JP-2026076958-A - 多軸ステージ装置、これを用いたウエハボンディング方法及びウエハボンディング装置

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Abstract

【課題】ウエハボンディングの精度を大きく向上させる多軸ステージ装置及びこれを用いたウエハボンディング方法及びウエハボンディング装置を提供する。【解決手段】多軸ステージ装置１００は、ベース部Ｂと、ベース部に形成され、ベース部を基準として、少なくとも一部分を第１距離だけ第３軸ＩＩＩ方向に昇降させることができる第１駆動装置１０と、第１駆動装置に形成され、第１駆動装置を基準として、少なくとも一部分を第２距離だけ第３軸方向に昇降させることができる第２駆動装置２０と、第１ウエハが第１距離と第２距離とを合算した距離だけ第３軸方向に昇降できるように第２駆動装置と連結され、第１ウエハをチャッキングした第１ウエハチャックＣ１を整列させる整列ステージ３０と、を含む。【選択図】図１

Inventors

オ、キョンホ
イム、トンウク

Assignees

サムスカンパニーリミテッド

Dates

Publication Date: 20260512
Application Date: 20250917
Priority Date: 20241024

Claims (20)

ベース部と、前記ベース部に形成され、前記ベース部を基準として、少なくとも一部分を第１距離だけ第３軸方向に昇降させることができる第１駆動装置と、前記第１駆動装置に形成され、前記第１駆動装置を基準として、少なくとも一部分を第２距離だけ前記第３軸方向に昇降させることができる第２駆動装置と、第１ウエハが前記第１距離と前記第２距離とを合算した距離だけ前記第３軸方向に昇降できるように前記第２駆動装置と連結され、前記第１ウエハをチャッキングした第１ウエハチャックを整列させる整列ステージと、を含む、多軸ステージ装置。
前記第１駆動装置は、前記第１ウエハを前記第２距離よりも相対的に長い前記第１距離だけ大まかに昇降させることができ、前記第２駆動装置は、前記第１ウエハを前記第１距離よりも相対的に短い前記第２距離だけ精密に昇降させることができる、請求項１に記載の多軸ステージ装置。
前記第１駆動装置は、ボールスクリュー（ＢａｌｌＳｃｒｅｗ）またはリードスクリュー（ＬｅａｄＳｃｒｅｗ）を用いて、前記第１ウエハを概ねマイクロメートルまたはミリメートル単位以上の低精度で昇降させることができ、前記第２駆動装置は、第１ボイスコイルモータ（ＶＣＭ；ＶｏｉｃｅＣｏｉｌＭｏｔｏｒ）またはピエゾ（Ｐｉｅｚｏ）素子を用いて、前記第１ウエハを概ねナノメートル単位以下の高精度で昇降させることができる、請求項２に記載の多軸ステージ装置。
前記第１駆動装置は、前記ベース部に形成され、ねじ棒を回転させる駆動モータと、前記ねじ棒の回転によってねじ昇降するナット部材が形成される可動フレームと、を含む、請求項１に記載の多軸ステージ装置。
前記駆動モータは、前記ねじ棒を直接駆動させるＤＤモータ（ＤｉｒｅｃｔＤｒｉｖｅＭｏｔｏｒ）であり、前記可動フレームは、中心部分に前記ねじ棒と螺合された前記ナット部材が形成される、請求項４に記載の多軸ステージ装置。
前記第２駆動装置は、前記可動フレームに前記ナット部材を中心に等角配置される複数個の第１ボイスコイルモータ（ＶＣＭ；ＶｏｉｃｅＣｏｉｌＭｏｔｏｒ）と、前記第１ボイスコイルモータによって精密に昇降する複数個の可動台と、前記可動台に形成され、多軸自由度を有する複数個のフレクシャジョイント（ＦｌｅｘｕｒｅＪｏｉｎｔ）と、を含む、請求項５に記載の多軸ステージ装置。
前記第１ボイスコイルモータは、前記第１ウエハが第１回転軸方向または第２回転軸方向に回転できるように、前記可動フレームに前記ナット部材を中心に４角配置されるか、または３角配置される、請求項６に記載の多軸ステージ装置。
前記第２駆動装置は、前記ベース部と前記可動台との間に形成され、前記フレクシャジョイント部分に作用する荷重を分散させて前記第１ボイスコイルモータの発熱を防止する少なくとも１つの荷重補償装置をさらに含む、請求項６に記載の多軸ステージ装置。
前記荷重補償装置は、前記可動台の外側部に形成され、少なくとも一部分が第１磁性体からなるスライダーと、前記ベース部に固定され、少なくとも一部分が前記第１磁性体と引力又は斥力が作用する第２磁性体からなる固定体と、前記スライダーと前記固定体との間に形成され、前記スライダーの摺動経路を案内するガイドベアリングと、を含む、請求項８に記載の多軸ステージ装置。
前記整列ステージは、第２ボイスコイルモータまたはピエゾ（Ｐｉｅｚｏ）素子を用いて、前記第１ウエハを第１軸方向、第２軸方向及びシータ軸方向に整列させる、請求項１に記載の多軸ステージ装置。
前記整列ステージは、ステージジグと、一部分が前記ステージジグに固定され、他の部分が前記ステージジグを基準として弾性変形するフレクシャフレームと、前記ステージジグに形成され、前記フレクシャフレームの前記他の部分を弾性変形させる少なくとも１つの第２ボイスコイルモータと、を含む、請求項１０に記載の多軸ステージ装置。
前記フレクシャフレームは、前記ステージジグに固定される固定部と、前記固定部に形成され、弾性材質からなる柔軟ヒンジ（Ｆｌｅｘｕｒｅｈｉｎｇｅ）と、前記第１ウエハチャックを支持し、前記柔軟ヒンジを用いて精密に弾性変位する可動部と、を含む、請求項１１に記載の多軸ステージ装置。
前記フレクシャフレームは、前記第２ボイスコイルモータによる前記可動部のストロークを増幅させるために、前記固定部と前記可動部との間に形成される少なくとも１つの中間部及びこれらを直列に連結する少なくとも１つの直列柔軟ヒンジからなる、直列増幅部をさらに含む、請求項１２に記載の多軸ステージ装置。
前記フレクシャフレームは、前記第２ボイスコイルモータによる前記可動部のストロークを増幅させるために、前記固定部と前記可動部との間に形成される少なくとも１つの重畳部及びこれらを並列に連結する少なくとも１つの並列柔軟ヒンジからなる、並列増幅部をさらに含む、請求項１２に記載の多軸ステージ装置。
前記第２ボイスコイルモータは、前記可動部の一側方向に形成され、前記第１軸方向に正方向配置される第１軸正方向ボイスコイルモータと、前記可動部の他側方向に形成され、前記可動部が前記第１軸方向に精密移動するか、またはシータ軸方向に精密回転できるように、前記第１軸方向に逆方向配置される第１軸逆方向ボイスコイルモータと、前記可動部の他の他側方向に形成され、前記第２軸方向に正方向配置される第２軸正方向ボイスコイルモータと、前記可動部のさらに他の他側方向に形成され、前記可動部が前記第２軸方向に精密移動するか、または前記シータ軸方向に精密回転できるように、前記第２軸方向に逆方向配置される第２軸逆方向ボイスコイルモータと、を含む、請求項１１に記載の多軸ステージ装置。
前記第１ウエハに第２ウエハをボンディングできるように、前記ベース部を前記第２ウエハがチャッキングされた第２ウエハチャックと対応する位置に前後進移送させる移送装置をさらに含む、請求項１に記載の多軸ステージ装置。
前記第１ウエハチャックまたは前記整列ステージに形成され、前記第２ウエハの第２識別子を撮影する第１カメラと、前記第１ウエハまたは前記第１ウエハチャックの昇降距離を測定する測定装置と、前記第１カメラから映像信号が印加されるか、または前記測定装置から測定信号が印加され、少なくとも前記第１駆動装置、前記第２駆動装置、前記整列ステージ、前記移送装置及びこれらの組み合わせのいずれか１つに制御信号を印加する制御部と、をさらに含む、請求項１６に記載の多軸ステージ装置。
前記制御部は、前記第１ウエハを前記第１ウエハチャックにローディングし、前記第１ウエハチャックが前記第１ウエハをチャッキングする第１ウエハローディングモードにおいて、前記第１駆動装置に１次昇降制御信号を印加し、位置が確認された前記第２ウエハを基準として、前記第１ウエハを第１軸方向、第２軸方向及びシータ軸方向に精密に整列させる整列モードにおいて、前記整列ステージに整列制御信号を印加し、整列された前記第１ウエハと前記第２ウエハをボンディングするボンディングモードにおいて、前記第２駆動装置に２次昇降制御信号を印加する、請求項１７に記載の多軸ステージ装置。
（ａ）第２ウエハ移送アームが第２ウエハを第２ウエハチャックの下方に移送すると、前記第２ウエハチャックのピッカーが前記第２ウエハをピックアップして、前記第２ウエハを前記第２ウエハチャックに密着させ、密着した前記第２ウエハを前記第２ウエハチャックがチャッキングするステップと、（ｂ）第１ウエハチャックまたは整列ステージに形成された第１カメラを用いて、前記第２ウエハの位置を確認するステップと、（ｃ）第１駆動装置を用いて前記第１ウエハチャックを大まかに昇降させ、かつ、第１ウエハ移送アームが第１ウエハを前記第１ウエハチャックのリフトピンにローディングし、前記リフトピンを下降させて、前記第１ウエハチャックが前記第１ウエハをチャッキングするステップと、（ｄ）第２ウエハチャックに形成された第２カメラ及び整列ステージを用いて、位置が確認された前記第２ウエハを基準として、前記第１ウエハを第１軸方向、第２軸方向及びシータ軸方向に精密に整列させるステップと、（ｅ）第２駆動装置を用いて前記第１ウエハチャックを精密に昇降させ、かつ、整列された前記第１ウエハと前記第２ウエハをボンディングするステップと、を含む、多軸ステージ装置を用いたウエハボンディング方法。
第２ウエハをチャッキングする第２ウエハチャックと、第１ウエハをチャッキングする第１ウエハチャックと、前記第１ウエハを整列させ、整列された前記第１ウエハを前記第２ウエハにボンディングする多軸ステージ装置と、を含み、前記多軸ステージ装置は、ベース部と、前記ベース部に形成され、前記ベース部を基準として、少なくとも一部分を第１距離だけ第３軸方向に昇降させることができる第１駆動装置と、前記第１駆動装置に形成され、前記第１駆動装置を基準として、少なくとも一部分を第２距離だけ前記第３軸方向に昇降させることができる第２駆動装置と、第１ウエハが前記第１距離と前記第２距離とを合算した距離だけ前記第３軸方向に昇降できるように前記第２駆動装置と連結され、前記第１ウエハをチャッキングした第１ウエハチャックを整列させる整列ステージと、を含み、前記第１駆動装置は、前記第１ウエハを前記第２距離よりも相対的に長い前記第１距離だけ大まかに昇降させることができ、前記第２駆動装置は、前記第１ウエハを前記第１距離よりも相対的に短い前記第２距離だけ精密に昇降させることができ、前記第１駆動装置は、前記ベース部に形成され、ねじ棒を回転させる駆動モータと、前記ねじ棒の回転によってねじ昇降するナット部材が形成される可動フレームと、を含み、前記第２駆動装置は、前記可動フレームに前記ナット部材を中心に等角配置される複数個の第１ボイスコイルモータ（ＶＣＭ；ＶｏｉｃｅＣｏｉｌＭｏｔｏｒ）と、前記第１ボイスコイルモータによって精密に昇降する複数個の可動台と、前記可動台に形成され、多軸自由度を有する複数個のフレクシャジョイント（ＦｌｅｘｕｒｅＪｏｉｎｔ）と、を含み、前記整列ステージは、ステージジグと、一部分が前記ステージジグに固定され、他の部分が前記ステージジグを基準として弾性変形するフレクシャフレームと、前記ステージジグに形成され、前記フレクシャフレームの前記他の部分を弾性変形させる少なくとも１つの第２ボイスコイルモータと、を含む、ウエハボンディング装置。

Description

本発明は、多軸ステージ装置、これを用いたウエハボンディング方法及びウエハボンディング装置に関し、より詳細には、ウエハボンディングの精度を大きく向上させることができるようにする多軸ステージ装置と、これを用いたウエハボンディング方法及びウエハボンディング装置に関する。半導体製造工程は、基板（例：ウエハ）上に半導体素子を製造するための工程であって、例えば、露光、蒸着、エッチング、イオン注入、洗浄などを含むことができる。それぞれの製造工程を行うために、半導体製造工場のクリーンルーム内に各工程を行う半導体製造設備が備えられ、半導体製造設備に投入された基板に対する工程処理が行われ得る。一方、ＨＢＭ（ＨｉｇｈＢａｎｄｗｉｄｔｈＭｅｍｏｒｙ）のように複数個の基板が積層された形態の半導体製品を生産するために、ウエハを互いに貼り合わせるウエハ・ツー・ウエハ（Ｗ２Ｗ；ｗａｆｅｒ－ｔｏ－ｗａｆｅｒ）ボンディング工程が開発されている。このような従来のウエハボンディング工程は、多数のウエハを互いに貼り合わせる工程であって、大別して、ウエハを互いに整列する過程と、ウエハを互いに密着させる過程などを含むことができる。本発明のいくつかの実施例に係る多軸ステージ装置を示す側断面図である。図１の多軸ステージ装置を示す部品分解斜視図である。図２の多軸ステージ装置の整列ステージを示す部品分解斜視図である。図３の整列ステージのフレクシャフレームの他の一例を示す概念図である。図３の整列ステージのフレクシャフレームの更に他の一例を示す概念図である。図１の多軸ステージ装置を用いたウエハボンディング過程を段階的に示す断面図である。図１の多軸ステージ装置を用いたウエハボンディング過程を段階的に示す断面図である。図１の多軸ステージ装置を用いたウエハボンディング過程を段階的に示す断面図である。図１の多軸ステージ装置を用いたウエハボンディング過程を段階的に示す断面図である。図１の多軸ステージ装置を用いたウエハボンディング過程を段階的に示す断面図である。図１の多軸ステージ装置を用いたウエハボンディング過程を段階的に示す断面図である。図１の多軸ステージ装置を用いたウエハボンディング過程を段階的に示す断面図である。図１の多軸ステージ装置を用いたウエハボンディング過程を段階的に示す断面図である。図１の多軸ステージ装置を用いたウエハボンディング過程を段階的に示す断面図である。図１の多軸ステージ装置を用いたウエハボンディング過程を段階的に示す断面図である。図１の多軸ステージ装置を用いたウエハボンディング過程を段階的に示す断面図である。本発明のいくつかの実施例に係る多軸ステージ装置を用いたウエハボンディング方法を示すフローチャートである。以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい様々な実施例を詳細に説明する。本発明の実施例は、当該技術分野における通常の知識を有する者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものであり、下記の実施例は様々な他の形態に変形可能であり、本発明の範囲が下記の実施例に限定されるものではない。むしろ、これらの実施例は、本開示をさらに充実かつ完全にし、当業者に本発明の思想を完全に伝達するために提供されるものである。また、図面において各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張されたものである。本明細書で使用された用語は、特定の実施例を説明するために使用され、本発明を制限するためのものではない。本明細書で使用されたように、単数の形態は、文脈上別の場合を明確に指し示すものでなければ、複数の形態を含むことができる。また、本明細書で使用される場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び／又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、言及した形状、数字、段階、動作、部材、要素及び／又はこれらのグループの存在を特定するものであり、一つ以上の他の形状、数字、動作、部材、要素及び／又はグループの存在又は付加を排除するものではない。以下、本発明の実施例は、本発明の理想的な実施例を概略的に示す図面を参照して説明する。図面において、例えば、製造技術及び／又は公差（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ）によって、図示された形状の変形が予想され得る。したがって、本発明の思想の実施例は、本明細書に示された領域の特定の形状に制限されるものと解釈されてはならず、例えば、製造上招かれる形状の変化を含まなければならない。図１は、本発明のいくつかの実施例に係る多軸ステージ装置１００を示す側断面図であり、図２は、図１の多軸ステージ装置１００を示す部品分解斜視図である。まず、図１及び図２に示されたように、本発明のいくつかの実施例に係る多軸ステージ装置１００は、大別して、ベース部Ｂ、第１駆動装置１０、第２駆動装置２０、及び整列ステージ３０を含むことができる。ベース部Ｂは、例えば、第１駆動装置１０、第２駆動装置２０及び整列ステージ３０を支持し、ウエハボンディング圧力に耐えることができるように十分な強度及び耐久性を有する支持体であって、図面に必ずしも限定されるものではなく、非常に多様な種類及び形状の３次元的な構造物が全て適用可能である。第１駆動装置１０は、例えば、ベース部Ｂ上に形成され、ベース部Ｂを基準として、少なくとも一部分を第１距離Ｌ１（図１２参照）だけ第３軸方向ＩＩＩに昇降させることができる一種の一次的な昇降駆動装置であり得る。ここで、第３軸方向ＩＩＩは、第１軸方向Ｉと第２軸方向ＩＩにわたる平面（水平面）と鉛直な垂直方向であって、例えば、第３軸方向ＩＩＩは、第１ウエハＷ１が昇降する昇降方向であるＺ軸方向であり得る。また、第２軸方向ＩＩは、第１ウエハＷ１がローディングまたはアンローディングされる主方向であるＹ軸方向であり得、第１軸方向Ｉは、第２軸方向ＩＩに鉛直なＸ軸方向であり得る。しかし、このような第１軸方向Ｉ、第２軸方向ＩＩ及び第３軸方向ＩＩＩは、必ずしも図面に限定されるものではなく、互いに鉛直となる全ての方向が適用可能である。第２駆動装置２０は、例えば、第１駆動装置１０上に形成されるものであって、第１駆動装置１０を基準として、少なくとも一部分を第２距離Ｌ２（図１６参照）だけ第３軸方向ＩＩＩに昇降させることができる一種の二次的な昇降駆動装置であり得る。ここで、第１駆動装置１０は、第１ウエハＷ１を第２距離Ｌ２よりも相対的に長い第１距離Ｌ１だけ大まかに昇降させることができるものであって、例えば、ボールスクリュー（ＢａｌｌＳｃｒｅｗ）またはリードスクリュー（ＬｅａｄＳｃｒｅｗ）を用いて、第１ウエハＷ１を概ねマイクロメートルまたはミリメートル単位以上の低精度で昇降させることができる、相対的に低精度の昇降駆動系であり得る。また、第２駆動装置２０は、第１ウエハＷ１を第１距離Ｌ１よりも相対的に短い第２距離Ｌ２だけ精密に昇降させることができるものであって、例えば、第１ボイスコイルモータ（ＶＣＭ；ＶｏｉｃｅＣｏｉｌＭｏｔｏｒ）またはピエゾ（Ｐｉｅｚｏ）素子を用いて、第１ウエハＷ１を概ねナノメートル単位以下の高精度で昇降させることができる、相対的に高精度の昇降駆動系であり得る。ここで、機構的な説明のために、例えば、図面では、第１駆動装置１０の上方に第２駆動装置２０が連結されて形成されるものとして示しているが、逆に、第２駆動装置２０の上方に第１駆動装置１０が連結されて形成されることも可能である。整列ステージ３０は、例えば、第１ウエハＷ１が第１距離Ｌ１と第２距離Ｌ２とを合算した距離だけ第３軸方向ＩＩＩに昇降できるように第２駆動装置２０と連結されるものであって、第１ウエハＷ１をチャッキングした第１ウエハチャックＣ１を整列させる一種の整列装置であり得る。ここで、第１ウエハチャックＣ１は、真空チャックまたは静電チャックがいずれも適用可能である。このような整列ステージ３０は、例えば、第２ボイスコイルモータ３３（図３参照）またはピエゾ（Ｐｉｅｚｏ）素子を用いて、第１ウエハＷ１を第１軸方向Ｉ、第２軸方向ＩＩ及びシータ軸方向Ｒ３に整列させることができる。ここで、シータ軸方向Ｒ３は、第１軸方向Ｉと第２軸方向ＩＩからなる平面において、第３軸方向ＩＩＩを回転軸として回転する方向であり得る。しかし、図面に必ずしも限定されるものではなく、多様な回転方向が全て適用可能である。さらに具体的に例を挙げると、図１及び図２に示されたように、第１駆動装置１０は、ベース部Ｂに形成され、ねじ棒Ｓを回転させる駆動モータ１１と、ねじ棒Ｓの回転によってねじ昇降するナット部材Ｎが形成される可動フレーム１２とを含むことができる。ここで、駆動モータ１１は、例えば、精度を向上させるために、別途の動力伝達装置やアクチュエータなしに、ねじ棒Ｓを直接駆動させるＤＤモータ（ＤｉｒｅｃｔＤｒｉｖｅＭｏｔｏｒ）が適用されてもよい。その他にも、駆動モータ１１は、サーボモータ（ＳｅｒｖｏＭｏｔｏｒ）など非常に多様な形態のモータが全て適用可能である。また、可動フレーム１２は、重心が均一に適用され得るように、中心部分にねじ棒Ｓと螺合されたナット部材Ｎが形成される円板や多角板形状のプレートが適用され得る。したがって、第１駆動装置１０によれば、駆動モータ１１がねじ棒Ｓを正回転または逆回転させると、これによって、ねじ棒Ｓと螺合されたナット部材Ｎが垂直にねじ昇降しながら可動フレーム１２を昇降させることができる。ここで、必要であれば、このような可動フレーム１２は、ガイド棒やレール構造物などのガイド部材を用いて昇降経路が案内されてもよい。第２駆動装置２０は、例えば、図１及び図２に示されたように、可動フレーム１２にナット部材Ｎを中心に等角配置される複数個（図面では４個）の第１ボイスコイルモータ２１（ＶＣＭ；ＶｏｉｃｅＣｏｉｌＭｏｔｏｒ）と、第１ボイスコイルモータ２１によって精密に昇降する複数個（図面では４個）の可動台２２と、可動台２２に形成され、多軸自由度を有する複数個（図面では４個）のフレクシャジョイント２３（ＦｌｅｘｕｒｅＪｏｉｎｔ）とを含むことができる。ここで、第１ボイスコイルモータ２１は、製品の容量を減少させて設置コストを低減すると同時に、設置個数を増やして荷重を分散させることができるように、第１ウエハＷ１が第１回転軸方向Ｒ１または第２回転軸方向Ｒ２に回転できるように、可動フレーム１２にナット部材Ｎを中心に４角にそれぞれ等角配置され得る。しかし、このような第１ボイスコイルモータ２１は、４角配置のみに限定されるものではなく、例えば、３角配置や５角配置や６角配置など、非常に多様な個数が可動フレーム１２にナット部材Ｎを中心に等角配置されてもよい。ここで、第１回転軸方向Ｒ１は、第２軸方向ＩＩ及び第３軸方向ＩＩＩからなる平面において、第１軸方向Ｉを回転軸として回転する方向であり得、第２回転軸方向Ｒ２は、第１軸方向Ｉ及び第３軸方向ＩＩＩからなる平面において、第２軸方向ＩＩを回転軸として回転する方向であり得る。しかし、第１回転軸方向Ｒ１や第２回転軸方向Ｒ２は、図面に必ずしも限定されるものではなく、多様な回転方向が全て適用可能である。ここで、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ；ＶｏｉｃｅＣｏｉｌＭｏｔｏｒ）は、スピーカーの原理を用いた一種のリニアモータ（ＬｉｎｅｒＭｏｔｏｒ）であって、永久磁石の磁界中にあるコイルに流れる電流に比例して非常に精密な直進運動を誘導するモータ装置であり得る。しかし、本発明の第２駆動装置２０は、第１ボイスコイルモータ２１の代わりに、ピエゾ（Ｐｉｅｚｏ）素子を用いたピエゾモータなど、非常に多様な形態の精密モータが全て適用可能である。また、フレクシャジョイント２３（ＦｌｅｘｕｒｅＪｏｉｎｔ）は、ボールジョイントとは異なって、リーフスプリング（ＬｅａｆＳｐｒｉｎｇ）やコイルスプリング（Ｃｏｉｌ