(57)【要約】【課題】基板のアライメント精度を高める。【解決手段】観察対象における視野領域の画像を取得する画像取得部と、視野領域の中心に対して互いに直交する２方向にそれぞれずれたＸ観察位置からの画像の位相差検出およびＹ観察位置からの画像の位相差検出のいずれかを、対象に応じて切り替えて用いることにより、画像取得部の焦点を観察対象に合わせる合焦部とを備える顕微鏡が提供される。Ｘ観察位置およびＹ観察位置は、視野領域の外側に配される。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象における視野領域の画像を取得する画像取得部と、
前記視野領域の中心からずれた複数の観察位置からの画像のそれぞれの位相差検出のいずれかを、前記対象に応じて切り替えて用いることにより、前記画像取得部の焦点を前記観察対象に合わせる合焦部と
を備える顕微鏡。
【請求項２】
前記複数の観察位置は、前記視野領域の外側に配される請求項１に記載の顕微鏡。
【請求項３】
前記複数の観察位置は、前記視野領域の中心に対して互いに直交する２方向にそれぞれずれたＸ観察位置およびＹ観察位置を含む請求項１または２に記載の顕微鏡。
【請求項４】
前記画像取得部は、前記観察対象としての基板に記された指標の画像を取得し、
前記合焦部は、前記指標の向きから前記基板のスクライブラインが延伸している方向を検出し、前記Ｘ観察位置および前記Ｙ観察位置のうち、前記スクライブラインが延伸している方向に対応した少なくともいずれか一方における画像の位相差検出により、前記画像取得部の焦点を前記観察対象に合わせる請求項３に記載の顕微鏡。
【請求項５】
前記合焦部は、前記スクライブラインが互いに直交している２方向に延伸していることが検出された場合に、前記Ｘ観察位置からの画像の位相差検出および前記Ｙ観察位置からの画像の位相差検出の平均を用いて、前記画像取得部の焦点を前記観察対象に合わせる請求項４に記載の顕微鏡。
【請求項６】
前記合焦部は、前記複数の観察位置のうち、コントラストが高い観察位置からの画像の位相差検出に基づいて、前記画像取得部の焦点を前記観察対象に合わせる請求項１から４のいずれかに記載の顕微鏡。
【請求項７】
前記複数の観察位置は前記視野領域の中心を挟んで両側に一対の観察位置を有し、
前記合焦部は、前記一対の観察位置からの画像の位相差検出の平均を用いて、前記画像取得部の焦点を前記観察対象に合わせる請求項１または２に記載の顕微鏡。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の顕微鏡を備え、
前記顕微鏡を用いて複数の基板の位置合せを行い、前記複数の基板を貼り合せる
基板貼り合せ装置。
【請求項９】
請求項８に記載の基板貼り合せ装置を用いて積層半導体装置を製造する製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の製造方法により製造される積層半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡、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】
半導体装置の実装密度を高める目的で、電子回路が形成された複数の基板を積層した積層型の半導体装置が注目されている。複数の基板を積層する場合に、基板同士を位置合せして貼り合せる基板貼り合せ装置を用いる。当該基板貼り合わせ装置の基板同士の位置合せにおいて、顕微鏡により観察した画像に基づいて基板の位置が算出される。（例えば、特許文献１を参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］  特開２００９−２３１６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
接合すべき基板は、基板同士の接合ポイントとして、表面に複数のバンプ等の突起が形成されている。基板の位置合せ過程において、顕微鏡により観察された場所にこのような突起が存在すると、顕微鏡の焦点がうまく合わず、正確に基板の位置を検出することができないおそれがある。
【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、観察対象における視野領域の画像を取得する画像取得部と、視野領域の中心からずれた複数の観察位置からの画像のそれぞれの位相差検出のいずれかを、対象に応じて切り替えて用いることにより、画像取得部の焦点を観察対象に合わせる合焦部とを備える顕微鏡が提供される。
【０００５】
本発明の第２の態様においては、上記顕微鏡を備え、上記顕微鏡を用いて複数の基板の位置合せを行い、基板を貼り合せる基板貼り合せ装置が提供される。
【０００６】
本発明の第３の態様においては、上記基板貼り合せ装置を用いて積層半導体装置を製造する製造方法が提供される。
【０００７】
本発明の第４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。
【０００８】
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】
【０００９】
【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】ステージ装置１４０の構造を概略的に示す正面図である。
【図３】第１顕微鏡３４２により第２基板１２３の表面に設けられたアラインメントマークを観察する概念図である。
【図４】第２顕微鏡３４４により第１基板１２２の表面に設けられたアラインメントマークを観察する概念図である。
【図５】第１顕微鏡３４２の光学系を概略的に示す。
【図６】スリット４１８の正面図である。
【図７】第２基板１２３に投影されるスリット４１８の像である。
【図８】遮光板４４２の平面図である。
【図９】ラインセンサーが瞳分割プリズム４４６により分割されるスリット像を検出することを概略的に示す。
【図１０】アライメントマーク７１４がＹ軸に沿ったスクライブライン７１２上にある場合の焦点合わせの例を示す。
【図１１】アライメントマーク７２４がＸ軸に沿ったスクライブライン７２２上にある場合の焦点合わせの例を示す。
【図１２】アライメントマーク７３４がスクライブライン７１２とスクライブライン７２２の交点にある場合の焦点合わせの例を示す。
【図１３】同一のスクライブライン７１２上に二つの焦点検出領域を設ける例を示す。
【図１４】積層半導体装置の製造方法を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
図１は、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。
【００１２】
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。
【００１３】
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、ステージ装置１４０、基板ホルダラック１２８および基板取り外し部１３０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。
【００１４】
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が確実に第１基板１２２または第２基板１２３の位置決めをすることができる。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
基板取り外し部１３０は、高温部１０６の加圧部２４０から搬出された上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５に挟まれて貼り合わされた第１基板１２２および第２基板１２３（積層基板と記載することがある）を取り出す。上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５から取り出された積層基板は、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。積層基板を取り出された上基板ホルダ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。基板取り外し部１３０は、基板ホルダラック１２８の上方に配される。
【００１８】
なお、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。
【００１９】
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、基板取り外し部１３０およびエアロック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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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は、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に、対向するように配置される。
【００２３】
高温部１０６は、断熱壁１０８、エアロック２２０、ロボットアーム２３０および複数の加圧部２４０を有する。断熱壁１０８は、高温部１０６を包囲して、高温部１０６の高い内部温度を維持すると共に、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。
【００２４】
ロボットアーム２３０は、加圧部２４０のいずれかとエアロック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。エアロック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。
【００２５】
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をエアロック２２０に搬入する。次に、常温部１０４側のシャッタ２２２が閉じられ、高温部１０６側のシャッタ２２４が開かれる。
【００２６】
続いて、ロボットアーム２３０が、エアロック２２０から第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を搬出して、加圧部２４０のいずれかに装入する。加圧部２４０は、上基板ホルダ１２４と下基板ホルダ１２５に挟まれた状態で加圧部２４０に搬入された第１基板１２２及び第２基板１２３を加熱および加圧する。これにより第１基板１２２と第２基板１２３が接合されて、貼り合わされる。なお、加圧部２４０は、第１基板１２２及び第２基板１２３を加熱せずに加圧することで第１基板１２２及び第２基板１２３を貼り合せてもよい。
【００２７】
高温部１０６から常温部１０４に積層基板を搬出する場合は、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、高温部１０６の内部雰囲気を常温部１０４側に漏らすことなく、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を高温部１０６に搬入または搬出できる。
【００２８】
このように、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、静電吸着等により上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５を吸着して保持してよい。
【００２９】
図２は、ステージ装置１４０の構造を概略的に示す。ステージ装置１４０は、本体３１０の内側に配された第１ステージ１４１と、第２ステージ１４２と、制御部１４８と、平行基準マーク１５２と、第１顕微鏡３４２と、第２顕微鏡３４４と、干渉計３７０と、第１固定鏡３７４と、第２固定鏡３７６とを備える。
【００３０】
本体３１０は、互いに平行で水平な天板３１２および底板３１６と、天板３１２および底板３１６を結合する複数の支柱３１４とを備える。天板３１２、支柱３１４および底板３１６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。なお、基板貼り合せ装置１００に組み込まれた場合は、支柱３１４相互の間は断熱壁１４５により封止される。
【００３１】
第１ステージ１４１は、天板３１２の下面に固定される。第１ステージ１４１は、真空吸着により第１基板１２２を下面に保持する上基板ホルダ１２４を吸着する。当該吸着方法は、静電吸着であってもよい。
【００３２】
第２ステージ１４２は、第１ステージ１４１に対向して昇降部３６０に配される。昇降部３６０は、底板３１６の上に載置され、底板に対して固定されたガイドレール３５２に案内されつつＸ方向に移動するＸステージ３５４と、Ｘステージ３５４の上でＹ方向に移動するＹステージ３５６の上に載置される。よって、第２ステージ１４２は、制御部１４８の制御により、ＸＹ平面上の任意の方向に移動でき、Ｚ方向にも移動できる。Ｚ方向の移動距離は変位センサー３７２により検知できる。変位センサー３７２が検出したデータが制御部１４８にフィードバックされる。
【００３３】
第２ステージ１４２は、真空吸着等により下基板ホルダ１２５を保持し、下基板ホルダ１２５は、静電吸着により第２基板１２３を保持する。昇降部３６０は、制御部１４８からの指示に応じて、第２ステージ１４２をＺ方向に昇降する。昇降部３６０の駆動形式の例として、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）による駆動、シリンダー及びピストンによる駆動等が挙げられる。第２ステージ１４２は、粗動微動分離駆動機構を有してよい。
【００３４】
第２ステージ１４２は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸を回転軸として回転する機能を有する。第２ステージ１４２の上面には、３つ以上の平行基準マーク１５２が設けられる。平行基準マーク１５２は、一直線にならないように設けられる。平行基準マーク１５２は、第２ステージ１４２の平行基準位置を設定するのに用いられる。平行基準マーク１５２の上面は、高精度に平面に加工され、アラインメント用マークが設けられる。全ての平行基準マーク１５２の上面は、第２ステージ１４２に対して同じ高さを有するように設定される。
【００３５】
第１顕微鏡３４２は、天板３１２の下面に、第１ステージ１４１に対して既知の間隔をおいて固定される。第１顕微鏡３４２は、オートフォーカスセンサーを有する。
【００３６】
図３は、第１顕微鏡３４２により第２基板１２３の表面に設けられたアラインメントマークを観察する概念図である。図３に示すように、第１顕微鏡３４２は、第２ステージ１４２に保持された第２基板１２３の表面に設けられたアラインメントマークを観察して、その位置、距離を計測する。第１顕微鏡３４２により計測される位置、距離のデータは、制御部１４８に送信される。
【００３７】
第１顕微鏡３４２は、平行基準マーク１５２の上面に設けられるアラインメントマークを観察して、その位置、距離を計測する。第１顕微鏡３４２により計測される位置、距離のデータは、制御部１４８に送信される。制御部１４８は、受信したデータに基づいて、各平行基準マーク１５２に対して第１顕微鏡３４２が計測した距離が一定になるように第２ステージ１４２を制御することにより、第２ステージ１４２を水平にすることができる。この水平位置は、第１ステージ１４１の表面と第２ステージ１４２の表面の平行合わせの原点位置となる。
【００３８】
第２顕微鏡３４４は、第２ステージ１４２に固定され、第２ステージ１４２と共に移動する。第２顕微鏡３４４は、オートフォーカスセンサーを有する。
【００３９】
図４は、第２顕微鏡３４４により第１基板１２２の表面に設けられたアラインメントマークを観察する概念図である。図４に示すように、第２顕微鏡３４４は、第１ステージ１４１に保持された第１基板１２２の表面に設けられたアラインメントマークを観察して、その位置、距離を計測することができる。第２顕微鏡３４４により計測される位置、距離のデータは、制御部１４８に送信される。制御部１４８は、受信したデータに基づいて、第２ステージ１４２を制御する。
【００４０】
図２の制御部１４８は、干渉計３７０、変位センサー３７２、第１顕微鏡３４２及び第２顕微鏡３４４により送信されるデータに基づいて、第２ステージ１４２を精密に制御する。制御部１４８は、上記データに基づいて、上基板ホルダ１２４を介して第１ステージ１４１に保持された第１基板１２２の表面と、下基板ホルダ１２５を介して第２ステージ１４２に保持された第２基板１２３の表面との間の間隔を計算することができる。
【００４１】
図５は、第１顕微鏡３４２の光学系を概略的に示す。第１顕微鏡３４２は、画像取得部４０２と、合焦部４０４とを備える。
【００４２】
画像取得部４０２は、光源４１２と、絞り４１４と、コンデンサレンズ４１６と、スリット４１８と、ミラー４２２と、リレーレンズ４２４と、ハーフミラー４２６と、第１対物レンズ４２８と、ハーフプリズム４３２と、制御部１４８とを含む。画像取得部４０２は、第２基板１２３における視野領域の画像を取得する。
【００４３】
光源４１２は、第１顕微鏡３４２により観察する視野を照らす光を発する。光源４１２から発した光は、絞り４１４により予め定められたサイズの光束に絞られ、コンデンサレンズ４１６により集束され、スリット４１８によりスリット像を形成する。当該スリット像は、ミラー４２２により反射され、リレーレンズ４２４、ハーフミラー４２６及び第１対物レンズ４２８を通って、第２基板１２３に投影される。
【００４４】
図６は、スリット４１８の正面図である。スリット４１８は、円盤状を有し、円盤面上に開口５１２と、開口５１４と、開口５１６が設けられる。開口５１２、開口５１４及び開口５１６を通過する光は、三つの光束に分けられる。開口５１２及び開口５１４の面積は、開口５１６の面積より小さい。
【００４５】
図７は、第２基板１２３に投影されるスリット４１８の像である。第２基板１２３には、上述の三つの光束により照射され、焦点検出領域５２２、焦点検出領域５２４及びマーク観察領域５２６が形成される。焦点検出領域５２２及び焦点検出領域５２４の面積は、マーク観察領域５２６の面積より大きい。
【００４６】
図５に示すように、第１対物レンズ４２８により、焦点検出領域５２２、焦点検出領域５２４及びマーク観察領域５２６から取得された第２基板１２３の画像は、ハーフミラー４２６とハーフプリズム４３２によって、それぞれ制御部１４８及び合焦部４０４に送られる。制御部１４８は、マーク観察領域５２６から取得した画像に基づいて、第２ステージ１４２を駆動して、第１基板１２２に対する第２基板１２３の位置合せを行う。一方、合焦部４０４に送られる画像は、第１顕微鏡３４２の焦点合わせに用いられる。
【００４７】
合焦部４０４は、第２対物レンズ４３６と、ミラー４３８と、遮光板４４２と、リレーレンズ４４４と、瞳分割プリズム４４６と、ハーフプリズム４４８と、リレーレンズ４５２と、ラインセンサー４５４と、リレーレンズ４５６と、ラインセンサー４５８とを含む。合焦部４０４は、画像取得部４０２から送られる第２基板１２３の画像に基づいて、第１顕微鏡３４２の焦点を第２基板１２３に合わせる。図５に示すように、合焦部４０４に送られる画像は、第２対物レンズ４３６により再度結像され、ミラー４３８によって反射されて遮光板４４２に送られる。
【００４８】
図８は、遮光板４４２の平面図である。遮光板４４２は、円盤状を有し、円盤面上に開口５４２及び開口５４４が設けられる。遮光板４４２は、マーク観察領域５２６により形成される像５３６を遮断して、開口５４２及び開口５４４により、焦点検出領域５２２及び焦点検出領域５２４から形成される像５３２と像５３４を通過させる。
【００４９】
像５３２及び像５３４は、リレーレンズ４４４により再度結像され、瞳分割プリズム４４６により分割される。分割された像は、ハーフプリズム４４８により二つに分離される。ハーフプリズム４４８により反射される像は、リレーレンズ４５２によりラインセンサー４５４に結像される。ハーフプリズム４４８を透過する像は、リレーレンズ４５６によりラインセンサー４５８に結像される。
【００５０】
図９は、ラインセンサーが瞳分割プリズム４４６により分割されるスリット像を検出することを概略的に示す。図８における像５３２は、瞳分割プリズム４４６により分割像６１２及び分割像６２２に分割される。像５３４は、瞳分割プリズム４４６により分割像６１４及び分割像６２４に分割される。
【００５１】
図５のハーフプリズム４４８により反射され、リレーレンズ４５２によりラインセンサー４５４に投影される像においても、ハーフプリズム４４８を透過して、リレーレンズ４５６によりラインセンサー４５８に投影される像においても、同じく、図９に示すように、分割像６１２と分割像６２２のペアー及び分割像６１４と分割像６２４のペアーが現れる。図９の実線で示すように、ラインセンサー４５８はそのうち分割像６１２と分割像６２２のペアーを検出し、破線で示すように、ラインセンサー４５４は分割像６１４と分割像６２４のペアーを検出する。出力信号６５０は、ラインセンサー４５８又はラインセンサー４５４の出力信号であり、分割像６１２と分割像６２２のペアー又は分割像６１４と分割像６２４のペアーに対応する位置に、ラインセンサー４５８又はラインセンサー４５４が検出した光の強度を表す二つのピーク６５６及びピーク６５８を有する。
【００５２】
ピーク６５６とピーク６５８との間隔ａは、分割像６１２と分割像６２２（又は分割像６１４と分割像６２４）の間の位相差に対応する。ピーク６５６とピーク６５８との間隔ａの大きさに基づいて第１顕微鏡３４２のデフォーカス量が検出できる。即ち、第２基板１２３における焦点検出領域５２２又は５２４が第１顕微鏡３４２の焦点に対して、前ピンか後ピンか及びどれだけずれているかを検出することができる。検出したデフォーカス量の情報が制御部１４８に送信される。制御部１４８は、その情報に基づいて、第２ステージ１４２を上下に移動して、第２基板１２３を第１顕微鏡３４２の焦点に合わせる。また、第１顕微鏡３４２は、合焦位置にある第２基板１２３と第１顕微鏡３４２との相対距離を検出することができる。
【００５３】
同様に、第２顕微鏡３４４も、図５に示す光学系を有し、第１基板１２２に対するデフォーカス量を検出することができ、その情報を制御部１４８に送信する。制御部１４８は、その情報に基づいて、第２ステージ１４２を上下に移動して、第１基板１２２を第２顕微鏡３４４の焦点に合わせる。第２顕微鏡３４４は、合焦位置にある第１基板１２２と第２顕微鏡３４４の相対距離を検出することができる。制御部１４８は、第１顕微鏡３４２及び第２顕微鏡３４４の検出結果に基づいて、第１基板１２２と１２３との相対位置を算出して、第１基板１２２と１２３の位置合せをして、重ね合わせることができる。
【００５４】
第２基板１２３は、第１基板１２２と接合すべきポイントとして、表面に複数のバンプを有する。第１顕微鏡３４２の焦点検出領域５２２および焦点検出領域５２４にバンプが存在すると、バンプによる第２基板１２３表面の凹凸により、第１顕微鏡３４２が正確にデフォーカス量を検出することができず、制御部１４８は正確に第２ステージ１４２を制御することができない。焦点検出領域５２２又は焦点検出領域５２４が、凹凸のないスクライブライン上に設けられることが望ましい。
【００５５】
図１０は、アライメントマーク７１４がＹ軸に沿ったスクライブライン７１２上に配置された場合の焦点合わせの例を示す。図１０は、第２基板１２３の表面に形成された直交するスクライブラインがそれぞれＸとＹ軸方向に沿うように第２基板１２３をプリアライメントした後、アライメントマーク７１４をマーク観察領域５２６の中心に移動した状態を示す。この場合に、焦点検出領域５２２はちょうどスクライブライン７１２上に位置することになる。一方、焦点検出領域５２４は、バンプなどの凹凸を含む可能性がある。よって、この場合には、焦点検出領域５２２から取得した画像により第１顕微鏡３４２の焦点を合わせると、第２基板１２３の表面に存在する凹凸による検出誤差を回避することができる。
【００５６】
制御部１４８は、図９に示すように、ラインセンサー４５８が検出した分割像６１２と分割像６２２の間隔ａ、即ち分割像６１２と分割像６２２の間の位相差に基づいて、デフォーカス量を算出する。そして、制御部１４８は、そのデフォーカス量に基づいて、第２ステージ１４２を制御して、アライメントマーク７１４を第１顕微鏡３４２の焦点に合わせる。一旦、焦点を合わせれば、アライメントマーク７１４自体に凹凸があったとしても、焦点深度内に入るので、十分に位置を検出できる。
【００５７】
図１１は、アライメントマーク７２４がＸ軸に沿ったスクライブライン７２２上に配置された場合の焦点合わせの例を示す。図１１は、第２基板１２３の表面に形成された直交するスクライブラインがそれぞれＸとＹ軸方向に沿うように第２基板１２３をプリアライメントした後、アライメントマーク７２４をマーク観察領域５２６の中心に移動した状態を示す。この場合に、焦点検出領域５２４はちょうどスクライブライン７２２上に位置することになる。一方、焦点検出領域５２２は、スクライブラインのない位置にあるので、焦点検出領域５２２にはバンプなどの凹凸を含む可能性がある。よって、この場合には、焦点検出領域５２４から取得した画像により第１顕微鏡３４２の焦点を合わせると、第２基板１２３の表面に存在する凹凸による検出誤差を回避することができる。
【００５８】
制御部１４８は、図９において破線で示すように、ラインセンサー４５４が検出した分割像６１４と分割像６２４の間隔ａ、即ち分割像６１４と分割像６２４の間の位相差に基づいて、デフォーカス量を算出する。そして、制御部１４８は、そのデフォーカス量に基づいて、第２ステージ１４２を制御して、アライメントマーク７２４を第１顕微鏡３４２の焦点に合わせる。
【００５９】
図１０及び図１１から分かるように、本実施形態においては、焦点検出領域５２４は、マーク観察領域５２６の中心からＸ方向に延伸する直線上に配置され、焦点検出領域５２２は、マーク観察領域５２６の中心からＹ方向に延伸する直線上に配置されている。従って、図１１に示すように、Ｘ方向に延伸するスクライブライン７２２に設けられたアライメントマーク７２４であっても、図１０に示すように、Ｙ方向に延伸するスクライブライン７１２に設けられたアライメントマーク７１４であっても、アライメントマークがマーク観察領域５２６の中心に配置されれば、焦点検出領域５２２と焦点検出領域５２４のいずれかがスクライブライン上に位置することになる。当該スクライブライン上の焦点検出領域から取得する画像が焦点合わせに利用されることにより、正確な焦点合わせが実現できる。よって、第２基板１２３にバンプ等の凹凸があっても、ステージ装置１４０は、第１顕微鏡３４２の焦点を正確にアライメントマーク７１４及びアライメントマーク７２４に合わせることができるので、アライメントマーク７１４及びアライメントマーク７２４に基づいて第２基板１２３の位置合せを正確に行うことができる。
【００６０】
即ち、合焦部４０４は、視野領域であるマーク観察領域５２６の中心に対して互いに直交するＸ方向及びＹ方向にそれぞれずれた焦点検出領域５２４からの画像の位相差検出および焦点検出領域５２２からの画像の位相差検出のいずれかを、マーク観察領域５２６により観察されるアライメントマークが位置するスクライブラインの延伸方向に応じて切り替えて用いることにより、第１顕微鏡３４２の焦点を第２基板１２３に合わせる。焦点検出領域５２４および焦点検出領域５２２の位置は、マーク観察領域５２６の外側に配される。これにより、焦点検出領域５２４および焦点検出領域５２２により検出される画像から、マーク観察領域５２６により検出される画像の影響を排除できる。
【００６１】
焦点検出領域５２２と焦点検出領域５２４のいずれを選択する方法としては、予め設定する方法であってもよく、観察するアライメントマークが配置されているスクライブラインの向きを検出して、その結果に基づいて焦点検出領域を選択してもよい。
【００６２】
焦点検出領域５２２がスクライブライン７１２に対して約４５°の角度をなすように設けられる。それは、焦点検出領域５２２にスクライブライン７１２に平行又は垂直する縞模様のマークが存在する場合でも、その影響を低減して正確にデフォーカス量を検出する目的である。例えば、焦点検出領域５２２は長さ方向がスクライブライン７１２に垂直するように設けられ、スクライブライン７１２上には焦点検出領域５２２の長さ方向に平行する（即ち、スクライブライン７１２に垂直する）縞模様のマークが存在して、そのマークが焦点検出領域５２２に含まれる場合、縞模様マークによるコントラストが、図９に示す分割像６１２及び分割像６２２の強度分布を影響するので、分割距離ａの検出精度が落ちるおそれがある。図１０に示すように、焦点検出領域５２２の向きを縞模様マークに対して一定の角度をなすように配置すると、上述の影響を低減して、検出精度を確保することができる。同様の理由により、焦点検出領域５２４もスクライブライン７２２に対して、約４５°の角度をなす。
【００６３】
図１２は、アライメントマーク７３４がＸ軸に沿ったスクライブライン７２２とＹ軸に沿ったスクライブライン７１２の交点に配置された場合の焦点合わせの例を示す。焦点検出領域５２４はスクライブライン７２２上に位置するとともに、焦点検出領域５２２はスクライブライン７１２上に位置する。この場合に、焦点検出領域５２２及び焦点検出領域５２４のいずれかから取得した画像により第１顕微鏡３４２の焦点を合わせてよい。
【００６４】
図１２に示すように、焦点検出領域５２２及び焦点検出領域５２４の双方から取得した画像により第１顕微鏡３４２の焦点を合わせてもよい。この場合に、ラインセンサー４５８及びラインセンサー４５４のそれぞれから検出した分割像の間隔ａの平均値を用いて、アライメントマーク７３４を第１顕微鏡３４２の焦点に合わせると、より精度を高めることができる。また、焦点検出領域５２２及び焦点検出領域５２４のうち、コントラストが高い方からの画像の位相差検出に基づいて、アライメントマーク７３４を第１顕微鏡３４２の焦点に合わせてもよい。
【００６５】
上述の実施形態において、複数の焦点検出領域を設けても、図５に示すように、同一の光学系を使用してデフォーカス量を検出することができるので、顕微鏡の小型化及びコストダウンを図ることができる。また、焦点検出領域５２２と焦点検出領域５２４との間隔を十分取れる場合には、図５に示す合焦部４０４において、ハーフプリズム４４８を使用して像を分離することなく、リレーレンズ４５６により形成した像面に、同時にラインセンサー４５８とラインセンサー４５４を並べて（図９を参照）、焦点検出領域５２２と焦点検出領域５２４によるデフォーカス量を検出してもよい。この場合には、合焦部４０４からハーフプリズム４４８、リレーレンズ４５２及びラインセンサー４５４を省くことができる。
【００６６】
図１３は、マーク観察領域５２６を挟んで、Ｘ方向に沿って、焦点検出領域５２４の反対側に更に焦点検出領域８２４が設けられ、Ｙ方向に沿って、焦点検出領域５２２の反対側に更に焦点検出領域８２２が設けられる例である。この場合、合焦部４０４において、更に焦点検出領域８２２と焦点検出領域８２４に対応するラインセンサーが設けられる。図１３に示すように、アライメントマーク７１４の両側に、同一のスクライブライン７１２の上に二つの焦点検出領域５２２と焦点検出領域８２２があり、それぞれの領域から取得した画像に基づいて検出した分割像の間隔ａの平均値を用いて焦点合わせをすれば、より高精度にアライメントマーク７１４を第１顕微鏡３４２の焦点に合わせることができる。Ｘ方向のスクライブラインに対しては、焦点検出領域５２４と焦点検出領域８２４を用いて、同様に高精度の焦点合わせることができる。また、焦点検出領域５２２と焦点検出領域８２２のうち、コントラストが高い方からの画像の位相差検出に基づいて、アライメントマーク７１４を第１顕微鏡３４２の焦点に合わせてもよい。
【００６７】
なお、図１から図１３に示す実施形態において、複数の焦点検出領域はマーク観察領域５２６の中心に対して互いに直交するＸ方向およびＹ方向に設けられているが、複数の焦点検出領域を設ける位置はこれに限られない。すなわち、複数の焦点検出領域はマーク観察領域５２６の中心に対して互いに任意の角度を成してもよいし、中心からの距離が互いに異なっていてもよい。
【００６８】
図１４は、積層半導体装置を製造する製造方法の概略を示す。図１４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、上記の基板貼り合せ方法を用いた基板貼り合せ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、基板貼り合せ工程に続いて、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。
【００６９】
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。
【００７０】
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】
【００７１】
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、１３０  基板取り外し部、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、１５２  平行基準マーク、２２０  エアロック、２２２  シャッタ、２２４  シャッタ、２３０  ロボットアーム、２４０  加圧部、３１０  本体、３１２  天板、３１４  支柱、３１６  底板、３４２  第１顕微鏡、３４４  第２顕微鏡、３５２  ガイドレール、３５４  Ｘステージ、３５６  Ｙステージ、３６０  昇降部、３７０  干渉計、３７２  変位センサー、３７４  第１固定鏡、３７６  第２固定鏡、４０２  画像取得部、４０４  合焦部、４１２  光源、４１４  絞り、４１６  コンデンサレンズ、４１８  スリット、４２２  ミラー、４２４  リレーレンズ、４２６  ハーフミラー、４２８  第１対物レンズ、４３２  ハーフプリズム、４３６  第２対物レンズ、４３８  ミラー、４４２  遮光板、４４４  リレーレンズ、４４６  瞳分割プリズム、４４８  ハーフプリズム、４５２  リレーレンズ、４５４  ラインセンサー、４５６  リレーレンズ、４５８  ラインセンサー、５１２  開口、５１４  開口、５１６  開口、５２２  焦点検出領域、５２４  焦点検出領域、５２６  マーク観察領域、５３２  像、５３４  像、５３６  像、５４２  開口、５４４  開口、６１２  分割像、６２２  分割像、６１４  分割像、６２４  分割像、６５０  出力信号、６５６  ピーク、６５８  ピーク、７１２  スクライブライン、７１４  アライメントマーク、７２２  スクライブライン、７２４  アライメントマーク、７３４  アライメントマーク、８２２  焦点検出領域、８２４  焦点検出領域
【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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