JP4681241B2

JP4681241B2 - アライメント方法、この方法を用いた接合方法、接合装置

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Publication number: JP4681241B2
Application number: JP2004037671A
Authority: JP
Inventors: 朗山内; 唯知須賀
Original assignee: Bondtech Inc
Current assignee: Bondtech Inc
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2024-02-16
Also published as: JP2005229006A

Description

本発明は、被接合物を高精度にアライメントする技術に関する。

従来、被接合物同士をアライメントして接合する方法として、特許文献１に示すように対向配置した被接合物間に２視野の光学系を挿入し、上下のアライメントマークを認識して水平及び回転方向にアライメントした後、２視野光学系を待避させ、ヘッドを下降して接合する方法が開示されている。また、特許文献２に示すようにヘッドとステージに個別に相対する被接合物の認識手段を配置し、ステージを移動させてヘッド側被接合物を認識し、ついでステージを移動させてステージ上の被接合物をヘッド側認識手段で認識する方法が開示されている。

第２８１１８５６号第２７８００００号

しかし、特許文献１の方法では、被接合物間に２視野光学系を挿入する必要から被接合物間に５０ｍｍ程度の隙間が必要となる。アライメント後５０ｍｍ程度ヘッドを下降させて接合するので、そのＺ軸が移動することによりＺ軸の傾きやガタ、Ｚ軸移動に対する平面方向の誤差から平面方向への位置ずれが発生することになる。これはＺ移動距離が長い程大きくなるため、精度上問題となる。例えば５０ｍｍ移動すると１０μｍ程度のずれとなってしまう。また、対向配置した被接合物間に上下２視野の光学系を挿入してアライメントする方法では、３０ｍｍ厚み以内にコンパクトに光学系を納める必要性から十分な解像度を持った光学設計が難しい。例えば対物レンズをおけないなどの制約が出てくる。また、真空中で接合させる場合には２視野認識手段を減圧下の真空チャンバー中に設置する必要があり、カメラなどは耐真空には向かず難しい。

また、特許文献２に示す方法では、ステージとヘッド側に認識手段を配置するのでステージ側被接合物とヘッド側被接合物は同時に読み取ることができないので、順次ステージを移動させながら認識することになりタクトが遅くなり、ステージの移動誤差が認識精度に足されるため精度が悪化する課題がある。また、真空中で接合させる場合には認識手段を真空チャンバー中に設置する必要があり、カメラなどは耐真空には向かず難しい。

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、被接合物を高さ方向に近接した位置でアライメントでき、かつ、高速にアライメントできる技術を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明に係るアライメント方法は、ヘッドおよびステージにそれぞれ保持された２つの被接合物を対向配置してアライメントするアライメント方法において、前記２つの被接合物が対向する接合位置と前記２つの被接合物が対向しない待機位置との間で前記ステージおよび前記ヘッドの少なくとも一方をスライド移動させるスライド移動手段により前記２つの被接合物が対向しない状態で、前記ヘッドに保持された前記被接合物上のアライメントマークは、前記２つの被接合物が対向しない状態の前記ヘッドの下方に配設されたヘッド側認識手段で認識し、前記ステージに保持された前記被接合物上のアライメントマークは、前記２つの被接合物が対向しない状態の前記ステージの上方に配設されたステージ側認識手段で認識して、前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段により前記２つの被接合物のアライメントマークをそれぞれ認識した後に、前記スライド移動手段により前記２つの被接合物を対向させて前記２つの被接合物の位置をアライメントすることを特徴としている。
上記課題を解決するための本発明に係る接合装置は、対向配置した２つの被接合物をアライメントして接合する接合装置において、上方の被接合物を保持するヘッドと、下方の被接合物を保持するステージと、前記ステージおよび前記ヘッドの少なくとも一方を、前記２つの被接合物が対向する接合位置と前記２つの被接合物が対向しない待機位置との間でスライド移動させるスライド移動手段と、前記スライド移動手段により前記２つの被接合物が対向しない状態の前記ヘッドの下方に配設されて前記ヘッドに保持されている上方の前記被接合物のアライメントマークを下方から認識するヘッド側認識手段と、前記スライド移動手段により前記２つの被接合物が対向しない状態の前記ステージの上方に配設されて前記ステージに保持されている下方の前記被接合物のアライメントマークを上方から認識するステージ側認識手段と、前記スライド移動手段により前記ステージおよび前記ヘッドの少なくとも一方が待機位置へ移動して前記２つの被接合物が対向しない状態で、前記ヘッド及び前記ステージに保持された前記２つの被接合物上のアライメントマークをそれぞれ前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段で認識した後に、前記スライド移動手段により前記２つの被接合物を対向させて前記２つの被接合物の位置をアライメントする手段とを備えることを特徴としている。
また、前記スライド移動手段により前記２つの被接合物を対向させたときの前記２つの被接合物間のすきまが２０ｍｍ以内であるとよい。
従来の対向配置した被接合物間に上下２視野の光学系を挿入してアライメントする方法では、３０ｍｍ厚み以内にコンパクトに光学系を納める必要性から十分な解像度を持った光学設計が難しい。例えば対物レンズをおけないなどの制約が出てくる。また、上下の被接合物間は少なくとも５０ｍｍ程度離す必要があることからヘッドを下降させる時にＺ軸の傾きやガタからせっかくアライメントしても位置ずれを起こしてしまう。しかし、ステージを待機位置へスライドさせた状態でヘッド側、ステージ側各々に認識手段を対向位置に配置すれば、光学系の大きさには制限が出ず、解像度の高い光学系が使用できる。また、Ｚ軸の移動距離は最小限に押さえることができるので従来の３０ｍｍ以下である２０ｍｍ以下に設定可能である。また、５μｍ以下にも設定可能でありより好ましい。数μｍ以内に押さえればＺ軸の傾きによる誤差は無視でき、Ｚ移動による水平方向の誤差も移動量に比例して最小限に押さえられる。また、また、特許文献１に示す方法では、ステージとヘッドに認識手段を分離していてもＸＹ移動するステージテーブルに認識手段を設けているため、ステージ側被接合物とヘッド側被接合物は同時に読み取ることができないので、順次ステージを移動させながら認識することになりタクトが遅くなり、ステージの移動誤差が認識精度に足されるため精度が悪化する。しかし、本方式では、ヘッド側認識手段はステージとは個別に設置しているので、ヘッド側とステージ側を同時に認識することができ、タクトや精度上有利である。

また、前記スライド移動手段による前記ステージの移動に対して位置を検出するリニアスケールを備え、前記ステージの停止位置をフィードバック制御してもよい。待機位置でステージ上の被接合物位置を認識し、接合位置へ移動したところでヘッド側被接合物と補正させるため、待機位置から接合位置への移動量は毎回決まった値でないと接合精度にばらつきが出ることになる。そのためこの２位置の移動量をリニアスケールによりクローズにフィードッバックしてやれば、ステージの位置精度はリニアスケール通りに高精度に停止させることができる。リニアスケールは低熱膨張のガラス材などが使用されるため経時変化無く、高精度に絶対精度を決めることができる。またステージそのもののガイドにガタを無くすためには予圧のかかった高精度のガイドを選定すれば良い。

また、前記スライド移動手段による前記ステージの移動に対して位置を検出するリニアスケールを備え、前記ステージ側認識手段により前記ステージに保持された前記被接合物を認識する位置である前記待機位置と、前記接合位置でのリニアスケール値を検出し、前記アライメントにおける補正移動量へフィードバックしてもよい。移動手段が精度の出ないシリンダやボルト・ナット機構であってバックラッシュやガタがあるような場合はいくらリニアスケールであっても高精度にフィードバックをかけることができない。特に真空中で使用するアクチュエータの場合にはそういう場合が多い。その場合には、待機位置と接合位置でのリニアスケール値を読んでおいて移動距離が行き過ぎたり、足りなかったりした場合は、ヘッド側で補正移動させる量にその分を足して移動させてやれば同様な高精度を達成することができる。本方式によれば比較的簡易な移動手段で間に合い、真空下での使用や装置の簡易化、コストダウンを達成できる。

また、前記リニアスケールがＸＹ２方向に設置されていてもよい。スライドガイドにガタがあったとしても移動方向と垂直方向にもリニアスケールを設けることで、ステージのＸＹ両方向での位置ずれを認識でき、ヘッド補正量へフィードバックすることでうち消すことができる。

また、前記ステージ上のマークを認識してステージ位置を検出するステージ認識手段を、前記ステージ側認識手段により前記ステージに保持された前記被接合物を認識する位置である前記待機位置と、前記接合位置に備え、前記ステージの前記待機位置と前記接合位置での前記ステージ位置を検出し、前記アライメントにおける補正移動量へフィードバックするようにしてもよい。前記リニアスケールに代えてステージの位置を認識する手段としてステージに基準マークを施しておき、そのマークを下方から認識手段で位置認識することでステージの両停止位置が認識できる。スライドガイドにガタがある場合は、θ方向も認識できる形状のマークを用いればＸ、Ｙ、θ方向でステージの停止位置を認識することができる。前記同様停止位置が認識できれば位置ずれ分をヘッド補正量に足すことにより正しく高精度に補正することができる。

また、前記ステージ上に上下から認識可能な基準マークをつけたキャリブレーション治具を保持させ、前記ステージ側認識手段により前記基準マークを認識した後、前記ステージを前記接合位置へ移動させ、前記ヘッドで前記キャリブレーション治具を保持した後、前記ヘッド側認識手段により前記基準マークを認識し、前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段の相対位置をキャリブレーションしてもよい。キャリブレーションとは、両認識手段でキャリブレーション用基準マークを認識することにより得られる所定のパラメータで両カメラの移動制御系に予め入力されている先行のパラメータを補正更新することを示し、また、初期設定も含む。ステージとヘッドに個別に認識手段を設けるために、２つの認識手段間での相対位置が分かっていないと、いくら正しく補正したつもりでも位置がずれてしまう。また、相対位置が熱膨張や減圧時のひずみを含め経時的に変化した場合も、その相対位置の変化量が分からないといくら正しく補正したつもりでも接合ずれを発生してしまう。そのため、２つの認識手段の相対的な位置をキャリブレーションする方法として、上下から同じ基準マークを認識できるガラスなどの透明基材にマークを施したキャリブレーション治具を使用し、ステージ上にキャリブレーション治具を保持させ、ステージ側認識手段により基準マークを認識した後、ステージを接合位置へ移動させ、ヘッドでキャリブレーション治具を保持した後、ヘッド側認識手段により基準マークを認識し、ヘッド側とステージ側の認識手段の相対位置をキャリブレーションすることができる。そうすることにより、経時変化や初期のオフセット調整が自動的にキャリブレーションでき、常に高精度を維持できる。また、ヘッド側の基準マークを認識する高さは接合高さに近い焦点距離内で少し隙間を設けた近接位置であることがヘッド下降時のストロークを最小限に押さえ、ヘッド移動誤差を押さえて高精度に実装することができるので好ましい。

また、キャリブレーション治具を保持する手段に吸着を使用し、被接合物保持ツール上の吸着孔は真空チャンバーの真空源につながっているとよい。キャリブレーション治具を保持する手段として真空吸着させることが容易で良い。しかし、実際の被接合物を真空中で保持させる時は吸着は使用できず、孔から真空漏れが発生する。そのため吸着源を真空ポンプを使用することで、実際に被接合物を真空中で接合する時においても真空漏れが発生しない。

また、前記キャリブレーション治具が前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段から見た透明材料からなり、前記２つの被接合物の厚みに合わせ、前記２つの被接合物の接合厚み位置に前記基準マークが施されているとよい。
実際に接合する被接合物の場合は、上下の被接合物に厚みがあるため、アライメントマークを認識する位置はステージとヘッド表面からいくらか厚みを持ったところに配置されるはずである。その分を考慮して、キャリブレーション治具のトータル厚みを両被接合物トータル厚みに合わせ、基準マーク位置を両被接合物が接合される厚み方向の位置に設けることで、実際の被接合物を認識して接合する時と同様な状況で認識して接合後の位置を測定するので、上下の被接合物の厚みによるＺ軸の高さ方向の位置誤差から生じる水平方向の誤差や焦点ずれによる誤差が防げ、より高精度にキャリブレーションすることができる。

また、少なくとも前記ヘッド側のキャリブレーション治具は上下から認識可能な基準マークが施されており、前記ステージと前記ヘッド各々に前記基準マークをつけた前記キャリブレーション治具を保持させ、前記ステージを被接合物認識位置である前記待機位置へ移動させた状態で前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段で前記各基準マークを認識した後、前記ステージを前記接合位置へ移動させ、前記ヘッドで前記ヘッド側の前記キャリブレーション治具を前記ステージ側の前記キャリブレーション治具上に装着し、前記ステージを被接合物認識位置である前記待機位置へ移動させ前記ステージ側認識手段により前記基準マークを認識し、前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段の相対位置をキャリブレーションしてもよい。実際に被接合物同士を認識して接合する動作そのままで、キャリブレーション治具が透明であるので装着後上方からステージ側認識手段にて上下のキャリブレーション治具のずれ量を測定することができる。そうすることにより認識手段間の相対位置が正しくキャリブレーションできる。ヘッド、ステージにキャリブレーション治具を保持させた各々の位置で位置認識しておき、装着後の位置が予想される位置からずれた分を測定できれば、わざわざ補正移動させなくとも相対位置はキャリブレーションできる。また、補正移動させたとしても補正移動後の位置誤差を読み取っておかないと補正誤差分がキャリブレーション誤差として残ってしまうので必要である。

また、少なくとも前記ステージ側のキャリブレーション治具は上下から認識可能な基準マークが施され、前記ステージは前記ヘッド側認識手段が前記ステージ上の前記キャリブレーション治具上の前記基準マークを認識できるように前記ヘッド側認識手段から見て透明材料が光軸上に配されており、前記ステージと前記ヘッド各々に前記基準マークをつけた前記キャリブレーション治具を保持させ、前記ステージを被接合物認識位置である前記待機位置へ移動させた状態で前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段で前記各基準マークを認識した後、前記ステージを前記接合位置へ移動させ、前記ヘッドで前記ヘッド側の前記キャリブレーション治具を前記ステージ側のキャリブレーション治具上に近接または装着し、前記ヘッド側認識手段により前記両基準マークを認識し、前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段の相対位置をキャリブレーションしてもよい。ステージを透過できるガラスなどの材料または孔を設けることにより、ヘッド側認識手段で重ね合わせた上下のキャリブレーション治具の位置ずれ量を測定することができ、２つの認識手段間の相対位置が正しくキャリブレーションできる。本方式は両キャリブレーション治具を保持したまま測定することができるので、前記方法に比べ、受け渡し時のずれや装着時のずれ、移動時のずれが発生せず、より高精度にキャリブレーションできる。

また、一方の被接合物認識手段を複数持つ場合は、その複数間でもキャリブレーションする必要がある。この方法としては相対位置があらかじめ分かっている複数のマークが施された基準治具を使用し、複数の認識手段で読み取らすことにより相対位置をキャリブレーションすることができる。

また、前記ステージと前記ヘッドが真空チャンバー中に配置され、前記ステージ側認識手段および前記ヘッド側認識手段は前記真空チャンバー外に配置され、透過窓を通して前記被接合物上のアライメントマークを認識し、減圧中でアライメントしてもよい。従来の特許文献１や特許文献２のような認識手段を被接合物間に挿入する方法やステージに保持させる方法では真空中で認識させることができない。しかし、本方式ではステージを待機位置へスライドさせた状態でヘッド側、ステージ側各々対向する真空チャンバー外部に設置し、透過窓を通して認識することができ、真空チャンバー中に被接合物、ヘッド、ステージを設置いて真空中で接合することが可能となる。

また、前記２つの被接合物の接合面を原子ビーム、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減圧中でドライ洗浄した後、請求項１０に記載のアライメント方法により前記２つの被接合物のアライメントを行い、１８０℃以内の低温で固相で接合してもよい。
真空中でアライメントできることで、被接合物の接合表面を事前にエネルギー波により表面活性化した状態で、固相で接合させることができ、低温で接合できるため、より高精度に接合が可能となる。従来の低温接合は錫鉛ハンダによる１８３℃であるがそれ以下の温度で接合できることができる。例えば室温で接合することも可能である。また、エネルギー波はプラズマを使用すればより簡易な装置で真空度もそれ程必要でないので好ましい。

位置ずれの無い、高精度なアライメント後の接合が可能となる。また、真空中でもアライメントが行え、表面活性化による低温接合が可能となり、より高精度な接合が可能となる。

以下に本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図１に本発明の一実施形態に係る真空中での超音波接合装置を示す。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。

まず、装置構成について記述する。上ウエハーを保持するヘッド７と下ウエハーを保持するステージ８が減圧下の真空チャンバー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とＺ軸昇降機構２を回転させるθ軸機構と、ヘッド部をＸＹ水平方向へアライメント移動させるＸＹアライメントテーブル６により、Ｘ、Ｙ、θ方向のアライメント移動手段とＺ方向の昇降手段からなる。圧力検出手段４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、圧力検出手段４は被接合物同士の接触検出にも利用できる。ＸＹアライメントテーブル６は真空中でも使用できる手段を使用するが、Ｚ、θ軸機構は真空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。ステージ８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、真空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たも良い。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。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真空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。

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真空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。真空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、そこを透過して真空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、ヘッド側で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。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。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接合精度を達成することができる。

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、真空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、真空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。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。また、洗浄後または洗浄中に反応ガスやエッチング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。接合表面に打ち込まれたＡｒを取り除くには１００〜１８０℃程度に加熱を併用することもできる。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。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。また、必要に応じて接合時に加熱を加える。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ができる。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、真空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。

次にヘッド側とステージ側の認識手段の相対位置をキャリブレーション方法について図を持って解説する。キャリブレーションとは、両認識手段でキャリブレーション用基準マークを認識することにより得られる所定のパラメータで両カメラの移動制御系に予め入力されている先行のパラメータを補正更新することを示す。キャリブレーション方法には３つの方法があり、まず１つめの方法を図３に示す。まず１に示すように、ステージ上に上下から認識可能な基準マークをつけたキャリブレーション治具を保持させる。続いて２に示すように、ステージ側認識手段により基準マークを認識する。続いて３に示すように、ステージを接合位置へ移動させ、ヘッドでキャリブレーション治具を保持させる。続いて４に示すように、ヘッド側認識手段により基準マークを認識し、ヘッド側とステージ側の認識手段の相対位置をキャリブレーションする。ステージとヘッドに個別に認識手段を設けるために、２つの認識手段間での相対位置が分かっていないと、いくら正しく補正したつもりでも位置がずれてしまう。また、相対位置が熱膨張を含め経時的に変化した場合も、その相対位置の変化量が分からないといくら正しく補正したつもりでも接合ずれを発生してしまう。そのため、２つの認識手段の相対的な位置をキャリブレーションする方法として、上下から同じ基準マークを認識できるガラスなどの透明基材にマークを施したキャリブレーション治具を使用し、ステージ上にキャリブレーション治具を保持させ、ステージ側認識手段により基準マークを認識した後、ステージを接合位置へ移動させ、ヘッドでキャリブレーション治具を保持した後、ヘッド側認識手段により基準マークを認識し、ヘッド側とステージ側の認識手段の相対位置をキャリブレーションすることができる。そうすることにより、経時変化や初期のオフセット調整が自動的にキャリブレーションでき、常に高精度を維持できる。また、ヘッド側の基準マークを認識する高さは接合高さに近い焦点距離内で少し隙間を設けた近接位置であることがヘッド下降時のストロークを最小限に押さえ、ヘッド移動誤差を押さえて高精度に実装することができるので好ましい。また、実際に接合する被接合物の場合は、上下の被接合物に厚みがあるため、アライメントマークを認識する位置はステージとヘッド表面からいくらか厚みを持ったところに配置されるはずである。その分を考慮して、キャリブレーション治具のトータル厚みを両被接合物トータル厚みに合わせ、基準マーク位置を両被接合物が接合される厚み方向の位置に設けることで、実際の被接合物を認識して接合する時と同様な状況で認識して接合後の位置を測定するので、上下の被接合物の厚みによるＺ軸の高さ方向の位置誤差から生じる水平方向の誤差や焦点ずれによる誤差が防げ、より高精度にキャリブレーションすることができる。

次に２つめの方法を図４に示す。まず１に示すように、少なくともヘッド側キャリブレーション治具は上下から認識可能な基準マークが施されており、ステージとヘッド各々に基準マークをつけたキャリブレーション治具を保持させる。続いて２に示すように、ステージを被接合物認識位置である待機位置へ移動させた状態で各々の認識手段で基準マークを認識させる。続いて３に示すように、ステージを接合位置へ移動させ、ヘッドでキャリブレーション治具をステージ側キャリブレーション治具上に装着する。続いて４に示すように、ステージを被接合物認識位置である待機位置へ移動させステージ側認識手段により基準マークを認識し、ヘッド側とステージ側の認識手段の相対位置をキャリブレーションする。実際に被接合物同士を認識して接合する動作そのままで、キャリブレーション治具が透明であるので装着後上方からステージ側認識手段にて上下のキャリブレーション治具のずれ量を測定することができ、より認識手段間の相対位置が正しくキャリブレーションできる。

次に３つめの方法を図５に示す。まず１に示すように、少なくともステージ側キャリブレーション治具は上下から認識可能な基準マークが施され、ステージはヘッド側認識手段がステージ上のキャリブレーション治具上の基準マークを認識できるようにヘッド側認識手段から見て透明材料が光軸上に配されており、ステージとヘッド各々に基準マークをつけたキャリブレーション治具を保持させる。続いて２に示すように、ステージを被接合物認識位置である待機位置へ移動させた状態で各々の認識手段で基準マークを認識する。続いて３に示すように、ステージを接合位置へ移動させ、ヘッドでキャリブレーション治具をステージ側キャリブレーション治具上に近接または装着させる。続いて４に示すように、ヘッド側認識手段により両基準マークを認識し、ヘッド側とステージ側の認識手段の相対位置をキャリブレーションする。ステージを透過できるガラスなどの材料または孔を設けることにより、ヘッド側認識手段で重ね合わせた上下のキャリブレーション治具の位置ずれ量を測定することができ、２つの認識手段間の相対位置が正しくキャリブレーションできる。本方式は両キャリブレーション治具を保持したまま測定することができるので、前記方法に比べ、受け渡し治のずれや装着時のずれ、移動時のずれが発生せず、より高精度にキャリブレーションできる。

接合時に超音波振動を併用する場合には、ヘッド７はホーン保持部、ホーン、振動子から構成され、振動子による振動がホーンに伝達され、超音波振動をホーンが保持する被接合物へ伝達する。ホーン保持部はホーン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。この時の伝達率はホーンと被接合物の摩擦係数と圧力で決まるため、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、横振動タイプの超音波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、縦振動タイプの超音波ヘッドであれば、大面積な面接合も可能となる。

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。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。

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。

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。

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。

超音波振動と呼ぶが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。

プラズマ表面活性化接合装置構造図動作フロー図キャリブレーション方法１図キャリブレーション方法２図キャリブレーション方法３図

符号の説明

１トルク制御式昇降駆動モータ
２Ｚ軸昇降機構
３ θ軸回転機構
４圧力検出手段
５ベローズ
６ＸＹアライメントテーブル
７ヘッド
８ステージ
９下ウエハー
１０上ウエハー
１１真空チャンバー
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
２１Ａｒ
２２Ｏ２
２３大気
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

Claims

ヘッドおよびステージにそれぞれ保持された２つの被接合物を対向配置してアライメントするアライメント方法において、
前記２つの被接合物が対向する接合位置と前記２つの被接合物が対向しない待機位置との間で前記ステージおよび前記ヘッドの少なくとも一方をスライド移動させるスライド移動手段により前記２つの被接合物が対向しない状態で、
前記ヘッドに保持された前記被接合物上のアライメントマークは、前記２つの被接合物が対向しない状態の前記ヘッドの下方に配設されたヘッド側認識手段で認識し、
前記ステージに保持された前記被接合物上のアライメントマークは、前記２つの被接合物が対向しない状態の前記ステージの上方に配設されたステージ側認識手段で認識して、
前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段により前記２つの被接合物のアライメントマークをそれぞれ認識した後に、前記スライド移動手段により前記２つの被接合物を対向させて前記２つの被接合物の位置をアライメントする
ことを特徴とするアライメント方法。
前記スライド移動手段により前記２つの被接合物を対向させたときの前記２つの被接合物間のすきまが２０ｍｍ以内である請求項１に記載のアライメント方法。
前記スライド移動手段による前記ステージの移動に対して位置を検出するリニアスケールを備え、前記ステージの停止位置をフィードバック制御する請求項１または２に記載のアライメント方法。
前記スライド移動手段による前記ステージの移動に対して位置を検出するリニアスケールを備え、前記ステージ側認識手段により前記ステージに保持された前記被接合物を認識する位置である前記待機位置と、前記接合位置でのリニアスケール値を検出し、前記アライメントにおける補正移動量へフィードバックする請求項１または２に記載のアライメント方法。
前記ステージ上のマークを認識してステージ位置を検出するステージ認識手段を、前記ステージ側認識手段により前記ステージに保持された前記被接合物を認識する位置である前記待機位置と、前記接合位置に備え、前記ステージの前記待機位置と前記接合位置での前記ステージ位置を検出し、前記アライメントにおける補正移動量へフィードバックする請求項１または２に記載のアライメント方法。
前記ステージ上に上下から認識可能な基準マークをつけたキャリブレーション治具を保持させ、前記ステージ側認識手段により前記基準マークを認識した後、前記ステージを前記接合位置へ移動させ、前記ヘッドで前記キャリブレーション治具を保持した後、前記ヘッド側認識手段により前記基準マークを認識し、前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段の相対位置をキャリブレーションする請求項１〜５のいずれかに記載のアライメント方法。
前記キャリブレーション治具が前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段から見た透明材料からなり、前記２つの被接合物の厚みに合わせ、前記２つの被接合物の接合厚み位置に前記基準マークが施されている請求項６に記載のアライメント方法。
少なくとも前記ヘッド側のキャリブレーション治具は上下から認識可能な基準マークが施されており、前記ステージと前記ヘッド各々に前記基準マークをつけた前記キャリブレーション治具を保持させ、前記ステージを被接合物認識位置である前記待機位置へ移動させた状態で前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段で前記各基準マークを認識した後、前記ステージを前記接合位置へ移動させ、前記ヘッドで前記ヘッド側の前記キャリブレーション治具を前記ステージ側の前記キャリブレーション治具上に装着し、前記ステージを被接合物認識位置である前記待機位置へ移動させ前記ステージ側認識手段により前記基準マークを認識し、前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段の相対位置をキャリブレーションする請求項１〜５のいずれかに記載のアライメント方法。
少なくとも前記ステージ側のキャリブレーション治具は上下から認識可能な基準マークが施され、前記ステージは前記ヘッド側認識手段が前記ステージ上の前記キャリブレーション治具上の前記基準マークを認識できるように前記ヘッド側認識手段から見て透明材料が光軸上に配されており、
前記ステージと前記ヘッド各々に前記基準マークをつけた前記キャリブレーション治具を保持させ、前記ステージを被接合物認識位置である前記待機位置へ移動させた状態で前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段で前記各基準マークを認識した後、前記ステージを前記接合位置へ移動させ、前記ヘッドで前記ヘッド側の前記キャリブレーション治具を前記ステージ側のキャリブレーション治具上に近接または装着し、前記ヘッド側認識手段により前記両基準マークを認識し、前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段の相対位置をキャリブレーションする請求項１〜５のいずれかに記載のアライメント方法。
前記ステージと前記ヘッドが真空チャンバー中に配置され、前記ステージ側認識手段および前記ヘッド側認識手段は前記真空チャンバー外に配置され、透過窓を通して前記被接合物上のアライメントマークを認識し、減圧中でアライメントする請求項１〜９のいずれかに記載のアライメント方法。
前記２つの被接合物の接合面を原子ビーム、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減圧中でドライ洗浄した後、請求項１０に記載のアライメント方法により前記２つの被接合物のアライメントを行い、１８０℃以内の低温で固相で接合する接合方法。
対向配置した２つの被接合物をアライメントして接合する接合装置において、
上方の被接合物を保持するヘッドと、
下方の被接合物を保持するステージと、
前記ステージおよび前記ヘッドの少なくとも一方を、前記２つの被接合物が対向する接合位置と前記２つの被接合物が対向しない待機位置との間でスライド移動させるスライド移動手段と、
前記スライド移動手段により前記２つの被接合物が対向しない状態の前記ヘッドの下方に配設されて前記ヘッドに保持されている上方の前記被接合物のアライメントマークを下方から認識するヘッド側認識手段と、
前記スライド移動手段により前記２つの被接合物が対向しない状態の前記ステージの上方に配設されて前記ステージに保持されている下方の前記被接合物のアライメントマークを上方から認識するステージ側認識手段と、
前記スライド移動手段により前記ステージおよび前記ヘッドの少なくとも一方が待機位置へ移動して前記２つの被接合物が対向しない状態で、前記ヘッド及び前記ステージに保持された前記２つの被接合物上のアライメントマークをそれぞれ前記ヘッド側認識手段および前記ステージ側認識手段で認識した後に、前記スライド移動手段により前記２つの被接合物を対向させて前記２つの被接合物の位置をアライメントする手段と
を備えることを特徴とする接合装置。
前記ステージ上のマークを認識してステージ位置を検出するステージ認識手段を、前記ステージ側認識手段により前記ステージに保持された前記被接合物を認識する位置である前記待機位置と、前記接合位置に備え、前記ステージの前記待機位置と前記接合位置での前記ステージ位置を検出し、前記アライメントする手段による補正移動量へフィードバックする請求項１２に記載の接合装置。
前記ステージと前記ヘッドが真空チャンバー中に配置され、前記ステージ側認識手段および前記ヘッド側認識手段は前記真空チャンバー外に配置され、透過窓を通して前記被接合物上のアライメントマークを認識し、減圧中でアライメントする請求項１２または１３に記載の接合装置。
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る洗浄手段を備え、前記２つの被接合物の接合面を原子ビーム、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減圧中でドライ洗浄した後、１８０℃以内の低温で固相で接合する請求項１４に記載の接合装置。