(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工領域毎に設定された計測点を有する第１基板と第２基板とを張り合わせる基板張り合わせ方法において、
第１基準マークを有する第１基板保持部によって前記第１基板を保持し、第２基準マークを有する第２基板保持部によって前記第２基板を保持する保持工程と、
第１条件下で、前記第１基板と第２基板とのそれぞれ前記被加工領域毎に設定された計測点のうち、予め選択された所定数のサンプル計測点の位置を計測する計測工程と、
前記サンプル計測点の計測位置を演算パラメータとして統計演算を行い、前記第１基準マーク及び第２基準マークを基準としたそれぞれの前記被加工領域の配列のオフセット、ローテーション及び直交度についての少なくとも一つを算出する算出工程と、
前記第１条件とは異なる第２条件下で、前記第１基板及び前記第２基板に対して表面を活性化させる表面活性工程と、
前記第２条件下で、前記算出工程の算出結果に基づいて前記第１基板と前記第２基板とを重ね合わせる重ね合わせ工程と、を備え、
前記第１条件は常温大気圧の状態であり、前記第２条件は真空又は不活性ガス中であることを特徴とする基板張り合わせ方法。
【請求項２】
前記第１基板を保持する第１基板保持部と前記第２基板を保持する第２基板保持部とを搬送するローダーによって、前記計測工程が行われた場所から前記表面活性工程が行われる場所へと前記第１基板と前記第２基板とを搬送する工程を備えることを特徴とする請求項１に記載の基板張り合わせ方法。
【請求項３】
前記算出工程は前記被加工領域の配列のオフセット、ローテーション及び直交度を前記第１基準マーク及び前記第２基準マークを基準として算出し、
前記重ね合わせ工程は、前記第１基準マーク及び前記第２基準マークを観察しながら前記第１基板と前記第２基板とを重ね合わせることを特徴とする請求項２に記載の基板張り合わせ方法。
【請求項４】
さらに前記重ね合わせ工程後に、前記第１基板と前記第２基板とを加圧する加圧工程を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の基板張り合わせ方法。
【請求項５】
前記加圧工程は、前記第１基板及び前記第２基板を加熱する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の基板張り合わせ方法。
【請求項６】
前記重ね合わせ工程は、画像処理により前記第１基準マークと前記第２基準マークとの位置関係を観察することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の基板張り合わせ方法。
【請求項７】
前記重ね合わせ工程は、前記第１基板保持部を載置した電気機械変位駆動のステージを移動させることで、前記第１基板と前記第２基板とを重ね合わせることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の基板張り合わせ方法。
【請求項８】
前記計測工程は、前記第１基板保持部又は前記第２基板保持部を載置したエアベアリングで移動するステージの位置をレーザー干渉計によって計測することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の基板張り合わせ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハなどの基板の積層する基板張り合わせ方法に関するもので、特に複数のチップが形成されている基板同士を正確に接合する基板張り合わせ方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やＩＣカード等の電子機器の高機能化に伴い、その内部に実装される半導体チップ（ＬＳＩ、ＩＣなど）の薄型化又は小型化が進んでいる。また、線幅を狭くすることなく記憶容量を増すために半導体ウエハを数層重ね合わせた三次元実装タイプの半導体チップ、例えばＳＤカード又はＭＥＭＳなどが増えつつある。
【０００３】
特許文献１は半導体ウエハ同士の接合面をプラズマにて親水化処理して接合する方法を開示している。特許文献１で開示される装置は、半導体ウエハを原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギー波によりプラズマ処理工程を行った後、大気に暴露することなく、半導体ウエハ同士を接合している。特許文献１の第２実施形態では、最初に真空状態にしてプラズマ処理を行い、一対の半導体ウエハをアライメントして接合している。
【特許文献１】特開２００５−２９４８００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、真空中であってもプラズマ処理工程を行ったのち、アライメントを行っていると、せっかくプラズマ処理して洗浄（活性化）された半導体ウエハの表面が汚染されて半導体ウエハ同士の接合がうまくいかない状況が発生する。また、ステージが真空中で大きなストローク例えば３００ｍｍ程度を高精度に移動させることは困難である。さらに第１特許文献１では、半導体ウエハの表面に形成されたアライメントマークを２点観察しているが、半導体ウエハには数百もの半導体チップが形成されているため、２点を観察するだけでは、これらの数百もの半導体チップを誤差なく接合することは大変困難である。
【０００５】
また、特許文献１では、半導体ウエハの表面に形成されたアライメントマークをウエハ裏面側から赤外線透過で観察しているが、赤外線は不純物が高濃度にドープされたウエハを透過できない。このため通常使用されるＭＯＳ型デバイスウエハに適用できない場合が生じる。
さらに、特許文献１ではウエハ裏面からの観察のためにウエハホルダに貫通孔を設けている。この貫通孔の領域では静電チャック又は真空チャックが機能しないためウエハ保持の吸着に不均一が生じる問題もあった。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、半導体ウエハを含む第１基板又は第２基板に設けられた被加工領域に対して、第１条件下で被加工領域の配列のオフセット、ローテーション及び直交度を算出し、第２条検下で表面活性工程を行い、第１基板と前記第２基板とを重ね合わせるようする、このようにして、より最適に半導体ウエハ同士の接合を行うことができる基板張り合わせ方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本観点に係る基板張り合わせ方法は、被加工領域毎に設定された計測点を有する第１基板と第２基板とを張り合わせる基板張り合わせ方法である。この基板張り合わせ方法は、第１基準マークを有する第１基板保持部によって第１基板を保持し、第２基準マークを有する第２基板保持部によって第２基板を保持する保持工程と、第１条件下で、第１基板と第２基板とのそれぞれ被加工領域毎に設定された計測点のうち、予め選択された所定数のサンプル計測点の位置を計測する計測工程と、サンプル計測点の計測位置を演算パラメータとして統計演算を行い、第１基準マーク及び第２基準マークを基準としたそれぞれの被加工領域の配列のオフセット、ローテーション及び直交度についての少なくとも一つを算出する算出工程と、第１条件とは異なる第２条件下で、第１基板及び第２基板に対して表面を活性化させる表面活性工程と、第２条件下で、第１基準マーク及び第２基準マークを観察しながら、算出工程の算出結果に基づいて第１基板と第２基板とを重ね合わせる重ね合わせ工程と、を備える。
このような構成によれば、第１条件下で第１基板及び第２基板に設定された被加工領域の配置を計測し、第２条件下で表面活性処理を行いそれぞれの第１基板と第２基板との被加工領域を接合する。被加工領域の測定には第１条件下で正確に行うことができ、また、表面活性工程では表面の活性状態を維持したまま第１基板と第２基板とを素早く接合することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の基板張り合わせ方法は、基板に形成された個々の被加工領域の配置を高精度なアライメントで行うことができ、さらに表面活性工程の後に素早く接合できるため、精度よく且つ安定した被加工領域の接合を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
＜ウエハ張り合わせ装置の全体構成＞
図１はウエハ張り合わせ装置１００の全体斜視図である。
ウエハ張り合わせ装置１００は、ウエハローダーＷＬ及びウエハホルダローダーＷＨＬを有している。ウエハローダーＷＬ及びウエハホルダローダーＷＨＬは、多関節ロボットであり六自由度方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θＸ，θＹ，θＺ）に移動可能である。さらにウエハローダーＷＬはレールＲＡに沿ってＹ方向に長い距離移動可能であり、ウエハホルダローダーＷＨＬはレールＲＡに沿ってＸ方向に長い距離移動可能である。
【００１０】
ウエハ張り合わせ装置１００は、その周辺に半導体ウエハＷを複数枚収納するウエハストッカー１０を有している。ウエハ張り合わせ装置１００は、第１半導体ウエハＷ１と第２半導体ウエハＷ２とを張り合わせるため、第１半導体ウエハＷ１を収納するウエハストッカー１０−１と第２半導体ウエハＷ２を収納するウエハストッカー１０−２とが用意されている。また、ウエハストッカー１０の近郊に半導体ウエハＷ（以下、特に第１半導体ウエハＷ１と第２半導体ウエハＷ２とを区別しないときには半導体ウエハＷと呼ぶ。）をプリアライメントするウエハプリアライメント装置２０が設けられている。ウエハローダーＷＬによりウエハストッカー１０から取り出された半導体ウエハＷがウエハプリアライメント装置２０に送られる。
【００１１】
ウエハ張り合わせ装置１００は、ウエハホルダＷＨを複数枚収納するウエハホルダストッカー３０を有している。ウエハホルダＷＨは第１半導体ウエハＷ１に対しても第２半導体ウエハＷ２に対しても共用して使用することができるため、ウエハホルダストッカー３０は一箇所である。また、ウエハホルダストッカー３０の近郊にウエハホルダＷＨをプリアライメントするウエハホダルプリアライメント装置４０が設けられている。ウエハホルダローダーＷＨＬによりウエハホルダストッカー３０から取り出されたウエハホルダＷＨがウエハホルダプリアライメント装置４０に送られる。ウエハホルダプリアライメント装置４０では、プリアライメントされたウエハホルダＷＨに対して、プリアライメントされた半導体ウエハＷがウエハローダーＷＬにより載置される。
【００１２】
ウエハ張り合わせ装置１００は、一対の半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨをアライメントするアライナー５０を有している。アライナー５０は、大気圧中においてウエハホルダＷＨに設けられた基準マークＦＭ（図２又は図３を参照）に対して、半導体ウエハＷに形成された１チップ（１ショット）ごとのアライメントマークＡＭがどのように配置されているかを計測する。半導体ウエハＷには数百ものチップが形成されているため、主要な８点から３０点ほどのサンプル計測点のアライメントマークＡＭの計測を行い、半導体ウエハＷ全体のチップ配列のオフセット、ローテーション及び直交度などを計算する。このようなアライメント方法を、以下ＥＧＡ（Enhanced Global Alignment）と呼ぶ。
【００１３】
アライナー５０にはウエハホルダプリアライメント装置４０から半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨがウエハホルダローダーＷＨＬにより送られてくる。また、アライメント計測を終えたウエハホルダＷＨはウエハホルダローダーＷＨＬによりプラズマ接合装置７０に送られる。アライナー５０については図２を使い詳述する。
【００１４】
ウエハ張り合わせ装置１００のプラズマ接合装置７０は、ウエハホルダＷＨを介してアライナー５０でアライメントされた一対の半導体ウエハＷに対してプラズマ処理を行う。さらに、プラズマ接合装置７０は基準マークＦＭを観察しながら、プラズマ処理により活性化した一対の半導体ウエハＷを重ね合わせる。こうすることで一対の半導体ウエハＷ上の電極であるＣｕなどの金属バンプ同士が互いに接合する。また、プラズマ接合装置７０内は真空状態に保持されている。プラズマ接合装置７０については図４を使い詳述する。
【００１５】
ウエハ張り合わせ装置１００はプラズマ接合装置７０の隣に分離ユニット８０を有している。分離ユニット８０は、接合した半導体ウエハＷをウエハホルダＷＨから外す。半導体ウエハＷはウエハローダーＷＬにより分離ユニット８０から取り出され、張り合わせウエハ用ストッカー８５に送られる。ウエハホルダＷＨはウエハホルダローダーＷＨＬにより分離ユニット８０から取り出され、再びウエハホルダストッカー３０に戻される。張り合わされた半導体ウエハＷはその後ダイシングされ個々のチップに切り取られる。
【００１６】
ウエハ張り合わせ装置１００は、ウエハ張り合わせ装置１００全体の制御を行う主制御部９０が設けられている。主制御部９０は、ウエハローダーＷＬ、ウエハホルダローダーＷＨＬ、ウエハプリアライメント装置２０、及びウエハホルダプリアライメント装置４０などの各装置を制御する制御装置と信号の受け渡しを行い全体の制御を行う。
【００１７】
＜アライナー５０によるＥＧＡ＞
図２は本実施形態のアライナー５０を示した概念図である。半導体ウエハＷはウエハホルダＷＨを介して二次元的に位置決めするウエハテーブル５２上に載置されている。ウエハテーブル５２は、大気圧のチャンバー内においてステージ５１上で不図示のエアベアリングを介して支えられている。ステージ５１にはリニアモータ５４が設けられており、リニアモータ５４はウエハテーブル５２をＸＹ方向に駆動させる。例えば半導体ウエハＷの直径が３００ｍｍであると、ウエハテーブル５２の移動範囲は３００ｍｍ以上となる。
【００１８】
ウエハテーブル５２上面の一端には移動ミラー５３が固定されており、移動ミラー５３に対向するようにレーザー干渉計５５が配置されている。尚、図２では図示を簡略化しているが、移動ミラー５３はＸ軸に垂直な反射面を有する平面鏡及びＹ軸に垂直な反射面を有する平面鏡より構成されている。また、レーザー干渉計５５は、Ｘ軸に沿って移動ミラー５３にレーザービームを照射する２個のＸ軸用のレーザー干渉計及びＹ軸に沿って移動ミラー５３にレーザービームを照射するＹ軸用のレーザー干渉計より構成されており、Ｘ軸用の１個のレーザー干渉計５５及びＹ軸用の１個のレーザー干渉計５５により、ウエハテーブル５２のＸ座標及びＹ座標が計測される。レーザー干渉計５５で計測されるＸ座標及びＹ座標よりなる座標系（Ｘ，Ｙ）を、以下ではステージ座標系と呼ぶことにする。
【００１９】
また、Ｘ軸用の２個のレーザー干渉計５５の計測値の差によりウエハテーブル５２の回転角が計測される。レーザー干渉計５５により計測されたＸ座標、Ｙ座標、及び回転角の情報が座標計測回路６０及び主制御部９０に供給され、主制御部９０は、供給された座標をモニターしつつリニアモータ５４を介して、ウエハテーブル５２の位置決め動作を制御する。
【００２０】
また、アライナー５０はアライメント系ＣＡを有している。このアライメント系ＣＡは、例えばハロゲンランプ等の広帯域波長の光を射出する光源６２を備えており、光源６２から射出された照明光がコリメータレンズ６３、ビームスプリッター６４及び対物レンズ６１を介して半導体ウエハＷ上に形成された計測点としてのアライメントマークＡＭ又はウエハホルダ上の基準マークＦＭに照射される。アライメントマークＡＭ又はウエハホルダ上の基準マークＦＭからの反射光は、対物レンズ６１、ビームスプリッター６４及び集光レンズ６５を介して指標板６６上に導かれ、指標板６６上にアライメントマークＡＭの像が結像される。
【００２１】
指標板６６を透過した光は、第１リレーレンズ６７を経てビームスプリッター６８に向かい、ビームスプリッター６８を透過した光が、Ｘ軸用第２リレーレンズ６９Ｘにより二次元ＣＣＤよりなるＸ軸用撮像装置ＣＡＸの撮像面上に集束される。また、ビームスプリッター６８で反射された光が、Ｙ軸用第２リレーレンズ６９Ｙにより二次元ＣＣＤよりなるＹ軸用撮像装置ＣＡＹの撮像面上に集束される。Ｘ軸用撮像装置ＣＡＸ，Ｙ軸用撮像装置ＣＡＹの撮像面上にはそれぞれアライメントマークＡＭ又は基準マークＦＭの像及び指標板６６上の指標マークの像が重ねて結像される。撮像装置ＣＡＸ，ＣＡＹの撮像信号は共に座標計測回路６０に供給される。
【００２２】
図３（ａ）は、半導体ウエハＷに複数形成されるアライメントマークＡＭの一例を説明するための図である。また、図３（ｂ）においては、アライメントマークＡＭの像が指標板６６上に結像した状態を図示している。なお、図３（ａ）に示すアライメントマークＡＭは、サンプル測定点のみ描いているがサンプル測定点以外のチップに対しても形成されていても良い。
【００２３】
図３に示す通り、半導体ウエハＷ上には規則的にチップ領域ＥＳ１，ＥＳ２，…，ＥＳＭ（Ｍは３以上の整数）が形成されている。各チップ領域ＥＳｉ（ｉ＝１〜Ｍ）にはそれまでの工程によりそれぞれチップパターンが形成されている。また、各チップ領域ＥＳｉはｘ方向及びｙ方向に伸びる所定幅のストリートライン（スクライブライン）で区切られており、各チップ領域ＥＳｉに接するｘ方向に伸びたストリートラインの中央部にＸ軸、Ｙ軸の二次元方向計測用のアライメントマークＡＭｉが形成されている。
【００２４】
半導体ウエハＷ上のアライメントマークＡＭｉのｘ座標（設計上の座標値）Ｄｘｉ、及びｙ座標（設計上の座標値）Ｄｙｉは既知であり、図２の主制御部９０内の記憶部に記憶されている。この場合、アライメントマークＡＭｉのｘ座標及びｙ座標を、それぞれチップ領域ＥＳｉのｘ座標及びｙ座標とみなす。
【００２５】
半導体ウエハＷ上に設定された複数のチップ領域ＥＳ１〜ＥＳＭの内、予め所定数のチップ領域がサンプルチップ（サンプル測定点）として選択されている。図３（ａ）に示す例では、斜線を付した９個のチップ領域がサンプルチップＳＡ１〜ＳＡ９として選択されている。サンプルチップＳＡ１〜ＳＡ９の各々にはアライメントマークＡＭｉがそれぞれチップ領域ＥＳｉに付随して設けられている。
【００２６】
また、半導体ウエハＷを載置するウエハホルダＷＨには基準マークＦＭが半導体ウエハＷを中央にしてその両側２箇所に形成されている。これら２つの基準マークＦＭの位置関係は既知である。
【００２７】
本実施形態で用いられるアライメントマークＡＭ及び基準マークＦＭは、Ｘ方向に伸びた直線パターンと、これに直交するＹ方向に伸びた直線パターンとからなる十字形状である。このアライメントマークＡＭ又は基準マークＦＭの像が指標板６６上に結像すると図３（ｂ）に示す像が得られる。アライメントマークＡＭの像は、Ｘ方向に伸びる像ＡＭｘとＹ方向に伸びる像ＡＭｙとからなり、Ｘ軸用撮像装置ＣＡＸ及びＹ軸用撮像装置ＣＡＹが像ＡＭｘ及び像ＡＭｙを検出する。同様に、基準マークＦＭの像は、Ｘ方向に伸びる像ＦＭｘとＹ方向に伸びる像ＦＭｙとからなり、Ｘ軸用撮像装置ＣＡＸ及びＹ軸用撮像装置ＣＡＹが像ＦＭｘ及び像ＦＭｙを検出する。
【００２８】
Ｘ軸用撮像装置ＣＡＸ及びＹ軸用撮像装置ＣＡＹの各画素から光電変換信号を読み取る際の走査方向はそれぞれＸ方向及びＹ方向にそれぞれ設定されており、Ｘ軸用撮像装置ＣＡＸ及びＹ軸用撮像装置ＣＡＹの撮像信号を処理することにより、Ｘ軸用のアライメントマーク像ＡＭｙと指標マーク６６ａとのＸ方向の位置ずれ量、及びＹ軸用のアライメントマークＡＭｘの像と指標マーク６６ｂとのＹ方向の位置ずれ量を求めることができる。このアライメントマークＡＭを用いることで、一度の計測でＸ方向の位置情報及びＹ方向の位置情報を得ることができる。基準マークＦＭの位置情報も同様にして得ることができる。
【００２９】
再び図２に戻り、座標計測回路６０は、半導体ウエハＷ上のアライメントマークＡＭの像ＡＭｘと指標板６６上の指標マーク６６ａとの位置関係及びそのときのレーザー干渉計５５の計測結果より、そのアライメントマークＡＭのステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上でのＸ座標を求め、このように計測されたＸ座標を主制御部９０に供給する。同様にして、Ｙ軸用のアライメントマークのステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上でのＹ座標も計測されて、主制御部９０に供給される。
【００３０】
主制御部９０は、まず、半導体ウエハＷ上に設定された被加工領域としてのチップ領域の内から予め選択されたサンプル測定点のチップ領域（サンプルチップ）のアライメント系ＣＡを用いた計測結果に基づいてＥＧＡ演算を行い、半導体ウエハＷ上におけるチップ領域の配列を算出する。ここで、主制御部９０で行われるＥＧＡ演算を概説すると以下の通りである。
【００３１】
主制御部９０は計測値の各々とサンプルチップＳＡ１〜ＳＡ９の各々の設計値とに基づいてＥＧＡ演算を行う。ここで行われるＥＧＡ演算は、位置合わせ誤差を生じさせる要因である、半導体ウエハＷの残存回転誤差Θ、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）の直交度誤差Ω、半導体ウエハＷの線形伸縮（スケーリング）Γｘ，Γｙ、及び半導体ウエハＷのオフセットＯｘ，Ｏｙからなる６つの演算パラメータを考慮したものであり、これらを用いると以下の（１）式で表される。また、半導体ウエハＷ上のアライメントマークＡＭｎの設計上のｘ座標及びｙ座標をそれぞれＤｘｎ及びＤｙｎとする。
【００３２】
【数１】
0005200522.tif 000002
上記（１）式から実際に位置合わせすべき位置の計算上の配列座標値（Ｆｘｎ，Ｆｙｎ）を算出し、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）において、その算出された座標値をもとに半導体ウエハＷ上の各チップ領域の位置を決定する。
【００３３】
また、主制御部９０は、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）においてウエハホルダＷＨ上の少なくとも２つの基準マークＦＭの座標をレーザー干渉計５５により決定する。次に主制御部９０は、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）ではなく、基準マークＦＭを基準としたウエハホルダ座標系における半導体ウエハＷ上の各チップ領域の位置に変換する。半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨはプラズマ接合装置７０に搬送され、半導体ウエハＷを接合するためである。
【００３４】
主制御部９０は、結合する２つの半導体ウエハＷ（第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２）をアライメント系ＣＡで計測し、それぞれのウエハホルダＷＨのウエハホルダ座標系を基準として、それぞれの半導体ウエハＷのチップ領域ＥＳｉの配列が互いに一番重なり合う状態を計算する。つまり、主制御部９０は、結合する第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２のそれぞれのチップ領域ＥＳｎの座標値の誤差が最小になる調整成分を求める。調整成分は、第１半導体ウエハＷ１を載置した第１ウエハホルダＷＨ１の一対の基準マークＦＭ１と第２半導体ウエハＷ２を載置した第２ウエハホルダＷＨ２の一対の基準マークＦＭ２とのずらし量（δｘ、δｙ）として算出される。ずらし量（δｘ、δｙ）は主制御部９０の内部メモリなどの記憶部に記憶される。
【００３５】
尚、上記実施形態においては、半導体ウエハＷに９個のサンプルチップＳＡ１〜ＳＡ９が設定される場合について説明した。しかしながらサンプルチップの数は任意でよい。
【００３６】
＜プラズマ接合装置７０＞
図４は、プラズマ接合装置７０を示した概念図である。プラズマ接合装置７０は、半導体ウエハＷの洗浄及び加圧接合を行うことができ、図４に示すように真空チャンバーフレーム７１内で行う。
【００３７】
プラズマ接合装置７０はアライナー５０でＥＧＡ計測した第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２を保持する。第１半導体ウエハＷ１は第１ウエハホルダＷＨ１を介して−Ｚ方向に第１トッププレートＴＰ１で支えられている。第１トッププレートＴＰ１は第１ベースプレートＢＰ１に支えられて、この第１ベースプレートＢＰ１はプラズマ接合装置７０のチャンバーフレーム７１に備え付けられている。
【００３８】
一方、第２半導体ウエハＷ２は第２ウエハホルダＷＨ２を介して＋Ｚ方向に第２トッププレートＴＰ２で支えられている。この第２トッププレートＴＰ２はピエゾアクチュエータを備えた可動ステージＰＺに支えられている。可動ステージＰＺは第２トッププレートＴＰ２をＸＹ方向にサブミクロン単位で移動させることができる。可動ステージＰＺの最大ストロークは２ｍｍ程度であり、エアベアリングなどを必要としないので真空度１０×１０２Ｐａ程度でも第２トッププレートＴＰ２を移動させることができる。
【００３９】
さらに可動ステージＰＺは加圧エレベータＥＶで支えられている。加圧エレベータＥＶは、Ｚ方向（上下方向）に第２半導体ウエハＷ２を移動させることができる。また加圧エレベータＥＶは、第１半導体ウエハＷ１と第２半導体ウエハＷ２とを接触させた後、必要に応じてさらに半導体ウエハＷに均等に圧力がかかるように加圧することができる。加圧エレベータＥＶは第２ベースプレートＢＰ２に支えられて、この第２ベースプレートＢＰ２はプラズマ接合装置７０のチャンバーフレーム７１に備え付けられている。
【００４０】
プラズマ接合装置７０のチャンバーフレーム７１は、その一部に排気配管７４を有しており、その排気配管７４には真空ポンプ７３が接続される。チャンバーフレーム７１内は真空度を１０×１０−２Ｐａ以下、好ましくは１０×１０−３Ｐａ以下にすることが可能である。また、チャンバーフレーム７１はロードロックゲート７９を有しており、ウエハホルダローダーＷＨＬによって半導体ウエハＷを載置したウエハホルダＷＨをプラズマ接合装置７０内へ搬入したり、プラズマ接合装置７０外へ搬出したりすることができる。なお、図示しないが予備排気用のロードロックチャンバを設けるようにしても良い。
【００４１】
チャンバーフレーム７１内には、対向する第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２に形成される間隙に、エネルギー波もしくはエネルギー粒子を側方から照射する照射手段７７が設けられている。半導体ウエハＷの表面は酸化していたり、有機物などの吸着によって安定化された表面層が形成されたりしているため、真空中でプラズマ、加速したイオンビーム、高速原子ビーム（ＦＡＢ）又はラジカルビームやレーザーなどのエネルギー波を照射することによってこのような安定な表面層を除去し、不安定で活性な表面を露出させることで常温接合が可能となる。本実施態様では、照射手段７７はイオンビームを照射する手段からなっている。イオンビームは、チャンバーフレーム７１内の真空度を１０×１０−２Ｐａ以下、好ましくは１０×１０−３Ｐａ以下、にした状態で照射される。なお、常温接合ではなく高温加熱して接合するような機構をさらに設けても良い。
【００４２】
照射手段７７は、照射エネルギー波もしくはエネルギー粒子としてのイオンビームの照射方向への反射を防ぐように傾斜して配置されている。本実施態様では、イオンビームの照射によるエッチングにより生じた不純物の反射や飛翔をより確実に防止するため、不純物は排気配管７４を介して真空ポンプ７３で排気される。
【００４３】
洗浄された第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２は、プラズマ接合装置７０に設けられた赤外線カメラＩＲＳによってアライメント（位置決め）される。ただし、赤外線カメラＩＲＳは、半導体ウエハＷに形成されたアライメントマークＡＭを観察するのではなく、ウエハホルダＷＨに設けられた基準マークＦＭを観察する。
【００４４】
アライメント工程においては、加圧エレベータＥＶにより第２半導体ウエハＷ２が可動ステージＰＺとともに上昇され、第１半導体ウエハＷ１との間に微小な隙間をもって近接される。この状態にて、第１ウエハホルダＷＨ１と第２ウエハホルダＷＨ２との相対位置が赤外線カメラＩＲＳによって観察される。本実施態様では、上方に赤外線カメラＩＲＳが配置されているが、下方に配置されていてもよい。
【００４５】
ここで、図５を使ってウエハホルダＷＨに設けられた基準マークＦＭについて説明する。図５（ａ）はウエハホルダＷＨの上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
基準マークＦＭはマーク基材４１に透過形状パターン又は金属パターンが形成されている。この基準マークＦＭは、ウエハホルダＷＨに２個以上取りつけられている。マーク基材４１の外形状は特に定めるものではないが、加工の容易性から図５（ａ）のような円形が好ましい。また、図５（ｂ）に示すように、基準マークＦＭを有するウエハホルダＷＨは半導体ウエハを吸着するための静電チャックの静電チャック電極４５を有している。
【００４６】
ウエハホルダＷＨの材質とマーク基材４１の材質との関連は熱膨張率がほぼ等しいものが好ましく、例えばウエハホルダＷＨを炭化シリコン又は窒化アルミで製作され、マーク基材４１にも同材料を用いることが好ましい。またマーク基材４１はシリコン（Ｓｉ）に銅又はチタンのマークパターンを形成したものであってもよい。マーク基材４１の厚さは、強度と加工精度、加工容易性より、一例として２００μｍから７００μｍ、特に３００μｍが好ましい。
【００４７】
マーク基材４１は、ウエハホルダＷＨに設けられた貫通孔４３に取り付けられる。貫通孔４３は赤外線カメラＩＲＳの顕微鏡の視野を考慮に入れて設計され、例えば、内径１０ｍｍであり、マーク基材４１の直径（又は正方形の一辺）は１６ｍｍ程度が好ましい。なお、基準マークＦＭの読み取りには、赤外線に限らず、たとえば、Ｘ線や可視光などの使用も可能である。
【００４８】
＜半導体ウエハＷのＥＧＡ計測から接合までの動作＞
図６は、第１半導体ウエハＷ１のアライメントマークＡＭのＥＧＡ計測から、第１半導体ウエハＷ１と第２半導体ウエハＷ２との接合までのフローチャートである。以下に説明するステップＰ１１からステップＰ１４までは、アライナー５０において大気圧中で行われる工程であり、ステップＰ１５からステップＰ１９までは、プラズマ接合装置７０において真空中で行われる工程である。
【００４９】
ステップＰ１１では、アライナー５０は、第１半導体ウエハＷ１のサンプルチップＳＡ１〜ＳＡ９を計測し、ＥＧＡによってチップ領域ＥＳ１〜ＥＳｎの全体の配列を計算し、第１ウエハホルダＷＨ１の基準マークＦＭ１も計測する。
ステップＰ１２でも同様に、アライナー５０は、第２半導体ウエハＷ２のサンプルチップＳＡ１〜ＳＡ９を計測し、ＥＧＡによってチップ領域ＥＳ１〜ＥＳｎの全体の配列を計算し、第２ウエハホルダＷＨ２の基準マークＦＭ２も計測する。
【００５０】
ステップＰ１３において、主制御部９０は、第１半導体ウエハＷ１のチップ領域ＥＳ全体の配列と第２半導体ウエハＷ２のチップ領域ＥＳ全体の配列との重なり誤差が最小になるように、基準マークＦＭ１と基準マークＦＭ２とのずらし量（σｘ、σｙ）を計算する。これにより、半導体ウエハＷ上のアライメントマークＡＭとは関係なく、基準マークＦＭ１と基準マークＦＭ２とをずらし量（σｘ、σｙ）だけずらして重ね合わせれば、第１半導体ウエハＷ１のチップ領域ＥＳと第２半導体ウエハＷ２のチップ領域ＥＳとが最小誤差で接合するようになる。
【００５１】
ステップＰ１４において、ウエハホルダローダーＷＨＬにより、アライナー５０からプラズマ接合装置７０へ、第１ウエハホルダＷＨ１及び第２ウエハホルダＷＨ２が搬送される。このことにより、第１ウエハホルダＷＨ１及び第２ウエハホルダＷＨ２は大気圧中から真空中に配置されることになる。
【００５２】
ステップＰ１５において、プラズマ接合装置７０は、第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２に照射手段７７によりイオンビームを照射する。これにより第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２の表面が洗浄され、それぞれの金属バンプが表面活性状態となり常温で互いに接合する状態となる。なお、必要に応じて第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２の加熱を行ってもよい。
【００５３】
ステップＰ１６では、プラズマ接合装置７０の加圧エレベータＥＶは、第２半導体ウエハＷ２を第１半導体ウエハＷ１に近接させる。
ステップＰ１７において、第１半導体ウエハＷ１と第２半導体ウエハＷ２とが近接された状態において、赤外線カメラＩＲＳは、第１ウエハホルダＷＨ１の基準マークＦＭ１と第２ウエハホルダＷＨ２の基準マークＦＭ２とを同時に観察する。赤外線カメラＩＲＳで少なくとも２つの基準マークＦＭ１と少なくとも２つの基準マークＦＭ２との重なり具合が観察され、それぞれのＸＹ方向の誤差及び回転誤差が観察され、その誤差の信号が主制御部９０に送られる。
【００５４】
ステップＰ１８において、主制御部９０は、赤外線カメラＩＲＳの観察結果から、基準マークＦＭ１と基準マークＦＭ２とがずらし量（δｘ、δｙ）の関係になるように、可動ステージＰＺを駆動する。つまり、すでにアライナー５０によって、結合する第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２のそれぞれのチップ領域ＥＳｎの座標値の誤差が最小になる調整成分を求められている。調整成分は、第１半導体ウエハＷ１を載置した第１ウエハホルダＷＨ１の一対の基準マークＦＭ１と第２半導体ウエハＷ２を載置した第２ウエハホルダＷＨ２の一対の基準マークＦＭ２とのずらし量（δｘ、δｙ）で求められている。このため、主制御部９０は、赤外線カメラＩＲＳの観察結果から、基準マークＦＭ１と基準マークＦＭ２とがずらし量（δｘ、δｙ）の関係になるように、可動ステージＰＺを駆動する。この駆動によって、第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２のそれぞれのチップ領域ＥＳｎの座標値の誤差が最小になっている。
【００５５】
ステップＰ１９において、加圧エレベータＥＶは第２半導体ウエハＷ２を上昇させ、第１半導体ウエハＷ１と接触させる。接合に際して加圧動作が加えられ、接合面に平滑でない部分があったとしても、適当な圧力が加えられることにより、接合面同士が所定の面積全面にわたって確実に密着されることになり、第１半導体ウエハＷ１及び第２半導体ウエハＷ２が所望の良好な接合状態になる。また、加熱を行う場合は、トッププレートＴＰなどにヒータを埋め込むことにより加熱を併用することもできる。
【００５６】
３枚以上の半導体ウエハＷを順次積層していく場合には、先に接合した半導体ウエハＷの積層体に、次の半導体ウエハＷを順次積層接合しておけばよい。
【００５７】
図４ないし図６で説明したプラズマ接合装置７０は、イオンビームを照射する照射手段７７、赤外線カメラＩＲＳによるアライメント及び加圧エレベータＥＶによる重ね合わせを行い、必要であれば加熱加圧を行った。しかし、イオンビームを照射する装置、アライメント及び重ね合わせを行う装置、並びに加熱加圧装置をそれぞれ別個に配置するようにしてもよい。そして時間がかかる装置、例えば加熱加圧装置を複数配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】ウエハ張り合わせ装置１００の全体斜視図である。
【図２】アライナー５０を示した概念図である。
【図３】（ａ）は、半導体ウエハＷに複数形成されるアライメントマークＡＭの一例を説明するための図である。  （ｂ）は、アライメントマークＡＭの像が指標板６６上に結像した状態の図である。
【図４】プラズマ接合装置７０を示した概念図である。
【図５】（ａ）はウエハホルダＷＨの上面図である。  （ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図６】半導体ウエハＷのアライメントマークＡＭのＥＧＡ計測から半導体ウエハＷの接合までのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５９】
ＢＰ  …  ベースプレート  （ＢＰ１  …  第１ベースプレート、ＢＰ２  …  第２ベースプレート）
ＣＡ  …  撮像装置（ＣＡＸ  …  Ｘ軸用撮像装置，ＣＡＹ  …  Ｙ軸用撮像装置）
ＥＶ  …  加圧エレベータ
ＩＲＳ  …  赤外線カメラ
ＲＡ  …  レール
ＳＡ  …  サンプルチップ
ＴＰ  …  トッププレート  （ＴＰ１  …  第１トッププレート、ＴＰ２  …  第２トッププレート）
Ｗ    …  半導体ウエハ  （Ｗ１  …  第１半導体ウエハ、Ｗ２  …  第２半導体ウエハ）
ＷＨ  …  ウエハホルダ  （ＷＨ１  …  第１ウエハホルダ、ＷＨ２  …  第２ウエハホルダ）
ＷＬ  …  ウエハローダー
ＷＨＬ  …  ウエハホルダローダー
１０  …  ウエハストッカー
２０  …  ウエハプリアライメント装置
３０  …  ウエハホルダストッカー
４０  …  ウエハホルダプリアライメント装置
５０  …  アライナー
５１  …  ステージ
５２  …  ウエハテーブル
５３  …  移動ミラー
５４  …  リニアモータ
６１  …  対物レンズ
６４  …  ビームスプリッター
６６  …  指標板  （６６ａ、６６ｂ  …  指標マーク）
７０  …  プラズマ接合装置
７１  …  チャンバーフレーム
７７  …  照射手段
８０  …  分離ユニット
８５  …  ウエハ用ストッカー
９０  …  主制御部
１００…  ウエハ張り合わせ装置
【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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