(57)【要約】【課題】アラインメント装置の位置合わせ精度を向上させる。【解決手段】重ね合わされる一対の基板の位置を合わせるアラインメント装置であって、一対の基板の一方を保持する基板保持部と、一対の基板の他方を支持して、前記一方の基板の面に平行な方向に移動する移動ステージと、移動ステージに固定されて移動ステージと共に移動する、前記一方の基板の画像を撮像する顕微鏡と、顕微鏡の振動が所定値以下まで減衰した状態で顕微鏡により撮像された前記一方の基板の画像に基づいて、前記一方の基板の位置を算出する位置算出部とを備える。【選択図】図５
2009231671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わされる一対の基板の位置を合わせるアラインメント装置であって、
前記一対の基板の一方を保持する基板保持部と、
前記一対の基板の他方を支持して、前記一方の基板の面に平行な方向に移動する移動ステージと、
前記移動ステージに固定されて前記移動ステージと共に移動する、前記一方の基板の画像を撮像する顕微鏡と、
前記顕微鏡の振動が所定値以下まで減衰した状態で前記顕微鏡により撮像された前記一方の基板の画像に基づいて、前記一方の基板の位置を算出する位置算出部と
を備えるアラインメント装置。
【請求項２】
前記位置算出部は、前記移動ステージが停止してから予め設定した設定時間の経過後において前記顕微鏡により撮像された画像に基づいて、前記一方の基板の位置を算出する請求項１に記載のアラインメント装置。
【請求項３】
前記顕微鏡の加速度を検知する加速度計をさらに備え、
前記位置算出部は、前記加速度計で検知された加速度から算出された前記顕微鏡の振動の大きさが予め設定した閾値よりも小さくなったときにおいて前記顕微鏡により撮像された画像に基づいて、前記一方の基板の位置を算出する請求項１に記載のアラインメント装置。
【請求項４】
前記位置算出部は、前記顕微鏡により時間的に前後して撮像された複数の画像間のブレの大きさが予め設定した閾値よりも小さくなったときにおいて前記顕微鏡により撮像された画像に基づいて、前記一方の基板の位置を算出する請求項１に記載のアラインメント装置。
【請求項５】
前記移動ステージに対して変位する前記顕微鏡の振動を減衰させるダンパを更に備える請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアラインメント装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アラインメント装置に関する。より詳細には、ウエハ等の基板を積層して接合する場合に、当該基板を相互に位置合わせするアラインメント装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各々に素子および回路が形成された基板を積層した積層型の半導体装置がある（特許文献１参照）。積層型の半導体装置は、立体的な構造を形成することにより、実装面積を拡大することなく実効的に高い実装密度を有する。また、積層された基板相互の配線が短いので、動作速度の向上にも寄与するといわれている。
【０００３】
基板を貼り合わせる場合には、互いに平行に保持された一対の基板を、半導体回路の線幅精度で精密に位置合わせして積層した後、これを全体に加熱、加圧して圧接させる。このため、一対の基板を位置合わせして重ね合わせるアラインメント装置（特許文献２参照）と、重ね合わされた一対の基板を恒久的に接合するホットプレス装置（特許文献３参照）とを組み合わせた接合装置が用いられる。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２６１０００号公報
【特許文献２】特開２００５−２５１９７２号公報
【特許文献３】特開２００７−１１４１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アラインメントの対象となる基板をアラインメント装置に装入する場合に、装置内における基板の装入位置にずれが生じる場合がある。このような装入位置の誤差はアラインメント装置自体の精度とは無関係に生じるので、実際に基板が装入された状態で計測しなければ補償できない。
【０００６】
そこで、アラインメント装置に顕微鏡を装備させて、装入された基板の位置を計測することが試みられている。しかしながら、顕微鏡を装備したアラインメント装置においても、顕微鏡の分解能に相応しい位置精度が得られない場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、上記課題を解決すべく、本発明の第１の形態として、重ね合わされる一対の基板の位置を合わせるアラインメント装置であって、一対の基板の一方を保持する基板保持部と、一対の基板の他方を支持して、一対の基板の一方に対して面に平行な方向に移動する移動ステージと、移動ステージに固定されて移動ステージと共に移動する、一方の基板の画像を撮像する顕微鏡と、顕微鏡の振動が所定値以下まで減衰した状態で顕微鏡により撮像された一方の基板の画像に基づいて、他方の基板に対する一方の基板の位置を算出する位置算出部とを備えるアラインメント装置が提供される。
【０００８】
上記の発明の概要は、本発明の全ての特徴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発明となり得る。
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。以下に記載する実施形態は、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全てが発明の解決に必須であるとは限らない。
【実施例１】
【００１０】
図１は、アラインメント装置１００の機械的構造を模式的に示す断面図である。アラインメント装置１００は、枠体１１０の内側に配された基板固定部１２０、移動ステージ１５０および加圧部１６０を備える。
【００１１】
枠体１１０は、互いに平行で水平な天板１１２および底板１１６と、天板１１２および底板１１６を結合する複数の支柱１１４とを備える。天板１１２、支柱１１４および底板１１６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。
【００１２】
基板固定部１２０は、天板１１２の下面に固定され、ウエハ１３２を下面に保持したウエハホルダ１２２を保持する。なお、ウエハホルダ１２２は、例えば負圧により基板固定部１２０に保持される。また、ウエハ１３２は、静電吸着、真空吸着等によりウエハホルダ１２２に保持される。なお、ウエハ１３２、後述するアラインメントの対象の一方となる。
【００１３】
移動ステージ１５０は、底板１１６の上に載置され、底板１１６に対して固定されたガイドレール１５２に案内されて図１で見て左右方向（Ｘ方向）に移動するＸステージ１５４と、Ｘステージ１５４の上で紙面に垂直な方向（Ｙ方向）に移動するＹステージ１５６とを有する。これにより、移動ステージ１５０に搭載された部材を、ＸＹ平面上の任意の方向に移動できる。
【００１４】
加圧部１６０は、移動ステージ１５０上に搭載され、シリンダ１６２およびピストン１６４を有する。ピストン１６４は、シリンダ１６２内をアラインメント装置１００の上下方向（Ｚ方向）に上昇または降下させる。
【００１５】
ピストン１６４の上面には、ウエハホルダ１２４が保持される。更に、ウエハホルダ１２４上にウエハ１３４が保持される。ウエハ１３４は、後述するアラインメントの対象の他方となる。
【００１６】
なお、ウエハ１３２、１３４の各々は、その表面に、アラインメントの基準となるウエハマークＭを有する。ただし、ウエハマークＭは、そのために設けられた図形等であるとは限らず、ウエハ１３２、１３４に形成された配線、バンプ、スクライブライン等でもあり得る。
【００１７】
アラインメント装置１００は、更に、一対の顕微鏡１４２、１４４と、反射鏡１５８とを有する。一方の顕微鏡１４２は、天板１１２の下面に、基板固定部１２０に対して既知の間隔をおいて固定される。
【００１８】
他方の顕微鏡１４４および反射鏡１５８は、移動ステージ１５０に、加圧部１６０と共に搭載される。これにより顕微鏡１４４および反射鏡１５８は、加圧部１６０と共に、ＸＹ平面上を移動する。移動ステージ１５０が静止状態にある場合、顕微鏡１４４および反射鏡１５８と加圧部１６０とは既知の間隔を有する。また、図示の例では、加圧部１６０の中心と顕微鏡１４４との間隔は、基板固定部１２０の中心と顕微鏡１４２との間隔に一致する。
【００１９】
アラインメント装置１００が図１に示す状態にある場合に、顕微鏡１４２、１４４を用いて、対向するウエハ１３４、１３２のウエハマークＭを観察できる。従って、例えば、顕微鏡１４２により得られた映像から、ウエハ１３４の正確な位置を知ることができる。また、顕微鏡１４４により得られた映像から、ウエハ１３２の正確な位置を知ることができる。
【００２０】
反射鏡１５８は、干渉計等の計測装置を用いて移動ステージ１５０の移動量を測定する場合に用いられる。なお、図１では、X方向に沿った移動ステージ１５０の移動を検出すべく紙面に直角な方向へ伸びるように配された反射鏡１５８が示されるが、Ｙ方向への移動ステージ１５０の移動を検出する他の反射鏡１５８も装備される。
【００２１】
図２は、アラインメント装置１００の動作を示す図である。同図に示すように、移動ステージ１５０がＸ方向に移動される。ここで、移動ステージ１５０の移動量を、加圧部１６０の中心と顕微鏡１４４の中心との間隔と同じにすることにより、ウエハ１３４はウエハ１３２の直下に搬送される。このとき、ウエハ１３２、１３４のウエハマークＭは、ひとつの鉛直線上に位置する。
【００２２】
図３は、アラインメント装置１００の他の動作を示す図である。同図に示すように、移動ステージ１５０を図２に示した位置に固定した状態で、加圧部１６０を動作させることにより、ピストン１６４を上昇させる。これにより、ウエハ１３４が上昇して、やがて、ウエハ１３２に密着する。更に、加圧部１６０により、ピストン１６４を上昇させる圧力を増すことにより、ウエハ１３２、１３４が相互に接合される。
【００２３】
図４は、顕微鏡１４４の振動による影響を説明する図である。顕微鏡１４４は、移動する移動ステージ１５０上に搭載され、移動ステージ１５０と共に移動する。このため、移動ステージ１５０の移動に伴う加速度が顕微鏡１４４に作用し、顕微鏡１４４が振動する場合がある。
【００２４】
このような振動は、顕微鏡１４４自体の撓み等によるものと、顕微鏡１４４および移動ステージ１５０の結合強度に拠るものとがある。また、顕微鏡１４４に振動が生じた場合は、移動ステージ１５０の静止後も顕微鏡１４４に傾きが残る場合もある。
【００２５】
顕微鏡１４４が振動または傾斜した場合には、顕微鏡１４４による観察対象の画像もぶれるので、顕微鏡１４４により得られた画像に基づいて検出されたウエハ１３２の位置に誤差が生じる。即ち、移動ステージ１５０の移動量を測定する場合に指標となる反射鏡１５８の位置を基準にすると、振動により傾いた顕微鏡１４４が検出した間隔Ｌ２が、顕微鏡１４４が移動ステージ１５０上で直立している場合の本来の間隔Ｌ１として検知される。
【００２６】
このため、間隔Ｌ１に基づいて移動ステージ１５０を移動させた場合、ウエハ１３２、１３４の相対位置は、間隔Ｌ１、Ｌ２の誤差ΔＬの分ずれる。本実施形態に係るアラインメント装置１００は、この誤差ΔＬを補償する制御系２００を備える。
【００２７】
図５は、アラインメント装置１００の制御系２００の構造を示す図である。制御系２００は、振幅算出部２１０、加速度センサ２１２、上ウエハ位置算出部２２０、移動ステージ駆動部２３０、干渉計２４０、加圧駆動部２５０および下ウエハ位置算出部２６０を含む。
【００２８】
加速度センサ２１２は、顕微鏡１４４の上端付近に装着され、顕微鏡１４４と共に移動する。これにより、顕微鏡１４４に作用する加速度を検出する。振幅算出部２１０は、加速度センサ２１２が検出した加速度に基づいて顕微鏡１４４に生じた振動の振幅を算出する。
【００２９】
図６は、振幅算出部２１０が検出する、顕微鏡１４４の振幅Ａの変化を示すグラフである。図示のように、顕微鏡１４４に加速度が作用した場合に発生する振動は、移動ステージ１５０が停止した後、時間の経過と共に減衰する。振幅Ａが、あるタイミングＴにおいて、顕微鏡１４４に求められるウエハ１３２の位置の検出精度に相当する閾値ＡＴよりも小さくなった場合、振幅算出部２１０は、その旨を上ウエハ位置算出部２２０に通知する。
【００３０】
このように、顕微鏡１４４の加速度を検知する加速度センサ２１２をさらに備え、上ウエハ位置算出部２２０は、加速度センサ２１２で検知された加速度から算出された顕微鏡１４４の振動の大きさが予め設定した閾値ＡＴよりも小さくなったときにおいて顕微鏡１４４により撮像された画像に基づいて、他方のウエハ１３４に対する一方のウエハ１３２の位置を算出してもよい。これにより、顕微鏡１４４の振動の影響を排して、ウエハ１３２のウエハホルダ１２２における保持位置を正確に検出して位置合わせできる。
【００３１】
当該通知を受けた上ウエハ位置算出部２２０は、顕微鏡１４４から獲得したウエハマークＭの画像を含む映像から、上側に固定されたウエハ１３２の位置を算出する。これにより、顕微鏡１４４の振動の影響を排してウエハ１３２の正確な位置を算出できる。
【００３２】
また、下ウエハ位置算出部２６０は、移動ステージ１５０が図１に示す初期位置にある場合に、顕微鏡１４２から獲得したウエハマークＭの画像を含む映像から、移動ステージ１５０上に保持されたウエハ１３４の位置を算出する。これにより、ウエハ１３４の位置も算出される。
【００３３】
そこで、移動ステージ駆動部２３０は、ウエハ１３２の位置に向かって移動ステージ１５０を動作させ、図２に示したように、ウエハ１３２、１３４を位置合わせする。移動ステージ１５０の移動が完了した場合、移動ステージ駆動部２３０はその旨を加圧駆動部２５０に通知する。これにより、図３に示したように、移動ステージ１５０が上昇してウエハ１３２、１３４が接合される。
【００３４】
なお、干渉計２４０は、図５に示すように、光源２４２から反射鏡１５８に向かって出射された光を、ビームスプリッタ２４４を介して受光して、移動ステージ１５０の移動量を監視する。これにより、移動ステージ１５０を正確に移動させることができる。
【００３５】
こうして、重ね合わされる一対のウエハ１３２、１３４の位置を合わせるアラインメント装置１００であって、一対のウエハ１３２、１３４の一方を保持する基板固定部１２０と、一対のウエハ１３２、１３４の他方を支持して、一対のウエハ１３２、１３４の一方に対して面に平行な方向に移動する移動ステージ１５０と、移動ステージ１５０に固定されて移動ステージ１５０と共に移動する、一方のウエハ１３２の画像を撮像する顕微鏡１４４と、顕微鏡１４４の振動が所定値以下まで減衰した状態で顕微鏡１４４により撮像された一方のウエハ１３２の画像に基づいて、他方のウエハ１３４に対する一方のウエハ１３２の位置を算出する上ウエハ位置算出部２２０とを備えるアラインメント装置１００が形成される。これにより、移動ステージ１５０の移動に起因する顕微鏡１４４の振動の影響を排して、ウエハ１３２、１３４を正確に位置合わせできる。
【００３６】
なお、上記の形態では、加速度センサ２１２の検出した加速度に基づいて顕微鏡１４４の振動振幅を検出したが、振動振幅を算出する方法がこの形態に限られるわけではない。例えば、加速度センサ２１２に替えて、圧電素子、電歪素子等を用いることができる。また、永久磁石と磁気センサ、コイル等との組み合わせによっても振動を検出できる。
【００３７】
更に、顕微鏡１４４により時間的に連続した複数の画像を撮影して、当該画像相互のぶれに基づいて振動振幅を算出することもできる。即ち、例えば、顕微鏡１４４によりアラインメントマークＭの画像を繰り返し撮影し、当該画像におけるアラインメントマーク１４４の変位が徐々に収束することを検知して、振動の減衰を検出できる。このような構造では、加速度センサ２１２等を設けることなく、より簡潔な構造で、上記実施形態と同等の位置合わせを実行できる。
【００３８】
このように、上ウエハ位置算出部２２０は、顕微鏡１４４により時間的に前後して撮像された複数の画像間のブレの大きさが予め設定した閾値ＡＴよりも小さくなったときにおいて顕微鏡１４４により撮像された画像に基づいて、他方のウエハ１３２に対する一方のウエハ１３４の位置を算出してもよい。
【００３９】
図７は、制御系２００の他の構造を示す図である。以下に説明する部分を除くと、この実施形態は、図５に示した形態と共通の構造を有する。そこで、同じ構成要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００４０】
この実施形態に係る制御系２００は、加速度センサ２１２および振幅算出部２１０に換えて、タイマ２７０を備える。タイマ２７０は、移動ステージ駆動部２３０が移動ステージ１５０を動作させた場合にその旨を通知されて、移動ステージ駆動部２３０が静止したときからの経過時間を計測する。また、タイマ２７０は、計測された経過時間が、予め与えられた顕微鏡１４４の振動が減衰する時間に達した場合、その旨を上ウエハ位置算出部２２０に通知する。当該通知を受けた上ウエハ位置算出部２２０は、顕微鏡１４４から得られた画像に基づいて、ウエハ１３２の位置を算出する。
【００４１】
このように、上ウエハ位置算出部２２０は、移動ステージ１５０が停止してから予め設定した設定時間Ｔの経過後において顕微鏡１４４により撮像された画像に基づいて、他方のウエハ１３２に対する一方のウエハ１３４の位置を算出してもよい。これにより、簡便な制御構造により、顕微鏡１４４の振動の影響を排した正確な位置決めができる。
【００４２】
また、上記の制御手順は一例に過ぎず、例えば、上ウエハ位置算出部２２０は、顕微鏡１４４により時間的に前後して撮像された複数の画像間のブレの大きさが予め設定した閾値ＡＴよりも小さくなったときにおいて顕微鏡１４４により撮像された画像に基づいて、他方のウエハ１３４に対する一方のウエハ１３２の位置を算出してもよい。これにより、移動ステージ１５０上に加速度センサ２１２等のデバイスを付加することなく、正確な位置合わせを実行できる。
【００４３】
図８は、アラインメント装置１００の他の構造を示す図である。なお、以下に説明する部分を除くと、この実施形態は、図１に示した実施形態と共通の構造を有する。そこで、同じ構成要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００４４】
この実施形態にかかるアラインメント装置１００は、ダンパ１４５を備える点において固有の構造を有する。ダンパ１４５は、支柱１４１および制振材１４３を含む。支柱１４１は、移動ステージ１５０の上面に対して固定される。制振材１４３は、支柱１４１および顕微鏡１４４の間に挟まれる。
【００４５】
制振材１４３としては、粘弾性を有する樹脂、エラストマ等を適宜用いることができる。また、振動に起因する顕微鏡１４４の移動ステージ１５０に対する変位により何らかの摺動を生じる部材を制振材１４３として使用できる。
【００４６】
このように、上記アラインメント装置１００において、顕微鏡１４４は、移動ステージ１５０に対して変位する振動を減衰させるダンパ１４５を備えてもよい。これにより、顕微鏡１４４に生じる振動が抑制されると共に、顕微鏡１４４に振動が生じた場合も、急速に減衰させることができる。従って、顕微鏡１４４の振動の影響を排しつつ、ウエハ１３２、１３４を位置合わせする作業のスループットを向上させることができる。
【００４７】
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。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。更に、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。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】アラインメント装置１００の機械的構造を模式的に示す断面図である。
【図２】アラインメント装置１００の動作を示す図である。
【図３】アラインメント装置１００の他の動作を示す図である。
【図４】顕微鏡１４４の振動による影響を説明する図である。
【図５】アラインメント装置１００の制御系２００を示す図である。
【図６】顕微鏡１４４に生じた振動の変化を示すグラフである。
【図７】アラインメント装置１００の他の制御系２００を示す図である。
【図８】振幅算出部２１０の他の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００  アラインメント装置、１１０  枠体、１１２  天板、１１４、１４１  支柱、１１６  底板、１２０  基板固定部、１２２、１２４  ウエハホルダ、１３２、１３４  ウエハ、１４２、１４４  顕微鏡、１４３  制振材、１４５  ダンパ、１５０  移動ステージ、１５２  ガイドレール、１５４  Ｘステージ、１５６  Ｙステージ、１５８  反射鏡、１６０  加圧部、１６２  シリンダ、１６４  ピストン、２００  制御系、２１０  振幅算出部、２１２  加速度センサ、２２０  上ウエハ位置算出部、２３０  移動ステージ駆動部、２４０  干渉計、２４２  光源、２４４  ビームスプリッタ、２５０  加圧駆動部、２６０  下ウエハ位置算出部、２７０  タイマ
【図１】
2009231671.tif 000003
【図２】
2009231671.tif 000004
【図３】
2009231671.tif 000005
【図４】
2009231671.tif 000006
【図５】
2009231671.tif 000007
【図６】
2009231671.tif 000008
【図７】
2009231671.tif 000009
【図８】
2009231671.tif 000010