(57)【要約】【課題】２つのウエハを高精度で位置合わせする。【解決手段】  基板貼り合わせ装置１００において、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２がそれぞれ保持するウエハＷ１，Ｗ２を張り合わせるために第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２を互いに接触した際に、Ｘ干渉計４０Ｘ（第１計測器）が設置された第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）が示す共振モードに対して逆相の共振モードを示す第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０）にＸ干渉計４５Ｘ（第２計測器）が設置されている。これらの計測器を用いて１入力２出力系（ＳＩＭＯ系）のフィードバック制御系を構築することにより、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２間の接触状態に拠らず、制御系を切り換えることなく、高帯域でロバストな第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の駆動を制御する駆動システムを設計することが可能となる。【選択図】図１
2013115086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに接触可能な第１及び第２制御対象の少なくとも一方に操作量を与えて該一方の制御対象を駆動する駆動システムであって、
前記第１制御対象の位置に関連する第１制御量を計測する第１計測器と、
前記第１制御対象と接触した際に剛体モードに対して前記第１制御対象と逆相の共振モードとなる前記第２制御対象の位置に関連する第２制御量を計測する第２計測器と、
前記第１及び第２計測器の計測結果と目標値とに基づいて制御演算を行って前記操作量を求め、該操作量を前記一方の制御対象に与える制御部と、を備える駆動システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記第１及び第２制御量のそれぞれと前記目標値との差を用いてそれぞれ制御演算を行い第１及び第２の量を求める第１及び第２の制御器と、前記第１及び第２の量の和を算出して該和を前記操作量として前記一方の制御対象に与える加算器とを含む請求項１に記載の駆動システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記目標値が入力され、前記第１及び第２制御量のラプラス変換Ｘ１，Ｘ２と前記第１及び第２制御器のそれぞれに対応する伝達関数Ｃ１，Ｃ２とを用いてラプラス変換形Ｕ（Ｘ１，Ｘ２）＝Ｃ１Ｘ１＋Ｃ２Ｘ２で表現される演算式に従って前記操作量Ｕ（Ｘ１，Ｘ２）を求める閉ループ制御系を、前記制御対象と共に構成し、
前記伝達関数Ｃ１，Ｃ２は、前記第１及び第２制御対象に対応する伝達関数Ｐ１，Ｐ２のそれぞれに含まれる前記共振モードに対応する極が伝達関数Ｃ１Ｐ１＋Ｃ２Ｐ２において相殺されるように決定されている請求項２に記載の駆動システム。
【請求項４】
前記伝達関数Ｐ１，Ｐ２の具体形は、前記第１及び第２制御対象の運動をばね又はばねとダンパにより連結された少なくとも２つ以上の剛体の運動として表現する力学模型を用いて与えられる請求項３に記載の駆動システム。
【請求項５】
前記伝達関数Ｐ１，Ｐ２は、前記操作量と前記第１及び第２制御量のラプラス変換（Ｕ，Ｘ１，Ｘ２）を用いてＰ１＝Ｘ１／Ｕ，Ｐ２＝Ｘ２／Ｕと定義され、
前記力学模型に含まれる各種パラメータは、前記操作量に対する前記第１及び第２制御量の実測結果を、前記定義式Ｐ１＝Ｘ１／Ｕ，Ｐ２＝Ｘ２／Ｕに適用することにより求められる前記伝達関数Ｐ１，Ｐ２の周波数応答特性を、前記伝達関数Ｐ１，Ｐ２の具体形が再現するように決定されている請求項４に記載の駆動システム。
【請求項６】
前記伝達関数Ｐ１，Ｐ２は、前記共振モードの特性をそれぞれ表現する関数ＤＰを用いて分数式Ｐ１＝ＮＰ１／ＤＰ，Ｐ２＝ＮＰ２／ＤＰにより表され、
前記伝達関数Ｃ１，Ｃ２は、分数式Ｃ１＝ＮＣ１／ＤＣ，Ｃ２＝ＮＣ２／ＤＣにより表され、
前記伝達関数Ｃ１，Ｃ２の分母部分ＤＣは、（ＤＣ＋α）ＤＰ（αは任意の解析関数）が任意の安定な極を有するように決定されている請求項３〜５のいずれか一項に記載の駆動システム。
【請求項７】
前記伝達関数Ｃ１，Ｃ２の分子部分ＮＣ１，ＮＣ２は、前記閉ループ制御系の伝達関数の特性方程式ＡＣＬ＝ＤＣＤＰ＋ＮＣ１ＮＰ１＋ＮＣ２ＮＰ２がＡＣＬ＝（ＤＣ＋α）ＤＰを満たすように、前記任意の解析関数α及び前記剛体モードに係る１組のばねとダンパを除いたパラメータのみにより与えられる動特性を用いて決定されている請求項６に記載の駆動システム。
【請求項８】
２枚の基板を貼り合わせる基板貼り合わせ装置であって、
前記２枚の基板の一方を保持する第１ステージと、前記２枚の基板の他方を前記一方の基板に対向可能な向きで保持するとともに、少なくとも二次元平面内で前記第１ステージに対して相対的に移動可能な第２ステージと、をそれぞれ前記第１及び第２制御対象の一方及び他方とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の駆動システムを備える基板貼り合わせ装置。
【請求項９】
互いに接触可能な第１及び第２制御対象の少なくとも一方に操作量を与えて該一方の制御対象を駆動する駆動方法であって、
前記第１制御対象の位置に関連する第１制御量と、前記第１制御対象と接触した際に剛体モードに対して前記第１制御対象と逆相の共振モードとなる前記第２制御対象の位置に関連する第２制御量と、を計測することと、
前記第１及び第２計測器の計測結果と目標値とに基づいて制御演算を行って前記操作量を求め、該操作量を前記一方の制御対象に与えて該一方の制御対象を駆動することと、を含む駆動方法。
【請求項１０】
前記駆動することでは、前記第１及び第２制御量のそれぞれと前記目標値との差を用いてそれぞれ制御演算を行い第１及び第２の量を求め、前記第１及び第２の量の和を算出して該和を前記操作量として前記一方の制御対象に与える請求項９に記載の駆動方法。
【請求項１１】
前記駆動することでは、前記第１及び第２制御量のラプラス変換Ｘ１，Ｘ２と前記第１及び第２の量を求めるための伝達関数Ｃ１，Ｃ２とを用いてラプラス変換形Ｕ（Ｘ１，Ｘ２）＝Ｃ１Ｘ１＋Ｃ２Ｘ２で表現される演算式に従って前記操作量Ｕ（Ｘ１，Ｘ２）を求め、
前記伝達関数Ｃ１，Ｃ２は、前記第１及び第２制御対象に対応する伝達関数Ｐ１，Ｐ２のそれぞれに含まれる前記共振モードに対応する極が伝達関数Ｃ１Ｐ１＋Ｃ２Ｐ２において相殺されるように決定される請求項１０に記載の駆動方法。
【請求項１２】
前記伝達関数Ｐ１，Ｐ２の具体形は、前記第１及び第２制御対象の運動をばね又はばねとダンパにより連結された少なくとも２つ以上の剛体の運動として表現する力学模型を用いて与えられる請求項１１に記載の駆動方法。
【請求項１３】
前記伝達関数Ｐ１，Ｐ２は、前記操作量と前記第１及び第２制御量のラプラス変換（Ｕ，Ｘ１，Ｘ２）を用いてＰ１＝Ｘ１／Ｕ，Ｐ２＝Ｘ２／Ｕと定義され、
前記力学模型に含まれる各種パラメータは、前記操作量に対する前記第１及び第２制御量の実測結果を、前記定義式Ｐ１＝Ｘ１／Ｕ，Ｐ２＝Ｘ２／Ｕに適用することにより求められる前記伝達関数Ｐ１，Ｐ２の周波数応答特性を、前記伝達関数Ｐ１，Ｐ２の具体形が再現するように決定されている請求項１２に記載の駆動方法。
【請求項１４】
前記伝達関数Ｐ１，Ｐ２は、前記共振モードの特性をそれぞれ表現する関数ＤＰを用いて分数式Ｐ１＝ＮＰ１／ＤＰ，Ｐ２＝ＮＰ２／ＤＰにより表され、
前記伝達関数Ｃ１，Ｃ２は、分数式Ｃ１＝ＮＣ１／ＤＣ，Ｃ２＝ＮＣ２／ＤＣにより表され、
前記伝達関数Ｃ１，Ｃ２の分母部分ＤＣは、（ＤＣ＋α）ＤＰ（αは任意の解析関数）が任意の安定な極を有するように決定されている請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の駆動方法。
【請求項１５】
前記伝達関数Ｃ１，Ｃ２の分子部分ＮＣ１，ＮＣ２は、前記閉ループ制御系の伝達関数の特性方程式ＡＣＬ＝ＤＣＤＰ＋ＮＣ１ＮＰ１＋ＮＣ２ＮＰ２がＡＣＬ＝（ＤＣ＋α）ＤＰを満たすように、前記任意の解析関数α及び前記剛体モードに係る１組のばねとダンパを除いたパラメータのみにより与えられる動特性を用いて決定されている請求項１４に記載の駆動方法。
【請求項１６】
２枚の基板を貼り合わせる基板貼り合わせ方法であって、
前記２枚の基板の一方を保持する第１ステージと、前記２枚の基板の他方を前記一方の基板に対向可能な向きで保持するとともに、少なくとも二次元平面内で前記第１ステージに対して相対的に移動可能な第２ステージと、をそれぞれ前記第１及び第２制御対象の一方及び他方とする請求項９〜１５のいずれか一項に記載の駆動方法を利用する基板貼り合わせ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動システム及び駆動方法、並びに基板貼り合わせ装置及び基板貼り合わせ方法に係り、更に詳しくは、互いに接触可能な第１及び第２制御対象の少なくとも一方に操作量を与えて該一方の制御対象を駆動する駆動システム及び駆動方法、並びに前記駆動システムを備える基板貼り合わせ装置及び前記駆動方法を利用する基板貼り合わせ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの実装技術が、複数の半導体チップを平面的に配置する２次元配列実装から立体的に積み重ねる３次元積層実装へと進歩した。それにより、半導体チップ間の配線が短くなり半導体デバイスの動作速度が向上するとともに、１つの半導体デバイスに搭載される回路素子の実装面積効率が飛躍的に向上した。
【０００３】
また、製造コストのパフォーマンスを向上するために、半導体デバイスの組み立て（パッケージング）技術としてチップレベルでの組み立て技術ではなくウエハレベルの組み立て技術、すなわち、複数の回路素子が形成された半導体基板（ウエハ）をチップに個片化せず、ウエハの状態のまま再配線、樹脂封止、及び端子加工までの組み立て工程をおこない、最後に個片化してデバイスを組み立てる技術が進展している。
【０００４】
このような背景の下、２つの半導体ウエハ等の基板を貼り合わせる基板貼り合わせ装置が開発されている。ここで、２つの基板は、それらの表面上に形成された複数の電極が互いに接合するように貼り合わせられる。従って、基板貼り合わせ装置において、基板を正確に位置合わせするために、基板を保持して移動する基板ステージの精密且つ安定な制御技術が必要となる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
基板貼り合わせ装置では、２つの基板のうちの一方を保持する第１ステージに対し、第１ステージに保持された基板に対向して他方の基板を保持して移動する第２ステージを精密に駆動することで、２つの基板を正確に位置合わせする。ここで、第１及び第２ステージに保持された２つの基板を張り合わせるために第２ステージを駆動して２つの基板を接触させると、第１及び第２ステージの駆動において共振が発生し、基板ステージの精密且つ安定な制御の障害要因となることが明らかにされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０２７３４４０号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、第１の観点からすると、互いに接触可能な第１及び第２制御対象の少なくとも一方に操作量を与えて該一方の制御対象を駆動する駆動システムであって、前記第１制御対象の位置に関連する第１制御量を計測する第１計測器と、前記第１制御対象と接触した際に剛体モードに対して前記第１制御対象と逆相の共振モードとなる前記第２制御対象の位置に関連する第２制御量を計測する第２計測器と、前記第１及び第２計測器の計測結果と目標値とに基づいて制御演算を行って前記操作量を求め、該操作量を前記一方の制御対象に与える制御部と、を備える駆動システムである。
【０００８】
これによれば、制御対象を精密且つ安定に駆動することが可能となる。
【０００９】
本発明は、第２の観点からすると、２枚の基板を貼り合わせる基板貼り合わせ装置であって、前記２枚の基板の一方を保持する第１ステージと、前記２枚の基板の他方を前記一方の基板に対向可能な向きで保持するとともに、少なくとも二次元平面内で前記第１ステージに対して相対的に移動可能な第２ステージと、をそれぞれ前記第１及び第２制御対象の一方及び他方とする本発明の駆動システムを備える基板貼り合わせ装置である。
【００１０】
ここで、基板は、半導体ウエハなどの基板の他、半導体チップをも含み、また、単層の半導体ウエハ（あるいは単層の半導体チップ）に限らず、複数の半導体ウエハ（複数の半導体チップ）が積層済みの半導体部材をも含む。かかる概念として、本明細書では、「基板」なる用語を用いている。
【００１１】
これによれば、２つの基板を精度良く位置合わせした状態で貼り合わせることが可能になる。
【００１２】
本発明は、第３の観点からすると、互いに接触可能な第１及び第２制御対象の少なくとも一方に操作量を与えて該一方の制御対象を駆動する駆動方法であって、前記第１制御対象の位置に関連する第１制御量と、前記第１制御対象と接触した際に剛体モードに対して前記第１制御対象と逆相の共振モードとなる前記第２制御対象の位置に関連する第２制御量と、を計測することと、前記第１及び第２計測器の計測結果と目標値とに基づいて制御演算を行って前記操作量を求め、該操作量を前記一方の制御対象に与えて該一方の制御対象を駆動することと、を含む駆動方法である。
【００１３】
これによれば、制御対象を精密且つ安定に駆動することが可能となる。
【００１４】
本発明は、第４の観点からすると、２枚の基板を貼り合わせる基板貼り合わせ方法であって、前記２枚の基板の一方を保持する第１ステージと、前記２枚の基板の他方を前記一方の基板に対向可能な向きで保持するとともに、少なくとも二次元平面内で前記第１ステージに対して相対的に移動可能な第２ステージと、をそれぞれ前記第１及び第２制御対象の一方及び他方とする本発明の駆動方法を利用する基板貼り合わせ方法である。
【００１５】
これによれば、２つの基板を精度良く位置合わせした状態で貼り合わせることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態に係る基板貼り合わせ装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】ステージと干渉計の配置及び基準座標系を説明するためのステージ装置の平面図である。
【図３】基板貼り合わせ装置の制御系の主要構成を示すブロック図である。
【図４】基板貼り合わせ方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】基板貼り合わせ工程を実行する直前の基板貼り合わせ装置の状態を示す図である。
【図６】基板貼り合わせ方法のステップＳ１（ウエハＷ１を第２テーブルＴ２に保持させるステップ）を説明するための図である。
【図７】基板貼り合わせ方法のステップＳ２（第２テーブルＴ２に保持されたウエハＷ１のアライメント計測）を説明するための図である。
【図８】基板貼り合わせ方法のステップＳ３（ウエハＷ１の第１テーブルＴ１への搬送とサーチアライメント）を説明するための図である。
【図９】基板貼り合わせ方法のステップＳ５（第２テーブルＴ２に保持されたウエハＷ２のアライメント計測）を説明するための図である。
【図１０】基板貼り合わせ方法のステップＳ７（２つのウエハを重ね合わせるステップ）に先立って行われる第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２の移動を説明するための図である。
【図１１】基板貼り合わせ方法のステップＳ７（２つのウエハを重ね合わせるステップ）を説明するための図である。
【図１２】図１２（Ａ）は第１及び第２テーブルの力学的運動（並進運動）を表現する力学模型の一例を示す図、図１２（Ｂ）は図１２（Ａ）の力学模型に含まれるパラメータ及びそれらの代表値を示す表、図１２（Ｃ）は３つのモデルＡ，Ｂ，Ｃにおける第１及び第２ステージ間の摩擦による剛性係数ｋ２及び粘性係数ｃ２の値を示す表である。
【図１３】図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、それぞれ、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）及び第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０）の入出力応答を表現する伝達関数Ｐ１，Ｐ２の周波数応答特性を示すボード線図である。
【図１４】１入力２出力系のフィードバック制御系を表すブロック図である。
【図１５】図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）は、それぞれモデルＡ〜Ｃに対する、本実施形態（3rd C double integral type SRC）と従来型（Ｐ−ＰＩ）のフィードバック制御系のそれぞれの閉ループ伝達関数の周波数応答特性を示すボード線図（シミュレーション結果）である。
【図１６】図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）は、それぞれモデルＡ〜Ｃに対する、本実施形態（3rd C double integral type SRC）と従来型（Ｐ−ＰＩ）のフィードバック制御系のそれぞれに対するナイキスト線図である。
【図１７】図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）は、それぞれモデルＡ〜Ｃに対する、本実施形態（3rd C double integral type SRC）と従来型（Ｐ−ＰＩ）のフィードバック制御系のそれぞれにおける第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の追従誤差の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図１７に基づいて説明する。
【００１８】
図１には、一実施形態の基板貼り合わせ装置１００の構成が概略的に示されている。後述するように本実施形態ではマーク検出系Ｍ１が設けられており、その光軸（検出中心に一致）ＯＭ１をＺ軸、光軸ＯＭ１に直交する面内で図１における紙面内左右方向をＸ軸方向、及び紙面直交方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸回りの回転（傾斜）方向をそれぞれθｘ、θｙ、及びθｚ方向とする。なお、後述する基準面ＳＭ内の基準軸ＯＸ，ＯＹ１をそれぞれＸ，Ｙ軸とするＸＹ座標系を基準座標系とする。
【００１９】
基板貼り合わせ装置１００は、フレーム１０、第１テーブル装置２０、ステージ装置３０、干渉計システム４０，４５、マーク検出系Ｍ１等を備えている。
【００２０】
フレーム１０は、ＸＹ平面に平行な床面Ｆの上方に水平（床面Ｆに平行）に配置された天板部１２と、天板部１２を下方から支持する複数本、例えば４本の脚部１１（図１において紙面奥側の脚部は図示省略）と、を備えている。また、床面Ｆ上には、ステージ定盤１３が水平に（床面Ｆと平行に）設置されている。
【００２１】
天板部１２のほぼ中央の下面には、マーク検出系Ｍ１が下向き（−Ｚ向き）に固定されている。マーク検出系Ｍ１は、指標を有する顕微鏡（又は撮像装置）により構成されている。ここで、マーク検出系Ｍ１は、その検出中心（指標中心）を通る中心軸（光軸）ＯＭ１が後述する基準面ＳＭに直交するように、天板部１２の下面に固定されている。マーク検出系Ｍ１の合焦点（検出対象物を検出する検出点）は、基準面ＳＭ上に位置するように調整されている。すなわち、マーク検出系Ｍ１の検出点を含むＸＹ平面（水平面）を、ウエハを貼り合わせるための基準面ＳＭと定義する。本実施形態の基板貼り合わせ装置１００では、基準面ＳＭに表面が一致するように、２つの半導体ウエハ（以下、ウエハと呼ぶ）Ｗ１，Ｗ２が重ね合わせられる。なお、マーク検出系Ｍ１の光学系の光軸ＯＭ１が指標中心を通っているので、光軸ＯＭ１を中心軸ＯＭ１又は指標中心ＯＭ１とも呼ぶ。
【００２２】
第１テーブル装置２０は、天板部１２の下面のマーク検出系Ｍ１の−Ｘ側に所定距離隔てた位置に設けられている。第１テーブル装置２０は、天板部１２の下方に水平に配置された第１テーブルＴ１と、第１テーブルＴ１を天板部１２の下方に吊り下げ支持するとともに鉛直方向（Ｚ軸方向）に駆動する第１テーブル駆動装置２１と、を備えている。
【００２３】
図１では、第１テーブルＴ１に、ウエハＷ１が、例えば静電吸着により保持するウエハホルダ（以下、ホルダと略述する）Ｈ１を介して取り付けられている。
【００２４】
第１テーブル駆動装置２１は、第１テーブルＴ１に保持されるウエハＷ１の表面が基準面ＳＭに一致する位置（第１位置）と第１位置の上方（＋Ｚ方向）の第２位置（退避位置）との間で第１テーブルＴ１を駆動する。
【００２５】
第１テーブル駆動装置２１の−Ｘ側部には、図１に示されるように、Ｘ軸に垂直な反射面を有する平面ミラーから成るＸ移動鏡４７Ｘが、＋Ｙ側部にはＹ軸に垂直な反射面を有する平面ミラーから成るＹ移動鏡（不図示）がそれぞれ固定されている。これらの移動鏡は、干渉計システム４５による第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０）の位置計測の際に用いられる。なお、これらの移動鏡を、第１テーブルＴ１の端面を鏡面加工して反射面として形成する等しても良い。
【００２６】
ステージ装置３０は、ステージ定盤１３上でＸ軸方向及びＹ軸方向に所定ストロークで移動可能でかつθｚ方向にも微小回転が可能なステージＳＴと、ステージＳＴ上に設置された第２テーブル駆動装置３１と、第２テーブル駆動装置３１によりほぼ水平に支持された第２テーブルＴ２と、を備えている。
【００２７】
ステージＳＴは、その底面に設けられた複数の非接触軸受、例えばエアベアリングを介して、ステージ定盤１３上に浮上支持され、リニアモータ等を含むステージ駆動装置１５（図３参照）によって、ステージ定盤１３の上面（ガイド面）に沿ってＸ軸方向、Ｙ軸方向及びθｚ方向に駆動される。なお、ステージ駆動装置１５は、リニアモータに限らず、ロータリモータとボールねじ（又は送りねじ）との組み合わせ、あるいは平面モータなど、いずれのタイプの駆動装置を用いて構成しても良い。
【００２８】
第２テーブル駆動装置３１は、ステージＳＴ上に設置されたＺステージ３２と、Ｚステージ３２上の同一直線上にない３点にそれぞれ設置された３つのＺ駆動部３３（図２参照）とを備えている。Ｚステージ３２は、不図示のアクチュエータによりＺ軸方向に所定スロークで往復駆動可能に構成されている。３つのＺ駆動部３３は、例えばボイスコイルモータ等のアクチュエータをそれぞれ有し、第２テーブルＴ２を３点支持して、各支持点でＺ軸方向に微小駆動する。従って、３つのＺ駆動部３３によって、第２テーブルＴ２をθｘ方向、及びθｙ方向（並びにＺ軸方向）に微少駆動するチルト駆動機構が構成されている。
【００２９】
第２テーブルＴ２上に、ウエハＷ２を例えば静電吸着によって保持するホルダＨ２が、上向きに（＋Ｚ方向に向けて）例えば真空吸着によって保持されている。
【００３０】
上述のステージ装置３０の構成により、第２テーブルＴ２、すなわち第２テーブルＴ２に保持されるウエハＷ２は、全６自由度（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θｘ，θｙ，θｚ）方向に駆動可能となっている。なお、第２テーブルＴ２は、第２テーブル駆動装置３１（特にＺステージ３２）の機能により、第２テーブルＴ２に保持されるウエハＷ２の表面が後述する基準面ＳＭに一致する第２テーブルＴ２の位置を含むＺ軸方向の所定範囲内で駆動可能である。
【００３１】
第２テーブルＴ２上面の＋Ｘ端部及び＋Ｙ端部には、図２に示されるように、それぞれ、Ｘ軸に垂直な反射面を有する平面ミラーから成るＸ移動鏡４２Ｘ及びＹ軸に垂直な反射面を有する平面ミラーから成るＹ移動鏡４２Ｙが、第２テーブルＴ２上面に垂直にそれぞれ固定されている。移動鏡４２Ｘ，４２Ｙは、干渉計システム４０による第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の位置計測の際に用いられる。なお、移動鏡４２Ｘ，４２Ｙの少なくとも一方に代えて、第２テーブルＴ２の端面を鏡面加工して反射面（移動鏡の反射面に相当）を形成しても良い。
【００３２】
干渉計システム４０は、Ｘ干渉計４０Ｘと、第１〜第３Ｙ干渉計４０Ｙ１〜４０Ｙ３（Ｙ干渉計４０Ｙ３は図２では不図示、図３参照）とを含み、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）のＸＹ平面内での位置（Ｘ，Ｙ，θｚ）を計測する。
【００３３】
Ｘ干渉計４０Ｘは、図１及び図２に示されるように、Ｘ軸に平行な基準軸ＯＸから±Ｙ方向に同じ距離を隔てて、Ｘ軸に平行な２つの測長ビームＩＢＸＢ，ＩＢＸＭを、Ｘ移動鏡４２Ｘに照射する。図１では、測長ビームＩＢＸＢ，ＩＢＸＭは紙面垂直方向に重なっている。そして、Ｘ干渉計４０Ｘは、測長ビームＩＢＸＢ，ＩＢＸＭの反射光をそれぞれ受光して、Ｘ移動鏡４２Ｘの反射面上における測長ビームＩＢＸＢ，ＩＢＸＭの照射点のＸ位置を求める。なお、基準軸ＯＸは中心軸（光軸）ＯＭ１と直交する。
【００３４】
第１Ｙ干渉計４０Ｙ１は、図２に示されるように、測長ビームＩＢＹ１をＹ軸に平行な基準軸ＯＹ１に沿ってＹ移動鏡４２Ｙに照射する。ただし、図２に示されているステージ装置３０（第２テーブルＴ２）の位置では、測長ビームＩＢＹ１の照射点はＹ移動鏡４２Ｙの反射面から外れている。この状態では、後述するように、第２Ｙ干渉計４０Ｙ２が使用される。そして、第１Ｙ干渉計４０Ｙ１は、測長ビームＩＢＹ１の反射光を受光して、Ｙ移動鏡４２Ｙの反射面上における測長ビームＩＢＹ１の照射点のＹ位置を求める。なお、基準軸ＯＹ１は、基準軸ＯＸと中心軸（光軸）ＯＭ１とに、それらの交点にて直交する。
【００３５】
同様に、第２Ｙ干渉計４０Ｙ２は、Ｙ軸に平行な基準軸ＯＹ２に沿って、測長ビームＩＢＹ２を、Ｙ移動鏡４２Ｙに照射する。そして、測長ビームＩＢＹ２の反射光を受光して、Ｙ移動鏡４２Ｙの反射面上におけるＹ測長ビームＩＢＹ２の照射点のＹ位置を求める。
【００３６】
第３Ｙ干渉計４０Ｙ３（図２では不図示、図３参照）も、第１Ｙ干渉計４０Ｙ２と同様に構成されている。ただし、第３Ｙ干渉計４０Ｙ３は第１Ｙ干渉計４０Ｙ１から−Ｘ方向に離間して設置され、その測長ビームの光路である測長軸（基準軸ＯＹ３とする）は第１テーブルＴ２の中心（該第１テーブルに保持されるウエハＷ１の中心にほぼ一致）で、基準軸ＯＸと直交する。
【００３７】
なお、図２に示される状態では、Ｙ干渉計４０Ｙ２の測長ビームＩＢＹ２のみがＹ移動鏡４２Ｙに照射されている。第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）のＸ位置によって、例えば図２に示される状態から第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）が−Ｘ方向に移動すると、順に、Ｙ干渉計４０Ｙ２の測長ビームＩＢＹ２のみ、Ｙ干渉計４０Ｙ２，４０Ｙ１の測長ビームＩＢＹ２，ＩＢＹ１の両者、Ｙ干渉計４０Ｙ１の測長ビームＩＢＹ１のみ、Ｙ干渉計４０Ｙ１，４０Ｙ３の測長ビームＩＢＹ１，ＩＢＹ３の両者、Ｙ干渉計４０Ｙ３の測長ビームＩＢＹ３のみ、がＹ移動鏡４２Ｙに照射される状況が生じる。そこで、制御装置１２０（図３参照）は、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）のＸ位置に応じて、３つのＹ干渉計４０Ｙ１，４０Ｙ２，４０Ｙ３の中から、測長ビームがＹ移動鏡４２Ｙに照射されている干渉計を選択して使用する。ここで、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）がＸ軸方向に移動する場合に、干渉計システム４０で計測される第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）のＹ位置は、連続した値になる必要がある。そこで、制御装置１２０は、隣接する２つのＹ干渉計からの測長ビームが、Ｙ移動鏡４２Ｙに同時に照射されている状態で、隣接するＹ干渉計間で計測値の引き継ぎ及び使用する干渉計の切り換え（つなぎ処理）を行う。
【００３８】
そして、制御装置１２０（図３参照）は、Ｘ干渉計４０Ｘの計測結果、すなわち測長ビームＩＢＸＢ，ＩＢＸＭの照射点のＸ位置の計測結果の平均値と差、から、第２テーブルＴ２のＸ位置とθｚ方向の位置（回転角θｚ）を算出する。また、第１〜第３Ｙ干渉計４０Ｙ１〜４０Ｙ３の計測結果より、第２ステージＴ２のＹ位置を算出する。
【００３９】
なお、４つの干渉計４０Ｘ，４０Ｙ１〜４０Ｙ３の基準軸ＯＸ，ＯＹ１〜ＯＹ３は、基準面ＳＭ上に位置する。従って、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）のＸ，Ｙ，θｚ位置は、基準面ＳＭ上で定義される。
【００４０】
干渉計システム４５は、Ｘ干渉計４５ＸとＹ干渉計４５Ｙ（図２では不図示、図３参照）とを含み、第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０）のＸＹ平面内での位置（Ｘ，Ｙ，θｚ）を計測する。
【００４１】
Ｘ干渉計４５Ｘは、図１に示されるように、Ｘ軸に平行な２つの測長ビームＩＢＸを第１テーブル駆動装置２１に固定されたＸ移動鏡４７Ｘに照射する。図１では、２つの測長ビームＩＢＸは紙面垂直方向に重なっている。そして、Ｘ干渉計４５Ｘは、２つの測長ビームＩＢＸの反射光を受光して、Ｘ移動鏡４７Ｘの反射面上における２つの測長ビームＩＢＸの照射点のＸ位置を求める。
【００４２】
Ｙ干渉計４５Ｙ（図２では不図示、図３参照）は、Ｙ軸に平行な測長ビーム（不図示）を第１テーブル駆動装置２１に固定されたＹ移動鏡（不図示）に照射する。そして、Ｙ干渉計４５Ｙは、測長ビーム（不図示）の反射光を受光して、Ｙ移動鏡４７Ｙの反射面上における測長ビーム（不図示）の照射点のＹ位置を求める。
【００４３】
そして、制御装置１２０（図３参照）は、Ｘ干渉計４５Ｘの計測結果、すなわち２つの測長ビームＩＢＸの照射点のＸ位置の計測結果の平均値と差から、第１テーブルＴ１のＸ位置とθｚ方向の位置（回転角θｚ）を算出する。また、Ｙ干渉計４５Ｙの計測結果より、第１テーブルＴ１のＹ位置を算出する。
【００４４】
図３には、基板貼り合わせ装置１００の制御系の主要構成が示されている。この制御系は、装置全体を統括的に制御するマイクロコンピュータ（又はワークステーション）から成る制御装置１２０を中心として構成されている。なお、図３に示されるように、基板貼り合わせ装置１００は、第２テーブルのＺ位置及び傾斜（θｘ，θｙ）を計測するＺ・傾斜計測系６０と、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２に取り付けられる２つのウエハの間の離間距離を計測する離間距離計測系６１と、を予備的に備えている。
【００４５】
次に、本実施形態の基板貼り合わせ装置１００で行われる、基板貼り合わせ方法について、基板貼り合わせ方法の手順の一例を示す図４のフローチャートに沿って、且つ図５〜図１１を適宜参照して、説明する。
【００４６】
図５には、一連の基板貼り合わせ工程の処理が開始される直前の基板貼り合わせ装置１００の状態が示されている。この状態では、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２には、まだ、ウエハは取り付けられていない。ステージ装置３０は待機位置（この待機位置で後述するようにテーブルＴ２上へのウエハのロードが行われるので、以下ではローディングポジションとも呼ぶ）に待機している。また、第１テーブルＴ１は第２位置に退避している。
【００４７】
制御装置１２０は、以降、基板貼り合わせ方法の全工程を通じて、干渉計システム４０を用いてステージ装置３０（第２テーブルＴ２）のＸＹ平面内の位置情報（ｒ２＝（Ｘ２，Ｙ２））を、干渉計システム４５を用いて第１テーブル装置２０（第１テーブルＴ１）のＸＹ平面内の位置情報（ｒ１＝（Ｘ１，Ｙ１））を計測する。なお、ステージ装置３０（ステージＳＴ）及び第１テーブル装置２０（第１テーブルＴ１）の駆動は、制御装置１２０により、干渉計システム４０，４５の計測情報に基づいて行われるが、以下では特に必要な場合を除き、干渉計システム４０，４５に関する説明を省略するものとする。
【００４８】
制御装置１２０は、ステップＳ１に先立って、ステージ装置３０（第２テーブルＴ２）のＸＹ平面内の位置情報を計測する干渉計システム４０をリセットする。
【００４９】
ステップＳ１において、制御装置１２０により、ウエハＷ１が第２テーブルＴ２に取り付けられる。具体的には、まず、制御装置１２０は、不図示の搬送系の搬送部材（例えばロボットアーム）を用いてホルダＨ１を第２テーブルＴ２上に搬入し、バキュームチャック（不図示）を介して真空吸着により第２テーブルＴ２にホルダＨ１を保持させる。次いで、制御装置１２０は、不図示のプリアライメント装置を介してウエハＷ１のプリアライメント（外形基準の位置合わせ（中心位置及びθｚ回転の調整））を行う。次に、制御装置１２０は、搬送部材を用いてそのプリアライメント済みのウエハＷ１をホルダＨ１上にロードし、静電吸着によりホルダＨ１に保持させる。これにより、ウエハＷ１が、上方（＋Ｚ方向）に向けて且つ水平に第２テーブルＴ２に保持される。
【００５０】
ウエハＷ１の取り付け後、制御装置１２０は、図６に示されるように、Ｚステージ３２（及び３つのＺ駆動部３３）を介して第２テーブルＴ２を図中の黒塗り矢印が指す＋Ｚ方向に駆動し、ウエハＷ２の表面を基準面ＳＭ上に位置させる。
【００５１】
ステップＳ２では、制御装置１２０により、マーク検出系Ｍ１を用いて、第２テーブルＴ２に取り付けられたウエハＷ１のアライメント計測が行われる。ここで、ウエハＷ１の表面には、露光によりマトリクス状の配置で多数のショット領域（回路パターン領域）が形成され、各ショット領域にアライメントマークが同時に形成（付設）されている。
【００５２】
具体的には、制御装置１２０は、図７に示されるように、ステージ装置３０の位置情報（ｒ２）に従ってステージ装置３０を水平方向（図中の白抜きの矢印が示す方向）に駆動し、ウエハＷ１の表面上のアライメントマークをマーク検出系Ｍ１の検出視野内に位置決めする。制御装置１２０は、この時のステージ装置３０の位置決め位置を計測する。また、制御装置１２０は、マーク検出系Ｍ１を用いて、アライメントマークを検出する。位置決め位置の計測結果とアライメントマークの検出結果とから、検出されたアライメントマークのＸＹ位置が求められる。制御装置１２０は、同様の計測を２つ以上のアライメントマークに対して実行する。
【００５３】
ステップＳ３では、制御装置１２０により、第２テーブルＴ２に取り付けられたウエハＷ１が第１テーブルＴ１に移し変えられる。上記のウエハＷ１のアライメント計測の終了後、制御装置１２０は、ステージ装置３０を、図８中の白抜き矢印が指す方向（＋Ｘ方向）に駆動し、前述のローディングポジションに位置させる（戻す）。次に、制御装置１２０は、搬送部材を用いて、ウエハＷ１を保持するホルダＨ１を反転装置（不図示）に送る。これと同時に、制御装置１２０は、Ｚステージ３２（及び３つのＺ駆動部３３）を介して第２テーブルＴ２を図８中の黒塗り矢印が指す−Ｚ方向に駆動し、第２テーブルＴ２を基準面ＳＭから退避させる。一方、ホルダＨ１は反転装置により反転される。制御装置１２０は、その反転後のホルダＨ１を搬送部材を用いて第１テーブルＴ１の下方に搬送し、バキュームチャック（不図示）を介して真空吸着により第１テーブルＴ１にホルダＨ１を保持させる。これにより、図８に示されるように、ウエハＷ１が下方（−Ｚ方向）に向けて且つ水平に第１テーブルＴ１に保持される。
【００５４】
さらに、ステップＳ３では、制御装置１２０により、第１テーブルＴ１に取り付けられたウエハＷ１に対するサーチアライメントが実行される。これにより、第１テーブルＴ１に取り付けられたウエハＷ１のＸＹ平面内での回転量θｚが求められる。なお、サーチアライメントの詳細説明は省略するが、第１テーブルＴ１に取り付けられるウエハＷ１の回転量θｚが求められれば、第１テーブルＴ１に取り付け後に限らず、第１テーブルＴ１に搬送する途中にサーチアライメントを実行することとしても良い。
【００５５】
ステップＳ４では、制御装置１２０により、ウエハＷ２が第２テーブルＴ２に取り付けられる。その詳細は、ステップＳ１と同様である。ここで、ウエハＷ２を第２テーブルＴ２に保持されたホルダＨ２上にロードする際、制御装置１２０は、ステップＳ３において計測されたウエハＷ１の回転量θｚに基づいて、ウエハＷ１の回転（θｚ）位置にほぼ一致するようにウエハＷ２をＸＹ平面内で回転させた上でホルダＨ２に取り付ける。なお、ウエハＷ１の回転量θｚが小さい場合、ウエハＷ２をホルダＨ２に吸着保持後にステージ装置３０のθｚ方向の回転角を調整することで、ウエハＷ１の回転（θｚ）位置にウエハＷ２の回転位置を一致させても良い。
【００５６】
ウエハＷ２の取り付け後、制御装置１２０は、Ｚステージ３２（及び３つのＺ駆動部３３）を介して第２テーブルＴ２を＋Ｚ方向に駆動し、ウエハＷ２の表面を基準面ＳＭ上に位置させる。
【００５７】
ステップＳ５では、制御装置１２０により、図９に示されるように、マーク検出系Ｍ１を用いて第２テーブルＴ２に取り付けられたウエハＷ２のアライメント計測が行われる。アライメント計測の詳細は、ステップ２におけるアライメント計測と同様である。
【００５８】
ステップＳ６では、制御装置１２０により、ベースライン計測が行われる。制御装置１２０は、マーク検出系Ｍ１を用いてホルダＨ２（又は第２テーブルＴ２）上に形成された基準マーク（不図示）を検出する。検出後、制御装置１２０は、Ｚステージ３２を介して第２テーブルＴ２を図１０中の黒塗り矢印が指す−Ｚ方向に駆動し、ウエハＷ２を基準面ＳMから退避させる。また、制御装置１２０は、第１テーブル駆動装置２１を介して第１テーブルＴ１を図１０中の黒塗り矢印が指す−Ｚ方向に駆動して第１位置に位置させ、ウエハＷ１の表面を基準面ＳＭ上に位置決めする。
【００５９】
ステップＳ７では、制御装置１２０により、ウエハＷ１，Ｗ２が貼り合わせられる。制御装置１２０は、まず、ステップＳ２において求められたウエハＷ１のアライメントマークの検出位置と、ステップＳ５において求められたウエハＷ２のアライメントマークの検出位置と、ステップＳ６において求められたベースラインの計測結果と、を用いて、ウエハＷ１，Ｗ２の貼り合わせ位置に対応するステージ装置３０の目標位置（Ｘ０，Ｙ０，θｚ０）を求める。目標位置として、例えば、２つのウエハＷ１，Ｗ２のそれぞれのアライメントマークの間において、対となるアライメントマーク間の基準面ＳＭ内での相対距離の自乗和が最小となる位置が採用される。
【００６０】
最後に、制御装置１２０は、図１１に示されるように、ステージ装置３０をステージ装置３０の位置情報（ｒ１）に従ってＸＹ平面内で駆動し（図中の白抜き矢印参照）、目標位置（Ｘ０，Ｙ０，θｚ０）に位置決めする。そして、制御装置１２０は、Ｚ・傾斜計測系６０を用いて第２テーブルＴ２の傾斜θｘ，θｙが変わらないことを確認しながら、またＺ・傾斜計測系６０又は離間距離計測系６１を用いて２つのウエハＷ１，Ｗ２の間の離間距離を確認しながら、第２テーブル駆動装置３１を介して第２テーブルＴ２を図中の黒塗り矢印が指す＋Ｚ方向に駆動し、第２テーブルＴ２を第１テーブルＴ１にＺ軸方向に関して接近させ、両テーブルＴ１，Ｔ２に取り付けられたウエハＷ１，Ｗ２を重ね合わせる。そして、制御装置１２０は、重ね合わせられたウエハＷ１，Ｗ２のそれぞれを保持するホルダＨ１、Ｈ２を留め具を用いて重ね固定して、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２から取り外す。そして、重ね合わされたウエハＷ１，Ｗ２及びホルダＨ１，Ｈ２を搬送部材を用いて不図示の予備加熱室へ搬送する。以後、加熱工程以降の処理が行われ、貼り合わせウエハ、さらにはこれを用いた３次元積層型の半導体デバイスが製造される。
【００６１】
なお、ウエハの貼り合わせ位置の求め方として、例えば、米国特許第４，７８０，６１７号明細書等などに詳細に開示される、ＥＧＡ（エンハンズド・グローバル・アライメント）におけるＥＧＡパラメータを各ウエハについて求め、その求めた結果から貼り合わせ位置を算出しても良い。この場合、ステップＳ２，Ｓ５で、それぞれウエハに対するＥＧＡ計測が行われることとなる。
【００６２】
上述の基板貼り合わせ工程のステップＳ７において、ウエハＷ１を保持する第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０）に対してウエハＷ２を保持する第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）を精密に駆動することで、ウエハＷ１，Ｗ２を正確に位置合わせする。ここで、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２に保持されたウエハＷ１，Ｗ２を張り合わせるために第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）を駆動してウエハＷ２をウエハＷ１に接触させると、すなわち第２テーブルＴ２を第１テーブルＴ１に接触させると、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２の駆動において共振（共振モード）が発生し、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の精密且つ安定な制御の障害要因となり得る。
【００６３】
第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２の駆動における共振（共振モード）を考える。ただし、簡単のため、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２のＸ軸方向についての並進のみを考える。
【００６４】
本実施形態の基板貼り合わせ装置１００における第１テーブルＴ１を備える第１テーブル装置２０と第２テーブルＴ２を備えるステージ装置３０との並進運動を、図１２（Ａ）に示される力学模型、すなわちばねとダンパにより連結された２つの剛体の並進運動として表現する。なお、２つの剛体はばねのみにより連結されるものとする、或いは注目する２つの剛体を含む２以上の剛体がばねとダンパ（又はばねのみ）により連結されるものとして表現しても良い。
【００６５】
図１２（Ｂ）には、図１２（Ａ）の力学模型における各種パラメータ及びそれらの代表値がまとめられている。第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０）及び第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）に対応する２つの剛体をそれぞれ第１及び第２ステージと呼ぶ。第１及び第２ステージの質量をそれぞれｍ１，ｍ２、第１ステージに対する剛性係数及び粘性係数をそれぞれｋ１，ｃ１、第２ステージに対する剛性係数及び粘性係数をそれぞれｋ０，ｃ０、第１及び第２ステージ間の摩擦による剛性係数及び粘性係数をそれぞれｋ２，ｃ２、及び第２ステージに作用する推力をＦ２とする。これらのパラメータの代表値は、後述する式（１ａ）及び式（１ｂ）により表されるモデル式が、それぞれ、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示される周波数応答特性の実験結果、すなわち操作量Ｕ（Ｆ２）に対する第１及び第２制御量Ｘ１，Ｘ２の実測結果を式（１ａ）及び式（１ｂ）に適用することにより求められる伝達関数Ｐ１，Ｐ２の周波数応答特性を再現するように、最小自乗法等を用いて決定されたものである。
【００６６】
図１２（Ａ）の力学模型では、ウエハＷ１，Ｗ２の貼り合わせに伴う第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０）及び第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の接触状態を剛性係数ｋ２及び粘性係数ｃ２を用いて表現する。図１２（Ｃ）には、３通りのモデルＡ、Ｂ、及びＣにおける剛性係数ｋ２及び粘性係数ｃ２の値がまとめられている。モデルＡ（剛性係数ｋ２、粘性係数ｃ２ともに零）は、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２が互いに接触していない状態を表現する。モデルＢ及びＣは、それらが互いに接触し、それぞれそれらの接触が弱い及び強い状態を表現する。
【００６７】
上述の力学模型から、第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０）及び第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の入出力応答、すなわち操作量である第２ステージに作用する推力Ｆ２に対する制御量である第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２のＸ位置Ｘ１，Ｘ２の応答、を表現する伝達関数Ｐ1，Ｐ２は、ラプラス変換形において、次のように与えられる。
【００６８】
【数１】
2013115086.tif 000003
【００６９】
また、上述の力学模型において共振は２つ存在する。それらの周波数ｆｐ１，ｆｐ２は、次のように求められる。
【００７０】
【数２】
2013115086.tif 000004
【００７１】
図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）には、それぞれ、伝達関数Ｐ１，Ｐ２のボード線図（振幅（ゲイン）｜Ｐ（ｓ）｜及び位相ａｒｇ（Ｐ（ｓ）））の周波数応答特性が示されている。ここで、ｓ＝ｊω＝ｊ２πｆ、ｊ＝√（−１）、ｆは周波数である。ボード線図は、図１２（Ｃ）にまとめた３つのモデルＡ，Ｂ，Ｃのそれぞれについて与えられている。
【００７２】
第１及び第２ステージが互いに接触していない状態を表現するモデルＡでは、伝達関数Ｐ１，Ｐ２の周波数応答特性において共振モードは現れない。これに対し、第１及び第２ステージが互いに接触した状態を表現するモデルＢ，Ｃでは、それぞれ、約１００Ｈｚ及び３０数Ｈｚの位置に共振モードが現れる。また、これは接触が強くなるにつれ（剛性係数ｋ２及び粘性係数ｃ２が大きくなるにつれ）共振モードが現れる周波数が低くなることを示唆している。従って、第１及び第２ステージが互いに接触し、さらにその接触状態が変化することにより、第１及び第２ステージ（伝達関数Ｐ１，Ｐ２）の周波数応答特性が著しく変化することが分かる。
【００７３】
上述の共振モードを相殺し、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の駆動を精密かつ安定に制御するために、干渉計システム４０のＸ干渉計４０Ｘ（第１計測器）に加えて干渉計システム４５のＸ干渉計４５Ｘ（第２計測器）を用いて、１入力２出力系（ＳＩＭＯ系）のフィードバック制御系を構築する。ここで、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２がそれぞれ保持するウエハＷ１，Ｗ２を張り合わせるために第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２を互いに接触した際に、第１計測器（Ｘ干渉計４０Ｘ（移動鏡４２Ｘ））が設置された第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）が示す共振モードに対して逆相の共振モードを示す第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０）に第２計測器（Ｘ干渉計４５Ｘ（移動鏡４７Ｘ））が設置されている。これにより、目的のフィードバック制御系の構築が可能となる。
【００７４】
図１４には、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）を駆動する駆動システムに対応する１入力２出力系（ＳＩＭＯ系）の閉ループ制御系（フィードバック制御系）を示すブロック図が示されている。この閉ループ制御系に対応する駆動システムは、第１制御対象である第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）のＸ位置（第１の制御量Ｘ２）を計測する干渉計システム４０のＸ干渉計４０Ｘ（第１計測器）と、第２制御対象である第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０）のＸ位置（第２の制御量Ｘ１）を計測する干渉計システム４５のＸ干渉計４５Ｘ（第２計測器）と、目標値Ｒと第１及び第２の制御量の計測結果（Ｘ２，Ｘ１）とに基づいて操作量Ｕ（駆動力Ｆ２）を演算し、その結果を第２テーブル駆動装置３１に送信して第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の駆動を制御するステージ制御装置５０と、を含む。なお、第２テーブル駆動装置３１は、受信した操作量Ｕ（駆動力Ｆ２）に従って、駆動力Ｆ２に等しい駆動力を第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）に加える。これにより、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）が駆動される。
【００７５】
ここで、目標値（目標軌道）、制御量、操作量等は、時間の関数として定義されるが、図１４及びそれを用いた説明では、制御ブロック図の説明に際しての慣習に従い、それらのラプラス変換を用いて説明を行うものとする。また、後述する演算式Ｕ（Ｒ−Ｘ１，Ｒ−Ｘ２）についても、ラプラス変換形においてその定義を与えるものとする。また、以降においても、特に断らない限り、ラプラス変換（ラプラス変換形）を用いて説明するものとする。
【００７６】
ステージ制御装置５０は、目標生成部５００と、２つの制御器５０１，５０２と、２つの減算器５０３，５０４と、加算器５０５と、を含む。なお、これら各部は、実際には、ステージ制御装置５０を構成するマイクロコンピュータとソフトウェアによって実現されるが、ハードウェアによって構成しても勿論良い。
【００７７】
目標生成部５００は、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の目標値、ここでは目標位置（時々刻々変化する位置の目標値）Ｒを生成して、減算器５０３，５０４に供給する。
【００７８】
減算器５０３は、目標位置ＲとＸ干渉計４５Ｘによって計測される第１テーブルＴ１（伝達関数Ｐ１）のＸ位置Ｘ１との差、すなわち偏差（Ｒ−Ｘ１）を算出し、制御器５０１（伝達関数Ｃ１）に供給する。減算器５０４は、目標位置ＲとＸ干渉計４０Ｘによって計測される第２テーブルＴ２（伝達関数Ｐ２）のＸ位置Ｘ２との差、すなわち偏差（Ｒ−Ｘ２）を算出し、制御器５０２（伝達関数Ｃ２）に供給する。ここで、Ｘ位置Ｘ１、Ｘ２はそれぞれＸ干渉計４５Ｘ，４０Ｘによって計測されるが、図１４では、図示が省略されている。以降の閉ループ制御系のブロック図においても同様に計測器は図示が省略される。
【００７９】
制御器５０１（伝達関数Ｃ１）は、偏差（Ｒ−Ｘ１）が零となるように、演算（制御演算）により中間量Ｃ１（Ｒ−Ｘ１）を算出し、加算器５０５に送出する。同様に、制御器５０２（伝達関数Ｃ２）は、偏差（Ｒ−Ｘ２）が零となるように、制御演算により中間量Ｃ２（Ｒ−Ｘ２）を算出し、加算器５０５に送出する。ここで、Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ、制御器５０１，５０２の伝達関数である。伝達関数とは、入力信号ｒ（ｔ）と出力信号Ｃ（ｔ）とのラプラス変換の比Ｒ（ｓ）／Ｃ（ｓ）、すなわちインパルス応答関数のラプラス変換関数である。
【００８０】
加算器５０５は、制御器５０１，５０２の出力（中間量）を加算して操作量Ｕを求める。このように、ステージ制御装置５０は、Ｘ干渉計４５Ｘ，４０Ｘの計測結果（Ｘ１，Ｘ2）と目標位置Ｒとに基づいて演算式Ｕ（Ｒ−Ｘ１，Ｒ−Ｘ２）＝Ｃ１（Ｒ−Ｘ１）＋Ｃ２（Ｒ−Ｘ２）で表される制御演算を行って操作量Ｕを求め、該操作量Ｕを制御対象である第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）を駆動する第２テーブル駆動装置３１に与える。これにより、第２テーブル駆動装置３１により操作量Ｕに従って第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）が駆動され、その位置が制御される。
【００８１】
先述の伝達関数Ｐ１，Ｐ２を用いて、制御器５０１，５０２を設計する、すなわち伝達関数Ｃ１，Ｃ２を決定する。便宜のため、伝達関数Ｐ１，Ｐ２，Ｃ１，Ｃ２を、次の分数式形において表す。
【００８２】
【数３】
2013115086.tif 000005
【００８３】
この場合、フィードバック制御系（図１４）に対する閉ループ伝達関数の特性方程式ＡＣＬは、１＋Ｃ１Ｐ１＋Ｃ２Ｐ２の分数式の分子部分により与えられる。すなわち、
Acl(s)=Dc(s)Dp(s)+Nc1(s)Np1(s)+Nc2(s)Np2(s)    …（４）
特性方程式ＡＣＬにおいて、任意の解析関数αを用いて、次式を満たすようにＮＣ１，ＮＣ２を決定する。
Nc1(s)Np1(s)+Nc2(s)Np2(s)=Dp(s)α(s)    …（５）
これにより、次の開ループ伝達関数が得られる。
【００８４】
【数４】
2013115086.tif 000006
【００８５】
これにより、Ｐ１，Ｐ２のそれぞれに含まれる共振振舞いを与える極（すなわちＰ１，Ｐ２のそれぞれが示す共振モード）が極零相殺される。さらに、このときの次の特性方程式が安定な極を有するように極配置設計する。
Acl(s)=(Dc(s)+α(s))Dp(s)    …（７）
【００８６】
次に、伝達関数Ｃ１，Ｃ２（ＮＣ１，ＮＣ２，ＤＣ，α）の具体形を決定する。まず、式（６）を満たすＮＣ１，ＮＣ２を考える。ここで、
(m1s2+c1s+k1)Np1(s)+(m2s2+c0s+k0)Np2(s)=Dp(s)    …（８）
この関係より、次のようにＮＣ１，ＮＣ２を与える。
【００８７】
【数５】
2013115086.tif 000007
【００８８】
これにより、第１及び第２ステージ間の摩擦による剛性係数ｋ２及び粘性係数ｃ２に依存しない伝達関数Ｃ１，Ｃ２が得られる、すなわち制御器５０１，５０２を設計することができる。次に、ＤＣ，αを決定する。ここで、伝達関数Ｃ１，Ｃ２を３次の２重積分型の制御器として設計する。
【００８９】
【数６】
2013115086.tif 000008
【００９０】
発明者らは、上で設計した制御器５０１，５０２（伝達関数Ｃ１，Ｃ２）を用いて構築されるＳＩＭＯ系のフィードバック制御系のパフォーマンスを、図１２（Ｃ）に与えた第１及び第２ステージ間の摩擦による剛性係数ｋ２及び粘性係数ｃ２に関する３つのモデルＡ，Ｂ，Ｃについてのシミュレーションにより検証した。ここで、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２の力学的運動（応答特性）は、前述の剛体模型（伝達関数Ｃ１，Ｃ２）を用いて再現されている。
【００９１】
図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）には、それぞれモデルＡ〜Ｃに対する、本実施形態のフィードバック制御系（3rd C double integral type SRC）の感度関数（閉ループ伝達関数）Ｓ（及びＴ＝１−Ｓ；Ｔは相補感度関数）の周波数応答特性を示すゲイン線図が示されている。ここで、帯域を１００Hzとした。また、比較例として、先述の極配置設計を行っていない従来型のフィードバック制御系（Ｐ−ＰＩ）の感度関数Ｓ（及びＴ＝１−Ｓ；Ｔは相補感度関数）の周波数応答特性を示すゲイン線図も示されている。ただし、帯域は約３０Hzである。
【００９２】
極配置設計を行っていない従来型のフィードバック制御系の場合、３つのモデル、すなわち第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２間の接触状態の変化によって、感度関数Ｓ及び相補感度関数Ｔは著しく変化する。特にモデルＣにおいては、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の駆動制御が完全に破綻していることがわかる。これに対し、本実施形態のフィードバック制御系の場合、３つのモデル、すなわち第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２間の接触状態の変化に拠らず、感度関数Ｓ及び相補感度関数Ｔは変化せず、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の駆動制御の安定が維持されることがわかる。
【００９３】
図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）には、それぞれモデルＡ〜Ｃに対する、本実施形態のフィードバック制御系（3rd C double integral type SRC）と極配置設計を行っていない従来型のフィードバック制御系（Ｐ−ＰＩ）とのそれぞれに対するナイキスト線図が示されている。従来型のフィードバック制御系の場合、３つのモデルに対して、点（−１，０）を囲まず、ナイキストの安定条件を満たしているが、特にモデルＣに対しその振舞いが著しく変化していることがわかる。これに対し、本実施形態のフィードバック制御系の場合、３つのモデルに対して、点（−１，０）を囲まず、ナイキストの安定条件を満たしている。従って、本実施形態のフィードバック制御系では、安定余裕を十分に保ちつつ外乱抑圧特性が大幅に改善され、さらに第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２間の接触状態の変化に対してロバストな制御系が構築されていることがわかる。
【００９４】
図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）には、それぞれモデルＡ〜Ｃに対する、本実施形態のフィードバック制御系（3rd C double integral type SRC）と極配置設計を行っていない従来型のフィードバック制御系（Ｐ−ＰＩ）とのそれぞれに対する第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の時間応答特性、すなわち追従誤差の時間変化が示されている。ここで、各制御器はサンプリング周期２４０msでTustin変換により離散化した。また、時刻０sにて１Nmのステップ外乱を印加した。
【００９５】
従来型のフィードバック制御系に比べて本実施形態のフィードバック制御系は、感度関数の低域のゲイン特性が低いため、いずれのモデルにおいても収束が速いことがわかる。なお、本実施形態のフィードバック制御系に対する時間応答特性において小さい振動（残留振動）が見られるが、外乱抑圧特性は感度関数Ｓと第２テーブルＴ２のＸ位置Ｘ２の応答（伝達関数Ｐ２）で表されるとおり、第２テーブルＴ２の持つ減衰によって収束することになる。そこで、ピークフィルタなどを用いることにより、この残留振動を積極的に制振するなどしても良い。
【００９６】
以上説明したように、本実施形態に係る基板貼り合わせ装置１００によると、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２がそれぞれ保持するウエハＷ１，Ｗ２を張り合わせるために第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２を互いに接触した際に、Ｘ干渉計４０Ｘ（第１計測器）が設置された第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）が示す共振モードに対して逆相の共振モードを示す第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０）にＸ干渉計４５Ｘ（第２計測器）が設置されている。これらの計測器を用いて１入力２出力系（ＳＩＭＯ系）のフィードバック制御系を構築することにより、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２間の接触状態に拠らず、制御系を切り換えることなく、高帯域でロバストな第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の駆動を制御する駆動システムを設計することが可能となる。
【００９７】
また、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２の位置（第２及び第１制御量）Ｘ１，Ｘ２の計測結果を用いて操作量を求めるための演算式Ｕ（Ｘ１，Ｘ２）＝Ｃ１Ｘ１＋Ｃ２Ｘ２において、伝達関数Ｃ１，Ｃ２を、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２の応答を表現する伝達関数Ｐ１，Ｐ２のそれぞれに含まれる共振モードに対応する極が開ループ伝達関数Ｃ１Ｐ１＋Ｃ２Ｐ２において相殺されるように決定する。さらに、伝達関数Ｐ１，Ｐ２の具体形を、第１テーブルＴ１を備える第１テーブル装置２０と第２テーブルＴ２を備えるステージ装置３０との運動をばねとダンパにより連結された２つの剛体の並進運動として表現する力学模型（剛体模型）を用いて与える。これにより、閉ループ伝達関数においてＰ１，Ｐ２の共振振舞い（共振モード）が相殺され（Ｐ１の共振モードがＰ２の共振モードにより相殺され）、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２間の接触状態に拠らず、制御系を切り換えることなく、ロバストな第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の駆動を制御する駆動システムを設計することが可能となる。
【００９８】
また、第２テーブルＴ２（第１制御対象）の位置（第１制御量）を計測するとともに、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２がそれぞれ保持するウエハＷ１，Ｗ２を張り合わせるために第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２を互いに接触した際に、第１制御対象が示す共振モードと逆相の剛体モードに対する共振モードを示す第２制御対象である第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０）の位置（第２制御量）を計測し、それらの計測結果と目標値とに基づいて制御演算を行って操作量を求め、得られた操作量を第２テーブル駆動装置３１に与えることにより、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の駆動を制御する。これにより、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２間の接触状態に拠らず、制御系を切り換えることなく、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）を精密且つ安定に駆動することが可能となる。
【００９９】
また、制御器５０１，５０２（伝達関数Ｃ１，Ｃ２）を、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２の応答を表現する伝達関数Ｐ１，Ｐ２のそれぞれに含まれる共振モードに対応する極が開ループ伝達関数Ｃ１Ｐ１＋Ｃ２Ｐ２において相殺されるように設計（決定）する。これにより、閉ループ伝達関数においてＰ１，Ｐ２の共振振舞い（共振モード）が相殺され（Ｐ１の共振モードがＰ２の共振モードにより相殺され）、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２間の接触状態に拠らず、制御系を切り換えることなく、高帯域でロバストな第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の駆動の制御が可能となる。
【０１００】
また、本実施形態に係る基板貼り合わせ装置１００は、上述のように設計された第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）の駆動システムを備えるため、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）を精密且つ安定に駆動することが可能となり、貼り合わせ精度の向上が可能となる。これにより、例えば、大直径のウエハを高精度、例えば１００ｎｍオーダーの精度で重ね合わせることが可能になり、ひいては実装面積効率の高い３次元積層型の半導体デバイスを効率良く製造することが可能になる。
【０１０１】
なお、本実施形態では、制御対象である第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）（及び第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０））の制御量として位置を選択したが、これに代えて速度、加速度等、位置以外の位置に関連する物理量を制御量として選択しても良い。かかる場合、干渉計システム４０（を構成するＸ干渉計４０Ｘ）（干渉計システム４５（を構成するＸ干渉計４５Ｘ））とは独立の速度計測器、加速度計測器等を設置し、それらを用いて速度、加速度等を計測することとする。あるいは、干渉計システム４０（干渉計システム４５）の１階差分または２階差分演算により、速度、加速度を算出して用いてもよい。
【０１０２】
なお、上記実施形態では、Ｘ軸方向についての第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）（及び第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０））の駆動を制御する場合について説明したが、Ｙ軸方向及びＺ軸方向についての第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）（及び第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０））の駆動を制御する場合についても、同様にして、フィードバック制御系を設計することができ、同等の効果を得ることができる。
【０１０３】
また、本実施形態では、干渉計システム４０として１つの２軸干渉計を含む４つの干渉計を用いることとしたが、これに限らず、Ｚ軸方向に所定距離離間させて複数の測長ビームを平行に射出する多軸干渉計を用いることとしても良い。この多軸干渉計をＸ干渉計４０Ｘとして用いれば、さらに、第２テーブルＴ２のＹ軸周りの回転角（傾斜角）θｙを計測することができる。また、Ｙ干渉計４０Ｙ１〜４０Ｙ３として用いれば、さらに、第２テーブルＴ２のＸ軸周りの回転角（傾斜角）θｘを計測することができる。また、干渉計システム４５として１つの２軸干渉計を含む２つの干渉計を用いることとしたが、これに限らず、Ｚ軸方向に所定距離離間させて複数の測長ビームを平行に射出する多軸干渉計を用いることとしても良い。この多軸干渉計をＸ干渉計４５Ｘとして用いれば、さらに、第１テーブルＴ１のＹ軸周りの回転角（傾斜角）θｙを計測することができる。また、Ｙ干渉計４５Ｙとして用いれば、さらに、第１テーブルＴ１のＸ軸周りの回転角（傾斜角）θｘを計測することができる。
【０１０４】
また、上記実施形態では、第１テーブルＴ１は第１テーブル駆動装置２１を用いて鉛直（Ｚ軸）方向にのみ移動可能としたが、これに限らず、さらにＸＹ平面内（Ｘ，Ｙ，θｚ）で移動可能、あるいは全６自由度方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θｘ，θｙ，θｚ）に移動可能としても良い。かかる場合に、本実施形態の１入力２出力系（ＳＩＭＯ系）のフィードバック制御系において得られる操作量を第１テーブル駆動装置２１にも与えることにより、第２テーブルＴ２（ステージ装置３０）とともに第１テーブルＴ１（第１テーブル装置２０）の駆動を制御することとしても良い。この場合においても、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２間の接触状態に拠らず、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２を精密且つ安定に駆動することが可能となる。
【０１０５】
また、上記実施形態で説明したステージ装置３０の構成は一例であって、本発明がこれに限定されるものではない。例えば、ステージ装置３０は、少なくとも２次元平面内で移動可能であれば足りる。従って、第２テーブル駆動装置３１は、必ずしも設けなくても良いが、設ける場合にも、上記実施形態の構成と異なる構成でも良い。例えば、３つのＺ駆動部の駆動ストロークが十分に長ければ、Ｚステージを設けることなく、個別に駆動可能な３つのＺ駆動部のみで第２テーブル駆動装置を構成しても良い。
【０１０６】
なお、上記実施形態では、第１テーブルＴ１とマーク検出系Ｍ１とがフレーム１０に固定され、第２テーブルＴ２がＸＹ平面内で移動可能なステージ装置３０に搭載された場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。例えば、上記実施形態と上下反転した構成を採用しても良い。すなわち、第１テーブルＴ１とマーク検出系Ｍ１とが上向きにステージ定盤１３に固定され、第２テーブルＴ２が下向きに設けられたステージ装置３０が、フレーム１０の天板部１２の下面に沿って移動可能な構成を採用しても良い。あるいは、上記実施形態のフレームを除く構成各部を横置きにしたような構成を採用しても良い。この場合、ステージ装置３０は、ＹＺ平面に沿って移動することとなるとともに、第１テーブルＴ１は、Ｘ軸方向に往復移動可能で、第２テーブルＴ２は、Ｘ軸方向及びＹＺ平面に対する傾斜方向に駆動可能に構成されることとなる。
【０１０７】
また、上記実施形態では、ホルダＨ１，Ｈ２を用いて、ウエハＷ１，Ｗ２を基板貼り合わせ装置１００に取り付けることとしたが、ウエハ用のホルダに代えて、ウエハをダイシングして得られる半導体チップ用のホルダを用いることにより、チップレベルからウエハレベルまでの貼り合わせが可能になる。また、単層のウエハ（あるいは単層の半導体チップ）に限らず、複数のウエハ（複数の半導体チップ）が積層済みの半導体部材を扱うこともできる。
【０１０８】
さらに、本発明は、上述したウエハ等の半導体基板の貼り合わせ、あるいは半導体チップの貼り合わせに限らず、その他の基板、例えば液晶用のガラス基板などの貼り合わせにも適用が可能である。この場合、基板ホルダは必ずしも用いる必要はない。その他基板の概念に含まれる板状部材同士であれば、本発明の基板貼り合わせ装置及び貼り合わせ方法による、貼り合わせの対象に含まれる。
【０１０９】
また、上記実施形態では、第１及び第２テーブルＴ１，Ｔ２がそれぞれ保持するウエハＷ１，Ｗ２を張り合わせる基板貼り合わせ装置１００において１入力２出力系（ＳＩＭＯ系）のフィードバック制御系を構築したが、基板貼り合わせ装置に限らず、制御対象が別部材に物理的に接触し（或いは連結し）、その状態が変わり得る装置についても本実施形態の１入力２出力系（ＳＩＭＯ系）のフィードバック制御系を構築することも可能である。これにより、制御対象の接触状態（或いは連結状態）に拠らず、高帯域でロバストな制御対象の駆動制御が可能となる。
【符号の説明】
【０１１０】
１５…ステージ駆動装置、２０…第１テーブル装置、２１…第１テーブル駆動装置、３０…ステージ装置、３１…第２テーブル駆動装置、４０，４５…干渉計システム、４０Ｘ，４０Ｙ１〜４０Ｙ３…Ｘ干渉計、第１〜第３Ｙ干渉計、４５Ｘ，４５Ｙ…Ｘ干渉計、Ｙ干渉計、１００…基板貼り合わせ装置、Ｈ１，Ｈ２…ホルダ、Ｗ１，Ｗ２…ウエハ、Ｔ１…第１テーブル、Ｔ２…第２テーブル、ＳＴ…ステージ。
【図１】
2013115086.tif 000009
【図２】
2013115086.tif 000010
【図３】
2013115086.tif 000011
【図４】
2013115086.tif 000012
【図５】
2013115086.tif 000013
【図６】
2013115086.tif 000014
【図７】
2013115086.tif 000015
【図８】
2013115086.tif 000016
【図９】
2013115086.tif 000017
【図１０】
2013115086.tif 000018
【図１１】
2013115086.tif 000019
【図１２】
2013115086.tif 000020
【図１３】
2013115086.tif 000021
【図１４】
2013115086.tif 000022
【図１５】
2013115086.tif 000023
【図１６】
2013115086.tif 000024
【図１７】
2013115086.tif 000025