(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれに回路が形成された複数の半導体基板を貼り合わせる装置であって、
重ね合わされた前記複数の半導体基板をそれぞれが有する複数の重ね合わせ基板を収容する収容部と、
前記収容部に収容された前記複数の重ね合わせ基板のそれぞれの前記複数の半導体基板同士を接合する接合部と、
を備え、
前記収容部は、複数の重ね合わせ基板を直列的に並べて保持し、
前記接合部は、前記複数の重ね合わせ基板の少なくとも一つの前記重ね合わせ基板の接合が完了する前に他の前記重ね合わせ基板の接合を開始する基板貼り合わせ装置。
【請求項２】
前記接合部は、前記複数の重ね合わせ基板を加熱する加熱部を有する請求項１に記載の基板貼り合わせ装置。
【請求項３】
前記接合部は、前記複数の重ね合わせ基板を直列的に挟んでプレスするプレス部を有する請求項１または２に記載の基板貼り合わせ装置。
【請求項４】
前記接合部は、前記複数の重ね合わせ基板の間に配置される加熱部材をさらに有する請求項１から３のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。
【請求項５】
前記重ね合わせ基板の前記複数の半導体基板を仮接合する仮接合部を備え、
前記接合部は、仮接合された前記複数の重ね合わせ基板を接合する請求項１から４のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。
【請求項６】
前記重ね合わせ基板は、少なくとも前記仮接合部に基板ホルダに保持された状態で搬入される請求項５に記載の基板貼り合わせ装置。
【請求項７】
前記仮接合部は、前記重ね合わせ基板を第１の温度で加熱し、
前記接合部は、前記仮接合部により加熱された前記複数の重ね合わせ基板のそれぞれの前記基板同士が互いに結合する第２の温度で前記重ね合わせ基板を加熱する請求項５または６に記載の基板貼り合わせ装置。
【請求項８】
前記仮接合部における加熱時間は、前記接合部における加熱時間よりも短い請求項７に記載の基板貼り合わせ装置。
【請求項９】
前記第１の温度と前記第２の温度は同一である請求項８に記載の基板貼り合わせ装置。
【請求項１０】
前記仮接合部は、前記重ね合わせ基板をそれぞれ異なる温度に昇温する複数の昇温ユニットを有する請求項６から９のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置。
【請求項１１】
前記重ね合わせ基板は、前記複数の昇温ユニットのうち温度が低い昇温ユニットから温度が高い昇温ユニットに順に投入され、前記接合部から搬出された後は、温度が高い昇温ユニットから低いほうへ順に投入される請求項１０に記載の基板貼り合わせ装置。
【請求項１２】
それぞれに回路が形成された複数の半導体基板を貼り合わせる装置であって、
重ね合わされた前記複数の半導体基板を有する重ね合わせ基板を第１の温度で加熱する第１加熱部と、
前記第１加熱部で加熱された複数の前記重ね合わせ基板を直列的に並べて第２の温度で加熱する第２加熱部と、
を備える基板貼り合わせ装置。
【請求項１３】
前記第１加熱部における加熱時間は、前記第２加熱部における加熱時間よりも短い請求項１２に記載の基板貼り合わせ装置。
【請求項１４】
前記第１の温度と前記第２の温度は同一である請求項１３に記載の基板貼り合わせ装置。
【請求項１５】
それぞれに回路が形成された複数の半導体基板を貼り合わせる装置であって、
重ね合わされた前記複数の半導体基板を有する重ね合わせ基板を第１の時間の間加熱する第１加熱部と、
前記第１加熱部で加熱された複数の前記重ね合わせ基板を直列的に並べて前記第１の時間よりも長い第２の時間の間加熱する第２加熱部と、
を備える基板貼り合わせ装置。
【請求項１６】
それぞれに回路が形成された複数の半導体基板を貼り合わせる装置であって、
重ね合わされた前記複数の半導体基板を有する重ね合わせ基板の前記複数の半導体基板を接合する接合部と、
前記複数の半導体基板が接合された複数の前記重ね合わせ基板を収容する収容部と、
前記収容部に収容された前記複数の重ね合わせ基板を加熱する加熱部と、
を備え、
前記収容部は、複数の重ね合わせ基板を直列的に並べて保持し、
前記加熱部は、前記複数の重ね合わせ基板の少なくとも一つの前記重ね合わせ基板の加熱が完了する前に他の前記重ね合わせ基板の加熱を開始する基板貼り合わせ装置。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ装置により基板を貼り合わせることを含む積層半導体装置製造方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の積層半導体装置製造方法により製造された積層半導体装置。
【請求項１９】
それぞれに回路が形成された複数の半導体基板を貼り合わせる方法であって、
複数の半導体基板を重ね合わせることにより重ね合わせ基板を作成する重ね合わせ工程と、
複数の前記重ね合わせ基板を収容部に収容する収容工程と、
前記収容部に収容された前記複数の重ね合わせ基板のそれぞれの前記複数の半導体基板同士を接合する接合工程と、
を含み、
前記収容工程は、前記複数の重ね合わせ基板を直列的に並べて保持し、
前記接合工程は、前記複数の重ね合わせ基板の少なくとも一つの前記重ね合わせ基板の接合が完了する前に他の前記重ね合わせ基板の接合を開始する基板貼り合わせ方法。
【請求項２０】
前記接合工程は、前記複数の重ね合わせ基板を加熱する加熱工程を含む請求項１９に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項２１】
前記接合工程は、前記複数の重ね合わせ基板を直列的に挟んでプレスするプレス工程を含む請求項１９または２０に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項２２】
前記接合工程は、前記複数の重ね合わせ基板の間に加熱部材を配置する工程をさらに含む請求項１９から２１のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項２３】
前記重ね合わせ基板の前記複数の半導体基板を仮接合する仮接合工程を備え、
前記接合工程は、仮接合された前記複数の重ね合わせ基板を接合する請求項１９から２２のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項２４】
前記重ね合わせ基板を基板ホルダに保持する保持工程を含み、
前記仮接合工程は、前記基板ホルダに保持された前記重ね合わせ基板の前記複数の半導体基板を接合する請求項２３に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項２５】
前記接合工程の前に、前記基板ホルダと前記重ね合わせ基板とを分離する分離工程を含み、
前記接合工程は、前記基板ホルダから分離された前記重ね合わせ基板の前記複数の半導体基板を接合する請求項２４に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項２６】
前記仮接合工程は、前記重ね合わせ基板を第１の温度で加熱し、
前記接合工程は、前記仮接合工程により加熱された前記複数の重ね合わせ基板のそれぞれの前記基板同士が互いに結合する第２の温度で前記重ね合わせ基板を加熱する請求項２３または２５に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項２７】
前記仮接合工程における加熱時間は、前記接合工程における加熱時間よりも短い請求項２６に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項２８】
前記第１の温度と前記第２の温度は同一である請求項２７に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項２９】
前記仮接合工程は、複数の昇温ユニットのうち温度が低い昇温ユニットから温度が高い昇温ユニットに順に前記重ね合わせ基板を投入し、前記仮接合工程の後、温度が高い昇温ユニットから低いほうへ順に前記重ね合わせ基板を投入する請求項２４から２８のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項３０】
それぞれに回路が形成された複数の半導体基板を貼り合わせる方法であって、
重ね合わされた前記複数の半導体基板を有する重ね合わせ基板を第１の温度で加熱する第１加熱工程と、
前記第１加熱工程で加熱された複数の前記重ね合わせ基板を直列的に並べて第２の温度で加熱する第２加熱工程と、
を含む基板貼り合わせ方法。
【請求項３１】
前記第１加熱工程における加熱時間は、前記第２加熱工程における加熱時間よりも短い請求項３０に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項３２】
前記第１の温度と前記第２の温度は同一である請求項３１に記載の基板貼り合わせ方法。
【請求項３３】
それぞれに回路が形成された複数の半導体基板を貼り合わせる方法であって、
重ね合わされた前記複数の半導体基板を有する重ね合わせ基板を第１の時間の間加熱する第１加熱工程と、
前記第１加熱工程で加熱された複数の前記重ね合わせ基板を直列的に並べて前記第１の時間よりも長い第２の時間の間加熱する第２加熱工程と、
を含む基板貼り合わせ方法。
【請求項３４】
それぞれに回路が形成された複数の半導体基板を貼り合わせる方法であって、
重ね合わされた前記複数の半導体基板を有する重ね合わせ基板の前記複数の半導体基板を接合する接合工程と、
前記複数の半導体基板が接合された複数の前記重ね合わせ基板を収容部に収容する収容工程と、
前記収容部に収容された前記複数の重ね合わせ基板を加熱する加熱工程と、
を含み、
前記収容工程は、前記複数の重ね合わせ基板を直列的に並べて保持し、
前記加熱工程は、前記複数の重ね合わせ基板の少なくとも一つの前記重ね合わせ基板の加熱が完了する前に他の前記重ね合わせ基板の加熱を開始する基板貼り合わせ方法。
【請求項３５】
請求項１９から３４のいずれか一項に記載の基板貼り合わせ方法により前記複数の半導体基板を貼り合わせる工程と、
前記複数の半導体基板が貼り合わされた前記重ね合わせ基板を積層半導体装置に個片化する工程と、
を含む積層半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板貼り合せ装置、積層半導体装置製造方法及び積層半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、回路が形成された２枚の基板を、接合すべき電極同士が接触するように重ね合わせて、加圧及び加熱を行いながら当該２枚の基板を接合する基板接合装置が記載されている。
特許文献１  特開２００９−４９０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、基板接合過程において、重ね合わせた複数の基板を基板接合装置に投入する度に、室温から予め定められた温度に加熱して、加圧をしながら基板が接合するまでその温度を保持し、その後温度を室温に下げて、接合された基板を取り出すプロセスを繰り返す。昇温、保温、降温には、相当の時間を要するので、この基板を接合する過程は、積層半導体装置の製造スループットのネックとなり、それを改善するには複数の基板接合装置を設けることを要する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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、複数の基板を貼り合わせる装置であって、前記複数の基板を重ね合せた重ね合せ基板を予め定められた温度まで昇温する昇温部と、前記昇温部により昇温された複数の前記重ね合せ基板における基板同士が結合する温度に前記重ね合せ基板の温度を保持する保温部とを備える基板貼り合わせ装置が提供される。
【０００５】
本発明の第２の態様においては、上記基板貼り合せ装置により基板を貼り合せることを含む積層半導体装置製造方法が提供される。
【０００６】
本発明の第３の態様においては、上記積層半導体装置製造方法により製造された積層半導体装置が提供される。
【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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態である基板貼り合せ装置１００の全体構造を模式的に示す平面図である。
【図２】昇温ユニット２５０を模式的に示す正面図である。
【図３】昇温ユニット２５０が重ね合せ基板に加圧する過程を示す。
【図４】上ステージ３１０が上基板ホルダ１２４を重ね合せ基板４２０から分離する過程を示す。
【図５】押上ピン３２２が重ね合せ基板４２０を押し上げて、下基板ホルダ１２５から分離する過程を示す。
【図６】押上ピン３２２が重ね合せ基板４２０を押し上げて、下基板ホルダ１２５から分離する過程を示す。
【図７】保温部２６０を模式的に示す正面図である。
【図８】保温部２６０の加圧ヘッド４１４が重ね合せ基板４２０に加圧する過程を示す。
【図９】図６におけるＡ−Ａ断面を示す。
【図１０】加熱部材４６０を用いた保温部２６０の実施形態を示す。
【図１１】積層半導体装置を製造する製造方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
図１は、一実施形態である基板貼り合せ装置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。
【００１１】
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。基板カセット１１２、１１４、１１６により、複数の第１基板１２２および第２基板１２３が一括して基板貼り合せ装置１００に装填される。また、基板貼り合せ装置１００において接合された第１基板１２２および第２基板１２３が一括して回収される。
【００１２】
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と、ステージ装置１４０と、基板ホルダラック１２８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。常温部１０４は、大気中で第１基板１２２および第２基板１２３を搬送する。
【００１３】
プリアライナ１２６は、高精度であるが故にステージ装置１４０の狭い調整範囲に第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が第１基板１２２および第２基板１２３の位置を確実に位置決めすることができる。
【００１４】
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を静電吸着により保持する。
【００１５】
ステージ装置１４０は、貼り合せの対象である第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。
【００１６】
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とを有する。第１ステージ１４１は、ステージ装置１４０の天板の下面に固定される。第１ステージ１４１の下面が真空吸着により上基板ホルダ１２４を保持する。
【００１７】
第２ステージ１４２は、第１ステージ１４１に対向して、ステージ装置１４０の底板の上に、ＸＹＺ方向に移動可能に配置される。第２ステージ１４２は、傾斜機能を有する。第２ステージ１４２の上面が真空吸着により下基板ホルダ１２５を保持する。
【００１８】
制御部１４８は、第２ステージ１４２の移動を制御する。制御部１４８は、第２ステージ１４２を移動させて、第１ステージ１４１に保持された第１基板１２２に対して、第２基板１２３の位置を合わせる。制御部１４８は、第２ステージ１４２を上昇させて、第１基板１２２と第２基板１２３を重ね合せることができる。その後、上基板ホルダ１２４と下基板ホルダ１２５に挟まれた第１基板１２２と第２基板１２３は、上基板ホルダ１２４及び下基板ホルダ１２５に設けられた位置止め機構により仮止めされる。
【００１９】
ここで、重ね合わされて、本接合される前の第１基板１２２と第２基板１２３は、「重ね合せ基板」と記載されることがある。本接合された第１基板１２２および第２基板１２３は、「積層基板」と記載されることがある。また、上基板ホルダ１２４と下基板ホルダ１２５及びそれらに挟まれた第１基板１２２と第２基板１２３の組合せは、「ホルダ対」と記載されることがある。
【００２０】
基板貼り合せ装置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。
【００２１】
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およびロードロック室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。
【００２２】
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。第１ステージ１４１に第１基板１２２を保持させる場合に、ロボットアーム１３４は、まず基板ホルダラック１２８から一枚の上基板ホルダ１２４を取り出して第２ステージ１４２に載置する。第２ステージ１４２は、基板カセット１１２、１１４、１１６に近い側に移動する。ロボットアーム１３２は、プリアライナ１２６からプリアライメントされた第１基板１２２を取り出して、第２ステージ１４２の上の上基板ホルダ１２４に載置して、静電吸着させる。
【００２３】
第２ステージ１４２は、再び基板カセット１１２、１１４、１１６から遠い側に移動する。ロボットアーム１３４は、第２ステージ１４２から第１基板１２２を静電吸着した上基板ホルダ１２４を受け取り、裏返して第１ステージ１４１に近づける。第１ステージ１４１は、真空吸着によりその上基板ホルダ１２４を保持する。
【００２４】
ロボットアーム１３４は、第２ステージ１４２に下基板ホルダ１２５を載置する。ロボットアーム１３２は、その上に第２基板１２３を載置して保持させる。これにより、第２ステージ１４２に保持された第２基板１２３における回路等が形成された面は、第１ステージ１４１に保持された第１基板１２２における回路等が形成された面に、対向するように配置される。
【００２５】
高温部１０６は、断熱壁１０８、ロードロック室２２０、ロボットアーム２３０、昇温ユニット２４０、昇温ユニット２５０、保温部２６０および冷却室２７０を有する。断熱壁１０８は、高温部１０６を包囲して、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。高温部１０６は、その内部が一定の真空状態に維持される。これにより、高温部１０６に搬入された基板の汚染及び酸化を抑えることができる。
【００２６】
ロボットアーム２３０は、昇温ユニット２４０、昇温ユニット２５０、保温部２６０、冷却室２７０とロードロック室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。
【００２７】
ロードロック室２２０は、常温部１０４と高温部１０６とを連結する。ロードロック室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。
【００２８】
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から構成されるホルダ対が常温部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がホルダ対をロードロック室２２０に搬入する。次に、常温部１０４側のシャッタ２２２が閉じられ、ロードロック室２２０内部が真空に引かれる。ロードロック室２２０内部の真空度が、高温部１０６側の真空度になったら、高温部１０６側のシャッタ２２４が開かれる。ロボットアーム２３０が、ロードロック室２２０からホルダ対を搬出して、昇温ユニット２４０に装入する。
【００２９】
昇温ユニット２４０及び昇温ユニット２５０は、ホルダ対を順次高い温度まで昇温する。例えば、基板接合温度が４５０℃である場合に、昇温ユニット２４０は、ホルダ対を室温から２００℃まで加熱する。その後、ロボットアーム２３０が、昇温ユニット２４０からホルダ対を搬出して昇温ユニット２５０に装入する。昇温ユニット２５０は、ホルダ対を更に４５０℃まで加熱する。ここで、基板接合温度とは、貼り合せの対象である第１基板１２２と第２基板１２３における接合すべき電極同士が接合される温度を言い、電極に設けられたバンプ等が接合される温度を含む。
【００３０】
昇温ユニット２５０は、基板接合温度において、ホルダ対を加圧して重ね合せ基板を仮接合する。その後、昇温ユニット２５０がホルダ対から上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を外して、ロボットアーム２３０が仮接合された重ね合せ基板を取り出して接合温度を有する保温部２６０に装入する。なおこれに代えて、昇温ユニット２４０および昇温ユニット２５０のそれぞれは、受け取ったホルダ対を室温から予め定められた温度、例えば４５０℃まで加熱して、昇温ユニット２４０および昇温ユニット２５０のそれぞれから重ね合わせ基板を保温部２６０に受け渡してもよい。
【００３１】
保温部２６０は、昇温ユニット２５０により加熱された重ね合せ基板を複数収容して、基板接合温度において、重ね合せ基板を保温加圧して、本接合することにより基板の貼り合せを完成する。ロボットアーム２３０は、本接合された積層基板を保温部２６０から取り出して、冷却室２７０に装入して冷却する。
【００３２】
昇温ユニット２４０、昇温ユニット２５０、保温部２６０及び冷却室２７０は、それぞれロボットアーム２３０により基板及び基板ホルダを搬出入できる搬入口を有する。昇温ユニット２４０、昇温ユニット２５０、保温部２６０及び冷却室２７０は、搬出入以外の場合に搬入口がシャッタにより閉められ、外部と遮断され、互いの温度影響を防ぐ。
【００３３】
高温部１０６から常温部１０４に上基板ホルダ１２４、下基板ホルダ１２５及び積層基板を搬出する場合は、常温部１０４から高温部１０６に搬入する場合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、ホルダ対を高温部１０６に搬入または搬出できる。
【００３４】
高温部１０６から搬出される積層基板は、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。搬出される上基板ホルダ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。
【００３５】
基板貼り合せ装置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、真空吸着又は静電吸着により上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５を吸着して保持する。
【００３６】
図２は、昇温ユニット２５０の構造を模式的に示す正面図である。昇温ユニット２５０は、断熱室３００と、上ステージ３１０と、下ステージ３２０と、昇降部３３０とを備える。断熱室３００は、上ステージ３１０、下ステージ３２０及び昇降部３３０を内部に収容する。
【００３７】
断熱室３００は、断熱材から形成される断熱壁を有し、ホルダ対を加熱する場合に、外部への熱輻射が遮断され、ロボットアーム等周辺に存在する装置、機器への悪影響を防ぐことができる。断熱室３００において、その天板に上ステージ３１０が固定され、その底板に昇降部３３０のベースが固定される。断熱室３００は、上ステージ３１０と下ステージ３２０によりホルダ対に加圧する場合に、装置の反力により変形すること防ぐ目的で、高剛性材料により形成される。
【００３８】
上ステージ３１０は、加熱及び冷却する機能を有し、ホルダ対を加熱及び冷却することができる。昇降部３３０は、ベースに固定されたシリンダ３３４と、そのシリンダに結合するピストン３３２を含む。ピストン３３２は、外部からの制御信号により上下昇降する。
【００３９】
下ステージ３２０は、ピストン３３２の上面に設置される。下ステージ３２０は、ピストン３３２と共に上下に移動することができる。下ステージ３２０は、加熱及び冷却する機能を有し、ホルダ対を加熱及び冷却することができる。
【００４０】
図２は、ホルダ対が昇温ユニット２５０に装填され、下ステージ３２０に設置された状態を示す。ホルダ対を下ステージ３２０に載置した後、ピストン３３２を上昇させると、上ステージ３１０及び下ステージ３２０によりホルダ対を挟むことができる。
【００４１】
昇温ユニット２５０は、加圧制御信号に従って、更にピストン３３２を上昇させ、上基板ホルダ１２４及び下基板ホルダ１２５を介して、第１基板１２２及び第２基板１２３に所定の圧力を加えて、接合することができる。加圧することにより、第１基板１２２及び第２基板１２３の間に接合すべき電極同士を均一に接触させることができ、均一な接合が実現できる。
【００４２】
昇温ユニット２４０及び冷却室２７０は、昇温ユニット２５０と同様の構造を有してよい。冷却室２７０は、上下ステージに加熱機構を持たず、冷却機構だけを有してもよい。
【００４３】
但し、第１基板１２２と第２基板１２３が完全に接合されるまで、昇温ユニット２５０でホルダ対を保温し、加圧することは長い時間を要する。例えば、昇温ユニット２５０で本接合を完成するのに３０分程度かかる場合がある。よって、基板接合における保温および加圧は、積層半導体装置の製造におけるスループットのネックとなる。それに対して昇温ユニット２５０を単に増やすと、昇温ユニット２５０は精密に動作する下ステージ３２０および昇降部３３０を有するので装置全体が高額になる。
【００４４】
そこで、本実施形態は、昇温ユニット２５０において短時間で加熱および加圧して第１基板１２２と第２基板１２３を仮接合した後に、当該仮接合された重ね合せ基板を保温部２６０に移して、長時間かけて保温する。例えば、重ね合せ基板が上基板ホルダ１２４及び下基板ホルダ１２５から取り出されて搬送されても、第１基板１２２と第２基板１２３が分離することがない程度まで、昇温ユニット２５０で第１基板１２２と第２基板１２３を仮接合する。この仮接合の時間は、例えば１０分である。仮接合後に、重ね合せ基板を保温部２６０に移して、第１基板１２２と第２基板１２３を完全に接合するまで、複数の重ね合せ基板を同時に保温して、加圧する。この保温および加圧の時間は例えば２０分である。この方法により、昇温ユニット２５０の回転率を高め、積層半導体装置を製造する全体のスループットを高めることができる。
【００４５】
図３は、昇温ユニット２５０が重ね合せ基板に加圧する過程を示す。下ステージ３２０が上昇して、上ステージ３１０と共に上下からホルダ対を挟み、ホルダ対に圧力を加える。昇温ユニット２５０が短時間でホルダ対を加熱し、加圧することにより、第１基板１２２と第２基板１２３を仮接合する。上ステージ３１０及び下ステージ３２０は、それぞれ真空吸着により上基板ホルダ１２４及び下基板ホルダ１２５を保持することができる。
【００４６】
上ステージ３１０は、制御により上下伸縮可能な３本の押えピン３１２を有する。押えピン３１２は、ホルダ対から上基板ホルダ１２４を分離するときに重ね合せ基板４２０を押さえる。上基板ホルダ１２４には、押えピン３１２が通過する３つの貫通孔１６４が設けられる。上ステージ３１０は、更にヒータ３１４及び冷却機構３１６を有する。ヒータ３１４及び冷却機構３１６は、ホルダ対の加熱、冷却及び保温をする。
【００４７】
下ステージ３２０は、制御により上下伸縮可能な３本押上ピン３２２を有する。押上ピン３２２は、下基板ホルダ１２５から重ね合せ基板４２０を分離するときに重ね合せ基板４２０を持ち上げる。下基板ホルダ１２５には、押上ピン３２２が通過する３つの貫通孔１６５が設けられる。下ステージ３２０は、更にヒータ３２４及び冷却機構３２６を有する。ヒータ３２４及び冷却機構３２６は、ホルダ対の加熱、冷却及び保温をする。
【００４８】
図４は、上ステージ３１０が上基板ホルダ１２４を重ね合せ基板４２０から分離する過程を示す。上記仮接合の後に上ステージ３１０及び下ステージ３２０は、真空吸着により、それぞれ上基板ホルダ１２４及び下基板ホルダ１２５を吸着する。下ステージ３２０は、真空吸着を維持しながら、予め定められた距離を降下する。下ステージ３２０の降下と共に、押えピン３１２は、下方に進出して第１基板１２２の裏面を押さえる。従って、上基板ホルダ１２４が真空吸着により上ステージ３１０に保持されたままであるが、重ね合せ基板４２０が押えピン３１２に押さえられて、下ステージ３２０に吸着された下基板ホルダ１２５と共に降下するので、上基板ホルダ１２４は重ね合せ基板４２０から分離される。
【００４９】
図５は、押上ピン３２２が重ね合せ基板４２０を押し上げて、下基板ホルダ１２５から分離する過程を示す。押えピン３１２が重ね合せ基板４２０を押さえる力を弱めてから、押上ピン３２２は押えピン３１２の押さえ力より大きい力で重ね合せ基板４２０を押し上げる。下基板ホルダ１２５が真空により下ステージ３２０に吸着されたままであるので、重ね合せ基板４２０は下基板ホルダ１２５から分離される。重ね合せ基板４２０は、上部から押えピン３１２により弱い力で押さえられているので、押上ピン３２２により押し上げられるときに跳ねて位置ずれになることはない。
【００５０】
図６に示すように、押上ピン３２２が重ね合せ基板４２０を持ち上げた後、押えピン３１２が退避する。その後、ロボットアーム２３０が重ね合せ基板４２０を昇温ユニット２５０から搬出して保温部２６０に移す。
【００５１】
図７及び図８は、保温部２６０を模式的に示す正面図である。図９は、図８に示すＡ−Ａ方向から観察した保温部２６０の断面図である。保温部２６０は、保温部筐体４００と、プレス部４０２と、プレス部４０４と、支持部４０６と、加圧ヘッド４１２と、加圧ヘッド４１４と、搬送ロボット４３０とを備える。
【００５２】
保温部筐体４００は、断熱材から形成される断熱壁を有し、重ね合せ基板４２０を加熱する場合に、外部への熱輻射が遮断され、ロボットアーム等周辺に存在する装置、機器への悪影響を防ぐことができる。保温部筐体４００は、両側にそれぞれプレス部４０２とプレス部４０４とを有する。プレス部４０２とプレス部４０４との間に挟まれて、支持部４０６が設けられる。
【００５３】
支持部４０６は、上部に重ね合せ基板４２０を保持する円弧状の保持面を有する。当該保持面が図７の左右方向に延伸して、支持部４０６は、当該保持面に、重ね合せ基板４２０の接合面が縦になるように、複数の重ね合せ基板４２０を鉛直方向に支持することができる。支持部４０６は、内部にヒータ４４６が設けられ、重ね合せ基板４２０を保持しながら重ね合せ基板４２０を加熱及び保温することができる。保温部筐体４００は、２重構造であって、外部側が断熱材から形成され、内部側には支持部４０６により保持された重ね合せ基板４２０の周辺にヒータが設けられ、重ね合せ基板４２０を加熱及び保温できる構造であってもよい。
【００５４】
プレス部４０２およびプレス部４０４は、それぞれ加圧ヘッド４１２及び加圧ヘッド４１４を有する。加圧ヘッド４１２及び加圧ヘッド４１４は、図９に示すように、重ね合せ基板４２０より大きい直径を有する円柱状を有し、プレス部４０２およびプレス部４０４の駆動により、図７の矢印が示すように、左右方向に移動することができる。加圧ヘッド４１２及び加圧ヘッド４１４は、支持部４０６に保持されて直列的に並んだ複数の重ね合せ基板４２０を、両側から水平方向に挟み、加圧することができる。保温部筐体４００は、加圧ヘッド４１２と加圧ヘッド４１４により重ね合せ基板４２０に加圧する場合に、装置の反力により変形することを防ぐ目的で、高剛性材料により形成される。また、加圧ヘッド４１２及び加圧ヘッド４１４は、それぞれヒータ４４２及びヒータ４４４を含み、支持部４０６に保持された重ね合せ基板４２０を左右両側から加熱及び保温することができる。
【００５５】
搬送ロボット４３０は、保温部２６０の内部で重ね合せ基板４２０を搬送する。搬送ロボット４３０は、保温部筐体４００の天井に設けられたレール４３６に沿って横移動できる。搬送ロボット４３０は、昇降機構を有し、上下移動により保持した重ね合せ基板４２０を支持部４０６に載置することも、支持部４０６に載置された重ね合せ基板４２０を持ち上げることもできる。
【００５６】
搬送ロボット４３０は、横軸回転機構４３２を有する。搬送ロボット４３０は、図７の実線で示すように縦に保持した重ね合せ基板４２０を、横軸回転機構４３２を通じて、破線で示すように横に保持することができる。搬送ロボット４３０は、また縦軸回転機構４３４によりＺ軸を中心に回転することができる。よって、搬送ロボット４３０は、横軸回転機構４３２及び縦軸回転機構４３４を通じて、保持する重ね合せ基板４２０の向きを任意に変更することができる。搬送ロボット４３０は、ロボットアーム２３０との間に重ね合せ基板４２０を受け渡すことにより、仮接合された重ね合せ基板４２０を搬入して支持部４０６に載置し、また完全接合された積層基板４２２を搬出する。
【００５７】
図７は、既に複数の重ね合せ基板４２０が載置された保温部２６０に、新しい重ね合せ基板４２０が搬入される過程を示す。加圧ヘッド４１４が左方向に退避して、新しい重ね合せ基板４２０が設置できるスペースを空けておき、搬送ロボット４３０が降下して保持した重ね合せ基板４２０を支持部４０６に載置する。その後、図８の実線矢印が示すように、加圧ヘッド４１４が右方向に進出して、加圧ヘッド４１２と共に重ね合せ基板４２０を挟み、加圧する。
【００５８】
このように、保温部２６０は、同時に複数の重ね合せ基板４２０を重ねて保温しながら加圧することができる。図７に示すように、昇温ユニット２５０から移送される重ね合せ基板４２０は、次々と左側から支持部４０６に装填される。従って、重ね合せ基板４２０の列において、右側に向かって、保温及び加圧時間が長い重ね合せ基板４２０が並んでいる。
【００５９】
予め定められた時間の保温及び加圧がされて、本接合された積層基板４２２は、支持部４０６の右側から取り出されて搬出される。例えば、積層基板４２２を取り出すときは、図８の破線矢印が示すように、加圧ヘッド４１２および加圧ヘッド４１４が加圧を停止し、加圧ヘッド４１２が右方向に少し退避して、搬送ロボット４３０が重ね合せ基板４２０の列における右端の積層基板４２２を取り出して、ロボットアーム２３０に渡して搬出する。そして、加圧ヘッド４１４が右方向に進出して、空きスペースを詰めて、加圧ヘッド４１２と共に残った重ね合せ基板４２０を挟んで加圧する。
【００６０】
上述のように、基板の接合過程において、時間を要する保温加圧を保温部２６０に分担させ、保温部２６０により複数の重ね合せ基板４２０を同時に保温加圧することにより、昇温ユニット２５０の回転率を高めることができるので、昇温ユニットを増やすことなく、プロセス全体のスループットを高めることができる。
【００６１】
図１０は、加熱部材４６０を用いた保温部２６０の実施形態を示す。保温部２６０は、重ね合せ基板４２０を支持部４０６に載置するとき、重ね合せ基板４２０同士の間に挟む加熱部材４６０を更に有する。加熱部材４６０は、接合温度に加熱及び保温されることができる。重ね合せ基板４２０同士の間に挟まれた加熱部材４６０の加熱保温により、重ね合せ基板４２０はより安定且つ均一に保温されることができる。
【００６２】
加熱部材４６０は、例えば、重ね合せ基板４２０と同じ又は大きい径を有する円板であってよい。加熱部材４６０は、内部にヒータが設けられてよい。加熱部材４６０のヒータの一例として、熱線が設けられた電気ヒータであってよい。加熱部材４６０の側面には電気ヒータの受電用電極が設けられ、支持部４０６には重ね合せ基板４２０の重ね合せ方向（図１０における左右方向）に延伸するレール状の給電用電極が設けられてよい。加熱部材４６０は、支持部４０６に載置される場合に、側面にある受電用電極が支持部４０６に設けられた給電用電極に接するように載置されて、電力供給を受けることができる。なお、加熱部材４６０は、受電用電極が支持部４０６の給電用電極のレール上で滑走できるので、加圧される場合に支持部４０６上で左右に移動されても受電が維持できる。
【００６３】
上述の実施形態において、ホルダ対が昇温ユニット２５０で解体され、重ね合せ基板４２０だけが保温部２６０に投入されるが、ホルダ対は、そのまま保温部２６０に投入されて、保温され加圧されてもよい。上述の実施形態において、重ね合せ基板４２０が仮接合されるまで、第１基板１２２及び第２基板１２３がそれぞれ上基板ホルダ１２４及び下基板ホルダ１２５により保持され搬送されるが、第１基板１２２及び第２基板１２３は、上基板ホルダ１２４及び下基板ホルダ１２５を使用せず、直接搬送されてもよい。
【００６４】
上述の実施形態において、保温部２６０が横方向に並んだ複数の重ね合せ基板４２０を両側から水平方向に挟み加圧するが、保温部２６０は、縦方向に並んだ複数の重ね合せ基板４２０を上下から挟み加圧する構造を有してもよい。なお、昇温ユニット２５０において仮接合された重ね合せ基板４２０が、更に加圧されず保温されるだけでも本接合が完成できる場合には、保温部２６０は、プレス部を有さずに、保温だけにより重ね合せ基板４２０を本接合してもよい。また、保温部２６０内部には、Ｎ２が導入され、Ｎ２雰囲気の中で重ね合せ基板４２０が保温され加圧されてよい。この場合に、保温部２６０の搬入口にはシャッタの代わりにロードロックが設けられてよい。また、保温部２６０は本接合が完了する手前まで、または、完了後の予め定められた時間まで重ね合わせ基板４２０を保温して、その後に当該重ね合わせ基板４２０が保温部２６０から搬出されてもよい。
【００６５】
保温部２６０は、固定式の支持部４０６ではなく、移動式の支持部を有してもよい。例えば、保温部２６０は、接合温度に保温される保温チャンバーと、その保温チャンバーを通過するコンベアとを含み、重ね合せ基板４２０が当該コンベアに載置されて、保温チャンバーを通過することにより、予め定められた時間の保温がなされ、本接合が完成できる構造を有してよい。この場合に、コンベアは、回転するロータリー式であってよい。
【００６６】
図１１は、積層半導体装置を製造する製造方法の概略を示す。図１１に示すように、積層半導体装置は、当該積層半導体装置の機能・性能設計を行うステップＳ１１０、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を製作するステップＳ１２０、積層半導体装置の基材である基板を製造するステップＳ１３０、マスクのパターンを用いたリソグラフィを含む基板処理ステップＳ１４０、上記の基板接合装置を用いた基板接合工程等を含むデバイス組み立てステップＳ１５０、検査ステップＳ１６０等を経て製造される。なお、デバイス組み立てステップＳ１５０は、基板接合工程に続いて、ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【符号の説明】
【００６９】
１００  基板貼り合せ装置、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、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、１６４  貫通孔、１６５  貫通孔、２２０  ロードロック室、２２２  シャッタ、２２４  シャッタ、２３０  ロボットアーム、２４０  昇温ユニット、２５０  昇温ユニット、２６０  保温部、２７０  冷却室、３００  断熱室、３１０  上ステージ、３１２  押えピン、３１４  ヒータ、３１６  冷却機構、３２０  下ステージ、３２２  押上ピン、３２４  ヒータ、３２６  冷却機構、３３０  昇降部、３３２  ピストン、３３４  シリンダ、４００  保温部筐体、４０２  プレス部、４０４  プレス部、４０６  支持部、４１２  加圧ヘッド、４１４  加圧ヘッド、４２０  重ね合せ基板、４２２  積層基板、４３０  搬送ロボット、４３２  横軸回転機構、４３４  縦軸回転機構、４３６  レール、４４２  ヒータ、４４４  ヒータ、４４６  ヒータ、４６０  加熱部材
【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】
0005459025.tif 000009
【図９】
0005459025.tif 000010
【図１０】
0005459025.tif 000011
【図１１】
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