(57)【要約】【課題】本発明は、焦点調節機能を有し、しかも検出精度の高い位置検出装置を提供することを目的とする。また、本発明は、高性能なウエハ重ね合わせ装置及び露光装置などを提供することを目的とする。【解決手段】本発明の位置検出装置は、対物レンズ（６）が捉えた光束を基に物体（M１）の像を撮像面（１０）上に形成する結像レンズ（９）と、指標（１５）からの光束を前記結像レンズ（９）の物体側へ入射させ、その結像レンズ（９）を介して前記指標（１５）の像を前記撮像面（１０）上に投影する投影用レンズ（１６）と、前記対物レンズ（６）、前記結像レンズ（９）を光軸方向に移動させる合焦機構とを備えたことを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズが捉えた光束を基に物体の像を撮像面上に形成する結像レンズと、
指標からの光束を前記結像レンズの物体側へ入射させ、その結像レンズを介して前記指標の像を前記撮像面上に投影する投影用レンズと、
前記結像レンズを光軸方向に移動させる合焦機構と
を備えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置検出装置において、
前記投影用レンズ及び前記結像レンズによって構成される投影光学系の像側の開口数は、
前記対物レンズ及び前記結像レンズによって構成される観察光学系の像側の開口数よりも小さい
ことを特徴とする位置検出装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の位置検出装置において、
前記投影用レンズ及び前記結像レンズによって構成される投影光学系の焦点深度は、
前記対物レンズ及び前記結像レンズによって構成される観察光学系の焦点深度よりも深い
ことを特徴とする位置検出装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の位置検出装置において、
前記結像レンズから見た前記対物レンズの射出瞳と前記投影用レンズの射出瞳とは、
互いに等価な位置に配置される
ことを特徴とする位置検出装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の位置検出装置において、
前記撮像面の画像を取得するカメラを更に備えた
ことを特徴とする位置検出装置。
【請求項６】
請求項５に記載の位置検出装置において、
前記カメラが取得する画像に基づき、前記物体の像のコントラストが高くなるように前記合焦機構を駆動する制御手段を更に備えた
ことを特徴とする位置検出装置。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の位置検出装置において、
前記カメラが取得する画像に基づき、前記物体の像と前記指標の像との位置関係を測定する測定手段を更に備えた
ことを特徴とする位置検出装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の位置検出装置を備えた
ことを特徴とするウエハ重ね合わせ装置。
【請求項９】
複数の半導体装置が形成されたウエハを所定の枚数だけ準備するウエハ準備工程と、
前記準備されたウエハのうち互いに重ね合わせるべきウエハ間の位置関係を測定するアライメント工程と、
前記位置関係の測定されたウエハを重ね合わせるウエハ重ね合わせ工程と、
前記重ね合わされたウエハの接続電極どうしを接合してそれらウエハを積層させる電極接合工程と、
前記積層された前記所定の枚数のウエハから複数の積層３次元半導体装置を切り出すダイシング工程とを含み、
前記アライメント工程において請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の位置検出装置を使用する
ことを特徴とする積層３次元半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の位置検出装置を備えた
ことを特徴とする露光装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
前記露光された基板を現像する工程とを含む
ことを特徴とするデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウエハ重ね合わせ装置や露光装置などに適用される精密な位置検出装置に関する。また、本発明は、位置検出装置を備えたウエハ重ね合わせ装置及び露光装置、積層３次元半導体装置の製造方法及びデバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子や液晶表示素子などの製造に使用される露光装置には、基板マークの位置を高精度に検出するための位置検出装置が搭載されている。
【０００３】
この種の位置検出装置は、例えば特許文献１に開示されているように、基板マークの像を拡大観察するため顕微鏡光学系を備えており、基板マークに対する焦点調節は、基板ステージの光軸方向（Ｚ方向）への駆動によって行われる。よって、焦点調節の際に位置検出装置内の光学素子が移動することは無く、位置検出装置に偏芯や傾き誤差が生じる可能性は殆ど無い。このため、位置検出装置の検出精度は高い。
【０００４】
このような位置検出装置は露光装置以外の装置にも有効と考えられる。例えば、特許文献２に記載のウエハ重ね合わせ装置である。
【特許文献１】特開平１１−３０４４２２号公報
【特許文献２】特開２００５−２５１９７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ウエハ重ね合わせ装置に位置検出装置を搭載し、その焦点調節を行うには、重ね合わせるべき２枚のウエハを支持するステージの各々をＺ方向へ駆動しなければならず、非効率である。
【０００６】
そこで本発明は、焦点調節機能を有し、しかも検出精度の高い位置検出装置を提供することを目的とする。また、本発明は、高性能なウエハ重ね合わせ装置及び露光装置を提供することを目的とする。また、本発明は高性能な積層３次元半導体装置を製造することのできる積層３次元半導体装置の製造方法、及び高性能なデバイスを製造することのできるデバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の位置検出装置は、対物レンズが捉えた光束を基に物体の像を撮像面上に形成する結像レンズと、指標からの光束を前記結像レンズの物体側へ入射させ、その結像レンズを介して前記指標の像を前記撮像面上に投影する投影用レンズと、前記結像レンズを光軸方向に移動させる合焦機構とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
なお、前記投影用レンズ及び前記結像レンズによって構成される投影光学系の像側の開口数は、前記対物レンズ及び前記結像レンズによって構成される観察光学系の像側の開口数よりも小さいことが望ましい。
【０００９】
また、前記投影用レンズ及び前記結像レンズによって構成される投影光学系の焦点深度は、前記対物レンズ及び前記結像レンズによって構成される観察光学系の焦点深度よりも深いことが望ましい。
【００１０】
また、前記結像レンズから見た前記対物レンズの射出瞳と前記投影用レンズの射出瞳とは、互いに等価な位置に配置されることが望ましい。
【００１１】
また、本発明の位置検出装置は、前記撮像面の画像を取得するカメラを更に備えてもよい。
【００１２】
また、本発明の位置検出装置は、前記カメラが取得する画像に基づき、前記物体の像のコントラストが高くなるように前記合焦機構を駆動する制御手段を更に備えてもよい。
【００１３】
また、本発明の位置検出装置は、前記カメラが取得する画像に基づき、前記物体の像と前記指標の像との位置関係を測定する測定手段を更に備えてもよい。
【００１４】
また、本発明のウエハ重ね合わせ装置は、本発明の何れかの位置検出装置を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の積層３次元半導体装置の製造方法は、複数の半導体装置が形成されたウエハを所定の枚数だけ準備するウエハ準備工程と、前記準備されたウエハのうち互いに重ね合わせるべきウエハ間の位置関係を測定するアライメント工程と、前記位置関係の測定されたウエハを重ね合わせるウエハ重ね合わせ工程と、前記重ね合わされたウエハの接続電極どうしを接合してそれらウエハを積層させる電極接合工程と、前記積層された前記所定の枚数のウエハから複数の積層３次元半導体装置を切り出すダイシング工程とを含み、前記アライメント工程において請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の位置検出装置を使用することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の露光装置は、本発明の何れかの位置検出装置を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明のデバイスの製造方法は、本発明の露光装置を用いて基板を露光する工程と、前記露光された基板を現像する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、焦点調節機能を有し、しかも検出精度の高い位置検出装置が実現する。また、本発明によれば、高性能なウエハ重ね合わせ装置及び露光装置が実現する。
【００１９】
また、本発明によれば、高性能な積層３次元半導体装置を製造することのできる積層３次元半導体装置の製造方法、及び高性能なデバイスを製造することのできるデバイスの製造方法が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
［第１実施形態］
本実施形態は、位置検出装置の実施形態である。本実施形態の位置検出装置は、シリコンウエハ上に予め形成されたウエハマークの面方向（ＸＹ方向）の位置を検出するものである。以下、シリコンウエハを単に「ウエハ」という。
【００２１】
先ず、位置検出装置の構成を説明する。
【００２２】
図１は、位置検出装置の構成図である。図１に示すとおり、位置検出装置は、照明光学系Ｓ１と、観察光学系Ｓ２と、投影光学系Ｓ３と、可視域〜赤外域に感度を有したカメラ１０と、不図示の制御部とを備える。
【００２３】
照明光学系Ｓ１は、照明用光源１、レンズ２、フィルタ３、レンズ４、ハーフミラー５、無限遠系の対物レンズ６からなる。観察光学系Ｓ２は、対物レンズ６、ハーフミラー５、ハーフミラー８、結像レンズ９からなり、ハーフミラー５及び対物レンズ６を照明光学系Ｓ１と共有している。投影光学系Ｓ３は、投影用光源１１、レンズ１２、光ファイバ１３、レンズ１４、指標１５、投影用レンズ１６、開口絞り１７、ハーフミラー８、結像レンズ９からなり、ハーフミラー８及び結像レンズ９を観察光学系Ｓ２と共有している。
【００２４】
照明光学系Ｓ１の照明用光源１は、赤外光を発光するハロゲンランプである。その照明用光源１から射出した赤外光は、レンズ２によってコリメートされ、フィルタ３を通過し、レンズ４によって平行光束となり、ハーフミラー５を反射する。ハーフミラー５を反射した赤外光は、対物レンズ６によって集光され、ウエハ７上のウエハマークＭ１及びその周辺を照明する。ウエハマークＭ１は、二次元のパターン（例えば十字状のパターン）である。
【００２５】
ウエハマークＭ１で反射した赤外光は、対物レンズ６によって捉えられ、無限遠方に向けて集光される。集光された赤外光は、ハーフミラー５及びハーフミラー８を順に透過した後に結像レンズ９によって集光され、カメラ１０の撮像面の近傍にウエハマークＭ１の赤外像（以下、「マーク像」という。）を形成する。
【００２６】
投影光学系Ｓ３の投影用光源１１は、可視光を発光するハロゲンランプである。その投影用光源１１から射出した可視光は、レンズ１２によって光ファイバ１３の端面１３ａに集光された後、光ファイバ１３を伝播して他方の端面１３ｂから射出する。この端面１３ｂに、投影用光源１１の像（二次光源）が形成される。その二次光源から射出した可視光は、レンズ１４により集光され、指標１５を照明する。指標１５は、図１中に示すとおり透過型の指標であり、二次元のパターン（例えば十字状のパターン）Ｐが形成されている。その指標１５のパターンＰを通過した可視光は、投影用レンズ１６によって捉えられ、無限遠方に向けて集光される。集光された可視光は、開口絞り１７を介してハーフミラー８へ向かい、そのハーフミラー８を反射する。ハーフミラー８を反射した可視光は、結像レンズ９によって集光され、カメラ１０の撮像面に指標１５の可視像（以下、「指標像」という。）を形成する。
【００２７】
ここで、対物レンズ６は、物体側にテレセントリックである。照明光学系Ｓ１のレンズ２及びレンズ４は、この対物レンズ６の像側焦点面に照明用光源１の像を投影することにより、ウエハマークＭ１及びその周辺を赤外光でケーラー照明する。
【００２８】
また、結像レンズ９の物体側焦点面は、対物レンズ６の像側焦点面と同じ位置に配置される。したがって、観察光学系Ｓ２は、両側テレセントリックとなる。
【００２９】
また、結像レンズ９の光軸方向の位置は、不図示の駆動機構（モータなどを含む）によって可変であり、他の要素の位置は互いに固定されている。但し、投影光学系Ｓ３の投影用光源１１，レンズ１２，端面１３ａについては、互いの位置関係が固定されている限り変位してもよい。
【００３０】
したがって、観察光学系Ｓ２の物体側焦点面がウエハ７の表面から外れていたとしても、結像レンズ９を駆動するだけで、観察光学系Ｓ２の物体側焦点面をウエハ７の表面に一致させることができる。これを利用し、位置検出装置は、ウエハマークＭ１に対する観察光学系Ｓ２の焦点調節（マーク像のピント調節）を行う。
【００３１】
前述したとおり、観察光学系Ｓ２は両側テレセントリックなので、観察光学系Ｓ２によるウエハマークＭ１の結像倍率は、焦点調節により変化しない。
【００３２】
また、投影用レンズ１６の射出瞳（開口絞り１７）は、結像レンズ９から見て対物レンズ６の射出瞳と等価な位置に配置される。よって、投影光学系Ｓ３による指標１５の投影倍率と、観察光学系Ｓ２によるウエハマークＭ１の結像倍率との関係は、焦点調節により変化しない。
【００３３】
したがって、ウエハマークＭ１の結像倍率と指標１５の投影倍率との双方は、焦点調節により変化せず、撮像面上の指標像とマーク像との位置関係も、焦点調節により変化しない。
【００３４】
図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、焦点調節時における撮像面の様子を示す図である。  図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すとおり、焦点調節時には光学系の光軸にブレ（偏芯や倒れ）の生じる可能性があるので、マーク像ＩＭ及び指標像ＩＰはそれぞれ変位する可能性がある。しかし、焦点調節によるマーク像ＩＭ及び指標像ＩＰの変位量は共通であり、両者の位置関係は変化しない。
【００３５】
そこで、本実施形態の位置検出装置は、位置検出の基準として、光軸ではなく指標像ＩＰを使用する。つまり、撮像面上の指標像ＩＰの位置を基準としたマーク像ＩＭの位置により、ウエハマークＭ１のＸＹ方向の位置を検出する。
【００３６】
また、図１に戻り、投影光学系Ｓ３の像側の開口数は、観察光学系Ｓ２の像側の開口数よりも小さく制限されている。このため、開口絞り１７の開口径は、予め適当なサイズに絞られている。
【００３７】
例えば、観察光学系Ｓ２の像側の開口数が０．０１８であるとき、投影光学系Ｓ３の像側の開口数は０．００４に設定される。赤外光の波長が１．１μｍ、可視光の波長が０．５５μｍであるならば、観察光学系Ｓ２の焦点深度が３．４ｍｍであるのに対し、投影光学系Ｓ３の焦点深度は３４ｍｍと深くなる。そこで本実施形態では、前述した結像レンズ９の可動範囲を、投影光学系Ｓ３の焦点深度内（３４ｍｍ）に収める。
【００３８】
したがって、図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すとおり、焦点調節によりマーク像ＩＭのボケ量は変化するが、位置検出の基準である指標像ＩＰはボケることは無い。また、観察光学系Ｓ２の像側の開口数は大きいままなので、焦点調節さえ行えば、図２（Ｂ）のとおりマーク像ＩＭの解像度を高くすることができる。
【００３９】
なお、位置検出装置とウエハ７との間に障害物が存在する場合、マーク像ＩＭはノイズの影響を受けるので、なるべく解像度が高いことが望ましく、指標像ＩＰはノイズの影響を受けないので、多少解像度が低くても構わない。
【００４０】
また、図２はあくまでも説明図であって、マーク像ＩＭ及び指標像ＩＰの実際の様子が図２のとおりになるとは限らない。
【００４１】
また、上述の実施形態においては、投影光学系Ｓ３の像側の開口数が０．００４である場合を例にして説明したが、投影光学系Ｓ３の像側の開口数を０．００３〜０．００５の範囲の何れかの値に設定し、それによって、投影光学系Ｓ３の焦点深度を２０ｍｍ〜約６０ｍｍの範囲の何れかの値にしてもよい。
【００４２】
なお、仮に投影光学系Ｓ３の像側の開口数を０．００３よりも小さく設定し、投影光学系Ｓ３の焦点深度を６０ｍｍ程度よりも深くした場合、指標像ＩＰの解像度が低下して位置検出装置の検出精度が低くなる可能性がある。その反対に、投影光学系Ｓ３の像側の開口数を０．００５よりも大きく設定し、投影光学系Ｓ３の焦点深度を２０ｍｍ程度よりも浅くした場合、検出対象であるマークのＺ方向の位置のばらつきに対処できず、正確な焦点調節を行うことができなくなる可能性がある。
【００４３】
次に、制御部による位置検出動作を説明する。
【００４４】
図３は、位置検出動作のフローチャートである。動作に先立ち、撮像面内にマーク像IMが位置するようウエハ７と位置検出装置とは予め適当な位置関係に設定されているものとする。
【００４５】
ステップＳ１：制御部は、照明用光源１をオンし、投影用光源１１をオフする。この状態では、図４に示すとおり、カメラ１０はマーク像ＩＭを捉えている。制御部は、カメラ１０及び結像レンズ９を連続的に駆動し、カメラ１０から連続的に出力される画像のコントラスト値を参照し、そのコントラスト値が最大となるような結像レンズ９のポジションを見出し、そのポジションへ結像レンズ９を配置する。これによって、観察光学系Ｓ２の焦点調節が完了である。
【００４６】
ステップＳ２：制御部は、焦点調節が完了した状態でカメラ１０を駆動し、カメラ１０が出力する画像を記憶する。以下、この画像を「第１画像」という。
【００４７】
ステップＳ３：制御部は、照明用光源１をオフし、投影用光源１１をオンする。この状態では、図５に示すとおり、カメラ１０は指標像ＩＰを捉えている。制御部は、この状態でカメラ１０を駆動し、カメラ１０が出力する画像を記憶する。以下、この画像を「第２画像」という。その後、投影用光源１１をオフする。
【００４８】
ステップＳ４：制御部は、第１画像からマーク像ＩＭを見出し、第１画像におけるマーク像ＩＭの中心座標値（Ｘ，Ｙ）を算出する。また、制御部は、第２画像から指標像ＩＰを見出し、第２画像における指標像ＩＰの中心座標値（Ｘ０，Ｙ０）を算出する。そして、制御部は、図６に示すとおり、指標像ＩＰの座標値を基準としたマーク像ＩＭの相対座標値（Ｘ−Ｘ０，Ｙ−Ｙ０）を算出し、その座標値（Ｘ−Ｘ０，Ｙ−Ｙ０）を、ウエハマークＭ１のＸＹ方向の位置の検出結果として出力する。
【００４９】
以上、本実施形態の位置検出装置は、焦点調節を結像レンズ９の移動によって行うので、ウエハ７を面法線方向（Ｚ方向）へ移動させる必要が無い。
【００５０】
結像レンズ９を移動させると光軸にブレの生じる可能性があるが、本実施形態の位置検出装置は、結像レンズ２を介して指標像ＩＰを撮像面上に投影し、その指標像ＩＰを位置検出の基準として使用するので、光軸のブレは検出精度に影響しない。
【００５１】
したがって、本実施形態の位置検出装置は、焦点調節機能を有しているにも拘わらず、位置の検出精度が高い。
【００５２】
また、結像レンズ９の移動精度は検出精度に影響しないので、駆動機構（モータなどを含む）を高性能にする必要が無く、低コストである。
【００５３】
また、結像レンズ９は軽量なので、ウエハ７を支持するウエハステージ（不図示）をＺ方向へ駆動する場合と比較して焦点調節の高速化が容易である。
【００５４】
また、本実施形態の照明用光源１は赤外光源であるので、位置検出装置とウエハ７との間に障害物（可視光に対し不透明な部材）が配置されていたとしても、ウエハマークＭ１の位置を検出することができる。このため、本実施形態の位置検出装置は、ウエハ重ね合わせ装置に好適である。
【００５５】
なお、本実施形態の焦点調節の方式にはコントラスト方式が採用されたが、瞳分割方式が採用されてもよい。
【００５６】
また、本実施形態の開口絞り１７の開口径は固定されていたが、可変としてもよい。開口絞り１７の開口径が可変であるならば、位置検出装置の用途に応じて開口径を調節するとよい。
【００５７】
例えば、結像レンズ９の移動範囲を広く採る必要のある場合（検出対象であるマークのＺ方向の位置のばらつきが大きい場合）は、開口径を小さく設定し、結像レンズ９の移動範囲が狭くても構わない場合（検出対象であるマークのＺ方向の位置のばらつきが小さい場合）は、開口径を大きく設定すると良い。このような調節を行えば、投影光学系Ｓ３の像側の開口数の低下量、つまり指標像ＩＰの解像度の低下量を、必要最小限に抑えることができる。
【００５８】
一例として、結像レンズ９の焦点距離が２００ｍｍであり、投影光学系Ｓ３の像側の開口数が０．００３であるとき、開口絞り１７の開口径は１．２ｍｍに設定される。また、結像レンズ９の焦点距離が２００ｍｍであり、投影光学系Ｓ３の像側の開口数が０．００４であるとき、開口絞り１７の開口径は１．６ｍｍに設定される。また、結像レンズ９の焦点距離が２００ｍｍであり、投影光学系Ｓ３の像側の開口数が０．００５であるとき、開口絞り１７の開口径は２．０ｍｍに設定される。
【００５９】
なお、上述の実施形態の制御部は、照明用光源１と投影用光源１１とを別のタイミングでオンしたが、照明用光源１と投影用光源１１との双方をオンした状態でカメラ１０を駆動し、そのときにカメラ１０が出力する画像を記憶してもよい。この場合、カメラ１０はマーク像ＩＭと指標像ＩＰを捉えている。この場合、制御部は、この画像からマーク像ＩＭを見出し、マーク像ＩＭの中心座標値（Ｘ，Ｙ）を算出すると共に、同じ画像から指標像ＩＰを見出し、指標像ＩＰの中心座標値（Ｘ０，Ｙ０）を算出すればよい。そして、制御部は、指標像ＩＰの座標値を基準としたマーク像ＩＭの相対座標値（Ｘ−Ｘ０，Ｙ−Ｙ０）を算出し、その座標値（Ｘ−Ｘ０，Ｙ−Ｙ０）を、ウエハマークＭ１のＸＹ方向の位置の検出結果として出力する。
【００６０】
［第２実施形態］
本実施形態は、ウエハ重ね合わせ装置の実施形態である。
【００６１】
図７は、ウエハ重ね合わせ装置の構成図である。図７に示すとおり、ウエハ重ね合わせ装置には、ウエハステージＷＳＴ１、ＷＳＴ２、位置検出装置ＡＳ１、ＡＳ２、不図示の制御部などが備えられる。
【００６２】
ウエハ重ね合わせ装置において、２つのウエハステージＷＳＴ１，ＷＳＴ２は、互いに対向した状態で取り付けられている。
【００６３】
重ね合わせの対象である一方のウエハＷ１は、ウエハホルダＷＨ１に対し真空吸着や静電吸着などにより固定され、その状態でウエハホルダＷＨ１と共にウエハステージＷＳＴ１に保持される。ウエハＷ１の表面にはウエハマーク（不図示）が形成され、ウエハホルダＷＨ１の表面のウエハＷ１から外れた箇所には、基準マークＭ１１，Ｍ１２が形成されている。ここでは、ウエハＷ１のウエハマーク（不図示）と、ウエハホルダＷＨ１の基準マークＭ１１，Ｍ１２との位置関係は、予め行われた測定により既知となっているものとする。
【００６４】
重ね合わせの対象である他方のウエハＷ２は、ウエハホルダＷＨ２に対し真空吸着や静電吸着などにより固定され、その状態でウエハホルダＷＨ２と共にウエハステージＷＳＴ２に保持される。ウエハＷ２の表面にはウエハマーク（不図示）が形成され、ウエハホルダＷＨ２の表面のウエハＷ２から外れた箇所には、基準マークＭ２１，Ｍ２２が形成されている。ここでは、ウエハＷ２のウエハマーク（不図示）と、ウエハホルダＷＨ２の基準マークＭ２１，Ｍ２２との位置関係は、予め行われた測定により既知となっているものとする。
【００６５】
２つのウエハステージＷＳＴ１，ＷＳＴ２を駆動すると、２つのウエハＷ１，Ｗ２の配置関係を変化させることが可能である。ここでは簡単のため、ウエハステージＷＳ１は駆動せずに、ウエハステージＷＳ２のみを駆動することとする。ウエハステージＷＳ２の面方向（ＸＹ方向）正確な駆動量は、ウエハステージＷＳ２に設けられた移動鏡ＭＭと干渉計ＩＦとからなる測定系によって高精度に検出される。
【００６６】
また、ウエハ重ね合わせ装置のウエハステージＷＳＴ１と同じ側には、２つの位置検出装置ＡＳ１，ＡＳ２が取り付けられている。位置検出装置ＡＳ１，ＡＳ２の各々は、第１実施形態の位置検出装置と同じものである。
【００６７】
位置検出装置ＡＳ１，ＡＳ２は、ウエハホルダＷＨ１に形成された基準マークＭ１１，Ｍ１２をウエハホルダＷＨ１越しに捉え、基準マークＭ１１，Ｍ１２の各々のＸＹ方向の位置を検出する。これによって、ウエハ重ね合わせ装置におけるウエハＷ２の配置状態が既知となる。
【００６８】
また、位置検出装置ＡＳ１，ＡＳ２は、ウエハホルダＷＨ２に形成された基準マークＭ２１，Ｍ２２をウエハホルダＷＨ１越しに捉え、基準マークＭ２１，Ｍ２２の各々のＸＹ方向の位置を検出する。これによって、ウエハ重ね合わせ装置におけるウエハＷ１の配置状態が既知となる。
【００６９】
よって、不図示の制御部は、位置検出装置ＡＳ１，ＡＳ２の検出結果に応じてウエハステージＷＳＴ２を駆動することにより、ウエハＷ１，Ｗ２をアライメントすることができる。
【００７０】
ここで、位置検出装置ＡＳ１，ＡＳ２の各々は、第１実施形態で説明したとおり、焦点調節機能を有する。したがって、ウエハＷ１，Ｗ２の間隔を予め狭めておきさえすれば、不図示の制御部は、位置検出装置ＡＳ１，ＡＳ２の焦点調節時に、ウエハステージＷＳＴ１，ＷＳ２の各々を面法線方向（Ｚ方向）へ駆動する必要が無い。しかも、位置検出装置ＡＳ１，ＡＳ２は、第１実施形態で説明したとおり高精度である。
【００７１】
したがって、本実施形態のウエハ重ね合わせ装置は、簡単かつ高精度にウエハＷ１，Ｗ２をアライメントすることができる。
【００７２】
また、位置検出装置ＡＳ１，ＡＳ２は、第１実施形態で説明したとおり、焦点調節を高速化することが可能なので、本実施形態のウエハ重ね合わせ装置によれば、ウエハの重ね合わせ工程を効率化することもできる。よって、ウエハの重ね合わせを連続して行う場合には、ウエハ重ね合わせ装置のスループットが向上する。
【００７３】
なお、以上の説明では、２つのウエハホルダＷＨ１，ＷＨ２の基準マーク同士の位置関係を測定するために位置検出装置ＡＳ１，ＡＳ２を使用したが、１つのウエハホルダにおける基準マークとウエハマークとの位置関係を測定するために使用してもよい。因みにその測定は、ウエハホルダをステージＷＳＴ２の側へ保持した状態で行われる。
【００７４】
［第３実施形態］
本実施形態は、積層型３次元半導体装置の製造方法の実施形態である。
【００７５】
次に、積層型３次元半導体装置の製造方法の説明をする。
【００７６】
図８は、積層型３次元半導体装置の製造方法をフローチャートに示したものである。この製造方法はＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１５の工程からなる。以下、各工程を説明する。
【００７７】
Ｓ１１：複数の半導体装置が形成されたウエハを所定の枚数だけ準備するウエハ準備工程である。本工程では、図９（ａ）に示すとおり、通常の半導体露光装置を用いてマスク上の回路パターンをレジストが塗布されたウエハ上に縮小投影し、レジストを現像した後にエッチングや不純物の熱拡散処理を行って回路素子５１３が形成されたウエハ５１１を得る。
【００７８】
Ｓ１２：互いに重ね合わせるべきウエハ間の位置関係を測定するアライメント工程である。本工程では、  前述した第２実施形態に従って、重ね合わせるべきウエハ間の位置関係を測定する。本工程の詳細は既に図７を用いて先に説明したので、省略する。尚、アライメントはウエハと既に積層されたウエハ（ウエハ積層体）との位置関係を求める場合もある。即ち、一方のウエハは、複数のウエハが重ね合わされて形成された、場合によっては研削等によって薄層化された、ウエハ積層形態であることもある。このことは以後の工程に関しても同様である。
【００７９】
Ｓ１３：位置関係の測定されたウエハを重ね合わせるウエハ重ね合わせ工程である。本工程では、図９（ｂ）に示すとおりウエハがウエハホルダに保持され、近接された２つのウエハの位置合わせが完了すると、不図示のウエハ上下移動機構により２つのウエハは図９（ｃ）に示すように重ね合わされる。接触後、重ね合わされた位置関係を維持するために、ホルダどうしは機械的に（例えばクランプ機構）仮固定、または接合力の弱い接着材により仮固定される。図９（ｄ）に示すとおり、仮固定されたホルダ及びウエハ積層体３２１は、ロボットアーム４１５によりアライメント・重ね合わせ実施部４１１から電極接合実施部４１３に搬送される。
【００８０】
Ｓ１４：互いに重ね合わされたウエハ上の接続電極どうしを接合する電極接合工程である。本工程では、位置合わせされ、かつ仮固定されたウエハ積層体が、図９（ｅ）に示すとおり加圧・加熱装置装着される。上部加圧子５５１と下部加圧子５５３とウエハ積層体５６１との平行度調整が行われ、これが完了すると２つの加圧子５５１，５５３によりウエハ積層体５６１が加圧される。それと同時に、予め定められたシークエンスに従って、ホルダに内蔵されたヒータ５４１，５４３による加熱が行われる。所定の圧力を所定の時間加えることにより、ウエハ上の電極（金属バンプとパッド、金属バンプと金属バンプ）が接合される。この時、場合によってはウエハ間に樹脂が封入され、加熱される。これによって、互いに重ね合わされたウエハが積層され、ウエハ積層体となる。
【００８１】
以上のアライメント工程（Ｓ１２）、ウエハ重ね合わせ工程（Ｓ１３）、電極接合工程（Ｓ１４）は、積層すべきウエハの数（前述した所定の枚数）と同じ回数だけ繰り返される。場合によっては、積層接合後に、ウエハ積層体を研削、研磨又はエッチングにより薄層化する工程や、ウエハ積層体のウエハ間に封止樹脂を封入する工程などが加えられる。これによって、所定の枚数のウエハを積層してなるウエハ積層体が得られる。
【００８２】
Ｓ１５：所定の枚数のウエハを積層してなるウエハ積層体から、個々の半導体装置を分離しながら切り出すダイシング工程である。本工程では、ウエハレベルで積層接合されたウエハをダイシングラインに従って切断し、チップとして切り出す。例えば、図９（ｆ）に示すとおり破線に従って切断する。切断は通常、ダイシングブレードを用いて切断するダイシングソー方式、レーザ光線によりウエハ表面を溶融させて割る方式、ダイヤモンドカッタにより切断ラインを引いて割る方法が採られている。その中でも特にダイシングソー方式は、ウエハ積層体をチップに分離する方式として好ましい。このようにして切り出された個々のチップが、積層型３次元半導体装置である。
【００８３】
［第４実施形態］
本実施形態は、露光装置の実施形態である。
【００８４】
図１０は、露光装置の構成図である。露光装置は、ステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置であり、マスク（レチクルＲ）を照明する照明系１１０、レチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴ、レチクルＲの像を被露光物（ウエハＷ）上に形成する投影光学系ＰＬ、ウエハＷを保持するウエハステージＷＳＴ、オフアクシス方式のアライメント検出系（位置検出装置）ＡＳ、各部を制御する不図示の制御系などを備える。
【００８５】
照明系１１０の光源には、例えば、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、Ｆ２レーザ（波長１５７ｎｍ）、ＥＵＶ光源（波長１３．５ｎｍ）、或いは、超高圧水銀ランプなどが使用される。この照明系１１０から射出する照明光ＩＬは、レチクルＲ上の照明領域を略均一な照度で照明する。
【００８６】
レチクルステージＲＳＴの面方向（ＸＹ方向）の駆動量は、移動鏡１１５及び干渉計１１６からなる測定系により高精度に検出される。
【００８７】
投影光学系ＰＬには、例えば、両側テレセントリックな屈折型の縮小投影光学系が使用される。この投影光学系ＰＬは、レチクルＲに形成された回路パターンＰＡの縮小像をウエハＷ上に形成する。
【００８８】
ウエハステージＷＳＴ上には、ウエハホルダＷＨに固定されたウエハＷが載置されている。ウエハステージＷＳＴの面方向（ＸＹ方向）の駆動量は、移動鏡１１７及び干渉計１１８からなる測定系により高精度に検出される。
【００８９】
ウエハホルダＷＨの表面のウエハＷから外れた箇所には、基準マークＧＭが形成されており、ウエハＷの表面には、不図示のウエハマークが形成されている。
【００９０】
位置検出装置ＡＳは、第１実施形態の位置検出装置であり、露光装置による露光動作に先立ち、ウエハホルダＷＨ上の基準マークＧＭのＸＹ方向の位置と、ウエハＷ上のウエハマークのＸＹ方向の位置とをそれぞれ検出する。
【００９１】
よって、不図示の制御部は、位置検出装置ＡＳの検出結果に応じてウエハステージＷＳＴを駆動することにより、ウエハＷをアライメントすることができる。
【００９２】
ここで、位置検出装置ＡＳは、第１実施形態で説明したとおり、焦点調節機能を有する。したがって、不図示の制御部は、位置検出装置ＡＳの焦点調節時に、ウエハステージＷＳＴを面法線方向（Ｚ方向）へ駆動する必要が無い。しかも、位置検出装置ＡＳは、第１実施形態で説明したとおり高精度である。
【００９３】
したがって、本実施形態の露光装置は、簡単かつ高精度にウエハＷをアライメントすることができる。
【００９４】
また、位置検出装置ＡＳは、第１実施形態で説明したとおり、焦点調節を高速化することが可能なので、本実施形態の露光装置は、ウエハＷのアライメントを効率化することができる。よって、複数のウエハの露光を連続して行う場合には、露光装置のスループットが向上する。
【００９５】
なお、図１０に示すとおり、位置検出装置ＡＳの光路は、投影光学系ＰＬの光路を妨げないように配置される。
【００９６】
また、露光装置においては位置検出装置ＡＳと基準マークＧＭ（又はウエハマーク）との間には障害物が無いので、位置検出装置ＡＳ内の照明用光源は赤外光源である必要は無く、可視光源であってもよい。また、照明用光源を可視光源とする場合は、位置検出装置ＡＳ内のカメラの感度帯域は、可視光域さえカバーしていれば十分である。
【００９７】
［第５実施形態］
本実施形態は、マイクロデバイスの製造方法の実施形態である。
【００９８】
図１１は、マイクロデバイスの製造方法のフローチャートである。
【００９９】
図１１に示すように、半導体デバイス等のマイクロデバイスは、マイクロデバイスの機能・性能設計を行うステップ２０１、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２０２、デバイスの基材である基板を製造するステップ２０３、前述した第４実施形態に従ってマスクのパターンの像で基板に露光し、露光した基板を現像する基板処理（露光処理）を含む基板処理ステップ２０４、デバイス組み立てステップ（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）２０５、検査ステップ２０６等を経て製造される。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】位置検出装置の構成図である。
【図２】焦点調節時における観察光学系Ｓの視野内の様子を示す図である。
【図３】位置検出動作のフローチャートである。
【図４】ステップＳ１において取得される画像を示す図である。
【図５】ステップＳ３において取得される画像を示す図である。
【図６】ステップＳ４を説明する図である。
【図７】ウエハ重ね合わせ装置の構成図である。
【図８】積層型３次元半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図９】積層型３次元半導体装置の製造方法の一例を説明する図である。
【図１０】露光装置の構成図である。
【図１１】マイクロデバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０１】
Ｓ１…照明光学系，Ｓ２…観察光学系，Ｓ３…投影光学系，１０…カメラ，１…照明用光源，５，８…ハーフミラー，６…対物レンズ，９…結像レンズ，１１…投影用光源，１３…光ファイバ，１５…指標，１６…投影用レンズ，１７…開口絞り
【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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