(57)【要約】【課題】従来の接合装置では、電極の平坦化及びＣＭＰ処理以降の工程における接合面酸化により、十分な接合を達成できないことがあった。【解決手段】複数の半導体基板がそれぞれの接合面で接合されて積層された半導体装置を製造する製造装置は、接合面を活性化する活性化装置と、活性化装置により活性化され、かつ、重ね合わされた複数の半導体基板を、加圧及び加熱の少なくともいずれかにより接合する接合装置と、活性化装置による活性化から接合装置による接合に至る間の、接合面が酸化される酸化雰囲気に曝されることによる酸化の進行度合いを推定する酸化推定手段を含む制御部とを備える。【選択図】図１
2010212638.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体基板がそれぞれの接合面で接合されて積層された半導体装置を製造する製造装置であって、
前記接合面を活性化する活性化装置と、
前記活性化装置により活性化され、かつ、重ね合わされた複数の半導体基板を、加圧及び加熱の少なくとも一方により接合する接合装置と、
前記活性化装置による前記活性化から前記接合装置による前記接合に至る間の、前記接合面が酸化される酸化雰囲気に曝されることによる酸化の進行度合いを推定する酸化推定手段を含む制御部と、
を備える製造装置。
【請求項２】
前記酸化推定手段は、前記酸化雰囲気に曝される時間を計時する計時手段を含み、
前記酸化の進行度合いを前記計時手段によって計時された時間により推定する請求項１に記載の製造装置。
【請求項３】
前記活性化装置および前記接合装置のチャンバ内部は真空装置により前記接合面が酸化されない又は酸化の進行を極めて遅くする雰囲気に設定されており、
前記計時手段は、前記半導体基板が、前記活性化装置から搬出されてから前記接合装置に搬入されるまでの時間を計時する請求項２に記載の製造装置。
【請求項４】
前記活性化装置と前記接合装置の間に、前記接合面同士の位置合わせを行い互いの半導体基板を重ね合わせるアライメント装置を備え、
前記アライメント装置は、前記酸化雰囲気に設置されている請求項３に記載の製造装置。
【請求項５】
前記活性化装置と前記アライメント装置の間、および前記アライメント装置と前記接合装置の間には、それぞれ搬送装置が配置されるロードロックチャンバを備え、
前記ロードロックチャンバは、前記活性化装置、前記アライメント装置、前記接合装置との境界にゲートバルブを有し、
前記制御部は、前記ゲートバルブの開閉を制御して、隣接する装置間の雰囲気を置換する請求項４に記載の製造装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記計時手段により計時した計時時間により、計時後のプロセスを変更する請求項２から５のいずれか１項に記載の製造装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記計時手段により計時した時間が長くなるほど前記接合装置における加圧圧力を大きくする、加熱温度を高くする、および接合時間を長くする、の少なくとも一つを設定する請求項６に記載の製造装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記計時手段により計時した時間が、予め定められた設定時間より長くなったときには、前記接合装置による接合を禁止する請求項６に記載の製造装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記接合装置への搬入が禁止された前記半導体基板を、前記活性化装置または研磨装置へ搬送する請求項８に記載の製造装置。
【請求項１０】
前記酸化推定手段は、前記接合面における一領域の酸化膜厚を計測する膜厚計測手段を含み、
前記酸化の進行度合いを前記膜厚計測手段によって計測された酸化膜厚により推定する請求項１に記載の製造装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記膜厚計測手段により計測した酸化膜厚により、計測後のプロセスを変更する請求項１０に記載の製造装置。
【請求項１２】
前記制御部は、前記膜厚計測手段により計測した酸化膜厚が厚くなるほど前記接合装置における加圧圧力を大きくする、加熱温度を高くする、および接合時間を長くする、の少なくとも一つを設定する請求項１１に記載の製造装置。
【請求項１３】
前記制御部は、前記膜厚計測手段により計測した酸化膜厚が、予め定められた設定膜厚より厚くなったときには、前記接合装置による接合を禁止する請求項１１に記載の製造装置。
【請求項１４】
前記制御部は、前記接合装置への搬入が禁止された前記半導体基板を、前記活性化装置または研磨装置へ搬送する請求項１３に記載の製造装置。
【請求項１５】
前記酸化推定手段は、前記酸化雰囲気に曝される時間を計時する計時手段と、前記接合面における一領域の酸化膜厚を計測する膜厚計測手段を含み、
前記酸化の進行度合いを、前記計時手段によって計時された時間、及び、前記膜厚計測手段によって計測された酸化膜厚により推定する請求項１に記載の製造装置。
【請求項１６】
前記制御部は、前記計時手段により計時した計時時間及び前記膜厚計測手段により計測した酸化膜厚により、計時及び計測後のプロセスを変更する請求項１５に記載の製造装置。
【請求項１７】
前記制御部は、前記計時手段により計時した時間が長くなるほど、前記膜厚計測手段により計測した酸化膜厚が厚くなるほど、前記接合装置における加圧圧力を大きくする、加熱温度を高くする、および接合時間を長くする、の少なくとも一つを設定する請求項１６に記載の製造装置。
【請求項１８】
前記制御部は、前記計時手段により計時した時間が予め定められた設定時間より長くなったとき、及び、前記膜厚計測手段により計測した酸化膜厚が予め定められた設定膜厚より厚くなったとき、の少なくとも一方の条件が満たされた場合には、前記接合装置による接合を禁止する請求項１７に記載の製造装置。
【請求項１９】
前記制御部は、前記接合装置への搬入が禁止された前記半導体基板を、前記活性化装置または研磨装置へ搬送する請求項１８に記載の製造装置。
【請求項２０】
前記酸化推定手段は、更に、前記接合面の表面粗さを計測する粗さ計測手段を含み、
前記酸化の進行度合いを前記粗さ計測手段によって計測された表面粗さを考慮して推定する請求項１から１９のいずれか１項に記載の製造装置。
【請求項２１】
複数の半導体基板がそれぞれの接合面で接合されて積層された半導体装置を製造する製造方法であって、
前記接合面を活性化する活性化ステップと、
前記活性化ステップにより活性化され、かつ、重ね合わされた複数の半導体基板を、加圧及び加熱の少なくとも一方により接合する接合ステップと、
前記活性化ステップによる前記活性化から前記接合ステップによる前記接合に至る間の、前記接合面が酸化される酸化雰囲気に曝されることによる酸化の進行度合いを推定する酸化推定ステップと、
前記推定ステップにより推定した前記酸化の進行度合いにより、推定後のプロセスを変更する変更ステップと、
を備える製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置を製造する製造装置及び半導体装置を製造する製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等の携帯電子機器の製造にとって、メモリ、ＭＰＵ等の電子部品を高密度に実装する技術は最も重要な技術の一つである。このための技術としてフリップチップ実装技術の開発が従来から行われており、最近ではこの技術を利用して半導体チップを積層して更なる高密度電子装置を得るための開発が盛んに行われている。このフリップチップ技術による実装では半導体チップを配線基板に接合するとき、あるいは、半導体チップを半導体チップ上に重ねて接合するときに、接合電極としてバンプを形成することが行われている。このバンプ形成にあたっては、電極材として金、銀、アルミニウム等が使用されているが、導電性、及び酸化されにくいという点、更に価格の点から銅が一般的に使用されている。
【０００３】
このような電極接合を行う一般的な方法として加圧と加熱による拡散接合方式がとられている。しかしながら、電極接合をチップレベルで行う場合には問題ないが、ウェハレベルで接合を行う場合には接合物間の熱膨張率の違いによる電極位置ずれの問題が発生する。この問題点を解消する方法として、加熱により生じる熱膨張を伴わない常温接合方式が検討されている。この方式は物質が本来有している原子間結合力を利用するもので、接合面を清浄して接合面どうしを数ｎｍ以下の間隔にすることにより実現される。したがって、この接合方法を用いる場合の条件は、（１）接合面が平坦面であること、（２）接合面には酸化層、及び異物の付着がないこと、である。このような条件を満足させた接合装置が、例えば特許文献１に提案されている。
【特許文献１】特開平１−１４８４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の接合装置では、電極の平坦化及びＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇの略：化学的機械的研磨法）処理以降の工程における電極表面酸化により、十分な接合を達成できないことがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、複数の半導体基板がそれぞれの接合面で接合されて積層された半導体装置を製造する製造装置であって、接合面を活性化する活性化装置と、活性化装置により活性化され、かつ、重ね合わされた複数の半導体基板を、加圧及び加熱の少なくともいずれかにより接合する接合装置と、活性化装置による活性化から接合装置による接合に至る間の、接合面が酸化される酸化雰囲気に曝されることによる酸化の進行度合いを推定する酸化推定手段を含む制御部と、を備える。
【０００６】
また、本発明の第２の態様においては、複数の半導体基板がそれぞれの接合面で接合されて積層された半導体装置を製造する製造方法であって、接合面を活性化する活性化ステップと、活性化ステップにより活性化され、かつ、重ね合わされた複数の半導体基板を、加圧及び加熱の少なくともいずれかにより接合する接合ステップと、活性化ステップによる活性化から接合ステップによる接合に至る間の、接合面が酸化される酸化雰囲気に曝されることによる酸化の進行度合いを推定する酸化推定ステップと、推定ステップにより推定した酸化の進行度合いにより、推定後のプロセスを変更する変更ステップと、を備える。
【０００７】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。
【０００９】
はじめに、常温近傍における活性化接合（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｔｉｖａｔｅｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）について説明する。なお、以下において電極金属とは、特に具体的な記載をしない限り、積層するウェハの接合面における接触部である金属を言う。例えば、ウェハの表面に形成された配線パターン、バンプなどが相当する。したがって、「接合面を接合する」という場合、これらの表面金属同士が接合することを意味する。
【００１０】
ＣＭＰにより平坦化された表面は一般的には研磨前に存在していた表面酸化層は除去され、電極金属の表面が露出される。しかし、研磨工程の研磨により露出した金属面も、大気中に曝されると再び酸化されていく。例えば、銅の場合、時間と共に、電極金属の表面に亜酸化銅Ｃｕ２Ｏからなる酸化層が形成される。この状態では、表面に凹凸が生じ、亜酸化銅が生じる前後で表面の銅材には体積変化が生じる。酸化によってＣｕ２Ｏが生じると、体積が２．６７倍になる。この結果、表面近くの銅の原子が亜酸化されるに伴って表面粗さが増加することになる。そして、表面は亜酸化銅層に覆われた凸凹状態となる。また、活性なＣｕ原子が露出している活性化表面は、酸化が進行することによりＣｕ２Ｏで覆われて不活性な面となる。この凸凹状態、不活性な状態の接合面を接触、加圧しても接合面間には本来の原子間力が作用しないことになり、常温活性化接合はできない。
【００１１】
次工程の活性化工程では、例えばアルゴンイオンの照射によりスパッタ作用を受けてこの表面の亜酸化銅層を除去する。この場合、表面の平面度の低下が極力抑えられるように亜酸化銅層のみを除去して、活性な銅が表面に現れるように制御される。そして、この活性化工程を行う活性化装置は、チャンバ内の雰囲気を所定の状態に設定できるので、ウェハがこのチャンバ内に載置されている限り酸化されない又は酸化の進行を極めて遅くすることができる。
【００１２】
しかし、次工程であるウェハどうしの重ね合わせ等を行うアライメント工程においては、重ね合わせ等を行うアライメント装置のチャンバ内を、銅の酸化を阻止する雰囲気にすることが困難である。これは、ウェハどうしの厳密な位置合わせを行うために必要なステージの存在等による。したがって、アライメント工程においては、ウェハの酸化が再び進行することになる。
【００１３】
次工程の接合工程は、重ね合わせたウェハを接合装置に搬入して行う。接合装置は、活性化装置と同じく、チャンバ内の雰囲気を所定の状態に設定できるので、ウェハを接合装置内に搬入すれば、再び酸化の進行を食い止めることができる。上述の通り、時間と共に電極金属の表面に亜酸化銅Ｃｕ２Ｏが形成されるので、アライメント工程を短時間で通過すれば、不活性な亜酸化銅層の成長を抑え、表面の凸凹を一定のレベル内に抑制することができる。表面の不活性な亜酸化銅層の厚さである酸化膜厚、及び亜酸化銅層の凸凹である表面粗さが一定のレベル内であれば、常温活性化接合に近い条件での接合、すなわち、一般的な拡散接合方式における加圧圧力、加熱温度までは必要としない接合ができる。
【００１４】
次に、本実施の形態に係る半導体装置を製造する製造装置について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る製造装置１００の概略構成図である。製造装置１００は、異なる工程をそれぞれ担う構成装置として研磨装置２００、活性化装置３００、アライメント装置４００及び接合装置５００を備える。更に製造装置１００は、これら構成装置間を接続する空間であるロードロックチャンバ６１０、６２０、６３０と、各構成装置及び各ロードロックチャンバを制御する制御盤７００を備える。
【００１５】
各ロードロックチャンバには、ウェハもしくはウェハホルダを搬送する搬送装置６７０が配置されている。なお、ここで言うウェハホルダは、ウェハを保持した状態のウェハホルダも含むものとする。搬送装置６７０は複数の腕部６７１を有し、その接続部においてアクチュエータを備えている。このアクチュエータの作用により、搬送装置６７０は、その把持部６７２で把持した例えばウェハ６８０を回転もしくは進退させ、隣接する構成装置に搬入し、もしくは隣接する構成装置から搬出する。また、搬送装置６７０は把持部６７２の付け根にもアクチュエータを備えており、把持部６７２がウェハもしくはウェハホルダを保持した状態で、把持部６７２を回転させ、ウェハもしくはウェハホルダを反転させることができる。
【００１６】
把持部６７２は、ウェハもしくはウェハホルダを吸着可能なように真空、負圧による吸引部を備えており、この吸引部による吸引を制御することによりウェハもしくはウェハホルダを着脱する。なお、把持部６７２による把持は、吸引に限らず、例えば静電吸着により吸着するように構成しても良い。
【００１７】
搬送装置６７０は、以上のような動作により、ウェハもしくはウェハホルダを隣接する構成装置間で搬送し、かつ、上向きもしくは下向きである予定された向きで各構成装置に引き渡すことができる。なお、搬送装置６７０の動作は、制御部である制御盤７００からの指示により制御される。
【００１８】
各ロードロックチャンバの隣接する構成装置との境界には、それぞれゲートバルブが設けられている。具体的には、ロードロックチャンバ６１０と研磨装置２００、活性化装置３００との間にはそれぞれゲートバルブ６１１、６１２が、ロードロックチャンバ６２０と活性化装置３００、アライメント装置４００との間にはそれぞれゲートバルブ６２１、６２２が、ロードロックチャンバ６３０とアライメント装置４００、接合装置５００との間にはそれぞれゲートバルブ６３１、６３２が設けられている。それぞれのゲートバルブは、制御盤７００からの指示により開閉される。
【００１９】
各ロードロックチャンバは、隣接するそれぞれの構成装置における加工雰囲気が異なる場合に、構成装置間でウェハもしくはウェハホルダを問題なく受け渡しするために配置されている。例えば、研磨装置２００において大気中で処理されるウェハ６８０を、真空雰囲気である活性化装置３００に取り込む場合、まず、ゲートバルブ６１２を閉じた状態でゲートバルブ６１１を開いて、ウェハ６８０をロードロックチャンバ６１０内に搬送する。そして、ゲートバルブ６１１を閉じてロードロックチャンバ６１０内を接続されている真空装置により真空化する。所定の真空度になったときに、ゲートバルブ６１２を開いてウェハ６８０を真空状態の隣接する活性化装置に移す。このような動作により、研磨装置２００において大気中に置かれたウェハを、真空状態である活性化装置３００に、活性化装置の真空状態を保ったまま、移すことができる。
【００２０】
ゲートバルブ６０１は、外部装置と研磨装置２００との境界に設けられ、また、ゲートバルブ６４１は、接合装置５００と外部装置との境界に設けられている。これらのゲートバルブは、加工前後のウェハ、及びウェハホルダの搬入出の時に開閉されるものであり、外界の塵埃の侵入を防ぎ、製造装置１００内の加工雰囲気を保つ役割を担う。
【００２１】
制御盤７００は、各構成装置及び各ロードロックチャンバを制御すると共に、製造装置１００内で加工中のウェハ、及び加工中のウェハを保持するウェハホルダの管理も行う。特に、加工されるウェハごとに、ロードロックチャンバ６２０の内部がアライメント装置４００と同等の雰囲気になった時点から、ロードロックチャンバ６３０の内部が接合装置５００と同等の雰囲気になった時点までを計時する計時部を備える。つまり、加工されるウェハが、銅の酸化が進行する雰囲気に曝される時間を計時する計時部を備える。そして、制御盤７００は、この計時部によって計時された時間によりその後の処理を変更する判断を行い、その処理を実行する指示を各構成要素および各ロードロックチャンバに対して送信する。具体的な判断、及びその後の処理の変更については後述する。
【００２２】
次に各構成装置について説明する。図２は、研磨装置２００の構造を模式的に示す断面図である。本実施形態においては、研磨装置２００として例えば液体供給装置を備えるＣＭＰ装置を用いる。研磨装置２００は、被研磨物であるウェハＷをその表面が上向きに露出する状態で吸着により保持する回転定盤２０５と、この回転定盤２０５の上方に設置され、回転定盤２０５に保持されたウェハＷの表面である被研磨面と対向する研磨パッド２２１を下面に有した研磨ヘッド２２０とを備えて構成されている。この研磨装置２００では、研磨パッド２２１の直径はウェハＷの直径よりも小さく、研磨パッド２２１をウェハＷに上方から接触させた状態で双方を相対移動させることによりウェハＷの表面全体を研磨できるようになっている。ウェハＷは外部装置から搬入され、回転定盤２０５に載置される。なお、ここでウェハＷは単独の１枚の状態で回転定盤２０５に載置されてその表面が研磨されても良いし、すでに積層されたウェハが載置されてその最外面を構成するウェハの表面が研磨されても良い。
【００２３】
回転定盤２０５及び研磨ヘッド２２０を支持する支持フレーム２０２は、水平な基台２０３と、この基台２０３上に紙面に垂直な方向であるＹ方向に延びて設けられたレール上を移動自在に設けられた第１ステージ２０６と、この第１ステージ２０６から垂直に延びて設けられた垂直フレーム２０７と、この垂直フレーム２０７上を移動自在に設けられた第２ステージ２０８と、この第２ステージ２０８から水平に延びて設けられた水平フレーム２０９と、この水平フレーム２０９上を移動自在に設けられた第３ステージ２１０とを有して構成されている。
【００２４】
第１ステージ２０６内にはモータＭ１が設けられており、これを制御装置により回転駆動することにより第１ステージ２０６を上記レールに沿って、すなわちＹ方向に移動させることができる。第２ステージ２０８内にはモータＭ２が設けられており、これを制御装置により回転駆動することにより第２ステージ２０８を垂直フレーム２０７に沿って、すなわちＺ方向に移動させることができる。また、第３ステージ２１０内にはモータＭ３が設けられており、これを制御装置により回転駆動することにより第３ステージ２１０を水平フレーム２０９に沿って、すなわちＸ方向に移動させることができる。このため、モータＭ１、Ｍ２、Ｍ３の回転動作を組み合わせることにより、第３ステージ２１０を回転定盤２０５上方の任意の位置に移動させることができる。
【００２５】
回転定盤２０５は、基台２０３上に設けられたテーブル支持部２０４から上方に延びて設けられた回転軸２１１の上端部に水平に取り付けられている。この回転軸２１１はテーブル支持部２０４内に設けられたモータＭ４を制御装置により回転駆動することによりＺ軸回りに回転させることができ、これにより回転定盤２０５をＸＹ面内で回転させることができる。
【００２６】
研磨ヘッド２２０は第３ステージ２１０から下方に延びて設けられたスピンドル２１６の下端部に取り付けられている。このスピンドル２１６は第３ステージ２１０内に設けられたモータＭ５を制御装置により回転駆動することによりＺ軸回りに回転させることができ、これにより研磨ヘッド２２０全体を回転させて研磨パッド２２１をＸＹ面内で回転させることができる。また、スピンドル２１６は第３ステージ２１０内に設けられた研磨ヘッド２２０を昇降移動させる昇降機構としてのエアシリンダ２１７の駆動により上下方向に移動可能となっている。
【００２７】
回転定盤２０５に載置されたウェハＷに対し、所定の接触圧で研磨パッド２２１を押し当て、モータＭ１、Ｍ２を駆動して研磨ヘッド２２０をＸＹ方向に揺動させる。ウェハＷの研磨中には、研磨液供給装置より研磨液であるシリカ粒を含んだスラリーを圧送して研磨パッド２２１の下面側に研磨液が供給される。このようにウェハＷの表面は、研磨液の供給を受けつつウェハＷ自身の回転運動と研磨ヘッド２２０の、すなわち研磨パッド２２１の回転及び揺動運動とにより満遍なく研磨される。
【００２８】
なお、研磨装置２００は、研磨するＣＭＰ装置本体に連続して、研磨後のウェハＷを洗浄する洗浄装置および洗浄後のウェハＷを乾燥する乾燥装置を備えている。したがって、搬送装置６７０によってロードロックチャンバ６１０へ搬出されるウェハＷは、研磨された後に洗浄及び乾燥を施された、異物の付着のないウェハである。ただし、研磨装置２００において加工されるウェハは、大気もしくは乾燥工程中のＩＰＡ（Ｉｓｏｐｒｏｐｙｌ    Ａｌｃｏｈｏｌ）蒸気、窒素混合ガス等に曝された状態にあるので、研磨直後から酸化が進行する。
【００２９】
図３は、活性化装置３００の一例としての第１の活性化装置３１０の構造を模式的に示す断面図である。第１の活性化装置３１０は、前段の研磨工程との接続に関してロードロックチャンバ６１０と隣接しており、その境界にはゲートバルブ６１２が設けられている。また、後段のアライメント工程との接続に関してロードロックチャンバ６２０と隣接しており、その境界にはゲートバルブ６２１が設けられている。また、この第１の活性化装置３１０に真空装置３８０を取り付けて、チャンバ内の雰囲気を所定の状態に設定できるようになっている。チャンバ内の雰囲気を大気圧より低圧である所定の真空度の状態に設定することで、酸化されない又は酸化の進行を極めて遅くすることができる。
【００３０】
第１の活性化装置３１０は、ウェハＷをその表面が上向きに露出する状態で吸着により保持する回転定盤３０５を備える。回転定盤３０５は、テーブル支持部３０４から上方に延びて設けられた回転軸３０３の上端部に水平に取り付けられている。この回転軸３０３はテーブル支持部３０４内に設けられたモータＭを制御装置により回転駆動することによりＺ軸回りに回転させることができ、これにより回転定盤３０５をＸＹ面内で回転させることができる。
【００３１】
第１の活性化装置３１０は、回転定盤３０５に保持され、回転されるウェハＷに対して、流入された不活性ガスをイオンガン３１１によりイオン化した粒子を照射する。不活性ガスとしてはアルゴンガスが一般的である。これにより、ウェハＷの表面の亜酸化銅層が除去される。この第１の活性化装置３１０としては、例えば、ビーコ社のイオン照射装置を用いることができる。
【００３２】
図４は、活性化装置３００の別の一例としての第２の活性化装置３２０の構造を模式的に示す断面図である。第１の活性化装置３１０は、前段の研磨工程との接続に関してロードロックチャンバ６１０と隣接しており、その境界にはゲートバルブ６１２が設けられている。また、後段のアライメント工程との接続に関してロードロックチャンバ６２０と隣接しており、その境界にはゲートバルブ６２１が設けられている。また、この第１の活性化装置３１０に真空装置３８０を取り付けて、チャンバ内の雰囲気を所定の状態に設定できるようになっている。チャンバ内の雰囲気を所定の状態に設定することで、酸化されない又は酸化の進行を極めて遅くすることができる。
【００３３】
第２の活性化装置３２０は、ウェハＷをその表面が上向きに露出する状態で吸着により保持する回転定盤３０５を備える。回転定盤３０５は、テーブル支持部３０４から上方に延びて設けられた回転軸３０３の上端部に水平に取り付けられている。この回転軸３０３はテーブル支持部３０４内に設けられたモータＭを制御装置により回転駆動することによりＺ軸回りに回転させることができ、これにより回転定盤３０５をＸＹ面内で回転させることができる。
【００３４】
第２の活性化装置３２０は、流入された不活性ガスを放電電極３２１、３２２、放電電源３２３によりプラズマ状態にし、このプラズマ中に回転定盤３０５に保持され、回転されるウェハＷを置くことにより洗浄活性化する。これにより、ウェハＷの表面の亜酸化銅層が除去される。
【００３５】
図５は、アライメント装置４００の構造を模式的に示す断面図である。アライメント装置４００は、枠体４１１の内側に配された固定ステージ４２１、移動ステージ４２２及び昇降部４６０を備える。アライメント装置４００は、前段の活性化工程との接続に関してロードロックチャンバ６２０と隣接しており、その境界にはゲートバルブ６２２が設けられている。また、後段の接合工程との接続に関してロードロックチャンバ６３０と隣接しており、その境界にはゲートバルブ６３１が設けられている。アライメント装置４００には、チャンバ内をＮ２雰囲気にするための調整器４８０が備えられている。なお、アライメント装置４００は調整器４８０を備えてない場合も想定され、その場合は大気に曝されることになる。
【００３６】
枠体４１１は、互いに平行で水平な天板４１２及び底板４１６と、天板４１２及び底板４１６を結合する複数の支柱４１４とを備える。天板４１２、支柱４１４及び底板４１６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。
【００３７】
固定ステージ４２１は、天板４１２の下面に固定され、ウェハホルダＷＨに保持されたウェハＷを下面に保持する。ウェハＷは、静電吸着により、ウェハホルダＷＨの下面に保持されて、後述するアラインメントの対象の一方となる。
【００３８】
移動ステージ４２２は、底板４１６の上に載置され、底板４１６に対して固定されたガイドレール４５２に案内されつつＸ方向に移動するＸステージ４５４と、Ｘステージ４５４の上でＹ方向に移動するＹステージ４５６とを有する。これにより、移動ステージ４２２に搭載された部材を、ＸＹ平面上の任意の方向に移動できる。
【００３９】
昇降部４６０は、移動ステージ４２２上に搭載され、シリンダ４６２及びピストン４６４を有する。ピストン４６４は、外部からの指示に応じて、シリンダ４６２内をＺ方向に昇降する。ピストン４６４の上面には、ウェハホルダＷＨが保持される。更に、ウェハホルダＷＨ上にウェハＷが保持される。当該ウェハＷは、後述するアラインメントの対象の一方となる。
【００４０】
なお、ウェハＷは、その表面（図上では下面）に、アラインメントの基準となるアラインメントマークＭを有する。ただし、アラインメントマークＭは、そのために設けられた図形等であるとは限らず、ウェハＷに形成された配線、バンプ、スクライブライン等でもあり得る。
【００４１】
アライメント装置４００は、更に、一対の顕微鏡４４２、４４４と、反射鏡４７２とを有する。一方の顕微鏡４４２は、天板４１２の下面に、固定ステージ４２１に対して所定の間隔をおいて固定される。
【００４２】
他方の顕微鏡４４４及び反射鏡４７２は、移動ステージ４２２に、昇降部４６０と共に搭載される。これにより顕微鏡４４４及び反射鏡４７２は、昇降部４６０と共に、ＸＹ平面上を移動する。移動ステージ４２２が静止状態にある場合、顕微鏡４４４及び反射鏡４７２と昇降部４６０とは既知の間隔を有する。また、昇降部４６０の中心と顕微鏡４４４との間隔は、固定ステージ４２１の中心と顕微鏡４４２との間隔に一致する。
【００４３】
アライメント装置４００が図示の状態にある場合に、顕微鏡４４２、４４４を用いて、対向するウェハＷのアラインメントマークＭを同時にもしくは別々に観察できる。従って、例えば、顕微鏡４４２により得られた映像から、移動ステージ４２２に載置されたウェハＷの正確な位置を知ることができる。また、顕微鏡４４４により得られた映像から、固定ステージ４２１に載置されたウェハＷの正確な位置を知ることができる。
【００４４】
反射鏡４７２は、干渉計等の計測装置を用いて移動ステージ４２２の移動量を測定する場合に用いられる。なお、図４では、紙面に直角に配された反射鏡４７２が示されるが、Ｙ方向の移動を検出する他の反射鏡４７２も装備している。
【００４５】
図６は、アライメント装置４００の動作を示す図である。同図に示すように、移動ステージ４２２がＸ方向に移動される。ここで、移動ステージ４２２の移動量を、昇降部４６０の中心と顕微鏡４４４の中心との間隔と同じにすることにより、移動ステージ４２２上のウェハＷが、固定ステージ４２１に保持されたウェハＷの直下に搬送される。このとき、上下のウェハＷのアラインメントマークＭは、ひとつの鉛直線上に位置する。
【００４６】
この状態で互いのウェハＷが接触するまで昇降部４６０を押し上げ、ウェハホルダＷＨに設けられた吸着子を作用させることにより、２枚のウェハを正確な位置合わせをした状態で固定することができる。この状態では、２枚のウェハホルダが、２枚のウェハを挟み込んだ状態で一体的に固定されている。
【００４７】
なお、ここでは単に２枚のウェハを位置合わせするものとして説明したが、他方がすでに積層されたウェハであっても良い。積層されたウェハであっても、その表面にはアライメントマークＭが存在するので、同様に位置合わせができる。
【００４８】
図７は、接合装置５００の概略構成を示す側断面図である。この図に示すように、接合装置５００は、枠体５４４の内側に配置された、押圧部５４６、加圧ステージ５４８、受圧ステージ５５０、圧力検知部５５２を備える。接合装置５００は、前段のアライメント工程との接続に関してロードロックチャンバ６３０と隣接しており、その境界にはゲートバルブ６３２が設けられている。また、さらに後段の工程である外部装置との接続に関して、その境界にはゲートバルブ６４１が設けられている。
【００４９】
枠体５４４は、互いに平行で水平な天板５５４及び底板５５６と、天板５５４及び底板５５６を結合する複数の支柱５５８とを備える。天板５５４、支柱５５８及び底板５５６は、ウェハＷ及びウェハホルダＷＨへの加圧の反力が作用した場合に変形が生じない程度の剛性を有する。また、この接合装置５００に真空装置５９０を取り付けて、チャンバ内の雰囲気を所定の状態に設定できるようになっている。チャンバ内の雰囲気を所定の状態に設定することで、酸化されない又は酸化の進行を極めて遅くすることができる。
【００５０】
枠体５４４の内側において、底板５５６の上には、押圧部５４６が配置される。押圧部５４６は、底板５５６の上面に固定されたシリンダ５６０と、シリンダ５６０の内側に配置されたピストン５６２とを有する。ピストン５６２は、図示されていない空圧駆動部により駆動されて、図中に矢印Ｚにより示す、底板５５６に対して直角な方向に昇降する。
【００５１】
ピストン５６２の上端には、加圧ステージ５４８が搭載される。加圧ステージ５４８は、ピストン５６２の上端に結合された水平な板状の支持部５６６と、支持部５６６に平行な板状の基板保持部５６８とを有する。
【００５２】
基板保持部５６８は、複数のアクチュエータ５６７を介して、支持部５６６から支持される。アクチュエータ５６７は、図示された一対のアクチュエータ５６７の他に、紙面に対して前方及び後方にも配置される。また、これらアクチュエータ５６７の各々は、相互に独立して動作させることができる。このような構造により、アクチュエータ５６７を適宜動作させることにより、基板保持部５６８の傾斜を任意に変えることができる。また、基板保持部５６８は、ヒータ５７０を有しており、当該ヒータ５７０により加熱される。
【００５３】
アライメント装置４００で位置合わせされた２枚のウェハＷを挟み込んで一体となっている２枚のウェハホルダＷＨは、ロードロックチャンバ６３０に設置された搬送装置６７０により、基板保持部５６８に載置される。載置されたウェハホルダＷＨは、真空吸着等により基板保持部５６８の上面に吸着される。これにより、ウェハＷは、ウェハホルダＷＨ及び基板保持部５６８と共に揺動する一方、基板保持部５６８からの移動あるいは脱落を防止される。
【００５４】
受圧ステージ５５０は、基板接触部５７２及び複数の懸架部５７４を有する。懸架部５７４は、天板５５４の下面から垂下される。基板接触部５７２は、懸架部５７４の下端近傍において下方から支持され、加圧ステージ５４８に対向して配置される。基板接触部５７２は、ヒータ５７６を有する。
【００５５】
基板接触部５７２は、下方から懸架部５７４により支持される一方、上方への移動は規制されない。ただし、天板５５４及び基板接触部５７２の間には、複数のロードセル５７８、５８０、５８２が挟まれる。複数のロードセル５７８、５８０、５８２は、圧力検知部５５２の一部を形成して、基板接触部５７２の上方移動を規制すると共に、基板接触部５７２に対して上方に印加された圧力を検出する。
【００５６】
ウェハＷ及びウェハホルダＷＨが基板保持部５６８に載置された状態で押圧部５４６を駆動すると、加圧ステージ５４８が受圧ステージ５５０に向かって上昇して、２枚のウェハＷを挟み込んで一体となっている２枚のウェハホルダＷＨを押圧する。さらに、押圧中に、ヒータ５７０、５７６により加圧ステージ５４８及び受圧ステージ５５０を加熱することで、ウェハＷ同士の接合が行われる。
【００５７】
接合装置５００の加圧圧力および加熱温度は、制御盤７００からの制御により設定される。この加圧圧力および加熱温度は、一般的な拡散接合方式に比較して低圧、低温に設定され、常温活性化接合に近い条件で接合される。設定圧力及び設定温度は、ウェハＷの表面の酸化膜厚及び表面粗さに依存するものであり、例えば、表面粗さが４ｎｍであるときには、Ｃｕ−Ｃｕ接合に対して、１ｋＰａ、２５０℃が設定される。
【００５８】
本実施形態における図１に示す製造装置１００は、各構成装置間にロードロックチャンバを設けて、直列的に配置している。しかし、各構成装置のレイアウトはこれに限られるものではない。例えば一つのロードロックチャンバに一つの搬送装置を設置して、各構成装置はこのロードロックチャンバに接続するように、つまり、並列的に配置しても良い。この場合は、搬送装置を共有することができ、また、ロードロックチャンバと各構成装置との境界に設けるゲートバルブの数も削減することができる。また、スループットを向上を図ることを目的として、各構成装置を複数設けても良い。例えば、接合装置５００を複数台設ければ、一の接合に並行して、他の接合を行うことができる。
【００５９】
次に、互いに接合されるウェハが、それぞれ研磨されてから接合されるまでの加工手順について２つの実施例を用いて説明する。なお、以下の説明において、ウェハホルダの着脱、及び各ゲートバルブの開閉などの付随する作業については、特に必要な場合を除き説明を省略するが、必要に応じてこのような作業を経るものとする。また、３枚以上のウェハを接合してなる半導体装置を製造する場合は、既に２枚以上が接合して積層されたウェハに、新たな一枚のウェハを接合することになるが、以下の実施例においては、このような場合も含むものとする。
【００６０】
（第１実施例）
図８は、第１実施例を示すフロー図である。まず１枚目のウェハであるウェハ１が外部装置から研磨装置２００に搬入され、ステップＳ１０１で、研磨装置２００によりウェハ１の表面を平坦化する。ここでは、例えば表面粗さが３ｎｍ以下となるように目標値を設定して平坦化する。ウェハ１に対する研磨工程が完了すると、ステップＳ１０２へ進む。ステップＳ１０２では、ウェハ１を研磨装置２００から搬出し、ロードロックチャンバ６１０を介して活性化装置３００へ搬入する。
【００６１】
ウェハ１を研磨装置２００から搬出すると、次にステップＳ１０３では、ウェハ１と同様に、２枚目のウェハであるウェハ２が外部装置から研磨装置２００に搬入され、研磨装置２００によりウェハ２の表面を平坦化する。ここでも、例えば表面粗さが３ｎｍ以下となるように目標値を設定して平坦化する。ウェハ２に対する研磨工程が完了すると、ステップＳ１０４へ進む。ステップＳ１０４では、ウェハ２を研磨装置２００から搬出し、ロードロックチャンバ６１０を介して活性化装置３００へ搬入する。
【００６２】
ステップＳ１０５では、ウェハ１及びウェハ２を活性化装置３００により活性化する。活性化装置３００のチャンバ内は、上述のように、酸化されない又は酸化の進行が極めて遅い雰囲気に設定されている。したがって、ウェハ１及びウェハ２の活性化の手順は幾通りか考えられる。まず先に搬入されるウェハ１を活性化してその後チャンバ内に設置されたウェハストッカーに仮置きし、その後搬入されるウェハ２を活性化することで、ウェハ１及びウェハ２を共に活性化された状態にすることができる。この場合、ウェハ１を、ウェハストッカーに仮置きするのではなく、ゲートバルブ６２１を開き、活性化装置３００の加工雰囲気と同等に調整されたロードロックチャンバ６２０の搬送装置６７０に把持させても良い。あるいは、活性化装置３００へウェハ２が搬入されてくるまでウェハ１を活性化装置内で待機させ、ウェハ１及びウェハ２を同時に回転定盤３０５に載置して活性化することもできる。つまり、ステップＳ１０５では、ウェハ１及びウェハ２が共に活性化されるまでは、活性化装置３００内に留めるようにし、ウェハ２が活性化される前に活性化されたウェハ１をアライメント装置４００の加工雰囲気に曝させないことが重要である。
【００６３】
次にステップＳ１０６では、ウェハ１を活性化装置３００から搬出する。ウェハ１及びウェハ２は共に活性化された状態であるので、ここでウェハ１とウェハ２が入れ替わっても良い。また、ここでの搬出とは、活性化装置３００からロードロックチャンバ６２０へ運び出され、ゲートバルブ６２１及びゲートバルブ６２２が共に閉じられた状態であることを言う。この状態でロードロックチャンバ内の雰囲気は、活性化装置３００の雰囲気から、アライメント装置４００の雰囲気に置換される。この過程において、ウェハ１はアライメント装置４００の雰囲気である、酸化が進行する雰囲気に曝されることになる（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０８では、この時点から計時部による計時を開始する。具体的には、開始時点の基準が常に一定であれば、雰囲気の置換開始時点すなわちゲートバルブ６２１の開放時点を検出するセンサを設けてそのセンサがゲートバルブ６２１の開放を検出した時点を計時開始時点としても良いし、置換中のアライメント装置４００の雰囲気濃度を検出するセンサを設けてそのセンサが検出する濃度が予め定められた濃度に達した時点を計時開始時点としても良い。また、完全にアライメント装置４００の雰囲気と同等の雰囲気に置換された時点を計時開始時点としても良い。そして、ウェハ１をアライメント装置４００へ搬入する。
【００６４】
次に、ステップＳ１０９で、ウェハ２を活性化装置３００からロードロックチャンバ６２０へ搬出する。そして、ロードロックチャンバ６２０の雰囲気をアライメント装置４００の雰囲気に置換した後、アライメント装置４００へ搬入する。
【００６５】
アライメント装置４００には、ウェハ１及びウェハ２がそれぞれウェハホルダに保持された状態で、固定ステージ４２１、移動ステージ４２２に載置される。そして、正確な位置合わせを行った後に重ねあわされて、２枚のウェハホルダが、２枚のウェハを挟み込んだ状態で一体的に固定されている（ステップＳ１１０）。
【００６６】
重ねあわされた２枚のウェハは、ステップＳ１１１で、アライメント装置４００から搬出される。ここでの搬出とは、アライメント装置４００からロードロックチャンバ６３０へ運び出され、ゲートバルブ６３１及びゲートバルブ６３２が共に閉じられた状態であることを言う。この状態でロードロックチャンバ内の雰囲気は、アライメント装置４００の雰囲気から、接合装置５００の雰囲気に置換される。この過程において、重ねあわされた２枚のウェハは、接合装置５００の雰囲気である、酸化の進行を妨げる雰囲気に置かれることになる（ステップＳ１１２）。ステップＳ１１３では、この時点で計時部による計時を終了する。具体的には、終了時点の基準が常に一定であれば、雰囲気の置換開始を計時終了時点としても良いし、置換中の接合装置５００の雰囲気濃度が予め定められた濃度に達した時点を計時終了時点としても良い。また、完全に接合装置５００の雰囲気と同等の雰囲気に置換された時点を計時終了時点としても良い。
【００６７】
ステップＳ１１４では、制御盤７００において、計時部により計時された時間により、その後のプロセスを変更する。本実施例において具体的には、接合装置５００における加圧、加熱条件を変更する。制御盤７００は記憶装置を備え、この記憶装置には、計時した時間に対する加圧圧力、加熱温度の参照テーブルが記憶されている。計時時間が長いということは、それだけ酸化層が形成される雰囲気に曝されたことになるので、不活性な酸化膜が厚く、表面粗さが粗いことになり、常温活性接合に近い条件での接合ができなくなる。つまり、計時時間が長ければ長いほど、一般的な拡散接合方式における加圧圧力、加熱温度に近い条件になる。したがって、記憶されている参照テーブルは、計時した時間が長くなるほど加圧圧力が大きく、または、加熱温度が高くなる関係が成立する。具体的な数値は、各構成装置の加工雰囲気下で接合が実現される実測結果もしくはシミュレーション結果により、予め定められる。このように計時部は、記憶されている参照テーブルを参照して判断、及び設定の変更を行う制御盤７００と共に、酸化の進行度合いを推定する酸化推定手段として機能する。そして、制御盤７００により決定された加圧圧力、加熱温度が接合装置５００に対して設定され、ステップＳ１１５において重ね合わされたウェハ１及びウェハ２が接合される。接合されたウェハ１及びウェハ２は、ゲートバルブ６４１を介して外部装置に搬出され、一連の工程を終了する。
【００６８】
（第２実施例）
図９は、第２実施例を示すフロー図である。第２実施例のうち、第１実施例と共通するフローについては、同じ符番を付し、その説明を省略する。具体的には、ステップＳ１１３の計時終了後のプロセス変更に関わるフローが、第１実施例と異なる。
【００６９】
ステップＳ１２０では、制御盤７００において、計時部により計時された時間ｔが予め定められた時間ｔ０よりも大きいか否かを判断する。接合装置５００による接合時の加圧圧力及び加熱温度は予め所定の値に設定されている。このとき、予め設定された加圧圧力および加熱温度で接合を実現するためには、接合されるウェハの酸化膜が所定の厚さ以下であって、表面粗さが所定の粗さ以下でなければならない。酸化膜が所定の厚さ以下であって表面粗さが所定の粗さ以下となるためには、ウェハが酸化される雰囲気に曝される時間が所定の時間以下でなければならない。このときの所定の時間がｔ０である。具体的なｔ０は、各構成装置の加工雰囲気下で接合が実現される実測結果もしくはシミュレーション結果により、予め定められる。このように計時部は、記憶されている所定の時間ｔ０を参照して判断を行う制御盤７００と共に、酸化の進行度合いを推定する酸化推定手段として機能する。
【００７０】
計時部により計時された時間ｔが予め定められた時間ｔ０よりも大きい場合には、接合装置５００による接合を禁止し、外部装置に一旦搬出した後、もしくはアライメント装置４００及び活性化装置３００を経由して、再び研磨装置２００へ搬入する。そして、ウェハ１の平坦化であるステップＳ１０１からやり直す。計時部により計時された時間ｔが予め定められた時間ｔ０よりも大きくない場合には、接合装置５００による接合が実現できるので、ステップＳ１１５へ進み、接合工程を実行する。接合されたウェハ１及びウェハ２は、ゲートバルブ６４１を介して外部装置に搬出され、一連の工程を終了する。
【００７１】
なお、上記ステップＳ１２０において、計時部により計時された時間ｔが予め定められた時間ｔ０よりも大きい場合には、ウェハ１及びウェハ２を再び研磨装置２００へ搬入した。しかし、表面粗さが所定の粗さに達していないと想定される場合には、つまり、時間ｔ０よりも大きく予め定められた時間ｔ１よりも小さい場合には、研磨装置２００まで戻さず、ウェハ１及びウェハ２を活性化する活性化装置３００へ搬入しても良い。この場合は、ステップＳ１０５へ戻ることになる。
【００７２】
なお、上記実施例においては、接合装置５００において、加圧及び加熱によりウェハの接合を行ったが、加圧を行わずに加熱だけを行う、もしくは、加熱を行わずに加圧だけを行うことにより接合を実現しても良い。また、ステップＳ１１４においては、計時された時間ｔにより加圧、加熱条件を変更したが、加圧圧力及び加熱温度の条件は同じにしたまま、加圧時間もしくは加熱時間を変更しても良い。すなわち、計時された時間ｔが長いほど加圧時間もしくは加熱時間を長くするように参照テーブルを構築しても良い。
【００７３】
さらには、通常は加圧のみを行い計時時間ｔが長くなった場合には加熱を行うようにしても良い。なお、アライメント装置４００が調整器４８０を備える場合と備えない場合では、実測結果もしくはシミュレーション結果にも現れるが、一般的に調整器４８０を備えず大気に曝される場合の方が、参照テーブルの加圧圧力を大きく、加熱温度を高く、もしくは加圧時間、加熱時間の時間を長く設定する必要がある。
【００７４】
（第３実施例）
次に、上記の第１実施例及び第２実施例に加え、製造装置１００が更に表面粗さ計測器８００を備える場合について、以下に第３実施例として説明する。具体的には、ウェハ表面の表面粗さを計測する工程を担う構成装置として、表面粗さ計測器８００を活性化装置３００のチャンバ内に備える。
【００７５】
図１０は、表面粗さ計測器８００の構造を模式的に示す断面図である。ウェハ接合面の表面粗さの計測は、ナノオーダーでの計測ができればどのような機器を用いても良いが、ここでは、一例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いる。ＡＦＭは、板ばね状の形状を呈するカンチレバーのように、可撓性を有する部材の先端に設けられた探針を、計測対象である試料の表面状で、試料に対して相対的に移動させて走査する。そして、走査中における探針の上下の変位量を測定することによって、試料の表面形状を計測する。
【００７６】
図１０に示す表面粗さ計測器８００は、光てこ方式のＡＦＭである。この表面粗さ計測器８００は、可撓性を有するカンチレバー８３１と、カンチレバー８３１の先端部に設けられた探針８３２、ウェハＷをＸＹＺ方向に微小移動させるためのアクチュエータ８８３、カンチレバー８３１の背面に設けられた反射面８３０に、レーザ光を照射する光源８３６を備える。アクチュエータ８８３は、例えば、円筒型のチューブの外周上にＰＺＴからなる４つの電極を分割して貼り付け、ＸＹＺ方向の動きを可能にしたチューブスキャナにより構成される。なお、アクチュエータ８８３は、その上面にウェハＷを載置する載置面を有し、載置したウェハＷを吸着により保持する機能を備える。
【００７７】
また、表面粗さ計測器８００は、レーザ光を所定エリアに照射するためにレーザ光を集光するためのレンズ８４１、反射面８３０で反射したレーザ光を受光する、２つの受光部からなる二分割光検出器８３７を備える。更に、アクチュエータ８８３を支持するテーブル８０５を有し、テーブル８０５は、シリンダ８０３及びＸＹステージ８０４がモータＭにより駆動されることにより、ＸＹＺ方向に粗動する。これらによって構成される表面粗さ計測器８００は、上述のように活性化装置３００のチャンバ内に活性化装置と共に並置される。
【００７８】
本実例においては、例えばウェハＷの中心部分と周辺部分４箇所の、合計５箇所の微小エリアにおいて表面粗さを計測する。この場合、それぞれの箇所の移動はテーブル８０５の粗動により行い、それぞれの箇所における微小エリア内の移動は深さ方向の計測を行いながらアクチュエータ８８３による走査により行う。ウェハの表面粗さとしては、例えば、まず各微小エリアごとにＰＶ値（Ｐｅａｋ  ｔｏ  Ｖａｌｌｅｙ値）として最深部と最浅部の差を計測し、計測された５箇所の差のうち最大の値を採用する。なお、微小エリアの数、及び各微小エリア内において計測するポイントの数は、スループットを考慮して適宜設定される。粗さの指標としては、ＰＶ値の他にも、算術平均粗さであるＲａ値、二乗平均粗さであるＲｍｓ値などを用いることもできる。
【００７９】
本実施例において、互いに接合されるウェハが、それぞれ研磨されてから接合されるまでの加工手順については、上記の第１実施例および第２実施例に準ずる。表面粗さ計測器８００によって計測されたウェハＷの表面粗さの情報は、計時終了後のプロセス変更に関する判断の補助情報として用いられる。
【００８０】
まず、第１実施例に対してウェハＷの表面粗さの情報を補助情報として用いる場合について、図８を参照しながら説明する。ステップＳ１０５においてウェハ１及びウェハ２の活性化が完了したところで、表面粗さ計測器８００によりそれぞれの表面粗さを計測する。計測した表面粗さは制御盤７００の記憶部に記憶する。ステップＳ１１４では、計時部により計時された時間に加え、制御盤７００の記憶部において記憶されたウェハ１及びウェハ２の表面粗さを考慮して、その後のプロセスを変更する。本実施例のように計時された時間に加えて表面粗さを考慮する場合、制御盤７００の記憶装置に記憶される参照テーブルは、パラメータとして表面粗さにも対応した参照テーブルが用意される。
【００８１】
表面粗さが大きいということは、それだけ接触条件が悪いことになり、常温活性接合に近い条件での接合ができなくなる。つまり、表面粗さが大きいほど、一般的な拡散接合方式における加圧圧力、加熱温度に近い条件になる。したがって、記憶されている参照テーブルは、表面粗さが大きくなるほど加圧圧力が大きく、または、加熱温度が高くなる関係が成立する。この関係が満たされるように、計時時間に対する条件に加味する形で、参照テーブルが用意される。具体的な数値は、各構成装置の加工雰囲気下で接合が実現される実測結果もしくはシミュレーション結果により、予め定められる。なお、その後の処理工程は図８のフローと同様である。
【００８２】
次に、第２実施例に対してウェハＷの表面粗さの情報を補助情報として用いる場合について、図９を参照しながら説明する。ステップＳ１０５においてウェハ１及びウェハ２の活性化が完了したところで、表面粗さ計測器８００によりそれぞれの表面粗さを計測する。計測した表面粗さは制御盤７００の記憶部に記憶する。ステップＳ１２０では、計時部により計時された時間ｔが予め定められた時間ｔ０よりも大きいか否かにより、その後の処理を変更しているが、本実施例では、この時間ｔ０を、制御盤７００の記憶部において記憶されたウェハ１及びウェハ２の表面粗さにより変更する。上述のように、表面粗さが大きいということは、それだけ接触条件が悪いことになり、常温活性接合に近い条件での接合ができなくなるので、計測された表面粗さが大きいほど、時間ｔ０を短くする。具体的なｔ０は、各構成装置の加工雰囲気下で接合が実現される実測結果もしくはシミュレーション結果により、予め定められる。なお、その後の処理工程は図９のフローと同様である。
【００８３】
（第４実施例）
次に、上記の第１実施例及び第２実施例に対して、計時部の替わりに製造装置１００が膜厚計測器９００を備える場合について、以下に第４実施例として説明する。具体的には、ウェハ表面の酸化層の膜厚を計測する工程を担う構成装置として、膜厚計測器９００を活性化装置３００のチャンバ内に備える。
【００８４】
図１１は、膜厚計測器９００の構造を模式的に示す断面図である。ウェハ接合面の酸化膜厚の計測は、例えばウェハの予め定められた領域における亜酸化銅Ｃｕ２Ｏ層の厚さが計測ができればどのような機器を用いても良いが、非接触でウェハへ損傷を与えることがない方式を用いる機器であることが好ましい。ここでは、一例として分光法を用いた分光計測器を用いる。分光法を用いた分光計測器は、非破壊非接触で測定でき、酸化膜の屈折率がわかれば、高精度で膜厚を計測することができる。具体的には光の干渉効果を利用するもので、酸化膜の表面で反射した光と裏面で反射した光が、互いに干渉を起こすときの干渉パターンから膜厚を求める。
【００８５】
膜厚計測器９００は、測定用光源９１０、投光用光ファイバー９１２、分光ユニット９１４、Ｙ型分岐光ファイバー９２０、投受光ヘッド９２２、光ファイバー切替ユニット９２４、受光用光ファイバー９２６及び検出器９３０を備える。また、被測定対象であるウェハＷは、テーブル９０５の定められた位置に載置される。テーブル９０５は、シリンダ９０３及びＸＹステージ９０４がモータＭにより駆動されることにより、ＸＹＺ方向に移動する。
【００８６】
測定用光源９１０より射出された測定光は、投光用光ファイバー９１２を経由して、分光ユニット９１４に到達する。分光ユニットには、投光用光ファイバー９１２に接続されている接続部に対向して、複数のＹ型分岐光ファイバー９２０の一端が接続されている接続部が設けられている。そして、少なくともウェハＷの測定したい領域に対応するＹ型分岐光ファイバー９２０に導光されるよう、接続部同士が接続される。接続部同士の接続は、全てのＹ型分岐光ファイバー９２０に同時に導光されるように行っても良い。
【００８７】
分光ユニット９１４を経由して投受光ヘッド９２２に到達した測定光は、ウェハＷの被測定領域に向けて投光される。そして、その反射光を同じく投受光ヘッド９２２で受光し、受光された測定光は、Ｙ型分岐光ファイバー９２０を経由して光ファイバー切替ユニット９２４に導かれる。すなわち、Ｙ型分岐光ファイバー９２０は、Ｙ型の分岐点を有しており、３つの端部を有する。３つの端部は、一つは分光ユニット９１４に、一つは投受光ヘッド９２２に、一つは光ファイバー切替ユニット９２４に接続されている。
【００８８】
光ファイバー切替ユニット９２４に到達した測定光は、受光用光ファイバー９２６へ導光されて検出器９３０へ到達する。光ファイバー切替ユニット９２４は、ウェハＷの被測定領域に対応して、複数のＹ型分岐光ファイバー９２０の一つと受光用光ファイバー９２６を選択的に接続する。検出器９３０では、受光した測定光に基づいて、被測定領域における酸化膜厚を演算する。酸化膜厚の計測領域は、例えばウェハＷの中心部分と周辺部分４箇所の、合計５箇所とする。この場合、それぞれの領域に対向して投受光ヘッド９２２が配設されている。
【００８９】
本実施例において、互いに接合されるウェハが、それぞれ研磨されてから接合されるまでの加工手順については、上記の第１実施例および第２実施例に準ずる。膜厚計測器９００によって計測されたウェハＷの酸化膜厚の情報は、接合装置５００へウェハが搬入されてからのプロセス変更に関する判断に用いられる。
【００９０】
まず、第１実施例に対してウェハＷの酸化膜厚の情報を用いる場合について、図８を参照しながら説明する。本実施例においては、計時部の替わりに膜厚計測器９００を備えているので、計時部に関するステップＳ１０８及びステップＳ１１３が存在せず、また、ステップＳ１１４の設定における判断が異なる。本実施例ではステップＳ１１４に替えてステップＳ１３０を備えるものとする。なお、膜厚計測器９００による酸化膜厚の計測は、ステップＳ１０５においてウェハ１及びウェハ２の活性化が完了した後に行うものとする。計測した酸化膜厚は制御盤７００の記憶部に記憶する。
【００９１】
ステップＳ１３０では、制御盤７００において、膜厚計測器９００により計測された酸化膜厚により、その後のプロセスを変更する。本実施例において具体的には、接合装置５００における加圧、加熱条件を変更する。制御盤７００は記憶装置を備え、この記憶装置には、計測した酸化膜厚に対する加圧圧力、加熱温度の参照テーブルが記憶されている。酸化膜が厚いということは、それだけ不活性な酸化膜が厚く、常温活性接合に近い条件での接合ができなくなる。つまり、計測した酸化膜厚が厚ければ厚いほど、その後に進行する酸化の度合いを加味した、一般的な拡散接合方式における加圧圧力、加熱温度に近い条件が設定される。したがって、記憶されている参照テーブルは、計測した酸化膜厚が厚くなるほど加圧圧力が大きく、または、加熱温度が高くなる関係が成立する。具体的な数値は、各構成装置の加工雰囲気下で接合が実現される実測結果もしくはシミュレーション結果により、予め定められる。このように膜厚計測器９００は、記憶されている参照テーブルを参照して判断、及び設定の変更を行う制御盤７００と共に、酸化の進行度合いを推定する酸化推定手段として機能する。なお、その後の処理工程は図８のフローと同様である。
【００９２】
次に、第２実施例に対してウェハＷの酸化膜厚の情報を用いる場合について、図９を参照しながら説明する。本実施例においては、計時部の替わりに膜厚計測器９００を備えているので、計時部に関するステップＳ１０８、ステップＳ１１３及びステップＳ１２０が存在しない。本実施例では、膜厚計測器９００による酸化膜厚の計測は、ステップＳ１０５においてウェハ１及びウェハ２の活性化が完了した後に行われ、酸化膜厚計測の後、新たにステップＳ１４０が実行される。計測した酸化膜厚は制御盤７００の記憶部に記憶する。
【００９３】
ステップＳ１４０では、予め定められた酸化膜厚ｈ０と、制御盤７００の記憶部において記憶されたウェハ１及びウェハ２の酸化膜厚ｈを比較して、その後の処理を変更する。接合装置５００による接合時の加圧圧力及び加熱温度は予め所定の値に設定されている。このとき、予め設定された加圧圧力および加熱温度で接合を実現するためには、接合されるウェハの酸化膜が一定の膜厚以下でなければならない。酸化膜が一定の厚さ以下となるためには、ウェハが酸化される雰囲気に曝されて進行する酸化膜の厚さを差し引いた初期段階の酸化膜が所定の酸化膜厚以下でなければならない。このときの所定の酸化膜厚がｈ０である。具体的なｈ０は、各構成装置の加工雰囲気下で接合が実現される実測結果もしくはシミュレーション結果により、予め定められる。このように膜厚計測器９００は、記憶されている予め定められている酸化膜厚ｈ０を参照して判断を行う制御盤７００と共に、酸化の進行度合いを推定する酸化推定手段として機能する。なお、その後の処理工程は図９のフローと同様である。
【００９４】
このような実施例は、アライメント装置４００における位置合わせに要する時間がほぼ一定の場合に有効である。つまり、アライメント装置４００の雰囲気である酸化が進行する雰囲気に曝される時間が一定であれば、酸化の進行も一定と仮定し、アライメント装置４００に搬入する前の酸化膜厚を基準にしてこれを加味し、接合時における全体としての酸化の進行度合いを正確に推定することができる。
【００９５】
（第５実施例）
次に、上記の第４実施例に加え、製造装置１００が更に表面粗さ計測器８００を備える場合について、以下に第５実施例として説明する。具体的には、ウェハ表面の表面粗さを計測する工程を担う構成装置として、表面粗さ計測器８００を活性化装置３００のチャンバ内に膜厚計測器９００と共に備える。
【００９６】
このような構成における処理フローは、第１実施例及び第２実施例の処理フローを修正して第３実施例の処理フローを構成したように、第４実施例の処理フローを修正することになる。具体的には、第４実施例の参照テーブルを、計測された表面粗さを加味した参照テーブルに置き換える、又は、所定の酸化膜厚がｈ０を、計測された表面粗さを加味して可変にする。このように構成することで、より正確な酸化の進行度合いを推定することができる。
【００９７】
なお、上記第４実施例、第５実施例においては、接合装置５００において、加圧及び加熱によりウェハの接合を行ったが、加圧を行わずに加熱だけを行う、もしくは、加熱を行わずに加圧だけを行うことにより接合を実現しても良い。また、ステップＳ１３０においては、計測された酸化膜厚により加圧、加熱条件を変更したが、加圧圧力及び加熱温度の条件は同じにしたまま、加圧時間もしくは加熱時間を変更しても良い。すなわち、計測された酸化膜厚が厚いほど加圧時間もしくは加熱時間を長くするように参照テーブルを構築しても良い。
【００９８】
さらには、通常は加圧のみを行い酸化膜が厚くなった場合には加熱を行うようにしても良い。なお、アライメント装置４００が調整器４８０を備える場合と備えない場合では、実測結果もしくはシミュレーション結果にも現れるが、一般的に調整器４８０を備えず大気に曝される場合の方が、参照テーブルの加圧圧力を大きく、加熱温度を高く、もしくは加圧時間、加熱時間の時間を長く設定する必要がある。
【００９９】
（第６実施例）
次に、製造装置１００が計時部と共に膜厚計測器９００を備える場合について、以下に第６実施例として説明する。具体的には、制御盤７００が計時部を備えると共に、ウェハ表面の酸化層の膜厚を計測する工程を担う構成装置として、膜厚計測器９００を活性化装置３００のチャンバ内に備える。膜厚計測器９００の構成、及びウェハＷに対する計測方法は上記第４実施例と同等である。
【０１００】
本実施例において、互いに接合されるウェハが、それぞれ研磨されてから接合されるまでの加工手順については、上記の第１実施例および第２実施例に準ずる。膜厚計測器９００によって計測されたウェハＷの酸化膜厚の情報は、計時部によって計測された計時時間情報と共に、計時終了後のプロセス変更に関する判断情報として用いられる。
【０１０１】
まず、第１実施例に対してウェハＷの酸化膜厚の情報も判断情報として用いる場合について、図８を参照しながら説明する。ステップＳ１０５においてウェハ１及びウェハ２の活性化が完了したところで、膜厚計測器９００によりそれぞれの酸化膜厚を計測する。計測した酸化膜厚は制御盤７００の記憶部に記憶する。ステップＳ１１４では、計時部により計時された時間に加え、制御盤７００の記憶部において記憶されたウェハ１及びウェハ２の酸化膜厚を判断材料として、その後のプロセスを変更する。本実施例のように計時された時間に加えて酸化膜厚を考慮する場合、制御盤７００の記憶装置に記憶される参照テーブルは、パラメータとして酸化膜厚にも対応した参照テーブルが用意される。
【０１０２】
酸化膜が厚いということは、それだけ不活性な酸化膜が厚く、常温活性接合に近い条件での接合ができなくなる。つまり、計測した酸化膜厚が厚ければ厚いほど、一般的な拡散接合方式における加圧圧力、加熱温度に近い条件になる。したがって、記憶されている参照テーブルは、酸化膜厚が厚くなるほど加圧圧力が大きく、または、加熱温度が高くなる関係が成立する。この関係が満たされるように、計時時間に対する条件に加味する形で、参照テーブルが用意される。具体的な数値は、各構成装置の加工雰囲気下で接合が実現される実測結果もしくはシミュレーション結果により、予め定められる。なお、その後の処理工程は図８のフローと同様である。
【０１０３】
次に、第２実施例に対してウェハＷの酸化膜厚の情報も判断情報として用いる場合について、図９を参照しながら説明する。ステップＳ１０５においてウェハ１及びウェハ２の活性化が完了したところで、膜厚計測器９００によりそれぞれの酸化膜厚を計測する。計測した表面粗さは制御盤７００の記憶部に記憶する。ステップＳ１２０では、計時部により計時された時間ｔが予め定められた時間ｔ０よりも大きいか否かにより、その後の処理を変更しているが、本実施例では、この時間ｔ０を、制御盤７００の記憶部において記憶されたウェハ１及びウェハ２の酸化膜厚により変更する。上述のように、酸化膜厚が厚いということは、それだけ接触条件が悪いことになり、常温活性接合に近い条件での接合ができなくなるので、計測された酸化膜厚が厚いほど、時間ｔ０を短くする。具体的なｔ０は、各構成装置の加工雰囲気下で接合が実現される実測結果もしくはシミュレーション結果により、予め定められる。なお、その後の処理工程は図９のフローと同様である。
【０１０４】
なお、時間ｔ０ではなく、酸化膜厚ｈ０を基準として、その後の処理を変更しても良い。その場合は、この酸化膜厚ｈ０を、計時された時間により変更する。または、基準となる時間ｔ０及び酸化膜厚ｈ０を定めておき、いずれかの基準を超えるとき、または共に超えるときに、接合装置５００への搬入を禁止するように構成しても良い。
【０１０５】
（第７実施例）
次に、上記の第６実施例に加え、製造装置１００が更に表面粗さ計測器８００を備える場合について、以下に第７実施例として説明する。具体的には、ウェハ表面の表面粗さを計測する工程を担う構成装置として、表面粗さ計測器８００を活性化装置３００のチャンバ内に膜厚計測器９００と共に備える。
【０１０６】
このような構成における処理フローは、第１実施例及び第２実施例の処理フローを修正して第３実施例の処理フローを構成したように、第６実施例の処理フローを修正することになる。具体的には、第６実施例の参照テーブルを、計測された表面粗さを加味した参照テーブルに置き換える。このように構成することで、より正確な酸化の進行度合いを推定することができる。
【０１０７】
なお、上記第６実施例、第７実施例においては、接合装置５００において、加圧及び加熱によりウェハの接合を行ったが、加圧を行わずに加熱だけを行う、もしくは、加熱を行わずに加圧だけを行うことにより接合を実現しても良い。また、加圧圧力及び加熱温度の条件は同じにしたまま、加圧時間または加熱時間を変更しても良い。すなわち、計測された酸化膜厚が厚いほど、表面粗さが大きいほど、加圧時間もしくは加熱時間を長くするように参照テーブルを構築しても良い。
【０１０８】
以上の全ての実施例では共通して、アライメント装置４００の加工雰囲気が、酸化が進行する雰囲気であるものとして説明したが、アライメント装置４００がある程度酸化の進行が抑制される雰囲気に調整されている構成であっても良い。いずれにしても、ウェハが活性化されてから接合されるまでにはタイムラグが生じ、雰囲気が調整されていたとしても、多少なりとも酸化が進行するからである。その意味で、各構成装置のチャンバ内が、厳密に酸化が進行しない雰囲気に調整されていない限り、上記の各実施例の形態が適用できる。
【０１０９】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】製造装置１００の概略構成図である。
【図２】研磨装置２００の構造を模式的に示す断面図である。
【図３】活性化装置３００の一例としての第１の活性化装置３１０の構造を模式的に示す断面図である。
【図４】活性化装置３００の別の一例としての第２の活性化装置３２０の構造を模式的に示す断面図である。
【図５】アライメント装置４００の構造を模式的に示す断面図である。
【図６】アライメント装置４００の動作を示す図である。
【図７】接合装置５００の構造を模式的に示す断面図である。
【図８】第１実施例を示すフロー図である。
【図９】第２実施例を示すフロー図である。
【図１０】表面粗さ計測器８００の構造を模式的に示す断面図である。
【図１１】膜厚計測器９００の構造を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１００  製造装置、２００  研磨装置、２０２  支持フレーム、２０３  基台、２０４  テーブル支持部、２０５  回転定盤、２０６  第１ステージ、２０７  垂直フレーム、２０８  第２ステージ、２０９  水平フレーム、２１０  第３ステージ、２１１  回転軸、２１６  スピンドル、２１７  エアシリンダ、２２０  研磨ヘッド、２２１  研磨パッド、３００  活性化装置、３０３  回転軸、３０４  テーブル支持部、３０５  回転定盤、３１０  第１の活性化装置、３１１  イオンガン、３２０  第２の活性化装置、３２１、３２２  放電電極、３２３  放電電源、３８０  真空装置、４００  アライメント装置、４１１  枠体、４１２  天板、４１４  支柱、４１６  底板、４２１  固定ステージ、４２２  移動ステージ、４４２、４４４  顕微鏡、４５２  ガイドレール、４５４  Ｘステージ、４５６  Ｙステージ、４６０  昇降部、４６２  シリンダ、４６４  ピストン、４７２  反射鏡、４８０  調整器、５００  接合装置、５４４  枠体、５４６  押圧部、５４８  加圧ステージ、５５０  受圧ステージ、５５２  圧力検知部、５５４  天板、５５６  底板、５５８  支柱、５６０  シリンダ、５６２  ピストン、５６６  支持部、５６７  アクチュエータ、５６８  基板保持部、５７０  ヒータ、５７２  基板接触部、５７４  懸架部、５７６  ヒータ、５７８、５８０、５８２  ロードセル、５９０  真空装置、６０１、６１１、６１２、６２１、６２２、６３１、６３２、６４１  ゲートバルブ、６１０、６２０、６３０  ロードロックチャンバ、６７０  搬送装置、６７１  腕部、６７２  把持部、６８０  ウェハ、７００  制御盤、８００  表面粗さ計測器、８０３  シリンダ、８０４  ＸＹステージ、８０５  テーブル、８３０  反射面、８３１  カンチレバー、８３２  探針、８３６  光源、８３７  二分割光検出器、８４１  レンズ、８８３  アクチュエータ、９００  膜厚計測器、９０３  シリンダ、９０４  ＸＹステージ、９０５  テーブル、９１０  測定用光源、９１２  投光用光ファイバー、９１４  分光ユニット、９２０  Ｙ型分岐光ファイバー、９２２  投受光ヘッド、９２４  光ファイバー切替ユニット、９２６  受光用光ファイバー、９３０  検出器
【図１】
2010212638.tif 000003
【図２】
2010212638.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010212638.tif 000008
【図７】
2010212638.tif 000009
【図８】
2010212638.tif 000010
【図９】
2010212638.tif 000011
【図１０】
2010212638.tif 000012
【図１１】
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