(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置決め対象物を保持する可動テーブルと、圧電素子を用いて三次元的空間内の任意の方向に変位可能な支持足を持つ複数のピエゾ駆動体とを備え、前記ピエゾ駆動体が前記支持足を揺動および上下動させるウォーキング動作を行い前記可動テーブルを移動させる位置決め機構を用いた位置決め方法において、
前記位置決め機構は、
前記可動テーブルと接触して荷重を受ける受台を備え、
それぞれの前記ピエゾ駆動体が同時に前記支持足を上昇及び揺動させることにより前記受台に支持された前記可動テーブルを持ち上げ移動させ、前記支持足を下降させることで移動させた前記可動テーブルを前記受台に支持させた後に、前記支持足を下降および揺動させることにより前記支持足を元の位置へ戻すことを繰り返して前記可動テーブルを移動させる位置決め方法。
【請求項２】
請求項１に記載の位置決め方法を用いて、前記位置決め対象物として前記位置決め機構の前記可動テーブルに保持された被加圧物と、前記可動テーブルに保持された被加圧物に対向する被加圧物との位置決めを行い、前記対向する被加圧物を前記可動テーブルに対して垂直方向に押し付けることで被加圧物同士を加圧する加圧方法において、
前記ピエゾ駆動体の支持足を上昇させ前記可動テーブルを前記受台から持ち上げて支持した状態で位置決めを完了し、前記対向する被加圧物を垂直方向に移動させ、前記可動テーブル上の前記被加圧物に接触させた後、前記ピエゾ駆動体の支持足を下降させ、前記可動テーブルを前記受台で支持して加圧する加圧方法。
【請求項３】
位置決め対象物を保持する可動テーブルと、圧電素子を用いて三次元的空間内の任意の方向に変位可能な支持足を持つ複数のピエゾ駆動体とを備え、前記ピエゾ駆動体が前記支持足を揺動および上下動させるウォーキング動作を行い前記可動テーブルを移動させる位置決め機構を備える位置決め装置において、
前記位置決め機構は、
前記可動テーブルと接触して荷重を受ける受台を備え、
それぞれの前記ピエゾ駆動体が同時に前記支持足を上昇及び揺動させることにより前記受台に支持された前記可動テーブルを持ち上げ移動させ、前記支持足を下降させることで移動させた前記可動テーブルを前記受台に支持させた後に、前記支持足を下降および揺動させることにより前記支持足を元の位置へ戻すことを繰り返して前記可動テーブルを移動させる位置決め装置。
【請求項４】
前記ピエゾ駆動体を円周上に３個以上備える請求項３に記載の位置決め装置。
【請求項５】
前記支持足の先端が球面である請求項３または４に記載の位置決め装置。
【請求項６】
前記受台と前記ピエゾ駆動体がセットとなるウォーキング動作駆動ユニットが形成されて、前記ウォーキング動作駆動ユニットが円周上に配置されている請求項３〜５のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項７】
前記ウォーキング動作駆動ユニットは、前記受台と前記支持足とが同心上に配置されている請求項６に記載の位置決め装置。
【請求項８】
請求項３〜７のいずれかに記載の位置決め装置を備え、前記位置決め対象物として前記位置決め機構の前記可動テーブルに保持された被加圧物と、前記可動テーブルに保持された被加圧物に対向する被加圧物との位置決めを行い、前記対向する被加圧物を前記可動テーブルに対して垂直方向に押し付けることで被加圧物同士を加圧する加圧装置において、
前記ピエゾ駆動体の支持足を上昇させ前記可動テーブルを前記受台から持ち上げて支持した状態で位置決めを完了し、前記対向する被加圧物を垂直方向に移動させ、前記可動テーブル上の前記被加圧物に接触させた後、前記ピエゾ駆動体の支持足を下降させ、前記可動テーブルを前記受台で支持して加圧する加圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置決め対象物を高精度に位置決めする位置決め方法、この方法を用いた加圧方法及び位置決め装置、この装置を備える加圧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、位置決めテーブルとしては、特許文献１に示すようにＸ、Ｙ、θのガイド式テーブルを積み重ねた構成のものが主流であった。また、特許文献２に示すように３方向のピエゾ素子を組み合わせたピエゾ駆動体を２個対とし、順に接触／離反させ、ウォーキング動作させるユニットを３箇所に配置し、可動テーブルを移動させている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２１７５９６号公報
【特許文献２】特開２００２−７６０９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１による方法では、ボールベアリングからなるガイド部分にガタが生じ、また、負荷に対してたわみが生じるため、数ミクロン以内の高精度な位置決めには限界があった。また、軸を積み重ねるため、上部に配置される可動テーブルは下部の傾き誤差が増幅され高精度を達成することが難しかった。また、特にθ方向については、外周に行くほど精度は悪化し、大きな位置決め対象物の場合、θ誤差による外周でのずれは著しかった。
【０００５】
また、特許文献２に示す方法では、３個のピエゾ素子を使用するピエゾ駆動体を２個で対とし、３箇所の配置するため、トータルで１８個にも及ぶピエゾ素子と駆動するためのアンプ、電圧制御機器が必要となる大掛かりで高価な構成であった。また、揺動させるためピエゾ素子が斜めに変位した状態で可動テーブルからの垂直方向の荷重を受けるため、大きな荷重には耐えられないという課題があった。また、無理に荷重をかけると傾いたピエゾ素子がたわみ位置ずれを起こすということになる。
【０００６】
そこで本発明は上記のごとき事情に鑑みてなされたものであって、荷重を受ける受台と可動テーブルを移動させる１足からなるピエゾ駆動体を１ユニットとし、可動テーブルの円周上に３箇所配置することで、圧電素子からなるピエゾ駆動体の持つ高精度と受台の高い耐荷重を達成し、かつ、圧電素子の数を半減し、コンパクト、コストダウンする方法及び位置決め装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
また、ピエゾ駆動体の支持足先端を球面とすることでなめらかで微小な精度で位置決めする位置決め装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明に係る位置決め方法及び位置決め装置双方の手段を一括して以降に説明する。
【０００９】
上記課題を解決するために本発明に係る位置決め方法は、位置決め対象物を保持する可動テーブルと、圧電素子を用いて三次元的空間内の任意の方向に変位可能な支持足を持つ複数のピエゾ駆動体とを備え、前記ピエゾ駆動体が前記支持足を揺動および上下動させるウォーキング動作を行い前記可動テーブルを移動させる位置決め機構を用いた位置決め方法において、前記位置決め機構は、前記可動テーブルと接触して荷重を受ける受台を備え、それぞれの前記ピエゾ駆動体が同時に前記支持足を上昇及び揺動させることにより前記支持台に支持された前記可動テーブルを持ち上げ移動させ、前記支持足を下降させることで移動させた前記可動テーブルを前記支持台に支持させた後に、前記支持足を下降および揺動させることにより前記支持足を元の位置へ戻すことを繰り返して前記可動テーブルを移動させる位置決め方法からなる。
また、本発明に係る位置決め装置は、位置決め対象物を保持する可動テーブルと、圧電素子を用いて三次元的空間内の任意の方向に変位可能な支持足を持つ複数のピエゾ駆動体とを備え、前記ピエゾ駆動体が前記支持足を揺動および上下動させるウォーキング動作を行い前記可動テーブルを移動させる位置決め機構を備える位置決め装置において、前記位置決め機構は、前記可動テーブルと接触して荷重を受ける受台を備え、それぞれの前記ピエゾ駆動体が同時に前記支持足を上昇及び揺動させることにより前記支持台に支持された前記可動テーブルを持ち上げ移動させ、前記支持足を下降させることで移動させた前記可動テーブルを前記支持台に支持させた後に、前記支持足を下降および揺動させることにより前記支持足を元の位置へ戻すことを繰り返して前記可動テーブルを移動させる位置決め装置からなる。
圧電素子とは、電圧印加により伸縮する素子を示し、圧電素子の材質は問わない。荷重を受ける受台と可動テーブルを移動させる１足からなるピエゾ駆動体を分離することで、高荷重にも耐えうる。かつ、受台とのコンビネーションでピエゾ駆動体を１足でのウォーキング動作で達成できるのでコンパクト、コストダウンが達成できる。また、２足であれば足のかけ変え時に、両足は揺動中であるのですべりが生じ、結果として位置ずれを引き起こし目的とする動作を得られなかったが、１足とすることですべりなく目的とおりの移動を行うことが可能となる。圧電素子からなるピエゾ駆動体の持つ高精度と受台の高い耐荷重を達成し、かつ、圧電素子の数を半減し、コンパクト、コストダウンする方法及び位置決め装置を提供することを目的とするものである。また、円周上に配置することで中央部をあけることができ、位置決め対象物を下部から認識手段で認識したり、露光処理したりすることもでき好適である。
【００１０】
前記ピエゾ駆動体を円周上に３個以上備えていてもよい。最低限の３箇所に配置することで、圧電素子の数が９個で対応可能となり、コンパクト、コストダウンが達成できる。また、３箇所であれば可動テーブルと３個の支持足との間の平行度がでていない場合においても必ず３点が接触するため好適な配置となる。
【００１１】
本発明における位置決め装置を説明する。図１１に示すように３箇所に図１２からなる受台とピエゾ駆動体が配置され、ピエゾ駆動体は図１３に示すように１００，１０１，１０２の３個の圧電素子から構成され、先端に構成された支持足１０３を三次元的空間内の任意の方向に変位可能な駆動体からなる。可動テーブルを移動させるウォーキング動作は図１４に示す。図１５に示すようにここのピエゾ駆動体の移動方向を制御すればＸ、Ｙ、θ方向の移動及び組み合わせた動作が可能となる。また、支持足と受台を入れ替え、図２０に示すように受台を中央に、支持足を外周に配置しても良い。
【００１２】
前記支持足の先端が球面であってもよい。支持足先端が、特許文献２に示すような平らな接触面では、揺動時に面接触から角の接触へと急激に変化する。そのため目的とする移動が得られず微小な位置決めが無理であるが、支持足先端を球面とすることで揺動中において常に１点で接触し、かつ、なめらかに接触点が移動するので微小な位置決めが可能となる。また、本構成においては受台が別途あるため支持足は高荷重を受けないため球面による点接触でも耐えられる構成となっている。
【００１３】
前記受台と前記ピエゾ駆動体がセットとなるウォーキング動作駆動ユニットが形成されて、前記ウォーキング動作駆動ユニットが円周上に配置されていてもよい。図１７〔Ａ〕に示すように受台とピエゾ駆動体を接近させ１ユニットとすることで、受台と支持足の距離がちじまり、可動テーブル接触面のうねりや凹凸による支持足が接触しないなどの影響が小さくなる。また、受台と支持足との高さ関係を１ユニット化することでユニット単体で調整できるので調整し易くなる。また、シンプル、コンパクトを達成できる。また、図１７〔Ｂ〕に示すように受台にＺ方向圧電素子を配置し支持足のストロークの助けとしても良い。
【００１４】
前記受台と前記支持足とが同心上に配置されたウォーキング動作駆動ユニットでもよい。図１６〔Ａ〕に示すように支持足と受台を同心上に配置することで最もコンパクトに、かつ、最も近づき可動テーブル接触面のうねりや凹凸による影響が最も小さくなる。また、図１６〔Ｂ〕に示すように受台にＺ方向圧電素子を配置し支持足のストロークの助けとしても良い。
【００１５】
前記ピエゾ駆動体及び／またはピエゾアクチュエータの圧電素子の収縮動作におけるクリープ特性を、目標とする圧電素子の伸縮量に対する目標電圧に対し、一旦オーバーシュートさせて目標電圧に戻すクリープ補正動作を行ってもよい。圧電素子に目標電圧を印加して停止させても、図９に示すようにクリープ現象により、除々に位置が動いてずれてしまう。しかし、図９に示すように目標電圧に対して一旦オーバーシュートさせて目標電圧に戻してやることで停止させることができる。これは、プラスに電圧を印加したときにはプラス方向のクリープが続き、マイナスに印加した時は、マイナス方向にクリープが続く。これを印加した方向と逆方向に一定量戻してやることでプラスマイナスのクリープを相殺することができるためである。特にクリープは直前の状態に影響されるため逆にかける電圧は小さくても良く、少しオーバーシュートさせて戻してやることで達成できる。図９にはプラス方向へ伸ばす動作によるオーバーシュートを示しているが、マイナス方向へ縮小させる場合は、マイナス方向のオーバーシュートを与えてやればよい。本発明により、圧電素子の伸縮量を読み取るセンサーやフィードバック系は不要となるので、シンプルな構造でコンパクト、コストダウンが達成できる。特に圧電素子の数が多いピエゾ駆動体からなる位置決め装置には適する。
【００１６】
前記クリープ補正動作において、圧電素子が持つヒステリシスを開始点と移動距離のパラメータからグラフ化し、多項式近似を行った結果を目標電圧としてもよい。図１０に示すように圧電素子が持つヒステリシスを多項式近似することで、補正することができる。これをクリープ補正と合わせて使用することで、ヒステリシスとクリープ双方を補正できるので、センサーによるフィードバック系がなくとも高精度な位置決め機構として使用することができる。特に圧電素子の数が多いピエゾ駆動体からなる位置決め装置には適する。クリープ補正だけでも位置は停止するので繰り返し精度が要求されるものには使用できるが、絶対精度が要求されるものには、ヒステリシス補正も合わせて補正してやることが有効である。
【００１７】
前記位置決め機構と、位置決め対象物または可動テーブル上に付されたアライメントマークを認識する認識手段と、認識手段からの情報に基いて前記ピエゾ駆動体を制御する制御手段を備え、該制御手段による制御により前記位置決め対象物または可動テーブルを目標位置へ位置決めするようにしてもよい。位置決め対象物や可動テーブルに付されたアライメントマークを認識手段で認識し、位置へフィードバックしてやることで高精度な位置決めが達成できる。また、各々の圧電素子をセンサーでフィードバックしてやらなくとも対象物に対する１式の認識手段だけでフィードバックできるのでコンパクト、コストダウンを達成できる。特に圧電素子の数が多いピエゾ駆動体からなる位置決め装置には適する。また、位置補正後に再度認識して繰り返し補正してやればさらに高精度な位置決めが達成できる。
【００１８】
前記ピエゾ駆動体が、ピエゾ駆動体の基台上に３個の圧電素子を円周上に立設し、他端側を、支持足を先端に構成する可動ブロックと連結されたピエゾ駆動体であってもよい。図１８〔Ａ〕に示すように圧電素子３個を基台１０５の上に円周上３箇所に配置し、圧電素子と連結された連結ブロック１０４の先端に支持足１０３を構成する。圧電素子１００，１０１，１０２の伸縮を制御することで三次元的空間内の任意の方向に支持足を変位させることができる。これを図１３、図１４に示すようなウォーキング動作させることで図１１、図１５に示すように可動テーブルを移動、位置決めすることができる。ピエゾ駆動体の構成として本方式は一番組み立て易く、コンパクトな構成となる。
【００１９】
前記ピエゾ駆動体が、ピエゾ駆動体の基台上に２個の圧電素子と１個の支柱を円周上に立設し、他端側を可動ブロックと連結され、可動ブロック先端には圧電素子を立設し、圧電素子先端に支持足を構成するピエゾ駆動体であってもよい。図１８〔Ｂ〕に示すように圧電素子１００，１０１と支柱１０６を基台１０５の上に円周上３箇所に配置し、圧電素子と支柱が連結された連結ブロック１０４の上に圧電素子１０２を配置し先端に支持足１０３を構成する。圧電素子１００，１０１，１０２の伸縮を制御することで三次元的空間内の任意の方向に支持足を変位させることができる。これを図１３、図１４に示すようなウォーキング動作させることで図１１、図１５に示すように可動テーブルを移動、位置決めすることができる。ピエゾ駆動体の構成としてＺ方向を分離することでＺストロークを大きくとれて、可動テーブルとの接触高さ誤差を吸収し易く、コンパクトな構成となる。
【００２０】
前記ピエゾ駆動体が、支持足を上部先端に構成する可動ブロックに対し圧電素子を直交する水平２方向と垂直方向に３個の圧電素子を立設し、他端側をひとつのブロックからなる基台と連結されたピエゾ駆動体であってもよい。図１８〔Ｃ〕に示すように圧電素子３個を基台１０５のから連結ブロック１０４にＸ、Ｙ、Ｚの直交する方向３箇所に配置し、圧電素子と連結された連結ブロック１０４の先端に支持足１０３を構成する。圧電素子１００，１０１，１０２の伸縮を制御することで三次元的空間内の任意の方向に支持足を変位させることができる。これを図１３、図１４に示すようなウォーキング動作させることで図１１、図１５に示すように可動テーブルを移動、位置決めすることができる。構成物が支持足から片側によってしまうためユニットとしてはコンパクトになりずらいが、ピエゾ駆動体の構成としてＸ、Ｙ、Ｚ方向を分離することで一番制御し易い構成となる。
【００２１】
請求項１に記載の位置決め方法を用いて、前記位置決め対象物として前記位置決め機構の前記可動テーブルに保持された被加圧物と、前記可動テーブルに保持された被加圧物に対向する被加圧物との位置決めを行い、前記対向する被加圧物を前記可動テーブルに対して垂直方向に押し付けることで被加圧物同士を加圧する加圧方法において、前記ピエゾ駆動体の支持足を上昇させ前記可動テーブルを前記受台から持ち上げて支持した状態で位置決め完了し、前記対向する被加圧物を垂直方向に移動させ、前記可動テーブル上の前記被加圧物に接触させた後、前記ピエゾ駆動体の支持足を下降させ、前記可動テーブルを受台で支持して加圧してもよい。
また、請求項３〜７のいずれかに記載の位置決め装置を備え、前記位置決め対象物として前記位置決め機構の前記可動テーブルに保持された被加圧物と、前記可動テーブルに保持された被加圧物に対向する被加圧物との位置決めを行い、前記対向する被加圧物を前記可動テーブルに対して垂直方向に押し付けることで被加圧物同士を加圧する加圧装置において、前記ピエゾ駆動体の支持足を上昇させ前記可動テーブルを前記受台から持ち上げて支持した状態で位置決め完了し、前記対向する被加圧物を垂直方向に移動させ、前記可動テーブル上の前記被加圧物に接触させた後、前記ピエゾ駆動体の支持足を下降させ、前記可動テーブルを受台で支持して加圧してもよい。
位置決めしたのち加圧する方法において、高精度に位置決めされた位置をずらすことなく加圧するためには、支持足を下げる前に被加圧物を接触させ、ついで受台に載せることで位置ずれのない加圧が可能となる。
【００２２】
前記受台またはウォーキング動作駆動ユニットに直列配置されたピエゾアクチュエータによりＺ方向に伸縮させることにより可動テーブルの平行調整を行ってもよい。位置決めしたのち加圧する方法において、高精度に位置決めされた位置をずらすことなく加圧するためには、被加圧物同士の平行度が高精度に合わされている必要がある。サブミクロンの接触精度を望むにはサブミクロンの平行度が必要である。受台またはウォーキング動作駆動ユニットに直列配置されたピエゾアクチュエータによりＺ方向に伸縮させることで平行度を微妙に調整することができる。平行度の測定方法、フィードバック方法としては図１の圧力検出手段４や隙間を測定するセンサーなどにより行うことができる。ピエゾ駆動体とピエゾアクチュエータの構成としては、図１６〔Ｃ〕や図１７〔Ｃ〕に示すようにピエゾ駆動体１１０と直列配置すれば良い。また、粗動調整部を配置する場合は図１９に示すようにピエアクチュエータ１０９と直列配置し、圧力検出手段３１を直列配置しても良い。
【００２３】
前記被加圧物が４インチ以上からなるウエハーであってもよい。従来のテーブルではθ誤差により大きな対象物である場合には外周での精度が悪化してしまう。しかし、本方式は、外周にピエゾ駆動体を配置し、各々のピエゾ駆動体の移動によりθ成分を移動させるところから特にθ精度は良くなり大きな対象物であっても外周の精度も維持できる。そのため、４インチ以上からなる大きなウエハーにおいては好適である。特に従来の回転ベアリングを使用したものでは芯ぶれが発生し、規格では最低でも４μｍ以上となり課題があった。
【００２４】
前記被加圧物の一方が転写型であり、もう一方が基材からなり、表面に凹凸を持った転写型と基材とを位置合わせしたのち加圧して基材を成型してもよい。高精度を求められる成型装置、たとえばナノインプリント装置ではサブミクロンの位置決めと基材を成型するための高荷重が要求され、両方を満足できる本方式からなる位置決め装置を組み込んだ成型装置は特に好適である。
【００２５】
前記転写型と基材を接触加圧した状態で、前記ピエゾアクチュエータの伸縮動作にて縦振動を印加し、成型及び／又は転写型を抜き取ってもよい。振動とは低周波から超音波領域を含むものを示し、本発明に含む。従来ひとつの振動子を直列につなぐ方法が一般的であるが、複数を並列に接続することでエネルギーを増大させることができ大面積の振動が可能となる。また、大面積で高荷重をかける場合、単独で振動子を中央でうけると周辺のたわみが発生して、前面で均一な振動エネルギーを伝達できない。そこで、振動子となる伸縮機構を並列に複数配置することでたわみを防止し、高いエネルギーで大面積を高荷重のもと振動させることが可能となる。また、従来２次元的な動きしかできなかったものが、並列に複数個所で受けることで３次元的な動作が可能となる。また、伸縮機構とはピエゾアクチュエータ３０及び／または粗動調整部３８を示す。また、縦振動とは縦方向の振動成分が５０％以上である振動を示す。また、基材とは一般的に樹脂をコーティングしたものが多いが、石英ガラスのような固体のものも含む。ナノインプリントと呼ばれる成型分野では、ナノレベルで作られた転写型を基材に押し付けナノレベルでインプリントする方法である。特に将来期待されているのは、半導体のフォトリソグラフィーに変わるインプリント方式によるパターン形成である。これは、数十ナノレベルの配線パターンによるさらなる微細化とコストダウンを目的とする。基材がガラスのような硬い材料の場合には、特に前述のように振動を印加して食い込ますことが有効である。また、樹脂をコーティングした基材などの場合は、加熱やＵＶ照射により樹脂硬化後、型を抜くには樹脂が収縮しているため困難であり、前述のように振動を印加しながら抜くことが好ましい。基材としては、ウエハーのような大面積なものが一般的であり、大面積で高荷重のもと振動を与えられる方式である、少なくとも一方の保持ツールに複数の伸縮機構が接触または連結された成型機構において、転写型と基材を接触加圧した状態で、伸縮機構の伸縮動作にて縦振動を印加し、成型及び／又は転写型を抜き取る前記方法が有効である。また、並列に配置された伸縮機構の振動位相を制御してやることで３次元的な動作が可能となる。特に円周上等間隔に３箇所に配置されている場合は、振動印加手段によって例えばサインカーブからなる伸縮電圧を印加し、位相を１２０°ずつずらしてやれば回転方向に順次波がながれるが如く３次元的な振動動作をさせることができる。前述のように単純に縦振動だけよりもウェーブのようなひねり動作を加えた、抜き勾配ができるような３次元的な動作が型を抜きやすく、また、基材にも食い込ませ易い。特に全面が均等に加圧するのと比べ、ある部分に集中荷重がかかりながら移動していくことで、少ない荷重で加工しやすい。また、型抜きにおいては押しつけながら、角度をつけて斜めに順次抜くことができるので非常に有効な手段となる。ここでいう振動とはこのような３次元的な連続動作も含む。
【００２６】
前記被加圧物が被接合物であり、被接合物同士を位置あわせしたのち加圧して接合してもよい。高精度を求められる接合装置、たとえば半導体デバイスの接合においては微細ピッチでの電極の接合から高精度な位置決めが要望される。また、ＭＥＭＳデバイスにおいても微細な構造物の接合が必要とされ、高精度な位置決めが要望される。また、ウエハーのような大面積の接合には、高荷重が必要となり、両方を満足できる本方式からなる位置決め装置を組み込んだ接合装置は特に好適である。
【００２７】
両被接合物を接触加圧した状態で、前記ピエゾアクチュエータの伸縮動作にて縦振動を印加し接合してもよい。被接合物同士を接合する方法において、従来から超音波振動を印加して接合する方法が知られている。ここでいう振動とは低周波から超音波領域を含むものを示し、本発明に含む。また、接合には良く超音波が利用され好ましい。また、保持ツールと共振させることで大きなエネルギーを出力させることができ好ましい。また、加熱接合する場合や表面活性化による接合の場合においても、振動を印加することで接合界面の応力が増すことから接合荷重は約半分の荷重で接合が行われる。これは、接合するには微小な界面の凹凸が押しつぶされて密着する必要があることから、振動による応力増加が寄与するためである。また、被接合物としてウエハーのような大面積なものの場合には、大面積で高荷重のもと振動を与えられる方式である、少なくとも一方の保持ツールの被接合物と対向面に複数の伸縮機構が接触または連結された接合機構において、両被接合物を接触加圧した状態で、伸縮機構の伸縮動作にて縦振動を印加し接合する方法が有効である。また、並列に配置された伸縮機構の振動位相を制御してやることで３次元的な動作が可能となる。特に円周上等間隔に３箇所に配置されている場合は、振動印加手段によって例えばサインカーブからなる伸縮電圧を印加し、位相を１２０°ずつずらしてやれば回転方向に順次波がながれるが如く３次元的な振動動作をさせることができる。前述のように単純に縦振動だけよりもウェーブのような波がながれるが如く動作を加えた方が、接合時に噛み込んだ空気や真空においても発生する界面の隙間から生じるボイドを抜くことが順次押し出すことで可能となる。また、接合においても集中荷重が順次流れていくので前述原理からなる微小凹凸を密着させる接合にも有効である。特に全面が均等に加圧するのと比べ、ある部分に集中荷重がかかりながら移動していくことで、少ない荷重で接合し易い。ここでいう振動とはこのような３次元的な連続動作も含む。
【００２８】
ウエハーまたはチップからなる半導体デバイスまたはＭＥＭＳデバイスからなる。半導体デバイスの接合においては微細ピッチでの電極の接合から高精度な位置決めが要望される。また、ＭＥＭＳデバイスにおいても微細な構造物の接合が必要とされ、高精度な位置決めが要望される。またＭＥＭＳデバイスの成型や半導体のフォトリソグラフィーに変わるインプリント方式によるパターン形成された半導体デバイスにおいては、高精度な位置決めと高荷重が要望される。これらデバイスには本発明が好適である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明において、荷重を受ける受台と可動テーブルを移動させる１足からなるピエゾ駆動体を分離し、１ユニットとし、可動テーブルの円周上に配置することで、圧電素子からなるピエゾ駆動体の持つ高精度と受台の高い耐荷重を達成し、かつ、圧電素子の数を半減し、コンパクト、コストダウンする方法及び位置決め装置を提供することができる。また、ウエハーなどの外周方向に大きく高荷重が必要なものに対して有効である。
【００３３】
また、ピエゾ駆動体の支持足先端を球面とすることでなめらかで微小な精度で位置決めすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に本発明の望ましい第１の実施形態について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００３５】
図１に本発明の一実施形態に係るナノインプリント装置からなる成型装置を示す。この実施形態では基材となる樹脂をコーティングしたウエハーと転写型となるシリコンウエハーをエッチング加工したものを用い、同寸法からなるウエハーに対して一括して成型する成型装置として例に上げる。
【００３６】
まず、装置構成について記述する。基材となる上ウエハーを保持する基材保持ツール３３と、転写型となる下ウエハーを保持する転写型保持ツール３２が減圧チャンバー１１中に配置され、転写型保持ツール３２はトルク制御式昇降駆動モータ１が連結されたＺ軸昇降機構からなる昇降手段に連結されている。また、モータでなくシリンダ機構でも良い。
【００３７】
本発明における位置きめ装置を説明する。図１１に示すように３箇所に図１２からなる受台とピエゾ駆動体が配置され、ピエゾ駆動体は図１３に示すように１００，１０１，１０２の３個の圧電素子から構成され、先端に構成された支持足１０３を三次元的空間内の任意の方向に変位可能な駆動体からなる。可動テーブルを移動させるウォーキング動作は図１４に示す。図１５に示すようにここのピエゾ駆動体の移動方向を制御すればＸ、Ｙ、θ方向の移動及び組み合わせた動作が可能となる。また、支持足と受台を入れ替え、図２０に示すように受台を中央に、支持足を外周に配置しても良い。また、ピエゾ駆動体の構成としては、図１８〔Ａ〕〔Ｂ〕〔Ｃ〕に示すようなどのような構成でもよい。
圧力検出手段により検出された接合時の加圧力をトルク制御式昇降駆動モータ１にフィ−ドバックすることで位置制御と圧力制御が切り替えながら行えるようになっている。また、図３に示すように、圧力検出手段は圧力検出素子３１を円周上に等間隔に３箇所配置してあり、保持ツールの平行調整用に使用したり、振動加圧時の振幅測定にも使用する。荷重制御に使用する場合は、３つの総和を持ってサーボモータへフィードバックする。また、成型時の接触検出にも利用できる。ピエゾ駆動体で構成されたＸＹθアライメントテーブルは真空中でも使用できる手段を使用するが、Ｚ軸機構は減圧チャンバー外部に設置するため、Ｏリング５により移動可能にヘッド部と外部を遮断されている。ヘッド及びステージの転写型と基材の保持手段としては、メカニカルなチャッキング方式であっても良いが、静電チャックを設けることが好ましい。また、加熱のためのヒータを備え、保持手段、加熱手段の２つの機能を備える。
【００３８】
図３に示すように、各保持ツールの少なくとも一方にはピエゾアクチュエータ３０が円周上に３箇所配置され、平行調整を行う。また、ピエゾアクチュエータ下部には粗動調整部３８が設けられ、大きな伸縮動作は粗動調整部で行い、微少な伸縮動作はピエゾアクチュエータで行う。粗動調整部は手動で動かす場合もあるがサーボモータなどを連結して自動で動かすこともでき、本発明に含む。また、伸縮機構とはピエゾアクチュエータ３０及び／または粗動調整部３８を示す。本実施例では、ピエゾアクチュエータに限って説明するが、粗動調整部を使用して振動印加することも本発明に含む。また、ヘッド部は成型時または型抜き時に超音波領域を含む振動を併用するため、ヘッド７は支柱３７、転写型保持ツール３２、振動子３０から構成され、振動子による振動が転写型保持ツールに伝達され、振動を転写型保持ツールが保持する転写型へ伝達する。図３に示すように、振動子となるピエゾアクチュエータ３０は並列に３箇所円周上に等間隔で配置されており、位相を制御して波が流れるようなウェーブ動作や振幅も増減してうずまき動作など３次元的な動作をさせることができる。支柱３７は転写型保持ツールや振動子の振動を殺さないように保持する手段からなる。また、接触面積に比例して加圧力を制御してやることが好ましい。また、ウエハーのような大面積を成型する場合は、横振動タイプの振動ヘッドでは横振動させるには接触面積が大きくては不可能であるが、縦振動タイプの振動ヘッドであれば、大面積な成型も可能となる。
【００３９】
減圧手段としては、排気管１５に真空ポンプ１７がつながれ、排気弁１６により開閉と流量調整が行われ、真空度を調整可能な構造となっている。また、吸入側は、吸気管１８に吸入ガス切り替え弁２０が連結され吸気弁１９により開閉と流量調整が行われる。吸入ガスとしては封入ガスを２種類連結でき、例えばＡｒと窒素をつなぐことができる。もう一つは大気解放用の大気または窒素がつながれる。真空度や封入ガス濃度は吸気弁１９と排気弁１６の開閉含めた流量調整により最適な値に調整可能となっている。また、真空圧力センサーを減圧チャンバー内に設置することで自動フィードバックすることもできる。
【００４０】
アライメント用の光学系からなるアライメントマーク認識手段がヘッド上方に減圧チャンバー外部に配置される。認識手段の数は最低１つあれば良く、チップのような小さなものを認識するのであれば、アライメントマークがθ方向成分も読みとれる形状や２つのマークを１視野内に配置することで１つの認識手段でも十分読み取ることができるが、本実施例のようにウエハーのような半径方向に大きなものは両端に２つ配置した方がθ方向の精度を高く読み取ることができるので好ましい。また、認識手段は水平方向や焦点方向へ移動可能な手段を設けて、任意の位置のアライメントマークを読みとれるようにしても良い。また、認識手段は、例えば可視光やＩＲ（赤外）光からなる光学レンズをともなったカメラからなる。減圧チャンバーには認識手段の光学系が透過できる材質、例えばガラスからなる窓が配置され、そこを透過して減圧チャンバー中の転写型や基材のアライメントマークを認識する。例えば転写型となる上ウエハー、基材となる下ウエハーの対向する表面にアライメントマークが施され位置精度良く認識することができる。アライメントマークは特定の形状であることが好ましいが、ウエハー上に施された回路パターンなどの一部を流用しても良い。また、マークとなるものが無い場合はオリフラなどの外形を利用することもできる。両ウエハーを近接させた状態で上下ウエハー上の両アライメントマークを読み取り、可動ステージ１０６でＸ、Ｙ、θ方向へアライメント移動を行う。ナノレベルにより高精度にファインアライメントする場合は、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、上部からヘッドを透過して両ウエハー上のアライメントマークを赤外透過して同時認識し、Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。認識手段が焦点方向に移動手段を持つ場合は上下個別に認識することもできるが、近接させて同時認識した方が精度上より好ましい。ファインアライメントする場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となる。画像認識手段としてはサブピクセルアルゴリズムを使用することで赤外線の解像度以上の認識精度を得ることが可能となる。また、近接させてアライメントしておけば接合時に必要なＺ移動量は最低限の数μｍ以内となるため、Ｚ移動に対するガタや傾きを最小限に押さえられ高精度なナノレベルの位置合わせ精度を達成することができる。
【００４１】
次に動作フローを図２を参照しながら解説する。まず、〔１〕に示すように、減圧チャンバーの前扉を開いた状態で転写型となる上ウエハーと基材となる下ウエハーをステージとヘッドに保持させる。これは人手でも良いが、基材はカセットから自動でローディングしても良い。次に〔２〕に示すように、前扉を閉め、減圧チャンバー内を減圧する。気泡を巻き込まないように１０−３Torr以下に減圧することが好ましい。続いて〔３〕に示すように上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態で認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、上部からヘッドを透過して両ウエハー上のアライメントマークを同時認識してＸ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。この場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、また、θ方向は芯ぶれの影響が出るので一定以内に入った後はＸＹ方向のみのアライメントを行うことでナノレベルまで精度を向上できる。続いて〔４〕に示すように、ステージを上昇させ、両ウエハーを接触させ、位置制御から圧力制御へと切り替え加圧する。圧力検出手段により接触を検出し高さ位置を認識しておいた状態で、圧力検出手段の値をトルク制御式昇降駆動モータにフィードバックし設定圧力になるように圧力コントロールする。初期加圧が加えられた状態でまず、円周上に等間隔で配置された圧力素子の値が均一になるようにピエゾアクチュエータで上下の被加圧物間で平行調整を行う。高精度な位置決めが必要な場合は、事前に平行調整を行っておき、その値を記憶して平行調整された状態で接触させる。次に前述のような３次元的な動作を含む任意の振動を印加し、接触界面での応力が増加することにより低荷重で成型加工が進む。加圧力は接触面積の増加に伴い比例して増加させてやることが好ましい。また、お互いに密着し合う面形状をした接触表面には小さなゴミとなるパーティクルが存在し、パーティクル周辺に隙間ができ、大きくボイドとなって成型されない部分が現れる。これを回避するには振動を印加することで、パーティクル部に応力が集中するため砕けるか、基材内に埋没させることができる。また、ガラスなど基材が硬い場合には必要に応じて押し付け成型時に数百℃〜５百℃程度の加熱を加える。熱硬化型樹脂の場合は、押し付け後、２００℃程度の加熱により硬化させ、冷却してから型抜きを行う。続いて〔５〕に示すように、振動を印加しながらステージを下降させ、型抜きを行う。また、紫外線硬化型樹脂の場合は、上部から、紫外線透過材からなるヘッド、転写型を透過して、紫外線照射し硬化させ、型抜きを行う。このときに３次元的なウエーブ動作を加えることで斜めに順次抜き取ることができるので、型抜きがし易くなる。続いて〔６〕に示すように、ステージを待機位置に戻し、減圧チャンバー内を大気解放する。続いて前扉を開けて成型された基材となる下ウエハーを取り出す。人手でも良いが自動でカセットにアンローディングすることが好ましい。
【００４２】
また、成型型を抜き取るにあたって基材表面が粘着性があったり、型と引っ付き易い場合、型抜きができなかったり、型に基材が付着して抜き形状に不良がでたりする。プラズマ照射することで表面改質を行い、型と引っ付きにくくすることで型抜きが容易となる。また、反応ガスを選択すれば表面を軟化させて成型しやすくすることもできる。また、成型型においても使用しているうちに樹脂や汚れが付着し、型抜き時に基材同様不具合が生じるため、成型前にプラズマ照射による表面処理すれば、付着物が洗浄されきれいな型抜きが可能となる。
【００４３】
前記実施例では転写型、基材としてウエハーを上げたが、チップや基板形状であっても良く、いかなる形態のものでも良い。
【００４４】
転写形が石英ガラスのように透明材質からなるものの場合は、認識手段は可視光でも良く、また、基材も赤外透過する材料である必要性は無い。その場合、転写型を透過して基材側アライメントマーク及び転写型表面のアライメントマークを読み取ることができ、好適である。
【００４５】
被接合物の保持手段としては静電チャック方式が望ましいが、メカニカルにチャッキングする方式でも良い。また、大気中でまず真空吸着保持させておいて密着させた後、メカニカルチャックする方法が密着性が上がり好ましい。
【００４６】
実施例ではステージ側がアライメント移動手段と昇降軸を持ち、アライメント移動手段、昇降軸はヘッド側、ステージ側にどのように組み合わせられても良く、また、重複しても良い。また、ヘッド及びステージを上下に配置しなくとも左右配置や斜めなど特に配置方向に依存しない。
【００４７】
振動周波数は特に超音波の領域でなくとも良い。特に縦振動タイプにおいては、低周波でも十分効力を発揮する。
【００４８】
図３に示すように圧力検出素子をピエゾアクチュエータと対向するステージ側へ配置したが、図８に示すようにピエゾアクチュエータと同側へ持っていって配置しても良い。また、図７に示すようにピエゾアクチュエータと圧力検出配置を反対にしてもよい。また、図７や図８のように支柱で連結して支柱をＯリングで封止し、図９に示すように圧力検出素子を減圧チャンバー外へ配置することで温度変化によるドリフトを受けないので高精度に検出ことができる。
【００４９】
平行調整するタイミングとしては、事前に調整した値を保持しておくこともできる。また、各接触時に平行調整したり、加圧時に修正したりすることでより緻密に行うこともできる。また、高精度に位置あわせする必要がある場合は、アライメント前に平行調整しておくことが好ましい。
【００５０】
また、ピエゾ駆動体からなる位置決め装置は上部に配置する構成を説明したが、下部でもよく、どういう配置構成でも良い。
【００５１】
また、ピエゾ駆動体を３箇所に配置する構成を説明したが、３箇所以上でも良い。
【００５２】
また、図１８〔Ａ〕に示すピエゾ駆動体を説明したが、図１８〔Ｂ〕や〔Ｃ〕に示すピエゾ駆動体でも良い。
【実施例２】
【００５３】
以下に本発明の望ましい第２の実施の形態について、図面を参照して説明する。図４に本発明の一実施形態に係る表面活性化後に減圧中で振動印加して接合する接合装置を示す。この実施形態では第１の被接合物である上ウエハーと第２の被接合物である下ウエハーを接合するための装置として例に上げる。
【００５４】
まず、装置構成について記述する。ヘッド７の一部である上ウエハーを保持する保持ツール２５と下ウエハーを保持するステージ８が減圧チャンバー１１中に配置され、ヘッドはトルク制御式昇降駆動モータ１が連結されたＺ軸昇降機構２からなるＺ方向の昇降手段に連結されている。また、モータでなくシリンダ機構でも良い。
【００５５】
本発明における位置きめ装置を説明する。図１１に示すように３箇所に図１２からなる受台とピエゾ駆動体が配置され、ピエゾ駆動体は図１３に示すように１００，１０１，１０２の３個の圧電素子から構成され、先端に構成された支持足１０３を三次元的空間内の任意の方向に変位可能な駆動体からなる。可動テーブルを移動させるウォーキング動作は図１４に示す。図１５に示すようにここのピエゾ駆動体の移動方向を制御すればＸ、Ｙ、θ方向の移動及び組み合わせた動作が可能となる。また、支持足と受台を入れ替え、図２０に示すように受台を中央に、支持足を外周に配置しても良い。また、ピエゾ駆動体の構成としては、図１８〔Ａ〕〔Ｂ〕〔Ｃ〕に示すようなどのような構成でもよい。
【００５６】
保持ツール保持部２４中に配置された圧力検出手段により検出された接合時の加圧力をトルク制御式昇降駆動モータ１にフィ−ドバックすることで位置制御と圧力制御が切り替えながら行えるようになっている。また、図３に示すように、圧力検出手段は圧力検出素子３１を円周上に等間隔に３箇所配置してあり、保持ツールの平行調整用に使用したり、振動加圧時の振幅測定にも使用する。ヘッド荷重制御に使用する場合は、３つの総和を持ってサーボモータへフィードバックする。また、被接合物同士の接触検出にも利用できる。ピエゾ駆動体で構成されたＸＹθアライメントテーブルは真空中でも使用できる手段を使用するが、Ｚ軸機構は減圧チャンバー外部に設置するため、ベローズ５により移動可能にヘッド部と外部を遮断されている。保持ツール２５と位置決め装置からなるステージは接合位置と待機位置間をスライド移動手段２９によりスライド移動することができる。スライド移動手段には高精度なガイドと位置を認識するリニアスケールが取り付けられており、接合位置と待機位置間の停止位置を高精度に維持することができる。また、移動手段としては、減圧チャンバー内部に組み込んだかたちとしているが、移動手段を外部に配置し、パッキンされた連結棒で連結することで外部にシリンダやリニアサーボモータなどを配置することが可能である。また、真空中にボールネジを配置し、外部にサーボモータを設置することでも対応できる。移動手段はいかなる移動手段であっても良い。ヘッド及びステージの被接合物保持手段としては、メカニカルなチャッキング方式であっても良いが、静電チャックを設けることが好ましい。また、加熱のためのヒータを備え、プラズマ電極ともなっており、保持手段、加熱手段、プラズマ発生手段の３つの機能を備える。
【００５７】
図３に示すように、各保持ツールの少なくとも一方にはピエゾアクチュエータ３０が円周上に３箇所配置され、平行調整を行う。また、ピエゾアクチュエータ下部には粗動調整部３８が設けられ、大きな伸縮動作は粗動調整部で行い、微少な伸縮動作はピエゾアクチュエータで行う。微動調整用のピエゾアクチュエータと粗動調整用の粗動調整部が直列に配置された構造であり、粗動調整部で平行調整した後にピエゾアクチュエータで微動調整を行う。本発明においては、図１における粗動調整機構のようなくさび型のステージをネジ機構により水平移動させ、ブロックを昇降させる構造を用い、粗調整した後、直列に配置されたピエゾアクユエータを用いて微調整を行う。粗動調整部は手動で動かす場合もあるがサーボモータなどを連結して自動で動かすこともでき、本発明に含む。また、伸縮機構とはピエゾアクチュエータ３０及び／または粗動調整部３８を示す。本実施例では、ピエゾアクチュエータに限って説明するが、粗動調整部を使用して振動印加することも本発明に含む。もちろん、ピエゾアクチュエータと粗動調整部を併用して動作させてもかまわない。また、直列配置とは、ピエゾアクチュエータと粗動調整部の間に他の構造物が入っていてもかまわない。
【００５８】
また、ヘッド７は保持ツール２５、から構成される。図３に示すように、振動子となるピエゾアクチュエータ３０は並列に３箇所円周上に等間隔で配置されており、位相を制御して波が流れるようなウェーブ動作や振幅も増減してうずまき動作など３次元的な動作をさせることができる。また、接合が進むにつれ接合面積に比例して加圧力を制御してやることが好ましい。また、ウエハーのような大面積を接合する場合は、横振動タイプの振動ヘッドでは横振動させるには接合面積が大きくては不可能であるが、縦振動タイプの振動ヘッドであれば、大面積な面接合も可能となる。
【００５９】
減圧手段としては、排気管１５に真空ポンプ１７がつながれ、排気弁１６により開閉と流量調整が行われ、真空度を調整可能な構造となっている。また、吸入側は、吸気管１８に吸入ガス切り替え弁２０が連結され吸気弁１９により開閉と流量調整が行われる。吸入ガスとしてはプラズマの反応ガスを２種類連結でき、例えばＡｒと酸素や酸素と窒素をつなぐことができる。もう一つは大気解放用の大気または窒素がつながれる。真空度や反応ガス濃度は吸気弁１９と排気弁１６の開閉含めた流量調整により最適な値に調整可能となっている。また、真空圧力センサーを減圧チャンバー内に設置することで自動フィードバックすることもできる。
【００６０】
アライメント用の光学系からなるアライメントマーク認識手段がステージ待機位置の上方とヘッド下方に減圧チャンバー外部に配置される。認識手段の数は最低ステージ、ヘッド側に１つずつあれば良く、チップのような小さなものを認識するのであれば、アライメントマークがθ方向成分も読みとれる形状や２つのマークを１視野内に配置することで１つの認識手段でも十分読み取ることができるが、本実施例のようにウエハーのような半径方向に大きなものは両端に２つずつ配置した方がθ方向の精度を高く読み取ることができるので好ましい。また、認識手段は水平方向や焦点方向へ移動可能な手段を設けて、任意の位置のアライメントマークを読みとれるようにしても良い。また、認識手段は、例えば可視光やＩＲ（赤外）光からなる光学レンズをともなったカメラからなる。減圧チャンバーには認識手段の光学系が透過できる材質、例えばガラスからなる窓が配置され、そこを透過して減圧チャンバー中の被接合物のアライメントマークを認識する。被接合物上には例えば各上ウエハー、下ウエハーの対向する表面にアライメントマークが施され位置精度良く認識することができる。アライメントマークは特定の形状であることが好ましいが、ウエハー上に施された回路パターンなどの一部を流用しても良い。また、マークとなるものが無い場合はオリフラなどの外形を利用することもできる。ステージ待機位置で上下ウエハー上の両アライメントマークを読み取り、接合位置へステージを移動させ、可動ステージ１０６でＸ、Ｙ、θ方向へアライメント移動を行う。待機位置の読みとり結果を接合位置で反映させるため、ステージの待機位置と接合位置の相対移動距離ベクトルは繰り返し同じ結果となるよう精度が必要である。そのため、ガイドには高精度な繰り返し精度を持つものを使用し、かつ、両サイドでの位置認識を高精度に読み取るリニアスケールを配置している。リニアスケールを移動手段にフィードバックすることで停止位置精度を高める方法と移動手段が簡易なシリンダのようなものやボルトナット機構のようなバックラッシュのあるものである場合は、リニアスケールを両停止位置で読み取り、行き過ぎや行き足りない分をヘッド側アライメント移動手段を移動させる時に考慮して補正することで容易に高精度を達成することができる。また、ナノレベルにより高精度にファインアライメントする場合は、粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを赤外透過して同時認識し、再度Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。認識手段が焦点方向に移動手段を持つ場合は上下個別に認識することもできるが、近接させて同時認識した方が精度上より好ましい。ファインアライメントする場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となる。画像認識手段としてはサブピクセルアルゴリズムを使用することで赤外線の解像度以上の認識精度を得ることが可能となる。また、近接させてアライメントしておけば接合時に必要なＺ移動量は最低限��数μｍ以内となるため、Ｚ移動に対するガタや傾きを最小限に押さえられ高精度なナノレベルの位置合わせ精度を達成することができる。
【００６１】
次に動作フローを図５を参照しながら解説する。まず、１に示すように、減圧チャンバーの前扉を開いた状態で上ウエハーと下ウエハーをステージとヘッドに保持させる。これは人手でも良いが、カセットから自動でローディングしても良い。次に２に示すように、前扉を閉め、減圧チャンバー内を減圧する。不純物を取り除くために１０−３Torr以下に減圧することが好ましい。続いて３、４に示すように、プラズマ反応ガスである例えばＡｒを供給し、例えば１０−２Torr程度の一定の真空度でプラズマ電極にプラズマ電源を印加し、プラズマを発生させる。発生されたプラズマイオンは電源側に保持されたウエハーの表面に向かって衝突し、表面の酸化膜や有機物層などの付着物がエッチングされることにより表面活性化される。また、酸素や窒素を反応ガスとして使って親水化処理し、ＯＨ基により表面活性化することもできる。同時に両ウエハーを洗浄することも可能であるが、１つのマッチングボックスを切り替えることで交互に洗浄することもできる。続いて５に示すようにステージ待機位置でヘッド側、ステージ側の各々の認識手段で真空中で上下ウエハー上のアライメントマークを読み取り、位置を認識する。続いて６に示すように、ステージは接合位置へスライド移動する。この時の認識された待機位置とスライド移動した接合位置の相対移動はリニアスケールを用いて高精度に行われる。ナノレベルの高精度が要求される場合は７に示す工程を追加する。粗位置決めを行った後、上ウエハーと下ウエハーを数μｍ程度に近接させた状態でヘッド側認識手段に可視光、ＩＲ（赤外）兼用認識手段を使用し、ステージのアライメントマーク位置には透過孔や透過材を設けることで、下部からステージを透過して両ウエハー上のアライメントマークを同時認識して再度Ｘ、Ｙ、θ方向へアライメントすることができる。この場合、繰り返してアライメントすることで精度向上が可能となり、続いて８に示すように、ヘッドを下降させ、両ウエハーを接触させ、位置制御から圧力制御へと切り替え加圧する。圧力検出手段により接触を検出し高さ位置を認識しておいた状態で、圧力検出手段の値をトルク制御式昇降駆動モータにフィードバックし設定圧力になるように圧力コントロールする。初期加圧が加えられた状態でまず、円周上に等間隔で配置された圧力素子の値が均一になるようにピエゾアクチュエータで上下の被接合物間で平行調整を行う。高精度な位置決めが必要な場合は、表面活性化する前に事前に平行調整を行っておき、その値を記憶して平行調整された状態で接触させることもできる。次に前述のような３次元的な動作を含む任意の振動を印加し、接合界面での応力が増加することにより低荷重で接合が進む。加圧力は接合面積の増加に伴い比例して増加させてやることが好ましい。また、ウエハーのようにお互いに密着し合う面形状をした被接合物の接合表面には小さなゴミとなるパーティクルが存在し、低温で固層のまま接合するとパーティクル周辺に隙間ができ、大きくボイドとなって接合されない。これを除去するには接合時に振動を印加することで、パーティクル部に応力が集中するため砕けるか、基材内に埋没させることができる。また、界面の隙間からなる空隙においても振動を印加することで膨張収縮させ、空隙を接触させることで、すでに表面活性化された界面は接合されるようになり、ボイドが軽減する。超音波振動では面同士は接合できないが、接合力は表面活性化によって接合されるので振動は、パーティクルを粉砕及び／又は埋没させ、また、空隙を接触させるために使用する。真空中であるのでパーティクルさえ無くなれば隙間なく接合することができる。また、必要に応じて接合時に加熱を加える。また、残留応力を除去したり接合強度をアップするために振動接合後、加熱する場合は、常温で接触させた後、昇温させることで精度をキープさせた状態で加熱することもできる。続いて９に示すように、ヘッド側保持手段を解放し、ヘッドを上昇させる。続いて１０に示すように、ステージを待機位置に戻し、減圧チャンバー内を大気解放する。続いて１１に示すように、前扉を開けて接合された上下ウエハーを取り出す。人手でも良いが自動でカセットにアンローディングすることが好ましい。
【００６２】
前記実施例では被接合物としてウエハーを上げたが、チップと基板であっても良い。ウエハーのような大きな接合面積であれば、被接合物はウエハーやチップ、基板に限らずいかなる形態のものでも良い。
【００６３】
振動ヘッドをヘッドとは別にステージ待機位置とヘッド位置の中間に配置し、アライメントして上部被接合物と下部被接合物をヘッドで装着した後、ステージを移動させ、振動ヘッドにより上部より加圧、振動を印加して接合しても良い。そうすることで保持ツールで被接合物を保持する手段やプラズマ電極機能が不要となり、保持ツールの設計が容易になる。
【００６４】
また、プラズマ洗浄を別装置で行い、本装置では接合だけを行ってもよい。その場合はステージの待機位置への移動手段は不要となる。
【００６５】
被接合物の保持手段としては静電チャック方式が望ましいが、メカニカルにチャッキングする方式でも良い。また、大気中でまず真空吸着保持させておいて密着させた後、メカニカルチャックする方法が密着性が上がり好ましい。
【００６６】
実施例ではヘッド側がアライメント移動手段と昇降軸を持ち、ステージ側がスライド軸を持ったが、アライメント移動手段、昇降軸、スライド軸はヘッド側、ステージ側にどのように組み合わせられても良く、また、重複しても良い。また、ヘッド及びステージを上下に配置しなくとも左右配置や斜めなど特に配置方向に依存しない。
【００６７】
ステージをスライドさせた状態でプラズマ洗浄する場合は、ヘッドとステージの電極形状、周囲の形状が似かよっているため電界環境は似かよっている。そのため、プラズマ電源を自動調整するマッチングボックスは個別のものを使用しなくとも、一つのもので電極を切り替え、順次ヘッド側、ステージ側と洗浄することができる。そうすることでコンパクト、コストダウンを達成できる。
【００６８】
振動周波数は特に超音波の領域でなくとも良い。特に縦振動タイプにおいては、低周波でも十分効力を発揮する。
【００６９】
本実施例ではＡｒプラズマによる表面活性化を上げたが、酸素や窒素を反応ガスとしてプラズマを使用し、親水化により表面をＯＨ基で表面活性化させ、水素結合させ、加熱により強固に共晶結合させる方法も使用できる。本方式は特にＳｉやガラス、ＳＩＯ２、セラミック系を含む酸化物に有効である。
【００７０】
図８に示すようにピエゾアクチュエータと同側へ持っていって配置したが、図３に示すように圧力検出素子をピエゾアクチュエータと対向するステージ側へ配置した方が、被接合物を介して検出できるので好ましい。また、図７に示すようにピエゾアクチュエータと圧力検出配置を反対にしてもよい。また、図８のように支柱で連結して圧力検出素子をヒータから遠ざけることで温度変化によるドリフトを受けないので高精度に検出ことができる。
【００７１】
平行調整するタイミングとしては、事前に調整した値を保持しておくこともできる。また、各接触時に平行調整したり、加圧時に修正したりすることでより緻密に行うこともできる。また、高精度に位置あわせする必要がある場合は、アライメント前に平行調整しておくことが好ましい。また、表面活性化して接合する場合は、表面活性化処理前に平行調整しておく必要がある。
【００７２】
また、ピエゾ駆動体からなる位置決め装置は下部に配置する構成を説明したが、上部でもよく、どういう配置構成でも良い。
【００７３】
また、ピエゾ駆動体を３箇所に配置する構成を説明したが、３箇所以上でも良い。
【００７４】
また、図１８〔Ａ〕に示すピエゾ駆動体を説明したが、図１８〔Ｂ〕や〔Ｃ〕に示すピエゾ駆動体でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】成型装置構成図
【図２】成型動作フロー図
【図３】圧力検出素子とピエゾアクチュエータ配置図
【図４】振動加圧接合装置構成図
【図５】接合動作フロー図
【図６】うずまき型振動動作フロー図
【図７】圧力検出素子とピエゾアクチュエータ配置図その２
【図８】圧力検出素子とピエゾアクチュエータ配置図その３
【図９】圧電素子のクリープ現象と停止方法図
【図１０】圧電素子のヒステリシス補正動作図
【図１１】ピエゾ駆動体と受台を配置した位置決め装置図
【図１２】ウォーキング動作駆動ユニット図
【図１３】ピエゾ駆動体構成とウォーキング動作図
【図１４】ウォーキング動作駆動ユニットによるウォーキング動作図
【図１５】ピエゾ駆動体からなる位置決め装置移動方法説明図
【図１６】ウォーキング動作駆動ユニット構成図１
【図１７】ウォーキング動作駆動ユニット構成図２
【図１８】ピエゾ駆動体構成図
【図１９】ウォーキング動作駆動ユニットと伸縮機構構成図
【図２０】ウォーキング動作駆動ユニット構成図３
【符号の説明】
【００７６】
１  トルク制御式昇降駆動モータ
２  Ｚ軸昇降機構
３  θ軸回転機構
４  圧力検出手段
５  ベローズ
６  ＸＹアライメントテーブル
７  ヘッド
８  ステージ（プラズマ電極、ヒータ、保持手段）
９  下ウエハー
１０  上ウエハー
１１  減圧チャンバー
１２  ヘッド側ウエハー認識カメラ
１３  ステージ側ウエハー認識カメラ
１４  ガラス窓
１５  排気管
１６  排気弁
１７  真空ポンプ
１８  吸気管
１９  吸気弁
２０  吸入ガス切り替え弁
２１  Ａｒ
２２  Ｏ２
２３  大気
２４  保持ツール保持部
２５  保持ツール（プラズマ電極、ヒータ、保持手段）
２６  振動子
２７  上アライメントマーク
２８  下アライメントマーク
２９  スライド移動手段
３０  ピエゾアクチュエータ
３１  圧力検出素子
３２  転写型保持ツール
３３  基材保持ツール
３４  転写型
３５  基材
３６  Ｏリング
３７  支柱
３８  粗動調整部
３９  アライメントマーク認識カメラ
４０  フレーム
１００  圧電素子
１０１  圧電素子
１０２  圧電素子
１０３  支持足
１０４  連結ブロック
１０５  基台
１０６  可動テーブル
１０７  受台
１０８  ピエゾ駆動体
１０９  ピエゾアクチュエータ
１１０  ウォーキング動作駆動ユニット
１１１  バネ
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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