半導体製造装置及び製造方法
【課題】貼り合わせプロセス時のウェハの局所的な変形を低減する半導体製造装置及び製造方法を提供すること。
【解決手段】実施の形態によれば、第１及び第２の半導体基板の接合面同士を一点接触させて周囲に接合を進展させて第１及び第２の半導体基板を全面で接合する半導体製造装置である。半導体製造装置は、第１の半導体基板の外周部分を支持するステージと、第２の半導体基板の接合面とステージに支持された第１の半導体基板の接合面とを対向させて、第２の半導体基板を保持する基板支持装置と、接合面同士を対向させた第１及び第２の半導体基板の法線方向の同軸上に、法線方向に移動可能にそれぞれ配置された第１及び第２の圧子と、第１の圧子を第１の半導体基板の接合面と反対側の面と接触させ、その後、第２の圧子で第２の半導体基板の接合面とは反対側の面の一点を予め定められた圧力で加圧して接合開始点を形成するコントローラと、を備える。
【解決手段】実施の形態によれば、第１及び第２の半導体基板の接合面同士を一点接触させて周囲に接合を進展させて第１及び第２の半導体基板を全面で接合する半導体製造装置である。半導体製造装置は、第１の半導体基板の外周部分を支持するステージと、第２の半導体基板の接合面とステージに支持された第１の半導体基板の接合面とを対向させて、第２の半導体基板を保持する基板支持装置と、接合面同士を対向させた第１及び第２の半導体基板の法線方向の同軸上に、法線方向に移動可能にそれぞれ配置された第１及び第２の圧子と、第１の圧子を第１の半導体基板の接合面と反対側の面と接触させ、その後、第２の圧子で第２の半導体基板の接合面とは反対側の面の一点を予め定められた圧力で加圧して接合開始点を形成するコントローラと、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
裏面照射（BSI:Back Side Illumination）型ＣＭＯＳイメージセンサの製造プロセスでは、シリコン基板の表面に受光センサ（フォトダイオード）を含む半導体層及び配線層を形成したデバイスウェハと、支持基板とを貼り合わせた後、デバイスウェハ側のシリコン部を除去して半導体層の受光センサ部を露出させ、その半導体層の上に配線層、カラーフィルタなどを形成する。
【０００３】
デバイスウェハと支持基板とを貼り合わせるプロセスにおいて、ウェハ表面同士を、接着剤等を介さずに貼り合わせる方法の一つとして、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造ウェハの製造などにも用いられている、室温（常温）・大気圧下での直接接合方式がある。
【０００４】
直接接合方式では、親水化処理を施した表面同士を向かい合わせて２枚のウェハを配置し、ウェハの一部を加圧して表面間を接触させる。これにより、２枚のウェハ表面にある水酸基や吸着水分子の間で発生する水素結合によって、接触された部分から接合が進展し、最終的にはウェハ全体が接合する。ウェハ全体の接合が完了した貼り合わせウェハを２００〜４００℃又はそれ以上の温度で加熱すると、水素結合の少なくとも一部がＳｉ−Ｏ−Ｓｉなどの共有結合に変化し、貼り合わせウェハ間の接合強度が大きくなる。
【０００５】
直接接合方式でウェアを貼り合わせるに当たって、一般的には、表面に親水化処理を施した２枚のウェハの一方はステージに吸着させて保持される。半導体層を形成したデバイスウェハは多層構造の線膨張係数の違いによる熱応力などからウェハ全体が反ることが多いため、一般的にはデバイスウェハをステージに吸着させて反りを矯正している。
【０００６】
しかしながら、ステージに吸着させたウェハには局部的な弾性変形が生じるため、一方のウェハをステージに吸着させた状態で２枚のウェハを貼り合わせると、貼り合わせウェハの面内に不均一な応力が生じ、貼り合わせウェハに伸縮が発生する。また、反っているウェハをステージに吸着しない場合でも、加圧時にウェハが弾性変形して貼り合わせウェハの面内に不均一な応力が生じるため、貼り合わせウェハに伸縮が発生する。さらに、ウェハ面内に温度分布が発生している時は、デバイスウェハ面内に熱応力差が発生するため、貼り合わせウェハの面内の応力差はより不均一になってしまう。しかも、デバイスウェハ側のシリコン部を貼り合わせウェハから除去すると、デバイス層は支持基板に倣い、特にウェハ面に沿った方向にさらに変形するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平４−３２４６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一つの実施形態は、貼り合わせプロセス時のウェハの局所的な変形を低減する半導体製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一つの実施形態によれば、接合面を有する第１及び第２の半導体基板の接合面同士を一点接触させて接合開始点を形成し、接合開始点から周囲に接合を進展させて第１の半導体基板と第２の半導体基板とを全面で接合する半導体製造装置である。半導体製造装置は、第１の半導体基板の外周部分を下から支持するリング状のステージと、第２の半導体基板の接合面とステージに支持された第１の半導体基板の接合面とを対向させて、第２の半導体基板を保持する基板支持装置と、接合面同士を対向させた第１及び第２の半導体基板の法線方向の同軸上に、第１及び第２の半導体基板を挟んで法線方向に移動可能にそれぞれ配置され、第１及び第２の半導体基板と一点接触可能な第１及び第２の圧子と、第１の圧子が、第１の半導体基板に接したことを検出する第１のセンサと、第２の圧子が、第２の半導体基板に接したことを検出する第２のセンサと、第１のセンサの検出結果に基づいて、第１の圧子を第１の半導体基板の接合面と反対側の面と接触させ、その後、第２のセンサの検出結果に基づいて、第２の圧子を第２の半導体基板の接合面と反対側の面と接触させた後、第２の圧子で第２の半導体基板の接合面とは反対側の面の一点を予め定められた圧力で加圧して、第１の半導体基板と第２の半導体基板との間に接合開始点を形成するコントローラと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す図。
【図２】図２は、本実施形態に係る半導体製造装置を用いた直接接合方式の処理の流れを示す図。
【図３】図３は、発明者が知得した直接接合方式でウェハの貼り合わせを行う半導体製造装置の概略構成を示す断面図。
【図４】図４は、発明者が知得した直接接合方式でウェハの貼り合わせを行う半導体製造装置の概略構成を示す断面図。
【図５】図５は、ステージに吸着させる前後での下ウェハの形状の変化を模式的に示す図。
【図６】図６は、発明者が知得した直接接合方式でデバイスウェハ及び支持基板を接合した貼り合わせウェハのショットの形状を示す図。
【図７】図７は、発明者が知得した直接接合方式でデバイスウェハとしての下ウェハと支持基板としての上ウェハとを接合した貼り合わせウェハにおけるショットの位置ずれ量を表す図。
【図８】図８は、第１の実施形態の半導体接合装置を用いてデバイスウェハとしての下ウェハと支持基板としての上ウェハとを接合した貼り合わせウェハにおけるショットの位置ずれ量を表す図。
【図９】図９は、下ウェハの断面を示す図。
【図１０】図１０は、第２の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す断面図。
【図１１】図１１は、第３の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す断面図。
【図１２】図１２は、ウェハ面内に１０℃の温度差があるときのウェハの変形量のシミュレーション結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体製造装置及び製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す図である。図１（ａ）は、半導体製造装置の断面模式図であり、図１（ｂ）におけるＩａ−Ｉａ線に沿った断面を示す。図１（ｂ）は、半導体製造装置の上面図である。本実施形態に係る半導体製造装置は、ステージ１、スペーサ２、下圧子３、上圧子４及びコントローラ２０を有する。
【００１３】
ステージ１は外周部１１を有する円筒又は円環状であり、載置されたウェハ（第１の半導体基板）５の外周部のみと当接して支持する。以下、ステージ１に載置されるウェハを「下ウェハ」と称する。ステージ１は、外周部１１よりも上方へ突出可能なプッシャーピン１２を有しており、外周部１１よりも上方へ突出した状態で下ウェハ５が載置されたプッシャーピン１２が下降することによって、下ウェハ５を外周部１１の上に配置する。また、ステージ１は、下ウェハ５の外周と当接するガイドピン１３を備えており、下ウェハ５を外周部１１の上に配置する際に、ガイドピン１３に案内されながら下ウェハ５が下降して所定の位置に配置される。なお、プッシャーピン１２は必須の構成ではなく、プッシャーピン１２を用いずに下ウェハ５を外周部に１１に直接配置する装置構成としてもよい。
【００１４】
スペーサ（基板支持装置）２は、下ウェハ５と接合するウェハ（第２の半導体基板）６の外周部の複数箇所を下側から支持して上ウェハ６を保持する部材である。以下、下ウェハ５と接合されるウェハを上ウェハと称する。スペーサ２は、上下に移動可能となっており、上ウェハ６と下ウェハ５との間隔を調整可能である。また、スペーサ２は、上ウェハ６の径方向にも移動可能であり、接合開始後に上ウェハ６と下ウェハ５との間から退避できる。
【００１５】
下圧子（第１の圧子）３及び上圧子（第２の圧子）４は、ウェハ面の法線方向に軸対称で配置されており。下圧子３及び上圧子４の各々は、独立してウェハの法線方向に移動可能である。また、下圧子３及び上圧子４は、圧力センサ（第１のセンサ）３１及び圧力センサ（第２のセンサ）４１を備えており、下ウェハ５や上ウェハ６に接触したことを検出可能である。下圧子３及び上圧子４は、荷重制御機能を備えており、任意の圧力で下ウェハ５や上ウェハ６に当接させることが可能である。なお、圧力センサ３１、４１は、下圧子３や上圧子４の一部としてではなく別個に設けることも可能である。
【００１６】
コントローラ２０は、プッシャーピン１２、スペーサ２、下圧子３及び上圧子４の移動を制御する装置である。また、コントローラ２０は、下圧子３が下ウェハ５に加える圧力や上圧子４が上ウェハ６に加える圧力を圧力センサ３１、４１の検出結果に基づいて制御する。
【００１７】
図２は、本実施形態に係る半導体製造装置を用いた直接接合方式の処理の流れを示す図である。処理の流れを容易にするため、図２では圧力センサ３１、４１及びコントローラ２０の図示は省略している。本実施形態の半導体製造装置で２枚のウェハを貼り合わせるに当たっては、コントローラ２０は、ステージ１上に載置した下ウェハ５の上方に、スペーサ２で保持した上ウェハ６を貼り合わせ面を対向させて配置し、下ウェハ５の下方に下圧子３、上ウェハ６の上方に上圧子４を配置する（図２（ａ））。この際、下圧子３と上圧子４とは下ウェハ５及び上ウェハ６の法線方向の同軸上に配置する。下圧子３と上圧子４とが配置される位置は必ずしもウェハ中心である必要はない。なお、貼り合わせる２枚のウェハのうち反りが大きい方を下ウェハ５とすることで、後述するようにウェハ面内の局所的な変形を小さく抑えることができる。下ウェハ５と上ウェハ６とを重ねた後、コントローラ２０はスペーサ２を退避させるが、ウェハ間に存在する空気層によって上ウェハ６が支持されるため、この時点では上ウェハ６は下ウェハ５と接触しない。
【００１８】
下ウェハ５、上ウェハ６、下圧子３及び上圧子４の配置が完了した後、コントローラ２０はまず下圧子３を下ウェハ５に向かって移動させ下ウェハ５の裏面の位置を圧力センサ３１で検出し、下ウェハ５及び上ウェハ６を変形させない位置で停止させる（図２（ｂ））。次にコントローラ２０は、上圧子４を逆方向から上ウェハ６に向かって移動させ、上ウェハ６の裏面に接触させたことを圧力センサ４１で検出した後、所望の荷重になるまで加圧する（図２（ｃ））。これにより、下圧子３及び上圧子４で挟まれた箇所を接合開始点として接合が進展し、下ウェハ５及び上ウェハ６が全面的に接合される（図２（ｄ））。このプロセスにより、下ウェハ５及び上ウェハ６をウェハ面内で局所的に弾性変形させることなく貼り合わせることが可能となる。
【００１９】
以上の説明では、下ウェハ５と上ウェハ６とを重ね合わせてから下圧子３を下ウェハ５に接触させているが、下圧子３を下ウェハ５に接触させてから上ウェハ６を下ウェハ５に重ねることも可能である。
【００２０】
比較のために、発明者が知得した直接接合方式での貼り合わせプロセスについて説明する。図３は、発明者が知得した直接接合方式でウェハの貼り合わせを行う半導体製造装置の概略構成を示す断面図である。２枚のウェハそれぞれの表面を親水化処理した後、コントローラ７０は、半導体層を形成したデバイスウェハを下ウェハ６５としてステージ６１上に吸着させる（図４（ａ））。図５は、ステージに吸着させる前後での下ウェハの形状の変化を模式的示す図である。ステージ６１に載置した吸着前の下ウェハ６５’は、真空Ｖａｃ．によって吸引孔６１ａの部分が局部的にステージ６１に引きつけられるため、ステージ６１に吸着後の下ウェハ６５は、ウェハ面内に局所的な変形が生じる。その後、コントローラ７０は、スペーサ６２を動かして、支持基板としての上ウェハ６６を表面同士が対向するように、ステージ６１の上方に配置する（図４（ｂ））。このとき上ウェハ６６は２枚のウェハの間に挿入するスペーサ６２などの保持機構で保持される。つまりステージ６１上の下ウェハ６５の表面と上ウェハ６６の表面の間のギャップはスペーサ６２の形状及び高さの調整によって制御されている。なお、スペーサ６２の代わりに上ウェハ６６の上面を吸着するリング状の吸着ツールを保持機構として用いられる場合も同様である。次に、コントローラ７０は、上ウェハ６６を保持するスペーサ６２などと干渉しない位置にて、上ウェハ６６を圧子６４で加圧変形させ、表面同士を接触させ、接合を開始させる（図４（ｃ））。この後、コントローラ７０は、スペーサ６２を下ウェハ６５と上ウェハ６６との間から退避させて、ウェハ全面の接合を促す（図４（ｄ））。
【００２１】
図６は、発明者が知得した直接接合方式でデバイスウェハ及び支持基板を接合した貼り合わせウェハのショットの形状を示す図である。デバイスウェハとしての下ウェハ６５と支持基板としての上ウェハ６６とを直接接合方式で貼り合わせると、下ウェハ６５上のショット（１回の投影での露光範囲）の形状が変形したり位置にずれが生じたりする。図７は、発明者が知得した直接接合方式でデバイスウェハとしての下ウェハ６５と支持基板としての上ウェハ６６とを接合した貼り合わせウェハにおけるショットの位置ずれ量を表す図であり、下ウェハ６５側のシリコン部を除去した後の状態（すなわち配線層やカラーフィルタ層を露光プロセスにて形成する段階）でのショットの位置ずれ量を示している。図７では、矢印が長い程ショットの位置のずれが大きいことを示している。発明者が知得した直接接合方式で貼り合わせると、下ウェハ６５側のシリコン部を除去した後の貼り合わせウェハは面内でショット１００の形状やピッチが不均一になっている。これは貼り合わせ前に形成されたデバイス層が、少なくともウェハ表面に沿ってバラバラな方向に変形した（distortion）ことを示している。この局所的な変形が大きい場合、露光プロセスでの位置合せ認識エラー対応や補正の必要性など生産性の低下、及び、ＣＭＯＳイメージセンサの画素とカラーフィルタとの位置関係がずれることによる混色不良の原因となる。
【００２２】
デバイスウェハに関して、半導体デバイス層は画素ピッチの縮小（面積縮小）やロジック高機能化のためにより多層化が進んでいるため、ウェハ全体の反り量は支持基板よりも大きくなる傾向にある。また各層の厚さのバラツキにより、反り量にもバラツキが生じるため、ステージの形状を凸や凹に変えてもすべてのウェハに対応することは難しい。また、多層構造による様々な反りをステージ吸着によって矯正する際に局所的な弾性変形が発生する。さらに、外周機器の発熱などによるウェハ面内温度分布により局所的な熱膨張や熱収縮が発生する。発明者が知得した直接接合方式での貼り合わせプロセスにおけるウェハの局所的な弾性変形および熱変形は上記の現象の組合せで発生している。
【００２３】
発明者が知得した直接接合方式では、支持基板と比べて反り量が大きいデバイスウェハを下ウェハ５としてステージ１に搭載することで、ウェハ面内の局所的な変形を抑制できる。
【００２４】
なお、デバイス層の変形が図６に示したようにウェハ面内で局所的に変形するのではなく、拡大又は縮小など一様に変形する場合（パターンのピッチのばらつきが小さい場合）は、露光プロセスで位置を合わせることが十分に可能であり、設計寸法に反映することができるため、ウェハの変形は問題とならない。
【００２５】
図８は、本実施形態の半導体接合装置を用いてデバイスウェハとしての下ウェハ５と支持基板としての上ウェハ６とを接合した貼り合わせウェハにおけるショットの位置ずれ量を表す図である。本実施形態に係る半導体製造装置では、下ウェハ５をステージ１に吸着させて局所的な弾性変形を生じさせないため、接合後のウェハの変形のバラツキを小さく抑えることができる。
【００２６】
本実施形態に係る半導体製造装置を用いた直接接合方式によるウェハ貼り合わせの具体例について説明する。なお、例示する数値はあくまでも一例であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２７】
図９は、下ウェハ５の断面を示す図である。下ウェハ５は３００ｍｍΦの単結晶シリコン基板５１に、露光プロセスで形成されたマークを含む層５２と表面酸化膜層５３を形成した。酸化膜層の厚さによりウェハの凸反り量を約２００μｍにした。上ウェハ６には３００ｍｍΦの単結晶シリコンを使用した。
【００２８】
リング状のステージ１の外径はウェハ径よりもやや大きく、貼り合わせるウェハの位置を合わせるためのガイドピン１３を設けてある。ステージ１の内側には下ウェハ５を載せるためのプッシャーピン１２と上下可動な下圧子３があり、下圧子３に内蔵された圧力センサ３１としてのロードセルの計測結果を上下動作にフィードバックする。ロードセル搭載の目的はステージ上に置いた下ウェハ５と下圧子３の接触を検出するためであり、他の方式としてはレーザ測微計や微電流計測センサなどが考えられる。ステージ１の上方に下圧子３と同軸で配置された上圧子４は、下圧子３と同様に圧力センサ４１としてのロードセルを内蔵しており、上下可動で移動速度も制御できる。下圧子３及び上圧子４の先端はＲ５ｍｍの半球状のものを使用した。動作軸の調整を高精度に行えるのであれば、先端の径はもっと小さくてもよい。
【００２９】
表面親水化処理を施した下ウェハ５は、ステージ１の上に突出させたプッシャーピン１２の上に下ウェハ５を載せ、プッシャーピン１２を下降させることによってステージ１上のガイドピン１３の内側に配置される。ステージ１の外周部１１に下ウェハ５を載せた後に、表面親水化処理を施した上ウェハ６を下ウェハ５と向かい合わせて載せた。このとき、誤ってウェハ表面同士が接触しないように、上下ウェハの間にスペーサ２を入れて上ウェハ６を載せた後、スペーサ２を退避させた。
【００３０】
その後、下圧子３を上昇させ、下ウェハ５の裏面と接触させた後、ロードセル負荷が０になるところまで下降して停止させた。
【００３１】
続いて、上圧子４を、上ウェハ６の裏面への接触前の速度０．５ｍｍ／ｓｅｃで下降させ、上ウェハ６の裏面に接触した後に３Ｎまで加圧し３０秒ほど保持し、接合を完了させた。加圧部変形や素子へのダメージを考慮すると上圧子４の動作速度や加圧荷重は低いほど好ましいと考えられるが、加圧荷重を１Ｎまで下げると、加圧してから接合が開始するまでの時間が長くなる傾向があったため、ここでは３Ｎとした。
【００３２】
貼り合わせウェハの、下ウェハ５側のシリコン部を除去し、露出したマークの位置を測定したところ、ウェハ面内でのピッチの最大と最小との差は１０８ｎｍとなった。
【００３３】
比較のため、平坦なステージ６１上に下ウェハ６５を吸着し、スペーサ６２を入れて上ウェハ６６を載せ、加圧後すぐにスペーサ６２を抜いて接合した貼り合わせウェハについても同様の処理および測定を行ったところ、ピッチの最大と最小との差は２７０ｎｍであり、本実施形態のプロセスにより変形のバラツキが発明者が知得した直接接合方式の４０％まで小さくなった。
【００３４】
本実施形態によれば、円筒又は円環状のステージで下ウェハの外周部分を下側から単に支持し、下圧子は下ウェハと接するのみであるため、接合前の下ウェハの局所的な変形を抑制できる。これにより、直接接合方式で接合した貼り合わせウェハの局所的な弾性変形を低減できる。
【００３５】
（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す断面図である。本実施形態に係る半導体製造装置は、ステージの周囲に基板支持装置としてチューブ７が配置されており、ステージ１の中央側に気体８を噴射する点で第１の実施形態と相違する。本実施形態において、コントローラ２０は、チューブ７から噴射する気体８の流量や温度・湿度を制御する。
【００３６】
発明者が知得した直接接合方式での貼り合わせプロセスにおいては、上ウェハに関して、スペーサや吸着支持リングなどの保持機構に支えられていない部分の自重によるたわみや伸びが生じる。また、下ウェハと同様に、外周機器の発熱などによるウェハ面内温度分布により局所的な熱膨張や熱収縮が発生する。さらに、圧子接触部の加圧によっても局所的な変形が生じる。また、上下ウェハ間のギャップに関して、上下ウェハ間のギャップは吸着支持リングやスペーサなどの保持機構の治具加工精度や組付け精度、平行度で決まるが、接合した部分と未だ接合していない部分の間で表面が引き合い、伸ばされるため、ギャップ高さの局所的な差は弾性変形に影響する。
【００３７】
本実施形態では、下ウェハ５をステージ１に載置した後でコントローラ２０はチューブ７に気体８を噴射させ、その状態で上ウェハ６を下ウェハ５の上に置く。これにより、上ウェハ６は下ウェハ５との間に薄い気体層が形成され、上ウェハ６は下ウェハ５と接することなく均一なギャップを保って重ね合わされる。チューブ７から噴射する気体８の流量をコントローラ２０が管理することで、上ウェハ６を吹き飛ばしたり位置ずれを生じさせたりすることなく下ウェハ５の上に上ウェハ６を重ねることができる。チューブ７から噴射する気体８の圧力は、低圧でも上ウェハ６と下ウェハ５との間に薄い気体層を十分に形成可能である。具体例として、チューブ７から噴射する気体８の圧力を４ｋＰａ以下、望ましくは３ｋＰａ以下の低圧とすることで、上ウェハ６と下ウェハ５との間に薄い気体層を形成できる。ただし、上記の値はあくまでも一例であり、本発明がこれらの値に限定されることはない。また、本実施形態においては、チューブ７から噴射する気体８の湿度をコントローラ２０が管理・制御することで、上下ウェハの貼り合わせ面は結露を防止し、吸着水の量を安定に保つことができる。また、上下ウェハの面内の温度バラツキを抑制し、熱膨張（熱変形）のバラツキを抑えることができる。
【００３８】
この他については第１の実施形態と同様であるため説明は省略する。
【００３９】
本実施形態によれば、貼り合わせプロセス時のウェハの局所的な弾性変形および熱変形を低減できる。
【００４０】
（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す断面図である。本実施形態に係る半導体製造装置は、第２の実施形態と同様にステージ１の周囲にチューブ７が配置されており、ステージ１の中央側に気体８を噴射する点と、圧力・温度調整槽（調整装置）９に接続されたエアバッグ１０がステージ１の下方に設けられている点とで第１の実施形態と相違する。なお、下圧子３及びプッシャーピン１２はエアバッグ１０の中に配置されている。エアバッグ１０は、軽量で柔軟性を有する材料の薄いシートを用いて形成されている。エアバッグ１０の材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ナイロン６，６などを適用可能である。一例として、エアバッグ１０の形成に用いるシートの厚さは１０〜１５０μｍ程度である。
【００４１】
第１の実施形態に係る半導体製造装置を用いて接合した貼り合わせウェハは、ウェハ面内の変形に渦状のランダム成分が残る。図１２は、ウェハ面内に１０℃の温度差があるときのウェハの変形量のシミュレーション結果を示す図である。ウェハ面内に１０℃の温度差があるときには最大で６３９ｎｍの変形が予想された。更にステージ上に下ウェハを置いたときの温度分布を測定すると、モータなどの熱源の影響で、ウェハ面内で最大で約２℃の温度差があることが判った。シミュレーション結果から、この２℃の温度差で最大１２８ｎｍの変形が予想される。
【００４２】
本実施形態に係る半導体製造装置を用いた直接接合方式によるウェハ貼り合わせの具体例について説明する。リング状のステージ１の内側に入れた厚さ２０μｍ程度のフッ素樹脂系材料のシートからなるエアバッグ１０には、温度が３５〜４０℃、圧力が部屋の大気圧＋１．５〜５Ｐａに調整された気体を圧力・温度調整槽９との間で循環させた。圧力・温度調整槽９からエアバッグ１０に供給される気体の温度・湿度はコントローラ２０によって制御される。気体の温度は、モータなどの電気部品の温度約２５〜２８℃よりも高く、水素結合し難くなる１００℃以下であればよい。気体の圧力はエアバッグ１０を下ウェハ５の裏面に接触させ、下ウェハ５に熱伝達するために必要であり、かつ、下ウェハ５の自重分（１枚約１．８Ｐａ）をキャンセルすることも目的としている。
【００４３】
エアバッグ１０の上に下ウェハ５を配置したところ、ウェハ面内の温度差は０．５℃未満まで小さくなった。
【００４４】
更にΦ２０ｍｍのチューブ７に等間隔にΦ１ｍｍの噴出孔をつけてステージ１の外を取り巻くように取り付け、温度３５〜４０℃、湿度４０〜５０％、噴出孔１ヶ所からの流量０．０１Ｌ／ｍｉｎ以下の気体８を噴射し、弱い風を形成した。気体８の温度はエアバッグ１０内の気体の温度と同じか若干低く設定しウェハ表面での結露を防止する。吸着水分子層の形成のために湿度は３０％以上であれば問題ないが、７０％を越えると結露する可能性がある。
【００４５】
本実施形態に係る半導体製造装置では、上記の構成により下ウェハ５の表面温度だけでなく上ウェハ６の温度バラツキも０．５℃未満に抑えられた。
【００４６】
本実施形態に係る半導体製造装置にて接合した貼り合わせウェハの、下ウェハ５側のシリコン部を除去し、露出したマークの位置を測定したところ、ウェハ面内でのピッチの最大と最小の差は５０ｎｍ以下となった。
【００４７】
このように、本実施形態に係る半導体製造装置は、ウェハ面内の変形のバラツキを第１の実施形態よりも小さくできる。すなわち、貼り合わせプロセス時のウェハの局所的な弾性変形および熱変形を低減できる。
【００４８】
以上の説明においては、圧力・温度調整槽９とエアバッグ１０との間で気体を循環させる構成を例としたが、圧力・温度調整槽９と袋状部材との間で液体を循環させる構成とすることも可能である。すなわち、袋状部材の中に流体を充填する構成とすることが可能である。
【００４９】
この他については第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は割愛する。
【００５０】
上記の各実施形態においては、下ウェハを上に凸になる向きでステージ上に載せているが、下ウェハを下に凸となる向きでステージ上に載せることも可能である。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１ ステージ、３ 下圧子、４ 上圧子、５ 下ウェハ、６ 上ウェハ、７ チューブ、８ 気体、１０ エアバッグ、２０ コントローラ、３１、４１ 圧力センサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
裏面照射（BSI:Back Side Illumination）型ＣＭＯＳイメージセンサの製造プロセスでは、シリコン基板の表面に受光センサ（フォトダイオード）を含む半導体層及び配線層を形成したデバイスウェハと、支持基板とを貼り合わせた後、デバイスウェハ側のシリコン部を除去して半導体層の受光センサ部を露出させ、その半導体層の上に配線層、カラーフィルタなどを形成する。
【０００３】
デバイスウェハと支持基板とを貼り合わせるプロセスにおいて、ウェハ表面同士を、接着剤等を介さずに貼り合わせる方法の一つとして、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造ウェハの製造などにも用いられている、室温（常温）・大気圧下での直接接合方式がある。
【０００４】
直接接合方式では、親水化処理を施した表面同士を向かい合わせて２枚のウェハを配置し、ウェハの一部を加圧して表面間を接触させる。これにより、２枚のウェハ表面にある水酸基や吸着水分子の間で発生する水素結合によって、接触された部分から接合が進展し、最終的にはウェハ全体が接合する。ウェハ全体の接合が完了した貼り合わせウェハを２００〜４００℃又はそれ以上の温度で加熱すると、水素結合の少なくとも一部がＳｉ−Ｏ−Ｓｉなどの共有結合に変化し、貼り合わせウェハ間の接合強度が大きくなる。
【０００５】
直接接合方式でウェアを貼り合わせるに当たって、一般的には、表面に親水化処理を施した２枚のウェハの一方はステージに吸着させて保持される。半導体層を形成したデバイスウェハは多層構造の線膨張係数の違いによる熱応力などからウェハ全体が反ることが多いため、一般的にはデバイスウェハをステージに吸着させて反りを矯正している。
【０００６】
しかしながら、ステージに吸着させたウェハには局部的な弾性変形が生じるため、一方のウェハをステージに吸着させた状態で２枚のウェハを貼り合わせると、貼り合わせウェハの面内に不均一な応力が生じ、貼り合わせウェハに伸縮が発生する。また、反っているウェハをステージに吸着しない場合でも、加圧時にウェハが弾性変形して貼り合わせウェハの面内に不均一な応力が生じるため、貼り合わせウェハに伸縮が発生する。さらに、ウェハ面内に温度分布が発生している時は、デバイスウェハ面内に熱応力差が発生するため、貼り合わせウェハの面内の応力差はより不均一になってしまう。しかも、デバイスウェハ側のシリコン部を貼り合わせウェハから除去すると、デバイス層は支持基板に倣い、特にウェハ面に沿った方向にさらに変形するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平４−３２４６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一つの実施形態は、貼り合わせプロセス時のウェハの局所的な変形を低減する半導体製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一つの実施形態によれば、接合面を有する第１及び第２の半導体基板の接合面同士を一点接触させて接合開始点を形成し、接合開始点から周囲に接合を進展させて第１の半導体基板と第２の半導体基板とを全面で接合する半導体製造装置である。半導体製造装置は、第１の半導体基板の外周部分を下から支持するリング状のステージと、第２の半導体基板の接合面とステージに支持された第１の半導体基板の接合面とを対向させて、第２の半導体基板を保持する基板支持装置と、接合面同士を対向させた第１及び第２の半導体基板の法線方向の同軸上に、第１及び第２の半導体基板を挟んで法線方向に移動可能にそれぞれ配置され、第１及び第２の半導体基板と一点接触可能な第１及び第２の圧子と、第１の圧子が、第１の半導体基板に接したことを検出する第１のセンサと、第２の圧子が、第２の半導体基板に接したことを検出する第２のセンサと、第１のセンサの検出結果に基づいて、第１の圧子を第１の半導体基板の接合面と反対側の面と接触させ、その後、第２のセンサの検出結果に基づいて、第２の圧子を第２の半導体基板の接合面と反対側の面と接触させた後、第２の圧子で第２の半導体基板の接合面とは反対側の面の一点を予め定められた圧力で加圧して、第１の半導体基板と第２の半導体基板との間に接合開始点を形成するコントローラと、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す図。
【図２】図２は、本実施形態に係る半導体製造装置を用いた直接接合方式の処理の流れを示す図。
【図３】図３は、発明者が知得した直接接合方式でウェハの貼り合わせを行う半導体製造装置の概略構成を示す断面図。
【図４】図４は、発明者が知得した直接接合方式でウェハの貼り合わせを行う半導体製造装置の概略構成を示す断面図。
【図５】図５は、ステージに吸着させる前後での下ウェハの形状の変化を模式的に示す図。
【図６】図６は、発明者が知得した直接接合方式でデバイスウェハ及び支持基板を接合した貼り合わせウェハのショットの形状を示す図。
【図７】図７は、発明者が知得した直接接合方式でデバイスウェハとしての下ウェハと支持基板としての上ウェハとを接合した貼り合わせウェハにおけるショットの位置ずれ量を表す図。
【図８】図８は、第１の実施形態の半導体接合装置を用いてデバイスウェハとしての下ウェハと支持基板としての上ウェハとを接合した貼り合わせウェハにおけるショットの位置ずれ量を表す図。
【図９】図９は、下ウェハの断面を示す図。
【図１０】図１０は、第２の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す断面図。
【図１１】図１１は、第３の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す断面図。
【図１２】図１２は、ウェハ面内に１０℃の温度差があるときのウェハの変形量のシミュレーション結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体製造装置及び製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す図である。図１（ａ）は、半導体製造装置の断面模式図であり、図１（ｂ）におけるＩａ−Ｉａ線に沿った断面を示す。図１（ｂ）は、半導体製造装置の上面図である。本実施形態に係る半導体製造装置は、ステージ１、スペーサ２、下圧子３、上圧子４及びコントローラ２０を有する。
【００１３】
ステージ１は外周部１１を有する円筒又は円環状であり、載置されたウェハ（第１の半導体基板）５の外周部のみと当接して支持する。以下、ステージ１に載置されるウェハを「下ウェハ」と称する。ステージ１は、外周部１１よりも上方へ突出可能なプッシャーピン１２を有しており、外周部１１よりも上方へ突出した状態で下ウェハ５が載置されたプッシャーピン１２が下降することによって、下ウェハ５を外周部１１の上に配置する。また、ステージ１は、下ウェハ５の外周と当接するガイドピン１３を備えており、下ウェハ５を外周部１１の上に配置する際に、ガイドピン１３に案内されながら下ウェハ５が下降して所定の位置に配置される。なお、プッシャーピン１２は必須の構成ではなく、プッシャーピン１２を用いずに下ウェハ５を外周部に１１に直接配置する装置構成としてもよい。
【００１４】
スペーサ（基板支持装置）２は、下ウェハ５と接合するウェハ（第２の半導体基板）６の外周部の複数箇所を下側から支持して上ウェハ６を保持する部材である。以下、下ウェハ５と接合されるウェハを上ウェハと称する。スペーサ２は、上下に移動可能となっており、上ウェハ６と下ウェハ５との間隔を調整可能である。また、スペーサ２は、上ウェハ６の径方向にも移動可能であり、接合開始後に上ウェハ６と下ウェハ５との間から退避できる。
【００１５】
下圧子（第１の圧子）３及び上圧子（第２の圧子）４は、ウェハ面の法線方向に軸対称で配置されており。下圧子３及び上圧子４の各々は、独立してウェハの法線方向に移動可能である。また、下圧子３及び上圧子４は、圧力センサ（第１のセンサ）３１及び圧力センサ（第２のセンサ）４１を備えており、下ウェハ５や上ウェハ６に接触したことを検出可能である。下圧子３及び上圧子４は、荷重制御機能を備えており、任意の圧力で下ウェハ５や上ウェハ６に当接させることが可能である。なお、圧力センサ３１、４１は、下圧子３や上圧子４の一部としてではなく別個に設けることも可能である。
【００１６】
コントローラ２０は、プッシャーピン１２、スペーサ２、下圧子３及び上圧子４の移動を制御する装置である。また、コントローラ２０は、下圧子３が下ウェハ５に加える圧力や上圧子４が上ウェハ６に加える圧力を圧力センサ３１、４１の検出結果に基づいて制御する。
【００１７】
図２は、本実施形態に係る半導体製造装置を用いた直接接合方式の処理の流れを示す図である。処理の流れを容易にするため、図２では圧力センサ３１、４１及びコントローラ２０の図示は省略している。本実施形態の半導体製造装置で２枚のウェハを貼り合わせるに当たっては、コントローラ２０は、ステージ１上に載置した下ウェハ５の上方に、スペーサ２で保持した上ウェハ６を貼り合わせ面を対向させて配置し、下ウェハ５の下方に下圧子３、上ウェハ６の上方に上圧子４を配置する（図２（ａ））。この際、下圧子３と上圧子４とは下ウェハ５及び上ウェハ６の法線方向の同軸上に配置する。下圧子３と上圧子４とが配置される位置は必ずしもウェハ中心である必要はない。なお、貼り合わせる２枚のウェハのうち反りが大きい方を下ウェハ５とすることで、後述するようにウェハ面内の局所的な変形を小さく抑えることができる。下ウェハ５と上ウェハ６とを重ねた後、コントローラ２０はスペーサ２を退避させるが、ウェハ間に存在する空気層によって上ウェハ６が支持されるため、この時点では上ウェハ６は下ウェハ５と接触しない。
【００１８】
下ウェハ５、上ウェハ６、下圧子３及び上圧子４の配置が完了した後、コントローラ２０はまず下圧子３を下ウェハ５に向かって移動させ下ウェハ５の裏面の位置を圧力センサ３１で検出し、下ウェハ５及び上ウェハ６を変形させない位置で停止させる（図２（ｂ））。次にコントローラ２０は、上圧子４を逆方向から上ウェハ６に向かって移動させ、上ウェハ６の裏面に接触させたことを圧力センサ４１で検出した後、所望の荷重になるまで加圧する（図２（ｃ））。これにより、下圧子３及び上圧子４で挟まれた箇所を接合開始点として接合が進展し、下ウェハ５及び上ウェハ６が全面的に接合される（図２（ｄ））。このプロセスにより、下ウェハ５及び上ウェハ６をウェハ面内で局所的に弾性変形させることなく貼り合わせることが可能となる。
【００１９】
以上の説明では、下ウェハ５と上ウェハ６とを重ね合わせてから下圧子３を下ウェハ５に接触させているが、下圧子３を下ウェハ５に接触させてから上ウェハ６を下ウェハ５に重ねることも可能である。
【００２０】
比較のために、発明者が知得した直接接合方式での貼り合わせプロセスについて説明する。図３は、発明者が知得した直接接合方式でウェハの貼り合わせを行う半導体製造装置の概略構成を示す断面図である。２枚のウェハそれぞれの表面を親水化処理した後、コントローラ７０は、半導体層を形成したデバイスウェハを下ウェハ６５としてステージ６１上に吸着させる（図４（ａ））。図５は、ステージに吸着させる前後での下ウェハの形状の変化を模式的示す図である。ステージ６１に載置した吸着前の下ウェハ６５’は、真空Ｖａｃ．によって吸引孔６１ａの部分が局部的にステージ６１に引きつけられるため、ステージ６１に吸着後の下ウェハ６５は、ウェハ面内に局所的な変形が生じる。その後、コントローラ７０は、スペーサ６２を動かして、支持基板としての上ウェハ６６を表面同士が対向するように、ステージ６１の上方に配置する（図４（ｂ））。このとき上ウェハ６６は２枚のウェハの間に挿入するスペーサ６２などの保持機構で保持される。つまりステージ６１上の下ウェハ６５の表面と上ウェハ６６の表面の間のギャップはスペーサ６２の形状及び高さの調整によって制御されている。なお、スペーサ６２の代わりに上ウェハ６６の上面を吸着するリング状の吸着ツールを保持機構として用いられる場合も同様である。次に、コントローラ７０は、上ウェハ６６を保持するスペーサ６２などと干渉しない位置にて、上ウェハ６６を圧子６４で加圧変形させ、表面同士を接触させ、接合を開始させる（図４（ｃ））。この後、コントローラ７０は、スペーサ６２を下ウェハ６５と上ウェハ６６との間から退避させて、ウェハ全面の接合を促す（図４（ｄ））。
【００２１】
図６は、発明者が知得した直接接合方式でデバイスウェハ及び支持基板を接合した貼り合わせウェハのショットの形状を示す図である。デバイスウェハとしての下ウェハ６５と支持基板としての上ウェハ６６とを直接接合方式で貼り合わせると、下ウェハ６５上のショット（１回の投影での露光範囲）の形状が変形したり位置にずれが生じたりする。図７は、発明者が知得した直接接合方式でデバイスウェハとしての下ウェハ６５と支持基板としての上ウェハ６６とを接合した貼り合わせウェハにおけるショットの位置ずれ量を表す図であり、下ウェハ６５側のシリコン部を除去した後の状態（すなわち配線層やカラーフィルタ層を露光プロセスにて形成する段階）でのショットの位置ずれ量を示している。図７では、矢印が長い程ショットの位置のずれが大きいことを示している。発明者が知得した直接接合方式で貼り合わせると、下ウェハ６５側のシリコン部を除去した後の貼り合わせウェハは面内でショット１００の形状やピッチが不均一になっている。これは貼り合わせ前に形成されたデバイス層が、少なくともウェハ表面に沿ってバラバラな方向に変形した（distortion）ことを示している。この局所的な変形が大きい場合、露光プロセスでの位置合せ認識エラー対応や補正の必要性など生産性の低下、及び、ＣＭＯＳイメージセンサの画素とカラーフィルタとの位置関係がずれることによる混色不良の原因となる。
【００２２】
デバイスウェハに関して、半導体デバイス層は画素ピッチの縮小（面積縮小）やロジック高機能化のためにより多層化が進んでいるため、ウェハ全体の反り量は支持基板よりも大きくなる傾向にある。また各層の厚さのバラツキにより、反り量にもバラツキが生じるため、ステージの形状を凸や凹に変えてもすべてのウェハに対応することは難しい。また、多層構造による様々な反りをステージ吸着によって矯正する際に局所的な弾性変形が発生する。さらに、外周機器の発熱などによるウェハ面内温度分布により局所的な熱膨張や熱収縮が発生する。発明者が知得した直接接合方式での貼り合わせプロセスにおけるウェハの局所的な弾性変形および熱変形は上記の現象の組合せで発生している。
【００２３】
発明者が知得した直接接合方式では、支持基板と比べて反り量が大きいデバイスウェハを下ウェハ５としてステージ１に搭載することで、ウェハ面内の局所的な変形を抑制できる。
【００２４】
なお、デバイス層の変形が図６に示したようにウェハ面内で局所的に変形するのではなく、拡大又は縮小など一様に変形する場合（パターンのピッチのばらつきが小さい場合）は、露光プロセスで位置を合わせることが十分に可能であり、設計寸法に反映することができるため、ウェハの変形は問題とならない。
【００２５】
図８は、本実施形態の半導体接合装置を用いてデバイスウェハとしての下ウェハ５と支持基板としての上ウェハ６とを接合した貼り合わせウェハにおけるショットの位置ずれ量を表す図である。本実施形態に係る半導体製造装置では、下ウェハ５をステージ１に吸着させて局所的な弾性変形を生じさせないため、接合後のウェハの変形のバラツキを小さく抑えることができる。
【００２６】
本実施形態に係る半導体製造装置を用いた直接接合方式によるウェハ貼り合わせの具体例について説明する。なお、例示する数値はあくまでも一例であり、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２７】
図９は、下ウェハ５の断面を示す図である。下ウェハ５は３００ｍｍΦの単結晶シリコン基板５１に、露光プロセスで形成されたマークを含む層５２と表面酸化膜層５３を形成した。酸化膜層の厚さによりウェハの凸反り量を約２００μｍにした。上ウェハ６には３００ｍｍΦの単結晶シリコンを使用した。
【００２８】
リング状のステージ１の外径はウェハ径よりもやや大きく、貼り合わせるウェハの位置を合わせるためのガイドピン１３を設けてある。ステージ１の内側には下ウェハ５を載せるためのプッシャーピン１２と上下可動な下圧子３があり、下圧子３に内蔵された圧力センサ３１としてのロードセルの計測結果を上下動作にフィードバックする。ロードセル搭載の目的はステージ上に置いた下ウェハ５と下圧子３の接触を検出するためであり、他の方式としてはレーザ測微計や微電流計測センサなどが考えられる。ステージ１の上方に下圧子３と同軸で配置された上圧子４は、下圧子３と同様に圧力センサ４１としてのロードセルを内蔵しており、上下可動で移動速度も制御できる。下圧子３及び上圧子４の先端はＲ５ｍｍの半球状のものを使用した。動作軸の調整を高精度に行えるのであれば、先端の径はもっと小さくてもよい。
【００２９】
表面親水化処理を施した下ウェハ５は、ステージ１の上に突出させたプッシャーピン１２の上に下ウェハ５を載せ、プッシャーピン１２を下降させることによってステージ１上のガイドピン１３の内側に配置される。ステージ１の外周部１１に下ウェハ５を載せた後に、表面親水化処理を施した上ウェハ６を下ウェハ５と向かい合わせて載せた。このとき、誤ってウェハ表面同士が接触しないように、上下ウェハの間にスペーサ２を入れて上ウェハ６を載せた後、スペーサ２を退避させた。
【００３０】
その後、下圧子３を上昇させ、下ウェハ５の裏面と接触させた後、ロードセル負荷が０になるところまで下降して停止させた。
【００３１】
続いて、上圧子４を、上ウェハ６の裏面への接触前の速度０．５ｍｍ／ｓｅｃで下降させ、上ウェハ６の裏面に接触した後に３Ｎまで加圧し３０秒ほど保持し、接合を完了させた。加圧部変形や素子へのダメージを考慮すると上圧子４の動作速度や加圧荷重は低いほど好ましいと考えられるが、加圧荷重を１Ｎまで下げると、加圧してから接合が開始するまでの時間が長くなる傾向があったため、ここでは３Ｎとした。
【００３２】
貼り合わせウェハの、下ウェハ５側のシリコン部を除去し、露出したマークの位置を測定したところ、ウェハ面内でのピッチの最大と最小との差は１０８ｎｍとなった。
【００３３】
比較のため、平坦なステージ６１上に下ウェハ６５を吸着し、スペーサ６２を入れて上ウェハ６６を載せ、加圧後すぐにスペーサ６２を抜いて接合した貼り合わせウェハについても同様の処理および測定を行ったところ、ピッチの最大と最小との差は２７０ｎｍであり、本実施形態のプロセスにより変形のバラツキが発明者が知得した直接接合方式の４０％まで小さくなった。
【００３４】
本実施形態によれば、円筒又は円環状のステージで下ウェハの外周部分を下側から単に支持し、下圧子は下ウェハと接するのみであるため、接合前の下ウェハの局所的な変形を抑制できる。これにより、直接接合方式で接合した貼り合わせウェハの局所的な弾性変形を低減できる。
【００３５】
（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す断面図である。本実施形態に係る半導体製造装置は、ステージの周囲に基板支持装置としてチューブ７が配置されており、ステージ１の中央側に気体８を噴射する点で第１の実施形態と相違する。本実施形態において、コントローラ２０は、チューブ７から噴射する気体８の流量や温度・湿度を制御する。
【００３６】
発明者が知得した直接接合方式での貼り合わせプロセスにおいては、上ウェハに関して、スペーサや吸着支持リングなどの保持機構に支えられていない部分の自重によるたわみや伸びが生じる。また、下ウェハと同様に、外周機器の発熱などによるウェハ面内温度分布により局所的な熱膨張や熱収縮が発生する。さらに、圧子接触部の加圧によっても局所的な変形が生じる。また、上下ウェハ間のギャップに関して、上下ウェハ間のギャップは吸着支持リングやスペーサなどの保持機構の治具加工精度や組付け精度、平行度で決まるが、接合した部分と未だ接合していない部分の間で表面が引き合い、伸ばされるため、ギャップ高さの局所的な差は弾性変形に影響する。
【００３７】
本実施形態では、下ウェハ５をステージ１に載置した後でコントローラ２０はチューブ７に気体８を噴射させ、その状態で上ウェハ６を下ウェハ５の上に置く。これにより、上ウェハ６は下ウェハ５との間に薄い気体層が形成され、上ウェハ６は下ウェハ５と接することなく均一なギャップを保って重ね合わされる。チューブ７から噴射する気体８の流量をコントローラ２０が管理することで、上ウェハ６を吹き飛ばしたり位置ずれを生じさせたりすることなく下ウェハ５の上に上ウェハ６を重ねることができる。チューブ７から噴射する気体８の圧力は、低圧でも上ウェハ６と下ウェハ５との間に薄い気体層を十分に形成可能である。具体例として、チューブ７から噴射する気体８の圧力を４ｋＰａ以下、望ましくは３ｋＰａ以下の低圧とすることで、上ウェハ６と下ウェハ５との間に薄い気体層を形成できる。ただし、上記の値はあくまでも一例であり、本発明がこれらの値に限定されることはない。また、本実施形態においては、チューブ７から噴射する気体８の湿度をコントローラ２０が管理・制御することで、上下ウェハの貼り合わせ面は結露を防止し、吸着水の量を安定に保つことができる。また、上下ウェハの面内の温度バラツキを抑制し、熱膨張（熱変形）のバラツキを抑えることができる。
【００３８】
この他については第１の実施形態と同様であるため説明は省略する。
【００３９】
本実施形態によれば、貼り合わせプロセス時のウェハの局所的な弾性変形および熱変形を低減できる。
【００４０】
（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す断面図である。本実施形態に係る半導体製造装置は、第２の実施形態と同様にステージ１の周囲にチューブ７が配置されており、ステージ１の中央側に気体８を噴射する点と、圧力・温度調整槽（調整装置）９に接続されたエアバッグ１０がステージ１の下方に設けられている点とで第１の実施形態と相違する。なお、下圧子３及びプッシャーピン１２はエアバッグ１０の中に配置されている。エアバッグ１０は、軽量で柔軟性を有する材料の薄いシートを用いて形成されている。エアバッグ１０の材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＨＤＰＥ（高密度ポリエチレン）、ナイロン６，６などを適用可能である。一例として、エアバッグ１０の形成に用いるシートの厚さは１０〜１５０μｍ程度である。
【００４１】
第１の実施形態に係る半導体製造装置を用いて接合した貼り合わせウェハは、ウェハ面内の変形に渦状のランダム成分が残る。図１２は、ウェハ面内に１０℃の温度差があるときのウェハの変形量のシミュレーション結果を示す図である。ウェハ面内に１０℃の温度差があるときには最大で６３９ｎｍの変形が予想された。更にステージ上に下ウェハを置いたときの温度分布を測定すると、モータなどの熱源の影響で、ウェハ面内で最大で約２℃の温度差があることが判った。シミュレーション結果から、この２℃の温度差で最大１２８ｎｍの変形が予想される。
【００４２】
本実施形態に係る半導体製造装置を用いた直接接合方式によるウェハ貼り合わせの具体例について説明する。リング状のステージ１の内側に入れた厚さ２０μｍ程度のフッ素樹脂系材料のシートからなるエアバッグ１０には、温度が３５〜４０℃、圧力が部屋の大気圧＋１．５〜５Ｐａに調整された気体を圧力・温度調整槽９との間で循環させた。圧力・温度調整槽９からエアバッグ１０に供給される気体の温度・湿度はコントローラ２０によって制御される。気体の温度は、モータなどの電気部品の温度約２５〜２８℃よりも高く、水素結合し難くなる１００℃以下であればよい。気体の圧力はエアバッグ１０を下ウェハ５の裏面に接触させ、下ウェハ５に熱伝達するために必要であり、かつ、下ウェハ５の自重分（１枚約１．８Ｐａ）をキャンセルすることも目的としている。
【００４３】
エアバッグ１０の上に下ウェハ５を配置したところ、ウェハ面内の温度差は０．５℃未満まで小さくなった。
【００４４】
更にΦ２０ｍｍのチューブ７に等間隔にΦ１ｍｍの噴出孔をつけてステージ１の外を取り巻くように取り付け、温度３５〜４０℃、湿度４０〜５０％、噴出孔１ヶ所からの流量０．０１Ｌ／ｍｉｎ以下の気体８を噴射し、弱い風を形成した。気体８の温度はエアバッグ１０内の気体の温度と同じか若干低く設定しウェハ表面での結露を防止する。吸着水分子層の形成のために湿度は３０％以上であれば問題ないが、７０％を越えると結露する可能性がある。
【００４５】
本実施形態に係る半導体製造装置では、上記の構成により下ウェハ５の表面温度だけでなく上ウェハ６の温度バラツキも０．５℃未満に抑えられた。
【００４６】
本実施形態に係る半導体製造装置にて接合した貼り合わせウェハの、下ウェハ５側のシリコン部を除去し、露出したマークの位置を測定したところ、ウェハ面内でのピッチの最大と最小の差は５０ｎｍ以下となった。
【００４７】
このように、本実施形態に係る半導体製造装置は、ウェハ面内の変形のバラツキを第１の実施形態よりも小さくできる。すなわち、貼り合わせプロセス時のウェハの局所的な弾性変形および熱変形を低減できる。
【００４８】
以上の説明においては、圧力・温度調整槽９とエアバッグ１０との間で気体を循環させる構成を例としたが、圧力・温度調整槽９と袋状部材との間で液体を循環させる構成とすることも可能である。すなわち、袋状部材の中に流体を充填する構成とすることが可能である。
【００４９】
この他については第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は割愛する。
【００５０】
上記の各実施形態においては、下ウェハを上に凸になる向きでステージ上に載せているが、下ウェハを下に凸となる向きでステージ上に載せることも可能である。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１ ステージ、３ 下圧子、４ 上圧子、５ 下ウェハ、６ 上ウェハ、７ チューブ、８ 気体、１０ エアバッグ、２０ コントローラ、３１、４１ 圧力センサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合面を有する第１及び第２の半導体基板の前記接合面同士を一点接触させて接合開始点を形成し、前記接合開始点から周囲に接合を進展させて前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とを全面で接合する半導体製造装置であって、
前記第１の半導体基板の外周部分を下から支持するリング状のステージと、
前記第２の半導体基板の接合面と前記ステージに支持された前記第１の半導体基板の接合面とを対向させて、前記第２の半導体基板を保持する基板支持装置と、
前記接合面同士を対向させた前記第１及び第２の半導体基板の法線方向の同軸上に、該第１及び第２の半導体基板を挟んで前記法線方向に移動可能にそれぞれ配置され、前記第１及び第２の半導体基板と一点接触可能な第１及び第２の圧子と、
前記第１の圧子が、前記第１の半導体基板に接したことを検出する第１のセンサと、
前記第２の圧子が、前記第２の半導体基板に接したことを検出する第２のセンサと、
前記第１のセンサの検出結果に基づいて、前記第１の圧子を前記第１の半導体基板の前記接合面と反対側の面と接触させ、その後、前記第２のセンサの検出結果に基づいて、前記第２の圧子を前記第２の半導体基板の前記接合面と反対側の面と接触させた後、前記第２の圧子で前記第２の半導体基板の前記接合面とは反対側の面の一点を予め定められた圧力で加圧して、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に前記接合開始点を形成するコントローラと、
を備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
変形可能な膜状の部材で形成されて前記ステージの内側に配置され、内部に流体が充填された袋状部材と、
温度及び圧力の少なくとも一方を調整した流体を前記袋状部材の内部へ供給する調整装置とを備え、
前記第１の半導体基板の中央部を前記調整装置によって前記流体が供給された前記袋状部材で支持することを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記基板支持装置は、前記ステージに支持された前記第１の半導体基板の前記接合面側に外周から中心へ向かって気体を噴射することによって前記第２の半導体基板を保持することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体製造装置。
【請求項４】
接合面を有する第１及び第２の半導体基板の前記接合面同士を一点接触させて接合開始点を形成し、前記接合開始点から周囲に接合を進展させて前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とを全面で接合する半導体製造方法であって、
リング状のステージに前記第１の半導体基板を載置して、該第１の半導体基板の外周部分を下から支持し、
前記第２の半導体基板の前記接合面を前記ステージに支持された前記第１の半導体基板の接合面と対向させて、前記第２の半導体基板を保持し、
前記接合面同士を対向させた前記第１及び第２の半導体基板の法線方向の同軸上かつ前記第１の半導体基板の下方に、該法線方向に移動可能に第１の圧子を配置し、該第１の圧子を前記第１の半導体基板の前記接合面と反対側の面に一点接触させ、
前記接合面同士を対向させた前記第１及び第２の半導体基板の前記法線方向の同軸上かつ前記第２の半導体基板の上方に、該法線方向に移動可能に第２の圧子を配置して前記第２の半導体基板と一点接触させ、前記第２の半導体基板の前記接合面とは反対側の面の一点を予め定められた圧力で加圧して前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に前記接合開始点を形成することを特徴とする半導体製造方法。
【請求項５】
前記第１の半導体基板は、前記第２の半導体基板よりも反りが大きいことを特徴とする請求項４記載の半導体製造方法。
【請求項１】
接合面を有する第１及び第２の半導体基板の前記接合面同士を一点接触させて接合開始点を形成し、前記接合開始点から周囲に接合を進展させて前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とを全面で接合する半導体製造装置であって、
前記第１の半導体基板の外周部分を下から支持するリング状のステージと、
前記第２の半導体基板の接合面と前記ステージに支持された前記第１の半導体基板の接合面とを対向させて、前記第２の半導体基板を保持する基板支持装置と、
前記接合面同士を対向させた前記第１及び第２の半導体基板の法線方向の同軸上に、該第１及び第２の半導体基板を挟んで前記法線方向に移動可能にそれぞれ配置され、前記第１及び第２の半導体基板と一点接触可能な第１及び第２の圧子と、
前記第１の圧子が、前記第１の半導体基板に接したことを検出する第１のセンサと、
前記第２の圧子が、前記第２の半導体基板に接したことを検出する第２のセンサと、
前記第１のセンサの検出結果に基づいて、前記第１の圧子を前記第１の半導体基板の前記接合面と反対側の面と接触させ、その後、前記第２のセンサの検出結果に基づいて、前記第２の圧子を前記第２の半導体基板の前記接合面と反対側の面と接触させた後、前記第２の圧子で前記第２の半導体基板の前記接合面とは反対側の面の一点を予め定められた圧力で加圧して、前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に前記接合開始点を形成するコントローラと、
を備えることを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
変形可能な膜状の部材で形成されて前記ステージの内側に配置され、内部に流体が充填された袋状部材と、
温度及び圧力の少なくとも一方を調整した流体を前記袋状部材の内部へ供給する調整装置とを備え、
前記第１の半導体基板の中央部を前記調整装置によって前記流体が供給された前記袋状部材で支持することを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項３】
前記基板支持装置は、前記ステージに支持された前記第１の半導体基板の前記接合面側に外周から中心へ向かって気体を噴射することによって前記第２の半導体基板を保持することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体製造装置。
【請求項４】
接合面を有する第１及び第２の半導体基板の前記接合面同士を一点接触させて接合開始点を形成し、前記接合開始点から周囲に接合を進展させて前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とを全面で接合する半導体製造方法であって、
リング状のステージに前記第１の半導体基板を載置して、該第１の半導体基板の外周部分を下から支持し、
前記第２の半導体基板の前記接合面を前記ステージに支持された前記第１の半導体基板の接合面と対向させて、前記第２の半導体基板を保持し、
前記接合面同士を対向させた前記第１及び第２の半導体基板の法線方向の同軸上かつ前記第１の半導体基板の下方に、該法線方向に移動可能に第１の圧子を配置し、該第１の圧子を前記第１の半導体基板の前記接合面と反対側の面に一点接触させ、
前記接合面同士を対向させた前記第１及び第２の半導体基板の前記法線方向の同軸上かつ前記第２の半導体基板の上方に、該法線方向に移動可能に第２の圧子を配置して前記第２の半導体基板と一点接触させ、前記第２の半導体基板の前記接合面とは反対側の面の一点を予め定められた圧力で加圧して前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板との間に前記接合開始点を形成することを特徴とする半導体製造方法。
【請求項５】
前記第１の半導体基板は、前記第２の半導体基板よりも反りが大きいことを特徴とする請求項４記載の半導体製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−８９２１（Ｐ２０１３−８９２１Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４１９７９（Ｐ２０１１−１４１９７９）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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