DE10045245A1 - Einrichtung für optische Inspektion einer auf Defekte hin zu prüfenden Oberfläche eines Objekts - Google Patents

Abstract

Einrichtung (1) für optische Inspektion einer Oberfläche eines Objekts (10) mit einer Zeilenkamera (5) und mit einem der Mikroskopoptik (2) zugeordneten Beleuchtungssystem mit lasernaher Strahlung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und auf ein Verfahren zur optischen Inspektion zum Feststel­ len, ob die Oberfläche eines Objekts, insbesondere eines Halbleiter-Wafers, Defekte aufweist.

Im Rahmen der automatischen Fertigung von industriellen Bau­ teilen, insbesondere von Halbleiterbauteilen und/oder von für diese zu verwendenden Halbzeugen, hat eine zuverlässige Qua­ litätskontrolle einen außerordentlich hohen Stellenwert. Zum Beispiel ist dies der Fall bei der Herstellung von Halblei­ terbauelementen und den dort als Halbzeuge zu verwendenden Wafern. Diese Wafer müssen zumindest im Bereich ihrer Ober­ fläche frei sein von nach z. B. einem Sägeprozeß möglicherwei­ se aufgetretenen Muschelausbrüchen und frei sein von auf der Oberfläche oder in dieser vorhandenen Partikeln und derglei­ chen. Wichtig ist, dass für eine derartige Qualitätskontrol­ le, durch z. B. optische Inspektion, zu verwendende Einrich­ tungen und Verfahren möglichst wenig die Fertigungsorganisa­ tion stören und in diese integrierbar sind.

Je nach Größe der Oberfläche eines zu prüfenden Objekts sind bereits Verfahren bekannt. Ein solches ist z. B. eine manuelle Sichtprüfung der Oberfläche des Objekts mit schräg einfallen­ dem Licht, das in Art einer taumelnden Bewegung der Einfalls­ richtung auf diese Oberfläche auffällt. Es kann auch eine vorzugsweise automatisch arbeitende Inspektion mit Hilfe ei­ ner Zeilenkamera ausgeführt werden, wobei über die Oberfläche hinweg diese abgescanned wird. Die Pixelanzahl einer solchen Zeile und die Bildbreite ergeben die erreichbare Pixelauflö­ sung je Zeileneinheit. Das Maß dieser Auflösung liegt typi­ scherweise bei 40 µm.

Bekannt ist auch die automatische Inspektion, bei der mit ei­ ner zweidimensional auflösenden Kamera die zu prüfende Ober­ fläche des Objekts abgescanned wird. Variationen der dabei notwendigerweise angewendeten Beleuchtung der Oberfläche er­ möglichen, unterschiedlich hohe Auflösung zu erreichen. Es ist auch bekannt, mittels eines Strahles mit Laserlicht die Oberfläche eines Objekts derart abzutasten, dass Objekt und Laserstrahl mit hoher Geschwindigkeit relativ zueinander be­ wegt werden.

Das für eine automatische Inspektion von Waferoberflächen noch als aussichtsreichst angesehene Verfahren des Standes der Technik ist die Inspektion mit einer zweidimensional auf­ lösenden Kamera.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine speziell für Fertigungsprozesse verwendbare, ausreichend schnell und zu­ verlässig arbeitende Einrichtung anzugeben, mit der die zu prüfende Oberfläche eines Objekts mit ausreichend hoher Auf­ lösung zu prüfen ist. Insbesondere soll die als Lösung der Aufgabe anzugebende Einrichtung derart aufgebaut sein, dass die zeitlichen Intervalle zwischen notwendigerweise durchzu­ führenden Überprüfungen und Wartungsarbeiten sowie eventuel­ len Neu- oder Nachjustierungen möglichst groß sind, dass da­ durch bedingte Unterbrechungen des fortlaufenden Fertigungs­ prozesses der z. B. Halbleiterbauteile möglichst selten hinzu­ nehmen sind.

Die Lösung dieser Aufgabe gewährleistet eine Einrichtung ge­ mäß der Lehre des Patentanspruches 1 sowie das Betriebsver­ fahren einer solchen Einrichtung. Weiterbildungen dieser Leh­ re gehen aus den jeweiligen Unteransprüchen hervor.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur opti­ schen Inspektion einer auf Defekte hin zu überprüfenden Ober­ fläche eines Objekts, z. B. einer Waferscheibe, eine solche Einrichtung besonders geeignet ist, mit der diese Oberfläche zeilenweise, zeitgleich einzeilig oder auch mehrzeilig mit­ tels einer entsprechenden, an sich bekannten Zeilenkamera ab­ gescanned wird. Eine solche Zeilenkamera ist hier ein Anteil eines Messkopfes mit dazu einer Mikroskop-Optik, diese ange­ ordnet zwischen der Kamera und dem Objekt. Ein Positionie­ rungssystem dient zur Ausführung wahlweiser Bewegungen von Objekt und Messkopf relativ zueinander. Hinzu kommt ein be­ sonders ausgestaltetes Beleuchtungssystem. Dieses Beleuch­ tungssystem ist für wahlweise Hellfeld-, Dunkelfeld- und/oder Durchlicht-Betrieb angepaßt ausgeführt und in der erfindungs­ gemäßen Einrichtung an jeweils vorzugebender Stelle justier­ bar angeordnet.

Hervorzuheben ist bei der erfindungsgemäßen Einrichtung, dass ihr Beleuchtungssystem in besonderer Weise ausgebildet ist.

Im Stand der Technik sind Beleuchtungssysteme mit, nämlich wegen der erforderlich hohen Intensität der Beleuchtung, Ha­ logenlampen verwendet worden. Diese haben aber eine relativ kurze Lebensdauer. Sie müssen daher von Zeit zu Zeit ersetzt werden. Wegen der hohen Genauigkeitsanforderungen ist bloßes Auswechseln der Halogenlampen unzureichend, denn zwangsläufig sind damit zeitraubende Nachjustierungen erforderlich, die dementsprechend den Ablauf von Fertigungsprozessen stören. Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Beleuchtungssystem vorgesehen, das als Lichtquelle wenigstens eine Licht­ emittierende Halbleiterdiode hat. Diese ist jedoch so ausge­ bildet und betrieben, dass sie lasernahes Licht aussendet. Lasernahes Licht ist definitionsgemäß solches Licht, dessen spektrale Verteilung innerhalb eines engen Wellenlängenberei­ ches Δλ = +/- 1/20 λ liegt, mit λ gleich der Wellenlänge des Lichts. Der Austrittswinkel der Strahlung aus der Lichtaus­ trittsfläche des Halbleiterkörpers der Halbleiterdiode liegt in einem Bereich kleiner/gleich +/- 10°, wobei der Wert der Lichtintensität an den Grenzen des Austrittswinkels gleich der halben Intensität des Intensitätsmaximums in der Mitte des Austrittsstrahls ist. Dieses lasernahe Licht ist somit Licht, das in einem Anregungsbereich liegt, der schon nahe dem Bereich der stimulierten Emission der Laserstrahlungser­ zeugung liegt. Im Fall mehrerer Halbleiterdioden in der Lichtquelle des Beleuchtungssystems der Erfindung sind diese Dioden in einem sich wenigstens eindimensional erstreckenden Array angeordnet, können also in einer Linie oder über eine Fläche hinweg verteilt als Array angeordnet sein. Wie schon angedeutet, hat ein solches Beleuchtungssystem eine Betriebs­ dauer von mindestens mehreren Tausend Stunden, so dass die obenerwähnten Wartungsintervalle, gemessen an sonstigen War­ tungsintervallen einer Produktionseinrichtung praktisch keine Rolle mehr spielen und deshalb zeitliche Ausfälle auch wegen erforderlicher Justierungen entfallen.

Das erfindungsgemäß verwendete Beleuchtungssystem kann für Hellfeld-, Dunkelfeld- und auch für Durchlicht-Betrieb des für die optische Abbildung verwendeten Mikroskops benutzt werden. In der Einrichtung können ein oder mehrere mit Halb­ leiterdiode mit lasernahem Licht ausgerüstete Beleuchtungs­ systeme vorgesehen und angeordnet sein. Mit dem erfindungsge­ mäß vorgesehenen Beleuchtungssystem können alle klassischen Beleuchtungsaufbauten und -arten realisiert werden. Hierzu sei auf die Erläuterungen zu weiteren Ausführungsformen und die Fig. 1 verwiesen.

Vorzugsweise ist die Mikroskop-Optik der Einrichtung mit ins­ besondere in Revolverkopfanordnung vorgesehenen Objektiven ausgerüstet. Wie bekannt können diese Objektive durch Drehen des Revolverkopfes in den Strahlengang des Mikroskops einge­ schwenkt werden. Für die bekannte Hell- und Dunkelfeld- Beleuchtung durch das Mikroskop hindurch enthält dieses einen wie bekannten Strahlteiler. Wie ebenfalls bekannt, wird Hell­ feld-Beleuchtung mit Hilfe des im Mikroskop vorhandenen Strahlteilers bei mit der optischen Achse des Mikroskops ko­ axialer Ausrichtung der Beleuchtungsstrahlung erreicht. Bei außeraxialem Verlauf der Beleuchtungsstrahlung im Mikroskop ergibt dies die bekannte Dunkelfeld-Beleuchtung. Additiv und oder alternativ kann auch außerhalb des Mikroskops schräge Beleuchtung mittels eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssys­ tems vorgesehen sein, nämlich in einem, bezogen auf das Mik­ roskop, von dessen optischer Achse abweichenden Einstrahl­ winkel direkt auf die zu prüfende Stelle der Oberfläche des Objekts. Dies ergibt bekanntermaßen eine Dunkelfeld- Beleuchtung für den Mikroskopbetrieb.

Beleuchtung gemäß dem Durchlicht-Verfahren erfolgt in wie an sich bekannter Weise.

Die Beleuchtungsintensität des erfindungsgemäßen Beleuch­ tungssystems kann steuerbar eingestellt werden. Insbesondere kann Regelung der Konstanz der Lichtintensität vorgesehen sein. Die Intensität kann bei vorgesehenen mehreren Licht e­ mittierenden Halbleiterdioden durch geregelten Diodenstrom erreicht werden. Insbesondere läßt sich durch Einschalten einzelner oder einzelner Gruppen von Halbleiterdioden des Be­ leuchtungssystems der Lichteinstrahlwinkel innerhalb der durch den Aufbau des Beleuchtungssystems gegebenen Grenzen schaltbar variieren. Es können z. B. zeilenweise Halbleiterdi­ oden eines mehrzeiligen Arrays ein- und ausgeschaltet werden, wodurch innerhalb des Beleuchtungssystems eine Änderung des Winkels des in diesem System verlaufenden Strahlenganges auf­ tritt und entsprechend genutzt werden kann.

Fig. 1 zeigt in Prinzipdarstellung den Aufbau einer erfin­ dungsgemäßen Einrichtung.

Fig. 2 zeigt auf eine Ebene projiziert den Strahlenverlauf, ausgehend von dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem auf die Oberfläche des Objekts auf der Projektionsebene und wei­ ter in die Zeilenkamera.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist in Fig. 1 mit 1 be­ zeichnet. Sie umfaßt mit 2 bezeichnet das Mikroskop mit sei­ ner Mikroskopoptik. Es kann dies ein Mikroskop des Standes der Technik sein. In dem Mikroskop 2 ist ein wie bekannter Stahlteiler 3 vorhanden. Mit 40 ist ein Beleuchtungssystem der Art der Erfindung bezeichnet. Mit 41 bis 43 sind weitere fakultativ (z. B. auch anstelle des Systems 40) vorgesehene Beleuchtungssysteme nach Art der Erfindung bezeichnet. Mit 5 ist eine Zeilenkamera, mit 6 eine Auswerteeinrichtung und mit 7 ein Positioniersystem jeweils hier beschriebener Art und z. B. nach Art des Standes der Technik bezeichnet. Vorzugswei­ se umfaßt das Mikroskop 2 auch mehrere Objektive in einem Re­ volverkopf 21 nach Art des Standes der Technik. Die vom Be­ leuchtungssystem 40 ausgesandte lasernahe Strahlung 140 tritt seitlich in das Mikroskop 2 ein und wird im Strahlenteiler 3 parallel zum abbildenden Strahlengang des Mikroskops auf die Oberfläche des Objekts 10 abgelenkt. Dies entspricht der be­ kannten Hellfeld-Beleuchtung. Dunkelfeld-Beleuchtung, vor­ zugsweise hellfeldnahe Dunkelfeldbeleuchtung, wird erreicht, wenn diese im Strahlteiler 3 abgelenkte Strahlung 140 im Win­ kel zur Achse 100 der Optik des Mikroskops auf die zu prüfen­ de Oberfläche des Objekts 10 auftreffen. Mit den Beleuch­ tungssystemen 41 bis 43, deren emittiert lasernahe Strahlun­ gen 141 bis 143 schräg, und zwar wie ersichtlich in verschie­ denen wahlweisen Winkeln auf die Oberfläche des Objekts 10 auftreffen, kann ebenfalls Dunkelfeld-Beleuchtung für das Ar­ beiten mit dem Mikroskop 2 bewirkt werden. Mit 144 ist die lasernahe Strahlung des für Durchlicht-Arbeiten vorgesehenen Beleuchtungssystems 44 bezeichnet. Bei, bezogen auf die Achse 100 des Mikroskops 2 schrägem Einfall (nicht dargestellt) dieser Strahlung 144 ist wiederum Dunkelfeld-Beleuchtung des Objekts bewirkt. Für das Arbeiten mit Durchlicht ist eine solche Lichtwellenlänge, z. B. im Infrarot-Bereich, zu wählen, für die das Objekt wenigstens weitgehend lichtdurchlässig ist.

Die Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäß vorgesehene und ausges­ taltete Beleuchtungssystem 40. Um eine wie für die Erfindung vorgesehene ein- bzw. parallel mehrzeilige Beleuchtung der mit der Darstellungsebene zusammenfallenden Oberfläche des Objekts 10 zu erreichen, ist eine an sich bekannte zylind­ risch-optische Einrichtung bzw. Linse 20 vorgesehen. Diese weitet die aus dem Beleuchtungssystem austretende Strahlung 140 zu der dargestellten und beschriebenen beleuchteten Zeile 240 auf. Mit einem entsprechenden optischen Linsensystem 120 kann auch ein zweidimensionales Array angeordneter strahlen­ der Halbleiterdioden zu einer beleuchteten Zeile 240 auf dem Objekt 10 optische abgebildet werden. Bei (mittels des Posi­ tionierungssystems 7 auszuführenden, fortlaufenden) Verschie­ bens, angedeutet durch den Doppelpfeil 17 des Objekts 10 ge­ genüber dem Ort der z. B. linienförmigen Zeile 240 der Strah­ lung 140 des Beleuchtungssystems 40 erfolgt ein Abscannen der in der Fig. 2 angedeuteten Oberfläche des Objekts 10. Mit L ist die Länge der beleuchteten Zeile bezeichnet, die gleich der Breite des augenblicklich mit der erfindungsgemäßen Ein­ richtung überprüften Oberflächenanteils des Objekts 10 ist.

Mit 340 ist die Licht- bzw. Strahlungs-emittierende Halblei­ terdiode des jeweiligen Beleuchtungssystems bezeichnet. Diese Halbleiterdiode wird durch entsprechend bemessene Stromspei­ sung so betrieben, dass sie im angegebenen, bzw. oben defi­ nierten, Bereich der Emission laser-naher Strahlung arbeitet. Damit ist bereits eine extrem starke Bündelung der emittier­ ten Strahlung erreicht, aber noch das Auftreten eines Granu­ lationseffekts im Beleuchtungsfeld der Strahlung vermieden, nämlich wie dies infolge Auftretens von Interferenzen inner­ halb echter kohärenter Laserstrahlung der Fall ist. Die bei der Erfindung benutzte laser-nahe Emission ist eine in sich noch inkohärente Lichtstrahlung.

Die Auswertung des von der Kamera 5 jeweils aufgenommenen Bildes erfolgt in der Auswerteeinrichtung 6 nach an sich be­ kanntem Prinzip. Die zu verwendende Kamera ist vorzugsweise eine CCD-Zeilenkamera.

Mit Hilfe der erfindungsgemäß vorgesehenen Laserbeleuchtung bzw. Laser-nahen Beleuchtung wird somit eine Lichtlinie oder werden fakultativ mehrere nahe beieinander liegende parallele Lichtlinien auf der Oberfläche des Objekts 10 erzeugt. Eine solche Lichtlinie kann in der Praxis bis zu L = 300 mm lang sein, nämlich z. B. für Makroinspektion. Für mikroskopische Aufnahmen empfiehlt es sich, diese Länge der Lichtlinie nur auf wenige Millimeter zu bemessen. Insbesondere wegen der we­ nigstens Laser-nahen Eigenschaft, scharfe Bündelung in Rich­ tung der Breite b der Zeile 240, des erfindungsgemäß verwen­ deten Lichtes der Beleuchtungssysteme 40 bis 44 kann erreicht werden, dass die -Breite der Lichtlinie, dieses Maß ist für die Auflösung wichtig, kleiner als . . . bemessen werden kann.

Vorzugsweise ist für eine erfindungsgemäße Einrichtung ein Positioniersystem für die Kamera, insbesondere für eine ver­ wendete eindimensional aufnehmende Zeilenkamera, vorgesehen.

Eine wie hier zu verwendende Zeilen-Kamera kann z. B. eine solche mit einem eindimensionalen CCD-Array sein.

Claims (9)

1. Einrichtung (1) für optische Inspektion einer auf Defekte hin zu prüfenden Oberfläche eines Objektes (10) mit einer Ka­ mera (5) mit wenigstens einer optisch bildaufnehmenden Zeile, einer Mikroskop-Optik (2), angeordnet zwischen der Kamera (5) und dem Objekt (10),
einem Positionierungssystem (7) zur Positionierung des Ob­ jekts (10) und zur Ausführung wahlweiser Bewegung (17) rela­ tiv zueinander von Objekt (10) und Mikroskop-Optik (2) zwecks Scannens der Oberfläche des Objekts (10) und
wenigstens einem Beleuchtungssystem (40-44), das für vor­ gebbar Hellfeld-, Dunkelfeld- und/oder Durchlicht-Betrieb in der Einrichtung (1) justierbar angeordnet ist, wobei ein solche Beleuchtungssystem (40-44) so ausgebildet und derart justierbar angeordnet ist, dass mit diesem ein we­ nigstens eine Zeile umfassendes Flächenelement (L × b) auf der Oberfläche des wahlweise positionierbaren (17) Objekts (10) zu beleuchten ist
und wobei das Beleuchtungssystem (40-44) eine Lichtquelle zur Aussendung einer Strahlung (140-144) mit wenigstens la­ sernahem Licht ist, wobei die dieses Licht erzeugende Quelle wenigstens eine in dem Beleuchtungssystem angeordnete Licht emittierende Halbleiterdiode (340) ist, wobei mehrere solcher Halbleiterdioden in einem sich wenigstens eindimensional erstreckenden Array zueinander positioniert angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliges Beleuchtungssystem (40-44) für Hell­ feld-, Dunkelfeld- und/oder Durchlicht-Mikroskopbetrachtung in dazu ausgewählt angepaßtem Winkel zur optischen Achse (100) des Mikroskops (2) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) mit mehreren unterschiedlich ausge­ richteten Beleuchtungssystemen (40-44) ausgerüstet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop (2) mehrere Objektive (21) hat, die an ei­ nem Revolverkopf angeordnet sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für Konstanz der Lichtintensität der Beleuchtung eine Regelung des Speisestroms des/der Beleuchtungssysteme (40-44) vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Positioniersystem für die Kamera (2) vorgesehen ist.

7. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Wechsel zwischen Hellfeld-, Dunkelfeld- und/oder Durchlicht-Betrieb das jeweilige Beleuchtungssystem (41-44) aktiviert wird.

8. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswahl jeweils eines der vorgesehenen Beleuch­ tungssysteme (40-44) der Lichteinstrahlwinkel eingestellt wird.

9. Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Hell- oder Dunkelfeld-Betrieb mittels Beleuchtung durch den Strahlteiler (3) im Mikroskop (2) hindurch bewirkt wird.