WO2009119096A1 - 接合装置および接合方法 - Google Patents

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WO2009119096A1
WO2009119096A1 PCT/JP2009/001357 JP2009001357W WO2009119096A1 WO 2009119096 A1 WO2009119096 A1 WO 2009119096A1 JP 2009001357 W JP2009001357 W JP 2009001357W WO 2009119096 A1 WO2009119096 A1 WO 2009119096A1
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holding member
substrate holding
wafer
bonding
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PCT/JP2009/001357
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菅谷功
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株式会社ニコン
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Definitions

  • the present invention relates to a bonding apparatus and a bonding method. More specifically, the present invention relates to a bonding apparatus used when a substrate such as a wafer is bonded, and a substrate bonding method using the bonding apparatus.
  • This application is related to the following Japanese application. For designated countries where incorporation by reference of documents is permitted, the contents described in the following application are incorporated into this application by reference and made a part of this application.
  • a stacked semiconductor device in which a substrate on which an element and a circuit are formed is stacked (see Patent Document 1).
  • a stacked semiconductor device has a high mounting density by forming a three-dimensional structure without increasing the mounting area. Further, it is said that the wiring between the stacked substrates is short, which contributes to an improvement in operation speed.
  • the tilted substrate may oscillate in a pressurized state, and a positional shift may occur in a direction parallel to the surface of the substrate.
  • a deviation is larger than the diameter of the bump formed on the bonding surface, the substrates cannot be electrically connected to each other, and a function as a laminated semiconductor device cannot be obtained.
  • a stress that causes a positional shift may act on the substrate itself, and the substrate may be damaged.
  • a first substrate holding member that holds and fixes one substrate of a pair of substrates, and a bonding surface of the other substrate of the pair of substrates Is held so as to face the bonding surface of one of the substrates, and the second substrate holding member is movable relative to the first substrate holding member so that the bonding surfaces of both substrates are bonded to each other; And one of the first substrate holding member and the second substrate holding member close to the bonding surface of the substrates held by the one substrate holding member.
  • a joining device including a rocking portion that rocks around a rocking center.
  • the first substrate held by the first substrate holding unit is held by the fixed first table that holds the first substrate via the first substrate holding unit, and the second substrate holding unit.
  • the second substrate table By displacing the second substrate table facing the first substrate holding unit and holding the second substrate table via the second substrate holding unit and displacing the second substrate table toward the first substrate table,
  • One of the driving unit and the first substrate table and the second substrate table for joining the mutually facing joint surfaces of the first substrate and the second substrate and the first substrate or the second substrate around the swing center close to the joint surface.
  • a joining device including a rocking portion that rocks the frame.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the bonding apparatus 101.
  • the joining apparatus 101 includes a drive unit 120, a lifting table 130, a fixed table 140, and a load cell 150 arranged inside the frame body 110.
  • the frame 110 includes a top plate 112 and a bottom plate 116 that are parallel and parallel to each other, and a plurality of columns 114 that couple the top plate 112 and the bottom plate 116.
  • the top plate 112, the support column 114, and the bottom plate 116 are each formed of a highly rigid material, and no deformation occurs even when a reaction force of pressure applied to the wafers 162 and 164 in the later-described bonding is applied.
  • the driving unit 120 is disposed on the bottom plate 116 inside the frame 110.
  • the drive unit 120 includes a cylinder 124 that is fixed to the upper surface of the bottom plate 116 and a piston 122 that is disposed inside the cylinder 124.
  • the piston 122 is driven by a fluid circuit (not shown), a cam, a train wheel, and the like, and moves up and down in a direction perpendicular to the bottom plate 116 indicated by an arrow Z in the drawing.
  • the piston 122 has a plane having a plurality of horizontal keys 126 at the upper end. The key 126 is formed in the depth direction with respect to the paper surface.
  • a lifting table 130 which is an example of a second table, is mounted on the upper end of the piston 122.
  • the lifting table 130 includes a substrate holding member 131, a telescopic part 132, a spherical seat 134, an X stage 136 and a Y stage 138.
  • the Y stage 138 has a key groove on the lower surface that fits the key 126 and is mounted on the upper surface of the piston 122. As a result, the Y stage 138 is displaced in the direction perpendicular to the paper surface at the top of the piston 122.
  • the X stage 136 is mounted on the upper surface of the Y stage 138 and is fitted to the Y stage 138 by a fitting structure formed in parallel with the paper surface. As a result, the X stage 136 is displaced parallel to the paper surface. By combining the operations of the X stage 136 and the Y stage 138, an arbitrary displacement on the XY plane can be obtained.
  • the spherical seat 134 has a lower surface complementary to a spherical recess formed on the upper surface of the X stage 136, and swings on the X stage 136.
  • a substrate holding member 131 is mounted on the upper surface of the spherical seat 134 via an extendable part 132.
  • the substrate holding member 131 has a holding surface 133 on the upper surface for holding the wafer holder 163 by electrostatic adsorption, negative pressure adsorption or the like. Thereby, the movement or dropping of the wafer holder 163 held by the substrate holding member 131 is suppressed.
  • the wafer holder 163 held on the holding surface 133 sucks the wafer 164 with the bonding surface 168 facing upward.
  • the operation of the wafer 164 is facilitated and damage to the wafer 164 is prevented.
  • the bonding surface 168 substantially corresponds to the upper surface of the wafer 164, but is a plane that is formed on the surface of the wafer 164 and includes the top surfaces of bumps, pads, and the like that protrude toward the opposing wafer 162 (described later).
  • the circuit on the wafer 164 and the circuit on the wafer 162 are coupled.
  • the surfaces of the wafers 162 and 164 become the bonding surfaces 168.
  • the wafer holder 163 and the wafer 164 attracted to the substrate holding member 131 also swing together with the substrate holding member 131. That is, the spherical seat 134 and the concave portion of the X stage constitute a swinging portion that swings the substrate holding member 131.
  • the fixed table 140 which is an example of the first table, includes a substrate holding member 141 and a plurality of suspension portions 144.
  • the suspension part 144 is suspended from the lower surface of the top plate 112.
  • the substrate holding member 141 is supported from below in the vicinity of the lower end of the suspension portion 144, and is disposed to face the lifting table 130.
  • the substrate holding member 141 adsorbs and holds the wafer holder 161 on the holding surface 143 provided on the lower surface by electrostatic adsorption, negative pressure adsorption or the like.
  • the wafer holder 161 holds the wafer 164 on the lower surface.
  • the wafer 162 is held with the bonding surface 166 facing downward.
  • the wafers 162 and 164 are held with the bonding surfaces 166 and 168 facing each other.
  • the suspension part 144 supports the substrate holding member 141 from below, but does not restrict upward movement. However, a plurality of load cells 150 are sandwiched between the substrate holding member 141 and the top plate 112. Thereby, the pressure applied to the wafer 162 held on the holding surface 143 of the substrate holding member 141 is detected, and the upward displacement of the substrate holding member 141 is restricted.
  • the illustrated state corresponds to the initial state in the operation of the bonding apparatus 101.
  • the piston 122 of the drive unit 120 is drawn into the cylinder 124, and the lifting table 130 is lowered. Therefore, there is a wide gap between the wafers 162 and 164 held on the lifting table 130 and the fixed table 140.
  • a pair of wafers 162 and 164 to be bonded are loaded from the side with respect to the gap and held on the lift table 130 or the fixed table 140.
  • the wafer 164 held on the lifting table 130 can be moved horizontally, and the center positions of the wafers 162, 164 can be made to coincide with each other. Further, the wafer 164 can be swung by the spherical seat 134 to make the wafers 162 and 164 parallel to each other. In this way, the wafers 162 and 164 can be bonded by applying pressure by the driving unit 120 in a state of being aligned and parallel.
  • each of the wafer holders 161 and 163 includes coupling members 165 and 167.
  • the coupling members 165 and 167 are, for example, permanent magnets whose polarities are adjusted so that they are attracted to each other.
  • the wafers 162 and 164 are bonded, they are coupled to each other so that the wafers 162 and 164 are sandwiched. Become. Thereby, the wafers 162 and 164 are transported to, for example, a facility for heating and pressurizing in a state where the bonded state is maintained.
  • bonded wafers 162 and 164 signal terminals formed on the respective surfaces are connected to each other to form one circuit as a whole. In this way, a stacked semiconductor device can be manufactured. In the manufacturing process of the stacked semiconductor device, there may be a case where a step of bonding the wafers 162 and 164 with an adhesive or the like to make the bonding permanent is introduced.
  • the center of the sphere including the spherical surface of the spherical seat 134 is the holding surface 133 of the substrate holding member 131 in a state where the substrate holding member 131 is disposed on the spherical seat 134.
  • the value of the distance from the holding surface 133 of the substrate holding member 131 to the swing center C is larger than the value of the thickness dimension of the wafer 164 in the illustrated example.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the position adjusting unit 201. That is, the bonding apparatus 101 includes a position adjustment unit 201 that brings the bonding surface 168 of the wafer 164 held by the substrate holding member 131 close to the swing center C.
  • the position adjustment unit 201 includes an expansion / contraction unit 132 that is a substrate driving unit for displacing the wafer 164 held by the substrate holding member 131 in the thickness direction.
  • the expansion / contraction part 132 is provided on the upper surface of the spherical seat 134 between the upper surface and the substrate holding member 131, and is in a direction perpendicular to the upper surface of the spherical seat 134 (in the direction indicated by the arrow L in the drawing). Stretch along.
  • the substrate holding member 131 holding the wafer 164 is supported by the spherical seat 134 via the extendable part 132.
  • the extendable portion 132 is operated to hold the substrate so that the swing center C of the spherical seat 134 is positioned on the bonding surface 168 corresponding to the upper surface of the wafer 164.
  • the member 131 is moved. Accordingly, the swing center C can be easily arranged on the bonding surface 168 of the wafer 164 regardless of the thickness dimension of the wafer 164, and the wafer 164 is centered on the swing center C on the bonding surface 168. Can be swung.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the internal structure of the expansion / contraction section 132 that operates as the position adjustment section 201.
  • the stretchable part 132 includes a support part 210, a bellows 216, and a driven part 218.
  • the support part 210 is fixed to the upper surface of the spherical seat 134.
  • a guide tube 213 stands upright substantially at the center inside the support portion 210.
  • the inside of the support portion 210 communicates with the pressure source 214 through the pressure-resistant pipe 211 that is airtightly connected.
  • a control valve 212 is disposed in the middle of the pressure tube 211, and the pressure inside the support portion 210 can be changed by opening and closing the control valve 212.
  • the driven portion 218 is fixed to the lower surface of the substrate holding member 131. Further, a guide shaft 215 extends downward from the lower surface of the inner center of the driven portion 218. The lower end side of the guide shaft 215 is inserted into the guide tube 213. As a result, the driven portion 218 can be displaced vertically with respect to the support portion 210 and the inclination is restricted.
  • the support part 210 and the driven part 218 are airtightly coupled by an expandable / contractible bellows 216.
  • an expandable / contractible bellows 216 As a result, when the pressure inside the support part 210 becomes high, the pressure acts on the driven part 218, and the substrate holding member 131 rises together with the driven part 218. Further, when the pressure inside the support part 210 becomes low, the driven part 218 descends.
  • a braking portion 217 is disposed at the upper end of the guide tube 213.
  • the braking unit 217 When the braking unit 217 is operated, the guide shaft 215 is gripped, and the displacement of the guide shaft 215 with respect to the guide tube 213 is stopped. Therefore, by operating the braking unit 217, the height of the driven unit 218 and the substrate holding member 131 can be held.
  • the position of the wafer 164 held by the substrate holding member 131 is changed by moving the substrate holding member 131 up and down, so that the bonding surface 168 of the wafer 164 and the swing center C of the spherical seat 134 are changed. Can be matched. Further, the position of the wafer 164 in which the bonding surface 168 is aligned with the swing center C can be held by the braking unit 217.
  • the operations of the control valve 212 and the braking unit 217 are controlled from a control unit provided outside.
  • the structure of the expansion / contraction part 132 is not limited to the above structure, and it goes without saying that other drive mechanisms such as an air actuator, a piezoelectric element, and a ball screw formed of a hard material can be used.
  • an air actuator it is preferable to lubricate between the cylinder and the piston with an air bearing or the like. Thereby, generation
  • the substrate holding member 131 it is preferable to increase the amount of movement of the substrate holding member 131 using an insulator or the like because the expansion and contraction amount of the piezoelectric element itself is small.
  • a ball screw it is preferable to cover the sliding portion with a bellows type cover to prevent the sliding powder of the member from adhering to the wafer 164.
  • a stepping motor or the like as an actuator for rotationally driving the ball screw, the elevation amount of the wafer 164 can be precisely controlled from the outside.
  • a control unit 219 for controlling a piezoelectric element, a stepping motor, and the like is provided, and by giving an appropriate target value to the control unit 219, the position of the wafer 164 held on the substrate holding member 131 can be adjusted.
  • the bonding surface 168 of the wafer 164 and the swing center C of the spherical seat 134 can be matched. Since the position of the swing center C of the spherical seat 134, the initial position of the substrate holding member 131, and the like are known for each bonding apparatus 101, the thickness of the wafer 164 may be known in order to set an appropriate target value.
  • the thickness of the wafer 164 mounted on the substrate holding member 131 is known, or when the thickness of the wafer 164 is measured outside the bonding apparatus 101, the thickness of the wafer 164 is directly notified to the control unit 219. Just do it. Further, when the thickness of the wafer 164 depends on, for example, the number of stacked semiconductor substrates, the target value can be set in the control unit 219 by notifying the control unit 219 of the number of stacked layers. Furthermore, the thickness of the wafer 164 can be detected by the bonding apparatus 101 using a thickness detection unit or the like exemplified below.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the structure of the thickness detection unit 220 that detects the thickness of the wafer 164 mounted on the substrate holding member 131.
  • the thickness detection unit 220 includes a downward-facing microscope 222 that is fixed to the top plate 112 of the bonding apparatus 101.
  • the microscope 222 is also used for alignment of the wafers 162 and 164 in the horizontal direction (XY direction).
  • the microscope 222 has an automatic focusing function and can know the distance D from its own position to the observation target. Therefore, for example, by observing the surface of the wafer 164 mounted on the wafer holder 163 on the substrate holding member 131, the distance D1 between the microscope 222 and the upper surface of the wafer 164 can be measured.
  • the holding surface (upper surface) of the wafer holder 163 is observed by the microscope 222.
  • the distance D 2 between the microscope 222 and the upper surface of the wafer 164 can be measured.
  • the thickness of the wafer 164 can be calculated.
  • the thickness of the wafer 164 may not be detected accurately.
  • the accurate thickness of the wafer 164 can be detected by moving the observation position along the periphery of the wafer 164 and observing the distance D at a plurality of locations.
  • the thickness detector 220 using the microscope 222 can be provided outside the bonding apparatus 101. Further, even if a measuring device other than the microscope 222 is used, each distance from a specific reference position to the surface of the wafer 164 and the surface of the substrate holding member 131 can be measured. Specifically, each distance can be accurately measured by a laser length measuring device, a line sensor, image processing, or the like.
  • the control unit 219 causes the substrate holding member so that the bonding surface of the wafer 164 having the thickness coincides with the swing center C of the spherical seat 134. 131 is moved up and down. If the lifting amount is controlled accurately, it is sufficient to indicate the operation to the actuator. However, the position of the surface of the wafer 164 is detected, and it is confirmed whether or not it is exactly coincident with the swing center C. It is also preferable.
  • the position detection unit for detecting the position of the wafer 164 for example, a laser length measuring device, a line sensor, an imaging device, or the like can be used in addition to the microscope 222. That is, as already described, whether or not the bonding surface 168 of the wafer 164 is positioned at the known oscillation center C for each bonding apparatus 101 by measuring the distance from the microscope 222 or the like as the position detection unit. I understand. Further, the position of the wafer 164 can be detected by observing the wafer 164 from the horizontal direction with a microscope 222, an imaging device, or the like.
  • the position adjustment of the wafer 164 can be confirmed by the following method.
  • the swing center C is moved to a position vertically suspended from the microscope 222 or the like, and the distance to the bonding surface 168 of the wafer 164 is measured.
  • the bonding surface 168 of the wafer 164 coincides with the swing center C, the measured distance does not change even if the wafer 164 is swung.
  • the bonding surface 168 and the swing center do not match, the measured value changes when the wafer 164 is swung.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the structure of another thickness detection unit 230.
  • the thickness detection unit 230 is sandwiched between the substrate holding member 131 and the wafer holder 163 and has a support unit 232 and a load cell 234.
  • the support portion 232 has a disk shape as a whole and includes a plurality of accommodating portions 231 that are recessed from the upper surface. On the upper surface of the support portion 232, the region where the accommodating portion 231 is not formed has the same height and forms the pressing portion 233.
  • a load cell 234 is accommodated in each of the accommodating units 231. Further, the depth of the accommodating portion 231 is slightly smaller than the height of the load cell 234. As a result, the upper end of the load cell 234 slightly protrudes upward from above the support portion 232 to support the wafer holder 163.
  • the load cell 234 detects the received load and accurately detects the combined weight of the wafer holder 163 and the wafer 164. To do. Since the weight of the wafer holder 163 is known, the weight of the wafer 164 can be detected from the difference between the detected load and the weight of the wafer holder 163. Further, since the density of the wafer 164 is known, the thickness of the wafer 164 can be calculated from the detected weight.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a phenomenon that occurs when the wafers 162 and 164 inclined on one side are brought into contact with each other and pressed.
  • the contact point M of the edge of the wafer 164 is generated with respect to the edge of the wafer 162.
  • the positional deviation E will be described.
  • the swing center C of the inclined wafer 164 is a distance ⁇ h away from the bonding surface 168 of the wafer 164, the influence of the shift of the swing center C on the positional deviation E of the contact point M will be described.
  • the positional deviation E includes the positional deviation E 1 that depends on the dimensions (radius D) of the wafers 162 and 164 and the inclination angle ⁇ of the wafer 164, the distance ⁇ h between the bonding surface 168 of the wafer 164 and the swing center C, and the inclination angle ⁇ . and a positional deviation E 2 of dependent, have the relationship shown in the equation below.
  • E E 1 + E 2
  • E 1 D (1-cos ⁇ )
  • E 2 ⁇ h ⁇ sin ⁇
  • FIG. 7 shows the result of measuring the positional deviation E in the horizontal direction generated on the wafers 162 and 164 by bonding while changing the tilt angle ⁇ of one wafer 164.
  • the wafers 162 and 164 were both 300 mm in diameter and 775 ⁇ m in thickness.
  • the inclination angle ⁇ is less than 0.6 ° range of the wafer 164, increases the influence of positional deviation E 2.
  • the tilt angle ⁇ of the wafer 164 exceeds 0.6 °, the influence of the positional deviation E 1 becomes large. From the measurement results, the area the inclination angle ⁇ of the wafer 164 is small, by suppressing the positional deviation E 2, it is understood that effectively reduce the overall positional deviation E.
  • FIG. 8 is a graph showing the result of measuring the positional deviation E of the wafers 162 and 164 that occurs when the inclined wafers 164 having different thicknesses are bonded to the horizontal wafer 162.
  • the diameters of the wafers 162 and 164 are 300 mm, and the inclination angle ⁇ of the wafer 164 is fixed to 1 °.
  • the swing center C of the wafer 164 is on the surface of the substrate holding member 131 of the lifting table 130, so the positional deviation E 1 is the thickness of the wafer 164. It becomes constant regardless of the size.
  • the positional deviation E 2 depending on the distance ⁇ h between the oscillation center C and the bonding surface 168 increases as the thickness of the wafer 164 increases. In other words, it can be seen that the overall positional deviation E can be effectively suppressed by making the swing center C close to the surface of the wafer 164 and reducing the interval ⁇ h.
  • the bonding apparatus 101 displaces the height of the substrate holding member 131 in the thickness direction of the wafer 164 by the operation of the expansion and contraction unit 132 and the wafer 164 having a different thickness is loaded.
  • the position of the swing center C can be made coincident with the bonding surface 168 of the wafer 164. Accordingly, it can be understood that the positional deviation E can be suppressed by reducing the distance ⁇ h from the oscillation center C.
  • the step of fixing one of the pair of wafers 162 and 164 horizontally, the step of holding the other of the pair of wafers 162 and 164 so as to face the one wafer 162, and the other wafer 164 include the wafer.
  • a pair of wafers 162 and 164 are made to be parallel to each other by swinging around a swing center C close to the bonding surface 168 facing 162, and the other wafer 164 is displaced toward one wafer 162.
  • a bonding method including a step of bonding the pair of wafers 162 and 164 to each other is performed. As a result, bonding defects due to the positional deviation E of the wafers 162 and 164 are reduced.
  • the other wafer 164 When performing this bonding method, after holding the pair of wafers 162 and 164, respectively, the other wafer 164 is displaced toward the one wafer 162 before the pair of wafers 162 and 164 are parallel to each other. When the other wafer 164 is brought into contact with the one wafer 162 and the other wafer 164 is brought into contact with the one wafer 162, the other wafer 164 can be separated from the one wafer 162.
  • FIG. 9 is a view showing a state of the wafers 162 and 164 loaded in the bonding apparatus 101. Except for the portions described below, the position adjusting unit 201 and the structure of the bonding apparatus 101 including the position adjusting unit 201 have the same structure as the bonding apparatus 101 illustrated in FIGS. 1 and 2. Therefore, common elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the swing center C is located near the upper surface of the substrate holding member 131.
  • the distance between the holding surface 133 of the substrate holding member 131 and the bonding surface 168 of the wafer 164 can be changed by operating the expansion / contraction part 132, so that the wafers 164 having different thicknesses are mounted. Even in this case, the bonding surface 168 of the wafer 164 can be made to coincide with the oscillation center C.
  • the thickness of the wafers 162 and 164 related to the bonding is large. to differ greatly.
  • the movement amount of the expansion / contraction part 132 is reduced by placing the wafer 164 having the bonding surface 168 closer to the swing center C on the lifting table 130 side. it can.
  • the wafer 162 having a large thickness is stretched and held by the substrate holding member 141 on the fixed table 140 side.
  • the raising / lowering amount of the part 132 becomes small, and the work throughput in the joining apparatus 101 can be improved.
  • the substrate holding member 131 may hold the substrate having a thickness such that the bonding surface 168 is closer to the swing center C when held by the substrate holding member 131. Thereby, the horizontal displacement of the substrate due to the swing is reduced. Further, when adjusting the bonding surface 168 of the substrate to the swing center C, the adjustment allowance is reduced.
  • the thinner one of the wafers 162 and 164 is held by the substrate holding member 131 of the lifting table 130. Thereby, the displacement in the horizontal direction of the bonding surface 168 that occurs when the substrate holding member 131 is swung is reduced, and the influence on the positional deviation E can be reduced.
  • FIG. 10 is a view showing another embodiment of the wafers 162 and 164 loaded in the bonding apparatus 101.
  • FIG. The structure of the position adjustment unit 201 and the bonding apparatus 101 including the position adjustment unit 201 is the same as that shown in FIG. 8, and the following description shows different methods of using the same bonding apparatus 101.
  • the already-laminated wafer 164 is placed on the lower substrate holding member 131.
  • the single-layer wafer 162 can be held by the upper substrate holding member 141.
  • the substrate driving unit of the position adjusting unit 201 is the expansion / contraction unit 132 .
  • the substrate driving unit can be formed with a structure other than the stretchable unit 132.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the bonding apparatus 102 according to another embodiment. Except for the part described below, the structure of the bonding apparatus 102 is the same as that of the bonding apparatuses 101 and 102 shown in FIGS. Therefore, common elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the joining device 102 includes a frame 110, a driving unit 120, a fixed table 140, and a load cell 150 having the same structure as the joining device 101.
  • the lifting table 130 has a unique structure.
  • the lifting table 130 includes a Y stage 138, an X stage 136, a spherical seat 134, and a substrate holding member 131 that are sequentially stacked on the top of the piston 122.
  • the substrate holding member 131 is directly attached to the spherical seat 134, and the extendable portion 132 is omitted.
  • the position adjustment unit 202 includes a spacer 170 inserted between the wafer 164 and the substrate holding member 131 on the upper surface of the substrate holding member 131 instead of the expansion / contraction part 132.
  • the spacer 170 has a plane dimension that is slightly larger than the wafer 164 and supports the entire lower surface of the wafer 164.
  • the spacer 170 can be replaced, and the spacer 170 having a different thickness can be mounted in accordance with the thickness of the wafer 164 mounted on the substrate holding member 131.
  • the swing center C of the spherical seat 134 is set to a position close to the fixed table 140 side, that is, a position away from the holding surface 133 corresponding to the upper surface of the substrate holding member 131.
  • the swing center C of the spherical seat 134 can be set at the center of the wafer 164 by mounting the spacer 170 having an appropriate thickness. It can be matched on the joint surface 168.
  • the position adjusting unit 202 is provided between the holding table 133 and the wafer 164 between the holding table 133 and the wafer 164 having the swing center C that is separated from the holding surface 133 of the substrate holding member 131 in the thickness direction of the wafer 164. It may also include a spacer 170 that is inserted to bring the bonding surface 168 of the wafer 164 close to the swing center C. Thereby, the position adjusting unit 202 can be formed with a simple structure.
  • the example in which the bonding surface 168 of the wafer 164 held by the substrate holding member 131 and the swing center C are made to coincide with each other is shown, but the swing center C is displaced from the bonding surface 168 of the wafer 164.
  • the bonding surface 168 of the wafer 164 held by the substrate holding member 131 is used as a reference (0), the thickness dimension of the wafer 164 is measured from the bonding surface 168 to the opposite side of the substrate holding member 131 side.
  • the swing center C is close to the bonding surface 168 of the wafer 164” not only means that the swing center C is located within the above-described range, but also the swing center C. Also coincides with the joint surface 168.
  • the bonding apparatus 101 includes the position adjustment units 201 and 202 .
  • the bonding surface 168 of the wafer 164 held by the substrate holding member 131 and the substrate holding member 131 are used.
  • the spherical seat 134 is designed so that the position adjusting units 201 and 202 are not required and the swing center C is located on the bonding surface 168 of the wafer 164. Can do.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the position adjustment unit 201.
  • FIG. It is a figure which shows the internal structure of the expansion-contraction part 132 typically.
  • FIG. shows the structure of the thickness detection part 220 typically.
  • FIG. It is a figure which shows typically the other structure of the thickness detection part 220.
  • FIG. It is a figure explaining the position shift which arises when wafers 162 and 164 are made to contact.
  • 5 is a graph showing the relationship between the deviation of the swing center C and the positional deviation of the wafers 162 and 164. It is a graph which shows the relationship between the thickness of wafers 162 and 164, and position shift.
  • FIG. 6 is a view showing wafers 162 and 164 loaded in the bonding apparatus 101.
  • FIG. 6 is a view showing wafers 162 and 164 loaded in the bonding apparatus 101.
  • 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a bonding apparatus 102. FIG.

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Abstract

　一対の基板を接合する場合に生じる水平位置のずれを抑制する。 　一対の基板の一方の基板を保持固定する第１の基板保持部材と、一対の基板の他方の基板を該基板の接合面が一方の基板の接合面に対向するように保持し、両基板の接合面が互いに接合されるように第１の基板保持部材に対して相対移動可能な第２の基板保持部材と、第１および第２の各基板保持部材を互いに結合する結合部と、第１の基板保持部材および第２の基板保持部材の一方を、該一方の基板保持部材に保持された基板の接合面に近接した揺動中心の周りに揺動させる揺動部と、を備える。

Description

接合装置および接合方法
　本発明は、接合装置および接合方法に関する。より詳細には、ウエハ等の基板を貼り合わせる場合に用いる接合装置と、当該接合装置を用いた基板の接合方法とに関する。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２００８－０８３１１８　　出願日　２００８年３月２７日
　各々に素子および回路が形成された基板を積層した積層型の半導体装置がある（特許文献１参照）。積層型の半導体装置は、立体的な構造を形成することにより、実装面積を拡大することなく実効的に高い実装密度を有する。また、積層された基板相互の配線が短いので、動作速度の向上にも寄与するといわれている。
　基板を貼り合わせる場合には、互いに平行に保持された一対の基板を加圧して圧接させる。このため、一対の基板を平行に保持して加圧する接合装置が用いられる（特許文献２参照）。
特開平１１－２６１０００号公報 特開２００５－２５１９７２号公報
　接合する一対の基板を完全に平行にすることは難しく、一方の基板が僅かに傾斜した状態で加圧が開始される場合がある。このような場合、傾いた基板が加圧された状態で揺動して、基板の面と平行な方向に位置ずれが生じる場合がある。このようなずれが、接合面に形成されたバンプの径よりも大きい場合は基板相互の電気的接続がとれず、積層半導体装置としての機能が得られない。また、接合装置による基板の保持が強固な場合は、位置ずれを生じる応力が基板自体に作用して、基板が損傷する場合もある。
　そこで、上記課題を解決すべく、本発明の第１の形態として、一対の基板の一方の基板を保持固定する第１の基板保持部材と、一対の基板の他方の基板を該基板の接合面が一方の基板の接合面に対向するように保持し、両基板の接合面が互いに接合されるように第１の基板保持部材に対して相対移動可能な第２の基板保持部材と、第１および第２の各基板保持部材を互いに結合する結合部と、第１の基板保持部材および第２の基板保持部材の一方を、該一方の基板保持部材に保持された基板の接合面に近接した揺動中心の周りに揺動させる揺動部と、を備える接合装置が提供される。
　また、本発明の第２の形態として、一対の基板の一方を第１の基板保持部材に保持する段階と、他方の基板を該基板の接合面が一方の基板の接合面に対向するように第２の基板保持部材に保持する段階と、他方の基板の接合面に近接した揺動中心の周りに第２の基板保持部材を揺動させて、一対の基板を互いに平行にする段階と、第２の基板保持部材を第１の基板保持部材に向かって変位させて、一対の基板を互いに接合させる段階と、第１の基板保持部材および第２の基板保持部材を互いに結合する段階と、を含む接合方法が提供される。これにより、ウエハの揺動中心をウエハの接合面に合わせて、揺動した場合の水平方向の変位を抑制できる。
　更に、本発明の第３の形態として、第１基板保持部に保持された第１基板を、第１基板保持部を介して保持する固定された第１テーブルと、第２基板保持部に保持された第２基板を、第１基板保持部に対向させて、第２基板保持部を介して保持する第２基板テーブルと、第２基板テーブルを第１基板テーブルに向かって変位させることにより、第１基板および第２基板の互いに対向する接合面を接合させる駆動部と第１基板テーブルおよび第２基板テーブルの一方を、接合面に近接した揺動中心の廻りに第１基板または第２基板を揺動させる揺動部と、を備える接合装置が提供される。
　なお、上記の発明の概要は、発明の全ての特徴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発明となり得る。
　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。以下に記載する実施形態は、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全てが発明の解決に必須であるとは限らない。
　図１は、接合装置１０１の構造を模式的に示す断面図である。接合装置１０１は、枠体１１０の内側に配置された、駆動部１２０、昇降テーブル１３０、固定テーブル１４０およびロードセル１５０を備える。
　枠体１１０は、互いに平行で水平な天板１１２および底板１１６と、天板１１２および底板１１６を結合する複数の支柱１１４とを備える。天板１１２、支柱１１４および底板１１６は、それぞれ高剛性な材料により形成され、後述する接合におけるウエハ１６２、１６４への加圧の反力が作用した場合も変形が生じない。
　枠体１１０の内側において、底板１１６の上には、駆動部１２０が配置される。駆動部１２０は、底板１１６の上面に固定されたシリンダ１２４と、シリンダ１２４の内側に配置されたピストン１２２とを有する。ピストン１２２は、図示されていない流体回路、カム、輪列等により駆動されて、図中に矢印Ｚにより示す、底板１１６に対して直角な方向に昇降する。また、ピストン１２２は、複数の水平なキー１２６を有する平面を上端に有する。キー１２６は紙面に対して奥行き方向に形成される。
　ピストン１２２の上端には、第２テーブルの一例である昇降テーブル１３０が装着される。昇降テーブル１３０は、基板保持部材１３１、伸縮部１３２、球面座１３４、Ｘステージ１３６およびＹステージ１３８を有する。Ｙステージ１３８は、キー１２６と嵌合するキー溝を下面に有して、ピストン１２２の上面に装着される。これにより、Ｙステージ１３８は、ピストン１２２の頂部において紙面に直交する方向に変位する。
　Ｘステージ１３６は、Ｙステージ１３８の上面に装着され、紙面と平行に形成された嵌め合い構造によりＹステージ１３８と嵌合する。これにより、Ｘステージ１３６は、紙面と平行に変位する。これらＸステージ１３６およびＹステージ１３８の動作を併せることにより、Ｘ－Ｙ平面上の任意の変位が得られる。球面座１３４は、Ｘステージ１３６の上面に形成された球面状の凹部と相補的な形状の下面を有し、Ｘステージ１３６上で揺動する。
　球面座１３４の上面には、伸縮部１３２を介して基板保持部材１３１が搭載される。基板保持部材１３１は、静電吸着、負圧吸着等によりウエハホルダ１６３を保持する保持面１３３を上面に有する。これにより、基板保持部材１３１に保持されたウエハホルダ１６３の移動または脱落が抑制される。
　保持面１３３に保持されたウエハホルダ１６３は、接合面１６８を上に向けてウエハ１６４を吸着している。ウエハ１６４およびウエハホルダ１６３を一体的に取り扱うことにより、ウエハ１６４の操作が容易になると共に、ウエハ１６４の損傷等が防止される。
　なお、接合面１６８は、ウエハ１６４の概ね上面に相当するが、ウエハ１６４の表面に形成され、対向するウエハ１６２（後述）に向かって突出するバンプ、パッド等の頂面を含む平面である。これらバンプ等が対向するウエハ１６２のバンプ等に結合されることにより、ウエハ１６４上の回路とウエハ１６２上の回路とが結合される。ウエハ１６２、１６４にバンプ等が形成されておらず、ウエハ１６２，１６４の回路が形成された表面同士が直接接合される場合は、ウエハ１６２，１６４の前記表面が接合面１６８となる。
　また、球面座１３４の揺動により基板保持部材１３１が揺動した場合は、基板保持部材１３１に吸着されたウエハホルダ１６３およびウエハ１６４も基板保持部材１３１と共に揺動する。すなわち、球面座１３４およびＸステージの凹部とで、基板保持部材１３１を揺動させる揺動部を構成する。
　一方、第１テーブルの一例である固定テーブル１４０は、基板保持部材１４１および複数の懸架部１４４を有する。懸架部１４４は、天板１１２の下面から垂下される。基板保持部材１４１は、懸架部１４４の下端近傍において下方から支持され、昇降テーブル１３０に対向して配置される。
　基板保持部材１４１は、下面に設けられた保持面１４３に、静電吸着、負圧吸着等によりウエハホルダ１６１を吸着して保持する。ウエハホルダ１６１は、下面にウエハ１６４を保持する。これにより、ウエハ１６２は接合面１６６を下方に向けて保持される。こうして、ウエハ１６２、１６４は、接合面１６６、１６８を互いに対向させて保持される。
　なお、懸架部１４４は、基板保持部材１４１を下方から支持する一方、上方への移動は規制しない。しかしながら、基板保持部材１４１および天板１１２の間には、複数のロードセル１５０が挟まれる。これにより、基板保持部材１４１の保持面１４３に保持されたウエハ１６２に印加された圧力が検出されると共に、基板保持部材１４１の上方への変位が規制される。
　図示の状態は、接合装置１０１の動作において初期状態に相当する。この状態では、駆動部１２０のピストン１２２がシリンダ１２４の中に引き込まれており、昇降テーブル１３０は降下している。従って、昇降テーブル１３０および固定テーブル１４０に保持されたウエハ１６２、１６４の間には広い間隙がある。接合の対象となる一対のウエハ１６２、１６４は、上記間隙に対して側方から装入されて、昇降テーブル１３０または固定テーブル１４０に保持される。
　次いで、Ｘステージ１３６およびＹステージ１３８を動作させることにより、昇降テーブル１３０に保持されたウエハ１６４を水平に移動させて、ウエハ１６２、１６４の中心位置を相互に一致させることができる。更に、球面座１３４によりウエハ１６４を揺動させて、ウエハ１６２、１６４を相互に平行にすることができる。こうして、位置合わせされ、且つ、平行にされた状態で駆動部１２０により加圧することにより、ウエハ１６２、１６４を接合できる。
　なお、ウエハホルダ１６１、１６３の各々は、結合部材１６５、１６７を有する。結合部材１６５、１６７は、例えば、互いに吸着するように極性が調整された永久磁石であり、ウエハ１６２、１６４が接合された場合に相互に結合し合って、ウエハ１６２、１６４を挟持した状態になる。これにより、ウエハ１６２、１６４は、接合状態を維持された状態で、例えば、加熱加圧する設備に搬送される。
　接合されたウエハ１６２、１６４では、各々の表面に形成された信号端子が相互に接続され、全体でひとつの回路を形成する。このようにして、積層型半導体装置を製造できる。なお、積層型半導体装置の製造工程においては、ウエハ１６２、１６４の間を接着材等により接着して、接合を恒久的にする段階が導入される場合もある。
　図示の例では、球面座１３４の球面を含む球の中心すなわち球面座１３４の揺動中心Ｃは、基板保持部材１３１が球面座１３４上に配置された状態で、基板保持部材１３１の保持面１３３からウエハ１６４の厚さ方向に離れた位置に設定されている。基板保持部材１３１の保持面１３３から揺動中心Ｃまでの距離の値は、図示の例では、ウエハ１６４の厚さ寸法の値よりも大きい。
　図２は、位置調節部２０１の動作を説明する図である。即ち、接合装置１０１は、基板保持部材１３１に保持されたウエハ１６４の接合面１６８を、揺動中心Ｃに近接させる位置調節部２０１を備える。
　位置調節部２０１は、図示の例では、基板保持部材１３１に保持されたウエハ１６４を、その厚さ方向に変位させるための基板駆動部である伸縮部１３２を有する。伸縮部１３２は、球面座１３４の上面に該上面と基板保持部材１３１との間で設けられており、球面座１３４の上面に垂直な方向（図中に矢印Ｌで示す方向である。）に沿って伸縮する。
　ウエハ１６４を保持した基板保持部材１３１は、伸縮部１３２を介して球面座１３４に支持される。ウエハ１６４を昇降テーブル１３０に載せた場合は、まず、伸縮部１３２を動作させて、ウエハ１６４の上面に相当する接合面１６８上に球面座１３４の揺動中心Ｃが位置するように、基板保持部材１３１を移動させる。これにより、ウエハ１６４の厚さ寸法に拘らず、ウエハ１６４の接合面１６８上に揺動中心Ｃを容易に配置することができ、ウエハ１６４は、その接合面１６８上の揺動中心Ｃを中心として揺動可能となる。
　図３は、位置調節部２０１として動作する伸縮部１３２の内部構造を模式的に示す図である。伸縮部１３２は、支持部２１０、ベローズ２１６および被駆動部２１８を有する。
　支持部２１０は、球面座１３４の上面に対して固定される。また、支持部２１０の内側略中央には、案内筒２１３が直立する。更に、支持部２１０の内部は、気密に接続された耐圧管２１１を通じて圧力源２１４に連通する。耐圧管２１１の中間には制御バルブ２１２が配され、制御バルブ２１２を開閉することにより、支持部２１０の内部の圧力を変化させることができる。
　被駆動部２１８は、基板保持部材１３１の下面に対して固定される。また、被駆動部２１８の内側中央の下面からは、案内軸２１５が下方に向かって延在する。案内軸２１５の下端側は、案内筒２１３の内部に挿通される。これにより、被駆動部２１８は、支持部２１０に対して垂直に変位可能になると共に、傾きを規制される。
　支持部２１０および被駆動部２１８は、伸縮自在なベローズ２１６により気密に結合される。これにより、支持部２１０内部の圧力が高圧になった場合は、当該圧力が被駆動部２１８に作用し、被駆動部２１８と共に基板保持部材１３１が上昇する。また、支持部２１０内部の圧力が低圧になった場合は、被駆動部２１８が降下する。
　なお、案内筒２１３の上端には制動部２１７が配される。制動部２１７が動作した場合は、案内軸２１５を把持して、案内軸２１５の案内筒２１３に対する変位が制止される。よって、制動部２１７を動作させることにより、被駆動部２１８および基板保持部材１３１の高さを保持させることができる。
　このようにして、基板保持部材１３１を昇降させることにより、基板保持部材１３１に保持されたウエハ１６４の位置を変化させて、ウエハ１６４の接合面１６８と、球面座１３４の揺動中心Ｃとを一致させることができる。また、制動部２１７により、揺動中心Ｃに接合面１６８を一致させたウエハ１６４の位置を保持できる。なお、制御バルブ２１２および制動部２１７の動作は、外部に設けられた制御部から制御される。
　なお、伸縮部１３２の構造は上記の構造に限られるわけではなく、硬質材料により形成されたエアアクチュエータ、圧電素子、ボールネジ等の他の駆動機構を用いることができることはいうまでもない。エアアクチュエータを用いる場合は、シリンダおよびピストンの間をエアベアリング等により潤滑することが好ましい。これにより、磨耗粉を生じる金属どうしの摺動を避けて磨耗粉の発生を防止できる。
　また、圧電素子を用いる場合は、圧電素子自体の伸縮量が小さいので、梃子等を利用して基板保持部材１３１の移動量を大きくすることが好ましい。更に、ボールネジを用いた場合は、摺動部をベローズ型のカバーで覆い、部材の摺動粉のウエハ１６４への付着を防止することが好ましい。また、ボールネジを回転駆動させるアクチュエータとしてステッピングモータ等を用いることにより、ウエハ１６４の昇降量を外部から精密に制御できる。
　いずれのアクチュエータを用いた場合も、圧電素子、ステッピングモータ等を制御する制御部２１９を設け、制御部２１９に適切な目標値を与えることにより、基板保持部材１３１に保持されたウエハ１６４の位置を変化させて、ウエハ１６４の接合面１６８と、球面座１３４の揺動中心Ｃとを一致させることができる。球面座１３４の揺動中心Ｃの位置、基板保持部材１３１の初期位置等は接合装置１０１毎に既知なので、適切な目標値を設定するには、ウエハ１６４の厚さが判ればよい。
　基板保持部材１３１に搭載するウエハ１６４の厚さが既知の場合、または、接合装置１０１の外部でウエハ１６４の厚さを測定した場合は、制御部２１９に、ウエハ１６４の厚さを直接に知らせればよい。また、ウエハ１６４の厚さが、例えば、半導体基板の積層数に依存する場合は、積層枚数を制御部２１９に知らせることにより、制御部２１９に目標値を設定できる。更に、以下に例示する厚さ検出部等を用いて、接合装置１０１においてウエハ１６４の厚さを検出することもできる。
　図４は、基板保持部材１３１に搭載されたウエハ１６４の厚さを検出する厚さ検出部２２０の構造を模式的に示す図である。厚さ検出部２２０は、接合装置１０１の天板１１２に対して固定された、下向きの顕微鏡２２２を含む。なお、顕微鏡２２２は、ウエハ１６２、１６４の水平方向（Ｘ－Ｙ方向）の位置合わせにも用いられる。
　顕微鏡２２２は自動合焦機能を備え、自身の位置から観察対象までの距離Ｄを知ることができる。従って、例えば、基板保持部材１３１上でウエハホルダ１６３に搭載されたウエハ１６４の表面を観察することにより、顕微鏡２２２とウエハ１６４上面との間の距離Ｄ１を測定できる。
　次に、Ｘステージ１３６を動作させてウエハ１６４を移動させた後、顕微鏡２２２によりウエハホルダ１６３の保持面（上面）を観察する。これにより、顕微鏡２２２とウエハ１６４上面との間の距離Ｄ２を測定できる。これら距離Ｄ１およびＤ２の差分ＤＴを算出することにより、ウエハ１６４の厚さを算出できる。
　なお、基板保持部材１３１が傾いていた場合には、ウエハ１６４の厚さを正確に検出できない場合がある。しかしながら、ウエハ１６４の周囲に沿って観察位置を移動させて、複数個所で距離Ｄを観察することにより、ウエハ１６４の正確な厚さを検出することができる。
　なお、顕微鏡２２２を用いた厚さ検出部２２０は、接合装置１０１の外部に設けることもできる。また、顕微鏡２２２以外の測定装置を用いても、特定の基準位置からウエハ１６４の表面および基板保持部材１３１の表面までの各距離を測定できる。具体的には、レーザ測長器、ラインセンサ、画像処理等により、各距離を正確に測定することもできる。
　上記のようにしてウエハ１６４の厚さが検出された場合、制御部２１９は、当該厚さを有するウエハ１６４の接合面が、球面座１３４の揺動中心Ｃに一致するように、基板保持部材１３１を昇降させる。昇降量が正確に制御されていれば、アクチュエータに対して動作を指示すれば足りるが、ウエハ１６４の表面の位置を検出して、揺動中心Ｃと正確に一致しているか否かを確認することも好ましい。
　ウエハ１６４の位置を検出する位置検出部としては、顕微鏡２２２の他、例えば、レーザ測長器、ラインセンサ、撮像装置等を用いることができる。即ち、既に説明した通り、位置検出部としての顕微鏡２２２等からの距離を測定することにより、ウエハ１６４の接合面１６８が、接合装置１０１毎に既知の揺動中心Ｃに位置しているか否かが判る。また、顕微鏡２２２、撮像装置等によりウエハ１６４を水平方向から観察することにより、ウエハ１６４の位置を検出することもできる。
　更に、球面座１３４の揺動中心Ｃの水平位置は接合装置１０１毎に既知なので、次のような方法でウエハ１６４の位置調節を確認することもできる。まず、顕微鏡２２２等から鉛直に垂下した位置に揺動中心Ｃを移動させて、ウエハ１６４の接合面１６８までの距離を測定する。ここで、ウエハ１６４の接合面１６８が揺動中心Ｃに一致している場合は、ウエハ１６４を揺動させても、測定される距離は変化しない。しかしながら、接合面１６８および揺動中心が一致していない場合は、ウエハ１６４を揺動させると、測定値が変化する。
　図５は、他の厚さ検出部２３０の構造を模式的に示す図である。厚さ検出部２３０は、基板保持部材１３１およびウエハホルダ１６３の間に挟まれ、支持部２３２およびロードセル２３４を有する。
　支持部２３２は、全体としては円盤状をなし、上面から陥没した複数の収容部２３１を有する。支持部２３２の上面において、収容部２３１が形成されていない領域は同じ高さを有して押圧部２３３を形成する。
　収容部２３１の各々には、ロードセル２３４が収容される。また、収容部２３１の深さは、ロードセル２３４の高さよりも僅かに小さい。これにより、ロードセル２３４の上端は、支持部２３２の上から上方に僅かに突出してウエハホルダ１６３を支持する。
　上記のような厚さ検出部２３０の上に、ウエハ１６４を搭載したウエハホルダ１６３が載せられた場合、ロードセル２３４は受けた荷重を検出して、ウエハホルダ１６３およびウエハ１６４を合わせた重量を正確に検出する。ウエハホルダ１６３の重量は既知なので、検出した荷重とウエハホルダ１６３の重量との差分から、ウエハ１６４の重量を検知できる。更に、ウエハ１６４の密度は既知なので、検知された重量からウエハ１６４の厚さを算出できる。
　なお、接合装置１０１においてウエハ１６２、１６４を加圧して仮接合する場合には、ロードセル２３４に大きな荷重がかかることになる。しかしながら、荷重が大きくなった場合はロードセル２３４の起歪体が収縮して収容部２３１の内部に入り込む。これにより、以降は支持部２３２の押圧部２３３がウエハホルダ１６３を押し上げる。従って、過大な荷重を受けたロードセル２３４が劣化することが防止される。
　図６は、一方が傾斜したウエハ１６２、１６４を当接させて加圧した場合に生じる現象を説明する図である。ここでは、水平なウエハ１６２に対して、傾斜角度θで傾斜したウエハ１６４が当接した場合を例に挙げて、ウエハ１６４縁部の当接点Ｍが、ウエハ１６２の縁部に対して生じた位置ずれＥについて説明する。また、傾斜したウエハ１６４の揺動中心Ｃが、ウエハ１６４の接合面１６８から距離Δｈ離れているものとして、揺動中心Ｃのずれが当接点Ｍの位置ずれＥに与える影響についても説明する。
　位置ずれＥは、ウエハ１６２、１６４の寸法（半径Ｄ）およびウエハ１６４の傾斜角度θに依存する位置ずれＥ１と、ウエハ１６４の接合面１６８および揺動中心Ｃの間隔Δｈ並びに傾斜角度θに依存する位置ずれＥ２とを含み、下記の式に示す関係を有する。
　Ｅ＝Ｅ１＋Ｅ２
　Ｅ１＝Ｄ（１－ｃｏｓθ）
　Ｅ２＝Δｈ・ｓｉｎθ
　図７は、一方のウエハ１６４の傾斜角度θを変化させながら接合して、ウエハ１６２、１６４に発生した水平方向の位置ずれＥを測定した結果を示す。なお、ウエハ１６２、１６４は、いずれも直径３００ｍｍ、厚さ７７５μｍであった。
　ウエハ１６４の傾斜角度θが大きくなるにつれて、位置ずれＥの要素となる位置ずれＥ１、Ｅ２はいずれも大きくなる。その結果、全体の位置ずれＥも大きくなることが判る。
　また、ウエハ１６４の傾斜角度θが０．６°よりも小さい範囲では、位置ずれＥ２の影響が大きくなる。一方、ウエハ１６４の傾斜角度θが０．６°を越えると、位置ずれＥ１の影響が大きくなる。この測定結果から、ウエハ１６４の傾斜角度θが小さい領域では、位置ずれＥ２を抑制することにより、全体の位置ずれＥを効果的に低減できることが判る。
　図８は、互いに厚さの異なる傾斜したウエハ１６４を水平なウエハ１６２に接合した場合に生じるウエハ１６２、１６４の位置ずれＥを測定した結果を示すグラフである。なお、ウエハ１６２、１６４の直径は３００ｍｍであり、ウエハ１６４の傾斜角度θは１°に固定した。
　傾斜角度θを固定してウエハ１６４の厚さを変化させた場合、ウエハ１６４の揺動中心Ｃが昇降テーブル１３０の基板保持部材１３１の表面にあるので、位置ずれＥ１は、ウエハ１６４の厚さに関わりなく一定になる。一方、揺動中心Ｃと接合面１６８との間隔Δｈに依存する位置ずれＥ２は、ウエハ１６４の厚さが増加するにつれて大きくなる。換言すれば、揺動中心Ｃをウエハ１６４の表面に近接させて、間隔Δｈを小さくすることにより、全体の位置ずれＥを効果的に抑制できることが判る。
　このような現象に対して、接合装置１０１は、伸縮部１３２の動作により基板保持部材１３１の高さをウエハ１６４の厚さ方向に変位させて、異なる厚さのウエハ１６４が装入された場合においても、揺動中心Ｃの位置をウエハ１６４の接合面１６８に一致させることができる。これにより、揺動中心Ｃとの間隔Δｈを小さくして、位置ずれＥを抑制できることが判る。
　このように、一対のウエハ１６２、１６４の一方を水平に固定する段階と、一対のウエハ１６２、１６４の他方を、一方のウエハ１６２に対向させて保持する段階と、他方のウエハ１６４を、ウエハ１６２に対向する接合面１６８に近接した揺動中心Ｃの周りに揺動させて、一対のウエハ１６２、１６４を互いに平行にする段階と、他方のウエハ１６４を一方のウエハ１６２に向かって変位させて、一対のウエハ１６２、１６４を互いに接合させる段階とを含む接合方法が実行される。これにより、ウエハ１６２、１６４の位置ずれＥに起因する接合不良が低減される。
　この接合方法を実行する際、一対のウエハ１６２、１６４をそれぞれ保持した後、一対のウエハ１６２、１６４を互いに平行にするに先立って、他方のウエハ１６４を一方のウエハ１６２に向けて変位させて該一方のウエハに当接させ、他方のウエハ１６４の一部が一方のウエハ１６２に当接したときに、他方のウエハ１６４を一方のウエハ１６２から離反させることができる。
　図９は、接合装置１０１に装入されるウエハ１６２、１６４の状態を示す図である。なお、以下に説明する部分を除くと、位置調節部２０１およびそれを含む接合装置１０１の構造は、図１および図２に示した接合装置１０１と共通の構造を有する。そこで、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。
　この位置調節部２０１において、揺動中心Ｃは、基板保持部材１３１の上面近傍に位置する。既に説明した通り、伸縮部１３２を動作させることにより、基板保持部材１３１の保持面１３３とウエハ１６４の接合面１６８との間隔を変化させることができるので、厚さが異なるウエハ１６４が載せられた場合においても、ウエハ１６４の接合面１６８を揺動中心Ｃに一致させることができる。
　しかしながら、例えば、研磨等により薄化されたウエハと通常のウエハを接合する場合、既に積層されたウエハと単一のウエハとを接合する場合等は、接合に係るウエハ１６２、１６４の厚さが大きく異なる。このような場合には、基板保持部材１３１に搭載した場合に、接合面１６８が揺動中心Ｃにより近くなる方のウエハ１６４を昇降テーブル１３０側に載せることにより、伸縮部１３２の動作量を低減できる。
　初期状態において揺動中心Ｃが基板保持部材１３１の近傍に位置する接合装置１０１では、積層ウエハ等の厚さの大きいウエハ１６２を、固定テーブル１４０側の基板保持部材１４１に保持させた方が伸縮部１３２の昇降量が小さくなり、接合装置１０１における作業のスループットを向上させることができる。
　このように、一対の基板のうち、基板保持部材１３１に保持された場合に接合面１６８が揺動中心Ｃにより近くなる厚さを有する基板を基板保持部材１３１に保持してもよい。これにより、揺動による基板の水平方向の変位が小さくなる。また、基板の接合面１６８を揺動中心Ｃに合わせる場合にも、調整代が小さくなる。
　また、接合面１６８と揺動中心Ｃとの乖離が同程度になる場合は、ウエハ１６２、１６４のうち、より薄い方を、昇降テーブル１３０の基板保持部材１３１に保持させることが好ましい。これにより、基板保持部材１３１を揺動させた場合に生じる接合面１６８の水平方向への変位が小さくなり、位置ずれＥに与える影響を小さくすることができる。
　図１０は、接合装置１０１に装入されるウエハ１６２、１６４の他の形態を示す図である。位置調節部２０１およびそれを含む接合装置１０１の構造は、図８に示したものと共通であり、以下の説明は、同じ接合装置１０１の異なる使用方法を示す。
　図示のように、既に積層されて大きな厚さを有するウエハ１６４と、その上に更に積層される他のウエハ１６２とを積層する場合に、既に積層されたウエハ１６４を下側の基板保持部材１３１に搭載し、単層のウエハ１６２を上側の基板保持部材１４１に保持させることもできる。
　これにより、積層されて重量の大きなウエハ１６４を反転させて上側の基板保持部材１４１に保持させる作業を省くことができる。また、多層のウエハ１６４が何らかの原因で基板保持部材１４１から落下して傷んだ場合に生じる損害額を抑制することができる。
　ここまで、位置調節部２０１の基板駆動部が伸縮部１３２である例を示したが、これに代えて、基板保持部材１３１に保持されたウエハ１６４をその厚さ方向に変位させることができれば、伸縮部１３２以外の構造で基板駆動部を形成することができる。
　図１１は、また他の形態に係る接合装置１０２の構造を模式的に示す断面図である。以下に説明する部分を除くと、接合装置１０２の構造は、図１、図２に示した接合装置１０１、１０２と共通の構造を有する。そこで、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。
　接合装置１０２は、接合装置１０１と同じ構造の枠体１１０、駆動部１２０、固定テーブル１４０およびロードセル１５０を有する。一方、昇降テーブル１３０は、固有の構造を有する。
　接合装置１０２において、昇降テーブル１３０は、ピストン１２２の頂部に順次積層された、Ｙステージ１３８、Ｘステージ１３６、球面座１３４および基板保持部材１３１を備える。ただし、基板保持部材１３１は、球面座１３４に直接に装着され、伸縮部１３２は省かれている。また、図１１に示す例では、位置調節部２０２は、伸縮部１３２に代えて、基板保持部材１３１の上面において、ウエハ１６４および基板保持部材１３１の間に挿入されたスペーサ１７０を備える。
　スペーサ１７０は、ウエハ１６４よりも一回り大きな平面寸法を有しており、ウエハ１６４の下面全体を支持する。また、スペーサ１７０は交換でき、基板保持部材１３１に搭載されたウエハ１６４の厚さに応じて、異なる厚さのスペーサ１７０を装着することができる。一方、球面座１３４の揺動中心Ｃは、基板保持部材１３１の上面に相当する保持面１３３に対して、固定テーブル１４０側に近い位置、即ち、上方に離れた位置に設定されている。
　このような構造により、厚さの異なるウエハ１６４が基板保持部材１３１に保持された場合も、適切な厚さのスペーサ１７０を装着することにより、球面座１３４の揺動中心Ｃを、ウエハ１６４の接合面１６８上に一致させることができる。このように、位置調節部２０２は、基板保持部材１３１の保持面１３３から、ウエハ１６４の厚さ方向に離れた揺動中心Ｃを有する昇降テーブル１３０と、保持面１３３およびウエハ１６４の間に間挿してウエハ１６４の接合面１６８を揺動中心Ｃに近接させるスペーサ１７０とを含んでもよい。これにより、簡潔な構造で、位置調節部２０２を形成できる。
　本実施の形態では、基板保持部材１３１に保持されたウエハ１６４の接合面１６８と揺動中心Ｃとを互いに一致させた例を示したが、揺動中心Ｃをウエハ１６４の接合面１６８からずれた位置に設定することができる。この場合、例えば、基板保持部材１３１に保持されたウエハ１６４の接合面１６８を基準（０）としたときに、接合面１６８からその基板保持部材１３１側と反対側へウエハ１６４の厚さ寸法の距離離れた位置よりも接合面１６８に接近した位置と、接合面１６８からその基板保持部材１３１側へウエハ１６４の厚さ寸法の距離離れた位置よりも接合面１６８に接近した位置との間の範囲内に、揺動中心Cを設定する。すなわち、接合面１６８からの揺動中心Ｃの距離をΔｈとし、ウエハ１６４の厚さ寸法をｄとすると、Δｈの値は、－ｄ＜Δｈ＜ｄの範囲内で取り得る。従って、本発明において「揺動中心Cがウエハ１６４の接合面１６８に近接する」とは、揺動中心Cが前記した範囲内に位置することを意味しているだけでなく、揺動中心Cが接合面１６８に一致することも意味する。
　また、本実施の形態では、接合装置１０１が位置調節部２０１、２０２を備える例を示したが、これに代えて、基板保持部材１３１に保持されたウエハ１６４の接合面１６８と基板保持部材１３１の上面との間の距離が一定である場合には、位置調節部２０１、２０２を不要とし、ウエハ１６４の接合面１６８上に揺動中心Ｃが位置するように、球面座１３４を設計することができる。
　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。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。更に、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。
一つの実施形態に係る接合装置１０１の構造を模式的に示す断面図である。 位置調節部２０１の動作を説明する図である。 伸縮部１３２の内部構造を模式的に示す図である。 厚さ検出部２２０の構造を模式的に示す図である。 厚さ検出部２２０の他の構造を模式的に示す図である。 ウエハ１６２、１６４を当接させた場合に生じる位置ずれを説明する図である。 揺動中心Ｃのずれとウエハ１６２、１６４の位置ずれとの関係を示すグラフである。 ウエハ１６２、１６４の厚さと位置ずれとの関係を示すグラフである。 接合装置１０１に装入されたウエハ１６２、１６４を示す図である。 接合装置１０１に装入されたウエハ１６２、１６４を示す図である。 接合装置１０２の構造を模式的に示す断面図である。
符号の説明
１０１、１０２　接合装置、１１０　枠体、１１２　天板、１１４　支柱、１１６　底板、１２０　駆動部、１２２　ピストン、１２４　シリンダ、１２６　キー、１３０　昇降テーブル、１３１、１４１　基板保持部材、１３２　伸縮部、１３３、１４３　保持面、１３４　球面座、１３６　Ｘステージ、１３８　Ｙステージ、１４０　固定テーブル、１４４　懸架部、１５０　ロードセル、１６１、１６３　ウエハホルダ、１６２、１６４　ウエハ、１６５、１６７　結合部材、１６６、１６８　接合面、１７０　スペーサ、２０１、２０２　位置調節部、２１０、２３２　支持部、２１１　耐圧管、２１２　制御バルブ、２１３　案内筒、２１４　圧力源、２１５　案内軸、２１６　ベローズ、２１７　制動部、２１８　被駆動部、２１９　制御部、２２０、２３０　厚さ検出部、２２２　顕微鏡、２３１　収容部、２３３　押圧部、２３４　ロードセル

Claims (15)

  1. 　一対の基板の一方の基板を保持固定する第１の基板保持部材と、
    　前記一対の基板の他方の基板を該基板の接合面が前記一方の基板の接合面に対向するように保持し、前記一対の基板の各々の前記接合面が互いに接合されるように前記第１の基板保持部材に対して相対移動可能な第２の基板保持部材と、
    　前記第１の基板保持部材および前記第２の基板保持部材を互いに結合する結合部と、
    　前記第１の基板保持部材および前記第２の基板保持部材の一方を、該一方の基板保持部材に保持された前記基板の前記接合面に近接した揺動中心の周りに揺動させる揺動部と、
    　を備える接合装置。
  2. 　前記揺動中心は、前記一方の基板保持部材に保持された前記基板の前記接合面を基準としたときに、前記接合面から前記一方の基板保持部材側と反対側へ前記基板の厚さ寸法の距離離れた位置よりも前記接合面に接近した位置と、前記接合面から前記一方の基板保持部材側へ前記基板の厚さ寸法の距離離れた位置よりも前記接合面に接近した位置との間の範囲内に設定される請求項１に記載の接合装置。
  3. 　前記一方の基板保持部材に保持された前記基板の前記接合面を、前記揺動中心に近接させる位置調節部を更に備える請求項１または請求項２に記載の接合装置。
  4. 　前記位置調節部は、前記一方の基板保持部材に保持された前記基板を、当該基板の厚さ方向に変位させて、当該基板の前記接合面を前記揺動中心に近接させる基板駆動部を含む請求項３に記載の接合装置。
  5. 　前記位置調節部は、前記基板の厚さを入力されることより、前記一方の基板保持部材に保持された前記基板の前記接合面を前記揺動中心に近接させるべく前記基板を駆動する請求項４に記載の接合装置。
  6. 　前記位置調節部は、前記基板の積層数を入力されることより、前記一方の基板保持部材に保持された前記基板の前記接合面を前記揺動中心に近接させるべく前記基板を駆動する請求項４に記載の接合装置。
  7. 　前記一方の基板保持部材に保持された前記基板の厚さを検出して、当該厚さの値を前記位置調節部に入力する厚さ検出部を更に備える請求項５に記載の接合装置。
  8. 　前記厚さ検出部は、
    　前記一方の基板保持部材が前記基板を保持する保持面から、前記保持面に保持された前記基板の表面までの間隔を測定する間隔測定部と、
    　前記間隔測定部が測定した前記間隔から、前記一方の基板保持部材に保持された前記基板の厚さを算出する厚さ算出部と
    　を更に備える請求項７に記載の接合装置。
  9. 　前記厚さ検出部は、
    　前記一方の基板保持部材に保持された前記基板が前記一方の基板保持部材に掛ける荷重を測定する荷重測定部と、
    　前記荷重測定部が測定した荷重から、前記一方の基板保持部材に保持された前記基板の厚さを算出する厚さ算出部と
    　を更に備える請求項７に記載の接合装置。
  10. 　前記一方の基板保持部材に保持された前記基板の前記接合面の、前記揺動中心に対する相対位置を検出する位置検出部を更に備える請求項１から請求項９までのいずれかに記載の接合装置。
  11. 　前記一方の基板保持部材は、前記一方の基板保持部材が前記基板を保持する保持面から前記基板の厚さ方向に離間した揺動中心の回りに揺動し、
    　前記位置調節部は、前記保持面および前記基板の間に間挿されて当該基板の接合面を前記揺動中心に近接させるスペーサを含む請求項３に記載の接合装置。
  12. 　一対の基板の一方を第１の基板保持部材に保持する段階と、
    　他方の基板を該基板の接合面が前記一方の基板の接合面に対向するように第２の基板保持部材に保持する段階と、
    　前記他方の基板の前記接合面に近接した揺動中心の周りに前記第２の基板保持部材を揺動させて、前記一対の基板を互いに平行にする段階と、
    　前記第２の基板保持部材を前記第１の基板保持部材に向かって変位させて、前記一対の基板を互いに接合させる段階と、
    　前記第１の基板保持部材および前記第２の基板保持部材を互いに結合する段階と、
    　を含む接合方法。
  13. 　前記一方の基板を前記第１の基板保持部材に保持する段階、および、前記他方の基板を前記第２の基板保持部材に保持する段階において、
    　前記一対の基板のうち、前記第２の基板保持部材に保持された場合に前記接合面が前記揺動中心により近くなる厚さを有する基板を前記基板保持部材に保持させる請求項１２に記載の接合方法。
  14. 　前記一対の基板を互いに平行にする段階に先立って、前記他方の基板を前記一方の基板に向けて変位させて該一方の基板に当接させる段階と、前記他方の基板の一部が前記一方の基板に当接したときに、前記他方の基板を前記一方の基板から離反させる段階とを更に含む請求項１２または１３に記載の接合方法。
  15. 　第１基板保持部に保持された第１基板を、前記第１基板保持部を介して保持する固定された第１基板テーブルと、
    　第２基板保持部に保持された第２基板を、前記第１基板保持部に対向させて、前記第２基板保持部を介して保持する第２基板テーブルと、
    　前記第２基板テーブルを前記第１基板テーブルに向かって変位させることにより、前記第１基板および前記第２基板の互いに対向する接合面を接合させる駆動部と
    　前記第１基板テーブルおよび前記第２基板テーブルの一方を、前記接合面に近接した揺動中心の廻りに前記第１基板または前記第２基板を揺動させる揺動部と、
    　を備える接合装置。
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