JP2011222809A - 基板相対位置検出方法及び積層デバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正確に基板の相対位置を検出する。
【解決手段】一の面側に第１導電領域が第１周期で複数形成された第１基板の一の面と、一の面側に第２導電領域を第１周期とは異なる第２周期で複数形成された第２基板の一の面と近接させるステップと、第１基板の一の面と第２基板の一の面とを近接させた状態で、第１導電領域と第２導電領域との複数の組み合わせにおける電気的特性を測定するステップと、第１導電領域と第２導電領域との複数の組み合わせ間の電気的特性の差に基づいて、第１基板と第２基板との相対位置を検出するステップとを備える基板相対位置算出方法が提供される。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板相対位置検出方法及び積層デバイス製造方法に関する。

半導体装置の実装密度を高める目的で、電子回路を形成した基板を積層した積層型の半導体装置が注目されている。複数の基板を積層する場合に、基板同士の位置を合わせるアラインメント装置がある（特許文献１を参照）。

特開２００９−２３１６７１号公報

しかし、アライメント装置により、２枚の基板を向かい合わせた状態では、重ね合わせ面が視認できない。よって、重ね合わせた状態における基板間のずれを確認することが難しい。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、一の面側に第１導電領域が第１周期で複数形成された第１基板の一の面と、一の面側に第２導電領域を第１周期とは異なる第２周期で複数形成された第２基板の一の面と近接させるステップと、第１基板の一の面と第２基板の一の面とを近接させた状態で、第１導電領域と第２導電領域との複数の組み合わせにおける電気的特性を測定するステップと、第１導電領域と第２導電領域との複数の組み合わせ間の電気的特性の差に基づいて、第１基板と第２基板との相対位置を検出するステップとを備える基板相対位置算出方法が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全て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また、発明となりうる。

基板貼り合せ装置１００の全体構造を模式的に示す平面図である。 ステージ装置１４０の構造を概略に示す正面図である。 第１基板と第２基板を重ね合わせた状態を概念的に示す平面図である。 図３において２点鎖線で囲んだ部分の拡大図である。 第１基板１２２と第２基板１２３とが位置ずれなく重ね合わされた状態を示す。 第１基板１２２と第２基板１２３とが位置ずれして重ね合わされた状態を示す。 基板相対位置検出方法の一実施形態のフローチャートである。 制御部１４８が第２導電領域４０４等の電気的な特性を検出する他の例である。 制御部１４８が第２導電領域４０４等の電気的な特性を検出するさらに他の例である。 第１導電領域を基板の深くまで形成した実施形態を示す。 第１基板を薄化して第１導電領域を裏面に露出させた状態を示す。 積層デバイスを製造する方法の概略を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の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の全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、基板貼り合せ装置１００の全体構造を模式的に示す平面図である。基板貼り合せ装置１００は、筐体１０２と、常温部１０４と、高温部１０６と、基板カセット１１２、１１４、１１６とを備える。常温部１０４および高温部１０６は、共通の筐体１０２の内部に設けられる。

基板カセット１１２、１１４、１１６は、筐体１０２の外部に、筐体１０２に対して脱着自在に装着される。基板カセット１１２、１１４、１１６は、基板貼り合せ装置１００において接合される第１基板１２２および第２基板１２３を収容する。これにより、複数の第１基板１２２および第２基板１２３を一括して基板貼り合せ装置１００に装填できる。また、基板貼り合せ装置１００において接合された第１基板１２２および第２基板１２３を一括して回収できる。

常温部１０４は、筐体１０２の内側にそれぞれ配された、プリアライナ１２６、ステージ装置１４０、基板ホルダラック１２８および基板取り外し部１３０と、一対のロボットアーム１３２、１３４とを備える。筐体１０２の内部は、基板貼り合せ装置１００が設置された環境の室温と略同じ温度が維持されるように温度管理される。

プリアライナ１２６は、高精度であるが故に狭いステージ装置１４０の調整範囲に第１基板１２２または第２基板１２３の位置が収まるように、個々の第１基板１２２または第２基板１２３の位置を仮合わせする。これにより、ステージ装置１４０における位置決めを確実にすることができる。

基板ホルダラック１２８は、複数の上基板ホルダ１２４および複数の下基板ホルダ１２５を収容して待機させる。上基板ホルダ１２４による第１基板１２２の保持又は下基板ホルダ１２５による第２基板１２３の保持は、例えば静電吸着による。

ステージ装置１４０は、貼り合せの対象である第１基板１２２と第２基板１２３における接合すべき電極同士の位置を合わせて、重ね合わせる。ステージ装置１４０は、第１ステージ１４１と、第２ステージ１４２と、制御部１４８とを含む。また、ステージ装置１４０を包囲して断熱壁１４５およびシャッタ１４６が設けられる。断熱壁１４５およびシャッタ１４６に包囲された空間は空調機等に連通して温度管理され、ステージ装置１４０における位置合わせ精度を維持する。

基板取り外し部１３０は、高温部１０６の加圧部２４０から搬出された上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５に挟まれて貼り合わされた第１基板１２２および第２基板１２３（以下、積層基板と称することがある）を取り出す。基板ホルダから取り出された積層基板は、ロボットアーム１３４、１３２および第２ステージ１４２により基板カセット１１２、１１４、１１６のうちのひとつに戻されて収容される。積層基板を取り出された上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５は、基板ホルダラック１２８に戻されて待機する。

なお、基板貼り合せ装置１００に装填される第１基板１２２および第２基板１２３は、単体のシリコンウエハ、化合物半導体ウェハ、ガラス基板等の他、それらに素子、回路、端子等が形成されたものであってよい。また、装填された第１基板１２２および第２基板１２３が、既に複数のウェハを積層して形成された積層基板である場合もある。

一対のロボットアーム１３２、１３４のうち、基板カセット１１２、１１４、１１６に近い側に配置されたロボットアーム１３２は、基板カセット１１２、１１４、１１６、プリアライナ１２６およびステージ装置１４０の間で第１基板１２２および第２基板１２３を搬送する。一方、基板カセット１１２、１１４、１１６から遠い側に配置されたロボットアーム１３４は、ステージ装置１４０、基板ホルダラック１２８、基板取り外し部１３０およびエアロック２２０の間で、第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を搬送する。

ロボットアーム１３４は、基板ホルダラック１２８に対して、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５の搬入および搬出も担う。また、ロボットアーム１３４は、第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５を裏返す機能も有する。これにより、第１基板１２２において回路、素子、端子等が形成された面を第２基板１２３において回路、素子、端子等が形成された面に対向させて貼り合せることができる。

高温部１０６は、断熱壁１０８、エアロック２２０、ロボットアーム２３０および複数の加圧部２４０を有する。断熱壁１０８は、高温部１０６を包囲して、高温部１０６の高い内部温度を維持すると共に、高温部１０６の外部への熱輻射を遮断する。これにより、高温部１０６の熱が常温部１０４に及ぼす影響を抑制できる。

ロボットアーム２３０は、加圧部２４０のいずれかとエアロック２２０との間で第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を搬送する。エアロック２２０は、常温部１０４側と高温部１０６側とに、交互に開閉するシャッタ２２２、２２４を有する。

第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５が常温部１０４から高温部１０６に搬入される場合、まず、常温部１０４側のシャッタ２２２が開かれ、ロボットアーム１３４が第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５をエアロック２２０に搬入する。次に、常温部１０４側のシャッタ２２２が閉じられ、高温部１０６側のシャッタ２２４が開かれる。

続いて、ロボットアーム２３０が、エアロック２２０から第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を搬出して、加圧部２４０のいずれかに装入する。加圧部２４０は、上基板ホルダ１２４と下基板ホルダ１２５に挟まれた状態で加圧部２４０に搬入された第１基板１２２及び第２基板１２３を加熱および加圧する。これにより第１基板１２２と第２基板１２３が貼り合わされる。なお、加圧部２４０は、第１基板１２２及び第２基板１２３を加熱せずに加圧することで第１基板１２２及び第２基板１２３を貼り合わせてもよい。

高温部１０６から常温部１０４に第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を搬出する場合は、上記の一連の動作を逆順で実行する。これらの一連の動作により、高温部１０６の内部雰囲気を常温部１０４側に漏らすことなく、第１基板１２２、第２基板１２３、上基板ホルダ１２４および下基板ホルダ１２５を高温部１０６に搬入または搬出できる。

このように、基板貼り合せ装置１００内の多くの領域において、上基板ホルダ１２４が第１基板１２２を保持した状態で、又は下基板ホルダ１２５が第２基板１２３を保持した状態で、ロボットアーム１３４、２３０および第２ステージ１４２により搬送される。第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４又は第２基板１２３を保持した下基板ホルダ１２５が搬送される場合、ロボットアーム１３４、２３０は、真空吸着、静電吸着等により上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５を吸着して保持する。また、上基板ホルダ１２４又は下基板ホルダ１２５は、静電吸着により第１基板１２２または第２基板１２３を吸着して保持する。

図２は、ステージ装置１４０の構造を概略的に示す。ステージ装置１４０は、枠体３１０の内側に配された第１ステージ１４１と、第２ステージ１４２と、第１顕微鏡３４２と、第２顕微鏡３４４と、干渉計３７０と、計測器３７４と、制御部１４８とを備える。

枠体３１０は、互いに平行で水平な天板３１２および底板３１６と、天板３１２および底板３１６を結合する複数の支柱３１４とを備える。天板３１２、支柱３１４および底板３１６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。なお、基板貼り合せ装置１００に組み込まれた場合は、支柱３１４相互の間は断熱壁１４５により封止される。

第１ステージ１４１は、天板３１２の下面に固定される。第１ステージ１４１は、第１基板１２２を下面に保持する上基板ホルダ１２４を吸着する。当該吸着方法は、真空吸着であってよく、静電吸着であってもよい。第１基板１２２は、静電吸着により上基板ホルダ１２４の下面に保持されて、後述するアラインメントの対象の一方となる。

第２ステージ１４２は、第１ステージ１４１に対向して昇降部３６０に配される。昇降部３６０は、底板３１６の上に載置され、底板に対して固定されたガイドレール３５２に案内されつつＸ方向に移動するＸステージ３５４と、Ｘステージ３５４の上でＹ方向に移動するＹステージ３５６の上に載置される。よって、制御部１４８の制御により、第２ステージ１４２に搭載された部材を、ＸＹ平面上の任意の方向に移動でき、Ｚ方向にも移動できる。Ｚ方向の移動距離は変位センサー３７２により検知できる。変位センサー３７２が検出したデータが制御部１４８にフィードバックされる。

第２ステージ１４２は、真空吸着により下基板ホルダ１２５を保持し、下基板ホルダ１２５は、静電吸着により第２基板１２３を保持する。昇降部３６０は、制御部１４８からの指示に応じて、第２ステージ１４２をＺ方向に昇降する。第２ステージ１４２を上昇させることにより、下基板ホルダ１２５と上基板ホルダ１２４との間に第１基板１２２および第２基板１２３を挟み、重ね合わせることができる。

昇降部３６０の駆動形式の例として、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）による駆動、シリンダー及びピストンによる駆動等が挙げられる。第２ステージ１４２は、更にそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ軸を回転軸として傾斜又は回転する機能を有する。第２ステージ１４２は、粗動微動分離駆動機構を有する。

第１顕微鏡３４２は、天板３１２の下面に、第１ステージ１４１に対して所定の間隔をおいて固定される。第１顕微鏡３４２は、第２ステージ１４２に保持された第２基板１２３の表面に設けられたアライメントマークを観察することができる。第１顕微鏡３４２により観察された画像データは、制御部１４８に送信される。制御部１４８は、受信した画像データを解析して、第２基板１２３の位置、向きを特定する。

第２顕微鏡３４４は、第２ステージ１４２に固定され、第２ステージ１４２と共に移動することができる。第２顕微鏡３４４は、第１ステージ１４１に保持された第１基板１２２の表面に設けられたアライメントマークを観察することができる。第２顕微鏡３４４により観察された画像データは、制御部１４８に送信される。制御部１４８は、受信した画像データを解析して、第１基板１２２の位置、向きを特定する。

干渉計３７０は、それぞれ第１ステージ１４１及び第２ステージ１４２に固定されたミラーに光を照射して、ミラーから反射される光の干渉により、第１ステージ１４１と第２ステージ１４２との相対距離、第１ステージ１４１および第２ステージ１４２の傾きを検知することができる。干渉計３７０は、検出したデータを制御部１４８にフィードバックする。

計測器３７４は、プローブ３７６を有し、当該プローブ３７６に接触した対象物の電気的特性を測定する。計測器３７４は、電気的特性として、例えば、電流、電圧、静電容量、抵抗等を測定する。計測器３７４は、第２ステージ１４２に対してＸ方向の位置であって、天板３１２に取り付けられている。プローブ３７６は、第２ステージ１４２上に配された第２基板１２３の上面に対して進退自在に設けられる。同様の計測器３７４が、第２ステージ１４２のＹ方向の位置であって、天板３１２にさらに設けられてもよい。

制御部１４８は、第２ステージ１４２を制御する。制御部１４８は、干渉計３７０及び変位センサー３７２によりフィードバックされるデータに基づいて、第２ステージ１４２を精密に制御できる。制御部１４８は、特定した第１基板１２２及び第２基板１２３の位置データにより、第２ステージ１４２を精密に制御して、第１基板１２２と第２基板１２３の位置合せを行う。

図３は、第１基板１２２と第２基板１２３とを重ね合わせた状態を概念的に示す平面図である。この図には、第１基板１２２と第１基板１２２より一回り大きい第２基板１２３とを貼り合せる実施形態の例を示す。

第１基板１２２は、第２基板１２３と重ね合わせる面において、回路４００と、第１導電領域４０２と、第３導電領域４０６と、第１大導電領域４１２と、第３大導電領域４１６とを有する。また、第２基板１２３は、第１基板１２２と重ね合わせる面において、回路４０１と、第２導電領域４０４と、第４導電領域４０８と、第２大導電領域４１４と、第４大導電領域４１８とを有する。回路４００および４０１は、能動素子、受動素子、配線等により構成され、個片化されて一定の機能を果たす電子回路である。回路４００および４０１は、それぞれ相手に対応するＴＳＶ等の電極を有する。第１基板１２２と第２基板１２３を重ね合わせて、当該対応する電極を接合することにより、回路４００と回路４０１を電気的に接続する。

第１導電領域４０２は、導電材料から形成される。第１導電領域４０２は、一定のピッチ、例えば数μｍ間隔でＸ方向に複数配列される。第１導電領域４０２の材料として、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等、電子回路の配線又は電極に用いる材料を用いることができる。第１導電領域４０２は、メッキ、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等により、金属層を形成してから、フォトリソグラフィ及びエッチング等の方法によりパターンを形成することにより得られる。第１導電領域４０２は、回路４００の配線、電極等と同じ工程で同時に形成されても良い。

第２導電領域４０４は、第１導電領域４０２と異なるピッチ、図３に示す例においては第１導電領域４０２よりも狭いピッチでＸ方向に複数配列される。第２導電領域４０４は、第１基板１２２と第２基板１２３を重ね合わせる場合に、第１導電領域４０２との間に後述の対応関係を形成する位置に設けられる。各第２導電領域４０４は、Ｙ方向に延伸する形態を有し、図３に示すように、第２基板１２３が第１基板１２２と重ね合わせられたとき、径の小さい第１基板１２２の外周より外部にはみ出すことができるように設けられる。当該はみ出し部位に、計測器３７４のプローブ３７６が当てられ、電気的特性が測定される。第２導電領域４０４は、第１導電領域４０２と同様の材料を用いて、同様の方法により形成される。

第３導電領域４０６は、導電材料から形成される。第３導電領域４０６は、一定のピッチ、例えば数μｍ間隔でＹ方向に複数配列される。第３導電領域４０６は、第１導電領域４０２と同一形状および同一ピッチで形成されてもよいし、異なった形状または異なったピッチで形成されてもよい。

第４導電領域４０８は、第３導電領域４０６と異なるピッチ、図３に示す例においては第３導電領域４０６よりも狭いピッチでＹ方向に複数配列される。第４導電領域４０８は、第１基板１２２と第２基板１２３を重ね合わせる場合に、第３導電領域４０６との間に後述の対応関係を形成する位置に設けられる。各第４導電領域４０８は、Ｘ方向に延伸する形態を有し、図３に示すように、第２基板１２３が第１基板１２２と重ね合わせられたとき、径の小さい第１基板１２２の外周より外部にはみ出すことができるように設けられる。第３導電領域４０６および第４導電領域４０８も、第１導電領域４０２と同様の材料を用いて、同様の方法により形成される。

第１大導電領域４１２及び第３大導電領域４１６は、第１導電領域４０２又は第３導電領域４０６より大きい。第１大導電領域４１２及び第３大導電領域４１６は、第１導電領域４０２と同様の材料を用いて、同様の方法により形成される。

第２大導電領域４１４および第４大導電領域４１８は、第２導電領域４０４又は第４導電領域４０８より大きい導電領域である。第２大導電領域４１４は、第１基板１２２と第２基板１２３を重ね合わせる場合に、第１大導電領域４１２との間に後述の対応関係を形成する位置に設けられる。また、第４大導電領域４１８は、第１基板１２２と第２基板１２３を重ね合わせる場合に、第３大導電領域４１６との間に後述の対応関係を形成する位置に設けられる。第２大導電領域４１４及び第４大導電領域４１８は、第１導電領域４０２と同様の材料を用いて、同様の方法により形成される。

図４は、図３において２点鎖線により囲んだ部分の拡大図である。複数の第１導電領域４０２のそれぞれを領域ｒ、領域ｓ、領域ｔ、領域ｕ、領域ｖと称する。また、複数の第２導電領域４０４を区別する目的で、それぞれ領域ａ、領域ｂ、領域ｃ、領域ｄ、領域ｅ、領域ｆと称する。

図５は、図４におけるＡ−Ａ部分の断面図である。図５は、第１基板１２２と第２基板１２３とが位置ずれなく重ね合わされ、第１導電領域４０２と第２導電領域４０４とが接触した状態を示す。図４及び図５に示す場合に、計測器３７４は、隣り合う二つの第２導電領域４０４の間の電気的導通を確認する。この場合に、計測器３７４は、領域ａ、ｂ間、領域ｂ、ｃ間等に順次、直流電圧を印加して、それぞれの出力電流を測定して制御部１４８に送る。

図４及び図５に示す例において、領域ｂと領域ｃの間は領域ｓを介して電気的に導通しており、他の第２導電領域４０４の間は導通しない。よって、制御部１４８は、計測器３７４の計測値に基づいて領域ｂと領域ｃの間が導通したことを検出することにより、第１基板１２２と第２基板１２３との位置ずれがないことを検出することができる。

図６は、第１基板１２２と第２基板１２３とが位置ずれして重ね合わされた状態を示す。第１基板１２２と第２基板１２３との相対位置がずれると、導通が生ずる第２導電領域４０４の組みの位置が変わる。例えば、図６に示す例において、制御部１４８は、計測器３７４の計測値に基づいて領域ｂと領域ｃの間が導通しなかったことを検出することにより、第１基板１２２と第２基板１２３との位置ずれがあることを検出することができる。

さらにこの場合に、いずれの第２導電領域の組が電気的に導通しているかを検出することにより、第１基板１２２と第２基板１２３との位置ずれの量および方向を検出することができる。例えば、図６の場合に、領域ｃと領域ｄの間が領域ｔを介して電気的に導通する。よって、制御部１４８は、計測器３７４の計測値に基づいて領域ｃと領域ｄの間が導通したことを検出することにより、第１基板１２２に対して第２基板１２３が図中の右方向にピッチの半分程度の量だけ位置ずれしたことを検出することができる。

以上、第２導電領域４０４の組の間の電気的導通を検出することにより、第１基板１２２と第２基板１２３との重ね合わせにおけるずれの有無及びずれの大きさを検出することができる。なおこの場合に、第２導電領域４０４のうち一対の第２導電領域４０４だけが導通するように、第１導電領域４０２及び第２導電領域４０４のピッチ及び個数の組み合わせを選択してもよいし、複数の対の第２導電領域４０４が導通するように当該ピッチ及び個数の組み合わせを選択してもよい。第１導電領域４０２と第２導電領域４０４との相対関係と同様に、第３導電領域４０６と第４導電領域４０８が設けられてよい。

ここで、図４を用いて上記ピッチの一例を説明する。第１基板１２２と第２基板１２３との間に求められている位置合わせの精度Δに対して、第１基板１２２のピッチＰ１および第２基板１２３のピッチＰ２は下記の関係にあることが好ましい。
Δ＞｜Ｐ１−Ｐ２｜
これにより、求められている位置分解能を得ることができる。

さらに、第１基板１２２の線幅Ｌ１、間隔幅Ｓ１、および第２基板１２３の線幅Ｌ２、間隔幅Ｓ２は下記の関係にあることが好ましい。
Ｓ１＜Ｌ２
Ｓ２＜Ｌ１
これにより、いずれかの場所で導通が形成される。

よって、例えば、Ｐ１＝８μｍ、Ｓ１＝４μｍ、Ｌ１＝４μｍ、Ｐ２＝６μｍ、Ｓ２＝３μｍ、Ｌ２＝３μｍとすると、上記式を満足せず、いずれの導電領域でも導通が形成されない第１基板１２２と第２基板１２３との位置が生じえる。他の例として、Ｐ１＝８μｍ、Ｓ１＝２μｍ、Ｌ１＝５μｍ、Ｐ２＝６μｍ、Ｓ２＝３μｍ、Ｌ２＝３μｍとすると、上記式を満足し、いずれかの導電領域で導通が形成される。

さらに、導通を形成する第２導電領域４０４の対の個数ｎは次式により求められる。
ｎ＝（Ｌ１−Ｓ２）／（Ｐ２−Ｐ１）
よって例えば上記のＰ１＝７μｍ、Ｓ１＝２μｍ、Ｌ１＝５μｍ、Ｐ２＝６μｍ、Ｓ２＝３μｍ、Ｌ２＝３μｍとすると、ｎ＝２となる。他の例として、例えば、Ｐ１＝６．５μｍ、Ｓ１＝１．５μｍ、Ｌ１＝５μｍ、Ｐ２＝６μｍ、Ｓ２＝３μｍ、Ｌ２＝３μｍでｎ＝４となるようにしてもよいし、Ｐ１＝７μｍ、Ｓ１＝２μｍ、Ｌ１＝５μｍ、Ｐ２＝６．５μｍ、Ｓ２＝３μｍ、Ｌ２＝３．５μｍでｎ＝３となるようにしてもよい。

第１導電領域４０２と第２導電領域４０４との組み合わせの電気的導通を検出することにより、第１基板１２２と第２基板１２３との間のＸ方向のずれが検出できる。さらに、第３導電領域４０６と第４導電領域４０８との組み合わせの電気的導通を検出することにより、第１基板１２２と第２基板１２３との間のＹ方向のずれが検出できる。

第１導電領域４０２及び第２導電領域４０４の位置から、第１基板１２２及び１２３の中心に対して１８０°回転した対向位置に、更に第１導電領域４０２及び第２導電領域４０４と同等の第５導電領域と第６導電領域の組み合わせを設けてもよい。これにより、第１導電領域４０２と第２導電領域４０４との組み合わせの電気的導通と、第５導電領域と第６導電領域の組み合わせの電気的導通との違いを比較することにより、Ｚ軸まわりの回転のずれが検出できる。

第１大導電領域４１２及び第２大導電領域４１４の大きさ、位置は、第１基板１２２と第２基板１２３とのＸ方向の位置ずれが第１導電領域４０２及び第２導電領域４０４により計測できる範囲を超えたことを検出できるように、設定されることが好ましい。例えば、第１導電領域４０２及び第２導電領域４０４のピッチのうち、大きいピッチ分に相当するずれを許容範囲に設定した場合に、当該許容範囲内のずれに対しては第１大導電領域４１２を介して二つの第２大導電領域４１４の間に電気的に導通するが、許容範囲外のずれに対して、二つの第２大導電領域４１４の間の電気的には導通しない、第１大導電領域４１２及び第２大導電領域４１４の大きさ及び位置等を設ける。これにより、大きい位置ずれは、第１大導電領域４１２と第２大導電領域４１４との組み合わせにより検出され、微少な位置ずれは、第１導電領域４０２及び第２導電領域４０４の組み合わせにより検出される。同様に、Ｙ方向の大きい位置ずれは、第３大導電領域４１６と第４大導電領域４１８の組み合わせにより検出できるように、第３大導電領域４１６及び第４大導電領域４１８の大きさ、位置を設計してよい。

図７は、基板相対位置検出方法の一実施形態のフローチャートである。この基板相対位置検出方法は、二つの基板を位置合せするステップＳ０１０と、二つの基板を接近させるステップＳ０２０と、大導電領域の電気的特性を測定するステップＳ０３０と、位置ずれを検出するステップＳ０４０と、位置ずれが許容範囲を超えたかを判断するステップＳ０５０と、導電領域の電気的特性を測定するステップＳ０６０と、二つの基板の相対位置を検出するステップＳ０７０と、警告するステップＳ０８０とを備える。

ステップＳ０１０において、第１基板１２２及び第２基板１２３をステージ装置１４０に設置する。まず、ロボットアーム１３２により、基板カセット１１２、１１４、１１６のいずれかに収容されている一枚の第１基板１２２がプリアライナ１２６に搬入され、プリアラインされる。一方、ロボットアーム１３４は、一枚の上基板ホルダ１２４を第２ステージ１４２に搭載して、ロボットアーム１３２の近傍まで搬送させる。ロボットアーム１３２は、この上基板ホルダ１２４に、プリアラインされた第１基板１２２を搭載して保持させる。

第２ステージ１４２が再びロボットアーム１３４の側に移動する。ロボットアーム１３４は、第１基板１２２を保持した上基板ホルダ１２４を裏返して、第１ステージ１４１に近づけて、真空吸着等により第１ステージ１４１に保持させる。

ロボットアーム１３４は、下基板ホルダ１２５を第２ステージ１４２に搭載して、ロボットアーム１３２の近傍まで搬送させる。ロボットアーム１３２は、この下基板ホルダ１２５に、プリアラインされた第２基板１２３を搭載して保持させる。第２ステージ１４２は、下基板ホルダ１２５及び第２基板１２３を載置して、第１ステージ１４１の直下に移動する。

第２顕微鏡３４４により、第１基板１２２の表面に設けられたアライメント用マークを観察して、その位置情報を制御部１４８に送信する。制御部１４８は、受信したデータに基づいて、第１ステージ１４１に保持された第１基板１２２の位置、向き等を算出して、記憶する。

第１顕微鏡３４２により、第２基板１２３の表面に設けられたアライメント用マークを観察して、その位置情報を制御部１４８に送信する。制御部１４８は、受信したデータに基づいて、第２ステージ１４２に保持された第２基板１２３の位置、向き等を算出して、記憶する。

制御部１４８は、算出して記憶した第１基板１２２及び第２基板１２３の位置情報に基づいて、第２ステージ１４２を移動して、第１基板１２２と第２基板１２３における接合すべき電極同士の位置が合うようにアラインメントする。上記の移動は、Ｘ−Ｙ軸面内で平行移動、Ｚ軸の回転移動、およびＸ軸又はＹ軸の傾斜移動を含む。

また、第２顕微鏡３４４の焦点を第１基板１２２の表面に合わせたときの第２ステージ１４２の高さすなわちＺ座標の情報、及び第１顕微鏡３４２の焦点を第２基板１２３の表面に合わせたときの第２ステージ１４２の高さの情報も制御部１４８に送信され、制御部１４８は、その情報に基づいて第１ステージ１４１の表面と第２ステージ１４２の表面との間隔を算出する。

ステップＳ０２０において、第２ステージ１４２を上昇させて、規定の距離まで第１基板１２２と第２基板１２３を接近させる。上述の計算により、制御部１４８は、第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面との間の間隔を正確に算出できるので、第２ステージ１４２を正確に制御して接近させることができる。

第１基板１２２と第２基板１２３との接触の衝撃による破損を防ぐ目的で、制御部１４８は、算出された第１基板１２２の表面と第２基板１２３の表面との間隔よりも所定距離手前まで高速に第２ステージ１４２を上昇させ、当該所定距離から低速に第２ステージ１４２を上昇させて、規定の距離まで第１基板１２２と第２基板１２３を接近させる。このような制御により、基板を接近させる時間を短縮しながら、接触による基板の破損を防ぐことができる。

ステップＳ０３０において、第１大導電領域４１２と第２大導電領域４１４の組み合わせおよび第３大導電領域４１６と第４大導電領域４１８の組み合わせの電気的特性を測定する。例えば、２本の第２大導電領域４１４にプローブ３７６を当て、直流電圧を印加したときの直流電流を測定する。測定結果は、制御部１４８に送信される。

ステップＳ０４０において、制御部１４８は、上記の測定値から電気的導通の有無を検出し、第１基板１２２と第２基板１２３との間の位置ずれを検出する。例えば、第２大導電領域４１４の直流電流値から、第１基板１２２と第２基板１２３との間のＸ方向のずれを検出できる。また、第４大導電領域４１８の直流電流値から、第１基板１２２と第２基板１２３との間のＹ方向のずれを検出できる。

ステップＳ０５０において、制御部１４８は、上記の位置ずれが規定の許容範囲を超えたか否かを判断する。この場合に制御部１４８は電気的導通の有無を当該許容範囲としてもよい。これにより、第１導電領域４０２及び第２導電領域４０４のピッチのうち、大きいピッチを超える位置ずれが発生した場合には、当該第１導電領域４０２及び第２導電領域４０４による電気的導通を検出する前に、当該位置ずれを検出することができる。ここで、第１導電領域４０２及び第２導電領域４０４のピッチのうち、大きいピッチを超える位置ずれが発生すると、本来の組み合わせからｎピッチ（ここでｎは整数）ずれた位置における電気的導通の有無は、位置ずれがない場合と区別することが困難になる。これに対し、第１導電領域４０２等の電気的導通の有無の検出に先立って、上記の通り第１大導電領域４１２と第２大導電領域４１４との組み合わせの電気的導通を検出することにより、ｎピッチ以上のずれを先に検出し下記警告等をすることができる。

Ｘ方向の位置ずれがこの許容範囲を超えたとき、ステップＳ０８０に進み、警告を発して、ステップＳ０１０をやり直す。Ｙ方向についても、同様の判断ができる。また、位置ずれが許容範囲内であれば、次のステップＳ０６０に進む。

ステップＳ０６０において、計測器３７４は、図４から図６で説明したように、第１導電領域４０２と第２導電領域４０４の組み合わせおよび第３導電領域４０６と第４導電領域４０８の組み合わせの電気的特性を測定する。測定結果は、制御部１４８に送信される。

ステップＳ０７０において、制御部１４８は、上記の測定値から第１基板１２２と第２基板１２３との相対位置を検出する。例えば、制御部１４８は、図４から図６で説明したように、第２導電領域４０４の直流電流値から、第１基板１２２と第２基板１２３との間のＸ方向のずれを検出できる。さらに、制御部１４８は、第４導電領域４０８の直流電流値から、第１基板１２２と第２基板１２３との間のＹ方向のずれを検出できる。

以上のプロセスにより、第１基板１２２と第２基板１２３との相対位置を検出することができる。なおステップＳ０７０において、位置ずれの許容範囲を規定して、第１基板１２２と第２基板１２３との相対位置がその許容範囲内か否かを判断し、許容範囲を超えた場合には、ステップＳ０１０の位置合せからやり直してよい。第１基板１２２と第２基板１２３との相対位置が許容範囲内であれば、ロボットアーム１３４によりエアロック２２０に搬送され、図１に示した加圧部２４０に装入される。加圧部２４０において加熱および加圧されることにより、第１基板１２２および第２基板１２３は互いに貼り合わされて一体になる。

図１から図７に示す実施形態において、制御部１４８は第２導電領域４０４等の電気的導通の有無を検出しているが、電気的な特性の検出は導通の有無に限られない。他の例として、制御部１４８は、第２導電領域４０４の電気的な抵抗値を検出してもよい。これにより、制御部１４８は、抵抗値の大小により位置ずれの量を検出することができる。

図８は、制御部１４８が第２導電領域４０４等の電気的な特性を検出する他の例である。図８に示すように、第１基板１２２と第２基板１２３が近接しつつ離間した状態で、計測器３７４が二つの第２導電領域４０４の間の静電容量を計測する。これにより、制御部１４８は、第１基板１２２と第２基板１２３との相対位置を検出する。この場合に、各第２導電領域４０４に対する各第１導電領域４０２の相対位置が異なるので、近接する第１導電領域４０２の位置に応じて二つの第２導電領域４０４の間の静電容量が異なる。よって、計測器３７４が領域ａ、ｂ間、領域ｃ、ｄ間等の静電容量を計測して、制御部１４８がこれらの静電容量値を比較することにより、第１基板１２２と第２基板１２３との相対位置を検出することができる。この場合に計測器３７４は、二つの第２導電領域４０４の間に交流電圧を印加して、出力される交流電流を計測することによって静電容量を計測してもよい。

図８に示す実施形態によれば、第１基板１２２と第２基板１２３の相対位置を非接触状態で検出できるので、容易に位置合せの修正ができる。また、重ね合わせ直前の相対位置を確認できるので、位置合せの信頼度を高めることができる。

図９は、制御部１４８が第２導電領域４０４等の電気的な特性を検出する他の例である。図９に示すように、第２導電領域４０４の上には、誘電体層４３２が設けられている。この場合に、図９に示すように、第１導電領域４０２と誘電体層４３２とが接触した状態で、すなわち、誘電体層４３２を介して第１基板１２２と第２基板１２３が接触した状態で、計測器３７４が二つの第２導電領域４０４の間の静電容量を計測する。制御部１４８がこれらの静電容量値を比較することにより、図８の場合と同様に、第１基板１２２と第２基板１２３との相対位置を検出することができる。

図９に示す実施形態によれば、第１導電領域４０２と誘電体層４３２とを接触させるので、高さ方向について第１導電領域４０２と第２導電領域４０４との距離を一定に保つことができ、当該高さ方向に直交する方向の位置ずれと静電容量の変化とを正確に対応付けることができる。

図１０および図１１は、他の第１導電領域４４２の例を示す。図１０に示すように、第１導電領域４４２を、第１基板１２２の回路４００等に比較して深くまで形成する。例えば、第１基板１２２の第１導電領域４４２を形成する位置に、リソグラフィ及びエッチングにより第１基板１２２の深くまでホールを形成して、そのホールに第１導電領域４４２を形成する。この場合に、第１導電領域４４２は、第１基板１２２と第２基板１２３とを貼り合わせたときに回路４００、４０１間の導通を図るＴＳＶと同等の深さであることが好ましい。

当該第１基板１２２と第２基板１２３を貼り合わせた後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等の方法により、第１基板１２２を裏面（貼り合せ面の反対側の面）から薄化する。これにより、図１１に示すように、第１導電領域４４２を第１基板１２２の裏面に露出させる。

これにより、第１基板１２２の裏面に露出した第１導電領域４４２は、第１基板１２２に更に第３の基板を貼り合せた場合に、上記図１から図９の実施形態と同様に、第１基板１２２と第３の基板との位置ずれの検出に利用することができる。この場合に、第３の基板には第２基板１２３の第２導電領域４０４等と同じ位置、ピッチ、大きさの導電領域が設けられていることが好ましい。さらにこの第３の基板の導電領域もその裏面に露出させることにより、その上に貼り合わされる第４の基板との位置ずれの検出に利用することができる。同様にして、所望の枚数の重ねあわせに対して、相対位置を検出することができる。なお、図１０および図１１においては、第１導電領域４４２を形成してから第１基板１２２を薄化したが、これに代えて、第１基板１２２を薄化してから第１導電領域４４２を形成してもよい。

以上、図１から図１１に示す実施形態によれば、第１基板１２２と第２基板１２３との位置ずれを、第１基板１２２と第２基板１２３とを近接させた状態で直接的に検出することができる。なお上記の通り第１基板１２２と第２基板１２３とを近接させた状態には、第１導電領域４０２、４４２と第２導電領域４０４とが接触した状態、第１導電領域４０２、４４２と第２導電領域４０４とが電気的特性を計測できる程度には近づいているが互いに離間した状態、および、第１基板１２２と第２基板１２３との少なくともいずれかに設けた誘電体層４３２とこれに対向した第１導電領域４０２、４４２または第２導電領域４０４とが接触した状態を含む。

図１２は、積層デバイスを製造する方法の概略を示す。図１２に示すように、積層デバイスは、当該デバイスの機能・性能設計を行うステップＳ１０１、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を製作するステップＳ１０２、デバイスの基材である基板を製造するステップＳ１０３、マスクのパターンを用いて露光光で基板を露光すること、及び露光された基板を現像することを含む基板処理ステップＳ１０４、上記図１から図１１による位置合わせ工程を含むデバイス組み立てステップＳ１０５、検査ステップＳ１０６等を経て製造される。なお、デバイス組み立てステップＳ１０５は、位置合わせ工程に続いて、ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む。

なお図３に示す例において、第１基板１２２と第１基板１２２より一回り大きい第２基板１２３とを貼り合せているが、大きさの関係はこれに限られない。他の例として、第１基板１２２と第２基板１２３とがほぼ同じ大きさであってもよい。この場合には第１基板１２２および第２基板１２３の一方にオリエンテーションフラットを設けて、第２導電領域４０４、４０８および第１導電領域４０２、４０６の一方を露出させる。基板を３層以上積層する場合にはオリエンテーションフラットの位置をずらすことで、いずれの基板においても導電領域が露出するようにしてもよい。

さらに、基板を３層以上積層する場合に、基板の大きさを順次小さくすることにより導電領域を露出させてもよいし、大径の基板と小径の基板とを交互に積層して、大径の基板において導電領域を露出させてもよい。他の例として、基板を３層以上積層する場合に、複数の導電領域をそれぞれの基板の表裏面に露出するように設けておき、当該複数の導電領域の一部を表裏側に積層された基板に設けられた導電領域との導通に用いて、他の一部を裏面側に積層された基板の導電領域との導通に用いてもよい。

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。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。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。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００ 基板貼り合せ装置、１０２ 筐体、１０４ 常温部、１０６ 高温部、１０８ 断熱壁、１１２ 基板カセット、１１４ 基板カセット、１１６ 基板カセット、１２２ 第１基板、１２３ 第２基板、１２４ 上基板ホルダ、１２５ 下基板ホルダ、１２６ プリアライナ、１２８ 基板ホルダラック、１３０ 基板取り外し部、１３２ ロボットアーム、１３４ ロボットアーム、１４０ ステージ装置、１４１ 第１ステージ、１４２ 第２ステージ、１４５ 断熱壁、１４６ シャッタ、１４８ 制御部、２２０ エアロック、２２２ シャッタ、２２４ シャッタ、２３０ ロボットアーム、２４０ 加圧部、３１０ 枠体、３１２ 天板、３１４ 支柱、３１６ 底板、３４２ 第１顕微鏡、３４４ 第２顕微鏡、３５２ ガイドレール、３５４ Ｘステージ、３５６ Ｙステージ、３６０ 昇降部、３７０ 干渉計、３７２ 変位センサー、３７４ 計測器、３７６ プローブ、４００ 回路、４０１ 回路、４０２ 第１導電領域、４０４ 第２導電領域、４０６ 第３導電領域、４０８ 第４導電領域、４１２ 第１大導電領域、４１４ 第２大導電領域、４１６ 第３大導電領域、４１８ 第４大導電領域、４３２ 誘電体層、４４２ 第１導電領域

Claims (11)

1. 一の面側に第１導電領域が第１周期で複数形成された第１基板の前記一の面と、一の面側に第２導電領域を前記第１周期とは異なる第２周期で複数形成された第２基板の前記一の面と近接させるステップと、
   前記第１基板の前記一の面と前記第２基板の前記一の面とを近接させた状態で、前記第１導電領域と前記第２導電領域との複数の組み合わせにおける電気的特性を測定するステップと、
   前記第１導電領域と前記第２導電領域との前記複数の組み合わせ間の前記電気的特性の差に基づいて、前記第１基板と前記第２基板との相対位置を検出するステップと
   を備える基板相対位置検出方法。
2. 前記近接させるステップにおいて、前記第１導電領域と前記第２導電領域とを接触させ、
   前記電気的特性を測定するステップは、前記第１導電領域と前記第２導電領域との前記複数の組み合わせのそれぞれに対して直流電圧を入力して出力される電流を測定することにより、前記第１導電領域と前記第２導電領域との前記複数の組み合わせにおけるそれぞれの電気的導通の有無を検出することを含む請求項１に記載の基板相対位置検出方法。
3. 前記近接させるステップにおいて、前記第１基板の前記一の面と前記第２基板の前記一の面とを離間した状態で保持し、
   前記電気的特性を測定するステップは、前記第１導電領域と前記第２導電領域との前記複数の組み合わせのそれぞれに対して交流電圧を入力して出力される電流を測定することにより、前記第１導電領域と前記第２導電領域との前記複数の組み合わせにおけるそれぞれの静電容量を検出する請求項１に記載の基板相対位置検出方法。
4. 前記第１導電領域および前記第２導電領域のすくなくとも一方には誘電体層が設けられており、
   前記近接させるステップにおいて、前記第１導電領域と前記第２導電領域と前記誘電体層を介して接触させ、
   前記電気的特性を測定するステップは、前記第１導電領域と前記第２導電領域との前記複数の組み合わせのそれぞれに対して交流電圧を入力して出力される電流を測定することにより、前記第１導電領域と前記第２導電領域との前記複数の組み合わせにおけるそれぞれの静電容量を検出する請求項１に記載の基板相対位置検出方法。
5. 前記第１基板と前記第２基板とを近接させる前に、前記第１基板の外形および前記第２基板の外形に基づいて、前記第１基板と前記第２基板とを位置合わせするステップをさらに備える請求項１から４のいずれかに記載の基板相対位置検出方法。
6. 前記位置合わせステップにおいて、前記第１基板と前記第２基板との位置ずれを、前記第１周期および前記第２周期のいずれか大きい方の周期以下の範囲に収める請求項５に記載の基板相対位置検出方法。
7. 前記第１基板の前記一の面側に、前記第１導電領域よりも大きい大導電領域が形成されており、
   前記第２基板の前記一の面側における、前記第１基板と近接した場合の前記大導電領域に対応した位置に、前記第２導電領域よりも大きい大導電領域が形成されており、
   前記電気的特性を測定するステップに先立って、前記第１基板の前記大導電領域と前記第２基板の前記大導電領域と間の電気的特性を測定するステップと、
   前記第１基板の前記大導電領域と前記第２基板の前記大導電領域と間の電気的特性により前記第１基板と前記第２基板との位置ずれを検出するステップと、
   前記位置ずれを検出するステップで検出された位置ずれが前記第１周期および前記第２周期のいずれか大きい方の周期以上である場合に、その旨を警告するステップと
   をさらに備える請求項１から６のいずれかに記載の基板相対位置検出方法。
8. 前記第１導電領域を形成するステップは、
   前記第１基板の他の面側に、前記第１導電領域を形成するステップと、
   前記第１基板の前記一の面を薄化することにより、前記第１導電領域を前記一の面側に露出させるステップと
   を有する請求項１から７のいずれかに記載の基板相対位置検出方法。
9. 前記第１基板の前記一の面側に、前記第１導電領域が並ぶ方向に直交する方向に、第３周期で配した第３導電領域が複数形成されており、
   前記第２基板の前記一の面側に、前記第２導電領域が並ぶ方向に直交する方向に、前記第３周期とは異なる第４周期で配した第４導電領域が複数形成されており、
   前記電気的特性を測定するステップは、前記第１基板の前記一の面と前記第２基板の前記一の面とを近接させた状態で、前記第３導電領域と前記第４導電領域との複数の組み合わせにおける電気的特性をさらに測定し、
   前記相対位置を検出するステップは、前記第１導電領域と前記第２導電領域との前記複数の組み合わせ間の前記電気的特性の差、および、前記第３導電領域と前記第４導電領域との前記複数の組み合わせ間の前記電気的特性の差に基づいて、前記第１基板と前記第２基板との相対位置を検出する請求項１に記載の基板相対位置検出方法。
10. 前記第１基板の前記一の面側に、前記第１導電領域とは異なる複数の回路パターンが形成されているとともに、前記第２基板の前記一の面側に、前記第２導電領域とは異なる、前記第１基板の前記複数の回路パターンに対応した、複数の回路パターンが形成されている請求項１から９のいずれかに記載の基板相対位置検出方法。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の基板相対位置検出方法により複数の基板の相対位置を検出し、
    前記相対位置に基づいて基板を貼り合わせることと
    を含む積層デバイス製造方法。

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