JP5454310B2 - 基板貼り合わせ装置および基板貼り合わせ方法 - Google Patents

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。

半導体装置の実装密度を高める目的で、電子回路が形成された複数の基板を積層した積層型の半導体装置が注目されている。複数の基板を積層する場合に、基板同士を位置合せして貼り合わせる基板貼り合わせ装置がある（例えば、特許文献１を参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２００９−２３１６７１号公報

基板貼り合わせ装置において、複数の基板を高速に互いの接触位置まで移動して、短時間で基板同士を重ね合わせることが望ましい。しかし、基板の厚みには個体差があるので、接触位置を特定することが難しい。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、第１基板を保持する第１ステージと、第１ステージに対向して配され、第２基板を保持する第２ステージと、第２ステージに保持された第２基板の表面を観察する第１顕微鏡と、第１ステージに保持された第１基板の表面を観察する第２顕微鏡と、第１ステージおよび第２ステージの少なくとも一方を他方に対して移動する移動機構と、第１顕微鏡の焦点面と第２基板の表面とを合致させた位置、および、第２顕微鏡の焦点面と第１基板の表面とを合致させた位置、に基づいて、第１ステージに保持された第１基板の表面と第２ステージに保持された第２基板の表面との間隔を算出する算出部と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顕微鏡の焦点面と、第１ステージに対向している第２ステージに保持された第２基板の表面とを合致させたときの第１ステージと第２ステージの相対的な位置を検出するステップと、第２顕微鏡の焦点面と第１基板の表面とを合致させたときの第１ステージと第２ステージの相対的な位置を検出するステップと、第１顕微鏡の焦点面と第２基板の表面とを合致させた位置、および、第２顕微鏡の焦点面と第１基板の表面とを合致させた位置、に基づいて、第１ステージに保持された第１基板の表面と第２ステージに保持された第２基板の表面との間隔を算出するステップとを備える基板貼り合わせ方法が提供される。

本発明の第３の態様においては、第１顕微鏡の焦点面内で、第１ステージに対向した第２ステージに保持された第２基板の表面を観察するステップと、第２基板の表面を観察するステップにおける第１ステージと第２ステージとの第１の相対位置を検出するステップと、第２顕微鏡の焦点面内で第１基板の表面を観察するステップと、第１基板の表面を観察するステップにおける第１ステージと第２ステージとの第２の相対位置から、第１の相対位置を検出するステップにおいて検出された第１の相対位置に対応する距離分を第１ステージと第２ステージとを近接させることにより、第１基板と第２基板とを貼り合わせるステップとを備える基板貼り合わせ方法が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

基板貼り合わせ装置１００の全体構造を模式的に示す平面図である。 ステージ装置１４０の構造を概略に示す正面図である。 基板アラインメント方法の一実施形態のフローチャートである。 第１顕微鏡３４２が投影する指標像を第２顕微鏡３４４により観察することを示す概略図である。 第２顕微鏡３４４により第１基板１２２の表面位置を計測することを示す概略図である。 第１顕微鏡３４２により第２基板１２３の表面位置を計測することを示す概略図である。 第１基板１２２と第２基板１２３とを重ね合わせることを示す概略図である。 バンプ４０２の間隔を示す概略図である。 第１基板１２２と第２基板１２３とを重ね合わせることを示す概略図である。 第１基板１２２と第２基板１２３との間隔を算出する他の例を示す。 第１基板１２２と第２基板１２３との間隔を算出するさらに他の例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、基板貼り合わせ装置１００の全体構造を模式的に示す平面図である。基板貼り合わせ装置１００は、筐体１０２と、常温部１０４と、高温部１０６と、基板カセット１１２、１１４、１１６とを備える。常温部１０４および高温部１０６は、共通の筐体１０２の内部に設けられる。

基板カセット１１２、１１４、１１６は、筐体１０２の外部に、筐体１０２に対して脱着自在に装着される。基板カセット１１２、１１４、１１６は、基板貼り合わせ装置１００において接合される第１基板１２２および第２基板１２３を収容する。これにより、複数の第１基板１２２および第２基板１２３を一括して基板貼り合わせ装置１００に装填する。また、基板貼り合わせ装置１００において接合された第１基板１２２および第２基板１２３を一括して回収する。

常温部１０４は、筐体１０２の内側にそれぞれ配された、プリアライナ１２６、ステージ装置１４０、基板ホルダラック１２８および基板取り外し部１３０と、一対のロボットアーム１３２、１３４とを備える。筐体１０２の内部は、基板貼り合わせ装置１００が設置された環境の室温と略同じ温度が維持されるように温度管理される。

プリアライナ１２６は、高精度であるが故に狭いステージ装置１４０の調整範囲に第１基板１２２または第２基板１２３の位置が収まるように、個々の第１基板１２２または第２基板１２３の位置を仮合わせする。これにより、ステージ装置１４０における位置決めを確実にすることができる。

基板ホルダラック１２８は、複数の上基板ホルダ１２４および複数の下基板ホルダ１２５を収容して待機させる。上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５は、それぞれ、第１基板１２２および第２基板１２３を、例えば静電吸着により保持する。

ステージ装置１４０は、貼り合わせの対象である第１基板１２２と第２基板１２３における接合すべき電極同士の位置を合わせて、重ね合わせる。ステージ装置１４０は、第１ステージ１４１と、第２ステージ１４２と、制御部１４８とを含む。また、ステージ装置１４０を包囲して断熱壁１４５およびシャッタ１４６が設けられる。断熱壁１４５およびシャッタ１４６に包囲された空間は空調機等に連通して温度管理され、ステージ装置１４０における位置合わせ精度を維持する。

ステージ装置１４０において、第２ステージ１４２は、第２基板１２３を保持した下基板ホルダ１２５を保持した状態で移動する。これに対して、第１ステージ１４１は固定された状態で、上基板ホルダ１２４および第１基板１２２を保持する。さらにステージ装置１４０において、第２ステージ１４２を上昇させることにより、下基板ホルダ１２５と上基板ホルダ１２４との間に第１基板１２２および第２基板１２３を挟み、重ね合わせる。

基板取り外し部１３０は、高温部１０６の加圧部２４０から搬出された上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５に挟まれて貼り合わされた第１基板１２２および第２基板１２３（積層基板と記載することがある）を取り出す。基板ホルダから取り出された積層基板は、ロボットアーム１３４、１３２および第２ステージ１４２により基板カセット１１２、１１４、１１６のうちのひとつに戻されて収容される。積層基板を取り出された上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５は、基板ホルダラック１２８に戻されて待機する。基板取り外し部１３０は、基板ホルダラック１２８の上方に配される。

なお、基板貼り合わせ装置１００に装填される第１基板１２２および第２基板１２３は、単体のシリコンウエハ、化合物半導体ウェハ、ガラス基板等の他、それらに素子、回路、端子等が形成されたものであってよい。また、装填された第１基板１２２および第２基板１２３が、既に複数のウェハを積層して形成された積層基板である場合もある。

一対のロボットアーム１３２、１３４のうち、基板カセット１１２、１１４、１１６に近い側に配置されたロボットアーム１３２は、基板カセット１１２、１１４、１１６、プリアライナ１２６およびステージ装置１４０の間で第１基板１２２および第２基板１２３を搬送する。一方、基板カセット１１２、１１４、１１６から遠い側に配置されたロボットアーム１３４は、ステージ装置１４０、基板ホルダラック１２８、基板取り外し部１３０およびエアロック２２０の間で、第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を搬送する。

ロボットアーム１３４は、基板ホルダラック１２８に対して、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５の搬入および搬出も担う。また、ロボットアーム１３４は、第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５を裏返す機能も有する。これにより、第１基板１２２において回路等が形成された面を第２基板１２３において回路等が形成された面に対向させて貼り合わせる。

高温部１０６は、断熱壁１０８、エアロック２２０、ロボットアーム２３０および複数の加圧部２４０を有する。断熱壁１０８は、高温部１０６を包囲して、高温部１０６の高い内部温度を維持すると共に、高温部１０６の外部への熱輻射を遮断する。これにより、高温部１０６の熱が常温部１０４に及ぼす影響を抑制する。

ロボットアーム２３０は、加圧部２４０のいずれかとエアロック２２０との間で第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を搬送する。エアロック２２０は、常温部１０４側と高温部１０６側とに、交互に開閉するシャッタ２２２、２２４を有する。

第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５が常温部１０４から高温部１０６に搬入される場合、まず、常温部１０４側のシャッタ２２２が開かれ、ロボットアーム１３４が第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５をエアロック２２０に搬入する。次に、常温部１０４側のシャッタ２２２が閉じられ、高温部１０６側のシャッタ２２４が開かれる。

続いて、ロボットアーム２３０が、エアロック２２０から第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を搬出して、加圧部２４０のいずれかに装入する。加圧部２４０は、上基板ホルダ１２４と下基板ホルダ１２５に挟まれた状態で加圧部２４０に搬入された第１基板１２２及び第２基板１２３を加熱および加圧する。これにより第１基板１２２と第２基板１２３が接合されて、貼り合わされる。なお、加圧部２４０は、第１基板１２２及び第２基板１２３を加熱せずに加圧することで第１基板１２２及び第２基板１２３を貼り合わせてもよい。

高温部１０６から常温部１０４に第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を搬出する場合は、上記の一連の動作を逆順で実行する。これらの一連の動作により、高温部１０６の内部雰囲気を常温部１０４側に漏らすことなく、第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を高温部１０６に搬入または搬出できる。

このように、基板貼り合わせ装置１００内の多くの領域において、上基板ホルダ１２４が第１基板１２２を保持した状態で、又は下基板ホルダ１２５が第２基板１２３を保持した状態で、ロボットアーム１３４、２３０および第２ステージ１４２により搬送される。第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４又は第２基板１２３を保持した下基板ホルダ１２５が搬送される場合、ロボットアーム１３４、２３０は、真空吸着、静電吸着等により上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５を吸着して保持してよい。また、上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５は、静電吸着により第１基板１２２または第２基板１２３を吸着して保持する。

図２は、ステージ装置１４０の構造を概略的に示す。ステージ装置１４０は、枠体３１０の内側に配された第１ステージ１４１と、第２ステージ１４２と、第１顕微鏡３４２と、第２顕微鏡３４４と、干渉計３７０と、図１に示した制御部１４８とを備える。

枠体３１０は、互いに平行で水平な天板３１２および底板３１６と、天板３１２および底板３１６を結合する複数の支柱３１４とを備える。天板３１２、支柱３１４および底板３１６は、それぞれ高剛性な材料により形成され、内部機構の動作に係る反力が作用した場合も変形を生じない。なお、基板貼り合わせ装置１００に組み込まれた場合は、支柱３１４相互の間は断熱壁１４５により封止される。

第１ステージ１４１は、天板３１２の下面に固定される。第１ステージ１４１は、第１基板１２２を下面に保持する上基板ホルダ１２４を吸着する。当該吸着方法は、真空吸着であってよく、静電吸着であってもよい。

第２ステージ１４２は、第１ステージ１４１に対向して昇降部３６０に配される。昇降部３６０は、底板３１６の上に載置され、底板に対して固定されたガイドレール３５２に案内されつつＸ方向に移動するＸステージ３５４と、Ｘステージ３５４の上でＹ方向に移動するＹステージ３５６の上に載置される。よって、制御部１４８の制御により、第２ステージ１４２に搭載された部材を、ＸＹ平面上の任意の方向に移動でき、Ｚ方向にも移動できる。Ｚ方向の移動距離は変位センサー３７２により検知できる。変位センサー３７２が検出したデータが制御部１４８にフィードバックされる。

第２ステージ１４２は、真空吸着等により下基板ホルダ１２５を保持し、下基板ホルダ１２５は、静電吸着により第２基板１２３を保持する。昇降部３６０は、制御部１４８からの指示に応じて、第２ステージ１４２をＺ方向に昇降する。昇降部３６０の駆動形式の例として、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）による駆動、シリンダー及びピストンによる駆動等が挙げられる。第２ステージ１４２は、更にそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸を回転軸として傾斜又は回転する機能を有してよい。第２ステージ１４２は、粗動微動分離駆動機構を有してよい。

第１顕微鏡３４２は、天板３１２の下面に、第１ステージ１４１に対して所定の間隔をおいて固定される。第１顕微鏡３４２は、第２ステージ１４２に保持された第２基板１２３の表面を観察する。第１顕微鏡３４２は、指標３４６を内蔵する。本実施形態において、第１顕微鏡３４２の焦点面は固定されている。第１顕微鏡３４２により観察された画像データは、制御部１４８に送信される。制御部１４８は、受信した画像データのコントラスト等に基づいて[a1]、第１顕微鏡３４２の焦点面に観察対象物が位置するように、第２ステージ１４２の上下位置を制御する。なおコントラストに代えて、ＴＴＬ方式によって位相差方式により、第１顕微鏡３４２の焦点面に観察対象物が位置するようにしてもよい。

第２顕微鏡３４４は、第２ステージ１４２に固定され、第２ステージ１４２と共に移動する。第２顕微鏡３４４は、第１ステージ１４１に保持された第１基板１２２の表面を観察する。本実施形態において、第２顕微鏡３４４の焦点距離は固定されている。第２顕微鏡３４４にも、更に指標を内蔵してよい。第２顕微鏡３４４により観察された画像データは、制御部１４８に送信される。制御部１４８は、受信した画像データのコントラスト等に基づいて、第２顕微鏡３４４の焦点面に観察対象物が位置するように、第２ステージ１４２の上下位置を制御する。

干渉計３７０は、それぞれ第１ステージ１４１及び第２ステージ１４２に固定されたミラーに光を照射して、ミラーから反射される光の干渉により、第１ステージ１４１と第２ステージ１４２との相対位置を検知する。この場合に、干渉計３７０は、第１ステージ１４１と第２ステージ１４２とのＸ方向の相対位置、Ｙ方向の相対位置、Ｘ軸周りの相対的な傾き、Ｙ軸周りの相対的な傾き、Ｚ軸周りの相対的な傾きを検知する。干渉計３７０は、検出したデータを制御部１４８にフィードバックする。

制御部１４８は、第２ステージ１４２を制御する。制御部１４８は、干渉計３７０及び変位センサー３７２によりフィードバックされるデータに基づいて、第２ステージ１４２を精密に制御する。制御部１４８はさらに、上基板ホルダ１２４を介して第１ステージ１４１に保持された第１基板１２２の表面と、下基板ホルダ１２５を介して第２ステージ１４２に保持された第２基板１２３の表面との間の間隔を計算する算出部を有する。

図３は、ステージ装置１４０を用いる基板アラインメント方法の一実施形態のフローチャートである。このアラインメント方法は、第１基板１２２等を第１ステージ１４１等に設置するステップＳ０１０と、第２顕微鏡３４４により指標像３８０を観察するステップＳ０２０と、第１基板１２２の位置を検出するステップＳ０３０と、第２基板１２３の位置を検出するステップＳ０４０と、第１基板１２２および第２基板１２３の間隔を算出するステップＳ０５０と、第１基板１２２と第２基板１２３とを位置合せするステップＳ０６０と、第１基板１２２と第２基板１２３とを重ね合わせるステップＳ０７０とを備える。

ステップＳ０１０において、第１基板１２２及び第２基板１２３をステージ装置１４０に設置する。まず、ロボットアーム１３２により、基板カセット１１２、１１４、１１６のいずれかに収容されている一枚の第１基板１２２がプリアライナ１２６に搬入され、外形基準により位置決めされる。ロボットアーム１３４は、一枚の上基板ホルダ１２４を第２ステージ１４２に搭載する。上基板ホルダ１２４を搭載した第２ステージ１４２は、ロボットアーム１３２の近傍まで移動する。ロボットアーム１３２は、この上基板ホルダ１２４に第１基板１２２を搭載する。これにより、上基板ホルダ１２４が第１基板１２２を保持する。

第２ステージ１４２が再びロボットアーム１３４の側に移動する。ロボットアーム１３４は、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を裏返して、第１ステージ１４１に近接させる。これにより、第１ステージ１４１が第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を真空吸着により保持する。

次に、ロボットアーム１３４は、下基板ホルダ１２５を第２ステージ１４２に搭載する。下基板ホルダ１２５を搭載した第２ステージ１４２は、ロボットアーム１３２の近傍まで移動する。ロボットアーム１３２は、この下基板ホルダ１２５に、プリアライナ１２６において外形基準で位置決めされた第２基板１２３を搭載する。これにより、下基板ホルダ１２５は第２基板１２３を保持する。さらに、第２ステージ１４２は、下基板ホルダ１２５を真空吸着により保持する。第２ステージ１４２は、下基板ホルダ１２５及び第２基板１２３を載置して、第１ステージ１４１の直下に移動する。

図４は、第２顕微鏡３４４により指標像３８０を観察するステップＳ０２０を示す概略図である。ステップＳ０２０において、第１顕微鏡３４２が投影する指標３４６の指標像３８０を第２顕微鏡３４４により観察する。第２ステージ１４２を移動することにより、第１顕微鏡３４２の結像面に第２顕微鏡３４４の焦点を合わせる。この場合に、制御部１４８が第２ステージ１４２をＸＹ方向に平行移動することにより、第２顕微鏡３４４の視野内に第１顕微鏡３４２の指標像３８０に位置させる。さらに、制御部１４８が第２ステージ１４２をＺ方向に移動することにより、第２顕微鏡３４４の焦点面を第１顕微鏡３４２により結像される指標３４６の結像面に位置させる。これにより、第１顕微鏡３４２により結像される指標３４６の指標像３８０を第２顕微鏡３４４の焦点面に位置させた場合の第２ステージ１４２のＺ軸の位置Ｚ_Ｌ０を取得する。

なお、第１顕微鏡３４２及び第２顕微鏡３４４の焦点距離が固定である場合には、第１顕微鏡３４２の結像面のＺ軸の位置Ｆ_０は既知である。よって、当該結像面に焦点を合わせた第２顕微鏡３４４を搭載した第２ステージ１４２のＺ軸の位置Ｚ_Ｌ０も既知であるので、ステップＳ０２０を省略してもよい。この場合、短期的に安定している場合は、事前にロットの先頭で一度計測を行い、その値を記憶させてもよい。また、大気圧の変動によって第１顕微鏡３４２及び第２顕微鏡３４４の焦点距離が変化する虞がある場合には、大気圧の変動に応じて補正を行ってもよい。ここで、第１顕微鏡３４２で形成された指標像３８０を第２顕微鏡３４４により観察しているが、これに代えて、共通の指標として透明板に指標を印刷等したものを用いてもよい。この場合に、第１顕微鏡３４２および第２顕微鏡３４４の両方の視野内に当該指標を差し込み、指標上に第１顕微鏡３４２および第２顕微鏡３４４の両方の焦点面が来るように第２ステージ１４２および透明板をＺ方向に移動させてもよい。

位置Ｚ_Ｌ０は、第２ステージ１４２のＺ軸方向の制御規準位置となる。ここで、第１基板１２２の表面のＺ軸の位置をＺ_ＵＷとし、位置Ｆ_０から位置Ｚ_ＵＷまでの距離をｆ_１とする。また、第２基板１２３の表面のＺ軸の位置をＺ_ＬＷとし、位置Ｆ_０から位置Ｚ_ＬＷまでの距離をｆ_２とする。第１基板１２２及び第２基板１２３の厚さは、貼り合わせる基板の個体差、種類等により変わるので、距離ｆ_１、ｆ_２は一定ではない。

図５は、第１基板１２２の位置を検出するステップＳ０３０を示す概略図である。ステップＳ０３０において、第２顕微鏡３４４により第１基板１２２の表面位置を検出する。制御部１４８により、第２ステージ１４２を移動して、第２顕微鏡３４４の焦点を第１基板１２２の表面に合わせる。図５に示すように、第２ステージ１４２が位置Ｚ_Ｌ１に来たときに、第２顕微鏡３４４の焦点が第１基板１２２の表面に合ったとする。制御部１４８は、このときの第２ステージ１４２の位置Ｚ_Ｌ１と位置Ｚ_Ｌ０との差から距離ｆ_１を算出する。

この場合に、第２顕微鏡３４４は、第１基板１２２の表面に設けられたアライメント用マークを観察して、その位置情報を制御部１４８に送信する。制御部１４８は、受信したデータに基づいて、第１ステージ１４１に保持された第１基板１２２の位置、向き等を算出して、記憶する。

図６は、第２基板１２３の位置を検出するステップＳ０４０を示す概略図である。ステップＳ０４０において、第１顕微鏡３４２により第２基板１２３の表面位置を検出する。制御部１４８により、第２ステージ１４２を移動して、第１顕微鏡３４２の焦点を第２基板１２３の表面に合わせる。図６に示すように、第２ステージ１４２が位置Ｚ_Ｌ２に来たときに、第１顕微鏡３４２の焦点が第２基板１２３の表面に合ったとする。制御部１４８は、このときの第２ステージ１４２の位置Ｚ_Ｌ２と位置Ｚ_Ｌ０との差から距離ｆ_２を算出する。

この場合に、第１顕微鏡３４２により、第２基板１２３の表面に設けられたアライメント用マークを観察して、その位置情報を制御部１４８に送信する。制御部１４８は、受信したデータに基づいて、第２ステージ１４２に保持された第２基板１２３の位置、向き等を算出して、記憶する。

さらに、ステップＳ０５０において、制御部１４８は、上記ｆ_１及びｆ_２に基づいて、第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面との間隔を算出する。この場合に、図４に示す状態における、第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面との間隔は距離ｆ_１と距離ｆ_２との和（ｆ_２＋ｆ_２）により求まる。このときの第２ステージ１４２の位置Ｚ_Ｌ０は既知であるから、第２ステージ１４２の任意の位置に対する、そのときの第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面との間隔を知ることができる。例えば、ステップＳ０４０における第２ステージ１４２の位置を維持するとした場合に、第２ステージ１４２は位置Ｚ_Ｌ０から距離ｆ_２だけ上昇しているので、このときの第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面の間の間隔は、（ｆ_１＋ｆ_２）−ｆ_２、すなわち、ｆ_１となる。

ステップＳ０６０において、制御部１４８は、算出して記憶した第１基板１２２及び第２基板１２３の位置情報に基づいて、第２ステージ１４２を移動して、第１基板１２２と第２基板１２３における接合すべき電極同士の位置が合うように第１基板１２２と第２基板１２３とを位置決めする。この場合に、第１基板１２２及び第２基板１２３のアラインメントマークの複数の組の位置ずれが統計的に小さくなるように、いわゆるグローバルアラインメントにより位置決めをしてもよい。上記の移動は、Ｘ−Ｙ軸面内で平行移動、Ｚ軸の回転移動、およびＸ軸又はＹ軸の傾斜移動を含む。

図７は、第１基板１２２と第２基板１２３とを重ね合わせるステップＳ０７０を示す概略図である。ステップＳ０７０において、第２ステージ１４２を上記ステップＳ０６０で求めた間隔ｆ_１の距離だけ上昇させて、第１基板１２２と第２基板１２３を重ね合わせる。これにより、制御部１４８は、第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面との間の間隔を正確に算出できるので、第２ステージ１４２を正確に制御して、重ね合わせをすることができる。

第１基板１２２と第２基板１２３との接触時の衝撃を緩和して、衝撃による基板の破損を防ぐ目的で、制御部１４８は、算出された第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面との間隔よりも所定距離手前まで高速に第２ステージ１４２を上昇させ、当該所定距離から低速に第２ステージ１４２を上昇させて、第１基板１２２と第２基板１２３を当接させる。例えば、第１基板１２２と第２基板１２３が接触する位置の２ｍｍ手前まで高速に第２ステージ１４２を上昇させて、残り２ｍｍの距離を低速で上昇させる。このような制御により、基板を重ね合わせる時間を短縮しつつ、接触時の基板の破損を防ぐことができる。第２ステージ１４２の上昇速度の制御は、高速段階と低速段階からなる２段階制御でよく、高速から低速まで徐々に減速する方法を用いてもよい。

上述の基板位置検出方法によれば、正確に第１基板１２２及び第２基板１２３の表面の位置を検出できるので、第１基板１２２及び第２基板１２３の厚さに関わらず正確に第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面との距離を算出できる。よって、その距離に合わせて、高速且つ安全に基板を重ね合わせることができる。さらに、第１基板１２２及び第２基板１２３の厚さ自体を直接的に計測しなくてよいので、当該計測に用いられる装置そのための時間等を省くことができる。

図８は、バンプ４０２の間隔を示す概念図である。図８に示すように、第１基板１２２及び第２基板１２３には、対応する電極を接合することを目的とするバンプ４０２が形成されている場合がある。このようなバンプ４０２には、設計上、一定の高さを有するので、第１基板１２２及び第２基板１２３を重ね合わせる場合に、バンプ４０２の高さも考慮することが好ましい。

例えば、第１基板１２２のバンプ４０２の高さａ、第２基板１２３のバンプ４０２の高さｂに対し、ステップＳ０３０およびステップＳ０４０において、第１基板１２２及び第２基板１２３におけるバンプ４０２のない部位の表面位置を検出して、ステップＳ０５０において、第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面との間隔を算出して、その間隔から更に高さａ及び高さｂを引くことにより、バンプ４０２の間隔Ｈ_Ｂを算出する。ステップＳ０７０において、間隔Ｈ_Ｂに基づいて第２ステージ１４２の上昇速度を制御すれば、図９に示すように、高速且つ安全に基板を重ね合わせることができる。

なお、図３に示す基板アラインメント方法において、第２顕微鏡３４４の内部に指標を設けた場合に、ステップＳ０２０において、第２顕微鏡３４４が投影する指標像を第１顕微鏡３４２により観察してもよい。即ち、第２ステージ１４２を移動することにより、第２顕微鏡３４４の結像面に第１顕微鏡３４２の焦点を合わせる。この位置において、第１顕微鏡３４２から第２顕微鏡３４４が内蔵する指標の指標像を観察することができる。

また、図３に示す基板アラインメント方法において、ステップＳ０３０とステップＳ０４０との前後順序を入れ替えてもよい。即ち、まず、第２基板１２３の表面位置を検出してから、第１基板１２２の表面位置を検出してもよい。

この場合に、第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面とのいずれを先に検出するかは、第２ステージ１４２の上昇量が小さい方を先にすることが好ましい。これにより、その後に第２ステージ１４２を下げる動作を省略することができ、第２ステージ１４２を上げる動作から下げる動作に切り替えることに伴う機械のあそびによる位置検出誤差を防ぐことができる。いずれの検出が第２ステージ１４２の上昇量が小さいかは、第１顕微鏡３４２の焦点距離、第２顕微鏡３４４の焦点距離、第１基板１２２に予想される厚み、第２基板１２３に予想される厚み等に依存する。特に、第２ステージ１４２の上昇量は、第１顕微鏡３４２の焦点距離と第２基板１２３に予想される厚みとの差、および、第２顕微鏡３４４の焦点距離と第１基板１２２に予想される厚みとの差に依存する。よってこれらが予測できる場合には上記二つの差のうち大きいほうに対応する方を先に検出することが好ましい。

なお、上記実施形態において、第１顕微鏡３４２の焦点距離および第２顕微鏡３４４の焦点距離はいずれも固定されている。これに代えて、第１顕微鏡３４２の焦点距離および第２顕微鏡３４４の焦点距離の一方または両方が可変であってもよく、その場合には、ステップＳ０２０からステップＳ０４０まで焦点距離を変えないようにすればよい。

また、ステップＳ０５０において、距離ｆ_１と距離ｆ_２との和（ｆ_２＋ｆ_２）を算出して、それに基づいて第１基板１２２と第２基板１２３との間隔を算出しているが、これに限られない。例えばステップＳ０４０における第２ステージ１４２の位置を維持するとした場合に、このときの第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面との間隔を直接的に、ステップＳ０３０で検出した距離ｆ_１となる。この場合には和（ｆ_２＋ｆ_２）を算出しなくても、制御部１４８は、第２ステージ１４２をこの状態から距離ｆ_１分上昇させて、第１基板１２２と第２基板１２３とを重ね合わせることができる。

図１０は、第１基板１２２と第２基板１２３との間隔を算出する他の例を示す。図１０において、第１ステージ１４１には、高さの基準となる基準板３９０が設けられる。ここで高さとは第１ステージ１４１と第２ステージ１４２とが対向する方向、すなわち、図中の上下方向をいう。

図１０に示す例において図３のステップＳ０２０に代えて、まず、基準板３９０から第１顕微鏡３４２の焦点面までの高さ方向の距離ｄ０をゲージ等により観測して調整しておく。次に、制御部１４８は第２ステージ１４２を移動させて第２顕微鏡３４４の焦点面を基準板３９０に合わせる。これにより、第２顕微鏡３４４の焦点面を基準板３９０に合わせた場合の第２ステージ１４２のＺ軸の位置Ｚ_Ｌ０を取得する。以下、図３のステップＳ０３０以降の処理を実行する。ここで、基準板３９０から第１顕微鏡３４２の焦点面までの距離ｄ０が既知であるので、図４の位置Ｆ_０に対する第１顕微鏡３４２および第２顕微鏡３４４の間隔に代えて、当該距離ｄ０を用いることにより、ステップＳ０５０にて第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面との間隔を算出することができる。

図１１は、第１基板１２２と第２基板１２３との間隔を算出するさらに他の例を示す。図１１において、第１ステージ１４１には、高さの基準となる基準板３９０が設けられる。第２ステージ１４２にも、高さの基準となる基準板３９２が設けられる。ここで高さとは第１ステージ１４１と第２ステージ１４２とが対向する方向、すなわち、図中の上下方向をいう。さらに図１１に示す例において、第１ステージ１４１は上基板ホルダ１２４を介して、厚さが既知の基準基板４１０を保持するとともに、第２ステージ１４２は下基板ホルダ１２５を介して、厚さが既知の基準基板４１２を保持する。

図１１に示す例において図３のステップＳ０２０に代えて、まず、基準板３９０から基準基板４１０の表面までの高さ方向の距離ｄ１、および、基準板３９２から基準基板４１２の表面までの高さ方向の距離ｄ２をゲージ等により観測して調整しておく。次に、図３のステップＳ０２０からＳ０７０までの処理を実行し、基準基板４１０、４１２を重ね合わせる。そのときの第２ステージ１４２の移動量に基づいて、基準基板４１０、４１２を用いた場合における、第２顕微鏡３４４が第１ステージ１４１上の基準基板４１０の表面を観察したときの、基準基板４１０の表面と基準基板４１２の表面との距離ｄ３を算出する。

次に、第１ステージ１４１が上基板ホルダ１２４を介して第１基板１２２を保持するとともに、第２ステージ１４２が下基板ホルダ１２５を介して第２基板１２３を保持する。さらに図１０の場合と同様に、第１顕微鏡３４２の焦点面を基準板３９２に合わせた場合の第２ステージ１４２の高さと、第１顕微鏡３４２の焦点面を第２基板１２３の表面に合わせた場合の第２ステージ１４２との高さの差ｄ４を算出する。同様に、第２顕微鏡３４４の焦点面を基準板３９０に合わせた場合の第２ステージ１４２の高さと、第２顕微鏡３４４の焦点面を第１基板１２２の表面に合わせた場合の第２ステージ１４２との高さの差ｄ５を算出する。これにより、第２顕微鏡３４４の焦点面を第１基板１２２の表面に合わせた第２ステージ１４２の高さ位置において、第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面との間隔は、（ｄ４−ｄ１）＋（ｄ５−ｄ２）＋ｄ３により算出される。

さらに、図１から図１１に示す形態において第１基板１２２の表面の傾きおよび第２基板１２３の表面の傾きをさらに考慮してもよい。この場合に、例えば、第２顕微鏡３４４で第１基板１２３の複数のアライメント用マーク、例えば３個のアラインメント用マークを観察したときの第２ステージ１４２の位置（Ｘ_Ｌｉ，Ｙ_Ｌｉ，Ｚ_Ｌｉ）（ｉ＝１，２，３・・・）を取得する。さらにθｘ，θｙ，Ｚｃをパラメータとして下記Ｓ_Ｌを最小化する。下記Ｓ_Ｌを最小化したときのＺｃを図５におけるＺ_Ｌ１として用いればよい。
Ｓ_Ｌ＝Σ_ｉ（Ｚ_Ｌｉ−（Ｙ_Ｌｉθｘ−Ｘ_Ｌｉθｙ＋Ｚｃ））^２

同様に、第１顕微鏡３４２で第２基板１２４の複数のアライメント用マーク、例えば３個のアラインメント用マークを観察したときの第２ステージ１４２の位置（Ｘ_Ｕｉ，Ｙ_Ｕｉ，Ｚ_Ｕｉ）（ｉ＝１，２，３・・・）を取得する。さらにθｘ，θｙ，Ｚｃをパラメータとして下記Ｓ_Ｕを最小化する。下記Ｓ_Ｕを最小化したときのＺｃを図５におけるＺ_Ｌ２として用いればよい。
Ｓ_Ｕ＝Σ_ｉ（Ｚ_Ｕｉ−（−Ｙ_Ｕｉθｘ＋Ｘ_Ｕｉθｙ−Ｚｃ））^２

なお、上述のステージ装置１４０は、基板貼り合わせ装置１００に限らず、他の用途にも使用し得る。また、ステージ装置１４０において、重ね合わせた第１基板１２２および第２基板１２３を加圧および加熱してこれらを接合することにより、加圧部２４０を省略した基板貼り合わせ装置１００を形成することもできる。また、上記実施形態において、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を用いたが、これらの一方または両方を用いずに、第１基板１２２および第２基板１２３の一方または両方を直接第１ステージ１４１等に保持させてもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００ 基板貼り合わせ装置、１０２ 筐体、１０４ 常温部、１０６ 高温部、１０８ 断熱壁、１１２ 基板カセット、１１４ 基板カセット、１１６ 基板カセット、１２２ 第１基板、１２３ 第２基板、１２４ 上基板ホルダ、１２５ 下基板ホルダ、１２６ プリアライナ、１２８ 基板ホルダラック、１３０ 基板取り外し部、１３２ ロボットアーム、１３４ ロボットアーム、１４０ ステージ装置、１４１ 第１ステージ、１４２ 第２ステージ、１４５ 断熱壁、１４６ シャッタ、１４８ 制御部、２２０ エアロック、２２２ シャッタ、２２４ シャッタ、２３０ ロボットアーム、２４０ 加圧部、３１０ 枠体、３１２ 天板、３１４ 支柱、３１６ 底板、３４２ 第１顕微鏡、３４４ 第２顕微鏡、３４６ 指標、３５２ ガイドレール、３５４ Ｘステージ、３５６ Ｙステージ、３６０ 昇降部、３７０ 干渉計、３７２ 変位センサー、３８０ 指標像、３９０ 基準板、３９２ 基準板、４０２ バンプ、４１０ 基準基板、４１２ 基準基板

Claims (21)

1. 第１基板を保持する第１ステージと、
   前記第１基板に対向するように第２基板を保持する第２ステージと、
   前記第１ステージに保持された前記第１基板の表面に設けられたアライメント用マークを観察する第２顕微鏡と、
   前記第２ステージに保持された前記第２基板の表面に設けられたアライメント用マークを観察する第１顕微鏡と、
   前記第２基板の表面および前記第１基板の表面に設けられた前記アライメント用マークの位置に基づいて前記第１基板および前記第２基板を互いに位置合わせするとき、および、前記位置合わせされた前記第１基板および前記第２基板を互いに接触させるときに、前記第１ステージおよび前記第２ステージを相対移動させる駆動部と、
   少なくとも前記第１基板および前記第２基板を互いに接触させるべく前記第１ステージおよび前記第２ステージを相対移動させる前に、前記第１顕微鏡の焦点と前記第２基板の表面とを合致させたときの前記第１ステージおよび前記第２ステージの少なくとも一方の位置、および、前記第２顕微鏡の焦点と前記第１基板の表面とを合致させたときの前記第１ステージおよび前記第２ステージの少なくとも一方の位置に基づいて、前記第１基板の前記表面と前記第２基板の前記表面との間隔を算出する取得部と、
   を備え、
   前記駆動部は、前記取得部で取得した前記間隔に基づいて、前記第１ステージおよび前記第２ステージを相対移動させることを特徴とする基板貼り合わせ装置。
2. 前記駆動部は、前記第１顕微鏡の焦点と前記第２顕微鏡の焦点とが合致する位置まで、前記第１ステージおよび前記第２ステージを相対移動させ、
   前記取得部は、前記第１顕微鏡の焦点と前記第２顕微鏡の焦点とが合致したときの前記第１ステージと前記第２ステージとの間隔および相対位置の少なくとも一方を用いて、前記第１基板の表面と前記第２基板の表面との間隔を算出する請求項１に記載の基板貼り合わせ装置。
3. 前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡は、前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡の一方から投影した指標を他方で観察することにより、前記第１顕微鏡の焦点と前記第２顕微鏡の焦点とを合致させる請求項１または２に記載の基板貼り合わせ装置。
4. 前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡は、共通の指標を観察することにより、前記第１顕微鏡の焦点と前記第２顕微鏡の焦点とを合致させる請求項１または２に記載の基板貼り合わせ装置。
5. 前記第１ステージおよび前記第２ステージのいずれか一方は、対向する方向の高さの基準となる基準板を有し、
   前記駆動部は、前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡のうち前記基準板に対向して配されている一方の焦点を前記基準板上に合致させた位置まで、前記第１ステージおよび前記第２ステージのいずれか一方を移動し、
   前記取得部は、前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡のうちの前記一方の焦点を前記基準板上に合致させたときの前記第１ステージと前記第２ステージとの距離および相対位置の少なくとも一方をさらに用いて、前記第１基板の表面と前記第２基板の表面との間隔を算出する請求項１または２に記載の基板貼り合わせ装置。
6. 前記取得部は、算出に先立って、前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡のうちの他方の焦点と前記基準板と前記対向する方向の距離を取得する請求項５に記載の基板貼り合わせ装置。
7. 前記取得部は、前記第１顕微鏡で観察した前記第２基板の表面の傾きおよび前記第２顕微鏡で観察した前記第１基板の表面の傾きをさらに用いて、前記第１基板の表面と前記第２基板の表面との間隔を算出する請求項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. 前記取得部は、前記第１基板の表面および前記第２基板の表面の少なくとも一方に配されたバンプの高さをさらに用いて、前記第１基板の表面と前記第２基板の表面との間隔を算出する請求項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. 前記駆動部は、前記第１基板と前記第２基板とを互いに接触させるべく前記第１ステージおよび前記第２ステージを相対移動させる場合に、前記取得部により算出された前記第１基板の表面と前記第２基板の表面との間隔に応じた移動距離よりも所定距離手前において前記第１ステージおよび前記第２ステージを互いに近接させる速度を減速する請求項１から８のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。
10. 前記第１ステージおよび前記第２ステージの少なくとも一方は、複数の基板が積層されて形成された前記第１基板または前記第２基板を保持する請求項１から９のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。
11. 前記第１顕微鏡は前記第１ステージに相対的に固定されると共に、前記第２顕微鏡は前記第２ステージに相対的に固定される請求項１から１０のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。
12. それぞれに回路が形成された第１基板と第２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、
    第１ステージに保持された前記第１基板の表面に設けられたアライメント用マークを第２顕微鏡で観察するステップと、
    前記第１基板に対向するように第２ステージに保持された前記第２基板の表面に設けられたアライメント用マークを第１顕微鏡で観察するステップと、
    前記第２基板の表面および前記第１基板の表面に設けられた前記アライメント用マークの位置に基づいて、前記第１ステージに保持された前記第１基板と、前記第２ステージに保持された前記第２基板とを互いに位置合わせする位置合わせステップと、
    前記第１ステージおよび前記第２ステージを互いに近づく方向に相対移動させることにより、前記位置合わせされた前記第１基板および前記第２基板を互いに接触させる接触ステップと、
    少なくとも前記接触ステップの前に、前記第１顕微鏡の焦点と、第１基板を保持した第１ステージに対向している第２ステージに保持された第２基板の表面とを合致させたときの前記第１ステージと前記第２ステージの相対的な位置を検出するステップ、前記第２顕微鏡の焦点と前記第１基板の表面とを合致させたときの前記第１ステージと前記第２ステージの相対的な位置を検出するステップ、および、前記第１顕微鏡の焦点と前記第２基板の表面とを合致させた位置、および、前記第２顕微鏡の焦点と前記第１基板の表面とを合致させた位置、に基づいて、前記第１ステージに保持された前記第１基板の表面と前記第２ステージに保持された前記第２基板の表面との間隔を算出するステップを含む取得ステップと、
    を含み、
    前記接触ステップは、前記取得ステップで取得した前記間隔に基づいて、前記第１ステージおよび前記第２ステージを相対移動させることを特徴とする基板貼り合わせ方法。
13. 前記取得ステップは、
    前記第１顕微鏡の焦点と前記第２顕微鏡の焦点とが合致する位置まで前記第１ステージおよび前記第２ステージを相対移動させるステップを含み、
    前記第１顕微鏡の焦点と前記第２顕微鏡の焦点とが合致したときの前記第１ステージと前記第２ステージとの間隔および相対位置の少なくとも一方を用いて、前記第１基板の表面と前記第２基板の表面との間隔を算出する請求項１２に記載の基板貼り合わせ方法。
14. 前記取得ステップは、前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡の一方から投影した指標を他方で観察することにより、前記第１顕微鏡の焦点と前記第２顕微鏡の焦点とを合致させるステップを含む請求項１２または１３に記載の基板貼り合わせ方法。
15. 前記取得ステップは、共通の指標を観察することにより、前記第１顕微鏡の焦点と前記第２顕微鏡の焦点とを合致させるステップを含む請求項１２または１３に記載の基板貼り合わせ方法。
16. 前記取得ステップは、
    前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡のうち前記第１ステージおよび前記第２ステージのいずれか一方に設けられた基準板に対向して配されている一方の焦点を前記基準板上に合致させた位置まで、前記第１ステージおよび前記第２ステージのいずれか一方を移動するステップを含み、
    前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡のうちの前記一方の焦点を前記基準板上に合致させたときの前記第１ステージと前記第２ステージとの距離および相対位置の少なくとも一方をさらに用いて、前記第１基板の表面と前記第２基板の表面との間隔を算出する請求項１２から１５のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
17. 前記取得ステップは、算出するステップに先立って、前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡のうちの他方の焦点と前記基準板と前記対向する方向の距離を取得する請求項１６に記載の基板貼り合わせ方法。
18. 前記取得ステップは、前記第１顕微鏡で観察した前記第２基板の表面の傾きおよび前記第２顕微鏡で観察した前記第１基板の表面の傾きをさらに用いて、前記第１基板の表面と前記第２基板の表面との間隔を算出する請求項１２から１７のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
19. 前記取得ステップは、前記第１基板の表面および前記第２基板の表面の少なくとも一方に配されたバンプの高さをさらに用いて、前記第１基板の表面と前記第２基板の表面との間隔を算出する請求項１２から１８のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
20. 前記接触ステップは、前記第１基板と前記第２基板とを互いに接触させるべく前記第１ステージおよび前記第２ステージを相対移動させる場合に、前記取得ステップで算出された前記第１基板の表面と前記第２基板の表面との間隔に応じた移動距離よりも所定距離手前において前記第１ステージおよび前記第２ステージを互いに近接させる速度を減速するステップを含む請求項１２から１９のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
21. 第１ステージに保持された第１基板の表面に設けられたアライメント用マークを第２顕微鏡で観察するステップと、
    前記第１基板に対向するように第２ステージに保持された第２基板の表面に設けられたアライメント用マークを第１顕微鏡で観察するステップと、
    前記第１ステージに保持された前記第１基板と、前記第２ステージに保持された前記第２基板とを互いに位置合わせする位置合わせステップと、
    前記第１基板を保持した前記第１ステージに対向した前記第２ステージに保持された第２基板の表面を、第１顕微鏡の焦点を前記第２基板の表面に合わせて、前記第１顕微鏡により観察する第１観察ステップと、
    前記第１観察ステップで観察したときの前記第１ステージと前記第２ステージとの間隔および相対位置の少なくとも一方を検出する検出ステップと、
    第２顕微鏡の焦点を前記第１基板の表面に合わせて、前記第１基板の表面を前記第２顕微鏡により観察する第２観察ステップと、
    前記第２観察ステップで観察したときの前記第１ステージおよび前記第２ステージの位置から、前記検出ステップで検出された前記間隔および前記相対位置に対応する距離の少なくとも一方を相対移動距離として前記第１ステージおよび前記第２ステージを相対移動させることにより前記第１基板と前記第２基板とを貼り合わせるステップと、
    を含む基板貼り合わせ方法。

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