JP5434910B2 - 接合装置および接合方法 - Google Patents

Description

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Ｄ_２を測定できる。これら距離Ｄ_１およびＤ_２の差分Ｄ_Ｔ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Ｅ_１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Ｅ_２とを含み、下記の式に示す関係を有する。
Ｅ＝Ｅ_１＋Ｅ_２
Ｅ_１＝Ｄ（１−ｃｏｓθ）
Ｅ_２＝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Ｅ_１、Ｅ_２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Ｅ_２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Ｅ_１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Ｅ_２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Ｅ_１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Ｅ_２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 (32)

1. 第１の基板と第２の基板とを互いに積層して接合する接合装置であって、
   前記第１の基板を保持する保持面を有する第１の基板保持部材と、
   前記第２の基板の接合面を前記第１の基板の接合面に対向させて前記第２の基板を保持する第２の基板保持部材と、
   前記第２の基板を前記第１の基板に接触させる方向に前記第２の基板保持部材を移動させる第１の駆動部と、
   前記第１の駆動部による前記第２の基板保持部材の移動方向に直交する面に沿って前記第２の基板保持部材を移動させる第２の駆動部と、
   球面状の凹部により支持され、前記凹部と相補的な形状の下面を有して前記第２の基板保持部材を支持して揺動する球面座を有する揺動部と、
   前記第２の基板の厚さに応じて前記球面座の揺動中心の位置を調節する位置調節部と、
   前記第１の基板保持部材の前記保持面と反対側に配置され、前記第１の基板と前記第２の基板とが互いに接触した場合に前記第１の基板にかかる圧力を検出すると共に、前記第１の駆動部による前記第２の基板保持部材の移動を規制する圧力検出部と
   を備える接合装置。
2. 前記揺動部は、前記第２の基板の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る請求項１に記載の接合装置。
3. 前記位置調節部は、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板の前記接合面を前記揺動部の前記揺動中心に近接させる請求項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、前記揺動部と前記第２の基板保持部材との間に配置される請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の接合装置。
5. 前記揺動中心は、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板の前記接合面を基準とした場合に、前記接合面から前記第２の基板保持部材側と反対側へ前記第２の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第２の基板保持部材側へ前記第２の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から請求項４までのいずれか一項に記載の接合装置。
6. 前記位置調節部は、前記第２の基板保持部材を、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板の厚さ方向に変位させて、前記第２の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１から請求項５までのいずれか一項に記載の接合装置。
7. 前記位置調節部は、前記第２の基板の厚さを入力されることより、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板の前記接合面を前記揺動中心に近接させる請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の接合装置。
8. 前記位置調節部は、前記第２の基板の積層数を入力されることより、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板の前記接合面を前記揺動中心に近接させる請求項７に記載の接合装置。
9. 前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の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１から請求項６までのいずれか一項に記載の接合装置。
10. 前記厚さ検出部は、
    前記第２の基板保持部材が前記第２の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第２の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、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の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９に記載の接合装置。
11. 前記間隔測定部は、前記第２の基板を保持した前記第２の基板保持部材の複数の箇所で前記間隔を検出する請求項１０に記載の接合装置。
12. 前記厚さ検出部は、
    前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板が前記第２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、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の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９に記載の接合装置。
13. 前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の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３に記載の接合装置。
14. 前記位置調節部は、前記保持面および前記第２の基板の間に間挿されて前記第２の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１から請求項３までのいずれか一項に記載の接合装置。
15. 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を備える請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載の接合装置。
16. 第１の基板と第２の基板とを互いに積層して接合する接合方法であって、
    前記第１の基板を第１の基板保持部材が有する保持面に保持させる第１の基板保持段階と、
    前記第２の基板の接合面を前記第１の基板の接合面に対向させて、第２の基板保持部材が有する保持面に保持させる第２の基板保持段階と、
    球面状の凹部により支持され、前記凹部と相補的な形状の下面を有して前記第２の基板保持部材を支持して揺動する球面座を有する揺動部により前記第２の基板保持部材を保持させる段階と、
    前記球面座の揺動中心の位置を調節する位置調節部により、前記第２の基板の厚さに応じて前記揺動中心の位置を調節する位置調節段階と、
    前記第２の基板を前記第１の基板に接触させる方向と直交する面に沿って第２の駆動部により前記第２の基板保持部材を移動させる第２の駆動段階と、
    前記第２の基板を前記第１の基板に接触させる方向に、前記第２の基板保持部材を第１の駆動部により移動させる第１の駆動段階と、
    前記第１の基板保持部材の前記保持面と反対側に配置された圧力検出部により、前記第１の基板と前記第２の基板とが互いに接触した場合に前記第１の基板にかかる圧力を検出すると共に、前記第１の駆動部による前記第２の基板保持部材の移動を規制する圧力検出段階と
    を備える接合方法。
17. 前記揺動部が、前記第２の基板の接合面近傍に位置する揺動中心の周りに前記第２の基板保持部材を揺動させる揺動段階を更に含む請求項１６に記載の接合方法。
18. 前記位置調節段階は、前記位置調節部により、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板の前記接合面を前記揺動部の前記揺動中心に近接させる段階を更に含む請求項１６または請求項１７に記載の接合方法。
19. 前記位置調節段階は、前記揺動部と前記第２の基板保持部材との間に配置した前記位置調節部により、前記揺動中心の位置を調節する段階を含む請求項１６から請求項１８までのいずれか一項に記載の接合方法。
20. 前記位置調節段階は、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板の前記接合面を基準とした場合に、前記接合面から前記第２の基板保持部材側と反対側へ前記第２の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第２の基板保持部材側へ前記第２の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、前記位置調節部により前記揺動中心を設定する段階を含む請求項１６から請求項１９までのいずれか一項に記載の接合方法。
21. 前記位置調節段階は、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板の厚さ方向に、基板駆動部により前記第２の基板保持部材を変位させて、前記第２の基板の前記接合面を前記揺動中心に近接させる段階を含む請求項１６から請求項２０までのいずれか一項に記載の接合方法。
22. 前記位置調節段階は、前記第２の基板の厚さを入力されることより、前記位置調節部が前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板の前記接合面を前記揺動中心に近接させる段階を含む請求項１６から請求項２１までのいずれか一項に記載の接合方法。
23. 前記位置調節段階は、前記第２の基板の積層数を入力されることより、前記位置調節部が前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板の前記接合面を前記揺動中心に近接させる段階を含む請求項２２に記載の接合方法。
24. 前記位置調節段階は、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板の厚さを厚さ検出部により検出する厚さ検出段階と、前記厚さ検出部が検出した厚さの値を前記位置調節部に入力する段階とを含む請求項１６から請求項２２までのいずれか一項に記載の接合方法。
25. 前記厚さ検出段階は、
    前記第２の基板保持部材が前記第２の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第２の基板の表面までの間隔を前記厚さ検出部により測定する間隔測定段階と、
    前記間隔測定段階において前記厚さ検出部が測定した前記間隔から、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板の厚さを算出する厚さ算出段階と
    を更に含む請求項２４に記載の接合方法。
26. 前記間隔測定段階は、前記第２の基板を保持した前記第２の基板保持部材の複数の箇所で前記間隔を検出する段階を含む請求項２５に記載の接合方法。
27. 前記厚さ検出段階は、
    前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板が前記第２の基板保持部材に掛ける荷重を測定する荷重測定段階と、
    前記荷重測定段階において測定した荷重から、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の基板の厚さを算出する厚さ算出段階と
    を更に含む請求項２４に記載の接合方法。
28. 前記位置調節段階は、前記第２の基板保持部材に保持された前記第２の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段階を更に含む請求項１８に記載の接合方法。
29. 前記位置調節段階は、前記保持面および前記第２の基板の間にスペーサを間挿して、前記第２の基板の接合面を前記揺動中心に近接させる段階を含む請求項１６から請求項１８までのいずれか一項に記載の接合方法。
30. 前記第１の基板および前記第２の基板が接合された状態で前記第１の基板保持部材おび前記第２の基板保持部材を結合部により結合する段階を更に含む請求項１６から請求項２９までのいずれか一項に記載の接合方法。
31. 前記第２の基板保持段階は、接合する一対の基板のうち、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部の揺動中心により近くなる厚さを有するものを、前記第２の基板保持部材に保持させる段階を含む請求項１６から請求項３０までのいずれか一項に記載の接合方法。
32. 前記第２の基板を前記第１の基板に接合する段階に先立って、前記第２の基板を前記第１の基板に当接させる段階と、前記第１の基板に当接した前記第２の基板を前記第１の基板から離反させる段階と、を更に含む請求項１６から請求項３１までのいずれか一項に記載の接合方法。

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