
図１５に示す例では、温度調節部は、下ステージ３３２に内蔵された複数のヒータ３３９を有する。複数のヒータ３３９は、接触領域が拡大していく方向すなわち下ステージ３３２の径方向に分割して設けられ、制御部１５０により個別に発熱量が調節される。複数のヒータ３３９は、基板２１３を保持する基板ホルダ２２３を加熱して温度調節することにより、基板ホルダ２２３に保持された基板２１３を複数のヒータ３３９に対応する領域毎に温度調節する。
基板２１３を温調するとき、基板ホルダ２２３への基板２１３の保持を一旦解除し、温調により基板２１３を変形させた後、図２６に示すように、基板２１３を基板ホルダ２２３に再度保持する。これにより、基板２１３の倍率を含む歪み量を、基板２１１の歪み量に応じて調整して、図２７に示すように、位置ずれの抑制された貼り合わせ基板２３０を作製できる。ヒータ３３９としては、抵抗加熱ヒータの他、ペルチェ効果素子、誘導加熱装置、赤外線照射装置等、他の加熱装置を用いてもよい。
制御部１５０は、二つの基板２１１、２１３の接触領域が拡大していく過程において、接触領域と非接触領域との境界の移動位置すなわち基板２１１、２１３が接触して熱伝達が行われる位置に応じて、その位置に対応するヒータ３３９の温度を順に調整する。ヒータ３３９の温度は、少なくとも熱伝達により基板２１３の温度が下がった分を上昇させて、二つの基板２１１、２１３の温度差が所定の範囲内で維持するように設定される。
具体的には、基板２１３の非接触領域のうち境界に隣接する部分の熱が基板２１３内を伝わって基板２１３の接触領域から基板２１１に伝わるため、当該部分と当該部分に対応する基板２１１の部分との間の温度差が予め設定された所定の範囲内に入るように、当該部分に対応するヒータ３３９を制御する。境界の移動に伴って、基板２１３の中心から周縁部に向けて、複数のヒータ３３９の制御を順に行う。これにより、基板２１１、２１３の非接触領域の互いに対応する部分が互いに接触するまで、当該部分の間の温度差が所定の範囲内に維持される。つまり、接触領域の相互の接触時の熱交換によって非接触領域の互いに対応する部分の間の温度差が所定の範囲外になることが抑制される。接触領域と非接触領域との境界の位置を検出する検出部を設け、この検出部の検出結果に基づいて制御すべきヒータ３３９を決定してもよい。
尚、基板ホルダ２２３への基板２１３の保持力が、温度低下による基板２１３の熱変形力よりも大きい場合は、接触領域の境界の位置変化に応じたヒータ３３９の制御を不要とすることができる。
また、図示の例では、温度調節部は、上ステージ３２２に保持された基板ホルダ２２１に形成された複数の通気孔２２５を有する。基板ホルダ２２１の通気孔２２５は、上ステージ３２２に設けられた給気孔に連通している。温度調節部は、基板２１１の保持を解除するとき又は解除した後に、基板２１１に向かって気体を噴射して吹きつける。このとき、接触領域と非接触領域との境界の移動位置に応じて、その位置に対応する通気孔２２５から基板２１１に気体を噴射する。
また、温度調節部は、通気孔２２５を通して噴出する気体の温度を調節する。図示の例のように、基板２１１の歪み量を基準にして基板２１３が加熱により変形されている場合、基板２１３からの熱伝達により基板２１１が変形するため、気体の温度は、その変形により基板２１１、２１３間に生じるずれが抑制される温度に設定される。
具体的には、基板２１３から接触領域を通して基板２１１に伝わった熱が基板２１１内を伝わって基板２１１の非接触領域のうち境界に隣接する部分に伝わるため、当該部分と当該部分に対応する基板２１３の部分との間の温度差が予め設定された所定の範囲内に入るように、当該部分に対応する通気孔２２５からの気体の温度を制御する。
図示の状態は、図３におけるステップＳ１０９の直後の状態を示し、基板２１１、２１３は、中央部において貼り合わされているが、周縁は未だ貼り合わされていない。この状態で、通気孔２２５から図中上側の基板２１１に向かって噴射する気体の温度を調節することにより、保持を解除した後の基板２１１の温度を能動的に調節しつつ、基板２１１、２１３の貼り合わせを進行させることができる。
このような温度調節部による温調により、二つの基板２１１、２１３の少なくとも一方において、接触領域における熱交換により、まだ接触していない非接触領域の温度が変化することが抑制される。
上記した例において、基板２１１の領域毎に補正量が異なる場合は、各領域に対応する通気孔２２５から噴射される気体の温度、および、ヒータ３３９の温度の少なくとも一つを、その領域の補正量に応じた温度に設定してもよい。
また、例えば赤外線温度センサのような温度センサ等の検出部の検出結果に基づいて、起点形成の過程および接触領域が拡大する過程で変化する基板２１１、２１３の温度をリアルタイムで検出または予測し、検出または予測した温度に基づいて、噴射される気体の温度およびヒータ３３９の温度を調整してもよい。
また、上記した例では、接触領域の拡大の進行に応じてヒータ３３９および気体の温度を順に調整する例を示したが、これに代えて、または、これに加えて、以下の方法でヒータ３３９および気体の温度を設定してもよい。
基板２１１、２１３を互いに接触させる前に、貼り合わせ過程で生じる基板２１１、２１３の温度変化を予測し、その温度変化に基づいて、複数のヒータ３３９の個々の温度、および、複数の通気孔２２５の個々から噴射される気体の温度を設定する。この場合、例えば、基板２１１、２１３の表面の活性化度合、基板２１１、２１３同士が接触してから貼り合わせが完了するまでの時間、接触領域が拡大する速度すなわち境界の進行速度、および、基板２１１、２１３の厚さ、基板２１１、２１３内の熱伝達速度等を考慮して、基板２１１、２１３の温度変化が予測される。
または、貼り合わされる二つの基板２１１、２１３と同じ条件で製造された基板を予め実験的に貼り合わせ、その結果から、ヒータ３３９または気体の温度と、基板２１１、２１３の変形量と、基板２１１、２１３間の温度差との関係を記憶しておき、これに基づいてヒータ３３９および気体の温度を設定する。
図１５の例では、貼り合わせ時に保持が解除される基板２１１の歪み量を基準として基板２１３を温調した例を示したが、基板２１３の歪み量を基準として基板２１１を温調してもよい。この場合も、制御部１５０は、基板２１１、２１３が互いに接触してから貼り合わせが完了するまでの間において、基板２１１、２１３の温度差が所定の範囲内に維持されるようにヒータ３３９および気体の噴出の少なくとも一方を制御する。
このように、貼り合わせ部３００は、基板２１１、２１３の各々に個別の温度調節デバイスを有し、基板２１１、２１３を個別に温度調節することにより、上ステージ３２２による保持から解放された後であっても、基板２１１を能動的に温度調節できる。よって、基板２１１が解放された後も、基板２１１、２１３の温度差を維持できる。
図１５に示す例では、起点形成過程および貼り合わせ過程において基板２１１、２１３間の温度差を維持する例を示したが、これに代えて、または、これに加えて、以下の方法により基板２１１、２１３の温度差が設定した温度差よりも小さくなることを抑制することができる。
二つの基板２１１、２１３の起点形成にかかる時間の短縮および接触領域の拡大の速度の向上を図り、基板２１１、２１３間の熱伝達によって基板２１１、２１３の少なくとも一方が変形する前に、基板２１１、２１３を互いに接合する。この場合、基板２１１、２１３間の水素結合等の化学結合力を向上させるために、基板２１１、２１３の表面の活性化度合を変更する。
二つの基板２１１、２１３を減圧下で接合してもよい。これにより、二つの基板２１１、２１３間で気体を介した熱伝達が抑制される。この場合、貼り合わせ部３００内を予め減圧しておいてもよく、起点形成開始の段階から貼り合わせ完了までの貼り合わせ過程においてのみ、貼り合わせ部３００内または基板２１１、２１３の周囲だけを減圧してもよい。
二つの基板２１１、２１３のうち少なくとも温度調節された基板の周囲の温度を、当該基板の温度に対する差が所定の範囲となるように制御してもよい。所定の範囲は、二つの基板２１１、２１３のずれ量の許容範囲に対応して設定される。例えば、基板２１１を温調により補正している場合は、基板ホルダ２２１と基板２１３との間の温度を、基板２１１の温度に対する差が所定の範囲になるように制御する。
図１６は、貼り合わせ基板２３０のずれ量および倍率の分布を示すグラフである。図１６においては、当初、上ステージ３２２に保持されていた基板２１１を、基板ホルダ２２１の保持から解放された後も通気孔２２５を使用して温度調節を継続しつつ貼り合わせ場合について、貼り合わせ基板２３０におけるずれ量および倍率の分布を示す。なお、基板２１１、２１３の貼り合わせにおいては、基板２１１、２１３の中央部において、下ステージ３３２側の基板２１３の温度が、上ステージ３２２側の基板２１１の温度よりも５℃高くなるように温度調節した。
図１６に示すグラフの横軸は、基板ホルダ２２１から解放された基板２１１に対する熱伝達率を示す。また、同グラフの縦軸は、図１４と同様に、貼り合わせ後の平均倍率と、貼り合わせ基板２３０における非線形ずれ量とを示す。
図示のように、基板ホルダ２２１から解放された後も能動的な温度調節を継続することにより、基板２１１の温度による倍率補正が維持される。これにより、貼り合わせ後に得られた貼り合わせ基板２３０においても、非線形ずれ量が低減される。
このように、貼り合わせ部３００は、ステップＳ１０７（図３参照）からステップＳ１０９（図３参照）までの待機時間中および貼り合わせ過程に、基板２１１、２１３の少なくとも一方の温度を積極的に調節する温度調節部を設けてもよい。この温度調節部は、ステップＳ１０９（図３参照）が実行されるまでの間、予め決定された補正量が得られる温度差を維持すべく、待機時間中も、基板２１１、２１３の少なくとも一方の加熱または冷却を継続する。これにより、基板２１１、２１３の温度差が維持された状態で基板２１１、２１３の貼り合わせが進行し、基板２１１、２１３を精度よく位置合わせした状態で貼り合わせることができる。
図１７は、貼り合わせ基板２３０のずれ量および倍率の分布を示すグラフである。図１７においては、図１５に示した下ステージ３３２のヒータ３３９を用いて温度調節することにより、図中下側の基板２１３に、径方向の温度勾配を持たせつつ貼り合わせした場合について、貼り合わせ基板２３０におけるずれ量および倍率の分布を示す。
ここで、基板２１３に形成した温度勾配は、基板２１３の中央部に対して、基板２１３の周縁側がより高くなるように設定した。
これにより、基板２１１、２１３の貼り合わせが進行する間に、基板２１３に対して貼り合わされる基板２１１に基板２１３から熱が伝達されることにより基板２１１の温度が上昇した場合であっても、基板２１１、２１３が貼り合わされた領域が基板の周縁まで拡がるまで、基板２１１、２１３相互の温度差が維持される。よって、温度差による倍率補正が、基板２１１、２１３全体の貼り合わせに対して有効になる。
なお、図１５には、下ステージ３３２のヒータ３３９と、上ステージ３２２に保持される基板ホルダ２２１の通気孔２２５とを併せて示した。しかしながら、ヒータ３３９および通気孔２２５のいずれか一方でも、貼り合わせ基板２３０における位置ずれを抑制することができる。また、基板２１１、２１３の少なくとも一方を温度調節する場合には、ヒータ３３９および通気孔２２５以外の他の温度調節デバイスを用いてもよい。また、温度調節デバイスとしては、加熱装置ばかりではなく、冷却装置を用いてもよい。
図１８、１９、２０、および２１は、基板２１１、２１３を貼り合わせる場合の条件を変えて作製した貼り合わせ基板２３０における基板２１１、２１３相互の実測ずれ量、予想ずれ量、および、平均倍率を示すグラフである。予測ずれ量は、基板２１１、２１３間の倍率差を表す。平均倍率は、実測の平均倍率であり、図１４から図１７に示した平均倍率とは異なり、実測ずれ量を半径の値で割ったものである。ずれ量および倍率は、貼り合わせ基板２３０の径方向の分布により示す。
図１８にずれ量および倍率の分布を示す貼り合わせ基板２３０は、温度差を設定していない基板２１１、２１３（温度差：０℃）を貼り合わせて作製した。貼り合わせ部３００において貼り合わせる場合に、基板２１１、２１３が接触してから一方の基板２１１の保持を解除するまでの待機時間は１秒とした。この貼り合わせ基板２３０においては、貼り合わせる前の基板２１１、２１３が有していた倍率差により、基板２１１、２１３の周縁に近づくほど、予想ずれ量と略同じにように実測ずれ量が増加している。しかしながら、貼り合わせ基板２３０の実測の平均倍率は、径方向の位置にかかわらず安定している。
図１９にずれ量および倍率の分布を示す貼り合わせ基板２３０は、５℃の温度差を設定した基板２１１、２１３（温度差：５℃）を、待機時間は１秒として貼り合わせて作製した。この貼り合わせ基板２３０においては、基板２１１、２１３に温度差を設けたことにより、基板２１１、２１３の倍率差に起因する実測ずれ量は、予想ずれ量に概ね従って抑制されている。ただし、貼り合わせ基板２３０の中央部および貼り合わせ基板２３０の周縁部では、線形の倍率成分を示す予想ずれ量に対して実測ずれ量に差が生じている。すなわち、中央部および周縁部に、非線形成分の歪みが生じている。ただし、実測の平均倍率は、貼り合わせ基板２３０の中央付近を除いて、絶対値が小さい。
図２０にずれ量および倍率の分布を示す貼り合わせ基板２３０は、温度差を設定していない基板２１１、２１３（温度差：０℃）を貼り合わせて作製した。貼り合わせ部３００において貼り合わせる場合に、基板２１１、２１３が接触してから一方の基板２１１の保持を解除するまでの待機時間を１０秒とした。よって、基板２１１、２１３の一方が解放された時点で、押し付けられた中央部には基板２１１、２１３の間に、既に貼り合わされた領域が形成されている。しかしながら、基板２１１、２１３相互に温度差を設けず倍率が補正されていないので、中央付近のずれ量が待機時間の長さに応じて拡大していることを除くと、ずれ量の径方向の分布は、図１８に示した例と同じ傾向を有する。
図２１にずれ量および倍率の分布を示す貼り合わせ基板２３０は、５℃の温度差を設定した基板２１１、２１３（温度差：５℃）を、待機時間は１０秒として貼り合わせて作製した。よって、この貼り合わせ基板２３０を作製する場合も、基板２１１、２１３の一方が解放された時点で、押し付けられた中央部には基板２１１、２１３の間に、既に貼り合わされた領域が形成されている。
図２１の例では、貼り合わせ基板２３０の中央部および貼り合わせ基板２３０の周縁部において、予想ずれ量に対する実測ずれ量の差が生じており、特に中央部では、図１９の例における差よりも大きい。このため、図１４に示す例でも述べたように、待機時間をより短くした方がよいことが分かる。
上記のような基板貼り合わせ装置１００は、シリコン単結晶基板を用いた基板２１１、２１３を貼り合わせる場合の他、基板２１１、２１３の一面に配されたＳｉＯ２面同士の貼り合わせに用いてもよい。また、基板２１１、２１３の貼り合わせ面に離散的に配されたＣｕバンプ同士を貼り合わせる場合にも、基板貼り合わせ装置１００を用いてもよい。
また、上記した実施例では、基板２１１、２１３の少なくとも一方を基板ホルダ２２１または基板ホルダ２２３から解除することにより接触領域の拡大を開始した例を示したが、これに代えて、基板２１１、２１３の両方を保持した状態で接触領域を拡大してもよい。この場合、例えば、基板２１１、２１３の少なくとも一方の面方向に沿って複数のアクチュエータを配置し、基板２１１、２１３の中心に対応するアクチュエータを駆動して起点２１９を形成した後、一方の基板を中心部から周縁部に向けて順に他方の基板に向けて押圧するように複数のアクチュエータを制御することにより、一方の基板の他方の基板への接触の進行すなわち接触領域の拡大の進行を制御することができる。
また、上記した例では、基板２１１、２１３の全体を温調する例を示したが、基板２１１、２１３の少なくとも一方の基板の回路領域が形成された表面だけを温調してもよく、また、基板２１１、２１３の全体ではなく基板２１１、２１３間で位置ずれが生じている部分だけを温調してもよい。
表面だけを温調する場合、表面の伸縮変形により基板が撓むが、この基板をステージや基板ホルダに保持したときに、これらの吸着力により、ステージおよび基板ホルダの保持面の形状に基板を倣わせることができる。
位置ずれが生じている部分だけを温調する場合、基板２１１、２１３の当該部分間に温度差を生じさせる。この場合、接触領域が拡大していく過程において、当該部分同士の接触による熱交換により、当該部分に隣接する非接触領域のそれぞれの温度または非接触領域間の温度差が変化することを抑制するように、温度調節部により基板２１１、２１３が温調される。非接触領域間に温度差を積極的に生じさせていない場合には、基板２１１、２１３のそれぞれの非接触領域の温度が同じ温度を基準とした所定の範囲内に維持される。
また、本実施例において「貼り合わせ」とは、本実施例に記載の方法で積層された二つの基板に設けられた端子が互いに接続され、これにより、二つの基板間に電気的な導通が確保された場合もしくは二つの基板の接合強度が所定の強度以上となる場合には、それらの状態を指す。また、本実施例に記載の方法で積層された二つの基板をその後にアニール等の処理を行うことにより、二つの基板が最終的に電気的に接続される場合もしくは二つの基板の接合強度が所定の強度以上となる場合は、「貼り合わせ」は、アニール等の処理前に二つの基板が一時的に結合している状態、すなわち仮接合されている状態を指す。
アニールにより接合強度が所定の強度以上になる状態は、例えば、二つの基板の表面同士が互いに共有結合により結合されている状態を含む。また、仮接合されている状態は、重なり合った二つの基板を分離して再利用することができる状態を含む。
また、本実施例では、基板２１１、２１３間に閾値以上の位置ずれが生じる前に、接触領域の拡大を開始させる例を示したが、これに代えて、基板２１１、２１３の少なくとも一方に閾値以上の変形が生じる前に接触領域の拡大を開始してもよい。この場合、一方の基板のみが変形する場合は、基板２１１、２１３の一部同士が接触する前の状態もしくは基板２１１、２１３が位置合わせされた状態を基準として、その一方の基板に生じる変形量の大きさが、基板２１１、２１３の接続部間に適切な電気的接続や接合強度が得られないずれを発生する大きさにならないように、閾値が設定される。一方、基板２１１、２１３の両方が変形する場合は、変形量の差が、基板２１１、２１３の接続部間に適切な電気的接続や接合強度が得られないずれを発生する大きさにならないように、閾値が設定される。
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、請求の範囲の記載から明らかである。
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。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 基板貼り合わせ装置、１１０ 筐体、１２０、１３０ 基板カセット、１４０ 搬送部、１５０ 制御部、２１０、２１１、２１３ 基板、２１２ スクライブライン、２１４ ノッチ、２１６ 回路領域、２１８ アライメントマーク、２１９ 起点、２２０、２２１、２２３ 基板ホルダ、２２２、２２４ 保持面、２２５ 通気孔、２３０ 貼り合わせ基板、２３１ 領域、３００ 貼り合わせ部、３０１ 床面、３１０ 枠体、３１２ 底板、３１４ 支柱、３１６ 天板、３２２ 上ステージ、３２４、３３４ 顕微鏡、３２６、３３６ 活性化装置、３３１ Ｘ方向駆動部、３３２ 下ステージ、３３３ Ｙ方向駆動部、３３８ 昇降駆動部、３３９ ヒータ、５００ プリアライナ

Claims (16)

  1. 第１の基板の表面および第２の基板の表面のそれぞれの一部を互いに接触させ、前記表面の接触した接触領域が前記一部から拡大するように、前記第１の基板と前記第２の基板とを互いに貼り合わせる基板貼り合わせ装置であって、
    少なくとも前記接触領域が拡大していく過程において、前記第１の基板および前記第２の基板の間に閾値以上の位置ずれが生じないように、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温度を調節する温度調節部を備える基板貼り合せ装置。
  2. 前記温度調節部は、前記第１の基板および前記第２の基板のそれぞれの前記表面のまだ接触していない非接触領域の間に前記閾値以上の位置ずれが生じないように、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前記非接触領域の温度を調節する請求項１に記載の基板貼り合せ装置。
  3. 前記温度調節部は、前記非接触領域が互いに接触するまで、前記非接触領域の間の温度差を所定の範囲内に維持する請求項２に記載の基板貼り合わせ装置。
  4. 前記温度調節部は、前記接触領域が拡大する過程で前記第１の基板および前記第２の基板の少なくとも一方の温度を検出し、検出した結果に基づいて温度調節を行う請求項１から３のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。
  5. 前記温度調節部は、前記接触領域が拡大する過程で生じる前記第１の基板および前記第２の基板の少なくとも一方の温度を予測し、予測した結果に基づいて温度調節を行う請求項１から３のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。
  6. 前記温度調節部は、前記第１の基板および前記第２の基板の貼り合わせ面の状態、前記一部が接触してから貼り合わせが完了するまでの時間、前記接触領域が拡大する速度、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厚さ、および、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内部の熱伝達速度、の少なくとも一つに基づいて、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温度を予測する請求項５に記載の基板貼り合わせ装置。
  7. 前記温度調節部は、前記接触領域が拡大していく方向に沿って配列された複数のヒータを備え、前記複数のヒータの温度は、それぞれ前記接触領域の拡大に伴って変化する請求項１から６のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。
  8. 前記温度調節部は、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に、温度が調節された気体を噴射する請求項１から７のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。
  9. 第１の基板の表面および第２の基板の表面のそれぞれの一部を互いに接触させ、前記表面の接触した接触領域が前記一部から拡大するように、前記第１の基板と前記第２の基板とを互いに貼り合わせる基板貼り合わせ方法であって、
    少なくとも前記接触領域が拡大していく過程において、前記第１の基板および前記第２の基板の間に閾値以上の位置ずれが生じないように、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温度を調節する温度調節段階を含む基板貼り合せ方法。
  10. 前記温度調節段階は、前記第１の基板および前記第２の基板のそれぞれの前記表面のまだ接触していない非接触領域の間に前記閾値以上の位置ずれが生じないように、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前記非接触領域の温度を調節する請求項９に記載の基板貼り合せ方法。
  11. 前記温度調節段階は、前記非接触領域が互いに接触するときに、前記非接触領域の間の温度差が所定の範囲内になるように調節する請求項１０に記載の基板貼り合わせ方法。
  12. 前記温度調節段階は、前記接触領域が拡大する過程で前記第１の基板および前記第２の基板の少なくとも一方の温度を検出し、検出した結果に基づいて温度調節を行う請求項９から１１のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
  13. 前記温度調節段階は、前記接触領域が拡大する過程で生じる前記第１の基板および前記第２の基板の少なくとも一方の温度を予測し、予測した結果に基づいて温度調節を行う請求項９から１１のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
  14. 前記温度調節段階は、前記第１の基板および前記第２の基板の貼り合わせ面の状態、前記一部が接触してから貼り合わせが完了するまでの時間、前記接触領域が拡大する速度、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厚さ、および、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内部の熱伝達速度、の少なくとも一つに基づいて、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温度を予測する請求項１３に記載の基板貼り合わせ方法。
  15. 前記温度調節段階は、前記接触領域が拡大していく方向に沿って配列された複数のヒータを備え、前記複数のヒータの温度は、それぞれ前記接触領域の拡大に伴って変化する請求項９から１４のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
  16. 前記温度調節段階は、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に、温度が調節された気体を噴射する請求項９から１５のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
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