特許 5799993 基板接合装置及び基板接合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5799993

(24)【登録日】2015年9月4日

(45)【発行日】2015年10月28日

(54)【発明の名称】基板接合装置及び基板接合方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/02 20060101AFI20151008BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/02 B

【請求項の数】7

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-169035(P2013-169035)

(22)【出願日】2013年8月16日

(62)【分割の表示】特願2007-99458(P2007-99458)の分割

【原出願日】2007年4月5日

(65)【公開番号】特開2014-13914(P2014-13914A)

(43)【公開日】2014年1月23日

【審査請求日】2013年9月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】田中 康明

(72)【発明者】

【氏名】前田 栄裕

【審査官】 ▲高▼須 甲斐

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−０９０３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３１３６８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０９３３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０８２４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１９０４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−０９７１１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

二つの基板を互いに接合する接合方法であって、
少なくとも一方の前記基板の少なくとも一部を凸にする段階と、
前記一方の基板の前記一部を他方の前記基板に接触させる段階と、
互いに接触した領域において前記二つの基板にかかる単位面積あたりの加圧力が予め定めた目標値となるように互いに接触した前記二つの基板を加圧し、その加圧力によって前記一方の基板の前記一部の形状を変化させることにより、前記二つの基板の接触面積が前記一方の基板の前記一部から広がるように前記二つの基板を互いに接合する段階と、
を含む接合方法。

【請求項2】

少なくとも前記二つの基板を含む空間を真空にする段階を備え、
前記空間を真空にした状態で、前記二つの基板の接触面積が前記一方の基板の前記一部から広がるように前記二つの基板を互いに接合する請求項１に記載の接合方法。

【請求項3】

前記接触面積を測定する段階と、
前記二つの基板の少なくとも一方を保持する基板保持手段に作用させる力を前記接触面積にしたがって制御する段階と、
を有する請求項１または請求項２に記載の接合方法。

【請求項4】

前記二つの基板の画像を取得することにより前記接触面積を測定する請求項３に記載の接合方法。

【請求項5】

前記二つの基板の距離に基づいて前記接触面積を推定する請求項３の記載の接合方法。

【請求項6】

前記二つの基板の一方を保持する第１の基板保持手段、および、他方の前記基板を保持する第２の基板保持手段の少なくとも一方の位置に基づいて前記接触面積を推定する請求項３に記載の接合方法。

【請求項7】

二つの基板を互いに接合する接合装置であって、
一方の前記基板を保持する第１の基板保持手段と、
他方の前記基板を保持する第２の基板保持手段と、
前記第１の基板保持手段および前記第２の基板保持手段の少なくとも一方を移動させる昇降部と、
を備え、
少なくとも前記第１の基板保持手段は、前記二つの基板を互いに接合する際に前記一方の基板の一部が前記他方の基板に最初に接触するように、前記一方の基板の少なくとも前記一部を凸にし、
前記昇降部は、前記第１の基板保持手段および前記第２の基板保持手段の少なくとも一方を移動させることにより、互いに接触した領域において前記二つの基板にかかる単位面積あたりの加圧力が予め定めた目標値となるように互いに接触した前記二つの基板を加圧し、その加圧力によって前記一方の基板の前記一部の形状を変化させることにより、前記二つの基板の接触面積が前記一方の基板の前記一部から広がるように前記二つの基板を互いに接合する接合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の基板を位置合わせして接合させる基板接合装置及び基板接合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体集積回路を使用するノートパソコンや携帯電話などは、近年、ますます高度の機
能を備えるようになっている。この結果、半導体集積回路の高密度化、高機能化の要求が
高まっている。

【0003】

半導体集積回路の高密度化、高機能化のための一つの方法は、ウエハなどの基板を接合
し、基板を積層させることである。

【0004】

基板を接合させる場合には、たとえば、ウエハの電極同士を接合させる必要があるので
、互いに位置合わせして接合させる必要がある。基板を位置合わせして接合させるには、
一対の基板保持手段を備える基板接合装置を使用する。ここで、接合させる基板を第１お
よび第２の基板とする。まず、第１および第２の基板を、それぞれ一対の基板保持手段に
位置合わせして保持させる。つぎに、一対の基板保持手段を位置合わせした状態で、一対
の基板保持手段の少なくとも一方を移動させることによって第１および第２の基板を接合
させる。

【0005】

上記のような基板接合装置は、たとえば、特許文献１に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００５−３０２８５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、上記のような基板接合装置によって基板を接合させる際に、基板（たとえば、
ウエハ）表面の平坦度のばらつきや塗布した樹脂の厚みむらなどにより、接合した基板の
間に空気だまり（ボイド）が発生することがある。このような空気だまりを発生させない
ように、基板表面の中央部分が凸になるような状態で基板を接触させ、中央部分から徐々
に接触面積を広げる接合方法が知られている。ところが、基板表面の中央部分が凸になる
ような状態で接合を行った場合、接合のために加える力が中央部分（接触部分）のみに集
中し、基板の面全体にわたり接合が均一に行われないという問題があった。

【0008】

そこで、接合した基板の間に空気だまりが発生しないようにしながら、基板の面全体に
わたり接合を均一に行うことのできる基板接合装置、基板接合方法および基板ホルダに対
するニーズがある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明による基板接合装置は、二つの基板を互いに接合する接合装置であって、一方の前記基板を保持する第１の基板保持手段と、他方の前記基板を保持する第２の基板保持手段と、を備え、少なくとも前記二つの基板を含む空間が真空にされており、少なくとも前記第１の基板保持手段は、前記二つの基板を互いに接合する際に前記一方の基板の一部が前記他方の基板に最初に接触し、前記二つの基板の接触面積が前記一方の基板の前記一部から広がるように、前記一方の基板の少なくとも前記一部を凸にすることを特徴とする。

【0010】

本発明による基板接合装置によれば、制御手段は、基板の接触面積にしたがって第１お
よび第２の基板保持手段に作用させる力を制御するので、接合のために加える力が接触部
分のみに集中することはなく、基板の面全体にわたり接合を均一に行うことができる。

【0011】

本発明による基板接合方法は、二つの基板を互いに接合する接合方法であって、少なくとも一方の前記基板の少なくとも一部を凸にする段階と、前記一方の基板の前記一部を他方の前記基板に接触させる段階と、少なくとも前記二つの基板を含む空間を真空にする段階と、前記空間を真空にした状態で、前記二つの基板の接触面積が前記一方の基板の前記一部から広がるように前記二つの基板を互いに接合する段階と、を含むことを特徴とする。

【0012】

本発明による基板接合方法によれば、基板の接触面積にしたがって第１および第２の基
板保持手段に作用させる力を制御するので、接合のために加える力が接触部分のみに集中
することはなく、基板の面全体にわたり接合を均一に行うことができる。

【0013】

本発明の参考形態による基板接合装置用基板ホルダは、基板を保持する面の周縁部の少なくとも一部を除く領域に凸の部分を有し、基板を保持する面に弾性材料を備えたことを特徴とする。

【0014】

本発明の参考形態による基板接合装置用基板ホルダは、基板を保持する面に弾性材料を備えているので、基板面の一部のみが接触した場合に、弾性材料が変形し、基板の形状が変化するので、基板面の接触した部分のみに過大な力が作用するのを防止できる。

【0015】

本発明の参考形態による基板接合装置用基板ホルダは、基板を保持する面の周縁部の少なくとも一部を除く領域に凸の部分を有し、気体または液体を充填した、中空部を備えたことを特徴とする。

【0016】

本発明の参考形態による基板接合装置用基板ホルダは、気体または液体を充填した、中空部を備えているので、基板面の一部のみが接触した場合に、中空部内の気体または液体の圧力は均一となるので、基板面の接触した部分のみにおいて圧力が過大になるのが防止される。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、接合した基板の間に空気だまりが発生しないようにしながら、基板の面全体にわたり接合を均一に行うことのできる基板接合装置及び基板接合方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態による、基板接合装置の構成を示す図である。

【図2】本発明の一実施形態による、加圧装置および制御装置の詳細な構成を示す図である。

【図3】本発明の一実施形態による第１の基板ホルダおよび第２の基板ホルダの構成を示す図である。

【図4】本発明の他の実施形態による第１の基板ホルダおよび第２の基板ホルダの構成を示す図である。

【図5】本発明の一実施形態による基板接合方法を示す流れ図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１は、本発明の一実施形態による、基板接合装置の構成を示す図である。本実施形態
による基板接合装置は、上部フレーム３０１と下部フレーム３０３とを備える。上部フレ
ーム３０１に第１のプレート１０３が設置され、第１のプレート１０３に第１の基板ホル
ダ１０１が設置される。第１の基板ホルダ１０１は、第１の基板Ｗ１を保持する。下部フ
レーム３０３に加圧装置２５０が設置され、加圧装置２５０に第２のプレート２０３が備
わり、第２のプレート２０３に第２の基板ホルダ２０１が設置される。第２の基板ホルダ
２０１は、第２の基板Ｗ２を保持する。

【0020】

加圧装置２５０が第２のプレート２０３を上昇させることにより、第２の基板ホルダ２
０１が上昇し、第１の基板ホルダ１０１に保持された第１の基板Ｗ１と第２の基板ホルダ
２０１に保持された第２の基板Ｗ２とが接合される。基板がウエハである場合に、予めウ
エハの接合面に樹脂を塗布しておき、ウエハによって樹脂を挟み込むことでウエハを接合
してもよい。なお、本明細書および特許請求の範囲において「加圧」とは、基板を最初に
接合するために基板に力を加えることをいう。

【0021】

さらに、本実施形態による基板接合装置は、加圧装置２５０を制御するための制御装置
３００を備える。

【0022】

基板接合装置の第１の基板ホルダ１０１および第２の基板ホルダ２０１を含む空間Ｓを
密閉して、真空度を上げてもよい。真空度を上げれば、接合の際に基板の間の空気だまり
が生じにくくなる。

【0023】

図２は、本発明の一実施形態による、加圧装置２５０および制御装置３００の詳細な構
成を示す図である。加圧装置２５０は、ベース部２５１と昇降部２５３とからなり、昇降
部２５３には、第２のプレート２０３が備わる。制御装置３００は、電空レギュレータ３
０１と加圧力設定装置３０３とからなる。加圧装置２５０のベース部２５１の内部の圧力
を変化させ、昇降部２５３を昇降させる。制御装置３００によって、ベース部２５１の内
部の圧力を制御する。具体的には、制御装置３００の加圧力設定装置３０３が設定した加
圧力を実現するように、制御装置３００の電空レギュレータ３０１がベース部２５１の内
部の圧力を制御する。

【0024】

昇降部２５３は、ストロークガイド２０７に沿って昇降するように構成されており、ス
トロークガイド２０７には昇降部２５３の位置を検出するための位置測定器（たとえば、
リニアガイドなど）３０５が設置されている。位置測定器３０５によって測定された位置
の測定値は、制御装置３００の加圧力設定装置３０３に送られる。加圧力設定装置３０３
については、後で詳細に説明する。

【0025】

加圧装置２５０のベース部２５１を支持するようにロードセル３０７を設置し、加圧装
置２５０による加圧力を測定するようにしてもよい。電空レギュレータ３０１は、ロード
セル３０７によって測定された加圧力の測定値を使用して加圧力を制御してもよい。

【0026】

加圧装置２５０の駆動源は、モータなど他のものであってもよい。また、加圧装置によ
って第１の基板ホルダ１０１を昇降させるように構成してもよい。

【0027】

図３は、本発明の一実施形態による第１の基板ホルダ１０１Ａおよび第２の基板ホルダ
２０１Ａの構成を示す図である。第１の基板ホルダ１０１Ａおよび第２の基板ホルダ２０
１Ａは、静電チャックまたは真空チャックによって基板を保持するように構成してもよい
。

【0028】

第１の基板ホルダ１０１Ａの基板を保持する面は平面であるが、第２の基板ホルダ１０
２Ａの基板を保持する面は中央部分が凸になるように構成されている。このため、基板を
接合する際に、第２の基板ホルダ１０２Ａに保持される第２の基板Ｗ２の中央部分が凸に
なるので、第２の基板Ｗ２の中央部分と第１の基板Ｗ１の中央部分とが最初に接触し、次
第に接触面積が広がるように接合される。基板の接合が円滑に行われるように、第２の基
板ホルダ１０２の基板を保持する面の曲率は面全体にわたり大きく変化しないのが好まし
い。基板を保持する面の曲率は、空気だまりを生じることなく基板の接合が円滑に行われ
るように定める。

【0029】

他の実施形態において、第１の基板ホルダ１０１Ａの基板を保持する面の中央部分が凸
になるように構成してもよい。あるいは、両方の基板ホルダの基板を保持する面の中央部
分が凸になるように構成してもよい。

【0030】

さらに、一方または両方の基板ホルダの基板を保持する面の周縁部の少なくとも一部を
除く部分が凸になるように構成し、基板を接合させる際に、該凸の部分に対応する基板の
部分が最初に接触し、凸でない周縁部の少なくとも一部から空気が除かれるようにしても
よい。

【0031】

また、図３に示すように、第１の基板ホルダ１０１Ａおよび第２の基板ホルダ２０１Ａ
の基板を保持する面は、弾性材料１０１１および２０１１を備える。本実施形態によれば
、基板面の一部のみが接触した場合に、第１の基板ホルダ１０１Ａの弾性材料１０１１お
よび第２の基板ホルダ２０１Ａの弾性材料２０１１が変形し、基板の形状が変化するので
、基板面の接触した部分のみに過大な力が作用するのを防止できる。弾性材料１０１１お
よび２０１１は、導電性のフィラー、樹脂、銅など柔らかい金属の箔などである。弾性材
料１０１１、２０１１の材質および厚さは、弾性率などを考慮して基板面の一部のみが接
触した状態で、基板面の接触した部分に過大な力がかからないように定める。

【0032】

他の実施形態において、一方の基板ホルダのみが弾性材料を備えてもよい。

【0033】

このように、基板を保持する面の中央部分が凸になるように構成し、基板を保持する面
に弾性材料を備えた基板ホルダを使用して接合を行えば、基板面の一部のみが接触した場
合に、基板の弾性材料が変形し、基板の形状が変化するので、基板面の接触した部分のみ
に過大な力が作用するのを防止できる。

【0034】

図４は、本発明の他の実施形態による第１の基板ホルダ１０１Ｂおよび第２の基板ホル
ダ２０１Ｂの構成を示す図である。図３に示した実施形態と同様に、第１の基板ホルダ１
０１Ｂの基板を保持する面は平面であるが、第２の基板ホルダ２０１Ｂの基板を保持する
面の中央部分が凸になるように構成されている。本実施形態において、第２の基板ホルダ
２０１Ｂは中空部２０１３を備える。中空部２０１３には、所定の圧力を有するように気
体または液体を充填する。本実施形態によれば、基板面の一部のみが接触した場合に、中
空部２０１３内の気体または液体の圧力は均一となるので、基板面の接触した部分のみに
おいて圧力が過大になるのが防止される。

【0035】

他の実施形態において、第１の基板ホルダ１０１Ｂの基板を保持する面の中央部分が凸
になるように構成してもよい。あるいは、両方の基板ホルダの基板を保持する面の中央部
分が凸になるように構成してもよい。

【0036】

さらに、一方または両方の基板ホルダの基板を保持する面の周縁部の少なくとも一部を
除く部分が凸になるように構成し、基板を接合させる際に、該凸の部分に対応する基板の
部分が最初に接触し、凸でない周縁部の少なくとも一部から空気が除かれるようにしても
よい。

【0037】

また、第１の基板ホルダ１０１Ｂが中空部を備えるように構成してもよい。あるいは、
両方の基板ホルダが中空部を備えるように構成してもよい。

【0038】

このように、基板を保持する面の中央部分が凸になるように構成し、所定の圧力を有す
る気体または液体を充填した、中空部を備えた基板ホルダを使用して接合を行えば、中空
部内の気体または流体の圧力は均一となるので、接触面の局所において圧力が過大になる
のが防止される。

【0039】

図５は、本発明の一実施形態による基板接合方法を示す流れ図である。

【0040】

図５のステップＳ５０１０において、第１の基板Ｗ１および第２の基板Ｗ２を、第１の
基板ホルダ１０１および第２の基板ホルダ２０１に保持させる。ここで、第１基板Ｗ１お
よび第２の基板Ｗ２の各々は、既に接合された複数の基板の組であってもよい。基板ホル
ダと基板とをフィデューシャルマークなどを使用して予め位置合わせしておいてもよい。

【0041】

図５のステップＳ５０２０において、制御装置３００が加圧装置２５０を駆動して、第
１の基板Ｗ１および第２の基板Ｗ２が互いに接触するまで、第１の基板ホルダ１０１およ
び第２の基板ホルダ２０１を接近させる。

【0042】

図５のステップＳ５０３０において、制御装置３００の加圧力設定装置３０３が第１の
基板ホルダ１０１および第２の基板ホルダ２０１に作用させる力の目標値を求める。第１
の基板ホルダ１０１および第２の基板ホルダ２０１に作用させる力の目標値は、基板の接
触面積が変化する間に、常に単位面積あたりの加圧力（圧力）が所望の値となるように定
める。圧力が所望の値となるようにするには、基板の接触面積を推定し、推定した接触面
積に所望の圧力値を乗じて加圧力を定めればよい。ここで、所望の圧力値は経験値から定
めてもよい。

【0043】

以下に、加圧力設定装置３０３の機能を詳細に説明する。

【0044】

加圧力設定装置３０３は、第１の基板ホルダ１０１および第２の基板ホルダ２０１に作
用させる力の目標値を求める際に、第２の基板ホルダ２０１の位置から接触面積を推定し
てもよい。第１の基板ホルダ１０１の位置は固定であり既知である。また、第１および第
２の基板ホルダならびに基板の寸法および弾性率などの物理的性質は既知である。したが
って、第２の基板ホルダ２０１の位置がわかれば、接触による基板の変形および接触面積
を推定することができる。

【0045】

具体的に、加圧力設定装置３０３は、ストロークガイド２０７に設置された、昇降部２
５３の位置を検出するための位置検出器（たとえば、リニアガイドなど）３０５からの位
置の測定値により、第２の基板ホルダ２０１の位置を求め、第２の基板ホルダ２０１の位
置から基板の接触面積を推定する。

【0046】

また、他の実施形態において、加圧力設定装置３０３は、第１の基板ホルダ１０１およ
び第２の基板ホルダ２０１の一方または両方に取り付けたレーザ距離計などの距離センサ
により、第１の基板ホルダ１０１および第２の基板ホルダ２０１の間の距離を測定し、該
距離から基板の接触面積を推定してもよい。

【0047】

さらに、基板がガラス基板のような透明な基板である他の実施形態において、第１の基
板ホルダ１０１および第２の基板ホルダ２０１の材質も透明な材質とし、加圧力設定装置
３０３は、基板接触部分の画像を取得することにより、直接接触面積を測定してもよい。

【0048】

加圧力設定装置３０３は、推定した接触面積に所望の圧力値を乗じて、加圧力の目標値
を求め、電空レギュレータ３０１に設定する。ここで、所望の圧力値は、接触面積にかか
わらず一定としてもよい。あるいは、接触面積にしたがって変化させてもよい。

【0049】

図５のステップＳ５０４０において、制御装置３００の電空レギュレータ３０１が、加
圧力の目標値にしたがって第１の基板ホルダ１０１および第２の基板ホルダ２０１に作用
させる力を制御する。

【0050】

本実施形態の基板接合方法によれば、基板の接触面に所望の圧力値を作用することがで
きるので、空気だまりを発生させないように、基板の一部のみを最初に接触させて接触面
積を広げるように基板の接合を行っても、基板の接触面に過度の圧力が作用するのが防止
される。

【0051】

このように本発明によれば、接合した基板の間に空気だまりが発生しないようにしなが
ら、基板の面全体にわたり接合を均一に行うことのできる基板接合装置、基板接合方法お
よび基板ホルダが得られる。

【0052】

本発明の一実施形態は、第１および第２の基板保持手段の少なくとも一方の基板を保持
する面の中央部分が凸であることを特徴とする。

【0053】

本実施形態によれば、基板の中央部分から接触面積を徐々に広げて基板間に空気だまり
を生じさせないように接合を行うことができる。

【0054】

本発明の他の実施形態は、第１および第２の基板保持手段の少なくとも一方が、弾性材
料を備えたことを特徴とする。

【0055】

本実施形態によれば、基板面の一部のみが接触した場合に、弾性材料が変形し、基板の
形状が変化するので、基板面の接触した部分のみに過大な力が作用するのを防止できる。

【0056】

本発明の他の実施形態は、第１および第２の基板保持手段の少なくとも一方が、中空部
を備えたことを特徴とする。

【0057】

本実施形態によれば、基板面の一部のみが接触した場合に、中空部内の気体または液体
の圧力は均一となるので、基板面の接触した部分のみにおいて圧力が過大になるのが防止
される。

【0058】

本発明の他の実施形態は、第１および第２の基板保持手段の位置にしたがって、基板面
の接触面積が推定されることを特徴とする。

【0059】

本実施形態によれば、第１および第２の基板保持手段の位置にしたがって、基板面の接
触面積を、確実かつ容易に推定される。

【符号の説明】

【0060】

１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ…第１の基板ホルダ、２０１，２０１Ａ，２０１Ｂ…第２の
基板ホルダ、２５０…加圧装置、３００…制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】