(57)【要約】【課題】互いのウェハを位置合わせして重ね合わせるときに、ステージの回転量が所定量を超えてしまうと、ステージの正確な位置を把握することが困難となる。ステージの回転量が所定量を超えないように制御するには、そもそも最初にステージに置かれるウェハの位置を厳密に管理する必要がある。【解決手段】位置検出装置は、第１基板に設けられた少なくとも２個の第１基板指標を一度の撮像動作により撮像する第１撮像ユニットと、第１撮像ユニットにより撮像された画像に基づいて第１基板指標の位置を計測することにより、第１基板の姿勢を測定する測定部とを備える。【選択図】図１
2011021916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板に設けられた少なくとも２個の第１基板指標を一度の撮像動作により撮像する第１撮像ユニットと、
前記第１撮像ユニットにより撮像された画像に基づいて前記第１基板指標の位置を計測することにより、前記第１基板の姿勢を測定する測定部と
を備える位置検出装置。
【請求項２】
前記測定部により測定された前記第１基板の姿勢と、前記第１基板の目標姿勢との第１誤差を演算する演算部と、
前記演算部により演算された前記第１誤差を第２基板の目標姿勢に加味して、前記第１基板に対向して前記第２基板を搬入させる制御部と
を備える請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記第１誤差が予め定められた許容誤差よりも大きいときには、前記制御部は、前記第２基板を搬入させない請求項２に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記第１誤差が予め定められた前記許容誤差よりも大きいときには、前記制御部は、前記第１基板の搬入をやり直させる請求項３に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記第２基板に設けられた少なくとも２個の第２基板指標を一度の撮像動作により撮像する第２撮像ユニットを備え、
前記測定部は、前記第２撮像ユニットにより撮像された画像に基づいて前記第２基板指標の位置を計測することにより、前記第２基板の姿勢を測定する請求項２から４のいずれか１項に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記演算部は、前記測定部により測定された前記第２基板の姿勢と、前記第２基板の目標姿勢との第２誤差を演算し、
前記制御部は、前記演算部により演算された前記第２誤差に基づいて、前記第１基板を保持する第１ステージ及び前記第２基板を保持する第２ステージの少なくとも一方を移動して、前記第１基板と前記第２基板を対向させる請求項５に記載の位置検出装置。
【請求項７】
前記第２誤差が予め定められた許容誤差よりも大きいときには、前記制御部は、前記第１ステージ及び前記第２ステージを移動させない請求項６に記載の位置検出装置。
【請求項８】
前記第２誤差が予め定められた許容誤差よりも大きいときには、前記制御部は、前記第２基板の搬入をやり直させる請求項６または７に記載の位置検出装置。
【請求項９】
前記制御部は、
前記測定部により測定された複数の前記第１基板指標の実測座標値を所定の誤差パラメータによって規定される座標変換式により変換した変換座標値と、前記測定部により測定された複数の前記第２基板指標の実測座標値との差が最小となるように、前記誤差パラメータを算出し、
算出された前記誤差パラメータを加味して前記第１基板を保持する前記第１ステージ及び前記第２基板を保持する前記第２ステージの少なくとも一方を移動して、前記第１基板と前記第２基板を対向させる請求項６から８のいずれか１項に記載の位置検出装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の位置検出装置を備える基板重ね合わせ装置。
【請求項１１】
第１撮像ユニットにより第１基板に設けられた少なくとも２個の第１基板指標を一度の撮像動作により撮像する第１撮像ステップと、
前記第１撮像ステップにより撮像された画像に基づいて、測定部が前記第１基板指標の位置を計測することにより、前記第１基板の姿勢を測定する第１測定ステップと
を備える位置検出方法。
【請求項１２】
前記第１測定ステップにより測定された前記第１基板の姿勢と、前記第１基板の目標姿勢との第１誤差を演算する第１誤差演算ステップと、
前記第１誤差演算ステップにより演算された前記第１誤差を第２基板の目標姿勢に加味して、前記第１基板に対向して前記第２基板を搬入させる搬入ステップと
を更に備える請求項１１に記載の位置検出方法。
【請求項１３】
前記第１誤差が予め定められた許容誤差よりも大きいときには、前記搬入ステップの実行を禁止する搬入禁止ステップを更に備える請求項１２に記載の位置検出方法。
【請求項１４】
前記第１誤差が予め定められた前記許容誤差よりも大きいときには、前記第１基板の搬入をやり直させる第１再搬入ステップを更に備える請求項１３に記載の位置検出方法。
【請求項１５】
第２撮像ユニットにより前記第２基板に設けられた少なくとも２個の第２基板指標を一度の撮像動作により撮像する第２撮像ステップと、
前記第２撮像ステップにより撮像された画像に基づいて、前記測定部が前記第２基板指標の位置を計測することにより、前記第２基板の姿勢を測定する第２測定ステップと
を更に備える請求項１２から１４のいずれか１項に記載の位置検出方法。
【請求項１６】
前記第２測定ステップにより測定された前記第２基板の姿勢と、前記第２基板の目標姿勢との第２誤差を演算する第２誤差演算ステップと、
前記第２誤差演算ステップにより演算された前記第２誤差に基づいて、前記第１基板を保持する第１ステージおよび前記第２基板を保持する第２ステージの少なくとも一方を移動して、前記第１基板と前記第２基板を対向させる移動ステップと
を更に備える請求項１５に記載の位置検出方法。
【請求項１７】
前記第２誤差が予め定められた許容誤差よりも大きいときには、前記移動ステップの実行を禁止する移動禁止ステップを更に備える請求項１６に記載の位置検出方法。
【請求項１８】
前記第２誤差が予め定められた許容誤差よりも大きいときには、前記第２基板の搬入をやり直させる第２再搬入ステップを更に備える請求項１６または１７に記載の位置検出方法。
【請求項１９】
前記測定部により測定された複数の前記第１基板指標の実測座標値を所定の誤差パラメータによって規定される座標変換式により変換した変換座標値と、前記測定部により測定された複数の前記第２基板指標の実測座標値との差が最小となるように、前記誤差パラメータを算出する算出ステップと、
前記算出ステップにより算出された前記誤差パラメータを加味して前記第１基板を保持する第１ステージ及び前記第２基板を保持する第２ステージの少なくとも一方を移動して、前記第１基板と前記第２基板を対向させる対向ステップと
を更に備える請求項１６から１８のいずれか１項に記載の位置検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置検出装置、位置検出方法および基板重ね合わせ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の実効的な実装密度を向上させる技術のひとつとして、複数の半導体チップを積層させた立体構造がある。特に、半導体基板であるウェハの状態で複数枚を積層して、接合した後に個片化する手順により製造される半導体チップが、その生産性の高さから近年注目を集めている。２枚のウェハを重ね合わせる場合、互いのアライメントマークを顕微鏡で測定しながら位置合わせをする（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２５１９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
互いのアライメントマークを位置合わせするには、それぞれのウェハを保持するステージの少なくとも一方を移動させる。このとき互いの位置合わせに求められる精度は、ウェハ表面に形成された回路の線幅に依存するが、この要求精度は実装密度の向上に伴い年々高くなる傾向にある。したがって、ステージの移動を検出するセンサの検出精度も高いものが要求されるが、この要求を満たすセンサの一つとしてレーザー光波干渉式の測長器である干渉計が挙げられる。しかしながら、例えばステージに対して固定位置に設置された干渉計から、ステージに固定された反射ミラーにレーザを投射し、その反射光を利用して距離を計測する構成である場合、ステージの回転に対する敏感度が非常に高くなる。すなわち、ステージが僅かに回転しただけでも、レーザの反射光を干渉計が捕捉できなくなり、距離の計測が不可能となる。したがって、互いのウェハを位置合わせして重ね合わせるときに、ステージの回転量が所定量を超えてしまうと、ステージの正確な位置を把握することが困難となる。ステージの回転量が所定量を超えないように制御するには、そもそも最初にステージに置かれるウェハの位置を厳密に管理する必要がある。
【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の態様における位置検出装置は、第１基板に設けられた少なくとも２個の第１基板指標を一度の撮像動作により撮像する第１撮像ユニットと、第１撮像ユニットにより撮像された画像に基づいて第１基板指標の位置を計測することにより、第１基板の姿勢を測定する測定部とを備える。
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の第２の態様における位置検出方法は、第１撮像ユニットにより第１の基板に設けられた少なくとも２個の第１基板指標を一度の撮像動作により撮像する第１撮像ステップと、第１撮像ステップにより撮像された画像に基づいて、測定部が第１基板指標の位置を計測することにより、第１基板の姿勢を測定する第１測定ステップとを有する。
【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】第１基板を保持した第１基板ホルダを上方から見下ろした斜視図である。
【図２】第２基板を保持した第３基板ホルダを上方から見下ろした斜視図である。
【図３】本実施形態に係る基板重ね合わせシステムの概略構成図である。
【図４】第１測定顕微鏡の観察像の模式図である。
【図５】本実施形態に係る位置合わせ工程を示すフロー図である。
【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、基板である第１ウェハ１０を保持した第１ウェハホルダ１０１を上方から見下ろした斜視図である。第１ウェハホルダ１０１は、ホルダ本体１１０および吸着子１１１を有して、全体としては第１ウェハ１０よりも径がひとまわり大きな円板状をなす。ホルダ本体１１０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る。
【００１１】
ホルダ本体１１０は、第１ウェハ１０を保持する領域をその表面に備える。この保持領域は研磨されて高い平坦性を有する。第１ウェハ１０の保持は、静電力を利用した吸着により行われる。具体的には、ホルダ本体１１０に埋め込まれた電極に、ホルダ本体１１０の裏面に設けられた電圧印加端子を介して電圧を加えることにより、第１ウェハホルダ１０１と第１ウェハ１０との間に電位差を生じさせて、第１ウェハ１０を第１ウェハホルダ１０１に吸着させる。
【００１２】
吸着子１１１は、鉄のような磁性体により形成され、第１ウェハ１０を保持する表面において、保持した第１ウェハ１０よりも外側である外周領域に複数配される。また、吸着子１１１は、第１ウェハ１０を保持する平面と略同じ平面内にその上面が位置するように、ホルダ本体１１０に形成された陥没領域に配される。図の場合、２個を一組として１２０度毎に合計６個の吸着子１１１が配されている。
【００１３】
第１ウェハ１０には、複数の第１回路領域１１が造り込まれている。図示するように、矩形で囲まれる複数の第１回路領域１１は、第１ウェハ１０の上面に二次元的に広く配列されている。また、それぞれの第１回路領域１１の内部には、第１アライメントマーク１２が設けられている。第１アライメントマーク１２は、第１ウェハ１０の位置制御に用いられる指標である。それぞれの第１アライメントマーク１２は、例えば第１ウェハ１０の中心を原点とする座標値として、その設計座標値が個別に管理されている。
【００１４】
ただし、第１アライメントマーク１２は第１ウェハ１０の位置制御に用いられる指標であるので、全ての第１回路領域１１に設けられなくても良い。少なくとも第１ウェハ１０の位置制御が行える個数があれば良い。また、第１アライメントマーク１２は、第１回路領域１１の内部に設けられているが、回路と無関係に別途設けられている必要はなく、回路の構成要素であって、指標として利用できるものを第１アライメントマーク１２としても良い。例えば、積層型半導体素子においては、層間の接続にＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉ Ｖｉａ）がよく利用されるが、ＴＳＶの先端を第１アライメントマーク１２として用いることができる。さらには、第１回路領域１１の外部に、第１アライメントマーク１２を設けるようにしても良い。
【００１５】
第１ノッチ１３は、第１ウェハ１０に設けられた切欠きであり、第１ウェハ１０の姿勢を外形基準で判断するときに用いられる指標である。第１ノッチ１３は、例えば第１ウェハ１０の中心を原点とする座標値として、その設計座標値が個別に管理されている。
【００１６】
図２は、基板である第２ウェハ２０を保持した第２ウェハホルダ２０１を上方から見下ろした斜視図である。第２ウェハホルダ２０１は、ホルダ本体２１０およびマグネット２１１を有して、全体としては第２ウェハ２０よりも径がひとまわり大きな円板状をなす。ホルダ本体２１０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る。
【００１７】
ホルダ本体２１０は、第２ウェハ２０を保持する領域をその表面に備える。この保持領域は研磨されて高い平坦性を有する。第２ウェハ２０の保持は、静電力を利用した吸着により行われる。具体的には、ホルダ本体２１０に埋め込まれた電極に、ホルダ本体２１０の裏面に設けられた電圧印加端子を介して電圧を加えることにより、第２ウェハホルダ２０１と第２ウェハ２０との間に電位差を生じさせて、第２ウェハ２０を第２ウェハホルダ２０１に吸着させる。
【００１８】
マグネット２１１は、第２ウェハ２０を保持する表面において、保持した第２ウェハ２０よりも外側である外周領域に複数配される。また、マグネット２１１は、第２ウェハ２０を保持する平面と略同じ平面内にその上面が位置するように配される。図の場合、２個を一組として１２０度毎に合計６個のマグネット２１１が配されている。
【００１９】
第２ウェハホルダ２０１のマグネット２１１は、第１ウェハホルダ１０１の吸着子１１１とそれぞれ対応するように配置されている。そして、第１ウェハ１０を保持した第１ウェハホルダ１０１と、第２ウェハ２０を保持した第２ウェハホルダ２０１を、互いに向かい合わせてマグネット２１１と吸着子１１１を作用させると、第１ウェハ１０と第２ウェハ２０を重ね合わせた状態で挟持して固定することができる。
【００２０】
第２ウェハ２０には、複数の第２回路領域２１が造り込まれている。図示するように、矩形で囲まれる複数の第２回路領域２１は、第２ウェハ２０の上面に二次元的に広く配列されている。また、それぞれの第２回路領域２１の内部には、第２アライメントマーク２２が設けられている。第２アライメントマーク２２は、第２ウェハ２０の位置制御に用いられる指標である。それぞれの第２アライメントマーク２２は、例えば第２ウェハ２０の中心を原点とする座標値として、設計座標値が個別に管理されている。
【００２１】
ただし、第２アライメントマーク２２は第２ウェハ２０の位置制御に用いられる指標であるので、全ての第２回路領域２１に設けられなくても良い。少なくとも第２ウェハ２０の位置制御が行える個数があれば良い。また、第２アライメントマーク２２は、第２回路領域２１の内部に設けられているが、回路と無関係に別途設けられている必要はなく、回路の構成要素であって、指標として利用できるものを第２アライメントマーク２２としても良い。さらには、第２回路領域２１の外部に、第２アライメントマーク２２を設けるようにしても良い。
【００２２】
第２ノッチ２３は、第２ウェハ２０に設けられた切欠きであり、第２ウェハ２０の姿勢を外形基準で判断するときに用いられる指標である。第２ノッチ２３は、例えば第２ウェハ２０の中心を原点とする座標値として、その設計座標値が個別に管理されている。
【００２３】
図３は、本実施形態に係る基板重ね合わせ装置３０を含む基板重ね合わせシステムの概略構成図である。基板重ね合わせ装置３０は、複数の基板を互いの実装面において位置合わせをして重ね合わせる装置であり、特に半導体基板であるウェハ同士を重ね合わせて３次元実装を行うシステムの一部の装置として好適である。したがって、基板重ね合わせ装置は、位置検出装置を包含する装置である。
【００２４】
基板重ね合わせシステムは、基板重ね合わせ装置３０の他に、搬送ロボット４０とプリアライナー５０を備える。搬送ロボット４０は、ウェハおよびウェハホルダを把持することができるハンド部４０１と、伸縮および回転することにより把持したウェハおよびウェハホルダを所定の位置に所定の姿勢で搬入させるアーム部４０２とを有する。なお、ハンド部４０１は、把持する第１ウェハホルダ１０１または第２ウェハホルダ２０１の電圧印加端子に電圧を印加する電圧供給端子が備える。これにより、ハンド部４０１が、第１ウェハ１０を保持する第１ウェハホルダ１０１、または、第２ウェハ２０を保持する第２ウェハホルダ２０１を把持する場合でも、それぞれのウェハの保持を持続することができる。
【００２５】
プリアライナー５０は、観察顕微鏡５０１と載置台５０２を備える。搬送ロボット４０は、第１ウェハホルダ１０１および第１ウェハ１０を、または、第２ウェハホルダ２０１および第２ウェハ２０を、それぞれ順次または一体的に載置台５０２上に搬入する。観察顕微鏡５０１は、図示されない制御演算部に接続された撮像素子と、載置台５０２に載置されたウェハの全体像を撮像素子に結像させる光学系を有する。そして、制御演算部は、例えば載置台５０２に載置された第１ウェハ１０の全体画像を取得して、画像中の第１ノッチ１３の位置から、載置台５０２上における第１ウェハ１０の姿勢を検知する。ここで検知する第１ウェハ１０の姿勢は、少なくともＸＹ平面内における第１ウェハ１０の中心座標、回転量を含む。なお、載置台５０２に第２ウェハ２０が載置されている場合も、同様に姿勢を検知することができる。
【００２６】
基板重ね合わせ装置３０は、互いに対向して第１測定顕微鏡３０１と第２測定顕微鏡３０２を備える。第１測定顕微鏡３０１は筐体の天井フレームに固定され、第２測定顕微鏡３０２は第１ステージ３０３に設置される。第１ステージ３０３は、駆動装置３０７に設置され、制御演算部の制御によりＸＹＺ方向およびθｘθｙθｚ方向の６軸方向に移動する。ＸＹ方向の移動距離およびＺ軸周りの回転方向であるθｚ方向の回転量は、レーザー光波干渉式の測長器である干渉計３０６により、第１ステージ３０３の端部に設けられた反射ミラー３０５を用いて検出される。なお、干渉計３０６および反射ミラー３０５は、ＸＹ方向の移動量およびθｚ方向の回転量が検出できるように、適当な位置に複数設置されている。
【００２７】
第１ウェハホルダ１０１とこれに保持された第１ウェハ１０は、プリアライナー５０で姿勢の同定を受けた後に、搬送ロボット４０により把持され、ゲート３０８を通過して第１ステージ３０３に搬送される。第１ステージ３０３は、第１ウェハ１０を保持する第１ウェハホルダ１０１を真空吸着により固定する。なお、第１ステージ３０３は、第１ウェハホルダ１０１の電圧印加端子に電圧を印加する電圧供給端子を備える。これにより、第１ウェハ１０は第１ウェハホルダ１０１に固定されたままであり、相対的な位置および姿勢は維持される。
【００２８】
同様に、第２ウェハホルダ２０１とこれに保持された第２ウェハ２０は、プリアライナー５０で姿勢の同定を受けた後に、搬送ロボット４０により把持され、ゲート３０８を通過して第２ステージ３０４に搬送される。搬送ロボット４０は、この間にハンド部４０１を１８０度回転させて、第２ウェハ２０を下向きにする。第２ステージ３０４は、第１ステージ３０３に対向し筐体の天井フレームに固定されたステージであり、第２ウェハ２０を保持する第２ウェハホルダ２０１を下向きに真空吸着により固定する。なお、第２ステージ３０４は、第２ウェハホルダ２０１の電圧印加端子に電圧を印加する電圧供給端子を備える。これにより、第２ウェハ２０は第２ウェハホルダ２０１に固定されたままであり、相対的な位置および姿勢は維持される。
【００２９】
第１測定顕微鏡３０１は、図示されない制御演算部に接続された撮像素子と、第１ステージ３０３に第１ウェハホルダ１０１を介して載置された第１ウェハ１０の一部分の像を撮像素子に結像させる光学系とを備える第１撮像ユニットを構成する。同様に、第２測定顕微鏡３０２は、図示されない制御演算部に接続された撮像素子と、第２ステージ３０４に第２ウェハホルダ２０１を介して載置された第２ウェハ２０の一部分の像を撮像素子に結像させる光学系とを備える第２撮像ユニットを構成する。
【００３０】
第１測定顕微鏡３０１により第１ウェハ１０の所定の部分を観察するときには、制御演算部は、その観察部分が第１測定顕微鏡３０１の視野内に位置するように、駆動装置３０７を駆動して第１ステージ３０３を移動させる。第２測定顕微鏡３０２により第２ウェハ２０の所定の部分を観察するときには、制御演算部は、その観察部分が第２測定顕微鏡３０２の視野内に位置するように、駆動装置３０７を駆動して第１ステージ３０３を移動させる。なお、第１測定顕微鏡３０１と第２測定顕微鏡３０２のそれぞれの光軸は、互いに対向したときに一致するよう予め調整されている。
【００３１】
第１測定顕微鏡３０１は、第１ウェハ１０の第１アライメントマーク１２を少なくとも２個以上観察できるだけの画角を有する。また、これら第１アライメントマーク１２の位置を同定できるだけの分解能を有する。具体的には、例えば、第１アライメントマーク１２が５μｍの線幅で直交するマークである場合、この直交点を識別できるだけの分解能を有し、１ｍｍ角程度の視野を確保できる分解能と画角である。第２測定顕微鏡３０２の分解能と画角も、第１測定顕微鏡３０１と同様である。
【００３２】
詳細な位置合わせについては後述するが、第１測定顕微鏡３０１および第２測定顕微鏡３０２により第１ウェハ１０と第２ウェハ２０の精確な姿勢を把握し、これに基づいて第１ステージ３０３を移動することにより、向かい合う面同士を接触させる。そして、第１ウェハホルダ１０１の吸着子１１１と第２ウェハホルダ２０１のマグネット２１１を作用させることで、第１ウェハ１０および第２ウェハ２０を挟持した状態で、第１ウェハホルダ１０１と第２ウェハホルダ２０１を一体化して固定する。一体化されたウェハホルダ対は、搬送ロボット４０のハンド部４０１に把持されて、基板重ね合わせ装置３０から次工程を担う装置へ向けて搬出される。
【００３３】
図４は、第１測定顕微鏡３０１の観察像の模式図である。図は、光学系に即して円で表しているが、矩形の撮像素子上に第１アライメントマーク１２の像が少なくとも２個以上結像していれば良い。
【００３４】
制御演算部は、このような観察像を撮像素子により、一度の撮像動作によって撮像する。撮像された画像データは、測定部としての機能を担う制御演算部に送られる。制御演算部は、画像データに存在する少なくとも２個のアライメントマーク像の座標から、それぞれ実際のアライメントマークの座標値を求める。具体的には、画像処理により画像中心を基準とした第１アライメントマーク１２の基準画素値を決定し、第１測定顕微鏡３０１の光学系の倍率、撮像素子の画素ピッチ等による現実世界との倍率変換を施した後に、第１ステージ３０３の座標系に一致させる変換を行う。ここで、基準画素値とは、例えば十字で表されるアライメントマークである場合その交点を基準点とし、この基準点が画像データ上に存在する画素の座標値をいう。もちろん、基準画素値は整数値でなくても良く、十字線から交点として演算されるサブ画素オーダーの値であっても良い。
【００３５】
第１ウェハ１０は、第１ウェハホルダ１０１を介して第１ステージ３０３に固定されており、かつ、第１ステージ３０３は第１測定顕微鏡３０１に対して相対的にＸＹ平面方向に移動できる。したがって、本来、撮像素子の分解能を最大限に活用するには、視野いっぱいに一つの第１アライメントマーク１２を捉えて位置を測定し、第１ステージ３０３を移動させつつ更に別の第１アライメントマーク１２を捉えるほうが精確に姿勢を測定できるように思われる。しかしながら、このような測定方式によると第１ステージ３０３をその都度移動させる必要があるので、２つの第１アライメントマーク１２の測定座標間にはステージの移動誤差を包含することになる。また、移動を伴う分、測定に時間を要するという問題もある。
【００３６】
そこで、本実施形態のように、一度の撮像動作によって２つ以上の第１アライメントマーク１２が含まれるように、第１測定顕微鏡３０１の視野を定める。そして、それぞれの第１アライメントマーク１２の位置座標を一度に測定する。具体的には、図示するように例えば、第１アライメントマーク１４の座標Ｐ１（ｘ１，ｙ１）と第１アライメントマーク１５の座標Ｐ２（ｘ２，ｙ２）を求める。
【００３７】
座標Ｐ１と座標Ｐ２から第１ウェハ１０の姿勢を同定する演算の方法はいくつも想定される。一例としては、実際の座標値である座標Ｐ１と座標Ｐ２と、設計座標値とを比較する方法がある。第１アライメントマーク１４の第１ウェハ１０の中心に対する設計座標値、および第１アライメントマーク１５の第１ウェハ１０の中心に対する設計座標値は、予め図示しないメモリに格納されている。この場合、第１アライメントマーク１４および第１アライメントマーク１５が精確にマークされていると仮定すると、２つの座標Ｐ１、Ｐ２を測定しメモリに格納された設計座標値と比較することにより、第１ウェハ１０の姿勢を同定することができる。例えば、第１ウェハ１０を第１ステージ３０３に載置するときに、第１ウェハ１０の直交座標系を第１ステージ３０３の直交座標系と一致させることを制御目標としたとする。この場合、制御目標通りに制御できていれば設計座標値と実際の座標値は一致する。逆に、一致していなければ、その誤差量が制御目標値に対するずれとなるので、第１ステージ３０３の座標系に対する第１ウェハ１０の中心位置、および第１ウェハ１０の回転量を定めることができる。
【００３８】
別の例としては、特定の位置関係にあるアライメントマークを観察する方法がある。プリアライナー５０では第１ウェハ１０の全体像を取得するので、このときに、第１ウェハ１０の直交座標系においていずれかの軸に並行に存在する第１アライメントマーク１４と第１アライメントマーク１５を見つけておく。第１ウェハ１０を第１ステージ３０３に載置するときに、第１ウェハ１０の直交座標系を第１ステージ３０３の直交座標系と一致させることを制御目標としたとすると、これらのアライメントマークを測定した２つの座標Ｐ１、Ｐ２を結ぶ直線の傾きが第１ステージ３０３の座標系に対する第１ウェハ１０の回転量であると判定できる。また、同時に２つの座標Ｐ１、Ｐ２を結ぶ直線と、第１ステージ３０３の直交座標系との交点から、第１ステージ３０３の座標系に対する第１ウェハ１０の中心位置を求めることができる。このような方法であれば、第１アライメントマーク１４、１５の設計座標値を予め格納しておかなくても良い。なお、制御目標として、第１ウェハ１０の直交座標系を第１ステージ３０３の直交座標系に対して回転量を与える場合であっても、その回転量を加味することにより、第１ステージ３０３の座標系に対する第１ウェハ１０の中心位置、および第１ウェハ１０の回転量を定めることができる。
【００３９】
ただし、第１アライメントマーク１４および第１アライメントマーク１５が、実際には設計座標値とずれてマークされていることもあり得る。この場合、例えば測定する座標をさらに増やし、最小二乗法等を用いてより確からしい近似直線を求めて、第１ステージ３０３の座標系に対する第１ウェハ１０の中心位置、および第１ウェハ１０の回転量を定めるようにしても良い。
【００４０】
同様に、第２アライメントマーク２２を測定することにより、第２ステージ３０４の座標系に対する第２ウェハ２０の中心位置、および第２ウェハ２０の回転量を定めることができる。ただし、第１ウェハ１０の姿勢同定と、第２ウェハ２０の姿勢同定は別個独立に行う場合には、以下の問題を生じる恐れがある。
【００４１】
すなわち、互いに対応する第１アライメントマーク１２と第２アライメントマーク２２を位置合わせするには、第１ステージ３０３を移動させる。このとき互いの位置合わせに求められる精度は、第１回路領域１１および第２回路領域２１の線幅に依存する。この線幅の精度で第１ステージ３０３の移動を検出できるセンサとしてレーザー光波干渉式の干渉計３０６を用いるが、この干渉計３０６は第１ステージ３０３の回転に対する敏感度が非常に高い。具体的には、第１ステージ３０３が±０．５ｍｒａｄ以上回転すると、その回転量を検出できなくなる。したがって、せっかく第１ウェハ１０および第２ウェハ２０の精確な姿勢を同定できたとしても、位置合わせに必要な第１ステージ３０３の回転量が１ｍｒａｄを超えてしまうと、結果的に位置合わせが行えないことになる。
【００４２】
このような問題を回避すべく、以下の工程により第１ウェハ１０と第２ウェハ２０の位置合わせを実行する。図５は、本実施形態に係る位置合わせ工程を示すフロー図である。なお、特に説明を加える場合を除き、各ステップの処理は、制御演算部が直接に実行するかまたは各要素の制御を実行する。
【００４３】
基板重ね合わせシステムにより位置合わせ工程が開始されると、ステップＳ１０１ではまず、搬送ロボット４０によりプリアライナー５０に搬入された、第１ウェハホルダ１０１に保持された第１ウェハ１０の姿勢を計測する。ここでの姿勢計測は、観察顕微鏡５０１を用いて取得した第１ウェハ１０の全体画像から、画像中の第１ノッチ１３の位置を基準に、ＸＹ平面内における第１ウェハ１０の中心座標と回転量を求める。
【００４４】
ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で計測した第１ウェハ１０の中心座標と回転量に基づいて、第１ステージ３０３上の目標位置までの搬送パスを生成する。なお、目標位置は、第１ステージ３０３上での第１ウェハ１０の回転量を含む。
【００４５】
搬送ロボット４０は、生成された搬送パスに従って、第１ステージ３０３上の目標位置へ第１ウェハ１０を保持した第１ウェハホルダ１０１を搬入する。そして、第１ステージ３０３は、第１ウェハホルダ１０１を、真空吸着により固定する。
【００４６】
ステップＳ１０２により第１ウェハ１０が第１ステージ３０３上に搬入されて固定されると、ステップＳ１０３により第１ステージ３０３上での第１ウェハ１０の姿勢を精確に計測する。
【００４７】
プリアライナー５０の観察顕微鏡５０１による第１ノッチ１３基準の姿勢計測は、第１ウェハ１０の全体を観察して実行されるので、第１アライメントマーク１２基準の姿勢計測よりも精度が粗い。また、ステップＳ１０２で生成された搬送パスに沿った搬送ロボット４０の搬送制御にも、目標位置に対する誤差が累積される。したがって、第１ウェハ１０と第２ウェハ２０の位置合わせに求められる精度に追い込むべく、第１ステージ３０３上で第１アライメントマーク１２を基準として、再度第１ウェハ１０の姿勢を精確に計測する。
【００４８】
具体的には、上述のように、第１測定顕微鏡３０１の視野内に２つ以上の第１アライメントマーク１２が含まれるように第１ステージ３０３を移動する。そして、一度の撮像動作によって取得した画像データから第１アライメントマーク１２の座標を求めた上で、第１ウェハ１０の中心位置、および第１ウェハ１０の回転量を計測する。
【００４９】
ステップＳ１０４では、第１ウェハ１０の実際の姿勢と目標姿勢を比較する。具体的には、予め定められた目標姿勢に対する回転許容誤差量Ｒ０よりも、実際の姿勢の目標姿勢に対する回転誤差量Ｒ１が小さいか否かを判断する。小さい場合にはステップＳ１０６へ進み、大きい場合にはステップＳ１０５へ進む。なお、回転許容誤差量Ｒ０は、例えば、干渉計３０６が第１ステージ３０３の位置計測をできなくなる回転量の半分の値に設定される。
【００５０】
ステップＳ１０５では、第１ステージ３０３上に載置された第１ウェハホルダ１０１を、第１ウェハ１０ごとプリアライナー５０へ戻す。そして、ステップＳ１０１から再び第１ステージ３０３への搬入工程をやり直す。
【００５１】
ステップＳ１０６からは、第２ウェハ２０の姿勢同定を行う。ステップＳ１０６では、搬送ロボット４０によりプリアライナー５０に搬入された、第２ウェハホルダ２０１に保持された第２ウェハ２０の姿勢を計測する。ここでの姿勢計測は、観察顕微鏡５０１を用いて取得した第２ウェハ２０の全体画像から、画像中の第２ノッチ２３の位置を基準に、ＸＹ平面内における第２ウェハ２０の中心座標と回転量を求める。
【００５２】
ステップＳ１０７では、ステップＳ１０６で計測した第２ウェハ２０の中心座標と回転量、およびステップＳ１０３で計測した第１ウェハ１０の中心座標と回転量に基づいて、第２ステージ３０４上の目標位置までの搬送パスを生成する。つまり、第１ウェハ１０が第１ステージ３０３上において、目標姿勢に対して回転誤差量Ｒ１を有することが検出されていれば、これを相殺するように、第２ウェハ２０の目標姿勢に加味して搬送パスを生成する。なお、この搬送パスは、第２ウェハ２０を保持する第２ウェハホルダ２０１を１８０度回転させて、第２ウェハ２０を下向きにする動作を含む。
【００５３】
搬送ロボット４０は、生成された搬送パスに従って、第２ステージ３０４上の目標位置へ第２ウェハ２０を保持した第２ウェハホルダ２０１を搬入する。そして、第２ステージ３０４は、第２ウェハホルダ２０１を、真空吸着により固定する。
【００５４】
ステップＳ１０７により第２ウェハ２０が第２ステージ３０４上に搬入されて固定されると、ステップＳ１０８により第２ステージ３０４上での第２ウェハ２０の姿勢を精確に計測する。具体的には、第２測定顕微鏡３０２の視野内に２つ以上の第２アライメントマーク２２が含まれるように第１ステージ３０３を移動する。そして、一度の撮像動作によって取得した画像データから第２アライメントマーク２２の座標を求めた上で、第２ウェハ２０の中心位置、および第２ウェハ２０の回転量を計測する。
【００５５】
ステップＳ１０９では、第２ウェハ２０の実際の姿勢と目標姿勢を比較する。具体的には、予め定められた目標姿勢に対する回転許容誤差量Ｒ０よりも、実際の姿勢の目標姿勢に対する回転誤差量Ｒ２が小さいか否かを判断する。小さい場合にはステップＳ１１１へ進み、大きい場合にはステップＳ１１０へ進む。
【００５６】
ステップＳ１１０では、第２ステージ３０４上に載置された第２ウェハホルダ２０１を、第２ウェハ２０ごとプリアライナー５０へ戻す。そして、ステップＳ１０６から再び第２ステージ３０４への搬入工程をやり直す。
【００５７】
ステップＳ１０９までの工程で、第１ステージ３０３上の第１ウェハ１０の位置姿勢および第２ステージ３０４上の第２ウェハ２０の位置姿勢が精確に把握できる。また、第１ウェハ１０と第２ウェハ２０の相対的なずれは、第１ステージ３０３の回転許容角以内であることが保障される。そこで、ステップＳ１１１では、第１ステージ３０３を移動させることにより、第２ウェハ２０の第２アライメントマーク２２のそれぞれを、第１ウェハ１０の対応する第１アライメントマーク１２に対向させる。
【００５８】
そして、ステップＳ１１２で、第１ステージ３０３をＺ軸方向に移動させて、第１ウェハ１０と第２ウェハ２０を接触させ、仮接合を行う。仮接合が完了すると、ステップＳ１１３で、第１ウェハホルダ１０１の吸着子１１１と、第２ウェハホルダ２０１のマグネット２１１を作用させてクランプを行う。クランプが行われた第１ウェハホルダ１０１と第２ウェハホルダ２０１は、第１ウェハ１０と第２ウェハ２０を挟持して、一体的に固定される。
【００５９】
一体化されたウェハホルダ対は、第２ステージ３０４の吸着を離れ、第１ステージ３０３の降下に伴って引き下げられ、ステップＳ１１４で、搬送ロボット４０のハンド部４０１に把持されて、基板重ね合わせ装置３０から次工程を担う装置へ向けて搬出される。以上により一連の処理を終了する。
【００６０】
なお、上述のように、第１アライメントマーク１２とこれに対応する第２アライメントマーク２２はそれぞれ複数設けられているが、これらは設計値通りの位置に設けられているとは限らない。そこで、互いの位置合わせにおいては、例えば互いに対応するアライメントマーク同士の距離が全体として最小値となるように位置合わせされる。
【００６１】
本実施形態においては、第１ウェハ１０を第１ステージ３０３により移動させて第２ウェハ２０に位置合わせするので、第２アライメントマーク２２に対する第１アライメントマーク１２の位置ずれを相対誤差とする。この相対誤差は、主要な誤差パラメータとして、第１ウェハ１０の回転による回転量θとｘ方向及びｙ方向へのオフセットによるオフセット量（ｘ０，ｙ０）により、近似的に表現される。以下、これらを誤差パラメータとした例を説明する。
【００６２】
第２ウェハ２０上に測定対象とする３つの第２アライメントマーク２６、２７、２８が設けられており、それぞれの座標値を、（ｘ２１，ｙ２１），（ｘ２２，ｙ２２），（ｘ２３，ｙ２３）とする。また、これらに対応する第１アライメントマーク１６、１７、１８が、第１ウェハ１０に設けられており、それぞれの座標値を、（ｘ１１，ｙ１１），（ｘ１２，ｙ１２），（ｘ１３，ｙ１３）とする。また、回転量θとオフセット量（ｘ０，ｙ０）を用いた座標変換式により第１アライメントマーク１６、１７、１８の座標値を変換した座標値をそれぞれ（ｘｃ１，ｙｃ１），（ｘｃ２，ｙｃ２），（ｘｃ３，ｙｃ３）とする。このとき、座標変換式は（１）式で表される。
【数１】
2011021916.tif 000003
ただし、ｎ＝１，２，３
（１）
【００６３】
誤差パラメータであるθと（ｘ０，ｙ０）は、第２アライメントマーク２６、２７、２８の座標値を用いて、以下の式（２）で表される残差平方和が最小となるものとして求められる。
【数２】
2011021916.tif 000004
（２）
【００６４】
具体的には、最小二乗法などの公知の統計的手法により算出されるので、詳細については省略する。
【００６５】
このようにして誤差パラメータであるθと（ｘ０，ｙ０）が定まると、（１）式の座標変換式が確定する。これにより、第１ウェハ１０と第２ウェハ２０の相対的な姿勢差に加え、この算出された誤差パラメータ分を加味して第１ステージ３０３を移動させることにより、互いのアライメントマークの一致度がより高い位置合わせを実現することができる。このような誤差パラメータを加味した位置合わせを行う場合は、ステップＳ１１１に上記の演算工程を加えて実行する。このとき、対象とする互いに対応する複数のアライメントマークは、第１ステージ３０３を移動させつつ、第１測定顕微鏡３０１および第２測定顕微鏡３０２を用いて、順次その位置を計測する作業を含む。
【００６６】
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。
【００６７】
なお上述の各処理の実行順序は、特段明示し場合を除き任意の順序で実現し得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「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】
【００６８】
１０  第１ウェハ、１１  第１回路領域、１２  第１アライメントマーク、１３  第１ノッチ、１４、１５、１６、１７、１８  第１アライメントマーク、２０  第２ウェハ、２１  第２回路領域、２２  第２アライメントマーク、２３  第２ノッチ、２６、２７、２８  第２アライメントマーク、３０  基板重ね合わせ装置、４０  搬送ロボット、５０  プリアライナー、１０１  第１ウェハホルダ、１１０  ホルダ本体、１１１  吸着子、２０１  第２ウェハホルダ、２１０  ホルダ本体、２１１  マグネット、３０１  第１測定顕微鏡、３０２  第２測定顕微鏡、３０３  第１ステージ、３０４  第２ステージ、３０５  反射ミラー、３０６  干渉計、３０７  駆動装置、３０８  ゲート、４０１  ハンド部、４０２  アーム部、５０１  観察顕微鏡、５０２  載置台
【図１】
2011021916.tif 000005
【図２】
2011021916.tif 000006
【図３】
2011021916.tif 000007
【図４】
2011021916.tif 000008
【図５】
2011021916.tif 000009