特許 7585001 ウェハ接合装置

(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】

(24)【登録日】2024-11-08

(45)【発行日】2024-11-18

(54)【発明の名称】ウェハ接合装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/02 20060101AFI20241111BHJP

   H01L 21/683 20060101ALI20241111BHJP

【ＦＩ】

H01L21/02 B

H01L21/68 N

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020190872

(22)【出願日】2020-11-17

(65)【公開番号】P2022079965

(43)【公開日】2022-05-27

【審査請求日】2023-08-15

(73)【特許権者】

【識別番号】390019839

【氏名又は名称】三星電子株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ－ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ－ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】諸石 史孝

(72)【発明者】

【氏名】梶並 将人

(72)【発明者】

【氏名】杉浦 貴優

【審査官】小池 英敏

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１２９１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１４１９７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１６８０８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１１５６８４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／０２

Ｈ０１Ｌ ２１／６８３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ウェハを保持する面の中央に穴を有する第１チャックと，
第２チャックと，
前記第２チャック全体が昇降する機構と，
前記穴を介してウェハを第２チャック方向に押圧する押圧部と，
前記押圧部と前記第１チャックとの間に設けられ，前記保持する面方向での前記押圧部の位置ずれを抑えるエアベアリングと，を備えるウェハ接合装置。

【請求項2】

前記押圧部は，ウェハ裏面の接触を検出するフォースセンサを有する請求項１に記載のウェハ接合装置。

【請求項3】

第１チャックに保持される第１ウェハと第２チャックに保持される第２ウェハが成す傾きを検出するセンサと，
前記傾きに基づいて前記第１ウェハと前記第２ウェハが並行になるように第２チャックの傾きを調整するチルトステージとを備える請求項１または２に記載のウェハ接合装置。

【請求項4】

第２チャックに保持されたウェハのアライメントを検出するカメラと，
第２チャックを移動する移動ステージと，
前記カメラの検出結果に基づいて，第２チャックの位置を第１チャックに合わせるように移動ステージを移動させるコントローラと，を備える請求項１から３のいずれかに記載のウェハ接合装置。

【請求項5】

前記移動ステージは，ＸＹ方向に移動するＸＹステージを備え，
前記ＸＹステージは，第２ウェハのアライメントマークの位置に基づいてウェハの位置を合わせる請求項４に記載のウェハ接合装置。

【請求項6】

前記移動ステージは，Ｚ方向に移動するＺステージを備え，
前記カメラは，Ｚ方向での移動において，前記第２ウェハのアライメントマークを撮像し，
前記ＸＹステージは，Ｚ方向での移動前後でのアライメントマークの位置変化に基づいてウェハのＸＹ方向の位置を合わせる請求項５に記載のウェハ接合装置。

【請求項7】

前記カメラより広視野を有する広視野カメラを備え，前記広視野カメラは，第１ウェハを第２ウェハに押し付けた後のウェハの接合部の伝搬状態を撮像し，
前記押圧部は，ウェハ押し付け時間を状態により可変させる請求項４から６のいずれかに記載のウェハ接合装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はウェハ接合装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体ウェハに対して，接合面をプラズマ等で活性化させ，接合面を向かい合わせた状態で上下に配置し接合する方式が行われている。この半導体ウェハを接合するとき，大気圧中ではウェハとウェハの間に空気層が介在し，接合後にボイドが多く発生してしまう原因になる。そこで，一方のウェハの中心部を押圧し，ウェハを変形させて間の空気を排出しながら接合する方式が用いられている。

【0003】

また近年，半導体配線ピッチの微細化により，サブミクロン精度での接合を要求されている。ウェハを接合させる中心部を押圧する過程で，２つのウェハの一方を押圧するとウェハ形状に伸縮が生じる。このようにウェハに伸縮が発生した状態でウェハ同士を接合すると，中心部から外周部にかけて位置ずれが発生してしまう。この位置ずれは，外周部付近では１ミクロン以上となってしまう。

【0004】

したがって，このウェハの伸縮を小さくするために，接合するウェハとウェハのギャップを狭くして接合することが必要になってきている。

【0005】

また，２つのウェハの伸縮を均一にさせることにより，伸縮による位置ずれを抑えることができる。しかし，２つのプッシャーが正対しておらず，２つのウェハが押された位置がずれていると接合後の位置ずれが起こってしまう。

【0006】

また，ウェハ間のギャップを狭くするのでウェハ間の傾きがあるとウェハの周辺部が接触し，接合したときにボイドが発生する可能性がある。よって特許文献１，特許文献２では補正機構が提案されている。このようなロードセルによる荷重値によって傾きを検出しウェハ保持部の傾きを補正する機構がある。この機構は荷重値によってウェハ保持部の平行を補正する場合，実際に接合するときはいくらかのギャップがあり，平行を補正した位置とは状態が異なる場合がある。

【0007】

また，ウェハをプッシャーが押圧して接合する際，ウェハは中央から外周部にかけて段階的に接合されるが，ウェハ表面状態やプラズマの照射状態の違いなどにより，接合界面が中央から外周に向けて伝搬していく速度は異なる。そこで従来はウェハの押し付け時間は余裕を持って長くする必要があり，生産性が悪くなる。

【0008】

また，真空中で接合を行えば，ウェハとウェハの間の空気層が存在しないため，中央部を押圧せず接合することが可能だが，生産性が悪く設備価格も大幅に増大してしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】特許第６４４８８４８号公報

【文献】国際公開第２０１０／０５８４８１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

このように，接合するウェハの湾曲状態，平行度を正確に制御し，ウェハのひずみによる位置ずれを抑え，高精度なボンディングとボイドのない接合ができ，かつウェハの接合状況を監視することにより生産性を向上させることができるウェハ接合装置が求められている。

【課題を解決するための手段】

【0011】

一実施形態のウェハ接合装置は，ウェハを保持する面の中央に穴を有する第１チャックと，第２チャックと，前記穴を介してウェハを第２チャック方向に押圧する押圧部と，前記押圧部と前記第１チャックとの間に設けられ，前記保持する面方向での前記押圧部の位置ずれを抑えるエアベアリングと，を備えるようにした。

【0012】

一実施形態のウェハ接合装置によれば，ウェハのひずみによる位置ずれを抑え，高精度なボンディングとボイドのない接合ができきる。

【0013】

一実施形態のウェハ接合装置は，前記押圧部は，ウェハ裏面の接触を検出するフォースセンサを有するようにしてもよい。

【0014】

一実施形態のウェハ接合装置によれば，エアベアリングによる摺動摩擦による抵抗がないため，ウェハをチャックしたチャック面を微細に検出することができ，ウェハ間のギャップをより精密に管理することができるので，ひずみの差異を抑えることができ，高精度に接合できる。

【0015】

一実施形態のウェハ接合装置は，第１チャックに保持される第１ウェハと第２チャックに保持される第２ウェハが成す傾きを検出するセンサと，前記傾きに基づいて前記第１ウェハと前記第２ウェハが並行になるように第２チャックの傾きを調整するチルトステージとを備えるようにしてもよい。

【0016】

一実施形態のウェハ接合装置によれば，ボイドの発生と位置ずれを抑えることができる。

【0017】

一実施形態のウェハ接合装置は，第２チャックに保持されたウェハのアライメントを検出するカメラと，第２チャックを移動する移動ステージと，前記カメラの検出結果に基づいて，第２チャックの位置を第２チャックに合わせるように移動ステージを移動させるコントローラと，を備えるようにしてもよい。

【0018】

一実施形態のウェハ接合装置によれば，ウェハのひずみによる位置ずれを抑え，高精度なボンディングとボイドのない接合ができる。

【0019】

一実施形態のウェハ接合装置は，前記移動ステージは，ＸＹ方向に移動するＸＹステージを備え，前記ＸＹステージは，前記第２ウェハのアライメントマークの位置に基づいてウェハの位置を合わせるようにしてもよい。

【0020】

一実施形態のウェハ接合装置によれば，水平位置（ＸＹ方向）のアライメントができる。

【0021】

一実施形態のウェハ接合装置は，前記移動ステージは，Ｚ方向に移動するＺステージを備え，前記カメラは，Ｚ方向での移動において，前記第２ウェハのアライメントマークを撮像し，前記ＸＹステージは，Ｚ方向での移動前後でのアライメントマークの位置変化に基づいてウェハのＸＹ方向の位置を合わせるようにしてもよい。

【0022】

一実施形態のウェハ接合装置によれば，Ｚ駆動軸の水平位置（ＸＹ方向）の再現性のエラーを補正する機能により，高精度にアライメントできる。

【0023】

一実施形態のウェハ接合装置は，前記カメラより広視野を有する広視野カメラを備え，前記広視野カメラは，第１ウェハを第２ウェハに押し付けた後のウェハの接合部の伝搬状態を撮像し，前記押圧部は，ウェハ押し付け時間を状態により可変させるようにしてもよい。

【0024】

一実施形態のウェハ接合装置によれば，ウェハ押し付け後のウェハの接合部の伝搬状態を観察し，ウェハ押し付け時間を状態により可変させることにより生産性高くすることが可能になる。また，接合部にコンタミなどの混入がある場合，ウェハ接合伝搬速度が異常に遅くなるので伝搬時間を管理することにより，接合不良を早期に検出することが可能になる。

【発明の効果】

【0025】

本発明のウェハ接合装置によれば，接合するウェハの湾曲状態，平行度を正確に制御し，ウェハのひずみによる位置ずれを抑え，高精度なボンディングとボイドのない接合ができ，かつウェハの接合状況を監視することにより生産性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】実施の形態１にかかるウェハ接合装置の一例を示す断面図である。

【図2】実施の形態１にかかるウェハ接合装置の一例を示す斜視図である。

【図3】実施の形態１にかかるウェハ接合装置の一例を示す斜視図である。

【図4】ウェハ接合装置の動作の一例を示す略図である。

【図5】ウェハ接合装置の動作の一例を示す略図である。

【図6】実施の形態１にかかるウェハ接合装置のチルトステージ１１１の概略構成を示す斜視図である。

【図7】実施の形態１にかかるウェハ接合装置のアライメントの一例を示す略図である。

【図8】実施の形態１のウェハ接合装置の動作の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0027】

実施の形態１
以下，図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は，実施の形態１にかかるウェハ接合装置の一例を示す断面図である。また，図２及び図３は，実施の形態１にかかるウェハ接合装置の一例を示す斜視図である。

【0028】

図１において，ウェハ接合装置１００は，第１チャック１０１と，第２チャック１０２と，プッシャー１０３－１，１０３－２と，エアベアリング１０４－１，１０４－２と，ロードセル１０５－１，１０５－２と，第１カメラ１０６と，第２カメラ１０７－１，１０７－２と，センサ１０８と，ＸＹＺステージ１０９－１，１０９－２と，シータステージ１１０と，チルトステージ１１１と，Ｚステージ１１２と，ＸＹステージ１１３とを備える。ウェハステージ１１４は，シータステージ１１０，チルトステージ１１１，Ｚステージ１１２及びＸＹステージ１１３を備える。

【0029】

第１チャック１０１は，ウェハを保持する面の中央に穴を有するチャックである。図１では，第１チャック１０１は上部（Ｚ軸方向からみて正より）のチャックである。第１チャック１０１は，第１ウェハを保持する。

【0030】

第２チャック１０２は，ウェハを保持する面の中央に穴を有するチャックである。第２チャック１０２は下部（Ｚ軸方向からみて負より）のチャックである。第２チャック１０２は，第２ウェハを保持する。

【0031】

プッシャー１０３－１は，第１チャック１０１の穴を介して第１ウェハ１２１を第２チャック１０２方向に押圧するプッシャーである。プッシャー１０３－２は，第２チャック１０２の穴を介して第２ウェハ１２２を第１チャック１０１方向に押圧するプッシャーである。このようにプッシャー１０３－１，１０３－２は，押圧部として機能する。

【0032】

エアベアリング１０４－１は，第１チャック１０１中央の穴において，プッシャー１０３－１と第１チャック１０１との間に設けられ，第１チャック１０１がウェハを保持する面方向でのプッシャー１０３－１の位置ずれを抑えるエアベアリングである。同様にエアベアリング１０４－２は，第２チャック１０２中央の穴において，プッシャー１０３－２と第１チャック１０１との間に設けられ，第２チャック１０２がウェハを保持する面方向でのプッシャー１０３－２の位置ずれを抑えるエアベアリングである。

【0033】

ロードセル１０５－１は，プッシャー１０３－１が第１ウェハ１２１を押圧する荷重を計測するフォースセンサである。ロードセル１０５－１はプッシャー１０３－１の先端に設けられている。同様に，１０５－２は，プッシャー１０３－２が第２ウェハ１２２を押圧する荷重を計測するフォースセンサである。ロードセル１０５－２はプッシャー１０３－２の先端に設けられている。

【0034】

第１カメラ１０６は，ウェハの接合状況を監視するカメラである。例えば，第１カメラ１０６は，InGaAsイメージセンサを備える。第１カメラ１０６の詳細は後述する。

【0035】

第２カメラ１０７－１，１０７－２は，ウェハのアライメントを監視するカメラである。例えば，第２カメラ１０７－１，１０７－２は，InGaAsイメージセンサを備える。第２カメラ１０７－１，１０７－２の詳細は後述する。

【0036】

センサ１０８は，第１ウェハ１２１と第２ウェハ１２２の傾き（すなわち第１ウェハ１２１と第２ウェハ１２２が成す角度）を検知するセンサである。

【0037】

ＸＹＺステージ１０９－１は，第２カメラ１０７－１をＸＹＺ方向に移動させるステージである。同様にＸＹＺステージ１０９－２は，第２カメラ１０７－２をＸＹＺ方向に移動させるステージである。

【0038】

シータステージ１１０は，Ｚ軸を中心軸として第２チャック１０２をＸＹ面で回転するステージである。

【0039】

チルトステージ１１１は，第２チャック１０２のＺ軸に対するチルト角を変化させるステージである。

【0040】

Ｚステージ１１２は，第２チャック１０２をＺ軸に移動させるステージである。
ＸＹステージ１１３は，第２チャック１０２をＸＹ面で移動させるステージである。

【0041】

これらの構成は図示しないコントローラにより制御される。制御の詳細は後述する。次に，ウェハ接合について説明する。図４は，ウェハ接合装置の動作の一例を示す略図である。図４では，第１チャック側からプッシャー１０３－１が押圧する例について説明する。

【0042】

まず，図４の（１）に示すように，外部搬送機構から搬送された２つのウェハの接合面を向かい合わせ，第１チャック１０１及び第２チャック１０２にそれぞれウェハを保持させる。

【0043】

次に，図４の（２）において，第１チャック１０１及び第２チャック１０２により，第１ウェハ１２１と第２ウェハ１２２の位置合わせが行われる。

【0044】

そして，図４の（３）に示すように，プッシャー１０３－１が第１ウェハ１２１の中央を押圧する。この押圧により第１ウェハ１２１の中央が第２ウェハに接する。

【0045】

そして図４の（４）に示すように第１ウェハ１２１全体が第２ウェハに接する。

【0046】

なお，第１チャック１０１と第２チャック１０２の両方からプッシャー１０３－１，１０３－２で各ウェハを押圧する場合，図５の様になる。

【0047】

まず，図５の（１）に示すように，外部搬送機構から搬送された２つのウェハの接合面を向かい合わせ，第１チャック１０１及び第２チャック１０２にそれぞれウェハを保持させる。

【0048】

次に，図５の（２）において，第１チャック１０１及び第２チャック１０２により，第１ウェハ１２１と第２ウェハ１２２の位置合わせが行われる。

【0049】

そして，図５の（３）に示すように，プッシャー１０３－１が第１ウェハ１２１の中央を押圧するとともに，プッシャー１０３－２が第２ウェハ１２２の中央を押圧する。

【0050】

そして，図５の（４）に示すように，この押圧により第１ウェハ１２１の中央が第２ウェハに接する。

【0051】

そして図５の（５）に示すように第１ウェハ１２１全体が第２ウェハに接する。

【0052】

このように，ウェハの中央を押圧することにより，ウェハ同士の中央を接触させ，その後ウェハ全体を接合する。次に，ウェハの位置合わせについて説明する。

【0053】

次に，ウェハの傾き補正について説明する。

【0054】

図示しない外部搬送機構から搬送されたウェハを，接合面を向い合せた状態で第１チャック１０１，第２チャック１０２にそれぞれチャックさせる。その後ウェハのギャップを狭くして接合するが，ウェハが水平方向に対して傾きを持っていると，ウェハ周辺が接触してしまう可能性がある。そこで，チルトステージ１１１を設けてウェハの平行度を補正する。

【0055】

平行度の補正を行うために，第１チャック１０１の周辺に設置されたセンサ１０８により第２チャックと第１チャックの距離を測定し，平行度を補正する。センサ１０８の面はウェハと接触しないように第１チャック１０１のチャック面より窪んだ位置に設置し，事前に第１チャック１０１のチャック面とセンサのオフセットを平坦なプレートなどのジグを用いて校正しておく。

【0056】

センサ１０８は固定側である第１チャック１０１側に設置している。センサ数は３つまたは４つによりステージの傾きを補正するが，ウェハの形状は円形のため，３つよりも４つの方が四角形のチャックの４角をつかうことで面積を小さくすることができる。ウェハをチャックするプレートはセラミック等熱による伸縮の影響を受けにくい材料で作られており，平面度が２μｍ以下でウェハを吸着したときにチャックの平面度によりウェハの反りなどが発生しないよう製作されている。

【0057】

図６は，実施の形態１にかかるウェハ接合装置のチルトステージ１１１の概略構成を示す斜視図である。

【0058】

チルトステージ１１１が測定した距離センサの値により傾きを補正する構成は，ステージの固定側が半球面の土台１３１になっており，半球面の土台に対し稼動側のチャックの下部１３２が半球面になっている部位により，球面どうしが接触することにより，支えられている。

【0059】

固定側の半球面がポーラス状になっており，傾きを補正するときはエアにより稼動側を浮上させ側面２方向から押匹する機構により傾きを調整する。浮上量はエアの圧力と流量によって調整することが可能であり，約５～１０μｍ程度浮上させる。傾き調整後，エアを停止し，同時に吸引または磁石等により半球面部品同士を密着させることにより，チルトステージ１１１の角度を固定する。固定する際エアで浮上している状態から固定状態に推移するときに僅かながら傾きが変わってしまうので，ウェハ接合装置１００は，傾きの変化をあらかじめ学習しておき，チルトステージ１１１を固定する前に固定時の変化分を予測した位置に補正を行い，チルトステージ１１１を固定したときに傾きが平行になるように制御を行う。

【0060】

また，従来のチャック同士を接触させてチャックの平行を求める手法では，実際にボンディングする高さとは違う高さで平行を調整しているので，高さを変化させたときに垂直方向の駆動がチャックの水平方向に対して完全に垂直でない場合にボンディングする位置での平行状態を確保することができない。これに対し，実施の形態１の接合装置では，チルトステージ１１１全体は垂直方向に駆動することができ，実際にウェハをボンディングする高さに合わせて平行を調整することができる。

【0061】

次にウェハ接合装置の動作について説明する。
まず，外部搬送機構から搬送された２つのウェハの接合面を向かい合わせ，第１チャック１０１及び第２チャック１０２にそれぞれウェハを保持させる。その後，ウェハにつけられたアライメントマークを左右２か所につけられた第２カメラ１０７－１，１０７－２によりウェハを透過して位置認識を行う。

【0062】

第２ウェハ１２２は第２チャックに取り付けられたＸＹステージ１１３にて移動が可能であり，第１ウェハ１２１のマーク位置に合わせて，ＸＹステージ１１３を移動させ，第１チャック１０１に保持されたウェハ１２１と第２チャック１０２に保持されたウェハ１２２のマーク位置を合わせる。その際第２カメラ１０７－１，１０７－２の位置からウェハの回転角度を算出し，第１ウェハ１２１の角度に合わせて，ＸＹステージ１１３ステージの回転機構であるシータステージ１１０にて第２ウェハ１２２の角度も合わせる。

【0063】

第１ウェハ１２１，第２ウェハ１２２の中央をそれぞれ押圧する機構（プッシャー）により押圧する。この際に，ウェハの押し付け量を管理するため，力を検出するためのセンサが（ロードセル１０５－１，１０５－２）つけられている。このセンサにより，プッシャー１０３は，ウェハの裏面を０．１Ｎくらいの弱い力で検出して押し付け量を管理する。

【0064】

押圧する機構にはエンコーダーなど位置を検出できるセンサが取りついており，チャック面を検出した位置からウェハの厚さを考慮して押圧する量を算出することができる。
プッシャー１０３－１，１０３－２は，共に押圧する量を算出された量だけ押圧し，チャック面を基準としウェハを湾曲させる。

【0065】

第１チャック１０１及び第２チャック１０２はウェハ中心と外周部はチャックする機能が独立しており，ウェハ中央と押圧する際はウェハ外周部だけチャックするように切り替える。

【0066】

第１ウェハ１２１，第２ウェハ１２２を湾曲させて，形状をコントロールし，接合したときの伸縮による影響を小さくすることが可能である。しかし，ウェハを押下する際，プッシャーの位置がずれることによりウェハを押下する位置にもズレが生じる。押下する位置がずれると第１ウェハ１２１，第２ウェハ１２２の形状変化してしまい接合後のズレの要因となる。

【0067】

その対策として，第１チャック１０１及び第２チャック１０２の貫通穴にエアベアリングガイドを設置し，エアベアリングガイドでプッシャーロッドをガイドすることにより，プッシャーを駆動させたときの位置ずれを抑えることが可能になる。ガイド機構はスプラインなどを使用しても位置ずれを抑えることが可能だが，プッシャーにはウェハ裏面の位置を正確に検出するためのロードセルが取り付けられており，スプラインなどの摺動抵抗があると微細な荷重を検出ることが困難になるため，エアベアリングのような摺動抵抗がないガイドが好ましい。

【0068】

次に第１ウェハ１２１，第２ウェハ１２２を押下した状態で，第２チャック全体が昇降する機構により，第１ウェハ１２１と第２ウェハ１２２の湾曲された先端を近づける。近づける際に押圧機構に取り付けられたロードセルにより荷重を監視し，荷重値が１０Ｎ～２０Ｎなどに到達したところで昇降機構を停止させ，ウェハの湾曲された先端を接着させる。

【0069】

先端を近づける際は荷重値を１０Ｎまで到達させなくても，ウェハの接触が確認された高さで一旦停止させ，押し付ける荷重値まで押し付ける動作を行ってもよい。

【0070】

ウェハ同士を接着させた状態で，第１ウェハ１２１のチャックを解放し，ウェハをリリースすることで第２ウェハ１２２と第１ウェハ１２１が接合される。

【0071】

このように，実施の形態１のウェハ接合装置によれば，ウェハ接合装置はウェハのアライメントを行うカメラの他に広視野のカメラを用いた光学系を備え，ウェハ押し付け後のウェハの接合部の伝搬状態を観察し，ウェハ押し付け時間を状態により可変させることにより生産性高くすることが可能になる。また，接合部にコンタミなどの混入がある場合，ウェハ接合伝搬速度が異常に遅くなるので伝搬時間を管理することにより，接合不良を早期に検出できる。

【0072】

また，実施の形態１のウェハ接合装置によれば，第１ウェハ１２１と第２ウェハ１２２の湾曲状態，平行度を正確に制御し，ウェハのひずみによる位置ずれを抑え，高精度なボンディングとボイドのない接合ができ，かつウェハの接合状況を監視することにより生産性を向上させることができる。

【0073】

なお，Ｚ駆動軸による水平位置（ＸＹ方向）のずれは，アライメントマークのずれを前もってパラメータ化し，補正するようにしてもよい。図７は，実施の形態１にかかるウェハ接合装置のアライメントの一例を示す略図である。

【0074】

図７において，（１）の状態からプッシャー１０３－１をＺ軸方向に駆動させると，（２）の状態のように，水平位置（ＸＹ方向）のずれが発生することがある。このようなＺ軸ランアウト（Runout），クロストーク（Crosstalk）により，センサ内に生じるオフセットをパラメータ化して補正を行うようにしてもよい。具体的には，図７に示すように，第１カメラ１０６の撮像７００において，駆動前のアライメントマーク７０１と駆動後のアライメントマーク７０２の位置の差に基づいて補正を行う。

【0075】

このように，実施の形態１のウェハ接合装置によれば，ボンディングと第２チャックの位置をアライメントする際に，アライメントマークに対してフォーカスを合わせるためのＺ駆動機構（ピエゾステージ）を設け，アライメントを行う際，Ｚ駆動軸の水平位置（ＸＹ方向）の再現性のエラーを補正する機能により，高精度にアライメントできる。

【0076】

次に，第１カメラ１０６，第２カメラ１０７－１，１０７－２による位置合わせの詳細について説明する。

【0077】

第１カメラ１０６は，撮像素子，レンズ，照明といった，撮像に必要な機構を備える。第１カメラ１０６の撮像素子は，ＩｎＧａＡｓセンサを備える短波赤外波長帯域に感度を持つ撮像素子が好適である。第１カメラ１０６が備えるカメラは，短波赤外波長帯域に感度があればＩｎＧａＡｓに限定はしない。第１カメラ１０６のレンズは，短波赤外波長帯域の光を透過するレンズが好適である。第１カメラ１０６の照明は，短波赤外波長帯域の波長の光を発するものが好適である。

【0078】

第１カメラ１０６の設置位置は，ウェハの周辺部が望ましい。例えば，第１カメラ１０６の設置位置は，少なくともウェハの中心から半径の半分の距離以上離れた領域を観察可能な位置とすることが望ましい。第１カメラ１０６の撮像目的は，ウェハの搬送ずれであるＸ，Ｙ，回転θ軸方向のずれを測定することである。

【0079】

θずれが顕著に表れる周辺部を観察可能な位置に第１カメラ１０６を設置することで，微細なθずれを観察できる。また，第２カメラ１０７－１，１０７－２がマークを撮像可能な位置を短時間で求めるために，第１カメラ１０６は移動することなく撮影する。この第１カメラ１０６が撮像した画像から搬送ずれを求める必要があるため，第１カメラ１０６は搬送ずれによらず常に一定の基準を撮像エリア内に収めて撮影できるように広視野であることが望ましい。したがって，高精細にマークを撮影する必要のある第２カメラ１０７－１，１０７－２と比較して，第１カメラ１０６は，カメラのセンササイズが第２カメラ１０７－１，１０７－２のカメラのセンササイズより同等以上の大きさ，また，レンズの倍率は第２カメラ１０７－１，１０７－２より同等以下の低倍率であることが望ましい。

【0080】

このときの第１カメラ１０６の撮像範囲は，ウェハの搬送位置がばらついても一定の基準を撮影できるように，例えば，ワンショットの露光サイズ（現在の主流は３３ｍｍ×２６ｍｍ），もしくは，１チップサイズに搬送精度のばらつきを加えた範囲を撮影可能な視野サイズとなる倍率とすることが望ましい。ただし，ウェハの搬送ずれを認識する上で必要な情報を撮像できるように，例えば，スクライブライン，もしくは，スクライブラインの交点を用いて搬送ずれを認識する場合，第１カメラ１０６の撮影画像のピクセルサイズがスクライブラインの幅以上であることを満たす倍率としてもよい。

【0081】

第２カメラ１０７－１，１０７－２は，撮像素子，レンズ，照明といった，撮像に必要な機構を備える。また，第２カメラ１０７－１，１０７－２は，フォーカスを調整するために撮像機構を上下させるＺ軸ステージを有する。

【0082】

第２カメラ１０７－１，１０７－２の撮像素子は，ＩｎＧａＡｓセンサを備える短波赤外波長帯域に感度を持つ撮像素子が望ましい。マークを高精度に認識する必要があるため，第２カメラ１０７－１，１０７－２の撮像素子のピクセルサイズは第１カメラ１０６と同等以下であることが望ましい。第２カメラ１０７－１，１０７－２は，短波赤外波長帯域に感度があればカメラのセンサはＩｎＧａＡｓに限定はされない。第２カメラ１０７－１，１０７－２のレンズは，短波赤外波長帯域の光を透過することが望ましい。

【0083】

マークを高精度に認識する必要があるため，第２カメラ１０７－１，１０７－２のレンズの倍率は第１カメラ１０６より同等かそれ以上の高倍率であることが望ましい。第２カメラ１０７－１，１０７－２は高倍率であることから，第２カメラ１０７－１，１０７－２の被写界深度は浅いため，第１カメラ１０６とは異なり第２カメラ１０７－１，１０７－２はフォーカス調整のためのＺ軸ステージを備えることが好適である。第２カメラ１０７－１，１０７－２の照明は，短波赤外波長帯域の波長の光を発するものが望ましい。

【0084】

ただし，第１カメラ１０６の波長帯と異なっても良く，例えば，第１カメラ１０６の波長は１４５０ｎｍ，第２カメラ１０７－１，１０７－２の波長は１３００ｎｍとしてもよい。これは，第１カメラ１０６が観察するものはマークに限らず，例えばスクライブラインを観察する一方，第２カメラ１０７－１，１０７－２はマークを観察することから観察対象が異なるためである。距離の離れた２つのカメラによってマークを認識することで，基板の，特に回転方向のずれを高精度に求めることができる。第２カメラ１０７－１と第２カメラ１０７－２の構成は同じである。

【0085】

ＸＹＺステージ１０９は，マークの位置を認識するために第２カメラ１０７－１，１０７－２がマーク全体を映すことが可能な位置であるマーク撮像位置に第２カメラ１０７－１，１０７－２を移動させるＸ，Ｙ軸のステージである。

【0086】

第１ウェハ１２１及び第２ウェハ１２２は，スクライブラインや，金属層に形成されたアライメントマークや配線パターンを有する。

【0087】

第１チャック１０１，第２チャック１０２は，ウェハを保持するチャックである。第１チャック１０１，第２チャック１０２は，バキューム機構を有し，ウェハを吸着させ保持する。

【0088】

ウェハステージ１１４は，第２チャック１０２を保持するステージである。第１ウェハ１２１と第２ウェハ１２２の位置ずれがなくなるように動作可能な平面の並進方向Ｘ，Ｙ，回転方向θの軸，および，第１ウェハ１２１とＢの距離を調整するためのＺ軸を有する。

【0089】

図示しないコントローラは，ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算ユニットを有する。カメラとはＧｉｇＥ（Gigabit Ethernet）やＣａｍｅｒａＬｉｎｋ等の通信規格でつながり，カメラからの撮像画像を取り込みむようにしてもよい。また，ステージとはＥｔｈｅｒｃａｔ（Ethernet for Control Automation Technology）やＵＳＢ（Universal Serial Bus）等の通信規格でつながり，ステージの移動を制御してもよい。

【0090】

これらの構成をもちいて位置合わせが行われる。次に，ウェハ接合装置の位置合わせ動作について説明する。図８は実施の形態１のウェハ接合装置の動作の一例を示すフローチャートである。

【0091】

ステップＳ８０１において，第１カメラ１０６が第２ウェハ１２２を撮像し，ウェハ画像Ｂを取得する。第１カメラ１０６は金属層のパターン面を透過して観察することができないため，第１チャック１０１が第１ウェハ１２１を保持している状態では第２ウェハ１２２の全面を撮像できない。そのため，まずは第１チャック１０１が第１ウェハ１２１を保持していない状態で第２ウェハ１２２を観察する。第２ウェハ１２２は（図示しない）搬送ロボットから搬送され，第２チャック１０２に置かれる，その後，第２チャック１０２が有するバキューム機構によって第２ウェハ１２２が保持される。その後，第１カメラ１０６が第２ウェハ１２２にフォーカスの合う位置までウェハステージ１１４のＺ軸を動かし，焦点が合ったところで第１カメラ１０６が第２ウェハ１２２を撮像する。そしてステップＳ８０２に進む。

【0092】

ウェハがロボットから搬送される位置は予め設定された位置であるが，搬送位置の繰り返し精度が第２カメラ１０７－１，１０７－２の視野より大きい場合は，ウェハが搬送された位置において第２カメラ１０７－１，１０７－２が常にマークを撮像できるとは限らない。そのため，第２カメラ１０７－１，１０７－２，もしくは，ウェハを移動させマークが映る位置を探索する必要がある。

【0093】

ステップＳ８０２において，ウェハ画像Ｂから，第２ウェハ１２２のマーク撮像位置であるマーク撮像位置Ｂが算出される。ここでは，予め用意された，マークが映るＸＹＺステージ１０９の座標である参照座標と，参照座標が定められた状態において第１カメラ１０６が撮像した参照画像を用いる。

【0094】

参照座標と参照画像の設定方法は，第２ウェハ１２２と同じパターンを有するウェハが搬送された状態で第１カメラ１０６のフォーカスが合う位置までウェハステージ１１４が上下し，フォーカスが合う位置で第１カメラ１０６が撮像した画像を参照画像とする。また，ＸＹＺステージ１０９を動かして定めるマーク撮像位置のＸＹＺステージ１０９の座標を参照座標とする。

【0095】

このとき，ウェハのパターン情報とウェハの搬送位置とウェハステージ１１４と第２カメラ１０７－１，１０７－２の相対位置関係から，第２カメラ１０７－１，１０７－２でマークが映るＸＹＺステージ１０９の座標であるマーク撮像初期座標を求めることができる。そのため，ＸＹＺステージ１０９を動かして参照座標を探索する範囲は，マーク撮像初期座標を基準としたウェハの搬送精度のばらつきの範囲のみとなるため，ウェハ全体を探索する必要はなく作業が効率化できる。

【0096】

参照画像とウェハ画像Ｂとのずれを求め，求めたずれだけ参照座標を移動させた位置が，マーク撮像位置Ｂとなる。

【0097】

参照画像とウェハ画像とのずれは，テンプレートマッチングを用いて求める。例えば，参照画像の一部を切り出したテンプレートをＸ，Ｙ，θといったパラメータを様々に変化させながらウェハ画像とのマッチングを行い，一致度が最大となるＸ，Ｙ，θをずれとする。このとき，パラメータを変化させる幅である変化幅がずれ算出精度となるが，Ｘ，Ｙ，θの３次元の一致度マップから，一致度が最大となるパラメータとその周辺のパラメータを用いて補間計算をすることで，パラメータの変化幅より細かい精度で求めることができる。

【0098】

また，パラメータを高速に求める方法としては，スクライブラインの交点などの特徴的なパターンを含む局所領域を参照画像から複数定めておき，各局所領域に対してＸ，Ｙを求めるテンプレートマッチングを行った後，各局所領域における対応点間の距離が全局所領域において最小となるＸ，Ｙ，θの最適化問題を解く方法がある。

【0099】

ここでは，求める回転θが微小，かつ，局所領域であることから回転による画像の変化が小さいためにＸ，Ｙのパターンマッチングが可能なことを前提としている。したがって，Ｘ，Ｙ，θを全探索で求める場合と比較して，テンプレートマッチングの探索パラメータ数が削減されていること，また，テンプレートマッチング時の領域が局所であることから画素アクセス回数の削減による処理時間の短縮化が可能である。最適化問題を解く方法としては，多変数に対してコスト関数の微分が不要なDownhill simplex法などがある。コスト関数をＸ，Ｙのテンプレートマッチングで求めた参照画像とウェハ画像との対応点間の距離の全局所領域における平均とする。もしくは，テンプレートマッチングの結果が外れ値を含む場合に対応するために，コスト関数を全局所領域における平均ではなく中央値にすることで，外れ値の影響をなくすことができる。

【0100】

ずれを求めた後，第２カメラ１０７－１，１０７－２がマークを映すＸＹＺステージ１０９の座標を求める。回転中心をウェハステージ１１４の中心としたウェハステージ１１４座標系におけるＸＹＺステージ１０９の位置，すなわち，ウェハステージ１１４座標系とＸＹＺステージ１０９座標系の変換式を予め求めておく。そして，参照座標をウェハステージ１１４座標系における座標へ座標変換し，ずれＸ，Ｙ，θを用いてウェハステージ１１４座標系において参照座標を移動させる。その後，ＸＹＺステージ１０９における座標へ変換する。

【0101】

前述の予め求めておく座標系の変換式は，例えば，パターンの位置関係が既知なキャリブレーションパターンウェハをウェハステージ１１４に保持させ，ウェハステージ１１４のＸ軸，Ｙ軸，および，θ軸方向の移動によるパターンの移動を第１カメラ１０６，および，第２カメラ１０７－１，１０７－２が撮像し，パターンの移動量を求めることで座標系の変換式を算出できる。

【0102】

例えば，キャリブレーションパターンウェハをウェハステージ１１４に保持させた状態で第１カメラ１０６，および，ＸＹＺステージ１０９の原点位置にある第２カメラ１０７－１，１０７－２がキャリブレーションパターンウェハのパターンを撮像することで，パターンの位置関係が既知なことから，第１カメラ１０６と第２カメラ１０７－１，１０７－２の中心位置を算出できる。

【0103】

また，ウェハステージ１１４をθ軸方向に対して回転移動させる前と後で第１カメラ１０６がパターンを撮像し，移動前後の２枚の画像からパターンの移動量と，回転移動させた角度と，を用いることでウェハステージ１１４の回転中心を算出できる。

【0104】

また，ウェハステージ１１４をＸ軸，Ｙ軸方向に移動させながら第１カメラ１０６，または，第２カメラ１０７－１，１０７－２がパターンを撮像しウェハステージ１１４の移動に伴うパターンの移動量を求めることで，撮像した撮像部とウェハステージ１１４とのＸ軸，Ｙ軸の相対関係を算出できる。

【0105】

また，ＸＹＺステージ１０９が第２カメラ１０７－１，１０７－２を動かしながらパターンを動かすことで，ＸＹＺステージ１０９と第２カメラ１０７－１，１０７－２との相対関係を算出できる。

【0106】

ステップＳ８０３において，第１ウェハ１２１が搬送され，第１カメラ１０６が第１ウェハ１２１を撮像しウェハ画像Ａを取得する。そしてステップＳ８０４に進む。

【0107】

ステップＳ８０４において，ステップＳ８０２と同様に，第２カメラ１０７－１，１０７－２において第１ウェハ１２１のマークが映る位置であるマーク撮像位置Ａを求める。ここで，参照座標と参照画像は第１ウェハ１２１と同じパターンを有するウェハを用いて予め用意したものを用いる。そしてステップＳ８０５に進む。

【0108】

ステップＳ８０５において，第１カメラ１０６がマーク撮像位置Ａへ移動する。そしてステップＳ８０６に進む。

【0109】

ステップＳ８０６において，マーク撮像位置Ａとマーク撮像位置Ｂの距離が縮まるようにウェハステージ１１４を移動させる。この移動によって，マーク撮像位置Ａにおいて第２カメラ１０７－１，１０７－２が第１ウェハ１２１の短波赤外波長帯域の波長の光を透過する領域，例えばスクライブライン越しに第２ウェハ１２２のマークを撮像できる。そしてステップＳ８０７に進む。

【0110】

ステップＳ８０７において，第１ウェハ１２１のマークは第２カメラ１０７－１，１０７－２の視野の中に入っているが，倍率の低い第１カメラ１０６を用いて求めたマーク撮像位置では視野の中心に来ていない可能性がある。一般的に，レンズの性能は中心部ほど高いことから，高精度な位置合わせのために，マークが視野の中心部に来るようにステージを移動させる。

【0111】

ステップＳ８０７では，第１ウェハ１２１のマークにフォーカスが合う位置に第２カメラ１０７－１，１０７－２を移動させ，第１ウェハ１２１のマークの位置を認識する。そして，マークの中心位置と第２カメラ１０７－１，１０７－２の画像中心との相対距離を求め，相対距離が縮まるようにＸＹＺステージ１０９を移動することで，第２カメラ１０７－１，１０７－２の撮像範囲の中心部に第１ウェハ１２１のマークがある状態とする。

【0112】

次に，ウェハＢのマークにフォーカスが合う位置に第２カメラ１０７－１，１０７－２を移動させ，ウェハＢのマークの位置を認識する。そして，マークの中心位置と第２カメラ１０７－１，１０７－２の画像中心との相対距離を求め，相対距離が縮まるようにＸＹＺステージ１０９を移動することで，第２カメラ１０７－１，１０７－２の撮像範囲の中心部にウェハＢのマークがある状態とする。そしてステップＳ８０８に進む。

【0113】

ステップＳ８０８において，再度，第１ウェハ１２１と第２ウェハ１２２のマークの位置を認識し，両マーク間の位置ずれが小さくなるようにウェハステージ１１４を移動させることで位置合わせが行われる。

【0114】

このように実施の形態１のウェハ接合装置によれば，マーク撮像位置を求めるためのステージの移動は不要であり，第１カメラ１０６による１回の撮像でマーク撮像位置を求めることが可能なため，アライメント時間を短縮できる。

【0115】

なお，本発明は上記実施の形態に限られたものではなく，趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば，プッシャー１０３－１，１０３－２は一方のみを備えるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0116】

１００ ウェハ接合装置
１０１ チャック
１０２ チャック
１０３－１，１０３－２ プッシャー
１０４－１，１０４－２ エアベアリング
１０５－１，１０５－２ ロードセル
１０６ 第１カメラ
１０７－１，１０７－２ 第２カメラ
１０８ センサ
１０９ ＸＹＺステージ
１１０ シータステージ
１１１ チルトステージ
１１２ ＸＹステージ
１１３ Ｚステージ
１１４ ウェハステージ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】