(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハアライメント装置（１００）であって、
第１の半導体ウェーハ（８０）の第１の表面を第２の半導体ウェーハ（９０）の第１の表面の真正面に位置決めするための機器と、
前記第１の半導体ウェーハ上にある第１の構造を前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面上にある第２の構造と位置合わせするための機器とを備え、該位置合わせするための機器は、位置合わせ中に動かされると共に、前記第１の半導体ウェーハの前記第１の表面と前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面との間に挿入されるように構成される少なくとも１つの可動アライメントデバイスを含み、該可動アライメントデバイスは光学顕微鏡アセンブリを備え、左側垂直支柱（１０１）、右側垂直支柱（１０２）、及び左端及び右端を含む第二の水平ビーム（１２０）とを備える、逆Ｕ字形フレーム（１０４）を含み、そして、該位置合わせするための機器は、さらに顕微鏡較正基準ユニットを備え、該顕微鏡較正基準ユニットは、逆Ｕ字形フレーム（１０４）の左側垂直支柱及び右側垂直支柱のうちの１つに取り付けられる、
半導体ウェーハアライメント装置（１００）。
【請求項２】
前記位置決めするための機器は、前記位置合わせするための機器から振動的及び機械的に分離される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記逆Ｕ字形フレーム（１０４）が、防振支持体（１０２）の上面上に支持される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記逆Ｕ字形フレーム（１０４）は、
左側垂直支柱（１０１）及び右側垂直支柱（１０３）と、
左側垂直支柱（１０１）及び右側垂直支柱（１０３）の各頂部（１１３，１１４）上に支持される第一の水平ビーム（１０５）（なお、第一の水平ビームはフレームビームともいう）と、
左端及び右端を含む第二の水平ビーム（１２０）を備え、
前記左側垂直支柱及び右側垂直支柱の頂部（１１３，１１４）は、それぞれ前記左側垂直支柱及び右側垂直支柱の上面から前記左側垂直支柱及び右側垂直支柱の中心に向かって延在する２つの平行な垂直スロット（１１１，１１２）を含み、前記２つの垂直スロットは中央ブロック（１２２）によって分離され、前記中央ブロックは前記スロットの底部から前記支柱の頂部に向かって延在し、前記垂直スロットの高さよりも低い高さを有し、それにより、前記左側垂直支柱及び右側垂直支柱の上面の近くにおいて前記２つの垂直スロット間に間隙を形成し、
第二の水平ビーム（１２０）の左端及び右端はそれぞれ、前記左側垂直支柱及び前記右側垂直支柱の前記中央ブロック（１２２）上に支持され、該第二の水平ビーム（１２０）はウェハ支持ブロック（１８０）を支持する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記可動アライメントデバイスを支持するＸＹＺステージをさらに備え、前記ＸＹＺステージは、前記第一の水平ビーム（１０５）に沿ってスライドすると共に、前記第一の水平ビームによって支持されるように構成される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記光学顕微鏡アセンブリは、
細長い管と、
第１の軸（２１７ａ，２１７ｂ）に沿って前記細長い管内に同軸に配置される第１の光学顕微鏡及び第２の光学顕微鏡とを備え、
前記第１の光学顕微鏡及び前記第２の光学顕微鏡はそれぞれ、前記第１の構造の第１の画像及び前記第２の構造の第２の画像を入手するように構成され、
前記第１の構造の前記第１の画像及び前記第２の構造の前記第２の画像を用いて、前記顕微鏡較正基準ユニットに設けられた固定上側基準マーク（Ｋ、Ｋ’）及び固定下側基準マーク（Ｌ、Ｌ’）に対する前記第１の構造及び前記第２の構造の座標を求めると共に、前記第１の半導体ウェーハの前記第１の表面及び前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面を互いに平行に位置合わせするために前記位置決めするための機器を誘導する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記顕微鏡較正基準ユニットが、左側顕微鏡較正基準ユニットおよび右側顕微鏡較正基準ユニットのそれぞれに設けられる固定上側基準マーク（Ｋ、Ｋ’）及び固定下側基準マーク（Ｌ、Ｌ’）を含む請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記光学顕微鏡アセンブリは鏡面（２３６ａ，２３６ｂ）をさらに備え、該鏡面は、前記第１の軸（２１７ａ，２１７ｂ）が該鏡面に対して平行になるように配置され、鏡面（２３６ａ、２３６ｂ）の角度位置は、固定上側基準マーク及び固定下側基準マークを基準にして求められ、ウェーハアライメント工程のための基準として用いられる請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の構造の前記第１の画像及び前記第２の構造の前記第２の画像を解析すると共に、前記固定上側基準マーク及び前記固定下側基準マークに対する前記構造の座標を求めるために用いられるパターン認識ソフトウエアをさらに含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記位置決めするための機器は、
前記第１の半導体ウェーハを支持する下側ウェーハプレートを備える下側支持ブロックと、
前記第２の半導体ウェーハを支持する上側ウェーハプレート、及び該上側ウェーハプレートを水平にするためのプレートレベリングシステムを備える上側支持ブロックとを備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記プレートレベリングシステムは、前記上側ウェーハプレートを、並進させることなく、前記第２の半導体ウェーハの中心に対応する中心点を中心にして回転及び／又は傾斜させる球形ウエッジエラー補償機構を含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記下側支持ブロックは、コアースＸ−Ｙ−Ｔステージと、該コアースＸ−Ｙ−Ｔステージによって支持される空気ベアリングＺステージと、該Ｚステージの上に支持されるファインＸ−Ｙ−Ｔステージとを備え、該ファインＸ−Ｙ−Ｔステージは前記下側ウェーハプレートを支持する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記コアースＸ−Ｙ−Ｔステージは、前記コアースＸ−Ｙ−Ｔステージと前記ファインＸ−Ｙ−Ｔステージとの間のＸ−Ｙ−Ｔ距離を測定するための１つ又は複数の位置センサーをさらに備える、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記位置センサーはキャパシタンスゲージを含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記上側ウェーハプレート及び前記下側ウェーハプレートは、前記半導体ウェーハのＣＴＥと一致するＣＴＥを有する材料を含む、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１の半導体ウェーハ及び前記第２の半導体ウェーハを移送するための固定具をさらに備え、該固定具は、下側ウェーハキャリアチャックを支持する外側リングと、該外側リングの周辺に配置される３つ以上のクランプ／スペーサアセンブリとを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記クランプ／スペーサアセンブリはそれぞれクランプ及びスペーサを備え、前記クランプ及び前記スペーサは、互いから、及び他のアセンブリのクランプ又はスペーサの機械的可動から独立して機械的可動可能に構成され、前記機械的可動は、室温及び高温の両方において正確であると共に再現可能である、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記固定具は、前記第１の半導体ウェーハ及び前記第２の半導体ウェーハの中心を一緒にピン止めするための中心ピンをさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記第１の半導体ウェーハは前記下側ウェーハキャリアチャック上に配置され、前記スペーサは前記第１の半導体ウェーハのエッジの上に挿入され、その後、前記第２の半導体ウェーハが前記スペーサの上に配置され、その後、前記第１の半導体ウェーハ及び前記第２の半導体ウェーハが前記クランプによって一緒にクランプされる、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
半導体ウェーハを位置合わせするための方法であって、
第１の半導体ウェーハの第１の表面を、第２の半導体ウェーハの第１の表面の真正面に、位置決めするための機器によって、位置決めすること、
左側垂直支柱（１０１）、右側垂直支柱（１０２）、及び左端及び右端を含む第二の水平ビーム（１２０）とを備える、逆Ｕ字形フレーム（１０４）を設けること、
少なくとも１つの可動アセンブリデバイスを含む位置合わせするための機器を設けること、及び
前記第１の半導体ウェーハの前記第１の表面と前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面との間に前記可動アライメントデバイスを挿入することによって、前記第１の半導体ウェーハ上にある第１の構造を、前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面上にある第２の構造と位置合わせすることを含み、該可動アライメントデバイスは光学顕微鏡アセンブリを備え、そして、該位置合わせするための機器は、さらに顕微鏡較正基準ユニットを備え、該顕微鏡較正基準ユニットは、逆Ｕ字形フレーム（１０４）の左側垂直支柱及び右側垂直支柱のうちの１つに取り付けられる、半導体ウェーハを位置合わせするための方法。
【請求項２１】
前記位置決めするステップは、前記第１の半導体ウェーハの前記第１の表面と前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面との間に前記可動アライメントデバイスを前記挿入することから振動的及び機械的に分離される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記光学顕微鏡アセンブリは、
細長い管と、
第１の軸（２１７ａ，２１７ｂ）に沿って前記細長い管内に同軸に配置される第１の光学顕微鏡及び第２の光学顕微鏡とを備え、
前記第１の光学顕微鏡及び前記第２の光学顕微鏡はそれぞれ、前記第１の構造の第１の画像及び前記第２の構造の第２の画像を入手するように構成され、
前記第１の構造の前記第１の画像及び前記第２の構造の前記第２の画像を用いて、前記顕微鏡較正基準ユニットに設けられた固定上側基準マーク（Ｋ、Ｋ’）及び固定下側基準マーク（Ｌ、Ｌ’）に対する前記第１の構造及び前記第２の構造の座標を求めると共に、前記第１の半導体ウェーハの前記第１の表面及び前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面を互いに平行に位置合わせするために前記位置決めするための機器を誘導する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記顕微鏡較正基準ユニットが、左側顕微鏡較正基準ユニットおよび右側顕微鏡較正基準ユニットのそれぞれに設けられる固定上側基準マーク（Ｋ、Ｋ’）及び固定下側基準マーク（Ｌ、Ｌ’）を含む請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記光学顕微鏡アセンブリは鏡面（２３６ａ，２３６ｂ）をさらに含み、該鏡面は、前記第１の軸（２１７ａ，２１７ｂ）が前記鏡面に対して平行になるように配置され、鏡面（２３６ａ、２３６ｂ）の角度位置は、固定上側基準マーク及び固定下側基準マークを基準にして求められ、ウェーハアライメント工程のための基準として用いられる請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の構造の前記第１の画像及び前記第２の構造の前記第２の画像を解析すると共に、前記固定上側基準マーク及び前記固定下側基準マークに対する前記構造の座標を求めるためのパターン認識ソフトウエアを設けることをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記位置決めするステップは、
下側ウェーハプレートを備える下側支持ブロックを設けると共に、該下側ウェーハプレート上に前記第１の半導体ウェーハを配置すること、並びに
前記第２の半導体ウェーハを支持するための上側ウェーハプレート、及び該上側ウェーハプレートを水平にするためのプレートレベリングシステムを備える上側支持ブロックを設けることを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記プレートレベリングシステムは、前記上側ウェーハプレートを、並進させることなく、前記第２の半導体ウェーハの中心に対応する中心点を中心にして回転及び／又は傾斜させる球形ウエッジエラー補償機構を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記下側支持ブロックは、コアースＸ−Ｙ−Ｔステージと、該コアースＸ−Ｙ−Ｔステージによって支持される空気ベアリングＺステージと、該Ｚステージの上に支持されるファインＸ−Ｙ−Ｔステージとを備え、該ファインＸ−Ｙ−Ｔステージは前記下側ウェーハプレートを支持する、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記コアースＸ−Ｙ−Ｔステージは、前記コアースＸ−Ｙ−Ｔステージと前記ファインＸ−Ｙ−Ｔステージとの間のＸ−Ｙ−Ｔ距離を測定するための１つ又は複数の位置センサーをさらに備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の半導体ウェーハ及び前記第２の半導体ウェーハを移送するための固定具を設けることをさらに含み、該固定具は、下側ウェーハキャリアチャックを支持する外側リングと、該外側リングの周辺に配置される３つ以上のクランプ／スペーサアセンブリと、上側ウェーハキャリアチャックとを備える、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記クランプ／スペーサアセンブリはそれぞれクランプ及びスペーサを備え、前記クランプ及び前記スペーサは、互いから、及び他のアセンブリのクランプ又はスペーサの機械的可動から独立して機械的可動可能に構成され、前記機械的可動は、室温及び高温の両方において正確であると共に再現可能である、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の構造を前記第２の構造と前記位置合わせすることは、
前記第１の半導体ウェーハを、該第１の半導体ウェーハの第１の表面を上向きにして前記下側支持ブロック上に配置すること、
前記第２の半導体ウェーハを、該第２の半導体ウェーハの第１の表面を下向きにして前記上側ウェーハプレートによって支持すること、
前記光学顕微鏡アセンブリを前記顕微鏡構成基準ユニット（１４０ａ，１４０ｂ）に設置すると共に、前記第１の光学顕微鏡及び前記第２の光学顕微鏡をそれぞれ前記固定下側基準マーク及び前記固定上側基準マーク上に合焦すること、
前記固定上側基準マーク及び前記固定下側基準マークの位置及び距離、並びに前記鏡面の角度位置θ（Ｔ）を求めるために、前記パターン認識ソフトウエアを用いること、なお鏡面（２３６ａ、２３６ｂ）の角度位置は、固定上側基準マーク及び固定下側基準マークを基準にして求められ、ウェーハアライメント工程のための基準として用いられる、
前記光学顕微鏡アセンブリを前記第１の半導体ウェーハの前記第１の表面と前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面との間に設置すると共に、前記第２の光学顕微鏡を前記第２の半導体ウェーハの前記第２の構造上に合焦し、その後、前記光学顕微鏡アセンブリの位置をロックすること、
前記第１の顕微鏡を前記第１の半導体ウェーハの前記第１の構造上に合焦するように前記コアースＸ−Ｙ−Ｔステージ及び前記Ｚステージを動かすと共に、前記コアースＸ−Ｙ−Ｔステージ及び前記Ｚステージをロックすること、
前記第１の構造及び前記第２の構造の位置座標を求めると共に前記構造のオフセットを求めるために、前記パターン認識ソフトウエアを用いること、及び
記第１の構造及び前記第２の構造を互いに位置合わせするために、前記ファインＸ−Ｙ−Ｔステージを、前記求められたオフセットの量、及び較正法（測定器の読みと、入力または測定の対象となる値との関係を比較する作業であり、測定機械などを標準試料を用いて正しい結果を示すように調整することを意味する）によって求められた量だけ動かすことを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の構造及び前記第２の構造を前記位置合わせした後に、
前記第１の半導体ウェーハの前記第１の表面と前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面との間から前記光学顕微鏡アセンブリを取り出すこと、
前記位置センサーからのフィードバックを用いて前記ファインＸ−Ｙ−Ｔステージのアライメントを保持しながら前記Ｚステージを上方に動かすこと、
前記第１の半導体ウェーハの前記第１の表面を前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面と接触させること、
前記第１の半導体ウェーハ及び前記第２の半導体ウェーハを一緒にクランプすること、並びに
前記位置合わせされた前記第１の半導体ウェーハ及び前記第２の半導体ウェーハを取り外すことをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記上側ウェーハプレートによって前記第２の半導体ウェーハを支持した後に、前記第１の半導体ウェーハ（８０）の第１の表面上にある前記スペーサ（３２１ａ，３２１ｂ）を前記第２の半導体ウエーハ（９０）の第１の表面と接触させるために、前記Ｚステージを上方に動かし、フォースフィードバック制御下で前記第２の半導体ウェーハのウエッジエラー補償を実行する、そして、前記ウエッジ位置をロックし、前記スペーサ（３２１ａ，３２１ｂ）を取り出すことをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
半導体ウェーハを位置合わせするための装置であって、
第１の半導体ウェーハの第１の表面を第２の半導体ウェーハの第１の表面の真正面に位置決めするための機器と、
前記第１の半導体ウェーハ上にある第１の構造を前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面上にある第２の構造と位置合わせするための機器とを備え、該位置合わせするための機器は、位置合わせ中に動かされると共に、前記第１の半導体ウェーハの前記第１の表面と前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面との間に挿入されるように構成される少なくとも１つの可動アライメントデバイスを含み、
逆Ｕ字形フレームと防振支持体とをさらに備え、前記逆Ｕ字形フレームは、前記防振支持体の上面上に支持され、該逆Ｕ字形フレームは、左側垂直支柱及び右側垂直支柱と、左端及び右端を含む水平ビームとを備え、
水平ビームは、第一の水平ビーム（１０５）は、該左側垂直支柱及び右側垂直支柱の頂部に支持され、そして該可動アラインメントデバイスを支持するように配置され、第二の水平ビーム（１２０）は、該第一の水平ビームに平行にアレンジされ、ウェハ支持ブロック（１８０）を支持し、
該左側垂直支柱及び右側垂直支柱の頂部はそれぞれ、該左側垂直支柱及び右側垂直支柱の上面から該左側垂直支柱及び右側垂直支柱の中心に向かって延在する２つの平行な垂直スロットを含み、前記２つの垂直スロットは中央ブロック（１２２）によって分離され、前記中央ブロック（１２２）は前記スロットの底部から前記左側垂直支柱及び右側垂直支柱の頂部に向かって延在し、前記垂直スロットの高さよりも低い高さを有し、それにより、前記左側垂直支柱及び右側垂直支柱の上面の近くにおいて前記２つの垂直スロット間に間隙を形成し、
前記第二の水平ビーム（１２０）の前記左端及び前記右端はそれぞれ、前記左側垂直支柱及び前記右側垂直支柱の前記中央ブロック（１２２）上に支持される、
半導体ウェーハを位置合わせするための装置。
【請求項３６】
半導体ウェーハを位置合わせするための方法であって、
半導体ウェーハを位置合わせするための装置を提供し、
該装置内で、第１の半導体ウェーハの第１の表面を第２の半導体ウェーハの第１の表面の真正面に位置決めすること、
少なくとも１つの可動アライメントデバイスを含む位置合わせするための機器を設けること、及び
前記第１の半導体ウェーハの前記第１の表面と前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面との間に前記可動アライメントデバイスを挿入することによって、前記第１の半導体ウェーハ上にある第１の構造を、前記第２の半導体ウェーハの前記第１の表面上にある第２の構造と位置合わせすることを含み、
該装置が、逆Ｕ字形フレームと防振支持体とをさらに備え、前記逆Ｕ字形フレームは、前記防振支持体の上面上に支持され、該逆Ｕ字形フレームは、左側垂直支柱及び右側垂直支柱と、左端及び右端を含む水平ビームとを備え、
水平ビームは、第一の水平ビーム（１０５）は、該左側垂直支柱及び右側垂直支柱の頂部に支持され、そして該可動アラインメントデバイスを支持するように配置され、第二の水平ビーム（１２０）は、該第一の水平ビーム（１０５）に平行にアレンジされ、ウェハ支持ブロック（１８０）を支持し、
該左側垂直支柱及び右側垂直支柱の頂部はそれぞれ、該左側垂直支柱及び右側垂直支柱の上面から該左側垂直支柱及び右側垂直支柱の中心に向かって延在する２つの平行な垂直スロットを含み、前記２つの垂直スロットは中央ブロック（１２２）によって分離され、前記中央ブロック（１２２）は前記スロットの底部から前記左側垂直支柱及び右側垂直支柱の頂部に向かって延在し、前記垂直スロットの高さよりも低い高さを有し、それにより、前記左側垂直支柱及び右側垂直支柱の上面の近くにおいて前記２つの垂直スロット間に間隙を形成し、
前記第二の水平ビーム（１２０）の前記左端及び前記右端はそれぞれ、前記左側垂直支柱及び前記右側垂直支柱の前記中央ブロック（１２２）上に支持される、
半導体ウェーハを位置合わせするための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体アライメントのための装置及び方法に関し、より詳細には、ナノメートル範囲のアライメント精度を提供するウェーハ間アライメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェーハのアライメントは通常、機械的又は光学的なフィデューシャルマーク、中でも、ウェーハのエッジにある切欠き、ピン、電子ビームエッチング、又はホログラフィ画像等を利用することによって達成される。機械的なアライメントマークはミリメートル範囲のアライメント精度を提供するのに対して、光学的なマークはミクロンないしサブミクロンのアライメント精度を提供する。
【０００３】
いくつかの半導体工程、中でも、３−Ｄ集積、ボンディング及びマスクアライメントでは、サブミクロンないしナノメートルのアライメント精度が望ましい。
【発明の概要】
【０００４】
本発明によるウェーハ間アライメント装置及び方法は、互いに平行に位置合わせされるべき２つのウェーハ間に挿入される顕微鏡を利用する。この「ウェーハ間」アライメント法は、透明、不透明のいずれのタイプのウェーハ材料に対しても用いることができ、可視光を使用し、ウェーハの背面においてフィデューシャルマークを必要としない。そのアライメント精度は概ね数百ナノメートル程度である。
【０００５】
通例、一態様において、本発明は、半導体ウェーハを位置合わせするための装置であって、第１の半導体ウェーハの第１の表面を第２の半導体ウェーハの第１の表面の真正面に位置決めするための機器と、第１の半導体ウェーハ上にある第１の構造を第２の半導体ウェーハの第１の表面上にある第２の構造と位置合わせするための機器とを備える、装置を特徴とする。位置合わせする機器は、位置合わせ中に動かされると共に、第１の半導体ウェーハの第１の表面と第２の半導体ウェーハの第１の表面との間に挿入されるように構成される少なくとも１つの可動アライメントデバイスを含む。
【０００６】
本発明のこの態様の実施態様は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含むことができる。位置決めする機器は、アライメント機器から振動的及び機械的に分離される。装置は、逆Ｕ字形フレームと防振支持体とをさらに備えることができる。逆Ｕ字形フレームは支持体の上面上に支持される。逆Ｕ字形フレームは、左側垂直支柱及び右側垂直支柱と、左端及び右端を含む水平ビームとを備える。支柱の頂部はそれぞれ、支柱の上面から支柱の中心に向かって延在する２つの平行な垂直スロットを含み、２つの垂直スロットは中央ブロックによって分離される。中央ブロックはスロットの底部から支柱の頂部に向かって延在し、垂直スロットの高さよりも低い高さを有し、それにより、支柱の上面の近くにおいて２つの垂直スロット間に間隙を形成する。水平ビームの左端及び右端はそれぞれ、左側垂直支柱及び右側垂直支柱の中央ブロック上に支持される。装置は、可動アライメントデバイスを支持するＸＹＺステージをさらに備えることができ、ＸＹＺステージは、水平ビームに沿ってスライドすると共に、水平ビームによって支持されるように構成される。可動アライメントデバイスは光学顕微鏡アセンブリを備え、アセンブリは、細長い管と、第１の軸に沿って細長い管内に同軸に配置される第１の光学顕微鏡及び第２の光学顕微鏡とを備える。第１の光学顕微鏡及び第２の光学顕微鏡はそれぞれ、第１の構造の第１の画像及び第２の構造の第２の画像を入手するように構成される。第１の構造の第１の画像及び第２の構造の第２の画像を用いて、固定上側基準マーク及び固定下側基準マークに対する第１の構造及び第２の構造の座標を求めると共に、第１の半導体ウェーハの第１の表面及び第２の半導体ウェーハの第１の表面を互いに平行に位置合わせするために位置決めする機器を誘導する。本装置は、顕微鏡較正基準ユニットをさらに備え、該較正基準ユニットは、固定上側基準マーク及び固定下側基準マークを含む。該較正基準ユニットは、垂直支柱のうちの１つに取り付けることができる。光学顕微鏡アセンブリは鏡面をさらに備えることができ、該鏡面は、第１の軸が該鏡面に対して平行になるように配置される。本装置は、第１の構造の第１の画像及び第２の構造の第２の画像を解析すると共に、固定上側基準マーク及び固定下側基準マークに対する構造の座標を求めるために用いられるパターン認識ソフトウエアをさらに含むことができる。位置決めする機器は、下側支持ブロックと、上側支持ブロックとを備える。下側指示ブロックは、第１の半導体ウェーハを支持する下側ウェーハプレートを備え、上側指示ブロックは、第２の半導体ウェーハを支持する上側ウェーハプレート、及び該上側プレートを水平にするためのプレートレべリングシステムを備える。プレートレベリングシステムは、上側ウェーハプレートを、並進させることなく、第２の半導体ウェーハの中心に対応する中心点を中心にして回転及び／又は傾斜させる球形ウエッジエラー補償機構を含む。下側支持ブロックは、コアースＸ−Ｙ−Ｔステージと、該コアースＸ−Ｙ−Ｔステージによって支持される空気ベアリングＺステージと、該Ｚステージの上に支持されるファインＸ−Ｙ−Ｔステージとを備え、該ファインＸ−Ｙ−Ｔステージは下側ウェーハプレートを支持する。コアースＸ−Ｙ−Ｔステージは、コアースＸ−Ｙ−ＴステージとファインＸ−Ｙ−Ｔステージとの間のＸ−Ｙ−Ｔ距離を測定するための１つ又は複数の位置センサーをさらに備える。位置センサーはキャパシタンスゲージを含むことができる。上側ウェーハプレート及び下側ウェーハプレートは、半導体ウェーハのＣＴＥと一致するＣＴＥを有する材料を含む。本装置は、第１の半導体ウェーハ及び第２の半導体ウェーハを移送するための固定具をさらに備えることができる。該固定具は、下側ウェーハキャリアチャックを支持する外側リングと、該外側リングの周辺に配置される３つ以上のクランプ／スペーサアセンブリとを備える。クランプ／スペーサアセンブリはそれぞれクランプ及びスペーサを備える。クランプ及びスペーサは、互いから、及び他のアセンブリのクランプ又はスペーサの動きから独立して動かされるように構成され、動きは、室温及び高温の両方において正確であると共に再現可能である。固定具は、第１の半導体ウェーハ及び第２の半導体ウェーハの中心を一緒にピン止めするための中心ピンをさらに備えることができる。第１の半導体ウェーハは下側ウェーハキャリアチャック上に配置され、スペーサは第１の半導体ウェーハのエッジの上に挿入され、その後、第２の半導体ウェーハがスペーサの上に配置され、その後、第１の半導体ウェーハ及び第２の半導体ウェーハがクランプによって一緒にクランプされる。
【０００７】
通例、別の態様では、本発明は、半導体ウェーハを位置合わせするための装置であって、第１の半導体ウェーハの第１の表面を第２の半導体ウェーハの第１の表面の真正面に位置決めするための機器と、第１の半導体ウェーハ上にある第１の構造を第２の半導体ウェーハの第１の表面上にある第２の構造と位置合わせするための機器とを備える、装置を特徴とする。位置合わせするための機器は、位置合わせ中に動かされるように構成される少なくとも１つの可動アライメントデバイスを含む。位置決めする機器は、アライメントデバイスの動きから振動的及び機械的に分離される。
【０００８】
通例、別の態様では、本発明は、半導体ウェーハを位置合わせするための方法であって、第１の半導体ウェーハの第１の表面を第２の半導体ウェーハの第１の表面の真正面に位置決めすること、少なくとも１つの可動アセンブリデバイスを含むアライメント機器を設けること、及び、その後、第１の半導体ウェーハの第１の表面と第２の半導体ウェーハの第１の表面との間に可動アライメントデバイスを挿入することによって、第１の半導体ウェーハ上にある第１の構造を、第２の半導体ウェーハの第１の表面上にある第２の構造と位置合わせすることを含む、方法を特徴とする。
【０００９】
本発明のこの態様の実施態様は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含むことができる。位置決めするステップは、第１の半導体ウェーハ（下側半導体ウェーハとも記載）の第１の表面と第２の半導体ウェーハ（上側半導体ウェーハとも記載）の第１の表面との間に可動アライメントデバイスを挿入することから振動的及び機械的に分離される。可動アライメントデバイスは光学顕微鏡アセンブリを含み、該アセンブリは、細長い管と、第１の軸に沿って細長い管内に同軸に配置される第１の光学顕微鏡及び第２の光学顕微鏡とを備える。第１の光学顕微鏡及び第２の光学顕微鏡はそれぞれ、第１の構造の第１の画像及び第２の構造の第２の画像を入手するように構成される。第１の構造の第１の画像及び第２の構造第２の画像を用いて、固定上側基準マーク及び固定下側基準マークに対する第１の構造及び第２の構造の座標を求めると共に、第１の半導体ウェーハの第１の表面及び第２の半導体ウェーハの第１の表面を互いに平行に位置合わせするために位置決めするための機器を誘導する。本装置は、顕微鏡較正基準ユニットをさらに備え、該較正基準ユニットは固定上側基準マーク及び下側基準マークを含む。該構成基準ユニットは、垂直支柱のうちの１つに取り付けることができる。光学顕微鏡アセンブリは鏡面をさらに含むことができ、該鏡面は、第１の軸が鏡面に対して平行になるように配置される。本方法は、第１の構造の第１の画像及び第２の構造の第２の画像を解析すると共に、固定上側基準マーク及び固定下側基準マークに対する構造の座標を求めるためのパターン認識ソフトウエアを設けることをさらに含むことができる。位置決めするステップは、下側ウェーハプレートを備える下側支持ブロックを設けると共に、該下側ウェーハプレート上に第１の半導体ウェーハを配置すること、並びに、その後、第２の半導体ウェーハを支持するための上側ウェーハプレート、及び該上側ウェーハプレートを水平にするためのプレートレベリングシステムを備える上側支持ブロックを設けることを含むことができる。プレートレベリングシステムは、上側ウェーハプレートを、並進させることなく、第２の半導体ウェーハの中心に対応する中心点を中心にして回転及び／又は傾斜させる球形ウエッジエラー補償機構を含むことができる。下側支持ブロックは、コアースＸ−Ｙ−Ｔステージと、該コアースＸ−Ｙ−Ｔステージによって支持される空気ベアリングＺステージと、該Ｚステージの上に支持されるファインＸ−Ｙ−Ｔステージとを備え、該ファインＸ−Ｙ−Ｔステージは下側ウェーハプレートを支持する。コアースＸ−Ｙ−Ｔステージは、コアースＸ−Ｙ−ＴステージとファインＸ−Ｙ−Ｔステージとの間のＸ−Ｙ−Ｔ距離を測定するための１つ又は複数の位置センサーをさらに備える。本装置は、第１の半導体ウェーハ及び第２の半導体ウェーハを移送するための固定具をさらに備える。その固定具は、下側ウェーハキャリアチャックを支持する外側リングと、その外側リングの周辺に配置される３つ以上のクランプ／スペーサアセンブリとを備える。各クランプ／スペーサアセンブリはクランプ及びスペーサを備える。クランプ及びスペーサは、互いから、及び他のアセンブリのクランプ又はスペーサの動きから独立して動かされるように構成され、その動きは、室温及び高温の両方において正確であると共に再現可能である。固定具は、第１の半導体ウェーハ及び第２の半導体ウェーハの中心を一緒にピン止めするための中心ピンをさらに備える場合がある。第１の構造物と第２の構造物との位置合わせは、以下のステップを含む。まず、第１の半導体ウェーハを、該第１の半導体ウェーハの第１の表面を上向きにして下側支持ブロック上に配置する。次に、第２の半導体ウェーハを、該第２の半導体ウェーハの第１の表面を下向きにして上側ウェーハプレートによって支持する。次に、光学顕微鏡アセンブリを固定基準ユニットに設置し、第１の光学顕微鏡及び第２の光学顕微鏡をそれぞれ固定下側基準マーク及び固定上側基準マーク上に合焦する。次に、パターン認識ソフトウエアを用いて、固定上側基準マーク及び固定下側基準マークの位置及び距離、並びに鏡面角度位置を求める。次に、光学顕微鏡アセンブリを第１の半導体ウェーハの第１の表面と第２の半導体ウェーハの第１の表面との間に設置し、第２の光学顕微鏡を第２の半導体ウェーハの第２の構造上に合焦し、その後、光学顕微鏡アセンブリの位置を固定する。次に、第１の顕微鏡を第１の半導体ウェーハの第１の構造上に合焦するようにコアースＸ−Ｙ−Ｔステージ及びＺステージを動かし、コアースＸ−Ｙ−Ｔステージ及びＺステージをロックする。次に、パターン認識ソフトウエアを用いて、第１の構造及び第２の構造の位置座標を求めると共に、構造のオフセットを求める。最後に、ファインＸ−Ｙ−Ｔステージを、求められたオフセットの量、及び全体較正法によって求められた量だけ動かし、それにより、第１の構造及び第２の構造を互いに位置合わせする。第１の構造及び第２の構造の位置合わせは以下をさらに含むことができる。第１の半導体ウェーハの第１の表面と第２の半導体ウェーハの第１の表面との間から光学顕微鏡アセンブリを取り出し、その後、位置センサーからのフィードバックを用いてファインＸ−Ｙ−Ｔステージのアライメントを保持しながらＺステージを上方に動かす。次に、第１の半導体ウェーハの第１の表面を第２の半導体ウェーハの第１の表面と接触させ、その後、第１の半導体ウェーハ及び第２の半導体ウェーハを一緒にクランプし、その後、位置合わせされた第１の半導体ウェーハ及び第２の半導体ウェーハを取り出す。上側ウェーハプレートによって第２の半導体ウェーハを支持した後に、本方法は第１の半導体ウェーハのＺステージを上方に動かして、第１の半導体ウェーハの第１の表面上にあるスペーサを第２の半導体の第１の表面と接触させることをさらに含むことができる。次に、フォースフィードバック制御下で第２の半導体ウェーハのウエッジエラー補償を実行し、該ウエッジ位置をロックし、その後、第１の半導体ウェーハを下方に動かして、スペーサを取り出す。
【００１０】
添付の図面及び以下の説明において、本発明の１つ又は複数の実施形態の詳細が説明される。本発明の他の特徴、目的及び利点は、以下の好ましい実施形態の説明、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１１】
図面を参照すると、いくつかの図にわたって、同じ数字が同じ部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明によるアライナシステムの概略図である。
【図２】図１の領域Ｐの詳細な側面図である。
【図３】図１のアライナシステムの概略的な側面図である。
【図４】図１の顕微鏡システムの概略図である。
【図５】本発明によるアライナ装置の斜視図である。
【図６】図３のアライナ装置の側面斜視図である。
【図７】図３のアライナ装置の正面断面図である。
【図８】図３の顕微鏡システムの平面斜視図である。
【図９】図８の顕微鏡システムの側面斜視図である。
【図１０】図８の顕微鏡システムの側面断面図である。
【図１１】図８のアライナ内にある２つの顕微鏡システムの詳細図である。
【図１２】ウェーハ固定具の平面図である。
【図１３】上側プレート及び下側プレートを取り付けられたウェーハ固定具の平面図である。
【図１４】上側プレート及び下側プレートを取り付けられており、ウェーハがクランプ位置にあるウェーハ固定具の概略的な断面図である。
【図１５】全体較正デバイスの下側プレートの平面図である。
【図１６】全体較正デバイスの上側プレート及び下側プレートの側面図である。
【図１７】全体較正デバイスの上側プレート及び下側プレート並びに透明ウェーハの側面図である。
【図１８Ａ】アライメント工程の流れ図である。
【図１８Ｂ】アライメント工程の流れ図である。
【図１９Ａ】図１８Ｂのアライメント工程のステップ６１０の概略図である。
【図１９Ｂ】図１８Ｂのアライメント工程のステップ６１１の概略図である。
【図１９Ｃ】図１８Ｂのアライメント工程のステップ６１３の概略図である。
【図２０Ａ】図１８Ａ及び図１８Ｂのアライメント工程のステップ６０８及び６１１の概略図である。
【図２０Ｂ】図１８Ａ及び図１８Ｂのアライメント工程のステップ６０８及び６１２の概略図である。
【図２０Ｃ】図１８Ａ及び図１８Ｂのアライメント工程のステップ６０８及び６１３の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１〜図５を参照すると、ウェーハアライメント装置１００が、逆Ｕ字形フレーム１０４を支持する支持体１０２と、第１の顕微鏡セット２１０ａ及び第２の顕微鏡セット２１０ｂと、下側ウェーハ８０を支持する下側ウェーハ支持ブロック１５０と、上側ウェーハ９０を保持する上側ウェーハ支持ブロック１８０とを備える。支持体１０２は、固体材料から形成され、４つの防振脚部１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ及び１０８ｄを介して、テーブル１０６上に支持される。一例では、支持体１０２は、花崗岩材料から形成される長方形ブロックである。他の例では、支持体１０２は、金属又はセラミック材料から形成される場合があり、ハネカム構造を有する場合がある。逆Ｕ字形フレーム１０４は、左側垂直脚部１０１及び右側垂直脚部１０３と、該左側垂直脚部１０１及び右側垂直脚部１０３の頂部１１３及び１１４上に支持されるビーム１０５とを備える。脚部の各頂部１１３及び１１４は、図２に示されるように、脚部の上面１１９から脚部の中心に向かって延在する２つの垂直スロット１１１、１１２を含む。垂直スロット１１１、１１２は、同じく図２に示されるように、各脚部１０１、１０３の頂部を、それぞれ３つの個別ブロック延長部１２１、１２２、１２３に分割する。ビーム１０５の端部１０５ａ、１０５ｂは、各脚部１０１、１０３の外側の２つのブロック延長部１２１、１２３にそれぞれ固定されるように取り付けられる。図２に示されるように、垂直スロット１１１、１１２は距離１１５ａだけ離隔して配置され、それらのスロット間に間隙１１５が形成される。間隙１１５は、脚部の上面１１９から延在し、スロット１１１及び１１２の高さ１１７よりも低い高さ１１６と、スロット１１１と１１２との間の距離１１５ａと同じ幅とを有する。間隙１１５は、図７に示されるように、左側脚部１０１の頂部１１３から、右側脚部１０３の頂部１１４まで延在する支持棒１２０を収容するような寸法に形成される。支持棒１２０の左端１２０ａ及び右端１２０ｂはそれぞれ、左側脚部１０１、右側脚部１０３の間隙１１５内に配置され、図６及び図２に示されるように、内側ブロック１２２に固定されるように取り付けられる。このタイプの構成では、フレームビーム１０５の端部１０５ａ、１０５ｂと、支持棒１２０の端部１２０ａ、１２０ｂは接触しない。フレームビーム１０５は、２つの顕微鏡セット２１０ａ、２１０ｂの動きをそれぞれ制御する、２つの個別の顕微鏡Ｘ−Ｙ−Ｚステージセット２０１ａ、２０１ｂを支持する。上側ウェーハ支持ブロック１８０は、支持棒１２０に固定されるように取り付けられる。フレームビーム１０５の端部１０５ａ、１０５ｂと、支持棒１２０の端部１２０ａ、１２０ｂとが接触しないことによって、フレームビーム１０５が支持棒１２０から分離され、上側ウェーハ支持ブロック１８０に、それゆえ、上側ウェーハ９０に対して、顕微鏡ステージが動くことに起因する振動が伝達されるのを防ぐ。
【００１４】
図３及び図４を参照すると、各顕微鏡セット２１０ａ、２１０ｂは、細長い管２０２ａ、２０２ｂ内にそれぞれ配置される２つの同軸に配列される顕微鏡２２４ａ、２２４ｂ及び２２５ａ、２２５ｂを含む。各顕微鏡２２４ａ、２２４ｂは、光源２１１ａ、２１１ｂと、高性能対物レンズ２１２ａ、２１２ｂと、ＣＣＤカメラ２１３ａ、２１３ｂとを備える。光軸２１７に対して４５度の角度に配置される両面鏡２１５も含まれる。光源２１１ａから放射される光２１４ａは、対物レンズ２１２ａによって合焦され、鏡２１５を介して、下側ウェーハ表面８１に向かって送られる。その後、下側ウェーハ表面８１によって反射された光２１６ａは鏡２１５によってＣＣＤカメラ２１３ａに送られ、ＣＣＤカメラ２１３ａ上に合焦される。同様に、光源２１１ｂから放射される光２１４ｂは、対物レンズ２１２ｂによって合焦され、鏡２１５を介して、上側ウェーハ表面９１に向かって送られる。その後、上側ウェーハ表面９１によって反射された光２１６ｂは鏡２１５によってＣＣＤカメラ２１３ｂに送られ、ＣＣＤカメラ２１３ｂ上に合焦される。その後、ＣＣＤカメラ２１３ａ、２１３ｂによって収集される下側ウェーハ表面８１及び上側ウェーハ表面９１の表面画像を用いて、ウェーハ表面８１、９１を互いに平行に位置合わせする。一例では、光源２１１ａ、２１１ｂは黄色発光ダイオード（ＬＥＤ）である。他の例では、他の可視光源又は赤外光源が用いられる。
【００１５】
細長い管２０２ａ、２０２ｂは逆Ｕ字形構造２０４ａ、２０４ｂに接続され、それらの構造は、フレームビーム１０５の周囲において顕微鏡ＸＹＺステージ２０１ａ、２０１ｂによってそれぞれ支持される。顕微鏡ステージ２０１ａ、２０１ｂは、顕微鏡の軸２１７ａ、２１７ｂをＸ、Ｙ、Ｚ方向に動かす。いくつかの実施形態において、ステージ２０１ａ、２０１ｂはＸ−Ｙ−Ｚ−Ｔステージであり、それらのステージに対して垂直な軸を中心にして角度θ（Ｔ）だけ顕微鏡軸を回転させることもできる。Ｕ字形構造２０４ａ、２０４ｂの脚部は、図８に示されるように、プレート２３２ａ、２３２ｂ、２３４ａ、２３４ｂに固定されるように接続され、プレート２３２ａ、２３２ｂ、２３４ａ、２３４ｂは３つのキネマティックカップリング２３３ａ、２３３ｂ、２３３ｃを介して、細長い管２０２ａ、２０２ｂの端部に接続される。鏡２３５ａ、２３５ｂも、細長い管とは別に、それぞれプレート２３２ａ、２３２ｂに接続され、細長い管２０２ａ、２０２ｂの下に配置され、図１１に示されるように、顕微鏡軸（第一の軸ともいう）２１７ａ、２１７ｂがそれぞれ、鏡面２３６ａ、２３６ｂに対して平行になるようにする。さらに、その装置は、図１及び図７に示される、左側フレーム脚部（左側垂直支柱ともいう）１０１及び右側フレーム脚部（右側垂直支柱ともいう）１０３にそれぞれ取り付けられる左側顕微鏡較正基準ユニット１４０ａ及び右側顕微鏡較正基準ユニット１４０ｂを備える。各基準ユニット１４０ａ、１４０ｂは、固定上側プレート１４１ａ、１４１ｂ及び固定下側プレート１４２ａ、１４２ｂ上にそれぞれ配置される固定上側基準マークＫ、Ｋ’及び固定下側基準マークＬ、Ｌ’を含む。後に説明されるように、図１１に示される、２つの顕微鏡光軸２１７ａ、２１７ｂのＸ−Ｙ−Ｚ及びＴ座標、並びに鏡面２３６ａ、２３６ｂの角度位置は、これらの固定マークを基準にして求められ、ウェーハアライメント工程のための基準として用いられる。
【００１６】
図７を参照すると、上側ウェーハ９０は真空吸引によって上側ウェーハブロック１８０上に保持され、下側ウェーハ表面８１に対して平行に位置合わせされるべき表面９１が下向きにされるようにする。上側ウェーハブロック１８０は、ウェーハ９０を支持する上側ウェーハプレート１８２と、上側ウェーハプレート１８２を水平にするためのプレートレベリングシステム１８４とを備える。プレートレベリングシステムは、ウェーハ９０の中心に対応する中心点を中心にして、並進させることなく、上側ウェーハプレート１８２を回転及び／又は傾斜させる球形ウエッジエラー補償（ＷＥＣ）機構を備える。下側ウェーハ８０は真空吸引によって下側ウェーハブロック１５０上に保持され、上側ウェーハ表面９１に対して平行に位置合わせされるべきその表面８１が上向きにされるようにする。下側ウェーハブロック１５０は、空気ベアリングＺステージ１５４を支持するコアースＸ−Ｙ−Ｔ空気ベアリングテーブル１５２と、Ｚステージの上に支持されるファインＸ−Ｙ−Ｔステージ１５５とを備える。ファインＸ−Ｙ−Ｔステージ１５５は下側ウェーハプレート１５６を支持し、その上に、ウェーハ８０を支持する固定具３００が位置決めされる。一例では、コアースＸ−Ｙ−Ｔテーブル１５２は、±３ミリメートル及び±３度の位置範囲を有するのに対して、ファインＸ−Ｙ−Ｔステージは±１００マイクロメートル及び±１ミリ度の位置範囲を有し、Ｚ軸範囲は６０ミリメートルである。コアースＸ−Ｙ−Ｔステージ１５２には３つの位置センサー１５７が接続され、それらの位置センサーは、コアースステージ１５２とファインステージ１５５との間のＸ−Ｙ−Ｔ距離を測定し、下側ウェーハ表面８１の細かいＸ−Ｙ−Ｔ操作のためのフィードバックを提供する。一例では、位置センサー１５７はキャパシタンスゲージであり、直線的な変位を高精度に非接触測定するために用いられる。上側ウェーハプレート１８２及び下側ウェーハプレート１５６は、ウェーハのＣＴＥと一致するＣＴＥを有する材料から形成される。一例では、ウェーハ８０、９０はシリコンから形成され、プレート１８２、１５６は炭化シリコンから形成される。他の実施形態では、下側ウェーハプレート及び上側ウェーハプレートの両方に個別の位置センサーセットが配置される。
【００１７】
図１２を参照すると、上側ウェーハ９０及び下側ウェーハ８０をアライメント装置の内外に移送すると共に、ウェーハのボンディング、又はさらなる堆積ステップ等のさらなる処理のために２つのウェーハのアライメントを保持するために固定具３００が用いられる。固定具３００は、下側ウェーハキャリアチャック３１５を支持する外側リング３１０と、リング３１０の周辺に配置される３つのクランプ／スペーサアセンブリ３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃとを備える。各クランプ／スペーサアセンブリ３２０ａは、スペーサ３２１ａと、クランプ３２２ａとを備える。クランプ／スペーサアセンブリの動きは、室温において、及び後続のウェーハ処理が行なわれる高温において、非常に正確で、且つ再現可能である。ウェーハ８０が下側ウェーハキャリアチャック３１５の上に配置され、スペーサ３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｃがウェーハ表面８１のエッジの上に挿入され、その後、上側ウェーハ９０がスペーサ３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｃの上に配置され、その後、上側ウェーハキャリアチャック３１６が上側ウェーハ９０の上に配置され、クランプ３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃが上側ウェーハキャリアチャックに係合して、固定具上に２つのウェーハを一緒にクランプする。スペーサ３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｃは、互いから、及びクランプする動きとは独立して動かされ、ウェーハ表面９１、８１を接触させるか、又はそれらの表面間に間隙を設定することができる。図１４に示されるように、２つのクランプされたウェーハは、中心ピン３２５によって一緒にピン止めすることもできる。一例では、リング３１０はチタンから形成され、ウェーハキャリアチャック３１５、３１６は炭化シリコンから形成される。
【００１８】
図１８Ａ〜図２０Ｃを参照すると、アライメント工程は以下のステップを含む。最初に、顕微鏡セット２１０ａ、２１０ｂが基準ユニット１４０ａ、１４０ｂ内で位置決めされ、顕微鏡２２４ａ、２２４ｂ及び２２５ａ、２２５ｂが、上側プレート１４１ａ、１４１ｂ及び下側プレート１４２ａ、１４２ｂ上にそれぞれ位置する固定上側基準マークＫ、Ｋ’及び下側基準マークＬ、Ｌ’上に合焦される。次に、パターン認識ソフトウエアを用いて、固定基準マークＫ、Ｋ’、Ｌ、Ｌ’のＸ−Ｙ座標及びその離隔距離、並びに基準マークに対する（顕微鏡軸２１７ａ、２１７ｂの位置を反射する）鏡面２３６ａ、２３６ｂの角度位置θ（Ｔ）を求める。基準マークＫ、Ｌ及び軸２１７ａが、顕微鏡２２４ａ、２２４ｂのための基準面２９０ａ（図２０Ａに示される）を規定し、マークＫ’、Ｌ’及び軸２１７ｂが、顕微鏡２２５ａ、２２５ｂのための基準面２９０ｂ（図示せず）を規定する。次に、顕微鏡セット２１０ａ、２１０ｂが下側ウェーハ８０と上側ウェーハ９０との間に挿入され、Ｘ−Ｙ−Ｚ顕微鏡ステージ２０１ａ、２０１ｂを動かして、図１９Ａに示されるように、上側ウェーハ表面９１上にあるフィデューシャルマークＡ、Ｂの画像Ａ’、Ｂ’が、上方に向けられた顕微鏡２２４ｂ、２２５ｂの視野（ＦＯＶ）２８０内に入り、顕微鏡２２４ｂ、２２５ｂがそれぞれそれらの上に合焦されるようにする。顕微鏡ステージ２０１ａ、２０１ｂはロックされ、その後、下側ウェーハ８０をＸ−Ｙ−Ｔ及びＺ方向に動かして、図１９Ｂに示されるように、下側ウェーハフィデューシャルマークＣ、Ｄの画像Ｃ’、Ｄ’を、下方に向けられた顕微鏡２２４ａ、２２４ｂの視野（ＦＯＶ）２８２内に動かし、顕微鏡２２４ａ、２２５ａをその上に合焦する。次に、Cognex社（Natick Mass）から市販されるパターン認識ソフトウエアＰａｔｍａｘ（登録商標）プログラムを用いて顕微鏡２２４ｂ、２２５ｂ、２２４ａ、２２５ａの対応する視野２８０、２８２内の画像Ａ’、Ｂ’，Ｃ’、Ｄ’を解析することによって、且つ基準面２９０ａ、２９０ｂに対する顕微鏡２２４ｂ、２２５ｂ、２２４ａ、２２５ａの位置を考慮に入れることによって、フィデューシャルマークＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの位置が求められる。顕微鏡の位置に加えて、鏡角（及びその上で反射される光軸２１７ａ、２１７ｂ）の任意の変化が考慮に入れられ、図２０Ｂに示される、上側フィデューシャルマークＡ、Ｂと下側フィデューシャルマークＣ、Ｄとの間のＸ−Ｙ−ＴオフセットΔｘ、Δｙ、Δθが求められる。次に、下側ウェーハ８０（及びキャリア）を、求められたＸ−Ｙ−ＴオフセットΔｘ、Δｙ、Δθの量だけＸ−Ｙ−Ｔ方向に動かして、図１９Ｃ及び図２０Ｃに示されるように、下側ウェーハ８０のフィデューシャルマークＣ、Ｄを、上側ウェーハ９０のフィデューシャルマークＡ、Ｂと位置合わせされるように位置決めする。この結果として、ウェーハが距離２９４だけ離隔されたまま、下側ウェーハ８０が上側ウェーハ９０と位置合わせされる。次に、下側ウェーハ８０がＺ方向において上方に動かされ、その間、ウェーハステージ１５５のＸ−Ｙ−Ｔ位置は、コアースステージ１５２上に固定される３つの共面位置センサー１５７を用いてコアースステー���１５２からのその距離を測定すると共に、ウェーハステージ１５５の位置を調整して、位置合わせされた下側ウェーハ８０の位置が保持されるようにすることによって保持される。その表面８１が上側ウェーハ９０の表面９１と接触するまで、下側ウェーハ８０がＺ方向において上方に動かされる。位置合わせされたウェーハ８０、９０の積重物はクランプ３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃを用いて固定具３００上にクランプされ、２つのウェーハのボンディング等の後続の処理のために、アライナから取り出される。他の実施形態では、その表面８１が２つのウェーハ間に挿入されるスペーサ３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｃと接触するまで、ウェーハ８０がＺ方向において上方に動かされる。この構成において、ウェーハ８０及び９０は、スペーサ厚に対応する距離だけ離隔されたまま一緒にクランプされる。
【００１９】
図１８Ａ及び図１８Ｂには、完全なアライメントシーケンス６００が示されており、以下のステップを含む。初めに、顕微鏡が上側ブロック１８０と下側ブロック１５０との間の空間から外れており、Ｘ−Ｙ−Ｔ−Ｚウェーハステージ１５２のＺ軸は下にある（６０１）。次に、上側ウェーハチャック及び下側ウェーハチャックを有する固定具３００をアライナ内に装填し、Ｘ−Ｙ−Ｔ−Ｚウェーハステージ１５２上に配置する（６０２）。その後、Ｘ−Ｙ−Ｔ−Ｚウェーハステージ１５２をＺ軸方向において上方に動かし、上側チャックを上側ブロック１８０に渡す。その後、下側ウェーハチャックを有するＸ−Ｙ−Ｔ−Ｚウェーハステージ１５２を下方に動かす（６０３）。次に、上側ウェーハ（以下第２の半導体ウェーハともいう）９０をアライナ内に装填し、上側ウェーハチャックに移送する（６０４）。その後、下側ウェーハ（以下第１の半導体ウェーハともいう）をアライナ内に装填し、下側ウェーハチャック上に移送し、下側ウェーハ（第１の半導体ウェーハ）表面上にスペーサを配置する（６０５）。下側ウェーハステージ１５２を、Ｚ軸を上方に動かして、スペーサを上側ウェーハ（第２の半導体ウェーハ）９０に接触させ、且つフォースフィードバック制御下で、上側ウェーハプレート上でウエッジエラー補正（ＷＥＣ）を実行する（６０６）。上側ウェーハプレート位置をロックし、下側ウェーハ（第１の半導体ウェーハ）を、Ｚ軸を下方に動かすと共に、スペーサを取り出す（６０７）。次に、固定基準ユニット（以下顕微鏡構成基準ユニットともいう）内に顕微鏡を設置し、上側顕微鏡を固定上側マーク上に合焦し、下側顕微鏡を固定下側マーク上に合焦する（６０８）。固定マーク画像を画像パターン認識ソフトウエアを用いて解析し、それらの位置、互いからの距離及び鏡角度位置（すなわち、顕微鏡の軸）を求める（６０９）。これらの測定は、さらなる測定のための基準点（すなわち、座標系の中心）を規定する。次に、顕微鏡を上側ウェーハと下側ウェーハとの間に設置し、上向きの顕微鏡を上側ウェーハマーク上に合焦する。その後、その顕微鏡位置をロックする（６１０）。その後、下側Ｘ−Ｙ−Ｔ−Ｚウェーハステージ１５２を動かして、下向きの顕微鏡を下側ウェーハマーク上に合焦し、ステージ位置をロックする（６１１）。上側マーク及び下側マークの画像を画像パターン認識ソフトウエアを用いて解析し、固定マーク位置に対するそれらの位置及びそれらの位置間のＸ−Ｙ−Ｔオフセットを求め、鏡角度位置（すなわち、顕微鏡の軸）も求める（６１２）。その後、後に説明されるように、下側ウェーハファインステージを、Ｘ−Ｙ−Ｔオフセット量だけ、及び全体較正によって求められた量だけ動かす（６１３）。次に、顕微鏡を、上側ウェーハと下側ウェーハとの間の空間から取り出し（６１４）、下側ウェーハをＺ軸方向で上方に動かし、その間、ファインウェーハステージのＸ−Ｙ−Ｔアライメントを、位置センサーを用いて保持する（６１５）。下側ウェーハ８０を上側ウェーハ９０と接触させて、その積重物を固定具３００において一緒にクランプする（６１６）。最後に、位置合わせされたウェーハセット及び固定具をアライナから取り出し、ボンディング又は堆積等のさらなる処理のために、別の工程チャンバ内に配置する（６１７）。
【００２０】
アライナシステム１００は、図１４〜図１７に示される全体較正デバイス４００を用いて較正される。全体較正デバイス４００は、下側プレート４１５と、上側プレート４２５と、それらの間に配置される曇りのない透明ウェーハ４３０（図１７に示される）とを備える。下側プレート４１５は、同心真空溝４１８と、フィデューシャルマーク４１６ａ、４１６ｂとを含む。上側プレート４２５は真空溝４１９を含み、透明ウェーハ４３０は、フィデューシャルマーク４３２ａ、４３２ｂを含む。下側プレート４１５、透明ウェーハ４３０及び上側プレート４２５は固定具３００内に配置され、さらにアライナ装置１００内に配置される。上記のアライメント工程６００を実行して、透明ウェーハ４３０のフィデューシャルマーク４３２ａ、４３２ｂを、下側プレート４１５のフィデューシャルマーク４１６ａ、４１６ｂと位置合わせする。次に、透明ウェーハ４３０を下側プレートと接触させて、下方に合焦している顕微鏡２２５ａ、２２４ａを用いて、透明ウェーハマーク４３２ａ、４３２ｂと、下側プレートマーク４１６ａ、４１６ｂとの重なりを観測する。これらのマーク間の任意のＸ−Ｙ−Ｔオフセット、及び鏡角度位置が測定され、全体較正補正のために用いられる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、アライナ１００全体が、図１に示されるように、雰囲気、温度及び圧力チャンバ７０内に封入される場合がある。顕微鏡ステージ２０１ａ、２０１ｂはＸ−Ｙ−Ｚ−Ｔステージとすることができる。
【００２２】
本発明のいくつかの実施形態が説明されてきた。それにもかかわらず、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の変更が加えられることは理解されよう。したがって、他の実施形態も添付の特許請求の範囲内にある。
【符号の説明】
【００２３】
１００  アライナ
１００  アライナシステム
１００ ウェーハアライメント装置
１０１  左側フレーム脚部（左側垂直支柱ともいう）
１０１  左側垂直脚部（左側垂直支柱ともいう）
１０２  支持体
１０３  右側フレーム脚部（右側垂直支柱ともいう）
１０３  右側垂直脚部（右側垂直支柱ともいう）
１０４  逆Ｕ字形フレーム
１０５  第一の水平ビーム
１０５ａ、１０５ｂ  端部
１０６  テーブル
１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ及び１０８ｄ  防振脚部
１１１、１１２  垂直スロット
１１３  頂部
１１３及び１１４  脚部の各頂部
１１５  間隙
１１５ａ  距離
１１６  高さ
１１７  高さ
１１９  脚部の上面
１２０  支持棒（第二の水平ビームともいう）
１２０ａ  左端
１２０ｂ  右端
１２１、１２２、１２３  ブロック延長部
１４０ａ  左側顕微鏡較正基準ユニット
１４０ａ、１４０ｂ  基準ユニット
１４０ｂ  右側顕微鏡較正基準ユニット
１４１ａ、１４１ｂ  固定上側プレート
１４１ａ、１４１ｂ  上側プレート
１４２ａ、１４２ｂ  下側プレート
１４２ａ、１４２ｂ  固定下側プレート
１５０  下側ウェーハブロック
１５０  下側ウェーハ支持ブロック
１５０  下側ブロック
１５２  Ｘ−Ｙ−Ｔ−Ｚウェーハステージ
１５２  コアースＸ−Ｙ−Ｔテーブル
１５２  コアースＸ−Ｙ−Ｔ空気ベアリングテーブル
１５２  コアースステージ
１５２  下側ウェーハステージ
１５４  空気ベアリングＺステージ
１５５  Ｚステージの上に支持されるファインＸ−Ｙ−Ｔステージ
１５５  ウェーハステージ
１５５  ファインステージ
１５６  下側ウェーハプレート
１５７  位置センサー
１５７  共面位置センサー
１８０  上側ウェーハブロック
１８０  上側ウェーハ支持ブロック
１８０  上側ブロック
１８２  上側ウェーハプレート
１８２、１５６  プレート
１８４  プレートレベリングシステム
２０１ａ、２０１  顕微鏡ステージ
２０１ａ、２０１ｂ  Ｘ−Ｙ−Ｚ顕微鏡ステージ
２０１ａ、２０１ｂ  顕微鏡ステージ
２０１ａ、２０１ｂ  個別の顕微鏡Ｘ−Ｙ−Ｚステージセット
２０２ａ、２０２ｂ  細長い管
２０４ａ、２０４ｂ  逆Ｕ字形構造
２１０ａ  第１の顕微鏡セット
２１０ａ、２１０ｂ  顕微鏡セット
２１０ｂ  第２の顕微鏡セット
２１１ａ、２１１ｂ  光源
２１２ａ、２１２ｂ  高性能対物レンズ
２１３ａ、２１３ｂ  ＣＣＤカメラ
２１４ａ  光
２１４ｂ  光
２１５  両面鏡
２１６ａ  光
２１６ｂ  光
２１７ａ  軸
２１７ａ、２１７ｂ  顕微鏡の軸
２１７ａ、２１７ｂ  顕微鏡光軸
２１７ａ、２１７ｂ  顕微鏡軸
２１７ａ、２１７ｂ  光軸
２１７光軸
２２４ａ、２２４ｂ及び２２５ａ、２２５ｂ  顕微鏡
２３２ａ、２３２ｂ、２３４ａ、２３４ｂ  プレート
２３３ａ、２３３ｂ、２３３ｃ  キネマティックカップリング
２３５ａ、２３５ｂ  鏡
２３６ａ、２３６ｂ  鏡面
２８０  視野（ＦＯＶ）
２８２  視野（ＦＯＶ）
２９０ａ、２９０ｂ  基準面
２９０ｂ  基準面
２９４  距離
３００  固定具
３１０  リング
３１０  外側リング
３１５  下側ウェーハキャリアチャック
３１５、３１６  ウェーハキャリアチャック
３１６  上側ウェーハキャリアチャック
３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃ  クランプ／スペーサアセンブリ
３２１ａ、３２１ｂ、３２１ｃ  スペーサ
３２２ａ、３２２ｂ、３２２ｃ  クランプ
３２５  中心ピン
４００  全体較正デバイス
４１５  下側プレート
４１６ａ、４１６ｂ  フィデューシャルマーク
４１６ａ、４１６ｂ  下側プレートマーク
４１８  同心真空溝
４１９  真空溝
４２５  上側プレート
４３０  透明ウェーハ
４３２ａ、４３２ｂ  フィデューシャルマーク
４３２ａ、４３２ｂ  透明ウェーハマーク
６００  アライメントシーケンス
８０  下側ウェーハ（第１の半導体ウェーハともいう）
８０、９０  ウェーハ
８１  ウェーハ表面
８１  下側ウェーハ表面（第１の半導体ウェーハ表面ともいう）
８１  表面
９０  上側ウェーハ（第２の半導体ウェーハともいう）
９１  上側ウェーハ表面（第２の半導体ウェーハ表面ともいう）
９１  表面
９１、８１  ウェーハ表面
Ａ、Ｂ  フィデューシャルマーク
Ａ’、Ｂ’  画像
Ｋ、Ｋ’  固定上側基準マーク
Ｌ、Ｌ’  固定下側基準マーク
６０１  顕微鏡が外れており、Ｚ軸が下にある
６０２  上側ウェーハチャック及び下側ウェーハチャックを有する固定具をアライナのＸ−Ｙ−Ｔ−Ｚステージに装填する
６０３  Ｘ−Ｙ−Ｔ−ＺステージをＺ方向において上方に動かし、上側チャックを上側ブロックに移送し、その後、下側ウェーハチャックを有するＸ−Ｙ−Ｔ−Ｚステージを下方に動かす
６０４  アライナの中に上側ウェーハを装填し、該上側ウェーハを上側ウェーハチャックに移送する
６０５  下側ウェーハをアライナの中に装填し、該下側ウェーハを下側ウェーハチャック上に配置し、下側ウェーハ表面上にスペーサを挿入する
６０６  下側ウェーハのＺ軸を上方に動かし、スペーサを上側ウェーハと接触させて、フォースフィードバック制御下で、上側ウェーハにおいてＷＥＣを実行する
６０７  ＷＥＣ位置をロックし、下側ウェーハのＺ軸を下方に動かし、スペーサを取り出す
６０８  顕微鏡を固定基準ユニットに設置し、上側顕微鏡及び下側顕微鏡をそれぞれ固定上側マーク及び固定下側マーク上に合焦する
６０９  パターン認識ソフトウエアを用いて、固定マークの位置及び距離、並びに鏡角度位置を測定する
６１０  上側ウェーハと下側ウェーハとの間に顕微鏡を挿入し、上側顕微鏡を上側ウェーハマーク上に合焦し、顕微鏡ステージをロックする
６１１  下側ウェーハコアースステージをＸ−Ｙ−Ｔ−Ｚ方向において動かして、下側顕微鏡を下側ウェーハマーク上に合焦し、コアースＸ−Ｙ−Ｔ−Ｚステージをロックする
６１２  パターン認識ソフトウエアを用いて、上側マーク及び下側マークの位置を測定し、それらのＸ−Ｙ−Ｔオフセットを求め、鏡角度位置を測定する
６１３  下側ウェーハファインステージを求められたオフセットの量だけ、及び全体較正によって求められた量だけ動かす
６１４  顕微鏡をウェーハ間から取り出す
６１５  下側ウェーハステージをＺ方向において上方に動かし、その間、位置センサーを用いて、ファインウェーハステージのＸ−Ｙ−Ｔアライメントを保持する
６１６  下側ウェーハを上側ウェーハと接触させて、２つのウェーハの積重物をクランプする
６１７  位置合わせされたウェーハ対を有する固定具を取り外す
【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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