(57)【要約】【課題】複数の基板を加圧加熱して接合する過程において、基板と基板ホルダが固着するおそれがある。【解決手段】基板を保持したホルダを加熱する加熱工程と、加熱されたホルダを、温度勾配をつけて冷却することにより、基板をホルダから剥離する剥離工程とを備える基板剥離方法が提供される。加熱工程は、一対のホルダで複数の基板を厚み方向に挟んで保持する工程と、一対のホルダ及び複数の基板を加熱する工程と、一対のホルダを加圧することにより複数の基板を貼り合わせる工程とを有する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持したホルダを加熱する加熱工程と、
加熱された前記ホルダを、温度勾配をつけて冷却することにより、前記基板を前記ホルダから剥離する剥離工程と
を備える基板剥離方法。
【請求項２】
前記加熱工程は、
一対の前記ホルダで複数の前記基板を厚み方向に挟んで保持する工程と、
前記一対のホルダ及び前記複数の基板を加熱する工程と、
前記一対のホルダを加圧することにより前記複数の基板を貼り合わせる工程と
を有する請求項１に記載の基板剥離方法。
【請求項３】
前記剥離工程は、前記一対のホルダの一方を冷却することにより、前記一対のホルダの前記厚み方向に温度勾配をつけて、前記一対のホルダから前記複数の基板を剥離する請求項２に記載の基板剥離方法。
【請求項４】
前記剥離工程は、さらに、前記一対のホルダの他方を冷却することにより、前記一対のホルダの前記厚み方向に温度勾配をつけて、前記一対のホルダから前記複数の基板を剥離する請求項３に記載の基板剥離方法。
【請求項５】
前記ホルダが静電吸着により前記基板を保持する工程をさらに有し、
前記剥離工程において、前記一対のホルダの前記静電吸着が解除されている請求項３又は４に記載の基板剥離方法。
【請求項６】
前記剥離工程において、前記一対のホルダの前記厚み方向に直交する方向にさらに温度勾配をつけて、前記一対のホルダの少なくとも一方を冷却する請求項２から５のいずれかに記載の基板剥離方法。
【請求項７】
前記剥離工程において、前記一対のホルダをそれぞれ支持する一対のステージに互いに反対向きに冷却媒体を流す請求項６に記載の基板剥離方法。
【請求項８】
前記剥離工程において、前記一対のホルダは互いに磁石により連結されている請求項２から７のいずれかに記載の基板剥離方法。
【請求項９】
基板を保持したホルダを加熱する加熱部と、
加熱された前記ホルダを、温度勾配をつけて冷却する冷却部と
を備え、
前記ホルダを、温度勾配をつけて冷却することにより、前記基板を前記ホルダから剥離する基板剥離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板剥離方法及び基板剥離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、回路が形成された２枚のウエハを、接合すべき電極同士が接触するように重ね合わせて、加圧及び加熱することにより当該２枚のウエハを接合することが記載されている。ここで、接合すべき電極同士が接触するように、２枚のウエハを位置合せして重ね合わせた後、加圧と加熱により接合するまで、２枚のウエハに位置ずれを生じさせない目的、および、接合段階における圧力及び温度の均一性を高める目的で、２枚のウエハホルダにより上下から当該２枚のウエハを挟んで保持する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３０２８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記ウエハ接合方法において、ウエハとウエハホルダの間に、パーティクルなどの微細な異物が付着した状態で加圧及び加熱によりウエハを接合した場合に、ウエハとウエハホルダの間に当該異物に起因する固着が生じて、ウエハとウエハホルダの分離が困難となる。この場合に、過度な分離荷重によりウエハが破壊するおそれがある。
【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、基板を保持したホルダを加熱する加熱工程と、加熱されたホルダを、温度勾配をつけて冷却することにより、基板をホルダから剥離する剥離工程とを備える基板剥離方法が提供される。
【０００６】
本発明の第２の態様においては、基板を保持したホルダを加熱する加熱部と、加熱されたホルダを、温度勾配をつけて冷却する冷却部とを備え、ホルダを、温度勾配をつけて冷却することにより、基板をホルダから剥離する基板剥離装置が提供される。
【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】基板貼り合せ装置１００の構造を模式的に示す平面図である。
【図２】加熱加圧装置１４０の構造を模式的に示す正面図である。
【図３】上基板ホルダ２０２を上方から見た斜視図である。
【図４】上基板ホルダ２０２を下方から見た斜視図である。
【図５】下基板ホルダ２０４を上方から見た斜視図である。
【図６】下ステージ２２０における下温度調整部２２２を示す上面図である。
【図７】基板剥離方法のフローチャートを示す。
【図８】加熱加圧装置１４０において基板を剥離する過程を概略的に示す断面図である。
【図９】基板剥離過程の各段階におけるステージの温度変化を概略的に示す。
【図１０】加熱加圧装置１４０において基板を剥離する過程を概略的に示す断面図である。
【図１１】加熱加圧装置１４０において基板を剥離する過程を概略的に示す断面図である。
【図１２】加熱加圧装置１４０において基板を剥離する過程を概略的に示す断面図である。
【図１３】加熱加圧装置１４０において基板を剥離する過程を概略的に示す断面図である。
【図１４】加熱加圧装置１４０において基板を剥離する過程を概略的に示す断面図である。
【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、一実施形態の基板貼り合せ装置１００の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、ロボットアーム１０２と、真空室１１０と、エアロックチャンバ１２０と、ロボットアーム１３０と、複数の加熱加圧装置１４０と、冷却装置１５０とを備える。
【００１１】
接合すべき２枚の基板２０６は、基板貼り合せ装置１００とは別途設けられるアライナーにより、接合すべき電極同士が接触するように位置合せされて重ね合わせられる。さらに、当該２枚の基板２０６は、上基板ホルダ２０２と下基板ホルダ２０４により、位置ずれが起こらないように仮接合された状態で保持される。以下、この状態にある基板及び基板ホルダを「基板−基板ホルダユニット」と称する。基板−基板ホルダユニットが加熱加圧装置１４０に装入され、加熱加圧状態で基板２０６の貼り合せが行われる。
【００１２】
真空室１１０は、エアロックチャンバ１２０、ロボットアーム１３０、加熱加圧装置１４０及び冷却装置１５０を内部に収容する。真空室１１０は、気密室を構成し、基板２０６の貼り合せ過程における基板２０６の酸化及び汚染を防ぐ目的で、その内部が一定の真空度及び一定のクリーン度に維持される。図１に示すように、真空室１１０は、ロボットアーム１３０を中心として、複数の加熱加圧装置１４０、冷却装置１５０及びエアロックチャンバ１２０が円周方向に並べて配置されている。真空室１１０の内部と外部の間は、エアロックチャンバ１２０を通じて基板−基板ホルダユニットの出し入れが行われる。
【００１３】
ロボットアーム１３０は、加熱加圧装置１４０と、冷却装置１５０と、エアロックチャンバ１２０との間で基板−基板ホルダユニットを搬送する。エアロックチャンバ１２０は、真空室１１０の外部側と内部側に、交互に開閉するシャッタ１２２、１２４を有する。
【００１４】
基板−基板ホルダユニットが真空室１１０の外部から内部に搬入される場合、まず、外部側のシャッタ１２２が開かれ、ロボットアーム１０２が基板−基板ホルダユニットをエアロックチャンバ１２０に搬入する。次に、外部側のシャッタ１２２が閉じられ、内部側のシャッタ１２４が開かれる。
【００１５】
続いて、ロボットアーム１３０が、エアロックチャンバ１２０から基板−基板ホルダユニットを搬出して、加熱加圧装置１４０のいずれかに装入する。加熱加圧装置１４０は、基板−基板ホルダユニットについて加熱及び加圧をして、基板２０６を本接合する。
【００１６】
真空室１１０の内部から外部に基板−基板ホルダユニットを搬出する場合は、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、真空室１１０の内部の真空度を維持しながら、基板−基板ホルダユニットを真空室１１０に搬入又は搬出できる。
【００１７】
なお、基板貼り合せ装置１００に装填される基板２０６は、単体のシリコンウエハ、化合物半導体ウエハ、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。装填された基板２０６が、既に複数のウエハを積層して形成された積層基板である場合もある。
【００１８】
図２は、加熱加圧装置１４０の構造を模式的に示す正面図である。加熱加圧装置１４０は、断熱室２００と、上ステージ２１０と、下ステージ２２０と、昇降部２３０とを備える。断熱室２００は、上ステージ２１０、下ステージ２２０及び昇降部２３０を内部に収容する。
【００１９】
断熱室２００は、断熱材から形成される断熱壁を有し、基板−基板ホルダユニットを加熱する場合に、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２００において、その天板に上ステージ２１０が固定され、その底板に昇降部２３０のベースが固定される。断熱室２００は、上ステージ２１０と下ステージ２２０により基板２０６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。
【００２０】
上ステージ２１０は、上温度調整部２１２を有する。上温度調整部２１２は、上ステージ２１０の内部に設けられ、加熱又は冷却する機能を有し、基板−基板ホルダユニットを加熱又は冷却することができる。
【００２１】
昇降部２３０は、ベースに固定されたシリンダ２３４と、そのシリンダに結合するピストン２３２を含む。ピストン２３２は、外部からの制御信号により上下昇降する。
【００２２】
下ステージ２２０は、ピストン２３２の上面に設置される。下ステージ２２０は、ピストン２３２と共に上下に移動することができる。下ステージ２２０は、下温度調整部２２２を有する。下温度調整部２２２は、下ステージ２２０の内部に設けられ、加熱又は冷却する機能を有し、基板−基板ホルダユニットを加熱又は冷却することができる。
【００２３】
図２は、基板−基板ホルダユニットが加熱加圧装置１４０に装填され、下ステージ２２０に設置された状態を示す。当該基板−基板ホルダユニットは、上基板ホルダ２０２と、下基板ホルダ２０４と、その２枚の基板ホルダに挟まれて保持された２枚の基板２０６とを含む。基板−基板ホルダユニットを下ステージ２２０に載置した後、ピストン２３２を上昇させると、上ステージ２１０及び下ステージ２２０により基板−基板ホルダユニットを挟む状態になる。
【００２４】
２枚の基板２０６を本接合する場合には、加熱加圧装置１４０は、加圧制御信号に従って、更にピストン２３２を上昇させ、上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４を介して、２枚の基板２０６に所定の圧力を加えて、本接合する。加圧することにより、２枚の基板２０６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。
【００２５】
上温度調整部２１２及び下温度調整部２２２は、上ステージ２１０及び下ステージ２２０により基板−基板ホルダユニットを挟む状態において、基板−基板ホルダユニットを加熱又は冷却することができる。上温度調整部２１２及び下温度調整部２２２の加熱により、接合する２枚の基板２０６における電極接合面を活性化することができ、電極同士を確実に接合することができる。
【００２６】
基板２０６を本接合した後、上温度調整部２１２及び下温度調整部２２２の積極的な冷却により、基板−基板ホルダユニットの温度がロボットアームにより取り出せる温度になるまでの時間が短縮される。よって、接合後の基板２０６を取り出して次の基板−基板ホルダユニットを迅速に投入できるので、生産のスループットを向上することができる。更に、上温度調整部２１２及び下温度調整部２２２の冷却方法を制御することにより、本接合した後の基板２０６を上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４から分離することができる。
【００２７】
図３は、上基板ホルダ２０２を上方から見た斜視図である。図４は、上基板ホルダ２０２を下方から見た斜視図である。上基板ホルダ２０２は、基板２０６をその下面に保持する。上基板ホルダ２０２は、上基板ホルダ本体２４２と、永久磁石２４４と、電圧印加端子２４６とを有する。
【００２８】
上基板ホルダ２０２の外形は、基板２０６よりも径がひとまわり大きな円板状をなす。上基板ホルダ本体２４２は、セラミックス、金属等の高剛性材料により一体成形されてよい。上基板ホルダ本体２４２の材料として、窒化珪素、窒化アルミニウム等が例示できる。
【００２９】
上基板ホルダ本体２４２は、その下面において基板２０６を保持する基板保持領域を有する。上基板ホルダ本体２４２は、当該領域において、静電吸着により基板２０６を保持する。図４は、基板保持領域に基板２０６を保持した状態の上基板ホルダ２０２を示す。
【００３０】
上基板ホルダ本体２４２における基板保持領域は、基板接合の過程において、基板２０６の全面に均一に加圧する目的で、高い平坦性を有する。しかし、その高い平坦性が、上基板ホルダ２０２と基板２０６との間に鏡面吸着をもたらすので、基板２０６を本接合した後に、基板２０６を上基板ホルダ２０２から分離しにくい要因の一つでもある。
【００３１】
永久磁石２４４は、基板保持領域の外周に複数配される。図４においては二つ一組の永久磁石２４４が、基板保持領域の外周において互いに１２０度間隔で三組配される。永久磁石２４４は、上基板ホルダ本体２４２に保持された基板２０６の表面と共通の平面内に、永久磁石２４４の下面が位置するように配されてよい。
【００３２】
電圧印加端子２４６は、基板２０６を保持する下面と反対の裏面において、上基板ホルダ本体２４２に埋め込まれる。電圧印加端子２４６を介して電圧を印加することにより、上基板ホルダ２０２と基板２０６との間に電位差を生じさせて、基板２０６を上基板ホルダ２０２に静電吸着する。
【００３３】
図５は、下基板ホルダ２０４を上方から見た斜視図である。下基板ホルダ２０４の上面には、基板２０６が保持されている。下基板ホルダ２０４は、下基板ホルダ本体２５２及び吸着子２５４を有する。
【００３４】
下基板ホルダ２０４の外形は、基板２０６よりも径がひとまわり大きな円板状をなす。下基板ホルダ本体２５２は、セラミックス、金属等の高剛性材料により一体成形されてよい。下基板ホルダ本体２５２の材料として、窒化珪素、窒化アルミニウム等が例示できる。
【００３５】
下基板ホルダ本体２５２は、その上面において基板２０６を保持する基板保持領域を有する。下基板ホルダ本体２５２は、当該領域において、静電吸着により基板２０６を保持する。下基板ホルダ本体２５２における基板保持領域は、基板接合の過程において、基板２０６の全面に均一に加圧する目的で、高い平坦性を有する。
【００３６】
吸着子２５４は、磁性体材料により形成され、基板２０６を保持する表面において、保持した基板２０６よりも外側に複数配されてよい。吸着子２５４は、基板２０６を保持する平面と略同じ平面内に、吸着子２５４の上面が位置するように、下基板ホルダ本体２５２に形成された陥没領域に配されてよい。吸着子２５４は、板ばね２５６を介して下基板ホルダ本体２５２に設けられる。
【００３７】
上基板ホルダ２０２に設けられた永久磁石２４４は、下基板ホルダ２０４に設けられた吸着子２５４を磁力により吸着して、上基板ホルダ２０２と下基板ホルダ２０４とを結合させる。これにより、上基板ホルダ２０２と下基板ホルダ２０４との間に保持された基板２０６の位置を維持する。
【００３８】
下基板ホルダ本体２５２は、基板２０６を保持する表面に対する裏面において、更に電圧印加端子を有する。当該電圧印加端子を介して電圧を印加することにより、下基板ホルダ２０４と基板２０６との間に電位差を生じさせて、基板２０６を下基板ホルダ２０４に静電吸着する。下ステージ２２０は、更に基板ホルダ本体の電圧印加端子と接触して、静電吸着用電力を提供できる端子を有してよい。その場合に、下ステージ２２０は、加熱加圧装置１４０が基板−基板ホルダユニットを加圧する前に、下ステージ２２０に載置された基板−基板ホルダユニットの基板ホルダに静電吸着用電力を供給することによって、基板の移動を防止する効果を高めることができる。
【００３９】
図６は、下ステージ２２０における下温度調整部２２２を示す上面図である。下温度調整部２２２は、加熱部材として複数のヒータプレート３０２、３０４、３０６を含む。ヒータプレート３０２、３０４及び３０６は、例えば銅を素材として形成され、それぞれの内部に電熱ヒータが埋め込まれている。
【００４０】
ヒータプレート３０２、３０４及び３０６によって覆われる平面領域は、下ステージ２２０に載置される下基板ホルダ２０４の載置面に対応する領域よりも広い。各ヒータプレートは、個別に温度制御される。すなわち、下ステージ２２０は、ヒータプレート３０２、３０４及び３０６の数分だけ複数の区域に分けられて、細かく温度制御される。よって、下ステージ２２０は、下基板ホルダ２０４を載置する領域において、全面にわたって下基板ホルダ２０４の裏面に対して均一に加熱することができる。
【００４１】
下温度調整部２２２は、また、冷却部材として冷却管３１２、３１４、３１６、３１８を含む。各冷却管は、ヒータプレート３０２、３０４及び３０６の一つ以上を冷却するように配管される。例えば、図６に示すようにヒータプレート３０２、３０４及び３０６のいずれかと接するように冷却管３１２、３１４、３１６及び３１８が張り巡らされ、その中を冷媒が循環するように外部のポンプが制御される。冷却管の素材としては、ヒータプレート３０２、３０４及び３０６と同じ素材が好ましい。同じ素材でなくても、線膨張率が同じであれば、接触面において温度変化による熱摺動が生じないので、冷却管の素材として適用できる。
【００４２】
上ステージ２１０は、下ステージ２２０と同じ構造を有し、下温度調整部２２２と同じ上温度調整部２１２を含む。よって、上ステージ２１０についての説明を省略する。
【００４３】
冷却装置１５０は、上下ステージにおける温度調整部に加熱部材がない点を除けば、加熱加圧装置１４０と同じ構造を有してよい。冷却プロセスにおいて、冷却装置１５０の下ステージ２２０は、基板−基板ホルダユニットを載せてから、上昇して、基板−基板ホルダユニットを上ステージ２１０に当接させる。上ステージ２１０と下ステージ２２０により基板−基板ホルダユニットを挟む状態で、冷却部材により基板２０６を冷却する。冷却効果を上げる目的で、基板２０６に一定の圧力を加えることが好ましいが、接合段階のような強い圧力を加えなくてよい。
【００４４】
加熱加圧装置１４０において、加熱加圧して基板２０６を接合した後の加熱加圧装置１４０で基板−基板ホルダユニットを室温まで冷却しようとすると、多量の冷却媒体を用いることになり、かつ、冷却時間が長くかかる。そこで、冷却温度勾配の高い高温領域の冷却だけを加熱加圧装置１４０内で行い、基板−基板ホルダユニットの温度がロボットアームにより搬送できる温度まで冷却したら、基板−基板ホルダユニットを取り出して、別途設けられる冷却装置１５０に搬入して、室温近傍まで冷却することが好ましい。
【００４５】
例えば、４００℃以上の温度で基板２０６を接合した後に加熱加圧装置１４０において基板−基板ホルダユニットを２００℃まで冷却してから、基板−基板ホルダユニットをロボットアームにより冷却装置１５０に搬入して冷却する。これにより、冷却時間を大きく短縮できる。さらに、加熱加圧装置１４０の回転率を上げることができるので、生産スループットを高めることができる。
【００４６】
加熱加圧装置１４０及び冷却装置１５０は、基板剥離装置の一例である。以下、加熱加圧装置１４０を用いて、接合後の基板２０６を上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４から剥離する方法を説明する。
【００４７】
図７は、一実施形態である基板剥離方法のフローチャートを示す。当該基板剥離方法は、複数の基板を仮接合してステージに設置する段階Ｓ０１０と、基板を本接合する段階Ｓ０２０と、一方のステージを冷却して上下ステージの間に温度勾配を形成する段階Ｓ０３０と、他方のステージを冷却して上下ステージの間に温度勾配を形成する段階Ｓ０４０と、各ステージにおいて基板ホルダに接する面内に温度勾配を形成する段階Ｓ０５０と、基板を取り出す段階Ｓ０６０とを備える。
【００４８】
まず、複数の基板２０６を仮接合してステージに設置する（Ｓ０１０）。段階Ｓ０１０において、回路パターンが周期的に複数形成され、互いに接合することにより３次元積層半導体装置が形成できる複数の基板２０６を用意する。ウエハに回路パターンを形成し、パッシベーションした後、表面に接合電極を形成して、接合用の基板２０６とする。
【００４９】
次に、接合すべき一対の基板２０６は、別途設けられるアライナーにより、接合すべき電極同士が接触するように位置合せされて重ね合わせられ、上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４により、位置ずれが起こらないように厚み方向に挟まれ仮接合される状態で保持される。即ち、基板−基板ホルダユニットが組まれ、ロボットアームにより下ステージ２２０に載置される。
【００５０】
基板２０６を本接合する（Ｓ０２０）。段階Ｓ０２０において、下ステージ２２０が上昇して、基板−基板ホルダユニットを上ステージ２１０に当接させ、上ステージ２１０と下ステージ２２０の間に挟む。下ステージ２２０は、加圧制御信号に従って、更に上昇して、基板−基板ホルダユニットに所定の圧力を加える。この加圧により、２枚の基板２０６の間に接合すべき電極同士が均一に接触することができ、基板２０６の均一な貼り合せが実現できる。下ステージ２２０が基板ホルダに静電吸着の電力を供給した場合に、加圧後静電吸着を解除してよい。
【００５１】
更に、上ステージ２１０及び下ステージ２２０のヒートプレートにより、基板−基板ホルダユニットを加熱する。温度を制御しながら、一定時間に渡って、基板２０６に所定の圧力を加えることによって、基板２０６の本接合を行う。加熱が本接合する２枚の基板２０６における電極接合面を活性化することができるので、電極同士が確実に接合することができる。
【００５２】
一方のステージを冷却して上下ステージの間に温度勾配を形成する（Ｓ０３０）。段階Ｓ０３０において、例えば、下ステージ２２０だけを冷却して、上ステージ２１０と下ステージ２２０の間に温度勾配を形成する。
【００５３】
図８は、加熱加圧装置１４０において基板２０６を剥離する過程を概略的に示す断面図である。図８には、加熱加圧装置１４０として、上ステージ２１０、下ステージ２２０及び各ステージに配設された冷却管だけを概略的に示す。上ステージ２１０は、下ステージ２２０における冷却管３１２、３１４、３１６及び３１８に対応して、冷却管４１２、４１４、４１６、４１８を有する。
【００５４】
図８において、基板２０６を本接合した後、基板−基板ホルダユニットに加圧しながら、下ステージ２２０における冷却管３１２、３１４、３１６及び３１８に冷媒を流して下基板ホルダ２０４を冷却する一方で、上ステージ２１０における冷却管４１２、４１４、４１６及び４１８に冷媒を流さないことにより、基板−基板ホルダユニットの厚み方向に温度勾配をつける。但し、この段階の加圧は、上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４がそれぞれ上ステージ２１０及び下ステージ２２０によく接触させて、冷却効果を確保することを目的とするので、基板２０６を本接合する段階Ｓ０２０のような大きい圧力を加えなくてよい。例えば、０．１Ｍｐａの圧力を加えてよい。
【００５５】
図９は、基板剥離過程の各段階における上ステージ２１０及び下ステージ２２０の温度変化を概略的に示す。曲線５０２及び曲線５０４は、それぞれ上ステージ２１０及び下ステージ２２０の温度変化を示す。
【００５６】
図８に示すように、下ステージ２２０だけを冷却する場合に、まず下ステージ２２０の温度が急激に下がり（図９の曲線５０４）、上ステージ２１０の温度（曲線５０２）との間に大きい差が生じる。よって、両ステージの間に挟まれた基板−基板ホルダユニットが厚み方向に温度勾配が生じる。
【００５７】
基板−基板ホルダユニットの冷却において熱応力が発生する。特に、基板２０６と上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４との熱膨張率の違いにより、基板２０６と上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４の界面において、せん断応力が発生する。
【００５８】
図１０は、熱変形を概念的に示す図面である。図１０に示すように、基板−基板ホルダユニットに上記温度勾配が生じた時点で、例えば、冷却開始から時間ｔ１（図９）を経過した時点で、ステージの加圧力を解除すると、基板−基板ホルダユニットが熱応力により変形する。下ステージ２２０に接する下基板ホルダ２０４が最も温度が低く、収縮量が最も大きい。従って、基板−基板ホルダユニットの下の面が凹むように変形して、上述の熱応力、特にせん断応力により、基板２０６と上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４との固着が解除される。
【００５９】
基板２０６が剥離できたか否かは、静電吸着のリーク電流によって判断できる。例えば、下ステージ２２０から下基板ホルダ２０４の静電吸着端子に電圧を印加したとき、基板２０６が下基板ホルダ２０４に吸着されている場合に比べて、リーク電流が小さいと、基板２０６が下基板ホルダ２０４から剥離できたことが判断できる。反って、リーク電流が通常の静電吸着時と同じレベルであれば、基板２０６がまだ下基板ホルダ２０４から剥離されていないことが分かる。
【００６０】
次に、他方のステージを冷却して上下ステージの間に温度勾配を形成する（Ｓ０４０）。段階Ｓ０４０において、まず、冷却効果を上げる目的で、下ステージ２２０を上昇させて、上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４がそれぞれ上ステージ２１０及び下ステージ２２０によく接触するように、再び基板−基板ホルダユニットに加圧する。この場合の圧力は、段階Ｓ０３０と同様に、０．１Ｍｐａ程度の小さい圧力でよい。そして、下ステージ２２０の冷却を停止して、上ステージ２１０の冷却管４１２、４１４、４１６及び４１８だけに冷媒を流して、上基板ホルダ２０２を冷却することにより、基板−基板ホルダユニットの厚み方向に段階Ｓ０３０と逆の温度勾配をつける。
【００６１】
図１１は、熱変形を概念的に示す図面である。図１１に示すように、基板−基板ホルダユニットの厚み方向に温度勾配が生じた時点で、例えば、冷却開始から時間ｔ２（図９）を経過した時点で、ステージの加圧力を解除すると、基板−基板ホルダユニットが熱応力により変形する。この場合に上ステージ２１０に接する上基板ホルダ２０２が最も温度が低く、収縮量が最も大きい。従って、基板−基板ホルダユニットの上の面が凹むように変形する。上述の熱応力、特にせん断応力により、基板２０６と上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４との固着のうち、前の段階によって解除できなかった部分が更に解除される。
【００６２】
更に、各ステージにおいて基板ホルダに接する面内に温度勾配を形成する（Ｓ０５０）。段階Ｓ０５０において、まず、冷却効果を上げる目的で、下ステージ２２０を上昇させて、上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４がそれぞれ上ステージ２１０及び下ステージ２２０によく接触するように、再び基板−基板ホルダユニットに加圧する。そして、上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４の厚み方向に直交する方向に、即ち、上ステージ２１０及び下ステージ２２０に接する面内おいてさらに温度勾配をつけるように、基板−基板ホルダユニットを冷却する。
【００６３】
図１２は、基板−基板ホルダユニットに現れる熱変形を概念的に示す。図１２に示すように、上ステージ２１０において、冷却管４１２と４１６に冷媒を流さず、冷却管４１４と４１８だけに冷媒を流し、下ステージ２２０において、冷却管３１４と３１８に冷媒を流さず、冷却管３１２と３１６だけに冷媒を流す。このような冷却方法によって、上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４が、面内だけでなく、厚さ方向にも一定の温度勾配が形成できる。基板−基板ホルダユニットに当該温度勾配が生じた時点で、例えば、冷却開始から時間ｔ３（図９）を経過した時点で、ステージの加圧力を解除することにより、基板−基板ホルダユニットが波状に変形する。上述の熱応力、特にせん断応力により、基板２０６と上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４との固着であって、前の段階によって解除できなかった部分が更に解除される。
【００６４】
図１３に示すように、この段階において、上ステージ２１０において、冷却管４１４と４１８に冷媒を流さないで、冷却管４１２と４１６だけに冷媒を流し、下ステージ２２０において、冷却管３１２と３１６に冷媒を流さないで、冷却管３１４と３１８だけに冷媒を流して、基板−基板ホルダユニットを冷却してもよい。この場合でも、上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４が、面内だけでなく、厚さ方向にも一定の温度勾配が形成できる。よって、基板−基板ホルダユニットが波状に変形する。上述の熱応力、特にせん断応力により、基板２０６と上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４との固着であって、前の段階によって解除できなかった部分が更に解除される。
【００６５】
図１４に示すように、この段階において、上ステージ２１０において、冷却管４１２と４１６に冷媒を流さないで、冷却管４１４と４１８だけに冷媒を流し、下ステージ２２０において、冷却管３１２と３１６に冷媒を流さないで、冷却管３１４と３１８だけに冷媒を流して、基板−基板ホルダユニットを冷却してもよい。この場合は、上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４が、面内にだけ温度勾配が形成できる。基板−基板ホルダユニットが、図１４に示すような波状に変形する。上述の熱応力、特にせん断応力により、基板２０６と上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４との固着であって、前の段階によって解除できなかった部分が更に解除される。
【００６６】
この段階において、基板−基板ホルダユニットを挟む上ステージ２１０と下ステージ２２０に互いに反対向きに冷媒を流すことによって、温度勾配を形成してもよい。例えば、図６に示すステージにおける４本の冷却管について、上ステージ２１０では、左から右に冷媒を流し、下ステージ２２０では、右から左に冷媒を流すと、同じステージにおける冷媒の入口と出口の間に温度勾配が形成される。なお、上ステージ２１０と下ステージ２２０において、冷媒を流す方向が逆であるので、冷媒の入口と出口の温度差により、基板−基板ホルダユニットの厚さ方向にも温度勾配が形成される。
【００６７】
冷却管が長いほど、この方法により形成できる温度勾配が大きい。その温度勾配により基板−基板ホルダユニットに熱応力及びせん断応力を誘起して、基板２０６と上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４との固着であって、前の段階によって解除できなかった部分が更に解除される。
【００６８】
上述の各段階において、上基板ホルダ２０２に設けられた永久磁石２４４は、下基板ホルダ２０４に設けられた吸着子２５４を磁力により吸着して、上基板ホルダ２０２と下基板ホルダ２０４とを結合させ、上基板ホルダ２０２と下基板ホルダ２０４との間に保持された基板２０６の位置を維持する。基板−基板ホルダユニットが熱変形する場合にも、板ばね２５６が弾性変形によって熱変形を吸収して、結合を維持できるので、基板２０６の大きな位置ずれを防ぐことができる。
【００６９】
最後に  基板２０６を取り出す（Ｓ０６０）。段階Ｓ０６０において、下ステージ２２０がピストン２３２に伴って降下して、基板２０６に加えた圧力を解除する。ピストン２３２が更に降下して、ロボットアームにより基板−基板ホルダユニットを出し入りできる位置で停止する。ロボットアームは、加熱加圧装置１４０から基板−基板ホルダユニットを取り出して、冷却装置１５０に装填して更に冷却する。その後、本接合された基板２０６が上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４から分離され、個片化されて、３次元積層半導体装置が完成する。
【００７０】
上述の基板剥離方法において、段階Ｓ０３０、Ｓ０４０及びＳ０５０の何れか一つの段階だけを実施してもよく、何れかの二つの段階を組み合わせてもよく、各段階を実施する順序を入れ替えてもよく、何れかの段階を数回繰り返してもよい。
【００７１】
段階Ｓ０３０、Ｓ０４０及びＳ０５０は、接合基板２０６の冷却過程を利用して、基板の剥離を実現する。冷却過程において、冷媒液体を飽和温度（沸点）以上の温度で蒸発させ、冷媒が吸収する蒸発熱を利用することが最も冷却効果が大きい。その冷却効果を利用すれば、大きい温度勾配及びそれに起因する大きい熱応力を形成できるので、基板−基板ホルダユニットが飽和温度以上の高い温度にあるときに、段階Ｓ０３０、Ｓ０４０及びＳ０５０を実施することが望ましい。また、段階Ｓ０３０、Ｓ０４０及びＳ０５０は、接合基板製造過程の全体のスループットを考慮して、短時間で実施することが望ましい。例えば、各段階が１分程度でよい。また、基板−基板ホルダユニットに生じる温度勾配は、基板−基板ホルダユニットにおける弾性変形の領域内であることが好ましく、例えば１０℃程度であってよい。
【００７２】
以上、加熱加圧装置１４０を用いて、接合後の基板２０６を上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４から剥離する方法を説明したが、図７に示すフローチャートにおける段階Ｓ０３０以降を、冷却装置１５０を用いて行ってもよい。
【００７３】
以上、本実施形態によれば、加熱加圧装置１４０において、本接合が完了した後、基板−基板ホルダユニットの温度がロボットアームにより搬送できる温度まで冷却したら、基板−基板ホルダユニットを取り出して、冷却装置１５０に搬入する。そして、冷却装置１５０において、前述の基板剥離方法の段階Ｓ０３０からＳ０６０のプロセスを実施することによって、接合後の基板２０６を上基板ホルダ２０２及び下基板ホルダ２０４から剥離することができる。
【００７４】
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、多様な変更又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。その様な変更又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。
【００７５】
特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及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、及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】
【００７６】
１００  基板貼り合せ装置、１０２  ロボットアーム、１１０  真空室、１２０  エアロックチャンバ、１２２  シャッタ、１２４  シャッタ、１３０  ロボットアーム、１４０  加熱加圧装置、１５０  冷却装置、２００  断熱室、２０２  上基板ホルダ、２０４  下基板ホルダ、２０６  基板、２１０  上ステージ、２１２  上温度調整部、２２０  下ステージ、２２２  下温度調整部、２３０  昇降部、２３２  ピストン、２３４  シリンダ、２４２  上基板ホルダ本体、２４４  永久磁石、２４６  電圧印加端子、２５２  下基板ホルダ本体、２５４  吸着子、２５６  板ばね、３０２  ヒータプレート、３０４  ヒータプレート、３０６  ヒータプレート、３１２  冷却管、３１４  冷却管、３１６  冷却管、３１８  冷却管、４１２  冷却管、４１４  冷却管、４１６  冷却管、４１８  冷却管、５０２  曲線、５０４  曲線
【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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