JP2014013916A

JP2014013916A - アラインメント装置およびアラインメント方法

Info

Publication number: JP2014013916A
Application number: JP2013169208A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Horikoshi; 崇広堀越
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2014-01-23
Also published as: JP5353892B2; JPWO2010038454A1; TW201015661A; WO2010038454A1

Abstract

【課題】アラインメント装置の精度を向上させる。
【解決手段】互いに対向する一対の基板の一方を保持する第１ステージと、一対の基板の他方を保持する第２ステージと、第２ステージに保持された基板のアラインメントマークを観察すべく移動する第１顕微鏡と、第１ステージに保持された基板のアラインメントマークを観察すべく移動する第２顕微鏡と、第２顕微鏡により観察したアラインメントマークの位置を示す第１位置情報と、第１顕微鏡により観察したアラインメントマークの位置を示す第２位置情報との差分に応じて第１ステージおよび第２ステージの少なくとも一方を移動させて、第１ステージおよび第２ステージに保持された一対の基板を位置合わせする位置合わせ制御部とを備えるアラインメント装置が提供される。
【選択図】図５

Description

本発明は、アラインメント装置およびアラインメント方法に関する。本出願は、下記の日本出願に関連し、下記の日本出願からの優先権を主張する出願である。文献の参照による組み込みが認められる指定国については、下記の出願に記載された内容を参照により本出願に組み込み、本出願の一部とする。
特願２００８−２５６８０３出願日２００８年１０月１日

各々に素子が形成された基板を積層した積層型半導体装置がある（特許文献１参照）。積層型半導体装置の製造過程には、互いに平行に保持された一対の基板を、複数の顕微鏡により個々に観察しつつ位置合わせして貼り合わせる段階がある（特許文献２参照）。

特開平１１−２６１０００号公報特開２００５−２５１９７２号公報

積層型半導体装置の製造過程における位置合わせは、基板上の素子の線幅と同程度に高い精度が求められる。このため、位置合わせに用いる顕微鏡には、光学解像度に加えて、顕微鏡自体の位置についても高い精度が要求される。

そこで、上記課題を解決すべく、本発明の第１の態様として、互いに対向する一対の基板の一方を保持する第１ステージと、一対の基板の他方を保持する第２ステージと、第２ステージに保持された基板のアラインメントマークを観察すべく移動する第１顕微鏡と、第１ステージに保持された基板のアラインメントマークを観察すべく移動する第２顕微鏡と、第２顕微鏡により観察したアラインメントマークの位置を示す第１位置情報と、第１顕微鏡により観察したアラインメントマークの位置を示す第２位置情報との差分に応じて第１ステージおよび第２ステージの少なくとも一方を移動させて、第１ステージおよび第２ステージに保持された一対の基板を位置合わせする位置合わせ制御部とを備えるアラインメント装置が提供される。

また、本発明の第２の態様として、互いに対向する一対の基板の一方を第１ステージに保持させる段階と、一対の基板の他方を第２ステージに保持させる段階と、第２ステージに保持された基板のアラインメントマークを、第１顕微鏡を移動させて観察して、当該アラインメントマークの位置を示す第２位置情報を検出する段階と、第１ステージに保持された基板のアラインメントマークを、第２顕微鏡を移動させて観察して、当該アラインメントマークの位置を示す第１位置情報を検出する段階と、第１位置情報および第２位置情報の差分に応じて第１ステージおよび第２ステージの少なくとも一方を移動させて、第１ステージおよび第２ステージに保持された一対の基板を位置合わせする段階とを含むアラインメント方法が提供される。

なお、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。

積層基板製造システム１００の構造を模式的に示す平面図である。基板１８０の状態の変遷を模式的に示す図である。基板１８０の状態の変遷を模式的に示す図である。基板１８０の状態の変遷を模式的に示す図である。基板１８０の状態の変遷を模式的に示す図である。基板１８０の状態の変遷を模式的に示す図である。アラインメントマーク１８４の形態を模式的に示す図である。アラインメント部３００の構造を模式的に示す断面図である。図４に示すアラインメント部３００の一部を拡大して示す図である。基準標識３２１の構造を示す断面図である。基準標識３２１の他の構造を示す断面図である。アラインメント部３００におけるアラインメントの手順を示す流れ図である。アラインメント部３００の動作を、図４に対照して示す図である。図９に示す状態のアラインメント部３００の一部を拡大して示す図である。アラインメント部３００の次の動作を示す図である。アラインメント部３００のまた次の動作を示す図である。他のアラインメント部３００の構造を示す斜視図である。アラインメント部３００の平面図である。アラインメント部３００の動作を示す側面図である。アラインメント部３００の他の動作を示す側面図である。アラインメント部３００のまた他の動作を示す側面図である。アラインメント部３００の更に他の動作を示す側面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明の（一）側面を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、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、積層基板製造システム１００の全体構造を模式的に示す平面図である。積層基板製造システム１００は、共通の筐体１０１の内部に形成された常温部１０２および高温部２０２を含む。

常温部１０２は、筐体１０１の外部に面して、複数の基板カセット１１１、１１２、１１３と、制御盤１２０とを有する。制御盤１２０は、較正制御部１２２、位置合わせ制御部１２４、積層基板製造システム１００全体の動作を制御する制御部も含む。更に、制御盤１２０は、積層基板製造システム１００の電源投入、各種設定等をする場合にユーザが外部から操作する操作部を有する。

基板カセット１１１、１１２、１１３は、積層基板製造システム１００において接合される基板１８０、または、積層基板製造システム１００において接合された基板１８０を収容する。基板カセット１１１、１１２、１１３は、筐体１０１に対して脱着自在に装着される。これにより、複数の基板１８０を一括して積層基板製造システム１００に装填できる。積層基板製造システム１００において接合された基板１８０を一括して回収できる。

常温部１０２において、筐体１０１の内側には、プリアライナ１３０、アラインメント部３００、基板ホルダラック１６０と、一対のロボットアーム１７１、１７２とを備える。筐体１０１の内部は、積層基板製造システム１００が設置された環境の室温と略同じ特定の温度が維持されるように温度管理される。

アラインメント部３００は高精度であるが故に調整範囲が狭い。よって、プリアライナ１３０は、その狭い調整範囲に基板１８０が収まるように、個々の基板１８０の位置を仮合わせする。これにより、アラインメント部３００における位置決めを確実にすることができる。

アラインメント部３００は、互いに対向する上ステージ部３１０および下ステージ部３２０と、互いに直交して配置された一対の計測部３３０とを含む。アラインメント部３００において、上ステージ部３１０および下ステージ部３２０は、各々基板１８０または基板１８０を保持した基板ホルダ１９０を搬送する。計測部３３０は、移動する上ステージ部３１０または下ステージ部３２０の位置を基板１８０の面方向について計測する。

アラインメント部３００を包囲して、断熱壁１４２およびシャッタ１４４が設けられる。断熱壁１４２およびシャッタ１４４に包囲された空間は、空調機等に連通して温度管理され、アラインメント部３００における位置合わせ精度を維持する。アラインメント部３００においては、一対の基板１８０が相互に位置合わせされる。アラインメント部３００の詳細な構造と動作については、図４以下を参照して後述する。

基板ホルダラック１６０は、複数の基板ホルダ１９０を収容して待機させる。基板ホルダ１９０は、基板１８０を一枚ずつ保持して、基板１８０の取り扱いを容易にする。基板ホルダ１９０は、例えば静電吸着により基板１８０を保持する。基板ホルダラック１６０は、基板取り外し部を含む。基板取り外し部は、後述する加圧部２４０から搬出された基板ホルダ１９０から、当該基板ホルダ１９０に挟まれた基板１８０を取り出す。

なお、積層基板製造システム１００に装填される基板１８０は、単体のシリコンウエハ、化合物半導体ウエハ、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もよい。装填された基板１８０が、既に複数のウエ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１７１、１７２のうち、基板カセット１１１、１１２、１１３に近い側に配置されたロボットアーム１７１は、基板カセット１１１、１１２、１１３、プリアライナ１３０およびアラインメント部３００の間で基板１８０を搬送する。ロボットアーム１７１は、接合する基板１８０の一方を裏返す機能も有する。これにより、基板１８０において回路、素子、端子等が形成された面を対向させて接合することができる。

基板カセット１１１、１１２、１１３から遠い側に配置されたロボットアーム１７２は、アラインメント部３００、基板ホルダラック１６０およびエアロック２２０の間で基板１８０および基板ホルダ１９０を搬送する。さらにロボットアーム１７２は、基板ホルダラック１６０に対する基板ホルダ１９０の搬入および搬出も担う。

高温部２０２は、断熱壁２１０、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２１０は、高温部２０２を包囲して、高温部２０２の高い内部温度を維持すると共に、高温部２０２の外部への熱輻射を遮断する。これにより、高温部２０２の熱が常温部１０２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との間で基板１８０および基板ホルダ１９０を搬送する。エアロック２２０は、常温部１０２側と高温部２０２側とに、交互に開閉するシャッタ２２２、２２４を有する。

基板１８０および基板ホルダ１９０が常温部１０２から高温部２０２に搬入される場合、まず、常温部１０２側のシャッタ２２２が開かれ、ロボットアーム１７２が基板１８０および基板ホルダ１９０をエアロック２２０に搬入する。次に、常温部１０２側のシャッタ２２２が閉じられ、高温部２０２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から基板１８０および基板ホルダ１９０を搬出して、加圧部２４０のいずれかに装入する。加圧部２４０は、基板ホルダ１９０に挟まれた状態で加圧部２４０に搬入された基板１８０を加熱および加圧する。これにより基板１８０は恒久的に接合される。

高温部２０２から常温部１０２に基板１８０および基板ホルダ１９０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２０２の内部雰囲気を常温部１０２側に漏らすことなく、基板１８０および基板ホルダ１９０を高温部２０２に搬入または搬出できる。

このように、積層基板製造システム１００内の多くの領域において、基板ホルダ１９０は、基板１８０を保持した状態でロボットアーム１７２、２３０、上ステージ部３１０および下ステージ部３２０に搬送される。基板１８０を保持した基板ホルダ１９０が搬送される場合、ロボットアーム１７２、２３０は、真空吸着、静電吸着等により基板ホルダ１９０を吸着して保持する。

図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図２ｄおよび図２ｅは、積層基板製造システム１００における基板１８０の状態の変遷を模式的に示す図である。図２ａに示すように、積層基板製造システム１００が稼動を開始した当初、基板１８０の各々は、例えば基板カセット１１１、１１２のいずれかに個別に収容される。基板ホルダ１９０も、基板ホルダラック１６０に個別に収容されている。

積層基板製造システム１００が稼動を開始すると、ロボットアーム１７１により基板１８０が一枚ずつ搬入され、プリアライナ１３０においてプリアラインメントされた後に、基板ホルダ１９０に搭載される。こうして、基板１８０は、それぞれ基板ホルダ１９０により保持される。

次に、図２ｂに示すように、基板１８０をそれぞれ保持した一対の基板ホルダ１９０が用意され、図２ｃに示すように、基板１８０が対向するようにアラインメント部３００に装填される。アラインメント部３００において位置合わせされた基板１８０および基板ホルダ１９０は、図２ｄに示すように、基板ホルダ１９０の側面に形成された溝１９１に嵌められた複数の留め具１９２により連結されて、位置決めされた状態を保持する。連結された基板１８０および基板ホルダ１９０は、一体的に搬送されて加圧部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、基板１８０は互いに恒久的に接合されて積層基板となる。その後、基板１８０および基板ホルダ１９０は、加圧部２４０から搬出されて、基板ホルダラック１６０の基板取り外し部において分離される。

基板ホルダ１９０から取り出された基板１８０は、ロボットアーム１７２、１７１並びに上ステージ部３１０および下ステージ部３２０により、例えば基板カセット１１３に収容される。基板１８０を取り出された基板ホルダ１９０は、基板ホルダラック１６０に戻されて待機する。

図３は、積層基板の材料としての基板１８０の形態を模式的に示す平面図である。図示のように、基板１８０には、複数の素子領域１８６が形成されると共に、素子領域１８６の各々の近傍にアラインメントマーク１８４が配される。また、基板１８０は、縁部の特定箇所に形成されたノッチ１８２を有する。ノッチ１８２は、基板１８０の結晶配向性等に対応して配されており、全体として略円形をなす基板１８０における物性および配置の異方性を示す。

アラインメントマーク１８４は、基板１８０に素子領域１８６を形成する場合に指標として用いられる。このため、アラインメントマーク１８４の位置は、基板１８０の変形等により変位した素子領域１８６の位置等に密接に関連する。従って、基板１８０を積層する場合に、アラインメントマーク１８４を位置合わせの指標として用いることにより、個々の基板１８０に生じている歪みを効果的に補償できる。

なお、図中では素子領域１８６およびアラインメントマーク１８４を大きく描いているが、３００ｍｍφ等の大型の基板１８０に形成される素子領域１８６の数は数百以上にも及ぶ。それに応じて、基板１８０に配されるアラインメントマーク１８４の数も多くなる。更に、アラインメントマーク１８４は、基板１８０に形成された配線、バンプ、スクライブライン等で代用することもできる。

図４は、アラインメント部３００の構造を模式的に示す断面図である。アラインメント部３００は、枠体３０１の内側に配された上ステージ部３１０および下ステージ部３２０を含む。図４では、一方の計測部３３０も見えている。計測部３３０は、互いに高さが異なる干渉計３３２、３３４を含む。

枠体３０１は、互いに平行で水平な天板３０２および底板３０６と、天板３０２および底板３０６を結合する複数の支柱３０４とを備える。天板３０２、支柱３０４および底板３０６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。

上ステージ部３１０は、天板３０２の下面に順次懸架された、駆動部３５０、サブステージ３１４、スペーサ３１１およびメインステージ３１２を含む。サブステージ３１４は、上反射鏡３１６および上顕微鏡３１８を懸架する。メインステージ３１２は、基板１８０を保持した基板ホルダ１９０を吸着して保持する。

駆動部３５０は、サブステージ３１４を、図中に矢印で示すＸ方向およびＹ方向にそれぞれ移動させるＸ駆動部３５１およびＹ駆動部３５２を含む。サブステージ３１４は、スペーサ３１１を介してメインステージ３１２と一体的に結合されている。これにより、上反射鏡３１６および上顕微鏡３１８は、メインステージ３１２に保持された基板１８０に対して一定の相対位置を維持しつつ、基板１８０と共にＸ方向およびＹ方向に移動する。

下ステージ部３２０は、底板３０６の上面に搭載された、駆動部３４０、サブステージ３２４およびメインステージ３２２を含む。サブステージ３２４は、下反射鏡３２６および下顕微鏡３２８を搭載する。メインステージ３２２は、基板１８０を保持した基板ホルダ１９０を吸着して保持する。さらにメインステージ３２２には基準標識３２１も搭載される。

下ステージ部３２０において、下顕微鏡３２８は、垂直アクチュエータ３２９を介してサブステージ３２４に搭載される。これにより、下顕微鏡３２８は、垂直方向に限ってサブステージ３２４に対して昇降する。

駆動部３４０は、サブステージ３２４を、図中に矢印で示すＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向にそれぞれ移動させるＸ駆動部３４１、Ｙ駆動部３４２およびＺ駆動部３４８を含む。また、サブステージ３２４を水平面内で回転させるθ駆動部３４４と、サブステージ３２４を揺動させるφ駆動部３４６とを含む。なお、Ｚ駆動部３４８は、サブステージ３２４およびメインステージ３２２の間に配され、上ステージ部３１０におけるスペーサ３１１に相当する機能を兼ねる。

サブステージ３２４は、Ｚ駆動部３４８によりメインステージ３２２と一体的に結合される。これにより、下反射鏡３２６および下顕微鏡３２８は、メインステージ３２２に保持された基板１８０に対して一定の相対位置を維持しつつ、基板１８０と共に回転し、揺動し、且つ、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動する。

計測部３３０は、一対の干渉計３３２、３３４を含む。一方の干渉計３３２は、上ステージ部３１０の反射鏡３１６と同じ高さに配される。これにより、干渉計３３２は、反射鏡３１６を用いて、サブステージ３１４のＸ方向の位置を正確に計測する。なお、この図には現れない計測部３３０も同様の構造を有し、サブステージ３１４のＹ方向の位置を計測する。

他方の干渉計３３４は、下ステージ部３２０の反射鏡３２６と同じ高さに配される。これにより、干渉計３３４は、反射鏡３２６を用いて、サブステージ３２４のＸ方向の位置を正確に計測する。この図には現れない計測部３３０も同様の構造を有し、サブステージ３２４のＹ方向の位置を計測する。

図５は、基準標識３２１を上顕微鏡３１８から観察できる位置に上ステージ部３１０および下ステージ部を移動させた状態で、基準標識３２１近傍を拡大して示す図である。図示のように、図示のように上ステージ部３１０および下ステージ部３２０を適切に移動させることにより、上顕微鏡３１８からも基準標識３２１を視野に入れることができる。

基準標識３２１は、下顕微鏡３２８の直上においてメインステージ３２２に形成された貫通穴３２３の上に配される。これにより、基準標識３２１は、下顕微鏡３２８の視野にも入る。

更に、基準標識３２１の高さは、下ステージ部３２０のメインステージ３２２に搭載された基板１８０の表面と同じ高さになるように調整される。図５に示す状態では、下顕微鏡３２８は垂直アクチュエータ３２９により降下させられ、基準標識３２１に焦点を合わせている。上顕微鏡３１８は、後述するように、下ステージ部３２０に搭載された基板１８０を観察する。従って、上記の状態では、上顕微鏡３１８および下顕微鏡３２８が、共に、同じ基準標識３２１に焦点を合わせた状態となる。

図６は、上記の基準標識３２１の構造を示す断面図である。基準標識３２１は、支持枠４２１、透明基板４２２および不透明薄膜４２３を含む。

より具体的には、透明基板４２２としてガラス基板等を用いて形成できる。不透明薄膜４２３としては、金属膜等を例示できる。不透明薄膜４２３を薄くすることにより、上顕微鏡３１８から観察された場合も、下顕微鏡３２８から観察された場合も、観察される位置がずれない。なお、透明基板４２２を支持枠４２１を介してメインステージ３２２に搭載する構造とすることにより、基準標識３２１の実効的な高さを微妙に調節することができる。

基準標識３２１は透明基板４２２が露出した透明な領域を有する。これにより、基準標識３２１を透過して、その向こうに位置するアラインメントマーク１８４等を観察できるが、これについては図１０を参照して後述する。

図７は、基準標識３２１の他の構造を示す断面図である。この基準標識３２１は、ナイフエッジ４２７を有する不透明基板４２５により形成される。ナイフエッジ４２７は、上顕微鏡３１８および下顕微鏡３２８を結ぶ線に対して交差する一対の面により形成される。

このような不透明基板４２５は、例えば、シリコンウエハをドライエッチングで加工することにより製造できる。ナイフエッジ４２７の先端は非常に薄いので、上顕微鏡３１８から観察された場合も、下顕微鏡３２８から観察された場合も、観察される位置がずれることがない。ナイフエッジ４２７の内側は貫通しているので、下顕微鏡３２８が、基準標識３２１の向こう側を観察することもできる。

図８は、上記のようなアラインメント部３００を用いて基板１８０をアラインメントする場合の手順を示す流れ図である。まず、図４に示すように、上ステージ部３１０のメインステージ３１２の下方と、下ステージ部３２０のメインステージ３２２の上方とがそれぞれ開放されるように、上ステージ部３１０および下ステージ部３２０を異なる位置にずらして、メインステージ３１２、３２２の各々に、基板ホルダ１９０に保持された基板１８０を装填する（ステップＳ１０１）。

次に、図示されていない顕微鏡等により基板１８０を観察しつつ、下ステージ部３２０のφ駆動部３４６を動作させて、一対の基板１８０を平行にする（ステップＳ１０２）。以下、基板１８０は、専らＸ方向およびＹ方向について位置合わせされる。

続いて、図４および図５に示すように、基準標識３２１を、下顕微鏡３２８および上顕微鏡３１８により同時に観察させることにより、下顕微鏡３２８および上顕微鏡３１８の相対位置を特定させる（ステップＳ１０３）。この状態で、較正制御部１２２は、上ステージ部３１０および下ステージ部３２０の位置を計測して、計測値を初期値として干渉計３３２、３３４を初期化する（ステップＳ１０４）。

続いて、上ステージ部３１０および下ステージ部を動作させて、下ステージ部３２０に保持された基板１８０のアラインメントマーク１８４を上顕微鏡３１８により、下ステージ部３２０に保持された基板１８０のアラインメントマーク１８４を下顕微鏡３２８により、各々３つ以上検出させる（ステップＳ１０５）。

図９は、ステップＳ１０５を実行するアラインメント部３００の状態を、図４に対照して示す図である。図示のように、上ステージ部３１０の駆動部３５０と、下ステージ部３２０の駆動部３４０をそれぞれ動作させることにより、下ステージ部３２０に保持された基板１８０の表面が上顕微鏡３１８の視野に、上ステージ部３１０に保持された基板１８０の表面が下顕微鏡３２８の視野に、それぞれ入れることができる。

図１０は、図９に示した状態における下顕微鏡３２８近傍を拡大して示す図である。図示のように、垂直アクチュエータ３２９を動作させることにより、下顕微鏡３２８の焦点を、上ステージ部３１０に保持された基板１８０の表面に移動させている。これにより、下顕微鏡３２８は、基準標識３２１を通じて、上ステージ部３１０に保持された基板１８０の表面を精密に観察できる。

なお、図示は省いたが、アラインメント部３００は、上顕微鏡３１８および下顕微鏡３２８とは別に、基板１８０の表面の広い範囲を観察する低倍率顕微鏡を別途備える。低倍率顕微鏡の解像度は、基板１８０の位置合わせ精度には満たないが、基板１８０上のアラインメントマーク１８４および素子領域１８６の大凡の位置を認識することができる。このような低倍率顕微鏡を併用することにより、上顕微鏡３１８および下顕微鏡３２８は、効率よくアラインメントマーク１８４を検出できる。

再び、図８に示した手順に戻ると、上顕微鏡３１８および下顕微鏡３２８が、対向する基板１８０のアラインメントマーク１８４を検出した場合、そのときのメインステージ３１２、３２２の位置を干渉計３３２、３３４で計測することにより、前記初期値に対するアラインメントマーク１８４の相対位置が判る。検出されたアラインメントマーク１８４の相対位置は、位置合わせ制御部１２４により格納される（ステップＳ１０６）。

こうして、位置合わせ制御部１２４が、一対の基板１８０の各々について３つ以上のアラインメントマーク１８４の位置情報を獲得すると、当該位置情報に基づいて、基板１８０を位置合わせする場合に求められる、駆動部３４０、３５０の動作量を算出できる（ステップＳ１０７）。

即ち、貼り合わせに供する基板１８０は、多くの処理、加工を経て素子等を形成されている。このため、基板１８０には様々な歪が生じている。また、ひとつの基板１８０における歪の分布は均一ではない。このため、基板１８０を位置合わせする場合に、一対の基板１８０で対応する特定のアラインメントマーク１８４の位置を一致させても、基板１８０の他の部分では位置ずれが大きくなる場合がある。

しかしながら、一対の基板１８０相互の間で対応する３以上のアラインメントマーク１８４の各々の相対位置情報について以下のように、対応するアラインメントマーク間の誤差が複数のアイランメントマーク間で統計的に小さくなるような処理を実行することにより、基板１８０全体で生じるアラインメントマーク１８４の位置ずれを最小にとどめることができる。

以下、そのアラインメント方式を説明する。一対のウエハにおいて、一方が他方に対して平行移動すべき平行移動量（Ｔ_ｘ，Ｔ_ｙ）および回転させるべき回転量θは下記のように算出される。基準座標系に対する測定されたアラインメントマークの位置座標（Ａ_ｘｉ，Ａ_ｙｉ）と変換された位置座標（Ｍ_ｘｉ，Ｍ_ｙｉ）との間には次の関係がある。なお、「ｉ」はアラインメントマークの番号を示す。

次に、一方の基板１８０の基準座標系に対する位置座標を（Ｄ_ｘｉ，Ｄ_ｙｉ）として、下記の関数Ｆが最も小さくなるように、他方の基板１８０の移動量（Ｔ_ｘ，Ｔ_ｙ）および回転量θを決定する。

図１１は、アラインメント部３００の次の動作を示す図である。図示のように、位置合わせ制御部１２４が、上顕微鏡３１８および下顕微鏡３２８の相対位置に基づく初期値を基準として、算出された移動量（Ｔ_ｘ，Ｔ_ｙ）および回転量θに従って駆動部３４０、３５０を動作させることにより、一対の基板１８０を位置合わせすることができる（ステップＳ１０８）。

なお、位置合わせ精度を更に向上させる目的で、基準標識３２１を複数設けて、上顕微鏡３１８、３２８の相対位置を較正する段階（ステップＳ１０４）を何度か実行してもよい。特に、上ステージ部３１０または下ステージ部３２０が大きく動作した場合、Ｘ方向またはＹ方向に動作方向を切り換えた場合には、改めてステージ１０４からの手順を繰り返してもよい。

図１２は、アラインメント部３００また次の動作を示す図である。図示のように、Ｚ駆動部３４８を動作させて、Ｘ方向およびＹ方向について位置合わせされて対向する基板１８０を相互に接合することができる。即ち、下ステージ部３２０のメインステージ３２２を上昇させて一対の基板１８０を当接させ、更に、Ｚ駆動部３４８の駆動力を増すことにより、基板１８０を仮接合させることができる（ステップＳ１０９）。

こうして位置合わせした上で接合された一対の基板１８０は、既に説明した通り、アラインメント部３００から搬出され（ステップＳ１１０）、加圧部２４０に搬送される。アラインメント部３００から加圧部２４０に搬送される間は、図２ｂを参照して説明したように、基板ホルダ１９０および留め具１９２により位置合わせした状態が保持される。

なお、上記の例では、上ステージ部３１０および下ステージ部３２０が、いずれも駆動部３５０、３４０を有してメインステージ３１２、３２２を移動させる構造とした。この場合、上ステージ部３１０および下ステージ部３２０双方の移動量が等しくなるように、駆動部３５０、３４０の動作量を分配することも好ましい。これにより、部材の消耗を均等にして、機器の寿命を延ばすことができる。

上ステージ部３１０および下ステージ部３２０のいずれか一方、例えば上ステージ部３１０の駆動部３５０を省略して、メインステージ３１２を固定した状態でも基板１８０の位置合わせは実施できる。例えば、上ステージ部３１０のＹ駆動部３５２を省略して、上ステージ部３１０では専らＸ方向を、下ステージ部３２０では専らＹ方向を位置合わせする構造としてもよい。

しかしながら、双方のメインステージ３１２、３２２を移動させることにより、所要の移動量を移動する時間を半分に減らすことができる。従って、上ステージ部３１０および下ステージ部３２０の双方に駆動部３５０、３４０を設けることにより、アラインメント部３００におけるスループットを向上させることができる。

上記の例では、基準標識３２１を固定して、下顕微鏡３２８を昇降させる構造とした。しかしながら、下顕微鏡３２８を固定して、光学的に焦点距離を変化させる構造の他、基準標識を上顕微鏡３１８または下顕微鏡３２８の視野から進退させる構造等、さまざまに変形させることができる。更に、基板１８０の各々のアラインメントマーク１８４を計測することと、一対の基板１８０を位置合わせすることとを、別の設備で各々実行する構造とすることもできる。

図１３は、他の構造を有するアラインメント部３００を示す斜視図である。このアラインメント部３００は、底盤３０３に搭載された、測定部３６０、一対の顕微鏡ユニット３７０および接合部３８０を有する。また、図面が煩雑になることを避ける目的で図１３では図示を省いたが、測定部３６０および接合部３８０の間には、ロボットアーム３９０が配される（図１４参照）。

測定部３６０は、底盤３０３から直立する一対の支柱３６１と、支柱３６１の上端および下端をそれぞれ結合する一対の水平な案内部３６３とにより形成された矩形のフレームの内側に形成される。案内部３６３の各々は、Ｘ駆動部３６２、Ｚ駆動部３６４およびメインステージ３１２、３２２を、それぞれ懸架または支持する。

測定部３６０において、Ｘ駆動部３６２は、Ｚ駆動部３６４およびメインステージ３１２、３２２と、メインステージ３１２、３２２に搭載された基板ホルダ１９０および基板１８０とを、案内部３６３に沿ってそれぞれ個別に移動させる。Ｚ駆動部３６４は、メインステージ３１２、３２２と、メインステージ３１２、３２２に搭載された基板ホルダ１９０および基板１８０とを、垂直に昇降させる。

メインステージ３１２、３２２には、それぞれ、基板１８０を保持した基板ホルダ１９０が搭載される。基板１８０の各々は、一対のアラインメントマーク１８４を有する。

更に、一方のメインステージ３２２には、基準標識３２１も搭載される。基準標識３２１は、基板ホルダ１９０に保持された基板１８０の表面と同じ高さに固定される。メインステージ３２２は、基準標識３２１の下に、厚さ方向に貫通する貫通穴を有するので、基準標識３２１は、メインステージ３２２の上方からも、下方からも観察できる。なお、基準標識３２１は、図６、図７に示した構造をいずれも採り得る。

一対の顕微鏡ユニット３７０は、測定部３６０を挟んで配される。顕微鏡ユニット３７０の各々は、Ｙ駆動部３７２、支柱３７４および顕微鏡３７６、３７８を有する。Ｙ駆動部３７２は、測定部３６０の案内部３６３の延在方向と交差する方向に支柱３７４を移動させる。支柱３７４は、各々一対の顕微鏡３７６、３７８を支持する。

即ち、一対の顕微鏡３７６、３７８は、支柱３７４の中程に形成された切欠き部の内側に、互いに上下に対向して固定される。顕微鏡３７６、３７８の焦点Ｆは、顕微鏡３７６、３７８の中間に位置する共通の一点に結ばれる。

一方、接合部３８０は、フレーム３８３の内側で互いに積層方向に配された、Ｘ駆動部３８１、Ｙ駆動部３８２、θ駆動部３８４、Ｚ駆動部３８８と、一対の平板３８９および一対のメインステージ３１２、３２２とを備える。メインステージ３１２、３２２は、それぞれが基板１８０を保持した基板ホルダ１９０を搭載する。

Ｘ駆動部３８１およびＹ駆動部３８２は、図中に矢印で示すＸ方向またはＹ方向に、メインステージ３１２、３２２を駆動する。Ｚ駆動部３８８は、メインステージ３１２をＺ軸方向に移動することができる他、個別に動作させることによりメインステージ３２２を揺動させることもできる。

接合部３８０は、Ｘ駆動部３８１、Ｙ駆動部３８２およびθ駆動部３８４を動作させることにより、メインステージ３２２に搭載された基板１８０を任意の方向に移動させて、メインステージ３１２に搭載された基板１８０に対して位置合わせできる。Ｚ駆動部３８８を動作させることにより、互いに位置合わせした一対の基板１８０を互いに当接させて接合することもできる。

図１４は、図１３に示したアラインメント部３００の平面図である。図示のように、アラインメント部３００は、測定部３６０および接合部３８０の間にロボットアーム３９０を更に備える。

ロボットアーム３９０は、フォーク部３９２およびアーム部３９４を有する。フォーク部３９２は、基板１８０を保持した基板ホルダ１９０を吸着して保持する。アーム部３９４は、基板ホルダ１９０を保持したフォーク部３９２を任意の方向に移動させる。これにより、ロボットアーム３９０は、測定部３６０において後述する測定を終えた基板１８０および基板ホルダ１９０を、測定部３６０のメインステージ３１２、３２２から、接合部３８０のメインステージ３１２、３２２まで搬送して移し換えることができる。

なお、積層基板製造システム１００のレイアウトによっては、アラインメント部３００に基板１８０および基板ホルダ１９０を搬入または搬出するロボットアーム１７２を用いてもよい。この場合は、アラインメント部３００のロボットアーム３９０は省略できる。

図１５ａ、図１５ｂ、図１５ｃおよび図１５ｄは、上記のような構造を有するアラインメント部３００における測定部３６０の動作を説明する図である。なお、図示のように、アラインメント部３００は、図１３および図１４では支柱３６１に隠れていた一対の干渉計３６６、３６８と、干渉計３６６、３６８に対向してメインステージ３１２、３２２の側面に装着された一対の反射鏡３６７とを更に備える。これら干渉計３６６、３６８および反射鏡３６７の作用については後述する。

まず、図１５ａに示すように、Ｘ駆動部３６２をそれぞれ動作させて、メインステージ３１２、３２２は、互いに異なる支柱３６１に接近した位置に移動される。これにより、メインステージ３１２の下面とメインステージ３２２の上面とが開放される。この状態で、メインステージ３１２、３２２の各々には、基板１８０を保持した基板ホルダ１９０が搭載される。

次に、図１５ｂに示すように、較正制御部１２２の制御の下に、下側のメインステージ３２２のＺ駆動部３６４を動作させてメインステージ３２２を上昇させる。これにより、メインステージ３２２に搭載された基準標識は、顕微鏡３７６、３７８の焦点Ｆと同じ高さになる。

続いて、Ｘ駆動部３６２を動作させて、基準標識３２１が顕微鏡３７６、３７８の視野に入る位置に、メインステージ３２２を移動させる。この状態で、共通の基準標識３２１を一対の顕微鏡３７６、３７８で観察することにより、較正制御部１２２は、一対の顕微鏡３７６、３７８の位置を精密に検知することができる。

なお、顕微鏡３７６、３７８は、それぞれ支柱３７４に固定されているが、温度等の環境条件、Ｙ駆動部３７２のトレランスによる支柱３７４の傾き等により、その位置が変化する場合がある。しかしながら、上記のようにして、アラインメントマーク１８４の位置測定に先立って共通の基準標識３２１を観察することにより、顕微鏡３７６、３７８の位置関係を把握できる。

次に、図１５ｃに示すように、Ｘ駆動部３６２を更に動作させてメインステージ３２２を移動させ、基板１８０のアラインメントマーク１８４を、上側の顕微鏡３７６の視野に入れさせる。なお、基準標識３２１と基板１８０の表面とは同じ高さに位置するので、基板１８０の表面は、上側の顕微鏡３７６の焦点面を通過する。

また、メインステージ３２２が移動する間は、反射鏡３６７および一方の干渉計３６８を用いて、メインステージ３２２の移動量を正確に計測する。これにより、基準標識３２１において構成した顕微鏡３７８の位置を基準にして、基板１８０のアラインメントマーク１８４の位置を測定できる。測定されたアラインメントマーク１８４の位置情報は、位置合わせ制御部１２４に格納される。

続いて、図１５ｄに示すように、下側のメインステージ３２２を当初の位置に戻す一方で、上側のメインステージ３１２を移動させる。即ち、まず、Ｚ駆動部３６４を動作させて、基板１８０の表面を、顕微鏡３７６、３７８の焦点Ｆと同じ高さに移動させる。続いて、Ｘ駆動部３６２を動作させて、基板１８０を一対の顕微鏡３７６、３７８の間に移動させる。

このとき、上側のメインステージ３１２の側に設けられた反射鏡３６７と干渉計３６６を用いて、メインステージ３１２の移動量を正確に測定できる。従って、下側の顕微鏡３７８で観察することにより、基板１８０のアラインメントマーク１８４の位置を正確に検知できる。測定されたアラインメントマーク１８４の位置情報は、位置合わせ制御部１２４に格納される。

こうして、位置合わせ制御部１２４が、一対の基板１８０の各々についてアラインメントマーク１８４の位置情報を獲得すると、基板１８０を保持した基板ホルダ１９０は、ロボットアーム３９０により、接合部３８０のメインステージ３１２、３２２に各々移し換えられる。一方、位置合わせ制御部１２４は、当該位置情報に基づいて、基板１８０を位置合わせする場合に求められる、接合部３８０の動作量を算出する。

基板１８０を保持した基板ホルダ１９０を装入された接合部３８０は、まず、Ｚ駆動部３８８を個別に動作させて、一対の基板１８０を平行にする。続いて、位置合わせ制御部１２４からの指示に基づいてＸ駆動部３８１、Ｙ駆動部３８２およびθ駆動部３８４を動作させて、対応するアラインメントマーク１８４の位置が一致するように一対の基板１８０を位置合わせする。更に、Ｚ駆動部３８８を同時に動作させて、一対の基板１８０を当接させ、更に高い圧力を印加することにより、一対の基板１８０を接合する。

なお、この態様におけるアラインメント部３００は、測定部３６０および接合部３８０をそれぞれ備えて、アラインメントマーク１８４の位置測定と、基板１８０の接合とを各々個別に実行する。このような構造により、測定部３６０においては、Ｘ駆動部３６２およびＺ駆動部３６４を小型化する一方、顕微鏡３７６、３７８の移動範囲を拡大することができる。また、接合部３８０においては、強度の高い大型部材を用いて、正確な位置合わせと高い圧力による基板１８０の接合を実行できる。しかしながら、部材の強度を確保できれば、測定部３６０の構造に、Ｙ駆動部３８２、θ駆動部３８４等を加えて位置合わせおよび接合まで実行させることもできる。

図１から図１５ｄに示す実施形態において、上ステージ部３１０等に保持される基板１８０を観察する顕微鏡が対向する下ステージ部３２０等に配置され、下ステージ部３２０等に保持される基板１８０を観察する顕微鏡が対向する上ステージ部３１０等に配置される。しかしながら、顕微鏡の配置はこれに限られない。上ステージ部３１０等に保持される基板１８０を観察する顕微鏡が同じ上ステージ部３１０等に配置され、下ステージ部３２０等に保持される基板１８０を観察する顕微鏡が同じ下ステージ部３２０等に配置されてもよい。この場合には、上ステージ部３１０に配される顕微鏡のレンズが上方を向くように配されるとともに、下ステージ部３２０に配される顕微鏡のレンズが下方を向くように配される。

図１から図１５ｄに示す実施形態において、上ステージ部３１０および下ステージ部３２０は移動可能であるが、いずれか一方が固定されており、他方が移動可能であってもよい。また、顕微鏡は、上ステージ部３１０および下ステージ部３２０に対して独立に移動可能であってもよい。この場合にアラインメントマーク１８４の観察時に上ステージ部３１０および下ステージ部３２０を停止しつつ顕微鏡が移動することにより、上ステージ部３１０および下ステージ部３２０の移動に要するスペースを節約できる。

以上、実施の形態を用いて本発明を説明したが、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得ることが当業者に明らかである。また、そのよう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、請求の範囲の記載から明らかである。

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。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積層基板製造システム、１０１筐体、１０２常温部、１１１、１１２、１１３基板カセット、１２０制御盤、１２２較正制御部、１２４位置合わせ制御部、１３０プリアライナ、１４２、２１０断熱壁、１４４、２２２、２２４シャッタ、１６０基板ホルダラック、１７１、１７２、２３０、３９０ロボットアーム、１８０基板、１８２ノッチ、１８４アラインメントマーク、１８６素子領域、１９０基板ホルダ、１９１溝、１９２留め具、２０２高温部、２２０エアロック、２４０加圧部、３００アラインメント部、３０１枠体、３０２天板、３０３底盤、３０４、３７４支柱、３０６底板、３１０上ステージ部、３１１スペーサ、３１２、３２２メインステージ、３１４、３２４サブステージ、３１６、３２６、３６７反射鏡、３１８、３２８、３７６、３７８顕微鏡、３２０下ステージ部、３２１基準標識、３２３貫通穴、３２９垂直アクチュエータ、３３０計測部、３３２、３３４、３６６、３６８干渉計、３４０、３５０駆動部、３４１、３５１、３６２、３８１Ｘ駆動部、３４２、３５２、３７２、３８２Ｙ駆動部、３４４、３８４ θ駆動部、３４６ φ駆動部、３４８、３６４、３８８Ｚ駆動部、３６０測定部、３６１支柱、３６３案内部、３７０顕微鏡ユニット、３８０接合部、３８３フレーム、３８９平板、３９２フォーク部、３９４アーム部、４２１支持枠、４２２透明基板、４２３不透明薄膜、４２５不透明基板、４２７ナイフエッジ

Claims

互いに対向する一対の基板の一方を保持する第１ステージと、
前記一対の基板の他方を保持する第２ステージと、
前記第２ステージに保持された基板のアラインメントマークを観察すべく移動する第１顕微鏡と、
前記第１ステージに保持された基板のアラインメントマークを観察すべく移動する第２顕微鏡と、
前記第２顕微鏡により観察したアラインメントマークの位置を示す第１位置情報と、前記第１顕微鏡により観察したアラインメントマークの位置を示す第２位置情報との差分に応じて前記第１ステージおよび前記第２ステージの少なくとも一方を移動させて、前記第１ステージおよび前記第２ステージに保持された一対の基板を位置合わせする位置合わせ制御部と
を備えるアラインメント装置。
前記位置合わせ制御部は、前記第１ステージおよび前記第２ステージを等しい移動量で移動させる請求項１に記載のアラインメント装置。
前記位置合わせ制御部は、前記第１ステージおよび前記第２ステージを、互いに異なる方向に移動させる請求項１に記載のアラインメント装置。
前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡から共通に観察される較正標識と、
前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡に前記較正標識を観察させて、前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡の相対位置を較正する較正制御部と
を更に備える請求項１に記載のアラインメント装置。
前記較正制御部は、前記第１ステージおよび前記第２ステージを等しい移動量で移動させる請求項４に記載のアラインメント装置。
前記較正制御部は、前記第１顕微鏡の視野に進入した前記較正標識を前記第２顕微鏡により観察して、前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡の相対位置を検出する請求項４に記載のアラインメント装置。
前記較正標識は、前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡の一方の焦点面に配され、
前記較正制御部は、前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡の他方を移動させて、当該顕微鏡の焦点を前記較正標識に合わせる請求項４に記載のアラインメント装置。
前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡のいずれかは、前記較正標識を通じて前記第２ステージおよび前記第１ステージのいずれかに保持された基板のアラインメントマークを観察する請求項４に記載のアラインメント装置。
前記第１顕微鏡は前記第１ステージと共に移動し、前記第２顕微鏡は前記第２ステージと共に移動する請求項１から８のいずれかに記載のアラインメント装置。
前記第１顕微鏡は、前記第２ステージに保持された前記基板における複数のアラインメントマークを観察し、
前記第２顕微鏡は、前記第１ステージに保持された前記基板における、前記第２ステージに保持された前記基板の複数の前記アラインメントマークに対応した、複数のアラインメントマークを観察し、
前記位置合わせ制御部は、前記第１顕微鏡および前記第２顕微鏡で観察された前記対応するアラインメントマーク間の誤差が、前記複数のアイランメントマーク間で統計的に小さくなるように前記第１ステージおよび前記第２ステージを移動させる請求項１から９のいずれかに記載のアラインメント装置。
互いに対向する一対の基板の一方を第１ステージに保持させる段階と、
前記一対の基板の他方を第２ステージに保持させる段階と、
前記第２ステージに保持された基板のアラインメントマークを、第１顕微鏡を移動させて観察して、当該アラインメントマークの位置を示す第２位置情報を検出する段階と、
前記第１ステージに保持された基板のアラインメントマークを、第２顕微鏡を移動させて観察して、当該アラインメントマークの位置を示す第１位置情報を検出する段階と、
前記第１位置情報および第２位置情報の差分に応じて前記第１ステージおよび前記第２ステージの少なくとも一方を移動させて、前記第１ステージおよび前記第２ステージに保持された一対の基板を位置合わせする段階と
を含むアラインメント方法。